WO2009077074A1 - Dispositif de mesure de position angulaire - Google Patents

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WO2009077074A1
WO2009077074A1 PCT/EP2008/010190 EP2008010190W WO2009077074A1 WO 2009077074 A1 WO2009077074 A1 WO 2009077074A1 EP 2008010190 W EP2008010190 W EP 2008010190W WO 2009077074 A1 WO2009077074 A1 WO 2009077074A1
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sensor
magnetic element
angle
angular position
distance
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PCT/EP2008/010190
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English (en)
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Yann Monteil
Eric Servel
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Continental Automotive France
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    • 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
    • G01D5/14—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
    • 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
    • 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
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    • G01D2205/70—Position sensors comprising a moving target with particular shapes, e.g. of soft magnetic targets
    • G01D2205/73—Targets mounted eccentrically with respect to the axis of rotation

Definitions

  • the present invention relates to the field of measuring the angular position of a moving element by means of a magnetic sensor and, in particular, a sensor based on the technology of measuring a magnetic field using magneto-resistive elements. It relates more precisely to an angular position measuring device, comprising a magnetic sensor cooperating with a movable magnetic element whose angle of rotation is to be measured, the magnetic sensor comprising at least a first and a second group of magnetic elements.
  • resistives each configured as a Wheatstone bridge, adapted to provide a first and a second measurement signal respectively proportional to the sine and cosine of twice the angular position of the movable magnetic element, and a processing unit providing a response corresponding to the angular position of the movable magnetic element from the first and second measurement signals.
  • magneto-resistive elements are resistive elements sensitive to magnetic fields, because the electrical resistivity of certain ferromagnetic alloys is influenced by external fields.
  • a magneto-resistive sensor typically comprises a layer of magnetoresistive material traversed by a current in a measurement direction, the layer being magnetized by an external magnetic field in the plane of the layer.
  • These sensors conventionally exploit a known effect, called anisotropic magnetoresistance, which is manifested in ferromagnetic transition metals such as nickel, cobalt and iron, producing a variation of the resistivity of the sensitive element of the magnetoresistive material sensor. as a function of the angle between the direction of the measuring current flowing in the sensing element and the field lines of an external magnetic field.
  • the sensing element of the sensor is often composed of magneto-resistive elements, or magnetic resistors, mounted on a measuring bridge.
  • This measuring bridge is intended to be powered and delivers a certain voltage of rest.
  • An external magnetic field influences the branches of this bridge and causes an imbalance which is amplified and exploited.
  • a sensor 10 of this type is illustrated schematically in FIG. 1. It comprises a first group of magneto-resistive elements R1 to R4, configured in a first Wheatstone bridge and a second group of magneto-resistive elements R5 to R8, configured as a second Wheatstone bridge, each Wheatstone bridge thus forming means differential measuring of the signals provided respectively by the first group and the second group of magneto-resistive elements.
  • the two bridges are manufactured on the same substrate and are positioned at 45 ° relative to each other.
  • the measurement signals from each of the two bridges are in quadrature, that is to say that they have a phase difference of 90 °.
  • the first bridge thus provides a first measurement voltage proportional to the sine of the double of the angular position ⁇ of the magnetic field of a mobile magnetic element, rotated above the face of the sensor accommodating the magnetoresistive elements and the second bridge provides a second measurement voltage, proportional to the cosine of twice the angular position ⁇ of the same magnetic field.
  • the measurement signal of the first bridge is thus of the U1sin2 ⁇ type and the measurement signal of the second bridge is of the U2cos2 ⁇ type.
  • a processing unit is adapted to recover the angle value ⁇ by performing a calculation of the following type:
  • FIG. 2 illustrates an embodiment of an angular position measuring device 20, using such a sensor 10 for measuring the angular position of a mobile element, not shown, mechanically coupled to a movable magnetic element 12, of type permanent magnet, of parallelepipedal shape along a longitudinal axis AA 'and having a north pole N and a south pole S respectively at one and the other of its ends.
  • the movable magnetic element 12 produces a magnetic field H at the sensor 10, whose field lines h are substantially substantially parallel to the longitudinal axis AA '.
