FR2724722A1 - Capteur incremental de vitesse et/ou de position - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un capteur incrémental de position et/ou de vitesse, du type comportant un élément mobile (1) en un matériau doux présentant une succession de dents, au moins un aimant permanent (9) aimanté sensiblement perpendiculairement au plan YOZ tangeant au sommets desdites dents, et une sonde (10) sensible au sens et à l'intensité d'un champs magnétique, telle qu'une sonde de Hall, disposée dans l'entrefer compris entre l'aimant (9) et les dents de l'élément mobile de telle sorte que son axe de plus grande sensibilité soit sensiblement perpendiculaire au plan YOZ, caractérisé en ce que la sonde de Hall (10) est située dans une zone dans laquelle se produit un inversion du sens du champ magnétique parallèles à X'X lors du déplacement de l'organe mobile par rapport à l'aimant permanent.

Description

CAPTEUR NCRKN=NTAL DI VITISSP lT/OU D1 POSITION.
La présente invention concerne un capteur incrémental de vitesse et/ou de position, mettant en oeuvre une sonde sensible au sens et à l'amplitude d'un champ magnétique, par exemple une sonde de Hall, pour la détection de vitesse et/ou de position, susceptible de détecter des vitesses jusqu'à une valeur inférieure correspondant à une vitesse nulle.
La sonde magnétique délivre un signal électrique fonction du champ magnétique la traversant.
Les capteurs de vitesse de l'état de la technique sont conçus de manière à ce que le déplacement d'un organe mobile provoque une variation du champ magnétique. Dans la suite de la description, on utilisera le terme de "sonde de Hall" pour désigner un capteur sensible au sens et à l'amplitude du champ magnétique, délivrant un signal électrique fonction du sens et de l'amplitude du champ magnétique le traversant, sans que ce terme ne doive être interprété de manière restrictive.
Un premier type de capteurs à sonde de Hall comporte un organe mobile présentant une alternance de pôles magnétiques Nord et Sud. La sonde de Hall est associée à un circuit électronique possédant une sortie logique qui prend un premier état quand le comparateur situé à la sortie de la sonde de Hall fournit un signal supérieur à un seuil prédéterminé positif, et un second état quand la sonde de Hall fournit un signal inférieur à un seuil prédéterminé négatif. Un tel dispositif est décrit par exemple dans le brevet français FR2648914. De tels capteurs sont sensibles à différentes perturbations extérieures et les dimensions de l'organe mobile sont limitées par un coût.
Un autre type de capteurs à sonde de Hall est constitué par un organe mobile denté en un matériau magnétique doux, un aimant permanent et une sonde de Hall placée entre la surface dentée de l'organe mobile et 1'aimant permanent. De tels capteurs permettent certes la détection de faibles vitesses, mais difficilement la détection de position par suite de la forte sensibilité de la valeur moyenne du champ à diverses tolérances. Pour une utilisation pour la détection de faibles vitesses, il est nécessaire de mettre en oeuvre plusieurs sondes sensibles au champ magnétique et un circuit électronique d'un coût élevé. De plus, ils sont mal adaptés à l'utilisation d' un organe mobile de faible pas.Pour réduire le pas de détection, il est donc nécessaire de rapprocher l'aimant de la surface dentée, ce qui crée des contraintes mécaniques difficiles à respecter dans le cas de fabrications en très grandes séries.
Si l'on veut utiliser de tels pour détecter des vitesses très faibles, voire nulle - le capteur fonctionnant alors en mode de capteur de position-, il est également nécessaire de prendre en compte la valeur moyenne du champ. Or, le champ dépend de nombreuses variables et tolérances difficiles à maîtriser ou à compenser, notamment
- les caractéristiques B(H) de l'aimant dans le deuxième quadrant;
- les tolérances sur les dimensions de l'aimant ;
- les coefficients de température de l'induction rémanente Br et du champ coercitif Hc de l'aimant ;
- la plus ou moins bonne saturation de l'aimant lors de l'aimantation
- les tolérances sur la géométrie de la denture ;
- la distance entre l'aimant et la denture ;
- les tolérances sur la position de la sonde de Hall ;
- l'offset et les divers coefficients de température de la sonde de Hall.
