Brevet FR2801415A1 — publié le 20010525

ACTIONNEUR LINEAIRE A CAPTEUR DE POSITION L'invention concerne les actionneurs électromagnétiques destinés à déplacer en translation linéaire une tige d'entraînement, suivant l'axe de la tige. Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les actionneurs permettant d'amener une soupape alternativement dans une position d'ouverture et une position de fermeture et notamment dans ceux destinés aux soupapes d'un moteur à combustion interne, à allumage par étincelles ou par compression. On connaît (demande FR 98 12489) un actionneur électromagnétique, ayant, dans un boîtier, un circuit ferromagnétique définissant un intervalle de débattement axial d'une palette en matériau ferromagnétique d'entraînement d'une tige entre deux positions extrêmes d'appui de la palette sur des pôles du circuit ferromagnétique, des moyens de rappel élastiques prévus pour maintenir au repos la soupape dans une position médiane entre les positions extrêmes, et des moyens électromagnétiques ayant au moins une bobine portée par le circuit et permettant d'amener alternativement la palette et la tige dans les deux positions extrêmes. Les moyens électromagnétiques peuvent comporter deux bobines placées de part et d'autre d'une palette fixée à la tige et dont l'excitation attire respectivement la palette dans un sens tendant à fermer une soupape et un second électro-aimant, placé de l'autre côté de la palette, dont l'excitation tend par exemple à amener une soupape dans la position de pleine ouverture. Le mode de réalisation décrit dans 1a demande de brevet n 98 12489, auquel on pourra se reporter, a au contraire une bobine unique montée sur un circuit ferromagnétique de construction telle qu'il présente, en combinaison avec la palette, deux cheminements stables de flux magnétique correspondant l'un et l'autre à une valeur nulle d'entrefer entre-la palette et un pôle du circuit ferromagnétique. Un fonctionnement satisfaisant d'un tel actionneur implique un réglage initial tel que la palette soit au repos dans une position médiane entre ses positions extrêmes. Pour cela on peut prévoir des organes de réglage de la compression initiale d'un des ressorts, tels que ceux décrits dans la demande FR 99 05 206 . Mais encore faut-il disposer d'un capteur de position de la palette permettant de déterminer la position de cette palette dans l'intervalle ou entrefer définis par les pôles. Un bon fonctionnement exige de plus que l' énergie fournis à la bobine ou aux bobines soit suffisante pour garantir une course complète de la palette, mais non excessive afin d'éviter un choc terminal qui provoquerait du bruit et de l'usure. La demande FR 99 05203 fournit des moyens permettant de déterminer la position de repos de la palette de façon précise et donc de doser l'énergie appliquée pendant la phase finale du déplacement de la palette, mais exige des aimants portés par la tige. Or les aimants présentant des caractéristiques favorables à la mesure tolèrent mal des accélérations alternées violentes. L'invention vise notamment à fournir un actionneur du type ci-dessus défini muni de moyens de mesure précise de position de la tige, de constitution robuste, peu sensibles aux accélérations alternées et, dans des modes particulièrement avantageux de réalisation, peu sensibles au champ susceptible d'être créé par les moyens de commande de l'actionneur. Dans ce but elle propose notamment un actionneur dont la tige présente une zone de longueur axiale au moins égale au débattement de la tige, ayant des propriétés ferromagnétiques différentes de celles du reste de la tige et dont le boîtier porte au moins un capteur de flux magnétique d'axe sensible radial placé axialement entre deux aimants ayant des aimantation de sens opposés, avantageusement radiales. Le capteur est avantageusement un capteur de Hall qui a une réponse sensiblement linéaire en fonction du champ, ce qui permet de suivre le déplacement de l'aimant par mesure du signal de sortie. Par ailleurs la dérive de ce capteur, thermique ou par vieillissement, est lente et donc compensable par des recalibrages périodiques pour repérer le signal correspondant à la position médiane de la palette. L'utilisation d'aimants à aimantation radiale et d'un capteur à axe sensible radial permet d'utiliser le détecteur non