FR2947336A1 - Dispositif pour determiner le couple et/ou l'angle de rotation d'un arbre - Google Patents

Abstract

Dispositif pour déterminer le couple et/ou l'angle de rotation d'un arbre comportant un support de circuit (1) concentrique à l'arbre. Le support comporte au moins deux segments de chemins conducteurs (2) traversés par le courant. Le dispositif comporte en outre un élément de capteur (3) exactement concentrique à l'arbre et tournant par rapport au support de circuit (1). L'élément de capteur (3) comporte au moins une première zone partielle (4) en un matériau électroconducteur et au moins une seconde zone partielle (5) en un matériau non électroconducteur. Lorsqu'un couple est appliqué à l'arbre, l'élément de capteur (3) tourne par rapport au support de circuit modifiant ainsi la surface de chevauchement entre les segments de chemins conducteurs (2) et la ou les premières zones partielles (4) de l'élément de capteur (3) modifiant ainsi l'inductance des segments de chemins conducteurs (2).

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif pour déterminer un couple et/ou un angle de rotation d'un arbre. Etat de la technique Selon le document DE 29 51 148 Al, on connaît une installation de mesure pour saisir par un procédé sans contact, l'angle de rotation et/ou le couple d'un arbre fixe ou en rotation. Dans cette installation, on a deux corps concentriques à l'arbre, réalisés en un matériau électroconducteur. L'un des corps est solidaire en rotation de l'arbre et l'autre peut tourner par rapport à celui-ci. Une bobine concentrique à l'arbre est prévue au voisinage immédiat des deux corps et les corps comportent des découpes dont les surfaces de chevauchement communes varient en fonction de l'angle de rotation entre les deux corps. Cette installation de mesure utilise le fait qu'un champ magné- tique alternatif généré par la bobine développe dans les deux corps des courants de Foucault d'autant plus intenses que le corps proche de la bobine protège le second corps dans les zones partielles ou dans sa totalité. De telles installations de mesure ou dispositifs de cap- teur fondés sur les courants de Foucault sont souvent appelés capteurs à courant de Foucault. Le document DE 10 2005 025 870 Al décrit à titre d'exemple un autre dispositif à courants de Foucault. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un dispositif pour déter- miner un couple et/ ou un angle de rotation d'un arbre comprenant : - un support de circuit concentrique à l'arbre portant au moins deux segments de chemins conducteurs traversés par le courant, et - un élément de capteur tournant précisément de manière concen- trique à l'arbre par rapport au support de circuit et ayant au moins une première zone partielle en un matériau électroconducteur et au moins une seconde zone partielle en un matériau non électro- conducteur, - et lors de l'application d'un couple à l'arbre, l'élément de capteur tourne par rapport au support de circuit ce qui se traduit par une

2 surface de chevauchement variable entre les segments de chemins conducteurs et le ou les premières zones partielles de l'élément de capteur, et ainsi par une variation de l'inductance des segments de chemins conducteurs.

Contrairement aux dispositifs de capteurs ou installation de mesure connus, le dispositif selon l'invention comportant un support de circuit et un élément de capteur est formé de seulement deux composants ce qui se traduit par une réduction importante du coût. Le fait qu'à côté des segments de chemins conducteurs installés sur le support de circuit et de l'élément de capteur, il ne faut aucun autre élément de capteur, participe également à la réduction du coût à un minimum. Le dispositif selon l'invention est peu sensible aux tolérances d'ajustage de sorte que même un léger basculement du support de circuit par rapport à l'élément de capteur ou une légère variation de la distance entre les deux éléments, permet néanmoins d'obtenir des résultats de mesure fiables. En outre, le dispositif selon l'invention ne présente qu'un très faible encombrement ce qui constitue un avantage décisif dans beau-coup d'applications. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément de capteur est en un matériau de base électroconducteur et les secondes zones partielles sont en un matériau non électroconducteur ; ces zones sont réalisées par des dégagements ou cavités de préférence en forme de secteurs de cercles ou de segments de cercles répartis régulièrement à la périphérie de l'arbre sur l'élément de capteur.

