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Die Erfindung betrifft einen mechanischen Datenspeicher, insbesondere Festwertspeicher (ROM, engl. read only memory), zum Übertragen von mechanischen longitudinalen und/oder transversalen Wellen.
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In weiten Bereichen der Messtechnik und auch der Steuerung von Geräten werden Daten für die Identifizierung und für die Parametrierung gespeichert. Eine Möglichkeit solche Datenspeicher zu realisieren, sind z.B. RFID-Systeme mit Speicher. Befindet sich z. B. ein entsprechendes RFID-System in der Reichweite eines Autos, wird so die Wegfahrsperre deaktiviert. Die Anmelderin hat bereits galvanisch verbundene Speicher für RFID-Systeme in der Messtechnik realisiert. Der Sensor Dat von Endress+Hauser, Flowtec und Festwertspeicher, die sensorspezifische Kalibrationsparameter speichern, von dem Ultraschallmessgerätehersteller Flexim sind nur einige Beispiele. Da diese Datenspeicher mittels Halbleiter realisiert werden und Halbleiter einen eingeschränkten Temperaturbereich von –40...+125°C aufweisen, können diese Datenspeicher nicht in der unmittelbaren Nähe des Sensors angebracht werden, falls der Sensor in Hoch- oder Tieftemperaturbereich, d. h. in Temperaturbereichen über 125° C und unter –40°C betrieben wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Möglichkeit anzugeben, Daten bei Hoch- und Tieftemperaturen dauerhaft zu speichern und zu lesen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst. Der Gegenstand der Erfindung betrifft einen mechanischen Datenspeicher, insbesondere Festwertspeicher (ROM, read only memory), umfassend mehrere Signalleitungen zum Übertragen von mechanischen longitudinalen und/oder transversalen Wellen, wobei die Signalleitungen in mindestens zwei Typen unterteilbar sind, die sich in mindestens einer physikalischen Eigenschaft bezüglich der Übertragung der Wellen unterscheiden, so dass die Signalleitungen aufgrund der verschiedenen Typen einen Gesamtzustand repräsentieren, der die gespeicherten Daten entspricht.
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Der Gesamtzustand ist die Summe alle Zustände, wobei ein Zustand ein Schaltzustand (entweder „0“ oder „1“) einer einzelnen Signalleitung darstellt.
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Die unterschiedlichen Typen der Signalleitungen können sich ebenfalls hinsichtlich ihrer Materialien unterscheiden. Ferner kann eine Unterscheidung der Typen der Signalleitungen dadurch geschehen, dass ein Typ eine Verengung oder eine Unterbrechung aufweisen, welche die anderen Typen nicht aufweisen.
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Gemäß einer Weiterbildung sind die Signalleitungen zumindest teilweise und/oder abschnittsweise aus Keramik ausgebildet. Keramik kann aufgrund seiner Struktur eine sehr hohe Wärmebeständigkeit aufweisen.
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Gemäß einer Weiterbildung sind die Signalleitungen konzentrisch angeordnet. Konzentrische Signalleitungen sind platzsparend. Zusätzlich können die Signalleitungen kreisförmig um einen Mittelpunkt und bevorzugt annähernd in einer Ebene angeordnet sein, wobei die Signalleitung mit der kleinsten Länge einen inneren Kreis und die Signalleitung mit der größten Länge einen äußeren Kreis darstellt.
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Gemäß einer Weiterbildung weist der erste oder der zweite Typ der Signalleitungen eine Unterbrechung auf. Unterbrechungen in den Signalleitungen sind am einfachsten zu realisieren. Diese können mittels eines Lasers oder mittels einer Lötspitze realisiert werden. Eine mechanische Unterbrechung kann aber auch mittels eines geeigneten Stempels, der die gewünschte Signalleitung an einer vorbestimmten Stelle unterbricht erreicht werden.
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Gemäß einer Weiterbildung weisen die Signalleitungen zum Teil unterschiedliche Längen auf. Unterschiedliche Längen der Signalleitungen bedeuten unterschiedliche Ankunftszeiten der Wellen am Signalempfänger. Das bedeutet, dass die Wellen, die mittels der unterschiedlichen Signalleitungen übertragen werden, nacheinander aufgenommen werden. Dadurch ist es nicht notwendig am Ende jeder Signalleitung einen separaten Signalempfänger anzuordnen, sondern es ist ausreichend lediglich einen einzigen Signalempfänger im Datenspeicher anzuordnen, der alle Wellen nacheinander empfängt.
