CN110806168B - 电容式距离传感器、精密轴承、距离确定方法和机器可读载体 - Google Patents

电容式距离传感器、精密轴承、距离确定方法和机器可读载体 Download PDF

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Abstract

电容式距离传感器、精密轴承、距离确定方法和机器可读载体。一种用于确定距物体(17、50)的距离(d、dy1、dy2、dz)的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)，其中，所述距离传感器(4、4y1、4y2、4z)具有至少一个传感器电极(5)和至少一个补偿电极(1、2、2a、2b、3)。相对于距离传感器(4、4y1、4y2、4z)和物体(50)的理想平行取向的偏差和/或由电容边缘效应而造成的误差可以借助于所述补偿电极(1、2、2a、2b、3)来加以补偿。

Description

电容式距离传感器、精密轴承、距离确定方法和机器可读载体
技术领域
本发明涉及电容式距离传感器、用于使用这种距离传感器来确定距离的方法以及计算机程序产品。
背景技术
从现有技术中已知用于精确测量距物体的距离的电容式传感器。例如，使用这种传感器以便测量精密轴承的可相对于彼此移动的两个部件之间的距离，或者监测两个部件之间的间隙，例如，滚珠隔圈(roller cage)与滚珠之间的空间或间隙。这种精密轴承例如用于精密测量机或高精度仪表，例如经纬仪、激光跟踪仪或激光扫描仪，或者还用于精密制造机器以精确制造工件。
例如，在US 9,435,645 B2中描述了在3轴坐标测量机(CMM)的轴承中使用一个或更多个电容式距离传感器，以便确定和/或监测可移动轴承部件与导引件的距离，从而可以适当地查明并补偿相对于理想距离或目标距离的偏差，否则该偏差会导致待测量坐标的错报。
US 9,891,035 B2描述了一种电容式距离传感器，其被设计成测量可相对于彼此移动的两个轴承部件之间的距离，并且为此目的具有大约0至100微米的测量范围。为此，将距离传感器附接至这两个轴承部件中的一个，其中，由传感器电极和与该传感器电极相对设置的另一个轴承部件的区域形成电容。为了改进测量结果，距离传感器采用具有特殊成形的传感器电极和保护电极的特殊设计。
然而，US 9,891,035 B2的距离传感器的缺点是无法补偿因传感器或传感器电极的倾斜而造成的测量误差，即，相对于电容区域相对于彼此的理想平行取向的偏差。这种偏差例如是因传感器的不精确安装而造成的或者是由于老化过程或环境影响(例如，温度波动)而造成的。此外，因电容边缘效应而造成的测量误差(即，因相对于无限扩展的电容区域的理论上的理想情形的偏差而产生的影响)仅能通过显著的校准工作来加以补偿。因此，US9,891,035 B2的距离传感器呈现出相对于测量范围内的倒数不是线性的响应行为，如从US9,891,035 B2的图4A至图4C可以看出的，所述图示出了测量距离内的输出电压。然而，就测量过程而言，电容或输出电压的倒数与距离之间的线性关系将是有利的。在最佳情况下，具有相对大的传感器电极的实施方式具有线性行为，尽管该线性行为只是近似的，然而，这是由于传感器电极必要的大范围是以牺牲空间分辨率为代价的。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种改进的电容式距离传感器。
本发明的另一目的在于提供一种具有改进的线性响应行为的电容式距离传感器。
本发明的又一目的在于提供一种具有倾斜补偿的电容式距离传感器。
本发明的还一目的在于提供一种具有电容边缘效应补偿的电容式距离传感器。
本发明涉及一种用于测量距物体的距离的电容式距离传感器，其中，所述距离传感器优选地具有在亚微米范围到微米范围内的测量准确度。所述距离传感器具有至少一个第一平面传感器电极，其中，所述传感器电极与所述物体的相对(表面)区域一起被设计成形成取决于所述距离的电容，使得可以基于电容测量来确定所述距离。
所述电容式距离传感器还具有指配给所述第一传感器电极的至少一个单独的倾斜补偿电极，其中，所述传感器电极和倾斜补偿电极位于一平面中，其中，所述平面也可以是弯曲的平面，并因此，可以基于所述倾斜补偿电极的电容来补偿由相对于传感器电极和相对的物体区域的理想平行度而言的偏差(即，倾斜误差)而造成的测量误差。
本发明的另一方面涉及一种电容式距离传感器，该电容式距离传感器除了上述第一传感器电极之外，还具有在同一平面中指配给所述第一传感器电极的至少一个单独的边缘效应补偿电极。该边缘效应补偿电极具有与所述第一传感器电极相同的周长，但具有不同的(有效)面积，使得可以借助于所述边缘效应补偿电极的电容来补偿由所述第一传感器电极的电容边缘效应而造成的测量误差。
