WO2010106252A2 - Dispositif de mesure magnétique de rotation d'une boule magnétisée et procédé de mesure de la rotation de la boule - Google Patents

Dispositif de mesure magnétique de rotation d'une boule magnétisée et procédé de mesure de la rotation de la boule Download PDF

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WO2010106252A2
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vector
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magnetometer
rotation
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François FRASSATI
Roland Blanpain
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices

Definitions

  • Magnetic rotation measuring device for a magnetized ball and method for measuring the rotation of the ball
  • the invention relates to a measuring device comprising at least one ball.
  • a first solution found, for example, in conventional ball mice, is to measure the rotation of the ball by contact, with wheels arranged tangentially on the surface of the ball. The rotation of the rollers is then measured by various known methods such as optical measurement, electrical measurement, etc.
  • Text written on a piece of paper can be scanned using a scanner. After scanning, an image file is obtained.
  • digital pens have been developed that perform digital acquisition themselves while writing on a sheet of paper.
  • US Pat. No. 6,479,768 describes a pen comprising a magnetic ball whose rotation is continuously measured so as to digitally transcribe what a user writes or draws on a sheet of paper.
  • the magnetic ball generates a resulting magnetic field having no axis of symmetry.
  • a magnetized ball 1 can be in the form of two half-balls 1a and 1b, a magnetized sheet 2 being inserted during the assembly of the two half-balls 1a and 1 b to form the magnetic ball 1.
  • Figure 2 Another method, described in this document, to obtain a magnetic ball having no axial symmetry
  • the invention aims a device for measuring the rotation of a magnetized ball on an easily industrializable surface.
  • each ball being magnetized so as to have a dipolar magnetization, and being free to rotate in a receptacle of a frame
  • the device comprises means for detecting a magnetic field created by said at least one ball, according to at least three non-coplanar axes and different directions.
  • the object of the invention also aims at a method of measuring the rotation of the ball comprising the following successive steps: determining the three components of the magnetic field vector created by the ball in the mobile frame of reference of at least one magnetometer forming the magnetic field detection means,
  • FIGS 1 and 2 illustrate variations of magnetized balls used in magnetic measuring devices of the prior art.
  • Figure 3 illustrates, in section, a device according to the invention.
  • Figure 4 illustrates the magnetization process of ferromagnetic balls.
  • Figures 5 and 6 illustrate other embodiments of balls.
  • Figure 7 illustrates a device according to the invention forming a surface feeler.
  • Figure 8 illustrates, in section, the use according to one embodiment of a device in the form of a digital pen.
  • Figure 9 illustrates an algorithm for analyzing the rotation of the ball of a measuring device.
  • Figure 10 illustrates a digital pen using a ball as shown in Figure 6.
  • the device for measuring the rotation comprises at least one freely rotating ball 1 in a receptacle 6 of a frame 10.
  • a ball is a sphere whose outer surface is not deformable in normal use. .
  • normal use is meant a rolling displacement of the ball on a flat surface or not.
  • Each ball 1 is magnetized, or has temporary magnetization properties, so as to have a dipolar magnetization. In all the cases of figures, even if the ball is with temporary magnetization, it comprises at a given moment a dipolar magnetization.
  • the device is intended to measure the rotation of each ball 1 by studying the evolution of the magnetic field generated by the latter.
  • the variations in the magnetic field induced by the ball 1 are measured by means of detecting a magnetic field 5 along at least three non-coplanar axes and of different directions.
  • the magnetic field detection means are preferably of the magnetometer type 5, and are integrated in the measuring device.
  • the magnetic field detection means are preferably placed at a fixed or near-fixed distance from the center C of the ball 1.
  • the ball 1 can be held in the receptacle 6 by holding means 6a and 6b ( Figure 3) disposed at the receptacle 6.
  • the receptacle 6 can also be suitably shaped to maintain the ball 1 therein.
  • the receptacle 6, allowing only the rotation of the ball 1, keeps the center C of the ball 1 at a quasi-fixed distance R m of the magnetometer 5.
  • the ball 1 with dipole magnetization has a total axial symmetry very easy to achieve, with a uniform distribution of the magnetization. For this, it suffices, as illustrated in FIG. 4, to dive the ball 1, having ferromagnetic characteristics necessary for magnetization, in a sufficiently strong polarizing magnetic field H outside.
  • the magnetic field H necessary for the magnetization of the ball 1 is generated by the air gap of a magnet.
  • This type of magnetization has undeniable advantages at the level of industrialization. Indeed, depending on the size of the gap, it is possible to magnetize many balls 1 simultaneously as in Figure 4.
  • the remanent magnetization of the ball 1 must be large before that of the local magnetic field if we want to perceive the rotational movements of the ball 1.
  • the local magnetic field corresponds to the resultant of the Earth's magnetic field and the magnetic fields present at the place of use of the measuring device.
  • the ball 1 having ferromagnetic properties, can be made of tungsten carbide comprising cobalt, or any other body ferromagnetic.
  • the ball 1 may also be made of a composite or non-magnetic material in which, during molding, a magnet or particles of ferromagnetic metal, for example iron (Fe 1 ), cobalt (Co), nickel ( Ni) or their alloys, or ferrimagnetic particles.
  • the magnetization of the ball 1 can be achieved by any other means for assimilating it to a magnetic dipole, for example coils placed in the ball 1 in which a magnetization is induced.
  • the microbattery 12 is also integrated in the ball 1.
  • This variant can generate a constant or alternating magnetic field comparable to that of a permanently magnetized ball, as long as the battery 12 feeds the coil 11. This magnetic field is as indicated above dipolar.
  • the ball 1 may be too small to integrate the battery pack 12 and its electronics.
