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He2
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Molecule
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copper
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carac
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Physical
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4 percent
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de 0,2 Oersted
(1)
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Generic
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metal
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2522807A1
Family ID 6927573
Probable Assignee Jaeger
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title CAPTEUR DE POSITION A MAGNETORESISTANCE
EN Title POSITION SENSOR MEASURING DISTANCE OR SPACING - USES
MAGNETORESISTIVE COMPONENT, MOBILE CONDUCTOR OR MAGNET GENERATES
MAGNET FIELD WHICH VARIES MAGNETO RESISTANCE
Abstract
_________________________________________________________________
LE CAPTEUR SELON L'INVENTION COMPORTE UN CONDUCTEUR MOBILE 100
PARCOURU PAR UN COURANT D'EXCITATION I, MOBILE SUIVANT UNE DIRECTION D
SENSIBLEMENT PERPENDICULAIRE A CE COURANT, ENGENDRANT UN CHAMP
MAGNETIQUE D'EXCITATION H DANS UN ELEMENT MAGNETORESISTIF 200 FIXE.
CE CHAMP D'EXCITATION POSSEDE UNE COMPOSANTE UTILE H QUI PEUT ETRE
ANNULEE PAR UN CHAMP DE COMPENSATION H PRODUIT DANS LA
MAGNETORESISTANCE PAR UN CONDUCTEUR 300 PLACE A SON VOISINAGE ET
PARCOURU PAR UN COURANT I DE COMPENSATION.
LE COURANT DE COMPENSATION EST ASSERVI DE MANIERE A MAINTENIR DANS
L'ELEMENT MAGNETORESISTIF UN CHAMP UTILE RESULTANT NUL. LA MESURE DE
CE COURANT FOURNIT UN SIGNAL DE POSITION FONCTION DE LA DISTANCE DU
CONDUCTEUR MOBILE A L'ELEMENT FIXE.
In this position sensor, a mobile component (100) generates a magnetic
field (He). One or more fixed magnetoresistive components (200)
sensitive to the magnetic field (He) are orientated so that the
anisotropic direction is situated in a plane which is approximately
parallel to the direction (Oy) in which the mobile component (100)
moves. A system associated with the magnetoresistive component (200)
produces a position signal as a function of the useful magnetic field
created by the mobile component (100) in the magnetoresistive
component (200). The mobile component (100) can be conductor in which
a current flows or a magnet. In one application, a fixed conductor
(300) is placed near each magnetoresistive component. A compensating
current (Ic) flows inside this conductor (300) in order to create a
magnetic field so that the resulting field is approximately zero.
Description
_________________________________________________________________
La presente invention concerne un capteur de position a
magnetoresistance, par exemple constitu8c d'une couche mince de
ferronickel nacinetoresistif.
La magnetoresistance est fixe, et subit les variations de champ
magnetique produites par le deplacement d'un element mobile generateur
de champ magnetique (le phenomene est parfaitement identique, en
changeant ce qui doit etre change, si l'on rend mobile la
magnetoresistance et fixe l'element generateur de champ magnetique).
Ces variations de champ vont provoquer dans le ferronickel une
variation de resistivite, a condition que le champ comporte une
composante situee dans la direction perpendiculaire a une direction
d'anisotropie de la magne toresis tance, les autres composantes du
champ ne produisant aucun effet magnetoresistif. Ce sont les
variations d'amplitude de cette composante - que l'on appellera par la
suite " composante utile " - qui produiront les variations de
resistance de l'element.
