ES2369820A1 - Pressure transducer in the three dimensions of the space. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
Transductor de presión en las tres dimensiones del espacio.Pressure transducer in three dimensions from space.
La invención pertenece al sector de los transductores de presión, pudiéndose utilizar también como localizador tridimensional, dispositivo apuntador o táctil, e integrando varios de ellos en una única membrana elástica, como piel artificial sensible.The invention belongs to the sector of pressure transducers, and can also be used as three-dimensional locator, pointing or touch device, and integrating several of them into a single elastic membrane, such as skin artificial sensitive.
La presente invención se refiere a un transductor de presión que, como muchos de los transductores de presión conocidos, transforma la magnitud física "presión" en un recorrido registrable físicamente y la medición de dicho recorrido da lugar a una o varias señales eléctricas correspondientes.The present invention relates to a pressure transducer that, like many of the transducers of known pressure, transforms the physical magnitude "pressure" into a physically recordable path and the measurement of said travel results in one or more electrical signals corresponding.
Sin embargo, los desarrollos anteriores que se conocen solamente son capaces de medir la magnitud de la presión ejercida en la dirección de un único eje que el sistema mecánico del transductor facilita como eje del recorrido.However, the previous developments that know only are able to measure the magnitude of the pressure exerted in the direction of a single axis that the mechanical system of the Transducer facilitates as axis of travel.
Se desconoce el empleo anterior de varios sensores de campo magnético midiendo un único generador de campo magnético con el objetivo de triangular sendas medidas para obtener la localización del generador en el espacio tridimensional.The previous employment of several is unknown magnetic field sensors measuring a single field generator magnetic in order to triangulate paths measured to obtain the location of the generator in three-dimensional space.
Como antecedente relacionado con la invención se encuentra la patente US 4,905,520. Sin embargo, en esta invención una presión ejercida en una dirección que no coincide exactamente sobre el eje de recorrido posible definido por el diseño mecánico, no se mide en su totalidad. Además, la componente de presión que no coincide exactamente con la dirección del eje de recorrido produce aumento de rozamiento en el sistema mecánico, lo que falsea la medición de la componente de presión que sí coincide con el eje mecánico de recorrido.As background related to the invention, Find US Patent 4,905,520. However, in this invention a pressure exerted in a direction that does not match exactly on the possible travel axis defined by the mechanical design, It is not measured in its entirety. In addition, the pressure component that does not exactly matches the direction of the travel axis produces increased friction in the mechanical system, which falsifies the measurement of the pressure component that does match the axis travel mechanic
Se refiere a un transductor de presión en las tres dimensiones espaciales que comprende al menos un generador de campo magnético; una pluralidad de sensores de campo magnético separados del generador de campo magnético, configurados para generar sendas señales eléctricas en dependencia con la distancia al generador de campo magnético, unos medios elásticos para ubicar los anteriores dispositivos en una posición tal que la distancia de dichos dispositivos entre sí se mantiene constante en ausencia de presión.It refers to a pressure transducer in the three spatial dimensions comprising at least one generator of magnetic field; a plurality of magnetic field sensors separate from the magnetic field generator, configured to generate electrical signals depending on the distance to magnetic field generator, elastic means to locate the previous devices in a position such that the distance of said devices with each other remains constant in the absence of Pressure.
La solución propuesta no guía mecánicamente la dirección del recorrido que vaya a producir la presión que pueda ejercerse, tal y como hacen los dispositivos apuntadores o táctiles, por lo que la dirección del recorrido resultante es igual y la magnitud es proporcional a la de la presión. Por ello, el transductor proporciona una medida de las componentes de presión en los tres ejes de coordenadas.The proposed solution does not mechanically guide the direction of travel that will produce the pressure that can exercise, just as pointing or touch devices do, so the direction of the resulting route is equal and the magnitude is proportional to that of pressure. Therefore, the transducer provides a measure of the pressure components in The three coordinate axes.
La ausencia de partes mecánicas en la solución propuesta, simplifica el proceso de fabricación y miniaturización y exime de pérdidas por rozamiento, posibles desajustes mecánicos y errores causados por tolerancias mecánicas.The absence of mechanical parts in the solution proposal simplifies the manufacturing and miniaturization process and exempts from friction losses, possible mechanical mismatches and errors caused by mechanical tolerances.
Además, se simplifica y facilita la unión del transductor con la superficie donde se desee alojar pudiendo ser ésta irregular o curvada. Puede unirse, por ejemplo, con un adhesivo sin necesidad de elementos mecánicos.In addition, the union of the transducer with the surface where you want to be able to be this irregular or curved. It can be attached, for example, with an adhesive No need for mechanical elements.
