ES2918776A1

ES2918776A1 - Sensores y métodos para medir posiciones y desplazamientos sin necesidad de contacto

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Publication number: ES2918776A1
Application number: ES202130029A
Authority: ES
Inventors: Hernández José Antonio Carrasco; De Quirós Nieto Francisco Javier García; Mañogil Higinio Alavés
Original assignee: Universidad Miguel Hernandez de Elche UMH
Current assignee: Universidad Miguel Hernandez de Elche UMH
Priority date: 2021-01-19
Filing date: 2021-01-19
Publication date: 2022-07-20

Abstract

Sensores y métodos para medir posiciones y desplazamientos sin necesidad de contacto. La presente invención se refiere a un sensor capacitivo y un sensor capacitivo giratorio para determinar la posición o el movimiento de un primer elemento con respecto a un segundo elemento, estando dichos elementos distanciados entre sí, donde cada elemento comprende una cara plana de aislante, estando dichas caras planas de aislante enfrentadas de forma paralela y distanciadas entre sí, donde: (i) el primer elemento es una placa de circuito impreso fija que comprende dicho aislante y un circuito electrónico que contiene un elemento capacitivo que, a su vez, comprende: - una unidad capacitiva que comprende un par de placas conductoras, una de las cuales se conecta a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante y la otra se conecta a medios para detectar una tensión eléctrica generada en si misma; y - una tira conductora de retorno de corriente, y (ii) el segundo elemento es una placa móvil, que comprende dicho aislante y al menos una placa conductora donde la tensión eléctrica detectada por los medios para detectar la tensión eléctrica generada en dicha unidad capacitiva es superior, cuando una de dichas placas conductoras del segundo elemento se dispone en una posición solapante de dicha tira de retomo, con respecto a cuándo ninguna de dichas placas conductoras del segundo elemento se dispone en una posición no solapante. La presente invención también se refiere a métodos para determinar la posición o el movimiento de un primer elemento del sensor capacitivo o del sensor capacitivo giratorio, con respecto a un segundo elemento del mismo sensor.

Description

DESCRIPCI N

Sensores y métodos para medir posiciones y desplazamientos sin necesidad de contacto

Campo de la invención

La presente invención se encuadra en el ámbito de los sensores eléctricos, en particular de los sensores de tipo capacitivo.

Estado de la técnica

En la actualidad, se conocen sensores de medición, de la posición o el desplazamiento, lineales o angulares, entre dos elementos que se mueven uno con respecto al otro sin tocarse, con ambos elementos móviles (denominándose a dichos elementos móviles, rotores) o permaneciendo algún elemento en una posición fija (denominándose a dichos elementos fijos, estátores), donde la detección de la posición o desplazamiento relativo entre dichos elementos, se efectúa mediante pares capacitivos, situándose una placa de cada par capacitivo, en cada uno de los elementos entre los que existe desplazamiento.

Este tipo de sensores capacitivos para la medida, sin contacto, de desplazamientos relativos entre elementos que se mueven entre sí, encuentran aplicación en la industria de semiconductores, en el montaje y fabricación de todo tipo de aparatos de precisión como, por ejemplo, unidades de disco, por lo que es muy habitual encontrarlos en instalaciones de mecanizado y en cadenas de montaje o fabricación de alta precisión.

Como estos sensores deben equiparse con un microprocesador u otro dispositivo de procesado de señal digital, como una FPGA, su uso se ve muy limitado en determinados ambientes con alta intensidad de radiaciones, como, por ejemplo, en sistemas espaciales o en centrales nucleares, porque las propias radiaciones causan un número de fallos inasumible en dichos dispositivos electrónicos (microprocesadores o FPGA), lo que se puede solventar utilizando dispositivos electrónicos adaptados para funcionar en dichos ambientes adversos. El elevado encarecimiento de estos sensores electrónicos, en ocasiones hasta un factor de alrededor de 250, provoca la inviabilidad de aplicaciones y sistemas donde su uso es intensivo como, por ejemplo, en el ámbito espacial, donde las constelaciones satelitales requieren la utilización de hasta 1000 sensores de este tipo.

Así, es un problema de la presente invención suministrar un sensor para determinar la posición o el movimiento de un primer elemento con respecto a un segundo elemento (y así, medir desplazamientos lineales o angulares) con mejor precisión, sin necesidad de contacto entre dichos elementos (y así, evitar problemas de oxidación y desgaste), donde dicho sensor encuentra aplicabilidad en ambientes con radiación de elevada intensidad energética y en ambientes donde el mantenimiento es nulo o casi nulo, tales como las aplicaciones en sistemas espaciales o en centrales nucleares.

Breve descripción de la invención

La presente invención se refiere a un sensor capacitivo para determinar la posición o el movimiento de un primer elemento (10) con respecto a un segundo elemento (20), estando dichos elementos distanciados entre sí, donde cada elemento comprende una cara plana de aislante, estando dichas caras planas de aislante enfrentadas de forma paralela y distanciadas entre sí, donde cada elemento comprende un eje (z), perpendicular a dichas caras planas y donde:

(i) el primer elemento (10) es una placa de circuito impreso fija que comprende dicho aislante (12) y un circuito electrónico (30) que contiene un elemento capacitivo que, a su vez, comprende:

- una unidad capacitiva que comprende un par de placas conductoras de forma prismática (14), enfrentadas y distanciadas entre sí, una de las cuales se conecta a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante y la otra se conecta a medios para detectar una tensión eléctrica generada en sí misma; y

- una tira conductora de retorno de corriente (16), de forma prismática rectangular, situada equidistantemente entre dichas placas conductoras (14), donde dicha tira de retorno (16) comprende un eje de simetría "s”, y estando dicha tira de retorno (16) conectada a una tensión eléctrica de referencia,

donde:

• una cara rectangular c1’ de dicha tira de retorno (16) se dispone enfrentada y paralela a una cara rectangular c1 de una de las placas conductoras (14), y una cara rectangular c2’ de dicha tira de retorno (16) se dispone enfrentada y paralela a una cara rectangular c2 de la otra de las placas conductoras (14), donde c1’ y c2’ son caras opuestas de dicha tira de retorno (16);

• dichas placas conductoras (14) y dicha tira de retorno (16) se sitúan en el mismo plano (x,y), perpendicular a dicho eje "z”, disponiéndose dos caras rectangulares c3’ y c4’ de dicha tira de retorno (16) paralelas a dicho plano (x,y);

• el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (16) es perpendicular a dicho plano (x,y); y

• la longitud de dicha unidad capacitiva, medida en el eje "r” que pasa perpendicularmente por el eje de simetría "s”, y las caras c1, c1’, c2 y c2’, es L;

(ii) el segundo elemento (20) es una placa móvil, que comprende dicho aislante (24) y al menos una placa conductora prismática (22), donde:

• cada placa conductora (22) se sitúa en un plano (x’,y’) perpendicular al eje z, disponiéndose dos caras de cada placa conductora (22) paralelas a dicho plano (x’,y’);

• cada placa conductora (22) comprende un eje de simetría "s’ ” que es perpendicular a dicho plano (x’,y’);

• la longitud de cada placa conductora (22) medida en el eje "r” , es A, donde A es un valor elegido entre L/2 y 3L/2,

donde:

- el movimiento del segundo elemento (20) está en dicho plano (x’ ,y’); y

- la tensión eléctrica detectada por los medios para detectar la tensión eléctrica generada en dicha unidad capacitiva es superior, cuando una de dichas placas conductoras (22) del segundo elemento (20) se dispone en una posición solapante en que su eje de simetría "s’ ” se alinea con el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (16), con respecto a cuando ninguna de dichas placas conductoras (22) del segundo elemento (20) se dispone en una posición en que su eje de simetría "s’ " se alinea con el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (16).