Ces dernieres variations sont cependant tres faibles. En outre, la
caracteristique est generalement peu lineaire, et la saturation tres
vite atteinte. La figure 1 represente la caracteristique:champ utile
subi (H)/resistance (R) d'une telle magnetoresistance. On notera tout
d'abord l'insensibilite au sens du champ utile la caracteristique est
une fonction paire, aux phenomenes d'hysteresis pres, que l'on neglige
ici (cette hysteresis reste faible, en raison de la quantite reduite
de matiere magnetisable). La resistance varie entre une valeur nomi
nale R (correspondant a un champ utile nul) et une valeur o maximale
de saturation R5 (correspondant a un champ saturant, de valeur
superieure ou egale a Hs). La variation relative de resistance Rs-Ro
est couramment de l'ordre
R o de 3 a 4 percent, la saturation etant atteinte pour un champ
H de l'ordre de 0,2 Oersted, donc tres faible. s
Essentiellement, le capteur selon l'invention comporte: un conducteur
mobile parcouru par un courant continu d'excitation engendrant un
champ magnetique d'excitation; au moins un element magnetoresistif
fixe, sensible au champ magnetique d'excitation, et oriente de maniere
que sa direction d'anisotropie soit situee dans un plan sensiblement
parallele a la direction du deplacement de l'element mobile; ainsi que
des moyens, cooperant avec cet element magnetoresistif, pour fournir
un signal de position de l'element mobile fonction du champ magnetique
utile cree dans l'element magnetoresistif.
Dans un premier mode de realisation, le capteur comporte egalement un
conducteur fixe dispose au voisinage de chaque element magnetoresistif
et parcouru par un courant de compensation creant dans l'ele- ment
magnetoresistif un champ magnetique de compensation le sens et
l'intensite du courant de compensation sont tels que, a l'endroit de
chaque element magnetoresistif, le champ efficace resultant soit nul
ou,tout au moins, minimal.
De cette maniere, le courant-asservi - de compensation annule en
permanence l'effet magnetoresistif produit par le courant
d'excitation. On se place toujours au point de fonctionnement
correspondant a un champ utile nul et a la resistance (minimale)
nominale, en s'affranchissant des defauts de linearite de la
caracteristique.
Tout deplacement du conducteur mobile se traduira par une variation du
champ utile d'excitation, donc par une variation consecutive du
courant de compensation, pour deplacer le point de fonctionnement et
le ramener a une valeur correspondante de resistance qui soit
minimale.
La mesure de ce courant fournit ainsi un signal de position, fonction
de la distance du conducteur mobile a la magnetoresistance.
En variante, il est possible de remplacer le conducteur mobile par un
aimant mobile convenablement oriente pour creer une composante de
champ utile dans la magnetoresistance, ou meme un obturateur
magnetique mobile intercale entre un aimant fixe et la
magnetoresistance fixe. Le fonctionnement est identique, en raison de
la similarite des effets produits.
Un second mode de realisation evite le recours a un conducteur de
compensation. Dans ce cas, le conducteur mobile est parcouru par un
courant alternatif d'excitation, de frequence F determinee, la
direction e du deplacement etant sensiblement perpendiculaire a la
direction du courant d'excitation. Le capteur comporte alors des
moyens, cooperant avec chacun des elements magnetoresistifs, pour
transformer en un signal electrique de mesure la variation periodique
de resistance consecutive a la variation du champ d'excitation
produite par le courant alternatif d'excitation, ainsi que des moyens
de filtrage a bande etroite ne transmettant que la composante de
frequence double 2.Fe contenue dans le signal de mesure; il comporte
enfin des moyens pour engendrer un signal de position de 'l'element
mobile fonction de l'amplitude du signal. de mesure filtre.
On utilise la propriete de l'element magnetoresistif (propriete due a
la nature paire de la caracteristique) de provoquer un doublement de
frequence chaque demi-alternance du courant d'excitation, donc chaque
demi-alternance du champ utile, provoque une variation identique, et
toujours de meme sens, de resistance de l'element magnetoresistif. I1
est aise de transformer cette variation de resistance en une variation
de tension et de filtrer celle-ci par un filtre a bande etroite pour
extraire la composante utile de fr6- quence 2.Fe des autres signaux
parasites, notamment la composante de frequence F resultant du courant
induit e dans la magnetoresistance ou des courants parasites dans les
circuits de liaison.
Dans l'un ou l'autre mode de realisation, il peut etre avantageux de
multiplier les elements magnetoresistifs de maniere a couvrir un
domaine de deplacement plus vaste. L'intensite du champ cree par le
courant d'excitation dans l'element magneto-resistif varie en effet
comme l'inverse de la distance, et devisent donc faible quand le fil
mobile s'eloigne trop de l'element magneto-resistif.
