Brevet FR2809808A1 — publié le 20011207

CAPTEUR DE POSITION PRÉSENTANT INSENSIBILITÉ AUX CHMPS EXTÉRIEURS ET AUX EXCENTRATIONS La présente invention concerne le domaine capteurs magnétiques de position sans contact à sonde magnéto-sensible et à aimant permanent. on connaît dans l'art antérieur des capteurs position mettant en #uvre des sondes de Hall détectant le flux magnétique généré par le déplacement relatif d'un aimant permanent par rapport à une sonde de Hall. En particulier, le brevet européen EP0596068Bl décrit un capteur de position linéaire comportant au moins un aimant permanent bipolaire mobile à l'intérieur d'un entrefer principal mince délimité par deux parties statoriques. Une sonde de Hall placée dans un entrefer secondaire permet de fournir un signal directement proportionnel à la position de l'aimant dans l'entrefer. Le dimensionnement judicieux d'un tel capteur permet d'obtenir une linéarité excellente de ce signal, mais qui peut être dégradée par un champ magnétique extérieur. De plus, la linéarité de ce capteur est altérée par tout défaut de positionnement de la partie mobile par rapport aux parties statoriques, et en particulier dans la direction perpendiculaire à la course. Par ailleurs, le signal fourni par la sonde est bipolaire, c'est-à-dire que le flux magnétique mesuré est lorsque l'aimant est en position médiane par rapport au plan passant par le milieu de l'entrefer de mesure et parallèle aux flancs des parties statoriques définissant entrefer. Cependant, il s'avère que pour certaines applications, comme la détection de la position d'une pedale d'accélérateur, il est souhaitable d'avoir la meilleure précision sur une position extrême de la course. Or, ce type d'applications nécessite généralement l'utilisation de composants programmables, intégrant une fonction compensation en température, dont la linéarité est conditionnée par deux types d'erreurs : la première est une erreur d'offset constante le long de la course, l'autre, à la compensation en température, dépend linéairement de la position, et est minimale au voisinage du flux magnétique nul. De ce fait, l'erreur totale est minimale pour un signal proche de cette valeur. Etant donné que le défaut de linéarité du composant de mesure vient s'ajouter aux défauts intrinsèques au capteur, il serait donc souhaitable dans ce cas de ne plus avoir un signal symétrique, mais décalé de manière à avoir une extrémité de la course la plus proche possible du point d'induction nulle. Dans certaines applications, il est également demandé de garantir la sécurité du fonctionnement du capteur le biais d'une structure redondante utilisant au moins deux sondes. La présente invention se propose donc de décrire capteur permettant de fournir un signal de bonne linéarité cette linéarité présentant une sensibilité réduite à un défaut de positionnement relatif de l'aimant permanent dans l'entrefer principal perpendiculairement à la course ainsi qu'aux champs extérieurs, la sécurité du système étant garantie par la mise en #uvre dl redondance. Elle inclut également la possibilité de mettre en #uvre une dissymétrie du signal. A cet effet, elle concerne dans son acception la plus générale un Capteur magnétique de position comportant au moins une partie statorique et une partie mobile selon au moins une direction Ox, avec une course utile Xc, [Xc représente dans le cas d'un capteur linéaire la course de la partie mobile dans une direction Ox contenue dans le plan médian de llentrefer principal alors que dans le cas d'un capteur rotatif Xc correspond à l'arc angulaire parcouru par la partie mobile sur le rayon moyen d'une partie aimantée.] caractérisé en ce que le stator est composé d'au moins deux ensembles ferromagnétiques définissant entre eux un entrefer principal à l'intérieur duquel se déplace la partie mobile comprenant au moins un aimant permanent aimanté dont les pôles sont parallèles à la surface médiane dudit entrefer principal, chacun desdits ensembles ferromagnétiques étant constitué d'au moins deux pièces ferromagnétiques (respectivement en matériau magnétique doux, les deux pièces de chacun desdits ensembles définissant au moins un entrefer secondaire, et en ce qu'un élément magnétosensible pour mesurer la