WO2019158871A1 - Capteur de couple intégrant un capteur de position angulaire d'un élément en rotation - Google Patents

Capteur de couple intégrant un capteur de position angulaire d'un élément en rotation Download PDF

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WO2019158871A1
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WO
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sensor
torque
rotating
rotating element
fixed
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PCT/FR2019/050343
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Simon-Didier Venzal
Philippe Grass
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Continental Automotive France
Continental Automotive Gmbh
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Publication date
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    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/108—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving resistance strain gauges
    • G—PHYSICS
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Definitions

  • Torque sensor incorporating an angular position sensor of a rotating element
  • the present invention relates to a torque sensor intended to be mounted on a rotating element in a motor vehicle, this torque sensor incorporating an angular position sensor of the rotating element.
  • control of power transmission machines may require real-time measurement of physical quantities related to an operating point.
  • the need to measure the operating conditions of these systems is explained and accentuated with the search for more performance as well as more operational safety, and more particularly when associated with an electronic control.
  • FIG. 2 shows an angular position sensor 1 disposed on an electric motor 6 comprising a stator portion 11 and a rotor portion 12 connected to an output shaft 2.
  • An angular position sensor 1 is fixedly mounted relative to the part of the stator 1 1 of the engine 6 and is adapted to detect the position of targets 4 fixed to the rotor portion 12 of the engine 6. In known manner, the detection of the position of the targets 4 is performed by output voltage measurements position sensor 1.
  • the torque measurement is generally derived from the measurement of at least two of these position sensors. It requires that the column be sufficiently flexible so that, when a torque is applied to the column, it undergoes a twist which generates a difference in angular position between two distinct sections of the column. steering rod. The measurement of the deflection which is the relative positional difference between two cells each integral with one of the two distinct sections gives an image of the torque on the column.
  • the two cells are magnetic concentrator circuits which make it possible to modulate a magnetic reluctance of the whole circuit and therefore a magnetic intensity at the level of magnetic sensors, in particular Hall for example, as a function of their relative position.
  • the problem underlying the present invention is to design a torque sensor that can integrate an angular position sensor for double torque and angular position measurements on a rotating element in a motor vehicle by pooling the most torque. elements of the two sensors so that the size of the sensor is not increased.
  • the present invention relates to a torque sensor intended to be mounted on a rotating element in a motor vehicle, the torque sensor comprising at least one strain gauge deposited on a layer of adhesive material, said at least one gauge. stress device emitting an electrical signal as a function of the torsion experienced by the rotating element under the effect of a force torque, an emission and a reception of the electrical signal making it possible to measure the torque of the rotating element after treatment by transmission means, the torque sensor having a moving part intended to be rotated with the rotating element comprising said at least one strain gauge and a fixed part comprising a first printed circuit board, remarkable in that that the torque sensor also performs an angular position sensor function, the moving part carrying angular distributed targets and passing consecutively opposite, during a rotation of the movable portion, a first annular sector carried by the fixed first printed circuit board, the first annular sector comprising at least a first annular secondary receiver winding adapted to generate a sine signal when passing vis-à-vis a target, at least a second secondary receiver wind
  • the problem has been mainly solved by defining on the printed circuit board an annular sector specifically dedicated to the measurement of angular position. This makes it possible to avoid interference between the signals specifically dedicated to the measurement of torque and the signals dedicated to the measurement of angular position.
  • the technical effect obtained is to have a torque sensor also serving as an angular position sensor.
  • a torque sensor also serving as an angular position sensor.
  • the pressure means or printed circuit board forming part of the moving part of the torque sensor can be used to support the targets required for an angular position sensor, so that the resulting sensor does not take up more space. as a torque sensor while fulfilling a second function.
  • the additional cost of such an integration can be considered negligible because elements that can be made common to both sensors have been identified.
  • the active part of an inductive position sensor can be integrated with the first printed circuit board in the fixed part of the torque sensor.
  • the electronic components necessary for the angular position measuring function and possibly the surface increase of this printed circuit board necessary for the positioning of these components represent the only additional costs.
  • the moving part of the position sensor can be advantageously machined in an element already present in the torque sensor. The additional cost is then in the machining and processing steps required for such a modification and possibly the volume of additional material constituting the targets.
  • the first fixed printed circuit board are engraved, on the one hand, at least one coil associated with a measurement of torque for emitting an alternating magnetic field, to inductively supply the moving part and to receive the electrical signal for measuring the torque of the rotating element and, secondly, in the first annular sector, at least three coils associated with an angular position measurement of which at least one primary coil emitting an alternating magnetic field for the annular primary emitter winding and at least two secondary coils etched within said at least one primary coil for respectively the first secondary receiver winding and said at least one second secondary receiver winding, said at least one coil associated with the torque measurement and said at least one primary coil emitting at respective different frequencies.
  • the first fixed printed circuit board is housed in a fixed reading device and is divided into two concentric annular sectors with a second annular sector comprising said at least one coil associated with a measurement of torque and being the outermost of the two sectors.
  • the second annular sector receiving by electronic reception and processing means integrated in the fixed reading member a signal emitted by electromagnetic emission means of a rotating detection member housed in the mobile part, the organ rotating detection device being vis-à-vis the fixed reading member.
  • the layer of adhesive material rests on a face of a substrate made of a rigid material able to guarantee a frictional hold against the rotating element by its face opposite to that carrying the layer of adhesive material
  • the mobile part comprising pressure means surrounding the layer of adhesive material and the substrate and being able to surround the element in rotation and to press the opposite face of the substrate against the rotating element, the targets being carried either by the rotating detection member, either by the pressure means, or by means associated with the pressure means, this on a face facing the first fixed circuit board.
  • the element carrying the targets advantageously has a symmetry of revolution, taking for example the form of a closed disc or a closed ring surrounding the detection member.
  • the targets are in the form of flat metal elements in their construction. According to the state of the art of inductive angular position measurement, these metal elements may be disk portions, the number of which generally depends on the desired periodicity of the position measurement. These targets can be part of the rotating pressure means by forming a particular aliasing of one of the faces of the pressure means.
  • the targets may be metal elements attached and fixed to zones of a housing in the form of a rotating ring, advantageously plastic, in the moving part, the targets being inserted by overmolding in the rotating ring.
  • the targets are carried by a second rotating printed circuit board forming part of the rotating detection element, each target being obtained by local etching of the second printed circuit board with the deposition of a metal layer forming a target.
  • each target is obtained by machining or by adding metal inserts.
  • the pressure means are formed of two shell portions extending one and the other to form a complete shell, fixing means of the threaded rod type solidarisant the two shell portions between them, the two shell portions. housing the substrate and the layer of adhesive material in their interior, the rotating detection member being fixed against a circular outer periphery of the two shell portions secured together.
  • the friction between the substrate and the rotating element is advantageously adjustable by the removable and adjustable pressure means, in particular by clamping the pressure means in two parts against each other. There is therefore a great freedom of adjustment of this friction.
  • the removable and adjustable pressure means can be removed, which allows easy assembly and disassembly of the torque sensor and can not be achieved with glued strain gauges.
  • the pressure means at least partially surrounding the substrate and the layer of adhesive material contribute to the protection of the strain gauge (s) deposited on the layer of adhesive material.
  • the durability of the strain gauge (s) is increased, better protection of the strain gauge (s) combined with better accessibility during the manufacture of the strain gauge or gauges, which is at first irreconcilable, are obtained.
  • portions of shell does not necessarily mean that the two portions are equivalent but that they are complementary to form a complete shell when placed end to end.
  • the shell portions protect the substrate and the layer of adhesive material by surrounding them. Their introduction around the rotating element and the rest of the torque sensor is facilitated by the fact that the pressure means they form are in two shell portions disposed symmetrically with respect to the rotating element.
  • shell portions it is advantageous to use such shell portions to give them an auxiliary support function of the targets. Indeed, the shell portions completely surround the rotating element and meet the target support criteria by having a symmetry of revolution. The fact that these shell portions are metallic and resistant is also an advantage for the support of the targets, since the targets can be machined directly into the shell portions.
  • the fixed reading member and the detection member are housed in a respective housing, each in the form of a ring respectively fixed and movable by being incomplete or not, the fixed and mobile rings being spaced apart from each other. the other of a predetermined size range allowing wireless communication between the rings and a positioning of the targets with respect to the first printed circuit board modifying a magnetic coupling between the primary winding and the two secondary windings when in view of with respect to the first annular sector.
  • the rotating ring may be in the form of a crown portion being incomplete because not closed to, for example, surround only the circular outer periphery of one of the shell portions.
  • the casing of the fixed reading member is aligned with the casing of the detecting member according to a longitudinal axis of rotation of the detecting member, or the casing of the fixed reading member remotely surrounds the casing of the detecting member. the sensing element.
  • the size of the sensor is effective in a length of an axis of rotation of the rotating element and, in the second case, the sensor is shorter but more bulky in height around the element. rotation.
  • the housing of the rotating detection member is, however, less accessible in the second, and the access to the housing of the sensing element may require the dismantling of the housing of the fixed reader member.
  • this rotating ring can be advantageously not closed in order to allow assembly of the assembly laterally to a rotating shaft as a rotating element, as opposed to mounting by one of the longitudinal ends of the shaft which would then necessarily require the removal of one of the transmission elements in connection with the tree.
  • this rotating ring when targets are carried by the rotating ring, it is advantageous for this rotating ring to be complete or almost complete by completely rotating around the rotating detection element.
  • the rotating ring can also be complete by completely surrounding the pressure means, for example in the form of shell portions.
  • This rotating ring is in wired communication with the transmission means of the torque sensor in the vicinity of the strain gauge or gauges, and advantageously serves for electromagnetic communication with the rest of the electronic signal processing means arranged at a distance from the torque sensor. .
  • the rotating ring, the transmission means carried by the detection member and the strain gauge (s) are integral in rotation, hence the possibility of a wire connection between them.
  • the targets are of roughly parallelepipedal shape with two inner and outer rounded faces intended to be concentric with the rotating element, the length of the inner rounded face being smaller than the length of the outer rounded face.
  • said at least one strain gauge is in the form of an electromechanical microsystem with piezoresistive cells.
  • a particular type of strain gauges may for example be an electromechanical microsystem also known by the acronym for "MEMS" with piezoresistive cells.
  • the electromechanical microsystem may comprise four cells whose resistances make it possible to make a complete Wheatstone bridge. The cells can be placed at 90 ° from each other forming a square, this condition being however not necessary for a Wheatstone bridge.
  • the invention also relates to an assembly of a rotating element in a motor vehicle and a torque sensor, remarkable in that the torque sensor is as previously described while also fulfilling an angular position sensor function.