  • the movable magnetic element rotates about an axis of rotation 30, perpendicular to the longitudinal axis AA '.
  • the angular position of the movable magnetic element is measured according to the principles explained above by the angle ⁇ formed between the longitudinal axis of the movable magnetic element and a reference position of the same axis, corresponding for example to a position initial where the longitudinal axis AA 'of the movable magnetic element 12 and the longitudinal axis XX' of the sensor 10 are parallel.
  • the angle measurement is made with a homogeneous parallel magnetic field.
  • the mechanical tolerances of mounting that the magnetic sensor 10 as described does not allow to have a real measurement range of 180 °, but on the contrary a lower range for example limited to 179.8 °.
  • the magnet itself can not be centered exactly on its axis of rotation. This is called eccentricity of rotation.
  • the sensor which can not be exactly centered on the axis of the magnet (by axis of the magnet means a line which passes through the center of the magnet perpendicular to the longitudinal axis of the magnet). this). This is called radial eccentricity.
  • the problem of mounting tolerances can be addressed by increasing the size of the magnet. Indeed, the bigger the magnet, the more the effects of eccentricity are reduced. However, this does not solve the problems with the sensor itself.
  • the prior art angular position measuring device described in FIG. 2 is typically used only on reduced angular ranges, typically between 0 and 179.8 °, which makes it unusable for certain cases where the determination of the angular position in a range actually between 0 ° up to 180 °, and even beyond, is necessary. Beyond 180 °, one uses conventionally another technology as the Hall 360 ° effects.
  • the present invention makes it possible to overcome the above-mentioned drawbacks by proposing for this purpose an angular position measuring device, moreover in accordance with the generic definition given in the preamble above, more particularly characterized in that the magnetic sensor is eccentric with respect to the axis of the movable magnetic element and in that the movable magnetic element is eccentric with respect to an axis of rotation of said element, according to eccentricity values deliberately chosen so that the range of Angular measurement of the magnetic sensor extends beyond 180 °.
  • One of the advantages of the device according to the invention lies in the fact that by extending the measuring range beyond 180 °, the sensor does not reach its limit values and there is therefore no longer the problem of the errors of 180. ° to the limits.
  • the device comprises means for calibrating an offset value of the first and / or second measurement signal provided by the Wheatstone bridges, adapted to correct at least in part the non-linearity of the response provided.
  • the eccentricity values defining the eccentricity between the sensor and the axis of the movable magnetic element are decomposed into an eccentric distance value and an eccentric angle value.
  • the eccentricity values defining the eccentricity between the movable magnetic element and its axis of rotation are decomposed into an eccentric distance value and an eccentric angle value.
  • the two Wheatstone bridges are arranged at 45 ° relative to one another on the same substrate of the sensor.
  • the movable magnetic element is a mobile permanent magnet of annular or parallelepipedal shape which rotates in a plane of rotation substantially parallel to a face of the sensor on which the magneto-resistive elements are deposited.
  • the invention also relates to a method of designing an angular position measuring device comprising a magnetic sensor using magnetoresistive elements cooperating with a movable magnetic element rotated above the sensor, for measuring a first and a second magnet.
  • second measurement signal proportional to the sine and cosine of the double of the angular position of the element movable magnetic sensor and calculating a response corresponding to the angular position of the movable magnetic element from said first and second measurement signals
  • said method being characterized in that it comprises a step of deliberately off-centering on the one hand, the sensor magnetic element relative to the axis of the movable magnetic element and, secondly, the magnetic element movable relative to an axis of rotation of said element, according to eccentricity values chosen so that the range of Angular measurement of the magnetic sensor extends beyond 180 °.
  • said method further comprises a step of calibrating an offset value of the first and / or second measurement signal, adapted to correct at least in part the non-linearity of the response of the sensor.
  • the selected eccentricity values are decomposed into an eccentric distance value and an eccentric angle value.
