Brevet FR2877431A1 — publié le 20060505

CAPTEUR DE POSITION SANS CONTACT La présente invention concerne le domaine des capteurs de position rotatifs ou linéaires, et plus particulièrement les capteurs de position destinés à la mesure de la position de vanne d'admission d'air pour les moteurs à explosion, sans que cette application ne soit exclusive. On connaît dans l'état de la technique les brevets français de la demanderesse FR2670286, FR2715726 et FR2790549 décrivant des capteurs de l'état de la technique, présentant une partie statorique constituée par au moins une pièce ferromagnétique définissant au moins un entrefer de mesure dont le plan est sensiblement parallèle à l'axe de rotation de la partie mobile. Pour une application telle que la mesure de position de vanne d'admission d'air pour les moteurs à explosion le niveau de fiabilité est tel qu'il est nécessaire d'intégrer deux moyens de détection indépendants afin d'assurer une redondance complète cela permettant que même en cas de défaillance de l'un des éléments magnéto-sensibles le capteur continue de fonctionner. Il est donc nécessaire soit de disposer dans le circuit magnétique de deux entrefers de mesure afin d'y loger deux éléments magnéto-sensibles soit de placer les deux éléments magnéto-sensible dans le même entrefer de mesure. Cette redondance conduit inévitablement à une augmentation du prix final du capteur. Dans le cas où les deux éléments magnéto-sensibles sont logés dans le même entrefer de mesure cela se traduit par une augmentation: É soit de l'épaisseur de l'entrefer (sondes empilées l'une derrière l'autre), É soit de la surface de l'entrefer de mesure (sondes mises côte à côte). Dans les deux cas, cela conduit inévitablement à une diminution de la variation du signal ce qui n'est pas souhaitable dans le but d'optimiser le rapport signal sur bruit du capteur ainsi que sa résolution. De plus, du point de vue du procédé industriel les éléments magnétosensibles pouvant être intégrés dans ce type de capteur ne se prêtent pas facilement à un montage sur un circuit imprimé. En effet, ces composants présentent des connections sous la forme de fils qu'il est nécessaire de faire passer dans les trous d'un circuit imprimé, c'est cette opération qui du point de vue industriel présente des difficultés et donc un coût supplémentaire. Le capteur décrit ici ne se limite pas à l'utilisation d'élément magnétosensible présentant une redondance. On connaît également dans l'état de la technique un capteur décrit dans le brevet américain US5861745 décrivant un autre capteur de position, constitué par au moins une partie statorique définissant un entrefer de mesure dont le plan est parallèle à l'axe de rotation de la partie rotorique elle-même constituée par au moins un aimant permanent, coopérant avec les parties statoriques pour produire une variation de flux dans l'entrefer de mesure proportionnelle à la position angulaire de la partie rotorique. La structure décrite dans le brevet ci-dessus conduit également à l'utilisation des mêmes éléments magnéto-sensible que ceux déjà décrits précédemment et conduit donc aux mêmes difficultés du point de vue de l'industrialisation. Les récents développements dans le domaine des capteurs magnéto-sensibles intégrant des sondes à effet Hall, ont permis l'apparition de nouveaux composants tels que le MLX 90277 de la société Melexis disponible sous forme de composant qu'il est possible d'intégrer à plat directement sur un circuit imprimé (voir figure 26 composant SMD - Surface Mount Device). Ce composant intègre également deux sondes à effet Hall dans le même boîtier ce qui permet d'avoir une redondance complète, caractéristique indispensable dans la plupart des applications automobiles (capteur de position pour pédale d'accélérateur, vanne...). Il est important de noter que les éléments magnéto-sensibles classiques peuvent également être monté à plat sur un PCB (voir figure 17). Le but de la présente invention est donc de remédier aux inconvénients cités précédemment en proposant un capteur de position amélioré, dont le circuit magnétique permet l'utilisation d'éléments magnéto-sensibles pouvant être montés directement à plat sur un circuit imprimé (intégrant une redondance ou pas) ce qui facilite le processus industriel induisant un coût de fabrication moindre. A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale un capteur de position (rotatif ou linéaire), notamment destiné à la détection de la position de vanne d'admission d'air, constitué par une première structure magnétique comprenant au moins un aimant permanent 1 et une deuxième structure magnétique comprenant au moins deux pièces ferromagnétiques 3, 8 définissant un entrefer 5 de mesure, orienté parallèlement à l'axe de rotation de la partie mobile, dans lequel est placé au moins un élément magnéto-sensible. L'orientation de l'entrefer étant définie par l'orientation des lignes de champ qui emprunte ce même entrefer (voir figure 1). L'invention concerne de façon générale un capteur de position sans contact, constitué par une première structure magnétique