ES2600865T3 - Sensor de posición magnético bidireccional con rotación de campo - Google Patents
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Abstract
Sensor magnético de posición que incluye un elemento imantado (1) y una sonda (6) que incluye al menos dos elementos magnetosensibles (2) y (3) localizados sustancialmente en el mismo punto y que miden cada uno uno de los componentes del campo magnético generado por dicho elemento imantado (1), siendo el elemento imantado (1) móvil respecto a dichos elementos magnetosensibles (2) y (3), caracterizado por que dicho elemento imantado (1) es único y presenta dos grados de libertad (translación/translación, translación/rotación o rotación/rotación) con respecto a dicha sonda (6), el vector de imantación del elemento imantado (1) es variable con respecto al vector normal a la superficie del elemento imantado dispuesta frente a la sonda (6) según al menos dos direcciones de dicho elemento imantado de modo que se define una posición única de dicha sonda (6) en relación con dicho elemento imantado (1) siguiendo dichas dos direcciones y por que incluye al menos un circuito de tratamiento (5) adecuado para efectuar unos cálculos de ángulos y de módulos a partir de combinaciones algebraicas de los componentes del campo magnético producido por dicho elemento imantado (1) y que proporciona al menos dos señales independientes representativas de la posición del elemento móvil según dos direcciones distintas.
Description
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DESCRIPCION
Sensor de posicion magnetico bidireccional con rotacion de campo Campo tecnico de la invencion
La presente invencion se refiere al campo de los sensores de posicion magneticos sin contacto cuya finalidad es proporcionar simultaneamente dos senales de salida independientes representativas de una posicion siguiendo 2 direcciones (translacion y translacion, translacion y rotacion, rotacion y rotacion). Los sensores que detectan la posicion a partir de un campo magnetico tienen numerosas ventajas:
- sin contacto mecanico con la parte movil y, por lo tanto, sin desgaste,
- insensibilidad a la suciedad,
- coste de produccion reducido,
- larga duracion de vida.
La mayor parte de los sensores magneticos de posicion sin contacto son siguiendo una sola direccion (una rotacion O una translacion), pero se ven aparecer cada vez mas aplicaciones donde un sensor segun dos direcciones (sensor bidireccional) es necesario como, por ejemplo, para detectar la posicion de organos de transmision donde de manera general se combinan una rotacion y una translacion. En unas aplicaciones de este tipo, es mas particularmente importante tener una informacion de posicion segun una direccion que no es dependiente de la posicion segun la otra direccion (senales de salida independientes).
Estado de la tecnica anterior
La mayorfa de los sensores bidireccionales ya existentes utiliza unos imanes permanentes asociados a un circuito magnetico, mas o menos complejo, hecho de material ferromagnetico utilizado para guiar y/o concentrar el flujo magnetico generado por el o los imanes permanentes, pero esto en detrimento del coste y de las competencias del sensor.
De esta manera, se conoce en el estado de la tecnica, la patente francesa FR2786266 del solicitante, relativa a un sensor de posicion segun dos direcciones, pero en el que el volumen y la superficie del iman utilizado limitan la utilizacion practica de este sensor para los grandes recorridos. Este sensor presenta igualmente una histeresis importante debido a los estatores ferromagneticos y la medida depende de la variacion de la induccion remanente que, por lo tanto, debe compensarse.
Por otra parte, la patente europea EP800055 describe un sensor de posiciones lineal y angular. Este sensor suministra unas senales analogicas diffcilmente aprovechables, ya que no son lineales, de escaso nivel. Unos sensores de este tipo requieren varios puntos de medida disjuntos para medir la posicion relativa siguiendo dos direcciones. Ademas, necesitan unas piezas estatoricas que aportan histeresis y los elementos sensibles miden la amplitud del campo y, por lo tanto, son sensibles a las tolerancias geometricas y a la temperatura.
Las patentes de los Estados Unidos US4639667 o WO9716736 describen unos sensores que funcionan segun unos principios que no permiten suministrar unas senales lineales e independientes, representativas de la posicion en dos dimensiones.
Existen igualmente unos sensores bidireccionales que solo son la puesta uno a continuacion del otro de dos sensores unidireccionales independientes, como, por ejemplo, la patente WO 2008138662 y la patente de los Estados Unidos US6175233 que describen 2 sensores lineales que miden cada uno una sola direccion. Para cada sensor hay un iman y un elemento de deteccion del campo magnetico, lo que tiene como consecuencia que lleva a un volumen importante y un coste de realizacion elevado. Ademas, estos sensores miden la amplitud del campo y, por lo tanto, tambien ellos son sensibles a las tolerancias geometricas y a la temperatura.
Se conocen igualmente en el estado de la tecnica las patentes de los Estados Unidos US 7421923 y US 7293480 que son unos sensores de deteccion de las velocidades activadas por una palanca de velocidad. Unas patentes de este tipo presentan una solucion para detectar unas posiciones segun 2 direcciones, pero utilizan un iman y al menos tantos sensores de Hall posicionados en el espacio como velocidades hay que detectar. Por lo tanto, es necesario implementar una red de sensores para discriminar unas posiciones unicas y obtener una deteccion digital de las velocidades. La multiplicacion de los sensores hace que esta solucion sea costosa de implementar y no ofrece medios de conocer las posiciones intermedias.
Para remediar los problemas relacionados con la deteccion de posicion por medida de amplitud descritos mas arriba, existen unos sensores de posicion que miden la rotacion del campo magnetico, dicho de otra manera, su direccion, y
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ya no su amplitud. Sin embargo, esto se aplica principalmente a unos sensores unidireccionales y no bidireccionales.
Se conocen, por ejemplo, en el estado de la tecnica, unos sensores tales como se describen en las patentes francesas FR 2898189 y FR 2909170 del solicitante que utilizan la direccion del campo y no la amplitud para detectar una posicion relativa entre un iman y una sonda magnetosensible. Esta medida de direccion permite ser insensible a la temperatura y a los juegos mecanicos y no implementa pieza ferromagnetica y, por lo tanto, no presenta histeresis magnetica. Sin embargo, unos sensores de este tipo solo miden una sola direccion de campo magnetico por medio del calculo de una sola relacion de amplitud a partir de 2 componentes del campo magnetico y, por lo tanto, solo pueden conocer la posicion relativa de un iman movil con respecto a una sonda magnetosensible siguiendo una direccion y no dos. Asimismo, las patentes y solicitudes de patente de los Estados Unidos US6731108, US6960974 y WO2004015375 permiten unicamente la medida del desplazamiento lineal de un iman con respecto a uno o varios elementos magnetosensibles utilizando la direccion del campo. Sin embargo, para una realizacion practica de los recorridos superiores a 20-25 mm, estos sensores necesitan varias sondas colocadas sobre las diferentes partes del recorrido, lo que aumenta el coste del sensor y necesita un posicionamiento preciso de las sondas.
Sin embargo, se conocen en el estado de la tecnica unas soluciones que permiten una medida de posicion bidireccional y que utilizan la medida de la rotacion y no de la amplitud del campo magnetico, pero en el caso de aplicaciones muy especfficas con palancas de mando (joysticks). De esta manera, las solicitudes de patente de los Estados Unidos US 20070242043 o US 20090062064 describen unos sensores para joystick que comprenden un sencillo iman imantado unidireccionalmente, segun su espesor y una sonda que mide unicamente 2 componentes del campo y, por lo tanto, una sola direccion de campo (angulo formado por los 2 componentes). Este principio no permite suministrar unas senales lineales independientes siguiendo 2 direcciones. Los sistemas de tipo joystick estan, ademas, limitados unicamente a unas rotaciones y no pueden medir unas translaciones. Por otra parte, el angulo que puede detectarse por un sistema de joystick de este tipo esta limitado a una treintena de grados. Mas alla, el iman se encuentra muy alejado de la sonda que ya no ve bastante campo magnetico para deducir de ello una posicion. De hecho, para una realizacion practica para unos recorridos superiores a 40 grados, estos sensores necesitan varias sondas colocadas sobre las diferentes partes del recorrido, lo que aumenta el coste del sensor.