优选实施方式具有边缘效应补偿电极和倾斜补偿电极两者，其中，在特别有利的实施方式中，这两个补偿电极是相同的，即，两个功能都是由一个补偿电极来执行的。换句话说，所述至少一个补偿电极被设计成使得它不仅可以用于补偿相对于所述传感器电极或所述传感器的理想平行取向的偏差，而且还用于补偿相对于理想/理论无边缘或无限的扩展传感器电极的偏差。
因此，根据本发明，所述电容式距离传感器除了实际或主传感器电极以外还具有至少一个另外的电容补偿电极，以使得除了主电容以外，还提供两个辅助或次级电容，并且所述至少一个另外的电容补偿电极被配置成使得影响主电容的所述传感器的任何倾斜都可以被抵消，或者在恰当时候，可以查明倾斜的程度并在确定所述距离时加以考虑，和/或可以补偿干扰距离测量的所述传感器电极边缘的电容(或者对仅这种难以接近的电容的评估)。
在所述电容式距离传感器因此呈现线性响应行为的范围内，可补偿性是特别有利的。换句话说，可以借助于所述补偿电极来确定距离，其中，在距离(距离的倒数)与测得的电容之间存在线性关系。这种线性行为使得可以容易地校准所述距离传感器，其中，例如，可以省去复杂的查找表创建(在测量评估中使用这些查找表也是相对复杂的)，并且还使得能够实现相对简单的评估装置和/或评估过程，因此，使得能够简单快速地确定所寻求的距离。
在优选实施方式中，所述电容式距离传感器除了所述第一传感器电极以外还具有至少一个第二平面传感器电极，所述至少一个第二平面传感器电极在结构上与所述第一传感器电极相同，与所述第一传感器电极设置在同一平面中，并且相等但相反地进行电气响应，以使得可以借助于所述两个传感器电极基于差分电容测量来确定所述距离。因此，所述距离传感器具有可以以相反极性充电的两个传感器电极，借助于这两个传感器电极来提供差分测量过程。因此，所述测量与相对区域的阻抗比无关，并且如果多个传感器在公共(即，电连接)的区域上进行测量，则不会相互影响。如上所述，将所述第二传感器电极优选地指配给这种补偿电极。例如，所述两个传感器电极直接彼此紧邻设置并且一起被例如两个补偿电极围绕，所述两个补偿电极在共同边缘效应补偿方面总体上具有与所述两个传感器电极相同的周长和/或被用于补偿(传感器)电极平面的任何倾斜。
在优选的情况下，具有至少一个第一传感器电极和一个第二传感器电极的顶部距离传感器具有至少两个补偿电极，所述距离传感器有四个电荷积分器，每个电荷积分器皆与所述电极之一接触或能与所述电极之一接触，以使在每种情况下，可以同时读出或评估第一传感器电极和第二传感器电极以及两个补偿电极。
在所述电容式距离传感器的开发中，所有传感器电极和补偿电极一起形成在平面中对称的圆形排布结构，其中，所述传感器电极形成圆形扇段，并且相对于所述传感器电极在外部并且同心地设置所述补偿电极。
例如，所述第一传感器电极和第二传感器电极的次序交替，并且所述补偿电极形成环绕所述传感器电极的环。
在进一步的开发中，所述电极具有用于电接触的接触孔，并且所述补偿电极中的接触孔的数量等于所述传感器电极中的接触孔的数量，其中，所有传感器电极具有相同数量的接触孔，以使得接触点的影响在每处都是相同的。特别是在由所述传感器电极和补偿电极形成的上述对称排布结构的情况下，所述接触孔同样对称地设置或放置，以使得对称性不受影响。
在进一步的开发中，所述距离传感器具有电屏蔽线，所述电屏蔽线用于电接触所述传感器和补偿电极，其中，所述线可以切换成和所讨论的电极相同的电位(有源屏蔽)，和/或所述距离传感器具有处于固定地限定的电位的至少一个无源电屏蔽电极。所述屏蔽电极单独地屏蔽每条线或者整体地屏蔽多条线或所有线。
作为另一选项，所述电容式距离传感器被设计成执行连续实时测量距物体的距离。换句话说，所述距离传感器被设计成使得可以监测或永久地检查距物体的距离或者两个物体之间的距离，特别地，多个传感器也可以在同一相对区域上同时进行测量，而不使用多路复用法，例如时分多路复用。
本发明另外涉及一种借助于根据本发明的电容式距离传感器来连续确定两个机器部件之间的距离的方法，其中，所述两个机器部件旨在沿限定的引导方向以优选为至多1000微米的目标距离彼此相对地平行位移。所述位移优选为平移位移，特别是直线位移，即，具有(理想地)仅一个自由度(平移)的移动，例如在直线轴承中。
换句话说，根据该方法，借助于根据本发明的电容式距离传感器连续且实时地确定两个机器部件之间的距离，由此可以动态监测或永久检查平行位移的距离或均匀性或恒定性。
在所述方法的开发中，传感器区域与相对的机器部件之间的角度借助于电容式距离传感器来确定，该电容式距离传感器配备有至少一个倾斜补偿电极，特别是至少两个这样的电极，这些倾斜补偿电极用于补偿相对于理想并行度的偏差。因此，使用根据本发明的距离传感器，以便最终确定两个机器部件之间的角度，或者相对于所述两个机器部件相对于彼此的平行度或相对于位移移动的平行度而言的任何偏差的程度。
