專利名稱：確定移動(dòng)物體位置的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定沿運(yùn)動(dòng)路徑的移動(dòng)物體的位置的裝置和方法。具體地，本發(fā)明涉及以高精度確定物體絕對(duì)位置的裝置和方法，這種裝置和方法與觀測(cè)時(shí)物體是靜止還是運(yùn)動(dòng)的無(wú)關(guān)，而且與物體沿路徑的運(yùn)動(dòng)方向也無(wú)關(guān)。
背景技術(shù)：
在商業(yè)和工業(yè)產(chǎn)品及系統(tǒng)中用來(lái)檢測(cè)物體位置的線性位置傳感器是公知技術(shù)。所述傳感器可以是遞增的或絕對(duì)的，接觸或非接觸的，而且具有不同成本和工作特性。
代表現(xiàn)有技術(shù)的一些文獻(xiàn)如下美國(guó)專利US-A-5632916、美國(guó)專利US-A-5539993、美國(guó)專利US-A-4701615、美國(guó)專利US-A-4901073、美國(guó)專利US-A-4633224、國(guó)際專利申請(qǐng)WO-A-9501510和美國(guó)專利US-A-6147342?，F(xiàn)有技術(shù)的解決方法受到若干缺點(diǎn)的限制，比如需要用增量標(biāo)尺來(lái)確定移動(dòng)物體的絕對(duì)位置、需要有增量標(biāo)尺和絕對(duì)標(biāo)尺、方向限制、精度低、以及要求物體是運(yùn)動(dòng)的以確定其位置。
在美國(guó)專利US-A-6147342介紹的位置測(cè)量裝置中，為了測(cè)量圓柱體桿件的絕對(duì)位置，需要以化學(xué)方式在移動(dòng)物體的表面形成標(biāo)記，或者在表面包括某種材料，或者使用激光或其它裝置在圓柱體桿件蝕刻標(biāo)記，或者使標(biāo)記或桿件具有可檢測(cè)的特征。所有這些標(biāo)記方法必須改變物體的表面幾何形狀，而且在裝置生產(chǎn)出來(lái)后不能改變其精度和/或工作領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種確定可移動(dòng)物體的位置的裝置和方法，能克服上面所提到的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題。
根據(jù)本發(fā)明，所述目的是通過(guò)具有所附權(quán)利要求所述特征的裝置和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明提出一種確定可移動(dòng)物體沿運(yùn)動(dòng)路徑的位置的裝置，包括編碼磁元件，設(shè)有若干個(gè)編碼段，每個(gè)編碼段具有唯一的識(shí)別碼；和傳感元件，布置成能夠識(shí)別對(duì)應(yīng)于所述傳感元件布置的所述編碼段的代碼。
本發(fā)明提出一種確定可移動(dòng)物體沿運(yùn)動(dòng)路徑的位置的方法，包括以下步驟提供帶有若干個(gè)編碼段的磁元件，每個(gè)編碼段具有唯一用來(lái)識(shí)別該編碼段的代碼；和讀取對(duì)應(yīng)于傳感元件布置的所述編碼段的唯一識(shí)別碼。


現(xiàn)在將參考附圖中的非限制性實(shí)例來(lái)詳細(xì)介紹本發(fā)明，其中圖1是表示本發(fā)明工作原理的示意圖；圖2-6和7a、7b示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的各種應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明裝置的實(shí)施例，用來(lái)確定沿運(yùn)動(dòng)路徑移動(dòng)的物體的絕對(duì)位置。在圖1中，移動(dòng)物體用參考數(shù)字10表示。在該圖所示實(shí)例中，物體10可以沿以雙箭頭12表示的直線方向移動(dòng)。
編碼磁元件14與移動(dòng)物體10整體形成。編碼磁元件14可以設(shè)置移動(dòng)物體10的表面或者可以結(jié)合到其中。