Se encuentra igualmente en el estado de la tecnica una nota de aplicacion de Melexis para una medida de 2 angulos de rotacion
(http://www.melexis.com/Sensor ICs Hall effect/Triaxis Hall ICs/MLX90333 648.aspx) donde se presentan
(http://www.melexis.com/Sensor ICs Hall effect/Triaxis Hall ICs/MLX90333 648.aspx) donde se presentan
2 configuraciones de Joystick. La primera es una solucion donde el centro de rotacion del iman bipolar es coincidente con el punto de medida, lo que necesita un sistema mecanico complejo y voluminoso, no facilmente integrable en una aplicacion. La segunda configuracion presenta una solucion donde el centro de rotacion del iman se encuentra detras del iman (el iman esta entre su centro de rotacion y los elementos sensibles). En este caso, los
3 componentes del campo magnetico se utilizan para determinar 2 angulos de rotacion. El iman utilizado es un cilindro de muy escaso diametro con una imantacion constante en amplitud y en direccion siguiendo su espesor. Es decir, que la imantacion del iman en cualquier punto de este iman tiene el mismo modulo y es perpendicular a la cara superior e inferior del iman. Esta configuracion muy especffica esta destinada unicamente a la medida de dos angulos y para de muy escaso recorrido (una treintena de grados). De hecho, para poder detectar la rotacion del iman con el algoritmo utilizado, es necesario que el diametro del iman sea pequeno (teoricamente un iman puntual con una imantacion radial), lo que significa que en cuanto que tenemos una pequena rotacion del iman, el iman se aleja de los elementos magnetosensibles y la induccion magnetica se vuelve muy escasa a la altura de los elementos magnetosensibles de la sonda para tener una deteccion precisa de la rotacion del iman. Este es el motivo por el que este genero de sistema necesita un iman con muy fuerte remanencia (tradicionalmente Br>1,2 T) y muy espeso (espesor >10 mm) que, por lo tanto, cuesta caro y es diffcil de imantar, con lo que es ademas un espesor axial importante (tradicionalmente >10 mm) que genera un problema de volumen. Ademas, con estas soluciones, el entrehierro mecanico entre la superficie del iman plana y el punto de medida varfa en funcion de las rotaciones del iman, lo que implica un deterioro de la linealidad y un entrehierro mayor de lo necesario para evitar la colision de los bordes del iman con el soporte de la sonda. Lo ideal para evitar esto es un iman de muy escaso diametro, pero que plantea los problemas ya mencionados mas arriba.
Exposicion de la invencion
Por lo tanto, la invencion presentada aquf se propone en concreto remediar de manera sencilla y competente los problemas de los sensores bidireccionales expuestos mas arriba (recorrido limitado, medida de rotaciones solamente, imanes de fuerte remanencia y espesos, volumen y coste importantes...).
En particular, proponemos un sensor de posicion absoluto siguiendo 2 direcciones cualesquiera (translacion- translacion, translacion-rotacion o rotacion-rotacion) que mide el desplazamiento relativo entre un elemento imantado y una sonda magnetosensible que mide al menos 2 componentes del campo magnetico sustancialmente en el mismo punto y esto sin limitacion alta o baja de recorridos y que utiliza preferentemente la medida de la direccion del campo magnetico y no de su amplitud.
De manera mas precisa, proponemos un sensor magnetico de posicion siguiendo al menos dos direcciones que incluye al menos un elemento imantado (1) y una zona (6) que incluye al menos dos elementos magnetosensibles
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(2) y (3) localizados sustancialmente en el mismo punto y que miden cada uno uno de los componentes del campo magnetico generado por dicho elemento imantado (1), siendo el elemento imantado (1) movil respecto a dichos elementos magnetosensibles (2) y (3) y al menos un circuito de tratamiento (5) adecuado para efectuar unos calculos de angulos y de modulos a partir de combinaciones algebraicas de los componentes del campo magnetico y que proporciona al menos dos senales independientes representativas de la posicion del elemento movil segun respectivamente una y otra de las dos direcciones, caracterizado por que el vector imantacion del elemento imantado (1) es variable con respecto al vector normal a la superficie del elemento imantado dispuesta frente a la sonda (6) segun al menos una de las dimensiones de dicho elemento imantado de modo que se define una posicion unica de dicha sonda (6) en relacion con dicho elemento imantado (1).
Esta variacion del vector imantacion puede obtenerse por la variacion de su direccion segun al menos una de sus dimensiones. En este caso, la direccion del vector imantacion puede presentar varios periodos sobre el recorrido medido.
Esta variacion del vector imantacion tambien puede obtenerse por la variacion de una de las dimensiones del elemento imantado segun al menos una de las dos direcciones que induce una variacion de la direccion del vector normal a la superficie. En este caso, la dimension puede variar segun una funcion discontinua o siguiendo una funcion continua de tipo sinusoidal.
Esta variacion del vector imantacion tambien puede obtenerse por la variacion de su amplitud segun al menos una de las dos direcciones.
En todos estos casos, el vector de imantacion presenta al menos una alternancia de sentido siguiendo al menos una de las dos direcciones.
En todos estos casos, el circuito de tratamiento de la senal puede realizar al menos 2 calculos de arco tangente o al menos un calculo de arco tangente y un calculo de modulo.
En todos estos casos, el circuito de tratamiento de la senal tambien puede realizar un calculo de arco tangente de la relacion de dos componentes del campo magnetico despues de haber aplicado un coeficiente corrector entre estos dos componentes.
En una variante de la invencion, el circuito del tratamiento esta integrado con los elementos magnetosensibles en un solo componente.
En una variante de la invencion, el elemento imantado esta constituido por un iman permanente y por al menos una pieza ferromagnetica.
Finalmente, de forma preferente, los componentes del campo magnetico medidos varfan de forma sustancialmente sinusoidal siguiendo cada una de las al menos dos direcciones.
De forma general, este sensor presenta un solo elemento imantado, preferentemente un iman permanente de tipo tierra rara (SmCo, NdFeB) o ferrita, de escaso espesor y de longitud y anchura sustancialmente equivalentes al recorrido deseado, sin otra limitacion de recorrido que el tamano del iman. El hecho de que este sensor utilice solo una sola sonda magnetosensible que mide los 3 componentes del campo magnetico en un solo punto permite, de esta manera, llevar un volumen mfnimo y un coste limitado. Este sensor utiliza las relaciones de amplitudes entre los componentes del campo magnetico para librarse de las variaciones de las propiedades magneticas del iman en funcion de la temperatura, del tiempo e igualmente para no ser sensible a las tolerancias geometricas y a las variaciones de entrehierro, lo que permite proponer una solucion extremadamente robusta. Este sensor no presenta piezas ferromagneticas fijas con respecto a los elementos magnetosensibles y, por lo tanto, ninguna histeresis magnetica garantizando al mismo tiempo la sencillez de la estructura. Finalmente, el sensor proporciona una informacion de posicion independiente para cada una de las 2 direcciones y esto con una muy gran precision.
El funcionamiento del sensor se define de manera mas precisa como sigue:
Sea M el punto donde los elementos magnetosensibles estan agrupados y miden los 3 componentes del campo magnetico y O' el punto medio de la superficie exterior del elemento imantado (1) que esta frente por frente de la sonda (6) donde estan integrados los elementos magnetosensibles. Un punto O se utilizara en el caso donde al menos una de las dos direcciones es una rotacion con, en este caso, O centro de rotacion. De esta manera, podemos escribir la siguiente relacion vectorial:
El vector OO' es constante y depende unicamente de la geometria del iman, la norma de este vector corresponde al radio exterior del iman en el caso de un iman en teja o esferico y es nula en el caso de un
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iman paralelepipedico.
