Brevet FR2772912A1 — publié le 19990625

DISPOSITIF DE DETECTION DE LA POSITION D'UN OBJET DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un dispositif de détection de la position d'un objet en mouvement. Le domaine de l'invention est celui de la robotique industrielle utilisant des capteurs, par exemple magnétiques, pour positionner avec précision des objets en mouvement par rapport à une base fixe ou mobile. Etat de la technique antérieure Un document de l'art antérieur, référencé [1] en fin de description, décrit un aimant ou une couronne aimantée solidaire de la partie mobile d'un objet, par exemple un vérin. Un capteur monté sur la partie fixe de celul-ci détecte la présence de l'aimant en mesurant le champ magnétique. Cette structure classique présente une faible précision du fait de son caractère hystérétique. En effet le capteur déclenche un signal cie présence de l'aimant quand un seuil de champ est dépassé. Sur la figure 2 de ce document ce seuil est gal à un. En fonction du champ généré par l'aiman,, ce déclenchement intervient soit en position zéro pour le champ minimum, soit en des positions -6mm et +6mm selon le sens du mouvement de la partie mobile pour un champ plus élevé. Il s'ensuit une imprécision dans le positionnement dépendant du réglage entre l'aiman. et le capteur, et un fonctionnement hys, érétique selon le sens de déplacement du capteur. Dans ce document le capteur peut être un relais magnétique de type ampoule Rheed, un capteur à effet Hall, ou un capteur magnétorésistif. Dans les dispositifs de l'art connu, comme décrit dans le document référencé [2], les capteurs magnétorésitifs utilisés sont constitués d'un pont de Wheastone à quatre magnétorésitances qui mesure l'amplitude du champ. L'invention a pour objet de proposer un dispositif de détection de la position d'un objet utilisant un circuit spécifique à base d'éléments sensibles magnétiquement, par exemple de magnétorésistances, permettant de détecter la présence de l'aimant, puis de donner une information précise de sa position. Exposé de l'invention L'invention propose un dispositif de détection de la position d'un objet, qui comporte au moins un aimant solidaire d'un objet apte à se déplacer devant au moins deux élément s sensibles magnétiquement, un système de traitement différentiel recevant les signaux issus de ces éléments et permettant de déterminer la position de l'objet. Le déplacement de l'objet peut être aussi bien rectiligne qu'en rotation ou tout autre type de mouvement, à condition qu'il passe devant les éléments sensibles. Ce dispositif selon un mode particulier peut comprendre des moyens d'asservissement reliés entre le système de traitement et l'objet. Les éléments sensibles de l'invention sont par exemple des magnétorésistances, des capteurs à effet Ha Cf, ou des vannes de flux 1 Cc gato ) Le dispositif de l'invention permet de détecter la présence-de l'objet soit par le signal issu de l'élément sensible, soit par la consommation des éléments sensibles tels que par exemple des magnétorésistances, le mesure différentielle permettant un positionnement précis de l'objet. Dans un premier mode de réalisation, le circuit de traitement différentiel comporte deux comparateurs à une tension de seuil recevant chacun la sortie d'un des deux éléments sensibles, qui sont des capteurs de champ magnétique, un amplificateur différentiel recevant chacune de ces deux sorties et un circuit de traitement recevant les sorties respectives des comparateurs et de l'amplificateur différentiel. La tension de seuil de chaque comparateur est la même dès lors que les éléments sensibles sont les mêmes. Sinon la tension de seuil est adaptée à 1' élément sensible correspondant. Dans un second mode de réalisation, les éléments sensibles sont deux magnétorésistances, espacées d'une distance inférieure à la longueur de l'aimant. Le circuit de traitement différentiel comprend un circuit délivrant un signal de sortie proportionnel à la valeur de la différence des résistances des deux magnétorésistances, deux comparateurs à une tension de seuil, et un circuit de traitement recevant les signaux de sortie respectifs dudit circuit et des deux comparateurs. Dans un troisième mode de réalisation, les éléments sensibles sont quatre magnétorésistances équivalentes deux à deux, la distance entre deux magnéto résistances différentes étant Inférieure à la longueur de l'aimant, ces magnétorésistances étant connectées en pont, an étant disposées sur deux branches en parallèle entre une [ienslon d'. l mentation et la masse, la première branche comprenant une magnétorésistance d'une première valeur et une magnétorésistance d'une seconde valeur en série, et la seconde branche comprenant une magnétorésistance d'une seconde valeur et une magnétorésistance d'une première valeur en série. Le circuit de traitement différentiel comprend un circuit de détection du maximum de consommation dans les deux branches de ce pont, un amplificateur différentiel