JP2001517312A - 位置又は経路センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、電気検出装置を有する位置又は経路センサであって、電気検出装置は、機械部（２）、例えば、燃料噴射系内のノズルニードルの位置及び／又は運動に依存する電気出力信号を送信する。その際、機械部（２）の端部（３）は、中空空間（４，７）内に突入され、前記中空空間の寸法は、該中空空間が、マイクロ波領域内の所定振動周波数で供給される電磁波用中空空間共振器であるように構成されている。その際、中空空間（４，７）内のアンテナ（１４，８）を用いて検出される電磁波は、機械部（２）の位置の変化によって、その値、例えば、位相位置の変化によって作用を受ける。

Description

【発明の詳細な説明】 位置又は経路センサ 従来技術 本発明は、請求の範囲１上位概念に記載の、つまり、位置又は経路センサであ って、機械部を有しており、該機械部の位置及び／又は運動が測定される必要が あり、その際、前記機械部の端部は、少なくとも部分的に金属化された壁を有す る中空空間内に突入され、前記中空空間の寸法は、該中空空間が、マイクロ波領 域内の所定振動周波数で供給される電磁波用の中空空間共振器であるように構成 されており、その際、前記中空空間内のアンテナを用いて検出される電磁波は、 前記機械部の位置の変化によって、その値、例えば、位相位置の変化によって作 用を受ける、例えば、機械部品、例えば、バルブニードルの行程運動の検出用の 位置又は経路センサに関するものである。 冒頭に記載した形式のセンサは、殊に、変位可能体、例えば、自動車用の燃料 噴射バルブ内のバルブニードル行程の検出の際に使用される。ここでは、極めて 狭い空間で、小さな変位運動を検出するために、公知の装置構成では、光又は磁 気センサが構成されており、光又は磁気センサは、一般的に、構成上非常にコス ト高であり、高い費用が掛かる。 例えば、ヨーロッパ特許公開第０４２７８８２号公報からは、冒頭に記載した 形式のセンサが公知であり、このセンサでは、永久磁石が、変位体として磁気感 応センサの領域内で可動である。 殊に、改善された排気ガス値を有する自動車用の燃料噴射ノズルシステム内の ニードル行程の測定の際、行程センサは、直接、極めて僅かな構成空間のノズル ホルダ内に配設される。ニードル行程の検出は、約２０μｍの始動行程の場合に も可能である必要があり、つまり、環境条件は、比較的大きな温度領域、例えば 、−４０°〜１４０°を含み、振動強度は、８０ｇ迄保証できる必要がある。 発明の利点 冒頭に記載した形式の位置及び経路センサは、本発明の、請求の範囲１の特徴 要件、つまり、中空空間共振器の寸法は、中空空間−共振が、中空空間共振器内 に形成される導波管波のＨ１１０−モードであるように構成されており、前記中 空空間は、金属製壁の円筒形共振器であり、機械部の同様に金属製の検出すべき 端部は、少なくとも部分的に、前記中空空間共振器内に設けられており、前記中 空空間共振器の直径は、ｄｍａｘ＝２．４０５＊ｃ／π／ｆ及びｄｍｉｎ＝１． ８４１＊ｃ／π／ｆの間の領域内にあり、その際、ｆは作動周波数を示し、ｃは 光速を示し、その際、前記円筒形中空空間共振器の高さは、最大０．４＊ｄｍａ ｘであるという要件を有する構成では、有利には、簡単に、小さな寸法の中空空 間を設けることができ、長さ又は経路を検出すべき機械部品を、この中空空間内 に突入することができ、その際、この中空空間は、マイクロ波共振器として構成 されている。 本発明のセンサは、金属製導波管内での、マイクロ波領域（約３８ＧＨｚ）内 での電磁波の公知の伝搬状態を利用することができる。単純な平面波の反射及び 重畳によって、導波管波が形成され、この導波管波は、干渉波として理解するこ ともできる。矩形導波管内の幾何学的状態に基づいて、それぞれの導波管波とし て、所謂Ｈ₁₀導波管波が形成され、このＨ₁₀導波管波は、導波管の伝搬特性では 、電界力線及び磁界力線に関して所定の電磁界力線像を有している。