ES2239652T3 - Aparato y metodo de deteccion de torsion. - Google Patents

Abstract

Detector de torsión (8), que comprende: un eje (16) que comprende un material magnetoestrictivo; un primer par de polos (110) opuestos de un imán permanente que definen un eje que está alineado de manera tangencial a una superficie circunferencial del eje para inducir un campo magnético localizado (22) en el material magnetoestrictivo entre los polos opuestos de un imán; y por lo menos un detector de flujo (18) para la detección de torsión dispuesto para detectar una componente del campo magnético localizado que escapa del material magnetoestrictivo cuando el eje es sometido a torsión.

Description

Aparato y método de detección de torsión.

Antecedentes de la técnica

La presente invención se refiere a detectores de torsión, más específicamente a unos detectores de torsión magnetoestrictivos.

El efecto magnetoestrictivo puede definirse como el cambio de las dimensiones de un material cuando es expuesto a un campo magnético o como su efecto inverso, es decir, el cambio en la magnetización de un material como resultado de una tensión externa. Este efecto magnetoestrictivo inverso es referido como el efecto magnetoelástico, pero el término magnetoestrictivo es utilizado exclusivamente en el presente documento. De manera general, el efecto magnetoestrictivo está asociado con materiales ferromagnéticos.

La patente US nº 5.351.555 da a conocer un detector de torsión sin contacto del tipo magnetoestrictivo que se puede utilizar con ejes giratorios. Tal como se ilustra en la figura 16 de los dibujos adjuntos, el detector de torsión comprende un collar 120 ajustado firmemente sobre un eje 116. El collar 120 está magnetizado circunferencialmente alrededor del eje tal como se indica mediante flechas en la figura. Cuando el eje 116 es sometido a torsión, la torsión es transmitida hacia el collar 120 e induce un campo magnético helicoidal en el mismo. Una componente del campo helicoidal es detectada por un detector 118 de flujo magnético dispuesto externamente, a partir del cual se puede deducir la magnitud de la torsión.

Un detector similar se da a conocer en la patente US nº 5.465.627, comprendiendo además el detector un imán regenerativo fijado externamente que no es suficientemente intenso para polarizar el collar, pero que actúa en su lugar para corregir cualquier inestabilidad que se desarrolle en la magnetización.

Aunque estos diseños funcionan satisfactoriamente, han sido criticados por varios motivos. Un problema es que bajo condiciones de torsión elevada es posible que el collar patine sobre el eje. Otra cuestión son los costes de fabricación asociados con la producción y ajuste del collar al eje, que se ha dicho que son elevados.

Los documentos WO 99/21150, WO 99/21151 y WO 99/56099 dan a conocer diferentes diseños de un detector de torsión que resuelve los inconvenientes de los diseños basados en un collar. En estos diseños más recientes, una parte del propio eje está magnetizada, permitiendo así su disposición con un collar magnetizado aparte. La figura 17 de los dibujos adjuntos ilustra un ejemplo de tales diseños sin collar. Un eje 116 presenta unas partes integrales 122 del mismo que están polarizadas magnéticamente en la dirección circunferencial, es decir, alrededor del eje, como en los diseños basados en collar. Se prefieren múltiples zonas polarizadas, con unos dominios adyacentes que están polarizados magnéticamente de manera inversa, tal como se ilustra en la figura en la cual se muestran unos dominios de este tipo. La aplicación de torsión sobre el eje produce un cambio en el campo magnético externo al eje, el cual es medido mediante un detector 118 de flujo magnético adecuado, similar a los diseños basados en collar.

Un problema común a todos estos diseños es su dependencia respecto a la polarización permanente del collar o del eje. La polarización magnética es inducida durante la fabricación, pero alteraciones en la fabricación producen alteraciones en la intensidad de polarización, que a su vez producen alteraciones en la sensibilidad de entre diferentes detectores. Aunque se proponen medidas para controlar estas alteraciones en el documento WO 99/56099, estas medidas son bastante complejas. Con mayor seriedad, todos los diseños mencionados anteriormente dependen de, y suponen, una estabilidad a largo plazo de la parte polarizada magnéticamente del detector. Si la polarización magnética decae, entonces una torsión externa dada aplicada sobre el eje dará como resultado una salida de menor nivel del detector de flujo magnético. Por lo tanto, si se necesita una sensibilidad absoluta, se requerirá una recalibración periódica del detector. Si el decaimiento es más serio, entonces será necesaria la remagnetización de la parte magnetizada del detector de torsión, o más probablemente la substitución de todo el detector.

Por lo tanto, es un objetivo de la invención proporcionar un detector de torsión que reduzca la dependencia de la técnica anterior respecto la intensidad de la polarización magnética.

Sumario de la invención

Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un detector de torsión que comprende: un eje que comprende un material magnetoestrictivo; un par de polos opuestos de un imán permanente que definen un eje que está alineado de manera tangencial a la superficie circunferencial del eje, para inducir un campo magnético localizado en el material magnetoestrictivo entre los polos opuestos de un imán; y por lo menos un detector de flujo para la detección de torsión dispuesto para detectar una componente del campo magnético localizado que escapa del material magnetoestrictivo cuando el eje es sometido a
torsión.