  • the rotating element is a transmission shaft or a flywheel.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a perspective view of a rotation element provided with an embodiment of a torque sensor, a shell portion having been removed in FIG. 1 to reveal the gauges. constraint, the torque sensor shown in this Figure 1 can be modified to integrate an angular position sensor by becoming a sensor according to the present invention,
  • FIG. 2 is a schematic representation of a perspective view of a rotation element in the form of a motor provided with an embodiment of an angular position sensor, the angular position sensor shown in this figure. 2 can be modified to be integrated in a torque sensor by forming a sensor according to the present invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of a top view of an annular sector of a printed circuit board housed in a fixed part of a sensor according to the present invention, this annular sector being represented in rectangular form at the FIG. 3 and providing the angular position sensor function in a torque sensor according to the present invention when associated with targets carried by a moving part of the torque sensor,
  • FIG. 4 is a diagrammatic representation of a front view of a printed circuit board housed in a fixed part of the sensor according to the present invention, the card having two annular sectors respectively for providing an angular position sensor function and torque sensor,
  • FIG. 5 is a schematic representation of a side view of an embodiment of a torque sensor according to the invention, integrating an angular position sensor function with targets and fixed and moving parts,
  • FIGS. 6 to 8 are schematic representations of perspective views of an embodiment of the mobile part of a sensor according to the present invention, the fixed part of the sensor being also shown in FIG. 6, the pressure means of the moving part on the rotating element being in the form of shell portions in this optional embodiment of the present invention, a protective ring having been removed in FIG. 8.
  • the torque sensor and the angular position sensor are referenced by the same and unique reference 1, since they have elements in common and are not completely differentiable from each other. Their association is not a juxtaposition of two sensors but a combination two sensors with interaction between the two sensors, and pooling elements of the sensor.
  • FIG. 1 shows a transmission shaft as a rotating element 2 on which a torque sensor 1 is mounted, a portion of which has been removed from this figure to reveal a substrate 5 and strain gauges 3.
  • the shape of FIG. embodiment shown in this figure is however not limiting of the present invention.
  • the torque sensor has a layer of adhesive material resting on one face of a substrate 5 made of a rigid material and on which strain gauges are bonded, able to guarantee a frictional hold against the element. rotation 2 by its opposite side to that carrying the layer of adhesive material.
  • the torque sensor 1 comprises removable and adjustable pressure means 6b surrounding the layer of adhesive material and the substrate 5, the upper half of these pressure means having been omitted in FIG. it is also possible not to use pressure means in a torque sensor and to directly stick the strain gauges 3 on the rotating element 2.
  • the pressure means 6b can be disassembled and the pressure that these pressure means exert can be adjustable, preferably by clamping fastening means 7 solidarisant these pressure means 6b them.
  • the opposite face of the substrate 5 to that carrying the layer of adhesive material and thus the strain gauge or gauges 3 is not necessarily flat and will serve as a detection interface with the rotating element 2.
  • the opposite face advantageously marries the the contours of the rotating element 2 being flat when the rotating element has a flat portion 2a but can take another form suitable for the rotating element 2 whose torque is to be measured.
  • this figure schematically shows an electric motor 6 comprising a stator part 1 1 and a rotor part 12 connected to an output shaft acting as a rotating element. 2 in the sense of the present invention.
  • the rotating element 2 could be driven by a heat engine or any other member present in a motor vehicle.
  • the present invention relates to a torque sensor 1 intended to be mounted on a rotating element 2 in a motor vehicle.
  • the torque sensor 1 comprises at least one strain gauge 3 deposited on a layer of adhesive material.
  • the strain gauges 3 may be in the form of an electromechanical microsystem with piezoresistive cells.
  • the pressure means 6a, 6b which will be more precisely described, partially shown in FIG. 1 but fully shown in FIGS. 6 to 8, are not essential for the implementation of the present invention, in particular their embodiment in the form of shell portions 6a, 6b.
  • the present invention may be implemented with other pressure means 6a, 6b or with another embodiment of the application of the one or more strain gauges 3 on the adhesive material.
  • the pressure means may be made differently, for example in one piece equipped with a hinge, or a flexible clamping piece, etc.
  • the strain gauge (s) 3 emit an electrical signal as a function of the torsion experienced by the rotating element 2 under the effect of a force torque.
  • An emission and reception of the electrical signal makes it possible to measure the torque of the rotating element 2 after treatment by transmission means.
  • transmission means There are wired transmission means in the mobile part and wireless transmission means between the mobile part and the fixed part.
  • the torque sensor 1 has a rotating mobile part intended to be rotated with the rotating element 2.
  • This mobile part comprises the strain gauge (s) 3 and the means for creating and transmitting electrical signals making it possible to measure the torque of the rotating element 2.
  • the sensor 1 comprises a fixed part comprising a first printed circuit board 8 for processing the signals transmitted by the mobile part and received by the fixed part.
  • the moving part comprises the pressure means 6a, 6b, the targets 4 and a housing, advantageously in the form of a complete or incomplete ring housing a detection member 10.
  • the detection member 10 may comprise a circuit board which will be subsequently designated by a second printed circuit board.
  • the fixed portion of the sensor comprises the reading member 9 wrapped by a fixed housing, preferably in the form of a ring.
  • the reading element 9 comprises the first printed circuit board referenced 8 in FIG. 4 and means for receiving the signals sent by the detection element 10.
  • FIGS. 5 to 8 show pressure means 6a, 6b of the strain gauge or gauges 3, not visible in these figures, against the rotating element 2, not visible in FIGS. 7 and 8.
  • 6a, 6b can be supplemented by a rotating detection member 10 can be housed in a rotating plastic housing, preferably in the form of a ring.
  • the pressure means 6a, 6b and the rotating detection member 10 housed, if appropriate, in the rotating plastic housing form the movable part of the sensor 1 intended to be rotated with the rotating element 2.
  • these pressure means 6a, 6b are most often in the form of a collar, a torus or any piece of revolution that surrounds and gripping the rotating sensing element of the torque sensor 1 on the rotating element 2 and thus making it integral.
  • These pressure means 6a, 6b are advantageously made of metal, which enables them to withstand the forces used during the rotation, the acceleration in rotation or the vibrations of the system and thus to ensure the robustness of the assembly and maintaining the rotating element during the life of the sensor 1.
  • the rotating detection member 10 collects the torsion values measured by the strain gauge (s) 3, and comprises means for wireless transmission of these values to a non-rotating reading member 9 which will now be described as part of a fixed part of the sensor 1.
  • the sensor 1 thus comprises a fixed part comprising a non-rotating reading member 9 advantageously housed in a fixed housing secured to a first printed circuit board 8 and means for receiving the data sent by the wireless transmission means of the organ detection 10 rotating.
  • the fixed part of the torque sensor 1 is vis-à-vis the moving part of the sensor 1 while being remote but close enough to the moving part to allow wireless transmission between the two parts.
  • the torque sensor 1 also performs a function of a sensor 1 of angular position.
  • the mobile part carries targets 4, visible in Figures 5 and 7 to 8, angularly distributed and passing consecutively vis-à-vis during a rotation of the movable portion, a first annular sector 8a carried by the first fixed circuit board 8, as illustrated in FIG. 4.
  • targets 4 visible in Figures 5 and 7 to 8
  • a first annular sector 8a carried by the first fixed circuit board 8 as illustrated in FIG. 4.
  • a portion of the first printed circuit board 8 is dedicated to the angular position sensor to avoid interference in operation of the torque sensor and the position sensor. angular thus associated.
  • the first annular sector 8a comprises at least a first annular secondary receiver winding 25 adapted to generate a sine signal during the transition to with respect to a target 4, at least a second secondary receiver winding 26 adapted to generate a cosine signal when passing in relation to a target 4.
  • the first annular sector 8a also comprises at least one annular primary transmitter winding 24 adapted to induce a voltage in said secondary receiver windings 25, 26.
  • the angular position sensor defines a measurement spatial window, of annular sector shape, which is traversed periodically by the targets 4 during the rotation of the rotor part 12.
  • the first annular sector 8a of the first printed circuit board is not annularly represented but in a linear manner, that is to say, "flat" being a part of the first printed circuit board of the fixed part of the sensor 1.
  • the senor 1 comprises in known manner a housing in which is mounted the first printed circuit board 8, a portion of which is dedicated for angular position measurements by its first annular sector 8a.
  • each target 4 is also in the form of an annular sector of smaller size than the first annular sector 8a.
  • the printed circuit board used for the angular position sensor 1 is the same as the first printed circuit board card 8 in the fixed part of the torque sensor 1.
  • the annular sector said first annular sector 8a may be a complete ring as a ring portion.
  • a primary winding makes it possible to generate a magnetic field during the current flow in said primary winding.
  • the magnetic field thus created is perceived by the secondary windings, and induces a current in the secondary windings.
  • the targets 4, carried by the moving part of the torque sensor 1 and performing the complementary portion to the circuit board portion previously described, are made of a conductive material to allow the flow of eddy currents. These targets 4 move relative to and vis-à-vis the windings 24, 25, 26 during the rotation of the rotatably driven member.
  • the target 4 modifies the magnetic coupling between the primary winding 24 and the two secondary windings 25, 26.
  • the primary winding 24 is designated as the primary emitter winding 24 while the secondary windings 25, 26 are designated as the receiving windings.
  • the electrical voltages at the terminals of the receiving windings 25, 26 it is possible to deduce the precise position of the target 4 vis-à-vis the first annular sector 8a. Consequently, the angular position of the rotation-driven element referenced 2 in FIGS. 1 and 2 can be deduced therefrom.
  • the receiving windings 25, 26 placed near said target 4 see a quantity of flow magnetic field weaker than if the target 4 was absent. If, for example, a receiving winding 25, 26 consists of two loops of opposite orientation and the target 4 moves over one then the other of these loops, this receiving winding 25, 26 sees, compared to a zero average value, a relative increase and then a relative decrease in the amount of flux of the magnetic field that passes through it.
  • the receiver windings 25, 26 are of different types. With reference to FIG. 3, it is possible to distinguish, on the one hand, a so-called “sinus” receiver winding 25, adapted to deliver a sine signal during a passage of a target 4 in the measuring window and a so-called “cosine” receiver winding 26, adapted to deliver a cosine signal when passing a target 4 vis-à-vis the first annular sector 8a of the first printed circuit board 8.
  • the sine / cosine signals are correlated temporally , by calculating the arctangent, in order to precisely determine the position of the target 4.
  • target 4 forming sine signals SIN and cosine COS is meant both a single target 4 which interacts with receiving windings as several target portions or several consecutive targets, angularly shifted which interact simultaneously with receiving windings.
  • the first fixed printed circuit board 8 is etched at least one coil associated with a measurement of torque making it possible to emit an alternating magnetic field, to inductively supply the mobile part and to receive the electrical signal for measuring the torque of the rotating element 2.