Si par contre l'on juxtapose une pluralite de ces elements, il s'en
trouvera toujours un au voisinage du fil mobile, quelle que soit la
position de ce dernier. L'analyse, par exemple par exploration
sequentielle, des signaux de position associes a chaque element
magnetoresistif permettra alors de reperer cet element particulier.
L'information peut etre utilisee telle quelle (on a alors affaire plus
precisement a un capteur de proximite, ou l'information de position
varie pas a pas, un pas correspondant a l'intervalle separant deux
magnetoresistances). L'information peut egalement, dans un second
temps, etre analysee plus finement pour determiner la distance exacte
du fil a l'element repere (il s'agit alors veritablement d'un capteur
de position, a variation continue de l'information de position; c'est
seulement lorsque cette variation devient trop grande que l'on procede
a un decalage de l'origine de mesure, pour ramener la variation a
l'interieur d'un intervalle donne).
Lorsque l'on emploie un grand nombre de magnetoresistances, il peut
entre avantageux de proceder a un multiplexage, pour eviter la
multiplication des circuits de mesure: les elements sont alors tous
commutes en sequence, chacun a leur tour, a un circuit unique de
mesure. Les differents signaux sont memorises et, a la fin de la
sequence, analyses. Les differentes operations de gestion de l'organe
de multiplexage, de mise en memoire, et d'analyse peuvent etre
avantageusement realisees par micro processeur, les signaux
electriques ayant ete numerises au prealable.
D'autres caracteristiques et avantages de l'invention apparaitront a
la lecture de la description detaillee ci-dessous, faite en reference
aux figures annexees dans lesquelles, outre la figure 1 deja
mentionnee les figures 2a et 2b illustrent le fonctionnement du
capteur selon l'invention, dans le mode de realisation comportant un
conducteur de compensation, les figures 3a et 3b sont homologues des
precedentes, avec une pluralite d'elements magnetoresistifs, les
figures 4a et 4b sont des graphiques explicatifs d'un premier mode
d'asservissement du courant de compensation, la figure 5 est un
graphique explicatif d'un second mode d'asservissement du courant de
compensation, la figure 6 est un graphique explicatif d'un troisieme
mode d'asservissement du courant de compensation,
. la figure 7 est relative a une variante de construction ou le
deplacement de l'element mobile n'est plus lineaire, mais angulaire,
les figures a et tb sont homologues des figures 3a et 3b, mais dans le
mode de realisation ne comportant pas de conducteur de compensation.
Sur la figure 2a (ainsi que sur la figure 2b qui est une vue en plan
de la figure 2a), le conducteur mobile 100 est parcouru par un courant
I; le conducteur e est susceptible de se deplacer suivant une
direction and approximativement perpendiculaire a la direction x du
courant I. Le courant I induit dans l'element magneto e e resistif 200
un champ magnetique d'excitation He, oriente comme indique sur la
figure. Ce champ d'excitation H e possede une composante utile H'e
orientee dans une direc tion Oz perpendiculaire aux directions O du
courant et x
Oy du deplacement. L'element magnetoresistif 200 est oriente de
maniere que sa direction d'anisotropie soit situee dans le plan x y.
Ce sont donc les composantes perpendiculaires a ce plan (donc de
direction Oz) qui produiront un effet de variation de resistivite. Au
voisinage de la magnetoresistance 200 est egalement dispose un
conducteur 300 de compensation parcouru par un courant I creant au
point O un champ magnetique de c compensation H. Le sens et
l'intensite du courant 1c sont c tels que le champ de compensation H
soit toujours egal c et oppose a la composante utile H'e du champ
d'excitation. On comprendra que, pour que le conducteur 300 puisse
produire une composante selon O, il est necessaire que le courant
circule dans le plan O xy
De preference, on peut donner a l'element magnetoresistif 200 une
forme allongee suivant la direc tion x parallele au courant
d'excitation (pour accroitre l'effet de variation de resistivite);
dans ce cas, le conducteur I est avantageusement oriente dans cette c
meme direction
La magnetoresistance 200 et le conducteur 300 peuvent etre
avantageusement realises sur une plaque support 400, la
magnetoresistance 200 etant un conducteur de ferronickel oriente
judicieusement, et le conducteur de compensation 300 etant un
conducteur de copper ou autre metal bon conducteur.
