Brevet FR2723636A1 — publié le 19960216

@CPIH]R PNf/IAIRE A B2l NT IC ULLIaIE SEI.CN SON AXE DE IJLI.S la présxte invention concerne le duaine des capteurs de grardeur phyiq4e arieitée, et rntanmt oelui des captairs dechm mantqe la préseite irm oition cOnrne plus particulièremext les capteurs poexklaires, c'est-à- dire d capta= conprenant, un système pOrUlaire sur lequel est disposé au tooins un déteteur, uoe carte électsraique, et des fils électriq.es pour crrmter le détectater à la carte élec tra que. Ie rôle du systèe pdlaire est d'orieiter le déctectur de la graxder physique. Plus e5otemet, un systèm ençdulaire à deux degrès de liberté (un axe de rculis et un axe de tangag) permet de raintenir le déteateur dans un plan hxirizcrntal constant. Un systeme peIaair à un seul deré de liberté (un axe de roulis uniqet) penret de l'orienter dans une directicn constante, relativement au capteur. L'inx rwriient prircipal de capteurs prWiEnt de la préss.'e des fils électrJique, qui sait pourtant indispables pour réaliser de façon simple ure uoexiain Etre le detcteur, qui est mobile, et la carte elecriice du capteur, qui est fixe et ne peut être montée sur le systme pendulaire. En effet, ces fils éleatriq.e entravent la mécanique poexlaire et limitent les perfcmmxs de capteurs, urneL ela Sera mieux compris au moyen de 1'Eexple illustre par la figure 1. La figure 1 rprésente une vue eclatée d'un pOE--aare 20 classi ue à deux cers de liberté, permettant de détecter leS des x CxOeanrtes hxriZaitales du champ magntique terrestre. Les utilisaticrs pxsibles de ce détecatr srxt la ditrmirkticn d'un cap, d'ure orientation, au tout simplemeit la meure d'un chaup xantiqu local. Fur example, ce mrtarÈtre est utilise dans le dcbaine de la rechrche pétrolière sous-marine, o l'on detecte la presence de nappes pétrolifères en mesurant les é cs d'une explosion. La mesure se fait au mcyen d'hyrcphxre acroches à un câble sous-marin reor par un navire. Omme on a besoin de c. rraitre avec une grande precision 1'orientation des hydrophones, et que le câble est susBeptible de se 2 2723636 tordre, de se vriller..., an répartit sur le câble, à intervalles régliers, plusieurs de type. Le taètre 20 est éipé de deux déte s de dranp m Rétiqfe 1, 2, disosés pçerpexiiculairement, cau détêeter étant affecté à la mesure de l'u de deux crpsante hcrizantale du dcamp mntig terrestre. Les détetrs 1, 2 sont it sur un suort pedlaire 3 doublem3it articulé grâoe à un système à la Cardan, et mainteou hurizantal par une masse de rappel 4. Le support 3 est solidaire d'un prunier axe 6-1 guide en rotation par des paliers à roulements (à o10 billes, à aiguilles au autres...) portés par un cadre 7. Le cadre 7 est lui-mmne solidaire d'un deuxiime axe 6-2 guide par des paliers à roulements portes par le châssis 8-1 du capteur. Par la silte, on appellera par ocrvention axe de roulis l'axe porté par le châAssis 8 du capteur, ici 1 'axe 6-2, et axe de tangage l'axe interndiaire 6-1 porté par le cadre 7, les deux axes étant orientés selon des dirctiocns AA' et BB' perpexiolaires. Le capteur est enfermé dans un boîitier étanche 8 rempli d'une huile amartissante et lubrifiante. Le cbhâassis 8-1 foane la partie supérieure du boîitier 8 dont la partie inférieure est une pièoe 8-2 en fanime de nbol, recevarnt l'ensemble du dipositif ptrdulaire. Les deux ditecaurs 1, 2 sont reliés à une carte électrnique 10 externe fixée sur le dessus du chssis 8-1, au moyen de fils ccrrxJuers 5 traversant le châssis de maniere étanche. A l' intérieur du boîitier, les fils doivent prFsenter e lcrnger suffisante pour ne pas empicher le sp.