專利名稱：使用壓電傳感器測(cè)量力的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量或?qū)е铝?、加速度、角或其變化的傳感器和致?dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)這些傳感器和致動(dòng)器的設(shè)備及其操作方法。
背景技術(shù)：
監(jiān)視和可視化有關(guān)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息的設(shè)備檢測(cè)引起系統(tǒng)相對(duì)于一個(gè)參考幀的三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)的力。這些力可用于重新生成系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，并隨后提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)的圖像，作為一個(gè)虛擬三維顯示空間的投影，作為一個(gè)投影或與二維平面的交叉，或作為沿一個(gè)單軸的振蕩顯示，這種重建在任何環(huán)境下都是可能的，而不管系統(tǒng)是在三維空間、平面上或沿一個(gè)單一直線移動(dòng)。
圖像被可視化可重建的精度取決于所檢測(cè)的力描述該系統(tǒng)在其環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的完整性。例如，沿著多于一個(gè)軸施加給一個(gè)筆點(diǎn)的力可能代表該筆點(diǎn)沿一個(gè)書寫表面移動(dòng)，或可能代表該筆點(diǎn)正被以一個(gè)角度壓在一個(gè)靜止的點(diǎn)上。其它的信息對(duì)于區(qū)分這些環(huán)境間的區(qū)別的是必須的，以便獲取一個(gè)精確的圖像。類似地，一個(gè)高爾夫球棒頭部的運(yùn)動(dòng)也可以精確地進(jìn)行可視化，如果施加給它的力都是已知的，包括由棒的慣性和空氣阻力引起的在棒軸上的張力和扭力。成像關(guān)于一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息的能力因此受到了有關(guān)運(yùn)動(dòng)變化和系統(tǒng)部件取向性的可用信息的限制。
一般地，用于成像系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)信息的設(shè)備使用外部參考點(diǎn)來(lái)測(cè)量在各個(gè)時(shí)刻的位置和取向。例如，測(cè)量人造衛(wèi)星的位置的儀器測(cè)量相對(duì)于地球水平線和相對(duì)于遠(yuǎn)星的取向。作為另一個(gè)例子，筆式計(jì)算機(jī)使用一個(gè)寫字板來(lái)測(cè)量筆點(diǎn)在一個(gè)書寫平面上的位置及取向變化。但是，為了測(cè)量作用在一個(gè)對(duì)象上改變其位置及取向的力，可以把一個(gè)合適的傳感器系統(tǒng)結(jié)合到一個(gè)設(shè)備中。
象很多的物理現(xiàn)象一樣，如果不干擾正在被測(cè)量的現(xiàn)象是不能測(cè)量力的，大多數(shù)的力傳感器都有一個(gè)彈性傳感元件，其變形就是對(duì)所作用力的測(cè)量。在很多的力測(cè)量系統(tǒng)中，如應(yīng)變儀，感性或容性系統(tǒng)，必須測(cè)量變形的本身。該檢測(cè)元件必須是適應(yīng)性的，足以提供大的變形和有用的靈敏度。但是，大的變形也是不需要的，因?yàn)樗拗频南到y(tǒng)的頻率響應(yīng)，而且也把幾何變化引入力測(cè)量路徑，這就會(huì)不可避免地導(dǎo)致測(cè)量誤差。
壓電材料，可以把力轉(zhuǎn)換成電，可以用于檢測(cè)力。在壓電式力傳感器，該檢測(cè)元件與該傳感元件一樣，可以從作用力產(chǎn)生一個(gè)電輸出信號(hào)。因此，不必測(cè)量其變形，而這種變形要比其它的測(cè)量系統(tǒng)的變形小。這種壓電式力傳感器的剛度大大地減少了由測(cè)量所引起的變形，并提供了一個(gè)固有的高品質(zhì)頻率和相關(guān)的上升時(shí)間，這就可以測(cè)量極快的活動(dòng)，否則是很難精確地測(cè)量。
壓電式加速度計(jì)要求增加內(nèi)部質(zhì)量到壓電式力傳感器。當(dāng)該質(zhì)量被加速時(shí)，它就在壓電材料上產(chǎn)生一個(gè)力，由于連續(xù)的慣性質(zhì)量，按照牛頓第一定律作用在測(cè)量元件上的力與該加速度成正比，因此由該壓電材料產(chǎn)生的變化正比于該加速度。
壓電式部件也可以把電轉(zhuǎn)換成力，因此也可以用作致動(dòng)器。最簡(jiǎn)單的一種形式，把一個(gè)壓電式致動(dòng)器緊靠在一個(gè)不可移動(dòng)的支座上，并推壓一個(gè)可移動(dòng)的元件。當(dāng)在該壓電元件兩端施加電壓時(shí)，它就擴(kuò)張，推動(dòng)該可移動(dòng)的元件。長(zhǎng)度取向上的變化相當(dāng)小，即便把不同的壓電元件堆疊在一起，其整個(gè)高度近20mm時(shí)也是這樣，這種按排可以用于在調(diào)整操作中的精確驅(qū)動(dòng)。
但是已有的壓電傳感器不能測(cè)量沿三個(gè)軸的力或加速度，因此所需要的是能以一種靈敏、易控方式測(cè)量或傳輸沿多個(gè)軸的力的設(shè)備，還需要一種能靈敏測(cè)量沿多個(gè)軸的加速度的設(shè)備，還需要一種用于靈敏、易控反饋機(jī)制的、組合有傳感器和致動(dòng)器能力的設(shè)備。
發(fā)明概述在此所描述的系統(tǒng)和方法是關(guān)于傳感器和致動(dòng)器設(shè)備。在一個(gè)實(shí)施例中，用于檢測(cè)力的傳感器包括至少兩個(gè)電氣地連接到相應(yīng)的堆電極的壓電堆，以便施加給該傳感器的力在每個(gè)堆電極與公共地間的電勢(shì)上產(chǎn)生變化，該變化代表了作用在相應(yīng)堆上的力的分量。每個(gè)堆可以包含多個(gè)電氣地連接到相應(yīng)堆電極的壓電層。具有三個(gè)堆的傳感器可以解析三個(gè)維度上的力，每一個(gè)堆又進(jìn)一步包括多個(gè)電氣地連接到公共地的壓電層。在一個(gè)實(shí)施例中，該堆被導(dǎo)電導(dǎo)線環(huán)繞，在另一個(gè)實(shí)施例中，該堆被連接到至少一個(gè)慣性質(zhì)量。
在另一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)用于測(cè)量力的傳感器具有第一多個(gè)堆疊的壓電層，每一個(gè)層被分成多個(gè)區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域與處于同一層的其它區(qū)域是電氣上絕緣的，并通過(guò)一個(gè)堆電極電極地連接到其它層的相同區(qū)域上，因此，施加給該傳感器的力在每個(gè)堆電極與公共地之間的電勢(shì)上產(chǎn)生變化，該變化代表了作用在相應(yīng)區(qū)域上的力分量，這樣的傳感器也可以包括電氣地連接到公共地并與第一多個(gè)堆疊壓電層混合的第二多個(gè)堆疊壓電層。此第二多個(gè)堆疊壓電層的各層也可以被分成多個(gè)區(qū)域，第一多個(gè)層與第二多個(gè)層可以順序地交替排列，當(dāng)?shù)谝欢鄠€(gè)堆疊壓電層的區(qū)域數(shù)量為3時(shí)，該傳感器能解析三個(gè)維度上的力。如上所述，這些層可以被導(dǎo)電導(dǎo)線環(huán)繞。在一個(gè)實(shí)施例中，這些層被連接到至少一個(gè)慣性質(zhì)量，在一個(gè)實(shí)施例中，在公共地與堆電極間施加電勢(shì)會(huì)導(dǎo)致電氣地連接到其上的區(qū)域的變形。
這里所揭示的系統(tǒng)和方法也提供了一種檢測(cè)力的系統(tǒng)，包括一個(gè)殼體，兩個(gè)安裝在該殼體內(nèi)傳感器，每個(gè)傳感器包括多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成多個(gè)區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域與同一層的其它區(qū)域是相互絕緣的并通過(guò)一個(gè)堆電極與其它層的相同區(qū)域電氣地連接，以及布置在兩個(gè)傳感器間且連接到每一個(gè)傳感器的分隔器，其中施加給該傳感器的力擠壓一個(gè)傳感器而拉伸另一個(gè)傳感器。這些傳感器對(duì)齊以便在兩個(gè)傳感器間的堆是平行的。這些傳感器也可以對(duì)齊以便在兩個(gè)傳感器間的區(qū)域是對(duì)齊的。
