FR2801969A1 - Capteur analogique de decalage angulaire sans contact - Google Patents

Abstract

Capteur analogique de décalage angulaire sans contact, du type magnétique à inductance, comportant :. une première partie formant détecteur (1), comprenant au moins une plaque de substrat (3) portant au moins une bobine plate (4) spirale, au moins une couche noyau (8) en matériau à forte perméabilité magnétique et faible champ de saturation sur au moins une partie de ladite bobine, le détecteur étant adapté à coopérer avec un dispositif de traitement de signal électrique mesuré aux bornes de la bobine,. deux rotors (15, 15') comportant chacun au moins un aimant (18, 18'), disposé selon un secteur angulaire prédéterminé, les rotors étant mobiles autour d'un même axe (17) identique à l'axe de la bobine, chaque aimant générant dans le plan de la couche noyau (8) un champ magnétique de valeur supérieure au champ de saturation de ladite couche noyau sur une partie au moins de la surface de la bobine.

Description

L'invention est du domaine des capteurs de position et de déplacement. le concerne en particulier un capteur utilisé dans le domaine automobile pour mesurer le déplacement angulaire relatif de deux rotors coaxiaux, par exemple montés sur un meme arbre de transmission.

Dans le domaine automobile en particulier, il existe un besoin important connaissance paramètres de fonctionnement de tous les éléments du moteur, avec exemple la position des commandes, la position du levier de vitesse, le couple appliqué sur la barre direction, etc. Une mesure fréquemment utilisée, par exemple pour détermination ' couple ou le réglage d'un dispositif de phasage d'arbre à cames est décalage angulai entre deux arbres coaxiaux.

On connaît, par exemple de la demande de brevet français nc 9909397, un capteur magnétique permettant de mesurer un décalage angulaire entre deux arbres, appliqué à la mesure d'un couple. Cependant ce dispositif nécessite, dans le cas d'arbres tournants, un système additionnel de transmission des informations, soit par connecteur tournant, soit par transmission sans contact.

La présente invention, qui tire parti de l'enseignement des demandes de brevet français n 9913436 et 9913437 déposées par la demanderesse, et qui sont incorporées ici par référence a pour objet de proposer un capteur de décalage angulaire d'un type nouveau, qui par construction, ne nécessite pas un tel système de transmission.

A effet, l'invention propose un capteur analogique de décalage angulaire sans contact, type magnétique à inductance, caractérisé en ce qu'il comporte une première partie formant détecteur, comprenant au moins une plaque de substrat portant au moins une bobine plate spirale, au moins une couche noyau matériau à forte perméabilité magnétique et faible champ de saturation sur au moins partie de ladite bobine, le détecteur étant adapté à coopérer avec un dispositif de traitement de signal électrique mesuré aux bornes de la bobine, deux rotors comportant chacun au moins un aimant, disposé selon un secteur angulaire prédéterminé, les rotors étant mobiles autour d'un même axe identique à l'axe de la bobine, chaque aimant générant dans le plan de la couche noyau un champ magnétique de valeur supérieure au champ de saturation de ladite couche noyau une partie au moins de la surface de la bobine.

La description et les dessins qui suivent permettront de mieux comprendre les buts et avantages de l'invention. II est clair que cette description n'est donnée titre d'exemple, et n'a pas de caractère limitatif.

Dans les dessins la figure 1 illustre un capteur de mesure différentielle angulaire en vue de côté ; la figure 2 montre le détecteur en vue en plan ; les figure 3A et 3B illustrent des variantes de réalisation du détecteur; les figures 4A à 4C illustrent les positions respectives des aimants attachés aux deux rotors avec des taux de recouvrement de 50%, 75%, 100% respectivement; la figure 5 illustre une variante du capteur de mesure différentielle angulaire.

Le principe fondamental est l'utilisation d'une bobine formant inductance, disposée sur un substrat mince, prise en sandwich entre deux couches (par défaut une seule) de matériau de type mumétal (à forte perméabilité magnétique). Dans la suite de la description, on utilisera le terme de mumétal pour désigner plus généralement les materiaux présentant des caractéristiques magnétiques analogues, c'est à dire forte perméabilité magnétique par exemple de l'ordre de 100 000 x celle de l'air, et champ de saturation faible, par exemple de 0.8 Tesla.

Le mumétal se comporte comme un amplificateur de l'inductance mesurée aux bornes de la bobine (effet de stockage de champ magnétique).

Quand un aimant passe devant la feuille de mumétal, son champ magnetique entraîne une saturation locale dudit mumétal (dont on a vu qu'il est choisi tel soit saturé par un champ relativement faible), dont la perméabilité magnétique s'effondre sur la surface saturée. II en résulte une baisse de la valeur de l'inductance L, proportionnelle à la surface de bobine couverte par du mumétal saturé. Cette baisse de l'inductance est naturellement mesurable aux bornes de ladite inductance, et on en déduit une estimation de la surface de la bobine couverte par du mumétal saturé.

