WO2007099238A1 - Capteur de position a direction d'aimantation variable et procede de realisation - Google Patents

Capteur de position a direction d'aimantation variable et procede de realisation Download PDF

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WO2007099238A1
WO2007099238A1 PCT/FR2007/000382 FR2007000382W WO2007099238A1 WO 2007099238 A1 WO2007099238 A1 WO 2007099238A1 FR 2007000382 W FR2007000382 W FR 2007000382W WO 2007099238 A1 WO2007099238 A1 WO 2007099238A1
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magnet
sensor according
displacement sensor
magnetic
magnetization
Prior art date
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PCT/FR2007/000382
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English (en)
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Nikola Jerance
Richard Arlot
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Moving Magnet Technologies (Mmt)
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Publication date
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/30—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
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    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
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Definitions

  • the present invention relates to the field of magnetic position sensors comprising at least one permanent magnet.
  • the present invention proposes to use more particularly a permanent magnet having a direction of variable magnetization in the direction of displacement.
  • patent FR2691534 linear position sensor but the size and length of the magnet used limit the practical use of this sensor for large races. This sensor also has a hysteresis due to the ferromagnetic stators and the measurement depends on the variation of the residual induction which must be compensated. Also known is the patent US06211668 linear position sensor, but the magnetic field variation in this sensor is directly related to these dimensions, which limits its practical achievement for major races. This sensor also measures the intensity of the field. magnetic, which makes it dependent on the variation of the permanent induction of the permanent magnet with respect to temperature and time.
  • the present invention proposes to remedy all or part of the problems mentioned above by proposing a magnetic rotary displacement sensor, linear or curvilinear using at least one permanent magnet and at least one magnetosensitive element, movable relative to one another. other, characterized in that the magnet has a direction of magnetization which varies substantially linearly in the direction of movement of the magnet on a surface defined by said direction of travel and a normal direction, excluding a diametrical magnetization in the case of a rotary sensor.
  • the magnet is constituted by a magnet generating a magnetic field whose normal component (Y) on the one hand, and at least one of the tangential (X) or transverse (Z) components on the other hand, measured on the surface of the magnet, periodically varies with N periods on the displacement path, N being an integer.
  • the invention relates to a sensor with a large linear stroke. To do this, we use a movable magnet of length substantially corresponding to the useful stroke whose magnetization varies substantially linearly in the direction of travel. In the vicinity of this magnet, this magnetization generates a magnetic field whose components tangential (X), normal (Y) and transverse (Z) relative to the magnet, are substantially sinusoidal over a large part of the race. The Y and Z components have the same phase, while the X component is out of phase by a quarter of a period.
  • This configuration allows you to adjust the gain to be applied before calculating the arctangent.
  • magnetoresistive probes which make it possible to measure the angle of the magnetic field. They include two Wheatstone bridges, whose outputs, for a sufficient amplitude of the magnetic field, depend solely on the angle of the magnetic field, according to the formula:
  • V A S • cos (2 ⁇ )
  • V B S • sin (2 ⁇ )
  • V A - output voltage of the first Wheatstone bridge V B - output voltage of the second Wheatstone bridge.
  • this sensor can be done with the probe that moves along the X axis, in front of a stationary magnet, or with the moving magnet and the fixed probe, the first solution taking for example less space and the second allowing easier assembly.
  • the advantage of this invention is first of all the stroke obtained: it depends solely on the dimensions of the magnet.
  • the measurement result does not depend on the residual induction of the magnet, or its evolution as a function of the temperature, which avoids the compensation of this variation in temperature.
  • the economic advantage is the simple structure of the sensor (a probe in front of a magnet mounted if necessary on a ferromagnetic yoke, possibly embedded).
  • probes normally used for angular position sensors eg MLX90316
  • this sensor is insensitive to the (moderate) offsets along the Y and Z axes, which is very advantageous in terms of production and use (robustness of the sensor) and makes it possible to significantly reduce costs.
  • the magnetization described above would be difficult to achieve with the usual means in the production of magnetic sensors. In particular, it is difficult to create a magnetizing field that rotates depending on the position. To remedy this, we will describe a process with a flexible magnet that allows to implement this type of magnetization, in a simple and easy to achieve.
  • the permanent magnet is magnetized on the periphery of a cylindrical support, this support having no magnetic properties (which also facilitates the manipulation of the magnet).
  • the permanent magnet used is, in general, a rare earth or ferrite magnet mixed with a flexible plastic binder (or a deformable assembly of non-flexible magnets). In the simplest case, it is an isotropic magnet - this allows to orient the field lines with the geometry of the support.
  • the field applied during magnetization is uniform or nearly uniform, which is easy to obtain in a suitably sized coil.
  • the magnet is then unfolded along the length and laid flat. The magnetization obtained varies linearly with the position and the components of the magnetic field around the magnet make it possible to apply the measurement technique described above.
  • the magnet can be placed in the coil so as to have the magnetization along the X axis at the edges, once the magnet is unfolded. To increase the measured magnetic field amplitude, the magnet can then be mounted on a ferromagnetic yoke.
  • the magnetization obtained from a coil within the magnet may present an angular error with respect to a desired ideal magnetization (for example: perfect diametral), because of the curvature of the field lines on the surface of the magnet. 'magnet.
