WO2011038893A2 - Capteur de position lineaire - Google Patents

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WO2011038893A2
WO2011038893A2 PCT/EP2010/005933 EP2010005933W WO2011038893A2 WO 2011038893 A2 WO2011038893 A2 WO 2011038893A2 EP 2010005933 W EP2010005933 W EP 2010005933W WO 2011038893 A2 WO2011038893 A2 WO 2011038893A2
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target
track
winding
loops
secondary winding
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PCT/EP2010/005933
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WO2011038893A3 (fr
WO2011038893A4 (fr
Inventor
Jérémie BLANC
Alain Fontanet
Jean-Louis Roux
Bertrand Vaysse
Original Assignee
Continental Automotive France
Continental Automotive Gmbh
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Publication date
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Priority to US13/497,125 priority patent/US9121728B2/en
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Publication of WO2011038893A3 publication Critical patent/WO2011038893A3/fr
Publication of WO2011038893A4 publication Critical patent/WO2011038893A4/fr

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils

Definitions

  • the invention belongs to the field of position sensors and relates to a linear position sensor without contact. These sensors deliver a signal substantially proportional to the position of a target over a measurement range.
  • this measurement range is said to be linear, that is to say that the sensor delivers a position information only according to a coordinate in space, this coordinate being Cartesian or polar, we speak of in the latter case of circular sensor or "resolver”.
  • a “linear sensor” designates any type of sensor delivering a position information according to a single coordinate, whether the displacement of the target is rectilinear or rotary.
  • This type of sensor finds many industrial applications wherever it is necessary to define the position of a mechanical element; we can cite the rules of measurement of machine tools, position sensors of speed lever in the automobile, sensors of position of joysticks of gas or control of shutters in the aeronautics or the shipbuilding, without this list is not exhaustive.
  • the invention relates to the field of so-called inductive sensors.
  • winding refers to any loop pattern described by an electrical conductor.
  • the winding can describe these loops in a helical path around an axis or along spiral paths on a plane or in a repeating pattern extending over one or more parallel planes.
  • the INDUCTOSYN® sensors or the sensors described in the European patent EP 0182085 are examples of inductive sensors. All these sensors have in common to measure the displacement of a target and to include a primary winding, powered by a high frequency alternating current, which induces a voltage in a secondary winding. The displacement of the target modifies the coupling between the primary winding and the secondary winding, the position of the latter being deduced from the measurement of the voltage across the secondary winding.
  • EP 0182085 describes as such a position sensor where the primary winding and the secondary winding are placed on a track.
  • Figure 1 shows schematically the constitution of such a sensor.
  • the target is made of an electrically conductive material and moves relative to both windings.
  • the track (100) comprises a primary winding (10), which is powered by a high-frequency alternating current, this generally being between a few KHz and a few MHz, and a secondary winding (11).
  • the secondary winding (11) comprises two loops (110,111).
  • the winding directions of the loops (110, 111) of the secondary winding are reversed so that the voltages induced in each of these loops by the current (15) flowing in the primary winding (10) are equal in amplitude but opposite in polarity.
  • the voltages in the two loops (110, 111) of the secondary winding (11) are balanced and the voltage measured at the terminals of this winding is zero.
  • the magnetic field produced by the current (15) flowing in the primary winding (10) induces in the target (200) a an electric field which, in turn, produces a current density which generates a magnetic field, which opposes the magnetic field generated by the primary winding (10).
  • Fig. 1B when such a target (200) moves relative to the track, the magnitude of the voltage measured across the secondary winding varies depending on the difference in area covered by the target (200) on each of the loops (1 10, 111).
  • the target (200) during its displacement first progressively covers the first loop (1 10) of the secondary winding (11) and then the second loop (111) of this winding .
  • the target Initially (position I) the target does not cover any of the loops and the amplitude of the voltage measured across the secondary winding is zero, the voltages in the two loops equilibrium.
  • the loops (110, 11) follow on the surface of the track a geometric slot-shaped pattern
  • the target (200) is of rectangular shape, its length being substantially equivalent to the pitch of said slots.
  • such a sensor By demodulating the voltage measured across the secondary winding, such a sensor delivers a theoretical signal (103) for changing the voltage (102), between -V and + V, as a function of the displacement of the target (200) whose variation is a function of the secondary winding surface covered by the target (200).
  • this theoretical function (103) is linear.
  • the actual response (104) substantially deviates from this theoretical function.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment comprising two secondary windings (21 1, 212) spatially out of phase.
  • This configuration makes it possible, by reducing the pitch of the loops and combining the measurements of the voltages across the two windings, to reduce the relative importance of the end effects and to increase the useful measurement range (230).
  • the practical signals (204, 204 ') differ from the theoretical signals (203, 203'), on the one hand at the ends, because of the edge effects mentioned above, but also whenever there is a transition between a situation where the target (200) covers only one loop of a secondary winding at a situation where the target overlaps two loops thereof and vice versa.
  • the variation (204, 204 ') of the voltage in these zones is sensitive to the geometrical shape of the connection between the loops.
  • the increase of the useful measuring range (230) remains modest, of the order of 10 to 20%, results in additional costs of realization of the sensor, the shape of the windings. as well as the processes for their realization becoming more complex, and / or is accompanied by a decrease in the accuracy of the sensor due to the transition phenomena to the connections between the loops.
  • the aim of the invention is to solve the drawbacks of the prior art and in particular to increase the useful measurement range of these sensors with given dimensions, this in an economical way and without losing the advantages of constitution of these sensors of the prior art, in particular the lack of electrical connection, measurement or power supply on the moving target.
