Brevet FR2796720A1 — publié le 20010126

Dispositif de mesure de torsion et procédé correspondant L'invention se rapporte à un dispositif et à un procédé de mesure de torsion. Elle s'applique notamment à la mesure de couple telle qu'utilisée dans le domaine des directions assistées d'automobiles. Les systèmes de direction assistée électrique nécessitent pour leur pilotage une information précise sur le couple appliqué sur la direction. Pour effectuer cette mesure, on connaît de façon classique des dispositifs utilisant deux électrodes sous forme de "peignes" interdigités (à dents alternées régulièrement), disposés en vis à vis à faible distance sur une barre soumise à un effort de torsion. On peut se référer à ce sujet au brevet EP 0 354 386 (Siemens AG) publié le 17 juillet 1990. Dans de tels dispositifs, une torsion de la barre se traduit par un déplacement d'un élément vis à vis de l'autre, et donc d'un peigne vis à vis de l'autre. De ce fait, la modification de distance entre les électrodes formant les peignes entraîne une variation d'effet capacitif du dispositif, qui est mesurable par un montage électrique de type connu de l'homme du métier. Cependant, ces dispositifs ont pour inconvénients principaux un ajustement initial difficile lors de l'installation, ainsi qu'un traitement délicat de l'information obtenue. En effet, sur ce second point, les peignes forment un condensateur à air, de valeur et de variation extrêmement faible. Un montage d'amplification spécifique doit donc être prévu. Ces valeurs sont par ailleurs sujettes à des paramètres extérieurs à la torsion de la barre, et en particulier humidité ambiante, température etc., qui sont des paramètres très variables dans l'environnement d'un moteur de véhicule automobile. La présente invention répond aux problèmes précédemment exposés, et propose à cet effet, avec le procédé correspondant, un dispositif simple à fabriquer et bon marché permettant la mesure de torsion d'une barre. Suivant l'invention, pour une mesure de torsion entre deux sections d'une barre longitudinale, on met en ceuvre - un élément magnétique avec au moins un pôle nord et un pôle sud, l'axe nord-sud orienté sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal de la barre, et attaché à une première section de la barre, - un capteur sensible à la direction du champ magnétique, d'axe sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'élément magnétique, attaché à une seconde section de la barre, sensiblement en face de l'élément magnétique, à une distance prédéterminée de celui-ci, - un moyen de mesure de variation d'une valeur électrique dans le capteur. On comprend que de cette manière une torsion de la barre se traduit par un déplacement de l'élément magnétique par rapport au capteur, et donc par un changement de direction locale des lignes de champ magnétique au voisinage du capteur, et que celui-ci est apte à transformer cette variation de direction de champ en valeur électrique mesurable. Il ne s'agit plus de mesurer une amplitude de champ magnétique, qui est facilement sujette à des variations de conditions extérieures, mais de mesurer la direction des lignes de champ magnétique, qui sont moins affectées par les conditions d'ambiance. Préférentiellement, le capteur est de type magnéto-résistif. On sait que la résistance d'un tel capteur est fonction de l'orientation des lignes de champ par rapport à une direction préférentielle définie par conduction. Pour faciliter la mesure de la torsion en se plaçant dans une zone de correspondance quasiment linéaire entre le déplacement angulaire de la barre entre le capteur et l'élément magnétique et la variation de résistance du capteur, dans le mode de réalisation préféré, le capteur magnéto-résistif est placé sensiblement en face de l'espace entre les pôles nord et sud de l'élément magnétique. De manière à réaliser un positionnement initial plus aisé des éléments en vis à vis, le dispositif comprend préférentiellement un cadre déformable supportant sur un de ses côtés l'élément magnétique, et sur un côté opposé le capteur magnéto-résistif. Selon des dispositions préférentielles éventuellement utilisées en conjonction - l'élément magnétique comprend deux aimants permanents antiparallèles