BR102012012234A2

BR102012012234A2 - sensor de posiÇço, dispositivo atuador-sensor, e, mÉtodo para a detecÇço indutiva de uma posiÇço de um primeiro componente

Info

Publication number: BR102012012234A2
Application number: BRBR102012012234-0A
Authority: BR
Inventors: Ulrich Backes
Original assignee: Trw Automotive Electron & Comp
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2013-06-18
Also published as: EP2527795A3; US20130127449A1; CN102798339B; CN102798339A; DE102011102796A1; EP2527795A2; US9194721B2; EP2527795B1

Abstract

SENSOR DE POSIÇçO, DISPOSITIVO ATUADOR-SENSOR, E, MÉTODO PARA A DETECÇçO INDUTIVA DE UMA POSIÇçO DE UM PRIMEIRO COMPONENTE. Um sensor de posição para detecção indutiva de uma posição de um primeiro componente compreendendo uma bobina de referência, em relação a um segundo componente compreendendo um corpo de referência. Uma unidade de controle e processamento do sensor de posição é acoplada à bobina de referência e é projetada para emitir um sinal de saída que gera um impulso de corrente na bobina de referência. Além disto, a unidade de controle e processamento é projetada para a avaliação de uma oscilação, gerada pelo impulso da corrente na bobina de referência, como sinal de entreda que indica a posição do corpo de referência.

Description

“SENSOR DE POSIÇÃO, DISPOSITIVO ATUADOR-SENSOR, E, MÉTODO PARA A DETECÇÃO INDUTIVA DE UMA POSIÇÃO DE UM PRIMEIRO COMPONENTE”

A invenção diz respeito a um sensor de posição para a detecção indutiva de uma posição de um primeiro componente, compreendendo uma bobina de referência, em relação a um segundo componente, compreendendo um corpo de referência. A invenção também diz respeito a um dispositivo atuador-sensor e a um método para a detecção indutiva de uma posição do corpo de referência em relação à bobina de referência.

Os sensores de posição que operam de uma forma sem contato são empregados em muitos campos da tecnologia. Na engenharia automotiva, os sensores de posição sem contato são empregados, por exemplo, como comutadores rotatórios ou botões de pressão livres do desgaste por contato, em especial em comutadores de luz rotatórios. Estes sensores de posição operam com a utilização de vários princípios físicos de medição. Exemplos incluem uma medição capacitiva ou potenciométrica. Entretanto, os sensores acima mencionados podem simplesmente ser realizados a custos comparativamente altos, e, além disto, possuem um tamanho muito grande e podem simplesmente ser integrados com alto esforço de montagem. Sensores operando de uma maneira capacitiva são também sensitivos à umidade.

O objetivo da invenção é prover um sensor de posição e um dispositivo atuador-sensor, assim como um método para a detecção indutiva de uma posição, que é aprimorado no que diz respeito aos problemas conhecidos da técnica anterior.

De acordo com a presente invenção, é provido um sensor de posição para a detecção indutiva de uma posição de um primeiro componente, compreendendo uma bobina de referência, em relação a um segundo componente, compreendendo um corpo de referência. Preferencialmente, o primeiro e o segundo componente são partes integrantes de um sensor de posição. O sensor de posição pode ser um codificador rotatório, um transmissor de posição linear, ou um sensor de proximidade, por exemplo, um botão de pressão. Um codificador rotatório preferencial é um comutador de luz rotatório sem contato, por exemplo, para um veículo automotor. O sensor de posição também compreende uma unidade de controle e processamento, que, preferencialmente, pode ser um microcontrolador.

A unidade de controle e processamento pode incluir uma entrada e uma saída, que são cada uma delas acopladas com a bobina de referência. A unidade de controle e processamento é projetada para emitir um sinal de saída que gera um impulso de corrente na bobina de referência. Além disto, a unidade de controle e processamento é projetada para avaliar uma oscilação provocada por este impulso de corrente na bobina de referência, e utilizar a mesma como sinal de entrada que indica a posição do corpo de referência, em relação à bobina de referência. A avaliação da oscilação provocada pela bobina de referência pode ser realizada, por exemplo, por meio de um microcontrolador correspondentemente programado.

O sensor de posição, de acordo com os aspectos acima mencionados da invenção, está baseado no efeito físico, que no corpo de referência condutor, preferencialmente metálico, que é permeado pelo campo magnético da bobina de referência, as perdas de corrente parasita são induzidas, e, o mesmo leva a uma perda de energia do campo magnético. Devido à perda de energia que ocorre, a voltagem da bobina é reduzida; o que pode ser detectado como um sinal de entrada, que indica a posição do corpo de referência em relação à bobina de referência.

De acordo com aspectos da invenção um impulso de corrente é gerado na bobina de referência, e, a perda de energia que ocorre do campo magnético é detectada em relação à oscilação resultante. Já se sabe que, devido às capacitâncias parasitas da fiação externa e à bobina de referência, ocorre uma oscilação amortecida na mesma, e, este efeito pode ser utilizado para a detecção da posição indutiva. Quando comparada com a solução conhecida a partir da técnica anterior, o sensor de posição, de acordo com aspectos da invenção, possui a vantagem de que a bobina de referência pode 5 ser dimensionada em um tamanho menor. Além disto, pode ser utilizada uma corrente de excitação de uma bobina menor, e, uma frequência de excitação menor. Isto é vantajoso, em especial, em relação à compatibilidade eletromagnética (EMC) do sensor de posição.

