特許 7464446 角度測定機構および角度測定機構の動作方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-01

(45)【発行日】2024-04-09

(54)【発明の名称】角度測定機構および角度測定機構の動作方法

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/245 20060101AFI20240402BHJP

   G01D 5/347 20060101ALI20240402BHJP

【ＦＩ】

G01D5/245 110W

G01D5/347 110X

【請求項の数】 15

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2020095197

(22)【出願日】2020-06-01

(65)【公開番号】P2021012188

(43)【公開日】2021-02-04

【審査請求日】2023-03-07

(31)【優先権主張番号】10 2019 209 866.5

(32)【優先日】2019-07-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390014281

【氏名又は名称】ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＤＲ． ＪＯＨＡＮＮＥＳ ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ ＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ ＭＩＴ ＢＥＳＣＨＲＡＮＫＴＥＲ ＨＡＦＴＵＮＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【氏名又は名称】中西 基晴

(74)【代理人】

【識別番号】100092967

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 修

(74)【代理人】

【識別番号】100220065

【弁理士】

【氏名又は名称】高梨 幸輝

(72)【発明者】

【氏名】ヨハン・ミッテライター

(72)【発明者】

【氏名】ゼバスティアン・グルーバー

(72)【発明者】

【氏名】アロイス・バルトレシュナー

【審査官】藤澤 和浩

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１６７６４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０９８３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３４９１６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６７０９８６３（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ ５／００ ～ ５／３８

Ｇ０１Ｂ ７／００ ～ ７／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

角度測定機構であって、当該角度測定機構が第１の部品群（１）、第２の部品群（２）、および軸受（３）を含み、前記部品群（１、２）が互いに対し回転軸（Ａ）の周りを回転できるように前記軸受（３）を介して配置されており、
－ 前記第１の部品群（１）が、第１の目盛（１．１１）を有するスケール要素（１．１；１．１’）を含んでおり、
－ 前記第２の部品群（２）が、
位置センサー（２．１１）を備えた第１の構造ユニット（２．１）を有しており、
第１、第２、および第３の位置検知器（２．２１、２．２２、２．２３）を備えた第２の構造ユニット（２．２）を有しており、かつ
たわみ軸継手（２．３）を有しており、
前記位置センサー（２．１１）および前記位置検知器（２．２１、２．２２、２．２３）がそれぞれ、前記スケール要素（１．１；１．１’）に対して空隙をあけて向かい合って配置されており、
前記第１の構造ユニット（２．１）が前記たわみ軸継手（２．３）を介して前記第２の構造ユニット（２．２）と回転剛性をもって、しかし軸方向および径方向にたわみ性をもって結合されており、したがって前記位置センサー（２．１１）が前記位置検知器（２．２１、２．２２、２．２３）に対して回転剛性をもって、しかし軸方向および径方向にたわみ性をもって配置されており、
前記角度測定機構が、第１のモード（Ｉ）でおよび第２のモード（ＩＩ）で動作可能であるように構成されており、
前記第１のモード（Ｉ）では前記位置センサー（２．１１）により、第１の角度位置（Ｐｏｓ２．１１）を決定するために前記第１の目盛（１．１１）が走査可能であり、かつ
前記第２のモード（ＩＩ）では前記位置検知器（２．２１、２．２２、２．２３）により、それぞれ１つのさらなる角度位置（Ｐｏｓ２．２１、Ｐｏｓ２．２２、Ｐｏｓ２．２３）を決定するために前記第１の目盛（１．１１）、または、前記スケール要素（１．１；１．１’）に配置されているさらなる目盛（１．１３）が走査可能であり、
前記部品群（１、２）の間の修正された相対角度位置（ＰｏｓＩ）が、前記第１の角度位置（Ｐｏｓ２．１１）および前記さらなる角度位置（Ｐｏｓ２．２１、Ｐｏｓ２．２２、Ｐｏｓ２．２３）に基づいて決定可能である、角度測定機構。

【請求項2】

請求項１に記載の角度測定機構において、前記第２の部品群（２）が光源（２．２１１）を有しており、かつ前記第１の目盛（１．１１）および前記位置センサー（２．１１）は、前記部品群（１、２）の間の前記相対角度位置が光学式の原理によって決定可能であるように形成されている、角度測定機構。

【請求項3】

請求項１または２に記載の角度測定機構において、前記位置検知器（２．２０、２．２１、２．２２、２．２３）の少なくとも２つが、前記回転軸（Ａ）の周りの中心角を少なくとも９０°ずらして配置されている、角度測定機構。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載の角度測定機構において、少なくとも３つの位置検知器（２．２０、２．２１、２．２２、２．２３）が、円周に沿って配置されている、角度測定機構。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか一項に記載の角度測定機構において、前記スケール要素（１．１’）がさらなる目盛（１．１３）を有しており、かつ前記第１の目盛（１．１１）が光学式の原理に基づいて、および前記さらなる目盛（１．１３）が磁気式の原理に基づいて走査可能であるように前記スケール要素（１．１’）が形成されている、角度測定機構。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか一項に記載の角度測定機構において、前記第２の部品群（２）がハウジング（２．４）を含んでおり、かつ前記位置センサー（２．１１）および前記位置検知器（２．２０、２．２１、２．２２、２．２３）が前記ハウジング（２．４）内に配置されている、角度測定機構。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか一項に記載の角度測定機構において、平面（Ｐ）内での前記スケール要素（１．１；１．１’；１．１”）の変位を決定するために、前記第１、第２、および第３の位置検知器（２．２１、２．２２、２．２３）により前記第１の目盛（１．１１）、または、前記スケール要素（１．１；１．１’）に配置されているさらなる目盛（１．１３）が走査可能である、角度測定機構。