  • the ball then comprises, as illustrated in Figure 6, a coil 11 is, for example, in the form of a coil. So that the coil can induce a magnetic field, it is necessary to excite the latter by generation means 13 of a magnetic field external to the ball 1, said generation means 13 being arranged, for example, in the frame 10
  • the dipole obtained is not constant, and it becomes necessary to know the instantaneous current intensity in the coil to correct the values measured by the magnetometer or 5. This intensity can be determined by calculation.
  • the ball may be dipole magnetized temporarily. According to a particular embodiment illustrated in FIG.
  • the measuring device comprises three balls 1 of different diameters arranged to roll tangentially to a plane 8 to form a surface feeler.
  • the surface feeler makes it possible to determine the asperities of the plane 8 on which the balls move in order to establish an accurate cartography of this plane.
  • each ball 1 is associated with a magnetometer 5.
  • the use of several balls makes it possible to obtain a plurality of different measurements and to study the values of the incident magnetic fields to map the surface of the plane 8.
  • the balls 1 can also be assimilated to alternative dipoles, that is to say that the magnetic field created by each ball 1 can be magnetostatic type at a given frequency. This is obtained, for example, by coils placed in the balls 1 and powered by an alternating voltage to create an alternating excitation field H. The exciter field then induces an alternating dipolar magnetization in each ball 1. It is thus possible to determine with common magnetic field detection means the rotational movements of one or more balls by performing synchronous detections at each of the frequencies concerned. Therefore, a single magnetometer can be used to determine the movements of several balls.
  • the alternative dipole principle can also be applied when the measuring device has only one ball. Thus, several separate measuring devices can operate nearby without the risk of disturbances.
  • FIG. 7 is not limited to three balls, it may be adapted to the convenience of those skilled in the art depending on the desired accuracy of the mapping.
  • a probe has a plurality of balls, of different diameters, arranged to roll tangentially to the same plane.
  • the magnetic field detection means may be magnetometers 5 for measuring the magnetic field along at least three axes.
  • the three-axis measurement provides the three components of the vector representative of the magnetic field generated by the ball 1. These axes are preferably orthogonal to each other.
  • a magnetometer 5 may be of the Hall effect, fluxgate type, giant magnetoresitance (GMR), anisotropic magnetoresistance (AMR), inductive, etc. type. Some of these magnetometers have a low consumption allowing a device integrating them to be autonomous without becoming too bulky. It is also possible to use much more sensitive magnetometers, such as nuclear magnetic resonance or optical pumping magnetometers.
  • the magnetic measuring device can be used for flow measurement, rotational speed measurement of a wheel, vehicle or camshaft ball bearing, etc. It can also be used in the field of handwriting recognition.
  • the frame 10 of the measuring device may, as illustrated in FIG. 8, be in the form of an elongate body 7 to form, preferably, a digital pen comprising at one of its ends the receptacle 6 in which is housed a ball 1.
  • a single ball 1 is disposed at one end of said elongate body 7.
  • the elongated body 7 further comprises means for detecting its inclination (not shown) to know the position of the pen when writing.
  • the device then constitutes an autonomous digital ballpoint pen.
  • the association of the ball 1, magnetized or temporarily magnetized dipole, and a magnetometer 5 at least three axes can scan a text and / or drawings made on a fixed plane 8 by moving the pen on it plane (by rolling ball 1).
  • the data digitized by the pen (for example the measurement of the magnetic field of the ball and the inclination of the pen) can be stored in an internal memory (not shown) of the pen, then transferred to a personal computer by wired connection means. or not.
  • the connection means may be in the form of a universal serial transmission port (USB for "Universal Serial Bus" in English), WIFI transceiver, etc.
  • the measurements are, in practice, always made when the ball 1 is in contact with a plane 8 or a surface and rolls, without sliding, on this plane or this surface.
  • the ball 1 is rotating, the probability that the latter rotates around the axis of symmetry of its magnetization is low.
  • a simple dipole magnetization of the ball is therefore sufficient for use as a probe or digital pen.
  • the magnetic ball 1 rolls on a fixed plane 8.
  • the magnetic field lines 9, created by the ball 1 form in the space loops closing on the axis of magnetization (axis passing through the two poles).
  • the rotation of the ball 1 modifies the position of the field lines with respect to the elongated body 7.
  • the resulting magnetic field is measured and then analyzed to determine the movement made by the ball 1 on the plane 8. The analysis makes it possible to extrapolate what the user has written and / or drawn.
  • the method for measuring the rotation of the ball of any device as described above may comprise a step of determination of the three components of the magnetic field vector created by the ball 1 in the mobile reference frame of at least one magnetometer forming the magnetic field detection means. Then, it is possible to calculate a magnetization vector in the magnetometer frame from the magnetic field vector.
  • the rotation of the ball 1 can then be determined by the calculation of a rotation vector of the ball 1, from the data of the magnetization vector in the magnetometer frame, with respect to a fixed frame representative of a plane or a surface on which rolls the ball 1, considering that the pivoting of the ball 1 is zero.
  • pivoting is meant that the ball rotates only about its own axis.
  • the plan may for example be a sheet on which a user writes and / or draws.
  • the displacement of the ball in the plane is calculated from the rotation vector of the ball 1.
  • FIG. 9 A first particular calculation algorithm for translating the movements of the ball into letters and / or drawings is illustrated in FIG. 9.
  • the magnetometer records the three components of the vector field.
  • a magnetization vector M m (t) in the magnetometer repository is then calculated, in a step E2, from the equation
  • ⁇ 0 is the magnetic permeability constant of the vacuum
  • r is the representative vector of the coordinates of the center of the ball in the magnetometer frame
  • Id the identity matrix
  • R m the distance separating the center of the ball from the magnetometer.
  • a magnetization vector M f (step E3) is then determined in a fixed frame of reference, for example the sheet or plane on which the ball rolls.
  • the marker change matrix N (t) may be constant if the device is a surface feeler moving tangentially to a plane, or be determined by orientation measuring means such as accelerometers, spirit levels, etc. , if the device is a digital pen whose inclination may change during use.
