ITTO20010397A1 - Sensore di posizione ad alta risoluzione. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sensore di posizione ad alta risoluzione"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda il settore tecnico dei sensori magnetici, del tipo comprendente un elemento codificatore mobile in prossimità di una cellula di rivelazione e atto ad individuare almeno una posizione angolare in generale.

L'oggetto dell'invenzione trova applicazione particolarmente vantaggiosa nel settore automobilistico in cui un tale sensore può essere utilizzato, ad esempio, nell'ambito delle funzioni di accensione .

E' noto, nel settore sopra menzionato, di impiegare un sensore magnetico atto a misurare la variazione dell'intensità di un campo magnetico quando un codificatore munito di una serie di elementi generatori di un campo magnetico variabile passa davanti ad una cellula di misura o di rivelazione. La cellula di rivelazione, quale ad esempio una sonda ad effetto Hall o magnetoresistiva, emette un segnale elettrico periodico corrispondente all'evoluzione dell'intensità del campo magnetico generato dagli elementi. La cellula di rivelazione è associata ad un comparatore di soglia ad isteresi, quale un trigger di Schmitt, al fine di ottenere transizioni nette della tensione di uscita per valori distinti del campo magnetico a seconda che esso vari in senso crescente o decrescente.

Al fine di realizzare un sensore per la rivelazione di una velocità è noto di realizzare un sensore provvisto di elementi generatori di un campo magnetico variabile disposti in modo regolare lungo una circonferenza.

Secondo una prima forma di realizzazione, gli elementi generatori sono costituiti da elementi perturbatori di un campo magnetico creato da un magnete fisso disposto in prossimità di tali elementi perturbatori. Ad esempio, tali elementi perturbatori sono costituiti da denti disposti lungo un anello ferromagnetico.

In una seconda forma di realizzazione, gli elementi generatori di un campo magnetico variabile sono formati da poli magnetici regolarmente spaziati secondo un passo dato. Un tale codificatore si presenta così sotto forma di un anello magnetico multipolare .

Per permettere di determinare almeno una posizione, corrispondente ad esempio al punto morto superiore di accensione di un cilindro, è noto di realizzare un segno di riferimento sul codificatore magnetico. E' così noto di sopprimere, ad esempio, due denti sull'anello ferromagnetico. Nella variante di realizzazione impiegante un codificatore realizzato sotto forma di anello magnetico multipolare^ si può considerare o di sopprimere diversi poli magnetici lasciando uno spazio vuoto, o di sostituire uno o più poli di un dato segno con uno o più poli di segno contrario. Si realizza così un polo di magnetizzazione presentante, tra i suoi due poli adiacenti di segno opposto, una distanza diversa rispetto al passo di separazione degli altri poli.

Per migliorare la risoluzione di un tale sensore conviene aumentare il numero di elementi generatori realizzati lungo una circonferenza. Tuttavia, sorge una limitazione tecnica legata alla realizzazione dei denti ferromagnetici o dei poli magnetici, che devono presentare dimensioni sufficienti per essere rivelati dalla cellula di misurazione. Inoltre, non è possibile, in numerose appli-cazioni, per ragioni di ingombro, aumentare la cir-conferenza di un tale codificatore.

L'oggetto dell'invenzione si propone di rimediare agli inconvenienti sopra menzionati proponendo un sensore avente alta risoluzione pur presentando un codificatore con un ingombro limitato in diametro.

Per raggiungere tale obiettivo, l'oggetto dell'invenzione riguarda un sensore comprendente almeno un codificatore magnetico rotante del tipo comprendente almeno una pista magnetica circolare formata da una serie di elementi generatori di un campo magnetico variabile disposti a formare coppie di elementi con un periodo meccanico uguale a 360°/P, la pista magnetica essendo destinata a passare davanti ad almeno una cellula di rivelazione che emette un segnale elettrico periodico corrispondente all'evoluzione dell'intensità del campo magnetico generato dagli elementi.