I1 est possible de repeter cette structure
magnetoresistance-conducteur de compensation associe comme represente
figure 3a et 3b, sur une meme plaque support 400: on dispose ainsi
d'une pluralite de magnetoresistances201, 202, 203,... devant
lesquelles se deplace le conducteur unique 100. A chaque
magnetoresistance est associe un conducteur de compensation 301, 302,
303...
Sur la figure 3a, le conducteur 100 a ete represente approximativement
a la verticale de l'element 202. Le champ d'excitation He2
correspondant est alors oriente de telle sorte que sa composante utile
soit nulle.
Le courant de compensation dans le conducteur 302 est alors egalement
nul. L'element 203 est dans une position identique a celle de la
figure 2, et donc le champ d'excitation Hei iriposera un courant 1c1
de meme sens.
Quant a l'element 201, il sera soumis a un champ d'excitation utile de
sens inverse; le courant de compensation 1c3 sera donc egalement de
sens inverse a celui du courant 1c1
Les moyens d'asservissement pour alimenter chaque conducteur de
compensation avec un courant de sens et d'intensite appropriessont par
exemple realises avec un generateur de courant bidirectionnel,
schematise en 510, et commande par des moyens 500 de mesure de la
variation de resistance. Ces moyens 500 peuvent par exemple comporter
un montage en pont dont l'une des branches est constituee par la
magnetoresistance, et dont les autres branches comportent des elements
de valeurs telles que le pont soit equilibre pour la valeur nominale
Ro de la magnetoresistance. Si le champ efficace resultant n'est pas
nul, le pont s'en trouvera desequilibre, et la tension de desequilibre
pourra servir a ajuster en retour le courant de compensation pour
ramener ce champ efficace resultant a une valeur nulle.
Les signaux de position, proportionnels aux valeurs des differents
courants de compensation et representatifs de la distance du
conducteur mobile a chacune des magnetoresistances fixes, sont
appliques a des moyens comparateurs 600. Un circuit 700 d'analyse
indique la position du conducteur fixe, connaissant celle de l'eldment
maqnbtordsistant dont le conducteur est le plus proche et, le cas
echeant, la distance du conducteur a cet element particulier.
I1 est bien entendu possible de remplacer le conducteur 100 parcouru
par un courant continu 1e par un element generateur de champ
magnetique, par exemple un aimant, mobile dans la meme direction, et
oriente de maniere a pouvoir produire une composante de champ suivant
la direction utile O z
Les figures 4 a 6 se referent a differents modes de realisation de
l'asservissement du courant de compensation. Outre le mode decrit
precedemment, ou le courant de compensation est un courant continu
ajuste en permanence de maniere que la resistance mesuree soit
toujours minimale, il est possible de superposer une composante
alternative a ce courant continu (graphiques du haut des figures 4a et
4b). La valeur I correspond co a une valeur de courant continu qui
annulerait le champ efficace resultant dans la magnetoresistance. Si
le courant de compensation varie exactement autour de cette valeur
moyenne Ico (figure 4b) chaque passage du courant a cette valeur
provoque une variation impulsionnelle de resistance correspondant a
l'annulation du champ efficace. Chaque alternance du courant de
compensation comportant deux passages a la valeur in 1c0, les
variations impulsionnelles de resistance seront de frequence double de
celle de la composante alternative du courant de compensation.
Si la composante alternative n'est pas centree autour de la valeur 1co
(figure 4a), on recueillera toujours des impulsions de frequence
double, mais le rapport cyclique T1/T2 ne sera pas egal a l'unite,
comme c'etait le cas precedemment (figure 4b). On pourra alors
utiliser des moyens de mesure du rapport cyclique pour asservir la
composante continue du courant de compensation, de maniere a ramener
ce rapport a une valeur voisine de l'unite.
