WO2008080739A1 - Vorrichtung zur entfernungsmessung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere ein handgehaltenes Entfernungsmessgerät, mit zumindest einem Distanzmessmodul, zur Aussendung eines Hochfrequenzsignals zum Zwecke einer Entfernungsmessung, sowie mit einer Bedieneinheit (14) zur Aktivierung der Entfernungsmessung, und mit einer Ausgabeeinheit (12) zur Wiedergabe eines Entfernungsmesswertes. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Hochfrequenzmesssignal in einem Frequenzbereich von größer/gleich 100 GHz liegt.

Description


  Beschreibung

Titel

Vorrichtung zur Entfernungsmessung

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere von einem handgehaltenen Entfernungsmessgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Entfernungsmessgeräte und insbesondere optische Entfernungsmessgeräte als solche sind seit geraumer Zeit bekannt. Diese Geräte senden einen modulierten Messstrahl, beispielsweise einen Lichtoder Laserstrahl aus, der auf ein gewünschtes Zielobjekt, dessen Abstand zum Gerät zu ermitteln ist, ausgerichtet wird.

   Das von dem angepeilten Zielobjekt reflektierte oder gestreute, rücklaufende

Mess-Signal wird von dem Gerät teilweise wieder detektiert und zur Ermittlung des gesuchten Abstandes verwendet.

Der Anwendungsbereich derartiger Entfernungsmessgeräte umfasst im Allgemeinen Entfernungen im Bereich von einigen wenigen Millimetern bis zu mehreren hundert

Metern. In Abhängigkeit von den zu messenden Laufstrecken, den Umweltbedingungen sowie der Rückstrahlfähigkeit des ausgewählten Zielobjektes ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die Leistungsfähigkeit eines solchen Messgerätes.

   Derartige Messgeräte werden mittlerweile in kompakter Ausführung kommerziell vertrieben und erlauben dem Anwender einen einfachen, handgehaltenen Betrieb.

Bekannt sind Laserentfernungsmesser, die eine definierte Messgenauigkeit aufweisen, die im Wesentlichen durch das dem Messgerät zugrundeliegende Messsystem definiert wird. Diese Genauigkeit des Entfernungsmessers wird für einen spezifizierten Messbereich des Messgerätes, beispielsweise herstellerseitig, garantiert. Aus der DE 198 11 550 Al ist beispielsweise eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur optischen Distanzmessung bekannt, bei dem zumindest zwei unterschiedliche, eng benachbarte Messfrequenzen aus einem Oszillator abgeleitet werden.

   Um über einen möglichst grossen Messbereich messen zu können und gleichzeitig eine möglichst hohe Messgenauigkeit bei der Entfernungsmessung zu erzielen, werden in dem Verfahren der DE 198 11 550 Al drei unterschiedliche Frequenzen im Bereich von ca. 1 MHz bis ca. 300 MHz genutzt und die gesuchte Strecke mit jeder dieser Frequenzen vermessen.

Aus der EP 0 885 3999 Bl ist ein optisches Verfahren zur Messung von Abständen nach dem Impulslaufzeit-Verfahren bekannt, bei dem sowohl eine Grobmessprozedur als auch eine Feinmessprozedur durchgeführt wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den mit einem kompakten, insbesondere handgehaltenen Messgerät zur Entfernungsmessung möglichen Entfernungs-bereich, über den eine Distanzmessung mit den Gerät möglich ist, mit einfachen Mitteln zu erweitern.

   Mittels einer vorgeschalteten Grobmessprozedur wird ein Messzeitintervall bestimmt, welches länger ist, als eine abgeschätzte Ausbreitungszeit des Lichtsignals vom Messgerät zum Zielobjekt und zurück. Während der anschliessenden Feinmessprozedur werden eine Reihe von Untermessungen durchgeführt, wobei für jede Untermessung ein Messlichtsignal nur dann gemessen wird, wenn es innerhalb eines passenden Messzeitgebietes fällt, welches während der Grobmessprozedur ermittelt wurde.

   Die zu ermittelnde Distanz wird dann durch Mitteln über die Ergebnisse der einzelnen Feinmessprozeduren gewonnen.

