Brevet FR2583886A1 — publié le 19861226

- 1 - La présente invention concerne un dispositif destiné à mesu- rer le champ magnétique et/ou les variations de champ magnétique se produisant dans un entrefer situé entre un transducteur fixe et un transmetteur rotatif qui est monté sur un arbre, une roue, ou un élé- ment équivalent, ou qui fait partie d'un corps de révolution de ce type, ce dispositif comprenant un générateur Hall intégré dans une puce à semiconducteurs et fixé dans l'entrefer sur la face avant du transducteur. Pour mesurer la vitesse d'un arbre, il est connu de monter sur cet arbre une roue de transmission, conçue sous la forme d'un ai- mant annulaire ou d'une couronne dentée, et de prévoir un transduc- teur fixe sur la zone de bord de la roue de transmission. Dans l'en- trefer existant entre le transmetteur et le transducteur, un champ magnétique est formé au moyen des aimants de la roue de transmission ou d'un aimant situé à l'intérieur du transducteur, les variations de ce champ magnétique étant détectées au moyen d'un circuit intégré de Hall et d'un circuit d'analyse relié par l'intermédiaire d'un conden- sateur (demande de brevet allemand n 32 31 391). Un agencement de ce type présente notamment un inconvénient, à savoir que les vibrations se produisant entre la roue de transmis- sion et le transducteur ainsi que les variations de l'entrefer qui en résultent provoquent l'apparition de signaux parasites qui ne peuvent être distingués des signaux utiles, c'est-à-dire des signaux dépen- dant de la vitesse, ou qui, tout au moins, altèrent la résolution des signaux. Un autre inconvénient d'un circuit de ce type réside en ce que le circuit intégré de Hall nécessite de prévoir des lignes sépa- rées pour l'alimentation en énergie électrique et pour le prélèvement des signaux de mesure. Pour mesurer les mouvements rotatifs, il est également connu de prévoir deux transducteurs inductifs décalés sur la circonférence d'un disque denté servant de transmetteur, pour garantir que les si- gnaux utiles dépendant de la vitesse apparaissent dans les deux transducteurs avec un déphasage de 180 . En revanche, les signaux pa- rasites provoquent l'apparition de signaux de même sens dans les deux transducteurs. On pense ainsi pouvoir distinguer les signaux utiles -2 - des signaux parasites (demande de brevet allemand n 22 39 926). En principe, les agencements ne comportant que des transduc- teurs inductifs présentent un inconvénient, à savoir que l'amplitude du signal de sortie dépend de la vitesse de rotation, ce qui - tout au moins à faible vitesse - rend pratiquement impossible toute diffé- renciationsignaux utiles et signaux parasites. La présente invention a donc pour but de pallier les incon- vénients décrits et de fournir un capteur, c'est-à-dire un dispositif de mesure, qui, d'une part, fournisse un signal de sortie d'amplitude suffisante, même en cas de mouvements rotatifs faibles, et qui, d'au- tre part, soit très peu sensible aux signaux parasites, tels que les inévitables vibrations de l'entrefer. Il s'est avéré que ce but pouvait être atteint de manière étonnamment simple et techniquement évoluée au moyen d'un dispositif du type indiqué précédemment, dont la caractéristique et le perfec- tionnement résident en ce que la puce à semi-conducteurs comprend deux générateurs Hall de même type situés l'un derrière l'autre dans le sens de rotation du transmetteur, et un circuit électronique d'alimentation, de mesure et d'analyse. Conformément à un mode de réalisation avantageux de la pré- sente invention, qui suppose la présence d'un transmetteur conçu sous la forme d'un disque dentS, la distance entre les deux générateurs Hall correspond sensiblement à une largeur de dent, c'est-à-dire à la dimension d'une dent dans le sens circonférentiel du disque. Dans d'autres modes de réalisation avantageux, l'écartement des deux élé- ments de Hall est inférieur à la largeur d'une dent. Dans la puce à semi-conducteurs du dispositif conforme à l'invention, les deux générateurs Hall ainsi que les circuits d'ali- mentation, de mesure et d'analyse sont avantageusement logés dans un seul et même circuit intégré. Dans un mode de réalisation, il est donc prévu, dans le circuit intégré, une source de courant constant et un amplificateur de tension pour chaque générateur Hall - chacun des amplificateurs de tension pouvant être alimenté par le signal de sortie d'un générateur Hall, c'est-à-dire par la tension de Hall -, un amplificateur différentiel comparant les tensions de sortie des - 3 - 2583886 deux amplificateurs de tension de Hall, un étage de transistor dont le signal de sortie représente le résultat de mesure détecté au moyen des deux générateurs Hall, et enfin un régulateur de tension permet- tant de stabiliser la tension d'alimentation destinée aux différents étages d'amplification. De manière