Brevet FR2670888A1 — publié le 19920626

CAPTEUR DE POSITION ANGULAIRE A MAGNETORESISTANCES DESCRIPTION L'invention se rapporte à un capteur de position angulaire à magnétorésistances. Un système à magnétorésistances est décrit dans le brevet américain 4 629 982 par exemple Une magnétorésistance comporte un aimant permanent et deux résistances électriques variant en fonction du flux magnétique et disposées sous forme d'un assemblage compact La magnétorésistance est fixée à une pièce fixe ou stator devant laquelle tourne un disque ferro- magnétique ou rotor Ce rotor comporte une structure dentée qui définit un motif périodique sur lui Le flux magnétique passant à travers chaque résistance varie en fonction de la distance des dents les plus proches à cette résistance Le pont de résistance devient donc déséquilibré, ce qu'on mesure par un circuit électrique approprié Le signal obtenu varie suivant une loi de forme plus ou moins sinusoldale dont la période correspond au pas angulaire d'espace- ment des dents. Les magnétorésistances présentent de nombreux avantages, en particulier leur compacité, leur faible coût, leur absence d'entretien ainsi que la faculté de travailler à des températures très différentes de l'ambiante et en particulier des températures très basses sans que leurs caractéristiques soient affec- tées Elles entraînent cependant des inconvénients. Un des plus notables est qu'elles produisent des couples sur le rotor et l'arbre qui le porte, si bien que les mesures de position angulaire sont perturbées et qu'on ne peut obtenir des résultats très précis, surtout si la pièce portant le rotor est actionnée par un moteur présentant un faible couple résiduel ou moteur Comme d'autre part l'entrefer entre le rotor et le stator a une faible valeur, les incer- titudes d'usinage ont de fortes répercussions sur les mesures Enfin, on aimerait dans un certain nombre de cas disposer non pas seulement de ce qu'on appelle l'angle électrique entre le rotor et le stator (rappe- lons que 360 électriques correspondent à un pas de structure du rotor) mais aussi de l'angle mécanique que font ces deux pièces. Ces trois inconvénients peuvent être sup- primés en mettant en oeuvre l'invention, qui comprend sous sa forme la plus générale un capteur de position angulaire comportant un rotor ferromagnétique denté et un stator, le capteur étant caractérisé en ce qu'il comprend des magnétorésistances en nombre pair sur le stator, les magnétorésistances étant réparties en paires de telle sorte que les magnétorésistances de chaque paire sont en opposition de phase électrique. L'opposition de phase électrique annule les couples auxquels le rotor est exposé. Comme il est assez difficile de produire directement un stator approprié, on préconise de monter les magnétorésistances sur des supports liés au stator par des moyens de fixation démontables permettant de régler séparément les positions des magnétorésis- tances le long du stator Un moyen possible pour cela consiste à prévoir des stators avec des glissières entre lesquelles les supports des magnétorésistances peuvent glisser ainsi qu'une bande externe joignant les glissières, la bande externe étant pourvue de perçages oblongs et allongés le long du stator Les supports des magnétorésistances comportent alors des tiges filetées dépassant du rotor à travers les per- çages Il est alors facile de fixer les supports par des écrous engagés sur les tiges et de régler manuelle- ment la position des supports en déplaçant les tiges dans les perçages oblongs. L'influence néfaste d'irrégularités d'usinage et notamment de battements de l'arbre du rotor peut être annulée si les magnétorésistances de chaque paire sont disposées à des positions du stator faisant des angles d'au moins 120 mécaniques (ou d'au plus 2400 mécaniques à cause de la symétrie) et si possible proches de 1800 mécaniques. Il est avantageux que les magnétorésistances soient au nombre de quatre On constate en effet que le signal délivré par une magnétorésistance comporte des parties sensiblement linéaires sur la moitié de son étendue, de part et d'autre des positions aux- quelles les dents sont placées symétriquement par rapport aux résistances, et qui sont séparées par des parties de signaux courbes difficilement utili- sab Les Il est alors avantageux de disposer de deux paires de magnétorésistances dont chacune des paires est conforme aux critères qui précèdent, les magnéto- résistances des paires respectives étant situées à des angles de 90 électriques. Le troisième inconvénient évoqué peut être éLiminé en ajoutant un moyen de détection de la posi- tion absolue entre le rotor et le stator, qui peut consister en au moins une magnétorésistance supplémen- taire sur le rotor qui est sensible à un motif en relief sur une face plane latérale du rotor La réali- sation préférée d'un tel système consiste en deux magnétorésistances supplémentaires décalées d'un angle mécanique