CN1982839A - 用于同时获得旋转角和移动位置的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于同时获得对象(110)的旋转角和轴向移动位置的测量装置(100)。该测量装置(100)包括带有多个可检测的元件(125)的自动同步发送器(120)，可检测的元件沿着自动同步发送器(120)的外圆周线等距地设置，还包括导向装置(115，116)，它使自动同步发送器(120)可围绕旋转轴(111)旋转并且沿着旋转轴(111)可移动地支承。该测量装置(100)还包括传感器阵列(130)，它具有多个设置在平行于旋转轴(111)的平面里面的单个传感器件(131)，和分析单元(150)，它与单个传感器件(131)耦联。设置该分析单元(150)，使得由单个传感器件(131)的测量信号不仅求得对象(110)的旋转角而且求得其移动位置。

Description

用于同时获得旋转角和移动位置的测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于同时获得旋转角和移动位置的测量装置。本发明尤其涉及一个用于获得电元件的保持装置的旋转角和移动位置的测量装置，该保持装置在装配技术中典型地以所谓的吸管形式用于输送电元件。

背景技术

目前通常通过所谓的装配机实现自动地给衬底或电路板装配电子元件。在此元件由元件输送装置通过装配头输送到电路板上的放置位置。通过所谓的吸管由装置头接收元件，该吸管与真空产生单元气动地耦联，由此可以使要被装配的元件在输送期间通过装配头可靠地由抽吸负压保持。

为了能够使元件确定地放置在电路板上，对于每个所接收的元件进行光学测量，其中尤其测量所接收的元件相对于装配头的位置包括角位。为了可以使所接收的元件以正确的角位放置在电路板上，除了吸管相对于装配头的确定的轴向运动以外也要求吸管的旋转运动。为了保证精确的放置过程，尤其由于近年来电子元件的日益微型化对于正确的装配过程不可缺少的精确的放置过程，因此使用一种传感器系统，它不仅可以精确地获得吸管的轴向位置而且获得吸管的旋转角。

为此已知一种传感器系统，它具有两个独立的传感器，其中一个传感器是用于获得吸管的实际旋转角的旋转角传感器而另一传感器是用于获得吸管轴向位置的直线传感器。使用两个独立的、相互无关的传感器存在的缺陷是，两个传感器中的至少一个传感器必需与活动的系统耦联。这意味着，旋转角传感器得与轴向移动的吸管耦联或者直线运动的传感器得与旋转的吸管耦联。

此外已知用于同时获得旋转角和移动位置的光学测量系统，它由一个光学传感器和一个具有涂覆光栅的圆柱体组成。该光学传感器可以通过获得光栅位置不仅获得与圆柱体机械耦联的吸管的旋转角而且获得其轴向移动位置。这个测量系统的缺陷是，对于高测量精度在圆柱形物体上必需存在一个在空间上精确定义的光栅。但是这种光栅-圆柱体的加工是非常昂贵的。此外为了测量光栅位置需要一个更费事的且同样昂贵的光学传感器。

发明内容

本发明的目的是，实现一个用于同时获得一个对象的旋转角和轴向移动位置的测量装置，该测量装置一方面可靠地工作，另一方面在加工中是成本有利的。

这个目的通过一种具有权利要求1特征的用于同时获得一个对象的旋转角和移动位置的测量装置得以实现。

按照本发明的测量装置包括一个自动同步发送器(Drehgeber)，它可与对象位置固定地连接并且包括多个可检测的元件，它们沿着自动同步发送器的至少一个外圆周线等距地设置。按照本发明的测量装置还包括一个导向装置，它这样构成，使自动同步发送器可围绕旋转轴旋转并且沿着这个旋转轴可移动地支承。按照本发明的测量装置还包括一个传感器阵列，它包括多个单个传感器件，它们设置在平行于旋转轴的平面里面，该平面与自动同步发送器的外边缘具有给定的距离。此外具有一个分析单元，它与单个传感器件耦联并且它这样设置，由单个传感器件的信号不仅可求得对象的旋转角而且可求得其移动位置。对于按照本发明的测量装置使移动位置与旋转角的测得如下分开，在自动同步发送器移动时获得并分析不同的单个传感器件的测量信号，所述单个传感器件设置在旋转轴的不同纵段旁边，在自动同步发送器旋转时获得并分析单个传感器件的至少一个测量信号，所述单个传感器件设置在旋转轴的确定纵段旁边。

