HALL-EFFECT CONTACTLESS POSITION SENSOR

CAPTEUR DE POSITION SANS CONTACT, A EFFET HALL

Abrégé français

Un capteur de position sans contact comprend une cellule (10) à effet Hall et
un circuit magnétique formé d'un aimant permanent (18) et de deux pièces
polaires (20, 22). L'aimant (18) et la cellule (10) sont placés côte à côte
entre les pièces polaires (20, 22) et ces dernières comportent des surfaces
actives (32, 34) à l'opposé de la cellule par rapport à l'aimant. Cet
agencement permet d'obtenir directement un signal de sortie (Va - Vb)
proportionnel à la distance (e) qui sépare les surfaces actives (32, 34) de la
cible (38).

Abrégé anglais

A contactless position sensor including a Hall-effect cell (10) and a magnetic circuit consisting of a permanent magnet (18) and two pole pieces (20, 22). The magnet (18) and the cell (10) are arranged side by side between the pole pieces (20, 22), and said pole pieces comprise active surfaces (32, 34) at the opposite end from the cell relative to the magnet. This arrangement directly produces an output signal (Va-Vb) proportional to the distance (e) between the active surfaces (32, 34) and the target (38).

Revendications

REVENDICATIONS
1. Capteur de position à effet Hall, caractérisé
par le fait qu'il comprend un aimant (18) et une
cellule à effet Hall (10) placés cote à côte entre deux
pièces polaires (20,22) comportant, à l'opposé de la
cellule à l'effet Hall par rapport à l'aimant, des surfaces
actives (32, 34) aptes à être placées à une distance
e d'une cible (38) en matériau magnétique, de
telle sorte qu'un flux magnétique créé par l'aimant
(18) soit canalisé par les pièces polaires (20, 22) pour
se répartir, d'une part, dans la cible (38) et, d'autre
part, à travers la cellule à effet Hall (10) et que
cette dernière délivre alors directement un signal de
sortie (Va-Vb) proportionnel à la distance e.
2. Capteur selon la revendication 1,
caractérisé par le fait que l'aimant (18) est un aimant
permanent qui délivre un champ magnétique Ha constant
orienté selon une direction donnée, les surfaces actives
(32, 34) des pièces polaires (20, 22) étant placées
dans le prolongement l'une de l'autre et orientées
parallèlement à cette direction, et la cellule à effet
Hall (10) étant orientée de façon à détecter une induction
magnétique B orientée parallèlement à ladite
direction.
3. Capteur selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé par le fait que
les pièces polaires (20, 22) présentent deux faces
planes et parallèles en vis-à-vis, en contact avec deux
faces opposées (24, 26), planes et parallèles, de
l'aimant (18), et espacées d'un même écartement L par
rapport à deux faces opposées (14, 16), planes et

16
parallèles, de la cellule à effet Hall (10), dans lequel la
relation :
<IMG>
est satisfaite, Sa, Sec et Sent désignant les sections
respectives de l'aimant (18), de la cellule à effet
Hall (10) et de l'entrefer séparant les surfaces
actives (32, 34) de la cible (38).
4. Capteur selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé par le fait que
les surfaces actives (32, 34) des pièces polaires
(20, 22) ont des formes complémentaires de celles d'une
surface en regard de la cible (38).
5. Capteur selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé par le fait que
les surfaces actives (32, 34) des pièces polaires
(20, 22) sont planes.
6. Capteur selon l'une quelconque des
revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les
surfaces actives (32, 34) des pièces polaires (20, 22)
sont des surfaces cylindriques concaves.
7. Capteur selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé par le fait
qu'il présente une section circulaire selon un plan
parallèle à ladite direction.
8. Capteur selon l'une quelconque des
revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il
présente une section rectangulaire selon un plan
parallèle à ladite direction.
9. Capteur selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé par le fait que
la cellule (10) a effet Hall, l'aimant (18) et les pièces
polaires (20, 22) sont noyés dans une résine (40).