  • the invention proposes a device for measuring the position of a target in a longitudinal direction, which device comprises:
  • a track extending along a longitudinal axis parallel to the measuring direction which track comprises a primary winding adapted to induce an electric current in a secondary winding, which is organized in a periodic geometry so as to cover the surface of the track by at least two winding loops along the length thereof;
  • a target comprising a leading edge, movable longitudinally relative to the track, in superposition thereof between a first and a second point delimiting a measurement amplitude and adapted, between these two points, to modify the current induced by the primary winding in the secondary winding;
  • the track surface covered by the target is strictly increasing.
  • This configuration delivers a signal whose shape is similar to a sinusoid, regardless of the periodic geometric pattern of the secondary winding.
  • the determination of the position of the target from this sinusoidal response makes it possible to increase very significantly the useful length of measurement of such a track, on which the signal can be interpreted with a given precision.
  • the length Useful measurement is increased by a proportion between 50 and 80%, without loss, neither on the resolution nor on the precision measurement.
  • the present invention may be implemented according to different embodiments, discussed below, which may be considered individually or in any technically operative combination.
  • the invention is not limited to rectilinear tracks and the longitudinal axis of the track can advantageously be a circular axis, the device can thus be used to form a resolver.
  • the target is made of an electrically conductive material.
  • the target can thus be made of any metallic material that it is ferromagnetic or paramagnetic, such as a steel, including austenitic stainless steel or an aluminum alloy.
  • the track is constituted by a printed circuit which allows a compact constitution thereof.
  • the device comprises two windings secondary.
  • the effect of the recovery of the track by the target is assimilable to an integration, which has the effect of smoothing the variations of the signal especially during transitions between loops. This effect solves the disadvantages of the prior art related to the transitions between the loops and makes it possible to draw all the advantages of the multiplication of the secondary windings.
  • the two secondary windings are organized according to two periodic distributions of loops on the surface of the track phase-shifted spatially by a quarter of a period.
  • the signals delivered by each winding after demodulation of the voltages measured at their respective terminals, follow, as a function of the displacement of the target, functions comparable to a sine and a cosine, of which it is easy, by electronic or computer means, to calculate the ratio then arc-tangent so as to obtain a quasi-linear signal as a function of the relative position of the leading edge of the target along the length of the track, in a given range.
  • the leading edge of the target is inclined at an angle with respect to an axis parallel to the surface of the target and perpendicular to the longitudinal axis thereof.
  • the invention is particularly suitable for the realization of a sensor capable of measuring the position of an automatic gearshift lever, the target being constituted by the "crest-of-cock" lever indexing.
  • the indexing device, the lever, called “crest-of-cock” is advantageously used as a target which allows to significantly simplify the construction of this sensor by avoiding the addition of a specific target.
  • the quality of the signal obtained is optimal when the periodic geometry of the loops of the secondary winding describes a sinusoidal function on the surface of the track.
  • the invention also relates to a method for measuring the position of a target using a device according to the invention according to an embodiment comprising two secondary windings whose periodic geometry is phase shifted spatially by a quarter period, which method includes the steps of:
  • the signal representing the arc-tangent function can then be conditioned to produce a linear signal proportional to the relative position of the leading edge of the target over the useful length of the track.
  • FIGS. 1 to 8 in which:
  • FIG. 1 relating to the prior art, represents a device for measuring the position of a target in a view from above
  • FIG. 1A an example of a track comprising a primary winding and a secondary winding of periodic geometry in crenels.
  • Figure 1B a schematic embodiment using such a track and a rectangular target and the theoretical and practical output signals of such a sensor;
  • FIG. 2 also relating to the prior art, illustrates in an overhead view an embodiment comprising a track comprising two secondary windings, as well as the theoretical and practical signals delivered by such a sensor as a function of the position of the target. ;
  • FIG. 3 shows in plan view an exemplary embodiment of the invention, comprising a track comprising two secondary windings:
  • FIG. 3A the target being located at one end of the useful measurement page of the track
  • FIG. 3B the target being located at the other end of the useful measuring range
  • FIG. 3C the theoretical signals obtained at the terminals of the two secondary windings
  • FIG. 4 is a view from above of a particular embodiment of the device according to the invention in which the leading edge of the target is inclined at an angle a;
  • FIG. 5 illustrates, in plan view, an exemplary embodiment of the device according to the invention in which the track follows a circular relative trajectory with respect to the track;
  • FIG. 6 schematically represents the shape of the signals at the terminals of each secondary winding as a function of the angular position ⁇ of the target, and the arc-tangent function calculated from these signals;
  • FIG. 7 is an exemplary embodiment of an automatic gearbox position sensor integrating a device according to one of the modes of embodiment of the invention:
  • FIG. 7A schematically represents the sensor, according to an overall view from above and in perspective
  • FIG. 7B in plan view, represents the organization of the measurement track and the target in this sensor
  • FIG. 8 is an example of use, in side view, of a device according to an embodiment of the invention for measuring the position of a cylinder rod.
  • the device according to the invention comprises a track 350, extending along a longitudinal axis 1000, which comprises a primary winding 10 and two secondary windings 211, 212 describing loops according to Periodic units out of phase within the primary winding 10.
  • the device comprises a target 300 having a leading edge 310.
  • the target 300 also extends along the longitudinal axis 1000, its width is preferably substantially equal to that of the track which it covers in width the loops of the secondary windings 21 1, 212.
  • the surface of the target 300 is preferably substantially parallel to the surface of the track.
  • the track is flat.
  • the target is made of an electrically conductive material, preferably a metallic material, so that the magnetic field induced by the flow of electric current in the primary winding 10 can induce a magnetic field in the target 300.