Secondo l'invenzione il codificatore comprende una serie di n piste magnetiche circolari destinate a passare ciascuna davanti ad una cellula di rivelazione e montate in modo tale che detti elementi delle piste si trovano sfalsati angolarmente tra loro, o una pista magnetica circolare destinata a passare davanti ad n cellule di rivelazione, sfalsate angolarmente tra loro, lo spostamento angolare relativo tra gli elementi generatori e le cellule essendo tale da ottenere n segnali elettrici sfasati elettricamente tra loro di un valore uguale a l/2n volte il valore del periodo, permettendo di aumentare la risoluzione di n volte.

Un altro oggetto dell<' >invenzione riguarda un sensore caratterizzato dal fatto che le cellule di rivelazione sono collegate a mezzi di elaborazione che garantiscono la digitalizzazione dei segnali elettrici sfasati, per emettere segnali digitalizzati a partire dai quali può essere ottenuto un segnale digitalizzato di periodo uguale a 360°/2P.

Secondo una caratteristica vantaggiosa, i mezzi di elaborazione comprendono, per un numero di cellule o di piste uguale a 2:

- mezzi per accertare la differenza tra due segnali elettrici sfasati per ottenere un segnale differenziale, e

- mezzi per digitalizzare il segnale magnetico differenziale ed almeno un segnale elettrico sfasato in modo tale da ottenere segnali digitalizzati a partire dai quali può essere ottenuto il segnale digitalizzato di periodo uguale a 360°/2P.

Diverse caratteristiche risulteranno dalla descrizione seguente con riferimento ai disegni allegati che illustrano, a titolo di esempio non limitativo, forme di realizzazione dell'oggetto dell'invenzione.

La figura 1 è una vista schematica che mostra una prima variante di realizzazione di un sensore secondo 1'invenzione;

la figura 2 mostra la forma dei segnali elettrici ottenuti tramite un sensore di posizione munito di codificatore illustrato nella figura 1;

la figura 3 mostra un esempio preferito di trattamento dei segnali emessi dal sensore secondo 1'invenzione;

la figura 4 illustra un altro esempio schematico di realizzazione di un sensore secondo la prima variante di realizzazione;

la figura 5 è una vista schematica che mostra una seconda variante di realizzazione di un sensore secondo 1'invenzione;

le figure 6 e 7 sono viste di esempi di montaggio di un sensore secondo l'invenzione; e

le figure 8 e 9 sono viste rispettivamente in elevazione sezionata ed in prospettiva di un sensore completo con incorporati codificatori ad alta risoluzione e bassa risoluzione.

La figura 1 illustra una prima variante di realizzazione di un codificatore magnetico rotante 1 secondo l'invenzione. Il codificatore 1 comprende n piste magnetiche circolari 2i (con i = 2 ... n), destinate a passare ciascuna davanti ad una cellula di rivelazione o di misura 3i per formare un sensore di posizione 4. Nell'esempio illustrato in figura 1, il codificatore 1 possiede due piste magnetiche 21# 22 che passano ciascuna davanti ad una cellula di rivelazione, rispettivamente 3lf 32.

Ciascuna pista magnetica 2t comprende una serie di elementi generatori 5 di un campo magnetico variabile, distribuiti sulla pista circolare per formare P coppie di elementi 5 con un periodo meccanico T = 360°/P. Nell'esempio di realizzazione illustrato in figura 1 gli elementi generatori di un campo magnetico variabile 5 sono formati da poli magnetici alternati in modo tale che ciascuna pista magnetica 2± sia costituita da un anello magnetico multipolare. Secondo questo esempio, ciascuna pista magnetica 2i del codificatore 1 comprende una serie di poli sud e di poli nord disposti per presentare un passo regolare di separazione tra due poli adiacenti .

Come si comprenderà, può essere previsto di realizzare ciascuna pista magnetica 2± con elementi generatori di un campo magnetico variabile 5 formati da elementi perturbatori di un campo magnetico creato da un magnete fisso, disposto in prossimità di dette piste magnetiche. Ad esempio gli elementi perturbatori possono essere costituiti per mezzo di denti disposti in un anello realizzato in materiale ferromagnetico .

