Brevet FR2764372A1 — publié le 19981211

La présente invention concerne le domaine des capteurs magnétiques de position. Elle concerne plus spécifiquement le domaine des capteurs dont le principe de fonctionnement est basé sur la détection de la variation du flux magnétique produit par un aimant permanent dans une structure ferromagnétique comportant un entrefer dans lequel est logée une sonde de hall ou un moyen de détection magnétosensible équivalent. On connaît le principe général de tels capteurs. Ils sont par exemple décrit dans les brevets européens EP514530, EP665416 ou E0596068. Le but de l'invention est de simplifier la réalisation de tels capteurs, et d'améliorer la linéarité de la réponse, c'est-à-dire l'amplitude du signal électrique délivré en fonction de la position de la partie mobile. L'invention s'applique aussi bien à des capteurs linéaires qu'à des capteurs rotatifs. L'invention concerne un capteur magnétique de position pour la délivrance d'un signal électrique proportionnel à la position, constitué par une partie mobile présentant au moins un aiment permanent mince aimanté transversalement dans le sens de la plus faible épaisseur, mobile dans un entrefer principal, ledit entrefer étant défini par au moins deux parties ferromagnétiques, ces deux parties ferromagnétiques définissant entre-elles un entrefer secondaire comportant un capteur magnétosensible caractérisé en ce que la partie mobile est agencée de manière à ce que la pénétration de la partie aimantée dans l'entrefer principal soit partielle sur une partie de la course utile. Avantageusement, la longueur de la partie aimantée est au moins égale à C+E, où C désigne la course utile de la partie mobile et où E désigne l'épaisseur de l'entrefer mobile. De préférence, la longueur de l'entrefer est au moins égale à C+E, où C désigne la course utile de la partie mobile et où E désigne l'épaisseur de l'entrefer mobile. Selon un mode de réalisation préféré, la longueur la partie aimantée est supérieure à la longueur de l'entrefer. Selon une variante préférée, le capteur magnétique de position est caractérisé en ce que la partie mobile comprend deux aimants aimantés en sens opposés selon la plus faible épaisseur, les deux aimants étant juxtaposés selon la direction perpendiculaire au déplacement. Selon un premier mode de réalisation, la partie mobile comprend deux aimants aimantés de forme semicylindrique mobile dans un entrefer principal définit entre une culasse cylindrique et des pièces statoriques semicylindriques, ces pièces semi-cylindriques définissant entre-elles un entrefer secondaire perpendiculaire à l'axe de rotation. Selon un deuxième mode de réalisation, la partie mobile comprend au moins un aimant permanent mince de forme rectangulaire, mobile dans un entrefer perpendiculaire à la direction de l'aimantation, définit par une structure statorique présentant une forme générale de "U", la structure statorique présentant un entrefer secondaire contenant un axe parallèle à la direction de déplacement, et perpendiculaire aux lignes de champ magnétique engendré par l'aimant permanent. Selon un troisième mode de réalisation, la partie mobile comprend deux aimants en forme de secteurs discaux aimantés en sens opposés, la partie fixe comprenant deux pièces ferromagnétiques en forme de secteurs discaux. Selon une autre variante, l'aimant présente une déformation géométrique propre à permettre la compensation d'un défaut de linéarité due à une fuite magnétique ou à un champ pertubateur. Cette déformation sera par exemple, pour un capteur linéaire, une arête inclinée par rapport à la direction de déplacement, ou pour un capteur rotatif, une largeur variable de l'aimant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples non limitatifs de réalisation qui suit, se référant aux dessins annexés où - les figures 1 à 3 représentent des vues respectivement en perspective, en coupe transversale et en coupe axiale selon AA' d'un capteur de position angulaire selon l'invention - la figure 4 représente la courbe tension/position mesurée sur la sonde de Hall - les figures 5 à 7 représentent des vues respectivement en