La maîtrise de ces différents paramètres pose des problèmes de tolérances redoutables, ce qui se traduit souvent par un coût élevé de ces capteurs et/ou par la nécessité de la mise en oeuvre de circuits de compensation électroniques complexes et coûteux.
Dans ce qui suit, on désignera par "plan
XOY" le plan de symétrie de la denture de l'organe mobile. OY désignera la direction de déplacement de l'organe mobile. O désigne le point sur l'enveloppe des sommets des dents situé sur la droite passant par le centre de la sonde de Hall et de l'aimant. Lorsque l'organe mobile est une roue dentée, le centre O' de la roue dentée se trouve sur l'axe OX.
Le plan XOZ désignera le plan de symétrie de la dent, ou du creux de dent se trouvant en regard de la sonde de Hall et de l'aimant permanent. OX désigne l'axe passant par la sonde de Hall, l'aimant et la surface dentée. OX est généralement un axe radial.
Dans le cas d'un capteur rotatif, XOY est un plan tangent à la surface d'une roue dentée constituant l'organe mobile, et OZ est généralement un axe parallèle à la génératrice de la denture.
Dans le cas d'un capteur linéaire, XOY est le plan moyen de la surface dentée.
La majorité des capteurs de ce type est sensible à la composante du champ magnétique parallèle à l'axe OX. De tels capteurs sont par exemple décrits dans le certificat d'utilité FR8209884 ou le brevet américain
US520925.
Ces capteurs détectent la modulation d'un champ magnétique qui reste de signe constant. Il suffit que la modulation du champ soit suffisante pour activer un circuit électronique comparateur dans la mesure où le circuit électronique comporte un filtre passe-haut éliminant la valeur moyenne du signal pour ne laisser passer que cette modulation. A défaut de ce filtre, la modulation peut être suffisante sans pour autant que le comparateur ne soit activé.
On a proposé dans l'état de la technique de remédier à ces inconvénients par différentes solutions qui ne s'avèrent pas totalement satisfaisantes.
Une première solution est décrite dans le brevet PCT W087/06348 relatif à un capteur détectant non seulement la variation de champ magnétique, mais aussi sa valeur moyenne, ce qui nécessite la mise en oeuvre d'un filtre qui ne fonctionne pas aux très faibles vitesses.
Même pour une vitesse atteignant soudainement une valeur élevée, le filtre ne donne la valeur moyenne qu'au bout de plusieurs périodes. Il peut donc y avoir des erreurs de détection au démarrage.
Une deuxième solution décrite dans le brevet BE0363512, consiste à mettre en oeuvre deux sondes de
Hall pour former un capteur différentiel.
Ces deux solutions nécessitent des circuits électroniques complexes qui augmentent sensiblement le coût des capteurs.
Une troisième solution est décrite dans le brevet américain US4481469, qui décrit un capteur qui détecte la composante tangentielle du champ, selon l'axe
OY. Cette composante change de signe au cours du déplacement d'une valeur correspondant à un pas, et sa valeur moyenne est nulle. Cette solution permet certes de remédier en partie aux inconvénients des capteurs conformes aux deux solutions précédentes. Toutefois, un tel capteur n'est pas non plus totalement satisfaisant.
L'amplitude de la composante du champ magnétique détectée par la sonde de Hall est faible, surtout près de l'aimant. De plus, la sonde de Hall devant être disposée dans le plan XOZ et non plus dans un plan parallèle & BR<
YOZ, la distance entre l'aimant et la denture doit être augmentée par rapport aux autres solutions. Cette augmentation de la distance a également une incidence défavorable sur l'amplitude du champ détecté, et le capteur est de ce fait sensible aux champs magnétiques parasites.
L'objet de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un capteur de faible prix de fabrication, permettant la détection de vitesse nulles (fonctionnement en capteur de position), peu sensible aux champs magnétiques parasites par suite de la mise en oeuvre d'une géométrie engendrant un champ magnétique variant en signe et de manière suffisante en amplitude.
A cet effet, le capteur selon l'invention concerne un capteur du type comportant un élément mobile en matériau doux présentant une succession de dents, une sonde de Hall disposée en regard des dents de l'élément mobile et au moins un aimant permanent aimanté selon un axe OX perpendiculaire à l'axe de déplacement et au plan de la sonde de Hall, caractérisé en ce que l'aimant et la sonde de Hall sont configurés et disposés de manière à ce que la composante parallèle à l'axe OX du champ magnétique s'inverse dans la zone où est positionné la sonde de Hall lors du déplacement d'une dent de l'organe mobile par rapport à l'aimant permanent.
