Brevet FR2923903A1 — publié le 20090522

CAPTEUR DE POSITION MAGNÉTIQUE ANGULAIRE OU LINÉAIRE PRÉSENTANT UNE INSENSIBILITÉ AUX CHAMPS EXTÉRIEURS La présente invention concerne le domaine des capteurs de position rotatifs et linéaires magnétiques pour des angles pouvant aller jusqu'à 360° voire plus et des déplacements pouvant aller à des centaines de millimètres, 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 sans contact qui détectent l'angle ou un déplacement à partir d'un champ magnétique ont de nombreux avantages : • pas de contact mécanique avec la partie mobile, et 15 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 20 EP1083406 décrivant un capteur rotatif (Figures 1 et 2), présentant un aimant bague et deux éléments magnétosensibles, 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 25 détecter la position sur 360 degrés. L'inconvénient de cette solution est sa sensibilité au champ extérieur. En effet, tout champ extérieur dans le plan des sondes induira une erreur importante de non linéarité. On connaît dans l'état de la technique le brevet 30 W007057563 de la déposante décrivant un capteur de position (Figures 3 et 4) 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. La composante radiale et la composante axiale du champ magnétique généré par l'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 4). 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. 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'arc tangente afin d'en déduire l'angle. On connaît également dans l'état de la technique le brevet PCT WO27099238 de la déposante décrivant un capteur de position linéaire et rotatif (pour des angles inférieurs à 360°) utilisant le même principe que le capteur 360° décrit précédemment. Il utilise deux composantes du champ magnétique (normal et tangentielle ou axiale et tangentielle) mesurées sensiblement en un même point et généré par un aimant plat ou une tuile dont la direction d'aimantation est continûment variable le long du déplacement. L'inconvénient de ces deux solutions est la sensibilité à tout champ magnétique extérieur. Il est possible de blinder le capteur, mais cela rajoute des pièces supplémentaires et augmente le coût de fabrication ainsi que l'encombrement du capteur. De plus, l'application d'un gain entre les composantes est problématique (bruit de la sonde, dérive en température) et l'aimantation diamétrale (dans le cas du capteur 360°) n'est pas aisée et peut provoquer des erreurs d'harmoniques. En effet, les performances (linéarité du signal de sortie) du capteur 360° dépendent directement de l'obtention d'une bonne aimantation diamétrale. Le champ d'aimantation nécessaire pour aimanter diamétralement un aimant bague est aisément obtenu avec une simple bobine parcourue par un courant. La différence de perméabilité magnétique entre l'air et le matériau à aimanter produit une courbure des lignes de champ, courbure qui suit la relation de réfraction à la frontière entre deux milieux suivante : tan(a, ) tan(a2) P r2 Cette courbure se traduit par une aimantation du matériau qui n'est pas diamétrale et donc par une distorsion des deux composantes mesurées, telles qu'elles sont représentées en figure 4. Ces deux signaux ne sont pas deux 15 sinusoïdes parfaites 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 6 qui montre le signal décodé à partir des deux composantes du champ magnétique. 20 La présente invention se propose de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus en permettant d'utiliser une combinaison de deux paires composantes du champ magnétique (normales et tangentielles) mesurées en deux points décalés spatialement préférentiellement d'un quart de période. 25 La période pour un capteur rotatif est l'angle total de l'aimant. La période pour un capteur linéaire est sa longueur. Deux composantes sont mesurées en un même point (physiquement, nous considérons que les mesures sont faites 30 en un même point, si la distance effective entre les points10 de mesure des deux composantes du champ magnétique est inférieure à 5 mm) et deux autres composantes sont mesurées en un autre point décalé spatialement d'environ un quart de période (Ex :décalage de 90° pour un capteur 360°) La solution ci-après décrite permet ainsi de diminuer l'effet du champ extérieur, de compenser les erreurs d'harmoniques dues à l'aimantation et de ne plus utiliser de gain entre les composantes. Soit : Bnl Composante normale au point 1 Btl Composante