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Gemäß einer Weiterbildung münden die Signalleitungen an einem gemeinsamen ersten Ende an einem Signalerzeuger und/oder an den Signalempfänger, so dass ein dem ersten Ende gegenüberliegendes Ende der Signalleitungen offen ist. Ein offenes Ende der Signalleitungen führt zu Reflektionen der Wellen. Auf diese Weise weist der Datenspeicher lediglich einen einzigen Bauteil auf, der zum Senden und/oder Empfangen der Wellen dient.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch eine Vorrichtung zum Speichern und/oder Ablesen von Daten gelöst, die mindestens einen erfindungsgemäßen Datenspeicher, mindestens ein Signalerzeuger zum Erzeugen der Wellen, mindestens einen Signalempfänger zum Empfangen der Wellen, umfasst. Sind ein Signalerzeuger und ein Signalempfänger vorhanden, können Wellen durch die Signalleitungen übertragen werden und der erfindungsgemäße Datenspeicher ist ablesbar.
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Gemäß einer Weiterbildung ist insbesondere ein einziges Bauteil vorgesehen, das zum Senden und Empfangen der Wellen dient. Ein Bauteil, das die Wellen sowohl senden als auch empfangen kann, ist platzsparender gegenüber einem separaten Signalerzeuger und einem separaten Signalempfänger.
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Gemäß einer Weiterbildung handelt es sich bei dem Signalerzeuger und/oder dem Signalempfänger um ein piezoelektrisches Element. Das piezoelektrische Element, das bevorzugt aus Keramik ausgebildet ist, kann sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von mechanischen Wellen verwendet werden und ist obendrein temperaturbeständiger als andere mechanische bzw. akustische Schwingungswandler, wie z. B. ein Lautsprecher mit einer Membran.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst, die den Schritt, Erzeugen eines Typs der Signalleitungen durch Deformation von zumindest einem Teilstück eines anderen Typs, umfasst. Durch Deformation wird auf jeden Fall die Welle, die durch die deformierte Signalleitung übertragen wird, in mindestens einer Weise verändert. Die veränderten Wellen repräsentieren einen anderen logischen Zustand (beispielsweise 0) als die nicht veränderten Wellen (beispielsweise 1).
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Gemäß einer Weiterbildung erfolgt die Deformation eines Typs der Signalleitungen durch ein Erhöhen der Temperatur, insbesondere durch ein Laser und/oder eine Lötspitze. Durch das Erhöhen der Temperatur wird auf jeden Fall eine irreversible Deformation jedes Festkörpers erreicht, so dass die übertragenen Wellen in mindestens einer ihrer Eigenschaften verändert werden. Die Deformation fällt umso stärker aus, je größer die Temperaturerhöhung ausfällt, oder gar den Schmelz- oder Siedepunkt des Festkörpers überschreitet. Ist das Material der Signalleitung zumindest teilweise verdampft, werden überhaupt keine Wellen übertragen, wodurch der Unterschied zu den Signalleitungen, die nicht wärmebehandelt wurden und die Wellen unverändert übertragen, noch drastischer ausfällt.
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Gemäß einer Weiterbildung erfolgt die Deformation eines Typs der Signalleitungen durch eine Unterbrechung, bevorzugt mittels eines Lasers und/oder eine Lötspitze. Die Unterbrechung wird allgemein durch eine mechanische Abtragung hervorgerufen. Bei einer mechanischen Veränderung können an definierten Stellen der Signalleitungen sogenannte Sollbruchstellen vorgesehen werden, die mit einem einfachen Werkzeug, z.B. einem Stempel verändert werden können. Dies geschieht bevorzugt durch einen Stempel, eine Schere oder einem Kratzer, die ebenfalls eine Verengung und/oder eine Unterbrechung hervorrufen können.
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Gemäß einer Weiterbildung wird die Deformation eines Typs der Signalleitungen iterativ oder mit parallelem Auslesen des aktuell gespeicherten Wertes erfolgt. Die Deformation kann insbesondere durch einen abrasiven Prozess wie Schleifen und/oder ätzen erfolgen, der bei Erreichen eines Sollwertes gestoppt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch einen mechanischen Datenspeicher gelöst, der durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wird.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1: mechanischer Datenspeicher mit 11 Signalleitungen ohne gespeicherte Daten in einer Draufsicht,
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2: mechanischer Datenspeicher mit 11 Signalleitungen ohne gespeicherte Daten in einer Seitenansicht,
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3: mechanischer Datenspeicher mit 11 Signalleitungen mit gespeicherten Daten in einer Draufsicht,
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4: Oszillogramm eines Datenspeichers beim Schreiben und Lesen,
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5: mechanischer Datenspeicher mit 11 Signalleitungen mit gespeicherten Daten und einem offenen Ende der jeweiligen Signalleitungen,
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6 mechanischer Datenspeicher mit 15 Signalleitungen mit gespeicherten Daten in einer Draufsicht,
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7 mechanischer Datenspeicher mit 15 Signalleitungen ohne gespeicherte Daten in einer Draufsicht.
