Brevet FR2893410A1 — publié le 20070518

CAPTEUR DE POSITION ANGULAIRE MAGNÉTIQUE POUR UNE COURSE ALLANT JUSQU'A 3600 La présente invention concerne le domaine des capteurs de position rotatifs magnétiques pour des angles pouvant aller jusqu'à 360 , et plus particulièrement les capteurs de position destinés à la mesure de la position angulaire d'une colonne de direction pour automobile, sans que cette application ne soit exclusive. Les capteurs qui détectent l'angle à partir d'un champ 10 magnétique ont de nombreux avantages : • pas de contact mécanique avec le partie mobile, et donc pas d'usure, • insensibilité à la saleté, • coût de production réduit, 15 • longue durée de vie. On connaît dans l'état de la technique le brevet EP1083406 décrivant un capteur rotatif, présentant un aimant bague et deux éléments magnétosensibles, qui mesurent la composante radiale du champ généré par l'aimant et qui 20 conduit à deux signaux sinusoïdaux en quadrature qui servent après décodage à détecter la position sur 360 degrés. L'inconvénient de cette solution est la présence de deux sondes, ce qui peut induire une erreur de mesure due au mauvais placement d'une sonde par rapport à l'autre. 25 Egalement, la présence de deux circuits intégrés décalés spatialement de 90 augmente le coût final du capteur car la surface de circuit imprimé peut être importante et le nombre de connexion est augmenté. On connaît par ailleurs dans l'état de la technique 30 des sondes permettant de mesurer les deux composantes du champ magnétique dans un plan (sonde à effet Hall, par exemple MLX90316 de Melexis, ou sondes magnétorésistives). On connaît ainsi également dans l'état de la technique le brevet US06316935 qui décrit un capteur de position rotative sur 360 et qui utilise une sonde magnétorésistive afin de déterminer la position angulaire d'un aimant disque aimanté sensiblement diamétralement (voir figure 1). Dans ce brevet la sonde magnétorésistive sensible à la direction du champ magnétique généré par l'aimant est placée sous l'aimant et sensiblement sur son axe de rotation. La sonde mesure les composantes Bx et By du champ magnétique sur l'axe de rotation de l'aimant (voir figure 2). Une telle disposition de l'aimant et de la sonde limite l'utilisation d'un tel capteur. En effet, dans le cas de l'application particulière d'un capteur rotatif pour mesurer la position angulaire d'un système à arbre traversant comme par exemple une colonne de direction, une telle disposition de l'aimant et de la sonde n'est pas possible de part le fait que l'encombrement de la colonne de direction interdit de positionner l'élément magnétosensible sur son axe de rotation. La présente invention se propose de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus en permettant d'utiliser deux composantes du champ magnétique (radiale et tangentielle ou axiale et tangentielle) mesurées sensiblement en un seul point (physiquement, nous considérons que les mesures sont faites en un point, si la distance entre les points de mesure des deux composantes du champ magnétique est inférieure à 5 mm) hors de l'axe de rotation d'un aimant bague ou disque aimanté diamétralement, de manière à connaître sa position angulaire même si cet angle ne correspond pas à l'angle du champ magnétique (Rappel : la direction du champ magnétique n'est alignée avec la position angulaire de l'aimant que si la mesure est effectuée sur l'axe de ce même aimant). La solution ciaprès décrite permet ainsi de diminuer le coût du capteur et d'augmenter la fiabilité des mesures tout en l'adaptant avantageusement à différentes configurations géométriques, notamment dans le cas d'un dispositif à axe traversant. Si nous considérons n'importe quel point de l'espace autour d'un aimant bague ou disque aimanté diamétralement, la composante radiale et la composante axiale du champ magnétique, généré par cet aimant, sont deux sinusoïdes qui sont en phase alors que la composante tangentielle est une sinusoïde déphasée de 90 degrés par rapport aux deux autres composantes du champ magnétique (voir figure 3). Il est donc possible d'utiliser un couple de composantes du champ magnétique déphasées de 90 degrés (tangentielle et radiale ou tangentielle et axiale) pour décoder l'angle de l'aimant, en utilisant la formule suivante : a (t) = arctan( Vlmax V2 (t) ) V2max V1 (t) où : a, - angle de rotation V1 - composante radiale ou axiale du champ magnétique Vi. - amplitude de V1 V2 composante tangentielle du champ magnétique V2 - amplitude de V2 Le décodage de la position angulaire de l'aimant à partir de ces deux composantes dont les amplitudes sont en général différentes nécessite de normaliser les deux composantes utilisées pour pouvoir faire le calcul de l'arctangente pour en déduire l'angle. Ces fonctions de décodage et de normalisation sont réalisées soit par un élément séparé (4) ou directement par une sonde (ex : MLX 90316) intégrant la mesure des deux composantes du champ, le décodage de l'angle et la normalisation des deux composantes du champ. L'avantage économique est alors d'utiliser un seul circuit intégré de type SMD (Surface Mount Device) avec une surface de circuit imprimé beaucoup plus faible que si on utilisait deux sondes positionnées à 90 autour de l'aimant. Dans un mode de réalisation préféré, les éléments magnétosensibles sont constitués par au moins une paire de capteurs magnétosensibles dont les axes de sensibilité sont parallèles, lesdits capteurs d'une paire étant couplés magnétiquement par une culasse ferromagnétique perpendiculaire auxdits axes de sensibilité, ladite culasse étant disposée dans un plan transversal (perpendiculaire à l'axe de rotation) ledit plan transversal passant par l'aimant permanent. A titre d'exemple, les éléments magnétosensibles sont constitués par une sonde à concentrateur de flux intégré MLX90316 produite par Melexis, qui comprend quatre capteurs coplanaires (dont les axes de sensibilité sont de ce fait parallèles). Ces quatre éléments de Hall sont placés sous les bords d'un disque ferromagnétique constituant une culasse. Ils sont espacés de 90 . Le champ magnétique se courbe à proximité du disque ferromagnétique (qui a une perméabilité relative importante). Les lignes de champ magnétique sont perpendiculaires à la surface du concentrateur de flux magnétique et elles passent par les éléments de Hall, permettant ainsi de mesurer les deux composantes de champ magnétique dans le plan de la sonde. En plus, le champ magnétique mesuré par les éléments de Hall est amplifié, parce que les lignes de champ sont concentrées à proximité du disque ferromagnétique. Les éléments de Hall sur chaque axe (X et Y) sont reliés à un circuit de traitement de signal qui délivre la différence de tensions des deux éléments de Hall (ce qui élimine la composante axiale du champ magnétique), qui est amplifiée et échantillonnée par un convertisseur analogique/numérique. Le circuit de traitement de signal numérique multiplie chaque composante par un gain programmable (ce qui permet d'obtenir de sinusoïdes dont l'amplitude est sensiblement la même) et effectue les différentes compensations (d'offset, d'orthogonalité, de variation des paramètres de la sonde en température) avant de faire la division et le calcul d'arctangente. L'angle obtenu est disponible à la sortie du circuit intégré, par exemple sous la forme d'une tension proportionnelle à cet angle. Cette invention utilisera avantageusement des aimants bagues en plastoferrite à anisotropie diamétrale permettant d'obtenir de très bonnes performances pour le coût le plus faible. De plus l'utilisation d'un aimant présentant une anisotropie facilite le processus d'aimantation. En effet, de l'obtention d'une bonne aimantation diamétrale dépend directement les performances (linéarité du signal de sortie) du capteur. L'utilisation d'aimants isotropes est également possible mais le processus d'aimantation pour obtenir une bonne aimantation diamétrale de l'aimant est plus complexe. En effet, le champ d'aimantation nécessaire pour aimanter diamétralement un aimant bague est aisément obtenu avec une simple bobine parcourue par un courant mais de par la différence de perméabilité magnétique entre l'air et le matériau à aimanter il se produit une courbure des lignes de champ, courbure qui suit la relation de réfraction à la frontière entre deux milieux suivante : tan(a1) _ r1 tan(a2) r2 Cette courbure se traduit par une aimantation du matériau qui n'est pas diamétrale et donc par une distorsion des deux composantes mesurées, telle qu'elles sont représentées en figure 10. Ces deux signaux ne sont pas deux sinusoïdes déphasées de 90 ce qui se traduit lors du décodage