  • a slightly corrected magnetization profile for example: elliptic
  • a nonlinear transfer function to the sensor output, which is an option already integrated in some circuits of measurement (example: MLX90316).
  • This problem is solved in a simple way using the present invention. It is sufficient to wind a magnet several times on the magnetization support. Once unfolded, it has several periods of magnetization angle. This makes it possible to obtain an angular stroke repeated several times along the length of the magnet. It is easily possible to introduce one or more singularities (periods of magnetization more or less long). This can, for example, be useful for inertial sensors. In all these cases, it is, of course, possible to obtain the same result by using several magnets.
  • a particular mount would allow position measurement using multiple tracks with different magnetizations for the same position.
  • two probes can be used, measuring the same component of the magnetic field for the same position, using the symmetry of the magnet. This can be useful for canceling or diminishing the influence of an external magnetic field.
  • Another way of achieving the desired magnetization from the principle described by the present invention is to use a deformable assembly of non-flexible magnets, for example magnets glued on a deformable support, which would make it possible to obtain a variation of magnetization angle by folding the support.
  • FIG. 1 represents the magnetization described by the present invention
  • FIG. 2 represents an embodiment where the sensor is composed of a magnet and a probe
  • FIG. 3 represents the magnetic field obtained with the magnetization described by the present invention
  • FIG. 4 represents the sensor in another embodiment comprising a magnet mounted on a ferromagnetic yoke
  • FIG. 5 represents a method described by the present invention for magnetizing the flexible magnet in a coil
  • FIG. 6 represents the unfolding of the magnet
  • FIG. 7 represents a sensor which measures the normal component at two points
  • FIG. 8 represents a sensor that measures the tangential component at two points
  • FIG. 9 represents a sensor which measures the tangential component and the normal component at a single point with two probes
  • FIG. 10 represents a curvilinear sensor embodiment
  • FIGS. 11a and 11b show the magnet for a rotary sensor whose useful stroke is close to 90 degrees
  • FIG. 12 represents a magnet wound four times around the magnetization support
  • FIG. 13 represents the mounting of the magnet of FIG. 12 in a linear position sensor
  • FIG. 14 represents the mounting of the magnet of FIG. 12 in a rotary sensor
  • Figure 15 the magnetization which creates a period of different length
  • FIG. 16 represents the sensor with a magnet mounted on a curvilinear support
  • FIG. 17 represents a sensor with three magnets and three probes
  • FIG. 18 represents a redundant sensor
  • FIG. 19 represents an embodiment of the sensor with the magnet curved along the width
  • FIG. 20 represents another embodiment of the sensor with the magnet curved along the width
  • FIG. 21 represents the expansion of the magnetic field lines in the case of a linear sensor
  • FIG. 22 represents another embodiment of the sensor with the use of ferromagnetic parts at the end of the stroke
  • FIG. 23 represents another embodiment of the sensor with inclination of the measurement probe
  • Figures 24 and 25 show another embodiment of the sensor with the use of external magnetic field shielding.
  • FIG. 1 represents a magnet (1) having a magnetization, represented by the vector M, the direction of which varies linearly along the length of the magnet in a plane defined by the direction of displacement X and normal to this direction.
  • the field lines inside the magnet are non-collinear, which is one of the basic principles of said invention.
  • FIG. 2 shows the minimum structure of the sensor: the magnet (1) which moves with respect to a probe (11) in the direction of displacement (5) which defines the X axis, the Y axis being defined as the normal to the surface of the magnet.
  • Figure 3 shows the tangential, normal and transverse components generated in a point in the vicinity of the magnet (1).
  • the Y and Z components have the same phase, while the X component is out of phase by a quarter of a period.
  • Figure 4 shows the magnet (1) mounted on a ferromagnetic yoke (2), which moves relative to a probe (11).
  • FIG. 5 represents the magnetization process of the magnet (1), which is wound around a support (3) of cylindrical shape, this support having no magnetic properties.
  • the assembly is placed in a coil (4) which creates a substantially uniform magnetic field.
  • Figure 6 shows the magnet (1), unwound along the X axis (in length) and laid flat to obtain a variation of the magnetic field lines according to the displacement measured.
  • FIGS. 7, 8 and 9 represent variants of this sensor, with a magnet (1), possibly mounted on a ferromagnetic yoke (2), with the same type of magnetization, but with at least two magnetosensitive elements (11 and 12 ), allowing a phase-shifted detection (of a quarter period, preferably) of the same component of the magnetic field - normal ( Figure 7) and / or transverse or tangential (Figure 8).
  • FIG. 9 represents an embodiment measuring the magnetic field along the X and Y axes, using two probes.
  • Figure 10 shows an example of a magnet (1) mounted on a curvilinear support (2) with a probe (11) which measures the component X (tangential) and the component Y (normal) on a race following the support.
  • FIG. 11a shows a magnet (1) magnetized on a support as shown in FIG. 5.
  • the magnetization is defined in a plane (70) formed by the direction of displacement (5) and a normal to this direction, this normal being inscribed in the plane of movement of the magnet (1).
  • the magnet (1) is mounted on a support (2) having a diameter four times larger than the magnetization support.