  • the fixed part of the sensor 1, in particular in a fixed reading device 9, integrates within the first printed circuit board 8 already a reading coil and / or remote power supply whose characteristics, such as the frequency of oscillation or the position relative to the targets 4 are compatible with the needs of the inductive measurement, it can be advantageously envisaged to use it as a primary coil of the inductive measuring system of the angular position for the sensor portion 1 of the measurement of the angular position.
  • At least three coils associated with an angular position measurement are etched. These three coils are at least one primary coil emitting an alternating magnetic field for the annular primary emitter winding 24 and at least two secondary coils etched within said at least one primary coil for respectively the first secondary receiver winding 25 and said at least one second secondary receiver winding 26.
  • the coils of the position sensor function can offer a required periodicity over 360 °.
  • the target or targets 4 can then be either hollow or volume, for example in the form of recesses or successive teeth.
  • At least the coil associated with the torque measurement and the primary coil or coils for the angular position sensor 1 emit respective different frequencies.
  • the fixed part of the sensor 1 can be secured to a casing 11 associated with the rotating element 2 by at least two attachment points 14, and preferably three, as shown.
  • These attachment points 14 are advantageously removable and in particular in the form of screws.
  • the first fixed circuit board 8 can be housed inside a reading member 9 fixed in the fixed part.
  • This first printed circuit board 8 can be divided into two concentric annular sectors 8a, 8b, as shown in FIG. 4, these annular sectors each forming a respective complete ring.
  • the first annular sector 8a may be the innermost of the two annular sectors 8a, 8b while a second outermost annular sector 8b is also housed in the fixed reading member 9, the second annular sector 8b receiving by electronic means
  • the reception and processing unit integrated in the reading element 9 fixes a signal emitted by electromagnetic emission means from the rotating detection element 10 previously mentioned as being housed in the moving part of the sensor 1.
  • the rotating detection member 10 is opposite the fixed reading member 9 while keeping a relatively close distance between the two, enabling wireless transmission of the data of the detection member 10 included in the transmitted signal. by the electromagnetic emission means of the mobile part.
  • a housing of the fixed reading member 9 can be aligned with the housing of the detection member 10 along a longitudinal axis of rotation of the detection member 10. This embodiment is shown in the figures and corresponds to a provision axial casings. Alternatively, the housing of the fixed reading member 9 may remotely surround the housing of the detection member 10, which corresponds to an axial arrangement of the housings not shown in the figures.
  • FIGS 6 to 8 show a preferred embodiment of a torque sensor 1 particularly well adapted to perform the additional function of angular position sensor 1 with some specific adaptations. It should be borne in mind that other embodiments of a torque sensor 1 exist and can be considered to become a sensor 1 with angular position detection function.
  • the strain gauge or gauges 3 can be directly brought into contact with the rotating element 2, in particular by being bonded to the rotation element and be directly subjected to the torsion of the rotating element 2 by direct contact with this element.
  • the torque sensor 1 comprises removable and adjustable pressure means 6a, 6b surrounding the substrate previously referenced 5 in FIG. 1.
  • Removable means that the pressure means 6a, 6b can be disassembled, and adjustable means that the pressure that these means 6a, 6b exert is adjustable.
  • the pressure means 6a, 6b may take the form of a collar consisting of two shell portions 6a, 6b, advantageously made of steel, as shown in FIGS. 6 to 8.
  • the outer body of the sensor 1, essentially formed by the pressure means 6a, 6b with, if necessary, a rotating ring enveloping the detection member 10 rotating as a housing.
  • This rotating ring may be incomplete or not, being shown incomplete in FIGS. 6 and 7, substantially in the form of An incomplete crown 10 means that the rotating crown does not completely circle the two upper and lower shell portions 6a, 6b.
  • shell portions 6a, 6b can each take the form of a C.
  • the shell portions 6a, 6b can be assembled and tightened by the use of two M6 clamping screws as threaded rods 7, visible at Figure 1, located on both sides of the same portion of shell.
  • One of the shell portions 6a, 6b may have a central flat located on its inner face, and this shell portion may be the upper shell portion 6a.
  • the two shell portions 6a, 6b secured to each other have a circular outer periphery. Particularly visible in FIG. 5, it is on this circular external periphery that the rotating ring 10 is fixed, incomplete or not, having an outer diameter greater or less than the outer periphery of the two shell portions 6a, 6b.
  • the rotating ring 10, incomplete or not, may be secured to at least one shell portion 6a, the rotating ring 10 and the shell portion 6a being intended to be rotated with the rotating member 2.
  • the rotating ring 10, incomplete or not, may comprise an outer periphery connected to at least one of the shell portions 6a, 6b by ribs. Only one of the ribs is referenced 13 in Figure 6 showing them, but what is stated for this rib referenced 13 is for all the ribs.
  • the ribs 13 may extend substantially radially relative to a central axis of the rotating element 2.
  • Each of the ribs 13 may have a curved end facing the one or more shell portions 6a, 6b to be applied at least partially against the outer periphery of the shell portions 6a, 6b and being fixed on the outer periphery by at least one connecting element.
  • the rotating ring 10 communicates in wireline with the transmission means disposed near the strain gauge or referenced 3 in Figure 1.
  • the rotating ring 10 thus comprises wired reception means of the signal transmitted by the transmission means, preferably ports for welding connecting wires.
  • the rotating ring 10 also comprises electromagnetic emission means of the signal received towards the outside, advantageously towards a stationary ring which is fixed, forming the casing surrounding the fixed reading member 9 of the fixed part of the sensor 1.
  • the rotating and fixed crowns 9 may have a similar diameter being spaced from each other by an interval allowing a wireless connection between the rotating and fixed crowns 9 .
  • the targets 4 are added in order to provide the angular position detection function of the rotating element 2.
  • the targets 4 may be carried by a second rotating printed circuit board integrated in the rotating detection member 10 of the mobile part.
  • the targets 4 can be positioned on the pressure means 6a, 6b carried by the movable part.
  • the targets 4 can be positioned on means associated with the pressure means 6a, 6b, for example on the housing enveloping the detection member 10 being in the form of rotating ring, as previously described.
  • the targets 4 can be made on the two shell portions. 6a, 6b.
  • the targets 4 may be formed by machining the shell portions 6a, 6b, in particular on one face of each shell portion facing the first fixed circuit board 8. This may be the case for the housing forming a crown enveloping the rotating detection member 10 when this housing is metallic, which may also not be the case.
  • one of the flanks of each of the two shell portions 6a, 6b is vis-à-vis the fixed reading member 9, and particularly vis-à-vis the set of coils for the inductive position measurement.
  • These flanks complementing the two shell portions 6a, 6b, planar or non-planar, may be machined to reveal crenellations, for example with a height of about 3 millimeters.
  • the assembly of the two shell portions 6a, 6b makes it possible to gather all these slots in a periodic pattern of revolution forming a set of targets 4 adapted to the inductive measurement of the angular position of the rotating element 2 and therefore a transmission assembly on which the rotating element 2 is mounted.
  • the shell portions 6a, 6b are advantageously metallic.
  • the targets 4 may be formed by adding metal inserts, each metal insert corresponding to a target.
  • the positioning of the metal inserts can be done on one side of the support turned to the first fixed circuit board 8 for each of the two shell portions 6a, 6b.
  • metal targets 4 may be overmolded in the rotating ring 10 by being at least partially embedded in the rotating ring 10, in particular by overmolding.
  • the targets 4 can be made on the second rotating printed circuit board by etching a metal layer on the second printed circuit board housed in the rotating detection member 10, advantageously wrapped in a rotating housing. This can be done on the face of the second printed circuit board facing the first printed circuit board 8, the second rotating printed circuit board being electrically conductive at the targets 4 by this etching of a metal layer, advantageously in copper.
  • the second printed circuit board is not visible in the figures because masked by the detection member 10 and its housing in the form of a ring.
  • the targets 4 may be of roughly parallelepipedal shape with quadrangular faces comprising two inner and outer rounded faces intended to be concentric with the rotating element, the length of the internal rounded face. being smaller than the length of the outer rounded face.
  • the invention also relates to an assembly of a rotating element 2 in a motor vehicle and a torque sensor 1 as previously mentioned by combining the functions of torque sensor and angular position sensor.
  • the rotating element 2 may be a transmission shaft or a flywheel.

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Abstract

L'invention concerne un capteur (1) de couple monté sur un élément en rotation (2) dans un véhicule automobile en comportant au moins une jauge de contrainte et émettant un signal électrique en fonction de la torsion que subit l'élément en rotation (2), le capteur (1) de couple présentant une partie mobile destinée à être entraînée en rotation avec l'élément en rotation (2) en comportant la jauge de contrainte et une partie fixe comprenant une première carte de circuit imprimé. Le capteur (1) de couple remplit aussi une fonction de capteur (1) de position angulaire, la partie mobile portant des cibles (4) réparties angulairement et passant consécutivement en vis-à-vis d'un premier secteur annulaire porté par la première carte comprenant un enroulement récepteur secondaire générant un signal sinus, un enroulement récepteur secondaire générant un signal cosinus, et un enroulement émetteur primaire induisant une tension dans lesdits enroulements récepteurs.

Description

Capteur de couple intégrant un capteur de position angulaire d’un élément en rotation
La présente invention concerne un capteur de couple destiné à être monté sur un élément en rotation dans un véhicule automobile, ce capteur de couple intégrant un capteur de position angulaire de l’élément en rotation.
D’une manière générale, le contrôle de machines de transmission de puissance peut nécessiter la mesure en temps réel des grandeurs physiques liées à un point de fonctionnement. Le besoin de mesurer les conditions de fonctionnement de ces systèmes s’explique et s’accentue avec la recherche de plus de performance ainsi que de plus de sécurité de fonctionnement, et plus particulièrement lors d’une association à un contrôle électronique.
Il est souvent judicieux non seulement de mesurer le couple mais aussi de mesurer une position angulaire de l’élément en rotation. Comme exemple concret, ceci est déjà largement réalisé sur les moteurs automobiles modernes. En effet, sans que cela soit limitatif dans le cadre de la présente invention, une mesure d’angle de vilebrequin sur un moteur à combustion interne automobile, souvent associée à une mesure de position d’arbre à cames a été rendue nécessaire il y a déjà quelques années de cela, par l’apparition de l’injection pilotée électroniquement et le besoin de connaître la position du moteur et de ses pistons.
La connaissance de cette position permet de piloter très finement l’injection de carburant, mais aussi l’allumage, et de les déclencher à des instants très précis. La mise en place d’un pilotage électronique a apporté de nombreuses avancées et notamment l’augmentation de la puissance délivrée par les moteurs ou la diminution de leur consommation.