Así, no resulta necesaria una parte polarizada magnéticamente de manera permanente del componente sometido a torsión, es decir, el eje o su collar, la cual es esencial para todos los diseños de la técnica anterior referidos anteriormente. El campo magnético en el componente sometido a torsión es inducido en su lugar con un campo magnético externo. Como resultado, la intensidad del campo magnético es cuantificada fácilmente, por ejemplo mediante unos detectores de flujo adicionales dispuestos cerca de los polos externos de un imán. Otra consecuencia del diseño propuesto es que la etapa de fabricación de la técnica anterior de magnetizar de manera permanente el collar o el eje es eliminada completamente, simplificando de esta manera en gran medida la fabricación del detector de torsión.

El eje magnetoestrictivo puede estar hecho de una amplia gama de materiales ferromagnéticos incluyendo muchos tipos de acero inoxidable, acero de herramientas y aleaciones de Ni-Fe. Esto proporciona la ventaja de que el detector de torsión magnetoestrictivo puede ser readaptado a un componente que incluye un eje que es sometido a torsión, debido a que el eje no requiere estar magnetizado o tener unos recubrimientos extra o unos collares unidos a él.

En una forma de realización, el detector de torsión magnetoestrictivo comprende un eje magnetoestrictivo que tiene un cuerpo principal de material no ferromagnético envuelto por una capa de material magnetoestrictivo. Un detector de este tipo es especialmente ventajoso debido a que proporciona libertad de diseño en la elección del eje. Por ejemplo, el eje puede estar hecho de un metal o de unos compuestos no ferromagnéticos.

Se pueden disponer unos detectores de flujo adicionales dispuestos de manera adyacente a los imanes, para proporcionar una medición independiente de la intensidad de los imanes. La salida de los detectores de flujo adicionales se puede combinar con la salida de los detectores de flujo dispuestos para medir una torsión de manera que las variaciones en la intensidad de los imanes pueden ser compensadas. Esta disposición tiene la ventaja sobre la técnica anterior de que el campo magnético circunferencial permanente tanto en el eje o en su collar, no puede ser cuantificado durante la medición. Los detectores de la técnica anterior requieren la aplicación de una torsión conocida sobre ellos para comprobar la calibración, lo cual es poco práctico o difícil de conseguir en algunas situaciones, por ejemplo, para una columna de dirección en un automóvil.

La invención puede encontrar una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, un detector de torsión que constituye una forma de realización de la invención, puede ser incorporado en una columna de dirección de un automóvil o en la caja de cambios de un automóvil. En el caso de una caja de cambios, el detector de torsión puede estar dispuesto para medir la aplicación de torsión sobre el eje principal de la caja de cambios, y dispuesto, por ejemplo, dentro del emplazamiento principal de la caja de cambios.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un método para la detección de torsión que comprende:

(a)

disponer un eje que comprende un material magnetoestrictivo;

(b)

aplicar un campo magnético externo sobre el eje, utilizando un par de polos opuestos de un imán permanente que definen un eje que está alineado de manera tangencial a una superficie circunferencial del eje para inducir un campo magnético localizado en el material magnetoestrictivo entre los polos opuestos de un imán;

(c)

aplicar torsión sobre el eje de manera que una componente del campo magnético interno se escape del material magnetoestrictivo; y

(d)

detectar la componente escapada del campo magnético interno y suministrar una señal de torsión en respuesta a la misma.

En una forma de realización, dicho por lo menos un detector de flujo para la detección de torsión comprende preferentemente un par de detectores de flujo para la detección de torsión dispuestos en lados opuestos del eje desplazado circunferencialmente respecto al par de polos opuestos de un imán.

En una forma de realización adicional, el detector de torsión comprende: un eje que comprende un material magnetoestrictivo; un primer par de polos opuestos de un imán permanente que definen un eje que está alineado de manera tangencial a una superficie circunferencial del eje para inducir un primer campo magnético localizado en el material magnetoestrictivo en una primera dirección circunferencial; un segundo par de polos opuestos de un imán permanente desplazados axialmente a lo largo del eje, desde el primer par de polos opuestos de un imán permanente, y que definen un segundo eje que está alineado de manera tangencial a la superficie circunferencial del eje para inducir un segundo campo magnético localizado en el material magnetoestrictivo en una segunda dirección circunferencial opuesta a la primera dirección circunferencial; y un primer y segundo detectores de flujo para la detección de torsión dispuestos para detectar una primera y una segunda componentes del primer y segundo campos magnéticos localizados que escapan del material magnetoestrictivo cuando el eje es sometido a torsión.

Breve descripción de los dibujos

Para una mejor comprensión de la invención y para mostrar cómo puede ponerse en práctica, se hace referencia a continuación, a título de ejemplo, a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es una vista esquemática de un detector de torsión magnetoestrictivo;

la figura 2 es una vista en sección transversal que muestra el detector de torsión magnetoestrictivo de la figura 1;

la figura 3 es una vista en sección transversal de un detector de torsión magnetoestrictivo adicional;

la figura 4 muestra las interconexiones entre los dos detectores de flujo de la figura 3;

la figura 5 es un dibujo esquemático de todavía un detector de torsión magnetoestrictivo adicional;

la figura 6 es un dibujo esquemático de todavía otro detector de torsión magnetoestrictivo adicional;

la figura 7 es un dibujo esquemático en sección transversal de un detector de torsión magnetoestrictivo;

la figura 8 muestra las interconexiones entre cuatro detectores de flujo de la figura 7;

la figura 9 es una sección transversal esquemática de un detector de torsión magnetoestrictivo adicional;