本发明的知识基于通过使用两维传感器阵列以简单的方式能够同时获得旋转角和移动位置，其中传感器阵列具有至少一个单个传感器件列，该列平行于通过导向装置给定的对象移动方向取向。

所述对象例如是空心杆，它不仅作为吸管的轴而且作为自动同步发送器的轴。所述导向装置优选附属于这个轴，它与对象以机械刚性方式连接。在这种情况下自动同步发送器不是直接而且仅仅间接地通过轴的导向不仅可旋转而且可移动的支承。

在其中设置传感器阵列的单个传感器件的面可以是一个平面的面或者也可以是一个围绕旋转轴的弯曲的面。这种弯曲面的优点是，当传感器阵列具有单个传感器件，它们以两维网栅的形式设置在弯曲的面中时，则传感器阵列的所有单个传感器件都可以以与自动同步发送器的外边缘相同的给定间距设置。

对此要明确指出，所述自动同步发送器不是与由现有技术已知的那样必需为圆柱体，该圆柱体为了获得移动位置具有一个平行于旋转轴的纵向延伸。而是该自动同步发送器可以是一个盘状的发送器轮，它具有原则上任意小的宽度。其优点是，可以以微小的质量加工活动的自动同步发送器，由此使测量装置总体上具有微小的机械惯性。盘状发送器轮与圆柱形自动同步发送器相比的另一优点是，盘状发送器轮需要明显更小的结构空间并因此实现对象的更大轴向移动范围并由此在测量移动位置时实现测量装置的更大测量范围。

按照权利要求2所述单个传感器件设置在传感器的行和传感器的列里面，其中传感器行垂直于旋转轴而传感器列平行于旋转轴取向。单个传感器件在两维网栅上的正交布置的优点是，可以通过简单的方式实现传感器信号的分析，因为对于每个可检测的元件位于后面的相邻传感器或者平行或者正交于发送器轮的运动自由度设置。优选使传感器行为了确定角位分别具有正好两个传感器，由此可以垂直于旋转轴在紧凑结构形状内部实现传感器阵列。单个传感器件在正好两个传感器列中的布置与只具有一个传感器排的传感器阵列相比的优点是，总是可以明确地确定自动同步发送器的准确角位。因为传感器通常只测量强度，在使用只一个传感器排时一般不能区分，一个可检测的元件从传感器看来位于传感器中心的偏左或偏右。

对此要指出，设置在传感器列内部的单个传感器件的空间精度决定了测量装置在确定轴向位置方面的精度。以类似方式在传感器行内部、即垂直于旋转轴实现单个传感器件的准确距离，它决定了确定旋转角的精度。

按照权利要求3这样设置分析单元，使得由两个附属于不同传感器列的单个传感器件的信号可以求得准确的旋转角。两个相邻传感器列的信号或信号强度之间的这种插值法以有利方式以微少的设备费用在求得旋转角时得到高的测量精度。

按照权利要求4可检测的元件沿着自动同步发送器的外圆周相互间以元件间距设置并且两个在传感器行中相邻的单个传感器件相互间以传感器间距设置。在此传感器间距正好是元件间距的一半。其优点是，在自动同步发送器旋转时传感器阵列的所选择的单个传感器件接收余弦信号。与所选择的单个传感器件直接相邻的单个传感器件在相同的发送器旋转时测量正弦信号。通过在两个信号之间插值能够特别精确地确定角位。

按照权利要求5所述分析单元具有一个计数器，它可计数两个从属于不同的传感器列的单个传感器件的信号顺序。由此通过测量装置的一次性初始化在一整圈或多圈旋转时也精确得出旋转角。

对此要指出，该计数器也可以在一个分析单元物理分开的单独的计数单元中实现。此外要指出，该计数器可不仅可以通过相应的硬件实现，而且可以通过编程技术以软件形式实现。

按照权利要求6所述分析单元这样构造，使得由至少两个从属于不同传感器行的单个传感器件的信号可求得准确的移动位置。这意味着，在两个参与的单个传感器件的信号之间进行插值，由此可以以特别高的精度确定移动位置。