De manière similaire, savoir mesurer la position, la vitesse ou les courants d’un moteur de type électrique, a permis de créer de nouvelles architectures de moteurs ou d’augmenter significativement la performance de tels moteurs. Comme exemple associé, une mesure suffisamment précise de la position angulaire d’un moteur synchrone permet de contrôler plus finement le couple qu’il génère et d’en limiter les oscillations.
Il est donc connu de mesurer une position angulaire d’un arbre d’un moteur électrique ou d’un vilebrequin de moteur thermique dans un véhicule automobile par un capteur de position angulaire par induction. Ceci est notamment connu par le document FR-A-3 023 611.
La figure 2 montre un capteur de position angulaire 1 disposé sur un moteur électrique 6 comportant une partie de stator 11 et une partie de rotor 12 reliée à un arbre de sortie 2. Un capteur 1 de position angulaire est monté de manière fixe par rapport à la partie de stator 1 1 du moteur 6 et est adapté pour détecter la position de cibles 4 fixées à la partie de rotor 12 du moteur 6. De manière connue, la détection de la position des cibles 4 est réalisée par des mesures de tension en sortie du capteur de position 1.
Si la mesure de position angulaire s’est largement répandue depuis des années, à l’aide de technologies simples, robustes et à bas coût, ce n’est pas du tout le cas de la mesure de couple. L’arrivée de technologies plus performantes pour la mesure de couple sur des arbres ou composants de puissance permet d’envisager d’intégrer cette mesure en série dans les systèmes et de concevoir de nouveaux modes de contrôles plus efficaces, sûrs et performants.
Dans le domaine automobile, cette tendance ne se limite pas aux seuls moteurs. Par exemple, il en est de même pour tous les systèmes liés à la transmission de la puissance, comme les boîtes de transmission et plus particulièrement les boîtes automatiques, les différentiels,... jusqu’aux systèmes des roues et les systèmes de freinage.
Des facteurs limitent cependant le développement de tels capteurs dans les systèmes de transmission de puissance, ces facteurs étant principalement leur coût et leur encombrement.
En effet, en ce qui concerne l’encombrement, même si les fabricants font des efforts considérables quant à la réduction de la taille des capteurs, ceux-ci doivent s’intégrer dans des systèmes qui eux-mêmes ont une taille et donc un espace disponible de plus en plus limité, les constructeurs automobiles ayant un objectif clair d’optimisation de la taille et d’allègement du véhicule.
Ainsi, sur un même arbre, il est nécessaire d’utiliser un capteur de position angulaire et un capteur de couple, ce qui rend leur association difficile en termes d’encombrement et coûteuse. Pourtant, des analogies existent entre un capteur de couple et un capteur de position angulaire avec la présence d’une partie mobile et d’une partie fixe du capteur, la partie mobile du capteur de position angulaire portant des cibles tournantes.
Il est connu de l’état de la technique d’utiliser un capteur de couple et un capteur de position angulaire pour une colonne de direction de véhicule automobile. Cette solution intègre de multiples capteurs de position, dont au moins un permet de mesurer la position du rotor du capteur qui est sa partie centrale tournante par rapport au corps du capteur qui est sa partie fixe.
La mesure de couple, quant à elle, est généralement issue de la mesure d’au moins deux de ces capteurs de position. Elle requiert que la colonne soit suffisamment flexible pour que, lorsqu’un couple est appliqué à la colonne, celle-ci subisse une torsion qui engendre une différence de position angulaire entre deux sections distinctes de la barre de direction. La mesure de la déflection qui est la différence de position relative entre deux cellules chacune solidaire d’une des deux sections distinctes donne une image du couple sur la colonne.
Le plus souvent, les deux cellules sont des circuits concentrateurs magnétiques qui permettent de moduler une réluctance magnétique de l’ensemble du circuit et donc une intensité magnétique au niveau de capteurs magnétiques, notamment par exemple Hall, en fonction de leur position relative.
Cette solution de mesure de couple n’est pas transposable en l’état pour des applications de mesure de couple de puissance car la déflexion sur des arbres ou composants de transmission de puissance est trop faible pour apporter suffisamment de résolution et de précision au signal. Une alternative optique est envisageable mais à un coût prohibitif. Enfin, une telle construction éprouverait des problèmes d’étanchéité aux huiles et polluants présents en transmission.
Le problème à la base de la présente invention est de concevoir un capteur de couple qui puisse intégrer un capteur de position angulaire pour des doubles mesures de couple et de position angulaire sur un élément en rotation dans un véhicule automobile en mettant en commun le plus d’éléments des deux capteurs afin que la taille du capteur ne soit pas augmentée.
A cet effet, la présente invention concerne un capteur de couple destiné à être monté sur un élément en rotation dans un véhicule automobile, le capteur de couple comportant au moins une jauge de contrainte déposée sur une couche de matériau adhésif, ladite au moins une jauge de contrainte émettant un signal électrique en fonction de la torsion que subit l’élément en rotation sous l’effet d’un couple de force, une émission et une réception du signal électrique permettant de mesurer le couple de l’élément en rotation après traitement par des moyens de transmission, le capteur de couple présentant une partie mobile destinée à être entraînée en rotation avec l’élément en rotation en comportant ladite au moins une jauge de contrainte et une partie fixe comprenant une première carte de circuit imprimé, remarquable en ce que le capteur de couple remplit aussi une fonction de capteur de position angulaire, la partie mobile portant des cibles réparties angulairement et passant consécutivement en vis-à-vis, lors d’une rotation de la partie mobile, d’un premier secteur annulaire porté par la première carte de circuit imprimé fixe, le premier secteur annulaire comprenant au moins un premier enroulement récepteur secondaire annulaire adapté pour générer un signal sinus lors du passage en vis-à-vis d’une cible, au moins un deuxième enroulement récepteur secondaire adapté pour générer un signal cosinus lors du passage en vis-à-vis d’une cible et au moins un enroulement émetteur primaire annulaire adapté pour induire une tension électrique dans lesdits enroulements récepteurs secondaires. Il n’est pas évident de modifier un capteur de couple afin de lui conférer une fonction supplémentaire de capteur de position angulaire tout en associant les deux fonctions dans le capteur. Par exemple, la transmission des valeurs relevées de torsion envoyées à la partie fixe du capteur ne doit pas interférer avec le calcul des valeurs de cosinus et de sinus effectuées sur les enroulements secondaires au niveau desquels passe chaque cible. Il convient de réadapter spécifiquement la carte de circuit imprimé de la partie fixe du capteur afin de dédier une zone de cette carte pour la mesure de couple et une autre zone pour les enroulements primaire et secondaires. Tout cela constituait un fort préjugé contre l’association d’une fonction de mesure de couple avec une fonction de mesure de position angulaire dans un même capteur.
Le problème a été principalement résolu en définissant sur la carte de circuit imprimé un secteur annulaire spécifiquement dédié à la mesure de position angulaire. Ceci permet d’éviter des interférences entre les signaux spécifiquement dédiés à la mesure de couple et les signaux dédiés à la mesure de position angulaire.
L’effet technique obtenu est d’avoir un capteur de couple servant aussi de capteur de position angulaire. Il y a un fort effet de synergie entre le capteur de couple et le capteur de position angulaire car des éléments du capteur de couple sont utilisés comme éléments du capteur de position angulaire et le capteur ainsi obtenu n’est pas une simple juxtaposition de deux capteurs différents. Par exemple, les moyens de pression ou la carte de circuit imprimé faisant partie de la partie mobile du capteur de couple peuvent servir au support de cibles nécessaires pour un capteur de position angulaire, ce qui fait que le capteur résultant ne prend pas plus de place qu’un capteur de couple tout en remplissant une deuxième fonction.
Il est ainsi obtenu une limitation du coût et de l’encombrement d’un capteur pour les mesures simultanées de position angulaire et de couple d’un système de transmission de puissance comprenant un élément entraîné en rotation.
Le surcoût d’une telle intégration peut être considéré comme négligeable car des éléments pouvant être rendus communs aux deux capteurs ont été identifiés. La partie active d’un capteur de position inductif peut être intégrée à la première carte de circuit imprimé dans la partie fixe du capteur de couple. Les composants électroniques nécessaires à la fonction de mesure de position angulaire et éventuellement l’augmentation de surface de cette carte de circuit imprimé nécessaire au positionnement de ces composants représentent les seuls surcoûts. La partie mobile du capteur de position peut être avantageusement usinée dans un élément déjà présent dans le capteur de couple. Le surcoût se situe alors dans les étapes d’usinage et de traitement nécessaires à une telle modification et éventuellement au volume de matière additionnelle constituant les cibles. Avantageusement, sur la première carte de circuit imprimé fixe, sont gravées, d’une part, au moins une bobine associée à une mesure de couple permettant d’émettre un champ magnétique alternatif, d’alimenter par induction la partie mobile et de recevoir le signal électrique de mesure du couple de l’élément en rotation et, d’autre part, dans le premier secteur annulaire, au moins trois bobines associées à une mesure de position angulaire dont au moins une bobine primaire émettrice d’un champ magnétique alternatif pour l’enroulement émetteur primaire annulaire et au moins deux bobines secondaires gravées au sein de ladite au moins une bobine primaire pour respectivement le premier enroulement récepteur secondaire et ledit au moins un deuxième enroulement récepteur secondaire, ladite au moins une bobine associée à la mesure de couple et ladite au moins une bobine primaire émettant à des fréquences respectives différentes.
Avantageusement, la première carte de circuit imprimé fixe est logée dans un organe de lecture fixe et est divisée en deux secteurs annulaires concentriques avec un deuxième secteur annulaire comprenant ladite au moins une bobine associée à une mesure de couple et étant le plus externe des deux secteurs annulaires, le deuxième secteur annulaire recevant par des moyens électroniques de réception et de traitement intégrés dans l’organe de lecture fixe un signal émis par des moyens d’émission électromagnétique d’un organe de détection tournant logé dans la partie mobile, l’organe de détection tournant étant en vis-à-vis de l’organe de lecture fixe.
Avantageusement, la couche de matériau adhésif repose sur une face d’un substrat en un matériau rigide apte à garantir un maintien par friction contre l’élément en rotation par sa face opposée à celle portant la couche de matériau adhésif, la partie mobile comprenant des moyens de pression entourant la couche de matériau adhésif et le substrat et étant aptes à entourer l’élément en rotation et à presser la face opposée du substrat contre l’élément en rotation, les cibles étant portées soit par l’organe de détection tournant, soit par les moyens de pression, ou soit par des moyens associés aux moyens de pression, ceci sur une face tournée vers la première carte de circuit imprimé fixe.
