Brevet FR2443065A1 — publié le 19800627

l'invention se rapporte à la technique des capteurs d'angle. Elle concerne, plus précisément, un capteur d'angle du type fournissant, sous la forme d'impulsions électriques, un signal de mesure du mouvement de rotation d'un organe. Dans l'industrie, notamment dans l'industrie automobile, se pose couramment le problème de disposer d'un signal électrique de mesure ou de commande, dont la grandeur soit représentative du mouvement angulaire d'un organe rotatif, tel qu'une machine tournante. De plus, très souvent, dans la pratique, ce signal électrique de mesure doit représenter le module du mouvement angulaire du fait que le mouvement angulaire, ou mouvement de rotation est omnidirectionnel.Un tel signal électrique peut être élaboré par un capteur d'angle, encore appelé transducteur d'angle dans le langage technique, en ce sens que la grandeur d'entrée se présente sous la forme d'une rotation mécanique et la grandeur de sortie consiste en un signal électrique caractérisé soit par son amplitude, soit par sa fréquence ; un capteur selon l'invention se rattache aux capteurs d'angle du type fournissant un signal électrique formé par des impulsions dont le nombre est proportionnel à l'angle de rotation. Un capteur d'angle desti.né à équiper certains organes rotatifs d'un véhicule automobile est soumis à diverses con traites - premièrement des contraintes opérationnelles résultant de l'environnement sévère dans lequel doit fonctionner le cap teur : chocs, vibrations, variations extrêmes de température, rayonnements électromagnétiques parasites - deuxièmement des contraintes industrielles, notamment des contraintes résultant du fait que le coût de production du capteur ne doit pas être prohibitif en regard des autres organes du véhicule. les contraintes opérationnelles qui viennent d'être énoncées ci-dessus conduisent à éliminer les capteurs d'angle du type électrooptique, malgré leurs performances élevées de précision et de résolution, par contre ces contraintes favorisent l'emploi des capteurs d'angle du type électromagnétique, à l'exclusion de ceux faisant appel à des collecteurs et des balais. on connatt des capteurs d'angle du type électromagnétique comprenant un rotor muni de bossages ferromagnétiques et un détecteur magnétique fixe sensible à une variation d'entrefer qui délivre une impulsion électrique lors du passage de l'un des bossages au droit de ce détecteur. L'inconvénient majeur de ce type de détecteur réside dans le fait que l'amplitude de l'impulsion électrique est proportionnelle à la vitesse angulaire du rotor. Pour remédier à cet inconvénient, on a déjà proposé d'utiliser une roue entre métallique et un détecter de proximité fixe du type autooscillateur amorti par la présence d'un objet métallique qui possède la propriété de fournir un signal électrique dont l'amplitude est indépendante de la vitesse angulaire de la roue dentée.Il n'en demeure pas moins que ce type de capteur présente un autre inconvénient en ce sens que la résolution du capteur est limitée par la dimension physique ou son équivalent, la dimension électrique de l'élément selfique du détecteur de proximité, ce qui impose que, pour accroire la performance de résolution, caractérisée par le nombre des impulsions fournies par unité d'angle de rotation, il est nécessaire d'accrottre en conséquence le diamètre du rotor. le but de l'invention est de fournir un capteur, robuste et fiable, doté d'une performance élevée de résolution sans accroire en conséquence le diamètre du capteur. our atteindre ce but, un capteur d'angle selon l'invention permettant de fournir un nombre N d'impulsions électriques par révolution comprend - un disque entraîné en rotation par l'organe rotatif dont on veut mesurer le mouvement angulaire ; ce disque étant muni d'un nombre m d'éléments métalliques disposés radialement l'espacement angulaire relatif o(oentre ces éléments métalliques étant constant et égal à 2 7t/m - un nombre n de détecteurs de proximité fixes du type auto oscillateur amorti par la proximité d'un objet métallique, l'élément selfique de chacun de ces détecteurs de proximité étant disposé en regard de l'une des faces du disque, le décalage électrique relatif / entre ces détecteurs de pro- ximité étant constant et égal à iO/n.. - un nombre n de circuits de différentiation unidirectionnels reliés respectivement aux n détecteurs de proximité, - un opérateur logique du type OU (OR selon la convention américaine) comportant n entrées reliées respectivement aux n circuits différentiateurs précédents ; ce capteur d'angle fournit un nombre N = m.n impulsions par révolution du dis que. Selon une variante de réalisation, en vue d'accroitre la grandeur du facteur N, on augmente le nombre n de détec teurs de proximité, et on répartit les éléments selfiques en deux groupes que l'on