Description

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WO 97/43603 PCT/li~g7/00844
CAPTEUR DE POSITION SANS CONTACT, A EFFET HALL.
A
DESCRIPTION
S Domaine t~-~n;que
L'invention concerne un capteur de position
sans contact utilisant une cellule à effet Hall et un
circuit magnétique spécifique permettant d'obtenir
directement un signal de sortie dont la valeur varie
linéairement avec la distance qui sépare le capteur
d'une cible magnétique placée en face de ce dernier.
~ n tel capteur peut etre utilisé pour toute
mesure de distance sans contact, dès lors que la cible
est réalisée en un matériau ferromagnétique doux.
Ainsi, ce capteur est indépendant de la taille de la
cible et peut etre utilisé aussi bien lorsque celle-ci
est immobile que lorsqu'elle est en mouvement. Le cap-
teur de position selon l'invention ne nécessite donc
aucune moclification de la cible dont on désire connal-
tre la pocition.
Etat de laL technique
Il existe de nombreux types de capteurs deposition sans contact, qui reposent sur différents
principes physiques, parmi lesquels on citera, unique-
~ ment à titre d'exemples, l'optique, les ultrasons, les
courants de Foucault, etc..
Le choix d'un capteur particulier est géné-
ralement fait en fonction de la nature du matériau
constituant la cible et en tenant compte des conditions
particulieres dans lesquelles la mesure doit être
effectuée, telles que les dimensions de la cible, son
carac~ère fixe ou mobile, la place disponible, etc..

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WO 97t43603 PCT/ER97/00844
Les nombreux capteurs de position sans
contact existant actuellement sont soit des appareils
encombrants ou nécessitant un environnement spécifique
qui les rend inadaptés pour de nombreuses applications
(capteurs optique, à ultrasons, etc.), soit des cap-
teurs peu encombrants mais dont le signal de sortie
doit faire l'objet d'un traitement électronique ulté-
rieur afin d'être exploitable (capteurs à courants de
Foucault, etc.).
Exposé de l'invention
L'invention a précisément pour objet un
capteur de position sans contact dont la conception
originale lui permette de présenter un encombrement
réduit et de délivrer des signaux de sortie directement
proportionnels à la distance séparant le capteur de la
cible.
Con~ormément à l'invention, ce résultat est
obtenu au moyen d'un capteur de position sans contact
utilisant une cellule à e~fet Hall et un circuit ma-
gnétique spécifique composé d'un aimant et de deux piè-
ces polaires.
De façon plus précise, il est proposé
conformément à l'invention un capteur de position à
effet Hall, caractérisé par le fait qu'il comprend un
~ aimant et une cellule à effet Hall placés côte à côte
entre deux pièces polaires comportant, à l'opposé de la
cellule à l'effet Hall par rapport à l'aimant, des sur-
faces actives aptes à être placées à une distance e
d'une cible en matériau magnétique, de telle sorte
qu'un flux magnétique créé par l'aimant soit canalisé
par les pièces polaires pour se répartir, d'une part,
dans la cible et, d'autre part, à travers la cellule à

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effet Hall et que cette dernière délivre alors directe-
ment un signal de sortie (Va-Vb) proportionnel à la
distance e.
Dans une forme de réalisation préféren-
tielle de l'invention, l'aimant est un aiman~ permanentqui délivre un champ magnétique Ha constant orienté
selon une direction donnée, les surfaces actives des
pièces polaires étant placées dans le prolongement
l'une de l'autre et orientées parallèlement à cette
direction, et la cellule à effet Hall étant orientée de
façon à détecter une induction magnétique B orientée
parallèlement à ladite direction.
Dans la forme de réalisation préférentielle
de l'invention, les pièces polaires présentent deux
faces planes et parallèles en vis-à-vis, en contact
avec deux faces opposées, planes et parallèles, de
l'aimant et espacées d'un même écartement L par rapport
à deux faces opposées, planes et parallèles de la
cellule à effet Hall. La relation :
Sa+sec(~sent
L 2e
est alors satisfaite, Sa, Sec et Sent désignant les
sections respectives de l'aimant, de la cellule à effet
Hall et de l'entrefer séparant les surfaces actives de
la cible.
- 25 De préférence, les surfaces actives des
pièces po:~aires ont des formes complémentaires de cel-
les d'une surface en regard de la cible. Ces surfaces
~ actives peuvent ainsi être des surfaces planes ou des
surfaces cylindriques concaves, selon que la surface en
regard de la cible est elle ~ême plane ou cylindrique.
Selon des dispositions particulières et
uniquemenl; à titre d'exemples, le capteur peut présen-

