WO2006064169A2 - Capteur de position a boucle de courant et roulement equipe d'un tel capteur - Google Patents

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WO2006064169A2
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Christophe Duret
Olivier Blanchin
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S.N.R. Roulements
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    • G01S1/00—Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith
    • G01S1/02—Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith using radio waves
    • G01S1/08—Systems for determining direction or position line

Definitions

  • the invention relates to a system for determining the position of a movable element with respect to a fixed structure, and a bearing equipped with such a system for determining the angular position of the rotating ring relative to the ring. fixed.
  • Patent US5047716 discloses the general motion sensor principle comprising a support having a rotary or linear magnetic encoding.
  • the encoded medium has a spatial frequency ⁇ . It interacts with a series of magnetoresistive sensors spaced from (n-1/2) ⁇ delivering signals in opposition of phase. This detector requires a large number of sensors. It also relates to a general field of application, and not the integration in a wheel bearing of a motor vehicle.
  • the invention typically finds application in the determination of at least one displacement parameter of a motor vehicle of which at least one wheel bearing comprises a determination system, said parameter being able to be used in control systems of the dynamics of the vehicle.
  • vehicle such as ABS or ESP.
  • noises for example common mode noise or high frequency noise
  • the invention aims in particular to solve the problems mentioned above by proposing a determination system providing a conditioning of the resistive elements, in particular magnetoresistive type, which is suitable for a reliable and flexible determination of the position of the movable element.
  • the determination system allows a spatial sampling of a pseudo-sinusoidal signal emitted by the encoder and a signal processing which allows a precise determination in a particularly tolerant manner with respect to the constraints at the level of the possible defects of the signals issuing from the resistive elements than the positioning of said elements with respect to the pseudo-sinusoidal signal emitted.
  • the invention proposes a system for determining the position of a movable element with respect to a fixed structure, said system comprising:
  • an encoder intended to be integral with the mobile element so as to move together with it, said encoder being arranged to transmit a pseudo-sinusoidal spatial signal which is representative of the position of the encoder;
  • resistive elements each capable of delivering a signal V 1, a function of the pseudo-sinusoidal signal emitted, said resistive elements being arranged at a reading distance from the pseudo-sinusoidal signal emitted by the coder;
  • a signal processing device Vi which is arranged to supply, as a function of the signals Vi, two respectively SIN and COS signals in quadrature and of the same amplitude;
  • a device for calculating the position of the element comprising means for calculating the position of the encoder from the SIN signals and COS so as to deduce the position of the element from the calculated position of the encoder.
  • the invention proposes a bearing comprising a fixed ring and a rotating ring relative to said fixed ring by means of rolling bodies, said bearing being equipped with such a system for determining the angular position of the ring. rotating relative to the fixed ring, wherein the encoder is secured to the rotating ring and the sensor is secured to the fixed ring.
  • FIG. 1 is a functional representation of a first embodiment of a sensor of a determination system according to the invention
  • FIG. 2 is a representation of a positioning of two resistive elements with respect to a spatial signal that is locally approximable to a sinusoidal portion, so as to obtain a phase shift of ⁇ / 2 between the signals issuing from the resistive elements;
  • FIG. 3 is a functional representation of a variant of the sensor according to FIG. 1;
  • FIG. 4 is a functional representation of a second embodiment of a sensor of a determination system according to the invention.
  • Figure 5 is a representation similar to Figure 2 for the positioning of three resistive elements
  • FIGS. 6a and 6b are representations similar to FIG. 2 for the positioning of four resistive elements; in Figure 6a the spatial signal is locally approximable to a sinusoidal portion and in Figure 6b the spatial signal is sinusoidal;
  • FIGS. 7 and 8 are functional representations of a third embodiment of a sensor of a determination system according to the invention.
  • Figure 9 is a variant of the representation of Figure 8;
  • FIG. 10 is a schematic representation in longitudinal section of a bearing equipped with a determination system according to the invention.
  • the invention relates to a system for determining the position of a movable element with respect to a fixed structure which comprises:
  • an encoder 1 intended to be integral with the mobile element so as to move together with it, said encoder being arranged to transmit a pseudo-sinusoidal spatial signal which is representative of the position of the encoder 1;
  • said encoder comprising at least two resistive elements 3 each capable of delivering a signal V 1 which is a function of the pseudo-sinusoidal signal transmitted by the encoder 1.
  • a large number of encoder assembly 1 / resistive elements 3 may be used among which we may mention the electrical, magnetic, optical, thermal or acoustic encoders, and the element-based resistive elements which are capable of presenting an impedance which varies according to each of the types of signals emitted by these encoders.
  • the encoder 1 is of the magnetic type and comprises an alternating succession of magnetic north and south poles so as to emit a pseudo-sinusoidal magnetic signal
  • the resistive elements 3 are of the magnetoresistive type, in particular magnetoresistance, giant magnetoresistance or magnetoresistance. tunnel effect.
  • pseudo-sinusoidal signal any signal that is sinusoidal in nature or at least a portion of which can be correctly approximated by a sinusoid.
  • the resistive elements 3 are of the type described in document FR-A-2 852 400, that is to say comprising a stack of a reference element, of which a separation element and a magnetic field sensitive element.
  • the reference element and the sensing element respectively have first and second magnetic anisotropies in first and second directions.
  • the sensing element comprises the superposition of a layer of a ferromagnetic material and a layer of antiferromagnetic material which is arranged to obtain a magnetic moment whose component oriented in the direction of the field to be measured varies reversibly as a function of the intensity of the magnetic field to be measured, and linearly in an adjustable field range.