  • the magnetization direction is nonuniform, and has a period equal to the length of the magnet which corresponds to a rotation of 90 degrees, which defines the maximum stroke of this sensor.
  • FIG. 11b shows a magnet (1) magnetized on a support as shown in FIG. 5.
  • the magnetization is this time defined in a non-planar surface (70) formed by the displacement direction (5) and a normal at this direction, this normal being perpendicular to the plane of movement of the magnet (1).
  • Figure 12 shows a magnet (1) wound several times on the magnetization support (3). Once unfolded, it has several periods of magnetization angle (see Figure 13). This allows, for example, to obtain an angular stroke repeated several times (for example: 4 times 90 degrees). This technique is shown in Figure 14, with the magnetization of the magnet (1) wound on the support (2), and then mounted on the support (3). This is useful in some assembly processes where the measured stroke position is not known in advance.
  • FIG. 15 represents a sensor having several periods of magnetization angle, it is easily possible to introduce one or more singularities (20) (more or less long magnetization periods). This can, for example, be useful for incremental sensors. In all these cases, it is, of course, possible to obtain the same result by using several magnets.
  • the magnet (1) is mounted on a cylinder head or a curved or curvilinear support (2), in order to obtain a particular configuration of the magnetic field, measured by a probe (11).
  • FIG. 17 represents an example of the sensor comprising several differently magnetized tracks, with 3 magnets (31), (32) and (33) mounted on the same support (2) and the probes (11) (12) and (13) which measure the magnetic field of each magnet.
  • Figure 18 shows a redundant sensor with two probes, (H) and (12), measuring the Z component of the magnetic field, for the same position. This can be useful for canceling or diminishing the influence of an external magnetic field.
  • FIG. 19 shows an embodiment of the sensor with the magnet (1) curved along the width, mounted on a yoke (2), with a probe (11) which measures the normal and tangential components of the magnetic field.
  • Figure 20 shows another embodiment of the sensor with the magnet (1) curved along the width, mounted on a yoke (2), which can serve as a shield (if it is ferromagnetic).
  • the probe (H) which measures the normal and tangential components of the magnetic field.
  • Edge effects can reduce the effective stroke of the sensor. Their influence is shown in FIG. 21. It is noted that there is a distance between the magnet (1) and the sensitive element (H) situated on a line (62) for which the end-of-stroke field lines are tangential to the direction of displacement. In this case, the resulting stroke is approximately equal to the length of the magnet (1). If the sensor (11) is located on a line that is too close (63) or too far (61), the field lines are no longer tangent and the stroke must therefore be reduced to obtain correct operation of the sensor.
  • the magnet (I) - In order to have an optimal race, two ferromagnetic parts (41) and (42) are advantageously placed at each end of the magnet (1), which makes the field lines tangential to the direction of displacement as shown in FIG.
  • the probe (81) can thus be a Hall probe or an AMR (Anisotropic Magneto Resistance).
  • a ferromagnetic shield (31) so as to magnetically isolate the magnetosensitive portion (11) of the sensor from external magnetic fields.
  • An example of shielding (31) is Figure 24 and Figure 25.
  • the outer field lines largely pass through the ferromagnetic material of the shield (11), because of its low reluctance to air, and do not influence the measurement. .

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Abstract

La présente invention concerne un capteur magnétique de déplacement rotatif, linéaire ou curviligne utilisant au moins un aimant permanent et au moins un élément magnétosensible, mobiles l'un par rapport à l'autre, caractérisé en ce que l'aimant présente une direction d'aimantation continûment variable suivant la direction de déplacement, à l'exclusion d'une aimantation diamétrale dans le cas d'un capteur rotatif.

Description

CAPTEUR DE POSITION À DIRECTION D'AIMANTATION VARIABLE ET
PROCÉDÉ DE RÉALISATION
La présente invention concerne le domaine des capteurs de position magnétiques comportant au moins un aimant permanent.
La présente invention se propose d'utiliser plus particulièrement un aimant permanent comportant une direction d'aimantation variable suivant la direction du déplacement .
Les capteurs qui détectent la position à partir d'un champ magnétique ont de nombreux avantages :
• pas de contact mécanique avec la partie mobile, et donc pas d'usure,
• insensibilité à la saleté,
• coût de production réduit,
• longue durée de vie.
Il est aussi intéressant d'éliminer (si possible) des inconvénients présents dans certains capteurs magnétiques, tels que la dépendance à l'hystérésis dû aux pièces ferromagnétiques et à l'induction rémanente de l'aimant permanent (cette induction dépend ainsi des variations de température et doit être dans certains cas compensée, et de plus diminue de manière irréversible dans le temps à cause du vieillissement de l'aimant).
On connaît, dans l'état de la technique, le brevet FR2691534 de capteur de position linéaire, mais l'encombrement et la longueur de l'aimant utilisé limitent l'utilisation pratique de ce capteur pour les grandes courses. Ce capteur présente également une hystérésis due aux stators ferromagnétiques et la mesure dépend de la variation de l'induction rémanente qui doit être compensée. On connaît également le brevet US06211668 de capteur de position linéaire, mais la variation de champ magnétique dans ce capteur est directement liée à ces dimensions, ce qui limite sa réalisation pratique pour les grandes courses . Ce capteur mesure aussi l'intensité du champ . magnétique , ce qui le rend dépendant de la variation de l'induction rémanente de l'aimant permanent par rapport à la température et au temps.
