Brevet FR2522807A1 — publié le 19830909

La présente invention concerne un capteur de position à magnétorésistance, par exemple constitu8c d'une couche mince de ferronickel naçinétoresistif. La magnétorésistance est fixe, et subit les variations de champ magnétique produites par le déplacement d'un élément mobile générateur de champ magnétique (le phénomène est parfaitement identique, en changeant ce qui doit être changé, si l'on rend mobile la magnétorésistance et fixe l'élément générateur de champ magnétique). Ces variations de champ vont provoquer dans le ferronickel une variation de résistivité, à condition que le champ comporte une composante située dans la direction perpendiculaire a une direction d'anisotropie de la magné torésis tance, les autres composantes du champ ne produisant aucun effet magnétorésistif. Ce sont les variations d'amplitude de cette composante - que l'on appellera par la suite " composante utile " - qui produiront les variations de résistance de l'élément. Ces dernières variations sont cependant très faibles. En outre, la caractéristique est généralement peu linéaire, et la saturation très vite atteinte. La figure 1 représente la caractéristique:champ utile subi (H)/résistance (R) d'une telle magnétorésistance. On notera tout d'abord l'insensibilité au sens du champ utile la caractéristique est une fonction paire, aux phénomènes d'hystérésis près, que l'on néglige ici (cette hystérésis reste faible, en raison de la quantité réduite de matière magnétisable). La résistance varie entre une valeur nomi nale R (correspondant à un champ utile nul) et une valeur o maximale de saturation R5 (correspondant à un champ saturant, de valeur supérieure ou égale à Hs). La variation relative de résistance Rs-Ro est couramment de l'ordre R o de 3 à 4 %, la saturation étant atteinte pour un champ H de l'ordre de 0,2 Oersted, donc très faible. s Essentiellement, le capteur selon l'invention comporte : un conducteur mobile parcouru par un courant continu d'excitation engendrant un champ magnétique d'excitation ; au moins un élément magnétorésistif fixe, sensible au champ magnétique d'excitation, et orienté de manière que sa direction d'anisotropie soit située dans un plan sensiblement parallèle à la direction du déplacement de l'élément mobile ; ainsi que des moyens, coopérant avec cet élément magnétorésistif, pour fournir un signal de position de l'élément mobile fonction du champ magnétique utile créé dans l'élément magnétorésistif. Dans un premier mode de réalisation, le capteur comporte également un conducteur fixe disposé au voisinage de chaque élément magnétorésistif et parcouru par un courant de compensation créant dans l'élé- ment magnétorésistif un champ magnétique de compensation le sens et l'intensité du courant de compensation sont tels que, à l'endroit de chaque élément magnétorésistif, le champ efficace résultant soit nul ou,tout au moins, minimal. De cette manière, le courant-asservi - de compensation annule en permanence l'effet magnétorésistif produit par le courant d'excitation. On se place toujours au point de fonctionnement correspondant à un champ utile nul et à la résistance (minimale) nominale, en s'affranchissant des défauts de linéarité de la caractéristique. Tout déplacement du conducteur mobile se traduira par une variation du champ utile d'excitation, donc par une variation consécutive du courant de compensation, pour déplacer le point de fonctionnement et le ramener à une valeur correspondante de résistance qui soit minimale. La mesure de ce courant fournit ainsi un signal de position, fonction de la distance du conducteur mobile à la magnétorésistance. En variante, il est possible de remplacer le conducteur mobile par un aimant mobile convenablement orienté pour créer une composante de champ utile dans la magnétorésistance, ou même un obturateur magnétique mobile intercalé entre un aimant fixe et la magnétorésistance fixe. Le fonctionnement est identique, en raison de la similarité des effets produits. Un second mode de réalisation évite le recours à un conducteur de compensation. Dans ce cas, le conducteur mobile est parcouru par un courant alternatif d'excitation, de fréquence F déterminée, la direction e du déplacement étant sensiblement perpendiculaire à la direction du courant d'excitation. Le capteur comporte alors des moyens, coopérant avec chacun des éléments magnétorésistifs, pour transformer en un signal électrique de mesure la variation périodique de résistance consécutive à la variation