专利名称：传感器组件和用于确定第一部分相对于第二部分的空间位置的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定第一部分相对于第二部分的空间位置的传感器组件，其包括至少一个磁体，该磁体布置在第一部分上并产生磁场，该磁场延伸远至第二部分，并且该传感器组件包括第一和第二磁场传感器，其在第二部分上布置为彼此相隔一空间距离，并且每一个磁场传感器都产生依赖于磁场的输出信号，其中至少一个磁体位于由第一和第二磁场传感器之间的所述空间距离限定的间隔中，并且其中第一和第二磁场传感器的输出信号组合，以形成共同的传感器信号，其依赖于第一部分沿着限定的测量轴相对于第二部分的空间位置。本发明进一步涉及用于确定第一部分相对于第二部分的空间位置的方法，其包括以下步骤:将至少一个磁体布置在第一部分上，使得磁体产生延伸远至第二部分的磁场；将彼此相隔一空间距离的第一和第二磁场传感器布置在第二部分上，其中，至少一个磁体位于由第一和第二磁场传感器之间的空间距离限定的间隔中；接收来自第一磁场传感器的第一输出信号，并且接收来自第二磁场传感器的第二输出信号，其中第一和第二输出信号依赖于各个磁场传感器在磁场中的传感器位置；以及通过组合第一和第二磁场传感器的输出信号，以形成共同的传感器信号，来确定共同的传感器信号，其依赖于第一部分沿着限定的测量轴相对于第二部分的空间位置。
背景技术：
US4866854公开了这种传感器组件和这种方法。已知的传感器 组件使用两个霍尔元件(Hall element)作为第一和第二磁场传感器。两个霍尔元件布置在磁体的相反侧上，所以磁体的北极和南极的每一个都指向霍尔元件。每一个霍尔兀件都产生表不霍尔兀件和磁体与其相反的一侧之间的距离的输出信号。如果磁体移动为更靠近一个霍尔元件，那么与另一个霍尔元件的距离增加。这样，检测两次第一部分沿着测量轴相对于第二部分的位置变化，该测量轴对应于两个霍尔元件之间的连接线(connecting line)。通过产生两个输出信号之间的差值，产生共同的传感器信号，其表不两个霍尔兀件之间的磁体的实际位置。在一些不例实施例中，US4866854提出了多个磁体和多个霍尔元件对，因此可沿着多个测量轴确定第一部分相对于第二部分的实际空间位置。为此，每一个霍尔元件对都需要磁体。已知的传感器组件的霍尔元件本质上响应于磁场强度大小的变化。通过形成每两个相反霍尔元件的输出信号的差值，产生共同的传感器信号，其近似与两个霍尔元件之间的磁体的位置成比例。已知的传感器组件据说具有良好的灵敏度、选择性和分辨率。有利的是，已知的传感器组件需要多个磁体，用于确定多个测量轴上的位置，该磁体应该布置为尽可能彼此远离，以实现传感器对之间的良好去耦(decoupling)。每一个传感器对都需要“它的”磁体。需要的距离使得难以以紧凑的方式针对多个测量轴实现已知的传感器组件。此外，设备中的已知的传感器组件(例如坐标测量仪的探头)的装配和安装，需要许多单独的装配步骤。在坐标测量仪中上述类型的传感器组件尤其是必不可少的。坐标测量仪通常包括所谓的探头，其与框架相连。借助于框架，探头可相对于测量物体移动。探头包括可移动的传感元件，其一般为触针形式。探头朝着测量物体移动，直到触针的自由端部接触到目标测量点。由于接触，触针相对于探头是偏斜的。然后，由探头相对于测量物体的位置，以及由触针相对于探头的位置，来确定空间坐标，其代表探测的测量点。可通过探测多个测量点以及确定相应的空间坐标，来确定测量物体的几何尺寸和/或形状。DE10348887A1公开了用于坐标测量仪的探头。此外，霍尔元件的对用于确定触针相对于探头的基体的位置。在US4866854的装置的情况下，针对每一个测量轴都需要霍尔元件对。此外，单独的霍尔元件对和关联的磁体布置在探头的尽可能远地分离的不同点处。DE102004011728A1公开了用于具有霍尔元件和磁体的坐标测量仪的别的探头。针对每一个测量轴，提 供霍尔元件，并且霍尔元件布置在两个相反磁体之间。传感器组件的两个测量轴在支撑板上组合。必须使用霍尔元件和关联的磁体对(必须分离地安装在探头中)来检测第三空间方向。有可能使用所谓的磁阻传感器作为霍尔元件的替代，以确定一部分相对于磁场的位置。DE3708105A1公开了这种用于坐标测量仪的探头，其中单个磁体布置在触针的更靠近探头的末端。多个磁阻传感器分布在探测器表面上，布置为与磁体相反。已知的传感器组件非常紧凑。然而，测量准确度受限制，尤其是因为地球磁场能引起未知的干扰。从多个文件，例如从DE19521617C1或从众多杂志或会议的出版物，可知磁阻传感器的结构和操作原理。