par une très forte non linéarité comme nous pouvons le constater sur cette même figure 10 qui montre le signal décodé à partir des deux composantes du champ magnétique. Dans le cas d'un matériau isotrope, pour corriger et compenser cette courbure des lignes de champ à l'intérieur de l'aimant qui conduit à une mauvaise aimantation diamétrale la forme extérieure de l'aimant au lieu d'être circulaire sera avantageusement choisie sous une forme sensiblement elliptique (voir figure 11). Il est également possible dans le cas de l'utilisation de la sonde MLX 90316 de programmer cette sonde de telle façon à compenser en partie l'erreur de non linéarité. La compensation se fait par l'intermédiaire d'une programmation de gains différents sur toute la course du capteur. Dans le cas d'une telle programmation, nous donnons sur la figure 12 : • le signal décodé par une fonction de transfert non linéaire • la non linéarité du signal décodé Dans le cas d'un aimant isotrope ou ayant une anisotropie radiale, il est également possible d'aimanter l'aimant de manière graduelle avec une aimantation radiale qui suit une loi sinusoïdale sur la périphérie de l'aimant. Cette façon d'aimanter nous permet de s'affranchir de l'erreur sur la direction d'aimantation due à la réfraction des lignes de champ magnétique, qui intervient dans le cas d'une aimantation diamétrale. Dans le cas où l'application requiert une redondance des signaux de sortie, on peut bien évidemment envisager de doubler le système, en utilisant un second point de mesure décalé angulairement du premier par rapport à l'axe de rotation. De manière préférentielle, on pourra donc avoir deux boîtiers similaires intégrant chacun la mesure et le décodage de deux signaux, l'un tangentiel, l'autre issu de la combinaison de composantes radiale et axiale, avec un ajustement de gain spécifique, de manière à délivrer deux signaux de position angulaire indépendants. Dans le cas d'une application telle que la mesure de position d'une colonne de direction associée à un volant effectuant une rotation sur plusieurs tours, il peut s'avérer nécessaire de mesurer une course supérieure à 360 . Il est alors possible d'utiliser le capteur selon l'invention en l'associant à une réduction du mouvement afin de ramener la rotation sur plusieurs tours à une rotation inférieure ou égale à un tour au niveau du capteur. L'invention sera mieux comprise à la vue des différentes figures annexées où : • la figure 1 montre les lignes de champ générées par un aimant disque aimanté diamétralement ; • la figure 2 représente les 3 composantes de l'induction magnétique en un point situé sur l'axe de rotation de l'aimant - point 0 représenté sur la figure 1 ; • la figure 3 représente les 3 composantes de l'induction magnétique en un point situé hors de l'axe de rotation de l'aimant ; • la figure 4 est une vue générale de la présente invention ; • la figure 5 représente une vue d'un capteur rotatif utilisant les composantes radiale et tangentielle de l'induction ; • la figure 6 représente les 3 composantes de l'induction magnétique en un point quelconque de l'espace pour la configuration décrite à la figure 5 (point de mesure sur le plan moyen de l'aimant) ; • la figure 7, représente une vue d'un capteur rotatif utilisant les composantes axiale et tangentielle de l'induction ; • la figure 8 montre les lignes de champ à l'intérieur de l'aimant lors de l'aimantation pour un matériau avec une perméabilité relative (pr) égale à 1 ; • la figure 9 montre les lignes de champ à l'intérieur de l'aimant lors de l'aimantation pour un matériau avec une perméabilité relative (pr) égale à 1.2 ; • la figure 10 montre les composantes radiale et tangentielle de l'induction magnétique ainsi que la non linéarité du signal mesurées sur un aimant bague circulaire isotrope aimanté diamétralement ; • la figure 11 montre les composantes radiale et tangentielle de l'induction magnétique ainsi que la non linéarité du signal mesurées sur un aimant isotrope ayant une forme extérieure sensiblement elliptique aimanté diamétralement ; • la figure 12 donne le signal obtenu sur un aimant isotrope et décodé avec une fonction de transfert non 30 linéaire ; • La figure 13 montre un aimant avec une aimantation radiale graduelle ; • la figure 14 montre les 3 composantes de l'induction magnétique en un point quelconque de l'espace autour de l'aimant ; • la figure 15 montre l'intégration du capteur selon 5 la présente invention intégrée à un réducteur pour être utilisé sur une application multi tour ; • la figure 16 représente les quatre éléments de Hall placés sur le bord d'un concentrateur de flux magnétique ; 10 • la figure 17 représente les lignes de champ magnétique en présence du concentrateur de flux ; • la figure 18 représente le schéma bloc du traitement de signal d'une sonde utilisant quatre éléments de Hall et un concentrateur de flux magnétique. 