DE102015201507A1

DE102015201507A1 - Sensorvorrichtung zur Positionsermittlung und Verfahren zur Positionsermittlung

Info

Publication number: DE102015201507A1
Application number: DE102015201507.6A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Götz; Daniel Horcher; Uwe Linnert; Carl Udo Maier; Franz Meierhöfer; Jochen Ostermaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2016-08-04
Also published as: WO2016120136A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, die ein Sensorelement (13) und ein Bauteil (12) aufweist. Diese soll zur Ermittlung von Positionen zwischen dem Sensorelement (13) und dem Bauteil (12) bzw. zur Ermittlung von Relativbewegungen zwischen diesen Baueinheiten dienen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Positionsermittlung der magnetoelastische Effekt genutzt wird. Zu diesem Zweck ist das Bauteil mit einer ferromagnetischen Codierung (29) versehen, die über Empfängerspulen (19) in ihrer Position gegenüber dem Sensorelement (13) bestimmt werden können. Dies lässt vorteilhaft einen Rückschluss auf die Position des gesamten Sensorelements (13) in Bezug auf das Bauteil (12) zu. Vorteilhaft ist hierdurch eine wenig störanfällige und vergleichsweise genaue Messung möglich. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren, welches mit der Sensorvorrichtung durchgeführt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, die ein Sensorelement und ein Bauteil aufweist und zur Ermittlung der Position des Bauteils gegenüber dem Sensorelement geeignet ist. Außerdem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Ermittlung der Position eines Bauteils gegenüber einem Sensorelement mittels einer Sensorvorrichtung, die das Sensorelement und das Bauteil aufweist.
Sensorvorrichtungen mit Sensorelementen zur Positionsermittlung bzw. Verfahren zur Ermittlung von Positionen von Bauteilen sind allgemein bekannt. Beispielsweise werden Positionen von Bauteilen mittels optischer Sensorvorrichtungen ermittelt. Hierbei können Abstandssensoren zum Einsatz kommen, die auf optischen Funktionsprinipien beruhen.
Andererseits sind Sensorvorrichtungen bekannt, mit denen mechanische Spannungen zum Zweck einer Kraftmessung gemessen werden können. Eine Möglichkeit zur Messung liegt in der Nutzung des magnetoelastischen Effekts. Der magnetoelastische Effekt beruht auf der Änderung der magnetischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Materials bei mechanischer Belastung. Als Materialien können zum Beispiel Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt zum Einsatz kommen. Die Größe des magnetoelastischen Effekts ist abhängig vom verwendeten Material. Beispielsweise ändern Zug- oder Druckspannungen im Material die magnetischen Eigenschaften.
Ein magnetoelastischer Sensor beruht auf dem inversen magnetostriktiven Effekt, also dem Effekt, dass ferromagnetische Materialien eine Änderung in der magnetischen Permeabilität erfahren, wenn mechanische Spannungen auftreten. Dieser Effekt wird daher auch als magnetoeleatischer Effekt bezeichnet. Da mechanische Spannungen durch Zug- und Druckkräfte sowie durch Torsion erzeugt werden, kann der magnetoelastische Effekt zur Kraft- und zur Drehmomentmessung herangezogen werden und ist daher vielseitig einsetzbar, wie beispielsweise in der DE 10 2011 081 869 A1 beschrieben wird.
Messköpfe zum Messen des magnetoelastischen Effekts umfassen eine Sende- oder Erregerspule, mit der in einer ferromagnetischen Schicht oder einem ferromagnetischen Bauteil ein Magnetfeld induziert wird. Dabei wird in der Schicht oder dem Bauteil ein Antwortsignal generiert, dessen magnetische Flussdichte von der Permeabilität der Schicht oder des Bauteils abhängt. Diese wird wiederum von den in der Schicht oder dem Bauteil herrschenden mechanischen Spannungen beeinflusst. Die magnetische Flussdichte des Antwortsignals bestimmt die Stärke der in der Empfangsspule induzierten Spannung. Aus der Stromstärke können dann die mechanischen Spannungen in der ferromagnetischen Schicht oder dem Bauteil berechnet werden.
Der magnetoelastische Effekt kann zum Beispiel auch zum Messen von Drehmomenten in einem rotierenden Objekt herangezogen werden, da ein Drehmoment Spannungen in dem rotierenden Objekt erzeugt. Es sind eine Reihe verschiedener Sensoren bekannt, die den magnetoelastischen Effekt verwenden, um kontaktlos Drehmomente von Wellen zu erfassen. Die magnetoelastischen Sensoren zeichnen sich durch hohe Genauigkeit aus, wobei eine Nachkalibrierung ebenso wenig erforderlich ist, wie das Anfahren von Referenzmarken. Ein magnetoelastischer Drehmomentsensor, der zum Messen des Drehmoments von Antriebswellen zum Einsatz kommt, ist aus DE 10 2011 075 400 A1 bekannt. Zur Messung von Drehmomenten an Kraft übertragenden Wellen von Maschinen wird in einem geringen Abstand von der Oberfläche der Welle kontaktlos eine elektromagnetische Spule angeordnet, die auf die Veränderung der Permeabilität in einer ferromagnetischen Schicht auf der Welle oder einer an sich ferromagnetischen Welle mit einer Signaländerung reagiert. Die aus dem ferromagnetischen Material gebildete Welle ist dadurch Teil der Messvorrichtung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Sensorvorrichtung mit einem Sensorelement und einem Bauteil, dessen Position ermittelt werden soll, anzugeben bzw. ein Verfahren zur Ermittlung der Position eines Bauteils gegenüber einem Sensorelement anzugeben, mit denen eine genaue und zuverlässige Positionsermittlung möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die eingangs angegebene Sensorvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Sensorelement den magnetoelastischen Effekt ausnutzt. Hierfür weist dieses mindestens eine Erregerspule und mindestens eine Empfängerspule auf, die auf einem ferromagnetischen gemeinsamen Kernbauteil angeordnet sind, dessen Enden an das Bauteil heranreichen. Der Spalt zwischen den Enden des Kernbauteils und dem Bauteil soll dabei möglichst eng sein. Es kann auch eine Berührung erfolgen, wenn ein Gleiten zwischen dem Kernbauteil und dem Bauteil möglich ist.
