(57)【要約】【課題】誘電型センサの短所を克服し、連続的な距離測定、簡単な取り扱い、および多様な用途を可能にする、距離測定装置および方法を提供すること。【解決手段】センサと評価エレクトロニクスとを有する距離測定装置において、センサが空胴共振器の形をした共振器を有していることを特徴とする距離測定装置および該空洞共振器を用いる方法。【選択図】図１
2010156714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサと評価エレクトロニクスとを有する距離測定装置において、センサが空胴共振器の形をした共振器を有していることを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
共振器が高周波共振器を有しており、その共振周波数が目的物との距離に応じて１〜１００ＧＨｚ、好ましくは２０〜３０ＧＨｚ、特に２２〜２６ＧＨｚであることを特徴とする、請求項１記載の距離測定装置。
【請求項３】
空胴共振器が円筒形を有しており、目的物に向いている底面が開いている、すなわち金属化されていないことを特徴とする、請求項１または２記載の距離測定装置。
【請求項４】
空胴共振器が、流動性材料、好ましくは空気または不活性ガスによって充填されていることを特徴とする、請求項３記載の距離測定装置。
【請求項５】
空胴共振器が、誘電体、好ましくはＡｌ２Ｏ３によって充填されていることを特徴とする、請求項３記載の距離測定装置。
【請求項６】
空胴共振器が開いた側を有しており、当該側が材料、好ましくは圧電セラミックスの薄い板で閉じられ、当該材料が圧力、力または質量で相応に負荷されるとその比誘電率を変える性質を有していることを特徴とする、請求項５記載の距離測定装置。
【請求項７】
空胴共振器が誘電材料、好ましくは圧電セラミックスで充填され、当該誘電材料が圧力、力または質量で相応に負荷されるとその比誘電率を変える性質を有していることを特徴とする、請求項５記載の距離測定装置。
【請求項８】
誘電体の表面が被覆されている、好ましくはスパッタリングされていることを特徴とする、請求項５または７記載の距離測定装置。
【請求項９】
誘電体が、好ましくはコバルまたはチタンから成る金属ハウジング内に挿入されていることを特徴とする、請求項５、７または８のいずれか１項記載の距離測定装置。
【請求項１０】
共振器が、好ましくは共振器の目的物とは反対側に共面開口結合器を有していることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の距離測定装置。
【請求項１１】
共面開口結合器が、円形に配置された送信器および受信器のためのそれぞれ１つの窓から成ること（伝送モード）を特徴とする、請求項１０記載の距離測定装置。
【請求項１２】
共面開口結合器が、送信器および受信器のための窓から成ること（反射モード）を特徴とする、請求項１０記載の距離測定装置。
【請求項１３】
共振器が結合のためのマイクロストリップ伝送路を有していることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の距離測定装置。
【請求項１４】
結合および共振器が波型としてＨＯｎｐモード、好ましくはＨ０１１モードを可能にすることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項記載の距離測定装置。
【請求項１５】
センサが、送信分岐路と受信分岐路とを備えた高周波エレクトロニクスを有していることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか１項記載の距離測定装置。
【請求項１６】
送信分岐路が、発信器、好ましくは電圧制御発信器（ＶＣＯ）から成ることを特徴とする、請求項１５記載の距離測定装置。
【請求項１７】
受信分岐路が少なくとも１つの高周波ダイオードから成ることを特徴とする、請求項１５記載の距離測定装置。
【請求項１８】
発信器周波数が閉じた制御ループを介して目標周波数（案内値）に続くことを特徴とする、請求項１６記載の距離測定装置。
【請求項１９】
制御ループ（ＰＬＬ：フェイズ・ロックド・ループ）が少なくとも１つの周波数分割器、位相弁別器および部分パスフィルタから成り、目標周波数がＤＤＳ（ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ）によって設定されること（動的周波数制御もしくは測定）を特徴とする、請求項１８記載の距離測定装置。
【請求項２０】
制御ループが少なくとも１つの周波数分割器から成り、好ましくは周波数計数器、マイクロコントローラおよびディジタル・アナログ変換器を経由して閉じられること（静的周波数制御もしくは測定）を特徴とする、請求項１８記載の距離測定装置。
【請求項２１】
次のステップ、すなわち
ａ）空胴共振器を準備し、
ｂ）共振周波数を測定して目的物との距離を求める、を有している、装置に対する、特に請求項１から２０までのいずれか１項記載の距離測定装置に対する目的物の距離を測定するための方法。
【請求項２２】
共振周波数の測定が、送信分岐路に設けられている発振器の送信周波数を、受信分岐路において特定の共振で出力陥没が確認されるまでの長い間、変調させることによって行われることを特徴とする、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
