Brevet FR2828278A1 — publié le 20030207

La présente invention est relative à un capteur de déplacement angulaire utilisable pour mesurer l'angle sur lequel tourne une première unité par rapport à une seconde unité. Plus précisément, l'invention concerne des applications de ce capteur à la mesure d'un module de rigidité de matériaux, ou encore à la mesure d'un couple appliqué à un arbre. Bien que l'invention n'y soit pas limitée, l'application préférée du capteur de déplacement angulaire consiste à mesurer des couples de force, en particulier dans le domaine des directions assistées pour véhicules automobiles. Les directions assistées, notamment de type électrique se répandent de plus en plus dans l'industrie automobile. En effet, alors que jusqu'à présent, on utilisait la direction assistée électrique surtout dans les véhicules légers, on souhaite de plus en plus en équiper des véhicules lourds, ce qui implique que le moteur électrique d'assistance doit avoir une puissance et donc une inertie rotorique de plus en plus importante. Le fonctionnement des capteurs de couple est en général basé sur l'utilisation d'une barre de torsion dont on mesure l'angle de déformation par rapport à son axe, lorsqu'un couple de force y est appliqué. La mesure de l'angle peut être réalisée de différentes façons : par des bobines magnétiques placées aux extrémités de la barre de torsion, la déformation entraînant alors une variation de champ magnétique détectable par le système de bobines, par une mesure de position relative entre les deux extrémités de la barre, repérée par deux capteurs de position ; par une mesure capacitive, par un capteur de couple comprenant des jauges de contrainte devant être collées sur la barre de torsion, le signal délivré par ces jauges permettant de déduire une information représentative du couple appliqué à la barre. par une mesure d'un rayonnement, notamment optique. Dans le cadre de la mesure optique qui concerne spécifiquement la présente invention, il est classique d'utiliser des roues à fentes, une source lumineuse et un détecteur optique, ce dernier percevant la lumière envoyée par la source à travers les fentes des roues. Le signal délivré par le détecteur varie selon la modification du chevauchement des fentes qui est fonction de la déformation de la barre de torsion. Par ailleurs, par WO 95/19557, on connaît également un capteur de couple de type optique qui comprend une source lumineuse placée à une extrémité de la barre de torsion et un détecteur à l'autre extrémité, un faisceau de fibres optiques étant placé entre eux. Ce faisceau est déformé par la torsion de la barre de telle sorte que la transmission de la lumière à travers le faisceau soit modifiée en fonction du couple appliqué. Toutes les solutions antérieures énumérées ci-dessus ont l'inconvénient de nécessiter une barre de torsion de faible raideur afin que la mesure de la déformation angulaire puisse être effectuée avec une résolution satisfaisante. Pour passer des couples importants à travers la barre de torsion, il faut alors adjoindre au capteur un système mécanique en parallèle et prévoir des butées de protection limitant l'excursion angulaire de l'ensemble qui est sollicité en rotation. Pour une direction assistée pour véhicule lourd, on se trouve alors confronté à une construction complexe du capteur qui le rend coûteux et encombrant. En outre, dans le cas d'un capteur de couple pour direction assistée électrique, l'induit du moteur électrique sera couplé à la faible raideur de la barre de torsion, ce qui risque de créer un mode oscillant gênant dont la fréquence sera d'autant plus située dans le domaine d'utilisation de la direction que l'inertie de l'induit du moteur sera grande. Enfin, une barre de torsion à faible raideur conduit pour le conducteur du véhicule à des sensations sur la direction moins franches. L'invention a pour but de fournir un capteur de déplacement angulaire ayant une très haute résolution et présentant une construction simple. L'invention a donc pour objet un capteur de mesure de déplacement angulaire destiné à mesurer un écart angulaire autour d'un axe entre une première unité et une seconde unité susceptible d'effectuer un mouvement angulaire relatif par rapport à ladite première unité autour dudit axe, ce capteur comprenant : un ensemble émetteur solidaire de l'une des unités et destiné à émettre un rayonnement le long dudit axe, un ensemble récepteur solidaire de l'autre unité, aligné sur ledit axe et destiné à capter une fraction de l'intensité du rayonnement émis par ledit ensemble émetteur, fraction dont l'intensité est représentative dudit déplacement angulaire entre lesdites unités, caractérisé en ce que ledit ensemble émetteur comprend des moyens pour émettre ledit rayonnement avec un état de polarisation déterminé et en ce