Brevet FR2831262A1 — publié le 20030425

La présente invention est relative à un capteur magnétique de mesure de la position d'une pièce mobile, du type comprenant a) un aimant permanent solidaire de ladite pièce mobile et b) des moyens de mesure de la position dudit aimant. On connaît de tels capteurs, notamment dans l'industrie automobile où ils servent à déterminer la position d'une pièce ou organe à déplacement rectiligne (pédale, course d'un organe de suspension, etc...) ou à déplacement curviligne (papillon des gaz, rotation d'une colonne de direction, etc...). On connaît en particulier du document EP-A-1 048 932 un capteur magnétique de position comprenant une bobine, ou enroulement, primaire formée sur toute la longueur d'un noyau ferromagnétique allongé. A chaque extrémité de ce noyau on trouve en outre une autre bobine, ou enroulement, secondaire. Un aimant solidaire d'une pièce mobile dont la position est à détecter, est lui-même mobile sur une trajectoire proche du noyau et parallèle à l'axe de celui-ci. Un courant électrique circule dans l'enroulement primaire en engendrant un flux magnétique guidé par le noyau et influencé par le champ de l'aimant, qui sature localement le noyau. Les courants induits variables qui circulent alors dans les deux enroulements secondaires sont ainsi fonction de la position de l'aimant par rapport au noyau. On déduit cette position, et donc celle de la pièce mobile, de la mesure de ces courants. Un tel capteur est complexe, comportant notamment trois enroulements, donc de fabrication coûteuse. On connaît aussi du document US-A-5 204 621 un capteur du même type, à trois enroulements plans formés sur un substrat tel qu'une carte de circuit imprimé, le noyau étant lui-même constitué par une plaque en matériau ferromagnétique accolée à la carte. La sensibilité d'un tel capteur est relativement faible du fait que les enroulements"plans"ne peuvent compter autant de spires que les enroulements"en volume"et que le couplage entre les enroulements est faible car (1) le champ créé par les enroulements est perpendiculaire au circuit magnétique et (2) le champ est créé par des enroulements placés dans l'air, puis collecté dans l'air, milieu de faible perméabilité magnétique. La présente invention a précisément pour but de réaliser un capteur magnétique du type décrit en préambule de la présente description, ce capteur ne présentant pas les inconvénients décrits ci-dessus. En particulier la présente invention a pour but de réaliser un capteur de position simple, de manière à pouvoir être réalisé à bas coût, et délivrant un signal fiable et de bonne qualité. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un capteur magnétique de mesure de la position d'une pièce mobile, du type comprenant a) un aimant permanent solidaire de ladite pièce mobile et b) des moyens de mesure de la position dudit aimant, ce capteur étant remarquable en ce que lesdits moyens de mesure comprennent : 1-un circuit en matériau ferromagnétique traversant au moins une bobine électrique, ledit circuit comprenant au moins deux parties allongées sensiblement parallèles et adjacentes à la trajectoire dudit aimant, définissant un entrefer d'épaisseur constante et de surface variable du fait de la saturation partielle dudit circuit par ledit aimant au droit de celui-ci, et 2-des moyens pour mesurer l'inductance de ladite bobine et pour déduire la position dudit aimant et de ladite pièce mobile de ladite mesure. Comme on le verra plus loin en détail, en configurant ainsi le circuit en matériau ferromagnétique, on permet la réalisation d'un capteur compact, comportant une ou deux bobines seulement, pouvant être fabriqué à coût contenu sans sacrifice sur la qualité du signal de mesure obtenu. Suivant d'autres caractéristiques, optionnelles, du capteur suivant l'invention : - les parties allongées du circuit en matériau ferromagnétique sont raccordées par un plot traversant axialement la bobine, la bobine est formée sur un support plan, la bobine est constituée par deux enroulements superposés formés sur les deux faces opposées d'un même support plan, - la bobine est constituée par plus de deux enroulements superposés formés sur autant de couches superposées d'un même support plan, - les parties allongées du circuit magnétique prennent la forme de plaques s'étendant parallèlement et en adjacence au support plan, - les moyens de mesure de l'inductance de la bobine comprennent une source d'énergie électrique pour appliquer des impulsions de tension au montage en série de la bobine et d'une résistance et des moyens pour écrêter et intégrer une tension prélevée alors aux bornes de la bobine, - le capteur comprend deux bobines montées sur un circuit magnétique bouclé, et des moyens pour mesurer différentiellement les inductances desdites bobines et pour en déduire la position de l'aimant et de la pièce mobile. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation du capteur selon l'invention, la figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation du capteur selon l'invention, comprenant deux bobines, les figures 3A et 3B représentent schématiquement en vue en plan et en coupe et en élévation et en coupe respectivement, un troisième mode de réalisation du capteur suivant l'invention, comprenant un bobine plate, les figures 4A et 4B représentent schématiquement une variante à deux bobines du mode de réalisation des figures 3A et 3B, la figure 5 est un schéma de moyens de mesure de l'inductance de la bobine des modes de réalisation des figures 1 et 3A, 3B, la figure 6 représente des graphes de signaux utiles à l'explication du fonctionnement des moyens de mesure de la figure 5, la figure 7 est un schéma de moyens de mesure différentiels d'inductance, conçu pour équiper le capteur des figures 4A et 4B, la figure 8 représente schématiquement une variante du mode de réalisation des figures 4A, 4B et, la figure 9 représente une variante"axiale"du capteur suivant l'invention. Le capteur suivant l'invention représenté schématiquement à la figure 1 du dessin annexé comprend un aimant permanent 1 conçu pour être rendu solidaire d'une pièce ou d'un organe mobile (non représenté) d'une manière connue en soi, une bobine 2 de fil électrique enroulé sur un circuit 3 en matériau ferromagnétique (du fer doux par exemple) et des moyens 4 de mesure de l'inductance de la bobine 2, cette mesure permettant, suivant l'invention, d'atteindre celle de la position de l'aimant 1, et donc de la pièce sur laquelle ce dernier est monté. Suivant une caractéristique du capteur de la figure 1, le circuit magnétique 3 est en forme de U et comprend deux parties allongées rectilignes 3a, 3b sensiblement parallèles et adjacentes à une trajectoire rectiligne T suivie par l'aimant. L'axe d'aimantation de l'aimant 1 est ici sensiblement perpendiculaire à la trajectoire T. Il pourrait avoir une autre orientation, pour autant que l'aimant puisse saturer partiellement localement le circuit magnétique. La bobine 2 est disposée sur une partie 3c du circuit 3, qui raccorde les parties 3a et 3b. Celles-ci définissent un entrefer d'épaisseur constante. Le champ magnétique développé par l'aimant permanent 1 est, suivant l'invention, tel qu'il sature magnétiquement les régions des parties 3a et 3b qui se trouvent au droit de cet aimant. Un flux magnétique circule dans le circuit 3 quand la bobine 2 est alimentée par un courant électrique. La position de l'aimant 1 détermine alors la longueur des parties 3a, 3b sur laquelle le flux de la bobine se répartit pour traverser l'entrefer. L'inductance de la bobine est ainsi liée à la surface de l'entrefer disponible à proximité de la bobine et non masquée par la saturation du circuit magnétique sous l'aimant. Suivant l'invention, on mesure cette inductance et on en déduit une mesure de la position de l'aimant 1, et donc de la pièce mobile qui lui est attachée, comme on le décrira plus loin en détail en liaison avec les figures 5 à 7. Les moyens de mesure 4 utilisés pour ce faire sont des moyens électroniques très simples et de coût de fabrication peu élevé. On remarquera que le capteur de la figure 1 compte aussi un petit nombre de pièces distinctes, ce qui permet de fabriquer un tel capteur pour un coût de fabrication global bas. Pour accroître la précision de la mesure de position obtenue, on peut réaliser celle-ci à l'aide de moyens de mesure différentiels. On a représenté à la figure 2 un autre mode de réalisation du capteur suivant l'invention, conçu pour opérer une telle mesure. Sur cette figure 2, et sur les suivantes, des références identiques à celles utilisées sur la figure 1 repèrent des pièces ou organes identiques ou analogues. Il apparaît sur la figure 2 que le circuit magnétique 3 du capteur représenté est en forme de boucle fermée et comporte deux bobines 2a, 2b disposées respectivement sur des parties 3c et 3d du circuit qui raccordent des extrémités adjacentes des parties 3a et 3b. Les moyens de mesure 4 sont alors connectés aux deux bobines 2a et 2b pour tirer d'une mesure différentielle de leurs inductances, une valeur de la position de l'aimant 1, comme décrit ci-dessous en liaison avec la figure 7. Les figures 3A et 3B représentent, selon des plans de coupe A et B respectivement, un autre mode de réalisation du capteur suivant l'invention, qui constitue une variante de celui de la figure 1. Selon cette variante, le circuit magnétique 3 comprend deux plaques planes 3a, 3b en matériau