Brevet FR2944133A1 — publié le 20101008

INDUCTANCE SYMETRIQUE, EN PARTICULIER POUR DETECTEURS DE PROXIMITE DOMAINE TECHNIQUE L' invention concerne le domaine du bobinage de fil pour fabriquer une inductance qui peut en particulier être utilisée au sein d'un capteur inductif, notamment pour un dispositif permettant de détecter la proximité d'une cible métallique. ETAT DE LA TECHNIQUE Les capteurs de proximité trouvent une application privilégiée dans le domaine des automatismes industriels, en particulier dans le contrôle des machines. Différents principes 15 permettent une détection de la distance d'un objet cible par rapport à un autre ; notamment, pour les cibles métalliques, un dispositif de détermination de son éloignement par rapport à un capteur utilise la mesure du courant dans une inductance. Le type de capteur 1 utilisé dans un tel dispositif inductif, illustré en figure 1A, comprend 20 ainsi une inductance 2 bobinée autour d'un noyau 3 en matériau ferromagnétique, comme la ferrite, et mise en place dans un boîtier 4 ; avantageusement, le matériau ferromagnétique est un puits 5 dont la coupe longitudinale forme un E de sorte à entourer la bobine 2 sur trois de ses côtés. La détection consiste à mesurer l'influence sur l'inductance 2 des courants de Foucault induits sur la cible métallique 6 par le champ 25 magnétique B généré par ladite inductance 2 : le courant alternatif dans la bobine 2 génère un champ magnétique B à travers le matériau ferromagnétique 5 et devant la face frontale 8 du capteur 1 ; ce champ magnétique B induit des courants de Foucault dans la cible 6 placée à proximité du capteur 1, lesdits courants dépendant de la distance d d'éloignement de la cible 6. Les courants de Foucault génèrent une perte dans l'inductance 2, et il est ainsi 30 possible, en mesurant le facteur de perte de la bobine 2, de déterminer la distance d entre la cible 6 et le front 8 du capteur 1. Cette mesure peut être réalisée par différents dispositifs électroniques (détecteur crête d'un circuit oscillant LC, mesure du temps de décharge de 2663 LPu l'inductance dans une résistance...). Par exemple, à cette fin, l'inductance 2 est associée à un élément capacitif 9 de façon à former un oscillateur excité à sa fréquence de résonance propre. Ce type de détecteur de proximité 10 est particulièrement sensible aux perturbations électromagnétiques. Une des techniques couramment utilisées pour renforcer l'immunité vis-à-vis des perturbations électromagnétiques (CEM) des capteurs inductifs 1 est le blindage de la bobine 2, blindage relié à l'alimentation de l'électronique ; cette solution est cependant parfois lourde à industrialiser et génère un surcoût. La sensibilité CEM peut par ailleurs être réduite par l'utilisation d'éléments symétriques dans le circuit électronique 12 de traitement associé au capteur 1, comme par exemple illustré en figure 1B, avec notamment un oscillateur monté en pont entre deux bras de deux transistors. Il n'en demeure pas moins que la compatibilité électromagnétique n'est pas optimale, en particulier à cause du couplage capacitif résiduel entre l'inductance 2 et le boîtier 4 du capteur 1 : par construction, une dissymétrie subsiste. EXPOSE DE L'INVENTION Parmi autres avantages, l'invention vise à améliorer l'immunité électromagnétique des capteurs de proximité existants. Plus généralement, l'invention vise à optimiser la symétrie d'une inductance afin de compenser les différents courants pouvant y être induits. Sous un de ses aspects, l'invention est relative à une inductance dont la dernière couche est symétrique. En particulier, l'inductance est cylindrique et s'étend le long d'un axe entre une face frontale et une face opposée ; elle est composée d'un empilement de couches de spires de fil conducteur enroulé. De préférence, les couches sont alternées, c'est-à-dire que le fil conducteur formant les couches est successivement plus proche de l'une ou l'autre extrémité de l'enroulement ; plus précisément, comme chaque couche