Brevet FR3007846A1 — publié le 20150102

L'invention concerne un capteur de détection d'un champ magnétique périodique ainsi qu'un système de détermination d'au moins un paramètre de déplacement d'un organe mobile par rapport à une structure fixe. Dans de nombreuses applications, on souhaite connaître en temps réel et avec une qualité optimale au moins un paramètre de déplacement linéaire et/ou angulaire d'un organe mobile, tel que sa position, sa vitesse, son accélération ou son sens de déplacement. Pour ce faire, le document WO-2006/064169 propose l'utilisation d'un codeur destiné à être solidaire de l'organe mobile et qui est agencé pour émettre un champ magnétique pseudo sinusoïdal à distance de lecture d'un capteur comprenant plusieurs éléments sensibles. De façon avantageuse, chaque élément sensible peut comprendre au moins un motif à base d'un matériau magnétorésistif, notamment à effet tunnel (TMR en anglais pour Tunnel MagnetoResistance), dont la résistance varie en fonction du champ magnétique, tel que par exemple décrit dans le document WO-2004/083881. En particulier, chaque motif comprend alors deux couches conductrices entre lesquelles une couche isolante est disposée pour former une succession de jonctions tunnel dans un montage de mesure. Les couches conductrices forment respectivement une couche magnétique sensible au champ à mesurer et une couche magnétique de référence, la résistance électrique entre les couches conductrices étant fonction de l'orientation relative de l'aimantation de chacune desdites couches. Pour déterminer un paramètre de déplacement de l'organe mobile en fonction de l'évolution du champ magnétique détecté, le document WO-2006/064169 prévoit d'intégrer les éléments sensibles dans un montage de mesure en boucle de courant pour combiner des signaux représentatifs de la résistance de chacun des éléments sensibles afin de délivrer deux signaux en quadrature et de même amplitude qui peuvent être utilisés pour calculer ledit paramètre. On connaît également le montage d'éléments sensibles dans un pont de Wheatstone. Toutefois, les montages de mesure connus demeurent difficilement intégrables, notamment en ce qu'ils nécessitent d'utiliser des composants électroniques onéreux et en nombre important pour obtenir, sur la base des variations de la résistance d'au moins un élément sensible à un champ magnétique, une détermination satisfaisante d'au moins un paramètre du déplacement induisant ledit champ magnétique. L'invention vise à perfectionner l'art antérieur avec un capteur de détection d'un champ magnétique périodique qui présente une fiabilité satisfaisante tout en étant facilement intégrable pour déterminer de façon performante au moins un paramètre du déplacement. A cet effet, selon un premier aspect, l'invention propose un capteur de détection d'un champ magnétique périodique comprenant un montage de mesure intégrant un élément capacitif et au moins un élément sensible à base d'un matériau magnétorésistif dont la résistance varie en fonction dudit champ magnétique, ledit montage intégrant un oscillateur à relaxation auto entretenu comprenant un dispositif d'application d'une tension à l'élément capacitif au travers de l'élément sensible, ledit dispositif étant apte à appliquer une tension de charge respectivement une tension de décharge - en fonction d'un seuil bas - respectivement d'un seuil haut - de la tension mesurée aux bornes de l'élément capacitif, ledit capteur comprenant un dispositif de détermination d'un paramètre relatif à la durée d'application d'au moins une desdites tensions de charge ou de décharge, ledit paramètre étant fonction de la résistance de l'élément sensible. Selon un deuxième aspect, l'invention propose un système de détermination d'au moins un paramètre de déplacement d'un organe mobile par rapport à une structure fixe, ledit système comprenant : - un codeur destiné à être solidaire de l'organe mobile de sorte à se déplacer conjointement avec lui, ledit codeur étant agencé pour émettre un champ magnétique périodique qui est représentatif du déplacement du codeur ; - un capteur selon le premier aspect qui est destiné à être solidaire de la structure fixe avec au moins un élément sensible à distance de détection du champ magnétique ; - un dispositif de calcul pour déterminer le paramètre de déplacement de l'organe mobile en fonction de la résistance d'au moins un élément sensible. