Entfernungsmessung durch gesteuerte Magnetfelder

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Messen von Entfernungen, basierend auf gesteuerten Magnetfeldern, wie es beispielsweise bei der Abstandsmessung im Nahbereich, d. h. im Bereich von μm bis cm, z. B. bei der Positionsmes- sung/Lagebestimmung von mikromechanischen Elementen vorkommt.

Magnetische Abstandsmessung mit statischer Erregung, die zumeist mit Hilfe von Permanentmagneten erzeugt wird, wird in den meisten Anwendungen nur schaltend benutzt, d.h. es wird detektiert, ob ein Magnetfeld überhaupt vorhanden ist, respektive ob es seine Richtung verändert hat.

Magnetfeldsensoren werden bei der Messung linearer Ver- Schiebungen zumeist entweder als Detektoren für Zähne eines Maßstabs, z. B. durch Erkennung der Modulation eines Back- biasfeldes oder zur Erkennung eines Wechsels der Magnetisierungsrichtung eines magnetischen Maßstabs eingesetzt.

Ortsbestimmung wird häufig durch Wechselfelder realisiert, wobei sowohl magnetische als auch elektrische Felder zum Einsatz kommen, wie beispielsweise in „A New Method for Magnetic Position and Orientation Tracking", Paperno, Sasada, Leonovich, IEEE Transactions on Magnetics, Band 37, Nr. 4, Juli 2001 beschrieben wird. Die US 4,346,384 beschreibt beispielsweise eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Position und Orientierung eines Objektes relativ zu einer Referenzkoordinate. Dabei werden elektromagnetische Felder erzeugt, die orthogonale Komponenten aufweisen und somit von entsprechenden Empfangsantennen an dem Objekt unterschieden werden können. Der Abstand zwischen Sensor und Empfangsantennen ist dabei derart gewählt, dass Nahfeldkomponenten vernachlässigbar sind. Aus den

empfangenen elektromagnetischen Feldkpmponenten kann dann die Position und die Orientierung des Objektes bestimmt werden. Beispielsweise können auch lediglich zwei orthogonale Komponenten für das elektromagnetische Feld verwendet werden, wodurch sich die Komplexität und die Rechenzeit zur Bestimmung der Position und der Orientierung des Objektes reduzieren lässt.

Anwendungen, die die direkt messbare Gleichkomponente eines magnetischen Feldes verwenden, sind relativ selten. Dabei kann die Feldstärke eines Permanentmagneten als Signal zur Bestimmung einer Distanz direkt gemessen werden, vgl. z. B. Hall Applications Guide, www.melexis.com.

Abstände im Nahbereich werden zumeist kapazitiv gemessen. Eine Messung eines elektrisch erzeugten magnetischen Gleichfeldes wird fast ausschließlich zur Strommessung benutzt. Eine Anwendung zum Messen einer Distanz bzw. einer Position ist in der US 4,945,305 bzw. DE 69013108 T2 zu finden. Die US 4,945,305 bzw. die DE 69013108 T2 beschreiben dabei eine Vorrichtung zum Messen der Position von Empfangsantennen relativ zu Sendeantennen unter Verwendung von Gleichstromsignalen. Dabei sind bei der Positionsbestimmung sechs Freiheitsgrade vorgesehen, nämlich eine translatorische Bewegung in drei Koordinatenrichtungen und Rotationsbewegungen um drei Koordinatenachsen, wobei der Ort üblicherweise durch lineare X-, Y- und Z-Koordinaten definiert ist. Die Sendeantennen weisen dabei zwei zueinander nicht parallel angeordnete Antennen auf, um wenigstens zwei Gleichstrom-Magnetvektoren zu erzeugen und die Empfangsantennen wenigstens zwei nicht parallel zueinander angeordnete Antennen umfassen, um die Gleichstrom- Magnetvektoren zu erfassen. Dabei entspricht die Anzahl der Sendeantennen und die Anzahl der Empfangsantennen wenigs- tens der Anzahl der Freiheitsgrade der gewünschten qualitativen Messung der Position bzw. der Orientierung. Aus der mit Hilfe der Empfangsantennen bestimmten Gleichstrom- Magnetvektoren lassen sich dann die Position und die Orien-

tierung der Empfangsantennen relativ zu den Sendeantennen bestimmen.

Die verschiedenen Methoden zur Abstandsmessung mit Hilfe von Magnetfeldern machen sich dabei das Grundprinzip zunutze, dass das Magnetfeld von einer einzelnen Quelle generiert wird. Bei der Erzeugung des Magnetfelds mit Permanentmagneten tritt dabei das Problem auf, dass Permanentmagneten Fertigungsstreuungen unterliegen und aufgrund der temperaturabhängigen Magnetfeldstärke nur grobe Messungen ermöglichen, bzw. neben einer Kalibrierung der Quelle und des Magnetfeldsensors auch eine Kompensation der Drifteffekte erfordern. Je nach Aufgabenstellung kann dabei ein erheblicher Aufwand an Kompensationsschaltung und eine ständige Nachkalibrierung der Quelle bzw. des Sensors notwendig sein.

Bei der Erzeugung von Magnetfeldern an einem Ort mit Hilfe von elektrischem Strom muss ebenfalls eine konstante Ampli- tude des generierten Magnetfeldes sichergestellt werden, was eine ständige Kontrolle der Stromamplitude notwendig macht.

