ES2286697T3 - Aparato y procedimiento de deteccion de posicion de tipo inductivo. - Google Patents
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Abstract
Un sensor de posición que comprende: como mínimo un substrato plano (7, 315) que tiene formadas sobre el mismo una antena transmisora y una antena receptora; y un elemento de acoplamiento intermedio (15) accionable para que se desplace con respecto al como mínimo un substrato plano (7, 315) a lo largo de una dirección de medida transversal al substrato plano (7, 315), en el cual el acoplamiento electromagnético entre la antena transmisora y la antena receptora varía según la posición del elemento de acoplamiento intermedio (15) a lo largo de la dirección de medida, y en el cual como mínimo una de entre la antena transmisora y la antena receptora comprende una primera bobina 119, 116 (107-1, 106-1) alrededor de un primer eje y una segunda bobina (107-1, 106-1) alrededor de un segundo eje que es transversal al primer eje.
Description
Aparato y procedimiento de detección de posición
de tipo inductivo.
Esta invención esta relacionada con un
procedimiento para detectar la posición o la velocidad de un objeto,
y con un aparato para ello. La invención tiene una relevancia
particular, aunque no exclusiva, para una interfaz
hombre-maquina montada en un panel de instrumentos o
similar.
Existen numerosos ejemplos de dispositivos que
tienen una interfaz hombre-máquina montada en un
panel de instrumentos. Por ejemplo, los aparatos electrodomésticos
tales como hornos y lavadoras suelen tener un panel de instrumentos
que tiene unos controles que permiten al usuario fijar los
parámetros de control.
Se han utilizado sensores capacitivos en paneles
de instrumentos para hornos industriales. Los sensores capacitivos
son sensores sin contactos, y por lo tanto son menos propensos al
desgaste mecánico que los sensores con contactos. Sin embargo, un
inconveniente de los sensores capacitivos es que la exposición a los
líquidos tales como agua puede conducir a lecturas incorrectas. Se
apreciará que los hornos suelen funcionar en un ambiente húmedo, y
por tanto puede condensarse agua en el panel de instrumentos del
horno. En consecuencia es posible que se forme una gota de agua
junto a un sensor capacitivo, provocando la introducción de un
parámetro de control incorrecto.
Los sensores inductivos constituyen una conocida
alternativa a los sensores capacitivos. Típicamente, en un sensor
inductivo de posición, se varía el acoplamiento electromagnético
entre una antena transmisora y una antena receptora en función del
movimiento relativo entre un primer elemento y un segundo elemento,
pudiéndose determinar así la posición relativa del primer y segundo
elemento a partir de la señal inducida en la antena receptora
cuando se aplica una señal de excitación sobre la antena
transmisora. Por ejemplo, la solicitud de patente internacional WO
03/038379 describe un sensor de posición en el cual una antena
transmisora, formada por dos bobinas de excitación, y una antena
receptora, formada por una bobina detectora, están formadas en una
tarjeta de circuito impreso, y un circuito resonante esta formado en
un elemento sensor que puede moverse con relación a la tarjeta de
circuito impreso. Las dos bobinas de excitación están configuradas
de manera que el acoplamiento electromagnético entre las bobinas de
excitación y el circuito resonante varíe a lo largo de un camino de
medida, que es paralelo al plano de la tarjeta de circuito impreso,
según una función senoidal y una función cosenoidal
respectivamente. Aplicando respectivamente a las dos bobinas de
excitación una señal oscilante en fase y una señal oscilante en
cuadratura (desfasada 90º con la señal oscilante en fase), se genera
en el circuito resonante una señal oscilante cuya fase depende de
la posición del elemento sensor a lo largo del camino de medida. La
señal oscilante en el circuito resonante induce a su vez en la
bobina sensora una señal oscilante cuya fase es indicativa de la
posición del elemento sensor a lo largo del camino de medida.
En el caso del sensor de posición descrito en el
documento WO 03/038379 es difícil, usando técnicas convencionales,
depositar las dos bobinas de excitación de manera que el periodo de
las correspondientes funciones de seno y coseno sea inferior a unos
cuantos centímetros, y ello limita la resolución disponible para la
medida de posición. Adicionalmente, el sensor de posición descrito
en el documento WO 03/038379 mide el desplazamiento de un elemento
sensor a lo largo de un camino de medición paralelo al plano de un
elemento plano, y por lo tanto no es adecuado para las aplicaciones
en las cuales deba medirse el desplazamiento de un elemento sensor
transversal (es decir, atravesado) respecto al plano de un elemento
plano, por ejemplo un panel de instrumentos.
Según un aspecto de la invención, se proporciona
un sensor inductivo de posición que comprende un generador de campo
magnético que comprende unas pistas conductivas formadas sobre al
menos dos planos. Un elemento sensor es operable para que se
desplace, con relación al generador de campo magnético, a lo largo
de una dirección de medida que atraviesa los planos sobre los
cuales está formado el generador de campo magnético. Un detector es
operable para detectar la posición del elemento sensor en un campo
magnético generado por el generador de campo magnético.
En una realización, el generador de campo
magnético comprende unas pistas conductivas en diferentes capas de
una tarjeta de circuito impreso multicapa.
En una realización, las pistas conductivas del
generador de campo magnético están asociadas a una antena
transmisora, el detector comprende una antena receptora, y el
elemento sensor forma un elemento de acoplamiento intermedio entre
la antena transmisora y la antena receptora. El acoplamiento
electromagnético entre la antena transmisora y la antena receptora
varía con la posición del elemento sensor, permitiendo que el
detector detecte la posición del elemento sensor a partir de una
señal inducida en la antena receptora.
Preferiblemente, el sensor inductivo forma parte
de una interfaz hombre-máquina que tenga un panel de
instrumentos. La interfaz hombre-máquina puede ser,
por ejemplo, un botón pulsador o un interruptor rotativo.
A continuación se describirán diversas
realizaciones de la invención con referencia a las Figuras adjuntas,
en las cuales:
La Fig. 1 muestra esquemáticamente una vista
lateral de un conjunto de botón pulsador que forma una primera
realización de la invención;
La Fig. 2 muestra una vista despiezada de una
varilla que forma parte del conjunto de botón pulsador ilustrado en
la Fig. 1;
La Fig. 3 muestra esquemáticamente una vista en
perspectiva de una tarjeta de circuito impreso multicapa que forma
parte del conjunto de botón pulsador ilustrado en la Fig. 1,
mostrando una bobina de seno, una bobina de coseno y una bobina
sensora formadas en la tarjeta de circuito impreso multicapa;
La Fig. 4 muestra esquemáticamente la variación
de los respectivos componentes de intensidad de campo magnético
perpendiculares a la tarjeta de circuito impreso multicapa
producidos por las señales de excitación que circulan a través de
la bobina de seno y la bobina de coseno;
La Fig. 5 muestra esquemáticamente los
componentes principales de la circuitería de generación y
tratamiento de señales que forman parte del conjunto de botón
pulsador ilustrado en la Fig. 1;
La Fig. 6 muestra la disposición de conjunto de
las pistas conductivas depositadas sobre un lado de una tarjeta de
circuito impreso que forma parte de una segunda realización de la
invención, formando las pistas conductivas parte de una bobina de
seno, una bobina de coseno y una bobina sensora;
La Fig. 7 muestra la disposición de conjunto de
las pistas conductivas que forman parte de la bobina de seno, la
bobina de coseno y la bobina sensora, depositadas sobre el otro lado
de la tarjeta de circuito impreso ilustrado en la Fig. 6;
La Fig. 8 es un gráfico que compara con una
función senoidal la intensidad del componente de campo magnético
perpendicular a la tarjeta de circuito impreso producido por una
señal de excitación que circula a través de la bobina de seno de la
segunda realización;
La Fig. 9 es un gráfico que compara con una
función cosenoidal la intensidad del componente de campo magnético
perpendicular a la tarjeta de circuito impreso producido por una
señal de excitación que circula a través de la bobina de coseno de
la segunda realización;
La Fig. 10 muestra esquemáticamente una vista
lateral de un conjunto de interruptor rotativo que forma una
tercera realización de la invención;
La Fig. 11 muestra esquemáticamente una vista en
planta de una tarjeta de circuito impreso multicapa de una cuarta
realización de la invención, e ilustra las pistas conductivas
formadas sobre diferentes capas de la tarjeta de circuito impreso
multicapa;
La Fig. 12 muestra esquemáticamente los
componentes principales de un sensor inductivo de posición que forma
parte de la cuarta realización;
La Fig. 13 muestra esquemáticamente una vista en
perspectiva de un conjunto de interruptor rotativo alternativo;
La Fig. 14 muestra esquemáticamente una vista
lateral del conjunto de interruptor rotativo alternativo ilustrado
en la Fig. 13;
La Fig. 15 muestra esquemáticamente los
componentes principales de la circuitería de generación y
tratamiento de señales que forma parte de otro conjunto de botón
pulsador alternativo; y
Las Figs 16A y 16B muestran esquemáticamente los
componentes de un sensor inductivo de posición alternativo que usa
dos tarjetas de circuito impreso.