Selon une variante de réalisation de l'invention, l'élément de capteur est également en un matériau de base non électroconducteur et dans ce cas, les premières zones partielles sont en un matériau électroconducteur formé par des surfaces métalliques de préférence en forme de secteurs de cercles ou de segments de cercles répartis réguliè- rement dans la direction périphérique de l'arbre sur l'élément de capteur. Les surfaces métalliques sont de préférence constituées par des inserts métalliques encapsulés par injection. Les segments de chemins conducteurs installés sur le support de circuit et qui fonctionnent comme des antennes, peuvent être réalisés par des chemins conducteurs disposés en spirale sur le

3 support de circuit et de préférence répartis régulièrement sur le support de circuit dans la direction périphérique de l'arbre. Il est avantageux pour le fonctionnement du dispositif selon l'invention, que le champ magnétique généré par les segments de chemins conducteurs, soit si possible focalisé et dirigé vers l'élément de capteur. Cette focalisation s'obtient par des chemins conducteurs dis-posés en spirale, on peut également l'obtenir, sans limiter le fonctionnement du dispositif selon l'invention, par d'autres répartitions en surface des segments de chemins conducteurs.

Les segments de chemins conducteurs fonctionnant comme des antennes constituent un circuit oscillant ouvert, vibrant à une fréquence prédéfinie. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le support de circuit peut comporter également un circuit d'exploitation en plus des segments de chemins conducteurs. Ce circuit exploite une variation de la fréquence d'oscillation du circuit oscillant produite par la variation de l'inductance et en fonction de la variation de fréquence ainsi obtenue, il détermine le couple appliqué à l'arbre et/ou l'angle de rotation de l'arbre. Cette disposition du circuit d'exploitation sur le support de circuit participe à la fois à la réduction du coût et aussi de l'encombrement. Selon un autre mode de réalisation préférentiel de l'invention pour la protection contre les influences de l'environnement, le support de circuit et/ou l'élément de capteur sont munis d'un revêtement.

Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de deux modes de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention pour déterminer un couple et/ou un angle de rotation d'un arbre, - la figure 2a est une vue schématique de la répartition spatiale des segments de chemins conducteurs vis-à-vis des zones partielles de l'élément de capteur du mode de réalisation de l'invention de la fi- gure 1,