tangentielle au point 1 Bn2 Composante normale au point 2 Bt2 Composante tangentielle au point 2 Soit TÉTA l'angle de rotation, et en prenant en compte 15 l'erreur d'harmonique 3 due a l'aimantation diamétrale, nous avons : Bnl = hi*cos(TÉTA) + h3*cos(3TÉTA) Btl = h'i*sin(TÉTA) + h'3*sin(3TÉTA) 20 Si les points 1 et 2 sont spatialement décalés de 90°, alors Bn2 = hi*cos(TÉTA+2/PI) + h3*cos(3(TÉTA+2/PI)) = - hi*sin(TÉTA)+ h3*sin(3TÉTA) Bt2 = h'i*sin (TÉTA+2/PI) + h'3*sin(3(TÉTA+2/PI)) 25 = h' i*Cos (TÉTA) - h' 3*cos (3TÉTA) La présente invention propose de combiner les composantes deux à deux de la façon suivante : Bn=Bn1+Bt2 Bt=Btl - Bn2 5 Ainsi : Bn = hi*cos(TÉTA) + h3*sin(3TÉTA) + h'l*cos(TÉTA) -h'3*cos(3TÉTA) = (hi+ h' i) *cos (TÉTA) + (h3 - h' 3) *cos (3TÉTA) -0 10 = (hi + h' i) *cos (TÉTA) Bt = hi*sin(TÉTA) - h3*sin(3TÉTA) + h'i*sin(TÉTA) + h'3*sin(3TÉTA) = (hi+ h'i)*s:in(TÉTA) + (h'3- h3)*sin(3TÉTA) YJ -0 15 = (hi+h'i)*sin(TÉTA) Ainsi les deux signaux obtenus sont de même amplitude mais déphasés de 90° et quasi parfaitement sinusoïdaux. En effet, la combinaison d'une composante normale imparfaite (forme triangulaire due à une harmonique 3) et d'une 20 composante tangentielle imparfaite (forme rectangulaire due à une harmonique 3) permet d'annuler ou tout du moins diminuer fortement ce défaut d'harmonique et d'obtenir deux composantes quasiment sinusoïdales. De plus si (voir les figures 13 et 14) nous avons un 25 champ magnétique extérieur suivant l'axe x et y (Bx_ext et By_ext), la combinaison deux à deux des composantes permet d'annuler l'effet du champ extérieur. Ainsi, si on se réfère à la position 1 de l'aimant de la figure 13, nous avons : Bnl = Bn max ù By_ext Btl = -Bx_ext Bn2 = -Bx ext Bt2 = Bt max + By_ext Ce qui nous donne au final : Bn = Bn1+Bt2=Bn max+Bt max Bt = Btl-Bn2=0 Si on se réfère à la position 2 de l'aimant de la figure 13, nous avons maintenant: Bnl = 0 ù By_ext Btl = -Bt _max -Bext Bn2 = Bn max - Bext Bt2 = By_ext. Ce qui nous donne : Bn =Bnl+Bt2=:0 Bt =Btl-Bn2= -Bn max ù Bt max Les deux signaux obtenus sont bien de la même amplitude 25 et l'effet du champ extérieur a été annulé. Le circuit de traitement de signal numérique combine les composantes (ce qui permet d'obtenir deux sinusoïdes dont l'amplitude est sensiblement la même) et effectue les différentes compensations (d'offset, d'orthogonalité, de 30 variation des paramètres de la sonde en température) avant de faire la division et le calcul d'arc tangente. L'angle obtenu est disponible à la sortie du circuit intégré, par exemple sous la forme d'une tension proportionnelle à cet angle. Dans une configuration linéaire telle que montrée figures 20 et 21 où le champ magnétique tourne continûment le long de la course du capteur, on peut également combiner deux à deux les composantes du champ magnétique pour éliminer le champ extérieur. Soit : Bnl Composante normale au point 1 Btl Composante tangentielle au point 1 Bn2 Composante normale au point 2 Bt2 Composante tangentielle au point 2 x la course du capteur, L la course totale du capteur d la distance entre le point 1 et le point 2 (0 Le circuit de traitement de signal numérique combine les composantes et effectue les différentes compensations (d'offset, d'orthogonalité, de variation des paramètres de la sonde en température) normalise les signaux avant de faire la division et le calcul d'arc tangente. Le signal de sortie obtenu est disponible à la sortie du circuit intégré, par exemple sous 1a forme d'une tension proportionnelle à la course linéaire du capteur. L'invention sera mieux comprise à la vue des 10 différentes figures. • la figure 1 représente une vue d'un capteur rotatif de l'art antérieur utilisant deux composantes normales de l'induction mesurée en deux points spatialement décalés de 90°, 15 • la figure 2 montre les deux composantes normales de l'induction magnétique d'une solution de l'art antérieur, • la figure 3 représente une vue d'un capteur rotatif de l'art antérieur utilisant une composante normale et tangentielle de l'induction, 20 ^ la figure 4 représente la composante normale et tangentielle de l'induction magnétique en un même point d'une solution de l'art antérieur, • la figure 5 représente les lignes de champ à l'intérieur de l'aimant lors de l'aimantation pour un 25 matériau avec une perméabilité relative (pr) égale à 1.2, la figure 6 représente les composantes normale et tangentielle de l'induction magnétique ainsi que la non linéarité