本发明还涉及一种具有特别是可在平面中相对于彼此移动的两个部件的精密轴承，特别是(流体动力)滑动轴承或空气轴承、磁力轴承或滚动轴承。所述两个部件优选地能以平移移动的形式相对于彼此移位。特别地，所述移动是直线移动，以使得所述轴承是直线轴承。所述精密轴承的特征在于，所述轴承具有根据本发明的用于特别是连续测量两个部件之间的距离的至少一个电容式距离传感器。
例如，由此可以借助于根据本发明的距离传感器来监测两个轴承部件之间的目标距离的遵守情况。所述精密轴承特别是其中这样的目标距离高达1000微米并且待确定的偏差位于亚微米范围内的轴承。
例如，所述精密轴承是这样一种精密轴承，即，该精密轴承旨在用于高精度仪表，特别是坐标测量机、经纬仪、激光扫描仪或激光跟踪仪。另选地或另外，所述精密轴承旨在用于精密机床，例如CNC制造设备和/或打算用于精密关节臂，例如机器人臂。
本发明还包括计算机程序产品或通过电磁波实现的计算机数据信号，该计算机程序产品或计算机数据信号具有用于控制和/或执行根据本发明的用于电容式距离测量的方法的程序代码。这优选地包括存储这种计算机程序产品的机器可读载体。特别地，所述计算机程序产品旨在在根据本发明的精密轴承的控制系统或者使用根据本发明的精密轴承的精密测量机或制造机器或关节臂中运行。
本发明能够借助于所提供的补偿电极对取向误差和相对于理想的无限扩展的传感器电极的偏差进行补偿，来提供对距物体的距离(特别是例如高达至多1000微米)或者两个物体之间的距离的改进的、能够精确且实时的测量。由此减少了对这种距离传感器的制造和安装的要求，并且在相同的制造要求下增加了测量准确度。
特别有利的是，由于单独的补偿电极而可以获得所述距离传感器的线性电容响应行为，这使得能够进行相对简单的校准以及信号评估，并且例如可以用于增加测量速率。
根据本发明的距离传感器在彼此相对移动的两个物体(例如，机器部件或精密轴承的部件)之间的连续距离确定方面提供了特别的优点。根据本发明的电容式距离传感器能够精确地连续确定或监测两个物体彼此之间的实时距离，以使得可以补偿或考虑相对于目标距离或理想距离的偏差。
根据本发明的配备有根据本发明的电容式距离传感器的精密轴承使得能够连续检查可相对于彼此移动的轴承部件的距离。根据该实施方式，所述距离可以明确地确定，并且可以包括在例如由坐标测量机器进行的3D坐标测量中。
所述电容式距离传感器能够实现(与现有技术的距离传感器相比)更精确的并且连续的距离测量或实时监测(>100Hz)。例如，由此可以实现更精确或更灵敏且因此更可靠或更有意义的轴承监测。例如，由此可以更早和/或更精确地查明轴承运行中的不规则性，并因此可以更有效地采取对策。
附图说明
下面，参照附图中示意性描绘的示例性实施方式，完全作为示例，对根据本发明的电容式距离传感器和根据本发明的方法以及根据本发明的精密轴承进行更详细的描述。
更具体地说，在图中，
图1a示意性地示出了现有技术的电容式距离传感器，
图1b示意性地示出了根据本发明的具有倾斜补偿的电容式距离传感器的第一实施方式，
图2示意性地示出了根据本发明的具有电容边缘效应补偿的电容式距离传感器的第二实施方式，
图3示意性地示出了根据本发明的电容式距离传感器的线性行为的示意性示例，
图4示意性地示出了根据本发明的具有差分测量的电容式距离传感器的另一实施方式，
图5以平面图示意性地示出了根据本发明的具有圆形电极排布结构的电容式距离传感器的优选实施方式，
图6示意性地示出了根据本发明的具有评估电路的电容式距离传感器的示例，
图7示意性地示出了根据本发明的具有屏蔽的电容式距离传感器的示例，
图8示意性地示出了根据本发明的具有有源屏蔽的电容式距离传感器的切换顺序的示例，
图9以分解斜视图示出了根据本发明的电容式距离传感器的优选实施方式，
图10示意性地示出了配备有根据本发明的电容式距离传感器的精密旋转轴承的横截面，以及
图11示意性地示出了配备有根据本发明的电容式距离传感器的精密直线轴承的侧视图。
具体实施方式
图1a以示意性简化的方式和侧视图示出了现有技术的电容式距离传感器100，其中，为了更简单例示，仅示出了最基本的组件。传感器100用于测量距物体50的距离d或者用于测量物体50与距离传感器100附接到其上的第二物体(未示出)之间的间隙d。两个物体或者传感器100和物体50可平行于平面52相对于彼此移位。例如，所述两个物体是精密轴承的两个部件(例如，空气轴承的两个滑动面)，这两个部件可沿着方向52平移移位(例如直线移位)并且彼此具有气隙d。另选地(也通过例示)，所述轴承不是平移轴承，而是旋转轴承，以致平面52是弯曲的并且传感器100例如可以沿该平面执行360°旋转移动。精密轴承例如安装在精密测量机中，例如坐标测量装置、全站仪、激光跟踪仪或激光扫描仪，以及机器人臂或CNC精密制造机中。