Secondo una caratteristica preferita di realizzazione, almeno una delle piste magnetiche 2i comprende almeno un elemento generatore, detto irregolare, 5! presentante una distanza differente rispetto al passo di separazione tra gli altri elementi generatori 5. Nell'esempio illustrato nella figura 1 l'elemento generatore irregolare 51 presenta un passo angolare doppio rispetto agli altri elementi generatori 5. La presenza di un tale elemento generatore irregolare costituisce un segno di riferimento per il codificatore magnetico permettendo di determinare almeno una posizione angolare. Come ben si comprenderà può essere previsto di realizzare uno o più elementi generatori irregolari 517 SU una o più piste magnetiche 2t.

Ciascuna pista magnetica anulare 2t è destinata a passare davanti ad una cellula di rivelazione fissa 3L che rilascia un segnale elettrico periodico corrispondente all'evoluzione dell'intensità del campo magnetico prodotto dagli elementi generatori 5. In modo classico, ciascuna cellula di. rivelazione è associata a mezzi di elaborazione, quali un comparatore di soglia ad isteresi, non rappresentati ma per sé noti, che emettono un segnale elettrico Si presentante transizioni nette per valori distinti del campo magnetico a seconda che esso vari in-senso crescente o decrescente.

Secondo l'invenzione, gli elementi generatori 5 delle n piste magnetiche 2 sono montati in modo tale da essere sfalsati angolarmente tra loro per ottenere n segnali elettrici Si sfasati elettricamente tra loro di un valore uguale a l/2n volte il valore del periodo meccanico T.

Nell'esempio illustrato in figura 1, i segnali elettrici emessi dalle cellule sono sfalsati di un valore uguale ad un quarto del periodo T, ossia di 90°, come appare chiaramente in figura 2. Nel caso in cui le due piste magnetiche 2lf 22 possiedano un numero identico di coppie di poli P, le piste magnetiche 2lf 22 sono sfalsate tra loro del valore di un semipolo. In modo simile, per un codificatore 1 comprendente tre o quattro piste, gli elementi generatori 5 sono sfalsati tra loro per ottenere, rispettivamente, tre e quattro segnali elettrici Si sfasati elettricamente tra loro rispettivamente di 60° (un sesto di periodo) o di 45° (un ottavo di periodo) .

In modo classico, ciascuna cellula 3lf 32 emette un segnale analogico di periodo T rispettivamente Sml, Sm2 che, dopo elaborazione, vale a dire digitalizzazione, origina un segnale digitale Sif S2. La, rivelazione dei fronti di salita e discesa dei segnali digitali Slf S2 origina un segnale di uscita Ss di periodo T/2.

Si comprenderà che la realizzazione di n piste magnetiche 2t permette di aumentare la risoluzione del sensore di n volte, senza aumentare la dimensione in diametro del codificatore. Così, nel caso illustrato nella figura 1 che mostra un codificatore avente due piste magnetiche 2lf 22, formate ciascuna, ad esempio, da 180 elementi generatori 5, possono essere rivelati 360 eventi per giro, se sono utilizzati i fronti di salita e discesa dei segnali. Si può così ottenere un sensore avente risoluzione di 1°.

La figura 2 illustra il modo classico di utilizzo dei segnali emessi dalle cellule di rivelazione. La figura 3 illustra un modo preferito di utilizzo dei due segnali analogici Sral, Sm2 emessi dalle cellule. Secondo questo modo preferito, i mezzi di elaborazione accertano la differenza tra i due segnali analogici Sml, Sm2 al fine di ottenere un segnale analogico differenziale Smd, che è digitalizzato per ottenere un segnale differenziale digitale Sd . Uno dei segnali analogici, ad esempio Sml, è digitalizzato per ottenere un segnale digitale. Sj.. La rivelazione dei fronti di salita e discesa dei segnali digitali Sd, genera un segnale di uscita Ss di periodo T/2. L'utilizzo del segnale differenziale Smd permette di ottenere l'indipendenza dall'instabilità dei segnali analogici e di limitare gli errori che insorgono tra i mezzi periodi dei segnali. Un tale modo di utilizzo dei segnali permette di aumentare la precisione del sensore.