du signal mesurées sur un aimant bague circulaire isotrope aimanté � diamétralement �, 30 la figure 7 représente une vue générale de la présente invention avec les deux sondes bidirectionnelles 31 et 32, la figure 8 représente une vue 3D de la présente invention avec les deux sondes bidirectionnelles 31 et 32, • la figure 9 représente uniquement les composantes normale et tangentielle de l'induction magnétique de la sonde 31, • la figure 10 représente la non linéarité du signal 5 mesuré par la sonde 31 sur un aimant bague circulaire isotrope aimanté � diamétralement �, • la figure 11 représente deux signaux sinusoïdaux obtenus à partir de la combinaison deux à deux des composantes normales et tangentielles de l'induction 10 magnétique mesurées par les sondes 31 et 32, • la figure 12 représente la non linéarité obtenue à partir des signaux de la figure 11, • la figure 13 représente deux positions angulaires de l'aimant en présence d'un champ magnétique extérieur, 15 • la figure 14 représente une vue de l'invention et une bobine excitatrice qui crée un champ magnétique extérieur, • la figure 15 représente les deux composantes normales et tangentielles des sondes 31 et 32 sous l'effet 20 d'un champ extérieur tel que défini figure 14, • la figure 16 représente la non linéarité du signal mesuré par la sonde 31 sur un aimant bague circulaire isotrope aimanté � diamétralement � sous l'effet du champ extérieur, 25 • la figure 17 représente la non linéarité du signal mesuré par la sonde 32 sur un aimant bague circulaire isotrope aimanté � diamétralement � sous l'effet du champ extérieur, • la figure 18 représente la non linéarité du signal 30 obtenue par combinaison deux à deux des composantes normales et tangentielles mesurées par les sondes 31 et 32, • la figure 19 représente une vue générale de la présente invention appliquée sur un capteur linéaire avec Les deux sondes bidirectionnelles 31 et 32, • la figure 20 représente une vue de coté de la présente invention avec les deux sondes bidirectionnelles 31 et 32, • la figure 21 représente une vue de côté de la 5 présente invention avec les deux sondes bidirectionnelles 31 et 32 en la présence de champs extérieurs, • la figure 22 représente une vue générale de la présente invention appliquée sur un capteur rotatif petit angle avec les deux sondes bidirectionnelles 31 et 32, 10 • la figure 23 montre les deux composantes normales et tangentielles des sondes 31 et 32 décalées spatialement de 4: de période, • la figure 24 montre les deux signaux sinusoïdaux résultants de la combinaison deux à deux des quatre signaux 15 précédents et le signal de sortie obtenu au final. Les figures 1 et 2 représentent une solution de l'art antérieur sensible au champ extérieur. Sur la figure, nous avons un aimant permanent bague aimanté sensiblement 20 diamétralement (1) ; cet aimant génère en n'importe quel point de l'espace un champ magnétique dont les composantes normales sont mesurées par deux éléments magnétosensibles 21 et 22 spatialement décalés de 90° dont les signaux sont ensuite traités pour décoder l'angle ainsi que pour 25 normaliser les deux composantes afin de sortir un signal électrique proportionnel à la position angulaire de l'aimant. Sur les figures 3 et 4 est montrée une autre solution de l'art antérieur sensible au champ extérieur et au défaut 30 d'aimantation diamétrale. Cette solution consiste en un aimant permanent bague aimanté sensiblement diamétralement (1), cet aimant génère en m'importe quel point de l'espace un champ magnétique dont les composantes normale ou axiale et tangentielle sont mesurées par deux éléments magnétosensibles situés en un même point dont les signaux sont ensuite traités par un élément de traitement 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 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. La figure 6 montre les composantes normale et tangentielle non parfaitement sinusoïdales dues à la mauvaise aimantation diamétrale et la non linéarité obtenue à partir de ces signaux. Les figures 7 et 8 montrent des vues de la présente invention. Cette solution consiste en un aimant permanent bague aimanté sensiblement diamétralement (1), cet aimant génère en n'importe quel point de l'espace un champ magnétique dont les composantes normales ou axiales et tangentielles sont mesurées par quatre éléments magnétosensibles. Deux éléments magnétosensibles sont situés en un seul point et avantageusement intégré dans un même