On connaît, dans l'état de la technique, les brevets US6731108, US6960974 et WO2004/015375 qui permettent la mesure du déplacement linéaire d'un aimant par rapport à un ou plusieurs éléments magnétosensibles . Cependant, pour une réalisation pratique des courses supérieures à 20-25 mm, ces capteurs nécessitent plusieurs sondes placées sur les différentes parties de la course, ce qui augmente le coût du capteur et nécessite un positionnement précis des sondes.
La présente invention se propose de remédier à tout ou partie des problèmes cités ci-dessus en proposant un capteur magnétique de déplacement rotatif, linéaire ou curviligne utilisant au moins un aimant permanent et au moins un élément magnétosensible, mobiles l'un par rapport à l'autre, caractérisé en ce que l'aimant présente une direction d'aimantation qui varie sensiblement linéairement suivant la direction de déplacement de l'aimant sur une surface définie par ladite direction de déplacement et une direction normale, à l'exclusion d'une aimantation diamétrale dans le cas d'un capteur rotatif.
De préférence, l'aimant est constitué par un aimant engendrant un champ magnétique dont la composante normale (Y) d'une part, et au moins l'une des composantes tangentielle (X) ou transversale (Z) d'autre part, mesurées à la surface de l'aimant, varie périodiquement avec N périodes sur la course de déplacement, N étant un nombre entier. L'invention concerne, selon un mode de réalisation préféré, un capteur de grande course linéaire. Pour ce faire on utilise un aimant mobile de longueur correspondant sensiblement à la course utile dont l'aimantation varie de manière sensiblement linéaire selon la direction de déplacement. Au voisinage de cet aimant, cette aimantation engendre un champ magnétique dont les composantes tangentielle (X), normale (Y) et transversale (Z) par rapport à l'aimant, sont sensiblement sinusoïdales, sur une grande partie de course. Les composantes Y et Z ont la même phase, alors que la composante X est déphasée d'un quart de période .
Si l'on mesure les composantes X et Y dans un point de l'espace qui entoure l'aimant, il est possible de connaître la position linéaire de l'aimant, en appliquant la formule suivante:
Figure imgf000004_0001
ou :
x - position linéaire,
Bx - composante tangentielle du champ magnétique,
Bχmax - amplitude de Bx^
By - composante normale du champ magnétique,
Bymaχ - amplitude de By
Dans un cas plus général, on peut utiliser la formule suivante :
Figure imgf000005_0001
ou :
x - position linéaire,
Bx - composante tangentielle du champ magnétique,
Bχmax - amplitude de Bx ^
Bvyτ zmaχ - amprlitude de Bvyχ_ avec
Byz=ky-By+kz-Bz où :
By - composante normale du champ magnétique,
Bz - composante transversale du champ magnétique.
Dans un cas général, le décodage de la position linéaire de l'aimant, à partir de ces deux composantes dont les amplitudes sont en général différentes, nécessite de normaliser les deux composantes utilisées pour pouvoir faire le calcul de l'arc tangente pour en déduire la position linéaire. Ces fonctions d'arc tangente et de normalisation sont réalisées soit par un élément séparé ou directement par une sonde (par exemple : MELEXIS 90316) intégrant la mesure des deux composantes du champ, le calcul d'arc tangente et la normalisation des deux composantes du champ. Il est possible de faire des développements particuliers où Bxmax et
BVyz 7max auraient sensiblement les mêmes valeurs, en choisissant convenablement la position et l'orientation de la sonde. Dans le capteur présenté, il est possible d'obtenir l'angle du champ magnétique proportionnel au déplacement, il suffit d'incliner le plan de mesure par rapport au plan d'aimantation. De cette manière, on a :
Byl=Bycos(θ)-B2sin(θ)
Bx, = Bx
Où :
Bxl,Byl - composantes de l'induction magnétique dans le plan de mesure,
Bx - composante tangentielle de l'induction magnétique ,
By - composante normale de l'induction magnétique,
Bz - composante axiale de l'induction magnétique, θ - angle d'inclinaison de la sonde.
Maintenant nous pouvons appliquer la même formule, mais avec les composantes du champ dans le plan de mesure :
X≈arctanCg--^)
Bx\ où
X — déplacement linéaire ou rotatif mesuré,
Bxl,Byl - composantes de l'induction magnétique dans le plan de mesure, g - gain qui permet de compenser la différence des amplitudes.
Cette configuration permet de régler le gain à appliquer avant le calcul de l ' arctangente .
Si les amplitudes des deux composantes du champ magnétique dans le plan de mesure Bx, , Byl sont égales, ces signaux représentent deux sinusoïdes en quadrature, donc l'angle du champ mesuré suit le déplacement.
Il est ainsi possible, en ajustant l'angle d'inclinaison θ , de mesurer le déplacement directement en
calculant , sans appliquer un gain pour compenser
Figure imgf000007_0001
la différence des amplitudes.
