Brevet FR3049704A1 — publié le 20171006

L'invention concerne un capteur de détection d'un champ magnétique périodique comprenant un montage de mesure intégrant au moins un élément magnétorésistif dont la résistance électrique varie en fonction de l'amplitude de la composante dudit champ magnétique dans une direction, 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 délivrer un champ magnétique pseudo sinusoïdal à distance de lecture d'un capteur comprenant plusieurs éléments sensibles. Pour déterminer un paramètre de déplacement de l'organe mobile en fonction de l'évolution du champ magnétique, le capteur comprend un circuit électronique agencé pour exploiter les variations de résistance électrique de l'élément sensible afin de délivrer un signal représentatif du champ magnétique à détecter. En particulier, le document WO-2006/064169 prévoit que les éléments sensibles soient intégrés 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 le paramètre. On connaît également le montage d'éléments sensibles dans un pont de Wheatstone. 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 3049704 2 champ magnétique, tel que par exemple décrit dans le document WO-2004/083881. En particulier, chaque motif comprend alors deux couches conductrices entre 5 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 10 desdites couches. Pour ce faire, les couches sensible et de référence comportent chacune une direction d'anisotropie magnétique qui sont perpendiculaires en étant agencées pour induire par rotation relative une variation de résistance électrique qui est 15 linéaire sur une plage de champ magnétique à détecter. Toutefois, la mise au point de l'anisotropie de la couche sensible peut être complexe, en particulier pour tenter de la rendre insensible aux différentes conditions de température et de champ magnétique à détecter. La réalisation de 20 cette anisotropie rend d'autre part la fabrication des couches sensibles plus délicate et coûteuse. Ainsi, dans certaines conditions de température et/ou de champ magnétique à détecter, cette réalisation ne donne pas entièrement satisfaction en ce que la bonne perpendicularité des anisotropies magnétiques n'est pas suffisamment assurée pour garantir la bonne linéarité de la détection. 25 L'invention vise à perfectionner l'art antérieur en proposant un capteur de détection d'un champ magnétique périodique qui présente une fiabilité améliorée, notamment en fonction de la température de fonctionnement. 30 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 au moins un élément magnétorésistif dont la résistance électrique varie en fonction de l'amplitude de la composante dudit champ magnétique dans une 3049704 3 direction X, ledit élément magnétorésistif comprenant un empilement de deux couches magnétiques conductrices respectivement de référence et sensible entre lesquelles une couche de séparation est disposée afin que la résistance électrique dudit empilement soit fonction de l'orientation relative de l'aimantation 5 des couches de référence et sensible, ledit capteur comprenant un circuit électronique agencé pour exploiter les variations de ladite résistance électrique afin de délivrer un signal représentatif du champ magnétique à détecter, la couche de référence ayant une anisotropie magnétique suivant la direction X et la couche sensible ayant une direction Y perpendiculaire à la direction X, ledit 10 capteur comprenant en outre un aimant permanent de polarisation présentant une surface s'étendant dans un plan de directions X et Y et ayant un plan de symétrie de directions X et Z, la direction Z étant perpendiculaire aux directions X et Y et étant la direction suivant laquelle le champ magnétique dudit aimant s'étend principalement, le montage de mesure étant disposé par rapport au plan 15 de symétrie de l'aimant de polarisation de sorte que les couches de l'élément magnétorésistif soient disposées dans un plan parallèle à la surface en étant décalées dudit plan suivant la direction Y d'une distance qui est agencée pour que le champ magnétique de l'aimant de polarisation oriente l'aimantation de la couche sensible suivant la direction Y en autorisant des variations de l'orientation 20 de ladite aimantation en fonction de la composante dans la direction X du champ magnétique à détecter, lesdites variations d'aimantation induisant une variation linéaire de la résistance électrique de l'élément magnétorésistif sur une plage de champ magnétique à détecter. 25 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 délivrer 30 un champ magnétique périodique qui est représentatif du déplacement du codeur ; 3049704 4 - un capteur de détection selon le premier aspect qui est destiné à être solidaire de la structure fixe avec le montage de mesure à distance de détection du champ magnétique ; - un dispositif de calcul pour déterminer le paramètre de déplacement de 5 l'organe mobile en fonction des variations de résistance électrique du montage de mesure. