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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung
eines metallischen Auslösers gegenüber zwei Spulen
einer elektromagnetischen Sensoranordnung, wobei die Relativverlagerung
eine Änderung der elektromagnetischen Ankopplung des Auslösers
an die Spulen zur Folge hat, wobei aus in den Spulen induzierten
Wechselspannungen Ausgangssignale gewonnen werden und das Ausgangssignal
einer Spule ein Maß für die Relativbewegung ist
und durch In-Beziehung-Setzen der Ausgangssignale beider Spulen
eine Kompensation eines Einflusses einer Variation des Abstandes
des Auslösers auf die Sensoranordnung vorgenommen wird.
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Die
Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Messung
einer Relativbewegung eines metallischen Auslösers gegenüber
zwei Spulen einer elektromagnetischen Sensoranordnung, wobei die Relativverlagerung
eine Änderung der elektromagnetischen Ankopplung des Auslösers
an die Spulen zur Folge hat, wobei aus in den Spulen induzierten Wechselspannungen
Ausgangssignale gewonnen werden und das Ausgangssignal einer Spule
ein Maß für die Relativbewegung ist und durch
In-Beziehung-Setzen der Ausgangssignale der beiden Spulen eine Kompensation
eines Einflusses einer Änderung des Abstandes zwischen
Sensoranordnung und Auslöser vorgenommen wird.
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Eine
gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der
EP 1 158 266 B1 vorbekannt.
Dort wird eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen eines
Wegmesssystems beschrieben. Die
5 dieser
Druckschrift beschreibt eine Anordnung, die aus zwei Näherungsschaltern
besteht. Die Näherungsschalter bilden jeweils Stirnflächen
aus. Diese sind voneinander beabstandet, so dass die beiden Näherungsschalter
in einer gemeinsamen Achse liegen. Diese beiden Näherungsschalter
bilden eine Sensoranordnung. Zwischen den Näherungsschaltern
befindet sich eine dreieckige Metallfläche, die eine Auslöserfläche
bildet und die gegenüber der Sensoranordnung beweglich
ist. Der wirksame Bereich der Dreiecksflächen in Richtung
quer zur Bewegungsrichtung variiert. Damit variiert auch die elektromagnetische
Ankopplung der Dreiecksfläche an den Näherungsschalter.
Der Näherungsschalter ist somit in der Lage, ein eindeutiges Signal
hinsichtlich der Lageveränderung des Auslösers
zu geben. Die elektromagnetische Ankopplung ändert sich
aber auch, wenn die Dreiecksfläche sich in Richtung auf
der Achse der Näherungsschalter verlagert. Um dies zu kompensieren,
arbeitet die dort beschriebene Vorrichtung mit zwei Näherungsschaltern.
Durch eine Differenzauswertung lässt sich die Abstandsabhängigkeit
der Näherungsschaltersignale kompensieren. Die Summenauswertung
der Signale ermöglicht die direkte Bestimmung des Abstandes.
Mittels einer Erregerspule der Näherungsschalter wird ein
elektromagnetisches Wechselfeld aufgebaut. Dieses induziert in den
Empfangsspulen der Näherungsschalter Spannungen. Aus diesen
Wechselspannungen werden Ausgangssignale gewonnen.
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Aus
der
EP 1 442 273 B1 ist
ein Sensorgerät vorbekannt. Durch Anlegung eines Erregungssignals an
eine Erregerspule wird in einer Sensorspule ein Signal erzeugt.
Dieses wird über einen Resonator elektromagnetisch in die
Erregerspule gekoppelt. Durch Modulieren des oszillierenden Trägersignals durch
ein Modulationssignal mit niedrigerer Frequenz durch Bilden des
Erregungssignals anstelle eines Modulierens des in der Sensorspule
induzierten Signals ist der Sensor zum Einsatz digitaler Verarbeitungstechniken
sowohl zum Erzeugen des Erregungssignals als auch zum Verarbeiten
des in der Sensorspule induzierten Signals geeignet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Vorrichtung
insbesondere zur Realisierung eines Drehwinkelgebers gebrauchsvorteilhaft
weiterzubilden.