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ter une section circulaire ou rectangulaire dans un
plan parallèle à la direction du champ magnéti~ue déli-
vré par l'aimant permanent.
Brève description des dessins
On décrira à présent, à titre d'exemples
non limitatifs, différentes formes de réalisation pré-
férentielles de l'invention, en se référant aux dessins
annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective
représentant schématiquement une cellule à effet Hall ;
- la figure 2 est une courbe qui représente
la caractéristique Va - Vb = f(B) d'une cellule ~ effet
Hall, pour différentes valeurs du courant de polarisa-
tion l qui la traverse ;
- la figure 3 est une vue en coupe repré-
sentant schématiquement un capteur de position à effet
Hall conforme à l'invention ;
- la figure 4 est une vue représentant le
circuit magnétique du capteur de la figure 3 ;
- la figure S est une vue représentant le
schéma magnétique simplifiée du capteur selon l'inven-
tion ;
- la figure 6 est une vue en perspective
d'une première forme de réalisation du capteur de posi-
tion à effet Hall conforme à l'invention ;
- la figure 7 est une vue en perspective
représentant une autre forme de réalisation du capteur
de position à effet Hall ; et
- la figure 8 est une vue de dessus illus-
trant une troisième forme de réalisation du capteur de
position à effet Hall selon l'invention.

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E~pos~ dé~;ll~ de di~férentes formes de réalisation
En référence à la figure 1, il est rappelé
qu'une ce].lule à effet Hall est constitué par une pla-
que parallélépipédique 10 en un matériau électriquementconducteu~, traversée dans le sens de sa longueur par
un courant de polarisation 1 et placée dans un champ
d'induction magnétique B qui traverse la plaque dans le
sens de son épaisseur. Dans ces conditions, l'e~fet
Hall con'~iste en l'apparition d'une différence de
potentiel (va - Vb), appelée tension de Hall, entre les
faces opposées de la plaque. Cette tension de Hall est
proportionnelle à l'induction magnétique B et au cou-
rant de polarisation i qui la traverse. On peut donc
écrire :
Va - Vb = k.i.B (1),
où k représente la constante de Hall de la cellule.
Dans la pratique, la plaque 10 comporte sur
ses extremités deux connexions opposées permettant de
la relier à une source de courant qui délivre le cou-
rant de polarisation 1 traversant la plaque. La plaque
10 comporte également sur ses faces deux autres
connexions opposées servant à la relier à un appareil
de mesure de tension tel qu'un voltmètre, qui mesure la
tension ce Hall (Va - Vb).
Comme on 1'a illustré sur la figure 2 et
conformément à la relation (1), la caractéristique
d'une ce]lule à effet Hall, c'est à dire la courbe don-
nant la ~ension de Hall ~Va - Vb) en fonction de llin-
duction magnétique B, peut être modifiée à volonté en
faisant varier le courant de polarisation i. Ainsi, on

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a représenté sur la figure 2 les caractéristi~ues d'une
même cellule à effet Hall pour des valeurs du courant
de polarisation augmentant progressivement d'une valeur
ll jusqu'à une valeur i4.
Après ce rappel, on décrira à présent en se
référant à la figure 3 un capteur de position à effet
Hall conforme à l'invention.
Comme on l'a déjà indiqué auparavant, un
tel capteur de se compose essentiellement d'une cellule
à effet Hall et dlun circuit magnétique spécifique dont
la conception originale permet d'obtenir directement
des signaux de sortie qui varient linéairement en fonc-
tion de la distance séparant le capteur de la cible.
De façon plus précise, on reconnaît sur la
figure 3 une cellule 10 à effet Hall telle que celle
dont le principe vient d'être rappelé en se référant à
la ~igure 1. La référence 12 désigne les différents
conducteurs électriques par lesquels cette cellule 10
est reliée à la source de courant (non représentée)
permettant de lui app~iquer le courant de polarisation
l, par exemple dans une direction perpendiculaire au
plan de la figure, ainsi qu'à l'appareil, (non repré-
senté) servant à mesurer la tension de Hall (Va - Vb)
entre les faces planes 14 et 16, parallèles et oppo-
sées, de la cellule 10.
~ Le circuit magnétique associé à cette cel-
lule à effet Hall comprend un aimant permanent 18 ainsi
que deux pièce polaires 20 et 22 réalisées en un maté-
riau magnétique.
Plus précisément, l'aimant permanent 18 est
un aimant de forme paraLlélépipédique qui délivre un
champ ~agnétique constant Ha entre deux faces planes 24