円筒状導波 管内には、相応に、Ｈ₁₁導波管波が基底波として形成され、その際、これは、中 空空間が適切な大きさに選定されている場合、唯一の伝搬モードである。 本発明の行程センサでは、導波管波用の共振器が構成され、これは、例えば、 Ｈ．Ｇ．Ｕｎｇｅｒ，”Ｅｌｅｋｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｃｈｅ Ｔｈｅｏｒｉ ｅ ｆｕｅｒ ｄｉｅ Ｈｏｃｈｆｒｅｑｕｅｎｚｔｅｃｈｎｉｋ（高周波技術 の電磁気理論）”，Ｔｅｉｌ Ｉ，２．Ａｕｆｌａｇｅ，Ｈｕｅｔｈｉｇ Ｖｅ ｒｌａｇ，２９２〜２９４ページに記載されている。 例えば、円筒形導波管で、両端が導電板で短絡されて いる場合に、そのような共振器が構成される。ここで形成される、共振器の固有 振動は、その１／２伝搬波長の整数倍で、丁度その共振器内に適合する。金属製 ニードルが、この中空空間共振器内に突入された場合、他の電磁界分布が中空空 間共振器内に形成され、従って、共振条件の測定可能な変化が形成される。 本発明によると、検出されるニードルが突入される中空空間は、幾何学的に有 利な形式で構成されており、その際、それにより形成された共振器が、所定の作 動周波数（例えば、３８ＧＨｚ）で、固有振動によりＨ₁₁₀モードで作動される 。作動周波数の形成用の発振器（所謂二重ラットレースリング回路と組み合わせ て、通常のアイソレータとサーキュレータの代用として、検出すべきニードルの ケーシング内に統合することができる）は、例えば、同様の形式で、ヨーロッパ 特許公開第０６８５９３０号公報から公知である。所謂二重ラットレースリング 回路は、ラットレース結合形式での混合モードを有する２カップラの装置構成を 特徴とする。 有利な実施例では、有利な形式で、発振器の送信出力が、ワイヤ形のゾンデを 介して送信／受信アンテナとして、中空空間共振器となるように構成されたニー ドルケーシング内に結合されている。送信電力の一部分は、その際、ラットレー スリング回路のアームを介してミキサに供給され、発振器から減結合された受信 信号は、ラットレースリング回路の２アームに供給される。ニードルの運動によ って中空空間共振器が離調した場合、位相ゼロ通過点の変化は、ラットレースリ ング回路の出力側から、低周波信号として取り出すことができる。 上述の回路の構成は、簡単な形式で、ハイブリッド回路として、所謂マイクロ ストリップ導体技術（ＭＩＣ＝ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ−ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ− ｃｉｒｃｕｉｔ））で、集積ＧａＡｓ−ＭＭＩＣ−回路（Ｇａｌｌｉｕｍ−Ａｒ ｓｅｎｉｄ−ｍｉｃｒｏｗａｖｅ−ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ−ｉｎｔｅｇｒａｔｅ ｄ−ｃｉｒｃｕｉｔ）で行うことができる。中空空間共振器の構成用の寸法の調 整では、例えば、円筒形導波管で公知の算出方法を用いて、最大直径ｄｍａｘ＝ ２．４０５＊ｃ／π／ｆ及び最少直径ｄｍｉｎ＝１．８４１＊ｃ／π／ｆが得ら れ、その際、ｆは作動周波数であり、ｃは光速を示す。その際、円筒形の高さは 、最大０．４＊ｄｍａｘにする必要がある。例えば、規則的な四角形、例えば、 ６角形、８角形等の中空空間共振器の他の幾何学形状では、寸法の調整は、相応 に整合される。 有利な実施例では、３８ＧＨｚの作動周波数の場合、共振器直径５．５ｍｍ、 円筒高さ２ｍｍが得られる；ニードルの行程運動は、共振器空間内で、ほぼ０． ２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内である。この際、中空空 間共振器は、検出すべきニードルの端に対して対称的又は非対称的に配設すると よい。