Brevet FR2750763A1 — publié le 19980109

L'objet de l'invention concerne le domaine des capteurs magnétiques adaptés pour repérer des positions angulaires d'un arbre au sens général. L'objet de l'invention vise plus particulièrement, un capteur magnétique de type numérique conçu pour reconnaître des positions angulaires prédéterminées d'un arbre. Le capteur selon l'invention est destiné à reconnaître des positions angulaires d'un arbre au sens général, mais trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des véhicules pour être associé à une boîte de vitesses, en vue d'indiquer la vitesse sélectionnée par un opérateur. La demande de brevet WO 92/17 719 décrit un capteur magnétique conçu pour détecter des positions angulaires prédéfinies d'un arbre dont chacune d'entreelles correspond à la sélection d'une vitesse d'un véhicule. Ce capteur comporte trois cellules sensibles à une induction magnétique, disposées selon un rayon passant par le centre de rotation d'une cible mobile calée en rotation avec l'arbre. Chaque cellule sensible délivre un signal binaire en fonction de la valeur de l'induction magnétique reçue. La cible mobile est montée à distance des cellules et se trouve équipée d'éléments magnétiques et non magnétiques placés selon trois rangées concentriques disposées chacune en relation d'une cellule sensible. Les éléments magnétiques et non magnétiques sont arrangés selon des rayons centrés sur le centre de rotation de la cible, de manière que les cellules délivrent une combinaison différente de signaux binaires pour chaque position angulaire prédéterminée de l'arbre. Un tel capteur permet de reconnaître des positions angulaires prédéterminées d'un arbre à partir de combinaisons différentes de signaux binaires. Ce capteur magnétique présente l'avantage de fonctionner sans frottement mécanique relatif entre la cible mobile et les cellules sensibles. De plus, ce capteur magnétique délivre un signal numérique pouvant être traité directement par des circuits numériques sans faire appel à des convertisseurs analogique-numérique. Si un tel capteur présente des avantages indéniables, il possède un inconvénient principal lié à son encombrement relativement important limitant ses applications. L'objet de l'invention vise à remédier au problème énoncé ci-dessus en proposant un capteur magnétique-numérique adapté pour reconnaître des positions angulaires prédéterminées d'un arbre au sens général et conçu pour présenter une grande compacité tout en conservant une fiabilité de détection. Pour atteindre cet objectif, le capteur selon l'invention comporte - au moins deux cellules sensibles à une induction magnétique et délivrant chacune un signal binaire, - une cible mobile calée en rotation avec l'arbre, montée à distance des cellules et munie d'éléments magnétiques arrangés de manière que les cellules délivrent une combinaison différente de signaux binaires pour chaque position angulaire prédéterminée. Selon l'invention, le capteur pour détecter des positions angulaires prédéterminées d'un arbre est caractérisé en ce que - les cellules sont disposées selon un cercle centré sur l'axe de rotation de la cible, - et les éléments magnétiques de la cible sont disposés selon un cercle centré sur l'axe de rotation de la cible, selon des positions angulaires définies de manière qu'en combinaison avec la position des cellules, ces dernières délivrent une combinaison différente de signaux binaires pour chaque position angulaire prédéterminée de l'arbre. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite cidessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une vue en coupe en élévation d'un exemple de réalisation d'un capteur conforme à l'invention. La fig. 2 est une vue de face prise sensiblement selon les lignes II-II de la fig. 1. La fig. 3 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement du capteur conforme à l'invention. La fig. 4 est une vue du capteur dont la cible mobile est placée dans une autre position que celle montrée à la fig. 2. La fig. 5 est une vue analogue à la fig. 2 montrant un autre exemple de réalisation d'un capteur conforme à l'invention. La fig. 6 est une schéma explicitant le principe de fonctionnement du capteur illustré à la fig. 5. La fig. 7 est une vue analogue aux fig. 2 et 5 et montrant une autre variante de réalisation d'un capteur conforme à l'invention. Tel