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence aux figures jointes, dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation fonctionnelle d'un capteur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente l'évolution temporelle de la tension aux bornes de l'élément capacitif et de la tension appliquée audit élément capacitif au travers d'au moins un élément sensible ; - les figures 3a et 3b représentent chacune un montage de mesure selon un mode de réalisation d'un capteur selon l'invention. En relation avec ces figures, on décrit un système de détermination d'au moins un paramètre de déplacement d'un organe mobile par rapport à une structure fixe. En particulier, le paramètre peut être choisi parmi un paramètre de déplacement linéaire et/ou angulaire de l'organe mobile, tel que sa position, sa vitesse, son accélération ou son sens de déplacement. Dans une application particulière, le système peut être utilisé en relation avec un palier à roulement pour mesurer un paramètre de rotation de l'organe tournant dudit palier par rapport à son organe fixe. En particulier, le palier peut permettre le montage d'une roue de véhicule automobile, le paramètre déterminé pouvant être utilisé dans un système de contrôle dynamique du véhicule comme par exemple l'ABS ou l'ESP. Le système de détermination comprend un codeur destiné à être solidaire de l'organe mobile de sorte à se déplacer conjointement avec lui, ledit codeur étant agencé pour émettre un champ magnétique périodique qui est représentatif du déplacement du codeur et donc de l'organe mobile. Selon une réalisation particulière, le codeur comprend une succession alternée de pôles magnétiques Nord et Sud qui sont disposés pour délivrer un signal magnétique pseudo sinusoïdal dont la période spatiale est égale à X = 2.Lp, Lp étant la longueur de chaque pôle. Le système de détermination comprend également un capteur qui est destiné à être solidaire de la structure fixe, ledit capteur étant destiné à détecter le champ magnétique périodique délivré par le codeur. Pour ce faire, le capteur comprend au moins un élément sensible 1 qui est disposé à distance de détection du champ magnétique. Chaque élément sensible 1 comprend au moins un motif à base d'un matériau magnétorésistif, notamment à effet tunnel, dont la résistance varie en fonction du champ magnétique. De façon générale, la résistance R aux bornes de chacun des éléments sensibles 1 peut s'écrire : R = Ro + 4R.sin (wt), Ro étant la résistance de base dudit élément et w la pulsation du champ magnétique délivré par le codeur en fonction du temps t. De façon avantageuse, un élément sensible 1 peut comprendre un seul motif ou un groupe de motifs reliés en série. En particulier, comme décrit dans le document WO-2004/083881, chaque motif forme une jonction tunnel en comprenant un empilement d'une couche magnétique de référence, d'une couche de séparation et d'une couche magnétique sensible au champ à détecter, la résistance entre les couches magnétiques étant fonction de l'orientation relative de leur aimantation. Le capteur comprend un montage de mesure qui intègre un élément capacitif 2, par exemple sous la forme d'un condensateur électronique, et au moins un élément sensible 1. Selon une réalisation, au moins un élément sensible 1 et l'élément capacitif 2 sont associés en série dans le montage de mesure. En relation avec les figures 3, un élément capacitif 2 est monté en série avec un élément sensible 1 dans le montage de mesure de la figure 3a et avec plusieurs éléments sensibles 1 dans le montage de mesure de la figure 3b. En particulier, les éléments sensibles 1 peuvent être montés en série ou en parallèle afin par exemple de faire une moyenne spatiale du champ magnétique à détecter. Le montage de mesure intègre un oscillateur à relaxation auto entretenu qui comprend un dispositif d'application d'une tension Us à l'élément capacitif 2 au travers de l'élément sensible 1. Le dispositif est apte à appliquer une tension de charge Ush - respectivement une tension de décharge Usb - en fonction d'un seuil bas Ub - respectivement d'un seuil haut Uh - de la tension Uc mesurée aux bornes de l'élément capacitif 2. Ainsi, l'oscillateur présente deux états, respectivement de charge et de décharge de l'élément capacitif 2, chacun desdits états étant déclenché temporellement par un seuil de tension Ub, Uh aux bornes dudit élément capacitif. Le capteur comprend un dispositif de détermination d'un paramètre relatif à la durée d'application d'au moins une des tensions de charge Ush ou de décharge Usb, ledit paramètre étant fonction de la résistance R de l'élément sensible 1. En particulier, en fonction d'un des deux états de l'oscillateur, un dispositif numérique programmable peut déterminer de façon simple et fiable au moins