çrt 3 d'atteindre la position horizrtale garnd le boîitier est incline. Par aillers, pour cbtenir une tres bonre précisiaon dans le poeiticrmnent Ihorizcntal, il est préférable que les fils 5 présetent ue rigidité et une osse a;ri faibles que possible. Ainsi, il est habitul d'utiliser des fils trs fins à fibres de cuivre tressées, guips dans ue fibre syntétiq de polyester. aitefois, ces précautions ne perettt pas de pallier à 1' inuriet principal de oe dispositif, qui est que le dattement angulaire du sçupport pencllaire 3, relativeient au boîtier, est fortemt limité par la preseneo des fils. En thérie, l'inclirnaison maximale envisageable du capteur selon l'axe de roulis est de + 180 par rapport à la position verticale. EI pratique, les valeurs d'inlirnaison maximale 3 2723636 sont bien inférieures, car on sait que cela prosvquerait, à la longcrue, une usure ecessive des fils et dimiruerait la fiabilité du captieur. C'est pourquoi le capteur 20 représente en figure 1 est conçu de manière que la masse pedilaire 4 viene buter contre le bol 8-2 en cas de forte inclinaison du capteur, ce qui orrespnd à une rotation nmadum en tangge de 120 (soit + 60 ). Pour la mêmne raison, le cadre 7 vient buter crntre le dchâssis 8-1, oe qui corresprnd à une rotation maximum en roulis également de 120 . Dans de no'breuses applications, la limitation en tangage peut être tclérée, mais la limitation en roulis rqprésente une contrainte ebrrassante. Par example, dans le Ces de 1 'application préamxt évoque, on souhaite un capteur qui ait une possibilité de rotation illimitée selon l'axe de roulis, car le câble qui parte desmr trs peut se vriller et les capteurs effectuer plusieurs rotations complètes. Cn voit que le capteur clasique n'est pas adapté à de telles conditions de foncticoement, puisque le système pendulaire peut se retrouver en butée et ne plus pouvoir atteindre la position horizontale. Dans d'autres applications, une possibilité de rotation superieure à 120 serait prférable, qu'elle soit illimitée ou nrn. Ainsi, un objectif geral de la présente invention est d'aélioarer les possibilités en rotation, selon l'axe de roulis, des capteurs podlaies. Un objectif particulier de la pr-ésente invention est de prevoir un capteur à rotation illimitée selon son axe de roulis. PUr résoudre e prcKblèm, une solution que l'hLame du métier pourrait eisager serait de monter sur l'axe de roulis un collecteur tournant, cmm ue a e tr e dans oertairns tars électriques, et de venir prendre l'information électrique au nmoyen de balais frotteurs. Toutefois, cette soluticn n'est pas satisfaisante cor le frottement dec alais cxrtre les bagues métallique du collecteur creerait un couple resistant au moins oent fois supérieur au couple resistant de paliers à roulemint. Il en resulterait une erreur de positionnement à l'horizontale indisible pour un capteur de grande précision. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un capteur pendulaire cxxrpr ant un collecteur tournant, mais dont la précision 4 2723636 d'lxrizcrtalité n'est pas affectée par le frottemernt de balais crxtre des bgues du ollecte tournant. Pour atteidre ces objectifs, la préfsente invention prévoit un capteur cmprenant un praemier système perUlaire articulé selon un premier axe, portant au minse un détecteur, un cduxim fil.s électriqus crnnectant des brnes du étecteur aux hbaes. Selon un mode de réalisation, les premier et deux.ième axes sont liés en rotation par un système de couplage rTcaniue présentant un jeu arngulaire 'prééterxnin, le jeu anrc2laire étant choisi de telle sorte que le premier système pendulaire est, au voisinage de sa position de repos, indapErbnt du deuxime système perulaire. Selon un made de réalisaticn, le système de cxuplage comprend une piè'e en forme de fourdhette, fixée sur un prolcraement du premier axe, un doigt solidaire du deuxième axe, logé entre des ranches de la foaurhette et d'épaisseur sensiblement