Primera
realización
La Fig. 1 muestra un conjunto de botón pulsador
1 en el cual está montada una membrana 3 resilientemente flexible
sobre un lado de un substrato plano 5, que en esta realización es un
panel de instrumentos de ABS. El substrato plano 5 está atravesado
por un orificio y la membrana 3 está dispuesta sobre el orificio
formando un arco. Una tarjeta de circuito impreso (TCI) multicapa 7
está montada sobre el substrato plano 5 separada de la membrana
flexible 3, y la TCI 7 está atravesada por una abertura alineada con
el centro del orificio que atraviesa el substrato plano 5.
Unas pistas conductivas 9, depositadas sobre las
capas de la TCI multicapa 7, forman una antena transmisora y una
antena receptora según se describirá con mayor detalle a
continuación. Las pistas conductivas 9 están conectadas a una
circuitería 11 de generación y tratamiento de señales que está
montada sobre la cara de la TCI multicapa 7 separada del substrato
plano 5. La circuitería 11 de generación y tratamiento de señales
aplica señales de excitación sobre la antena transmisora, que
provocan que la antena transmisora genere un campo magnético, y
procesa una señal sensora inducida en la antena receptora como
consecuencia del campo magnético generado.
Una varilla alargada 13 está conectada a la
porción arqueada de la membrana 3 de tal modo que se proyecte a
través del orificio del substrato 5 y del orificio de la TCI
multicapa 7. El eje longitudinal de la varilla 13 es por lo tanto
sustancialmente perpendicular al plano del substrato 5. La varilla
13 incluye un elemento 15 de ferrita que está generalmente alineado
con el orificio que atraviesa la TCI 7. El elemento 15 de ferrita
modifica la distribución de la intensidad del campo magnético (es
decir, el campo H) producido cuando se aplican señales de
excitación sobre la antena transmisora, de tal manera que la señal
inducida en la antena receptora varía dependiendo de la posición
del elemento 15 de ferrita con respecto a la antena transmisora y a
la antena receptora. Por lo tanto, puede ser detectado el
desplazamiento del elemento 15 de ferrita a lo largo del eje
longitudinal z de la varilla alargada 13, denominado de ahora en
adelante dirección de la medida, en respuesta a la presión ejercida
por el dedo 17 de un usuario sobre la porción arqueada de la
membrana flexible 3.
En esta realización, la membrana 3 forma un
sello hermético que aísla la circuitería 11 de generación y
tratamiento de señales respecto al exterior del conjunto de botón
pulsador 1. Esto es ventajoso en situaciones en las que líquidos o
suciedades puedan entrar en contacto con el conjunto de botón
pulsador 1.
La Fig. 2 muestra una vista despiezada de la
varilla 13. Según se muestra, el elemento 15 de ferrita es un
cilindro alargado de sección transversal anular. En esta
realización, la longitud del elemento 15 de ferrita es 4 mm y los
diámetros exterior e interior de la sección transversal anular son 3
mm y 1 mm respectivamente. La varilla 13 incluye también una
montura cilíndrica que en un extremo tiene una porción ancha 17a,
que en esta realización tiene un diámetro de 3 mm, y en el otro
extremo un porción estrecha 17b, que en esta realización tiene un
diámetro de 1 mm. Una vez montada, la porción estrecha 17b pasa a
través del orificio que atraviesa por en medio del elemento 15 de
ferrita con el fin de mejorar la fijación, mediante pegamento, del
elemento 15 de ferrita sobre la montura de la varilla 13. El
extremo de la porción ancha 17a opuesto al elemento 15 de ferrita
está unido a la porción arqueada de la membrana 3.
A continuación se describirá con mayor detalle
la antena transmisora y la antena receptora existentes en la TCI
multicapa 7 con referencia a las Figs 3 y 4.
La Fig. 3 muestra una vista en perspectiva de la
parte de la TCI multicapa 7 sobre la cual se depositan las pistas
conductivas que forman la antena transmisora y la antena receptora.
En esta realización, las pistas depositadas son pistas de cobre de
1 oz con un espesor de aproximadamente 35 \mum. Según se muestra
en la Fig. 3, la TCI multicapa 7 tiene cuatro capas de substrato
laminadas 21a a 21d y cinco capas de pista conductiva (las dos
superficies finales y las tres superficies entre las cuatro capas de
substrato). En lenguaje convencional, la TCI multicapa 7 se
denomina tarjeta de circuito impreso de cinco capas, en donde
"cinco" se refiere al número de capas de pistas conductivas.
En esta realización, la TCI multicapa 7 es una tarjeta de circuito
FR4 en la que cada capa de substrato tiene un espesor de 0,5 mm. La
abertura 23 atraviesa el centro de la TCI multicapa 7, y en esta
realización el diámetro de la abertura 23 que atraviesa la TCI
multicapa 7 es de 4 mm.
La antena transmisora está formada por una
bobina de coseno 31 y una bobina de seno 33 distribuidas cada una
sobre varias capas de la TCI multicapa 7. La antena receptora está
formada por una bobina sensora 35 que también está distribuida
sobre varias capas de la TCI multicapa 7. Por facilidad de
ilustración, en la Fig. 3 los extremos de la bobina de coseno 31,
la bobina de seno 33 y la bobina sensora 35 se han representado
elevados y separados de la TCI multicapa 7. En la practica, la
bobina de coseno 31, la bobina de seno 33 y la bobina sensora 35
están conectadas a la circuitería 11 de generación y tratamiento de
señales por las pistas conductivas formadas en la TCI multicapa
7.
La bobina de coseno 31 está formada por una
pista conductiva que arranca en un primer terminal 37a sobre la
superficie 39 de la primera capa de substrato 21a y forma una
primera espira 41a de corriente sobre la primera capa de substrato
21a alrededor de la abertura 23. La pista conductiva pasa entonces a
través de un primer orificio de vía 43a hasta la superficie entre
la segunda capa de substrato 21b y la tercera capa de substrato
21c, y forma una segunda espira 41b de corriente alrededor de la
abertura 23 en la superficie entre la segunda capa de substrato 21b
y la tercera capa de substrato 21c. La dirección de la segunda
espira 41b alrededor de la abertura es opuesta a la dirección de la
primera espira 41a de corriente alrededor de la abertura 23. La
pista conductiva pasa entonces a través de un segundo orificio de
vía 43b hasta la superficie final 45 de la TCI multicapa 7 opuesta
a la superficie final 39, y forma una tercera espira 41c de
corriente alrededor de la abertura 23. La dirección de la tercera
espira 41c alrededor de la abertura es igual a la dirección de la
primera espira 41a de corriente alrededor de la abertura 23. La
pista conductiva pasa entonces hasta un segundo terminal 37b en la
superficie 39 de la primera capa 21a a través de un tercer orificio
de vía 43c.