Weiterhin besteht das Bauteil unter seiner Oberfläche aus einem ferromagnetischen Material. In diesem ferromagnetischen Material liegen Eigenspannungen vor, die unter der Oberfläche hinsichtlich ihrer lokal vorliegenden Charakteristik ein vorgegebenes Muster ergeben. Mit anderen Worten weist dieses Muster Charakteristika auf, die sich mechanisch durch einen Spannungstensor (ungleich Null) beschreiben lassen. Diese Charakteristika können zur Positionserkennung herangezogen werden, indem ein für diese Charakteristika typisches Sensorsignal mit dem Sensorelement ausgelesen wird. Hierfür müssen die Eigenspannungen hinreichend dicht unterhalb der Oberfläche vorliegen, damit diese das Messsignal beeinflussen. Mit anderen Worten müssen die Eigenspannungen innerhalb des magnetischen Kreises liegen, der sich nach Positionierung des Kernbauteils auf oder oberhalb der Oberfläche des Bauteils ausbildet.
Die lokal vorliegende Charakteristik der Eigenspannungen muss also derart ausgestaltet sein, dass sie sich durch Positionierung des Sensorelements oberhalb dieser Charakteristik auslesen lässt. Wie weit sich eine durch den Spannungszustand entstehende Charakteristik jeweils unterhalb der Oberfläche des Bauteils erstreckt, hängt also von der Größe des Sensorelements, insbesondere den Abmessungen des Kernbauteils ab. Die Erzeugung lokal unterschiedlicher Spannungszustände in dem Bauteil lässt mit anderen Worten nur eine Ortsauflösung des Messsignals zu, wenn eine Verschiebung des Sensorelements auf dem Bauteil auch zu signifikanten Veränderungen des Messsignals führt, welche im Rahmen der Auswertung des Messsignals einer bestimmten Relativbewegung oder einer bestimmten Position auf der Oberfläche des Bauteils zugeordnet werden kann.
Das vorgegebene Muster, welches die Eigenspannungen ergeben sollen, ist dabei in Abhängigkeit des Anwendungsfalls zu wählen. Hierbei können Muster ausgewählt werden, welche eine genaue Ortsinformation auf der Fläche tragen. Es ist aber auch denkbar, dass das Muster aufgrund sich wiederholender Charakteristika nur eine Einschätzung des Betrags der Relativbewegung und/oder der Richtung der Relativbewegung zulässt. Mit einem solchen Muster lässt sich die Relativbewegung des Sensorelements auf dem Bauteil verfolgen.
Ein anderer Anwendungsfall könnte beispielsweise daraus entstehen, dass die Ortsinformation lediglich das Verlassen eines erlaubten Bereichs anzeigt. Die Ortsinformation könnte beispielsweise als Umrandung einer bestimmten Fläche auf dem Bauteil ausgeführt werden, so dass ein Verlassen dieses Bereichs durch die Sensorvorrichtung angezeigt werden könnte.
Auch andere Informationen lassen sich durch Charakteristika in dem vorgegebenen Muster darstellen. Beispielsweise könnte die Seriennummer eines Produkts codiert und unter der Oberfläche des Bauteils als geeignetes Spannungsfeld erzeugt werden.
Gelöst wird die oben angegebene Aufgabe auch durch das eingangs genannte Verfahren zur Ermittlung der Position des Bauteils gegenüber dem Sensorelement. Dieses Verfahren weist folgende Schritte auf. Das Sensorelement wird mit einem ferromagnetischen gemeinsamen Kernbauteil, auf dem mindestens eine Erregerspule und eine Empfängerspule angeordnet sind, mit seinen Enden an das Bauteil angenähert. Die mindestens eine Erregerspule wird eingeschaltet. In dem Bauteil, welches unter seiner Oberfläche aus einem ferromagnetischen Material besteht, wird ein Magnetfeld induziert, wobei in dem ferromagnetischen Material Eigenspannungen vorliegen, die unter der Oberfläche hinsichtlich ihrer lokal vorliegenden Charakteristik ein vorgegebenes Muster ergeben. Mit dem Sensorelement wird der magnetoelastische Effekt dahingehend ausgenutzt, dass ein Messsignal an der mindestens einen Empfängerspule ausgelesen wird. Der magnetoelastische Effekt wird durch die vorausgegangenen Verfahrensschritte ausgelöst. Schließlich wird aus dem Messsignal die Position des Bauteils gegenüber dem Sensorelement abgeleitet. Zu diesem Zweck muss der Spannungszustand in dem Bauteil in geeigneter Weise eine Positionscodierung aufweisen, d. h., wie oben bereits erläutert, Eigenspannungen aufweisen, die unter der Oberfläche hinsichtlich ihrer lokal vorliegenden Charakteristik ein vorgegebenes Muster ergeben. Die Ableitung der Position erfolgt je nach Art des Messsignals entweder durch Zuordnung des Signals zu einer bestimmten Position oder einem bestimmten Bereich auf der Oberfläche des Bauteils oder durch Verfolgung der Veränderung des Messsignals zur Bestimmung der relativen Bewegung des Sensorelements gegenüber dem Bauteil.