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Gelöst
wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene
Erfindung, wobei jeder Anspruch eine eigenständige Lösung
der Aufgabe darstellt und mit jedem anderen Anspruch kombinierbar ist.
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Zunächst
und im Wesentlichen ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei der sich
die Ausgangssignale der beiden Spulen bei der Relativbewegung entgegengesetzt
zueinander ändern. Die Vorrichtung besitzt mindestens zwei
Spulen. Wird der Auslöser verlagert, so ändert
sich die elektromagnetische Ankopplung in Bezug auf die eine Spule
dahingehend, dass das Ausgangssignal vergrößert
wird. Die elektromagnetische Ankopplung ändert sich in
Bezug auf die andere Spule dahingehend, dass die Ausgangsspannung
absinkt. Dies kann konstruktiv auf unterschiedliche Weise erfolgen.
So kann bspw. der Auslöser zwei voneinander getrennte Auslöserflächen ausbilden,
die bspw. eine Keilform besitzen. Die beiden Keile können
entgegengerichtet nebeneinander angeordnet sein. Die Keilflächen
wirken mit je einer Sensorfläche einer Spule zusammen.
Wird die aus den beiden Spulen bestehende Sensoranordnung relativ
in Bezug auf die Keilflächen verlagert, so vergrößert
sich bzw. verkleinert sich die wirksame Metallfläche, die
im Einflussbereich der jeweiligen Spule liegt. Dies hat eine gegensinnige Änderung
der magnetischen Ankopplung zur Folge. Die Anordnung kann bevorzugt
so ausgebildet sein, dass sich die Summe der beiden Ausgangssignale
bei gleichbleibendem Abstand zwischen Sensoranordnung und Auslöser nicht ändert.
Die Summe der beiden Sensorsignale ist dann ein direkter Wert für
den Abstand. Wird der Wert eines Ausgangssignals durch diesen Summenwert
dividiert, so handelt es sich um einen abstandskompensierten, normierten
Wert für die Relativverlagerung. Bevorzugt handelt es sich
bei der Erfindung um einen Drehwinkelgeber. Die zuvor beschriebenen Dreiecks-
oder Keil-Flächen können auf der Mantelwandung
eines Zylinders angeordnet sein. Die Sensoranordnung ist so ausgebildet,
dass die beiden Spulen bei einer Drehung des Zylinders die beiden keilförmigen
Metallflächen abtasten können. Das abstandskompensierte
Ausgangssignal eines jeden Sensors ist somit ein Wert für
den Drehwinkel des Zylinders. Die Sensorflächen der Spulen
der Sensoranordnung liegen bevorzugt in einer gemeinsamen Ebene.
Bei den Spulen kann es sich um Planarspulen handeln. Die Spulen
können von Leiterplatten ausgebildet sein. Die Wicklungen
der Spulen sind aufgedruckte spiralförmige Strukturen auf
der Leiterplatte. Beide Spulen können einer gemeinsamen
Leiterplatte zugeordnet sein. Auf dieser Leiterplatte kann auch
eine Erregerspule angeordnet sein, die von einem Oszillator mit
einer Wechselspannung bestromt wird. Die Erregerspule erzeugt somit
ein elektromagnetisches Wechselfeld. Die beiden Spulen liegen in
dem elektromagnetischen Wechselfeld, wobei die Ankopplung an das
elektromagnetische Wechselfeld von der Lage des Auslösers
abhängt. In den beiden Spulen werden elektrische Wechselspannungen induziert,
deren Höhe von der Position des Auslösers abhängt.
