Brevet FR2837281A1 — publié le 20030919

ceinLure (9). CAPTEUR A SEMT-CONDUCTEUR A ClRCUlT DE REGLAGE INTEGRE ET SYSTEME DE CAPTEUR DE COUPLE DE TYPE A BARRE DE TORSION La presente invention concerne un capteur a semi- conducteur a circuit de reglage integre et un systeme de capteur de couple de type a barre de torsion qui utilise le capteur a semi-conducteur a circuit de reglage integre. Un systeme de capteur de couple de type a barre de torsion traditionnel utilise un aimant permanent comme generateur de flux magnetique, de sorte que la variation de la densite de flux magnetique residue! due a la variation de la temperature affecte la sensibilite d'un capteur de couple. Un ecart de taille, de type et de caracteristiques du materiau de l'aimant permanent provoque une fluctuation de la sensibilite et une valeur de decalage (sortie de point zero) de la sonde de couple. Le systeme de capteur de couple de type a barre de torsion traditionnel est done equipe d'un capteur de temperature tel qu'une thermistance placee autour de l'aimant permanent. En fonction de la temperature detectee par le capteur de temperature, la fluctuation est reglee dans un circuit a l'exterieur du capteur. Toutefois, le procede decrit ci-dessus, appele procede de reglage externe, implique l' installation d'un circuit de reglage externe separe pour le reglage ou l'agrandissement d'une section de commande du systeme de capteur de couple lorsque le circuit de reglage est ajoute a la section de commande du systeme de capteur de couple. Ceci a pour consequence une augmentation de la taille et du cout du systeme de capteur de couple. De plus, le remplacement de la partie capteur, a la suite d'une panne, invalide les donnees de reglage precedentes dans le circuit de reglage decrit ci-dessus. Ceci implique done le remplacement de la totalite du systeme de capteur de couple comprenant le circuit de reglage externe, ce qui augmente les couts de maintenance. Le probleme presente ci-dessus survient non seulement dans le systeme de capteur de couple de type a barre de torsion, mais aussi dans un systeme de capteur habitue!. Un but de la presente invention consiste a fournir un capteur a semi-conducteur a circuit de reglage integre et un systeme de capteur de couple de type a barre de torsion qui utilise le capteur a semi-conducteur a circuit de reglage integre. Afin d'atteindre les buts ci-dessus et autres buts, un capteur a semiconducteur a reglage de sortie integre est prevu avec une pluralite de sections qui vent integrees dans le capteur. Ici, une section de detection detecte au moins une parmi une quantite physique et une quantite chimique en tent que quantite electrique. Une section de detection thermique detecte la temperature. Une section de memoire non- volatile reinscriptible stocke de maniere reinscriptible des donnees de reglage pour regler une erreur relative a la quantite electrique detectee. Une section de calcul du reglage delivre en sortie un signal regle apres le reglage du decalage de la quantite electrique detectee, le reglage de la sensibilite et le reglage de la temperature, en fonction de la temperature detectee et des donnees de reglage stockees. C'est-a-dire que le detecteur a semi-conducteur est constitue d'un circuit integre monolithique constitue d'une seule puce comprenant les sections decrites ci-dessus, de sorte qu'il effectue de maniere interne le reglage du decalage, le reglage de la sensibilite et le reglage de la temperature. Une panne au niveau du capteur implique done seulement le remplacement du capteur meme, mais pas de remplacement, ni de reglage supplementaire du circuit externe, ce qui simplifie la maintenance du systeme de capteur. Il est preferable que le detecteur a semi-conducteur comprenne de plus une section de commande de fonctionnement pour recevoir de maniere externe une commande de fonctionnement et des donnees de reglage ulterieures. Ici, la section de commande de fonctionnement ecrit les donnees de reglage ulterieures dans la memoire non-volatile reinscriptible lorsque la commande de fonctionnement est une commande d'ecriture. Ceci facilite l'ecriture des donnees de reglage dans la memoire non-volatile reinscriptible. Il est egalement preferable que la commande du fonctionnement soit une commande d/interdiction d'ecriture, la