Die Eigenspannungen des Bauteils müssen sich in dem ferromagnetischen Material befinden. Dies ist eine Voraussetzung dafür, dass die Eigenspannungen aufgrund ihrer Charakteristik ein messbares Signal unter Ausnutzung des magnetoelastischen Effekts gewährleisten. Dafür muss sich das ferromagnetische Material genügend nah an der Oberfläche des Bauteils befinden, damit aufgrund der Aktivierung der Erregerspule ein Magnetfeld in dem ferromagnetischen Material erzeugt werden kann, welches wiederum die Empfängerspule beeinflusst. Ansonsten kann das Bauteil hinsichtlich der Materialwahl frei gestaltet werden. Es ist sowohl denkbar, dass sich auf dem ferromagnetischen Material eine nicht ferromagnetische Schicht befindet, die genügend dünn ausgeführt ist, damit das ferromagnetische Material hinreichend dicht an der Oberfläche des Bauteils liegt. Auch kann das Bauteil selbst aus einem anderen, nicht ferromagnetischen Material gefertigt werden. Dieses muss lediglich eine oberflächennahe Lage oder Schicht des ferromagnetischen Materials aufweisen, welche hinreichend dick ist, damit ein charakteristischer Zustand an Eigenspannungen in dieser Schicht oder Lage erzeugt werden kann.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zu deren Betrieb liegt darin, dass eine genaue Messung von Positionen von Bauteilen auch unter schwierigen Rahmenbedingungen möglich ist. Da die Spannungszustände unterhalb der Oberfläche des Bauteils liegen, sind diese beispielsweise von Oberflächeneinflüssen auf das Bauteil unabhängig (beispielsweise Verschmutzung der Oberfläche oder in bestimmten Grenzen auch Korrosion oder Anlaufen der Oberfläche). Hier liegt ein Vorteil beispielsweise gegenüber optischen Verfahren.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Muster der Eigenspannungen an jeder Stelle einer vom Muster ausgefüllten Musterfläche bezogen auf das generierbare Messsignal eine individuelle, lokal vorliegende Charakteristik aufweist. Als Musterfläche im Sinne der Erfindung ist diejenige Fläche zu verstehen, die mit einer Codierung versehen ist. Die Codierung besteht aus dem Muster der Eigenspannungen, die mittels des Sensorelements im gesamten Bereich der Musterfläche ausgelesen werden können. Wird im Bereich der Musterfläche an jeder Stelle eine individuelle Charakteristik erzeugt, so ist vorteilhaft eine absolute Ortsbestimmung des Sensorelements ohne die Nutzung einer Referenzposition des Sensorelements möglich.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn das Muster aus einem rechteckigen Raster von Rechteckflächen besteht, wobei sich das Rastermaß in beiden durch die Ränder der Rechteckflächen definierten, rechtwinklig zueinander ausgerichteten Richtungen über die Musterfläche hinweg verändert. Beispielsweise kann die Höhe und Breite der Rechteckflächen bei Vorgabe einer ebenfalls rechteckigen Musterfläche von der einen Ecke dieser Musterfläche zur diagonal gegenüberliegenden Ecke linear zunehmen. Werden dann die Längeninformation und die Breiteninformation des aktuell detektierten Rechtecks getrennt ausgewertet, so kann diese geometrische Information in eine x-Koordinate und eine y-Koordinate umgewandelt werden, so dass sich die Position des Sensorelements auf der Musterfläche im Rahmen der durch die Rechteckflächen vorgegebenen Größe bestimmen lässt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Muster der Eigenspannungen in einer vom Muster ausgefüllten Musterfläche eine periodisch sich wiederholende Charakteristik aufweist. Mittels dieser Ausgestaltung des Musters lässt sich vorteilhaft eine Relativbewegung des Sensorelements gegenüber dem Bauteil ermitteln. Auch hierbei können eine x-Koordinate und eine y-Koordinate getrennt voneinander ermittelt werden, so dass das Überstreichen von periodisch sich wiederholenden Charakteristiken, also Flächenelementen, einen Aufschluss über den Betrag der Relativbewegung gibt. Auf diesem Weg ist ebenfalls eine Positionsbestimmung möglich, wobei hierzu die Kenntnis der Ursprungsposition des Sensorelements auf dem Bauteil erforderlich ist.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn das Muster aus einem rechteckigen Raster von kongruenten Rechteckflächen besteht, wobei die Rechteckflächen jeweils die periodisch sich wiederholende Charakteristik bilden. Insbesondere können auch Quadrate als Rechtecke gewählt werden. Vorteilhaft ist jedoch die Wahl von Rechtecken mit unterschiedlich langen Seitenkanten, wobei aufgrund der unterschiedlichen Kantenlängen eine Auswertung des Messsignals dahingehend ermöglicht wird, ob eine Relativbewegung in x-Richtung oder in y-Richtung auf der Oberfläche des Bauteils erfolgt.