Nell'esempio illustrato nella figura 1 le piste magnetiche 2i sono formate a partire da un anello elastomerico o plastico caricato con particelle magnetiche per costituire i poli magnetici. Tale anello elastomerico può essere montato su una corona di supporto non rappresentata.

Secondo l'esempio di realizzazione illustrato nella figura 4, può essere previsto di realizzare i poli magnetici 5 in modo inclinato rispetto ad una direzione D parallela all'asse di rotazione Δ del codificatore. L'angolo di inclinazione dei poli magnetici rispetto alla direzione D permette di definire lo spostamento angolare tra le due piste 2lf 22 che passano davanti alle cellule di rivelazione 3lf 32. Secondo questa variante di realizzazione, i poli sono realizzati in modo continuo da una pista all 'altra .

<J >Negli esempi descritti qui sopra le piste magnetiche 2t comprendono un numero identico P di coppie di elementi generatori 5. Si noti che può essere previsto che le piste magnetiche 2t comprendano un numero P diverso di coppie di elementi generatori .

La figura 5 illustra una seconda variante di realizzazione del sensore 4 secondo l'invenzione, secondo la quale il sensore è formato da un codificatore 1 comprendente una unica pista magnetica circolare 2X formata da una serie di elementi generatori 5 come descritto sopra. La pista magnetica 2X è destinata a passare davanti ad n cellule di rivelazione 3i (con n > 2), sfalsate angolarmente tra loro, in modo tale che lo spostamento angolare relativo tra gli elementi generatori 5 e le cellule 3A sia tale da ottenere n segnali elettrici Si sfasati elettricamente tra loro di un valore uguale a l/2n volte il valore del periodo T. Le cellule di rivelazione 3± sono così sfalsate secondo una direzione parallela ad una direzione perpendicolare all'asse di rotazione Δ del codificatore. Nel caso preferito in cui il sensore comprenda due cellule 3lf 32 i segnali analogici Snl, Sm2 sono utilizzati secondo la tecnica descritta nella figura 2 o, di preferenza, nella figura 3.

Il codificatore 1 come descritto poco sopra è destinato ad essere montato su un bersaglio girevole 6 in generale, a partire dal quale è determinata almeno una posizione.

Secondo una caratteristica di messa in opera, il codificatore 1 è destinato ad essere montato su una puleggia di trasmissione montata all'uscita del motore di un autoveicolo, vale a dire su una puleggia di distribuzione o su una delle pulegge ausiliarie .

Secondo una caratteristica vantaggiosa, come rappresentato alle figure 6 e 7, il codificatore 1 è montato sulla puleggia di trasmissione 6 disposta sull'asse dell'albero a gomiti, al fine di permettere una rivelazione del punto morto o dell'accensione di un cilindro. Nell'esempio illustrato il codificatore 1, che è costituito da un anello magnetico multipolare, è montato sulla parete radiale interna o mozzo 7 (figura 6) o sulla parete radiale esterna 8 (figura 7) della puleggia di trasmissione 6. L'anello magnetico multipolare elastomerico è montato o direttamente sulla puleggia 6 che costituisce, per mezzo della propria parete radiale, una corona di supporto, o indirettamente per mezzo della·propria corona di supporto che è fissata, mediante qualsiasi mezzo appropriato, sulla puleggia. Come risulta dalle figure 6 e 7, le cellule di rivelazione 3lf 32, ad esempio ad effetto Hall, sono montate nella luce delimitata tra le pareti radiali esterna 8 ed interna 7 della puleggia.

Nell'esempio di realizzazione illustrato, il sensore di posizione comprende, in qualità di puleggia di trasmissione, una puleggia di albero a gomiti munita di un anello magnetico atto ad individuare come riferimento un'unica posizione. Si noti che l'oggetto dell'invenzione può, eventualmente, essere applicato alla realizzazione di un sensore comprendente un codificatore magnetico 1 munito di diversi poli irregolari 5lf permettendo di individuare come riferimento diverse posizioni. In modo vantaggioso, il codificatore magnetico 1 comprende, ad esempio, quattro poli irregolari 5L che permettono di contrassegnare la posizione dei cilindri di un motore. In questo caso, il codificatore 1 è montato solidale all'albero a camme di un motore di un autoveicolo. Come ben si comprenderà, il codificatore 1 può essere montato sull'albero a camme anche avendo un solo polo irregolare.

