(57)【要約】【課題】正確に可動物体の絶対位置を決定することができる装置を提供する。【解決手段】本発明による運動経路に沿って可動物体(10)の位置を決定するための装置は、  各セグメントが固有の識別コードを有する複数のコード化セグメント(16)を備えるコード化磁気素子(14)と、  センサ素子(20)と対応して配置されたコード化セクタ(16)のコードを認識するように配置されたセンサ素子(20)と、  を備える。【選択図】図１
2004347600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各セグメントが固有の識別コードを有する複数のコード化セグメント(16)を備えるコード化磁気素子(14)と、
センサ素子(20)と対応して配置されたコード化セクタ(16)のコードを認識するように配置されたセンサ素子(20)と、
を備える運動経路に沿って可動物体(10)の位置を決定するための装置。
【請求項２】
各コード化セグメント(16)が、磁化の主方向に従い個々の2進数字を提供する複数の磁化基本ユニット(18)を備え、各セクタ(16)のコードはセクタを構成する基本ユニットの2進数字の組み合わせにより提供されることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
センサ素子(20)が複数の検知ユニット(24)を備え、各検知ユニットはコード化セグメント(16)の個々の基本ユニット(19)の磁化の向きを検知可能であることを特徴とする、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記コード化磁気素子(14)が、ポリマーマトリクス中に組み入れられた強磁性材料の粉末を含むことを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記コード化磁気素子(14)が、電気メッキ、蒸着、陽極酸化プロセスにより得られた多孔質マトリクス中での単純沈澱、エレクトロエッチング、フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、レーザアブレーションから選択された技術によりめっきされた強磁性材料から構成され、個々のセルは外部磁場によるメッキ中にコード化されることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項６】
ポリマーマトリクスが、熱可塑性ポリマー類、ゴム類、熱硬化ポリマー類からなる群から選択される材料から構成されることを特徴とする、請求項４記載の装置。
【請求項７】
強磁性材料がポリマーマトリクスと混合されることを特徴とする、請求項４記載の装置。
【請求項８】
ポリマーマトリクスが溶液中で、重合前に導入された金属イオンと共に重合され、その後金属イオンが還元剤により、または熱処理により還元されることを特徴とする、請求項４記載の装置。
【請求項９】
セグメント(16)を識別するための固有のコードが有する複数のコード化セグメント(16)が付与されたコード化磁気素子(14)を提供する工程と、
センサ素子(20)と対応して配置されたセグメントの特異な識別コードを読み取る工程と、
を含む運動経路に沿って可動物体(10)の位置を決定するための方法。
【請求項１０】
前記センサ素子(20)が前記セクタ(16)の各々を構成する複数の基本磁気ユニット(18)の一連の2進数字を検知することができることを特徴とする、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は運動経路に沿って移動可能な物体の位置を決定するための装置および方法に関する。より詳細には、本発明は物体の絶対位置を、観察時に静止しているか動いているかに関係なく、かつ経路に沿った運動方向に関係なく、正確に決定するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
線形位置センサは、商業的および工業的な製品およびシステムにおける物体の位置を検知することは広く知られている。前記センサはインクリメンタルまたはアブソリュート（絶対）とすることができ、接触または非接触とすることができ、様々なコストおよび性能特性を有する。
【０００３】
当技術の状態を表す幾つかの文書には以下のものがある：米国特許公開第5632916号、同第5539993号、同第4701615号、同第4901073号、同第4633224号、国際公開公報第9501510号および米国特許公開第6147342号。従来の解決策では、可動物体の絶対位置を決定するためにインクリメンタルスケールが必要である、インクリメンタルスケールおよび絶対スケールの両方が必要である、方向上の制限、精度不足、および位置を決定するためには物体が移動中である必要があるなどのいくつかの欠点がある。
【０００４】
シリンダのロッドの絶対位置を測定するための、米国特許公開第6147342号で記述されている位置測定装置では、化学的手法で可動物体の表面にマークを形成させる、またはレーザもしくは他の装置を用いてシリンダのロッドの表面にある材料を含ませるまたはロッド上にマークをエッチングする、またはマークまたはロッドに検出することができる特徴を適用することが必要である。これらのマーキング法では全て、物体の表面形状の変化が必要であり、装置を作製した後は精度および/または動作場を変更することができない。
