Brevet FR2730052A1 — publié le 19960802

La présente invention est relative à un dispositif de détection de la position d'un mobile et, plus particulièrement, à un tel dispositif comprenant un aimant permanent, un capteur à effet Hall disposé dans le champ de l'aimant et une pièce en matériau ferromagnétique solidaire du mobile et conçue pour faire varier, en fonction de la position du mobile, le champ magnétique développé par l'aimant au niveau du capteur et converti par ce dernier en un signal représentatif de la position du mobile. On a proposé et/ou construit divers dispositifs de ce type pour détecter la position angulaire d'un organe rotatif. Dans l'industrie automobile, par exemple, on a proposé de détecter ainsi la position angulaire du papillon des gaz d'un moteur à combustion interne. On sait que ce paramètre est utilisé pour calculer la quantité de carburant à injecter dans le moteur, de manière que le mélange air/carburant qui alimente ce dernier présente une composition prédéterminée, stoechiométrique par exemple, fixée par un calculateur alimenté par un signal représentatif de l'angle de l'ouverture du papillon et, éventuellement, par d'autres signaux représentatifs d'autres paramètres de fonctionnement du moteur. On utilise encore couramment, pour mesurer cet angle d'ouverture, un capteur potentiométrique à contacts glissants sujets, à la longue, à une usure provoquant une dérive du signal délivré, ainsi qu'à d'autres pannes d'origine mécanique. Pour supprimer ces inconvénients on a proposé un dispositif de détection dans lequel la rotation du papillon des gaz est mesurée par un capteur à effet Hall sensible à une variation d'intensité d'un champ magnétique, provoquée par cette rotation. Un tel capteur opère sans contact physique et donc sans usure d'origine mécanique. Par contre, l'utilisation d'un capteur à effet Hall fait surgir d'autres problèmes. D'une part, dans l'application automobile évoquée ci-dessus, on éprouve des difficultés à établir un domaine de variations du champ magnétique au niveau du capteur qui soit suffisament large pour permettre de mesurer, avec une sensibilité et un rapport signal/bruit suffisant, la position du papillon dans le domaine angulaire utile, de l'orde de 90 à 110 environ.D'autre part, alors que l'obtention d'un signal électrique de sortie du capteur variant linéairement avec l'angle à mesurer est très souhaitable puisqu'elle permet une exploitation directe du signal par le calculateur, il s'avère difficile d'obtenir un tel signal du fait qu'il est délicat d'établir une zone où le champ magnétique varie linéairement avec cet angle et d'y positionner correctement le capteur à effet Hall. La présente invention a donc pour but de réaliser un dispositif de détection de la position d'un mobile, équipé d'un capteur à effet Hall permettant de réaliser une mesure de la position de ce mobile avec une sensibilité et un rapport signal/bruit convenables, le signal délivré par le capteur variant linéairement avec ladite position. On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un dispositif de détection de la position d'un mobile du type qui comprend un aimant permanent, un capteur à effet Hall disposé dans le champ de l'aimant et une pièce en matériau ferromagnétique solidaire du mobile et conçue pour faire varier, en fonction de la position du mobile, le champ magnétique développé par l'aimant au niveau du capteur et converti par ce dernier en un signal représentatif de la position du mobile, ce dispositif étant remarquable en ce qu'il comprend un concentrateur de champ fixe en un matériau ferromagnétique, plaqué sur un pôle de l'aimant et s'étendant jusqu'au capteur. Comme on le verra plus loin le concentrateur de champ fixe permet d'établir, en coopération avec la pièce ferromagnétique solidaire du mobile, une zone étendue dans laquelle le champ magnétique varie linéairement avec la position du mobile, les variations de l'intensité du champ étant telles que la sensibilité du dispositif et le rapport signal/bruit