  • such a magnetoresistive sensitive element 3 having a tunnel effect is formed by the stack: Glass / Ta (5 nm) / Co (10 nm) / IrMn (10 nm) / Co (10 nm) / AlOx / Co (2 nm) / Co 8 oPt 2 O (5 nm) / Pt (4 nm).
  • the glass constitutes the substrate and the Ta / Co bilayer is the buffer layer.
  • the sensitive element is composed of the IrMn (10 nm) / Co (10 nm) bilayer.
  • the reference element Co (2 nm) / Co 8 oPt2o (5 nm) consists of cobalt added platinum to increase the coercive field.
  • the Pt layer (4nm) is a protective layer.
  • the invention makes it possible to determine the position of a mobile element in translation or in rotation with respect to the fixed structure, the displacement being able to be periodic according to time or even discreet.
  • the sensor 2 of the determination system comprises a current loop arrangement between the resistive elements 3 and a signal processing device Vj which is arranged to supply, as a function of the signals Vj, two respectively SIN and COS signals in quadrature and likewise amplitude, said amplitude being proportional to the amplitude of the signal transmitted by the coder 1.
  • the sensor 2 may be provided in one part, that is to say comprising a support on which the resistive elements 3 and the packaging (power source and processing device) and possibly the computing device 7 are arranged.
  • the senor 2 may comprise two parts, a first carrying the resistive elements 3 with a reading distance of the encoder 1 and a second part comprising the packaging as well as possibly the computing device 7, the two parts being connected together by connection wires in number at least equal to the number of resistive elements plus one.
  • This last embodiment has the advantage of being able to dispose the remote conditioning of the encoder 1 and therefore of the movable element, so as to avoid disturbances such as high temperature, temperature variations or humidity that are potentially troublesome for the proper functioning of the packaging, in particular differential amplifiers.
  • the resistive elements 3 connected in series in the current loop are placed along the pseudo-sinusoidal signal and regularly spaced (FIGS. 2, 5, 6).
  • each sensing element 3 may comprise either a block of several unitary resistive elements which are combined to obtain an averaged resistance value which is representative of the value of the resistance at the position of the block, ie a single resistive element.
  • the resistance variation signals are equal to:
  • the angle ⁇ is the angle of the sinusoid.
  • the processing device may further comprise a signal filtering stage not shown.
  • the senor 2 comprises two resistive elements 3, the mounting current loop further comprising a resistive element reference whose value R ref is fixed as a function of the signals emitted by the encoder 1.
  • the signal V re f across the reference element is then equal to G re f R re fi c .
  • the processing device further comprises a second differential amplifier stage 5 which is arranged to subtract the signal V re f from the signals V i, ie to form the signals:
  • Si [(G1R01 - GrefRref) + GiAR 1 SJnG] Jc;
  • S 2 [(G 2 R 02 - GrefRref) + G 2 ⁇ R 2 sin ( ⁇ + ⁇ )] i c .
  • the signals are written:
  • the processing device comprises a third stage with two differential amplifiers 6 so as to deliver the signals Si - S 2 and Si + S 2 .
  • At least one differential amplifier 6 of the third stage has an adjustable gain.
  • the gain of the amplifier forming the COS signal can be provided.
  • the sensor comprises three resistive elements 3 and the three differential amplifiers of the first stage 4 have an adjustable gain Gi.
  • V 1 G 1 X (R 01 + M 1 SmG) I;
  • V 2 G 2 x ( ⁇ 02 + AR 2 sin ( ⁇ + ⁇ )) i c
  • V 3 G 3 x ( 03 03 + AR 3 sin ( ⁇ + 2 ⁇ )>;
  • the second stage is arranged to form the signals:
  • V 1 -V 2 [(G 1 R 01 - G 2 R 02 ) + G 1 AR 1 sin ⁇ - G 2 AR 2 sin ( ⁇ + ⁇ )] x i c (1)
  • the sensor comprises four resistive elements 3 and the four differential amplifiers of the first stage 4 have an adjustable gain Gi.
  • V 1 G 1 x ( ⁇ 01 + A ⁇ 1 sin ⁇ ) i c
  • V 2 G 2 X (R 02 + AR 2 sin ( ⁇ + ⁇ ))
  • V 3 G 3 X ( ⁇ 03 + AR 3 sin ( ⁇ + 2 ⁇ )>
  • F 4 G 4 x (R 04 + AR 4 sin ( ⁇ + 3 ⁇ )) i c
  • the processing device further comprises a second stage of differential amplifiers 5 arranged to subtract signals from the first stage of differential amplifiers 4.
  • the second stage is arranged to form the signals:
  • the second stage of differential amplifiers 5 is arranged to deliver four signals and the processing device comprises a third stage of differential amplifiers 6 arranged to subtract in pairs the four signals from the second stage.
  • V [-4G AR sin ( ⁇ ) x cos ( ⁇ -) x cos ( ⁇ + ⁇ -)] i c
  • At least one differential amplifier 6 of the third stage has an adjustable gain.
  • the gain of the amplifier 6 forming the signal U can be adjusted to
  • the signals delivered by the processing device 2 are:
  • This variant is particularly suitable for the case where the amplitude of the signals Vi can not be considered identical, that is to say that the elements 3 do not detect a sinusoid of the same amplitude, which is particularly the case when the resistive elements 3 are inclined with respect to the encoder 1.
  • the determination system further comprises a device 7 for calculating the position of the element which may optionally be integrated in the sensor 2 or be housed in a host computer.