  • the time derivatives of the magnetization in the fixed frame of reference are calculated.
  • a step E4 the rotation vector ⁇ of the ball is calculated with respect to the fixed reference frame.
  • the rotation ⁇ of the ball with respect to the fixed reference is deduced by inverting the following equation:
  • step E4 for calculating the rotation vector of the ball 1 From the results of the step E4 for calculating the rotation vector of the ball 1, it is possible to calculate the displacement of the ball 1 on the plane 8. Indeed, if the ball 1 rolls without sliding, then the field Magnetic is modified and the point of contact of the ball on the plane, being identified by Cartesian coordinates (x, y), is obtained by:
  • R b is the radius of the ball
  • CO x and ⁇ y represent the rotational components along the x and y axes, and dt the time step of the measurement.
  • Such a pen or a probe associated with the algorithm described above, allows the measurement of the rotation of the ball 1 without contact other than that with the sheet or the plane 8 used, thus avoiding any parasitic measure due to the friction of the ball on roulette measuring means as in the prior art.
  • This algorithm works as long as the assumptions of non-slip and non-pivoting are satisfied, which is the case when the ball or balls move in a rolling plane.
  • the probe it is necessary to either move the balls constituting it to prevent a first ball disturbs the magnetometer of a second ball, or to carry out an adequate filtering of the signals. For example, taking R b1 the radius of the first ball and R b2 the radius of the second ball, if the probe moves at a speed V p , the first ball produces a magnetic signal rotating at the speed V p / R b1 and the second ball at the speed V p / R b2 .
  • the chassis 10 comprises means 13 for generating an exciter field shown in FIG. the vector
  • the vector H is known and the vector M is measured at each instant t. Indeed, the ball rotating in the exciter magnetic field H, the coil becomes the seat of an induced current which in turn produces an induced magnetization M generating a magnetic field B measurable by a magnetometer 5.
  • the vector v of FIG. 10 is a representation equivalent to the vector of displacement of the ball during a time dt.
  • I is the current flowing in the turn at time t, the surface vector of the turn at time t.
  • the vector of surface S corresponds to a vector normal to the turn and of standard equal to the surface of the turn.
  • the induced magnetization M is therefore always collinear with the vector 5.
  • the magnetic excitation H can be constant or variable in time.
  • a time-varying excitation can be a sinusoidal excitation. In both cases (constant or variable excitation), it is necessary to calibrate the magnetometers by measuring the signal H without rotating the ball 1 and subtract the latter from measurements when the ball 1 rotates.
  • the magnetization vector in the magnetometer frame can be determined as in the first algorithm (step E2). This magnetization vector
  • Mm (O in the magnetometer repository is also equal to / (0-5 (0, where I is the current flowing in the coil at time t, the surface vector of the coil at time t, l (t) being known using Lenz's law, then the vector rotation ⁇ of the ball in a fixed reference representative of the plane in which the ball moves is deduced by inverting the equation
  • the inclination of the pen In order to make a suitable measurement at the matrix N (t), it is preferably necessary to know the inclination of the pen. This inclination can be determined by accelerometers as described above. In some cases, the accelerometers are not necessarily sufficient, it is then possible to improve the measurement using a terrestrial magnetometer, arranged for example in the frame, measuring the Earth's magnetic field. However, the terrestrial magnetometer must not be disturbed by the magnetic field generated by the ball 1. This constraint can be bypassed by using a ball 1 having a magnetic field of 10 times the terrestrial magnetic field, and the distance separating the ball 1 from the terrestrial magnetometer must be 5 times the distance separating the ball 1 of the magnetic field detection means of the ball 1.
  • the induced field of the ball decreases in 1 / R b ⁇ 3 so that if one places at a distance of five times the distance separating the center of the ball magnetometer, one obtains a magnetic field 125 times lower.
  • Measurements of the magnetic moment of the ball can be made at different times with a low pitch and a single magnetometer (tri-axis). It is then possible to measure with great precision the direction and the intensity of the rotation of the ball relative to the fixed plane.
  • the pen can perform character recognition and generate a file compatible with known word processors.
  • This recognition can either be achieved by the pen itself, which generates a text file, or, for reasons of limitation of pen consumption, by software installed on a personal computer that does not have problems of operation at reduced consumption, the data being then transmitted via appropriate connecting means.

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Abstract

Le dispositif de mesure de la rotation comporte au moins une boule (1), chaque boule étant aimantée ou à aimantation temporaire de manière à présenter une aimantation dipolaire. La boule (1) est libre en rotation dans un réceptacle (6) d'un châssis (10), le dispositif comportant des moyens de détection (5) d'un champ magnétique créé par ladite au moins une boule (1), selon au moins trois axes non-coplanaires et de directions différentes.

Description

Dispositif de mesure magnétique de rotation d'une boule magnétisée et procédé de mesure de la rotation de la boule
Domaine technique de l'invention
L'invention est relative à un dispositif de mesure comportant au moins une boule.
Elle couvre également un procédé de mesure de la rotation de la boule.
État de la technique
II existe différentes méthodes pour mesurer la rotation d'une boule. Une première solution, que l'on trouve, par exemple, dans les souris à boules conventionnelles, est de mesurer la rotation de la boule par contact, grâce à des roulettes disposées tangentiellement à la surface de la boule. La rotation des roulettes est alors mesurée par différentes méthodes connues telles que la mesure optique, la mesure électrique, etc.
Un texte écrit sur une feuille de papier peut être numérisé au moyen d'un scanner. Après numérisation, un fichier de type image est obtenu. Pour éviter l'utilisation d'un scanner, il a été développé des stylos numériques réalisant eux même l'acquisition numérique pendant l'écriture sur une feuille de papier.
