Brevet FR2800458A1 — publié le 20010504

"Capteur analogique de position sans contact à couche noyau de largeur variable" L'invention est du domaine des capteurs de position. Elle concerne en particulier un capteur utilisé dans le domaine automobile pour détecter la position d'éléments moteurs ou d'éléments de commandes, tels que colonne de direction, manettes de commandes des lumières, des essuie-glaces, etc. Dans le domaine automobile en particulier, il existe un besoin important de connaissance de position manettes mobiles, par exemple pour des commandes de contrôle du véhicule de niveaux, par exemple d'essence ou autres fluides moteurs. De plus, on constate aujourd'hui, avec l'augmentation du contenu électronique des véhicules un souhait de connaître plus de paramètres de fonctionnement de tous les éléments du moteur, avec par exemple la position de commandes ou d'actionneurs, le couple appliqué sur la barre de direction, la position du levier vitesse etc. Des capteurs de positions précis, économiques à réaliser et de petite taille sont donc de plus en plus indispensables. On utilise couramment dans domaine des potentiomètres résistifs. Pour des raisons de fiabilité, il est souhaitable de remplacer ce type de capteurs par des capteurs sans contact, sans pour autant augmenter leur coût. On connaît par ailleurs déjà capteurs de position inductifs sans contact. On peut citer en particulier dans ce domaine le document US 5.204.621 (Position Sensor Employing a Soft Magnetic Core) qui décrit un dispositif comprenant une bobine de mesure encadrée par deux bobines d'excitation de polarité opposée disposées sur un cylindre (ou sur une feuille plate) qui comporte une feuille interne en V de matériau ferromagnétique, dans lequel est mobile en translation un petit aimant. L'aimant génère dans le noyau une zone de saturation qui interrompt les lignes de champ créées par les bobines d'excitation, modifiant la part de chacune d'elles dans le signal mesuré aux bornes de la bobine de mesure. L'aimant est alors attaché à la pièce mobile dont on souhaite mesurer le déplacement. Dans le cas de dispositif plan, le petit aimant est mobile au contact d'une couche de protection et de glissement en face de deux bobines et la mesure est réalisée de façon différentielle également. On comprend que ce dispositif n'est pas adapté à une mesure de position à distance ou à travers une paroi. Par ailleurs, est relativement complexe dans le cas de réalisation en cylindre, et conduit à phénomènes de frottement indésirables dans le cas de dispositif plan. La présente invention a pour but de remédier inconvénients précités, en proposant un capteur analogique de position sans contact économique à réaliser, simple à mettre en ceuvre, et adapté à mesurer une position à travers une paroi. A cet effet, l'invention propose un capteur analogique de position linéaire ou angulaire sans contact, du type magnétique à inductance, comportant une première partie comprenant au moins une plaque de substrat portant au moins une bobine, au moins une couche noyau en matériau à forte perméabilité magnétique et faible champ de saturation sur une partie de ladite bobine, une seconde partie comprenant au moins un aimant mobile selon une direction (X) généralement parallèle à la première partie, caracterisé en ce que la première partie comporte des moyens adaptés à ce sa "capacité de stockage magnétique" varie selon la direction (X) de déplacement de l'aimant. Dans premier mode de réalisation, le capteur est adapté à coopérer avec un dispositif de mesure d'inductance aux bornes de la bobine. Dans un second mode de réalisation, le capteur comporte deux bobines disposées sur la plaque substrat, dont la première est alimentée en courant alternatif, et le capteur est adapté à coopérer avec un dispositif de mesure de tension aux bornes de la seconde bobine. La présente demande est déposée conjointement avec un groupe de demandes de brevet: - "Capteur analogique position sans contact", - "Capteur analogique position sans contact à couplage différentiel" - "Procédé de fabrication de capteur analogique de position sans contact". La description et les dessins qui suivent permettront de mieux comprendre les buts et avantages l'invention. Il est clair que cette description n'est donnée qu'à titre d'exemple, n'a pas de caractère limitatif Dans les dessins : - la figure 1 représente façon schématique un capteur de position selon l'invention, avec une couche noyau de largeur variable - - la figure 2 représente bobine spirale allongée utilisée dans le détecteur; - la figure 3 est une vue en coupe des éléments composants le détecteur à deux enroulements parallèles , - la figure 4 illustre de façon analogue le cas de