La bobina de seno 33 está formada por una pista
conductiva que arranca en un primer terminal 47a sobre la
superficie 39 de la primera capa de substrato 21a y pasa hasta la
superficie entre la primera capa de substrato 21a y la segunda capa
de substrato 21b a través de un cuarto orificio de vía 43d, y forma
una cuarta espira 41d de corriente alrededor de la abertura 23. La
pista conductiva pasa entonces hasta la superficie entre la tercera
capa de substrato 21c y la cuarta capa de substrato 21d a través de
un quinto orificio de vía 43e, forma una quinta espira 41e de
corriente alrededor de la abertura 23, y pasa luego hasta un segundo
terminal 47b en la superficie 39 de la primera capa 21a a través de
un sexto orificio de vía 43f. La cuarta espira 43d de corriente
rodea la abertura 23 en dirección opuesta a la dirección de la
primera espira 41a de corriente, y la quinta espira 43e de
corriente rodea la abertura en la misma dirección que la primera
espira 41a de corriente.
Según se muestra esquemáticamente en la Fig. 4,
cuando se aplica una señal sobre la bobina de coseno 31, se genera
un campo magnético que tiene un componente axial del campo magnético
que varía a lo largo de la dirección axial z con los valores
máximos en las posiciones axiales de las espiras de corriente
primera, segunda y tercera 41a, 41b, 41c y los valores mínimos en
las posiciones axiales de las espiras de corriente cuarta y quinta
41d, 41e. Los valores máximos en las posiciones axiales de las
espiras de corriente primera y tercera 41a, 41c tienen la misma
polaridad, y tienen una polaridad opuesta al valor máximo en la
segunda espira de corriente 41b. Cuando se aplica una señal sobre
la bobina de coseno 31, se genera un campo magnético que tiene los
valores máximos de polaridades opuestas en las posiciones axiales
de las espiras de corriente cuarta y quinta 41d, 41e, y los valores
mínimos en las posiciones axiales de las espiras de corriente
primera, segunda y tercera 41a, 41b, 41c. En particular, según se
muestra en la Fig. 4, los componentes a lo largo de la dirección
axial z del campo magnético generado por la bobina de coseno 31 y
la bobina de seno 33 varían de una manera sustancialmente
sinusoidal con un periodo ligeramente superior a 2 mm, pero
desfasado un cuarto de ciclo. El periodo es ligeramente superior a
2 mm, en lugar de 2 mm exactamente, porque la bobina de seno 33 y la
bobina de coseno 31 no incluyen un número infinito de espiras.
Volviendo a la Fig. 3, en esta realización la
bobina sensora 35 está formada por una pista conductiva que arranca
en un terminal 49a sobre la superficie final 39 de la primera capa
de substrato 21a, forma una sexta espira 41f de corriente alrededor
de la abertura 23, y pasa después a través de un séptimo orificio de
vía 43g hasta la superficie final 45 de la cuarta capa de substrato
21d. La pista conductiva forma entonces alrededor de la abertura 23
una séptima espira 41g de corriente que rodea la abertura en la
misma dirección que la sexta espira 41f de corriente. La pista
conductiva pasa después hasta un terminal 49b en la superficie final
39 de la primera capa de substrato 21a a través de un octavo
orificio de vía 43h.
Con esta disposición, en ausencia del elemento
15 de ferrita la bobina sensora 35 está compensada tanto con
respecto a la bobina de coseno 31 como a la bobina de seno 33. En
otras palabras, en ausencia del elemento 15 de ferrita, la fuerza
electromotriz neta inducida en la bobina sensora 35 por la corriente
que circula a través de la bobina de coseno 31 es sustancialmente
cero, y similarmente la fuerza electromotriz neta inducida en la
bobina sensora 35 por la corriente que circula a través de la bobina
de seno 33 es sustancialmente cero. Adicionalmente, la sexta espira
41f de corriente y la séptima espira 41g de corriente forman
efectivamente un par de arrollamientos de Helmholtz. Tal
disposición tiene la ventaja de que el nivel de señal de la señal
inducida en la bobina sensora 35 no varía significativamente con la
posición del elemento 15 de ferrita, porque a medida que aumenta la
señal inducida en una espira en serie, la señal inducida en la otra
espira de corriente decrece aproximadamente en la misma
magnitud.
A continuación se describirán los componentes
principales del aparato 11 de generación y tratamiento de señales
con referencia a la Fig. 5.
Según se muestra, un generador 61 de señal en
cuadratura envía un par de señales en cuadratura a una frecuencia
de modulación f_{1} a un modulador 63, el cual usa el par de
señales en cuadratura para modular una señal portadora, a una
frecuencia portadora f_{0}, generada por un generador 65 de
señales. En esta realización, la frecuencia de modulación f_{1}
es 3,9 kHz y la frecuencia portadora f_{0} es 2 MHz. El par de
señales moduladas son enviadas respectivamente a un par de
excitadores 67a, 67b de arrollamiento que amplifican las señales
moduladas para producir una señal en fase I(t) y una señal en
cuadratura Q(t).
La señal en fase I(t) y la señal en
cuadratura Q(t) son aplicadas respectivamente sobre la bobina
de seno 33 y la bobina de coseno 31. Según se describió
anteriormente, en ausencia del elemento 15 de ferrita, las señales
que circulan a través de la bobina de coseno 31 y la bobina de seno
33 inducen una señal despreciable en la bobina sensora 35. Sin
embargo, el elemento 15 de ferrita produce una agrupación localizada
del campo magnético como consecuencia de la cual se induce en la
bobina sensora 35 una señal que varía con la posición media Z del
elemento 15 de ferrita a lo largo de la dirección de medida z. En
particular, en la bobina sensora 35 se induce una fuerza
electromotriz (FEM) que resulta en una señal sensora inducida
S(t) de la forma:
(1)S(t)
\alpha cos2 \pif_{0}cos(2 \pif_{1}t - 2 \pi
Z/L)
en donde L es el periodo de la
variación sinusoidal en el componente a lo largo del eje de medida
de la intensidad del campo magnético producido por la bobina de
seno 33 y la bobina de coseno 31. La señal S(t) corresponde
por tanto a una señal a la frecuencia de modulación f_{1}, que
tiene una fase que varía linealmente con la posición del elemento
15 de ferrita, modulada por una señal a la frecuencia portadora
f_{0}.
La señal sensora S(t) es enviada a un
demodulador 69 que demodula la señal sensora S(t) recibida,
usando una señal a la frecuencia portadora f_{0} procedente del
generador 65 de señales, para formar una señal demodulada a la
frecuencia de modulación f_{1}. La señal demodulada emitida por el
demodulador 69 es introducida en un detector de fase 71, que mide
la fase de la señal demodulada y envía la medición de fase a un
calculador de posición 73.
El calculador de posición 73 determina la
posición del elemento 15 de ferrita a partir de la medición de fase
enviada por el detector de fase 71. En particular, en esta
realización la posición es substancialmente proporcional a la fase
medida, y por tanto el calculador de fase multiplica simplemente la
fase medida por un factor de calibración.
Segunda
realización
En la primera realización, depositando unas
pistas conductivas entre las capas y sobre las superficies extremas
de una TCI multicapa 7 paralela a un substrato plano 5, se obtiene
la variación sinusoidal a lo largo de la dirección de medida z de
los componentes de intensidad del campo magnético perpendiculares al
substrato plano 5 asociados a la bobina de coseno 31 y a la bobina
de seno 33.