Además, la presente invención se refiere a un sensor capacitivo giratorio para determinar la posición o el movimiento angular de un primer elemento (50) con respecto a un segundo elemento (60), cuando éste gira alrededor de un eje "z”, estando dichos elementos distanciados entre sí, donde cada elemento comprende una cara plana de aislante, estando dichas caras planas de aislante, enfrentadas de forma paralela y distanciadas entre sí, donde cada cara plana de aislante es perpendicular a dicho eje "z”, y donde:

(i) el primer elemento (50) es un estator, que es una placa de circuito impreso que comprende dicho aislante (52) y un circuito electrónico (80) que contiene un elemento capacitivo que, a su vez, comprende:

- una unidad capacitiva que comprende un par de placas conductoras de forma prismática (54), enfrentadas y distanciadas entre sí, una de las cuales se conecta a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante y la otra se conecta a medios para detectar una tensión eléctrica generada en si misma; y

- una tira conductora de retorno de corriente (56), de forma prismática rectangular, situada equidistantemente entre dichas placas conductoras (54), y estando dicha tira de retorno (56) conectada a una tensión eléctrica de referencia, donde:

• una cara rectangular c1’ de dicha tira de retorno (56) se dispone enfrentada y paralela a una cara rectangular c1 de una de las placas conductoras (54), y una cara rectangular c2’ de dicha tira de retorno (56) se dispone enfrentada y paralela a una cara rectangular c2 de la otra de las placas conductoras (54), donde c1’ y c2’ son caras opuestas de dicha tira de retorno (56);

• dichas placas conductoras (54) y dicha tira de retorno (56) se sitúan en el mismo plano (x,y), perpendicular al eje "z”, estando dos caras rectangulares c3’ y c4’ de dicha tira de retorno (16) paralelas a dicho plano (x,y);

• el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (56), que es perpendicular a dicho plano (x,y), se sitúa a una distancia D de dicho eje "z” ; y • la longitud de dicha unidad capacitiva, medida en el eje "r” que pasa perpendicularmente por el eje "z”, el eje de simetría "s” y las caras c1, c1’, c2 y c2’, es L;

(ii) el segundo elemento (60) es un rotor, que es una placa móvil que comprende dicho aislante (62) y una pista que, a su vez, comprende al menos una placa conductora (64), donde cada placa conductora (64) tiene la forma de un sector de un cilindro hueco que comprende dos caras planares cada una con un lado de radio interno de D - A/2 y un radio externo de D A/2, donde:

• cada placa conductora (64) se sitúa en un plano (x’,y’) perpendicular al eje "z”, disponiéndose dos caras de cada placa conductora (22) paralelas a dicho plano (x’,y’); y

• la cara cóncava de cada placa conductora (64) se sitúa a una distancia D - A/2 de dicho eje "z”, donde A es un valor elegido entre L/2 y 3L/2, donde:

- el movimiento giratorio del segundo elemento (60) está en dicho plano (x’,y’); y - la tensión eléctrica detectada en los medios para detectar la tensión generada en dicha unidad capacitiva es superior, cuando una de dichas placas conductoras (64) del segundo elemento (60) se dispone en una posición solapante en que se intersecta con el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (56), con respecto a cuando ninguna de dichas placas conductoras (64) del segundo elemento (60) se dispone en una posición en que se intersecta con el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (56).

Además, la presente invención se refiere a un método para determinar la posición de un primer elemento (10) del sensor capacitivo, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, con respecto a un segundo elemento (20) del mismo sensor capacitivo, o de un primer elemento (50) del sensor capacitivo giratorio, según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 16, con respecto a un segundo elemento (60) del mismo sensor capacitivo giratorio, donde dicho método comprende las siguientes etapas:

(i) generar una tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante en una de las placas conductoras (14, 54) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10, 50);

(ii) medir la tensión eléctrica generada en la otra placa conductora (14, 54) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10, 50);

donde cuando la tensión eléctrica medida en el paso (ii) es mayor que una tensión eléctrica umbral,

- los ejes de simetría "s” y "s’ ” están alineados en el sensor capacitivo; o - el eje de simetría "s” se intersecta en una placa conductora (64) en el sensor capacitivo giratorio.

Asimismo, la presente invención se refiere a un método para determinar el movimiento de un segundo elemento (20) del sensor capacitivo, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, con respecto a un primer elemento (10) del mismo sensor capacitivo entre un tiempo inicial (T0) y un tiempo (T1), o el movimiento angular de un segundo elemento (60) del sensor capacitivo giratorio, según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 16, con respecto a un primer elemento (50) del mismo sensor capacitivo giratorio entre un instante de tiempo inicial (T0) y un instante de tiempo (T1), donde dicho método comprende las siguientes etapas:

(i) generar una tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante en una de las placas conductoras (14, 54) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10, 50) en dicho instante de tiempo inicial (T0) cuando:

- los ejes de simetría "s” y "s’ ” están alineados en el sensor capacitivo; o - el eje de simetría "s” se intersecta en la placa conductora (64) en el sensor capacitivo giratorio;

(ii) medir la tensión eléctrica (V0) generada en la otra placa conductora (14, 54) de cada unidad capacitiva;

(iii) generar una tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante en una de las placas conductoras (14, 54) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10, 50) entre T0 y T1;

(iv) medir la tensión eléctrica (V1) generada en la otra placa conductora (14, 54) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10, 50) entre T0 y T1;

donde cuando la tensión eléctrica V1 es menor que la tensión eléctrica V0 en cualquier instante de tiempo entre T0 y T1, el segundo elemento (20, 60) se ha movido con respecto al primer elemento (10, 50).

Descripción de las figuras

Figura 1. Representaciones ortográficas de A . una realización del primer elemento (10) del sensor capacitivo de la presente invención consistente en una placa de circuito impreso fija que comprende un aislante (12) sobre la que se sitúa un elemento capacitivo que comprende una unidad capacitiva, formado por dos placas conductoras (14), y una tira conductora (16); y B. realización del primer y segundo elementos del sensor capacitivo de la presente invención que muestra el primer elemento (10) de la Figura 1A como un elemento fijo o estator, y un segundo elemento (20) como un elemento móvil o rotor del sensor capacitivo, estando dichos elementos distanciados entre sí, donde cada elemento comprende una cara plana de aislante, estando dichas caras planas de aislante enfrentadas de forma paralela y distanciadas entre sí, y donde dicho segundo elemento (20) comprende dicho aislante (24) y al menos una placa conductora prismática (22).

