Brevet FR2514492A1 — publié le 19830415

La présente invention est relative à un appareil pour déterminer la position d'un objet se déplaçant ou en rotation et pour convertir la mesure obtenue en un signal électrique. 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 un élément à effet Hall en tant que dispositif sensible à la densité d'un champ magnétique. Un capteur classique de position ne peut pas dé- terminer avec précision la position d'un corps en mouvement, comme on va le décrire de façon détaillée dans la suite. 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 pro- voqués par la variation de la distance entre une tête du cap- teur et l'objet et par les variations de la température. L'invention a pour objet à cet effet un appareil pour déterminer la position d'un corps en mouvement, compre- nant un dispositif magnétique pour produire un champ magnéti- que, des moyens pour convertir la variation de la densité du flux magnétique du champ en une variation de tension, et un élément étalonné en matériau magnétique pour former des cir- cuits magnétiques en fonction du champ magnétique, passant par lesdits moyens de conversion et le dispositif magnétique, l'é- lément étalonné étant agencé de manière que la polarité du cir- cuit magnétique des moyens de conversion soit inversée de ma- nière alternée avec un intervalle à niveau zéro 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; capteur de du capteur positif de du capteur du capteur lorsque la la Fig 2 est une vue en élévation latérale du position représenté à la Fig 1; la Fig 3 montre une forme du signal de sortie de position de la Fig 1; _ la Fig 4 est une vue en perspective d'un dis- détermination de position suivant l'invention; les Fig %a à 5 c expliquent le fonctionnement de position suivant l'invention; la Fig 6 montre une forme du signal de sortie de position; la Fig 7 montre une forme-du signal de sortie distance entre la tête du capteur et l'objet varie; la Fig 8 est un schéma d'un circuit pour pro- duire une sortie dans le capteur de position; et la Fig 9 montre des formes de signaux dans le circuit représenté à la Fig 8. La Fig 1 montre un capteur de position classique pour un corps se déplaçant, qui est décrit dans la demande de brevet japonais No 55-137222 Le capteur de position comprend un corps 1 étalonné comportant une série de saillies 2 égale- ment espacées et un aimant permanent 3 en forme de U disposé en position adjacente auxdites saillies Un élément 4 à effet Hall, à circuit intégré ou non, utilisé comme dispositif sen- sible à la densité du flux magnétique, est fixé sur le p 8 le N de l'aimant Le p 8 le S et l'élément à effet Hall à circuit in- tégré sont espacés de la surface supérieure de la saillie 2 d'une distance D Lorsque le corps 1 se déplace longitudina- lement, la densité du flux magnétique à laquelle est soumis l'élément à effet Hall 4 à circuit intégré varie en fonction du déplacement des saillies 2 et la tension de sortie de l'é- lément 4 varie en même temps que la densité du flux magnéti- que En conséquence, la distance de déplacement peut être me- surée en comptant les impulsions de sortie de l'élément à ef- fet Hall à circuit intégré. 4- Cependant, dans ce capteur de position, si la distance D varie, la tension de sortie de l'élément 4 varie, même si la densité du flux magnétique est constante En con- séquence le corps 1 doit présenter une conformation précise et se déplacer de façon à ne pas provoquer de variation de la distance D En outre la sortie de l'élément à effet Hall varie en même temps que la température ambiante La Fig 3 montre la variation de la sortie de l'élément à effet Hall en fonction des variations de la distance D et de la tempéra- ture Du fait de cette variation de la sortie de l'élément à effet Hall, une bande de valeurs doit être déterminée dans les limites d'une plage étroite 1 pour obtenir une valeur de commutation Par conséquent, si la bande de valeurs est fixée à un niveau qui n'est pas approprié, la position du corps en mouvement ne peut pas être mesurée avec précision. Par ailleurs il est nécessaire de déterminer une position de référence afin de déterminer la position d'un corps en mouvement Dans ce but, comme représenté à la Fig 2, il a été proposé de prévoir une saillie 2 b ayant une hauteur qui est inférieure à celle de la