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Dokumentenidentifikation DE202005000381U1 28.04.2005
Titel Vorrichtung zum Bestimmen einer Position sowie Einrichtung zum Messen von Dimensionen mit einer solchen Vorrichtung
Anmelder HELIOS Messtechnik GmbH & Co. KG, 74676 Niedernhall, DE
Vertreter Bartels & Partner, Patentanwälte, 70174 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 202005000381
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 28.04.2005
Registration date 24.03.2005
Application date from patent application 12.01.2005
IPC-Hauptklasse G01B 7/02

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position sowie eine Einrichtung zum Messen von Dimensionen, insbesondere der Länge, der Dicke oder ähnlicher Abmessungen eines Gegenstandes.

Gattungsgemäße Vorrichtungen sind beispielsweise aus der EP 0 840 095 A1 bekannt, bei denen mittels eines magnetischen Sensors ein Maßstab abgetastet wird, der in Messrichtung abwechselnd unterschiedlich permanent-magnetisiert ist. Aus dem Ausgangssignal des magnetischen Sensors wird die Relativposition in Bezug auf den Maßstab ermittelt.

Die EP 0 151 002 A2 zeigt einen magnetischen Detektor zum Bestimmen einer Relativbewegung zwischen einem magnetischen Sensor und einem Permanentmagnet einerseits und einer Zahnstange andererseits.

In Abhängigkeit der Relativposition zwischen Permanentmagnet und Zahnstange wird das Magnetfeld des Permanentmagneten am Ort des Sensors von der Zahnstange moduliert. Der magnetische Sensor wird durch entsprechende mechanische Anordnung und Ausrichtung in Bezug auf die Zahnstange in einem Arbeitspunkt betrieben, in dem sein Ausgangssignal möglichst linear vom Betrag des Magnetfeldes des Permanentmagneten abhängig ist.

Bei der Verwendung permanent-magnetisierter Maßstäbe ist nachteilig, dass diese durch starke magnetische Felder verändert oder sogar gelöscht werden können, wie sie beispielsweise bei Messeinrichtungen in der Fertigungstechnik auftreten können, beispielsweise durch Elektromotoren, magnetische Spannvorrichtungen oder dergleichen. Außerdem ziehen solche permanent-magnetisierte Maßstäbe magnetische Partikel an, wie sie beispielsweise in der Fertigungstechnik häufig vorkommen.

Darüber hinaus ist bei den bekannten Vorrichtungen von Nachteil, dass das Ausgangssignal des Sensors sehr stark von dem Betrag des Magnetfeldes abhängig ist. Daher muss der Abstand zwischen dem Sensor und dem permanent-magnetisierten Maßstab, oder zwischen dem Sensor und der Zahnstange, auch und gerade während der Relativbewegung zwischen Sensor und Maßstab exakt eingehalten werden, was einen sehr hohen konstruktiven Aufwand erfordert.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll die Vorrichtung eine dauerhaft präzise Positionsermittlung gewährleisten, einfach zu bedienen sein, robust im Gebrauch und kostengünstig in der Herstellung.

Unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung soll auch eine Einrichtung zum Messen von Dimensionen bereitgestellt werden, beispielsweise der Länge, der Dicke oder ähnlicher linearer Abmessungen eines Gegenstandes, insbesondere eine Messeinrichtung für die dimensionale Fertigungsmesstechnik, vorzugsweise ein Handmessmittel wie beispielsweise ein Messschieber, eine Messuhr oder eine Mikrometerschraube.

Das Problem ist durch die in Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung und durch die im nebengeordneten Anspruch bestimmte Einrichtung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.

Das Problem ist bei einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Position aufweisend einen Magneten, einen magnetischen Sensor, ein Modulationsmittel zum Modulieren des auf den Sensor wirkenden Magnetfeldes des Magneten in Abhängigkeit einer Relativposition zwischen Magnet und/oder Sensor einerseits und Modulationsmittel andererseits, und eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der Position aus einem Ausgangssignal des Sensors, dadurch gelöst, dass das Ausgangssignal des Sensors stärker von der Modulation der Richtung des Magnetfeldes abhängig ist als von der Modulation des Betrags des Magnetfeldes und dass die Auswerteeinrichtung die Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Modulation der Richtung des Magnetfeldes für die Bestimmung der Position auswertet.

