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WO2017182040A1 - Messanordnung zur kontaktlosen messung einer relativbewegung oder einer relativposition und verfahren - Google Patents

Messanordnung zur kontaktlosen messung einer relativbewegung oder einer relativposition und verfahren Download PDF

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Publication number
WO2017182040A1
WO2017182040A1 PCT/DE2017/200019 DE2017200019W WO2017182040A1 WO 2017182040 A1 WO2017182040 A1 WO 2017182040A1 DE 2017200019 W DE2017200019 W DE 2017200019W WO 2017182040 A1 WO2017182040 A1 WO 2017182040A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coil
coils
receiving
measuring arrangement
arrangement according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2017/200019
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhold Hoenicka
Guenter Schallmoser
Josef Hackl
Martin WASMEIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG filed Critical Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Publication of WO2017182040A1 publication Critical patent/WO2017182040A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2086—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by movement of two or more coils with respect to two or more other coils

Definitions

  • the present invention relates to a measuring arrangement for the contactless measurement of a relative movement or a relative position of a first object with respect to a second object. Furthermore, the invention relates to a method which uses the device according to the invention.
  • positions of mirrors, masks, holders or other machine parts relative to one another are detected very precisely, for example in production plants for semiconductors, so that a correct exposure takes place due to the ever smaller feature sizes. In many other industrial applications, it is increasingly important to precisely determine the relative position of machine or plant components in order to be able to intervene regulatively.
  • GOC General Radius of Curvature
  • displacement sensors are required to detect the relative position of two segments to each other. If the segments are hexagonal, there will be an edge for every two adjacent segments whose position is to be detected relative to one another. Per measuring point up to six measured quantities are required, whereby the three different types of tilting (Dihedral, Twist and Clock) usually play only a minor role.
  • the mutual distance (Gap), the lateral displacement in the mirror plane (Shear) and the lateral displacement (Piston) from the mirror plane are to be determined.
  • the biggest influence on the deviation from the ideal mirror shape provides the Piston, whose measurement therefore the highest demands for accuracy are made.
  • US 4,825,062 A describes inductive sensors. Two transmission coils in half-bridge arrangement are supplied with high-frequency AC voltage. In receiving coils, which are tuned by means of a capacitor near the resonance frequency, currents are induced, which lead to a damping of the transmitting coil. The damping changes with the relative position, which can thus be measured.
  • the receiver coils are not connected to any evaluation electronics and act like an active target.
  • two separate coils are placed on the receiving side. Two alternating voltages v a and Vb are then induced in the coils, which are independent of each other and are combined for the evaluation of the measured quantities distance and displacement.
  • the difference (AB) of both coils represents the displacement distance-dependent. If one forms the quotient of difference by sum ((AB) / (A + B)), the displacement can be determined independently of the distance.
  • measurement signals are digitized in modern measurement technology, in order to then be further processed by microcontrollers or computers.
  • the AD converters used for digitizing have a limited, defined input range, for example 0.5 ... 4, 5 V.
  • Analog signals must therefore be adapted to the input range by suitable amplifier circuits so that the full digitizing range is used in the best possible way.
  • each amplifier generates noise, so that the lowest possible gain is desirable, or that even the primary signal covers the input area as possible.
  • the A-B signal should be in an ideal voltage range for AD conversion.
  • the coil arrangement will therefore have to be designed so that even the primary signal largely exhaust the input range of the AD converter.
  • the signal A + B for the distance (Gap) is detected.
  • a simultaneous optimal adjustment is not possible, which is why a compromise must be found. This conflict of objectives means that an optimal measurement of both parameters is not possible.
  • the invention has for its object to provide a measuring arrangement and a method for using the measuring arrangement, in which / the disadvantages identified above are at least largely eliminated.
  • a precise measurement of at least two measured variables should be possible independently of one another, preferably with the simplest construction of the arrangement.
  • the above object is achieved with respect to the measuring arrangement by the features of claim 1, wherein the measuring arrangement with at least one of the the transmitting coil is excited by an excitation change signal, wherein the receiving coil detect a measured variable which is proportional to a first relative movement or relative position, and wherein at the second object at least one further receiving coil is arranged, which detects a second measured variable, which is proportional to a second relative movement or relative position.