Um am Ort des Magnetfeldsensors eine gute Signalamplitude messbar zu machen, ist es generell notwendig, dass die erzeugten Magnetfelder ebenfalls eine relativ große Amplitude aufweisen. Bei Verwendung von Wechselfeldern kommt dies einer Störungsaussendung gleich, der durch die Vorschriften zur elektromagnetischen Verträglichkeit Grenzen gesetzt sind. Werden hingegen Frequenzbänder benutzt, in denen große Amplituden möglich sind, so können diese Felder leicht durch andere Geräte beeinträchtigt werden, die ebenfalls in diesen Frequenzbändern aktiv sind.

Ein weiteres Problem der Entfernungsbestimmung mit Hilfe von nur einer Magnetfeldquelle besteht darin, dass die magnetische Feldstärke der Magnetfeldquelle bekannt sein sollte, das bedeutet, dass diese kalibriert sein sollte und

dass eine absolute Kalibrierung der Empfängerempfindlichkeit des Magnetfeldsensors ebenfalls benötigt wird. Diese absolut kalibrierten Systeme sind nur sehr schwer und mit erheblichem Aufwand auf einem IC zu integrieren, da dort Absolutwerte großen Schwankungen unterliegen.

Eine Alternative stellt die Benutzung des Feldes eines magnetischen Dipols dar, erfordert allerdings aufwändige mathematische Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Position.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konzept zur Abstandsmessung mittels gesteuerten magnetischen Feldern zu schaffen, das auf magnetischen Gleichfel- dern basiert, keinen hohen Kalibrierungsaufwand erfordert, eine genaue Bestimmung des Abstandes erlaubt und aufwandsgünstig implementierbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß An- spruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 15 und ein Verfahren gemäß Anspruch 32.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zum Bestimmen eines Messfeldquellenabstands zwischen einem Magnetfeldsen- sor und einer Messfeldquelle, mit dem Magnetfeldsensor zur Erfassung eines Magnetfeldes und einer Referenzfeldquelle mit einem definierten räumlichen Referenzfeldquellenabstand zu dem Magnetfeldsensor oder einem definierten Abstand zu der Messfeldquelle. Die Messfeldquelle und die Referenz- feldquelle erzeugen dabei am Ort des Magnetfeldsensors ein Magnetfeld mit einer bekannten Abstandscharakteristik und einer bekannten Steuercharakteristik. Die Anordnung umfasst ferner eine Steuereinrichtung zum unabhängigen Ansteuern der Referenzfeldquelle mit einem ersten Steuersignal wäh- rend einer ersten Messphase und der Messfeldquelle mit einem zweiten Steuersignal während einer zweiten Messphase. Die Anordnung weist ferner eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen des Messfeldquellenabstands auf, die mit der

Steuereinrichtung gekoppelt ist und, basierend auf einem während der ersten Messphase erfassten Magnetfeld, einem während der zweiten Messphase erfassten Magnetfeld, der bekannten Abstandscharakteristik und der bekannten Steuer- Charakteristik der erzeugten Magnetfelder und dem definierten räumlichen Referenzfeldquellenabstand oder dem definierten räumlichen Abstand der Referenzfeldquelle zu der Messfeldquelle, den Messfeldquellenabstand bestimmt.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Messfeldquellenabstands zwischen einer Messfeldquelle und einem Magnetfeldsensor, mit einer Steuerung, die einen Anschluss für eine Referenzfeldquelle an dem ein erstes Steuersignal ausgebbar ist aufweist und die einen Anschluss für die Messfeldquelle aufweist, an dem ein zweites Steuersignal ausgebbar ist. Die Vorrichtung umfasst ferner den Magnetfeldsensor und eine Auswerteeinheit, die mit dem Magnetfeldsensor und der Steuerung gekoppelt ist, mit einem Anschluss, an dem ein Signal mit Information über den Messfeldquellenabstand ausgebbar ist.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen eines Messfeldquellenabstands zwischen einem Magnetfeldsensor und einer Messfeldquelle mit einem Schritt des Ansteuerns einer Referenzfeldquelle mit einem ersten Steuersignal, wobei die Referenzfeldquelle einen definierten räumlichen Referenzfeldquellenabstand zu dem Magnetfeldsensor oder einen definierten räumlichen Abstand zu einer Messfeldquelle aufweist und die Messfeldquelle und die Referenzfeldquelle am Ort des Magnetfeldsensors ein Magnetfeld mit einer bekannten Abstandscharakteristik und einer bekannten Steuercharakteristik erzeugen. Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Erfassen eines ersten Magnetfeldes, das auf dem von der Referenzfeldquelle er- zeugten Magnetfeld basiert und einen Schritt des Ansteuerns der Messfeldquelle mit einem zweiten Steuersignal, sowie einen Schritt des Erfassens eines zweiten Magnetfeldes, das auf dem von der Messfeldquelle erzeugten Magnetfeld ba-

siert. Das Verfahren weist ferner einen Schritt des Bestimmens des Messfeldquellenabstands aus der ersten Magnetfeldkomponente, der zweiten Magnetfeldkomponente, der bekannten Abstandscharakteristik und der bekannten Steuercharakteris- tik der erzeugten Magnetfelder und dem definierten räumlichen Referenzfeldquellenabstand zu dem Magnetfeldsensor oder dem definierten räumlichen Abstand der Referenzfeldquelle zu der Messfeldquelle auf.

Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zur Bestimmung eines Abstandes zwischen einem Magnetfeldsensor und einer Messfeldquelle über die Messfeldquelle ein Magnetfeld erzeugt werden kann, dessen Intensität mit der eines Magnetfeldes, das von einer Referenzfeldquelle erzeugt werden kann, in ein Verhältnis gesetzt wird, so dass ein Maß für den Abstand zwischen der Messfeldquelle und dem Magnetfeldsensor bestimmt und auf komplizierte Kalibrierungsverfahren verzichtet werden kann. Die Anordnung dient zur Messung des Abstands beispielsweise eines Messleiters über einer Messebene, in der der Magnetfeldsensor liegt und somit allgemein zur Messung einer Verschiebung auf einer beispielsweise linearen Bewegungsbahn. Dabei werden magnetische Gleichfelder verwendet. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zwei Magnetfeldquellen zur Magnetfeldgenerierung benutzt, deren resultierende Feldstärke am Ort des Magnetfeldsensors eine unterschiedliche überlagerung der Anteile aus beiden Quellen zeigt, wobei die eine Quelle an einem bekannten Ort liegt und die zweite am zu ermittelnden Ort. Während der Messphasen werden beide Quellen unterschiedlich angesteuert, sodass die Beiträge beider Quellen im erfassten Magnetfeld voneinander unterschieden werden können.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bieten den Vorteil, dass auf eine Kalibrierung verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß werden zwei Quellen zur Feldgenerierung benutzt, deren resultierende Feldstärke am Ort des Magnetfeldsensors eine überlagerung der Magnetfelder aus beiden

Quellen zeigt. Eine Quelle befindet sich dabei an einem bekannten Ort und die andere an dem zu ermittelnden Ort. Anhand der Geometrie lässt sich direkt und einfach aus dem resultierenden Ausgangssignal des Magnetfeldsensors die gesuchte Entfernung, bzw. der gesuchte Abstand ermitteln, ohne dass die Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors oder der Absolutbetrag der erzeugten Magnetfelder Einfluss auf das Ergebnis haben. Der gesuchte Abstand ergibt sich aus dem Verhältnis von Messwerten und deshalb ist das Verfahren sehr gut als integrierte Schaltung realisierbar.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung ;

Fig. 2a ein prinzipielles Blockschaltbild eines Ausfüh- rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2b eine beispielhafte Anordnung einer Messfeldquelle und einer Referenzfeldquelle in Form von rechteckigen Leiterschleifen;

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. .6 zeigt beispielhafte Signalverläufe einer Abstandsmessung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung 100 zum Bestimmen eines Mess- feldquellenabstands Z ₂ zwischen einem Magnetfeldsensor 110 und einer Messfeldquelle 120. Die Anordnung 100 zum Bestimmen des Messfeldquellenabstands Z2 zeigt ferner eine Steu- ereinrichtung 130, die mit der Messfeldquelle 120, mit einer Referenzfeldquelle 140 und einer Auswerteeinrichtung 150 gekoppelt ist. Die Auswerteeinrichtung 150 ist mit dem Magnetfeldsensor 110 derart gekoppelt, dass die Auswerteeinrichtung 150 die vom Magnetfeldsensor 110 gemessenen Magnetfeldkomponenten Byi und By ₂ zur Auswertung erhalten kann. Der Magnetfeldsensor 110 erfasst dabei die erste Magnetfeldkomponente Byi, die auf einem Magnetfeld basiert, welches durch Ansteuern der Referenzfeldquelle 140 mit einem ersten Steuersignal durch die Steuereinrichtung 130 während einer ersten Messphase erzeugt wird.

Das erste Steuersignal könnte z.B. einem Strom I _x entsprechen, der durch einen die Referenzfeldquelle 140 realisierenden Referenzleiter oder eine Referenzleiterschleife fließt. Die Referenzfeldquelle 140 weist dabei einen definierten räumlichen Referenzfeldquellenabstand Zi zum Magnetfeldsensor 110 oder einen definierten räumlichen Abstand zu der Messfeldquelle 120 Z ₂ -Zi auf. Ferner erzeugen die Messfeldquelle 120 und die Referenzfeldquelle 140 am Ort des Magnetfeldsensors 110 ein Magnetfeld mit einer bekannten Abstandscharakteristik und einer bekannten Steuercharakteristik, d.h. es ist bekannt wie das magnetische Feld mit zunehmenden Abstand seine Intensität verändert, beispielsweise reziprok zum Abstand, reziprok zum quadrati- sehen Abstand usw. Ferner ist der Zusammenhang zwischen dem Steuersignal und dem von der Messfeldquelle 120 bzw. der Referenzfeldquelle 140 hervorgerufenen Magnetfeldstärke bekannt, beispielsweise bei einer die Messfeldquelle 120 oder die Referenzfeldquelle realisierenden Spule ergibt sich die magnetische Feldstärke in Abhängigkeit von der Anzahl der Windungen, dem Spulenstrom, dem Spulenkern, dem Abstand usw.

Die Steuereinrichtung 130 steuert ferner in einer zweiten Messphase die Messfeldquelle 120 mit einem zweiten Steuersignal an. Das zweite Steuersignal kann beispielsweise durch einen Strom I ₂ realisiert sein, der durch einen die Messfeldquelle 140 realisierenden Messleiter oder eine Messleiterschleife fließt. Während dieser zweiten Messphase bestimmt der Magnetfeldsensor 110 die zweite Magnetfeldkomponente By ₂ , die auf einem Magnetfeld basiert, welches durch Ansteuern der Messfeldquelle 120 mit dem zweiten Steuersignal durch die Steuereinrichtung 130 während der zweiten Messphase erzeugt wird.

