[go: up one dir, main page]

WO2017182040A1 - Measuring assembly for the contactless measurement of a relative movement or a relative position and method - Google Patents

Measuring assembly for the contactless measurement of a relative movement or a relative position and method Download PDF

Info

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
German (de)
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/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING 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
    • G01D5/00Mechanical 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
    • G01D5/12Mechanical 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
    • G01D5/14Mechanical 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
    • G01D5/20Mechanical 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
    • G01D5/204Mechanical 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
    • G01D5/2086Mechanical 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

The invention relates to a measuring assembly for the contactless measurement of a relative movement or a relative position of a first object in relation to a second object. The measuring assembly comprises at least one transmitter coil arranged on the first object and at least two receiver coils (A, B) arranged on the second object, wherein the transmitter coil is excited by an excitation alternating signal, wherein the receiver coils detect a measurement variable that is proportional to a first relative movement or relative position, and wherein at least one further receiver coil (C) is arranged on the second object, which detects a second measurement variable that is proportional to a second relative movement or relative position. The invention also relates to a method which uses the device according to the invention.

Description

MESSANORDNUNG ZUR KONTAKTLOSEN MESSUNG EINER RELATIVBEWEGUNG ODER EINER RELATIVPOSITION UND MEASURING ARRANGEMENT FOR THE CONTACTLESS MEASUREMENT OF A RELATIVE MOVEMENT OR A RELATIVE POSITION AND

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. METHOD 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. There are numerous measurement tasks in research, development and industry, where the relative position of two objects is measured to each other. Distance or position sensors are usually used for this purpose. In the semiconductor industry, 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. Another application concerns the modern large telescope for astronomy. The main mirrors of large telescopes consist of a large number of mirror segments, usually in a hexagonal arrangement. These segments must be aligned exactly with each other to achieve the desired contour of the overall mirror surface (GRoC = General Radius of Curvature). To accurately position the segments, 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. Frequently, 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.

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. A large number of sensor solutions already exist for use with large telescopes. In addition to capacitive sensors inductive sensors are mostly used, since they have the lowest susceptibility to interference, for example, for moisture.

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.  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.

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. A further development of this principle is disclosed in EP 1 904 806 B1. It is a transformatory principle. For precise detection of the distance (Gap) or the displacement (Piston) of two mirror segments to each other, a transformer sensor (inductive principle) is used. For this purpose, a first, in constant frequency and voltage supplied coil (transmitting coil) is mounted on a segment. A second coil (receiving coil) is attached to the transmitting coil on the second, opposite segment. Due to the inductive coupling, an alternating voltage v a is induced in the receiving coil, which is proportional to the distance or to the displacement to the transmitting coil. This signal is evaluated with a suitable circuit.

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. So that the distance and the displacement can be evaluated simultaneously, 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. By evaluating the sum of the signals (A + B), the distance can be evaluated independently of the shift. 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.

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. However, the arrangement according to which two independent measuring magnitudes can be detected with only two receiving coils is disadvantageous if the measured variables differ greatly. Normally, 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. However, each amplifier generates noise, so that the lowest possible gain is desirable, or that even the primary signal covers the input area as possible.

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. As mirror-telescope applications make the out-of-plane displacement (Piston) the highest resolution measure, 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. However, at the same time 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.

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. In the light of the above, 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.

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. 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.

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. With respect to the method according to the invention, the underlying object is achieved by the features of the independent claim 15, wherein the method uses the measuring arrangement according to the invention.

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. So that no compromise in the design of the receiving coil pair in terms of distance measurement or displacement measurement is necessary, 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. Since the lateral displacement measurement can also have a distance dependence, the signal for the displacement is corrected with a function f of the distance, generally P = (AB) * f (C). In the simplest form the function is the inverse function f (C) = 1 / C. The function f can also be a function of higher order, for example a polynomial. In the simplest version for two measured variables (distance and displacement), 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.

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. By adding a further receiving coil D, a symmetrization is achieved with a further improvement in accuracy. The further coil pair (C and D) is then optimized with respect to the distance measurement. Thus, for the distance-independent measurement of the displacement, the relationship arises: P = (AB) * f (C, D). For a given coil arrangement, the function depends only on the sum of the two signals of the receiver coils, ie 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. Depending on the requirements, 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.