Dadurch dass für die Bestimmung der Position nur die Abhängigkeit des Ausgangssignals des Sensors von der Richtung des Magnetfeldes ausgewertet wird, sind jedenfalls geringe Schwankungen des Abstandes zwischen Magnet und/oder Sensor einerseits und Modulationsmittel andererseits tolerierbar, ohne dass dadurch die Genauigkeit der von der Auswerteeinrichtung ermittelten Position beeinträchtigt ist.

Das Modulationsmittel moduliert die Richtung der Magnetfeldlinien des von dem Magneten erzeugten Magnetfeldes in Abhängigkeit der Relativposition zwischen Magnet und/oder Sensor einerseits und Modulationsmittel andererseits. Die Anordnung von Sensor, Magnet und Modulationsmittel ist so gewählt, dass eine Variation des Abstandes zwischen Magnet und/oder Sensor und dem Modulationsmittel zwar eine Veränderung des Betrages des auf den Sensor wirkenden Magnetfeldes hervorrufen kann, aber nur eine geringfügige oder gar keine Variation der Richtung des auf den Sensor wirkenden Magnetfeldes. Auf den Sensor wirkt vorzugsweise nur das von dem Magneten hervorgerufene und von dem Modulationsmittel in Abhängigkeit der Relativposition modulierte Magnetfeld.

Vorzugsweise wird ein magnetoresistiver magnetischer Sensor verwendet, dessen elektrischer Widerstand von dem Magnetfeld abhängt. Übliche magnetoresistive Sensoren weisen dabei eine Abhängigkeit sowohl vom Betrag des Magnetfeldes als auch von der Richtung des Magnetfeldes in Bezug auf die Ausrichtung der Widerstandsbahn auf. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der magnetische Sensor demgegenüber im Wesentlichen keine Abhängigkeit vom Betrag des Magnetfeldes auf. Beispielsweise kann ein genannter GMR (Giant Magneto Resistor) eingesetzt werden, der oberhalb einer bauelementespezifischen magnetischen Feldstärke im Wesentlichen keine Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von dem Betrag des Magnetfeldes aufweist, wohl aber von der Richtung des Magnetfeldes bzw. der Magnetfeldlinien. Sofern derartige magnetische Sensoren in einem solchen magnetischen Arbeitspunkt betrieben werden, weist deren Ausgangssignal im Wesentlichen keine Abhängigkeit vom Betrag des Magnetfeldes mehr auf.

Vorzugsweise sind der Magnet und der magnetische Sensor ortsfest zueinander angeordnet, insbesondere in einer gemeinsamen Baugruppe oder sogar auf einem gemeinsamen Trägerelement angeordnet. Weiter vorzugsweise sind der Magnet und der Sensor gemeinsam auf einer Seite des Modulationsmittels angeordnet, wobei der Sensor zwischen dem Modulationsmittel und dem Magneten oder neben dem Magneten angeordnet sein kann. Dadurch ist gewährleistet, dass eine Variation des Abstandes von Sensor und/oder Magnet einerseits und Modulationsmittel andererseits nur eine vernachlässigbare oder gar keine Veränderung der Richtung des auf den Sensor wirkenden Magnetfeldes hervorruft.

Bei dem Modulationsmittel und/oder dem Sensor kann es sich dabei um im Wesentlichen flächige Elemente handeln, die vorzugsweise planparallel zueinander ausgerichtet sind. Bei der Relativbewegung zwischen Magnet und/oder Sensor einerseits und Modulationsmittel andererseits handelt es sich vorzugsweise um eine geradlinige Bewegung, die mit einer Messachse der zugehörigen Messeinrichtung zusammenfällt. Diese Messachse kann ebenfalls planparallel zu dem flächig ausgebildeten Modulationsmittel und/oder dem flächig ausgebildeten Sensor liegen.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Magneten um einen Permanentmagneten. Die Dipolachse des Magneten schließt mit der Relativbewegung vorzugsweise einen Winkel zwischen 60 und 120° ein, vorzugsweise etwa 90°. Dadurch ist zusätzlich gewährleistet, dass eine Variation des Abstandes zwischen Magnet und/oder Sensor und Modulationsmittel keine signifikante Änderung des Ausgangssignals des Sensor bewirkt.