Neben den beschriebenen optischen Entfernungsmessgeräten sind darüber hinaus seit einiger Zeit auch kommerzielle Geräte auf Ultraschallbasis verfügbar.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist darin zu sehen, durch eine geeignete Sensorik eine kostengünstige, flexible Entfernungsmessung zu realisieren, und ein kompaktes, insbesondere handgehaltenes, Messgerät zur Entfernungsmessung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Entfernungsmessung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise durch ein Verfahren zur Distanzmessung mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

   Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Entfernungsmessung, die beispielsweise in Form eines handgehaltenen Entfernungsmessgerätes realisiert sein kann, weist zumindest ein Distanzmessmodul, zur Aussendung eines Hochfrequenzsignals zum Zwecke einer Entfernungsmessung auf. Darüber hinaus besitzt dieses Distanzmessmodul zudem auch eine entsprechende Empfangseinheit zur Detektion der an einem Objekt reflektierten oder gestreuten Messstrahlung. Ferner verfügt das Gerät über eine Bedieneinheit zur Aktivierung der Entfernungsmessung, die im Gerät integriert sein kann oder über eine entsprechende Schnittstelle mit der Vorrichtung verbindbar ist.

   Sowie eine Ausgabeeinheit zur Wiedergabe von Entfernungsmesswerten, die mit der Vorrichtung gemessen worden sind.

In vorteilhafter Weise liegt das Messfrequenzsignal der erfindungsgemässen

Vorrichtung in einem Frequenzbereich von grösser/gleich 100 GHz liegt.

In diesem Frequenzbereich ist eine komplette Integration der notwendigen Hochfrequenzkomponenten, d.h. Bauteile und Schaltungsanordnungen auf Halbleitermaterial möglich.

   Dadurch wird eine sehr kostengünstige Realisierung einer Entfernungsmessvorrichtung möglich.

Vorteilhafter Weise liegt die Frequenz in einem Frequenzbereich von 100 - 150 GHz insbesondere in einem Bereich von 122 - 123 GHz.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemässen Vorrichtung möglich.

Als Messsignal für die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Entfernungsmessung kann beispielsweise ein Puls, ein FSK (Frequency Shift Keying) Signal oder ein

FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) Signal verwendet werden.

In vorteilhafter Weise sind die Hochfrequenzkomponenten der Sendeund

Empfangseinheit auf bzw. in einem Halbleiterelement (IC) im Folgenden kurz "Chip" genannt, integriert sind.

   Insbesondere ist in vorteilhafter Weise auch das

Antennenelement, welches beispielsweise als Patch-Antenne ausgebildet ist, und das Messsignal aussendet und /oder empfängt ebenfalls in bzw. auf dem Halbleitermaterial angeordnet.

Das Substrat des Halbleiterelementes besteht dabei in vorteilhafter Weise im Wesentlichen aus SiliziumGermanium (SiGe).

Zur Auskopplung der Energie aus der Antenne kann in vorteilhafter weise ein Kunststoffteil, Polyrod, Verwendung finden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn die erfindungsgemässe Vorrichtung über zumindest ein weiteres hochfrequentes Distanzmessmodul verfügt, so dass beispielsweise eine Entfernungsmessung in zwei Richtungen gleichzeitig möglich ist oder aber auch durch zwei parallele Messsignale im definierten Abstand eine Schräge bzw.

   eine Steigung vermessen werden kann.

So ist es möglich, ein zweites Distanzmessmodul im Gerät direkt zu integrieren, oder ein solches zweites Distanzmessmodul über einen Adapter oder eine Schnittstelle an die erfindungsgemässe Vorrichtung mechanisch und messtechnisch anzukoppeln.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erste Distanzmessmodul und das zweite Distanzmessmodul über Verbindungsmittel derart mechanisch und datentechnisch miteinander koppelbar sind, dass bei Betätigung der Bedieneinheit auch eine Entfernungsmessung des ersten Distanzmessmoduls ausgelöst wird.

Die Datenübertragung zwischen den einzelnen Distanzmessmodulen bzw.

   zwischen dem Distanzmessmodul und einer Auswerteeinheit kann dabei per Funk, optischem Signal oder anderen Übertragungsmitteln erfolgen.

Die erfindungsgemässe Entfernungsmessvorrichtung kann in vorteilhafter Weise auch an ein Elektrowerkzeug, insbesondere eine Handwerkzeugmaschine, die zu einem bohrenden und/oder schlagenden Antreiben eines Werkzeugs vorgesehen ist, angekoppelt werden, bzw. in ein solches Gerät direkt integriert werden. Weitere Vorteile der erfindungsgemässen Messvorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für erfindungsgemässe Vorrichtungen zur Entfernungsmessung dargestellt, welche in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden sollen.

   Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombinationen. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen

Kombinationen zusammenfassen. Insbesondere wird ein Fachmann auch Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen miteinander kombinieren und so zu weiteren Ausführungsformen gelangen.

Es zeigen:

  

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur

Entfernungsmessung in einer Aufsicht,

Figur 2 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung zur

Entfernungsmessung gemäss Figur 1 dargestellt in zwei Anwendungsfällen,

Figur 3 eine schematische Darstellung des schaltungstechnischen Aufbaus zur Erzeugung des Messsignals für eine erfindungsgemässen

Vorrichtung zur Entfernungsmessung,

Figur 4 eine Darstellung eines Halbleiterelementes inklusive Antennenelement für eine erfindungsgemässen Vorrichtung zur Entfernungsmessung,

Figur 5 eine alternative Darstellung eines Halbleiterelementes inklusive

Antennenelement und Polyrod für eine erfindungsgemässen Vorrichtung zur Entfernungsmessung,

   Figur 6 eine Darstellung eines Halbleiterelementes inklusive Antennenelement und Polyrod sowie zugehörigem Gehäuse für eine erfindungsgemässen Vorrichtung zur Entfernungsmessung.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Entfernungsmessung in Form eines handgehaltenen Entfernungsmessgerätes.

Das Gerät besitzt ein Gehäuse 10, in dem die wesentlichen Komponenten zur Signalerzeugung sowie Verarbeitung angeordnet sind. Dies ist insbesondere ein

Distanzmessmodul mit einer entsprechenden Hochfrequenzerzeugung, einem

Sendebzw. Strahlerelement und einem Empfängerelement. Darüber hinaus besitzt das Gerät eine Ausgabeeinheit in Form eines optischen Displays 12 zur

Wiedergabe von Daten, beispielsweise gemessenen Abstandswerten.

   In Alternativen Ausführungsformen kann die Ausgabe auch zusätzlich oder ausschliesslich akustisch erfolgen.

Zudem weist das erfindungsgemässe Gerät 10 ein Bedienfeld 14 auf, mit dem Entfernungsmessungen aktiviert werden können oder verschiedene Messmenues aufgerufen werden können.

Das Ausführungsbeispiel gemäss Figur 1 weist zudem ein zweites Distanzmessmodul 16 auf, in dem eine selbständige Sendeund Empfangseinheit integriert ist.

   Auf diese Weise ist es möglich in zwei Richtungen 18 bzw. 20 gleichzeitig zu messen, um beispielsweise den Abstand zweier Punkte 22 bzw. 24 voneinander zu bestimmen, ohne dass das Entfernungsmessgerät an einen dieser Punkte als Referenzpunkt angelegt werden muss.

Dabei sind das erste Distanzmessmodul und das zweite Distanzmessmodul über Verbindungsmittel derart mechanisch und datentechnisch miteinander verkoppelt, dass bei Betätigung der Bedieneinheit 14 auch eine Entfernungsmessung des zweiten 16 Distanzmessmoduls ausgelöst wird.

Wie in Figur 1 angedeutet ist, kann das zweite Distanzmessmodul, welches lösbar mit dem Entfernungsmessgerät 10 verbunden ist, aus diesem herausgezogen werden, um beispielsweise ein Messung in paralleler Richtung zur Messrichtung 18 des Entfernungsmessgerätes durchzuführen.

   Hierbei kann eine Datenübertragung dann beispielsweise über Funk oder optisch oder kabelgetragen erfolgen.

Figur 2 veranschaulicht einige der möglichen Messanwendungen nochmals. Durch parallele Messung mit zwei Messsignalen, wie dies im linken Teil der Figur 2 angedeutet ist, lässt sich beispielsweise eine Schräge in Form einer Deckenneigung [alpha] beispielsweise der Decke 26 eines Wohnraumes bestimmen. Dazu werden zwei Distanzmessmodule im definierten Abstand nebeneinander fixiert oder gehalten.

Durch die Messung in zwei entgegen gesetzte Richtungen, wie dies im rechten Teil der Figur 2 angedeutet ist, lässt sich beispielsweise der Abstand zwischen dem Boden 28 und der Decke 30 eines Gebäudes vermessen. Dazu sollte hur sichergestellt sein, dass das Gerät 10 entsprechend zu Decke und Boden ausgerichtet ist.

