Brevet FR2768811A1 — publié le 19990326

Etat de la technique: La présente invention concerne un capteur de po- sition ou de mouvement inductif à haute fréquence pour détec- ter le mouvement d'un élément mécanique et délivrant un signal électrique de sortie dépendant de la modification d'inductance d'une bobine d'un circuit oscillant provoquée par une modification de position ou un mouvement de l'élément mécanique. Les capteurs du type ci-dessus sont installés en particulier pour la mesure de relativement petits déplace- ments (de l'ordre du gm) deux corps pouvant avoir excursion, en particulier pour déterminer la course d'une aiguille de soupape d'injection pour véhicule utilitaire. Pour capter de manière la plus précise possible les petits mouvements d'excursion, on utilise, dans un dispositif de capteur connu, à prolongement prémagnétisé d'une aiguille d'injection ajus- tée mécaniquement exactement à la gouttière de bobine et qui provoque une modification de la tension à son entrée dans la bobine. La bobine est tout de même relativement grande et ne peut pas être intégrée à tous les boîtiers d'aiguille d'injection de soupape d'injection. Ce capteur connu présente également l'inconvénient de nécessiter qu'un ajustement méca- nique coûteux. Un autre capteur de course et de mouvement d'aiguille d'injection connu utilise un élément de capteur magnétorésistif dont la résistance se modifie à l'approche de l'aiguille d'injecteur équipée à son extrémité par un élément magnétique cylindrique. L'inconvénient dans ce cas est que l'aiguille d'injecteur doit être modifiée et que l'aimant30 doit être monté sur l'aiguille d'injecteur. Lors d'une utili- sation prolongée de la soupape à aiguille, il peut se pro- duire un frottement de l'aimant qui modifie par la suite les valeurs mesurées par le capteur. De plus, il faut pallier un mouvement de l'aiguille dû à une rotation de l'aiguille d'injection en disposant de manière appropriée une cage au- tour de l'aimant. D'après le brevet allemand 197 12 374 de la firme BOSCH GMBH, on connaît un capteur de mouvement et de position à micro-ondes dans lequel la modification de phase provoquée par le mouvement de l'aiguille est mesurée dans un résonateur à espace creux oscillant dans le mode H,10. L'électronique d'exploitation peut être mise en oeuvre dans un circuit GaAS microminiaturisé trouvant place à l'intérieur du boîtier de soupape. D'après le document DE-OS 42 37 879, on connaît un capteur de position ou de mouvement inductif à haute fré- quence délivrant un signal électrique de sortie dépendant de la modification d'induction ou d'une bobine à circuit os- cillant excité par un oscillateur HF provoqué par le change- ment de position ou le mouvement d'un élément mécanique mobile. Dans ce capteur connu, on prévoit au moins deux bobines dont l'induction se modifie de manière opposée en fonction de la position à déterminer. Un oscillateur est re- lié de manière alternative à l'une des inductions des moyens de commutations et le signal de sortie de l'oscillateur est amené à un diviseur commandant une bascule flip-flop et un compteur, le compteur comptant les impulsions d'un autre os- cillateur. Les valeurs numériques peuvent être mémorisées et sont traitées dans une unité de logique arithmétique pour ob- tenir un signal digital de sortie. Le dispositif à deux bobi- nes ainsi que le circuit d'exploitation correspondant sont si encombrants qu'ils ne peuvent trouver place dans une soupape d'injection. Résumé de l'invention: En vue de ce qui précède, le but de la présente invention est de fournir un capteur de position ou de mouvement inductif à haute fréquence nécessitant un espace d'installation réduit, peu coûteux à réaliser et pouvant déterminer le mouvement d'une pièce mécanique, en particulier une aiguille d'injection à l'intérieur d'une course de départ d'environ 20 gm, capteur caractérisé en ce que la bobine, le circuit oscillant et l'oscillateur HF sont réglés, de sorte que la modification d'induction de la bobine conduise à une modifi- cation de fréquence correspondante de l'oscillateur HF relié à celle- ci, et qu'un discriminateur de fréquence branché en aval de l'oscillateur convertisse la fréquence de sortie de l'oscillateur en une tension correspondante. Pour l'utilisation souhaitée du capteur dans une soupape d'injection à aiguille de moteur Diesel, le capteur selon l'invention doit être si petit qu'il puisse prendre place dans la chambre d'huile de fuite dans le boîtier d'aiguille. Pour cela, il doit être capable de fonctionner dans la zone de température de -40 C à 140 C et avoir une ré- sistance aux secousses jusqu'à 80 g. Le problème ci-dessus est résolu selon l'invention par un capteur de position ou de mouvement