la figura 10 es un diagrama esquemático de un sistema de realimentación utilizado para el control del campo magnético en la figura 9;

la figura 11 es una vista en sección transversal de un detector de torsión magnetoestrictivo de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 12 muestra las interconexiones entre los detectores de flujo para la forma de realización de la figura 11;

la figura 13 es una vista esquemática en perspectiva del detector de torsión magnetoestrictivo de la forma de realización de la figura 11;

la figura 14 es una vista esquemática en perspectiva del detector de torsión magnetoestrictivo de acuerdo con una forma de realización adicional de la presente invención;

la figura 15 es una sección de una caja de cambios de un automóvil con un detector de torsión que constituye una forma de realización de la invención;

la figura 16 es una vista esquemática de un detector de torsión magnetoestrictivo de la técnica anterior de acuerdo con el documento US nº 5.351.555; y

la figura 17 es una vista esquemática de un detector de torsión magnetoestrictivo de la técnica anterior de acuerdo con el documento WO 99/21150.

Descripción detallada

La figura 1 es un diagrama esquemático de un detector magnetoestrictivo 8 a título de ejemplo que está fuera del alcance de las reivindicaciones adjuntas. El detector magnetoestrictivo 8 comprende un eje 16 que puede ser sometido a una torsión 38 que ha de ser detectada, tal como se ilustra mediante una flecha en la figura. El eje 16 está hecho de un material magnetoestrictivo, pero no está, en sí mismo, magnetizado de manera permanente (en contraste a los diseños de la técnica anterior referidos en la introducción). En lugar de magnetizar de manera permanente el eje, el eje 16 es magnetizado in situ mediante un campo magnético externo generado por un par de imanes permanentes 10 y 12.

El eje 16 está realizado en material magnetoestrictivo "Terfenol-D", el cual presenta un coeficiente magnetoestrictivo muy elevado \lambda=\DeltaL/L, del orden de 2.000 x 10^{-6}. De manera general, se prefieren para el eje unos materiales con unos coeficientes magnetoestrictivos de por lo menos 20 x 10^{-6}, aunque un eje hecho de un material con un coeficiente magnetoestrictivo inferior todavía seguirá funcionando.

Algunos ejemplos de otros materiales adecuados para el eje son:

1.

aleaciones maragizadas de Ni-Fe;

2.

aceros inoxidables 17-4 PH, 17-7 PH y 15-5 PH;

3.

acero de herramientas;

4.

Ni-Fe con un contenido de Ni entre 14-28%;

5.

Ni-Fe con un contenido de Ni entre 42-65%;

6.

aleación de Ni-Fe 718 (AMS 5663E);

7.

aleación Supermet 625;

8.

Permenorm 5000 H2;

9.

Dimag 1, 2 y Dimag X;

10.

aleaciones de Fe/B/Si.

Los imanes permanentes 10 y 12 están dispuestos de manera que un par de polos opuestos 11 y 13 de un imán (es decir, Norte y Sur) están dispuestos circunferencialmente alrededor del eje y enfrentados al eje de manera que es inducido un campo magnético localizado en el material magnetoestrictivo del eje, entre el par de polos opuestos 11 y 13 de un imán. En la figura, los imanes permanentes 10 y 12 están dispuestos de manera diametralmente opuesta entre sí alrededor del eje magnetoestrictivo 16, con una de sus caras extremas 11 y 13 dispuesta de manera tangencial a la superficie del eje magnetoestrictivo 16.

En una construcción alternativa (no mostrada), un único imán permanente podría ser utilizado en lugar de un par de imanes, con los polos individuales del imán permanente único estando dispuestos en las mismas posiciones que los polos 11 y 13 de los imanes de la primera forma de realización. Por ejemplo, una forma de herradura del imán permitiría una construcción de este tipo.

Un detector 18 de flujo magnético está dispuesto circunferencialmente entre los imanes permanentes 10 y 12, para detectar una componente del campo magnético localizado que escapa del material magnetoestrictivo cuando el eje es sometido a la torsión 38. El detector 18 de flujo magnético preferente es un detector de bobina saturada. Sin embargo, una variedad de otros detectores de flujo podrían ser utilizados, por ejemplo, un detector Hall, un magnetoresistor, un magnetotransistor o unos detectores MAGFET (Transistor de Efecto de Campo Magnético).

La figura 2 es una vista en sección transversal a través del detector magnetoestrictivo 8 de la figura 1. Las trayectorias del flujo magnético dentro del eje 16 están indicadas con las líneas 22. Las trayectorias del flujo van desde el polo Norte 11 del imán 10, a través de una separación de aire, hasta la superficie del eje 16, y a continuación se extienden dentro del eje 16 generalmente en la dirección Norte-Sur, antes de cruzar una separación de aire adicional entre la superficie del eje 16 y el polo Sur 13 del imán 12. El campo magnético dentro del eje 16 produce una alineación de los dominios magnetoestrictivos en la dirección local del campo magnético.

Los imanes permanentes 10 y 12 están conectados mediante un elemento 20 de bucle magnético que tiene forma semicircular en sección. El elemento 20 de bucle está unido a los extremos distales de los imanes permanentes 10 y 12, de manera que existe un grado elevado de proximidad al campo magnético 22, aumentando por lo tanto el campo magnético que se infiltra en el eje magnetoestrictivo 16 y reduciendo los campos parásitos.

