Brevet FR2608279A1 — publié le 19880617

DISPOSITIF CAPTEUR DE COUPLE La présente invention a pour objet de nouveaux dispositifs capteurs de couples ou plus généralement de contraintes sur pièces tournantes. Lorsqu'on place des capteurs de l'art antérieur sur une pièce tournante, par exemple sur un arbre tournant, le problème le plus complexe est celui du transfert de l'information entre capteur monté sur élément mobile et channe de mesure fixe. Les solutions jusqu'à présent proposées présentent toutes des inconvénients majeurs. On a utilisé des contacts glissants à bagues ou à balais: ils permettent seulement le passage de courant continu, présentent une résistance de contact non négligeable, et sont sensibles au variations de pression entre éléments en glissement relatif et aux vibrations, d'où des usures mécaniques. On a également eu recours à des transmissions électriques à éléments tournants de type capacitif (condensateur tournant) ou inductif (transformateur tournant); cette solution supprime l'usure mécanique mais impose de travailler avec des signaux alternatifs. Par ailleurs, en ce qui concerne les capteurs eux-memes, on a proposé diverses solutions présentant des inconvénients tels qu'ils ne peuvent être retenus pour des applications données. Les jauges de contraintes désormais classiques sont collées sur la pièce, l'arbre tournant par exemple. Elles sont montées en pont ce qui implique, d'une part, l'alimentation en continu de l'une des branches du pont et, d'autre part, la transmission du signal en tension qui en résulte aux bornes de l'autre diagonale du pont. D'où des précautions délicates à prendre pour éviter couplage entre alimentation et lecture. Par ailleurs, la sensibilité relativement faible des jauges entratne soit l'amplification du signal issu du pont avant transmission, soit le redimensionnement de l'arbre pour parvenir à une amplitude satisfaisante ce qui est, en tous cas, cause de complications. Qui plus est, l'introduction d'une barre de torsion limite la bande passante d'un système asservi en ajoutant un retard dans la channe directe.On comprend l'importance d'un tel inconvénient pour une direction asservie électrique de véhicule, par exemple. On peut également recourir à des solutions telles celle faisant l'objet de la demande de brevet français 2 563 795 du 3 mai 1984 au nom de la déposante des présentes et intitulée "Capteur de couple pour direction assistée". Dans ces dispositifs de direction assistée électriquement, un arbre de direction primaire est commandé manuellement par le volant; un arbre de direction secondaire commande le bottier de direction; le capteur mesure le couple relatif entre les deux arbres, et émet des signaux qui commandent un servomoteur entraSnant l'arbre secondaire; de plus, un train épicycloïdal interposé entre arbres a son élément fixe immobilisé en rotation par un corps d'épreuve élasticimétrique non rotatif.Ce dispositif présente l'avantage de la liaison directe entre pont du capteur et channe de mesure, mais une partie du couple utile est prélevée en vue de la mesure, ce qui constitue un inconvénient; plus encore, le coût et l'encombrement du train épicycloldal aggravent les désavantages de ce dispositif. On a également proposé un autre type de solution dans le brevet francais 2 549 955 du 29 Juillet 1983 au nom de la demanderesse des présentes et intitulé "Capteur de déplacement angulaire, notamment pour la détection du couple dans les directions assistes". Ce type de capteur de déplacement angulaire et/ou par analogie de couple sous contact est constitué de quatre disques coaxiaux pouvant tourner relativement l'un par rapport à l'autre de l'angle à détecter, leurs faces en regard présentant un nombre pair de spirales planes conductrices bobines alternativement dans un sens et dans l'autre, leur induction mutuelle variant selon la position angulaire respective des disques. En fait ce type de dispositif est, pour être schématique, constitué par deux transformateurs tournants, l'alimentation se faisant au primaire de l'un et l'émission des signaux au secondaire de l'autre, ces deux éléments étant fixes, les autres bobines étant solidaires d'une barre dont l'angle de torsion modifie le couplage des bobines. Ce capteur est peu encombrant et sans contacts tournants; mais le réglage de zéro malaisé et la sensibilité aux parasites mécaniques (tels que ceux résultant de la flexion de l'arbre) en sont les principaux inconvénients. On remarquera d'ailleurs que, dans ce domaine technique, l'introduction d'une barre de torsion dans une channe crée le plus souvent des problèmes. Il convient également de mentionner dans l'art antérieur les capteurs de couples à effet magnétostrictif (par exemple EP 82 104 636.4 SEIKI; EP 84 308 792.5 TOSHIBA; EP 85 107 997.0 TRW). Les dispositifs décrits dans de tels documents présentent des