DE102016206782A1

DE102016206782A1 - Messanordnung zur kontaktlosen Messung einer Relativbewegung oder einer Relativposition und Verfahren

Info

Publication number: DE102016206782A1
Application number: DE102016206782.6A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Hoenicka; Günter Schallmoser; Josef Hackl; Martin Wasmeier
Original assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2016-04-21
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2017-10-26
Also published as: WO2017182040A1

Abstract

Eine Messanordnung dient zur kontaktlosen Messung einer Relativbewegung oder einer Relativposition eines ersten Objekts gegenüber einem zweiten Objekt. Die Messanordnung umfasst mindestens eine an dem ersten Objekt angeordnete Sendespule und mindestens zwei an dem zweiten Objekt angeordnete Empfangsspulen (A, B), wobei die Sendespule durch ein Erregungswechselsignal angeregt wird, wobei die Empfangsspulen eine Messgröße erfassen, die zu einer ersten Relativbewegung oder Relativposition proportional ist, und wobei an dem zweiten Objekt wenigstens eine weitere Empfangsspule (C) angeordnet ist, die eine zweite Messgröße erfasst, die zu einer zweiten Relativbewegung oder Relativposition proportional ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren, welches die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zur kontaktlosen Messung einer Relativbewegung oder einer Relativposition eines ersten Objekts gegenüber einem zweiten Objekt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren, welches die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt.
Es gibt zahlreiche Messaufgaben in Forschung, Entwicklung und in der Industrie, wo die relative Position von zwei Objekten zueinander gemessen wird. Dafür werden meist Abstands- oder Positionssensoren verwendet. In der Halbleiterindustrie werden beispielweise in Produktionsanlagen für Halbleiter Positionen von Spiegeln, Masken, Haltern oder anderen Maschinenteilen zueinander sehr exakt erfasst, damit aufgrund der immer kleiner werdenden Strukturgrößen eine korrekte Belichtung stattfindet. Auch in vielen anderen industriellen Anwendungen kommt es immer mehr darauf an, die relative Position von Maschinen- oder Anlagen-Komponenten exakt zu bestimmen, um regelnd eingreifen zu können.
Eine andere Anwendung betrifft die moderne Großteleskopie für die Astronomie. Die Hauptspiegel von Großteleskopen bestehen aus einer Vielzahl von Spiegelsegmenten, meist in hexagonaler Anordnung. Diese Segmente müssen exakt zueinander ausgerichtet werden, damit die gewünschte Kontur der Gesamt-Spiegelfläche (GRoC = General Radius of Curvature) erzielt wird. Zur genauen Positionierung der Segmente sind Wegsensoren erforderlich, die die relative Position von zwei Segmenten zueinander erfassen. Wenn die Segmente sechseckig sind, gibt es für jeweils zwei benachbarte Segmente eine Kante, deren Position relativ zueinander zu erfassen ist. Pro Messstelle sind bis zu sechs Messgrößen erforderlich, wobei die drei verschiedenen Verkippungsarten (Dihedral, Twist und Clock) meist eine nur untergeordnete Rolle spielen. Häufig ist der gegenseitige Abstand (Gap), die seitliche Verschiebung in der Spiegelebene (Shear) und die seitliche Verschiebung (Piston) aus der Spiegelebene zu ermitteln. Den größten Einfluss auf die Abweichung von der idealen Spiegelform liefert dabei der Piston, an dessen Messung daher die höchsten Anforderungen für die Genauigkeit gestellt werden.
Für den Einsatz bei Großteleskopen gibt es bereits eine Vielzahl von Sensorlösungen. Neben kapazitiven Sensoren werden meist induktive Sensoren eingesetzt, da diese die geringste Störempfindlichkeit, beispielsweise für Feuchte, aufweisen.
In US 4,825,062 A werden induktive Sensoren beschrieben. Zwei Sendespulen in Halbbrückenanordnung werden mit hochfrequenter Wechselspannung gespeist. In Empfangsspulen, die mittels eines Kondensators nahe der Resonanzfrequenz abgestimmt sind, werden Ströme induziert, die zu einer Bedämpfung der Sendespulen führen. Die Bedämpfung ändert sich mit der relativen Position, die somit gemessen werden kann. Die Empfangsspulen sind mit keinerlei Auswerteelektronik verbunden und wirken wie ein aktives Target.
