WO1993023720A1 - Capteur de position a aimant permanent et sonde magnetosensible - Google Patents

Capteur de position a aimant permanent et sonde magnetosensible Download PDF

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Claude Oudet
Daniel Prudham
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Moving Magnet Technologies S.A.
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Abstract

La présente invention concerne un capteur de position du type comportant un stator présentant une fente constituant un entrefer à l'intérieur duquel est positionné un aimant permanent, et comportant un moyen de mesure du flux magnétique constitué par une sonde magnétosensible (7). L'aimant (3) est du type bipolaire et est mobile à l'intérieur d'un entrefer principal (2) mince délimité par les parties ferromagnétiques (4, 5) réunies par des pièces de liaisons non-magnétiques (10, 11). La longueur de l'entrefer (2) mesurée selon la direction de déplacement de l'aimant mobile (3) est au moins égale à 2(C + E), C désignant la course de l'aimant (3) et E la largeur de l'entrefer (2), la longueur de l'aimant (3) étant au moins égale à (C + E) et sa course au moins égale à U(C/2)par rapport à l'entrefer secondaire (6, 73), perpendiculaire à l'entrefer principal (2).

Description

CAPTEUR DE POSITION A AIMANT PERMANENT ET SONDE MAGNÉTOSENSIBLE.
La présente invention concerne un capteur de position à sonde magnétosensible, destiné à mesurer des positions sur une trajectoire rectiligne. Le brevet allemand 2923644 décrit une sonde constituée par un stator ferromagnétique formé de deux parties isolées magnétiquement . Le stator comporte un orifice longitudinal formant l'entrefer à l'intérieur duquel un aimant permanent bipolaire peut se déplacer. Le capteur selon l'art antérieur comporte en outre deux sondes magnétosensible dont le signal est transmis à un amplificateur différentiel.
L'objet de la présente invention est de proposer un capteur de fabrication et d'assemblage simplifiés, d'une grande fiabilité et délivrant un signal quasi-linéaire.
A cet effet, l'invention concerne plus particulièrement un capteur de position à aimant permanent bipolaire mobile à l'intérieur d'un entrefer principal mince délimité par les deux parties ferromagnétiques .
L'épaisseur de l'aimant permanent est faible par rapport à la largeur des pôles mesurés dans le sens du déplacement de telle sorte que l'induction soit sensiblement constante pour une position donnée le long de chacun des pôles du stator séparé par la fente où est logée la sonde magnétosensible. Typiquement, la largeur des pôles de l'aimant est au moins six fois supérieure à l'épaisseur L de l'aimant mesurée dans le sens de leur aimantation. La perméabilité réversible de l'aimant est proche de 1 , et de préférence inférieure à 1,2, afin d'obtenir une bonne linéarité de la réponse.
Les deux parties ferromagnétiques sont réunies par des pièces de liaisons non-magnétiques . La longueur de l'entrefer mesurée selon la direction de déplacement de l'aimant mobile, est au moins égale à 2 (C + E) , C désignant la course de l'aimant et E la largeur de l'entrefer. La longueur de l'aimant est au moins égale à (C + E) . La course de l'aimant mobile,- aimanté selon la largeur de l'entrefer, est de ± ~~~ par rapport à un entrefer secondaire, perpendiculaire à l'entrefer principal, et contenant la sonde magnétosensible. La réalisation d'un tel capteur est simple et économique et permet une miniaturisation poussée.
Selon un mode de réalisation préféré, les deux parties ferromagnétiques sont réunies par des flasques latérales non-magnétiques, par exemple en laiton. Les parties ferromagnétiques sont avantageusement réalisées en fer-Nickel 50/50.
Selon une variante avantageuse, l'aimant mobile se déplace à l'intérieur d'une pièce tubulaire étanche placé entre les pièces ferromagnétiques. Le capteur selon cette variante permet de réaliser un capteur étanche, pour des applications telles que des capteurs pour vannes de commande de vérin.
Avantageusement, l'aimant est enrobé dans une gaine de matériau à faible coefficient de frottement tel que du Té lon.
De préférence, dans une réalisation comportant des aimants plans, la largeur Z de ces aimants mesurée suivant l'axe perpendiculaire à la direction du déplacement et à la direction de l'aimantation est supérieure ou égale à 3L, L désignant la longueur de l'aimant mesurée dans le sens de son aimantation.
