KR20120093387A

KR20120093387A - 교정 방법 및 각도 측정 장치를 위한 각도 측정 방법, 및 각도 측정 장치

Info

Publication number: KR20120093387A
Application number: KR1020127015821A
Authority: KR
Inventors: 하인츠 리푸너; 우르스 보킹거; 크누트 지에르크스
Original assignee: 라이카 게오시스템스 아게
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-08-22
Also published as: WO2011064317A3; WO2011064317A2; CN102686982A; CN102686982B; EP2504666A2; US9341500B2; EP2504666B1; AU2010323118B2; KR101463236B1; US20120222465A1; CA2780584A1; CA2780584C; AU2010323118A1

Abstract

본 발명은 절대 위치 코드를 보유하는 코드 캐리어(2) 및 적어도 2개의 판독 헤드들(1a, 1b)을 가진 각도 측정 장치를 위한 참조 시스템 없이 실행될 수 있는 교정 방법에 관한 것으로서, 적어도 2개의 판독 헤드들(1a, 1b)은 서로에 대해 특히 50도 이상의 각도 거리에 고정되고 알려진 각도 위치(4)를 포함하고, 특히 인접한 판독 헤드들(1a,1b,1c,1d) 사이의 각도 거리들 중 적어도 하나는 다른 각도 거리들과 다르고, 각각은 각각의 판독 헤드의 절대 각도 위치값이 코드 캐리어에 대해 결정될 수 있도록 적어도 부분적으로 위치 코드를 검출하고, 코드 캐리어는 판독 헤드들에 대해 회전(3)될 수 있고, 따라서 판독 헤드들에 대한 코드 캐리어의 상이한 각도 위치들이 캡쳐될 수 있고, 교정 방법은 판독 헤드들(1a, 1b)의 각도 위치들을 결정하는 단계; 판독 헤드들의 각도 위치값들의 차를 서로에 대한 판독 헤드들(1a, 1b)의 알려진 각도 위치(4)와 비교하여 각도 에러를 결정하는 단계; 복수의 변하는 각도 설정들에 대한 각도 에러 및 각도 위치값들의 결정을 반복하는 단계, 및 수학적 분석 방법을 수행하는 단계를 포함하고, 수학적 분석 방법은 각도 에러를 정량화하는 수학적 함수의 파라미터들을 결정하는 단계, 및 정량화 수학적 함수의 파라미터들로서 또는 이 파라미터들로부터 유도된 보정 또는 코드 테이블로서 교정 파라미터들을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

교정 방법 및 각도 측정 장치를 위한 각도 측정 방법, 및 각도 측정 장치{Calibration method and angle measuring method for an angle measuring device, and angle measuring device}

본 발명은 각각 청구항 1 및 청구항 11의 전제부에 따른 교정 방법 및 각도 측정 장치를 위한 각도 측정 방법에 관한 것이고, 상기 방법들을 실행하기 위한 청구항 15의 전제부에 따른 컴퓨터 프로그램 제품 및 청구항 14의 전제부에 따른 각도 측정 장치에 관한 것이고, 이것의 도움으로 다수의 계통적 측정 에러들(systematic measurement errors)이 보상될 수 있다.

각도 측정 시스템들은 수년 동안 아주 다양한 실시예들로 알려져 왔다. 이들은 기계 및 플랜트 공학에 채용되고 마찬가지로 다양한 측정 장치들, 예를 들어 측지 장치들(geodetic devices), 좌표 측정 장치들 또는 로봇들에 채용된다. 이들이 채용될 때, 발생하는 목표는 각도 편차 또는 그로부터 유도되는 대응하는 변수들, 예를 들어 자유도 1로 서로에 대해 회전 가능한 2개의 서브시스템들 사이에서, 예를 들어 속도 또는 가속도를 결정하는 것이다.

예로서, 이와 같은 각도 측정 장치들은 좌표 측정 장치들, 예를 들어 예컨대 개개의 관절들에서 각도 위치들을 결정하기 위한 관절 아암들에 사용되고, 그로부터 아암의 단부에 끼워맞춰진 감지 요소의 공간 위치가 이어서 계산된다.

이와 같은 각도 측정 장치들은 또한 측지 측정 장치들, 예를 들어 아주 다양한 측정 임무들, 예컨대 예를 들어 수평 및 수직 각도들의 결정을 실행하는 데 사용되는 예컨대 경위의(theodolite)에 통합된다.

이와 같은 각도 측정 장치들은 마찬가지로 기계 구성요소들, 예컨대 드라이브들, 피봇팅 헤드들, 스로틀 밸브들, 회전 테이블들 등의 위치들을 검출하기 위한 플랜트들 및 기계들에서 발견될 수 있다. 이 경우에 검출된 위치들은 측정 목적들을 위한 또는 위치 제어 루프를 갖는 드라이브에 의한 구성요소들의 위치결정을 위한 위치값들로서 이용될 수 있다.

각도 측정 시스템은 자유도 1로 서로에 대해 이동 가능한 2개의 서브시스템들로 구성된다. 제1 서브시스템은 제2 서브시스템에 끼워맞춰진 판독 헤드에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 검출되는 위치 코드를 보유한다. 그러므로, 판독 헤드의 신호들을 평가함으로써, 평가 유닛은 서로에 대해 2개의 서브시스템들의 위치를 결정할 수 있다. 만약 위치 코드가 절대 코드이면, 서로에 대한 2개의 서브시스템들의 모호하지 않은 각도 위치값이 적어도 섹션들에서 결정될 수 있다. 이 경우에, 위치 코드를 각도 위치값으로 변환하기 위한 코드 테이블이 종종 사용된다.

오늘날 이용 가능한 다수의 각도 측정 장치들은, 예를 들어 개개의 각도 위치값들을 평균화함으로써 예를 들어 비계통 에러들, 예를 들어 신호 노이즈를 감소시킴으로써 각도 위치값을 증가된 측정 정밀도로 결정하기 위한 복수의 판독 헤드들을 포함한다. 다른 응용들에서, 복수의 판독 헤드들은 또한 리던던시(redundancy)에 의한 오류 측정들을 회피하기 위해 이용될 수 있다.

발생하는 다수의 에러들의 계통 특성으로 인해, 후자는 이와 같은 평균화에 의해 충분히 보정되지 않는다. 특히 완전 회전에 대한 하모닉인 에러들, 특히 예를 들어 편심, 베어링 에러들, 코드 분할 에러들 들의 결과로서 로터리 인코더들의 경우에 일어나는 저차 하모닉 에러들은 실제로 종종 전체 에러의 많은 부분을 구성한다. 그러므로, 특히 이들을 검출하고 그에 대응하여 측정값을 보정하는 것에 관심이 있다. 각도 측정 장치를 교정하기 위한 매우 다양한 가능성들이 이러한 목적을 위해 알려져 있다.

고정밀 각도 측정 장치들의 교정은 정밀도가 교정될 시험 표본의 것보다 상당히 높아야 하는 극히 높은 정밀도 교정 장치들을 필요로 한다. 그러므로, 이와 같은 장치들은 오히려 제조하기 복잡해지고 그러므로 비용 집약적이다. 교정 프로세스는 종종 또한 시간 및 노동의 매우 높은 지출과 연관된다. 그러므로, 가능한 이러한 프로세스를 자동화하려 노력하고 고가의 장치들을 배제하여 노력한다.

그러므로, 공보 EP 0 440 833 B1은 이산 재귀적 알고리즘(discrete recursive calculation)에 기초하여, 계통 에러들이 검출되고 복수의 판독 헤드들의 도움으로 보정되는 각도 측정 장치를 기술한다. 이 경우에, 전체 측정 범위에 걸쳐 에러들의 완전한 보정을 위해, 증분 인코딩으로 인해, 다수의 판독 헤드들이 또한 필요로 되고 또는 외부적으로 알려진 위치들을 미리 규정하는 외부 참조 시스템을 채용할 필요가 있다. 실제로, 이와 같은 재귀적 계산은, 에러 전파 및 언제나 존재하는 노이즈 성분들로 인해, 또한 곧 달성 가능한 정밀도와 관련하여 한계들에 부딪힌다.

DE 11 2006 003 663 T5는 360°의 전체 측정 범위에 걸쳐 로터리 인코더의 하모닉 에러들을 기술하고 보정하는 데 특히 적합한, 푸리에 급수에서 각 에러들의 전개(expansion)를 개시한다. 고차 하모닉 각도 에러들은 그 경우에 사용되는 개개의, 분할된 판독 헤드로 정확하게 결정될 수 있다. 분할된 판독 헤드에 의해 커버되는 작은 각도는 로우 하모닉들을 정밀하게 결정하기 위해 사용되는 푸리에 분석의 경우에 불충분하므로, 이들 저차 에러들 또한 정확하게 결정 가능하다는 것이 서로에 대한 서브시스템들의 미리 결정된 외부 위치결정을 이용하여 이루어진다. 예로서, 푸리에 분해에 의해 제1 하모닉을 결정하기 위해, 가능한 한 반대 위치들에서의 측정들이 유리한데, 그 이유는 상기 제1 하모닉이 높은 비율로 그러므로 또한 대응하여 양호한 신호 대 잡음비로 결정될 수 있기 때문이다(이하의 식 1 참조). 그러나, 이러한 목적을 위해, 외부 참조가 상기 개시 내용에 필요하고, 외부 참조는 또한 로우 하모닉을 충분한 정밀도로 결정할 수 있게 하기 위해 미리 정해진 위치들에 인코더를 위치시킨다.