在另一個(gè)方面，這里所描述的系統(tǒng)涉及一種檢測(cè)力和加速度的系統(tǒng)，包括上面描述的傳感器和一個(gè)電氣地連接到該傳感器的發(fā)送器，用于發(fā)送由該傳感器產(chǎn)生的信號(hào)，以便施加給該傳感器的力在每個(gè)堆電極與公共地間產(chǎn)生電勢(shì)上的變化，該變化代表了作用在相應(yīng)區(qū)域上的力的分量。該系統(tǒng)還包括，一個(gè)接收器，用于接收來(lái)自發(fā)送器的信號(hào)；一個(gè)處理器，連接到該接收器以處理該信號(hào)。該信號(hào)可以代表傳感器沿三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)慣性質(zhì)量被連接到該傳感器，由傳感器產(chǎn)生的信號(hào)可以代表傳感器在引力場(chǎng)方面的取向，該系統(tǒng)還可以包含一個(gè)溫度傳感器。
在另一個(gè)方面，在此所揭示的系統(tǒng)和方法涉及用于成像書寫信息的系統(tǒng)，包括鐵筆尖端，如上所述的連接到鐵筆尖端的第一傳感器，連接到第一傳感器的機(jī)殼，以及電氣地連接到第一傳感器的的第一發(fā)送器，用于發(fā)送由該傳感器發(fā)送的信號(hào)。該系統(tǒng)還包括一個(gè)連接到上面所述的慣性質(zhì)量的第二傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，第二傳感器連接到第二發(fā)送器，以發(fā)送由第二傳感器產(chǎn)生的信號(hào)?？商鎿Q地，兩個(gè)傳感器都可以連接到同一發(fā)送器。在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括一個(gè)接收器，用于接收來(lái)自第一和第二發(fā)送器的信號(hào)，以及一個(gè)處理器，電氣地連接到該接收器以處理該信號(hào)。該處理器也可以對(duì)比由第一和第二傳感器產(chǎn)生的信號(hào)和所存儲(chǔ)的信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，該處理器可以識(shí)別手跡。在另一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)可包括一個(gè)接收器，用于接收來(lái)自第一與第二發(fā)送器的信號(hào)，以及一個(gè)電氣地連接到該接收器的存儲(chǔ)媒介，用于保留所接收的信號(hào)。
在另一方面，該系統(tǒng)和方法提供一種系統(tǒng)，用于動(dòng)態(tài)監(jiān)視一個(gè)裝置，包括上面所描述的多個(gè)傳感器和連接到該傳感器、用于處理它們的信號(hào)的處理器，其中由傳感器產(chǎn)生的信號(hào)代表作用在該裝置上的力。在一個(gè)實(shí)施例中，該處理器能將一個(gè)電勢(shì)加到該傳感器而使該傳感器變形，用戶可以控制該處理器，該裝置可以是飛機(jī)或航天器。
在另一方面，這里所揭示的系統(tǒng)和方法涉及一種制造用于檢測(cè)力的傳感器的方法，該方法通過(guò)以下來(lái)完成提供至少兩個(gè)堆，每個(gè)堆具有多個(gè)壓電層，電氣地將在每個(gè)堆中的第一數(shù)量所述的壓電層連接到相應(yīng)的堆電極，并且電氣地將第二數(shù)量所述的壓電層連接到公共地。如前所述的，該傳感器可包含三個(gè)堆，每個(gè)堆具有多個(gè)壓電層。該方法也可以包括環(huán)繞這些堆圍繞導(dǎo)電導(dǎo)線。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括將這些椎連接到至少一個(gè)慣性質(zhì)量。第一數(shù)量的層可以與第二數(shù)量的層順序交替。該方法還包括將堆電極和公共地連接到一檢測(cè)器以便測(cè)量在堆電極與公共地間的電勢(shì)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)和方法涉及一種用于制造檢測(cè)力的系統(tǒng)的方法，該方法通過(guò)以下來(lái)完成提供一個(gè)機(jī)殼，將兩個(gè)傳感器放置在該機(jī)殼內(nèi)，每個(gè)傳感器包括多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成多個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域與同一層內(nèi)的其它區(qū)域電氣上絕緣，同時(shí)與其它層的相同區(qū)域通過(guò)一個(gè)堆電極電氣上連接，將一個(gè)可移動(dòng)的分隔器放置在兩個(gè)傳感器之間，并將該分隔器連接到每個(gè)傳感器。對(duì)齊兩個(gè)傳感器，以便壓電層堆沿著兩個(gè)傳感器對(duì)齊。這些傳感器也可以對(duì)齊成這些區(qū)域在兩個(gè)傳感器間對(duì)齊。
在另一個(gè)實(shí)施例中，這些系統(tǒng)和方法揭示一種用于制造檢測(cè)力的傳感器的方法，通過(guò)以下來(lái)完成提供第一多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成一定數(shù)量的區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域與同一層的其它區(qū)域是相互絕緣的并通過(guò)一個(gè)堆電極與其它層的相同區(qū)域電氣地連接，該方法包括提供與第一多個(gè)堆疊壓電層混合的第二多個(gè)堆疊的壓電層，每一層電氣地連接到一個(gè)公共地。此第二多個(gè)堆疊的壓電層的各層可以類似地分成一定數(shù)量的區(qū)域，此第一與第二多個(gè)層可以順序交替。在一個(gè)實(shí)施例中，在第一多個(gè)堆疊壓電層中的區(qū)域數(shù)量是3，該方法還包括圍繞這些層圍繞導(dǎo)電的導(dǎo)線。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括將這些層連接到至少一個(gè)慣性質(zhì)量，該方法也包括將堆電極與公共地連接到一個(gè)檢測(cè)器以測(cè)量該堆電極與公共地之間的電勢(shì)。
在另一實(shí)施例中，在此所揭示的系統(tǒng)和方法涉及一種用于檢測(cè)力和加速度的方法，通過(guò)以下來(lái)實(shí)現(xiàn)提供一個(gè)上面描述的傳感器，并電氣地連接一個(gè)發(fā)送器到該傳感器以便發(fā)送該信號(hào)，以便施加給該傳感器的力在每個(gè)堆電極與公共地之間產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)變化，這種變化代表了作用在相應(yīng)區(qū)域上的力的分量。該方法還包括放置該傳感器在一個(gè)表面上。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括提供一個(gè)接收器以接收來(lái)自該發(fā)送器的信號(hào)，將一個(gè)處理器連接到該接收器以處理該信號(hào)。該方法還包括連接一個(gè)慣性質(zhì)量到該傳感器。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，該信號(hào)可代表該傳感器在引力場(chǎng)方面的取向。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種成像書寫信息的方法，通過(guò)以下來(lái)實(shí)現(xiàn)提供一個(gè)機(jī)殼，把上面提到的第一傳感器放置在機(jī)殼內(nèi)，將一個(gè)鐵筆尖端連接到該第一傳感器，以及電氣地連接一個(gè)第一發(fā)送器到該第一傳感器以發(fā)送由該第一傳感器產(chǎn)生的信號(hào)，由此，由該傳感器產(chǎn)生的信號(hào)可用于成像書寫信息。該方法還包括連接一個(gè)第二傳感器到機(jī)殼。該第二傳感器可以電氣地連接到該第一發(fā)送器或一個(gè)第二發(fā)送器。一個(gè)慣性質(zhì)量可以連接到該第二傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括提供一個(gè)接收器以接收來(lái)自第一與第二發(fā)送器的信號(hào)，并將一個(gè)處理器電氣地連接到該接收器以處理該信號(hào)，該方法包括檢測(cè)代表鐵筆尖端移動(dòng)的力，以及利用第一和第二傳感器產(chǎn)生代表該移動(dòng)的信號(hào)，如鐵筆尖端的擊打。在另一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括提供一個(gè)接收器以接收來(lái)自該第一和第二發(fā)送器的信號(hào)，提供一個(gè)電氣地連接到該接收器的存儲(chǔ)媒介以保留所接收的信號(hào)。該方法還包括對(duì)比由第一和第二傳感器產(chǎn)生的信號(hào)與所存儲(chǔ)的信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括識(shí)別代表個(gè)人的手跡的信號(hào)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種動(dòng)態(tài)監(jiān)視裝置的方法，通過(guò)如下來(lái)實(shí)現(xiàn)提供多個(gè)上面所述的傳感器，將一個(gè)處理器連接到該傳感器以處理從中產(chǎn)生的信號(hào)，以及將該傳感器連接到該裝置，以便由這些傳感器產(chǎn)生的信號(hào)代表作用在該裝置上的力。該處理器也可以通過(guò)發(fā)送接收器施加給這些傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，該處理器能將一個(gè)電勢(shì)連接到一個(gè)傳感器以便使該傳感器變形。該處理器能由用戶控制，該設(shè)備可以是飛機(jī)或航天器。