On peut également utiliser deux bobines disposées en parallèle entre les couches de mumétal, l'une alimentée par un courant alternatif, et l'autre reliée bornes d'un dispositif de mesure de tension. Dans ce cas, le couplage entre les deux fines est favorisé par la présence du mumétal. La saturation de ce dernier par champ magnétique de l'aimant entraîne une variation de ce couplage, proportionnelle à surface de bobine couverte par du mumétal saturé, qui est mesurable aux bornes de seconde bobine.

De manière analogue, on peut utiliser deux bobines disposées en parallèle séparées par une couche de mumétal, l'une alimentée par un courant alternatif, et l'autre reliée aux bornes d'un dispositif de mesure de tension. La couche de mumétal joue rôle d'écran et empêche le couplage entre les bobines. La saturation de cette couche écran par le champ magnétique de l'aimant entraîne une variation de ce couplage, proportionnelle à la surface de bobine couverte par du mumétal saturé, qui est mesurable aux bornes de la seconde bobine.

La disposition générale du capteur est illustrée figure 1. Un détecteur , fixe en rotation par rapport à un axe 17, est disposé entre les deux rotors 15, dont on souhaite mesurer le décalage angulaire. Ces trois éléments sont supposes coaxiaux, d'axe commun 17. Les rotors 15 et 15' sont munis d'aimants 18, 18', disposes regard du détecteur 1.

Comme on le voit sur la figure 2, le détecteur 1 présente une forme annulaire. II comporte dans l'exemple décrit ici non limitativement un substrat 3 portant une bobine 4 et une couche noyau 8. La bobine 4 est spirale allongée, conformée en cercle ayant 'axe commun 17 pour centre. Différents modes de réalisation du détecteur sont illustrées au moyen des figures 3A et 3B représentant la vue en coupe partielle du détecteur selon AA (figure 2).

Le détecteur représenté à la figure 3A peut être réalisé à partir d'une technologie classique de fabrication de circuit imprimé, de type double face ou multicouche. Un substrat 3, en verre époxy porte sur chacune de ses faces une bobine spirale 4a, réalisée classiquement par gravure de pistes de cuivre. Une couche noyau, respectivement 8A et 8B, est déposée sur chaque bobine, sur la face opposée au substrat. couches noyau sont réalisées en matériau ferromagnétique à forte perméabilité magnétique et faible champ de saturation, connus par exemple sous les noms commerciaux de Permaloy, Ultraperm ou Finmec. Ces couches peuvent être obtenue découpe d'une feuille mince de matériau, en forme d'anneau de diamètres respectifs extérieur et intérieur légèrement supérieur (respectivement inférieur) à ceux des bobines. couches noyau sont isolées électriquement des bobines par un film isolant (polyimide exemple) et/ou une couche de colle isolante (non représentés). Dans une première variante de ce mode de réalisation, les bobines et 4b sont reliées electriquement en série pour constituer la bobine 4, et on mesure la variation d'inductance la bobine 4 par un dispositif électronique de type classique.

Dans une seconde variante, l'une des bobines est alimentée par courant alternatif, et l'autre reliée aux bornes d'un dispositif de mesure de tension et détermine le coefficient de couplage entre les deux bobines.

Dans ce mode de réalisation du détecteur 1, il est avantageux de " liser une liaison électrique des couches noyau avec la masse électrique des dispositifs de traitement signal associés, les couches noyau réalisant alors fonction supplémentaire de blindage permettant de réduire l'influence de perturbations electriques externes sur mesure.

Dans un second mode de réalisation du détecteur 1, illustré à la figure 3B, les bobines 4a et 4b sont portées chacune par une plaque de substrat 3. Les deux plaques de substrat prennent en sandwich, sur la face opposée aux bobines, une couche noyau unique 8. Dans ce mode de réalisation encore, le capteur utilisé est de type couplage d'inductance, tel que décrit plus haut, avec une couche noyau séparant deux bobines, dont une est émettrice, et l'autre est réceptrice. En utilisant ici encore des bobines de 360 , et un couche noyau les séparant totalement, le déplacement angulaire relatif des rotors supportant des séries de petits aimants tels que décrit ci-dessous produit une saturation plus ou moins importante de la couche noyau, et donc un couplage plus ou moins important entre la bobine émettrice et la bobine réceptrice.

Chacun des deux rotors 15, 15' comporte une série de petits aimants 18' formant des secteurs angulaires (figure 4A), et par exemple 9 aimants de 20 secteur angulaire chacun, séparés par des segments angulaire libres 19 de 20 . Le nombre la taille des secteurs angulaires couverts par les aimants sont prédéterminés en fonction de la gamme de décalage angulaire à mesurer.