传感器常常基于所谓的各向异性磁阻效应(AMR效应)或基于巨大的磁阻效应(GMR效应)。AMR效应改变铁磁材料的电阻，电流在所述铁磁材料中依赖于电流密度矢量和磁场矢量之间的角度而流动。GMR效应为量子力学效应，其同样引起铁磁结构的电阻的变化。AMR和GMR传感器已经取代了先前使用的所谓的场板(field plate)。场板为磁变电阻(magnetically variable resistance)，其中电阻的变化基于由洛伦兹力导致的电子在磁场中的路径长度的变化。DE3715698A1公开了具有三个场板的探头，该三个场板布置在外面的圆形环上，该圆形环与具有相反磁极的内部圆形环同中心。所述传感器组件显得非常紧凑。然而，由于使用的传感器以及由于地球磁场的影响，测量准确度可能非常受限制。
发明内容
与该背景相反的是，本发明的目的是提供上述类型的传感器组件，即使其面对诸如地球磁场变化之类的外界干扰，依然能非常准确地确定位置，并且其也可实现为非常紧凑的样式，尤其是作为3D传感器组件，即能够确定沿着三个正交测量轴的空间位置的传感器组件的形式。根据本发明的第一方面，该目的通过上述类型的传感器组件来实现，其中限定的测量轴相对于空间距离横向延伸，并且其中第一和第二磁场传感器的输出信号本质上表不在各个磁场传感器位置处的磁场方向。根据另一方面，该目的通过上述类型的方法来实现，其中限定的测量轴被选择为相对于空间距离是横向的，并且其中第一和第二磁场传感器的输出信号本质上表不在各个磁场传感器位置处的磁场方向。优选地，将传感器组件和方法用于坐标测量仪的探头中，以确定传感元件(触针)相对于探头的基体的偏斜。新颖的传感器组件使用至少两个磁场传感器，在该两个磁场传感器之间布置有用于产生限定的磁场的磁体。然而，与来自上述US4866854的传感器组件相比，测量轴不沿着在两个磁场传感器之间的连接线延伸，而是相对于连接线是横向的。在优选的实施例中，测量轴相对于两个磁场传感器之间的距离矢量正交地延伸。从而，磁体相对于两个磁场传感器之间的连接线横向地，并且优选地正交地移动。两个磁场传感器的每一个都检测实际的磁场方向，即在传感器位置处的磁场线的矢量方向。在优选的实施例中，磁场传感器的输出信号基本上独立于磁场强度的大小，即磁场传感器实际上仅评定磁场相对于传感器的方向。只要磁场强度是足够高的，以使传感器产生输出信号，则磁场强度的大小，即磁场在传感器位置处的磁场强度不重要。在优选的示例实施例中，磁场传感器为磁阻传感器，其基于AMR效应。在其他的示例实施例中，磁场传感器为GMR传感器。此外,原则上磁场传感器也可为其他的传感器,其中输出信号主要依赖于磁场方向，并且不会或仅在较小的程度上依赖于磁场强度。新颖的传感器组件使用传感器，该传感器至少检测共同的磁场中的磁场方向，其中双组件(dual assembly)的两个传感器位于磁体的相反侧上。这导致由于两个部分的相对移动造成的共同的磁场的方向变化表现为是相反的。因此能轻易地消除例如由地球磁场所导致的外界干扰。此外，传感器的输出信号对温度的变化非常不敏感，因为磁场方向相比例如磁体的磁场强度更加少地依赖于周围的温度。另外，借由至少一个磁体的几何尺寸和几何布置，可更加准确地确定和优化磁场线的路线(course)。如果在传感器附近区域内的磁场线具有相对强的曲率，则这是有利的，因为那时传感器非常敏感地对磁场的位移有反应。因此，针对高测量准确度，可非常简单地优化新颖的传感器组件，并且通过几何尺寸的改造，可在大规模生产中 非常好地保证高测量准确度。因此可非常便宜地实现新颖的传感器组件。 如在下面参考优选的示例实施例所进一步说明的，有利地，可将新颖的传感器组件实现为3D传感器组件，其中单个集成传感器组件能够确定两个部分的所有自由度上的相对彼此的移动。因此完全实现了上述目的。在本发明的优选改进中，传感器组件包括加法器，其将第一和第二磁场传感器的输出信号加起来，以提供共同的传感器信号。优选地，加法器进一步能够形成第一和第二磁场传感器的两个输出信号的平均值。从而，在本发明的优选实施例中，考虑相反的磁场方向，共同的传感器信号表示两个输出信号的平均值。在一些优选的示例实施例中，每一个传感器都提供至少一个输出信号，如果第一部分相对于第二部分的位置变化，则所述输出信号正弦地或余弦地变化。因为共同的磁场的磁场线在两个远的传感器处是相反的，所以加法器形成传感器信号，其针对在两个传感器处的未失真的、理想的对称磁场为零。与零的偏差是第一部分相对第二部分的偏斜的结果，或是对两个传感器之间的磁场的对称性的干扰的结果。