在理想情况下，物体总是相对于彼此平行移动，即，距离d理想地是恒定的(在直线情况下，理想地，相对移动只有一个自由度)。然而，实际上，由于制造过程或者环境影响(例如温度变化或老化相关现象)而产生相对于其的偏差，即，间隙的尺寸d在运动范围(位移路径)内存在偏差。这些偏差例如在精密测量机的轴承的情况下错报测量结果，或者在制造设施的情况下错报由所述设施制造的工件的准确度。因此，为了测量和/或监测距离d(例如采用轴承监测的形式)并由此能够考虑和/或补偿距离d或者该距离相对于目标或理想距离的变化或偏差，现在使用电容式距离传感器100。
电容式距离传感器100具有长度或直径为2R的平面传感器电极5。该平面传感器电极5与远离其的物体50的(表面)区域一起形成电容器或电容C。电容C的大小如所已知的取决于距离d。由此，可以通过测量电容C来确定距离d。
然而，利用现有技术的传感器100，仍然可能出现误差，这是因为如果传感器电极5相对于物体面51的取向与该物体面不平行，而是如图1a所示发生倾斜并且两个区域彼此围成角度α，则会出现对距离d的错误考虑或确定。例如，这种不期望的倾斜因不精确的制造或者还因环境影响/老化而再次产生。
那么，实际电容C不是容易地通过
Figure GDA0003075044840000071
来计算，而是根据下式计算：
Figure GDA0003075044840000081
图1b以示意性简化的方式示出了根据本发明的电容式距离传感器4的第一实施方式，利用该第一实施方式可以补偿或考虑相对于距离传感器4或传感器电极5的理想位置的任何倾斜或偏差。为此目的，根据本发明的距离传感器4除了传感器电极2之外还具有倾斜补偿电极1，该倾斜补偿电极1与传感器电极2分开，并且在本示例中按这样的方式分成两个部件1a、1b，即，将这些部件各自指配给传感器电极2的一端并与该端分离。两个电极1、2都位于平面53中。补偿电极1a和1b分别与物体表面51形成电容C1或C2。脱离该例示，平面53略微弯曲或者传感器和补偿电极1、2、3略微弯曲以使例如这三个电极1、2、3形成圆弧的实施方式根据应用的技术领域也是可行的。这样的实施方式有利于例如在旋转相对移动的情况下确定距离，例如用于确定旋转轴承内的距离(参见图10)。
这里，按下面为真的这种方式示出了第一补偿电极部分1a和第二补偿电极部件1b或者由此形成的倾斜补偿电极1：
Figure GDA0003075044840000082
利用根据本发明的距离传感器4，由此补偿(即，抵消)了传感器电极5或平面53相对于物体区域51的倾斜，并且确定倾斜角α并在确定所寻找的距离d时将该倾斜角考虑在内。
图2示出了根据本发明的用于测量距物体50的距离d的电容式距离传感器4的第二实施方式的采用横截面的示意性简化例示图。除了上述由于相对于传感器4或传感器电极5相对于物体区域51的理想平行取向的偏差而造成的测量结果的错报以外，由于电容边缘效应，也会出现相对于理想相关性
Figure GDA0003075044840000083
的偏差。
由于传感器电极5(沿方向53)的范围受到限制，因此其整个电容C除了由电极5的内部区域的“理想”电容Cp组成之外，还由传感器电极5的边缘的电场和/或电容Cf组成，以致(根据所示的二维简化)给出下式：
C＝Cp+2Cf (3)
为了补偿这些边缘效应，根据本发明的距离传感器4除了传感器电极5之外现在还具有边缘效应补偿电极3，该边缘效应补偿电极位于与传感器电极5相同的平面52中并且与传感器电极5隔开一段距离或者与传感器电极分开。这里将补偿电极3被选择成使得该补偿电极具有内部区域与传感器电极5不同但周长相同的有效区域。换句话说，两个电极5和3的边缘长度是相同的，然而它们的面积不同。因此，边缘效应补偿电极3的内部区域的电容Cp1与传感器电极5的“内部”电容Cp不同，然而，边缘电容Cf是相同的。由此，可以通过形成传感器电极5的总电容与补偿电极3的总电容之间的差来补偿电极边缘的电容值，或者可以如下计算：
C＝Cp+2Cf-(Cp1+2Cf)＝Cp-Cp1 (4)
由此获得与边缘效应或边缘电容无关的总电容C。因此有利地提供了一种理想或线性行为不受这种边缘效应干扰的电容式传感器4。
图3示意性地示出了根据本发明的电容式距离传感器的线性行为，该线性行为由上述对相对于理想平行取向的倾斜误差或偏差的补偿以及对电容边缘效应的补偿而产生。由于上述提议的指配至少一个恰当设计的补偿电极的措施，因此所寻求的距离d线性地取决于所测得的电容c(或其倒数)，而且是在整个测量范围内。
因此，这尤其不需要用于校准或故障修复的查找表，该查找表不利的是在校准方面相对计算密集且精细。为了最终确定距离值d，仅需要根据下面的等式(5)在校准过程中确定两个参数k和c0，这两个参数例如通过在两个已知距离d1和d2处测量传感器电容cm1和cm2来实现。根据关系