obtenus sont très sensiblement améliorés par rapport à ceux obtenus dans la technique antérieure. Incidemment le positionement du capteur dans la zone précitée est moins critique, du fait de l'extension de cette zone. Suivant un mode de réalisation de l'invention conçu pour détecter la position angulaire d'un mobile tournant autour d'un axe, la pièce ferromagnétique est plane et présente un bord conformé en spirale d'Archimède sur au moins la majeure partie du contour de ce bord. L'aimant et le capteur sont disposés dans un espace délimité d'un côté par cette pièce et, du côté opposé, par le concentrateur de champ. Le capteur à effet Hall est disposé sur le concentrateur de champ dans une position prédéterminée pour laquelle le signal qu'il délivre varie linéairement avec la position angulaire du mobile. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif de détection suivant l'invention, - la figure 2 est une vue du dispositif de la figure 1, prise suivant la flèche F de cette figure, - la figure 3 représente des graphes des variations de l'induction magnétique suivant un axe particulier du dispositif suivant l'invention, en fontion de la position angulaire d'un mobile, - la figure 4 est une vue schématique, en coupe axiale, d'un mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, conçu pour être associé au papillon des gaz d'un moteur à combustion interne, - les figures 5A et 5B sont des schémas de deux variantes du concentrateur fixe du dispositif selon l'invention, - les figures 6A et 6B sont des schémas de deux modes de réalisation du dispositif selon l'invention, conçus pour détecter la position d'un organe en déplacement rectiligne, - la figure 7 schématise une application des modes de réalisation des figures 6A et 6B, et - la figure 8 est un schéma d'une variante du dispositif des figures 1 et 2. On se réfère aux figures 1 et 2 du dessin annexé ou le dispositif représenté est conçu pour détecter la position angulaire d'un arbre 1 tournant autour d'un axe X. A titre d'exemple illustratif et non limitatif, cet arbre peut être mécaniquement lié à celui qui porte le papillon des gaz d'un moteur à combustion interne, comme on le verra plus loin en liaison avec la figure 4. Sur les figures 1 et 2 il apparaît qu'une pièce 2, sensiblement plane, est solidaire de l'arbre 1 et s'étend perpendiculairement à l'axe X jusqu'au voisinage d'un aimant permanent 3 dont un des pâles (le pôle sud par exemple) est accolé à une extrémité d'une autre pièce plane 4, disposée parallèlement à la pièce 2, dans une position fixe par rapport à l'axe X. Les pièces 2 et 4 sont toutes deux réalisées en un matériau ferromagnétique tel que fer, acier doux, alliage Ni-Fe, par exemple. L'aimant 3 et la pièce 4 prennent chacun la forme d'un parallèlepipède rectangle de faible hauteur, la longueur de l'aimant s'étendant sur toute la largeur de la pièce 4. Comme l'illustrent les lignes de champ schématiquement représentées à la figure 1, les pièces 2 et 4 fonctionnent, suivant une caractéristique de la présente invention, en concentrateurs de champ pour renforcer le champ magnétique établi entre elles, dans une zone où se trouve disposé, près de l'extrémité du concentrateur opposée à celle qui porte l'aimant 3, un capteur à effet Hall 5 d'un type classique, disponible dans le commerce. Les capteurs à effet Hall sont bien connus. On rappelle donc seulement qu'un tel capteur est constitué par une plaquette en matériau semi-conducteur. Lorsque la plaquette est traversée par un courant électrique, une tension s'établit entre deux faces de la plaquette, perpendiculairement à la direction du passage du courant et à l'orientation d'un champ magnétique dans lequel est placé la plaquette. La tension qui constitue le signal de sortie du capteur est proportionnelle à l'intensité de l'induction magnétique établie dans le matériau de la plaquette par le champ magnétique extérieur, et à l'intensité du courant électrique la traversant. A cet égard il apparaît que le concentrateur de champ fixe 4 