En el presente ejemplo, los imanes permanentes 10 y 12 están hechos de una aleación sinterizada de NiFeBr, y producen una densidad de flujo magnético de 350 mT aproximadamente. Sin embargo, se podrían utilizar imanes de menor (o mayor) intensidad. Un valor apropiado de la densidad de flujo magnético producida por los imanes permanentes dependerá de la composición y de las dimensiones del eje magnetoestrictivo y la gama de torsiones 38 que serán aplicadas sobre el eje magnetoestrictivo.

En su utilización, el eje magnetoestrictivo 16 produce un campo magnético en respuesta a la torsión 38 aplicada sobre el eje magnetoestrictivo 16, que fuerza la realineación de los dominios magnetoestrictivos en el eje. El campo magnético generado por la torsión 38 perturba el campo magnético producido por los imanes permanentes 10 y 12. El detector 18 de flujo magnético detecta esta perturbación. La señal de salida del detector de flujo 18 es indicativa generalmente de la magnitud de la torsión 38. En la medida en que la respuesta no es perfectamente lineal, esto se puede compensar mediante una calibración en combinación con un proceso apropiado de la señal de salida. El eje 16 puede ser una columna de dirección de un automóvil o de otros vehículos, por ejemplo, y las salidas del detector de flujo 18 pueden ser utilizadas para ser realimentadas hacia un sistema electrónico de control de potencia para dirección asistida.

La figura 3 muestra un detector de torsión de acuerdo con un segundo ejemplo fuera del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Como en el primer ejemplo, el eje 16 está hecho de un material magnetoestrictivo y es magnetizado in situ mediante un campo magnético externo generado por un par de imanes permanentes 10 y 12, que penetra dentro del eje 16. Los imanes permanentes 10 y 12 están dispuestos de manera que un par de polos opuestos 11 y 13 de un imán (es decir, Norte y Sur) están dispuestos circunferencialmente alrededor del eje y enfrentados al eje. Los polos opuestos de un imán inducen, en el material magnetoestrictivo del eje, un campo magnético localizado, que pasa entre los polos opuestos 11 y 13 de un imán. Un par de detectores 18 de flujo magnético están dispuestos de manera radial por fuera del eje, dispuestos circunferencialmente entre los imanes permanentes 10 y 12, para detectar una componente del campo magnético localizado que escapa del material magnetoestrictivo cuando el eje es sometido a una torsión 38. Se observa que con una construcción de eje hueco, sería asimismo posible disponer el (los) detector(es) de flujo 18 dentro de la parte hueca del eje. Un anillo 30 de un material magnético es asimismo dispuesto para conectar los extremos distales de los imanes 10 y 12, y para sostener tanto a los imanes 10 y 12 como a los detectores de flujo 18.

El detector de torsión 8 del segundo ejemplo se diferencia principalmente de aquel del primer ejemplo, en que el eje 16 está hueco, en lugar de sólido. El espacio interno dentro del eje hueco sirve para excluir el flujo magnético, concentrando por lo tanto el campo magnético inducido de manera radial hacia fuera del eje de la torsión, donde la tensión inducida por la torsión 38 será más elevada y más cercana a los detectores de flujo 18. Asimismo, un eje hueco es, sometido a tensión por torsión de manera más uniforme que un eje sólido.

La figura 4 muestra las interconexiones eléctricas de los dos detectores de flujo 18 del segundo ejemplo. Tal como se ilustra, los detectores de flujo 18 están cableados en serie. Además, las conexiones son tales que la corriente inducida por el flujo magnético en los dos detectores de flujo se suman entre sí. Esto se obtiene cuando se disponen unos terminales de la misma polaridad circunferencialmente adyacente entre sí como vistos alrededor de la superficie exterior del eje 16. Este esquema de conexión es geométricamente opuesto al que sería realizado en la técnica anterior, en la que los terminales de polaridad opuesta en los detectores adyacentes de manera circunferencial estarían conectados entre sí. Esto se debe a que, en la técnica anterior, el flujo magnético fluye de manera unidireccional alrededor de la circunferencia del eje, por ejemplo en el sentido de las agujas del reloj, como resultado de la polarización magnética permanente unidireccional. En contraste, en el presente caso, existen dos componentes circunferenciales de campo, una que fluye en el sentido de las agujas del reloj y la otra en sentido contrario a las agujas del reloj, alrededor del eje, como resultado del campo magnético que está siendo inducido externamente por los polos magnéticos.

La figura 5 muestra un detector de torsión de acuerdo con un tercer ejemplo fuera del alcance de las reivindicaciones adjuntas. La disposición es, por lo general, similar a aquella del primer ejemplo, con respecto a los imanes permanentes 10 y 12, el detector de flujo 18 y el eje 16. Sin embargo, en el tercer ejemplo, el diseño del eje 16 es diferente. En lugar de un eje sencillo hecho de un material magnetoestrictivo, el cuerpo principal 40 del eje 16 está hecho de un material que no es magnetoestrictivo. El cuerpo principal 40 está ilustrado como si fuera sólido, pero puede estar hueco o estar hecho según cualquier otra construcción interna. El cuerpo principal 40 del eje tiene dispuesta en su superficie exterior adyacente a los imanes permanentes 10 y 12 una capa de un material magnetoestrictivo 36. Esta construcción produce una concentración similar del campo magnético inducido tal como en la disposición del eje hueco descrita anteriormente. Especialmente, el campo magnético inducido se concentra en la parte exterior del eje, donde la torsión 38 es más elevada y cercana a los detectores de flujo.

