Brevet FR2748805A1 — publié le 19971121

CAPTEUR DE POSITION SANS CONTACT, A EFFET HALL. DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un capteur de position sans contact utilisant une cellule à effet Hall et un circuit magnétique spécifique permettant d'obtenir directement un signal de sortie dont la valeur varie linéairement avec la distance qui sépare le capteur d'une cible magnétique placée en face de ce dernier. Un tel capteur peut être utilisé pour toute mesure de distance sans contact, dès lors que la cible est réalisée en un matériau ferromagnétique doux. Ainsi, ce capteur est indépendant de la taille de la cible et peut être utilisé aussi bien lorsque celle-ci est immobile que lorsqu'elle est en mouvement. Le capteur de position selon l'invention ne nécessite donc aucune modification de la cible dont on désire connaitre la position. Etat de la technique I1 existe de nombreux types de capteurs de position sans contact, qui reposent sur différents principes physiques, parmi lesquels on citera, uniquement à titre d'exemples, l'optique, les ultrasons, les courants de Foucault, etc.. Le choix d'un capteur particulier est généralement fait en fonction de la nature du matériau constituant la cible et en tenant compte des conditions particulières dans lesquelles la mesure doit être effectuée, telles que les dimensions de la cible, son caractère fixe ou mobile, la place disponible, etc.. Les nombreux capteurs de position sans contact existant actuellement sont soit des appareils encombrants ou nécessitant un environnement spécifique qui les rend inadaptés pour de nombreuses applications (capteurs optique, à ultrasons, etc.), soit des capteurs peu encombrants mais dont le signal de sortie doit faire l'objet d'un traitement électronique ultérieur afin d'être exploitable (capteurs à courants de Foucault, etc.) . Tous ces capteurs sont relativement coûteux. Exposé de l'invention L'invention a précisément pour objet un capteur de position sans contact dont la conception originale lui permette de présenter un encombrement réduit et un faible coût et de délivrer directement des signaux de sortie dont la valeur varie linéairement avec la distance séparant le capteur de la cible. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un capteur de position sans contact utilisant une cellule à effet Hall et un circuit magnétique spécifique composé d'un aimant et de deux pièces polaires. De façon plus précise, il est proposé conformément à l'invention un capteur de position à effet Hall, caractérisé par le fait qu'il comprend un aimant et une cellule à effet Hall placés côte à côte entre deux pièces polaires comportant, à l'opposé de la cellule à effet Hall par rapport à l'aimant, des surfaces actives aptes à être placées à une distance e a'une cible en matériau magnétique, de telle sorte qu'un flux magnétique créé par l'aimant soit canalisé par les pièces polaires pour se répartir, d'une part, dans la cible et, d'autre part, à travers la cellule à effet Hall et que cette dernière délivre alors directement un signal de sortie (Va-Vb) proportionnel à la distance e. Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, l'aimant est un aimant permanent qui délivre un champ magnétique Ha constant orienté selon une direction donnée, les surfaces actives des pièces polaires étant placées dans le prolongement l'une de l'autre et orientées parallèlement à cette direction, et la cellule à effet Hall étant orientée de façon à détecter une induction magnétique B orientée parallèlement à ladite direction. De préférence, les surfaces actives des pièces polaires ont des formes complémentaires de celles d'une surface en regard de la cible. Par exemple, ces surfaces actives peuvent ainsi être des surfaces planes ou des surfaces cylindriques concaves ou convexes, selon que la surface en regard de la cible est elle meme plane ou cylindrique. Dans la forme de réalisation préférentielle de l'invention, les pièces polaires présentent deux faces planes et parallèles en vis-à-vis, en contact avec deux faces opposées, planes et parallèles, de l'aimant et espacées d'un même écartement par rapport à deux faces opposées, planes et parallèles de la cellule à effet Hall. Selon des dispositions particulières et uniquement à titre d'exemples, le capteur peut présenter une section circulaire ou