문헌 EP 1 944 582 A1은 4개의 광학 검출기 요소들로 구성된 검출기 장치를 갖는 각도 측정 장치에서 편심성(eccentricity)에 영향을 미치는 적어도 하나의 영향을 주는 변수를 결정하기 위해, 검출기 장치 위에 적어도 부분적으로 상이 맺히는, 패턴 중심 주위에 배열된 다수의 패턴 요소들을 갖는 회전 가능한 회전체는 위치들을 분해하고 검출기 장치의 검출기 중심에 대해 패턴 중심의 편심성을 결정한다. 그 경우에 사용되는 4개의 검출기들의 배열은 회전체의 둘레를 따라 검출기들의 균일한 분할을 갖는 대칭이고, 그 결과 예를 들어 제4 하모닉은 결정될 수 없다.

문헌 DE 103 57 602 A1은 마찬가지로, 교정 프로세스 중, 외부에서 미리 결정된 각도 위치들에서, 측정값과 외부에서 미리 결정된 각도 위치 사이의 차가 푸리에 급수로 결정되고 전개되는 각도 센서를 기술한다. 급수 계수들은 저장되고 상기 계수들은, 일단 이들이 저장되면, 측정값들을 보정하기 위해 그때부터 사용된다. 그 경우에, 또한, 교정(calibration)이 단지 외부 참조의 도움으로 가능한다.

츠카사 와다나베(Tsukasa Watanbe) 등에 의한, 2005년 물리학회지, 시리즈 13의 240-245면에 공개된 논문 "자기 교정 로터리 인코더(Self Calibrating Rotary Encoder)"는 둘레에 등거리로 배열된 복수의 판독 헤드들에 의해 동작하는 자기-교정 로터리 인코더를 기술한다.

저널 "측정 과학 및 기술(Measurement Science and Technology)" 주제19, 2008에서, 알. 프로브스트(R. Probst)는 논문 "소인수 알고리즘에 기초한 분할 원들의 자기-교정(Self-calibration of divided circles on the basis of a prime factor algorithm)"에 이산 푸리에 변환을 위한 소인수 분해(prime factor decomposition)를 이용한 분할 원들의 자기 교정을 기술한다.

알려진 방법들에 대한 유리한 것은 특히 저차 하모닉 에러들의 에러 보정이 각도 측정 시스템의 외부에서 미리 규정된 위치결정의 도움으로만 충분한 정밀도로 결정될 수 있다는 것이다. 그 결과, 이들 에러들을 감소시키기 위한 교정이 외부 도움들로만 가능하다. 이것은 특히 각도 측정 장치가 디바이스에 내장된 후의 교정을 상당히 복잡하게 한다.

더욱이, 예를 들어 변화하는 주변 조건들 또는 충격 및 임팩트 스트레스들과 같은 에러의 잠재적 소스들에 대해 반응할 수 있도록 하기 위해, 완성된 디바이스의 새로운 교정을 위한 단순한 가능성이 또한 없는 데, 그 이유는 디바이스에 내장된 센서의 고정밀 외부 위치결정이 종종 곤란하고 또는 심지어 불가능하기 때문이다.

그러므로, 이러한 배경에 대해, 발생하는 일반적인 목적은 교정의 결과로서 존재하는 에러들을 보상하여 각도 측정 시스템의 각도 정밀도를 개선하는 것이다.

그러므로, 하나의 특정 목적은 개선된 에러 보상을 가진 교정 방법을 제공하는 것이다.

특히, 본 발명의 목적은 참조 시스템 없이 동작하고 교정이 어떠한 외부 도움들 및 각도 사전규정 없이 행해질 수 있는 교정 방법을 제공하는 것이다. 그러므로, 이와 같은 교정 방법이 갖추어진 각도 측정 시스템은 복잡한 교정 유닛 없이 언제라도, 자신에 의해 교정되는 가능성을 제공한다. 참조 시스템이 없고 그리고 외부 도움들이 없는 이와 같은 교정은 또한 이하 자기-교정을 가리킨다.

이 경우에, 본 발명의 하나의 특정 목적은 또한, 특히 각도 측정 장치들의 경우에, 완전 회전에 대해 하모닉인 저차 에러의 형태로 종종 발생하는 특히 각도 측정 시스템의 가장 우세한 에러들에 대해 고정밀도로 에러 보정을 달성하는 것이다.

이 경우에, 더욱이, 가장 적은 가능한 판독 헤드들이 또한 각도 측정 시스템의 가격들, 복잡성 및 에러 민감성을 떨어뜨리기 위해 사용되어야 한다.

특히 모바일 사용의 경우에, 각도 측정 시스템의 에너지 요건은 또한 예를 들어 배터리로 동작되는 측지 측량 장치의 긴 동작 시간을 보장할 수 있도록 하기 위해, 가능한 한 낮게 유지되어야 한다. 그러므로, 가장 적은 가능한 판독 헤드들 및 가능한 한 비계산 집약적 보정 알고리즘(non-computationally intensive correction algorithm)을 사용하는 것이 다른 목적이다. 적은 수의 판독 헤드들 및 단순한 보정 방법은 추가로 측정 시스템의 더 높은 평가 속도를 가능하게 하고 따라서 사용자에 대한 더 짧은 측정 시간의 이점을 가능하게 한다.

이들 목적들은 독립 청구항들의 특징지워진 특징들의 실현에 의해 달성된다. 대안의 또는 유리한 방식으로 본 발명을 발전시키는 특징들은 종속 특허 청구항들로부터 수집될 수 있다.

본 발명에 따른 각도 측정 장치는 절대 위치를 결정하는 복수의 판독 헤드들의 발명 및 에러 계수들을 결정하기 위한 관련 방법 및 에러 계수들에 기초하여 측정값을 보정하기 위한 방법에 따른 결합(arrangement)에 의해 상기 목적들을 달성한다.

이 경우에, 판독 헤드들 및 절대 인코딩의 대응하는 결합에 의해, 하모닉 에러들, 특히 종종 우세한 저차 하모닉 에러들의 정밀한 결정은 각도 측정 시스템 자체에 의해서만 가능하게 된다. 결정된 이들 에러들은 이어서 측정값을 결정할 때 기술된 보정 방법에 기초하여 고려될 수 있고 따라서 보정된 측정값은 추가의 처리를 위해 출력될 수 있다.

하모닉 에러들은 예를 들어 장착 중의 편심들, 불량한 스토리지, 경사 장착, 코드 디스크의 분할 에러들, 코드 디스크의 와블링(wobbling), 열적 또는 기계적 왜곡(warpage), 코드 디스크의 오정렬(misalignment), 노화 현상(aging phenomena) 및 다른 환경들에 기인할 수 있다.

실제로, 예를 들어 10차 또는 15차까지의 저차 하모닉들이 종종 이 경우에 비례적으로 우세하다. 그러므로, 특히 가능한 한 정밀하게 이들 하모닉들을 검출할 필요가 있는 것으로 간주되는 데, 그 이유는 이들이 전체 에러의 가장 많은 부분을 구성하기 때문이다. 각도 센서들의 경우에 있어서, 이 경우에 특히 적어도 8차까지의 하모닉들로서의 우세한 각도 에러들은 상당한 에러 부분을 공급하고, 그러므로 고정밀도로, 적어도 최소한 25%의 신호 대 잡음비로 정량화 수학 함수(qualifying mathematical function) 또는 급수(series)에 포함되어야 한다.

사용된 각도 측정 시스템은 자유도 1로 서로에 대해 이동 가능한 적어도 2개의 서브시스템들로 구성된다. 이 경우에, 상기 서브시스템들 중 제1의 서브시스템은 위치 코드를 보유하고, 제2 서브시스템에는 위치 코드 또는 이들의 일부를 검출하기 위한 적어도 2개의 판독 헤드들이 갖추어 진다. 대안으로, 서로 접속되고 각각 하나 이상의 판독 헤드들을 가진 복수의 서브시스템들이 또한 존재할 수 있다. 어떤 경우에는, 판독 헤드들의 배열 또는 설계는 적어도 2개의 상이한 각도 위치들에서 위치 코드를 검출하기 적합해야 한다.