如果先于测量，可能通过刻度来确定第一部分的静止位置，那么干扰可通过使用总和信号来探测，并且在确定位置的期间被消除。在一些示例实施例中，通过以硬件形式将输出信号直接并联接的方式，来实现加法器。在其他的示例实施例中，传感器组件包括可编程电路，例如微控制器、微处理器、ASIC或FPGA，其实现输出信号的相加和优选的平均值的形成。在本发明的进一步改进中，传感器组件包括减法器，其形成第一和第二磁场传感器的输出信号之间的差值，以提供共同的传感器信号。如果传感器组件包括加法器和减法器二者，以提供来自磁场传感器的两个输出信号的总和信号和差值信号，则是特别优选的。可从两个输出信号之间的差值来确定磁场相对于两个磁场传感器的旋转以及因此第一部分相对于第二部分的旋转。因此，该实施例使得能够提供共同的传感器信号，其表示另外的自由度。在优选的示例实施例中，并行传送加法器和减法器的两个输出信号，这使得能够非常快速地确定表示相对运动的两个不同的自由度的两个共同的传感器信号。在优选的示例改进中，传感器组件包括三对传感器，每一对具有两个磁场传感器，其中每一对传感器相对于不同的测量轴提供总和信号和差值信号。在这种传感器组件的情况下，可简单而快速地确定所有的六个自由度以及因此第一部分相对于第二部分的所谓的姿态。在进一步的改进中，每一个磁场传感器都具有电阻，该电阻依赖于磁场方向而变化。在所述改进中，磁场传感器为磁阻传感器，尤其是AMR传感器。此外，优选的是如果传感器张成共同的测量平面，与评定相 关的磁场线位于所述共同的测量平面中。所述改进使得能够实现非常平的且相应紧凑的新颖的传感器组件。在进一步的改进中，第一和第二磁场传感器的每一个都产生两个不同的模拟输出信号，每一个模拟输出信号都具有以正弦或余弦的方式依赖于在各个磁场传感器位置处的磁场方向的瞬时值。所述实施例的合适的磁场传感器具体为磁阻传感器，每一个在内部都包括两个电阻测量电桥，它们相对于彼此旋转45°。所述电阻测量电桥中的第一个提供第一模拟信号，其正弦地依赖于磁场在传感器位置处的方向。所述电阻测量电桥中的第二个提供第二模拟信号，其因为45°旋转而余弦地依赖于磁场在传感器位置处的方向。两个模拟信号一起使得能够准确确定传感器位置处的磁场方向。通过电连接旋转180°的第一传感器的正弦(或余弦)模拟信号和第二传感器的正弦(或余弦)模拟信号，以及因此在并行电路中组合模拟信号，使用这种磁场传感器使得能够非常快速地进行信号处理。通过两个传感器的正弦或余弦信号的电连接，非常简单以及快速地获得了表示磁场方向的两个共同的输出信号。因此通过信号处理，非常有效地补偿了磁场的干扰。在进一步的改进中，传感器组件包括至少四个磁场传感器，其形成了第一对和第二对，每一对都具有第一和第二磁场传感器，其中每一对都相对于至少两个相互正交的测量轴中的一个产生共同的传感器信号。优选地，传感器组件包括至少六个磁场传感器，其形成至少三个对，其中每一对针对三个正交测量轴的一个提供共同的传感器信号。在这种改进的情况下，提供了紧凑的2D或者甚至3D传感器组件，其针对多个空间方向提供位置信息。因此，这特别适合于确定触针相对于探头的基体的偏斜。在进一步的改进中，第二部分包括部件支撑件，所述对的磁场传感器一起布置在该部件支撑件上。在优选的示例实施例中，部件支撑件大致是圆盘形状的。特别地，部件支撑件为电路板，磁场传感器被永久地连接，例如焊接在该电路板上。有利的是，在电路板上布置有其他的电路元件，尤其是加法器和/或减法器，或温度传感器，所述温度传感器提供表示电路板的工作温度的温度信号。此外，如果部件支撑件由热稳定材料，例如陶瓷材料构成，及/或具有已知的热膨胀系数，则是优选的。在所述改进中，传感器组件为集成的传感器组件，其具有针对多个测量轴的传感器对。实施例使得能够实现非常紧凑的实施以及在探头中的低廉的装配。此外，将多个传感器对集成在部件支撑件上保证了在同样构造的多个传感器组件上的均匀的高测量准确度。此外，将温度传感器集成在部件支撑件上使得能够实现有利的温度补偿以及因此实现更高的测量准确度。在进一步的改进中，部件支撑件具有中心凹槽，其中布置有至少一个磁体。在所述改进中，对于集成的对的磁场传感器，传感器组件使用共同的磁场。这意味着单个磁场针对至少两个正交的测量轴提供位置信息。在优选的示例实施例中，传感器组件针对所有的测量轴以及因此针对所有的传感器对使用单个共同的磁场。所述改进对特别紧凑的结构有贡献。此外，所述改进使得能够针对所有的测量轴实现均匀的高测量准确度，因为共同的参考是针对所有的测量轴而评定的。在进一步的改进中，传感器组件包括多个磁体，其布置在凹槽中并产生共同的磁场。