Figure GDA0003075044840000091
参数k和c0给出如下：
Figure GDA0003075044840000092
Figure GDA0003075044840000093
因此，本发明有利地使得可以提供简单的补偿模型，对于该补偿模型来说，仅必须确定可以以非常简单的方式实现的两个上述前提。
图4以示意性简化的方式示出了根据本发明的电容式距离传感器4的高级开发。除了如上所述的根据本发明的补偿电极(为了清楚起见在图中省略)以外，该距离传感器还具有第二传感器电极6。该第二传感器电极优选地设置在与第一传感器电极5相同的平面53中，并且还在其它方面与第一传感器电极5相对应。在任何情况下，第二传感器电极6以两个电容相同的这种方式设置和实现，即，第一传感器电极5的电容C1与第二传感器电极6的电容C2相同：C5＝C6。
借助于两个传感器电极5和6，可以进行差分电容测量或测量评估，其中，第一传感器电极5的电荷q5与第二传感器电极6的电荷q6相等且相反：q5＝-q6。相对于电极5、6移动或滑动的物体50的、在对应电极或对应区域51中感应的电荷整体上等于零：q5+q6＝0。由于对应区域的电荷中性，因此所述测量在一方面与对应区域的阻抗条件无关。另外，减少或消除了在同一对应区域上进行测量的多个传感器的相互影响。
图5以平面图示意性地示出了根据本发明的电容式距离传感器4的优选实施方式。距离传感器4具有第一平面传感器电极5和第二平面传感器电极6，用于如上所述的差分电容测量。第一传感器电极5和第二传感器电极6在此以三个几何电极或三个电极部件的形式设置，所述三个几何电极或三个电极部件彼此电接触并且以相等的圆形扇段的形式交替且以圆形方式设置。利用这种距离传感器4，例如，覆盖微米范围内的测量范围，例如，高达至多100微米或最多1000微米，其中，实现小于1微米的测量准确度。
补偿电极2a、2b环绕传感器电极5、6以环形方式设置。由补偿电极1、3形成的环8与传感器电极5、6的圆形排布结构同心。
补偿电极2a、2b二者在此用于倾斜补偿(如关于图1a和图1b所描述的)，并且用于补偿电容性边缘效应(如关于图2所描述的)。补偿电极2a、2b由此执行双重功能。这些补偿电极被选择成，使得在一方面传感器电极5、6与补偿电极2a、2b之间的关系在上述等式(2)的意义上以及在上述等式(4)的意义上都得以满足，其中，等式(2)和等式(4)因此从上面呈现的简单二维情况适应于本示例的三维情况。
在该示例中，为此目的的补偿电极被分成十二个(几何)电极2a'、2a"、2b'、2b"，其中，将每两个部件2a'、2a"和2b'、2b"指配给传感器电极部件5或传感器电极部件6。实现分成两个补偿电极部件2a'、2a"和2b'、2b"(而不是单个电极)，以便提供边缘效应补偿功能所需的圆周：两个部件2a'、2a"或2b'、2b"的圆周在每种情况下一起对应于一个传感器电极部件5或6的圆周。
总的来说，向每个第一传感器电极5或第二传感器电极6指配三次两个电补偿电极2a'和2a"或者2b'、2b"，以使最终提供两个补偿电极2a和2b，这两个补偿电极皆被指配给一个传感器电极5或6并且都补偿倾斜效应以及边缘效应。
由于所提供的补偿电极环8的电容，因此例如借助于减去每种情况下存在的内部传感器电极电容，来补偿相对于传感器4相对于测量区域或物体表面的理想平行取向的可能偏差，并还补偿第一传感器电极5和第二传感器电极6的边缘的影响。
在该示例中，电极2a、2b具有3个、5个或6个接触区7(例如接触钻孔/接触孔)，用于它们的电气接触。为了在补偿或故障消除方面以简单的方式确保传感器电极5、6与补偿电极2a、2b的上述比例性，传感器电极5、6具有两个这样的触点。因此提供了针对特定区域或特定电极性的相同接触条件，并且在评估测得的电容时，不必单独考虑接触区域7。
图6示意性地示出了如结合图5预先描述的、根据本发明的电容式距离传感器4的评估电路的示例。借助于导线11，使第一传感器电极5和第二传感器电极6以及补偿电极环8的两个补偿电极2a、2b接触，以使得借助于电压源10同时对这些独立电极中的四个充电，然后可以例如借助于电荷放大器来确定这四个电极5、6、2a、2b的相应电荷或电容。
所讨论的电极或电容器借助于具有恰当连接的电子开关的电压源10进行充电，以使得以电压+VR或-VR对每个电极5、6、2a、2b进行充电。经由将电容电荷转换成电压值的四个可复位的模拟积分器9来进行电容测量。然后，通过ADC转换器将这些电压数字化。
图7示意性地示出了按照上述图6的、根据本发明的电容式距离传感器4的开发例。除了前述特征以外，距离传感器4还具有屏蔽部11s和13，该屏蔽部屏蔽了传感器电极5、6、2a、2b与评估电子装置9ADC之间的电连接，以抵抗外部电磁影响并因此降低测量信号的噪声。