accolés. - le capteur magnéto-résistif est une cellule magnéto-résistive de type GMR. - le capteur magnégto-résistif est formé de quatre cellules magnéto- résistives montées en pont. - le dispositif comporte également un moyen d'autocalibration du capteur. Ces dispositions sont favorables à une réalisation du dispositif avec des composants classiques, sans exigence particulière et donc bon marché, ce qui rend la fabrication du dispositif économique. L'invention vise sous un autre aspect un procédé de mesure de torsion d'une barre longitudinale entre deux sections de cette barre, utilisant un dispositif selon l'exposé précédent, caractérisé en ce que il comprend une étape de mesure de variation de résistance dans le capteur magnéto-résistif lorsque une torsion est appliquée à la barre. Plus spécifiquement, l'invention vise un procédé de mesure de couple exercé sur une barre, utilisant un procédé tel qu'exposé ci-dessus, et une étape de traduction de torsion mesurée en couple exercé sur la barre. L'invention vise enfin, sous un autre aspect, l'application du dispositif et du procédé faisant son objet à une direction assistée électrique pour véhicule automobile. La description et les dessins qui suivent permettront de mieux comprendre les buts et avantages de l'invention. II est clair que cette description n'est donnée qu'à titre d'exemple, et n'a pas de caractère limitatif. Dans les dessins - la figure 1 représente un dispositif selon l'invention, monté sur une barre de torsion, - la figure 2 représente schématiquement les lignes de champ magnétique créées par l'élément magnétique, ainsi que la situation du capteur dans trois positions A, B, C relativement audit élément magnétique, - la figure 3 représente schématiquement un pont de cellules utilisé dans une variante de dispositif selon l'invention. Tel qu'on le voit sur la figure 1, un dispositif 1 selon l'invention est destiné à être installé à demeure sur une barre de torsion 2, cette barre de torsion 2 étant de forme cylindrique d'axe longitudinal AA, et de longueur environ 10 cm dans le présent exemple non limitatif, pour un diamètre d'environ 0.5 cm. On peut noter ici que l'assistance s'exerçant sur la partie aval de cette barre de torsion (par rapport à la partie amont reliée au volant), seule la différence entre couple exercé sur le volant et couple d'assistance est appliqué sur la barre. Lors d'une panne d'assistance, ou de transistors très rapides, le débattement angulaire est limité par des butées qui sont propres à encaisser l'intégralité du couple nécessaire. Une telle barre est relativement "souple" en torsion, dans la mesure où un effort de 10 N . m dans un sens ou l'autre provoque une déformation de 4 à 7 de la barre entre ses deux extrémités. Le dispositif 1 est solidarisé à la barre de torsion 2 en une position prédéterminée sur sa longueur (et par exemple sensiblement au milieu de ladite barre de torsion 2), par l'intermédiaire d'un cadre déformable 3, de forme principalement rectangulaire, et dont deux bords transversaux 4, 5 opposés sont perpendiculaires à l'axe AA de la barre de torsion 2. Un tel cadre déformable 3 est par exemple réalisé en métal très mince, de manière à ne pas gêner outre mesure la torsion de la barre 2. II est attaché à la barre de torsion 2 par l'intermédiaire de deux disques 6, 7, solidaires de la barre de torsion 2, perpendiculaires à l'axe de ladite barre, espacés d'une distance prédéterminée I, et qui viennent supporter les bords transversaux 4, 5 dudit cadre déformable 3. De cette manière, on pourra déduire la torsion de la barre 2 de la connaissance du déplacement relatif des deux bords transversaux 4, 5 du cadre déformable 3. Sur un premier bord transversal 4 du cadre déformable est attaché un élément magnétique 8, d'axe perpendiculaire à l'axe AA de la barre de torsion 2. Cet élément magnétique 8 est formé de deux aimants antiparallèles 8A, 8B, juxtaposés par exemple par collage, le plan de collage 9 (également appelé interface dans la suite de la description) des deux aimants étant parallèle à l'axe longitudinal AA de la barre 2. Les aimants 8A, 8B, de type connu de l'homme du métier, sont dans le présent exemple de quelques millimètres de longueur et largeur. De