FR2881823A1 - Utilisation de la magneto-impedance sur un capteur de position sans contact et capteur correspondant - Google Patents

Abstract

Selon l'utilisation prévue, on réalise un conducteur électrique (1) présentant une surface (10) magnétiquement sensible soumise à l'effet magnétique d'un aimant permanent (11), cette surface variant suivant sa position relative par rapport à l'aimant, on fait varier ladite position relative entre l'aimant et la surface magnétiquement sensible, ce qui fait varier au moins une caractéristique physique de ce conducteur, et on relève ladite variation de caractéristique(s) physique(s) du conducteur électrique, cette variation étant en corrélation avec la position de l'aimant (11).

Description

2881823 1

L'invention concerne l'application de la magnéto-impédance, également appelée RMS (resistive magnetic saturation saturation magnétique résistive), au domaine des capteurs.

Plus précisément, est ici concernée l'utilisation de cette magnétoimpédance sur 5 un capteur de position sans contact, ainsi que le capteur lui-même.

Le phénomène physique concerné par le présent sujet est le suivant, de façon générale.

Un conducteur électrique parcouru par un courant électrique alternatif voit ce courant se répartir à la périphérie du conducteur.

Ce phénomène est couramment appelé l'effet de peau.

L'épaisseur de cette peau est déterminée par la formule: e= P Po É Pr f avec: e: épaisseur de la peau p: résistivité du conducteur en Ohm. mètre po: perméabilité magnétique du vide (4.Tr.10-7) N: perméabilité magnétique du matériau f: fréquence en Hertz.

Ainsi, plus la fréquence f augmente, plus l'épaisseur e de la peau diminue.

Par ailleurs, la résistance électrique d'un conducteur électrique est donnée par la formule: R = p L

S avec:

R: résistance du conducteur en Ohm p: résistance du conducteur en Ohm. mètre L: longueur du conducteur en mètre S: surface de la section du conducteur.

On note que sur un tel phénomène d'effet de peau, lorsque la fréquence f augmente pour un conducteur électrique donné (toutes choses étant égales par ailleurs), la surface S diminue et donc la résistance mesurée R augmente fortement.

Si un champ magnétique est appliqué sur le conducteur électrique réalisé en un matériau approprié, il modifie la valeur de la perméabilité magnétique du matériau (W.

Ceci à pour effet de faire chuter la résistance mesurée R par rapport au même conducteur non soumis au champ magnétique externe considéré.

Ce phénomène est déjà utilisé pour mesurer, typiquement avec grande précision, des champs magnétiques absolus et des capteurs fonctionnant sur le principe de la magnéto-impédance, et surtout sur la magnéto- impédance géante, ont été développés. Ils fonctionnent à des fréquences très élevées (supérieures au GHz, pour la magnéto-impédance géante) et utilisent en particulier les matériaux amorphes pour constituer le conducteur électrique servant d'élément sensible.

Le problème ici posé est celui d'un élargissement du domaine d'application de la magnéto-impédance, sur la base du phénomène physique ci-avant présenté, sans avoir nécessairement à mesurer avec une grande précision les champs magnétiques concernés, et sans être soumis nécessairement aux coûts élevés imposés jusqu'à présent en particulier dans le cas des capteurs précités, notamment développés en relation avec la magnéto-impédance géante.

C'est dans ce contexte qu'il est ici proposé d'utiliser ce phénomène de la magnéto-impédance sur un capteur de position sans contact, avec pour particularité que: a) on réalise un conducteur électrique présentant une surface magnétiquement sensible soumise à l'effet magnétique d'un aimant permanent, cette surface variant suivant sa position relative par rapport à l'aimant, b) on fait varier ladite position relative entre l'aimant et la surface magnétiquement sensible du conducteur électrique, ce qui fait varier au moins une caractéristique physique de ce conducteur, c) on relève ladite variation de caractéristique(s) physique (s) du conducteur électrique obtenue lors de l'étape b), cette variation étant en corrélation avec la position 25 de l'aimant.

