FR2808325A1 - Capteur de position a haute resolution - Google Patents
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Abstract
- L'invention concerne un capteur comportant au moins un codeur magnétique rotatif du type comportant au moins une piste magnétique circulaire formée par une série d'éléments (5) générateurs d'un champ magnétique variable, répartis pour former paires d'éléments avec une période mécanique égale à 360degre/ P, la piste magnétique étant destinée à défiler devant au moins une cellule de détection délivrant un signal électrique périodique. - Selon l'invention, le codeur comporte soit une série de n pistes magnétiques circulaires destinées à défiler chacune devant une cellule de détection et montées de manière que lesdits éléments (5) des pistes se trouvent décalés angulairement entre eux, soit une piste magnétique circulaire destinée à défiler devant n cellules de détection, décalées angulairement entre elles, le décalage angulaire relatif entre les éléments générateurs et les cellules étant adapté pour obtenir n signaux électriques déphasés électriquement entre eux d'une valeur égale à 1/ 2n fois la valeur de la période, permettant d'augmenter la résolution de n fois.
Description
L'objet de l'invention concerne le domaine technique des capteurs
magnétiques, du type comportant un élément codeur se déplaçant à proximité d'une cellule de
détection et adapté pour repérer au moins une position angulaire au sens général.
L'objet de l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine automobile o un tel capteur peut être utilisé, par exemple, dans le cadre
des fonctions d'allumage.
Il est connu, dans le domaine préféré ci-dessus, de mettre en oeuvre un capteur magnétique adapté pour mesurer le changement de l'intensité d'un champ magnétique, lorsqu'un codeur muni d'une série d'éléments générateurs d'un champ magnétique variable, défile devant une cellule de mesure ou de détection. La cellule de détection, telle que par exemple une sonde à effet Hall ou magnéto-résistive, délivre un signal électrique périodique correspondant à l'évolution de l'intensité du champ magnétique généré par les éléments. La cellule de détection est associée à un comparateur de niveau à hystérésis, tel qu'un trigger de Schmitt, afin d'obtenir des transitions franches de la tension de sortie pour des valeurs distinctes du champ magnétique, selon qu'il
varie en croissant ou en décroissant.
Afin de constituer un capteur de détection d'une vitesse, il est connu de réaliser un codeur pourvu d'éléments générateurs d'un champ magnétique variable aménagés
de manière régulière selon une circonférence.
Selon une première forme de réalisation, les éléments générateurs sont constitués par des éléments perturbateurs d'un champ magnétique créé par un aimant fixe placé à proximité de tels éléments perturbateurs. Par exemple, de tels éléments perturbateurs sont constitués par des dents aménagées dans une bague ferromagnétique. Selon une deuxième forme de réalisation, les éléments générateurs d'un champ magnétique variable sont formés par des pôles magnétiques, régulièrement espacés selon un pas donné. Un tel codeur se présente ainsi sous la forme d'un anneau
magnétique multipolaire.
Pour permettre de déterminer au moins une position, correspondant par exemple au point mort haut d'allumage d'un cylindre, il est connu de réaliser un repère sur le codeur magnétique. Il est connu ainsi, de supprimer, par exemple, deux dents sur la bague ferromagnétique. Dans la variante de réalisation mettant en oeuvre un codeur réalisé sous la forme d'un anneau magnétique multipolaire, il peut être envisagé, soit de supprimer plusieurs pôles magnétiques en laissant subsister un espace vide, soit de remplacer un ou plusieurs pôles d'un signe donné par un ou plusieurs pôles d'un signe contraire. Il est ainsi réalisé un pôle d'aimantation donné présentant, entre ses deux pôles adjacents d'un signe opposé, un écartement différent
par rapport au pas d'écartement des autres pôles.