Figura 2. Representaciones oblicuas de A . una realización del primer elemento (10) y segundo elemento (20) del sensor capacitivo de la presente invención, donde (i) el primer elemento es una placa de circuito impreso fija que comprende un aislante (12) y un circuito electrónico (30) que contiene un elemento capacitivo que comprende una unidad capacitiva que comprende un par de placas conductoras (14) (una con una cara c1 y otra con una cara c2) y una tira conductora (16) (que comprende un eje de simetría "s” perpendicular a un plano (x,y), caras opuestas c1’ y c2’, y caras opuestas c3’ y c4’) situadas en dicho plano (x,y), perpendicular al eje z, donde la longitud de dicha unidad capacitiva, medida en el eje "r” que pasa perpendicularmente por el eje de simetría "s”, y las caras c1, c1’, c2 y c2’, es L, y donde (ii) el segundo elemento comprende un aislante (24) y una placa conductora prismática (22) situada en un plano (x’,y’) perpendicular al eje z, donde dicha placa conductora (22) comprende un eje de simetría "s’ ” que es perpendicular a dicho plano (x’,y’) y donde la longitud de dicha placa conductora (22) medida en el eje "r” , es A; y B. una realización del primer elemento (50) y segundo elemento (60) del sensor capacitivo giratorio de la presente invención, donde (i) el primer elemento es una placa de circuito impreso fija que comprende un aislante (52) y un circuito electrónico (80) que contiene un elemento capacitivo que comprende una unidad capacitiva que comprende un par de placas conductoras (54) (una con una cara c1 y otra con una cara c2) y una tira conductora (56) (que comprende un eje de simetría "s” perpendicular a un plano (x,y), caras opuestas c1’ y c2’, y caras opuestas c3’ y c4’) situadas en dicho plano (x,y) perpendicular al eje z, donde el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (56), se sitúa a una distancia D de dicho eje "z”, y la longitud de dicha unidad capacitiva, medida en el eje "r” que pasa perpendicularmente por el eje de simetría "s” , y las caras c1, c1’, c2 y c2’, es L’, y donde (ii) el segundo elemento comprende un aislante (62) y una placa conductora (64) situada en un plano (x’,y’) perpendicular al eje z, donde dicha placa conductora (64) tiene la forma de un sector de un cilindro hueco que comprende dos caras planares cada una con un lado de radio interno de D - A ’/2 y un radio externo de D A ’/2, donde la cara cóncava de dicha placa conductora (64) se sitúa a una distancia D - A ’/2 de dicho eje "z”.

Figura 3. Un esquema de una realización de un circuito electrónico (30) para procesar la señal analógica proveniente de un sensor de la presente invención, como aquello de la realización de la Figura 1B, y convertirla en una señal digital, donde dicho circuito comprende un sistema analógico para amplificar y digitalizar las señales analógicas generadas en cada placa conductora (14a, 14b) de la unidad capacitiva del primer elemento (10), una fuente de tensión (32), un amplificador de alta impedancia (transimpedancia) de entrada (34), un filtro paso-bajo (36) y un comparador de señales con histéresis (38). Vpeak es la tensión máxima tres es la duración del pulso que se produce a la salida (40) del amplificador de alta impedancia de entrada (34) ante una excitación producida por la fuente de tensión (32) y una vez acoplada por el condensador (14), donde estas tensiones eléctricas de pico varían en función de que la placa conductora (22) se encuentra en una situación de solape o no con respecto a las placas conductoras (14).

Figura 4. Representaciones de A . una realización del sensor capacitivo giratorio de la presente invención, donde dicho sensor capacitivo giratorio comprende un primer elemento (50) fijo (estator) y un segundo elemento (60) móvil (rotor), donde dicho primer elemento (50) comprende seis elementos capacitivos y por tanto dicho segundo elemento (60) comprende al menos seis placas conductoras; B. una realización del primer elemento (50) fijo de la Figura 4A, donde dicho primer elemento comprende un aislante (52) y un circuito electrónico que contiene seis elementos capacitivos, donde cada elemento capacitivo comprende una unidad capacitiva que comprende un par de placas conductoras de forma prismática (54), y una tira conductora (56); y C. una realización del segundo elemento (60) móvil de la Figura 4A, donde dicho segundo elemento comprende aislante (62) y seis pistas, donde cada pista comprende al menos una placa conductora (64).

Figura 5. Muestra un esquema de un circuito electrónico para procesar las señales analógicas provenientes de los seis elementos capacitivos (54) del primer elemento fijo o estator de la Figura 4B y convertirla en señales digitales, donde una señal analógica se genera en un elemento capacitivo cuando una placa conductora del segundo elemento móvil o rotor de la Figura 4C se dispone en una posición solapante en que se intersecta con el eje de simetría "s” de la tira de retorno de dicho elemento capacitivo.

Figura 6. Muestra un primer elemento (fijo o estator) (100) del sensor de la presente invención que comprende una placa de circuito impreso de aislante (102), donde se han grabado cuatro elementos capacitivos (104), donde cada elemento capacitivo comprende una unidad capacitiva que comprende un par de placas conductoras y una tira conductora de retorno de corriente, además un circuito electrónico para el procesado y acondicionamiento de las señales analógicas provenientes de los cuatro pares capacitivos.

Figura 7. Oscilogramas que muestran la tensión de salida del amplificador de alta impedancia de entrada (34) (señal inferior, 110, 112) ante una excitación cuadrada producida por la fuente de tensión (32) (señal superior) y una vez acoplada por las placas conductoras (14) de la unidad capacitiva del primer elemento (fijo, 10), cuando la placa conductora (22) del segundo elemento (móvil, 20) se encuentra en una situación de A . no-solape (en que una placa conductora (22) del segundo elemento no se intersecta con el eje de simetría "s” de la tira de retorno del primer elemento) con respecto a dicha unidad capacitiva; y B. solape con respecto a dicha unidad capacitiva (en que una placa conductora (22) del segundo elemento se intersecta con el eje de simetría "s” de la tira de retorno del primer elemento). En ambos oscilogramas la excitación es una señal cuadrada de 2V de amplitud y produce una señal a la salida de (34) de 5mV de pico (Vpeak) y 40ms de duración (tres). Se observa claramente que cuando la placa (22) del segundo elemento se encuentra en una situación de solape con respecto a dicha unidad capacitiva, la señal producida por (34) se multiplica por 10. En dichas figuras, V/div = voltios por división, mV/div = milivoltios por división, desv = desviación con respecto a la referencia, kS = kilo (miles de) muestras, MS/s = Mega (millones de) muestras por segundo, BaseT = base de tiempos, |js/div= microsegundos por división, y donde Disparo, Auto y Flanco significan que el osciloscopio (Teledyne Lecroy) se dispara (dibuja) automáticamente las señales cuando aparece una subida positiva de tensión en el canal 1 (C1) medido en tensión continua (DC).

Descripción detallada

La presente invención se refiere a dos sensores y dos métodos para determinar la posición o el movimiento con respecto a un primer elemento y un segundo elemento de dichos sensores. En particular, la presente invención se refiere a un sensor capacitivo para determinar la posición o el movimiento de un primer elemento (10) con respecto a un segundo elemento (20). Además, la presente invención se refiere a un sensor capacitivo giratorio para determinar la posición o el movimiento angular de un primer elemento (50) con respecto a un segundo elemento (60). Asimismo, la presente invención se refiere a un método para determinar la posición de dicho primer elemento (10) de dicho sensor capacitivo con respecto a dicho segundo elemento (20) del mismo sensor capacitivo, o de dicho primer elemento (50) de dicho sensor capacitivo giratorio con respecto a dicho segundo elemento (60) del mismo sensor capacitivo giratorio. Es más, la presente invención se refiere a un método para determinar el movimiento de dicho segundo elemento (20) de dicho sensor capacitivo con respecto a dicho primer elemento (10) del mismo sensor capacitivo, o el movimiento angular de dicho segundo elemento (60) de dicho sensor capacitivo giratorio con respecto a dicho primer elemento (50) del mismo sensor capacitivo giratorio.