4 - la figure 2b est une représentation schématique des courbes caractéristiques montrant le chevauchement des segments de chemins conducteurs et des premières zones partielles de matière électroconductrice de l'élément de capteur en fonction d'un angle de rota- tion dans le mode de réalisation de la figure 1, - la figure 3 est une vue schématique de dessus d'un second mode de réalisation du dispositif de l'invention. Description des modes de réalisation La figure 1 montre selon une vue en perspective schéma-tique, un dispositif selon l'invention pour déterminer un couple et/ou un angle de rotation d'un arbre rotatif non représenté. Un support de circuit 1 porte des segments de chemins conducteurs 2 sous la forme de chemins conducteurs disposés en spirale et fonctionnant comme des antennes. Dans l'exemple de réalisation représenté, on a en tout six 15 segments de chemins conducteurs 2. Pour que le dispositif selon l'invention puisse fonctionner, il suffit d'avoir au moins deux segments de chemins conducteurs 2. En principe, on peut avoir 2*k segments de chemins conducteurs 2, relation dans laquelle k = 1, 2, 3...n. Plus de deux segments de chemins conducteurs 2 augmente la résolution du 20 dispositif selon l'invention et permet ainsi une détermination plus précise du couple et/ou de l'angle de rotation de l'arbre. En utilisant plus de deux segments de chemins conducteurs 2, on a en outre la possibilité de brancher les segments de chemins conducteurs 2 en deux groupes et d'avoir ainsi une redondance augmentant la fiabilité du dispositif se- 25 lon l'invention. Un élément de capteur 3 comporte trois zones partielles 4 en un matériau électroconducteur et deux zones partielles 5 en un matériau non électroconducteur. Selon le mode de réalisation de la figure 1, on a quatre premières zones partielles 4 en un matériau électrocon- 30 ducteur constituées par des surfaces métalliques appliquées sur l'élément de capteur 3 dont le matériau de base est non électroconducteur. Les surfaces métalliques sont réparties régulièrement sur l'élément de capteur 3 dans la direction périphérique de l'arbre de façon à former par les zones partielles 4 constituées par les surfaces métal- 35 liques, chaque fois les secondes zones partielles 5, nécessaires selon l'invention, en un matériau non électroconducteur. De façon préférentielle, les surfaces métalliques sont réalisées sous la forme d'inserts ou d'inclusions métalliques encapsulés par injection. Selon le mode de réalisation représenté, on a quatre pre- 5 mières zones partielles 4 en un matériau électroconducteur et quatre secondes zones partielles 5 en un matériau non électroconducteur. Il suffit toutefois pour le dispositif selon l'invention, que l'élément de capteur comporte au moins une première zone partielle 4 en un matériau électroconducteur et une seconde zone partielle 5 en un matériau non électroconducteur. Il est évident que si l'on augmente comme cela est possible, le nombre des zones partielles, cela se traduit par une augmentation de la résolution et ainsi par une détermination plus précise du couple et/ou de l'angle de rotation de l'arbre. En variante au mode de réalisation représenté, l'élément de capteur 3 peut également être en un matériau de base électroconducteur par exemple en métal et la seconde zone partielle 5 peut être en un matériau non électroconducteur, en réalisant simplement des dé-coupes ou des dégagements. A la fois le support de circuit 1 et l'élément de capteur 3 sont installés de façon concentrique à l'arbre et de préférence suivant une forme de disque par exemple une forme de disque circulaire. Les surfaces métalliques installées sur l'élément de capteur 3 ou les dégagements ou découpes prévus dans l'élément de capteur 3 sont de préférence répartis régulièrement dans la direction périphérique de l'arbre sur l'élément de capteur 3. Les segments de chemins conducteurs 2 du support de circuit 1 sont de préférence répartis régulièrement dans la direction périphérique de l'arbre sur le support de circuit 1. Pour appliquer un couple à l'arbre et faire tourner l'élément de capteur 3 par rapport au support de circuit 1, il est prévu de préférence une barre de torsion non représentée, reliant une première zone partielle de l'arbre à une seconde zone partielle de l'arbre et subissant une torsion lorsqu'un couple est appliqué à l'arbre. Au moins le support de circuit 1 ou l'élément de capteur 3, sont alors fixés à la barre de torsion. L'autre élément respectif peut être fixé à une distance prédéfinie du premier élément également sur la barre de torsion, direc-

6 tement sur l'arbre ou à un composant solidaire d'une autre partie de l'arbre comme par exemple une partie de boîtier. Alors que la fixation des deux éléments, c'est-à-dire du support de circuit 1 et de l'élément de capteur 3 sur la barre de torsion ou de l'arbre, permet de déterminer le couple, la fixation d'un composant sur un composant solidaire en rotation, sert à déterminer l'angle de rotation de l'arbre. Le support de circuit 1 a un orifice 6 adapté de préférence à la forme extérieure de l'arbre ou de la barre de torsion pour servir à la fixation du support de circuit 1 à l'arbre ou à la barre de torsion. io Le support de circuit 1 est par exemple réalisé en PCB ou en matière céramique, il peut être fixé directement à l'arbre ou à la barre de torsion ou servir à augmenter la stabilité mécanique et/ ou à simplifier le montage en étant fixé également à l'aide d'un manchon non représenté, à l'arbre ou à la barre de torsion. 15 L'élément de capteur 3 comporte un orifice 7 adapté à la forme extérieure de l'arbre de torsion ou à la barre de torsion non représentés, et servant à fixer l'élément de capteur 3 à l'arbre ou à la barre de torsion. L'élément de capteur 3 peut être fixé directement à l'arbre ou à la barre de torsion ou être constitué par un manchon aug- 20 mentant la stabilité ou solidité mécanique et/ou simplifiant le montage. Si le support de circuit 1 ou l'élément de capteur 3 ne sont pas fixés à l'arbre ou à la barre de torsion, mais à un composant solidaire en rotation tel que par exemple une partie de boîtier, on peut supprimer l'ouverture 6 ou 7 correspondante et prévoir à la place un 25 autre dispositif de fixation approprié. Si l'on applique du courant aux segments de chemins conducteurs 2 du support de circuit 1, ces segments fonctionnent comme des antennes en faisant alors partie d'un circuit oscillant ou-vert, vibrant à une fréquence prédéfinie. Lorsqu'on applique un couple à 30 l'arbre, la position relative de l'élément de capteur 3 par rapport au support de circuit 1 change, et il en est ainsi de la surface de recouvre-ment entre les segments de chemins conducteurs 2 et la première zone partielle 4 de l'élément de capteur, cette zone étant en un matériau électroconducteur. Par effet d'auto-induction, l'inductance des segments de 35 chemins conducteurs 2, change, et ainsi finalement la fréquence