  • FIG. 1 schematically illustrates a magnetic bridge sensor magnetoresistive and has already been described
  • FIG. 2 illustrates a schematic embodiment of an angular position measuring device according to the prior art, comprising a sensor as illustrated in FIG. 1 and has already been described
  • Figures 3a and 3b show schematic side and top views of the measuring device according to the invention illustrating the controlled eccentricity principle, the elements in common with the already described figures bearing the same references
  • FIG. 4 represents the curves of the measurement signals coming from the two Wheatstone bridges of the sensor and the response signal of the sensor supplying, from the measurement signals, the angular position ⁇ of the magnetic field of the mobile magnetic element on the measuring range extended beyond 180 °.
  • the present invention is therefore based on the principle, illustrated in FIG. 3a, of intentionally creating a double eccentricity in the mounting of the angular measuring device 20 using a magnetron-resistive bridge-based sensor 10 as already described, by controlling it rather than to undergo it.
  • This double eccentricity is therefore decomposed: on the one hand, in a first eccentricity Exc_R between the magnetic sensor 10 and the axis 14 of the movable magnetic element 12 (of annular shape in this embodiment) and, on the other hand, in a second eccentricity Exc_A between the movable magnetic element 12 and its axis of rotation 30.
  • the eccentricity values making it possible to define each of the two aforementioned types of eccentricity are more precisely decomposed into an eccentricity distance, respectively Distance_R and Distance_A for the first Exc_R and the second Exc_A eccentrement, and in an angle of eccentricity respectively Angle_R and Angle_A for the first Exc_R and the second eccentrement Exc_A.
  • an eccentricity distance respectively Distance_R and Distance_A for the first Exc_R and the second Exc_A eccentrement
  • an angle of eccentricity respectively Angle_R and Angle_A for the first Exc_R and the second eccentrement Exc_A.
  • four parameters are available to control the double eccentricity in the assembly.
  • the deliberately eccentric positions that result from this, for the sensor with respect to the magnet on the one hand, and the magnetic element that is mobile with respect to its axis of rotation. on the other hand, allow to slightly extend the angular measurement range of the device beyond 180 °, while ensuring operation with a very good accuracy over the entire range thus extended.
  • ⁇ which is a function in particular of the magnetic constant calculated from the dimensions of the movable magnetic element, and predefined eccentricity values.
  • the sine and cosine measurement signals from the two Wheatstone bridges of the sensor positioned at 45 ° are then deformed by this error, introducing a phase-modulation deformation of these signals.
  • the curvature of these signals is modulated during the rotation of the movable magnetic element.
  • FIG. 4 This phenomenon is illustrated in FIG. 4, whose curves referenced Sin and Cos respectively represent the sine and cosine signals coming from the two Wheatstone bridges of the sensor with a controlled double eccentricity and whose curve referenced Arctan represents the response provided by the sensor, namely the measured angular position, obtained from the processing performed on the two aforementioned signals.
  • the measurement signals Sin and Cos have their maximum and / or minimum shifted, due to the deformation in phase modulation caused by the double eccentricity. They also have a periodicity of 360 °. Thus, according to the distances and angles of eccentricity, the curves will deform differently. In playing on these eccentricity values, it is then possible to obtain a deformation of the curves suitable for extending the angular measurement range, as represented in the example of FIG. 4.
  • the angular measurement range is from 180 ° to 364 °, 184 °. It is also noted, by symmetry, that the other measurement range is reduced. The result of the combination of these two offsets with eccentricity values determined appropriately, is that the angular measurement range is extended beyond 180 °. To achieve this result, it is necessary to determine appropriate eccentricity values to define an angular error to cause adequate modulation of measurement signals to extend the hiding range. This determination of the eccentricity values depends in particular on the type of mobile magnetic element, in particular its shape and its dimensions.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (20) de mesure de position angulaire comprenant un capteur magnétique (10), coopérant avec un élément magnétique mobile (12), le capteur comprenant au moins un premier (R1-R4) et un second (R5-R8) groupe d'éléments magnéto-résistifs configurés chacun en pont de Wheatstone, adaptés à fournir un premier et un second signal de mesure (Sin, Cos) proportionnels respectivement au sinus et au cosinus du double de la position angulaire (a) de l'élément magnétique mobile, et une unité de traitement fournissant une réponse correspondant à ladite position angulaire à partir desdits premier et second signaux de mesure, caractérisé en ce que le capteur est volontairement excentré par rapport à un axe (14) de l'élément magnétique mobile et en ce que ce dernier est volontairement excentré par rapport à son axe de rotation (30), selon des valeurs d'excentrement volontairement choisies pour que la plage de mesure angulaire s'étende au-delà de 180°.