Die Auswerteeinrichtung 150 erhält in den Messphasen von dem Magnetfeldsensor 110 die erfassten Magnetfeldkomponen- ten Byi und By ₂ , von der Steuereinrichtung 130 über ein Phasensignal die Information über die jeweiligen Messphasen und bestimmt basierend auf den Magnetfeldkomponenten Byi und By ₂ , der bekannten Abstandscharakteristik und der bekannten Steuercharakteristik der erzeugten Magnetfelder und dem definierten räumlichen Referenzfeldquellenabstand Zi oder dem definierten räumlichen Abstand der Referenzfeldquelle 140 zu der Messfeldquelle 120 Z ₂ -Z _x den Mess- feldquellenabstand Z ₂ .

Fig. 2a zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 200 zum Bestimmen des Messfeldquellenabstands Z ₂ zwischen einer Messfeldquelle und einem Magnetfeldsensor 210. Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen ferner einen Anschluss 232 für eine Referenzfeldquelle 220, eine Steuerung 230, einen Anschluss 235 für eine Messfeldquelle und eine Auswerteeinheit 240. Die Steuerung 230 weist einen Anschluss 235 auf, über den eine am zu ermittelnden Ort liegende Messfeldquelle über ein erstes Steuersignal angesteuert werden kann, beispielsweise könnte über den An- Schluss 235 ein Referenzleiter oder eine Referenzleiterschleife bestromt werden. Die Steuerung 230 weist ferner den Anschluss 232 auf, über den eine Referenzfeldquelle mit einem zweiten Steuersignal angesteuert werden kann, optio-

nal kann die Steuerung 230 bereits mit der Referenzfeldquelle 220 gekoppelt sein, bzw. die Referenzfeldquelle 220 in die Vorrichtung 200 mit integriert sein, so dass die Steuerung 230 beispielsweise einen definierten Strom in der Referenzfeldquelle 220, die z.B. durch einen Referenzleiter oder eine Referenzleiterschleife realisiert sein kann, einprägen kann, wobei die Referenzfeldquelle 220 ferner in einem definierten Referenzfeldquellenabstand Zi zum Magnetfeldsensor 210 angeordnet sein kann, bzw. in einem defi- nierten räumlichen Abstand zu der Messfeldquelle Z ₂ -Zi. Die Referenzfeldquelle 220 und die Messfeldquelle liefern dabei am Ort des Magnetfeldsensors 210 ein Magnetfeld mit einer bekannten Abstandscharakteristik und einer bekannten Steuercharakteristik.

Die Steuerung 230 ist ferner mit der Auswerteinrichtung 240 gekoppelt und übermittelt dieser Information über jeweilige Steuerphasen oder Messphasen mit einem Phasensignal. Der Magnetfeldsensor 210 ist mit der Auswerteeinheit 240 gekop- pelt, und die Auswerteeinheit 240 weist einen Anschluss 245 auf, an dem ein Signal mit Informationen über einen Mess- feldquellenabstand z ₂ ausgebbar ist.

Anhand der gegebenen Geometrie, d. h. basierend auf dem definierten Abstand Zi der Referenzfeldquelle 140;220 zum Magnetfeldsensor 110/210 bzw. der Referenzfeldquelle 140/220 und der Messfeldquelle 120 in der Fig. 1, bzw. in der Fig. 2a, lässt sich aus dem resultierenden Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 110 bzw. 210 die gesuchte Entfer- nung z ₂ bestimmen, ohne dass die Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors 110 in Fig. 1 bzw. 210 in Fig. 2a, oder der Absolutbetrag der erzeugten Magnetfeldstärken Einfluss auf das Ergebnis hat, solange die Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors 110 über die Messphasen hinweg konstant bleibt. Die Position-, d. h. der Messfeldquellenabstand Z ₂ , ergibt sich aus dem Verhältnis der Messwerte der Magnetfeldkomponenten Byi und By _∑ , wodurch die erfindungsgemäße Anordnung, die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße

Verfahren sehr gut in einer integrierten Schaltung realisierbar sind. Verläuft die Feldstärke des von der Referenzfeldquelle 140/220 oder der Messfeldquelle 120 erzeugten Magnetfeldes wenigstens näherungsweise reziprok zum Ab- stand, so wird die Bestimmung von Z ₂ direkt und einfach möglich.

In der Fig. 2b ist eine beispielhafte Anordnung einer Messfeldquelle und einer Referenzfeldquelle in Form von rechteckförmigen Leiterschleifen 250 und 260 dargestellt. Beispielhaft wird die Leiterschleife 250 von einem Strom Ii durchflössen und die Leiterschleife 260 von einem Strom I ₂ . Gemäß dem dargestellten Koordinatensystem, verlaufen beide Leiterschleifen parallel zu der x-y-Ebene, wobei die Lei- terschleife 250 hinsichtlich der z-Achse bei Zi angeordnet ist und die Leiteschleife 260 entsprechend bei z ₂ . Wenn die Dimensionen der Leiterschleifen Ix, lyi und Iy ₂ deutlich größer als der Abstand Z ₂ sind, dann wird das durch den Stromfluss Ii bzw. I ₂ im Ursprung des Koordinatensystems mit einem Magnetfeldsensor messbare Magnetfeld By ungefähr proportional zu 1/zi bzw. l/z ₂ .