优选地，共同的磁场相对于至少两个测量轴是旋转对称的，即对于至少两个正交的测量轴，共同的磁场表现为是一样的。在特别优选的示例实施例中，传感器组件包括四个磁体，其布置为十字的形状。所述实施例使得能够实现具有共同的磁场的非常紧凑的设计，其针对所有的测量轴提供了高测量准确度。磁场的旋转对称性尤其有利于使用在坐标测量仪的探头中，因为它提供了在两个正交的测量轴上的基本上相同的测量准确度。有利地，所述两个轴相对于地球引力横向地布置，即它们形成测量平面，该测量平面通常指门架或桥式结构的坐标测量仪的x-y测量平面。在进一步的改进中，部件支撑件包括上侧和下侧，在上侧和下侧的每一个上都布置有第一和第二磁场传感器。优选地，上侧和下侧基本上彼此平行。在优选的示例实施例中，部件支撑件为在两个侧上装配有部件的电路板。所述改进使得能够实现具有磁场传感器的、紧凑的传感器组件，所述磁场传感器彼此在三个正交的空间方向上分开。在一个示例实施例中，部件支撑件的上侧和下侧相对于彼此以镜像形式装配有磁场传感器，使得形成了至少两对传感器，其中一对布置在上侧，一对布置在部件支撑件的下侧。从而，传感器对位于两个不同的测量平面上，在优选的示例实施例中，这被有利地用于检测部件支撑件相对于平行于测量平面的轴的倾斜。在其他的示例实施例中，上侧上的磁场传感器和下侧上的磁场传感器形成传感器对。实施例进一步使得选定的磁场传感器用于多于一对传感器。特别地，磁场传感器的输出信号可与相同侧上的另外的磁场传感器的输出信号组合一次，并且第二次与在相反侧上的磁场传感器的输出信号组合，使得在少量磁场传感器的情况下，传感器信号对于多个测量方向是可用的。在一些有利的示例实施例中，传感器组件包括可编程电路，其被设计为使传感器的数字的或数字化的输出信号以多种 限定的组合联系在一起。因此，在一个优选的情况下，可编程电路实现了监视和诊断功能，借助于交叉比较(cross-comparison),这使得能够监视选择的传感器对的测量不确定性和/或它们的适当操作。此外，如果磁场传感器的输出信号作为多个不同的传感器对而组合，则是有利的，因为以该方法可实现非常有效的、可行的比较。在进一步的改进中，传感器组件包括温度校正平台，其被设计为使用输出信号来确定第一部分相对于第二部分的热致位置变化。在所述改进中，仅使用磁场传感器的输出信号，有利地实现温度补偿。在一个示例实施例中，将磁场传感器在参考温度时的输出信号存储在传感器组件的存储器和/或坐标测量仪的存储器中。在测量之前，首先确定在第一和第二部分之间没有偏斜/位置变化情况下的磁场传感器的输出信号。输出信号相对于在参考温度时的输出信号的偏差使得能够在没有专门的温度传感器的情况下实现优选的温度补偿或在专门的温度传感器的基础上进一步实现优选的温度补偿。应该理解的是，上述特征和已经在下文中说明的特征不仅仅可用于各个规定的组合，也可用于其他组合或独立地被使用，而不偏离本发明的范围。
本发明的示例实施例被示于附图中，并在以下描述中被详细说明。附图中:图1示出了具有探头的坐标测量仪，其中使用了传感器组件的示例实施例；图2以部分截面图示出了来自图1的探头的机械结构；
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图3示出了新颖的传感器组件的示例实施例的示意图；图4示出了新颖的传感器组件的另外的示例实施例的示意图；图5示出了传感器组件的另外的示例实施例；图6示出了传感器组件的另外的示例实施例，其具有针对两个正交测量轴的两对传感器；图7示出了优选的示例实施例中的传感器组件的机械结构；图8示出了来自图7的传感器组件的共同的磁场的示意图；以及图9示出了根据替代示例实施例的、来自图7的传感器组件的共同的磁场。
具体实施例方式图1中，使用附图标记10整体上指示其中使用了新颖的传感器组件的坐标测量仪。尽管从现今的观点来看，在坐标测量技术中使用新颖的传感器组件是优选的，但是本发明不限于此。相反地，传感器组件也可有利地用于以高准确度确定第一部分相对于第二部分的位置的其它情况。坐标测量仪10包括基体12，其上布置有门架14。门架14可相对于基体12在第一空间方向上移动。一般，所述空间方向是指y轴。在门架14的上面的横梁上布置有滑动架16，其可相对于门架14在第二空间方向上移动。通常，滑动架16的运动轴是指X轴。在滑动架16上布置有套管轴18，其相对于滑动架可在第三空间方向上移动。通常，所述第三空间方向是指z轴。具有触针22的探头20布置在套管轴18的下面的自由端部。触针用于接触测量物体26上的测量点24，而测量物体26布置在基体12上。