Spitze in Präzision

Manfred Jagiella, Geschäftsbereichsleiter Sensoren, Markus Fritton, Grundlagenentwicklung, Dr. Sorin Fericean, Grundlagenentwicklung, Balluff, Neuhausen/F.

Der Messbereich ist mit 0,5 bis 2 mm aussergewöhnlich; zur Linearisierung der Kennlinie hat die ausgeklügelte und patentierte Oszillatorschaltung beigetragen, die die Forderung nach einer möglichst linearen Abhängigkeit der Schwingungsamplitude vom Abstand des Objekts erfüllt. In einem definierten Temperaturbereich arbeitet der Sensor mit einer Reproduzierbarkeit von typisch 1 µm.

Ein zweistufiges, intelligentes Temperaturkompensationsverfahren garantiert eine zuverlässige Funktion im gesamten industrieüblichen Temperaturbereich zwischen +10 und +60°C. Für applikationsspezifische Lösungen wird der Messwert des integrierten Temperatursensors außerdem als konditioniertes Spannungssignal nach außen geführt. Typische Anwendungen für den kleinen, induktiven analogen Abstandssensor, der die Anforderungen der Schutzart IP67 erfüllt, gibt es überall dort wo kleine, leichte Sensoren gefragt sind, z.B. in Robotik und Handhabungstechnik, aber auch bei der dynamischen Zahnradvermessung oder der Überwachung von Werkzeugspindeln.

Was bei analogen Abstandssensoren alles möglich ist, hat der Sensorikspezialist Balluff schon in den letzten Jahren wiederholt bewiesen: Zu den beachtenswertesten Neuerungen gehörten beispielsweise berührungslos arbeitende, induktive Abstandssensoren mit Analogausgang und drei programmierbaren Schaltausgängen im kompakten M18-Gehäuse oder ein berührungslos arbeitender, induktiver analoger Abstandssensor im kleinen M8-Gehäuse, der im Jahr 2000 als Weltneuheit vorgestellt wurde und bis heute immer noch konkurrenzlos ist. Seitdem ist die Entwicklung jedoch nicht stehen geblieben. Auch solche High-Tech-Produkte lassen sich noch übertreffen, allerdings nur mit einer gehörigen Portion Know-how in Elektronik und Fertigungstechnik. Auf der Hannover Messe 2002 stellt Balluff jetzt wieder eine absolute Weltneuheit vor, einen noch kleineren, berührungslos arbeitenden, induktiven analogen Abstandssensor mit integrierter Auswerteelektronik, der bei lediglich 6,5 mm Durchmesser und 30 mm Länge hinsichtlich seiner technischen Eigenschaften weitaus größere Sensoren deutlich übertrifft.

Miniaturisierung ist in der Elektronikbranche heute zu einem schon geläufigen Begriff geworden. Was das in der Praxis aber wirklich bedeutet, macht man sich nur selten klar. Gerade bei „Mischprodukten“ wie Sensoren, bei denen nicht nur elektronische Komponenten, sondern auch elektrotechnische und mechanische Komponenten wie Spulen, Gehäusematerialien etc. eine Rolle spielen, kommt man schnell an die Grenzen der Physik. Werden Messfehler, z.B. durch sich ändernde Temperaturen, größer als das eigentliche Messsignal, fängt es für Entwickler an, interessant zu werden. In den kleinen, induktiven analogen Abstandssensoren steckt darum eine gehörige Portion Know-how. Letztendlich profitiert davon der Anwender, denn die kleinen Sensoren machen manche Applikationen erst möglich.

Die Mini-Sensoren sind beispielsweise für Einsätze in der Robotik und im Handlingbereich geradezu prädestiniert. Da sie außerdem sehr leicht sind, lassen sie sich auch bei bewegten Applikationen problemlos einsetzen. Durch die integrierte Auswerteelektronik spart man nicht nur Platz im Schaltschrank und zusätzlichen Montageaufwand, es steigt gleichzeitig die Störunempfindlichkeit der Signalübertragung. Es müssen keine Millivoltspannungen zwischen Sensorkopf und Auswerteelektronik übertragen werden, sondern störfeste Signale. Der Sensor ist in einem leitfähigen Stahl-Gehäuse untergebracht und bietet aufgrund seiner geringen Abmessungen naturgemäß nur wenig Einkoppelfläche für Störungen.