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence à la figure jointe qui schématise la 10 disposition relative du montage de mesure et d'un aimant de polarisation dans un capteur de détection selon un mode de réalisation de l'invention. En relation avec cette figure, on décrit un système de détermination d'au moins un paramètre de déplacement d'un organe mobile par rapport à une structure 15 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 20 palier à roulement pour mesurer un paramètre de rotation de l'organe tournant dudit palier par rapport à son organe fixe. 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 25 agencé pour délivrer un champ magnétique périodique qui est représentatif du déplacement du codeur et donc de l'organe mobile. Le système de détermination comprend également un capteur de détection qui est destiné à être solidaire de la structure fixe, ledit capteur étant destiné à 30 détecter le champ magnétique périodique délivré par le codeur. Pour ce faire, le capteur comprend un montage de mesure 1 intégrant au moins un élément magnétorésistif dont la résistance électrique varie en fonction de l'amplitude de la composante du champ magnétique dans une direction X. 3049704 5 Le montage de mesure 1 est disposé à distance de détection du champ magnétique et le système de détermination comprend un dispositif de calcul pour déterminer le paramètre de déplacement de l'organe mobile en fonction des 5 variations de résistance électrique du montage de mesure 1. En relation avec la figure, le montage de mesure 1 s'étend suivant une géométrie linéaire suivant la direction X, notamment en intégrant plusieurs éléments magnétorésistifs. Selon une réalisation, les éléments magnétorésistifs sont 10 intégrés dans un montage de mesure 1 en pont de Wheatstone. Selon une autre réalisation, les éléments magnétorésistifs sont intégrés dans un montage de mesure 1 en boucle de courant. Par ailleurs, un élément magnétorésistif peut comprendre une pluralité de motifs magnétorésistifs qui sont alignés, tel que décrit dans les documents FR-2 792 403, EP-2 602 593 ou EP-2 602 594. 15 L'élément magnétorésistif comprend un empilement de deux couches magnétiques conductrices respectivement de référence et sensible entre lesquelles une couche de séparation est disposée afin que la résistance électrique dudit empilement soit fonction de l'orientation relative de l'aimantation 20 des couches de référence et sensible. En particulier, la couche de référence a une anisotropie magnétique suivant la direction X et la couche sensible a une direction Y perpendiculaire à la direction X. Ainsi, en disposant l'élément magnétorésistif à distance de détection de la 25 composante suivant X du champ magnétique à détecter, une rotation induite de l'aimantation de la couche sensible par rapport à la couche de référence fait varier la résistance dudit élément en fonction de ladite composante. En particulier, la couche sensible peut avoir une direction préférentielle d'aimantation suivant la direction Y. 30 Selon une réalisation avantageuse, l'élément magnétorésistif est à effet tunnel en présentant une couche de séparation qui est isolante. En variante, la couche 3049704 6 de séparation peut être conductrice pour former un élément magnétorésistif de type GMR. Le capteur comprend un circuit électronique qui est agencé pour exploiter les 5 variations de la résistance électrique de l'élément magnétorésistif afin de délivrer un signal représentatif du champ magnétique à détecter. En particulier, les variations de résistance électrique peuvent être proportionnelles à celles de la composante suivant X du champ magnétique à détecter. 10 Le capteur comprend en outre un aimant permanent 2 dit de polarisation qui présente une surface 3 s'étendant dans un plan de directions X et Y et ayant un plan de symétrie 4 de directions X et Z, la direction Z étant perpendiculaire aux directions X et Y et étant la direction suivant laquelle le champ magnétique dudit aimant s'étend principalement. 15 En relation avec la figure, le montage de mesure 1 est disposé par rapport au plan de symétrie 4 de l'aimant 2 de polarisation de sorte que les couches de l'élément magnétorésistif soient disposées dans un plan parallèle à la surface 3. Ainsi, l'élément magnétorésistif est insensible à la composante principale du 20 champ magnétique de l'aimant 2 de polarisation, puisque les couches sensible et de référence s'étendent dans un plan de directions X et Y. En outre, les couches de l'élément magnétorésistif sont décalées du plan 4 de symétrie de l'aimant 2 de polarisation suivant la direction Y d'une distance Ay qui 25 est agencée pour que le champ magnétique de l'aimant 2 de polarisation oriente l'aimantation de la couche sensible suivant la direction Y en autorisant des variations de l'orientation de ladite aimantation en fonction de la composante dans la direction X du champ magnétique à détecter. 