différent de 0 ou 180 ; le motif consiste en deux reliefs en dent de scie s'étendant chacun sur 180 mécaniques complémentaires et sur des cou- ronnes adjacentes, chacune des deux résistances de chaque magnétorésistance s'étendant devant une couronne respective. On va maintenant décrire l'invention plus en détail à l'aide des figures suivantes annexées à titre illustratif et nullement limitatif d'une réalisation préférée de l'invention: la figure 1 représente une vue d'ensemble du capteur; la figure 2 représente le détail d'une magnétorésistance; la figure 3 représente un détail du stator et du montage des magnétorésistances; la figure 4 représente une vue latérale du rotor et du stator montrant en particulier la dispo- sition des magnétorésistances; les figures 5 A, 5 B et 5 C représentent trois états du rotor face aux magnétorésistances; la figure 6 représente les signaux obtenus; la figure 7 représente l'adaptation de magnétorésistances supplémentaires pour obtenir un capteur de position absolue; et la figure 8 représente les signaux obtenus à l'aide du capteur de la figure 7. Le capteur de position angulaire conforme à l'invention comprend selon la figure 1 un stator 1 fixé à une struture fixe par des points d'ancrage 2 et un rotor 3 en forme de disque et pourvu à sa périphérie externe de dents 4 régulièrement réparties que le stator 1 entoure Le rotor 3 est mû par un arbre 5 d'un moteur 6 ou d'un autre mécanisme Dans cette disposition, le stator 1 et le rotor 3 sont concentriques et s'étendent dans le même plan, contrai- rement au brevet américain cité plus haut dans lequel le rotor et le stator étaient séparés par un entrefer plan d'épaisseur uniforme Cependant, dans les deux inventions, les rotors sont ferromagnétiques. On passe maintenant au commentaire de la figure 2 Chaque magnétorésistance M comprend, encap- sulé dans un bottier 7, un aimant permanent 8 et deux résistances R 1 et R 2 situées symétriquement par rapport à l'aimant 8 et dont la résistance varie en fonction du flux magnétique qui les baigne Le boîtier 7 est percé pour livrer passage à des fils électriques dont un fil 9 de mesure joint directement les deux résis- tances R 1 et R 2 et deux fils 10 et 11 d'alimentation qui relient respectivement les résistances R 1 et R 2 aux bornes 12 et 13 d'un appareil d'alimentation non représenté apte à produire une tension constante VS entre les bornes 12 et 13 Il existe un fil supplémen- taire 14 qui rejoint, par l'intermédiaire d'une résis- tance respective R 3 ou R 4 (ces résistances étant facul- tatives), chacun des fils 10 et 11 d'alimentation. Les résistances R 3 et R 4 ont la même valeur La tension entre les fi Ls 9 et 14 est une tension VE de mesure. La constitution mécanique des magnétorésis- tances M et du stator 1 est plus précisément présentée à la figure 3 Le stator I est donc une couronne qui comprend un bord externe 20 qui joint deux glissières latérales 21 et 22 symétriques par rapport au plan médian du stator 1 (et du rotor 3) Chacune des glis- sières comprend une face d'appui radiale 23 orientée vers l'intérieur et une face d'appui longitudinale 24, ces deux faces longitudinales 24 se faisant face. Le bord extérieur 20 est par ailleurs percé de perçages oblongs 25 en nombre égal à celui des magnétorésis- tances et dont la plus grande dimension s'étend suivant la longueur ou la circonférence du stator 1 Quant aux magnétorésistances M, leur boîtier 7 est enchâssé dans un support 26 comprenant deux faces latérales externes 27 destinées à glisser contre les faces d'appui latérales 24 et des faces internes 28 en saillie destinées à glisser contre Les faces d'appui radiales 23 Les supports 26 peuvent donc coulisser le long du stator 1 Toutefois, ces mouvements de coulissement sont limités par une tige filetée 29 encastrée dans chaque boîtier 7 et qui, dans la posi- tion de montage de la magnétorésistance M, s'étend dans un perçage oblong respectif 25 pour le traverser de part en part et déboucher à l'extérieur du stator 1 Il suffit alors d'engager un écrou 30 sur la tige filetée 29 pour bloquer la magnétorésistance M sur le stator 1 Cette position peut être réglée finement en déplaçant la tige filetée 29 dans le perçage oblong 25 pour respecter critères qui vont être indiqués. On se reporte maintenant à la figure 4. Dans la réalisation préférée, le capteur comporte huit magnétorésistances M 1 à M 8 réparties suivant quatre paires: on distingue les paires formées par les magnétorésistances M 1 et M 2, M 3 et M 4, M 5 et M 6, et finalement M 7 et M 8 On remarque quelques principes de placement particuliers: tout d'abord, les magnéto- résistances M de chaque paire sont à peu près diamétra- lement opposées, ce qui a pour objet d'atténuer les conséquences des battements ou des excentricités du rotor et du stator Par ailleurs, chaque magnéto- résistance M est proche d'une magnétorésistance d'une autre paire Plus précisément, les