dispose de part et d'autre du disque rotatif. Selon une autre variante de réalisation, toujours en vue d'accroltre la grandeur du facteur N, ou de réduire le diamètre du capteur, celui-ci comprend plusieurs disques rotatifs en regard des faces desquels est disposé l'ensemble des éléments selfiques. D'autres caractéristiques et avantages que procure l'invention apparaîtront,dans la description détaillée de l'invention, faite en regard des dessins annexés. qui repré sentent, à titre explicatif mais non limitatifs, des modes de réalisation de l'invention. Sur ces dessins - la figure la représente, sous la forme de blocs fonction nels, un détecteur de proximité du type autooscillateur amorti par la présence d'un corps métallique, - la figure lb représente, schématiquement, un mode de réa lisation, sous une forme intégrée, d'un détecteur de proxi mité, - la figure 2a représente, sous la forme d'un schéma électri que, les éléments de base d'un capteur d'angle selon l'in vention, - la figure 2b représente les formes d'ondes des principaux signaux électriques associés au capteur d'angle de la figure 2a, - la figure 2c représente, sous la forme d'un schéma élec trique, un capteur d'angle selon l'invention, - la figure 2d représente les formes d'ondes des principaux signaux associés au capteur de la figure 2ç - la figure 2e représente, sous une forme schématique, une implantation physique des éléments selfiques des détec teurs de proximité - la figure 3a représente, selon une vue en coupe, un mode de réalisation mécanique d'un capteur selon l'invention, - la figure 3b représente, en vue de face, les détails de réalisation d'un disque rotatif, - la figure 3c représente, en vue de face, les détails de réalisation d'une structure support des éléments selfiques de détection, - la figure 3d représente, selon une vue en coupe, un élément selfique de détection, - la figure 4 représente, selon une vue en coupe, un capteur d'angle intégré à une machine tournante. Avant d'aborder la description détaillée d'un capteur d'angle, conforme à l'invention, on rappellera succinctement les caractéristiques essentielles d'un détecteur de proximité. La figure la représente, sous la forme d'un schéma synoptique, un détecteur de proximité comprenant, en série, les éléments suivants : un autooscillateur 2 relié à un élément selfique 3 extérieur accordé par urecapacité CO, un démodulateur d'amplitude 1 et un comparateur de niveau 5 qui délivre un signal électrique Vout de sortie. lie fonctionnement de ce détecteur de proximité est le suivant : le produit de la self de l'élément 3 et de la capacité O0 détermine la fréquence d'autooscillation de l'élément 2 ; lorsqu'un corps métallique (non représenté) est présent dans le champ de fuite de l'élément 3, il se produit, sous l'action des courants tourbillonnaires induits dans le corps métallique, un amortissement de l'autooscillateur 2 avec, pour conséquence, un décrochage de l'oscillation ; le signal de fréquence 20 de l'autooscillateur est démodulé par l'élément 4, et appliqué à l'en- trée du comparateur de niveau 5 qui fournit un signal à deux états représentatifs de la présence ou non du corps métallique au voisinage de l'élément 3. les éléments 2, 4 et 5 qui viennent d'etre décrits sont disponibles sous la forme de circuits intégrés (C.I.) standards, par exemple le C.I. Modèle ESM 1601 produit par la Division SESGOSEM de la Société THOMSON-CSF.La figure lb représente le schéma de montage de ce détecteur de proximité 1, réalisé en circuit intégré et des composants extérieurs suivants : la résistance RI est la résistance de charge, la résistance R5 la résistance permettant de régler la sensibilité du détecteur et la capacité G, une capacité de découplage. Un dispositif, tel que représenté sur la figure lb, peut fonctionner à une fréquence Fo de l'ordre de plusieurs MHz. lorsque l'autooscillateur est amorti, le signal Vout de sortie est à un niveau haut de l'ordre de 6 volts, inversement lorsque cet autooscillateur est désamorti le signal Vout est à un niveau bas de l'ordre de 1 volt. La durée de la transition en les niveaux haut et bas est indépendant de la vitesse de déplacement du corps, ou objet métallique, dans le champ de fuite de l'élément selfique 3. L'ensemble du dispositif de la figure lb peut être alimenté par une source de tension continue Vcc de l'ordre d'une dizaine de volts. La figure 2a représente, sous une forme schématique, les éléments de base et les formes d'ondes des signaux d'un capteur d'angle conforme à l'invention qui délivre N signaux en impulsions par révolution. Sur la figure 2a, le capteur est constitué par un disque 6 réalisé en un matériau isolant, ce disque est muni d'un nombre m d'éléments métalliques 7, l'espacement angulaire relatif O entre ces éléments métalliques est constant et égal à 2W/m, ces éléments métalliques, tous