Brevet FR2495859A1 — publié le 19820611

l 2495859 La présente invention concerne un dispositif de com- mutation à capteur magnétique, actionne par l'approche d'un matériau perméable magnétiquement, et plus particu- lièrement, un dispositif de commutation a capteur magné- tique agencé pour détecter le magnétisme au moyen d'un élément à réluctance magnétique du type à trois bornes, utilisant des caractéristiques de résistance provoquées par effet de réluctance ferromagnétique. Des éléments convertisseurs de magnétisme en élec- tricité, modifiant la tension de sortie en réponse à un champ magnétique sont couramment et largement utilisés dans le domaine des instruments et appareils, comme des lecteurs pour lire des échelles magnétiques et des repères réglés maonétiquement, des générateurs de fréquences pour commander la rotation de moteurs, etc., ou des réglages de volume et commutateurs sans contact. Comme élément de conversion de magnétisme en élec- tricité, il est possible d'utiliser un élément à reluc- tance ferromagnétique basé sur le principe de détection de magnétisme par l'effet de réluctance ferromagnétique d'un métal ferromagnétique, et un élément a réluctance magnétique semi-conducteur ou élément de Hall basé sur le principe de détection de magnétisme par l'effet de réluc- tance magnétique d'un semi-conducteur. En cénéral, l'élé- ment à réluctance ferromagnétique semi-conducteur et l'élément de Hall utilisant le semi-conducteur sont prin- cipalement utilisés comrnme élément de conversion de magné- tisme en électricité. Les effets de réluctance ferromagnétique d'un métal ferromagnétique peuvent se diviser d'une façon générale en deux catégories. Le premier eú'fet est un changement de resistance qui varie avec un changement de magnitisation spontanée due à un champ magnétique extérieur, ce qu'ex- plique bien la théorie de Mott. En général, cet effet est un effet négatif de réluctance magnétique car lorsque le champ magnétique augmente, la résistance diminue de façon linéaire et de façon isotrope par rapport à la direction du cnamp magnétique. Bien que cet effet soit plus prononcé - 2- 2495859 à proximité du point de Curie ol la magnétisation spon- tanée est intensifiée, il peut être négligé à moins de l'action d'un champ magnétique puissant. iLe second effet, observé dans un champ magnéti- que relativenent réduit est un effet dans lequei la ré- sistance v'ariede façon anisotrope par rapport à l'angle entte la direction de magnétisation et la direction du courant. Cet effet est important dans la plage des tem- pératures o ïa magnétisation spontan-e varie légèrement avec!a température, et atg-,mente a l'approche du point d(e Curie.}n lintrral, 1a rpsi.it;Lnce d 'un mé_tal ferro- magnétique est maximale quand la direction du courant est parallèle a celle de la magnétisation, et minimale dans le cas ou ces directions sont perpendiculaires. Ce- la est représenté par l'équation générale suivante: R(G) = Rl. sin29 + Ry. cos (1 L'équation (1) est onnue sous le nom d'équation de Viogt-Thomson. 7n outre, dans l'équation (1}, e re- présente l'angle entre le courant et la magnétisation saturée, iH la résistanPce quand le courant est perpenrdi- culair' à '- anétiraticn setrée et {// la résistance quand le cr:--rdnt est parallele a la magnétisation saturee: Des élmexn-s à rl'uctance magnétique de métal ferromagné- tique uti1iant ce second affet cont été utilisés partiel- t,:e.*:-t)'.:tique ce qui conlerne les neétaux ferre- nagnuJtJquz_:,]:o,:is.-a,'g pet.- _ f ré ói.:eluctance magneti que, il fú'u; note2 I'a:iag, Ni-Co, l'alliage Ni-Fe, l'alt]Ja-e S.-A1, l'al[iaFe Ni.