発振器の送信周波数をランプ制御装置およびランプ生成器によって変調させることを特徴とする、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
発振器の送信周波数を、ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ）を介して調整することを特徴とする、請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
ステップｂ）に対して択一的に、目的物に対して距離０で当該目的物にかかる圧力、力または質量を求めるために共振周波数の測定が行われることを特徴とする、請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部に記載した距離測定装置および距離を測定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
好ましくは近傍範囲に設けられた慣用的な距離測定装置は、誘導型センサ、容量型センサ、光学的センサまたは超音波センサを使用する下で作動する。誘導型センサを用いた測定のために校正曲線を規定しなければならず、また測定すべき目的物の材料も知られていなければならない。さらに、誘導型センサは、たとえば１８０°の測定範囲を有しているので、相並んでいる２つのセンサは互いに影響し合い、それによってそれぞれのセンサの校正曲線が変化する恐れがある。さらに、そのようなセンサは直径が４ｍｍ（Ｍ４）以上の仕様のみ市販されているにすぎない。
【０００３】
誘導型センサによる測定の短所は、コンデンサプレートの間の距離が正確に知られていなければならないことである。さらに、測定は空気湿度、一般的な電磁適合性または温度の影響を受ける。これらのパラメータにかかわりなく測定を実施し得るためには、必要に応じて基準測定を行い、それに基づいて妨害的な影響を取り除けるようにしなければならないであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、上記の短所を克服し、連続的な距離測定、簡単な取り扱い、および多様な用途を可能にする、距離測定装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、本発明により請求項１に記載された装置の技術上の特徴、および請求項２１に記載された方法の技術上の特徴によって解決される。
【０００６】
本発明に従い、センサは空胴共振器の形をした共振器を有している。この方策により、最小の、たとえばＭ４未満の構成形態が実現可能であり、ひいては使用可能性が４倍高められるという利点が達成される。空胴共振器の基本ジオメトリに基づき、平行に配置された複数のセンサの間隔をわずかにすることができる。なぜならば、センサは側方が鋭く限定された測定範囲を有しており、それゆえその測定特性が平行に配置されたセンサによって影響されないからである。用途として本発明による距離測定装置を、たとえば移動可能な目的物の方向検知において、もしくは平行な組付けによるスペース節約型の組付けにおいて使用することが考えられる。
【０００７】
さらに、本発明によるセンサは、センサ部材の新規寸法設計もしくは変更または別の電子構成部材の追加なしに、スイッチングポイント変更が可能となるスイッチとして使用できる。これにより、スイッチングポイントが、たとえばソフトウェアによってその都度の必要に合わせて調整可能であるという利点が達成される。
【０００８】
また、本発明によるセンサは、接近する目的物、導電性の目的物または誘電性の目的物を認識し、目的物との距離をミクロン範囲の精度で測定することができる。この種類のセンサは、たとえば近接スイッチとして、または空気圧シリンダおよび油圧シリンダの転向点におけるピストン行程もしくはバルブ位置の連続的測定に、または圧力膜の膨張の測定に使用できる。
【０００９】
本発明に従い、目的物が少なくとも空胴共振器の直径に等しい大きさであることを前提とすると、導電性の目的物の場合に測定距離は目的物の大きさに依存しない。さらに、一般に導電性および誘電性の目的物に対する距離測定が可能である。
【００１０】
このセンサをスイッチとして使用すると、本発明によりスイッチングポイントの変更または新規寸法設計もしくはセンサ部材の変更を簡単に実現できる。スイッチングポイントは、たとえばソフトウェアによって調整可能なので、適当なソフトウェアによりマルチスイッチングポイントの入力が簡単に可能になる。これにより、たとえば部材寸法認識、種々の機械構成、カムによる回転角認識などのために、はるかに高い使用フレキシビリティが得られる。これに対して、冒頭で述べたように、誘導型センサではマルチスイッチングポイントは非常に大きいコストによってしか実現できない。
【００１１】
本発明による距離測定装置で用いられる測定方法に基づき、複数のスイッチングポイントも論理を介して互いに結合でき、しかも当該測定方法は連続的に機能する。この測定方法は、たとえば回転シリンダを照会する際に３つのスイッチングポイントが必要とされる場合に有利である。
【００１２】
コンパクトな構成形態に基づき、たとえば０．６、０．８、１．０、１．５、２．０ｍｍもしくは５ｍｍのスイッチ間隔に対して、すべての慣用のハウジング構成形態において基本部材が使用可能であり、それによってコスト削減が達成され、ひいては必要とされる物流もより少なくなる。
