Weg- und Winkelmessung

Weg und Winkel in schwieriger Umgebung hochaufgelöst messen

Weg- und Winkelmesssysteme auf magnetischer Basis erleben in den letzten Jahren ein rasantes Wachstum. Die hohe Robustheit erlaubt den Einsatz unter besonders schwierigen oder speziellen und macht Messsysteme auf Basis magnetoresistiver (MR-) Sensoren besonders interessant für Maschinenhersteller.

NanoStar – System zur absoluten Weg- und Winkelmessung

Mit NanoStar, dem hochauflösenden Messsystem zur magnetischen Weg- und Winkelmessung, hat ITK seine bestehende modulare Messsystem-Produktfamilie erweitert. Das Absolutwegmesssystem beruht auf dem Nonius-Prinzip und besteht aus Sensorkopf und magnetischem Maßstab. Dabei nutzt der Sensor den magnetoresistiven (MR-) Effekt und bringt alle prinzipbedingten Vorteile der MR-Technologie mit, u.a. die Robustheit und Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen.

NanoStar bietet die Widerstandsfähigkeit und kompakten Abmessungen magnetischer Messsysteme in Kombination mit der hohen Auflösung optischer Messsysteme und ist damit interessant für Messaufgaben in vielen Anwendungen – insbesondere in der Halbleiterindustrie, wo komplexe Anforderungen zu erfüllen sind.  

  • Hohe Auflösung für hohe Regelgüte
  • Hohe Genauigkeit für präzise Positionierung
  • Hohe Bandbreite, um den Einsatz auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten und Drehzahlen zu ermöglichen
  • Einfache, günstige Montage und Einrichtung
  • Einsetzbar unter schwierigen Umgebungsbedingungen (hohe/niedrige Temperaturen, Verschmutzung, hohe mechanische Belastung usw.)
  • Unempfindlichkeit gegen Schock und Vibration
  • Geringes Bauvolumen
  • Hohe Energieeffizienz

Wie funktioniert das?

Während des Messvorgangs werden Magnetpolstrukturen auf dem Maßband mit einem AMR-Sensor berührungslos abgetastet. Die erreichbaren Messauflösungen liegen im Nanometerbereich und absolute Genauigkeiten von wenigen µm sind möglich. Das Maßband wird dazu auf die Struktur geklebt oder auf einem Maßbandträger befestigt. Nach der Kalibrierung erreicht diese Lösung eine Absolutgenauigkeit von < ± 1 µm und eine Wiederholgenauigkeit von < 200 nm.

NanoStar: Absolutmesssystem zur Weg- und Winkelmessung

Das System verfügt über eine sehr rauscharme 16-Bit Signalaufbereitung und Digitalisierungseinheit für die MR-Sensoren im Ministar-Sensorkopf. Letzteres ist ein äußerst kompaktes Bauteil, um die Inkremental- bzw. Nonius-Spuren des Maßstabs zu lesen. Dieser wird mit einer neuartigen dünnen hartmagnetischen Schicht versehen, die eine sehr hohe magnetische Homogenität erzeugt, um geringe Maßstabsfehler zu gewährleisten. Der Ministar-Sensorkopf ist geeignet für Anwendungen in „harsh environment“ z.B. für den Einsatz bei extremen Tieftemperaturen bis nur 3 K, unter Wasser oder auch bei Hochvakuum bis 10-5 mbar.

In Kombination bieten NanoStar und MiniStar die folgenden Eigenschaften

  • IP67 Schutzart: Robust und schmutzunempfindlich
  • Absolut-Wegmesssystem
  • Hohe Auflösung 5 nm
  • Sehr kompakte Sensorkopf-Abmessungen (21 x 6,5 x 7 mm)
  • Schmale Maßbandbreite 5 mm
  • Geeignet für kryogenische und Vakuum-Anwendungen
  • Max. Verfahrweg 400 mm
  • Max. Lineargeschwindigkeit 300 m/min
  • Berührungslose MR-Messverfahren

Typische Anwendungen

Die magnetischen Weg- und Winkelmesssysteme wurden zunächst entwickelt für den Einsatz in den eigenen Maschinen. Beispielhaft ist die Anwendung in einer 3D-Gantrymaschine für die Prüfung von Silizium-Wafern in der Halbleiterindustrie. In dieser Anwendung ist das Wegmess-System platzbedingt sehr nah am Linearmotor in der jeweiligen Bewegungsachse angebracht. Diese Applikation ist ein guter Beleg für die Störfestigkeit gegenüber magnetischen Fremdfeldern als auch für die Eignung für sehr hohe Verfahrgeschwindigkeiten (über 200 m/min) bei hoher Auflösung (< 100 nm). In manchen Endanwendungen z.B. in der akustischen Mikroskopie werden die Messsysteme zeitweilig in Wasser untergetaucht, was hohe Ansprüche an die Robustheit setzt.

Weitere Anwendungen:

  • Mikroskoptische
  • 3D-Scanner
  • Maschinen für Wafer-Inspektion
  • Optikschleifmaschinen
  • 3D-Drucker
  • Geräte für Materialuntersuchungen
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