【請求項8】

角度測定機構の動作方法であって、該角度測定機構が、第１の部品群（１）、第２の部品群（２）、および軸受（３）を含んでおり、前記部品群（１、２）が互いに対し、回転軸（Ａ）の周りを回転できるように前記軸受（３）を介して配置されており、
－ 前記第１の部品群（１）が、第１の目盛（１．１１）を有するスケール要素（１．１；１．１’）を含んでおり、
－ 前記第２の部品群（２）が、
位置センサー（２．１１）を備えた第１の構造ユニット（２．１）を有しており、
複数の位置検知器（２．２０、２．２１、２．２２、２．２３）を備えた第２の構造ユニット（２．２）を有しており、かつ
たわみ軸継手（２．３）を有しており、
前記位置センサー（２．１１）および前記位置検知器（２．２０、２．２１、２．２２、２．２３）がそれぞれ、前記スケール要素（１．１；１．１’）に対して空隙をあけて向かい合って配置されており、
前記第１の構造ユニット（２．１）が前記たわみ軸継手（２．３）を介して前記第２の構造ユニット（２．２）と回転剛性をもって、しかし軸方向および径方向にたわみ性をもって結合されており、したがって前記位置センサー（２．１１）が前記複数の位置検知器（２．２０、２．２１、２．２２、２．２３）に対して回転剛性をもって、しかし軸方向および径方向にたわみ性をもって配置されており、
前記角度測定機構が、第１のモード（Ｉ）でおよび第２のモード（ＩＩ）で動作可能であり、
前記第１のモード（Ｉ）では前記位置センサー（２．１１）により、第１の角度位置（Ｐｏｓ２．１１）を決定するために前記第１の目盛（１．１１）が走査され、かつ
前記第２のモード（ＩＩ）では前記位置検知器（２．２０、２．２１、２．２２、２．２３）により、それぞれ１つのさらなる角度位置（Ｐｏｓ２．２０、Ｐｏｓ２．２１、Ｐｏｓ２．２２、Ｐｏｓ２．２３）を決定するために前記第１の目盛（１．１１）、または、前記スケール要素（１．１；１．１’）に配置されているさらなる目盛（１．１３）が走査され、
前記部品群（１、２）の間の修正された相対角度位置（ＰｏｓＩ）が、前記第１の角度位置（Ｐｏｓ２．１１）および前記さらなる角度位置（Ｐｏｓ２．２０、Ｐｏｓ２．２１、Ｐｏｓ２．２２、Ｐｏｓ２．２３）に基づいて決定される、動作方法。

【請求項9】

請求項８に記載の方法において、前記第２のモード（ＩＩ）で決定された前記さらなる角度位置（Ｐｏｓ２．２０、Ｐｏｓ２．２１、Ｐｏｓ２．２２、Ｐｏｓ２．２３）から修正値（ＫＩＩ）が生成され、前記修正値（ＫＩＩ）が前記第１のモード（Ｉ）で、測定された前記第１の角度位置（Ｐｏｓ２．１１）と一緒に、前記修正された相対角度位置（ＰｏｓＩ）を生成するために使用される、方法。

【請求項10】

請求項８または９に記載の方法であって、測定された前記さらなる角度位置（Ｐｏｓ２．２０、Ｐｏｓ２．２１、Ｐｏｓ２．２２、Ｐｏｓ２．２３）に基づいて修正値（ＫＩＩ）が決定および保存される、方法。

【請求項11】

請求項８、９、または１０に記載の方法において、前記第２のモード（ＩＩ）では、前記スケール要素（１．１；１．１’）が前記回転軸（Ａ）の周りを少なくとも３６０°にわたって、とりわけ少なくとも７２０°にわたって回転する、方法。

【請求項12】

請求項８、９、１０、または１１に記載の方法において、前記角度測定機構が、逐次的に前記第１のモード（Ｉ）でおよび前記第２のモード（ＩＩ）で動作される、方法。

【請求項13】

請求項８、９、１０、１１、または１２に記載の方法において、前記角度測定機構が、同時に前記第１のモード（Ｉ）でおよび前記第２のモード（ＩＩ）で動作される、方法。

【請求項14】

請求項８、９、１０、１１、１２、または１３に記載の方法において、前記第１、第２、および第３の位置検知器（２．２１、２．２２、２．２３）により、それぞれ１つのさらなる角度位置（Ｐｏｓ２．２１、Ｐｏｓ２．２２、Ｐｏｓ２．２３）を決定するために前記第１の目盛（１．１１）、または、前記スケール要素（１．１；１．１’）に配置されているさらなる目盛（１．１３）が走査され、かつその結果として生じる、平面（Ｐ）内での前記スケール要素（１．１；１．１’；１．１”）の変位が決定される、方法。

