DE69624142T2

DE69624142T2 - Verfahren und vorrichtung zur messung des abstandes oder der position eines objektes mittels nahfeld- oder magnetischer effektes

Info

Publication number: DE69624142T2
Application number: DE69624142T
Authority: DE
Inventors: Marshall E Smith Jr; Peter U Wolff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-06-06
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2016-06-07
Also published as: WO1996041134A3; EP1164357A2; EP0880679A2; AU7234696A; KR19990022678A; WO1996041134A2; US5670886A; DE69624142D1; EP0880679B1; AU701854B2; JPH11507132A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Sensieren der Nähe eines Objektes unter Verwendung eines elektronischen Sensors und betrifft insbesondere die Verwendung eines Sensors, der auf elektromagnetische Nahfeldeffekte oder auf Änderungen der magnetischen Flussdichte anspricht, die sich aus Veränderungen der Position eines Objektes ergeben.

Stand der Technik

Ein Positionssensor wird gewöhnlich dazu verwendet, um den tatsächlichen Ort eines Objektes zu bestimmen, wohingegen ein Nähe- bzw. Annäherungssensor dazu verwendet wird, zu bestimmen, wann sich ein Objekt an einem bestimmten Punkt oder einer bestimmten Position vorbei bewegt. Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Annäherungssensoren bekannt, die auf verschiedene physikalische oder elektrische Eigenschaften reagieren. Das zu erfassende Objekt wird generell als ein Zielobjekt oder einfach als Ziel bezeichnet. Bislang offenbarte magnetische Annäherungssensoren erfordern, dass das Ziel aus einem eisenhaltigen oder magnetischen Material hergestellt ist und dass der Sensor in einer genauen und engen Distanz zu dem Ziel angeordnet wird. Diese Sensoren können nicht zwischen Bewegungen des Ziels und von anderen Objekten in enger Nähe zu dem Ziel oder dem Sensor unterscheiden. Bekannte Bauteile sind nicht dazu konstruiert, kleine Objekte in einem erweiterten Bereich von engen bzw. nahen Distanzen zu sensieren, und sind generell sowohl sperrig als auch teuer.
Kapazitive und optische Annäherungssensoren können nicht durch manche wolkigen bzw. nebligen Gase und nicht durch die meisten Flüssigkeiten hindurch arbeiten. Bestehende elektromagnetische Sensoren verwenden den Doppler-Effekt und können die Nähe eines Objektes nicht erfassen, das sich langsam bewegt oder das für eine beliebige Zeitspanne in einer Position verbleibt. Ultraschallsensoren können nicht in Umgebungen arbeiten, bei denen akustisches Rauschen vorherrscht, wie in sich bewegenden Maschinen.
Das Dokument EP-A-0 605 847 beschreibt einen Positionssensor mit Mikrowellenoszillator, der auf Fernfeldeffekten beruht, zum Bestimmen der Drehzahl von Rädern eines Automobils. Eine Veränderung des Oszillationszustandes wird von dem Sensor sensiert und an ein Gebrauchsbauteil bzw. eine Gebrauchseinrichtung gesendet, um die Drehzahl und die Position zu bestimmen.

Sensorelemente

Ein Sensorelement bzw. sensierendes Element erzeugt ein elektrisches Signal, das die Distanz zwischen dem Sensor und einem Ziel anzeigt, und möglicherweise proportional hierzu ist.
Sensorelemente vom Kontakttyp sind generell physikalisch mit dem Ziel verbunden. Generell gibt es drei Typen von kontaktfreien Sensorelementen: magnetische Typen, die die relative magnetische Flussdichte messen, hervorgerufen durch Veränderungen der Position eines magnetischen Ziels, elektrische Typen, die die Änderungen in elektrischen Eigenschaften wie der Kapazität oder Induktivität des Ziels messen, die sich verändern, wenn sich das Ziel bewegt, und optische Typen, die einen Fluss bzw. einen Strom von Photonen erzeugen und die Zeit messen, die die Photonen dazu benötigen, zu dem Ziel hin und von diesem zurück zu wandern.
Annäherungssensoren vom Kontakttyp sind generell nicht für Anwendungen geeignet, bei denen sich das Ziel schnell bewegt oder bei denen das Ziel nicht physikalisch mit dem Sensor verbunden werden kann, wie beim Überwachen von drehenden Objekten.
Viele Annäherungssensoren verwenden magnetische Sensorelemente, da die meisten Maschinen Ventile oder Zahnräder aufweisen, die aus magnetischen Materialien hergestellt sind. Die Ziele können generell mit einem Magnet ausgestattet werden, oder können selbst magnetisiert werden. Der Sensor wird angebracht, indem er in einer Position platziert wird, derart, dass die magnetischen Flusslinien von dem Zielmagneten durch das magnetische Sensorelement hindurch verlaufen. Die magnetische Flussdichte ist invers proportional zu der Distanz zu dem Ziel und ist daher eine direkte Funktion der Distanz zwischen dem Ziel und dem Sensor.
Das Ziel muss nicht magnetisiert werden, wenn hinter dem Sensorelement gegenüberliegend dem Ziel ein Magnet angeordnet wird. Wenn das Ziel näher kommt, tendiert es dazu, die Flussdichte zu konzentrieren, und wenn es sich weiter weg bewegt, wird es die magnetischen Flusslinien trennen, die das Sensorelement durchschneiden, und zwar auf dieselbe Art und Weise, als wenn ein Magnet an dem Ziel angebracht ist. Bekannte magnetische Annäherungssensoren ordnen den Magnet als eine separate Komponente in dem Sensorpaket an und sind folglich sperrig und relativ teuer herzustellen.
Es gibt zwei Haupttypen von magnetischen Sensorelementen, die sich auf einem Chip realisieren lassen, das Hall-Element und der Magnetoresistor bzw. die Feldplatte. Das Hall-Element ist weniger empfindlich als der Magnetoresistor und wird daher für größere Ziele verwendet.
Das magnetische Sensorelement muss für den besten Betrieb parallel zu dem Magnetpol des Magneten angeordnet werden. Dies erlaubt es den magnetischen Flusslinien, in das magnetische Sensorelement unter rechten Winkeln einzudringen, und induziert das Maximumsignal bzw. das maximale Signal aus dem magnetischen Sensorelement. Das Signal von dem magnetischen Sensorelement ist eine analoge Spannung, die invers proportional ist zu der Distanz zu dem Magneten. Bei bekannten magnetischen Sensoren wird das Sensorelement gewöhnlich auf dem selben Chip hergestellt wie der Sensorsignalkonditionierer, derart, dass der Signalkonditionierer und das Sensorelement sich auf derselben Oberfläche des Chips befinden. Der Signalkonditionierer ist gewöhnlich ein Mehrfaches größer als das Sensorelement. Demzufolge wird die Fläche der Oberfläche des Chips hauptsächlich durch die Größe des Signalkonditionierers bestimmt. Das magnetische Sensorelement muss in dem Magnetfeld so angeordnet werden, dass die magnetischen Kraftlinien es senkrecht zu der Ebene des Chips schneiden. Da der Signalkonditionierer sich auch auf der selben Ebene befindet, ist der Durchmesser des Sensors hauptsächlich durch die Fläche bestimmt, die von dem Signalkonditionierer eingenommen wird.
Elektrische Sensorelemente lassen sich generell in drei Typen unterscheiden: kapazitive, induktive und solche Typen, die auf dem Radarprinzip basieren. Der kapazitive Typ bildet eine Platte eines Kondensators, wohingegen das Ziel die andere Platte bildet. Wenn das Ziel näher kommt, nimmt die Kapazität zu, und wenn es sich wegbewegt, nimmt die Kapazität ab. Der Sensor beinhaltet einen Oszillator, dessen Frequenz von der kombinierten Kapazität der Ziel- und der Sensorkondensatorplatte abhängt. Der Ausgang ist generell ein linearer Ausgang, der proportional ist zur Zieldistanz. Der verwendete Kondensator muss ziemlich groß sein, was es erfordert, dass der Sensordurchmesser ziemlich groß ist. Demzufolge darf das kapazitive Sensorelement nicht von Fluiden umgeben sein, die die Kapazität beeinträchtigen, noch darf es sich in enger Nähe zu anderen bewegenden Objekten befinden.
Das Sensorelement vom induktiven Typ verwendet die elektromagnetischen Eigenschaften des Ziels, um die Induktivität eines Induktors in dem Sensor zu modulieren. Ein Oszillator in dem Sensor ist dazu ausgelegt, nur bei schmalen Induktivitätsbereichen zu oszillieren. Wenn das Ziel sich derart bewegt, dass es hervorruft, dass sich die Induktivität über einen kritischen Punkt hinaus verändert, unterbricht die Schaltung das Oszillieren. Der Ausgang des induktiven Sensorelementes ist daher jeweils einer von zwei Spannungspegeln, wobei ein Pegel eingeschaltet ist, wenn das Ziel nicht in enger Nähe ist, und wobei der andere eingeschaltet ist, wenn das Ziel sich nahe genug an den Sensor heran bewegt hat, um hervorzurufen, dass die Oszillationen aufhören. Das induktive Sensorelement wird gewöhnlich realisiert, indem ein diskreter Induktor an einen Signalkonditioniererchip angebracht wird. Dies macht den Sensor ziemlich groß, unzuverlässig und teuer. Diese Art von Sensorelement wird auch durch Fluide beeinträchtigt, die magnetische Partikel enthalten, und kann nicht zwischen dem Ziel und anderen nahen, sich bewegenden Objekten unterscheiden.
Sensorelemente vom Radartyp senden generell elektromagnetische Energie und überwachen die reflektierte Energie, um die Distanz zu dem Ziel zu bestimmen. Diese Sensorelemente basieren auf dem Doppler-Effekt, wobei die relative Frequenz der zurückkehrenden Energie durch die Geschwindigkeit des Ziels moduliert wird. Wenn sich das Ziel auf das Sensorelement zu bewegt, nimmt die zurückkommende Frequenz ständig zu. Wenn sich das Ziel wegbewegt, nimmt die zurückgekehrte Frequenz ab. Wenn das Ziel stillsteht oder sich sehr langsam bewegt, ist die zurückgekehrte Frequenz dieselbe oder so eng an dem Original, dass die Erfassung einer Differenz unmöglich ist. Demzufolge sind Sensorelemente auf Radarbasis vom Doppler-Typ nicht dazu geeignet, die Annäherung bzw. Nähe eines Objektes zu überwachen, das für eine beliebige Zeitspanne in einer oder mehr Positionen verbleiben kann. Bekannte Sensorelemente auf Radarbasis werden generell realisiert, indem gedruckte Leiterplatten und eine diskrete Antenne verwendet werden, und sind daher ziemlich groß, relativ unzuverlässig und teuer.