Ainsi, le brevet US 6,479,768 décrit un stylo comportant une boule magnétique dont la rotation est continuellement mesurée de manière à transcrire numériquement ce qu'un utilisateur écrit ou dessine sur une feuille de papier. La boule magnétique génère un champ magnétique résultant ne présentant pas d'axe de symétrie. Ainsi, comme illustré en vue éclatée à la figure 1 , une boule aimantée 1 peut se présenter sous la forme de deux demi-boules 1a et 1b, une feuille aimantée 2 étant intercalée lors de l'assemblage des deux demi-boules 1 a et 1 b pour former la boule aimantée 1. Une autre méthode, décrite dans ce document, pour obtenir une boule aimantée ne présentant pas de symétrie axiale, est illustrée à la figure 2. Six barreaux magnétiques 3 sont alors disposés, deux à deux, le long de trois axes distincts 4a, 4b et 4c passant par le centre C de la boule. La réalisation de telles boules rend l'industrialisation complexe car elle nécessite plusieurs étapes devant être effectuées de manière précise. De plus, selon le mode de réalisation de la figure 1 , l'assemblage des deux demi-boules 1 a, 1 b doit être parfait afin que le stylo n'accroche pas lors de l'écriture, un tel assemblage est coûteux et difficilement industrialisable.
Objet de l'invention
L'invention a pour but un dispositif de mesure de la rotation d'une boule magnétisée sur une surface facilement industrialisable.
Ce but est atteint par les revendications annexées et plus particulièrement par le fait que chaque boule étant aimantée de manière à présenter une aimantation dipolaire, et étant libre en rotation dans un réceptacle d'un châssis, le dispositif comporte des moyens de détection d'un champ magnétique créé par ladite au moins une boule, selon au moins trois axes non-coplanaires et de directions différentes.
L'objet de l'invention a aussi pour but un procédé de mesure de la rotation de la boule comportant les étapes successives suivantes : - la détermination des trois composantes du vecteur champ magnétique créé par la boule dans le référentiel mobile d'au moins un magnétomètre formant les moyens de détection de champ magnétique,
- le calcul d'un vecteur d'aimantation dans le référentiel du magnétomètre à partir du vecteur champ magnétique,
- le calcul d'un vecteur de rotation de la boule, à partir des données du vecteur d'aimantation dans le référentiel du magnétomètre, par rapport à un référentiel fixe représentatif du plan sur lequel roule la boule, en considérant que le pivotement de la boule est nul, - le calcul du déplacement de la boule dans le plan à partir du vecteur de rotation de la boule.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
Les figure 1 et 2 illustrent des variantes de boules aimantées utilisées dans les dispositifs de mesure magnétique de l'art antérieur.
La figure 3 illustre, en coupe, un dispositif selon l'invention.
La figure 4 illustre le procédé d'aimantation de boules ferromagnétiques. Les figures 5 et 6 illustrent d'autres modes de réalisation de boules.
La figure 7 illustre un dispositif selon l'invention formant un palpeur de surfaces.
La figure 8 illustre, en coupe, l'utilisation selon un mode de réalisation d'un dispositif sous forme d'un stylo numérique. La figure 9 illustre un algorithme d'analyse de la rotation de la boule d'un dispositif de mesure. La figure 10 illustre un stylo numérique utilisant une boule telle qu'illustrée à la figure 6.
Description de modes particuliers de réalisation
Le dispositif de mesure de la rotation, illustré à la figure 3, comporte au moins une boule 1 libre en rotation dans un réceptacle 6 d'un châssis 10. Une boule est une sphère dont la surface extérieure n'est pas déformable en utilisation normale. Par utilisation normale, on entend un déplacement contraint par roulement de la boule sur une surface plane ou non.
Chaque boule 1 est aimantée, ou comporte des propriétés d'aimantation temporaire, de manière à présenter une aimantation dipolaire. Dans tous les cas de figures, même si la boule est à aimantation temporaire, elle comporte à un instant donné une aimantation dipolaire. Le dispositif est destiné à mesurer la rotation de chaque boule 1 en étudiant l'évolution du champ magnétique généré par cette dernière. Les variations du champ magnétique induit par la boule 1 sont mesurées par des moyens de détection d'un champ magnétique 5 selon au moins trois axes non-coplanaires et de directions différentes. Les moyens de détection du champ magnétique sont, de préférence, de type magnétomètre 5, et sont intégrés au dispositif de mesure. Les moyens de détection du champ magnétique sont placés, de préférence, à distance fixe ou quasi-fixe du centre C de la boule 1.
Par quasi-fixe, on entend que la distance entre le centre C et les moyens de détection du champ magnétique peut légèrement varier. Plus on cherche à être précis, plus cette variation doit être petite. En effet, la boule 1 étant libre en rotation dans le réceptacle 6, son centre de gravité peut avoir une faible translation, nécessaire au jeu permettant cette libre rotation. La translation sera considérée comme du bruit dans la mesure du champ magnétique induit par la boule 1 , et n'aura pas d'incidence sur la qualité des mesures si elle reste très faible.
La boule 1 peut être maintenue dans le réceptacle 6 par des moyens de maintien 6a et 6b (figure 3) disposés au niveau du réceptacle 6. Le réceptacle 6 peut aussi être conformé de manière appropriée pour maintenir la boule 1 en son sein. Le réceptacle 6, n'autorisant que la rotation de la boule 1 , permet de maintenir le centre C de la boule 1 à une distance quasi- fixe Rm du magnétomètre 5.
Dans un mode de réalisation du dispositif, la boule 1 à aimantation dipolaire présente une symétrie axiale totale très facile à réaliser, avec une distribution uniforme de l'aimantation. Pour cela, il suffit, comme illustré à la figure 4, de plonger la boule 1 , présentant des caractéristiques ferromagnétiques nécessaires à l'aimantation, dans un champ magnétique H extérieur polarisant suffisamment fort. À titre d'exemple, le champ magnétique H nécessaire à l'aimantation de la boule 1 est engendré par l'entrefer d'un aimant. Ce type d'aimantation comporte des avantages indéniables au niveau de l'industrialisation. En effet, en fonction de la taille de l'entrefer, il est possible d'aimanter de nombreuses boules 1 simultanément comme sur la figure 4.
