ES2343004T3

ES2343004T3 - Conmutador inductivo.

Info

Publication number: ES2343004T3
Application number: ES03750527T
Authority: ES
Inventors: Martin Zapf; Thomas Luber
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: EP1537664A1; ATE466406T1; AU2003270180A1; DE10242385A1; WO2004027994A1; WO2004027994B1; DE10242385B4; US7633026B2; US20050258687A1; DE50312668D1; EP1537664B1

Abstract

Dispositivo inductivo de conmutación de posición con una palanca de selección (AW), un carro portamanipuladores (BS), una unidad sensora (L1, L2, y) y un circuito de evaluación (C, A, FC, μC, AMUX, R), en donde la unidad sensora está provista de al menos dos bobinas de sensor (L1, L2; SE1, SE2, SE3, SE4, SE5, SEO, SEN, SER, SEP) que están aplicadas una junto a otra sobre una placa de circuito impreso (LP), y con al menos un elemento de manipulación conductivo (BF1, BF2) en el carro portamanipuladores (BS), cuya cobertura de cada dos de las bobinas de sensor (L1, L2, etc.) para variar sus inductividades es variable por desplazamiento del carro portamanipuladores (BS), en donde las variaciones de inductividad de las bobinas de sensor (L1, L2; SE1, SE2, SE3, SE4, SE5, SEO, SEN, SER, SEP) aplicadas una junto a otra desencadenan funciones de conmutación en el circuito de evaluación (C, A, FC, μC, AMUX, R), y en donde, para formar un criterio de conmutación exacto y estable frente a la temperatura, se conecta alternativamente cada vez una sola de las bobinas de sensor (L1 o L2, etc.) del circuito de evaluación (C, A, FC, μC, AMUX, R).

Description

Conmutador inductivo.

La invención se refiere a una unidad sensora inductiva para conmutadores que puede utilizarse especialmente para un dispositivo de conmutación de posición que se utiliza en transmisiones automáticas de vehículos.

En el estado de la técnica se conoce un sensor de recorrido-ángulo, especialmente para determinar una marcha metida en el sector de vehículos automóviles, según el documento DE 198 06 529. El sensor de recorrido-ángulo conocido presenta cuatro bobinas de medida que están dispuestas en una superficie X-Y sobre un portabobinas formando un ángulo de 90º entre ellas y que están conectadas a una electrónica de evaluación. El sensor presenta también una llamada diana que puede moverse en dirección sustancialmente paralela a la superficie X-Y con relación a las bobinas de medida y que induce así tensiones en estas bobinas de medida. A partir de las tensiones inducidas, la electrónica de evaluación puede obtener el camino recorrido en la dirección Y y el ángulo \alpha de la diana en una superficie Z-X. El sensor de recorrido-ángulo conocido se caracteriza porque las respectivas bobinas de medida opuestas están colocadas a cierta distancia entre ellas y las bobinas de medida contiguas se superponen en cada caso al menos parcialmente.

El documento US 5 532 529 revela un conmutador pulsador inductivo con un mecanismo de enclavamiento.

En la solicitud anterior según el documento DE 101 25 278 se emplea también la tensión de inducción como señal de sensor. Las construcciones conocidas adolecen del inconveniente de que hay que aplicar varios bucles sensores de acción inductiva sobre el portabobinas, tal como puede apreciarse por la información que sigue sobre antecedentes.

Se conoce por el sector del automóvil el frecuente empleo de conmutadores mecánicos, entre otros sitios, en sistemas de cierre, elementos de mando de los instrumentos, regulaciones de asientos, regulaciones de espejos, etc. Los conmutadores mecánicos adolecen del inconveniente de que no trabajan sin desgaste. Su vida útil es limitada, por un lado, por la erosión del material de contacto, por variaciones del material (oxidación) o por deposiciones sobre los contactos de conmutación a consecuencia de rozamiento magnético o de sobrecarga eléctrica o de un arco voltaico durante el proceso de desconexión.

Una forma especial de conmutadores mecánicos son los conmutadores rozantes mecánicos. Un contacto desplazable corre sobre una pista de rozamiento y establece así, según la posición, un contacto con terminales cambiantes (los llamados conmutadores codificadores). Las vibraciones que se presentan en el vehículo conducen en una unidad de cursor de conmutación de esta clase a un elevado desgaste de los contactos rozantes y de las pistas de rozamiento.

En vehículos modernos los motores de regulación se conmutan hoy en día casi siempre a través de semiconductores de potencia exentos de desgaste que, no obstante, son activados entonces nuevamente por conmutadores no exentos de desgaste. Para hacer que el sistema esté completamente exento de desgaste es necesario el desarrollo de nuevos conmutadores que trabajen sin contactos de conmutación mecánicos (es decir, con sensores).