【００１３】
その他の有利な実施形態が従属請求項に記載されている。
【００１４】
共振器が高周波共振器であり、その共振周波数が好ましくは目的物に応じて１〜１００ＧＨｚ、特に２０〜３０ＧＨｚであると有利であることが分かった。さらに、特定の使用において、高周波共振器を周波数２２〜２４ＧＨｚおよび２４〜２６ＧＨｚ、またはその他の範囲、好ましくは２ＧＨｚ帯域幅、もしくは使用する周波数の約１０パーセントの帯域幅で同調すると有利である。
【００１５】
本発明による距離測定装置に、円筒形を有していて、目的物に向いている底面が開いている、すなわち金属化されていない共振器を装備すると、共振周波数の温度依存性はなくなる。
【００１６】
請求項５に従い、空胴共振器が、たとえば誘電体、好ましくはＡｌ２Ｏ３によって充填されると、距離測定装置全体が小さく構成できる。
【００１７】
ここで注意しておくと、一般的には測定範囲はできるだけ大きい方が有利であるが、これは比誘電率εを小さくすべきであることを意味する。これは理想的には、空胴共振器が充填されない、すなわち誘電体が装備されないことによって達成される。しかし、この配置の短所は、この場合大きい測定範囲を達成するために空胴共振器の構造が大きいことである。しかし、誘電体を用いると、ほぼ等しい測定範囲で空胴共振器の構造は小さくなる。しかし、誘電体の比誘電率が大きくなりすぎない（好ましくは１０以下となる）ように注意しなければならない。さもないと、損失が増加し、距離範囲が減少するからである。さらに、セラミックスを誘電体として使用すると、１０００°Ｃまで温度固定の使用が可能であり、内燃機関における高動的圧力測定に使用することが可能である。このように本発明による距離測定装置は耐圧性であり、それゆえ、たとえば油圧シリンダでも使用可能である。
【００１８】
請求項８に従い、目的物に向いている底面を除いて誘電体の表面が、薄い金皮膜で被覆されているか、もしくはスパッタリングされていると、温度の関数が、たとえばセラミックスの温度定数のみに依存し、ハウジングには依存しないので、有利であることが分かった。
【００１９】
センサ部材はセラミックスと金属ハウジングから成り、評価エレクトロニクスと適当な高周波伝送路、たとえば中空導体を介して接続できる。これに基づき、センサ部材を、たとえば内燃機関において約１０００°Ｃまでの高温使用に用いることが可能である。
【００２０】
距離の測定に関わりなく、距離測定装置をその他の物理的値、たとえば圧力、力または質量、および材料特性、たとえば誘電材料の損失係数の測定にも有利に使用できる。この場合、空胴共振器の開いた側は、当該空胴共振器との固定した距離で試験材料によって閉じる。圧力センサの場合は、距離ゼロに圧電セラミックプレートを設けることが有利であろう。圧力、力または質量が圧力セラミックスに作用すると、当該圧電セラミックスはその比誘電率を変える。この比誘電率の変化は、共振周波数の変位を招く。請求項１もしくは請求項２１に記載された装置技術上および方法技術上の特徴で共振周波数を測定することにより、圧電セラミックスに作用する圧力、力または質量を測定できる。
【００２１】
請求項９に従い、誘電体を好ましくはコバルまたはチタンから成る金属ハウジング内に挿入すると、適当な高温使用が考えられる。この場合、空胴共振器は充填されていない状態では高温下でも高い測定精度を有しており、充填された状態では膨張そのものが正確に制御可能である。
【００２２】
請求項１０に記載された距離測定装置、特に共振器が、好ましくは共振器の目的物とは反対側に共面開口結合器を有していると、この配置に基づき、共振周波数の結合が適当な箇所で簡単に行われることができる。
【００２３】
請求項１１に従い、距離測定装置の運転モードに応じて、共面開口結合器は円形に配置された送信器および受信器のためのそれぞれ１つの窓から成ることができ（伝送モードに対応）、あるいは共面開口結合器は送信器および受信器のための窓から成る（反射モードにおける運転に対応）。
【００２４】
択一的に、請求項１３に記載された距離測定装置、特に共振器が結合のためのマイクロストリップ伝送路を有することができる。このマイクロストリップ伝送路は特に、たとえば高温が発生する使用において、評価エレクトロニクスを共振器から隔離して構成することが有利な場合に使用される。
【００２５】
請求項１４に従い、距離測定装置が、たとえはＨＯｎｐモード、好ましくはＨ０１１モードで運転されると、共振器は大きい共振周波数の範囲で振動でき、測定精度を大きく維持するために別のモードが一緒に励起されることはない。さらに、Ｈ０１１モードの励起時には、外套面と閉鎖面との間のエッジに沿って壁流が流れないという利点が得られる。
【００２６】
本発明のその他の有利な構成が、他の従属請求項に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による距離測定装置の断面図を示している。
【図２】図１に示した本発明による距離測定装置の背面図を示している。
【図３】本発明による距離測定装置の回路のブロック線図を示している。
【図４】本発明による距離測定装置の目的物との種々の距離における共振周波数の関数としての反射特性もしくは伝送特性を示している。
【図５】目的物との距離と共振周波数との関係のグラフを示している。