que ledit ensemble détecteur comprend un polariseur ainsi qu'au moins un élément de détection destiné à capter ladite fraction de rayonnement à travers ledit polariseur. Un capteur comportant ces caractéristiques, peut présenter une résolution pouvant atteindre le millième de degré d'angle et ne nécessite pas d'électronique de traitement complexe. En outre, sa construction est simple. Suivant d'autres particularités intéressantes de l'invention : ledit état de polarisation est linéaire, circulaire ou elliptique ; ledit ensemble émetteur comprend une source lumineuse dont le rayonnement lumineux présente ledit état de polarisation déterminé ; ledit ensemble émetteur comprend une source lumineuse non polarisée et des moyens de transformation pour conférer à la lumière issue de cette source ledit état de polarisation déterminé ; il est prévu des moyens de transformation comprenant une lame quart d'onde et une lame demi onde pour ajuster l'état de polarisation à la sortie de l'ensemble émetteur ; il est prévu des moyens de transformation comprenant un polariseur pour ajuster l'état de polarisation à la sortie de l'ensemble émetteur ; ledit ensemble émetteur comprend un laser, de préférence une diode laser ; la longueur d'onde du rayonnement émis par ledit ensemble émetteur est située dans le domaine de la lumière visible, cette longueur d'onde étant de préférence d'une valeur de l'ordre de 600 nm, avantageusement de 632,8 nm ; ledit ensemble récepteur comprend également un diviseur d'amplitude placé en amont dudit polariseur et des moyens pour capter le rayonnement dévié par ledit diviseur d'amplitude, des moyens étant prévus pour, au moyen du rayonnement dévié, stabiliser la fraction de rayonnement parvenant audit élément de détection. L'invention a également pour but de fournir un capteur de couple comprenant un capteur de déplacement angulaire présentant l'une ou plusieurs des particularités telles que définies ci-dessus. L'invention a donc également pour objet un tel capteur de couple caractérisé en ce que lesdits ensembles émetteur et récepteur sont connectés mécaniquement ensemble par un organe tubulaire dont l'axe coïncide avec ledit axe sur lequel sont alignés lesdits ensembles émetteur et récepteur. Suivant d'autres particularités de ce capteur de couple : ledit organe tubulaire est réalisé en un matériau de rigidité élevée tel que l'acier, l'acier inoxydable, l'aluminium, le cuivre ou le polyméthacrylate de méthyle ; une fibre optique à conservation de polarisation est couplée entre la source et ledit ensemble récepteur, ladite source étant polarisée linéairement et ladite fibre étant disposée dans ledit organe tubulaire. L'invention a également pour but de fournir un capteur pour déterminer le module de rigidité d'un matériau. Selon l'invention, ce capteur est caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de couple tel que défini cidessus, des moyens pour appliquer audit organe tubulaire un couple prédéterminé et un dispositif de calcul mettant en oeuvre la relation suivante : dans laquelle - G module de rigidité recherché ; - T couple appliqué à l'organe tubulaire ; J moment d'inertie de la section de l'organe tubulaire - re rayon externe de l'organe tubulaire ; - ri rayon interne de l'organe tubulaire ; 1 longueur de l'organe tubulaire. L'invention a enfin pour objet une direction assistée pour véhicule automobile comportant un capteur de couple tel que défini ci-dessus, l'une desdites unités étant un élément de la colonne de direction et l'autre unité étant le volant du véhicule. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un capteur de mesure de déplacement angulaire conçu selon le mode de réalisation préféré de l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe axiale d'un capteur de couple comprenant un capteur de mesure selon l'invention et agencé pour faire partie de la colonne de direction d'une direction assistée ; la figure 3 est une vue en coupe prise selon la ligne III-III de la figure 2 ; et la figure 4 est une vue en coupe axiale d'une variante de l'agencement représenté sur les figures 2 et 3. On va d'abord se référer à la figure 1 qui montre une vue en coupe axiale d'un capteur de mesure de déplacement angulaire selon l'invention. Il est supposé que ce capteur est destiné à mesurer les déplacements angulaires d'une unité Ul par rapport à une unité U2. Dans le cas représenté, l'unité Ul est supposée être fixe en comprenant un appendice tubulaire Al de forme générale cylindrique définissant un axe X-X. L'unité U2 est supposée être montée rotative autour de cet axe X-X, par exemple au moyen d'un roulement R, en comportant un appendice A2 de forme générale cylindrique centré également autour de cet axe. La nature des deux unités Ul et U2 peut être quelconque comme d'ailleurs celle des appendices Al et A2 qui