saillie normale 2 a afin de déterminer une position de référence La position de référence peut être détectée en captant une faible densité de flux ma- gnétique qui est fonction de la saillie 2 b plus basse Si ce- pendant la sortie de l'élément à effet Hall varie de façon importante en raison de la variation de la distance D et de la température, la position de référence ne peut pas être dé- tectée La raison en est que si une sortie 2 A de l'élément à effet Hall est inférieure à une sortie 2 B provoquée par la saillie 2 b plus basse comme représenté à la Fig 3, on ne peut pas établir une bande de valeurs pour détecter seulement une telle sortie 2 B. L'invention vise à supprimer les inconvénients précités En se référant à la Fig 4 qui montre un appareil de détermination de position suivant l'invention, celui-ci com- prend un élément étalonné 11 qui est fixé sur un corps en mou- vement (non représenté) et une tête 12 de capteur de position qui est fixée sur un support approprié (non représenté) L-'é- lément 11 est en un matériau magnétique doux tel que du fer ou de l'acier au silicium L'élément étalonné est une barre allongée et présente une série de saillies 13 et 14 le long de ses deux côtés La largeur a de la saillie 13 est égale àa la largeur c de la saillie 14 et chaque distance b, d est égale à la largeur a, c En outre ces saillies ont une hauteur égale Les saillies 13 le long d'un côté sont décalées par rapport aux saillies 14 sur l'autre côté Les longueurs f, g des saillies 13, 14, sont supérieures à la moitié de la lar- geur e du corps 11 de sorte qu'une partie d'extrémit 6 inter- ne de chaque saillie est adjacente à un élément 16 à effet Hall à circuit intégré qui va être décrit plus loin. La tête 12 du capteur de position comprend un ai- mant 15 en un matériau magnétique dur par exemple un aimant en Alnico ou en terre rare, et l'6 élément 16 à effet Hall à circuit intégr 6 L'aimant 15 comprend un noyau en forme de E ayant des p 8 les N et S à ses deux extrémités, et l'6 élément 16 est fixé sur l'extrémit 6 de sa branche centrale En se réfé- rant à la Fig 5, les faces inf 6 rieures des deux p$les N et S et de l'elément 16 à effet Hall à circuit intégr 6 se trou- vent au même niveau et sont agenc 6 es de façon que le p 8 le N soit adjacent à la saillie 13 et le p 8 le S soit adjacent à la saillie 14 et que l'élément 16 soit adjacent à une extrémité de chaque saillie. En service, lorsque l'élément étalonn 6 11 se dé- place longitudinalement comme repr 6 sent 6 par la fl 4 che, cha- que saillie 13 et 14 traverse tour à tour le champ magn 6 tique de l'aimant 15 Lorsque la saillie 13 est adjacente au pôle N comme représenté à la Fig 5 a, 1 'élément 16 se trouve dans un champ magnétique ayant une polarit 6 représentée par la fl- che Au contraire lorsque la saillie 14 se trouve dans le champ magnétique comme représenté à la Fig 5 c V'ê 16 ment 16 est soumis à un champ magnétique de polarité inverse Lorsque l'aimant 15 se trouve entre les saillies 13 et 14 comme re- pr 6 sent 6 à la Fig 5 b le champ magnétique n'agit pas sur l'6- lément 16 à effet Hall à circuit intégré. La Fig 6 montre la densité du flux magnétique du champ agissant sur l'élément 16 La densité du flux ma- gnétique varie suivant une forme d'onde rectangulaire avec une certaine durée de niveau zéro et dont la polarité est inversée par rapport à ce niveau. La Fig 7 montre les variations de la densité du flux magnétique lorsque la distance entre l'élément étalonné 11 et l'élément 16 à effet Hall à circuit intégré varie ou que la température ambiante varie Du fait que la densité du flux magnétique varie par rapport au niveau zéro, on peut ob- tenir une large bande M pour déterminer la plage de valeurs. La Fig 8 est un schéma de circuit pour produire des impulsions de sortie au moyen de l'élément 16 à effet Hall à circuit intégré ou élément à effet Hall Les bornes de sor- tie de l'élément à effet Hall à circuit intégré sont reliées aux entrées d'un comparateur 19 par l'intermédiaire de résis- tances 17 et 18 Une résistance 20 est reliée entre la sortie et l'entrée inverseuse du comparateur 19 La sortie du compa- rateur 19 est reliée à une entrée non inverseuse d'un compa- rateur 21 et à une entrée inverseuse d'un comparateur 22 Des résistances 23, 24 et 25 sont reliées aux autres entrées des comparateurs 