Sensorsignalkonditionierer

Die üblichste Verwendung eines Nähe- bzw. Annäherungssensors besteht in dem Verfolgen ("tracking") der Drehbewegung eines Zahnrades oder Rades oder der Position eines Objektes wie eines Ventils, das zwei oder mehr voreingestellte Positionen einnehmen kann, wie vollständig geschlossen, halb offen und vollständig offen. In jedem Fall sind die Signale von dem Sensorelement für sowohl ein Rad mit zwei Nasen und einem Schlitz oder ein Ventil mit drei Positionen dieselben. Der Ausgang des Annäherungssensors liegt in der Form von zwei digitalen Impulsen vor, die erzeugt werden, wenn sich das Ziel über einen von zwei voreingestellten Punkten hinaus bewegt oder wenn das Ventil eine von drei voreingestellten Positionen einnimmt.
Die Impulse werden an- und ausgeschaltet, wenn das Rad sich in eine Position dreht, derart, dass die Seite von einer der Nasen sich direkt vor dem Sensor befindet. Der Schaltpunkt wird entlang der Seiten der Nasen gewählt, da dies der Punkt ist, bei dem das Signal des Sensorelementes sich für jede gegebene Drehgeschwindigkeit mit maximaler Rate verändert. Dies ermöglicht, dass in den Impulserzeugungs-Schaltkomponenten in dem Signalkonditionierer der minimale Hysteresebetrag verwendet wird. Ein Impuls wird erzeugt, wenn die Seite der längsten Nase an dem Sensor vorbeiläuft, und ein weiterer, wenn die Seite der Nase mittlerer Länge vorbeiläuft. Beide Impulse werden abgeschaltet, wenn die Seite des Schlitzes die Front des Sensors passiert bzw. an der Front des Sensors vorbeiläuft.
Die Impulserzeugung wird erzielt, indem der Ausgang des Sensorelementes mit zwei vorbestimmten Referenzspannungen verglichen wird, die in dem Signalkonditionierer abgespeichert sind, und indem Impulse erzeugt werden, wenn das Signal durch diese Referenzwerte hindurch läuft. Wenn beispielsweise der Schlitz sich vor dem Sensor befindet, beträgt der Signalpegel 4 Volt; wenn sich die mittlere Nase davor befindet, beträgt der Signalpegel 4,5 Volt; und wenn die längste Nase sich davor befindet, beträgt der Ausgang des Sensorelementes 5 Volt. Die zwei Schaltpunkte für den Signalkonditionierer werden dann eingestellt auf 4,25 und 4,75 Volt. Wenn das Rad sich derart dreht, dass die Seite der mittleren Nase, die die mittlere Nase mit dem Schlitz gemeinsam hat, direkt vor dem Sensor vorbei läuft, ändert sich der Signalpegel schnell von 4 auf 4,5 Volt, und der erste Impuls wird erzeugt, wenn der Signalpegel durch 4,25 Volt hindurch verläuft. Wenn sich das Rad weiter dreht, läuft die Seite der längsten Nase, die die längste Nase mit der mittleren Nase gemeinsam hat, direkt vor dem Sensor vorbei, und der Signalpegel ändert sich schnell von 4, 5 auf 5 Volt. Der zweite Impuls wird dann erzeugt, wenn der Signalpegel durch 4,75 Volt hindurch verläuft. Wenn sich das Rad weiter dreht, geht die Seite der längsten Nase, die die längste Nase mit dem Schlitz gemeinsam hat, vorbei, und der Signalpegel ändert sich schnell von 5 auf 4 Volt. Beide Impulse werden schnell in Folge abgeschaltet, wenn der Signalpegel zuerst durch 4,75 Volt hindurch und dann durch 4,25 Volt hindurch verläuft.
Das größte Problem bei Annäherungssensoren tritt auf, wenn diese Referenzspannungen eingestellt werden. Auf Grund der elektrischen und physikalischen Differenzen zwischen einem beliebigen Satz von Sensoren und Zielen können die Signalpegel von beliebigen zwei Sätzen von Sensorelementen in beliebigen zwei Anwendungen des Sensors stark variieren. Ziele können näher oder weiter entfernt sein, können größer oder kleiner sein, oder es kann mehr oder weniger Material in enger Nähe zu dem Sensor angeordnet sein, was die Signalpegel des Sensorelementes signifikant ändert. Die elektrischen Eigenschaften des Sensorelementes und von Kalibrierungselementen in dem Signalkonditionierer variieren ebenfalls von einem Sensor zum nächsten.
Der Signalkonditionierer stellt diese Referenz ein, indem zunächst der Signalpegel von dem Sensorelement bestimmt wird, wenn der Schlitz und dann die längste Nase sich direkt vor dem Sensor befinden. Er stellt dann den niedrigsten Referenzwert auf einen Wert von einem Drittel der Differenz zwischen den zwei Extremen ein, und stellt den höchsten Referenzwert auf zwei Drittel der Referenz zwischen diesen zwei Extremwerten ein. Diese Werte werden die Schaltpunkte, bei denen die Sensorausgangsimpulse erzeugt werden. Bei dem obigen Beispiel, für den Bereich von 4 bis 5 Volt, werden die zwei Referenzwerte auf 4,25 bzw. 4,75 Volt eingestellt; demzufolge schaltet der Ausgang des Sensors um, wenn die Seiten der Nasen ("tabs") erfahren werden bzw. auftreten.
Generell erfolgt dies bei bekannten Sensoren entweder, indem die analoge Spannung von dem Sensorelement dann, wenn die längste Nase und der Schlitz sich vor dem Sensor befinden, an zwei Kondensatoren gespeichert wird, oder indem die Pegel in digitale Form gewandelt werden und digitale Speicherschaltungen auf diskrete Zahlen eingestellt werden, die die Referenzpegel darstellen. Das Problem beim Speichern der Pegel an einem Kondensator ist ein doppeltes: das erste Problem tritt auf, da die an dem Kondensator gespeicherte Spannung konstant leckt und daher periodisch neu gespeichert werden muss. Um dies zu überwinden, speichert der Signalkonditionierer diese Spannung an einem Kondensator jedes Mal dann, wenn das Signal von dem Sensorelement seinen Maximalpegel erreicht, wenn die längste Nase sich vor dem Sensor befindet, und speichert die Spannung an dem anderen Kondensator, wenn der Signalpegel seinen Minimalwert erreicht, wenn sich der Schlitz davor befindet.
Der Kondensator muss groß genug sein, um eine Ladung zu halten, bis das Rad sich erneut zu dem Punkt dreht, bei dem die längste Nase oder der Schlitz sich vor dem Sensor befinden. Für die meisten mechanischen Objekte erfordert dies einen ziemlich großen Kondensator. Es ist schwierig, einen hinreichend großen Kondensator zum Halten dieser Ladungen für hinreichende Zeitspannungen an einem integrierten Schaltungschip zu erzeugen. Der Kondensator wird daher gewöhnlich neben dem Chip ("offchip") realisiert und elektrisch mit dem Signalkonditionierer verbunden. Dies führt dazu, dass der Sensor teuer in der Herstellung ist, dass seine Zuverlässigkeit verringert ist und dass der Sensor einen relativ großen Durchmesser besitzt.
Das zweite Problem bei dem Kondensator-Referenzverfahren ist ebenfalls veranlasst durch die konstante Dissipation der gespeicherten Energie in dem Kondensator. Demzufolge muss der Pegel konstant wieder aufgefrischt werden oder wird auf Null lecken. Dieses Wiederauffrischen kann nur erfolgen, wenn das Signal von dem Sensorelement auf seinem minimalen oder seinem maximalen Wert ist, wenn entweder die längste Nase oder der Schlitz sich direkt vor dem Sensor befinden, oder wenn das Ventil vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen ist. Dies kann nicht erfolgen, während das Rad sich zwischen einer dieser Positionen befindet. Aus diesem Grund muss das durch dieses Verfahren überwachte Objekt konstant in eine dieser zwei Extrempositionen bewegt werden. Wenn es in irgendeiner anderen Position anhält oder sich zu langsam bewegt, fällt die Referenzspannung ab, und das nächste Signal kann nicht korrekt erzeugt werden, wenn das Ziel seine Bewegung wieder aufnimmt oder beschleunigt.
Das zweite Verfahren des Einstellens der Referenzen besteht darin, digitale Schaltkreise zu benutzen. Das Problem bei diesem Verfahren besteht darin, dass eine große Anzahl von elektronischen Schaltungskomponenten verwendet werden muss, selbst um eine bescheidene Präzision zu erlangen. Diese Technik erfordert einen Analog/Digitalwandler, um den Ausgang des Sensorelementes zu digitalisieren, zwei digitale Speicherabschnitte, um den Maximumpegel und den Minimumpegel zu speichern, und einen Digital/Analogwandler, um die Zahl in einen Spannungspegel zurückzuwandeln. Die hohe Anzahl von erforderlichen Komponenten führt dazu, dass dieses Verfahren weder ökonomisch noch verlässlich ist, und erfordert gleichfalls, dass der Sensor relativ groß ist, um die hohe Anzahl von Komponenten unterzubringen.

Annäherungssensoren

Generell sind magnetische Sensorelemente weniger teuer als elektrische Sensorelemente. Nicht alle Ziele können jedoch aus magnetischem Material hergestellt werden, und es ist manchmal nicht praktikabel, einen Magnet in der Sensorumgebung anzuordnen, da der Magnet einen nachteiligen Effekt auf die Maschine haben könnte. Demzufolge kann es bei mancher Anwendung erforderlich sein, den teureren elektrischen Sensor zu verwenden. In beiden Fällen wäre der Signalkonditionierer jedoch derselbe. Der ideale Annäherungssensor würde einen Signalkonditionierer bereitstellen, der jeden Typ von Sensorelement behandeln bzw. unterbringen könnte. Generell sind Annäherungssensoren nicht dazu konstruiert worden, aus der Skalierungsökonomie ("economy of scale") Vorteil zu ziehen, die sich realisieren ließe, wenn die Sensorelement- und die Signalkonditioniererteile austauschbar wären.
Annäherungssensoren sind generell dazu konstruiert worden, mittels externer Schrauben oder Klemmen an Ort und Stelle zu halten, und zwar auf Grund ihrer relativ großen Masse:

