FR2830614A1 - Capteur de position sans contact de type a inductance mutuelle - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un capteur de position sans contact, de type à inductance mutuelle comportant un premier sous-ensemble (1) comprenant un substrat (3) portant une bobine pour générer un flux magnétique alternatif (4) et au moins une bobine de collection (5) d'une partie dudit flux. Le couplage entre lesdites bobines (4-5) est réalisé par un circuit magnétique comprenant deux plaques (8-9) à forte perméabilité magnétique disposées de part et d'autre du premier sous-ensemble (1) et des plots ferromagnétiques (11) positionnés à proximité des bobines de collection (5). Ces plots (11) assurent la jonction entre les plaques (8-9) à forte perméabilité magnétique. Un aimant (17) placé en regard du circuit magnétique et mobile selon au moins une direction permet de modifier le couplage entre lesdites bobines (4-5). Ces variations dans le couplage sont mesurées aux bornes des bobines de collection (5) ce qui permet de déterminer avec précision la position de l'aimant (17) dans une direction prédéterminée.

Description

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La présente invention concerne un capteur de position sans contact de type à inductance mutuelle.
L'invention est du domaine des capteurs de position. Elle concerne en particulier un capteur utilisé dans le domaine automobile pour détecter la position d'éléments moteurs ou d'éléments de commandes, tels que colonne de direction, manette de commandes des lumières, des essuie-glaces, etc.
Dans le domaine automobile en particulier, il existe un besoin important de connaissance de position de manettes mobiles, par exemple pour des commandes de contrôle du véhicule, ou de niveaux par exemple d'essence ou autres fluides moteurs. De plus, on constate aujourd'hui, avec l'augmentation du contenu électronique des véhicules, un souhait de connaître plus de paramètres de fonctionnement de tous les éléments du moteur, avec par exemple la position de commandes ou d'actionneurs, le couple appliqué sur la barre de direction, la position du levier de vitesse, etc..
Des capteurs de positions précis, économiques à réaliser et de petite taille sont donc de plus en plus indispensables.
On utilise couramment dans ce domaine des potentiomètres résistifs. Pour des raisons de fiabilité, il est souhaitable de remplacer ce type de capteurs par des capteurs sans contact, sans pour autant augmenter leur coût.
On connaît déjà des capteurs de position inductifs sans contact On peut citer dans ce domaine le document US 5.204. 621 (Position Sensor Employing a Soft Magnetic Core) qui décrit un dispositif comprenant une bobine de mesure encadrée par deux bobines d'excitation de polarité opposée disposées sur un cylindre (ou une feuille plate) qui comporte une feuille interne en V de matériau ferromagnétique, dans lequel est mobile en translation un petit aimant.
L'aimant génère dans le noyau une zone de saturation qui interrompt les lignes de champ crées par les bobines d'excitation, modifiant la part de chacune d'elles dans le signal mesuré aux bornes de la bobine de mesure. L'aimant est alors attaché à la pièce mobile dont on souhaite mesurer le déplacement. Dans le cas de dispositif
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plan, le petit aimant est mobile au contact d'une couche de protection et de glissement en face de deux bobines et la mesure est réalisée de façon différentielle également.
On comprend que ce dispositif n'est pas adapté à une mesure de position à distance ou à travers une paroi. Par ailleurs, il est relativement complexe dans le cas de réalisation en cylindre, et conduit à des phénomènes de frottement indésirables dans le cas de dispositif plan.
On connaît, par ailleurs, un capteur analogique de position linéaire ou angulaire sans contact (FR 2 800.459) dont un mode de réalisation décrit un substrat portant une première et une deuxième bobines plates. La première bobine, dite émettrice, génère un flux magnétique et la seconde, dite réceptrice, reçoit une partie dudit flux.
Le couplage entre ces deux bobines est assuré par la présence de deux couches noyau en matériau à forte perméabilité magnétique, placées de part et d'autre du substrat. Le déplacement d'un aimant au regard de la couche noyau vient saturer le matériau ferromagnétique et réduire le coefficient de couplage entre les bobines. Les variations de l'amplitude des courants induits mesurés aux bornes de la deuxième bobine permettent de connaître la position dudit aimant.
