Brevet FR2506006A1 — publié le 19821119

La présente invention est relative à un appareil pour déterminer la position d'un objet se déplaçant ou en ro- tation, et pour convertir la mesure obtenue en un signal élec- trique. On utilise pour détecter une position d'un corps en mouvement d'une machine-outil ou d'un vilebrequin d'un -moteur à combustion interne un capteur de position comportant, en tant que dispositif sensible à la densité d'un flux magné- tique, un élément à effet Hall. Un capteur classique de position ne peut détermi- ner avec précision la position d'un corps en mouvement comme on va le décrire de façon détaillée ci-dessous. Le but de l'invention est de fournir un capteur de position qui détermine avec précision une position d'un objet et qui est dépourvu des défauts de fonctionnement provo- qués par la variation de la distance entre la tête du capteur et l'objet et par des variations de la température. L'invention a pour objet à cet effet un appareil pour déterminer la position d'un corps mobile, comprenant un dispositif magnétique pour produire deux champs magnétiques, des moyens pour convertir-la variation de la densité du flux magnétique du champ en une variation de tension, et au moins un élément étalonné en un matériau magnétique pour former des circuits magnétiques pour les champs magnétiques, passant par lesdits moyens de conversion et le dispositif magnétique, ledit élément étalonné étant agencé de manière que la polari- té du circuit magnétique des moyens de conversion soit in- versée de manière alternée lorsque les moyens de conversion et l'élément étalonné se déplacent l'un par rapport à l'autre. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre faite en se référant-aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples et dans lesquels: la Fig 1 est une vue en perspective d'un cap- teur classique de position; les Fig 2 a et 2 b sont des vues expliquant le fonctionnement du capteur de position représenté à la Fig 1; la Fig 3 montre une forme du signal de sortie du capteur de position; la Fig 4 est une vue en perspective d'un cap- teur classique de position angulaire; la Fig S montre une forme du signal de sortie du capteur de position angulaire; la Fig 6 est une vue en perspective d'un autre capteur de position de la technique antérieure; la Fig 7 montre une forme du signal de sortie du capteur de position représenté à la Fig 6; la Fig 8 est une vue en perspective d'un appa- reil de détermination de position suivant l'invention; la Fig 9 est une vue de face montrant une tête de capteur de position; les Fig l Oa et l Ob expliquent le fonctionnement du capteur de position suivant l'invention; la Fig 11 montre une forme du signal de sortie du capteur; la Fig 12 montre une forme du signal de sortie lorsque la distance entre la tête du capteur et un objet varie; la Fig 13 montre les variations de la caracté- ristique de sortie du capteur de position lorsque la tempéra- ture varie; la Fig 14 est une vue en perspective montrant un autre mode de réalisation de l'appareil suivant l'inven- tion; la Fig 15 est un schéma d'un circuit électrique pour produire une sortie dans le capteur de position; les Fig 16 a 16 h montrent des variantes du capteur de position suivant l'invention. En se référant à la Fig 1 qui montre un capteur classique de la position d'un corps mobile, une chape 1 en U en un matériau perméable et un aimant permanent cylindrique 2 sont fixés ensemble de façon à former un dispositif M en for- me de E pour produire un champ magnétique Une tête H de cap- teur est disposée en position adjacente au dispositif engen- drant le champ magnétique La tête H comprend une chape 3 en forme de U et un noyau 4 fixé à la chape 3 dans la partie in- termédiaire de celle-ci afin de former un élément en forme de E correspondant au dispositif M en forme de E produisant le champ magnétique Un élément 5 à effet Hall à circuit in- tégré constituant un dispositif sensible à la densité du flux magnétique est fixé à l'extrémité du noyau 4 Un élément 6 formant écran, en un matériau perméable est fixé à un corps mobile (non représenté) et est adapté pour traverser en li- gne droite un intervalle entre le dispositif M produisant le champ magnétique et la tête H du capteur L'élément 6 compor- te une série de dents 7 qui sont disposées à une distance égale les unes des autres. Pour décrire le fonctionnement du capteur de po- sition, la Fig 2 a montre un état dans lequel un intervalle vide entre les dents 7 coïncide avec la tête H du capteur, et la Fig 2 b montre un état dans lequel l'une des dents 7 est interposée entre la tête H et le dispositif M Dans la po- sition représentée à la Fig 2 a un champ magnétique est pro- duit comme représenté en traits interrompus pour former un circuit magnétique fermé passant par l'élément 5 à effet Hall a circuit intégré Ainsi cet élément 5 assume