Il convient que l’élément portant les cibles présente avantageusement une symétrie de révolution, en prenant par exemple la forme d’un disque fermé ou d’une couronne fermée entourant l’organe de détection. Les cibles sont sous la forme d’éléments métalliques plats dans leur construction. Selon l’état de l’art de la mesure de position angulaire par induction, ces éléments métalliques peuvent être des portions de disque, dont le nombre dépend généralement de la périodicité souhaitée de la mesure de position. Ces cibles peuvent être partie intégrante des moyens de pression tournants en formant un crénelage particulier d’une des faces des moyens de pression.
En alternative, les cibles peuvent être des éléments métalliques rapportés et fixés sur des zones d’un boîtier sous forme d’une couronne tournante, avantageusement en plastique, dans la partie mobile, les cibles étant insérées par surmoulage dans la couronne tournante.
Avantageusement, les cibles sont portées par une deuxième carte de circuit imprimé tournante faisant partie de l’organe de détection tournant, chaque cible étant obtenue par gravure locale de la deuxième carte de circuit imprimé avec dépôt d’une couche métallique formant cible.
Ceci représente une solution élégante et pratique étant donné que les cibles de dimension réduite sont déposées sur la deuxième carte de circuit imprimé en prenant peu de place, sous réserve qu’il existe suffisamment de place disponible sur cette deuxième carte de circuit imprimé. Les cibles peuvent être gravées lors de la fabrication de la deuxième carte de circuit imprimé.
Avantageusement, quand les cibles sont portées par les moyens de pression ou des moyens associés aux moyens de pression, chaque cible est obtenue par usinage ou par ajout d’inserts métalliques.
Avantageusement, les moyens de pression sont formés de deux portions de coquille se prolongeant l’une et l’autre pour former une coquille complète, des moyens de fixation du type tige filetée solidarisant les deux portions de coquille entre elles, les deux portions de coquille logeant le substrat et la couche de matériau adhésif en leur intérieur, l’organe de détection tournant étant fixé contre une périphérie externe circulaire des deux portions de coquille solidarisées entre elles.
La friction entre le substrat et l’élément en rotation est avantageusement réglable par les moyens de pression amovibles et réglables, notamment par serrage des moyens de pression en deux parties l’une contre l’autre. Il y a donc une grande liberté de réglage de cette friction. Les moyens de pression amovibles et réglables peuvent être enlevés, ce qui permet un montage et un démontage facilités du capteur de couple et qui ne peut être obtenu avec des jauges de contrainte collées. Les moyens de pression entourant au moins partiellement le substrat et la couche de matériau adhésif contribuent à la protection de la ou des jauges de contrainte déposées sur la couche de matériau adhésif.
Il s’ensuit que, pour la présente invention, il existe une forte synergie entre la ou les jauges de contrainte déposées sur une couche de matériau adhésif, un substrat de friction avec l’élément en rotation et les moyens de pression concourant à obtenir une protection maximale de l’intérieur du capteur de couple et particulièrement de la ou des jauges de contrainte tout en permettant un réglage optimal de la friction entre l’élément en rotation et le capteur de couple.
La longévité de la ou des jauges de contrainte est augmentée, une meilleure protection de la ou des jauges de contrainte combinée à une meilleure accessibilité lors de la fabrication à la ou aux jauges de contrainte, ce qui est de prime abord inconciliable, sont obtenues.
L’appellation « portions de coquille » ne signifie pas obligatoirement que les deux portions sont équivalentes mais qu’elles sont complémentaires pour former une coquille complète quand mises bout à bout. Les portions de coquille protègent le substrat et la couche de matériau adhésif en les entourant. Leur introduction autour de l’élément en rotation et le reste du capteur de couple est facilitée du fait que les moyens de pression qu’elles forment sont en deux portions de coquille se trouvant disposées symétriquement par rapport à l’élément en rotation.
Il est avantageux d’utiliser de telles portions de coquille pour leur conférer une fonction auxiliaire de support des cibles. En effet, les portions de coquille entourent complètement l’élément en rotation et répondent aux critères de support des cibles en présentant une symétrie de révolution. Le fait que ces portions de coquille soient métalliques et résistantes est aussi un avantage pour le support des cibles, car les cibles peuvent être usinées directement dans les portions de coquille.
Avantageusement, l’organe de lecture fixe et l’organe de détection sont logés dans un boîtier respectif, chacun sous la forme d’une couronne respectivement fixe et mobile en étant incomplète ou non, les couronnes fixe et mobile étant espacées l’une de l’autre d’un intervalle de dimension prédéterminé permettant une communication sans fil entre les couronnes et un positionnement des cibles par rapport à la première carte de circuit imprimé modifiant un couplage magnétique entre l’enroulement primaire et les deux enroulements secondaires quand en vis-à-vis du premier secteur annulaire.
La couronne tournante peut être sous la forme d’une portion de couronne en étant incomplète car non fermée pour, par exemple, entourer uniquement la périphérie externe circulaire d’une des portions de coquille.
Avantageusement, le boîtier de l’organe de lecture fixe est aligné avec le boîtier de l’organe de détection selon un axe longitudinal de rotation de l’organe de détection ou le boîtier de l’organe de lecture fixe entoure à distance le boîtier de l’organe de détection.
Il peut y avoir une disposition axiale des organes de lecture et de détection selon l’axe longitudinal de rotation de l’organe de détection, ce qui est montré aux figures de la présente demande. Il peut cependant y avoir une disposition radiale des organes de lecture et de détection.
Dans le premier cas, l’encombrement du capteur est effectif dans une longueur d’un axe de rotation de l’élément en rotation et, dans le deuxième cas, le capteur est moins long mais plus encombrant en hauteur autour de l’élément en rotation. Le boîtier de l’organe de détection tournant est cependant moins accessible dans le deuxième, et l’accès au boîtier de l’organe de détection peut demander le démontage du boîtier de l’organe de lecteur fixe.
Dans le premier cas, cette couronne tournante peut être avantageusement non fermée afin de permettre un montage de l’ensemble latéralement à un arbre de rotation comme élément en rotation, par opposition à un montage par l’une des extrémités longitudinales de l’arbre qui demanderait alors forcément la dépose de l’un des éléments de transmission en lien avec l’arbre. Par contre, quand des cibles sont portées par la couronne tournante, il est avantageux que cette couronne tournante soit complète ou presque complète en faisant entièrement le tour de l’élément de détection tournant.
Ainsi, la couronne tournante peut aussi être complète en entourant complètement les moyens de pression, par exemple sous forme de portions de coquille. Cette couronne tournante est en communication filaire avec les moyens de transmission du capteur de couple au voisinage de la ou des jauges de contrainte, et sert avantageusement à une communication électromagnétique avec le reste des moyens électroniques de traitement du signal disposés à distance du capteur de couple.
La couronne tournante, les moyens de transmission portés par l’organe de détection et la ou les jauges de contrainte sont solidaires en rotation, d’où la possibilité d’une liaison filaire entre eux.
Avantageusement, les cibles sont de forme grossièrement parallélépipédique avec deux faces arrondies interne et externe destinées à être concentriques à l’élément en rotation, la longueur de la face arrondie interne étant plus petite que la longueur de la face arrondie externe.
Avantageusement, ladite au moins une jauge de contrainte est sous la forme d’un microsystème électromécanique à cellules piézorésistives.
Un type particulier de jauges de contraintes peut par exemple être un microsystème électromécanique aussi connu sous l’acronyme anglo-saxon de « MEMS » à cellules piézorésistives. Le microsystème électromécanique peut comprendre quatre cellules dont les résistances permettent de réaliser un pont dit de Wheatstone complet. Les cellules peuvent être placées à 90° les unes des autres en formant un carré, cette condition n’étant cependant pas nécessaire pour un pont de Wheatstone.
L’invention concerne aussi un ensemble d’un élément en rotation dans un véhicule automobile et d’un capteur de couple, remarquable en ce que le capteur de couple est tel que précédemment décrit en remplissant aussi une fonction de capteur de position angulaire.
Avantageusement, l’élément en rotation est un arbre de transmission ou un volant d’inertie. D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d’une vue en perspective d’un élément de rotation muni d’un mode de réalisation d’un capteur de couple, une portion de coquille ayant été ôtée à cette figure 1 pour laisser apercevoir les jauges de contrainte, le capteur de couple montré à cette figure 1 pouvant être modifié pour intégrer un capteur de position angulaire en devenant un capteur selon la présente invention,
- la figure 2 est une représentation schématique d’une vue en perspective d’un élément de rotation sous forme d’un moteur muni d’un mode de réalisation d’un capteur de position angulaire, le capteur de position angulaire montré à cette figure 2 pouvant être modifié pour être intégré dans un capteur de couple en formant un capteur selon la présente invention,
- la figure 3 est une représentation schématique d’une vue de dessus d’un secteur annulaire d’une carte de circuit imprimé logée dans une partie fixe d’un capteur selon la présente invention, ce secteur annulaire étant représenté sous forme rectangulaire à la figure 3 et assurant la fonction de capteur de position angulaire dans un capteur de couple selon la présente invention quand associé avec des cibles portées par une partie mobile du capteur de couple,
- la figure 4 est une représentation schématique d’une vue de face d’une carte de circuit imprimé logée dans une partie fixe du capteur selon la présente invention, la carte présentant deux secteurs annulaires respectivement pour assurer une fonction de capteur de position angulaire et de capteur de couple,
- la figure 5 est une représentation schématique d’une vue latérale d’un mode de réalisation d’un capteur de couple selon l’invention, intégrant une fonction de capteur de position angulaire avec des cibles et des parties fixe et mobile,
- les figures 6 à 8 sont des représentations schématiques de vues en perspective d’un mode de réalisation de la partie mobile d’un capteur selon la présente invention, la partie fixe du capteur étant aussi montrée à la figure 6, les moyens de pression de la partie mobile sur l’élément en rotation étant sous forme de portions de coquille dans ce mode optionnel de la présente invention, une couronne de protection ayant été ôtée à la figure 8.
Dans ce qui suit, le capteur de couple et le capteur de position angulaire sont référencés par la même et unique référence 1 , étant donné qu’ils présentent des éléments mis en commun et ne sont pas complètement différentiables l’un de l’autre. Leur association ne relève pas d’une juxtaposition de deux capteurs mais d’une combinaison des deux capteurs avec interaction entre les deux capteurs, et mise en commun d’éléments du capteur.
Aux figures, organe de lecture et couronne fixe, d’une part, et organe de détection et couronne tournante, d’autre part, sont respectivement désignés par les mêmes références, étant donné que les couronnes entourent au moins partiellement leur organe associé et les cachent. La figure 1 montre un arbre de transmission en tant qu’élément en rotation 2 sur lequel est monté un capteur de couple 1 dont une partie a été ôtée à cette figure pour laisser apercevoir un substrat 5 et des jauges de contrainte 3. La forme de réalisation montrée à cette figure n’est cependant pas limitative de la présente invention.