15 Sur la figure 1 sont montrées les lignes de champ typiques obtenues avec un aimant disque aimanté diamétralement. Les lignes de champ sont représentées sur un plan passant par le centre de l'aimant et colinéaire avec la 20 direction d'aimantation de l'aimant. Sur les figure 2 et 3, les composantes radiale (Bx), tangentielle (By) et axiale (Baxial) de l'induction magnétique sont tracées respectivement pour un point de mesure situé sur l'axe de rotation de l'aimant et en un point situé sur un rayon 25 supérieur au rayon extérieur de l'aimant. La figure 2 montre que les composantes X et Y de l'induction magnétique sur un point de l'axe en fonction de la rotation de l'aimant sont de même amplitude et que la composante axiale est nulle cela quelle que soit la position au-dessus de l'aimant. En ce qui 30 concerne la figure 3, on remarque que les 3 composantes de l'induction magnétique sont différentes de 0 et que les composantes radiale et axiale sont en phase alors que la composante tangentielle est déphasée de 90 par rapport aux deux autres. La figure 4 représente le capteur selon la présente invention sur laquelle nous avons un aimant permanent bague aimanté sensiblement radialement (1), cet aimant génère en m'importe quel point de l'espace un champ magnétique dont les composantes radiales ou axiales (3) et tangentielle (2) sont mesurées par deux éléments magnétosensibles dont les signaux sont ensuite traités par un élément de traitement (4) qui réalise le décodage ainsi que la normalisation des deux composantes afin de sortir un signal électrique proportionnel à la position angulaire de l'aimant. La figure 5 représente la configuration du capteur, pour une application de capteur de colonne de direction, utilisant les composantes radiale et tangentielle du champ magnétique généré par l'aimant (1). Cette configuration utilise un aimant bague aimanté diamétralement monté directement sur l'axe de la colonne de direction ou de l'axe d'entraînement (5). Le plan de la sonde sera avantageusement placé de façon coplanaire avec le plan de symétrie de l'aimant afin de limiter l'influence de la composante axiale du champ magnétique dans le cas d'une erreur de positionnement de la sonde (6). En effet, pour cette configuration particulière la composante axiale du champ magnétique est nulle et donc même si la sonde n'est pas parfaitement positionnée la projection de la composante axiale sur la composante tangentielle mesurée par la sonde sera nulle. Dans cette configuration particulière, nous utilisons une sonde intégrant la mesure des deux composantes du champ, la normalisation des deux composantes et le décodage de l'angle à partir des deux signaux déphasés de 90 . Selon une variante préférentielle l'aimant sera directement collé sur la colonne. La figure 7 représente une configuration de capteur, pour une application de capteur de colonne de direction, utilisant les composantes axiale et tangentielle de l'induction magnétique générée par l'aimant (1). Pour cette configuration, il n'existe pas de position de la sonde qui conduise à annuler de façon évidente la composante radiale qui dans le cas d'un mauvais positionnement de la sonde (4) induit une contribution sur la composante tangentielle pouvant provoquer une distorsion du signal de sortie. Pour une telle configuration, la position de la sonde sera donc avantageusement choisie afin de réduire au minimum la composante radiale tout en gardant une amplitude optimale sur les deux autres composantes. Dans cette configuration particulière, nous utilisons une sonde intégrant la mesure des deux composantes du champ, la normalisation des deux composantes et le décodage de l'angle à partir des deux signaux déphasés de 90 . La figure 8 montre les lignes de champ, lors de