按照权利要求7所述自动同步发送器是多极磁轮并且所述可检测的元件是磁体，它们这样设置，使得北极和南极交替地沿着多极磁轮的外边缘设置。此外所述单个传感器件是磁场传感器。在这种情况下通过分析由不同的磁场单个传感器件获得的磁场强度不仅实现旋转角的位置测得而且实现轴向位置的位置的测得。所述磁极轮或多极磁轮可以经济地以高精度制成，由此一方面使测量装置具有高的测量精度，另一方面可以相对有利的价格实现。

具有许多磁场传感器的传感器阵列例如可以在半导体加工工艺范围中同样以单个磁场传感器的高精度的相对布置加工并且还更成本有利地制成。如果单个传感器件以精确给定的位置设置在两维网栅上，则呈现精确加工的传感器阵列。因为不仅磁极轮而且传感器阵列对于测量装置的精度具有重要意义，高精度加工的传感器阵列与精确制成的磁极轮相结合总体上能够实现所述测量装置的高测量精度。

使用磁体作为可检测的元件的另一优点是，整个测量装置是完全无磨损的，因为不仅旋转角的测量而且轴向移动位置的测量都可以无接触地实现。作为可检测的元件优选使用永久磁体，因此整个测量装置是一个机械上非常牢固的系统，其中根本无需任何活动的电导线。

按照权利要求8所述多极磁轮包括轮毂和围绕轮毂设置的环，它具有硬铁氧体材料。这可以简单的方式实现一个磁体布置，其中磁体沿着多极磁体轮的外边缘相互间具有一个微小的间距或者对于磁体最好直接并排地设置。

按照权利要求9所述硬铁氧体环粘接在轮毂上。粘连接以有利的方式在两种不同的材料之间建立一个简单且机械稳定的连接，两种材料中至少硬铁氧体是难以加工的。

按照权利要求10所述磁场传感器是霍耳传感器和/或磁阻传感器(Magnetowiderstand-Sensor)。两种形式的传感器是用于获得磁场强度的高灵敏的传感器件。关于磁阻传感器可以是相关的所有形式的传感器，由其测量与现有磁场强度相关的电阻。尤其是基于磁阻(MR)效应、基于各向异性磁阻(AMR)效应、基于巨大磁阻(GMR)效应或基于隧道磁阻(TMR)效应的传感器都属于此类传感器。

按照权利要求11所述测量装置附加地具有另一传感器阵列，它包括多个单个传感器件，它们设置在平行于旋转轴的另一平面里面，该另一平面与自动同步发送器的外边缘具有给定的距离，其中另一单个传感器件同样与分析单元耦联。使用另一传感器阵列的优点是，通过在共同分析两个传感器阵列的测量信号时冗余或附加地获得旋转角和移动位置可以达到一个更高的测量精度。在此以与所述的分析第一传感器阵列的单个传感器件的信号相同的方式实现另一单个传感器件的测量信号的分析。

按照权利要求12所述传感器阵列和另一传感器阵列设置在自动同步发送器的相互对置的侧面上。其优点是，可以与(a)轴的偏心无关地、(b)与多极磁轮的偏心无关地、(c)与单个磁体的不均匀磁场强度无关地和/或(d)与轴在导向装置中的间隙无关地实现旋转角的测量。通过这种方式进一步提高测量装置的精度。此外可以降低用于轴支承和用于测量装置总体装配的费用，而且不使测量装置的精度变差。

附图说明

由下面对于优选实施例的示例性描述给出本发明的其它优点和特征。附图中：

图1示意示出具有一个多极磁轮的测量装置和一个传感器阵列，

图2示意示出具有一个多极磁轮的测量装置和两个相互对置设置的传感器阵列。

在此要注意，在附图中相同的或相互对应的部件的附图标记仅仅在其第一位数字上是不同的。

具体实施方式

图1示出用于同时获得吸管110的旋转角和移动位置的测量装置100，该吸管作为元件的固定装置用于执行装配过程。该吸管110位于空心杆111上，它是一个轴，该轴通过两个轴承部件115和116支承。构造轴承，使得空心杆111可以围绕其纵轴线旋转并且还可以沿着其纵轴线平行于z向轴向移动。该轴以未示出的方式不仅与用于使空心杆111轴向移动的直线驱动装置耦联而且与用于使空心杆111绕其纵轴线旋转的旋转驱动装置耦联。该空心杆111用于从未示出的真空产生装置将负压传递到吸管110，因此元件在相应地施加负压时可以由吸管110气动地保持。