On va ainsi pouvoir appliquer le phénomène de la magnéto-impédance notamment dans le domaine de l'industrie automobile où les conditions d'applications sont différentes de celles des capteurs antérieurs connus.

De préférence, lors des étapes b) et c), la caractéristique physique du conducteur électrique qui varie et que l'on relève est la résistance électrique de ce conducteur.

En effet, cette résistance électrique est modifiée par la variation de positons relatives entre l'aimant et la surface magnétiquement sensible du conducteur électrique et relever cette résistance est une mesure aisée et peu onéreuse, d'autant plus s'il n'est pas utile d'obtenir une précision importante dans le relevé.

Le choix de l'utilisation de la magnéto-impédance pour réaliser un tel capteur de position étant notamment un choix économique et dès lors que l'objet de la présente démarche ne sera pas de conduire une mesure quantitative exacte, on conseille que, lors de l'étape b), on soumette le conducteur électrique à une tension alternative comprise entre quelques kilohertz et moins d'une centaine de Mégahertz.

Bien que l'effet produit par l'application d'une telle gamme de fréquence soit moins important que pour les fréquences déjà connues (supérieures au Ghz pour la magnéto-impédance géante), cet effet demeure néanmoins tout à fait suffisant pour être détectable sur le type de capteur ici concerné.

Concernant l'obtention de la surface variable sur le conducteur électrique, on notera maintenant que l'on conseille l'une ou l'autre des variantes suivantes: - soit on obtient cette surface variable en faisant varier la section du conducteur 10 électrique, - soit on obtient cette surface en faisant varier la densité du conducteur électrique soumise à l'effet magnétique de l'aimant.

On doit comprendre par densité, la longueur des tronçons (de section supposée constante) de conducteur électrique vu par l'aimant, en fonctionnement.

Par exemple, la densité sera plus importante si l'aimant se déplace face à trois tronçons proches entre eux que si le même aimant, pour un même déplacement et pour une même longueur de tronçons, n'en voit que deux plus espacés.

Ainsi, suivant les endroits de déplacement de l'aimant, la surface de conducteur électrique soumise à son champ magnétique pourra varier, même si la section du 20 conducteur demeure constante.

II doit être clair que le déplacement relatif dont on fait état entre l'aimant et le conducteur électrique peut en particulier être une translation ou une rotation.

Dans ce dernier cas, on propose notamment, pour un objectif de coût réduit, d'efficacité et de fiabilité que: - lors de l'étape a), on enroule le conducteur pour qu'il présente extérieurement des tronçons se développant suivant sensiblement une spirale, - et on fait tourner de façon relative, face à face, l'aimant et cette spirale, lors de l'étape b) .

Outre l'utilisation du phénomène de magnéto-impédance tel que présenté, 30 l'invention s'applique donc à un capteur de position en tant que tel, et en particulier à un capteur de position pour un véhicule automobile, comprenant: - une zone de piste(s) conductrice(s) présentant une surface sensible au champ magnétique d'un aimant, des caractéristiques physiques, et des bornes, - un aimant permanent pour générer ledit champ magnétique sur la surface 35 sensible, - une source de puissance pour créer une tension alternative aux dites bornes de la zone de piste(s) conductrice(s) , - des moyens de déplacement pour faire varier la position relative entre l'aimant et la surface sensible, et -des moyens de relevé, pour relever une variation d'au moins une des caractéristiques physiques de la zone de piste(s) conductrice(s) générée par ladite 5 variation de position relative.

Comme déjà indiqué, on conseille que les moyens de relevé comprennent des moyens de relevé de la résistance électrique ou de la variation de résistance électrique de ladite zone de piste(s) conductrice(s).

Pour satisfaire aux objectifs visés de coûts compétitifs, de fiabilité et d'efficacité, on conseille par ailleurs que le conducteur électrique comprenne ou soit constitué (au moins dans sa zone sensible) avec un matériau paramagnétique ou un matériau ferromagnétique.