Pour améliorer la résolution d'un tel capteur, il convient d'augmenter le nombre d'éléments générateurs réalisés selon une circonférence. Toutefois, il apparaît une limitation technique liée à la réalisation des dents ferromagnétiques ou des pôles magnétiques, qui doivent présenter des dimensions suffisantes pour être détectés par la cellule de mesure. De plus, il n'apparaît pas possible, dans de nombreuses applications, pour des raisons d'encombrement, d'augmenter la circonférence d'un tel codeur. L'objet de l'invention vise à remédier aux inconvénients énoncés cidessus en proposant un capteur possédant une haute résolution tout en présentant un codeur
conservant un encombrement diamétral limité.
Pour atteindre cet objectif, l'objet de l'invention concerne un capteur comportant au moins un codeur magnétique rotatif du type comportant au moins une piste magnétique circulaire formée par une série d'éléments générateurs d'un champ magnétique variable, répartis pour former paires d'éléments avec une période mécanique égale à 360 /P, la piste magnétique étant destinée à défiler devant au moins une cellule de détection délivrant un signal électrique périodique correspondant
à l'évolution de l'intensité du champ magnétique généré par les éléments.
Selon l'invention, le codeur comporte soit une série de n pistes magnétiques circulaires destinées à défiler chacune devant une cellule de détection et montées de manière que lesdits éléments des pistes se trouvent décalés angulairement entre eux, soit une piste magnétique circulaire destinée à défiler devant n cellules de détection, décalées angulairement entre elles, le décalage angulaire relatif entre les éléments générateurs et les cellules étant adapté pour obtenir n signaux électriques déphasés électriquement entre eux d'une valeur égale à 1/2n fois la valeur de la
période, permettant d'augmenter la résolution de n fois.
Un autre objet de l'invention vise un capteur caractérisé en ce que les cellules de détection sont reliées à des moyens de traitement assurant la numérisation des signaux électriques déphasés, en vue de délivrer des signaux numérisés à partir
desquels peut être obtenu un signal numérisé de période égale à 360 /2P.
Selon une caractéristique avantageuse, les moyens de traitement comportent, pour un nombre de cellules ou de pistes égal à 2 - des moyens pour assurer la différence entre deux signaux électriques déphasés en vue d'obtenir un signal différentiel, - des moyens pour numériser le signal magnétique différentiel et au moins un signal électrique déphasé, de manière à obtenir des signaux numérisés à partir desquels peut être obtenu le signal numérisé de période égale à
360 /2P.
Diverses caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en
référence aux dessins annexés qui montre, à titre d'exemples non limitatifs, des formes
de réalisation de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique montrant une première variante de
réalisation d'un capteur selon l'invention.
La fig. 2 montre la forme des signaux électriques obtenus par un capteur de
position muni du codeur illustré à la fig. 1.
La fig. 3 montre un exemple préféré d'exploitation des signaux délivrés par le
capteur selon l'invention.
La fig. 4 illustre un autre exemple de réalisation schématique d'un capteur
conforme à la première variante de réalisation.
La fig. 5 est une vue schématique montrant une deuxième variante de
réalisation d'un capteur conforme à l'invention.
Les fig. 6 et 7 sont des vues d'exemples de montage d'un codeur selon l'invention. Les fig. 8 et 9 sont des vues respectivement en coupeélévation et en perspective d'un capteur complet intégrant des codeurs haute résolution et faible
résolution.
La fig. I illustre une première variante de réalisation d'un codeur magnétique rotatif 1 conforme à l'invention. Le codeur I comporte n pistes magnétiques circulaires 2j (avec i = 2 à n), destinées à défiler chacune devant une cellule de détection ou de mesure 3, pour former un capteur de position 4. Dans l'exemple illustré à la fig. 1, le codeur 1 possède deux pistes magnétiques 21, 22, défilant
chacune devant une cellule de détection, respectivement 31, 32.
Chaque piste magnétique 2j comporte une série d'éléments générateurs 5 d'un champ magnétique variable, répartis sur la piste circulaire pour former P paires d'éléments 5, avec une période mécanique T égale à 360 /P. Dans l'exemple de réalisation illustré à la fig. 1, les éléments générateurs d'un champ magnétique variable 5 sont formés par des pôles magnétiques alternés, de manière que chaque piste magnétique 2j soit constituée par une bague magnétique multipolaire. Selon cet exemple, chaque piste magnétique 2j du codeur 1 comporte une série de pôles sud et de pôles nord aménagés pour présenter un pas régulier d'écartement entre deux pôles
adjacents.