Cependant, la bobine réceptrice est mal placée par rapport à la bobine émettrice et le couplage entre lesdites bobines par la seule présence des couches noyau ne suffit pas à amener un signal exploitable aux bornes de la bobine réceptrice.
L'objectif de la présente invention est de proposer un capteur de position sans contact, simple dans sa conception et dans son mode opératoire, économique et adapté à des mesures de position à travers une paroi, recevant un signal induit aux bornes de la bobine réceptrice suffisant pour mesurer avec précision la position de l'aimant
A cet effet, l'invention concerne un capteur de position sans contact, de type à inductance mutuelle comportant : 'un premier sous-ensemble ayant un axe principal et comprenant un substrat portant une bobine pour générer un flux magnétique alternatif et au moins une bobine de collection d'une partie dudit flux,
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e un deuxième sous-ensemble comportant deux plaques à forte perméabilité magnétique disposées de part et d'autre du premier sous-ensemble et solidaires de celui-ci, e un aimant placé en regard du deuxième sous-ensemble, ledit aimant étant mobile selon au moins une direction, ladite direction étant sensiblement parallèle à l'axe principal du premier sous- ensemble, e des moyens de mesure et d'analyse du signal mesuré aux bornes des bobines de collection, a des moyens de commande de la bobine pour générer un flux magnétique alternatif.
Selon l'invention : a le deuxième sous-ensemble comprend au moins un plot ferromagnétique permettant la jonction des plaques à forte perméabilité magnétique, l'ensemble comprenant lesdits plots ferromagnétiques et le deuxième sous-ensemble formant un circuit magnétique, et * chacun desdits plots ferromagnétiques est positionné à proximité des bobines de collection.
Dans différents modes de réalisation possibles, la présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles : - la bobine pour générer le flux magnétique alternatif et les bobines de collection sont portées par un substrat qui comprend un évidement pour le passage des plots, - les plots ferromagnétiques sont fixés à au moins une des plaques du circuit magnétique, - les plots ferromagnétiques et les plaques sont sertis, - les plots ferromagnétiques et les plaques sont soudés, - les plots ferromagnétiques et les plaques sont rivetés, - le matériau constitutif des plaques du circuit magnétique est un matériau à haute perméabilité magnétique,
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- les plots ferromagnétiques et les plaques du circuit magnétique sont constitués du même matériau, - les plots ferromagnétiques sont réalisés par emboutissage desdites plaques, - les plots ferromagnétiques sont réalisés à partir d'une poudre compacte, - les plaques du circuit magnétique sont fendues au moins partiellement dans une direction sensiblement parallèle à l'axe principal, - la bobine pour générer un flux magnétique alternatif et les bobines de collection sont plates et de forme rectiligne, - la bobine pour générer un flux magnétique alternatif et les bobines de collection sont plates et conformées en arc de cercle, - les bobines de collection comprennent deux bobines plates coplanaires disposées de part et d'autre de la bobine pour mesurer un flux magnétique alternatif, le capteur de position formant alors un capteur différentiel, - les bobines plates sont des bobines de type spirale allongée, - les bobines plates sont sensiblement rectangulaires, - le substrat est un circuit imprimé, - l'aimant est en ferrite et de puissance suffisante pour saturer partiellement les plaques du circuit magnétique.
L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un capteur de position à mesure de couplage différentiel selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe des éléments composant le capteur de position, selon l'invention ; - la figure 3 est une représentation schématique d'un capteur de position sans contact angulaire, selon l'invention ;
Le capteur de position sans contact, selon l'invention, comporte un premier sous-ensemble 1 ayant un axe principal 2 et comprenant un substrat 3. Ce substrat 3 porte une bobine pour générer un flux magnétique alternatif 4 et au moins une bobine de collection 5 d'une partie dudit flux. Dans un mode de réalisation, les bobines de collection
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5 comprennent deux bobines plates coplanaires disposées de part et d'autre de la bobine pour générer un flux magnétique alternatif 4. Le capteur de position forme alors un capteur différentiel. Cette disposition des bobines de collection 5 permet avantageusement de compenser des tolérances des inductances (erreur sur les dimensions de bobine, matériau ferromagnétique, etc..) et des effets de température.
