Brevet FR2821668A1 — publié le 20020906

CAPTEUR DE POSITION, NOTAMMENT DESTINE A LA DETECTION DE LA TORSION D'UNE COLONNE DE DIRECTION. La présente invention concerne le domaine des capteurs de position, et plus particulièrement les capteurs de position destinés à la mesure de la torsion d'une colonne de direction, sans que cette application ne soit exclusive. On connaît dans l'état de la technique le brevet américain US4984474 décrivant un capteur de l'état de la technique, présentant une partie statorique constituée par une pièce ferromagnétique formant des dents radiales, sur deux étages, placées en regard d'aimants multipolaires aimantés radialement en sens alternés. Une pièce ferromagnétique additionnelle est placée en regard de la partie statorique, et présente un entrefer dans lequel est disposée une sonde de Hall. Cette solution de l'art antérieur n'est pas satisfaisante car elle conduit à une perte de signal magnétique entre la partie statorique et la partie comprenant la sonde de Hall. Par ailleurs, le champ magnétique généré par les aimants donne lieu à des pertes dues à la structure du capteur. On connaît également dans l'état de la technique un capteur décrit dans le brevet américain US4784002 décrivant un autre capteur de position, constitué par une partie présentant une pluralité d'aimants orientés axialement, coopérant avec des dents radiales d'une partie statorique. Cette structure conduit également à des fuites magnétiques et à une efficacité réduite, se traduisant par un rapport"signal sur bruit"médiocre. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un capteur de position amélioré, dont le rapport signal sur bruit est meilleur. Un autre but de l'invention est de réduire l'encombrement radial. A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale un capteur de position, notamment destiné à la détection de la torsion d'une colonne de direction, constitué par une première structure magnétique comprenant une pluralité d'aimants aimantés radialement et une deuxième structure magnétique comprenant deux couronnes ferromagnétiques présentant une pluralité de dents et définissant un entrefer dans lequel est placé au moins un élément magnétosensible, les deux structures magnétiques étant solidaires respectives de deux parties en rotation relative, caractérisé en ce que les deux couronnes ferromagnétiques sont imbriquées et présentent chacune une partie sensiblement tubulaire formant des dents orientées axialement, reliées par une zone de fermeture de flux transversale, l'entrefer de détection étant délimité par lesdits zones de fermeture de flux. Avantageusement, la première structure magnétique est constituée par une culasse tubulaire ferromagnétique, présentant une pluralité d'encoches tangentielles dans lesquelles sont logés des aimants minces aimantés sensiblement radialement, en sens identiques. Selon un mode de réalisation préféré, la hauteur des dents correspond sensiblement à la hauteur des aimants. Selon une variante, la première et la seconde structure magnétiques sont mobiles par rapport à l'élément magnétosensible. Selon un mode de réalisation particulier, le capteur de position comporte N éléments magnétosensibles, N correspondant au nombre de phase d'un moteur à courant continu sans balai dont le déplacement est commandé par ledit capteur. Selon un premier mode de réalisation, les couronnes présentent des zones de fermeture de flux discales. Selon un deuxième mode de réalisation, les couronnes présentent des zones de fermeture de flux semitoriques. Selon un troisième mode de réalisation, les couronnes présentent des zones de fermeture de flux découpées pour former une pluralité de dents. Selon une autre mode de réalisation, les couronnes présentent des zones de fermeture de flux s'étendant sur 3600. Selon une autre variante, les couronnes présentent des zones de fermeture de flux s'étendant sur un secteur angulaire correspondant sensiblement à la dimension de l'élément magnétosensible. L'invention concerne également un capteur de torsion comprenant deux parties rotatives reliées par une éprouvette élastique, et un capteur de position comprenant deux parties solidaires respectivement desdites parties rotatives, le capteur de position étant constitué par une première structure magnétique comprenant une pluralité d'aimants aimantés radialement et une deuxième structure magnétique comprenant deux couronnes ferromagnétiques présentant une pluralité de dents et définissant un entrefer dans lequel est placé au moins un élément magnétosensible, les deux structures magnétiques étant solidaires respectives de deux parties en rotation relative, caractérisé en ce que les deux couronnes ferromagnétiques sont imbriquées et présentent chacune une partie sensiblement tubulaire formant des dents orientées axialement, reliées par une zone de fermeture de flux transversale, l'entrefer de détection étant délimité par lesdits zones de fermeture de flux. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés relatifs à un exemple non limitatif de réalisation, où : - la figure 1 représente une vue schématique d'une colonne de direction ; - la figure 2 représente une vue éclatée d'un premier exemple de réalisation d'un capteur ; la figure 3 représente une vue de la deuxième structure dudit capteur ; la figure 4 représente une vue agrandie, en coupe partielle, du capteur ; la figure 5 représente une vue éclatée d'une deuxième forme de réalisation ; la figure 6 représente la courbe de réponse du capteur selon la figure 5 ; la figure 7 représente une autre variante de réalisation (sonde fixe et stator fixe) ; la figure 8 représente une vue en coupe transversale. L'objet de l'invention est de remédier à ces problèmes de faibles sensibilités et est relative aux capteurs de position sans contact destiné à la mesure d'angles voisins ou inférieurs à 10 , dans des applications telles les capteurs de couple de colonne de direction par exemple (le signal sera ensuite exploité pour l'assistance de direction). Le capteur de position angulaire décrit dans ce qui suit est destiné à la mesure d'un écart angulaire très faible (quelques degrés) entre deux arbres reliés par une barre de torsion. Une telle application de mesure de couple est décrite à la figure 1. Dans le domaine de déformation linéaire de cette barre de torsion, cet écart angulaire (al-0. 2) sera proportionnel au couple appliqué entre les deux arbres (1) (3) reliés par une éprouvette (2) déformable élastiquement. La mesure de cet écart angulaire par le capteur va permettre de délivrer un signal électrique en sortie de l'élément magnétosensible qui soit proportionnel au couple appliqué. Dans le cas du capteur de couple de colonne de direction le capteur (4) doit de plus permettre la mesure de l'écart angulaire entre deux arbres tournant par rapport au référentiel fixe qu'est l'habitacle de la voiture. C'est-à-dire que al et az sont des angles qui peuvent être supérieurs à 3600 (la colonne de direction peut faire plusieurs tours). La mesure angulaire doit donc avoir lieu entre les deux arbres (1) (3) lorsque la barre de torsion (2) se déforme, chacun des deux arbres étant libres en rotation sur plusieurs tours. Un angle de travail en torsion typique dans cette application est de +/-20 à +/-40 maximum. On voit donc que le problème consiste d'une part à fournir un capteur de position très sensible et d'autre part un système permettant à l'élément magnétosensible d'être fixe par rapport au référentiel habitacle. La figure 2 représente une vue éclatée d'un premier exemple de réalisation d'un capteur selon l'invention. Il est constitué d'une première structure magnétique (5) et d'une deuxième structure magnétique formée par deux couronnes (6,7) imbriquées. Les deux structures magnétiques présentent une forme générale tubulaire et sont coaxiales. La première structure magnétique (5) est formée par une culasse (8) de forme tubulaire présentant des cavités pour le logement d'une pluralité d'aimants minces (9) aimantés selon une direction radiale, ou selon une direction parallèle à la direction radiale passant par le centre de l'aimant. Ces aimants sont encastrés dans une cavité présentant entre 0,2 et 0,9 fois l'épaisseur de l'aimant. Les aimants sont séparés par des secteurs angulaires (10) de la culasse. La deuxième structure est formée de deux couronnes ferromagnétiques (6,7) présentant des dents (11, 12) s'étendant axialement, et séparés par des intervalles vides permettant l'imbrications des dents de la couronne opposée. Les dents sont prolongées par une zone de fermeture de flux respectivement (13,14) s'étendant globalement dans un plan transversal, perpendiculaire à l'orientation principale des dents. Ces deux zones de fermeture de flux délimitent un entrefer annulaire (16) dans lequel est positionnée un élément magnétosensible (15). La figure 3 représente une vue de la deuxième structure assemblée, sans la première structure qui vient se loger dans la cavité centrale et la figure 4 une vue en détail et en coupe dudit capteur. La première structure comporte N aimants (9), et chacune des couronnes de la deuxième structure présente N dents. L'élément magnétosensible (15), par exemple une sonde à effet Hall programmable, est fixe par rapport au référentiel fixe correspondant à l'habitacle. Il est placé dans l'entrefer (16) entre les 2 collecteurs ferromagnétiques (13) (14) qui ont chacun collecté le flux de N dents, et de façon à permettre aux 2 coupelles de tourner de plusieurs tours. Chacune des structures est rotative par rapport au référentiel habitacle et présente un mouvement différentiel de quelques degrés l'un par rapport à l'autre en fonction du couple appliqué, qui va se traduire par une variation de flux de quelques centaines de Gauss dans l'entrefer tournant (16). Le signal analogique issu de la sonde de Hall (15) fournira donc une image électrique du couple appliqué entre les 2 arbres supportant d'une part le stator (6,7) et d'autre part le rotor (5). Dans le cas des capteurs de couple de colonne de direction, l'information de couple est en général exploitée pour piloter un moteur électrique du type moteur à courant continu sans balai (BLDC). L'action de ce moteur électrique va être de fournir l'assistance électrique de direction, en fournissant un couple proportionnel à celui détecté par le capteur de couple, tout en suivant une position proportionnelle à celle de la colonne de direction. De tels moteurs possèdent en général 3 bobinages appelés phases réparties à 1200 électriques. La rotation de ces moteurs triphasés est assurée par un contrôleur qui va générer 3 signaux sinusoïdaux d'amplitude proportionnelle au couple fourni par le capteur de couple, tout en suivant une position proportionnelle à celle de la colonne de direction. En général ces 2 informations de couple et de position proviennent de deux capteurs différents. Selon l'invention décrite à la figure 5, il est possible que les collecteurs magnétiques (13) (14) soient dentés, et possèdent D dents (19,20) sur 360 . Un élément magnétosensible (15) placé dans l'entrefer (16) de la figure 5 verra donc un champ magnétique alterné, de période proportionnelle à D et à la position de la partie statorique (5) qui est tournante par rapport au référentiel fixe