7 d'oscillation du circuit oscillant. Lorsque le chevauchement est au maximum, entre un segment de chemin conducteur 2 et une première zone partielle 4 en un matériau électroconducteur, l'inductance du circuit oscillant est la plus faible et sa fréquence d'oscillation est ainsi la plus élevée. La variation de la fréquence d'oscillation du circuit oscillant constitue une mesure de l'angle de rotation ou du couple appliqué à l'arbre. Cette variation de fréquence peut être exploitée par un circuit d'exploitation 8 qui permet de déterminer un couple et/ ou un angle de rotation de l'arbre.

Il est avantageux d'installer le circuit d'exploitation 8 réalisé par exemple sous la forme d'un circuit ASIC et/ou d'un circuit discret, sur le support de circuit 1 (figure 1). Le circuit d'exploitation 8 peut également être réalisé comme composant séparé. Les segments de chemins conducteurs 2 sont formés, comme dans le mode de réalisation de la figure 1, par des chemins conducteurs disposés en spirale, mais des variantes de formes de réalisation peuvent être envisagées ainsi que d'autres dispositifs de chemins conducteurs en surface. De manière avantageuse, les segments de chemins conducteurs 2 sont réalisés pour fonctionner comme des an- tennes, générant un champ magnétique focalisé si possible de manière à être dirigé sur l'élément de capteur 3. Ainsi, il est également avantageux que l'extension radiale des segments de chemins conducteurs 2 corresponde dans une large mesure à l'extension radiale des premiers et seconds segments partiels 4, 5 de l'élément de capteur 3.

La figure 2a montre la disposition spatiale des différents segments partiels 4, 5 de l'élément de capteur 3 par rapport aux segments de chemins conducteurs 2a, 2b, 2c du mode de réalisation de l'invention selon la figure 1. Il faut remarquer qu'il s'agit d'une représentation purement schématique qui ne correspond ni à la disposition réelle des différents éléments, ni à leur réalisation, mais montre uniquement la variation des surfaces de recouvrement entre les segments de chemins conducteurs 2 et les premières zones partielles de l'élément de capteur 3 en fonction de l'angle de rotation. Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'élément de capteur 3 non représenté à la figure 2a, comporte quatre premières