Eine Weiterentwicklung dieses Prinzips ist in EP 1 904 806 B1 offenbart. Es handelt sich dabei um ein transformatorisches Prinzip. Zur präzisen Erfassung des Abstandes (Gap) oder der Verschiebung (Piston) von zwei Spiegelsegmenten zueinander wird ein transformatorischer Sensor (induktives Prinzip) verwendet. Hierfür wird eine erste, in Frequenz und Spannung konstant gespeiste Spule (Sendespule) auf einem Segment befestigt. Eine zweite Spule (Empfangsspule) wird der Sendespule gegenüber auf dem zweiten, gegenüberliegenden Segment befestigt. Durch die induktive Kopplung wird in der Empfangsspule eine Wechselspannung v_a induziert, welche proportional zum Abstand oder zur Verschiebung zur Sendespule ist. Dieses Signal wird mit einer passenden Schaltung ausgewertet.
Damit der Abstand und die Verschiebung gleichzeitig ausgewertet werden können, werden zwei getrennte Spulen auf der Empfangsseite platziert. Es werden dann in den Spulen zwei Wechselspannungen v_a und v_b induziert, die unabhängig voneinander sind und für die Auswertung der Messgrößen Abstand und Verschiebung miteinander kombiniert werden. Durch die Auswertung der Summe der Signale (A + B) kann der Abstand unabhängig von der Verschiebung ausgewertet werden. Die Differenz (A – B) beider Spulen stellt die Verschiebung abstandsabhängig dar. Bildet man den Quotienten von Differenz durch Summe ((A – B)/(A + B)) kann die Verschiebung unabhängig vom Abstand ermittelt werden.
Die Anordnung, wonach mit nur zwei Empfangsspulen zwei unabhängige Messgrößen erfasst werden können, ist jedoch nachteilig, wenn sich die Messgrößen stark unterscheiden. Üblicherweise werden in der modernen Messtechnik Messsignale digitalisiert, um dann mit Microcontrollern oder Computern weiterverarbeitet zu werden. Die zur Digitalisierung verwendeten AD-Wandler haben einen begrenzten, definierten Eingangsbereich, beispielsweise 0,5...4,5 V. Analoge Signale müssen also an den Eingangsbereich durch geeignete Verstärkerschaltungen so angepasst werden, dass der volle Digitalisierungsbereich bestmöglich genutzt wird. Jeder Verstärker erzeugt jedoch ein Rauschen, so dass eine möglichst niedrige Verstärkung wünschenswert ist, oder dass bereits das Primärsignal den Eingangsbereich möglichst abdeckt.
Da bei den Anwendungen an Spiegelteleskopen die Out-of-plane-Verschiebung (Piston) die Messgröße mit den höchsten Anforderungen an die Auflösung darstellt, sollte das Signal A – B in einem für die AD-Wandlung idealem Spannungsbereich liegen. Die Spulenanordnung wird also so auszulegen sein, dass bereits das Primärsignal weitgehend den Eingangsbereich des AD-Wandlers ausschöpft. Allerdings wird gleichzeitig das Signal A + B für den Abstand (Gap) erfasst. Eine gleichzeitige optimale Anpassung ist dabei nicht möglich, weshalb ein Kompromiss gefunden werden muss. Dieser Zielkonflikt führt dazu, dass eine optimale Messung beider Messgrößen nicht möglich ist.
Im Lichte der voranstehenden Ausführungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung und ein Verfahren zur Nutzung der Messanordnung anzugeben, bei der/dem die zuvor aufgezeigten Nachteile zumindest weitestgehend eliminiert sind. Es soll eine präzise Messung von mindestens zwei Messgrößen unabhängig voneinander möglich sein, vorzugsweise bei einfachster Konstruktion der Anordnung.