那么，检测的测量点24的空间位置可由探头20相对于坐标轴x，y，z的位置来确定。如果确定了测量物体26上的多个测量点24处的空间坐标，那么可确定测量物体26的几何尺寸和/或形状。这里,将坐标测量仪10示为具有可移动的门架的门架构造。对于坐标测量仪,也存在其他的设计，例如水平臂测量仪或其中基体12随着测量物体26移动的测量仪。应理解的是，在这种坐标测量仪的情况下，也可有利地使用新颖的传感器组件。使用附图标记28、30、32，指示用于坐标测量仪的运动轴的位置换能器(transducer)，其例如能包括增量式编码器或线刻度。使用位置换能器28、30、32，评定和控制单元34确定探头20在测量容积(volume)中的各个实际空间位置。此外，这里，评定和控制单元34控制门架14、滑动架16以及套管轴18的运动。从而，通过线36、38，将评定和控制单元34连接至位置换能器28、30、32，以及坐标测量仪10的驱动器(这里未示出)。使用附图标记40，指示控制部分，使用该控制部分，坐标测量仪10的操作员能够改变探头20的位置。在优选的示例实施例中，评定和控制单元34还包括键盘42和显示器44，以及处理器46和存储器48。例如，存储器48a可为用于测量值的易失性存储的工作存储器，而存储器48b包括用于测量物体26的控制和测量程序。图2示出了根据优选的示例实施例的探头20的机械结构。探头20包括圆柱形探头基体52，其形成固定的部分，相对于该基体，触针22可移动。应该理解的是，使用坐标测量仪10的驱动器，探头基体52本身可在测量容积中移动。探头20包括两个圆柱形外壳54、56，它们基本上共中心地布置在探头基体52中。圆柱形外壳54、56就其各自的圆柱形外壳内侧而言面朝彼此。圆柱形外壳56包括延伸臂57，其从外面围绕柱形外壳54。借由两个片簧58,将第一圆柱形外壳54固定至探头基体52的内侧。因为片簧58,探头基体52和圆柱形外壳54形成弹性平行四边形，其使得圆柱形外壳54能够相对于探头基体52在图2中由箭头61所指示的方向上的移动。在一些示例实施例中,所述运动方向61平行于坐标测量仪10的z轴。然而，也存在其中探头20可转动到图1示出的取向之外的情况，由此使得运动方向61不平行于坐标测量设备10的z轴。借由两个另外的片簧60，将第二圆柱形外壳56固定至第一圆柱形外壳54，并与圆柱形外壳54 —起形成第二弹性平行四边形。两个圆柱形外壳54、56与片簧58、60 —起形成双弹性平行四边形，其使得能够在箭头61的方向上线性运动。在优选的不例实施例中，每一个片簧58、60都包括与圆柱形外壳和探头的基体的三点连接。这意味着通过基本上单个连接点62而将片簧连接至一个圆柱形外壳，并且通过相当线性的连接64或包括多个连接点的连接64而将片簧连接至另一圆柱形外壳。所述三个点支撑减少了内应力。两个圆柱形外壳54、56支持着膜弹簧(membrane spring) 66,其基本上共中心地布置在探头基体52内。杆68与膜弹簧66相连并延伸通过片簧58、60中的凹槽70。杆68是触针22的延伸体和/或安装座。圆柱形外壳54、56，片簧58、60以及膜弹簧66 —起形成触针22的、具有在三个正交空间方向x，y，z上的自由度的支撑件72。这里，新颖的传感器组件的目的是检测触针22相对于探头基体52的各个位置。图3示出了新颖的传感器组件的示例实施例的简化的示意图。在图3中，附图标记74指的是产生磁场75的磁体。磁体74布置在 第一部分76上，第一部分76为支持盘形状的，这里尤其是基本圆形的支持盘。第二部分由附图标记78指示。第二部分78为框架，其布置为围绕第一部分76近似共中心。附图标记80、82指的是两个磁场传感器，其在优选的示例实施例中为磁阻AMR传感器。传感器80、82布置为彼此相隔距离84。磁体74布置在由传感器80、82之间的距离限定的间隔中。每一个传感器80、82都提供输出信号86或88,所述输出信号依赖于磁场线在各个传感器位置处的各个方向。在一个不例实施例中,传感器80、82为角度传感器，其提供输出信号尤其数字输出信号，该输出信号表示磁体74在各个传感器位置处的磁场方向。将输出信号86、88馈送至电路90，在该情况下，电路90包括加法器92。考虑两个输出信号86、88各自的符号,加法器92形成它们的总和信号。在一种情况下，总和信号可为绝对值的和。在所述情况下，有利的是，总和信号除以2，以获得共同的传感器信号94，其表示两个输出信号86、88的平均值。在其他情况下，使用正确的代数符号，形成总和信号，使得因为传感器信号的相反变化而实际上形成了差值。