magnétorésistances M 1 et M 3 sont proches, de même que M 2 et M 4, M 5 et M 7, et finalement M 6 et M 8 Les quatre premières sont situées dans des portions opposées du stator 1 près d'un diamètre D 1 et les quatre dernières sur des por- tions du stator 1 opposées près d'un diamètre D 2 ortho- gonal au précédent. Tous les effets techniques de l'invention peuvent être obtenus avec quatre magnétorésistances telles que M 1 et M 4 On en utilise huit ici pour obte- nir une redondance Nous allons maintenant nous inté- resser plus en détail aux règles de placement des quatres magnétorésistances M 1 à M 4 Signalons au pas- sage que les motifs en relief 50 et 51 qui font le tour de la face latérale illustrée du rotor 3 seront décrits plus tard. La figure 5 A représente une situation o une des dents 4 est située juste devant l'aimant 8, symétriquement par rapport à chacune des résistances R 1 et R 2 On conçoit que les résistances R 1 et R 2 auront la même valeur à ce moment Si on impose une petite rotation au rotor 3 de sorte que l'aimant 8 soit face à un creux 35 entre deux dents 4 consécu- tives, on obtiendra une autre situation symétrique o les valeurs des résistances R 1 et R 2 seront encore égales Si maintenant on se reporte à la figure 6, o les signaux produits par les magnétorésistances M 1 à M 4 sont référencés par 51 à 54, on comprend faci- lement que les positions précédentes correspondent à une demi-période des signaux, par exemple de 51. Cette demi-période est limitée par deux points A et B correspondant aux états des figures 5 A et 5 B et o le pont est équilibré (signal nul) Or, seule une moitié de ces 1800 électriques est utilisable car les parties des signaux S qui sont supérieures en valeur absolue à la valeur V indiquée sur la figure ne peuvent être considérées comme linéaire et sont donc difficile- ment utilisables Cela concerne une plage de 900 élec- triques médiane entre les points A et B On dispose donc les magnétorésistances M 3 et M 4 à 90 électriques des magnétorésistances M 1 et M 2, de manière à conserver toujours une paire de magnétorésistances dont les signaux sont utilisables Reportons- nous d'autre part à la figure 5 C Si ô désigne l'entrefer entre l'extrémité de tête d'une dent 4 et le diamètre interne des aimants 8, r le rayon de tête des dents 4 à partir du point C correspondant au centre du rotor 3, la force d'attraction maximale est égale à B S/2 F O pour un entrefer proche de zéro et égal à cette force maxi- male divisée par le carré de l'entrefer quand ce der- nier a des valeurs non négligeables Si maintenant on suppose qu'il existe un déphasage O entre la dent 4 et l'aimant 8, on peut démontrer que le rotor 3 subit un couple de rappel proportionnel à sin 0. Ce couple de rappel est nuisible car il rend la position du rotor 3 instable et tend à perturber les mesures, surtout dans des situations o on souhaite utiliser des moteurs 6 de faible puissance et de faible couple de freinage, notamment pour les applications spatiales. On propose donc de placer les magnétorésis- tances de chaque paire en opposition de phase, c'est-à-dire qu'on obtient des signaux 51 et 52 anti- symétriques, de même que les signaux 53 et 54 Les couples que les magnétorésistances M produisent sur le rotor 3 s'annulent donc toujours et ceci pour chaque paire de magnétorésistance M Pour éliminer l'influence des battements de l'arbre 5 et des erreurs de concen- tricité, on utilise les différences ( 51-52) ou ( 52-54). Ces deux conditions sur les angles éLec- triques de déphasage entre les magnétorésistances M se traduisent par des conditions sur les angles mécaniques qui nécessitent une grande finesse de leur réglage mécanique Il est cependant possible d'obtenir des résultats satisfaisants grâce aux configurations mécaniques évoquées à la figure 3. Les motifs en relief 50 et 51 sont repré- sentés également à la figure 7 On a représenté le rotor 3 et le stator 1 en développante pour une repré- sentation plus aisée Chacun des motifs en relief et 51 est une excroissance en forme de dent de scie comprenant une crête 52 de hauteur maximale et qui sépare deux pentes 53 et 54 Chacun des motifs en relief s'étend sur une demi-circonférence, c'est-à- dire 180 mécaniques, et sur des portions angulaires complémentaires de la face latérale du rotor 3 qui les porte, c'est-à-dire que les motifs 50 et 51 sont situés en prolongement immédiat Ils sont cependant situés sur des couronnes différentes de la face laté- ra Le du rotor 3, c'est-à-dire à des diamètre légèrement différents et présentent donc un léger décalage trans- versal Cette circonstance est exploitée par deux magnétorésistances supplémentaires M 9 et M 10 que porte une potence 55 solidaire du stator 1 de manière que les résistances R 1 de chacune des magnétorésistances supplémentaires M 9 et M 10 soient dirigées vers la couronne portant un des motifs en relief 50 alors que les autres résistances R 2 s'étendent