Dans l'état de la technique, on connaît des sondes magnétorésistives qui permettent de mesurer l'angle du champ magnétique. Elles comportent deux ponts de Wheatstone, dont les sorties, pour une amplitude suffisante du champ magnétique, dépendent uniquement de l'angle du champ magnétique, selon la formule :
VA = S•cos(2α)
VB = S•sin(2α)
Où α - angle du champ magnétique,
VA - tension de sortie du premier pont de Wheatstone, VB - tension de sortie du deuxième pont de Wheatstone.
On peut obtenir directement la direction du champ magnétique, et donc le déplacement, selon la formule : α .
Figure imgf000007_0002
La réalisation pratique de ce capteur peut être faite avec la sonde qui se déplace suivant l'axe X, devant un aimant immobile, ou avec l'aimant mobile et la sonde fixe, la première solution prenant par exemple moins de place et la deuxième permettant un assemblage plus aisé.
L'avantage de cette invention est tout d'abord la course obtenue : elle dépend uniquement des dimensions de l'aimant. Le résultat de mesure ne dépend pas de l'induction rémanente de l'aimant, ni de son évolution en fonction de la température, ce qui évite de faire la compensation de cette variation en température. L'avantage économique est la structure simple du capteur (une sonde en face d'un aimant monté si nécessaire sur une culasse ferromagnétique, éventuellement encastré). Comme le traitement des signaux mesurés correspond à un calcul d'angle, il est possible d'utiliser des sondes normalement utilisées pour les capteurs de position angulaire (ex : MLX90316), avec toutes les corrections éventuelles de non linéarité utilisées dans ces capteurs . Si on utilise les composantes X et Y pour mesurer le déplacement, ce capteur est insensible aux décalages (modérés) suivant les axes Y et Z, ce qui est très avantageux en terme de production et d'utilisation (robustesse du capteur) et permet de réduire sensiblement les coûts.
L'aimantation décrite ci-dessus serait difficile à réaliser avec les moyens habituels dans la production de capteurs magnétiques. Notamment, il est difficile de créer un champ magnétisant qui tourne en fonction de la position. Pour remédier à cela, nous allons décrire un procédé avec un aimant flexible qui permet de mettre en œuvre ce type d'aimantation, d'une façon simple et facile à réaliser.
L'aimant permanent est aimanté sur le pourtour d'un support de forme cylindrique, ce support ne présentant pas de propriétés magnétiques (ce qui facilite par ailleurs la manipulation de l'aimant). L'aimant permanent utilisé est, en général-, un aimant terre rare ou ferrite mélangé avec un liant plastique souple (ou un assemblage déformable d'aimant non souples). Dans le cas le plus simple, c'est un aimant isotrope — cela permet d'orienter les lignes de champ avec la géométrie du support. Le champ appliqué pendant l'aimantation est uniforme ou quasi-uniforme, ce qui est facile à obtenir dans une bobine dimensionnée de manière judicieuse. L'aimant est, ensuite, déplié suivant la longueur et mis a plat. L'aimantation obtenue varie linéairement avec la position et les composantes du champ magnétique autour de l'aimant permettent d'appliquer la technique de mesure décrite ci-dessus.
Afin de diminuer les effets de bord, et selon un mode de réalisation préféré, on peut placer l'aimant dans la bobine de façon à avoir l'aimantation suivant l'axe X sur les bords, une fois l'aimant déplié. Pour augmenter l'amplitude de champ magnétique mesuré, on peut ensuite monter l'aimant sur une culasse ferromagnétique.
L'aimantation obtenue à partir d'une bobine au sein de l'aimant peut présenter une erreur angulaire par rapport à une aimantation idéale souhaitée (par exemple : diamétrale parfaite), à cause de la courbure des lignes de champ à la surface de l'aimant. Pour corriger ce défaut, il est possible d'utiliser un profil d'aimantation légèrement corrigé (exemple : elliptique) ou d'appliquer une fonction de transfert non linéaire à la sortie du capteur, ce qui est une option déjà intégrée dans certains circuits de mesure (exemple : MLX90316).
Une partie des problèmes expliqués pour les capteurs de position linéaires existe dans le cas des capteurs magnétiques rotatifs. Par exemple, il est toujours intéressant d'éliminer l'influence de l'induction rémanente de l'aimant. Dans certains cas, l'élément magnétosensible est placé en dehors de l'axe de rotation (par exemple, s'il existe un arbre traversant dans l'application). Dans ces cas, l'avantage du capteur proposé par cette invention est d'utiliser un aimant de longueur sensiblement égale à la longueur de la course utile. Les capteurs rotatifs de grande course (proche de 360 degrés) sont souvent peu pratiques pour les petites courses (leur précision n'est pas suffisante). L'avantage apporté par la présente invention est le fait que la direction d'aimantation présente une variation proche de 360 degrés sur la course utile, pour un procédé d'aimantation adapté.
Pour faire un capteur de position angulaire ou curviligne à partir du capteur linéaire présenté ci-dessus, il suffit d'exploiter la souplesse de l'aimant utilisé pour courber la course du capteur présenté. Dans ce cas, il est, par exemple, possible de monter l'aimant sur une culasse dont le diamètre est plus grand que le diamètre du support d'aimantation. De cette façon, on obtient un capteur de position angulaire avec une course inférieure à 360 degrés utilisant la même technique de calcul de position, avec une rotation de champ mesuré proche de 360 degrés, ce qui améliore la résolution du capteur.
