Hochfrequenzsensor sowie Werkzeugmaschine mit einem Hochfrequenzsensor

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Hochfrequenzsensor, insbesondere von einem Hochfrequenzortungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Hochfrequenzsensoren, insbesondere Hochfrequenzsensoren zur Detektion von verborgenen Objekten sind seit geraumer Zeit bekannt. Als Hochfrequenzsensoren seien hier Sensoren bzw. Antennenelemente derartige Sensoren verstanden, die in Einem Frequenzbereich von großer gleich 1 GHz arbeiten.

Ein Radargerät mit einem Hochfrequenzsensor ist beispielsweise aus der WO 96/19737 bekannt. Mit diesem Radargerät können in einer Wand oder im Erdreich eingeschlossene Objekte mit hoher Genauigkeit detektiert werden. Damit z. B. bei Bohrungen in einer Wand die darin eingeschlossenen Objekte - z. B. Stahlarmierungen, Stromleitungen, Wasserleitungen und dergleichen - vor Zerstörung sicher sind, sollte dem Handwerker eine präzise Information über einen Ort, d. h. die Wegposition auf der Wandoberfläche und die Tiefe in der Wand, des eingeschlossenen Objektes vermittelt werden. Ein Radargerät besteht, wie auch in der WO 96/19737 beschrieben, üblicherweise aus einem „Frontend" - das ist eine Sende- und Empfangseinheit - und einer Anzeigevorrichtung.

Das in der WO 96/19737 offenbarte Frontend weist einen abgeschirmten Raum für elektrische Schaltkreise und zwei sich an diesen Raum anschließende Räume auf, die als Sendeantenne und Empfangsantenne ausgebildet sind. Die Hohlräume für die Sende- und die Empfangsantenne haben die Form von Hörnern, in denen Strahlerelemente (z. B. in Form von Drähten) installiert sind. Die Abschirmung des die Schaltkreise aufnehmenden Raumes geschieht einerseits durch ein auf die Leiterplatte für die Schaltkreise aufgesetztes Gehäuse und andererseits durch die

Wandungen der Antennenhörner, die auf der den Schaltkreisen gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte fixiert sind. Die der Druckschrift WO 96/19737 zu entnehmende Ausführung des Frontends eines Radargeräts ist fertigungstechnisch relativ aufwendig, weil es aus einer Vielzahl von Einzelteilen besteht.

Aus der DE 10 104 864 Al ist eine Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen von Radarstrahlen bekannt, bei der auf einer Seite einer Leiterplatte mindestens eine Antenne und auf der anderen Seite der Leiterplatte elektrische Schaltkreise angeordnet sind und Mittel zur elektromagnetischen Abschirmung der elektrischen Schaltkreise gegenüber der mindestens einen Antenne vorhanden sind.

Auf der antennenseitigen Oberfläche der Leiterplatte der Vorrichtung der DE 10 104 864 Al ist ein in Koplanar- Leitungstechnik ausgeführtes Speisenetzwerk, mit dem die mindestens eine Antenne kontaktiert ist, aufgebracht, wobei der auf Masse liegende Außenleiter der Koplanar-Leitung die antennenseitige Oberfläche der

Leiterplatte soweit überdeckt, dass dadurch die geforderte Abschirmung zwischen der Antenne und den elektrischen Schaltkreisen entsteht.

Aus der DE 10 204 568 Al ist ein Radargerät zum Detektieren von in einer Wand eingeschlossenen Objekten, bekannt welches eine Sende- und Empfangs-

Antennenanordnung, bestehend aus mindestens einem Hohlraum mit einem darin angeordneten Strahlerelement und einem abgeschirmten Raum für elektrische

Schaltkreise aufweist, wobei der abgeschirmte Raum der Vorrichtung der DE 10 204

568 Al durch eine von einem Gehäuse überdeckte Leiterplatte gebildet ist, auf deren in das Gehäuseinnere weisenden Seite die Schaltkreise aufgebracht sind und auf deren anderen Seite die Antennenanordnung installiert ist. Bei der Vorrichtung der DE 10 204 568 Al ist das Gehäuse so geformt, dass es sowohl den abgeschirmten Raum für die Schaltkreise als auch den mindestens einen Hohlraum für das mindestens eine Antennen-Strahlerelement bildet, wobei die Leiterplatte als abschirmende Trennwand zwischen den beiden Räumen in das Gehäuse eingesetzt ist.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenzsensor, insbesondere einen Hochfrequenzsensor zur Detektion von in einem Medium verborgenen Objekten,

mit zumindest einer Antenne zum Senden und/oder Empfangen hochfrequenter Signale, insbesondere Signale in einem Frequenzbereich von 2 bis 8 GHz. Dabei ist die zumindest eine Antenne auf einem LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) Keramik-Substrat ausgebildet ist, wobei LTCCs keramische Mehrlagenschaltungen sind. Durch den Einsatz von Antennen auf LTCC kann die Baugröße der Antenne deutlich verringert werden. LTCC Materialien besitzen eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante ε _r . Durch dieses große ε _r und den geringen Schichtdicken zwischen Metalllagen, die realisierbar sind, ist eine Reduzierung der Größe der Antennenelemente im Hochfrequenzbereich möglich. Während momentan die Antennentechnik für Hochfrequenz-Ortungsgeräte im