rectangulaire dans un plan parallèle à la direction du champ magnétique déliré par l'aimant permanent. Brève description des dessins On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, différentes formes de réalisation préférentielles de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective représentant schématiquement une cellule à effet Hall ; - la figure 2 est une courbe qui représente la caractéristique Va - Vb = f(B) d'une cellule à effet Hall, pour différentes valeurs du courant de polarisation i qui la traverse - la figure 3 est une vue en coupe représentant schématiquement un capteur de position à effet Hall conforme à l'invention - la figure 4 est une vue représentant le circuit magnétique du capteur de la figure 3 - la figure 5 est une vue représentant le schéma magnétique simplifiée du capteur selon 1 'inven- tion - la figure 6 est une vue en perspective d'une première forme de réalisation du capteur de position à effet Hall conforme à l'invention - la figure 7 est une vue en perspective représentant une autre forme de réalisation du capteur de position à effet Hall ; et - la figure 8 est une vue de dessus illustrant une troisième forme de réalisation du capteur de position à effet Hall selon l'invention. Exposé détaillé de différentes formes de réalisation En référence à la figure 1, il est rappelé qu'une cellule à effet Hall est constituée par une pla que parallélépipédique 10 en un matériau électriquement conducteur, traversée dans le sens de sa longueur par un courant de polarisation i et placée dans un champ d'induction magnétique B qui traverse la plaque dans le sens de son épaisseur. Dans ces conditions, l'effet Hall consiste en l'apparition d'une différence de potentiel (Va - Vb), , appelée tension de Hall, selon une direction perpendiculaire à la fois à l'induction magnétique B et au courant de polarisation i. Cette tension de Hall est proportionnelle à l'induction magnétique B et au courant de polarisation i qui la traverse. On peut donc écrire Va - Vb = k.i.B (1), où k représente la constante de Hall de la cellule. Dans la pratique, la plaque 10 comporte sur ses extrémités deux connexions opposées permettant de la relier à une source de courant qui délivre le couant de polarisation i traversant la plaque. La plaque 10 comporte également sur ses côtés deux autres connexions opposées servant à la relier à un appareil de mesure de tension tel qu'un voltmètre, qui mesure la tension de Hall (Va - Vb). Comme on l'a illustré sur la figure 2 et conformément à la relation (1), la caractéristique d'une cellule à effet Hall, c'est à dire la courbe donnant la tension de Hall (Va - Vb) en fonction de l'induction magnétique B, peut être modifiée à volonté en faisant varier le courant de polarisation i. Ainsi, on a représenté sur la figure 2 les caractéristiques d'une même cellule à effet Hall pour des valeurs du courant de polarisation augmentant progressivement d'une valeur il jusqu'à une valeur i4. Après ce rappel, on décrira à présent en se référant à la figure 3 un capteur de position à effet Hall conforme à l'invention. Comme on l'a déjà indiqué auparavant, un tel capteur de se compose essentiellement d'une cellule à effet Hall et d'un circuit magnétique spécifique dont la conception originale permet d'obtenir directement des signaux de sortie qui varient linéairement en fonction de la distance séparant le capteur de la cible. De façon plus précise, on reconnaît sur la figure 3 une cellule 10 à effet Hall telle que celle dont le principe vient d'être rappelé en se référant à la figure 1. La référence 12 désigne les différents conducteurs électriques par lesquels cette cellule 10 est reliée à la source de courant (non représentée) permettant de lui appliquer le courant de polarisation l, par exemple dans une direction perpendiculaire au plan de la figure, ainsi qu'à l'appareil, (non représenté > servant à mesurer la tension de Hall (Va - Vb) entre les côtés 11 et 13, parallèles et opposés, de la cellule 10. Le circuit magnétique associé à cette cellule à effet Hall comprend un aimant permanent 18 ainsi que deux pièce polaires 20 et 22 réalisées en un matériau magnétique. Plus précisément, l'aimant permanent 18 est un aimant de forme parallélépipédique qui délivre un champ magnétique constant Ha entre deux faces planes 24 t 26 parallèles et