provient d'une moitié sur sa longueur du fil composant l'enroulement, chaque moitié étant comprise entre le milieu du fil et une extrémité, de préférence, chaque couche provient d'une première moitié dudit fil et la couche qui lui est superposée provient de l'autre moitié dudit fil. 2663 LPu Ainsi, le couplage capacitif entre le boîtier et le fil de part et d'autre de ses extrémités est équilibré. Selon l'invention, la dernière couche externe de l'inductance est symétrique, et les deux extrémités de l'enroulement sont localisées sensiblement au centre de l'inductance, sur ladite couche externe, de préférence au même endroit : la dernière couche comprend ainsi deux portions de longueur quasi-identique, de même diamètre et de sens d'enroulement inversé. Grâce à cette configuration, les courants de fuite des deux extrémités s'équilibrent, diminuant ainsi le courant de mode différentiel dans la bobine et donc l'effet du couplage avec le boîtier. Selon un autre aspect, l'invention concerne un capteur inductif comprenant une inductance symétrique associée à un noyau ferromagnétique, et de préférence entouré d'un boîtier, avantageusement métallique. Les conducteurs prolongeant les extrémités d'enroulement de l'inductance débouchent du matériau ferromagnétique, avantageusement au niveau d'une base opposée à la face frontale de l'inductance, de préférence par un même orifice, par exemple selon le chemin le plus court. Du fait de cette symétrie, les couplages entre inductance et boîtier sont égalisés, et l'immunité du capteur aux perturbations électromagnétiques est augmentée. De préférence, le capteur inductif est associé, par les conducteurs prolongeant les extrémités de son inductance, à une capacité de façon à former un résonateur, et/ou à un circuit électronique permettant de déterminer la proximité d'un objet métallique par rapport à la face frontale de l'inductance. Avantageusement, le dispositif ainsi formé est flottant, les différents composants du circuit électronique, qui sont de préférence symétriques, n'étant pas reliés à la terre. Sous un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une inductance telle que précédemment définie. En particulier, le procédé comprend un bobinage, notamment à couches alternées, depuis un point milieu du fil, notamment d'un conducteur métallique, autour d'un mandrin, ledit bobinage s'arrêtant sensiblement au centre de l'inductance formée pour chacun des deux approvisionnements de fil. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 2663 LPu D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre illustratif et nullement limitatifs, représentés dans les figures annexées. Les figures lA et 1B, déjà décrites, illustrent le principe de la détection inductive de proximité. La figure 2 montre une inductance et un capteur selon l'invention. Les figures 3A à 3F représentent un procédé de bobinage pour une inductance selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERE 15 Tel que schématisé en figure 1B, un dispositif de détection 10 à capteur inductif du type illustré en figure lA est équivalent à un circuit électronique comprenant en parallèle une résistance R(d) dépendant de la distance d entre front 8 de capteur 1 et objet à détecter 6 et une inductance L correspondant à la bobine 2. Un courant de fuite s'écoule de chacune des 20 bornes de l'inductance vers le boîtier 4 par deux capacités parasites Cl et C2 représentatives du couplage entre le boîtier 4 et l'inductance 2. L'ensemble est raccordé à un circuit de traitement 12, de préférence à éléments électroniques symétriques, avec en particulier formation d'un circuit résonant R(d)LC, par l'association au capteur 1 de l'élément capacitif 9. Ainsi, le circuit équivalent du dispositif 10 de détermination de 25 l'éloignement d'un objet métallique 6 est un oscillateur symétrique constitué de deux paires de transistors bipolaires complémentés, d'un résonateur LC constitué d'une inductance 2 en parallèle avec un condensateur 9 ; le résonateur est monté en pont entre les points milieu de chacune des deux paires de transistors. La base de chacun des transistors est reliée au collecteur du transistor voisin créant ainsi un circuit instable oscillant à la 30 fréquence propre du résonateur. 