-Mn et l'a]liage Ni-'-In. D'autres caaceriiqes et avantages de l'irn- v:t- 2t3: 3r - t mieux compris a ia lecture dela descrip- tin qt:. n -: s,4i.vre d. plusieurs exe:emples de réalisation et eni se rt-f-rant aux dessins annexes sur lesquels: La Figure 1 est un schema montrant la disposition d'un mrode antérieur de realisation d'un dispositif de com- mutation à capteur à réluctance magnétique, la Figure 2 est une courbe illustrant des carac- teSr.iqvue:; de fonctionnement de ce mode de réalisation, -3 - La Figure 3 est un sch.éma illustrant le pririn- cipe de la disposition d'un mode de réalisation d'un dis positif' de commutation à capteur magnétique selon l'in- vention, la Figure 4 est une courbe illustrant les caractéristiques de fonctionnement de ce mode de réalisa- tion, la Figure 5 est un schéma illustrant la dis- position pratique de circuits de courant d'éléments à réluctance magnétique, appliqués aux précédents modes de réalisation, la Figure 6 est un schéma illustrant le prin- cipe datla disposition d'un autre mode de réalisation d'un dispositif de commutation à capteur magnétique, la Figure 7 est une courbe illustrant des caractéristiques de fonctionnement de ce mode de réalisa- tion, la Figure 8 est un schéma d'un mode modifié de réalisation de l'invention et la Figure 9 est une coupe de partie principale d'un mode concret de réalisation. La Figure I illustre doncle principe d'un mode courant de réalisation d'un dispositif de commutation à capteur rnmagnétique comprenant un élément 10 à réluctance magnétique utilisant l'effet précité de réluctance magné- tique, Dans le mode courant de réalisation représenté sur la Fig. 1, l'élément 10 à réluctance magnétique comporte un premier circuit de courant 1 et un second circuit de courant 2, formés en métal ferromagnétique et interconnec- tés en série, et comprenant aux deux extrémités des bornes 3, 4 pour le courant d'équilibre et un point milieu connec- té à une borne de sortie 5, de manière à former un élé- mnient à réluctance magnétique du type a trois bornes. En outre, le premier circuit de courant 1 et le second cir- cuit de courant 2 sont disposés et formés pour être perpen- diculaires entre eux, et un champ magnétique de polarisa- tion à saturation 1-B produit par un aimant de polarisation 9 C LI 6 fi.xj 'sur '"-iment 10 à rc-.uctance oagn nétique est ap- pliqué au premier circuit de courant 1 dans une direc- tion perpendiculaire àa celle du courant de polarisation et au second circuit de courant 2 dans une direction pa- rallèle à celle du courant de polarisation. L'élément 10 à réluctance magnétique est dispo- sé le maniîre à pouvoir être déplacé par rapport à une tige 7 permable magnétiquement, faite d'un matériau perméable magnétiquement comme pièce à détecter, et il détecte les changements de direction du champ magnétique de polarisation ilB dans les circuits de courant respectifs qui sont provoqués par l'approche de la tige perméable 7. I,'élémenrt 10 à réluctance magnétique est connecteé à des résistances extérieures 11, 129 entre les bornes 3,4 pour constituer un circuit en pont a résistances qui re- çoit le courant d'alimentation d'une source d'alimenta- tion non représentee, Le signal de sortie de déséquilibre obtenu entre la borne de sortie 5 de l'élément 10 à réluc- tance magnétique et la borne de sortie]3 au point milieu de la connexion entre les résistances extérieures 11, 12 est délivré par l'intermédiaire d'un circuit 15 d'ampli- ficateur différentiel constitué par un amplificateur opé- rationnel 14. Dans le dispositif de commutation à capteur magnétique de type courant ainsi réalisé, quand la tige 7 perméable magnétiquement s'approche de l'élément lOà ré- luctance magnétique, cette tige perméable 7 est magnétisée par le champ magnétique de polarisation IHB de sorte qu'un champ magnétique est appliqué dans la direction perpendi- culaire à celle du champ magnétique de polarisation HB. produisant un champ magnétique de commande dans la direc- tion de la flèchesur la figure, dans les circuits de cou- rant respectifs 1, 2 de l'élément 10 à réluctance magnéti- que, Ainsi, les circuits de courant 1, 2 respectifs pré- sentent des caractéristiques de résistance selon l'équa- tion (1) en réponse au changement de direction du champ magnétique appliqu.. Lao Hisara -:^_si une tension de sor- i' d.