Brevet FR2530013A1 — publié le 19840113

Détecteur magnétique la présente invention concerne un détecteur magnéti- que réagissant à des objets à faible réluctance et constitué par un élément magnétique bistable (EMB), un enroulement électrique détecteur associé à l'E 1 B et des aimants qui définissent avec des faces polaires de polarités différentes une aire de travail sensiblement plane du détecteur derrière laquelle sont montés l'EF et l'enroulement détecteur Un détecteur de ce genre est décrit dans le brevet européen 34 821 Il comporte, disposés sur un support, deux barreaux aimantés, de préférence des aimants de forte intensité d'ai- mantation, en cobalt-samarium, orientés antiparallèlement. Les deux aimants présentent des faces polaires planes ali- gnées entre elles Deux faces polaires alignées entre elles de ce genre définissent une aire de travail dont les objets auxquels le détecteur doit réagir sont amenés à se rappro- cher Latéralement à côté des aimants et derrière cette aire de travail est disposé un élément magnétique bistable, ci-après également appelé de façon abrégée "OE", entouré par un enroulement détecteur. En tant qu'éléments magnétiques bistables, également appelés noyaux de commutation magnétiques bistables, il convient d'utiliser notamment des fils du type dit Wiegand dont la constitution et la fabrication sont décrites dans la Demande de brevet allemand publiée n O 2 143 326 et qui sont également utilisés dans le détecteur connu faisant l'objet du brevet européen 34 821 Des fils Wiegand sont, quant à leur composition, des fils ferromagnétiques homogè- nes (par exemple en un alliage de fer et de nickel, de pré- férence 48 % de fer et 52 % de nickel, ou en un alliage de fer et de cobalt, ou en un alliage de fer avec du cobalt et du nickel, ou encore en un alliage de cobalt avec du fer et du vanadium, de préférence 52 % de cobalt, 38 % de fer et % de vanadium), qui par sui-te d'un traitement mécanique et thermique spécial possèdent un noyau magnétique doux et une enveloppe magnétique dure, c'est-à-dire que l'enveloppe présente une force coercitive supérieure à celle du noyau. Des fils Wiegand présentent typiquement une longueur de 10 à 50 mm, de préférence de 20 à 30 mm Si un fil Wiegand, dans lequel le sens d'aimantation du noyau magnétique doux correspond au sens d'aimantation de l'enveloppe magnétique dure, est placé dans un champ magnétique extérieur dont la direction correspond à la direction de l'axe du fil mais dont le sens est opposé au sens d'aimantation du fil Wie- gand, alors le sens d'aimantation du noyau doux du fil Wie- gand se trouve inversé en cas de dépassement d'une intensité de champ d'environ 16 A/cm Cette inversion est également appelée remise à l'état initial En cas d'une nouvelle in- version du sens du champ magnétique extérieur le sens d'ai- mantation du noyau s'inverse à nouveau dès que l'intensité du champ magnétique extérieur excède une valeur critique (que l'on appelle intensité de champ d'amorçage), de sorte que le noyau et l'enveloppe se trouvent de nouveau aimantés parallèlement Cette inversion du sens d'aimantation s'ef- fectue très rapidement et s'accompagne d'une forte variation correspondante du flux magnétique par unité de temps (effet Wiegand) Cette variation du flux magnétique peut induire dans une bobine d'induction, qui est qualifiée d'enroulement détecteur, une impulsion de tension (impulsion Wiegand) courte et très forte (pouvant en fonction du nombre de spi- res et de la résistance de charge de la bobine d'induction atteindre jusqu'à environ 12 volts). lors de la remise du noyau à son état initial une im- pulsion est également produite dans l'enroulement détecteur mais cette impulsion présente, par rapport au cas du passage du sens d'aimantation antiparallèle à celui parallèle, une amplitude sensiblement plus faible et le signe contraire. Si le fil Wiegand se trouve dans un champ magnétique dônt le