section de commande du fonctionnement interdit l'ecriture des donnees de reglage ulterieures dans la memoire non-volatile reinscriptible. Ceci empeche que du bruit ou d'autres evenements anormaux reecrivent des donnees de reglage erronees dans la memoire non-volatile reinscriptible. Les precedents et autres buts, caracteristiques et avantages de la presente invention deviendront plus apparents a partir de la description detaillee suivante en se referent aux dessins annexes. Dans les dessins: La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un systeme de capteur de couple conformement a un premier mode de realisation de la presente invention; La figure 2 est une vue en perspective desassemblee du systeme de capteur de couple i La figure 3 est un schema synoptique sous forme de blocs d'un circuit integre du capteur magnetometrique du systeme de capteur de couple i La figure 4 est un schema synoptique sous forme de blocs d'une section de verrouillage du circuit integre du capteur magnetometrique i La figure 5 est un schema synoptique sous forme de blocs d'un circuit integre du capteur magnetometrique conformement a un deuxieme mode de realisation; La figure 6 est un schema synoptique sous forme de blocs d'un circuit integre du capteur magnetometrique conformement a un troi s ieme mode de real i sat ion i et La figure 7 est une vue en perspective desassemblee du systeme de capteur de couple conformement a un quatrieme mode de realisation. (Premier mode de realisation) (Structure) Un systeme de capteur de couple en tent que premier mode de realisation de la presente invention, est utilise pour, par exemple un equipement de direction assistee electrique. En se referent a la figure 1, le systeme de capteur de couple est place entre un arbre d' entree 2 et un arbre de sortie 3, lesquels composent un arbre de direction, detecte le couple de braquage applique a l'arbre de direction. Les arbres d' entree et de sortie 2 et 3 sont, en rotation relative et transmettant le couple, associes par une barre de torsion 4. Un aimant annulaire 5 est fixe en l'assemblant avec le bord de l'arbre d' entree 2, alors qu'une couronne magnetique 6 est fixee au bord de l'arbre de sortie 3. La circonference de l'aimant annulaire 5 est magnetise par des poles alternes selon un pas predetermine sur la circonference. La couronne magnetique 6 comporte deux demi- couronnes magnetiques 6A et 6B attachees de maniere coaxiale a l'arbre de sortie 3 avec un espacement predetermine. Les deux demi-couronnes magnetiques 6A et 6B, constituees d'un element magnetique souple, vent grossierement en forme de L et de U. respectivement, dans une section axiale comme cela est represente sur la figure 1. Wiles comportent des dents qui entourent l'aimant annulaire 5, avec un espace predetermine par rapport a la circonference de l'aimant annulaire 5, et s'etendent dans la direction axiale avec un pas predetermine sur la circonference. Wiles comportent egalement des plaques circulaires qui stetendent dans la direction radiale vers l'exterieur par rapport aux bords inferieurs des dents, et des cavites cylindriques qui s'etendent dans la direction axiale par rapport aux bords des plaques circulaires. Les dents des demicouronnes magnetiques 6A et 6B vent placees alternativement sur la circonference. Le flux magnetique provenant du pole N de l'aimant annulaire 5 atteint le pole S de l'aimant annulaire 5 par l'intermediaire d'un circuit. Ce circuit traverse les dents d'une parmi les demicouronnes 6A et 6B contigue au pole N suivant la direction radiale vers l'exterieur, la cavite cylindrique d'une parmi les demi-couronnes 6A et 6B, la cavite cylindrique de l'autre parmi les demi-couronnes 6A et 6B et la dent de l'autre parmi les demi-couronnes 6A et 6B. Un circuit integre de capteur magnetometrique 7 est attache dans un etat stationnaire a l'interieur de l'espacement axial entre les demi-couronnes magnetiques 6A et 6B, pour detecter la variation de champ magnetique dans l'espacement. Des goupilles 8 servent a attacher la barre de torsion 4. Dans la structure decrite ci-dessus, ['application du couple sur l'arbre d' entree 2 provoque une torsion de la barre de torsion 4, de telle sorte que le- couple est transmis a l'arbre de sortie 3. L' apparition d'une difference de position de rotation