Es muy frecuente medir el recorrido utilizando generadores de campo magnético, preferentemente imanes permanentes, y sensores de campo magnético, preferentemente sensores de efecto Hall, porque que el sensor de efecto Hall proporciona una señal eléctrica proporcional al campo magnético perpendicular del imán que lo afecta y esta medida es inversamente proporcional a la distancia que lo separa del imán.It is very common to measure the route using magnetic field generators, preferably permanent magnets, and magnetic field sensors, preferably effect sensors Hall, because the Hall effect sensor provides a signal electric proportional to the perpendicular magnetic field of the magnet that it affects it and this measure is inversely proportional to the distance that separates it from the magnet.
A continuación se presentan una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan con una realización concreta de dicha invención con carácter no limitativo.Below are a series of drawings that help to better understand the invention and that relate to a specific embodiment of said invention with no character limitative.
Figura 1.- Vista en perspectiva del transductor de presión en los tres ejes del espacio.Figure 1.- Perspective view of the transducer of pressure in the three axes of space.
Figura 2.- Vista en alzado del transductor de presión en los tres ejes del espacio, en reposo (a) y bajo la influencia de una presión (b).Figure 2.- Elevation view of the transducer of pressure in the three axes of space, at rest (a) and under the influence of a pressure (b).
En el modo de realización preferido de la invención se utilizan tres sensores de campo magnético fijos para medir sendas distancias a un único generador de campo magnético movible y se triangulan estas distancias para localizar en el espacio tridimensional la posición del generador de campo magnético respecto a los sensores de campo magnético, tal y como hacen los GPS con las distancias a los satélites.In the preferred embodiment of the invention three fixed magnetic field sensors are used to measure paths to a single magnetic field generator movable and these distances are triangulated to locate in the three-dimensional space the position of the magnetic field generator regarding magnetic field sensors, just like GPS with distances to satellites.
Se escoge un generador de campo magnético preferentemente del tipo imanes permanentes, por su nulo consumo de energía, y uno o varios sensores de campo magnético, preferentemente de los conocidos como sensores de efecto Hall. Los sensores de campo magnético proporcionan una señal de salida proporcional al campo magnético que los atraviesa y dicho campo magnético es inversamente proporcional a la distancia que separa el sensor del imán. Cuanto más cerca esté el imán del sensor, más voltaje tendrá la señal de salida de éste último. Estos elementos están integrados en un soporte de material elástico preferentemente en su totalidad en el interior de éste.A magnetic field generator is chosen preferably of the permanent magnets type, due to its zero consumption of energy, and one or more magnetic field sensors, preferably of those known as Hall effect sensors. Field sensors magnetic provide an output signal proportional to the field magnetic passing through them and said magnetic field is inversely proportional to the distance that separates the sensor from the magnet. How much the closer the sensor magnet is, the more voltage the signal will have departure of the latter. These elements are integrated in a elastic material support preferably entirely in the inside of this one.
La presión en la superficie del soporte elástico y su consecuente deformación produce que el sensor o sensores de campo magnético y el generador o generadores de campo magnético alojados en su interior modifiquen las posiciones relativas entre ellos. Esto provoca variaciones en las mediciones de los sensores de campo magnético proporcionales a las variaciones de sus posiciones relativas respecto a los generadores. Para conocer la nueva posición, se triangulan las medidas tal y como se triangulan en los GPS las distancias a los satélites para conocer su posición relativa a éstos. La diferencia entre la posición medida bajo el efecto de la presión y la posición en reposo es un vector igual en dirección y proporcional en magnitud a la presión que se ejerce.The pressure on the surface of the elastic support and its consequent deformation produces that the sensor or sensors of magnetic field and magnetic field generator or generators housed inside modify the relative positions between they. This causes variations in the measurements of the sensors magnetic field proportional to the variations of their positions relative to generators. To meet the new position, the measures are triangulated as they are triangulated in the GPS distances to satellites to know their relative position to these. The difference between the position measured under the effect of the pressure and resting position is an equal vector in direction and proportional in magnitude to the pressure exerted.