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bauteil eine Kugel ist. Hierdurch lässt sich vorteilhaft die Sensorvorrichtung insbesondere als Kugelkopf ausbilden, wobei die Kugel frei drehbar in der Sensorvorrichtung gelagert ist. Mit einer solchen Vorrichtung lässt sich beispielsweise ein Berührungssensor erzeugen, der auf einer Fläche aufgesetzt werden kann. Das Bauteil im Sinne der Erfindung wird hierbei durch die Kugel gebildet. Diese dient in diesem Spezialfall allerdings zur Übertragung einer Relativbewegung des Kugelkopfs gegenüber einer anderen Fläche, die auch zu einer Relativbewegung der Oberfläche der Kugel gegenüber dem Sensorelement führt. Diese Relativbewegung kann mit den oben bereits beschriebenen Verfahren ermittelt werden, so dass der Kugelkopf als Positionssensor gegenüber einem anderen Bauteil, auf das der Kugelkopf aufgesetzt wird, Verwendung finden kann.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn das Muster auf der Kugel aus einem rechteckigen Raster besteht. Dieses lässt sich erzeugen, indem das Spannungsmuster auf der Kugel Längengraden und Breitengraden folgt, so dass die Oberfläche der Kugel vollständig erfassbar ist.
Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung sieht vor, dass das Muster der Charakteristika über mehrere untereinander liegende Lagen unter der Oberfläche des Bauteils verfügt. In jeder dieser Lagen liegen erfindungsgemäß Eigenspannungen vor, die hinsichtlich ihrer lokal vorliegenden Charakteristik jeweils eigene vorgegebene Muster ergeben. Hierdurch wird es vorteilhaft möglich, Positionsinformationen in getrennten Lagen unterzubringen. Beispielsweise ist es möglich, Muster vorzusehen, die die Ermittlung einer x-Position auf der Musterfläche erlauben und in einer darunterliegenden Lage Muster vorzusehen, die eine y-Position codieren. Dies ermöglicht es vorteilhaft, die Ortsauflösung für die Positionsbestimmung zu verbessern, da die Positionsinformationen auf mehrere Lagen verteilt werden können.
Um Positionsinformationen aus mehreren Lagen bestimmen zu können, kann gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen werden, dass die Erregerspule mit Wechselströmen unterschiedlicher Frequenz gespeist wird, wobei Frequenzen gewählt werden, mit denen jeweils Lagen in unterschiedlichem Abstand zur Oberflache angesprochen werden. Das Messsignal wird dann individuell für jede Lage ausgewertet. Bei diesem Messverfahren wird der Skin-Effekt ausgenutzt, der bei durch einen Wechselstrom durchflossenen Leitern entsteht. Bei diesem Effekt wird der Stromfluss in den oberflächennahen Querschnittsbereich des stromdurchflossenen Leiters gedrängt, wobei sich der Effekt bei ferromagnetischen Materialien vergleichsweise stark auswirkt. Die Ströme, die bei Anwendung des erfindungsgemäßen Messverfahrens in dem Bauteil erzeugt werden, bestehen aus Wirbelströmen aufgrund des in diesem erzeugten Magnetfelds. Je nach Frequenz der magnetischen Anregung durch die Erregerspule ist es daher möglich, mehr oder weniger der tieferliegenden Lagen des Musters auszublenden und damit das Messergebnis zu verändern. Die sich verändernden Messergebnisse müssen anschließend hinsichtlich der Positionsinformation ausgewertet werden. Bei der Auswertung der Messergebnisse ist dabei zu berücksichtigen, dass das resultierende Signal bei der Vermessung tieferliegenden Lagen auch von den darüber liegenden Lagen beeinflusst wird. Die tieferliegenden Lagen können nicht separat ausgewertet werden.
Die Auswertung der Messergebnisse sowohl bei einlagigen wie auch bei mehrlagigen Mustern kann beispielsweise durch Vergleich mit einer Bibliothek (Datenbank) von möglichen Messergebnissen erfolgen. Der Vergleich mit dieser Bibliothek ermöglicht dann die Zuordnung eines charakteristischen Messergebnisses zu einer charakteristischen Position des Sensorelements.
Vorteilhaft kann z. B. vorgesehen werden, dass die Muster der unterschiedlichen Lagen sich in ihrer Ausrichtung unterscheiden. Es lassen sich also in diesem Falle in den Lagen Muster von Eigenspannungen erzeugen, die an sich einen vergleichbaren Aufbau haben, jedoch unterschiedlich ausgerichtet sind. Bei einer bestimmten Bewegung des Sensorelements oder auch einer bestimmten Position des Sensorelements werden sich dann in den unterschiedlichen Lagen vergleichbare Messergebnisse erzeugen lassen, wobei die Überlagerung der einzelnen Messergebnisse vorteilhaft eine Steigerung der Genauigkeit des Messergebnisses ergibt.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorelement ein Kernbauteil mit mehreren Armen und je einer Empfängerspule auf jedem Arm aufweist, wobei je mindestens ein Arm pro Lage vorgesehen ist, der dieselbe Ausrichtung hat, wie die zugehörige Lage. Dies hat den Vorteil, dass eine geeignete Ausrichtung der Arme dazu führt, dass bei einer Relativbewegung entsprechend der Ausrichtung eines bestimmten Musters einer Lage besonders empfindlich reagiert. Dadurch ist es möglich, für jede Lage ein genügend empfindliches Messsignal zu erzeugen, sofern in dieser Lage eine Relativbewegung entsprechend der Ausrichtung des dort befindlichen Musters erfolgt.
