Brevet FR2909170A1 — publié le 20080530

CAPTEUR DE POSITION LINEAIRE ou ROTATIF A PROFIL D'AIMANT VARIABLE PREFERENTIELLEMENT DE MANIERE QUASI SINUSOIDAL La présente invention concerne le domaine des capteurs de position magnétiques linéaire ou rotatif comportant au moins un aimant permanent et au moins deux éléments de mesure du champ magnétique mesurant 2 composantes différentes en en même point ou deux éléments magnéto-sensibles mesurant la même composante du champ en deux points distincts. La présente invention se propose d'utiliser un aimant permanent ayant au moins une de ses dimensions variant suivant une fonction non constante, préférentiellement continue et de manière quasi sinusoïdale (épaisseur, largeur ...). L'aimantation de l'aimant permanent pourra être suivant l'une de ses dimensions. Les capteurs de position linéaire ou angulaire magnétiques ont de nombreux avantages : • pas de contact mécanique avec la partie mobile, et donc pas d'usure, • insensibilité à la saleté, • coût de production réduit, • longue durée de vie. La plupart des capteurs magnétiques de position sans contact utilisent des aimants permanents associés à un circuit magnétique, plus ou moins complexe, fait de matériau ferromagnétique utilisé pour guider et/ou concentrer le flux magnétique généré par le ou les aimants permanents mais cela au détriment du coût et des performances du capteur. Par exemple, ces matériaux ferromagnétiques induisent un phénomène d'hystérésis 2909170 2 magnétique dans le capteur, qui peut être réduit mais en utilisant des matériaux coûteux. De plus, ces capteurs mesurent une grandeur physique proportionnelle au flux généré par le ou les aimants et ce 5 flux est donc affecté par des effets dus à la température et au temps (vieillissement des propriétés magnétiques de l'aimant permanent) sur les propriétés magnétiques des aimants permanents. Ces capteurs doivent donc intégrer une compensation électronique pour limiter les effets de la 10 température. Cette compensation n'étant pas parfaite, cela induit une dégradation des performances des capteurs magnétiques basés sur un tel principe. On connaît, dans l'état de la technique, le brevet FR2691534 de la demanderesse, brevet de capteur de position 15 linéaire dont l'encombrement et la longueur de l'aimant permanent et des pièces statoriques utilisés limitent l'utilisation pratique de ce capteur pour des grandes courses. De plus, ce capteur présente un hystérésis dû aux stators ferromagnétiques et la mesure dépend de la 20 variation de l'induction rémanente qui doit être compensée. On connaît également le brevet FR2715726 de la demanderesse, brevet de capteur de position angulaire pour des courses inférieures à 180 . Pour une telle course, il est nécessaire d'utiliser un aimant bague de 360 et des 25 pièces statoriques pour guider le flux généré par l'aimant vers l'élément magnéto-sensible. Ce capteur a donc les mêmes défauts que le capteur linéaire ci-dessus. On connaît également le brevet US06211668 (CTS) de capteur de position linéaire, mais comme pour le capteur 30 précédent le signal de sortie de ce capteur est dépendant de l'intensité du champ magnétique généré par l'aimant, ce qui le rend donc dépendant de la variation de l'induction 2909170 3 rémanente de l'aimant permanent en fonction de la température et du temps. Ce capteur utilise également des pièces de fermeture de flux ferromagnétique qui induisent un phénomène d'hystérésis. 5 On connaît, dans l'état de la technique, les brevets US6731108 (Sentron), US6960974 (Honeywell) et W02004/015375 (Honeywell) qui permettent la mesure du déplacement linéaire d'un aimant par rapport à un ou plusieurs éléments magnéto-sensibles. Cependant, pour une réalisation pratique 10 des courses supérieures à 20-25 mm, ces capteurs nécessitent plusieurs sondes placées sur les différentes parties de la course, ce qui augmente le coût du capteur et nécessite un positionnement précis des sondes. La présente invention se propose de remédier à tout 15 ou partie des problèmes cités précédemment en proposant un capteur magnétique de déplacement angulaire ou linéaire comportant au moins un aimant permanent défini dans un repère cartésien (x,y & z) ou cylindrique (r, Q & z) et au moins deux éléments magnéto-sensibles, l'aimant étant 20 mobile par rapport aux dits éléments magnéto-sensibles, caractérisé en ce que l'aimant présente au moins une dimension variant suivant une fonction non constante et en ce que l'aimantation dudit aimants soit orientée suivant une seule direction x, y ou z dans le cas d'un aimant 25 défini dans un repère cartésien ou r, Q ou z dans le cas d'un aimant défini dans un repère cylindrique. De préférence, ladite dimension varie selon une loi non constante et continue, selon une loi non constante et périodique, avantageusement selon une fonction sinusoïdale. 30 Les éléments magnéto-sensibles mesurent deux composantes du champ magnétique sensiblement au même point. 2909170 4 Le calcul de la position est fait par un calcul du rapport de deux composantes du champ magnétique ou par un calcul d'arctangente La direction d'aimantation de l'aimant permanent 5 peut être choisie suivant l'une quelconque de ses dimensions en fonction des composantes du champ magnétique choisies pour calculer la position linéaire ou angulaire. De préférence pour une variante linéaire du capteur, l'aimant est constitué par un aimant de longueur (selon la 10 direction du déplacement) proche de la course à mesurer et d'épaisseur variable suivant une fonction sensiblement sinusoïdale. L'aimant est aimanté suivant une direction sensiblement perpendiculaire au sens de déplacement et préférentiellement suivant l'épaisseur. L'aimant génère un 15 champ magnétique dont la composante longitudinale (X) et la composante transversale (Z) mesurées sur un segment rectiligne au voisinage de l'aimant, varient respectivement sensiblement suivant une portion d'une fonction sinus et sensiblement suivant une portion d'une fonction cosinus. En 20 utilisant l'une des deux formules suivantes il est possible d'en déduire la position linéaire ou angulaire de l'aimant permanent . x = arctan(Bx) ou 8 = arctan(Bt) Bz Bz où . 