A unidade de controle e processamento pode também ser 10 projetada para avaliar uma amplitude de oscilação, gerada pelo impulso da corrente na bobina de referência. A altura da amplitude pode ser considerada uma medida para a perda de energia provocada pelo corpo de referência. A avaliação da amplitude como sinal de entrada, que indica a posição do corpo de referência, representa desta forma, uma solução particularmente eficaz.

De acordo com aspectos adicionais da invenção, a saída da

unidade de controle e processamento é acoplada com um lado da bobina de referência por meio de um primeiro nó. Preferencialmente o outro lado da bobina de referência é acoplado a um potencial de referência fixo, por exemplo, o terra. Além disto, um diodo pode ser conectado na direção 20 dianteira, entre o primeiro nó e um segundo nó, o qual pode também ser acoplado com a entrada da unidade de controle e processamento. Um capacitor pode ser acoplado entre o segundo nó e um primeiro potencial de referência fixo (preferencialmente, o terra). Este capacitor pode ser parte da unidade de avaliação e processamento; mas, pode, entretanto, ser também um 25 componente separado.

Nas soluções conhecidas a partir da técnica anterior, que empregam um principio de medição similar, é sempre necessário que a corrente de excitação da bobina, ou a frequência de excitação, tenham pelo menos uma determinada magnitude, e, além disto, uma indutividade suficientemente grande. Caso contrário, uma sensitividade satisfatória do dispositivo de medição não pode ser alcançada. Entretanto, isto é, na maioria das vezes, impraticável por razões de EMC. Além do mais, bobinas enroladas devem ser frequentemente utilizadas, o que significa uma desvantagem no 5 custo. O sensor de posição, de acordo com aspectos da invenção, resolve estas desvantagens, uma vez que, para a avaliação da oscilação na bobina de referência, uma indutividade comparativamente baixa, e uma pequena excitação da frequência, podem ser utilizadas. Além do mais uma bobina enrolada pode ser omitida. E possível utilizar uma bobina plana, com 10 caminhos de condutor integrados, em uma placa de circuito impresso, ou uma bobina plana, fabricada com a tecnologia MID, como bobina de referência.

Para a avaliação de uma oscilação amortecida que é gerada pela bobina de referência, as meia-ondas positivas desta oscilação são retificadas por meio do diodo. O capacitor é carregado pelos picos de 15 voltagem positivos. De acordo com este modo de realização particularmente simples e barato, a voltagem obtida por meio do capacitor pode ser detectada, como sinal de entrada, na entrada da unidade de controle e processamento, e, serve como sinal de entrada, que indica a posição entre o corpo de referência e a bobina de referência. Descobriu-se que um capacitor com baixa 20 capacitância pode ser utilizado com esta finalidade, uma vez que este já é integrado, por exemplo, em microcontroladores disponíveis comercialmente. Preferencialmente, o mesmo possui baixa capacitância, por exemplo, entre 10 e 20 microfarads.

Quando a distância do corpo de referência até a bobina de 25 referência é modificada, a perda de energia do campo da bobina de referência, provocada pelas perdas de corrente parasita no corpo de referência, é modificada. Isto leva à mudança na voltagem obtida no capacitor. Em vários ciclos de medição consecutivos, a distância variante entre o corpo de referência e a bobina de referência pode, então, ser detectada. De acordo com um aspecto adicional da invenção, o impulso de corrente, acoplado dentro da bobina de referência pela unidade de controle e processamento, pode ser definido, substancialmente, por um resistor, que é acoplado entre o primeiro nó e a saída da unidade de controle e 5 processamento. A resistência é dimensionada correspondente à capacidade de transporte da corrente da saída, preferencialmente, entre 150 Ohm e 1000 Ohm.

De acordo com um aspecto adicional da invenção, um primeiro comutador, que é preferencialmente um transistor, por exemplo, um MOSFET, pode ser conectado entre o diodo e um segundo nó. Este segundo comutador permite separar o capacitor da bobina de referência, para um período do impulso da corrente. Além disto, um segundo comutador, que, por sua vez, pode ser um transistor, como por exemplo, um MOSFET, pode ser acoplado entre o segundo nó e um potencial de referência fixo, preferencialmente o terra. Ao abrir o primeiro comutador e fechar o segundo, o capacitor pode ser descarregado antes da cada novo ciclo de medição, de forma que existe uma condição definida de partida. Durante a detecção das meias-ondas positivas das oscilações amortecidas, que ocorrem na bobina de referência, o segundo comutador pode ser aberto e o primeiro comutador pode ser fechado, de forma que a carga pode fluir sobre o diodo em direção ao capacitor. Preferencialmente, o diodo é um diodo Schottky. Este tipo de diodo é caracterizado pela baixa voltagem à frente, e, por tempos de interrupção curtos (na faixa de 100 ns), e, desta forma, é adequado para detectar a ocorrência de meias-ondas positivas da oscilação amortecida, também, em altas frequências de oscilação.