Vorzugsweise besteht das Modulationsmittel aus einem Werkstoff, der eine gegenüber der Umgebung abweichende Permeabilitätszahl aufweist, insbesondere eine gegenüber der Umgebung höhere Permeabilitätszahl. Weiter vorzugsweise besteht das Modulationsmittel mindestens teilweise aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere mit geringer oder keiner Hysteres, so dass keine Permanentmagnetisierung des Modulationsmittels erfolgt. In Richtung der Relativbewegung zwischen Magnet und/oder Sensor einerseits und Modulationsmittel andererseits kann das Modulationsmittel mindestens abschnittsweise periodische Strukturen aufweisen, insbesondere Bereiche unterschiedliche Permeabilität, die vorzugsweise scharf gegeneinander abgegrenzt sind. Die Bereiche unterschiedlicher Permeabilität können durch Inhomogenitäten in der Geometrie und/oder des Werkstoffes des Modulationsmittels gebildet sein. Innerhalb eines Bereiches sind die effektiven Permeabilitäten dagegen vorzugsweise konstant, beispielsweise aufgrund einer homogenen Werkstoffzusammensetzung innerhalb des Bereiches und/oder einer homogenen geometrischen Struktur innerhalb des Bereiches.

Besonders vorteilhaft kann das Modulationsmittel in Dick- oder Dünnschichttechnik auf einem Substrat hergestellt sein. Beispielsweise kann ein hochpermeabler Werkstoff in Siebdrucktechnik strukturiert auf ein Substrat aufgebracht sein. Alternativ oder ergänzend kann eine hochpermeable ganzflächig aufgebrachte Schicht durch mechanische Bearbeitung, durch Laserbearbeitung oder durch photolitographische Verfahren strukturiert werden. Es kann auch eine hochpermeable Schicht oder ein hochpermeables Substrat, beispielsweise eine hochpermeable Folie, mechanisch oder durch Laserbearbeitung strukturiert werden.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung erste und zweite Sensorelemente auf, die eine antiparallele Vorzugsrichtung der magnetischen Empfindlichkeit haben und die als Halbbrücke verschaltet einen ersten Sensor bilden. In entsprechender Weise können dritte und vierte Sensorelemente vorhanden sein, die ebenfalls eine antiparallele Vorzugsrichtung der magnetischen Empfindlichkeit aufweisen und ebenfalls als Halbbrücke verschaltet einen zweiten Sensor bilden. Vorzugsweise sind die Vorzugsrichtungen des ersten und des zweiten Sensor schräg und insbesondere quer zueinander ausgerichtet. Die Ausgangssignale der Halbbrücke des ersten und/oder zweiten Sensors können zur Auswertung in Bezug gesetzt sein zu einer Referenzspannung oder können zu einer Vollbrücke verschaltet werden.

Die Vorzugsrichtung der Empfindlichkeit mindestens eines der Sensorelemente, vorzugsweise aller Sensorelemente mindestens eines Sensors, können mit der Richtung der Relativbewegung zwischen Magnet und/oder Sensor einerseits und dem Modulationsmittel andererseits einen spitzen Winkel einschließen, insbesondere zwischen 30 und 60°, vorzugsweise etwa 45°. Die Vorzugsrichtung der Empfindlichkeit der Sensorelemente liegt dabei vorzugsweise in der von dem Modulationsmittel gebildeten Ebene, die vorzugsweise parallel zu einer von dem Sensor gebildeten Ebene liegt.

In einer besonderen Ausführungsart weist die Vorrichtung mehrere Modulationsmittel auf. Einer oder mehrere Sensoren können wahlweise einem der Modulationsmittel zuordenbar sein, oder die Vorrichtung kann mehrere Modulationsmittel und mehrere Sensoren aufweisen, wobei dann jedem Modulationsmittel mindestens ein Sensor zugeordnet ist. Auf diese Weise kann die Auswerteeinrichtung die Ausgangssignale von mindestens zwei Sensoren zur Bestimmung der Absolutposition auswerten.

Vorzugsweise ist das Modulationsmittel feststehend und der Magnet und/oder Sensor gegenüber dem Modulationsmittel bewegbar gelagert, beispielsweise auf einem bewegbaren Teil eines Messwerkzeuges angeordnet sind, insbesondere eines Handmesswerkzeuges. Alternativ dazu kann der Magnet und/oder der Sensor feststehend sein und das Modulationsmittel ist diesem gegenüber bewegbar gelagert.

Für bestimmte Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung zusätzlich zu dem Magneten und dem Modulationsmittel noch eine Feldsteuereinrichtung zum vorgebbaren Steuern von Richtung und/oder Stärke des Magnetfeldes aufweist, beispielsweise eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Hilfsmagnetfeldes.

Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zum Messen von Dimensionen wie Länge, Breite, Tiefe oder dergleichen unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Eine solche Messeinrichtung kann beispielsweise eine zu messende Dimension als Differenz von zwei durch die Vorrichtung bestimmte Positionen ermitteln. Bei der Messeinrichtung handelt es sich vorzugsweise um ein Handmessmittel, insbesondere um einen Messschieber, eine Messuhr, eine Mikrometerschraube oder dergleichen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

1 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

2 zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung der 1,

3 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel für das Modulationsmittel in einer Draufsicht,

5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteeinrichtung,

6 zeigt den Verlauf der Spannungen U1, U4 über der Zeit t, und

7 zeigt eine andere Darstellung der Spannungsverläufe der 6.

Die 1 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen einer Position. Die Vorrichtung weist einen Magneten 1 auf, einen magnetischen Sensor 3 sowie ein Modulationsmittel 2 zum Modulieren des auf den Sensor 3 wirkenden Magnetfeldes des Magneten 1 in Abhängigkeit einer Relativposition zwischen Magnet 1 und Sensor 3 einerseits und dem Modulationsmittel 2 andererseits. Die Vorrichtung weist außerdem eine in der 1 nicht dargestellte Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der Position aus dem Ausgangssignal des Sensors 3 auf.

Bei dem Modulationsmittel 2 handelt es sich um einen Streifen einer Folie aus einem sogenannten &mgr;-Metall aus einem hochpermeablen Werkstoff. Das Modulationsmittel 2 erstreckt sich dabei flächig in der x/y-Ebene des orthogonalen Bezugssystems 10. In regelmäßigen und vorzugsweise konstanten Abständen sind aus dem Modulationsmittel 2 rechteckförmige Öffnungen 8 herausgeschnitten, deren Kanten parallel zu der x-Achse bzw. y-Achse verlaufen. Die Erstreckung der Öffnung 8 in Richtung des Aufeinanderfolgens der Öffnungen 8, die mit der x-Achse zusammenfällt und eine Messachse repräsentiert, beträgt dabei vorzugsweise das halbe Abstandsmaß zweier aufeinanderfolgenden Öffnungen 8.

Im Bereich der Öffnungen 8 sind z-Richtung beabstandet von dem Modulationsmittel 2 der Magnet 1 und der Sensor 3 auf der Trägerplatte 4 angeordnet, die sich flächig in einer x/y-Ebene erstreckt. Bei dem Magnet 1 handelt es sich um einen Permanentmagneten, dessen Dipolachse 9 sich in z-Richtung erstreckt, mithin mit der vom Modulationsmittel 2 gebildeten Ebene einen rechten Winkel einschließt. Durch in der 1 nicht dargestellte mechanische Führungen ist eine Relativbewegung gemäß dem Doppelpfeil 11 in Richtung der x-Achse zwischen der Trägerplatte 4 und dem Modulationsmittel 2 gewährleistet, wobei der Abstand von Trägerplatte 4 und Modulationsmittel 2 in z-Richtung im wesentlichen konstant ist. Beispielsweise ist das Modulationsmittel 2 feststehend und die Trägerplatte 4 entlang der x-Achse beweglich geführt.

Der Sensor 3 weist eine Empfindlichkeit auf für Feldlinien, welche in der x/y-Ebene liegen, wobei das Ausgangssignal des Sensors 3 nur von der Richtung des Magnetfeldes in der x/x-Ebene abhängig ist und nicht vom Betrag des Magnetfeldes. Eine Vorzugsrichtung der Magnetfeldempfindlichkeit liegt dabei in der Achse 12, die in der x/y-Ebene liegt und vorzugsweise mit der x-Achse und y-Achse jeweils einen Winkel von 45° einschließt. Derartige magnetische Richtungssensoren können beispielsweise durch eine geeignete Verschaltung magnetoresistiver Sensorelemente realisiert werden. Es ist auch möglich, zu diesem Zweck so genannte GMRs (Giant Magneto Resistors) einzusetzen. Bei der Verwendung von GMRs ist lediglich darauf zu achten, dass die magnetische Feldstärke am Ort des Sensors unabhängig von der Relativposition stets oberhalb eines Mindestwertes von beispielsweise etwa 5 kA/m beträgt, weil oberhalb eines solchen Mindestwertes die GMRs grundsätzlich keine Empfindlichkeit gegenüber einer Änderung des Betrages des Magnetfeldes aufweisen.