inférieure à la distance entre les brarhes. Selon un mode de réalisation, le capteur est monté dans un koltier comprenant une première cavité étanche, remplie d'un fluide visquceux, dans laquelle se trouve le premier système perdulaire, une cdièmre cavité étanche, comuniquant avec la première cavité, dans laquelle débouche le prolaongement du premier axe, et oa se trouve le système de couplage, une troisimre cavité dans laquelle deAbouche, par l' intermédiaire d'un joint d'étanchéité, le deuxième axe, et o se trouve une carte électronique cectée à des balais frottant cXLtre les bagues Détalli;qs. Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième axes sont creux et traversés axialement par les fils électriques. Selcn un mode de réalisation, le premier système pertilaire cr:prend un cadre solidaire du premier axe, et un suLpprt pour le déteteur, solidaire d'un autre axe porté par le cadre perpendioulairement au premier axe. Oes objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente iv ontic apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, faite à titre non limitatif, d'un mode de rélisation particulier d'un capteur de champ t secl 1'ir&mnticr, en relation avec les figures jointes parmi ls?lles: - la figure 1 r spensuite un IL tcmLtre parkfai classique et a été dcrite tr - - 1t, - la figure 2 est une vue eclatée de la partie xmécanique d'un apteur penJulaire selan la présente nweticn, - la figure 3 r.résexte une partie du capteur de la figure 2, - la figure 4 est une vue en coupe repr-sntant le capteur de la figure 2 mornte dams un boîtier. Ia figure 2 rerésete par une vue eclatée la partie mécanique d'un capteur parc1aire 60 selcn la présente inventicn. Le capteur 60 est un m pentcitree à deux degres de liberté et caiprend, cocue le capteur classique reorente en figure 1, deux dcteters de dcamp magretique 21, 22 disosés pMDerdicu!lairJent l'un par ragxort à l'autre S un sçpcrt pendulaire 23, maintenu hlrizcntal grâc à une àasse de rapel 24. Le supprt 23 est solidaire d'un axe de tangage 25 d'crieciatioen H' gidé en rotation, à ses trites, par deux paliers à roulements 26-1 et 26-2 portés par un cadre 27. Le care 27 est lui-méme solidaire d'un axe de roulis 28 d'orientation AAI' perpediculaire à fB', guide à ses extrénités par dewc paliers à riulaiets 29-1, 29-2 partés par le châssis di captair, qui n'est pas représeté en figure 2. L'ensemble qui vient d'être c]rit foroe un systèe pecllaire de dtecticrn 30 de type classique. Selon une première cratéristique de l'irnvertian, le captaur 60 campru, en cutre un deaxie système pedJlaire 40, articulé grâe à un axe 41 disposé selon AA' dans le prolongemet axial de l'axe de raulis 28. L'axe 41 est porté dans sa partie centrale par deux paliers à raularent 42-1, 42-2, disposés côte à côte. A une extrémité de l'axe 41, en regard de l'axe de rtulis 28, le système peilaire 40 cxmprend une masse de rappel 43, suspendxi de façrr rigide à l'axe 41. Etant dckrr le crrtrep>ids que rerésete la masse de rappel 43, le systère 40 se trcuve sensiblement En porte-à-faux et il est prévu un certain es rmt eitre les deux paliers 42-1, 42-2, afin d'éviter des efforts trcp imJprtants le lcng de l'axe 41. A son autre extrémité, l'axe 41 curpirte des bagues 6 2723636 nta11iqoes 44 cocpèrart avec un enemile de balais frattears 45 fixes et solidaires dU chassis dur capteur. Ce dcuxième système 40 forme un collectez peduLaire qui réxe l'avantage d'être autoanme vis-à-vis du systâue pexnulaire 30. On peut déjà, grâoe à oette première caractéristique de 1' imneticn, raiser un capteu pedulaire présentart uns pssibilitê de rotation étúrdoe. Il saffit de relier les détecteurs 21, 22 aux beages 44 du oollecteur periflaire 40 au mpyens de fils électriques, et de crr-nter les talais 45 à