boîtier (31) et les deux autres éléments magnétosensibles sont situés en un même point avantageusement intégré dans un même boîtier (32) qui est spatialement décalé de 90° du boîtier (31). Les quatre signaux sont ensuite combinés deux à deux pour annuler l'effet d'un champ extérieur et les erreurs dues à une aimantation diamétrale afin de sortir un signal électrique parfaitement proportionnel à la position angulaire de l'aimant. Le circuit de traitement du signal peut être intégré dans un des boîtiers (31) ou (32), ou dans les deux pour une question de redondance, ou bien peut être réalisé à l'extérieur des boîtiers (31) et (32). Les figures 9 et 10 montrent la mesure de deux composantes normale et tangentielle générées en un seul point par un aimant diamétral et l'erreur obtenue en utilisant uniquement une seule sonde (31). La figure 11 montre la combinaison deux à deux des quatre signaux mesurés par les 4 éléments magnétosensibles intégrés dans les boîtiers (31) et (32). Deux signaux parfaitement sinusoïdaux et de même amplitude sont obtenus en additionnant la composante normale mesurée par (31) et la composante tangentielle mesurée par (32) et en soustrayant la composante normale mesurée par (32) à la composante tangentielle mesurée par (31). La figure 12 montre l'angle de sortie décodé à partir des deux signaux sinusoïdaux de la figure 11 et la non linéarité ainsi obtenue. L'erreur obtenue en combinant 4 composantes permet ainsi d'éliminer les erreurs dues à l'aimantation diamétrale. Les figures 13 et 14 montrent la présente invention avec la présence d'un champ magnétique extérieur. La figure 13 présente deux positions différentes de l'aimant (1) sous l'effet d'un champ extérieur homogène Bext. Le champ extérieur est dans ce cas horizontal et perturbe la composante tangentielle de la sonde (31) et la composante normale de la sonde (32). La figure 14 est une vue de la présente invention avec une bobine (4) qui génère un champ magnétique perturbateur. La source de génération du champ extérieur pourrait très bien être un aimant à la place de la bobine. La figure 15 montre une mesure des deux composantes normales et des deux composantes tangentielles mesurées par les éléments magnétosensibles des sondes (31) et (32) en la présence d'un champ extérieur comme présenté dans Les deux figures précédentes. On peut ainsi constater que la composante normale de la sonde (32) et la composante tangentielle de la sonde (31) sont effectivement affectées. Les figures 16 et 17 montrent respectivement le signal de sortie des boîtiers (31) et (32) ainsi que la non linéarité de ces deux signaux sous l'effet du champ extérieur défini dans les figures précédentes. On se rend ainsi compte que le signal en sortie du boîtier (31) n'est pas du tout linéaire à cause du champ extérieur qui modifie sa composante tangentielle et que le signal de sortie du boîtier (32) est également non linéaire du fait de la modification de sa composante normale due au champ extérieur généré par la bobine. La figure 18 montre le résultat obtenu par la présente invention. Elle présente les deux signaux obtenus après combinaison des 4 signaux mesurés par (31) et (32) (Bnl+Bt2, Btl-•Bn2), le signal de sortie après le calcul de l'arc tangente de (Bnl+Bt2)/Btl-Bn2) et la non linéarité de ce signal. La présente invention permet ainsi malgré la présence d'un champ extérieur d'avoir un capteur qui est toujours linéaire contrairement aux solutions de l'art antérieur. Les figures 19 et 20 montrent deux vues de la présente invention appliquée sur un capteur linéaire. Ces figures représentent un aimant (1) de longueur L ayant une aimantation, représentée par le vecteur M , dont la direction varie linéairement suivant la longueur de l'aimant dans un plan défini par la direction de déplacement X et une normale à cette direction. Les deux sondes (31) et (32) mesurent chacune la composante normale et la composante tangentielle du champ magnétique généré par l'aimant (1). Les deux sondes sont spatialement espacées de quelques millimètres. La figure 21 reprend la vue de la figure 20 avec la présence d'un champ magnétique extérieur Bn_ext + Bt_ext qui s'ajoute à la mesure du champ magnétique généré par l'aimant. La présente invention en réalisant la soustraction des deux composantes normales de (31) et (32) (Bnl-Bn2) et la soustraction des deux composantes tangentielles de (31) et (32) (Btl-Bt.2) permet d'annuler cette perturbation extérieure et de ne