Bien entendu, il peut être envisagé de réaliser chaque piste magnétique 2, avec des éléments générateurs d'un champ magnétique variable 5, formés par des éléments perturbateurs d'un champ magnétique créé par un aimant fixe, placé à proximité desdites pistes magnétiques. Par exemple, les éléments perturbateurs peuvent être constitués par l'intermédiaire de dents aménagées dans une bague réalisée
en matériau ferromagnétique.
Selon une caractéristique préférée de réalisation, au moins l'une des pistes magnétiques 2j comporte au moins un élément générateur, dit irrégulier 51 présentant un écartement différent par rapport au pas d'écartement entre les autres éléments générateurs 5. Dans l'exemple illustré à la fig. 1, l'élément générateur irrégulier 51 présente un pas angulaire double par rapport aux autres éléments générateurs 5. La présence d'un tel élément générateur irrégulier constitue un repère pour le codeur magnétique permettant de déterminer au moins une position angulaire. Bien entendu, il peut être prévu de réaliser un ou plusieurs éléments générateurs irréguliers 5", sur
une ou plusieurs des pistes magnétiques 2,.
Chaque piste magnétique annulaire 2j est destinée à défiler devant une cellule de détection fixe 3i qui délivre un signal électrique périodique correspondant à
l'évolution de l'intensité du champ magnétique délivré par les éléments générateurs 5.
D'une manière classique, chaque cellule de détection 3j est associée à des moyens de traitement, tels qu'un comparateur de niveau à hystérésis, non représenté mais connu en soi, délivrant un signal électrique Si présentant des transitions franches pour des valeurs distinctes du champ magnétique selon qu'il varie en croissant ou en décroissant. Conformément à l'invention, les éléments générateurs 5 des n pistes magnétiques 2 sont montés de manière à être décalés angulairement entre eux en vue d'obtenir n signaux électriques Si déphasés électriquement entre eux d'une valeur égale à l/2n fois la valeur de la période mécanique T. Dans l'exemple illustré à la fig. 1, les signaux électriques délivrés par les cellules, sont décalés d'une valeur égale à un quart de la période T, soit de 90 , comme cela apparaît clairement à la fig. 2. Dans le cas o les deux pistes magnétiques 21, 22 possèdent un nombre identique de paires de pôles P, les pistes magnétiques 21, 22 sont décalées entre elles de la valeur d'un demi-pôle. De manière similaire, pour un codeur 1 comportant trois ou quatre pistes, les éléments générateurs 5 sont décalés entre eux en vue d'obtenir, respectivement, trois et quatre signaux électriques Si déphasés électriquement entre eux, respectivement de 60 (un sixième de période) ou
de 45 (un huitième de période).
De manière classique, chaque cellule 31, 32 délivre un signal analogique de période T respectivement Smi, S,,2 qui, après traitement, c'est-à-dire numérisation, donne un signal numérique SI, S2. La détection des fronts montants et descendants
des signaux numériques SI, S2 donne un signal de sortie Ss de période T/2.
Il doit être compris que la mise en oeuvre de n pistes magnétiques 2j permet d'augmenter la résolution du capteur de n fois, sans augmenter la dimension diamétrale du codeur. Ainsi, dans le cas illustré à la fig. 1 montrant un codeur possédant deux pistes magnétiques 21, 22 formées chacune, par exemple, de 180 éléments générateurs 5, il peut être détecté 360 événements par tour, si les fronts montants et descendants des signaux sont exploités. Il peut ainsi être obtenu un
capteur présentant une résolution de 1 .