quatre enroulements parallèles ; - les figures 5A et 5B illustrent une variante de profil de couche noyau, et le signal de sortie correspondant , - les figures 6A et 6B illustrent deux variantes de profil de couche noyau, utilisant des sous-bandes ; - les figures 7A et 7B illustrent deux variantes de capteur différentiel , - la figure 8 illustre une autre variante de capteur différentiel avec une couche noyau de largeur variable au regard de chaque bobine; - la figure 9 illustre une variante de capteur différentiel de mesure de déplacement angulaire ; - la figure 10 illustre un mode de réalisation de capteur de position dans deux directions. Le principe fondamental est l'utilisation d'une bobine formant inductance, disposée sur un substrat mince, prise en sandwich entre deux couches (par défaut une seule) de matériau de type mumétal (à forte perméabilité magnétique). Dans la suite de la description, on utilisera le terme de mumétal pour désigner plus généralement les matériaux présentant des caractéristiques magnétiques analogues, c'est à dire forte perméabilité magnétique par exemple de l'ordre de 100 000 x celle de l'air, et champ de saturation faible, par exemple de 0.8 Tesla) Le mumétal se comporte comme un amplificateur de l'inductance L mesurée aux bornes de la bobine (effet de stockage de champ magnétique). Quand un aimant passe devant la feuille de mumétal, son champ magnétique entraîne une saturation locale dudit mumétal (dont on a vu qu'il est choisi tel soit saturé par un champ relativement faible), dont la perméabilité magnétique effondre sur la surface saturée. Il résulte une baisse de la valeur de l'inductance L, proportionnelle à la surface de bobine couverte par du mumétal saturé. Cette baisse de l'inductance est naturellement mesurable aux bornes de ladite inductance, et on en déduit une estimation de la surface de la bobine couverte par du mumétal saturé. peut également utiliser deux bobines disposées en parallèle entre les couches mumétal, l'une alimentée par un courant alternatif et l'autre reliee aux bornes dispositif de mesure de tension. Dans ce cas, le couplage entre les deux bobines est favorisé par la présence du mumétal. La saturation de dernier par le champ magnétique de l'aimant entraîne une variation de couplage, proportionnelle à la surface de bobine couverte par du mumétal saturé, qui est mesurable aux bornes de la seconde bobine. Comme on le voit sur la figure 1, un capteur selon l'invention, dans sa mise en #uvre sous forme de capteur longitudinal, comporte deux parties dont première partie 1 constitue le détecteur proprement dit, et la seconde partie 2 solidaire de la pièce mobile dont on souhaite mesurer le déplacement. Le détecteur 1 est un circuit imprimé multicouche de type classique, réalisé à partir d'une feuille de matériau substrat 3 de tout type classique en ce domaine, exemple polyimide (PCB). Dans le présent exemple décrit à titre non limitatif, feuille de substrat a une longueur de quelques centimètres pour une largeur de 1 centimètre environ, et une épaisseur de 0. 1 mm. Cette feuille de substrat 3 porte une bobine plate 4 (figure 2) de type spirale allongée, par exemple dix fois plus longue que large. Cette bobine comporte préferentiellement un grand nombre de spires (tours), puisque l'on sait que l'inductance est proportionnelle au carré du nombre de spires. utilise une bobine spirale pour provoquer une addition des champs magnétiques créés par les spires concentriques et non leur soustraction deux à deux. La bobine plate 4 étant de forme sensiblement rectangulaire allongée il existe en ses deux extrémités des zones particulières 5 de repliement des spires, pour lesquelles l'inductance n'est pas proportionnelle à la dimension longitudinale de la bobine 4. La bobine comprend typiquement un ou plusieurs enroulements (7A, 7B, figure 3) d'une demi-douzaine de spires, et un chemin conducteur 6 est ménagé au centre de la bobine 4 pour la connexion soit à un autre enroulement, soit à un dispositif électronique. La distance entre les pistes de l'enroulement est de l'ordre de à 150 microns, de même que leur largeur. Leur epaisseur est dans le présent exemple comprise entre 5 et 40 microns. On utilise dans le capteur selon l'invention une bobine 4 ' plusieurs enroulements 7 montés en série et disposés physiquement couches parallèles, de manière à augmenter l'inductance et à réduire les effets de non linéarité aux zones de repliement 5. Par contre la multiplication des épaisseurs de bobine et de substrat conduit à une augmentation à la fois du coût de production et également de la résistance magnétique de l'ensemble. Or l'inductance est inversement proportionnelle à cette résistance magnétique. Il est donc