UWB (Ultra-Wide-Band) Bereich auf relativ große Antennenausdehnungen im Bereich von einigen Zentimetern beschränkt sind, kann durch das LTCC Substrat die Antennengröße deutlich verringert werden, so dass beispielsweise Antennenelemente im Frequenzbereich von 2 bis 8 GHz mit Kantenlängen kleiner gleich 1 cm gefertigt werden können.

Durch solche kleinen Antennengrößen ergeben sich für die UWB- Hochfrequenzortung (Ultra Wide ^and) eine Reihe von Vorteilen und neuen Ansätzen

Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass sich solche LTCC Komponenten in Schichtlagen, vergleichbar Multilayer-Platinen aufbauen lassen und auch wie Platinen hergestellt werden können.

Da die LTCC- Komponenten auch integrierte passive Bauelemente, wie beispielsweise Widerstände, Kondensatoren und Spulen, beinhalten können, ergeben sich hier weitere Möglichkeiten zur Integration und Bauraumreduzierung.

Durch kleinere Antennen kann zum einen die Baugröße eines entsprechenden Detektionsgerätes reduziert werden, zum anderen ist nunmehr aber auch der

Einsatz einer ganzen Antennengruppe in einem einzelnen Gerät möglich.

Darüber hinaus ist auch die Integration derartiger Hochfrequenzsensoren direkt in Werkzeugmaschinen oder Adapterelementen für Werkzeugmaschinen, wie beispielsweise eine Staubabsaugevorrichtung, möglich. Auch in Absaughilfen

von Staubsaugern können derartige Antennen und Ortungssensoren integriert werden.

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

In vorteilhafter Weise sind die Hochfrequenzkomponenten der Sende- und Empfangseinheit auf bzw. in einem Halbleiterelement (IC) kurz „Chip" integriert sind.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Hochfrequenzsensoren 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 eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzsensors mit einem Antennenelement auf einem LTCC-Substrat in einer schematisierten Darstellung,

Figur 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzsensors mit einer Mehrzahl von Antennenelementen auf einem gemeinsamen LTCC-Substrat in einer schematisierten Darstellung,

Figur 3 eine typische Anwendungssituation für eine Werkzeugmaschine in einer Schematischen Darstellung,

Figur 4 eine alternative Anwendungssituation für eine Werkzeugmaschine in einer Schematischen Darstellung,

Figur 5 ein erfindungsgemäßes Zusatzbauelement für eine Werkzeug- maschine mit einem entsprechenden Hochfrequenzsensor gemäß

Figur 4 in einer Aufsicht.

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzsensors. Der Hochfrequenzsensor gemäß Ausführungsbeispiel der Figur 1 umfasst unter anderem ein Antennenelement 10, welches auf einem LTCC

Substrat 12 ausgebildet ist. (Low Temperature C_ofired C_eramics) LTCCs sind keramische Mehrlagenschaltungen, die neben der Integration beispielsweise einer oder mehrerer Antennenelementen auch die direkt Integration von weiteren elektronische oder elektrische Bauelementen des Hochfrequenzsensors ermöglicht.

Diese weiteren elektronischen Komponenten, die beispielsweise der Ansteuerung der Antennenelemente dienen können, seien im Ausführungsbeispiel der Figur 1 schematisch in dem Bauteil 14 zusammengefasst.

Der Arbeitsfrequenzbereich der Antenne bzw. der Antennen liegt dabei typischerweise zwischen 1 und 8 GHz, vorzugsweise zwischen 2 und 4 GHz.

Die typischen Länge a einer Kante des Antennenelementes 10, welches beispielsweise als Patschantenne ausgebildet sein kann, liegt dabei im Bereich von 1 cm und darunter.

Ein derartiger Hochfrequenzsensor kann Bestandteil eines Ortungsgerätes 16 sein, wie dies symbolisch in Figur 1 angedeutet ist. Ein derartiges Ortungsgerät ist beispielsweise in der DE 10 20 5000 Al offenbart und sei hiermit, insbesondere bzgl. seines Aufbaus in diese Beschreibung mit einbezogen.

Figur 2 zeigt eine alternative Ausbildung eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzsensors.