Die beiden Spulen können aber auch jeweils einem Näherungsschalter
zugeordnet sein. Jeder Näherungsschalter kann eine ihm
zugeordnete Erregerspule aufweisen, die ein elektromagnetisches Wechselfeld
erzeugt. Die Frequenz der beiden elektromagnetischen Wechselfelder
braucht nicht dieselbe zu sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung werden die beiden Flächen der Spulen von verschiedenen
Abschnitten einer Metallfläche eines Auslösers
bereichsweise überlappt. Bewegt sich, insbesondere dreht
sich, der Auslöser in Bezug auf die Sensoranordnung, so ändern
sich die Überlappungsflächen der beiden Spulen
entgegengesetzt. Während sich der Überlappungsbereich
des Auslösers mit einer Spule vergrößert,
verkleinert sich der Überlappungsbereich mit der anderen
Spule. Die Auslöserfläche verläuft auch
hierbei parallel zu den Spulenflächen. Als Auslöser
kommt ein Blech in Betracht. Bei einer ähnlich gestalteten
Variante kann der Auslöser in einer mittleren Neutralstellung
zwischen den beiden Spulen angeordnet sein. Auch hier werden Planarspulen
wegen ihrer größeren Homogenität im Nahbereich
bevorzugt. Bei einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen,
dass die beiden Spulen dicht nebeneinander liegen. Die Spulen besitzen
eine langgestreckte Randkante. Die Randkanten dieser beiden Spulen
verlaufen parallel zueinander. Im Bereich zwischen diesen Rand kanten
liegt die Drehachse eines aus einem Metallblech bestehenden Auslösers.
Die Erstreckungsebene des Auslösers verläuft parallel
zur Erstreckungsebene der beiden in einer Ebene liegenden Spulen.
Die beiden Spulen können jeweils eine Halbkreisform aufweisen.
Die Spulen sind bevorzugt so relativ zueinander angeordnet, dass
sie insgesamt im Wesentlichen eine Kreisfläche ausfüllen.
Der Auslöser kann eine Halbkreisform besitzen. Die Drehachse
des Auslösers kann im Zentrum des Kreises liegen. Wird
der Auslöser gedreht, so ändern sich die Überlappungsflächen
entgegengesetzt. Die Überlappungsfläche mit der
einen Spule vergrößert sich. Die Überlappungsfläche
mit der anderen Spule verringert sich. Mit einer derartigen Anordnung
ist die Bestimmung einer Rotation über einen Winkelbereich
von 180° möglich. Ein zweites, gleich oder ähnlich
ausgebildetes Spulenpaar kann axial versetzt zum ersten Spulenpaar
und um 90° gedreht dazu vorgesehen sein. Mit einer derartigen
Vorrichtung, die insgesamt aus vier Spulen besteht, können
Rotationswinkel von 0° bis 360° gemessen werden.
Die Ausgangssignale der Spulen sind zunächst Wechselspannungen,
deren Höhe von der Größe der elektromagnetischen
Ankopplung an den Auslöser abhängt. Diese Wechselspannungen
werden gleichgerichtet, wobei bevorzugt phasengekoppelte Gleichrichter
verwendet werden, in die das Wechselspannungssignal des die Erregerspule
bestromenden Oszillators eingekoppelt werden. Diese gleichgerichteten
Ausgangssignale werden einem Mikroprozessor zugeleitet, der in geeigneter
Weise Summen- bzw. Differenzsignale bildet und insbesondere die gleichgerichteten
Ausgangssignale durch Division durch den Summenwert normiert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nochfolgend anhand beigefügter Zeichnungen
erläutert. Es zeigen:
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1 in
einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Drehwinkelgebers in einer schematischen Darstellung,
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2 eine
Darstellung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels
mit abgewickelter Zylindermantelfläche,
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Draufsicht,
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4 das
Ausführungsbeispiel gemäß 3 in
der Seitenansicht,
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5 ein
Ausführungsbeispiel ähnlich 3,
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel in einer ersten Betriebsstellung,
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7 das
Ausführungsbeispiel gemäß 6 in
einer zweiten Betriebsstellung,
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8 das
Ausführungsbeispiel gemäß 6 in
der Rückansicht und
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9 ein
Schaltungsbeispiel.