appropriée, l'amplificateur différentiel possède une caractéristique d'hystérésis, de sorte que, pour commuter les si- gnaux de sortie des deux amplificateurs de tension de Hall, il est nécessaire qu'une valeur de seuil prédéterminée de différence de ten- sion d'entrée de l'amplificateur différentiel soit dépassée. En outre, dans un mode de réalisation de la présente inven- tion, il est prévu de concevoir l'étage de transistor, actionné par l'amplificateur différentiel, sous la forme d'un étage de commutation dont la position correspond au résultat de mesure. Dans un exemple, l'étage de commutation est conçu sous la forme d'un transistor com- mandé comme un émetteur-suiveur, dont le trajet collecteur-émetteur relie les lignes de connexion du dispositif de mesure. En outre, un mode de réalisation de la présente invention est caractérisé en ce qu'il peut être connecté par l'intermédiaire d'une ligne double qui assure en même temps l'alimentation en énergie du circuit, c'est-à-dire des amplificateurs et des deux générateurs Hall, et la sortie des signaux. Si le dispositif conforme à l'invention est connecté par l'intermédiaire d'un circuit redresseur de Graetz, également intégré dans la puce à semiconducteurs, la polarité des lignes de connexion n'a pas d'importance. Un avantage déterminant de la présente invention réside en ce que le procédé décrit peut être réalisé par un seul et même cir- cuit intégré. Ceci permet d'en abaisser le coût de fabrication et d'en augmenter la fiabilité. La limitation à une seule ligne double, servant à la fois à l'alimentation en énergie et au prélèvement des valeurs mesurées, simplifie également le montage, réduit les sources d'erreurs et permet d'abaisser les dépenses de fabrication. L'amplitude du signal de sortie du dispositif de mesure con- forme à l'invention est indépendante du mouvement rotatif à mesurer. Même - 4 - 2583886 en présence de vitesses faibles, un signal utile est donc disponible. Les signaux parasites, en particulier les vibrations de l'entrefer, n'ont pratiquement aucune incidence sur le signal de sor- tie, ce qui rend impossible toute interprétation erronée, même dans des conditions défavorables. Les différents objets et caractéristiques de l'invention se- ront maintenant détaillés dans la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, sous forme partielle, l'agencement d'un transducteur par rapport à un transmetteur, - la figure 2, l'agencement de principe des générateurs Hall dans la puce à semi-conducteurs, considéré depuis la face avant du transducteur conforme à-la figure 1, - la figure 3, un agencement de circuits d'un circuit inté- gré conforme à un mode de réalisation de l'invention, - la figure 4, le diagramme de variation des signaux de sor- tie des amplificateurs de tension de Ball selon la figure 3 et du si- gnal de sortie mesuré selon un mode de réalisation de la présente in- vention, - la figure 5, un second mode de réalisation de la présente invention, représenté sous la même forme qu'à la figure 4. La figure 1 représente l'agencement de principe d'un trans- ducteur 1 sur le bord d'un disque denté 2, servant de transmetteur 2, et d'une puce à semi-conducteurs 3 ou, respectivement, d'un disposi- tif de mesure du type conforme à la présente invention. En l'occuren- ce, le champ magnétique est généré par un aimant permanent en forme de barreau 4 qui produit le champ magnétique 5 représenté sous forme idéalisée. Le champ magnétique 5 traverse l'entrefer L existant entre la face avant 6 du barreau magnétique 4 et le disque denté 2. L'en- trefer effectif L est donc déterminé soit par la distance L1 + L2, soit par la distance L1 + L2 + L3. A la figure 1, le champ magnétique est représenté sous forme idéalisée. La densité de flux magnétique à l'intérieur de l'entrefer dépend de la position relative de la dent 7 ou, respectivement, de l'entredent 8, par rapport à l'aimant 4. La densité de flux, qui est plus importante dans la zone de la dent 7 que dans l'entredent 8, est symbolisée par l'écartement réciproque des lignes de flux ou, respec- tivement, par le nombre ou la densité des lignes de flux dans la zone 7, 8. En référence à la figure 1, sur son côté inférieur, la puce à semiconducteurs 3 supporte les deux générateurs Hall 9 et 10. La distance L1 entre les deux générateurs Hall 9, 10 par rapport à la face avant 6 de l'aimant 4 est, en réalité, définie par l'épaisseur du substrat ou, respectivement, par l'épaisseur de la puce à semi- conducteurs 3. Il est conseillé de coller la puce 3 directement sur la face avant 6. L'entrefer L2 ou L2 + L3 est défini par la distance à surface extérieure de la dent 7 ou à la surface extérieure du dis- que denté à l'intérieur de l'entredent 8. Dans le mode de réalisation représenté, les dents 7 du dis- s que denté 2 sont effilées en direction de la surface extérieure. El- les présentent donc un profil