Brevet FR2893409A1 — publié le 20070518

Capteur de position angulaire magnétique pour une course allant jusqu'à 360 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 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, • 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 magnéto-sensibles, qui mesurent la composante radiale du champ généré par l'aimant et qui 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. 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 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 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( V1 max V 2 (t) ) V2max Vl (t) où : a - angle de rotation V, - composante radiale ou axiale du champ magnétique V, ,, - amplitude de V, 20 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 25 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 30 90316) intégrant la mesure des deux composantes du champ, le15 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. 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 dépendent 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(al) rl 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. 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. • 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 ù point O 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 • Sur la Figure 4 nous donnons une vue générale de la présente invention • Sur la Figure 5, nous avons représenté une vue d'un capteur rotatif utilisant les composantes radiale et tangentielle de l'induction • Sur la Figure 6 nous donnons les 3 composantes de l'induction magnétique en un point quelconque de l'espace pour la configuration décrite à la Figure 30 5 (point de mesure sur le plan moyen de l'aimant) • Sur la Figure 7, nous avons représenté une vue d'un capteur rotatif utilisant les composantes axiale et tangentielle de l'induction 25 • 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 une aimant isotrope et décodé avec une fonction de transfert non 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 la présente invention intégrée à un réducteur pour être utilisé sur une application multi tour. 30 Sur la Figure 1 sont montrées les lignes de champ typiques obtenues avec une aimant disque aimanté diamétralement. Les lignes de champ sont représentées sur un plan passant par le centre de l'aimant et colinéaire avec la 35 direction d'aimantation de l'aimant. Sur les Figure 2 et 25 Figure 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 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 quelque soit la position au dessus de l'aimant. En ce qui 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 n'importe quel point de l'espace un champ magnétique dont les composantes radiale ou axiale (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 œuvre 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. 15 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 l'aimant (1) est aimanté sensiblement diamétralement et en ce que l'élément magnétosensible (2) délivre deux signaux, l'un correspondant à une composante tangentielle du champ magnétique et l'autre signal correspondant à une combinaison des composantes radiale et axiale du champ magnétique. 2. Capteur de position magnétique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte deux éléments magnétosensibles (2, 3), délivrant 2 signaux l'un correspondant à une composante tangentielle du champ magnétique et l'autre correspondant à une combinaison des composantes radiale et axiale du champ magnétique, lesdits éléments magnétosensibles (2, 3) étant placés sur un même plan passant par l'axe de rotation de l'aimant. 3. Capteur de position magnétique selon la 25 revendication 1 caractérisé en ce que l'aimant permanent (1) est un cylindre creux. 4. Capteur de position magnétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'aimant permanent (1) 30 est collé sur un arbre tournant dont la position est à mesurer. 5. Capteur de position magnétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'aimant permanent (1) est collé sur une culasse ferromagnétique. 6. Capteur de position magnétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'aimant permanent (1) est une tuile d'aimant aimanté sensiblement diamétralement. 7. Capteur de position magnétique selon les revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit de traitement du signal (4) réalise un calcul d'arctangente en utilisant deux signaux électriques déphasés de 90 provenant d'aux moins deux des éléments magnétosensibles. 8. Capteur de position magnétique selon les revendications précedentes caractérisé en ce que le circuit de traitement du signal (4) permet un ajustement des gains des deux signaux utiles au décodage de l'angle. 9. Capteur de position magnétique selon les revendications précedentes caractérisé en ce que le circuit de traitement du signal (4) permet une programmation non linéaire de la fonction de transfert. 10. Capteur de position angulaire selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une sonde mesurant les composantes radiale et tangentielle de l'induction magnétique générée par l'aimant. 11. Capteur de position angulaire selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une sonde 20 25 30mesurant les composantes axiale et tangentielle de l'induction magnétique générée par l'aimant. 12. 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'arctengente sont intégrés dans un seul et même boîtier. 13. Capteur de position angulaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'aimant est réalisé dans un matériau anisotrope et présentant une forme extérieure sensiblement circulaire. 14. Capteur de position angulaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'aimant est réalisé dans un matériau isotrope et présentant une forme extérieure sensiblement elliptique. 15. Capteur de position angulaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'aimant est réalisé dans un matériau isotrope et présentant une aimantation graduelle sinusoïdale sur un tour. 16. Capteur de position angulaire selon l'une 25 quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la course est inférieure ou égale à 360 . 17. Capteur de position angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 16 associé à un réducteur de 30 mouvement caractérisé en ce que l'aimant est solidaire de la sortie du réducteur.