Un problème pratique se pose dans certains procédés d'assemblage où la position de course mesurée n'est pas connue à l'avance. Ce problème est résolu d'une façon simple en utilisant la présente invention. Il suffit d'enrouler un aimant plusieurs fois sur le support d'aimantation. Une fois déplié, il comporte plusieurs périodes d'angle d'aimantation. Cela permet d'obtenir une course angulaire répétée plusieurs fois suivant la longueur de l'aimant. Il est facilement possible d'introduire une ou plusieurs singularités (des périodes d'aimantation plus ou moins longues). Cela peut, par exemple, être utile pour les capteurs inerémentaux . Dans tout ces cas, il est, bien entendu, possible d'obtenir le même résultat en utilisant plusieurs aimants.
Un montage particulier permettrait la mesure de position en utilisant plusieurs pistes avec des aimantations différentes pour une même position. Dans un autre mode de réalisation, on peut utiliser deux sondes, mesurant la même composante du champ magnétique pour la même position, en utilisant la symétrie de l'aimant. Cela peut être utile pour annuler ou diminuer l'influence d'un champ magnétique extérieur.
Une autre manière de réaliser l'aimantation souhaitée à partir du principe décrit par la présente invention, est d'utiliser un assemblage déformable d'aimants non souples, par exemple des aimants collés sur un support déformable, ce qui permettrait d'obtenir une variation d'angle d'aimantation en pliant le support.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit en faisant référence aux dessins où :
la figure 1 représente l'aimantation décrite par la présente invention,
la figure 2 représente un mode de réalisation où le capteur est composé d'un aimant et d'une sonde,
la figure 3 représente le champ magnétique obtenu avec l'aimantation décrite par la présente invention,
la figure 4 représente le capteur dans un autre mode de réalisation comprenant un aimant monté sur une culasse ferromagnétique,
- la figure 5 représente un procédé décrit par la présente invention pour aimanter l'aimant souple dans une bobine ,
la figure 6 représente le dépliage de l'aimant,
la figure 7 représente un capteur qui mesure la composante normale en deux points, la figure 8 représente un capteur qui mesure la composante tangentielle en deux points,
la figure 9 représente un capteur qui mesure la composante tangentielle et la composante normale en un seul point avec deux sondes,
la figure 10 représente une réalisation de capteur curviligne,
les figures lia et 11b représentent l'aimant pour un capteur rotatif dont la course utile est proche de 90 degrés,
la figure 12 représente un aimant enroulé quatre fois autour du support d'aimantation,
la figure 13 représente le montage de l'aimant de la figure 12 dans un capteur de position linéaire,
la figure 14 représente le montage de l'aimant de la figure 12 dans un capteur rotatif,
la figure 15 l'aimantation qui crée une période de longueur différente,
la figure 16 représente le capteur avec un aimant monté sur un support curviligne,
la figure 17 représente un capteur avec trois aimants et trois sondes,
- la figure 18 représente un capteur redondant,
- la figure 19 représente une réalisation du capteur avec l'aimant courbé suivant la largeur,
la figure 20 représente une autre réalisation du capteur avec l'aimant courbé suivant la largeur, la figure 21 représente l'épanouissement des lignes de champ magnétique dans le cas d'un capteur linéaire,
la figure 22 représente une autre réalisation du capteur avec l'utilisation de pièces ferromagnétiques en fin de course,
la figure 23 représente une autre réalisation du capteur avec inclinaison de la sonde de mesure,
les figures 24 et 25 représentent une autre réalisation du capteur avec l'utilisation d'un blindage aux champs magnétiques extérieurs.
La figure 1 représente un aimant ( 1 ) ayant une aimantation, représentée par le vecteurM , dont la direction varie linéairement suivant la longueur de l ' aimant dans un plan défini par la direction de déplacement X et une normale à cette direction. Comme on peut le constater, les lignes de champ à l'intérieur de l'aimant sont non colinéaires, ce qui constitue un des principes de base de ladite invention.
La figure 2 montre la structure minimale du capteur : l'aimant (1) qui se déplace par rapport à une sonde (11) suivant la direction de déplacement (5) qui définit l'axe X, l'axe Y étant défini comme la normale à la surface de 1 ' aimant.
La figure 3 représente les composantes tangentielle, normale et transversale engendrées dans un point au voisinage de l'aimant (1). Les composantes Y et Z ont la même phase, alors que la composante X est déphasée d'un quart de période. La figure 4 représente l'aimant (1) monté sur une culasse ferromagnétique (2), qui se déplace par rapport à une sonde (11).
La figure 5 représente le procédé d'aimantation de l'aimant (1), qui est enroulé autour d'un support (3) de forme cylindrique, ce support ne présentant pas de propriétés magnétiques. L'ensemble est placé dans une bobine (4) qui crée un champ magnétique sensiblement uniforme.
La figure 6 représente l'aimant (1), déroulé suivant l'axe X (en longueur) et mis a plat pour obtenir une variation des lignes de champ magnétique suivant le déplacement mesuré.