【図６】本発明による距離測定装置の共振器の寸法設計のための円形シリンダのモード特性を示している。
【図７】本発明による距離測定装置の回路の別の実施形態のための別のブロック線図を示している。
【図８】本発明による距離測定装置の特別の応用の種々異なる位置決めを示している。
【図９】本発明による距離測定装置の別の応用可能性を示している。
【図１０】本発明による距離測定装置のさらに別の応用可能性、たとえば緩衝器照会に対する応用可能性を示している。
【図１１】バルブにおけるピストン位置を検知するための応用可能性を示している。
【図１２】別の応用可能性、たとえば膜の変位の検出による圧力測定を示している。
【図１３ａ】別の応用可能性、たとえば機械的負荷による誘電率の変化による圧力測定を示している。
【図１３ｂ】別の応用可能性、たとえば機械的負荷による誘電率の変化による圧力測定を示している。
【図１４】本発明による距離測定装置の別の応用可能性、たとえば目的物測量における応用可能性示している。
【図１５】本発明による距離測定装置の別の応用可能性、たとえば充填高さセンサに対する応用可能性を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づき詳しく説明する。
【００２９】
図１に示したように、距離測定装置は空胴共振器１の形をした共振器を有している。空胴共振器１は、好ましくはチタンまたはコバルから成る金属ハウジング５から形成されている。好ましくは円錐状に形成されているこの金属ハウジング内に、選択により、たとえばセラミックス、たとえばＡｌ２Ｏ３、または流動性材料、好ましくは空気または不活性ガス、たとえば希ガスまたは窒素の形をした誘電体７を注入できる。図１に示したように、セラミックスはハウジング内に挿入できる。誘電体７自体は目的物に向けられて開いている側を除いて金属化、たとえば金メッキされている。これによって、温度の関数が誘電体７の温度定数のみに依存し、金属ハウジングの温度定数には依存しないという利点が達成される。
【００３０】
空胴共振器の裏側には基体９、結合動作のための支持体として、たとえば共面開口結合器またはマイクロストリップ伝送路および評価エレクトロニクスの能動素子の形をした、もしくは高周波エレクトロニクスの形をした、たとえば同様にセラミックスが位置決めされる。この配置を介して電磁波が結合される。この裏側は同様に金メッキされることができ、高周波エレクトロニクス１１全体を支持できる。
【００３１】
誘電体７の使用に基づき、等しい送信周波数を維持しながら空胴共振器のジオメトリ寸法を縮小できる。一般に公知であるように、円筒形のＨｍｎｐ共振器の共振周波数ｆｒは，ε、μ，ｍ次のベッセル関数の導出のｎ次の零位、ならびに空胴共振器の直径Ｄおよび空胴共振器の長さＬから規定できる。εμ（ｆｒＤ）２と（Ｄ／Ｌ）２との間の関数的関係は、図５に示した、いわゆるモードチャートに見やすく示されている。このいわゆるモードチャートに基づき、他のモードが伝播可能でない範囲を比較的簡単に同定できる。ＨＯｎｐモードの開いた共振器に相応するシリンダ外套から共振器被覆面を絶縁することによって、別のモード選択を行うことができる。波型としてＨＯｎｐモード、好ましくはＨ０１１モードが伝播可能であるように空胴共振器が設計されると、特に有利であることが分かった。なぜならば、外套面と閉鎖面との間のエッジに沿って壁流が流れないからである。図５に示したＨＯ１１モードの線に沿って周囲に他のモードの特性曲線が発生しない部分のみが求められ、機械的共振器寸法の特定のばらつきや、周波数の同調においても他のモードが励起されない。
【００３２】
図２には、図１に示した空胴共振器１の裏側が示されている。この図に基づき、この図では共面開口結合に相応する、空胴共振器内への電磁波の結合をより明瞭に示すことができる。空胴共振器の裏側は、基体９、好ましくはセラミックスを備えている。基体９の外面は好ましくは金メッキされている。空胴共振器１内には結合部開口１３および１５のみが空いたままになっている。たとえば誘電体７の半分の半径の最大磁界強度の箇所で、開口結合部を介して電磁波が供給される。結合部開口１３および１５の大きさは、誘電体７の寸法に従う。この大きさは誘電体７の直径、たとえば６ｍｍでは約０．３ｍｍ×０．２ｍｍである。電磁波自体は共面５０Ω伝送路を介して開口に導かれ、接続ワイヤ１７、たとえば１７．５μｍ金ワイヤ１７を介して開口１３内に結合される。最適な適合を達成するために、接続ワイヤ１７を反対側で伝送路構造によって閉じることができる。
【００３３】
この配置により、空胴共振器１は伝送モードでも反射モードでも運転できる。空胴共振器１を伝送モードで運転した場合は、電磁波は第２の結合部開口１５で上述した共面結合・解離器により解離される。反射モードではこの出口は５０Ωで閉じられている。上述したように、誘電体７の直径が比較的小さいと、有利にはマイクロストリップ伝送路結合も使用できる。同様に裏側では、たとえば発振器１９、たとえば電圧制御発信器（ＶＣＯ）、検知ダイオード２１および周波数分割器が設けられており、これらは評価エレクトロニクスと接続されている。
【００３４】