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et 26 para:Llèles et opposées, dont l'écartement définit
l'épaisseur. de l'aimant permanent 18.
Comme l'illustre la figure 3, la cellule 10
à effet Hall et l'aimant permanent 18 sont disposés
cote à cote et légèrement écartés l'un de l'autre. En
outre, la cellule 10 et l'aimant permanent 18 présen-
tent un plt~n de symétrie commun, de telle sorte que les
faces 14 et 16 de la cellule 10 ainsi que les faces 24
et 26 de l'aimant permanent 18 soient parallèles entre
elles. On observe également sur la figure 3 que
l'épaisseu:~ de la cellule 10 à effet Hall est sensible-
ment infér.ieure à celle de l'aimant permanent 18.
Les pièces polaires 20 et 22 sont placées
de part et d'autre de l'aimant permanent 18, de façon à
être en appui respectivement contre les faces 24 et 26
de ce derr~ier par des faces planes en vis-à-vis 28 et
30. Comme on le verra plus en détail par la suite, les
pièces polaires 20 et 22 peuvent présenter par ailleurs
différentes géométries sans sortir du cadre de l'inven-
tion.
En observant la figure 3, on voit que lespi~ces polaires 20 et 22 se prolongent au-delà de l'ai-
mant permanent 18 selon une direction opposée à la cel-
lule 10 par rapport à cet aimant, pour se terminer par
de surfaces actives 32 et 34. Ces surfaces actives 32
~ et 34 constituent la partie de détection du capteur de
position selon l'invention~ par conséquent, l'utilisa-
tion du capteur conduit à placer ces surfaces 32 et 34
en face d'une surface 36 d'une cible 38 dont on désire
~ 30 connaître la position.
De façon plus précise, les surfaces actives
32 et 34 des pieces polaires 20 et 22 sont placées dans
le prolon~ement l'une de l'autre et elles sont orien-

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tées parallèlement à la direction du champ magnétique
Ha délivré par l'aimant permanent 18. Comme on le verra
par la suite, ces surfaces 32 et 34 présentent de pré-
férence une forme complémentaire de celle de la surface
36 de la cible 38. Cette caractéristique permet d'avoir
une distance ou un écartement e sensiblement uniforme
entre les surfaces actives 32 et 34 des pièces polaires
et la surface 36 de la cible 38.
A l'opposé de ces surfaces actives 32 et 34
par rapport à l'aimant permanent 18, les pièces polai-
res 20 et 22 comportent des prolongements 20a, 22a dont
le dimensionnement est tel que la cellule 10 à effet
Hall se trouve placée en totalité entre les faces pla-
nes 28 et 30 des pièces polaires 20 et 32. Compte tenu
des dimensionnements relatifs de la cellule 10 et de
1'aimant 18 mentionné précédemment, les faces 14 et 16
de la cellule 10 sont séparées des faces respectives 28
et 30 des pièces polaires 20 et 22 par un même écarte-
ment.
Comme on l'a illustré schématiquement en
pointillé sur la figure 3, le flux magnétique créé par
l'aimant 18 est canalisé par les pièces polaires 20 et
22 et se répartit d'un côté dans la cible 38 et de
l'autre à travers la cellule 10 formant la sonde à
effet Hall, sous forme de flux de fuite. ~e flux magné-
tique qui traverse la cellule est désigné par la réfé-
rence ~fl et celui qui traverse la cible est désigné
par la référence ~2.
La quantité de flux ~2 qui traverse la
cible 38 dépend de la distance e entre les surfaces
actives 32, 34 du capteur et la surface 36 de la cible.
~lus cette distance e diminue, plus le flux ~2 aug-