Pour par ailleurs favoriser encore l'efficacité du capteur, voire sa sensibilité, on conseille en outre que: - l'aimant soit mobile par rapport à la surface sensible suivant une direction de déplacement, et - la zone de piste(s) conductrice(s) présente majoritairement ou exclusivement des portions de piste(s) conductrice(s) non perpendiculaires à la direction de déplacement de l'aimant.

Pour un objectif comparable, et de façon complémentaire ou alternative, on propose que l'aimant soit muni de pièces polaires pour focaliser le champ magnétique.

Dans la description encore plus détaillée qui suit, les figures illustrent des exemples de réalisation dans lesquels: - la figure 1 montre schématiquement un exemple de capteur de position sans contact conforme à l'invention, conçu sur la base évoquée de la magnéto-impédance, - la figure 2 schématise en vue de coté d'un capteur de position avec un aimant muni de pièces polaires, - et les figures 3, 4, 5, 6, 7 et 8 montrent différentes géométries de conducteurs électriques (appelés également zones de piste(s) conductrice(s), ci-avant).

L'objet de la démarche n'est donc a priori pas ici de faire une mesure quantitative exacte (mesure de champs magnétique extérieur comme c'était le cas des capteurs GMI) Dans ce qui suit, on considérera par ailleurs que la caractéristique physique du conducteur électrique 1, dans la zone sensible 10 soumise à l'effet de l'aimant, qui doit varier pour permettre l'utilisation du phénomène de magnéto-impédance (ou RMS) concerne l'impédance et en particulier la résistance R de ce conducteur, à la fréquence de stimulation.

Avant d'en venir précisément aux figures on notera encore que le capteur de position de l'invention basé donc favorablement sur la variation de la résistance R d'un conducteur électrique, en particulier en matériau paramagnétique ou ferromagnétique, et soumis à une tension alternative de fréquence f, se décrit de manière générale comme suit: -un aimant permanent générant un champ magnétique connu se déplace en regard du conducteur électrique concerné, - il "perturbe" et annule partiellement ou totalement l'effet de peau se produisant dans sa zone d'effet, - la résistance R du conducteur est donc modifiée, - et la mesure de cette résistance permet de localiser la position de l'aimant.

Ceci n'est toutefois possible, pour un conducteur électrique donné, que si sa forme, et donc la surface soumise à l'effet de l'aimant, varie en fonction de la position de cet aimant. En effet, un conducteur rectiligne de section uniforme voit localement sa résistance varier sous l'effet du champ magnétique issu de l'aimant permanent, mais d'un point de vue global sa résistance est constante, même si elle est très inférieure à celle mesurée en l'absence d'aimant.

En réalisant un conducteur en matériau approprié, et avec une surface soumise à l'effet de l'aimant qui va varier en fonction du positionnement de cet aimant, ce dernier va masquer des surfaces différentes et la résistance totale du conducteur va varier.

Ceci peut être favorablement atteint de différentes manières. En particulier: - en faisant varier la section du conducteur. Ceci est réalisable facilement avec un conducteur solidaire du PCB (support pour circuits imprimés), par exemple. Il suffit de réaliser des pistes (constitutives du conducteur) de largeurs différentes et l'effet recherché est obtenu, et/ou en variant la densité de conducteur soumis à l'aimant. Si on reprend l'exemple précédent d'une piste conductrice gravée sur un PCB, il suffit par exemple de réaliser des boucles ou méandres plus ou moins serrés pour parvenir au résultat.

Pour des raisons économiques et de rapport efficacité/coût, les matériaux amorphes très coûteux- peuvent être avantageusement remplacés par des matériaux ferromagnétiques tel que du N-métal par exemple. Ceci permet d'utiliser un aimant de faible coût et de néanmoins obtenir d'excellents résultats. Sur un PCB, une pellicule de p-métal peut ainsi être appliquée. Les pistes sont ensuite gravées.