De acordo com um aspecto adicional da invenção, a unidade de controle e processamento é uma saída digital à qual, preferencialmente um sinal de onda quadrada é aplicado. O flanco de crescimento e queda deste sinal de onda quadrada gera um impulso de corrente na bobina de referência, de modo que a taxa dos flancos determina de modo decisivo a sensitividade que pode ser alcançada. A unidade de controle e processamento utilizada para detecção, preferencialmente, é acoplada com um conversor de A/D compreendido pelo mesmo. A voltagem obtida no capacitor pode, assim, ser diretamente convertida em um valor digital, que fica disponível para o processamento digital adicional.

Outro sensor de posição vantajoso compreende uma ou mais bobinas de referência que, da mesma forma que foi acima mencionada, são acoplados com os componentes remanescentes do sensor de posição. A conexão em série de várias bobinas pode também ser concebida.

O enrolamento desta(s) bobina(s) de referência pode ser guiado de forma que os mesmos definam um núcleo de bobina, que determina a forma do campo magnético gerado, de forma que, preferencialmente, um deslocamento lateral do corpo de referência (isto é, um deslocamento paralelo ao plano no qual a bobina se estende), ou um deslocamento vertical do corpo de referência (isto é, um deslocamento do corpo de referência vertical ao plano de extensão da bobina), pode ser detectado. Em outros termos, a forma do campo magnético é estabelecida de forma que uma pequena modificação da posição do corpo de referência, em uma ou outra direção, leva a uma modificação correspondentemente forte do campo magnético que atua sobre o corpo de referência, e, gerado pela bobina de referência. Esta modificação dependente da localização do campo magnético leva a uma modificação correspondentemente forte das correntes parasitas induzidas. Preferencialmente, o núcleo de bobina (que também compreende uma bobina de ar), da bobina de referência, possui uma área transversal pequena. Ali é obtido um campo magnético em forma de agulha, que possui um gradiente forte na direção lateral. Desta forma, um deslocamento lateral do corpo de referência pode ser, preferencialmente, detectado. De acordo com outro aspecto, a bobina de referência é projetada de forma que o núcleo da bobina possui uma área transversal oblonga. Neste caso, um deslocamento lateral do corpo de referência leva a uma modificação proporcional do sinal de entrada. A área transversal oblonga pode ser em forma de linha ou curva, por exemplo, estender-se ao longo do segmento de arco circular. Neste último caso, ocorre a saída de um campo em forma de anel, que é particularmente adequado para a construção de sensores de ângulo de rotação, como são empregados, por exemplo, em comutadores de luz rotativos sem contato. Outro sensor de posição pode incluir uma bobina de referência, que possui um núcleo de bobina com uma área transversal relativamente grande. Então, uma saída de campo quadrado ocorre. Este campo magnético possui um gradiente forte na direção vertical. Desta forma, um deslocamento vertical do corpo de referência, em relação à bobina de referência pode ser, preferencialmente, detectado. Este arranjo, em especial, é particularmente adequado para a realização de um comutador de botão de pressão, em cujo acionamento o corpo de referência se aproxima da bobina de referência (ou vice-versa).

Em aplicação de transmissor de posição, nos campos de segurança relevantes, por exemplo, nos comutadores de luz automotivos, pelo menos dois métodos fisicamente diferentes de detecção de posição devem ser utilizados. Um sensor de posição adicional, de acordo com aspectos da invenção atende a estes requisitos, e, inclui uma unidade adicional para detectar a posição entre o primeiro e o segundo componente, sendo que a detecção, realizada pela unidade adicional, está baseada em um princípio medição física diferente do da detecção da posição indutiva. Preferencialmente, uma detecção de posição capacitiva é utilizada.

De acordo com um aspecto adicional da invenção, um dispositivo atuador-sensor é provido, o qual compreende um sensor de posição, de acordo com os aspectos acima mencionado da invenção, e, além disto, um atuador. Como uma primeira de duas partes do atuador atuando uma em relação à outra, um imã permanente é integrado dentro do segundo componente. O campo magnético deste imã permanente permeia a bobina de referência, integrada no primeiro componente, que é utilizado como a segunda das duas partes de um atuador, atuando uma em relação a outra. Além disso, um comutador, por exemplo, um MOSFET, pode ser conectado, entre uma voltagem de alimentação e o primeiro nó. Neste caso, o canal do MOSFET é acoplado com a voltagem de alimentação, de um lado, e como primeiro nó, de outro lado. A unidade de controle e avaliação pode também incluir uma saída adicional, que é acoplada com o comutador para controlar o mesmo. Se for utilizado um MOSFET, esta saída adicional é acoplada com a sua porta.

A unidade de controle e processamento, preferencialmente, é projetada para controlar por retroalimentação o atuador. Este é controlado em resposta a uma posição entre o primeiro e o segundo componente, conforme determinada pelo sensor de posição. Com este dispositivo atuador-sensor, um botão de pressão com retroalimentação por meio de percepção tátil pode ser construído de modo vantajoso. Por exemplo, uma vibração ou força de retroalimentação pode ser levada a efeito. Pelo acionamento alternadamente da bobina de referência com uma corrente de baixa frequência mais forte, de um lado (acionamento do atuador), e, uma corrente de alta frequência mais fraca, de outro lado (acionamento do sensor) um botão de pressão muito compacto e barato, com retroalimentação por meio de percepção tátil pode ser realizada.