25 x - position linéaire de l'aimant 0 - position angulaire de l'aimant 2909170 5 Bx et Bt magnétique composante tangentielle du champ Bz - composante normale du champ magnétique Il est également possible d'utiliser une formule 5 plus simple qui correspond au premier terme du développement limité de l'équation précédente : Bx Bt ou 8 ù Bz Bz En effet pour les capteurs linéaire ou rotatif de course REVENDICATIONS 1. Capteur magnétique de déplacement angulaire ou linéaire comportant au moins un aimant permanent (1) défini dans un repère cartésien (x,y & z) ou cylindrique (r, Q & z) et au moins deux éléments magnéto-sensibles (2) et (3), l'aimant (1) étant mobile par rapport aux dits éléments magnéto-sensibles (2) et (3), caractérisé en ce que l'aimant (1) présente au moins une dimension variant suivant une fonction non constante et en ce que l'aimantation dudit aimants (1) soit orientée suivant une seule direction x, y ou z dans le cas d'un aimant défini dans un repère cartésien ou r, Q ou z dans le cas d'un aimant défini dans un repère cylindrique. 2. Capteur magnétique de déplacement angulaire ou linéaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite dimension varie selon une loi non constante et continue. 3. Capteur magnétique de déplacement angulaire ou linéaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite dimension varie selon une loi non constante et périodique. 4. Capteur magnétique de déplacement angulaire ou linéaire selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au moins l'une des dimensions du ou des aimants varient sensiblement suivant une fonction sinusoïdale. 5. Capteur magnétique de déplacement linéaire ou angulaire selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments magnéto-sensibles mesurent deux composantes du champ magnétique sensiblement au même point. 2909170 24 6. Capteur magnétique de déplacement linéaire ou angulaire selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calcul de la position est fait par un calcul du rapport de deux composantes du 5 champ magnétique ou par un calcul d'arctangente de ce même rapport. 7. Capteur magnétique de déplacement linéaire ou angulaire selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calcul de la position 10 est réalisé par un calcul d'arctangente du rapport de deux composantes du champ magnétique après avoir appliquer un coefficient multiplicateur au rapport des deux composantes du champ magnétique considérées. 8. Capteur magnétique de déplacement linéaire ou 15 angulaire selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calcul du rapport des deux composantes du champ magnétique et/ou du calcul de l'arctangente de ce rapport est réalisé par un composant électronique dédié. 20 9. Capteur magnétique de déplacement linéaire ou angulaire selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de calcul du rapport des deux composantes du champ magnétique et/ou du calcul de l'arctangente de ce rapport est intégré avec les 25 éléments magnéto-sensibles dans un seul composant. 10. Capteur magnétique de déplacement linéaire ou angulaire selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les aimants permanents sont aimantés suivant leur largeur. 30 11. Capteur magnétique de déplacement linéaire ou angulaire selon l'une au moins des revendications 2909170 25 précédentes, caractérisé en ce que le ou les aimants permanents sont aimantés suivant son épaisseur. 12. Capteur magnétique de déplacement linéaire ou angulaire selon l'une au moins des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que le ou les aimants permanents sont aimantés suivant sa longueur. 13. Capteur magnétique de déplacement linéaire ou angulaire selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les aimants sont 10 montés et/ou encastrés sur une culasse ferromagnétique. 14. Capteur de position angulaire pour une course inférieure à 360 selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant est aimanté suivant son épaisseur et que le calcul de la position est 15 obtenu par la mesure sensiblement en un même point des composantes tangentielle Bt et radiale Br ou axiale Bz et par un calcul atan(GAIN Bt/(Br - Offset)) ou atan(GAIN Bt/ (Bz - Offset)) . 15. Capteur de position angulaire pour une course 20 inférieure ou égale à 360 l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les aimants sont aimantés suivant leur épaisseur ou radialement ou tangentiellement et que le calcul de la position est obtenu par la mesure de la même composante de l'induction 25 magnétique, tangentielle Bt ou radiale Br ou axiale Bz, en trois points déphasés de O1 et 2 et par le calcul de la position angulaire obtenue par la résolution du système B1 = Amplitude * Cos(Angle) + Offset d' équation B2 = Amplitude * Cos(Angle + O1) + Offset B3 = Amplitude * Cos(Angle + O2) + Offset 2909170 26 16. Capteur de position angulaire pour une course inférieure à 360 selon la revendication 1, caractérisé en ce que 2 éléments magnéto-sensibles mesurent 2 composantes de l'induction magnétique sensiblement en un même point 5 situé à mi-distance entre deux aimants empilés axialement d'épaisseur variable sensiblement suivant une fonction sinusoïdale. 17. Capteur de position angulaire pour une course proche de 360 selon la revendication précédente, 10 caractérisé en ce que les deux aimants sont décalés angulairement l'un par rapport à l'autre. 18. Capteur magnétique de position suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système intègre un dispositif de blindage des 15 champs magnétiques extérieurs.