identiques, peuvent être constitués par des tiges de métal disposées radialement dans l'épaisseur du disque ; un élément selfique est disposé, de façon fixe, en regard de l'une des faces du disque ; il constitue la self du circuit résonant d'un détecteur de proximité 1, l'élément 8 relié au détecteur 1 est un circuit différentiateur qui ne retient que l'une des polarités du signal différentié. La figure 2b représente en A la forme du signal en créneau disponible sur la liaison entre les éléments 7 et 8, et le signal B représente la forme du signal en impulsions disponible à la sortie de l'élément 8. le fonctionnement d'un capteur selon la figure 2a est le suivant : le disque 6 est entrainé en rotation par l'organe dont on veut mesurer la rotation Dans l'exemple représenté, le nombre n de tiges métalliques est égal à quatre (4) et l'angle est égal à 27tam = 900; lors du passage d'une tige 7 au droit de l'élément selfique 3, le détecteur de proximité 1 est au niveau haut, pendant un angle 1. et, lorsque la tige 7 est en dehors du champ de fuite de l'élément selfique 3, le détecteur de proximité est au niveau bas pendant un angle(2 avec l+ 2 = . Sous cette forme, le capteur de la figure 2a dBli- vre quatre impulsions électriques par révolution du disque. Sur la figure 2c,qui reprend les éléments décrits sur la figure 2a, on dispose d'un nombre n d'éléments selfiques qui ont été représentés,de façon symbolique, par des flèches radiales 3a, 3b et 3c. le décalage électrique relatif de ces éléments selfiques est constant et égal à n o(o/n ; les éléments selfiques Da, 3b et 3c sont connectés respectivement aux détecteurs de proximité la, lb et lc, eux-mêmes reliés aux circuits différentiateurs 8a, 8b et 8c ; les sorties de ces circuits différentiateurs sont sommés, de façon logique, dans une porte 9 du type OU (OR selon la convention américaine). La figure 2d représente, en Al, A2 et A3 la forme des signaux électriques en créneaux disponibles respectivement sur les liaisons entre les détecteurs de proximité et les circuits différentiateurs ; en C on a réprésenté les signaux en impulsions disponibles à la sortie de la porte logique 9 du type OR. Sur la figure 2e, on a représenté la disposition physique des éléments selfiques. En effet, les dimensions physiques de ces éléments selfiques impliquent de rechercher une répartition sur la surface du disque telle que ces éléments ne se chevauchent pas mécaniquement, en conservant pour la valeur du paramètre n , la grandeur trois définie précédemment, on dispose les éléments selfiques de façon que l'espa- cement angulaire relatif soit égal à 1200, correspondant à un décalage électrique relatif ss = i O/n . le nombre d'impulsions délivrées à la sortie du capteur pour chaque révolution du disque est égale à N = mn = 12 dans l'exemple ci-dessus. les formes d'ondes des principaux signaux du capteur sont identiques à celles représentées sur la figure 2d. En conclusion de ce qui.vient d'etre dit, un capteur d'angle selon l'invention comprend des moyens électromécani ques constitués par un disque rotatif muni d'éléments métalliques et d'une structure fixe supportant n éléments selfiques de détection reliés à la partie électronique de n détecteurs de proximité et des moyens électroniques de traitement des signaux de sortie de ces n détecteurs de proximité, ces moyens électroniques comprenant n différentiateurs et un opérateur logique du type OR. le signal de sortie en impulsions de l'opérateur logique 9 du type OR peut être exploité de différentes façons selon que l'on souhaite mesuror soit la vitesse angulaire de rotation, soit la variation de position angulaire d'un organe rotatif. Afin de mesurer une vitesse de rotation, le signal de sortie de l'opérateur logique est relié à un convertisseur fréquence/tension d'un type connu,analogique ou numérique pour mesurer un déplacement angulaire, le signal de sortie de l'opérateur logique est connecté à un compteur d'impulsions. lie capteur d'angle peut aussi être utilisé, par exem- ple, pour détecter une position angulaire en exploitant séparément les signaux de sortie des différentiateurs et conjointement la vitesse de rotation en exploitant le signal de sortie de l'opérateur logique. On décrira maintenant un ensemble de moyens permettant d'accrottre le nombre N des impulsions fournies par le capteur au cours d'une révolution complète de l'axe central de rotation. Pour ce faire, il faut réduire les dimensions physiques, ou plus précisément les dimensions électriques des éléments selfiques de détection des détecteurs de proximité, c'est-à-dire en réduisant le diamètre des pots en ferrite et l'étendue du champ de fuite dans le but d'accrottre le nombre m d'éléments métalliques portés par le disque.On peut aussi accroitre le nombre n de détecteurs de proximité, par exemple en constituant deux groupes d'éléments