所述實(shí)施例的簡(jiǎn)要描述

圖1描述了三維多用途傳感器和致動(dòng)器；圖2描述具有諧振導(dǎo)致電子或電氣電路的設(shè)備；圖3描述了一個(gè)三軸力傳感器；圖4描述了一個(gè)三軸加速度計(jì)；圖5描述了一個(gè)三角傳感器；圖6描述了一個(gè)致動(dòng)器；圖7描述了一個(gè)安裝進(jìn)無(wú)線筆的設(shè)備系統(tǒng)；圖8描述了一個(gè)安裝一架飛機(jī)的設(shè)備系統(tǒng)；圖9描述了作為本發(fā)明的一部份的方法流程。
所示實(shí)施例的描述下面描述本發(fā)明的幾種實(shí)施例，但應(yīng)明白，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的人可對(duì)在此所描述的系統(tǒng)和方法做出各種變化和修改，而且這種變化和改善仍然處于本發(fā)明的范圍內(nèi)，因此本發(fā)明并不限于下面描述的任何實(shí)施例。
在此所描述的系統(tǒng)和方法是關(guān)于能運(yùn)行在多種維度上的傳感器和致動(dòng)器，尤其是在此所描述的設(shè)備是能夠在多軸上檢測(cè)或產(chǎn)生力的壓電式設(shè)備，該設(shè)備可以單獨(dú)使用也可以結(jié)合到系統(tǒng)中用于監(jiān)視或控制一個(gè)裝置。
在圖1A中所描述的設(shè)備10包括壓電層30的三個(gè)堆20，每個(gè)堆具有與該堆的層30電氣連接的單獨(dú)的堆電極50。施加給該設(shè)備的力向量可以被不同地傳送到堆20，越是靠近力的邊緣的堆所接收的力就越大，這就使得可以通過(guò)測(cè)量公共地40與堆電極50間的電勢(shì)差異沿三個(gè)維度重建該力向量。公共地40可以電氣地連接到堆20的層30。在某些實(shí)施例中，公共地40可以是電氣地連接到并沒(méi)有連接到堆電極50的層30。例如，公共地40和堆電極50可以連接到交替排列的層30。
設(shè)備10可以是環(huán)形、四邊形、正方形、三角形、X或Y形以及任何其它的形狀。堆20可以以任何幾何關(guān)系進(jìn)行布置，可以是正方形、矩形、三角形、環(huán)形或任何其它的規(guī)則或不規(guī)則的形狀。堆20可以彼此接觸，也可以彼此分開(kāi)。在一個(gè)實(shí)施例中，這些堆可以是彼此電氣絕緣。用于在三個(gè)維度上檢測(cè)力的設(shè)備10可具有至少三個(gè)堆20，而在二個(gè)維度上檢測(cè)力的設(shè)備10可具有至少兩個(gè)堆20。
在堆20中可以提供任意數(shù)量的壓電層30，例如一個(gè)或多個(gè)層，這些堆20中層30的數(shù)量可以相等，也可以不相等。層30可以彼此接觸，也可以彼此用一種材料分開(kāi)，如導(dǎo)電材料和/或電氣絕緣層。這些層可以由任何材料組成，該材料在受到力的作用時(shí)能產(chǎn)生信號(hào)，在一個(gè)實(shí)施例中，這些堆是彼此平行的。
堆20中的壓電層30可電氣地連接(順序地)到一個(gè)堆電極50，該堆電極可以由導(dǎo)電材料構(gòu)成。該設(shè)備也可以包括一個(gè)公共地40，用于測(cè)量堆電極50的電勢(shì)的參考。公共地40可以由任何導(dǎo)電材料組成，如與堆電極50中相同、近似或完全不同的材料。
在一個(gè)實(shí)施例中，如圖1B所示，該設(shè)備10可包括交替層。一種類型的層可以分成三部份，這些部份形成堆20并電氣地連接到堆電極50。交替層35可以不分開(kāi)或分開(kāi)，并電氣地連接到公共地40，設(shè)備10的層以任何方式排序，只要不物理地影響設(shè)備10的操作。
僅管圖1中所描述的設(shè)備10并不需要外部的電源來(lái)運(yùn)行，但通過(guò)提供一個(gè)外部電源可以很容易地增加設(shè)備10的靈敏度和效率。圖2描述了由導(dǎo)電材料線圈200環(huán)繞的設(shè)備10。通過(guò)線圈200的電流(如交流電)可以使設(shè)備10的壓電層振動(dòng)。當(dāng)線圈200中的交流反饋達(dá)到接近設(shè)備10的機(jī)械構(gòu)造的本征頻率時(shí)，設(shè)備10就會(huì)產(chǎn)生共振，當(dāng)反饋頻率達(dá)到本征頻率的一半時(shí)，堆電極50與公共地40間的電勢(shì)輸出就達(dá)到最大值。本發(fā)明的這種共振實(shí)施例的輸出幅度可以達(dá)到非共振實(shí)施例的幅度的20-100倍。
設(shè)備可以很容易地由本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的人組裝。在一個(gè)實(shí)施例中，提供了具有多個(gè)壓電層的至少兩個(gè)堆。每個(gè)堆的多個(gè)層可以電氣地連接到一個(gè)堆電極。這些堆可以彼此并行地放置在一個(gè)表面上，以便作用在該表面的力可以在這些堆上產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，該電勢(shì)在越靠近力的邊緣的堆上越大。在一個(gè)實(shí)施例中，可以提供三個(gè)堆。每個(gè)堆可電氣地與其它的堆絕緣。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)堆中層的一部份電氣地連接到一個(gè)堆電極，而其它層可以電氣地連接到一個(gè)公共地。例如，連接到公共地的層與連接到電極的層是交替的。
在另一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)設(shè)備可通過(guò)提供一個(gè)多壓電層堆來(lái)組裝，這些層可以被分成與其它的區(qū)域電氣上絕緣的區(qū)域。在某一實(shí)施例中，每個(gè)層可分成同等數(shù)量的區(qū)域，這些區(qū)域沿著堆的長(zhǎng)度取向上共同對(duì)齊。在某一實(shí)施例中，每個(gè)層可以分成三個(gè)或多個(gè)區(qū)域，然后這些區(qū)域電氣地連接到堆電極。在某些實(shí)施例中，包括在該堆中的某些層可以電氣地連接到一個(gè)公共地，而不是連接到堆電極。例如，連接到堆電極的層可以與連接到公共地的層交替。連接到公共地的層可以分開(kāi)，類似于連接到堆電極的層，也可以不分開(kāi)。
前面提到的設(shè)備可以進(jìn)一步連接到一個(gè)發(fā)送接收器，或連接到一個(gè)發(fā)送接收器的控制單元，以便將由該設(shè)備產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)送給一個(gè)處理器進(jìn)行處理，或從該處理器接收命令。
在設(shè)備層中所用的壓電材料可包括，如鉛鋯鈦酸鹽(PZT系統(tǒng))，鉛鈦酸鹽、鉛鋯酸鹽、鉛鎂鈮酸鹽(PMN系統(tǒng))、鉛鎳鈮酸鹽(PNN系統(tǒng))、鉛鎂鎢酸鹽，鉛錳鈮酸鹽、鉛銻錫酸鹽、鉛鋅鈮酸鹽、鉛鎳鉭酸鹽及前述材料的混合物。
而且，壓電材料可以包含附加物，如氧化物或其它的組合物，如鑭、鋇、鈮、鋅、鈰、鈣、鉻、鈷、銻、鐵、釔、鉭、鎢、鎳、錳、鋰、鍶、鎂、鎘和鉍。例如，PLZT材料可以通過(guò)將鑭氧化物填加到PZT系統(tǒng)而得到。示例性的復(fù)合物材料包括主鈦酸鹽和PMN，PBZT材料(通過(guò)把鋇填加到PZT材料而得到)，以及由三種基于PZT系統(tǒng)(例如包含鉛鎂鈮酸鹽、鉛鋯酸鹽和鉛鈦酸鹽；鉛鎳鈮酸鹽、鉛鈦酸鹽和鉛鋯酸鹽；鉛鎳鈮酸鹽、鉛鎂鈮酸鹽和鉛鈦酸鹽；鉛鈮鉭酸鹽、鉛鎂鈮酸鹽、鉛鋯酸鹽和鉛鈦酸鹽；或鉛鎂鉭酸鹽、鉛鎂鈮酸鹽、鉛鋯酸鹽和鉛鈦酸鹽.)成的材料。而且壓電材料可以與有機(jī)聚合體混合，在美國(guó)專利5,702,629中有所揭示。
在本技術(shù)領(lǐng)域中有很多眾所周知的制作壓電材料的方法。這些方法包括常規(guī)的混合氧化物、氧化物燒結(jié)技術(shù)(如由Bailey等人所論述的美國(guó)專利5,527,480)熔鹽合成(如Arendt等人所論述的美國(guó)專利4152281)以及熔膠一凝膠過(guò)程(如Woolhead等人所論述的美國(guó)專利3725298)。在此所揭示的設(shè)備中所用的壓電材料可以由本技術(shù)領(lǐng)域中所知的這些或其它的方法制得。