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Annäherungssensor bzw. Nähesensor anzugeben. Es ist eine weitere Aufgabe, einen Sensor anzugeben, der sich kostengünstig darauf zuschneiden lässt, ein magnetisches Sensorelement zu verwenden, um Objekte zu detektieren, die aus magnetischem Material hergestellt sind, oder ein elektromagnetisches Sensorelement zu verwenden, um nichtmagnetische Objekte mit leitenden Oberflächen zu detektieren.
Die Erfindung weist ein System auf, das einen Magnetfeldeffekt oder einen durch Funkfrequenzenergie erzeugten Nahfeldeffekt zum Erfassen der Nähe bzw. Annäherung oder der Position eines beweglichen Ziels verwendet, das eine Oberfläche mit einer hohen Region und einer tiefen Region aufweist, gekennzeichnet durch:
Sensormittel zum Erfassen des Magnet- oder Nahfeldeffektes, der von einer Region der Zieloberfläche erzeugt wird, die sich gegenüber der Sensormittel befindet;
Umsetzmittel, die auf die Sensormittel reagieren bzw. ansprechen, zum Umsetzen des sensierten Feldeffektes in ein Positionssignal, das für einen Bereich von Positionen zwischen einem Referenzpunkt und dem beweglichen Ziel repräsentativ ist;
Vergleichsmittel, die auf die Umsetzmittel reagieren, zum Vergleichen des Positionssignals mit einem vorbestimmten hohen und einem vorbestimmten tiefen Referenzsignal, die den Positionssignalen entsprechen, die erzeugt werden, wenn die hohe Oberflächenregion und die tiefe Oberflächenregion jeweils gegenüber den Sensormitteln positioniert sind, wobei die Vergleichsmittel Maximum- und Minimum-Erzeugungsmittel aufweisen, die auf die Sensormittel reagieren, zum Erzeugen eines Maximumentfernungsbereich-Spannungssignals, das für einen Maximumentfernungsbereichswert zwischen dem Referenzpunkt und dem beweglichen Ziel repräsentativ ist, und zum Erzeugen eines Minimumentfernungsbereich-Spannungssignals, das für einen Minimumentfernungsbereichswert zwischen dem Referenzpunkt und dem beweglichen Ziel repräsentativ ist, und Speichermittel aufweisen, die auf das Maximumentfernungsbereichs-Signal und das Minimumentfernungsbereichs-Signal reagieren, zum Speichern des Maximum- und des Minimumentfernungsbereichs-Spannungssignals; und
Bestimmungsmittel, die auf die Vergleichsmittel reagieren, zum Bestimmen der Zielposition aus dem Vergleich des Positionssignals mit dem hohen und dem tiefen Referenzsignal, wobei die Bestimmungsmittel Bereichswerterzeugungsmittel aufweisen, zum Erzeugen eines Bereichswertsignals mit einer Amplitude, die für einen Bereichswert zwischen dem Maximumentfernungsbereichswert und dem Minimumentfernungsbereichswert repräsentativ ist, und Ausgangserzeugungsmittel aufweisen, die auf das Bereichswertsignal reagieren, zum Erzeugen eines Ausgangspositionssignals, das für die Entfernung bzw. Distanz zwischen dem Referenzpunkt und dem beweglichen Ziel repräsentativ ist.
Ein Zahnrad weist eine Mehrzahl von Zahnradzähnen auf, die sämtlich dieselbe Höhe besitzen, wobei zwischen den Zähnen jeweils Schlitze gleicher Tiefe angeordnet sind. Ein Rad ist ähnlich einem Zahnrad, ist jedoch mit zwei Nasen versehen, von denen die eine länger ist als die andere, und wird dazu verwendet, die Geschwindigkeit als auch die Drehrichtung zu bestimmen. Das Sensorsystem oder der Sensor der vorliegenden Erfindung wird benachbart zu diesen Nasen angeordnet, derart, dass die Distanzen von dem Sensor zu den Komponenten des Rades sich so stark wie möglich ändern, wenn sich das Rad dreht. Die Nasen ("tabs") werden benachbart zueinander angeordnet, wobei zwischen jedem Satz von zwei Nasen ein Schlitz vorhanden ist, nach der Art einer Treppe, so dass bei einer Drehung des Rades an einem gewissen Punkt in einer gewissen Richtung zunächst ein Schlitz, dann die längste Nase und dann die Nase mittlerer Länge bei dem Sensor auftreten. Wenn das Rad sich in der entgegengesetzten Richtung dreht, tritt bei dem Sensor zunächst ein Schlitz, dann die Nase mittlerer Länge und dann die längste Nase auf. Die Erfindung ermöglicht, dass sich die Drehrichtung bestimmen lässt, indem bestimmt wird, ob dem Durchgang des Schlitzes unmittelbar die längste Nase oder die Nase mittlerer Länge folgt.
Die Erfindung lässt sich in beliebigen unterschiedlichen Typen von Sensormitteln oder -elementen gebrauchen, die auf einem gemeinsamen Signalkonditioniererchip angeordnet sind. Der Sensor kann beispielsweise mit einem elektromagnetischen Sensorelement für Millimeterwellen (MMwave) ausgestattet sein, um leitende Objekte zu sensieren, mit einem Hall-Element, um relativ große Objekte zu sensieren, die aus magnetischem Material hergestellt sind, oder einem Magnetoresistor, um relativ kleine Objekte zu detektieren, die aus magnetischem Material hergestellt sind. Dies ermöglicht es dem Signalkonditioniererabschnitt des Sensors, dass er als ein Chip in großen Mengen hergestellt werden kann und sich leicht auf jedes beliebige Sensorelement anwenden lässt. Dies ermöglicht ferner, dass dieselbe Ausrüstung verwendet werden kann, um einen beliebigen dieser Sensoren zu überwachen, wobei nur geringe Einstell- und Kalibrierungstätigkeiten notwendig sind.
Die Erfindung kann auch einen integrierten Schaltungssensorchip verwenden, bei dem die kleinstmögliche Fläche der Oberfläche zu dem Ziel weist, um den kleinstmöglichen Durchmesser für den Sensor zu erzielen. Dies wird erreicht, indem der Signalkonditionierer auf einem Chip ausgebildet wird, indem ein magnetisches Sensorelement an der Seite des Signalkonditioniererchips angeordnet wird, und indem der Chip dann auf seine Seite gewendet wird, so dass das Sensorelement zu dem Ziel weist. Dies ermöglicht es, dass der Durchmesser des Sensors allein durch die Größe bestimmt ist, die für das Sensorelement erforderlich ist.
Die Erfindung kann einen Signalkonditionierer aufweisen, der in der Lage ist, wenigstens drei unterschiedliche Signale zu erzeugen, wenn sich das Ziel in eine von bis zu drei entsprechenden Positionen bewegt. Dies lässt sich erreichen durch die Vergleichs- und die Speichermittel. Das System verwendet weder große Kondensatoren noch digitale Speichertechniken; alle Komponenten befinden sich auf dem Chip, was den Sensor kleiner, weniger teuer und verlässlicher macht. Ferner ermöglicht dies auch das Sensieren von Zielen bzw. Targets, die sich langsam bewegen oder die in einer Position verbleiben können oder für unbestimmte Zeitspannen ihre Drehung unterbrechen.
Die vorliegende Erfindung verwendet bei einer Ausführungsform ferner eine Richtungsantenne, um den Bereich des Einflusses eines elektromagnetischen Sensors einzugrenzen bzw. schmaler zu machen, so dass es ermöglicht wird, dass der elektromagnetische Sensor kleinere Objekte sensiert, und um ferner zu ermöglichen, dass der Sensor die Bewegung von anderen nahen Objekten ignoriert.
Der Sensor kann rund sein und mit Anbringungsmitteln versehen sein, die zur Montage in einem einfachen Loch ausgelegt sind. Dies minimiert den Umfang der Bearbeitung, der erforderlich ist, um den Sensor zu befestigen, als auch die Installations- und Deinstallations- bzw. Abnahmezeit.
Der Sensor kann in einen keramischen Konus eingeführt werden, der an ein Metallrohr geklebt ist, das an einen elektrischen Verbinder geformt ist, um die Sensorvorrichtung festzulegen. Dies ermöglicht, dass sich die Länge des Sensors nach Erfordernis verändern lässt, indem das Metallrohr einfach zugeschnitten wird.
Es ist bevorzugt, obgleich nicht notwendig, dass sämtliche Sensor- und Signalkonditioniererkomponenten auf einer einzelnen integrierten Schaltung angeordnet sind, um in ein sehr kleines und kostengünstiges Bauteil verpackt zu werden.
Der Sensor kann in einer Öffnung in der Wand eines Bauteils installiert werden, und zwar mit der Hilfe einer Vorrichtung, die einen Stopfen aufweist, der aus einem elastischen Material hergestellt und dazu ausgelegt ist, in die Öffnung eingeführt zu werden, wobei der Stopfen eine Öffnung aufweist, die sich durch den Stopfen hindurch erstreckt. Ein Sensor mit einem Verbinder in einem Rohr wird in die Öffnung in dem Stopfen eingeführt, wobei das Rohr einen oberen Abschnitt aufweist, der mit dem Verbinder gekoppelt ist, und zwar mittels einer Vielzahl von spiralförmigen Widerhakenkanten, derart, dass dann, wenn das Rohr in die Stopfenöffnung eingeführt ist, die Vorrichtung sicher an der Wand des Bauteils befestigt verbleibt, und dann, wenn das Rohr gedreht wird, die Vorrichtung von dem Bauteil gelöst wird. Diese Vorrichtung montiert einen Sensor in der Wand eines Bauteils, während eine nicht leckende Abdichtung bzw. ein nicht leckender Verschluss zwischen dem Sensor und der Wand bereitgestellt wird.
Die Erfindung kann eine Schaltungsanordnung aufweisen, die die höchste und die niedrigste Signalspannung auffindet, die den gesamten Wegumfang ("excursion") des Ziels darstellen bzw. dafür repräsentativ sind, und die dann diese zwei Spannungen an ein Spannungsteilernetzwerk anlegt. Der geeignete Prozentsatz dieser Spannung wird dann abgegriffen und als eine Schwellenwertspannung für einen Komparator verwendet.
Die vorliegende Erfindung weist ferner ein Verfahren zum Sensieren bzw. Erfassen der Nähe bzw. Annäherung oder der Position eines Ziels auf, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Abstrahlen von Funkfrequenzenergie mit einer Antenne, die eine Impedanz aufweist;
Bewegen des Ziels weit genug neben die Antenne, so dass die Antennenimpedanz mit einer Änderung der Position des Ziels in Folge eines Nahfeldeffektes variiert;
Erfassen der Veränderung der Antennenimpedanz in Reaktion auf die Änderungen der Zielposition;
Umsetzen der erfassten Änderung der Antennenimpedanz in ein Positionssignal;
Vergleichen des Positionssignals jeweils mit einem Referenzsignal, das dem Positionssignal entspricht, das erzeugt wird, wenn das Ziel sich innerhalb eines vorbestimmten Bereiches der Antenne befindet; und
Bestimmen der Zielposition an Hand des Vergleichs des Positionssignals mit dem Referenzsignal.
Folglich lässt sich mittels der Erfindung die Bewegung eines kleinen Zielobjektes erfassen bzw. detektieren, ohne dass eine falsche Anzeige angegeben wird auf Grund einer Bewegung eines anderen Objektes, das benachbart zu dem Umfang des Nahfeldes der Antenne ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm des Sensors;
Fig. 2 ist ein detailliertes schematisches Diagramm des Sensors;
Fig. 3 ist eine Ansicht des Sensorchips mit einem orthogonalen Sensorelement;
Fig. 4a ist eine geschnittene Draufsicht auf den elektromagnetischen Sensor;
Fig. 4b ist eine Seitenansicht des in Fig. 4a gezeigten Sensors;
Fig. 5 ist eine geschnittene Draufsicht auf den magnetischen Sensor; und
Fig. 6 zeigt den elektromagnetischen Sensor installiert in der Wand eines Gehäuses.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung erfolgt nun unter Bezugnahme auf die Fig. 1-6.
Die Sensorelemente mit Hall-Element bzw. Magnetoresistor werden einfach als magnetische Sensorelemente bezeichnet. Die Sensorelemente mit Hall-Element, Magnetoresistor bzw. auf der Basis von Millimeterwellen werden als Sensorelemente bezeichnet. Wenn ein bestimmtes Sensorelement erörtert wird, so wird dieses durch seinen vollen Namen bezeichnet.