編碼磁元件14包括若干個(gè)編碼段16。每個(gè)編碼段具有唯一的磁識(shí)別碼。每個(gè)編碼段16由若干個(gè)磁化基本單元18構(gòu)成。每個(gè)基本單元18的磁化方向在圖1中用箭頭示意性地表示，其代表了二進(jìn)制符號(hào)1或0。每個(gè)編碼段16中一組基本單元18的二進(jìn)制符號(hào)構(gòu)成代表每個(gè)編碼段16的唯一的二進(jìn)制代碼。每個(gè)編碼段16的二進(jìn)制磁代碼唯一地與移動(dòng)物體10上的位置16相關(guān)。
編碼磁元件14構(gòu)成編碼系統(tǒng)，能夠確定移動(dòng)物體10沿運(yùn)動(dòng)路徑12的絕對(duì)位置。磁化編碼段16通過(guò)相應(yīng)的二進(jìn)制代碼加以識(shí)別，其中二進(jìn)制符號(hào)1和0在基本單元18中以相對(duì)基準(zhǔn)方向處于0°或180°的磁化方向表示。例如，磁化基本單元18的主要磁化方向可以平行或反向平行于運(yùn)動(dòng)方向12。
磁化基本單元的尺寸是已知和固定的。磁化基本單元18的尺寸影響確定可移動(dòng)物體10位置時(shí)能夠達(dá)到的精度?；締卧?8的尺寸越大，確定位置時(shí)所能達(dá)到的精度越低。
確定移動(dòng)物體位置的裝置包括支承在固定結(jié)構(gòu)22上的傳感元件20，其相對(duì)編碼磁元件14定位成，可確定磁化基本單元18的磁性取向。傳感元件20包括一排傳感單元24，每個(gè)傳感單元24能夠感應(yīng)編碼段16中相應(yīng)磁化基本單元的磁取向。傳感元件20的傳感單元24感應(yīng)基本磁單元18的磁場(chǎng)并產(chǎn)生代表磁代碼的相應(yīng)信號(hào)。所述信號(hào)發(fā)送給處理裝置26，處理裝置比如可由連接到傳感元件20的處理器構(gòu)成，可確定編碼段16的二進(jìn)制代碼。
通過(guò)處理器26對(duì)二進(jìn)制代碼的識(shí)別能夠唯一地確定可移動(dòng)物體10相對(duì)于傳感元件20的位置。所述確定過(guò)程可以在移動(dòng)物體10靜止時(shí)進(jìn)行，也可以在移動(dòng)物體10與傳感元件20之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行。要確定移動(dòng)物體10的絕對(duì)位置，讀取一個(gè)磁代碼就足夠了。要確定移動(dòng)物體10的增量位置時(shí)，應(yīng)在起始位置和最終位置分別讀取代碼。
傳感元件20可以由一排磁阻傳感單元24構(gòu)成。磁阻單元24具有傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作方式。傳感元件20最好是巨磁阻(GMR)傳感器，其中傳感單元的數(shù)目對(duì)應(yīng)于每個(gè)編碼段16中二進(jìn)制單元的數(shù)目。巨磁阻傳感器通常由至少兩個(gè)不同材料的薄磁層構(gòu)成。這些磁層由非導(dǎo)磁間隔物隔開。這種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性取決于磁層的相對(duì)磁化方向。所施加的磁場(chǎng)使其中一個(gè)層的磁化強(qiáng)度發(fā)生變化，而另一個(gè)層的磁化強(qiáng)度在大多數(shù)情況下是固定的。因此由各磁化基本單元18產(chǎn)生的磁場(chǎng)使傳感元件20中傳感單元24的導(dǎo)電性發(fā)生變化。由于導(dǎo)電性變化的作用而產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)0或1，該數(shù)字信號(hào)發(fā)送到處理器26，處理器26根據(jù)讀入傳感元件20的數(shù)字信號(hào)確定移動(dòng)物體10和靜止傳感器20之間的相對(duì)位置。
編碼磁元件14可以由聚合物基體中的鐵磁粉構(gòu)成。根據(jù)金屬填充物產(chǎn)生的狀態(tài)，可以將金屬/聚合物復(fù)合材料合成的技術(shù)分為外部方法和現(xiàn)場(chǎng)方法。在外部方法中，有機(jī)單體的聚合和金屬微粒的形成是分開進(jìn)行的，然后將兩種成分混合以形成金屬/聚合物復(fù)合材料。在現(xiàn)場(chǎng)方法中，單體在溶解狀態(tài)下聚合，金屬離子(自由或復(fù)合離子)在聚合之前加入，接著通過(guò)還原劑或通過(guò)熱處理使金屬離子還原。這種方法與外部方法相比較快，但效率較低，因?yàn)椴荒墚a(chǎn)生無(wú)接觸散布的相同微粒。微粒的特性與結(jié)構(gòu)(形狀、尺寸、成分)嚴(yán)格相關(guān)，因此微粒必須是相同的。