Prinzipiell nimmt die von einem Magnetfeldsensor gemessene Komponente eines magnetischen Feldes mit zunehmendem Ab- stand in definierter Weise ab. Am vorteilhaftesten für eine einfache Auswertung, d.h. eine möglichst wenig komplexe Auswerteeinrichtung, ist eine reziproke Annahme, d.h. eine Abnahme des magnetischen Feldes proportional zu dem Kehrwert des Abstand. Generell sind aber auch andere Abnahme- Charakteristika denkbar und erfindungsgemäße Anordnungen, Vorrichtungen und Verfahren realisierbar, wie beispielsweise bei quadratischem oder kubischem Verlauf, wobei dann die Auswerteeinrichtung entsprechend der Charakteristik ange- passt werden muss.

Das Feld wird erfindungsgemäß in seiner Intensität umgeschaltet, wobei sich die Abnahmecharakteristik des Feldes nicht ändert. Die Steuersignale oder die eingeprägten

Ströme schalten dabei zwischen zwei Skalierungsfaktoren um, wo bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel das erste Steuersignal zwischen 1,0 und 0,0 und das zweite Steuersignal zwischen Kl und 0,0 umschaltet. Generell sind auch beliebige Faktoren denkbar, beispielsweise KIa, KIb, K2a, und K2b, die solange sie bekannt sind, ebenfalls erfindungsgemäß verwendet werden können, d.h. das erste Steuersignal wird dann zwischen KIa und KIb umgeschaltet und das zweite Steuersignal zwischen K2a und K2b. Dies sollte dann entsprechend in der Auswerteeinrichtung berücksichtigt werden.

Gemäß der Fig. 2b kann zur Variation von Z ₂ die gesamte obere Leiterschleife 260 auf und ab bewegt werden. Die Ströme Ii und I ₂ in der Leiterschleife 250 bzw. 260 erzeugen jeweils am Ort des Magnetfeldsensors ein Feld mit einer Komponente in y-Richtung. Dies ist in Fig. 2b beispielhaft im Ursprung des Koordinatensystems dargestellt. Werden die Ströme abwechselnd eingeschaltet, auch ein überlappender Betrieb ist denkbar, so kann jeweils der Beitrag des von jedem einzelnen Stromes erzeugten Feldes ermittelt werden. Dieser ist jeweils proportional zum Quotient aus Strom durch Abstand, wenn der Leiter auf der nahezu senkrecht über dem Sensor liegenden Bewegungsbahn bewegt wird.

Fig. 3 zeigt ein prinzipielles Ausführungsbeispiel 300 der vorliegenden Erfindung, wobei die Referenzfeldquelle und die Messfeldquelle jeweils durch eine Leiterschleife realisiert sind, die im Folgenden auch Messleiter bzw. Referenz- leiter genannt werden. Fig. 3 zeigt einen Magnetfeldsensor 310, der sich in einer Messebene M befindet. Beispielhaft wird in der Fig. 3 davon ausgegangen, dass der Magnetfeldsensor 310 gemäß dem Koordinatensystem 315 Y-Komponenten By des Magnetfeldes B erfasst. Gemäß der Anordnung in Fig. 3 befindet sich senkrecht über dem Magnetfeldsensor 310 in einem Abstand Zi der Referenzleiter 320. Ferner ist über dem Referenzleiter 320 in einem Messleiterabstand Z ₂ der Messleiter 330 angeordnet, dessen Messleiterabstand z ₂ zu

bestimmen ist. Ferner wird im Ausführungsbeispiel in Fig. 3 davon ausgegangen, dass der Messleiter 330 beweglich ist, was durch die beiden Pfeile in Z-Richtung durch den Messleiter 330 in Fig. 3 angedeutet ist. Beispielsweise könnte der Messleiter auf einer Membrane einer Druckmessdose montiert sein, und somit ließe sich über die Position des Messleiters 330 ein Druck bestimmen. In diesem Ausführungsbeispiel würde der Messleiter 330 dann seine Lage in Abhängigkeit eines Druckes ändern. In anderen Ausführungsbei- spielen, beispielsweise wenn der Messleiter 330, der Referenzleiter 320 oder auch der Magnetfeldsensor 310 mechanisch an ein bewegtes Teil eines Roboters gekoppelt ist, kann die Abstanderfassung zu einem feststehenden Punkt im Raum zur Kalibrierung einer Referenzposition des Roboters dienen. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass der Messleiter sich während den Messphasen nicht bewegt, d.h. die Bestimmung des Messleiterabstandes in einer Zeitdauer erfolgt, während der Messleiter als stationär betrachtet werden kann.

Aus Gründen der übersichtlichkeit sind im Ausführungsbeispiel in der Fig. 3 die Steuereinrichtung/Steuerung und die Auswerteeinrichtung/Auswerteeinheit nicht gezeigt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Steuereinrichtung/Steuerung jedoch notwendig ist, um die nachfolgend beschriebenen Ströme in den Referenzleiter 320 und den Messleiter 330 einzuprägen, sowie dass die Auswerteeinrichtung/Auswerteeinheit erforderlich ist, um die Signale, die vom Magnetfeldsensor 310 geliefert werden, auszuwerten.

Die Steuereinrichtung/Steuerung prägt zunächst einen ersten Strom I ₁ , d.h. ein erstes Steuersignal, in den Referenzleiter 320 ein, der am Ort des Magnetfeldsensors 310 ein magnetisches Feld mit einer Y-Komponente By ₁ erzeugt. Ferner prägt die Steuereinrichtung/Steuerung einen zweiten Strom I ₂ , d.h. ein zweites Steuersignal in den Messleiter 330 ein, der am Ort des Magnetfeldsensors 310 ein magnetisches Feld mit einer Y-Komponente By ₂ erzeugt. Werden die

beiden Ströme abwechselnd eingeschaltet, alternativ in einem anderen Ausführungsbeispiel ist auch ein überlappender Betrieb möglich, so kann jeweils der Beitrag des von jedem einzelnen Strom erzeugten Magnetfeldes Byi und By ₂ ermittelt werden. Der jeweilige Beitrag eines Stromes ist proportional zu dem Quotienten aus dem Strom selbst und dem Abstand des Messleiters bzw. Referenzleiters, sofern der Messleiter bzw. Referenzleiter auf der nahezu senkrecht über dem Magnetfeldsensor liegenden Bewegungsbahn bewegt wird bzw. angeordnet ist.