comprenant au moins un aimant permanent 1 se déplaçant dans un entrefer principal 4 et une deuxième structure magnétique comprenant au moins deux éléments ferromagnétiques 3, 8 définissant au moins un entrefer 5 secondaire de mesure dans lequel est placé au moins un élément magnétosensible 6, caractérisé en ce que ledit entrefer secondaire 5 présente un plan médian parallèle au plan contenant la ligne longitudinale de l'aimant permanent 1, ledit plan médian de l'entrefer secondaire 5 étant perpendiculaire à l'axe transversal dudit aimant permanent 1. Nous montrons dans la figure 2 la définition de la ligne médiane dans le cas d'un aimant tuile ainsi que pour un aimant parallélépipédique. Selon un premier mode de réalisation, l'aimant permanent 1 se déplace linéairement dans l'entrefer principal 4 présentant une géométrie plane. Selon un deuxième mode de réalisation, l'aimant permanent 1 se déplace rotativement dans l'entrefer principal 4 présentant une géométrie semicylindrique. Selon une variante particulière de ce second mode de réalisation, le capteur de position rotatif sans contact, est constitué par une première structure magnétique comprenant au moins un aimant permanent 1 se déplaçant dans un entrefer principal 4 et une deuxième structure magnétique comprenant au moins deux éléments ferromagnétiques 3, 8 définissant au moins un entrefer 5 secondaire de mesure dans lequel est placé au moins un élément magnétosensible 6, caractérisé en ce que l'axe de rotation de la première structure magnétique traverse perpendiculairement le plan défini ledit dit entrefer secondaire 5 de mesure. Selon un mode de réalisation préféré, l'aimant aimanté sensiblement perpendiculairement au sens de déplacement se déplace seul dans l'entrefer créé entre les parties statoriques fixes et une culasse fixe 2. Selon une variante, l'aimant est solidaire d'une culasse 2 et cet ensemble se déplace par rapport aux parties 5 statoriques. Selon un premier mode de réalisation l'aimant est de forme parallélépipédique et se déplace linéairement dans l'entrefer principal 4 formé par la partie statorique et la culasse 2. L'élément magnétosensible est placé dans l'entrefer secondaire orienté suivant une direction perpendiculaire au sens de déplacement de la partie mobile. Selon un second mode de réalisation l'aimant de forme parallélépipédique est solidaire d'une culasse ferromagnétique 2, cet ensemble rotorique se déplace linéairement en face des parties statoriques qui définissent l'entrefer de mesure. Selon un troisième mode de réalisation, l'aimant parallélépipédique est solidaire d'une culasse ferromagnétique 2 présentant une encoche tangentielle dans laquelle est logé cet aimant mince aimanté sensiblement perpendiculairement au sens de déplacement. Suivant un autre mode de réalisation, l'aimant est de forme cylindrique aimanté sensiblement dans le sens de l'épaisseur. Cet aimant solidaire, encastré ou pas sur une culasse ferromagnétique se déplace en rotation en face de la partie statorique servant à collecter le flux. La présente invention sera mieux comprise à la lecture 30 de la description qui suit, se référant aux dessins annexés relatifs à des exemples non limitatifs de réalisation, où : les figures 1, 2 et 3 représentent une vue d'un capteur linéaire intégrant une sonde présentant les 35 caractéristiques décrites ci-dessus; les figures 4, 5, 6 et 7 représentent une vue d'un capteur rotatif à aimant unique; - la figure 8 représente une vue d'un capteur rotatif symétrique à deux aimants; - les figures 9, 10, 11 et 12 représentent une vue d'un capteur à aimant bague et à stator extérieur; les figures 13 et 14 représentent des vues d'un capteur rotatif à aimant bague et à stator intérieur; la figure 15 représente une vue d'un capteur utilisant un aimant disque; - les figures 16, 17 et 18 représentent une variante avec un ou deux aimants de largeur angulaire proche de 120 la figure 19 représente une vue d'un capteur à 15 quatre entrefers de mesure utilisant un aimant bague bipolaire; les figures 21 et 22 représentent un capteur linéaire à 2 et quatre aimants; les figures 23 et 24 représentent différents modes de réalisation d'un capteur linéaire à culasse mobile; - la figure 25 représente un capteur rotatif avec son intégration dans son boîtier ainsi que le circuit imprimé sur lequel repose directement la sonde; les figures 26 et 27 représentent des formes de 25 réalisation particulière du circuit informatique. L'objet de l'invention est de proposer une solution simple et fiable à l'intégration d'éléments magnéto-sensibles sous forme de composant SMD et est relatif aux capteurs de position, sans contact, destinés à la mesure de position linéaire ou angulaire dans des applications telles que les capteurs de position de vanne d'admission d'air. Le capteur de position décrit dans ce qui suit est destiné à la mesure de position linéaire ou angulaire. Une telle application de capteur de mesure de position linéaire est décrite dans les figures 3, 4 et 5. Ce capteur utilise un aimant parallélépipédique aimanté sensiblement perpendiculairement