En un ejemplo, la capa magnetoestrictiva 36 tiene un espesor de 1,5 mm y es depositada mediante un procedimiento de pulverización térmica convencional. Una pulverización a la llama de un hilo es adecuada. Este procedimiento implica un bombardeo iónico de un hilo de metal puro o de aleación con oxígeno y combustible.

Se pueden depositar sin dificultad capas de hasta 5 mm de espesor utilizando pulverización térmica. Si se prefieren capas más delgadas, se puede utilizar una galvanización convencional. Se pueden disponer convenientemente capas de hasta 0,1 mm aproximadamente mediante galvanización.

La figura 6 muestra un detector de torsión de acuerdo con un cuarto ejemplo fuera del alcance de las reivindicaciones adjuntas. La disposición es, por lo general, similar a aquella del primer ejemplo, con respecto a los imanes permanentes 10 y 12, el detector de flujo 18 y el eje 16. Sin embargo, en el cuarto ejemplo, se utiliza un diseño alternativo adicional del eje. El eje 16 comprende un cuerpo principal 32 de un material magnetoestrictivo, tal como una aleación maragizada de NiFe. La superficie exterior del cuerpo principal 32, en la zona activa del eje, tiene dispuesta sobre la misma una capa 34 de un material de baja permeabilidad. En el presente ejemplo, la capa de baja permeabilidad está hecha de aluminio de un espesor típico de 0,5 a 1 mm. La capa 34 de baja permeabilidad puede ser pulverizada térmicamente o galvanizada. La capa 34 de baja permeabilidad tiene dispuesta sobre la misma una capa 36 de un material magnetoestrictivo. En el ejemplo presente, la capa magnetoestrictiva 36 está hecha de una aleación de NiFe, típicamente de espesor entre 0,5 y 5 mm. La capa magnetoestrictiva 36 puede ser depositada mediante pulverización térmica o mediante galvanización. La finalidad de la capa 34 de baja permeabilidad es resistir la penetración del campo magnético inducido externamente dentro del cuerpo magnetoestrictivo principal 32 del eje. En otras palabras, la capa 34 aísla la capa exterior magnetoestrictiva activa 36 del cuerpo principal del eje, que de otro modo influiría intensamente sobre el patrón del campo magnético inducido, debido a sus propiedades magnetoestrictivas. Es posible por lo tanto seleccionar un material para el cuerpo principal del eje que es magnetoestrictivo, sin alterar significativamente el funcionamiento del detector. Se apreciará que no se requiere que el cuerpo principal del eje sea sólido, sino que puede ser hueco o de cualquier otra estructura interna.

La figura 7 muestra en sección transversal un detector de torsión de acuerdo con un quinto ejemplo fuera del alcance de las reivindicaciones adjuntas. El detector de torsión 8 comprende cuatro imanes permanentes 10, 12, 10' y 12' dispuestos de manera radial dentro y sujetados por un anillo 30 que está hecho de un material magnético para dar proximidad al campo magnético 22 generado por los imanes permanentes. Los imanes están dispuestos circunferencialmente de manera que unos imanes adyacentes tienen los polos opuestos 11, 13, 11', 13' enfrentados al eje 16 en secuencia. Además, los imanes están dispuestos en intervalos angulares iguales de 90º, aunque esta separación angular no es crítica y se puede variar. Con esta disposición, el flujo magnético penetra en el eje 16 de manera predominante en sus zonas radialmente exteriores, consiguiendo de esta manera ventajas similares a los ejemplos descritos anteriormente donde se excluye el flujo de la zona central o bien mediante la utilización de un eje hueco o bien mediante la aportación de una capa no magnética que excluye el flujo. El presente ejemplo tiene la ventaja adicional de que se puede conseguir la concentración deseada de flujo magnético en las partes radialmente exteriores del eje mediante un eje sólido sencillo.

El detector de torsión está dotado de cuatro detectores de flujo 18 dispuestos circunferencialmente entre los imanes permanentes 10, 12, 10' y 12' para la medición de la componente de flujo magnético atribuible a la torsión en el eje 16. Los detectores de flujo 18 están sujetados en su lugar de manera conveniente mediante el anillo 30. Mediante el aumento del número de detectores de flujo 18, unas variaciones en la señal causadas por unos cambios en la distancia entre la superficie exterior del eje y los detectores de flujo, por ejemplo debido a la excentricidad en el eje o en su montura pueden ser compensadas para obtener giros más reducidos del eje. Esto es ventajoso para aplicaciones en las cuales el eje no gira rápidamente, sino que solamente está siendo sometido a torsión como resultado de unos giros angulares pequeños de menos de uno o más giros completos. Un ejemplo de una aplicación de este tipo es la columna de dirección de un automóvil, donde el giro completo entre las posiciones de bloqueo puede ser sólo de un giro completo aproximadamente. Una característica adicional del quinto ejemplo es la aportación de un detector de flujo 19 adicional, dispuesto de manera adyacente a uno de los imanes permanentes 12' en la separación de aire entre el polo 13' del imán enfrentado al eje y el eje. Para evitar la confusión con los detectores de flujo 18, el detector de flujo 19 es referido a continuación como el detector para la supervisión del flujo magnético, y los detectores de flujo 18 como los detectores de flujo para la detección de torsión. El detector 19 para la supervisión del flujo magnético sirve para proporcionar una medida independiente de la energía de excitación que se suministra al eje 16 mediante el imán permanente 12'. Una perturbación en la intensidad del campo magnético 22 proporcionada por los imanes permanentes, producida por ejemplo por fluctuaciones de temperatura o por envejecimiento de los imanes permanentes, puede ser recuperada de esta manera a partir de la señal de salida de los detectores de flujo 18 para la detección de la torsión. Se apreciará que el detector 19 para la supervisión del flujo magnético puede estar colocado de manera adyacente a cualquiera de los imanes permanentes. Adicionalmente, se apreciará que se pueden disponer múltiples detectores para la supervisión del flujo magnético, por ejemplo uno para cada polo magnético activo.