적어도 2개의 판독 헤드들은 고정되고, 알려진 각도 거리에서 서로에 대해 상대적으로 맞춰진다. 각도 위치들은 2개의 인접한 판독 헤드들 사이의 각도 거리들 중 적어도 하나가 나머지 각도 거리들과는 다른 방식으로 선택되고, 특히 판독 헤드들은 서로에 대해 50도 이상의 각도 거리들을 가질 수 있다.

기다란 또는 2차원 센서를 가진 판독 헤드는, 만약 후자에 의해, 특히 위치 코드가 적어도 50도의 각도만큼 서로에 대해 떨어져 있는 적어도 2개의 각도 위치들에서 본 발명에 따라 판독될 수 있다면, 마찬가지로 사용될 수 있다. 그 결과, 본원에 기재된 2개 이상의 판독 헤드들은 예를 들어 또한 본 발명의 목적들을 위해 개개의 물리적 판독 헤드에 의해 실현될 수 있다.

위치 코드는 절대 위치 코드이고, 이로부터 코드 캐리어의 둘레에서 판독 헤드의 절대 각도 위치를 결정하는 것이 가능하다. 코드 디스크로서의 실시예와 함께, 코드 캐리어를 가진 로터리 인코더들이 또한 알려져 있고, 여기서 각도 분할은 감긴 테이프들 위에 맞춰지고 위치 코드는 상기 테이프로부터 판독된다.

코드 캐리어의 인코딩은 예를 들어 직렬의 절대 인코딩(예컨대 최대 시퀀스를 가진)을 가진 하나의 코드 트랙 또는 복수의 코드 트랙들의 형태로 구현될 수 있고, 복수의 코드 트랙들에 기초하여 위치는 절대적으로 결정될 수 있다(예컨대 2진 위치 인코딩을 나타내는 더 많은 평행 코드 트랙들을 갖는). 또한 중재 상대 인코딩에 의해 보완되는 단지 부분적으로 구현되는 절대 인코딩을 사용하는 것이 단지 가능하다.

판독 헤드들이 위치 코드를 검출하는 각도 위치들은 하모닉들의 결정가능성에 직접 영향을 준다. 이하에 Δ로 나타낸, 판독 헤드들 간의 각도 거리에 의존하여, 하모닉들의 가중 계수들은 다음 식을 따른다:

2이상의 판독 헤드들의 경우에 있어서, 이 경우에 물론 상기 차들을 결정하기 위해 판독 헤드들의 임의의 원하는 치환들(permutations)을 이용하는 것이 가능하다.

이미 위에서 기술한 것과 같이, 예로서, 제1 하모닉은 180°의 각도 위치들 간의 차에 의해 특히 유리하게 결정될 수 있다. 그러나, 이와 같은 배열의 경우에, 예로서, 제2 하모닉은 전혀 결정될 수 없다.

판독 헤드들 간의 50도 이하의 작은 각도들에서, 1차 및 2차 하모닉들은 단지 통상 50%이하의 낮은 가중 계수들로 결정될 수 있다. 다수의 계통 에러들이 정확하게 이러한 낮은 주기성에 의해 발생하므로, 이들은 정밀 측정을 위해 필요한 정밀도로 매우 제한된 범위까지만 50도 이하의 판독 헤드 거리들을 갖는 참조 시스템 없이 결정될 수 있다.

상기 위치들에서 판독 헤드들의 평가에 의해 결정된 각도 위치값들로부터, 급수 전개에 의해, 특히 상기 형태의 푸리에 급수 전개에 의해:

각도 위치값들의 각도 에러들은 상기 급수의 계수들의 형태로 하모닉 진동들로서 표현된다.

상기 식은 각도 위치들 Ω _k 에서, 이상적인 참조 시스템 상에, 참조 각도에 대해 고정되어 장착되는 K 헤드들을 가진 각도 측정 시스템의 판독 헤드 k에서 각도 에러를 기술하고, φ는 이상적인 참조 시스템의 각도이다.

참조 시스템의 이상적인 원하는 각도로부터의 각도 위치값

의 편차

는 푸리에 전개 및 노이즈 항 η _k 에 따라 코사인 항들 및/또는 사인 항들의 합에 의해 식 (0.2)에 기재된다. 만약 2개의 임의의 판독 헤드들 간의 각도 위치

가 이때 계산되면, 하모닉들의 A_k _,h은 최적화 방법에 의해 결정될 수 있다.

이러한 목적을 위해,

영차 하모닉(zeroth-order harmonic)으로서의 및

가 식 (0.5)에 도입되고, 후자는 예측될 작은 진폭 ε을 고려한다.

그 결과, 다음과 같은 것이 식 (0.5)에 적용된다:

보상 계산에 의해, a _h _,k, φ _h,k 및 φ _h,f 의 값들을 결정하는 것이 가능하고 따라서, 함수 ε를 재구성하는 것이 가능하다. 그러므로, 모든 각도 위치들의 각도 에러들은 2개의 각도 헤드들을 이용하여 추정될 수 있다. 적어도 제1의 8 또는 11개의 하모닉들의 계산은 통상 고각 정밀도를 달성하기에 충분한다. 상기 방법은 임의의 수의 각도 헤드들로 확대될 수 있고 그러므로 상기 추정도 개선된다.

각도 헤드들은 특정 하모닉들(Ω _k )의 측정을 위해 목표가 정해진 방식(targeted manner)으로 장착될 수 있다. 따라서, 예컨대

은 제4 하모닉의 측정에 최적이다. 다른 하모닉들은 또한 판독 헤드들의 이러한 각도 위치로 결정될 수 있지만, 최적 각도 위치의 경우에서보다 불량한 신호 대 잡음비로 결정될 수 있다.

원칙적으로, 다음의 관계는 참이다:

여기서, A _h 는 h번째 하모닉의 실 진폭(real amplitude)이고, a _h 는 h번째 하모닉의 측정 진폭이고, Δ는 고려 중인 판독 헤드들 간에 형성되는 각도이다.

예로서, 제4 하모닉은 진폭 a ₄ 　- 2?A4 ₄ 를 갖는 45도의 각도 위치에서 측정된다. 그러나, 제8 하모닉은 이러한 배열로는 전혀 검출될 수 없는 데, 그 이유는 a ₈ 　= 0이기 때문이다. 다른 예로서, 판독 헤드들의 이러한 각도 위치에 의해, 제6 하모닉은 a ₆ = 1.41?A ₆ 의 진폭으로 결정될 수 있다.

코드 디스크의 반경방향 운동은 하모닉들의 계산에 완전히 통합된다. 이것은, 불량한 베어링의 경우에, 개개의 헤드들의 각도 위치값들(높은 값η)에서의 높은 노이즈 성분들을 생기게 한다. 만약 각각의 각도 헤드에 대해, 대각선으로 대향하여 놓이는 다른 각도 헤드가 장착되고 이들 헤드 쌍들의 평균값이

에 대해 사용되면, 반경방향 운동들은 서로를 삭제하고 더 이상 식 (0.8)의 평가에서 노이즈로서 나타나지 않는다.

상기 방법의 하나의 이점은 또한 에러 함수 ε가 종래 기술의 경우에서 종종 사용되는 불연속이기보다는 연속이라는 것이다.

이러한 방식으로 결정되는 계수들의 세트는 저장된다. 이러한 계수들의 세트는 측정 프로세스 중 계수들에 기초하여 보정된 측정값의 계산의 형태로 연속의 온라인 보정을 위해 사용될 수 있다. 대안으로, 계수의 세트로, 각도 측정 장치의 코드 테이블은 또한 보정될 수 있고 저장될 수 있고 또는 별도의 보정 테이블이 생성되어 저장될 수 있다. 2개의 변형예들은 측정 중 낮은 계산 복잡도의 이점을 제공하지만, 더 많은 메모리 공간을 필요로 한다.

완전한 교정을 실행하기 위해, 각도 측정 장치는 단지 그것의 측정 범위를 따라 이동되어야 한다. 종래 기술과는 대조적으로, 그것은 미리 정해진 위치들로 이동시킬 필요가 없다. 게다가, 그것은 1보다 작은 완전 회전으로 교정을 위한 각도 센서를 이동 시키는 것으로 충분하다. 교정을 위해 이동될 최소 거리는 판독 헤드들의 각도 위치들에 기인한다.

교정을 위한 필요한 최소 거리를 벗어난 추가 이동은 중복 데이터(redundant data)를 낳는다. 이와 같은 중복 데이터의 도움으로, 각도 에러들 또는 급수 계수들의 값들의 경우에, 예를 들어 평균화 또는 보상 계산에 의해 비계통 성분들을 감소시키기 것이 가능하고 따라서 교정 정밀도를 더 향상시키는 것이 가능하다.