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Die 1 und 2 zeigen
einen Drehwinkelgeber. Der Auslöser besteht in diesem Ausführungsbeispiel
aus zwei Auslöserflächen 1, 2,
die jeweils von dreieckigen Metallblechen gebildet sind. Die Metallbleche
sind in Umfangsrichtung auf der Außenmantelfläche
eines Zylinders aufgebracht, der um die Achse 5 drehbar
ist. Die Auslöserflächen 1, 2 sind
in entgegengerichteter Orientierung auf der Mantelfläche
aufgebracht. Aus der in 2 dargestellten Abwicklung der
Zylindermantelfläche ist zu entnehmen, dass die untere
Auslöserfläche von links nach rechts an Breite
zunimmt. Die obere Auslöserfläche 1 nimmt
von links nach rechts an Breite ab. Die beiden Auslöserflächen 1, 2 sind
derart gestaltet, dass quer zur Drehrichtung die Summe der Breitenerstreckungen
D1, D2 der beiden Auslöserflächen 1, 2 in
den unterschiedlichen Drehstellungen immer dieselbe ist.
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Mit
den Bezugsziffern 3 und 4 sind zwei Spulen bezeichnet,
die in Achsrichtung hintereinander liegen. Die Spulen 3, 4 sind
im Ausführungsbeispiel Näherungsschalter. Diese
Näherungsschalter liefern ein Ausgangssignal in Form einer
Spannung, das von der elektromagnetischen Ankopplung an die Sensorfläche 1, 2 abhängig
ist. Wird der Zylinder gedreht, so ändert sich die Größe
der vom jeweiligen Näherungsschalter 3, 4 erfassten
Metallfläche der Auslöserflächen 1, 2.
Wegen der entgegengerichteten Anordnung der beiden Auslöserflächen 1, 2 vergrößert
sich die Ausgangsspannung des einen Näherungsschalters 3,
während sich die Ausgangsspannung des anderen Näherungsschalters 4 verringert.
Die Summe der beiden Ausgangsspannungen bleibt konstant, wenn sich
der radiale Abstand zwischen den Auslöserflächen 1, 2 gegenüber
den Spulen 3, 4 nicht ändert. Ändert
sich dieser Abstand, so variiert die Summe der beiden Ausgangsspannungen.
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Aus
dem Signal eines der beiden Näherungsschalter 3, 4 lässt
sich ein drehwinkelabhängiges Spannungssignal bilden, indem
das unmittelbare Ausgangssignal des Näherungsschalters
durch das Summensignal dividiert wird. Diese Normierung hat eine
Kompensation des Einflusses des Abstandes zur Folge.
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Die
Sensoranordnung besteht bei diesem Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen aus zwei ortsfesten Spulen 3, 4,
deren Spulenebene in einer gemeinsamen Ebene liegt. Diese Ebene
verläuft parallel zur Drehachse 5.
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Auch
bei dem in den 3 und 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel liegen die beiden Spulen 3, 4 in
einer Ebene. In einer Parallelebene zu dieser Spulenebene 3, 4 befindet
sich ein im Wesentlichen kreisförmiger Auslöser 1,
der aus einem Blech besteht und der um eine Achse 5 schwenkbar
ist, wobei die Achse 5 parallel zu den Spulenachsen 3, 4 verläuft.
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In
der in 3 dargestellten mittleren Winkelstellung überdeckt
der Auslöser 1 die Flächenabschnitte
F1 der Spule 3 und F2 der Spule 4. Wird der Auslöser
1 um die Achse 5 in Richtung des Doppelpfeils verschwenkt,
so vergrößert sich der Flächenabschnitt
F1 bzw. F2. Gleichzeitig verkleinert sich der andere Flächenabschnitt
F2 bzw. F1. Auch hier repräsentiert die Summe der beiden
Ausgangsspannungen der Spulen 3, 4 bzw. der Näherungsschalter 3, 4 den
Abstand der Sensoranordnung 3, 4 zum Auslöser 1.
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Die 5 zeigt
ein ähnliches Ausführungsbeispiel. Bei diesem
Ausführungsbeispiel ist die Fläche des Auslösers 1 kleiner
als die Fläche des Auslösers gemäß 3.
In einer mittleren Winkelstellung wird keine der beiden Spulenflächen 3, 4 von dem
Auslöserblech 1 überlappt. Eine Überlappung findet
erst statt, wenn der Auslöser um die Achse 5 verschwenkt
wird.
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Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel werden die beiden Spulen 3, 4 von
Planarspulen ausgebildet. Diese können von Leiterbahnen
einer Leiterplatte gebildet sein.