perspective, en coupe transversale et en coupe longitudinale selon BB' d'un capteur de position linéaire selon l'invention - les figures 8 et 9 représentent des vues respectivement en coupe transversale et en coupe longitudinale selon CC' d'un capteur de position angulaire selon l'invention ; - les figures 10 et 11 représentent une variante de réalisation d'un tel capteur angulaire - les figures 12 à 14 représentent trois variantes de réalisation d'un capteur linéaire - la figure 15 représente une variante de réalisation d'un capteur rotatif - les figures 16 et 17 représentent deux variantes de réalisation d'un capteur linéaire - la figure 18 représente une courbe de réponse d'un capteur selon la variante de la figure 17. Les figures 1 à 3 représentent des vues respectivement en perspective, en coupe transversale et en coupe axiale selon AA' d'un capteur de position angulaire selon l'invention. Ce capteur de position angulaire présente une partie mobile (10) formé de deux aimants minces (1, 2) et d'une culasse (3) et par une partie fixe (20) coaxiale formée de deux stators (4, 5). La partie mobile (10) comprend dans l'exemple décrit deux aimants minces (1, 2) semi-cylindriques, s'étendant sur environ 1800 d'arc. La valeur angulaire requise dépend de la course utile recherchée. Les deux aimants minces (1, 2) sont superposés et sont aimantés radialement, en sens opposés, selon la direction de la plus faible épaisseur. Ainsi, l'un des aimants (1) présente un pôle Nord extérieur et un pôle Sud intérieur, alors que l'autre aimant (2) présente un pôle Sud extérieur et un pôle Nord intérieur. Ces aimants (1, 2) sont superposés et alignés selon l'axe de rotation, et sont jointifs dans l'exemple décrit. Ils sont collés sur une culasse (3) formée par un cylindre ferromagnétique, par exemple un alliage Fer-Nickel recuit. Ils peuvent également être réalisés par des aimants souples fixés par des goupilles en laiton. Un axe non représenté assure l'entraînement en rotation de la partie mobile (10). Il est à noter que par équivalence, la partie (10) pourrait être fixe, et la partie (20) entraînée en rotation, le capteur détectant en fait la position relative de ces deux parties. La culasse (3) et les deux parties statoriques fixes (4, 5) définissent entre elles un entrefer annulaire (11) d'une épaisseur E. La partie fixe (20) comprend deux pièces (4, 5) semi-annulaires réalisées en un matériau ferromagnétique. Ces deux pièces (4, 5) sont, comme les aimants (1, 2) superposés et alignés selon l'axe de rotation. Elles s'étendent sur environ 170 d'arc. Elles définissent entreelles un entrefer secondaire (6) dans lequel est logé une sonde de Hall (7), ou tout autre composant magnétosensible. Le fonctionnement du capteur dans cette variante de réalisation est le suivant Lorsque la partie mobile (10) est positionnée de façon à ce que la totalité de la surface des aimants (1, 2) soit placée dans l'entrefer (11) - ce qui correspond à une rotation de 900 dans le sens anti-trigonométrique par rapport à la position représentée en figure 2 - les arcs d'aimants et de stator se correspondent et se font face. Le pôle Nord de l'aimant (1) coïncide alors avec le pôle statorique supérieur (4). Le champ magnétique se ferme sur le pôle Sud de l'autre aimant (2) à travers la deuxième partie statorique (5), puis de la culasse (3). Le flux dans l'entrefer secondaire de mesure (6) est alors maximum. Le signal délivré par la sonde de Hall (7) est également maximal. Lorsque la position des parties fixe (20) et mobile (10) est décalée de 1800 par rapport à cette première situation, l'induction dans l'entrefer de mesure est nulle. L'aimant Nord se referme sur l'aimant Sud dans l'air, sans emprunter le chemin statorique. Entre ces deux positions extrêmes, l'induction dans l'entrefer varie de façon linéaire en fonction de la position et est directement proportionnelle à la surface Sa des pôles aimantés en regard des deux stators (4, 5). En se référant à la figure 3, on désignera par C la course utile, c'est-à-dire la course sur laquelle une mesure linéaire est recherchée E l'épaisseur radiale de l'entrefer principal entre les stators (4, 