L'aimantation rémanente de la boule 1 doit être grande devant celle du champ magnétique local si l'on veut percevoir les mouvements de rotation de la boule 1. Le champ magnétique local correspond à la résultante du champ magnétique terrestre et des champs magnétiques présents à l'endroit de l'utilisation du dispositif de mesure.
La boule 1 , présentant des propriétés ferromagnétiques, peut être réalisée en carbure de tungstène comportant du cobalt, ou tout autre corps ferromagnétique. La boule 1 peut aussi être réalisée dans un matériau composite ou non magnétique dans lequel ont été incorporés, lors du moulage, un aimant ou des particules de métal ferromagnétique, par exemple du fer (Fe1) du Cobalt (Co), du Nickel (Ni) ou leurs alliages, ou encore des particules ferrimagnétiques.
L'aimantation de la boule 1 peut être réalisée par tout autre moyen permettant de l'assimiler à un dipôle magnétique, par exemple des bobines placées dans la boule 1 dans lesquelles on induit une aimantation.
Ainsi, dans un second mode de réalisation du dispositif illustré à la figure 5, il est possible de placer dans la boule 1 une bobine 11 inductive, et de relier cette dernière à une microbatterie 12 d'alimentation, en courant continu ou alternatif, la microbatterie 12 étant elle aussi intégrée à la boule 1. Cette variante permet de générer un champ magnétique constant ou alternatif assimilable à celui d'une boule aimantée de manière permanente, tant que la batterie 12 alimente la bobine 11. Ce champ magnétique est comme indiqué ci-dessus dipolaire.
Dans certains cas, la boule 1 peut être trop petite pour intégrer la batterie 12 d'alimentation et son électronique. La boule comporte alors, comme l'illustre la figure 6, une bobine 11 se présentant, par exemple, sous la forme d'une spire. Afin que la bobine puisse induire un champ magnétique, il est nécessaire d'exciter cette dernière par des moyens de génération 13 d'un champ magnétique externe à la boule 1 , lesdits moyens de génération 13 étant disposés, par exemple, dans le châssis 10. Le dipôle obtenu n'est pas constant, et il devient nécessaire de connaître l'intensité instantanée du courant dans la bobine pour corriger les valeurs mesurées par le ou les magnétomètres 5. Cette intensité peut être déterminée par calcul. Dans ce cas, la boule peut être aimantée de manière dipolaire temporairement. Selon un mode particulier illustré à la figure 7, le dispositif de mesure comporte trois boules 1 de diamètres différents disposées de manière à rouler tangentiellement à un plan 8 pour former un palpeur de surface. Le palpeur de surface permet de déterminer les aspérités du plan 8 sur lequel se déplacent les boules pour établir une cartographie précise de ce plan. Sur la figure 7, chaque boule 1 est associée à un magnétomètre 5. L'utilisation de plusieurs boules permet d'obtenir une pluralité de mesures différentes et d'étudier les valeurs des champs magnétiques incidents pour cartographier la surface du plan 8.
Dans le cas du palpeur, les boules 1 peuvent aussi être assimilées à des dipôles alternatifs, c'est-à-dire que le champ magnétique créé par chaque boule 1 peut être de type magnétostatique à une fréquence donnée. Ceci est obtenu, par exemple, par des bobines placées dans les boules 1 et alimentées par une tension alternative pour créer un champ excitateur H alternatif. Le champ excitateur induit alors une aimantation dipolaire alternative dans chaque boule 1. Il est ainsi possible de déterminer avec des moyens communs de détection de champs magnétiques les mouvements de rotations de une ou plusieurs boules en réalisant des détections synchrones à chacune des fréquences concernées. Dès lors, un seul magnétomètre peut être utilisé pour déterminer les mouvements de plusieurs boules.
Le principe de dipôle alternatif peut aussi être appliqué lorsque le dispositif de mesure ne comporte qu'une seule boule. Ainsi, plusieurs dispositifs de mesure distincts pourront fonctionner à proximité sans risques de perturbations.
Le mode de réalisation de la figure 7 ne se limite pas à trois boules, il pourra être adapté à la convenance de l'homme du métier en fonction de la précision souhaitée de la cartographie. De manière générale, un palpeur comporte une pluralité de boules, de diamètres différents, disposées de manière à rouler tangentiellement à un même plan.
Comme cité précédemment, les moyens de détection de champ magnétique peuvent être des magnétomètres 5 permettant de mesurer le champ magnétique selon au moins trois axes. La mesure sur trois axes fournie les trois composantes du vecteur représentatif du champ magnétique généré par la boule 1. Ces axes sont, de préférence, orthogonaux les uns aux autres. Un magnétomètre 5 peut être de type à effet Hall, à passage de flux (« fluxgate » en anglais), à magnétorésitance géante (GMR), à magnétorésistance anisotropique (AMR), inductif, etc. Certains de ces magnétomètres ont une faible consommation permettant à un dispositif les intégrant d'être autonome sans devenir trop encombrant. Il est aussi possible d'utiliser des magnétomètres beaucoup plus sensibles, tels que les magnétomètres à résonance magnétique nucléaire ou à pompage optique. Plus le magnétomètre 5 est sensible, plus il est possible de réduire le champ magnétique de la boule 1 , ou d'éloigner ce magnétomètre 5 de la boule 1. L'augmentation de la sensibilité du magnétomètre 5 permet aussi d'utiliser des matériaux faiblement magnétiques pour la réalisation de la boule tels que des matériaux ferromagnétiques ou antiferromagnétiques.