que cela ressort des fig. 1 et 2, le capteur 1 selon l'invention est conçu pour reconnaître diverses positions angulaires prédéfinies d'un arbre 2 au sens général, tournant autour d'un axe de rotation x. Selon une variante préférée de réalisation, chaque position de l'arbre 2 correspond à une vitesse sélectionnée d'une boîte de vitesses pour véhicules. I1 doit être considéré que l'arbre 2 est relié par tous moyens appropriés à la boîte de vitesses, de manière que les diverses positions prises par l'arbre correspondent chacune à la sélection d'une vitesse différente. Ces différents moyens de liaison entre l'arbre 2 et la boîte de vitesses ne sont par décrits, car ils ne font pas partie de l'invention et sont connus de l'homme de l'art. Le capteur 1 comporte une cible mobile 3 destinée à être calée en rotation avec l'arbre 2. La cible mobile 3 comporte, à cet effet, un axe 4 traversant le fond d'un boîtier 5 par l'intermédiaire d'une partie de liaison 6 destinée à être liée au moins angulairement à l'arbre 2 par tous moyens appropriés. Dans l'exemple de réalisation illustré, la cible mobile 3 est réalisée sous la forme d'un disque ou d'une roue monté solidaire de l'axe de rotation 4. La cible 3 est montée à l'intérieur du boîtier 5 qui est fermé par un couvercle 8 aménagé pour présenter un palier 9 de guidage pour l'axe 4 dont la position axiale est fixée par rapport au boîtier 5. Conformément à l'invention, la cible mobile 3 comporte des éléments magnétiques Ei centrés sur un cercle cl dont le centre est confondu avec l'axe de rotation x de la cible. Dans l'exemple de réalisation illustré, la cible mobile 3 comporte quatre éléments magnétiques El, E2, E3, E4 constitués chacun par au moins une partie d'une branche, d'un barreau ou d'un bras radial 3, s'étendant à partir de l'axe de rotation x et séparés deux à deux par des ouvertures ou des séparations 10, constituant des zones à caractère non magnétique par rapport aux éléments magnétiques. Les bras radiaux 31 sont reliés par leur extrémité à une bordure annulaire 11. Dans l'exemple illustré, la cible 3 est un aimant présentant une induction magnétique axiale, de sorte que chaque bras radial 31 forme un élément E, à 4 présentant une induction magnétique supérieure aux ouvertures 10 séparant deux bras. Le capteur 1 selon l'invention comporte également au moins deux et, dans l'exemple illustré, trois cellules A, B, C sensibles chacune à une induction magnétique et délivrant chacune un signal binaire en fonction de la valeur de l'induction magnétique appliquée. Chaque cellule sensible A à C est constituée avantageusement par un capteur à effet Hall du type unipolaire ou bipolaire. Les cellules A, B, C sont portées par une plaque de circuit imprimée 12 fixée sur le fond du boîtier 5 et adaptée pour recevoir divers composants électroniques. Les cellules sensibles A à C sont montées fixement en délimitant un entrefer donné par rapport à la cible 3. Dans l'exemple illustré, l'entrefer est délimité par rapport à la face transversale 32 de la cible tournée vers les cellules sensibles, dans la mesure où les bras de la cible se déplacent devant les cellules dans un plan sensiblement parallèle et distant de celui contenant les cellules. Conformément à l'invention, les cellules A à C sont positionnées sur un cercle centré sur l'axe de rotation x de la cible, de manière, qu'en combinaison avec les positions des éléments magnétiques Ej de la cible, les cellules A à C délivrent une combinaison différente de signaux binaires pour chaque position angulaire prédéterminée de l'arbre 2. Dans l'exemple illustré, les cellules A à C sont centrées sur le cercle cl passant par le milieu des bras radiaux 31. Le principe de fonctionnement du capteur 1 selon l'invention découle directement de la description qui précède. I1 doit être considéré que le positionnement d'un bras magnétique El à 4 au droit d'une cellule A à C conduit cette dernière à délivrer un signal logique ou binaire de niveau haut, à savoir "1". Dans le cas où une ouverture 10 de la cible est placée en regard d'une cellule A à C, la cellule correspondante délivre un signal binaire dit bas ou "0". Dans la position illustrée à la fig. 2, l'arbre 2 occupe une position prédéfinie correspondant à un positionnement de la cible 3 pour laquelle le bras radial formant l'élément magnétique E, se trouve en face