  • the underlying object is achieved by the features of the independent claim 15, wherein the method uses the measuring arrangement according to the invention.
  • the receiving coil pair can be extended by at least one additional coil 6.
  • This allows two receiver coils (A and B) to be designed and positioned so that they are optimally suited for measuring the displacement (piston).
  • the additional third coil C is used for distance measurement.
  • the function f can also be a function of higher order, for example a polynomial.
  • three receiving coils are thus fed by one transmitting coil.
  • the receiver coils are arranged so that the optimum signal level is achieved for each measured variable.
  • the further coil pair (C and D) is then optimized with respect to the distance measurement.
  • P (AB) * f (C, D).
  • the receiver coils may be arranged in parallel relative to the transmitter coil. Parallel means that the coil axes are aligned in parallel. Thus, the highest inductive coupling between the coils and thus the largest signal swing is achieved.
  • the coils can be designed as planar coils or wound coils. The area of the coils or the number of turns can be adapted to the respective measuring arrangement.
  • the second transmitter coil can also be fed with a different frequency and / or voltage.
  • the two signal paths for the distance and the displacement are separated from each other, so that no mutual influence takes place.
  • the receiving coils can also be aligned in a rectangular arrangement to the transmitting coil. Rectangular means that the coil axes are at right angles to each other, or the projection of the coil axes is perpendicular to each other.
  • two receiving coils A and B can be arranged perpendicular to the transmitting coil, while at least one further receiving coil C is aligned in parallel, or the two receiving coils A and B are parallel to the transmitting coil, at least one further receiver coil C perpendicular thereto, arranged.
  • the third or fourth receiving coil C and D could be arranged concentrically around the two first receiving coils.
  • the coils can be wound in conventional form as wound coils, for example with copper wire or silver wire, be it as air coils, wound on a wound body, or provided with a coil core of ferritic material.
  • Particular degrees of freedom in the coil geometry can be achieved if the coils are arranged in the form of planar coils on or in a multilayer substrate.
  • a separate substrate can be used for each coil.
  • the production can be simplified because identical parts can be used for a large number of coils.
  • any coil arrangements can be achieved, for example, intertwined coils.
  • one layer for one coil, then one layer for another coil can be used alternately for each layer.
  • intertwine the coils within one layer by arranging the interconnects for both coils next to one another, that is, they extend substantially parallel. These arrangements ensure that two different coils are flowed through by the same magnetic flux.
  • the arrangement of the coils in a ceramic substrate for example in LTCC technology (Low Temperature Co-fired Ceramic).
  • the coils together with the ceramic form a solid, stable unit. Due to the low coefficient of thermal expansion of the ceramics, the coils are very temperature-stable and therefore predestined for high-resolution, long-term stable measurements.
  • Another advantage of the ceramic is its mechanical robustness and insensitivity to moisture. It is particularly advantageous if two or more coils are arranged in a common substrate. Thus, the relative position of the coils is fixed to each other. Due to the low expansion coefficient of the ceramic, the relative position remains stable even with temperature changes.
  • the previous embodiments describe coil arrangements for the measurement of two variables, for example Gap and Piston.
  • the arrangement can be easily extended by additional coils. If, for example, the shear should also be measured, another pair of coils A "and B" are added, analogous to the piston, but rotated by 90 degrees. The excitation can be achieved simply by an extended transmitting coil, or by a second transmitting coil.
  • the gap Gap can additionally be measured by adding at least one additional receiver coil. By additionally measuring the gap at another position, a tilt can also be determined, or an averaging over both values is performed, or a plausibility check.
  • the signals A-B and C + D can be digitized by means of an AD converter.
  • the coil parameters diameter or dimension, number of layers, thickness of the conductor track, etc.
  • the control parameters frequency, amplitude of the AC voltage
  • the dimensions and number of layers determine the range of the alternating voltage induced in the receiving coils such that only a simple rectification is required before the signal in the AD converter is converted.
  • a phase-synchronous sampling can take place.
  • each signal path can be adapted to the input range of the AD converter by means of suitable amplifier circuits. Further processing of the digitized signals takes place in a computer, for example in a microcontroller, which calculates the function f and determines the result, e.g. for P supplies.
  • FIG. 1 in a schematic representation of a measuring arrangement according to
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a measuring arrangement according to the invention with wound coils