図３には、本出願に従う距離測定装置の有利な構成の機能の模式図もしくはブロック線図が示されている。制御・評価エレクトロニクスから出発して、ランプ制御装置を経由してランプ生成器が操作され、そうすることによって送信分岐路Ｉの周波数が同調される。同時に受信分岐路ＩＩを経由して、たとえば２段階の差分器と第２導体に設けた比較器とから成る、検知ダイオードと接続された共振検知器は、受信分岐路ＩＩから取り出されたビデオ信号が共振を示すか否かを絶えず監視される。共振は、発振器周波数が増加する際に受信分岐路のビデオ信号における急勾配の非共振と区別されることによって認識可能である（図４参照）。制御・評価エレクトロニクスによって共振が認識されるとすぐに、ランプ制御装置を制御する積分器が停止される。このように調節された電圧が安定的に保持され、しかも周波数分割器２３によって分割された発振器周波数が評価エレクトロニクス内のディジタル計数器によって求められる。
【００３５】
このように構成することによって、空胴共振器内の共振周波数が測定される。空胴共振器内の共振周波数は目的物からの距離に依存しているので（図５参照）、共振周波数を規定することにより直接距離を推測できる。新しい共振周波数は、共振周波数と送信周波数とが一致するまで、共振周波数を変化させることによって求められる。この時点で、検知ダイオードに出力陥没が確認される。これと平行して、周波数分割器２３の分割器出口で送信周波数が求められる。目的物との距離の測定精度は、送信周波数がいかに速く、またどのような精度で規定されるかに依存している。測定精度１μｍによる距離の規定は、典型的には０．５ｍｍの距離では、周波数規定２６ＧＨｚにおいて少なくとも０．５ＭＨｚの周波数を規定する精度を要求する。
【００３６】
図４および図５に示す測定値は、本出願による距離測定装置の機能を説明するために役立つ。
【００３７】
図４ではっきり見られるように、目的物に対する種々の距離における共振周波数の関数として示されている反射特性および伝送特性は、目的物との所定の距離で共振周波数に達すると発生する明瞭な信号陥没を示している。さらに、反射特性と伝送特性との間の信号陥没が明瞭に一致していることが再認識される。
【００３８】
図５では、距離と共振周波数との関係が示されている。比較的小さい距離ではより明瞭な共振周波数変位が生じていることがはっきり分かり、これは特に空胴共振器の直前に位置決めされた目的物において測定される。この場合に注目されるのは、目的物との距離が増すと共振周波数が減少することである。これに対して、誘電性の目的物では目的物との距離が増すと共振周波数が増加する。従って、共振周波数の方向変化は目的物の比誘電率に依存している。この効果は、圧力、力および質量の物理的大きさを測定もしくは規定するために利用できる。空胴共振器の開いた側は、好ましくは圧電セラミックスによって閉じられている。この場合、圧電セラミックスに圧力、力または質量が作用すると、このことが比誘電率を相応に変化させる。この比誘電率の変化が、空胴共振器の共振周波数を変位させる。この場合、図５に従い、各々の比誘電率に応じてｙ軸（ｘ＝０）上を移動する。
【００３９】
図６には、円形シリンダの励起されるべきモードの一般的な概観図を示している。シリンダの大きさに応じて、この回路図に基づき、適当なモード（ＴＭ＝Ｅ界成分およびＴＥ＝Ｈ界成分）を選択できる。
【００４０】
ミクロン範囲における距離規定のために、本出願による距離測定装置において評価エレクトロニクスの別の構成を使用できるが、これを図７に示すブロック線図に基づいて詳しく説明する。
【００４１】
上述した距離測定との本質的な違いは、分割された発振器周波数が直接結果値として用いられず、いわゆるフェイズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）の周波数・相制御ループで使用されることである。この場合、目標周波数はダイレクト・ディジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ）を介して、案内値として制御ループに入る周波数に調整される。受信分岐路ＩＩから取り出されたビデオ信号が共振条件を満たすと、評価エレクトロニクスに内蔵されたマイクロコントローラにおいて共振周波数、ひいては目標との距離が既に知られている。発振器周波数のための測定時間を省略し、かつ評価エレクトロニクスに内蔵されているマイクロコントローラにおいて、たとえば共振順序アルゴリズムを使用することにより、サイクル時間を大幅に短縮でき、それによって測定精度を著しく高めることができる。
【００４２】
以下に、若干の応用分野に基づき、本出願による距離測定装置の使用可能性を、高周波近接センサの例で説明する。
【００４３】
Ａ．ピストン位置の検知
図８には、本出願による距離測定装置に従う高周波近接センサによる、直線的シリンダ駆動装置のピストン位置照会のための可能なセンサ配置が示されている。
【００４４】
図９には、回転駆動のために、高周波近接センサによる、回転駆動装置の位置照会のための可能なセンサ配置が示されている。このような高周波近接スイッチは極めて薄い構造なので、スイッチングポイントが複数の場合は、さらにセンサ部材を有する複数の位置を実現できる。この場合、調節は、たとえば電位差計またはティーチイン論理を介して行うことができる。
【００４５】
Ｂ．緩衝器のピストン位置の検知
図１０に、高周波近接センサを組み入れた緩衝器の図式的な構造が示されている。
【００４６】