【特許文献１】米国特許公開第5632916号
【特許文献２】米国特許公開第5539993号
【特許文献３】米国特許公開第4701615号
【特許文献４】米国特許公開第4901073号
【特許文献５】米国特許公開第4633224号
【特許文献６】国際公開公報第9501510号
【特許文献７】米国特許公開第6147342号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、上記問題のうちの1つまたは複数を克服し、可動物体の位置を決定するための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】
【０００６】
本発明によれば、前記目的は請求の範囲において記述した特徴を有する装置および方法により達成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、正確に可動物体の絶対位置を決定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明について、添付の図面を参照して詳細に説明する。図面は全く例示にすぎず、限定するものではない。
【０００９】
図1は、運動経路に沿って移動可能な物体の絶対位置を決定するための、本発明による装置の一実施形態の概略図である。図１では、可動物体は符号10で示される。図に示した例では、物体10は二重矢印12に示される直線方向に沿って移動することができる。
【００１０】
コード化磁気素子14が可動物体と一体である。コード化磁気素子14は可動物体10の表面に適用することができ、または可動物体と一体化させることができる。
【００１１】
コード化磁気素子14は複数のコード化セグメント16を含む。各コード化セグメントは固有の磁気識別コードを有する。各コード化セグメント16は複数の磁化された基本ユニット18により形成される。各基本ユニットは、2進数字1または0を示す図1の矢印により図式的に示される磁化の向きを有する。各セグメント16の基本ユニット18の2進数字の組は、各セグメント16に特有の2進コードを形成する。各セグメント16の2進磁化コードは可動物体10の位置と独自に相関する。
【００１２】
コード化磁気素子14は運動経路12に沿った可動物体10の絶対位置を決定することができるコードシステムを構成する。磁化セグメント16は、個々の2進コードにより識別される。ここで、2進数字1および0は、基本ユニット18において、基準の方向に対し0°または180°で配向する磁化の向きを有することを表す。例えば、磁化された基本ユニット18は、運動方向12に対し平行または逆平行な、主な磁化の向きを有することができる。
【００１３】
磁化された基本ユニット18の寸法は周知であり、固定である。磁化された基本ユニット18の寸法は、可動物体10の位置を決定するのに達成可能な精度の程度に影響する。基本ユニット11のサイズが大きくなると、位置を決定するのに達成される精度は低くなる。
【００１４】
可動物体の位置を決定するための装置は、固定構造物22により支持され、コード化磁気素子14に対し磁化基本ユニット18の磁気の向きを決定することができるような位置に配置されたセンサ素子20を含む。センサ素子20はn検知ユニット24のアレイを含み、各検知ユニットはコード化セグメント16の磁気コードの個々の成分の磁気の向きを検知する。センサ素子20の検知ユニット24は基本磁気ユニット18の磁場を検知し、磁気コードを示す個々のシグナルを発生させる。前記シグナルは、例えば、その度毎にセンサ素子20に配置されるコード化セクタ16の2進コードを決定するプロセッサにより構成される処理装置26に送られる。
【００１５】
プロセッサ16により2進コードが認識されると、センサ素子20に対する可動物体10の位置を固有に識別することができる。そのような決定は、可動物体10が静止していても、可動物体10とセンサ素子20との間で相対的な運動状態が存在しても可能である。可動物体10の絶対位置を決定するためには、1つの磁気コードを読み取れば十分である。可動物体10のインクリメンタルな位置を決定するには、開始位置の読み取りおよび最終位置の読み取りを実施すれば十分である。
【００１６】
センサ素子20は例えば、磁気抵抗検知ユニット24のアレイにより形成することができる。磁気抵抗ユニット24の構造および動作は従来通りである。好ましくは、センサ素子20は、各コード化セグメント16の2進ユニットの数に対応するユニット数を有する巨大磁気抵抗(GMR)センサである。GMRセンサは通常、異なる材料で構成される少なくとも2つの磁性薄層から形成される。層は非磁性電導性スペーサにより分離される。そのような構造の導電率は磁性層の相対磁化の向きに依存する。印加した磁場により、2つの層のうちの１つの磁化が変化するが、ほとんどの場合、他の層の磁化は固定される。個々の磁化された基本ユニット18により発生する磁場は、このようにセンサ素子20のユニット24の伝導率を変化させる。伝導率の変化の関数として、デジタル信号0または1が発生し、これがプロセッサ26に送られ、プロセッサはセンサ素子20で読み取られたデジタル信号に基づき可動物体10と静止センサ20との間の相対位置を決定する。