introduit dans le dispositif suivant l'invention, établit un continuum de matériau ferromagnétique entre l'aimant 3 et le capteur 5, continuum qui renforce l'intensité du champ magnétique détecté par le capteur. Sur la figure 1 du dessin annexé il apparaît aussi que l'ensemble constitué par l'aimant 3, le concentrateur de champ 4 et le capteur 5 est porté par une carte 6 de circuit imprimé. Celle-ci porte les moyens électriques et les moyens électroniques (non représentés) nécessaires à l'alimentation du capteur 5, à l'amplification de son signal de sortie et à la compensation en température de ce signal. Sur la vue de la figure 2 apparaît la forme de la pièce 2, en matériau ferromagnétique, solidaire de l'arbre 1. Comme représenté celle-ci présente, suivant une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, un bord 21 profilé en spirale, bord se développant à l'intérieur d'un angle défini par deux autres bords 22 et 23 de la pièce. Avantageusement, comme on le verra plus loin, le profil 21 prend la forme d'une portion de spirale d'Archimède (sur au moins la majeure partie du contour de ce bord) d'équation, en coordonnées polaires r = a.8 + b où r, O sont respectivement le rayon vecteur et l'angle polaire d'un point courant de la spirale, a et b des constantes. La position angulaire de la pièce 2, liée à celle de l'arbre 1 est repérée par un angle a tel que a = O quand le bord 22 de la pièce 2 est parallèle à la longueur de la pièce 4 (voir figure 2). L'angle a varie, dans le mode de réalisation représenté, entre O et 90". Il s'agit là de l'angle utile de rotation du papillon d'un moteur à combustion interne. I1 est clair cependant que le domaine de variation de l'angle a pourrait être différent et s'étendre jusqu'a 360 si besoin est. On comprend, à l'examen de la figure 2 que lorsque l'angle a varie de 0 à 90", la surface des parties en regard de l'aimant 3 et de la pièce 2 varie. Grâce à la forme donnée au bord 21 de la pièce 2 l'influence de cette dernière sur les lignes de force du champ magnétique de l'aimant varie alors avec l'angle a d'une manière qui linéarise les variations de la tension de sortie du capteur en fonction de l'angle a, dans une large zone occupant une partie de l'espace situé entre les pièces 2 et 4, comme on le verra plus loin en liaison avec la figure 3. Ainsi il apparaît que le concentrateur de champ fixe 4 et la pièce mobile 2 du dispositif suivant l'invention ont pour effet de renforcer le champ magnétique dans lequel est placé le capteur 5 à effet Hall et de linéariser la réponse de ce capteur en fonction de l'angle de rotation à détecter. Ces deux effets sont illustrés et quantifiés par les graphes de la figure 3. Ceux-ci ont été établi par des calculs exécutés à partir d'un modèle mathématique du dispositif suivant l'invention. Chaque graphe représente les variations de l'induction magnétique entre la pièce 2 et le concentrateur de champ 4, au long d'un axe Ox repéré sur les figures 1 et 2. L'axe Ox est situé dans un plan de symétrie du concentrateur 4 passant par l'axe X. I1 est parallèle au concentrateur 4 et voisin de diverses positions que peut prendre le capteur sur le concentrateur 4. Les graphes en trait plein représentent les variations de l'induction pour diverses positions angulaires de l'arbre 1 et de la pièce 2, soit 0 ,15 ,30 ,45 ,60 ,75 et 90 respectivement. Le graphe en trait interrompu représente les variations de l'induction en l'absence de la pièce 2. L'aimant 3 est en samarium/cobalt et présente une forme parallélépipédique de dimensions 10 x 5 x 1,2, en millimètres. Il est disposé sur un concentrateur 4 également parallélépipédique de 12,5 x 10 mm et de 1 mm d'épaisseur, disposé en face d'une pièce 2 de bord 2l en spirale d'équation r = -0,066.0 +17 le rayon vecteur r variant de 17 mm à 11 mm quant O varie de sa valeur minimun à sa valeur maximum. La pièce 2 a une épaisseur de 2 mm et elle est montée à 2,2 mm de la surface du concentrateur 4, sur un arbre 1 de 8 mm de diamètre. Des mesures expérimentales ont