seulement dans un actionneur à une seule bobine où l'intensité du champ magnétique dans le plan de symétrie du circuit magnétique est faible mais aussi dans un montage à deux bobines. La détection du mouvement se fait face à l'existence d'une zone spécifiquement aménagée dans 1a tige. La zone est allongée dans le sens axial ou en forme d'anneau autour de 1a tige. La tige peut être ferromagnétique et la zone est alors non ferromagnétique. Elle peut être constituée par une encoche longitudinale, une gorge annulaire, un insert en matériau non ferromagnétique ou un anneau en matériau non ferromagnétique. Dans un autre mode de réalisation, la tige est en matériau amagnétique et la zone est en matériau ferromagnétique et constituée par un anneau ou insert en matériau ferromagnétique. Divers modes de montage des anneaux sont utilisables, par exemple en constituant la tige en deux parties. Le montage d'un insert ou d'un barreau dans une fente ménagée dans 1a tige est particulièrement simple, mais moins robuste. Dans un mode avantageux de réalisation, permettant de réduire très sensiblement les effets de composantes perturbatrices externes éventuelles tout en augmentant le signal utile, ie détecteur comporte deux capteurs dont les directions sensibles sont opposées, placés de part et d'autre de la tige, et un soustracteur recevant les sorties des deux capteurs. Ainsi des effets extérieurs équivalents sur les deux capteurs s'annulent. Dans une variante, le détecteur comporte deux capteurs placés côte-à-côte sur un même substrat en silicium, des circuits ferro magnétiques ramenant les flux prélevés de part et d'autre de la tige chacun à un capteur respectif et un soustracteur recevant les sorties des deux capteurs. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres, avantageusement utilisables en liaison avec les précédentes mais pouvant l'être indépendamment, apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 montre un actionneur de soupape auquel est applicable l'invention, en coupe suivant un plan passant par l'axe de la soupape ; - la figure 2 est une vue de détail destinée à montrer la constitution de moyens de mesure de position selon un mode de réalisation; - les figures 3 et 4 montrent une fraction de variantes de la figure 2; et - la figure 5 est un schéma d'un montage à deux capteurs. L'actionneur 10 montré en figure 1 est du type décrit dans les demandes FR 98 12940 et 99 05203 auxquelles on pourra se reporter. I1 est destiné à commander une soupape de moteur. Il comporte un boîtier destiné à être monté sur la culasse 12 d'un moteur , en matériau non ferromagnétique, par exemple en alliage léger. Le boîtier peut être fixé sur la culasse 12 par l'intermédiaire d'une cale 20 également en matériau non ferromagnétique. L'actionneur comporte une palette mobile 22 en matériau ferromagnétique, avantageusement feuilleté pour réduire les pertes. Elle est fixée sur une tige 24 d'entraînement de la soupape 25. La palette a une forme rectangulaire et ne peut pas tourner dans le boîtier. La tige 24 peut être guidée par une bague 26 fixée à un prolongement annulaire ou cheminée du boîtier. Deux ressorts de rappel 28a et 28b sont prévus pour maintenir la soupape au repos dans une position sensiblement médiane entre la position de fermeture et la position de pleine ouverture de la soupape. Le ressort 28a est comprimé entre un plateau 30 fixé à la tige 24 et des moyens, non représentés sur la fig. 1, de réglage de la compression du ressort. L'autre ressort 28b est comprimé entre un plateau 31 fixé à la queue de soupape et 1e fond du puits de soupape ménagé dans la culasse. L'actionneur peut également être du type décrit dans le brevet français No. 98 11 670, ce qui permet de constituer la tige et 1a queue de soupape d'une seule pièce. Le boîtier contient @ un circuit en matériau ferromagnétique 36, avantageusement feuilleté, délimitant un circuit ferromagnétique avec la palette, et une bobine 38. Le circuit représenté peut être en deux parties complémentaires, en appui l'une contre l'autre ou d'un seul tenant. Les tôles constitutives de chaque moitié du noyau sont en forme de E. Les branches supérieures 42 du E s'engagent dans la bobine 36 qu'elles supportent par l'intermédiaire d'un mandrin 44. Les deux autres branches de chaque moitié délimitent un volume de