ITTO970452A1

ITTO970452A1 - Sensore di posizione bidimensionale di tipo magnetico, in particolare per applicazioni automobilistiche.

Info

Publication number: ITTO970452A1
Application number: IT97TO000452A
Authority: IT
Inventors: Herbert Sax; Bruno Murari; Flavio Villa; Benedetto Vigna; Paolo Ferrari
Original assignee: Sgs Thomson Microelectronics
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 1998-11-28
Also published as: ITTO970452A0; US6529140B1; EP0881468A1; IT1293905B1; JPH1183418A; EP0881468B1; DE69816713D1; DE69816713T2

Description

DE SC R IZ ION E

del brevetto per invenzione industriale

La presente invenzione è relativa ad un sensore di posizione bidimensionale di tipo magnetico, in particolare per applicazioni automobilistiche, come definito nel preambolo della rivendicazione 1.

Come è noto, attualmente le funzioni ausiliarie comandate sul volante (sistemi devio), per esempio l'accensione delle luci di posizione, degli abbaglianti, degli anabbaglianti, l'indicazione di direzione, sono realizzati mediante contatti meccanici striscianti la cui fabbricazione è particolarmente onerosa e risente delle problematiche legate ai contatti stessi (usura, invecchiamento, eco.).

Sono quindi auspicabili sistemi di comando di tali funzioni che non richiedano contatti meccanici striscianti .

In generale, tale problematica è condivisa anche in tutte le applicazioni che prevedono l'invio di una pluralità di comandi o segnali tramite movimentazione di un organo di comando che agisce su contatti striscianti e nelle quali si ha un elevato numero di attuazioni dell'organo di comando stesso.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sensore di posizione che risolva il problema sopra indicato.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un sensore di posizione bidimensionale, in particolare per applicazioni automobilistiche, come definito nella rivendicazione 1.

1/ invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano esempi di realizzazione non limitativi, in cui:

la figura 1 presenta schematicamente la disposizione di elementi sensori su un componente del presente sensore;

la figura 2 mostra una sezione trasversale attraverso parte del componente di fig. 1;

la figura 3 illustra un secondo componente del presente sensore;

la figura 4 mostra in vista laterale un dispositivo di comando utilizzante il presente sensore;

la figura 5 presenta uno schema a blocchi di un componente del presente sensore;

le figure 6 e 7 mostrano schematicamente due schemi di cooperazione fra i componenti del presente sensore; e

le figure 8 e 9 mostrano tabelle relative a codici ottenibili per differenti posizioni relative dei componenti del sensore.

Come mostrato nelle figure allegate, il sensore 1 comprende un dispositivo integrato 2 ed un magnete permanente 3 a quattro quadranti mobile, rispetto al dispositivo integrato 2, parallelamente ad esso (in prossimità o a contatto) in modo da traslare lungo un piano definito da due differenti coordinate X e Y e da ruotare intorno ad un asse Ω perpendicolare al piano X-Y. A sua volta, il dispositivo integrato 2 è formato da una pluralità di elementi sensibili a campo magnetico (elementi sensori 10) e da un sistema di codifica 11 (fig. 5).

In una forma di realizzazione preferita, mostrata nella fig. 2 e descritta più sotto, gli elementi sensori 10 sono formati da sensori ad effetto Hall. In alternativa, come mostrato schematicamente in fig. 5, gli elementi sensori 10 possono essere costituiti da magnetoresistori realizzati tramite film magnetici particolari (quali Co-Fe, Ni-Fe, Ni-Co) aventi la proprietà di presentare resistenza variabile in funzione del campo magnetico in cui essi sono immersi (si veda ad esempio R. A. McCurrie "Ferromagnetic Materials: Structure and Properties", Academic Press, voi. 2, pag. 93). I magnetoresistori hanno il vantaggio di essere più sensibili al campo magnetico dei sensori ad effetto Hall, ma rrchiedono la deposizione sul silicio, per sputtering o per evaporazione, di film magnetici generalmente non usati nell'industria microelettronica e quindi sono più costosi da produrre.

In fig. 1 è mostrata una possibile disposizione degli elementi sensori 10 per il rilevamento di 3x4 posizioni del magnete permanente 3 nel piano XY e della rotazione di ±45° attorno alla direzione Ω (ovvero, complessivamente, di tre differenti posizioni angolari del magnete 3). Come si nota, tre elementi sensori 10i~ 103 sono spaziati lungo una prima direzione (direzione X), quattro elementi sensori ÌO^-IO? sono spaziati lungo una seconda direzione (direzione Y) perpendicolare alla prima direzione X e sono presenti due ulteriori elementi sensori 10a e 109 disposti distanziati dagli elementi sensori 10i-107 per il rilevamento dell'angolo di rotazione.

In generale, comunque, per rilevare M posizioni lungo la direzione X e N posizioni lungo la direzione Y occorrono almeno M N elementi sensori, mentre per rilevare la rotazione servono due elementi sensori nel caso di rotazioni di ±45°, e quattro elementi sensori nel caso di rotazioni di ±30° rispetto ad una posizione nominale ad angolo nullo.