Voranstehende Aufgabe ist in Bezug auf die Messanordnung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Messanordnung mit mindestens einer an dem ersten Objekt angeordneten Sendespule und mindestens zwei an dem zweiten Objekt angeordneten Empfangsspulen ausgestattet ist, wobei die Sendespule durch ein Erregungswechselsignal angeregt wird, wobei die Empfangsspulen eine Messgröße erfassen, die zu einer ersten Relativbewegung oder Relativposition proportional ist, und wobei an dem zweiten Objekt wenigstens eine weitere Empfangsspule angeordnet ist, die eine zweite Messgröße erfasst, die zu einer zweiten Relativbewegung oder Relativposition proportional ist.
In Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren ist die zugrundeliegende Aufgabe durch die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 15 gelöst, wobei das Verfahren die erfindungsgemäße Messanordnung nutzt.
Damit kein Kompromiss bei der Gestaltung des Empfangsspulenpaares hinsichtlich Abstandsmessung oder Verschiebungsmessung nötig ist, kann das Empfangsspulenpaar um mindestens eine weitere Spule 6 erweitert werden. Dadurch können zwei Empfangsspulen (A und B) so gestaltet und positioniert werden, dass sie optimal für die Messung der Verschiebung (Piston) geeignet sind. Die zusätzliche dritte Spule C wird zur Abstandsmessung verwendet. Da die Messung der seitlichen Verschiebung auch eine Abstandsabhängigkeit aufweisen kann, wird das Signal für die Verschiebung mit einer Funktion f des Abstandes korrigiert, im Allgemeinen also P = (A – B)·f(C). In der einfachsten Ausprägung ist die Funktion die Umkehrfunktion f(C) = 1/C. Die Funktion f kann aber auch eine Funktion höherer Ordnung sein, beispielsweise ein Polynom. In der einfachsten Ausführung für zwei Messgrößen (Abstand und Verschiebung) werden also drei Empfangsspulen von einer Sendespule gespeist. Die Empfangsspulen werden so angeordnet, dass für jede Messgröße der jeweils optimale Signalpegel erreicht wird.
Durch Hinzunahme einer weiteren Empfangsspule D wird eine Symmetrisierung erreicht mit einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit. Das weitere Spulenpaar (C und D) wird dann hinsichtlich der Abstandsmessung optimiert. Somit ergibt sich für die abstandsunabhängige Messung der Verschiebung der Zusammenhang: P = (A – B)·f(C, D). Die Funktion hängt bei gegebener Anordnung der Spulen nur von der Summe der beiden Signale der Empfangsspulen ab, also P = (A – B)·f(C + D).
Die Empfangsspulen können relativ zu der Sendespule parallel angeordnet sein. Parallel bedeutet, dass die Spulenachsen parallel ausgerichtet sind. Damit wird die höchste induktive Kopplung zwischen den Spulen und damit der größte Signalhub erzielt. Die Spulen können dabei je nach Anforderung als planare Spulen oder gewickelte Spulen ausgeführt sein. Die Fläche der Spulen oder die Windungszahl können dabei an die jeweilige Messanordnung angepasst werden.
Es kann eine weitere Sendespule vorgesehen sein, so dass die erste Sendespule die beiden Empfangsspulen A, B speist und die zweite Sendespule die Empfangsspule C bzw. C und D speist. Damit gewinnt man zusätzliche Freiheitsgrade in der Anordnung der Spulen. Die zweite Sendespule kann auch mit einer anderen Frequenz und/oder Spannung gespeist werden. Damit sind die beiden Signalpfade für den Abstand und die Verschiebung voneinander getrennt, so dass keine gegenseitige Beeinflussung stattfindet.
Die Empfangsspulen können auch in rechtwinkliger Anordnung zur Sendespule ausgerichtet sein. Rechtwinklig bedeutet, dass die Spulenachsen im rechten Winkel zueinander stehen, bzw. die Projektion der Spulenachsen rechtwinklig zueinander steht.
Es ist auch eine gemischte Anordnung der Empfangsspulen relativ zur Sendespule denkbar: Beispielsweise können zwei Empfangsspulen A und B senkrecht zur Sendespule angeordnet sein, während mindestens eine weitere Empfangsspule C parallel ausgerichtet ist, oder die beiden Empfangsspulen A und B sind parallel zur Sendespule, mindestens eine weitere Empfangsspule C senkrecht dazu, angeordnet.