El vector AM es constante y esta orientado siguiendo el espesor del iman sea AM-Zq n Zo se llama habitualmente entrehierro o airgap entre el elemento imantado y el punto M que agrupa los elementos magnetosensibles.
De esta manera, se define + como siendo el vector que representa la posicion del elemento imantado
con respecto a los elementos magnetosensibles siguiendo las 2 direcciones del elemento movil que estan
orientadas siguiendo 'y 7 En interes de la sencillez, las direcciones se anotaran en lo sucesivo X e Y y
corresponden a los desplazamientos respectivamente siguiendo 'y 7
De esta manera, las 2 direcciones X e Y pueden ser 2 translaciones donde x e y corresponden a una longitud o pueden ser una translacion y una rotacion donde x corresponde entonces a una longitud e y a un angulo y finalmente las 2 direcciones pueden ser 2 rotaciones donde x e y corresponden ambas dos a unos angulos.
Para determinar la posicion del elemento imantado con respecto a los elementos magnetosensibles siguiendo las 2 direcciones X e Y del elemento movil, hay que determinar, por lo tanto, las coordenadas x e y.
De una manera general, ya sea para un iman rectilineo, cilindrico o esferico, en lo que sigue, el espesor corresponde a la dimension del iman orientada segun el vector unitario n normal a la superficie superior del iman, la longitud corresponde a la dimension del iman orientada por el vector ' tangente a la superficie superior del iman y la
profundidad corresponde a la dimension del iman orientada por el vector J igualmente tangente a la superficie
superior del iman y perpendicular al vector ‘. En el caso de un iman rectilineo, cilindrico o esferico, la referenda O, _, ^
(y, n ) utilizada es respectivamente una referenda cartesiana, polar o esferica.
Segun un primer modo de realizacion, el sensor esta constituido por un elemento imantado (preferentemente un iman permanente) que genera un campo magnetico cuyo componente normal (siguiendo n) por una parte, y los
componentes tangencial (siguiendo ') y transversal (siguiendo 1) por otra parte, medidos en su superficie, varian periodicamente (segun unos perfodos mecanicos de referencia denominados Xx y Xy), pudiendo la variacion efectiva a lo largo de la superficie corresponder a uno o unos perfodo(s) entero(s) o unas fracciones de perfodo(s).
Segun una configuracion preferente, el elemento imantado presentara una longitud y una profundidad sustancialmente proximas a los recorridos utiles, asf como una imantacion cuya direccion varfa de manera sustancialmente lineal siguiendo sus 2 direcciones X e Y y con respecto a su espesor, su longitud Y su profundidad. Esto significa que en cualquier punto A de la superficie exterior del elemento imantado, el angulo entre el vector de
magnetizacion M y el vector normal n sea y el angulo entre el vector de magnetizacion M y el vector' sea !-M-0 varian linealmente siguiendo las direcciones X, Y que el angulo entre el vector de magnetizacion M y el vector
normal " tiW'n' y el angulo entre el vector de magnetizacion Y.
M
y el vector i varian linealmente siguiendo la direccion
En la proximidad de este elemento imantado, esta imantacion genera un campo magnetico if (ff=Bxi+By/ +Bzn> CUy0S componentes tangencial (Bx), normal (Bn) y transversal (By) son sustancialmente sinusoidales, sobre una gran parte del recorrido siguiendo las direcciones X e Y.
Por lo tanto, consideramos un iman de longitud Lx, de anchura Ly y de espesor Lz, y M(x, y, Z0) un punto de medida de los componentes Bx, By Bz del campo magnetico generado por el elemento imantado.
+/- ymax es el recorrido maximo que queremos medir siguiendo la direccion Y, siendo ymax inferior, igual o superior a la anchura del elemento imantado.
+/- xmax es el recorrido maximo que queremos medir siguiendo la direccion X, siendo xmax inferior, igual o superior a la longitud del elemento imantado.
Queremos conocer la posicion siguiendo X e Y, sea x e y. Z0 corresponde al entrehierro de medida entre el elemento movil y el elemento fijo.
Los componentes By y Bz del campo magnetico tienen la misma fase siguiendo X, mientras que el componente Bx esta defasado en un cuarto de perfodo. En este 1er modo de realizacion, la imantacion genera un campo magnetico tal que podemos escribir como sigue los componentes del campo magnetico en M(x, y, z0):
• Bx(x,y,zn)= BxMAX *cos(^-*x +<f>) * cosf^^y) *—
Ax
. By(x,y,z0)= ByMAX *sen(^-*x +<|>) *sen(^*y) *—
/»> Ay XQ,
• Bz(x,y,z0)= BzMAX *sen(T^*x +$) * cos(^*y) *—
A*-
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Donde Xx y Xy son respectivamente las longitudes de onda para la que el campo magnetico gira en 360 grados siguiendo respectivamente X e Y y A una constante no nula propia para cada sensor que depende del entrehierro entre la superficie del elemento imantado y los elementos magnetosensibles, asf como de la geometrfa del elemento imantado.
Para este 1er modo de realizacion preferente, la imantacion es normal al centra del iman en O’ y, por lo tanto,
TZ
tenemos c|> =7. La imantacion puede, por ejemplo, girar en 360 grados siguiendo X e Y. Esto significa que la
imantacion gira en 360 grados sobre la longitud del elemento imantado y en 360 grados sobre la anchura del elemento imantado, lo que en este caso nos da Xx = Lx y Xy = Ly. Entonces, tenemos en cualquier punto M(x, y, Z0) por encima del elemento imantado:
2 tj jj J
• Bx(x,y,z_)= BxMAX *cos(—*x +-) * cos(—*y) *—
• By(x,y,z0)= ByMAX *sen(:r*x +7) *sen(^*y) *—
• Bz(x,y,z„)= BzMAX 'sentr^x +7) * cos(—*y) *—
4^ i I* 3ft
Por supuesto, segun el campo magnetico generado por el elemento imantado, la longitud de onda Xy puede ser mucho mayor que la anchura del elemento imantado Ly como para las figuras 4, 5 y 6, donde Xy es mayor que la anchura Ly, lo que significa que el campo magnetico gira en menos de 360 grados sobre la anchura del elemento imantado.
Si se miden los componentes Bx, By y Bz del campo magnetico en un punto M cualquiera del espacio que rodea el elemento imantado, es posible conocer la posicion siguiendo las direcciones X e Y, aplicando las formulas de mas abajo para deducir de ello x e y. Esta medida de los 3 componentes magneticos puede realizarse, por ejemplo, por 3 elementos magnetosensibles localizados en un mismo punto e integrados en un mismo paquete llamado sonda (6) utilizando unos componentes de tipo MLX90333 o HAL3625...
A partir de estos 3 componentes, podemos hacer el siguiente calculo (figura 9):
atan(kx Bz/Sx)
atan(ky Bz/By)
con: Bx, By, Bz componentes del campo magnetico medidos en el punto M de coordenadas x, y, z0 y kx, ky 25 coeficientes de ganancia correctores afectados a la medida de los componentes de campo para normalizar los componentes. Este calculo puede realizarse en el interior de un componente unico que comprende los elementos magnetosensibles o puede realizarse entonces por un elemento exterior a la sonda (microcontrolador, microprocesador, ECU...). Aplicando estas formulas se obtiene:
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atan(kx ^Z/R J = atan((kx*BzMAX*sen(—*x +7) * cos(7-*y) *—)/( BxMAX *cos(—*x +7) * cos(—*y)
‘DAT La * M Smc 2 1c
*7-))
=atan((kx* BzMAX*sen(r1*x +7))/ ((BxMAX *cos(—*x +7)))
id: -■ L* *
= atan(kx* * tan(—*x +-)
' Rv * s r> •
Por lo tanto, Atan(kx Bz/Bx) es una funcion lineal de variable x y su evaluacion por calculo nos permite determinar el valor x y, por lo tanto, la posicion siguiendo la direccion X del punto M con respecto al centro del elemento imantado O'. Siendo M el punto donde los elementos magnetosensibles estan colocados, de esta manera conocemos la posicion relativa del elemento imantado con respecto a los elementos magnetosensibles. Por lo tanto, la posicion relativa siguiendo X es independiente de la temperatura y del entrehierro y puede determinarse con una precision importante (tradicionalmente menos de un 1 % del recorrido completo). Para que esta salida sea igual a 0 cuando x = 0, esto puede hacerse por medio de una programacion de la sonda (6), ya que la pendiente y la ordenada en el origen dependen del iman y de su imantacion unicamente y, por lo tanto, son programables.