30 Ainsi, quelle que soit la direction de l'aimantation intrinsèque de la couche sensible, notamment en fonction de la température de fonctionnement du capteur, la faible composante suivant la direction Y du champ magnétique de l'aimant 2 de polarisation induit la perpendicularité de ladite aimantation par 3049704 7 rapport à celle de la couche de référence. En particulier, l'aimantation de la couche sensible peut être libre et l'aimant 2 de polarisation sature la couche sensible pour lui donner son aimantation suivant la direction Y, ou avoir été pré-orientée, par exemple en ayant un axe d'anisotropie perpendiculaire à la couche 5 de référence, l'aimant 2 de polarisation sécurisant cette orientation relative, notamment par rapport à la température et/ou au champ magnétique à détecter. En particulier, le champ magnétique de l'aimant 2 de polarisation permet de garantir la perpendicularité de l'aimantation des couches sensible et de référence 10 pour que les variations de la composante suivant X du champ à détecter induisent une variation linéaire de la résistance électrique de l'élément magnétorésistif sur une plage de champ magnétique à détecter. Selon une réalisation, l'aimant 2 de polarisation est réalisé à base de ferrite pour 15 présenter une aimantation suffisamment forte pour induire l'orientation de la couche de sensible de façon stable vis-à-vis de la température, tout en autorisant sa rotation en fonction de la composante suivant X du champ à détecter. Par ailleurs, le montage de mesure 1 peut être décalé du plan 4 de symétrie d'une 20 distance 4y qui est comprise entre 5 et 15% de la dimension Dy de la surface 3 de l'aimant 2 de polarisation dans la direction Y. Toutefois, la valeur de la distance de décalage 4y peut varier en fonction notamment de la distance nominale de lecture entre le montage de mesure 1 et le codeur, de la température de fonctionnement, du champ magnétique à détecter. 25 En particulier, plus le décalage 4y est important et plus l'orientation suivant la direction Y de l'aimantation de la couche sensible est maintenue, mais au détriment de la sensibilité du capteur. A contrario, plus le décalage 4y est faible et plus la sensibilité du capteur est obtenue au détriment d'une réduction de la 30 plage de linéarité de la détection, du fait de la saturation incomplète de la couche sensible. 3049704 8 En relation avec la figure, le montage de mesure 1 est disposé en regard d'une partie centrale de la surface 3 de l'aimant 2 de polarisation afin d'éviter les effets de bords de l'aimant 2 sur le montage de mesure 1. Par ailleurs, la taille de la surface 3 de l'aimant 2 est sensiblement plus grande à celle du montage de 5 mesure 1. En particulier, suivant la direction X, la dimension dx du montage de mesure 1 est très inférieure à la dimension Dx de l'aimant 2. Selon une réalisation avantageuse, le montage de mesure 1 est formé sur une face d'une carte électronique 5, l'autre face de ladite carte étant fixée sur la 10 surface 3 de l'aimant 2 de polarisation. La carte électronique 5 intègre le circuit électronique comprenant notamment un dispositif de conditionnement de signaux représentatifs de la résistance des éléments magnétorésistifs qui est agencé pour délivrer au moins un signal représentatif de la composante X du champ magnétique à détecter. 15 En particulier, le dispositif de conditionnement peut comprendre des moyens de mesure de signaux qui sont chacun représentatifs de la résistance d'un élément magnétorésistif, ainsi que des moyens de combinaison desdits signaux pour délivrer au moins un signal représentatif de la composante X du champ 20 magnétique. En relation avec un montage de mesure 1 en pont de Wheatstone, le dispositif de conditionnement peut comprendre un comparateur des sorties d'un pont intégrant une élément magnétorésistif dans au moins une de ses branches. En 25 relation avec un montage de mesure 1 en boucle de courant, le dispositif de conditionnement peut comprendre au moins un étage de comparateurs qui sont branchés aux bornes des éléments magnétorésistifs pour combiner entre eux les signaux de résistance de chacun desdits éléments. 30 En particulier, le document WO-2006/064169 décrit un dispositif de conditionnement agencé pour délivrer deux signaux respectivement SIN et COS en quadrature et de même amplitude qui sont chacun représentatifs du champ 3049704 9 magnétique à détecter, lesdits signaux pouvant être utilisés par un dispositif de calcul du système pour déterminer le paramètre de rotation de l'organe tournant. Selon une réalisation particulière, le codeur comprend au moins une piste 5 magnétique multipolaire qui est apte à émettre un champ magnétique dont la composante suivant la direction X varie de façon pseudo-sinusoïdale en fonction du déplacement de ladite piste relativement au montage de mesure 1. En particulier, le codeur comprend une succession alternée de pôles 10 magnétiques Nord et Sud, par exemple formée sur un aimant annulaire qui peut être réalisé à base d'une matrice en matériau plastique ou élastomère, dans laquelle sont dispersées des particules magnétiques, notamment des particules de ferrite ou de terres rares comme le NdFeB. 15 Selon une autre réalisation, le codeur présente une structure ferromagnétique qui est agencée pour modifier le champ magnétique émis par l'aimant 2 de polarisation de sorte à délivrer une composante dudit champ suivant la direction X qui varie de façon pseudo-sinusoïdale en fonction du déplacement de ladite structure relativement au montage de mesure 1. 