  • target includes only a leading edge at its end opposite runway 35.
  • the device further comprises means (not shown) for supplying the primary winding with a high-frequency alternating current, means (not shown) capable of measuring the voltage across the secondary windings 211, 212 and the means for processing the winding. signal, not shown, able to perform operations on the signals measured at the terminals of the secondary windings.
  • the device preferably comprises means (not shown) for guiding a relative displacement between the target 300 and the track 350 in a longitudinal direction 1000 parallel to the surface of the track 350. This movement is effected without contact between the target 300 and the track 350, the distance between the surfaces vis-à-vis the target 300 and the track 350 is kept substantially constant during this movement, by these guide means.
  • the target 300 is, according to the invention, of length at least equal to that of the measurement amplitude targeted so that when the relative displacement between the target 300 and the track 350 brings the leading edge 310 of the target from a relative position 330, at one end of the useful measurement range of the track 350, to the other end 340 of this range, the track surface 350 covered by the target 300 is strictly increasing.
  • the distance between these two relative positions 330, 340 of the target relative to the track defines the measurement amplitude of the sensor.
  • the target 300 has in front of the track 300 a closed surface without any opening in the area between the two end points 330, 340 of the measurement amplitude.
  • the signals 303, 303 'corresponding to the amplitude 102 of the voltage measured across the two secondary windings 211, 212 follow a substantially sinusoidal function as a function of the relative position. 101 of the leading edge 310 of the target 300.
  • the two signals 303, 303 'corresponding to the two secondary windings 211, 212 are out of phase, and this phase shift in the sinusoids reflects the phase shift of the periodic patterns of repetition of the loops of the two secondary windings. 211, 212 on the surface of the track 350.
  • the signals 303, 303 'delivered by these windings as a function of the relative position of the target 300 on the longitudinal axis 1000 of the track can be treated as a sine and a cosine.
  • the leading edge 410 of the target 300 is inclined at an angle ⁇ with respect to a direction perpendicular to the longitudinal direction 1000.
  • the device that is the subject of the invention can be configured so as to constitute a resolver.
  • the track 550 extends along a circular axis 5000 and comprises in the same way as above a primary winding 513 surrounding two secondary windings 511, 512 whose loops describe periodic geometrical patterns that are out of phase preferentially quarter of period along the axis 5000, called longitudinal, which is here a circular axis.
  • the target 500 is also circular and comprises a leading edge 510 preferably inclined at an angle ⁇ with respect to the radial direction.
  • the loops of the secondary windings 511, 512 of the circular track 550 follow periodic patterns out of phase by a quarter period in an angular coordinate ⁇ .
  • a signal 605 is obtained, almost linear as a function of the relative angular position 601 of the target 500 with respect to the track 550.
  • the calculation of the ratio between the signals and the calculation of the arc-tangent function can be performed by electronic circuits integrated in the device.
  • the arc-tangent signal can be conditioned to correspond to a coordinate either Cartesian or angular giving the physical position of the leading edge 310, 410, 510 of the target.
  • This conditioning / calibration can also be performed by an electronic circuit integrated in the device, the calibration data being stored in an EEPROM memory.
  • this device can be used to constitute a position sensor of an automatic transmission gear lever.
  • such a sensor 700 consists of a housing 710 fixed with respect to said speed lever, with a rotary hub 720 comprising means 721 for linking it in rotation to the speed lever.
  • An indexing device comprising a ratchet 730 commonly referred to as "crest-of-cock” is connected to the hub 720 and allows, in cooperation with a pawl (not shown) to index the position of the gear lever.
  • These gear lever positions correspond to automatic gearbox commands such as “parking”, “forward”, “reverse”, “neutral”, etc.
  • Electronic driving assistance devices require knowing the position of the gear lever in order to refine the driving conditions of the vehicle.
  • a specific sensor using a magnetic target is fixed to the hub and positioned relative to the ratchet 730 to know the position.
  • the ratchet 730 can be used as a target, its angular position along an axis 5000 being measured by a circular track 550 connected to the casing 710 and fixed with respect to the hub 720.
  • the number of parts of the sensor is reduced in comparison with the prior art and its simplified assembly in particular due to the lack of positioning of the target relative to the ratchet 730, which makes it more economical to manufacture such a sensor produced in very large series, while improving its reliability.
  • the leading edge 731 of the ratchet can be advantageously inclined at an angle with respect to the radial direction.
  • the device can be used to directly measure the position of the rod 800 of a jack 820.
  • the rod of the cylinder 800 is directly target, the length of the track being substantially equal to the stroke of the rod between its extreme positions 830, 840.

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Abstract

L'invention appartient au domaine des capteurs de position, plus particulièrement au domaine des capteurs dits inductifs. Le dispositif objet de l'invention comprend une piste, laquelle comporte un enroulement primaire (513) alimenté par un courant alternatif à haute fréquence et une pluralité d'enroulements secondaires (511, 512). Le dispositif mesure la position du bord d'attaque (510) d'une cible (500), dans une direction dite longitudinale (5000) entre une première position et une deuxième position entre lesquelles la cible (500) recouvre intégralement la piste (550). De manière surprenante, cette configuration permet d'augmenter de manière très sensible la longueur utile de mesure d'une telle piste (550).