Wenn die ersten beiden Empfangsspulen A und B senkrecht zur Sendespule und parallel zueinander angeordnet sind, könnte die dritte oder vierte Empfangsspule C und D konzentrisch um die beiden ersten Empfangsspulen herum angeordnet sein. Dadurch ist eine sehr kompakte Bauweise auf der Empfangsseite möglich.
Die Spulen können in herkömmlicher Form als gewickelte Spulen, beispielsweise mit Kupferdraht oder Silberdraht, gewickelt sein, sei es als Luftspulen, auf einen Wickelkörper gewickelt, oder mit einem Spulenkern aus ferritischem Material versehen. Besondere Freiheitsgrade bei der Spulengeometrie können erreicht werden, wenn die Spulen in Form planarer Spulen auf oder in einem mehrlagigen Substrat angeordnet sind. Es kann für jede Spule ein eigenes Substrat verwendet werden. Dadurch kann die Fertigung vereinfacht werden, weil für eine Vielzahl von Spulen Gleichteile nutzbar sind. Es können aber auch mehrere Spulen in ein Substrat integriert sein. Dies gilt sowohl für Sende- als auch Empfangsspulen.
Durch das Layout der Leiterbahnen, aus denen die Spulen gebildet sind, sowie mit Hilfe von geeigneten Durchkontaktierungen, können beliebige Spulenanordnungen erreicht werden, beispielsweise ineinander verflochtene Spulen. Es kann bei einer mehrlagigen Anordnung der Spulen in einer Leiterplatte pro Layer jeweils abwechselnd ein Layer für eine Spule, dann ein Layer für eine weitere Spule verwendet werden. Es ist auch denkbar, die Spulen innerhalb einer Lage ineinander zu verflechten, indem die Leiterbahnen für beide Spulen nebeneinander angeordnet sind, also im Wesentlichen parallel verlaufen. Durch diese Anordnungen wird erreicht, dass zwei unterschiedliche Spulen quasi vom gleichen magnetischen Fluss durchströmt werden.
Besonders vorteilhaft ist die Anordnung der Spulen in einem Keramiksubstrat, beispielsweise in LTCC-Technologie (Low Temperature Co-fired Ceramic). Die Spulen bilden zusammen mit der Keramik eine feste, stabile Einheit. Durch den geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik sind die Spulen sehr temperaturstabil und damit prädestiniert für höchstauflösende, langzeitstabile Messungen. Ein weiterer Vorteil der Keramik ist deren mechanische Robustheit und Unempfindlichkeit gegenüber Feuchte. Besonders vorteilhaft ist, wenn zwei oder mehrere Spulen in einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Damit ist die relative Position der Spulen zueinander festgelegt. Aufgrund des geringen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik bleibt die relative Position auch bei Temperaturänderungen stabil.
Die bisherigen Ausführungen beschreiben Spulenanordnungen für die Messung von zwei Größen, beispielsweise Gap und Piston. Wird eine weitere Messgröße benötigt, kann die Anordnung sehr einfach um zusätzliche Spulen erweitert werden. Wenn beispielsweise zusätzlich noch der Shear gemessen werden sollte, wird ein weiteres Spulenpaar A‘‘ und B‘‘ hinzugefügt, analog zum Piston, jedoch um 90 Grad verdreht. Die Anregung kann einfach durch eine verlängerte Sendespule erreicht werden, oder durch eine zweite Sendespule. Auch hier kann zusätzlich noch der Abstand Gap durch Hinzufügen mindestens einer weiteren Empfangsspule gemessen werden. Durch die zusätzliche Messung des Gap an einer anderen Stelle kann auch eine Verkippung bestimmt werden, oder es wird eine Mittelung über beide Werte durchgeführt, oder eine Plausibilitätsabfrage.
Die Kombination von verschiedenen Empfangsspulen bietet vielfältige Möglichkeiten, auch komplexe Messaufgaben zu lösen.