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Bei
dem in den 6 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist mit der Bezugsziffer 6 eine Erregerspule bezeichnet.
Diese Erregerspule umgibt eine Anordnung von insgesamt vier Spulen 3, 4; 7, 8. Auch
hier sind die Spulen Planarspulen.
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Auf
einer vorderen Seite der Leiterplatte befinden sich innerhalb der
Erregerspule 6 zwei Spulen 3, 4. Die
beiden Spulen 3, 4 haben eine im Wesentlichen
brotlaibförmige bzw. halbkreisförmige Gestalt. Wesentlich
ist, dass sich jeweils eine der beiden Spulen 3, 4 diesseits
bzw. jenseits eines Drehpunktes 5 eines im Wesentlichen
halbkreisförmigen Auslösers 1 befindet.
In einer mittleren Stellung überdeckt der Auslöser 1 jeweils
die Hälfte der beiden nebeneinander in einer gemeinsamen
Ebene liegenden Spulen 3, 4. Die langen, geraden
Ränder der beiden spiegelsymmetrisch zueinander angeordneten
Spulen 3, 4 verlaufen parallel zur Diametralen.
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Die 8 zeigt
die Rückseite der Leiterplatte. Auch hier ist ein Spulenpaar
angeordnet. Die Spulen 7, 8 haben eine Gestalt
wie die Spulen 3, 4 der Vorderseite, jedoch sind
die langen geraden Randkanten der Spulen 7, 8 in
Bezug auf die Drehachse 5 um 90° winkelversetzt
zu denjenigen des Spulenpaares 3, 4 der Vorderseite.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel liefern die insgesamt vier Spulen 3, 4; 7, 8 insgesamt
vier Ausgangssignale. Die Signalverarbeitung wird in der 9 schematisch
dargestellt.
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Ein
Oszillator 9 bestromt die Erregerspule 6 mit einem
Wechselstrom, so dass diese ein elektromagnetisches Wechselfeld
erzeugt. Dieses elektromagnetische Wechselfeld koppelt induktiv
mit den insgesamt vier Spulen 3, 4; 7, 8.
Die Kopplung wird durch den metallischen Auslöser 1 beeinflusst
bzw. gestört, der bereichsweise die Flächen der
Spulen 3, 4; 7, 8 überdeckt.
In entsprechender Weise werden die Ausgangssignale dieser Spulen 3, 4; 7, 8 von
der Winkelstellung des Auslösers 1 beeinflusst.
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Die
Ausgangswechselspannungen der Spulen 3, 4; 7, 8 werden
mittelst phasengekoppelter Gleichrichter 10 gleichgerichtet.
Die Gleichrichtung erfolgt über eine Phasenkopplung mit
der Oszillatorfrequenz des Oszillators 9.
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Das
so gleichgerichtete Signal wird Analogeingängen eines Mikroprozessors 11 zugeleitet.
Dieser Mikroprozessor 11 bildet aus den Ausgangssignalen
der Spulen 3, 4; 7, 8 Summenwerte
bzw. Differenzwerte, wobei im Wesentlichen der Summenwert benutzt
wird, um die einzelnen Signale zu normieren. Durch die se Normierung
wird der Einfluss einer Änderung des axialen Abstandes
des Auslösers 1 zu den Spulen 3, 4; 7, 8 kompensiert.
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Es
sind weitere Ausführungsbeispiele denkbar. Insbesondere
braucht es sich bei den beiden Flächen 1, 2 des
ersten Ausführungsbeispiels nicht um Dreieckflächen
zu handeln. Die Flächen können auch einen sinus-
bzw. kosinusförmigen Verlauf besitzen.
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Des
Weiteren kann bei dem in den 6 bis 8 dargestellten
Ausführungsbeispiel auch das Spulenpaar 7, 8 weggelassen
werden. Dann ist mit dieser Anordnung nur ein Winkelbereich von
180° erfassbar.
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Alle
offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich.
In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt
der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen
(Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch
zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender
Anmeldung mit aufzunehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1158266
B1 [0003]
- - EP 1442273 B1 [0004]