En el estado de la técnica se conocen sensores de Hall que reaccionan a la aproximación de imanes permanentes y ponen así en marcha una función de conmutación. Asimismo, es conocido el empleo de sensores GMR que se basan en el efecto de una variación de resistencia que es provocada por un campo magnético exterior. El campo magnético exterior puede provenir de un imán permanente o de un plástico magnetizable y puede inducir funciones de conmutación correspondientes.

Asimismo, es conocida la utilización de barreras ópticas y barreras de luz refleja que adolecen del inconveniente de que son sensibles a luz perturbadora y que pueden envejecer y ensuciar fácilmente los componentes ópticos. La utilización de tales sensores tiene también el inconveniente de que son caros en comparación con conmutadores mecánicos y conmutadores inductivos.

En los elementos de conmutación se emplea frecuentemente una barata placa de circuito impreso como soporte para iluminaciones, indicaciones o conmutadores mecánicos. La presencia de esta placa de circuito impreso favorece la utilización de la presente invención. Como posibilidad barata se ha anunciado anteriormente el principio de acción
- empleado en la solicitud anterior según DE 101 25 278 - del acoplamiento inductivo de dos bobinas de sensor aplicadas sobre la placa de circuito impreso y su amortiguación por medio de un manipulador conductivo. La intensidad de amortiguación se correlaciona aquí con la posición del manipulador con respecto a los sensores. En esta tecnología puede repercutir desventajosamente el hecho de que los sensores en la versión práctica han de tener un tamaño mínimo de aproximadamente 10 mm x 10 mm sobre la placa de circuito impreso para que pueda conseguirse un acoplamiento aceptable y, por tanto, la electrónica de procesamiento pueda ser de construcción sencilla y barata. En las placas de circuito impreso actualmente producibles a bajo coste se consigue una resolución local de 0,12 mm, es decir que la anchura de los conductores de los bobinados sensores puede ascender como máximo a 0,12 mm, y lo mismo ocurre con la anchura de aislamiento entre los bobinados. Debido a esto, la bobina de emisión, al igual que también la bobina de recepción de los sensores, puede presentar solamente alrededor de 5 espiras.

El problema de la invención consiste en influir sobre la inductividad de una bobina de sensor por medio de un manipulador colocado sobre la bobina y evaluar esta inductividad de una manera sencilla. La inductividad de una bobina varía considerablemente por efecto de un elemento de manipulación conductivo que, según la reivindicación 1 independiente, presenta una cobertura variable de la bobina del sensor. El problema se resuelve por medio de una unidad sensora inductiva con las características según la reivindicación 1. En las reivindicaciones subordinadas se definen perfeccionamientos convenientes.

Una bobina de sensor no amortiguada con la medida exterior de 10 mm x 10 mm, que esté bobinada de dentro a fuera como una espiral rectangular sobre la placa de circuito impreso, presenta, a la resolución que puede lograrse en la placa de circuito impreso, 10 espiras y una inductividad de aproximadamente 1 \muH.

Se conoce ciertamente por el documento GB 1 415 644 el recurso de emplear como sensor la impedancia de una estructura en espiral, pero la estructura en espiral conocida está bobinada en forma bifilar para aprovechar la componente óhmica de la impedancia de la espiral y para excluir la componente inductiva de la impedancia de la espiral. A diferencia de esto, la bobina de sensor según la invención está bobinada en forma monofilar, tal como se desprende de la descripción detallada siguiente con ayuda de las figuras.

La figura 1 muestra la realización planar de un bucle de sensor sobre una placa de circuito impreso junto con el símbolo electrotécnicamente equivalente.

La figura 2 muestra un diagrama de bloques funcional de un sensor según la invención con un circuito oscilante LC como circuito de evaluación.

La figura 3 muestra un diagrama de bloques funcional con un circuito oscilante LC y con dos sensores para detectar un recorrido de desplazamiento y.

La figura 4 muestra una curva característica típica para la frecuencia de oscilación con un primer sensor L1 según la figura 3 y un segundo sensor L2 según la figura 3 en función del recorrido de desplazamiento y.

La figura 5 muestra un cursor de conmutación para un vehículo automóvil con una palanca de selección automática que está conectada a una unidad sensora según la figura 3.

La figura 6 muestra el esquema de una placa de circuito impreso con varias unidades sensoras para la unidad de cursor de conmutación según la figura 5.