Wird dann für den zweiten Strom I ₂ ein Ki-faches des ersten Stroms Ii eingesetzt, d. h. die Steuereinrichtung/Steuerung prägt die beiden Ströme Iχ und I ₂ gemäß einem bekannten Stromverhältnis K _x ein, so ist das Verhältnis der beiden Magnetfeldkomponenten Byi und By ₂ direkt proportional zur gesuchten Höhe z ₂ , sofern das Stromverhältnis Ki bekannt ist, und ist dazu noch unabhängig von den Absolutwerten der jeweiligen Ströme Ii und I ₂ :

By _{1 =} Z ₂ - I _{1 =} ^ ₂ _ _{f ( 3 )}

By ₂ Z ₁ - I ₁ - K ₁ Z ₁ ^• K ₁ bzw .

By ₁

Z ₂ = Z ₁ K ₁ ( 4 ) By ₂

wobei Zi und Ki für den Messaufbau feste Größen darstellen.

Zweckmäßigerweise wird dabei das Stromverhältnis Ki so gewählt, dass die beiden Magnetfeldkomponenten Byi und By ₂ annähernd die gleiche Größenordnung besitzen, um günstige Voraussetzung für eine genaue Ermittlung des Messleiterab- Stands z ₂ durch die Auswerteeinrichtung/Auswerteeinheit zu schaffen, die in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beispielsweise durch einen Mikrocontroller, einen Prozessor oder eine Auswertungselektronik realisiert sein kann. Die Lage des Messleiters 330 muss dabei nicht genau senkrecht über dem Magnetfeldsensor 310 sein, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist, denn der Verlauf der Y- Magnetfeldkomponente am Ort des Magnetfeldsensors 310 folgt einem sinusförmigen Verlauf in dessen Maximum und ist damit wenig sensitiv gegenüber kleinen Winkeländerungen. Ferner wird vereinfachend in der Fig. 3 davon ausgegangen, dass sich der Rückleiter der Messleiterschleife in einem Abstand ly»Z2 befindet, so dass dessen Feld vernachlässigt werden kann. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Ein- fluss dieses Feldes in der Auswerteeinrichtung kompensiert werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist nicht der Refe- renzfeldquellenabstand Zi bekannt, sondern der Abstand zwischen der Referenzfeldquelle und der Messfeldquelle z ₂ - Zi. Wird statt Zi, Z ₂ -Zi konstant gehalten, also gemäß der Fig. 3 der untere Referenzleiter 320 in festem Abstand zum oberen Messleiter 330 mitbewegt, so kann ebenfalls die Höhe Z ₂ aus dem Verhältnis der gemessenen Felder und der Ströme bestimmt werden, nur die Berechnung wird etwas aufwendiger. Es ergibt sich dann aus dem Verhältnis der Magnetfelder und Ströme

By, ₌ Z ₂ I, ₌ z ₂

By ₂ Z ₁ -I ₁ -K ₁ (Z ₂ -(Z ₂ -Z ₁ )J-K ₁ und entsprechend

( \Z" ₂ 2 - ^ "i1 )/

Z ₂ = ^■ ( 6)

1 - B Byy ₂₂

K _x - By _x

Bei gleichbleibender Ansteuerung muss nun die Auswertung bzw. die Auswerteeinrichtung entsprechend angepasst werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Anordnung 400 zur Bestimmung eines Messfeldquellenabstandes Z ₂ mit einem Magnetfeldsensor 410, der in dem vorliegenden Ausführungs- beispiel als zweidimensionaler Magnetfeldsensor 410 ausgeführt ist. Gemäß dem in Fig. 4 vorausgesetzten Koordinatensystem 415, erfasst der zweidimensionale Magnetfeldsensor 410 eine Y-Komponente By und eine X-Komponente Bx des Magnetfeldes in der Messebene M. Senkrecht über dem Magnet- feldsensor 410 ist im Abstand Zi ein erster Referenzleiter 420, der wie bereits oben beschrieben ein Teil einer Referenzleiterschleife sein kann, angeordnet, der einen ersten Strom Iiχ in X-Richtung der Anordnung 400 leitet. In einem Abstand dzi über dem ersten Referenzleiter 420 befindet sich ein zweiter Referenzleiter 425, der ebenfalls ein Teil einer zweiten Referenzleiterschleife sein kann und der einen ersten Strom Ii _y in Y-Richtung der Anordnung 400 leitet.