Selon une variante de réalisation d'un capteur linéaire étanche, le dispositif selon l'invention comporte un organe mobile constitué par un palier présentant à sa partie supérieure un étrier pour l'accouplement d'une tige de liaison, ledit palier présentant une cavité dans laquelle est disposé une première partie ferromagnétique et un aimant mince, la deuxième partie ferromagnétique étant accolée à la surface extérieure du fond d'un boîtier réalisé en un matériau non magnétique, la sonde magnétosensible étant disposé dans un entrefer secondaire perpendiculaire à la direction de déplacement de l'organe mobile. Selon une mode de réalisation particulier autorisant un degré de liberté en rotation de la tige de liaison, celle-ci comporte deux butées ainsi que deux ressorts disposés respectivement entre la butée arrière et la surface arrière de l'étrier, et la butée avant et la surface avant de l'étrier.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence aux dessins où:
- la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un capteur selon l'invention,
- la figure 2 représente une vue du capteur selon une coupe perpendiculaire
- la figure 3 représente une vue en coupe axiale d'un capteur cylindrique - la figure 4 représente une vue en coupe d'un capteur étanche conforme à l'invention ;
- la figure 5 représente une vue du capteur étanche selon un plan de coupe BB.
Le capteur selon l'invention, représenté en figure 1 et 2 selon une échelle 5, présente une course d'environ 8 millimètres.
Il est constitué par un stator (1) présentant un entrefer (2) à l'intérieur duquel est disposé un aimant mince (3) . Le stator est constitué d'une partie ferromagnétique supérieure (4) et d'une partie ferromagnétique inférieure et extérieur (5) , réalisées en Fer-Nickel 50/50. Les deux parties ferromagnétiques (4, 5) déterminent entre elles un entrefer principal (2), d'une largeur de 3 millimètres. Par "largeur", on entend la dimension mesurée suivant la direction d'aimantation de l'aimant, perpendiculaire à la surface principale de 1'aimant.
Les deux parties ferromagnétiques (4, 5) sont réunies par deux flasques latérales (10, 11) en laiton.
L'une des parties ferromagnétiques, dans l'exemple décrit la partie ferromagnétique supérieure (4), présente un entrefer secondaire (6) perpendiculaire à l'entrefer principal (2) . une sonde magnétosensible (7) est positionnées dans cet entrefer secondaire (6), par exemple une sonde magnétosensible commercialisée par la société SIEMENS sous la référence KSY14. Elle est montée sur un circuit imprimé (8) assurant les liaisons électriques avec les composants du circuits d'amplification et de sortie.
L'aimant (3) est dans l'exemple décrit du type Samarium Cobalt SmlCo5. Il présente un pôle Nord orienté vers la partie ferromagnétique supérieure (4) et un pôle Sud orienté vers la partie ferromagnétique (5) . Il est solidaire d'un organe d'accouplement (12) assurant la liaison avec la pièce dont on veut connaître la position. L'aimant présente dans l'exemple décrit une épaisseur de 1 millimètre, et une longueur de 11 millimètres
Afin d'assurer l'étanchéité entre la pièce dont on mesure la position et la capteur, un tube étanche (13) , fermé à l'extrémité (14) opposée à l'organe d'accouplement (12), est mis en place dans l'entrefer. Les caractéristiques de ce tube (13) sont déterminées de façon à lui permettre de résister à la pression du fluide hydraulique dans le cas décrit correspondant à la mesure de la position d'un vérin de commande de vanne. Ce tube étanche (13) délimite un volume intérieur dans lequel se déplace l'aimant (3) .
La figure 3 représente une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un capteur à géométrie axiale, de forme cylindrique. Le capteur selon ce mode de réalisation comporte un boîtier (20) rigide et étanche, de forme cylindrique r présentant à sa partie inférieure un passage d'axe (21) . Il est réalisé en un matériau non magnétique, résistant le cas échéant à une pression de 350 bars, pour une application de mesure de la position pour électrovanne. La face opposée au passage d'axe (21) est obturé par un couvercle (22) . Des joints toriques (23, 23', 23") assurent l'étanchéité du capteur. Le stator est constitué d'une partie ferromagnétique intérieure (24) de forme cylindrique et d'une partie ferromagnétique extérieure (25) de forme annulaire, réalisées en Fer-Nickel 50/50. Les deux parties ferromagnétiques (24, 25) déterminent entre elles un entrefer principal annulaire, d'une largeur de l'ordre de 1 à 3mm. Par "largeur", on entend la dimension mesurée suivant la direction d'aimantation de l'aimant, soit radialement dans le mode de réalisation.
La partie ferromagnétique extérieure (25) est solidaire du boîtier (20) .