La figura 7 muestra el diagrama de bloques de una unidad electrónica cuando se combinan varios sensores inductivos.

La figura 8 muestra la frecuencia de circuito oscilante de las señales de sensor de las diferentes unidades de conmutación de la figura 7 en procesos de conmutación de la palanca de selección automática desde la posición 1 hasta la posición 4.

La figura 9 muestra un esquema de una placa de circuito impreso semejante al de la figura 6, pero con una unidad de conmutación redundante.

La figura 10 muestra el diagrama de bloques de una unidad de evaluación alternativa.

La figura 11 muestra la variación de inductividad evaluada según la figura 10.

Según la figura 1, una bobina de sensor está aplicada en forma planar sobre una placa de circuito impreso. La conexión en el punto medio de la espiral se ha llevado al exterior, por ejemplo, en el lado trasero de la placa de circuito impreso. Si se cubre el sensor según la figura 1 con un manipulador conductivo a una distancia x de, por ejemplo, x = 0,05 mm, se reduce entonces la inductividad de, por ejemplo, aproximadamente 1 \muH a, por ejemplo, aproximadamente 0,2 \muH.

La reducción de la inducción por medio del manipulador B depende de la distancia x del manipulador B al bucle sensor; sin embargo, esta reducción depende también del grado de cobertura del bucle sensor por el elemento manipulador. Si el manipulador cubre toda la superficie del bucle a una distancia x constante, la amplitud de la tensión del sensor se hace entonces mínima para el grado de cobertura del 100%, con lo que la magnitud de la tensión mínima del sensor depende de la distancia x.

Son posibles así dos mecanismos de conmutación para el conmutador:

-: Se mantiene el grado de cobertura G en una magnitud definida y se varía la distancia x entre el elemento manipulador B y el bucle sensor (como se representa, por ejemplo, en la figura 2), o

-: se mantiene constante la distancia x y se varía el grado de cobertura G (como se representa, por ejemplo, en la figura 3).

-: Es posible también una combinación de los dos mecanismos de conmutación.

Como electrónica de evaluación barata es suficientemente conocido un circuito oscilante LC constituido por una inductividad sensora L, una capacidad fija C y un amplificador inversor A, en cuya rama de realimentación está incorporado el circuito oscilante LC. Un circuito de esta clase está representado en la figura 2 como un diagrama de bloques. La frecuencia del circuito oscilante viene determinada por la frecuencia de resonancia del miembro LC según la fórmula:

f_{r} = \frac{1}{2\pi} x \frac{1}{\sqrt{LC}}.

Un contador de frecuencia pospuesto FC determina, según la figura 3, las oscilaciones por unidad de tiempo y da salida a éstas como un valor de señal. Para una sencilla función de conexión es suficiente comparar el valor de frecuencia actual con un valor umbral por medio de un comparador y desencadenar así la función de conmutación. En un caso habitual, se fija en "1" la señal de conmutación cuando la frecuencia es más alta que una frecuencia límite ajustada, lo que corresponde a una menor inductividad debido a una amortiguación mayor. A una frecuencia más pequeña, el comparador da salida a un "0". A través de un conmutador alto-bajo pospuesto o un relé R se pueden conmutar entonces altas potencias. Sin embargo, las funciones del contador de frecuencia y del comparador pueden materializarse también como el llamado soporte lógico inalterable (firmware) en un microcontrolador.

Se puede materializar así de manera sencilla un conmutador pulsador exento de desgaste en una unidad de mando del automóvil. El elemento de amortiguación es aproximado al sensor según la figura 2 por presión sobre una tecla y es mantenido allí por medio de un mecanismo de enclavamiento. Se anula el enclavamiento únicamente al ejercer una nueva presión sobre el botón pulsador, y el manipulador es llevado a su posición de reposo a una distancia mayor respecto del sensor (principio de enclavamiento del bolígrafo). Así, se pueden materializar de manera sencilla y barata pulsadores de conmutación tales como, por ejemplo, el conmutador para intermitentes de aviso, luces antiniebla, calefacción de la luna trasera, etc.

En aplicaciones en las que son necesarios puntos de conmutación muy exactos, son frecuentemente problemáticas las influencias de la temperatura sobre amplificadores, capacidades, comparadores, etc. En aplicaciones estables en temperatura se pueden orillar estas influencias aplicando dos sensores uno junto a otro sobre una placa de circuito impreso y conectando alternativamente ambos sensores en el circuito oscilante (véase la figura 3). La conexión de la inductividad L1 o L2 se efectúa por medio de un transistor de conmutación o un transistor de efecto de campo o un MOSFET o un multiplexor analógico AMUX. Si se utiliza una evaluación relativa empleando como criterio de conmutación la relación de frecuencia entre la primera frecuencia del sensor y la segunda frecuencia del sensor, se suprimen entonces las influencias perturbadoras. El circuito es muy estable frente a la temperatura.