Description

Dispositif de mesure de position angulaire
La présente invention concerne le domaine de la mesure de la position angulaire d'un élément mobile à l'aide d'un capteur magnétique et, en particulier, un capteur basé sur la technologie de mesure d'un champ magnétique à l'aide d'éléments magnéto- résistifs. Elle concerne plus précisément un dispositif de mesure de position angulaire, comprenant un capteur magnétique, coopérant avec un élément magnétique mobile dont on cherche à mesurer un angle de rotation, le capteur magnétique comprenant au moins un premier et un second groupe d'éléments magnéto-résistifs configurés chacun en pont de Wheatstone, adaptés à fournir un premier et un second signal de mesure proportionnels respectivement au sinus et au cosinus du double de la position angulaire de l'élément magnétique mobile, et une unité de traitement fournissant une réponse correspondant à la position angulaire de l'élément magnétique mobile à partir des premier et second signaux de mesure.
Brièvement, les éléments magnéto-résistifs sont des éléments résistifs sensibles aux champs magnétiques, du fait que la résistivité électrique de certains alliages ferromagnétiques est influencée par des champs externes.
Un capteur magnéto-résistif comporte typiquement une couche de matériau magnéto-résistif traversée par un courant dans une direction de mesure, la couche étant magnétisée par un champ magnétique externe dans le plan de la couche. Ces capteurs exploitent classiquement un effet connu, appelé magnétorésistance anisotrope, qui se manifeste dans les métaux de transition ferromagnétiques tels que le nickel, le cobalt et le fer, produisant une variation de la résistivité de l'élément sensible du capteur en matériau magnéto-résistif en fonction de l'angle entre la direction du courant de mesure circulant dans l'élément sensible et les lignes de champ d'un champ magnétique extérieur.
L'élément sensible du capteur est souvent composé d'éléments magnéto-résistifs, ou résistances magnétiques, montés en pont de mesure. Ce pont de mesure est prévu pour être alimenté et délivre une certaine tension de repos. Un champ magnétique extérieur influence les branches de ce pont et provoque un déséquilibre qui est amplifié et exploité.
Un capteur 10 de ce type est illustré schématiquement à la figure 1. Il comprend un premier groupe d'éléments magnéto-résistifs R1 à R4, configurés en un premier pont de Wheatstone et un second groupe d'éléments magnéto-résistifs R5 à R8, configurés en un second pont de Wheatstone, chaque pont de Wheatstone formant ainsi des moyens de mesure différentielle des signaux fournis respectivement par le premier groupe et le second groupe d'éléments magnéto-résistifs.
Les deux ponts sont fabriqués sur un même substrat et sont positionnés à 45° l'un par rapport à l'autre. Dans cette configuration les signaux de mesure issus de chacun des deux ponts sont en quadrature, c'est-à-dire qu'ils ont une différence de phase de 90°.
Le premier pont fournit donc une première tension de mesure proportionnelle au sinus du double de la position angulaire α du champ magnétique d'un élément magnétique mobile, entraîné en rotation au dessus de la face du capteur accueillant les éléments magnéto-résistifs et le second pont fournit une seconde tension de mesure, proportionnelle au cosinus du double de la position angulaire α du même champ magnétique.
Le signal de mesure du premier pont est donc du type U1sin2α et le signal de mesure du second pont est du type U2cos2α.
A partir des deux signaux de mesure en sin2α et cos2α, une unité de traitement est adaptée à retrouver la valeur d'angle α en effectuant un calcul du type suivant :
1 , Λ sin2# . ... α = — arctan(J ) (i)
2 cos 2a
Avec A = U1/U2, le ratio des deux amplitudes des deux signaux de mesure.