du champ d'excitation produite par le courant alternatif d'excitation, ainsi que des moyens de filtrage à bande étroite ne transmettant que la composante de fréquence double 2.Fe contenue dans le signal de mesure ; il comporte enfin des moyens pour engendrer un signal de position de 'l'élément mobile fonction de l'amplitude du signal. de mesure filtré. On utilise la propriété de l'élément magnétorésistif (propriété due à la nature paire de la caractéristique) de provoquer un doublement de fréquence chaque demi-alternance du courant d'excitation, donc chaque demi-alternance du champ utile, provoque une variation identique, et toujours de même sens, de résistance de l'élément magnétorésistif. I1 est aisé de transformer cette variation de résistance en une variation de tension et de filtrer celle-ci par un filtre à bande étroite pour extraire la composante utile de fr6- quence 2.Fe des autres signaux parasites, notamment la composante de fréquence F résultant du courant induit e dans la magnétorésistance ou des courants parasites dans les circuits de liaison. Dans l'un ou l'autre mode de réalisation, il peut être avantageux de multiplier les éléments magnétorésistifs de manière à couvrir un domaine de déplacement plus vaste. L'intensité du champ créé par le courant d'excitation dans l'élément magnéto-résistif varie en effet comme l'inverse de la distance, et devisent donc faible quand le fil mobile s'éloigne trop de l'élément magnéto-résistif. Si par contre l'on juxtapose une pluralité de ces éléments, il s'en trouvera toujours un au voisinage du fil mobile, quelle que soit la position de ce dernier. L'analyse, par exemple par exploration séquentielle, des signaux de position associés a chaque élément magnétorésistif permettra alors de repérer cet élément particulier. L'information peut être utilisée telle quelle (on a alors affaire plus précisément à un capteur de proximité, où l'information de position varie pas à pas, un pas correspondant à l'intervalle séparant deux magnétorésistances). L'information peut également, dans un second temps, être analysée plus finement pour déterminer la distance exacte du fil à l'élément repéré (il s'agit alors véritablement d'un capteur de position, à variation continue de l'information de position ; c'est seulement lorsque cette variation devient trop grande que l'on procède à un décalage de l'origine de mesure, pour ramener la variation à l'intérieur d'un intervalle donné). Lorsque l'on emploie un grand nombre de magnétorésistances, il peut entre avantageux de procéder à un multiplexage, pour éviter la multiplication des circuits de mesure : les éléments sont alors tous commutés en séquence, chacun à leur tour, à un circuit unique de mesure. Les différents signaux sont mémorisés et, à la fin de la séquence, analysés. Les différentes opérations de gestion de l'organe de multiplexage, de mise en mémoire, et d'analyse peuvent être avantageusement réalisées par micro processeur, les signaux électriques ayant été numérisés au préalable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux figures annexées dans lesquelles, outre la figure 1 déjà mentionnée les figures 2a et 2b illustrent le fonctionnement du capteur selon l'invention, dans le mode de réalisation comportant un conducteur de compensation, les figures 3a et 3b sont homologues des précédentes, avec une pluralité d'éléments magnétorésistifs, les figures 4a et 4b sont des graphiques explicatifs d'un premier mode d'asservissement du courant de compensation, la figure 5 est un graphique explicatif d'un second mode d'asservissement du courant de compensation, la figure 6 est un graphique explicatif d'un troisième mode d'asservissement du courant de compensation, . la figure 7 est relative à une variante de construction où le déplacement de l'élément mobile n'est plus linéaire, mais angulaire, les figures a et tb sont homologues des figures 3a et 3b, mais dans le mode de réalisation ne comportant pas de conducteur de compensation. Sur la figure 2a (ainsi que sur la figure 2b qui est une vue en plan de la figure 2a), le conducteur mobile 100 est parcouru par un courant I ; le conducteur e est susceptible de se déplacer suivant une direction & approximativement perpendiculaire à la direction x du courant I . Le courant I induit dans l'élément magnéto e e résistif 200 un champ magnétique d'excitation He, orienté comme indiqué sur la figure. Ce champ d'excitation H e possède une composante utile H'e orientée dans une direc tion Oz perpendiculaire