A la figure 1 , le capteur de couple présente une couche de matériau adhésif reposant sur une face d’un substrat 5 en un matériau rigide et sur laquelle sont collées des jauges de contrainte, apte à garantir un maintien par friction contre l’élément en rotation 2 par sa face opposée à celle portant la couche de matériau adhésif. Pour appliquer et régler la friction, le capteur de couple 1 comprend des moyens de pression 6b amovibles et réglables entourant la couche de matériau adhésif et le substrat 5, la moitié supérieure de ces moyens de pression ayant été omise à la figure 1. Il est aussi possible de ne pas utiliser de moyens de pression dans un capteur de couple et de coller directement les jauges de contrainte 3 sur l’élément en rotation 2.
Les moyens de pression 6b peuvent être démontés et la pression que ces moyens de pression exercent peut être réglable, avantageusement par serrage de moyens de fixation 7 solidarisant ces moyens de pression 6b entre eux.
La face opposée du substrat 5 à celle portant la couche de matériau adhésif et donc, la ou les jauges de contrainte 3 est non forcément plane et va servir d’interface de détection avec l’élément en rotation 2. La face opposée épouse avantageusement les contours de l’élément en rotation 2 en étant plane quand l’élément en rotation présente un méplat 2a mais pouvant revêtir une autre forme convenant à l’élément en rotation 2 dont le couple est à mesurer.
En faisant à nouveau référence à la figure 2, il a été représenté à cette figure de manière schématique un moteur électrique 6 comportant une partie de stator 1 1 et une partie de rotor 12 reliée à un arbre de sortie faisant office d’élément en rotation 2 dans le sens de la présente invention. Ceci n’est pas limitatif et l’élément en rotation 2 pourrait être entraîné par un moteur thermique ou n’importe quel autre organe présent dans un véhicule automobile.
En se référant plus particulièrement aux figures 1, 4 à 8, la présente invention concerne un capteur 1 de couple destiné à être monté sur un élément en rotation 2 dans un véhicule automobile. Comme visible à la figure 1 , le capteur 1 de couple comporte au moins une jauge de contrainte 3 déposée sur une couche de matériau adhésif.
Dans une forme de réalisation préférentielle, les jauges de contrainte 3 peuvent être sous la forme d’un microsystème électromécanique à cellules piézorésistives.
Les moyens de pression 6a, 6b qui seront ultérieurement plus précisément décrits, montrés partiellement à la figure 1 mais montrés entièrement aux figures 6 à 8, ne sont pas essentiels pour la mise en oeuvre de la présente invention, notamment leur mode de réalisation sous forme de portions de coquille 6a, 6b. La présente invention peut être mise en oeuvre avec d’autres moyens de pression 6a, 6b ou avec un autre mode de réalisation de l’application de la ou des jauges de contrainte 3 sur le matériau adhésif.
Par exemple, les moyens de pression peuvent être réalisés différemment, par exemple en une seule pièce équipée d’un gond, ou en une pièce de serrage flexible, etc...
De manière connue, la ou les jauges de contrainte 3 émettent un signal électrique en fonction de la torsion que subit l’élément en rotation 2 sous l’effet d’un couple de force. Une émission et une réception du signal électrique permettent de mesurer le couple de l’élément en rotation 2 après traitement par des moyens de transmission. Il existe des moyens de transmission filaire dans la partie mobile et des moyens de transmission sans fil entre la partie mobile et la partie fixe.
En se référant notamment aux figures 1, 4 et 5, le capteur 1 de couple présente une partie mobile tournante destinée à être entraînée en rotation avec l’élément en rotation 2. Cette partie mobile comporte la ou les jauges de contrainte 3 et des moyens de création et d’émission des signaux électriques permettant de mesurer le couple de l’élément en rotation 2. Le capteur 1 comprend une partie fixe comportant une première carte de circuit imprimé 8 pour le traitement des signaux émis par la partie mobile et reçus par la partie fixe.
La partie mobile comprend les moyens de pression 6a, 6b, les cibles 4 et un boîtier, avantageusement sous forme de couronne complète ou incomplète logeant un organe de détection 10. L’organe de détection 10 peut comprendre une carte de circuit imprimé qui sera ultérieurement désignée par une deuxième carte de circuit imprimé.
La partie fixe du capteur comprend l’organe de lecture 9 enveloppé par un boîtier fixe, avantageusement sous la forme d’une couronne. L’organe de lecture 9 comprend la première carte de circuit imprimé référencée 8 à la figure 4 et des moyens de réception des signaux envoyés par l’organe de détection 10.
L’essor et le succès récents des technologies de communication sans fil, notamment NFC ou communication dans un champ proche, WiFi, Bluetooth®, etc., ont permis aux industriels de développer et mettre en production des capteurs 1 de couple utilisant ces technologies sans fil. Il est ainsi associée une technologie de mesure de couple à contact connue, robuste et performante, telle que la mesure à base d’une ou de jauges de contrainte 3 dans une partie du capteur 1 mobile et d’y associer une technologie de communication sans fil afin de transmettre les données mesurées vers une partie fixe permettant donc de réaliser la mesure de couple sur un élément tournant tel qu’un arbre.
Si ce type de solution existe depuis plusieurs années pour les capteurs 1 d’instrumentation, qui eux sont relativement chers, il a bénéficié de la démocratisation des dernières solutions de communication sans fil pour permettre aux industriels de proposer des solutions à bas coût. Ces capteurs 1 de couple équipent par exemple aujourd’hui des systèmes de contrôle moteur de vélos électriques.
Aux figures 5 à 8, il est montré des moyens de pression 6a, 6b de la ou des jauges de contrainte 3, non visibles à ces figures, contre l’élément en rotation 2, non visibles aux figures 7 et 8. Ces moyens de pression 6a, 6b peuvent être complétés par un organe de détection 10 tournant pouvant être logé dans un boîtier plastique tournant, avantageusement sous forme d’une couronne. Les moyens de pression 6a, 6b et l’organe de détection 10 tournant logé, le cas échéant, dans le boîtier plastique tournant forment la partie mobile du capteur 1 destinée à être entraînée en rotation avec l’élément en rotation 2.
Dans les applications de mesure de couple sur des éléments en rotation, ces moyens de pression 6a, 6b prennent le plus souvent la forme d’un collier, d’un tore ou d’une quelconque pièce de révolution qui permet d’entourer et d’enserrer l’élément sensible tournant du capteur 1 de couple sur l’élément en rotation 2 et donc de l’en rendre solidaire. Ces moyens de pression 6a, 6b sont avantageusement constitués de métal, ce qui leur permet de résister aux forces mises en oeuvre lors de la rotation, l’accélération en rotation ou encore les vibrations du système et donc d’assurer la robustesse du montage et du maintien de l’élément tournant pendant la durée de vie du capteur 1.
L’organe de détection 10 tournant recueille les valeurs de torsion mesurées par la ou les jauges de contrainte 3, et comprend des moyens de transmission sans fil de ces valeurs vers un organe de lecture 9 non tournant qui va être maintenant décrit en faisant partie d’une partie fixe du capteur 1.
Le capteur 1 comprend donc une partie fixe comprenant un organe de lecture 9 non tournant avantageusement logé dans un boîtier fixe solidarisé avec une première carte de circuit imprimé 8 et des moyens de réception des données envoyées par les moyens de transmission sans fil de l’organe de détection 10 tournant. La partie fixe du capteur 1 de couple est en vis-à-vis de la partie mobile du capteur 1 en étant éloignée mais suffisamment proche de la partie mobile pour permettre une transmission sans fil entre les deux parties.
Selon l’invention, le capteur 1 de couple remplit aussi une fonction de capteur 1 de position angulaire. Pour ce faire, la partie mobile porte des cibles 4, visibles aux figures 5 et 7 à 8, réparties angulairement et passant consécutivement en vis-à-vis lors d’une rotation de la partie mobile, d’un premier secteur annulaire 8a porté par la première carte de circuit imprimé 8 fixe, comme illustré à la figure 4. Ainsi une partie de la première carte de circuit imprimé 8 est dédiée au capteur de position angulaire pour éviter une interférence en fonctionnement du capteur de couple et du capteur de position angulaire ainsi associés.
En se référant notamment à la figure 3, pour permettre au capteur 1 d’effectuer sa fonction de capteur de position angulaire, le premier secteur annulaire 8a comprend au moins un premier enroulement récepteur secondaire 25 annulaire adapté pour générer un signal sinus lors du passage en vis-à-vis d’une cible 4, au moins un deuxième enroulement récepteur secondaire 26 adapté pour générer un signal cosinus lors du passage en vis-à-vis d’une cible 4. Le premier secteur annulaire 8a comprend aussi au moins un enroulement émetteur primaire 24 annulaire adapté pour induire une tension électrique dans lesdits enroulements récepteurs secondaires 25, 26.
Comme illustré à la figure 3, le capteur de position angulaire définit une fenêtre spatiale de mesure, de forme en secteur annulaire, qui est traversée périodiquement par les cibles 4 au cours de la rotation de la partie de rotor 12. Par souci de clarté, le premier secteur annulaire 8a de la première carte de circuit imprimé n’est pas représentée de manière annulaire mais de manière linéaire, c’est-à-dire, « à plat » en étant une partie de la première carte de circuit imprimé de la partie fixe du capteur 1.
En se référant à toutes les figures, le capteur 1 comporte de manière connue un logement dans lequel est montée la première carte de circuit imprimée 8 dont une partie est dédiée pour des mesures de position angulaire par son premier secteur annulaire 8a. En pratique, chaque cible 4 se présente également sous la forme d’un secteur annulaire de dimension plus réduite que le premier secteur annulaire 8a.
Dans le cadre de la présente invention, la carte de circuit imprimé utilisée pour le capteur 1 de position angulaire est la même que la carte première carte de circuit imprimé 8 dans la partie du fixe du capteur 1 de couple. Le secteur annulaire dit premier secteur annulaire 8a peut être un anneau complet comme une portion d’anneau.
De manière connue, un enroulement primaire permet de générer un champ magnétique lors de la circulation de courant dans ledit enroulement primaire. Le champ magnétique ainsi créé est perçu par les enroulements secondaires, et induit un courant dans les enroulements secondaires. Les cibles 4, portées par la partie mobile du capteur 1 de couple et réalisant la partie complémentaire à la portion de carte de circuit imprimé décrit précédemment, sont réalisées dans un matériau conducteur pour permettre la circulation de courants de Foucault. Ces cibles 4 se déplacent relativement aux et en vis-à-vis des enroulements 24, 25, 26 au cours de la rotation de l’élément entraîné en rotation.