Toutefois, le facteur 2α fait que le capteur ne peut mesurer en fait que des variations d'angle de 180°. La figure 2 illustre un mode de réalisation d'un dispositif 20 de mesure de position angulaire, utilisant un tel capteur 10 pour la mesure de la position angulaire d'un élément mobile, non représenté, couplé mécaniquement à un élément magnétique mobile 12, de type aimant permanent, de forme parallélépipédique selon un axe longitudinal AA' et présentant un pôle nord N et un pôle sud S respectivement à l'une et l'autre de ses extrémités. L'élément magnétique mobile 12 produit un champ magnétique H au niveau du capteur 10, dont les lignes de champ h sont en grande partie sensiblement parallèles à l'axe longitudinal AA'.
L'élément magnétique mobile tourne autour d'un axe de rotation 30, perpendiculaire à l'axe longitudinal AA'. La position angulaire de l'élément magnétique mobile est mesurée selon les principes exposés ci-dessus par l'angle α formé entre l'axe longitudinal de l'élément magnétique mobile et une position de référence du même axe, correspondant par exemple à une position initiale où l'axe longitudinal AA' de l'élément magnétique mobile 12 et l'axe longitudinal XX' du capteur 10 sont parallèles. Un déplacement angulaire α de l'élément mobile et en conséquence de l'élément magnétique mobile 12 par rapport à la position initiale produit en effet le même déplacement angulaire α du champ H de l'élément magnétique mobile dans le plan du capteur 10, lequel déplacement peut être mesuré à partir des signaux de mesures issus des deux groupes d'éléments magnéto-résistifs du capteur configurés en ponts de Wheatstone.
Dans le cas idéal, la mesure d'angle se fait avec un champ magnétique parallèle homogène.
Toutefois, les tolérances mécaniques de montage font que le capteur magnétique 10 tel qu'il a été décrit ne permet pas d'avoir une plage de mesure réelle de 180°, mais au contraire une plage inférieure par exemple limitée à 179,8°.
En effet, en premier lieu, l'aimant lui-même ne peut pas être centré exactement sur son axe de rotation. On parle alors d'excentrement de rotation. De même pour le capteur, qui ne peut pas être exactement centré sur l'axe de l'aimant (par axe de l'aimant on entend une ligne qui passe par le centre de l'aimant perpendiculairement à l'axe longitudinal de celui-ci). On parle alors d'excentrement radial.
Ces deux tolérances entraînent des erreurs angulaires, qui font que, suivant les assemblages, certains dispositif de mesure de position angulaire tels que décrits à la figure 2 ne permettront pas en réalité de mesurer une position de 180°. En outre, une autre limitation vient du capteur lui-même, qui possède une hystérésis pouvant aller jusqu'à 0,3° et une précision de mesure maximale de 0,1 °. La conséquence est que pour les positions angulaires se situant vers les extrémités de la plage normale d'utilisation, c'est-à-dire pour des positions angulaires proches de 0° ou 180°, l'erreur est maximale. Par exemple, pour une position angulaire de +0,1 °, le capteur peut indiquer une position de +180°.
Communément, le problème lié aux tolérances de montage peut être traité par l'accroissement de la taille de l'aimant. En effet, plus l'aimant est gros, plus les effets d'excentrement sont réduits. Toutefois, cela ne règle pas les problèmes liés au capteur lui-même. Le résultat est, qu'en pratique, le dispositif de mesure de position angulaire de l'art antérieur décrit à la figure 2 n'est typiquement utilisé que sur des plages angulaires réduites, classiquement comprises entre 0 et 179,8°, ce qui le rend inutilisable pour certains cas où la détermination de la position angulaire dans une plage réellement comprise entre 0° jusqu'à 180°, et même au-delà, est nécessaire. Au-delà de 180°, on utilise classiquement une autre technologie comme les effets Hall 360°. Cependant, pour des raisons de volume, de coût et de maîtrise technique, il serait particulièrement intéressant de pouvoir conserver un capteur à base de ponts magnéto-résistifs pour effectuer des mesures sur une plus grande plage angulaire. La présente invention permet de pallier les inconvénients précités en proposant à cet effet un dispositif de mesure de position angulaire, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, plus particulièrement caractérisé en en ce que le capteur magnétique est excentré par rapport à l'axe de l'élément magnétique mobile et en ce que l'élément magnétique mobile est excentré par rapport à un axe de rotation dudit élément, selon des valeurs d'excentrement volontairement choisies de manière à ce que la plage de mesure angulaire du capteur magnétique s'étende au-delà de 180°.