un paramètre de durée, notamment comprenant la période temporelle Th, Tb (ou la fréquence) de l'oscillateur dans son état de charge et/ou de décharge. Ainsi, il est possible de déterminer les variations de la résistance R de l'élément sensible 1 au travers duquel l'élément capacitif 2 est chargé / déchargé, lesdites variations étant fonction du champ magnétique périodique à détecter. En particulier, la détermination peut être réalisée par intervalle de temps ou par fréquence, les sources de bruit pouvant être filtrées car ce sont des phénomènes lents. Cette détermination est particulièrement adaptée à un élément sensible 1 à base de TM R du fait de son impédance basée sur une faible capacité (de l'ordre d'une dizaine de pFarads) et sur une forte résistance (de l'ordre d'une dizaine ou d'une centaine de kOhms), ladite détermination pouvant être notamment réalisée de façon performante avec des composants électroniques peu chers. Pour déterminer le paramètre de déplacement, le système comprend un dispositif de calcul dudit paramètre en fonction de la résistance R d'au moins un élément sensible 1. La résistance R est délivrée par le capteur au moyen du paramètre temporel relatif à la durée d'application d'au moins une tension de charge Ush ou de décharge Ush, ce qui facilite grandement l'intégration de la fonction de détermination du paramètre de déplacement. En particulier, il n'y a pas de compensation à prévoir car la plage de détermination est temporelle. En outre, le conditionnement peut être réalisé au plus près de l'élément sensible 1 et on obtient un signal de sortie de l'oscillateur qui est facile à transmettre ainsi qu'à traiter, soit par une ligne de transmission spécifique soit par modulation du courant consommé par le capteur. En relation avec la figure 2, sur une période de charge de l'élément capacitif 2, la tension aux bornes de l'association en série de l'élément sensible 1 et de l'élément capacitif 2 est constante et est égale à la tension de charge Ush, la tension Uc aux bornes de l'élément capacitif 2 évolue à partir d'une tension initiale Ub selon une loi exponentielle : u, = Ush + (Ub - usb)e-tiRc R étant la résistance de l'élément sensible 1 et C la capacité de l'élément capacitif 2. Cette loi est solution de l'équation différentielle suivante : el, 11- ,, Ush, U - dt RC - RC La valeur de la période de charge Th peut être calculée en résolvant l'équation Uc = Uh : Uh - Ush Th = -RC ln( FT " ) Ub h - u sh De manière analogue, en notant Usb la tension de décharge constante imposée aux bornes du montage de mesure, la période de décharge Tb peut être calculée par la relation : Uh - Usb, Th = -RC ln( ) ' h. - LI FF C étant considéré comme constant, la mesure des périodes Tb et/ou Th permet de connaître la valeur de R, et donc l'intensité du champ magnétique à détecter. En relation avec la figure 1, le dispositif d'application comprend deux détecteurs respectivement haut 3a et bas 3b qui comparent la tension Uc aux bornes de l'élément capacitif 2 avec les seuils respectivement haut Uh et bas Ub. En outre, le dispositif d'application comprend un mélangeur 4 qui est alimenté par un état, par exemple sous la forme d'un changement d'état électrique ou logique, construit par chacun des détecteurs 3a, 3b, ledit mélangeur commandant l'application de la tension de charge Usb ou de décharge Usb en fonction desdits états. De façon avantageuse, le dispositif d'application comprend des moyens d'ajustement de la valeur du seuil bas Ub et/ou du seuil haut Uh. Ainsi, il est possible de faire varier la fréquence de l'oscillateur pour obtenir un compromis entre la vitesse de détermination de la résistance R de l'élément sensible 1 et la résolution de la mesure. En outre, comme représenté sur la figure 3a, le montage de mesure peut intégrer une diode 5 montée en parallèle de l'élément sensible 1, ladite diode étant agencée pour réduire la durée de charge Th ou de décharge Tb de l'élément capacitif 2. En particulier, le sens de la diode 5 permet de réduire à zéro en première approximation la durée de charge Th ou de décharge Tb. Ainsi, lorsque le paramètre déterminé est relatif à la durée d'application de la tension de décharge Usb ou de charge Usb qui n'est pas réduite par la diode 5, l'ajout de ladite diode permet de multiplier par deux la vitesse de détermination de la résistance R de l'élément sensible 1. En relation avec les figures 3, on décrit ci-dessous deux modes de réalisation d'un montage de mesure comprenant au moins un amplificateur analogique 6 qui est monté en comparateur à hystérésis utilisant une tension de référence