DE19954567C1

DE19954567C1 - Anordnung zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE19954567C1
Application number: DE1999154567
Authority: DE
Inventors: Manfred Greischitz; Klaus Gruber; Franz Helminger; Franz Wolf
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2001-08-02
Anticipated expiration: 2019-11-13

Abstract

Ein Verarbeitungsgerät mit einem feststehenden Teil (1) und einem beweglichen Teil (2) umfasst eine Anordnung zur Positionsbestimmung, die einen elektronischen Sensor (11) am feststehenden Teil und eine Prüfspitze (11), welche über den Sensor führbar ist, am beweglichen Teil umfasst. Der Sensor (11) weist eine Vielzahl von kapazitiv steuerbaren digitalen Sensorelementen auf, die Prüfspitze (21) besteht aus dielektrischem Material. Eine Steuerungseinrichtung (13) ermittelt aus der Abfrage der Ladungsbeeinflussung der Sensorelemente die Lage des beweglichen Teils gegenüber dem feststehenden Teil. Vorzugsweise ist der Sensor in CMOS-Halbleiterschaltungstechnik ausgeführt. Die Anordnung ermöglicht eine exakte Feinjustierung unter Verwendung standardgemäßer Bauelemente bei vertretbarem Kostenaufwand.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Po sition eines beweglichen Teils eines Geräts relativ zu einem feststehenden Teil des Geräts mit einem elektronischen Sen sor, einer über den Sensor geführten Prüfspitze sowie einer Steuerungseinrichtung zur Ermittlung der Position.

Bei Maschinen zur Bearbeitung von Werkstücken, beispielsweise Fräs-, Hobel-, Bohrmaschinen o. ä. besteht die Aufgabe, das Werkzeug möglichst genau relativ zum Werkstück zu positionie ren. Meist ist das Werkstück an einem feststehenden Teil der Maschine befestigt, und das Werkzeug wird im ein-, zwei- oder dreidimensionalen Raum bewegt. Es sind eine Vielzahl von An ordnungen bekannt, um die Feinpositionierung zu bewirken. Diese Anordnungen arbeiten nach verschiedenen Prinzipien, beispielsweise mechanisch, induktiv über induktive Aufnehmer, optisch oder kapazitiv über kapazitive Aufnehmer. Bei bishe rigen kapazitiven Methoden wird die Kapazität eines elektro nischen Bauelements kontinuierlich zur aktuellen Position verändert. Das Verhalten des Aufnehmers ist meist nichtlinear und erfordert einen Nullpunktabgleich, ausserdem wird die Messung stark von den Umgebungsbedingungen, beispielsweise der Temperatur, beeinflusst. Die nach dieser Methode erhalte nen Messwerte sind daher relativ ungenau.

In der DE 37 32 466 A1 ist eine Läufer-Vorrichtung für eine kapazitiv koppelnde Eingabeplatte beschrieben, bei der eine Erfassungselektrode kapazitiv mit einigen innerhalb der Eingabeplatte zueinander benachbarten Leitern gekoppelt ist, um Impulse zu erfassen, deren Pegel mit der Entfernung von den Leitern in Beziehung stehen.

In der EP 0 942 259 A1 ist ein kapazitiv messender Entfer nungssensor beschrieben, der ein Kondensatorelement mit einer ersten Kondensatorplatte und einer zweiten Kondensatorplatte variablen Abstandes umfasst. Der Sensor kann als Fingerab drucksensor ausgebildet sein, wobei die zweite Kondensator platte durch die Hautoberfläche gebildet ist.

In der US 5,315,259 ist eine richtungsunabhängige kapazitive Prüfspitze aus keramischem Material beschrieben.

In der US 4,353,056 ist ein kapazitiv messender Fingerab drucksensor beschrieben, bei dem eine elektrisch leitende Auflagefläche für einen Finger entsprechend der Hautoberflä che verformt wird und deren örtlich unterschiedliche Kapazi tät gegenüber einer darunter fest angeordneten und in einzel ne Bildpunkte strukturierten Leiterschicht gemessen wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine eingangs ge nannte Anordnung zur Positionsbestimmung anzugeben, welche eine möglichst genaue Messung bei vergleichweise geringem Aufwand ermöglicht und in der Lage ist, eine Drehbewegung bzw. einen Drehwinkel des beweglichen Teils innerhalb einer Ebene, die parallel zur Sensorfläche liegt, zu erfassen.

