JP6843598B2 - 角度測定装置および角度測定装置を作動する方法 - Google Patents

Description

本発明は、角度測定装置および角度測定装置を作動する方法に関する。特に、角度測定装置は、角度測定装置によって測定されるシャフトのアンバランスに関する情報を生成するために適切に構成されている。

シャフトの角度位置を検出するための角度測定装置は、自動化技術の分野および工作機械において広く知られている。角度測定装置は、例えば、駆動を調整する場合に、後続電子機器、例えば数値制御部が、駆動（例えば工具または未加工部品の供給）を制御する調整回路のための目標値を計算するために必要とする位置実測値を検出するために使用される。この場合、機械シャフトの動きが測定器シャフトに伝達されるように測定器シャフトと機械シャフトとの間に機械的に堅固な結合が形成される。角度測定装置は、測定されるべきシャフトの回転角度を決定するために、多くの場合には目盛パターンが取り付けられたコードディスクの形式の基準器を含み、この目盛パターンの走査によりシャフトの角度位置の検出が可能となる。この場合、例えば、光学式、磁気式、または誘導式の走査原理が使用される。角度測定は、増分的および／または絶対的な測定原理に基づいていてもよい。

現在では、基礎をなす測定原理が絶対的または増分的であるのか、あるいは絶対的および増分的であるのかどうかとは無関係に、好ましくは絶対的な角度値を生成する角度測定装置が使用され、これらの角度値は、多くの場合には直列データインタフェースを介して位置測定装置から後続電子機器に伝送される。

特に、例えば工作機械のラウンドテーブル軸の駆動部のように、角度測定装置を用いてシャフトの角度位置を測定することが望ましい駆動部が重い荷重を移動させる場合、または、例えば工作機械の工具スピンドルなどのように、高い回転数が必要とされる場合、駆動部によって動かされる質量がシャフトの回転軸線に対してアンバランスを有していないことが重要である。

国際公開第２００９／１５６０９４号には、電気機械式のバランス調整システムが記載されている。アンバランスを決定するためには、回転数を検出するための別個のセンサおよびアンバランスに起因する振動が必要とされる。センサ信号の評価は分散して行われる。

国際公開第２００９／１５６０９４号

本発明の課題は、シャフトもしくはシャフトによって駆動される機械部分のアンバランスに関する情報を簡単に生成する装置を形成することである。

この課題は、請求項１に記載の角度測定装置によって解決される。このような角度測定装置の有利な詳細が、請求項１に従属する請求項に記載されている。

角度測定装置であって、
ケーシングと、
参照位置に対するシャフトの角度位置を示す角度値を生成するための位置検出ユニットと、
データ伝送路を介して後続電子機器と通信するためのインタフェースユニットと
を含み、
角度測定装置が、さらに
アンバランスに基づくシャフトの変位からアンバランス信号を生成する少なくとも１つのアンバランスセンサと、
アンバランス信号からアンバランス値を生成するアンバランス評価ユニットと、
インタフェースユニットを介して後続電子機器に伝送可能なアンバランス情報を角度値およびアンバランス値から生成する信号処理ユニットと
を含む角度測定装置が提案される。

さらに、本発明の基礎をなす課題は、シャフトもしくはシャフトによって駆動される機械部分のアンバランスに関する情報を簡単に生成することができる方法を提案することである。

この課題は、請求項９に記載の本発明による角度測定装置を作動する方法によって解決される。この方法の有利な詳細が請求項９に従属する請求項に記載されている。

ここでは、本発明による角度測定装置を作動するための方法が請求され、
位置検出ユニットによって、参照位置に対するシャフトの角度位置を示す角度値が生成され、
アンバランスユニットによって、少なくとも１つのアンバランスセンサによって生成されたアンバランス信号から、アンバランスに基づくシャフトの変位のための尺度であるアンバランス値が生成され、
角度値およびアンバランス値が信号処理ユニットに供給され、信号処理ユニットが角度値およびアンバランス値に基づいて、少なくとも参照位置に対するアンバランス信号の位相位置およびアンバランス信号の振幅を含むアンバランス情報を生成する。

したがって、一般にシャフトの角度位置を測定するために既に提供されている角度測定装置は、アンバランス信号を生成するように強化される。したがって、角度測定装置は、閉ループシステムにおいてアンバランスを決定するように形成される。

本発明の他の利点および詳細が図面に基づいた次の説明により明らかにされる。

本発明による角度測定装置の機械的構成を示す図である。 本発明による角度測定装置の代替的な実施形態の機械的構成を示す図である。 本発明による角度測定装置のブロック図である。 時間制御式にアンバランス値を生成した場合の信号線図である。 位置制御式にアンバランス値を生成した場合の信号線図である。 アンバランス情報を生成するための信号処理ユニットの第１実施形態を示すブロック図である。 アンバランス情報を生成するための信号処理ユニットの他の実施形態を示すブロック図である。

図１ａは、機械のシャフト３０に取り付けられた本発明による角度測定装置の機械構造を示す。この実施例では、機械は工作機械のラウンドテーブル３２である。しかしながら、一般に、本発明による角度測定装置は、シャフトもしくはシャフトによって駆動される機械部分のアンバランスを検出し、計量することが望ましい場合には常に使用することができる。

