DE4311955A1 - Verfahren zur Abstandsmessung - Google Patents

Description

Das Verfahren zur Abstandsmessung wird angewendet, um die Distanz zwischen zwei parallel gegenüberstehenden Flächen zu bestimmen. Es besteht die Forderung, die Distanz mit hoher Auflösung und Genauigkeit zu bestimmen. Solche Abstandsmessungen werden unter anderem im Maschinenbau, in der Feinwerktechnik und in der Mikrostrukturtechnologie in zunehmendem Maße erforderlich.

Verfahren zur Abstandsbestimmung auf der Basis kapazitiver, induktiver und magnetischer Meßverfahren sind bekannt. Im Falle der kapazitiven und induktiven Meßverfahren besteht jedoch der Nachteil, daß bei der erforderlichen hohen Auflösung und Genauigkeit die Abstandssensoren von erheblichem Ausmaß sind. Bei den magnetischen Verfahren, die im einfachsten Fall nur einen Magneten benutzen und dessen Magnetfeld mit einem Feldsensor messen, um aus der bekannten Abstandsabhängigkeit der Feldstärke den Abstand zu ermitteln, ist eine sehr geringe Baugröße möglich. Jedoch können der starke Temperatureinfluß auf das Meßergebnis und die hohe Anforderung an die Justiergenauigkeit der Sensorposition gegenüber dem Magneten keinesfalls außer Acht gelassen werden.

In den Patentanmeldungen P 42 33 332.6 und P 42 33 331.8 werden Anordnungen von Magnetfeldsensoren beschrieben, die bei geringem Justieraufwand bei hohen Störmagnetfeldern sichere Anzeigen gestatten. Ihr Einsatz in der Abstandsmessung wird bisher jedoch nicht vorgesehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur Abstandmessung anzugeben, das eine hohe Auflösung und Genauigkeit ermöglicht, das mit einem minimalen Volumen der zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Anordnung auskommt, das eine Temperaturkorrektur seiner Meßwerte unnötig macht und das an die Justage seiner Bauelemente keine hohen Ansprüche stellt.

Diese Aufgabe wird durch das in den Ansprüchen charakterisierte Verfahren gelöst. Zur Durchführung des Verfahrens wird lediglich ein in unterschiedlich langen Abschnitten in abwechselnder Richtung magnetisierter Maßstab und ein im zu messenden Abstand in einer parallelen Ebene vorhandener Magnetfeldsensor benötigt. Der Maßstab braucht nur wenige magnetisierte Abschnitte enthalten und kann so eine Gesamtlänge im Bereich eines Millimeters haben. Die Spurbreite liegt etwa in derselben Größe. Die Abmessungen des Sensors können darunter liegen. Die Magnetfeldverteilung des Maßstabes ist berechenbar. Es ist selbst für hohe Genauigkeiten ausreichend, wenn bei einem Maßstab mit einer magnetisierten Schicht aus den entsprechend der Größe der Magnetisierung vorhandenen Oberflächenströmen nach dem Biot-Savartschen Gesetz die Magnetfeldstärke der Feldkomponente in Maßstabslängsrichtung aufintegriert wird. Die Lage der Nullstellen dieser Feldkomponente ergibt sich als abstandsabhängig, ebenso das Verhältnis der Maximalwerte der Feldstärke über den in einer Richtung magnetisierten Abschnitten. Aus der durch den Sensor gemessenen Feldverteilung, aus der die Lage der Nulldurchgänge der Feldkomponente oder das Verhältnis der Maxima gewonnen wird, ist so der Abstand ohne irgendeinen Eichvorgang sofort bestimmbar.

Neben der Berechenbarkeit des dem jeweiligen Abstand zugeordneten Wertes weist das angegebene Verfahren noch einen wesentlichen weiteren Vorteil auf. Dieser besteht darin, daß eine Positionierung des Sensors gegenüber dem Maßstab in Längsrichtung nicht erforderlich ist, da entweder der Abstand der Nulldurchgänge oder die Maximalwerte der Feldstärke zur Auswertung herangezogen werden.