8 zones partielles 4 sous la forme de surfaces métalliques et six segments de chemins conducteurs 2a, 2b, 2c sur le support de circuit 1 ; ces éléments ne sont représentés à la figure 2a que par des secteurs de cercles. Selon la représentation de la figure 2a, le support de circuit 1 est de forme circulaire et les segments de chemins conducteurs 2a, 2b, 2c, ainsi que les première zones partielles 4 de l'élément de capteur 3, couvrent chaque fois un angle de 45° et sont répartis de manière égale dans la direction périphérique sur le support de circuit 1 ou l'élément de capteur 3. Ainsi, entre deux segments de chemins conducteurs 2, voisins, on aura un intervalle angulaire correspondant chaque fois à 15°. La figure 2b est une représentation schématique des courbes caractéristiques montrant le degré de chevauchement entre les segments de chemins conducteurs 2a, 2b, 2c et les premières zones partielles 4 de l'élément de capteur 3 en fonction de l'angle de rotation de l'élément de capteur 3 par rapport au support de circuit 1. La référence 20a représente la courbe caractéristique des segments de chemins conducteurs 2a, la référence 20b représente la courbe caractéristique des segments de chemins conducteurs 2b, et la réfé- rence 20c représente la courbe caractéristique des segments de chemins conducteurs 2c. Le sens de rotation de l'élément de capteur 3, pris par hypothèse et ainsi celui des premières zones partielles 4, est indiqué par la flèche 10 à la figure 2a. Il en résulte par exemple pour un angle de rotation de 0°, c'est-à-dire dans la position de repos représen- tée à la figure 2a, un chevauchement égal à 1 pour les segments de chemins conducteurs 2b, c'est-à-dire un chevauchement total. En revanche, les segments de chemins conducteurs 2a, 2c ont seulement un chevauchement de 1/3, c'est-à-dire de 15°. Pour un angle de rotation égal par exemple à 75°, on aura pour les segments de chemins conduc- teurs 2b, 2c, un chevauchement de 2/3, alors que les segments de chemins conducteurs 2a, ne présentent aucun chevauchement. La figure 3 est une vue de dessus d'un second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. L'élément de capteur 3 est représenté comme étant légèrement transparent de façon à apercevoir également les parties du support de circuit 1 qui se trouvent en des-

9 sous. A côté des segments de chemins conducteurs 2, le support de circuit comporte d'autres structures de chemins conducteurs 30 fonctionnant également comme des antennes et une surface métallique supplémentaire est prévue sur l'élément de capteur 3, cette surface mé- tallique constitue une autre zone partielle 31 de l'élément de capteur 3 réalisée en un matériau électroconducteur. Les autres structures de chemins conducteurs 30 et l'autre zone partielle 31, fonctionnent fondamentalement selon le même principe que les segments de chemins conducteurs 2 coopérant avec les premières zones partielles 4. Dans ce cas il suffit qu'au moins deux autres structures de chemins conducteurs 30 soient prévues sur le support de circuit 1 et qu'au moins une autre zone partielle 31 en un matériau électroconducteur ainsi qu'une autre zone partielle en un matériau non électroconducteur, soient pré-vues sur l'élément de capteur. A l'aide des autres structures de chemins conducteurs 30 et des autres zones partielles de l'élément de capteur 3, on réalise par exemple un flux indexé qui peut servir au contrôle de plausibilité du couple et/ ou de la valeur de l'angle de rotation obtenue à l'aide des segments de chemins conducteur 2. Une telle fonction d'indexage présente une signification particulière au cas où le dispositif est redondant. L'expression redondant signifie que parmi les 2*k segments de chemins conducteurs fonctionnant comme des antennes, on aura chaque fois k segments de chemins conducteurs, c'est-à-dire la moitié servant à déterminer le couple et/ou l'angle de rotation de l'arbre. De cette manière, on obtient deux signaux redondants indépendants ce qui augmente la fiabilité et ainsi la sécurité du dispositif. Pour différentes applications, il est indispensable d'avoir une redondance qui est ainsi réalisable de manière économique. Cette façon de procéder diminue toutefois de moitié la plage de mesure passant de 360° à 180°.

La réduction de cette plage de mesure peut se compenser par les autres structures de chemins conducteurs 30 fonctionnant comme des antennes, car ces structures permettent de déterminer la plage partielle dans laquelle doit se situer la valeur de l'angle de rotation. Si, comme représenté à la figure 3, on a quatre autres structures de chemins conducteurs 30, cela se traduit par une fonction d'indexage

10 divisant la plage de mesure en quatre segments partiels allant de 0° à 90°, de 90° à 180°, de 180° à 270° et de 270° à 360°. Dans le cas de seulement deux structures de chemins conducteurs 30, on aurait ainsi une répartition correspondante sur deux zones partielles entre 0° et 180° ou entre 180° et 360°. Si le dispositif selon l'invention est utilisé pour déterminer l'angle de rotation d'un arbre, c'est-à-dire si le support de circuit 1 ou l'élément de capteur 3 sont fixés à un composant solidaire en rotation de l'arbre, on pourra avoir des angles de rotation de 360° et plus.