relative (ctest a dire, angle de rotation relative) entre l'aimant annulaire 5 et la couronne magnetique 6 fait varier la densite du flux magnetique entre les cavites cylindriques de la couronne magnetique 6. Cette variation de la densite du flux magnetique est delivree en sortie vers ltexterieur. On expliquera ci-apres le circuit integre du capteur magnetometrique (capteur M) 7, en se referent a la figure 3. Le circuit integre du capteur magnetometrique 7, qui est integre dans une seule puce, inclut les elements suivants: trots bornes, a savoir une borne de source de tension 7A, une borne de masse (masse) 7B, et une borne de sortie 7C; un detecteur thermique 7E pour detecter la temperature au voisinage du circuit integre du capteur magnetometrique 7; un oscillateur 7F pour delivrer une horloge de reference a chaque section du circuit integre; un capteur magnetometrique 7G tel qu'un element a effet Hall pour detecter la densite du flux magnetique; une section de convertisseur analogique/numerique (A/N) 7H pour convertir la tension analogique de sortie du capteur magnetometrique 7G en une valeur numerique; une memoire non-vol at i le 7 N pour stocker le s donnee s de reg l age; une section de calcul 7I pour calculer le reglage des signaux numeriques delivres en sortie par la section du convertisseur A/N 7H en fonction des donnees stockees dans la memoire non-volatile 7N; une section de convertisseur numerique/analogique (N/A) 7J pour reconvertir, en tension analogique, les valeurs numeriques du resultat calcule dans la section de calcul 7I; une memoire tampon 7K pour delivrer en sortie vers l'exterieur la tension analogique reconvertie; une section logique 7L pour determiner l' operation de calcul de la section de calcul 7I en fonction de la tension d'alimentation appliquee a la borne de la source de tension 7A i et une section de verrouillage 7M pour desactiver la reecriture dans la memoire non-volatile 7N en fonction de la determination de la section logique 7L. La section logique 7L detecte le niveau de tension applique a la borne de la source de tension 7A pour determiner si le niveau de tension correspond a l' operation de mesure habituelle ou a l' operation d'ecriture dans la memoire non-volatile 7N. Loreque lt operation d' ecriture est determinee, la section logique 7L numerise la variation de tension de la borne de la source de tension 7A pour obtenir des signaux numeriques. Les signaux numeriques vent ecrits dans la memoire non- volatile 7N via la section de verrouillage 7M. La section logique 7L comporte un comparateur destine a determiner le niveau de la tension d'alimentation. Loreque ltoperation de mesure habituelle est determinee, la section de verrouillage 7M commande l' interdiction d'ecrire dans la memoire non-volatile 7N, en fonction d'une commande provenant de la section logique 7L. La section de calcul 7I, la section logique 7L et la section de verrouillage 7M vent formees par des circuits generalises bien connus. Wiles vent egalement realisees de maniere evidente a partir de circuits logiques materiels habituels ou de logiciels pour micro-ordinateurs, de sorte que l' explication detaillee des circuits ne sera pas decrite ci-dessous. (Operation de detection habituelle) Une tension de fonctionnement habituelle (par exemple, V) est appliquee a la borne de source de tension 7A, de telle sorte que chaque circuit integre du capteur magnetometrique 7 est alimente par une puissance necessaire (tension electrique, courant electrique). L'oscillateur 7F fournit a chaque circuit des signaux dtimpulsion de cycle constant comme horloge de reference. Une valeur de tension analogique relative aux informations sur la densite du flux magnetique delivree en sortie par le capteur magnetometrique 7G est convertie par la section du convertisseur A/N 7H en valeurs numeriques a transmettre a la section de calcul 7I. Une valeur de tension relative aux informations sur la temperature delivree en sortie par le detecteur thermique 7E est transmise au capteur magnetometrique 7G et a la section de calcul 7I. Un signal de mesure, indiquant qutune mesure habituelle doit etre effectuee maintenant, delivre en sortie par la section logique 7L est transmis a la section de calcul 7I. La section de calcul 7I, en fonction des informations et des parametres