場合によっては必要な燃料（ディーゼル）帰還は、そのために必要な孔が 、記載の実施例では（ｆ＝３８ＧＨｚ及びεｒ＝１）、２．５ｍｍより大きくな いように選定されていて、中空空間の大きさが、誘電定数に相応して補正されて いる場合に、同様に、中空空間によって可能である。 共振器空間内のマイクロ波エネルギの上述の供給に対して択一選択的に、これ を、結合ループを介して放射方向又は直交方向に行ってもよい；アンテナ用の担 体材料として、セラミック製、ガラス製又はプラスチック製にすることができる （例えば、Ａｌ２０３，ＢａＴｉ０３，水晶ガラス又はプラスチック：ＰＥ，Ｐ Ｃ，ＰＰ，ＰＴＦＥ等）。 この他の有利な実施例は、従属請求項に記載されている。 図面 本発明の位置又は経路センサの実施例について、図を用いて説明する。その際 ： 図１は、内燃機関を有する自動車での燃料供給用の燃料噴射ノズルの断面を示し ており、その際、ノズルニードルの行程が検出され； 図２は、中空空間内にニードルを介して供給されるマイクロ波エネルギの電磁界 状態の詳細図を示しており； 図３は、作動周波数に亘っての位相経過特性の図を示しており； 図４は、中空空間共振器内に非対称に結合されたマイクロ波エネルギを有する実 施例を示しており； 図５は、位置又は経路センサ用の評価回路の回路実施例を示す。 実施例の説明 図１には、内燃機関、例えば、ディーゼルエンジン用の調量された燃料供給用 の燃料噴射ノズル１の断面図が示されている。その機能については、ここでは詳 細に説明しないノズルニードル２は、機械的な部品として、その長手軸線方向に おいて、一部分が、燃料噴射ノズル１の弁座を開くか、又は閉じるかするために 比較的短い行程運動を行う。ノズルニードル２の端部３は、実施例では、中空空 間４内に突入されている。 壁がニードル端部３と同様に金属化されている中空空間の寸法は、中空空間内に 供給されたマイクロ波エネルギに対して共振器を形成するように選定されている 。 図２の詳細図は、矢印５として導入された電磁界力線経過特性を有する中空空 間共振器４が示されており、この電磁界力線経過特性は、アンテナ１４を用いて 供給された導波管波の電磁界をＨ₁₁₀モードで示す。ノズルニードル３の行程運 動は、この図では、ノズル端部３の範囲内の拡がりＺ_resの共振空間で、こ の共振空間を拡がりＺ_nadelに短縮し、従って、電磁界経過特性（矢印６）を、 この範囲内で変化し、その結果、共振周波数が変化する。 ここに図示した実施例では、３８ＧＨｚの作動周波数の場合、共振器の直径ｄ は、５．５ｍｍであり、円筒状中空空間共振器４の高さｈは、２ｍｍであり、そ の際、中空空間共振器４内の共振状態を良好に測定可能に調整することができる 。ノズル端部３の行程運動は、共振空間内で、ほぼ０．２ｍｍ〜１．５ｍｍであ る。寸法ｄ及びｈの算出は、円筒状中空空間共振器の場合、次の式から得られる ：ｄｍａｘ＝２．４０５＊ｃ／π／ｆ及びｄｍｉｎ＝１．８４１＊ｃ／π／ｆか ら得られ、その際、ｆは、作動周波数を示し、ｃは、光速を示す。円筒状中空空 間４の高さｈは、その際、最大０．４＊ｄｍａｘである。 共振状態の測定可能な変化は、従って、殊に、中空空間共振器４の共振整合時 には、上述の寸法で、３８ＧＨｚの作動周波数で得られ、そのことは、図３のダ イヤグラムから分かる。ここで分かるのは、既に共振空間４の僅かな調整時に、 適切な電子回路を用いて測定可能な位相φの著しい変化が行われるということで ある。 図４の別の実施例では、ニードル端部３に対して対称的な中空空間共振器７が 設けられており、この中空空間共振器７内には、側方に設けられたアンテナ８を 介して、マイクロ波エネルギが供給される。アンテナ８の領域内のハイブリッド 回路９は、所要の発振及び混合回路を有しており、この発振及び混合回路を用い て、検出信号の評価を行うことができる。 図５の回路図は、検出された信号の評価を行うことができる回路要素が略示さ れている。