Brevet FR2837282A1 — publié le 20030919

CAPTEUR DE COUPLE La présente invention concerne un capteur de couple pour détecter un couple appliqué à un arbre tournant sur la base de la mesure de changements d'induction magnétique (densité de flux magnétique) ou d'intensité de champ magnétique. Les présents inventeurs ont déposé une demande de brevet antérieure concernant un capteur de couple (Demande de Brevet du Japon n 2001-316788, Publication de Demande de Brevet des E. U.A. n 2002-189371). Ce capteur de couple cpmprend de façon générale une barre de torsion accouplant un arbre d'entrée et un arbre de sortie, un aimant multipolaire fixé à une extrémité de cette barre de torsion, une paire de culasses multipolaires fixées à l'autre extrémité de la barre de torsion et disposées-à l'intérieur d'un champ magnétique généré par l'aimant multipolaire, une paire de bagues collectrices de flux magnétique pour recevoir le flux magnétique provenant des culasses multipolaires, et un capteur magnétique pour détecter l'intensité de champ magnétique par l'intermédiaire des bagues. Chaque bague de la paire de bagues collectrices de flux magnétique est munie de parties qui ont la fonction de collecter le flux magnétique provenant des culasses multipolaires, et ces parties sont disposées face à face. Le capteur magnétique est interposé entre ces parties de collecte de flux magnétique, mutuellement opposées, des bagues. Lorsque la barre de torsion est soumise à une torsion, un flux magnétique est généré entre la paire de culasses multipolaires du fait d'un changement dans la relation de positions relatives entre l'aimant multipolaire et les culasses multipolaires, dans la direction de la circonférence. Le flux magnétique est collec- té par la paire de bagues, et le capteur magnétique détecte la densité du flux magnétique. Dans ce capteur de couple, il est crucial d'utiliser le plus possible le flux collecté par les bagues. Cependant, du fait que le capteur magnétique est interposé entre les parties de collecte de flux magnétique des bagues, il existe un problème de fuite de flux magnétique à travers les entrefers inévitables entre le capteur magnétique et les parties de collecte de flux magnétique. Cette fuite produit une diminution du signal de sortie du capteur. Un autre problème consiste en ce que, du fait qu'il n'est pas possible de rendre les entrefers constants dans absolument chaque produit, à cause de légères variations résultant de tolérances d'assemblage, le signal de sortie des capteurs tend à être légèrement différent. La présente invention a été faite en prenant en considération les circonstances ci-dessus, et son but est de procurer un capteur de couple capable d'avoir un signal de sortie renforcé et stable, ce qui est obtenu en minimisant la fuite de flux magnétique. Pour atteindre le but ci-dessus, la présente invention procure un capteur de couple incluant une barre de torsion accouplée de manière coaxiale à des extrémités opposées à un premier arbre et un second arbre, pour convertir en un déplacement de torsion un couple appliqué entre les deux arbres. Il existe également : un aimant multipolaire fixé au premier arbre ou à une extrémité de la barre de torsion, une culasse multipolaire fixée au second arbre ou à l'autre extrémité de la barre de torsion pour former un circuit magnétique à l'intérieur d'un champ magnétique généré par l'aimant multipolaire, une paire d'organes de collecte de flux magnétique pour collecter le flux magnétique provenant de la culasse multipolaire, et un capteur magnétique pour détecter l'intensité de champ magnétique par l'intermédiaire de la paire d'organes de collecte de flux magnétique. Le trait caractéristique de ce capteur de couple consiste en ce que le capteur magnétique et la paire d'organes de collecte de flux magnétique sont assemblés en une seule pièce. Cette construction permet de minimiser les entrefers entre les organes de collecte de flux magnétique et le capteur magnétique, grâce à quoi le capteur magnétique peut détecter