et une capacité. En particulier, le montage de la figure 3a est réalisé avec des composants électroniques discrets. La figure 3b représente un montage intégrant un microcontrôleur 7 qui comprend plusieurs sorties configurables auxquelles sont branchés respectivement un élément sensible 1, lesdits éléments sensibles en parallèle étant montés en série avec l'élément capacitif 2. En particulier, le dispositif d'application peut comprendre des moyens de sélection d'au moins un élément sensible 1 au travers duquel l'élément capacitif 2 est chargé / déchargé. Ainsi, en utilisant un seul montage de mesure, il est possible de déterminer successivement la résistance R de plusieurs éléments sensibles 1, par exemple pour un capteur de position / vitesse, ou de mesurer en parallèle la résistance R de plusieurs éléments sensibles 1. REVENDICATIONS1. Capteur de détection d'un champ magnétique périodique comprenant un montage de mesure intégrant un élément capacitif (2) et au moins un élément sensible (1) à base d'un matériau magnétorésistif dont la résistance (R) varie en fonction dudit champ magnétique, ledit montage intégrant un oscillateur à relaxation auto entretenu comprenant un dispositif d'application d'une tension (Us) à l'élément capacitif (2) au travers de l'élément sensible (1), ledit dispositif étant apte à appliquer une tension de charge (Ush) - respectivement une tension de décharge (Usb) - en fonction d'un seuil bas (Ub) - respectivement d'un seuil haut (Uh) - de la tension (Uc) mesurée aux bornes de l'élément capacitif (2), ledit capteur comprenant un dispositif de détermination d'un paramètre (Tb, Th) relatif à la durée d'application d'au moins une desdites tensions de charge ou de décharge, ledit paramètre étant fonction de la résistance (R) de l'élément sensible (1). 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau magnétorésistif est à effet tunnel. 3. Capteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif d'application comprend deux détecteurs respectivement haut (3a) et bas (3b) qui comparent la tension (Uc) aux bornes de l'élément capacitif (2) avec les seuils respectivement haut (Uh) et bas (Ub). 4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'application comprend un mélangeur (4) qui est alimenté par un état construit par chacun des détecteurs (3a, 3b), ledit mélangeur commandant l'application de la tension de charge (Ush) ou de décharge (Usb) en fonction desdits états. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le paramètre relatif à la durée d'application comprend la période (Th, Tb) de l'oscillateur dans son état de charge et/ou de décharge. 25 30 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif d'application comprend des moyens d'ajustement de la valeur du seuil bas (Uh) et/ou du seuil haut (Uh). 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément sensible (1) et l'élément capacitif (2) sont associés en série dans le montage de mesure. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le montage de mesure comprend au moins un amplificateur analogique (6) qui est monté en comparateur à hystérésis. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le montage de mesure comprend plusieurs éléments sensibles (1) qui sont montés avec un même élément capacitif (2). 10. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif d'application comprenant des moyens de sélection d'au moins un élément sensible (1) au travers duquel l'élément capacitif (2) est chargé / déchargé. 11. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le montage de mesure intègre une diode (5) montée en parallèle de l'élément sensible (1), ladite diode étant agencée pour réduire la durée de charge ou de décharge de l'élément capacitif (2), le paramètre déterminé étant relatif à la durée d'application de la tension de décharge (Ush) ou de charge (Ush) qui n'est pas réduite par ladite diode. 12. Système de détermination d'au moins un paramètre de déplacement d'un organe mobile par rapport à une structure fixe, ledit système comprenant : - un codeur destiné à être solidaire de l'organe mobile de sorte à se déplacer conjointement avec lui, ledit codeur étant agencé pour émettreun champ magnétique périodique qui est représentatif du déplacement du codeur ; - un capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 qui est destiné à être solidaire de la structure fixe avec au moins un élément sensible (1) à distance de détection du champ magnétique ; - un dispositif de calcul pour déterminer le paramètre de déplacement de l'organe mobile en fonction de la résistance (R) d'au moins un élément sensible (1).10