【請求項15】

請求項８、９、１０、１１、１２、１３、または１４に記載の方法において、第４、第５、および第６の位置検知器（２．２４、２．２５、２．２６）により、前記スケール要素（１．１）の軸方向の位置を決定するために第２の目盛（１．１２）が走査される、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、請求項１に基づく修正された相対角度位置を測定するためのスケール要素を備えた角度測定機構および請求項８に基づく方法に関する。
このような角度測定機構は、例えばスピンドルまたは回転テーブル（ｒｏｔａｒｙ ｔａｂｌｅ）に取り付けられ得る。当該スピンドルまたは回転テーブルは、しばしば加工機械またはマシニングセンター内で用いられる。スピンドルまたはモータスピンドルは、工作機械内で、回転する工具、例えばフライスを保持することが多い。回転テーブルには被加工材が固定され、この被加工材はその後、例えば切削によって加工される。さらに回転テーブルは測定機械内で使用され、この用途では、回転テーブル上に固定された被加工材が測定される。角度測定機構は、とりわけ工作機械または測定機械の場合には回転運動を測定するために用いられる。このようなスピンドルまたは回転テーブルの性能、とりわけ動作中の精密さを高めることがますます望まれている。

【背景技術】

【0002】

ＥＰ２５００６９６Ａ１では、複数の走査ヘッドを有し、自己較正方法を実施可能な角度測定機構が開示されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本発明の基礎になっている課題は、非常に正確な角度位置の決定を可能にする角度測定機構を提供することである。そのうえ本発明により、角度位置の非常に正確な決定を可能にする角度測定機構の動作方法が提供される。

【課題を解決するための手段】

【0004】

この課題は、本発明に基づき、請求項１または８の特徴によって解決される。
それによれば角度測定機構は、第１の部品群、第２の部品群、および軸受を含んでいる。これらの部品群は互いに対し、軸受によってまたは軸受を使って回転軸の周りを回転可能に配置されている。第１の部品群は、第１の目盛を有するスケール要素を含んでいる。第２の部品群は、少なくとも１つの位置センサーを備えた第１の構造ユニットを有している。第２の部品群はこれに加え、第１、第２、および第３の位置検知器（トランスデューサ）を備えた第２の構造ユニットを有している。第２の部品群はそれだけでなく、たわみ軸継手（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を有している。位置センサーならびに第１、第２、および第３の位置検知器はそれぞれ、スケール要素に対して空隙をあけて向かい合って配置されている。第１の構造ユニットはたわみ軸継手を使って第２の構造ユニットと回転剛性（又は、ねじれ剛性）をもって、しかし軸方向および径方向にたわみ性をもって結合されており、したがって位置センサーは位置検知器に対して回転剛性をもって、しかし軸方向および径方向にたわみ性をもって配置されている。角度測定機構は、第１のモードでおよび第２のモードで動作可能であるように構成されている。第１のモードでは位置センサーにより、第１の角度位置を決定するために第１の目盛が走査可能である。第２のモードでは位置検知器により、それぞれ１つのさらなる角度位置を決定するために第１の目盛またはスケール要素に配置されているさらなる目盛が走査可能である。部品群の間の修正された相対角度位置は、第１の角度位置およびさらなる角度位置をベースとして決定可能である。

【0005】

回転剛性をもってという概念は、以下では、たわみ軸継手の通常の負荷時にも、周方向に関しては位置センサーの位置検知器に対する位置が変化しないままということである。これに対し、たわみ軸継手の軸方向および径方向のたわみ性により、たわみ軸継手の通常の負荷時に位置センサーの位置検知器に対する位置は変化する。とりわけ、位置センサーはスケール要素に対して（軸方向および径方向に）動かないように配置されている。

【0006】

位置センサーおよび位置検知器という概念を使用することで、第一に、これらの要素が異なる構造ユニットに取り付けられていることが表現される。当該要素（位置センサー、位置検知器）は、異なるまたは同一の構造であり得る。

【0007】

位置センサーにより、スケール要素の第２の部品群に対する角度位置が、１回転内にわたってアブソリュート式（絶対的）に決定可能である。これは例えば、第１の目盛がアブソリュート式のコードトラックを有することによって達成できるが、またはスケール要素上に基準マークが施されており、この基準マークをインクリメンタル目盛と関連させて、１回転内の角度位置のアブソリュート式の決定を可能にすることによって達成できる。

【0008】

位置センサーは、スケール要素に対して、径方向または軸方向に延びている空隙をあけて向かい合って配置されていることができる。位置検知器も、スケール要素に対してそれぞれ、径方向または軸方向に延びている空隙をあけて向かい合って配置されていることができ、この場合には、たわみ軸継手が負荷に起因して変形しながら移動、変位、または傾動することにより、それぞれの空隙の大きさが変化し得る。

【0009】

第１の目盛および任意選択のさらなる目盛が、第１の方向に沿って互いに平行に並んで配置されている規則的な構造を含むことが有利である。これに関し第１の方向は、周方向の方向成分を有している。

【0010】

本発明のさらなる形態では、第２の部品群が光源を有しており、かつ第１の目盛および位置センサーは、部品群の間の相対角度位置が光学式の原理によって決定可能であるように形成されている。

【0011】

位置検知器の少なくとも２つが、回転軸の周りの中心角を少なくとも９０°ずらして配置されていることが有利である。したがってつまり、例えば第１の位置検知器は、第２の位置検知器に対してまたは第３の位置検知器に対して、回転軸の周りの中心角を少なくとも９０°ずらして配置されている。中心角とは、中心点の角度のことであり、当該中心点は回転軸上にある。

【0012】

本発明のさらなる形態では、位置検知器の少なくとも３つと、任意選択でさらに位置センサーとが、円周に沿って配置されている。ただし、とりわけ第１、第２、第３、および第４の位置検知器が（任意選択で位置センサーと共に）、円周に沿って配置されていてもよい。