一方面，使用电屏蔽线11s。为了避免寄生电容，这些电屏蔽线借助于附加开关或电压源12切换至与传感器电极5、6、2a、2b相同的电位+VR或-VR，以使得提供有源屏蔽。
另一方面，距离传感器4可选地具有附加的无源屏蔽部13，该无源屏蔽部位于固定或限定的电位14处。因此，更进一步降低了干扰电容测量的影响。在该示例中，无源屏蔽部13被配置成，使得所有电连接由此被立刻屏蔽。另选地，距离传感器4可以具有多个这样的无源屏蔽部13，以使得例如每条线11s具有其自己的屏蔽部13。
图8示意性地示出了根据本发明的具有根据先前图7的有源屏蔽的电容式距离传感器4的切换顺序的示例，其中，为了更简单的例示，仅示出了补偿电极环8的电路。关于阅读过程，(内)第一传感器电极5和第二传感器电极6以及由补偿电极2a、2b形成的外环8可以被视为彼此独立的两个电容性传感器。
图8在顶部示出了具有线路11s、电位源10和12以及积分器9的电气电路，该积分器9递送输出信号VA和VB，其中，用A1-A7和B1-B7表示必要的开关。在其下方定性地示出开关A1-A7和开关B1-B7的切换顺序以及所得到的输出电压VA和VB。其中，还可以看出电极被相反的极性激发，以使得差分测量过程成为可能。另外，按这样的方式管理所述开关，即，可以在后处理(相关双采样)中补偿因相对于理论或理想切换过程的偏差而产生的电荷影响。
图9以分解斜视图示出了根据本发明的电容式距离传感器4的优选实施方式。圆柱形距离传感器4在“顶部”具有实际有效圆形区域，该实际有效圆形区域具有第一传感器电极5和第二传感器电极6以及补偿电极环8(参见图5)。为了进行屏蔽，总共有三个有源屏蔽电极(层)15和两个无源屏蔽部(层)13。这些是交替依次排列的，其中，用于接触传感器电极5、6和补偿电极8的导体层11直接设置在两个有源屏蔽层15之间。由于具有传感器电极5、6和补偿电极8的“最上”层以及导体层11仅与有源屏蔽层15相邻的排布结构，因此有利地使载体(印刷电路板)范围内的温度效应最小化。本结构另外在尽可能屏蔽干扰电场的情况下实现了紧凑的设计。
图10以横截面和平面图示意性地示出了根据本发明的距离传感器4在精密轴承20中的应用的示例。轴承20是旋转轴承。传感器4用于监测轴承20的内环50与外环21之间的距离d。根据本发明，传感器4除了与相对的内环50一起形成电容的主电极5以外，还具有分成两个部件的补偿电极2，该补偿电极与内环50一起形成另一电容。电极2与传感器电极5分离并且以这样的方式指配给传感器电极5，即，两个电极2、5或者三个电极形成弯曲的平面53。补偿电极2按这样的方式根据上述原理形成，即，传感器4相对于理想位置的偏差以及传感器电极5的边缘效应都可以基于补偿电极2的补偿电容而得以补偿，以使得可以以高度精确的方式监测距离d。
图11示意性地示出了配备有根据本发明的电容式距离传感器4z、4y1、4y2的具有直线轴x的精密轴承系统16的侧视图。该示例中的精密轴承16是空气轴承，该空气轴承例如用于门式坐标测量机或CNC机床的直线驱动。
所示的是矩形梁结构，该矩形梁结构在所需的直线位移移动的方向x上用作导引件17。可相对于物体17位移的物体是设置用于沿x方向移动的载体18。通过产生气垫的压缩空气开口19将该载体支承在距导引件17的一定距离处，以使得尽可能实现几乎无摩擦移动。
按特定的x位置提供两个物体17和18沿z方向的间距或距离(dz)和沿y方向的间距或距离(dy1、dy2)在CMM中应用的情况下，影响位于测量台上的待测量工件的待确定3D坐标；所述距离例如约为几微米至100微米或者至多1000微米。为了补偿相对于目标距离或理想距离的偏差，或者为了例如以纳米精度确定特定距离dz和dy1，dy2并将该特定距离包括在3D坐标的计算中，该示例中的轴承16具有根据本发明的三个电容式距离传感器4z，4y1、4y2，这三个电容式距离传感器附接至载体18或者附接到载体18中，并逐渐地或连续地测量与导引件17相对的垂直于移动方向x的距离dz和dy1、dy2，或者实时或就地监测该距离，即，也在两个物体17和18相对于彼此移动期间监测该距离。由此，例如距离dz和dy1、dy2也可以利用各个3D坐标获取来确定，或者可以在整个测量过程或工件的整个生产过程期间以特定测量频率加以记录。
因此，即使在诸如温度或振动的波动或者由于轴承16的不精确制造的不利环境影响的情况下，也可以有利地精确执行例如安装有轴承系统16的坐标测量机或制造机器的测量或制造，并且可以减少对轴承16的制造公差的要求；还特别可行的是，由于电容式距离传感器4z，4y1、4y2的根据本发明的倾斜补偿(参见图1b)，因此甚至可以以相对大的公差来提供将该电容式距离传感器安装在载体18上或载体18中。