Die von dem Magnet 1 ausgehenden Magnetfeldlinien werden durch das Modulationsmittel, insbesondere durch dessen Inhomogenität in Richtung der Relativbewegung 11, derart moduliert, dass sich bei einer Bewegung der Trägerplatte 4 gegenüber dem Modulationsmittel 2 am Ort des Sensors 3 die Richtung der Magnetfeldlinien ändert. Beispielsweise durch geeignete Abstimmung des Abstandes zwischen Magnet 1, Sensor 3 und Modulationsmittel 2 unter Berücksichtigung der Geometrie der Inhomogenität der Permeabilität des Modulationsmittels 2 in Richtung der Relativbewegung 11 kann gewährleistet werden, dass eine Variation des Abstandes von Magnet 1 und Sensor 3 in z-Richtung bezogen auf das Modulationsmittel 2 keine signifikante Änderung der Richtung der Magnetfeldlinien bewirkt, mithin keine signifikante Änderung des Ausgangssignals des Sensors 3. Dadurch ist auch mit einer konstruktiv weniger aufwendigen und robusten Führung gewährleistet, dass das Ausgangssignal des Sensors 3 nur von einer Relativbewegung 11 in Richtung der x-Achse abhängig ist und insbesondere nicht von einer Relativbewegung in Richtung der z-Achse. Bei ausreichender Erstreckung der Öffnungen 8 in Richtung der y-Achse ist außerdem gewährleistet, dass auch eine Relativbewegung in dieser Richtung zwischen der Trägerplatte 4 mit dem Magnet 1 und dem Sensor 3 einerseits und dem Modulationsmittel 2 andererseits keine signifikante Änderung des Ausgangssignals des Sensors 3 hervorruft.

Grundsätzlich wäre es auch möglich, den Magneten 1 und das Sensorelement 3 auf verschiedenen Seiten des Modulationsmittels 2 anzuordnen. In diesem Fall können der Magnet 1 und der Sensor 3 gemeinsam gegenüber dem Modulationsmittel 2 bewegt werden oder es kann der Magnet 1 oder der Sensor 3 zusammen mit dem Modulationsmittel 2 feststehend sein und lediglich der Sensor 3 bzw. der Magnet 1 bewegt werden. Weiterhin wäre es auch bei einer solchen Anordnung möglich, dass sowohl der Magnet 1 als auch der Sensor 3 feststehend sind und das Modulationsmittel 2 diesem gegenüber bewegt wird.

Die 2 zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung der 1. Die gegenüber der Ausdehnung des Magneten 1 und des Sensors 3 in y-Richtung verhältnismäßig langgestreckten Öffnungen 8 sind in x-Richtung im Rastermaß &lgr; regelmäßig hintereinander angeordnet und weisen eine Erstreckung in x-Richtung von &lgr;/2 auf. Der Abstand zwischen dem Magnet 1 und dem Sensor 3 beträgt in x-Richtung ebenfalls etwa das Rastermaß &lgr;, alternativ auch &lgr;/2. Die Vorzugsrichtung 12 der magnetischen Empfindlichkeit des Sensors 3 schließt mit der x-Achse einen Winkel &agr; von 45° ein.

Die 3 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dieses unterscheidet sich von dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch, dass der Sensor 103 in Richtung der z-Achse zwischen dem Modulationsmittel 102 und dem Magneten 101 angeordnet ist, und zwar vorzugsweise von der Dipolachse 109 des Magneten 101 geschnitten wird. Hierzu ist der Magnet 101 an einer von der Trägerplatte 104 abstehenden Halterung 105 angeordnet. Der Sensor 103 und der Magnet 101 werden mit der Trägerplatte 104 gemeinsam gegenüber dem Modulationsmittel 102 entsprechend dem Doppelpfeil 111 in x-Richtung relativ bewegt.

Die 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel für das Modulationsmittel 202 in einer Draufsicht. Eine erste Reihe von Öffnungen 208a ist in x-Richtung hintereinander angeordnet mit einem Rastermaß &lgr;, wobei die Erstreckung der Öffnungen 208a in x-Richtung &lgr;/2 beträgt.

Die Öffnungen 208a sind im Ausführungsbeispiel quadratisch und weisen in y-Richtung jedenfalls eine Erstreckung auf, durch die gewährleistet ist, dass bei einer Relativbewegung des Magneten 1 und/oder Sensors 3 einerseits und des Modulationsmittels 202 andererseits in y-Richtung keine signifikante Änderung des Ausgangssignals des Sensors 3 auftritt.