precedents stockes dans la memoire non volatile 7N, ajuste les informations sur la densite de flux magnetique detectee par le capteur magnetometrique 7G sur les informations numeriques pour les transmettre a la section du convertisseur N/A 7J. - Les informations numeriques vent converties par la section du convertisseur N/A 7J en tension analogique pour etre transmises vers l'exterieur via la memoire tampon 7K. (Operation sans detection) Une tension inhabituelle (par exemple, 6V et plus) autre que la tension de fonctionnement habituelle est appliquee a la borne de la source de tension 7A pendant plus longtemps qu'une periode predeterminee, de sorte que la section logique 7L detecte la tension inhabituelle pour determiner qu'un mode de programme est commande. La section logique 7L lit alors des modeles de variation de tension numerisees (par exemple, haut-8 V, teas-6 V) pour determiner une commande externe. La commande externe inclut une commande de reecriture, pour recrire les donnees stockees dans la memoire non-volatile 7N, une commande de lecture des donnees pour commander a la section de calcul 7I de delivrer en sortie vers l'exterieur les donnees stockees dans la memoire non-volatile 7N via la memoire tampon 7K, et une commande de verrouillage pour que les donnees restent stockees dans la memoire non- volatile 7N. Lorsque la section logique 7L determine la commande de verrouillage, elle commande a la section de verrouillage 7M d' interdire d' ecrire dans la memoire non-volatile 7N. L' installation de la section de verrouillage 7M empeche une recriture erronee dans la memoire non-volatile 7N meme loraque la variation de tension due a une perturbation externe est incorrectement determinee comme etant une commande de reecriture. En se referent a la figure 4, la section de verrouillage 7M est formee de maniere caractere entre une borne R/W de la section logique 7L et une borne R/W de la memoire non-volatile 7N. La section de verrouillage 7M inclut une porte de transfert ou un transistor MOS 71 formant un circuit inverseur et un circuit pour commander par intermittence le transistor MOS 71 en fonction d'un etat de potentiel delivre en entre par une memoire non- volatile dans laquelle il est possible d'ecrire une seule fois (PROM), une ROM a fusible par exemple. Quand la section logique 7L desactive irreversiblement la PROM, la porte de transfert est desactivee pour interdire a la section logique 7L d'ecrire dans la memoire non volatile 7N. A ['oppose, ltecriture sera de nouveau possible par d'autres procedes tels que ['effacement aux ultraviolets differents du procede de signal de tension. (Effet) Un systeme de capteur de couple traditionnel est commande par un signal de detection d'un capteur de couple. Le systeme de capteur de couple traditionnel est compose du capteur de couple, d'une unite du capteur de couple comme partie mecanique et d'une unite de commande electronique (ECU) qui calcule, avec le signal de sortie provenant de l' unite du capteur de couple, un signal de commande a delivrer en sortie. Le reglage d'une caracteristique du capteur de couple est effectue dans l'ECU en reglant, avant l' expedition du systeme, un circuit de reglage attache a l'ECU ou en stockant les informations de reglage dans une memoire non-volatile de l'ECU. Une panne de l' unite du capteur de couple decrite ci-dessus implique que la totalite du systeme de capteur de couple soit remplacee sur le site ou que l'ECU soit reglee apres un remplacement partiel. Une panne de l'ECU implique egalement la mise en muvre de procedures similaires a celles d'une panne de l' unite du capteur de couple. La quantite de travail de recuperation necessaire a la suite d'une panne, comme cela est decrit ci-dessus, est done importante. Dans le mode de realisation, le capteur magnetometrique, constituent le capteur de couple, comporte une memoire non-volatile integree et differents circuits de traitement, de telle sorte que le reglage du decalage, le reglage de la sensibilite et le reglage de la caracteristique de temperature soient effectues dans le capteur de couple. Loreque le capteur de couple est hors service, le travail de recuperation implique seulement le remplacement du capteur de couple hors- service sans reglage au niveau de l' ECU. Ceci permet de diminuer