La partie ferromagnétique intérieure est constituée de deux pièces cylindriques (27, 28) en fer nickel 50/50, coaxiales et superposées, séparées par un anneau non magnétique (29) . Un joint torique (23") assure l 'étanchéité . Les deux pièces cylindriques (27, 28) déterminent entre elle un entrefer secondaire (30) dont la hauteur définie par l'épaisseur de l'anneau (29), est suffisante pour loger une sonde magnétosensible (31) placée dans cet entrefer, soit quelques 0,8 à 1mm. Les fils électriques (32) de la sonde magnétosensible (31) sortent du capteur par un orifice (33) étanche par rapport à l'intérieur du boîtier (20) . L'aimant permanent mince (35) est de type à aimantation radiale, par exemple un aimant commercialisé par la société SEIKO sous la dénomination "Samlet 9R" . La longueur de l'aimant (35) est de préférence au plus égale au rayon. L'aimant permanent peut également être constitué par une assemblage d'aimants en forme de tuiles, par exemple par trois aimants en forme de tuiles de 120°.
L'aimant (35) est solidaire d'un support en matériau non magnétique (36) de forme cylindrique, solidaire d'un axe de liaison (37) traversant le fond du boîtier (20) par un passage (21) étanche ou non. Dans le mode de réalisation représenté en figure 3, l'axe de liaison (37) peut tourner axiale ent sans perturber la mesure du déplacement axial .
Dans le cas o ïe passage d'axe (21) n'est pas étanche, il convient de prévoir des trous de circulation (38, 39) permettant le passage de l'air ou du fluide pendant les déplacement axiaux du support (32) de l'aimant (35) .
Eventuellement, un joint torique (40) assure l'étanchéité entre le boîtier (20) du capteur et l'organe auquel il est raccordé. Les figures 4 et 5 représente une variante de réalisation du capteur linéaire selon l'invention, selon deux plans de coupe perpendiculaires.
Le capteur est constitué par un boîtier (51) étanche réalisé en un matériau non magnétique, tel que de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. Ce boîtier présente une cavité cylindrique (52) . Le boîtier est constitué par une partie inférieure (53) fermée par un couvercle (54) . Un joint torique (55) assure l'étanchéité du boîtier. La face avant (56) présente un orifice (57) pour le passage d'une tige d'accouplement (59) . Un pallier (60) assure le guidage de la tige d'accouplement (59) et limite le jeu mécanique.
Ce palier n'est pas nécessairement étanche. La tige d'accouplement (59) coopère avec la partie mobile (61) par l'intermédiaire d'un organe d'accouplement (61) . L'organe mobile (61) est constitué par un palier (63) en un matériau non magnétique, par exemple en bronze présentant à sa partie supérieure un étrier (64) . Cet étrier (64) présente une fente (65) en "U" ajustée avec un très faible jeu sur le diamètre de l'extrémité de la tige d'accouplement (59) . La tige de liaison présente deux butées
(80, 81) empêchant le jeu axial, et permettant la rotation de la tige d'accouplement (59) par rapport à l'organe mobile
(62) .
La liaison entre l'organe mobile (61) et la tige (59) est représentée sur la figure 4 ≈en grossissement x3. Un ressort (84) est disposé entre ûή épaulement (86) de la tige de liaison (59) et la butée avant (81) . Ce ressort
(84) presse la butée (81) contre l'étrier (64) et empêche ainsi le jeu dans la direction de déplacement de l'organe mobile. Par contre, lorsque l'organe mobile (62) arrive en fin de course, le ressort permet de limiter les contraintes mécanique. La partie inférieur du palier en bronze (63) présente une cavité de forme générale cylindrique dans laquelle est insérée une pièce en fer doux stationnaire (66) constituant la première partie ferromagnétique. Cette pièce en fer doux présente à sa surface inférieure un méplat (67) , parallèle au fond du boîtier. Un aimant mince (68) est disposé dans la partie inférieur de la cavité. La longueur Lfd de la pièce en fer doux (66) est au moins égale à la longueur La de l'aimant augmentée de la course de l'organe mobile. L'aimant (68) est dans l'exemple décrit du type Samarium Cobalt SmlCo5. Il présente un pôle Nord orienté vers la partie ferromagnétique supérieure (66) et un pôle Sud orienté vers les pièces ferromagnétiques (70, 70'), ou réciproquement. Il est solidaire en translation de la tige d'accouplement (59) assurant la liaison avec la pièce dont on veut connaître la position. L'aimant présente dans l'exemple décrit une épaisseur de 1 millimètre, et une longueur de 11 millimètres .