La fig. 2 illustre le mode classique d'exploitation des signaux délivrés par des cellules de détection. La fig. 3 illustre un mode préféré d'exploitation des deux signaux analogiques Sm., Sm2 délivrés par les cellules. Selon ce mode préféré, les moyens de traitement assurent la différence entre les deux signaux analogiques Sml, S,2, afin d'obtenir un signal analogique différentiel Smd, qui est numérisé pour obtenir un signal différentiel numérique Sd. L'un des signaux analogiques, par exemple Sm,,, est numérisé pour obtenir un signal numérique SI. La détection des fronts montants et descendants des signaux numériques Sd, SI donne un signal de sortie S. de période T/2. L'utilisation du signal différentiel Smd permet de s'affranchir de l'instabilité des signaux analogiques et de lisser les erreurs apparaissant entre les 1/2 périodes des signaux. Un tel mode d'exploitation des signaux permet d'augmenter la précision du capteur. Dans l'exemple illustré à la fig. 1, les pistes magnétiques 2j sont formées à partir d'une bague élastomère ou plastique chargée de particules magnétisées pour constituer les pôles magnétiques. Cette bague élastomère peut être montée sur une
couronne support non représentée.
Selon l'exemple de réalisation illustré à la fig. 4, il peut être prévu de réaliser les pôles magnétiques 5 de manière inclinée par rapport à une direction D parallèle à l'axe de rotation A du codeur. L'angle d'inclinaison des pôles magnétiques, par rapport à la direction D, permet de définir le décalage angulaire entre les deux pistes 21, 22 défilant devant les cellules de détection 31, 32. Selon cette variante de réalisation, les
pôles sont réalisés d'une manière continue d'une piste à l'autre.
Dans les exemples décrits ci-dessus, les pistes magnétiques 2j comportent un nombre identique P de paires d'éléments générateurs 5. Il est à noter qu'il peut être envisagé que les pistes magnétiques 2j comportent un nombre P différent de paires
d'éléments générateurs.
La fig. 5 illustre une deuxième variante de réalisation du capteur 4 conforme à l'invention selon laquelle le capteur est formé d'un codeur I comportant une unique piste magnétique circulaire 21 formée d'une série d'éléments générateurs 5, comme décrit ci-dessus. La piste magnétique 21 est destinée à défiler devant n cellules de détection 2; (avec n > 2), décalées angulairement entre elles, de telle manière que le décalage angulaire relatif entre les éléments générateurs 5 et les cellules 2, est adapté pour obtenir n signaux électriques Si déphasés électriquement entre-eux d'une valeur égale à 1/2n fois la valeur de la période T. Les cellules de détection 2i sont ainsi décalées selon une direction parallèle à une direction perpendiculaire à l'axe de rotation A du codeur. Dans le cas préféré o le capteur comprend deux cellules 21, 22, les signaux analogiques Sml, Si2 sont exploités selon la technique décrite à la fig. 2
ou, de préférence, à la fig. 3.
Le codeur 1, tel que décrit ci-dessus, est destiné à être monté sur une cible
tournante 6 au sens général, à partir de laquelle au moins une position est déterminée.
Selon une caractéristique de mise en oeuvre, le codeur 1 est destiné à être monté sur une poulie d'entraînement montée en sortie du moteur d'un véhicule automobile, c'est-à-dire sur une poulie de distribution ou sur l'une des poulies
auxiliaires.
Selon une caractéristique avantageuse, telle que représentée aux fig. 6 et 7, le codeur 1 est monté sur la poulie d'entraînement 6 se trouvant dans l'axe du vilebrequin, afin de permettre une détection du point mort ou d'allumage d'un cylindre. Dans l'exemple illustré, le codeur 1, qui est constitué par une bague magnétique multipolaire, est monté sur la paroi radiale interne ou moyeu 7 (fig. 6) ou sur la paroi radiale externe 8 (fig. 7) de la poulie d'entraînement 6. La bague magnétique multipolaire en élastomère est montée, soit directement sur la poulie 6 qui constitue, par sa paroi radiale une couronne support, soit indirectement par sa couronne support qui est fixée, par tout moyen approprié, sur la poulie. Tel que cela ressort des fig. 6 et 7, les cellules de détection 31, 32, par exemple à effet Hall, sont montées dans le dégagement délimité entre les parois radiales externe 8 et interne 7 de
la poulie.