Aber auch bei Verwendung des Kernbauteils für ein einlagiges Muster ist dessen Ausgestaltung mit mehreren Armen vorteilhaft. In jedem Fall können die zu erkennenden charakteristischen Muster in geeigneter Weise auf die Geometrie des Kernbauteils angepasst werden, so dass deren Erkennung vorteilhaft zuverlässiger möglich ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Kernbauteils mit mehreren Armen sieht vor, dass vier Empfängerspulen vorgesehen sind, die an den Eckpunkten eines gedachten Quadrates angeordnet sind, während an dem Mittelpunkt des gedachten Quadrates genau eine Erregerspule angeordnet ist. Diese Anordnung der Empfängerspulen hat den Vorteil, dass sich für den Kern die Form eines rechtwinkligen Kreuzes ergibt, welches sich vorteilhaft insbesondere zur Detektion von Strukturen eignet, die rechtwinklig aufgebaut sind. Diese Strukturen unterstützen vorteilhaft die Auswertung von Positionen unter Verwendung einer X-Koordinate und einer Y-Koordinate. Insbesondere kann ein solches Sensorelement verwendet werden, um die oben bereits beschriebenen Strukturen mit rechtwinkligen Rastern untersuchen.
Für die Erzeugung der Codiermuster (d. h. Einprägung von Eigenspannungen, deren lokal vorliegende Charakteristik ein vorgegebenes Muster ergeben) können unterschiedliche Verfahren verwendet werden. Das Codiermuster kann thermisch über Ultraschall, mit einem Laser oder magnetisch in die Oberfläche eingeprägt werden. So kann z.B. mit Hilfe eines Lasers oder von Ultraschall die thermische Energie an der gewünschten Tiefenposition durch Ausbildung von Interferenzen eingestellt werden. Dadurch kommt es im Kristallgitter ferromagnetischer Materialien zu irreversiblen lokalen Änderungen. Durch Wegnahme der zugeführten thermischen Energie verbleiben dadurch mechanischen Spannungen im Kristallgitter. Durch die gezielte Bewegung der thermischen Quelle innerhalb der Codierebene kann so ein Codiermuster erzeugt werden.
Auch können Eigenspannungen durch gezielte mechanische Verformungen in der Oberfläche erzielt werden. Beispielsweise lassen sich durch Kaltverformung Löcher in die Oberfläche einprägen, die anschließend mit einem ferromagnetischen Material ausgegossen werden. In dem aus den Löchern verdrängten Material liegen aufgrund der Kaltverformung Druckspannungen vor, während das in den Löchern befindliche Material bei der Abkühlung sein Volumen verringert und deswegen Zugspannungen ausbildet.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung schematisch im Schnitt, mit der ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt wird,
2 ein Ausführungsbeispiel für eine Musterfläche mit Codierung, bestehend aus zwei Lagen schematisch aus Aufsicht,
3 ein anderes Ausführungsbeispiel für ein mehrlagiges Codierungsmuster in räumlicher Darstellung,
4 schematisch die Messwertgenerierung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, angewendet bei einem Codierungsmuster gemäß 3,
5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in Form eines Kugelkopfes, schematisch geschnitten dargestellt, und
6 eine Kugel, wie sie in einem Kugelkopf gemäß 5 zum Einsatz kommen kann, räumlich dargestellt.
Eine Sensorvorrichtung 11 gemäß 1 besteht aus einem Bauteil 12 und einem Sensorelement 13. Das Bauteil 12 hat eine Oberfläche 14, auf der das Sensorelement 13 relativ verschoben werden kann. Dies ist durch einen Doppelpfeil 15 angedeutet, wobei die Verschiebbarkeit des Sensorelements 13 durch eine Lagerung 16 gewährleistet ist.
Das Sensorelement weist ein Kernbauteil 17 auf, dessen Bezeichnung daher kommt, dass es als Kern für eine Erregerspule 18 und zwei Empfängerspulen 19 dient. Es ist aus einem ferromagnetischen Material wie Eisen gefertigt. Dieses Kernbauteil 17 ist über eine starre Verbindung 20 an einem Basisbauteil 21 befestigt, welches in der Lagerung 16 gelagert ist. In dem Basisbauteil 21 befindet sich außerdem eine nicht näher dargestellte Kontrolleinheit, die über Leitungen 22 (schematisch dargestellt) mit den Empfängerspulen 19 und der Erregerspule 18 verbunden ist. Einerseits kann über diese Leitungen 22 die Erregerspule mit einem Gleichstrom oder einem Wechselstrom beaufschlagt werden. Andererseits kann ein in den Empfängerspulen 19 induzierter Strom ausgelesen werden.
