ITTO960934A1 - Sensore di posizione capacitivo - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sensore di posizione capacitivo"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale ad un sensore di posizione capacitivo. Più specificamente la presente invenzione si riferisce ad un sensore di posizione capacitivo atto ad essere accoppiato ad un dispositivo posizionatore da un motore piezoelettrico ed avente un'elevata precisione ed un'elevata insensibilità alla temperatura.

Un dispositivo posizionatore di tale tipo è destinato al posizionamento di un proiettore luminoso per un autoveicolo, ed è atto a consentire l'orientamento del fascio luminoso del proiettore stesso.

Un sensore di posizione per una simile applicazione deve necessariamente avere una elevata precisione in quanto variazioni anche pìccole della posizione del proiettore possono comportare una relativamente elevata variazione delle zone illuminate dal fascio luminoso.

il sensore deve inoltre essere insensibile alla temperatura che può essere anche molto elevata essendo il sensore necessariamente posizionato all'interno del cofano motore del veicolo e vicino ad organi che possono essere molto caldi, quali ad esempio il radiatore od il proiettore stesso.

Data la funzione svolta il sensore di posizione deve inoltre essere molto affidabile. Tale caratteristica spesso non si riscontra nei sensori secondo la tecnica nota i quali sono spesso provvisti di parti mobili collegate mediante contatti striscianti o conduttori flessibili che possono essere soggetti a guasti. Il sensore deve inoltre preferibilmente essere di facile realizzazione e di costo contenuto.

Lo scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sensore di posizione capacitivo che permetta di risolvere in modo soddisfacente tutti i problemi sopra indicati.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un sensore di posizione capacitivo avente le caratteristiche indicate nelle rivendicazioni che seguono la presente descrizione.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente dettagliata descrizione, effettuata con l'ausilio degli annessi disegni, forniti a titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la figura 1 è una rappresentazione schematica in prospettiva di una forma di attuazione del sensore di posizione capacitivo secondo la presente invenzione,

- la figura 2 è una vista schematica in sezione assiale del sensore,di posizione illustrato in figura 1,

- la figura 3 è una rappresentazione schematica illustrante il principio di funzionamento del sensore di posizione secondo l'invenzione,

- la figura 4 è una rappresentazione circuitale schematica illustrante il principio di funzionamento del sensore di posizione secondo l'invenzione,

- la figura 5 è una rappresentazione circuitale schematica di un circuito elettronico impiegante il sensore di posizione secondo l'invenzione.

Un sensore di posizione deve naturalmente presentare una capacità variabile che è il parametro che consente la rilevazione dell'informazione di posizione .

In figura 1 è illustrata una forma di attuazione, al momento considerata preferenziale, del sensore di posizione secondo la presente invenzione. Come si può notare il sensore di posizione è costituito essenzialmente da tre cilindri, realizzati in materiale elettricamente conduttivo (o rivestiti in materiale elettricamente conduttivo) tra loro coassiali.Due di tali cilindri, indicati con 1 e 3, sono fissi mentre il rimanente cilindro, indicato con 2, è mobile.

Il cilindro 2 è collegato all'attuatore, o all'organo mosso dall'attuatore, di cui si desidera rilevare la posizione mentre i cilindri 1 e 3 sono collegati ad una struttura o supporto fisso. Il cilindro mobile 2 può spostarsi lungo una direzione lineare, parallela all'asse dei tre cilindri 1, 2, 3.

Più specificamente il sensore di posizione è configurato in modo tale per cui il cilindro mobile 2, nell'impiego, si inserisce in uno spazio anulare definito dai cilindri fissi 3 e 1, che sono disposti uno dentro l'altro rispettivamente. Il sensore è realizzato in modo tale per cui, ad una estremità della corsa utile del sensore stesso, il cilindro mobile 2 è approssimativamente completamente inserito tra i cilindri fissi 1 e 3, mentre all'estremità opposta della corsa utile il cilindro mobile 2 è approssimativamente appena uscito al di fuori dello spazio anulare definito dai cilindri fissi 1 e 3.

il sensore è inoltre naturalmente realizzato in modo che i tre cilindri 1, 2 e 3 non entrino mai in contatto tra di loro, in nessuna delle posizioni assunte dal cilindro <' >mobile 2. Ciò è visibile anche dalla figura 2 che è una vista in sezione assiale dei tre cilindri 1, 2 e 3.