Un des avantages du dispositif selon l'invention réside dans le fait qu'en étendant la plage de mesure au-delà de 180°, le capteur n'atteint pas ses valeurs limites et il n'y donc plus le problème des erreurs de 180° aux limites.
Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de calibration d'une valeur d'offset du premier et/ou du second signal de mesure fournis par les ponts de Wheatstone, adaptée à corriger au moins en partie la non linéarité de la réponse fournie.
Selon un mode de réalisation, les valeurs d'excentrement définissant l'excentrement entre le capteur et l'axe de l'élément magnétique mobile se décomposent en une valeur de distance d'excentrement et en une valeur d'angle d'excentrement.
Avantageusement encore, les valeurs d'excentrement définissant l'excentrement entre l'élément magnétique mobile et son axe de rotation se décomposent en une valeur de distance d'excentrement et en une valeur d'angle d'excentrement. Dans un mode de réalisation préférentiel, les deux ponts de Wheatstone sont disposés à 45° l'un par rapport à l'autre sur un même substrat du capteur.
En outre, il est prévu que l'élément magnétique mobile est un aimant permanent mobile de forme annulaire ou parallélépipédique qui tourne dans un plan de rotation sensiblement parallèle à une face du capteur sur laquelle sont déposés les éléments magnéto-résistifs.
L'invention concerne encore un procédé de conception d'un dispositif de mesure de position angulaire comportant un capteur magnétique utilisant des éléments magnéto- résistifs, coopérant avec un élément magnétique mobile entraîné en rotation au-dessus du capteur, pour mesurer un premier et un second signal de mesure proportionnels respectivement au sinus et au cosinus du double de la position angulaire de l'élément magnétique mobile et calculer une réponse correspondant à la position angulaire de l'élément magnétique mobile à partir desdits premier et second signaux de mesure, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à excentrer volontairement d'une part, le capteur magnétique par rapport à l'axe de l'élément magnétique mobile et, d'autre part, l'élément magnétique mobile par rapport à un axe de rotation dudit élément, selon des valeurs d'excentrement choisies de manière à ce que la plage de mesure angulaire du capteur magnétique s'étende au-delà de 180°.
Avantageusement, ledit procédé comprend en outre une étape de calibration d'une valeur d'offset du premier et/ou du second signal de mesure, adaptée à corriger au moins en partie la non linéarité de la réponse du capteur.
De préférence, les valeurs d'excentrement choisies se décomposent en une valeur de distance d'excentrement et en une valeur d'angle d'excentrement.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 illustre schématiquement un capteur magnétique à ponts magnéto- résistifs et a déjà été décrite ; la figure 2 illustre un mode de réalisation schématique d'un dispositif de mesure de position angulaire selon l'art antérieur, comprenant un capteur tel qu'illustré à la figure 1 et a déjà été décrite ; les figures 3a et 3b représentent des vues schématiques de côté et de dessus du dispositif de mesure selon l'invention illustrant le principe d'excentrement maîtrisé, les éléments en commun avec les figures déjà décrites portant les mêmes références ; - la figure 4 représente les courbes des signaux de mesure issus des deux ponts de Wheatstone du capteur et du signal de réponse du capteur fournissant, à partir des signaux de mesure, la position angulaire α du champ magnétique de l'élément magnétique mobile sur la plage de mesure étendue au-delà de 180°.
La présente invention repose donc sur le principe, illustré à la figure 3a, de créer volontairement un double excentrement dans le montage du dispositif de mesure angulaire 20 utilisant un capteur 10 à base de ponts magnéto-résistifs comme déjà décrit, en le maîtrisant plutôt que de le subir. Ce double excentrement se décompose donc : d'une part, en un premier excentrement Exc_R entre le capteur magnétique 10 et l'axe 14 de l'élément magnétique mobile 12 (de forme annulaire dans cet exemple de réalisation) et, d'autre part, en un second excentrement Exc_A entre l'élément magnétique mobile 12 et son axe de rotation 30.