ferromagnétique, ces plaques étant superposées et légèrement écartées l'une de l'autre. Entre ces plaques on trouve un support plan tel qu'une carte de circuit imprimé 6 (voir figure 3a) portant une piste conductrice isolée, enroulée à plat selon des spires rectangulaires concentriques. Cette piste constitue un moyen équivalent à la bobine 2 du mode de réalisation de la figure 1. La carte 6 est traversée, selon l'axe de la bobine 2 ainsi constituée, par un plot 5 en matériau ferromagnétique raccordant les plaques 3a et 3b, à deux extrémités en regard de celles-ci. En raccordant la bobine 2 du mode de réalisation de la figure 3A, 3B, à des moyens de mesure tels que ceux représentés à la figure 1, on retrouve l'agencement général du capteur de cette figure 1, sous un volume particulièrement compact et peu encombrant. Les figures 4A, 4B sont analogues aux figures 3A, 3B qui représentent une version"plane"du capteur de la figure 2, utilisant la technologie de fabrication du capteur des figures 3A, 3B. Elle comprend donc une carte 6 qui porte deux bobines planes 2a, 2b traversées par des plots 5a, 5b respectivement, ces plots, en matériau ferromagnétique, raccordant les plaques 3a, 3b à deux paires d'extrémités en regard de celles-ci. Comme on l'a vu en préambule de la présente description, les enroulements, ou"bobines", formés sur des cartes de circuits imprimés pêchent par un nombre de spires bien moindre que celui d'une bobine tridimensionnelle. Selon l'invention, on pallie cet inconvénient en accolant plusieurs bobines planes les unes aux autres. C'est ainsi qu'on a représenté à la figure 8 une variante du mode de réalisation des figures 4A et 4B, dans laquelle la carte de circuit imprimé comporte des paires de bobines 2a, 2'a et 2b, 2'b en lieu et place des bobines 2a et 2b du capteur des figures 4A, 4B, les deux bobines d'une même paire se trouvant formées sur deux faces opposées de la même carte et raccordées en série par des vias convenablement percés à travers la carte. On double ainsi le nombre de spires utiles pour former le flux magnétique passant dans le circuit 3, au bénéfice de la sensibilité du capteur. On pourrait encore accroître le nombre de spires utiles en utilisant une carte 6 multicouches, chaque couche de la carte portant un des enroulements spiralés qui s'empilent d'une couche à l'autre, les enroulements empilés étant connectés en série à travers les vias. On se réfère maintenant aux figures 5 et 6 pour décrire les moyens électroniques constituant la partie"mesure"du capteur suivant l'invention, ces moyens étant adaptés à un capteur comprenant une seule bobine, tel celui de la figure 1 ou celui des figures 3A et 3B. Ces moyens comprennent une source d'énergie électrique e (t) délivrant des impulsions de tension en créneaux d'amplitude E (voir figure 6) au montage en série de la bobine du capteur, d'inductance L, et d'une résistance de valeur R. La tension V (t) prélevée aux bornes de la bobine a la forme de la suite de pics alternés à décroissance exponentielle représentée sur la figure 6, d'équation : On conserve la partie positive de ces pics par un écrêtage convenable. L'intégration du signal ainsi écrêté produit un signal directement proportionnel à E. L/2R et donc à l'inductance L de la bobine. Celle-ci étant fonction de la position de l'aimant 1 et de la pièce mobile, on titre une mesure de cette position d'un étalonnage ou d'un calcul qui relève des activités normales de l'homme du métier. On a schématisé à la figure 7 une adaptation des principes de mesure développés ci-dessus à un capteur à deux bobines 2a, 2b tel que celui représenté à la figure 2 ou aux figures 4A, 4B. Chaque bobine 2a, 2b est raccordée à une résistance Ra, Rb respectivement, et chaque ensemble est alimenté par des créneaux de tensions ei (t), e2 (t) déphasés d'une demlpériode. Les deux tensions V1 (t) et V2 (t) prélevées sur les bobines 2a, 2b respectivement sont, après écrêtage et intégration, délivrées à un étage différentiateur qui combine ces tensions selon l'expression V1-V2/V1+V2. Le signal résultant de ce traitement permet d'atteindre une combinaison d'inductances elle aussi représentative de la position recherchée de la pièce mobile. Le traitement différentiel appliqué aux signaux Vi et V2 permet d'améliorer la linéarité du signal représentatif de cette position. On pourrait avantageusement remplacer les impulsions de tension en créneaux décrites ci-dessus par des impulsions sinusoïdales permettant d'empêcher la génération d'harmoniques. Il apparaît maintenant que l'invention permet bien d'atteindre le but fixé, à savoir réaliser un capteur de position du type décrit en préambule de la description, susceptible d'être réalisé à coût contenu du fait de sa simplicité, et délivrant une mesure précise et fiable. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. C'est ainsi que le capteur suivant l'invention pourrait prendre la forme"axiale" représentée à la figure 9, comprenant deux bobines 2a, 2b montées aux extrémités d'un barreau 7 en matériau ferromagnétique. Aux deux parties parallèles 3a, 3b du circuit 3 du mode de réalisation de la figure 2, par exemple, on substitue un cylindre 8 du même matériau, coaxial au barreau 7. Le barreau 7 est alors enfermé dans le cylindre 8, fermé à ses extrémités par des disque 9a, 9b assurant la continuité du circuit magnétique (7,8) entre le cylindre 8 et le barreau 7. L'aimant 1 prend alors une forme annulaire et coulisse coaxialement sur le cylindre 8. En variante, le capteur de la figure 9 pourrait ne compter qu'une seule bobine et qu'un seul disque d'embout, ce dernier étant disposé à l'extrémité du cylindre où se trouve placée la bobine. L'invention n'est pas limitée non plus à un capteur de la position d'une pièce mobile sur une trajectoire rectiligne et pourrait être aisément adapté à une trajectoire curviligne, ainsi que cela apparaîtra aisément à l'homme de métier. REVENDICATIONS 1. Capteur magnétique de mesure de la position d'une pièce mobile, du type comprenant a) un aimant permanent (1) solidaire de ladite pièce mobile et b) des moyens de mesure de la position dudit aimant, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure comprennent 1) un circuit (3) en matériau ferromagnétique traversant au moins une bobine électrique (2 ; 2a, 2b ; 2a, 2'a, 2b, 2'b), ledit circuit (3) comprenant au moins deux parties allongées (3a, 3b) sensiblement parallèles et adjacentes à la trajectoire dudit aimant (1) définissant un entrefer d'épaisseur constante et de surface variable du fait de la saturation partielle dudit circuit par ledit aimant (1) au droit de celui-ci et 2) des moyens (4) pour mesurer l'inductance de ladite bobine et pour déduire la position de ladite pièce mobile de ladite mesure. 2. Capteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites parties allongées (3a, 3b) dudit circuit (3) en matériau ferromagnétique sont raccordées par un plot (5 ; 5a, 5b) traversant axialement ladite bobine (2 ; 2a, 2b). 3. Capteur conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite bobine (2 ; 2a, 2b) est formée sur un support plan (6). 4. Capteur conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que ladite bobine (2a, 2'a ; 2b, 2'b) est constituée par deux enroulements superposés formés sur les deux faces opposées dudit support plan (6). 5. Capteur conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que ladite bobine est constituée par plus de deux enroulements superposés formés sur autant de couches superposées dudit support plan. 6. Capteur conforme à l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que lesdites parties allongées (3a, 3b) du circuit magnétique prennent la forme de plaques s'étendant parallèlement et en adjacence audit support plan (6). 7. Capteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites parties allongées sont réunies sur un même cylindre (8) en matière ferromagnétique, coaxial à une partie (7) du circuit magnétique traversant ladite bobine, et raccordé par au moins l'une de ses extrémités à ladite partie (7), ledit aimant (1) prenant une forme annulaire et étant monté mobile autour dudit cylindre (8), coaxialement à celui-ci. 8. Capteur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure (4) de l'inductance de ladite bobine comprennent une source d'énergie électrique pour appliquer des impulsions de tension (e (t)) au montage en série de ladite bobine et d'une résistance (R) et des moyens pour écrêter et intégrer une tension (V (t)) prélevée alors aux bornes de ladite bobine. 9. Capteur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend deux bobines (2a, 2b ; 2a, 2'a, 2b, 2'b) montées sur un circuit magnétique bouclé (3) et des moyens (4) pour mesurer différentiellement les inductances desdites bobines (2a, 2b ; 2a, 2'a, 2b, 2'b) et pour en déduire la position dudit aimant (1) et de ladite pièce mobile. 10. Capteur conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens différentiels comprennent, pour chaque bobine, une source d'énergie électrique pour appliquer des impulsions de tension (e (t)) au montage en série de ladite bobine et d'une résistance et des moyens pour écrêter et intégrer une tension prélevée alors aux bornes de ladite bobine, ces moyens différentiels comprenant en outre un étage différentiateur combinant les tensions ainsi traitées. 11. Capteur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique est conformé pour s'adapter à une trajectoire rectiligne ou curviligne dudit aimant.