Secondo un'altra caratteristica preferita di messa in opera, il codificatore 1 secondo l'invenzione è destinato ad essere montato all'interno di una piastra di supporto di una guarnizione di tenuta dinamica per un albero di trasmissione, tra 1 'albero a gomiti ed il cambio di velocità di un motore di un autoveicolo. Il codificatore 1 è azionato in rotazione dall'albero di trasmissione e si trova montato in prossimità di n cellule di rivelazione 3i montate sulla piastra di supporto della guarnizione di tenuta, al fine di realizzare un sensore di posizione.

Secondo una ulteriore caratteristica preferita di messa in opera, il codificatore 1 secondo l'invenzione è trascinato in rotazione dall'albero a gomiti o dall'albero a camme di un motore di un autoveicolo, essendo montato all'interno del blocco motore di detto veicolo, in prossimità di n cellule di rivelazione 3if al fine di costituire un sensore di posizione.

Il sensore 4 secondo l'invenzione descritto sopra è un sensore cosiddetto ad alta risoluzione. Secondo un'altra caratteristica dell'invenzione, un tale sensore 4 può comprendere, conformemente alle figure 8, 9 ed in modo supplementare, un codificatore a bassa risoluzione 1' formante un anello magnetico multipolare comprendente una serie di elementi generatori 5 di un campo magnetico variabile presentanti una distanza differente per formare P coppie di elementi irregolari. Il codificatore a bassa risoluzione 1' è destinato a passare davanti ad una cellula di rivelazione 2'. Come si comprenderà gli elementi generatori 5 possono essere formati, come spiegato sopra, da elementi perturbatori di un campo magnetico o da poli magnetici.

Secondo una caratteristica preferita di realizzazione, il codificatore a bassa risoluzione 1' è montato sul bersaglio 6 sul quale è già montato il codificatore ad alta risoluzione 1. Tale bersaglio, costituito generalmente in forma di anello, comprende una parete radiale o periferica 62 ed una parete trasversale 62 destinate a ricevere ciascuna un codificatore 1, 1'.

L'invenzione non è limitata agli esempi descritti rappresentati poiché diverse modificazioni possono esservi apportate senza allontanarsi dal suo ambito.