Grundlegender Sensorbetrieb

In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Sensors 10 gezeigt, der als ein direktionaler Geschwindigkeitssensor konfiguriert und mit einem Sensormonitor S14 verbunden ist. Das Diagramm zeigt ferner ein Zielrad 46 mit einem Schlitz 48, einer mittleren Nase 50 und einer längsten Nase 52. Bei dieser Anwendung überwacht der Sensor 10 die direktionale Geschwindigkeit des Rades 46 und liefert zwei Impulse an den Sensormonitor S14. Wenn sich das Rad 46 vor dem Sensor 10 dreht, laufen gewisse Teile des Ziels in engster Nachbarschaft bzw. Nähe an dem Sensor 10 vorbei. Wie gezeigt, wenn sich das Rad 46 im Uhrzeigersinn dreht, ist der nächstliegende Teil des Rades 46 dar erste Schlitz 48; wenn sich das Rad 46 dann weiter dreht, wird der nächstliegende Teil die längste Nase 52; wenn sich das Rad 46 dann weiter dreht, wird der nächstliegende Teil die mittlere Nase 50.
In einem Sensorelement X2 wird ein Signal erzeugt, das invers proportional zu der Distanz zwischen dem nächstliegenden Teil des Rades 46 und dem Sensorelement X2 ist. Das Signal von dem Sensorelement X2 ist am höchsten, wenn sich die längste Nase 52 direkt vor dem Sensorelement X2 befindet, und ist am tiefsten, wenn sich der Schlitz 48 vor dem Sensorelement X2 befindet. Dieses Signal wird mit einem Differenzverstärker U2 verbunden, und zwar über metallische Leiter 4A und 4C, integrierte Leiter 2A und 2C und dann über Widerstände R4 und R6.
Ferner ist mit dem Minus-Eingang des Differenzverstärkers U2 ein Offset-Generator V4 verbunden, und zwar über einen Widerstand R10. Der Ausgang des Offset-Generators V4 hilft, die Wirkung von statischen Offset-Signalen von dem Sensorelement X2 auszulöschen, die durch das Sensieren von anderen Objekten als dem Rad 46 hervorgerufen werden, wie die mechanische Struktur, die das Rad 46 hält, oder durch das Sensieren des in dem Rad 46 selbst enthaltenen Materials.
Der Ausgang des Differenzverstärkers U2 ist ein Positionssignal 74, ein analoges Signal, das eine Funktion der Distanz zwischen dem Rad 46 und dem Sensor 10 ist. Wenn sich die längste Nase 52 vor dem Sensor befindet, ist das Signal auf seinem höchsten Pegel, und wenn der Schlitz 48 sich vor dem Sensor befindet, ist das Signal am tiefsten bzw. niedrigsten. Spannung (Spg.) bzw. Leistung für das Sensorelement wird mittels einer Spannungsversorgung V2 bereitgestellt, und zwar über einen Widerstand R2.
Ein Signalkonditionierer S8 bestimmt den Wert des Positionssignals 74, wenn dieses sich auf seinem höchsten und seinem tiefsten Punkt befindet. Der Signalkonditionierer S8 speichert eine Spannung auf einem Hoch-Bus, die gleich der Spannung des Positionssignals 74 ist, wenn sich die längste Nase 52 vor dem Sensor befindet. Die so gespeicherte Spannung wird eine hohe Referenz 70. Der Signalkonditionierer S8 speichert eine Spannung auf einem Tief-Bus 300, die gleich der Spannung des Positionssignals 74 ist, wenn sich der Schlitz 48 vor dem Sensor befindet. Die so gespeicherte Spannung wird eine tiefe Referenz 72.
Der Signalkonditionierer S8 legt die hohe Referenz 70 und die tiefe Referenz 72 an ein Spannungsteilernetzwerk an, das aus drei Widerständen R22, R24 und R26 mit gleichem Wert zusammengestellt ist. Die Spannung an dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R24 und R26 beträgt ein Drittel der Spannungsdifferenz zwischen der tiefen Referenz 72 und der hohen Referenz 70 und wird der niedrige Schaltpunkt 68 genannt. Dieser Punkt repräsentiert den Wert des Positionssignals 74, wenn das Rad 46 so gedreht ist, dass der Sensor direkt vor der Seite der mittleren Nase 50 ist, die diese mit dem Schlitz 48 gemeinsam hat. Die Spannung an dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R22 und R24 beträgt zwei Drittel der Spannungsdifferenz zwischen der tiefen Referenz 72 und der hohen Referenz 70 und wird der hohe Schaltpunkt 66 genannt. Dieser repräsentiert den Wert des Positionssignals 74, wenn das Rad so gedreht ist, dass sich der Sensor direkt vor der Seite der längsten Nase 52 befindet, die diese mit der mittleren Nase 50 gemeinsam hat. Der niedrige Schaltpunkt 68 und der hohe Schaltpunkt 66 sind Punkte, bei denen sich der Ausgang des Sensors 10 ändert, wenn sich das Rad 46 dreht.
Der hohe Schaltpunkt 66 und der niedrige Schaltpunkt 68 sind mit Referenz-Pins an Komparatoren U10 bzw. U12 verbunden. Die Ausgänge dieser Komparatoren sind über Widerstände R30 und R34 mit Transistoren Q4 bzw. Q6 verbunden. Die Kollektoren dieser Transistoren sind über Widerstände R32 bzw. R38 mit der Sensorspannung verbunden. Die Sensorspannung wird von der Spannungsversorgung V12 bereitgestellt, und zwar über einen Signalwiderstand R40. Das Sensorausgangssignal 76 ist mit dem Sensor an dem selben Punkt verbunden wie der Signalwiderstand R40. Das Sensorausgangssignal 76 ist invers proportional zu dem Strom durch den Signalwiderstand R40. Wenn der von dem Sensor gezogene Strom zunimmt, steigt die über dem Signalwiderstand R40 abfallende Spannung an, und demgemäß nimmt der Wert des Ausgangssignals 76 ab. Wenn der Transistor Q4 oder der Transistor Q6 eingeschaltet wird, verringert dies den wirksamen Widerstand des Sensors 10 und erhöht den Strom durch den Signalwiderstand R40, was zu einer entsprechenden Verringerung im Ausgangssignal 76 führt. Die Komparatoren U10 und U12 sind derart verbunden, dass beide Transistoren Q4 und Q6 normalerweise eingeschaltet sind, wenn sich der Schlitz 48 direkt vor dem Sensor 10 befindet. Einer der Transistoren Q4 oder Q6 wird abgeschaltet, wenn entweder die mittlere Nase 50 oder die längste Nase 52 sich vor den Sensor dreht. Dies erfolgt, um zuzulassen, dass der Spannungspegel des Ausgangssignals 76 in positiver Richtung zunimmt, wenn das Rad 46 sich dem Sensor 10 nähert. Dies macht es für Servicepersonal einfach, den Ausgangszustand des Sensors zu überprüfen.
Wenn der Schlitz 48 sich vor den Sensor 10 dreht, ist das Positionssignal 74 niedriger als der hohe Schaltpunkt 66 und als der niedrige Schaltpunkt 68, und beide Komparatoren U10 und U12 sind eingeschaltet. Dies hält die Schalttransistoren Q4 und Q6 beide im eingeschalteten Zustand. Der Strom durch R40 ist die Summe des Stromes, der von den Komponenten des Sensors gezogen wird, die mit dem Punkt VCC verbunden sind, zuzüglich der Ströme, die von den Transistoren Q4 und Q6 gezogen werden. Wenn sich das Rad 46 im Gegenuhrzeigersinn dreht, dreht die mittlere Nase 50 sich in eine Position direkt vor dem Sensor 10. Das Positionssignal 74 steigt auf einen Wert, der höher ist als der niedrige Schaltpunkt 68. Der Komparator U12 schaltet ab, und der Schalttransistor Q6 schaltet ab. Demzufolge wird ein Stromimpuls eines ersten Pegels von dem Strom subtrahiert, der von dem Sensor 10 gezogen wird, was den Wert des Ausgangssignals 76 erhöht. Wenn das Rad 46 sich weiter dreht, kommt die längste Nase 52 dem Sensor 10 am nächsten. Das Positionssignal 74 steigt auf einen Wert an, der höher ist als der hohe Schaltpunkt 66. U10 schaltet ab, was den Transistor Q4 abschaltet. Dies verringert den Strom durch R40 und erhöht den Wert des Ausgangssignals 76.
Die Werte der Widerstände R32 und R38 sind identisch, und die Stromverstärkungen der Transistoren Q4 und Q6 sind ebenfalls identisch. Wenn einer der Schalttransistoren Q4 und Q6 eingeschaltet ist, lassen sie jeweils den selben Strombetrag durch den Signalwiderstand R40 fließen. Es ist anzumerken, dass wann immer der Komparator U10 eingeschaltet ist, der Komparator U12 ebenfalls eingeschaltet ist, da das Positionssignal 74 den Wert des hohen Schaltpunktes 66 als auch jenen des niedrigen Schaltpunktes 68 übersteigt. Dies dient dazu, den Strombetrag zu halbieren, der durch den Signalwiderstand R40 gezogen wird, wenn sich die längste Nase 52 vor dem Sensor befindet, verglichen mit dem Strombetrag, der gezogen wird, wenn sich die mittlere Nase 50 vor dem Sensor befindet. Wenn die längste Nase 52 sich vor dem Sensor befindet, sind beide Komparatoren U10 und U12 abgeschaltet. In dieser Situation ist der einzige Strom durch den Signalwiderstand R40 jener, der während des normalen Betriebs von dem Sensor selbst gezogen wird. Wenn dieser Strom 1 mA beträgt und jeder Transistor Q4 und Q6 1 mA zieht, ändert sich der Sensorausgang von 3 mA, wenn der Schlitz 48 sich vor dem Sensor befindet, auf 2 mA, wenn sich die mittlere Nase 50 vor dem Sensor befindet, und dann auf 1 mA, wenn sich die längste Nase 52 vor dem Sensor befindet.
Es ist anzumerken, dass die Folge der Ausgangsimpulse a-b- c-a-b-c... ist, wobei a der Wert des Ausgangssignals 76 ist, wenn der Sensor 10 dem Schlitz 48 gegenüberliegt, wobei b der Wert des Ausgangssignals 76 ist, wenn der Sensor 10 der mittleren Nase 50 gegenüberliegt, und wobei c der Wert des Ausgangssignals 76 ist, wenn der Sensor 10 der längsten Nase 52 gegenüberliegt. Diese Folge tritt auf, wenn sich das Rad 46 im Gegenuhrzeigersinn dreht. Wenn das Rad 46 sich im Uhrzeigersinn dreht, folgt dem Schlitz 48 die längste Nase 52. Die Folge von Ausgangsimpulsen wird dann a-c-b-a-c-b... Überwachungsausrüstung, die mit dem Sensorausgang verbunden ist, bestimmt dann, ob der Erfassung des Pulses a unmittelbar der Puls b oder der Puls c folgt, um die Drehrichtung des Rades 46 zu bestimmen.