fait apparaître que la présence du concentrateur fixe 4, caractéristique du dispositif suivant l'invention, relève d'environ 50% l'intensité du champ magnétique régnant dans l'espace où doit être disposé le capteur 5 à effet Hall. Grâce au champ plus intense ainsi établi, on peut réaliser des mesures d'induction présentant une "dynamique" de 50 mT (millitesla) environ par exemple, qui permet de minimiser l'influence des "bruits" (de l'ordre de 1 mT) sur le signal délivré par le capteur 5.Par ailleurs les graphes en traits pleins font apparaître, outre l'influence bénéfique de la présence de la pièce 2 sur l'intensité du champ sur l'axe Ox, que dans une large zone de celui-ci l'induction mesurée par le capteur 5 est très sensiblement linéairement proportionnelle à l'angle de rotation a à mesurer, comme le révèle la constance des incréments d'induction correspondant aux incréments angulaires de 15 Ce résultat, obtenu grâce au profil en spirale donné, suivant l'invention, au bord 2l de la pièce 2 est particulièrement net sur la partie de l'axe Ox située entre 5 et 9 mm, à compter de l'axe X. Le léger défaut de linéarité que l'on peut observer entre 0 et 30 peut être facilement supprimé par une correction locale du profil 2l. En disposant ainsi le capteur 5 à effet Hall sur le concentrateur 4, par exemple à 7 mm de l'axe X, on est assuré de disposer d'un signal de mesure de la position angulaire de l'arbre 1 qui présente une forte dynamique et une bonne linéralité, conformément aux buts poursuivis par la présente invention. La large zone ou le signal est linéaire s'étend aussi transversalement à la direction de l'axe Ox ce qui permet de disposer d'une grande tolérance sur le positionnement du capteur ou sur le positionnement relatif de la pièce 2 par rapport au capteur lors du réglage du "zéro" de ce capteur. On a représenté à la figure 4 un mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, adapté à la mesure de l'angle de rotation du papillon des gaz 7 d'un moteur à combustion interne. L'admission d'air d'un tel moteur est couramment équipée d'un corps de papillon 8 supportant l'axe de rotation 9 du papillon 7, cet axe étant couplé mécaniquement de manière classique à la pédale d'accélérateur (non représentée) du moteur, quand celui-ci propulse un véhicule automobile. Le dispositif suivant l'invention est alors enfermé dans un boîtier 10 qui s'enfiche sur une extrémité de l'axe 9 débordant du corps 8 de papillon. Le boîtier 10 est fixé sur le corps 8 par des moyens adéquats (non représentés). On retrouve sur la figure 4 l'arbre 1, la pièce 2, l'aimant 3, le concentrateur 4, le capteur 5 et le circuit imprimé 6 du dispositif des figures 1 et 2. On observe que l'arbre 1 est creux et que l'axe 9 du papillon pénètre dans cet arbre pour se coupler en rotation avec l'arbre par tout moyen connu (non représenté). Un joint torique 11 assure l'étanchéité du boîtier 10 au niveau de l'ouverture du boîtier permettant la pénétration de l'axe 9 du papillon dans l'arbre 1 du dispositif suivant l'invention. On a représenté aux figures 5A et 5B des variantes du concentrateur fixe 4 équipant le dispositif suivant l'invention. A la figure 5A ce concentrateur 4' s'élargit à l'endroit où il porte un aimant 3, conforme à celui représenté aux figures 1 et 2. A la figure 5B l'aimant 3' est à faces polaires circulaires, suivant une forme disponible dans le commerce. Le concentrateur du dispositif suivant l'invention peut présenter des dimensions supérieures ou inférieures à celles de l'aimant utilisé. Le point important est qu'il existe un continuum de matériau ferromagnétique entre cet aimant et le capteur à effet Hall. On a schématiquement représenté aux figures 6A et 6B des modes de réalisation de l'invention adaptés a la détection de la position d'un mobile en mouvement rectiligne. A la figure 6A une pièce en matériau ferromagnétique 2' est solidaire du mobile (non représenté) et se déplace au-dessus du capteur 5 suivant la double flèche fl, parallèlement au grand axe du concentrateur