5) et la culasse (3) L l'épaisseur radiale des 2 aimants Br l'induction rémanente des 2 aimants e l'entrefer au niveau de la sonde de mesure Sa (o-) la surface d'aimant en regard des stators pour une position angulaire e donnée SE la section de l'entrefer principal enter la culasse ferromagnétique cylindrique (3) et les deux stators (4, 5). L'induction Be dans l'entrefer de mesure est sensiblement égale à Bue(0) = (2.Br.L.Sa(0))/(2.Se.E+SE.e) La largeur annulaire des deux stators (4, 5) dont être au moins égale à C+E pour que le capteur présente une linéarité supérieure à 99% sur la pleine échelle du signal, pour une course utile C. La figure 4 représente la courbe tension/position mesurée sur la sonde de Hall. On constate que cette courbe présente une très grande linéarité. Les figures 5 à 7 représentent des vues respectivement en perspective, en coupe transversale et en coupe longitudinale selon BB' d'un capteur de position linéaire selon l'invention. Comme dans la variante angulaire, le capteur comporte une partie mobile (10) et une partie fixe (20). La partie mobile comprend deux aimants minces (1, 2) de forme rectangulaire, aimantés selon le sens de la plus faible épaisseur, en sens opposés. Ils sont alignés perpendiculairement à la direction du déplacement. Dans cet exemple de réalisation décrit à titre non limitatif, la culasse (3) n'est pas collée sur les aimants (2, 3), mais est fixe. Elle est formée par une plaque réalisée en un matériau ferromagnétique, par exemple un alliage fer-nickel recuit. Les deux pièces statoriques (4, 5) définissent entre elles un entrefer secondaire (6) dans lequel est placée une sonde de Hall (7). La longueur des deux stators est préférentiellement supérieure à C+E pour garantir une bonne linéarité. La partie mobile permet une course entre une position extrême dans laquelle les aimants (1, 2) sont sortis en totalité ou en partie de l'entrefer principal (11), et une deuxième position extrême dans laquelle ils sont introduit dans l'entrefer (11). Ce mode de réalisation permet de raccourcir la structure statorique par rapport aux capteurs de l'art antérieur. Les figures 8 et 9 représentent des vues respectivement en coupe transversale et en coupe longitudinale selon CC' d'un autre capteur de position angulaire selon l'invention. La partie mobile (10) présente la forme d'un disque ou d'un arc de disque. Elle comporte une pièce discale formant la culasse (3) et supportant deux aimants (1, 2) en forme de secteurs semi-annulaires s'étendant sur des arcs de cercle de l'ordre de 1800. Ils sont aimantés transversalement, parallèlement à l'axe de rotation, en sens opposés. Les deux pièces statoriques (4, 5) sont également formés par des arcs semi-annulaires s'étendant sur un peu moins de 180 . Elles définissent entre elles une rainure semi-annulaire formant l'entrefer secondaire (6) à l'intérieur duquel est placée la sonde de Hall (7). La sonde de Hall délivre un signal électrique proportionnel au degré d'engagement des parties aimantées (1, 2) dans l'entrefer principal (3). I1 est par ailleurs possible de mettre en oeuvre une structure comportant un seul aimant et une seule pièce statorique. Une telle variante de réalisation est représentée en figure 10 et 11. Dans cette variante, le capteur comporte un seul aimant (1) aimanté selon le sens de la plus petite épaisseur, parallèlement à l'axe de rotation. La fermeture du flux s'effectue à travers le secteur semi-discal (4) formant la pièce statorique, la sonde de Hall (7), et la culasse (3). Les figures 12 à 14 représentent trois variantes de réalisation d'un capteur linéaire. Dans ces variantes, la partie aimantée comporte un seul aimant mince (1). Cet aimant pénètre plus ou moins complètement dans l'entrefer principal (11). Le champ magnétique engendré par l'aimant mince (1) se ferme à travers une pièce statorique (4), un entrefer secondaire (6) dans lequel est placée une sonde de Hall, et la culasse (3). L'entrefer de mesure (6) est formé par une rainure disposée dans un plan perpendiculaire aux lignes de champs engendrées par l'aimant permanent (1). Ce plan contient un axe parallèle à l'axe de déplacement de la