発振器１０を用いて、３８ＧＨｚの作動周波数のマイクロ波振動が発 生される。混合器１１を用いて、発生されたマイクロ波振動と、サーキュレータ １２を介して中空空間共振器４内に供給されて、再度離調されたマイクロ波振動 との間の差が形成される。混合器１１の出力信号として、低周波信号が得られ、 この低周波信号の周波数は、行程運動で変化する（周波数＝ｆ（Ｈｕｂ））又は 、周波数−電圧変換器１３を介して、電圧Ｕａが行程運動で変化する信号が得ら れる（Ｕａ＝ｆ（Ｈｕｂ））。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 位置又は経路センサであって、機械部（２）を有しており、該機械部の位 置及び／又は運動が測定される必要があり、その際、前記機械部の端部（３）は 、少なくとも部分的に金属化された壁を有する中空空間（４，７）内に突入され 、前記中空空間の寸法は、該中空空間が、マイクロ波領域内の所定振動周波数で 供給される電磁波用の中空空間−共振器（４，７）であるように構成されており 、その際、前記中空空間（４，７）内のアンテナ（１４，８）を用いて検出され る電磁波は、前記機械部（２）の位置の変化によって、その値、例えば、位相位 置の変化によって作用を受ける位置及び経路センサにおいて、中空空間共振器（ ４，７）の寸法は、中空空間−共振が、中空空間共振器（４，７）内に形成され る導波管波のＨ１１０−モードであるように構成されており、前記中空空間（４ ）は、金属製壁の円筒形共振器であり、機械部（２）の同様に金属製の検出すべ き端部（３）は、少なくとも部分的に、前記中空空間共振器（４）内に設けられ ており、前記中空空間共振器（４）の直径は、ｄｍａｘ＝２．４０５＊ｃ／π／ ｆ及びｄｍｉｎ＝１．８４１＊ｃ／π／ｆの間の領域内にあり、その際、ｆは作 動周波数を示し、ｃは光速を示し、その際、前記円筒形中空空間共振器（４）の 高さは、最大０．４＊ｄｍ ａｘであることを特徴とする位置又は経路センサ。 2. 金属製端部（３）は、中空空間共振器（４）内に対称的に設けられている 請求項１記載の位置又は経路センサ。 3. 金属製端部（３）は、中空空間共振器（７）内に非対称的に設けられてい る請求項１記載の位置又は経路センサ。 4. 金属製端部（３）は、ニードルである請求項１〜３までのいずれか１記載 の位置又は経路センサ。 5. マイクロ波エネルギは、中空空間共振器（４，７）内でバーアンテナ（１ ４；８）を介して放射方向又は直交方向に供給される請求項１〜４までのいずれ か１記載の位置又は経路センサ。 6. マイクロ波エネルギは、中空空間共振器（４，７）内で結合ループを介し て放射方向又は直交方向に供給される請求項１〜４までのいずれか１記載の位置 又は経路センサ。 7. マイクロ波エネルギは、中空空間共振器（４，７）内で同軸ケーブル又は 導波管を介して放射方向又は直交方向に供給される請求項１〜４までのいずれか １記載の位置又は経路センサ。 8. マイクロ波エネルギは、中空空間共振器（４，７）内でセラミック、ガラ ス状又はプラスチック状の担体材料上のアンテナを介して放射方向又は直交方向 に供給される請求項１〜４までのいずれか１記載の位 置又は経路センサ。 9. 中空空間共振器（４；７）内のマイクロ波エネルギの形成、供給及び減結 合用の回路（１０，１１，１２，１３）は、慣用技術でのマイクロストリップ線 路技術での、又は、集積化ＧａＡｓ−ＭＭＩＣ−回路を有するハイブリッド回路 （ＭＩＣ）である請求項１〜８までのいずれか１記載の位置又は経路センサ。 10．検出すべき機械部（２）は、自動車内の燃料噴射系（１）のノズルニード ル（２）であり、中空空間共振器（４；７）は、噴射系（１）のケーシング内に 、前記ノイズニードル（２）のニードル端部（３）の領域内に直接設けられてい る請求項１〜９までのいずれか１記載の位置又は経路センサ。 11．中空空間共振器（４；７）の壁内には、燃料帰還用の孔が設けられている 請求項１０記載の位置又は経路センサ。