因此，将测得的距离dy1、dy2以及dz用于载体18的精确位置确定和监测所述载体的定位准确度。因此可以确定和补偿沿y方向和z方向的任何偏差。
另外，借助于沿z方向安装的两个电容式距离传感器4y1、4y2，另外确定和补偿直线轴承16的进一步的偏差。借助于沿z轴的两个传感器4y1、4y2，监测并补偿诸如围绕z轴的滚动误差的旋转。作为另一选项(未示出)，轴承具有例如以沿x方向隔开一定距离的方式安装在载体18上的另一些附加距离传感器，这些附加距离传感器用于补偿进一步的误差(俯仰、偏航)并进一步增加精度。
很明显，这些示出的图仅示意性地示出了可能的示例性实施方式。所述各种方法还可以根据本发明彼此组合以及与现有技术的对应装置和方法相组合。

Claims (20)

1.一种用于测量距物体(17、50)的距离(d、dy1、dy2、dz)的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)，其中，所述距离传感器(4、4y1、4y2、4z)具有至少一个第一平面传感器电极(5)，其中，所述传感器电极(5)被设计成与所述物体(17、50)的相对区域(51)一起形成取决于所述距离(d、dy1、dy2、dz)的电容，以使得能够基于电容测量来确定所述距离(d、dy1、dy2、dz)，
其特征在于，
将至少一个单独的倾斜补偿电极(1、2、2a、2b)指配给所述第一平面传感器电极(5)，其中，所述传感器电极(5)和所述倾斜补偿电极(1、2、2a、2b)位于一平面(53)中，并因此，能够基于所述倾斜补偿电极(1、2、2a、2b)的电容来补偿由相对于传感器电极(5)和相对的物体区域(51)的理想平行度而言的偏差而造成的距离测量误差，其中，所述倾斜补偿电极(2、2a、2b)还被设计用于补偿电容边缘效应。
2.根据权利要求1所述的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)，其中，所述电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)具有亚微米范围到微米范围内的准确度。
3.一种用于测量距物体(17、50)的距离的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)，其中，所述距离传感器(4、4y1、4y2、4z)具有至少一个第一平面传感器电极(5)，其中，所述传感器电极(5)被设计成与所述物体(17、50)的相对区域(51)一起形成取决于所述距离(d、dy1、dy2、dz)的电容，以使得能够基于电容测量来确定所述距离(d、dy1、dy2、dz)，
其特征在于，
将至少一个单独的边缘效应补偿电极(3、2、2a、2b)指配给所述第一平面传感器电极(5)，其中，所述第一平面传感器电极(5)和所述边缘效应补偿电极(3、2、2a、2b)位于一平面(53)中，并且具有拥有不同面积的相同圆周，以使得能够基于所述边缘效应补偿电极(3、2、2a、2b)的电容来补偿由所述第一平面传感器电极(5)的电容边缘效应而造成的距离测量误差。
4.根据权利要求3所述的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)，其中，所述电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)具有亚微米范围内的准确度。
5.根据权利要求3或4所述的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)，
其特征在于，
所述边缘效应补偿电极(2、2a、2b)还被设计用于补偿相对于理想平行度而言的偏差。
6.根据权利要求1或3所述的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)，
其特征在于，
所述距离传感器(4、4y1、4y2、4z)具有至少一个第二平面传感器电极(6)，所述至少一个第二平面传感器电极(6)与所述第一平面传感器电极(5)相比具有相同的电容以及相等但相反的电响应，以使得能够借助于这两个传感器电极(5、6)基于差分电容测量来确定所述距离(d、dy1、dy2、dz)，并且其中，所述第二平面传感器电极(6)还被指配有至少一个倾斜补偿电极和/或边缘效应补偿电极(1、2、2a、2b、3)。
7.根据权利要求6所述的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)，
其特征在于，