Description

Capteur de position linéaire
L'invention appartient au domaine des capteurs de position et concerne un capteur de position linéaire sans contact. Ces capteurs délivrent un signal sensiblement proportionnel à la position d'une cible sur une étendue de mesure. Dans le cas de l'invention, cette étendue de mesure est dite linéaire c'est-à-dire que le capteur ne délivre une information de position que selon une coordonnée dans l'espace, cette coordonnée pouvant être cartésienne ou polaire, on parle dans ce dernier cas de capteur circulaire ou de « resolver ». Dans la suite, un « capteur linéaire » désigne tout type de capteur délivrant une information de position selon une seule coordonnée, que le déplacement de la cible soit rectiligne ou rotatif.
Ce type de capteur trouve de très nombreuses applications industrielles partout où il est nécessaire de définir la position d'un élément mécanique ; on peut citer les règles de mesure des machines outils, des capteurs de position de levier de vitesse dans l'automobile, des capteurs de position de manettes de gaz ou de commande de volets dans l'aéronautique ou la construction navale, sans que cette liste ne soit exhaustive.
Plus particulièrement, l'invention concerne le domaine des capteurs dits inductifs.
Ce type de capteurs est connu de l'homme du métier et seuls les éléments nécessaires à la compréhension des avantages de l'invention sont exposés ci-après.
Le terme « enroulement » désigne tout motif en boucle décrit par un conducteur électrique. L'enroulement peut décrire ces boucles selon une trajectoire hélicoïdale autour d'un axe ou selon des trajectoires en spirale sur un plan ou encore selon un motif répétitif s'étendant sur un ou plusieurs plans parallèles.
Les capteurs INDUCTOSYN® ou les capteurs décrits dans le brevet européen EP 0182085 sont des exemples de capteurs inductifs. Tous ces capteurs ont en commun de mesurer le déplacement d'une cible et de comporter un enroulement primaire, alimenté par un courant alternatif à haute fréquence, lequel induit une tension dans un enroulement secondaire. Le déplacement de la cible modifie le couplage entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire, la position de la celle-ci est déduite de la mesure de la tension aux bornes de l'enroulement secondaire.
EP 0182085 décrit à ce titre un capteur de position où l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire sont placés sur une piste. La figure 1 représente schématiquement la constitution d'un tel capteur. La cible est constituée d'un matériau électriquement conducteur et se déplace relativement aux deux enroulements. Sur la figure 1A, selon un exemple simple de réalisation, la piste (100) comprend un enroulement primaire (10), lequel est alimenté par un courant alternatif à haute fréquence, celle-ci étant généralement comprise entre quelques KHz et quelques MHz, et un enroulement secondaire (11 ). Dans cet exemple, l'enroulement secondaire (11) comprend deux boucles (110,111). Comparés au sens du courant (15) les sens d'enroulement des boucles (110, 111 ) de l'enroulement secondaire sont inversés de sorte que les tensions induites dans chacune de ces boucles par le courant (15) circulant dans l'enroulement primaire (10) sont égales en amplitude mais opposées en polarité. En l'absence de cible, les tensions dans les deux boucles (110, 111 ) de l'enroulement secondaire (11) s'équilibrent et la tension mesurée aux bornes de cet enroulement est nulle. Sur la figure 1 B, en présence d'une cible (200) constituée d'un matériau électriquement conducteur, le champ magnétique produit par le courant (15) circulant dans l'enroulement primaire (10) induit dans la cible (200) un champ électrique qui, à son tour, produit une densité de courant qui engendre un champ magnétique, lequel s'oppose au champ magnétique généré par l'enroulement primaire (10).
Sur la figure 1 B, lorsqu'une telle cible (200) se déplace relativement à la piste, l'amplitude de la tension mesurée aux bornes de l'enroulement secondaire varie en fonction de la différence de surface couverte par la cible (200) sur chacune des boucles (1 10, 111). Selon l'exemple de la figure 1 B, la cible (200) au cours de son déplacement recouvre d'abord progressivement la première boucle (1 10) de l'enroulement secondaire (11) puis la deuxième boucle (111 ) de cet enroulement. Initialement (position I) la cible ne recouvre aucune des boucles et l'amplitude de la tension mesurée aux bornes de l'enroulement secondaire est nulle, les tensions dans les deux boucles s'équilibrant. Selon cet exemple de réalisation, les boucles (110, 1 11) suivent à la surface de la piste un motif géométrique en créneau, la cible (200) est de forme rectangulaire, sa longueur étant sensiblement équivalente au pas desdits créneaux. Ainsi, lorsque la cible recouvre l'intégralité de la première boucle (110) de l'enroulement secondaire (11), l'amplitude de la tension aux bornes de celui-ci est équivalente à celle de la tension induite dans la deuxième boucle (1 11). Lorsque la cible (200) recouvre (position II) une surface égale des deux boucles (110, 111) l'amplitude de la tension mesurée aux bornes de l'enroulement secondaire est nulle. Puis lorsque la cible (200) recouvre intégralement la deuxième boucle (111 ) l'amplitude de la tension mesurée aux bornes de l'enroulement secondaire (11) est équivalente à celle de la tension induite dans la première boucle (110). Finalement (position III), l'amplitude de la tension mesurée aux bornes de l'enroulement secondaire (11 ) tend à nouveau vers zéro, lorsque la cible (200) ne recouvre plus la deuxième boucle (111) et que les tensions dans les deux boucles s'équilibrent à nouveau.