Dans la variante de la figure 5, le courant de compensation comporte
une partie en forme de rampe (la caracteristique peut etre une rampe
unique, ou la partie lineaire d'une caracteristique en dent de scie).
Lorsque la valeur du courant atteint la valeur in IcOl on observe,
comme precedemment, une variation impulsionnelle de resistance,
celle-ci passant par son minimum RO. La duree entre le debut de la
rampe et la survenance de l'impulsion est representative de la valeur
(inconnue) du courant ICo, donc de la distance du conducteur mobile 3
l'element fixe. La mesure de cette duree sera facile a transformer en
un signal de position.
I1 est enfin possible de combiner les variantes des figures 4 et 5,
avec un courant de compensation (figure 6) en forme de rampe (pendant
une duree Tg) suivie d'une composante continue Icora laquelle est
superposee une composante alternative #I en forme de dent de scie, de
sinusolde, ou autre. On combine ainsi les avantages des variantes de
la figure 5 (ddtermination du courant ICo) et des figures 4
(asservissement du courant de compensation).
Il a jusqu'a present ete envisage un deplacement lineaire de l'element
mobile, mais il est egalement possible d'appliquer 1'invention a la
mesure d'un deplacement angulaire. Comme represente sur la figure 7,
le conducteur 100 est parcouru par un courant d'excitation
I de direction radiale, et les differentes magneto e resistances 200
et les differents conducteurs de compenstation 300 sont repartis sur
un secteur circulaire, tous etant orientes radialement.
Les figures 8 a et8b se referent a un mode de realisation dans lequel
il n'est pas necessaire de disposer d'un courant ou d'un conducteur de
compensation.
Le conducteur mobile 100 et les differentes magnetoresistances 201 a
205 sont disposes de facon identique au mode de realisation precedent,
mais le courant qui parcourt le conducteur mobile est un courant
alternatif de frequence Fe determinee. Ce courant alternatif va
induire dans les magnetoresistances des variations impulsionnelles de
resistance de frequence double 2.Fe (ces impulsions sont similaires a
celles representes figure 4b, mais dans le present mode de
realisation, c'est le courant d'excitation, et non plus le courant de
compensation, qui est alternatif).
Ces variations de resistance sont transformees par des circuits 520 en
signaux de mesure;ces signaux scntfiltrespar des filtres 530 a bande
etroite centres autour de la frequence 2.F. On elimine de cette
maniere e les effets du courant induit dans la magnetoresistance,
ainsi que ceux des signaux parasites. Les signaux obtenus, dont
l'intensite est representative de la distance du conducteur a
l'element considere, sont ensuite compares et analyses par des
circuits 600 et 700, de la meme maniere que precedemment.
Toujours comme precedemment, il est possible de proceder a un
multiplexage des magnetoresistances on dispose ainsi d'un circuit
unique 520 et d'un filtre unique 530, auxquels sont raccordees
sequentiellement les differentes magnetoresistances.
Bien entendu, de nombreux modes de realisation et de nombreuses
variantes peuvent etre envisages conformement a l'esprit de la
presente invention.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1. Capteur de position, caracterise en ce qu'il comporte un element
mobile (100) engendrant un champ magnetiqued'excitation, au moins un
element magnetoresistif fixe (200), sensibleau champ magnetique
d'excitation (He), et oriente demaniere que sa direction d'anisotropie
soit situee dansun plan sensiblement parallele a la direction (Oy)
dudeplacement de l'element mobile, des moyens, cooperant avec cet
element magnetoresistif,pour fournir un signal de position de
l'element mobilefonction du champ magnetique utile cree par
celui-cidans l'element magnetoresistif.
2. Capteur selon la revendication 1, caracterise en ce que l'element
mobile est un conducteur parcouru par un courant continu d'excitation
(Ie), la direction du deplacement etant sensiblement perpendiculaire a
la direction (0x) du courant d'excitation.