l'aimantation en vue d'obtenir une aimantation diamétrale, à l'intérieur et à l'extérieur d'un aimant bague avec une perméabilité relative égale à 1 (pr = 1 comme celui de l'air). Les lignes de champ traversent l'aimant sans subir aucune déformation ce qui permet une aimantation diamétrale parfaite. La figure 9 montre les lignes de champ, lors de l'aimantation, à l'intérieur et à l'extérieur d'un aimant bague avec une perméabilité relative égale à 1.2. Les lignes de champ subissent une déformation lors de la traversée de l'aimant, déformation due à la différence de perméabilité relative entre l'air (pr = 1) et l'aimant (pr = 1.2 dans le cas présent). Cette déviation des lignes de champ se traduit donc par une mauvaise aimantation diamétrale de l'aimant. Pour résoudre ce problème il est bien sûr possible d'utiliser un aimant anisotrope ayant une direction d'aimantation préférentielle. Dans le cas d'un aimant isotrope, il sera difficile d'obtenir une bonne aimantation diamétrale, qui conduira aux résultats donnés en figure 10. Pour corriger et compenser cette erreur d'aimantation, un aimant de forme extérieure sensiblement elliptique peut être utilisé. Les composantes de l'induction mesurées sur un tel aimant sont données en figure 11. Nous constatons une très nette amélioration de la non linéarité due à la différence de réfraction des lignes de champ ainsi que la variation d'entrefer de mesure. Dans le cas d'un aimant bague isotrope aimanté avec une mauvaise aimantation diamétrale due à la réfraction des lignes de champ à la surface de l'aimant lors du processus d'aimantation, il est possible dans le cas de l'utilisation de sonde programmable de programmer une fonction de transfert non linéaire permettant de compenser en partie la non linéarité du signal (voir figure 12). Dans le cas d'un aimant isotrope ou ayant une anisotropie radiale, sur la figure 13 nous avons représenté un aimant bague avec une variation sinusoïdale de l'aimantation rémanente sur 1 tour. Une telle configuration conduit aux signaux de la figure 14. La figure 15 représente le capteur suivant la présente invention intégré avec un aimant bague intégré à la sortie d'un réducteur de manière à mesurer une course supérieure à 360 d'un élément situé en entrée du réducteur. Ceci peut par exemple être mis en oeuvre dans le cas d'une colonne de direction qui nécessite la détection de la position angulaire du volant sur plusieurs tours. L'exemple de la figure 15 montre le capteur associé à un réducteur planétaire, mais tout autre de système de réduction est utilisable tant que l'intégration est compatible avec l'application. La figure 16 représente le concentrateur de flux (19) et les quatre éléments de Hall (15, 16, 17 et 18) placés sous le bord de l'élément 19 et espacés de 90 . Chacun de des éléments de Hall (15, 16, 17 et 18) présente un axe de détection orienté selon l'axe Z perpendiculaire au plan X0Y du concentrateur de flux (19). Les éléments 15 et 16 mesurent l'induction magnétique suivant l'axe X et les éléments 17 et 18 mesurent l'induction magnétique suivant l'axe Y. Les quatre éléments (15, 16, 17 et 18) et la culasse (19) de concentration de flux (19) sont montés dans un boîtier assurant une encapsulation de l'ensemble pour former un composant unique. La figure 17 montre les lignes de champ magnétique en présence d'un concentrateur de flux magnétique (19), dans une coupe verticale suivant l'un des axes X et Y. Les lignes de champ se courbent et deviennent perpendiculaires à la surface du concentrateur de flux, passant par les éléments de Hall (17) et (18). La figure 18 représente un schéma bloc du traitement de signal. Les signaux VX et Vy sont obtenus à partir des éléments de Hall 15 (qui délivre le signal Vz1), 16 (qui délivre le signal Vz2) et 17 (qui délivre le signal VZ3) , 18 (qui délivre le signal V,4). Les différences sont amplifiées par le gain (21) (y compris le gain électronique et le gain dû au concentrateur ferromagnétique 19), ils passent par le convertisseur analogique/numérique (22) et ils arrivent au bloc de traitement de signal numérique (23): la correction des amplitudes mesurées est effectuée par ce bloc qui délivre le signal de sortie (Vaut) . REVENDICATIONS 1. Capteur de position angulaire comportant un élément mobile constitué d'au moins un aimant permanent sensiblement cylindrique (1) tournant autour de son axe, au moins deux éléments magnétosensibles (2, 3) et au moins un circuit de traitement (4) délivrant un signal fonction de la position absolue de l'élément mobile, caractérisé en ce que les éléments magnétosensibles (2,3) sont localisés sensiblement au même point et en ce qu'ils mesurent la composante tangentielle du champ magnétique et la composante radiale et/ou axiale du champ magnétique pour fournir 2 signaux sinusoïdaux sensiblement déphasés de 90 . 