En démodulant la tension mesurée aux bornes de l'enroulement secondaire, un tel capteur délivre un signal théorique (103) d'évolution de la tension (102), entre -V et +V, en fonction du déplacement de la cible (200) dont la variation est fonction de la surface d'enroulement secondaire recouverte par la cible (200). Dans cet exemple de réalisation, où les boucles décrivent des créneaux et où la cible est de forme rectangulaire, cette fonction théorique (103) est linéaire. Cependant, la réponse réelle (104) s'écarte sensiblement de cette fonction théorique. Ainsi aux extrémités, lorsque la cible ne recouvre qu'une seule boucle de l'enroulement secondaire, la variation de l'amplitude de la tension mesurée aux bornes de cet enroulement diffère de la variation constatée lorsque la cible (200) recouvre partiellement les deux boucles de l'enroulement. De plus, des effets de bords ne permettent pas d'exploiter les positions extrêmes (positions I et III) de sorte que la plage (130) d'utilisation d'un tel capteur, plage sur laquelle le signal peut être interprété, est fonction de la précision visée mais de l'ordre de la moitié de la longueur de la piste.
Cet encombrement, sensiblement plus important que la plage de mesure, pose des difficultés pour l'intégration d'un tel capteur.
Afin de limiter cet inconvénient il est connu de l'art antérieur de multiplier le nombre d'enroulements secondaires et d'optimiser la forme de ceux-ci notamment à l'aide d'outils de simulation.
À titre d'exemple, la figure 2, également relative à l'art antérieur, présente un exemple de réalisation comprenant deux enroulements secondaires (21 1 , 212) spatialement déphasés. Cette configuration permet, en réduisant le pas des boucles et en combinant les mesures des tensions aux bornes des deux enroulements de réduire l'importance relative des effets d'extrémité et d'augmenter la plage de mesure utile (230). Néanmoins, les signaux pratiques (204, 204') diffèrent des signaux théoriques (203, 203'), d'une part aux extrémités, du fait des effets de bords évoqués supra, mais aussi chaque fois qu'il y a une transition entre une situation ou la cible (200) ne recouvre qu'une boucle d'un enroulement secondaire à une situation où la cible recouvre deux boucles de celui-ci et vice-versa. En effet, la variation (204, 204') de la tension dans ces zones est sensible à la forme géométrique du raccordement entre les boucles. Ainsi, selon cette solution de l'art antérieur, l'augmentation de la plage de mesure utile (230) reste modeste, de l'ordre de 10 à 20 %, se traduit par des surcoûts de réalisation du capteur, la forme des enroulements ainsi que les procédés pour leur réalisation devenant plus complexes, et/ou s'accompagne d'une baisse de la précision du capteur du fait des phénomènes de transition aux raccordements entre les boucles.
L'invention vise à résoudre les inconvénients de l'art antérieur et notamment à augmenter la plage de mesure utile de ces capteurs à encombrement donné, ceci de manière économique et sans perdre les avantages de constitution de ces capteurs de l'art antérieur, notamment l'absence de connexion électrique, de mesure ou d'alimentation, sur la cible mobile.
À cette fin, l'invention propose un dispositif de mesure de la position d'une cible selon une direction longitudinale, lequel dispositif comprend :
• une piste s'étendant selon un axe longitudinal parallèle à la direction de mesure laquelle piste comprend un enroulement primaire apte à induire un courant électrique dans un d'enroulement secondaire, lequel est organisé selon une géométrie périodique de sorte à couvrir la surface de la piste par au moins deux boucles d'enroulement sur la longueur de celle-ci ;
• une cible, comprenant un bord d'attaque, mobile longitudinalement relativement à la piste, en superposition de celle-ci entre un premier et un deuxième point délimitant une amplitude de mesure et apte, entre ces deux points, à modifier le courant induit par l'enroulement primaire dans l'enroulement secondaire ;
• tel que la cible s'étend dans la direction longitudinale depuis son bord d'attaque et qu'au cours du déplacement relatif de la cible entre le premier et le deuxième point, la surface de piste recouverte par la cible est strictement croissante.
Cette configuration délivre un signal dont la forme s'apparente à une sinusoïde, quel que soit le motif géométrique périodique de l'enroulement secondaire. La détermination de la position de la cible à partir de cette réponse sinusoïdale permet d'augmenter de manière très sensible la longueur utile de mesure d'une telle piste, sur laquelle le signal peut être interprété avec une précision donnée. À titre d'exemple, en utilisant une même piste que celle connue de l'art antérieur, telle que décrite dans EP 0182085, mais en remplaçant la cible de l'art antérieur par une cible telle que le propose l'invention, la longueur utile de mesure est augmentée d'une proportion comprise entre 50 et 80 %, sans perte, ni sur la résolution, ni sur la précision mesure.
La présente invention peut être mise en œuvre selon différents modes de réalisation, exposés ci-après, lesquels peuvent être considérés individuellement ou selon une quelconque combinaison techniquement opérante.
L'invention ne se limite pas aux pistes rectilignes et l'axe longitudinal de la piste peut avantageusement être un axe circulaire, le dispositif peut ainsi être utilisé pour constituer un resolver.
La seule condition imposée sur la nature de la cible est que celle-ci soit constituée d'un matériau électriquement conducteur. La cible peut ainsi être constituée de n'importe quel matériau métallique que celui-ci soit ferromagnétique ou paramagnétique, tel qu'un acier, y compris un acier inoxydable austénitique ou un alliage d'aluminium.
Avantageusement la piste est constituée par un circuit imprimé ce qui permet une constitution compacte de celle-ci.
Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif comprend deux enroulements secondaires. Sans être lié par une quelconque théorie, il est supposé que l'effet du recouvrement de la piste par la cible est assimilable à une intégration, ce qui a pour effet de lisser les variations du signal notamment lors des transitions entre les boucles. Cet effet résout les inconvénients de l'art antérieur liés aux transitions entre les boucles et permet de tirer tous les avantages de la multiplication des enroulements secondaires.