Senkrecht über den beiden Referenzleitern 420 und 425 befindet sich am zu bestimmenden Ort im Messleiterabstand Z2 zu dem zweidimensionalen Magnetfeldsensor 410 der Messleiter 430, der ein Teil einer Messleiterschleife kann, der einen zweiten Strom I _2x in X-Richtung der Anordnung 400 leitet. Unmittelbar darüber in einem Abstand von dz ₂ befindet sich ein zweiter Messleiter 435, der ebenfalls Teil einer zweiten Messleiterschleife sein kann und der einen zweiten Strom I _2y in Y-Richtung der Anordnung 400 leitet. Wie die Anordnung 400 in Fig. 4 zeigt, befinden sich hier eine zusätzliche Referenzfeldquelle in Form eines Referenzleiters 425 und eine zusätzliche Messfeldquelle in Form

eines Messleiters 435, die im Vergleich zu denen der Anordnung 300 in Fig. 3 um 90° gedreht vorliegen. Mit Hilfe der Anordnung 400 kann die Störsicherheit der Messung gegenüber externen Feldern deutlich erhöht werden. Die Höhenkorrek- tur, die in Fig. 4 durch die beiden Abstände dzi und dz _∑ dargestellt sind, sollten bei der Auswertung der Messfeldkomponenten berücksichtigt werden, da die Referenzleiter 420 und 425 sowie die Messleiter 430 und 435 für jeweils beide Richtungen nicht genau an der gleichen Stelle liegen können.

Wie anhand der Fig. 4 angedeutet, lässt sich prinzipiell das Verfahren der Vergleichsmessung auch für mehrere Raumrichtungen überlagern, wodurch die Berechnung des Abstandes Z2 zwar genauer, aber auch komplexer wird. Generell ist auch hier ein weiteres Ausführungsbeάspiel bei dem der Abstand zwischen der Messfeldquelle und der Referenzfeldquelle konstant gehalten wird realisierbar, wobei dann die Auswerteeinrichtung entsprechend angepasst wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wäre es auch denkbar, die zusätzliche Referenzfeldquelle und die zusätzliche Messfeldquelle für eine zusätzliche Abstandsmessung in einer anderen Raumrichtung zu verwenden.

Fig. 5 zeigt eine Realisierung 500 der vorliegenden Erfindung. Fig. 5 zeigt einen Magnetfeldsensor 510, dem aus- gangsseitig ein Vorverstärker 520 nachgeschaltet ist. Der Ausgang des Vorverstärkers 520 ist mit dem Eingang eines Analog-Digital-Umsetzers 530 verbunden, der die digital umgesetzten Signale einer digitalen Steuerung 540 zur Verfügung stellt. Die digitale Steuerung 540 kann beispielsweise durch einen Prozessor oder einen Mikrocontrol- ler realisiert sein. Die digitale Steuerung 540 realisiert in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die erfindungsgemä- ße Auswerteeinrichtung/Auswerteeinheit. Die Realisierung 500 des Ausführungsbeispiels in Fig. 5 weist ferner einen Referenzleiter 550 und einen Messleiter 560 auf, die die Referenzfeldquelle und die Messfeldquelle realisieren.

Der Referenzleiter 550 ist über einen Schalter 555 mit einem Stromspiegel 570 gekoppelt. Der Messleiter 560 ist über einen Schalter 565 ebenfalls mit dem Stromspiegel 570 gekoppelt. Die beiden Schalter 555 und 565 werden von der digitalen Steuerung 540 gesteuert. Der Stromspiegel 570 verfügt über einen Stromeingang 575, der mit einer Referenzstromquelle 580 gekoppelt ist. Die digitale Steuerung 540 kann nun durch Steuern der Schalter 555 und 565 wahl- weise den Referenzleiter 550 und den Messleiter 560 bestro- men. Der Stromspiegel 570 stellt dabei basierend auf dem Strom der Referenzstromquelle 580 ein festes Verhältnis Ki zwischen dem ersten Strom Ii im Referenzleiter 550 und dem zweiten Strom I ₂ im Messleiter 560 zur Verfügung,

I ₂ = K ₁ • I ₁ . (7)

Die digitale Steuerung 540 kann nun durch unterschiedliches Ansteuern der Schalter 555 und 565 unterschiedliche Mess- phasen erzeugen, über den Magnetfeldsensor 510, den Vorverstärker 520 und den Analog-Digital-Umsetzer 530 Messfeldkomponenten, der durch die Ströme Ii und I ₂ erzeugten Magnetfelder erfassen, und basierend auf dem bekannten Abstand Zi des Referenzleiters 550 auswerten. Die digitale Steue- rung 540 verfügt über einen Ausgang 585, an dem ein digitaler Abstandswert ausgegeben werden kann.

In Fig. 5 bildet die digitale Steuerung 540 das Herz der Schaltung, das alle Abläufe steuert. Das Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers 530 wird von der digitalen Steuerung 540 entgegengenommen und das berechnete Ergebnis für den Abstandswert am Ausgang 585 ausgegeben. Beide Ströme Ii und I ₂ werden über den Stromspiegel 570 aus einer gemeinsamen Referenzfeldquelle 580 erzeugt, wodurch sichergestellt wird, dass sie in einem festen Verhältnis Ii : I ₂ = 1 •* Ki stehen. Die Ströme Ii und I ₂ werden mit Hilfe der Schalter

555 und 565 von der digitalen Steuerung 540, gemäß dem in der Fig. 6 dargestellten Verlauf geschaltet.

Fig. 6 zeigt den zeitlichen Verlauf der Ströme Ii und I2, sowie der vom Magnetfeldsensor 510 erfassten Magnetfeldkomponenten By. Die Zeitachse ist dabei nach rechts aufgetragen, und in vier Messphasen PO bis P3 eingeteilt. Die Stromverläufe der Ströme Ii und I ₂ sind in den oberen beiden Diagrammen dargestellt, das gemessene Magnetfeld in Y-Richtung erzeugt eine elektrische Spannung, die wiederum im Vorverstärker 520 verstärkt wird und dann mittels des Analog-Digital-Umsetzers 530 digitalisiert wird. Der Verlauf des Digitalwertes, der die magnetische Feldstärke By darstellt, ist im unteren Diagramm in Fig. 6 dargestellt. Die Skalierung der Y-Achsen ist dabei als beliebig angenommen, ebenso wie der Nullwert der Magnetfeldkomponente By. Nur das Verhältnis der Höhe der Sprünge von Ii und I ₂ muss Ki betragen.