Das Bauteil 12 besteht aus einem Grundkörper 23, welcher unter Berücksichtigung der konstruktiven und werkstofftechnischen Anforderungen des Bauteils 12 gestaltet ist. Auf diesem Grundkörper befindet sich eine Schicht 24, welche aus einer Decklage 25 und einer Musterlage 26 besteht. Die Decklage kann entsprechend der Anforderungen an das Bauteil 12 ausgewählt werden. Diese kann beispielsweise zum Zwecke eines Korrosionsschutzes aufgebracht werden. Außerdem lassen sich mittels der Decklage 25 auch die tribologischen Eigenschaften der Oberfläche 14 beeinflussen. Dies kann von Bedeutung sein, wenn das Kernbauteil 17 anders als in 1 dargestellt auf die Oberfläche 14 des Bauteils abgesetzt werden soll, so dass die Reibung zwischen dem Kernbauteil 17 und dem Bauteil 12 gering gehalten werden soll. In 1 ist jedoch dargestellt, dass das Kernbauteil 17 unter Verbleib eines Spaltes mit der Spaltbreite s an das Bauteil 12 angenähert wird.
Die Spaltbreite s sowie die Dicke der Decklage 25 dürfen den Abstand zwischen dem Kernbauteil 17 und der Musterlage 26 nicht zu groß werden lassen. Es muss gewährleistet sein, dass sich durch Aktivierung der Erregerspule 18 magnetische Kreise 27 erzeugen lassen, die sowohl den Spalt s als auch die Decklage 25, die nicht ferromagnetisch ist, überbrücken und somit durch das Kernbauteil 17 und die Musterlage 26 verlaufen, wobei diese beiden Strukturen ferromagnetisch ausgebildet sind. (beispielsweise aus Eisen bestehend). In der Musterlage 26 sind schematisch Zonen dargestellt, die unterschiedliche Eigenspannungen aufweisen. Vor der Beschichtung mit der Decklage 25 wurden in die Musterlage durch Kaltverformung Löcher eingeprägt. Um die Löcher herum ist daher eine Zone 28 mit Druckspannungen erzeugt worden, welche durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Die Löcher wurden anschließend mit einem ferromagnetischen Material wie Eisen ausgegossen, welches nach der Erstarrung Zonen 29 ausgebildet hat, welche nun Zugspannungen ausprägen (Schrumpfung bei der Abkühlung).
Wird die Sensorvorrichtung 11 in einer Richtung des angedeuteten Doppelpfeils 15 bewegt, entsteht eine Relativbewegung zwischen dem Sensorelement 13 und dem Bauteil 12. Dieses kann auch in nicht dargestellter Weise durch Bewegung des Bauteils 12 erreicht werden. Dabei überstreicht das Kernbauteil 17 die Zonen 29 und 27 unterschiedlicher mechanischer Spannungszustände, wodurch das Messsignal an den Empfängerspulen 19 in charakteristischer Weise verändert wird. Dies lässt beispielsweise einen Schluss über den Betrag der Relativbewegung 15 zwischen dem Bauteil 12 und dem Sensorelement 13 zu. Hierdurch könnte beispielsweise eine Linearbewegung überwacht werden.
Vorstellbar ist es auch, dass sich mit der in 1 angedeuteten Anordnung die Drehzahl einer Welle überwachen lässt. Das Bauteil 12 wäre in diesem Fall beispielsweise eine Welle, so dass die Oberfläche 14 in der Zeichenebene von 1 gekrümmt wäre (der Querschnitt der Welle läge in der Zeichenebene). Eine Drehung um eine (in 1 nicht dargestellte) Drehachse würde dann auch zu einer Relativbewegung 15 führen, wobei die Zonen 27, 29 an dem Sensorelement 13 vorbeigeführt würden.
In 2 ist die Aufsicht auf die Oberfläche 14 eines Bauteils zu erkennen. Dieses weist Zonen 29a auf, die in analoger Weise zu 1 hergestellt werden können. Die Gesamtheit der Zonen 29a ergibt eine rechteckige Musterfläche 30, deren Rand durch eine strichpunktierte Linie sowie die Ränder der äußersten Zonen 29a angedeutet ist. Innerhalb dieser Musterfläche 30 ist eine Ermittlung der Position eines nicht näher dargestellten Sensorelements oberhalb der Musterfläche 30 möglich. Dieses Sensorelement kann analog zu dem in 1 dargestellten aufgebaut sein.
Anders als in 1 gibt es in 2 nicht nur eine Lage für das (vgl. in 1, Bezugszeichen 26), sondern zwei Lagen, von denen die eine gleich unterhalb der Oberfläche 14 vorgesehen ist. Die andere Lage liegt direkt unter der ersten Lage und ist in 2 rechts von der ersten Lage dargestellt. Auch in dieser Lage befinden sich Zonen 29b mit Zugspannungen, die wieder genau unterhalb der Musterfläche 30 liegen, die in dem linken Teil von 2 dargestellt ist. Die Zonen 29b sind jedoch um 90° verdreht angeordnet, so dass die gemeinsame Auswertung von Sensorsignalen bezüglich der ersten Musterlage und der zweiten Musterlage eine Ortsauflösung in x-Richtung und y-Richtung ermöglicht (vgl. in 2 eingezeichnetes Koordinatensystem).