recevant les signaux provenant des points médians de ces deux branches, et un circuit de traitement recevant la sortie du circuit de détection, et la sortie de l'amplificateur différentiel. Dans un quatrième mode de réalisation, on utilise deux aimants accolés, les éléments sensibles étant deux couples de deux magnétorésistances. Ces quatre magnétorésistances équivalentes deux à deux sont connectées en pont, en étant disposées sur deux branches en parallèle entre la tension d'alimentation et la massa, la première branche comprenant une magnétorésistance d'une première valeur et une magnétorésistance d'une seconde valeur en série, et la seconde branche comprenant une magnétorésistance d'une seconde valeur et une magnétorésistance d'une première valeur an série. Le circuit de traitement différentiel comprend un circuit de détection du passage d'une aimantatiOn à l'autre, un amplificateur différentiel recevant les signaux provenant des points médians de ces deux branchas, et un circuit de traitement recevant la sortie du circuit de détection, et la a sortie de l'amplificateur différentiel. Le dispositif de l'invention peut être utilisé notamment pour l'asservlssemerlt de position d'un objet au robot ; pour la détection de position d'un objet comportant un aimant. Brève description des dessins - La figure 1 illustre un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention ; - les figures 2 et 3 représentent des courbes illustrant le fonctionnement du dispositif de la figure 1, - la figure 4 illustre un second mode de réalisation du dispositif de l'invention ; - les figures 5 à 10 représentent des courbes illustrant le fonctionnement du dispositif de la figure 4 ; - les figures 11 et 13 illustrent un troisième mode de réalisation du dispositif de l'invention - les figures 12 et 14 représentent des courbes illustrant le fonctionnement du dispositif des figures 11 et 13 - les figures 15 et 18 illustrent un quatrième mode de réalisation du dispositif de l'invention ; - les figures 16 et 17 représentent des courbes illustrant le fonctionnement du dispositif des figures 15 et 18. Exposé détaillé de modes due réalisation Comme illustré sur la figure 1 le dispositif de détection de la position d'ur. objet selon l'invention comporte un aimant permanent 10 solidaire de cet objet 11 apte à se déplacer (flèche 15) devant deux éléments sensibles magnétiquement 12 et 13, et un circuit de traitement différentiel 14 qui reçoit les signaux issus de ces éléments sensibles et qui permet de déterminer la position de cet objet 11. Dans un premier mode de réalisation ces deux éléments sensibles 12 et 13 sont deux capteurs de champ sensibles à un champ plan H, séparés d'une distance D1. Le champ H, créé par l'aimant 11 à une distance D des capteurs 12 et 13, est représenté sur la figure 2 selon un axe Ox parallèle en déplacement. Quand l'objet mobile 11 se déplace de manière rectiligne de la gauche vers la droite, le signal VC1 issu du premier capteur 12, illustré sur la figure 3A, est l'image du champ H de l'aimant. De même le signal VC2 issu du second capteur 13 est identique au signal VC1, mais avec un déphasage dépendant de la distance D1 entre les capteurs. Le signal -VC2 est représenté sur la figure 3B. Si les capteurs 12 et 13 sont connectés aux entrées d'un amplificateur différentiel 20, comme illustré sur la figure 1, le signal en sortie de cet amplificateur 20 a la forme illustrée sur la figure 3C passant par une tension nulle quand l'aimant se trouve au milieu des deux capteurs (point C). Cette détection de zéro permet de positionner de manière précisa et reproductible l'objet mobile 11. Cependant en l'absence d'aimant 10 et en phase d'approche de celui-ci, on obtient plusieurs passages à zéro. Il faut donc sélectionner le seul passage intéressant. L'invention utilise une détection de seuil sur les deux signaux issus des capteurs 12 et 13. On compare les signaux VC1 et VC2 issus de ces capteurs 12 et 13 avec une tension Vseuil, image d'un champ Hseuil, dans des comparateurs 21 et 22. Quand l'aimant 10 se déplace de gauche à dronte, le capteur 12 tout d'abord se déclenche et produit l'état binaire 1 en sortie El du premier comparateur 21, et puis le capteur 13 fait également passer à 1- la sortie E2 du second comparateur 22 comme illustré dans le bas de la figure 3. Quand El et E2 sont à 1, on obtient l'information de présence de l'aimant 10 et on peut valider la recherche du passage à zéro. On obtient ainsi un positionnement grossier en analysant la valeur des sorties El et E2 et si nécessaire un ajustage fin en analysant la valeur E3 qui correspond à la détection du passage à zéro. Le circuit 23 est un circuit de traitement qui combine les trois informations logiques El, E2 et E3 présentes sur ses entrées et délivre en sortie un signal S qui peut être par exemple le signal d'asservissement d'un vérin. Si on a 101 en entrée de ce circuit 23, cela correspond donc au centrage de l'aimant. Dans un second