所述测量装置100还包括一个自动同步发送器，它由多极磁轮120构成。该多极磁轮120固定在空心杆111上，因此在空心杆111旋转时多极磁轮120相对于传感器阵列130旋转并且在空心杆111或吸管110轴向移动时多极磁轮120同样相对于传感器阵列130沿着z向轴向移动。

所述多极磁轮120包括一个轮毂121，在其上相对于空心杆111以同心的方式固定一个环122，它具有硬铁氧体材料。在环中沿着外圆周面设置或构成许多永久磁体125。选择磁体125的布置，使得沿着多极磁轮120的外边缘交替地设置北极和南极。因此吸管110或空心杆111的旋转在传感器阵列130的位置上导致时间上交替的磁场，该磁场被传感器阵列130的单个传感器件131获得。在吸管110或空心杆111轴向沿z轴移动时传感器阵列130检测到一个磁场，其中最大磁场强度位置在传感器阵列130的表面上沿着z向移动。

如图1所示，许多单个传感器件131，它们分别是磁场传感器，沿着两个列设置。因此所述单个传感器件131设置在两维网栅上，它由两个传感器列组成，传感器平行于旋转轴线或轴111取向。

所述传感器阵列130通过数据导线151与分析单元150耦联。设置该分析单元150，从而为了确定旋转角或移动位置相应引用单个传感器件131的信号，该单个传感器件与另一单个传感器件131相比由于多极磁轮120置于强烈磁场下并且因此其提供最好的要被分析的测量信号。

为了尽可能精确地确定吸管110或中空杆111的实际旋转角，在分析单元150中实现一个分析，其中在两个或四个单个传感器件131的信号之间或者在信号强度之间插值，这些单个传感器件附属于两个相邻的传感器列和两个相邻的传感器行。为了可以在其它角度范围中测量旋转角，该分析单元150配有增量计数器，由此在多极磁轮120更多旋转时可以计数磁场强度的产生的周期性变化的波动。因此在旋转角开始初始化以后以高精度检测在0至360°角位内的每个任意旋转角。

单个传感器件131的测量信号用于求得旋转角和轴向位置，通过控制电路实现单个传感器件131的选择，该控制电路由所有单个传感器件131的信号确定与磁极轮120最靠近的单个传感器件131。为了对于轴向位置也达到高测量精度，使用两个单个传感器件对的信号，它们对应于两个相邻的传感器行。由此也可以在两个相邻的传感器行之间实现插值。

单个传感器件测量信号的分析可以以特别有利的方式和方法如下实现，由最靠近多极磁轮的传感器对的信号计算吸管110的旋转角。此外以特别有利的方式和方法由上述传感器对旁边的传感器信号计算吸管110的轴向位置。

关于测量装置100的尺寸已经在一系列试验的研究中证实，当磁体125沿着外圆周具有几毫米数量级的极宽时，可以实现高的测量精度。关于传感器阵列130与多极磁轮120外边缘之间的距离已经证实0.5mm数量级的距离是适合的。

按照在这里所示的实施例所述传感器阵列130由唯一的传感器芯片组成，在其上设置霍耳传感器或磁阻传感器，使得为了获得旋转角总是可以使用一个传感器对。由从属于不同传感器行的至少另一传感器的信号可以以高精度确定吸管110的轴向位置。在此必要时使用在两个测量信号之间插值的原理。

要指出，整个测量装置100的精度取决于可选择设置的在多极磁轮120外圆周上的永久磁体125的精度并取决于的单个传感器件131在传感器阵列130中的精确位置。关于要被测量的旋转角的精度决定于加工多极磁轮120时的精度，关于轴向位置测量的精度决定于单个传感器件131在传感器阵列130中的精确空间位置的准确认识。因为在加工传感器阵列时在已知的半导体加工工艺范围内单个传感器件131的位置精度是非常高的，因此在加工测量装置100时在实践中只需关注多极磁轮120的环122的加工精度。因此可以通过相对简单的方式和方法建立用于组合地获得旋转角和直线移动的测量装置100，该测量装置100具有高的测量精度。