Bei der Vorrichtung nach Figur 2 sind eine Mehrzahl von Antennenelementen 10, die dem Antennenelement aus Figur 1 entsprechen können auf einem gemeinsamen LTCC-Substrat 12 ausgebildet.

Die typische Ausdehnung b eines Antennenelementes liegt dabei bei 1 cm oder deutlich darunter.

Der Abstand c der Antennenelemente 10 zueinander liegt in der Größenordnung der Größe der Antennenelemente.

Durch den Einsatz von Antennengruppen in Ortungsgeräten der Art, wie sie beispielsweise in der DE 10 204 568 Al beschrieben sind, kann auf den bisher notwendigen Verfahrweg der Geräte verzichtet werden. Insbesondere könnte durch eine Kombination von klassischem Verfahrweg und elektronische Schwenkcharakteristik des Antennenarray die Erkennbarkeit von eingeschlossenen Objekten, speziell in Ecken verbessert werden.

Bei dem Einsatz von Antennengruppen gibt es diverse Ansätze. Der Einfachheit halber wird hier ein lineares Array, wie in Figur 2 dargestellt beschrieben. Der Einsatz einer Antennenmatrix oder eines Antennensterns ist aber ebenso möglich. Auch eine Teilbelegung der Matrix, d.h. eine Anordnung mit unterschiedlicher räumlicher Ausrichtung der Einzelantennen ist möglich.

Die Speisemöglichkeiten für die bestreffenden Antennengruppen sind jedoch immer sehr ähnlich.

Die Einzelantennen liegen beispielsweise in einer Reihe, wie in Figur 2 dargestellt, und werden auch als Einzelantennen eingesetzt. Hier wird dann immer an dem Ort gemessen an dem sich die jeweilige Antenne der Anordnung befindet. Dies entspricht einer Geräteverschiebung mit festem Messabstand c gemäß Figur 2. Eine solche Anwendung ergibt ein eher grobes Raster, welches durch den Antennenabstand c bestimmt ist.

Durch die gleichzeitige Speisung der Einzelantennen 10 mit einem relativen Phasenunterschied der Speisesignale zueinander, kann eine bestimmte Richtwirkung des Messsignals erreicht werden und somit der Messbereich variiert werden. Bei einer festen Einstellung der Phasenunterschiede zwischen den Antennen hat die jeweilige Antennengruppe immer denselben Messbereich bezogen, beispielsweise auf die Position des Gerätes, beispielsweise eines Ortungsgerätes, in dem ein Hochfrequenzsensor mit einer entsprechenden Antennenanordnung untergebracht ist. Werden die Antennen aber in ihrem relativen Phasenunterschied variiert, ist damit eine Veränderung des Messbereichs verbunden. Damit muss dass Gerät nicht über den gewünschten Messbereich verfahren werden.

Dies ergibt dann u.a. nachfolgenden Betriebsmöglichkeiten für ein entsprechendes Ortungsgerät.

Das Messgerät wir auf ein zu vermessendes Objekt, beispielsweise eine Gehäusewand ausgerichtet und durch die veränderbare Antennenansteuerung kann nunmehr ein bestimmter Messbereich unterhalb des Gerätes untersucht werden.

Alternativ kann das Gerät, wie bisher üblich und in der DE 10 20 5000 Al beschrieben - mit fest eingestellter Messrichtung der Antennengruppe - über beispielsweise eine Wand bewegt werden. Wenn das Messgerät an einen Ort kommt, an dem es nicht weiterberegt werden kann, wie beispielsweise eine Raumecke oder dgl. Kann nunmehr durch Veränderung der Antennenansteuerung eine Schwenkcharakteristik der Antennengruppe genutzt werden, um auch den unzugänglichen oder nur schwer zugänglichen Bereich zu vermessen.

Des Weiteren ist ein Betriebsmode möglich, bei dem das Ortungsgerät über die Wand bewegt wird und in einem relativ groben Ortsraster Messwerte aufnimmt. Dazu zusätzlich kann der Messbereich durch Veränderung der Phasenlage des

Ansteuersignals der einzelnen Antennen an jedem Rasterpunkt fein variiert werden. Durch diese Methode kann die Ortsauflösung des Messgerätes verbessert werden.

Des weiteren können zusätzliche Informationen über eingeschlossenen Objekte in dem zu untersuchenden Material dadurch erhalten werden, dass der Auftreffwinkel der von den Antennen ausgesandten der elektromagnetischen Welle auf die Wand durch die Variation der relativen Phasenlage der Antennenelemente einstellbar ist.

Dadurch sind Objekte nicht nur direkt von vorn, sondern auch schräg von der Seite her „sichtbar".