La disposición espacial del generador o generadores de campo magnético y del sensor o sensores de campo magnético y el número de éstos últimos determina las componentes de la presión susceptibles de ser medidas. Por esto, la invención puede funcionar a modo de "botón analógico" que genera una señal proporcional según se apriete más o menos. Al dejar de apretarlo, el sistema recupera su posición inicial gracias a que está encapsulado en un material elástico. Puede haber aplicaciones en que no sea necesario medir la presión en los tres ejes espaciales y se utilice una versión simplificada de la invención con menos sensores de campo magnético para medir la presión en solo uno o dos ejes.The spatial arrangement of the generator or magnetic field and sensor generators or field sensors magnetic and the number of the latter determines the components of the pressure likely to be measured. Therefore, the invention can operate as an "analog button" that generates a signal proportional as it is tightened more or less. When you stop squeezing it, the system recovers its initial position because it is encapsulated in an elastic material. There may be applications other than it is necessary to measure the pressure in the three spatial axes and use a simplified version of the invention with fewer field sensors magnetic to measure the pressure in only one or two axes.
El material que compone el soporte debe ser elástico preferentemente de la familia de los cauchos o de las siliconas dadas sus buenas características elásticas aunque puede tratarse de espuma o algún otro material de propiedades similares. La naturaleza elástica del material ocasiona que se recupere la forma inicial o de reposo en ausencia de presión sin necesidad de elementos añadidos como, por ejemplo, un muelle. Además, dota al transductor de flexibilidad para adaptarse óptimamente a las superficies con las que debe estar en contacto, pudiendo ser éstas irregulares o curvadas y puede unirse a ellas mediante algún tipo de adhesivo adecuado, preferentemente.The material that composes the support must be elastic preferably from the family of rubbers or silicones given their good elastic characteristics although it can be foam or some other material with similar properties. The elastic nature of the material causes the recovery of initial or resting form in the absence of pressure without the need for added elements such as a spring. In addition, it gives flexibility transducer to adapt optimally to the surfaces with which it must be in contact, being able to be these irregular or curved and you can join them by some kind of suitable adhesive, preferably.
La forma del soporte elástico se determina según las necesidades de cada aplicación. De los sensores de campo magnético salen hacia el exterior del transductor los conductores eléctricos necesarios para su funcionamiento a través del soporte elástico.The shape of the elastic support is determined according to The needs of each application. Field sensors magnetic conductors go out of the transducer the conductors electrical necessary for its operation through the support elastic.
La presión en la superficie del soporte elástico puede ser ejercida mecánicamente, por contacto de un objeto móvil o humano, o por líquidos o gases sin que esto ponga en peligro la integridad del sistema puesto que el material preferido para el soporte proporciona impermeabilidad, a excepción de que la materia en contacto tenga naturaleza corrosiva que no sea soportada por dicho material.The pressure on the surface of the elastic support can be exercised mechanically, by contact of a moving object or human, or by liquids or gases without this endangering the system integrity since the preferred material for the support provides impermeability, except that the matter in contact has a corrosive nature that is not supported by said material.
No necesariamente el soporte debe componerse de un único material. La fabricación del soporte puede realizarse utilizando diferentes materiales con diferentes características elásticas preferentemente distribuidos en capas y a medida de las necesidades de cada aplicación. También puede incluirse un material rígido como superficie base a partir de la cual construir el resto del elemento soporte. Esta superficie puede tratarse, por ejemplo, de una placa de circuito impreso donde se encuentren soldados los sensores de campo magnético o también puede tratarse del conocido como "circuito flexible". Ambas posibilidades simplifican las conexiones y cableado necesario de los sensores de campo magnético.Not necessarily the support should consist of A single material. The support can be manufactured using different materials with different characteristics elastic preferably distributed in layers and tailored to the needs of each application. You can also include a material rigid as the base surface from which to build the rest of the support element. This surface can be treated, for example, of a printed circuit board where soldiers are located magnetic field sensors or it can also be known as "flexible circuit". Both possibilities simplify the necessary connections and wiring of field sensors magnetic.
Dadas las características del transductor, existe la posibilidad de integrar en el soporte elástico, de modo sencillo durante el proceso de fabricación, otros tipos de elementos activos o pasivos para, por ejemplo, medir otras magnitudes como, por ejemplo, la temperatura o proporcionar al conjunto alguna propiedad como, por ejemplo, añadir partículas de plomo para aumentar el peso del transductor. En alguna aplicación de marcado carácter interactivo pueden incluirse pequeños diodos emisores de luz (LED) para producir realimentación visual hacía el usuario habiendo seleccionando previamente un material para el elemento soporte con cierto grado de translucidez o transparencia.Given the characteristics of the transducer, there is the possibility of integrating into the elastic support, so simple during the manufacturing process, other types of elements assets or liabilities to, for example, measure other quantities such as, for example, the temperature or provide the set some property such as adding lead particles to Increase transducer weight. In some marking application interactive nature may include small emitting diodes of light (LED) to produce visual feedback to the user having previously selected a material for the element support with some degree of translucency or transparency.