10 2663 LPu Selon l'invention, une technique particulière de bobinage permet de fabriquer une inductance symétrique permettant d'égaliser les deux capacités de couplage parasite : Cl = C2. De fait, un bobinage classique consiste à enrouler autour d'un mandrin un fil de cuivre depuis une de ses extrémités, ce qui crée une dissymétrie en raison de la sortie 14 plus ou moins éloignée du centre, et donc du boîtier 4 : voir figure 1A. Des techniques de bobinage alterné existent, tel que présenté dans le document JP 2007165757 : le bobinage est commencé à partir d'un point milieu du fil de l'enroulement et réalisé de chaque côté de ce point milieu, notamment en entrelaçant les couches, de sorte que les extrémités de l'enroulement sont toutes les deux localisées vers l'extérieur de la bobine 2. Ainsi, les deux brins sont enroulés à tour de rôle autour du noyau par couches successives, avec inversion de la provenance du fil par rapport à chaque moitié d'approvisionnement d'une couche sur l'autre de façon à ce que le courant de la bobine tourne toujours dans le même sens, garantissant l'effet d'inductance. Or, même si la distance entre les deux extrémités 14 de l'enroulement 2 et le boîtier 4 devient quasiment identique, il apparaît que les capacités de couplage Cl, C2 restent différentes. L'invention, tel que schématisé en figure 2, propose une autre configuration symétrique de la bobine en optimisant la symétrie de sa couche externe. De fait, la dernière couche de l'enroulement est en écran entre le boîtier et les couches du dessous : il a été montré grâce à la solution qu'elle influence fortement le couplage et qu'une modification de sa structure selon l'invention augmente de façon notable l'immunité CEM d'un capteur inductif. Ainsi, l'inductance 20 selon l'invention est réalisée à partir d'un fil conducteur 22, notamment du cuivre, tel que dans l'art antérieur. Le fil 22 est bobiné en une pluralité de couches 24, avantageusement selon le principe des couches alternées : en s'éloignant de la première couche 241, qui comprend le point milieu de la longueur de fil 22 formant l'enroulement 20, les couches suivantes appartiennent successivement à l'une et l'autre des moitiés du fil. En regardant l'enroulement depuis une même direction D parallèle à son axe AA, les spires juxtaposées formant une première couche 24i sont enroulées dans le sens direct et les spires formant une deuxième couche 24i+i superposée à la première sont enroulées dans le sens inverse afin de conserver le même sens de rotation du courant dans la bobine. Cette technique permet d'augmenter encore la symétrie de l'inductance 20, en 2663 LPu équilibrant le couplage capacitif avec le boîtier, mais n'est pas indispensable (on peut ainsi considérer un bobinage alternatif de plusieurs couches dans le même sens). Selon l'invention, les deux extrémités 26A, 26B de l'enroulement de fil 22 sont localisées sur la couche externe 24n de l'inductance, la plus éloignée de l'axe AA, et se rejoignent sensiblement au centre de l'enroulement le long de cet axe AA. Le nombre n de couches 24; est constant sur la longueur de l'inductance 20, c'est-à-dire que, en regardant depuis la même face frontale 28 de l'inductance 20, la dernière couche 24r, de l'enroulement est composée pour moitié de spires enroulées dans le sens direct et pour moitié de spires dans le sens inverse ; avantageusement, sur la même spire externe centrale 26 se trouvent une première extrémité 26A d'enroulement provenant de la face frontale 28 et bobinée dans un sens, et une deuxième extrémité 26B d'enroulement provenant de la face opposée et bobinée dans le sens inverse, la longueur de fil 22 entre chacune des faces et ladite spire centrale 26 étant sensiblement identique. Les courants circulant dans chacune