partie mobile (10). La partie fixe est composée par une pièce ferromagnétique présentant une section en forme de "U", l'aimant pénétrant plus ou moins entre les deux branches de ce "U", délimitant ente elles l'entrefer principal. L'entrefer secondaire prévu soit sur l'une des branches de ce "U", soit dans le fond du "U". L'aimant se déplace perpendiculairement à cette section en "U". I1 est aimanté transversalement, c'est-à-dire selon un axe perpendiculaire aux deux branches du "U" . L'aimant peut être aimanté en place, après assemblage du capteur. Selon la variante représentée en figure 12, l'entrefer de mesure est perpendiculaire au plan de l'aimant et de l'entrefer principal (11). En figure 13 est représentée une variante selon laquelle l'entrefer secondaire (6) est une fente étroite prévue dans le prolongement de l'entrefer principal (11). Dans la figure 14, cet entrefer secondaire (6) prolonge l'entrefer principal (11). Pour les exemples représentés en figures 12 à 14, l'induction Be dans l'entrefer de mesure est sensiblement égale à Be(x) = (Br.L.Sa(x))/(Se.E+SE.e) où x désigne la position de l'aimant suivant la direction d'engagement. La figure 15 représente une autre variante d'un capteur rotatif à un seul aimant (1) de forme semicylindrique aimanté radialement selon le sens de la plus petite épaisseur, perpendiculairement à l'axe de rotation. L'aimant (1) présente une forme générale de tuile, s'étendant sur environ 1800. I1 est collé sur une culasse (3) formée par un cylindre ferromagnétique. L'ensemble constitué par l'aimant (1) et la culasse (3) constitue la partie mobile par rapport à une partie fixe formée par un stator (4) semi-annulaire réalisé en un matériau ferromagnétique. L'aimant (1) s'engage comme dans les variantes précédentes dans un entrefer principal annulaire (11) d'épaisseur E. La fermeture du flux s'effectue par l'intermédiaire du stator (4) et de la culasse cylindrique (3) au travers de la sonde de Hall (7), perpendiculairement à l'axe de rotation, dans un entrefer prolongeant l'entrefer principal. La figure 16 représente une variante de réalisation d'un capteur linéaire. Ce capteur délivre un signal proportionnel au degré d'engagement des parties dans l'entrefer principal (11). Cet entrefer principal (11) est délimité par deux surfaces (3, 4) en regard, de forme trapézoïdale. L'aimant (1) se déplace suivant une direction oblique par rapport au bord avant des surfaces ferromagnétiques (3, 4) de façon à ce que le degré d'engagement de l'aimant dans l'entrefer varie en fonction de la position de l'aimant selon cette direction oblique. Ce mode de réalisation permet de réaliser un capteur dont la course est égale à sa longueur. La figure 17 représente un autre exemple de réalisation d'un capteur linéaire, comportant un aimant (1) mobile dans un entrefer principal (11) prévu entre une culasse (3) et un stator (4). L'aimant présente deux arêtes (20, 21) s'étendant dans la direction de déplacement non parallèles entre elles. Le fait que l'une des arêtes (21) forme un angle différent de 0 avec l'axe de déplacement permet d'introduire une loi de variation spécifique. En effet, la surface d'engagée n'est alors plus proportionnelle de la position x de l'aimant, mais varie selon une loi S(x) = ax(bx+c) où a, b, et c sont des coefficient liés à la géométrie de l'aimant. La variation d'induction sera toujours donnée par la formule Be(x) (Br.L.Sa(x))/(Se.E+SE.e). La réponse sera alors une réponse parabolique, telle que représentée en figure 18. Une telle variante permet de compenser la non linéarité due à une fuite magnétique ou à un élément perturbateur. 1 - Capteur magnétique de position pour la délivrance d'un signal électrique proportionnel à la position, constitué par une partie mobile (10) présentant au moins un aiment permanent mince (1) aimanté transversalement dans le sens de la plus faible épaisseur, mobile dans un entrefer principal (11) perpendiculaire au sens de l'aimantation, ledit entrefer (11) étant défini par au moins deux parties ferromagnétiques (4, 5) et (3), ces parties ferromagnétiques définissant entre-elles un entrefer secondaire (6) comportant un capteur magnétosensible (7) caractérisé en ce que la partie mobile (10) est agencée de manière à ce que la pénétration de la partie aimantée (1, 2) dans l'entrefer principal (11) soit partielle sur une partie de la course utile de façon à ce que le capteur magnétosensible (7) délivre un signal proportionnel au degré d'engagement des parties aimantées (1, 2) dans ledit entrefer principal (7). 