variation d'induction est disposé dans chacun desdits entrefers secondaire, chaque pièce statorique présentant une longueur Xs dans la direction Ox au moins égale à xc, [Xs est mesurée le rayon moyen d'un aimant dans le cas d'un capteur rotatif et dans une direction contenue dans le plan médian l'entrefer principal dans le cas d'un capteur linéaire les pièces statoriques de chaque ensemble étant alignées suivant la géométrie capteur soit dans une même surface plane parallèle à soit dans une même surface cylindrique d'axe correspondant à l'axe de symétrie de la partie mobile, ces plans étant répartis de part et d'autre de la partie mobile. Chacune des sondes fournit un signal proportionnel à la position de partie mobile et de bonne linéarité, si tant est que circuit magnétique est dimensionné judicieusement. De plus, les pentes des signaux correspondant aux inductions vues par la ou sondes présentes dans les entrefers situés d'un côté de la partie mobile et par les sondes correspondantes placées de l'autre côté de la partie mobile sont sensiblement égales en valeur absolue, leur signe dépendant de leur orientation dans les entrefers de mesure. Plus précisément, elles seront égales dans le cas d'une structure plane, et différeront quelque peu dans le cas structures cylindriques, les différences de rayon entraînant une légère variation des fuites et des concentrations de champ. Cependant, ces variations peuvent être compensées par la programmation du gain des éléments de mesure. Une implication directe de cette propriété est que si on soumet le capteur à un champ extérieur, celui- ci aura pour effet de décaler le signal vu par chaque sonde d'une valeur AB, identique. Ainsi, la soustraction des signaux deux sondes correspondantes placées de part et d'autre de l'entrefer principal permettra de reconstituer un signal utile non influencé par le champ extérieur. De même, tout défaut de positionnement la partie mobile dans la direction perpendiculaire à la course se traduira également par un décalage AB2 identique des signaux par chaque sonde, et la sensibilité à ce défaut pourra donc être éliminée par soustraction des dits signaux. Il faut par ailleurs noter que la structure de ce capteur, qui se veut symétrique par rapport au plan médian de aimant parallèle à la course, induit déjà une réduction de la sensibilité du signal vu par chacune des sondes à ce défaut de positionnement par comparaison avec la sonde du capteur selon le brevet EP0596068Bl. Il est également possible d'améliorer la sécurité de la fonction associée à ce capteur en comparant pour chaque position le signal fourni par deux sondes correspondantes placées de part et d'autre de l'entrefer principal. Les deux signaux devant présenter des valeurs absolues identiques, toute différence constatée permet de mettre en évidence un défaut. Avantageusement, les aimants mis en #uvre pourront être des aimants à base de terre rare de Neodyme Fer Bore ou Samarium Cobalt frittés ou à liant plastique, mais l'emploi d'aimants de moins bonne qualité type ferrites est également possible. Avantageusement, afin avoir une bonne linéarite signal, il est souhaitable que les aimants aient perméabilité relative voisine de 1 et de préférence inférieure à 1.25. on choisira de plus de préférence aimant ayant un faible coefficient de température. Avantageusement, l'aimant pourra être enrobé dans une gaine de matériau amagnétique léger et/ou à faible coefficient de frottement téflon, plastique, bronze fritté... Les parties ferromagnétiques peuvent être réalisées en Fer-Nickel, Fer-Silicium, Fer Pur ... Avantageusement, on pourra obtenir ces parties empilement de paquets de tôles fines réalisées par exemple en Fer Silicium, de manière à diminuer le prix revient des pièces. Les éléments magnéto-sensibles peuvent être sondes de Hall, des sondes magnétorésistives, des transistors magnétiques. Le point important est que le signal fourni soit une fonction la plus linéaire possible de l'induction magnétique vue par l'élément. Selon un premier procédé préférentiel, les deux pièces des ensembles statoriques sont identiques et symétriques par rapport au plan défini par le plan médian passant par les entrefers secondaires. Dans ce cas, le signal fourni par chaque