sens s'inverse de temps à autre et qui est suffisam- ment fort pour pouvoir inverser d'abord l'aimantation du noyau et ensuite celle de l'enveloppe et les amener chadun à l'état de saturation magnétique, alors il se produit, par suite du changement du sens d'aimantation du noyau magnéti- que doux, des impulsions Wiegand présentant alternativement une polarité positive et une polarité négative et on peut alors parler d'excitation symétrique du fil Wiegand Pour cela il faut des intensités de champ d'environ -( 80 à 120 A/cm) et +( 80 à 120 A/cm) L'inversion de l'aimantation de l'enveloppe se produit également de façon brusque et conduit aussi à une impulsion dans l'enroulement détecteur, mais cette impulsion est beaucoup plus faible que celle induite lors de l'inversion de l'aimantation du noyau. Si l'on choisit, par contre, comme champ magnétique extérieur un champ capable de changer seulement le sens d'aimantation du noyau doux et non pas celui de l'enveloppe dure, alors les fortes impulsions Wiegand ne se produisent qu'avec une même polarité et on parle dans ce cas d'exài- tation asymétrique du fil Wiegand Pour cela il faut dans un sens une intensité de champ d'au moins 16 A/cm (pour ra- mener le fil Wiegand à l'état initial) et dans le sens in- verse une intensité de champ d'environ 80 à 120 A/cm. Il est caractéristique de l'effet Wiegand que les impulsions produites par cet effet sont, quant à leurs am- plitude et largeur, dans une large mesure indépendantes de la vitesse de variation du champ magnétique extérieur et présentent un rapport signalbruit élevée Dans le cadre de l'invention peuvent également être utilisés des éléments magnétiques bistables conçus diffé- remment, à condition que ceux-ci comportent deux régions couplées magnétiquement entre elles et présentant l'une par rapport à l'autre une dureté magnétique (force coerci- tive) différente et puissent, de manière analogue à des- fils Wiegand, servir à la génération d'impulsions par inver- sion rapide, induite, de l'aimantation de la région magné- tique douce Ainsi il est décrit par exemple dans le brevet allemand n 2 514 131 un noyau de commutation magnétique bistable présenté sous la forme d'un fil qui est constitué d'un noyau magnétique dur (par exemple en nickel-cobalt), d'une couche intermédiaire conductrice de l'électricité (par exemple en cuivre) déposée sur le noyau et d'une couche magnétique douce (par exemple en nickel-fer) déposée sur la* couche intermédiaire Une autre variante comporte en outre un noyau formé d'un conducteur métallique interne dépourvu de perméance (par exemple en béryllium-cuivre) sur lequel est alors déposée la couche magnétique dure qui reçoit la couche intermédiaire, laquelle est enfin recouverte de la couche magnétique douce Ce noyau de commutation magnétique bistable connu génère toutefois des impulsions de commuta- tion plus faibles que celles générées par un fil Wiegand. Dans le cas du détecteur décrit dans le brevet euro- péen 34 821 le fil Wieàand se trouve à l'intérieur du champ de dispersion des deux aimants dans une zone à inten- sité de champ relativement faible Cependant, lorsqu'un ob- jet à faible réluctance, comme par exemple une barre de fer, est amené à se rapprocher des deux faces polaires situées dans l'aire de travail, cet objet agit comme une pièce per- méable au flux par laquelle passe, en fonction du degré au- quel elle-se rapproche des faces polaires, une partie plus ou moins importante du flux magnétique Le champ magnétique initialement déterminé par les deux aimants est fortement déformé et lorsque l'objet se rapproche suffisamment des faces polaires antérieures situées dans l'aire de travail le flux de dispersion magnétique sortant des faces polaires postérieures est dévié en direction de l'objet et influence, de manière renforcée, également le fil Wiegand La déflexion du champ magnétique provoque au niveau du fil ïWiegand un changement de