Dichos sensores se usan para determinar la posición o el movimiento de un primer elemento con respecto a un segundo elemento. Así, dichos sensores y métodos pueden emplearse en aplicaciones en las que se requiera la detección de desplazamientos o movimientos lineales o angulares, entre el primer elemento y el segundo elemento del sensor. Dichos sensores son capaces de medir un desplazamiento relativo con elevada precisión y/o alta resolución, del orden de centenares de nanómetros, al producirse un cambio en la capacitancia en función del desplazamiento relativo de los elementos que los conforman. Típicamente, un sensor capacitivo se construye usando placas metálicas de precisión que se ubican en proximidad una de otra, mientras que se mantiene un campo eléctrico entre ellas. En muchos casos, la capacitancia variable resultante es relativamente pequeña, generalmente <10 pF (picofaradios), dependiendo, en gran medida, de la geometría de las placas del sensor.

Los sensores de la invención son sensores electrónicos de tipo capacitivo. En particular, dichos sensores comprenden placas conductoras en el primer elemento y al menos una placa conductora en el segundo elemento, donde un efecto capacitivo se genera en las placas conductoras de dicho primer elemento al posicionar o mover la placa conductora de dicho segundo elemento en la proximidad de las placas conductoras de dicho primer elemento, sin que se produzca ningún contacto entre ellos. Así, los sensores de la presente invención se pueden describir como acoplamientos capacitivos.

Las placas conductoras comprendidas en el primer elemento y segundo elemento la presente invención preferiblemente son placas conductoras prismáticas, más preferiblemente placas conductoras prismáticas rectangulares. Dichas placas conductoras aún más preferiblemente comprenden un metal o una aleación que comprende un metal, donde dicho metal se selecciona del grupo que consiste en: oro, cobre, plata, níquel, aluminio, estaño, platino, paladio y litio.

El primer elemento de cada sensor [es decir, el primer elemento (10) del sensor capacitivo y el primer elemento (50) del sensor capacitivo giratorio] es una placa de circuito impreso fija (i.e. una placa plan de circuito impreso que permanece en una posición fija o estática). Dicho segundo elemento [es decir, el segundo elemento (20) del sensor capacitivo y el segundo elemento (60) del sensor capacitivo giratorio], también es una placa, preferiblemente una placa de circuito impreso o plana de circuito impreso (aunque dicha placa preferiblemente no comprende un circuito per se), pero al contrario que el primer elemento, dicho segundo elemento es un elemento móvil.

Dicha placa de circuito impreso del primer elemento y la placa móvil del segundo elemento comprenden un aislante, donde dicho primer elemento comprende una cara plana de aislante y dicho segundo elemento comprende una cara plana de aislante perpendicular a un eje (z). Dicho aislante es preferiblemente un material no conductivo, más preferiblemente un material que tiene una resistividad de entre 1 x 104 MQ.cm y 1 x 108 MQ.cm a 20 °C, aún más preferiblemente un material que tiene una resistividad de entre 1 x 105 MQ.cm y 1 x 107 MQ.cm a 20 °C. Todavía más preferiblemente dicho aislante es un material que se selecciona del grupo que comprende un compuesto de resina epoxídica reforzada de fibra de vidrio, una poliamida (por ejemplo, Nilón o Nomex), una poliimida (por ejemplo, Kapton o Arlon) una poliamida-imida (por ejemplo, Torlon), un silicio y un sillico dopado con al menos nitrógeno. Mucho más preferiblemente, dicho aislante es un compuesto de resina epoxídica reforzada de fibra de vidrio seleccionado de FR4, G10 o CEM1, o una poliamida.

Dicho primer elemento [es decir, el primer elemento (10) del sensor capacitivo y el primer elemento (50) del sensor capacitivo giratorio] y dicho segundo elemento [es decir, el segundo elemento (20) del sensor capacitivo y el segundo elemento (60) del sensor capacitivo giratorio] están distanciados entre sí, donde la cara plana de aislante de dicho primer elemento y la cara plana de aislante de dicho segundo elemento están enfrentadas de forma paralela y distanciadas entre sí. Así, el primer elemento y el segundo elemento ocupan una posición diferente en el eje z, perpendicular a las caras planas de aislante de dichos elementos [es decir, la cara plana del aislante del primer elemento se sitúa en un plano perpendicular al eje (z) que es diferente al plano perpendicular al eje (z) en que se sitúa la cara plana del aislante del segundo elemento]. Los cambios de posición y movimiento (desplazamientos) del segundo elemento se producen en un plano (x’,y’), perpendicular al eje (z), sin que ninguno de los primer o segundo elementos [(10) ó (20) del sensor capacitivo, o (50) ó (60) del sensor capacitivo giratorio] modifiquen la posición que ocupan en el eje z. En una realización preferida del sensor capacitivo de la presente invención, el movimiento del segundo elemento es un movimiento lineal en el plano de su cara plana.

La placa de circuito impreso fija del primer elemento también comprende un circuito electrónico. Así, el primer elemento (10) del sensor capacitivo es una placa de circuito impreso fija que comprende aislante (12) y un circuito electrónico (30), mientras el primer elemento (50) del sensor capacitivo giratorio es una placa de circuito impreso fija que comprende aislante (52) y un circuito electrónico (80). En una realización preferida, sobre dicha cara plana de material aislante del primer elemento, se graba dicho circuito electrónico.

Cada circuito electrónico del sensor capacitivo o sensor capacitivo giratorio contiene un elemento capacitivo que, a su vez, comprende una unidad capacitiva y una tira conductora de retorno de corriente.

Dicha unidad capacitiva comprende un par (dos) placas conductoras de forma prismática, enfrentadas y distanciadas entre sí. En una realización preferida, ambas placas conductoras son de forma prismática rectangular.

Una de dichas placas conductoras se conecta a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante (en la realización del circuito de la Figura 3, la placa conductora (14a) se conecta a una fuente de tensión eléctrica (32)). Preferiblemente, dicha placa conductora se conecta a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante mediante un buffer de entrada (82) o directamente, a un generador o fuente de dicha tensión de onda cuadrada o pulsante. La otra de dichas placas conductoras se conecta a medios para detectar una tensión eléctrica generada en si misma (es decir, la otra placa conductora se conecta a medios para detectar la tensión generada en la placa conductora que no se conecta a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante mediante).

Dicha tira conductora de retorno de corriente tiene una forma prismática rectangular, se sitúa equidistantemente entre dichas placas conductoras y se conecta a una tensión eléctrica de referencia. Dicha tira de retorno (16) comprende caras rectangulares c1’, c2’, c3’ y c4’, y un eje de simétrica "s” (es decir, "s” es un eje de simetría rotacional de orden "m”, donde "m” es un numero natural, preferiblemente donde n es 2 o 4), donde:

• una cara rectangular c1’ de dicha tira de retorno se dispone enfrentada y paralela a una cara rectangular c1 de una de las placas conductoras del mismo elemento capacitivo, y una cara rectangular c2’ de dicha tira de retorno se dispone enfrentada y paralela a una cara rectangular c2 de la otra de las placas conductoras de la misma unidad capacitiva del mismo elemento capacitivo, donde c1’ y c2’ son caras opuestas de dicha tira de retorno;

• dichas placas conductoras y dicha tira de retorno del mismo elemento capacitivo se sitúan en el mismo plano (x,y), perpendicular al eje "z”, disponiéndose dos caras rectangulares c3’ y c4’ de dicha tira de retorno paralelas a dicho plano (x,y);

• el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno es perpendicular a dicho plano (x,y); y • la longitud de la unidad capacitiva, medida (en metros) en el eje "r” que pasa perpendicularmente por el eje de simetría "s” , y las caras c1, c1’, c2 y c2’, es L, donde L es preferiblemente un valor seleccionado entre 0.075 mm hasta 5 mm.