au sens de déplacement. Cet aimant se déplace soit seul entre une culasse fixe et deux stators fixes. Ces deux stators définissent l'entrefer de mesure tel que le plan dudit entrefer est sensiblement parallèle au sens de déplacement de l'aimant. Dans cet entrefer peut être placé une sonde Surface Mount Device du type MLX 90277. Un capteur du même type peut être réalisé : É avec un aimant solidaire d'une culasse ferromagnétique, cet ensemble constitue le rotor et se déplace en face de la partie statorique; É avec un aimant solidaire et encastré sur une 15 culasse ferromagnétique, cet ensemble constitue le rotor et se déplace en face de la partie statorique. Les figures 6, 7, 8, 9 et 10 représentent une vue d'un capteur rotatif utilisant un aimant unique unipolaire. Cet aimant de forme cylindrique, aimanté sensiblement radialement, est soit collé directement sur une culasse cylindrique, soit encastré dans une culasse ferromagnétique présentant une encoche sensiblement perpendiculaire au sens de déplacement. L'aimant peut être également seul mobile dans l'entrefer défini par les stators et la culasse fixe. Dans une autre variante plus particulièrement adaptée à la mesure de petit déplacement angulaire, l'aimant peut être avantageusement de forme parallélépipédique aimanté sensiblement suivant son épaisseur. Cet aimant peut être comme dans le cas d'un aimant de forme cylindrique encastré, collé ou non sur une culasse ferromagnétique. L'utilisation d'un aimant parallélépipédique permet d'utiliser un matériau à haute rémanence et ainsi d'optimiser la sensibilité du capteur. Les deux stators définissent un entrefer de mesure dont le plan est traversé par l'axe de rotation de la partie rotorique. Dans d'autres variantes décrites dans les figures 11, 12, 13 et 14, l'utilisation d'un aimant bague à deux pôles aimanté sensiblement radialement est montrée. Dans les différentes structures proposées, l'aimant soit peut être collé sur une culasse ferromagnétique, soit se déplace seul en rotation dans l'entrefer défini par les stators et la culasse. De par leur forme, les stators définissent un entrefer axial (en référence aux lignes de champ qui le parcourt) permettant l'intégration d'une sonde à plat. Dans ces structures, l'aimant se trouve à l'intérieur des stators. L'utilisation d'aimant bague ne se limite pas aux configurations décrites précédemment: dans les figures 15 et 16, sont proposées des variantes de capteurs à aimant bague avec les parties statoriques placées à l'intérieur de l'aimant. Les stators définissent un entrefer de mesure dont le plan est perpendiculaire à l'axe de rotation de la partie mobile. Ces configurations présentent l'intérêt d'avoir un blindage naturel de l'élément magnéto-sensible des champs parasites extérieurs. Dans la figure 17, une variante à aimant disque est présentée. L'aimant bipolaire est aimanté sensiblement axialement et peut soit mobile seul, soit collé sur une culasse ferromagnétique. Pour des applications nécessitant la détection de course angulaire sensiblement supérieure à 180 ou des courses unipolaires supérieures à 90 , des variantes à aimants tuiles bipolaires sont présentées en figures 18 et 19. La largeur angulaire de l'aimant est sensiblement égale à 240 , cet aimant, soit se déplace seul dans l'entrefer défini entre la culasse et les parties statoriques, soit est collé sur la culasse. Les parties statoriques définies pas deux éléments ferromagnétiques de largeur angulaire sensiblement égale à 120 et 240 définissent deux entrefers de mesure axiaux placés sensiblement à 120 l'un de l'autre à la périphérie du capteur. Un tel capteur peut également utiliser un seul aimant aimanté sensiblement radialement collé ou encastré sur une culasse ferromagnétique, ce capteur est présenté en figure 20. Pour des applications nécessitant la détection de la position sur un tour complet, la structure de la figure 21 permet d'obtenir deux signaux déphasés de 90 tels que ceux représentés en figure 22. Le stator est composé de quatre éléments ferromagnétiques identiques de largeur angulaire sensiblement égale à 90 . Ces quatre stators définissent quatre entrefers de mesure dont les plans sont sensiblement perpendiculaires à l'axe de rotation de la partie rotorique. Le rotor est constitué d'un aimant tubulaire aimanté sensiblement radialement. Cet aimant se déplace soit seul dans l'entrefer crée entre une culasse ferromagnétique et les stators soit avec une culasse ferromagnétique sur laquelle il est collé. En utilisant la partie linéaire de chacun des signaux il est alors possible de reconstituer un signal linéaire sur 360 . Les figures 23 et 24 montrent un exemple de réalisation de capteur linéaire à culasse mobile en forme de U sur laquelle sont collés deux aimants aimantés sensiblement suivant l'épaisseur. Ces aimants peuvent soit être du type unipolaire ou du type bipolaire. À l'intérieur de la structure rotorique sont disposés deux parties ferromagnétiques définissant un entrefer de mesure, dont le plan est parallèle à la direction de déplacement de la partie mobile. La figure 25 représente