Secondo una forma di attuazione, al momento considerata preferenziale, il sensore è inoltre realizzato in modo tale per cui la distanza tra il cilindro fisso 1 ed il cilindro mobile 2, e tra il cilindro mobile 2 ed il cilindro fisso 3, quando il cilindro mobile 2 è inserito tra i cilindri fissi 1 e 3, sia molto ridotta anche se il cilindro mobile 2 non entra mai in contatto né con il cilindro fisso 1 né con il cilindro fisso 3. Per contro il cilindro mobile 2 ha uno spessore non trascurabile per cui la distanza tra il cilindro fisso 1 ed il cilindro fisso 3 è considerevolmente superiore alla distanza tra il cilindro mobile 2 ed uno qualsivoglia dei cilindri fissi 1 e 3. Ad esempio la distanza tra i due cilindri fìssi 1 e 3 è uguale o superiore a 2 min, mentre le distanze tra il cilindro mobile 2 ed i cilindri fissi 1 e 3 sono uguali o inferiori a 0,5 min.

Avendo descritto la struttura del sensore di posizione secondo l'invenzione verrà ora descritto, nel seguito, il suo funzionamento. Come si può notare dalle figure 1 e 2, i cilindri fissi 1 e 3 sono elettricamente connessi in modo da permettere la rilevazione di una capacità. Ad esempio, il cilindro 1 è connesso a massa GND ed il cilindro 3 è connesso ad un ingresso IN di un circuito elettronico atto a rilevare tale capacità. Il cilindro mobile 2 non reca invece alcun collegamento elettrico. Ciò è un vantaggio considerevole in quanto in tal modo si eliminano tutti gli inconvenienti ed i costi dovuti a collegamenti elettrici con una parte mobile.

I cilindri coassiali 1, 2 e 3 possono essere considerati come le armature di un condensatore a capacità variabile. In pratica si verifica la seguente situazione. Quando il cilindro mobile 2 è al di fuori dei cilindri fissi 1 e 3 la capacità variabile, che nel seguito verrà indicata con Cx, è ridotta (minima) data la distanza elevata tra i due cilindri fissi 1 e 3. Quando il cilindro mobile 2 è completamente inserito tra i cilindri fissi 1 e 3 la capacità variabile Cx è elevata (massima) poiché essa è costituita da due capacità in serie, una prima capacità tra il cilindro fisso 1 e il cilindro mobile 2 ed una seconda capacità tra il cilindro mobile 2 ed il cilindro fisso 3, aventi però ognuna un valore decisamente più elevato della capacità tra i due cilindri fissi 1 e 3, date le ridotte distanze che separano il cilindro mobile 2 dai cilindri fissi 1 e 3 quando è inserito tra di loro. Tale situazione è illustrata, schematicamente e circuitalmente, anche nelle figure 3 e 4.

Naturalmente, quando il cilindro mobile 2 è solamente parzialmente inserito tra i cilindri fissi 1 e 3, la capacità variabile Cx assume un valore intermedio, tra i valori minimo e massimo, dipendente dalla posizione del cilindro mobile 2.

Si vede quindi come la capacità variabile Cx sia una funzione della posizione del cilindro mobile 2. Inoltre, come anticipato, i terminali IN, GND di tale condensatore a capacità variabile Cx sono collegati solamente ai cilindri fissi 1 e 3. In tal modo, l'unica parte mobile del sensore di posizione, costituita dal cilindro mobile 2, non reca alcun collegamento elettrico permettendo un'elevata affidabilità.

La capacità variabile Cx può quindi essere utilizzata per rilevare una posizione. Tale capacità variabile Cx viene utilizzata per variare la frequenza di un circuito oscillatore. Sono noti nella tecnica circuiti oscillatori ad onda quadra impieganti essenzialmente un circuito comparatore ed un circuito a costante di tempo, o RC, costituito da un resistere e da un condensatore. Tale condensatore viene alternativamente caricato e scaricato tra due valori di soglia determinando in tal modo, con la costante di tempo determinata dal prodotto della sua capacità per la resistenza del resistore, il periodo del segnale ad onda quadra emessa dal circuito oscillatore e quindi la frequenza di tale segnale.