$... -i_ H...r u.ee par l'équation suivante entre les bornes de sortie 5, 13. àV = ' pour le fonctionnement du commutateur dans la p.laje indi- quée par le trait plein sur la courbe caractéristique do KV cos 2G, représentée par le trait pointillé surla Fig.". e dispositif courant de commutation à capteur mag;neti- que possédant cette caracteristique de fonctionnement pré- sente une dépendance ue la température d'environ 100 à ?00 mV/l0 C lorsque la caracteristique en temprrature de la tension de sortie AV est mesurée reellement dans le voisi- nage du point de fonctionnement du commutateur. Ainsi, compt;e tenu des problèmes posés par ce mode courant de réalisation, l'invention a pour objet d'aumenter le taux de variation de la tension de sortie on fonction des varia[ions de la direction du chamrp magne- tique résultant de l'approchede la ti;ge perméable magnie- tiquemerlt, afin d'augmenter la sensibilité à la détection, toute en reduisant la variation Lie la tension oJe sortie sous l'efft'et. l'une variation dle temperature, c'est-à-dire la dépe-nldance entre la tension de sortie et l.a température en proposant un disposit.if de commutation à capteur ma;nfe- tique d'une disposition nouvelle. La Figure 3 est un schéma illustrant le principe l'un dispositif de commutation à capteur magnétique selon iL'invention. Selon la Figure 3, un élfmeont 20 àa réluctance magneétique comporte un premier ciicuit de courant 2l et un second circuit de coura,, "2 disposim lin.iîsa lllerlt, formés 6 2495859 en une matièere à réluctance ferroomagnétique, et inter- conlaectés en serie, avec aux deux extrémités des bornes d'alimentation 23, ?4 et au point miiieu une connexion avec une borne de sortie 25 afin d'obtenir une disposi- Cion du type à trois bornes. Une source d'alimentation 2C. st -'oinecte entre les bornes c'alimnentation 23, 24 a,, I 't:ecnt:0 à réLuctarice mag-nétique afin de fournir tun courant ie polarisation lB produit par cette source 2t.. ln champ magnitique de polarisation IB dans la direc- tion fiaisant un angle 00 avec colle du courant de polari- sation lB est appliqué auxcircuits uecourant respectifs 1, '? (le l'eé6:ient 20 à réluctance magnFtique, au moyen d'tunr aimunt ue polarisation,0. Quandl la direction du champ magnétique de pc larisation I13 dans les circuits de courant respectifs 1,.2. est devir-e d'un petit alngle de déviation + / pa. l'approche de la tige e_' perm-able ma;gnétiquement, et s.i l'o1 suppose que V0 Czt -a telnsioil appliquce aux bornes "3,.-' de 'i-5lemenî 20;r-t l3t'ctance;agnôtique par la "0 sou ce d 'a' J;-ntat i.n '> ' t. 'r ion de sortie V gG P'r ouit e ciftri la lC c. sitie et. t.a borne de lma;se est ot,ï-:inea te la nents suivante. iDans le Preci- circuit cie courant 21, se trotre une valeur de résistan.-e RA 'onn6oe -a 'eiuatiorn (3 ciC i-arès: :i{,si?-l(';:O- '.a'-:,4cos{O0t -.: tSA I j d 9. 2,:i11 'te3- e O l S t1 r)F m -3 Lr., *- "c' C cion l;a. io ' i) 'de Voigt 2humson pre.,i ée: :id.l- q( 'et sccould c.'iI.Eu Li' '_t;1adnti 29 pr.senr.e une vaieu;:;esis anc tn.e,o mgn:;e O-ar J Iéquation (4', ci- úI :,!