Während der Messphase PO schaltet die digitale Steuerung 540 keinen der beiden Schalter 555 und 565 ein, d. h. es fließt kein Strom Ii bzw. I ₂ . In Fig. 6 ist dies in den oberen beiden Verläufen der Ströme Ii und I ₂ während der Messphase PO zu erkennen. Während der Messphase PO bestimmt die digitale Steuerung 540 über den Magnetfeldsensor 510 eine Magnetfeldkomponente By, die dem Nullwert der Magnetfeldkomponente entspricht und beispielsweise auf das Erdmagnetfeld oder den Einfluss anderer Störfelder zurückzuführen ist. Der absolute Wert des Nullwertes der Magnet- feldkomponente ist für das hier vorgestellte Verfahren unrelevant. Es sei darauf hingewiesen, dass durch die Bestimmung des Nullwertes während der Messphase PO eine Kompensation der nachfolgenden Messwertes um diesen Wert erfolgen kann, so dass diese dann störungsbereinigt vor- liegen.

Während der Messphase Pl wird nun der erste Strom Ii eingeschaltet, d. h. die digitale Steuerung 540 schließt den

Schalter 555, so dass der erste Strom Ii durch den Referenzleiter 550 fließt. Der durch den Referenzleiter 550 fließende erste Strom Ii verursacht ein Magnetfeld, dessen Komponente Byi über den Magnetfeldsensor 510 erfasst wird. Sowohl der erste Strom Ii als auch die während der Messphase Pl gemessenen Magnetfeldkomponente Byi sind in Fig. 6 dargestellt.

Während der Messphase P2 wird nun zusätzlich der zweite Strom I ₂ über den Schalter 565 in dem Messleiter 560 eingeschaltet. Durch das durch den zweiten Strom I ₂ im Messleiter 560 hervorgerufene Magnetfeld erhöht sich die von dem Magnetfeldsensor 510 erfasste Magnetfeldkomponente um den Wert By ₂ / was ebenfalls in Fig. 6 während der Messphase P2 dargestellt ist.

Während der Messphase P3 wird dann der erste Strom Ii im Referenzleiter 550 wieder abgeschaltet, so dass lediglich eine Magnetfeldkomponente By ₂ erfassbar ist. Durch die Messung der Sprunghöhe von By beim An- und Ausschalten der Ströme werden für Byi und By ₂ jeweils zwei Messwerte erfasst, die in geeigneter Weise kombiniert werden können, um gültige Werte für Byi und By ₂ zu ermitteln. Dies kann beispielsweise durch eine einfache Auswahl oder auch durch eine Mittelwertbildung bzw. Gewichtung der einzelnen Messwerte der Messphasen geschehen. Dadurch erfolgt eine Kompensation des Erdmagnetfeldes oder eventueller Stör- Magnetfelder. Anschließend kann das gesamte Messverfahren wiederholt werden, so dass während der Messphase nach der Messphase P3 beide Ströme Ii und I ₂ wieder abgeschaltet sind, d.h. der Messzyklus wieder mit Messphase PO beginnt.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass es genauso gut möglich ist, die beiden Ströme Ii und I ₂ nacheinander, d. h. ohne überlappung, anzuschalten. Dann ist der benötigte Dynamikbereich für By entsprechend geringer.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel könnte z. B. mit Hilfe eines schaltbaren Stromspiegels der Faktor Ki so lange angepasst werden, bis die beiden messbaren Magnetfeldkomponenten Byi und By ₂ gleich groß sind. In diesem Fall wird zur Berechnung des Messleiterabstands z ₂ nur noch eine Multiplikation benötigt, denn dann ist

Z ₂ = Z ₁ • K ₁ • 1. (6)

Bei Umkehrung der Stromrichtung von beispielsweise I ₂ in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung müsste hingegen der Faktor Ki so eingestellt werden, dass sich die Felder beider angeschalteter Messleiter während der Messphase P2 genügend genau kompensieren und der Digitalwert für By damit dem Nullwert ohne Stromfluss entspräche. Der Messleiterabstand z ₂ kann weiterhin mit der Gleichung 6 berechnet werden. Dieses Verfahren könnte je nach Anwendungsfall Vorteile bei der Messgeschwindigkeit bieten.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bieten also den Vorteil, dass keine aufwändige Kalibrierung der Magnetfeldsensoren notwendig ist. Aufgrund der gegebenen Geometrie lässt sich direkt und einfach aus dem resultierenden Ausgangssignal des Magnetfeldsensors die gesuchte Entfernung, d. h. der gesuchte Messleiterabstand z ₂ berechnen, ohne dass die Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors oder die Absolutbeträge der benutzten Ströme Ii und I ₂ Einfluss auf das Ergebnis haben. Die Position ergibt sich aus dem Verhältnis der Messwerte des Magnetfeldsensors und ist deshalb sehr gut als integrierte Schaltung realisierbar.

Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten das erfindungsgemäße Schema auch in Software implementiert sein kann. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder einer CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfol-

gen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit in einem Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesba- ren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.