Selon un mode de réalisation avantageux, l'aimant est percé d'un trou dans la zone située sur l'axe OX perpendiculaire à l'axe de déplacement de l'élément mobile passant par la sonde de Hall.
Selon une première variante pour la détection de déplacements rotatifs, l'élément mobile est une roue dentée.
Selon une deuxième variante pour la détection de déplacement linéaire, l'élément mobile est une crémaillère.
De préférence, les dimensions transversales du trou traversant l'aimant sont comprises entre 1,2 et 1,8 mm.
Avantageusement, la forme de l'aimant et la forme du trou correspondent à la forme des dentures. Une denture de forme rectangulaire s'adaptera à un aimant rectangulaire percé d'un trou rectangulaire.
Selon un mode de réalisation préféré, l'aimant, la sonde de Hall et les circuits électroniques associés sont intégrés dans un boîtier en matière plastique réalisé par surmoulage. Ce mode de réalisation permet de positionner précisément la sonde par rapport à l'aimant et d'augmenter le jeu entre cet ensemble surmoulé et la roue dentée en raison de l'absence de plastique entre la sonde de Hall et l'aimant.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence aux dessins annexés où
- la figure 1 représente une vue schématique de l'organe mobile
- la figure 2 représente une vue de la distribution de champ dans le plan XOY au voisinage du trou pratiqué dans l'aimant en l'absence de dent ;
- la figure 3 représente une vue de la distribution de champ dans le plan XOY au voisinage du trou pratiqué dans l'aimant en présence de dent ;
- la figure 4 représente une vue en détail des dents d'une roue
- la figure 5 représente une vue en perspective d'un autre mode de réalisation de l'aimant ;
- la figure 6 représente une vue d'un troisième mode de réalisation de l'aimant.
La figure 1 représente une vue schématique du capteur dans un mode de réalisation pour la détection de vitesse et de position angulaire.
Le capteur comporte une roue dentée (1) présentant une pluralité de dents (2, 3, 4, 5) et de creux intercalaires (6, 7, 8). La roue (1) est réalisée en matériau magnétique doux.
Le capteur comporte en outre un aimant (9) aimanté suivant l'axe radial XOX'. L'aimant présente donc l'un des pôles dirigés en direction de la roue dentée (1) et l'autre pôle dans la direction opposée. Une sonde de
Hall (10) est disposée sur l'axe XOX', entre la roue dentée (1) et l'aimant permanent (9).
L'aimant (9) est un aimant disque de diamètre D et d'épaisseur L. A titre d'exemple, l'aimant est de type Samarium Cobalt d'un diamètre de 7 millimètres et d'une épaisseur L de 2 millimètres.
L'aimant (9) est percé d'un trou circulaire (11) d'un diamètre de 1,4 millimètres.
La distance moyenne entre le sommet d'une dent et l'aimant est de 1,6 millimètres et la hauteur des dents est de l'ordre de 3,5 millimètres.
La figure 2 représente une simulation de la distribution de champ au voisinage du trou (11) de l'aimant disque (9). Sur l'axe XOX', le champ change de signe de part et d'autre d'un point répulsif A.
La figure 3 montre la distribution de champ dans la même région avec une dent distante de 1,6 millimètres de l'aimant (9). Le point répulsif A' est plus proche de l'aimant (9) que dans la situation précédente.
La sonde de Hall (10) est placée dans la zone comprise entre le point répulsif A correspondant à l'absence de dent, et le point répulsif A' correspondant à la présence d'une dent. De ce fait, la sonde de Hall détectera une variation du signe du champ lors du déplacement de l'organe mobile, en l'occurrence des dents de la roue dentée (1).
La variation du champ détectée par la sonde de Hall (10) varie autour d'une valeur nulle du fait du perçage de l'aimant (9) conduisant à une distribution de champ dans laquelle le sens du champ détecté change de signe suivant la position de la dent.
La figure 4 représente une vue en détail des dents.