- =t4 - Sinrt)- (0 -.:e) +,.ios (0-.4 f; e) Ainsi, la tension rie sortie \'(AOj peut ê-tre re- pi- enrite par l 'équation suivante- (]: _ o A- ") 'in" ri 9 i +; is(a> _,., ,,l :}.st, 1/J} - 7 2495859 Dans le dispositif de commutation à capteur magrnétique comportant ['élément 20 à réluctance magnéti- que, La tension de sortie.AV représentée par l'équation suivante: AV = KiV0. sin 2At (o) est obtenue en produisant comme tension de sortie de détection AV une tension déséquilibrée par rapport à la tension de réfdrence V O/2 par un circuit en pont simi- laire à celui du mode classique de réaLisation par exem- ple. Cette tension de sortie AV est représentée par la liifne en traits pleins sur la courbe caractéristique de i"VO. Sin 2G, comme Le montre la lig-. 4 et en principe, elle présente une dérive de température nulle et un taux de variation maximal àAA quand $ est rég Lé à 4i1o et 1l N. = O, pour permettre le fonctionnement du commutateur avec une haute sensibilité et une haute stabilité, pourvu ue le point de fonctionnement réel en commutation soit réglé en un point P1 indiqué sur La Fig. 4. fe dispositif de commutation à capteur magné- tique selon ce principe, possédant une disposition con- crète semblable à celle représentée sur la Fig. i par exemple, peut %tre réalisé de façon très simple à par- tir d'un aimant de polarisation 50 et d'un élément 20 à réluctance magnétique formé avec des circuits de courant 41, 42 sinueux, disposés respectivement dans des directions faisant un angle de 45 avec celle du champ magnétique de poLarisation iB developpé par l'aimant de polarisation 50. Cet élément 40 à réluctance magnétique, disposé sur l'aimant de polarisation 30, est reçu dans un bottier 51 et connecté à un circuit de connexion extérieur comme une source d'alimentation et un circuit de détection non représenté, au moyen d'un cfble de connexion 52 connecté aux bornes respectives 43, 44, 45. Ln outre, à une extré- mité de L'aimant de polarisation 50 est disposée une cu- lasse magnétique 53 parallèle à une tige 4R perméable magnétiquement d'une pièce à détecter afin d'augmenter la sensibilité au changement de direction du champ magnétique dle polarisation ai résultant de l'approche de la tige per- mé. -C 8 5 Dans le dispositif ae commutation à capteur magnétique réalisé de cette maniere, étant donné que la tension de sortie ^ ç> de l'élément 40 à réluctance _ ma-gnti.que, produite par l'approche de la tige perméable 4Q est obtenue à partir du point de référence 9 = 450 sur la cour'be caractéristique de KoV0 sin?-, la sensibi- lité à la détection est améliorée tandis que la dérive en température est réduite pour permettre la détection avec une haute sensibilité et une haute stabilité. De plus, cet effet peut être obtenu si la direction du champ magnétique de polarisation par rapport au courant de plarisat:ion, se trouve dans l.e voisinage de 9 = 450 même si eLile n'est pas réglée exactement à 9 = 45 . Ensuite, la Zig. b illustre un mode perfeotion- né de réalisation dans lequel le point de fonctionnement du dispositif de commutation à capteur magnétique, basé sur le principe de fonctionnement précité, peut être ré- gLé dans une position o une sensibilité maximale de dé- tection et un décalage nul en température sont obtenus en principe. Selon la Fig. 6, un élément 120 à réluctance magnétique comporte un premier circuit de courant 121 et un second circuit de courant 122, formés respective- ment en matière à réluctance ferromagnétique et inter- connectés en série, avec aux deux extrémités des bornes d'alimentation 123, 124 et au point milieu une connexion avec une borne de sortie 125 pour constituer un élément à retuctanrice magnétique du type à trois bornes. Une source d'alimentation L26 est connectée entre les bornes 123, 124 de l'élément 120 à réluctance magnétique et un courant de polarisation I est fourni par la source 12b. Dans les circuits de courant respectifs 121, 12Z de l'élément 120 à réLuctance magnétique, quand les directions des champs nmagvnétiques de