En référence à la figure 3b, les valeurs d'excentrement permettant de définir chacun des deux types d'excentrements précités, se décomposent plus précisément en une distance d'excentrement, respectivement Distance_R et Distance_A pour le premier Exc_R et le second excentrement Exc_A et en un angle d'excentrement respectivement Angle_R et Angle_A pour le premier Exc_R et le second excentrement Exc_A. On dispose donc au total de quatre paramètres pour maîtriser le double excentrement dans le montage.
En associant des valeurs d'excentrement déterminées à chacun de ces quatre paramètres, les positions volontairement excentrées qui en découlent, pour le capteur par rapport à l'aimant d'une part, et l'élément magnétique mobile par rapport à son axe de rotation, d'autre part, permettent d'étendre légèrement la plage de mesure angulaire du dispositif au-delà de 180°, tout en assurant un fonctionnement avec une très bonne précision sur la totalité de la plage ainsi étendue.
En effet, le cumul des deux excentrements, radial et de rotation, provoque une erreur angulaire Δα, qui est fonction notamment de la constante magnétique calculée à partir des dimensions de l'élément magnétique mobile, et des valeurs d'excentrement prédéfinies.
Les signaux de mesure en sinus et en cosinus issus des deux ponts de Wheatstone du capteur positionnés à 45° sont alors déformés par cette erreur, introduisant une déformation en modulation de phase de ces signaux. Autrement dit, la courbure de ces signaux est modulée lors de la rotation de l'élément magnétique mobile.
Ce phénomène est illustrée à la figure 4, dont les courbes référencées Sin et Cos représentent respectivement les signaux en sinus et en cosinus issus des deux ponts de Wheatstone du capteur avec un double excentrement maîtrisé et dont la courbe référencée Arctan représente la réponse fournie par le capteur, à savoir la position angulaire mesurée, obtenue à partir du traitement effectué sur les deux signaux susmentionnés. On remarque que les signaux de mesure Sin et Cos ont leur maximum et/ou minimum décalés, dû à la déformation en modulation de phase engendrée par le double excentrement. Ils présentent aussi une périodicité de 360°. Ainsi, suivant les distances et les angles d'excentrement, les courbes vont se déformer différemment. En jouant sur ces valeurs d'excentrement, il est alors possible d'obtenir une déformation des courbes propres à étendre la plage de mesure angulaire, comme représenté sur l'exemple de la figure 4.
En effet, sur la courbe Arctan de la figure 4, on voit bien que la plage de mesure angulaire va de 180° à 364°, soit 184°. On note aussi, par symétrie, que l'autre plage de mesure est réduite. Le résultat du cumul de ces deux excentrements avec des valeurs d'excentrement déterminées de manière appropriée, est donc que la plage de mesure angulaire est étendue au-delà des 180°. Pour arriver à ce résultat, il faut donc déterminer des valeurs d'excentrement appropriées permettant de définir une erreur angulaire propre à provoquer une modulation adéquate des signaux de mesure permettant d'étendre la plage de masure. Cette détermination des valeurs d'excentrement dépend notamment du type d'élément magnétique mobile, en particulier sa forme et ses dimensions.
Toutefois, le fait d'étendre la plage de mesure angulaire au-delà de 180°, provoque une erreur de linéarité dans la réponse angulaire obtenue à partir des deux signaux de mesure en sinus et en cosinus. Il est donc nécessaire de calculer une calibration appropriée d'une valeur d'offset (décalage par rapport au zéro) pour l'un ou les deux signaux de mesure, adaptée à corriger au moins en partie la non linéarité de la réponse fournie par le capteur. Le fait de modifier les valeurs d'offset sur l'un ou les deux signaux de mesure en sinus et cosinus permet donc avantageusement de rectifier la linéarité de la réponse du capteur sur la totalité de la plage de mesure angulaire étendue.