2 - Capteur magnétique de position selon la revendication 1 caractérisé en ce que la longueur de la partie aimantée est au moins égale à C+E, où C désigne la course utile de la partie mobile et où E désigne l'épaisseur de l'entrefer mobile. 3 - Capteur magnétique de position selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la longueur de l'entrefer est au moins égale à C+E, où C désigne la course utile de la partie mobile et où E désigne l'épaisseur de 1 'entrefer mobile. 4 - Capteur magnétique de position selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la longueur la partie aimantée est supérieure à la longueur de l'entrefer. 5 - Capteur magnétique de position selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les parties ferromagnétiques (4, 5) sont de forme semi cylindrique, le capteur détectant la position angulaire d'au moins un aimant permanent (1) de forme semi-tubulaire. 6 - Capteur magnétique de pos tiorl selon 1 une quelc-,nque des revendications preceoentes caracterise en ce que la partie mobile comprend deux aimants aimantés en sens opposés selon la plus faible épaisseur, les deux aimants étant juxtaposés selon la direction perpendiculaire au déplacement. 7 - Capteur magnétique de position selon lune quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie mobile comprend deux aimants aimantés de forme semi-cylindrique mobile dans un entrefer principal (11) définit entre une culasse (3) cylindrique et des pièces statoriques (4, 5) semi-cylindrique, ces pièces semicylindriques définissant entre-elles un entrefer secondaire (6) perpendiculaire à l'axe de rotation. 8 - Capteur magnétique de position selon la revendication 1 caractérisé en ce que la partie mobile comprend au moins un aimant permanent mince (1) de forme rectangulaire, mobile dans un entrefer perpendiculaire à la direction de l'aimantation, définit par une structure statorique présentant une forme générale de "U", la structure statorique présentant un entrefer secondaire (6) contenant un axe parallèle à la direction de déplacement, et perpendiculaire aux lignes de champs magnétique engendré par lamant permanent. 9 - Capteur magnétique de position selon la revendication 1 caractérisé en ce que la partie mobile comprend deux aimants en forme de secteurs discaux aimantés en sens opposés, la partie fixe comprenant deux pièces ferromagnétiques (4, 5) en forme de secteurs discaux. 10 - Capteur magnétique de position selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un seul aimant (1) de forme semi-cylindrique aimanté selon le sens de la plus petite épaisseur, radialement et une culasse (3) formée par un cylindre ferromagnétique, l'ensemble constitué par l'aimant (1) et la culasse (3) constituant la partie mobile par rapport à une partie fixe formée par un stator (4) semi-annulaire réalisé en un matériau ferromagnétique, l'aimant (1) s'engageant dans un entrefer principal annulaire (11) d'épaisseur E et le flux se fermant par l'intermédiaire du stator (4) et de la culasse cylindrique (3) au travers de la sonde de Hall (7), perpendiculairement à l'axe de rotation, dans un entrefer prolongeant l'entrefer principal. 11 - Capteur magnétique de position selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un aimant (1) se déplaçant suivant une direction oblique par rapport au bord avant des surfaces ferromagnétiques (3, 4) de façon à ce que le degré d'engagement de l'aimant dans l'entrefer varie en fonction de la position de l'aimant selon cette direction oblique. 12 - Capteur magnétique de position selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'aimant présente une déformation géométrique propre à permettre la compensation d'un défaut de linéarité due à une fuite magnétique ou à un champ perturbateur.