de la cellule A, tandis que les cellules B et C se trouvent en regard d'une ouverture 10. Tel que cela ressort clairement de la fig. 3, dans cette position, la cellule A délivre un signal haut, tandis que les cellules B et (: sont à l'état bas. Pour cette position de la cible, les cellules A, B et C délivrent ensemble une combinaison logique 100. Dans l'exemple illustré, la position de la cible 3, et par suite de l'arbre 2, correspond à une vitesse sélectionnée, par exemple présentant la référence "5" sur la fig. 3. La fig. 4 illustre une autre position prédéfinie de l'arbre 2 reconnaissable par le capteur selon l'invention. Dans cette position, le bras radial formant l'élément magnétique E, se trouve placé en relation de la cellule sensible B, tandis que les cellules A et C se trouvent placées en vis à vis d'ouvertures 10. Les cellules A, B et C délivrent ainsi la combinaison logique 010, différente de la précédente combinaison. Dans l'exemple illustré, cette combinaison correspond, par exemple, à une sélection de la vitesse référencée "4". Tel que cela ressort clairement de la fig. 3, les diverses positions prédéfinies de l'arbre 2 correspondant aux vitesses "A", "N", et "1 à 5", sont détectées par le capteur selon l'invention en délivrant pour chacune d'entre elles, une combinaison différente de signaux binaires. I1 est clair que le nombre des cellules et des bras radiaux, ainsi que la position angulaire des cellules et des bras sur le cercle cl, sont déterminés de manière que les cellules délivrent des combinaisons logiques différentes pour chacune des positions pré-établies de l'arbre 2. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les cellules sensibles A à C sont décalées angulairement deux à deux d'une valeur multiple du pas défini entre deux positions consécutives prédéterminées de l'arbre 2. En d'autres termes, deux cellules voisines sont décalées angulairement d'une valeur égale ou multiple à l'écart angulaire défini entre deux positions consécutives prédéterminées de l'arbre 2. Selon l'exemple de réalisation illustré aux fig. i à 4, les sept positions angulaires prédéterminées de l'arbre 2 s'étendent sur une plage de 3270 correspondant à un décalage d'angle de 54,5 entre deux positions consécutives de la cible. I1 s'ensuit que le bras radial El est distant du bras radial E2 d'une valeur de 109 , tandis que les bras voisins respectivement E2- E, et E3- E4, sont distants d'une mesure angulaire de 54,5 . Selon l'exemple préféré de réalisation décrit ci-dessus, les positions de l'arbre sont décalées deux à deux d'un pas angulaire présentant la même valeur. Bien entendu, le capteur selon l'invention peut être mis en oeuvre pour reconnaître des positions de l'arbre présentant entre-elles, un pas angulaire de différentes valeurs. Dans le même sens, les cellules A à C sont décalées angulairement d'une valeur multiple du pas défini entre deux positions consécutives prédéterminées de l'arbre 2. Dans l'exemple illustré, les axes des cellules voisines A-B et B-C sont distants d'un décalage égal à 54,5 . Le capteur 1 selon l'invention présente l'avantage de permettre une reconnaissance de positions angulaires prédéterminées d'un arbre tout en présentant un encombrement limité en raison de la disposition sur un unique cercle des cellules sensibles et des éléments magnétiques. I1 s'ensuit un encombrement réduit par rapport aux dispositifs connus prévoyant des dispositions concentriques des cellules et des éléments magnétiques. Dans l'exemple qui précède, le nombre de positions à détecter est au nombre de sept à partir de la mise en oeuvre de trois cellules sensibles et de quatre éléments magnétiques. Bien entendu, il peut être envisagé un capteur comportant un nombre différent d'éléments magnétiques et de cellules, en vue de reconnaître un nombre différent de positions. Les fig. 5 et 6 illustrent un exemple de réalisation permettant le repérage de onze positions à partir de la mise en oeuvre de quatre cellules sensibles A, B, C, D et de six bras radiaux E, à E6. Les cellules sensibles et les bras radiaux sont disposés sur un cercle comme expliqué ci-dessus. Toutefois, dans l'exemple illustré, les cellules et les éléments magnétiques sont arrangés de manière qu'en combinaison, le passage d'une position à une autre provoque le changement d'un seul état logique. I1 est ainsi possible de repérer