De acordo com um modo de realização adicional, é provido um método para a detecção indutiva de uma posição de um primeiro componente, que compreende uma bobina de referência, em relação a um segundo componente, que compreende um corpo de referência. Antes de mais nada, um sinal de saída, que gera um impulso de corrente na bobina de referência, é acoplado dentro da uma bobina de referência. Este impulso de corrente provoca uma oscilação da bobina de referência, a qual, por sua vez, é avaliada como um sinal de entrada, que indica a posição do corpo de referência em relação à bobina de referência. Preferencialmente, a amplitude da oscilação gerada pelo impulso da corrente na bobina de referência é avaliada. A avaliação da oscilação, preferencialmente, é realizada por meio de um microcontrolador correspondentemente configurado.

Outro método para a detecção indutiva de posição emprega uma unidade de controle e processamento, cuja entrada é acoplada com a bobina de referência, para receber um sinal de entrada indicando a posição. A saída da unidade de controle e processamento e um lado da bobina de referência são acoplados com um primeiro nó. Um diodo pode ser conectado na direção dianteira, entre o primeiro nó e o segundo nó, acoplado com a entrada, e, um capacitor pode ser acoplado, entre o segundo nóE um potencial de referência fixo. Neste modo de realização, a etapa de avaliação pode, vantajosamente, ser limitada a uma avaliação da voltagem obtida sobre o capacitor. Esta voltagem já serve como sinal de entrada, que indica a posição de um corpo de referência, em relação à bobina de referência.

Vantagens adicionais relacionadas com o método, de acordo com aspectos da invenção, já foram mencionados no que diz respeito ao sensor de posição, de acordo com aspectos da invenção, e, desta forma, não exigem explicações adicionais.

Características e vantagens adicionais da invenção podem ser obtidas a partir da descrição que se segue dos modos de realização exemplificativos, tendo como referência os desenhos anexos, nos quais:

A Figura 1 mostra um diagrama de circuito simplificado de um sensor de posição, de acordo com um modo de realização exemplificativo.

A Figura 2 mostra uma curva dependente de tempo da voltagem aplicada a uma primeira saída, a uma bobina de referência e a um capacitor.

As Figuras de 3 a 6 mostram vários modos de realização exemplificativos para as bobinas de referência. A Figura 7 mostra um sensor de posição projetado como sensor de ângulo de rotação, de acordo com um modo de realização exemplificativo adicional.

A Figura 8 mostra uma forma de onda de sinal dependente do ângulo deste codificador rotatório.

A Figura 9 mostra um sensor de posição adicional projetado como codificador rotatório, de acordo com um modo de realização exemplificativo.

A Figura 10 mostra um diagrama de circuito simplificado de um dispositivo atuador-sensor, de acordo com um modo de realização exemplificativo.

A Figura 11 mostra uma seção transversal esquemática ao longo deste dispositivo atuador-sensor.

As Figuras 12 e 13 mostram uma vista em perspectiva do dispositivo atuador-sensor, a partir das suas superfícies superior e inferior.

A Figura 1 mostra um diagrama de circuito simplificado de um sensor de posição 2, que inclui uma unidade de controle e processamento 4, com uma saída 6, preferencialmente uma saída digital, e com uma entrada 8 que, por exemplo, é acoplada com um conversor de A/D . No que se segue, é pressuposto, a título de exemplo, que a unidade de controle e processamento 4 é um microcontrolador 4. Por meio de um resistor R, sua saída 6 é acoplada com um primeiro nó Kl, com o qual, além disto, um primeiro lado da uma bobina de referência L é acoplada, e cujo outro lado está conectado com um potencial de referência fixo, no caso, um terra. Com o primeiro nó Kl, um diodo D é ainda conectado, o qual atua como diodo retificador e que, preferencialmente, é um diodo Schottky. O diodo D está conectado na direção dianteira, entre o primeiro nó Kl e o segundo nó K2. Para dentro desta conexão um primeiro comutador S1 é integrado. Com o segundo nó K2, um capacitor C, com uma capacitância entre 10 e 20 pF, e um segundo comutador S2, são adicionalmente acoplados. Como comutadores SI, S2 são preferencialmente utilizados os MOSFETS. O outro lado do respectivo capacitor C e um segundo comutador S2 é acoplado com um potencial de referência fixo, no modo de realização exemplificativo ilustrado, o terra. Diferentemente do modo de realização exemplificativo mostrado na Figura 1, tanto o capacitor C, como o primeiro e o segundo comutadores podem ser configurados como componentes separados, isto é, ficando do lado de fora do microcontrolador 4. O sensor de posição 2 compreende ainda um corpo de referência, não ilustrado, que é permeado pelo campo magnético gerado pela bobina de referência L. A bobina de referência é preferencialmente feita de um material eletricamente condutivo, como, por exemplo um metal. A bobina de referência L é, preferencialmente bobina plana integrada em uma placa de circuito, ou uma bobina plana na tecnologia MID.