Dans l'exemple de réalisation illustré, le capteur de position comporte, en tant que poulie d'entraînement, une poulie de vilebrequin munie d'un anneau magnétique adapté pour repérer une unique position. Il est à noter que l'objet de l'invention peut, éventuellement, être appliqué à la réalisation d'un capteur comportant un codeur magnétique I muni de plusieurs pôles irréguliers 51, permettant de repérer plusieurs positions. D'une manière avantageuse, le codeur magnétique I comporte, par exemple, quatre pôles irréguliers 5, permettant de repérer la position des cylindres d'un moteur. Dans ce cas, le codeur 1 est monté solidaire de l'arbre à cames d'un moteur de véhicule automobile. Bien entendu, le codeur 1 peut être monté sur l'arbre
à cames en ayant un seul pôle irrégulier.
Selon une autre caractéristique préférée de mise en oeuvre, le codeur 1 selon l'invention est destiné à être monté à l'intérieur d'une plaque de support d'un joint d'étanchéité dynamique pour un arbre de transmission entre le vilebrequin et la boîte de vitesses d'un moteur d'un véhicule automobile. Le codeur 1 est entraîné en rotation par l'arbre de transmission et se trouve monté en relation de proximité de n cellules de détection 3j montées sur la plaque de support du joint d'étanchéité, afin de constituer
un capteur de position.
Selon une autre caractéristique préférée de mise en oeuvre, le codeur I selon I'invention est entraîné en rotation par le vilebrequin ou l'arbre à cames d'un moteur d'un véhicule automobile, en étant monté à l'intérieur du bloc moteur d'un tel véhicule, en relation de proximité de n cellules de détection 3i, afin de constituer un capteur de position. Le capteur 4 conforme à l'invention décrit ci-dessus est un capteur dit haute résolution. Selon une autre caractéristique de l'invention, un tel capteur 4 peut comporter, conformément aux fig. 8, 9, de façon supplémentaire, un codeur basse résolution 1' formant un anneau magnétique multipolaire comprenant une série d'éléments générateurs 5 d'un champ magnétique variable présentant un écartement différent pour former P paires d'éléments irréguliers. Le codeur basse résolution 1' est destiné à défiler devant une cellule de détection 2'. Bien entendu, les éléments générateurs 5 peuvent être formés, comme expliqué ci-dessus, par des éléments
perturbateurs d'un champ magnétique ou par des pôles magnétiques.
Selon une caractéristique préférée de réalisation, le codeur basse résolution 1' est monté sur la cible 6 sur laquelle est déjà monté le codeur haute résolution 1. Cette cible, constituée généralement sous la forme d'une bague, comporte une paroi radiale ou périphérique 6, et une paroi transversale 62 destinées à
recevoir chacune un codeur 1, 1'.
L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses
modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre.
Claims (15)
1 - Capteur comportant au moins un codeur magnétique rotatif du type comportant au moins une piste magnétique circulaire (2e) formée par une série d'éléments (5) générateurs d'un champ magnétique variable, répartis pour former (P) paires d'éléments avec une période mécanique (T) égale à 360 /P, la piste magnétique étant destinée à défiler devant au moins une cellule de détection (3h) délivrant un signal électrique périodique correspondant à l'évolution de l'intensité du champ magnétique généré par les éléments, caractérisé en ce que le codeur comporte soit une série de n pistes magnétiques circulaires (2i) destinées à défiler chacune devant une cellule de détection (Si) et montées de manière que lesdits éléments (5) des pistes se trouvent décalés angulairement entre eux, soit une piste magnétique circulaire destinée à défiler devant n cellules de détection, décalées angulairement entre elles, le décalage angulaire relatif entre les éléments générateurs et les cellules étant adapté pour obtenir _n signaux électriques (Si) déphasés électriquement entre eux d'une valeur égale à 1/2n fois la
valeur de la période (T), permettant d'augmenter la résolution de n fois.
