Brevet FR2605400A1 — publié le 19880422

DETECTEUR DE PROXIMITE La présente invention concerne un nouveau m ode de réalisation d' un déteoteur de proximité, selon la technologie des circuits im prim és. Les détecteurs de proximité sont utilisés principalement dans deux cas tout d'abord dans des systèmes nécessitant une détection de présence, comme par exemple les systèmes de comptage de pièces ou de mesure de remplissage et alors la réponse des détecteurs doit être binaire "en tout ou rien", et dans un second cas, dans des robots nécessitant un positionnement auquel cas leur réponse doit être proportionnelle. Actuellement, il existe essentiellement trois types de détecteurs de proximité hormis les palpeurs permettant une détection de précision mais dont l'inertie augmente le temps de réponse. Les détecteurs de proximité sans contact les plus courants sont soit photo-électriques, soit capacitifs, soit inductifs. Les détecteurs photo-électriques ou opto-électroniques permettent des mesures de distance de zéro à quelques mètres mais sont chers et sensibles à l'environnement, nécessitant un nettoyage fréquent. De plus, leur mise en oeuvre s'avère délicate pour des utilisations en robotique. Les détecteurs capacitifs sont souvent utilisés pour le contrôle de re m plissage ou de niveau, quel que soit le matériau. Leur inconvénient provient de leur sensibilité à r environnement, l' humidité par exe m ple pouvant modifier leur réponse. Enfin, les détecteurs inductifs sont de conception simple et peu contuse, et d'emploi possible dans des milieux pollués par de l' huile, de la boue...Ces détecteurs sont constitués d1 un bobinage de fil de cuivre autour d'un noyau de ferrite comme le montre la figure 1 qui sera décrite ultérieurement. Le principal inconvénient de ces détecteurs reste le poids, surtout lorsque l'on souhaite une portée de r ordre du décim ètre. La présente invention concerne un détecteur de proximité du type inductif de poids faible, de réalisation sim ple et peu conteuse, pouvant très bien s' adapter à l' extrémité d'un bras de robot. Pour cela, objet de Invention est un détecteur de proximité du type inductif, réalisé à partir d' un ruban conducteur déposé sur une plaquette de matériau diélectrique, ce ruban s' enroulant autour d' une de ses extrémités pour dessiner un bobinage plat de section circulaire elliptique, ou rectangulaire. D' autres caractéristiques et avantages de l' invention apparaîtront'lors de la description qui suit, illustrée par les figures suivantes qui représentent: - la figure 1 : une coupe sché m atique d' un détecteur de proximité selon r art antérieur - les figures 2a et 2b : une vue de dessus et une vue en coupe transversale respectivement d' un détecteur de proximité selon l'invention ; - les figures 3a et 3b : deux exemples de réalisation d' une bobine du détecteur selon Invention - la figure 4 : le tracé des lignes de champ omises par le détecteur selon l'invention - la figure 5 : les courbes de réponse d' un détecteur selon rinvention - la figure 6 : le tracé des lignes de champ omises par un détecteur blindé selon l' invention. Un détecteur inductif réalisé selon l'art antérieur comporte un bobinage 1 de fil de cuivre enroulé autour d' un noyau de ferrite 2, comme le montre la coupe transversale schématique de la figure 1. La bobine 1 est associée à un dispositif oscillateur 3, dont la fréquence d' oscillation est proportionnelle à la valeur de l'inductance de la bobine 1.Lorsqu'un courant alternatif circule dans la bobine, il crée un champ m agnétique, et lorsque le détecteur ainsi constitué s' approche d' une cible 4 en matériau conducteur à une distance telle que les lignes de champ 5 de la bobine 1 soient coupées, il y a création de courants de Foucault dans la cible 4. Ces courants génèrent eux-mêmes un champ magnétique qui s' oppose à celui de la bobine, modifiant alors la valeur de l' inductance de la bobine donc la fréquence d' oscillation de l' oscillateur 3. En détectant après am plification la valeur de cette fréquence d' oscillation, on peut connaître la distance entre la cible 4 en question et le ddtecteur de proximité.Comme cela a été dit, le principal inconvénient de ce détecteur est son poids trop élevé. Comme le montrent les figures 2a et 2b, le détecteur de proximité selon l'invention est constitué par une plaquette 6 de m matériau diélectrique de faible épaisseur, sur laquelle est déposée, une fine couche de m atériau conducteur dans laquelle on grave par photogravure classique par exemple, un ruban 7. Ce ruban 7 est enroulé autour d un point central C pour former une bobine plate. Sur la figure 2, la bobine a la forme d'une spirale, m ais selon d'autres exemples de réalisation, elle pourrait avoir une section elliptique ou rectangulaire (figures 3a et 3b). La plaquette 6 peut être en époxy et le ruban 7 en cuivre, et la technologie de réalisation de ce détecteur est celle des circuits imprimés. Ainsi, ce nouveau mode de réalisation d'un détecteur de proximité offre r avantage d' être facilement