Les bobines 4-5 sont plates et comportent préférentiellement un grand nombre de spires. Avantageusement, les bobines 4-5 sont de type spirale allongée, sensiblement rectangulaires et centrées sur le substrat 3. Dans un premier mode de réalisation, les bobines 4-5 sont de forme rectiligne. Elles permettent la réalisation de capteurs de position linéaire. Dans un autre mode de réalisation lesdites bobines 4- 5 sont conformées en arc de cercle. Elles permettent alors la réalisation de capteurs de position angulaire.
Le substrat 3 est isolant et en matière synthétique. A titre d'exemple non limitatif, le substrat 3 est en époxy. Dans un premier mode de réalisation, les bobines 4-5 sont gravées directement sur le substrat 3. La gravure des bobines 4-5 est obtenue par un procédé de gravure photochimique. Dans un autre mode, les bobines 4-5 sont déposées sur le substrat 3.
Des moyens de commande 6 permettent d'injecter un courant alternatif dans la bobine pour générer un flux magnétique alternatif 4.
Une partie de ce flux magnétique crée est alors canalisée par les bobines de collection 5. Cependant, la disposition des bobines de collection 5 et de la bobine pour générer un flux magnétique alternatif 4 ne favorise pas un couplage important entre lesdites bobines 4-5. Le capteur comprend donc un deuxième sous-ensemble 7 comportant deux plaques 8-9 à forte perméabilité magnétique et de faible champ de saturation. Ces plaques 8-9 disposées de part et d'autre du premier sous-ensemble 1 et solidaires de celui-ci assurent un couplage entre les bobines 4-5. Les plaques 8-9 peuvent, en effet, être regardées comme possédant une"capacité de conduction magnétique". Dans un mode de réalisation préféré, le matériau constitutif de ces plaques 8-9 a une perméabilité magnétique de l'ordre de 100 000 fois celle de l'air
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et un champ de saturation voisin de 0,8 Tesla. Avantageusement, les plaques ferromagnétiques 8-9 sont en mumétal.
Les bobines de collection 5 en contact avec l'une des plaques ferromagnétiques 8 sont donc traversées par une partie du flux magnétique généré par la bobine 4 alimentée en courant alternatif et sont reliées aux bornes de moyens de mesure de tension 10. Afin d'accentuer l'effet de la présence des deux plaques ferromagnétiques 8-9, le deuxième sous-ensemble 7 comprend au moins un plot ferromagnétique 11 permettant la jonction desdites plaques 8-9.
L'ensemble comprenant les plots ferromagnétiques 11 et le deuxième sous-ensemble 7 forme un circuit magnétique dans lequel le flux magnétique est guidé. Chacun des plots ferromagnétiques 11 est positionné au centre des bobines de collection 5 afin d'augmenter le flux magnétique collecté par lesdites bobines 5. Les plots 11 sont placés dans un mode de réalisation, sur le pourtour 12 du substrat 3 et assurent la jonction entre les plaques 8-9. Dans un mode de réalisation préféré, un plot ferromagnétique 11 est associé à chaque bobine de collection 5 et chacun desdits plots 11 est centré sur la bobine de collection 5 correspondante. Le substrat 3 portant les bobines de collection 5 est évidé pour le passage des plots 11. Chaque évidement 13 a un axe principal 14 passant par le centre 15 de la bobine de collection 5 correspondante. Cette disposition des plots 11 permet avantageusement de guider une quantité plus importante du flux magnétique directement vers le centre 15 des bobines de collection 5. Le signal mesuré aux bornes de ces bobines 5 est donc plus facilement exploitable.
Les plots 11 sont définis comme étant des pièces de dimensions réduites telles qu'elles puissent être insérées dans l'espace libre centrale des bobines de collection 5. Préférentiellement, les plots 11 sont solidaires d'au moins une des deux plaques ferromagnétiques 8-9. Dans un mode de réalisation, les plots ferromagnétiques 11 et les plaques 8-9 du circuit magnétique sont réalisés dans le même matériau. Les plots ferromagnétiques 11 sont alors avantageusement réalisés par emboutissage desdites plaques 8-9. Dans un autre mode de réalisation, les plots 11 sont réalisés à partir d'une poudre
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compacte ou liée comme par exemple de la ferrite ou de la poudre de fer. Les courants de Foucault générés dans le circuit magnétique pour des fréquences élevées sont ainsi évités et le flux magnétique peut traverser librement les plots 11 d'une plaque à l'autre.