sonde est symétrique par rapport au point correspondant au milieu de la course de la partie mobile, où le signal est nul. Avantageusement, l'aimant présente une longueur dans la direction X au moins égale xc et de préférence égale à Xc+F+2E', F étant la longueur selon la direction X de l'entrefer secondaire, E' étant compris entre 0 et E, E étant la distance mesurée perpendiculairement à Ox entre deux ensembles statoriques définissant l'entrefer principal. Avantageusement, les pièces ferromagnétiques statoriques présentent une longueur selon la direction X au moins égale à xc et de préférence égale à Xc+2E'. Selon un autre procédé préférentiel, les deux pièces des ensembles statoriques peuvent présenter des longueurs Xsl et Xs2 différentes. Ainsi, une des pièces verra sa longueur augmentée d'une valeur D de manière à décaler la position du début de course. Selon ce procédé il est possible de dissymétriser le signal afin rapprocher le signal sur une des extrémités de la course une valeur nulle, ce qui permettra alors d'améliorer la linéarité au voisinage de ce point. Avantageusement, 1 aimant présentera alors une longueur dans la direction X égale au à Xc+F+2E'+D. Avantageusement, pièces statoriques de plus grande taille présenteront alors longueur XsI dans la direction X au moins égale Xc+2E'+D alors que plus petites présenteront une longueur Xs2 au moins égale à Xc+2E'. Il est à noter que la dissymétrie du signal peut être également obtenue en considérant un capteur ayant une course plus grande que la course utile, celle-ci étant alors déterminée par un moyen adéquat (par exemple des butées mécaniques) de manière à avoir un décalage optimal et un optimum de linéarité pour la position souhaitée. De manière générale, et quel que soit le mode de réalisation, une variante peut consister à intervertir les parties fixes et mobiles. L'invention sera mieux comprise a l'aide des figures suivantes : - La Figure 1 présente une vue en perspective d'un capteur linéaire selon le brevet EP0596068BI ; - La Figure 2 présente la sensibilité à un champ extérieur de ce capteur - - La Figure 3 présente la sensibilité à un défaut de positionnement dans la direction perpendiculaire à la course de ce capteur ; - La Figure 4 présente une vue en perspective d'un capteur linéaire symétrique selon la présente invention ; _ La Figure 5 présente une vue schématique de ce capteur ; _ La Figure 6 présente la sensibilité à un champ extérieur de ce capteur - - La Figure 7 présente la sensibilité à un défaut de positionnement dans direction perpendiculaire à la course de ce capteur ; - La Figure 8 présente les erreurs de linéarité intrinsèques de certains circuits utilisés pour la mesure de l'induction, la Figure 8a présentant l'erreur d'offset, la Figure 8b l'erreur de compensation en température et la Figure 8c l'erreur totale. - La Figure 9 présente une vue en perspective d'un capteur linéaire disymétrique selon la présente invention ; _ La Figure 10 présente une vue schématique de ce capteur ; _ La Figure 11 présente le décalage du signal apporté par un tel capteur comparé à sa version symétrique et à une version symétrique de course plus grande ; - la Figure 12 présente une vue en perspective d'une variante de révolution a aimant cylindrique d'un capteur linéaire selon l'invention ; La Figure 13 présente une vue en perspective d'une variante rotative à aimant tuile d'un capteur symétrique selon l'invention ; La Figure 14 présente une vue en perspective d'une variante rotative à aimant parallélépipédique d'un capteur symétrique selon l'invention ; La Figure 15 présente vue en perspective d'une variante rotative à aimant disque dl capteur symétrique selon l'invention ; La Figure 16 présente une vue en perspective d'une structure analogue à celle de la Figure 6 mais réalisée à partir d'un empilement de tôles . La Figure 1 illustre une version lineaire d'un capteur selon le brevet EP0596068Bl. L'aimant (11) est mobile entre une première pièce statorique en matériau magnétique doux ( ) et un ensemble constitué des pièces en matériau magnétique doux (13) et (131 ) , déf inissant 1 1 entref er principal (14) . Les pièces (13) et (13') définissent un entrefer secondaire (15) dans lequel est placé l'élément