A continuación se describirá una segunda
realización con referencia a las Figs 6 a 9 en la cual la TCI
multicapa 7 de la primera realización está sustituida por una TCI
bicapa 91, obteniéndose la variación sinusoidal del componente de
intensidad de campo magnético perpendicular al substrato plano 5 por
medio de una bobina de seno y una bobina de coseno formadas por
unas pistas conductivas que se depositan sobre una primera
superficie 93 y una segunda superficie 95 situadas a cada lado de
la capa de substrato única 91, y por medio de unos orificios de
vía, totalmente metalizados, que pasan a través de la capa de
substrato única 91. La TCI bicapa 91 tiene una abertura 97 a través
de la cual pasa el elemento 15 de ferrita. Los restantes componentes
del conjunto de botón pulsador de la segunda realización son
idénticos a los correspondientes componentes del conjunto de botón
pulsador de la primera realización, y por lo tanto no serán
descritos de nuevo con detalle.
Las Figs 6 y 7 muestran respectivamente unas
vistas en planta de las pistas conductivas depositadas sobre la
primera superficie 93 y la segunda superficie 95 de la TCI bicapa
91, estando representadas ambas vistas, por facilidad de
entendimiento, según se mira desde la dirección z positiva. En esta
realización, la TCI bicapa 91 es una tarjeta de circuito con capa
de 2 mm de espesor de grado FR4. Como en la primera realización, las
pistas conductivas son pistas de cobre de 1 oz (35 \mum).
La bobina de seno está formada por una pista
conductiva que arranca en un primer terminal de seno 101a en la
primera superficie 93 y pasa a través de un orificio de vía hasta
una primera bobina compensadora 103a en la segunda superficie 95.
La pista conductiva pasa después hasta un primer arrollamiento de
seno 105, que está formado por una primera serie de pistas
105-1 arqueadas, concéntricas y radialmente
escalonadas, depositadas en un primer cuadrante de la primera
superficie 93, con los extremos de todas las pistas conectados a
través de unos orificios de vía con los extremos de una segunda
serie de pistas 105-2 arqueadas, concéntricas y
radialmente escalonadas, que están depositadas en la segunda
superficie 95 de la TCI monocapa. Según se muestra en la Fig. 7,
cada una de las pistas 105-2 de la segunda serie
incluye una angulación, de manera que los extremos de todas las
pistas conductivas de la segunda serie están conectados a las
diferentes pistas respectivas de la primera serie de pistas
105-1. De este modo, el primer arrollamiento de seno
105 es una pista conductiva en espiral alrededor de un primer eje
radial (con respecto al centro de la abertura 97) que atraviesa la
TCI bicapa 91.
Después del primer arrollamiento de seno 105, la
bobina de seno pasa a través de un segundo arrollamiento de seno
107 que está formado en un segundo cuadrante de la TCI bicapa 91
opuesto al primer cuadrante. Del mismo modo que el primer
arrollamiento de seno 105, el segundo arrollamiento de seno 107 está
formado por una primera serie de pistas 107-1
arqueadas, concéntricas y radialmente escalonadas, depositadas en la
primera superficie 93 de la TCI bicapa 91, cuyos extremos están
conectados a través de unos orificios de vía con los extremos de
una segunda serie de pistas 107-2 arqueadas,
concéntricas y radialmente escalonadas, depositadas en la segunda
superficie 95 de la TCI bicapa 91, existiendo una angulación en cada
una de las pistas 107-1 del primer grupo, de manera
que los extremos de todas las pistas conductivas de la primera serie
están conectados a las diferentes pistas respectivas de la segunda
serie de pistas 107-2. De este modo, el segundo
arrollamiento de seno 107 es una pista conductiva en espiral
formada alrededor de un segundo eje radial que atraviesa la TCI
bicapa 91 y que es coaxial con el primer eje radial alrededor del
cual está formado el primer arrollamiento de seno 105, estando el
segundo arrollamiento de seno 107 enrollado alrededor del eje común
en dirección opuesta al primer arrollamiento de seno 105. Después
del segundo arrollamiento de seno 107, la bobina de seno llega a un
segundo terminal de seno 101b.
La Fig. 8 muestra una curva del componente de
intensidad de campo magnético perpendicular al plano de la TCI
monocapa 91 producido por unidad de corriente que circula a través
de la bobina de seno, indicado por la línea llena 151, comparada
con una función senoidal de 10 mm de periodo, indicada por la línea
de trazos 153. Según se muestra, el componente 151 del campo
magnético coincide estrechamente con la función senoidal 153 sobre
un margen de 6 mm alrededor del centro de la TCI monocapa.
Volviendo a las Figs 6 y 7, la bobina de coseno
arranca en un primer terminal de coseno 111a y pasa, a través de
una segunda bobina compensadora 103b, hasta un primer arrollamiento
de coseno 113 formado por una pista conductiva en espiral
depositada en un tercer cuadrante, situado entre el primer y el
segundo cuadrante, de la segunda superficie 95 de la TCI bicapa 91.
La bobina de coseno pasa luego a través de un orificio de vía hasta
un segundo arrollamiento de coseno 115 formado por una pista
conductiva en espiral depositada en el tercer cuadrante de la
primera superficie 93 de la TCI bicapa 91. La bobina de coseno pasa
después hasta un tercer arrollamiento de coseno 117 formado por una
pista conductiva en espiral depositada en un cuarto cuadrante,
opuesto al tercer cuadrante, de la segunda superficie 95 de la TCI
bicapa 91, y luego pasa a través de un orificio de vía hasta un
cuarto arrollamiento de coseno 119 formado por una pista conductiva
en espiral depositada en el cuarto cuadrante de la primera
superficie 93 de la TCI bicapa 91.
Cada uno de los arrollamientos de coseno primero
a cuarto comprende efectivamente una serie de pistas
circunferenciales interiores y una serie de pistas
circunferenciales exteriores conectadas en sus extremos por unas
pistas radiales. La corriente que circula a través de las pistas
circunferenciales interiores y exteriores genera respectivamente
una primera y una segunda parte del componente de intensidad de
campo magnético a lo largo del eje de desplazamiento del elemento
15 de ferrita (que pasa a través de la abertura de la TCI bicapa
91). Tanto la primera parte como la segunda parte del componente de
intensidad de campo magnético tienen un valor máximo en el centro
del plano de la TCI bicapa 91, y disminuyen con la distancia al
alejarse de la TCI bicapa 91 a lo largo del eje de desplazamiento
del elemento 15 de ferrita. El valor máximo de la primera parte
tiene una amplitud mayor, y una polaridad opuesta, que el valor
máximo de la segunda parte, pero la amplitud de la segunda parte
disminuye mas lentamente con la distancia hasta la TCI monocapa 91
que la amplitud de la primera parte. Las pistas radiales no tienen
substancialmente ningún efecto sobre el componente de intensidad del
campo magnético a lo largo del eje de desplazamiento del elemento
15 de ferrita.
De este modo, el componente de intensidad del
campo magnético a lo largo del eje de desplazamiento del elemento
de ferrita tiene un valor máximo en el plano de la TCI bicapa 91 con
la polaridad de la primera parte producida por las pistas
circunferenciales interiores, y a ambos lados de la TCI bicapa 91
cae hasta cero y crece de nuevo hasta un valor máximo con la
polaridad de la segunda parte producida por los campos
circunferenciales exteriores. En esta realización, las pistas
circunferenciales exteriores adicionales que conectan el segundo
arrollamiento de coseno 115 al tercer arrollamiento de coseno 117 y
que conectan el cuarto arrollamiento de coseno 119 a un segundo
terminal de coseno 111b están configuradas de manera que el
componente de intensidad de campo magnético a lo largo del eje de
desplazamiento del elemento de ferrita se aproxime estrechamente a
una función cosenoidal. En particular, estas pistas
circunferenciales exteriores adicionales cubren aproximadamente dos
vueltas alrededor del exterior de los arrollamientos de seno y los
arrollamientos de coseno.
La Fig. 9 muestra una curva del componente de
intensidad de campo magnético perpendicular a la TCI bicapa 91
producido por unidad de corriente que circula a través de la bobina
de coseno, indicado por la línea llena 161, y una función
cosenoidal de 10 mm de periodo, indicada por la línea de trazos 163.
Según se muestra, el componente 161 del campo magnético coincide
estrechamente con la función senoidal 163 sobre un margen de 6
mm.