des portions de la dernière couche 24n sont donc symétriques, les capacités parasites de couplage avec le boîtier sont égales (Cl = C2 = Csyn,), et le bruit généré par le courant différentiel est minimisé. Le procédé de réalisation du bobinage de l'inductance 20 selon l'invention peut être identique aux procédés existants, avec une modification simple en ce qui concerne la fin du bobinage. En particulier, un bobinage alterné classique est réalisé, à l'exception de la dernière couche 24ä qui est réalisée lorsque les deux approvisionnements sont localisés de part et d'autre de l'enroulement : chacun des approvisionnements est alors déplacé sur la moitié de la longueur les séparant. Notamment, tel qu'illustré dans les figures 3A à 3F, le fil conducteur 22 est initialement réparti sur deux dispositifs d'approvisionnement 30A, 30B. Le fil 22 est enroulé depuis un point milieu 32 autour d'un mandrin 34, chaque couche 24; étant par exemple constituée en fixant alternativement au mandrin 34 un des deux approvisionnements 30i et en débitant le fil 22 de l'autre. Par exemple, pour le bobinage de la couche 241, l'approvisionnement 30A est fixé au mandrin 34 (figure 3A), l'ensemble est mis en rotation alors que l'approvisionnement 30B débite le fil 22 en se déplaçant le long du mandrin 34 ; lorsque toute la longueur de l'inductance 20 (inférieure ou égale à celle du mandrin 34) a été couverte (figure 3B), l'approvisionnement 30B est 2663 LPu fixé à son tour au mandrin 34 alors que l'approvisionnement 30A est libéré afin de préparer le bobinage de la deuxième couche (figure 3C) ; le mandrin 34 est mis en rotation en sens inverse alors que l'approvisionnement 30A débite le fil en se déplaçant le long du mandrin 34. Ces étapes (avec inversion des sens de déplacement relatif des approvisionnements 30 par rapport au mandrin 34) se reproduisent jusqu'au bobinage de l'avant-dernière couche 24i_1. La dernière couche 24,, peut être commencée lorsque les deux approvisionnements 30i sont positionnés de part et d'autre du mandrin 34 (figure 3E) : en fait, chacun des déplacements des approvisionnements 30i est arrêté au milieu de l'inductance 20, correspondant sensiblement au milieu du mandrin 34, la première moitié de la dernière couche 24ä provenant de l'approvisionnement 30A étant complétée en débitant l'autre approvisionnement 30B (figure 3F). Toute autre technique de bobinage est envisageable, par exemple en démarrant le bobinage depuis un point milieu 32 du fil localisé sensiblement au centre du mandrin 34. Par le procédé selon l'invention, on obtient une inductance 20 dont la dernière couche 24n est divisée en deux portions de même taille enroulées symétriquement : les capacités parasites de couplage Csym avec un boîtier sont égales, et le bruit généré par le courant différentiel est minimisé. De fait, l'inductance 20 obtenue selon l'invention est, tel qu'usuel, mise en place dans un capteur 40 comprenant un noyau ferromagnétique 42 ; avantageusement, le matériau ferromagnétique 42 forme un puits, notamment de section en E le long de son axe AA, dans lequel la bobine 20 est insérée. La face frontale 28 de l'inductance 20 forme la face frontale du capteur 40 par rapport à laquelle la distance d de proximité d'une cible 6 est déterminée. Les conducteurs 22 prolongeant de chaque côté les extrémités 26A, 26B de l'enroulement débouchent du noyau 42 par un orifice 44, de préférence unique ; cet orifice 44 peut être centré sur l'axe de l'inductance 20 mais il est préférable que le conducteur 22 débouche directement par un orifice 44 localisé au niveau de la couche externe 24ä de l'enroulement 20 pour minimiser la longueur de conducteur 22. Tel qu'usuel, le capteur 40 est couplé à un circuit électronique 12, de préférence non relié à la terre, avantageusement à éléments symétriques afin de former un dispositif flottant 10' de détermination de la proximité. Le capteur 40 comprend par ailleurs un boîtier 46 cylindrique qui, 2663 LPu avantageusement, se prolonge au-delà de la