une carte électronique. Quarid le captar va basculer, le oollecteur 40 va un u'e position angulaire qui est l'image de la position ancullaire du systàmr de détection 30, de sorte que les fils ne subircrt auue torsion. Eh outre le frottement des helais 45 sur les bagues 44 du oollecteur 40 sera sarn effet sur le systè peçrdulaire 30, puis ue les dex système sont indépendants. Toutefois, comme il ne peut pas exister de rcyess immatériels pertettart de maintenir les divers paliers 29-2, 42- 1, 42-2, les fils vwnt tôt au tard, lors de rotations impirtantes, se hszrter à d élarents qui pxrtent les paliers. Airsi, selon une nd.xièm caractéristique apticr,,elle de l'iinenticn, les axes 28 et 41 sait creux, et le cadre 27 carporte un crifioe 27-1 permettant d'acxdir à l'intérieur de l'axe 28. Il est d&c possible de faire passer dus fils dans l'axe 28, puis dans l'axe 41, jsqu'à atteindre les bagues corrKitrices 44. Eh combirkaisa avec la premire caractéristique de l'invention, une telle disposition permet de réaliser un capter à rotation illimitée selon l'axe de roulis. Cet avantage apparaîtra plus clairement lors de la dscription de la figure 4. Selon une troisième caractéristique optionnelle de l'invention, qu'il est crreillé de prévoir si le captour risque d'être souis à des rotations brutales, une extrénité 28-1 de l'axe de roulis 28 du système perndlaire 30 se prolonge sensiblement au-delà du palier 29-2, en direction de l'axe 41 du collecttur 40. LUe pièce en fonte de fourchette 46, comportant deux kranc es 46-1 et 46-2 orienté vers le bas, est fixée solidairement à l'extrémité 28-1. Par ailleurs, la masse de rappel 43 du collecteur 40 est accrocé à l'axe 41 par l'iriterm6diaire d'une pièee 47 en forme de T renversé orienté axialanent, une branche du T formant un doigt 48 venant se loger dans la fourdhette 46. 7 2723636 Ainsi, la pièe 47 en T et la frdcette 46 forent un systèe 49 de cuplage n'mniqe du collecteur tounant 40 au système perulaire 30. L'epaisseur du doigt 48 étant sensiblemarent inférieure à la distanoe sparant les bram-es 46-1 et 46-2, il subsiste un jeu qui confère à hacun des dispitifs pedulaires 30 et 40 une lierté anulaire O autour de leurs positions d'equilibre. Oela est illustré par la figure 3, qui représente par un vue axiale selon AA' la fourchette 46, la pièe_ 47 en T, ainsi que l'arngle O. on voit que si le capteur bascule brutalement selonc AA', celui des deux systèmes perdulaires 30, 40 qui va pivoter le premier va entralner l'autre. Par contre, lorsque après le sculrement les systè se raxprochent ou atteignent leurs positions de repos respectives, ils redeviennent indépendants. De cette manière, le frottemrent de alais 45 sir les bagues 44, qui fausse inrvitablement la position de repos du collecteur 40, reste sans effet sur la position de repos du système de détecticn 30. Bien entendu, l'hrmme du métier devra dchoisir, en foc-tion de l'intensité des frces de frottement agissant sur l'axe 41, une masse de rappel 43 qui soit suffisante pour que la position de repos du ollecteur pendulaire présente, par rapport à la position de repos du système penuilaire 30, un écart angulaire inférieur à l'angle O. Siran, les deux systèmes resteront couples mecaniuement au repos. En outre, l'homme du rmétier pourra réaliser de diverses autres manières le syste de couplage 49, par exemple au moyen d'un engrenage calprenant deux pigrnrn dentés solidaires dchacun d'une extrémité d'un axe, et une rcue dentée de liaison errenat avec du jeu les deux pignonrs. Mais l'intérêt du mode de réalisation proposé est que la pièce 47 sert à la fois au couplage arnulaire, grâce au doigt 48, et à la fixaticn de la masse 43, d'o un gain en eorsen du system. La figure 4 représente par une vue en coupe selon AA' 1' intégralité du capteur 60. La partie rrcaniqe rerésentée en figure 2 est montée dans un boîtier 50 de forme cylindrique cmirenant trois cavités cylindriques 51, 52 et 53 délimitées par les flasques avant 54 et arrière 55 du boîtier, et deux cloisons internes 56, 57. Le système parUilaire de détection 30 est nmonté dans la cavité 51 entre le flasque 54 et la cloiscn 56, qui portent les paliers 29-1, 29-2 de l'axe de raulis. 