Le p-métal est un alliage magnétique doux, qui a une structure cristalline relativement stable, compte-tenu des différentes traitements survenant dans son procédé de fabrication, et une bonne conductivité thermique. C'est un alliage à base de Nickel et de fer (77% Ni, 14% Fe, 5% Cu, 4% Mo par exemple).

Le Permalloy est un autre nom commercial d'alliage magnétique utilisable connu. D'autres matériaux sont disponibles. Le fer pourrait être utilisé par exemple, mais il y aurait alors lieu de modifier les fréquences de fonctionnement du courant alternatif associé au capteur, afin d'atteindre une bonne performance.

Sur la figure 1, on retrouve donc un conducteur électrique 1 alimenté par une alimentation alternative telle qu'une source 3 de puissance AC et relié à la masse en 5.

Une tension d'entrée U1 alternative peut ainsi être appliquée entre les bornes 1 a, 1 b du conducteur 1.

En particulier pour un conducteur 1 en matériau paramagnétique ou ferromagnétique, cette tension U, sera comprise entre quelques centaines de Hz et moins d'un millier de MHz et avantageusement entre quelques KHz et moins de 100 MHz et encore plus avantageusement (pour ces matériaux) entre 5 KHz et 50 MHz.

En sortie (borne 1 c), le conducteur électrique 1 peut être relié à un voltmètre permettant de mesurer l'amplitude du signal de sortie.

On pourra utiliser une source de tension alternative modulée en amplitude pour faciliter encore l'électronique de mesure de la tension de sortie en fonction de la variation de résistance de l'élément sensible.

Le conducteur électrique 1 définit une zone de pistes conductrices, appelées également pistes résistives, 10, constituant la partie sensible du capteur avec, à l'endroit où le conducteur passe, une surface magnétiquement sensible (délimitée par le contour 10) soumise à l'effet magnétique d'un aimant permanent 11 disposé en face.

Comme montré figure 2, la zone de pistes conductrices 10 peut en particulier être formée sur un substrat support habituellement dénommé PCB (Printed Circuit Board) utilisé communément pour la réalisation des cartes électroniques.

Face à ces pistes résistives, l'aimant 11 est, sur les figures 1 et 2, déplaçable en translation suivant une direction 11 a parallèle à la direction d'allongement des pistes.

Dans le cas de la figure 1, (mais ceci est applicable aux autres géométries de pistes résistives des figures 3 à 8), on pourra utiliser cet élément sensible conducteur comme on utiliserait un potentiomètre. Toutefois on pourrait préférer recourir à un pont de Wheastone ou une de ses variantes, voir à d'autres moyens connus. Compte-tenu de la géométrie retenue pour le conducteur dans la zone 10, c'est le rapport de tensions U3/U4 qui variera suivant la position de l'aimant 11, U3 et U4 étant respectivement les tensions alternatives entre les bornes 1 a, l c et 1 b, l c.

Sur la figure 1, mais également sur la figure 3, l'aimant 11 mobile s'étend sur 35 toute la largeur de la zone de pistes résistives 10, pour rendre sensible une surface la plus large possible.

Le mouvement relatif entre l'aimant et la zone sensible du conducteur électrique 1 peut être généré par tout organe, ou groupe d'organes, approprié, comme par exemple un arbre moteur, arbre à came, vilebrequin (sur un moteur d'automobile), ou encore l'embrayage, la suspension...

Figure 6, un bout d'arbre moteur 12 entraînant en rotation l'aimant 11 fixé à une extrémité libre a été schématisé.

Figures 1 et 3 à 5, où le mouvement de l'aimant est (comprend) une translation, des glissières pourraient guider et orienter ce déplacement transversal, suivant la direction 11 a (voir traits mixtes 14a et 14b, figure 3).