Avantageusement encore, les plaques ferromagnétiques 8-9 sont fendues au moins partiellement dans une direction sensiblement parallèle à l'axe principal 2. Préférentiellement, la fente 16 est réalisée au milieu des plaques 8-9. Cette disposition permet d'éviter les courants de Foucault dans les plaques 8-9 selon ladite direction et supprime d'éventuels effets secondaires en court-circuit juste à la sortie des plots ferromagnétiques 11. La jonction entre les plots 11 et les plaques 8-9 est à titre d'exemple réalisée selon un des modes de jonction suivants : soudage, sertissage, rivetage, collage et emboîtement élastique.
Le capteur comprend également un aimant 17 placé en regard du deuxième sous-ensemble 7. L'aimant 17 est mobile selon au moins une direction, ladite direction étant sensiblement parallèle à l'axe principal 2 du premier sous-ensemble 1. L'aimant 17 est choisi de telle sorte que le champ magnétique qu'il engendre, sature complètement le matériau à forte perméabilité magnétique des plaques 8-9 dans une zone spatiale recouvrant au moins en totalité le deuxième sous-ensemble 7 dans une direction perpendiculaire à l'axe principal 2. La saturation du matériau à forte perméabilité magnétique entraîne une variation du couplage entre les bobines de collection 5 et la bobine pour générer un flux magnétique alternatif 4. Cette variation est mesurable aux bornes des bobines de collection 5 et permet de déterminer avec précision la position de l'aimant 17 dans une direction prédéterminée.
Avantageusement, l'aimant 17 est en ferrite.
Le présent capteur de position sans contact peut avantageusement être utilisé pour la réalisation de capteur basé sur la technologie 1 MS ("1 nductive Magnetic Saturation"-Saturation de type magnétique à inductance) pour la détermination de la position de pièces mobiles au cours de leur déplacement, que ce soit de manière linéaire (enfoncement d'une pédale, course d'une suspension,..) ou
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angulaire (position d'un papillon des gaz, suivi de rotation d'une colonne de direction,..).
EXEMPLE COMPARATIF.
On a procédé à une série de tests pour apprécier l'efficacité de deux types de capteurs de position sans contact : des capteurs comprenant des plaques à forte perméabilité magnétique 8-9 et des capteurs intégrant des plots ferromagnétiques 11 pour assurer la jonction des plaques 8-9.
Les résultats marquants sont les suivants :
Figure img00080001
<tb>
<tb> Capteur <SEP> sans <SEP> plots <SEP> Capteur <SEP> avec <SEP> plots
<tb> Taille <SEP> du <SEP> substrat <SEP> (largeur <SEP> x <SEP> 3 <SEP> x <SEP> 30 <SEP> 3 <SEP> x <SEP> 30
<tb> Longueur <SEP> en <SEP> cm)
<tb> Nombre <SEP> de <SEP> spires <SEP> par <SEP> 40 <SEP> 40
<tb> bobine
<tb> Courant <SEP> injecté <SEP> dans <SEP> la <SEP> 100 <SEP> 100
<tb> bobine <SEP> pour <SEP> générer <SEP> un <SEP> flux
<tb> magnétique <SEP> (mA)
<tb> Tension <SEP> mesurée <SEP> (mV) <SEP> Non <SEP> significatif <SEP> 100
<tb> bobine <SEP> de <SEP> collection <SEP> n 1
<tb> Tension <SEP> mesurée <SEP> (mV) <SEP> Non <SEP> significatif <SEP> 100
<tb> bobine <SEP> de <SEP> collection <SEP> n 2
<tb>
Ces résultats ont été obtenus, selon l'invention, avec des plots 11 en ferrite de dimensions 5 mm x 5 mm x 2 mm, des plaques 8-9 en FeSiGO de 30 mm x 300 mm x 0,3 mm. La jointure entre les plaques 8- 9 et les plots 11 a été réalisée par pression. Le substrat en époxy a pour dimension 30 mm x 300 mm x 2 mm. La mesure non significative dans l'exemple de référence de l'art antérieur est ainsi excellente.
