Mit dem richtigen Dreh
Neuartige Sensoren ermöglichen Drehwinkelmessung per Polarisation.
In Fabrikhallen transportieren Förderbänder die Produktionsgüter von einer Bearbeitungsstation zur nächsten. Damit die Übergabe von einem Förderband zum nächsten reibungslos klappt, muss sie exakt an einer bestimmten Position erfolgen. Dazu muss man wiederum wissen, wie sich die Förderbänder zueinander bewegen. Bestimmen lässt sich das mit einem Drehwinkel-Sensor. Auch im Automobilbau liefern Drehwinkel wichtige Informationen, etwa bei Motor-Feedback-Systemen, die die Drehzahl der Antriebswelle genau einstellen. Um den Drehwinkel zu messen, kommen spezielle Sensoren zum Einsatz. Derzeit gibt es am Markt zwei Typen solcher Drehwinkelsensoren, die entweder magnetisch oder einem optisch messen. Magnetische Sensoren haben den Vorteil, dass sie sehr robust sind und auch Schmutz ihnen nichts ausmacht – sie eignen sich also gut für den Einsatz in rauen Umgebungen. Allerdings sind sie nicht so präzise wie optische Sensoren. Deren Nachteil: Sie müssen absolut exakt in einer bestimmten Position am Messobjekt montiert werden und sind damit nicht sehr flexibel in der Handhabung.
Abb.: Auf der Testplatine befindet sich der Polarisationssensor, der den Drehwinkel misst. (Bild: Fraunhofer IIS)
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen haben einen neuartigen Drehwinkelsensor entwickelt, der die Vorteile beider Lösungen vereint: „Bei unserem Sensor handelt es sich um ein optisches Messsystem, das jedoch auf einem anderen Funktionsprinzip basiert als heute verfügbare Produkte“, erklärt Norbert Weber, Gruppenleiter am IIS. Die Forscher nutzen bei ihrer Entwicklung die Polarisation. Sie befestigten spezielle Polarisationsfolien am Prüfobjekt, also etwa an einer Welle und richteten einen Lichtstrahl darauf. Auf der Rückseite der Folie entsteht dadurch polarisiertes Licht. Dreht sich nun die Welle, dreht sich auch der Polarisationsvektor mit. Er dient also als Richtungsanzeige.
Das Auslesemodul wird so montiert, dass es sich in diesem Lichtstrahl befindet. Auf dem Chip sind mehrere Drahtgitter in einer Matrix angeordnet. Diese Gitter lassen sich während des normalen Fertigungsprozesses eines CMOS-Chips fertigen – ohne jeglichen Mehraufwand. Trifft nun das polarisierte Licht auf die Gitter, lässt sich daraus die Winkelstellung der Welle errechnen. „Um die Winkelstellung einer Welle eindeutig messen zu können, benötigen wir mindestens drei Gitter, die jeweils in unterschiedlichen Richtungen strukturiert sind. Je nach Messaufgabe können wir aber noch weitere Gitter hinzufügen und den Chip damit an die spezifische Anforderung eines Kunden anpassen sowie die Messgenauigkeit erhöhen“, erläutert Weber. Mit dieser Konstruktion erreichen die Erlanger Forscher zwar nicht zu hundert Prozent die Präzision von herkömmlichen optischen Sensoren, dafür ist ihr Sensor aber deutlich robuster und lässt sich relativ flexibel platzieren. „Der Chip muss nicht einmal direkt auf der optischen Achse sitzen – wichtig ist nur, dass er sich innerhalb des Lichtstrahls befindet“, so Weber. Ein weiterer Vorteil: Selbst wenn die Welle etwas unrund läuft, wird das Messergebnis nicht beeinflusst, solange der Strahl breit genug ist. Auf der Messe SENSOR + TEST 2014 präsentieren die Erlanger Forscher einen entsprechenden Aufbau und demonstrieren damit die Drehwinkelmessung an einer Hohlwelle.
Fh.-IIS / DE