L'angle formé par les deux flancs des dents est d'environ 30 degrés. La largeur du sommet de dent est de l'ordre de 1,5 millimètres, soit environ 30 % du pas.
Le rayon moyen de la roue est de 48 millimètres, le rayon de l'enveloppe extérieure des dents est de 50 millimètres et le rayon de l'enveloppe des creux est de 46,55 millimètres. La roue présente 58 ou 59 dents identiques et une zone non dentée s'étendant sur un arc de cercle correspondant à la place occupée par une ou deux dents.
Cette lacune constitue un repère de positionnement.
La figure 5 représente une vue en perspective d'un autre mode de réalisation de l'aimant.
La solution selon ce mode de réalisation met en oeuvre 2 aimants (20, 21) disposés parallèlement, aimantés parallèlement à l'axe XOX'. La sonde de Hall (23) est collée sur les deux aimants (20, 21), à cheval sur un intervalle (22) prévus entre les deux aimants (20, 21) et dirigé suivant le plan XOZ.
La figure 6 représente une vue d'un troisième mode de réalisation de l'aimant. L'aimant (24) est de forme parallélépipédique. Il présente un trou (25) de section rectangulaire. L'aimant (25) présente par ailleurs des logements (26) pour le positionnement de la sonde de Hall ou du circuit intégré comportant cette sonde. L'aimant en Samarium-cobalt avec un liant plastique est moulé avec une empreinte, par injection ou compression, ce qui permet d'obtenir de manière économique une forme de trou recherché et de réaliser un aimant électriquement isolant. L'aimant constitue le support de la "puce" de la sonde de Hall, l'ensemble étant surmoulé avec une résine.
L'invention est décrite dans l'exemple qui précède dans une configuration circulaire. Il est bien entendu que l'Homme de Métier pourra facilement transposer l'invention à un mode de réalisation linéaire dans lequel les dents sont alignées linéairement.
L'organe mobile pourra également être réalisé par une jante emboutie percée de trous rectangulaires.

Claims (9)

RIVIMD I CAT lOIS
1 - Capteur incrémental de position et/ou de vitesse, du type comportant un élément mobile (1) en un matériau doux présentant une succession de dents, au moins un aimant permanent (9) aimanté sensiblement perpendiculairement au plan YOZ tangeant au sommets desdites dents, et une sonde (10) sensible au sens et à l'intensité d'un champs magnétique, telle qu'une sonde de
Hall, disposée dans l'entrefer compris entre l'aimant (9) et les dents de l'élément mobile de telle sorte que son axe de plus grande sensibilité soit sensiblement perpendiculaire au plan YOZ, caractérisé en ce que la sonde de Hall (10) est située dans une zone dans laquelle se produit un inversion du sens du champ magnétique parallèles à X'X lors du déplacement de l'organe mobile par rapport à l'aimant permanent.
2 - Capteur incrémental de position et/ou de vitesse selon la revendication I caractérisé en ce que l'aimant est percé d'un trou dans la zone située sur l'axe perpendiculaire à l'axe de déplacement de l'élément mobile passant par la sonde de Hall (10).
3 - Capteur incrémental de position et/ou de vitesse selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte deux aimants (21, 23) parallèlepipèdique parallèles séparés par un intervalle (22) prévus entre les deux aimants (20, 21) et dirigé suivant le plan XOZ.
4 - Capteur incrémental de position et/ou de vitesse selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément mobile est une roue dentée.
5 - Capteur incrémental de position et/ou de vitesse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'élément mobile est une crémaillère.
6 - Capteur incrémental de position et/ou de vitesse selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'aimant (9) est un aimant disque dont le rapport du diamètre à l'épaisseur entre 1,4 et 2 mm.
7 - Capteur incrémental de position et/ou de vitesse selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'aimant est percé d'un trou dont le diamètre est compris entre 1,2 et 1,8 mm.
8 - Capteur incrémental de position et/ou de vitesse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'aimant (9) est d'un type à faible coefficient de température, par exemple en Samariumcobalt orienté à liant plastique.
9 - Capteur incrémental de position et/ou de vitesse selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'aimant (9), la sonde de Hall (10) et les circuits électroniques associés sont intégrés dans un boîtier en matière plastique réalisé par surmoulage.
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FR2724722B1 (fr) 1998-08-28

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