selfiques de détection et en disposant un premier groupe en regard de l'une des faces du disque et le second groupe en regard de la face opposée de ce disque, en prenant soin de décaler angulairement les deux groupes l'un par rapport à l'autre, de façon que le décalage angulaire relatif des impulsions de sortie des différentiateurs soit toujours égal à O(0/n .Pour accrolatre le nombre n des détecteurs de proximité, on peut aussi utiliser un nombre k de disques rotatifs entrainés par l'axe central de rotation, ces disques étant espacés longitudinalement et, disposés entre ces disques, de part et d'autre, les n éléments selfiques de détection correspondant aux n détecteurs de proximité. Ainsi, d'une manière générale, par construction, on peut obtenir un nombre N = m.n impulsions par tour, avec m et n des facteurs pairs ou impairs. La figure 3a représente,une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un capteur d'angle conforme à l'invention. A titre illustratif, ce capteur d'angle comporte un nombre k de disques égal à I'unite et un nombre m d'éléments métalliques égal à quatre et un nombre de n de détecteurs de proximité égal à trois dans le but de fournir un nombre N d'impulsions électriques, égal à douze pour chacune des révolutions du disque. lies figures 3b, 3c et 3d représentent respectivement les détails de réalisation du disque, du stator et d'un élément selfique de détection. Sur la figure 3a, le capteur comprend un boitier constitué par deux coquilles îOa et lOb, ces coquilles sont rendues mécaniquement solidaires par un jeu de tiges filetées li ; les faces- de ces boitiers sont équipées, en leur centre? de deux roulements à billes 12a et 12b maintenus par des flasques vissés 13a et 13b, en vue d'assurer, avec un frottement réduit, la rotation d'un axe central 14. A l'intérieur de ce boitier, l'axe central de rotation 14 permet d'entraîner un disque 6 muni d'un nombre d'éléments métalliques 7. Toujours à l'intérieur du boitier du capteur, est placée une structure alvéolaire fixe 15.Cette structure alvéolaire est concentrique à l'axe central de rotation 14 et parallèle au plan du disque 6 dans chacune des alvéoles est placé un élément selfique de détection 3 et, sur la structure, est disposée la partie électronique des n détecteurs de proximité 1. Dans l'une des coquilles du boitier est pratiqué un passage 16 destiné au passage des liaisons 17 entre les n détecteurs de proximité et les circuits électroniques de traitement (non représentés sur cette figure) mais décrits précédemment. La figure 3b représente, une vue de face, du disque 6 réalisé dans un matériau isolant ; ce disque comporte en son centre un trou oblong 18 permettant son entraînement par l'axe central de rotation 14, cet axe comportant, tout au moins au droit du disque, une section identique au trou oblong. Dans l'épaisseur du disque, sont ménagés des trouslongiformes à l'intérieur desquels sont disposés et fixés des éléments métalliques constitués par des tiges en métal, de l'acier par exem ple,l'espacement angulaire relatif o étant égal à 900 pour la valeur de m choisie égale à quatre. La figure 3c représente, en vue de Sce, la structure alvéolaire réalisée en un matériau isolant, ou tout au moins en un matériau avantageusement non ferromagnétique. Des alvéoles 19 et des passages 19a sont ménagés dans l'épaisseur de la structure, en vue d'y loger les éléments selfiques de détection et leurs fils de liaison avec la partie électronique des détecteurs de proximité. La structure comporte un trou central t20 , largement dimensionné, assurant le libre massage de l'axe central de rotation. L'espacement angulaire relatif entre les alvéoles est égal à 1200, afin d'assurer un décalage électrique relatif ss , des signaux de sortie des détecteurs de proximité égal à 300. La figure 3d représente,une vue en coupe d'un élément selfique de détection 3, cet élément comprend un pot en ferrite 22 classique, à l'intérieur duquel est placé un bobinage 21. le diamètre du pot en ferrite peut être de l'ordre de 10 mm, ou moins, de tels pots existant sous différents standards. le capteur d'angle de la figure 3a tel qu'il vient d'être décrit comporte un nombre d'éléments minimal en ce sens qu'il comporte un disque unique et une seule structure alvéolaire. Comme indiqué précédemment, un capteur selon l'invention peut comporter plusieurs disques et plusieurs structures alvéolaires, afin de pouvoir disposer mécaniquement un nombre élevé n d'éléments selfiques de détection, dans le but d'accroitre le nombre N d'impulsions électriques fournies pour chacune des révolutions de l'axe central de rotation.Par exemple, un tel capteur peut comporter un disque unique et deux structures alvéolaires disposées de part et d'autre de ce disque, les structures étant décalées angulairement d'un angle tel que les signaux de sortie des