本発明による角度測定装置を使用することができる他の例は、工作機械の研磨機、旋盤、およびスピンドルである。

ラウンドテーブル３２のシャフト３０は、荷重受け３４によって機械基盤（図示しない）に対して回転可能に支承されている。ラウンドテーブル３２に非対称的に負荷が加えられる度にアンバランスが生じ、このアンバランスにより、シャフト３０と共に回転する荷重受け３４の部分（したがって同様にシャフト３０自体）が、機械基盤に結合された荷重受け３４の定置部分に対して小さい変位を生じる。

角度測定装置は、機械基盤に固定されたケーシング１０を備える。角度測定装置のシャフト１２は、ケーシング１０内で軸受１１を介して回転可能に支承されており、ラウンドテーブル３２のシャフト３０に機械的に堅固に結合されている。このために、適切な結合手段３３が設けられている。したがって、結合は、例えば、ねじ込むことによって行うこともできる。同様にシャフト３０の変位をシャフト１２にも伝達するために十分に堅固な結合を可能にする継手部材が設けられていてもよい。したがって、シャフト１２はいわばシャフト３０の延長部を形成している。

シャフト１２に対して定置の軸受１１の部分は、継手１３（象徴的にのみ示す）を介して軸線方向および半径方向に機械的に柔軟にケーシング１０に結合されている。継手１３は、このためにばね部材および／または緩衝部材を含んでいてもよい。機械的に柔軟な結合は、軸受１１がアンバランスに基づいてケーシング１０に対して変位することを可能にする。これに対して、継手１３はねじり方向に堅固に構成されており、したがって正確な角度測定が可能になる。

シャフト１２，３０の共通の回転軸線を中心として半径方向に配置された測定目盛１５を備える基準器１４が、シャフト１２に回動不能に結合されており、これによりラウンドテーブル３２もしくはラウンドテーブル３２のシャフト３０の回転が基準器１４の回転を引き起こす。

代替的な実施形態では、基準器１４は機械のシャフト３０に回動不能に直接に結合されていてもよい。この場合、角度測定装置のシャフト１２、軸受１１、および結合手段３３はなくてもよい。

測定目盛１５は、角度測定装置の作動原理に応じて増分的および／または絶対的に符号化されている１つ以上の目盛トラックを含む。

増分的な目盛トラックは、規則的に連続するコード要素からなり、コード要素の走査により、多くの場合には広範囲にわたって正弦状の周期的な位置信号が生じる。位置決定は、信号周期および信号周期の一部を数えること（補間）によって行われ、したがって、基本的には相対的である。絶対的な関係を得ることができるように、たいていは参照マークが設けられている。これらの参照マークは、別個の目盛トラックに配置されているか、または増分的な目盛トラックに組み込まれていてもよい。参照マークを通過することにより、実際の角度値を割り当てることが可能になる。

絶対的に符号化された目盛トラックは、並行に（例えばグレイコード）、または直列に（例えばチェーンコード、疑似乱数コード）符号化されていてもよい。このような目盛トラックの走査により生じた位置信号は、直接に絶対的な角度位置を含む。

増分的な目盛トラックは絶対的な目盛トラックよりも高い角度分解能を可能にするので、角度測定装置では、増分的にも絶対的にも符号化された目盛トラックが設けられていることが多い。この場合、絶対位置は絶対的に符号化された目盛トラックの走査により得られ（おおまかな位置）、角度値の分解能は増分的な目盛トラックの走査により高められる（詳細位置）。このような装置では参照マークを省略することができる。

角度測定装置の基礎をなす物理的な走査原理は、本発明では重要ではない。したがって、例えば、光学式、磁気式、容量式、または誘導式走査原理を使用してもよい。

本発明によれば、角度測定装置のケーシング１０内には、アンバランスに起因する角度測定装置のシャフト１２、ひいてはラウンドテーブル３２のシャフト３０の変位を測定可能な少なくとも１つのアンバランスセンサ２０が配置されている。アンバランスセンサ２０は、例えば測定方向Ｘにシャフト１２の変位を検出する加速度センサとして構成されていてもよい。

特に、ラウンドテーブルによって大きい質量を動かす場合には、アンバランスセンサ２０を配置することは重要ではない。なぜなら、シャフト３０が回転した場合には、システムの全ての構成要素はアンバランスにより振動させられるからである。

しかしながら、アンバランスセンサ２０が軸受１１の定置の部分に機械的に堅固に結合されている場合には、最大限の変位が予想されるので有利である。図示の実施例では、アンバランスセンサ２０は、軸受１１の定置部分に直接に固定されプリント配線板２２に配置されている。これにより、アンバランスセンサ２０はプリント配線板２２および軸受１１を介して半径方向に機械的に堅固にシャフト１２に結合されている。したがって、シャフト１２の変位は、直接にアンバランスセンサ２０の変位をも引き起こす。

２つのアンバランスセンサ２０が設けられており、アンバランスセンサの測定方向Ｘ，Ｙが互いに直交して基準器１４の回転平面に配置されている場合、特に有利である。この場合、互いに９０°だけ位相をずらされた広範囲にわたって正弦状のアンバランス信号が得られ、アンバランス信号は、既知のように複合関数の実部および虚部とみなすことができ、増分的な位置測定装置の位置信号を評価する場合に使用される補間器回路によって、値および位相角に応じて特に簡単に評価することができる。

付加的に、アンバランスに起因するシャフト１２の揺れを検出することが望ましい場合には、回転平面に対して垂直な、したがってシャフト１２の回転軸線に対して平行な測定方向Ｚの変位を検出する別のアンバランスセンサ２０を設けてもよい。