À saída 6 do microcontrolador 4, por exemplo, a voltagem V1 com onda de forma quadrada, mostrada na Figura 2 , é aplicada. Nas suas bordas de crescimento e queda, a mesma gera um impulso de corrente na bobina de referência L, cuja força é substancialmente determinada pela magnitude da resistência R. Devido às capacitâncias parasíticas da bobina de referência L, uma oscilação amortecida ocorre na mesma, cuja curva de voltagem é mostrada na Figura 2, como V2. As meias-ondas positivas da voltagem V2 são retificadas pelo diodo D e carregam o capacitor C, com o primeiro comutador Sl fechado e o segundo comutador S2 aberto. A carga do capacitor C é realizada nos flancos de crescimento e queda da voltagem de onda quadrada V2. Consequentemente, a voltagem V3 é aplicada aos crescimentos do capacitor em um pequeno valor, com cada flanco de crescimento e queda da voltagem de onda quadrada VI. Uma vez que o capacitor C possui somente uma baixa capacitância (de cerca de 10 a 20 pF), um pequeno número de ciclos de ligação do comutador e de desligamento do comutador já leva ao carregamento do capacitor C, para o valor de pico da voltagem V2 aplicada à bobina de referência L, menos a voltagem de desvio do diodo, do diodo D. O decréscimo da voltagem V3 por meio do capacitor pode ser medido na entrada 8 do microcontrolador 4.

Após a medição, o primeiro comutador Sl é aberto e o 5 segundo comutador S2 é fechado, para descarregar o capacitor C, e preparar para o seu novo ciclo de medições. Se o capacitor C for configurado como um componente discreto, externo ao microcontrolador 4, é também possível utilizar grandes capacitâncias, sendo que o primeiro comutador Sl pode ser omitido.

Se um corpo de referência estiver presente no campo

magnético gerado pela bobina de referência L, correntes parasitas são induzidas no mesmo. O mesmo leva a perdas de energia, e à redução da voltagem V2 na bobina de referência L. Consequentemente, o capacitor C é também carregado de forma menos forte. A diferença entre a voltagem da 15 carga máxima do capacitor Cea voltagem de fato que é medida é indicativa da magnitude das perdas de energia e, desta forma, também da posição do corpo de referência. Desta forma, pode-se detectar o quanto o corpo de referência se aproximou da bobina de referência L, ou, qual é a posição absoluta que o corpo de referência possui.

A Figura 3 mostra um primeiro modo de realização

exemplificativo para uma bobina de referência L, configurada como uma bobina plana. A mesma possui uma superfície central 10, que define uma seção transversal do núcleo da bobina. A bobina de referência L, mostrada na Figura 3, não possui um núcleo de bobina separado; ela é substancialmente 25 uma bobina de ar. O campo magnético que sai do centro da bobina de referência L é substancialmente em forma de agulha e possui um gradiente de campo alto, em uma direção lateral a um plano de extensão da bobina de referência L. Se um corpo de referência 12 for, então, trocado em uma direção lateral 14, por exemplo, na Figura 3, para a esquerda ou para a direita, a voltagem V3, que pode ser detectada no capacitor C, se quebra para um mínimo, tão logo as bordas do corpo de referência 12 se sobrepõem à janela de saída do campo, definida pela superfície central 10. Quando de uma comutação adicional, ela permanece neste valor baixo. Desta forma, a geometria ilustrada da bobina de referência L, é, preferencialmente, adequada para comutações de aplicativos com dois estados.

A Figura 4 mostra um modo de realização exemplificativo de uma bobina de referência L, a qual, quando comparada com a bobina de referência L mostrada da Figura 3, possui uma superfície central 10 maior, de forma que uma saída de campo substancialmente quadrada pode ser alcançada. Esta bobina de referência L é particularmente adequada para aproximar a detecção do corpo de referência 12 em uma direção vertical 16. A força do campo magnético gerado pela bobina de referência L se reduz na direção vertical 16, com o aumento da distância do corpo de referência 12, a partir da bobina de referência 1, de forma que com o decréscimo das correntes parasitas induzidas, a voltagem V3, que pode ser detectada no capacitor C, vai também se reduzir.

A Figura 5 mostra um modo de realização exemplificativo adicional para uma bobina de referência L, cujos enrolamentos são configurados de forma que uma superfície central linear oblonga 10 é obtida. E substancialmente definida uma saída de campo em forma de linha. As linhas de campo do campo magnético gerado são substancialmente distribuídas uniformemente na região da superfície central 10. Desta forma, uma relação linear é obtida entre o deslocamento do corpo de referência 12 em uma direção lateral 14 e a voltagem V3 que pode ser detectada no capacitor C. Um aspecto alternativo é mostrado na Figura 6, na qual a bobina de referência L possui uma superfície central 10 que se estende ao logo do

r

segmento de um círculo. E obtida uma saída de campo, substancialmente em forma de um anel, do campo magnético gerado pela bobina de referência L. De forma similar ao modo de realização mostrado na Figura 5, existe uma relação linear entre o sinal que pode ser detectado na entrada 8 do microcontrolador 4 e a rotação do corpo de referência 12, correspondente à direção 14. Um sensor de posição 2, com uma bobina de referência L, conforme mostrado na Figura 6, é preferencialmente útil para a construção de um sensor de ângulo de rotação, por exemplo, um comutador de luz rotatório.