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. It can be provided a further transmitting coil, so that the first transmitting coil feeds the two receiving coils A, B and the second transmitting coil feeds the receiving coil C or C and D. This gives you additional degrees of freedom in the arrangement of the coils. The second transmitter coil can also be fed with a different frequency and / or voltage. Thus, the two signal paths for the distance and the displacement are separated from each other, so that no mutual influence takes place.

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. 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.

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. It is also a mixed arrangement of the receiving coils relative to the transmitting coil conceivable: For example, 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.

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. If the first two receiving coils A and B are arranged perpendicular to the transmitting coil and parallel to each other, the third or fourth receiving coil C and D could be arranged concentrically around the two first receiving coils. This makes a very compact design on the receiving side possible. 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. As a result, the production can be simplified because identical parts can be used for a large number of coils. However, it is also possible for a plurality of coils to be integrated in a substrate. This applies to both transmit and receive coils.

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. By the layout of the tracks, from which the coils are formed, as well as with the help of suitable vias, any coil arrangements can be achieved, for example, intertwined coils. In the case of a multilayer arrangement of the coils in one printed circuit board, one layer for one coil, then one layer for another coil, can be used alternately for each layer. It is also conceivable to 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.

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. Particularly advantageous is 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. If a further measured variable is required, 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. Here, too, 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.

Die Kombination von verschiedenen Empfangsspulen bietet vielfältige Möglichkeiten, auch komplexe Messaufgaben zu lösen. The combination of different receiver coils offers many possibilities for solving even complex measuring tasks.

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. The signals A-B and C + D can be digitized by means of an AD converter. Ideally, the coil parameters (diameter or dimension, number of layers, thickness of the conductor track, etc.) and the control parameters (frequency, amplitude of the AC voltage) are already coordinated so that the input range of the AD converter is used in the best possible way. For example, given a given amplitude of the alternating voltage with which the transmitting coil is fed, 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. Alternatively, even without rectification, a phase-synchronous sampling can take place. If the optimum adaptation is not possible due to the boundary conditions, 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.

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 There are now various possibilities for designing and developing the teaching of the present invention in an advantageous manner. On the one hand to the claims subordinate to claim 1 and on the other hand on the to refer to the following explanation of preferred embodiments of the invention with reference to the drawing. In conjunction with the explanation of the preferred embodiments of the invention with reference to the drawings, also generally preferred embodiments and developments of the teaching are explained. In the drawing show

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Messanordnung gemäß Fig. 1 in a schematic representation of a measuring arrangement according to

Stand der Technik,  State of the art,

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit gewickelten Spulen 2 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a measuring arrangement according to the invention with wound coils

Fig. 3 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit gewickelten Spulen, 3 is a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement according to the invention with wound coils,

Fig. 4 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit gewickelten Spulen, 4 is a schematic representation of a further embodiment of a measuring arrangement according to the invention with wound coils,

Fig. 5 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit gewickelten Spulen, 5 is a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement according to the invention with wound coils,

Fig. 6 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen, 6 is a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement according to the invention with planar coils,

Fig. 7 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen, 7 is a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement according to the invention with planar coils,

Fig. 8 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit planaren Spulen, 8 is a schematic representation of another embodiment of a measuring arrangement according to the invention with planar coils,

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. 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.

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. 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. With this arrangement, the mutual distance x and the relative displacement y of the two objects 2, 3 can be measured. 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.

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. Figure 2 shows a first exemplary arrangement of the invention. In addition to the two receiving coils 5 ', 5 ", 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. Again, the design and arrangement of the coils is to be understood only schematically.

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. 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.

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. 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.

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". 5 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".

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. 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.

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. 8 shows an arrangement according to which the first two receiver coils 5 ', 5 "are arranged perpendicular to the transmitter coil 4. The third receiver coil 6 is arranged parallel to the transmitter coil 4 and is adjacent to the first two receiver coils.

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. 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.

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. 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. In this arrangement, the two signal paths for the Decouple shift y and the distance x.