Claims (18)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sensore comprendente almeno un codificatore magnetico rotante del tipo comprendente almeno una pista magnetica circolare (2J formata da una serie di elementi (5) generatori di un campo magnetico variabile, disposti a formare (P) coppie dì elementi con un periodo meccanico (T) uguale a 360°/P, la pista magnetica essendo destinata a passare davanti ad almeno una cellula di rivelazione (3±) che emette un segnale elettrico periodico corrispondente all'evoluzione dell'intensità del campo magnetico generato dagli elementi, caratterizzato dal fatto che il codificatore comprende o una serie di n piste magnetiche circolari {2i) destinate a passare ciascuna davanti ad una cellula di rivelazione (3J e montate in modo che detti elementi (5) delle piste si trovino sfalsati angolarmente tra loro, o una pista magnetica circolare destinata a passare davanti ad n cellule di rivelazione, sfalsate angolarmente tra loro, lo spostamento angolare relativo tra gli elementi generatori e le cellule essendo tale da ottenere n segnali elettrici (Si) sfasati elettricamente tra loro di un valore uguale a l/2n volte il valore del periodo (T), permettendo di aumentare la risoluzione di n volte.
2. 2. Sensore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le cellule di rivelazione (3t) sono collegate a mezzi di elaborazione dei segnali elettrici sfasati, per emettere segnali digitalizzati a partire dai quali si può ottenere un segnale digitalizzato (Ss) di periodo uguale a 360°/2P.
3. 3. Sensore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i mezzi di elaborazione comprendono, per un numero di cellule o di piste uguale a due: - mezzi per accertare la differenza tra due segnali elettrici sfasati per ottenere un segnale differenziale (Sd), e - mezzi per digitalizzare il segnale magnetico differenziale (Sd) ed almeno un segnale elettrico in modo tale da ottenere segnali digitalizzati a partire dai quali può ottenersi il segnale digitalizzato (Ss) di periodo uguale a 360°/2P.
4. 4. Sensore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che almeno una delle piste magnetiche (2d) comprende almeno un elemento generatore (Si) irregolare presentante una distanza diversa rispetto alla distanza tra gli altri elementi generatori
5. 5. Sensore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le n piste magnetiche (2±) della serie comprendono un numero identico o differente (P) di coppie di elementi generatori (5).
6. 6. Sensore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende, per la serie di n piste, due, tre o quattro piste magnetiche (2J presentanti ciascuna rispettivamente 90, 60 e 45 coppie di elementi generatori di un campo magnetico.
7. 7. Sensore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuna pista magnetica (2±) comprende elementi generatori (5) di un campo magnetico variabile formati da poli magnetici alternati.
8. 8. Sensore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuna pista magnetica (2±) comprende elementi generatori (5) di un campo magnetico variabile, formati da elementi perturbatori di un campo magnetico creato da un magnete fisso disposto in prossimità.
9. 9. Sensore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che ciascuna pista magnetica (2J è formata a partire da un anello elastomerico o plastico caricato con particelle magnetizzate per costituire i poli magnetici, l'anello essendo montato su una corona di supporto.
10. 10. Sensore secondo una delle rivendicazioni 5 a 7, caratterizzato dal fatto che i poli magnetici delle piste della serie che si trovano sfalsati angolarmente tra loro sono costituiti da poli magnetici inclinati rispetto ad una direzione (D) parallela all'asse di rotazione (Δ) del codificatore.
11. 11. Sensore di posizione secondo una delle rivendicazioni 1 a 10, caratterizzato dal fatto che comprende un sensore a bassa risoluzione (l') formante un' anello magnetico multipolare comprendente una serie di elementi generatori (5) di un campo magnetico variabile presentanti una distanza diversa per formare (P) coppie di elementi irregolari, il codificatore a bassa risoluzione (1<1 >) essendo destinato a passare davanti ad una cellula di rivelazione (2<1 >).
12. 12. Sensore di posizione secondo una delle rivendicazioni 1 a 11, caratterizzato dal fatto che il codificatore (1) ed eventualmente il codificatore a bassa risoluzione (l<1>) sono montati su un bersaglio (6) calettato in rotazione su un albero di un motore di un autoveicolo, le n cellule di rivelazione (3±) ed eventualmente la cellula di rivelazione (2<1 >) per il codificatore a bassa risoluzione essendo montate in relazione con detti codificatori.
13. 13. Sensore di posizione secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che il bersaglio (6) comprende una parete periferica (6^ ed una parete trasversale (62) destinate a ricevere ciascuna un codificatore (1, 1').
14. 14. Sensore di posizione secondo la rivendicazione 12 o 13, caratterizzato dal fatto che il bersaglio (6) è applicato a o è parte integrante di una puleggia di trasmissione.
15. 15<j>. Sensore di posizione secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che la puleggia di trasmissione è una puleggia di un albero a gomiti.
16. 16. Sensore di posizione secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che la puleggia di trasmissione è una puleggia di camma.
17. 17. Sensore di posizione secondo la rivendicazione 12 o 13, caratterizzato dal fatto che il bersaglio (6) è montato all'interno di una piastra di supporto di una guarnizione di tenuta dinamica, montata in prossimità di n cellule di rivelazione PJ , e tra l'albero a gomiti ed il cambio di velocità di un motore di un autoveicolo.
18. 18. Sensore di posizione secondo la rivendicazione 12 o 13, caratterizzato dal fatto che il bersaglio (6) è trascinato in rotazione dall'albero a gomiti o dall'albero a camme, essendo montato all'interno del blocco motore di un autoveicolo ed in prossimità di n cellule di rivelazione (3i) .