制備粉末的適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ鞘褂米鳛榻饘倌阁w溶劑和還原劑的液態(tài)多元醇。這種方法提供了具有邊界明確的形態(tài)特征的單分散性金屬微粒。這種方法的主要特征是可以在實(shí)驗(yàn)條件下控制沉淀速度，從而得到具有明確邊界形狀的非凝聚金屬微粒，其平均尺寸可控制在微米或毫微米的尺寸范圍內(nèi)并具有連續(xù)的尺寸分布。
在形成粉末之后，用化學(xué)方法來(lái)改進(jìn)微粒的表面是十分重要的。有機(jī)物層強(qiáng)烈地化學(xué)吸附在金屬表面上，在處理復(fù)合材料時(shí)十分有用，因?yàn)樗?)減小了微粒的自由表面能，可防止微粒大規(guī)模聚集；2)避免了氧化和表面污染影響，可防止微粒磁特性的衰退；
3)在樹脂固化之前使得微粒能夠散布開；4)提高了得到的復(fù)合材料的界面特性。
所采用的材料可以是熱塑性聚合物、橡膠、熱硬化聚合物。填充材料可以是硬鐵磁性材料(比如鈷)、鐵磁性合金如鋁鎳鈷合金、釹鐵硼合金、鐵鉻鈷合金或其它的鐵磁性材料。
聚合物中鐵磁性微粒的百分比應(yīng)當(dāng)使得能夠獲得非常大的磁特性，而另一方面應(yīng)當(dāng)使聚合物能夠混合。為了使微粒在聚合物中有適當(dāng)?shù)娜∠?，在聚合物固化過(guò)程中施加外部磁場(chǎng)。
可以使用各種方法獲得所要求的磁化強(qiáng)度分布。這些方法可以是分辨率超過(guò)一百微米時(shí)的傳統(tǒng)磁化系統(tǒng)；分辨率大約為一百毫微米時(shí)的使用基于多孔氧化鋁的磁性分布材料的多步驟方法；MFM磁化技術(shù)等。多孔氧化鋁的結(jié)構(gòu)可以示意性地描述為氧化鋁基體中的孔穴網(wǎng)絡(luò)。多孔氧化鋁可以在高純度鋁層上或在玻璃、石英、硅、鎢等基底的鋁膜上通過(guò)陽(yáng)極氧化方法得到。
通過(guò)改變編碼磁元件的結(jié)構(gòu)可以改變裝置的靈敏度?？梢愿淖兠總€(gè)編碼段16中磁化基本單元18的數(shù)目以及與可移動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)方向平行的所述編碼段的尺寸。相應(yīng)地也要改變磁阻傳感器24的數(shù)目。
根據(jù)本發(fā)明的裝置在汽車工業(yè)中的某些應(yīng)用介紹如下。很顯然，除了下文所介紹的應(yīng)用之外，根據(jù)本發(fā)明的裝置還可以在不同的領(lǐng)域中用作無(wú)接觸位置傳感器，比如可以用于致動(dòng)器、步進(jìn)馬達(dá)等。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的第一種應(yīng)用在圖2中示出，該圖示意性地示出了用來(lái)識(shí)別座椅占用情況的系統(tǒng)。根據(jù)絕對(duì)位置傳感器30提供的信息，圖2中所示的系統(tǒng)可提供有關(guān)座椅占用情況以及車輛司機(jī)和乘客位置的信息。該系統(tǒng)包括位置傳感器的基體，可提供座椅32的整個(gè)有效表面上的壓力分布。壓力傳感器30基本上是點(diǎn)狀的并能提供對(duì)應(yīng)于某點(diǎn)壓力的數(shù)字信號(hào)。
每個(gè)點(diǎn)狀壓力傳感器包括檢測(cè)絕對(duì)位置的傳感元件和與座椅襯里整體形成的編碼磁元件，其中傳感元件的自身位置相對(duì)于座椅主體是固定的。給定點(diǎn)的壓力是作為編碼磁元件相對(duì)于傳感元件的位移函數(shù)來(lái)確定的。
座椅的襯里可以由形狀記憶材料構(gòu)成，在車輛乘坐者離開座椅后可以恢復(fù)原來(lái)的形狀。壓力分布可以由處理器34進(jìn)行處理并輸出有關(guān)人體位置和重量的信息。由處理器34提供的信息可以發(fā)送到車輛的各個(gè)舒適性和安全系統(tǒng)。
圖3示意性地示出了使用根據(jù)本發(fā)明的裝置作為廢氣再循環(huán)閥的位置傳感器。參見(jiàn)該附圖，參考數(shù)字40表示廢氣再循環(huán)閥的致動(dòng)器。閥桿用數(shù)字42表示，包括對(duì)著靜止傳感元件20的編碼磁元件14。傳感元件20將有關(guān)閥門開啟程度的信息發(fā)送給處理器26。根據(jù)這一信息，處理器26計(jì)算出最佳的廢氣再循環(huán)流量比，使NOX排放量減到最小。