Avantageusement les deux enroulements secondaires sont organisés selon deux répartitions périodiques des boucles à la surface de la piste déphasées spatialement d'un quart de période. Ainsi, les signaux délivrés par chaque enroulement après démodulation des tensions mesurées à leurs bornes respectives, suivent en fonction du déplacement de la cible des fonctions assimilables à un sinus et un cosinus, dont il est facile, par des moyens électroniques ou informatiques, de calculer le rapport puis l'arc-tangente de sorte à obtenir un signal quasi linéaire en fonction de la position relative du bord d'attaque de la cible sur la longueur de la piste, dans une plage donnée.
Selon une variante avantageuse, le bord d'attaque de la cible est incliné d'un angle a par rapport à un axe parallèle à la surface de la cible et perpendiculaire à l'axe longitudinal de celle-ci. Cette caractéristique renforce la progressivité du recouvrement de la piste par la cible et rapproche le signal obtenu d'une fonction sinusoïdale, quelle que soit la forme géométrique des boucles d'enroulement périodique, et améliore notamment la forme du signal aux transitions entre les boucles.
Selon ce mode de réalisation, l'invention est particulièrement adaptée pour la réalisation capteur apte à mesurer la position d'un levier de vitesse de boîte automatique, la cible étant constituée par la « crête-de-coq » d'indexation du levier. Ainsi, le dispositif d'indexation, du levier, dit « crête-de-coq » est avantageusement utilisé comme cible ce qui permet de simplifier considérablement la construction de ce capteur en évitant l'ajout d'une cible spécifique.
Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, la qualité du signal obtenue est optimale lorsque la géométrie périodique des boucles de l'enroulement secondaire décrit une fonction sinusoïdale à la surface de la piste.
L'invention concerne également un procédé pour la mesure de la position d'une cible utilisant un dispositif objet de l'invention selon un mode de réalisation comprenant deux enroulements secondaires dont la géométrie périodique est déphasée spatialement d'un quart de période, lequel procédé comprend les étapes consistant à :
a. mesurer la tension aux bornes d'un premier et d'un deuxième enroulement secondaires,
b. délivrer une première mesure proportionnelle au rapport entre l'amplitude de la tension alternative aux bornes du premier enroulement secondaire avec l'amplitude de la tension alternative aux bornes du deuxième enroulement secondaire,
c. délivrer une seconde mesure proportionnelle à la fonction arc-tangente de la valeur du rapport représenté par la première mesure.
Le signal représentant la fonction arc-tangente peut alors être conditionné pour produire un signal linéaire proportionnel à la position relative du bord d'attaque de la cible sur la longueur utile de la piste.
L'invention sera maintenant plus précisément décrite dans le cadre de modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et des figures 1 à 8, dans lesquelles :
• la figure 1 , relative à l'art antérieur, représente un dispositif de mesure de la position d'une cible en vue de dessus, sur la figure 1A un exemple de piste comprenant 1 enroulement primaire et un enroulement secondaire de géométrie périodique en créneaux, sur la figure 1 B un exemple schématique de réalisation utilisant une telle piste et une cible rectangulaire ainsi que les signaux de sortie théoriques et pratiques d'un tel capteur ;
« la figure 2, également relative à l'art antérieur, illustre en vue de dessus un mode de réalisation comprenant une piste comportant deux enroulements secondaires, ainsi que les signaux théoriques et pratiques délivrés par un tel capteur en fonction de la position de la cible ;
• la figure 3, montre en vue de dessus un exemple de réalisation de l'invention, comprenant une piste comportant deux enroulements secondaires :
- figure 3A, la cible étant située à une extrémité de la page de mesure utile de la piste,
- figure 3B, la cible étant située à l'autre extrémité de la plage de mesure utile, et
- figure 3C les signaux théoriques obtenus aux bornes des deux enroulements secondaires,
• la figure 4 est une vue de dessus d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention dans lequel le bord d'attaque de la cible est incliné d'un angle a ;
· la figure 5 illustre en vue de dessus un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention dans lequel la piste suit une trajectoire relative circulaire par rapport à la piste ;
• la figure 6, représente schématiquement la forme des signaux aux bornes de chaque enroulement secondaires en fonction de la position angulaire Θ de la cible, et la fonction arc-tangente calculée à partir de ces signaux ;
• la figure 7 est un exemple de réalisation d'un capteur de position de boîte de vitesse automatique intégrant un dispositif selon l'un des modes de réalisation de l'invention :
- figure 7A représente schématiquement le capteur, selon une vue d'ensemble de dessus et en perspective,
- la figure 7B, en vue de dessus, représente l'organisation de la piste de mesure et de la cible dans ce capteur,
• et la figure 8 est un exemple d'utilisation, en vue de côté, d'un dispositif selon un mode de réalisation de d'invention pour mesurer la position d'une tige de vérin.
Sur la figure 3A, selon un exemple de réalisation, le dispositif objet de l'invention comprend une piste 350, s'étendant selon un axe longitudinal 1000, laquelle comporte un enroulement primaire 10 et deux enroulements secondaires 211 , 212 décrivant des boucles selon des motifs périodiques déphasés à l'intérieur de l'enroulement primaire 10. Le dispositif comprend une cible 300 comportant un bord d'attaque 310. La cible 300 s'étend également selon l'axe longitudinal 1000, sa largeur est préférentiellement sensiblement égale à celle de la piste dont elle couvre en largeur les boucles des enroulements secondaires 21 1 , 212. La surface de la cible 300 est préférentiellement sensiblement parallèle à la surface de la piste. Dans cet exemple de réalisation, la piste est plane. La cible est constituée d'un matériau conducteur de l'électricité, de préférence un matériau métallique, de sorte que le champ magnétique induit par la circulation du courant électrique dans l'enroulement primaire 10 puisse induire un champ magnétique dans la cible 300. La cible ne comprend qu'un bord d'attaque situé à son extrémité en vis- à-vis de la piste 35.