Signalkonditioniererbetrieb im Detail

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Sensors 10, einschließlich Hauptchip 12; Sensorelemente X2, die ein Hall-Element X2a, einen Magnetoresistor X2b oder einen Millimeterwellen-Chip X2c aufweisen; Signalkonditionierer S8; und einen Sensormonitor X14. Wie erörtert, erzeugt der Signalkonditionierer S8 den hohen Schaltpunkt 66 und den tiefen Schaltpunkt 68, indem eine Spannung gleich dem Maximalwert des Positionssignals 74 auf die hohe Referenz 70 gesetzt wird, und indem eine Spannung gleich dem Minimalwert des Positionssignals 74 auf die tiefe Referenz 72 gelegt wird. Dies wird wie folgt erreicht:
Der Signalkonditionierer S8 weist Komparatoren U100-U108 auf, gekoppelt über Logikabschnitte 5100-5108, Flipflops U400- U408 und Bustreiberabschnitte S200-S208. Die Logikabschnitte S100-S108 weisen eine Vielzahl von Invertern U200-U206 und eine Vielzahl von UND-Gattern U302-U308 auf. Der Signalkonditionierer S8 weist ferner einen Kalibrierungsabschnitt S2 sowie einen Resetabschnitt S4 auf. Der Resetabschnitt S4 dient dazu, jegliche vorherige Einstellungen des Signalkonditionierers S8 zu löschen, und arbeitet, wenn zuerst Spannung an den Sensor 10 angelegt wird. Der Kalibrierungsabschnitt S2 dient dazu, den Betrieb des Signalkonditionierers S8 zu begrenzen ("restrict"). Der Signalkonditionierer S8 setzt die hohe Referenz 70 und die tiefe Referenz 72 nicht zurück, bis ein Signal von dem Kalibrierungsabschnitt S2 erzeugt wird.
Wenn der Ausgang des Kalibrierungsabschnittes S2 freigegeben ist, vergleicht der Signalkonditionierer S8 das Positionssignal 74 mit der Spannung, die bereits auf dem Hoch-Bus 200 und dem Tief-Bus 300 vorhanden ist, und schaltet die Busspannung nach Notwendigkeit höher oder tiefer, bis der Hoch-Bus 200 mit dem höchsten Positionssignal 74 übereinstimmt ("matches") und bis die Spannung des Tief-Busses 300 mit dem tiefsten bzw. niedrigsten Positionssignal 74 übereinstimmt. Der Betrieb des Signalkonditionierers S8 ist folgendermaßen:
Wenn anfänglich Spannung an den Sensor 10 angelegt wird, und zwar durch den Sensormonitor S14, beginnt der Kondensator C4 im Rücksetz- bzw. Resetabschnitt S4 sich auf die Versorgungsspannung VCC aufzuladen, und zwar über den Widerstand R16. Zunächst fällt keine Spannung über dem Kondensator C4 ab; demzufolge ist die Spannung an der Verbindung von R14 und R16 gleich der Versorgungsspannung VCC. Dies stellt die Versorgungsspannung VCC auf die Basis des Transistors Q2, so dass dieser eingeschaltet wird und die Versorgungsspannung VCC über seinen Kollektor an seinen Emitter anlegt. Der Emitter des Transistors Q2 ist mit den Reset-Pins von den Flipflops U400- U408 verbunden. Dies führt dazu, dass diese alle rückgesetzt werden, was auf sämtliche Q-Ausgänge der Flipflops U400-U408 eine logisch tiefe Spannung stellt. Dieses logische Tiefsignal wird an die Basen sämtlicher Transistoren Q500-Q506 und Q602- Q608 angelegt und schaltet diese sämtlich aus. Die Emitter von Q500-Q506 sind mit dem Hoch-Bus 200 verbunden. Der Widerstand R18 zieht die Spannung auf dem Hoch-Bus 200 auf Masse, wenn sämtliche Transistoren Q500-Q506 ausgeschaltet sind. Die Emitter von Q602-Q608 sind mit dem Tief-Bus 3Q0 verbunden. Der Widerstand R20 zieht die Spannung auf dem Tief-Bus 300 auf den Wert der Sensorspannung VCC, wenn sämtliche Transistoren Q600- Q608 ausgeschaltet sind. Demzufolge dient der Resetabschnitt S4 dazu, die niedrigste verfügbare Spannung (Masse) auf den Hoch- Bus 200 anzulegen und die höchste verfügbare Spannung (VCC) auf den Tief-Bus 300. Der Kondensator C4 setzt den Ladevorgang fort, bis er vollständig geladen ist. Zu diesem Zeitpunkt versiegt der Strom durch R16. Die Spannung an der Basis von Q2 kehrt dann auf das Massepotential zurück, was den Transistor Q2 ausschaltet und die Resetspannung an die Flipflops U400-U408 sperrt bzw. außer Kraft setzt ("disable").
Der Sensormonitor S14 legt beim Hochfahren zunächst sieben Volt an den Sensor 10 an. Dies erfolgt nur, wenn der Signalkonditionierer S8 neu zu kalibrieren ist, wie während des ersten Hochfahrens. Dieser Wert von VCC in Höhe von 7 Volt wird an den Kalibrierungsabschnitt S2 angelegt, und zwar an die Spitze des Widerstandes R12, die mit einer Zener-Diode Z2 verbunden ist, die an ihrem oberen Anschluss 6 Volt aufrechterhält. Dies dient dazu, 7 Volt an den "+"-Eingangs-Pin des Komparators U4 anzulegen und 6 Volt an den "-"-Pin des Komparators 4 anzulegen. Dies bringt den Ausgang des Komparators U4 auf einen Hochwert nahe des Wertes von VCC. Dieser wird an die mittleren Eingangs-Pins der UND-Gatter U302-U308 angelegt, die jeweils drei Eingänge besitzen. Der Signalkonditioniererabschnitt S8 ist nunmehr freigegeben. PD2 und PD6 stellen Drahtbond-Pads des Sensors dar.
Während der Kalibrierung muss das Rad 46 zumindest so weit gedreht werden, dass der Schlitz 48 und dann die längste Nase 52 vor den Sensor 10 gestellt werden. Dies ermöglicht, dass das Positionssignal 74 seinen Minimal- und seinen Maximalwert einnimmt. Das Positionssignal 74 wird an den "+"-Eingang einer Reihe von Komparatoren (U100-U108) angelegt. An jeden der "-"-Schwellenwerteingänge dieser Komparatoren (U100-UlOB) wird eine Spannung angelegt, die aus dem Referenzabschnitt S6 entnommen wird, der eine Reihe von Spannungsreferenzen V100-V106 aufweist. Jede Referenz weist ein Spannungsdifferential von 1 Volt auf. Die Schwellenwertspannung von jedem Komparator (U100-U108) ist daher etwa ein Volt höher als die Spannung an dem Komparator darunter. Das Ergebnis besteht darin, dass jeder Komparator (U100-U108) eingeschaltet ist (Ausgang hoch), wenn die Spannung des Eingangssignals höher ist als seine Schwellenwertspannung.
Sämtliche Komparatoren, die eine Schwellenwertspannung unterhalb des Positionssignals 74 besitzen, werden eingeschaltet sein, und sämtliche jener Komparatoren, die eine Schwellenwertspannung höher als das Positionssignal 74 haben, werden ausgeschaltet sein. Wenn beispielsweise das Rad 46 sich derart dreht, dass sich der Schlitz 48 vor dem Sensor 10 befindet, und man nehme als Beispiel ein Positionssignal 74 von 2,25 Volt für diese Situation an, werden der Komparator U104 und sämtliche Komparatoren darunter (U106 und U108) eingeschaltet sein, und sämtliche Komparatoren darüber (U100 und U102) werden ausgeschaltet sein.
Der Ausgang von jedem Komparator U100-U108 geht zu Logikabschnitten S100-S108. Ein Ausgang geht direkt in den niedrigsten Eingang eines UND-Gatters (U302-U308) in einem der Logikabschnitte. Der andere Ausgang des Komparators geht zu einem Inverter (U200-U206), dessen Ausgang mit dem höchsten Eingangs- Pin eines UND-Gatters (U302-U308) unter diesem verbunden ist. Der Ausgang des Komparators U100 geht direkt durch den Logikabschnitt 5100 zum Flipflop U400. Bei nur einem Logikabschnitt S102-S108 werden sowohl der obere als auch der untere Eingang zu einem beliebigen UND-Gatter (U302-U308) hoch sein.
Für das obige Beispiel, bei einem Signal von 2,25 Volt, wird der Komparator U104 eingeschaltet sein, U100 und U102 werden ausgeschaltet sein, und das UND-Gatter U304 wird eingeschaltet sein. Sämtliche Komparatoren (U106 und U108) unterhalb des Komparators U104 werden ebenfalls eingeschaltet sein, was einen Hoch-Zustand an den Inverter unter diesen (U206) abgibt, was einen Tief-Zustand auf das UND-Gatter U308 setzt. Keiner der Komparatoren oberhalb des Komparators U104 wird eingeschaltet sein, so dass ein Tief-Zustand an das UND-Gatter U302 und das Flipflop U400 abgegeben wird, das direkt mit dem Ausgang des Komparators U100 verbunden ist.
Ein eingeschaltetes UND-Gatter U302-U308 legt eine Hoch- Spannung auf den Set-Pin seines entsprechenden Flipflops U402- U408 an. Dies setzt den "Q"-Ausgang auf hoch und schaltet die geeigneten Transistoren Q500-Q506 und Q602-Q608 über die Widerstände R500-R506 und R602-R606 ein. Die Kollektoren der Transistoren Q500-Q506 und Q602-Q608 sind mit einer geeigneten Referenz V100-V106 verbunden. Die Emitter der Transistoren Q500-Q506 sind mit dem Hoch-Bus 200 verbunden. Die Emitter der Transistoren Q602-Q608 sind über Sperrdioden D602-D608 mit dem Tief-Bus 300 verbunden. Das Ergebnis ist, dass die geeignete Spannung, die den Pegel des Positionssignals 74 darstellt bzw. dafür repräsentativ ist, elektrisch auf den Hoch-Bus 200 und den Tief-Bus 300 geschaltet wird. Bei dem obigen Beispiel, für eine Spannung des Positionssignals 74 von 2,25 Volt, wird das Flipflop U404 eingeschaltet sein und die Transistoren Q504 und Q604 freigeben, was 2 Volt auf den Hoch-Bus 200 und auf den Tief-Bus 300 legt.
Man lässt das Rad 46 dann derart drehen, dass die längste Nase 52 sich direkt vor dem Sensor 10 befindet. Das Positionssignal 74 geht dann auf seinen höchsten Wert, was geeignete Komparatoren U100-U108 freigibt, wenn die Signalpegel über geeignete Referenzspannungen von V100-V106 ansteigen. Dies wiederum gibt geeignete Flipflops U400-U408 frei, was es ermöglicht, dass die Transistoren Q500-Q506 und Q602-Q608 geeignete Spannungen auf den Hoch-Bus 200 und den Tief-Bus 300 legen. Alle Flipflops U400-U408, die unterhalb des geeigneten Flipflops U400-U408 durch den Pegel des Positionssignals 74 freigegeben wurden, als sich der Schlitz 48 direkt vor dem Sensor 10 befand, verbleiben gesetzt ("set"), was auch entsprechende Transistoren Q500-Q506 und Q602-Q608 freigibt. Ferner werden auch alle Flipflops U400-U408 zwischen dem Flipflop U400-U408, das gesetzt ist, wenn der Schlitz 48 sich direkt vor dem Sensor 10 befindet, ebenfalls freigegeben werden.
Irgendeine Anzahl von Transistoren Q500-Q506 und Q602-Q608 wird daher freigegeben werden, wenn das Rad 46 sich dreht, um den Schlitz 48 und dann die längste Nase 52 vor den Sensor 10 zu setzen. Jeder Transistor Q500-Q506 wird versuchen, eine tiefere Spannung auf den Hoch-Bus 200 zu legen als der Transistor Q500-Q506 über diesem. Wenn beliebige zwei Transistoren Q500-Q506 freigegeben sind, wird die von einem beliebigen Transistor auf den Hoch-Bus 200 gelegte Spannung dazu dienen, den Basis-Emitter-Übergang sämtlicher Transistoren Q500-Q506 darunter umgekehrt vorzuspannen ("reverse bias"), was diese sperrt ("disable").
Jeder Transistor Q602-Q608 wird ebenfalls versuchen, eine höhere Spannung auf den Tief-Bus 300 zu legen als der Transistor Q602-Q608 unter diesem. Die Sperrdioden D602-D608 werden jedoch umgekehrt vorgespannt durch die Referenzspannung, die von einem beliebigen Transistor Q602-Q608 über diesem auf den Tief-Bus 300 gelegt wird. Wenn beliebige zwei Transistoren Q602-Q608 freigegeben sind, dient die Spannung, die auf den Tief-Bus 300 gelegt ist, dazu, den Übergang sämtlicher Sperrdioden D602-D608 unter diesem umgekehrt vorzuspannen, was diese Sperrdioden davon abhält, irgendeine andere Referenzspannung auf den Tief-Bus 300 zu legen.
Bei dem obigen Beispiel, wenn man ein Referenzsignal 74 von 3,25 Volt annimmt, wenn sich die längste Nase 52 direkt vor dem Sensor 10 befindet, und wobei 2 Volt bereits auf den Hoch- Bus 200 und den Tief-Bus 300 angelegt sind, wird der Komparator U102 eingeschaltet sein, und der Komparator U100 wird ausgeschaltet sein. Das UND-Gatter U302 wird freigegeben sein, was das Flipflop U402 setzt. Die "Q"-Ausgänge beider Flipflops U402 und U404 werden jeweils eingeschaltet sein, was die Transistoren Q502 und Q504 sowie die Transistoren Q602 und Q604 einschaltet. Der Transistor Q502 wird 3 Volt auf den Hoch-Bus 200 anlegen. Diese 3 Volt werden höher sein als die 2 Volt, die von dem Transistor Q504 angelegt werden, und werden dessen Basis- Emitter-Übergang umgekehrt vorspannen. Der Transistor Q604 wird 2 Volt über die Sperrdiode D604 auf den Tief-Bus 300 anlegen, wohingegen der Transistor Q602 versucht, über die Sperrdiode D602 3 Volt anzulegen. Die über die Sperrdiode D604 angelegten 2 Volt werden die Sperrdiode D602 umgekehrt vorspannen. Das Ergebnis werden 3 Volt auf dem Hoch-Bus 200 sein, was das Positionssignal 74 darstellt bzw. dafür repräsentativ ist, wenn sich die längste Nase 52 vor dem Sensor 10 befindet, und 2 Volt auf dem Tief-Bus 300, die das Positionssignal 74 darstellen, wenn der Schlitz 48 sich vor dem Sensor 10 befindet.
Nachdem das Rad 46 sich gedreht hat, um zumindest einen Schlitz 48 und eine längste Nase 52 vor dem Sensor 10 zu versetzen, verringert der Sensormonitor S14 die Versorgungsspannung VCC auf 5 Volt. Dies legt 5 Volt auf den "+"-Pin des Komparators U4 in dem Kalibrierungsabschnitt S2. Auf Grund der Abschaltverzögerung der Zener-Diode Z2 verbleiben für einen endlichen Zeitbetrag 6 Volt auf dem "-"-Pin von U4. Der Ausgang des Komparators U4 geht auf seinen Tiefwert, was die UND-Gatter U302-U308 sperrt. Sämtliche Flipflops U400-U408 verbleiben gesetzt. Die Spannungen, die auf den Hoch-Bus 200 und auf den Tief-Bus 300 gelegt sind, verbleiben auf ihrem höchsten und tiefsten Wert, der durch das Positionssignal 74 erzielt wurde.
Das Ergebnis ist, dass die Hoch-Referenz 70 gleich dem Wert des Positionssignals 74 ist, wenn die längste Nase 52 sich vor dem Sensor 10 befindet, und dass die Tief-Referenz 72 gleich dem Wert des Positionssignals 74 ist, wenn der Schlitz 48 sich vor dem Sensor 10 befindet. Der Sensor 10 ist nunmehr kalibriert. Wenn sich das Rad 46 dreht, verändert sich der Ausgang des Sensors 10 wie erforderlich.
Der Signalkonditionierer S8 ist mit nur 5 Spannungsabgriffen gezeigt: 0, 1, 2, 3 und 4 Volt. Andere Anwendungen können unterschiedliche Anzahlen von Referenzen und unterschiedliche Werte für diese Spannungen erfordern. Genauer gesagt, erfordert eine höhere Auflösung mehr Referenzen. Ferner können unterschiedliche Referenzabschnitt-Komponenten S8 verwendet werden, um diese Spannungen zu erhalten. Sämtliche analogen Schalttransistoren Q500-Q506 und Q602-Q608 sind als bipolare Transistoren gezeigt; jedes Bauteil kann jedoch verwendet werden, vorausgesetzt, es lässt den geeigneten Wert durch, und vorausgesetzt, die Busspannungsauswahl des höchsten oder niedrigsten einer beliebigen Vielzahl bleibt aufrechterhalten.