Lorsqu’une cible 4 est située en regard de la portion formant le premier secteur annulaire 8a de la première carte de circuit imprimé 8, la cible 4 modifie le couplage magnétique entre l’enroulement primaire 24 et les deux enroulements secondaires 25, 26. De manière connue, l’enroulement primaire 24 est désigné enroulement émetteur primaire 24 tandis que les enroulements secondaires 25, 26 sont désignés enroulements récepteurs. Aussi, en mesurant les tensions électriques aux bornes des enroulements récepteurs 25, 26, on peut déduire la position précise de la cible 4 en vis-à-vis du premier secteur annulaire 8a. Par voie de conséquence, on peut en déduire la position angulaire de l’élément entraîné en rotation référencé 2 aux figures 1 et 2.
De manière plus détaillée, en présence d’une cible 4 en vis-à-vis du premier secteur annulaire 8a de la première carte de circuit imprimé 8, les enroulements récepteurs 25, 26 placés à proximité de ladite cible 4 voient une quantité de flux du champ magnétique plus faible que si la cible 4 était absente. Si par exemple, un enroulement récepteur 25, 26 est constitué de deux boucles d'orientation opposée et que la cible 4 se déplace au-dessus de l'une puis de l'autre de ces boucles, cet enroulement récepteur 25, 26 voit, par rapport à une valeur moyenne nulle, une augmentation relative puis une diminution relative de la quantité de flux du champ magnétique qui le traverse.
En pratique, les enroulements récepteurs 25, 26 sont de différentes natures. En référence à la figure 3, il est possible de distinguer, d’une part, un enroulement récepteur dit « sinus » 25, adapté pour délivrer un signal sinus lors d’un passage d’une cible 4 dans la fenêtre de mesure et un enroulement récepteur dit « cosinus » 26, adapté pour délivrer un signal cosinus lors du passage d’une cible 4 en vis-à-vis du premier secteur annulaire 8a de la première carte de circuit imprimé 8. Les signaux sinus/cosinus sont corrélés temporellement, par le calcul de l’arctangente, afin de déterminer de manière précise la position de la cible 4.
Par cible 4 formant des signaux sinus SIN et cosinus COS, on entend aussi bien une unique cible 4 qui interagit avec des enroulements récepteurs que plusieurs parties de cible ou plusieurs cibles consécutives, décalées angulairement qui interagissent de manière simultanée avec des enroulements récepteurs. Ceci est illustré à la figure 3, la référence 23 correspondant à une unité de contrôle de l’enroulement primaire 24 et de traitement des signaux issus des enroulements récepteurs 25, 26.
En se référant à toutes les figures, sur la première carte de circuit imprimé 8 fixe est gravée au moins une bobine associée à une mesure de couple permettant d’émettre un champ magnétique alternatif, d’alimenter par induction la partie mobile et de recevoir le signal électrique de mesure du couple de l’élément en rotation 2.
Si la partie fixe du capteur 1 , notamment dans un organe de lecture 9 fixe, intègre alors au sein de la première carte de circuit imprimé 8 déjà une bobine de lecture et/ou de télé-alimentation dont les caractéristiques, telles que la fréquence d’oscillation ou la position relative aux cibles 4 sont compatibles aux besoins de la mesure inductive, il peut être avantageusement envisagé d’utiliser celle-ci comme bobine primaire du système de mesure inductive de la position angulaire pour la partie capteur 1 de mesure de la position angulaire.
D’autre part, dans le premier secteur annulaire 8a, au moins trois bobines associées à une mesure de position angulaire sont gravées. Ces trois bobines sont au moins une bobine primaire émettrice d’un champ magnétique alternatif pour l’enroulement émetteur primaire 24 annulaire et au moins deux bobines secondaires gravées au sein de ladite au moins une bobine primaire pour respectivement le premier enroulement récepteur secondaire 25 et ledit au moins un deuxième enroulement récepteur secondaire 26.
Les bobines de la fonction capteur de position peuvent offrir une périodicité requise sur 360°. Dans ce cas, la ou les cibles 4 peuvent alors être soit creuses soit volumiques, par exemple sous la forme de creux ou de dents successifs.
Pour éviter des interférences entre les mesures de la fonction capteur 1 de couple et de la fonction capteur 1 de position angulaire, au moins la bobine associée à la mesure de couple et la ou les bobines primaires pour le capteur 1 de position angulaire émettent à des fréquences respectives différentes.
Comme il est visible aux figures 4 et 5 prises en combinaison, la partie fixe du capteur 1 peut être solidarisée à un carter 11 associé à l’élément en rotation 2 par au moins deux points de fixation 14, et de préférence trois, comme montré à la figure 4. Ces points de fixation 14 sont avantageusement amovibles et notamment sous la forme de vis.
La première carte de circuit imprimé 8 fixe peut être logée à l’intérieur d’un organe de lecture 9 fixe dans la partie fixe. Cette première carte de circuit imprimé 8 peut être divisée en deux secteurs annulaires 8a, 8b concentriques, comme montré à la figure 4, ces secteurs annulaires formant chacun un anneau respectif complet. Le premier secteur annulaire 8a peut être le plus interne des deux secteurs annulaires 8a, 8b tandis qu’un deuxième secteur annulaire 8b le plus externe est aussi logé dans l’organe de lecture 9 fixe, le deuxième secteur annulaire 8b recevant par des moyens électroniques de réception et de traitement intégrés dans l’organe de lecture 9 fixe un signal émis par des moyens d’émission électromagnétique de l’organe de détection 10 tournant précédemment mentionné comme étant logé dans la partie mobile du capteur 1.
L’organe de détection 10 tournant est en vis-à-vis de l’organe de lecture 9 fixe en conservant entre les deux une distance relativement proche permettant une transmission sans fil des données de l’organe de détection 10 comprises dans le signal émis par les moyens d’émission électromagnétique de la partie mobile.
Un boîtier de l’organe de lecture 9 fixe peut être aligné avec le boîtier de l’organe de détection 10 selon un axe longitudinal de rotation de l’organe de détection 10. Cette forme de réalisation est montrée aux figures et correspond à une disposition axiale des boîtiers. En alternative, le boîtier de l’organe de lecture 9 fixe peut entourer à distance le boîtier de l’organe de détection 10, ce qui correspond à une disposition axiale des boîtiers non montrée aux figures.
Les figures 6 à 8 montrent une forme de réalisation préférentielle d’un capteur 1 de couple particulièrement bien adapté à remplir la fonction supplémentaire de capteur 1 de position angulaire moyennant certaines adaptations spécifiques. Il est à garder à l’esprit que d’autres formes de réalisation d’un capteur 1 de couple existent et peuvent être considérées pour devenir un capteur 1 avec fonction de détection de position angulaire.
Par exemple, dans une autre forme de réalisation, la ou les jauges de contrainte 3 peuvent être directement mises en contact avec l’élément en rotation 2, notamment en étant collées sur l’élément de rotation et être directement soumises à la torsion de l’élément en rotation 2 par contact direct avec cet élément.
Aux figures 6 à 8, le capteur 1 de couple comprend des moyens de pression 6a, 6b amovibles et réglables entourant le substrat précédemment référencé 5 à la figure 1. Amovible signifie que les moyens de pression 6a, 6b peuvent être démontés, et réglable signifie que la pression que ces moyens 6a, 6b exercent est réglable. Les moyens de pression 6a, 6b peuvent prendre la forme d’un collier constitué de deux portions de coquille 6a, 6b, avantageusement en acier, comme montré aux figures 6 à 8.
Le corps extérieur du capteur 1 , essentiellement formé par les moyens de pression 6a, 6b avec, le cas échéant, une couronne tournante enveloppant l’organe de détection 10 tournant en tant que boîtier. Cette couronne tournante peut être incomplète ou non, étant montrée incomplète aux figures 6 et 7, en forme sensiblement de fer à cheval ou de C. Une couronne tournante 10 incomplète signifie que la couronne tournante ne fait pas entièrement le tour des deux portions de coquille 6a, 6b supérieure et inférieure.
Ces portions de coquille 6a, 6b peuvent prendre chacune la forme d’un C. Les portions de coquille 6a, 6b peuvent s’assembler et se serrer par l’utilisation de deux vis de serrage M6 en tant que tiges filetées 7, visibles à la figure 1 , situées de part et d’autre sur une même portion de coquille. L’une des portions de coquille 6a, 6b peut posséder un méplat central situé sur sa face interne, et cette portion de coquille peut être la portion de coquille supérieure 6a.
Comme il peut être notamment visible aux figures 5 et 8, les deux portions de coquille 6a, 6b solidarisées entre elles présentent une périphérie externe circulaire. Notamment visible à la figure 5, c’est sur cette périphérie externe circulaire qu’est fixée la couronne 10 tournante incomplète ou non, présentant un diamètre externe supérieur ou non à la périphérie externe des deux portions de coquille 6a, 6b.
La couronne tournante 10, incomplète ou non, peut être solidarisée avec au moins une portion de coquille 6a, la couronne tournante 10 et la portion de coquille 6a étant destinées à être entraînées en rotation avec l’élément en rotation 2.
La couronne tournante 10, incomplète ou non, peut comprendre un pourtour extérieur raccordé à au moins une des portions de coquille 6a, 6b par des nervures. Une seule des nervures est référencée 13 à la figure 6 les montrant, mais ce qui est énoncé pour cette nervure référencée 13 l’est pour toutes les nervures.
Les nervures 13 peuvent s’étendre sensiblement radialement par rapport à un axe médian de l’élément en rotation 2. Chacune des nervures 13 peut présenter une extrémité recourbée en vis-à-vis de la ou des portions de coquille 6a, 6b pour être appliquée au moins partiellement contre la périphérie externe des portions de coquille 6a, 6b et être fixée sur la périphérie externe par au moins un élément de liaison. Ce sont toutes les extrémités recourbées des nervures 13 qui sont traversées par un élément de liaison, par exemple du type tige filetée.
La couronne tournante 10 communique en filaire avec les moyens de transmission disposés à proximité de la ou des jauges de contrainte référencées 3 à la figure 1. La couronne tournante 10 comprend donc des moyens de réception filaire du signal transmis par les moyens de transmission, avantageusement des ports pour le soudage de fils de connexion.
La couronne tournante 10 comprend aussi des moyens d’émission électromagnétique du signal reçu vers l’extérieur, avantageusement vers une couronne fixe qui est fixe, formant le boîtier enveloppant l’organe de lecture 9 fixe de la partie fixe du capteur 1. Comme il peut être vu aux figures 5 et 6, les couronnes tournante 10 et fixe 9 peuvent présenter un diamètre similaire en étant espacées l’une de l’autre d’un intervalle permettant une connexion sans fil entre les couronnes tournante 10 et fixe 9.
C’est sur la partie mobile du capteur 1 de couple que sont ajoutées les cibles 4 afin d’assurer la fonction de détection de position angulaire de l’élément en rotation 2. Plusieurs modes de réalisation peuvent exister.