Le dispositif comprend en outre des moyens (non représentés) pour alimenter l'enroulement primaire par un courant alternatif à haute fréquence, des moyens (non représentés) aptes à mesurer la tension aux bornes des enroulements secondaires 211 , 212 et des moyens de traitement du signal, non représentés, aptes à réaliser des opérations sur les signaux mesurés aux bornes des enroulements secondaires.
Le dispositif comprend préférentiellement des moyens (non représentés) pour guider un déplacement relatif entre la cible 300 et la piste 350 dans une direction longitudinale 1000 parallèlement à la surface de la piste 350. Ce déplacement s'effectue sans contact entre la cible 300 et la piste 350, la distance entre les surfaces en vis-à-vis de la cible 300 et de la piste 350 étant conservée sensiblement constante au cours de ce déplacement, par ces moyens de guidage.
Sur la figure 3B, la cible 300 est, selon l'invention, de longueur au moins égale à celle de l'amplitude de mesure visée de sorte que lorsque le déplacement relatif entre la cible 300 et la piste 350 amène le bord d'attaque 310 de la cible d'une position relative 330, à une extrémité de la plage de mesure utile de la piste 350, à l'autre extrémité 340 de cette plage, la surface de piste 350 couverte par la cible 300 est strictement croissante. La distance entre ces deux positions relatives 330, 340 de la cible par rapport à la piste définit l'amplitude de mesure du capteur. La cible 300 présente en vis-à-vis de la piste 300 une surface fermée sans aucune ouverture sur l'étendue comprise entre les deux points extrêmes 330, 340 de l'amplitude de mesure.
Sur la figure 3C, entre ces deux points 330, 340, les signaux 303, 303' correspondant à l'amplitude 102 de la tension mesurée aux bornes des deux enroulements secondaires 211 , 212, suivent une fonction sensiblement sinusoïdale en fonction de la position relative 101 du bord d'attaque 310 de la cible 300. Les deux signaux 303, 303' correspondant aux deux enroulements secondaires 211 , 212 sont déphasés, et ce déphasage dans les sinusoïdes reflète le déphasage des motifs périodiques de répétition des boucles des deux enroulements secondaires 211 , 212 à la surface de la piste 350. Ainsi, si les boucles des deux enroulements suivent des motifs périodiques déphasés spatialement d'un quart de période, les signaux 303, 303' délivrés par ces enroulements en fonction de la position relative de la cible 300 sur l'axe longitudinal 1000 de la piste, peuvent être traités comme un sinus et un cosinus.
Cette configuration permet, pour une piste donnée, d'augmenter considérablement la longueur utile de celle-ci, à précision et linéarité équivalentes. Ainsi, un capteur de déplacement selon l'art antérieur décrit dans EP 0182085, comportant une piste de 28 mm de longueur, permet de mesurer la position d'une cible sur une amplitude de déplacement de 14 mm. En optimisant les enroulements de sorte à minimiser les effets de bords, la longueur mesurable atteint 16 mm. En utilisant la configuration de cible décrite dans la présente invention, la longueur utile de mesure atteint 25 mm pour la même piste.
Sur la figure 4, selon un exemple de réalisation avantageux, le bord d'attaque 410 de la cible 300 est incliné d'un angle a par rapport à une direction perpendiculaire à la direction longitudinale 1000.
Sur la figure 5, selon un exemple de réalisation, le dispositif objet de l'invention peut être configuré de telle sorte à constituer un resolver. Dans un exemple de cette configuration, la piste 550 s'étend selon un axe circulaire 5000 et comprend de la même manière que précédemment un enroulement primaire 513 entourant deux enroulements secondaires 511 , 512 dont les boucles décrivent des motifs géométriques périodiques déphasés préférentiellement d'un quart de période selon l'axe 5000, dite longitudinal, qui est ici un axe circulaire. La cible 500 est également circulaire et comporte un bord d'attaque 510 préférentiellement incliné d'un angle a par rapport à la direction radiale. Des moyens, non représentés, permettent de guider un mouvement relatif circulaire, concentrique à l'axe longitudinal 5000, autour d'un axe commun 530. Les signaux délivrés g
par les enroulements secondaires 511 , 512 au cours de la rotation relative de la cible 500 et de la piste 550 permettent de déterminer la position relative Θ de la cible 500 par rapport à la piste.
Selon un exemple de réalisation avantageux, les boucles des enroulements secondaires 511 , 512 de la piste circulaire 550 suivent des motifs périodiques déphasés d'un quart de période selon une coordonnée angulaire Θ. Figure 6, selon ce mode de réalisation, les signaux issus de ces enroulements secondaires 511 , 512 suivent en fonction de la position Θ 601 de la cible 500, des évolutions assimilables à un sinus 603' et à un cosinus 603. En calculant le rapport de ces deux signaux 603', 603 et en calculant la fonction arc-tangente de ce rapport, un signal 605 est obtenu, quasi linéaire en fonction de la position angulaire 601 relative de la cible 500 par rapport à la piste 550.
Le calcul du rapport entre les signaux et le calcul de la fonction arc-tangente peuvent être réalisés par des circuits électroniques intégrés dans le dispositif.
Cet exemple est présenté dans le cas d'un resolver, mais le signal arc-tangente peut être conditionné pour correspondre à une coordonnée soit cartésienne soit angulaire donnant la position physique du bord d'attaque 310, 410, 510, de la cible. Ce conditionnement/calibration peut également être réalisé par un circuit électronique intégré au dispositif, les données de calibration étant stockées dans une mémoire EEPROM.