アンバランスセンサ２０は、プリント配線板２２に配置された個々の構成部材であってもよい。しかしながら、必要な測定方向Ｘ，Ｙ，Ｚのアンバランスを検出するための少なくとも２つのアンバランスセンサ２０が１つの構成部材に含まれている場合、特に有利である。

製造技術的な観点から、アンバランスセンサ２０がＳＭＤ技術によって構成されている場合には、特に簡単な構成が得られる。

角度測定装置の電気回路の構成要素、例えば信号処理を行い、後続電子機器へ（デジタルまたは／およびアナログ式に）信号／データ伝送を行う構成要素が、完全に、または部分的にプリント配線板２２に配置されていてもよい。さらにプリント配線板２２には、測定目盛１５の走査により位置信号を生成するための走査ユニット２４が、完全に、または部分的に配置されていてもよい。

代替的には、プリント配線板２２はケーシング１０に固定されていてもよく、少なくとも１つのバランスセンサ２０のみが軸受１１の定置部分に結合されていてもよい。この場合、プリント配線板２２にバランスセンサ２０を接続するためにケーブルが設けられる。この実施形態では、製造技術の観点から、ケーシング１０の内部における配線コストが最小限となるので、特に有利である。

図１ｂは、本発明による角度測定装置の代替的な実施形態の機械的構成を示す。既に図１ａに関して説明した構成要素には同じ符号を付す。

この実施例では、アンバランスセンサ２００は、角度測定装置のケーシング１０に割り当てられた参照位置と、シャフト１２に割り当てられた参照位置との間の間隔ｄを測定可能な距離センサ２００である。この実施例では、プリント配線板２２に配置された距離センサ２００は、ケーシング１０の参照面２０１との間隔ｄを測定する。代替的には、距離センサはケーシング１０にも接続されており、シャフト１２または基準器１４との距離ｄを直接に測定してもよい。この場合に適切な表面が参照面を形成することができる。

距離センサ２００の間隔測定は、任意の測定原理、例えば光学式、磁気式、容量式、または誘導式の測定原理に基づいていてもよい。

継手１３はケーシング１０に対してシャフト１２の変位を許可するので、間隔ｄの波形はアンバランスのための尺度である。加速度センサのアンバランス信号と類似して、間隔ｄも広範囲にわたって正弦状の波形を示し、シャフト１２の回転に相当する周期を有する。

この実施例においても、２つの距離センサ２００が測定方向Ｘ，Ｙのために設けられているか、または３つの距離センサ２００が測定方向Ｘ，Ｙ，Ｚのための設けられている場合、特に有利であるといえる。

図２は、本発明による角度測定装置のブロック回路図を示す。角度測定装置の中央の機能ユニットは、位置検出ユニット５０、アンバランス検出ユニット６０、信号処理ユニット７０、およびインタフェースユニット８０である。

位置検出ユニット５０は、参照位置に対するシャフト１２、ひいてはシャフト３０の角度位置を示すデジタル角度値φを生成するように適切に構成されている。このために、位置測定ユニット５０には、測定目盛１５を有する基準器１４および測定目盛１５を走査するための走査ユニット２４が割り当てられている。さらに位置検出ユニット５０は、走査ユニット２４の走査信号からデジタル角度値φを形成するための位置評価ユニット５２を含む。

走査ユニット２４の走査信号を角度値φとして処理するために必要不可欠な処理ステップに対応して、位置評価ユニット５２は、増幅、信号補正（オフセット、振幅、位相補正）、補間、目盛周期のカウント、Ａ／Ｄ変換などの処理ステップを実施する種々異なる機能ユニットを含む。

本発明の範囲では、角度値φは、角度測定装置の最大分解能により角度位置を示す純粋な絶対値を含む。付加的に、絶対値と並行して、増分目盛の走査により得られる計数信号を角度値φの一部として伝送することもできる。計数信号は、一般に９０°だけ位相をずらされた２つの矩形波信号である。代替的に、絶対的に符号化された目盛トラックの走査により得られる角度測定の絶対値（大まかな位置）、ならびに増分目盛の走査により得られ、例えばカウンタによって詳細位置を生成するために用いることができる計数信号を角度値φとして伝送することも可能である。

位置検出ユニット５０の角度値φの生成は連続的に行うこともできるし、または信号処理ユニット７０の要求に応じて行うこともできる。したがって、例えば絶対値は要求に応じてのみ生成されるが、計数信号は連続的に伝送されるように混合形式とすることも可能である。対応する制御信号、特に位置要求コマンドＰ＿ＲＱを位置検出ユニット５０に伝送し、角度値φを信号処理ユニット７０に伝送するためには、信号ライン５４が設けられている。

アンバランス検出ユニット６０は、アンバランス信号の実際値に対応する個々のアンバランス値ｕを生成するために用いられる。アンバランス信号は、少なくとも１つのアンバランスセンサ２０によって生成され、アンバランスに基づくシャフト１２，３０の変位のための尺度である。アンバランス検出ユニット６０は、少なくとも１つのアンバランスセンサ２０およびアンバランス評価ユニット６２を含む。