un état conduc- teur Lorsqu'une dent 7 isole le circuit magnétique comme re- présenté à la Fig 2 b, l'élément 5 assume un état non conduc- teur. La Fig 3 montre la variation de la densité du flux magnétique Cette densité varie suivant une sinusolde lorsque l'élément 6 formant écran se déplace Lorsque la den- sité du flux magnétique excède l'état conducteur, la sortie de ltélément 5 passe à un niveau haut, et lorsque la densité du flux magnétique diminue et tombe au-dessous de l'état non- conducteur, la sortie de l'élément 5 passe à un niveau bas. Ainsi la distance de déplacement d'un corps peut être mesu- rée en comptant les impulsions de sortie de l'élément 5 à ef- fet Hall à circuit intégré. Dans la position du capteur qui est représentée à la Fig 1, l'élément 6 formant écran se déplace entre le dispositif M produisant le champ magnétique et la tête H du capteur En conséquence l'élément 6 doit être réalisé sous la forme d'une plaque mince Par suite la résistance de cet élément 6 est réduite, ce qui ne permet pas de l'utiliser pour effectuer des mesures sur une distance importante. La Fig 4 montre un capteur classique de position angulaire Une plaque circulaire 9 est fixée sur un arbre rotatif 8 et un élément magnétique annulaire J 0 est fixé sur la périphérie de la plaque 9 L'élément magnétique 10 est ai- manté avec des polarités alternées comme représenté au dessin. Un élément 11 à effet Hall à circuit intégré est disposé en position adjacente à l'élément magnétique 10. La densité du flux magnétique pour l'élément 11 varie comme représenté à la Fig 5 Du fait que la polarité du flux magnétique est inversée, des impulsions ayant une for- me définie peuvent être produites par l'élément 11 Cependant il est difficile d'aimanter l'élément magnétique 10 suivant une configuration exacte Un capteur de position permettant de supprimer les inconvénients précités est déçrit dans la demande de brevet japonaise N 055-137222 Le capteur de posi- tion représenté à la Fig 6 comprend un corps étalonné 12 pré- sentant une série de saillies cubiques 13 et un aimant perma- nent 14 disposé en position adjacente aux saillies Un élé- ment 15 à effet Hall à circuit intégré est fixé sur le pôle Nord Le pôle Sud et l'élément 15 sont espacés de la surface supérieure des saillies 13 d'une distance d Lorsque le corps 12 se déplace dans le sens longitudinal la densité du flux magnétique pour l'élément 15 varie en fonction du déplacement des saillies 13 En conséquence la distance de déplacement peut être mesurée. Cependant dans ce capteur de position, si la dis- tance d varie, la sortie de l'élément 15 varie, même si la densité du flux magnétique est constante En conséquence, le corps 12 doit présenter une configuration précise et se dé- placer de façon à ne pas provoquer de variation de la distan- ce d De plus la sortie de l'élément 15 varie avec la varia- tion de la température ambiante La Fig 7 montre les varia- tions de la sortie de l'élément 15 en fonction des variations de la distance d et de la température Du fait de cette varia- tion de la sortie de l'élément 15, une bande de valeurs dé- terminant un niveau de commutation doit être maintenue dans une plage étroite 1 Par conséquent si cette bande de valeurs est fixée à un niveau non approprié, la position du corps mo- bile ne peut pas être déterminée avec précision. L'invention vise à supprimer les inconvénients précités En se-référant à la Fig 8 qui montre un appareil de détermination de position suivant l'invention, celui-ci comprend un corps étalonné 21 qui est fixé sur un corps mobi- le (non représenté) et une tête 27 de capteur de position qui est portée par un support quelconque approprié (non représen- té) L'élément 21 est en un matériau magnétique doux tel que du fer ou de l'acier au silicium Le corps 21 est constitué par une barre allongée et présente une série d'indentations 22 et 23 sur ses deux côtés, des saillies 24 et 25 délimitées par les indentations-22 et 23, et une partie intermédiaire commune 26 ayant la -même hauteur que les saillies 24 et 25. Les saillies disposées sur un côté sont équidistantes et sont décalées par rapport aux saillies formées sur l'autre c 8 té. La tête 27 du capteur de position comprend un ai- mant 28 en un matériau magnétique dur tel qu'un aimant en Alnico ou en terre rare, et un élément 29 à effet Hall à cir- cuit intégré L'aimant 28 présente un noyau en forme de E avec des pôles N et S à ses deux extrémités éloignées, et l'élément 29 est fixé sur l'extrémité de la partie intermé- diaire En se référant à la Fig 9, les faces inférieures des deux pôles N et S et de l'élément 29 sont au même niveau et sont agencées de manière que le pôle N soit adjacent à une saillie 25, que le pôle S soit adjacent à une saillie 24, et que l'élément 29 soit adjacent à la partie commune 26 L'élé- ment 29 est soumis au champ magnétique