ne servent que de pièces de fixation, tout autre moyen de fixation convenable pouvant être prévu. Le capteur de mesure selon l'invention comprend un ensemble émetteur 1 monté dans l'appendice Al et un ensemble récepteur 2 monté dans l'appendice A2. Toutefois, la disposition inverse est possible, l'ensemble émetteur 1 étant alors solidaire de l'unité U2 rotative et l'ensemble récepteur 2 étant fixé sur l'unité fixe Ul. L'ensemble émetteur 1 comprend un tube 3 dans l'extrémité duquel, proche de l'unité Ul, est montée une source de rayonnement électromagnétique 4, de préférence une source de lumière dont la longueur d'onde est située de préférence dans le domaine visible. La lumière de cette source 4 peut être non cohérente, mais on choisira de préférence une source de lumière cohérente telle qu'un laser. Pour fixer les idées, la longueur d'onde de cette source 4 est de préférence située entre 600 et 700 nm par exemple, une valeur préférée étant 632,8 nm, par exemple. Une diode émettrice de lumière de type laser ou une LED est avantageusement utilisée à cet effet. Pour permettre le fonctionnement du capteur selon l'invention, l'ensemble émetteur 1 doit émettre un rayonnement présentant un état de polarisation prédéterminé, cet état pouvant être linéaire, circulaire ou elliptique. Ceci peut être obtenu en choisissant une source 4 qui soit elle-même capable par inhérence d'émettre un rayonnement avec un tel état de polarisation. Pour permettre un ajustement de l'état de polarisation, il est avantageux de placer deux lames juxtaposées sur l'axe X-X, la lame se trouvant la plus près de la source étant une lame quart d'onde 5 et l'autre lame étant une lame demi onde 6, toutes deux pour la longueur d'onde de la source 4. En variante, on peut prévoir également d'utiliser une source de rayonnement 4 non polarisée et, de disposer à la place des lames 5 et 6, un unique polariseur (non représenté) devant cette source de rayonnement non polarisé. L'ensemble récepteur 2 comprend un tube cylindrique 7 fixé dans l'appendice A2. Un bloc diviseur d'amplitude 8 est disposé à l'entrée de ce tube 7. Ce bloc est suivi d'un polariseur 9 et d'un composant de détection 10 chargé de capteur rayonnement une fraction du rayonnement provenant de l'ensemble émetteur 1. Avantageusement, ce composant de détection 10 est formé par une diode photosensible adaptée à la longueur d'onde du rayonnement qui lui parvient à travers le bloc 8 et le polariseur 9. Un élément de détection 11, également avantageusement formé par une diode photosensible, est fixé dans un support latéral 12 monté sur le tube 7. Celui-ci présente un orifice latéral 13 à travers lequel du rayonnement dévié par le bloc diviseur d'amplitude 8 peut parvenir à l'élément de détection 11. L'élément de détection 10 est connecté à un dispositif électronique de traitement 14 qui traite le signal électrique provenant de cet élément. Les signaux provenant de ce dispositif de traitement 14 et de l'élément de détection 11 sont envoyés dans un dispositif d'analyse et de calcul 15 destiné notamment à combiner les deux informations afin d'élaborer le signal représentatif de l'écart angulaire mesuré. Celui-ci apparaît sur une sortie 16 du dispositif d'analyse 15. Il est à noter que la forme de la section des tubes 3 et 7 peut être quelconque, pourvu que le rayonnement puisse sty propager. Une section carrée ou rectangulaire est donc également possible. Pour une position angulaire relative donnée de l'ensemble émetteur 1 par rapport à l'ensemble récepteur 2, l'élément de détection 10 recevra une fraction déterminée de l'intensité du rayonnement qui lui parvient à partir de la source de rayonnement 4, car le polariseur 9 permet de déterminer la direction de polarisation du rayonnement. S'il se produit un déplacement angulaire relatif des deux ensembles 1 et 2 autour de l'axe X-X, la fraction du rayonnement reçue par l'élément 10 variera proportionnellement à l'écart angulaire par rapport à cette position angulaire initiale, et ce avec le signe correspondant au sens du déplacement angulaire. En déterminant l'intensité du signal délivré par l'élément sensible 10, on dispose donc d'une information d'angle qui est directement proportionnelle à l'écart angulaire, le signe du signal étant représentatif du sens du déplacement. Pour disposer d'une analyse théorique du principe de la polarisation de la lumière, l'homme de métier pourra consulter l'ouvrage de Serge Huard, intitulé"Polarisation de la lumière", paru en 1994 et édité par Masson. La fraction de l'intensité du rayonnement qui est perçue par l'élément de détection 11 est destinée à la production d'un signal de référence qui, d'une façon connue en soi, est combiné au signal de mesure dans le bloc 15 pour disposer d'un signal de sortie débarrassé des fluctuations éventuelles pouvant