   Dies kann in einfacher Weise durch die Integration eines Neigungsmessers mit einem entsprechenden optischen oder akustischen Signal erfolgen.

Um die Messrichtung zu lokalisieren kann zusätzlich ein optisches Signal, beispielsweise durch eine oder mehrere Leuchtoder Laserdioden in Messrichtung ausgegeben werden.

Die Entfernungsmessung erfolgt dabei erfindungsgemäss mit einem Hochfrequenzsignal im Mikrowellenbereich, mit einer Frequenz im Bereich von 100 bis 150 GHz, vorteilhafter Weise im Frequenzbereich von 122 bis 123 GHz.

In diesem Frequenzbereich ist eine komplette Integration der Hochfrequenzkomponenten, wie beispielsweise Oszillatoren und Mischer auf einem Halbleitermaterial, beispielsweise einem SiGe-Chip 32 möglich, wie dies in Figur 3 angedeutet ist.

   Durch diese Möglichkeit erspart man sich einen Aufbau in Hohlleitertechnik, so dass die Systeme sehr klein und kostengünstig gefertigt werden können.

Eine weitere Besonderheit dieses Prinzips ist, dass neben der Frequenzerzeugung 34 und dem Empfängerelement 36 auch die Antenne 38 bzw. die Antennen inklusive Antennenspeisung sich auf dem Chip 32 befinden, wir dies in Figur 3 bzw.

4 angedeutet ist. Die Frequenzsignale im Bereich von 122GHz sind dadurch auf den Halbleiterchip begrenzt.

   Durch diese Integration erspart man sich die Signalauskopplung über Pins aus dem Chip, was bei Frequenzen im Bereich von lOOGhz und darüber nicht ganz einfach zu realisieren wäre.

Nur DC (Gleichstrom) und NF (Niederfrequenz) Signale werden über entsprechende Bondverbindungen 40 nach aussen zur weiteren Signalverarbeitung und Auswertung geführt.

Auf einem derartigen Halbleiterchip kann beispielsweise eine einzelne Antenne, die sowohl als Sendeals auch als Empfangselement dient angeordnet sein, oder aber auch jeweils eine Sende und eine Empfangsantenne.

Die hohe Arbeitsfrequenz im Bereich von 100GHz gestattet es in vorteilhafter Weise alle notwenigen H FKomponenten auf einem Chip zu integrieren. Dies können beispielsweise sein: Mischer, Verstärker, Signalerzeugung, Antenne mit Speisung.

   Durch diese Integration kann der entsprechende Chip bzw. das darauf aufbauende

Messsystem kostengünstig realisiert werden.

Dies hat darüber hinaus den Vorteil, dass beispielsweise mehrere Distanzmessmodule in einem einzelnen Gerät integriert werden können, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. Auf diese Weise ist es dann beispielsweise möglich, gleichzeitige

Entfernungsmessungen in zwei Richtungen, insbesondere mit 180[deg.] Ausrichtung zwischen den Sensoren bzw. Messsystemen, kostengünstig zu realisieren. Dies würde dem Anwender dann beispielsweise das Anlegen des Messgerätes an einer Wand ersparen.

   Wie in dem zweiten Anwendungsfall der Figur 2 gezeigt, könnte das Messgerät beliebig zwischen den zu vermessenden Wänden angeordnet sein.

In vorteilhafter weise bleibt dabei die Möglichkeit der Umschaltung zwischen verschiedenen Messbereichen auch im Fall zweier oder mehrerer Sensoren im Gerät erhalten.

Auch ist es aufgrund der erfindungsgemässen Ausbildung des Messmoduls auf einem Halbleitersubstrat möglich, ein ganzes Antennenarray auf einem oder mehreren Halbleiterelementen zu integrieren und in einem einzelnen Messgerät zu integrieren.

Durch die Integration von H FKomponenten und einfacher Logik kann bei dem erfindungsgemässen System ein direkter Eingriff auf die H FEigenschaften des Messsystems vorgenommen werden. Dies bedeutet beispielsweise, dass der Sensor auf zwei oder mehr Entfernungsbereiche eingestellt und optimiert werden kann.