face opposée du E ferromagnétique de façon à pouvoir loger le circuit électronique 12 : l'ensemble du dispositif de détection de proximité 10' selon l'invention est alors contenu dans le boîtier 46. Grâce à la solution selon l'invention, il a été noté une nette amélioration l'immunité CEM des détecteurs inductifs qui peut aller jusqu'à un gain de un niveau en norme IEC 61000-4-6 (c'est-à-dire en présence d'un champ radiofréquence de 150 kHz à 80 MHz) : un dispositif du commerce tenant 3 V par rapport à la norme, et donc qualifié pour le niveau 2, dans lequel l'inductance est modifiée selon l'invention, supporte 10 V et donc se qualifie pour le niveau 3 de la même norme. Plus précisément des tests ont été menés par mesure de l'amplitude du signal aux bornes du résonateur tel que représenté en figures 1B et 2, c'est-à-dire une mesure représentant le facteur de qualité, avec un générateur IEC 61000-4-6 (source de tension sinusoïdale modulé en amplitude sous 5012) relié aux entrées/sorties du dispositif électronique 10, 10' via un réseau de couplage/découplage. En l'absence de perturbation externe, la tension aux bornes de l'inductance 2, 20 est une sinusoïde de fréquence égale à la fréquence propre du circuit LC : l'influence des deux capacités parasites Cl, C2 de la bobine 2, respectivement des deux capacités parasites Csym de la bobine 20 selon l'invention, est négligeable, même si celles-ci ne sont pas équilibrées, tant que leur valeur est nettement inférieure à la capacité C de l'élément d'accord 9 de l'oscillateur (typiquement de l'ordre de 1 nF). Lorsque les capteurs 1, 40 sont soumis à une perturbation issue du générateur susmentionné, la tension aux bornes de l'inductance 2, 20 devient dépendante des capacités de couplage ICI, C2, Csym } avec un phénomène de battement entre la fréquence propre de l'oscillateur et la fréquence du générateur perturbateur, ce qui fait fluctuer l'enveloppe du signal en valeur de crête de tension. Cette fluctuation permet de déterminer un facteur de distorsion, correspondant à la variation d'amplitude par rapport à l'amplitude nominale. Ainsi, dans des détecteurs 10 de proximité classiques de trois tailles différentes, les capacités Cl et C2 ont été mesurées : on constate sur le tableau I que la différence entre les deux peut être importante, de l'ordre de 10 à 40 %. Chaque capacité de couplage Csym 2663 LPu d'une inductance 20 dans un capteur 40 selon l'invention de même taille est sensiblement égale à la moyenne entre ces deux variables Cl, C2. Chacun des dispositifs 10, 10' a été soumis à un signal perturbateur de 10 V, correspondant au niveau 3 de la norme (modulé à 80 % à une fréquence de 1 kHz), à une fréquence proche de la fréquence propre du dispositif. La variation d'amplitude de la tension de la bobine 2, 20 en présence de cette perturbation par rapport à l'amplitude nominale a été déterminée, donnant un facteur de distorsion. Puis, le gain a été mesuré par le rapport entre la tension maximale supportée par le dispositif dissymétrique 2, 10 et le dispositif symétrique 20, 10' pour tenir une distorsion identique (en l'occurrence, le pourcentage identifié précédemment pour un dispositif symétrique). Par exemple le tableau I montre qu'une bobine symétrique 20 de 30 mm accepte une perturbation d'entrée 2,93 fois supérieure à une bobine dissymétrique 2 pour le même niveau de distorsion du signal de mesure : en présence d'une perturbation de 10 V, l'amplitude nominale d'environ 0,6 V varie de 179 mV pour une bobine symétrique et de 300 mV pour une bobine dissymétrique ù pour varier de seulement 179 mV, la bobine dissymétrique 2 ne peut être perturbée que par 3,41 V au maximum. C1 C2 distorsion Csym Gain en tenue CEM 12 mm 3,9 pF 3 pF 44 % 3,45 pF 2,41 7,6 dB 18 mm 3,2 pF 3 pF 32,3 % 3,1 pF 1,33 2,5 dB 30 mm 8,7 pF 6,3 pF 50 % 7,5 pF 2,93 9,3 dB Tableau I : tenue électromagnétique pour des bobines de trois diamètres différents Le tableau I montre que, par la solution selon l'invention, en équilibrant les deux