Die Signale A – B und C + D können mittels eines AD-Wandlers digitalisiert werden. Idealerweise sind die Spulenparameter (Durchmesser, bzw. Abmessung, Anzahl der Lagen, Dicke der Leiterbahn etc.) sowie die Ansteuerparameter (Frequenz, Amplitude der Wechselspannung) bereits so aufeinander abgestimmt, dass der Eingangsbereich des AD-Wandlers bestmöglich ausgenutzt wird. Beispielsweise kann bei gegebener Amplitude der Wechselspannung, mit der die Sendespule gespeist wird, durch die Abmessungen und Anzahl der Lagen der Bereich der in den Empfangsspulen induzierten Wechselspannung derart festgelegt werden, dass nur noch eine einfache Gleichrichtung erforderlich ist, bevor das Signal im AD-Wandler gewandelt wird. Alternativ kann auch bereits ohne Gleichrichtung eine phasensynchrone Abtastung erfolgen. Ist die optimale Anpassung aufgrund der Randbedingungen nicht möglich, kann jeder Signalpfad durch geeignete Verstärkerschaltungen an den Eingangsbereich des AD-Wandlers angepasst werden. Die Weiterverarbeitung der digitalisierten Signale erfolgt in einem Rechner, beispielsweise in einem Microcontroller, der die Funktion f berechnet und das Ergebnis, z.B. für P liefert.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 in einer schematischen Darstellung eine Messanordnung gemäß Stand der Technik,
2 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit gewickelten Spulen
3 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit gewickelten Spulen,
4 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit gewickelten Spulen,
5 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit gewickelten Spulen,
6 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen,
7 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen,
8 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen,
9 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen,
10 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen,
11 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen,
12 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen, wobei die Messanordnung zur Ermittlung von mindestens drei Messgrößen dient, und
13 in einer schematischen Darstellung, geschnitten, die Anordnung von zwei Empfangsspulen in planarer Ausgestaltung, integriert in einem gemeinsamen Substrat.
1 zeigt den Stand der Technik. Die Messanordnung 1 dient zur Bestimmung der Position von einem ersten Objekt 2 relativ zu einem zweiten Objekt 3 mittels einer Sendespule S (4) und zwei Empfangsspulen A und B (5‘, 5‘‘). Die Sendespule 4 wird mit Wechselspannung gespeist und induziert in den Empfangsspulen 5‘, 5‘‘ jeweils eine Wechselspannung v_a und v_b. Mit dieser Anordnung kann der gegenseitige Abstand x und die relative Verschiebung y der beiden Objekte 2, 3 gemessen werden. Die Spulen sind nur schematisch als Ersatzschaltbild gezeigt. Die Darstellung soll nicht als konkrete Darstellung von Spulenwicklungen verstanden werden. Entscheidend ist, dass durch die tatsächliche Anordnung die wechselseitige Induktion gewährleistet ist.
2 zeigt eine erste beispielhafte Anordnung der Erfindung. Zusätzlich zu den beiden Empfangsspulen 5‘, 5‘‘ ist eine weitere Empfangsspule C (6) auf dem zweiten Objekt 3 angeordnet. In der Empfangsspule 6 wird die Wechselspannung v_c induziert. Mit der dritten Empfangsspule C kann der Abstand x der beiden Objekte 2, 3 gemessen werden. Die Verschiebung y wird mit den ersten beiden Empfangsspulen 5‘, 5‘‘ gemessen. Auch hier ist die Gestaltung und Anordnung der Spulen nur schematisch zu verstehen.
3 zeigt eine Anordnung mit Empfangsspulen 5‘, 5‘‘, 6, die relativ zueinander unterschiedlich ausgerichtet sind. Während die dritte Empfangsspule 6 parallel zur Sendespule 4 ausgerichtet ist, sind die beiden ersten Empfangsspulen 5‘, 5‘‘ senkrecht dazu ausgerichtet.
4 zeigt eine Anordnung mit einer weiteren Sendespule 4‘‘. Die erste Sendespule 4‘ induziert die Signale für die Verschiebung y in den Empfangsspulen 5‘, 5‘‘. Die zweite Sendespule 4‘‘ induziert das Signal für den Abstand x in der Empfangsspule 6.
5 zeigt eine Anordnung mit zwei Sendespulen 4‘, 4‘‘ und insgesamt vier Empfangsspulen 5‘, 5‘‘, 6‘, 6‘‘. Die erste Sendespule 4‘ induziert die Signale für die Verschiebung y in den Empfangsspulen 5‘, 5‘‘. Die zweite Sendespule 4‘‘ induziert das Signal für den Abstand x in den Empfangsspule 6‘, 6‘‘.