  • the computing device 7 comprises means for calculating the position of the encoder 1 from the SIN and COS signals in quadrature and of the same amplitude, so as to deduce therefrom the position of the element from the calculated position of the encoder 1
  • a computing device 7 known in itself, can provide for calculating the expression SIN 2 + COS 2 to determine the amplitude of the signal, the arctan (SIN / COS) to determine the angle of the signal or to provide of the means for interpolating and counting fronts created from the SIN and / or COS signals to obtain the position incrementally.
  • the computing device 7 may also include means for resetting the position of the element with respect to the calculated position of the encoder 1.
  • the computing device may comprise means for determining, from the calculated position, at least one element displacement parameter, in particular the speed, acceleration or direction of movement of said element. compared to the fixed structure.
  • the invention also relates to a bearing as shown in FIG. 10 which is equipped with a system for determining the angular position of the rotating ring 8 with respect to the fixed ring 9.
  • the bearing comprises a fixed outer ring 9 intended to be associated with a fixed member, a rotating inner ring 8 intended to be rotated by the rotating member and rolling bodies 10 disposed between said rings.
  • the encoder 1 is overmoulded on an annular cylindrical surface of a frame 11 which is associated, for example by fitting, on a face of the inner ring 8.
  • the encoder 1 is formed of a ring whose outer face comprises a succession of North and South magnetic poles with a constant polar width.
  • the encoder 1 is associated with the rotating ring 8 so that the outer face of said encoder is substantially contained in the plane P of a lateral face of the fixed ring 9.
  • This characteristic allows on the one hand to protect the encoder 1 inside the bearing and secondly to be able to dissociate the sensor 2 of the bearing while maintaining control of the gap.
  • the encoder 1 can be either attached to the outer ring 9, or associated with the fixed member with the resistive elements 3 reading distance of the encoder 1.
  • the sensor 2 may comprise four magnetoresistive elements 3 tunnel effect as described above.
  • the determination system makes it possible to amplify the signal, to remove its DC component, and this being insensitive to the drifts of the unladen value of the different resistors.

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Abstract

L'invention concerne un système de détermination de la position d'un élément mobile par rapport à une structure fixe, ledit système comprenant un codeur agencé pour émettre un signal spatial pseudo sinusoïdal qui est représentatif de la position du codeur, un capteur (2) comprenant un montage en boucle de courant entre au moins deux éléments résistifs (3) et un dispositif de traitement des signaux Vi qui est agencé pour fournir deux signaux respectivement SIN et COS en quadrature et de même amplitude. L'invention concerne également un roulement équipé d'un tel système pour la détermination de la position angulaire de la bague tournante par rapport à la bague fixe.

Description

Capteur de position à boucle de courant et roulement équipé d'un tel capteur
L'invention concerne un système de détermination de la position d'un élément mobile par rapport à une structure fixe, ainsi qu'un roulement équipé d'un tel système pour la détermination de la position angulaire de la bague tournante par rapport à la bague fixe.
Dans de nombreuses applications, l'on souhaite connaître en temps réel et avec une qualité constante la position d'un élément mobile par rapport à une structure fixe. En particulier, cette connaissance peut être utilisée pour déterminer en outre la vitesse, l'accélération ou le sens de déplacement de l'élément.
On connaît par le brevet US5047716 le principe général de capteur de mouvement comprenant un support présentant un encodage magnétique rotatif ou linéaire. Dans cette solution de l'art antérieur, le support encodé présente une fréquence spatiale λ. Il interagit avec une série de capteurs magnétorésistifs espacés de (n-1/2) λ délivrant des signaux en opposition de phase. Ce détecteur nécessite un nombre important de capteurs. Elle concerne par ailleurs un domaine d'application général, et non pas l'intégration dans un roulement de roue d'un véhicule automobile.
L'invention trouve typiquement son application dans la détermination d'au moins un paramètre de déplacement d'un véhicule automobile dont au moins un roulement de roue comprend un système de détermination, ledit paramètre pouvant être utilisé dans des systèmes de contrôle de la dynamique du véhicule comme par exemple l'ABS ou l'ESP.
Il est connu, notamment du document FR-A-2 792 403, d'utiliser un codeur destiné à être solidaire d'un élément mobile et un capteur fixe comprenant des éléments sensibles qui sont disposés à distance de lecture du codeur. Les éléments sensibles sont agencés de sorte à délivrer des signaux en quadrature sensiblement parfaite, à partir desquels la position relative du codeur par rapport au capteur ainsi que des paramètres de déplacement dudit codeur peuvent être calculés.
Ce type de système de détermination donne parfaitement satisfaction lorsque des éléments sensibles à effet Hall sont disposés à distance d'entrefer d'un codeur magnétique multipolaire.
Toutefois, notamment pour des éléments sensibles de type résistifs, il existe encore un besoin pour un conditionnement qui permette de déterminer de façon fiable et précise la position d'un élément mobile. En particulier, un tel conditionnement doit permettre d'effectuer dans le domaine analogique :
- l'amplification, afin de donner au signal un niveau suffisant pour le reste de la chaîne de traitement ;
- la correction de l'offset, afin de lui enlever une composante continue non souhaitée ;
- la suppression de bruits, par exemple de bruit de mode commun ou de bruit haute fréquence ;
- la correction des phénomènes de dérive, par exemple en température ;
- le filtrage, par exemple pour éviter les repliements de spectre.
Pour ce faire, il est connu d'utiliser un montage en pont de Wheatstone qui nécessite d'utiliser des résistances parfaitement ajustées pour annuler l'offset du pont, de positionner précisément ces résistances par rapport au signal émis par le codeur, et de ne pas introduire de bruits de mesure supplémentaires. L'ensemble de ces contraintes étant difficilement rempli de façon industrielle, l'utilisation de ce type de montage conduit à des précisions de détermination qui ne sont pas toujours satisfaisantes.