La fig. 2 mostra una sezione trasversale di una porzione della fetta di silicio 12 in cui è integrato il dispositivo integrato 2, in corrispondenza di un elemento sensore 10 ad effetto Hall. In dettaglio, la fetta di silicio 12 comprende un substrato 13 di tipo P, uno strato epitassiale 14 di tipo N e regioni di isolamento a giunzione 15 di tipo P<+>, estendentisi dalla superficie 16 della fetta 12 fino al substrato 13 e circondanti ogni elemento sensore 10. Sulla superficie 16 della fetta 12 è visibile una regione di contatto 18 che, insieme ad un'analoga regione di contatto non mostrata, è utilizzata per alimentare una corrente I, mentre regioni di contatto 19, pure realizzate sulla superficie 16, consentono di rilevare la differenza di potenziale generata dall'elemento sensore 10, in modo di per sé noto. Una versione più complessa dell'elemento sensore 10, vantaggiosamente utilizzabile per la realizzazione del presente sensore 1, è descritta inoltre nel brevetto statunitense US-A-5,530,345.

Come mostrato nella vista frontale di fig. 3, il magnete permanente 3 presenta quattro quadranti, alternativamente polarizzati Sud (quadranti 21) e Nord (quadranti 22), definenti un centro 24 e di dimensioni tali per cui, a seconda della posizione assunta dal ma-gnete permanente 3 rispetto al dispositivo integrato 2, ciascuno degli elementi sensori 10 veda uno specifico quadrante 21, 22 e generi una tensione di corrispondente valore (ad esempio positiva nel caso di quadrante Nord 22 e negativa nel caso di quadrante Sud 21).

Come mostrato in fig. 4, il sensore 1 può essere montato su un organo di comando, qui una leva 4, in modo da definire insieme a questa un dispositivo di comando 7 comandabile manualmente o da una macchina e generante in uscita un segnale elettrico di comando utilizzabile da un attuatore. In particolare, il magnete permanente 3 è fissato solidalmente alla leva 4 in modo da seguirne i movimenti di traslazione secondo gli assi X e Y e di rotazione intorno all'asse Ω. Secondo un'applicazione preferita dell'invenzione, la leva 4 è realizzata come una comune levetta di comando fissata al volante con un giunto (non mostrato) formando un sistema devio tale da trasformare gli azionamenti della leva 4 stessa da parte del guidatore nei movimenti rototraslatori previsti per il magnete permanente 3. In particolare, un meccanismo di guida non mostrato permette solo movimenti discreti del magnete permanente 3 rispetto al dispositivo integrato 2, come sotto meglio descritto con riferimento alle figg. 6 e 7.

Come mostrato in fig. 5, le tensioni generate dagli elementi sensori 10 sono fornite al sistema di codifica 11 comprendente un blocco generatore di codice 21, un'unità di elaborazione 28 ed una memoria 29 che memorizza l'associazione di ciascun codice generabile dal blocco generatore 27 con un rispettivo comando.

In particolare, il blocco generatore di codice 27 riceve le tensioni analogiche generate da ciascun elemento sensore 10, e le trasforma in un codice digitale a più bit, generando ad esempio un "1" logico quando riceve una tensione positiva (l'elemento sensore 10 rileva vicinanza di un quadrante Nord 22 del magnete permanente 3) e uno "0" logico in caso contrario. In pratica, il blocco generatore di codice 27 può essere costituito da una batteria di comparatori aventi ciascuno un ingresso collegato a massa ed, un ingresso ricevente la tensione generata da un rispettivo elemento sensore 10. Il codice binario così ottenuto (che, nel caso del dispositivo integrato a nove elementi sensori 10 di fig. 1 presenta nove bit) viene fornito all'unità di elaborazione 28 che, in base alla codifica ricevuta e alla codifica memorizzata nella memoria 29, determina il corrispondente comando (accensione luce di posizione, anabbagliante o abbagliante o altro comando) e genera un segnale di uscita S fornito, attraverso i piedini 25 del dispositivo integrato (fig. 4), al relativo attuatore (non mostrato) e/o a una centralina del veicolo (non mostrata) per la sua elaborazione.

Ovviamente, per la discriminazione delle varie posizioni del magnete permanente 3 rispetto al dispositivo integrato 2 occorre che ogni posizione assumibile dal magnete permanente 3 presenti un codice univoco e non coincidente con quello di alcuna altra posizione, ovvero che, in ciascuna posizione, almeno uno degli elementi sensori 10 rilevi un quadrante 21, 22 opposto rispetto a tutte le altre posizioni. In particolare, per quanto riguarda la traslazione, ciò richiede che il centro 24 del magnete permanente 3, per ogni traslazione del magnete permanente 3, si porti su un differente lato di almeno uno dei sette elementi sensori 10i-107; nel caso degli elementi sensori 10i-109 di fig. 1, il centro 24 del magnete permanente 3 può quindi assumere grosso modo una delle posizioni mostrate in fig. 6, identificate con le lettere A-N.