sens du flux magnétique, permettant ainsi à une impulsion Wiegand de se produire Lorsque l'objet à faible réluctance s'éloigne à nouveau du détecteur, le champ magnétique revient à son état primitif,ce qui slaccom- pagne d'un nouveau changement de sens du flux magnétique au niveau du fil Wiegand. Ce détecteur connu a pour inconvénient qu'il faut une déformation considérable du champ magnétique pour ob- tenir l'élévation d'intensité de champ nécessaire à la gé- nération d'impulsions W Jiegand Pour permettre cette défor- mation du champ magnétique il faut que l'objet à détecter soit amené jusqu'à moins de 1 mm de distance, simultanément, de chacun des deux faces polaires situées dans l'aire de travail Cela signifie en outre que la longueur de ces ob- jets ne doit pas être inférieure à l'espacement des faces polaires situées dans l'aire de travail, c'est-à-dire qu'elle doit être au moins égale à la longueur d'un fil Wiegand typique ( 20 à 30 mm) Ces conditions limitent sé- rieusement les possibilités d'utilisation du détecteur. L'invention a pour objet de créer un détecteur du genre mentionné plus haut qui soit plus approprié à la surveillance du mouvement de roues dentées, de crémaillères et d'objets analogues et présente une meilleure aptitude à réagir de façon à pouvoir être utilisé plus largement. Ce but est atteint, pour un détecteur magnétique réagissant à des objets à faible réluctance et constitué' par un élément magnétique bistable (EMB) , un enroulement électrique détecteur associé à l'EYIB et des aimants qui dé- finissent avec des faces polaires de polarités différentes une aire de travail sensiblement plane du détecteur derri- ère laquelle sont montés l'E 1 M et l'enroulement détecteur, par le fait que l'EMB est disposé à proximité de l'aire de travail entre quatre faces polaires magnétiques situées dans l'aire de travail de façon que leurs polarités alter- nent D'autres caractéristiques avantageuses de l'invention sont définies plus loin. Le détecteur magnétique selon l'invention réagit à des objets à faible réluctance, principalement des objets en fer, qui se déplacent transversalement aux axes des ai- mants et transversalement à l'axe longitudinal de l'E Lf B de telle manière que les objets se rapprochent d'abord de l'une des paires de pâles situées dans l'aire de travail du détecteur, puis de l'ELB situé entre les paires de pôles magnétiques et enfin de l'autre paire de pôles magnétiques située dans l'aire de travail et passent sensiblement pa- rallèlement à l'aire de travail par-dessus celle-ci pour s'en éloigner. Les objets qui défilent ainsi devant le détecteur embrassent d 7 abord le flux magnétique entre les pôles ma- gnétiques de la première paire de p 8 les sur laquelle ils passent et,' un instant ultérieur,le flux magnétique entre les pôles magnétiques de l'auttre paire De ce fait, lors du défilement d'un objet en fer ou une matière analogue l E 1 MB est soumis d'abord à un flux croissant puis décrois- sant du champ de dispersion magnétique de la seconde paire de pôles magnétiques et ensuite à un flux croissant puis décroissant du champ de dispersion magnétique de la première paire de pôles magnétiques Etant donné que les champs ma- gnétiques des deux paires de pôles magnétiques ont des sens opposés, l'51 M est soumis alternativement à des flux magné- tiques contraires qui ont pour effet que son aimantation s'inverse brusquement, induisant ainsi de manière connue une impulsion électrique dans l'enroulement détecteur associé à l'ELS. Le fait que quatre pôles magnétiques disposés aux angles d'un quadrilatère soient influencés alternativement par poires permet de produire, au niveau de l'E 1 v 3 situé en- tre les pôles magnétiques, des variations d'intensité de champ sensiblement plus importantes que dans le cas du dé- tecteur décrit dans le brevet européen 34 821 Pour ob- tenir des impulsions électriques dans l'enroulement détec- teur associé