Les figures 7 , 8 et 9 représentent des variantes de ce capteur, avec un aimant (1), éventuellement monté sur une culasse ferromagnétique (2), avec le même type d'aimantation, mais avec au moins deux éléments magnétosensibles (11 et 12), permettant une détection déphasée (d'un quart de période, de préférence) d'une même composante du champ magnétique — normale (figure 7) et/ou transversale ou tangentielle (figure 8). La figure 9 représente une réalisation mesurant le champ magnétique suivant les axes X et Y, en utilisant deux sondes.
La figure 10 montre un exemple d'aimant (1) monté sur un support curviligne (2) avec une sonde (11) qui mesure la composante X (tangentielle) et la composante Y (normale) sur une course suivant le support.
La figure lia représente un aimant (1) aimanté sur un support comme présenté en figure 5. Ainsi l'aimantation est définie dans un plan (70) formé par la direction de déplacement (5) et une normale à cette direction, cette normale étant inscrite dans le plan de déplacement de l'aimant (1). L'aimant (1) est monté sur un support (2) ayant un diamètre quatre fois plus grand que le support d'aimantation. La direction d'aimantation est non uniforme, et a une période égale à la longueur de l ' aimant qui correspond à une rotation de 90 degrés, ce qui définit la course maximale de ce capteur.
La figure 11b représente un aimant (1) aimanté sur un support comme présenté en figure 5. L'aimantation est cette fois-ci définie dans une surface (70) non plane formée par la direction de déplacement (5) et une normale à cette direction, cette normale étant perpendiculaire au plan de déplacement de l'aimant (1).
La figure 12 représente un aimant (1) enroulé plusieurs fois sur le support d'aimantation (3). Une fois déplié, il comporte plusieurs périodes d'angle d'aimantation (voir figure 13). Cela permet, par exemple, d'obtenir une course angulaire répétée plusieurs fois (par exemple : 4 fois 90 degrés). Cette technique est représentée à la figure 14, avec l'aimantation de l'aimant (1) enroulé sur le support (2), et monté ensuite sur le support (3). Ceci est utile dans certains procédés d'assemblage où la position de course mesurée n'est pas connue à l'avance.
La figure 15 représente un capteur présentant plusieurs périodes d'angle d'aimantation, il est facilement possible d'introduire une ou plusieurs singularités (20) (des périodes d'aimantation plus ou moins longues). Cela peut, par exemple, être utile pour les capteurs incrémentaux. Dans tout ces cas, il est, bien entendu, possible d'obtenir le même résultat en utilisant plusieurs aimants .
À la figure 16, l'aimant (1) est monté sur une culasse ou un support courbé ou curviligne (2), afin d'obtenir une configuration particulière du champ magnétique, mesuré par une sonde (11) .
La figure 17 représente un exemple du capteur comportant plusieurs pistes aimantées différemment, avec 3 aimants (31), (32) et (33) montés sur le même support (2) et les sondes (11) (12) et (13) qui mesurent le champ magnétique de chaque aimant.
La figure 18 montre un capteur redondant avec deux sondes, (H) et (12), mesurant la composante Z du champ magnétique, pour la même position. Cela peut être utile pour annuler ou diminuer l'influence d'un champ magnétique extérieur.
La figure 19 représente une réalisation du capteur avec l'aimant (1) courbé suivant la largeur, monté sur une culasse (2), avec une sonde (11) qui mesure les composantes normale et tangentielle du champ magnétique.
La figure 20 représente une autre réalisation du capteur avec l'aimant (1) courbé suivant la largeur, monté sur une culasse (2), qui peut servir de blindage (si elle est ferromagnétique). La sonde (H) qui mesure les composantes normale et tangentielle du champ magnétique.
Les effets de bord peuvent diminuer la course efficace du capteur. Leur influence est montrée à la figure 21. On remarque qu'il existe une distance entre l'aimant (1) et l'élément sensible (H) situé sur une ligne (62) pour laquelle les lignes de champ en fin de course sont tangentielles à la direction du déplacement. Dans ce cas, la course obtenue est approximativement égale à la longueur de l'aimant (1). Si le capteur (11) est situé sur une ligne trop proche (63) ou trop éloignée (61), les lignes de champ ne sont plus tangentes et la course doit donc être réduite pour obtenir un fonctionnement correct du capteur. Pour certaines tailles de l'aimant, la distance nécessaire peut être trop proche et donc impossible à réaliser ou trop éloignée , avec donc peu de champ magnétique à mesurer, de l'aimant (I)- Afin d'avoir une course optimale, deux pièces ferromagnétiques (41) et (42) sont avantageusement placées à chaque extrémité de l'aimant (1), ce qui rend les lignes de champ tangentielles à la direction du déplacement comme montré en figure 22.
La course maximale théorique ainsi obtenue est égale à la longueur de l'aimant (1). Dans la réalité, il faudra prendre en compte la largeur de la sonde de mesure (11).
Dans le capteur présenté, il est possible d'obtenir l'angle du champ magnétique proportionnel au déplacement, il suffit d'incliner le plan de mesure par rapport au plan d'aimantation comme montré en figure 23. Il est ainsi possible, en ajustant l'angle d'inclinaison θ de la sonde (81), de mesurer le déplacement directement en calculant
Bvl arctan(——) , sans appliquer un gain pour compenser la
Bxl différence des amplitudes.