Así, (i) las placas conductoras de la misma unidad capacitiva y (ii) la tira de retorno del mismo elemento capacitivo se sitúan en el mismo plano (x,y) perpendicular al eje z. Las caras c1’-c2’ y las caras c3’-c4’ de la tira de retorno prismática rectangular son caras opuestas paralelas dos a dos, donde la cara c1’ se dispone enfrentada y paralela a una cara rectangular c1 de una de las placas conductoras del mismo elemento capacitivo, y al mismo tiempo, una cara rectangular c2’ de dicha tira de retorno se dispone enfrentada y paralela a una cara rectangular c2 de la otra de las placas conductoras de la misma unidad capacitiva. En el caso del sensor capacitivo giratorio de la invención, el eje de simetría "s” de la tira de retorno (56), se sitúa a una distancia D (en metros) de dicho eje "z”.

En una realización preferida de la presente invención, el circuito electrónico del sensor [es decir, el circuito electrónico (30) del sensor capacitivo y el circuito electrónico (80) del sensor capacitivo giratorio] comprende un sistema digital (82) capaz de generar una señal de tensión eléctrica cuadrada que excita consecutivamente la placa conductora de cada unidad capacitiva (54) del primer elemento que se conecta a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante.

En otra realización preferida de la presente invención, el circuito electrónico del sensor [es decir, el circuito electrónico (30) del sensor capacitivo y el circuito electrónico (80) del sensor capacitivo giratorio] comprende un sistema analógico para amplificar y digitalizar las señales analógicas generadas en cada placa conductora del primer elemento que se conecta a medios para detectar una tensión eléctrica generada en dicha placa conductora. En una realización más preferida de la presente invención, el sistema analógico se conecta a la placa conductora de cada unidad capacitiva que no se conecta a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante, y comprende un amplificador de alta impedancia, un filtro paso-bajo y un comparador de señales con histéresis, en ese orden.

En otra realización preferida de la presente invención, el circuito electrónico del sensor [es decir, el circuito electrónico (30) del sensor capacitivo (Figura 3) y el circuito electrónico (80) del sensor capacitivo giratorio (Figura 5)] comprende los siguientes elementos:

- un generador o un buffer de entrada de una tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante en una de las placas conductoras de cada unidad capacitiva del primer elemento (10); y

- medios para detectar una tensión eléctrica en la otra placa conductora (14) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10). En otra realización más preferida de la presente invención, dicho circuito electrónico del sensor adicionalmente comprende los siguientes elementos:

un amplificador de transimpedancia (34), un filtro paso-bajo (36) y un comparador de señales con histéresis (38), donde el amplificador de transimpedancia (34) tiene una alta impedancia de entrada, para amplificar las corrientes generadas en la placa conductora de cada unidad capacitiva del primer elemento que no está conectada a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante, y convertirlas en una tensión eléctrica, donde el filtro paso-bajo (36) se emplea para filtrar las componentes de alta frecuencia de la tensión eléctrica generada en la placa conductora de cada unidad capacitiva del primer elemento, que no está conectada a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante, y donde el comparador con histéresis (38) se emplea de generar una señal digital o binaria serie.

En la Figura 3 se muestra una realización del circuito electrónico (30) del sensor capacitivo, que comprende un sistema analógico para amplificar y digitalizar las señales analógicas generadas en cada placa conductora (14) de la unidad capacitiva del primer elemento (10). Adicionalmente comprenden, en este orden, un amplificador de transimpedancia (34), un filtro paso-bajo (36) y un comparador de señales con histéresis (38). El amplificador de transimpedancia (34) tiene una alta impedancia de entrada, para amplificar las corrientes generadas en la placa conductora (14) de la unidad capacitiva del primer elemento (10) que no está conectada a una fuente de tensión de onda cuadrada o pulsante, y convertirlas en una tensión. El filtro paso-bajo (36) se emplea para filtrar las componentes de alta frecuencia de la tensión generada en la placa conductora (14) de la unidad capacitiva del primer elemento (10), que no está conectada a una fuente de tensión de onda cuadrada o pulsante. El comparador con histéresis (38) se encarga de generar una señal digital o binaria serie.

El segundo elemento de los sensores comprende un aislante, como se menciona arriba, y al menos una placa conductora. En una realización preferida, sobre dicha cara plana de material aislante del segundo elemento se graba dicho al menos, una placa conductora. Cada placa conductora se sitúa en un plano (x’,y’), perpendicular al eje z [paralelo al plano (x,y) en que las placas conductoras (14) y la tira de retorno (16) se sitúan], disponiéndose dos caras de cada placa conductora paralelas a dicho plano (x’,y’).

En el sensor capacitivo de la presente invención, cada placa conductora (22) del segundo elemento (20) adicionalmente es prismática, donde:

• cada placa conductora comprende un eje de simetría “s’ ” (es decir, “s’ ” es un eje de simetría rotacional de orden "m’ ” , donde “m’ ” es un numero natural, preferiblemente donde n’ es 2 o 4), perpendicular a dicho plano (x’,y’); y

• la longitud de cada placa conductora (22) medida en el eje “r” (perpendicular al eje de simetría “s’ ”), tiene un valor A, donde A es un valor (en metros) elegido entre L/2 y 3L/2, donde:

- el movimiento del segundo elemento (20) está en dicho plano (x’ ,y’); y - la tensión eléctrica detectada por los medios para detectar la tensión eléctrica generada en dicha unidad capacitiva es superior, cuando una de dichas placas conductoras (22) del segundo elemento (20) se dispone en una posición solapante en que su eje de simetría "s’ ” se alinea con el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (16), con respecto a cuando ninguna de dichas placas conductoras (22) del segundo elemento (20) se dispone en una posición en que su eje de simetría "s’ " se alinea con el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (16) (una posición no solapante).

El funcionamiento del sensor capacitivo de la invención se basa en determinar la posición o el movimiento del segundo elemento (20) con respecto al primer elemento (10), a través de los niveles o los cambios en los niveles, respectivamente, de la tensión eléctrica de salida del circuito electrónico (30) que se producen cuando las placas conductoras (14) de la unidad capacitiva del primer elemento (10) tienen enfrentadas una placa conductora (22) del segundo elemento (20) o no. Es decir, la tensión eléctrica detectada por los medios para detectar la tensión eléctrica generada entre las placas conductoras (14) de la unidad capacitiva del sensor capacitivo tiene un valor superior, cuando una de dichas placas conductoras (22) del segundo elemento (20) se dispone en una posición solapante frente a cuando no lo hace, con el eje de simetría "s’ ” de la placa conductora (22) alineado con el eje de simetría "s” de la tira de retorno (16) del primer elemento (10).