souhaitable de restreindre le nombre de couches d'isolant. Dans le présent exemple, on utilise une bobine 4 à deux enroulements 7A, 7B parallèles (figure 3), disposés de part et d'autre de la feuille de substrat 3. Il est clair que l'on peut utiliser des bobines à quatre enroulements 7 ou plus selon les besoins. (figure 4). Le détecteur 1 comporte ensuite deux couches 8A, 8B de matériau ferromagnétique (dites couches noyau dans la suite de la description), typiquement en mumétal, disposées de part et d'autre du circuit imprimé 3,4. Un matériau isolant de type classique (non représenté) est préalablement inséré entre les pistes des enroulements 7 de la bobine 4, et au dessus desdits enroulements 7. L'épaisseur de chaque couche noyau 8A, 8B est faible, comprise entre 20 et 50 microns, afin d'éviter l'apparition courants de Foucault. L'épaisseur de ces couches noyau 8 peut aller de quelques angstrôms à quelques dizaines de microns. Pour obtenir une épaisseur extrêmement faible, une telle couche noyau 8 peut éventuellement être obtenue par dépôt sous vide, au moins pour certains types de matériau ferromagnétique. On realise donc ici un détecteur 1 à noyau externe, puisque couches noyau 8B de matériau ferromagnétique sont situées à l'extérieur la bobine 4. On note que l'utilisation d'une seule couche noyau 8 conduit à rapport signal bruit assez mauvais. Il est donc préférable d'utiliser deux couches noyau 8A, 8B entourant la bobine 4 sur ses deux faces (quel que soit le nombre d'enroulements parallèles 7) pour bénéficier de l'effet d'inductance mutuelle. Cependant, il est possible à titre de variante de se limiter à une seule couche noyau 8 si cette disposition correspond à une nécessité spécifique de mise en #uvre. Pour utiliser un aimant de petite taille, on utilise une couche noyau de "capacité de stockage" magnétique variable en fonction de la longueur. On utilise de façon générale un détecteur 1 dont les caractéristiques magnétiques globales varient selon la position longitudinale. Le dispositif comporte un aimant 9 de petite taille au regard de la taille de la bobine 4, et son déplacement dans la direction longitudinale X est mesuré par le fait que la couche noyau 8 possède une "capacité stockage magnétique" qui varie le long de la direction X de déplacement de l'aimant 9. Dans cas, l'inductance de la bobine 4 varie le long de la direction longitudinale X en fonction de la position longitudinale. La variation de capacité magnétique de la couche noyau 8 peut être obtenue de diverses manières -. - une couche noyau 8 de largeur variable longitudinalement, et un aimant 9 de surface constante, - une couche noyau 8 dont l'épaisseur varie selon la position longitudinale, - une variation de la proportion de surface matériau ferromagnetique qui possède des propriétés magnétiques. CeC# obtenu par exemple modification des propriétés magnétiques d'une partie la surface de mumétal. est tout d'abord possible de faire varier la surface couches noyau 8A, autour de la bobine 4, avec par exemple une largeur couche noyau 8 variable en fonction de la position longitudinale sur la bobine La figure 1 illustre alors une première géométrie de détecteur 1. Dans ce cas, chaque couche noyau 8 est de forme triangulaire (isocèle dans le cas présent). La courbe de réponse d'inductance observée, lorsqu'un aimant 9 est déplacé longitudinalement (direction X) de droite à gauche sur la figure 1, est décroissante au fur et à mesure qu'une surface plus importante de matériau ferromagnétique de la couche noyau 8 est saturée par le champ magnétique de l'aimant 9. Dans une variante, si l'on souhaite obtenir un signal de sortie tel que représente figure 5B, on choisit une couche noyau 8 présentant une forme de plus en plus effilée longitudinalement, comme on le voit sur la figure 5A. Il est clair que plus généralement, on peut modifier le profil de la couche noyau 8 selon le type de signal que l'on souhaite obtenir. autre cas intéressant comporte une couche noyau 8 présentant un point de resserrement local, par exemple au milieu. On observe alors en sortie de bobine 4 signal présentant un minimum local. Il est également possible en variante de faire varier l'épaisseur de la couche noyau 8 au lieu de sa largeur, et on obtient ici encore une couche noyau 8 dont la "capacité de stockage" magnétique varie selon la position longitudinale. Encore un autre mode de réalisation comprend la réalisation de hachures parallèles, préférentiellement obliques si on souhaite éviter des effets de palier dans signal de sortie, ces hachures étant plus ou moins épaisses (figure 6A) ou plus ou moins serrées longitudinalement (figure 6B). Toutes ces hachures sont alors jointes par un bord continu, de manière