Podemos calcular asimismo arctan(ky Bz/By)
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Lo que lleva a la posicion relativa siguiendo la direccion Y del elemento imantado con respecto a los elementos magnetosensibles como se ha explicado anteriormente para la posicion siguiendo X.
Por consiguiente, una imantacion de este tipo y un tratamiento de las senales de este tipo como se describen en este 1er modo de realizacion nos permiten determinar la posicion relativa siguiendo 2 direcciones X e Y del elemento imantado con respecto a los elementos magnetosensibles a partir de los 3 componentes del campo magneticos medidos en un mismo punto M.
Podemos igualmente con una misma imantacion utilizar el siguiente postratamiento:
Segun un segundo modo de realizacion, la presente invencion esta constituida por un elemento imantado (p refe rente me nte un iman permanente) que genera un campo magnetico cuyo componente normal (siguiendo n),
por una parte, y los componentes tangencial (siguiendo ') y transversal (siguiendo 1), por otra parte, medidos en su superficie, varfa periodicamente (segun unos perfodos mecanico de referencia denominado Xx y Xy), pudiendo la variacion efectiva a lo largo de la superficie corresponder a uno o unos perfodo(s) entero(s) o unas fracciones de perfodo(s).
Segun este segundo modo de realizacion, el elemento imantado presentara una imantacion donde la direccion varfa de manera sustancialmente lineal siguiendo unicamente 1 de sus 2 direcciones y con respecto a su espesor Y su longitud.
Esto significa que en cualquier punto A del elemento imantado, el angulo entre el vector de magnetizacion M y el vector normal n sea y el angulo entre el vector de magnetizacion M y el vector ' sea varfan linealmente
siguiendo la direccion X, pero que el angulo entre el vector de magnetizacion M y el vector J es constante siguiendo la direccion Y.
Este 2° modo de realizacion necesita un elemento imantado de escasa anchura (<30 mm o equivalente en angulo) para que, en la proximidad de este elemento imantado, esta imantacion genere un campo magnetico cuyos componentes tangencial (Bx), normal (Bn) y transversal (By) con respecto al iman sean sustancialmente sinusoidales sobre una gran parte del recorrido y sean de la misma forma que los componentes del 1er modo de realizacion. Un iman poco ancho nos permite gracias a los efectos de bordes obtener un campo magnetico en M que varfa siguiendo la direccion Y sin que, no obstante, el elemento imantado tenga una imantacion variable siguiendo esta direccion.
Para este 2° modo de realizacion preferente, la imantacion puede ser normal, tangencial u otras al centra del iman en O’ y, por lo tanto, en este caso tenemos 41 =[0 ;2n], la imantacion puede girar en 360 grados siguiendo la direccion X, pero girara en menos de 180 grados siguiendo la direccion Y, lo que nos da, por ejemplo, Xx = Lx y Xy = 2Ly. Entonces, tenemos en cualquier punto M(x, y, zq) por encima del elemento imantado:
• Bx(x,y,z„)= BxMAX *cos(^*x +$) * cos(-*y) *-
V *-\ L; Zq
* By(x,y,z0)= ByMAX Wt^x +$) *Sen (-*y) *—
L.- SjJ
. Bz{x,y,z„)= BzMAX *sen(^f*x +$) * cos(-*y) *—
L< rg
De la misma manera que para el 1er modo preferente, podemos calcular atan(kx Bz/Bx) y atan(ky Bz/By) y, de esta
manera, obtener: Atan=Il’"+* \a salida de esta funcion variara en 2n: sobre el recorrido de longitud Lx Atan=u‘v+It, |a salida de esta funcion variara en unicamente Jt sobre el recorrido de longitud Ly.
Podemos igualmente en este modo de realizacion, calcular el arcotangente para determinar la posicion siguiendo X y, conociendo esta posicion, podemos utilizar unicamente el valor del componente By para deducir de ello la posicion siguiendo Y. Sin embargo, este postratamiento tiene la desventaja de que utiliza directamente un componente, lo que significa que esta solucion sera sensible a la variacion de entrehierro zq y a la temperatura, pero es muy conveniente cuando solo hay algunas posiciones discretas que determinar como para una aplicacion de caja de velocidad donde solo es necesario el conocimiento de las 6 o 7 velocidades sobre un intervalo dado y donde no se requiere conocer las posiciones intermedias.
Segun un tercer modo de realizacion preferente, el iman presentara una imantacion cuya direccion es constante y
para la que el vector de imantacion M en cualquier punto del elemento imantado es colineal afio'oi, dicho de otra manera, la imantacion es siguiendo el espesor, la longitud o la anchura del elemento imantado. En cambio, el
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elemento imantado presentara un espesor que varfa de manera casi sinusoidal siguiendo sus 2 direcciones X e Y. Esta variacion de espesor casi sinusoidal sobre un semiperfodo combinada con una imantacion uniforme genera un campo magnetico por encima del iman cuyos componentes son sustancialmente sinusoidales y se expresan de manera similar al caso del 1er modo de realizacion descrito mas arriba. Segun este 3er modo de realizacion preferente, el campo magnetico generado por este elemento imantado solo girara en aproximadamente 180 grados siguiendo las direcciones X e Y, lo que nos da, por ejemplo, Xx = 2Lx y Xy = 2Ly. El tratamiento de los componentes sera identico al 1er modo de realizacion para determinar x e y.
Segun un cuarto modo de realizacion, el elemento imantado presentara una imantacion cuya direccion de imantacion
es constante y para la que el vector de imantacion M en cualquier punto del iman es colineal a/l.'oJ, dicho de otra manera, la imantacion es siguiendo el espesor, la longitud o la anchura del elemento imantado. En cambio, el elemento imantado presentara un espesor que varfa de manera casi sinusoidal siguiendo una sola de sus 2 direcciones X o Y. Este 4° modo de realizacion necesita un iman de escasa anchura (<30 mm o equivalente en angulo) para que en la proximidad de este elemento imantado, esta imantacion genere un campo magnetico cuyos componentes tangencial (Bx), normal (Bn) y transversal (By) con respecto al iman, sean sustancialmente sinusoidales, sobre una gran parte del recorrido y sean de la misma forma que los componentes del 1er modo de realizacion. Un elemento imantado poco ancho nos permite gracias a los efectos de bordes obtener un campo magnetico en M que varfa siguiendo la direccion Y sin que, no obstante, el elemento imantado requiera que su espesor varfe siguiendo la direccion Y.
De la misma manera que para el 3er modo de realizacion preferente, el campo magnetico generado por este elemento imantado solo gira en aproximadamente 180 grados siguiendo las direcciones X e Y, lo que nos da, por ejemplo, Xx = 2Lx y Xy = 2Ly. El tratamiento de los componentes es identico al 1er modo de realizacion para determinar las posiciones x e y.
Segun un quinto modo de realizacion, el elemento imantado presentara una imantacion cuya direccion varfa de manera sustancialmente lineal siguiendo unicamente 1 de sus 2 direcciones y con respecto a su espesor Y su longitud. Esto significa que en cualquier punto A del elemento imantado, el angulo entre el vector de magnetizacion
M y el vector normal n sea (#/*>) y el angulo entre el vector de magnetizacion M y el vector • sea varfan
linealmente siguiendo la direccion X, pero que el angulo entre el vector de Magnetizacion M y el vector i es constante siguiendo la direccion Y.