de manière maximale le flux magnétique collecté. Dans le capteur de couple ci-dessus, le capteur magnétique et la paire d'organes de collecte de flux magnétique peuvent être enveloppés d'un seul tenant par une résine moulée, et un câble de signal partant du capteur magnétique et une borne connectée au câble de signal peuvent être noyés dans la résine moulée. Cette structure intègre le capteur magnétique, la paire d'organes de collecte de flux magnétique et la borne avec la résine moulée, ce qui facilite l'assemblage de ces composants dans un boîtier ou autres. Un connecteur pour maintenir la borne peut également être incorporé de manière intégrée dans la résine moulée, ce qui facilite l'assemblage. Selon une variante, le capteur de couple peut avoir un fil de connexion pour une connexion électrique externe de la borne, une extrémité de ce fil de connexion étant noyée dans la résine moulée et connectée à la borne à l'intérieur de la résine moulée. L'omission des connecteurs permet de parvenir à une réduction de coût. La paire d'organes de collecte de flux magnétique peut être formée soit avec une forme annulaire, soit avec une forme semicirculaire. Des organes de collecte de flux magnétique de forme annulaire empêcheront un déplacement de leurs axes centraux par rapport aux culasses multipolaires, et peuvent donc réduire des erreurs de détection du capteur magnétique. La structure semi-circulaire permettra un assemblage meilleur et plus aisé, du fait qu'elle autorise l'assemblage dans une direction radiale. La paire d'organes de collecte de flux magnétique et le capteur magnétique peuvent être moulés séparément avec une résine et assemblés en une seule pièce. Cette structure facilitera le positionnement mutuel des organes de collecte de flux magnétique et des capteurs magnétiques. Des domaines d'application supplémentaires de la présente invention ressortiront de la description détaillée présentée ci-après. Il faut noter que bien qu'ils indiquent le mode de réalisation préféré de l'invention, la description détaillée et les exemples spécifiques ont seulement un but illustratif et ne sont pas destinés à limiter le cadre de l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1A est une coupe d'un sous-ensemble d'un capteur de couple conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention; La figure 1B est une coupe d'un sous-ensemble d'un capteur de couple conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention; La figure 2A est un schéma pour l'explication du fonctionnement du capteur de couple; La figure 2B est un schéma pour l'explication du fonctionnement du capteur de couple; La figure 2C est un schéma pour l'explication du fonctionnement du capteur de couple; La figure 3 est une coupe du capteur de couple entier ; La figure 4 est une illustration schématique d'un système de direction assistée électrique; La figure 5A est une coupe d'un sous-ensemble d'un capteur de couple conforme à un second mode de réalisation de la présente invention; La figure 5B est une coupe d'un sous-ensemble d'un capteur de couple conforme à un second mode de réalisation de la présente invention; La figure 6A est une coupe d'un assemblage d'un capteur magnétique et d'une paire de bagues collectrices de flux magnétique intégrés mutuellement, conforme à un troisième mode de réalisation de la présente invention; La figure 6B est une coupe d'un assemblage d'un capteur magnétique et d'une paire de bagues collectrices de flux magnétique intégrés mutuellement, conforme à un troisième mode de réalisation de la présente invention; La 6C est une vue en plan de l'assemblage, vu par le côté du capteur magnétique; La figure 7A est une coupe d'un capteur magnétique moulé dans une résine; La figure 7B est une vue de face d'un capteur magnétique moulé dans une résine; La figure 7C est une coupe de bagues collectrices de flux magnétique moulées dans une résine conformes au troisième mode de réalisation; La figure 7D est une vue de face de bagues collectrices de flux magnétique moulées dans