A Figura 7 mostra um modo de realização exemplificativo para um sensor de ângulo de rotação, que cobre uma grande faixa de ângulos. Isto é realizado pela combinação de várias bobinas de referência. Em uma região externa, mostrada no topo da Figura 7b uma primeira bobina de referência Ll é localizada, cujos enrolamentos na metade inferior são guiados a partir do lado de fora para o lado de dentro e uma porção adjacente à superfície central 10. Correspondentemente, os enrolamentos da segunda bobina de referência L2 são guiados na região inferior na Figura 7b e no lado de dentro da superfície superior, isto é, próxima da superfície central. A primeira e a segunda bobina de referência LI, L2 são partes integradas de um primeiro componente 18 o sensor de posição 2, mostrado na Figura 7b, que é projetado sob a forma de um codificador rotatório. Um segundo componente compreende um primeiro e um segundo corpo de referência 121, 122, que podem, cada um deles, cobrir uma faixa angular de cerca de 120° e são arranjados em ângulos de rotação diferentes em relação à circunferência do segundo componente 20.

A Figura 8 mostra os sinais de medição, que podem ser detectados neste sensor de posição 2, na primeira e na segunda bobina de referência LI, L2, e normalizados para um valor máximo de uma unidade arbitrária. Com esta finalidade, por exemplo, o circuito mostrado na Figura 1 pode ser provido duas vezes, de forma que a oscilação amortecida, que ocorre na primeira e na segunda bobina de referência LI, L2, pode ser avaliada separadamente. Na Figura 8, a linha tracejada mostra o sinal SI, obtido pela avaliação da oscilação presente na primeira bobina de referência LI, a linha contínua mostra o sinal correspondente S2, para a segunda bobina de referência L2. Conforme mostrado na Figura 8, nos ângulos de rotação entre O0 e 270° o arranjo ilustrado fornece valores, aos quais um ângulo específico pode claramente ser associado. Ao expandir o arranjo para bobinas de detecção adicionais e possivelmente para corpos de referência adicionais, tanto uma resolução angular mais alta, quanto uma faixa angular maior, podem ser alcançadas.

A Figura 9 mostra um modo de realização exemplificativo para um sensor de posição 2, projetado como codificador rotatório (conforme a Figura 9a).Um primeiro componente 18 (conforme a Figura 9b) compreende uma bobina de referência L, que se estende ao longo de metade da circunferência, da qual apenas alguns enrolamentos são mostrados, a título de exemplo. A mesma inclui uma superfície central 10, que se estende ao longo de um segmento parcial da circunferência de um círculo. Embora a bobina de referência L se estenda na metade superior (conforme a Figura 9b), os eletrodos capacitivos de 221 a 229 estão localizados na metade inferior do primeiro componente 18, dos quais apenas alguns individuais são providos com números de referência, a título de exemplo. Na região superior do primeiro componente 18, a bobina de referência L coopera com o corpo de referência 12, o qual é integrado em um segundo componente 20 (conforme a Figura 9a). Os eletrodos 221... 229, arranjado na região inferior do primeiro componente 16, cooperam com os contra eletrodos segmentados 241, 242, e, formam um codificador rotatório capacitivo. Desta forma, o sensor de posição mostrado na Figura 9 faz uso de dois métodos de detecção de ângulo fisicamente diferentes. Desta forma, ele satisfaz as exigências, para utilização em campos de segurança relevantes, como, por exemplo, para um comutador de luz automotivo. A faixa de ângulos é limitada a 120°, uma vez que esta faixa é coberta tanto pela parte indutiva do transmissor de posição (bobina de referência L e corpo de referência 12), como pela parte capacitiva do transmissor de posição (eletrodos 221...229 e contra eletrodos 241 e 242). Assim como a bobina de referência L, os eletrodos 221...229, são, preferencialmente, integrados no primeiro componente 18, o qual, 5 preferencialmente, é uma placa de circuito impressa. Os eletrodos individuais

221...229 são isolados uns dos outros.

Dependendo da localização do segundo componente 20, dois ou mais eletrodos adjacentes 221...229 formam um curto circuito capacitivo com os contra eletrodos 241, 242. A posição angular do segundo 10 componente 20 pode ser detectada pela determinação daqueles eletrodos que estão envolvidos neste curto circuito capacitivo. Um método típico de detecção capacitiva consiste em alimentar uma carga elétrica nos eletrodos

221...229, um após o outro, e, em verificar se a carga foi acumulada em um dos eletrodos adjacentes. Neste caso, o eletrodo correspondentemente

alimentado 221...229 e seu eletrodo adjacente fica, pelo menos parcialmente, coberto pelo mesmo contra eletrodo 241, 242. Na posição angular mostrada na Figura 9, a título de exemplo, os pares de eletrodos 221,222 e 226,227 são cobertos pelos contra eletrodos 242, 241, respectivamente. Detalhes adicionais do método de detecção capacitivo podem ser obtidos a 20 partir do pedido de registro de patente DE 10 2010 046 778 do mesmo solicitante.