Aunque las magnitudes de los componentes de
intensidad de campo magnético por unidad de corriente producidos
por la bobina de seno y la bobina de coseno son ligeramente
diferentes, puede ajustarse la amplitud de los componentes de
intensidad de campo magnético variando la corriente que circula a
través de la bobina de seno y la bobina de coseno.
La bobina sensora arranca en un primer terminal
sensor 121a en la primera superficie y pasa, a través de una
tercera bobina compensadora 103c, hasta un primer arrollamiento
sensor 123 formado por una pista conductiva que rodea la abertura
97 sobre la segunda superficie 95. La bobina sensora pasa luego a
través de un orificio de transito hasta un segundo arrollamiento
sensor 125 formado por una pista conductiva que rodea la abertura
97 sobre la primera superficie 93 en la misma dirección que el
primer arrollamiento. La bobina sensora pasa luego desde el segundo
arrollamiento sensor 125 hasta un segundo terminal sensor 121b a
través de una cuarta bobina compensadora 103d. El primer
arrollamiento sensor 123 y el segundo arrollamiento sensor 125
forman efectivamente un par de bobinas de Helmholtz.
Las bobinas compensadoras 103 primera a cuarta
se incluyen para asegurar que, en ausencia del elemento 15 de
ferrita, la bobina sensora esté compensada con respecto a ambas
bobinas de seno y coseno.
Según se mencionó anteriormente, la circuitería
de generación y tratamiento de señales para la segunda realización
es idéntica a la circuitería de generación y tratamiento de señales
de la primera realización. Por lo tanto, de la misma manera que en
la primera realización, la señal inducida en la bobina sensora tiene
una fase que varia de acuerdo con la posición del elemento 15 de
ferrita a lo largo de la dirección de medida. En particular, se ha
descubierto que la relación entre la fase de la señal sensora y la
posición del elemento 15 de ferrita es aproximadamente lineal sobre
un margen de 4 mm, y dentro de ese margen puede determinarse la
posición del elemento 15 de ferrita con una resolución de
aproximadamente 10 \mum.
Tercera
realización
La primera y la segunda realización describen
conjuntos de botón pulsador. Sin embargo, la invención podría
aplicarse a otros tipos de interfaz hombre-maquina.
A continuación se describirá una tercera realización de la
invención, con referencia a la Fig. 10, en la cual el sensor
inductivo de la primera realización está incorporado en un conjunto
de interruptor rotativo 171.
Según se muestra en la Fig. 10, el conjunto de
interruptor rotativo 171 tiene una cabeza 173 del interruptor que
está montada sobre un árbol 175, cilíndrico y alargado, que a su vez
está montado rotativamente en un hueco de un panel de instrumentos
177. En particular, el extremo del árbol 175 está provisto de una
brida 179 insertada en el hueco. La brida 179 encaja en una brida
181 existente en la superficie interna del hueco para permitir el
movimiento rotacional del árbol 175 alrededor de su eje longitudinal
pero impedir el desplazamiento axial del árbol 175 a lo largo de su
eje longitudinal.
\newpage
La cabeza 173 del interruptor incluye una
porción de manguito 181, dentro de la cual está montado el árbol
175, y que está parcialmente insertada en el hueco del panel de
instrumentos 177. La porción de manguito incluye una rosca 183 en
espiral que recorre la superficie cilíndrica exterior de la porción
de manguito 181 insertada en el hueco del panel de instrumentos
177.
El hueco del panel de instrumentos 177 tiene una
porción de cuello 185 adyacente a la región roscada del manguito
181. La porción de cuello 185 define generalmente una cavidad
cilíndrica entre el manguito 185 y el hueco del panel de
instrumentos 177 en el cual está insertado un casquillo 187 de
ferrita cilíndrico y hueco. En la superficie interior del hueco
está formada una chaveta 189 que encaja en una correspondiente
ranura formada en la superficie cilíndrica exterior del casquillo
187 de ferrita para impedir el movimiento rotacional, aunque
permitiendo el movimiento axial, del casquillo 187 de ferrita cuando
gira el árbol 175. La superficie cilíndrica interior del casquillo
187 de ferrita tiene una rosca hembra que encaja con la rosca 183 en
espiral existente en el manguito 181, y por lo tanto cuando la
cabeza 171 del interruptor gira, la correspondiente rotación de la
región roscada del manguito 181 aplica una fuerza sobre el casquillo
187 de ferrita que provoca el desplazamiento axial del casquillo
187 de ferrita.
Se provee una TCI 191 de cinco capas alrededor
de la porción del hueco del panel de instrumentos 177 adyacente al
casquillo 187 de ferrita. Sobre la TCI 191 de cinco capas están
formadas una antena transmisora y una antena receptora y están
conectadas a una circuitería 193 de generación y tratamiento de
señales existente en una TCI independiente. En esta realización, la
antena transmisora, la antena receptora y la circuitería de
generación y tratamiento de señales son substancialmente idénticas
a los componentes correspondientes de la primera realización. Por
lo tanto, monitorizando la señal inducida en la antena receptora
cuando la antena transmisora genera un campo magnético, puede
determinarse la posición axial del casquillo 187 de ferrita mediante
la circuitería 193 de generación y tratamiento de señales. Puesto
que cada posición axial corresponde a una respectiva y diferente
posición rotatoria de la cabeza 171 del interruptor, a partir de la
posición axial del casquillo 187 de ferrita puede determinarse la
posición rotatoria de la cabeza 171 del interruptor.
Una ventaja particular de esta realización es
que puede detectarse inequívocamente un margen de rotación superior
a una rotación completa de la cabeza 171 del interruptor.
Cuarta
realización
En las realizaciones primera a tercera, una
interfaz hombre-máquina incluye un sensor inductivo
en el cual, para determinar la posición del elemento 15 de ferrita,
se mide la fase de una señal inducida en una bobina sensora como
consecuencia de las señales de excitación aplicadas sobre dos
bobinas de excitación. Sin embargo, también podrían usarse otras
formas de sensores inductivos para determinar la posición del
elemento 15 de ferrita.
A continuación se describirá una tercera
realización con referencia a las Figs 11 y 12 en la cual se usa, en
un conjunto de botón pulsador, una disposición del tipo de
transductor diferencial lineal variable (LVDT) para detectar la
posición del elemento 15 de ferrita. La única diferencia entre el
conjunto de botón pulsador de la tercera realización y el conjunto
de botón pulsador de la primera realización es que la TCI multicapa
y la circuitería de generación y tratamiento de señales de la
primera realización han sido sustituidas por una TCI multicapa
alternativa y una circuitería de generación y tratamiento de señales
alternativa. Los restantes componentes del conjunto de botón
pulsador de la tercera realización son idénticos a los
correspondientes componentes del conjunto de botón pulsador de la
tercera realización, y por lo tanto no volverán a describirse con
detalle.
En la tercera realización, la TCI multicapa 201
es una tarjeta de circuito impreso tricapa de grado FR4, con cada
capa de pistas conductivas depositada sobre una respectiva capa de
substrato de 0,67 mm de espesor. Una abertura 203 atraviesa
completamente el centro de la TCI multicapa 201. En esta
realización, la abertura 203 tiene una sección circular con un
diámetro de 5 mm.
Sobre cada capa de la TCI multicapa 201 está
grabada una pista conductiva de cobre. Según se muestra
esquemáticamente en la Fig. 11, que por motivos ilustrativos
muestra las pistas conductivas formadas sobre las tres capas
aislantes de la TCI multicapa como si estuvieran formadas en una
sola capa, cada pista conductiva forma un arrollamiento anular
alrededor del orificio. En esta realización, el diámetro interno de
cada arrollamiento anular es de 6 mm y el diámetro externo de cada
arrollamiento anular es de 15 mm.