21 et 22 pour leur appliquer des tensions. La sortie X du comparateur 19 est représentée à la Fig 9 La sortie X est appliquée aux comparateurs 21 et 22 et est comparée à des niveaux de référence A et B (Fig 9) respectivement Des impulsions de sortie sont ainsi, produites aux sorties Y et Z comme représenté à la Fig 9 Les phases des sorties Y et Z sont différentes Par conséquent l'une des sorties peut être utilisée comme signal de référence pour dé- terminer une position de référence, et Vautre sortie peut être utilisée comme un signal pour déterminer une position relative du corps en mouvement par rapport à la position de référence. Il ressort de ce qui précède que l'invention four- nit un appareil de mesure qui peut produire deux sortes de si- gnaux de sortie au moyen d'une seule tête de capteur de posi- tion L'appareil suivant l'invention peut ainsi être réalisé compact et à peu de frais Bien que dans la description qui précède on ait utilisé l'élément à effet Hall ou l'élément à effet Hall à circuit intégré en tant que dispositif pour con- vertir la variation de la densité du flux magnétique en une variation de tensions on peut également utiliser une résistan- ce variable en fonction du champ magnétique On comprend en outre que l'invention peut etre utilisée dans un appareil dans lequel la tete du capteur peut être fixée au corps en mouvement et l'élément étalonné fixé à un corps stationnaire. 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 dispo- sitif magnétique ( 15) pour engendrer un champ magnétique, des moyens ( 16) de conversion pour convertir la variation de la densité du flux magnétique dudit champ en une variation de tension et un élément étalonné ( 11) en un matériau magnétique pour former des circuits magnétiques en fonction dudit champ, passant par les moyens de conversion ( 16) et le dispositif magnétique ( 15), ledit élément étalonné 11 étant agencé de façon que la polarité du circuit magnétique des moyens de conversion ( 16) soit inversée de manière alternée avec un in- tervalle à niveau zéro lorsque les moyens de conversion et l'élément étalonné se déplacent l'un par rapport à l'autre. 2 Appareil suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que le dispositif magnétique ( 15) est constitué par un aimant en forme de E. 3 Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que l'élément étalonné ( 11) est constitué par une barre allongée comportant une série de saillies ( 13, 14) for- mées sur ses deux c 8 tés, lesdites saillies étant décalées et équidistantes et la longueur de chaque saillie ( 13, 14) étant supérieure à la moitié de la largeur de la barre allongée. 4 Appareil suivant la revendication 3, caracté- risé en ce que les moyens ( 16) de conversion sont montés sur une extrémité de la branche centrale de l'aimant ( 15) en for- me de E. Appareil suivant la revendication 4, caracté- risé en ce que l'aimant ( 15) en forme de E est agencé de fa- çon que les deux p 8 les (N, S) à ses extrémités soient adja- cents auxdites saillies ( 13, 14), les moyens de conversion ( 16) étant adjacents à la partie interne de l'une des sail- lies ( 13, 14) en fonctionnement. 6 Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens ( 16) de conversion sont constitués par un élément à effet Hall. 7 Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens ( 16) de conversion sont constitués par un élément à effet Hall à circuit intégré. 8 Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens ( 16) de conversion sont constitués par une résistance variable en fonction du champ magnétique. 9 Appareil suivant la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend un circuit pour produire des impul- sions en fonction de la tension convertie par les moyens de conversion ( 16), le circuit comprenant un comparateur ( 19) ayant une entrée inverseuse à laquelle est appliquée ladite tension à partir de l'une des sorties des moyens ( 16) de con- version, et une entrée non inverseuse à laquelle est appliquée la tension provenant de l'autre sortie des moyens ( 16) de con- version, et deux comparateurs ( 21, 22) reliés à la sortie du comparateur ( 19) pour produire deux séries d'impulsions de sortie. Appareil suivant la revendication 9, carac- térisé en ce que ledit circuit comporte deux bandes de va- leurs pour déterminer un niveau de commutation.