3. Capteur selon la revendication 1, caracterise en ce que l'element
mobile est un aimant oriente de maniere a creer un champ utile dans
l'element magnetoresistif.
4. Capteur selon l'une des revendications 2 et 3, caracterise en ce
qu'il comporte en outre un conducteur fixe (300), dispose au voisinage
de chaque element magnetoresistif et parcouru par un courant de
compensation (Ic) creant dans l'element magnetoresistif un champ
magnetique de compensation (Hc), le sens et l'intensite du courant de
compensation etant tels que, a l'endroit de chaque element
magnetoresistif, le champ efficace resultant soit sensiblement nul.
5. Capteur selon la revendication 4, caracterise en ce que le courant
de compensation est un courant continu, et en ce qu'il comporte des
moyens (500, 510) pour asservir chaque courant decompensation a une
mesure de la resistance de l'element magnetoresistif correspondant, de
maniere quecelle-ci conserve la valeur minimale correspondanta une
annulation du champ efficace resultant dans cetelement
magnetoresistif, des moyens pour mesurer le sens et l'intensite
dechaque courant asservi, ainsi que des moyens, cooperant avec ces
moyens demesure, pour transformer ces valeurs en un signal deposition
de l'element mobile.
6. Capteur selon la revendication 4, caracterise en ce que le courant
de compensation comporte une composante alternative superposee a une
composante continue, et en ce qu'il comporte: des moyens pour mesurer
le rapport cyclique (T1/T2)des variations impulsionnelles de
resistance de l'ele-ment magnetoresistif produites par cette
composantealternative, des moyens (500,510), cooperant avec ces moyens
demesure du rapport cyclique, pour asservir la composante continue du
courant de compensation, de manierea ramener le rapport cyclique a une
valeur voisine del'unite, des moyens, cooperant avec les moyens
precedents, pourengendrer un signal de position de l'element
mobilefonction du. courant de compensation asservi.
7. Capteur selon la revendication 4, caracterise en ce que le courant
de compensation presente une carac eristique en forme de rampe, et en
ce qu'il comporte - des moyens pour detecter la variation
impulsionnellede resistance de l'element magnetoresistif produiteau
moment ou la rampe de courant franchit une valeur(Ico) correspondant a
l'annulation, dans l'elementmagnetoresistif, du champ efficace
resultant, - des moyens pour mesurer la duree (To) de la rampe entrele
debut de celle-ci et la survenance de l'impulsion, - des moyens pour
engendrer un signal de position del'element mobile fonction de cette
duree.
8. Capteur selon les revendications 6 et 7 en combinaison, caracterise
en ce que le courant de compensation presente une caracteristique en
forme de rampe suivie d'une composante continue a laquelle est
superposee une composante alternative, la fin de la rampe etant
declenchee par la survenance de la premiere variation impulsionnelle
de resistance.
9. Capteur selon la revendication 1, caracterise en ce que l'element
mobile est un conducteur parcouru par un courant alternatif
d'excitation de frequence (Fe) determinee, la direction du deplacement
etant sensiblement perpendiculaire a la direction du courant
d'excitation, et en ce qu'il comporte: des moyens (520), cooperant
avec chacun des elementsmagnetoresistifs, pour transformer en un
signal electrique de mesure la variation periodique de
resistanceconsecutive a la variation du champ d'excitationproduite par
le courant alternatif d'excitation, des moyens (530) de filtrage a
bande etroite ne transmettant que la composante de frequence double
(2.Fe)contenue dans le signal de mesure,des moyens pour engendrer un
signal de position del'element mobile fonction de l'amplitude du
signal demesure filtre.
10. Capteur selon l'une des revendications 5 a 9, caracterise en ce
qu'il comporte - une pluralite d'elements magnetoresistifs (201 A
205), - des moyens comparateurs (600, 700) des signaux deposition
associes a chaque element magnetoresistifde maniere a determiner la
position de l'element mobilepar rapport a l'ensemble des elements
magnetoresistifs.
11. Capteur selon la revendication 10, caracterise en ce qu'il
comporte des moyens de multiplexage des elements magnetoresistifs.
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