Brevet FR2876181A1 — publié le 20060407

La présente invention concerne un dispositif de contrôle de la position angulaire d'une machine tournante, dans lequel la position angulaire de la machine tournante est définie par un disque portant des marques angulaires, et la mesure de la position angulaire est assurée par l'intermédiaire d'une sonde à fibres optiques. Un tel dispositif ou capteur trouve une application notamment dans le domaine de la motorisation où il permet de mesurer par exemple la valeur de la contrainte en torsion d'un arbre de transmission ou bien encore de déterminer indirectement la position des pistons et le sens de leur course dans les cylindres afin de déterminer le moment exact où l'explosion doit être déclenchée. On connaît notamment par la demande de brevet européen n 1 258 711 un capteur de position angulaire à fibres optiques. Ce capteur permet de mesurer la position angulaire de pièces tournantes, comme par exemple un arbre lié directement au bloc moteur d'un engin de type automobile. Afin d'autoriser la mesure de la position angulaire de ces pièces, un disque à marques muni d'une pluralité de marques angulaires dirigées radialement vis à vis de l'axe de rotation et formant une couronne agencée concentriquement à celui-ci, est couplé avec la pièce dont on veut mesurer la position angulaire. Le disque est également pourvu d'une marque de référence qui sert d'origine et dont les propriétés de modulation du signal électromagnétique permettant de la détecter se distinguent de celles des autres marques. Les marques angulaires sont régulièrement espacées et la marque de référence se superpose à l'une d'elles. Le capteur est constitué d'au moins un émetteur de rayonnement électromagnétique et d'au moins un récepteur, chacun raccordé à l'une des extrémités d'un faisceau de fibres optiques. Le récepteur présente la forme d'une fente. La seconde extrémité des faisceaux de fibres optiques est raccordée à un boîtier contenant l'électronique du capteur, ce boîtier étant lui-même connecté à un générateur d'impulsions. Dans un mode de réalisation, les marques angulaires sont des fenêtres découpées dans le disque et disposées selon un cercle concentrique au disque. Lorsque ces fenêtres passent devant l'extrémité du faisceau de fibres optiques, elles laissent passer le rayon lumineux en provenance de l'émetteur, et le rayon lumineux réfléchi par un réflecteur fixe disposé derrière le disque par rapport au faisceau de fibres optiques. Le rayon réfléchi est acheminé par des fibres optiques jusqu'au récepteur. La marque de référence se distingue des autres marques angulaires par une fenêtre de plus grandes dimensions permettant de fournir au récepteur un rayonnement lumineux plus important que les autres marques angulaires. La détection de ce rayonnement plus important permet de repérer la position de référence du disque. Un tel dispositif de mesure de la position angulaire d'une pièce tournante comprend deux seuils de comparaison, un premier qui permet de détecter le passage de chacune des marques angulaires et un second qui permet de détecter le passage de la marque de référence; le second seuil étant supérieur au premier. Cependant, le disque marqué de la demande de brevet européen n 1 258 711 est de fabrication complexe. En effet, la répartition des marques tout le long de la circonférence du disque ainsi que leur forme géométrique ne rend pas la fabrication de tels disques aisée ce qui augmente leur prix de revient et leurs dimensions. Il est également connu de l'art antérieur des capteurs de positions angulaires dits multiseuils. De tels capteurs possèdent au moins deux seuils nécessaires à la mesure de la grandeur physique dont on souhaite connaître la valeur, et un troisième seuil dit seuil intermédiaire qui permet d'avoir accès à des informations complémentaires du type, par exemple, détection de poussières sur une surface afin de contrôler la qualité de sa propreté. Cependant, un tel capteur se révèle encombrant car il comporte au moins deux sondes: une destinée à mesurer uniquement la position de la marque de référence, et la seconde destinée à mesurer la position des marques angulaires. Ce capteur ne peut donc pas être utilisé dans des espaces réduits du type bloc de motorisation d'un véhicule de formule 1. L'invention a pour but de proposer un nouveau capteur de position angulaire à fibres optiques qui soit compact car ne fonctionnant qu'avec une seule sonde émettrice et réceptrice et dont le disque ou la pièce marqué soit facile à fabriquer avec un coût de revient faible. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de contrôle de la position angulaire d'une machine tournante, dans lequel la position angulaire de la machine tournante est définie par un support portant des 3 marques angulaires, et la mesure de la position dudit support est assurée par l'intermédiaire d'une sonde à fibres optiques, caractérisé en ce que les marques angulaires sont placées à intervalles réguliers sur la surface du support, et en ce qu'un espace entre deux marques angulaires adjacentes présente un état de surface différent de celui des autres espaces intermédiaires, de façon à constituer une marque de référence. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le support est constitué par un disque, les marques angulaires étant placées sur une surface du disque; - la surface du disque portant les marques angulaires est la surface cylindrique extérieure; - la surface du disque portant les marques angulaires est une surface circulaire latérale; - le support est constitué par une courroie sans fin, portant des 15 marques angulaires régulièrement espacées; - l'espace entre deux marques angulaires adjacentes constituant la marque de référence est muni d'un revêtement à fort pouvoir réfléchissant. - les espaces intermédiaires sont recouverts d'un revêtement 20 teinté ; le revêtement teinté est constitué par une couche de peinture; - la sonde à fibres optiques présente une tête en forme de rectangle dont la longueur est sensiblement parallèle aux marques angulaires dudit support; - les parties d'émission et de réception de la tête de la sonde à fibres optiques sont disposées de part et d'autre de la grande médiane du rectangle; - les parties d'émission et de réception de la tête de la sonde à fibres optiques sont disposées de part et d'autre de la petite médiane du 30 rectangle. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins: la figure 1 est une vue générale du dispositif de contrôle de la position angulaire d'une machine tournante, ou capteur de position angulaire selon l'invention; - la figures 2a et 2b représentent une vue de la sonde du capteur de position angulaire selon l'invention dans chacun de ses deux modes de réalisation; - la figure 3 est une vue de la sonde du capteur de position angulaire selon l'invention en position de travail, la figure 4 est une vue schématique du circuit électronique de comparaison du capteur de position angulaire selon l'invention; - la figure 5 est une vue de la courbe d'intensité réfléchie fournie en entrée du circuit de comparaison du capteur de position angulaire selon l'invention, et une vue des courbes récupérées en sortie du circuit de comparaison. Le capteur 10 de position angulaire selon l'invention a pour but de mesurer la position angulaire d'un arbre de transmission situé dans un bloc moteur de véhicule automobile. Pour ce faire, l'arbre porte un disque 20 muni de marques disposées le long d'une couronne 21 pratiquée dans le sens longitudinal de l'arbre. Dans le cas particulier de la mesure de la contrainte en torsion subie par l'arbre de transmission, celui-ci est muni de deux disques, chacun situé à l'une de ses extrémités. Au cours du mouvement de rotation de l'arbre, la surface des marques se déplace dans un plan sensiblement parallèle à celui contenant la surface active du capteur. Le nombre des marques, par exemple gravées sur la couronne du disque, est avantageusement de 360, mais peut être différent. D'après la figure 1, le capteur de position angulaire 10 se compose d'au moins deux faisceaux de fibres optiques 11 et 12 autorisant l'acheminement de signaux lumineux, entre une sonde 13 destinée à la prise de mesure de la position angulaire et un boîtier 15 contenant entre autres l'électronique nécessaire à l'émission du signal d'entrée et au traitement du signal de sortie de la sonde 13 et dont il sera question plus loin. La sonde 13 est située à l'une des extrémités des faisceaux de fibres optiques 11 et 12. Elle comprend une partie 14 dite tête de sonde assurant notamment l'émission/réception du signal électromagnétique utilisé afin de prendre la mesure de la position angulaire. Les faisceaux de fibres optiques 11 et 12 sont sertis dans un cylindre métallique 13'constituant le corps de la sonde 13. Le cylindre 13' se prolonge en direction de la tête de sonde 14 par un cylindre métallique 14' se terminant par une extrémité biseautée qui de face présente une forme rectangulaire de longueur sensiblement égale à celle du diamètre du cylindre 14' (voir figure 2). Cette configuration permet d'offrir une tête de sonde très plate et de petites dimensions. Une telle sonde est tout à fait utilisable dans de petits espaces comme par exemple l'espace libre d'un bloc moteur d'un véhicule de formule 1. L'autre extrémité des faisceaux de fibres optiques est reliée au boîtier 15 lequel contient comme il a été dit plus haut de l'électronique. Ce boîtier est lui-même connecté à un système permettant à l'utilisateur de visualiser et de traiter les données issues de la mesure. Le fait que l'électronique nécessaire au traitement du signal soit renvoyée dans le boîtier 15 loin de la zone de mesure