La figura 8 muestra las interconexiones eléctricas de los cuatro detectores de flujo 18 del quinto ejemplo. Tal como se ilustra, los detectores de flujo 18 están cableados en serie. Además, las conexiones son tales que las corrientes inducidas por el flujo magnético en los cuatro detectores de flujo se suman entre sí. Esto se consigue cuando los terminales de la misma polaridad están dispuestos circunferencialmente adyacente entre sí como vistos alrededor de la superficie exterior del eje 16. Este esquema de conexión es geométricamente opuesto al que sería realizado en la técnica anterior, tal como se ha descrito antes adicionalmente con respecto al segundo ejemplo.

La figura 9 muestra en sección transversal un detector de torsión de acuerdo con un sexto ejemplo fuera del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Este ejemplo es análogo al primer ejemplo, pero utiliza unos electroimanes 60 y 62 en lugar de imanes permanentes, para la inducción del campo magnético en el eje 16. Se dispone un detector de flujo 19 para la supervisión del campo además de un detector de flujo 18 para la detección de torsión. El detector de flujo 19 para la supervisión del campo se puede utilizar para controlar el campo magnético generado por los electroimanes, tal como se ilustra en la figura 10, así como o en lugar de compensar de manera pasiva las señales generadas por el detector de flujo 18 para la detección de torsión.

La figura 10 es un dibujo esquemático de bloques del detector de torsión del sexto ejemplo con el sistema de control de electroimanes asociado. La variación de la intensidad del campo magnético 22 producido por el electroimán 60 es detectada por el detector 19 para la supervisión del flujo magnético. Los detectores 19 para la supervisión del flujo magnético suministran una señal de salida a un circuito de control 42, siendo la señal de salida indicadora de la magnitud del campo instantáneo del electroimán 60. El circuito de control 42 controla a continuación la energía eléctrica suministrada a las bobinas de los electroimanes 60 y 62 a través del control de la fuente 44 de alimentación de los electroimanes. De acuerdo con lo anterior, la energía eléctrica suministrada a los electroimanes se puede estabilizar en un lazo de realimentación.

Se apreciará que en cualquiera de los ejemplos anteriores, el número de detectores de flujo 18 se puede variar tal como se ha descrito con respecto a los otros ejemplos para proporcionar variantes adicionales.

Se apreciará asimismo que en cualquiera de los ejemplos anteriores, se pueden disponer uno o más detectores para la supervisión del flujo magnético, por ejemplo sólo uno, o uno para cada polo magnético activo.

La figura 11 es una vista en sección transversal de un detector de torsión magnetoestrictivo de acuerdo con una forma de realización de la invención. El detector magnetoestrictivo 8 comprende un eje 16 que está hecho de un material magnetoestrictivo, pero no está magnetizado por sí mismo de manera permanente. El eje 16 está ilustrado como un eje sólido, pero cualquiera de los diseños del eje discutidos en relación a los ejemplos anteriores podrían ser utilizados. Un único imán permanente 110, que tiene una longitud de 20 mm en un ejemplo, está dispuesto de manera adyacente a la superficie del eje 16 con su eje Norte-Sur extendiéndose de manera tangencial en relación a la circunferencia del eje 16 y perpendicular al eje principal de giro del eje 16. (Se apreciará que no es necesaria una alineación tangencial y perpendicular exacta, pero que la alineación debería adecuarse aproximadamente a estos criterios. Por ejemplo, el ángulo tangencial puede variar en 10, 20 grados o más, y la alineación perpendicular puede variar en 10, 20, 30, 40 grados o más). Esta disposición tiene en común con los ejemplos anteriores que un par de polos opuestos de un imán están dispuestos circunferencialmente alrededor del eje 16, pero difiere de los ejemplos anteriores con respecto a la alineación del imán con respecto al eje. El imán permanente 110 está sujetado a un anillo de flujo 30 mediante un soporte 112 de imán, que está preferentemente hecho de un material no magnético tal como aluminio. El anillo de flujo 30 puede estar hecho de acero u otro material magnético. La disposición del anillo de flujo es similar a aquella del segundo ejemplo.

El detector 8 está dotado de un par de detectores 18 de flujo magnético dispuestos a \pm90º en relación al imán permanente 110 y 180º aparte en sección transversal, según se ve a lo largo del eje de giro del eje 16. En otras palabras, los detectores 18 de flujo magnético están dispuestos de manera radialmente opuesta entre sí en cualquier lado del eje 16. Los detectores 18 de flujo magnético son preferentemente detectores de bobina saturada, aunque se pueden utilizar otros detectores como los discutidos con respecto a los ejemplos anteriores.

