Hochpräzise, robuste codierte magnetische Messsysteme auf der Basis von magnetischen Starkfeldsensoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Marc Christopher Wurz
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 539322758

Magnetisch codierte Messsysteme zur Erfassung von Position, Winkel, oder Lage sind inzwischen in zahlreichen Industrien nicht mehr wegzudenken. Bei Werkzeugmaschinen sowie Maschinen in der Halbleiterfertigung haben sich diese Systeme gegenüber Messsystemen auf optischer oder induktiver Basis in zahlreichen Teilbereichen behauptet. Die Messsysteme bestehen aus einem Sensorkopf in Kombination mit einer ebenen oder rotatorischen Maßverkörperung aus einem magnetischen Werkstoff. Auf der Maßverkörperung wird ein magnetisches Polmuster codiert, um sowohl inkrementelle als auch absolute Weg- oder Winkelmessung zu ermöglichen. Die Anforderungen an höhere Robustheit und hohe Genauigkeit bei entsprechender Wirtschaftlichkeit ist mit der aktuellen Generation von Maßverkörperungen auf Basis von polymergebundenen Magneten oder Sintermagneten nicht realisierbar. In diesem Transferprojekt sollen die Vorerfahrungen der DFG-Projekte „MagDat“ zusammengeführt werden mit dem Potenzial gasfluss-gesputterter Hartmagnetschichten aus SmCo. Das vom Fraunhofer IST patentierte Abscheideverfahren ermöglicht die Herstellung robuster Magnetschichten mit reproduzierbar guten magnetischen Eigenschaften. Diese Schichten bieten eine hohe Messgenauigkeit bei gleichzeitig hoher mechanischer, chemischer und thermischer Robustheit. Allerdings konnte für die bisherigen SmCo-Sputterschichten nur eine Streufeldstärke von 5 kA/m erreicht werden, was sie derzeit auf den „Schwachfeld-Betrieb“ begrenzt. Dieser Betrieb ist zwar für Messsysteme mit sehr hohen Genauigkeitsanforderungen gut geeignet, aber extrem anfällig gegenüber Variationen des Sensorabstands zur Oberfläche. Daher werden Schwachfeld-Sensorsysteme in hochpräzisen und hochpreisigen Maschinen eingesetzt. Eine signifikante Erhöhung der Streufeldstärke bei den magnetischen Schichten würde dagegen den Sensorbetrieb im „Starkfeld“ ermöglichen. Hier ist der Sensor gesättigt und gegenüber Abstandsvariationen deutlich weniger anfällig. So könnten in Zukunft auch günstigere Maschinen von der Robustheit der magnetischen Messsysteme profitieren, bei gleichzeitig hoher Genauigkeit. Generelles Ziel des Vorhabens ist es daher, ein mechanisch und thermisch robustes magnetisches Messsystem zu entwickeln, das den Starkfeld-Betrieb ermöglicht. Konkret erfordert dies eine Codierung auf der Maßverkörperung, die in einem Sensorabstand von >250 µm bei einer Polteilung von 0,5 mm ein Streufeld von >25kA/m erzeugt. Hierzu werden erstens die abgeschiedenen Schichten durch Variation der Abscheideparameter hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften optimiert. Zweitens werden unterschiedliche Verfahren der Nachbehandlung der Dünnschichten eingesetzt mit dem Ziel, ein für die Magnetisierung vorteilhaftes Gefüge zu erzeugen. Darüber hinaus wird der Magnetisiervorgang selbst optimiert. Hierfür werden leistungsfähige, anwendungsspezifische Schreibköpfe entwickelt und der Einsatz verschiedener u.a. auch thermisch unterstützter Codierstrategien analysiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: ITK Dr. Kassen GmbH
• Kooperationspartner: Dr. Ralf Bandorf