   Mit einer entsprechenden "Umstellung" zwischen diesen optimierten Bereichen, können dann zwei (oder mehr) Anwendungen in einem Gerät, beispielsweise einem Entfernungsmesser, insbesondere einem kompakten, handgehaltenen Entfernungsmesser realisiert werden. So lässt sich der erfindungsgemässe Sensor dann beispielsweise zur Entfernungsmessung im Bereich von beispielsweise 5 cm bis 10 m verwenden.

   Durch Umschaltung des Messsystems und Montage beispielsweise an einer Bohrmaschine kann das gleiche Messsystem dann zur Bohrtiefenmessung im Bereich von beispielsweise lern bis 50 cm genutzt werden.

Darüber hinaus ist eine Integration von weiteren digitalen Komponenten, wie beispielsweise schneller ADC und ECL-Logik in einfacher Weise möglich.

Zur Auskopplung der Energie aus der Antenne 38, die insbesondere als Patch-

Antenne ausgebildet sein kann, kann ein Dielektrikum in Form eines Kunststoffteils, ein so genanntes Polyrod 42 Verwendung finden, wie dies in Figur 5 dargestellt ist.

   Das Polyrod 42 wird dabei über dem Antennenelement 38 angeordnet und beispielsweise über Stege 44 an dem Substratträger 46 befestigt.

Eine zusätzliche Formung der Richtgeometrie des Strahlerelementes lässt sich über die Gehäusegeometrie, beispielsweise eine Kuppeiförmige Ausbauchung 48, wie in Figur 6 dargestellt erzielen.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Entfernungsmessung zeichnet sich durch vielseitige Anund Verwendungen aus und ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Insbesondere kann die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Entfernungsmessung in andere Geräte oder Komponenten integriert werden.

   Die erfindungsgemässe

Entfernungsmessvorrichtung kann in vorteilhafter Weise an ein Elektrowerkzeug, insbesondere eine Handwerkzeugmaschine, die zu einem bohrenden und/oder schlagenden Antreiben eines Werkzeugs angekoppelt werden, bzw. in ein solches

Gerät direkt integriert werden. Bei der Montage der Entfernungsmessvorrichtung an oder in ein Elektrowerkzeug sollte die dort typische Anwendung entweder durch den

Anwender eingestellt werden oder durch eine "codierte" Aufnahme direkt am Gerät eingestellt werden.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere ein handgehaltenes Entfernungsmessgerät, mit zumindest einem Distanzmessmodul, zur Aussendung eines Hochfrequenzmesssignals zum Zwecke einer
Entfernungsmessung, sowie mit einer Bedieneinheit (14) zur Aktivierung der Entfernungsmessung, und mit einer Ausgabeeinheit (12) zur Wiedergabe eines Entfernungsmesswertes, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzmesssignal in einem Frequenzbereich von größer/gleich 100 GHz liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzmesssignal in einem Frequenzbereich von 100 GHz bis 150 GHz liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzmesssignal in einem Frequenzbereich von 122 -123 GHz liegt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hochfrequenzkomponenten zur Erzeugung eines Messsignals auf / in einem Halbleiterelement (IC) (32) integriert sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat des Halbleiterelementes (32) im Wesentlichen aus SiliziumGermanium (SiGe) besteht.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Antennenelement (38) auf dem Halbleiterelement (32) befindet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Antennenelement (32) eine Patch-Antenne ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Antennenelement (32) unterhalb eines Polyrod (42) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiteres hochfrequentes
Distanzmessmodul (16), mit zumindest einem weiteren Antennenelement vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine weitere Distanzmessmodul (16) im Gehäuse (10) der Vorrichtung integriert ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (109 des ersten Distanzmessmoduls über einem Adapter mit einem Gehäuse des zweiten Distanzmessmoduls (16) mechanisch verkoppelbar ist.
12. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung zwischen den Distanzmessmodulen per Funk erfolgt.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Distanzmessmodul und das zweite Distanzmessmodul über Verbindungsmittel derart mechanisch und datentechnisch miteinander koppelbar sind, dass bei Betätigung der Bedieneinheit (14) auch eine Entfernungsmessung des zweiten Distanzmessmoduls (16) ausgelöst wird.
14. Elektrowerkzeug, insbesondere eine Handwerkzeugmaschine, die zu einem bohrenden und/oder schlagenden Antreiben eines Werkzeugs vorgesehen ist, mit einer Entfernungsmessvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche.
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