En outre, dans le cas particulier de la détection d'un signal spatial pseudo sinusoïdal avec des éléments résistifs de type magnétorésistif, notamment à effet tunnel, l'ensemble des contraintes des ponts de Wheatstone est encore plus difficile à remplir. En particulier, du fait de la structure de tels éléments résistifs qui comprennent la superposition de couches nanométriques, il est très difficile de fixer précisément la valeur de la résistance sous excitation nulle.
L'invention vise notamment à résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus en proposant un système de détermination prévoyant un conditionnement des éléments résistifs, notamment de type magnétorésistif, qui est adapté pour une détermination fiable et modulable de la position de l'élément mobile.
En particulier, le système de détermination selon l'invention permet un échantillonnage spatial d'un signal pseudo sinusoïdal émis par le codeur et un traitement des signaux qui permette une détermination précise de façon particulièrement tolérante vis-à-vis des contraintes tant au niveau des éventuels défauts des signaux issus des éléments résistifs que du positionnement desdits éléments par rapport au signal pseudo sinusoïdal émis.
A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention propose un système de détermination de la position d'un élément mobile par rapport à une structure fixe, ledit système comprenant :
- un codeur destiné à être solidaire de l'élément mobile de sorte à se déplacer conjointement à lui, ledit codeur étant agencé pour émettre un signal spatial pseudo sinusoïdal qui est représentatif de la position du codeur ;
- un capteur destiné à être solidaire de la structure fixe, ledit capteur comprenant :
- au moins deux éléments résistifs aptes à délivrer chacun un signal V1 fonction du signal pseudo sinusoïdal émis, lesdits éléments résistifs étant disposés à distance de lecture du signal pseudo sinusoïdal émis par le codeur ;
- un montage en boucle de courant entre les éléments résistifs ;
- un dispositif de traitement des signaux Vi qui est agencé pour fournir, en fonction des signaux Vi, deux signaux respectivement SIN et COS en quadrature et de même amplitude ;
- un dispositif de calcul de la position de l'élément, ledit dispositif comprenant des moyens de calcul de la position du codeur à partir des signaux SIN et COS de sorte à en déduire la position de l'élément à partir de la position calculée du codeur.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose un roulement comprenant un bague fixe et une bague tournante par rapport à ladite bague fixe au moyen de corps roulants, ledit roulement étant équipé d'un tel système pour la détermination de la position angulaire de la bague tournante par rapport à la bague fixe, dans lequel le codeur est solidarisé à la bague tournante et le capteur est solidaire de la bague fixe.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation fonctionnelle d'un premier mode de réalisation d'un capteur d'un système de détermination selon l'invention ;
- la figure 2 est une représentation d'un positionnement de deux éléments résistifs par rapport à un signal spatial approximable localement à une portion de sinusoïde, de sorte à obtenir un déphasage de π/2 entre les signaux issus des éléments résistifs ;
- la figure 3 est une représentation fonctionnelle d'une variante du capteur selon la figure 1 ;
- la figure 4 est une représentation fonctionnelle d'un deuxième mode de réalisation d'un capteur d'un système de détermination selon l'invention ;
- la figure 5 est une représentation analogue à la figure 2 pour le positionnement de trois éléments résistifs ;
- les figures 6a et 6b sont des représentations analogues à la figure 2 pour le positionnement de quatre éléments résistifs ; sur la figure 6a le signal spatial est approximable localement à une portion de sinusoïde et sur la figure 6b le signal spatial est sinusoïdal ;
- les figures 7 et 8 sont des représentations fonctionnelles d'un troisième mode de réalisation d'un capteur d'un système de détermination selon l'invention ; la figure 9 est une variante de la représentation de la figure 8 ;
- la figure 10 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'un roulement équipé d'un système de détermination selon l'invention.
L'invention concerne un système de détermination de la position d'un élément mobile par rapport à une structure fixe qui comprend :
- un codeur 1 destiné à être solidaire de l'élément mobile de sorte à se déplacer conjointement à lui, ledit codeur étant agencé pour émettre un signal spatial pseudo sinusoïdal qui est représentatif de la position du codeur 1 ; et
- un capteur 2 destiné à être solidaire de la structure fixe, ledit codeur comprenant au moins deux éléments résistifs 3 aptes à délivrer chacun un signal V1 fonction du signal pseudo sinusoïdal émis par le codeur 1.
Dans le cadre de l'invention, un grand nombre d'ensemble codeur 1 / éléments résistifs 3 peut être utilisé parmi lesquels on peut citer les codeurs électriques, magnétiques, optiques, thermiques ou acoustiques, et les éléments résistifs à base d'éléments qui sont aptes à présenter une impédance qui varie en fonction de chacun des types de signaux émis par ces codeurs. Dans un exemple particulier, le codeur 1 est de type magnétique et comprend une succession alternée de pôles magnétiques Nord et Sud de sorte à émettre un signal pseudo sinusoïdal magnétique, et les éléments résistifs 3 sont de type magnétorésistif, notamment magnétorésistance, magnétorésistance géante ou magnétorésistance à effet tunnel. Dans le cadre de l'invention, on entend par signal pseudo sinusoïdal tout signal qui est sinusoïdal par nature ou dont au moins une portion peut être approximée correctement par une sinusoïde.