In particolare, in fig. 6, le linee orizzontali e verticali sono allineate, in ciascuna posizione A-N, a linee di separazione, indicate con 31, 32, dei quadranti del magnete permanente 3 e il magnete permanente 3 stesso è stato rappresentato nella posizione centrata sulla posizione A; di conseguenza spostamenti del ma-gnete permanente 3 rispetto al dispositivo integrato 2 tali da portare il suo centro 24 in corrispondenza delle posizioni A-N, determinano la generazione di rispettivi codici, come ad esempio mostrato nella tabella di fig. 8.

Come si nota, gli elementi sensori 10a e 109 sono invarianti per ogni traslazione nel piano e assumono valori discordi.

Analogamente, nella fig. 7 è mostrata la posizione del magnete permanente 3 rispetto al dispositivo integrato 2 nel caso di magnete permanente 3 centrato sulla posizione A e ruotato di 45° in senso orario rispetto alla fig. 6. Inoltre sono mostrate le linee di separazione 31, 32 dei quadranti 21, 22 del magnete permanente 3 nelle diverse posizioni A-N del centro 24; come si nota, ora tali linee di separazione 31, 32 sono inclinate di ±45°. In tal caso, quindi, si ottiene la codifica illustrata nella tabella di fig. 9.

Come si nota, gli elementi sensori 10a e 109 sono associati sempre ad un "1" logico.

In modo non mostrato, data la simmetria del sistema, una rotazione del magnete permanente 3 in senso opposto rispetto a quello di fig. 7 (cioè di 45° in senso antiorario rispetto alla fig. 6) fornisce una tabella complementare a quella di fig. 9.

Il sensore descritto presenta i seguenti vantaggi. In primo luogo, esso presenta basso costo, legato ai costi di fabbricazione dei dispositivi integrati; inoltre esso presenta elevata affidabilità e durata, dato che non comporta l'uso di contatti striscianti e il magnete 3 può essere anche leggermente distanziato dal dispositivo integrato 2. Inoltre, esso consente di estendere facilmente il numero di comandi implementabili e non risente delle condizioni luminose circostanti.

Risulta infine chiaro che al sensore qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. In particolare, si sottolinea come l'elettronica di elaborazione dei segnali generati dagli elementi sensori 10 o almeno parte di essa potrebbe anche non essere integrata con gli elementi sensori 10 stessi, qualora ciò fosse desiderato o opportuno per applicazioni specifiche.

Claims

R IV E N D ICA Z ION I 1. Sensore dì posizione bidimensionale (1), in particolare per applicazioni automobilistiche, comprendente un magnete permanente (3) affacciato a e mobile rispetto ad una pluralità di elementi sensibili a campo magnetico (IO1-IO9), caratterizzato dal fatto che detto magnete permanente (3) è mobile in un piano lungo una prima {X) ed una seconda (Y) direzione non coincidenti ed è girevole intorno ad una terza direzione (Ω) ortogonale a detta prima e seconda direzione, e dal fatto che detta pluralità di elementi sensibili a campo magnetico comprende un primo gruppo di elementi sensibili (IO1-IO3) disposti spaziati lungo detta prima direzione, un secondo gruppo di elementi sensibili (104—10-? ) disposti spaziati lungo detta seconda direzione ed un terzo gruppo di elementi sensibili (108-109) rilevanti la posizione angolare di detto magnete permanente.
2. Sensore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti elementi sensibili (10!— 109) sono sensori ad effetto Hall integrati.
3. Sensore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti elementi sensibili {lCh-109) sono formati da magnetoresistori.
4. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto magnete permanente (3) presenta quattro quadranti.
5. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendica-zioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti elementi sensibili (IO1-IO9) sono integrati in un dispositivo integrato (2) comprendente inoltre un'unità generatrice di codice (27), una memoria codici (29) e un'unità di elaborazione (28); detta unità generatrice di codice (27) essendo collegata a detti elementi sen-sibili e generando un codice digitale correlato alla tensione di uscita di detti elementi sensibili; detta memoria codici (29) memorizzando una corrispondenza fra una pluralità di codici ed una rispettiva pluralità di comandi; e detta unità di elaborazione (28) essendo collegata a detta unità generatrice di codice e detta unità di elaborazione ed essendo atta a generare segnali di comando (S) corrispondenti a codici digitali ricevuti da detta unità generatrice di codice secondo detta corrispondenza memorizzata.
6. Dispositivo di comando (7) comprendente un organo di comando (4) mobile in una pluralità di posizioni differenti ed azionabile per generare un segnale di comando (S) correlato a una rispettiva di detta pluralità di posizioni, caratterizzato dal fatto di comprendere un sensore magnetico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
7. Dispositivo di comando secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto di comprendere una leva (4) di comando di un sistema devio.
8. Sensore di posizione bidimensionale, in particolare per applicazioni automobilistiche e dispositivo di comando, sostanzialmente come descritti con riferimento alle figure annesse.