アンバランスセンサ２０は、角度測定装置のシャフト１２（ひいてはラウンドテーブル３２のシャフト３０）が回転した場合に、シャフト１２，３０のアンバランス、特にシャフト３０によって動かされる質量に依存するアンバランス信号を生成する。この信号は、シャフト１２の回転数が一定の場合には広範囲にわたって正弦状であり、シャフト１２の回転はアンバランス信号の信号周期に相当する。

アンバランス信号は、アナログ式のアンバランス信号からデジタル式のアンバランス値ｕを生成できるアンバランス評価ユニット６２に供給される。このためにアンバランス評価ユニット６２は、アンバランス信号の帯域幅を制限し、純粋なアンバランス信号に重畳される高周波信号部分をフィルタ処理するためのローパスフィルタと、アナログ信号をデジタル化するためのアナログ‐デジタルコンバータとを含んでいてもよい。好ましくは、シグマ‐デルタコンバータが使用される。

アンバランス検出ユニット６０へ制御信号、特にアンバランス要求コマンドＵ＿ＲＱを伝送する場合には、アンバランス値の生成を開始し、アンバランス値ｕを信号処理ユニット７０に伝送するために適切な信号ライン６４が設けられている。

アンバランス値の生成は、時間制御式または位置制御式に行うことができる。

信号処理ユニット７０では、角度値φおよびアンバランス値ｕが角度測定装置を作動する装置のバランス調整を可能にするアンバランス情報Ｉとしてさらに処理される。本発明の範囲では、アンバランス情報Ｉは、測定されるべきシャフト３０の角度位置に対するアンバランス信号の位相位置ならびにアンバランス信号の振幅に関する少なくとも１つの情報を含む。アンバランス信号の振幅はシャフトの回転数に依存しているので、アンバランス情報Ｉはシャフトの回転数を含んでいてもよい。このことは、特にアンバランス情報を検出するために所定の回転数が設けられていない場合にあてはまる。

角度測定装置の経過を同期し、正確な時間間隔で経過させることができるように、角度測定装置には、時間単位として用いられる作動クロック信号ＣＬＫを生成するクロック発生器７２が設けられている。これに応じて、位置検出ユニット５０、アンバランス検出ユニット６０、信号処理ユニット７０、およびインタフェースユニット８０に作動信号ＣＬＫを供給してもよい。

インタフェースユニット８０は、後続電子機器１００との通信を可能にする。特にインタフェースユニット８０はコマンドおよび必要に応じてデータを後続電子機器１００から受信し、出力データを後続電子機器１００に伝送する。出力データには、アンバランス情報Ｉの他に、例えば、後続電子機器１００の位置要求コマンドによって要求される角度値φも含まれる。好ましくは、インタフェースユニット８０は直列データ伝送に適しており、データ伝送は、どの物理的伝送原理が選択されるかに応じて、従来の電気ラインまたは光導波路を介して、あるいはワイヤレスで行うこともできる。

インタフェースユニット８０と、これに対応する後続電子機器１００のインタフェースユニット（図示しない）との間の物理的な接続は、データ伝送路８２を介して行われる。データ伝送路８２は、角度測定装置のインタフェースユニット８０と後続電子機器１００のインタフェースユニットとの間のデータ交換を可能にするために必要とされる全ての構成要素、例えば、信号変換器構成要素、データ送受信機、配線（電気、光学）、差込みプラグなどを含む。

図３は、アンバランス値が時間制御式に生成された場合の信号線図を示す。上部には、回転数が一定の場合のシャフト１２，３０の回転角度の波形が示されている。角度値０°に割り当てられた参照位置を起点として、角度値φは、シャフト３０が回転のために必要とする所要時間に対応する周期Ｔ内で０°から３６０°まで線形に上昇し、再び０°に飛躍して戻る。図示の飛躍は選択した図からのみ生じ、数学的な意味の飛躍ではない。実際に角度値φは連続的な関数に従う。

図３の下部は、アンバランスセンサ２０によって検出されるアンバランス信号の波形を示す。アンバランス信号ｕ（ｔ）は、回転数が一定の場合には広範囲にわたって正弦状であり、同様にシャフト３０が回転するための時間に相当する周期Ｔを有する。選択した図は、理解するためにのみ役立ち、アンバランス信号ｕ（ｔ）の理想的な波形を示している。実際には、アンバランス信号ｕ（ｔ）には、シャフト３０のアンバランスとは異なる原因を有する振動もしくは加速度から生じる妨害が重畳されていることが多い。

信号処理ユニット７０は、規則的な時間間隔をおいて、アンバランス値ｕの生成を開始し、アンバランス値ｕが連続的に生成されない場合には、角度値φの生成も開始する。アンバランス値ｕおよび角度値φは、さらなる処理のために保存される。時間間隔は走査率（走査頻度）によって決定され、走査率は、ナイキスト‐シャノン走査定理にしたがって、さらなる信号処理で個々の値から初期信号を再び生成することができるように、走査されるべき信号の検出されるべき最大周波数の２倍よりも大きくなければならない。本発明では、アンバランス信号ｕ（ｔ）はシャフト３０の回転周波数を示す。例えばローパスフィルタの使用によって、アンバランス信号ｕ（ｔ）の帯域幅が、予想されるシャフト３０の最大回転周波数に制限されているという条件下では、個々のアンバランス値ｕからアンバランス信号ｕ（ｔ）を再構成することができるように、走査率はシャフト３０の回転周波数の２倍よりも大きくなければならない。しかしながら、実際には、測定されるシャフト３０で検出される回転数が最大である場合には、さらなる信号処理のために回転毎に十分に多数の値を使用することができ、特に高い雑音および妨害抑制を達成することができるように、理論的に可能な最低走査率の代わりに、一般に実質的により高い走査率が選択される。この場合、必ずしも不可欠ではないにしても、アンバランス値ｕおよび角度値φをそれぞれ同時に検出し、さらなる処理のために保存することは適切である。