El transductor de presión puede fabricarse de modo que varios de ellos se integren en una membrana común o membrana multi-transductor. De este modo, el sistema proporciona un conjunto de medidas correspondientes a cada uno de los dispositivos transductores de presión que integran la membrana. Estas medidas junto con la información sobre la forma de la superficie en la que se aloja la membrana y la localización en ella de cada transductor que integra la membrana dan lugar a muchas posibles aplicaciones como, por ejemplo, en ergonometría para el diseño de máquinas o aparatos colocándola en la superficie de éstos y deduciendo la adecuación del diseño a partir de las medidas que proporciona la membrana al utilizar la máquina o aparato. También, fabricándose con forma de suela de zapato puede medir las presiones que se producen en las zonas de la planta del pie al caminar. Otra posible utilidad se consigue colocando la membrana en la superficie de máquinas o robots a modo de piel artificial para poder interactuar con ellos tocándolos, acariciándolos, agarrándolos o empujándolos.The pressure transducer can be manufactured from so that several of them are integrated into a common membrane or multi-transducer membrane In this way, the system provides a set of measures corresponding to each of the pressure transducer devices that integrate the membrane. These measures along with information on the form of the surface on which the membrane is housed and the location in it of each transducer that integrates the membrane give rise to many possible applications such as ergonomics for design of machines or devices placing it on their surface and deducing the adequacy of the design from the measures that provides the membrane when using the machine or device. Too, manufactured in the shape of a shoe sole can measure pressures that occur in the areas of the sole of the foot when walking. Other possible utility is achieved by placing the membrane on the surface of machines or robots as an artificial skin to be able to interact with them by touching, caressing, grabbing or pushing them.
La presente invención se ilustra adicionalmente mediante el siguiente ejemplo, el cual no pretende ser limitativo de su alcance.The present invention is further illustrated. by the following example, which is not intended to be limiting of its reach
La realización de la invención preferida capaz de medir las componentes de la presión en los tres ejes del espacio se consigue colocando tres sensores de efecto Hall (2), (3) y (4) en la zona inferior del soporte elástico (5) situados, preferentemente, equidistantes entre sí como si estuviesen colocados sobre las esquinas de un triángulo equilátero imaginario. Un imán permanente (1) se sitúa en la zona superior del soporte preferentemente equidistante a los sensores como si estuviese colocado sobre el centro del triángulo imaginario formado por ellos. Se dispone de tres distancias (A), (B) y (C), aproximadamente iguales, que corresponden a las distancias del imán (1) a los sensores de efecto Hall (2), (3) y (4), respectivamente.The preferred embodiment of the invention capable of measuring the pressure components in the three axes of space is achieved by placing three Hall effect sensors (2), (3) and (4) in the lower area of the elastic support (5) preferably located equidistant from each other as if they were placed on the corners of an imaginary equilateral triangle. A permanent magnet (1) is located in the upper area of the support preferably equidistant from the sensors as if it were placed on the center of the imaginary triangle formed by them. Available three distances (A), (B) and (C), approximately equal, that correspond to the distances of the magnet (1) to the effect sensors Hall (2), (3) and (4), respectively.
Al ejercer una presión con un dedo (6), por ejemplo, cuya dirección tiene componentes en la dirección del eje Z y también del eje Y de coordenadas, por ejemplo, como indica el vector (W) en la Figura 2(b), las distancias (A), (B) y (C) en la situación de reposo en ausencia de presión representada en la Figura 2(a), se modificarán proporcionalmente a la deformación producida según la dirección e intensidad de la presión ejercida y pasarán a ser (D), (E) y (F), respectivamente. Las tensiones de salida de los sensores reflejarán proporcionalmente dichas variaciones. Con estas medidas puede deducirse, triangulando, en qué punto sobre el plano XY se encuentra el imán y a qué altura sobre el eje Z. La diferencia entre la posición medida y la posición en reposo da como resultado un vector de dirección igual y magnitud proporcional a la presión ejercida.By exerting a pressure with a finger (6), for example, whose direction has components in the direction of the Z axis and also of the Y axis of coordinates, for example, as indicated by vector (W) in Figure 2 (b), distances (A), (B) and (C) in the rest situation in the absence of pressure represented in the Figure 2 (a), will be modified proportionally to the deformation produced according to the direction and intensity of the pressure exercised and will become (D), (E) and (F), respectively. The sensor output voltages will reflect proportionally such variations. With these measures it can be deduced, triangulating, at what point on the XY plane is the magnet and at what height on the Z axis. The difference between the measured position and the position at rest results in a vector of equal direction and magnitude proportional to the pressure exerted.
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