6 zeigt eine perspektivische Anordnung von Spulen in planarer Form, die jeweils in einem Substrat 7, 8‘, 8‘‘, 9 integriert sind. Die drei Empfangsspulen 5‘, 5‘‘, 6 sind parallel gegenüber der Sendespule 4 angeordnet. Die Verschiebung in y-Richtung wird mit den beiden Empfangsspulen 5‘, 5‘‘ gemessen, der Abstand x mit der Empfangsspule 6.
7 zeigt eine Anordnung mit hintereinander liegenden Empfangsspulen.
8 zeigt eine Anordnung, wonach die ersten beiden Empfangsspulen 5‘, 5‘‘ senkrecht zur Sendespule 4 angeordnet sind. Die dritte Empfangsspule 6 ist parallel zur Sendespule 4 angeordnet und liegt neben den ersten beiden Empfangsspulen.
9 zeigt eine Anordnung, wo die ersten beiden Empfangsspulen 5‘, 5‘‘ senkrecht gegenüber der Sendespule 4 angeordnet sind. Die dritte Empfangsspule 6 ist parallel und konzentrisch um die ersten beiden Empfangsspulen angeordnet. Damit ergibt sich eine besonders kompakte Bauform.
10 zeigt eine Anordnung mit zwei Sendespulen 4‘, 4‘‘. Die erste Sendespule 4‘ speist die ersten beiden Empfangsspulen 5‘, 5‘‘, die zweite Sendespule 4‘‘ die dritte Empfangsspule 6. In dieser Anordnung lassen sich die beiden Signalpfade für die Verschiebung y und den Abstand x entkoppeln.
11 zeigt eine Anordnung mit zwei Sendespulen 4‘, 4‘‘ und vier Empfangsspulen 5‘, 5‘‘, 6‘, 6‘‘. Die erste Sendespule 4‘ speist die ersten beiden Empfangsspulen 5‘, 5‘‘, die zweite Sendespule 4‘‘ die dritte und vierte Empfangsspule 6‘, 6‘‘. In dieser Anordnung können die beiden Signalpfade für die Verschiebung y und den Abstand x entkoppelt werden.
12 zeigt eine Messanordnung für mindestens drei Messgrößen (Gap, Piston, Shear). Zunächst sind zwei Sendespulen 4‘, 4‘‘ in einem gemeinsamen Substrat 7 integriert. Die erste Sendespule regt die vier Empfangsspulen A‘, B‘, C‘ und D‘ an. Zwei davon sind für die Messgröße Piston (Verschiebung in y-Richtung), zwei für die Messgröße Gap (Abstand x). Analog dazu regt die zweite Sendespule 4‘‘ die vier Empfangsspulen A‘‘, B‘‘, C‘‘ und D‘‘ an. Zwei davon sind für die Messgröße Shear (Verschiebung in z-Richtung), zwei wiederum für Gap (Abstand x). Aus den beiden Messgrößen für Gap lässt sich ein Mittelwert bilden, oder lässt sich zusätzlich eine weitere Verkippung (Drehung um die y-Achse) bestimmen.
13 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Anordnung von zwei Empfangsspulen A‘ und C‘ in planarer Form, die in einem gemeinsamen Substrat 7 integriert sind. Die beiden Empfangsspulen ‘ A‘, C‘ sind parallel ausgerichtet und derart ineinander verflochten, dass abwechselnd jeweils eine Lage drei Windungen der Spule A‘ enthält (durchgezogene Linien) und die jeweils darüber liegende Lage drei Windungen der Spule C‘ (gestrichelte Linien).