【００１７】
コード化磁気素子14はポリマーマトリクス中に組み入れた強磁性粉末により構成することができる。金属/ポリマー複合物の合成のために開発された技術は、金属フィリングが製造される条件により、エクスサイチュー(ex situ)法およびインサイチュー(in situ)法に分類することができる。エクスサイチュー法では、有機モノマーの重合および金属粒子の形成が別個に実施され、続いて、2つの成分が混合されて金属/ポリマー複合物が形成される。インサイチュー法では、重合前に導入された金属イオン(遊離イオンまたは錯イオン)を有する溶液中でモノマーを重合させ、その後に、金属イオンを還元剤または加熱処理により還元させる。この方法はエクスサイチュー法よりも迅速であるが、効率が低い。同一の粒子を接触せずに分散させることができないからである。粒子の性質はその構造(形状、寸法、組成)に厳密に相関し、そのため粒子は同一でなければならない。
【００１８】
粉末を調製するのに適した方法の1つでは、金属前駆物質の溶媒として、および還元剤として機能する液体ポリオールの使用が必要である。この方法では、明確な形態特性を有する単一分散金属粒子が提供される。この方法の主特性は、実験条件に従って、沈澱速度を制御することができ、これにより明確な形状、マイクロメータまたはナノメータの寸法で制御された平均寸法および直線寸法分布を有する非凝集金属粒子を得ることができることである。
【００１９】
粉末製造後、粒子の表面を化学的に修飾することが重要である。有機層は金蔵表面上に強く化学吸着され、複合物の処理中非常に有益である：というのは、有機層が、
1)粒子の自由表面エネルギーを減少させ、大規模な凝集を阻止し
2)酸化および表面汚染効果を阻止し、粒子の磁気特性の減衰を阻止し、
3)樹脂の硬化前にオリゴマー中に粒子を分散することができ、
4)得られた複合材料の界面特性を改善するからである。
【００２０】
使用する材料は、熱可塑性ポリマー類、ゴム類、熱硬化ポリマー類とすることができる。フィリング材料は、硬質強磁性材料(例えば、コバルト)、アルミニウム-ニッケル-コバルト、ネオジウム-鉄-ホウ素、鉄-クロム-コバルトなどの強磁性合金、または他の強磁性材料とすることができる。
【００２１】
ポリマー中の強磁性粒子の割合は、十分な磁性が得られ、ポリマー混合が可能なものでなければならない。ポリマー中で粒子の適した配向を得るために、ポリマー硬化中に外部磁場を印加する。
【００２２】
所望の磁化分配は様々な方法を用いて得ることができる。これらの方法は100μmを超える溶液(solution)に対する従来の磁化システム；100nmのオーダーの分解能に対する多孔質アルミナを基本とする磁性分布を有する材料を使用した多段階法；MFM磁化技術などとすることができる。多孔質アルミナは、アルミナマトリクス中に組み込まれた空洞ネットワークとして図式化することができる。多孔質アルミナは、高純度アルミニウム層またはガラス、石英、珪素、タングステンのような基板上のアルミニウム膜上での陽極酸化法により得ることができる。
【００２３】
装置の感度はコード化磁気素子の構造を変化させることにより変化可能である。各セグメント16内の磁化基本ユニット18の数および可動物体の運動方向に平行な方向でのセグメントの寸法を変化させることができる。これに応じて、磁気抵抗センサ24の数を変化させる。
【００２４】
自動車産業における本発明による装置のいくつかの用途を以下に示す。以下で示した用途の他に、本発明による装置を、アクチュエータ、ステップモータなどの、非接触位置センサとして異なるセクタで使用してもよいことは容易に明らかになる。
【００２５】
本発明による装置の第1の用途を図2に示す。図2はシートの利用状態を認識するためのシステムの概略図である。図2は、絶対位置センサ30により提供された情報に基づき、シートの利用状態ならびに車両のドライバおよび乗客の位置に関する情報を提供する。システムは、シート32の能動表面全体の圧力分布を提供する位置センサのマトリクスを含む。圧力センサ30は実質的には点状であり、その点での圧力に対応するデジタル信号を提供する。
【００２６】
各点状圧力センサは、シート本体に対しそれ自体の位置が固定された絶対位置を検知するための素子と、シートの内張と一体とされたコード化磁気素子とを備える。ある所定の点の圧力はセンサ素子に対するコード化磁気素子の変位の関数として決定される。
【００２７】
シートの内張は、乗客がシートを離れた後、元の形状に回復できる形状記憶材料により構成することができる。圧力分布はプロセッサ34により処理することができる。プロセッサは人間の位置および体重に関する情報を出力する。プロセッサ34により提供される情報は、車両の様々な快適および安全システムに送られる。
【００２８】
図3は排ガス再循環バルブ用の位置センサとして本発明による装置を使用したものの概略図である。この図について説明すると、符号40は排ガス再循環バルブのアクチュエータを示す。バルブのステムは符号42により示され、静止センサ素子24と対向するコード化磁気素子14を備える。センサ素子20はプロセッサ26にバルブの開口度に関する情報を送る。この情報に基づき、プロセッサ26はNOXを最小に抑える光学排ガス再循環流量比を計算する。