図３の例では、時点ｔ０〜ｔ７で、アンバランス値ｕ０〜ｔ７および角度値φ０〜φ７が生成もしくは検出される。一般的にみて、このことは、時点ｔｉでアンバランス値ｕｉおよび角度値φｉが検出されることを意味する。したがって、信号処理ユニット７０には値ペアが提供されており、これらの値ペアに基づいてアンバランス情報Ｉを検出することができる。特に、角度測定の参照点に対してアンバランス信号ｕ（ｔ）の位相位置を決定することができ、ひいてはアンバランス信号ｕ（ｔ）が最大値ｕｍａｘおよび／または最小値ｕｍｉｎを有する角度値、ならびにアンバランス信号ｕ（ｔ）の振幅を決定することができる。アンバランス情報Ｉは、インタフェースユニット８０およびデータ伝送路８２によって後続電子機器１００に伝送可能であり、そこで例えばラウンドテーブル３２のバランス調整のために使用することができる。

回転数が低い場合にシャフト１２の回転毎に生成されるアンバランス値ｕｉの数が多くなりすぎることを防止するために、回転数に依存して走査率を調整することができるように構成されている。

図４は、アンバランス値ｕが位置制御式に生成された場合の信号線図を示す。上部には再び、回転数が一定の場合のシャフト１２，３０の回転角度の波形が示されており、下部は、アンバランスセンサ２０によって検出されたアンバランス信号の波形を角度値φの関数として示している。

信号処理ユニット７０は、シャフト３０の所定の角度位置におけるアンバランス値の生成を開始する。図示の実施例では、アンバランス値ｕ０〜ｕ１１は、角度値がφ０〜φ１１の場合に生成され（一般的に角度値がφｉ場合にはアンバランス値はｕｉである）、連続する２つの角度値の角度間隔は４５°である。アンバランス値ｕｉを生成することが望ましい角度値φｉをできるだけ正確に検出することができるように、有利な複数の手順がある。

位置検出ユニット５０は、自動制御式に、または信号処理ユニット７０の要請に応じて、短い時間間隔をおいて最新の角度値φを生成し、この角度値φを信号処理ユニット７０に出力する。信号処理ユニット７０は、連続する２つ以上の角度値αから、例えば外挿により、アンバランス値ｕｉを生成することが望ましい角度値φｉが得られる時点を検出し、この時点でアンバランス値ｕｉの生成を開始する。

位置検出ユニット５０は最新の角度値φを連続的に生成し、それぞれ信号処理ユニット７０に出力する。この信号処理ユニット７０は、角度値φの所定のビット交換時にアンバランス値ｕｉの生成を開始する。この場合、角度値φの個々のビットのビット交換（すなわち、１から０へ、０から１へのビットの値の変更）が選択される。なぜなら、これによりシャフト１２の一回転にわたるアンバランス値ｕｉの一様な分配が自動的に得られるからである。

計数信号が角度値φの一部として伝達された場合には、アンバランス値ｕｉの生成を開始するためにこれらの角度値φを（例えば信号エッジの処理によって）使用することができる。アンバランス値ｕｉの数を減じるために、カウンタによって計数信号を数え、ｎ番目のビット交換時にのみアンバランス値ｕｉを生成することもできる。この場合にも、カウンタ出口の単一のビットのみを使用することは有利である。

この方法では、アンバランス値ｕｉは時間ではなく、回転角度の関数である。この理由から、アンバランス信号はシャフト１２の回転角度φの関数として表すこともでき、シャフト１２の回転毎にちょうど一信号周期を有している。

位置制御式にアンバランス値を生成することは、回転数もしくは加速度に依存せずに、シャフト３０のそれぞれの回転毎に同数のアンバランス値が生成されるので、特に有利である。角度値とアンバランス値との相互関係が規定されていることにより、アンバランス情報Ｉの位相情報をアンバランス値から読み取ることもできる。

アンバランス値の生成が時間制御式に行われるか、または位置制御式に行われるかとは無関係に、信号処理ユニット７０には、デジタル式の信号処理方法によってアンバランス情報Ｉを生成するために連続する角度値およびアンバランス値が供給される。

図５は、位置検出ユニット５０およびアンバランス検出ユニット６０により時間制御式に供給された連続する角度値φｉおよびアンバランス値ｕｉからアンバランス情報Ｉを形成するための信号処理ユニット７０のブロック図を示す。信号処理ユニット７０は、回転数決定ユニット７４、フィルタユニット７６、および評価ユニット７８を含む。

角度値φｉを供給された回転数決定ユニット７４は、角度値φｉからシャフト１２の回転周波数ω（ｔ）を決定する。この回転周波数ω（ｔ）は、通過周波数をシャフト１２の回転周波数ω（ｔ）に設定することができる適応帯域フィルタとして構成されたフィルタユニット７６に供給される。