In 3 ist eine Musterfläche 30 dargestellt, welche in unterschiedlich große Rechteckflächen 31 unterteilt ist. Diese Rechteckflächen stellen Bereiche mit bekannten Charakteristika von Eigenspannungen dar und können mittels eines nicht dargestellten Sensorelementes in ihren Abmessungen vermessen werden. Damit ist es möglich, mittels des Sensorelements und unter Kenntnis der Geometrie des ermittelten Rechtecks genau die Position des Sensorelements festzustellen. Beispielsweise befinden sich die durch das Raster entstehenden quadratischen Rechtecke genau auf einer Diagonalen, welche sich in der Darstellung gemäß 3 von links oben nach rechts unten erstreckt. Somit ist eine absolute Positionsbestimmung des Sensorelements allein durch die in 3 dargestellte Lage 32a möglich. Die x-Koordinate bzw. y-Koordinate in dem in 3 eingezeichneten Koordinatensystem lassen sich in der Musterfläche 30 gemäß 3 damit bestimmen.
Neben der obersten Lage 32a sind in 3 auch tiefere Lagen 32b, 32c und 32d dargestellt, die in Z-Richtung weiter von der Oberfläche des nicht näher dargestellten Bauteils entfernt liegen. In diesem in 3 dargestellten Fall weisen diese Lagen eine mit der Lage 32a kongruente Codierung auf, die jeweils nur um 90° gedreht zur benachbarten Lage verläuft. Hierdurch entsteht Redundanz, die durch Auswertung mittels des Sensorelements zu einer verbesserten Genauigkeit des Messergebnisses führt.
Gemäß 4 ist zu erkennen, wie ein Kernbauteil 17 eines nicht näher dargestellten Sensorelements auf ein Raster gemäß 3 aufgesetzt werden kann (wobei der Aufbau analog zu dem in 1 sein kann), um die Position der Kreuzungspunkte, an denen jeweils vier Rechteckflächen 31 aneinanderstoßen, zu ermitteln. Das Kernbauteil 17 kann z. B. in der zu 1 beschriebenen Weise mit einem in 4 nicht dargestellten Basisbauteil 21 verbunden sein. Auch die Empfängerspulen und Erregerspulen sind in 4 nicht dargestellt, wobei zentral eine Erregerspule auf dem Kernbauteil vorgesehen werden kann. Weiterhin weist das Kernbauteil 17 vier Arme 33 auf, die jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind, so dass Erregerspulen (nicht dargestellt), die auf den Armen 33 vorgesehen werden, auf den Ecken eines gedachten Quadrats 34 (strichpunktiert dargestellt) liegen. Deswegen sind die vier Empfängerspulen je nach Position des Kernbauteils 17 entweder alle oberhalb der Grenzen zwischen benachbarten Rechteckflächen 31 oder oberhalb der Rechteckflächen 31 selbst positioniert.
In 4 ist die Verteilung von Druckspannungen und Zugspannungen rechtwinklig zur Oberfläche des Bauteils 12 dargestellt. Die in 4 dargestellte Fläche ergibt sich somit nicht die tatsächliche Topologie der Oberfläche des Bauteils 12, die in Wirklichkeit eben ist, sondern zeigt eine räumliche Darstellung der Spannungsverteilung. Deswegen ist in 4 ein Nullniveau angedeutet, wobei deutlich wird, dass im Bereich der Grenzen zwischen benachbarten Rechteckflächen 31 Druckspannungen (in 4 positiv dargestellt) herrschen, deren Verteilung mit einem Gitter vergleichbar ist. Im Bereich der Rechteckflächen 31 liegen Zugspannungen vor (in 4 negativ dargestellt), die in dem Spannungsprofil daher als Vertiefungen erscheinen. Die Herstellung einer solchen Druckverteilung kann analog zu dem in 1 beschriebenen Verfahren erfolgen.
In 5 ist eine Sensorvorrichtung 11 dargestellt, die einen Kugelkopf bildet. Als Bauteil ist in diesem Kugelkopf eine Kugel 35 vorgesehen, die aus einem ferromagnetischen Material besteht. Diese Kugel ist in einem Gleitlager 36 frei drehbar gelagert. Dieses Gleitlager ist in dem Basisbauteil 21 untergebracht.
Das Basisbauteil 21 ist in seiner Struktur nicht näher dargestellt. Zu erkennen ist aber, dass in einer geeigneten Aufnahme des Basisbauteils 21 die weiteren Bauteile der Sensorvorrichtung untergebracht werden können, wie z. B. das Kernbauteil 17. Außer diesem sind in 5 die weiteren Elemente des Sensorelements nicht dargestellt, wobei der Aufbau analog zu dem in 1 sein kann.