Esta clase de circuito se manifiesta también como ventajosa en aplicaciones en las que se detecta la posición y del manipulador con relación a las posiciones del sensor, mientras que se mantiene más o menos constante la distancia x del manipulador al sensor (como, por ejemplo, en sensores de recorrido-ángulo). Tiene lugar aquí también, según la figura 3, una evaluación relativa que puede efectuarse del mejor modo, pero no exclusivamente, por medio de un microcontrolador \muC.

La figura 4 muestra dos curvas características típicas de la frecuencia de resonancia normalizada en función del recorrido de desplazamiento y. En la zona de desplazamiento entre los máximos de las curvas características L1 y L2 el microcontrolador \muC puede realizar un reconocimiento de posición exacto. En otros casos de aplicación práctica se pueden emplear aún más sensores para reconocer la posición del manipulador.

Si en un caso de aplicación, como el que se representa en la figura 5 como cursor de conmutación para un vehículo automóvil, han de detectarse varias posiciones, es conveniente entonces combinar varios sensores inductivos en forma de una unidad funcional. En el ejemplo de la implementación del reconocimiento de posición de una palanca de selección automática esto se presenta del modo siguiente:

Debajo del panel se posiciona una placa de circuito impreso como en la figura 5, sobre cuyo lado superior puede montarse, por ejemplo, la iluminación posterior de los indicadores 1, 2,... P del panel. Con la palanca de selección automática AW (véase la figura 6), que atraviesa un orificio de la placa de circuito impreso, está unido un carro portamanipuladores BS que descansa de plano sobre el lado inferior de la placa de circuito impreso LP y sobre el cual están montados un manipulador o varios manipuladores (en la figura 6, por ejemplo, las superficies manipuladoras BF1 y BF2). Las superficies manipuladoras son enchufadas hasta una distancia definida sobre las diferentes unidades sensoras SE.

Con el término de desplazamiento se quiere dar a entender un movimiento del carro portamanipuladores que puede ser rectilíneo o que puede cambiar de dirección. Las bobinas sensoras que deben barrerse pueden estar enfiladas en línea recta, tal como se representa en principio en la figura 7. Sin embargo, las bobinas sensoras pueden están también yuxtapuestas según una topología más compleja, tal como la que se aplica, por ejemplo, para cursores de conmutación según las figuras 6 y 9.

Asimismo, la topología de las bobinas sensoras contiguas (recta, línea poligonal, otra vía) puede estar situada sobre una placa de circuito impreso plana o sobre una placa de circuito impreso curvada. En la figura 7 se representa una disposición plana de bobinas sensoras, mientras que en las figuras 5 y 6 se representa un ejemplo para una placa de circuito impreso curvada que está dispuesta debajo del cursor de conmutación curvado. En ambos casos el carro portamanipuladores es desplazado por encima de la disposición de bobinas sensoras a una distancia que es sustancialmente constante.

Se obtiene otra variante del desplazamiento reivindicado cuando la placa de circuito impreso curvada, que sigue el cursor acodado según la figura 5, es sustituida por una placa de circuito impreso plana que está dispuesta en un plano que corre perpendicularmente a la superficie del cursor. En este caso, se coloca también verticalmente el carro portamanipuladores y se enchufa éste sucesivamente sobre bucles sensores que están aplicados, por ejemplo, en forma de arco de círculo sobre la placa de circuito impreso plana vertical.

En caso de la combinación de varios conmutadores inductivos, el diagrama de bloques se representa como en la figura 7. Las amplitudes correspondientes de las señales de los sensores durante operaciones de cambio de la palanca de selección automática se pueden apreciar en la figura 8 para las posiciones 1, 2, 3 y 4, estando registrada la frecuencia normalizada del circuito oscilante en función del recorrido de desplazamiento P1-P4 para los sensores L1-L4. Se han registrado los respectivos umbrales de conmutación P1-P2, P2-P3 y P3-P4.

Sin un coste adicional se puede materializar también un reconocimiento de posición muy redundante y, por tanto seguro, tal como se representa, por ejemplo, en la figura 9. Se propone que se monten dos unidades sensoras por posición en lugar de una unidad sensora por posición y que se comparen las señales. En caso de resultados contradictorios, la unidad de evaluación realizará la función de conmutación de modo que todo el sistema sea llevado a un estado seguro. La placa de circuito impreso puede ampliarse para ello, por ejemplo, con unidades sensoras de seguridad SSE según la figura 9.