【0013】

スケール要素がさらなる目盛を有しており、かつ第１の目盛が光学式の原理に基づいて、およびさらなる目盛が磁気式の原理に基づいて走査可能であるようにスケール要素が形成されていることが有利である。この場合、第１の目盛およびさらなる目盛は、少なくとも部分的に重なり合って配置されていることができる。例えば、第１の目盛およびさらなる目盛は、円筒形のスケール要素の側面に施されていることができ、かつ第１の目盛およびさらなる目盛が軸方向に重なり合って形成されていることができる。

【0014】

第２の部品群がハウジングを含むことが有利であり、この場合、位置センサーおよび位置検知器はハウジング内に配置されている。
本発明は、さらなる一態様に基づいて角度測定機構の動作方法も含んでいる。この角度測定機構は、第１のモードでおよび第２のモードで動作可能であり、これに関し第１のモードでは位置センサーにより、第１の角度位置を決定するために第１の目盛が走査され、かつ第２のモードでは位置検知器により、それぞれ１つのさらなる角度位置を決定するために第１の目盛またはスケール要素に配置されているさらなる目盛が走査される。第２のモードではこれに加え、部品群の間の修正された相対角度位置が決定され、この修正された相対角度位置は、第１の角度位置およびさらなる角度位置をベースとしている。

【0015】

本方法の一変形形態によれば、第２のモードで決定されたさらなる角度位置から修正値が生成され、この修正値が第１のモードで、測定された第１の角度位置と一緒に、修正された相対角度位置を生成するために使用される。

【0016】

測定されたさらなる角度位置をベースとして修正値が確定され、かつ（とりわけ角度測定機構内で）保存されることが有利である。
第２のモードでは、スケール要素が回転軸の周りを少なくとも３６０°にわたって、とりわけ少なくとも７２０°にわたって回転することが有利である。

【0017】

角度測定機構は、逐次的に第１のモードでおよび第２のモードで動作され得るが、または同時に第１および第２のモードで動作され得る。
第１、第２、および第３の位置検知器により、平面内でのスケール要素の変位を決定するために第１の目盛またはさらなる目盛が走査可能であることが有利である。

【0018】

さらに第４、第５、および第６の位置検知器により、スケール要素の軸方向の位置を決定するために第２の目盛が走査され得る。
角度測定機構が、位置センサーおよび／または位置検知器によって生成された信号に基づく情報を保存するためにデータロガーとして使用可能なメモリモジュールを有することが有利である。

【0019】

少なくとも第１のまたはさらなる目盛（または両方の目盛）が、円筒形のスケール要素の側面に施されていることが有利である。
任意選択で、第１の部品群が、第１の目盛のほかに第２の目盛を有するスケール要素を含むことができる。この場合、第４、第５、および第６の位置検知器により、第２の目盛が走査可能であり得る。第４、第５、および第６の位置検知器により、スケール要素の傾動、したがって傾動軸の周りでの回転軸の傾動が決定され得る。第２の目盛は、第２の方向に沿って互いに平行に並んで配置されている規則的な構造を含んでいる。第２の方向は、軸方向の方向成分を有している。さらに、第２の目盛はインクリメンタル目盛としてまたはアブソリュート目盛として形成されていることができる。アブソリュート目盛としての形態は、スケール要素の軸方向の位置が、角度測定機器のスイッチオンの直後でも（とりわけ基準運転なしで）決定可能であるという利点を有しており、これは例えば温度に起因してスケール要素が軸方向に移動する場合に有益であり得る。

【0020】

第１の目盛またはさらなる目盛の規則的な構造が互いに並んで配置されている第１の方向は、周方向と同一であり得る。まったく同様に、第１の方向が周方向に対して傾いてまたは斜めに配置されていてもよい（ただし周方向に垂直ではない）。同様に、第２の目盛の規則的な構造が互いに並んで配置されている第２の方向は、軸方向と同一に（したがって回転軸に平行に）配置されていることができる。まったく同様に、第２の方向が軸方向に対して傾いてまたは斜めに配置されていてもよい（ただし軸方向に垂直ではない）。例えば、第１の目盛の規則的な構造と第２の目盛の規則的な構造が、互いに矢じり形に方向づけられていることができる。

【0021】

平面内でのスケール要素の変位が、磁気式の原理によって決定可能であることが有利である。この場合には、スケール要素の目盛の構造が、とりわけ磁気式の構造として、つまり局所的に規定されたＮ極およびＳ極の連続として形成されている。この形態では、位置センサーおよび／または位置検知器は磁気センサーとして形成されている。位置センサーおよび／または位置検知器は、例えば磁気抵抗の原理に基づいて働くことができ、またはホール・位置検知器として形成されていることができる。その代わりに、位置検知器が光学式または誘導式の測定原理に基づくこともでき、この場合、これらの原理の組合せも可能であり、したがって第１の目盛が第２の目盛とは違う原理に基づいて走査され得る。

【0022】

スケール要素としては、例えばボス（又は、ハブ）に固定され得るリング状の物体が考えられる。しかしその代わりに、第１および／または第２の目盛またはさらなる目盛が、直接的にボスに施されていてもよい。

【0023】

位置センサーおよび位置検知器が、電子モジュールと電気接続されていることが有利であり、この場合、電子モジュールにより、スケール要素の角度位置、回転軸に垂直な平面内でのスケール要素の変位または位置、およびスケール要素の傾動が決定可能である。任意選択で、これに加えて電子モジュールにより軸方向の位置が決定され得る。