Ademas, y contrariamente al 2° modo de realizacion, el elemento imantado presenta una variacion de su espesor siguiendo una sola de sus 2 direcciones (Y) y varfa siguiendo una funcion discontinua en forma de escalon.
En este caso, podemos utilizar unicamente los componentes Bx Y Bz del campo magnetico y hacer el siguiente postratamiento.
Atan(ky Bz/gy) Y i|Sxi + 8zjW=\fB*2-f Bz2
El calculo del angulo nos da una informacion muy precisa de la posicion lineal siguiendo X y el modulo nos da una informacion de posicion vaga siguiendo la direccion Y, dado que tenemos un iman en forma de escalon. Sin embargo, esta solucion puede ser muy util cuando tenemos una sonda con unicamente 2 componentes medibles como la MLX90316 u otras y permite discretizar unas posiciones siguiendo Y. El numero de escalon que presenta el iman siguiendo Y corresponde tradicionalmente al numero de posiciones que podemos discretizar. Este modo de realizacion puede utilizarse para discriminar unas velocidades en una aplicacion de caja de velocidad, por ejemplo.
Segun un sexto modo de realizacion, el elemento imantado presenta una imantacion cuya direccion es constante preferentemente siguiendo su espesor, sin que esto sea exclusivo. Esto significa que el vector de imantacion M en cualquier punto del iman es colineal a n .
En cambio, la amplitud del vector de imantacion varfa linealmente siguiendo 1 o 2 de sus 2 direcciones. Esto significa que en cualquier punto A del elemento imantado, el vector de magnetizacion M esta orientado siguiendo el espesor del iman, pero que la amplitud de este vector varfa sinusoidalmente siguiendo 1 o 2 de las direcciones X e Y.
Por lo tanto, tendremos:
con A(x, y) = A1sen (x) + A2sen (y) + constante, siendo A1 y A2 unas constantes que dependen del elemento imantado.
Segun un septimo modo de realizacion que se aplica a los casos donde al menos 1 direccion es una rotacion (se anotara Y), la presente invencion esta constituida por un elemento imantado en forma de teja. Segun este modo de realizacion, el elemento imantado presentara una imantacion diametral donde la direccion de imantacion varfa de manera sustancialmente lineal siguiendo su direccion de rotacion Y y con respecto unicamente a su espesor.
Esto significa que en cualquier punto A del elemento imantado el angulo entre el vector de magnetizacion M y el
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vector normal nsea varia linealmente siguiendo la direccion de rotacion Y que el angulo entre el vector de
magnetizacion M y el vector > sea es constante siguiendo la direccion X, siendo X una direccion de
translacion. Ademas, una imantacion diametral significa que los vectores de magnetizacion M en cada punto A del elemento imantado M son colineales como lo muestra la figura 19.
Este modo de realizacion necesita un elemento imantado de escasa longitud (<30 mm o equivalente en angulo) para que en la proximidad de este elemento imantado, esta imantacion genere un campo magnetico cuyos componentes tangencial (Bx), normal (Bn) y transversal (By) con respecto al iman, sean sustancialmente sinusoidales sobre una gran parte del recorrido y sean de la misma forma que los componentes del 1er modo de realizacion. Un elemento imantado poco largo nos permite gracias a los efectos de bordes obtener un campo magnetico en M que varia siguiendo la direccion X sin que, no obstante, el elemento imantado tenga una imantacion variable siguiendo esta direccion.
Segun este modo de realizacion preferente, la imantacion puede ser normal, tangencial u otras al centra del iman en O’ y, por lo tanto, en este caso tenemos " i girando la imantacion aproximadamente tanto como el angulo de la teja de iman. Es decir, que si tenemos una teja de 90 grados, los componentes del campo magnetico generados por esta teja giran en aproximadamente 90 grados.
Segun un octavo modo de realizacion, el elemento imantado presenta una longitud y una profundidad sustancialmente proximas a los recorridos utiles, asi como una imantacion cuya direccion varia de manera discontinua siguiendo las 2 direcciones.
En cualquier punto A del elemento imantado, el angulo entre el vector de magnetizacion M y el vector normal n sea
alterna entre 0 grado y 180 grados siguiendo la direccion X o siguiendo las 2 direcciones X e Y como en la figura 20.
En la proximidad de este elemento imantado, esta imantacion genera un campo magnetico ® C5=Bxr +Byf + Bzri) cuyos componentes tangencial (Bx), normal (Bn) y transversal (By) con respecto al iman son sustancialmente sinusoidales, sobre una gran parte del recorrido siguiendo las direcciones X e Y y aplicando el mismo postratamiento de los componentes que segun el 1er modo de realizacion podemos deducir de ello la posicion del elemento imantado con respecto a los elementos magnetosensibles siguiendo las 2 direcciones X e Y.
Por supuesto, estos modos de realizacion son no exhaustivos y son posibles otras configuraciones de imantacion o geometrfa de iman.
Breve descripcion de las figuras
La invencion se comprendera mejor tras la lectura de la descripcion que sigue haciendo referencia a las siguientes figuras:
- La figura 1 representa una solucion de la tecnica anterior.
- Las figuras 2a, 2b y 2c muestran las diferentes formas geometricas del elemento imantado y las referencias asociadas.
- La figura 3 representa un modo de realizacion donde el sensor esta compuesto por un elemento imantado paralelepipedico y por una sonda.
- La figura 4 representa el componente Bx del campo magnetico obtenido con una imantacion segun uno de los modos de realizacion descrito por esta presente invencion.
- La figura 5 representa el componente Bz del campo magnetico obtenido con una imantacion segun uno de los modos de realizacion descrito por esta presente invencion.
- La figura 6 representa el componente By del campo magnetico obtenido con una imantacion segun uno de los modos de realizacion descrito por esta presente invencion.
- La figura 7 representa la evolucion siguiendo el eje X del componente By del campo magnetico y esto para varias posiciones y.
- La figura 8 representa el tratamiento del campo magnetico para deducir de ello las 2 posiciones siguiendo las 2 direcciones.
- Las figuras 9a, 9b, 9c representan diferentes algoritmos de postratamiento de los componentes Bx, By, Bz para determinar la posicion x e y del movil siguiendo X e Y.
- La figura 10 representa una serial de salida segun un modo de realizacion de la presente invencion que permite determinar la posicion siguiendo la direccion X independientemente de la posicion siguiendo Y.
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- La figura 11 representa una senal de salida segun un modo de realizacion de la presente invencion que permite determinar la posicion siguiendo Y independientemente de la posicion siguiendo X.
- La figura 12 es una vista desde arriba de un elemento imantado rectilfneo de espesor contante y que presenta una imantacion sinusoidal siguiendo varias direcciones segun un modo de realizacion de la presente invencion.
- La figura 13 es una vista en perspectiva de un elemento imantado en teja de espesor constante y que presenta una imantacion sinusoidal siguiendo varias direcciones donde X es una rotacion e Y una traslacion.
- La figura 14 representa un elemento imantado rectilfneo de escasa anchura y de espesor constante y una imantacion sinusoidal continua siguiendo la direccion X segun un modo de realizacion de la presente invencion.
- La figura 15 representa un elemento imantado circular de espesor variable de manera casi sinusoidal siguiendo varias direcciones e imantado sustancialmente siguiendo el espesor.
- La figura 16 representa un elemento imantado rectilfneo con espesor variable de manera casi sinusoidal siguiendo su direccion X e imantado sustancialmente siguiendo su espesor.
- La figura 17 representa un iman cuyo espesor varfa discontinuamente siguiendo la direccion Y y que presenta una imantacion sinusoidal siguiendo la direccion X.