débattement de la palette. L'appui de la palette contre le fond 46 du volume définit la position de pleine ouverture de la soupape. Le plafond 48 du volume est à un emplacement par rapport au siège de soupape tel que l'appui de l'armature n'empêche pas la soupape de se fermer. L'ensemble constitué par la palette, la soupape et le ressort constitue un système oscillant ayant une fréquence propre. En régime permanent, on alimente la bobine pour amener l'équipage mobile dans une position extrême puis sous un courant de maintien plus faible ; puis on provoque le déplacement de l'équipage mobile dans l'autre sens, jusqu'à appui, par suppression du courant, puis rétablissement lorsque la palette a atteint un position telle qu'elle est attirée vers l'autre pôle. Le dispositif montré en figure 2 de réglage de la position de repos de la palette est constitué d'une roue dentée 50 en appui contre le boîtier et d'une bague taraudée 52 retenue en rotation par un clavetage coulissant sur le boîtier et recevant la force de compression du ressort 28a. Par rotation de la roue depuis l'extérieur, il est possible d'ajuster la position. de repos de la palette par rapport au boîtier. Le détecteur montré en fig. 2 de mesure de la position de la tige, et donc de la palette, par rapport au boîtier, comprend des éléments appartenant à la tige et des éléments fixés au boîtier. Les éléments fixés au boîtier comprennent un capteur de flux magnétique 56, qui sera généralement un capteur à effet Hall, fixé à la cheminée du boîtier. Ce capteur a un axe sensible radial , comme indiqué par une flèche. Il est encadré dans le sens axial par deux aimants 60 ayant des aimantations radiales de sens contraires, indiquées par des flèches. Les fils 62 de sortie du capteur 56 peuvent être placés dans une rainure de 1a cheminée. Les éléments portés par la tige peuvent avoir diverses constitutions. Ils occupent une zone 54 de la tige à laquelle ils donnent des propriétés différentes de celles du reste de 1a tige et se placent en regards du capteur, symétriquement par rapport à lui lorsque l'actionneur est au repos. La zone 54 a une longueur axiale L1 au moins égale au débattement de la palette. Dans le cas illustré sur la fig. 2, la tige est ferromagnétique et guide les lignes de force. La zone 54 est constituée par une rainure ou occupée par une pièce en matériau non ferromagnétique. Cette pièce peut être constituée par un barreau ou insert placé dans une rainure de la tige. Elle peut être en forme d'anneau ce qui rend le détecteur insensible à des rotations éventuelles de la tige. La longueur axiale de chaque aimant, de part et d'autre du capteur, est du même ordre que la longueur L1. Dans le cas d'un actionneur de soupape ayant un diamètre de tige de l'ordre de 6mm, en un matériau magnétique tel que certains aciers magnétiques utilisés pour les roulements, une zone annulaire de 10 mm de longueur et de imm de profondeur environ donne généralement de bons résultats. Les aimants peuvent avoir une épaisseur de l'ordre de 2 mm. Le plan azimutal dans lequel est placé le détecteur est choisi pour que le flux qu'y induit la bobine soit faible. La symétrie du circuit magnétique fait que ce champ est pratiquement nul dans le plan de la figure 1 pour un actionneur à une seule bobine. Mais surtout l'orientation de l'axe sensible du capteur est tel qu'un flux magnétique dont les lignes de force le traversent dans la direction axiale ne le perturbe pas, ce qui autorise une utilisation dans un actionneur à deux bobines sans qu'il soit nécessaire de blinder les chignons des bobines. L'utilisation d'aimants dont le champ rémanent reste fort (supérieur à 1 Tesla) même à température élevée (tels que ceux du type samarium-cobalt ou néodyme-fer-bore) permet d'augmenter encore le flux dans la sonde et le rapport signal utile/perturbations provenant des bobines. Dans la variante de réalisation montrée en figure 3, la tige 24 est en matériau amagnétique et l'anneau occupant la zone 54 est en matériau ferromagnétique. Pour ajuster la caractéristique déplacement - réponse du capteur, il est possible d'y pratiquer un évidemment annulaire central 62 éventuellement occupé par du matériau amagnétique. L'anneau peut notamment être en acier inoxydable. Dans la variante montrée en fig. 4 la tige est en matériau amagnétique. Un fourreau 