Cependant, au-delà d'une plage de mesure de 200°, la correction de la linéarité en jouant sur l'offset des signaux de mesure en sinus et cosinus peut ne plus être suffisante, et il peut alors devenir nécessaire de linéariser la réponse du capteur par une table de correspondance, la courbe de réponse obtenue étant strictement croissante. L'invention ne se limite nullement au mode de réalisation détaillé dans la présente description. L'homme du métier pourrait par exemple utiliser une autre combinaison des premier et second signaux de mesure que celle donnée en (i) sans pour autant sortir de la portée de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (20) de mesure de position angulaire comprenant un capteur magnétique (10), coopérant avec un élément magnétique mobile (12) dont on cherche à mesurer un angle de rotation, le capteur magnétique comprenant au moins un premier (R1 à R4) et un second (R5 à R8) groupe d'éléments magnéto-résistifs configurés chacun en pont de Wheatstone, adaptés à fournir un premier et un second signal de mesure (Sin, Cos) proportionnels respectivement au sinus et au cosinus du double de la position angulaire (α) de l'élément magnétique mobile, et une unité de traitement fournissant une réponse (Arctan) correspondant à la position angulaire de l'élément magnétique mobile à partir desdits premier et second signaux de mesure, ledit dispositif étant caractérisé en ce que le capteur magnétique (10) est volontairement excentré par rapport à un axe (14) de l'élément magnétique mobile et en ce que l'élément magnétique mobile (12) est volontairement excentré par rapport à un axe de rotation (30) dudit élément, selon des valeurs d'excentrement (Angle_R, Distance_R, Angle_A, Distance_A) volontairement choisies de manière à ce que la plage de mesure angulaire du capteur magnétique s'étende au-delà de 180°.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de calibration d'une valeur d'offset du premier et/ou du second signal de mesure fournis par les ponts de Wheatstone, adaptée à corriger au moins en partie la non linéarité de la réponse fournie.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les valeurs d'excentrement définissant l'excentrement entre le capteur et l'axe de l'élément magnétique mobile se décompose en une valeur de distance d'excentrement (Distance_R) et en une valeur d'angle d'excentrement (Angle_R).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les valeurs d'excentrement définissant l'excentrement entre l'élément magnétique mobile et son axe de rotation se décompose en une valeur de distance d'excentrement (Distance_A) et en une valeur d'angle d'excentrement (Angle_A).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux ponts de Wheatstone sont disposés à 45° l'un par rapport à l'autre sur un même substrat du capteur.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément magnétique mobile (12) est un aimant permanent mobile de forme annulaire ou parallélépipédique qui tourne dans un plan de rotation sensiblement parallèle à une face du capteur sur laquelle sont déposés les éléments magnéto-résistifs.
7. Procédé de conception d'un dispositif (20) de mesure de position angulaire comportant un capteur magnétique (10) utilisant des éléments magnéto-résistifs, coopérant avec un élément magnétique mobile (12) entraîné en rotation au-dessus du capteur, pour mesurer un premier et un second signal de mesure (Sin, Cos) proportionnels respectivement au sinus et au cosinus du double de la position angulaire (α) de l'élément magnétique mobile et calculer une réponse (Arctan) correspondant à la position angulaire de l'élément magnétique mobile à partir desdits premier et second signaux de mesure, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à excentrer volontairement d'une part, le capteur magnétique (10) par rapport à un axe (14) de l'élément magnétique mobile et, d'autre part, l'élément magnétique mobile (12) par rapport à un axe de rotation (30) dudit élément, selon des valeurs d'excentrement (Angle_R, Distance_R, Angle_A, Distance_A) choisies de manière à ce que la plage de mesure angulaire du capteur magnétique s'étende au-delà de 180°.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de calibration d'une valeur d'offset du premier et/ou du second signal de mesure, adaptée à corriger au moins en partie la non linéarité de la réponse du capteur.
9. Procédé selon les revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les valeurs d'excentrement choisies se décomposent en une valeur de distance d'excentrement (Distance_R, Distance_A) et en une valeur d'angle d'excentrement (Angle_R, Angle_A).
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