un capteur de position angulaire avec son intégration dans un boîtier. Sur ces deux figures, nous voyons la simplicité apportée par cette structure pour la fixation de l'élément magnéto-sensible qui est directement soudé à plat sur un circuit imprimé. Un tel montage présente une très grande résistance aux chocs et aux vibrations. Le circuit imprimé et l'élément magnéto-sensible s'intègre ainsi très facilement dans l'entrefer de mesure du capteur. L'intégration à plat de l'élément magnéto-sensible permet de plus d'obtenir un capteur dont la hauteur est réduite ce qui peut être un avantage pour certaines applications. De plus les pièces statoriques utilisées dans ce capteur sont identiques ce qui permet une optimisation du coût final du capteur. REVENDICATIONS 1. Capteur de position sans contact, constitué par une première structure magnétique comprenant au moins un aimant permanent (1) se déplaçant dans un entrefer principal (4) et une deuxième structure magnétique comprenant au moins deux éléments ferromagnétiques (3, 8) définissant au moins un entrefer (5) secondaire de mesure dans lequel est placé au moins un élément magnétosensible (6), caractérisé en ce que ledit entrefer secondaire (5) présente un plan médian parallèle au plan contenant la ligne longitudinale de l'aimant permanent (1), ledit plan médian de l'entrefer secondaire (5) étant perpendiculaire à l'axe transversal dudit aimant permanent (1). 2. Capteur de position selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aimant permanent (1) se déplace linéairement dans l'entrefer principal (4) présentant une géométrie plane. 3. Capteur de position selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aimant permanent (1) se déplace rotativement dans l'entrefer principal (4) présentant une géométrie semi-cylindrique. 4. Capteur de position rotatif sans contact, selon la revendication 3, constitué par une première structure magnétique comprenant au moins un aimant permanent (1) se déplaçant dans un entrefer principal (4) et une deuxième structure magnétique comprenant au moins deux éléments ferromagnétiques (3, 8) définissant au moins un entrefer (5) secondaire de mesure dans lequel est placé au moins un élément magnétosensible (6), caractérisé en ce que l'axe de rotation de la première structure magnétique traverse perpendiculairement le plan défini ledit dit entrefer secondaire (5) de mesure. 5. Capteur de position linéaire sans contact selon la revendication 1, constitué par une première structure magnétique comprenant au moins un aimant permanent (1) se déplaçant dans un entrefer principal (4) et une deuxième structure magnétique comprenant au moins deux éléments ferromagnétiques (3, 8) définissant au moins un entrefer (5) de mesure dans lequel est placé au moins un élément magnétosensible (6), caractérisé en ce que l'axe de translation de la première structure magnétique est parallèle au plan défini ledit dit entrefer secondaire (5) de mesure. 6. Capteur de position, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrefer de mesure défini par les parties statoriques peut intégrer un élément magnéto-sensible sous la forme d'un composant SMD pouvant être directement monté sur un circuit imprimé. 7. Capteur de position, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première structure magnétique est constituée par une culasse ferromagnétique (2), sur laquelle est collé au moins un aimant [soit sous la forme d'aimants en forme de tuile aimantés sensiblement radialement, soit sous la forme d'aimants parallélépipédiques, aimantés selon une direction perpendiculaire au plan de la face principal, et donc parallèlement à une direction radiale passant par le centre de l'aimant considéré]. 8. Capteur de position, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première structure magnétique est constituée par une culasse parallélépipédique ferromagnétique, sur laquelle est collé au moins un aimant parallélépipédique, aimanté selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan de la face principale. 9. Capteur de position, selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'aimant est de forme parallélépipédique aimanté sensiblement suivant son épaisseur. 10. Capteur de position, selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'aimant est de forme discal aimanté sensiblement axialement. 11. Capteur de position, selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que l'aimant est un aimant deux pôles aimanté sensiblement radialement. 12. Capteur de position angulaire suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie statorique est constituée de quatre stators identiques définissant au moins deux entrefers de mesure et que la partie rotorique est un aimant bague à deux pôles de largeur angulaire sensiblement égale à 180 . 13. Capteur de position linéaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie statorique est constituée de deux plaques ferromagnétiques et que la partie mobile est composée d'une pièce en forme de U sur laquelle est collée au moins deux aimants aimantés sensiblement suivant l'épaisseur.