devant la couronne sur laquelle s'étend l'autre motif en relief 51 De plus, les magnétorésistances supplémentaires M 9 et M 10 sont décalées de 90 mécaniques Les motifs en relief 50 et 51 sont également en matériau ferro- magnétique, si bien qu'on obtient les signaux 59 et 510 pour les magnétomètres supplémentaires M 9 et M 10 en faisant tourner le stator 3: il s'agit de signaux en dents de scie dont la période est de 360 mécaniques et qui sont décalés de 90 électriques On constate immédiatement que La comparaison de ces deux signaux permet de connaître la position angulaire exacte du stator 1 et du rotor 3 à un nombre entier de tours près Il est évident qu'on pourrait trouver bien d'autres moyens de réaliser un tel codage angulaire absolu, et qu'en particu Lier un décalage de 90 méca- niques n'est pas nécessaire Il est de même possible de réaliser l'invention de manières différentes C'est ainsi qu'on pourrait concevoir un rotor et un stator rectilignes et coulissants, car il serait possible d'obtenir l'avantage essentiel de l'invention en dispo- sant des paires de magnétorésitances en opposition de phase. Un exemple concret de réalisation comporte un rotor 3 de cent dents ayant une largeur de tête de 1,2 mm et séparées par des creux 35 de 2,2 mm de large, la hauteur des dents 4 étant de 2,5 mm Les magnétorésistances comportent des boîtiers 7 cylin- driques de 10 mm de diamètre et d'une hauteur d'environ mm également Les magnétorésistances M 1, M 3 et M 2, M 4 sont séparées de quelques millimètres Le moteur 6 peut être un moteur pas à pas Une précision de quelques minutes d'arc, voire d'une dizaine de secondes d'arc, peut être escomptée Le couple parasite résiduel d'origine magnétique est évalué à environ I milli- newton/mètre si le réglage des positions des magnéto- résistances M est soigné Des rotors à inertie extrême- ment faible, de l'ordre de 100 à 150 millionièmes de kilogramme/mètre carré peuvent être conçus L'utili- sation d'un grand nombre de magnétorésistances utili- sées simultanément permet de diminuer encore les erreurs résiduelles qui pourraient subsister On s'at- tend d'autre part à une bonne résistance mécanique et une grande durée de vie, même à très faible tempéra- ture ou dans des emplacements soumis à des vibrations. La consommation électrique est d'environ 100 milliwatts pour une masse de quelques centaines de grammes. 1 1 REVENDICATIONS 1 Capteur de position angulaire comportant un rotor ferromagnétique denté et un stator, caracté- risé en ce qu'il comprend des magnétorésistances en nombre pair sur le stator, les magnétorésistances étant réparties en paires de telle sorte que les magnétorésistances de chaque paire sont en opposition de phase électrique. 2 Capteur de position angulaire suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les magnéto- résistances sont montées sur des supports liés au stator par des moyens de fixation démontables permet- tant de régler séparément les positions des magnéto- résistances le long du stator. 3 Capteur de position angulaire suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le stator comprend des glissières entre lesquelles les supports des magnétorésistances peuvent glisser, ainsi qu'une bande externe joignant les glissières, la bande externe étant pourvue de perçages oblongs et allongés le long du stator, les supports des magnétorésistances compre- nant des tiges filetées dépassant du rotor à travers les perçages. 4 Capteur de position angulaire suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les magnétorésistances de chaque paire sont disposées à des positions du stator, faisant des angles d'au moins 120 mécaniques et d'au plus 240 mécaniques. Capteur de position angulaire suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les magnétorésistances sont au nombre de quatre ou d'un multiple de quatre. 6 Capteur de position angulaire suivant les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les magnétorésistances sont disposées à une distance d'une magnétorésistance d'une autre paire formant un angle de 900 électriques. 7 Capteur de position angulaire suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de détection de la posi- tion absolue entre le rotor et le stator. 8 Capteur de position angulaire suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de détection de la position absolue comprend au moins une magnétorésistance supplémentaire sur le stator sensible à un motif en relief sur une face plane laté- rale du rotor. 9 Capteur de position angulaire suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les magnéto- résistances supplémentaires sont au nombre de deux, décalées d'un angle mécanique différent de 0 ou 1800, le motif consistant en deux reliefs en dent de scie s'étendant chacun sur 180 mécaniques complémentaires et sur des couronnes adjacentes, chacune des deux résistances de chaque magnétorésistance s'étendant devant une couronne respective.