magnétosensible (16). La Figure 2 montre la variation du signal du capteur sous l'effet d'un champ magnétique extérieur pour une course de 6 mm. On peut constater que 'on a un décalage AB de ce signal. La Figure 3 montre, pour la même course, qu'une telle structure présente une sensibil' certes relativement réduite à un défaut de positionnement selon la direction perpendiculaire à la course - ce défaut étant défini par une variation Dj de la grandeur j définie par la Figure 1 comme étant la valeur de l'entrefer entre l'aimant et l'ensemble statorique 10 - , puisque l'erreur reste inférieure à 1% pour un Dj/j de l'ordre de 50%, mais qui est cependant significative par rapport à la linéarité intrinsèque du capteur parfait. La Figure 4 montre un capteur linéaire selon le principe de l'invention. Dans ce cas, l'aimant (41) est mobile entre un premier ensemble (40) constitué de deux pièces matériau magnétique doux (42) et (42') et un deuxième ensemble (401) constitué de deux pièces en matériau magnétique doux (43) et (43'), ces deux ensembles définissant entrefer principal (44) . Les pièces (42) et (42' ) définissent un premier entrefer de mesure (45) dans lequel est placé un premier élément magnétosensible (46) alors que les pièces (43) et (431) définissent un second entrefer mesure (451) dans lequel est placé un second élément magnétosensible (461). La Figure 5 reprend ce capteur manière schématique et illustre le dimensionnement préférentiel de ces éléments. En particulier, les parties statoriques (42), (421), (43) et (43') ont pour longueur Xs=Xc+2E', avec E'=E/2. L'aimant (41) a lui pour longueur Xc+F+2E'. La Figure 6 montre dans le cas du capteur décrit ci-dessus et pour une course de 6 mm, qu'en combinant de manière adéquate les signaux mesurés par chacune des deux sondes, désignés ici par les grandeurs Bl B2 correspondant respectivement aux inductions dans les entrefers (45) et (451), l'on arrive à un signal parfaitement insensible à un champ extérieur. Ainsi, dans cas précis ce résultat est obtenu en calculant la différence des deux signaux puis en la divisant par 2. La Figure 7 montre, sur une même course de 6 que si chacun des signaux mesurés présente une sensibilité à un défaut de positionnement Dj, correspondant a une variation de la grandeur j déf inie par la f igure 5 comme étant la distance entre l'aimant et l'ensemble statorique (40) , cette sensibilité est d'ores et déjà inférieure à celle du capteur présenté à la Figure 1 (soit, pour cet exemple précis une sensibilité inférieure à 0.3 % pour un Dj/j de 50% contre 0.6% dans le cas du premier capteur). De plus, elle montre aussi qu'en prenant à nouveau en compte la moitié de différence des signaux mesurés, on peut arriver à une insensibilité presque totale à ce défaut de positionnement. La Figure 8 illus le comportement de certaines sondes à effet Hall programmables telles que les ASIC Melexis 90215 ou Micronas HAL805. Elle montre en particulier que l'erreur apportée ces composants est la somme d'une erreur d'offset, représentée sur la Figure 8a, couvrant une plage constante sur course et d'une erreur de compensation en température, représentée sur la Figure 8b couvrant une plage dont l'amplitude évolue de manière linéaire entre les extrémités course, où elle est maximale, et le milieu de course, où elle est minimale. on voit finalement sur la Figure 8c l'erreur sera minimale dans une plage située autour du point où le flux magnétique mesuré est nul. Il est donc souhaitable pour utiliser ces éléments d'ajuster l'endroit de course où l'on veut la meilleure précision en tenant compte de ces caractéristiques. Par exemple, certaines applications requièrent une précision optimale début de course. À cet effet, la Figure 9 montre la vue en perspective d'un capteur linéaire dissymétrique alors que la Figure 10 en donne une représentation schématique. À l'instar du capteur de la Figure 4, on retrouve deux ensembles (90) et ( 1) constitués chacun de deux pièces en matériau magnétique doux respectivement (92) et (921) ainsi que (93) et (931), ces deux ensembles définissant l'entrefer principal (94) dans lequel est mobile l'aimant (91). Les pièces (92) et (92') définissent un premier entrefer de mesure (95) dans lequel est placé un