façon connue, cet assemblage d'aimants 8A, 8B de polarités opposées génère des lignes 11 de champ magnétique (figure 2) qui, pour les lignes comprises entre les demi-facettes internes 12A, 12B des deux aimants 8A, 8B, sont sensiblement des demi-cercles dont le centre 10 est situé sur la face inférieure 12 des deux aimants, au point de jonction des aimants 8A, 8B. Sur le second bord transversal 5 du cadre déformable 3 est attaché un capteur 13 sensible à la direction du champ magnétique, sensiblement en face de l'élément magnétique 8, à une distance prédéterminée de celui-ci, et d'axe sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'élément magnétique 8. Ce capteur 13, sensible à la direction du champ magnétique, est un capteur de type GMR (Géant Magnéto-Résistif), tel que par exemple fabriqué par la société NVE aux Etats-Unis, et composée de couches magnétiques de quelques angstrôms alternées avec des couches non magnétiques également minces. Les couches magnétiques sont deux à deux de polarité opposée. On sait, de façon succinctement résumée, que lorsque un tel élément est plongé dans un champ magnétique extérieur situé dans le plan du capteur 13, ce dit champ extérieur vient modifier le champ généré par les couches magnétiques et ramène leurs lignes de champ (dit champ biaisé 14 dans la suite de la description) dans la direction locale des lignes du champ extérieur. Ce phénomène de rotation des lignes de champ des couches magnétiques induit une variation de résistance maximale de l'ordre de 5 à 10% à température ambiante. Une telle variation de résistance est alors aisément mesurable par des techniques connues en soi. II est important de noter que ce capteur 13 détecte la direction du champ magnétique local indépendamment de la magnitude de ce champ magnétique (dans une certaine gamme de champ cependant). Le capteur 13 est un élément de quelques millimètres de dimension. II est disposé à une distance de quelques millimètres (jusqu'à un centimètre typiquement) de la face 12 de l'élément magnétique 8, autant que possible en face du plan de collage 9 des deux aimants 8A, 8B. Le capteur 13 est disposé sur un support 15 attaché au bord transversal 5 du cadre déformable 3. Un dispositif électronique de type classique et non représenté sur les figures est relié au capteur 13, et traduit les variations de résistance du capteur 13 en valeur du couple appliqué sur la barre de torsion 2. II est éventuellement installé directement sur le support 15. En fonctionnement, lorsque on n'applique pas de couple M sur la barre de torsion 2, (position centrale notée B sur la figure 2B), le capteur 13 est placé en face de l'interface 9 entre les facettes 12A, 12B de polarité respective Sud et Nord. Le capteur 13 détecte un champ magnétique 11A perpendiculaire à son champ interne biaisé 14, donnant un signal de sortie nul. Lorsque un couple de sens positif est appliqué, le capteur 13 est déplacé en face du pôle nord 12B de l'élément magnétique (position notée C sur la figure 2B). Dans ce cas, le champ magnétique 11 C détecté est de direction opposée au champ biaisé 14. Le signal de sortie (figure 2C) est négatif maximal. Lorsque un couple de sens négatif est appliqué, le capteur 13 est déplacé en face du pôle sud 12A de l'élément magnétique (position notée A sur la figure 2B). Dans ce cas, le champ magnétique 11A détecté est de direction parallèle au champ biaisé 14. Le signal de sortie (figure 2C) est positif maximal. La figure 2C illustre schématiquement la correspondance entre le déplacement du capteur 13 relativement à l'élément magnétique 8 (en abscisse), qui correspond directement au couple appliqué sur la barre de torsion 2, et la variation de résistance mesurée en sortie du capteur 13 (en ordonnée). Cette correspondance étant de type sinusoïdale, elle est linéaire au premier ordre au voisinage de la position centrale (notée B). La distance entre les axes polaires des deux aimants 8A, 8B correspond au déplacement maximal pour lequel la correspondance entre déplacement et variation de résistance est monotone. On comprend qu'un traitement électronique classique permet d'exploiter la valeur de variation de résistance mesurée, pour en déduire la valeur de couple appliquée