在操作過(guò)程中壓電材料可能會(huì)產(chǎn)生熱，而這種溫度的波動(dòng)可能會(huì)影響到信號(hào)幅度與力幅度間的關(guān)系。在某些實(shí)施例中，可以結(jié)合一個(gè)溫度傳感器來(lái)校正隨著溫度的變化設(shè)備所產(chǎn)生的信號(hào)，而且由熱膨脹產(chǎn)生的信號(hào)非常類似于由力的作用導(dǎo)致的膨脹所產(chǎn)生的信號(hào)，這種類型的錯(cuò)誤可以通過(guò)機(jī)械方式校正，例如通過(guò)將兩個(gè)設(shè)備布置成由熱膨脹所產(chǎn)生的錯(cuò)誤信號(hào)抵消。例如，如圖1E的橫截面所示，一對(duì)管狀設(shè)備110和116可以放置在機(jī)殼114內(nèi)，而這兩個(gè)設(shè)備都連接到將這兩個(gè)設(shè)備分開(kāi)的可移動(dòng)平板116上，平板116可以連接到機(jī)殼114壁上，例如可以作為一個(gè)靈活的隔板來(lái)工作，或者沿著機(jī)殼壁滑動(dòng)，或者作為一個(gè)活塞工作。當(dāng)一個(gè)力作用在通過(guò)設(shè)備110的棒118時(shí)，平板116壓設(shè)備111，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)并使設(shè)備110膨脹，產(chǎn)生一個(gè)幅度相反的信號(hào)。設(shè)備110和111的由溫度引起的衰減可以是幅度相同，通過(guò)將設(shè)備110和111的信號(hào)組合，就可以有效地抵消由溫度引起的誤差，使得可以對(duì)作用在棒118上的力進(jìn)行精確的測(cè)量。
這些設(shè)備可以用于通過(guò)檢測(cè)一個(gè)設(shè)備的電勢(shì)而檢測(cè)力，或者通過(guò)提供一個(gè)電信號(hào)給一個(gè)設(shè)備而產(chǎn)生力。
放置在一個(gè)表面上的設(shè)備10可以檢測(cè)作用上該表面上的三維的力。對(duì)比在公共地40與堆電極30間的電勢(shì)可以檢測(cè)在該表面上的力的位置，因?yàn)榭拷Φ淖饔命c(diǎn)的堆電勢(shì)要大于遠(yuǎn)離該力的堆電勢(shì)。力的幅度可以由該力產(chǎn)生的電勢(shì)的幅度來(lái)測(cè)定。這些測(cè)量可以使用標(biāo)準(zhǔn)電路(可參見(jiàn)“Microelectronic Circuits”Sedra和Smith，1991，第13版)或本技術(shù)領(lǐng)域所知的其它方式來(lái)執(zhí)行。
設(shè)備10可以用作一個(gè)三軸力傳感器。圖3描述了一個(gè)附著到一個(gè)棒300的設(shè)備10。在本實(shí)施例中，設(shè)備10的形狀類似一根管，棒300通過(guò)該設(shè)備。當(dāng)該設(shè)備保持在一個(gè)固定位置時(shí)，施加給棒300的力可以使設(shè)備10變形，從而引起堆電極50與公共地40間電勢(shì)的變化。堆電極50的電勢(shì)的變化正比于施加給棒300的力，并且相對(duì)于一個(gè)參考框架(frame)可以用于重建三維上的力。僅管通過(guò)設(shè)備10的棒具有環(huán)形橫截面，但在其它實(shí)施例中，也可以使用具有矩形、三角形、正方形或任何其它形狀的物體。
通過(guò)將設(shè)備10連接到如圖4所示的慣性質(zhì)量400，設(shè)備10也可以用于測(cè)量加速度。圖5描述了附著有慣性質(zhì)量400的設(shè)備10的另一個(gè)實(shí)施例。慣性質(zhì)量400可以具有任何形狀、由任意材料形成并且可以是通過(guò)任意手段直接或間接地連接到設(shè)備10，這些手段使得慣性質(zhì)量400在設(shè)備10的堆200上施加一個(gè)力。在一個(gè)實(shí)施例中，慣性質(zhì)量400可以連接到該設(shè)備10，也可以不用任何其它的構(gòu)造來(lái)支撐或與其連接。由通過(guò)移動(dòng)慣性質(zhì)量400而施加給設(shè)備10的力導(dǎo)致的設(shè)備10的變形可以在堆電極50與公共地40間引起電勢(shì)的變化。堆電極50的這種電勢(shì)上的變化與施加給堆20的力成正比，并且可以用于相對(duì)于一個(gè)參考框架而重建三維上的力。
連接到慣性質(zhì)量400的設(shè)備10也可以用于測(cè)量設(shè)備10相對(duì)于引力場(chǎng)的校準(zhǔn)(alignment)。如上面所討論的，引力場(chǎng)可以看作為一個(gè)加速度，它能吸引慣性質(zhì)量400，慣性質(zhì)量400就會(huì)依次在設(shè)備10上產(chǎn)生一個(gè)力，就會(huì)在堆電極50與公共地之間產(chǎn)生電勢(shì)的變化，堆電極50的這種電勢(shì)上的變化與施加給堆20的力成正比，就可以用于測(cè)定設(shè)備10相對(duì)于引力場(chǎng)的校準(zhǔn)。
利用附著到慣性質(zhì)量400的設(shè)備產(chǎn)生的信號(hào)可以重建三個(gè)角，利用引力場(chǎng)對(duì)設(shè)備的慣性質(zhì)量400的作用，可以用絕對(duì)方式測(cè)量其中的俯仰角和擺動(dòng)角(roll)，第三個(gè)角，即側(cè)滑角可以作為相對(duì)于該角的先前值的遞增或遞減進(jìn)行測(cè)量。在缺少?gòu)?qiáng)引力場(chǎng)的情況下，例如在太空中，可以用相對(duì)的方式通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)確定這些角。
如圖6所描述的，附著到一致(conformable)表面600上的設(shè)備10可以用作一個(gè)致動(dòng)器，以在表面600上施加一個(gè)力，因?yàn)閴弘姴牧鲜怯皿w積上的變化來(lái)響應(yīng)電勢(shì)，施加給設(shè)備10的電壓會(huì)導(dǎo)致設(shè)備10的變形。例如在堆電極50與公共地40間的電勢(shì)上的變化可以導(dǎo)致設(shè)備10的變形，這種變形會(huì)傳輸?shù)奖砻?，由此改變表面的位置。因?yàn)樵O(shè)備10可以在三個(gè)軸上運(yùn)行，因此表面的位置也可以在三個(gè)軸改變。對(duì)一致表面600的幾何形狀的期望變化(比例于由堆電極50與公共地40間電勢(shì)上的變化引起的設(shè)備10的變形)的計(jì)算與執(zhí)行是通過(guò)一個(gè)處理器來(lái)執(zhí)行的，該處理器可以直接或間接地利用一個(gè)有線或無(wú)線鏈接與該設(shè)備進(jìn)行通信。
在此所揭示的系統(tǒng)和方法所提供的設(shè)備可以基本上同時(shí)用作傳感器和致動(dòng)器，這種雙項(xiàng)功能可以通過(guò)例如在模式間快速改變來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，改變?cè)O(shè)備10的電勢(shì)的檢測(cè)與施加，或者通過(guò)包含指定給檢測(cè)的堆和指定給致動(dòng)的堆。例如在圖1D中所示的設(shè)備可以通過(guò)以交替的關(guān)系指定三個(gè)堆用于檢測(cè)和三個(gè)堆用于致動(dòng)而同時(shí)用為傳感器和致動(dòng)器，利用這樣的設(shè)備可以同時(shí)在三個(gè)維度上施加或檢測(cè)力，而且，這三個(gè)致動(dòng)堆可以由優(yōu)化地以致動(dòng)模式工作的材料制成，而三個(gè)傳感堆可以由優(yōu)化地以傳感模式工作的不同的材料來(lái)制成，這樣就加強(qiáng)了對(duì)由單一材料制成的、必須工作在兩個(gè)模式下設(shè)備的性能。用于集成傳感器和致動(dòng)器功能的其它裝置對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的人來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，并包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的描述僅是示例性的，對(duì)于象兩軸或三軸致動(dòng)器應(yīng)用的修改可以由本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的人做出，而不會(huì)偏離本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)明白，本發(fā)明的一些實(shí)施例僅是本發(fā)明應(yīng)用和原理的說(shuō)明，本領(lǐng)域內(nèi)的人可以做出各種其它變化而不會(huì)偏離本發(fā)明的精神范圍。
在此所揭示的系統(tǒng)和方法提供了包含多個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)，用于對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的精確測(cè)量，不管是復(fù)雜的還是簡(jiǎn)單的。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)該設(shè)備系統(tǒng)與一個(gè)機(jī)體或表面接觸時(shí)，該設(shè)備系統(tǒng)允許對(duì)沿三個(gè)參考軸(x，y，z)和相對(duì)于這三個(gè)軸的三個(gè)角(俯仰角、擺動(dòng)角、側(cè)滑角)內(nèi)的力的同步實(shí)時(shí)測(cè)量。當(dāng)該接觸中斷時(shí)，該設(shè)備就會(huì)測(cè)量沿三個(gè)參考軸(x，y，z)和相對(duì)于這些軸的三個(gè)角的加速度。