Ao mesmo tempo, a posição angular pode ser determinada, tendo por referência as perdas de correntes parasitas induzidas no corpo de referência 12. Os contra eletrodos 241, 242 são entalhados, de forma que os 25 mesmos têm apenas uma pequena influência no sinal derivado a partir da bobina de referência L. O campo gerado pela bobina de referência L passa através dos contra eletrodos 241, 242, mais ou menos desimpedidos. Os ângulos de rotação determinados em ambos os métodos de detecção (indutivo e capacitivo) podem ser comparados e, desta forma, checados quanto à plausibilidade. A Figura 10 mostra um diagrama de circuito integrado simplificado de um dispositivo atuador-sensor 26, de acordo com um modo de realização exemplificativo adicional. O diagrama de circuito ilustrado corresponde ao da Figura 1, sendo que o microcontrolador 4, agora, possui uma saída adicional 28, ao invés de uma saída 6. Além disto, um terceiro comutador S3, que é, preferencialmente, um MOSFET é conectado entre a voltagem de alimentação VCC e o primeiro nó Kl. Para o caso em que um MOSFET seja utilizado como o terceiro comutador S3, o seu canal de comutação é conectado entre a voltagem de alimentação VCC e o primeiro nó Kl. E uma saída adicional 28 do microcontrolador 4 é conectada com a porta do MOSFET.

O dispositivo atuador-sensor 26 ilustrado, permite um controle retroalimentado entre o atuador e o sensor de posição. Isto será agora explicado a título de exemplo, tendo por referência o botão de pressão 30 mostrado na Figura 11, em uma vista transversal simplificada. O primeiro componente 18 deste botão de pressão 30 compreende uma bobina de referência L, esquematicamente ilustrada, a qual é, preferencialmente, acomodada em uma seção deste primeiro componente 18, conectada por redes 32, com a parte remanescente do primeiro componente 18, que é, preferencialmente, uma placa de circuito impresso. Uma força atuando na direção vertical 16 pode ser aplicada a esta seção do primeiro componente 18, por meio de uma passagem 34, de forma que a distância entre a bobina de referência Leo corpo de referência 12, acomodado no segundo componente do botão de pressão 30, pode ser reduzida na direção vertical 16. Além disto, preferencialmente, como parte integrante do segundo componente 20, um imã permanente 36 é localizado na direção vertical 16, abaixo da bobina de referência L. Quando a distância entre a bobina de referência Leo corpo de referência 12 é, então, modificada, por exemplo devido a uma pressão mecânica na passagem 34, um sinal indicando esta redução da distância pode ser detectado na entrada 8 do dispositivo atuador-sensor 26, mostrado na Figura 10, devido ao processo já mencionado acima. Ao mesmo tempo, uma retroalimentação por meio de percepção tátil pode ser provida para o usuário,

por meio de uma parte do atuador do dispositivo sensor acionados 26 (isto é, do botão de pressão 39). Isto é realizado porque, por meio de uma saída adicional 28, um impulso de corrente é aplicado à bobina de referência L, por meio de um terceiro comutador S3. Uma vez que as linhas do campo do imã permanente 36 permeiam a bobina de referência L, uma força de repulsão ou 10 de atração é obtida entre a região central do primeiro componente 18 (o qual compreende a bobina de referência L) e o segundo componente 20 do botão de pressão 30, dependendo da direção da corrente aplicada à bobina de referência L. Preferencialmente, o acionamento alternadamente da bovina de referência L, com uma corrente de baixa frequência mais forte, proveniente da

voltagem de alimentação VCC (pelo controle do comutador S3), uma função de atuador pode ser realizada, e, pelo acionamento da bobina de referência L, com um sinal de alta frequência mais fraco, um botão de pressão compacto e barato, com retroalimentação por meio de percepção tátil, pode ser realizado. Em relação à parte do atuador do dispositivo atuador-sensor 26 ilustrado, faz20 se referência ao DE 10 2010 045 536 do mesmo solicitante.

Para explicações adicionais, a Figura 12 mostra um botão de pressão 30, em uma vista em perspectiva a partir da sua superfície superior. A Figura 13 mostra um botão de pressão 30, a partir da sua superfície inferior. Somente o primeiro componente 18 é mostrado de modo completo; o segundo

componente 20 é mostrado apenas parcialmente, para mostrar a bobina de referência L integrada dentro da primeira parte 18 e mantida por meio de redes 32.

Lista dos números de referência

2 sensor de posição 4

6

8

10

12

121

122

14

16

18

20

221 ... 229 241 ... 242

26

28

30

32

34

36

L

LI

L2

R

C

Kl

Κ2

51

52

53

unidade de controle e processamento

saída

entrada

superfície central corpo de referência primeiro corpo de referência segundo corpo de referência direção lateral direção vertical primeiro componente segundo componente eletrodos

eletrodos do contador

dispositivo atuador-sensor

saída adicional

botão de pressão

redes

passagem

imã permanente

bobina de referência

primeira bobina de referência

segunda bobina de referência

resistor

capacitor

primeiro nó

segundo nó

primeiro comutador

segundo comutador

terceiro comutador V1 voltagem de onda quadrada

V2 voltagem da bobina de referência L

V3 voltagem no capacitor C

VCC voltagem de alimentação

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sensor de posição (2) caracterizado pelo fato de ser para detecção indutiva de uma posição de um primeiro componente (18) compreendendo uma bobina de referência (R), em relação a um segundo componente (18) compreendendo um corpo de referência (12), compreendendo ainda uma unidade de controle e processamento (4) com uma entrada (8) e uma saída (6), que são acopladas com a bobina de referência (R), em que a unidade de controle e processamento (4) é projetada para emitir um sinal de saída que gera um impulso de corrente na bobina de referência (R) e para avaliar uma oscilação gerada pelo impulso da corrente na bobina de referência (R) como sinal de entrada que indica a posição do corpo de referência.