2. Capteur de position magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément de concentration de flux magnétique et deux paires d'éléments magnétosensibles dont les axes de sensibilité sont parallèles, lesdits éléments étant placés au voisinage de la périphérie d'une culasse perpendiculaire aux dits axes de sensibilité parallèles, deux desdits éléments mesurant la composante radiale et/ou axiale du champ magnétique et deux autres desdits éléments mesurant la composante tangentielle du champ magnétique. 3. Capteur de position magnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les signaux délivrés par les éléments magnétosensibles sont combinés deux à deux, pour fournir deux signaux déphasés de 90 . 4. Capteur de position magnétique selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit30de traitement du signal (4) réalise un calcul d'arctangente en utilisant deux signaux électriques déphasés de 90 provenant d'au moins deux des éléments magnétosensibles. 5. Capteur de position magnétique selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de traitement du signal (4) permette un ajustement des gains des deux signaux utiles au décodage de l'angle. 6. Capteur de position magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure du champ, l'ajustement des gains et le calcul du décodage de l'arctangente soient intégrés dans un seul et même boîtier. 7. Capteur de position magnétique selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant permanent (1) est un cylindre creux. 8. Capteur de position magnétique selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments magnétosensibles sont localisés sensiblement dans le plan médian de l'aimant. 9. Capteur de position magnétique selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant permanent (1) est collé sur un arbre tournant dont la position est à mesurer. 10. Capteur de position magnétique selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant permanent (1) est collé sur une culasse ferromagnétique. 11. Capteur de position magnétique selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant permanent est aimanté sensiblement diamétralement. 12. Capteur de position magnétique selon les revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'aimant permanent (1) est une tuile d'aimant aimantée sensiblement diamétralement. 13. Capteur de position angulaire selon les 15 revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'aimant présente une aimantation graduelle sinusoïdale sur un tour. 14. Capteur de position magnétique selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit 20 de traitement du signal (4) permette une programmation non linéaire de la fonction de transfert. 15. Capteur de position angulaire selon les revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte 25 une sonde mesurant les composantes radiale et tangentielle de l'induction magnétique générée par l'aimant. 16. Capteur de position angulaire selon les revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte 30 une sonde mesurant les composantes axiale et tangentielle de l'induction magnétique générée par l'aimant. 17. Capteur de position angulaire selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant est réalisé dans un matériau anisotrope et présentant une forme extérieure sensiblement circulaire. 18. Capteur de position angulaire selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant est réalisé dans un matériau isotrope et présentant une forme extérieure sensiblement elliptique. 19. Capteur de position angulaire selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que la course est inférieure ou égale à 360 . 20. Capteur de position angulaire selon les revendications précédentes, associé à un réducteur de mouvement et caractérisé en ce que l'aimant est solidaire de la sortie du réducteur.15