induc- tif à haute fréquence délivrant un signal dépendant de la mo- dification d'induction d'une bobine d'un circuit oscillant excité par le changement de position ou le mouvement d'un élément mécanique mobile, caractérisé en ce que la bobine, le circuit oscillant et l'oscillateur HF sont réglés, de sorte que la modification d'induction de la bobine conduise à une modification de fréquence correspondante de l'oscillateur HF relié à celle-ci, et qu'un discriminateur de fréquence bran- ché en aval de l'oscillateur convertisse la fréquence de sor- tie de l'oscillateur en une tension correspondante. Un oscillateur à trois points et en particulier un oscillateur Colpitt s'avèrent avantageux pour le capteur selon l'invention.25 Dans ce cas, la disposition du circuit de l'oscillateur et la position géométrique de la bobine par rapport à l'élément déplacé est réalisée, de sorte que le point de fonctionnement du capteur soit dans une zone quasi- linéaire de sa caractéristique position/fréquence. Du fait du dimensionnement significatif du circuit du capteur, dans la zone linéaire de la caractéristique, on peut obtenir une course de fréquence d'environ 5 kHz pour une course mécanique de la pièce déplacée de 1 gm. Lorsque, comme souhaité, le capteur selon l'invention est installé pour déterminer le mouvement de l'aiguille de soupape d'une soupape à aiguille ayant une po- sition zéro prédéterminée en position fermée de l'aiguille de soupape, la bobine est avantageusement déposée coaxialement à l'axe de l'aiguille dans un plan perpendiculaire à l'axe de déplacement de l'aiguille. On obtient les résultats les plus rentables lorsque la position de la bobine se trouve directe- ment à une extrémité de l'aiguille de soupape en position fermée. L'oscillateur Colpitt et le discriminateur de fréquence peuvent être installés dans un circuit intégré (ASIC) spécifique au client. Dans ce cas, il faut prendre en compte que le circuit intégré spécifique au client présente de plus un dispositif de comparaison de point zéro pour dé- terminer la position zéro de la pièce déplacée, respective- ment de l'aiguille de soupape ainsi qu'un convertisseur alphanumérique pour convertir la tension obtenue par le dis- criminateur de fréquence en un signal digital. Le circuit intégré spécifique au client peut avantageusement reposer sur le même substrat support que la bobine. La bobine a de préférence deux bobinages disposés chacun sur la face avant et arrière du substrat support. La disposition de la bobine d'un seul côté est également possi- ble, toutefois la tolérance de surface est plus importante. On peut également imaginer des solutions multicouches (multiplayer). Le substrat du support avec la bobine, le cir- cuit intégré spécifique au client et les capacités détermi- nant la fréquence peuvent se trouver essentiellement à l'intérieur du boîtier de la soupape à aiguille. D'autre part, le substrat du support présente un perçage se trouvant au centre de la bobine dans lequel peut plonger l'aiguille. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: * la disposition du circuit de l'oscillateur et la position géométrique de la bobine par rapport à l'élément est choi- sie, de sorte que le point de fonctionnement du capteur se trouve dans la zone quasilinéaire de sa caractéristique po- sition/fréquence, * la disposition des circuits d'oscillateur et la position géométrique de la bobine (Ll) par rapport à l'élément dé- placé sont choisies, de sorte que l'on ait une course de fréquenceAf d'environ 5 kHz pour une course As de la pièce déplacée d'environ 1 Mm, * la pièce déplacée est une aiguille de soupape d'une soupape à aiguille mobile dans son axe longitudinal avec une posi- tion zéro prédéterminée en position fermée de la soupape et que les spires de l'enroulement (Li) se trouvent disposées coaxialement à l'axe de l'aiguille dans un plan perpendicu- laire à celui-ci, * en position fermée de la soupape à aiguille, la position de l'enroulement (Li) se trouve directement à l'extrémité de l'aiguille de soupape, * l'oscillateur et le discriminateur de fréquence sont incré- mentés dans un circuit intégré (ASIC) spécifique au client, * le circuit intégré spécifique au client présente un dispo- sitif de comparaison de points zéro pour déterminer automa- tiquement le point zéro de la pièce déplacée respectivement de l'aiguille de soupape ainsi qu'un commutateur alphanumé- rique pour transformer la tension obtenue par le discrimi- nateur de fréquence en un signal numérique, * le circuit intégré spécifique au client et l'enroulement (Ll) sont intégrés ensemble sur un même substrat support, * l'enroulement (Li) est une bobine avec deux spires (Lll, L12), * le substrat support avec la bobine (Li), le