à créer une continuité électrique, qui contribue par exemple à un meilleur blindage électromagnétique. Une variante de ce mode de réalisation est la réalisation d'une couche noyau 8 par tramage bidimensionnel (par exemple sous forme de grille points, plus ou moins gros et plus ou moins serrés), sous forme de grille dont densité de matériau possédant des propriétés magnétiques varie longitudinalement. En particulier, une possibilité consiste à "déstructurer' le matériau ferromagnétique par réchauffement localisé au delà du point de Curie, soit environ 2000C a 500 à détruire les propriétés magnétiques de petites zones géométriques à la surface du matériau ferromagnétique. Selon le nombre de zones détruites par unité de longueur on n'obtient en fait une variation longitudinale des propriété magnétique de couche noyau. En qui concerne le matériau ferromagnétique utilisé, on connaît ou moins trois familles de matériaux compatibles avec les conditions énoncées. Tout d'abord, la famille du mumétal proprement dit est formé d'un alliage Nickel Fer. Une seconde famille utilise un métal amorphe obtenue par trempe ultra rapide. Enfin une troisième famille utilise un matériau nanocristallin à base de Cobalt. De tels matériaux sont par exemple connus sous les noms commerciaux de Permaloy, Ultraperm, Finmec. De manière a former une cage de Faraday, on relie les couches noyau 8 à la masse électrique du dispositif de traitement du signal. La seconde partie 2 (mobile) du capteur de déplacement comprend un aimant 9 qui génère une zone de saturation 10 (champ généré supérieur au champ de saturation de la ou des couches noyau 8) dans le plan des couches 8 de mumétal. Le matériau de cet aimant 9 peut alors être de type plastoferrite ou nanoferrite. L'intérêt du matériau plastoferrite est évidemment sa capacité à prendre une forme extrêmement variable. L'épaisseur de l'aimant 9 est de l'ordre du millimètre, en fonction du matériau utilisé. La direction de magnétisation dudit aimant 9 est parallèle ou perpendiculaire à celle des couches noyau 8A, 8B de matériau ferromagnétique. On note que de façon intéressante, la distance A ("airgap" en anglais) entre l'aimant 9 et la bobine 4, qui est naturellement fonction du type d'aimant 9 utilisé, peut être très supérieure à l'épaisseur du détecteur 1 formé de la bobine 4 et des deux couches noyau 8A, 8B (une distance de 1 à 15 mm est obtenue dans l'exemple décrit ici). Il est alors possible qu'un matériau secondaire soit intercalé entre l'aimant 9 et le détecteur 1 sans gêner le fonctionnement du detecteur 1. Cette particularité permet de disposer la partie mobile au sein d'un équipement et détecteur 1 à l'extérieur dudit équipement, pourvu que la paroi soit constituée matériau amagnétique tel qu'aluminium ou matière plastique. On comprend cette disposition est particulièrement favorable pour mesurer une position à l'interieur d'un carter, d'un réservoir, etc. En fonctionnement, lors du déplacement de l'aimant 9 selon la grande longueur de la bobine, la surface de matériau ferromagnétique des couches noyau 8A, 8B recouverte par l'aimant et saturée par son champ magnétique varie proportionnellement au déplacement longitudinal dudit aimant 9. a bien une mesure simple du déplacement par l'intermédiaire de la variation d'inductance de la bobine 4. Il est clair que des variantes sous forme de capteur différentiel sont réalisables. Deux exemples sont illustrés sur les figures 7A, 7B. Dans le premier exemple, deux bobines 4, 4' parallèles coplanaires sont couvertes par des couches noyau 8 triangulaires disposées tête bêche. Dans le second exemple, une seule couche noyau 8 sous forme de parallélogramme allongé recouvre en partie chacune des deux bobines 4, 4', avec un effet identique au dispositif précedent. Un disposition à densité variable avec un capteur différentiel, illustrée sur la figure 8, avec deux bobines 4, 4% deux couches noyau 8, rectangulaires couvrant chacune une bobine dans sa zone linéaire (on comprend que préférentiellement, dans toutes ces mises en ceuvre, il est préférable, comme on l'a dit, de couvrir les deux faces de la bobine par une couche noyau), et présentant chacune une densité de matériau ayant des propriétés magnétiques variables longitudinalement, de façon inverse pour les deux couches noyau 8, 8'. Dans encore une autre variante de capteur (non nécessairement différentiel), on applique un champ magnétique local à la bobine 4 et aux couches noyau 8, par exemple par collage d'un aimant dit fixe de forme triangulaire. Dans ce cas, cet aimant fixe créé une saturation locale des couches noyau 8, qui varie longitudinalement, l'aimant mobile 9 agissant alors par une désaturation de la couche noyau. Un cas particulier