reproduit en grand nombre à des coûts très bas. La figure 4 représente la topologie des lignes de champ magnétique rayonnant à partir de la bobine. Seule une demi-vue en coupe transversale du détecteur est représentée. La topologie des lignes de champ 8 est se m blable à celle d' une bobine classique. Elles portent du bobinage plat, réalisé par le ruban conducteur 7 déposé sur la plaquette diélectrique 6, et forment des boucles fermées. Une surface maallique, une cible par exe m ple dont on veut mesurer la distance par rapport au détecteur, va couper les lignes de champ lorsque le détecteur s' en approchera. Les dimensions du détecteur sont calculées en fonction des caractéristiques souhaitées pour celui-ci, notam ment en fonction de la distance de détection souhaitée et de la valeur de l' inductance désirée. Dans le cas d' un détecteur rda3isé à partir d' une spirale conductrice, on calcule r inductance de la façon suivante. On considère que la spirale est équivalente à une série de spires concentriques pour chacune desquelles on calcule le champ magnétique. On utilise ensuite la méthode de superposition et on calcule les inductances propres et les inductances mutuelles pour chaque spire. Après som mation, on obtient l'inductance globale de la bobine.L1 expression des coefficients Lii et LÜ de la matrice inductance est obtenue en assimilant la section rectangulaire des spires, gravées sur la plaquette diélectrique, A un cercle de rayon p tel que la surface 5 p2 soit identique à la surface réelle lxL de la section de la spire. Cette approximation a une incidence négligeable puisqu'elle concerne une partie du calcul intervenant pour moins de 0,5 fi dans le résultat final.Les coefficients Lii et LÜ sont donnés par les expressions suivantes où: - R i est le rayqn moyen de la cible spire - p est le rayon du conducteur constituant cette spire - J1 (k) et J2 (k) sont les intégrales de Legendre avec ou - Ri et Rj sont les rayons moyens de la iième et de la jième spires - 2 (k') et j 2 (k') sont les intégrales de Legendre avec Le détecteur étant associé à un oscillateur dont la fréquence d'oscillation est proportionnelle à la valeur de rinductance du détecteur, elle-même fonction de la distance d entre ce dernier et la cible, on obtient des courbes de réponse semblables à celles de la figure 5. Sur la figure 5, est représentée en abscisse la distance d entre le détecteur et la cible et en ordonnée la fréquence de r oscillateur associé au détecteur. Dans 1' exemple choisi, le détecteur est réalisé à partir d'une spire de diamètre extérieur voisin de 10 mm et on constate que le détecteur Joue très bien son rôle entre 14 m m et 1 m m. La courbe C correspond à une spire en dural et la courbe C2 à une spire en alliage doux magnétique m ent. Généralement, les circuits de com mande et de traitement électronique du détecteur seront placés sur la face 9 de la plaquette diélectrique 6 opposée à celle 10 sur laquelle est déposé le ruban conducteur '. Pour oter le cha m p m agnétique à cet endroit, pouvant créer des parasites, on réalise un blindage 11 sur cette face 9 en déposant par exemple une couche de matériau magnétique doux, de la ferrite par exemple (figure 6). Selon une variante. de réalisation du détecteur selon l'invention, la bobine plate peut être déposée sur un support diélectrique souple, comme du Kapton, ce qui permet par exemple d'incurver la bobine de fanon à diminuer ou augmenter l'angle solide et ajuster ainsi la réponse du détecteur à une application donnée. Enfin, con me on r a indiqué auparavant, la bobine du détecteur selon rinvention peut avoir une section elliptique ou rectangulaire pour favoriser une direction de détection. Ce capteur peut bien sûr être utilisé pour les applications classiques comme le comptage des pièces ou la mesure de remplissage où sont alors utilisés des capteurs de proximité de type bobine. Invention ne se limite évidemment pas aux modes de réalisation décrits et représentés. Elle co m prend également tous les équivalents techniques des moyens décrits et leurs combinaisons effectuées dans r esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R EV E N DIC A TIO NS 1/ Détecteur de proximité du type inductif, caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir d au moins un ruban conducteur (7) déposé sur une face d' une plaquette de substrat diélectrique (6), ce ruban s' enroulant autour d'une de ses extrémités servant de centre (C) pour dessiner un bobinage plat de section circulaire, elliptique ou rectangulaire. 2/ Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un blindage (11) réalisé par une couche de matériau magnétique doux déposée sur le seconde face (9) de la plaquette diélectrique (6) opposée à la face (10) sur laquelle est déposé le ruban conducteur (7). 3/ Détecteur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le ruban conducteur (7) est en cuivre. 4J Détecteur selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la plaquette diélectrique (6) est en époxy ou en m atériau souple tel que du Kapton.