dans la direction X et comporte deux conducteurs 30 formant bornes. En fonctionnement lorsque l'élément 21 se dépla- ce longitudinalement comme représenté par la flèche, chacune des saillies 24 et 25 traverse à son tour le champ magnétique engendré par l'aimant 28 Lorsqu'une saillie 25 est adjacente au pôle N comme représenté à la Fig l Oa, l'élément 29 à ef- fet Hall à circuit intégré se trouve dans un champ magnétique ayant une polarité représentée par la flèche Au contraire lorsqu'une saillie 24 se trouve dans le champ magnétique, l'élément 29 est soumis au champ magnétique de polarité in- verse. La Fig 11 montre la densité du flux magnétique du champ agissant sur l'élément 29 Cette densité varie sui- vant une onde de forme rectangulaire-et la polarité est in- versée par rapport au niveau zéro. La Fig 12 montre la variation de la densité du flux magnétique lorsque la distance entre l'élément étalonné 21 et l'élément 29 varie Du fait que la densité du flux ma- gnétique varie par rapport au niveau zéro, on peut obtenir une large plage L pour la bande de valeurs précitée. La Fig 13 montre les caractéristiques de tempé- rature de l'élément 29 La sortie de cet élément varie avec la variation de la température ambiante, même si la densité du flux magnétique est constante Cependant, la sortie de l'élément 29 devient nulle au niveau zéro de la densité du flux magnétique et varie en proportion de cette densité Ain- si suivant l'invention, il est possible de déterminer la po- sition d'un corps en mouvement avec précision indépendamment des variations de la distance entre la-tete du capteur et l'élément étalonné, et de la température ambiante. La Fig 14 montre un appareil détecteur de posi- tion angulaire suivant l'invention, par exemple un appareil pour déterminer la position angulaire du vilebrequin d'un moteur à combustion interne Un disque 31 est fixé sur un ar- bre rotatif 31 a Deux éléments étalonnés 32 ayant chacun le ëAme agencement de saillies que ltélément représenté à la Fig 1 sont fixés sur la périphérie du disque 31 à des dis- tances appropriées Une tète 33 de capteur de position est disposée en position adjacente aux saillies de l'élément 32. Dans l'appareil, la position angulaire "e" à par- tir d'une extrémité a est déterminée en comptant les impul- sions de sortie de l'élément à effet Hall à circuit intégré de la tête 33 Par exemple on peut ainsi détecter les posi- tions de point mort haut et de point mort bas du vilebrequin ainsi que le calage de l'allumage. La Fig 15 montre un circuit pour produire des impulsions de sortie au moyen de l'élément 29 à effet Hall à circuit intégré ou élément à effet Hall Les bornes de sor- tie de l'élément 29 sont connectées aux entrées d'un compara- teur 34 Du fait que la sortie de l'élément 29 est invertée au niveau zéro de la densité du flux magnétique, la sortie du comparateur 34 est également inversée à la tension zéro de la sortie de l'élément Hall 29. Les Fig 16 a à 16 h montrent différentes variantes de l'invention Dans le dispositif représenté à la Fig 16 a, une tête de capteur de position comprend des branches 41, 44 et 45 et deux aimants horizontaux 42 et 43 disposés entre les branches Un élément 46 à effet Hall à circuit intégré est fixé sur l'extrémité de la branche intermédiaire 41 Les ai- mants 42, 43 sont agencés avec leurs polarités inversées de façon à aimanter les branches 44 et 45 avec des polarités op- posées. La tête du capteur de position représentée à la Fig 16 b est constituée par une chape 47 en forme de T compor- tant deux aimants verticaux 49 et 50 qui sont fixés en deux parties d'extrémité de la chape 47 avec des polarités opposées, et un élément 48 à effet Hall à circuit intégré qui est fixé sur l'extrémité de la branche centrale de la chape 47. La tête de capteur représentée à la Fig 16 c com- prend deux aimants 51 et 52 en forme de U qui sont disposés avec leurs polarités inversées et fixés ensemble de façon à former un aimant en forme de E, et un élément 53 à effet Hall a circuit intégré, qui est fixé sur le p 8 le central de l'ai- mant. La Fig 16 d montre une autre variante de la tête de capteur qui comprend un seul aimant rectangulaire 54 com- portant une cavité et un élément 55 à effet Hall à circuit intégré qui est encastré dans la cavité Les deux c 8 tés de l'aimant 54 sont aimantés avec des polarités opposées. La Fig 16 e montre un autre appareil de détermi- nation de position Un élément étalonné 56 présente en sec- tion une forme en U et des branches 56 a et 56 b qui sont déca- lées Une tête de capteur comprend un élément central 57, deux aimants 58 et 59 disposés de part et d'autre de l'élément 57 et un élément 60 à effet Hall à circuit intégré qui est fi- xé à une extrémité inférieure de l'élément central Les ai- mants 58 et 59 sont disposés avec leurs polarités opposées et adjacents aux branches 56 a et 56 b