à l'EMB les ôbjets auxquels le détecteur est destiné à réagir n'ont pas besoin d'gtre amenés aussi près de ce dernier que cela est nécessaire jusqu'à présent pour le détecteur connu du même genre En outre, à la différence du détecteur connu décrit dans le brevet européen 34 821, l'EMB n'a pas besoin de faire l'objet en permanence d'une tension de polarisation de la part des aimants du détecteur. Au contraire, l'EMB peut gtre disposé dans la zone magnéti- quement neutre (c'est-à-dire la zone à intensité de champ magnétique évanouissante) entre les pôles magnétiques ou dans la zone d'intensité de champ magnétique minimale entre les p 8 les magnétiques, de sorte que la variation d'intensi- té de champ au niveau de l'EMB lors de la détection d'un objet à faible réluctance peut être particulièrement forte. Il est en outre avantageux qu'un flux magnétique important puisse être obtenu dans les deux sens au niveau de l'EMB de sorte que celui-ci peut être amené à produire-des impul- sions tant par excitation symétrique que par excitation asymétrique. En vue de l'obtention d'intensités de champ aussi élevées que possible on utilise avantageusement des aimants en cobalt associé à un métal du groupe des terres rares, notamment des aimants en cobalt-samarium L'utilisation d'électroaimants au lieu d'aimants permanents serait possi- ble mais, en raison de l'amenée de courant nécessaire et du côlt de construction accru, elle n'est pas préférable. Afin d'éviter des pertes par dispersion les aimants sont de préférence utilisés en forme d 1 U, 1 'ELB étant alors disposé entre deux aimants en U de ce genre à proximité de l'aire de travail qui est définie par les faces polaires des deux aimants en U Dans la plupart des cas une construc- tion symétrique du détecteur est à préférer Dans le cas d'objets qui défilent devant le détecteur en se succédant de très près, par exemple des dents d'une roue dentée à pas réduit, le pouvoir de résolution géométrique du détecteur risque cependant de ne plus être suffisant pour que la va- riation d'intensité de champ nécessaire à la génération d'une impulsion soit encore produite par deux dents succes- sives En pareil cas on peut-y remédier en ayant recours à un détecteur de type asymétrique. D'autres caractéristiques de l'invention définies plus loin ont pour but commun d'influer favorablement sur l'aptitude du détecteur à réagir et sur le niveau des si- gnaux émis par lui. Deux exemples de réalisation de détecteurs selon l'invention sont représentés schématiquement aux dessins annexés Des éléments constitutifs identiques ou correspon- dant entre eux dans les deux exemples de réalisation sont désignés par les mêmes chiffres de référence. La figure 1 représente, en vue de dessus de son côté avant, un détecteur magnétique construit de manière symé- trique la figure 2 montre le même détecteur en coupe suivant la ligne IIII de la figure 1; la figure 3 montre le détecteur vu suivant la flèche III de la figure 1;et la figure 4 est une vue analogue à la figure 3 d'un détecteur construit de manière asymétrique. Le détecteur représente sur les figures 1 à 3 com- prend deux aimants permanents en U 1 et 2 de mêmes dimen- sions et de même intensité qui sont disposés antiparallèle- ment l'un par rapport à l'autre et définissent avec leurs quatre faces polaires planes 11, 12, 21 et 22, qui sont si- tuées dans un plan commun, l'aire de travail 3 (côté avant) du détecteur Chacun des aimants en U 1, 2 est constitué par deux barreaux aimantés 4 et 5 disposés antiparallèle ment, de préférence en cobalt-samarium, un autre barreau ai- manté 6, de préférence également en cobalt-samarium, qui re- lie à la manière d'une voûte les deux faces polaires des barreaux aimantés 4, 5 qui sont éloignées de l'aire de tra- vail 3, ainsi que deux pièces 7 en fer perméables au flux situées aux extrémités du barreau aimanté 6 et qui forment les deux angles de l'aimant en U respectif 