一般に、本発明の原理は可動の機械的部材を有するバルブにも応用できる（図１１参照）。この場合、機械的部材の位置変化により弁貫流可能性が制御される。従来の回転照会は、空気圧装置において、バルブのピストンもしくはラム上の永久磁石に反応する磁界反応センサによって実現された。しかしその場合、廉価の解決手段を得るために、定位置に組み付けられ把握されるべき位置に合わせて校正されたセンサにより、不連続的な位置範囲のみ検知できることが示された。油圧装置では通常は強磁性材料が使用されるので、磁気照会の可能性は制限されている。
【００４７】
Ｃ．膜変位の把握による圧力測定
図１２には種々の圧力測定、すなわち相対圧力測定もしくは差圧測定の可能性が示されている。この特別の応用例では、高周波近接センサに接近もしくは離反する膜がその距離で検知される。今日の方式、たとえば圧電抵抗ひずみゲージ（ＤＭＳ）またはシリコン素子と比べて、本出願による装置は、敏感なエレクトロニクスが圧力測定セルの外部にあるという長所を有している。
【００４８】
Ｄ．機械的負荷における比誘電率の変化による、好ましくは圧電セラミックスの圧力測定
距離測定を介した、たとえば接近もしくは離反する膜による圧力の間接的規定は、非常に高い圧力の下での圧力測定では力が発生するので適していない。
【００４９】
この実施形態に従い、距離という物理的値の測定は、圧力に依存した比誘電率に置き換えられる。この場合、誘電体を充填した空胴共振器は、開いた側が好ましくは圧電セラミックスによって閉じられる（図１３参照）。圧電セラミックスは、本出願による距離測定装置で使用されるセンサに固定して組み付けられる。この場合、センサが投入された状態で固定した共振周波数が生じる。さて、圧電セラミックスが、圧力測定セルの内部においてセンサとは反対側で圧力Ｐ、ひいては力で負荷されると、圧電セラミックスの比誘電率が変化する。この変化の結果として共振周波数が変位する。この周波数変化の評価、ひいては相応の圧力変化への換算は、図３および図７に関連して説明された方法に従って行われる。
【００５０】
共振器の空胴全体は、この応用例においても圧電セラミックスで充填されることができる（図１３ｂ参照）。
【００５１】
従来のＤＭＳまたは容量型圧力測定セルを用いたこの配置の大きい利点は、その高い機械的安定性にある。圧電セラミックスは、特に共振器ハウジングが円錐状に延びており、内側で支承されたセラミックスが高圧使用に対して必要な安定性を与える場合は、共振器によって全体が機械的に支持される。
【００５２】
従来の測定方法に比べて別の利点は、圧力測定セルへの組付けにおいて校正もしくは高い精密さが不要となり、敏感なエレクトロニクスが圧力測定セルの外部に存在することである。
【００５３】
Ｅ．目的物測量
図１４に示す目的物測量では、目的物によって高周波近接センサに接近または離反する測定先端部の運動が測定される。これにより、本出願による距離測定装置に基づき、ミクロン範囲での測定も行うことができる。
【００５４】
Ｆ．充填高さセンサもしくはモニタ
図１５に示した応用可能性は、たとえば充填高さセンサに関する。図１５ａ、図１５ｂ、図１５ｃには、高周波近接センサの種々の組付け位置が示されている。図１５ａおよび図１５ｂの場合は、それぞれ測定されるべきレベルの距離が、外部または内部に配置された別個の充填管内で測定される。図１５ｃに示した配置において、高周波近接センサは最大充填高さの相応のレベルを監視するために外部で使用される。これにより、有利には最大充填高さもしくはあらかじめ調節された検知範囲の監視が保証されている。この場合、最大充填高さを下回るか、または調節された検知範囲の外部に出るとスイッチ信号が表示される。
【００５５】
これに対し、高周波近接スイッチが外部で充填高さスイッチとして用いられると、相応のスイッチ機能を介して所定の充填高さを上回るか、下回ることを表示できる。この外部配置により、高価な統合コストは不要にできる。図１４ｃに示す方式は、高周波透過シェルを有する既存の保守装置に適合させるために使用できる。
【００５６】
ここで、本出願による距離測定装置は上記の応用例のほかに、ミクロン範囲までの距離測定装置が必要な所ではどこでも使用できる。
【図１】
2010156714.tif 000003
【図２】
2010156714.tif 000004
【図３】
2010156714.tif 000005
【図４】
2010156714.tif 000006
【図５】
2010156714.tif 000007
【図６】
2010156714.tif 000008
【図７】
2010156714.tif 000009
【図８】
2010156714.tif 000010
【図９】
2010156714.tif 000011
【図１０】
2010156714.tif 000012
【図１１】
2010156714.tif 000013
【図１２】
2010156714.tif 000014
【図１３ａ】
2010156714.tif 000015
【図１３ｂ】
2010156714.tif 000016
【図１４】
2010156714.tif 000017
【図１５】
2010156714.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成22年4月22日(2010.4.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目的物との距離を測定するためのセンサと評価エレクトロニクスユニットとを備えた距離測定装置において、