mode de réalisation du dispositif de l'invention, illustré sur la figure, les deux éléments sensibles 12 et 13 sont des magnétorésistances dent la courbe résistance R en fonction du champ il est donnée sur la figure 5. Sur cette courbe la résistance diminue en fonction d module du champ. Avec le champ H créé par l'aimant illustré sur Ca figure 6A, on obtient la courbe de la résistance R en fonction du déplacement donnée sur la figure 6B. Avec un circuit électronique adapté, bien connu de l'homme de l'art, on peut obtenir un signal de sortie S proportionnel à la différence des valeurs R1 et R2 des magnétorésistances 12 et 13 : soit Rl-R2. Sur les figures 7, 8, 9, 10, on a représente quatre signaux dépendants de la distache entre les deux magnétorésistances 12 et 13 resoe-ctivament des distances D1, D2, D3 et D4 ; D2 et 3 étant t illustrées sur la figure 4. Il apparaît que si la distance D entre les résistances est inférieure à la longueur de l'aimant (seule D4 est supérieure à cette longueur) , on obtient des courbes avec un passage à zéro unique C quand l'aimant est centré. On peut donc activer une détection de zéro pour un positionnement précis. Dans ce mode de réalisation le circuit de traitement différentiel comprend un circuit 26 délivrant un signal de sortie proportionnel à la différence des valeurs de résistance des deux magnétorésistances, deux comparateurs 24 et 25 à une tension de seuil, et un circuit de traitement 27 recevant les signaux de sortie respectifs de ce circuit et de ces deux comparateurs. De la même manière que dans le premier mode de réalisation, en utilisant des tensions de seuil, la résistance R1 déclenche El au point A, comme illustré sur la figure 8C, et la résistance R2 déclenche E2 au point B. En A', R1 relâche El. On peut donc positionner grossièrement le corps mobile entre les points B et A'. De ia même façon le positionnement fin est obtenu en analysant le signal Vs. Les deux premiers modes de réalisation illustrés sur les figuras 1 et 4 utilisant pour le positionnement grossier une détection d'amplitude. Corme la distance D entre aimant et capteurs et la force de l'aimant ne sont pas parfaitement maîtrisées, il s'ensuit des variations d'amplitude du champ H (voir figure 6 du document référencé [2]) qui amènent à des difficultés de réglage. Dans un troisième mode de réalisation ou Jisoositi t l'invention illustré sur la figure 11, on considère un dispositif simple permettant d'assurer un positionnement précis sans détection d'amplitude. On utilise ici quatre magnétorésistances 12 (Rl), 13 (R2) et 12' (R'1) et 13' (R'2) équivalentes deux à deux (R1=R1' et R2=R2'). Comme illustré sur la figure 12, avec une distance D2 entre les magnétorésistances R1 et R2 (ou R'1 et R'2) inférieure à la longueur de l'aimant, le déplacement de l'aimant produit une variation de la valeur R1 - R2 qui sert pour le positionnement précis. Si l'on considère la variation de la valeur R1 + R2, il apparaît que la présence de l'aimant induit une diminution par rapport à la valeur 2R0, R0 étant la valeur de R1 et R2 en champ nul. Cette valeur est minimum autour du point de centrage C. Sur la figure 13 sont représentés les magnétorésistances de valeurs R1, R2 et R'1, R'2, celles-ci étant disposées sur deux branches en parallèle, entre la tension d'alimentation Valim et la masse, la première branche comprenant les magnétorésistances R1 et R2 en séria, et la seconde les magnétorésistances R'2 et R'1 an série, un amplificateur différentiel 30 recevant les signaux provenant des points médians des deux branches d pont, un détecteur 31 de consommati on du pont suivi d'un comparateur de courant avec un seuil réglable 32, et un dispositif de traitement 33 recevant les sorties respectives de l'amplificateur 30 et du comparateur 32. Le comparateur de courant avec un seuil réglable est tel que t > seuil VC=1 cil On a la tabla de varice suivante VC VS O 1 1 1 1 0 0 0 L'aimant est loin L'aimant est proche mais non centré L'aimant est centré l'aimant est loin En connectant les quatre magnétorésistances en pont comme illustré sur cette figure 13, le courant consommé par le pont est égal à deux fois la tension 2Valim d'alimentation divisé par R1 + R2 : soit I= et la R1 + R2 tension en entrée de l'amplificateur différentiel 30 R1 - R2 v-Valimx. En détectant le maximum de consommation R1 + R2 du pont, on obtient le positionnement grossier recherché. Le signal S en sortie de l'amplificateur différentiel est proportionnel à R1 - R2 et permet le positionnement fin. Si la distance entre les magnétorésiscances est trop grande comme illustré sur la figure 14 (distance D3), la somme R1 + R2 présente alors deux minima autour du point de centrage et il n'y a plus concordance entre la détection de zéros et le maximum de courant consommé par le pont. Dans un quatrième mode de réalisation du dispositif de 1' invention, on utilise deux aimants 10 et 10' accolés et un pont de détection du zéro avec deux couples de deux