Figur 2 zeigt eine Werkzeugmaschine 18 in Form einer Bohrmaschine mit einem entsprechenden einzelnen Antennenelement 50, welches auf einem LTCC Substrat

48 angeordnet ist. Das Antennenelement wird durch eine entsprechende Ansteuerelektronik 52 betrieben. In alternativen Ausführungsformen kann auch eine Antennenarray gemäß Figur 2 oder eine Antennenmatrix in der Maschine 168 Verwendung finden.

Das elektromagnetische Hochfrequenzsignal 20, welches von der Antenne abgestrahlt wird, kann beispielsweise über ein sogenanntes Polyrod ausgekoppelt werden und /oder über eine dielektrische Linse 22 gerichtet werden: Zur Auskopplung der Energie aus der Antenne 50, die insbesondere als Patch-Antenne ausgebildet sein kann, kann - je nach Arbeitsfrequenz des Hochfrequenzsensors ein Dielektrikum in Form eines Kunststoffteils, welches als Polyrod bezeichnet wird, Verwendung finden. Das Polyrod wird dabei über dem Antennenelement angeordnet. Eine zusätzliche Formung der Richtgeometrie des Strahlerelementes lässt sich über die Gehäusegeometrie, oder eine dielektrische Linse erzielen.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 soll mittels eines Bohrers ein Loch in eine Wand 28 gebohrt werden. In der Wand der Dicke D befindet sich eine Rohrleitung 34, beispielsweise aus einem Kunststoff, die möglichst nicht angebohrt werden sollte.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Hochfrequenzsensors, der in der Werkzeugmaschine integriert ist, kann dass Kunststoff röhr, welche in der Wand 28 verborgen ist detektiert werden und beispielsweise ein entsprechendes Warnsignal oder auch die direkte Anzeige des verborgenen Gegenstandes in einer Ausgabeeinheit 54 der Werkzeugmaschine 18 wiedergegeben werden. Alternativerweise ist es möglich, die Maschine zu drosseln oder auszuschalten, falls ein - insbesondere vorgebbarer

- Mindestabstand zu dem eingeschlossenen Objekt unterschritten wird.

Da neben dem eingeschlossenen Objekt 34 auch die Wandvorderseite 30 sowie die Wandrückseite 36 über Reflexionen des Hochfrequenzsignals 20 detektierbar sind, kann mit einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine auch ein sogenannter

Wanddurchbruch verhindert werden.

Der Hochfrequenzsensor kann dazu beispielsweise die Wanddicke D bestimmen und die Maschine 18 abstellen, falls ein Wanddurchbruch bevorsteht. Ein Wanddurchbruch ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrtiefe gleich oder größer als die jeweilige Wanddicke ist.

Im Ausführungsbeispiel der Figuren 4 und 5 ist der Hochfrequenzsensor nicht in dem Werkzeugmaschine selbst integriert, sondern in einem Zusatzbauteil 60, welches in dem Ausführungsbeispiel der Figuren 4 und 5 eine Absaugvorrichtung für den Bohrstaub ist. Eine solche Absaugvorrichtung kann direkt auf die Wand 28 an der Bohrstelle aufgesetzt sein oder aber mit der Werkzeugmaschine 18 verbunden sein, wie dies das Verbindungselement 62 in Figur 4 symbolisieren soll.

Durch eine öffnung 64 in der Absaugvorrichtung 60 kann der Bohrer 66 geführt werden, wie dies in der Aufsicht auf eine Absaugvorrichtung 60 gemäß Figur 5 dargestellt ist. Um die öffnung 64 herum sind Antennenelemente 10 auf einem gemeinsamen LTCC-Substrat angeordnet. Alternativer Weise kann auch jedes Antennenelement für sich auf einem LTCC-Substrat ausgebildet sein. Auch ist eine Ausführungsform mit lediglich einem Antennenelement möglich, so dass der Hochfrequenzsensor lediglich zu entscheiden vermag, ob ein Objekt vorhanden ist oder nicht.

Die Antennen 10 der Antennengruppe können wahlweise einzeln betrieben oder als Antennengruppe verschaltet sein. Die Einzelantennen können somit je nach Anforderung als Einzelelement eingesetzt werden, beispielsweise zur Bestimmung „eingeschlossenes Objekt vorhanden, ja oder nein" oder aber durch den Einsatz in einer Antennengruppe, beispielsweise in einer Stern- oder Kreuzanordnung auch die Richtung der eingeschlossenen Objekte identifizieren.

Weitere notwendige Elektronik könnte entweder in der Absaugvorrichtung selbst, gegebenenfalls mit entsprechenden Anzeigeelementen oder aber auch in der

Bohrmaschine untergebracht sein. Auch ist die Integration von Elektronikkomponenten direkt auf oder in dem LTCC-Substrat in vorteilhafter Weise möglich.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschrankt. Insbesondere ist die Erfindung nicht beschränkt auf die art und Form der Werkzeugmaschine bzw., des Zusatzbauteils für die Werkzeugmaschine.