premier élément magnétosensible alors que les pièces (93) et (931) définissent un second entrefer de mesure (951) dans lequel est placé un second élément magnétosensible (96') . Les pièces (92) et (93) sont représentées sur la Figure 10 dans le cas idéal où leur longueur vaut Xs2=Xc+2E', avec E'=E/2, de même pour les pièces (92') et (931) dont la longueur Xsl vaut Xs1=Xc+2EI celle de l'aimant valant Xc+F+2E'+D. La Figure 11 montre dans le cas d'une course de 6 mm et pour D=6 mm qu'un tel capteur permet un décalage significatif du signal du capteur tel que décrit à la Figure 6 avec une faible diminution de pente qui peut facilement être compensée par le gain du dispositif magnétosensible, le signal représenté correspondant par exemple à l'entrefer de mesure (95). Elle montre également qu'un capteur de course 9 mm dont on réduit la course à 6 mm permet d'aboutir à un décalage similaire. La Figure 12 montre une variante actionneur linéaire symétrique présentant un aimant semi cylindrique (121) mobile verticalement entre deux ensembles (120) et (1201) de pièces disposées sur un rayon moyen inférieur - (122) et (122' ) - et extérieur - (123) et (123, ) - à celui de l'aimant définissant un entrefer principal (124), (122) et (122') définissant un premier entrefer secondaire (125) dans lequel est placé un élément magnétosensible (126), (123) et (123) définissant un deuxième entrefer secondaire (1251) dans lequel est placé un élément magnétosensible (1261). Figure 13 illustre une première variante de capteur rotatif avec un aimant semi cylindrique (141) mobile en rotation. Figure 14 montre une deuxième variante de capteur rotatif de configuration similaire à la Figure 13 mais où l'aimant semi-cylindrique (141) est remplacé par un aimant allélépipédique (151). En effet, le dimensionnement judicieux des éléments statoriques permet de ne pas trop altérer la linéarité du signal, même si jeu entre l'aimant et les parties statoriques n'est plus constant le long de la course. Cette configuration présente un avantage certain en ce qui concerne les coûts l'aimant et la possibilité d'utiliser des aimants de haute rémanence qu'il est souvent difficile et/ou onéreux de magnétiser de manière normale à la direction de déplacement dans le de géométries cylindriques ou semi cylindriques La Figure 15 présente une autre variante de capteur rotatif utilisant un aimant disque (161). La Figure 16 illustre dans le cas du capteur de la Figure 4 la possibilité de remplacer les parties statoriques massives par un empilement de tôles, par exemple en Fer Silicium, ce qui permet une diminution certaine du prix de revient du capteur. Bien que l'invention ait été décrite dans cadre de réalisations particulières, il est bien entendu qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut y apporter diverses modifications de formes, de matériaux et combinaisons de ces divers éléments sans pour autant s'éloigner du cadre et de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Capteur magnétique de position, comportant au moins une partie statorique et une partie mobile (41) selon au moins une direction Ox, avec une course utile Xc, [Xc représente dans le cas d'un capteur linéaire la course de la partie mobile dans direction Ox contenue dans le plan médian de l'entrefer principal, alors que dans le cas d'un capteur rotatif Xc correspond à ,arc angulaire parcouru par la partie mobile le rayon moyen d'une partie aimantée.] caractérisé en ce que le stator est composé au moins deux ensembles ferromagnétiques (40) et (401) définissant entre eux un entrefer principal (44) à l'intérieur duquel se déplace la partie mobile comprenant au moins un aimant permanent (41) aimanté dont les pâles sont parallèles à la surface médiane dudit entrefer principal, chacun desdits ensembles ferromagnétiques (40) (401) étant constitué d'au moins deux pièces ferromagnétiques (42) et (42') (respectivement (43) et 431)) en matériau magnétique doux, les deux pièces de chacun desdits ensembles définissant au moins un entrefer secondaire, et en ce qu'un élément magnétosensible (46) ou 461) pour mesurer la variation d'induction disposé dans chacun desdits entrefers secondaire, chaque pièce statorique (42, 42', et 43, 43') présentant longueur Xs dans la direction Ox au moins égale à Xc, [Xs est mesurée sur le rayon moyen d'un aimant dans le cas d'un capteur rotatif et dans direction contenue dans le plan médian de l'entrefer principal dans le cas d'un capteur linéaire] les pièces statoriques (42, 421, et 43, 43') de chaque ensemble étant alignées suivant la géométrie du capteur soit dans une même surface plane parallèle à Ox soit dans une même surface cylindrique d'axe correspondant à l'axe de symétrie de la partie mobile, ces plans étant répartis de part et d'autre de la partie mobile. 