inconvénients majeurs. En ce qui concerne le brevet TRW par exemple, l'élément sensible c'est-à-dire le matériau dont on va mesurer les variations de caractEris- tiques magnétiques est l'arbre massif lui-meme (fer doux, nickel, etc...). Dans ce cas, l'arbre joue deux rOles: l'un mécanique puisqu'il doit transmettre le couple et etre par conséquent suffisamment rigide, l'autre magnétique, ce qui se traduit généralement par une incompatibilité entre bonnes caractéristiques magnétiques et mécaniques d'où la nécessité de trouver un compromis. De plus, les arbres réalisés dans la masse sont magnétiquement anisotropes, l'anisotropie étant inhérente à la fabrication du fait des contraintes internes et des orientations cristallines. Dans ces conditions, une bobine de lecture se trouve doublement influencée par ces effets d'anisotropie superficielle et interne de l'arbre d'où l'introduction de risque d'erreurs. Selon d'autres brevets tels ceux cités ci-dessus, on résout ce problème en recourant à des éléments sensibles rapportés sur l'arbre et constitués par des rubans amorphes (en Fe, B, Si ou dérivés notamment) obtenus par trempe ultrarapide, par exemple par jet sur rouleau simple, d'où le recours à des opérations de collage sur l'arbre classique (à l'araldite et au durcisseur par exemple) mais difficilement répétitive d'où une dispersion dans les réponses des capteurs. La présente invention a donc pour but de résoudre les problèmes posés dans l'art antérieur et d'en éviter les inconvénients, en apportant une solution satisfaisante grâce à un dispositif simple, robuste, fiable, peu sensible aux parasites, de faible encombrement et de prix de revient réduit. Les capteurs conformes à l'invention font appel à la magnétostriction, c'est-à-dire à la particularité des substances ferromagnétiques dont les propriétés mécaniques (contraintes et dimensions) et magnétiques sont interdépendantes. Ainsi, un champ magnétique entratne des variations dimensionnelles et géométriques et/ou mécaniques (comme la variation du module de Young par exemple). Inversement, toute contrainte entratnant une modification géométrique et/ou dimensionnelle modifie la courbe d'aimantation.On peut mesurer, par exemple galvanométriquement, les variations de caractéristiques magnétiques telles que la permGabilit ou l'induction rémanente. Grace à de telles mesures, on peut donc indirectement mesurer forces, couples, et plus généralement contraintes mécaniques. A la figure 1, on a représenté, pour un corps ferromagnétique du commerce (type 2605 SC Naturel produit par Allied Corporation), les divers cycles d'hystérésis selon les contraintes et leurs orientations. Ces courbes de forme générale classique donnent l'induction (ou la densité de flux magnétique) B en teslas (T) en fonction du champ H en ampères par mètre (A/m). Les courbes 1 et 2 correspondent à des contraintes orientées parallèlement au champ d'une valeur respective de 18 et de 3 daN/mm2, la courbe 3 correspond à l'absence de contrainte, les courbes 3 et 4 à des contraintes orientées perpendiculairement au champ d'une valeur respective de 9 et de 18 daN/mm2. Ces courbes sont suffisamment distinctes l'une de l'autre pour que l'on puisse, grâce à la mesure de l'une des valeurs caractéristiques, en déduire la valeur des contraintes et méme leur orientation. Le matériau retenu pour constituer le capteur doit, conformément è l'invention, présenter dans toute la mesure du possible une forte magnétostriction, une saturation importante à l'aimantation et un faible champ coercitif. Quand on compare les propriétés des métaux, des verres et des produits appelés verres métalliques, on constate que ces derniers présentent des propriétés convenant particulièrement aux applications conformes à la présente invention: leur remarquable rigidité, leur ductilité, leur grande dureté, leur limite de rupture élevée, leur résistance à la corrosion, leur opacité, leurs conductivités (thermique et électrique) élevées et les nombreuses possibilités qu'ils offrent dans le domaine du magnétisme font, des verres métalliques, les matériaux sinon idéaux du moins exceptionnellement adéquats.Selon l'invention, on retiendra également particulièrement les alliages amorphes de fer, de bore et de silicium. Comme on le verra dans les exemples de réalisation ci-dessous décrits, les capteurs conformes à l'invention sont essentiellement constitués par un ou plusieurs éléments ferromagnétiques présentant de bonnes caractéristiques de magnétostriction, fixés sur les pièces mobiles dont on cherche à mesurer les contraintes et, en particulier, les couples auxquels elles sont soumises, les variations résultantes des caractéristiques magnétiques étant utilisées pour induire un courant dans une ou plusieurs bobines de détection disposées à proximité desdits éléments et de préférence entourant les pièces