Le dispositif de mesure magnétique peut être utilisé pour la mesure de débit, la mesure de la vitesse de rotation d'une roue, d'un véhicule ou d'un roulement à boule d'arbre à came, etc. Il peut aussi être utilisé dans le domaine de la reconnaissance d'écriture manuscrite. Ainsi, le châssis 10 du dispositif de mesure peut, comme illustré à la figure 8, se présenter sous la forme d'un corps allongé 7 pour former, de préférence, un stylo numérique comportant à l'une de ses extrémités le réceptacle 6 dans lequel est logée une boule 1. Autrement dit, une unique boule 1 est disposée à une extrémité dudit corps allongé 7. Le corps allongé 7 comporte en outre des moyens de détection de son inclinaison (non représentés) pour connaître la position du stylo lors de l'écriture. Le dispositif constitue alors un stylo à bille numérique autonome. L'association de la boule 1 , aimantée ou à aimantation temporaire de manière dipolaire, et d'un magnétomètre 5 à au moins trois axes permet de numériser un texte et/ou des dessins réalisés sur un plan 8 fixe en déplaçant le stylo sur ce plan (par roulement de la boule 1). Les données numérisées par le stylo (par exemple la mesure du champ magnétique de la boule et l'inclinaison du stylo) peuvent être stockées dans une mémoire (non représentée) interne du stylo, puis transférées à un ordinateur personnel par des moyens de liaison filaire ou non. À titre d'exemple, les moyens de liaison peuvent se présenter sous la forme d'un port universel de transmission série (USB pour « Universal Sériai Bus » en anglais), d'émetteur-récepteur WIFI, etc.
Les mesures sont, en pratique, toujours effectuées lorsque la boule 1 est en contact avec un plan 8 ou une surface et roule, sans glissement, sur ce plan ou cette surface. Ainsi, la boule 1 étant en rotation, la probabilité pour que cette dernière tourne autour de l'axe de symétrie de son aimantation est faible. Une simple aimantation dipolaire de la boule suffit donc pour une utilisation en tant que palpeur ou stylo numérique.
Lors de l'utilisation du stylo, comme l'illustre la figure 8, la boule aimantée 1 roule sur un plan fixe 8. Les lignes de champ magnétique 9, créées par la boule 1 , forment dans l'espace des boucles se refermant sur l'axe d'aimantation (axe passant par les deux pôles). La rotation de la boule 1 modifie la position des lignes de champ par rapport au corps allongé 7. Le champ magnétique résultant est mesuré, puis analysé pour déterminer le mouvement effectué par la boule 1 sur le plan 8. L'analyse permet d'extrapoler ce que l'utilisateur a écrit et/ou dessiné.
De manière générale, le procédé de mesure de la rotation de la boule d'un dispositif quelconque tel que décrit ci-dessus peut comporter une étape de détermination des trois composantes du vecteur champ magnétique créé par la boule 1 dans le référentiel mobile d'au moins un magnétomètre formant les moyens de détection de champ magnétique. Ensuite, il est possible de calculer un vecteur d'aimantation dans le référentiel du magnétomètre à partir du vecteur champ magnétique. La rotation de la boule 1 peut alors être déterminée par le calcul d'un vecteur de rotation de la boule 1, à partir des données du vecteur d'aimantation dans le référentiel du magnétomètre, par rapport à un référentiel fixe représentatif d'un plan ou d'une surface sur lequel roule la boule 1 , en considérant que le pivotement de la boule 1 est nul. Par pivotement, on entend le fait que la boule tourne seulement autour de son propre axe. Le plan peut par exemple être une feuille sur laquelle un utilisateur écrit et/ou dessine. Pour finir, le déplacement de la boule dans le plan est calculé à partir du vecteur de rotation de la boule 1.
Un premier algorithme particulier de calcul permettant de traduire les mouvements de la boule en lettres et/ou dessins est illustré à la figure 9. Dans une première étape E1 de mesure du champ magnétique de la boule, le magnétomètre enregistre les trois composantes du vecteur champ magnétique Bm(t) créé par la boule dans le référentiel mobile du magnétomètre. Un vecteur d'aimantation Mm(t) dans le référentiel du magnétomètre est ensuite calculé, dans une étape E2, à partir de l'équation
Mm(i) = K.Bm(i) dans laquelle K est une matrice constante connue. La matrice K est donnée par l'équation :
Figure imgf000012_0001
dans laquelle μ0 est la constante de perméabilité magnétique du vide, r est le vecteur représentatif des coordonnées du centre de la boule dans le référentiel du magnétomètre, Id la matrice identité, et Rm la distance séparant le centre de la boule du magnétomètre.
On détermine ensuite un vecteur d'aimantation Mf (étape E3) dans un référentiel fixe, par exemple la feuille ou le plan sur lequel roule la boule.
L'orientation du magnétomètre par rapport au référentiel fixe est connue sous la forme d'une matrice de changement de repère N(t), le vecteur d'aimantation Mf dans le référentiel fixe peut s'écrire sous la forme de l'équation Mf(t) = N(t). Mm(t). La matrice de changement de repère N(t) peut être constante si le dispositif est un palpeur de surface se déplaçant tangentiellement à un plan, ou être déterminée par des moyens de mesure de l'orientation comme des accéléromètres, niveaux à bulle, etc., si le dispositif est un stylo numérique dont l'inclinaison peut changer lors de son utilisation. De plus, lors de l'étape E3, les dérivées temporelles de l'aimantation dans le référentiel fixe sont calculées. À partir des données de l'étape E3 (Mf(t) et dérivées temporelles), on calcule, dans une étape E4, le vecteur de rotation ω de la boule par rapport au référentiel fixe. À titre d'exemple, dans le cas où le pivotement de la boule est nul (ωz = 0), c'est-à- dire lorsque le vecteur rotation de la boule est parallèle à un plan Oxy, correspondant à la surface sur laquelle roule la boule, la rotation ω de la boule par rapport au référentiel fixe se déduit en inversant l'équation suivante :
^ 7 = CM Mf {t) (où Λ est le produit vectoriel) dt
soit :
Figure imgf000014_0001
ω = 0
À partir des résultats de l'étape E4 de calcul du vecteur de rotation de la boule 1 , il est possible de calculer le déplacement de la boule 1 sur le plan 8. En effet, si la boule 1 roule sans glisser, alors le champ magnétique se modifie et le point de contact de la boule sur le plan, étant repéré par des coordonnées cartésiennes (x, y), est obtenu par :
dx = Rb. ωydt dy = -Rb. coxdt
où dx et dy désignent les déplacements élémentaires suivant les axes x et y,
Rb désigne le rayon de la boule,
COx et ωy représentent les composantes de rotation selon les axes x et y, et dt le pas temporel de la mesure.