capacités parasites Cl, C2 de la bobine par rapport au boîtier, le bruit de mode différentiel est minimisé. Le bruit de mode commun existe toujours mais est sans influence étant donné que l'ensemble de l'électronique 12 se met au potentiel du perturbateur. L'immunité CEM des capteurs 20 flottants (dont l'électronique 12 n'est pas référencée à la terre) est donc renforcée d'un facteur pouvant avoisiner 10 dB. Bien que l'invention ait été décrite en référence à un détecteur de proximité flottant, elle ne s'y limite pas : d'autres éléments peuvent être concernés par l'invention. En particulier, le bobinage symétrique selon l'invention peut être utilisé pour fabriquer d'autres 2663 LPu enroulements, et notamment des inductances utilisées dans le domaine de la radiofréquence. Par ailleurs, les capteurs de proximité dont l'électronique est référencée à la terre peuvent également comprendre une inductance symétrique telle que décrite. 2663 LPu REVENDICATIONS1. Inductance cylindrique (20) délimitée par une face frontale (28) et une face opposée comprenant un enroulement de fil conducteur (22) entre une première et une deuxième extrémité d'enroulement (26A, 26B) avec une superposition de couches (24i), chaque couche étant composée de spires de fil juxtaposées, dans laquelle les deux extrémités d'enroulement (26A, 26B) sont localisées sur la couche externe (24n) de l'enroulement, caractérisée en ce que les deux extrémités d'enroulement (26A, 26B) sont localisées sensiblement au centre de l'inductance (20) entre ses faces frontale et opposée de sorte que la couche externe (24n) de l'enroulement comprenne deux portions symétriques composées d'une juxtaposition d'un nombre sensiblement égal de spires enroulées dans les deux sens opposés. 2. Inductance selon la revendication 1 dans laquelle les couches (24i) de l'enroulement sont alternées, une couche (24i) de spires enroulées en sens direct par rapport à la face frontale (28) étant superposée à une couche (24i+i) de spires enroulées en sens inverse par rapport à ladite face frontale (28). 3. Capteur inductif (40) comprenant un noyau ferromagnétique (42) et une inductance (20) selon l'une des revendications précédentes mise en place autour du noyau ferromagnétique (42). 4. Capteur selon la revendication 3 dans lequel le matériau ferromagnétique composant le noyau (42) est en forme de puits de coupe sensiblement en E et comprend au moins un orifice de passage (44) des conducteurs (22) prolongeant les extrémités (26A, 26B) de l'enroulement, l'orifice de passage (44) débouchant au niveau de la face opposée de l'inductance (20). 5. Dispositif de détection de proximité comprenant un capteur (40) selon l'une des revendications 3 ou 4 associé, au niveau des conducteurs (22) prolongeant les extrémités (26A, 26B) de l'enroulement, à un circuit électronique (12) pour pouvoir 11 2663 LPudéterminer l'éloignement d'un objet métallique (6) par rapport à la face frontale (28) de l'inductance (20). 6. Dispositif de détection de proximité selon la revendication 5 dans lequel le circuit électronique (12) comprend des éléments symétriques. 7. Dispositif de détection selon l'une des revendications 5 ou 6 dans lequel le circuit électronique (12) n'est pas relié à la terre, de sorte que ledit dispositif (10') est flottant. 8. Procédé de fabrication d'une bobine symétrique (20) comprenant le bobinage d'un fil conducteur (22) autour d'un mandrin (34), ledit bobinage étant démarré en un point milieu (32) du fil (22) et réalisé depuis chacune des extrémités (30) du fil (22) de sorte que les deux extrémités (26A, 26B) de l'inductance (20) sont localisées à l'extérieur du bobinage, caractérisé en ce que le bobinage de chaque extrémité (26A, 26B) est arrêté sensiblement au centre de la bobine (20). 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel le bobinage forme des couches alternées (24;). 10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9 pour fabriquer une inductance (20) selon l'une des revendications 1 ou 2. 2663 LPu