Neben den ersten Öffnungen 208a sind zweite Öffnungen 208b mit einem Rastermaß &lgr;/2 in x-Richtung hintereinander angeordnet, die in x-Richtung eine Erstreckung von &lgr;/4 oder kleiner aufweisen. Der Sensor 3 kann durch entsprechende Relativverschiebung in y-Richtung entweder den Öffnungen 208a oder den Öffnungen 208b zugeordnet werden, wobei gegebenenfalls mit dem Verschieben in y-Richtung auch eine Veränderung des Abstands zwischen Sensor 3 und Modulationsmittel 202 in z-Richtung verbunden sein kann. Dadurch können unterschiedliche Auflösungen bei der Positionsbestimmung in x-Richtung erreicht werden, beispielsweise eine Grobauflösung unter Verwendung der Öffnungen 208a mit dem Rastermaß &lgr; und eine Feinauflösung unter Verwendung der Öffnungen 208b mit Rastermaß &lgr;/2.

In einer anderen Ausführungsart der Erfindung können zwei Sensoren 3 vorgesehen sein, wovon ein Sensor 3 den Öffnungen 208a mit Rastermaß ☐ zugeordnet ist und ein zweiter Sensor 3 den Öffnungen 208b mit Rastermaß &lgr;/2. Bei entsprechender Codierung der Öffnungen 208a, 208b, insbesondere deren Erstreckung in x-Richtung und deren Relativlage zueinander, ist es auch möglich, anhand der Ausgangssignale die Absolutposition des Sensors 3 in Bezug auf das Modulationsmittel 202 zu bestimmen. Zu diesem Zweck können auch noch weitere, sich in x-Richtung erstreckende und in y-Richtung nebeneinander angeordnete Reihen von Öffnungen vorgesehen sein.

Anstelle von Öffnungen 8 in einer Folie aus einem hochpermeablen Werkstoff können die erforderlichen Strukturen auf dem Modulationsmittel 2, die letztlich einen Maßstab für die Ermittlung der Relativposition des Magneten 1 und/oder Sensors 3 in Bezug auf das Modulationsmittel 2 bilden, auch auf anderem Wege bereitgestellt werden, beispielsweise durch Vorsehen einer entsprechenden Topographie des Modulationsmittels 2, durch photolitographische Strukturierung einer ursprünglich ganzflächigen Schicht aus einem hochpermeablen Werkstoff, durch Laserbearbeitung oder durch strukturiertes Aufbringen einer Schicht aus einem hochpermeablen Werkstoff beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens. Eine weitere Möglichkeit besteht im strukturierten Auftragen hochpermeabler Werkstoffe beispielsweise unter Verwendung der Tintenstrahldrucktechnik, wobei auf diesem Wege schnell und unkompliziert auch anwendungsspezifische Maßstäbe anhand von in einem Computer gespeicherten Strukturdaten hergestellt werden können.

Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteeinrichtung 20, welche Ausgangsspannungen U1, U4 bereitstellt, aus denen sich die Position des Sensors 3 in Bezug auf das Modulationsmittel 2 ermitteln lässt. Als Sensor 3 wird hierbei ein GMR verwendet, wie er beispielsweise von dem Unternehmen Infineon Technologies unter der Typenbezeichnung GMR C6 angeboten wird. Der gesamte Sensor 3 besteht aus zwei Halbbrücken 31, 32. Die erste Halbbrücke 31 ist aus ersten und zweiten Sensorelementen 21, 22 gebildet, die eine antiparallele Vorzugsrichtung der magnetischen Empfindlichkeit aufweisen. Die zweite Halbbrücke 32 ist aus dritten und vierten Sensorelementen 23, 24 gebildet, die ebenfalls eine antiparallele Vorzugsrichtung der magnetischen Empfindlichkeit aufweisen. Die antiparallelen Vorzugsrichtungen der magnetischen Empfindlichkeit der Sensorelemente 21, 22 der ersten Halbbrücke 31 und der Sensorelemente 23, 24 der zweiten Halbbrücke 32 schließen einen rechten Winkel ein.

Die beiden Halbbrücken 31, 32 können auch als erste und zweite Sensoren verstanden werden, die durch externe oder interne Beschaltung zu einer Vollbrücke verschaltet sind. Die Vollbrücke wird von einer Batteriespannung UBatt gespeist, die über einen Spannungsteiler aus zwei Widerständen R auch als Referenzspannung URef bereitgestellt wird.

Die Spannungen an den Verbindungen zwischen dem ersten und zweiten Widerstand 21, 22 und dem dritten und vierten Widerstand 23, 24 werden als Signalspannungen U4 bzw. U1 nach außen geführt.