與圖3類似的裝置可以用來(lái)測(cè)量車輛油箱中的燃油液面高度。燃油液面高度傳感器由上面設(shè)有編碼磁元件的浮子構(gòu)成，能夠確定浮子的絕對(duì)位置。所述位置是通過(guò)與上面介紹的傳感器類似的無(wú)接觸磁性傳感器識(shí)別的。
圖4示意性地示出了使用根據(jù)本發(fā)明的裝置作為磁阻沖擊傳感器。在圖4所示實(shí)例中，移動(dòng)物體10包括加速度敏感塊體，其表面設(shè)有如上面所介紹的編碼磁元件14。磁元件14對(duì)著靜止傳感元件20。塊體10連接有使塊體10保持在預(yù)定位置的彈簧44。當(dāng)感應(yīng)到塊體10移動(dòng)時(shí)，傳感器20檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)頻率。當(dāng)感應(yīng)到塊體受減速作用而產(chǎn)生超過(guò)預(yù)定閾值的慣性力時(shí)，傳感元件的輸出頻率超過(guò)預(yù)定的臨界值。因此所示裝置能夠確定沖擊強(qiáng)度以指令安全系統(tǒng)如氣囊或安全袋擴(kuò)張器的介入。
與傳統(tǒng)的沖擊傳感器相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是感應(yīng)塊體的運(yùn)動(dòng)不需要有從其初始位置移動(dòng)到工作位置的限定時(shí)間段。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠使用二維或三維傳感器，其中彈簧和磁性表面沿相互正交的兩個(gè)或三個(gè)方向布置。這種系統(tǒng)使得能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)感應(yīng)塊體的位置，并使氣囊控制單元能夠計(jì)算感應(yīng)塊體的速度及其運(yùn)動(dòng)方向。這種信息用來(lái)優(yōu)化安全系統(tǒng)介入的時(shí)間和力。
參見(jiàn)圖5，根據(jù)本發(fā)明的裝置還可以用作剎車控制傳感器。圖5中車輛的剎車踏板用參考數(shù)字50表示。傳感元件20連接到踏板50并可相對(duì)于設(shè)置在靜止位置的編碼磁元件14移動(dòng)。傳感元件20將表示司機(jī)想要施加的剎車力的信號(hào)提供給處理器26。根據(jù)這一信號(hào)，處理器26可向連接到制動(dòng)閘54的致動(dòng)器52發(fā)出指令。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一種應(yīng)用在圖6中示意性地示出。其中根據(jù)本發(fā)明的裝置作為車輛轉(zhuǎn)向角傳感器。該傳感器控制轉(zhuǎn)向輪子的速率，可按情況需要增大或減小由動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置提供的動(dòng)力。參見(jiàn)圖6，根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)向角傳感器包括可繞其自身縱軸旋轉(zhuǎn)的圓柱形主體60，在其外表面上設(shè)有編碼磁元件62，編碼磁元件62由平行于可旋轉(zhuǎn)主體60軸線的若干編碼段64構(gòu)成。每個(gè)編碼段64如同上面所作介紹。靜止傳感器66對(duì)著可旋轉(zhuǎn)主體60的外表面。傳感器66由若干個(gè)磁阻元件68構(gòu)成，可將所讀取的磁代碼的信息發(fā)送給處理器70。
根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一應(yīng)用在圖7a和7b中示意性地示出。