2 - Capteur magnétique de position selon la revendication 1 caractérisé en ce que le ou les aimants se déplacent parallèlement aux pièces statoriques (42, 421, 43, 431) à une distance minimale sensiblement constante. 3 - Capteur magnétique selon l'une au moins des revendications 1 et 2 caractérisé ce que le ou les aimants présentent une aimantation perpendiculaire à Ox et une longueur dans la direction de déplacement au moins égale à xc et de préférence égale à Xc+2EI+F, où F est la largeur des entrefers secondaires dans selon la direction Ox et E' est compris entre 0 et E, ou E est la distance mesurée perpendiculairement à Ox entre les deux ensembles statoriques (40) et (40'). [Xc étant mesurée sur le rayon moyen de l'aimant (131) dans le cas d'un capteur rotatif ou la longueur dans le cas d'un capteur linéaire]. 4 - Capteur magnétique selon l'une au moins des revendications 1 à 3 caractérisé ce que les parties ferromagnétiques statoriques (42) (421), (43), (431) présentent une même longueur dans la direction Ox au moins égale à Xc et de préférence égale Xc+2E'. 5 - Capteur magnétique selon l'une au moins des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les pièces statoriques (92') et (93') situées de part et d'autre de la surface médiane de l'aimant parallèle à Ox présentent une longueur plus grande d'une longueur D par rapport aux pièces statoriques (92) et (93) situées elles-aussi de part et d'autre dudit plan. 6 - Capteur magnétique selon l'une au moins des revendications 1,2 et 5 caractérisé en ce que les pièces (921) et (931) présentent une longueur selon la direction Ox au moins égale à Xc+D et de préférence égale Xc+2E'+D et que les pièces (92) et (93) présentent une longueur selon la direction Ox au moins égale à Xc et de préférence égale Xc+2E'. 7 - Capteur magnétique selon une au moins des revendications 1, 2, 5 et 6 caractérisé ce que l'aimant 91) présente une longueur au moins égale à Xc+D et de préférence égale à Xc+D+F+2E'. 8 - Capteur magnétique selon une au moins des revendications 1 et 5 caractérisé en ce que l'augmentation relative d'une longueur D des longueurs des pièces (92') et (93') par rapport aux pièces (92) et (93) permet de disymétriser le signal mesuré par les éléments magnétosensibles de manière à ajuster la position où la précision du capteur sera maximale. 9 - Capteur magnétique selon l'une au moins des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il est dimensionné pour une course supérieure à la course nominale, celle-ci étant alors délimitée par un moyen adaptée sur une portion de la course réelle afin de disymétriser le signal mesuré par les éléments magnétosensibles et ce de manière à ajuster la position où la précision du capteur sera maximale. 10 - Capteur magnétique selon les revendications précédentes caractérisé en ce que la combinaison judicieuse du signal mesuré par les éléments magnétosensibles permet de supprimer la sensibilité à un défaut de positionnement relatif de la partie mobile par rapport aux parties fixes dans une direction perpendiculaire à Ox. 1 1 - Capteur magnétique selon les revendications précédentes caractérisé en ce que la combinaison judicieuse du signal mesuré les éléments magnétosensibles permet de supprimer la sensibilité à un champ magnétique extérieur. 12 - Capteur magnétique de position selon les revendications précédentes caractérisé ce que la comparaison des signaux mesurés par chaque élément magnétosensible permet de détecter un défaut de fonctionnement d'un de ces éléments. 13 - Capteur magnétique de position selon les revendications précédentes caractérisé en ce que les parties fixes et mobiles sont échangées en parties respectivement fixes ou mobiles.