six positions stables correspondant à des vitesses P, R, N, D1, D2 et D3 et cinq positions intermédiaires z1, Z2s Z3, Z4, Zs. I1 est à noter que le capteur permet de repérer les onze positions sur une plage angulaire limitée à 55 . Dans les exemples décrits ci-dessus, la cible mobile 3 comporte des éléments magnétiques Ei constitués par un aimant présentant un champ d'induction axiale. I1 doit bien entendu, être considéré qu'il peut être prévu que les éléments magnétiques se trouvent réalisés différemment. Ainsi, la fig. 7 illustre un exemple de réalisation dans lequel la cible mobile 3 est pourvue de quatre bras radiaux formant les éléments magnétiques E,, E2, E3, 4 et présentant chacun une induction magnétique radiale. Dans la mesure où l'induction magnétique sort principalement par la surface latérale des bras, les cellules A, B, C, au nombre de trois dans l'exemple illustré, sont réparties à la périphérie de la cible en étant placées dans le même plan que la cible mobile. Les cellules A à C sont placées pour délimiter un entrefer donné avec la surface latérale des bras. Le fonctionnement d'un tel capteur est identique au fonctionnement décrit ci-dessus. Dans le même sens, il doit être considéré que la cible mobile 3 peut être réalisée en un matériau ferromagnétique, en vue de modifier le champ magnétique produit par des aimants montés fixement en relation de chacune des cellules A, B et C. Dans le même sens, la cible 3 peut être formée par un disque équipé des éléments magnétiques Ei formés par des aimants. En tout état de cause, il doit être compris que la cible mobile 3 est adaptée pour permettre une modification de l'induction magnétique reçue par les cellules lorsque des secteurs déterminés de la cible se trouvent ou non en regard des cellules sensibles. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 - Capteur pour détecter des positions angulaires prédéterminées d'un arbre (2), le capteur comportant - au moins deux cellules sensibles (A, B, C) à une induction magnétique et délivrant chacune un signal binaire, - une cible mobile (3) calée en rotation avec l'arbre (2), montée à distance des cellules et munie d'éléments magnétiques (E1, E2, . . ., Ei) arrangés de manière que les cellules délivrent une combinaison différente de signaux binaires pour chaque position angulaire prédéterminée, caractérisé en ce que les cellules (A, B, C) sont disposées selon un cercle (el) centré sur l'axe de rotation (x) de la cible, et les éléments magnétiques (E1, E2, ..., E;) de la cible (3) sont disposés selon un cercle centré sur l'axe de rotation de la cible, selon des positions angulaires définies de manière qu'en combinaison avec la position des cellules, ces dernières délivrent une combinaison différente de signaux binaires pour chaque position angulaire prédéterminée de l'arbre. 2 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules (A, B, C) sont décalées angulairement deux à deux d'une valeur multiple du pas défini entre deux positions consécutives prédéterminées de l'arbre (2). 3 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments magnétiques (E1, E2, ..., E;) de la cible sont décalés deux à deux angulairement d'une valeur multiple du pas défini entre deux positions consécutives prédéterminées de l'arbre (2). 4 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cible mobile (3) est constituée sous la forme d'une roue comportant des bras radiaux (31) séparés deux à deux par des ouvertures (10) et formant chacun un élément magnétique (E1, E2, . ., Ei). 5 - Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les bras (Ei) de la cible (3) se déplacent devant les cellules (A, B, C) dans un plan sensiblement parallèle au plan contenant les cellules. 6 - Capteur selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce que les cellules (A, B, C) sont placées sur un cercle (c,) correspondant au cercle médian des bras. 7 - Capteur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la cible (3) est un aimant présentant une induction magnétique axiale. 8 - Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les cellules (A, B, C) sont réparties à la périphérie de la cible et en ce que chaque bras radial (31) forme un élément magnétique présentant une induction magnétique radiale. 9 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cellule sensible (A, B, C) est une sonde à effet Hall.