El sensor capacitivo de la invención puede configurarse para cualquier resolución binaria necesaria, introduciendo más placas conductoras (14) en la unidad capacitiva del primer elemento (10) e introduciendo en el circuito electrónico (30), un sistema digital (82) capaz de generar una señal de tensión cuadrada que excite consecutivamente cada par de placas conductoras (14) de la unidad capacitiva del primer elemento (10). Un sensor de "n” bits de resolución estaría formado por "n” par de placas conductoras (14) en la unidad capacitiva, donde n preferiblemente, sería un numero entero elegido entre 2 y 16, más preferiblemente n es un numero entero elegido entre 4 y 15.

Cuando el movimiento del segundo elemento es un movimiento angular en el plano (x,y), algunos de los componentes del sensor tienen una configuración circular, configurándose el sensor como el sensor capacitivo giratorio de la invención.

Así, en el sensor capacitivo giratorio de la presente invención, cada placa conductora (64) del segundo elemento (60) (el rotor) adicionalmente comprende una pista que, a su vez, comprende al menos una placa conductora (64), donde cada placa conductora (64) tiene la forma de un sector de un cilindro hueco que comprende dos caras planares cada una con un lado de radio interno de D - A/2 y un radio externo de D A/2 (es decir, la diferencia en longitud entre los lados internos y externos de dicho cilindro hueco es A), donde:

• la cara cóncava de cada placa conductora (64) se sitúa a una distancia D - A/2 de dicho eje "z” , donde A es un valor (en metros) elegido entre L/2 y 3L/2,

donde:

El funcionamiento del sensor capacitivo giratorio de la invención se basa en determinar la posición o el movimiento del segundo elemento (60) con respecto al primer elemento (50), a través de los niveles o los cambios en los niveles, respectivamente, de la tensión eléctrica de salida del circuito electrónico (80) que se producen cuando las placas conductoras (54) de la unidad capacitiva del primer elemento (50) están enfrentadas con una placa conductora (64) del segundo elemento (60) o no. Es decir, la tensión detectada en los medios para detectar la tensión generada en dicha unidad capacitiva del sensor capacitivo giratorio es superior, cuando una de dichas placas conductoras (64) del segundo elemento (60) se dispone en una posición solapante en que se intersecta con el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (56), con respecto a cuando ninguna de dichas placas conductoras (64) del segundo elemento (60) se dispone en una posición que se intersecta con el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (56).

El sensor capacitivo giratorio puede configurarse para cualquier resolución binaria "n” necesaria. En una realización preferida del sensor capacitivo giratorio de la invención, el circuito electrónico comprende "n” elementos capacitivos (es decir, "n” pares de placas conductoras (54) y "n” tiras de retorno (56) correspondiente) en el primer elemento (50) y de manera correspondiente, "n” pistas concéntricas en el segundo elemento (60), donde cada pista comprende al menos una placa conductora (64), donde la distancia D es diferente para cada elemento capacitivo y su pista asociada correspondiente y donde "n” es un número entero elegido entre 2 y 16, más preferiblemente entre 4 y 15. Así, en dicha realización más preferida, cada par de placas conductoras (54) y su pista correlativa se encuentran a una distancia D diferente. En una realización más preferida del sensor capacitivo giratorio de la invención, el número "C” de placas conductoras en cada pista concéntrica del segundo elemento (60) es un número entero entre 1 y 2(n -2), aún más preferiblemente entre 1 y 214 cuando n = 16 o mucho más preferiblemente entre 1 y 213 cuando n = 15, donde C es diferente para cada pista, cuando el número de pistas es superior a 1. Además, se debe incorporar al circuito electrónico (80), un sistema digital capaz de generar una señal de tensión cuadrada que excita consecutivamente cada par de placas conductoras (54) de la unidad capacitiva del primer elemento (50), generando una salida digital en serie, según cualquier sistema de codificación del estado de la técnica actual. En una realización aún más preferida del sensor capacitivo giratorio de la invención, la distribución de las placas conductoras (64) sobre el segundo elemento (60) ofrece una salida digital en serie siguiendo una codificación Gray.

En la Figura 5 se muestra el circuito electrónico (80) del sensor capacitivo giratorio que comprende un sistema analógico para amplificar y digitalizar las señales analógicas generadas en las placas conductoras (54) del primer elemento (50) que no se conectan a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante. Adicionalmente comprenden, en este orden, un amplificador de transimpedancia, un filtro paso-bajo y un comparador de señales con histéresis. El amplificador de transimpedancia tiene una alta impedancia de entrada, para amplificar las corrientes generadas en la placa conductora (54) de la unidad capacitiva del primer elemento (50) que no está conectada a una fuente de tensión de onda cuadrada o pulsante, y convertirlas en una tensión. El filtro paso-bajo se emplea para filtrar las componentes de alta frecuencia de la tensión generada en la placa conductora (54) de la unidad capacitiva del primer elemento (50), que no está conectada a una fuente de tensión de onda cuadrada o pulsante. El comparador con histéresis (84) se encarga de generar una señal digital o binaria serie.

La presente invención también describe métodos para determinar la posición o el movimiento utilizando los sensores de la presente invención.

El método de la presente invención para determinar la posición de un primer elemento (10,50) del sensor, con respecto a un segundo elemento (20,60) del mismo sensor, respectivamente, comprende las siguientes dos etapas:

(i) generar una tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante en una de las placas conductoras (14,54) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10,50).

(ii) medir la tensión eléctrica generada en la otra placa conductora (14,54) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10,50),

- los ejes de simetría "s” y "s’ ” están alineados en el sensor capacitivo; o - el eje de simetría "s” se intersecta en la placa conductora (64) en el sensor capacitivo giratorio. Así se discrimina dicha posición del primer elemento (10,50) con respecto al segundo elemento (20,60), a partir de la tensión eléctrica medida en la etapa (ii). En aplicaciones con desplazamientos lineales, cuando los ejes de simetría "s” y "s’ ” del sensor capacitivo están alineados, la tensión eléctrica medida en la etapa (ii) es mayor que la tensión umbral que se fije en dicha aplicación de uso. En aplicaciones con desplazamientos angulares, cuando el eje de simetría "s” se intersecta en la placa conductora (64) del sensor capacitivo giratorio, la tensión eléctrica medida en la etapa (ii) es mayor que la tensión umbral que se fije en dicha aplicación de uso.

El método de la presente invención para determinar el movimiento de un segundo elemento (20,60) del sensor, con respecto al primer elemento (10,50) del mismo sensor entre un instante de tiempo inicial (T0) y un instante de tiempo (T1), comprende las siguientes cuatro etapas:

Las Figuras 1A, 1B y 2B muestran los detalles del sensor capacitivo para determinar la posición o el movimiento lineal entre un primer elemento y un segundo elemento de dicho sensor.

Ejemplos

A continuación, se describen varios ejemplos concretos de la invención haciendo referencia a las figuras adjuntas. En dichas figuras los componentes con funciones iguales o similares se han designado usando el mismo número de referencia. Los ejemplos descritos a continuación tienen carácter ilustrativo y no pretenden limitar el ámbito de la presente invención.

En la Figura 6 se muestra parte de un prototipo del sensor (100) según la presente invención. Concretamente se muestra el primer elemento (fijo o estator) que comprende una placa de circuito integrado (impreso) de silicio dopado (102). Las dimensiones del estator son 130mm x 100 mm. La resolución del sensor es de 4 bits, porque el primer elemento comprende cuatro elementos capacitivos, donde cada elemento capacitivo comprende una unidad capacitiva que comprende a su vez un par de placas conductivas (104) y una tira conductora. Asimismo, la figura del sensor muestra el circuito electrónico (30) para el procesado y acondicionamiento de las señales analógicas provenientes de los cuatro pares de placas conductoras (104).