Dans un premier mode de réalisation, les cibles 4 peuvent être portées par une deuxième carte de circuit imprimé tournante intégrée dans l’organe de détection 10 tournant de la partie mobile. Dans un deuxième mode de réalisation, les cibles 4 peuvent être positionnées sur les moyens de pression 6a, 6b portés par la partie mobile. Dans un troisième mode de réalisation, les cibles 4 peuvent être positionnées sur des moyens associés aux moyens de pression 6a, 6b, par exemple sur le boîtier enveloppant l’organe de détection 10 en étant sous la forme de couronne tournante, comme précédemment décrit.
Comme montré aux figures 5 et 8 auxquelles les moyens de pression peuvent être formés de deux portions de coquille 6a, 6b se prolongeant l’une et l’autre pour former une coquille complète, les cibles 4 peuvent être réalisées sur les deux portions de coquille 6a, 6b.
Comme ces deux portions de coquille 6a, 6b peuvent être métalliques, les cibles 4 peuvent être formées par usinage des portions de coquille 6a, 6b, notamment sur une face de chaque portion de coquille tournée vers la première carte de circuit imprimé 8 fixe. Ceci peut être le cas pour le boîtier formant une couronne enveloppant l’organe de détection 10 tournant quand ce boîtier est métallique, ce qui peut aussi ne pas être le cas.
Par construction, l’un des flancs de chacune des deux portions de coquille 6a, 6b est en vis-à-vis de l’organe de lecture 9 fixe, et tout particulièrement en vis- à-vis du jeu de bobines servant à la mesure de position inductive. Ces flancs se complétant des deux portions de coquille 6a, 6b, plans ou non plans, peuvent être usinés afin de laisser apparaître des créneaux, par exemple d’une hauteur d’environ 3 millimètres. L’assemblage des deux portions de coquille 6a, 6b permet de rassembler l’ensemble de ces créneaux en un motif périodique de révolution formant un ensemble de cibles 4 adaptées à la mesure inductive de la position angulaire de l’élément en rotation 2 et donc d’un ensemble de transmission sur lequel l’élément en rotation 2 est monté. Les portions de coquille 6a, 6b sont avantageusement métalliques.
Sur une surface non métallique de support des cibles 4, les cibles 4 peuvent être formées par ajout d’inserts métalliques, chaque insert métallique correspondant à une cible. Le positionnement des inserts métalliques peut se faire sur une face du support tournée vers la première carte de circuit imprimé 8 fixe pour chacune des deux portions de coquille 6a, 6b.
Par exemple, des cibles 4 métalliques peuvent être surmoulées dans la couronne tournante 10 en étant enrobées au moins partiellement dans la couronne tournante 10, notamment par surmoulage.
Les cibles 4 peuvent être réalisées sur la deuxième carte de circuit imprimé tournante par gravure d’une couche métallique sur la deuxième carte de circuit imprimé logée dans l’organe de détection 10 tournant, avantageusement enveloppé dans un boîtier tournant. Ceci peut se faire sur la face de la deuxième carte de circuit imprimé tournée vers la première carte de circuit imprimé 8, la deuxième carte de circuit imprimé tournante étant électriquement conductrice au niveau des cibles 4 par cette gravure d’une couche métallique, avantageusement en cuivre. La deuxième carte de circuit imprimé n’est pas visible aux figures car masquée par l’organe de détection 10 et son boîtier sous forme de couronne.
Comme il peut être vu notamment à la figure 8, les cibles 4 peuvent être de de forme grossièrement parallélépipédique avec des faces quadrangulaires comprenant deux faces arrondies interne et externe destinées à être concentriques à l’élément en rotation, la longueur de la face arrondie interne étant plus petite que la longueur de la face arrondie externe.
L’invention concerne aussi un ensemble d’un élément en rotation 2 dans un véhicule automobile et d’un capteur 1 de couple tel que précédemment mentionné en combinant les fonctions de capteur de couple et de capteur de position angulaire. L’élément en rotation 2 peut être un arbre de transmission ou un volant d’inertie.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur (1 ) de couple destiné à être monté sur un élément en rotation (2) dans un véhicule automobile, le capteur (1 ) de couple comportant au moins une jauge de contrainte (3) déposée sur une couche de matériau adhésif, ladite au moins une jauge de contrainte (3) émettant un signal électrique en fonction de la torsion que subit l’élément en rotation (2) sous l’effet d’un couple de force, une émission et une réception du signal électrique permettant de mesurer le couple de l’élément en rotation (2) après traitement par des moyens de transmission, le capteur (1 ) de couple présentant une partie mobile destinée à être entraînée en rotation avec l’élément en rotation (2) en comportant ladite au moins une jauge de contrainte (3) et une partie fixe comprenant une première carte de circuit imprimé (8), caractérisé en ce que le capteur (1 ) de couple remplit aussi une fonction de capteur (1 ) de position angulaire, la partie mobile portant des cibles (4) réparties angulairement et passant consécutivement en vis-à-vis, lors d’une rotation de la partie mobile, d’un premier secteur annulaire (8a) porté par la première carte de circuit imprimé (8) fixe, le premier secteur annulaire (8a) comprenant au moins un premier enroulement récepteur secondaire (25) annulaire adapté pour générer un signal sinus lors du passage en vis-à-vis d’une cible (4), au moins un deuxième enroulement récepteur secondaire (26) adapté pour générer un signal cosinus lors du passage en vis-à-vis d’une cible (4), et au moins un enroulement émetteur primaire (24) annulaire adapté pour induire une tension électrique dans lesdits enroulements récepteurs secondaires (25, 26).
2. Capteur (1 ) de couple selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, sur la première carte de circuit imprimé (8) fixe, sont gravées, d’une part, au moins une bobine associée à une mesure de couple permettant d’émettre un champ magnétique alternatif, d’alimenter par induction la partie mobile et de recevoir le signal électrique de mesure du couple de l’élément en rotation (2) et, d’autre part, dans le premier secteur annulaire (8a), au moins trois bobines associées à une mesure de position angulaire dont au moins une bobine primaire émettrice d’un champ magnétique alternatif pour l’enroulement émetteur primaire (24) annulaire et au moins deux bobines secondaires gravées au sein de ladite au moins une bobine primaire pour respectivement le premier enroulement récepteur secondaire (25) et ledit au moins un deuxième enroulement récepteur secondaire (26), ladite au moins une bobine associée à la mesure de couple et ladite au moins une bobine primaire émettant à des fréquences respectives différentes.
3. Capteur (1 ) de couple selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première carte de circuit imprimé (8) fixe est logée dans un organe de lecture (9) fixe et est divisée en deux secteurs annulaires (8a, 8b) concentriques avec un deuxième secteur annulaire (8b) comprenant ladite au moins une bobine associée à une mesure de couple et étant le plus externe des deux secteurs annulaires (8a, 8b), le deuxième secteur annulaire (8b) recevant par des moyens électroniques de réception et de traitement intégrés dans l’organe de lecture (9) fixe un signal émis par des moyens d’émission électromagnétique d’un organe de détection (10) tournant logé dans la partie mobile, l’organe de détection (10) tournant étant en vis-à-vis de l’organe de lecture (9) fixe.
4. Capteur (1 ) de couple selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la couche de matériau adhésif repose sur une face d’un substrat (5) en un matériau rigide apte à garantir un maintien par friction contre l’élément en rotation (2) par sa face opposée à celle portant la couche de matériau adhésif, la partie mobile comprenant des moyens de pression (6a, 6b) entourant la couche de matériau adhésif et le substrat (5) et étant aptes à entourer l’élément en rotation (2) et à presser la face opposée du substrat (5) contre l’élément en rotation (2), les cibles (4) étant portées soit par l’organe de détection (10) tournant, soit par les moyens de pression (6a, 6b), ou soit par des moyens associés aux moyens de pression (6a, 6b), ceci sur une face tournée vers la première carte de circuit imprimé (8) fixe.
5. Capteur (1 ) de couple selon la revendication 4, caractérisé en ce que les cibles (4) sont portées par une deuxième carte de circuit imprimé tournante faisant partie de l’organe de détection (10) tournant, chaque cible (4) étant obtenue par gravure locale de la deuxième carte de circuit imprimé avec dépôt d’une couche métallique formant cible.
6. Capteur (1 ) de couple selon la revendication 4, caractérisé en ce que, quand les cibles (4) sont portées par les moyens de pression (6a, 6b) ou des moyens associés aux moyens de pression (6a, 6b), chaque cible (4) est obtenue par usinage ou par ajout d’inserts métalliques.
7. Capteur (1 ) de couple selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les moyens de pression sont formés de deux portions de coquille (6a, 6b) se prolongeant l’une et l’autre pour former une coquille complète, des moyens de fixation (7) du type tige filetée solidarisant les deux portions de coquille (6a, 6b) entre elles, les deux portions de coquille (6a, 6b) logeant le substrat (5) et la couche de matériau adhésif en leur intérieur, l’organe de détection (10) tournant étant fixé contre une périphérie externe circulaire des deux portions de coquille (6a, 6b) solidarisées entre elles.
8. Capteur (1 ) selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l’organe de lecture (9) fixe et l’organe de détection (10) tournant sont logés dans un boîtier respectif chacun sous la forme d’une couronne respectivement fixe et mobile en étant incomplète ou non, les couronnes fixe et mobile étant espacées l’une de l’autre d’un intervalle de dimension prédéterminée permettant une communication sans fil entre les couronnes et un positionnement des cibles (4) par rapport à la première carte de circuit imprimé (8) modifiant un couplage magnétique entre l’enroulement primaire (24) et les deux enroulements secondaires (25, 26) quand en vis-à-vis du premier secteur annulaire (8a).
9. Capteur (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le boîtier de l’organe de lecture (9) fixe est aligné avec le boîtier de l’organe de détection (10) selon un axe longitudinal de rotation de l’organe de détection (10) ou le boîtier de l’organe de lecture (9) fixe entoure à distance le boîtier de l’organe de détection (10).
10. Capteur (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cibles (4) sont de forme grossièrement parallélépipédique avec deux faces arrondies interne et externe destinées à être concentriques à l’élément en rotation (2), une longueur de la face arrondie interne étant plus petite qu’une longueur de la face arrondie externe.
11. Capteur (1 ) de couple selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite au moins une jauge de contrainte (3) est sous la forme d’un microsystème électromécanique à cellules piézorésistives.
12. Ensemble d’un élément en rotation (2) dans un véhicule automobile et d’un capteur (1 ) de couple, caractérisé en ce que le capteur (1 ) de couple est selon l’une quelconque des revendications précédentes en remplissant aussi une fonction de capteur (1 ) de position angulaire.
13. Ensemble selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’élément en rotation (2) est un arbre de transmission ou un volant d’inertie.
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