une résine, conformes au troisième mode de réalisation ; La figure 8 est une coupe du capteur de couple entier conforme au troisième mode de réalisation. Premier mode de réalisation Les figures 1A et 1B sont des coupes d'un sous-ensemble 4 utilisé dans un capteur de couple 1 incluant un capteur magnétique 2 et une paire de bagues collectrices de flux magnétique 3, conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention. Le capteur de couple 1 de ce mode de réalisation est employé par exemple dans un système de direction assistée électrique pour un véhicule représenté sur la figure 4, pour détecter la puissance ou le couple de direction appliqué à la colonne de la direction 5, et émettre le couple détecté vers une unité de commande électronique (UCE) 6. L'UCE 6 commande la puissance d'un moteur électrique 7 conformément à la force de braquage détectée par le capteur de couple 1. Comme représenté sur la figure 3, le capteur de couple 1 est disposé entre un arbre d'entrée 8 et un arbre de sortie 9 qui constituent la colonne de direction. Le capteur de couple 1 est constitué d'une barre de torsion 10, d'un aimant multipolaire 11, d'une paire de culasses multipolaires 12, d'une paire de bagues collectrices de flux magnétique 3 et d'un capteur magnétique 2. La barre de torsion 10 est un organe élastique semblable à une narre et .ses extrémités axiales nnnnsées sont fixées respecti- vement à l'arbre d'entrée 8 et à l'arbre de sortie 9 par des goupilles 13. L'application d'un couple de braquage à la colonne de direction produit un déplacement de torsion dans la barre de torsion 10 conformément au couple. L'aimant multipolaire 11 a une forme annulaire et il est composé de pôles Nord et Sud disposés en alternance dans une direction circonférencielle. L'aimant multipolaire 11 est ajusté de façon serrée et fixé sur une circonférence extérieure de l'arbre d'entrée 8 ou de l'arbre de sortie 9. Les culasses de la paire de culasses multipolaires 12 ont une forme annulaire et sont constituées d'un matériau magnétique doux. Chacune d'elles comporte une multiplicité de griffes 12a uniformément espacées en direction circonférencielle, et ces culasses sont disposées de façon que leurs griffes 12a respectives s'interpénètrent avec un entrefer entre elles, comme représenté sur la figure 2B. Les culasses de la paire de culasses multipolaires 12 sont disposées près de la circonférence extérieure de l'aimant multipolaire 11, et sont fixées soit à l'arbre d'entrée, soit à l'arbre de sortie 9 par un support 14. Les culasses multipolaires 12 (12A, 12B) sont positionnées par rapport à l'aimant multipolaire 11de façon que, lorsque la barre de torsion 10 n'est pas vrillée, chaque axe central des griffes 12A des culasses multipolaires (12A, 12B) coïncide avec une frontière entre des pôles Nord et Sud immédiatement adjacents de l'aimant multipolaire 11, comme représenté sur la figure 2B. Par conséquent, la tension de sortie du capteur magnétique 2 est égale à zéro lorsque aucune force de braquage n'est appliquée entre l'arbre d'entrée 8 et l'arbre de sortie 9. Les bagues de la paire de bagues collectrices de flux magnétique 3 sont constituées du même matériau magnétique doux que les culasses multipolaires 12, et sont disposées près de la circonférence extérieure des culasses multipolaires 12. Les bagues 3 ont pour fonction de collecter le flux magnétique provenant des culasses multipolaires 12. A une position dans la direction circonférencielle, les bagues sont munies de parties de collecte de flux magnétique 3a respectives, semblables à des plaquettes, qui sont disposées face à face. Le capteur magnétique 2 est interposé entre ces parties de collecte de flux magnétique 3a de la paire de bagues 3 pour détecter la densité de flux magnétique qui est produite entre elles. Les bagues collectrices de flux magnétique 3 et le capteur magnétique 2 sont enveloppés de manière intégrée par une résine moulée 15 pour former le sous-ensemble 4, comme représenté sur les figures 1A et 1B, qui est assemblé à