Un tel stylo ou un palpeur, associé à l'algorithme décrit ci-dessus, permet la mesure de la rotation de la boule 1 sans contact autre que celui avec la feuille ou le plan 8 utilisé, évitant ainsi toute mesure parasite due aux frottements de la boule sur des moyens de mesure à roulette comme dans l'art antérieur. Cet algorithme fonctionne du moment que les hypothèses de non glissement et de non pivotement sont vérifiée, ce qui est le cas lorsque la ou les boules se déplacent par roulement sur un plan.
Dans le cas du palpeur, il faut soit éloigner les boules le constituant pour éviter qu'une première boule perturbe le magnétomètre d'une deuxième boule, soit réaliser un filtrage adéquat des signaux. À titre d'exemple, en prenant Rb1 le rayon de la première boule et Rb2 le rayon de la deuxième boule, si le palpeur se déplace à une vitesse Vp, la première boule produit un signal magnétique tournant à la vitesse Vp/Rb1 et la deuxième boule à la vitesse Vp/Rb2.
Selon le mode de réalisation utilisant une bobine 11 inductive placée dans la boule 1 et ne bénéficiant pas de microbatterie 12 associée pour générer un champ magnétique constant, le châssis 10 comporte des moyens de génération 13 d'un champ excitateur représenté à la figure 10 par le vecteur
H et créant un vecteur M d'aimantation induite dans la spire. Le vecteur H est connu et le vecteur M est mesuré à chaque instant t. En effet, la boule tournant dans le champ magnétique excitateur H, la bobine devient le siège d'un courant induit qui produit à son tour une aimantation induite M générant un champ magnétique B mesurable par un magnétomètre 5.
Le vecteur v de la figure 10 est une représentation équivalente au vecteur de déplacement de la boule pendant un temps dt.
Comme dans le cas d'une boule à aimantation permanente, la mesure du champ magnétique B due à l'aimantation de la boule suffit à retrouver l'aimantation par l'équation :
M (t) = K.B (0
En revanche, contrairement à une aimantation permanente de la boule, l'intensité de l'aimantation n'est pas constante et dépend de la variation du flux magnétique reçue par la bobine, par exemple une spire, contenue dans la boule. Ceci peut se traduire par l'équation suivante : M (t) = I(t).S(t)
où I est le courant circulant dans la spire à l'instant t, 5 le vecteur de surface de la spire à l'instant t.
Le vecteur de surface S correspond à un vecteur normal à la spire et de norme égale à la surface de la spire. L'aimantation induite M est donc toujours colinéaire au vecteur 5.
II est possible de déterminer l(t) en utilisant la loi de Lenz et en notant R3 la résistance de la spire et φ le flux magnétique à travers la spire. Ainsi, on obtient :
,w__±.«-*-» βo« «o~-L«w«-sω>
R. dt R. dt
En remplaçant S(O par M(t)ll{t), on obtient l'équation d'évolution de l(t) en fonction de M(O :
1 d(H(t).M(t)/I(t)) Rs dt
et en développant cette dernière équation, on obtient :
(pv.ûwm.m&m.. I+m? Le champ inducteur H et l'aimantation M induite dans la spire par H étant respectivement connu et mesuré, il suffit de résoudre l'équation différentielle en I. Il s'agit d'une équation de Bernoulli dont les méthodes de résolutions sont bien connues.
L'excitation magnétique H peut être constante ou variable dans le temps. Une excitation variable dans le temps peut être une excitation sinusoïdale. Dans les deux cas (excitation constante ou variable), il faut calibrer les magnétomètres en mesurant le signal H sans faire tourner la boule 1 et soustraire ce dernier des mesures lorsque la boule 1 tourne.
Ainsi, en connaissant l(t) et Af(O, l'orientation S(O de la spire par
M(O = Z(O-S(O, on peut en déduire la rotation Ω de la boule par l'équation de rotation suivante :
— S(O - ΩΛ 5(0 dt
Cette dernière équation est la même que celle de l'évolution de l'aimantation
permanente telle que définie précédemment (— — ^-^ = GM M/(0). Donc, dt connaissant l(t), l'algorithme précédent peut s'appliquer de la même manière.
Autrement dit, si la boule a une aimantation dipolaire temporaire, le vecteur d'aimantation dans le référentiel du magnétomètre peut être déterminé comme dans le premier algorithme (étape E2). Ce vecteur d'aimantation
Mm(O dans le référentiel du magnétomètre est aussi égal à /(0-5(0, où I est le courant circulant dans la bobine à l'instant t, 5 le vecteur de surface de la bobine à l'instant t, l(t) étant connu en utilisant la loi de Lenz. Ensuite, le vecteur rotation Ω de la boule dans un référentiel fixe représentatif du plan dans lequel la boule se déplace se déduit en inversant l'équation
— S(O - ΩΛ J(O. dt
Afin de réaliser une mesure convenable au niveau de la matrice N(t), il est, de préférence, nécessaire de connaître l'inclinaison du stylo. Cette inclinaison peut être déterminée par des accéléromètres comme décrit précédemment. Dans certains cas, les accéléromètres ne sont pas forcément suffisants, il est alors possible d'améliorer la mesure en utilisant un magnétomètre terrestre, disposé par exemple dans le châssis, mesurant le champ magnétique terrestre. Cependant, le magnétomètre terrestre ne doit pas être perturbé par le champ magnétique généré par la boule 1. Cette contrainte peut être contournée en utilisant une boule 1 ayant un champ magnétique de 10 fois le champ magnétique terrestre, et la distance séparant la boule 1 du magnétomètre terrestre doit être 5 fois la distance séparant le boule 1 des moyens de détection du champ magnétique de la boule 1. En effet, en prenant Rb le rayon de la boule, le champ induit de la boule décroit en 1/Rb Λ3 de sorte que si on se place à une distance de cinq fois la distance séparant le centre de la boule au magnétomètre, on obtient un champ magnétique 125 fois plus faible.