결정된 계수들의 세트에 기초하여, 측정값이 이어서 측정 중 보정되고, 따라서 계수들에 의해 매핑된 하모닉 에러들이 보상될 수 있다. 대안으로, 에러들을 직접 보상하고 측정값들의 결정 중 계산 복잡성을 감소시키기 위해, 계수들에 기초하여 절대값 인코더의 코드 테이블을 수정하는 것이 가능하다. 계수들 또는 수정된 코드 테이블은 각도 센서에 의해 또는 그것의 평가 유닛에 의해 휘발성 또는 비휘발성 방식으로 저장된다. 휘발성 스토리지는 시스템이 온으로 되거나 리셋될 때마다 새로운(renewed) 교정을 필요로 하지만, 수행하기 간단한 교정 방법을 고려하여 비전문가에 의해서도 어느 때나 실행될 수 있다.

외부 도움들 및 참조들이 본 발명에 따른 교정에 요구되지 않으므로, 교정은 예를 들어 어느 때나 어느 곳에서나 실행될 수 있다:

- 각도 측정 시스템의 조립 중,

- 각도 측정 시스템이 디바이스에 내장될 때,

- 일단 디바이스가 동작될 때,

- 디바이스가 온으로 된 각각의 경우에,

- 미리 규정된 시간 구간들에서,

- 주변 조건들의 변화가 있을 때,

- 기계적 임팩트들, 낙하들 또는 진동들 후,

- 연속해서 측정 동작 중 결정된 교정 파라미터들 및/또는 초기의 교정 중 결정되고 저장된 교정 파라미터들을 고려한 측정 동작 중.

특히 필드에서의 측정 바로 전의 교정은 특히 이 경우에 유리한 데, 그 이유는 현재의 상태 및 측정 디바이스의 주변 조건들이 고려되기 때문이다.

교정 파라미터들에 기초하여, 측정 시스템을 정성적으로 평가하기 위해 측정 시스템의 정밀도에 대한 추정된 값을 결정하는 것도 가능하고, 또는 측정 시스템은 그것에 의해 달성 가능한 정밀도에 관해 자신을 평가할 수 있고 이러한 정보를 추가의 처리를 위해 제공할 수 있다. 더욱이, 교정 파라미터들은 디바이스에 의해 모니터링될 수 있고 경고 또는 가능한 정밀도의 부족 표시, 필요한 유지보수 또는 다른 문제들이, 만약 초기값들에 관해 계수들에 예상못한 큰 변화가 예를 들어 판독 헤드 또는 코드 캐리어의 오정렬에 의해 야기되면 발행될 수 있다.

측정 중, 필요에 따라 하나 이상의 측정 헤드들이 비활성화 또는 심지어 제거되는 것도 가능하다. 계수들 및 정확한 코드 테이블의 결정 후, 하나의 판독 헤드는 교정에 기초하여 보정되는 값을 결정하는 데 충분하다. 그러나, 여기서 복수의 측정 헤드들도 특정 정밀도를 더 증가시키기 위해 유리한 보간 또는 평균화를 가능하게 한다.

본 발명에 따른 자기-교정을 위해, 서로에 대해 판독 헤드들의 알려진 각도 위치들의 정밀도에 대한 특별한 요건은 없는데, 그 이유는 이것이 참조 각도 위치로서 임의의 각도 위치에서의 판독 헤드들의 절대 각도 위치값들 간의 차에 기초하여 각도 측정 시스템의 교정 과정에서 결정될 수 있기 때문이다. 이러한 결정 중, 예를 들어 에러들을 감소시키기 위해, 상이한 각도 위치들에서도 복수의 판독값들의 평균화를 채용하는 것도 가능하다. 그러므로, 판독 헤드들 간의 각도 거리 -또는 판독 헤드들의 알려진 각도 위치들 - 는 교정 전, 실제로 대략 알려질 수 있고, 필요하다면 전혀 알려지지 않을 수 있고 단지 교정 방법 도중에 결정될 수 있다. 결과적으로, 용어 "알려진"은 또한 결정 가능성을 고려하여 내재된 지식(implicit knowledge)을 부수적으로 포함한다.

그러나, 판독 헤드들의 각도 위치들은 계수들의 세트의 결정 중 변화지 않은 채로 있어야 하고, 여기서 디바이스에 고정 장착된 판독 헤드들은 큰 범위까지 기초로서 취해질 수 있다. 폐쇄된 것으로 간주될 폐쇄된 각도 원(closed angle circle)을 고려하여, 180도 이상을 갖는 2개의 판독 헤드들 간의 각도 거리는 또한 여각(complementary angle)에 의해 기술될 수 있다. 예로서, 여기에 기재된 실시예들에서의 180도 이상의 각도 거리는 다른 방향에서 측정되고, 그 결과 최대 가능한 각도 거리는 또한 360도가 아닌 180도로서 간주될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 추가 이점은, 위치결정이 항상 시스템에 의해 지배되는 방식으로 절대 위치결정 에러들 및 재생가능 에러들 모두를 가지기 때문에, 고정되어 위치된 판독 헤드들에 의해, 각도 센서의 외부 위치결정의 경우에서 가능한 것보다 더 안정한 각도 위치가 달성된다는 것이다.

본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치가 도면들에 개략적으로 도시된 구체적인 예시적인 실시예들에 기초하여 예로서만 이하에 더 상세히 기술되고, 본 발명의 추가 이점들이 또한 논의된다.

도 1a는 서로에 대해 150°의 각도 Δ로 배열된 2개의 판독 헤드들을 갖는 본 발명에 따른 각도 측정 시스템의 일실시예를 나타낸 도면.
도 1b는 하모닉들이 도 1a에 도시된 배열에 의해 결정될 수 있는 가중 계수들의 표를 예로서 나타낸 도면.
도 2는 대각선으로 각각 배열된 2개의 판독 헤드를 가진 본 발명에 따른 각도 측정 시스템의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 3a는 각각 대향하여 배열된 2개의 판독 헤드들 및 추가의 개개의 판독 헤드를 가진 본 발명에 따른 각도 측정 시스템의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 3b는 대각선으로 배열된 2개의 판독 헤드들 및 상이한 각도 위치들에 있는 2개의 추가의 판독 헤드들을 가진 본 발명에 따른 각도 측정 시스템의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 4는 교정 방법 및 각도 측정 방법의 플로차트.
도 5는 연속 교정의 경우의 교정 방법 및 각도 측정 방법의 플로차트.
도 6a는 관절 아암에의 본 발명에 따른 복수의 각도 측정 장치들의 사용을 예로서 나타낸 도면.
도 6b는 측지 측량 장치에의 본 발명에 따른 각도 측정 장치들의 사용을 예로서 나타낸 도면.
도 7은 푸리에 급수로서 각도 측정 장치의 에러들의 표현을 예로서 나타낸 도면.
도 8은 광전자 판독 헤드들을 가진 본 발명에 따른 각도 측정 시스템의 예시적인 실시예를 나타낸 도면.

본 발명에 따른 각도 측정 시스템의 가능한 실시예가 도 1a에 개략도로 보여질 수 있다.

다음과 같은 구성요소를 포함하는 각도 측정 시스템(7)이 있다:

- 절대 위치 코드를 보유하는 코드 캐리어(2), 및

- 적어도 2개의 판독 헤드들(1a, 1b) - 이들은 서로에 대해 그리고 각각의 경우에, 적어도 부분적으로 위치 코드를 검출하기 적합한, 특히 50도 이상의, 예를 들어 70도 내지 180도의, 바람직하게는 140 내지 170도의, 예를 들어 150도의 각도 거리를 가지는, 고정되고 알려진 각도 위치(4)를 가지며, 그 결과 코드 캐리어(2)에 대해 각각의 판독 헤드(1a, 1b)의 절대 각도 위치값이 결정될 수 있고 코드 캐리어(2)는 판독 헤드들(1a, 1b)에 대해 회전 가능하고, 따라서 판독 헤드들(1a, 1b)에 대한 코드 캐리어(2)의 상이한 각도 위치들(3)이 취해질 수 있음, 및

- 도시되지 않은, 본 발명에 따른 교정 방법 및/또는 본 발명에 따른 각도 측정 방법을 실행하기 위한 평가 유닛.

코드 캐리어(2) 위에 위치된 위치 코드를 검출하기 위한 2개의 판독 헤드들(1a, 1b)이 도시된다. 이들은 예로서 150°의 각도 위치(4)에서 서로로부터 이격된 방식으로 배열된다. 본원에 도시되지 않은 평가 유닛은 각각의 경우에 판독 헤드(1a, 1b)에 의해 적어도 부분적으로 검출되는 위치 코드에 기초하여 각도 위치값을 결정하고, 상기 각도 위치값은 판독 헤드(1a, 1b)에 대해 코드 캐리어(2)의 위치에 의존한다. 설명하기 위한 목적으로 화살표 3으로 나타낸 것과 같이, 코드 디스크(2)는 그것이 판독 헤드들(1a, 1b)에 대해 자유도 1로 회전 가능하도록 장착된다.