Die Miniaturisierung hat aber noch weitere positive Effekte. So verkürzen sich die Zeitkonstanten, dadurch sind hohe Grenzfrequenzen von mehr als 1 kHz realisierbar, was hochdynamische Applikationen ermöglicht. Die Optimierung des Sensor-Innenlebens, ohne die die Miniaturisierung nicht möglich war, erhöhte zudem den Messbereich. Die neuen Sensoren arbeiten über Distanzen von 0,5 bis 2 mm und erreichen damit Werte, wie man sie sonst nur von den wesentlich größeren M12-Sensoren kennt. Da die Eigenschaften des Systems jedoch von einer Vielzahl elektrischer und mechanischer Variablen geprägt werden, ließ es sich nicht allein durch praktische Versuche im erforderlichen Maße optimieren.

Eine wichtige Grundlage für die Entwicklung lieferten hochentwickelte Simulationsverfahren, die alle für die Modellierung, Analyse und Optimierung des Sensorelements relevanten Parameter berücksichtigen können. Dadurch und mit einer gehörigen Portion Erfahrung ließen sich innerhalb verhältnismäßig kurzer Zeit Materialien und Geometrien von Spule, Ferrit und Gehäuse so optimieren, dass die Sensoren über den gesamten Messbereich präzise arbeiten.

Zur Linearisierung der Kennlinie hat außerdem die ausgeklügelte und patentierte Oszillatorschaltung beigetragen, die die Forderung nach einer möglichst linearen Abhängigkeit des Oszillatorausgangssignals vom Abstand des Objekts erfüllt. In einer Linearisierungsstufe werden durch einen Korrekturstrom Linearitätsfehler weitgehend ausgeglichen. Alle Parameter, die die Oszillatoramplitude beeinflussen, auch Eigenschaften der Vergussmasse oder der Einbaulage des Sensorelements im Gehäuse, werden zusätzlich exemplarspezifisch bei der Kalibrierung im Sensor-Endzustand berücksichtigt und bei der Endkontrolle für jeden Sensor überprüft. Das Resultat kann sich sehen lassen. Unter stabilen Bedingungen arbeitet der Sensor mit einer Reproduzierbarkeit von typisch 1 µm.

Außer der Linearität ist bei induktiven Sensoren ein weiterer Parameter unabdingbare Voraussetzung für eine zuverlässige Funktion im industriellen Einsatz: eine geringe Temperaturabhängigkeit. Sie hängt im Wesentlichen vom Temperaturgang des Sensorelements, d.h. des Resonanzwiderstandes der Spule ab.

Bei analogen Abstandssensoren stellt die Kompensationen dieses Temperaturgangs eine besondere Herausforderung dar, da hier im Gegensatz zu schaltenden Sensoren der gesamte Kennlinienverlauf des Sensors unabhängig von der Umgebungstemperatur sein soll. Die Kompensation ist in zwei Teilschritte untergliedert:

Zum einen wurde das Sensorelement an die Oszillatorelektronik angepasst, da der Verlauf des Resonanzwiderstandes als Funktion der Temperatur stark frequenzabhängig ist. Zum anderen wurde in der Oszillatorelektronik eine Temperaturkompensation integriert, die den Spulentemperaturgang im gesamten spezifizierten Temperaturbereich kompensiert. Da Oszillator, Linearisierung und Temperaturkompensation auf dem gleichen Chip realisiert sind, der in unmittelbarer Nähe zur Sensorspule platziert ist, ergeben sich äußerst geringe Temperaturunterschiede bzw. -gradienten zwischen allen Komponenten. Der induktive analoge Abstandssensor arbeitet dadurch fast temperaturunabhängig. Lediglich eine Abweichung von 500 ppm/°C bleibt bestehen, unter günstigen Voraussetzungen sind es sogar nur 100 ppm/°C.

Der Sensor stößt damit in einen Bereich vor, der sonst nur Präzisionsmesstechnik vorbehalten ist.

Bedenkt man, dass die Temperaturabweichung z.B. bei Widerständen allein schon 50 ppm/°C beträgt, versteht man, welche Präzision hier erreicht wird.