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine An ordnung zur Bestimmung der Position eines beweglichen Teils eines Geräts relativ zu einem feststehenden Teil des Geräts, die umfasst: einen elektronischen Sensor, der am feststehen den Teil des Geräts angeordnet ist und der eine Vielzahl von Sensorelementen umfasst, die kapazitiv steuerbar sind; eine Prüfspitze, die am beweglichen Teil des Geräts angeordnet ist, über den Sensor geführt werden kann und an dem der Sen sorfläche gegenüberliegenden Ende in verschiedenen senkrecht zueinander stehenden Richtungen verschiedene Durchmesser auf weist oder durch eine weitere, von der ersten beabstandete Prüfspitze aus dielektrischem Material ergänzt ist; und eine Steuerungseinrichtung, durch die in Abhängigkeit vom Schalt zustand der Sensorelemente die Position des beweglichen Teils relativ zum feststehenden Teil des Geräts ermittelbar ist.

Wesentlich bei der Positionierung gemäss der Erfindung ist, dass der elektronische Sensor eine Vielzahl von einzelnen Sensorelementen umfasst, welche ihrerseits wiederum kapazitiv steuerbar sind. Eine Prüfspitze, die gekoppelt an die Bewe gung des beweglichen Teils des Verarbeitungsgeräts über den Sensor geführt wird, verändert den Ladungszustand der in ih rem Einflussbereich liegenden Sensorelemente. Der Ladungszu stand jedes einzelnen Sensorelements des Sensors ist von au ssen abfragbar, so dass die exakte Lage der Prüfspitze inner halb der Ausdehnung des Sensors feststellbar ist.

Zu diesem Zweck ist die Prüfspitze insgesamt oder zumindest im Bereich des dem Sensor gegenüberliegenden Ende aus dielek trischem Material gebildet. Die Dielektrizätskonstante (ε_r) ist möglichst hoch, mindestens größer als 10 und vorzugsweise größer als 70.

Kapazitiv steuerbare Sensoren sind aus anderen Anwendungen bekannt. Solche Sensoren dienen beispielsweise zur Erkennung der Papillarlinien eines Fingerabdrucks, sogenannter Finger print-Sensor. Bei Fingerprint-Sensoren werden die Ladungen der Sensorelemente einerseits durch die hervorstehenden Pa pillarlinien und andererseits durch die zurücktretenden Ver tiefungen verschieden beeinflusst. Die sich ergebende La dungsverteilung auf dem Sensorelement wird ausgewertet, um die Charakteristika des Fingerabdrucks zu bestimmen. Solche Sensoren sind in CMOS-Halbleitertechnik kostengünstig her stellbar. Durch die CMOS-Technik haben die Sensoren eine ge ringe Leistungsaufnahme. Wenn die Positionsbestimmung nur in eindimensionaler Richtung erfolgen soll, genügt es, einen schmalen Streifen an Sensorelementen bereitzustellen. Ein flächenhaft ausgeprägter Sensor ermöglicht eine zweidimensio nale Positionsbestimmung. Durch einen normal zur Fläche ange ordneten weiteren flächenhaften oder eindimensionalen Sensor wird eine dreidimensionale Positionsbestimmung ermöglicht. Kapazitiv arbeitende Sensoren haben im Gegensatz zu optischen Methoden den Vorteil der Unempfindlichkeit gegen jede Art von sichtbarem oder unsichtbarem Streulicht. In praktischen Aus führungen sind Feinpositionierungen bis in Grössenordnungen von 500 dpi möglich.

Ausgestaltungen der Erfindung unterscheiden sich je nach Form der Prüfspitze. Abhängig vom verwendeten Auswertungsalgorith mus kann die Prüfspitze an dem dem Sensor gegenüberliegenden Ende spitz oder als Halbkugel oder flach ausgeführt sein. Es ist zu erwarten, dass eine flache Fläche mit scharfen Kanten und möglichst quadratischem Querschnitt eine exakte Positionsbestimmung ermöglicht. Zweckmässigerweise ist die Prüf spitze am Ende als weicher Kunststoff mit dielektrischen Eigenschaften ausgebildet, um Zerstörungen der Sensoroberfläche vorzubeugen, wenn diese bei Erschütterungen die Sensoroberfläche berührt.