sur la barre 2. Un avantage important de ce dispositif est que le capteur 13 ne mesure pas l'intensité du champ magnétique, mais simplement sa direction locale, et il est donc nettement moins sensible aux variations d'environnement (température et hygrométrie en particulier) que les capteurs de couple traditionnels. Dans une variante, le capteur 13 de type GMR peut être remplacé par un capteur MR (magneto-résistif), dont la variation de résistance maximale est de l'ordre de 1 % environ selon le changement de direction des lignes de champ magnétique. Dans une autre variante illustrée par la figure 3, le capteur 13 est constitué par un pont de quatre cellules de type GMR, agencées de façon opposée deux à deux (figure 3) sur un même support. Le pont de cellules est alors disposé en face de l'interface entre les aimants 8A, 8B. Dans ce cas, la sensibilité du capteur 13 est doublée par rapport à une cellule GMR unique. L'erreur de positionnement liée au décalage des axes des cellules GMR par rapport à l'interface entre les deux aimants 8A, 8B est sans importance ici du fait de la symétrie du pont de cellules. Dans encore une autre variante non représentée, le support 15 comporte également un circuit d'auto calibration de type classique comprenant une mémoire, un processeur et une table de calibration, et utilisant le fait que la correspondance déplacement - résistance est sensiblement linéaire au voisinage de la position centrale. De cette manière, si le capteur 13 n'est pas installé précisément en face de l'interface entre les aimants 8A, 8B, il est possible de détecter, en l'absence de tout couple appliqué sur la barre de torsion 2, ou, si le dispositif est calibré avant installation sur ladite barre, en l'absence de déformation du cadre déformable 3, un mauvais alignement de position d'équilibre entre le capteur et l'élément magnétique. Dans ce cas, un réglage offset et gain permet de compenser cette erreur de mesure systématique. La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de réalisation ci-dessus considérées à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de torsion d'une barre longitudinale entre deux sections de cette barre, caractérisé en ce que il comprend - un élément magnétique avec au moins un pôle nord et un pôle sud, l'axe nord-sud orienté sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal de la barre, et solidarisé à une première section de la barre, - un capteur sensible à la direction du champ magnétique, d'axe sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'élément magnétique, solidarisé à une seconde section de la barre, sensiblement en face de l'élément magnétique, à une distance prédéterminée de celui-ci, - un moyen de mesure de variation d'une valeur électrique dans le capteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur est placé sensiblement en face de l'espace entre les pôles nord et sud de l'élément magnétique. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que il comprend également un cadre déformable supportant sur un de ses côtés l'élément magnétique, et sur un côté opposé le capteur. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément magnétique comprend deux aimants permanents antiparallèles accolés. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le capteur est une cellule magnéto-résistive dont la valeur électrique mesurée est la résistance. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le capteur est une cellule magnéto-résistive de type GMR. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le capteur est formé de quatre cellules magnéto-résistives montées en pont. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que il comporte également un moyen d'autocalibration du capteur. 9. Procédé de mesure de torsion d'une barre longitudinale entre deux sections de cette barre, utilisant un dispositif selon la revendication 1 à 8, caractérisé en ce que il comprend une étape de mesure de variation de résistance dans le capteur magnéto-résistif lorsque une torsion est appliquée à la barre. 10. Procédé de mesure de couple exercé sur une barre, caractérisé en ce que il utilise un procédé selon la revendication 8, et une étape de traduction de torsion mesurée en couple exercé sur la barre.