de champ 4. A la figure 6B cette pièce 2' se déplace au-dessus de l'aimant 3, suivant la double flèche f2. On a schématisé à la Fig.7 une application du dispositif des Figs. 6A ou 6B, à la détection de la position d'une pédale d'accélérateur 12 articulée en 13, d'un véhicule automobile. Cette position, indicatrice de la demande de puissance du conducteur du véhicule est utilisée suivant des stratégies connues, pour calculer la quantité de carburant à injecter dans le moteur. La pièce mobile 2' est alors solidaire de la pédale 12 alors que les autres organes (3,4,5) du dispositif sont solidaires d'un support fixe, par exemple le plancher de l'habitacle du véhicule. Bien entendu un dispositif suivant l'invention du type représenté aux Figs.l et 2 peut aussi être utilisé pour détecter la position angulaire de la pédale 12. La figure 8 représente schématiquement une variante du dispositif de la figure 1, dans laquelle la pièce 2 à bord en spirale et l'arbre 1 tournent autour d'un axe X disposé à proximité de l'extrémité du concentrateur 4 qui porte l'aimant, suivant une disposition symétrique de celle représentée à la figure 1. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection de la position d'un mobile, du type qui comprend un aimant permanent (3), un capteur (5) à effet Hall disposé dans le champ de l'aimant et une pièce (2) en matériau ferromagnétique solidaire du mobile et conçue pour faire varier, en fonction de la position du mobile, le champ magnétique dévelopé par l'aimant (3) au niveau du capteur (5 ) et converti par ce dernier en un signal représentatif de la position du mobile, caractérisé en ce qu'il comprend un concentrateur de champ (4) fixe en un matériau ferromagnétique, plaqué sur un pôle de l'aimant (3) et s'étendant jusqu'au capteur (5). 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que ledit concentrateur de champ (4) est de forme allongée et porte, à une extrémité, ledit aimant (3). 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que ledit concentrateur de champ (4) porte ledit capteur (5) à son extrémité opposée à celle qui porte l'aimant (3). 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que la pièce ferromagnétique (2) solidaire du mobile est sensiblement plane et en ce que l'aimant (3) et le capteur (5) sont disposés dans un espace délimité d'un côté par cette pièce (2) et, du côté opposé, par le concentrateur de champ (4). 5. Dispositif conforme à la revendication 4 conçu pour détecter la position angulaire d'un mobile tournant autour d'un axe (X), caractérisé en ce que la pièce ferromagnétique plane (2) présente un bord (21) conformé en spirale d'Archimède sur au moins la majeure partie du contour de ce bord (21). 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur (5) à effet Hall est disposé sur le concentrateur de champ (4) dans un position prédéterminée pour laquelle le signal qu'il délivre varie linéairement avec la position angulaire du mobile. 7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que le capteur (5) à effet Hall est disposé entre l'aimant (3) et l'axe (X) de rotation du mobile. 8. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que l'aimant (3) est situé entre le capteur (5) à effet Hall et l'axe (X1) de rotation du mobile. 9. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que le concentrateur de champ (4) présente une forme sensiblement rectangulaire et en ce que l'aimant (3) s'étend au moins sur toute la largeur du concentrateur de champ (4). 10. Dispositif conforme à la revendication 9, conçu pour détecter la position d'un mobile en déplacement rectiligne, caractérisé en ce que la pièce ferromagnétique (2) est sensiblement rectangulaire et mobile parallèlement au grand axe du concentrateur de champ (4). 11. Application du dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 10, à la détection d'un paramètre du groupe formé par : la position angulaire du papillon des gaz (7) d'un moteur à combustion interne, la position de la pédale d'accélérateur (12) d'un tel moteur.