Dans un exemple de mise en œuvre de l'invention, les éléments résistifs 3 sont du type décrit dans le document FR-A-2 852 400, c'est-à-dire comprenant un empilement d'un élément de référence, d'un élément de séparation et d'un élément sensible au champ magnétique. L'élément de référence et l'élément sensible présentent respectivement une première et une deuxième anisotropies magnétiques suivant une première et une deuxième directions. L'élément sensible comprend la superposition d'une couche d'un matériau ferromagnétique et d'une couche d'un matériau antiferromagnétique qui est agencée pour obtenir un moment magnétique dont la composante orientée dans la direction du champ à mesurer varie réversiblement en fonction de l'intensité du champ magnétique à mesurer, et linéairement dans une gamme de champ ajustable.
A titre d'exemple, un tel élément sensible 3 magnétorésistif à effet tunnel est formé par l'empilement : Verre / Ta (5 nm) / Co (10 nm) / IrMn (10 nm) / Co (10 nm) / AIOx / Co (2 nm) / Co8oPt2o (5 nm) / Pt (4nm). Le verre constitue le substrat et la bicouche Ta/Co est la couche tampon. L'élément sensible est composé de la bicouche IrMn (10 nm) / Co (10 nm). L'élément de référence Co (2 nm) / Co8oPt2o (5 nm) est constitué de cobalt additionné de platine pour augmenter le champ coercitif. La couche Pt (4nm) est une couche de protection.
En disposant les éléments résistifs 3 à distance de lecture du signal pseudo sinusoïdal émis par le codeur 1 , l'invention permet de déterminer la position d'un élément mobile en translation ou en rotation par rapport à la structure fixe, le déplacement pouvant être périodique en fonction du temps ou encore discret. En outre, on peut prévoir de déterminer la distance séparant les éléments résistifs 3 du codeur 1 au moyen d'un système de détermination selon l'invention. Le capteur 2 du système de détermination comprend un montage en boucle de courant entre les éléments résistifs 3 et un dispositif de traitement des signaux Vj qui est agencé pour fournir, en fonction des signaux Vj, deux signaux respectivement SIN et COS en quadrature et de même amplitude, ladite amplitude étant proportionnelle à l'amplitude du signal émis par le codeur 1.
Le capteur 2 peut être prévu en une partie, c'est-à-dire comprenant un support sur lequel les éléments résistifs 3 et le conditionnement (source de courant et dispositif de traitement) ainsi qu'éventuellement le dispositif de calcul 7 sont disposés.
En variante, le capteur 2 peut comprendre deux parties, une première portant les éléments résistifs 3 à distance de lecture du codeur 1 et une deuxième partie comprenant le conditionnement ainsi qu'éventuellement le dispositif de calcul 7, les deux parties étant reliées entre elles par des fils de connexion en nombre au moins égal au nombre d'éléments résistifs plus un. Cette dernière réalisation présente notamment l'avantage de pouvoir disposer le conditionnement à distance du codeur 1 et donc de l'élément mobile, de sorte à éviter les perturbations comme une température élevée, des variations de température ou de l'humidité qui sont potentiellement gênantes pour le bon fonctionnement du conditionnement, en particulier des amplificateurs différentiels.
Les éléments résistifs 3 montés en série dans la boucle de courant sont placés le long du signal pseudo sinusoïdal et espacés régulièrement (figures 2, 5, 6).
En relation avec les figures 1 à 9, on décrit trois modes de réalisation du montage en boucle de courant et du dispositif de traitement, les éléments résistifs 3 étant à base d'éléments résistifs. En particulier, chaque élément sensible 3 peut comprendre soit un bloc de plusieurs éléments résistifs unitaires qui sont combinés pour obtenir une valeur de résistance moyennée qui est représentative de la valeur de la résistance au niveau de la position du bloc, soit un seul élément résistif.
Dans le montage en boucle de courant, les signaux de variation des résistances sont égaux à :
[Roi + ΔRiSin(θ+(i-1 )φ)]ic, Roi étant la valeur au repos de la résistance Ri, φ le déphasage spatial entre les éléments résistifs 1 , ic l'intensité du courant dans la boucle.
Dans le cas statique, l'angle θ est l'angle de la sinusoïde. Dans le cas d'une déformation dynamique, l'angle θ est égal par exemple à ωt, avec ω=2π/T (T étant la période temporelle de la sinusoïde).
Le dispositif de traitement comprend un premier étage d'amplificateurs différentiels 4, chacun desdits amplificateurs étant respectivement branché aux bornes d'un élément sensible 3 de sorte à délivrer un signal Vj = Gi [Roi + ΔRiSin(θ+(i-1 )φ)]ic, où Gi est le gain dudit amplificateur différentiel.
Le dispositif de traitement peut comprendre en outre un étage de filtrage des signaux non représenté.
Selon le premier mode de réalisation (figures 1 et 3), le capteur 2 comprend deux éléments résistifs 3, le montage en boucle de courant comprenant en outre un élément résistif de référence dont la valeur Rref est fixe en fonction des signaux émis par le codeur 1. Le signal Vref aux bornes de l'élément de référence est alors égal à Gref Rref ic.
Le dispositif de traitement comprend en outre un deuxième étage d'amplificateurs différentiels 5 qui est agencé pour soustraire le signal Vref aux signaux Vi, c'est-à-dire former les signaux :
Si = [(G1R01 - GrefRref) + GiAR1SJnG]Jc ; S2 = [(G2R02 - GrefRref) + G2ΔR2sin(θ+φ)]ic.