opposées, dont l'écartement définit l'épaisseur de l'aimant permanent 18. Comme l'illustre la figure 3, la cellule 10 à effet Hall et l'aimant permanent 18 sont disposés côte à côte et légèrement écartés l'un de l'autre. En outre, la cellule 10 et l'aimant permanent 18 présentent un plan de symétrie commun, de telle sorte que les faces 14 et 16 de la cellule 10 ainsi que les faces 24 et 26 de l'aimant permanent 18 soient parallèles entre elles. On observe également sur la figure 3 que l'épaisseur de la cellule 10 à effet Hall est sensiblement inférieure à celle de l'aimant permanent 18. Les pièces polaires 20 et 22 sont placées de part et d'autre de l'aimant permanent 18, de façon à être en appui respectivement contre les faces 24 et 26 de ce dernier par des faces planes en vis-à-vis 28 et 30. Comme on le verra plus en détail par la suite, les pièces polaires 20 et 22 peuvent présenter par ailleurs différentes géométries sans sortir du cadre de l'invention. En observant la figure 3, on voit que les pièces polaires 20 et 22 se prolongent au-delà de l'aimant permanent 18 selon une direction opposée à la cellule 10 par rapport à cet aimant, pour se terminer par de surfaces actives 32 et 34. Ces surfaces actives 32 et 34 constituent la partie de détection du capteur de position selon l'invention. par conséquent, l'utilisation du capteur conduit à placer ces surfaces 32 et 34 en face d'une surface 36 d'une cible 38 dont on désire connaître la position. De façon plus précise, les surfaces actives 32 et 34 des pièces polaires 20 et 22 sont placées dans le prolongement l'une de l'autre et elles sont orientées parallèlement à la direction du champ magnétique Ha délivré par 1 aimant permanent 18. Comme on le verra par la suite, ces surfaces 32 et 34 présentent de préférence une forme complémentaire de celle de la surface 36 de la cible 38. Cette caractéristique permet d'avoir une distance ou un écartement e sensiblement uniforme entre les surfaces actives 32 et 34 des pièces polaires et la surface 36 de la cible 38. A l'opposé de ces surfaces actives 32 et 34 par rapport à l'aimant permanent 18, les pièces polaires 20 et 22 comportent des prolongements 20a, 22a dont le dimensionnement est tel que la cellule 10 à effet Hall se trouve placée en totalité entre les faces planes 28 et 30 des pièces polaires 20 et 32. Compte tenu des dimensionnements relatifs de la cellule 10 et de l'aimant 18 mentionné précédemment, les faces 14 et 16 de la cellule 10 sont séparées des faces respectives 28 et 30 des pièces polaires 20 et 22 par un même écartement. Comme on l'a illustré schématiquement en pointillé sur la figure 3, le flux magnétique créé par l'aimant 18 est canalisé par les pièces polaires 20 et 22 et se répartit d'un côté dans la cible 38 et de l'autre à travers la cellule 10 formant la sonde à effet Hall, sous forme de flux de fuite. Le flux magnétique qui traverse la cellule est désigné par la référence 01 et celui qui traverse la cible est désigné par la référence 02. La quantité de flux 02 qui traverse la cible 38 dépend de la distance e entre les surfaces actives 32, 34 du capteur et la surface 36 de la cible. Dlus cette distance e diminue, plus le flux 02 augmente, et inversement. Etant donné que le flux magnétique total créé par l'aimant permanent 18 est constant et égal à la somme des flux 01 et 02, les variations du flux 02 selon la distance e se traduisent par des variations inverses du flux 4)1 qui traverse la cellule 10 à effet Hall. Par ailleurs, le flux magnétique 4)1 qui traverse la cellule à effet Hall et l'induction magnétique B dans laquelle est placée cette cellule sont reliés par la relation 01 = = B.Scel (2), où Scel désigne la section de passage du flux magnétique 01, c'est-à-dire la section de la cellule 10 parallèlement aux faces 14 et 16. La section S étant constante, l'induction magnétique B dans laquelle se trouve la cellule à effet Hall est directement proportionnelle au flux magnétique 4)1 et, par conséquent, inversement proportionnelle au flux magnétique 02. La relation liant la distance e au flux 4)1 qui traverse la cellule à effet Hall est donnée par les équations représentatives du circuit magnétique formé par le capteur illustré sur la figure 3. Ce circuit magnétique est représenté en détail sur la figure 4. Plus précisément, sur cette dernière