habitacle (mais statorique par rapport au rotor (6) (7) ), et aussi proportionnel au couple exercé entre (5) et (6) (7). Si l'on place dans l'entrefer (16) 3 éléments magnétosensibles (21,22, 23) espacés d'un pas polaire équivalent à 120 de période électrique, on obtient en sortie de ces 3 éléments magnétosensibles les 3 sinusoïdes décrites à la figure 6, dont l'amplitude est proportionnelle au couple exercé sur la colonne de direction, et qui donnent en même temps une information de position de la colonne de direction. Si l'on choisit judicieusement le nombre de dents D en fonction du rapport de réduction R souvent associé au moteur BLDC, ces 2 informations combinées peuvent être directement utilisées pour piloter le moteur BLDC au travers d'un étage de puissance à transistors. La figure 7 représente une autre variante de réalisation, dans laquelle les couronnes présentent deux zones de fermeture de flux réduites à des secteurs angulaires (30, 31) réduit dont les dimensions correspondent sensiblement aux dimensions de la sonde de Hall (15). Le principe décrit auparavant ne se limite pas aux applications de capteur de couple de colonne de direction, mais peut être appliqué aux mesures de très petits angles, telles que des applications de capteur de pédales de freinage ou d'accélérateur. On peut en effet imaginer que les 2 collecteurs ferromagnétiques (13) (14) ne se développent pas sur 360 , mais sont limités à quelques dizaines de degrés, comme indiqués à la figure 7. La figure 8 représente une vue en coupe transversale du capteur. REVENDICATIONS 1-Capteur de position, notamment destiné à la détection de la torsion d'une colonne de direction, constitué par une première structure magnétique comprenant une pluralité d'aimants et une deuxième structure magnétique comprenant deux couronnes (6,7) ferromagnétiques présentant une pluralité de dents (11, 12) et définissant un entrefer (16) dans lequel est placé au moins un élément magnétosensible (15), les deux structures magnétiques étant solidaires respectives de deux parties en rotation relative, caractérisé en ce que les deux couronnes (6,7) ferromagnétiques sont imbriquées et présentent chacune une partie sensiblement tubulaire formant des dents (11, 12) orientées axialement, reliées par une zone de fermeture de flux (13,14), l'entrefer de détection (16) étant délimité par lesdites zones de fermeture de flux. 2-Capteur de position, selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première structure magnétique est constituée par une culasse tubulaire ferromagnétique, présentant une pluralité d'encoches tangentielles dans lesquelles sont logés des aimants minces aimantés sensiblement radialement en sens identiques [soit sous la forme d'aimants en forme de tuile aimantés radialement, soit sous la forme d'aimant parallélépipédiques, aimantés selon une direction perpendiculaire au plan de la face principal, et donc parallèlement à une direction radiale passant par le centre de l'aimant considéré]. 3-Capteur de position, selon la revendication 1 caractérisé en ce que la hauteur des dents correspond sensiblement à la hauteur des aimants. 4-Capteur de position, selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que l'une au moins des structures magnétiques sont mobiles par rapport à l'élément magnétosensible. 5-Capteur de position, selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte N éléments magnétosensibles, N correspondant au nombre de phase d'un moteur à courant continu sans balai dont le déplacement est commandé par ledit capteur. 6-Capteur de position, selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que les couronnes présentent des zones de fermeture de flux de forme discale transversale. 7-Capteur de position, selon l'une au moins des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les couronnes présentent des zones de fermeture de flux de forme semitorique. 8-Capteur de position, selon l'une au moins des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les couronnes présentent des zones de fermeture de flux de forme tubulaire. 9-Capteur de position, selon l'une au moins des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les couronnes présentent des zones de fermeture de flux découpées pour former une pluralité de dents. 10-Capteur de position, selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que les couronnes présentent des zones de fermeture de flux s'étendant sur 3600. 11 - Capteur de position, selon l'une au moins des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que les couronnes présentent des zones de fermeture de flux s'étendant sur un secteur angulaire correspondant sensiblement à la dimension de l'élément magnétosensible. 12-Capteur de torsion comprenant deux parties rotatives reliées par une éprouvette élastique, et un capteur de position comprenant deux parties solidaires respectivement desdites parties rotatives, le capteur de position étant constitué par une première structure magnétique comprenant une pluralité d'aimants aimantés radialement et une deuxième structure magnétique comprenant deux couronnes ferromagnétiques présentant une pluralité de dents et définissant un entrefer dans lequel est placée au moins un élément magnétosensible, les deux structures magnétiques étant solidaires respectives de deux parties en rotation relative, caractérisé en ce que les deux couronnes ferromagnétiques sont imbriquées et présentent chacune une partie sensiblement tubulaire formant des dents orientées axialement, reliées par une zone de fermeture de flux transversale, l'entrefer de détection étant délimité par lesdits zones de fermeture de flux.