1, 2. Dans le plan longitudinal médian entre les deux ai- mants en U 1 et 2 est disposé un fil Wiegand 9 entouré par un enroulement détecteur 8, le fil Wiegand étant suffisam- ment proche de l'aire de travail 3 pour que l'enrouleffent détecteur 8 soit tangent à l'aire de travail 3. Le fil Wiegand 9 est situé dans une zone sensiblement neutre du point de vue magnétique entre les aimants en U 1 et 2; en cas d'ajustage exact du fil Wiegand 9 les flux de dispersion des deux aimants 1 et 2 se compensent au niveau du fil Wiegand 9 l'équilibre est perturbé lorsque l'aimant 1 et l'aimant 2 sont l'un après l'autre pratiquement court- circuités du point de vue magnétique par une dent 10 Lors- qu'une dent se trouve directement au-dessus de l'aimant 1 le fil Wiegand 9 n'est influencé que par le flux de disper- sion de l'autre aimant 2 Lorsque la dent 10 avance suivant la flèche 13 jusqu'à se trouver au-dessus de l'autre aimant 2, celui-ci est courtcircuité et le fil Wiegand 9 se trouve alors sous l'influence du champ de dispersion du premier ai- man t 1 Entre ces deux positions de la dent le fil Wiegand 9 "voit" un passage par zéro de l'intensité de champ. la variation d'intensité de champ liée à un passage par zéro provoque dans le fil Wiegand, par suite de l'effet Wiegand, un brusque changement du sens d'aimantation et le déclenchement d'une impulsion de tension dans l'enroulement détecteur, laquelle impulsion peut être amenée à un circuit de traitement connecté au détecteur. Suivant un exemple éprouvé les aimants en U 1 et 2 en cobalt-samarium présentent une épaisseur de 3 mm, une lon- gueur de 7 mm (mesurée dans la direction des barreaux aiman- tés 4, 5) et une largeur de 14,5 mm (mesurée dans la direc- tion du barreau aimanté 6); leurs faces polaires rectangu- laires 11, 12, 21 et 22 mesurent 3 x 4,5 mm Le fil I Viegand 9 a 11 mm de long et l'enroulement détecteur 8 entourant ce fil a 9 mm de long et comporte 2 000 spires Ce détecteur peut réagir aux dents 10 d'une crémaillère ou d'une roue den- tée en fer qui se déplacent suivant la flèche 13 (ou en sens contraire) le long de l Taire de travail 3 du détecteur. L'utilisation de ce détecteur en présence d'une cré- maillère en fer présentant un profil de dent trapézoïdal, un module de 2, 5 mm et une largeur de dent b = 14 mm permet de produire des impulsions Wiegand de 0,8 à 1,2 volts dans l'enroulement détecteur 8 lorsque les dents 10 passent sur l'aire de travail 3 à une distance de 1,5 à 2 mim de celle- ci Par suite de la construction symétrique ces impulsions sont induites dans les deux sens Il a en outre été consta- té que le détecteur-réagissait encore à des dents 10 présen- tant une largeur de 6,8 mm seulement; il n'existe pas de limite supérieure de la largeur de dent La plus grande distance (d) entre les dents 10 et l'aire de travail 3 pour laquelle se produit encore un amorçage sûr des impulsions Wiiegand s'est avérée être dans le cas de ce détecteur d'en- viron 2,3 mm; cette valeur est plus du double de celle pouvant être obtenue avec un détecteur selon le brevet eu- ropéen 34 821. Pour que le détecteur fonctionne correctement l'es- pacement des deux aimants 1 et 2 et le module de la cré- maillère ou de la roue dentée doivent évidemment être adap- tés l'un à l'autre de telle manière que les deux aimants 1 et 2 ne soient pas simultanément court-circuités magnéti- quement par deux derits 10 mais qu'un creux se trouve au- dessus l'un des aimants lorsqu'une dent est placée au-dessus de l'autre aimant. Dans le cas d'un faible pas d'engrenage les aimants 1 et 2 doivent d'autre part ne pas être disposés si près l'un de l'autre que par une seule dent 10, située en re- gard de l'un des aimants 1, 2, soit en même temps égale- ment affaibli de manière sensible le champ de dispersion de l'autre aimant 2, 1 car la variation de l'intensité de champ risque alors dans certaines conditions de ne plus suffire à amorcer des