circuit intégré spécifique au client et les capacités déterminant la fré- quence (Cl, C2, C3) sont essentiellement intégrés à l'intérieur du boîtier de soupape d'une soupape à aiguille, * le substrat support présente un perçage se trouvant au cen- tre de la bobine (Li) au travers duquel se trouve plongée l'aiguille, * l'aiguille de soupape est une aiguille de soupape d'injection pour le carburant pour un moteur à combustion interne et que le capteur peut être relié à une unité élec- tronique de commande de moteur. Ainsi: - la figure 1 est une coupe longitudinale de la partie avant d'une soupape d'injection à aiguille dans le boîtier de soupape de laquelle est intégré le capteur selon l'invention, - la figure 2 montre des détails agrandis de la soupape à ai- guille et du mode d'installation du capteur, - la figure 3 est un schéma-bloc du capteur selon l'invention en relation avec un oscillateur Colpitt, un discriminateur de fréquence et un circuit de détection de valeur seuil avec un étage de sortie, - la figure 4 est un schéma détaillé d'un exemple de circuit d'essai de l'oscillateur 11 de la figure 3, - les figures 5A, 5B et 5C montrent un schéma de circuit d'essai d'un substrat pour recevoir le capteur et le cir- cuit d'exploitation dans un plan perpendiculaire au boîtier de soupape. - la figure 6 montre graphiquement la caractéristique mesurée sur un montage d'essai d'un capteur sous la forme de la mo- dification de fréquence de l'oscillateur colpitt en fonc- tion de la course de l'aiguille de soupape, - la figure 7 montre une caractéristique de capteur simulée valable pour une forme de capteur et un circuit déterminés en comparaison avec les valeurs de mesures correspondantes. Description de l'exemple de réalisation: La figure 1 montre une coupe longitudinale à tra- vers la partie avant d'une soupape d'injection 1 pour l'alimentation dosée d'un moteur à combustion interne, par exemple, un moteur Diesel. Une aiguille de soupape 2 métalli- que dont le fonctionnement ne sera pas décrit plus en détail qui une pièce déplacée mécaniquement conduit à l'ouverture et à la fermeture de la soupape d'injection par des mouvements de course relativement petits selon son axe longitudinal. L'aiguille de soupape est mobile, guidée longitudinalement à l'intérieur d'un boîtier de soupape 4. L'extrémité arrière de l'aiguille de soupape 2 vient en saillie dans un espace à l'intérieur du boîtier de soupape 4, se trouvant dans une zone entourée par un cercle x représenté agrandi à la figure 2. A l'intérieur de la zone entourée par le cercle x, c'est- à-dire de manière étanche à l'extrémité arrière de l'aiguille de soupape 2 se trouve, sur un substrat 30, un capteur de po- sition ou de mouvement inductif à haute fréquence 3 réalisé selon l'invention réglé pour déterminer la course et la posi- tion de l'aiguille de soupape suivant le principe de mesure selon l'invention. La vue agrandie de la figure 2 montre que le cap- teur 3 est fixé dans le boîtier de soupape 4 sur le substrat qui sera décrit ci-après de manière plus détaillée, dans la proximité la plus immédiate de l'extrémité arrière de l'aiguille de soupape 2 montrée dans sa position zéro. Un dispositif de principe d'un capteur de posi- tion ou de mouvement inductif à haute fréquence 3 va mainte- nant être décrit plus en détail à l'aide du schéma-bloc de la figure 3. Le capteur de position ou de mouvement inductif à haute fréquence selon l'invention est essentiellement composé d'une induction de circuit oscillant Li qui constitue en pa- rallèle avec un condensateur Cl un circuit oscillant d'un os- cillateur Colpitt 11 modifiant la fréquence. En aval de cet oscillateur 11 est monté un discriminateur de fréquence 12 qui transforme le changement de fréquence de sortie de l'oscillateur obtenu en fonction d'une modification d'induction correspondante provoquée par le mouvement ou le changement de position de l'aiguille de soupape en une modi- fication de tension correspondante. Le discriminateur de fré- quence 12 est avantageusement réalisé sous la forme d'un démodulateur IQ réglé en fonction de la fréquence. Le signal de sortie du discriminateur de fréquence 12 est amené à un circuit d'exploitation 13 avec des détections de valeur seuil et l'étape de sortie qui délivre son signal de sortie à un branchement de sortie 14. Pour que le capteur selon l'invention puisse être réalisé le plus petit et le moins sensible possible, les pièces actives de l'oscillateur Col- pitt, du discriminateur de fréquence 12 et du circuit d'exploitation 13 sont réalisées ensemble comme circuit (ASIC) spécifique au client, qui, comme cela sera décrit à l'aide des figures 5A, 5B et 5C, peut être intégré à un subs- trat en céramique avec la bobine