  • FIG. 3 is a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement according to the invention with wound coils
  • FIG. 4 is a schematic representation of a further embodiment of a measuring arrangement according to the invention with wound coils
  • FIG. 5 is a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement according to the invention with wound coils
  • FIG. 6 is a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement according to the invention with planar coils
  • FIG. 7 is a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement according to the invention with planar coils
  • FIG. 8 is a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement according to the invention with planar coils
  • FIG. 9 is a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement according to the invention with planar coils, in a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement according to the invention with planar coils, in a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement according to the invention with planar coils, in a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement according to the invention with planar coils, wherein the measuring arrangement for determining at least three Measured variables serves, and in a schematic representation, cut, the arrangement of two receiving coils in a planar configuration, integrated in a common substrate.
  • FIG. 1 shows the state of the art.
  • the measuring arrangement 1 is used to determine the position of a first object 2 relative to a second object 3 by means of a transmitting coil S (4) and two receiving coils A and B (5 ', 5 ")
  • the transmitting coil 4 is fed with alternating voltage and induced in the receiving coils 5 ', 5 "in each case an AC voltage v a and Vb.
  • the coils are shown only schematically as an equivalent circuit diagram. The representation should not be understood as a concrete representation of coil windings. It is crucial that the mutual arrangement is guaranteed by the actual arrangement.
  • FIG. 2 shows a first exemplary arrangement of the invention.
  • a further receiving coil C (6) is arranged on the second object 3.
  • the alternating voltage v c is induced in the receiving coil 6.
  • the third receiving coil C can be used to measure the distance x of the two objects 2, 3.
  • the displacement y will be with the first two Receiving coils 5 ', 5 "measured.
  • the design and arrangement of the coils is to be understood only schematically.
  • FIG. 3 shows an arrangement with receiving coils 5 ', 5 ", 6 which are aligned differently relative to one another. While the third receiving coil 6 is aligned parallel to the transmitting coil 4, the two first receiving coils 5', 5" are aligned perpendicular thereto.
  • the fourth transmitting coil 4 shows an arrangement with a further transmitting coil 4 ".
  • the first transmitting coil 4 ' induces the signals for the displacement y in the receiving coils 5', 5".
  • the second transmitting coil 4 " induces the signal for the distance x in the receiving coil 6.
  • the fifth shows an arrangement with two transmitting coils 4 ', 4 "and a total of four receiving coils 5', 5", 6 ', 6 ".
  • the first transmitting coil 4' induces the signals for the displacement y in the receiving coils 5 ', 5".
  • the second transmitting coil 4 "induces the signal for the distance x in the receiving coil 6 ', 6".
  • FIG. 6 shows a perspective arrangement of coils in planar form, each of which is integrated in a substrate 7, 8 ', 8 ", 9.
  • the three receiving coils 5', 5", 6 are arranged parallel to the transmitting coil 4.
  • the displacement in the y direction is measured with the two receiving coils 5 ', 5 ", the distance x with the receiving coil 6.
  • FIG. 7 shows an arrangement with successive receiving coils.
  • the third receiver coil 6 is arranged parallel to the transmitter coil 4 and is adjacent to the first two receiver coils.
  • FIG. 9 shows an arrangement where the first two receiver coils 5 ', 5 "are arranged perpendicular to the transmitter coil 4.
  • the third receiver coil 6 is arranged parallel and concentrically around the first two receiving coils. This results in a particularly compact design.
  • the 10 shows an arrangement with two transmitting coils 4 ', 4 ".
  • the first transmitting coil 4' feeds the first two receiving coils 5 ', 5"
  • the second transmitting coil 4 " feeds the third receiving coil 6.
  • the two signal paths for the Decouple shift y and the distance x.
  • FIG. 12 shows a measuring arrangement for at least three measured variables (Gap, Piston, Shear). First, two transmitter coils 4 ', 4 "are integrated in a common substrate 7.
  • the first transmitter coil excites the four receiver coils ⁇ ', B ', C and D' Two of which are for the measured variable Piston (displacement in the y direction), two for the measured variable Gap (distance x)
  • the second transmitting coil 4 "excites the four receiving coils A", B “, C” and D ". Two of them are for the measurand shear (displacement in z-direction), two for Gap (distance x). From the two measured values for Gap, an average value can be formed, or in addition a further tilt (rotation about the y-axis) can be determined.
  • FIG. 13 shows in a sectional view an arrangement of two receiving coils A 'and C in planar form, which are integrated in a common substrate 7.
  • the two receiving coils 1 A ', C are aligned in parallel and intertwined in such a way that alternately one layer contains three turns of the coil A' (solid lines) and the respective overlying layer three turns of the coil C (dashed lines).