un boîtier de colonne 16 qui supporte la colonne de direction dans une direction axiale (voir la figure 3). Les bagues 3 et le capteur 2 sont intégrés de façon que le capteur magnétique 2 soit interposé entre les parties de collecte de flux magnétique 3a des bagues 3 sans aucun espace entre eux, c'est-à-dire qu'ils sont mutuellement en contact direct. Le sous-ensemble 4 comprend une borne 17 qui est connectée à un câble de signal 2a du capteur magnétique 2 et noyée dans la résine moulée 15. Un connecteur 18 pour maintenir la borne 17 est également formé de manière intégrée dans la résine moulée 15. Le capteur de couple de ce mode de réalisation fonctionne de la façon suivante : Lorsqu'aucun couple de braquage n'est appliqué à la barre de torsion 10, il n'y a pas de déplacement de torsion dans la barre de torsion 10. Dans cet état, chaque axe central des griffes 12a des culasses multipolaires 22 coïncide avec chaque frontière entre des pôles Nord et Sud immédiatement adjacents de l'aimant multipolaire 11, comme représenté sur la figure 2B. Le nombre de lignes de force magnétiques s'étendant à partir de chacun des pôles Nord de l'aimant multipolaire 11 vers chacune des griffes 12a des culasses multipolaires 12 est égal à celui des lignes de force magnétiques s'étendant à partir de chacun des pôles Sud vers chacune des griffes 12a. Ces lignes de force magnétiques forment respectivement des boucles fermées, à l'intérieur de chacune des culasses de la paire de culasses multipolaires 12A, 12B, et ne fuient pas vers l'entrefer entre les deux culasses. Par conséquent, le signal de sortie du capteur magnétique 2 est égal à zéro à ce moment. Lorsqu'un couple de braquage est appliqué à la colonne de direction, entraînant un déplacement de torsion dans la barre de torsion 10, les positions relatives de l'aimant multipolaire 11 et de la paire de culasses multipolaires 12 sont changées dans une direction circonférencielle. Le déplacement circonférenciel entre chacun des axes centraux des griffes 12a et la frontière entre des pôles Nord et Sud adjacents de l'aimant multipolaire 11, occasionne une augmentation du nombre de lignes de force magnétiques de polarité opposée dans chacune des culasses multipolaires 12A, 12B. Des flux magnétiques de polarité opposée sont donc générés entre les deux culasses, et ils sont dirigés par les bagues 3 vers leurs parties de collecte de flux magnétique 3a, et le capteur 2 détecte la densité de flux magnétique entre les parties de collecte de flux magnétique 3a. Comme décrit ci-dessus, le capteur de couple 1 de ce mode de réalisation comporte un sous-ensemble 4 constitué d'un capteur magnétique 2 et d'une paire de bagues collectrices de flux magnétique 3 intégrées avec le capteur. Du fait que le capteur 2 est interposé entre les parties de collecte de flux magnétique 3a des bagues 3, en étant en contact avec celles-ci, aucun entrefer n'est formé entre le capteur 2 et les parties de collecte de flux magnétique 3a. Par conséquent, le flux magnétique collecté peut être détecté de façon maximale par le capteur magnétique 2. Le sous-ensemble 4 contribue donc à l'obtention d'un signal de sortie plus stable et renforcé du capteur magnétique 2. Le sous-ensemble 4 procure également une structure pour faciliter l'assemblage au boîtier de colonne 16 ou à un organe similaire, en comparaison avec un capteur de couple classique, du fait qu'il permet d'assembler aisément la paire de bagues collectrices de flux magnétique 3 et le capteur magnétique 2 au boîtier de colonne 16, dans une direction axiale, comme représenté sur la figure 3. Un autre avantage du sous-ensemble 4 est que, du fait qu'il comprend la borne 17 et le connecteur 18 pour retenir la borne 17 qui sont tous deux noyés dans la résine moulée 15, il permet de manipuler comme un seul composant plusieurs composants qui interviennent, comme les bagues 3, le capteur 2, les bornes 17 et les connecteurs 18, ce qui facilite la gestion de composants. Second mode de réalisation Les figures 5A et 5B sont des