Se viene utilizzato un condensatore a capacità variabile in un circuito oscillatore di questo tipo la frequenza del segnale di uscita dipende, evidentemente, dalla capacità di tale condensatore. Impiegando quindi come condensatore a capacità variabile il sensore di posizione descritto in precedenza in un simile circuito oscillatore, questo emetterà un segnale di uscita avente frequenza dipendente dalla capacità variabile Cx del sensore di posizione, e quindi dipendente dalla posizione stessa che si desidera rilevare.

In figura 5 è rappresentato, a scopo esemplificativo, un circuito elettronico che può venire vantaggiosamente impiegato con il sensore di posizione Cx secondo la presente invenzione. Tale circuito elettronico comprende un circuito oscillatore OSC ad onda quadra del tipo descritto in precedenza. Tale circuito oscillatore OSC comprende un amplificatore operazionale OA ad un ingresso del quale è collegato il condensatore variabile Cx costituito dal sensore di posizione secondo l'invenzione.

Il circuito oscillatore OSC emette quindi in uscita un segnale ad onda quadra la cui frequenza è una funzione della posizione che si desidera rilevare. Poiché tipicamente il segnale indicativo della posizione, che viene richiesto a dispositivi sensori di questo tipo, è un segnale in tensione si rende necessario convertire tale segnale ad onda quadra a frequenza variabile in un segnale a tensione variabile .

Vi è un modo semplice ed economico di trasformare la frequenza in uscita dal circuito oscillatore OSC in una tensione. Si utilizza un convertitore frequenza/tensione F/T. Tale convertitore frequenza/tensione F/T è realizzato mediante un circuito derivatore, nella fattispecie un semplice circuito RC, ed un circuito raddrizzatore. In pratica il segnale ad onda quadra emesso dall'oscillatore OSC viene derivato, successivamente la parte negativa di tale segnale derivato viene eliminata ed infine viene effettuato il valore medio della rimanente parte positiva di tale segnale derivato.

Il risultato di questa conversione è che la tensìone che si ottiene all'uscita OUT del circuito convertitore frequenza/ tensione F/T, e che costituisce anche l'uscita del circuito elettronico, è proporzionale alla frequenza in ingresso. La frequenza a sua volta è inversamente proporzionale alla capacità Cx. La tensione d'uscita risulta quindi inversamente proporzionale alla capacità Cx.

Più specifreamente, il periodo di tale oscillatore OSC è sostanzialmente proporzionale alla capacità variabile Cx. Tale relazione è definita, approssimativamente, dalla seguente equazione:

T = KRCx

dove T è il periodo del segnale ad onda quadra, K è una costante di proporzionalità ed R è un resìstore di valore fisso impiegato nel circuito oscillatore OSC. E' evidente quindi che la frequenza del segnale ad onda quadra emesso in uscita dal circuito oscillatore OSC è inversamente proporzionale alla capacità variabile Cx come definito, approssimativamente, dalla seguente equazione:

dove f è la frequenza del segnale ad onda quadra. Poiché il circuito convertitore frequenza/ tensione F/T emette in uscita una tensione v sostanzialmente proporzionale alla frequenza f in ingresso si ha che la tensione v è sostanzialmente proporzionale all'inverso della capacità variabile Cx:

v=-h

Cx

dove K0 è una costante di proporzionalità. Poiché la capacità variabile Cx varia in modo sostanzialmente lineare con la posizione si ha che la tensione di uscita v è sostanzialmente proporzionale all'inverso della posizione. Ad esempio la capacità variabile Cx è data, in funzione della posizione x, dalla seguente equazione:

Cx = Cmax - Kxx

dove Cmax è il valore massimo che può essere assunto dalla capacità variabile Cx, Kx è una costante di proporzionalità, e x è la posizione. Se ne ricava quindi che la relazione che lega la tensione di uscita v con la posizione x è data, approssimativamente, dalla seguente equazione:

Come si può notare tale equazione definisce una relazione di tipo iperbolico tra la tensione di uscita v e la posizione x. Allo scopo di ottenere in uscita una tensione v variante in modo lineare con la posizione x uno dei cilindri 1, 2, 3 può essere realizzato con una superficie rastremata in modo tale da linearizzare tale iperbole.Tale accorgimento può essere effettuato rastremando la superficie del cilindro, ossia eliminando una parte via via crescente del cilindro lungo la direzione assiale, nel caso in cui questo sia realizzato in un materiale elettricamente conduttivo, oppure,, nel caso in cui il cilindro sia realizzato in un materiale isolante rivestito di materiale elettricamente conduttivo, rastremando semplicemente la porzione di superficie rivestita in materiale elettricamente conduttivo. In tal modo la tensione di uscita v può variare in modo sostanzialmente lineare con la posizione x.