이 경우에, 판독 헤드들(1a, 1b)은 코드 캐리어(2)에 대한 이들의 각도 위치값이 절대적으로 1회전 또는 회전의 부분 내에서 결정되도록 구현된다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 서로에 대한 판독 헤드들(1a, 1b)의 각도 위치(4)는 도시된 것과 같이 150°이다. 그 결과, 이상적으로 에러가 없는 경우에 있어서, 판독 헤드들(1a, 1b)의 각도 위치값들 간의 차는 또한 150°를 이룬다. 실제로, 각도 에러는 각도 위치를 갖는 각도 위치값들 간의 차의 비교에 기초하여 결정될 수 있다.

판독 헤드들(1a, 1b)에 대해 코드 디스크(2)를 회전시킴으로써 각도 위치는 변한다. 이 경우에, 각도 에러는 다수의 각도 위치들에 대해 결정된다. 이것은 바람직하게는 전체 측정 범위에 걸친 대략 균일한 분포에 의해 행해진다. 이것은 이상적으로 상이한 각도 위치값이 결정될 수 있는 모든 각도 위치에 대해 행해질 수 있지만, 실제로 이것은 어렵게 실현될 수 있고 상기 방법에 대해서는 또한 요구되지 않는다. 그것은 단지 교정 방법을 실행하기 위해 규정된 밀도를 갖는 측정 범위의 부범위들(subranges)을 포함하기에 충분하다.

이 경우에 얻어진 각도 에러들은 예컨대 수학적 급수들로 전개된다. 예로서 푸리에 급수가 이를 위해 적합한 데 그 이유는 그것의 계수들이 기본 주기(fundamental period)의 하모닉들을 나타내고 그러므로 이들이 회전에 대해 주기성이 있는 로터리 인코더의 에러들을 매핑하는 데 매우 적합하기 때문이다.

추가의 설명에서 상기 방법을 설명하기 위한 예로 더 특히 상세히 논의될 푸리에 급수에 대한 대안으로서, 다른 수학적 함수들, 급수들 및 모델들이 마찬가지로 각도 에러들을 정량화하기 위해 채용될 수 있다. 이때 이러한 일반 함수의 파라미터들은 이들 함수에 관하여 푸리에 급수의 하모닉들의 계수들(상세한 설명에 제시된)에 대응하고 예를 들어 많은 알려진 파라미터 추정(parameter estimation) 방법들 또는 최적화 계산 중 하나에 의해 결정될 수 있다.

이 경우에, 판독 헤드들의 각도 위치들은 각각의 인접한 판독 헤드들 간의 각도 거리들 중 적어도 하나가 나머지/추가의 판독 헤드들 간의 각도 거리들 중 적어도 하나, 특히 모두와 다르도록 선택되고, 그 결과, 코드 캐리어의 원주를 따라 판독 헤드들의 전체적으로 대칭인 배열이 제공되지 않는다. 그 결과, 회전 대칭 배열이 포함되지 않는 데, 판독 헤드들 사이의 거리들이 동일하지 않기 때문이다. 판독 헤드들은 코드 캐리어를 따라 동일한 사이의 공간들을 가지지 않는다.

본 발명에 따르면, 예로서, N 판독 헤드들의 경우에, 판독 헤드들 간의 적어도 N-1 거리들은 서로 다르고, 그 결과 차수 ≥ N 까지의 하모닉들의 결정 가능성이 가능하게 된다.

환언하면, 본 발명에 따르면, 각도 거리들의 어느 것도 다른 각도 거리에 대응하지 않아야 하고, 즉 판독 헤드들의 컴플레인트들이 다르다.

판독 헤드들 간의 2개의 동일한 각도 거리들은 명백히 가능하게 할 수 있고, 중복 정보의 결정 가능성의 결과로서, 정밀도의 개선, 예를 들어 보간의 결과로서, 그것은 본질적으로 이들의 응용을 방해하지 않지만, 그럼에도 불구하고 동일하게 이격된 판독 헤드들은 일반적으로 본 발명에 따른 추가의 하모닉 에러들의 결정 가능성에 기여하지 않는다.

예로서, 판독 헤드들 간의 모든 거리들을 다르게 하고 식 0.10에 따른 각도 거리들에 기인하는 가중 계수들이 결정된 모든 하모닉들에 대해 가능한 한 큰 것으로 판명되고 특히 결정될 하모닉들의 연합 고려(joint consideration)로 평가될 수 있는 모든 각도 거리들에 대한 임의의 하모닉에 대해 영인 것으로 판명되지 않도록 후자를 선택하려고 노력할 수 있다. 따라서, 예로서, 모든 각도 거리들에 걸쳐 결정될 하모닉들에 대한 에러들의 예측 균일 분포의 경우에, 결정된 하모닉 당 가중 계수들의 합의 대응하는 균일 분포가 노력될 수 있다. 판독 헤드들의 수, 결정될 하모닉들의 수 및 이들의 가중 계수들(예컨대 예측 에러 분포를 고려한)의 특히 원하는 조합에 대한 대응하는 각도 거리 분할을 계산하기 위한 수학적 원리들이 상기 문헌으로부터 충분히 알려져 있다.

도 1b는 표 형태의 도 1a로부터 150°의 각도 위치를 갖는 판독 헤드들의 배열에 대한 푸리에 급수의 경우의 하모닉들의 가중 계수들을 나타낸다.

이 경우에, 제1 컬럼 h는 하모닉들의 순서를 나타내고 컬럼 a/A (150°)는 0% 내지 100% 범위에서의 이들 하모닉들의 관련 가중 계수를 나타낸다. 이 경우에, 100%의 가중 계수는 이들 하모닉들의 완전한 검출 가능성을 나타내고 0%는 이러한 배열에서 검출될 수 없는 하모닉을 나타낸다. 이들 가중 계수들은 하모닉들을 결정할 때 달성 가능한 신호 대 잡음비(SNR)에 결정적으로 영향을 준다. 그 결과, 가중 계수들은 또한 하모닉들의 계수값들의 최대 달성 가능한 정밀도를 결정한다.

11번째까지의 하모닉들이 150°의 각도 위치를 통해 결정될 수 있다는 것을 표로부터 알 수 있다. 이 경우에, 제1, 제4, 제6, 제8 및 제11 하모닉들이 이들의 높은 가중 계수에 의해 비교적 양호한 SNR로 결정될 수 있다. 제12 하모닉은 이러한 배열로 결정될 수 없는 데 그 이유는 그것의 가중 계수가 0%이기 때문이다.

그 결과, 150도에서, 제1 하모닉에서 제11 하모닉이 연속해서 결정될 수 있지만, 상이한 신호 대 잡음비로 결정될 수 있다.

150도의 각도는 여기서 예로서 선택되었다. 그것은 예를 들어 이와 같은 요건이 알려지면 가장 가능한 품질을 갖는 원하는 순서의 하모닉들을 검출할 수 있도록 하기 위해, 임의의 다른 각도들이 선택될 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 그러나, 50도 이하의 판독 헤드들 간의 매우 작은 각도 거리의 경우에, 특히 제1 하모닉의 로우 하모닉들의 가중 계수들은 매우 작다. 그러므로, 50도 이하의 작은 각도 위치들에 의해, 로터리 인코더들의 전형적인 에러들, 예컨대

- 불평형,

- 편심성,

- 와블링 에러들,

- 베어링 에러들,

- 코드 캐리어의 열적 또는 기계적 왜곡

이 제한된 정밀도로 검출될 수 있다.

상기 원리는 또한 추가의 하모닉들 또는 몇몇 하모닉들을 복합적으로(multiply) 검출하고 따라서 휠씬 양호하게 각도 에러들을 결정할 수 있도록 하기 위해, 2개 이상의 판독 헤드들로 및 이들의 치환들로 확대될 수 있다.

이 경우에, 급수 전개에서 얻어진 계수들은 1회전의 주기적 측정 범위에 걸쳐 하모닉 성분들의 형태로 에러를 나타낸다. 각도 측정 시스템의 측정값은 판독 헤드의 각도 위치값 및 계수들에 기초하여 보정될 수 있다. 게다가 대안으로서, 계수들로 절대값 결정 중 사용되는 코드 테이블을 직접 수정하거나 코드 테이블에 대해 보정 테이블을 생성하고 따라서 측정 동작 중 보정 계산들로 생략하는 것도 가능하다.

완전한 교정을 위해, 각도 센서는 판독 헤드들의 각도 위치들에 의존하여 특정의 최소 각도만큼 회전되어야 한다. 그 결과, 하모닉들의 계수들이 검출될 수 있다. 예를 들어 보상 계산에 의해 어느 데이터가 벗어나는 회전에 의해 결정되는 중복 데이터는 또한 비계통 에러들을 감소시키기 위해서도 이용될 수 있고 교정 정밀도를 더 개선하기 위해서도 이용될 수 있다.