51 on choisit Gi, G2 et Gref tels que G1R01 = G2Ro2 = GrefRref> nous avons les signaux suivants : Si = [GiΔRiSinθJic ;
52 = [G2ΔR2sin(θ+φ)]ic. qui sont centrés sur zéro par la soustraction du signal de référence GrefRrefic.
Par ailleurs, les éléments résistifs 3 peuvent être conçus de sorte à avoir la même sensibilité, c'est à dire G1ΔR1 = G2ΔR2 = GΔR. Ainsi, les signaux s'écrivent :
51 = [GΔRsinθ]ic ;
52 = [GΔRsin(θ+φ)]ic.
Dans le cas particulier où les éléments résistifs sont disposés de sorte que φ = π/2, c'est-à-dire la distance entre les éléments résistifs 3 est égale à λ/4 (λ étant la période de la sinusoïde, voir figure 2), les signaux s'écrivent :
51 = [GΔRsinθ]ic ;
52 = [GΔRcosθ]ic.
Par conséquent, dans ce cas particulier, le système de détermination représenté sur la figure 1 permet d'obtenir directement des signaux COS = S2 et SIN = Si qui sont en quadrature et de même amplitude.
En relation avec la figure 3, on décrit un dispositif de traitement qui permet d'obtenir des signaux SIN et COS quelle que soit la valeur du déphasage spatial φ entre les éléments résistifs 3.
Pour ce faire, le dispositif de traitement comprend un troisième étage à deux amplificateurs différentiels 6 de sorte à délivrer les signaux Si - S2 et Si + S2.
En effet, ces expressions s'écrivent :
Figure imgf000012_0001
NousavonsdoncSi +S2=SINetSi-S2=COS.
Notons que dans le cas où φ est différent de π/2, l'amplitude des signaux (Si - S2) et (Si + S2) est différente. Pour égaliser ces amplitudes, on peut prévoir qu'au moins un amplificateur différentiel 6 du troisième étage présente un gain ajustable. En particulier, le gain de l'amplificateur formant le signal COS peut
être aj usté à cos(— ) / sin( — ) .
Selon le deuxième mode de réalisation (figure 4), le capteur comprend trois éléments résistifs 3 et les trois amplificateurs différentiels du premier étage 4 présentent un gain réglable Gi.
En sortie du premier étage d'amplificateurs différentiels 4, on obtient donc les signaux :
V1 = G1 X(R01 + M1 SmG)I;
V2 = G2 x (^02 + AR2 sin(θ + φ))ic
V3 = G3 x (^03 + AR3 sin(θ + 2φ)>;
Selon la réalisation représentée sur la figure 4, le deuxième étage est agencé pour former les signaux :
S1 = V1 -V2 = [(G1R01 - G2R02 ) + G1AR1 sinθ - G2AR2 sin(θ + φ)]x ic (1 )
S2 = V2 - V3 = [(G2R02 - G3R03 ) + G2AR2 sin(θ + φ) - G3AR3 sin(θ + 2φ)]x ic (2)
En ajustant les gains Gi de sorte que : G1R01 = G2R02 = G3R03, et en supposant que les capteurs ont la même sensibilité, c'est à dire que G1ΔR1 = G2AR2 = G3ΔR3 = GΔR, les différences (1 ) et (2) deviennent : S1 = [GΔfl[sinθ -sin(θ +φ)]]xïc (3) S2 = [GΛR[sin(θ + φ) - sin(θ + 2φ)]]xic (4)
Dans le cas particulier où les éléments résistifs 3 sont disposés à distance du signal pseudo sinusoïdal de sorte que φ = π/2, c'est-à-dire le long de la période spatiale et équidistants de λ/4 (voir figure 5), les différences (3) et (4) s'écrivent :
51 = {jÏGARcosφ +π /4)JXÏC
52 = [V2GΔ/?sin(θ +π /4)]xιc
Par conséquent, dans ce cas particulier, le capteur 2 représenté sur la figure 4 permet d'obtenir directement des signaux COS = Si et SIN = S2 en quadrature et de même amplitude.
Selon le troisième mode de réalisation (figures 7 à 9), le capteur comprend quatre éléments résistifs 3 et les quatre amplificateurs différentiels du premier étage 4 présentent un gain réglable Gi.
En sortie du premier étage d'amplificateurs différentiels 4, on obtient donc les signaux :
V1 = G1 x (^01 + A^1 sin θ )ic V2 = G2 X (R02 + AR2 sin(θ + φ ))ic V3 = G3 X(^03 + AR3 sin(θ + 2φ)>; F4 = G4 x (R04 + AR4 sin(θ + 3φ))ic
Le dispositif de traitement comprend en outre un deuxième étage d'amplificateurs différentiels 5 agencés pour soustraire des signaux issus du premier étage d'amplificateurs différentiels 4.
Selon la réalisation représentée sur la figure 7, le deuxième étage est agencé pour former les signaux :
S1 = V1 - V2 = [(G1R01 - G2R02 ) + G1AR1 sinθ - G2AR2 sin(θ + φ)]x ic (5)
S2 = V3 ~ VΛ =
Figure imgf000013_0001
- G4^04 ) + G3AK3 SU1(Θ + 2Φ) - ^4^4 SU1(Θ + 3Φ)]X K (6) En ajustant les gains Gi de sorte que : G1R01 = G2R02 = G3R03 = G4R04, et en supposant que les capteurs ont la même sensibilité, c'est à dire que G1ΔR1 = G2AR2 = G3ΔR3 = G4AR4 = GΔR, les différences (5) et (6) deviennent : S1 = [GΛR[sinθ - sin(θ + φ)]]x ie
S2 = [GΔfl[sin(θ + 2φ) - sin(θ + 3φ)]]xic
En relation avec les figures 7 à 9, on décrit un dispositif de traitement qui permet d'obtenir des signaux SIN et COS quelle que soit la valeur du déphasage spatial φ entre les éléments résistifs 3.