traiter que des signaux provenant du champ magnétique généré par l'aimant (1). La figure 22 montre une vue de la présente invention appliquée sur un capteur rotatif petit angle avec la présence d'un champ magnétique extérieur B_ext qui s'ajoute à la mesure du champ magnétique généré par l'aimant. La présente invention en réalisant la soustraction des deux composantes normales de (31) et (32) (Bnl-Bn2) et la soustraction des deux composantes tangentielles de (31) et (32) (Btl-Bt2) permet d'annuler cette perturbation extérieure et de ne traiter que des signaux provenant du champ magnétique généré par l'aimant (1). La figure 2:3 montre les deux composantes normales et les deux composantes tangentielles mesurées par les éléments magnétosensibles des sondes (31) et (32). Dans ce cas, les sondes (31) et (32) sont spatialement décalées d'un quart de période. La figure 24 montre le résultat obtenu par la présente invention. Elle présente les deux signaux obtenus après combinaison des 4 signaux mesurés par (31) et (32) et normalisation de ces signaux (Bnl-Bn2, Gain*(Btl-Bt2)) et présente le signal de sortie après le calcul de l'arc tangente de (Bnl-Bn2)/(Gain*(Btl-Bt2)). REVENDICATIONS 1. Capteur de position magnétique angulaire ou linéaire comportant un élément mobile constitué d'au moins un aimant (1) présentant une direction d'aimantation qui varie linéairement suivant la direction de déplacement de l'aimant dans une surface définie par ladite direction de déplacement et une direction normale, au moins quatre éléments magnétosensibles (2, 3 et 4, 5) et au moins un circuit de traitement (6) délivrant un signal fonction de la position absolue de l'élément mobile caractérisé en ce qu'un premier jeu d'éléments magnétosensibles (2,3), respectivement (4,5), sont localisés au même point, le premier couple d'éléments magnétosensibles (2,3) étant spatialement décalé d'un deuxième couple d'éléments magnétosensibles (4,5) suivant la direction de déplacement et en ce que les éléments magnétosensibles (3 et 5) mesurent la composante tangentielle du champ magnétique. et les éléments magnétosensibles (2 et 4) la composante normale du champ magnétique pour fournir après combinaison algébrique des composantes prises deux à deux, deux signaux sinusoïdaux sensiblement déphasés électriquement de 90°. 2. Capteur de position magnétique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit de traitement du signal (6) permette une amplification, une addition ou une soustraction des composantes du champ magnétique généré par l'aimant (1). 3. Capteur de position angulaire selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier jeu d'éléments magnétosensibles (2,3) et le deuxième jeu d'éléments sensibles (4,5) soient décalés spatialement d'un quart de période suivant l'axe de rotation et que le circuit de traitement du signal (6) combine les signaux B2, B3, B4,B5 issus respectivement des éléments magnétosensibles (2,3) et (4,5) de la façon suivante : Atan((B2+B5)/(B3-B4)) 4. Capteur de position linéaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier jeu d'éléments magnétosensibles (2,3) et le deuxième jeu d'éléments magnétosensibles (4,5) soient décalés spatialement de plus d'un seizième de période et de moins de 15/16ème de période suivant l'axe de translation de la partie mobile et que le circuit de traitement du signal (6) combine les signaux B2, B3, B4, B5 issus respectivement des éléments magnétosensibles (2,3) et (4,5) de la façon suivante : Atan((B2-B4)/Gain*(B3-B5)) 5. Capteur de position magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier jeu d'éléments magnétosensibles (2,3) soit intégré dans un seul et même boîtier (31), idem pour (4,5) intégrés dans un seul boîtier (32). 6. Capteur de position magnétique selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant permanent (1) est un cylindre creux, une tuile ou un aimant plat. 7. 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. 8. Capteur de position magnétique selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant permanent (1) est collé sur un arbre tournant ou se translatant dont :La position est à mesurer. 9. Capteur de position magnétique selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant permanent (1) est collé sur une culasse ferromagnétique. 10. Capteur de position angulaire selon les revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'aimant présente une aimantation graduelle sinusoïdale le long de l'aimant.5