Betrieb des magnetischen Sensorelementes

In Fig. 3 ist gezeigt, dass ein Hall-Element X2a oder ein Magnetoresistor X2b unter einem rechten Winkel zu Schaltkreisen des Signalkonditionierers S8 und zu anderen Schaltkreisen des Sensors 10 auf dem Hauptchip 12 angeordnet sind. Sämtliche Schaltungskomponenten, einschließlich des Signalkonditionierers S8 und weiterer Komponenten des Sensors 10, sind auf der Oberfläche eines Wafers ausgebildet, und dann wird der Hauptchip 12 aus diesem Wafer ausgeschnitten. Zusätzlich zu anderen Schaltungskomponenten sind integrierte Leiter 4a-4d auf dem Hauptchip 12 ausgebildet, und zwar durch stark dotiertes Halbleitermaterial. Metallische Leiter 2a-2d werden dann über die integrierten Leiter 4a-4d gesetzt. Der Hauptchip 12 wird dann um 90 Grad gedreht, und integrierte Leiter 8a-8d und metallische Leiter 6a -6d werden auf der Seite des Hauptchips 12 ausgebildet. Die metallischen Leiter 2a-2d und 6a-6d werden direkt über die integrierten Leiter 4a-4d und 8a-8d gesetzt bzw. darüber angeordnet und dienen dazu, den Signalkonditionierer S8 elektrisch mit dem magnetischen Sensorelement X2 zu verbinden. Dann werden entweder das Hall-Element X2a oder der Magnetoresistor X2b an der Seite des Hauptchips 12 ausgebildet. Das Ergebnis ist ein magnetisches Sensorelement X2, das unter einem rechten Winkel zu Komponenten des Hauptchips 12 ausgebildet ist. Die für das Sensorelement X2 erforderliche Fläche ist sehr viel kleiner als die Fläche, die für die verbleibenden Schaltungskomponenten des Sensors 10 erforderlich sind. Dies dient dazu, den Sensor 10 in einer Ebene, die zu dem Rad 46 hin weist, im Durchmesser so klein wie möglich zu machen.
In Fig. 5 ist ein magnetischer Sensor bzw. Magnetsensor 56 mit einem Ausgangsdraht 58 und einem Massedraht 60, magnetisches Material 16 und nicht-magnetisches Material 14 gezeigt. Der Hauptchip 12 ist unter Verwendung von leitendem Epoxidharz an dem Ausgangsdraht 58 und dem Massedraht 60 angebracht. Diese Anordnung wird dann teilweise mit magnetischem Material 16 hinter dem magnetischen Sensorelement X2a oder X2b verkapselt. Das nicht-magnetische Material 14 wird dann um den Hauptchip 12 herum angeordnet. Das magnetische Material 16 wird magnetisch geladen, und zwar in einer Richtung parallel zu einer Linie, die von dem magnetischen Material 16 zu dem magnetischen Sensorelement X2 gezogen wird. Dies bildet den Magneten, der von dem magnetischen Sensorelement X2 gefordert wird. Die das magnetische Material 16 verlassenden magnetischen Flusslinien werden dann durch das magnetische Material in enger Nähe zu dem Sensor 10 konzentriert. Wenn sich die längste Nase 52 direkt vor dem Sensor 10 befindet, sind die magnetischen Flusslinien mehr konzentriert bzw. gebündelt als in dem Fall, wenn sich der Schlitz 48 vor dem Sensor 10 befindet. Diese Veränderungen der magnetischen Flusskonzentration an dem magnetischen Sensorelement X2 rufen dann hervor, dass sich der Ausgang des magnetischen Sensorelementes X2 proportional zu der Position des Rades 46 ändert.