El anillo de flujo 30 actúa como una pantalla magnética para los detectores de flujo 18. por consiguiente, imanes o campos magnéticos externos tendrán un efecto despreciable sobre el funcionamiento del dispositivo.

La figura 12 muestra cómo los detectores de bobina están conectados en serie. El esquema de conexión ha de ser comparado con aquel del segundo ejemplo ilustrado en la figura 4. El esquema de conexión es diferente de aquel del segundo ejemplo debido al hecho de que el campo magnético inducido en la superficie del eje 16 fluye de manera unidireccional alrededor de la mayor parte de la superficie del eje, tal como se ilustra en la figura 11, con sólo una pequeña parte de la superficie del eje dispuesta de manera directamente adyacente al imán permanente 110 teniendo el flujo magnético fluyendo en la dirección circunferencial opuesta.

La disposición de la forma de realización de la figura 11, en la cual el campo magnético es inducido por polos opuestos de un imán, alineados a lo largo de un eje perpendicular al eje del eje 16 de manera tangencial a la superficie del eje, tiene varias ventajas. Permite la realización de un detector de torsión mediante un simple y único imán recto, reduciendo por lo tanto el coste. Proporciona una mayor magnitud de magnetización circunferencial mediante la concentración del campo magnético inducido en la parte exterior del eje 16. Reduce la magnitud de campo diferencial en comparación con las disposiciones de imanes múltiples descritas en los ejemplos anteriores. La utilización de los múltiples detectores de flujo magnético para la medición del flujo inducido por un único imán permite una reducción de la perturbación giratoria de la señal y aumenta la relación sensibilidad/perturbación. La disposición ilustrada con un par de bobinas que están dispuestas de manera diametralmente opuesta entre sí, es decir, a 180º entre sí, proporciona la máxima reducción de la perturbación. (El par de detectores podrían estar, por supuesto, dispuestos en ángulos diferentes entre sí según una amplia gama, aunque cuanto más se diferencien sus posiciones angulares respecto a 180º entre sí, menor cancelación de la perturbación se espera. Por supuesto, sería asimismo posible utilizar solamente un detector de flujo magnético único, pero no se conseguirían efectos de cancelación de la perturbación).

En un ejemplo de la forma de realización de la figura 11, la salida del circuito detector de flujo es establecida a 2,5 voltios bajo condiciones de torsión nula. Cuando se aplica una torsión sobre el eje 16, los dominios simples de los cristales, que están alineados circunferencialmente, son obligados a girar. A su vez, esto produce un cambio de flujo en las bobinas. A continuación, la salida del circuito detector de flujo cambia con el cambio de la tensión de manera linealmente proporcional a la torsión aplicada.

La figura 13 muestra el detector de torsión magnetoestrictivo de la forma de realización de la figura 11 en una vista esquemática en perspectiva. Se puede ver el único imán permanente 110 como adyacente al eje magnetoestrictivo 16, tal como se ha descrito previamente, con uno de los detectores 18 de flujo magnético con una disposición desplazada evidente de 90º respecto al imán permanente 110, según se ve a lo largo del eje del eje. Las líneas circunferenciales 22 de campo inducidas por el imán permanente 110 están asimismo ilustradas.

Se apreciará que muchas de las variaciones discutidas con respecto del primer al sexto ejemplo pueden ser realizadas con el diseño de la forma de realización de la figura 11. En particular, se pueden utilizar varios tipos diferentes de detector de flujo magnético, y se pueden incluir detectores adicionales para la supervisión del flujo magnético. Además de estas variaciones, se apreciará que aunque se prefiere la utilización de un único imán permanente en la presente invención, se podrían utilizar múltiples imanes permanentes con la alineación perpendicular defendida entre el eje del eje y el eje Norte-Sur del imán permanente.

La figura 14 es una vista en perspectiva de un detector de torsión magnetoestrictivo de acuerdo con una forma de realización adicional de la invención. El detector magnetoestrictivo 8 comprende un eje 16 que está hecho de un material magnetoestrictivo, pero que no está magnetizado de manera permanente por sí mismo. El eje 16 está ilustrado como un eje sólido, pero se podría utilizar cualquiera de los diseños del eje discutidos en relación a las formas de realización previas. En una primera porción de longitud o zona a lo largo del eje, etiquetada como Zona A en la figura, un primer imán permanente 110A, que tiene una longitud de 20 mm en un ejemplo, está dispuesto de manera adyacente a la superficie del eje 16, con su eje Norte-Sur extendiéndose de manera tangencial en relación a la circunferencia del eje 16 y perpendicular al eje principal de giro del eje 16. El eje comprende una segunda porción de longitud o zona, etiquetada como Zona B en la figura, adyacente de manera axial a la primera porción de longitud A, en la que está dispuesto un segundo imán permanente 18B. El segundo imán permanente 18B está dispuesto de manera adyacente a la superficie del eje 16, con su eje Norte-Sur extendiéndose de manera tangencial en relación a la circunferencia del eje 16 y perpendicular al eje principal de giro del eje 16. Sin embargo, el segundo imán permanente 110B tiene sus polos dispuestos de manera opuesta a aquellos del primer imán permanente 110A, de manera que los dos imanes permanentes inducen unos campos circunferenciales respectivos de dirección opuesta, es decir, en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario de las agujas del reloj, en las Zonas A y B. Las Zonas A y B están dotadas de unos pares respectivos de detectores de flujo magnético 18A y 18B dispuestos a \pm90º en relación a los imanes permanentes 110A y 110B, y separados en 180º en sección transversal según se ve a lo largo del eje de giro del eje 16. Sólo es visible en la figura uno de cada uno de los detectores de flujo de cada par, pero la disposición será apreciada en relación a la forma de realización de la figura 11. De esta manera, cada zona tiene su propio imán y sus detectores de flujo sujetos a un anillo de flujo (no mostrado), tal como se ha descrito en relación a la forma de realización de la figura 11. Si se desea, se pueden añadir zonas adicionales.