교정이 실행된 후, 측정 중, 또한 하나 또는 복수의 판독 헤드들이 비활성화되거나 또는 심지어 제거되는 것이 가능하다. 그 결과, 예로서, 현재의 소비가 감소되고 및/또는 평가 속도가 증가될 수 있다.

각도 측정 시스템의 교정은 아주 다양한 시점들, 특히 다음과 같은 시점에서 실행될 수 있다:

- 각도 측정 시스템의 조립 중,

- 각도 측정 시스템이 디바이스에 장착된 후,

- 연속해서 측정 동작 중,

- 디바이스가 먼저 온으로 된 때,

- 디바이스가 온으로 될 때마다,

- 순환 또는 비순환 시간 구간들에서,

- 주위 조건들의 변화가 있을 때,

- 임팩트 또는 충격 스트레스들 후,

- 각도 서비스 구간들에서,

- 연속해서 측정 동작 중 결정되는 교정 파라미터들 및/또는 초기 교정 중 결정되고 저장된 교정 파라미터들을 고려한 측정 동작 중.

교정 방법 또는 평가 방법이 유리하게, 적어도 부분적으로 기계-판독 가능 캐리어 위에 저장된 컴퓨터 프로그램 제품에 의해 수행된다. 예로서, 이것은 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 처리기, FPGA 또는 ASIC에 의해 행해질 수 있고, 여기서 대응하는 프로그램 코드는 예를 들어 디바이스 내 메모리에 의해, 외부 저장 매체에 의해 또는 전자기파에 의해 제공될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 각도 측정 시스템의 다른 실시예를 개략 형태로 나타낸다. 그것은 서로에 대해 아주 다양한 위치들에서 끼워질 수 있는 복수의 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)을 포함하는 많은 대안의 실시예들 중 하나를 나타낸다. 이 경우에, 교정 방법은 도 1에 대해 기술된 순서와 유사하게 수행될 수 있다.

예로서, 이 도면에 도시된 각도 측정 장치는 판독 헤드들(1a, 1b), 및 각각 1c 및 1d의 이중 180°배열에 의해, 특히 제1 하모닉을 반복해서 완전 회전으로 결정할 수 있다. 서로 간의 쌍들의 45°배열(4)의 결과로서, 그것은 또한 특히 완전 회전으로 제 4 하모닉을 결정하는 것이 가능하다. 이미 언급한 치환의 결과로서, 예로서 225°의 각도가 또한 평가될 수 있다. 쌍들의 이중 배열의 결과로서, 이중 평가가 실행되고, 그 결과, 특정값의 정밀도의 추가 증가가 보상 계산을 이용하여, 예를 들어 평균화하여 얻어질 수 있다. 여기서, 또한 45°의 각도는 단지 임의의 원하는 각도들로부터 예로서 선택된 단지 하나의 가능성이다.

도 3a는 3개의 판독 헤드들(1a, 1b, 1c)을 갖는 다른 실시예를 나타내고, 그러나, 이 경우에, 단지 2개의 판독 헤드들(1a, 1b)이 대향 쌍으로서 배열되고 나머지 판독 헤드(1c)는 중요한 비율로 이러한 측정 시스템의 가능한 한 많은 하모닉 에러들을 결정하는 것이 가능한 각도 위치에 배열된다. 이와 같은 배열에 의해, 구조적으로 통제된 방식으로 예상되는 측정 시스템의 우세한 에러들이 고정밀도로 결정될 수 있다.

도 3b는 본 발명에 따른 각도 센서의 다른 실시예의 예로서 4개의 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 다른 배열을 나타낸다. 판독 헤드들의 각도 위치들로서 일점쇄선으로 개략 나타낸 것과 같이, 판독 헤드들(1a, 1b)의 이러한 배열은 180°만큼 어긋난 2개의 각도 위치들에서 위치 코드를 검출하는 2개의 대향하는 판독 헤드들을 포함한다. 따라서, 제1 하모닉의 정밀한 검출이 달성된다. 이러한 배열의 경우에, 다른 각도 위치에 있는 2개의 다른 판독 헤드들(1c, 1d)은 또한 180°배열에 의해 검출될 수 없는 이들 하모닉들의 정밀한 검출을 달성한다. 이 경우에, 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d) 중 2개의 모든 가능한 조합들에 의해 각각 각도 에러들을 결정하는 것이 가능하고, 그리고 그 결과 예를 들어 보상 계산에 의해, 상이하게 이격된 6개의 각도 위치들로 계산된 계수들을 조합하는 것이 가능하다.

도 4는 블록들 21 내지 24에 의한 교정 방법 및 블록들 31 내지 34에 의한 각도 측정 방법의 흐름도를 나타낸다.

도면은 각도 측정 장치(7)를 위한 참조 시스템 없이 행해질 수 있는 본 발명에 따른 교정 방법을 나타내고, 이 각도 측정 장치(7)는 절대 위치 코드를 보유하는 코드 캐리어(2), 및 적어도 2개의 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)을 포함하고, 이 2개의 판독 헤드들은 서로에 대해 특히 50도 이상의, 예를 들어 약 150도의 상이한 각도 거리를 가지는, 고정되고 알려진 각도 위치(4)를 가지며, 코드 캐리어(4)에 대한 각각의 판독 헤드(1a, 1b, 1c, 1d)의 절대 각도 위치값이 결정될 수 있도록 각각의 경우에 적어도 부분적으로 위치 코드를 검출한다.

코드 캐리어(4)는 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)에 대해 회전 가능하고 따라서 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)에 대한 코드 캐리어(4)의 상이한 각도 위치들(3)이 취해질 수 있다.

다음과 같은 단계들에 의해:

- 하나의 각도 위치에서의 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 각도 위치값들을 결정하는 단계(21),

- 판독 헤드들의 각도 위치값들 간의 차와 서로에 대한 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 알려진 각도 위치(4)를 비교하여 각도 에러를 결정하는 단계(22),

- 다수의 변화하는 각도 위치들에 대해 각도 에러 및 각도 위치값들을 결정하는 단계들을 반복하는 단계(23), 및

- 수학적 평가 방법을 실행하는 단계(24) - 이 단계는,

o　각도 에러들을 정량화하는 수학적 함수의 파라미터들을 결정하는 단계,

o　정량화 수학적 함수의 파라미터들로서 또는 이 파라미터들로부터 유도되는 보정 또는 코드 테이블로서 교정 파라미터들을 결정하는 단계(40)를 포함함.

상기 교정 방법이 실행된다.

각도 측정 장치(7)의 도움으로 각도 측정값을 결정하기 위한 관련된 각도 측정 방법에 있어서, 각도 측정 장치(7)는 절대 위치 코드를 보유하는 코드 캐리어(2), 및 적어도 2개의 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)을 포함하고, 이 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)은 서로에 대해 특히 50도 이상의 예를 들어 70 내지 180도의, 바람직하게는 140 내지 170도, 예를 들어 150도의 상이한 각도 거리들을 가지는, 고정되고 알려진 각도 위치(4)를 가지며, 코드 캐리어에 대한 각각의 판독 헤드의 절대 각도 위치값이 결정될 수 있도록 각각의 경우에 적어도 부분적으로 위치 코드를 검출한다.

코드 캐리어(2)는 판독 헤드들에 대해 회전 가능하고 따라서 판독 헤드들에 대한 코드 캐리어의 상이한 각도 위치들이 취해질 수 있다.

다음과 같은 단계들에 의해, 즉

o 코드 캐리어의 절대 위치 코드의 적어도 일부분을 검출하는 판독 헤드들 중 적어도 하나에 의해 각도 위치값을 결정하는 단계(31);

o 교정 방법의 상황에서 결정된 교정 파리미터들(40)에 기초하여 각도 위치값을 보정하여 각도 측정값을 결정하는 단계(32)에 의해,

각도 측정값이 제공되고(33), 이러한 순서는 반복된다(34).

블록(21)은 각도 위치로 판독 헤드들의 각도 위치값들을 결정하는 단계를 나타낸다.

이것 다음에는 판독 헤드들의 각도 위치값들 간의 차를 서로에 대한 판독 헤드들의 알려진 각도 위치와 비교하여 각도 에러를 결정하는 단계 - 블록(22)로 나타냄 - 가 이어진다.

화살표(23)는 특히, 각도 위치값들 및 각도 에러를 결정하는 단계들을 반복하는 것이 각도 측정 시스템의 측정 범위 - 측정 범위는 부범위들로 세분되고 - 에서 일어날 때까지, 특정 부범위들이 규정된 밀도로 변화하는 각도 위치들에 의해 포함되도록 복수 회 행해지는 다수의 변화하는 각도 위치들의 각도 에러 및 각도 위치값들을 결정하는 프로세스를 반복하는 단계를 나타내고, 특히 각도 위치들은 상기 특정 부범위들에 걸쳐 대략 균일하게 분포된다.