8 2723636 Le prolngeient 28-1 de l'axe de roulis traverse la cloison 56 et dekxixie dans la cavité 52, o se trouve le systèm de couplagje mxcanique 49 et la masse 43 du collecteur protilaire 40. Le deux paliers 42-1, 42-2 du collecteur sont portés par la cloison 57, qui sépare les cavités 52 et 53. Los cavités 51 et 52 cOmiunrquent par des trcus 56-1 de la cloison 56, et sont emplies d'un liquide visqueux comme de l'huile silicone, assurant l'anrtissenJit et la lubrificatian du système. L'axe 41 du collecteur traverse la cloison 57 et débaxu e dans la cavité 53 par l'interéiiaire d'un joint d'étarchéité 53-1 cCeXirtant un orifioe à lèvres venant frotter à la périphérie de l'axe 41. Notons que l'extrémité de l'axe 41 doit être btuchée si l'on ne veut pas que l'huile présente dans les cavités 51 et 52 p&iètre dans la cavité 53. EDans la cavité 53, an trcuve les bagues 44 du collecteur, les helais 45 et une carte électrondque 58. La carte 58 est reliée électriquement aux dct cteurs 21, 22 (qui sont dans la cavité 51) par 1'inter"driaire des balais 45, des bagues 44, et de fils électriques 59. Les fils 59 sont cudés aux bagues à l'intérieur de l'axe 41, et traversent axialement les axes 41 et 28, pour débxxxider dans la cavité 51. Darns la cavité 51, ils puarcurent les bords du cadre 27, puis, dans une zone 59-1 située au dessus de l'un des paliers de tangage 26-1, 26-2, quittent le caire pour atteindre le support 23, jusqu'à être cnnectés aux détecteurs. oCame on peut s'en rerndre cxmpte en observarnt la figure 4, le capteur selon l'invention n'est pas limité en inclirnaison selon l'axe de roulis. Quelle que soit la position arnulaire du boîtier 50, le système percilaire de détection 30 et le collecteur 40 trouvent leurs positions de repos respectives, à l'horizontale, et les fils ne subissent pratiquent aucune torsion. On remarquera que 1 'erreur de positionaerent du collecteur, due au frottement des balais, est négligeable en oe qui concere la torsion qu'elle peut introduire sur les fils. Eh pratique, on obtient une précision de positionnement à l'horizontale de l'ordre de 0. 15 pour le system de détection 30, ce qui est une excellente valeur, et une précision de positionnmarent du collecteur 40 de l'orre de 20, valeur qui ne serait pas acceptable s'il s'agissait de la précision du système de détection. Par ailleurs, on rappelle que le système de couplace arxulaire 49 n'est réellement irdispensable que si le capter est destiné à des aplioetions o il risque de subir des rotations brutales selon l'axe de rulis. Dans ce cas, comme le système perilaire 30 et le collecteur 40 n' ont pas le mme tems de réaction, le coplage angulaire permet d' éviter une torsion terpiraire des fils électriques. En pratique, le degré de liberté antalaire, défini par le jeu du doigt 48 dans la fcurctette 46, pourra être choisi dans une gamre de valeurs préférentielles allant de 5 à . Selon une excuticn du présent mode de réalisaticn du caopteur selon l'invention, le boîtier 50 présente une longueur d'environ 10 can et un diamètre de 5 can. L'ensemble des pièes morbiles oime les axes, le cadre, la fourchette, etc. est réalisé en matière plastique mouilée. Tes masses de rappel sont en acier haute densité, et le boîtier est en aluminium ou en plastique rmoulé. Enfin, les paliers à roulement sont réalisés avec un matériau non magnétique, et