Il résulte de ces tests qu'en l'absence de plots 11 pour assurer la jonction entre les plaques à forte perméabilité magnétique 8-9, le signal mesuré aux bornes des bobines de collection 5 n'est pas
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exploitable.

Claims (18)

REVENDICATIONS
1. Capteur de position sans contact, de type à inductance mutuelle comportant : un premier sous-ensemble (1) ayant un axe principal (2) et comprenant un substrat (3) portant une bobine (4) pour générer un flux magnétique alternatif et au moins une bobine de collection (5) d'une partie dudit flux, un deuxième sous-ensemble (7) comportant deux plaques à forte perméabilité magnétique (8-9) disposées de part et d'autre du premier sous-ensemble (1) et solidaires de celui-ci, un aimant (17) placé en regard du deuxième sous-ensemble (7), ledit aimant (17) étant mobile selon au moins une direction, ladite direction étant sensiblement parallèle à l'axe principal (2) du premier sous-ensemble (1), des moyens de mesure et d'analyse (10) du signal mesuré aux bornes des bobines de collection (5), des moyens de commande (6) de la bobine pour générer un flux magnétique alternatif (4), caractérisé en ce que : le deuxième sous-ensemble (7) comprend au moins un plot ferromagnétique (11) permettant la jonction des plaques à forte perméabilité magnétique (8-9), l'ensemble comprenant lesdits plots ferromagnétiques (11) et le deuxième sous-ensemble (7) formant un circuit magnétique, et en ce que chacun desdits plots ferromagnétiques (11) est positionné à proximité des bobines de collection (5).
2. Capteur de position selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bobine (4) pour générer le flux magnétique alternatif et les bobines de collection (5) sont portées par un substrat (3) qui comprend un évidement (13) pour le passage des plots (11).
3. Capteur de position selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les plots ferromagnétiques (11) sont unitaires à au moins une des plaques (8-9) du circuit magnétique.
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4. Capteur de position selon les revendication 1 à 3, caractérisé en ce que les plots ferromagnétiques (11) et les plaques (8-9) sont sertis.
5. Capteur de position selon les revendication 1 à 3, caractérisé en ce que les plots ferromagnétiques (11) et les plaques (8-9) sont soudés.
6. Capteur de position selon les revendication 1 à 3, caractérisé en ce que les plots ferromagnétiques (11) et les plaques (8-9) sont rivetés.
7. Capteur de position selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau constitutif des plaques (8-9) du circuit magnétique est un matériau à haute perméabilité magnétique.
8. Capteur de position selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les plots ferromagnétiques (11) et les plaques (8-9) du circuit magnétique sont constitués du même matériau.
9. Capteur de position selon la revendication 8, caractérisé en ce que les plots ferromagnétiques (11) sont réalisés par emboutissage desdites plaques (8-9).
10. Capteur de position selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les plots ferromagnétiques (11) sont réalisés à partir d'une poudre compacte.
11. Capteur de position selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les plaques (8-9) du circuit magnétique sont fendues au moins partiellement dans une direction sensiblement parallèle à l'axe principal (2).
12. Capteur de position selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la bobine pour générer un flux magnétique alternatif (4) et les bobines de collection (5) sont plates et de forme allongée.
13. Capteur de position selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la bobine pour générer un flux magnétique alternatif (4) et les bobines de collection (5) sont plates et conformées en arc de cercle.
14. Capteur de position selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les bobines de collection (5) comprennent deux
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bobines plates coplanaires disposées de part et d'autre de la bobine pour mesurer un flux magnétique alternatif (4), le capteur de position formant alors un capteur différentiel.
15. Capteur de position selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que les bobines plates (4-5) sont des bobines de type spirale allongée.
16. Capteur de position selon l'une des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que les bobines plates (4-5) sont sensiblement rectangulaires
17. Capteur de position selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le substrat (3) est un circuit imprimé.
18. Capteur de position selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que l'aimant (17) est en ferrite et de puissance suffisante pour saturer partiellement les plaques du circuit magnétique.
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