détecteurs de proximité soient décalés électriquement d'un angle / = o/n. Selon une variante de construction, l'épaisseur du disque peut être supérieure au diamètre des tiges métalliques et comporte deux groupes de m tiges métalliques, un premier groupe disposé sur l'une des faces du disque et un second groupe, décalé d'un angle 6(0/2 disposé sur l'autre face, dans ce cas, le décalage angulaire des structures alvéolaires ayant une valeur nulle. D'une manière plus générale, le capteur peut comporter, de façon alternée, des disques qui constituent le rotor et des ensembles d'éléments selfiques de détection qui constituent le stator. le diamètre du capteur est de l'ordre de trois fois, ou moins, celui du diamètre d'un pot en ferrite. La figure 4 représzente, selon une vue en coupe, un mode de réalisation d'un capteur dont les éléments constitutifs sont intégrés à un organe rotatif 23 ou une machine tournante.dont on veut mesurer ou détecter le mouvement de rotation. La structure 15 est fixée mécaniquement à l'extérieur de l'une des faces internes de l'organe rotatif, et le disque 6 placé sur l'axe central de rotation 14 est disposé en regard de cette structure alvéolaire qui supporte les éléments selfiques de détection 3 reliés électriquement aux détecteurs de proximité 1. L'ensemble de ces éléments peut être protégé mécaniquement par un capot retenu par des vis 24 ; ce capot comporte un passage 17 permettant le passage des fils de connexion16avecles circuits électroniques de traitement associés, non représentés et déjà décrits précédemment. Comme il a été expliqué auparavant, un tel capteur peut comporter k disques rotatifs et plusieurs structures alvéolaires supportant les n éléments selfiques de détection disposés par groupes. On voit maintenant plus clairement les avantages procurés par un capteur d'angle selon l'invention, dans son application à la mesure des mouvements de rotation d'un.organe rotatif. D'une part, la résolution angulaire du capteur caractérisé par le nombre N d'impulsions délivrées par unité d'argle n'est pas limité par le diamètre du capteur et peut être accru en augmentant la longueur de ce type de capteur. De plus, étant donné que le capteur peut être construit à partir d'éléments répétitifs et de circuits électroniques intégrés, son coût de production demeure raisonnable. Enfin, la précision de mesure intrinsèque est élevée du fait que le signal de sortie est caractérisé par sa fréquence. l'invention n1 est pas limitée au mode de réalisation décrit mais peut comporter de nombreuses variantes, notamment la forme des éléments métalliques au disque rotatl > , la réalisation de la structure support des éléments selfiques de détection, la disposition des circuits électroniques qui peuvent être rassemblés dans le boitier, la nature des matériaux de construction. Un capteur selon l'invention trouve de nombreuses applications dans l'industrie, notamment de l'automobile, del'åéronautique,de la machine-outils, etc REVENDICATIONS 1. Capteur d'angle du type fournissant N impulsions par révolution complète et comportant un rotor et un stator caractérisé en ce que - le rotor est constitué par un nombre k de disques mécani quement solidaire d'un axe central de rotation, chacun de ces disques étant munis d'un nombre m d'éléments métalliques disposés radialement et régulièrement espacés d'un angle 2)t/m - le stator est constitué par l'élément selfique de détection d'un nombre n de détecteurs de proximité, ces éléments se1.fiques de détection étant disposés en regard des éld- ments métalliques des disques précédents, le décalage élec trique relatif ss de ces éléments selfiques de détection étant constant et égal à o /n et en ce qui comporte des circuits électroniques de traite ment des signaux de sortie des n détecteurs de proximité, ces circuits comprenant n différentiateurs reliés respec tivement aux n détecteurs de proximité et un opérateur logique du type OR dont les entrées sont reliées respecti vement aux n diférentiateurs. 2. Capteur d'angle selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments selfiques de détection sont constitués par des pots en ferrite dans lesquels sont placés des bobinages. 3. Capteur d'angle selon la revendication 1, caractérisé en ce. que les éléments métalliques des disques rotatifs sont constitués par des tiges de métal. 4. Capteur d'angle selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments selfiques de détection sont supportés par des structures alvéolaires. 5. Capteur d'angle selon la revendication 1, caractérisé en ce que, par construction, il est intégré à la structure d'un organe rotatif. 6. Capteur d'angle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est relié à un convertisseur fréquence/tension. 7. Capteur d'angle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est relié à un compteur d'impulsions.