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. 1 1 shows an arrangement with two transmitting coils 4 ', 4 "and four receiving coils 5', 5", 6 ', 6 ". The first transmitting coil 4' feeds the first two receiving coils 5 ', 5", the second transmitting coil 4 ", the third and fourth receiving coil 6 ', 6". In this arrangement, the two signal paths for the displacement y and the distance x can be decoupled. 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 Α', 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) Similarly, 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). With regard to further advantageous embodiments of the teaching of the invention reference is made to avoid repetition to the general part of the specification and to the appended claims. Finally, it should be expressly understood that the above-described embodiments of the teaching of the invention are only for the purpose of discussion of the claimed teaching, but do not limit these to the embodiments.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

A Empfangsspule A receiver coil

B Empfangsspule  B receiving coil

A" Empfangsspule  A "receiver coil

B" Empfangsspule  B "receiver coil

C Empfangsspule  C Reception coil

D Empfangsspule  D Reception coil

S Sendespule  S transmitting coil

1 essanordnung  1 eating arrangement

2 erstes Objekt  2 first object

3 zweites Objekt  3 second object

4 Sendespule S  4 transmitting coil S

5' Empfangspule A  5 'receiving coil A

5" und B  5 "and B

6 Empfangspule C  6 receiver coil C

7 Substrat  7 substrate

Claims

A n s p r ü c h e Claims 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. 1. Measuring arrangement for the contactless measurement of a relative movement or a relative position of a first object relative to a second object, with at least one transmitting coil arranged on the first object and at least two receiving coils (A, B) arranged on the second object, wherein the transmitting coil is excited by an excitation change signal wherein the receiving coils detect a measured variable which is proportional to a first relative movement or relative position, and wherein at least one further receiving coil (C) is arranged on the second object, which detects a second measured variable which is proportional to a second relative movement or relative position , 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. 2. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the measured variables are used to determine a distance and a displacement, wherein in the concrete, the two receiving coils (A, B) are configured and arranged such that they measure a displacement between the two objects and that the third receiver coil (C) is used to measure the distance between the objects. 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. 3. Measuring arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that for the purpose of balancing a further receiving coil (D) is provided, wherein the coil pair (C, D) can be optimized for distance measurement. 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. 4. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that to obtain a further measured variable, for example for determining a lateral displacement of the objects, a further pair of receiving coils (A ", B") is provided, which to the first pair of receiving coils (A, B) is rotated by 90 °. 5. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspulen zu der Sendespule mit ihren Spulenachsen parallel ausgerichtet sind. 5. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the receiving coils are aligned parallel to the transmitting coil with their coil axes. 6. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspulen zu der Sendespule mit ihren Spulenachsen rechtwinkelig zueinander stehen. 6. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the receiving coils are perpendicular to each other to the transmitting coil with their coil axes. 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. 7. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that two of the receiving coils are arranged with their coil axes orthogonal to the transmitting coil and that a further receiving coil (C) is aligned with its coil axis parallel to the transmitting coil or vice versa. 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. 8. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the two receiving coils (A, B) are arranged parallel to each other and with their coil axes orthogonal to the transmitting coil and that the third and fourth receiving coil (C, D) concentrically around the two receiving coils (A, B) is arranged. 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. 9. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that a further transmitting coil is provided, wherein the first transmitting coil, the two receiving coils (A, B and / or A ", B") excites and the second transmitting coil, the receiving coil (C ) or the receiver coils (C, D). 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. 10. Measuring arrangement according to claim 9, characterized in that the two transmitting coils work with identical frequency and / or voltage or with different frequency and / or voltage. 1 1. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen planar oder gewickelt oder kombiniert ausgeführt sind. 1 1. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that the coils are designed planar or wound or combined. 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. 12. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that the coils (transmitting and / or receiving coils) are formed in a substrate, each coil being formed in a separate substrate or a plurality of coils in a common substrate. 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. 13. Measuring arrangement according to claim 12, characterized in that in multilayer arrangement of the coils in a circuit board alternately one layer per coil is used or that each layer at least two coils are intertwined, the interconnects of the coils side by side, preferably parallel to each other. 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. 14. Measuring arrangement according to claim 12 or 13, characterized in that it is the substrate is a ceramic substrate, for example in LTCC technology (Low Temperature Cofired Ceramics), wherein the layers together form a solid unit. 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. 15. A method for the contactless measurement of a relative movement or a relative position of a first object relative to a second object, comprising at least one transmitting coil arranged on the first object and at least two receiving coils (A, B) arranged on the second object, wherein the transmitting coil is excited by an excitation change signal wherein the receiving coils detect a measured variable which is proportional to a first relative movement or relative position, and wherein at least one further receiving coil (C) is arranged on the second object, which detects a second measured variable which is proportional to a second relative movement or relative position , in particular with features according to one of claims 1 to 14.
PCT/DE2017/200019 2016-04-21 2017-03-06 Measuring assembly for the contactless measurement of a relative movement or a relative position and method Ceased WO2017182040A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016206782.6A DE102016206782A1 (en) 2016-04-21 2016-04-21 Measuring arrangement for the contactless measurement of a relative movement or a relative position and method
DE102016206782.6 2016-04-21