少なくとも１つのアンバランスセンサ２０が加速度センサであるか、距離センサであるか、またはアンバランス測定に適した代替的なセンサであるかどうかとは無関係に、シャフト１２のアンバランスとは別の原因を有する妨害信号がアンバランス信号に常に重畳される。したがって、シャフト１２の回転周波数ω（ｔ）に設定されたフィルタユニット７６は、フィルタユニット７６に供給された、アンバランス信号ｕ（ｔ）を表すアンバランス値ｕｉをフィルタ処理し、フィルタ処理された連続するアンバランス値ｗｉを生成する。アンバランス値ｗｉは、フィルタ処理されたアンバランス信号ｗ（ｔ）を表す。

帯域フィルタに対して代替的に、フィルタユニット７６は、フィルタ処理されたアンバランス値ｗｉもしくはフィルタ処理されたアンバランス信号ｗ（ｔ）を、例えばフーリエ変換、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、または狭帯域の帯域フィルタの機能を有する他の信号処理方法を用いて、計算により決定するように構成されていてもよい。

フィルタ処理されたアンバランス値ｗｉおよび角度値φｉは、評価ユニット７８に供給され、評価ユニット７８は、これらの値からアンバランス情報Ｉを生成する。このために、評価ユニット７８はフィルタ処理されたアンバランス値ｗｉから、フィルタ処理されたアンバランス信号ｗ（ｔ）の振幅、ならびに角度値φｉによって表されるシャフト１２の角度位置に対するアンバランス信号ｗ（ｔ）の位相位置を検出する。

さらに、評価ユニット７８には回転周波数ω（ｔ）が供給されてもよい。回転周波数ω（ｔ）はアンバランス情報Ｉを補足し、ラウンドテーブル３２のシャフト３０、もしくは一般にバランス調整されるべき機械のバランス調整を行うためにアンバランス信号ｕ（ｔ）の振幅と回転数との関係を考慮してもよい。

極めて簡単な場合には、常に同じ回転数でアンバランス情報Ｉの検出が行われる場合には、回転数決定ユニット７４を完全に省略してもよい。回転数の決定は、例えば後続電子機器１００によって行ってもよい。この場合、フィルタユニット７６も適応的に構成されている必要はなく、設定された回転数に固定して設定されていてもよい。

アンバランス情報Ｉを検出するために必要とされる全ての構成要素は角度測定装置内に配置されているので、製造者は、例えば、製造プロセス終了時の較正手続きの流れで、補正値を検出し、保存することもでき、これらの補正値は、角度測定装置の作動時にアンバランス情報Ｉを検出する場合に考慮される。補正値は、信号処理、特に信号作動時間、例えばアンバランスセンサ２０の出力信号をアンバランス値として処理するための所要時間、またはフィルタユニット７６における信号作動時間に関係している。さらに、補正値は幾何学的な状況、例えば、位置測定の参照点に対する少なくとも１つのアンバランスセンサ２０の角度位置を考慮してもよい。

図６は、アンバランス検出ユニット６０によって位置制御式に供給される連続するアンバランス値ｕｉからアンバランス情報Ｉを形成するための信号処理ユニット７０のブロック図を示す。信号処理ユニット７０は、要求ユニット１７５、フィルタユニット１７６、および評価ユニット１７８を含む。

要求ユニット１７５には角度値φが供給される。このために、位置検出ユニット５０は角度値φを連続的に生成するか、または破線矢印で示すように、要求ユニット１７５が等しい時間間隔をおいて位置検出ユニット５０に送信する位置要求コマンドＰ＿ＲＱの結果として生成する。後者の場合にも、一様な時間間隔が有利である。

要求ユニット１７５は、到着した角度値φから、例えば図４に関連して上述した有利な方法に基づいて、アンバランス値ｕｉを測定することが望ましい時点を検出し、これらの時点で、アンバランス要求コマンドＵ＿ＲＱをアンバランス検出ユニット６０に送信し、測定を開始する。

この方法は、上記実施例に比べて２つの重要な利点を有する：
アンバランス値ｕｉと角度値φｉとの固定した相互関係により、アンバランス情報Ｉの位相情報は、既にアンバランス値ｕｉの中に含まれており；
アンバランス値ｕｉが時間ではなく、位置の関数として検出されることにより、アンバランス値ｕｉは回転周波数ω（ｔ）に依存しておらず、場合によってはシャフト１２の加速度にも依存していない。シャフト１２の回転毎に、常にアンバランス信号ｕ（ｔ）のちょうど１周期に対応するアンバランス値ｕｉのデータが得られる。

アンバランス値ｕｉはフィルタユニット１７６に供給され、フィルタユニット１７６は、妨害信号をフィルタ処理により除外し、フィルタ処理により得られたアンバランス値ｗｉを評価ユニット１７８に出力する。上記理由から、フィルタユニット１７６は適応的に構成されている必要はなく、したがって、回転周波数ω（ｔ）に関する情報は不要である。

評価ユニット１７８は、アンバランス情報Ｉ、すなわち、フィルタ処理されたアンバランス値ｗｉによって表されるアンバランス信号ｗ（ｔ）の振幅、ならびに角度測定の参照点に対するアンバランス信号のｗ（ｔ）の位相位置を検出する。

アンバランス信号の振幅と回転数との関係を考慮することができるように、要求ユニット１７５は、アンバランス情報Ｉを補足するためにシャフト１２の回転周波数ω（ｔ）を評価ユニット１７８に出力することができる。