传感器信号94表示磁体74的位置，以及因此表示第一部分沿着测量轴96相对于第二部分的位置。如图3所示，测量轴96相对于传感器80、82之间的距离矢量84横向延伸，其中磁体74沿着测量轴96移动。如从磁场75的场线所看到的，如果发生磁体74沿着测量轴96的移动，那么传感器80、82检测到不同的磁场方向，其导致相应变化的传感器信号94。图4示出了新颖的传感器组件的优选的示例实施例。在该情况下，磁场传感器80、82包括电阻测量电桥83a、83b或85a、85b。各电阻测量电桥83a、83b或85a、85b形成分离的磁场传感器，其产生依赖于磁场方向的输出信号86a、86b、88a、88b。输出信号86a、88a为模拟输出信号，每一个都具有瞬时值89a，其正弦地依赖于电阻测量电桥83a、85a的位置处的磁场方向。输出信号86b、88b为模拟输出信号,每一个都具有余弦地依赖于电阻测量电桥83b、85b的位置处的磁场方向的瞬时值89b。将两个正弦输出信号86a、88a并行电连接。同样地，将两个余弦输出信号86b、88b并行电连接。图5示出了另外的示例实施例，其中除了加法器92之外，电路90还包括减法器98。减法器98形成两个输出信 号86、88的差值，并提供另外的共同的传感器信号100，因为差值的形成，该共同的传感器信号100表不第一部分相对于第二部分旋转了旋转角度102。如能从图5所看到的，旋转角度102位于由距离矢量84和测量轴96张成的平面中。换句话说，传感器信号100表不第一部分相对于第二部分相对于旋转轴104的旋转,旋转轴104垂直于由传感器80、82张成的测量平面。磁场75的场线也正好位于所述测量平面中。因此，在优选的示例实施例中，传感器信号94、100表示第一部分关于两个自由度(即沿着测量轴96的平移自由度和相对于旋转轴104的旋转自由度)相对于第二部分的实际位置。图6示出了来自图5的传感器组件的改良，其具有两对传感器80a、82a和80b、82b。传感器对80a、82a对应于来自图3至5的传感器对80、82。另外的传感器对80b、82b布置在传感器80a、82a的测量平面中，并相对于传感器对80a、82a旋转了 90°。因此，另外的传感器对80b、82b提供沿着另外的测量轴96b的共同的传感器信号，该测量轴96b在该情况下与第一测量轴96a正交。图7示出了传感器组件的优选示例实施例，在该情况下，传感器组件整体上由附图标记Iio指示。传感器组件110包括近似圆形的圆盘状的部件支撑件112，其布置在另外的支撑件114上方。部件支撑件112具有上侧116和下侧118。四个磁场传感器80a、82a、80b、82b布置在上侧116上,并在上侧116上张成共同的测量平面。各磁场传感器80a、82a和80b、82b在部件支撑件112的外部边缘处位于彼此相隔距离84 (参考图5)的地方，并形成磁场传感器对。这里，传感器组件110进一步包括第三对传感器，然而，从图7中仅能看到第三对传感器的一个磁场传感器80c。另外的传感器82c布置在图7中的传感器组件110的远后侧上。如能从磁场传感器80c所看到的，传感器80c、82c布置在保持器120上，与传感器80a、82a、80b、82b的测量平面垂直，其中保持器120被固定至部件支撑件112上。传感器80c、82c的磁活性表面(magnetically active surface)基本上与上侧116垂直。因此,传感器80c、82c最佳取向为检测部件支撑件112在垂直于上侧116的方向上相对于其他的支撑件114的运动。在其中传感器组件110用于图2示出的类型的探头的优选的示例实施例中，传感器80c、82c形成共同的传感器信号,其表不触针22在z方向上的偏斜,而两个传感器对80a、82a和80b、82b的每一个提供表不在x或y方向上的偏斜的传感器信号。使用各自为矩形的四个磁体74a、74b、74c、74d，为传感器组件110产生传感器对80a、82a、80b、82b、80c、82c的共同的磁场。每两个磁体74a、74c或74b、74d在其窄侧处是相对的。磁体74a、74b、74c、74d在上侧116上的俯视图中形成十字。在优选的示例实施例中，各磁体74的北-南轴122平行于由部件支撑件112的上侧116上的传感器80a、82a、80b、82b张成的测量平面。在沿表面116旋转期间，根据相对的是相同的还是不同的磁极，在每种情况下产生的不同的共同磁场。图8以在上侧116上的俯视图示出了传感器组件110的共同的磁场124，其中磁体74的北极和南极在圆周方向上交替，即在每种情况下北和南极沿着表面116都面朝彼此。