Wenn die Prüfspitze einen Querschnitt aufweist, der in ver schiedenen senkrecht zueinander stehenden Richtungen ver schiedene Durchmesser aufweist, insbesondere rechteckförmig ist, kann auch eine Verdrehung des beweglichen Geräteteils innerhalb einer zum Sensor parallelen Ebene festgestellt wer den. Alternativ hierzu können zwei geringfügig beabstandete Prüfspitzen verwendet werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipbild eines Ausschnitts aus einem Gerät gemäss der Erfindung mit einem feststehenden und einem beweglichen Teil,

Fig. 2 einen beweglichen Teil mit rechteckförmiger Prüf spitze und

Fig. 3 einen beweglichen Teil mit zwei Prüfspitzen.

Der in Fig. 1 gezeigte Ausschnitt aus einem Gerät umfasst einen feststehenden Teil 1 sowie einen beweglichen Teil 2. Das Gerät kann beispielsweise eine Fräs-, Hobel- oder Bohrma schine oder ein ähnliches Verarbeitungsgerät oder ein Vermes sungsgerät sein. Es besteht die Aufgabe, die relative Lage des beweglichen Teils 2 bezogen auf den feststehenden Teil 1 möglichst genau zu erfassen. Für die Feinjustierung ist ein Sensor 11 vorgesehen, der mit dem unbeweglichen Teil 1 fest verbunden ist. Eine Prüfspitze 21 ist am beweglichen Teil 2 befestigt und liegt dem Sensor 11 gegenüber. Mittels einer groben Vorpositionierung wird der bewegliche Teil 2 so einge stellt, dass die Prüfspitze 21 über dem Sensor 11 liegt. An schliessend wird der bewegliche Teil 2 unter Anwendung des Sensors 11 feineingestellt.

Der Sensor 11 ist ein herkömmlicher Fingerprint-Sensor und umfasst eine Vielzahl von kapazitiv ansteuerbaren digitalen Sensorelementen. Diese sind in einer ebenen rechteckförmigen oder quadratischen Fläche des Sensors 11 in gleichmäßigem Ra ster nebeneinander liegend angeordnet. Die Prüfspitze 21 aus dielektrischem Material möglichst hoher Dielektrizitätskon stante ε_r verändert die Ladung der in ihrem Einflussbereich liegenden Sensorelemente, d. h. derjenigen Sensorelemente, die unmittelbar unterhalb der Prüfspitze oder in deren nächster Umgebung liegen. Der Ladungszustand jedes einzelnen Senso relements ist über entsprechende Leitungen 12 von einer Steuerungseinrichtung 13 abfragbar. Die Steuerungseinrichtung 13 stellt fest, ob ein jeweiliges Sensorelement einen ersten (nicht vom Dielektrikum der Prüfspitze 21 beeinflussten) Aus gangsladungszustand aufweist oder einen zweiten (von der Prüfspitze 21 veränderten) Ladungszustand aufweist. Für jedes Sensorelement ist nur dessen digitaler Ladungszustand von In teresse. Von der Steuerungseinrichtung 13 wird nach herkömm lichen Algorithmen gegebenenfalls nach entsprechender Filte rung die Lage der Prüfspitze relativ zum Sensor berechnet. Verschiedene Berechnungsverfahren unterscheiden sich je nach Form der Prüfspitze.

Der Sensor 11 ist ein sogenannter Fingerprint-Sensor, der auch verwendet werden kann, um die Struktur eines Fingerab drucks einer Bedienperson in Sicherheitssystemen abzutasten. Ein derartiger Sensor ist beispielsweise in der US- Patentschrift 4,353,056 beschrieben. Sensoren werden heutzu tage in komplementärer MOS-Schaltungstechnik (CMOS) herge stellt. Bekanntlich sind CMOS-Schaltungen relativ kostengün stig und weisen eine geringe Stromaufnahme und daher niedrige Verlustleistung auf. Der hiesige Sensor 11 ist wie ein Fin gerprint-Sensor relativ robust. Der Sensor ist auf dem fest stehenden Teil 1 aufgeklebt; seine Oberfläche ist zum Schutz vor mechanischer Zerstörung mit einer Glasschicht überzogen.