La disposición de múltiples zonas de la forma de realización de la figura 14 es ventajosa en que tenderá a cancelar cualquier campo magnético espúreo que de otro modo pudiera existir en los extremos del eje 16.

La figura 15 es una sección de una caja de cambios de un automóvil con un detector de torsión 8 que constituye una forma de realización de la invención dispuesta en la misma. El detector de torsión 8 está dispuesto alrededor del eje principal 80. El embrague 82 es asimismo evidente.

Claims (16)

1. Detector de torsión (8), que comprende:

un eje (16) que comprende un material magnetoestrictivo;

un primer par de polos (110) opuestos de un imán permanente que definen un eje que está alineado de manera tangencial a una superficie circunferencial del eje para inducir un campo magnético localizado (22) en el material magnetoestrictivo entre los polos opuestos de un imán; y

por lo menos un detector de flujo (18) para la detección de torsión dispuesto para detectar una componente del campo magnético localizado que escapa del material magnetoestrictivo cuando el eje es sometido a torsión.

2. Detector de torsión según la reivindicación 1, en el que dicho primer par de polos (110A) opuestos de un imán permanente definen un eje que está alineado de manera tangencial a una superficie circunferencial del eje para inducir un primer campo magnético localizado (22A) en el material magnetoestrictivo en una primera dirección circunferencial;

y que comprende además:

un segundo par de polos (110B) opuestos de un imán permanente dispuestos axialmente desplazados a lo largo del eje desde el par de polos opuestos del imán permanente mencionado en primer lugar y que definen un segundo eje que está alineado de manera tangencial a una superficie circunferencial del eje para inducir un segundo campo magnético localizado (22B) en el material magnetoestrictivo en una segunda dirección circunferencial opuesta a la primera dirección circunferencial; y

un detector de flujo (18B) para la detección de torsión dispuesto para detectar una componente del campo magnético localizado que escapa del material magnetoestrictivo cuando el eje es sometido a torsión.

3. Detector de torsión según las reivindicaciones 1 ó 2, en el que dicho por lo menos un detector de flujo para la detección de torsión y el segundo detector de flujo para la detección de torsión comprende un par de detectores de flujo para la detección de la torsión dispuestos en lados opuestos del eje desplazados circunferencialmente del par de polos opuestos de un imán.

4. Detector de torsión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además por lo menos un detector (19) para la supervisión del flujo magnético, dispuesto para detectar el campo magnético producido por al menos uno de los polos de un imán, antes de que penetre en el eje.

5. Detector de torsión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el eje está hueco.

6. Detector de torsión según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el eje está realizado substancialmente únicamente a partir del material magnetoestrictivo.

7. Detector de torsión según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el eje comprende un cuerpo principal (40) de un material no magnetoestrictivo y una capa exterior del material magnetoestrictivo (36).

8. Detector de torsión según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el eje comprende un cuerpo principal (40) de un material magnetoestrictivo o no magnetoestrictivo envuelto en una capa de material de baja permeabilidad (34) que está a su vez envuelta por una capa exterior del material magnetoestrictivo (36).

9. Detector de torsión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el par de polos opuestos de un imán permanente mencionado en primer lugar son polos de un único imán.

10. Detector de torsión según la reivindicación 2, en el que cada uno del par mencionado en primer lugar y del segundo par de polos opuestos de un imán son polos de un único imán.

11. Detector de torsión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente por lo menos un detector adicional de flujo para la detección de torsión adicional, dispuesto desplazado circunferencialmente alrededor del eje, respecto al detector o detectores de flujo para la detección de torsión mencionados previamente.

12. Detector de torsión según la reivindicación 11, en el que el detector o detectores de flujo para la detección de torsión mencionados previamente y el detector de flujo para la detección de torsión adicional están dispuestos en lados opuestos del eje estando desplazados circunferencialmente, respecto al par de pares de polos opuestos de un imán permanente.

13. Columna de dirección que comprende un detector de torsión según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

14. Caja de cambios que comprende un detector de torsión según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

15. Método para la detección de torsión, que comprende:

(a)

disponer un eje (16) que comprende un material magnetoestrictivo;

(b)

aplicar un campo magnético externo sobre el eje utilizando un par de polos (110) opuestos de un imán permanente que definen un eje que está alineado de manera tangencial a una superficie circunferencial del eje para inducir un primer campo magnético (22) localizado en el material magnetoestrictivo entre los polos opuestos de un imán;

(c)

aplicar una torsión sobre el eje de manera que una componente del campo magnético interno se escape del material magnetoestrictivo; y

(d)

detectar la componente escapada del campo magnético interno y suministrar una señal de torsión en respuesta a la misma.

16. Método según la reivindicación 15, en el que la detección de la componente escapada del campo magnético interno se realiza utilizando un par de detectores de flujo (18) para la detección de torsión dispuestos en lados opuestos del eje estando desplazados circunferencialmente respecto del par de polos opuestos de un imán permanente.