上記実施例では、１つのみのアンバランスセンサ２０のアンバランス値の処理を説明したが、特に複数のアンバランスセンサ２０のアンバランス値ｕｉを処理するために信号処理ユニット７０を強化することが、専門家であれば問題なく可能である。

本発明は、当然ながら上記実施形態に制限されていない。むしろ、開示された実施例に基づいて専門家は他の実施形態に発展させることもできる。

１０ ケーシング
１１ 軸受
１２ シャフト
１３ 継手
１４ 基準器
１５ 測定目盛
２０ バランスセンサ
２０ アンバランスセンサ
２２ プリント配線板
２４ 走査ユニット
３０ シャフト
３２ ラウンドテーブル
３３ 結合手段
５０ 位置検出ユニット
５０ 位置測定ユニット
５２ 位置評価ユニット
５４ 信号ライン
６０ アンバランス検出ユニット
６２ アンバランス評価ユニット
６４ 信号ライン
７０ 信号処理ユニット
７２ クロック発生器
７４ 回転数決定ユニット
７６ フィルタユニット
７８ 評価ユニット
８０ インタフェースユニット
８２ データ伝送路
１０ 後続電子機器
１７５ 要求ユニット
１７６ フィルタユニット
１７８ 評価ユニット
２００ 距離センサ（アンバランスセンサ）
２０１ 参照面
ＣＬＫ 作動クロック信号
Ｔ 周期
Ｉ アンバランス情報
Ｐ＿ＲＱ 位置要求コマンド
ｕ アンバランス値
ｔ０ 時点
ｕｍｉｎ 最小値
ｗ（ｔ） アンバランス信号
ｗｉ アンバランス値
ｕｍａｘ 最大値
ｔｉ 時点
φ 角度値
ｕｉ アンバランス値
ｄ 間隔
Ｚ 測定方向
Ｘ 測定方向
Ｕ アンバランス要求コマンド

Claims (17)