affecter le rayonnement utilisé. Les figures 2 et 3 montrent une application particulièrement avantageuse du capteur de déplacement angulaire qui vient d'être décrit à propos de la figure 1. Cette application concerne un capteur de couple qui est ici utilisé, à titre d'exemple particulièrement avantageux, dans une direction assistée de véhicule automobile. Pour convertir le capteur de déplacement angulaire de la figure 1 en un capteur de couple, il est prévu de remplacer les deux tubes 3 et 7 décrits à propos de la figure 1 par un unique organe tubulaire ou tube 17 qui rend solidaires l'ensemble émetteur 1 et l'ensemble récepteur 2. Cet unique organe tubulaire peut avoir toute section appropriée, une section circulaire étant toutefois préférée. Le volume intérieur du ce tube 17 constitue le milieu à travers lequel se propage le rayonnement de l'ensemble émetteur 1 vers l'ensemble récepteur 2. Si l'une des extrémités de ce tube 17 (ici l'extrémité de gauche) est maintenue fixe et l'autre extrémité est soumise à un couple s'exerçant dans un plan radial par rapport à l'axe X-X, il en résulte une torsion du tube 17, c'est-à-dire dans le cas étudié ici, un écart angulaire entre l'ensemble émetteur 1 et l'ensemble récepteur 2. Si on appelle 0 l'angle de torsion que subit le tube 17, il s'avère que formules dans lesquelles : - T couple appliqué sur le tube 17 ; 1 longueur du tube 17 ; J moment d'inertie de la section du tube 17 ; - G module de rigidité du matériau du tube 17 ; - re rayon externe du tube 17 ; - ri rayon interne du tube 17. Par conséquent, l'angle de torsion 8 étant mesuré à l'aide de l'agencement déjà décrit, l'homme de métier saura agencer le dispositif de calcul 15 pour qu'il fournisse sur sa sortie 16 directement la valeur du couple appliqué donnant lieu à cet angle de torsion. Dès lors, l'agencement des figures 2 et 3 peut également être utilisé pour mesurer le module de rigidité G d'un matériau dont est fait un tube 17 utilisé dans cet agencement à condition d'appliquer un couple T de valeur connue à cet agencement, selon la formule : Par conséquent, l'agencement des figures 2 et 3 peut être utilisé tant pour constituer un capteur de couple que pour former un capteur à l'aide duquel on peut déterminer un module de rigidité. Dans ce dernier cas, il convient de prévoir un mode commode de fixation mécanique des tubes à étudier dans les ensembles émetteur et récepteur, ce qui ne posera aucun problème aux spécialistes. En revenant aux figures 2 et 3 qui, comme déjà indiqué ci-dessus, concerne l'application de l'invention dans une direction assistée, le tube 17 est fixé dans une partie d'une colonne de direction 18, tandis que l'extrémité opposée du tube 17 est solidaire d'un volant 19. Le capteur peut être prévu à un endroit quelconque entre le volant 19 et le pignon de la crémaillère de direction. Dans ces conditions, le signal apparaissant sur la sortie 16 sera représentatif du couple qu'applique le conducteur du véhicule sur le volant 19. Ce signal pourra être utilisé comme signal d'erreur dans une boucle de réglage commandant un moteur d'assistance de direction (non représenté) associé de façon classique à la colonne de direction 18. Dans cette application de l'invention, du fait de la sensibilité et de la résolution très élevées du capteur de couple, il sera possible d'utiliser un tube 17 d'une rigidité élevée, ce qui permet de résoudre les problèmes liés à l'inertie du moteur d'assistance même si la partie rotative de celui-ci présente une inertie importante. Dans ces conditions, on peut également omettre les butées mécaniques classiquement prévues dans une direction assistée. Pour faire partie d'un capteur de couple, le tube 17 pourra être fabriqué dans un matériau de rigidité élevée, tel que l'acier, l'acier inoxydable, l'aluminium, le cuivre, le polymétacrylate de méthyle et autres. La figure 4 représente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel il est prévu en tant que qu'élément de liaison entre les ensembles émetteur 1 et récepteur 2, un tube 17A de faible diamètre servant en même temps à loger une fibre optique 20. Celle-ci est destinée à conduire directement le rayonnement provenant de la source 4 vers le bloc diviseur 8 de l'ensemble récepteur 2. Dans ce cas, il est avantageux que la source 4 possède elle-même l'état de polarisation déterminé, la fibre optique 20 devant alors être conçue pour conserver cet état de polarisation du rayonnement sur toute sa longueur. Cet agencement présente l'avantage d'être pratiquement insensible à des conditions environnementales hostiles pouvant régner autour de l'agencement. Quelque soit son mode d'application, le capteur selon l'invention présente en outre les avantages suivants : insensibilité aux influences électromagnétiques parasites, une réponse quasi-instantanée, une