Aufgrund der flächenhaften Ausbildung des Sensors ist eine zweidimensionale Positionserfassung möglich. Mittels eines weiteren Sensors, der parallel zu einer auf die horizontale Fläche des Sensors 11 bezogenen Normalen angeordnet ist und von einer weiteren, am beweglichen Teil angebrachten dielek trischen Prüfspitze angesteuert wird, kann eine dreidimensio nale Positionserfassung erfolgen. Zweckmassigerweise ist letzterer Sensor im Bereich eines Führungsschlittens ange bracht, in dem der bewegliche Geräteteil nur eine Bewegung längs der vertikalen Achse ausführt. Dann genügt ein relativ schmaler Sensor, dessen Sensorelemente sich im wesentlichen längs der vertikalen Bewegungsrichtung verteilen.

Die Kontur der Prüfspitze am sensorseitigen Ende wird umso schärfer erfasst, je näher die Prüfspitze am Sensor liegt. Je nach Auswertungsalgorithmus in der Steuerungseinrichtung 13 kann das Ende der Prüfspitze flach und vorzugsweise quadra tisch ausgeführt sein oder spitz oder abgerundet. Die Prüfspitze sollte verglichen mit der glasartigen Oberfläche des Sensors 11 relativ weich sein mit einer hohen Dielektrizi tätskonstante von vorzugsweise größer als 70, mindestens aber größer als 10.

Um auch Drehbewegungen 23 und entsprechende Drehwinkel des beweglichen Teils innerhalb einer Ebene, die parallel zur Sensorfläche liegt, zu erfassen, eignet sich als Prüfspitze ein länglich ausgebildeter Prüfsteg 24 mit vorzugsweise rechteckförmigem Querschnitt gemäß Fig. 2. Die Verdrehung der Längsachse des Stegs gegenüber dem regelmässigen Raster der Sensorelemente des Sensors 11 wird von der Steuerungseinrich tung 13 erkannt. Alternativ zu einem länglich ausgebildeten einzelnen Prüfsteg kann wie in Fig. 3 dargestellt zur Be stimmung des Drehwinkels der Drehung 23 zusätzlich eine wei tere Prüfspitze 25 vorgesehen werden, die neben der ersten Prüfspitze 21 geringfügig beabstandet angeordnet ist.

Claims

1. Anordnung zur Bestimmung der Position eines beweglichen Teils (2) eines Geräts relativ zu einem feststehenden Teil (1) des Geräts, die umfasst:

- einen elektronischen Sensor (11), der am feststehenden Teil (1) des Geräts angeordnet ist und der eine Vielzahl von Sensorelementen umfasst, die in einer Fläche angeordnet und kapazitiv steuerbar sind,
- eine Prüfspitze (21, 24, 25), die am beweglichen Teil (2) des Geräts angeordnet ist und die über den Sensor (11) ge führt werden kann, und
- eine Steuerungseinrichtung (13), durch die in Abhängigkeit vom Schaltzustand der Sensorelemente die Position des be weglichen Teils (1) relativ zum feststehenden Teil (1) des Geräts ermittelbar ist,

dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfspitze (24) an einem der Fläche der Sensorelemente zugewandten Ende eine ebene Fläche aufweist und in verschie denen senkrecht zueinander stehenden Richtungen in dieser Fläche verschiedene Abmessungen aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfspitze an dem der Fläche der Sensorelemente zugewand ten Ende als länglicher Prüfsteg (24) ausgebildet ist.

3. Anordnung zur Bestimmung der Position eines beweglichen Teils (2) eines Geräts relativ zu einem feststehenden Teil (1) des Geräts, die umfasst:

dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Prüfspitze (25) vorhanden ist, die neben der er sten Prüfspitze und davon geringfügig beabstandet angeordnet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Prüfspitze (21, 24, 25) zumindest an einem der Fläche der Sensorelemente zugewandten Ende aus dielektrischem Mate rial besteht.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätskonstante des Materials der Prüfspitze (21, 24, 25) grösser als 10 beträgt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Sensor (11) in komplementärer MOS- Schaltungstechnik ausgeführt ist.