這些系統(tǒng)和方法通過(guò)將這些設(shè)備連接和校準(zhǔn)到一個(gè)機(jī)體而允許重建該機(jī)體的運(yùn)動(dòng)。在某些實(shí)施例中，該系統(tǒng)可包括一個(gè)或多個(gè)設(shè)備，以測(cè)量作用在一個(gè)物體上的力和加速度，該設(shè)備系統(tǒng)可包括一個(gè)控制單元以便接收、處理或傳送數(shù)據(jù)，或者以一個(gè)致動(dòng)模式來(lái)控制這些設(shè)備。
利用六個(gè)參數(shù)值(三個(gè)力或加速度以及三個(gè)角)重建機(jī)體運(yùn)動(dòng)的算法對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的人來(lái)說(shuō)是已知的。當(dāng)知道了機(jī)體的這些值時(shí)，本發(fā)明的方法允許在虛擬的三維空間、二維空間或線性空間中重建該機(jī)體的運(yùn)動(dòng)。
例如，可以把一個(gè)設(shè)備系統(tǒng)安裝在一個(gè)靈巧彈藥中以便測(cè)量彈藥的飛行運(yùn)動(dòng)，將該飛行數(shù)據(jù)傳遞給一個(gè)控制和命令計(jì)算機(jī)，必要時(shí)校正軌跡，并在碰撞時(shí)觸發(fā)爆炸。在另一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)設(shè)備系統(tǒng)和一個(gè)筆筒可以安裝在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，如軸式對(duì)齊，并協(xié)作來(lái)測(cè)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以被一個(gè)控制單元傳送給一個(gè)計(jì)算機(jī)，用于筆尖端在書寫表面上運(yùn)動(dòng)的重建，由此產(chǎn)生將在下面詳述的書寫的圖像。
在另一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)包含有多個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)可以附著到一個(gè)復(fù)雜的多機(jī)體系統(tǒng)，例如，至少一個(gè)設(shè)備附著到該多機(jī)體系統(tǒng)的每個(gè)部件上。因此，可以針對(duì)多機(jī)體系統(tǒng)的每個(gè)部件測(cè)量在三個(gè)維度和三個(gè)角度上的力和加速度，多個(gè)設(shè)備可以連接到一個(gè)控制單元，它可以傳送到和來(lái)自一個(gè)處理器的數(shù)據(jù)。
由此提供的數(shù)據(jù)可以允許在虛擬的三維空間、二維空間或一維空間內(nèi)重建復(fù)雜多機(jī)體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，這是通過(guò)將一個(gè)設(shè)備系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)(例如把這些設(shè)備連接到部件機(jī)體到)該多機(jī)體系統(tǒng)及采用本發(fā)明的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)該系統(tǒng)的位置偏離、或者物體在一個(gè)平面上、直線上或一個(gè)單一軸上的投影偏離的相應(yīng)算法，作為基于時(shí)間快照的位圖或者作為系統(tǒng)的靜止的可視化，在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)是眾所周知的，這些位圖可以被幀化，而這些幀又可以順序地可視化，使得虛擬的三維空間、二維空間或一維空間中相對(duì)于參考幀的源始點(diǎn)可以如通過(guò)仿真進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的可視化，由此使得可以利用一個(gè)設(shè)備系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)重建一個(gè)物體或系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。這些方法也可以實(shí)時(shí)或延遲方式用于如手跡和書法的可視化。
在一個(gè)示例性的實(shí)施例中，在此所描述的系統(tǒng)和方法允許重建鐵筆尖的運(yùn)動(dòng)以便基于有關(guān)筆跡動(dòng)態(tài)的信息識(shí)別筆跡。筆跡分析一般地由分析簽名或其它的筆跡樣本來(lái)執(zhí)行，并將其與另一個(gè)簽名或筆跡樣本進(jìn)行對(duì)比。僅管在此所描述的設(shè)備系統(tǒng)可以允許重建書寫軌跡，并將其與另一個(gè)樣本進(jìn)行對(duì)比，該設(shè)備系統(tǒng)也可以用于測(cè)量有送書寫的運(yùn)動(dòng)信息。因此，除了簽名或書寫樣本的可視性元素外，如筆速、書寫時(shí)的壓力及書寫角度這樣的信息也可以進(jìn)行測(cè)量并可以提供書寫者辨識(shí)的更精確的認(rèn)證。另外在這些變量中的變化，如書寫中的扭曲或旋轉(zhuǎn)，隨著它們發(fā)生在簽名或其它筆跡的不同部份可以被檢測(cè)和測(cè)量。在本發(fā)明的該目標(biāo)的一個(gè)實(shí)施例中，筆跡可以隨著書寫而被實(shí)時(shí)地識(shí)別出來(lái)。在另一個(gè)實(shí)施例中，有關(guān)書寫動(dòng)態(tài)的信息可以存儲(chǔ)在一個(gè)永久存儲(chǔ)媒介中，并可用于脫機(jī)延遲識(shí)別筆跡。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以通過(guò)它們的筆跡動(dòng)態(tài)，尤其是它們的簽名以實(shí)時(shí)或延遲的方式來(lái)標(biāo)識(shí)或識(shí)別一個(gè)人。
作為一個(gè)示例性描述，圖7描述了一個(gè)結(jié)合進(jìn)一個(gè)鐵筆機(jī)殼702的設(shè)備系統(tǒng)，該設(shè)備系統(tǒng)700包括一個(gè)集成的力、加速度和接觸傳感部份705，該部份包括一個(gè)連接到鐵筆尖端720的慣性質(zhì)量715和一個(gè)連接到機(jī)殼的設(shè)備710。該設(shè)備系統(tǒng)也可以包括一個(gè)傾斜檢測(cè)部份730，該部份包括連接到機(jī)殼702的的設(shè)備710和慣性質(zhì)量715。這兩個(gè)設(shè)備可以把數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)控制單元735，該控制單元可以按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對(duì)加密的信息進(jìn)行編碼和解碼，并通過(guò)如有線與無(wú)線數(shù)據(jù)鏈接與處理器740進(jìn)行通信。發(fā)送接收器745可以用于發(fā)送在控制單元735與處理器740間的數(shù)據(jù)。
力檢測(cè)部份705可以測(cè)量例如在書寫過(guò)程中或與一個(gè)表面進(jìn)行接觸時(shí)施加給鐵筆尖端720的力，而傾斜檢測(cè)部份730可以測(cè)量引力場(chǎng)中相對(duì)于鐵筆取向的力。當(dāng)鐵筆尖端不與一個(gè)表面接觸時(shí)，該設(shè)備系統(tǒng)可以通過(guò)檢測(cè)施加給該鐵筆的加速度檢測(cè)鐵筆的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這些測(cè)量得到的數(shù)據(jù)允許重建鐵筆點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，無(wú)論是當(dāng)它與一個(gè)表面接觸時(shí)或者在一個(gè)表面上。
在設(shè)備系統(tǒng)的另一個(gè)示例性應(yīng)用中，一個(gè)結(jié)構(gòu)或裝置的各個(gè)部件，例如一個(gè)永久空間站、航天器、輪船、火車或建筑物，可以裝備一個(gè)設(shè)備系統(tǒng)，就可以控制、監(jiān)視和命令各部件。類似地，這里所揭示的方法和系統(tǒng)可以用于維持或控制任意系統(tǒng)的位置，例如相對(duì)于參考幀的源始位置的復(fù)雜的多機(jī)體或單點(diǎn)。例如一個(gè)設(shè)備系統(tǒng)可以結(jié)合進(jìn)一個(gè)空運(yùn)設(shè)備如航天器、射彈、火箭或?qū)?，以便測(cè)量旋渦的主邊緣以及將該設(shè)備用作致動(dòng)器來(lái)適應(yīng)飛行中該設(shè)備的一致表面，而不必需要大的控制設(shè)備的幫助，導(dǎo)致更高的機(jī)動(dòng)性、更大的推力以及降低的氣動(dòng)阻力。