aux directions O du courant et x Oy du déplacement. L'élément magnétorésistif 200 est orienté de manière que sa direction d'anisotropie soit située dans le plan x y. Ce sont donc les composantes perpendiculaires à ce plan (donc de direction Oz) qui produiront un effet de variation de résistivité. Au voisinage de la magnétorésistance 200 est également disposé un conducteur 300 de compensation parcouru par un courant I créant au point O un champ magnétique de c compensation H . Le sens et l'intensité du courant 1c sont c tels que le champ de compensation H soit toujours égal c et opposé à la composante utile H'e du champ d'excitation. On comprendra que, pour que le conducteur 300 puisse produire une composante selon O , il est nécessaire que le courant circule dans le plan O xy De préférence, on peut donner a l'élément magnétorésistif 200 une forme allongée suivant la direc tion x parallèle au courant d'excitation (pour accroître l'effet de variation de résistivité) ; dans ce cas, le conducteur I est avantageusement orienté dans cette c meme direction La magnétorésistance 200 et le conducteur 300 peuvent etre avantageusement réalisés sur une plaque support 400, la magnétorésistance 200 étant un conducteur de ferronickel orienté judicieusement, et le conducteur de compensation 300 étant un conducteur de cuivre ou autre métal bon conducteur. I1 est possible de répéter cette structure magnétorésistance-conducteur de compensation associé comme représente figure 3a et 3b, sur une même plaque support 400 : on dispose ainsi d'une pluralité de magnétorésistances201, 202, 203, ..... devant lesquelles se déplace le conducteur unique 100. A chaque magnétorésistance est associé un conducteur de compensation 301, 302, 303 ..... Sur la figure 3a, le conducteur 100 a été représenté approximativement à la verticale de l'élément 202. Le champ d'excitation He2 correspondant est alors orienté de telle sorte que sa composante utile soit nulle. Le courant de compensation dans le conducteur 302 est alors également nul. L'élément 203 est dans une position identique à celle de la figure 2, et donc le champ d'excitation Heî iriposera un courant 1c1 de même sens. Quant à l'élément 201, il sera soumis à un champ d'excitation utile de sens inverse ; le courant de compensation 1c3 sera donc également de sens inverse à celui du courant 1c1 Les moyens d'asservissement pour alimenter chaque conducteur de compensation avec un courant dé sens et d'intensité appropriéssont par exemple réalisés avec un générateur de courant bidirectionnel, schématisé en 510, et commandé par des moyens 500 de mesure de la variation de résistance. Ces moyens 500 peuvent par exemple comporter un montage en pont dont l'une des branches est constituée par la magnétorésistance, et dont les autres branches comportent des éléments de valeurs telles que le pont soit équilibré pour la valeur nominale Ro de la magnétorésistance. Si le champ efficace résultant n'est pas nul, le pont s'en trouvera déséquilibré, et la tension de déséquilibre pourra servir à ajuster en retour le courant de compensation pour ramener ce champ efficace résultant à une valeur nulle. Les signaux de position, proportionnels aux valeurs des différents courants de compensation et représentatifs de la distance du conducteur mobile a chacune des magnétorésistances fixes, sont appliqués à des moyens comparateurs 600. Un circuit 700 d'analyse indique la position du conducteur fixe, connaissant celle de l'eldment maqnbtordsistant dont le conducteur est le plus proche et, le cas échéant, la distance du conducteur a cet élément particulier. I1 est bien entendu possible de remplacer le conducteur 100 parcouru par un courant continu 1e par un élément générateur de champ magnétique, par exemple un aimant, mobile dans la même direction, et orienté de manière à pouvoir produire une composante de champ suivant la direction utile O z Les figures 4 à 6 se réfèrent à différents modes de réalisation de l'asservissement du courant de compensation. Outre le mode décrit précédemment, où le courant de compensation est un courant continu ajusté en permanence de manière que la résistance mesurée soit toujours minimale, il est possible de superposer une composante alternative à ce courant continu (graphiques du haut des figures 4a et 4b). La valeur I correspond co a une valeur de courant continu qui annulerait le champ efficace résultant dans la magnétorésistance. Si le courant de compensation varie exactement autour de cette valeur moyenne Ico (figure 4b) chaque passage du courant à cette valeur provoque une variation impulsionnelle de résistance correspondant à l'annulation du champ efficace. Chaque alternance du courant de compensation comportant deux passages à la valeur in 1c0, les variations impulsionnelles de résistance seront de fréquence double de celle de la composante alternative du courant de compensation. Si la composante alternative n'est pas centrée autour de la valeur 1co (figure 4a), on recueillera toujours des impulsions de fréquence double, mais le rapport cyclique T1/T2 ne sera pas égal a l'unité, comme c'était le cas précédemment (figure 4b). On pourra alors utiliser des moyens de mesure du rapport cyclique pour asservir la composante continue du courant de compensation, de manière à ramener ce rapport à une valeur voisine de l'unité. Dans la variante de la figure 5, le courant de compensation comporte une partie en forme de rampe (la caractéristique peut être une rampe unique, ou la partie linéaire d'une caractéristique en dent de scie). Lorsque la valeur du courant atteint la valeur in IcOl on observe, comme précédemment, une variation impulsionnelle de résistance, celle-ci passant par son minimum RO. La durée entre le début de la rampe et la survenance de l'impulsion est représentative de la valeur (inconnue) du courant ICo, donc de la distance du conducteur mobile 3 l'élément fixe. La mesure de cette durée sera facile à transformer en un signal de position. I1 est enfin possible de combiner les variantes des figures 4 et 5, avec un courant de compensation (figure 6) en forme de rampe (pendant une durée Tg) suivie d'une composante continue Icora laquelle est superposée une composante alternative #I en forme de dent de scie, de sinusolde, ou autre . On combine ainsi les avantages des variantes de la figure 5 (ddtermination du courant ICo) et des figures 4 (asservissement du courant de compensation). Il a jusqu'a présent été envisagé un déplacement linéaire de l'élément mobile, mais il est également possible d'appliquer 1'invention à la mesure d'un déplacement angulaire. Comme représenté sur la figure 7 , le conducteur 100 est parcouru par un courant d'excitation I de direction radiale, et les différentes magnéto e résistances 200 et les différents conducteurs de compenstation 300 sont répartis sur un secteur circulaire, tous étant orientés radialement. Les figures 8 a et8b se réfèrent à un mode de réalisation dans lequel il n'est pas nécessaire de disposer d'un courant ou d'un conducteur de compensation. Le conducteur mobile 100 et les différentes magnétorésistances 201 à 205 sont disposés de façon identique au mode de réalisation précédent, mais le courant qui parcourt le conducteur mobile est un courant alternatif de fréquence Fe déterminée. Ce courant alternatif va induire dans les magnétorésistances des variations impulsionnelles de résistance de fréquence double 2.Fe (ces impulsions sont similaires à celles représentés figure 4b, mais dans le présent mode de réalisation, c'est le courant d'excitation, et non plus le courant de compensation, qui est alternatif). Ces variations de résistance sont transformées par des circuits 520 en signaux de mesure ;ces signaux scntfiltréspar des filtres 530 a bande étroite centrés autour de la fréquence 2.F . On élimine de cette manière e les effets du courant induit dans la magnétorésistance, ainsi que ceux des signaux parasites. Les signaux obtenus, dont l'intensité est représentative de la distance du conducteur à l'élement considéré, sont ensuite comparés et analysés par des circuits 600 et 700, de la meme maniere que précédemment. Toujours comme précédemment, il est possible de procéder a un multiplexage des magnétorésistances on dispose ainsi d'un circuit unique 520 et d'un filtre unique 530, auxquels sont raccordées séquentiellement les différentes magnétorésistances. Bien entendu, de nombreux modes de réalisation et de nombreuses variantes peuvent être envisagés conformément a l'esprit de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Capteur de position, caractérisé en ce qu'il comporte un élément mobile (100) engendrant un champ magnétique d'excitation, au moins un élément magnétorésistif fixe (200), sensible au champ magnétique d'excitation (He), et orienté de maniere que sa direction d'anisotropie soit située dans un plan sensiblement parallèle a la direction (Oy) du déplacement de l'élément mobile, des moyens, coopérant avec cet élément magnétorésistif, pour fournir un signal de position de l'élément mobile fonction du champ magnétique utile créé par celui-ci dans l'élément magnétorésistif. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément mobile est un conducteur parcouru par un courant continu d'excitation (Ie), la direction du déplacement étant sensiblement perpendiculaire à la direction (0x) du courant d'excitation. 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément mobile est un aimant orienté de maniere a créer un champ utile dans l'élément magnétorésistif. 4. Capteur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un conducteur fixe (300), disposé au voisinage de chaque élément magnétorésistif et parcouru par un courant de compensation (Ic) créant dans l'élément magnétorésistif un champ magnétique de compensation (Hc), le sens et l'intensité du courant de compensation étant tels que, à l'endroit de chaque élément magnétorésistif, le champ efficace résultant soit sensiblement nul. 5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le courant de compensation est un courant continu, et en ce qu'il comporte des moyens (500, 510) pour asservir chaque courant de compensation à une mesure de la résistance de l'élé ment magnétorésistif correspondant, de manière que celle-ci conserve la valeur minimale correspondant à une annulation du champ efficace résultant dans cet élément magnétorésistif, des moyens pour mesurer le sens et l'intensité de chaque courant asservi, ainsi que des moyens, coopérant avec ces moyens de mesure, pour transformer ces valeurs en un signal de position de l'élément mobile. 6. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le courant de compensation comporte une composante alternative superposée à une composante continue, et en ce qu'il comporte : des moyens pour mesurer le rapport cyclique (T1/T2) des variations impulsionnelles de résistance de l'elé- ment magnétorésistif produites par cette composante alternative, des moyens (500,510), coopérant avec ces moyens de mesure du rapport cyclique, pour asservir la compo sante continue du courant de compensation, de manière à ramener le rapport cyclique a une valeur voisine de l'unité, des moyens, coopérant avec les moyens précédents, pour engendrer un signal de position de l'élément mobile fonction du. courant de compensation asservi. 7. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le courant de compensation présente une carac éristique en forme de rampe, et en ce qu'il comporte - des moyens pour détecter la variation impulsionnelle de résistance de l'élément magnétorésistif produite au moment où la rampe de courant franchit une valeur (Ico) correspondant à l'annulation, dans l'élément magnétorésistif, du champ efficace résultant, - des moyens pour mesurer la durée (To) de la rampe entre le début de celle-ci et la survenance de l'impulsion, - des moyens pour engendrer un signal de position de l'élément mobile fonction de cette durée. 8. Capteur selon les revendications 6 et 7 en combinaison, caractérisé en ce que le courant de compensation présente une caractéristique en forme de rampe suivie d'une composante continue à laquelle est superposée une composante alternative, la fin de la rampe étant déclenchée par la survenance de la première variation impulsionnelle de résistance. 9. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément mobile est un conducteur parcouru par un courant alternatif d'excitation de fréquence (Fe) déterminée, la direction du déplacement étant sensiblement perpendiculaire à la direction du courant d'excitation, et en ce qu'il comporte : des moyens (520), coopérant avec chacun des éléments magnétorésistifs, pour transformer en un signal élec trique de mesure la variation périodique de résistance consécutive à la variation du champ d'excitation produite par le courant alternatif d'excitation, des moyens (530) de filtrage à bande étroite ne trans mettant que la composante de fréquence double (2.Fe) contenue dans le signal de mesure, des moyens pour engendrer un signal de position de l'élément mobile fonction de l'amplitude du signal de mesure filtré. 10. Capteur selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte - une pluralité d'éléments magnetorésistifs (201 à 205), - des moyens comparateurs (600, 700) des signaux de position associés à chaque élément magnétorésistif de manière à déterminer la position de l'élément mobile par rapport à l'ensemble des éléments magnétorésistifs. 11. Capteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de multiplexage des éléments magnétorésistifs.