résolution élevée pouvant atteindre 1/1000 de degré angulaire et une conception simple de l'électronique nécessaire dépourvue d'un logiciel complexe. REVENDICATIONS 1. Capteur de mesure de déplacement angulaire destiné à mesurer un écart angulaire autour d'un axe (X-X) entre une première unité (Ul ; 18) et une seconde unité (U2 ; 19) susceptible d'effectuer un mouvement angulaire relatif par rapport à ladite première unité (Ul, 18) autour dudit axe, ce capteur comprenant : un ensemble émetteur (1) solidaire de l'une des unités et destiné à émettre un rayonnement le long dudit axe (X-X), un ensemble récepteur (2) solidaire de l'autre unité, aligné sur ledit axe (X-X) et destiné à capter une fraction de l'intensité du rayonnement émis par ledit ensemble émetteur (1), fraction dont l'intensité est représentative dudit déplacement angulaire entre lesdites unités, caractérisé en ce que ledit ensemble émetteur (1) comprend des moyens (4,5, 6 ; 20) pour émettre ledit rayonnement avec un état de polarisation déterminé et en ce que ledit ensemble récepteur (2) comprend un polariseur (9) ainsi qu'au moins un élément de détection (10) destiné à capter ladite fraction de rayonnement à travers ledit polariseur (9). 2. Capteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit état de polarisation est linéaire, circulaire ou elliptique. 3. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit ensemble émetteur (1) comprend une source lumineuse (4) dont le rayonnement lumineux présente ledit état de polarisation déterminé. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit ensemble émetteur (1) comprend une source lumineuse non polarisée (4) et des moyens de transformation (5,6) pour conférer à la lumière issue de cette source ledit état de polarisation déterminé. 5. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens de transformation comprenant une lame quart d'onde (5) et une lame demi onde (6) pour ajuster l'état de polarisation à la sortie de l'ensemble émetteur (1). 6. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens de transformation comprenant un polariseur, pour ajuster l'état de polarisation à la sortie de l'ensemble émetteur (1). 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit ensemble émetteur (4) comprend un laser, de préférence une diode laser. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la longueur d'onde du rayonnement émis par ledit ensemble émetteur (1) est située dans le domaine de la lumière visible, cette longueur d'onde étant de préférence d'une valeur de l'ordre de 600 à 700 nm, avantageusement de 632,8 nm. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit ensemble récepteur (2) comprend également un diviseur d'amplitude (8) placé en amont dudit polariseur (9) et des moyens (11,12) pour capter le rayonnement dévié par ledit diviseur d'amplitude, des moyens (15) étant prévus pour, au moyen du rayonnement dévié, stabiliser la fraction de rayonnement parvenant audit élément de détection (10). 10. Capteur de couple comprenant un capteur de déplacement angulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdits ensembles émetteur (1) et récepteur (2) sont connectés mécaniquement ensemble par un organe tubulaire (17 ; 17A) dont l'axe coïncide avec ledit axe (X-X) sur lequel sont alignés lesdits ensembles émetteur (1) et récepteur (2). 11. Capteur de couple selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit organe tubulaire (17,17A) est réalisé en un matériau de rigidité élevée tel que l'acier, l'acier inoxydable, l'aluminium, le cuivre ou le polyméthacrylate de méthyle. 12. Capteur de couple suivant l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que une fibre optique à conservation de polarisation (20) est couplée entre ladite source (4) et ledit ensemble récepteur (2), ladite source étant polarisée linéairement et ladite fibre (20) étant disposée dans ledit organe tubulaire (17A). 13. Capteur pour déterminer le module de rigidité d'un matériau caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de couple tel que défini dans l'une quelconque des revendications 10 et 11, des moyens (19) pour appliquer audit organe tubulaire (17 ; 17A) un couple prédéterminé (T) et un dispositif de calcul (15) mettant en oeuvre la relation suivante : dans laquelle - G module de rigidité recherché ; - T couple appliqué à l'organe tubulaire ; J moment d'inertie de la section de l'organe tubulaire ; - re rayon externe de l'organe tubulaire ; - ri rayon interne de l'organe tubulaire ; 1 longueur de l'organe tubulaire. 14. Direction assistée pour véhicule automobile caractérisée en ce qu'elle comprend un capteur de couple tel que défini dans l'une quelconque des revendications 9 à 12 et en ce que l'une desdites unités est un élément de la colonne de direction (18) et l'autre unité est le volant (19) du véhicule.