圖8示意性地描述了一個(gè)設(shè)備系統(tǒng)800結(jié)合進(jìn)一個(gè)結(jié)構(gòu)中，如一個(gè)航天器中。該設(shè)備系統(tǒng)800可以包括多個(gè)設(shè)備15和發(fā)送接收器16，其通過(guò)網(wǎng)絡(luò)總線14連接到一個(gè)具有顯示屏13的處理器12。如上面所述的，該處理器12可以處理輸入數(shù)據(jù)并響應(yīng)操作員的輸入。該系統(tǒng)也可以包括具有一個(gè)發(fā)送接收器16和四個(gè)控制單元18的腔室30，該腔室對(duì)于任何要監(jiān)視和控制的系統(tǒng)如貨運(yùn)或太空都具有代表性。通過(guò)有線或無(wú)線發(fā)送，該控制單元18可以連接到多個(gè)設(shè)備22，而每一個(gè)又依次連接到該結(jié)構(gòu)的一個(gè)單元。例如，一個(gè)控制單元18可以連接到作為航天器的羽翼組件的一部份的一致表面單元28。相類似地，其它控制單元18可以連接到其它設(shè)備24?？刂茊卧?8可以連接到多個(gè)單元(如致動(dòng)器、傳感器或儀器)，這些單元可用于航天器幾何的動(dòng)態(tài)變化的控制系統(tǒng)。
如上面所述的，控制單元18通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)鏈接如硬件化纜線鏈接接收命令或向一個(gè)發(fā)送接收器16提供數(shù)據(jù)?？蛇x地，也可以使用紅外或射頻無(wú)線鏈接。發(fā)送接收器16通過(guò)分布在航天器上的網(wǎng)絡(luò)14與處理器12交換數(shù)據(jù)與指令。
每個(gè)控制單元可以從處理器接收有關(guān)如何驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)，或者與連接到該控制單元的設(shè)備進(jìn)行接口。該控制單元可使用該信息來(lái)搜集信息或傳遞命令給這些設(shè)備。可以使用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式和協(xié)議來(lái)與發(fā)送接收器進(jìn)行交換，該發(fā)送接收器可以將數(shù)據(jù)格式化成合適的協(xié)議，以便與控制單元進(jìn)行交換和用于在網(wǎng)絡(luò)上傳送。相應(yīng)地，該系統(tǒng)可提供一個(gè)貨運(yùn)的、輕質(zhì)的、小型化、低功率的控制系統(tǒng)，具有與其組件的標(biāo)準(zhǔn)接口、上面所討論的、由一個(gè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的信號(hào)可以被處理成重建施加到該系統(tǒng)的力和加速度，以便可視化或進(jìn)一步分析。該處理一般地包括一個(gè)初始化部份，其中由該系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)被校對(duì)和校正；一個(gè)測(cè)量部份，其中在系統(tǒng)操作過(guò)程中測(cè)量信號(hào)；以及一個(gè)分析部份，其中這些信號(hào)被處理成重建在測(cè)量過(guò)程中施加到該系統(tǒng)的力和加速度。在圖9中提供了一個(gè)在鐵筆(見(jiàn)圖7)內(nèi)安裝的一個(gè)系統(tǒng)上使用的示例性處理方案。本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的人可以很容易地確定本方案可延伸到具有各種復(fù)雜性的其它方案。
對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的人來(lái)說(shuō)很明顯，該初始化序列是致力于定義該系統(tǒng)的特性和系統(tǒng)誤差，以便進(jìn)行更精確的測(cè)量。如圖9所示，一個(gè)初始化序列可包含示例性步驟910-920。因此，一個(gè)初始化序列可以包括通過(guò)快速傅里葉分析確定系統(tǒng)中設(shè)備的力常數(shù)和響應(yīng)頻率。確定一個(gè)設(shè)備的力常數(shù)和響應(yīng)頻率是一種用于確定一個(gè)設(shè)備的響應(yīng)特性的方法；對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的人來(lái)說(shuō)執(zhí)行該功能的其它手段是很明顯的，在此可以作為替代?？梢源_定力/加速度檢測(cè)設(shè)備的校準(zhǔn)機(jī)制(matrices)，以及測(cè)量角度檢測(cè)設(shè)備的角度校正和放大；其它的校準(zhǔn)一個(gè)設(shè)備的手段對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的人來(lái)說(shuō)是眾所周知的，在該過(guò)程中可以用作替代。類似地，測(cè)量角度檢測(cè)設(shè)備的角度校正與放大可以用作校準(zhǔn)一個(gè)角度檢測(cè)設(shè)備的方法，類似的結(jié)果可以通過(guò)本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所知的其它手段來(lái)獲得，可以確定該設(shè)備相對(duì)于一參照系統(tǒng)的偏置，允許建立一個(gè)設(shè)備與其環(huán)境間的關(guān)系。在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)有很多的執(zhí)行該功能的方法，這些測(cè)量可以以任意的順序進(jìn)行，包括基本上同時(shí)地進(jìn)行。另外，可以設(shè)置過(guò)濾參數(shù)，由此可以設(shè)置由這些設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)各部份來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步處理。用于執(zhí)行該功能的各種程序在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)是已知的，可以用于這些系統(tǒng)和方法中。
序列900的測(cè)量部份，包括步驟922和924，涉及響應(yīng)施加到其上的力、聚集由該系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)在初始化序列過(guò)程中計(jì)算和/設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行校正和過(guò)濾，或者通過(guò)采用所選的其它程序來(lái)增加測(cè)量的準(zhǔn)確性，該信號(hào)可以在處理前作為原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，或者隨著測(cè)量的進(jìn)行連續(xù)地進(jìn)行處理。
可選擇序列900的分析步驟把由該系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)可說(shuō)明格式，如圖形顯示、數(shù)字讀出或其它的輸出形式。信號(hào)的處理包括將該信號(hào)與所存儲(chǔ)的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，在一個(gè)虛擬的三維空間、二維空間或沿一條直線表征一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)，或者監(jiān)視作用在該系統(tǒng)上的力。如圖9所示，用于分析由裝在一個(gè)鐵筆內(nèi)的系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)的過(guò)程包括步驟950-960?？梢苑治鲈撔盘?hào)以確定是否該鐵筆是否與一個(gè)表面接觸。如果檢測(cè)到接觸，所得的信號(hào)可以解釋為力，如果沒(méi)有檢測(cè)到接觸，則所得的信號(hào)可以解釋為加速度，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)計(jì)算用于力/加速度信號(hào)和角信號(hào)以便確定由力或加速度引起的速度，以及利用該信息，可以測(cè)定在任意時(shí)間點(diǎn)的鐵筆的位置。一個(gè)用于執(zhí)行該計(jì)算的有代表性的方法參見(jiàn)美國(guó)專利5548092。一個(gè)角度傳感器相對(duì)于一個(gè)引力場(chǎng)可僅檢測(cè)二維的角度，但是第三維度可以根據(jù)附加的數(shù)據(jù)、作為相對(duì)于該角的先前值的增加或減少變化來(lái)計(jì)算。該結(jié)果然后可以顯示在如一個(gè)計(jì)算機(jī)顯示屏或打印，以便提供該鐵筆運(yùn)動(dòng)的表征。
上面描述的處理可以由任意的處理器來(lái)實(shí)施，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)執(zhí)行用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言如Fortran，C，Java等寫的計(jì)算機(jī)程序，或者通過(guò)任何其它本技術(shù)領(lǐng)域所知的方式。這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)內(nèi)部地(如在該筆機(jī)殼內(nèi))部份或整體地進(jìn)行處理，或者傳送給外部的處理器進(jìn)行分析。