2 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules de détection (2i) sont reliées à des moyens de traitement des signaux électriques déphasés, en vue de délivrer des signaux numérisés à partir desquels peut être obtenu
un signal numérisé (S,) de période égale à 360 /2P.
3 - Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de traitement comportent, pour un nombre de cellules ou de pistes égal à 2 des moyens pour assurer la différence entre deux signaux électriques déphasés en vue d'obtenir un signal différentiel (Sd), - des moyens pour numériser le signal magnétique différentiel (Sd) et au moins un signal électrique, de manière à obtenir des signaux numérisés à partir desquels peut être obtenu le signal numérisé (Ss) de période égale à
360 /2P.
4 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'une des pistes magnétiques (2i) comporte au moins un élément générateur (51) irrégulier Il présentant un écartement différent par rapport au pas d'écartement entre les autres
éléments générateurs.
- Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les n pistes magnétiques (2i) de la série comportent un nombre identique ou différent (P) de paires d'éléments générateurs (5). 6 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, pour la série, deux, trois ou quatre pistes magnétiques (2;) présentant chacune,
respectivement, 90, 60 et 45 paires d'éléments générateurs d'un champ magnétique.
7 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque piste magnétique (2.) comprend des éléments générateurs d'un champ magnétique variable
(5), formés par des pôles magnétiques alternés.
8 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque piste magnétique (2i) comprend des éléments générateurs d'un champ magnétique variable (5), formés par des éléments perturbateurs d'un champ magnétique créé par un aimant
fixe placé à proximité.
9 - Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque piste magnétique (2.) est formée à partir d'une bague élastomère ou plastique chargée de particules magnétisées pour constituer les pôles magnétiques, la bague étant montée
sur une couronne support.
10 - Capteur selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les
pôles magnétiques des pistes de la série, qui se trouvent décalés angulairement entre eux, sont constitués par des pôles magnétiques inclinés par rapport à une direction
(D) parallèle à l'axe de rotation (A) du codeur.
11 - Capteur de position selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en
ce qu'il comporte un codeur basse résolution (1') formant un anneau magnétique multipolaire comprenant une série d'éléments (5) générateurs d'un champ magnétique variable présentant un écartement différent pour former (P) paires d'éléments irréguliers, le codeur basse résolution (1') étant destiné à défiler devant une cellule de
détection (2').
12 - Capteur de position selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en
ce que le codeur (1) et éventuellement le codeur basse résolution (1'), sont montés sur une cible (6) calée en rotation sur un arbre d'un moteur d'un véhicule automobile, les n cellules de détection (20) et éventuellement la cellule de détection (2') pour le codeur
basse résolution, étant montées en relation desdits codeurs.
13 - Capteur de position selon la revendication 12, caractérisé en ce que la cible (6) comporte une paroi périphérique (61) et une paroi transversale (62) destinées
à recevoir chacune un codeur (1, 1').
14 - Capteur de position selon la revendications 12 ou 13, caractérisé en ce
que la cible (6) est rapportée ou fait partie intégrante d'une poulie d'entraînement.
- Capteur de position selon la revendication 14, caractérisé en ce que la
poulie d'entraînement est une poulie de vilebrequin.
16 - Capteur de position selon la revendication 14, caractérisé en ce que la
poulie d'entraînement est une poulie de came.
17 - Capteur de position selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que la cible (6) est montée à l'intérieur d'une plaque de support d'un joint d'étanchéité dynamique, montée en relation de proximité de n cellules de détection (30), et entre le
vilebrequin et la boîte de vitesses d'un moteur d'un véhicule automobile.
18 - Capteur de position selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que la cible (6) est entraînée en rotation par le vilebrequin ou l'arbre à cames, en étant montée à l'intérieur du bloc-moteur d'un véhicule automobile et en relation de
proximité de n cellules de détection (30).
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