Il vantaggio del circuito appena descritto è quello di utilizzare pochissimi componenti e di avere un bassissimo costo.

Naturalmente il sensore di posizione secondo l'invenzione può anche essere realizzato con armature aventi forma differente da quella cilindrica, ma aventi comunque sviluppo lineare ed operanti secondo il principio illustrato nelle figure 3 e 4. Ad esempio possono essere utilizzate armature a sezione rettangolare.

Il sensore di posizione secondo l'invenzione ha il vantaggio di permettere realizzazione di un dispositivo rilevatore di posizione semplice, affidabile ed avente costo molto basso e notevole stabilità. Inoltre, essendo di tipo capacitivo, il sensore di posizione secondo l'invenzione risulta avere una buona insensibilità alla temperatura.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, ì particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione .

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sensore di posizione di tipo capacitivo, comprendente un condensatore a capacità variabile (Cx), caratterizzato dal fatto che detto condensatore a capacità variabile (Cx) comprende tre armature (1, 2, 3), aventi sviluppo lineare lungo un asse comune, comprendenti : - due armature (1, 3) fisse disposte una (3) all'interno dell'altra (1) in modo da definire uno spazio compreso. tra di esse, - un'armatura mobile (2), traslabile secondo una direzione sostanzialmente parallela all'asse comune di dette armature (1, 2, 3) in modo da potere penetrare in misura variabile in detto spazio, senza entrare in contatto con dette armature fisse '(1, 3), in vista di far variare detta capacità (Cx), rilevabile tra dette due armature fisse (1, 3) detta armatura mobile (2) essendo elettricamente isolata e dette armature fisse (1, 3) essendo collegate ad un circuito elettronico (OSC, F/T) atto a rilevare detta capacità variabile (Cx).
2. 2. Sensore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette armature (1, 2, 3) sono configurate e disposte in modo tale per cui: - la distanza tra dette due armature fisse (1, 3) è relativamente elevata, - la distanza tra detta armatura mobile (2) ed ognuna di dette due armature fisse (1, 3), quando detta armatura mobile (2) è inserita in detto spazio; è relativamente ridotta.
3. 3. Sensore secondo la rivendicazione 1 o la 2, caratterizzato dal fatto che dette armature (1, 2, 3) hanno forma sostanzialmente cilindrica e sono tra loro coassiali, dette due armature fisse (1, 3) definendo uno spazio sostanzialmente anulare compreso tra di esse.
4. 4. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che una prima (3) di dette due armature fisse (1, 3) è collegata ad un ingresso (IN) di detto circuito elettronico (OSC, F/T) e una seconda (1) di dette due armature fisse (1, 3) è collegata a massa (GND).
5. 5 . Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, caratterizzato dal fatto che dette armature (1, 2, 3) sono realizzate in materiale elettricamente conduttivo.
6. 6. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, caratterizzato dal fatto che dette armature (1, 2, 3) sono realizzate in materiale isolante rivestito in materiale elettricamente conduttivo.
7. 7. Dispositivo rilevatore di posizione comprendente un sensore di posizione a capacità variabile (Cx) ed un circuito elettronico (OSC, F/T) atto a rilevare detta capacità variabile (Cx), caratterizzato dal fatto che detto sensore di posizione a capacità variabile (Cx) è realizzato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 6.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto circuito elettronico (OSC, F/T) comprende un circuito oscillatore (OSC) configurato in modo tale da emettere un segnale periodico avente frequenza variabile in funzione di detta capacità variabile (Cx) ,
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto circuito elettronico (OSC, F/T) comprende un circuito convertitore (F/T), collegato ad un'uscita di detto circuito oscillatore (OSC), atto a convertire detto segnale a frequenza variabile in un segnale a tensione variabile (v).
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che almeno una di dette tre armature (1, 2, 3) è sagomata in modo tale per cui detta tensione variabile (v) vari in modo sostanzialmente lineare con la posizione (x) di detta armatura mobile (2). Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.