mobiles, notamment dans le cas important des pièces tournantes. Ces éléments ferromagnétiques pourraient, par exemple, se présente sous forme de minces rubans collés sur la pièce mobile. Ainsi, des verres métalliques tels que le 2605 SC d'Allied Corporation ci-dessus nommé à propos de la figure 1, ou Vacuumschmelze Vitrovac 7505 se présentent sous forme de rubans d'une épaisseur de l'ordre de 50 um que l'on peut coller de façon classique à l'araldite avec durcisseur. Mais, comme on l'a fait remarquerçi-dessus, le collage présente l'inconvénient d'une reproductibilité trop irrégulière, si l'on ne prend pas certaines précautions. Conformément à l'invention, on a donc cherché à élaborer des couches minces magnétiques amorphes présentant des caractéristiques magnétiques proches de celles des rubans (2605 SC Allied ou 7505 Vacuumschmelze). Ces solutions proposées conformément à l'invention doivent mettre en oeuvre une technologie reproductible et un matériau à bonnes caractéristiques; en particulier, sont hautement souhaitables: - une forte magnétostriction, - une aimantation à saturation élevée, - un faible champ coercitif, - un bon comportement à la température, c'est-à-dire essentiellement une température de Curie élevée, - une bonne résistance à la corrosion. Conformément a l'invention, on procède par pulvérisation et plus particulièrement par pulvérisation cathodique radiofrSquence: ce procédé met en oeuvre le phénomène d'éjection de matière à partir de la surface d'un matériau formant cible lorsque celle-ci est bombardée par un flux de particules énergétiques telles que des atomes ou des ions. Les différents composants de cette cible sont ainsi pulvérisés dans une enceinte sous vide et sont recueillis par l'anode ou toute autre pièce à recouvrir. La couche ainsi déposée est amorphe du fait de la rapidité avec laquelle les molécules passent de l'état gazeux à l'état solide, ce qui empêche toute migration atomique. Pendant cette pulvérisation, la pièce ou le substrat est refroidi. La mise en oeuvre de cette technologie est relativement simple et les couches déposées présentent une adhérence au substrat équivalent à une soudure du fait de l'importante énergie des particules. En ce qui concerne la composition de la cible, conformément à l'invention, on se base sur des matériaux à base de fer, de bore et de silicium dans des proportions de préférence comprises entre 75 et 80% pour le fer, entre 20 et 25% pour le bore et le silicium. Par exemple, avec une composition de l'ordre de 76,3% de fer, 17,1 de bore et 6,6% de silicium, on obtient des caractéristiques particulièrement remarquables. L'adjonction d'un léger pourcentage de chrome (de 0,5 à 5% et de préférence de 1 à 3%) permet draméliorer la résistance à la corrosion sans porter atteinte aux caractéristiques magnétiques. De plus cette technologie d'élaboration permet d'utiliser un substrat intermédiaire, par exemple du type polyimide analogue à ceux utiliser pour les jauges de contraintes. Un second avantage de ce mode d'élaboration est qu'il permet d'induire lors du dépit une anisotropie magnétique dans le plan de la couche et favoriser ainsi un axe de contrainte. Lorsqu'on dépose les couches et en particulier lorsqu'on les dépose directement sur l'arbre, il faut prévoir une topologie de dépit particulière comme cela sera indiqué ci-dessous, le dépôt se faisant de préférence sur l'arbre en rotation en utilisant des masques permettant de délimiter la surface géométrique de dépôt. Pour mieux faire comprendre les caractéristiques techniques et les avantages de la présente invention, on va en décrire des exemples de réalisation étant bien entendu que ceux-ci ne sont pas limitatifs quant à leur mode de mise en oeuvre et aux applications qu'on peut en faire. On se reportera aux figures suivantes en plus de la figure 1 déjà décrite cidessus: : - la figure 2 représente schématiquement en coupe longitudinale partielle un arbre de transmission équipé d'un disposi tif capteur conforme à l'invention; - la figure 3 représente schématiquement un diagramme bloc de l'en semble électronique d'alimentation et de lecture du dispositif capteur de la figure 2; - les figures 4 et 5 représentent des courbes de réponse du dispositif capteur pour des variantes topologiques des couches minces sur l'arbre de la figure 2; - la figure 6 représente schématiquement le diagramme bloc d'une variante de réalisation de l'invention avec des couches minces à 90 ; les unes des autres. - la figure 7 représente schématiquement l'application de dispositifs conforme à l'invention à un ensemble de direction de véhicule automobile. Sur la figure 2, est représenté partiellement un arbre de transmission 1 muni d'éléments 2 constitués par des couches superficielles en matériaux amorphes déposés par exemple comme mentionné ci-dessus. Ces couches peuvent affecter la forme de rubans