Dieser zuletzt genannte Vorteil entfällt, wenn die Abstandsmessung in einfacher Weise mit nach bekannten Verfahren durchzuführenden inkrementalen oder absoluten Längenmeßverfahren kombiniert wird. Dabei wird sowohl derselbe Maßstab als auch derselbe Sensor für die Abstandsmessung und für die Längenmessung in Längsrichtung des Maßstabes benutzt. Hier ist jedoch der doppelte Nutzen derselben Anordnung zweifellos vorteilhaft.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dazu dienen auch die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Sachverhalte. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, bestehend aus einem Magnetmaßstab 1 und einem Magnetfeldsensor 2. Der Magnetmaßstab 1 befindet sich mit seiner Oberfläche in einem Abstand 5 zur gegenüberliegenden Oberfläche des Sensors 2. In dieser Oberfläche des Sensors 2 ist eine Vielzahl von Sensorelementen 6 angeordnet. Diese können die magnetische Feldstärke H der Feldkomponente in Längsrichtung des Maßstabes 1, die von den magnetisierten Abschnitten 4; 5 des Maßstabes 1 hervorgerufen wird, feststellen. Die Sensorelemente 6 sind in gleichmäßigem Abstand angeordnet. Ihre gegenseitige Distanz ist so gewählt, daß auch über dem kürzesten Abschnitt 5 des Maßstabes 1 noch mindestens drei Sensorelemente 6 vorhanden sind. Als Sensorelemente 6 dienen magnetoresistive Schichtstreifen mit Barberpolstruktur, die eine Breite im Bereich weniger Mikrometer haben. Die Länge der magnetoresistiven Schichtstreifen ist geringer als die Breite des Maßstabes 1. Deshalb ist eine genaue Justierung in Richtung quer zur Maßstabslängsrichtung nicht erforderlich. Der Maßstab 1 besteht ans einer Magnetfolie von etwa 10 µm Dicke. Er ist periodisch in wechselnder Richtung magnetisiert. Allerdings befindet sich zwischen jeweils zwei gleich langen Abschnitten 4 von 125 µm Länge immer ein kürzerer Abschnitt 5 von 80 µm Länge. Die berechnete Feldstärke H der Feldkomponente in Längsrichtung des Maßstabs 1 ist für unterschiedliche Abstände 3 in Fig. 2 dargestellt. Für einen Abstand 3 von 40 µm gilt Kurve 7, für 60 µm gilt Kurve 8, für 80 µm gilt Kurve 9 und für 100 µm gilt Kurve 10. Die Verringerung der Positionsdifferenz L der Nulldurchgänge mit steigendem Abstand 3 ist klar erkennbar. In Fig. 3 ist diese Abhängigkeit der Positionsdifferenz L vom Abstand 3 explizit in der Kurve 11 dargestellt.

Aus der mit dem Sensor 2 gemessenen Feldverteilung läßt sich die Positionsdifferenz L der Nulldurchgänge gewinnen. Der Vergleich mit der Kurve 11 gestattet die Bestimmung des Abstandes 3. Der entsprechende Zusammenhang ist nichtlinear, was aber die eindeutige Abstandsbestimmung nicht einschränkt. Allerdings wird die erreichbare Auflösung abstandsabhängig.

Vorteilhafterweise sollte deshalb das Verhältnis V der maximalen Feldstärke H der Feldkomponente in Maßstabslängsrichtung über den kurzen Abschnitten 5 zu der maximalen Feldstärke H über den langen Abschnitten 4 zur Auswertung benutzt werden. Dessen Abhängigkeit vom Abstand 3 ist ebenfalls in Fig. 3 dargestellt. Nach Messung der jeweiligen Maximalwerte kann aus der berechneten Abhängigkeit der Abstand ermittelt werden. Für die gewählte Maßstabstruktur ergibt sich eine lineare Beziehung, so daß eine einfache Zuordnung ermöglicht ist. Die auflösbare Länge der Abstandsmessung liegt in dem gewählten Beispiel im Bereich von wenigen Nanometern. Der Meßbereich für den Abstand 3 beträgt 100 µm. Bei proportionaler Vergrößerung der Maßstabsstruktur wird der Meßbereich entsprechend vergrößert und die auflösbare Länge um den gleichen Faktor angehoben.

Claims (8)

1. Verfahren zur Abstandsmessung unter Benutzung eines Magnetmaßstabes (1), der in unterschiedlich langen Abschnitten (4; 5) abwechselnd in positiver und negativer Richtung magnetisiert ist, und eines im zu messenden Abstand (3) parallel zur Maßstabsoberfläche vorhandenen Magnetfeldsensors (2), dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Magnetfeldsensors (2) der Verlauf der Magnetfeldstärke (H) in Maßstabslängsrichtung ermittelt wird und daß aus charakteristischen Größen dieses Feldstärkeverlaufs der Abstand (3) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als charakteristische Größe des Magnetfeldverlaufes die Lage der Nullstellen der Magnetfeldstärke (H), die sich mit dem Abstand (3) in berechenbarer Weise verschiebt, zur Ermittlung des Abstandes (3) benutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als charakteristische Größe des Magnetfeldverlaufes das Verhältnis der Magnetfeldstärke (H) im Maximum über den jeweiligen Abschnitten (4; 5), das aus den Abmessungen der Abschnitte (4; 5) berechenbar ist, zur Ermittlung des Abstandes (3) benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Magnetfeldstärke (H) mit einem Magnetfeldsensor (2), der nur ein einziges Sensorelement (6) enthält, durch Bewegung desselben parallel zur Maßstabsoberfläche festgestellt wird

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Magnetfeldstärke (H) mit einem Magnetfeldsensor (2), der nebeneinander eine Vielzahl von Sensorelementen (6) enthält, ohne Bewegung festgestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Maßstab (1), in dem periodisch zwei unterschiedlich lange Abschnitte (4; 5) mit entgegengesetzt gerichteter Magnetisierung wiederholt sind, benutzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Magnetfeldsensor (2) gemessene Feldstärkeverlauf des periodischen Maßstabes (1) gleichzeitig nach bekanntem Verfahren zur inkrementalen Längenmessung benutzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Maßstab (1), der über seiner Länge unterschiedlich lange Abschnitte (4; 5) abwechselnder Magnetisierungsrichtung enthält, zur Abstandsmessung und gleichzeitig zur Ermittlung der Absolutposition in Maßstabslängsrichtung nach bekannten Verfahren benutzt wird.