sensiblement le temps et le cout du travail de recuperation. Lorsque l'ECU est hors-service, seule l' ECU doit etre remplacee sans necessiter aucun reglage supplementaire dans l'ECU remplacee. La diminution du nombre de composants dans le capteur de couple augmente la fiabilite. Les informations sur le reglage peuvent etre modifiees et stockees conformement aux autres caracteristiques du systeme, de sorte que la flexibilite pour differentes utilisations est augmentee. (Deuxieme mode de realisation) En se referent a la. figure 5, dans un deuxieme mode de realisation, une section de sortie en serie 70 est adoptee pour delivrer en sortie des signaux numeriques pour remplacer la section du convertisseur N/A 7J et de la memoire tampon 7K representees sur la figure 3. Dans ce mode de realisation, l' adoption de la sortie en serie peut empecher plusieurs problemes lies a la sortie de la tension analogique tels qu'une erreur due a la chute de tension liee a la resistance des fils ou un effet negatif provoque par le bruit electromagnetique. De plus, dans une ECU qui recoit le signal numerique delivre en sortie par la section de sortie en serie 70, les effete negatifs provoques par le bruit des hautes frequences diminuent grace a un filtre passe-bas sans que la precision des .... slgnaux numerlques ne dlmlnue. (Troisieme mode de realisation) En se referent a la figure 6, dans un troisieme mode de realisation, un circuit de calcul analogique 7P est adopte pour remplacer la section de calcul 7I representee sur la figure 3. Le circuit de calcul analogique 7P est constitue de differents circuits de calcul utilisant des amplificateurs operationnels pour effectuer le calcul commande par la section logique 7L. En se basant sur le remplacement, un signal de sortie est convert), par une section de convertisseur N/A 7J, en tension analogique pour etre delivre en sortie au circuit de calcul analogique 7P. Dans ce mode de realisation, ['adoption du circuit de calcul analogique 7P mene a la suppression de la section du convertisseur A/N 7H representee sur la figure 3, de telle sorte que des circuits simples et un calcul rapide soient obtenus. (Quatrieme mode de realisation) En se referent a la figure 7, dans un quatrieme mode de realisation, une padre d'anneaux collecteurs de magnetisme 9A et 9B est ajoutee. La padre d'anneaux collecteurs de magnetisme 9A et 9B, constitues d'un element magnetique tendre, fait converger, en un point, le flux magnetique genere par un aimant annulaire 5 et qui passe entre une padre de demi-couronnes magnetiques 6A et 6B. Les anneaux collecteurs de magnetisme 9A et 9B vent fixes dans un etat stationnaire avec un espace etroit predetermine par rapport aux bords de la circonference des plaques circulaires des demicouronnes magnetiques 6A et 6B, respectivement. Les anneaux collecteurs de magnetisme 9A et 9B ont des plaques collectrices du magnetisme 9C et 9D respectivement. Les plaques collectrices du magnetisme 9C et 9D, constituees d'un element magnetique tendre, s'etendent dans la direction radiale vers l'exterieur a des points predetermines et vent les unes en face des autres avec un espacement axial predetermine. L'espacement axial predetermine entre les plaques 9C et 9D est beaucoup plus etroit que celui entre les anneaux 9A et 9B. L'espacement axial entre les anneaux 9A et 9B est defini pour etre assez large, alors que les demi-couronnes magnetiques 6A et 6B ne comportent pas de cavite cylindrique comme cela est represente sur les figures 1 et 2. Dans la structure decrite ci-dessus, le flux magnetique entre dans un de s anneaux col lecteurs de magnet i sme 9A et 9B depuis une plaque contigue parmi les plaques annulaires des couronnes 6A et 6B. Il passe ensuite dans l'autre parmi les anneaux collecteurs de magnetisme 9A et 9B a travers les plaques mutuelles 9C et 9D. Puis il passe dans l'autre parmi les plaques circulaires des couronnes 6A et 6B. Presque tout le flux magnetique converge done entre les plaques 9C et 9D, en traversant un circuit integre du capteur magnetometrique 7 qui est place entre les plaques 9C et 9D. Cette structure augmente la sensibilite du capteur de couple et reduit les erreurs de deplacement axial, par rapport a la structure du premier mode de realisation represente sur les figures 1 et 2. Revendications 