僅管已參照所示的實(shí)施例揭示了本發(fā)明，但從上面的描述中，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的人可以得出各種等價(jià)物、變化或改進(jìn)，而這些等價(jià)物、變化或改進(jìn)仍然包含在下列權(quán)利要求內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)力的傳感器，包括至少兩個(gè)壓電堆，每一個(gè)都連接到一個(gè)相應(yīng)的堆電極，其中施加到至少兩個(gè)堆的力在每個(gè)堆電極與公共地之間產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)變化，該電勢(shì)變化代表了作用在相應(yīng)堆上的力的分量。
2.如權(quán)利要求1的傳感器，其中每個(gè)堆包括多個(gè)電氣地連接到相應(yīng)堆電極的壓電層。
3.如權(quán)利要求2的傳感器，該傳感器包括三個(gè)堆，由此該傳感器可以解析三個(gè)維度上的力。
4.如權(quán)利要求2的傳感器，其中每個(gè)堆還包括電氣地連接到該公共地的多個(gè)壓電層。
5.如權(quán)利要求1的傳感器，其中這些堆被導(dǎo)電線所圍繞。
6.如權(quán)利要求1的傳感器，其中這些堆連接到至少一個(gè)慣性質(zhì)量。
7.一種用于檢測(cè)力的傳感器，包括第一多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成多個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域與同一層的其它區(qū)域彼此絕緣，但通過(guò)一個(gè)堆電極電氣連接到其它層的相同區(qū)域；其中施加給所述的第一多個(gè)堆疊層的力在每個(gè)堆電極和一個(gè)公共地之間產(chǎn)生電勢(shì)上的變化，這種變化表征了作用在對(duì)應(yīng)區(qū)域上的力的分量。
8.如權(quán)利要求7的傳感器，還包括第二多個(gè)堆疊的壓電層，這些壓電層電氣地連接到該公共地并與第一多個(gè)堆疊的壓電層混合。
9.如權(quán)利要求8的傳感器，其中第二多個(gè)堆疊的壓電層被分成了多個(gè)區(qū)域。
10.如權(quán)利要求8的傳感器，其中第一多個(gè)和第二多個(gè)壓電層順序地交替排列。
11.如權(quán)利要求7的傳感器，其中第一多個(gè)堆疊的壓電層中區(qū)域的數(shù)量是3，由此該傳感器可以解析在三個(gè)維度上的力。
12.如權(quán)利要求7的傳感器，其中這些層被導(dǎo)電線圍繞。
13.如權(quán)利要求7的傳感器，其中這些層連接到至少一個(gè)慣性質(zhì)量，由此該傳感器可以檢測(cè)在三個(gè)維度上的加速度。
14.一種用于檢測(cè)力的系統(tǒng)，包括一個(gè)機(jī)殼，兩個(gè)布置在該機(jī)殼內(nèi)的傳感器，每個(gè)傳感器包括多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成了多個(gè)區(qū)域，每一區(qū)與同一層的其它區(qū)域彼此絕緣，但通過(guò)一個(gè)堆電極電氣連接到其它層的相同區(qū)域，以及一個(gè)分隔器，布置在兩個(gè)傳感器間，并連接到每一個(gè)傳感器，其中施加給該分隔器的一個(gè)力壓縮一個(gè)傳感器和拉伸另一個(gè)傳感器。
15.一種用于檢測(cè)力和加速度的系統(tǒng)，包括一個(gè)傳感器，具有第一多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成多個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域與同一層的其它區(qū)域彼此絕緣，但通過(guò)一個(gè)堆電極連接到其它層的相同區(qū)域；以及第二多個(gè)堆疊的壓電層，這些壓電層電氣地連接到該公共地并與第一多個(gè)堆疊的壓電層混合，以及一個(gè)發(fā)送器，電氣地連接到該傳感器以便發(fā)送由其產(chǎn)生的信號(hào)，其中施加到所述的第一多個(gè)堆疊的壓電層的力在每個(gè)堆電極和一個(gè)公共地之間產(chǎn)生電勢(shì)上的變化，這種變化表征了作用在對(duì)應(yīng)區(qū)域上的力的分量。
16.如權(quán)利要求15的系統(tǒng)，還包括一個(gè)接收器，用于接收來(lái)自該發(fā)送器的信號(hào)，以及一個(gè)處理器，連接到該接收器以處理該信號(hào)。
17.如權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中該信號(hào)表征該傳感器沿三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。
18.如權(quán)利要求15的系統(tǒng)，還包括連接到該傳感器的一個(gè)慣性質(zhì)量，由此該傳感器可以檢測(cè)在三個(gè)維度上的加速度。
19.如權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中信號(hào)表征了傳感器在引力場(chǎng)中的取向。
20.一種用于成像書寫信息的系統(tǒng)，包括一個(gè)鐵筆尖端，一個(gè)連接到該鐵筆尖端的第一傳感器，該第一傳感器具有第一多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成多個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域與同一層的其它區(qū)域彼此絕緣，但通過(guò)一個(gè)堆電極電氣連接到其它層的相同區(qū)域；以及第二多個(gè)堆疊的壓電層，這些壓電層電氣地連接到一第一公共地并與第一多個(gè)堆疊的壓電層混合，以及一個(gè)連接到該第一傳感器的機(jī)殼，以及一個(gè)第一發(fā)送器，電氣地連接到該第一傳感器以便發(fā)送由其產(chǎn)生的信號(hào)，其中由該傳感器產(chǎn)生的這些信號(hào)用于成像書寫信息。
21.權(quán)利要求20的系統(tǒng)，還包括連接到該機(jī)殼的第二傳感器，該第二傳感器具有第三多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成多個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域與同一層的其它區(qū)域彼此絕緣，但通過(guò)一個(gè)堆電極連接到其它層的相同區(qū)域；以及第四多個(gè)堆疊的壓電層，這些壓電層電氣地連接到一第二公共地并與第三多個(gè)堆疊的壓電層混合，以及一個(gè)第二發(fā)送器，電氣地連接到該第二傳感器以便發(fā)送由其產(chǎn)生的信號(hào)，以及連接到該第二傳感器的一慣性質(zhì)量。
22.如權(quán)利要求21的系統(tǒng)，還包括一個(gè)接收器，用于接收來(lái)自第一和第二發(fā)送器的信號(hào)，以及一個(gè)處理器，電氣地連接到該接收器以處理這些信號(hào)。
23.如權(quán)利要求22的系統(tǒng)，其中該處理器能比較由第一和第二傳感器產(chǎn)生的信號(hào)和所存儲(chǔ)的信號(hào)。
24.如權(quán)利要求22的系統(tǒng)，其中該處理器能識(shí)別筆跡。
25.如權(quán)利要求21的系統(tǒng)，還包括一個(gè)接收器，用于接收來(lái)自第一和第二發(fā)送器的信號(hào)，以及一個(gè)存儲(chǔ)媒介，電氣地連接到該接收器，用于保持所接收的信號(hào)。
26.一種用于動(dòng)態(tài)地監(jiān)視一裝置的系統(tǒng)，包括多個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器具有第一多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成多個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域與同一層的其它區(qū)域彼此絕緣，但通過(guò)一個(gè)堆電極電氣連接到其它層的相同區(qū)域；以及第二多個(gè)堆疊的壓電層，這些壓電層電氣地連接到一公共地并與第一多個(gè)堆疊的壓電層混合，以及處理器，連接到該傳感器以處理由其產(chǎn)生的信號(hào)，其中由這些傳感器產(chǎn)生的信號(hào)表征了作用在該裝置上的力。
27.如權(quán)利要求26的系統(tǒng)，其中該處理器能施加一個(gè)電勢(shì)到一個(gè)傳感器以使該傳感器變形。
28.如權(quán)利要求26的系統(tǒng)，其中該處理器能由一個(gè)用戶進(jìn)行控制。
29.如權(quán)利要求26的系統(tǒng)，其中該裝置是一個(gè)航天器。
30.如權(quán)利要求26的系統(tǒng)，其中該裝置是一個(gè)太空船。