On remarquera qu'en partie centrale, le conducteur électrique 1 présente typiquement un tronçon essentiellement rectiligne 13 présentant une pente peu inclinée par rapport à 11 a et s'étendant sur la longueur L de la zone sensible 10, de sorte que sur cette zone le conducteur électrique 10 présente, de part et d'autre de ce tronçon central essentiellement rectiligne de liaison et donc de l'axe central 11a, deux surfaces (à peu près) semblables 15a, 15b, crénelées ou à méandres se développant respectivement en accroissement et en décroissant, dans un sens et en sens inverse, selon l'axe 11a, et suivant sensiblement deux surfaces triangulaires inversées. La borne 1 c est à une extrémité du tronçon 13 (figure 1).

Toujours figure 1, ce tronçon est rectiligne. Le signal alternatif de sortie U2 20 évoluera donc suivant une pente constante, si l'aimant se déplace suivant 11a, comme montrée sur la courbe du bas de cette figure 1.

Sur la figure 4, on a joué sur la géométrie de la piste résistive 1 en partie centrale, où un plat a été créé au centre, ce plat apparaissant tant sur le tronçon central incliné 13 (en 13a) que, de part et d'autre, à l'endroit des créneaux adjacents supérieur et inférieur, respectivement 25a et 25b pour deux d'entre eux, un certain nombre de créneaux adjacents et successifs (ici trois de chaque côté) présentant une même surface soumise à l'effet de l'aimant.

On pourra ainsi obtenir un plat, en 17, sur la courbe U2=f/(L) montrée en bas de la figure 4, cette partie horizontale de la courbe, permettant, par comparaison avec les pentes respectivement amont 17a et aval 17b, toutes deux constantes, de repérer une position particulière, comme ici une position centrale de l'aimant, par rapport à la surface générale 10.

Plus généralement, on pourra obtenir la courbe de son choix, en fonction de la géométrie de la piste résistive 1 et la position de cette évolution géométrique sur cette 35 piste, en adaptant donc la variation de densité du conducteur.

Sur les figures 3 et 5, on notera deux autres formes de géométrie de zone de piste conductrice 10 élaborées sur la base d'une variation de densité du conducteur électrique 1 soumis à l'effet magnétique de l'aimant: forme crénelée et globalement triangulaire sur la figure 3 et forme crénelée à épaisseur de créneaux allant en diminuant dans un sens, suivant la direction de déplacement 11 a sur la figure 5.

En complément ou en alternative, on pourrait, comme déjà indiqué, travailler sur la section du conducteur électrique 1, en l'augmentant ou en la diminuant suivant que l'on veut accroître ou réduire le signal en réponse, en liaison avec l'effet produit par l'aimant en déplacement.

Sur la figure 3, on remarquera l'angle d'inclinaison a entre la direction 19a perpendiculaire à l'axe de déplacement 11a de l'aimant 11 et la direction 19b parallèlement à laquelle s'étendent la majorité (ici tous) les côtés latéraux tels que 21 et 23 des créneaux formés par le conducteur 1 dans la zone 10, avec 0 <a<90 .

Ici, l'angle a est de l'ordre de 2 à 10 .

Les autres tronçons, respectivement de fond et d'extrémité, tels que 25 et 27, de cette zone de la piste conductrice étant parallèles ou sensiblement parallèles à l'axe de déplacement 11 a, on aura donc majoritairement, ou exclusivement dans ce cas, une zone de piste conductrice présentant des portions telles que 21,23,25,27 non perpendiculaires à la direction de déplacement 11 a de l'aimant.

L'effet obtenu est de lisser la courbe issue de la mesure qui présenterait sinon, pour une valeur de a nulle, de petits sauts sur la courbe.

Egalement pour favoriser la sensibilité des mesures, à coût maîtrisé, on a montré figure 2 que l'aimant 11 pourra favorablement être muni de pièces polaires 29a, 29b situées de part et d'autre de ses côtés transversaux à l'axe de déplacement 11 a.

Figures 6, 7 et 8, le capteur de position de l'invention est utilisé pour des mesures de déplacements rotatifs, comme par exemple sur la figure 6 en bout d'arbre 12, avec ici un dessin carré de la zone de piste résistive 10 et un aimant rectangulaire 11, la géométrie de la zone 10 pouvant correspondre à celle de la figure 4, sur une surface carrée et non pas rectangulaire.