センサが共振ハウジングを備えた空胴共振器の形態の共振器を有し、
該共振器が該目的物に向いた第１の面と、金属化された第２の面と、及びインカップリングラインを有するコプレーナスロットカップリングを有し、
該インカップリングラインは、該共振ハウジングを終端とする距離測定装置。
【請求項２】
目的物との距離を測定するためのセンサと評価エレクトロニクスユニットとを備えた距離測定装置において、
該センサは共振ハウジングを備えた空胴共振器の形態の共振器を有し、
該共振器は該目的物に向いた第１の面と、金属化された第２の面と、及びインカップリングラインのためのマイクロストリップラインを有し、
該マイクロストリップラインは該共振ハウジングを終端とする距離測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載された距離測定装置において、
該共振器は、共振周波数が１から１００ＧＨｚまでの間にある高周波共振器を有する距離測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載された距離測定装置において、
該空洞共振器は円筒形を有し、該第１の面は該円筒形状の共振器の第１の端にある距離測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載された距離測定装置において、
該空洞共振器は、空気及び不活性ガスのグループから選択された流体材料により充填されている距離測定装置。
【請求項６】
請求項１に記載された距離測定装置において、
該空洞共振器はＡｌ２Ｏ３を含む誘電体によって充填されている距離測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載された距離測定装置において、
該空洞は、圧力で負荷されると比誘電率を変えることに適した圧電セラミックスを含む距離測定装置。
【請求項８】
請求項６に記載された距離測定装置において、
空胴共振器は、圧電セラミックスを含む誘電材料充填され、該誘電材料は圧力で負荷されると比誘電率を変える性質を備える距離測定装置。
【請求項９】
請求項６に記載された距離測定装置において、
該第２の面は、薄い金箔で被覆されている距離測定装置。
【請求項１０】
請求項１に記載された距離測定装置において、
該誘電体は、金属ハウジング内に挿入されている距離測定装置。
【請求項１１】
請求項１に記載された距離測定装置において、
該コプレーナスロットカップリングは、該共振器において該目的物とは反対側に配置された距離測定装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載された距離測定装置において、
該コプレーナスロットカップリングは、送信器及び受信器のためのそれぞれ一つのカップリングスロット（伝送モード）を含み、該送信器及び受信器は、円環状に配置された距離測定装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載された距離測定装置において、
該コプレーナスロットカップリングは、送信器及び受信器のための一つのカップリングスロット（反射モード）を含む距離測定装置。
【請求項１４】
請求項１に記載された距離測定装置において、
該インカプリングライン及び共振器は、波型モードとしてＨＯｎｐモードを可能にする距離測定装置。
【請求項１５】
請求項１に記載された距離測定装置において、
該センサは、送信分岐路と受信分岐路を備えた高周波エレクトロニクスユニットを有する距離測定装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載された距離測定装置において、
該送信分岐路は、発信器から成る距離測定装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載された距離測定装置において、
該受信分岐路は、少なくとも一つのダイオードから成る距離測定装置。
【請求項１８】
請求項１６に記載された距離測定装置において、
該発信器周波数は、閉じた制御ループを介してセットポイント周波数（参照入力）に追従する距離測定装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載された距離測定装置において、
制御ループ（ＰＬＬ：フェイズ・ロックド・ループ）が少なくとも一つの周波数分割器、位相弁別器及びローパスフィルタを含み、かつ、該セットポイント周波数は、ＤＤＳ（ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ）（動的周波数制御若しくは計測）を経由して設定される距離測定装置。
【請求項２０】
請求項１８に記載された距離測定装置において、
制御ループが少なくとも一つの周波数分割器から成り、かつ、周波数計数器、マイクロコントローラ及びディジタル・アナログ変換器を経由して閉じられる（静的周波数制御若しくは計測）距離測定装置。
【請求項２１】
次のステップ、すなわち、
ａ）センサと、評価エレクトロニクスユニットと、を準備し、ここで、該センサは、共振ハウジングを備えた空胴共振器を含み、該共振器は、目的物に向いた第１の面と、金属化された第２の面と、インカップリングラインを有するコプレーナスロットカップリングを有し、該インカップリングラインは、該共振ハウジングを終端とするものであり、そして、