【００２９】
図3に示した配列と同様の配列を使用して、車のタンク内の燃料レベルを測定することができる。燃料レベルセンサは、浮きを備え、その浮き上にはコード化磁気素子が適用または一体化され、これにより浮きの絶対位置が決定できる。そのような位置は上述したものと同様の非接触磁気センサにより認識される。
【００３０】
図4は磁気抵抗衝撃センサとして本発明による装置を使用する場合の概略図である。図4の例では、可動物体10は加速感受性質量により構成され、その表面上に上記のようにコード化磁気素子14が備えられる。磁気素子14は静止センサ素子20に対向する。質量10はスプリング44に接続され、スプリング44は質量10を所定の位置に維持する。センサ20は感知質量10が移動した際の動作振動数を感知する。感知質量が所定にしきい値を超える内力を発生させる減速を受けると、センサ素子の出力振動数は所定の臨界値を超える。そのため、図示した配列では、衝撃強度を決定し、エアバッグまたは安全バッグテンショナーなどの安全システムの介入を命令する。
【００３１】
従来の衝撃センサに対する本発明の利点は、感受性質量の動作では最初の位置から動作位置まで移動するのに限定された期間が必要でないことである。本発明の他の利点は、2または3方向に沿って配列されたスプリングおよび2または3の互いに直行する方向に沿った磁気表面を使用して2Dまたは3Dセンサを使用することができることである。この種のシステムでは、エアバッグ制御ユニットに感受性部分の速度およびその動作を計算させ、リアルタイムで感受性部分の位置をモニタすることができる。この情報を使用して介入時間および介入力を最適化する。
【００３２】
図5について説明すると、本発明による装置はまた、ブレーキ制御センサとして使用することができる。図5では、車のブレーキペダルが符号50で示されている。センサ素子20はペダル50に接続され、静止位置で配列されたコード化磁気素子14に対し可動である。センサ素子20はプロセッサ26に、ドライバが適用したいと望むブレーキ力を示す信号を提供する。プロセッサ26は、プロセッサ26により提供された信号に基づき、ブレーキ54に連結されたアクチュエータ52に命令する。
【００３３】
本発明による装置の他の適用の概略を図6に示す。この適用では、本発明による装置は車のステアリング角のセンサとして使用される。センサは、ハンドル操縦速度を制御し、場合によってはパワーステアリングアセンブリなどにより提供される力を増大または減少させる。図6では、本発明によるステアリング角センサは、その長軸周りに回転可能な円筒形ボディ60を含み、その外表面に、回転可能なボディ60の軸に平行な複数のコード化セグメント64により形成されたコード化磁気素子62が備えられる。各々のコード化セクタ64は上記の通りである。静止センサ66は回転可能なボディ60の外表面に対向する。センサ66は、読み取られた磁気コードについての情報をプロセッサ70に送る複数の磁気抵抗素子68を備える。
【００３４】
本発明による装置の他の適用の概略を図7aおよび7bに示す。
【００３５】
本出願は、ドライブとカム・シャフトのねじれの測定から開始する内燃エンジンの診断のためのシステムを参照する。2またはそれ以上のコード化磁気素子14をシャフトの周囲に沿って、第1のコード化素子14の各個のセルが、問題のシャフトの回転軸と平行な軸に沿った第2のコード化磁気素子14の相同のもの(同じ2進コードが対応する)に整合するように配置する。個々のコード化素子14には磁気抵抗センサアセンブリ20を結合させ、各セルに対応する2進コードを読み取りその位置を認識する。電子ユニットは2またはそれ以上のコードに対し相同の個々のセルの絶対位置を常に確認し、ずれがないか認識する。読み取りおよび2つのコード間の一定比較により、シャフトのねじれが間接的に測定される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の動作原理を示す概略図である。
【図２】本発明による装置の1つの適用例の概略図である。
【図３】本発明による装置の1つの適用例の概略図である。
【図４】本発明による装置の1つの適用例の概略図である。
【図５】本発明による装置の1つの適用例の概略図である。
【図６】本発明による装置の1つの適用例の概略図である。
【図７ａ】本発明による装置の1つの適用例の概略図である。
【図７ｂ】本発明による装置の1つの適用例の概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
10  可動物体、14  コード化磁気素子、16  コード化セクタ、18  基本ユニット、20  センサ素子、22  固定構造物、24  検知ユニット、26  処理装置。
【図１】
2004347600.tif 000003
【図２】
2004347600.tif 000004
【図３】
2004347600.tif 000005
【図４】
2004347600.tif 000006
【図５】
2004347600.tif 000007
【図６】
2004347600.tif 000008
【図７ａ】
2004347600.tif 000009
【図７ｂ】
2004347600.tif 000010