La unidad de evaluación para el módulo sensor será en general un microcontrolador que retransmita las informaciones de conmutación a la electrónica de control o a la electrónica de potencia a través de una interfaz (CAN, LIN, etc.).

La evaluación de las señales se efectúa en varias bobinas sensoras a través de un multiplexor que conecta solamente cada vez una de las bobinas sensoras del circuito de evaluación. A este fin, las figuras 10 y 11 muestran otro ejemplo de realización de la evaluación de señales que puede utilizarse alternativamente al ejemplo de realización representado en las figuras 7 y 8.

Según las figuras 10 y 11, el límite entre las posiciones de dos bobinas sensoras contiguas es establecido por una comparación directa de la respectiva reactancia inductiva. Según el diagrama de bloques de la figura 10, un oscilador sinusoidal genera una tensión alterna de 12 MHz; ésta es amplificada y alimenta como tensión a cada una de las tres bobinas sensoras que se conectan en forma multiplexada en tiempo. Si se mueve el manipulador consistente en material conductivo a través de las bobinas, se reduce la inductividad de las bobinas debido a pérdidas por corrientes parásitas. Se reduce así también la reactancia, la cual se calcula de la manera siguiente: XL = 2*PI*f*L (f = 12 MHz). Si, por ejemplo, una bobina tiene una inductividad de 1000 nH sin manipulador y de 200 nH con manipulador, resulta entonces de la ecuación anterior un XL de 75 ohm o 15 ohm. La tensión alterna constante, circula una corriente que depende de una cobertura del manipulador. Esta corriente es transformada en una tensión de alta frecuencia (AF) proporcional y alimentada en forma rectificada al microcontrolador.

En la figura 11 se representa el concepto de evaluación del microcontrolador. El microcontrolador mide cíclicamente en segmentos de tiempo fijos de, por ejemplo, 2 ms la tensión de cada sensor. Si se mueve el manipulador en pasos de recorrido fijos sobre los sensores y registra las tensiones, se obtienen las curvas que se muestran en la figura 11. Con sensores adicionales se puede ampliar el intervalo de recorrido. En el estado estático del manipulador, se evalúan siempre solamente dos valores, es decir que para el microcontrolador están presentes en cada momento solamente dos valores de medida contiguos. En el soporte lógico inalterable de evaluación del microcontrolador se calcula el cociente de dos tensiones de sensor contiguas y se compara éste con un valor fijo. Según que el cociente sea mayor o menor que el valor fijo, se obtiene una u otra posición de conmutación.

Claims

1. Dispositivo inductivo de conmutación de posición con una palanca de selección (AW), un carro portamanipuladores (BS), una unidad sensora (L1, L2, y) y un circuito de evaluación (C, A, FC, \muC, AMUX, R), en donde la unidad sensora está provista de al menos dos bobinas de sensor (L1, L2; SE1, SE2, SE3, SE4, SE5, SEO, SEN, SER, SEP) que están aplicadas una junto a otra sobre una placa de circuito impreso (LP), y con al menos un elemento de manipulación conductivo (BF1, BF2) en el carro portamanipuladores (BS), cuya cobertura de cada dos de las bobinas de sensor (L1, L2, etc.) para variar sus inductividades es variable por desplazamiento del carro portamanipuladores (BS), en donde las variaciones de inductividad de las bobinas de sensor (L1, L2; SE1, SE2, SE3, SE4, SE5, SEO, SEN, SER, SEP) aplicadas una junto a otra desencadenan funciones de conmutación en el circuito de evaluación (C, A, FC, \muC, AMUX, R), y en donde, para formar un criterio de conmutación exacto y estable frente a la temperatura, se conecta alternativamente cada vez una sola de las bobinas de sensor (L1 o L2, etc.) del circuito de evaluación (C, A, FC, \muC, AMUX, R).

2. Conmutador inductivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la evaluación de las señales de las bobinas de sensor se efectúa por medio de un multiplexor.

3. Conmutador inductivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por una incorporación de la bobina de sensor inductiva en un circuito oscilante LC.

4. Conmutador inductivo según la reivindicación 3, caracterizado por una evaluación de la frecuencia de resonancia del circuito oscilante LC en la que interviene la inductividad variable.

5. Conmutador inductivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por la impartición de una tensión alterna de amplitud constante y de frecuencia constante (f) a la bobina de sensor con evaluación subsiguiente de la amplitud de corriente de la inductividad variable.