Betrieb des elektromagnetischen Sensorelementes

In den Fig. 4a und 4b sind eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht des Sensors 54 gezeigt, mit dem elektromagnetischen Sensorelement X2, der den Millimeterwellen-Chip X2c aufweist, einem Ring-Wandler 18, einer Antenne A2 und nicht-magnetischem Material 14. Der elektromagnetische Sensor arbeitet, indem eine Antenne, die Funkfrequenzenergie abstrahlt, in enger Nähe zu dem Rad 46 angeordnet wird. Das Funkfrequenzsignal wird von der Antenne geformt, was zu einem schmalen elektromagnetischen Feld führt, das die Oberfläche des Rades 46 auflädt. Die Oberfläche des Rades 46 lädt sich mit einer dünnen Schicht aus beweglichen Leitern bzw. beweglichen Ladungsträgern ("moving conductors") auf, da das Funkfrequenzsignal eine extrem kurze Wellenlänge hat verglichen zu der Distanz von der Oberfläche des Rades 46 zu dem Massepunkt des Rades 46. Bei dieser Frequenz wird der größte Teil der elektrischen Energie in einer dünnen Schicht an der Oberfläche des Rades 46 konzentriert.
Der an der Oberfläche des Rades 46 enthaltene Energiebetrag als auch die Distanz zwischen dem Rad 46 und der Antenne bilden ein System von Antenne und Antennenelement. Das Rad 46 dient dazu, die Impedanz des Antennensystems zu verändern, indem es ermöglicht, dass die Antenne mehr oder weniger Energie sendet. Dies erfolgt, wenn das Rad 46 in dem Nahfeld der Antenne angeordnet ist, der Fläche, die am nächsten zu der Antenne ist, wobei das elektrische Feld der Antenne eine stärkere Komponente hat als die magnetische Komponente des Feldes. Ein Verändern der Distanz zwischen der Antenne und dem Rad 46 dient dazu, die Impedanz der Antenne zu modulieren, wenn sich das Rad 46 in dem Nahfeld der Antenne bewegt. Die von der Antenne reflektierte Energie ist daher direkt proportional zu der Distanz zu dem Rad 46. Diese Energie wird von der Antenne durch einen Richtungskoppler gekoppelt, der dann mit einem Detektor verbunden ist. Die reflektierte Energie wird dann in eine analoge Spannung gewandelt, die direkt proportional ist zu der Distanz zu dem Rad 46. Bei einem beliebigen Bereich von Größe, Form und Bewegungsumfang des Rades 46 kann die Impedanz der Antenne von einer kapazitiven Impedanz zu einer rein Ohmschen Impedanz ("resistive impedance"), zu einer induktiven Impedanz oder zu einem beliebigen Bereich dazwischen wechseln. Die Sensorposition wird eingestellt, indem die Antennenimpedanz entweder in dem kapazitiven oder in dem induktiven Bereich gehalten wird, um zu gewährleisten, dass sich das Ausgangssignal linear mit der Position des Rades 46 ändert.
Der Millimeterwellen-Chip bzw. MM-Wellen-Chip 12 weist einen Oszillator OS2 auf, der eine Funkfrequenzenergie erzeugt. Der Oszillator OS2 kann ein beliebiger Millimeterwellen- Oszillator des Standes der Technik sein; die bevorzugte Ausführungsform ist jedoch eine Diode mit Lawinendurchbruch im Übergangsbereich ("impact avalanche transit time diode", IMPATT), da diese sich leicht in Silizium implantieren lässt und bei hohen Frequenzen und Temperaturen arbeitet. Der Oszillator kann einige ähnliche Bauteile aufweisen, die dazu optimiert sind, bei Funkfrequenzen über verschiedene Temperaturbereiche zu arbeiten. Der Oszillator OS2 kann ferner Leistungsschaltungen aufweisen, die automatisch Temperatur- oder Frequenzdrifts im Ausgangspegel des Oszillators OS2 kompensieren. Diese verschiedenen Oszillatoren können ferner automatisch in die Schaltung eingeschaltet werden, wenn sich die Temperatur ändert. Beispiele des Oszillators OS2 können folgende Bauteile aufweisen: übertragene Elektronenbauteile ("transferred electron devices"), IMPATT-Dioden, eine lawinengetriggerte Übergangszeitdio de mit eingefangenem Plasma ("trapped plasma avalanche triggered transit time diode"), eine Tunneldiode, ein Feldeffekttransistor, ein Bipolartransistor, ein Transistor mit hoher Elektronenmobilität oder ein beliebiger anderer Festkörperoszillator. Viele Beispiele von IMPATT-Oszillatoren, die in monolithischen Schaltungen realisiert worden sind, sind im Stand der Technik bekannt und weisen IMPATT-Dioden auf, die in einer planaren Konfiguration hergestellt sind und von einem monolithischen Ring-Induktor oder einem anderen erforderlichen Element(en) umgeben sind. Beispiele, wie sich diese IMPATT-Dioden herstellen und konstruieren lassen, sind in dem Kapitel über "Millimeter Wave Silicon Devices" von P. Russer in Vacuum, Band 41, Nummern 4-6, Seiten 1033-37 (1990) beschrieben, das von Pergamon Press veröffentlicht worden ist, sowie in den darin zitierten Zitatstellen.
Der Leistungspegel des Oszillators OS2 wird niedrig gehalten (unterhalb von 5 mW Gesamtleistung), um die Wärmeerzeugung zu verringern und hierdurch die Lebensdauer der Schaltungskomponenten zu steigern. Die Frequenz des Oszillators OS2 liegt vorzugsweise in dem Bereich von 50-150 GHz und ist derart ausgewählt, dass die Wellenlänge der von der Antenne A2 emittierten Funkfrequenzenergie kleiner ist als oder gleich ist zu der kleinsten Distanz über die Stirnseite eines Ziels, wie eines Rades 46, das einen Schlitz 48 und eine längste Nase 52 aufweist.
Der Millimeterwellen-Chip X2c weist ferner einen Richtungskoppler DC2 auf. Das Funkfrequenz-Ausgangssignal wird dann durch die Ausgangsverbindung des Richtungskopplers DC2 zu der Antenne A2 hindurch geleitet, die in Richtung auf das Ziel 78 hin abstrahlt. Die Antenne A2 ist mit leitendem Epoxidharz mit dem Richtungskoppler DC2 verbunden, und zwar über ein Antennen- Pad 62.
Die Antenne A2 sendet dann das Funkfrequenzsignal durch einen Spalt zwischen der Antenne A2 und dem Rad 46 hindurch. Das Funkfrequenzsignal lädt die Oberfläche des Rades 46 auf. Der in dem reflektierten Funkfrequenzsignal enthaltene Energiebetrag hängt von der Zusammensetzung des Rades 46 und von der Distanz zwischen dem Rad 46 und der Antenne A2 ab. Es ist bevorzugt, dass das Rad 46 eine Oberfläche aufweist, die elektrisch leitend ist. Es wird erkannt, dass sich die Impedanz der Antenne A2 ändert als Funktion der Distanz von Rad 46 zu Antenne A2. Das Funkfrequenzsignal wird von der Antenne A2 teilweise reflektiert, und zwar zurück in den Richtungskoppler DC2. Auf Grund der Richtnatur bzw. direktionalen Natur des Richtungskopplers DC2 wird der überwiegende Teil dieser Energie nicht in den Oszillator OS2 zurückgegeben, sondern wird in einen Signaldetektor DT2 gespeist.
Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, folgt dem Signaldetektor DT2 ein Tiefpassfilter C2. Der Signaldetektor DT2 richtet die Wechselspannung von dem Richtungskoppler DC2 in ein gleichgerichtetes Spannungssignal gleich, das direkt proportional ist zu der Distanz von dem Rad 46 zu der Antenne A2. Das Tiefpassfilter C2 lässt lediglich das vorbestimmte Signal tiefer Frequenz hindurch, das proportional zu der Distanz von Rad 46 zu Antenne A2 ist, und blockiert das Hochfrequenz-Funksignal von dem Körper dem Oszillator OS2. Das Gleichspannungssignal wird dann an den Signalkonditionierer S8 geleitet.
Es ist anzumerken, dass der Millimeterwellen-Chip X2c als ein von dem Hauptchip 12 getrennter Chip gezeigt ist. Diese Chips sind verbunden über metallische Leiter 2a-2d und 6a-6d sowie integrierte Leiter 4a-4d und 8a-8d. Die zwei Chips werden auf Stoß angeordnet und elektrisch über leitendes Epoxidharz verbunden.

Installation des elektromagnetischen Sensors

Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, wird der Sensor 54 in das proximale Ende 244 eines starren Rohrs 24 eingeführt. Das distale Ende 242 des starren Rohrs 24 ist mit einer Keramikkappe 64 verschlossen, die auf das Ende des starren Rohrs 24 gelötet bzw. hartgelötet ist, unter Bildung einer hermetischen Verbindung. Auf diese Weise sind sämtliche Sensorkomponenten 54 gegenüber Verunreinigungen abgeschirmt, die in der Sensorumgebung vorhanden sein können. Die Keramikkappe 64 ist für Mikrowellen- und Millimeterwellen-Signale transparent.
Das starre Rohr 24 wird in den Körper des Sensorverbinders 44 gegossen ("molded"). Der Ausgangsdraht 58 und der Massedraht 60 (Fig. 4a) sind mit (nicht sichtbaren) Klingen ("blades") des Sensorverbinders 44 in dem Körper des Sensorverbinders 44 verbunden, und zwar vorzugsweise unter Verwendung von im Stand der Technik bekannten Schweißtechniken. Spiralförmige Widerhaken 32 werden während des Gussprozesses um den oberen Endabschnitt des starren Rohrs 24 herum ausgebildet, derart, dass sie einen integralen Bestandteil des Körpers des Sensorverbinders 44 bilden. Ein zylindrischer Abschnitt 26 wird während des Gussprozesses zwischen den spiralförmigen Widerhaken 32 und dem Körper des Sensorverbinders 44 gebildet. Die Gusszusammensetzung ("molding compound") tritt auch in das starre Rohr 24 ein und legt den Sensor 54 fest. Ein flexibler Stopfen 28 aus synthetischem Kunstharz bzw. Gummi oder einem beliebigen elastischen Material weist einen Außendurchmesser 284 auf, der so dimensioniert ist, dass er mit einer einfachen Öffnung 40 einen Verschluss bzw. eine Abdichtung bildet, wobei die einfache Öffnung 40 durch die Gehäusewand 38 hindurch in einer Position zum Sensieren des sich bewegenden Rades 46 ausgebildet ist.
Der Sensor 54 wird wie folgt installiert: zunächst wird in die Gehäusewand 38 eine einfache Öffnung 40 gebohrt. In diese Öffnung 40 wird der flexible Stopfen 28 eingeführt, bis hin zu dem Punkt, dass seine Schulter 42 an der Gehäusewand 38 anliegt. An dem Ende jenes Abschnittes des flexiblen Stopfens 28, der in die Gehäusewand 38 einzuführen ist, ist ein konischer Abschnitt 34 mit einer kleinen Schulter 36 ausgebildet. Der konische Abschnitt 34 ist so angeordnet, dass nach dem Einführen des flexiblen Stopfens 28 die kleine Schulter 36 sich diametral über den Lochdurchmesser in der Gehäusewand 38 hinaus ausdehnt, so dass der flexible Stopfen 28 in dem Loch arretiert bzw. verriegelt und verhindert wird, dass er herausgezogen wird.
Nachdem der flexible Stopfen 28 in das Loch eingeführt worden ist, wird die gesamte Sensoranordnung in die zentrale Öffnung 30 in dem flexiblen Stopfen 28 eingeführt, so dass die Antenne A2 benachbart zu der distalen Spitze 642 der Keramikkappe angeordnet ist, und so dass der proximale Abschnitt des Sensorverbinderkörpers dichtend bzw. verschließend gegen die proximale Stirnseite 282 des Stopfens 28 positioniert ist. Der Durchmesser der zentralen Öffnung 30 in dem flexiblen Stopfen 28 ist derart ausgewählt, dass die Seiten der zentralen Öffnung 30 mit spiralförmigen Widerhaken 32 und dem zylindrischen Abschnitt 26 des Sensors 54 in Eingriff gelangen bzw. damit in Interaktion geraten. Diese Wechselwirkung dehnt den flexiblen Stopfen 28 aus, wenn der Sensor 54 eingeführt wird, und sichert somit den flexiblen Stopfen 28 und die Sensoranordnung in der Öffnung 40 in der Gehäusewand 38. Der oben beschriebene Vorgang des Einführens dichtet die Öffnung 40 gegen Fluide ab, die in der Sensorumgebung vorhanden sein können, und zwar dagegen, dass sie durch die Gehäusewand 38 hindurch lecken, und gegen Kontaminationen, die extern vorhanden sein können. Um die Abdichtung zwischen dem flexiblen Stopfen 28 und dem Sensor 54 zu verbessern, ist der zylindrische Abschnitt 26 vorgesehen, so dass irgendwelche Fluide, die zwischen den flexiblen Stopfen 28 und die spiralförmigen Widerhaken 32 eintreten können, nicht durch die einfache Öffnung 40 hindurch lecken können.
Während der Sensor 54 installiert werden kann, indem er einfach in die einfache Öffnung 40 des flexiblen Stopfens 28 eingeführt wird, lässt er sich auf Grund der spiralförmigen Widerhaken 32 nicht auf dieselbe Weise entfernen; stattdessen ist der Sensor 54 zu entfernen, indem er herausgeschraubt wird, so dass eine Sicherheit gegen zufälliges Herausziehen geschaffen wird.