coupes d'un sous-ensemble 4 d'un capteur de couple conforme à un second mode de réalisation de la présente invention. Les bagues collectrices de flux magnétique 3 dans ce sous-ensemble 4 sont formées avec une forme semicirculaire, comme on peut le voir dans les dessins. Cette configuration permet d'assembler le sous-ensemble 4 au boîtier de colonne 16 non seulement dans une direction axiale, mais également dans une direction radiale. Elle permet un assemblage encore meilleur du sous-ensemble 4 et autorise une plus grande souplesse de conception pour le boîtier de colonne 16 et des composants environnants. Même dans leur forme semi-circulaire, les bagues 3 peuvent présenter des propriétés de collecte de flux magnétique égales pour diriger le flux magnétique provenant des culasses multipolaires 12. Le sous-ensemble 4 de ce mode de réalisation emploie un fil de connexion 19 au lieu du connecteur 18 dans le mode de réalisation précédent. Une extrémité du fil de connexion 19 est noyée dans la résine moulée 15 et est connectée à la borne 17 à l'intérieur de la résine moulée 15. Ceci conduit à une réduction de coût, du fait que les connecteurs 18 sont omis. Troisième mode de réalisation Les figures 6A et 6B sont des coupes d'un assemblage d'un capteur magnétique 2 et d'une paire de bagues collectrices de flux magnétique 3 intégrées avec celui-ci, conforme à un troisième mode de réalisation de la présente invention. La figure 6C est une vue en plan, de dessus, de l'assemblage vu par le côté du capteur magnétique 2. Dans ce mode de réalisation, le capteur magnétique 2 et la paire de bagues collectrices de flux magnétique 3 sont moulés individuellement dans une résine avant d'être assemblés en une seule pièce. Deux capteurs 2 sont disposés côte à côte et les parties connectées à leurs fils de connexion 19 respectifs sont moulées dans une résine comme représenté sur la figure 7B. La pièce moulée de capteurs 20, qui est la partie moulée en résine des capteurs, est formée avec une forme en L en coupe, et elle a une partie de siège 20a et une partie arrière 20b, comme représenté sur la figure 7A. Les deux capteurs magnétiques 2 font saillie à partir d'une face inférieure de la partie de siège 20a et les extrémités des fils de connexion 19 s'étendent à partir d'une face d'extrémité supérieure de la partie arrière 20b. Les bagues de la paire de bagues 3 sont disposées de fa- çon que leurs parties de collecte de flux magnétique 3a soient face à face, comme représenté sur la figure 7C, et les côtés circonférenciels extérieurs des bagues sont moulés dans une résine. La pièce moulée 21 recouvre seulement le côté extérieur et leur côté circonférenciel intérieur est à nu. La pièce moulée 21 comprend une partie de support 21a et une partie à déclic 21 b pour maintenir la pièce moulée de capteurs 20, et un trou 21 c pour recevoir les capteurs magnétiques 2. La partie de support 21a consiste en une paire de languettes allongées mutuellement espacées d'une certaine distance sur une circonférence extérieure de la pièce moulée 21. Des rainures de guidage 21d pour guider la partie arrière 21 b de la pièce moulée de capteurs 20 sont formées dans une face intérieure des languettes, disposées face à face, de la partie de support 21 a. La partie de fixation à déclic 21 b consiste également en une paire de languettes, de façon similaire à la partie de support 21 a, qui font saillie sur une circonférence extérieure de la pièce moulée 21. Elles ont une certaine élasticité et sont munies de crochets 21e à leurs extrémités distales, comme représenté sur la figure 7D, pour s'accoupler à la partie de siège 20a de la pièce moulée de capteurs 20 lorsque le composant "bagues" est assemblé au composant "capteurs". Le trou 21c communique avec un espace situé entre les parties de collecte de flux magnétique 3a, disposées face à face, de la paire de bagues 3, comme représenté sur la figure 7C. La distance entre les parties de collecte de flux magnétique 3a disposées face à face est choisie de façon à établir un