- La figura 18 es una vista de lado y desde arriba de un elemento imantado cuyo espesor es constante y que presenta una imantacion siguiendo su espesor, pero cuya amplitud es sinusoidal siguiendo la direccion X.
- La figura 19 es una vista en perspectiva de un elemento imantando en teja de espesor constante y una imantacion diametral donde la direccion X es una rotacion y la direccion Y es una translacion.
- La figura 20 es una vista en corte y en perspectiva de un elemento imantado elfptico de espesor constante que presenta una alternancia de imantaciones Norte-Sur siguiendo las direcciones X e Y.
- La figura 21 representa un elemento imantado rectilfneo de escasa anchura y de espesor constante y una imantacion sinusoidal continua siguiendo la direccion X y una pieza ferromagnetica unida al elemento imantado que permite disminuir los efectos de borde.
Descripcion detallada de los modos de realizacion
La figura 1 representa una solucion de la tecnica anterior que permite medir 2 angulos de rotacion. En este caso, los 3 componentes del campo magnetico se utilizan para determinar los 2 angulos de rotacion. El iman utilizado es un cilindro de espesor constante e imantado siguiendo unicamente su espesor. Esta configuracion muy especffica esta unicamente destinada a la medida de dos angulos y para unos recorridos muy escasos, ya que esta imantacion constante siguiendo el espesor no es apropiada para la medida de angulo superior a un treintena de grados.
Las figuras 2a, 2b, 2c son unas vistas en perspectiva, de cara y de lado de elementos imantados (1) y de sondas (6) utilizados en nuestros modos de realizacion para determinar la posicion (x, y) del elemento imantado (1) con respecto a la sonda (6) respectivamente siguiendo una rotacion y una translacion (Fig. 2a), 2 translaciones (Fig. 2b) y 2 rotaciones (Fig. 2c).
Sea cual sea el modo de realizacion de la invencion, la sonda 6 se desplaza con respecto al elemento imantado 1 permaneciendo en una superficie de desplazamiento y sin experimentar rotacion alrededor del eje normal a esta superficie de desplazamiento.
Ademas, en los modos de realizacion de las figuras 2a, 2b, 2c, 3 a 6, 10 a 14 y 18 a 21, la distancia que separa la superficie de desplazamiento de la sonda de la superficie superior del elemento imantado 1 es constante.
Por consiguiente, la superficie de desplazamiento de la sonda 6 esta constituida por una porcion de cilindro coaxial a la superficie superior cilfndrica del elemento imantado 1 en los modos de realizacion de las figuras 2a, 13 y 19, por una porcion de plano paralelo a la superficie superior plana del elemento imantado 1 en los modos de realizacion de las figuras 2b, 3 a 6, 10 a 12, 14, 18 y 20 a 21 y por una porcion de esfera concentrica a la superficie superior esferica del elemento imantado 1 en el modo de realizacion de la figura 2c.
En cambio, en los modos de realizacion de las figuras 15 y 16, en los que la sonda 6 se desplaza en una superficie de desplazamiento constituida por un plano paralelo a un plano mediano del elemento imantado 1, la distancia entre la sonda 6 y la superficie superior no plana del elemento imantado 1 evoluciona, con la salvedad de una constante positiva, como una funcion sinusoidal de la posicion relativa de la sonda 6 y del elemento imantado 1 siguiendo cada una de las direcciones X e Y para el modo de realizacion de la figura 15 y siguiendo la direccion X para el modo de realizacion de la figura 16.
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Asimismo, en el modo de realizacion de la figura 17, en el que la sonda se desplaza en una superficie de desplazamiento constituida por un plano paralelo a un plano fijo del elemento imantado 1, la distancia entre la sonda 6 y la superficie superior no plana del elemento imantado 1 evoluciona, con la salvedad de una constante positiva, como una funcion seudosinusoidal de la posicion relativa de la sonda 6 y del elemento imantado 1 siguiendo la direccion Y.
O es el centra de rotacion en el caso donde una direccion es una rotacion, O’ es el medio de la superficie exterior del
elemento imantado, es nulo en el caso donde las 2 direcciones son unas translaciones, pero 0^*0 en los otros casos con Rext siendo el radio exterior del elemento imantado. M es el punto donde estan agrupados los elementos magnetosensibles en la sonda (6) y A es la proyeccion de M siguiendo el vector normal n sobre la superficie exterior
del elemento imantado (1). °(W^> es la referenda utilizada para definir la posicion de los diferentes puntos O’, A y M. En los casos de las figuras 2a, 2b y 2c, la referenda es respectivamente una referenda cilindrica, cartesiana y esferica donde n es el vector normal en un punto de una superficie e i.i los vectores tangenciales a esta superficie en este mismo punto. Por lo tanto, el vector AM es colineal al vector n en A y su norma corresponde al entrehierro
z0 de medida que es una constante del sensor. Las figuras 2a, 2b y 2c nos indican que OM = stxtn + xi*yj-f-sQn Por lo tanto, la presente invencion tiene como finalidad determinar el par (x, y) para, de esta manera, determinar la posicion del elemento imantado (1) con respecto a los elementos magnetosensibles (2) y (3) de la sonda (6) siguiendo las 2 direcciones orientadas por los vectores w
Sobre estas figuras 2a, 2b, 2c, se definen para cada configuracion, las dimensiones del elemento imantado (1)
respecto a las referencias Para el caso de la figura 2a, se trata respectivamente de la longitud rectilinea, la longitud angular y el espesor. Para el caso de la figura 2b, se trata respectivamente de la longitud, la anchura y el espesor. Para el caso de la figura 2c, se trata respectivamente de la primera longitud angular, la segunda longitud angular y el espesor.
La figura 3 representa una vista desde arriba de un modo de realizacion donde el sensor esta compuesto por un elemento imantado (1) paralelepipedico de longitud Lx y de anchura Ly, de centro O(0, 0, 0) y por una sonda (6) capaz de medir en M(x, y, z0) los 3 componentes del campo magnetico (Bx, By, Bz) generados por el elemento imantado (1) para deducir de ello la posicion (x, y) siguiendo las direcciones X e Y del elemento (1) con respecto a la sonda (6). El recorrido del elemento imantado (1) segun X es de (2xmax) y segun Y es de (2ymax) con 2xmax y 2ymax sustancialmente iguales a respectivamente Lx y Ly.
La figura 4 representa el elemento imantado (1), la sonda (6) y el componente (Bx) del campo magnetico en cualquier punto M(x, y, z0) y a un entrehierro de medida z0 dado, obtenido con una imantacion del elemento imantado (1) segun uno de los modos de realizacion descrito por esta presente invencion. En este caso, el elemento imantado (1) genera un campo magnetico cuyo componente Bx varfa sinusoidalmente siguiendo sus 2 direcciones X e Y de manera tal que
Bx(x,y,Zq)= BxMAX *cos(~*x ) * cos(-*y)
“ ly io
La figura 5 representa, segun la misma configuracion que la figura anterior, el componente (Bz) del campo magnetico en cualquier punto (x, y) y a un entrehierro de medida zq y que puede escribirse:
La figura 6 representa, segun la misma configuracion que las dos figuras anteriores, el componente (Bz) del campo magnetico en cualquier punto (x, y) y a un entrehierro de medida zq y que puede escribirse:
Bz(x,y/Zo)= BzMAX *sen(f *x ) * cos(f *y) •AX AT
La figura 7 representa la evolucion, siguiendo la direccion X -en mm- del componente By -en Gauss- del campo magnetico generado por el elemento imantado (1) siguiendo un modo de realizacion de la presente invencion y a un entrehierro z0 dado, y esto para 8 posiciones siguiendo Y diferentes. En este caso xmax = 10, ymax = 4, Bymax = 400, phi = 0, X4 = 20 y X2 = 4 y A = zq.