Claims

1. System (10), das einen Magnetfeldeffekt oder einen durch Funkfrequenzenergie erzeugten Nahfeldeffekt zum Erfassen der Nähe oder Position eines beweglichen Ziels (46), das eine Oberfläche mit einer hohen Region (52) und einer tiefen Region (48) hat, verwendet, gekennzeichnet durch:

Sensormittel (X2) zum Erfassen des Magnet- oder Nahfeldeffektes, der von einer Region der gegenüber den Sensormitteln befindlichen Zielfläche erzeugt wird;

Umsetzmittel (U2), die auf die Sensormittel reagieren und den erfassten Feldeffekt in ein Positionssignal (74) umsetzen, das für einen Bereich von Positionen zwischen einem Referenzpunkt und dem beweglichen Ziel repräsentativ ist;

Vergleichsmittel (S8), die auf die Umsetzmittel reagieren und das Positionssignal (74) mit einem vorbestimmten hohen und einem vorbestimmten tiefen Referenzsignal (66, 68) vergleichen, die dem Positionssignal entsprechen, das erzeugt wird, wenn sich die hohe Oberflächenregion (52) und die tiefe Oberflächenregion (48) jeweils gegenüber den Sensormitteln (X2) befinden, wobei die Vergleichsmittel Maximum- und Minimum-Erzeugungsmittel (S6) aufweisen, die auf die Sensormittel reagieren und ein Maximumentfernungsbereich-Spannungssignal (70), das für einen Maximumentfernungsbereichswert zwischen dem Referenzpunkt und dem beweglichen Ziel repräsentativ ist, und ein Minimumentfernungsbereich-Spannungssignal (72) erzeugen, das für einen Minimumentfernungsbereichswert zwischen dem Referenzpunkt und dem beweglichen Ziel repräsentativ ist, und Speichermittel (200, 300) aufweisen, die auf das Maximumentfernungsbereich- Signal und das Minimumentfernungsbereich-Signal reagieren und die Maximum- und Minimumentfernungsbereich-Spannungssignale speichern; und

Bestimmungsmittel (U10, U12, Q4, Q6), die auf die Vergleichsmittel reagieren und die Zielposition an Hand des Vergleichs des Positionssignals (74) mit dem hohen und dem tiefen Referenzsignal (68, 68) bestimmen, wobei die Bestimmungsmittel Bereichswerterzeugungsmittel zum Erzeugen eines Bereichswertsignals mit einer Amplitude beinhalten, die für einen Bereichswert zwischen dem Maximumentfernungsbereichswert und dem Minimumentfernungsbereichswert repräsentativ ist, und Ausgangserzeugungsmittel (S14) beinhalten, die auf das Bereichswertsignal reagieren und ein Ausgangspositionssignal (76) erzeugen, das für die Entfernung zwischen dem Referenzpunkt und dem beweglichen Ziel repräsentativ ist.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Sensormittel (X2) und die Vergleichsmittel (88) Elemente einer einheitlichen integrierten Schaltung (12) zum Verbessern der Zuverlässigkeit und so positioniert sind, dass sie allgemein einen rechten Winkel einschließen, um einen Oberflächenbereich der Sensormittel in einer dem beweglichen Ziel zugewandten Ebene zu minimieren.

3. System nach Anspruch 2, wobei die integrierte Schaltung (12) eine erste Seite, die dem beweglichen Ziel allgemein zugewandt ist, und eine allgemein gegenüberliegende zweite Seite aufweist, wobei ein nicht-magnetisches Material (14) so befestigt ist, dass es die erste Seite der Schaltung umgibt, wobei ein magnetisches Material (16) neben der zweiten Seite der Schaltung positioniert ist, wobei das magnetische Material in einer Richtung parallel zu einer Linie des Magnetmaterials und des Erfassungsmittels (X2) magnetisch geladen ist und magnetische Flusslinien von dem magnetischen Material durch den Magnetfluss des Ziels konzentriert werden.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, mit Richtungsantennenmitteln (A2), die eine Impedanz aufweisen und mit Funkfrequenzerfassungsmitteln (X2c) verbunden sind, zum Abstrahlen der Funkfrequenzenergie in Richtung auf eine Region der Zieloberfläche gegenüber der Antenne, um so die Zielfläche zu laden, wobei die Zielfläche die Impedanz der Antennenmittel ändert, wenn die Zielfläche in einem hinteren Feld der Antennenmittel ist, und wobei die Sensormittel auf die Antennenmittel reagieren und einen Wert der Antennenimpedanz erfassen.

5. System nach Anspruch 4, wobei die Sensormittel einen Richtungskoppler (DC2) und einen mit dem Richtungskoppler verbundenen Signaldetektor (DT2) umfassen.

6. System nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Sensormittel eine Impedanzänderung in Reaktion auf die Erfassung einer Amplitude von von dem Ziel reflektierter Funkfrequenzenergie erfassen.

7. System nach Anspruch 4, 5 oder 6, mit Mitteln (28) zum Installieren der Antennenmittel (A2) in eine Gehäusewand (38), die eine Öffnung (40) aufweist, wobei sich die Gehäusewand allgemein neben dem Ziel befindet.

8. System nach Anspruch 7, wobei die Installationsmittel Folgendes umfassen:

ein Rohr (24), das in Umgebungsbeziehung zu der Antenne positioniert ist, wobei das Rohr ein offenes fernes Ende und ein offenes nahes Ende hat;

eine Keramikkappe (64), die verschließend auf dem fernen Ende des Rohrs sitzt, wobei die Keramikkappe für Mikrowellen- und Millimeterwellenenergie transparent ist;

einen Sensorverbinderkörper (44), der am nahen Ende des Rohrs angebracht ist, wobei der Sensorverbinderkörper Folgendes umfasst:

einen fernen Widerhakenabschnitt (32); und

einen nahen Abschnitt (26), der größer bemessen ist als der ferne Abschnitt; und

einen flexiblen Stopfen (28) mit einem Außendurchmesser, der so dimensioniert ist, dass er einen Verschluss mit der Gehäusewandöffnung (40) bildet, wenn er darin steckt, und einer durch ihn verlaufenden Öffnung (30), die so dimensioniert ist, dass sie den Widerhakenabschnitt (32) des Sensorverbinderkörpers verschließend umgibt, wenn der Widerhakenabschnitt darin eingeführt ist;

wobei der flexible Stopfen beim Gebrauch in die Gehäusewandöffnung (40) eingesteckt wird, die Antenne (A2) weit genug in das nahe Ende des Rohrs (24) eingeführt wird, um allgemein eine ferne Spitze der Keramikkappe (64) zu erreichen, wobei die Keramikkappe und das starre Rohr durch die Stopfenöffnung (40) eingeführt werden, der Widerhakenabschnitt (32) des Sensorverbinderkörpers weit genug in die Steckeröffnung (30) eingeführt wird, damit sich der nahe Abschnitt des Sensorverbinderkörpers dichtend an einer nahen Fläche des Stopfens befindet, und wobei der nahe Abschnitt des Sensorverbinderkörpers auf einer nahen Seite der Gehäusewand (38) bleibt.

9. System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Maximum- und Minimumerzeugungsmittel (S6) das Maximumentfernungsbereichssignal ändern, wenn die Amplitude des Bereichswertsignals die Amplitude des Maximumentfernungsbereichssignals überschreitet, und das Minimumentfernungsbereichssignal ändern, wenn die Amplitude des Bereichswertsignals geringer ist als die Amplitude des Minimumentfernungsbereichssignals.

10. System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Umsetzmittel Filtermittel (C2) umfassen, die auf das Funkfrequenzerfassungsmittel (X2c) reagieren und das reflektierte Funkfrequenzsignal elektronisch filtern und ein gefiltertes Signal mit einer vorbestimmten Frequenz mit einer Amplitude weiterleiten, die mit einer Amplitude des reflektierten Funkfrequenzsignals variiert.

11. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Funkfrequenzerfassungsmittel (X2c) Änderungen in der Widerstandskomponente der Impedanz erfassen, und wobei das Entfernungssignal anzeigt, dass sich die Position des beweglichen Ziels in Reaktion auf die Änderungen der Widerstandskomponente der erfassten Impedanz geändert hat.

12. Verfahren zum Erfassen der Nähe oder Position eines Ziels (46), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Abstrahlen von Funkfrequenzenergie mit einer Antenne (A2) mit einer Impedanz;

Bewegen des Ziels weit genug neben die Antenne, so dass die Antennenimpedanz mit einer Änderung der Zielposition in Folge eines Nahfeldeffektes variiert;

Erfassen der Änderung der Antennenimpedanz in Reaktion auf die Änderungen der Zielposition;

Umsetzen der erfassten Änderung der Antennenimpedanz in ein Positionssignal (74);

Vergleichen des Positionssignals jeweils mit einem Referenzsignal (66, 68), das dem Positionssignal entspricht, das erzeugt wird, wenn sich das Ziel innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der Antenne befindet; und

Bestimmen der Zielposition an Hand des Vergleichs des Positionssignals mit dem Referenzsignal.

13. Verfahren nach Anspruch 12, umfassend die Schritte des Erzeugens von Referenzsignalen (66, 68), die der maximalen Bewegung des Ziels entsprechen, des Bestimmens der Erzeugung eines Signals (76), das anzeigt, dass das Ziel eine vorbestimmte Entfernung erreicht hat, wenn das Positionssignal (74) einen vorbestimmten Pegel in Bezug auf das Maximumbewegungsbezugssignal erreicht.