certain dégagement entre ces parties et les capteurs magnétiques 2. Lorsque le composant "bagues" et le composant "capteurs" sont assemblés en une seule pièce, les capteurs magnétiques 2 sont reçus dans l'espace entre les parties de collecte de flux magnétique en regard, 3a, de la paire de bagues 3, avec la partie arrière 20b de la pièce moulée de capteurs 20 maintenue par la partie de support 21 a, et la partie de siège 20a de la pièce moulée de capteurs 20 retenue par la partie de fixation à déclic 21 b, comme représenté sur les figures 6B et 6C. Cet assemblage, constitué des bagues 3 et des capteurs 2 intégrés est inséré et maintenu de façon serrée, comme représenté sur la figure 8, entre un boîtier de colonne 16a supportant l'arbre d'entrée 8 et un autre boîtier de colonne 16b supportant l'arbre de sortie 9. Conformément à la structure de ce mode de réalisation, du fait que la paire de bagues 3 et les capteurs magnétiques 2 sont intégrés en un assemblage en une seule pièce, ils peuvent être positionnés aisément de façon mutuelle. Ainsi, les capteurs magnétiques 2 peuvent être disposés à un emplacement prédéterminé dans l'espace entre les deux parties de collecte de flux magnétique face à face, 3a, des bagues 3, simplement en les insérant dans le trou 21 c formé dans la pièce moulée 21 recouvrant les bagues 3. De façon similaire au premier mode de réalisation, il n'y a pratiquement aucun entrefer formé entre les capteurs magnétiques 2 et les parties de collecte de flux magnétique 3a des bagues 3. Par conséquent, le flux magnétique collecté peut être détecté à un degré maximal par les capteurs magnétiques 2. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Capteur de couple, caractérisé en ce qu'il comprend : une barre de torsion (10) accouplée à ses extrémités opposées à un premier arbre (8,9) et un second arbre (8,9) pour convertir en un déplacement de torsion un couple appliqué entre le premier arbre (8, 9) et le second arbre (8,9); un aimant multipolaire (11 ) fixé à l'un ou l'autre des arbres (8,9) et à une première extrémité de la barre de torsion (10) ; une culasse multipolaire (12) fixée à l'un ou l'autre des arbres (8,9) et à une seconde extrémité de la barre de torsion (10) pour former un circuit magnétique à l'intérieur d'un champ magnétique généré par l'aimant multipolaire (11); une paire d'organes de collecte de flux magnétique (3a) pour collecter un flux magnétique provenant de la culasse multipolaire (12) ; et un capteur magnétique (2) pour détecter une intensité de champ magnétique par l'intermédiaire de la paire d'organes de collecte de flux magnétique (3a), et en ce que le capteur magnétique (2) et la paire d'organes de collecte de flux magnétique (3a) sont assemblés en une seule pièce. 2. Capteur de couple selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur magnétique (2) et la paire d'organes de collecte de flux magnétique (3a) sont enveloppés d'un seul tenant par une résine moulée, et en ce qu'un câble de signal (2a) partant du capteur magnétique (2) et une borne (17) connectée au câble de signal (2a) sont noyés dans la résine moulée. 3. Capteur de couple selon la revendication 2, caractérisé en ce que la résine moulée contient un connecteur (18) pour maintenir la borne (17). 4. Capteur de couple selon la revendication 2, incluant en outre un fil de connexion (19) pour une connexion électrique externe de la borne (17), caractérisé en ce qu'une extrémité du fil de connexion (19) est noyée dans la résine moulée et connectée à la borne (17) à l'intérieur de la résine moulée. 5. Capteur de couple selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les organes de la paire d'organes de collecte de flux magnétique (3a) sont formés avec l'une ou l'autre d'une forme annulaire et d'une forme semi-circulaire. 6. Capteur de couple selon la revendication 1, caractérisé en ce que les organes de la paire d'organes de collecte de flux magnétique (3a) et le capteur magnétique (2) sont moulés séparément dans une résine et assemblés en une seule pièce.