La figura 8 describe el tratamiento del campo B generado por el elemento imantado (1) y medido por la sonda (6) que, a partir de al menos 2 de estos elementos magnetosensibles (2) y (3) que se encuentran en el mismo punto, permiten medir los 3 componentes del campo magnetico. Una vez obtenidos estos 3 componentes, el circuito de tratamiento (5) permite a partir de combinaciones algebraicas entre los componentes y de calculos de angulo y de modulo determinar la posicion siguiendo X e Y del elemento imantado con respecto a la sonda. El circuito de tratamiento (5) puede estar integrado en la sonda (6) o hacerse entonces en el exterior por medio de un
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microcontrolador o una ECU.
Las figuras 9a, 9b, 9c representan diferentes algoritmos de postratamiento de los componentes Bx, By, Bz para determinar la posicion del elemento imantado con respecto a la sonda (6) siguiendo X e Y, segun el tipo de elemento imantado y de imantacion elegidos. La figura 9a muestra como utilizar los 3 componentes del campo magnetico calculando Atan (K1Bx/Bz) y Atan (K2By/Bz) para determinar la posicion x e y. La figura 9b muestra como utilizar solamente 2 componentes del campo magnetico calculando Atan (K1Bx/Bz) y el modulo (rafz(BxA2+BzA2)) para determinar la posicion x e y. La figura 9c muestra como utilizar los 3 componentes del campo magnetico calculando Atan(rafz((K1Bz)A2+(K2By)A2)/Bx) y Atan(raiz((K1Bz)A2+(K2Bx)A2/By) para determinar la posicion x e y.
La figura 10 representa una senal de salida segun un modo de realizacion de la presente invencion que permite determinar la posicion siguiendo X independientemente de la posicion siguiendo Y a partir de los componentes Bx y Bz del campo magnetico tales como se representan en las figuras 4 y 5 y que utilizan el tratamiento definido en 9a. La senal de salida se obtiene calculando el arcotangente de (Kx*Bx/Bz), lo que da una senal de salida lineal siguiendo X e independiente de Y y esto sea cual sea el entrehierro de medida z0, lo que permite determinar la posicion del elemento imantado (1) con respecto a la sonda (6) siguiendo su direccion X.
Segun el mismo principio, la figura 11 representa una senal de salida que permite determinar la posicion siguiendo Y independientemente de la posicion siguiendo X. La senal de salida se obtiene calculando el arcotangente de (Ky*By/Bz), lo que da una senal de salida lineal siguiendo Y e independiente de X y esto sea cual sea el entrehierro de medida z0, lo que permite determinar la posicion del elemento imantado (1) con respecto a la sonda (2) siguiendo su segunda direccion Y.
La figura 12 representa un elemento imantado (1) rectilineo de espesor constante y de imantacion, representada por el vector M, cuya direccion varia linealmente siguiendo varias direcciones en unos pianos definidos por combinacion de las direcciones de desplazamiento X e Y y una normal a estas direcciones, es decir, Z. En esta figura y el conjunto de las figuras siguientes, una flecha continua en el elemento imantado (1) representa una direccion de
imantacion siguiendo los ejes 'J on de la referenda definida en la figura 2b, un circulo punteado representa una direccion de imantacion saliente y un circulo cruzado representa una direccion de imantacion entrante. Como se puede constatar esto, las lineas de campo definidas de esta manera en el interior del elemento imantado (1) son no colineales, lo que constituye uno de los principios de base de dicha invencion y que permite generar unos componentes del campo magneticos tales como los de las figuras 4 o 5 o 6, pero con phi = pi/2 y sean cuales sean las dimensiones del elemento imantado.
La figura 13 es una vista en perspectiva de un iman en teja (1) de espesor constante y de imantacion, representada por el vector M, cuya direccion varia linealmente siguiendo varias direcciones en unos pianos definidos por combinacion de las direcciones de desplazamiento X e Y y una normal a estas direcciones, es decir, Z. Como se puede constatar esto, las lineas de campo en el interior del iman son no colineales, lo que constituye uno de los principios de base de dicha invencion y que permite generar unos componentes del campo magneticos tales como los de las figuras 4 o 5 o 6, pero con phi = pi/2 y sean cuales sean las dimensiones del elemento imantado. En este caso de figura, X es una direccion de rotacion e Y una direccion de translacion.
La figura 14 representa un modo de realizacion aplicado a un elemento imantado (1) rectilineo de espesor constante. Segun este modo particular, el elemento imantado (1) tiene una imantacion, representada por el vector M, cuya direccion varia linealmente siguiendo la longitud del elemento imantado en un plano definido por la direccion de desplazamiento X y una normal a esta direccion Z. Como se puede constatar esto, las lineas de campo en el interior del elemento imantado son no colineales, lo que constituye uno de los principios de base de dicha invencion y que permite generar unos componentes del campo magneticos tales como los de las figuras 4, 5 o 6 en el caso donde la anchura del elemento imantado Ly fuese escasa.
La figura 15 representa un iman circular (1) de espesor variable de manera casi sinusoidal siguiendo sus radios e imantando sustancialmente siguiendo el espesor (direccion z). Este modo de realizacion permite, sean cuales sean las dimensiones del iman, generar unos componentes de campo magneticos tales que:
- Bx(x,y,z0)= BxMAX * cos(2pi/Xp*x +phi) * cos(2pi/Xx*y) *A/z0,
- By(x,y,z0)=ByMAX *sen(2pi/ Xp *x +phi)*sen (2pi/X*y)*A/zO,
- Bz(x,y,z0)= BzMAX *sen(2pi/Xp *x+ phi)* cos(2pi/X*y)*A/zO.
donde phi = pi/2 y Xu = xmax y Xe = ymax. El calculo de arcotangente de KxBx/Bz o KyBy/Bz realizado por (5) da una senal lineal y da una informacion de la posicion del iman con respecto a la sonda siguiendo los 2 ejes X e Y.
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La figura 16 representa un elemento imantado (1) que tiene una imantacion cuya direccion esta sustancialmente orientada siguiendo su espesor, pero cuyo espesor varfa casi sinusoidalmente. Segun este modo de realizacion, si la anchura Ly del elemento imantado (1) es escasa, los componentes medidos del campo magneticos son tales que
- Bx(x,y,z0)= BxMAX * cos(2pi//.p*x +phi) * cos(2pi//.x*y) *A/z0,
- By(x,y,z0)= ByMAX *sen(2pi/ /.p *x +phi)*sen (2pi//.*y)*A/zO,
- Bz(x,y,z0)= BzMAX *sen(2pi//.p *x+ phi)* cos(2pi/A*y)*A/zO.
donde phi = pi/2 y Xh = xmax y Xe = ymax. El calculo de arcotangente de KxBx/Bz o KyBy/Bz realizado por (5) da una senal lineal y da una informacion de la posicion del iman (1) con respecto a la sonda (6) siguiendo los 2 ejes X e Y.
La figura 17 representa un iman (1) cuyo espesor varfa de manera discontinua siguiendo Y y que presenta una imantacion sinusoidal siguiendo X. A un gran entrehierro entre el elemento imantado y la sonda (6), los componentes del campo magnetico vuelven a ser continuos y podemos calcular el Arcotangente de KxBx/Bz y el modulo de (Bx + Bz) para deducir de ello la posicion del elemento imantado (1) con respecto a la sonda (6) siguiendo sus 2 direcciones X e Y.
La figura 18 es una vista de lado y desde arriba de un elemento imantado (1) cuyo espesor es constante y que presenta una imantacion siguiendo su espesor, pero cuya amplitud es sinusoidal siguiendo la direccion X. Este caso de figura esta bien adaptado para la utilizacion de iman anisotropo por lo que respecta al elemento imantado (1). Una anisotropfa siguiendo el espesor permite tener unos imanes que presentan una induccion remanente mas fuerte. Dado que en este caso no tenemos variacion de imantacion siguiendo la direccion Y, este caso de figura funciona en el caso donde el iman anisotropo es poco ancho aprovechando unos efectos de bordes.