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1 zeigt einen mechanischen Datenspeicher 1 vor der Datenspeicherung in der Draufsicht, der aus insgesamt elf Signalleitungen 2a bis 2k und einem piezoelektrischen Element 3, 4 besteht. Die elf Signalleitungen 2a bis 2k sind konzentrisch angeordnet, wobei die erste Signalleitung 2a einen inneren und die elfte Signalleitung 2k einen äußeren Kreis um einen Mittelpunkt 5 bilden. Das piezoelektrische Element 3, 4 ist länglich ausgebildet und verläuft radial in Richtung des Mittelpunkts 5, so dass die Signalleitungen 2a bis 2k von dem piezoelektrischen Element 3, 4 beginnen und kreisförmig verlaufen und wieder an dem piezoelektrische Element 3, 4 enden. Wird mittels eines elektrischen Signals das piezoelektrische Element 3, 4 zum Schwingen angeregt, werden in den Signalleitungen 2a bis 2k mechanische longitudinale und/oder transversale Wellen erzeugt, die sich in den Signalleitungen 2a bis 2k fortpflanzen. Da die erste Signalleitung 2a die kürzeste Länge aufweist, kommt die Welle, die durch die erste Signalleitung 2a übertragen wird als erste Welle an den piezoelektrischen Element 3, 4 an. Als zweite Welle kommt die Welle, die durch die zweite Signalleitung 2b übertragen wird beim piezoelektrischen Element 3, 4 an. Auf diese Weise kommt eine durch das piezoelektrische Element 3, 4 zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugte Welle aufgrund der unterschiedlichen Längen der Signalleitungen 2a bis 2k zu unterschiedlichen Zeitpunkten wieder beim piezoelektrischen Element 3, 4 an.
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2 zeigt den Datenspeicher 1 von einer Seitenansicht. Die Signalleitungen 2a bis 2k sind in einer Ebene angeordnet, wobei das piezoelektrische Element 3, 4 teilweise aus der Ebene der Signalleitungen 2a bis 2k herausragt.
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3 zeigt den erfindungsgemäßen Datenspeicher 1 (siehe 1), wobei die zweite, die vierte, die siebte, die achte und die zehnte Signalleitung 2b, 2d, 2g und 2j durchtrennt sind. Wird das piezoelektrische Element 3, 4 zum Schwingen angeregt, werden nur über die erste, die dritte, die fünfte und die sechste, die neunte, und die zehnte Signalleitung 2a, 2c, 2e, 2f und 2i Wellen übertragen. Dadurch, dass durch einige Signalleitungen eine mechanische Welle übertragen wird und durch andere Signalleitungen keine mechanische Welle übertragen wird, stellen die Signalleitungen 2a bis 2k einen Gesamtzustand dar. Dieser Gesamtzustand wird von dem piezoelektrischen Element 3, 4 registriert, indem die Wellen der Signalleitungen 2a bis 2k nacheinander aufgenommen und wieder in elektrische Signale umgewandelt werden. Der in 3 dargestellte Gesamtzustand entspricht einem gespeicherten Bitmuster 10100110101.