【0024】

必然的に相応に剛性に形成されているスピンドルまたは回転テーブルの場合、このような傾動は比較的小さく、かつ理想的な回転軸に対して１分（角度）未満の範囲内にあり、例えば１００秒から５０秒までである。したがって、この傾動によってごくわずかな位置変化しか存在しないこともあり、よって傾動に関して信頼できるデータまたは定量値をもたらし得るには、位置検知器が非常に高い分解能を有していなければならない。回転軸が場合によっては回転していることにより、前述の傾動がスケール要素の揺動運動を生じさせる可能性があり、この場合、揺動運動は角度測定機構により、とりわけ、測定される角度位置を加えることによって定量的に記録され得る。

【0025】

位置検知器は、２μｍ未満、とりわけ１μｍ未満、とりわけ７５０ｎｍ未満の分解能を有し得ることが有利である。分解能のこれらの値は、軸方向の位置の決定に関しても、横方向の、つまり回転軸に垂直な平面内での位置の決定に関しても達成され得る。

【0026】

本方法の一変形形態によれば、第１の目盛またはスケール要素に配置されているさらなる目盛が、第１、第２、および第３の位置検知器により、それぞれ１つのさらなる角度位置を決定するために走査される。検出されたさらなる角度位置から、平面内でのスケール要素の変位が決定または計算される。

【0027】

つまりこの角度測定機構により、角度位置だけでなく、例えば回転テーブルの軸の移動もオンラインで検出され得る。とりわけ、加工プロセスまたは測定プロセス内で、スケール要素の角度位置および回転軸に垂直な平面内での位置の測定値をベースとして、数値制御により、目標位置の修正が行われ得る。これにより、例えば加工中の被加工材の位置が修正され得る。この角度測定機構はとりわけ、数値制御と連携して、角度測定機構によって測定された絶対角度位置と関連する位置データをベースとする修正値が生成されるように構成されていることができる。

【0028】

つまり、このように形成された角度測定機構により、スケール要素または回転軸の測定された角度位置、移動、または運動に依存して、残りの５つの自由度において、定量的に検出され得る。

【0029】

本発明の有利な形成形態は従属請求項から読み取られる。
本発明による角度測定機構のさらなる詳細および利点は、添付の図に基づく例示的実施形態の以下の説明から明らかである。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】角度測定機構の分解図である。

【図2】角度測定機構のさらなる分解図である。

【図3】角度測定機構の平面図である。

【図4】角度測定機構の部分断面図である。

【図5】角度測定機構のさらなる部分断面図である。

【図6】第１の例示的実施形態に基づく角度測定機構のスケール要素の詳細図である。

【図7】角度測定機構の動作方法のフロー図である。

【図8】さらなる一形態に基づく角度測定機構の動作方法のフロー図である。

【図9】さらなる１つの例示的実施形態に基づく角度測定機構のスケール要素の詳細図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

図１および図２ではそれぞれ、例えば、フライス盤などの工作機械の回転テーブル軸に取り付けられ得るような角度測定機構の分解図が示されている。角度測定機構は、第１の部品群１および第２の部品群２を含んでいる。第１の部品群１は、図３に図示されるように、第２の部品群２に対して回転軸Ａの周りを回転可能であり、したがって第１の部品群１はここでは回転子として機能でき、かつ第２の部品群２は固定子とも呼ばれ得る。これに加えて角度測定機構は図４に図示されるように、ここでは転がり軸受として形成されている軸受３を含んでいる。

【0032】

第１の部品群１は、ボス１．２に回転不能に据え付けられているスケール要素１．１を有している（例えば図４または図５を参照）。ボス１．２は、シャフト、例えば回転テーブルを収容するために用いられ、したがってこの場合、シャフトはボス１．２と不動におよび回転不能に結合されている。

【0033】

第２の部品群２は第１の構造ユニット２．１を有しており、第１の構造ユニット２．１は、ここでは２つの部分から成る構造であり、したがってここでは固定ジョー（あご）と呼ばれ得る第１の部分２．１ａと、本例示的実施形態では軸受プレートと呼ばれ得る第２の部分２．１ｂとを含んでいる。第１の部分２．１ａには位置センサー２．１１が固定されており、位置センサー２．１１は、スケール要素１．１に対して径方向の空隙をあけて向かい合って配置されている（図４を参照）。

【0034】

第２の部品群２は第２の構造ユニット２．２をさらに含んでおり、第２の構造ユニット２．２も２つの部分から成る構造である。したがって第２の構造ユニット２．２は、第１の部分２．２ａと、ここではフランジとも呼ばれ得る第２の部分２．２ｂとを含んでいる。保持リングとして形成されている第１の部分２．２ａに直接的に複数の位置検知器２．２０～２．２６が取り付けられている。図５に図示のように、位置検知器２．２０～２．２６は、スケール要素１．１に対して径方向の空隙をあけて向かい合って配置されている。ここで説明されている実施形態によれば、角度測定機構は、詳しくは第１の位置検知器２．２１と、第２の位置検知器２．２２と、第３の位置検知器２．２３と、第４の位置検知器２．２４と、第５の位置検知器２．２５と、第６の位置検知器２．２６と、第７の位置検知器２．２０とを含んでいる。位置検知器２．２０～２．２６は、周方向ｕにそれぞれ互いにずれて配置されている。