Pour ce faire, le deuxième étage d'amplificateurs différentiels 5 est agencé pour délivrer quatre signaux et le dispositif traitement comprend un troisième étage d'amplificateurs différentiels 6 agencé pour soustraire deux à deux les quatre signaux issus du deuxième étage.
Le deuxième étage délivre les signaux Si et S2 selon les relations (5) et (6) mentionnées ci-dessus, mais également de façon analogue les signaux S3 = \Λ
- V3 et S4 = V4 - V2.
Le troisième étage comprend deux amplificateurs différentiels 6 représentés respectivement sur les figures 7 et 8 par souci de clarté, de sorte à délivrer les signaux :
Figure imgf000014_0001
V = [S3 - S4]
Soit à partir des relations (3) et (4) : U = [-4GAR sin(φ ) x sin(^-) x sin(θ + ^-)]ic
V = [-4G AR sin(φ ) x cos(^-) x cos(θ + ^-)]ic
Nous avons donc U = SIN et V = COS. Notons que dans le cas où φ est différent de π/2, l'amplitude des signaux U et V est différente. Pour égaliser ces amplitudes, on peut prévoir qu'au moins un amplificateur différentiel 6 du troisième étage présente un gain réglable. En particulier, le gain de l'amplificateur 6 formant le signal U peut être ajusté à
cos(— )/sin(— ) , φ étant connu et constant en tant que paramètre d'adéquation
entre le positionnement des éléments résistifs 3 et le signal à mesurer.
En variante de la réalisation représentée sur les figures 7 et 8, le troisième étage du dispositif de traitement comprend un amplificateur 6 conformément à la figure 7 et le deuxième étage un amplificateur 5 conformément à la figure 9 qui est agencé pour délivrer le signal S3 = V2 - V3. Ainsi, les signaux délivrés par le dispositif de traitement 2 sont :
U = [S1 - S2] ; et V = 2S3
Cette variante est particulièrement adaptée pour le cas où l'amplitude des signaux Vi ne peut pas être considérée comme identique, c'est-à-dire que les éléments 3 ne détectent pas une sinusoïde de même amplitude, ce qui est notamment le cas quand les éléments résistifs 3 sont inclinés par rapport au codeur 1.
Le système de détermination selon l'invention comprend en outre un dispositif de calcul 7 de la position de l'élément qui peut éventuellement être intégré dans le capteur 2 ou être logé dans un calculateur hôte.
Le dispositif de calcul 7 comprend des moyens de calcul de la position du codeur 1 à partir des signaux SIN et COS en quadrature et de même amplitude, de sorte à en déduire la position de l'élément à partir de la position calculée du codeur 1. Un tel dispositif de calcul 7, connu en soit, peut prévoir de calculer l'expression SIN2 + COS2 pour déterminer l'amplitude du signal, l'arctan(SIN/COS) pour déterminer l'angle du signal ou encore prévoir des moyens d'interpolation et de comptage des fronts créés à partir des signaux SIN et/ou COS pour obtenir la position de façon incrémentale. Le dispositif de calcul 7 peut également comprendre des moyens de recalage de la position de l'élément par rapport à la position calculée du codeur 1.
En outre, le dispositif de calcul peut comprendre des moyens de détermination, à partir de la position calculée, d'au moins un paramètre de déplacement de l'élément, notamment de la vitesse, de l'accélération ou du sens de déplacement dudit élément par rapport à la structure fixe.
L'invention concerne également un roulement tel que représenté sur la figure 10 qui est équipé d'un système de détermination de la position angulaire de la bague tournante 8 par rapport à la bague fixe 9.
Le roulement comprend une bague extérieure fixe 9 destinée à être associée à un organe fixe, une bague intérieure tournante 8 destinée à être mise en rotation par l'organe tournant et des corps roulants 10 disposés entre lesdites bagues.
Dans le mode de réalisation représenté, le codeur 1 est surmoulé sur une portée cylindrique annulaire d'une armature 11 qui est associée, par exemple par emmanchement, sur une face de la bague intérieure 8. En particulier, le codeur 1 est formé d'un anneau dont la face extérieure comprend une succession de pôles magnétiques Nord et Sud avec une largeur polaire constante.
Le codeur 1 est associé à la bague tournante 8 de sorte que la face extérieure dudit codeur soit sensiblement contenue dans le plan P d'une face latérale de la bague fixe 9. Cette caractéristique, notamment divulguée dans le document EP-O 607 719 issu de la demanderesse, permet d'une part de protéger le codeur 1 à l'intérieur du roulement et d'autre part de pouvoir dissocier le capteur 2 du roulement en gardant la maîtrise de l'entrefer. Ainsi, le codeur 1 peut être soit fixé à la bague extérieure 9, soit associé à l'organe fixe avec les éléments résistifs 3 à distance de lecture du codeur 1. En particulier, le capteur 2 peut comprendre quatre éléments 3 magnétorésistifs à effet tunnel tel que décrit ci-dessus.