Die Codierung der Kugel 35 ist in 6 dargestellt. Diese weist ein Raster aus Flächen auf, welche durch Längengerade 37 und Breitengerade 38 festgelegt werden. Der Aufbau der dadurch entstehenden Flächenelemente 39 kann analog zu dem in 4 dargestellten sein. Wird diese Kugel nun relativ zu dem Basisbauteil 21 gedreht, was wegen der Gleitlagerung 36 möglich ist, kann mittels des Sensorelements der Betrag der Kugeldrehung ermittelt werden. Damit kann der in 5 dargestellte Kugelkopf mit der Kugel 35 auf eine Unterlage 40 aufgesetzt und bewegt werden, wobei der auf der Unterlage 40 zurückgelegte Weg über die Drehung der Kugel 35 ermittelt werden kann. Druckkräfte auf die Kugel sollten dabei so klein gehalten werden, dass sie klein gegenüber die die Codierung hervorrufenden Spannungen sind, damit das Messergebnis nicht verfälscht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011081869 A1 [0004]
DE 102011075400 A1 [0006]

Claims

Sensorvorrichtung, aufweisend ein Sensorelement (13) und ein Bauteil (12) zur Ermittlung der Position des Bauteils (12) gegenüber dem Sensorelement (13), dadurch gekennzeichnet, dass • das Sensorelement den magnetoelastischen Effekt ausnutzt, wobei dieses mindestens eine Erregerspule (18) und mindestens eine Empfängerspule (19) aufweist, die auf einem ferromagnetischen gemeinsamen Kernbauteil (17) angeordnet sind, dessen Enden an das Bauteil (12) heranreichen, und • das Bauteil (12) unter seiner Oberfläche (14) aus einem ferromagnetischen Material besteht, wobei in dem ferromagnetischen Material Eigenspannungen vorliegen, die unter der Oberfläche (14) hinsichtlich ihrer lokal vorliegenden Charakteristik ein vorgegebenes Muster ergeben.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster der Eigenspannungen an jeder Stelle einer vom Muster ausgefüllten Musterfläche (30) bezogen auf das generierbare Messsignal eine individuelle, lokal vorliegende Charakterisik aufweist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster aus einem rechteckigen Raster von Rechteckflächen (31) besteht, wobei sich das Rastermaß in beiden durch die Ränder der Rechteckflächen definierten, rechtwinkelig zueinander ausgerichteten Richtungen über die Musterfläche (30) hinweg verändert.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster der Eigenspannungen in einer vom Muster ausgefüllten Musterfläche (30) eine periodisch sich wiederholende Charakterisik aufweist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster aus einem rechteckigen Raster von kongruenten Rechteckflächen (31) besteht, wobei die Rechteckflächen (31) jeweils die periodisch sich wiederholende Charakteristik bilden.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Kugel (35) ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster aus einem rechteckigen Raster, bestehend aus Längengraden (37) und Breitengraden (38), gebildet ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung als Kugelkopf ausgebildet ist, wobei die Kugel (35) frei drehbar in der Sensorvorrichtung gelagert ist.
Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster mehrere untereinander liegende Lagen (32a, 32b, 32c, 32d) unter der Oberfläche (14) des Bauteils (12) aufweist, wobei in jeder Lage Eigenspannungen vorliegen, die hinsichtlich ihrer lokal vorliegenden Charakteristik jeweils vorgegebene Muster ergeben.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster der unterschiedlichen Lagen sich in ihrer Ausrichtung unterscheiden.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (13) ein Kernbauteil (17) mit mehreren Armen und je einer Empfängerspule (19) auf jedem Arm aufweist, wobei je mindestens ein Arm pro Lage vorgesehen ist, der dieselbe Ausrichtung hat, wie die zugehörige Lage.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (13) ein Kernbauteil (17) mit mehreren Armen und je einer Empfängerspule (19) auf jedem Arm aufweist, die an der Struktur des Musters ausgerichtet sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass vier Empfängerspulen (19) vorgesehen sind, die an den Eckpunkten eines gedachten Quadrates angeordnet sind, während an dem Mittelpunkt des gedachten Quadrates genau eine Erregerspule (18) angeordnet ist.
Verfahren zur Ermittlung der Position eines Bauteils (12) gegenüber einem Sensorelement (13) mit einer Sensorvorrichtung, aufweisend das Sensorelement (13) und das Bauteil (12) dadurch gekennzeichnet, dass • das Sensorelement (13) mit einem ferromagnetischen gemeinsamen Kernbauteil (17), auf dem mindestens eine Erregerspule (18) und eine Empfängerspule (19) angeordnet sind, mit seinen Enden an das Bauteil (12) angenähert wird, • die mindestens eine Erregerspule (18) eingeschaltet wird, • in dem Bauteil (12), welches unter seiner Oberfläche (14) aus einem ferromagnetischen Material besteht, wobei in dem ferromagnetischen Material Eigenspannungen vorliegen, die unter der Oberfläche (14) hinsichtlich ihrer lokal vorliegenden Charakteristik ein vorgegebenes Muster ergeben, ein Magnetfeld induziert wird, • mit dem Sensorelement der magnetoelastische Effekt ausgenutzt wird, indem ein Messsignal an der mindestens einen Empfängerspule (19) ausgelesen wird, und • aus dem Messsignal die Position das Bauteils (12) gegenüber dem Sensorelement (13) abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass • das Muster mehrere untereinander liegende Lagen (32a, 32b, 32c, 32d) unter der Oberfläche (14) des Bauteils (12) aufweist, wobei in jeder Lage Eigenspannungen vorliegen, die hinsichtlich ihrer lokal vorliegenden Charakteristik jeweils vorgegebene Muster ergeben, • die Erregerspule mit Wechselströmen unterschiedlicher Frequenz gespeist wird, wobei Frequenzen gewählt werden, mit denen jeweils Lagen in unterschiedlichem Abstand zur Oberflache (14) des Bauteils (12) angesprochen werden und • das Messsignal individuell für jede Lage ausgewertet wird.