這種應(yīng)用涉及根據(jù)傳動(dòng)軸和凸輪軸的轉(zhuǎn)矩測(cè)量的內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)診斷系統(tǒng)。兩個(gè)或更多個(gè)編碼磁元件14沿軸桿的圓周布置，使得第一編碼元件14的各單元沿平行于上述旋轉(zhuǎn)軸的軸線與第二編碼磁元件14的相應(yīng)單元(對(duì)應(yīng)于相同的二進(jìn)制代碼)對(duì)準(zhǔn)。每個(gè)編碼元件14與磁阻傳感器20相連以讀取對(duì)應(yīng)于各單元的二進(jìn)制代碼來(lái)確定其位置。電子單元不斷地檢查與兩個(gè)或更多個(gè)代碼相關(guān)的各對(duì)應(yīng)單元的絕對(duì)位置以確定任何不同軸度。兩個(gè)代碼的讀取和不斷比較構(gòu)成了對(duì)軸轉(zhuǎn)矩的間接測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種確定可移動(dòng)物體(10)沿運(yùn)動(dòng)路徑的位置的裝置，包括編碼磁元件(14)，設(shè)有若干個(gè)編碼段(16)，每個(gè)編碼段(16)具有唯一的識(shí)別碼；和傳感元件(20)，布置成能夠識(shí)別對(duì)應(yīng)于所述傳感元件(20)布置的所述編碼段(16)的代碼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述編碼段(16)設(shè)有若干個(gè)磁化基本單元(18)，能夠根據(jù)其主要磁化方向提供相應(yīng)的二進(jìn)制符號(hào)，所述編碼段(16)的代碼由組成所述編碼段的基本單元的二進(jìn)制符號(hào)的組合給定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述傳感元件(20)包括若干個(gè)傳感單元(24)，所述每個(gè)傳感單元(24)能夠感應(yīng)所述編碼段(16)中相應(yīng)基本單元(18)的磁化方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述編碼磁元件(14)包括聚合物基體中的鐵磁性材料粉末。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述編碼磁元件(14)是由通過(guò)以下技術(shù)得到鍍層的鐵磁性材料構(gòu)成，電鍍、蒸發(fā)、經(jīng)陽(yáng)極氧化處理得到的多孔基體的簡(jiǎn)單沉積、電蝕刻、照相平版印刷、電子束平版印刷、激光燒蝕；各單元在得到鍍層過(guò)程中通過(guò)外部磁場(chǎng)進(jìn)行編碼。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述聚合物基體由從熱塑性聚合物、橡膠、熱硬化聚合物中選擇的材料構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述鐵磁性材料與所述聚合物基體混合。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述聚合物基體是在溶解狀態(tài)下聚合，金屬離子在聚合之前加入，接著通過(guò)還原劑或通過(guò)熱處理使所述金屬離子還原。
9.一種確定可移動(dòng)物體沿運(yùn)動(dòng)路徑的位置的方法，包括以下步驟提供帶有若干個(gè)編碼段(16)的磁元件(14)，每個(gè)編碼段(16)具有唯一用來(lái)識(shí)別該編碼段(16)的代碼；和讀取對(duì)應(yīng)于傳感元件(20)布置的所述編碼段的唯一識(shí)別碼。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述傳感元件(20)能夠感應(yīng)組成所述編碼段(16)的若干個(gè)基本磁單元(18)的一系列二進(jìn)制符號(hào)。
全文摘要
一種確定可移動(dòng)物體(10)沿運(yùn)動(dòng)路徑的位置的裝置，包括編碼磁元件(14)，設(shè)有若干個(gè)編碼段(16)，每個(gè)編碼段(16)具有唯一的識(shí)別碼；和傳感元件(20)，布置成能夠識(shí)別對(duì)應(yīng)于所述傳感元件(20)布置的所述編碼段(16)的代碼。
文檔編號(hào)G01D5/14GK1573298SQ20041004566
公開日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2004年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月20日
發(fā)明者K·茲韋茲迪納, B·馬托拉納, A·茲韋茲迪納, D·普利尼, V·蘭貝蒂尼, P·佩洛 申請(qǐng)人:C.R.F.阿西安尼顧問(wèn)公司