En utilisant certains types de sondes magnétorésistives, on peut obtenir directement la direction du champ magnétique, et donc le déplacement, selon la formule :
a = — 1 arctan Λf—B -)Λ
Z 2 V VA
Dans cette figure 23, la sonde (81) peut ainsi être une sonde de Hall ou une AMR (Anisotropic Magnéto Résistance) .
Il est possible d'ajouter un blindage ferromagnétique (31), de manière à isoler magnétiquement la partie magnétosensible (11) du capteur par rapport aux champs magnétiques extérieurs. Un exemple de blindage (31) est donné à la figure 24 et à la figure 25. Les lignes de champ extérieur passent en grande partie par le matériau ferromagnétique du blindage (11), à cause de sa faible reluctance par rapport à l'air, et n'influencent pas la mesure .

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur magnétique de déplacement rotatif, linéaire ou curviligne utilisant au moins un aimant permanent et au moins un élément magnétosensible, mobiles l'un par rapport à l'autre, caractérisé en ce que l'aimant présente une direction d'aimantation qui varie sensiblement linéairement suivant la direction de déplacement de l'aimant sur une surface définie par ladite direction de déplacement et une direction normale, à l'exclusion d'une aimantation diamétrale dans le cas d'un capteur rotatif.
2. Capteur magnétique de déplacement suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la surface définie est un plan.
3. Capteur magnétique de déplacement selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit aimant permanent est un aimant engendrant un champ magnétique dont la composante normale (Y) d'une part, et au moins l'une des composantes tangentielle (X) ou transversale (Z) d'autre part, mesurées à la surface de l'aimant, varient périodiquement avec N périodes sur la course de déplacement.
4. Capteur magnétique de déplacement selon la revendication 3, caractérisé en ce que la période N de variation du champ magnétique engendré à la surface de l'aimant est un nombre entier.
5. Capteur magnétique de déplacement selon la revendication 3, caractérisé en ce que la période N de variation du champ magnétique engendré à la surface de l ' aimant est égale à 1.
6. Capteur magnétique de déplacement selon la revendication 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que la variation de la composante normale (Y) d'une part, et au moins l'une des composantes tangentielle (X) ou transversale (Z) est sinusoïdale.
7. Capteur magnétique de déplacement selon la revendication 6, caractérisé en ce que les composantes normale Y et transversale Z varient avec la même phase, alors que la composante tangentielle X est déphasée d'un quart de période.
8. Capteur magnétique de déplacement selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que le déplacement est un déplacement linéaire.
9. Capteur magnétique de déplacement selon l'une au moins des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le déplacement est un déplacement rotatif présentant une course différente de 360°±5°.
10. Capteur magnétique de déplacement selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que le déplacement est un déplacement curviligne.
11. Capteur magnétique de déplacement selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant est monté sur une culasse ferromagnétique.
12. Capteur magnétique de déplacement selon la revendication précédente caractérisé, en ce que l'aimant est encastré dans une culasse ferromagnétique.
13. Capteur magnétique de déplacement selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en que l'aimant est réalisé en un matériau souple.
14. Capteur magnétique de déplacement selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant est constitué d'un assemblage discret et déformable d'aimants non souples.
15. Capteur magnétique de déplacement selon l'une des revendications 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que l'aimant est monté sur un support courbé ou curviligne.
16. Capteur magnétique de déplacement selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux éléments magnétosensibles, mesurant la composante du champ magnétique tangente au sens de déplacement et une combinaison linéaire de la composante normale et de la composante transversale du champ magnétique suivant la direction de déplacement.
17. Capteur magnétique de déplacement selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de traitement du signal qui réalise un calcul d'arctangente en utilisant deux signaux électriques déphasés de 90° provenant d'au moins deux des éléments magnétosensibles .
18. Capteur magnétique de déplacement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit de traitement du signal permette un ajustement des gains des deux signaux utiles au décodage de l'angle.
19. Capteur magnétique de déplacement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit de traitement du signal permette une programmation non linéaire de la fonction de transfert.
20. Capteur magnétique de déplacement selon la revendication 14, caractérisé en ce que la mesure du champ, l'ajustement des gains et le calcul du décodage de l'arctangente soient intégrés dans un seul et même boîtier.
21. Capteur magnétique de déplacement selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs aimants définissant plusieurs pistes ayant chacune une direction d'aimantation continûment variable suivant la direction de déplacement.
22. Capteur magnétique de déplacement selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la direction d'aimantation présente plusieurs périodes sur la course mesurée.
23. Capteur magnétique de déplacement selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux périodes d'aimantation de longueur différente.
24. Procédé de réalisation d'un capteur magnétique de déplacement selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant est enroulé sur un support de forme sensiblement cylindrique et soumis à un champ magnétique sensiblement uniforme puis mis en forme suivant le déplacement voulu.
25. Procédé de réalisation d'un capteur magnétique de déplacement selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'assemblage discret d'aimants non souples est enroulé sur un support de forme sensiblement cylindrique et soumis à un champ magnétique sensiblement uniforme puis mis en forme suivant le déplacement voulu.
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