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

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

MESSANORDNUNG ZUR KONTAKTLOSEN MESSUNG EINER RELATIVBEWEGUNG ODER EINER RELATIVPOSITION UND
VERFAHREN 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 Sensor- lösungen. 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 va 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 va und Vb 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 Mess- großen 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 gegen- seitige 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 ab- wechselnd 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
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Messanordnung gemäß
Stand der Technik,
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit gewickelten Spulen
Fig. 3 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit gewickelten Spulen,
Fig. 4 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit gewickelten Spulen,
Fig. 5 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit gewickelten Spulen,
Fig. 6 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen,
Fig. 7 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen,
Fig. 8 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen,
Fig. 9 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen, in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen, in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen, in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen, wobei die Messanordnung zur Ermittlung von mindestens drei Messgrößen dient, und in einer schematischen Darstellung, geschnitten, die Anordnung von zwei Empfangsspulen in planarer Ausgestaltung, integriert in einem gemeinsamen Substrat.
Figur 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 va und Vb. 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.
Figur 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 vc 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.
Figur 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.
Figur 4 zeigt eine Anordnung mit einer weiteren Sendespule 4". Die erste Sende- spule 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.
Figur 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".
Figur 6 zeigt eine perspektivische Anordnung von Spulen in planarer Form, die je- weils 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. Figur 7 zeigt eine Anordnung mit hintereinander liegenden Empfangsspulen.
Figur 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.
Figur 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.
Figur 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.
Figur 1 1 zeigt eine Anordnung mit zwei Sendespulen 4', 4" und vier Empfangs- spulen 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. Figur 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 Α', 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. Figur 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 1 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 essanordnung
2 erstes Objekt
3 zweites Objekt
4 Sendespule S
5' Empfangspule A
5" und B
6 Empfangspule C
7 Substrat

Claims

A n s p r ü c h e
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspulen zu der Sendespule mit ihren Spulenachsen parallel ausgerichtet sind.
6. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspulen zu der Sendespule mit ihren Spulenachsen rechtwinkelig zueinander stehen.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Messanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sendespulen mit identischer Frequenz und/oder Spannung oder mit unterschiedlicher Frequenz und/oder Spannung arbeiten.
1 1. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen planar oder gewickelt oder kombiniert ausgeführt sind.
12. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
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