figure la référence Ra désigne la réluctance de l'aimant, alors que les références Rc et R'c désignent les réluctances des pièces polaires 20 et 22, respectivement du côté de la cible 38 et du côté de la cellule à effet Hall. La réluctance de la cible est désignée quant à elle par la référence Rcible, alors que les réluctances équivalentes dues respectivement à l'entrefer capteur/cible et à l'entrefer entre les pièces polaires du côté de la cellule à effet Hall sont désignées respectivement par les références Re et Rec. Enfin, la référence Ha. La représente la force électromotrice équivalente de l'aimant permanent 18, Ha correspondant au champ magnétique créé par l'aimant à son point de fonctionnement, alors que La désigne l'épaisseur de l'aimant entre ses faces 24 et 26. Dans le circuit magnétique de la figure 4, les réluctances Rc, R'c et Rcible des parties magnétiques sont négligeables devant celles des entrefers. Par conséquent, le circuit magnétique de la figure 4 peut être ramené au circuit simplifié de la figure 5, dans lequel seules subsistent la réluctance Ra de l'aimant, et les réluctances équivalents Re et Rec correspondant respectivement à l'entrefer capteur/cibles et à l'entrefer de la cellule à effet Hall. L'équation des flux issu de ce schéma simplifié conduit à la relation 2Re #l = HaLa (3). 2Re(]?a + Rec)+ Ra.Rec Compte tenu de cette relation (3) et de la relation (2) qui relie le flux 01 à l'induction magnétique B qui traverse la cellule à effet Hall, la relation (1) donnant la tension de Hall devient Ycz - Kb = k.i 2 Re . Ha.La (4). Scel 2 Re(Ra + Rec) + Ra.Rec Par ailleurs, si l'on désigne par ent la perméabilité de l'entrefer capteur/cible et par Sent la section de cet entrefer, la réluctance équivalente Re due à l'entrefer capteur/cible est reliée à la distance e par la relation Re = 1 .e (5). ent.Sent La prise en compte de cette relation (5) dans la relation (4) conduit à l'équation suivante En posant : k.i.Ha.Ia K1 = Scel K2 = ent.Sent.Ra.Rec , et 2 K3 = Ra + Re c l'équation (6) devient e Va - Kb = Ki. (7) e.K3+ K2 En choisissant les dimensions afin que e.K3 soit négligeable devant K2, cette relation (7) devient Va - Vb = K1.e (8). K2 Par conséquent, le signal de sortie du capteur que constitue la tension de Hall (Va - Vb) est donc bien directement proportionnel à la distance e qui sépare le capteur de la cible. En d'autres termes, ce signal de sortie varie linéairement avec la distance e. Si l'on applique des relations du type de la relation (5) à la réluctance Ra de l'aimant et à la réluctance équivalente Rec de l'entrefer correspondant à la cellule à effet Hall, la condition de linéarité imposant que e.K3 soit négligeable devant K2 s'écrit pta.Sa + ec..Sec La Lec 2e avec a et Pec qui désignent respectivement la perméabilité de l'aimant et de l'entrefer du côté de la cellule à effet Hall, Sa et Sec qui désignent respectivement les sections de l'aimant et de la cellule à effet Hall, Lec désignant l'épaisseur de l'entrefer correspondant à la cellule à effet Hall. Si l'on choisit les matériaux de telle sorte que les perméabilités pa, Pec et Usent soient sensiblement égales, de même que les épaisseurs La et Lec que l'on désigne alors par la lettre L, la relation (9) devient Sa + Sec Sent (10). L 2e La condition de linéarité de la réponse du capteur selon l'invention est donc satisfaite dès lors que la géométrie du capteur et son utilisation permettent de satisfaire la relation (10). Par conséquent, on voit qu'un capteur de position à effet Hall conforme au schéma de la figure 3 constitue un appareil peu coûteux, d'encombrement réduit, utilisable industriellement, et qui fournit directement un signal de sortie proportionnel à la distance à mesurer, sans qu'il soit nécessaire de lui adjoindre un circuit de traitement quelconque. Les figures 6 à 8 illustrent à titre d'exemples trois formes de réalisation possible du capteur selon l'invention. Dans le cas de la figure 6, le capteur présente une section circulaire selon un plan parallèle à la direction du champ magnétique Ha et perpendiculaire au plan de la figure 3. Dans ce cas, les surfaces extérieures des pièces polaires 20 et 22 sont situées sur une même surface cylindrique. On voit en outre sur la figure 6 que la cohésion du capteur est assurée par un matériau électriquement isolant 40 tel qu'une résine, dans lequel sont noyés l'aimant 18, la cellule 10 et les pièces polaires 20 et 22. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 6, les surfaces actives des pièces polaires 20 et 22 sont des surfaces planes situées dans un même plan prévu pour être tourné vers la cible 38. Dans un autre exemple de réalisation illustré sur la figure 7, le capteur présente une section rectangulaire selon un plan parallèle à la direction du champ magnétique Ha et perpendiculaire au plan de la figure 3. Dans ce cas, les surfaces extérieures des pièces polaires 20 et 22 sont parallèles aux faces en vis-à-vis 28 et 30 de celles-ci. Ici encore, un matériau 40 tel qu'une résine assure la cohésion des différentes pièces du capteur et les surfaces actives des pièces polaires sont situées dans un meme plan. Enfin, on a représenté sur la figure 8 un autre exemple de réalisation d'un capteur selon l'in- vent ion, appliqué au cas où la cible 38 est une pièce cylindrique tournante. Comme on le voit, les surfaces actives 32 et 34 des pièces polaires 20 et 22 sont alors des surfaces cylindriques concaves complémentaires de la surface périphérique de la cible 38. Les parties des pièces polaires les plus proches de la cible présentent alors la forme de sabots. La mesure effectuée est ainsi répartie sur un secteur angulaire, ce qui permet d'intégrer des défauts éventuellement présents sur la périphérie de la cible 38 et de réduire très fortement les erreurs dans le signal délivré. Cette forme des pièces polaires permet également de satisfaire la condition de linéarité du capteur en augmentant la surface d'entrefer. Bien entendu, les formes de réalisation qui viennent d'être brièvement décrits en se référant aux figures 6 à 8 ne sont donnés qu'à titre d'exemples. En effet, on comprendra aisément que d'autres géométries peuvent être envisagées soit pour tenir compte de la forme de la cible, soit pour tenir compte de la place disponible. REVENDICATIONS 1. Capteur de position à effet Hall, caractérisé par le fait qu'il comprend un aimant (18) et une cellule à effet Hall (10) placés côte à côte entre deux pièces polaires (20,22) comportant, à l'opposé de la cellule à effet Hall par rapport à l'aimant, des surfaces actives (32,34) aptes à être placées à une distance e d'une cible (38) en matériau magnétique, de telle sorte qu'un flux magnétique créé par l'aimant (18) soit canalisé par les pièces polaires (20,22) pour se répartir, d'une part, dans la cible (38) et, d'autre part, à travers la cellule à effet Hall (10) et que cette dernière délivre alors directement un signal de sortie (Va-Vb) proportionnel à la distance e. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'aimant (18) est un aimant permanent qui délivre un champ magnétique Ha constant orienté selon une direction donnée, les surfaces actives (32,34) des pièces polaires (20,22) étant placées dans le prolongement l'une de l'autre et orientées parallèlement à cette direction, et la cellule à effet Hall (10) étant orientée de façon à détecter une induction magnétique B orientée parallèlement à ladite direction. 3. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les surfaces actives (32,34) des pièces polaires (20,22) ont des formes complémentaires de celles d'une surface en regard de la cible (38). 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les surfaces actives (32,34) des pièces polaires (20,22) sont planes. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les surfaces actives (32,34) des pièces polaires (20,22) sont des surfaces cylindriques. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les pièces polaires (20,22) présentent deux faces planes et parallèles en vis-à-vis, en contact avec deux faces opposées (24,26), planes et parallèles, de l'aimant (18), et espacées d'un même écartement par rapport à deux faces opposées (14,16), planes et parallèles, de la cellule à effet Hall (10). 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il présente une section circulaire selon un plan parallèle à ladite direction. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il présente une section rectangulaire selon un plan parallèle à ladite direction. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la cellule (10) à effet Hall, l'aimant (18) et les pièces polaires (20,22) sont noyés dans une résine (40).