magnétorésistances. Sur un système de ce type comportant deux aimants accolés, on cherche à se positionner par rapport à la transition, c'est-à-dire le passage j'une aimantatlon a l'autre : le champ H évolue d'une valeur négative à positive en passant par zéro comme illustre sur la figure 16. De manière analogue si on suit l'évolution de la valeur R1 - R2, on obtient un passage à zéro bien défini à la transition comme illustré sur la figure 17. On peut alors utiliser un circuit tel que celui qui est représenté sur la figure 18 comprenant un circuit de détection du passage d'une aimantation à l'autre 34, un amplificateur différentiel branché aux magnétorésistances du pont comme dans le dispositif illustré sur la figure 13, et un circuit de traitement 35 revevant les sorties respectives du circuit de détection 34 et de l'amplificateur différentiel 30. REFERENCES [1] Article intitulé Magnetic Field Sensors For The Industrial Automation de T. Reininger et C. Hanisch (Sensors And Actuators, A59, 1997, pages 177 à 182). [2] Catalogue technique Honeywell Solid State Sensors, 2SSP Series REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection de la position d'un objet, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un aimant (10) solidaire de cet objet (11) apte à se déplacer devant au moins deux éléments sensibles magnétiquement (12, 13) et un circuit de traitement différentiel (14) recevant les signaux issus de ces éléments (12, 13) et permettant de déterminer la position de l'objet. 2. Dispositif selon la revendication 1 comportant des moyens d'asservissement reliés entre le système de traitement et l'objet. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque élément sensible (12, 13) est un capteur de champ. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque élément sensible est une magnétorésistance. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque élément sensible est une vanne de flux. 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le circuit de traitement différentiel comporte deux comparateurs (21, 22)) à une tension de seuil (Vseuil) recevant chacun la sortie de deux éléments sensibles (12, 13) , qui sont des capteurs de champ, un amplificateur différentiel (20) recevant chacune de ces deux serties, et un circuit de traitement (23) recevant les sorties respectives des comparateurs (21, 22) et de l'amplificateur différentiel (20). 7. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel C les éléments sensibles sont aux magnatoréslstances (12, 13) , aspatees ci' une distance inférieure à la longueur de l'aimant, le circuit de traitement différentiel comprenant un circuit (26) délivrant un signal de sortie proportionnel à la différence des va-leurs de résistance des deux magnétorésistances, deux comparateurs (24, 25) à une tension de seuil, et un circuit de traitement (27) recevant les signaux de sortie respectifs dudit circuit (26) et des deux comparateurs (24, 25). 8. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les éléments sensibles sont quatre magnétorésistances (R1, R2 ; R'1, R'2) équivalentes deux à deux, la distance entre deux magnétorésistances différentes étant inférieure à la longueur de l'aimant, ces magnétorésistances étant connectées en pont, en étant disposées sur deux branches en parallèle entre une tension d'alimentation (Valim) et la masse, la première branche comprenant une magnétorésistance d'une première valeur (R1) et une magnétorésistance d'une seconde valeur (R2) en série, et la seconde branche comprenant une magnétorésistance d'une seconde valeur (R'2) et une magnétorésistance d'une première valeur (R'1) en série, le circuit de traitement différentiel comprenant un circuit de détection du maximum de consommation dans les deux branches de ce pont (32), un amplificateur différentiel (30) recevant les signaux provenant des points médians de ces deux branches, un circuit de traitement (33) recevant la sortie du circuit de détection, et la sortie de l'amplificateur différentiel. 9. Dispositif selon la revendication 1 comprenant deux aimants accolés, dans lequel les éléments sensibles sont deux couples de deux magnétorésistances, ces quatre magnétorésistances (R1, R2 ; R'1, R'2) équivalentes deux à deux étant connectées en pont, en étant disposées sur deux branches en parallèle entre la tension d'alimentation (Valim) et la masse, la première branche comprenant une magnétorésistance d'une première valeur (R1) et une magnétorésistance d'une seconde valeur (R2) en série, et la seconde branche comprenant une magnétorésistance d'une seconde valeur (R'2) et une magnétorésistance d'une première valeur (R1) en série, le circuit de traitement différentiel comprenant un circuit de détection du passage d'une aimantation à l'autre (34), un amplificateur différentiel (30) recevant les signaux provenant des points médians de ces deux branches, un circuit de traitement (35) recevant la sortie du circuit de détection, et la sortie de l'amplificateur différentiel.