On peut ainsi obtenir une variation en cose et sine, dont on peut tirer l'angle 8, d'après la formule 8 = arc tang (sin/cos).

Sur les figures 7 et 8, on voit respectivement deux pistes conductrices correspondant aux conducteurs électriques 30 et 31.

Pour définir la zone sensible 10, chaque conducteur 30, 31 a été enroulé pour présenter extérieurement des tronçons, respectivement 30a, 30b; 31 a, 31 b, pour deux d'entre eux dans chaque cas, ces tronçons se développant suivant sensiblement une spirale, ainsi qu'on peut le voir. Et c'est face à cette spirale que tournera l'aimant, pour obtenir le capteur magnétorésistif ici recherché.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Utilisation de la magnéto-impédance sur un capteur de position sans contact, dans laquelle: a) on réalise un conducteur électrique (1) présentant une surface (10) magnétiquement sensible soumise à l'effet magnétique d'un aimant permanent (11), cette 5 surface variant suivant sa position relative par rapport à l'aimant, b) on fait varier ladite position relative entre l'aimant et la surface magnétiquement sensible du conducteur électrique, ce qui fait varier au moins une caractéristique physique (R) de ce conducteur, c) on relève ladite variation de caractéristique(s) physique(s) du conducteur 10 électrique obtenue lors de l'étape b), cette variation étant en corrélation avec la position de l'aimant (11).

2. Utilisation selon la revendication 1 caractérisée en ce que, lors des étapes b) et c), la caractéristique physique du conducteur électrique qui varie et que l'on relève est l'impédance de ce conducteur électrique.

3. Utilisation selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que, lors de l'étape b), on soumet le conducteur électrique (1) à une tension alternative comprise entre quelques kilohertz et moins d'une centaine de Mégahertz.

4. Utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que, lors de l'étape a), on obtient ladite surface variable (10) en faisant varier la 20 section du conducteur électrique (1) .

5. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, lors de l'étape a), on obtient ladite surface variable en faisant varier la densité du conducteur électrique (1) soumise à l'effet magnétique de l'aimant (11).

6. Utilisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, 25 caractérisée en ce que: - lors de l'étape a), on enroule le conducteur pour qu'il présente extérieurement des tronçons (30a, 30b; 31a, 31b) se développant suivant sensiblement une spirale (30,31), - et on fait tourner de façon relative, face à face, l'aimant (11) et cette spirale, lors 30 de l'étape b).

7. Capteur de position comprenant: - une zone de piste(s) conductrice(s) (1, 10) présentant une surface sensible au champ magnétique d'un aimant (11), des caractéristiques physiques, et des bornes (1 a, lb, 1c), - un aimant permanent (11) pour générer ledit champ magnétique sur la surface sensible, - une source de puissance (3) pour créer une tension alternative auxdites bornes de la zone de piste(s) conductrice(s), - des moyens de déplacement (12) pour faire varier la position relative entre l'aimant et la surface sensible (10), - des moyens de relevé (9) pour relever une variation d'au moins une des caractéristiques physiques de la zone de piste(s) conductrice(s) générée par ladite variation de position relative.

8. Capteur de position selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de relevé comprennent des moyens (9) de relevé de la résistance électrique (R) ou d'une variation de résistance électrique de ladite zone de piste(s) conductrice(s).

9. Capteur de position selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en que le conducteur électrique (11) comprend un matériau paramagnétique ou un matériau ferromagnétique.

10. Capteur selon l'une des revendications 7 à 9 caractérisé en ce que: l'aimant (11) est mobile par rapport à la surface sensible suivant une direction de déplacement (11a), et - la zone de piste(s) conductrice(s) (10) présente majoritairement ou exclusivement des portions (21, 23, 25, 27) de piste conductrice non perpendiculaires à la direction (11a) de déplacement de l'aimant.

11. Capteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'aimant (11) est muni de pièces polaires (29a, 29b) pour focaliser le champ magnétique.