La pista conductiva sobre la capa aislante
central forma un arrollamiento de entrada 205 que tiene una
inductancia de 5 \muH y las pistas conductivas formadas
respectivamente sobre las capas aislantes exteriores forman un par
de arrollamientos de salida compensados 207, 209, cada uno con una
inductancia de 5 \muH. Puesto que cada pista conductiva está
situada en una respectiva y diferente capa aislante de la TCI, las
pistas conductivas están separadas a intervalos de 0,67 mm a lo
largo de la dirección normal al plano de la TCI. La varilla 15 de
ferrita pasa a través de la abertura 203 que atraviesa la TCI
multicapa 201. La inductancia mutua entre el arrollamiento de
entrada 205 y cada uno de los arrollamientos de salida 207, 209
varía por lo tanto dependiendo de la posición de la varilla 15 de
ferrita, que a su vez varia como consecuencia de que un usuario
accione el conjunto de botón pulsador.
Según se muestra en la Fig. 12, en esta
realización la circuitería de generación y tratamiento de señales
incluye un generador 221 de señales de CA que aplica una señal de CA
con una frecuencia de 2 MHz sobre el arrollamiento de entrada 205
para generar un campo magnético que induce una señal oscilante en
cada uno de los arrollamientos de salida 207, 209. La amplitud de
la señal oscilante inducida en cada uno de los arrollamientos de
salida 207, 209 depende de la inductancia mutua entre el
arrollamiento de entrada 205 y ese arrollamiento de salida. En
particular, a medida que el nivel de la señal en uno de los
arrollamientos de salida aumenta con el desplazamiento del elemento
15 de ferrita, disminuye el nivel de la señal en el otro
arrollamiento de salida.
Las señales inducidas en los arrollamientos de
salida 207, 209 son introducidas en un comparador 223 que emite una
señal modulada por anchura de impulso que tiene un factor de
utilización que varia en función de la diferencia de amplitud entre
las dos señales inducidas. El factor de utilización de la señal
modulada por anchura de impulso es por lo tanto indicativo de la
posición del elemento 15 de ferrita. La señal modulada por anchura
de impulso es introducida en un calculador de posición 225 que
convierte el factor de utilización en un correspondiente valor de
posición usando una tabla de consulta prealmacenada.
En esta realización, el factor de utilización de
la señal modulada por anchura de impulso varia aproximadamente
linealmente con la posición del elemento 15 de ferrita en la
dirección de medida sobre un margen de desplazamiento de
aproximadamente 8 mm del elemento 15 de ferrita a lo largo de la
dirección de medida.
En las realizaciones primera a tercera, el
conjunto de botón pulsador comprende una membrana flexible que se
arquea por encima de una abertura que atraviesa un panel de ABS. Son
posibles otras disposiciones mecánicas. Por ejemplo, en las Figs 13
y 14 se ilustra una disposición alternativa para el conjunto de
botón pulsador.
Según se muestra en las Figs 13 y 14, el
conjunto de botón pulsador 301 alternativo incluye un panel plano
303 de ABS que está atravesado por una abertura cubierta por una
membrana circular 305, que en esta realización está hecha de
neopreno. La membrana circular 305 tiene la ventaja de aislar los
componentes internos del conjunto de botón pulsador 301 frente al
exterior, y también de presentar un tacto cálido para el usuario que
accione el conjunto de botón pulsador.
Una porción de lengüeta 307 resilientemente
deformable se proyecta desde el panel plano 303 hasta el centro de
la abertura. Una varilla 309, que incluye un elemento 311 de
ferrita, está unida al extremo de la porción de lengüeta 307 y se
proyecta desde el panel plano 303 en una dirección sustancialmente
perpendicular al plano del panel plano 303. De este modo, cuando un
usuario presiona la membrana circular 305, la porción de lengüeta
307 (y por tanto el elemento 311 de ferrita) se desplaza alejándose
del panel plano 303 a lo largo de una dirección de medida
sustancialmente perpendicular al plano del panel plano 303.
Un elemento soporte 313 se proyecta desde el
panel 303 de ABS y sostiene una TCI multicapa 315 que tiene formadas
unas pistas conductivas 317. Las pistas conductivas 317 están
conectadas a la circuitería 319 de generación y tratamiento de
señales. En esta realización, las pistas conductivas 317 y la
circuitería 319 de generación y tratamiento de señales son
sustancialmente idénticas a las pistas conductivas y la circuitería
de generación y tratamiento de señales de la primera realización.
El elemento 311 de ferrita pasa a través de la abertura de la TCI
multicapa 315 y por lo tanto el desplazamiento del elemento 311 de
ferrita a lo largo de la dirección de medida es detectado por la
circuitería 319 de generación y tratamiento de señales de la misma
manera descrita en la primera realización.
En las realizaciones descritas, un conjunto de
botón pulsador o un conjunto de interruptor rotativo está
incorporado en un panel de instrumentos plano de ABS. Generalmente,
puede usarse cualquier forma de panel rígido. Adicionalmente,
también puede usarse un panel que pueda deformarse por la aplicación
de presión, en cuyo caso la varilla comprendiendo el elemento de
ferrita podría estar directamente sujeta al panel y no se requeriría
la membrana,
En las realizaciones descritas, se usa un
elemento de ferrita como elemento de acoplamiento intermedio entre
una antena transmisora y una antena receptora. Se apreciará que
podría usarse cualquier otra sustancia magnéticamente permeable,
por ejemplo un tornillo de presión, una aguja, o una grapa. Si el
panel de instrumentos está hecho de un material magnéticamente
permeable tal como acero dulce, incluso podría usarse como elemento
de acoplamiento intermedio una parte deformable del panel de
instrumentos.
Podrían usarse otros tipos de elementos de
acoplamiento intermedio, por ejemplo un elemento conductivo o una
espira conductiva. En una realización preferida, según se muestra en
la Fig. 15, un circuito resonante 351 formado por un inductor 353 y
un condensador 355 sustituye al elemento de ferrita de las
realizaciones descritas, siendo la frecuencia de resonancia del
circuito resonante 355 igual a la frecuencia portadora f_{0} de
las señales de excitación aplicadas a la bobina de seno y a la
bobina de coseno. El circuito resonante 351 permite mayores niveles
de señal a la frecuencia portadora y además filtra las señales a
otras frecuencias. No obstante, el demodulador 69 debe permitir una
desviación de fase de 90º en la señal sensora introducida por el
circuito resonante 351. Alternativamente, podría usarse el circuito
resonante adicionalmente al elemento de ferrita.
Aunque en las realizaciones descritas las
antenas planas están formadas sobre tarjetas de circuito impreso,
alternativamente las antenas planas podrían estar formadas sobre
otros substratos planos. Sin embargo, es preferible el uso de
tarjetas de circuito impreso debido a la madurez de las técnicas de
fabricación de las tarjetas de circuito impreso que permiten hacer
antenas de alta calidad a un coste relativamente bajo.
En la primera realización, la antena receptora
del codificador de posición axial está formada por unas espiras de
corriente sobre las caras finales de la TCI multicapa. Se apreciará
que la antena receptora podría incluir además una o mas espiras de
corriente sobre las caras intermedias de la TCI multicapa.
En la segunda realización, hay una primera
bobina de excitación formada alrededor de un eje en el plano de la
TCI y una segunda bobina de excitación formada alrededor de un eje
normal al plano de la TCI. Se apreciará que estos ejes podrían
estar girados con relación a la TCI, y en el caso más amplio solo
necesitan ser transversales entre sí para obtener la deseada
variación del campo magnético a lo largo de la dirección de
medida.
El codificador de posición axial de la primera
realización tiene una bobina de seno y una bobina de coseno
formadas por unas espiras de corriente únicas sobre las respectivas
superficies de una TCI multicapa. En realizaciones alternativas, la
bobina de seno y la bobina de coseno tienen unas espiras conductivas
plurales formadas sobre las respectivas superficies de la TCI
multicapa.