respectivement. La Fig 16 f montre un autre appareil dans lequel plusieurs bandes magnétiques 61 sont disposées en position ad- jacente et décalées sur les côtés opposés d'une tête de cap- teur La tète de capteur comprend un élément central 62, deux aimants 63 et 64 fixés aux deux côtés de l'élément 62, un élé- ment 65 à effet Hall à circuit intégré fixé à la face infé- rieure de l'élément 62 et un élément horizontal 66 qui est fixé sur l'élément 65. La tête de capteur représentée à la Fig 16 q com- prend deux aimants 68, 69 disposés avec leurs polarités in- versées et un élément 67 à effet Hall à circuit intégré qui est disposé entre les aimants. La Fig 16 h montre une tête de capteur comprenant un aimant 70 en forme de U, un élément 71 à effet Hall à cir- cuit intégré qui est fixé à une partie centrale de l'aimant et un élément 72 fixé à l'élément 71. Il ressort de ce qui précède que l'invention four- nit un appareil de mesure qui peut déterminer avec précision la position d'un corps en mouvement même si la distance entre la tête du capteur et le corps mobile varie et si la tempéra- ture ambiante varie également Bien que dans les modes de réalisation décrits ci-dessus l'élément à effet Hall ou l'é- lément à effet Hall à circuit intégré soient utilisés comme dispositifs pour convertir la variation de la densité du flux magnétique en une variation de tension, on peut utiliser d'au- tres moyens tels qu'une résistance variable en fonction du champ magnétique En outre on comprend que l'invention peut être utilisée dans un appareil dans lequel la tête du capteur est fixée sur l'élément mobile et l'élément étalonné est fixé sur un corps stationnaire. *REVHNDICATIONS R B V B N D I C A T I 0 N S 1 Appareil pour déterminer la position d'un corps en mouvement, caractérisé en ce qu'il comprend un dis- positif magnétique ( 28) pour produire deux champs magnétiques, des moyens ( 29, 33) pour convertir la variation de la densi- té du flux magnétique dudit champ en une variation de tension et au moins un élément étalonné ( 21, 32) en un matériau ma- gnétique pour former des circuits magnétiques dudit champ, passant par les moyens pour convertir la variation de la den- sité du flux et le dispositif magnétique, ledit élément éta- lonné ( 21, 32) étant agencé de manière que la polarité du cir- cuit magnétique desdits moyens ( 29, 33) pour convertir la den- sité du flux magnétique soit inversée de manière alternée lors- que les moyens ( 29, 33) de conversion et l'élément étalonné ( 21, 32, 56, 61) se déplacent l'un par rapport à l'autre. 2 Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que le dispositif magnétique ( 28) est constitué par un aimant en forme de E. 3. Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que l'élément étalonné ( 21) est constitué par une barre allongée qui comporte une série d'indentations ( 22) sur ses deux côtés, des saillies décalées ( 24, 25) formées sur ses deux c 8 tés par lesdites indentations et une partie inter- médiaire commune ( 26) ayant la même hauteur que les saillies. 4 Appareil suivant la revendication 3, caracté- risé en ce que les moyens ( 29) pour convertir la variation de la densité du flux magnétique sont montés sur une extré- mité d'une branche centrale dudit aimant ( 28) en forme de E. Appareil suivant la revendication 4, caracté- risé en ce que les deux pôles (N, S) aux extrémités de l'ai- mant ( 28) en forme de E sont adjacents auxdites saillies ( 25, 26), les moyens de conversion ( 29) des variations de la den- sité du flux magnétique étant adjacents à ladite partie in- termédiaire commune ( 26). 6 Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens ( 29) de conversion des variations il de la densité du flux magnétique sont constitués par un élé- ment à effet Hall. 7 Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens ( 29) de conversion des variations de la densité du flux magnétique sont constitués par un élé- ment à effet Hall à circuit intégré. 8 Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens ( 29) de conversion des variations de la densité du flux magnétique sont constitués par une ré- sistance variable, en fonction du champ magnétique. 9 Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre une chape pour relier les moyens ( 29) de conversion des variations de la densité du flux magnétique et le dispositif magnétique ( 28). 10 Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend une chape ( 54) fixée sur les moyens de conversion de la variation de la densité du flux magnétique dans une position adjacente audit élément étalonné ( 21). Il Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit élément étalonné ( 56) présente en sec- tion une forme en U et comporte plusieurs saillies qui sont décalées. 12 Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit élément étalonné est constitué par plu- sieurs bandes ( 61).