Die 6 zeigt den Verlauf der Spannungen U1, U4 über der Zeit t bei einer Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 3 und bei einer Verschaltung der Sensorelemente gemäß 5. Als Modulationsmittel 2 wurde dabei eine &mgr;-Metallfolie mit einem Rastermaß von 500 &mgr;m eingesetzt. Der Magnet 101 und der Sensor 103 wurden mittels eines Exzenterantriebes mit einem Hub von 2 mm über das Modulationsmittel 102 bewegt. Die Ausgangssignale U1, U4 wurden mittels eines digitalen Speicheroszillographen aufgezeichnet, wobei der Ausgangssignallevel von einigen 10 mV durch den Eingangsverstärker des Oszillographen geeignet skaliert wurde. Bei dem Magnet 101 handelt es sich um einen verhältnismäßig starken NdFeB-Magneten in Kreiszylinderform. Die Dipolachse 109 schloss mit der Fläche des Sensors 103 und mit der Fläche des Modulationsmittels 102 einen rechten Winkel ein. Die Vorzugsrichtung der magnetischen Empfindlichkeit der ersten bis vierten Sensorelemente 21, 22, 23, 24 schließt mit der Richtung des Rastermaßes des Modulationsmittels 102 einen Winkel von 45° ein. In der Darstellung der 6 ist deutlich zu erkennen, dass der Phasenversatz der Spannungen U1, U4 90° beträgt, die zugehörigen Kurvenzüge mithin orthogonal zueinander verlaufen. Die zeitäquidistant aufgenommenen Daten zeigen unterschiedliche Periodendauern, was aber ausschließlich durch die Versuchsanordnung hervorgerufen ist, insbesondere durch die unterschiedlichen Verfahrgeschwindigkeiten des Exzenterantriebes aufgrund der verwendeten Rückholfeder.

Die 7 zeigt eine andere Darstellung der Spannungsverläufe der 6, wobei die Ausgangsspannungen U1, U4 auf die beiden Kanäle des Oszillographen als Eingangssignale gegeben werden. Aufgrund des Phasenversatzes der Spannungen U1, U4 von 90° ergänzen sich die Ausgangssignale der beiden Halbbrücken 31, 32 in der x-y-Darstellung der

7 zu einem Kreis. Die Generierung derartiger so genannter orthogonaler Sinus- und Cosinus-Signale kann verhältnismäßig einfach für die Ermittlung der Position des Sensors 103 in Bezug auf das Modulationsmittel 102 ausgewertet werden. Demnach eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere für den Einsatz in Handmessmitteln, insbesondere Messschiebern, Messuhren oder Mikrometerschrauben, wobei die Einrichtung die zu messende Dimension als Differenz von zwei durch die Vorrichtung bestimmten Positionen ermittelt.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zum Bestimmen einer Position, wobei die Vorrichtung aufweist

    – einen Magneten (1; 101),

    – einen magnetischen Sensor (3; 103),

    – ein Modulationsmittel (2; 102; 202) zum Modulieren des auf den Sensor (3; 103) wirkenden Magnetfeldes des Magneten (1; 101) in Abhängigkeit einer Relativposition zwischen Magnet (1; 101) und/oder Sensor (3; 103) einerseits und Modulationsmittel (2; 102; 202) andererseits, und

    – eine Auswerteeinrichtung (20) zum Ermitteln der Position aus einem Ausgangssignal des Sensors (3; 103),