1. Capteur a seml-conducteur a reglage de sortie integre (7) qui comprend une pluralite de sections et inclut:. une section de detection (7G) pour detecter au moins une parmi une quantite physique et une quantite chimique en tent que quantite electrique; et une section de detection thermique (7E) pour detecter la temperature, le capteur a semi-conducteur (7) etant caracterise en ce qu'il comprend: une section de memoire non- volatile reinscriptible (7N) pour stocker de maniere reinscriptible des donnees de reglage pour regler une erreur relative a la quantite electrique detectee; et une section de calcul du reglage (7I) pour delivrer en sortie un signal regle apres le reglage du decalage de la quantite electrique detectee, le reglage de la sensibilite et le reglage de la temperature, en fonction de la temperature detectee et des donnees de reglage stockees. 2. Capteur a semi-conducteur a reglage de sortie integre (7) selon la revendication 1, comprenant de plus: une section de commande du fonctionnement (7L) qui recoit depuis l'exterieur une commande de fonctionnement et des donnees de reglage ulterieures, dans loquel la section de commande du fonctionnement ecrit les donnees de reglage ulterieures dans la memoire non-volatile reinscriptible lorsque la commande du fonctionnement est une commande d'ecriture qui commande l'ecriture des donnees de reglage ulterieures dans la memoire non-volatile reinscriptible. 3. Capteur a semi-conducteur a reglage de sortie integre (7) selon la revendication 2, dans lequel la section de commande du fonctionnement (7M) re,coit la commande du fonctionnement et le s donnee s de reglage ult erieures en fonct ion de s ignaux de tension binaire superposes a la tension d'alimentation appliquee. 4. Capteur a semi-conducteur a reglage de sortie integre (7) selon la revendication 2, dans lequel, lorsque la commande du fonctionnement est une commande d' interdiction d'ecriture pour commander une interdiction d'ecrire des donnees de reglage ulterieures dans la memoire non-volatile reinscriptible, la section de commande du fonctionnement interdit l'ecriture des donnees de reglage ulterieures dans la memoire non-volatile reinscriptible meme si la section de commande du fonctionnement re,coit la commande d'ecriture apres la commande d' interdiction d'ecriture. 5. Capteur a semi-conducteur a reglage de sortie integre (7) selon la revendication 1, dans loquel la section de calcul de reglage est constituee d'une unite de commande centrale incluant une section de conversion analogique/numerique qui convertit en signal numerique un signal analogique delivre en sortie par la section de detection, et dans lequel la section de memoire non-volatile reinscriptible stocke un programme de calcul de reglage pour l' unite de commande centrale. 6. Systeme de capteur de couple de type a barre de torsion, place entre un arbre d' entree (2) et un arbre de sortie (3), utilisant un capteur a semi-conducteur a reglage de sortie integre (1) selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, le systeme de capteur de couple de type a barre de torsion (1) etant caracterise en ce qu'il comprend: un element elastique (4) qui combine l'arbre d' entree (2) et l'arbre de sortie (3) et convertit le couple en un deplacement de la torsion; un aimant annulaire (5) qui, attache de maniere coaxiale a l'un parmi l'arbre d' entree et l'arbre de sortie, entoure l' clement elastique et presente sur sa circonference une pluralite de premiers poles magnetiques et une pluralite de deuxieme poles magnetiques, dans lequel chacun des premiers poles et chacun des deuxiemes poles vent places en alternance selon un pas predetermine sur la circonference; et deux couronnes magnetiques (6A et 6B) qui, attachees de maniere coaxiale a l'autre parmi l'arbre d' entree et l'arbre de sortie, vent situees l'une en face de l'autre avec un espace axial predetermine et entourent l'aimant annulaire avec un espace radial predetermine, dans lesquelles le flux magnetique de l'aimant annulaire circule sequentiellement a travers la padre couronnes magnetiques, dans lequel la section de detection, placee a l'interieur de l'espace axial predetermine entre la padre de couronnes magnetiques, detecte le flux magnetique module par un angle de rotation relative entre l'arbre d' entree et