impulsions Wiegand. On peut remédier à cela en choisissant une construc- tion asymétrique du détecteur-comme celle représentée sur la figure 4 Le détecteur comporte deux aimants permanents 1; et 2 d'intensités d'aimantation différentes entre les- quels le fil Wiegand 9 entouré par un enroulement détecteur 8 est monté, comme dans le premier exemple, dans une zone sensiblement neutre du point de magnétique entre les ai- mants 1 et 2 En raison de la différence d'intensité d'ai- mantation entre les aimants 1 et 2 la zone neutre n'est pas située centralement entre les deux aimants 1 et 2 mais plus près de l'aimant de moindre intensité d'aimantation 2. Le pas d'engrenage et l'espacement des aimants 1, 2 sont adaptés l'un à l'autre de telle manière que l'un des ai- mants se trouve exactement en regard d'une dent 10 lorsque l'autre aimant se trouve exactement en regard du deuxième creux suivant 14. REVENDICATIONS 1 Détecteur magnétique réagissant à des objets à faible réluctance et constitué par un élément magnétique bistable (EMB), un enroulement électrique détecteur associé à l'EMB, et des aimants qui définissent avec des faces po- laires de polarités différentes une aire de travail sensi- blement plane du détecteur derrière laquelle sont montés l'EMB et l'enroulement détecteur, caractérisé en ce que l'EMB ( 9) est disposé à proximité de l'aire de travail ( 3) entre quatre faces polaires magnétiques ( 11, 12, 21 et 22) situées dans l'aire de travail ( 3) de façon que leurs pola- rités alternent. 2 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'EMB est disposé entre les quatre faces polaires ( 11, 12, 21 et 22) de telle manière que le flux magnétique au niveau de l'E 1 B ( 9) est minimal tant que le champ magné- tique n'est pas perturbé de l'extérieur. 3 Détecteur selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que l'EMB ( 9) est situé dans ou à proximité de la zone magnétiquement neutre entre les quatre faces polaires ( 11, 12, 21 et 22). 4 Détecteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que les quatre faces polai- res ( 11 i, 12, 21 et 22) sont situées aux angles d'un rec- tangle. Détecteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que les quatre faces polai- res ( 11, 12, 21 et 22) appartiennent-à deux aimants en for- me d'U ( 1, 2) disposés parallèlement l'un à l'autre et présentant de préférence les mêmes dimensions. 6 Détecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'EY 3 ( 9) est disposé parallèlement à l'aire de travail ( 3) et aux aimants en U ( 1, 2) entre ceux-ci. 7 Détecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux aimants en U ( 1, 2) sont identiques en ce qui concerne l'intensité de leurs pôles et en ce que 1 'EMB ( 9) est disposé centralement entre les aimants ( 1, 2) 8 Détecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux aimants en U ( 1, 2) présentent des in- tensités de pôles différentes et en ce que l'EFB ( 9), si- tué plus près de l'aimant ( 2) de moindre intensité d'aiman- tation que de l'aimant ( 1) de plus grande intensité d'ai- mantation, est disposé dans la zone o le flux magnétique est minimal. 9 Détecteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que l'EMB ( 9) est un fil Wiegand. Détecteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'espacement des faces polaires ( 11, 12, 21 et 22) les unes par rapport aux autres et la longueur du fil Wiegand ( 9) sont adaptés l'un à l'autre de façon que le fil Wiegand ( 9) ne s'étende pas hors de la région de l'aire de travail ( 3) limitée conjointement par les faces polaires ( 11 il, 12, 21 et 22). 11 Détecteur selon les revendications 5 et 10, ca- ractérisé en ce que la longueur du fil Wiegand ( 9) corres- pond à peu près à l'entraxe des deux faces polaires (I 41, 12; 21, 22) d'un aimant ( 1; 2). 12 Détecteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 11, caractérisé en ce que l'enroulement détecteur ( 8) entoure l'EMB ( 9).