trapézoïdal. La largeur des dents 7 à la base du trapèze est notée B. La figure 2 représente l'agencement des générateurs Hall 9 et 10, à savoir leur agencement réciproque et leur position par rapport à l'aimant 4 du disque denté 2. Dans le sens de rotation, les dents 7 et les entredents 8 passent successive- ment devant les générateurs Hall 9 et 10. La distance D existant entre les générateurs Hall est impor- tante pour la variation dans le temps des tensions de Hall et du si- gnal à la sortie des dispositifs de mesure, comme on le verra en dé- tail ultérieurement en référence aux diagrammes des figures 4 et 5. Les deux générateurs Hall 9, 10 sont regroupés selon un agencement sensiblement symétrique, avec les circuits de mesure et d'analyse correspondants ainsi qu'avec un circuit d'alimentation, dans un circuit intégré IC situé sur la puce à semi-conducteurs 3. Le schéma des connexions est représenté à la figure 3. Le dispositif de mesure conforme à l'invention ou, respecti- vement, le circuit conforme à la figure 3 est relié par l'intermé- diaire des connexions A1 et A2 ou, respectivement, AI' et A2'. UB - 6 - 2583886 symbolise la source de tension, par exemple la batterie du véhicule. Par l'intermédiaire des résistances extérieures R1 ou R2, il est par exemple possible de prélever le signal de sortie sous la forme d'une tension proportionnelle au courant i. Pour l'alimentation en énergie électrique et pour le prélè- vement du signal de mesure, il suffit de prévoir une seule paire de conducteurs, qui est reliée aux bornes Al, A2. Les deux générateurs Hall 9 et 10 faisant partie du circuit intégré IC sont alimentés au moyen de deux sources de courant cons- tant 11 et 12. Dans chacun des cas, la-tension de Hall UH1 et UH2 est reliée aux bornes d'entrée d'un amplificateur de tension 13 et 14. Les niveaux de sortie des deux amplificateurs 13 et 14 sont comparés dans un amplificateur différentiel 15 qui possède une caractéristique d'hystérésis et dont le signal de sortie est, quant à lui, transmis à un étage de commutation à transistor 16. Dans le mode de réalisation représenté, un transistor T suffit à produire un signal de sortie analysable. Le transistor T est exploité comme un émetteur-suiveur. La sortie de l'amplificateur différentiel 15 est reliée à la base du transistor T. Dès que la différence entre les tensions U13 et U14 aux sor- ties des deux amplificateurs 13, 14 dépasse une valeur de seuil pré- déterminée, l'étage de transistor 16 est commuté. L'élément détermi- nant pour l'état de fonctionnement de l'étage de transistor 16 et, par conséquent, le signal de sortie est donc le signe de la dif- férence de tension 1U13 - U141 existant entre les deux amplificateurs de tension de Hall 13 et 14. Un régulateur de tension 17, faisant également partie du circuit intégré IC, fournit une tension d'alimentation constante UC à partir de laquelle sont alimentés, d'une part, les deux sources de courant constant 11 et 12, et d'autre part - comme symbolisé par les lignes d'alimentation 18, 19, 20 représentées en trait discontinu - les amplificateurs de tension de Hall 13 et 14 ainsi que l'amplifica- teur différentiel 15. Dans un mode de réalisation conforme à la figure 3, un cir- cuit redresseur de Graetz est implanté entre les bornes d'entrée A1 -7- 7 2583886 et A2 et les connexions Al' et A2'. Le circuit redresseur de Graetz se compose de quatre diodes Dl à D4 et peut également faire partie du circuit intégré IC. Grâce à ce type de circuit, il importe peu de sa- voir à laquelle des bornes d'entrée Al ou A2 sont reliées les bornes de batterie ou, respectivement, la terre. A la figure 4, les courbes U13 et U14 représentent la courbe de tension à la sortie des amplificateurs de tension de Hall 13 et 14 pour un dispositif de mesure dans lequel la distance D entre les deux générateurs Hall 9 et 10 correspond sensiblement à la largeur B exis- tant entre chaque dent 7 du transmetteur 2 ou, respectivement, du disque denté. La vitesse de rotation du disque 2 est constante pen- dant le laps de temps considéré. Lorsque les dents 7 et les entredents 8 traversent l'entre- fer, l'amplitude de la tension de Hall UH1 et UH2 et donc le niveau de tension U13 et U14 par rapport au potentiel de référence UREF va- rient comme indiqué à la figure 4. L'état du transistor T ou, respectivement, de l'étage de commutation 16 détermine le flux de courant i(t). Le niveau de courant Il est défini par le flux de courant (sensiblement) constant à travers les générateurs Hall et les amplificateurs du circuit inté- gré IC, tandis que la différence entre le courant 12 et le courant Il traverse la résistance d'émetteur R3 dès que le transistor T est com- muté en position ouverte. La zone d'hystérésis, représentée en trait mixte, indique que la commutation du transistor T ou, respectivement, de l'étage de transistor 16 n'intervient