블록(24)은 수학적 급수들로 각각의 각도 위치들에 대해 결정된 각도 에러들을 전개하여 수학적 평가 방법을 실행하는 단계를 나타내고, 수학적 급수들의 계수들의 세트로서 또는 계수들의 세트로부터 유도되는 보정 또는 코드 테이블로서 교정 파라미터들을 결정하는 단계는 블록(40)으로 나타낸다.

평가 방법의 제1 단계는 블록(31)으로 나타내고, 코드 캐리어의 절대 위치 코드의 적어도 일부분을 검출하는 판독 헤드들의 적어도 하나에 의해 각도 위치값을 결정하는 단계를 나타낸다.

블록(32)은 교정 방법 상황에서 결정된 블록(40)으로부터 교정 파라미터들에 기초하여 각도 위치값을 보정하여 각도 측정값을 결정하는 단계를 시행한다.

끝으로, 블록(33)은 각도 측정값을 제공하는 것을 나타내고, 화살표(34)는 각도 측정의 가능한 반복을 나타낸다.

도 5는 특정 동작과 병행하여 연속 교정의 시퀀스를 나타내는 교정 방법의 흐름도를 나타낸다.

블록(31)으로 나타낸 단계에서 검출된 각도 위치값들은 이 경우에 먼저 블록 (40)으로부터의 교정 파라미터에 기초하여 블록(32)에서 보정되고 이후 블록(33)에서의 추가 처리를 위해 제공된다.

각도 위치값들의 보정과 병행하여, 블록(22)에서의 그것에 기초하여, 블록(40)으로부터의 교정 파라미터들의 결정이 수행되고 또는 이들의 값들이 이들 정밀도의 면에서 연속 적응에 의해 증가된다. 화살표(34)는 측정 동작 중 시퀀스의 반복된 반복을 나타낸다.

이 경우에, 교정 파라미터들의 값들은 선택적으로, 예를 들어 값들의 급격한 변경의 경우에, 경고를 개시하고 또는 이들 값들로부터 각도 측정 장치의 정밀도에 대한 추정된 값을 결정할 수 있는, 다른 평가(블록(50)으로 나타냄)로 피드될 수 있다.

교정 파라미터들은 또한 예를 들어 스위치 온시 이미 시작값들을 가지기 위해, 결정되고 저장된 값들의 비교에 의해 오정렬을 식별할 수 있도록 등을 하기 위해 선택적으로 메모리(51)에 저장될 수 있다.

50 및 51로 각각 나타낸 2가지 선택 함수들인 유사하게 또한 도 4에 도시된 시퀀스에 포함될 수 있다.

도 6a는 예로서 이들의 회전축에 의해 나타낸 본 발명에 따른 각도 측정 장치들(7)의 사용 및 측정 태스크들을 위한 관절 아암 좌표 측정 장치에서 회전 가능성을 나타내는 화살표를 나타낸다.

도 6b는 예로서 본 발명에 따른 교정 방법을 갖는 2개의 각도 측정 장치들(7)을 사용하는 측지 측량 장치를 나타낸다. 이러한 장치는 야외에서의 사용 중 또는 사용전 또는 측정 범위 및 이들 부분들의 단일 또는 다수의 횡단에 의해 교정의 명확한 개시 후 교정 또는 재교정될 수 있다.

도 7은 제1 내지 제4 하모닉 진동(11, 12, 13, 14)으로의 각도 에러(10)의 급수 전개의 그라픽 도면을 예로서 나타낸다.

이 방법에 사용될 수 있는 광전자 판독 헤드들의 실시예의 개략도 도 8에 예로서 나타낸다. 이 경우에, 광전자 센서 요소(9) 위로의 위치 코드의 투영( projection)이 특히 도시된다.

이 경우에, 위치 코드는 전달된 광 방법으로 작동되는 코드 디스크(2)의 형태로 도시된다. 예로서, 반사에 기초한 코드 검출, 이미징, 새도우 캐스팅, 홀로그라피, 자기-발광 인코딩에 의해 또는 다른 알려진 방법들은 마찬가지로 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 거울들, 렌즈계, 오목 거울들 또는 임의의 원하는 이와 같은 요소들의 조합에 의한 광 편향 및 회절이 또한 실현될 수 있다.

이 경우에, 예로서, LED, 레이저들, 레이저 다이오드들, 백열등들, 또는 다른 전자기 방사선을 방출하는 다른 구성요소들이 광원(8)으로서 사용될 수 있다. 게다가, 이들의 방사는 또한 렌즈들 및 편향 시스템들에 의해 안내될 수 있다.

위치 코드는 명암 패턴들, 무아레 패턴들(Moire patterns), 바코드들, 2차원 코드 등의 형태로 구현될 수 있다.

인코딩으로서, 절대 위치가 결정되도록 허용하는 모든 유형의 코드, 예를 들어 최대 시퀀스들, 아주 다양한 이진 인코딩, 아날로그 강도 프로파일들(analog intensity profiles) 등이 적합하다.

일반적으로, 판독 헤드는 위치 코드 또는 이들의 부분들을 전자적으로 평가할 수 있게 해야 한다. 이 예에서, 이것은 예를 들어 광다이오드들의 배열로서 또는 CCD 칩으로서 실현 가능한 광 센서 라인(optical sensor line; 9)에 의해 행해진다. 위치 코드가 1차원, 2차원, 3차원 형태의 광, 자기, 용량성 판독(capacitive read-out)의 형태의 전기 신호들로 변환되는지의 여부는 교정 방법에 있어서 중요하지 않다.