Adicionalmente, la TCI multicapa podría tener un
numero diferente de capas. En una realización, la TCI multicapa
tiene mas de cinco capas y el número de espiras conductivas sobre
cada superficie para la bobina de seno y la bobina de coseno varia
a lo largo de la dirección axial para generar unos componentes
axiales del campo magnético que varíen según la función de seno y
la función de coseno respectivamente.
En la primera realización, una señal portadora a
2 MHz está modulada por una señal moduladora a 3,9 kHz. Típicamente,
la señal portadora puede estar en el margen de 500 kHz a 10 MHz y
la señal de modulación puede estar en el margen de 10 kHz a 100
kHz. En una realización alternativa, la señal portadora tiene una
frecuencia de 2 MHz y la señal moduladora tiene una frecuencia de
2,5 kHz.
En las realizaciones primera y tercera, la
antena transmisora y la antena receptora comprenden unas pistas
conductivas formadas en más de tres planos paralelos, en particular
las superficies finales y las superficies intercaladas de una TCI
multicapa. En vez de usar un substrato plano multicapa, podrían
usarse varios substratos planos independientes. No obstante, es
preferible el uso de un substrato plano multicapa debido a la
simplicidad de fabricación.
En las realizaciones primera a tercera, la
antena transmisora comprende dos bobinas de excitación y la antena
receptora comprende una sola bobina sensora. La señal inducida en la
bobina sensora depende de la relación de acoplamiento
electromagnético entre (i) la bobina de seno y la bobina sensora, y
(ii) la bobina de coseno y la bobina sensora. Esta medición
ratiométrica es ventajosa porque es menos susceptible a las
variaciones del acoplamiento electromagnético debidas a factores
ambientales.
En una realización alternativa, la antena
transmisora comprende una sola bobina de excitación y la antena
receptora comprende un par de bobinas sensoras, efectuándose la
medición ratiométrica comparando las señales inducidas en las dos
bobinas sensoras.
En la tercera realización, el árbol 175 no puede
desplazarse axialmente, y un casquillo 187 que está acoplado al
árbol 175 mediante una rosca no puede girar con el árbol 175, por lo
que el movimiento rotatorio del árbol 175 provoca el movimiento
axial del casquillo 187. En una realización alternativa, un árbol
está enroscado directamente en un hueco y el árbol tiene una
porción de ferrita, de manera que la antena transmisora y la antena
receptora de la tarjeta de circuito impreso miden directamente el
desplazamiento axial del árbol cuando se gira la cabeza del
interruptor.
En la cuarta realización, se describe un ejemplo
específico de un sensor tipo LVDT. Este ejemplo específico puede
modificarse de muchas maneras sin salirse de la invención. En
general, se ha descubierto que:
1. La posición exacta del elemento de ferrita
dentro del orificio de la TCI no es crítica.
2. El diámetro exterior del arrollamiento deberá
ser del mismo orden que la longitud de la varilla de ferrita. En
las realizaciones preferidas, el diámetro exterior de los
arrollamientos es de 0,5 a dos veces la longitud de la varilla de
ferrita.
3. El área cubierta por los arrollamientos
deberá ser de dos a diez veces el área del orificio.
4. La señal de CA aplicada sobre el
arrollamiento de entrada está preferiblemente dentro de margen de
frecuencias de 100 kHz a 5 MHz.
5. Puede alcanzarse un margen de medida
razonablemente lineal de hasta una vez y media el diámetro del
orificio.
En la cuarta realización, el LVDT tiene un
arrollamiento de entrada y dos arrollamientos de salida, aplicándose
una señal de excitación al arrollamiento de entrada para inducir
señales en el arrollamiento de salida. Los expertos en la técnica
apreciarán que también podrían usarse otras configuraciones de LVDT.
Por ejemplo, podrían formarse unos arrollamientos equilibrados a
cada lado de una tarjeta de circuito impreso, con los arrollamientos
equilibrados conectados en serie entre sí y en paralelo con un par
de resistencias equilibradas para formar una disposición de puente.
De este modo, monitorizando la diferencia de potencial entre el
punto de conexión entre los dos arrollamientos y el punto de
conexión entre las dos resistencias cuando se aplica una señal
oscilante a través de los dos arrollamientos, puede determinarse la
posición de una varilla de ferrita que pase a través de un orificio
de la tarjeta de circuito impreso alrededor del cual estén formados
los arrollamientos.
En la tercera realización, el comparador emite
una señal modulada por anchura de impulso cuyo factor de utilización
varía con la posición de la varilla de ferrita. No obstante, el
comparador podría emitir otras formas de flujos de datos
digitales.
En las realizaciones primera a cuarta, la señal
emitida por el sensor inductivo varía aproximadamente linealmente
con la posición del elemento de ferrita sobre un margen de medida, y
por lo tanto sólo hay que multiplicar por un factor de calibración
la señal emitida por el sensor inductivo para obtener una medida de
posición. Si se extiende el margen de medida de manera que la
salida del sensor inductivo deje de variar linealmente con la
posición, entonces es preciso usar una tabla de consulta para
convertir la señal de salida en una medida de posición.
En las realizaciones primera a cuarta, un
conjunto de botón pulsador incluye un sensor de posición que usa
antenas planas para medir el desplazamiento a lo largo de un
recorrido que intersecta el plano de las antenas. El margen de
desplazamiento depende de la extensión axial del campo magnético
generado por la bobina de seno y la bobina de coseno. Puede
aumentarse el margen de medida usando más de un codificador de
posición. Las Figs 16A y 16B muestran una realización en la cual
dos TCI multicapa 401a, 401b están separadas con sus planos
paralelos, siendo cada TCI multicapa 401 idéntica a la TCI multicapa
descrita en la primera realización. Según se muestra, una varilla
403 se proyecta perpendicularmente desde una superficie plana 405 a
través de unos orificios practicados en las TCI 401.
La varilla 403 está generalmente aislada de dos
porciones 405a, 405b de ferrita separadas por una distancia
inferior a la distancia existente entre las dos TCI 401a, 401b. En
particular, las dos porciones de ferrita están separadas de tal
modo que cuando la primera porción 405a de ferrita está dentro del
margen de medida real correspondiente a la primera TCI 401a, según
se muestra en la Fig. 16A, la segunda porción 405b de ferrita está
fuera del margen de medida real correspondiente a la segunda TCI
401b. Sin embargo, cuando la primera porción 405a de ferrita sale
del margen de medida de la primera TCI 401a en la dirección de la
segunda TCI 401b, la segunda porción 405b de ferrita penetra en el
margen de medida de la segunda TCI 401b, según se muestra en la
Fig. 16B. De esta manera casi puede duplicarse el margen lineal
efectivo de medida. Los expertos en la técnica apreciarán que
usando las porciones magnéticas adicionales o bien las tarjetas de
circuito impreso adicionales, o usando ambas, aún podría aumentarse
más el margen lineal de medida.
Aunque en las realizaciones descritas los
substratos de las TCI están provistos de unas aberturas y el
elemento de ferrita pasa a través de la abertura, ello no es
esencial. Por ejemplo, según se muestra en las Figs 8 y 9, en la
segunda realización se producen unos componentes de intensidad del
campo magnético perpendiculares al substrato de la TCI que varían
aproximadamente según una función senoidal y una función cosenoidal
hasta una distancia de 2 mm a cada lado del substrato de la TCI.
Por lo tanto, el elemento de ferrita no tiene que pasar físicamente
a través del substrato de la TCI para que pueda medirse su
posición.
En las realizaciones primera a tercera, la
circuitería de generación y tratamiento de señales genera una señal
I(t) en fase y una señal Q(t) en cuadratura que
comprenden una señal portadora a una frecuencia portadora modulada
por una respectiva señal de modulación a una frecuencia de
modulación que es significativamente inferior a la frecuencia
portadora. La circuitería de generación y tratamiento de señales
mide también la fase de un componente de una señal sensora
S(t) a la frecuencia de modulación con objeto de determinar
un valor de posición. Según se describió en la Solicitud
Internacional WO 03/038379, cuyo contenido completo se incorpora
aquí por referencia, esta disposición combina ventajosamente el
aumento en magnitud del acoplamiento entre una antena transmisora y
una antena receptora resultante de la utilización de una frecuencia
portadora comparativamente más alta con las técnicas de tratamiento
directo de señales usadas para medir la fase de una señal a la
frecuencia de modulación más baja.