31.一種用于制造檢測(cè)力的傳感器的方法，包括設(shè)置至少兩個(gè)堆，每一個(gè)堆具有多個(gè)壓電層，電氣地將每個(gè)堆中的一第一數(shù)量的壓電層連接到一個(gè)相應(yīng)的堆電極，以及電氣地將一第二數(shù)量的壓電層連接到一個(gè)公共地。
32.如權(quán)利要求31的方法，其中所述的設(shè)置動(dòng)作包括設(shè)置三個(gè)堆，每一個(gè)具有多個(gè)壓電層。
33.如權(quán)利要求31的方法，還包括圍繞這些堆圍繞導(dǎo)電線。
34.如權(quán)利要求31的方法，還包括將這些堆連接到至少一個(gè)慣性質(zhì)量。
35.如權(quán)利要求31的方法，其中第一數(shù)量的層與第二數(shù)量的層順序地交替排列。
36.如權(quán)利要求31的方法，還包括將這些堆電極和公共地連接到一個(gè)檢測(cè)器以測(cè)量在這些堆電極與公共地間的電勢(shì)。
37.一種用于制造檢測(cè)力的傳感器的方法，包括設(shè)置第一多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成多個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域與同一層的其它區(qū)域彼此絕緣，但通過(guò)一個(gè)堆電極電氣連接到其它層的相同區(qū)域。
38.如權(quán)利要求37的方法，還包括設(shè)置第二多個(gè)堆疊的壓電層，這些壓電層電氣地連接到一個(gè)公共地并與第一多個(gè)堆疊的壓電層混合。
39.如權(quán)利要求38的方法，其中第二多個(gè)堆疊的壓電層的各層被分成多個(gè)區(qū)域。
40.如權(quán)利要求38的傳感器，其中第一多個(gè)和第二多個(gè)壓電層順序地交替排列。
41.如權(quán)利要求37的傳感器，其中第一多個(gè)堆疊的壓電層中區(qū)域的數(shù)量是3。
42.如權(quán)利要求37的傳感器，還包括圍繞這些層圍繞導(dǎo)電線。
43.如權(quán)利要求37的傳感器，還包括將這些層連接到至少一個(gè)慣性質(zhì)量。
44.如權(quán)利要求37的傳感器，還包括將堆電極和公共地連接到一個(gè)檢測(cè)器以測(cè)量在堆電極和公共地之間的電勢(shì)。
45.一種用于檢測(cè)力和加速度的方法，包括提供一個(gè)傳感器，該傳感器具有第一多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成多個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域與同一層的其它區(qū)域彼此絕緣，但通過(guò)一個(gè)堆電極電氣連接到其它層的相同區(qū)域；以及第二多個(gè)堆疊的壓電層，這些壓電層電氣地連接到一公共地并與第一多個(gè)堆疊的壓電層混合，以及電氣地將一個(gè)發(fā)送器連接到該傳感器以便發(fā)送由其產(chǎn)生的信號(hào)，由此，在一堆電極與公共地間的電勢(shì)的變化表征了一個(gè)力，并由此可沿三個(gè)軸檢測(cè)力。
46.如權(quán)利要求45的方法，還包括將該傳感器布置在一個(gè)表面上。
47.如權(quán)利要求45的方法，還包括設(shè)置一個(gè)接收器，以接收來(lái)自該發(fā)送器的信號(hào)，以及將一個(gè)處理器連接到該接收器以處理該信號(hào)。
48.如權(quán)利要求45的方法，還包括將一個(gè)慣性質(zhì)量連接到該傳感器。
49.一種用于制造檢測(cè)力的系統(tǒng)的方法，包括提供一個(gè)機(jī)殼，將兩個(gè)傳感器布置在該機(jī)殼內(nèi)，每個(gè)傳感器包括多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成多個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域與同一層的其它區(qū)域彼此絕緣，但通過(guò)一個(gè)堆電極電氣連接到其它層的相同區(qū)域；以及在兩個(gè)傳感器間布置一個(gè)可移動(dòng)的分隔器，以及將該分隔器連接到每一個(gè)傳感器。
50.一種用于成像書寫信息的方法，包括設(shè)置一個(gè)機(jī)殼，將一個(gè)第一傳感器布置在該機(jī)殼內(nèi)，該第一傳感器具有第一多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成多個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域與同一層的其它區(qū)域彼此絕緣，但通過(guò)一個(gè)堆電極電氣連接到其它層的相同區(qū)域；以及第二多個(gè)堆疊的壓電層，這些壓電層電氣地連接到一第一公共地并與第一多個(gè)堆疊的壓電層混合，以及將一個(gè)鐵筆尖端連接到該第一傳感器，以及電氣地將一第一發(fā)送器連接到該第一傳感器以便發(fā)送由其產(chǎn)生的信號(hào)，其中由該傳感器產(chǎn)生的信號(hào)用于成像書寫信息。
51.如權(quán)利要求50的方法，還包括將第二傳感器連接到該機(jī)殼，該第二傳感器具有第三多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成多個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域與同一層的其它區(qū)域彼此絕緣，但通過(guò)一個(gè)堆電極電氣連接到其它層的相同區(qū)域；以及第四多個(gè)堆疊的壓電層，這些壓電層電氣地連接到一第二公共地并與第三多個(gè)堆疊的壓電層混合，以及電氣地將一個(gè)第二發(fā)送器連接到第二傳感器以便發(fā)送由其產(chǎn)生的信號(hào)，以及將一個(gè)慣性質(zhì)量連接到第二傳感器。
52.如權(quán)利要求51方法，還包括設(shè)置一個(gè)接收器以接收來(lái)自第一和第二發(fā)送器的信號(hào)，以及電氣地將一個(gè)處理器連接到該接收器以處理這些信號(hào)。
53.如權(quán)利要求52方法，還包括檢測(cè)表征鐵筆尖端運(yùn)動(dòng)的力，以及利用第一和第二傳感器產(chǎn)生表征該鐵筆尖端運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。
54.如權(quán)利要求51方法，還包括設(shè)置一個(gè)接收器以接收來(lái)自第一和第二發(fā)送器的信號(hào)，以及設(shè)置一個(gè)電氣地連接到該接收器的存儲(chǔ)媒介以便保留所接收的信號(hào)。
55.如權(quán)利要求54方法，還包括將由第一和第二傳感器產(chǎn)生的信號(hào)與所存儲(chǔ)的信號(hào)進(jìn)行比較。
56.如權(quán)利要求54方法，還包括將信號(hào)標(biāo)識(shí)為表征一個(gè)人的筆跡。
57.一種動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)一個(gè)裝置的方法，包括設(shè)置多個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器具有第一多個(gè)堆疊的壓電層，每一層被分成多個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域與同一層的其它區(qū)域彼此絕緣，但通過(guò)一個(gè)堆電極電氣連接到其它層的相同區(qū)域；以及第二多個(gè)堆疊的壓電層，這些壓電層電氣地連接到一公共地并與第一多個(gè)堆疊的壓電層混合，以及將一個(gè)處理器連接到這些傳感器以便處理由其產(chǎn)生的信號(hào)，以及將這些傳感器連接到該裝置，由此由這些傳感器產(chǎn)生的信號(hào)表征了作用在該裝置上的力。
58.如權(quán)利要求57方法，該處理器可把一個(gè)電勢(shì)加到一個(gè)傳感器以使該傳感器變形。
59.如權(quán)利要求57法，其中該處理器可由一個(gè)用戶進(jìn)行控制。
60.如權(quán)利要求57法，其中該裝置是一個(gè)航天器。
全文摘要
本系統(tǒng)和方法涉及能基本上同時(shí)檢測(cè)和產(chǎn)生力的傳感器/致動(dòng)器設(shè)備,本壓電設(shè)備能工作在多個(gè)維度上。在某些實(shí)施例中,這些設(shè)備結(jié)合進(jìn)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)視一個(gè)裝置如鐵筆的運(yùn)動(dòng),或者用于監(jiān)視作用在一個(gè)裝置如飛機(jī)上的力,所檢測(cè)到的力可以用于重建該設(shè)備的運(yùn)動(dòng),可以用于識(shí)別筆跡或用于其它的目的。該系統(tǒng)也可以用作致動(dòng)器,比如控制一個(gè)裝置或使一個(gè)表面變形。
文檔編號(hào)G01L5/22GK1328642SQ99807923
公開(kāi)日2001年12月26日 申請(qǐng)日期1999年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月25日
發(fā)明者斯特凡·A·德斯赫雷弗 申請(qǐng)人:Lci慧筆公司