Des mesures du moment magnétique de la boule peuvent être réalisées à différents instants avec un pas faible et par un seul magnétomètre (tri-axe). Il est alors possible de mesurer avec une grande précision la direction et l'intensité de la rotation de la boule par rapport au plan fixe.
De manière connue, en utilisant un processeur de type reconnaissance optique de caractère (RCO ou OCR en anglais), le stylo peut effectuer une reconnaissance des caractères et générer un fichier compatible avec les traitements de texte connus. Cette reconnaissance peut soit être réalisée par le stylo lui-même, qui génère un fichier de type texte, soit, pour des raisons de limitation de la consommation du stylo, par un logiciel installé sur un ordinateur personnel n'ayant pas de problèmes de fonctionnement à consommation réduite, les données étant alors transmises par l'intermédiaire de moyens de liaison appropriés.

Claims

Revendications
1. Dispositif de mesure comportant au moins une boule (1), chaque boule étant aimantée de manière à présenter une aimantation dipolaire, et étant libre en rotation dans un réceptacle (6) d'un châssis (10), le dispositif comporte des moyens de détection (5) d'un champ magnétique créé par ladite au moins une boule (1), selon au moins trois axes non-coplanaires et de directions différentes.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la boule (1 ) est en carbure de tungstène comportant du cobalt.
3. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la boule (1 ) est en matériau non magnétique comportant des particules de métal ferromagnétique.
4. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la boule comporte une bobine (11 ) et une microbatterie (12) reliée à ladite bobine (11 ) pour générer un champ magnétique.
5. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la boule (1) comporte une bobine (11 ), et en ce que le châssis (10) est muni de moyens de génération (13) d'un champ magnétique excitateur de ladite bobine (11 ).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de boules (1), de diamètres différents, disposées de manière à rouler tangentiellement à un plan.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le châssis (10) forme un corps allongé (7) muni de moyens de détection de son inclinaison, une unique boule (1 ) étant disposée à une extrémité dudit corps allongé (7). s
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un magnétomètre terrestre mesurant le champ magnétique terrestre.
9. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que la boule a un0 champ magnétique de dix fois le champ magnétique terrestre et en ce que la distance séparant la boule (2) du magnétomètre terrestre est égale à cinq fois la distance séparant la boule (1 ) des moyens de détection du champ magnétique de la boule (1 ). 5
10. Procédé de mesure de la rotation de la boule d'un dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes :
- la détermination des trois composantes du vecteur champ magnétique créé par la boule (1 ) dans le référentiel mobile d'au moins un magnétomètre formant les moyens de détection de champ magnétique,
- le calcul d'un vecteur d'aimantation dans le référentiel du magnétomètre à partir du vecteur champ magnétique,
- le calcul d'un vecteur de rotation de la boule (1 ), à partir des données du vecteur d'aimantation dans le référentiel du magnétomètre, par rapport à un référentiel fixe représentatif d'un plan (8) sur lequel roule la boule (1 ), en considérant que le pivotement de la boule (1 ) est nul,
- le calcul du déplacement de la boule (1 ) dans le plan (8) à partir du vecteur de rotation de la boule (1 ).
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le vecteur d'aimantation Mm{t) dans le référentiel du magnétomètre est obtenu par l'équation Mm{t) = K.Bm(t) dans laquelle Bm(t) est le vecteur champ magnétique et K une matrice constante donnée par l'équation
dans laquelle μ0 est la constante de perméabilité
Figure imgf000022_0001
magnétique du vide, r est le vecteur représentatif des coordonnées du centre de la boule dans le référentiel du magnétomètre, Id la matrice identité, et Rm la distance séparant le centre de la boule du magnétomètre.
12. Procédé selon la revendication 11 , caractérisé en ce qu'avant calcul du vecteur rotation de la boule (1), un vecteur d'aimantation M/(t) dans le référentiel fixe est obtenu en multipliant le vecteur d'aimantation Mm(t) avec une matrice de changement de repère.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le vecteur rotation ω de la boule (1) par rapport au référentiel fixe se déduit en
inversant l'équation — —- f^-^- = COΛ M/(t). dt
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le calcul du déplacement de la boule (1) est établi à partir de points de contact de la boule (1 ) sur le plan (8), ledit point de contact étant repéré par des dx = Rb. ωvdt coordonnées cartésiennes x et y obtenues par y dy = -Rb. ωxdt où dx et dy désignent les déplacements élémentaires suivant les axes x et y, ωx et ωy représentent les composantes de rotation selon les axes x et y, Rb désigne le rayon de la boule, et dt le pas temporel de la mesure.
15. Procédé selon la revendication 11 , caractérisé en ce que la boule ayant une aimantation dipolaire temporaire générée par une bobine, le vecteur d'aimantation Mm(t) dans le référentiel du magnétomètre est aussi égal à
7(0-5(0, où I est le courant circulant dans la bonbine à l'instant t, 5 le vecteur de surface de la bobine à l'instant t, l(t) étant connu en utilisant la loi de Lenz.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le vecteur rotation Ω de la boule (1) par rapport au référentiel fixe se déduit en inversant l'équation — 5(0 = ΩΛ 5(0- dt
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