La deuxième partie ferromagnétique est constituée par deux pièces en fer doux (70, 70') présentant un entrefer secondaire (73) , collées contre la surface extérieure du fond (71) du boîtier en aluminium.
Une sonde magnétosensible (72) est positionnées dans cet entrefer secondaire, par exemple une sonde magnétosensible commercialisée par la société SIEMENS sous la référence KSY14.
L'entrefer principal est constitué par la distance entre les deux parties (66) et (70, 70') en fer doux. Cette distance comprend l'épaisseur du fond (71) du boîtier, déterminée en fonction des pressions auxquelles le boîtier doit résister et un espace (74) prévu entre la surface supérieure de l'aimant (68) et le méplat de la pièce ferromagnétique supérieure (66) . L'aimant (68) est en équilibre instable entre les deux parties en fer et en raison de cet équilibre, les forces magnétiques s'exerçant sur lui ne viennent pas perturber le déplacement de la tige d'accouplement.
La palier en bronze (63) se déplace en glissant sur la pièce ferromagnétique (66) et supporte l'aimant permanent (68) .
Le capteur selon ce mode de réalisation autorise un accouplement avec un dispositif présentant un degré de liberté en rotation, outre le degré de liberté linéaire selon la direction de mesure.
L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple non limitatif, et il est évident que l'Homme du Métier sera à même d'y apporter des variantes pour l'adapter aux contraintes correspondant à une application particulière.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Capteur de position du type comportant une partie ferromagnétique présentant un entrefer principal (2) à l'intérieur duquel se déplace un aimant permanent mince et comportant un moyen de mesure de l'induction constitué par une sonde magnétosensible (7), caractérisé en ce qu'il comporte en outre un entrefer secondaire (6, 73) perpendiculaire à l'entrefer principal (2) dans lequel est positionné ladite sonde magnétosensible (7) et en ce que l'aimant (3) est du type bipolaire, et présente une caractéristique droite dans le deuxième quadrant de la courbe B (H) , une perméabilité réversible inférieure à 1,2, de préférence un faible coefficient de température, et est mobile à l'intérieur d'un entrefer principal (2) mince délimité par deux parties ferromagnétiques (4, 5) réunies par des pièces de liaisons non-magnétiques (10, 11), la longueur de l'entrefer principal (2) mesurée selon la direction de déplacement de l'aimant mobile (3) étant au moins égale à 2 (C + E) , C désignant la course de l'aimant (3) et E la largeur de l'entrefer (2), la longueur de l'aimant (3) étant au moins égale à (C + E) et sa course égale à ± ~ par rapport à l'entrefer secondaire (6, 73) .
2 - Capteur de position selon la revendication
1 caractérisé en ce que les deux parties ferromagnétiques (4, 5) sont réunies par des flasques latérales (10, 11) non- magnétiques.
3 - Capteur de position selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant (3) se déplace à l'intérieur d'une pièce tubulaire (13) étanche .
4 - Capteur de position selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé, en ce que l'aimant (3) est enrobé dans une gaine de matériau à faible coefficient de frottement tel que du Téflon. 5 - Capteur de position selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la largeur Z de l'aimant permanent, mesurés suivant l'axe perpendiculaire à la direction du déplacement et à la direction de l'aimantation est supérieure ou égale à 3L, L désignant la longueur de l'aimant (3) mesurée dans la direction de son aimantation.
6 - Capteur de position selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'aimant (35) est de forme cylindrique, et est libre en rotation, la course de mesure étant axiale, et en ce que le stator est composé par une partie ferromagnétique extérieure (25) de forme cylindrique et par deux parties ferromagnétiques intérieures (27, 28) déterminant entre elle un entrefer secondaire (30) à l'intérieur duquel est disposé une sonde magnétosensible.
7 - Capteur de position selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un organe mobile (61) constitué par un palier (63) présentant à sa partie supérieure un étrier (64) pour l'accouplement d'une tige de liaison (59) , ledit palier glissant sur une première partie ferromagnétique cylindrique comportant un méplat et comportant une cavité positionnant un aimant mince (68) parallèlement audit méplat, la deuxième partie ferromagnétique (70) étant accolée à la surface extérieure du fond (71) d'un boîtier réalisé en un matériau non magnétique, la sonde magnétosensible (72) étant disposé dans un entrefer secondaire (73) perpendiculaire à la direction de déplacement de l'organe mobile (62) .
8 - Capteur de position selon la revendication 7 caractérisé en ce que la tige de liaison (59) comporte deux butées (80, 81) ainsi que un ressort (84) disposés respectivement entre la butée avant (81) et un épaulement (86) de la tige de liaison (59) ..
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