所述距离传感器(4、4y1、4y2、4z)具有至少两个补偿电极(1、2、2a、2b、3)和四个积分器(9)，以使得在每种情况下，能够同时读取第一平面传感器电极(5)和第二平面传感器电极(6)以及两个补偿电极(1、2、2a、2b、3)。
8.根据权利要求7所述的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)，
其特征在于，
所有传感器电极(5、6)和补偿电极(1、2、2a、2b、3)一起形成在所述平面(53)中对称的圆形排布结构，其中，所述传感器电极(5、6)形成圆扇段并且所述补偿电极(1、2、2a、2b、3)以在外部同心地环绕所述传感器电极(5、6)的方式设置。
9.根据权利要求1或3所述的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)，
其特征在于，
所述传感器电极(5、6)和所述补偿电极(1、2、2a、2b、3)具有用于电接触的接触孔(7)，并且所述补偿电极(1、2、2a、2b、3)中的接触孔(7)的数量等于所述传感器电极(5、6)中的接触孔(7)的数量，其中，所有传感器电极(5、6)具有相同数量的接触孔(7)。
10.根据权利要求1或3所述的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)，
其特征在于，
所述距离传感器(4、4y1、4y2、4z)具有电屏蔽线(11s)，所述电屏蔽线(11s)电接触所述传感器电极(5、6)和/或所述补偿电极(1、2、2a、2b、3)，其中，所述线(11s)能够切换成和所讨论的所述传感器电极(5、6)和/或所述补偿电极(1、2、2a、2b、3)相同的电位，和/或所述距离传感器具有处于固定地限定的电位(14)的至少一个无源电屏蔽电极(13)。
11.根据权利要求1或3所述的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)，
其特征在于，
所述距离传感器(4、4y1、4y2、4z)被设计用于连续实时测量距所述物体(17、50)的所述距离(d、dy1、dy2、dz)，和/或具有借助于可补偿性的线性响应行为。
12.一种具有可相对于彼此移动的两个部件(17、18)的精密轴承(16)，
其特征在于，
所述精密轴承具有至少一个根据权利要求1或3所述的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)，该电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)用于实时测量两个可移动部件(17、18)之间的至少一个距离(d、dy1、dy2、dz)。
13.根据权利要求12所述的精密轴承(16)，其特征在于，所述精密轴承是滑动轴承、空气轴承、磁力轴承或滚动轴承。
14.根据权利要求12所述的精密轴承(16)，
其特征在于，
所述精密轴承(16)具有彼此相距一定距离设置的至少两个电容式距离传感器(4y1、4y2)，以使得能够补偿相对于所述两个可移动部件(17、18)相对于彼此的理想平行度而言的偏差。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的精密轴承(16)，
其特征在于，
所述精密轴承(16)被设计为平移轴承，其中，所述精密轴承(16)是直线轴承(16)，所述直线轴承具有沿垂直于直线轴(x)的轴(y)彼此相距一定距离设置的至少两个电容式距离传感器(4y1、4y2)，以使得能够补偿绕所述直线轴(x)的旋转。
16.根据权利要求12所述的精密轴承(16)，
其特征在于，
所述精密轴承(16)旨在用于高精度仪表。
17.根据权利要求16所述的精密轴承(16)，
其特征在于，所述高精度仪表是坐标测量机、经纬仪、激光扫描仪或激光跟踪仪、和/或精密机床和/或精密关节臂。
18.一种用于连续确定两个机器部件(17、18)之间的距离(d、dy1、dy2、dz)的方法，所述两个机器部件旨在沿着限定的引导方向(x)相对于彼此平行位移，
其特征在于，
使用根据权利要求1或3所述的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)连续确定所述距离(d、dy1、dy2、dz)。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述两个机器部件以至多1000微米的目标距离相对于彼此平行位移。
20.一种存储有程序代码的机器可读载体，其中，当所述程序代码在根据权利要求1或3所述的电容式距离传感器(4、4y1、4y2、4z)的控制和评估单元上运行时，执行根据权利要求18所述的方法。
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