L1 et les capacités Cl, C2 et C3 déterminant la fréquence. Le signal au branchement de sortie 14 est avantageusement amené à une unité de commande digitale de moteur. Il peut en ce sens être transformé en un signal digital à l'intérieur du circuit d'exploitation 13. Comme la position zéro de l'aiguille de soupape change, par exemple du fait de tolérances mécaniques, du fait de modifications de volume dues à la température et du fait que le capteur a une réponse à la température, il peut y avoir une détermination du point zéro dans le dispositif di- gital de commande du moteur. Avantageusement et préférentiel- lement, un dispositif de détermination de point zéro peut également se trouver dans l'ASIC 10, c'est-à-dire dans le circuit d'exploitation 13. Cela conduit à une plus grande fiabilité du fait que l'on puisse transmettre des signaux di- gitaux à point zéro compensés au dispositif de commande du moteur. La figure 4 montre un exemple de montage d'essais de l'oscillateur Colpitt 11 avec l'induction Li changeante pouvant être réalisée grâce à la bobine décrite plus en dé- tail ci-après. La figure 6 montre graphiquement des résultats de mesure obtenus avec le circuit d'oscillateur représenté à la figure 4. Dans ce diagramme, la modification de fréquence de l'oscillateur Colpitt 11 (en kHz) est représentée en fonction de la course de l'aiguille de soupape 2. La courbe B repré- sente la caractéristique mesurée et la courbe A montre une courbe caractéristique approchée à l'aide d'un polynôme. Le point de fonctionnement du capteur est posi- tionné dans la zone linéaire de la caractéristique du fait de la réalisation du circuit de l'oscillateur Colpitt et de par la disposition géométrique de l'aiguille de soupape 2 et de l'inductivité variable Li, c'est-à-dire de la bobine. Pour un segment C de cette zone linéaire, on obtient dans la figure 6 une course de fréquence d'environ 5 kHz par micromètre de course d'aiguille. Les figures 5A, 5B et 5C montrent un exemple d'un schéma de circuit d'essais ainsi que l'induction de circuit magnétique disposée des deux côtés du substrat support 30 (FR5, A1203 céramique) avec deux bobinages Lll et L12. Grâce à cette disposition des deux côtés, on obtient une bobine es- sentiellement plane. La figure 5A montre une couche de cou- verture 30a, la figure 5B montre le substrat support avec les pièces de construction rapportées et la figure 5C montre une couche inférieure 30c du substrat 30. La figure 5A montre l'un des bobinages Lll de la bobine Ll et la figure 5C montre le second bobinage L12 de la bobine L1 se trouvant dans un plan parallèle. Le substrat de support 30 présente un perçage 31 au centrage de la bobine Li pour recevoir l'aiguille de soupape 2. On obtient la plus10 grande sensibilité lorsque l'aiguille de soupape 2 se trouve le plus près possible de la bobine Li dans la position fermée de la soupape. La figure 7 montre graphiquement les résultats d'une simulation en comparaison avec les résultats de mesure d'un montage d'essai d'un capteur de position ou de mouvement inductif à haute fréquence selon l'invention. Les points dé- signés par les losanges montrent la relation entre l'induction (nH) de la bobine de circuit oscillant Li et la position de l'extrémité de bobine respectivement de la gout- tière en mm. Les points désignés par des carrés pleins for- ment une caractéristique déterminée numériquement (simulée) qui donne la relation entre la fréquence f en MHz et la posi- tion de l'extrémité de la bobine. Enfin, la caractéristique en pointillé représentée par des points triangulaires donne25 une caractéristique fréquence-position mesurée, approximati- vement selon la figure 6, ayant les mêmes paramètres que les paramètres de simulation. Il est important que la plus grande sensibilité est obtenue lorsque l'aiguille (noyau) se trouve, en position fermée de la soupape, la plus proche possible de la bobine. Dans ce segment de courbe, les courbes sont très linéaires et présentent la plus grande pente. Il est également à mentionner qu'avec le schéma d'essai selon la figure 5, le capteur de position ou de mou- vement inductif à haute fréquence ne peut pas encore être to- talement intégré au boîtier d'aiguille de soupape et que pour obtenir une intégration complète du capteur, il faille un circuit intégré (ASIC) spécifique au client adapté, en rela- tion avec une construction KFZ. L'invention établit dans son ensemble un principe de capteur simple, au fonctionnement sûr et économique. Une comparaison n'est pas nécessaire. Une installation à l'intérieur du boîtier de soupape à aiguille est possible à l'aide d'un circuit intégré (ASIC) spécifique au client. Le capteur de position ou de mouvement selon l'invention ne né- cessite pas d'aimants supplémentaires, pas de modifications10 de l'aiguille de soupape et pas non plus d'espaces creux adaptés à un certain mode d'oscillation à l'intérieur du boî- tier de soupape. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Capteur de position ou de mouvement inductif à haute fré- quence délivrant un signal électrique de sortie dépendant de la modification d'induction d'une bobine à circuit oscillant excité par un oscillateur HF provoqué par le changement de position ou le mouvement d'un élément mécanique mobile, caractérisé en ce que la bobine, le circuit oscillant et l'oscillateur HF sont ré- glés, de sorte que la modification d'induction de la bobine conduise à une modification de fréquence correspondante de l'oscillateur HF relié à celle-ci, et qu'un discriminateur de fréquence branché en aval de l'oscillateur convertisse la fréquence de sortie de l'oscillateur en une tension corres- pondante. 2 ) Capteur de position ou de mouvement inductif à haute fré- quence selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur HF est un oscillateur à trois points et de pré- férence un oscillateur Colpitt. 3 ) Capteur de position ou de mouvement inductif à haute fré- quence selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la disposition du circuit de l'oscillateur et la position géométrique de la bobine par rapport à l'élément est choisie, de sorte que le point de fonctionnement du capteur (3) se trouve dans la zone quasilinéaire de sa caractéristique posi- tion/fréquence. 4 ) Capteur de position ou de mouvement inductif à haute fré- quence selon la revendication 3, caractérisé en ce que la disposition des circuits d'oscillateur (11) et la position géométrique de la bobine (Ll) par rapport à l'élément déplacé sont choisies, de sorte que l'on ait une course de fré- quenceAf d'environ 5 kHz pour une course As de la pièce dé- placée (2) d'environ 1 pm. ) Capteur de position ou de mouvement inductif à haute fré- quence selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce déplacée (2) est une aiguille de soupape d'une sou- pape à aiguille (1) mobile dans son axe longitudinal avec une position zéro prédéterminée en position fermée de la soupape10 et que les spires de l'enroulement (Li) se trouvent disposées coaxialement à l'axe de l'aiguille dans un plan perpendicu- laire à celui-ci. 6 ) Capteur de position ou de mouvement inductif à haute fré- quence, selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' en position fermée de la soupape à aiguille (1), la position de l'enroulement (LI) se trouve directement à l'extrémité de l'aiguille de soupape (2). 7 ) Capteur de position ou de mouvement inductif à haute fré- quence, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'oscillateur (11) et le discriminateur de fréquence (12) sont incrémentés dans un circuit intégré (ASIC) spécifique au client. 8 ) Capteur de position ou de mouvement inductif à haute fré- quence selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit intégré (10) spécifique au client présente un dis- positif de comparaison de points zéro (13) pour déterminer automatiquement le point zéro de la pièce déplacée respecti- vement de l'aiguille de soupape ainsi qu'un commutateur al- phanumérique pour transformer la tension obtenue par le discriminateur de fréquence en un signal numérique. 9 ) Capteur de position ou de mouvement inductif à haute fré- quence selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le circuit intégré (10) spécifique au client et l'enroulement (Ll) sont intégrés ensemble sur un même substrat support (30). ) Capteur de position ou de mouvement inductif à haute fréquence, selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'enroulement (Ll) est une bobine avec deux spires (Lll, L12). 11 ) Capteur de position ou de mouvement inductif à haute fréquence selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le substrat support (30) avec la bobine (LI), le circuit in- tégré (10) spécifique au client et les capacités déterminant la fréquence (C1, C2, C3) sont essentiellement intégrés à l'intérieur du boîtier de soupape (4) d'une soupape à ai- guille (1). 12 ) Capteur de position ou de mouvement inductif à haute fréquence, selon une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le substrat support présente un perçage se trouvant au centre de la bobine (L1) au travers duquel se trouve plongée l'aiguille (1). 13 ) Capteur de position ou de mouvement inductif à haute fréquence, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aiguille de soupape (1) est une aiguille de soupape d'injection pour le carburant pour un moteur à combustion in- terne et que le capteur peut être relié à une unité électro- nique de commande de moteur.