Claims

각도 측정 장치(7)에 대한 참조 시스템 없이 실행될 수 있는 교정 방법에 있어서,
절대 위치 코드를 보유하는 코드 캐리어(2); 및
서로에 대해 특히 50도 이상의, 예를 들어 70 내지 180도의, 바람직하게는 140 내지 170도의, 예를 들어 150도의 각도 거리를 가지는, 고정되고 알려진 각도 위치(4)를 가지며, 각각의 경우에, 상기 코드 캐리어에 대한 상기 각각의 판독 헤드의 절대 각도 위치값이 결정될 수 있도록 적어도 부분적으로 상기 위치 코드를 검출하는 적어도 N ≥ 2 인 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d);을 포함하며,
상기 코드 캐리어(2)는 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)에 대해 회전 가능하고 따라서 상기 판독 헤드들에 대해 상기 코드 캐리어의 상이한 각도 위치들이 취해질 수 있고,
상기 교정 방법은,
하나의 각도 위치에서 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 상기 각도 위치값들(21)을 결정하는 단계;
상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 상기 각도 위치값들 간의 차를 서로에 대한 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 상기 알려진 각도 위치(4)와 비교하여 각도 에러(22)를 결정하는 단계;
상기 각도 위치값들(23) 및 상기 다수의 변화하는 각도 위치들에 대한 상기 각도 에러를 결정하는 상기 단계들을 반복하는 단계; 및
수학적 평가 방법(24)을 실행하는 단계;를 포함하며,
상기 수학적 평가 방법(24)은,
상기 각도 에러들을 정량화하는 수학적 함수의 파라미터들을 결정하는 단계; 및
상기 정량화 수학적 함수의 상기 파라미터들로서 또는 상기 파라미터들로부터 유도되는 보정 또는 코드 테이블로서 교정 파라미터들(40)을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치에 대한 참조 시스템 없이 실행될 수 있는 교정 방법.
제1항에 있어서,
상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 상기 각도 위치들(4)은, 각각의 인접한 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d) 간의 상기 각도 거리들 중 적어도 하나가 나머지 N-1 각도 거리들 중 적어도 하나와 다르도록 선택되고, 특히 모든 N 각도 거리들은 다른 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치에 대한 참조 시스템 없이 실행될 수 있는 교정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 정량화 수학적 함수의 상기 파라미터들의 상기 결정은 최적화 방법에 기초한 파라미터 추정에 의해 실행되고,
특히, 상기 정량화 수학적 함수는 수학적 급수들, 특히 푸리에 급수이고, 상기 각각의 각도 위치들에 대해 결정된 상기 각도 에러들(10)의 전개에 의한 상기 파라미터들을 나타내고, 모든 하모닉 진동들(11, 12, 13, 14)의 상기 계수들은 상기 각도 에러(10)의 차수 ≥ N까지인 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치에 대한 참조 시스템 없이 실행될 수 있는 교정 방법.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 각도 위치값들 및 각도 에러(10)를 결정하는 상기 단계들을 반복하는 단계는 상기 각도 측정 시스템(7)의 측정 범위에서 일어나고, 측정 범위는 특정 부범위들이 규정된 밀도를 갖는 상기 변화하는 각도 위치들에 의해 커버되는 특정 부범위들로 세분되는 방식으로 부범위들로 세분되고, 특히 상기 각도 위치들은 상기 특정 부범위들에 걸쳐 대략 균일하게 분포되고, 특히 상기 각도 위치값들은 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)에서 동시에 검출되는 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치에 대한 참조 시스템 없이 실행될 수 있는 교정 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
또한, 변경하기 위한 상기 교정 파라미터들(40)의 모니터링에 의한 오정렬들의 결정, 및/또는
상기 교정 파라미터들(40)에 기초한 상기 각도 센서의 상기 정밀도에 대한 추정값의 유도가 실행되는 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치에 대한 참조 시스템 없이 실행될 수 있는 교정 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각도 위치값 및/또는 상기 각도 에러는 동일한 각도 위치에서 복합적으로 결정되고, 이들은 상기 수학적 평가 방법이 실행되기 전에, 특히 최소 자승법에 따른 보상 계산에 의해 평균화되고, 또는 상기 교정 방법은 복합적으로 수행되고 최적화 방법은 상기 단계에서 얻어진 계수들의 세트들에 대해 실행되는 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치에 대한 참조 시스템 없이 실행될 수 있는 교정 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 상기 각도 위치(4)는 임의의 참조 각도 위치에서의 상기 각도 위치들 간의 차에 기초하여 결정되고, 또는 특히 복수의 임의의 참조 각도 위치들에 걸쳐 상기 차들을 평균화하여 결정되는 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치에 대한 참조 시스템 없이 실행될 수 있는 교정 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 상기 각도 위치(4)는 중요한 에러 비율을 공급하는 상기 우세한 각도 에러들, 특히 예컨대
편심성에 의해 생긴 에러들,
상기 코드 디스크의 상기 코드 분할의 에러들, 및
변하는 주변 영향들로 인한 에러들,이 특히 적어도 25%의 에러 비율을 갖는 상기 정량화 수학 함수에 포함되는 방식으로 선택되는 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치에 대한 참조 시스템 없이 실행될 수 있는 교정 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각도 위치들은 쌍들로 각 경우에 대칭으로 배열된 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)로 결정되는 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치에 대한 참조 시스템 없이 실행될 수 있는 교정 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)은,
광학,
전기-광학,
자기 또는
용량성
판독 헤드들로서 구현되는 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치에 대한 참조 시스템 없이 실행될 수 있는 교정 방법.
각도 측정 장치(7)의 도움으로 각도 측정값을 결정하기 위한 각도 측정 방법에 있어서,
절대 위치 코드를 보유하는 코드 캐리어(2), 및
서로에 대해 특히 50도 이상의, 예를 들어 70 내지 180도의, 바람직하게는 140 내지 170도의, 예를 들어 150도의 각도 거리를 가지는, 고정되고 알려진 각도 위치(4)를 가지는 적어도 N ≥ 2 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)을 포함하고, 특히 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 상기 각도 위치들(4)은 각각의 인접한 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d) 간의 상기 각도 거리들 중 적어도 하나가 상기 나머지 N-1 각도 거리들 중 적어도 하나와 다른 방식으로 선택되고, 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)은 각각의 경우에 상기 코드 캐리어(2)에 대한 상기 각각의 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 절대 각도 위치값이 결정될 수 있도록 적어도 부분적으로 상기 위치 코드를 검출하고,
상기 코드 캐리어(2)는 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)에 대해 회전 가능하고 따라서 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)에 대한 상기 코드 캐리어의 상이한 각도 위치들이 취해질 수 있고,
상기 각도 측정 방법은,
코드 캐리어(2)의 절대 위치 코드의 적어도 하나의 부분을 검출하는, 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d) 중 적어도 하나에 의해 각도 위치값(31)을 결정하는 단계;
제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 따른 교정 방법의 상황에서 결정된 교정 파라미터들(40)에 기초하여 상기 각도 위치값을 보정하여 상기 각도 측정값(32)을 결정하는 단계; 및
상기 각도 측정값(33)을 제공하는 단계;를 포함하는 각도 측정 장치의 도움으로 각도 측정값을 결정하기 위한 각도 측정 방법.
제11항에 있어서,
또한 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 상기 교정 방법은, 특히,
상기 각도 센서의 조립 중,
디바이스에의 각도 센서의 장착 후,
상기 디바이스가 온으로 된 각각의 경우
순환 또는 비순환 시간 구간들에서,
상기 사용자에 의해 개시된 방식으로,
상기 주변 조건들의 변화가 있을 때,
임팩트 또는 충격 스트레스들 후,
각도 서비스 구간들에서 및/또는
연속해서 측정 동작 중 결정되고 및/또는 초기 교정 중 결정되고 저장되는 교정 파라미터들(40)을 고려한 측정 동작 중
에 실행되는 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치의 도움으로 각도 측정값을 결정하기 위한 각도 측정 방법.
제12항에 있어서,
상기 교정 방법이 수행된 후, 하나의 판독 헤드(1a, 1b, 1c, 1d) 또는 복수의 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)이 비활성화 또는 제거되는 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치의 도움으로 각도 측정값을 결정하기 위한 각도 측정 방법.
각도 측정 장치(7)에 있어서,
절대 위치 코드를 보유하는 코드 캐리어(2), 및
서로에 대해 특히 50도 이상의, 예를 들어 70 내지 180도의, 바람직하게는 140 내지 170도의, 예를 들어 150도의 각도 거리를 가지는, 고정되고 알려진 각도 위치(4)를 가지는 적어도 N ≥ 2 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)을 포함하고, 특히, 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 상기 각도 위치들(4)은 각각의 인접한 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d) 간의 상기 각도 거리들 중 적어도 하나가 나머지 N-1 각도 거리들 중 적어도 하나와 다른 방식으로 선택되고, 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)은 각각의 경우에 상기 코드 캐리어에 대한 상기 각각의 판독 헤드(1a, 1b, 1c, 1d)의 절대 각도 위치값이 결정될 수 있도록 적어도 부분적으로 상기 위치 코드를 검출하기 적합하고, 상기 코드 캐리어는 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)에 대해 회전 가능하고 따라서 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)에 대한 상기 코드 캐리어의 상이한 각도 위치들이 취해질 수 있고,
상기 각도 측정 장치(7)는, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 상기 교정 방법의 다음과 같은 단계들,
상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 상기 각도 위치값들 간의 상기 차를 서로에 대한 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 상기 알려진 각도 위치(4)와 비교하여 각도 에러(22)를 결정하는 단계;
다수의 변화하는 각도 위치들에 대한 상기 각도 에러 및 상기 각도 위치값들을 결정하는 단계(23)를 반복하는 단계;
상기 각도 에러들을 정량화하는 수학적 함수의 상기 파라미터들을 결정하는 단계; 및
상기 정량화 수학적 함수의 상기 파라미터들로서 또는 상기 파라미터들로부터 유도되는 보정 또는 코드 테이블로서 교정 파라미터들(40)을 결정하는 단계;를 포함하는 수학적 평가 방법(24)을 실행하는 단계;를 실행하고,
및/또는 적어도 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 각도 측정 방법의 다음과 같은 단계들,
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 교정 방법의 상황에서 결정된 교정 파라미터들(40)에 기초하여 상기 각도 위치값을 보정하여 상기 각도 측정값(32)을 결정하는 단계; 및
상기 각도 측정값(33)을 제공하는 단계;를 실행하기 위한 평가 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치.
컴퓨터 프로그램 제품에 있어서,
기계 판독 가능 캐리어, 또는 전자기파로 구현되는 컴퓨터 데이터 신호 위에 저장되고, 특히 만약 프로그램이 각도 측정 시스템(7)의 평가 유닛에서 실행된다면, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 교정 방법의 다음과 같은 단계들,
상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 상기 각도 위치값들 간의 상기 차를 서로에 대한 상기 판독 헤드들의 상기 알려진 각도 위치(4)와 비교하여 각도 에러(22)를 결정하는 단계로서, 특히, 상기 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d)의 상기 각도 위치들(4)은 각각의 인접한 판독 헤드들(1a, 1b, 1c, 1d) 간의 상기 각도 거리들 중 적어도 하나가 나머지 N-1 각도 거리들 중 적어도 하나와 다른 방식으로 선택되는, 상기 각도 에러(22)를 결정하는 단계;
다수의 변화하는 각도 위치들에 대한 상기 각도 에러와 상기 각도 위치값들을 결정하는 단계들(23)을 반복하는 단계;
상기 각도 에러들을 정량화하는 수학적 함수의 상기 파라미터들을 결정하는 단계;
상기 정량화 수학적 함수의 상기 파라미터들로서 또는 상기 파라미터들로부터 유도되는 보정 또는 코드 테이블로서 교정 파라미터들을 결정하는 단계(40)을 포함하는 수학적 평가 방법을 실행하는 단계(24);
및/또는 적어도 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 각도 측정 방법의 다음과 같은 단계들,
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 교정 방법의 상황에서 결정된 교정 파라미터들(40)에 기초하여 상기 각도 위치값을 보정하여 상기 각도 측정값(32)을 결정하는 단계; 및
상기 각도 측정값(33)을 제공하는 단계;를 실행하기 위한 프로그램 코드를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램 제품.