enroulés en hélice. On peut envisager un ruban unique ou des rubans multiples enroulés de préférence à égale distance les uns des autres. Dans des blindages extrémes feuilletés 3 et dans le blindage latéral 4 qui la protègent des perturbations du milieu extérieur, est montée au moins une bobine 5 enroulée sur un support 6 non magnétique. Cet ensemble de détection constituée par la bobine 5, son support 6 et ses blindages 3 et 4 est mont fixe dans un corps d'assemblage constitué par exemple par des pièces annulaires 7 reliées par des tiges filetées 8 avec écrous de serrage. On peut prévoir par exemple trois tiges 8 disposées 120C autour de l'axe de l'arbre 1 dont deux sont hors du plan de la figure 2. Des roulements à billes 9 ou équivalents assurent la rotation relative entre arbre muni de ses couches amorphes d'une part, et ensemble de détection d'autre part. Des dispositifs de butée 10 adéquats assurent le maintien longitudinal entre arbre 1 et roulements 9. A la figure 3, est représenté schématiquement un diagramme bloc de circuit d'alimentation et de lecture du dispositif capteur. L correspond à une bobine de détection telle que 5 (figure 2). Elle est en série avec une résistance de référence R entre la masse et la sortie d'un ensemble constitué par un oscillateur OSC définissant la fréquence, de préférence de l'ordre de 10 kHz, suivi d'un amplificateur AMP qui définit le niveau de courant, par exemple de 0,001 à 2 A, de préférence de l'ordre de 0,05 A. Entre les bornes de la bobine L est monté un détecteur de phase DETo dont la sortie est significative du couple, comme on le verra ci-dessous. A la figure 4, sont représentées les variations de phase détectes en DETç en fonction du couple C pour deux couches amorphes sous forme de rubans parallèles à l'axe longitudinal de l'arbre. Dans ce cas, que l'arbre tourne dans un sens ou dans l'autre, la courbe reste la meme. A la figure 5, on se place dans le cas de deux rubans enroulés hélicoidalement. On distingue alors deux courbes de variation de la phase en fonction du couple C selon le sens de rotation de l'arbre. La figure 6 représente schématiquement un diagramme bloc dans le cas de deux couches hélicoîdales montées à 90" l'une par rapport à l'autre et a 45" par rapport à l'axe de l'arbre. Ceci permet d'obtenir non seulement les informations sur le couple mais également sur le sens d'application du couple. On peut également détecter une anomalie ou un accident par comparaison du rapport entre signaux obtenus et valeurs issues d'un étalonnage, ce qui permet de valider ou non la mesure. Sur cette figure 6, on retrouve deux circuits identiques à ceux de la figure 3, l'un s'appliquant à une bobine de détection L1 (tous les éléments de circuit correspondant portent le même indice 1), et l'autre à une bobine L2 (tous les éléments de circuit correspondant portent le même indice 2). La bobine L1 détecte par exemple l'application du couple dans un sens et la bobine L2 l'application dans l'autre sens (respectivement à droite et à gauche, par exemple). Les tensions de sortie S1 et St des détecteurs de phase DITO1 et DITO2 sont appliquées à un calculateur CAL soustracteur dont le signal de sortie donne à la fois la grandeur du couple et son sens d'application. Il convient de donner les bases du fonctionnement du capteur. Lorsqu'un couple C est appliqué a un arbre de diamètre d, la contrainte o en surface est: (pour un arbre plein) 16C 0 = ndj Cette contrainte est donc appliquée à la couche magnétique dont la perméabilité u croit avec la traction et décrott avec la compression (figure 1). On peut exprimer sensiblement ces variations sous la forme u = k1 + k2o où k1 et k2 sont des constantes, d'où Les variations de perméabilité magnétique en fonction du couple sont détectées à l'aide d'au moins une bobine dont le noyau est constitué par l'arbre de transmission lui-meme, portant les couches minces (cf. figure 2). Le blindage minimisant les courants de Foucault, la valeur de l'inductance L d'une telle bobine peut être exprimée de façon simplifiée sous la forme: L = H.n2.1.nr2 dans laquelle: est la perméabilité; n le nombre de spires par unité de longueur, 1 la longueur de la bobine; r son rayon intérieur et donc rr2 sa section intérieure. Or, deux paramètres électriques jouent un roule important, le niveau du courant dans la bobine et sa fréquence. Ce niveau de courant I définit le champ magnétique H qui traverse les couches minces. H =~nl I I o où n et 1 ont les significations ci-dessus, et 10 est la longueur parcourue par le champ. La définition du courant I entratne celle du champ H et donc la position sur la courbe de la figure 1. Par ailleurs, le réglage de la fréquence 6 permet de minimiser l'influence de l'arbre par rapport aux couches minces, car la profondeur 6 de pénétration des lignes de champ est donnée par: 6= Jr,ycis où r est