64 en matériau ferromagnétique de fermeture du flux , dont l'épaisseur peut être inférieure au mm, couvre l'ensemble constitué par les aimants et 1e capteur. La figure montre 1a déformation des lignes de force du champ et l'apparition d'une composante radiale dans 1e capteur lorsque la tige s'écarte de sa position de repos où le système est symétrique. Dans certains cas, et notamment lorsque plusieurs actionneurs sont montés côte à côte avec des fractions de circuit magnétique communes (demande FR 99 05206), chaque actionneur est susceptible de perturber le capteur d'un actionneur adjacent qui est dans une orientation autour de l'axe de 1a tige favorable du point de vue des perturbations internes, mais" défavorables du point de vue des perturbations provoquées par un actionneur adjacent. L'effet d'un tel actionneur peut être pratiquement éliminé avec un montage différentiel tel que celui montré en fig. 5, comportant des détecteurs placés symétriquement par rapport à la tige, recevant sensiblement le même flux d'un actionneur adjacent et polarisés de façon à fournir des signaux utiles de polarités opposées. Les deux capteurs 56a et 56b ont des polarités opposées. Leurs signaux de sortie sont appliquées aux deux entrées d'un soustracteur analogique 66 dont la sortie S fournit un signal utile doublé, alors que l'erreur résiduelle due aux perturbations externes est uniquement l'erreur de mode commun lorsque les deux capteurs reçoivent le même champ perturbateur. REVENDICATIONS 1. Actionneur électromagnétique comprenant une tige (24) déplaçable axialement entre deux positions extrêmes dans un boîtier par des moyens électromagnétiques, ayant des moyens de mesure de la position axiale de la tige, caractérisé en ce que les dits moyens de mesure comprennent une zone de la tige ayant des propriétés ferromagnétiques différentes de celles du reste de la tige et de longueur au moins égale au débattement de la tige et comprennent, sur le boîtier, au moins un capteur de flux magnétique (56) d'axe sensible radial, placé axialement entre deux aimants (60) ayant des aimantations de sens opposés. 2. Actionneur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier porte un fourreau (64) en matériau ferromagnétique de retour de flux couvrant le capteur et les aimants. 3. Actionneur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le capteur (56) est un capteur de Hall. 4. Actionneur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les aimants sont à aimantation radiale. 5. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la dite zone est allongée dans le sens axial ou en forme d'anneau autour de la tige. 6. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la tige (24) est ferromagnétique et la zone est non ferromagnétique et est constituée par une encoche longitudinale, une gorge annulaire, un insert en matériau non ferromagnétique ou un anneau en matériau non ferromagnétique. 7. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la tige est en matériau amagnétique et la dite zone est en matériau ferromagnétique et constituée par un anneau ou insert en matériau ferromagnétique 8. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les aimants ont un champ rémanent supérieur à 1 Tesla à température élevée. 9. Actionneur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, dont le boîtier contient un circuit ferromagnétique définissant un intervalle de débattement axial d'une palette (22) en matériau ferromagnétique d'entraînement axial de la tige entre les deux positions extrêmes définies par l'appui de la palette sur des pôles du circuit ferromagnétique et au moins une bobine portée par le circuit et permettant d'amener alternativement la palette dans les deux positions extrêmes. 10. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le détecteur comporte deux capteurs (56a,56b) dont les directions sensibles sont radialement opposées, placés de part et d'autre de la tige, et un soustracteur recevant les sorties des deux capteurs. 11. Actionneur selon la revendication 1 à 9, caractérisé en ce que 1e détecteur comporte deux capteurs placés côte-à-côte sur un même substrat en silicium, des circuits ferromagnétiques ramenant les flux prélevés de part et d'autre de la tige chacun à un capteur respectif et un soustracteur recevant les sorties des deux capteurs.