Die minimale Temperaturdrift, die nach der zweistufigen Kompensation bestehen bleibt, ist zwar für die meisten Applikationen unproblematisch. Man muss sich in Hochpräzisionsanwendungen jedoch keineswegs damit abfinden. Denn der Messwert des integrierten Temperatursensors wird als konditioniertes Spannungssignal nach außen geführt. Der Anwender kann also falls notwendig extern weiter kompensieren und den Messwert des Sensors beispielsweise mit einem temperaturabhängigen Korrekturfaktor multiplizieren.

Außerdem lässt sich die sinnvolle und kostengünstige Temperaturmessung für eine Prozessüberwachung nutzen. Ferner können sich unter Temperatureinfluss verändernde Eigenschaften des Messobjekts berücksichtigt werden, z.B. Dehnung oder Stauchung.

Zur Konstruktion eines derart leistungsfähigen und kleinen Sensors gehört außer Kompetenz in Elektronikentwicklung auch eine gehörige Portion fertigungstechnisches Know-how. Die hohe Funktionalität und die miniaturisierte Bauform ist nur durch konsequente Integration möglich. Die komplette, relativ aufwändige Elektronik für die induktive Wegmessung konnten die Entwickler in zwei ASICs integrieren. Eine weitere wichtige Voraussetzung zur Entwicklung der „Zwerge“ lieferte außerdem die Flip-Chip-Technologie, mit deren Hilfe es möglich ist, in diese Genauigkeitsklasse vorzustoßen. Dadurch können in dem lediglich 30 mm langen Gehäuse komplette Auswerteeinheiten mit Verstärker integriert werden:

Der nackte Halbleiter wird geflippt und „face down“ über Bumps mit dem Board kontaktiert. Das bedeutet hauptsächlich weniger Kontaktflächen und weniger Layoutaufwand als bei herkömmlichen Bestückungstechniken, bei denen die Bond-Drähte immer den Verdrahtungsaufwand und den Platzbedarf erhöhen. Gleichzeitig erhöht sich dadurch auch die EMV-Sicherheit, weil die Antennenwirkung der Bond-Drähte wegfällt und das ASIC-Substrat als Schirm wirkt.

Anwendungsbereiche für den neuen, berührungslos arbeitenden, induktiven analogen Abstandssensor gibt es viele. Zu den typischen Einsatzbereichen gehört neben Robotik und Handlingbereich beispielsweise die dynamische Zahnradvermessung. Anhand des Ausgangssignals lässt sich die Anzahl der Zahnräder überprüfen. Mit binären Näherungssensoren wäre das nicht möglich. Sie integrieren bei schnellen Bewegungen und kleinen Lücken über die Fläche, liefern also keine verlässlichen Signale. Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Lage bzw. Formerkennung von Kleinteilen, wie z.B. Muttern. Am Ausgangssignal des induktiven, analogen Abstandssensors lässt sich z.B. erkennen, ob die gerundete oder flache Seite oben ist. Diese Lösung ist erheblich preiswerter und einfacher als die Alternative mit einer Kamera und absolut unabhängig vom Verschmutzungsgrad.

Hersteller für Spindeln nutzen den neuen Miniatur-Sensor, um die Position einer kegelförmigen Spindel zu überwachen, die in einem automatischen Bearbeitungszentrum das Futter für die Werkzeugaufnahme öffnet und spannt. Anhand der Entfernung zwischen dem Sensor und der schiefen Ebene des Spindelkegels, weiß man, ob sich im gespannten Futter ein Werkzeug befindet. Stillstandszeiten oder gar Maschinenschäden durch fehlende Werkzeuge lassen sich auf diese Weise verhindern. Früher arbeitete man hier mit drei binären Näherungsschaltern, die jedoch periodisch neu justiert werden mussten. Der neue induktive analoge Abstandssensor brachte aber noch einen weiteren Vorteil: Sein Temperaturausgang lässt sich nutzen, um die Schmiermitteltemperatur zu überwachen. Der Einsatz direkt in der Flüssigkeit ist unproblematisch, denn der Sensor erfüllt serienmäßig die Anforderungen der Schutzart IP67, ist also vollkommen staubdicht und eintauchgeschützt.

Hannover Messe, Halle 9, Stand F 53

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