【0035】

第２の部品群２はたわみ軸継手２．３を含んでいる。たわみ軸継手２．３は、製造および取付けの必然的な不正確さに起因する変位を相殺するために用いられる。たわみ軸継手２．３を使って、第１の構造ユニット２．１は第２の構造ユニット２．２と回転剛性をもって、しかし軸方向および径方向にたわみ性をもって結合されている。本例示的実施形態では、例示的に図１で一点鎖線によって示されているネジ結合により、第１の構造ユニット２．１の第１の部分２．１ｂが、たわみ軸継手２．３の３つの連接部２．３１、２．３３、２．３５と結合される。これに対し、第２の構造ユニット２．２の第２の部分２．２ｂは、たわみ軸継手２．３のそのほかの３つの連接部２．３２、２．３４、２．３６と結合される。このようにして、位置センサー２．１１が複数の位置検知器２．２０～２．２６に対して回転剛性をもって、しかし軸方向および径方向にたわみ性をもってまたは柔軟に配置されている。

【0036】

たわみ軸継手２．３が、第１の構造ユニット２．１および第２の構造ユニット２．２と上述のように結合された後、第２の構造ユニット２．２の第１の部分２．２ａが第２の部分２．２ｂとネジによって結合され得る。これにより位置センサー２．１１および位置検知器２．２０～２．２６は、軸方向ではスケール要素１．１の高さに配置されている。

【0037】

図１は、とりわけたわみ軸継手２．３の取付状況を例示するものであり、その一方で図２は、第１の部分２．２ａおよび第２の部分２．２ｂを含んでいる第２の構造ユニット２．２に関する状況を例示するものである。取り付ける過程で第２の構造ユニット２．２は、軸方向に、第１の構造ユニット２．１の第２の部分２．１ｂの上に動く。

【0038】

これに加えて第２の部品群２はハウジング２．４を含んでおり、ハウジング２．４は、第２の構造ユニット２．２の第２の部分２．２ｂと結合され、かつ一般的には測定動作のために機械部分に不動に据え付けられる。ハウジング２．４は、角度測定機構の内部空間を、環境の及ぼす影響から保護するために役立つ。この関連で、しばしばボス１．２とハウジング２．４の間にシール材（ｓｅａｌｓ；密封材等）が設けられており、しかしこれらのシール材は見易くするため図では示されていない。

【0039】

上述のように、角度測定機構が通常の作動を意図されたように行っている時では、ボス１．２が回転可能なシャフトと不動におよび回転不能に結合されており、かつ第２の構造ユニット２．２のハウジングまたは第２の部分２．２ｂは、静止している機械部分と結合されている。機械部分に対するシャフトの偏心度、揺動運動、または軸方向の変位は、角度測定機構内、とりわけ軸受３内での反力を生じさせる。反力の大きさを制限するためにたわみ軸継手２．３が設けられており、たわみ軸継手２．３は、径方向および軸方向にたわみ性をもっているかまたは弾性変形可能である。他方でたわみ軸継手２．３は回転剛性をもっており、したがって角度位置の測定精度は損なわれていない。位置センサー２．１１は、第１の構造ユニット２．１の第２の部分２．１ｂと不動に結合されている。たわみ軸継手２．３の変形は、位置センサー２．１１のスケール要素１．１に対する位置への影響を有さない。これに対し位置検知器２．２０～２．２６は、たわみ軸継手２．３の弾性の範囲内で、スケール要素１．１に対して（軸方向および径方向に）移動し得る。

【0040】

本例示的実施形態では、位置センサー２．１１および位置検知器２．２０～２．２６はほぼ同一の構造であり、かつすべてが円周に沿って配置されている。図４では、位置センサー２．１１を備えた断面図（図３での線Ｄ－Ｄ）が、および図５では、位置検知器２．２０～２．２６のうちの位置検知器２．２１を備えた断面図（図３での線Ｆ－Ｆ）が示されている。当該位置検知器２．１１、２．２１はそれぞれＬＥＤ２．１１１、２．２１１と、コンデンサ２．１１２、２．２１２と、センサー要素２．１１３、２．２１３とを含んでいる。センサー要素２．１１３、２．２１３は、ここではいわゆるＯｐｔｏ－ＡＳＩＣとして基板上で形成されている。光源として用いられるＬＥＤ２．１１１、２．２１１は、光をコンデンサ２．１１２、２．２１２に通してスケール要素１．１に送る。この場合、ＬＥＤ２．１１１、２．２１１と、コンデンサ２．１１２、２．２１２と、センサー要素２．１１３、２．２１３とは、角度測定機構の第２の部品群２、つまり固定子に割り当てられている。本例示的実施形態では、各位置検知器２．１１、２．２０～２．２６がハウジングを有しており、このハウジング内に相応のセンサー要素２．１１３、２．２１３が配置されている。代わりの実施形態として、ハウジングを使用しなくてもよく、または複数のセンサー要素が１つの同じハウジング内に配置されていてもよい。例えば、複数またはすべての位置検知器２．１１、２．２０～２．２６が、１つの同じ基板上で取り付けられていてもよい。

【0041】

これとは異なり、既に言及したようなスケール要素１．１は回転可能なボス１．２に固定されている。スケール要素１．１は、図６に図示のように、第１の目盛１．１１および第２の目盛１．１２を含んでいる。スケール要素１．１は、本例示的実施形態では、円筒形またはリング状の物体として形成されており、この物体の側面に、第２の目盛１．１２も第１の目盛１．１１も配置されており、この場合は第２の目盛１．１２が第１の目盛１．１１に対し、軸方向ｚにずれて配置されている。