Les figures 4A à 4C illustrent les positions respectives des aimants 18' attachés aux deux rotors, selon le mouvement angulaire relatif des deux rotors 15'. Lorsque les deux rotors 15, 15' sont exactement en face, les petits aimants sont disposés en vis à vis, dans ce cas (figure 4A), 50% de la surface des couches noyau 8B est saturée par aimants. Lorsque un décalage angulaire de 10 est créé entre deux rotors 15, une saturation de 75% des couches noyau 8A, 8B est obtenue. Enfin, lorsqu'il existe un décalage angulaire de 20 entre des deux rotors (figure 4C), totalité de la surface des couches noyau 8A, 8B saturée par les aimants, et l'inductance de la bobine diminue considérablement.

Un tel dispositif est particulièrement adapté à la mesure de petits angles de décalage angulaire, et en particulier à la mesure de couple existant par exemple sur une barre de direction, les rotors 15 et 15' étant reliés par une barre de torsion de raideur connue.

Dans une variante illustrée figure 5, une deuxième bobine 4' est utilisée, de façon parallèle avec la première ine à l'intérieur ou à l'extérieur de celle-ci.

Seul un des deux rotors 15, ' comporte des aimants en face de cette seconde bobine 4. Dans ce cas, l'inductance de cette bobine de référence 4' ne change pas lors des mouvements absolus ou relati deux rotors 15, 15'. Elle permet de servir de référence dans un montage électroni en demi-pont par exemple, de manière à permettre une compensation des tolérances distance entre les rotors et le détecteur, ainsi que des tolérances de conditions d'environnement.

La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de réalisation ci-dessus considérées à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art. Par exemple, dans le cas d'arbres concentriques, les deux rotors, sous la forme de plaques minces, peuvent être placés d'un même coté du détecteur (capteur en bout d'arbre) ou encore, en utilisant un substrat 3 souple, le détecteur 1 peut être agencé sous une forme cylindrique d'axe de révolution 17 confondu avec celui des arbres, les aimants étant alors conformés en tuiles selon des secteurs cylindriques prédéterminés.

Claims (1)

1. <B><U>REVENDICATIONS</U></B> . Capteur analogique de décalage angulaire sans contact, du type magnétique à inductance, caractérisé en ce qu'il comporte une première partie formant détecteur(1), comprenant au moins une plaque de substrat (3) portant au moins une bobine plate (4) spirale, au moins une couche noyau (8) en matériau à forte perméabilité magnétique et faible champ de saturation sur au moins une partie de ladite bobine, le détecteur étant adapté à coopérer avec un dispositif de traitement de signal électrique mesuré aux bornes de la bobine, deux rotors 15') comportant chacun au moins un aimant (18, 18'), dispose selon un secteur angulaire prédéterminé, les rotors étant mobiles autour d'un même axe (17) identique à l' de la bobine, chaque aimant générant dans le plan de la couche noyau (8) un champ magnétique de valeur supérieure au champ de saturation de ladite couche noyau sur partie au moins de la surface de la bobine. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur comporte deux couches noyau (8A; 8B), de part et d'autre de la bobine (4). 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bobine (4) comporte plusieurs enroulements parallèles séparés par des épaisseurs d'isolant. 4. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le détecteur comporte deux bobines (4a; 4b) disposées de part et d'autre de la plaque substrat, l'une des bobines étant adaptée à être connectée à un générateur de tension alternative et l'autre à un dispositif de mesure de tension. 5. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur comporte deux bobines (4a; 4b) disposées de part et d'autre d'une couche noyau unique (8), l'une bobines étant adaptée à être connectée à un générateur tension alternative l'autre à un dispositif de mesure de tension.. 6. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque rotor (15, 15') porte une série d'aimants (18, 18') identiques de même secteur angulaire face à la bobine (4), et séparés par des secteurs angulaires de même valeur. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caracterisé en ce que le détecteur 1 comporte également une bobine de référence (4'), coaxiale avec la première bobine (4), principalement sans recouvrement avec celle-ci, et en ce un seul rotors (15, 15') comporte des aimants (18, 18') en face de cette bobine de référence (4' 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications à 5, caractérisé en ce que la perméabilité magnétique de la couche noyau est de l'ordre 100 000 fois celle de l'air, et en ce que le champ de saturation est voisin de 0.8 Tesla. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque couche noyau (8A; 8B) est reliée électriquement à la masse du dispositif de traitement de signal. 10. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, adapté à la mesure d'un couple, caractérisé en ce que les rotors (15;15') sont reliés entre eux par une barre de torsion de raideur prédéterminée.