图2示出测量装置200，它与测量装置100的区别只是，不只具有一个传感器阵列，而是具有两个传感器阵列230和240。两个传感器阵列230和240与一个在图2中未示出的分析单元连接，其中为了不仅确定旋转角而且确定轴向位置可以引用两个传感器阵列230和240的相应测量信号。

在图2中所示的两个传感器阵列230和240的相互对置的布置尤其具有优点，旋转角测量与(a)轴的偏心无关、(b)与多极磁轮的偏心无关、(c)与沿着多极磁轮220外圆周设置的各磁体的不均匀磁场强度无关和/或(d)与轴在导向装置中的间隙无关。通过这种方式一方面提高测量装置200的测量精度，另一方面降低用于支承轴211和用于装配测量装置200的费用。

Claims (12)

1.一种用于同时获得对象(110)的旋转角和移动位置的测量装置，具有

·自动同步发送器(120)，

-它与对象(110)位置固定地连接

-它包括多个可检测的元件(125)，它们沿着自动同步发送器(120)的至少一个外圆周线等距地设置，

·导向装置(115，116)，使自动同步发送器(120)可围绕旋转轴(111)旋转并且沿着这个旋转轴(111)可移动地支承，

·传感器阵列(130)，它包括多个单个传感器件(131)，它们设置在平行于旋转轴(111)的平面里面，该平面与自动同步发送器(120)的外边缘具有给定的距离。

·分析单元(150)，

-它与单个传感器件(131)耦联并且

-它被设置，从而由单个传感器件(131)的信号不仅求得对象(110)的旋转角而且求得其移动位置，

其中使移动位置与旋转角的测得如下分开，

-在自动同步发送器(120)移动时获得并分析不同的单个传感器件(131)的测量信号，该单个传感器件(131)设置在旋转轴(111)的不同纵向段旁边，

-在自动同步发送器(120)旋转时获得并分析单个传感器件(131)的至少一个测量信号，该单个传感器件设置在旋转轴(111)的确定纵向段旁边。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述单个传感器件(131)设置在传感器的行和传感器的列里面，其中传感器行垂直于旋转轴(111)而传感器列平行于旋转轴(111)取向。

3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于，这样设置分析单元(150)，使得由两个附属于不同传感器列的单个传感器件(131)的信号可以求得准确的旋转角。

4.如权利要求2至3中任一项所述的测量装置，其特征在于，

·可检测的元件(125)沿着自动同步发送器(120)的外圆周相互间以元件间距设置并且

·两个在传感器行中相邻的单个传感器件(131)相互间以传感器间距设置，其中传感器间距正好是元件间距的一半。

5.如权利要求2至4中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述分析单元(150)具有计数器，它计数两个从属于不同的传感器列的单个传感器件(131)的信号顺序。

6.如权利要求2至5中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述分析单元(150)被设置，使得由至少两个从属于不同传感器行的单个传感器件(131)的信号可求得准确的移动位置。

7.如权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其特征在于，

·所述自动同步发送器是多极磁轮(120)，

·所述可检测的元件是磁体(125)，它们这样设置，使得北极和南极交替地沿着多极磁轮(120)的外边缘设置，

·所述单个传感器件是磁场传感器(131)。

8.如权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述多极磁轮(120)包括轮毂(121)和围绕轮毂设置的环(122)，环具有硬铁氧体材料。

9.如权利要求8所述的测量装置，其中所述环(122)粘接在轮毂(121)上。

10.如权利要求7至9中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述磁场传感器(131)是霍耳传感器和/或磁阻传感器。

11.如权利要求1至10中任一项所述的测量装置，其特征在于，附加地具有：另一传感器阵列(240)，它包括多个其它单个传感器件，它们设置在平行于旋转轴(211)的另一平面里面，该另一平面与自动同步发送器(220)的外边缘具有给定的距离，其中另一单个传感器件(231)同样与分析单元耦联。

12.如权利要求11所述的测量装置，其特征在于，所述传感器阵列和另一传感器阵列设置在自动同步发送器(220)的相互对置侧上。