【0042】

図６では、スケール要素１．１の側面の図の一部分が示されている。第２の目盛１．１２は、第２の方向に沿って互いに平行に並んで配置されている規則的な構造または線を含んでおり、これに関し第２の方向は、軸方向の方向成分を有している。本例示的実施形態では、第２の方向は軸方向ｚと同一である。

【0043】

第１の目盛１．１１は、第２の方向に沿って互いに平行に並んで配置されている規則的な構造または線を含んでおり、これに関し第２の方向は、軸方向の方向成分を有している。第２の方向は、本例示的実施形態では、回転軸Ａに平行にまたは方向ｚに平行に延びている。加えて第１の目盛１．１１は基準マーク１．１１１を含んでいる。言い換えれば第１の目盛１．１１は規則的な構造を含んでおり、これらの規則的な構造はここでは線として形成されており、かつ第２の方向に方向づけられて互いに平行に配置されている。第２の方向は、本例示的実施形態では、回転軸Ａに平行にまたは方向ｚに平行に延びている。第２の目盛１．１２も規則的な構造を含んでおり、これらの規則的な構造はここでは、周囲を取り囲むように形成されており、かつ周囲を取り囲んでいる長手辺が第１の方向に方向づけられて互いに平行に配置されている。第１の方向は周方向ｕに延びている。

【0044】

第１の目盛１．１１の構造および第２の目盛１．１２の構造は、本例示的実施形態では、光に対して反射性のおよび非反射性の縞（ｓｔｒｉｐｅｓ；細片ともいう）として形成されている。スケール要素１．１はその第１の目盛１．１１により、入射する光を、スケール要素１．１またはボス１．２の角度位置に相応に変調させることができる。第２の目盛１．１２により、入射した光はスケール要素１．１またはボス１．２の軸方向の位置に応じて変調される。変調された光は、図４および図５では最終的にセンサー要素２．１１３、２．２１３の光検出器に当たる。

【0045】

位置検知器２．２０～２．２６は電子モジュールと電気接続されている。位置検知器２．２０～２．２６は、図３に図示のように、原則としてペアで配置されている（第１のペア２．２１、２．２４、第２のペア２．２２、２．２５、第３のペア２．２３、２．２６）。本例示的実施形態では、第１の位置検知器２．２１、第２の位置検知器２．２２、および第３の位置検知器２．２３により、第１の目盛１．１１が走査される。第４の位置検知器２．２４、第５の位置検知器２．２５、および第６の位置検知器２．２６により、第２の目盛１．１２が走査され、その際、これらの位置検知器２．２４、２．２５、２．２６により、スケール要素１．１の軸方向の位置が決定可能である。上記のペアの１つに属していない位置検知器２．２０も第１の目盛１．１１の走査に用いられる。

【0046】

当該角度測定機構は、選択的に図７および図８に図示のように、第１のモードＩでまたは第２のモードＩＩで動作でき、これに関し角度測定機構は、同時に両方のモードＩ、ＩＩで、または相次ぐ期間内にそれぞれ１つのモードＩ、ＩＩでのみ動作され得る。第１のモードＩは本来の測定モードとして規定でき、その一方で第２のモードＩＩは較正モードとも呼ばれ得る。つまり第２のモードＩＩでは較正運転が行われる。角度測定機構は、例えば、予め規定された動作時間間隔をあけて、または角度測定機構の特定の回転数の後もしくは各スイッチオン後に、第２のモードＩＩになり得る。

【0047】

第１の目盛１．１１は、第１の位置検知器２．２１、第２の位置検知器２．２２、および第３の位置検知器２．２３によって走査される。較正運転中、スケール要素１．１は少なくとも３６０°回転する。３つの位置検知器２．２１、２．２２、２．２３の各々が、いわゆるさらなる角度位置Ｐｏｓ２．２１、Ｐｏｓ２．２２、Ｐｏｓ２．２３を測定する（図７）。測定されたさらなる角度位置Ｐｏｓ２．２１、Ｐｏｓ２．２２、Ｐｏｓ２．２３から、電子モジュール内で修正値ＫＩＩが確定され、かつ角度測定機構または制御部内で保存される。

【0048】

この場合、第１のモードＩでは、位置センサー２．１１により、スケール要素１．１の、位置センサー２．１１に対する第１の角度位置Ｐｏｓ２．１１が決定されるように、位置センサー２．１１により第１の目盛１．１１が走査される。その際、第１の角度位置Ｐｏｓ２．１１は、１回転内にわたってアブソリュート式に決定され得る。この目的のために、図６に示したようにインクリメンタル（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ；漸増）式の第１の目盛１．１１を使用でき、この第１の目盛１．１１により、基準マーク１．１１１と関連させて、１回転を超えるアブソリュート式の第１の角度位置Ｐｏｓ２．１１が生成可能である。その代わりに、第１の目盛１．１１は符号化の意味において、つまり一義的なコード値の生成を伴って、例えば擬似ランダム符号またはグレイコード（交番二進符号）としてアブソリュート式に形成されていることができる。位置センサー２．１１の信号は、第２の部品群２内の適切な部位に取り付けられている電子モジュールへと伝送される。この場合、電子モジュールにより、第１の角度位置Ｐｏｓ２．１１のとりわけデジタル値が生成される。第１のモードＩでは、測定された第１の角度位置Ｐｏｓ２．１１と一緒に修正値ＫＩＩを使用して、電子モジュール内で部品群１、２の間の修正された相対角度位置ＰｏｓＩが計算され、かつ測定結果として出力される。