que lorsque la différence de tension entre U13 et U14 excède une valeur de seuil prédéterminée, aux moments tl, t2 et t3. Si la largeur de dent B est inférieure à la distance D exis- tant entre les deux générateurs Hall 9 et 10, le signal ne peut plus être traité correctement. En revanche, si la largeur de dent B est supérieure à la distance D, le traitement du signal s'effectue sans problème, conformément à la description faite en référence à la figu- re 5. La figure 5 concerne un mode de réalisation du dispositif de - 8 - 2583886 mesure conforme à l'invention, dans lequel la distance D entre les générateurs Hall, dans le sens de rotation, est inférieure à la lar- geur B d'une dent 7. Dans ce cas, une tension de Hall UH1, UH2 de mê- me grandeur est produite temporairement dans les deux générateurs Hall 9, 10, c'est-à-dire lorsque ces derniers se trouvent simultané- ment au-dessus d'une dent 7 ou, respectivement, d'un entredent 8. Dans ce cas, les différences de tension U13 - U14 ne dépassent la zo- ne d'hystérésis ou, respectivement, n'excèdent les valeurs de seuil prédéterminées que lorsque le dispositif de mesure conforme à l'in- vention passe devant les profils de dent. Le flux de courant i(t) provoqué dans un agencement de ce type est également représenté à la figure 5. - 9- 2583886 REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à mesurer le champ magnétique et/ou les variations de champ magnétique se produisant dans unentrefer si- tué entre un transducteur fixe et un transmetteur rotatif qui est monté sur un arbre, une roue, ou un élément équivalent, ou qui fait partie d'un corps de révolution de ce type, ledit dispositif compre- nant un générateur Hall intégré dans une puce à semi-conducteurs et fixé dans l'entrefer sur la face avant du transducteur, caractérisé en ce que la puce à semi-conducteurs (3) comprend deux générateurs Hall de même type (9, 10) situés l'un derrière l'autre dans le sens de rotation du transmetteur (2), et un-circuit électronique d'alimen- tation, de mesure et d'analyse (IC). 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le transmetteur (2) est conçu sous la forme d'un disque denté, et en ce que la distance (D) entre les deux générateurs Hall (9, 10) correspond sensiblement à une largeur de dent, c'est-à-dire à la di- mension d'une dent (7) dans le sens circonférentiel du disque denté. 3. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le transmetteur (2) est conçu sous la forme d'un disque den- té, et en ce que l'écartement (D) des deux générateurs Hall (9, 10) est inférieur à la largeur d'une dent (B). 4. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux générateurs Hall (9, 10) ainsi que les circuits d'alimentation, de mesure et d'analyse sont logés dans un seul et même circuit intégré (IC). 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est prévu, dans le circuit intégré (IC), une source de cou- rant constant (11, 12) et un amplificateur de tension (13, 14) pour chaque générateur Hall (9, 10), chacun des amplificateurs de tension (13, 14) pouvant être alimenté par le signal de sortie d'un généra- teur Hall (9, 10), c'est-à-dire par la tension de Hall (UH1, UH2), et en ce que le circuit intégré comprend également un amplificateur dif- férentiel (15) comparant les tensions de sortie des deux amplifica- - 10 - 2583886 teurs de tension de Hall (13, 14), un étage de transistor (16) dont le signal de sortie représente le résultat de lamesure établi au moyen des deux générateurs Hall (9, 10), et un régulateur de tension (17) permettant de stabiliser la tension d'alimentation destinée aux éta- ges d'amplification (13 à 15). 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que l'amplificateur différentiel (15) possède une caractéristique d'hystérésis, de sorte que, pour commuter le signal de sortie de cet amplificateur, il est nécessaire qu'une valeur de seuil prédéterminée de différence de tension d'entrée (U13 - U14) soit dépassée. 7. Dispositif conforme à la revendication 5 ou 6, caractéri- sé en ce que l'étage de transistor (16), actionné par l'amplificateur différentiel (15), est un étage de commutation dont l'état cor- respond au résultat de la mesure. 8. Dispositif conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que l'étage de commutation (16) est conçu sous la forme d'un tran- sistor (T) commandé comme un émetteur-suiveur, dont le trajet collec- teur-émetteur relie les lignes de connexion (Al', A2') du dispositif de mesure. 9. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il peut être connecté par l'intermédiaire d'une ligne double (Al', A2') qui assure en même temps l'alimentation en énergie électrique et la sortie des signaux. 10. Dispositif conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit intégré (IC) comprend un circuit redresseur de Graetz (D1 à D4) par l'intermédiaire duquel il peut être connecté.