les bagues rétalliqes 44 salt en or. Dans un souci de simplicité, on n'a pas décrit en détail, dans ce qui précède, les détecteurs 21, 22 et la carte électrciqoe 58, qui appartiennernt à l'art antérieur et sont cornus de l'hLomme du métier. De façoxn succincte, aon rappelle qu'un détecteur de champ nrétiqoue 21, 22 est réalisé à partir d'un tube de céramique creux 70 à l'intérieur duquel est inseéré un rnoyau mjrique, et autour duquel est enroulé un simple soléoï'de 71 (fig. 4). L'excitation des déeteunrs et la mesure du champ mrétique siont assurées par la carte électariique. On applique cycliqurent aux détecteurs des créneaux de tension les amenant en état de saturation positive et négative. Le dcamrp nrgétique à mesurer modifie les conditions de saturation, qui sont analyses par un systèe électronique de détection présent sur la carte, et qui délivre des inforaticns pr-tx7rtiaunelles au champ magrétique. Il apparaîtra clairement à l'hlmme du métier que la présente invetion est susctible de ncbr uses variantes de réalisation et perfecctiarents. De fa on générale, l'invention est applicable à la réalisation de tcut typ de capteur d'une grandeur physique orientée, curortant un support de détecteur perulaaire à un au deux degrés de lUberW. De maoe, ce captur peut 'clcx ui trois c"tatars, si 3l.cr suhaite 1Toeu1r les tois =xaite6 spatiales de la grarm physc. REVENDICMOIEIS 1. Cpter (60), oprenrt - un prT ier système peulaire (30) articulé selaon un pramier axe (28), portant au irmoins un déteter (21,22), caractérisé en ce qu'il c iprerd en autre: - un deuie système perUlaire (40) articulé selon un cDcièe axe (41) colir aire audit premier axe (28), des bus métalliqes (44) de collecteur étant montes autur du ciDdme axe, et - des fils électriques (59) ccrnectiant d bornes du détecteur (21,22) auxites bages (44). 2. Cpteur selon la revendication 1, caractérisé en ce les prnemier (28) et deuxième (41) axes sont liés en rotation par un systèe de ouplae mncanique (49) présentant un jeu anrTlaire prédteniri (e), le jeu anrulaire étant chDoisi de telle sorte que le premier systèe penulaire est, au voisinage de sa position de repos, i' -dant du deuxiè système perulaire. 3. Cpteur selcn 1'une des revendications précédetes, caractérisé en ce que ledit systèe de couplage (49) ccprend: - une pièe en forme de fourchette (46), fixée sur un prolcngTment (28-1) du prnemier axe (28), - un doigt (47,48) solidaire du deuxième axe (41), logé entre des krar-ches (46-1,46-2) de ladite fourchette et d'épaisseur sensiblement inférieure à la distance entre lesdites kranches. 4. Capteur selon 1 'une des reve-dications pr rx-dntes, caractrisé en ce qu'il est monté dans un boîtier (50) omrprenarnt: - une première cavité étanche (51), remplie d'un fluide visqueux, dans laquelle se trauve le premier systè peduaiLre (30), - une deuxième cavité étanche (52), crruniquarnt avec la première cavité, dans laquelle débouche ledit prolorgement (28-1) du premier axe (28), et ot se trouve ledit système de couplage (49), - une troisième cavité (53) dans laquelle débouche, par l'irterriae d'un joint d'étanchédité (53-1), le deuxième axe (41), et o se trove une carte électronique (58) co ectée à des balais (45) frottant contre lesdites bagues métalliques (44). 12 2723636 5. Capteur selon 1 'une des revendicatirons p- c-intes, ceractrisé en ce que les premaier (28) et deuxime (41) axes scnt creix et traversés axialement par lesdits fils électriques (59). 6. Capteur selocn l'une des revendications prfkientes, caractérisé en ce que le premier systèem penadulaire (30) cxrprend: - un cadre (27) solidaire dudit prenier axe (28), et - un support (23) du détecteur (21,22), solidaire d'un autre axe (25) porté par ledit cadre (27) perpendiallairenenrt au premier axe (28).