Las Figuras 7A y 7B muestran el funcionamiento del prototipo del sensor que comprende el primer elemento de la Figura 6 , en que se generó una señal cuadrada de 2V de amplitud como excitación que produce una señal a la salida de 5mV de pico (Vpeak) y 40ms de duración (tres). La Figura 7A muestra un oscilograma de la amplitud y forma de onda a la entrada y a la salida de un par capacitivo del elemento fijo o estator del sensor, cuando se da una situación de no solapamiento donde ninguna de las placas conductoras del segundo elemento se dispone en una posición en que su eje de simetría "s’ ” se alinea con el eje de simetría "s” de la tira de retorno. La señal generada (110) tiene un nivel despreciable, cercano a los 20 mV.

Sin embargo, cuando se da una situación de solapamiento donde una de dichas placas conductoras del segundo elemento se dispone en una posición en que su eje de simetría "s’ ” se alinea con el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno, el nivel de señal generada (112) es más que un orden de magnitud (aproximadamente 15 veces) superior, obteniéndose a la salida del par de placas conductoras comprendidas en el elemento capacitivo una nivel de tensión eléctrica cercano a 300 mV, tal como se muestra en la Figura 7B, donde se muestra un oscilograma de la amplitud y forma de onda a la entrada y a la salida de un par de placas conductoras comprendidas en el elemento capacitivo del elemento fijo o estator del sensor, cuando se produce dicha situación de solapamiento.

Claims

REIVINDICACIONES

Sensor capacitivo para determinar la posición o el movimiento de un primer elemento (10) con respecto a un segundo elemento (20), estando dichos elementos distanciados entre sí, donde cada elemento comprende una cara plana de aislante, estando dichas caras planas de aislante enfrentadas de forma paralela y distanciadas entre sí, donde cada elemento comprende un eje (z), perpendicular a dichas caras planas y donde:

(i) el primer elemento (10) es una placa de circuito impreso fija que comprende dicho aislante (12) y un circuito electrónico (30) que contiene un elemento capacitivo que, a su vez, comprende:

- una unidad capacitiva que comprende un par de placas conductoras de forma prismática (14), enfrentadas y distanciadas entre sí, una de las cuales se conecta a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante y la otra se conecta a medios para detectar una tensión eléctrica generada en si misma; y

- una tira conductora de retorno de corriente (16), de forma prismática rectangular, situada equidistantemente entre dichas placas conductoras (14), donde dicha tira de retorno (16) comprende un eje de simetría "s”, y estando dicha tira de retorno (16) conectada a una tensión eléctrica de referencia, donde:

• una cara rectangular c1’ de dicha tira de retorno (16) se dispone enfrentada y paralela a una cara rectangular c1 de una de las placas conductoras (14), y una cara rectangular c2’ de dicha tira de retorno (16) se dispone enfrentada y paralela a una cara rectangular c2 de la otra de las placas conductoras (14), donde c1’ y c2’ son caras opuestas de dicha tira de retorno (16);

• dichas placas conductoras (14) y dicha tira de retorno (16) se sitúan en el mismo plano (x,y), perpendicular a dicho eje "z” , disponiéndose dos caras rectangulares c3’ y c4’ de dicha tira de retorno (16) paralelas a dicho plano (x,y);

• el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (16) es perpendicular a dicho plano (x,y); y

• la longitud de dicha unidad capacitiva, medida en el eje "r” que pasa perpendicularmente por el eje de simetría "s” , y las caras c1, c1’, c2 y c2’, es L;

(ii) el segundo elemento (20) es una placa móvil, que comprende dicho aislante (24) y al menos una placa conductora prismática (22), donde:

• cada placa conductora (22) se sitúa en un plano (x’,y’) perpendicular al eje z, disponiéndose dos caras de cada placa conductora (22) paralelas a dicho plano (x’,y’);

• cada placa conductora (22) comprende un eje de simetría "s’ ” que es perpendicular a dicho plano (x’,y’);

• la longitud de cada placa conductora (22) medida en el eje "r” , es A, donde A es un valor elegido entre L/2 y 3L/2,

donde:

- el movimiento del segundo elemento (20) está en dicho plano (x’,y’); y - la tensión eléctrica detectada por los medios para detectar la tensión eléctrica generada en dicha unidad capacitiva es superior, cuando una de dichas placas conductoras (22) del segundo elemento (20) se dispone en una posición solapante en que su eje de simetría "s’ ” se alinea con el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (16), con respecto a cuando ninguna de dichas placas conductoras (22) del segundo elemento (20) se dispone en una posición en que su eje de simetría "s’ " se alinea con el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (16).

Sensor capacitivo según la reivindicación 1, donde el movimiento del segundo elemento es un movimiento lineal en el plano de su cara plana.

Sensor capacitivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque comprende un sistema analógico para amplificar y digitalizar las señales analógicas generadas en cada placa conductora (14) del primer elemento (10) que se conecta a medios para detectar una tensión eléctrica generada en dicha placa conductora (14).

Sensor capacitivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque comprende un sistema digital capaz de generar una señal de tensión eléctrica cuadrada que excita consecutivamente la placa conductora de cada unidad capacitiva del primer elemento (10) que se conecta a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante.

Sensor capacitivo según la reivindicación 3, caracterizado porque el sistema analógico se conecta a la placa conductora (14) de cada unidad capacitiva que no se conecta a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante, y comprende un amplificador de alta impedancia, un filtro paso-bajo y un comparador de señales con histéresis, en ese orden.

Sensor capacitivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el circuito electrónico comprende los siguientes elementos:

- un generador o un buffer de entrada (82) de una tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante en una de las placas conductoras (14) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10); y

- medios para detectar una tensión eléctrica en la otra placa conductora (14) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10).

Sensor capacitivo según la reivindicación 6, caracterizado porque el circuito electrónico adicionalmente comprende los siguientes elementos:

- un amplificador de transimpedancia, con una alta impedancia de entrada, para amplificar las corrientes generadas en la placa conductora (14) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10) que no está conectada a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante, y convertirlas en una tensión eléctrica;

- un filtro paso-bajo, para filtrar las componentes de alta frecuencia de la tensión eléctrica generada en la placa conductora de cada unidad capacitiva (14) del primer elemento (10), que no está conectada a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante; y

- un comparador con histéresis, para generar una señal digital o binaria serie.