Los conjuntos de botón pulsador descritos
anteriormente podrían combinarse con una pluralidad de conjuntos de
botón pulsador similares, usando preferiblemente una membrana
flexible común y una TCI multicapa común para formar un
teclado.
Las interfaces hombre-máquina
anteriormente descritas pueden utilizarse como parte de una interfaz
de usuario en muchas máquinas diferentes. Por ejemplo, la interfaz
hombre-máquina podría formar parte de una maquina
de ejercicios, tal como una maquina de tapiz rodante para correr o
una maquina para remar. Como otro ejemplo, la interfaz
hombre-máquina podría formar parte de un aparato
electrodoméstico tal como una lavadora o un lavaplatos.
Adicionalmente, la interfaz hombre-máquina podría
formar parte de un equipo médico.
Si el conjunto de botón pulsador forma parte de
una interfaz de usuario que pueda vibrar cuando el dispositivo
asociado esté siendo usado, es preferible asegurarse de que el
diseño mecánico del conjunto de botón pulsador no tenga una
frecuencia de vibración resonante que coincida con la frecuencia de
vibración esperada para el dispositivo asociado. En caso de que se
pongan múltiples botones pulsadores sobre un substrato común, puede
determinarse el movimiento vibratorio de todos los botones
pulsadores mediante la identificación de un movimiento común. El
accionamiento de uno de los botones pulsadores por un usuario puede
detectarse identificando las discrepancias entre el movimiento del
botón pulsador accionado y el de los otros botones pulsadores.
Se apreciará que si se forman múltiples
interfaces hombre-máquina sobre un panel de
instrumentos común, teniendo cada interfaz
hombre-máquina un respectivo sensor inductivo,
podría usarse una circuitería de generación y tratamiento de
señales con un dispositivo multiplexor para todos los sensores
inductivos. Adicionalmente, podría usarse la circuitería de
generación y tratamiento de señales para otros sensores inductivos
de aparato, por ejemplo sensores de vibración y sensores de
temperatura.
Se apreciará que en todas las realizaciones que
incorporan el sensor de posición de la primera realización, podría
usarse el sensor de posición de la segunda realización en lugar del
sensor de posición de la primera realización.
La presente invención no pretende limitarse a
las realizaciones anteriormente descritas. Otras modificaciones y
realizaciones serán aparentes para los expertos en la técnica.
Claims (21)
1. Un sensor de posición que comprende:
como mínimo un substrato plano (7, 315) que
tiene formadas sobre el mismo una antena transmisora y una antena
receptora; y
un elemento de acoplamiento intermedio (15)
accionable para que se desplace con respecto al como mínimo un
substrato plano (7, 315) a lo largo de una dirección de medida
transversal al substrato plano (7, 315),
en el cual el acoplamiento electromagnético
entre la antena transmisora y la antena receptora varía según la
posición del elemento de acoplamiento intermedio (15) a lo largo de
la dirección de medida,
y en el cual como mínimo una de entre la antena
transmisora y la antena receptora comprende una primera bobina 119,
116 (107-1, 106-1) alrededor de un
primer eje y una segunda bobina (107-1,
106-1) alrededor de un segundo eje que es
transversal al primer eje.
2. Un sensor de posición según la reivindicación
1, en el cual el primer eje y el segundo eje son perpendiculares
entre sí.
3. Un sensor de posición según la reivindicación
2, en el cual el primer eje es perpendicular al substrato plano y
el segundo eje está en el plano del substrato plano.
4. Un sensor de posición según cualquier
reivindicación precedente, en el cual la dirección de medida es
perpendicular al substrato plano o a cada uno de ellos.
5. Un sensor de posición según la reivindicación
4, en el cual el substrato plano o cada uno de ellos tiene formada
a su través una abertura que está alineada con la dirección de
medida.
6. Un sensor de posición según cualquier
reivindicación precedente, en el cual el elemento de acoplamiento
intermedio comprende un cuerpo magnéticamente permeable.
7. Un sensor de posición según la reivindicación
6, en el cual el cuerpo magnéticamente permeable es un elemento de
ferrita.
8. Un sensor de posición según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el cual el elemento de acoplamiento
intermedio comprende un circuito resonante.
9. Un sensor de posición según cualquier
reivindicación precedente, en el cual el substrato plano es una
tarjeta de circuito impreso.
10. Un sensor de posición según cualquier
reivindicación precedente, en el cual la antena transmisora
comprende una primera bobina de excitación y una segunda bobina de
excitación,
en la cual la primera bobina de excitación
comprende al menos un arrollamiento que está dispuesto alrededor de
un primer eje, que está en el plano del substrato plano, de tal
modo que, en respuesta a la corriente que circula a través de la
primera bobina de excitación, se genera un campo magnético que tiene
un componente a lo largo de la dirección de medida que varía según
una primera función, y
en la cual la segunda bobina de excitación
comprende al menos un arrollamiento que está dispuesto alrededor de
un segundo eje, que es perpendicular al plano del substrato plano,
de tal modo que, en respuesta a la corriente que circula a través
de la segunda bobina de excitación, se genera un campo magnético que
tiene un componente a lo largo de la dirección de medida que varía
según una segunda función que es diferente de la primera
función.
11. Un sensor de posición según la
reivindicación 10, en el cual sobre un margen de medida la primera
función es substancialmente una función senoidal y la segunda
función es substancialmente una función cosenoidal.
12. Un sensor de posición según las
reivindicaciones 10 u 11, en el cual la primera bobina de excitación
comprende adicionalmente un primer arrollamiento y un segundo
arrollamiento alrededor del primer eje, estando el segundo
arrollamiento en el lado opuesto de la dirección de medida con
respecto al primer arrollamiento de seno.
13. Un sensor de posición según cualquiera de
las reivindicaciones 10 a 12, en el cual la segunda bobina de
excitación comprende un primer arrollamiento y un segundo
arrollamiento, estando el segundo arrollamiento en el lado opuesto
de la dirección de medida con respecto al primer arrollamiento de
seno.
14. Un sensor de posición según cualquier
reivindicación precedente, en el cual la antena transmisora y la
antena receptora están formadas por unas pistas conductivas formadas
sobre una primera superficie plana y una segunda superficie plana a
cada lado de un substrato plano monocapa y por unos orificios de vía
totalmente metalizados que atraviesan el substrato plano único.
15. Una interfaz hombre-máquina
que comprende un sensor de posición según se reivindica en cualquier
reivindicación precedente.
16. Un botón pulsador que comprende un sensor de
posición según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones
1 a 14.
17. Un teclado que comprende una pluralidad de
botones pulsadores según se reivindica en la reivindicación 16.
18. Un teclado según la reivindicación 17, en el
cual la pluralidad de botones pulsadores tienen un substrato plano
común.
19. Un teclado según las reivindicaciones 17, ó
18, en el cual el elemento de acoplamiento intermedio de cada botón
pulsador está conectado a una membrana común.
20. Un codificador rotativo que comprende:
un árbol montado en una montura con movimiento
rotacional alrededor de un eje; y
un sensor de posición según se reivindica en
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14,
en el cual el elemento de acoplamiento
intermedio del sensor de posición está acoplado al árbol de un modo
tal que, en respuesta al movimiento rotacional del árbol, el
elemento de acoplamiento intermedio se desplaza
correspondientemente a lo largo del eje de rotación.
21. Un interruptor rotativo que comprende un
codificador rotativo según se reivindica en la reivindicación
20.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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| US10/724,336 US7196604B2 (en) | 2001-05-30 | 2003-11-29 | Sensing apparatus and method |
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