2. Sensor de posição (2), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de controle e planejamento (4) é projetada para avaliar a amplitude da oscilação, gerada pelo impulso da corrente na bobina de referência (R), como sinal de entrada que indica posição do corpo de referência

3. Sensor de posição (2), de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que (a) a saída (6) da unidade de controle e processamento (4) e um lado da bobina de referência (R) são acoplados com um primeiro nó (Kl), e (b) para avaliação da oscilação gerada pela bobina de referência (R) um diodo (D) é conectado na direção dianteira, entre o primeiro nó (Kl) e o segundo nó (K2), acoplado com a entrada (8), e (c) um capacitor (C) é acoplado entre o segundo nó (K2) e um potencial de referência fixo.

4. Sensor de posição (2), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que um resistor (R) é acoplado entre o primeiro nó (Kl) e a saída (6).

5. Sensor de posição (2), de acordo com as reivindicações 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que um primeiro comutador (SI) é conectado entre o diodo (D) e o segundo nó (K2).

6. Sensor de posição (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações de 3 a 4, caracterizado pelo fato de que um segundo comutador (S2) é acoplado entre o segundo nó (K2) e o potencial de referência fixo.

7. Sensor de posição (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a saída (6) é uma saída digital da unidade de controle e processamento (4); e, de que a mesma é, preferencialmente, projetada para emitir um sinal de onda quadrada nesta saída (6); e, de que a entrada (8) é acoplada com um conversor A/D, compreendido pela unidade de controle e processamento (4).

8. Sensor de posição (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a bobina de referência (R) é formada por uma bobina plana com caminhos de condutor integrados em uma placa de circuito impresso ou em tecnologia MID.

9. Sensor de posição (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de compreender uma ou mais bobinas de referência (R, Rl, R2), cujos enrolamentos são guiados de uma forma que os mesmos definem um núcleo de bobina, que determina a forma do campo magnético gerado, de forma que, preferencialmente, um deslocamento lateral do corpo de referência (12), ou, preferencialmente, um deslocamento vertical do corpo de referência (12) pode ser detectado.

10. Sensor de posição (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que, além de compreender uma unidade adicional para detectar a posição entre o primeiro e o segundo componente (18, 20), a detecção realizada pela unidade adicional está baseada em um princípio físico de medição diferente do da detecção da posição indutiva.

11. Dispositivo atuador-sensor (26), caracterizado pelo fato de que compreende um sensor de posição (2), como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes e um acionador, em que uma primeira de duas partes do atuador atuando uma em relação a outra, um imã permanente (36) é integrado dentro do segundo componente (20), cujo campo magnético permeia a bobina de referência (R), integrada dentro do primeiro componente (18), o qual forma a segunda das partes de um atuador, atuando uma em relação à outra; sendo que um terceiro comutador (S3) é conectado entre a voltagem de alimentação (VCC) e o primeiro nó (Kl) e a unidade de controle e processamento (4) inclui uma saída adicional (28) que é acoplada com o terceiro comutador (S3) para controlar a mesma.

12. Dispositivo atuador-sensor (26), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a unidade de controle e processamento (4) é equipada para controlar o atuador, em resposta à posição entre o primeiro e o segundo componente (18, 20), conforme determinada pelo sensor de posição (2).

13. Método para a detecção indutiva de uma posição de um primeiro componente (18) compreendendo uma bobina de referência (R) em relação a um segundo componente (20) compreendendo um corpo de referência (12), caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: a) acoplamento de um sinal de saída, que gera um impulso de corrente na bobina de referência (R) para dentro da bobina de referência (R), b) avaliação da oscilação gerada pelo impulso da corrente na bobina de referência (R) como o sinal de entrada, indicando a posição do corpo de referência (12) em relação à bobina de referência (R).

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a etapa de avaliação compreende uma avaliação da amplitude da oscilação gerada pelo impulso da corrente na bobina de referência (R).

15. Método, de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que a unidade de controle e processamento (4), com uma entrada (8) para receber o sinal de entrada indicando a posição, é acoplada com a bobina de referência (R) e uma saída (6) da unidade de controle e processamento (4) e um lado da bobina de referência (R) são acoplados com um primeiro nó (Kl), em um diodo (D) é conectado na direção dianteira, entre o primeiro nó (Kl) e um segundo nó (K2) acoplado com a entrada (8), e um capacitor (C) é acoplado entre o segundo nó (K2) e um potencial de referência fixado, e de que a etapa de avaliação compreende a avaliação de uma voltagem, obtida sobre o capacitor (C), como um sinal de entrada indicando a posição do corpo de referência (12) em relação à bobina de referência (R).