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mente, et inversement. Etant donné que le flux magnéti-
que total créé par l'aimant permanent 18 est constant
et égal à la somme des flux ~1 et ~2, les variations
du ~lux ¢l2 selon la distance e se traduisent par des
variations inverses du flux ~1 qui traverse la cellule
lO à effet: Hall.
Par ailleurs, le flux magnétique ~1 qui
traverse :La cellule à effet Hall et l'induction magné-
tique B dans laquelle est placée cette cellule sont
reliés par la relation :
~l = B.Scel (2),
où Scel d.ésigne la section de passage du flux magnéti-
que ~1, c'est-à-dire la section de la cellule 10
parallèlement aux faces 14 et 16~
La section S étant constante, l'induction
magnétique B dans laquelle se trouve la cellule à effet
Hall est directement proportionnelle au flux magnétique
~1 et, par conséquent, inversement proportionnelle au
flux magnétique ~2.
La relation liant la distance e au flux ~1
- - qui traverse la cellule à effet Hall est donnée par les
équations représentatives du circuit magnétique formé
2S par le capteur illustré sur la figure 3. Ce circuit
magnétlque est représenté en détail sur la figure 4.
Plus précisément, sur cette dernière figure la réfé-
rence Ra désigne la réluctance de l'aimant, alors que
les réfé.rences Rc et R'c désignent les réluctances des
pièces polaires 20 et 22, respectivement du côté de la

=
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cible 38 et du coté de la cellule à effet Hall. La
réluctance de la cible est désignée quant à elle par la
référence Rcible, alors que les réluctances équivalen-
tes dues respectivement à l'entrefer capteur/ci~le et à
l'entrefer entre les pièces polaires du coté de la cel-
lule à effet Hall sont désignées respectivement par les
références Re et Rec. Enfin, la référence Ha. La repré-
sente la force électromotrice équivalente de l'aimant
permanent 18, Ha correspondant au champ magnétique créé
par l'aimant à son point de fonctionnement, alors que
La désigne l'épaisseur de l'aimant entre ses faces 24
et 26.
Dans le circuit magnétique de la figure 4,
les réluctances Rc, R'c et Rcible des parties magnéti-
ques sont négligeables devant celles des entrefers. Parconséquent, le circuit magnétique de la figure 4 peut
être ramené au circuit simplifié de la figure 5, dans
lequel seules subsistent la réluctance Ra de l'aimant,
et les réluctances équivalents Re et Rec correspondant
respectivement à l'entrefer capteur/cibles et à
l'entrefer de la cellule à effet Hall.
L'équation des flux issu de ce schéma sim-
plifié conduit à la relation :
- 25 ~51 = 2Re .Ha.La (3) .
2Re(Ra+Rec)+Ra.Rec
Compte tenu de cette relation (3) et de la
relation (2) qui relie le flux ~1 à l'induction magné-
tique B qui traverse la cellule Hall, la relation (1)
donnant la tension de Hall devient :

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11
Va-Vb= k.l 2Re .Ha.La (4).
Scel 2Re(Ra + Rec) + Ra.Rec
Par ailleurs, si llon désigne par ~ent la
perméabilité de l'entrefer capteur/cible et par Sent la
section de cet entrefer, la réluctance équivalente Re
due à l'er.trefer capteur/cible est reliée à la distance
e par la relation :
Re= 1 .e (5).
~en~.sent
~ a prise en compte de cette relation (5)
dans la relation (4) conduit à l'équation suivante :
Scel e(Ra + Re c) ~ ent 2 ~ 6 ) .
En posant :
K1 k.i.Ha.Ia
Scel
K2 = ~ent Sent.Ra Rec , et
K3=Ra+Rec
l'équation (6) devient :
Va--Vb=K1. (7).
e.K3+K2