Sur la figure 7, selon un exemple d'application du dispositif objet de l'invention, celui-ci peut être utilisé pour constituer un capteur de position d'un levier de vitesse de boîte automatique.
Sur la figure 7A, selon un exemple de réalisation, un tel capteur 700 est constitué d'un boîtier 710 fixe par rapport audit levier de vitesse, d'un moyeu rotatif 720 comprenant des moyens 721 pour le lier en rotation au levier de vitesse. Un dispositif d'indexage comprenant un rochet 730 couramment dénommé « crête-de-coq » est lié au moyeu 720 et permet, en coopération avec un cliquet (non représenté) d'indexer la position du levier de vitesse. Ces positions du levier de vitesse correspondent à des commandes de la boite automatique telles que « parking », « marche avant », « marche arrière », « neutre » etc. Les dispositifs électroniques d'aide à la conduite nécessitent de connaître la position du levier de vitesse ceci afin d'affiner les conditions de pilotage du véhicule. Selon l'art antérieur, un capteur spécifique utilisant une cible magnétique est fixé au moyeu et positionné par rapport au rochet 730 pour en connaître la position.
Sur la figure 7B, en utilisant le dispositif objet de l'invention, le rochet 730 peut être utilisé comme cible, sa position angulaire le long d'un axe 5000 étant mesurée par une piste circulaire 550 liée au boîtier 710 et fixe par rapport au moyeu 720. Ainsi le nombre de pièces du capteur est réduit en comparaison de l'art antérieur et son montage simplifié notamment du fait de l'absence de positionnement de la cible par rapport au rochet 730, ce qui rend plus économique la fabrication d'un tel capteur produit en très grande série, tout en améliorant sa fiabilité. A noter que le bord d'attaque 731 du rochet peut être avantageusement incliné d'un angle a par rapport à la direction radiale.
Sur la figure 8, selon un exemple d'application, le dispositif objet de l'invention peut, selon un de ces modes particuliers de réalisation, être utilisé pour mesurer directement la position de la tige 800 d'un vérin 820. Dans cette configuration, la tige du vérin 800 fait directement office de cible, la longueur de la piste étant sensiblement égale à la course de la tige entre ses positions extrêmes 830, 840.
La description ci-avant illustre clairement que par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs qu'elle visait. En particulier elle permet d'augmenter très significativement l'amplitude de mesure d'un capteur inductif à encombrement équivalent comparé à l'art antérieur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure de la position d'une cible (300, 500) selon une direction longitudinale (1000, 5000), lequel dispositif comprend :
• une piste (350, 550) s'étendant selon un axe longitudinal (1000, 5000) parallèle à la direction de mesure, laquelle piste comprend un enroulement primaire (10, 513) apte à induire un courant électrique dans un d'enroulement secondaire (211 , 212, 511 , 512) lequel est organisé selon une géométrie périodique de sorte à couvrir la surface de la piste (350, 550) par au moins deux boucles d'enroulement sur la longueur de celle-ci ;
• une cible (300, 500), comprenant un bord d'attaque (310, 410, 510), mobile longitudinalement relativement à la piste (350, 550) et en superposition de celle-ci entre un premier (330) et un deuxième (340) points délimitant une amplitude de mesure et apte, entre ces deux points, à modifier le courant induit par l'enroulement primaire (10, 513) dans l'enroulement secondaire (211 , 212, 511 , 512) ;
caractérisé en ce que la cible (300, 500) s'étend dans la direction longitudinale (1000, 5000) depuis son bord d'attaque (310, 510) et qu'au cours du déplacement relatif de la cible (300, 500) entre le premier (330) et le deuxième point (340), la surface de piste (350, 550) recouverte par la cible (300, 500) est strictement croissante.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'axe longitudinal (500) de la piste (5500) est un axe circulaire.
3. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la cible (300, 500) est constituée d'un matériau électriquement conducteur.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisée en ce que la cible (300, 500) est constituée d'un matériau paramagnétique.
5. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la piste (350, 550) est constituée par un circuit imprimé
6. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend deux enroulements secondaires (211 , 212, 511 , 512).
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux enroulements secondaires (211 , 212, 511 , 512) sont organisés selon deux répartitions périodiques, des boucles à la surface de la piste (350, 550, 850) déphasées spatialement d'un quart de période.
8. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le bord d'attaque (410, 510) de la cible (300, 500) est incliné d'un angle a par rapport à un axe parallèle à la surface de la cible et perpendiculaire à l'axe longitudinal (1000, 5000) de celle-ci.
9. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la géométrie périodique des boucles de l'enroulement secondaire (211 , 212, 511 , 512) décrit une fonction sinusoïdale à la surface de la piste
10. Capteur (700) pour mesurer la position d'un levier de vitesse de boîte automatique caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif selon la revendication 8, la cible étant constituée par « crête-de-coq » (730) d'indexation du levier.
11. Procédé pour la mesure de la position d'une cible (300, 500) utilisant un dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :
a. mesurer la tension aux bornes d'un premier (211 , 511) et d'un deuxième (212, 512) enroulements secondaires,
b. délivrer un premier signal proportionnel au rapport entre l'amplitude de la tension alternative aux bornes du premier enroulement secondaire (211 , 511) avec l'amplitude de la tension alternative aux bornes du deuxième enroulement secondaire (2 2, 512),
c. délivrer un second signal (605) proportionnel à la fonction arc-tangente de la valeur du premier signal.
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