Parmi les avantages de l'utilisation d'un système de détermination selon l'invention on peut citer, :
- l'absence de résistance de référence dans le cas du deuxième et du troisième mode de réalisation ;
- l'absence de toute nécessité d'utiliser des éléments résistifs 3 de sensibilités opposés comme c'est le cas pour un montage en pont de Wheatstone. Il n'est ainsi pas nécessaire d'orienter les couches de référence de certains éléments magnétorésistifs à effet tunnel dans des sens différents ;
- la possibilité d'ajuster le conditionnement à des résistances de valeur à vide Roi différentes, connaissant par exemple une certaine dispersion du procédé de fabrication des éléments résistifs 3 ;
- de pouvoir éloigner les éléments résistifs 3 du conditionnement (dans une zone où ce dernier est par exemple protégé des hautes températures) tout en restant insensible à la résistance des fils de connexion ainsi qu'aux perturbations électriques captées sur ces mêmes fils (bruit de mode commun) ;
- de pouvoir adapter le capteur à des signaux de différentes périodes spatiales.
En outre, le système de détermination permet comme il se doit d'amplifier le signal, d'enlever sa composante continue, et ce en étant insensible aux dérives de la valeur à vide des différentes résistances.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de détermination de la position d'un élément mobile par rapport à une structure fixe, ledit système comprenant : - un codeur (1) destiné à être solidaire de l'élément mobile de sorte à se déplacer conjointement à lui, ledit codeur étant agencé pour émettre un signal spatial pseudo sinusoïdal qui est représentatif de la position du codeur (1 ) ;
- un capteur (2) destiné à être solidaire de la structure fixe, ledit capteur comprenant :
- au moins deux éléments résistifs (3) aptes à délivrer chacun un signal V1 fonction du signal pseudo sinusoïdal émis, lesdits éléments résistifs étant disposés à distance de lecture du signal pseudo sinusoïdal émis par la codeur (1 ) ; - un montage en boucle de courant entre les éléments résistifs (3) ;
- un dispositif de traitement des signaux Vi qui est agencé pour fournir, en fonction des signaux Vi, deux signaux respectivement SIN et COS en quadrature et de même amplitude ;
- un dispositif de calcul (7) de la position de l'élément mobile, ledit dispositif comprenant des moyens de calcul de la position du codeur (1) à partir des signaux SIN et COS de sorte à en déduire la position de l'élément à partir de la position calculée du codeur (1 ).
2. Système de détermination selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dispositif de traitement comprend un premier étage d'amplificateurs différentiels
(4), chacun desdits amplificateurs étant respectivement branché aux bornes d'un élément sensible (3) de sorte à délivrer un signal V1.
3. Système de détermination selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend trois éléments sensibles (3) et en ce que le dispositif de traitement comprend un premier étage de trois amplificateurs différentiels (4), chacun desdits amplificateurs étant respectivement branché aux bornes d'un élément sensible (3) de sorte à délivrer un signal V1.
4. Système de détermination selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le capteur (2) comprend deux éléments résistifs (3), le montage en boucle de courant comprenant en outre un élément de référence (Rref) délivrant un signal de référence Vref et le dispositif de traitement comprenant un deuxième étage d'amplificateurs différentiels (5) qui est agencé pour soustraire le signal Vref aux signaux Vj.
5. Système de détermination selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de traitement comprend un troisième étage d'amplificateurs différentiels (6) agencé pour respectivement additionner et soustraire les signaux issus du deuxième étage d'amplificateurs différentiels (5).
6. Système de détermination selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur (2) comprend quatre éléments résistifs (3), le dispositif de traitement comprenant un deuxième étage d'amplificateurs différentiels (5) agencé pour soustraire des signaux issus du premier étage d'amplificateurs différentiels (4).
7. Système de détermination selon la revendication 6, caractérisé en ce que le deuxième étage d'amplificateurs différentiels (5) est agencé pour délivrer quatre signaux, le dispositif de traitement comprenant un troisième étage d'amplificateurs différentiels (6) agencé pour soustraire deux à deux les quatre signaux issus du deuxième étage d'amplificateurs différentiels (5).
8. Système de détermination selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'au moins certains amplificateurs différentiels (4, 5, 6) présentent un gain réglable.
9. Système de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les éléments résistifs (3) sont à base d'éléments résistifs présentant chacun une résistance électrique Ri qui varie en fonction du signal pseudo sinusoïdal émis par le codeur (1 ).
10. Système de détermination selon la revendication 9, caractérisé en ce que les éléments résistifs (3) sont à base de magnétorésistances, de magnétorésistances géantes ou de magnétorésistances à effet tunnel, de sorte à présenter chacun une résistance électrique Ri qui varie en fonction d'un signal pseudo sinusoïdal magnétique émis par le codeur (1 ).
11. Système de détermination selon la revendication 10, caractérisé en ce que le codeur (1 ) comprend une succession alternée de pôles magnétiques Nord et Sud.
12. Système de détermination selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de calcul (7) comprend en outre, des moyens de détermination, à partir de la position calculée, d'au moins un paramètre de déplacement de l'élément, notamment de la vitesse, de l'accélération ou du sens de déplacement dudit élément par rapport à la structure fixe.
13. Système de détermination selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur (2) comprend deux parties, une première partie portant les éléments résistifs (3) et une deuxième partie comprenant notamment le dispositif de traitement, les deux parties étant reliées entre elles par des fils de connexion.
14. Système de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que chaque élément sensible (3) est formé d'un bloc de plusieurs éléments résistifs unitaires.
15. Roulement comprenant un bague fixe (9) et une bague tournante (8) par rapport à ladite bague fixe au moyen de corps roulants (10), ledit roulement étant équipé d'un système selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 pour la détermination de la position angulaire de la bague tournante (8) par rapport à la bague fixe (9), dans lequel le codeur (1 ) est solidarisé à la bague tournante (8) et le capteur (2) est solidaire de la bague fixe (9).
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