ｂ）該空洞共振器の共振周波数を計測して該目的物との距離を計測すること、
を有する目的物までの距離を計測するための方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載された方法において、
共振周波数の計測は、送信分岐路に設けられている発振器の送信周波数を、受信分岐路における特定の共振で出力陥没が確認されるまで、変調させることを含む方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載された方法において、
該発振器の送信周波数は、ランプ制御装置及びランプ生成器によって変調される方法。
【請求項２４】
請求項２２に記載された方法において、
該発振器の送信周波数は、ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ）を経由して調整される方法。
【請求項２５】
請求項２１に記載された方法において、
共振周波数を計測して、目的物に対して距離０における当該目的物にかかる圧力、力又は質量を計測する方法。
【請求項２６】
次の構成、すなわち、
（ａ）目的導体の存在する空間内で電磁波を検出及び発生するためのハウジング及び誘電体を含み、計測する該目的物に向いた第１の面と、金属化された第２の面と、含む共振器、及び
（ｂ）共振器に取り付けられ、該共振器により生成された電磁波とカップルするのに適した基板を含むエレクトロニクスユニット、
を有する、目的導体までの距離を測定するための装置。
【請求項２７】
請求項２６に記載された装置において、
該共振器は円筒形を有し、該第１の面は該円筒形状の共振器の第１の端にある装置。
【請求項２８】
請求項２６に記載された装置において、
該共振器は、２０から３０ＧＨｚまでの間にある共振周波数を有する装置。
【請求項２９】
請求項２６に記載された装置において、
該共振器は、空気及び不活性ガスのグループから選択された流体材料を含む装置。
【請求項３０】
請求項２６に記載された装置において、
該共振器は、圧力で負荷されると比誘電率を変えることに適した誘電材料を含む空洞共振器である装置。
【請求項３１】
請求項３０に記載された装置において、
該空洞共振器は、圧力で負荷されると比誘電率を変える性質を備える誘電材料を含む装置。
【請求項３２】
請求項２６に記載された装置において、
該第２の面は、金で金属化されている距離測定装置。
【請求項３３】
請求項２６に記載された装置において、
該エレクトロニクスユニットは、インカップリングラインを有するコプレーナスロットカップリングを有し、該インカップリングラインは、該ハウジングを終端とする装置。
【請求項３４】
請求項２６に記載された装置において、
該インカプリングライン及び共振器は、波型モードとしてＨＯｎｐモードを可能にする装置。
【請求項３５】
請求項２６に記載された装置において、
該エレクトロニクスユニットは、インカップリングのためのマイクロストリップラインを含み、該マイクロストリップラインは、該ハウジングを終端とする装置。
【請求項３６】
請求項２６に記載された装置において、
該エレクトロニクスユニットは、圧電セラミックス材料を含む装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
図１に示したように、距離測定装置は空胴共振器１の形をした共振器を有している。空胴共振器１は、好ましくはチタンまたはコバールから成る金属ハウジング５から形成されている。好ましくは円錐状に形成されているこの金属ハウジング内に、選択により、たとえばセラミックス、たとえばＡｌ２Ｏ３、または流動性材料、好ましくは空気または不活性ガス、たとえば希ガスまたは窒素の形をした誘電体７を注入できる。図１に示したように、セラミックスはハウジング内に挿入できる。誘電体７自体は目的物に向けられて開いている側を除いて金属化、たとえば金メッキされている。これによって、温度の関数が誘電体７の温度定数のみに依存し、金属ハウジングの温度定数には依存しないという利点が達成される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
誘電体７の使用に基づき、等しい送信周波数を維持しながら空胴共振器のジオメトリ寸法を縮小できる。一般に公知であるように、円筒形のＨｍｎｐ共振器の共振周波数ｆｒは，ε、μ，ｍ次のベッセル関数の導関数のｎ番目の零位（根）、ならびに空胴共振器の直径Ｄおよび空胴共振器の長さＬから規定できる。εμ（ｆｒＤ）２と（Ｄ／Ｌ）２との間の関数的関係は、図５に示した、いわゆるモードチャートに見やすく示されている。このいわゆるモードチャートに基づき、他のモードが伝播可能でない範囲を比較的簡単に同定できる。ＨＯｎｐモードの開いた共振器に相応するシリンダ外套から共振器被覆面を絶縁することによって、別のモード選択を行うことができる。波型としてＨＯｎｐモード、好ましくはＨ０１１モードが伝播可能であるように空胴共振器が設計されると、特に有利であることが分かった。なぜならば、外套面と閉鎖面との間のエッジに沿って壁流が流れないからである。図５に示したＨＯ１１モードの線に沿って周囲に他のモードの特性曲線が発生しない部分のみが求められ、機械的共振器寸法の特定のばらつきや、周波数の同調においても他のモードが励起されない。