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017182040A1 true WO2017182040A1 (en) 2017-10-26

Family

ID=58669549

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2017/200019 Ceased WO2017182040A1 (en) 2016-04-21 2017-03-06 Measuring assembly for the contactless measurement of a relative movement or a relative position and method

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102016206782A1 (en)
WO (1) WO2017182040A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020157390A1 (en) * 2019-01-31 2020-08-06 Osmos Group Method and device for measuring the position and/or movement of two sites with respect to each other

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4816759A (en) * 1987-10-28 1989-03-28 Kaman Corporation Inductive sensor for detecting displacement of adjacent surfaces
US4825062A (en) 1987-10-29 1989-04-25 Kaman Aerospace Corporation Extendable large aperture phased array mirror system
US4879556A (en) * 1986-10-27 1989-11-07 Huka Developments B.V. Joystick control unit using multiple substrates
US20110133726A1 (en) * 2009-12-09 2011-06-09 Alexander Ballantyne Precision alignment system
US20120119986A1 (en) * 2010-11-17 2012-05-17 Kye Systems Corp. Three-dimensional control apparatus of computer input device and method thereof
EP1904806B1 (en) 2005-07-07 2013-03-06 Nanotec Solution Inductive non-contact measurement of a relative movement or relative positioning of a first object relative to a second object

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009022992A1 (en) * 2009-03-02 2010-10-07 Micro-Epsilon Messtechnik Gmbh & Co. Kg position sensor

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4879556A (en) * 1986-10-27 1989-11-07 Huka Developments B.V. Joystick control unit using multiple substrates
US4816759A (en) * 1987-10-28 1989-03-28 Kaman Corporation Inductive sensor for detecting displacement of adjacent surfaces
US4825062A (en) 1987-10-29 1989-04-25 Kaman Aerospace Corporation Extendable large aperture phased array mirror system
EP1904806B1 (en) 2005-07-07 2013-03-06 Nanotec Solution Inductive non-contact measurement of a relative movement or relative positioning of a first object relative to a second object
US20110133726A1 (en) * 2009-12-09 2011-06-09 Alexander Ballantyne Precision alignment system
US20120119986A1 (en) * 2010-11-17 2012-05-17 Kye Systems Corp. Three-dimensional control apparatus of computer input device and method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
DE102016206782A1 (en) 2017-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1164358B1 (en) Inductive length measuring system
EP1797462B1 (en) Sensor for locating metallic objects and method for evaluating measurement signals of a sensor of this type
EP2269005B1 (en) Position sensor
DE112019006893T5 (en) PLANAR LINEAR INDUCTIVE POSITION SENSOR WITH EDGE EFFECT COMPENSATION
DE4119903C5 (en) Method and device for measuring thin layers
EP3179214B1 (en) Inductive position measurement device
DE60206201T2 (en) Linear position sensor without contact
EP3390970B1 (en) Linear mouvement sensor
EP1797464B1 (en) Detector for locating metallic objects
DE102012223037A1 (en) Inductive position measuring device
DE102015001040A1 (en) Position measuring device of the induction type
DE102018213249A1 (en) Sensor system for determining at least one rotational property of a rotating element
EP1219933B1 (en) Differential eddy current sensor
EP3458812B1 (en) Tilt-tolerant linear displacement sensor
EP2834601B1 (en) Method and arrangement for determining the position of a component
DE102013226203A1 (en) Offset compensated position measuring device
EP2302328A1 (en) Positioning device with multiple crossing transmitter coil assembly
WO2005052506A2 (en) Contactless displacement measuring system
WO2017182040A1 (en) Measuring assembly for the contactless measurement of a relative movement or a relative position and method
EP4279874B1 (en) Inductive position measurement device
EP3904836B1 (en) Inductive position measurement device
EP1723393B1 (en) Contactless displacement measuring system
DE102008064544B4 (en) Position / distance measuring system and method for determining the position of an encoder
DE102021004977A1 (en) Electromagnetic inductive encoder
DE102024203340A1 (en) Data acquisition device for an inductive sensor arrangement

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17721324

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17721324

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1