【0049】

前述の修正値ＫＩＩの使用により、例えば角度測定機構の動作中に生じるスケール要素１．１の変形が、角度位置の高い測定精度が保証され続けるように修正され得る。
この修正方法は、第１の位置検知器２．２１、第２の位置検知器２．２２、および第３の位置検知器２．２３だけでなく、これに加えて第４の位置検知器２．２４が第１の目盛１．１１を走査するために使用されることによって最適化され得る。この場合にも、較正運転中にスケール要素１．１が少なくとも３６０°回転する。図８によれば、４つの位置検知器２．２０、２．２１、２．２２、２．２３の各々が、さらなる角度位置Ｐｏｓ２．２０、Ｐｏｓ２．２１、Ｐｏｓ２．２２、Ｐｏｓ２．２３を測定する。測定されたさらなる角度位置Ｐｏｓ２．２０、Ｐｏｓ２．２１、Ｐｏｓ２．２２、Ｐｏｓ２．２３から、電子モジュール内で修正値ＫＩＩが確定され、かつ角度測定機構または制御部内で保存される。この修正値ＫＩＩは、第１のモードＩで、測定された第１の角度位置Ｐｏｓ２．１１を修正するために参照され、これにより電子モジュールは、部品群１、２の間の修正された角度位置ＰｏｓＩを計算でき、かつ測定結果として出力できる。

【0050】

電子モジュール内で、第１の位置検知器２．２１、第２の位置検知器２．２２、および第３の位置検知器２．２３の位置信号を適切に結び付けることにより、回転軸Ａに垂直に方向づけられている平面Ｐ内でのスケール要素１．１の位置、つまり回転軸Ａの実際の位置のｘ，ｙ座標が決定され得る。この位置は横方向の位置とも呼ばれ、所与の回転テーブルの場合、加工中の負荷に依存している。加えてその時々の横方向の位置に、ボス１．２の修正された角度位置ＰｏｓＩも割り当てられる。

【0051】

角度測定機構により、さらに第４の位置検知器２．２４、第５の位置検知器２．２６、および第６の位置検知器２．２６の位置信号を適切に結び付けることで、平面Ｐ内にある傾動軸Ｂの周りでのスケール要素１．１の傾動の大きさならびに揺動運動の大きさおよび方向が決定され得る。平面Ｐは、回転軸Ａに垂直に方向づけられている。

【0052】

この角度測定機構により、とりわけ回転テーブルの場合に、ボス１．２の絶対角度位置を決定すること、ならびに絶対角度位置に依存してボス１．２の横方向および軸方向の位置を測定することが可能である。前記回転テーブルがいずれにしても非常に厳密（ｒｉｇｉｄｌｙ）に設計されていることにより、ここではμｍ以下の範囲で動く位置測定が実施される。したがってとりわけ位置センサー２．１１および位置検知器２．２０～２．２６の高い分解能が必要である。回転軸Ａの、傾動軸Ｂの周りでのハウジング２．２に対する傾動も測定され得る。

【0053】

最後に、さらに処理された位置信号がケーブルを介してさらなる機器に、例えば機械の制御機構に出力される。
つまり、位置センサー２．１１および位置検知器２．２０～２．２６は、本例示的実施形態では、角度位置および／または軸方向の位置を検出する位置検知器である。

【0054】

図９に基づいて第２の例示的実施形態を解説する。図９は、スケール要素１．１’の側面の図を示している。スケール要素１．１’は第１の目盛１．１１を含んでおり、この第１の目盛１．１１は、第１の例示的実施形態の第１の目盛１．１１に相応している。第１の目盛１．１１はこれに加えて基準マーク１．１１１を含んでいる。第１の目盛１．１１および基準マーク１．１１１の構造は、第１の例示的実施形態に類似して、光に対して反射性のおよび非反射性の縞として形成されている。第２の目盛も、第１の例示的実施形態に類似して形成されている。

【0055】

しかし第２の例示的実施形態によれば、スケール要素１．１’はさらなる目盛１．１３を有している。このさらなる目盛１．１３は、第１の方向に沿って互いに平行に並んで配置されている規則的な構造または線を含んでおり、これに関し第１の方向は、周方向ｕの方向成分を有している。本例示的実施形態では、第１の方向は周方向ｕと同一である。さらなる目盛１．１３の構造は、本例示的実施形態では、Ｎ極およびＳ極として形成されている。第１の目盛１．１１およびさらなる目盛１．１３は、少なくとも部分的に重なり合って配置されている。

【0056】

この場合、ポジションセンサー２．１１は、図４に図示のように、第１の目盛１．１１を光学式の原理に基づいて走査でき、その一方で位置検知器は磁気式の原理に基づいて働く。したがって第２の例示的実施形態では、第１の角度位置Ｐｏｓ２．１１は光学式に検知され、かつさらなる角度位置Ｐｏｓ２．２０、Ｐｏｓ２．２１、Ｐｏｓ２．２２、Ｐｏｓ２．２３、Ｐｏｓ２．２４、Ｐｏｓ２．２５、Ｐｏｓ２．２６は磁気式の原理によって検知される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】