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12
En choisissant les dimensions et les maté-
riaux afin que e.K3 soit négligeable devant K2, cette
relation ~7) devient :
s
Va--Vb=K2.e (8~.
Par conséquent, le signal de sortie du cap-
teur que constitue la tension de Hall '~Va - Vb) est
donc bien directement proportionnel à la distance e qui
sépare le capteur de la ci~le.
Si l'on applique des relations du type de
la relation (5) à la réluctance Ra de l'aimant et à la
réluctance équivalente Rec de l'entrefer correspondant
à la cellule à effet Hall, la condition de linéarité
imposant que e.K3 soit négligeable devant K2 s'écrit :
~La Sa ~eC..SeC << ,lLenl.Sent
La Lec 2e
avec ~a et ~ec qui désignent respectivement la perméa-
bilité de l'aimant et de l'entrefer du côté de la cel-
lule à effet Hall, Sa et Sec qui désignent respective-
~ ment les sections de l'aimant et de la cellule à effet
Hall, Lec désignant l'épaisseur de l'entrefer corres-
pondant à la cellule à effet Hall.
Si l'on choisit les matériaux de telle
sorte que les perméabilités ~a~ uec et uent soient sen-
siblement égaLes, de même que les épalsseurs La et Lecque l'on désigne alors par la lettre L, la relation (9)
devient :

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13
Sa + ~ec Sent
L 2e (1~)-
J
La condition de linéarité de la réponse du
capteur selon l'invention est donc satis~aite dès lors
que la di!;tance e à mesurer reste suffisamment petite
pour que :La condition fixée par la relation (10) soit
satisfaite. Il est à noter que le choix de la géométrie
du capteur permet de préserver cette condition jusqu'à
des valeurs de la distance e relativement importante.
Par conséquent, on voit qu'un capteur de
position c, effet Hall conforme au schéma de la figure 3
constitue un appareil d'encombrement réduit, utilisable
industriel.lement, et qui fournit directement un signal
de sortie proportionnel à la distance à mesurer, sans
qu'il soit nécessaire de lui adjoindre un circuit de
traitement: quelconque.
Les figures 6 à 8 illustrent à titre
d'exemples trois formes de réalisation possible du cap-
teur selon l'invention.
Dans le cas de la figure 6, le capteur pré-
sente une section circulaire selon un plan parallèle à
la direction du champ magnétique Ha et perpendiculaire
au plan de la figure 3~ Dans ce cas, les surfaces exté-
rieures des pièces polaires 20 et 22 sont situées surune même surface cylindrique. On voit en outre sur la
figure 6 que la cohésion du capteur est assurée par un
matériau électriquement isolant 40 tel qu'une résine,
dans lequel sont noyés l'aimant 18, la cellule 10 et
les pièces polaires 20 et 22.
Dans l'exemple de réalisation illustré sur
la figure 6, les surfaces actives des pièces polaires

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14
20 et 22 sont des surfaces planes situées dans un même
plan prévu pour être tourné vers la cible 38.
Dans un autre exemple de réalisation illus-
tré sur la figure 7, le capteur présente une section
rectangulaire selon un plan parallèle à la direction du
champ magnétique Ha et perpendiculaire au plan de la
figure 3. Dans ce cas, les surfaces extérieures des
pièces polaires 20 et 22 sont parallèles aux faces en
vis-à-vis 28 et 30 de celles-ci. Ici encore, un maté-
riau 40 tel qu'une résine assure la cohésion des diffé-
rentes pièces du capteur et les surfaces actives des
pièces polaires sont situées dans un meme plan.
Enfin, on a représenté sur la figure 8 un
autre exemple de réalisation d'un capteur selon l'in-
vention, appliqué au cas où la cible 38 est une piècecyLindrique tournante. Comme on le voit, les surfaces
actives 32 et 34 des pièces polaires 20 et 22 sont
alors des surfaces cylindriques concaves complémentai-
res de la surface périphérique de la cible 38. Les par-
ties des pièces polaires les plus proches de la cibleprésentent alors la forme de sabots. La mesure effec-
tuée est ainsi répartie sur un secteur angulaire, ce
qui permet d'intégrer des défauts éventuellement pré-
sents sur la périphérie de la cible 38 et de réduire
très fortement les erreurs dans le signal délivré.
Bien entendu, les formes de réalisation qui
viennent d'être brièvement décrits en se référant aux
figures 6 à 8 ne sont donnés qu'à titre d'exemples. En
effet, on comprendra aisément que dlautres géométries
peuvent etre envisagées soit pour tenir compte de la
forme de la cible, soit pour tenir compte de la place
disponible.

Dessin représentatif