La figura 19 es una vista en perspectiva de un elemento imantado (1) en teja de espesor constante y una imantacion diametral donde la direccion X es una rotacion y la direccion Y es una translacion. Esta imantacion diametral corresponde bien a una direccion de imantacion variable con respecto al espesor y en este caso siguiendo la direccion X. Dado que en este caso no tenemos variacion de imantacion siguiendo la direccion Y, este caso de figura funciona en el caso donde el elemento imantado (1) es poco ancho jugando con los efectos de bordes. Puede utilizarse igualmente, para este caso de figura, un iman anisotropo diametralmente.
La figura 20 representa una vista en corte y en perspectiva de un elemento imantado (1) elfptico de espesor constante que presenta una imantacion siguiendo Z y discontinua con una alternancia de imantacion de Norte y de Sur siguiendo el eje X e Y. Esta imantacion genera a una cierta distancia del elemento imantado (1) de los componentes Bx, By, Bz del campo magnetico tales como se describen en las figuras 4, 5 y 6.
La figura 21 representa un modo de realizacion de la imantacion aplicada a un elemento imantado (1) rectilfneo de espesor constante. Segun este modo particular, el elemento imantado (1) tiene una imantacion, representada por el vector M, cuya direccion varfa linealmente siguiendo la longitud del iman en un piano definido por la direccion de desplazamiento X y una normal a esta direccion Z. Ademas del elemento imantado, se anade una pieza ferromagnetica (7) para aumentar el campo generado por el elemento imantado (1) y para disminuir los efectos de bordes siguiendo la direccion X.
Como lo habra comprendido el experto en la materia tras la lectura de la presente descripcion, la invencion se refiere a un sensor magnetico de posicion que permite determinar la posicion bidimensional de una sonda 6 movil con respecto a un elemento imantado 1, incluido en el caso donde el desplazamiento de la sonda presenta una amplitud importante siguiendo la primera al menos de las dos direcciones de desplazamiento.
Para ello, la invencion puede utilizar uno o varios principios elegidos en un conjunto de tres principios.
El primer principio, que puede aplicarse a la determinacion de la posicion de la sonda siguiendo la primera dimension o cada una de las dos dimensiones del desplazamiento bidireccional, consiste en dotar el elemento imantado de una imantacion que produce un campo magnetico al menos aproximadamente sinusoidal siguiendo, respectivamente, esta primera dimension o cada una de las dos dimensiones.
El segundo principio, que puede aplicarse solamente a la determinacion de la posicion de la sonda siguiendo la segunda dimension del desplazamiento bidireccional y solamente en el caso donde la amplitud del desplazamiento segun esta segunda dimension esta limitada, consiste en evaluar la posicion de la sonda siguiendo esta dimension utilizando la medida de un campo magnetico aproximadamente sinusoidal producido por el elemento imantado gracias a un efecto de borde.
El tercer principio, que puede aplicarse a la determinacion de la posicion de la sonda siguiendo la primera dimension o cada una de las dos dimensiones del desplazamiento bidireccional, consiste en evaluar la posicion de la sonda siguiendo esta primera dimension o cada una de ellas utilizando la medida de un campo magnetico de intensidad variable producido por el elemento imantado que tiene una direccion de imantacion constante segun la primera 5 dimension o cada una de las dos dimensiones del desplazamiento bidireccional.
Este tercer principio puede implementarse el mismo segun dos modalidades diferentes.
La primera modalidad, por ejemplo descrita con referencia a las figuras 15 a 17, consiste en dar a la superficie 10 superior del elemento imantado una forma sinusoidal o seudosinusoidal siguiendo la primera dimension del desplazamiento o cada una de ellas, de manera que la distancia entre la sonda 6 y la superficie superior del elemento imantado 1 varfa en funcion de la posicion de la sonda siguiendo, respectivamente, la primera dimension o cada una de ellas.
15 La segunda modalidad, por ejemplo descrita con referencia a la figura 18, consiste en dotar el elemento imantado de una imantacion que varfa de intensidad siguiendo una de las dos dimensiones del desplazamiento.
Claims (15)
- 51015202530354045505560REIVINDICACIONES1. Sensor magnetico de posicion que incluye un elemento imantado (1) y una sonda (6) que incluye al menos dos elementos magnetosensibles (2) y (3) localizados sustancialmente en el mismo punto y que miden cada uno uno de los componentes del campo magnetico generado por dicho elemento imantado (1), siendo el elemento imantado (1) movil respecto a dichos elementos magnetosensibles (2) y (3),caracterizado por que dicho elemento imantado (1) es unico y presenta dos grados de libertad (translacion/translacion, translacion/rotacion o rotacion/rotacion) con respecto a dicha sonda (6), el vector de imantacion del elemento imantado (1) es variable con respecto al vector normal a la superficie del elemento imantado dispuesta frente a la sonda (6) segun al menos dos direcciones de dicho elemento imantado de modo que se define una posicion unica de dicha sonda (6) en relacion con dicho elemento imantado (1) siguiendo dichas dos direcciones y por que incluye al menos un circuito de tratamiento (5) adecuado para efectuar unos calculos de angulos y de modulos a partir de combinaciones algebraicas de los componentes del campo magnetico producido por dicho elemento imantado (1) y que proporciona al menos dos senales independientes representativas de la posicion del elemento movil segun dos direcciones distintas.
- 2. Sensor magnetico de posicion segun la reivindicacion 1 caracterizado por que la direccion del vector imantacion del elemento imantado es variable segun al menos una de las dimensiones del elemento imantado.
- 3. Sensor magnetico posicion segun la reivindicacion 2 caracterizado por que la direccion del vector imantacion presenta varios perfodos sobre el recorrido medido.
- 4. Sensor magnetico de posicion segun una al menos de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que una de las dimensiones del elemento imantado es variable segun al menos una de las dos direcciones que induce una variacion de la direccion del vector normal.
- 5. Sensor magnetico de posicion segun la reivindicacion 4 caracterizado por que la dimension varfa segun una funcion discontinua.
- 6. Sensor magnetico de posicion segun la reivindicacion 4 caracterizado por que la dimension del elemento imantado varfa sustancialmente siguiendo una funcion sinusoidal.
- 7. Sensor magnetico de posicion segun una de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la amplitud del vector imantacion del elemento imantado es variable segun al menos una de las dos direcciones.
- 8. Sensor magnetico de posicion segun la reivindicacion 1 caracterizado por que la direccion del vector imantacion es constante y su amplitud varia de forma sinusoidal siguiendo al menos una de las dos direcciones.
- 9. Sensor magnetico de posicion segun la reivindicacion 1 caracterizado por que el vector imantacion del elemento imantado presenta al menos una alternancia de sentido siguiendo al menos una de las dos direcciones.
- 10. Sensor magnetico de posicion segun una al menos de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que dicho circuito de tratamiento de la senal realiza al menos 2 calculos de arco tangente.
- 11. Sensor magnetico de posicion segun una al menos de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que dicho circuito de tratamiento de la senal realiza al menos un calculo de arco tangente y un calculo de modulo.
- 12. Sensor magnetico de posicion segun una al menos de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el calculo de la posicion siguiendo al menos una direccion se realiza por un calculo de arco tangente de la relacion de dos componentes del campo magnetico despues de haber aplicado un coeficiente corrector entre estos dos componentes.
- 13. Sensor magnetico de posicion segun una al menos de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el circuito del tratamiento esta integrado con los elementos magnetosensibles en un solo componente.
- 14. Sensor magnetico de posicion segun una al menos de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el elemento imantado esta constituido por un iman permanente y por al menos una pieza ferromagnetica.
- 15. Sensor magnetico de posicion segun una al menos de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que los componentes del campo magnetico medidos varfan de forma sustancialmente sinusoidal siguiendo cada una de las al menos dos direcciones.
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