相反，图9示出了传感器组件110的共同的磁场126，其中相同的磁极沿着上侧116面朝彼此。在这两种情况下，共同的磁场结果是关于垂直于上侧116的虚拟旋转轴旋转对称的。因此，每个共同的磁场124、126都最适合于确定触针在两个正交的空间方向上的偏斜，该两个正交的空间方向二者都有利地垂直于地球引力(并且因此一般表示触针运动的X和y轴)。两个磁场变量在磁场传感器80a、80b、82a、82b的区域中都具有非常强地弯曲的路线，这使得能够以高准确度来 确定位置。如在图7中所看到的，部件支撑件112包括中心的、基本上十字形的凹槽128，其中布置有十字形布置的磁体74a、74b、74c、74d。磁体被固定在另一支撑件114上并可随其作为整体相对于部件支撑件112移动。在示例实施例中，另外的支撑件114可通过磁体74而被固定在杆68上(参考图2)，而部件支撑件116被耦接至探头基体52上。如果发生触针22相对于探头的基体的偏斜，则共同的磁场124或126相对于传感器对的位置发生变化。借助于传感器对，可在三个空间方向上确定磁场的各个实际位置以及因此触针22的实际位置。在图7所示的示例实施例的变形中，部件支撑件112在上侧116以及也在下侧118上与传感器对80a、82a和80b、82b (这里未示出)相配。在所述变形中，将部件支撑件112的厚度d选择为具有一定大小,使得在上侧116上的传感器对和在下侧118上的传感器对形成两个相互平行的、但是彼此分离距离d的测量平面，其中距离d足够高，使得可使用来自平行的测量平面的传感器信号来确定部件支撑件112相对于X轴和y轴的倾斜。这种情况下，X轴和y轴平行于两个测量平面延伸。借助于根据图5的减法器95，可有利地确定部件支撑件112绕z轴的旋转。
在所有的优选示例实施例中，部件支撑件112由热稳定材料，即具有低热膨胀系数的材料构成。在一些示例实施例中，温度传感器130布置在部件支撑件112上。使用温度传感器130，坐标测量仪10的评定和控制单元34或传感器组件110中的信号处理单元可利用已知的温度系数，通过校正部件支撑件112相对于磁场124、126的热致位置变化来实现温度补偿。在其他的示例实施例中，可实现没有温度传感器126的传感器组件110，因为传感器对的共同的传感器信号94是在参考温度下被确定的，并且作为参考值被提供在评定单元的存储器中。在执行实际测量之前，当部件支撑件112处在其静止位置上时，评定单元首先确定传感器对的共同的传感器信号。从实际确定的传感器信号和参考温度时的传感器信号的差值来确定温度补偿的校正值。在一些示例实施例中，所述温度补偿发生在坐标测量仪10的评定和控制单元34中。从而，评定单元34包括温度校正平台。在其他的示例实施例中，可将温度校正 平台集成在部件支撑件112上。
权利要求
1.一种用于确定第一部分(76 ；114)相对于第二部分(78 ；112)的空间位置的传感器组件，包括至少一个磁体(74),该磁体布置在所述第一部分(76 ；114)上并产生磁场(75 ；124 ; 126)，该磁场延伸至所述第二部分(78 ; 112)，并且该传感器组件包括第一磁场传感器和第二磁场传感器(80、82)，它们在所述第二部分(78 ；112)上布置为彼此相隔空间距离(84),并且每一个磁场传感器产生依赖于所述磁场(75;124;126)的输出信号(86、88),其中所述至少一个磁体(74)位于由所述第一和第二磁场传感器(80、82)之间的所述空间距离(84)限定的间隔中，并且其中所述第一和第二磁场传感器(80、82)的所述输出信号(86、88)组合，以形成共同的传感器信号(94、100)，所述共同的传感器信号依赖于所述第一部分(76 ；114)沿着限定的测量轴(96)相对于所述第二部分(78 ；112)的空间位置，所述传感器组件的特征在于: 所述限定的测量轴(96)相对于所述空间距离(84)横向延伸，并且所述第一和第二磁场传感器(80、82)的所述输出信号(86、88)本质上表不在各个磁场传感器(80、82)的位置处的磁场方向。
2.根据权利要求1的传感器组件，其特征在于加法器(92)，该加法器将所述第一和第二磁场传感器(80、82)的所述输出信号(86、88)加起来，以提供所述共同的传感器信号(94)。
3.根据权利要求1或2的传感器组件，其特征在于减法器(98)，该减法器形成所述第一和第二磁场传感器(80、82)的所述输出信号(86、88)之间的差值，以提供所述共同的传感器信号(100)。
4.根据权利要求1至3中的一项的传感器组件，其特征在于，每一个所述磁场传感器(80.82)包括电阻，该电阻的变化依赖于所述磁场方向。