1. 角度測定装置であって、
   ケーシング（１０）と、
   参照位置に対するシャフト（１２，３０）の角度位置を示す角度値（φ，φｉ）を生成するための位置検出ユニット（５０）と、
   データ伝送路（８２）を介して後続電子機器（１００）と通信するためのインタフェースユニット（８０）と
   を含み、
   前記角度測定装置が、さらに
   アンバランスに基づくシャフト（１２，３０）の変位からアンバランス信号（ｕ（ｔ））を生成する少なくとも１つのアンバランスセンサ（２０）と、
   前記アンバランス信号（ｕ（ｔ））からアンバランス値（ｕ，ｕｉ）を生成するアンバランス評価ユニット（６２）と、
   前記インタフェースユニット（８０）を介して前記後続電子機器（１００）に伝送可能なアンバランス情報（Ｉ）を前記角度値（φ，φｉ）およびアンバランス値（ｕ，ｕｉ）から生成する信号処理ユニット（７０）と
   を含み、
   前記信号処理ユニット（７０）は、
   前記角度値（φ，φｉ）から前記シャフト（１２，３０）の回転周波数（ω（ｔ））を検出する回転数決定ユニット（７４）と、
   適応帯域フィルタとして構成されたフィルタユニット（７６）であって、該フィルタユニット（７６）は、前記アンバランス値（ｕ，ｕｉ）に重畳された妨害をフィルタ処理により除外し、フィルタ処理されたアンバランス値（ｗｉ）を形成し、前記フィルタユニット（７６）の通過周波数が前記回転周波数（ω（ｔ））に設定されている、前記フィルタユニット（７６）と、
   前記フィルタ処理されたアンバランス値（ｗｉ）および前記角度値（φ、φｉ）に基づいて前記アンバランス情報（Ｉ）を生成する評価ユニット（７８）と、
   を備える、角度測定装置。
2. 角度測定装置であって、
   ケーシング（１０）と、
   参照位置に対するシャフト（１２，３０）の角度位置を示す角度値（φ，φｉ）を生成するための位置検出ユニット（５０）と、
   データ伝送路（８２）を介して後続電子機器（１００）と通信するためのインタフェースユニット（８０）と
   を含み、
   前記角度測定装置が、さらに
   アンバランスに基づくシャフト（１２，３０）の変位からアンバランス信号（ｕ（ｔ））を生成する少なくとも１つのアンバランスセンサ（２０）と、
   前記アンバランス信号（ｕ（ｔ））からアンバランス値（ｕ，ｕｉ）を生成するアンバランス評価ユニット（６２）と、
   前記インタフェースユニット（８０）を介して前記後続電子機器（１００）に伝送可能なアンバランス情報（Ｉ）を前記角度値（φ，φｉ）およびアンバランス値（ｕ，ｕｉ）から生成する信号処理ユニット（７０）と
   を含み、
   前記信号処理ユニット（７０）は、
   連続する少なくとも２つの前記角度値（φ、φｉ）から、前記アンバランス値（ｕ，ｕｉ）を生成する時点を検出し、検出された時点で前記アンバランス値（ｕ，ｕｉ）の生成を開始する要求ユニット（１７５）と、
   フィルタユニット（１７６）であって、該フィルタユニット（１７６）は、生成された前記アンバランス値（ｕ，ｕｉ）に重畳された妨害をフィルタ処理により除外し、フィルタ処理されたアンバランス値（ｗｉ）を形成する、前記フィルタユニット（１７６）と、
   前記フィルタ処理されたアンバランス値（ｗｉ）に基づいて前記アンバランス情報（Ｉ）を生成する評価ユニット（１７８）と、
   を備える、角度測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の角度測定装置であって、
   前記シャフト（１２）が角度測定装置に割り当てられており、
   前記シャフト（１２）がケーシング（１０）内で軸受（１１）を介して回転可能に支承されており、
   前記シャフト（１２）に対して軸受（１１）の定置部分が継手（１３）を介して前記ケーシング（１０）に機械的に柔軟に結合されており、
   前記シャフト（１２）が結合手段（３３）によって機械（３２）のシャフト（３０）に機械的に堅固に結合可能である角度測定装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の角度測定装置において、
   少なくとも１つのアンバランスセンサ（２０）が前記シャフト（１２）に機械的に堅固に結合されている角度測定装置。
5. 請求項４に記載の角度測定装置において、
   少なくとも１つの前記アンバランスセンサ（２０）が、軸受（１１）の定置部分に機械的に堅固に結合されている角度測定装置。
6. 請求項５に記載の角度測定装置において、
   少なくとも１つの前記アンバランスセンサ（２０）が、軸受（１１）の定置部分に固定されたプリント配線板（２２）に配置されている角度測定装置。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の角度測定装置において、
   ２つのアンバランスセンサ（２０）が設けられており、該２つのアンバランスセンサ（２０）の測定方向（Ｘ，Ｙ）が、前記シャフト（１２）の回転平面内で互いに直交している角度測定装置。
8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の角度測定装置において、
   別のアンバランスセンサ（２０）が設けられており、該アンバランスセンサ（２０）の測定方向（Ｚ）が、前記シャフト（１２）の回転軸線に対して平行に整列されている角度測定装置。
9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の角度測定装置において、
   少なくとも１つの前記アンバランスセンサ（２０）が加速度センサまたは距離センサである角度測定装置。
10. 請求項１から９までのいずれか一項に記載の角度測定装置を作動する方法において、
    位置検出ユニット（５０）によって、参照位置に対する前記シャフト（１２，３０）の角度位置を示す前記角度値（φ，φｉ）を生成し、
    アンバランス検出ユニット（６０）によって、少なくとも１つの前記アンバランスセンサ（２０）によって生成した前記アンバランス信号（ｕ（ｔ））から、アンバランスに基づく前記シャフト（１２，３０）の変位のための尺度である前記アンバランス値（ｕ，ｕｉ）を生成し、
    前記角度値（φ，φｉ）および前記アンバランス値（ｕ，ｕｉ）が前記信号処理ユニット（７０）に供給され、該信号処理ユニット（７０）が前記角度値（φ，φｉ）および前記アンバランス値（ｕ，ｕｉ）に基づいて、少なくとも参照位置に対する前記アンバランス信号（ｕ（ｔ））の位相位置ならびに前記アンバランス信号（ｕ（ｔ））の振幅を含む前記アンバランス情報（Ｉ）を生成する方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、
    前記信号処理ユニット（７０）の前記アンバランス値（ｕ，ｕｉ）が前記フィルタユニット（７６，１７６）に供給され、該フィルタユニット（７６，１７６）が、前記アンバランス値（ｕ，ｕｉ）に重畳された妨害をフィルタ処理により除外し、フィルタ処理により得られたアンバランス値（ｗｉ）を形成し、
    前記アンバランス情報（Ｉ）を生成する評価ユニット（７８，１７８）に、フィルタ処理されたアンバランス値（ｗｉ）を供給する方法。
12. 請求項１に従属したときの請求項１１に記載の方法において、
    前記アンバランス値（ｕ，ｕｉ）の生成を時間制御式に行い、
    前記角度値（φ，φｉ）を前記回転数決定ユニット（７４）に供給し、回転数決定ユニット（７４）が、前記角度値（φ，φｉ）から前記シャフト（１２，３０）の回転周波数（ω（ｔ））を検出し、
    適応帯域フィルタとして構成された前記フィルタユニット（７６）に前記回転周波数（ω（ｔ））を供給し、フィルタユニット（７６）の通過周波数を前記回転周波数（ω（ｔ））に設定し、
    前記角度値（φ、φｉ）を前記評価ユニット（７８）に供給する方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、
    前記シャフト（１２，３０）の前記回転周波数（ω（ｔ））を同様に前記評価ユニット（７８）に供給する方法。
14. 請求項２に従属したときの請求項１１に記載の方法において、
    前記アンバランス値（ｕ，ｕｉ）の生成を位置制御式に行い、前記角度値（φ，φｉ）を前記要求ユニット（１７５）に供給し、該要求ユニット（１７５）が、連続する少なくとも２つの前記角度値（φ、φｉ）から、前記アンバランス値（ｕ，ｕｉ）を生成する時点を検出し、検出された時点で前記アンバランス値（ｕ，ｕｉ）の生成を開始する方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、
    前記要求ユニット（１７５）が、連続する少なくとも２つの前記角度値（φ、φｉ）から回転周波数（ω（ｔ））を決定し、前記アンバランス値（ｕ，ｕｉ）を生成する時点を外挿により検出する方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、
    前記シャフト（１２，３０）の前記回転周波数（ω（ｔ））を同様に前記評価ユニット（１７８）に供給する方法。
17. 請求項１０から１６までのいずれか一項に記載の方法において、
    前記シャフト（１２，１５）の回転周波数（ω（ｔ））が一定の場合に前記アンバランス情報（Ｉ）を検出する方法。
    

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