La fonction d'indexage pourra alors s'utiliser avantageusement en servant en quelque sorte de compteur donnant le nombre de rotations. De plus, la figure 3 montre un connecteur 32 par lequel les segments de chemins conducteurs 2 et/ou les structures de chemins conducteurs 30 et/ou le circuit d'exploitation 8, se branchent. Un tel connecteur 32 est évidemment indépendant du mode de réalisation pratique du dispositif selon l'invention pour le branchement des différents composants. Le support de circuit 1 et l'élément de capteur 3 sont logés avantageusement dans un boîtier commun. Pour les protéger conter les influences de l'environnement, les composants peuvent être partiellement ou totalement munis d'un revêtement par exemple d'un vernis ou de couches de polymère. Le dispositif selon l'invention convient notamment pour déterminer un couple et/ou un angle de rotation d'une colonne de di- rection d'un véhicule automobile.30 NOMENCLATURE

support de circuit segment de chemin conducteur segment de chemin conducteur élément de capteur zone partielle zone partielle circuit d'exploitation flèche courbe caractéristique structure de chemin conducteur zone partielle connecteur 15

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1°) Dispositif pour déterminer un couple et/ou un angle de rotation d'un arbre comprenant : - un support de circuit (1) concentrique à l'arbre portant au moins deux segments de chemins conducteurs (2) traversés par le courant, et - un élément de capteur (3) tournant précisément de manière concentrique à l'arbre par rapport au support de circuit (1) et ayant au moins une première zone partielle (4) en un matériau électroconducteur et au moins une seconde zone partielle (5) en un matériau non électroconducteur, - et lors de l'application d'un couple à l'arbre, l'élément de capteur (3) tourne par rapport au support de circuit (1) ce qui se traduit par une surface de chevauchement variable entre les segments de 15 chemins conducteurs (2) et le ou les premières zones partielles (4) de l'élément de capteur (3), et ainsi par une variation de l'inductance des segments de chemins conducteurs (2). 2°) Dispositif selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce que le support de circuit (1) et l'élément de capteur (3) sont en forme de disques. 3°) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, 25 caractérisé en ce que l'élément de capteur (3) est en un matériau de base électroconducteur avec de préférence des découpes en forme de secteurs ou de segments qui forment la ou les secondes zones partielles (5) et sont de préférence réparties dans la direction périphérique de l'arbre, de manière régulière 30 par rapport à l'élément de capteur (3). 4°) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de capteur (3) est réalisé en un matériau de base électrocon- 35 ducteur et de préférence des surfaces métalliques en forme de secteurs 13 ou de segments sont prévues pour former la ou les premières zones partielles (4) et sont de préférence réparties dans la direction périphérique de l'arbre, régulièrement sur l'élément de capteur (3). 5°) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les surfaces métalliques sont des inserts métalliques encapsulés par injection. 6°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les segments de chemins conducteurs (2) sont formés par des chemins conducteurs disposés en spirale sur le support de circuit (1), ces chemins conducteurs sont répartis régulièrement sur le support de circuit (1) de préférence dans la direction périphérique de l'arbre. 7°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' en plus il comporte un circuit d'exploitation (8) porté par le support de circuit (1) pour exploiter une variation de la fréquence d'oscillation d'un circuit oscillant formé par les segments de chemins conducteurs (2) sous l'effet d'une variation de l'inductance. 8°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support de circuit (1) et l'élément de capteur (3) sont logés dans un boîtier commun et/ou les segments de chemins conducteurs (2), sont branchés électriquement par un connecteur (32). 9°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support de circuit (1) et/ ou l'élément de capteur (3), sont revêtus pour être protégés contre les influences de l'environnement.35