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lehre lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
Bezugszeichenliste

A: Empfangsspule
B: Empfangsspule
A“: Empfangsspule
B“: Empfangsspule
C: Empfangsspule
D: Empfangsspule
S: Sendespule
1: Messanordnung
2: erstes Objekt
3: zweites Objekt
4: Sendespule S
5‘: Empfangspule A
5‘‘: und B
6: Empfangspule C
7: Substrat

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4825062 A [0005]
EP 1904806 B1 [0006]

Claims

Messanordnung zur kontaktlosen Messung einer Relativbewegung oder einer Relativposition eines ersten Objekts gegenüber einem zweiten Objekt, mit mindestens einer an dem ersten Objekt angeordneten Sendespule und mindestens zwei an dem zweiten Objekt angeordneten Empfangsspulen (A, B), wobei die Sendespule durch ein Erregungswechselsignal angeregt wird, wobei die Empfangsspulen eine Messgröße erfassen, die zu einer ersten Relativbewegung oder Relativposition proportional ist, und wobei an dem zweiten Objekt wenigstens eine weitere Empfangsspule (C) angeordnet ist, die eine zweite Messgröße erfasst, die zu einer zweiten Relativbewegung oder Relativposition proportional ist.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgrößen zur Ermittlung eines Abstandes und einer Verschiebung dienen, wobei im Konkreten die beiden Empfangsspulen (A, B) derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass sie eine Verschiebung zwischen den beiden Objekten messen und dass die dritte Empfangsspule (C) zur Abstandsmessung zwischen den Objekten dient.
Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Symmetrierung eine weitere Empfangsspule (D) vorgesehen ist, wobei das Spulenpaar (C, D) zur Abstandsmessung optimiert sein kann.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhalt einer weiteren Messgröße, beispielsweise zur Ermittlung einer seitlichen Verschiebung der Objekte, eine weiteres Paar Empfangsspulen (A“, B“) vorgesehen ist, welches zum ersten Paar der Empfangsspulen (A, B) um 90° verdreht ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspulen zu der Sendespule mit ihren Spulenachsen parallel ausgerichtet sind.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspulen zu der Sendespule mit ihren Spulenachsen rechtwinkelig zueinander stehen.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Empfangsspulen mit ihren Spulenachsen orthogonal zu der Sendespule angeordnet sind und dass eine weitere Empfangsspule (C) mit ihrer Spulenachse parallel zu der Sendespule ausgerichtet ist oder umgekehrt.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Empfangsspulen (A, B) parallel zueinander und mit ihren Spulenachsen orthogonal zu der Sendespule angeordnet sind und dass die dritte und vierte Empfangsspule (C, D) konzentrisch um die beiden Empfangsspulen (A, B) angeordnet ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Sendespule vorgesehen ist, wobei die erste Sendespule die beiden Empfangsspulen (A, B und/oder A“, B“) anregt und die zweite Sendespule die Empfangsspule (C) oder die Empfangsspulen (C, D) anregt.
Messanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sendespulen mit identischer Frequenz und/oder Spannung oder mit unterschiedlicher Frequenz und/oder Spannung arbeiten.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen planar oder gewickelt oder kombiniert ausgeführt sind.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (Sende- und/oder Empfangsspulen) in einem Substrat ausgebildet sind, wobei jede Spule in einem eigenen Substrat oder mehrere Spulen in einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind.
Messanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehrlagiger Anordnung der Spulen in einer Leiterplatte abwechselnd ein Layer pro Spule verwendet wird oder dass je Layer mindestens zwei Spulen ineinander verflochten sind, wobei die Leiterbahnen der Spulen nebeneinander, vorzugsweise parallel zueinander verlaufen.
Messanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Substrat um eine Keramiksubstrat handelt, beispielsweise in LTCC-Technologie (Low Temperature Cofired Ceramics), wobei die Layer gemeinsam eine feste Einheit bilden.
Verfahren zur kontaktlosen Messung einer Relativbewegung oder einer Relativposition eines ersten Objekts gegenüber einem zweiten Objekt, mit mindestens einer an dem ersten Objekt angeordneten Sendespule und mindestens zwei an dem zweiten Objekt angeordneten Empfangsspulen (A, B), wobei die Sendespule durch ein Erregungswechselsignal angeregt wird, wobei die Empfangsspulen eine Messgröße erfassen, die zu einer ersten Relativbewegung oder Relativposition proportional ist, und wobei an dem zweiten Objekt wenigstens eine weitere Empfangsspule (C) angeordnet ist, die eine zweite Messgröße erfasst, die zu einer zweiten Relativbewegung oder Relativposition proportional ist, insbesondere mit Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 14.