polarisation 1-1t1, 1.112 sont changées d'un petit angle de déviation + 6e, par rapport au courant de polarisation IB par l'approche d'une tige 128 perméable magnétiquement, le lhamr mane gique de polarisation 11 9 2495859 dans la direction d'angle 00 qui peut ttre réglé à vo- 1.lonté, augmenté du petit angle de déviation LC, c'est- à-dire G +,tú9 (est a;pliqutK au premier circuit de courant L21 et le champ magnétique de polarisation Hiú2 dans la di- rection GO - A C est appliqué au second circuit de cou- rant 122. Si l'on suppose que l'angle O0 est 45 et que la tension appliquée aux bornes 123, 124 de l'élément à réluctance mas;Äétique par la source d'alimentation 120 est V0, la tension de sortie V(A) produite entre la borne de sortie 125 et la borne de miasse 124 est déter- mrino de la manière suivante. Le premier circuit de cou- rant 121 présente une résistance l-A représentée par l'équation ci-après (7) selon l'équation (1) de Voigt- l5 Thomson: RA(e) = H1 sin2(45 - 8C +âe) + /11 cos2(45 - AC + A8) (7) et de façon similaire, le second circuit de courant 122 présente une résistance ( l représentée par l'équation (8) ci-aprè s: kl];(A) = R l sin2(45 + AG - Ae) + 1 //cos2(45 +LAc - le) (s) Par conséquent, la tension de sortie V(ix0) peut tre repré'sentée par l'équation (9) ciaprès: v(t e) = t --. v0 AkA.) + Rs, L.) V 0V (n- r//) sin 2 ac - o) "-z(tL + ôe) vo (9) Le dispositif de commutation à capteur riagriéti- que utilisant l'élément 120 à réluctance r.agnêtique pro- duit la tension de sortieA\' représentée par l'équation suivante (0O): AV = K 1Vo. sir 2(ec -A0) (LO) En produisant comme tension de sortie de détec- tionAV une tension non équilibrée par rapport à la ten- sion de réfé'renme V /2 par un circuit en pont similaire à 2495859 la tension de référence V O/2 par un circuit en pont si- milaire ceLui du mode de réalisation courant à titre d'exemple. Cette tension de sortie lV est représentée par Le trait plein sur la courbe caractéristique de K1 V0 sin 20 sur la Fig. 7. Etant donné que la dérive en temprerature est nul.le en principe au point de fonction- nement P2 et qu'en outre le taux de variation &. at- teint une valeur maximaLe quand G0 est réglé à jo et A0 - _.O = Oc, le fonctionnement en commutation dans ce mode de réalisation peut se faire avec une haute sen- sibilité et une haute stabilité. Dans ee mode de réalisation, les directions du courant de polarisatl;ion I T circulant dans les circuits de courant respectifs 121, L22 coincident entre elles et les directions des champs manétiques de polari sati r-- i1,, I 1{2 sont rég6és sous un angle de 450 + LGC par rap-, port à la direction du courant de polarisation ID, mais les circuits de courant respectifs 141, 142 peuvent ttre déviés en orientation l'un par rapport à l'autre comme le inontre la Fig. 9 afi:n que les directions des champs mag- nt.tiques d:_ Qular.atic.;:,*,,ll;2 coincident entre eux -Jans un fontîioin:eme.t simni.air@ Lorsque les champs marnAtiques cle polarisatioB, HP 2 sont tels que leurs directions coincident entre eLles, comme dans l'exemple concret de rçalisacion de La:ig 9, ces champs magnéti- c:. i, peuv3 ' - t-'.e ap;i- é-s aux circuits de cc,.- rant ie.pe--ifs L-'-_ 1!: r u: eérmenlt d'aimant de fc.a- ri sttin '.*t., de sorte e l1a r-éalisation est simplifiée Se'on la F e... un élém.ent a rélactance magnétique 130 O di spelse sur l'aimant de polarisati On 140 est logé dans up l:.ttie' er 1t et i. eIL c Onnectê aux dispositifs exté- rieur s, cornoe une source d'alimentationr et un circuit de déteeccion non représent.s, par un câble de connexion 142 *fo"necti aux lbornes respectives 1, 134, L35. De plus, '1 aimiant de polarisation 140 comnporte h une extrémité unre culasse rrtagnétique 1.43 parall.eLe à une tige 138 per- méable hermétiquement qui doit être détectee, 11 2495859 En outre, dans ce mode de réalisation, les champs magnétiques de polarisation H11f, ilB2 et Le courant de polarisation Ii sont orientés sous un angle de e = 45 , comme angLe idéal pour lequel la dérive de température de la tension de sortie AV s'annule, augmentée de + de. Mais la dérive en température peut être réduite et le taux de variation de la tension de sortie AV par rapport à de peut être augmentée, même si GO n'est pas égal à 450. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées au modes de réalisationdécrits et illus- trés à titre d'exempLes nullement limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. i.EVEND_: _.. x;ii3C t "' r,: 1 - Dispositif die coam7tî-ticn a capteur magnéei- que, caractérise en ce qu'il co,&po-t_ une section de ca- teur comprenant un élément (20o;!.0 120) à réluctance magnétique du type à trois bornes comprenant des circuits de courant (21, 22; 41, 42; 121, 122) en matière à réluc- tiance ferromagnétique, connectés en série entre eux et dont le point milieu est connecté à une borne de sortie (25, 45; 125; 145), une source d'alimentation (26; 126j qui fournit un courant de polarisation auxdits circuits de courant et un aimant de polarisation (30; 50; 140) qui applique à chaque circuit de courant un champ magnétique de polarisation dans une direction faisant un angle 0 avec la direction du courant de polarisation circulant dans chaque circuit de courant duoit élément à réliuctance magnétique pour détecter l'approche d'une matière perméa- ble magnétiquement (28; 48; 128; 138) par une variation de résistance de chaque circuit de courant en réponse à un petit angle de déviation + /k de la direction du champ magnétique de polarisation sous l'effet de l'approche de la matière perméable magnétiquement. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'orientation de chaque circuit de courant de l'élément à réluctance magnétique est agencéede manière que le courant de polarisation soit fourni à chaque circuit de courant dans la même direction, 3 - Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'orientation de, chaque circuit de courant et la direction du champ magnétique de polarisation sont régléesde manière que la direction du courant de polarisa- 1o tion circulant dans un circuit de courant fasse un angle de GO + un petit angle de déviation + /eC, c'est-à-dire 9 + AOC avec la direction du champ magnétique de polari- sation appliqué à ce circuit de courant, tandis que la direction du courant de polarisation circulant dans l'autre circuit de courant fait un angle 92 + un petit angle de déviation - d9, c'est-à-dire O0- DL, avec la direction du champ magné.tique de polis.-. appliqué à ce circuit de courant. 4 - Dispositúf selon la revendication 3, caracté- risé en ce que l'orientation de chaque circuit de courant de l'élément à réluctance magnétique est agencéade ma- nière que le courant de polarisation soit appliqué à chaque circuit de courant dans la même direction. * - Dispositif selon la revendication 3, caracté- risé en ce que la direction du champ magnétique de pola- risation appliqué à chaque circuit de courant de l'élé- ment à réluctarice magnétique est déterminéepar un aimant de polarisation (30; 50; 140). 6 - Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 a 5, caracterisé en ce que 1 'angle 80 entre la direction du champ magnétique de polarisation et la direction du courant de polarisation est réglé -à 45 . 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caracetérise en ce que chaque circuit de courant de l'élément à réluctance magnétique est formé sur une matière à réluctance ferromagnétique en forme de méandres dont le côté le plus long est orienté dans la direction du courant de polarisation.