20 En particulier, le codeur comprend une structure métallique dentée qui s'étend notamment annulairement, le passage desdits dents devant l'aimant 2 de polarisation induisant une altération du champ magnétique qu'il délivre essentiellement dans la direction Z. 25 REVENDICATIONS1. Capteur de détection d'un champ magnétique périodique comprenant un montage de mesure (1) intégrant au moins un élément magnétorésistif dont la résistance électrique varie en fonction de l'amplitude de la composante dudit champ magnétique dans une direction X, ledit élément magnétorésistif comprenant un empilement de deux couches magnétiques conductrices respectivement de référence et sensible entre lesquelles une couche de séparation est disposée afin que la résistance électrique dudit empilement soit fonction de l'orientation relative de l'aimantation des couches de référence et sensible, ledit capteur comprenant un circuit électronique agencé pour exploiter les variations de ladite résistance électrique afin de délivrer un signal représentatif du champ magnétique à détecter, la couche de référence ayant une anisotropie magnétique suivant la direction X et la couche sensible ayant une direction Y perpendiculaire à la direction X, ledit capteur étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un aimant permanent (2) de polarisation présentant une surface (3) s'étendant dans un plan de directions X et Y et ayant un plan (4) de symétrie de directions X et Z, la direction Z étant perpendiculaire aux directions X et Y et étant la direction suivant laquelle le champ magnétique dudit aimant s'étend principalement, le montage de mesure (1) étant disposé par rapport au plan (4) de symétrie de l'aimant (2) de polarisation de sorte que les couches de l'élément magnétorésistif soient disposées dans un plan parallèle à la surface (3) en étant décalées dudit plan suivant la direction Y d'une distance (4y) qui est agencée pour que le champ magnétique de l'aimant (2) de polarisation oriente l'aimantation de la couche sensible suivant la direction Y en autorisant des variations de l'orientation de ladite aimantation en fonction de la composante dans la direction X du champ magnétique à détecter, lesdites variations d'aimantation induisant une variation linéaire de la résistance électrique de l'élément magnétorésistif sur une plage de champ magnétique à détecter. 3049704 11 2. Capteur de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche sensible a une direction préférentielle d'aimantation suivant la direction Y. 5 3. Capteur de détection selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le montage de mesure (1) intègre plusieurs éléments magnétorésistifs qui sont disposés suivant une géométrie linéaire s'étendant suivant la direction X. 4. Capteur de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce que les 10 éléments magnétorésistifs sont intégrés dans un montage de mesure (1) en pont de Wheatstone. 5. Capteur de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments magnétorésistifs sont intégrés dans un montage de mesure (1) en 15 boucle de courant. 6. Capteur de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le montage de mesure (1) est disposé en regard d'une partie centrale de la surface (3) de l'aimant (2) de polarisation. 7. Capteur de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le montage de mesure (1) est formé sur une face d'une carte électronique (5), l'autre face de ladite carte étant fixée sur la surface (3) de l'aimant (2) de polarisation. 8. Capteur de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'aimant (2) de polarisation est réalisé à base de ferrite. 9. Capteur de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 30 caractérisé en ce que le montage de mesure (1) est décalé du plan (4) de symétrie d'une distance (4y) qui est comprise entre 5 et 15% de la dimension (Dy) de la surface (3) de l'aimant (2) de polarisation dans la direction Y. 20 25 3049704 12 10. Capteur de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'élément magnétorésistif est à effet tunnel. 11. Système de détermination d'au moins un paramètre de déplacement d'un 5 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 délivrer un champ magnétique périodique qui est représentatif du déplacement du codeur ; 10 - un capteur de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 qui est destiné à être solidaire de la structure fixe avec le montage de mesure (1) à distance de détection du champ magnétique ; - un dispositif de calcul pour déterminer le paramètre de déplacement de l'organe mobile en fonction des variations de résistance électrique du 15 montage de mesure (1). 12. Système de détermination selon la revendication 11, caractérisé en ce que le codeur comprend au moins une piste magnétique multipolaire qui est apte à émettre un champ magnétique dont la composante suivant la direction X varie de 20 façon pseudo-sinusoïdale en fonction du déplacement de ladite piste relativement au montage de mesure (1). 13. Système de détermination selon la revendication 11, caractérisé en ce que le codeur présente une structure ferromagnétique qui est agencée pour modifier 25 le champ magnétique émis par l'aimant (2) de polarisation de sorte à délivrer une composante dudit champ suivant la direction X qui varie de façon pseudosinusoïdale en fonction du déplacement de ladite structure relativement au montage de mesure (1). 30