Sensor capacitivo giratorio para determinar la posición o el movimiento angular de un primer elemento (50) con respecto a un segundo elemento (60), cuando éste gira alrededor de un eje "z” , estando dichos elementos distanciados entre sí, donde cada elemento comprende una cara plana de aislante, estando dichas caras planas de aislante, enfrentadas de forma paralela y distanciadas entre sí, donde cada cara plana de aislante es perpendicular a dicho eje "z”, y donde:

(i) el primer elemento (50) es un estator, que es una placa de circuito impreso que comprende dicho aislante (52) y un circuito electrónico (80) que contiene un elemento capacitivo que, a su vez, comprende:

- una unidad capacitiva que comprende un par de placas conductoras de forma prismática (54), enfrentadas y distanciadas entre sí, una de las cuales se conecta a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante y la otra se conecta a medios para detectar una tensión eléctrica generada en si misma; y

- una tira conductora de retorno de corriente (56), de forma prismática rectangular, situada equidistantemente entre dichas placas conductoras (54), y estando dicha tira de retorno (56) conectada a una tensión eléctrica de referencia,

donde:

• una cara rectangular c1’ de dicha tira de retorno (56) se dispone enfrentada y paralela a una cara rectangular c1 de una de las placas conductoras (54), y una cara rectangular c2’ de dicha tira de retorno (56) se dispone enfrentada y paralela a una cara rectangular c2 de la otra de las placas conductoras (54), donde c1’ y c2’ son caras opuestas de dicha tira de retorno (56);

• dichas placas conductoras (54) y dicha tira de retorno (56) se sitúan en el mismo plano (x,y), perpendicular al eje "z”, estando dos caras rectangulares c3’ y c4’ de dicha tira de retorno (16) paralelas a dicho plano (x,y);

• el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (56), que es perpendicular a dicho plano (x,y), se sitúa a una distancia D de dicho eje "z”; y

• la longitud de dicha unidad capacitiva, medida en el eje "r” que pasa perpendicularmente por el eje "z” , el eje de simetría "s” y las caras c1, c1’, c2 y c2’, es L;

(ii) el segundo elemento (60) es un rotor, que es una placa móvil que comprende dicho aislante (62) y una pista que, a su vez, comprende al menos una placa conductora (64), donde cada placa conductora (64) tiene la forma de un sector de un cilindro hueco que comprende dos caras planares cada una con un lado de radio interno de D - A/2 y un radio externo de D A/2, donde:

• cada placa conductora (64) se sitúa en un plano (x’,y’) perpendicular al eje "z”, disponiéndose dos caras de cada placa conductora (22) paralelas a dicho plano (x’,y’); y

• la cara cóncava de cada placa conductora (64) se sitúa a una distancia D - A/2 de dicho eje "z”, donde A es un valor elegido entre L/2 y 3L/2,

donde:

- el movimiento giratorio del segundo elemento (60) está en dicho plano (x',y'); y

- la tensión eléctrica detectada en los medios para detectar la tensión generada en dicha unidad capacitiva es superior, cuando una de dichas placas conductoras (64) del segundo elemento (60) se dispone en una posición solapante en que se intersecta con el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (56), con respecto a cuando ninguna de dichas placas conductoras (64) del segundo elemento (60) se dispone en una posición en que se intersecta con el eje de simetría "s” de dicha tira de retorno (56).

9. Sensor capacitivo giratorio según la reivindicación 8, caracterizado porque dicho circuito comprende "n” elementos capacitivos en el primer elemento (50) y de manera correspondiente, "n” pistas concéntricas en el segundo elemento (60), donde cada pista comprende al menos una placa conductora (64), donde la distancia D es diferente para cada elemento capacitivo y su pista asociada correspondiente y donde "n” es un número entero elegido entre 2 y 16.

10. Sensor capacitivo giratorio según la reivindicación 9, caracterizado porque el número C de placas conductoras (64) de cada pista concéntrica del segundo elemento (60) es un número entero elegido entre 1 y 214, donde C es diferente para cada pista, cuando el número de pistas es superior a 1.

11. Sensor capacitivo giratorio según cualquiera de las reivindicaciones 9 y 10, caracterizado porque la distribución de las placas conductoras (64) sobre el segundo elemento (60) ofrece una salida digital en serie siguiendo una codificación Gray.

12. Sensor capacitivo giratorio según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizado porque comprende un sistema analógico para amplificar y digitalizar las señales analógicas generadas en cada placa conductora (54) del primer elemento (50) que se conecta a medios para detectar una tensión eléctrica generada en dicha placa conductora (54).

13. Sensor capacitivo giratorio según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizado porque comprende un sistema digital capaz de generar una señal de tensión eléctrica cuadrada que excita consecutivamente la placa conductora de cada unidad capacitiva del primer elemento (50) que se conecta a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante.

Sensor capacitivo giratorio según la reivindicación 12, caracterizado porque el sistema analógico se conecta a la placa conductora (54) de cada unidad capacitiva que no se conecta a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante, y comprende un amplificador de alta impedancia, un filtro paso-bajo y un comparador de señales con histéresis, en ese orden.

Sensor capacitivo giratorio según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14 caracterizado porque el circuito electrónico comprende los siguientes elementos: - un generador o un buffer de entrada (82) de una tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante en una de las placas conductoras (54) de cada unidad capacitiva del primer elemento (50); y

- medios para detectar una tensión eléctrica en la otra placa conductora (54) de cada unidad capacitiva del primer elemento (50).

Sensor capacitivo giratorio según la reivindicación 15, caracterizado porque el circuito electrónico adicionalmente comprende los siguientes elementos:

- un amplificador de transimpedancia, con una alta impedancia de entrada, para amplificar las corrientes generadas en la placa conductora (54) de la unidad capacitiva del primer elemento (50) que no está conectada a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante, y convertirlas en una tensión eléctrica;

- un filtro paso-bajo, para filtrar las componentes de alta frecuencia de la tensión eléctrica generada en la placa conductora de la unidad capacitiva (54) del primer elemento (50), que no está conectada a una fuente de tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante; y

- un comparador con histéresis, para generar una señal digital o binaria serie.

Método para determinar la posición de un primer elemento (10) del sensor capacitivo, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, con respecto a un segundo elemento (20) del mismo sensor capacitivo, o de un primer elemento (50) del sensor capacitivo giratorio, según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 16, con respecto a un segundo elemento (60) del mismo sensor capacitivo giratorio, donde dicho método comprende las siguientes etapas:

(i) generar una tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante en una de las placas conductoras (14, 54) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10, 50);

(ii) medir la tensión eléctrica generada en la otra placa conductora (14, 54) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10, 50);

donde cuando la tensión eléctrica medida en el paso (ii) es mayor que una tensión eléctrica umbral,

- los ejes de simetría "s” y "s’ ” están alineados en el sensor capacitivo; o - el eje de simetría "s” se intersecta en una placa conductora (64) en el sensor capacitivo giratorio.

Método para determinar el movimiento de un segundo elemento (20) del sensor capacitivo, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, con respecto a un primer elemento (10) del mismo sensor capacitivo entre un instante de tiempo inicial (T0) y un instante de tiempo (T1), o el movimiento angular de un segundo elemento (60) del sensor capacitivo giratorio, según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 16, con respecto a un primer elemento (50) del mismo sensor capacitivo giratorio entre un instante de tiempo inicial (T0) y un instante de tiempo (T1), donde dicho método comprende las siguientes etapas:

(i) generar una tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante en una de las placas conductoras (14, 54) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10, 50) en dicho instante de tiempo inicial (T0) cuando:

- los ejes de simetría "s” y "s’ ” están alineados en el sensor capacitivo; o - el eje de simetría "s” se intersecta en la placa conductora (64) en el sensor capacitivo giratorio;

(ii) medir la tensión eléctrica (V0) generada en la otra placa conductora (14, 54) de cada unidad capacitiva;

(iii) generar una tensión eléctrica de onda cuadrada o pulsante en una de las placas conductoras (14, 54) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10, 50) entre T0 y T1;

(iv) medir la tensión eléctrica (V1) generada en la otra placa conductora (14, 54) de cada unidad capacitiva del primer elemento (10, 50) entre T0 y T1;

donde cuando la tensión eléctrica V1 es menor que la tensión eléctrica V0 en cualquier instante de tiempo entre T0 y T1,

el segundo elemento (20, 60) se ha movido con respecto al primer elemento (10, 50).