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4 zeigt ein Oszillogramm eines Datenspeichers entsprechend 3. Das piezoelektrische Element 3, 4 erzeugt eine mechanische Welle 6, die sich in allen nichtunterbrochenen Signalleitungen fortpflanzt und wieder beim piezoelektrischen Element 3, 4 ankommt und von diesem empfangen, registriert und wieder in elektrische Signale umgewandelt wird. Die Welle, die mittels der ersten Signalleitung 2a übertragen wird kommt nach ca. 27.2µs wieder beim piezoelektrischen Element 3, 4 an. Durch die zweite Signalleitung 2b werden keine Wellen übertragen, da die zweite Signalleitung 2b unterbrochen ist. Die Welle, die über die dritte Signalleitung 2c übertragen wird kommt nach ca. 31.2µs nach dem Erzeugen beim piezoelektrischen Element 3, 4 an. Die gleichen Prinzipien wie bei der ersten bis dritten Signalleitung 2a bis 2c werden ebenfalls bei der vierten bis elften Signalleitung 2d bis 2k umgesetzt. Die Wellen, die mittels der Signalleitungen 2a bis 2k übertragen wurden, werden mittels des piezoelektrischen Elements 3, 4 nacheinander empfangen und in elektrische Signale umgewandelt. Wird nach einer bestimmten Zeit (beispielsweise nach 27.2µs) eine Welle empfangen, wird dies als ein logisches 1 interpretiert, wird jedoch nach einer bestimmten Zeit (beispielsweise 31.2µs) kein Signal vom piezoelektrischen Element 3, 4 empfangen, wird dies als eine logische 0 interpretiert. Auf diese Weise lässt sich mittels eines einzigen piezoelektrischen Elements eine Welle erzeugen und mehrere Wellen empfangen, wobei die empfangenen Wellen einen Gesamtzustand repräsentieren, die gespeicherten Daten entspricht.
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5 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Datenspeichers 1. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Signalleitungen 2a bis 2k ebenfalls unterschiedliche Längen auf, wobei die erste Signalleitung 2a die kürzeste und die elfte Signalleitung 2k die größte Länge aufweist und die Längen von der ersten Signalleitung 2a bis zur elften Signalleitung 2k stetig monoton mit aufsteigen, wobei die Länge der Signalleitungen von der ersten Signalleitung 2a bis zur elften Signalleitung 2k stets um konstante Beträge wächst. Ferner sind die zweite, die vierte, die siebte, die achte und die zehnte Signalleitung 2b, 2d, 2g und 2j durchtrennt. Das piezoelektrische Element 3, 4, das sowohl zum Senden als auch zum Empfangen dient, ist an einem gemeinsamen ersten Ende der Signalleitungen 2a bis 2k gekoppelt. Ein dem ersten Ende gegenüberliegendes Ende der Signalleitungen 2a bis 2k ist offen. Wird durch das piezoelektrische Element 3, 4 eine mechanische longitudinale und/oder transversale Welle erzeugt kommen die jeweiligen Wellen, die durch die Signalleitungen 2a bis 2k übertragen werden zu unterschiedlichen Zeiten an den offenen Enden der Signalleitungen 2a bis 2k an und werden dort zurück zum piezoelektrischen Element 3, 4 reflektiert. Aufgrund der unterschiedlichen Längen der Signalleitungen 2a bis 2k ergeben sich unterschiedliche Laufzeiten für die jeweiligen Wellen und die jeweiligen Wellen werden nacheinander von dem piezoelektrischen Element empfangen und in elektrische Signale umgewandelt. Wird aufgrund der Länge einer der Signalleitungen 2a bis 2k zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Welle erwartet und die Welle trifft nicht ein, dann wird dies als eine logische Null interpretiert und andernfalls als eine logische 1 interpretiert. Auf diese Weise ergibt sich ein Gesamtzustand der als ein Bitmuster gespeichert ist.
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6 zeigt einen mechanischen Datenspeicher mit 15 Signalleitungen, der über eine frei wählbare Reflexion geprägt ist. Dieser Freiheitsgrad ermöglicht mehr Information an einer Reflexionsstelle zu speichern. Die Begrenzung ist hier über die Wellenlänge bzw. Frequenz, Güte und Dimension des Speichers 1 bestimmt. Das zeitliche Auflösungsvermögen einer typischen elektronischen Signalverarbeitung liegt unter 0.1ns. (Die Herausforderung in der Speicherung liegt bei der exakten, mechanischen Positionierung einer Reflexionsstelle und kann vermutlich am besten durch einen während dem Herstellen der Reflexion erfolgenden Leseprozess geschehen.)
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7 zeigt den unprogrammierten Speicher dazu.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Datenspeicher
- 2a
- Erste Signalleitung
- 2b
- Zweite Signalleitung
- 2c
- Dritte Signalleitung
- 2d
- Vierte Signalleitung
- 2e
- Fünfte Signalleitung
- 2f
- Sechste Signalleitung
- 2g
- Siebte Signalleitung
- 2h
- Achte Signalleitung
- 2i
- Neunte Signalleitung
- 2j
- Zehnte Signalleitung
- 2k
- Elfte Signalleitung
- 3
- Signalerzeuger
- 4
- Signalempfänger
- 5
- Mittelpunkt
- 6
- Welle