    dadurch gekennzeichnet,

    dass das Ausgangssignal des Sensors stärker (3; 103) von der Modulation der Richtung des Magnetfeldes abhängig ist als von der Modulation des Betrags des Magnetfeldes, und dass die Auswerteeinrichtung (20) die Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Modulation der Richtung des Magnetfeldes für die Bestimmung der Position auswertet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Sensor (3; 103) magnetoresistiv ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des magnetischen Sensors (3; 103) im wesentlichen keine Abhängigkeit vom Betrag des Magnetfeldes aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (1; 101) und der magnetische Sensor (3; 103) ortsfest zueinander angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (1; 101) und der Sensor (3; 103) gemeinsam auf einer Seite des Modulationsmittels (2; 102; 202) angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3; 103) zwischen dem Modulationsmittel (2; 102; 202) und dem Magneten (1; 101) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3; 103) in Bezug auf das Modulationsmittel (2; 102; 202) neben dem Magneten (1; 101) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (1; 101) ein Permanentmagnet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dipolachse (9; 109) des Magneten (1; 101) mit der Richtung der Relativbewegung (11; 111) zwischen Magnet (1; 101) und/oder Sensor (3; 103) einerseits und Modulationsmittel (2; 102; 202) andererseits einen Winkel zwischen 60 und 120° einschließt, vorzugsweise etwa 90°.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel (2; 102; 202) aus einem Werkstoff besteht, der eine gegenüber der Umgebung abweichende Permeabilitätszahl aufweist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel (2; 102; 202) mindestens teilweise aus einem weichmagnetischen Werkstoff besteht.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel (2; 102; 202) im wesentlichen flächig ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel (2; 102; 202) in Richtung der Relativbewegung (11; 111) zwischen Magnet (1; 101) und/oder Sensor (3; 103) einerseits und Modulationsmittel (2; 102; 202) andererseits mindestens abschnittsweise periodische Strukturen aufweist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel (2; 102; 202) in Richtung der Relativbewegung (11; 111) zwischen Magnet (1; 101) und/oder Sensor (3; 103) einerseits und Modulationsmittel (2; 102; 202) andererseits Bereiche unterschiedlicher Permeabilität aufweist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche unterschiedlicher Permeabilität scharf gegeneinander abgegrenzt sind.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche unterschiedlicher Permeabilität durch Inhomogenitäten in der Geometrie und/oder des Werkstoffes des Modulationsmittels (2; 102; 202) gebildet sind.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel (2; 102; 202) in Dick- oder Dünnschichttechnik auf einem Substrat hergestellt ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung erste und zweite Sensorelemente (21, 22) aufweist, die eine antiparallele Vorzugsrichtung der magnetischen Empfindlichkeit aufweisen, und die als erste Halbbrücke (31) verschaltet einen ersten Sensor bilden.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dritte und vierte Sensorelemente (23, 24) aufweist, die ebenfalls eine antiparallele Vorzugsrichtung der magnetischen Empfindlichkeit aufweisen, und die als zweite Halbbrücke (32) verschaltet einen zweiten Sensor bilden.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor und der zweite Sensor schräg und insbesondere quer zueinander ausgerichtete Vorzugsrichtungen der Empfindlichkeit aufweisen.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale der Halbbrücke (31, 32) des ersten und/oder zweiten Sensors in Bezug gesetzt sind zu einer Referenzspannung (URef), vorzugsweise zu einer Ausgangsspannung eines Spannungsteilers, welcher die Versorgungsspannung (UBatt) der Halbbrücke auf etwa 50% teilt.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (20) die Phasenbeziehung der Ausgangsspannung der beiden Halbbrücken (31, 32) des ersten und zweiten Sensors auswertet.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzugsrichtung (12) der Empfindlichkeit der Sensorelemente (21, 22, 23, 24) mit der Richtung der Relativbewegung (11; 111) zwischen Magnet (1; 101) und/oder Sensor (3; 103) einerseits und Modulationsmittel (2; 102; 202) andererseits einen spitzen Winkel einschließt, insbesondere zwischen 30 und 60°, vorzugsweise etwa 45°.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere Modulationsmittel (2; 102; 202) aufweist und der Sensor (3; 103) wahlweise einem der Modulationsmittel (2; 102; 202) zuordenbar ist.
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere Modulationsmittel (2; 102; 202) und mehrerer Sensoren (3; 103) aufweist, dass jeweils mindestens ein Sensor (3; 103) einem Modulationsmittel (2; 102; 202) zugeordnet sind, und dass die Auswerteeinrichtung (20) die Ausgangssignale (U1, U4) von mindestens zwei Sensoren (3; 103) zur Bestimmung der Absolutposition auswertet.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel (2; 102; 202) feststehend ist und der Magnet (1; 101) und/oder Sensor (3; 103) gegenüber dem Modulationsmittel (2; 102; 202) bewegbar gelagert ist.
  27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (1; 101) und/oder Sensor (3; 103) feststehend ist und das Modulationsmittel (2; 102; 202) gegenüber dem Magnet (1; 101) und/oder Sensor (3; 103) bewegbar gelagert ist.
  28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzlich zu dem Magneten (1; 101) und dem Modulationsmittel (2; 102; 202) eine Feldsteuereinrichtung zum vorgebbaren Steuern von Richtung und/oder Stärke des Magnetfeldes aufweist.
  29. Einrichtung zum Messen von Dimensionen wie Länge, Breite, Tiefe und dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28 aufweist, und dass die Einrichtung die zu messende Dimension als Differenz von zwei durch die Vorrichtung bestimmten Positionen ermittelt.
  30. Einrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Handmessmittel handelt, insbesondere um einen Messschieber, eine Messuhr, eine Mikrometerschraube oder dergleichen.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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