5.根据权利要求1至4中的一项的传感器组件，其特征在于，所述第一和第二磁场传感器(80、82)各自产生两个不同的模拟输出信号(86a、86b、88a、88b),每一个模拟输出信号都具有瞬时值，所述瞬时值正弦地或余弦地依赖于在各个磁场传感器(80、82)的位置处的磁场方向。
6.根据权利要求1至5中的一项的传感器组件，其特征在于至少四个磁场传感器(80a、80b、82a、82b),该四个磁场传感器形成第一对和第二对，每一对都具有第一和第二磁场传感器，其中每一对都关于至少两个相互正交的测量轴(96a、96b)中的一个产生共同的传感器信号(94、100)。
7.根据权利要求6的传感器组件，其特征在于，所述第二部分包括部件支撑件(112)，所述对的所述磁场传感器(80、82)共同布置在所述部件支撑件上。
8.根据权利要求7的传感器组件，其特征在于，所述部件支撑件(112)包括中心凹槽(124)，其中布置有所述至少一个磁体(74)。
9.根据权利要求8的传感器组件，其特征在于多个磁体(74a、74b、74c、74d)，该多个磁体布置在所述凹槽(124)中，并产生共同的磁场(124;126)。
10.根据权利要求7至9中的一项的传感器组件，其特征在于，所述部件支撑件(112)包括上侧(116)和下侧(118),在上侧和下侧的每一个上都布置有第一和第二磁场传感器(80.82)。
11.根据权利要求1至10中的一项的传感器组件，其特征在于温度校正平台(34)，其被设计为由所述输出信号(86、88)确定所述第一部分(76 ；114)相对于所述第二部分(78 ；112)的热致位置变化。
12.一种用于坐标测量仪的探头，包括探头基体(52)和传感元件(22)，该探头被可移动地安装在所述探头基体(52)上，并包括根据权利要求1至10中的任一项的传感器组件(110)，用于确定所述传感元件(22)相对于所述探头基体(52)的实际位置。
13.一种用于确定第一部分(76 ；114)相对于第二部分(78 ；112)的空间位置的方法，所述方法包括以下步骤: -将至少一个磁体(74)布置在所述第一部分(76 ；114)上，使得所述磁体(74)产生延伸至所述第二部分(78 ；112)的磁场(75 ；124 ；126)； -将彼此相隔空间距离(84)的第一和第二磁场传感器(80、82)布置在所述第二部分(78 ；112)上,其中，所述至少一个磁体(74)位于由所述第一和第二磁场传感器(80、82)之间的所述空间距离(84)限定的间隔中； -接收来自所述第一磁场传感器(80)的第一输出信号(86)，并且接收来自所述第二磁场传感器(82)的第二输出信号(88),其中所述第一和第二输出信号(86、88)依赖于各个磁场传感器(80、82)在所述磁场(75 ；124 ；126)中的传感器位置；以及 -通过组合所述第一和第二磁场传感器(80、82)的所述输出信号(86、88)，以形成共同的传感器信号(94)，来确定共同的传感器信号(94)，所述共同的传感器信号依赖于所述第一部分(76 ；114)沿着限定的测量轴(96)相对于所述第二部分(78 ；112)的空间位置；所述方法的特征在于: 将所述限定的测量轴(96)选择为相对于所述空间距离(84)是横向的，并且所述第一和第二磁场传感器(80、82)的所述输出信号(86、88)本质上表不在各个磁场传感器(80、82)的位置处的磁场方向。
全文摘要
本发明涉及确定第一部分(114)相对第二部分(112)的空间位置的传感器组件，其包括布置在第一部分(114)上的至少一磁体(74)。磁体(74)产生延伸至第二部分(112)的磁场。传感器组件还包括第二部分(114)上布置为彼此相隔空间距离(84)的第一和第二磁场传感器(80、82)。至少一个磁体(74)位于磁场传感器(80、82)之间的空间距离中。每个磁场传感器(80、82)产生依赖磁场的输出信号。两磁场传感器(80、82)的输出信号组合以形成依赖第一部分(114)沿限定的测量轴(96)相对第二部分(112)的空间位置的共同传感器信号。限定的测量轴(96)相对空间距离横向延伸且第一和第二磁场传感器(80、82)的输出信号本质上表示各磁场传感器(80、82)处的磁场方向。
文档编号G01B7/012GK103229024SQ201180049003
公开日2013年7月31日 申请日期2011年8月4日 优先权日2010年8月10日
发明者T.恩格尔, U.洛雷特 申请人:卡尔蔡司工业测量技术有限公司, 感应技术有限责任公司