la conductivité et u la perméabilité. Par conséquent, plus augmente la fréquence , plus diminue la profondeur de pénétration p, ce qui permet d'optimiser la sensibilité du capteur. Le déphasage entre tension aux bornes de la bobine et courant qui la traverse, s'exprime par: = Arc tg où L et R correspondent à la figure 3 (ou 6). Le détecteur DET donne une tension S proportionnelle à fonction de L, elle-même fonction de la perméabilité et du couple. La figure 7 représente schématiquement l'application de dispositifs conformes à l'invention tels celui des figures 2 et 3 à l'ensemble de direction d'un véhicule automobile. Le volant V entratne en rotation le pignon du dispositif à cré maillère K qui assure la transmission de la direction aux roues RARB par tout moyen adéquat. L'ensemble capteur CAP, tel celui de la figure 2, est monté sur l'arbre de direction, et est relié à l'électronique EL telle celles des figures 3 ou 6, qui commande une électronique de puissance P. Cette électronique de puissance alimente le moteur M à partir de la source d'alimentation B. Le moteur M agit sur la commande de direction des roues RARB, ce qui assure l'assistance voulue à partir de la grandeur et du sens d'application du couple captés en CAP. REVENDICATIONS 1.- Dispositif capteur de couple pour arbre de transmission, caractérisé par le fait qu'au moins une couche mince (2) magnétique amorphe est solidaire de la surface de l'arbre (1) monté à rotation dans au moins une bobine (5) dont l'inductance (L) varie avec la perméabilité de la couche (2) variant elle-même avec le couple (C), la bobine (5) étant alimentée par un oscillateur (OSC) et un amplificateur (AMP) assurant le réglage du niveau du courant (I) et de sa fréquence (f) dans ladite bobine, tandis que le déphasage () entre la tension aux bornes de la bobine (L) et l'intensité (I) qui la traverse est fonction de ladite inductance (L) et est détecté par un détecteur de phasedont la tension de sortie (S) est fonction du couple (C). 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque couche (2) est constituée par un ruban amorphe. 3.- Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'au moins une couche (2) est disposée parallèlement à l'axe de l'arbre (1). 4.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'au moins une couche (2) est disposée hélicoïdalement sur l'arbre (1). 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que plusieurs couches sont disposées hélicoidalement à égales distances les uns des autres. 6.- Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé par le fait que des couches hélicoïdales sont disposées à 90" entre elles. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les couches (2) hélicoïdales sont disposées à 45" par rapport à l'axe de l'arbre (1). 8.- Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait qu'au moins deux bobines (L1, L2) détectent chacune selon un sens d'application du couple (C) et sont associées à un circuit comprenant oscillateur (OSC1, OSC2), amplificateur (AMP1, AMP2), détecteur de phase (DET1, DETo2), les tensions de sortie (S1, S2) des détecteurs de phases étant recues par un calculateur (CAL) soustracteur. 9.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que chaque bobine (L, L1, L2) est en série avec une résistance (R, R1, R2) de référence, l'ensemble étant monté entre la sortie de l'amplificateur (AMP, AMP1, AMP2) et la terre. 10.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'au moins une couche est métallique. 11.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'au moins une couche est un verre métallique. 12.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait qu'au moins une couche est collée à la surface de l'arbre (1). 13.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'au moins une couche (2) est appliquée sur la surface de l'arbre (1) par pulvérisation. 14.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que les couches (2) sont pulvérisées sur un substrat rapporté ensuite sur l'arbre par collage. 15.- Dispositif selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé par le fait qu'au moins une couche est appliquée par pulvérisation cathodique radiofréquence. 16.- Dispositif selon l'une des revendications 13 à 15, dans lequel lue matériau utilisé pour la couche est à base de fer, de bore et de silicium. 17.- Dispositif selon la revendication 16, caractérisé par le fait que les proportions respectives du fer, du bore et du silicium sont de 75 à 80% pour le fer, et de 20 à 25% pour le bore et le silicium. 18.- Dispositif selon l'une des revendications 16 ou 17, caractérisé par le fait que les proportions respectives du fer, du bore et du silicium sont de l'ordre de 76,3% de fer, 17,1% de bore et 6,6% de silicium. 19.- Application du dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, à l'assistance à la direction de véhicules.