de telle mise en ceuvre est le réglage d'un capteur durant le processus de fabrication, avec positionnement de la bande aimantée triangulaire fixe selon un signal de calibration prédéterminé correspondant à une position particulière. De la même manière, on comprend qu'il est possible d'utiliser un tel principe aussi bien avec une bobine 4 sensiblement linéaire, qu'avec une bobine 4 en de cercle (la figure 9 illustre alors un exemple de capteur différentiel de mesure angulaire), ou collée sur une surface réglée. Dans une variante de réalisation propre à la mesure de déplacement selon deux directions perpendiculaires X, Y (ou avec un mouvement linéaire et un mouvement angulaire), illustrée par la figure 10, le détecteur comprend deux bobines 4, 4' allongées parallèles et coplanaires, recouvertes par une (ou deux) couche noyau 8 de type comportant une densité de "points déstructurés" variable longitudinalement. Un aimant 9, de forme sensiblement carrée est mobile au dessus de cette couche noyau 8. On comprend que son mouvement longitudinal (direction X) est mesuré grâce à la variation de densite de matériau ferromagnétique structuré de la couche noyau 8, et que son mouvement transversal (direction Y) est mesuré par la couverture différentielle entre les deux bobines 4, 4'. portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de realisation ci-dessus considérées à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Capteur analogique de position linéaire ou angulaire sans contact, du type magnetique à inductance, comportant une première partie (1) comprenant au moins une plaque de substrat (3) portant au moins une bobine (4), au moins couche noyau (8) en matériau à forte perméabilite magnétique et faible champ de saturation sur une partie de ladite bobine (4), seconde partie (2) comprenant au moins un aimant (9) mobile selon une direction (X) généralement parallèle à la première partie (1), caracterisé en ce que la première partie (1) comporte des moyens adaptés à ce sa "capacité de stockage magnétique" varie selon la direction (X) de déplacement de l'aimant (9). 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le Capteur est adapté à coopérer avec un dispositif de mesure d'inductance aux bornes de la bobine (4). 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce comporte deux bobines 4') disposées sur la plaque substrat (3), dont première est alimentée en courant alternatif, et en ce que le Capteur (1, 2) adapté à coopérer avec dispositif de mesure de tension aux bornes de seconde bobine (4). 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en Ce qu'il comporte deux couches noyau (8A, 8B), de part et d'autre de la bobine (4). 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que au moins une bobine (4) est de type spirale allongée 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la bobine (4) spirale allongée comporte sensiblement 4 à 8 tours. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à caractérise en ce que la bobine (4) comporte plusieurs enroulements parallèles séparés par des épaisseurs d'isolant (3). Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à caractérise en ce que chaque couche noyau (8) est reliée électriquement à masse du dispositif de traitement de signal. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la bobine (4) est de forme sensiblement rectangulaire. 10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la bobine (4) est conformée en arc de cercle. 11. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte deux bobines (4; 4') coplanaires disposées bout à bout. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé ce qu'il comporte plusieurs couches noyau (8) coplanaires espacées sur la bobine (4). 13. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la couche noyau (8) présente un profil longitudinal de largeur variable. Capteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que la couche noyau (8) presente un profil en triangle. 15. Capteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que la couche noyau (8) présente un profil effilé. 16. Capteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que la couche noyau (8) comporte une zone de rétrécissement local. 17. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la couche noyau (8) est d'épaisseur variable longitudinalement. 18. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que la couche noyau (8) comporte une série de hachures obliques électriquement reliées. 19. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à caractérisé en que la couche noyau (8) comporte selon sa direction longitudinale densité variable de points de même surface ayant subi traitement adapté à modifier leurs propriétés magnétiques.