fait que le capteur selon l'invention offre dans l'espace nécessaire au moteur un encombrement réduit en raison de la petite taille de la sonde 13. Comme illustré sur les figures 2a et 2b, la tête 14 de la sonde 13 vue de face, présente la forme d'un rectangle d'environ 2 à 3 millimètres de long et 1 à 2 millimètres de large. Comme il a déjà été dit, cette surface est située dans un plan parallèle à celui contenant la surface de la marque passant devant la sonde. Les côtés de la tête 14 de sonde 13 définissant la longueur du rectangle sont sensiblement parallèles à l'axe longitudinal des marques angulaires du disque. Selon les figures 2a et 2b, la tête 14 de la sonde 13 est constituée de deux parties distinctes une partie dédiée à l'émission 41 du signal lumineux et une autre dédiée à la réception 42 du signal lumineux modulé réfléchi par la couronne du disque au cours de son passage devant la sonde 13. La tête de sonde 14 peut être réalisée selon deux modes distincts. Dans un premier mode de réalisation, figure 2a, les deux parties émission 41 et réception 42 constitutives de la tête 14 de la sonde 13 sont 35 situées de part et d'autre de la grande médiane du rectangle. 2876181 -6- Ce mode de réalisation implique un décalage temporel entre l'émission du signal par la partie émettrice 41 de la sonde et sa réception par la partie réceptrice 42. Le signal de sortie devra être corrigé de ce léger décalage afin que l'interprétation des données puisse être correcte et significative. Dans un second mode de réalisation, figure 2b, les deux parties émission 41 et réception 42 constitutives de la tête 14 de la sonde 13 sont situées de part et d'autre de la petite médiane du rectangle. Ce mode de réalisation, contrairement au précédent n'implique pas de décalage temporel entre l'émission et la réception du signal. Ceci est rendu possible par le fait que lorsque la sonde 13 passe devant une marque, la zone de réception 42 et la zone d'émission 41 de la tête 14 de sonde 13 voient passer simultanément la marque. Ce n'est pas le cas du premier mode de réalisation dans lequel, les deux zones d'émission/réception ne sont pas alignées le long de l'axe longitudinal de la marque mais sont parallèles à celui-ci, les marques passant d'abord devant la fenêtre d'émission 41 puis ensuite devant la fenêtre de réception 42. La figure 3 illustre la sonde 13 une fois en place dans le bloc moteur. La sonde 13 est en regard de la couronne 21 du disque 20 dont on cherche à mesurer la position angulaire. Sur cette figure, il apparaît clairement que la surface de la tête de sonde 14 se situe dans un plan parallèle à celui contenant la surface de la marque interagissant avec la sonde 13. La couronne 21 consiste en une série de marques angulaires constituées par des traits 24 régulièrement espacés et gravés selon une direction sensiblement parallèle à celle des génératrices du disque 20. Les traits 24 ont un faible pouvoir réfléchissant et sont en général de couleur sombre comme le noir par exemple. Cette couronne est ensuite recouverte d'un revêtement teinté, par exemple d'une couche de peinture de couleur, ni blanche ni noire de préférence, dont le rôle est d'atténuer le pouvoir réfléchissant des espaces intermédiaires 23 ménagés entre les traits sombres 24. Les espaces intermédiaires 23 ont une couleur plus claire que celle des traits sombres 24 comme par exemple une nuance de gris ou toute autre couleur distincte du blanc et du noir. La couche de peinture ne recouvre pas toute la circonférence du cylindre, en effet, l'un des espaces intermédiaires 23 n'est pas recouvert de peinture. Par conséquent, le pouvoir réfléchissant de cet espace 22, appelé marque de référence, est supérieur à celui des autres espaces intermédiaires 23. La marque de référence est assimilée à la couleur blanche. La mesure de la position angulaire va se faire à partir de la détection par le capteur selon l'invention de trois niveaux de couleurs distincts: un niveau noir, peu voire pas réfléchissant, indiquant la présence d'un trait gravé, un niveau gris de pouvoir réfléchissant plus élevé indiquant que la sonde se trouve entre deux traits gravés et enfin un niveau blanc à fort pouvoir réfléchissant indiquant l'absence de marquage de couleur et correspondant à la marque de référence 22. Afin de déterminer la position du passage de la marque de référence devant la sonde, le capteur selon l'invention va devoir, de manière originale, détecter une absence de marquage de couleur. Cette absence de couleur se traduira par un pic d'intensité dans le signal de sortie issu de la zone de réception 42 de la sonde. D'après la figure 4, chacun des faisceaux de fibres optiques 11 et 12 est relié par une de ses extrémités à un circuit électronique. Le premier faisceau 11 est relié au boîtier 15 contenant un circuit d'émission 30 du signal lumineux et le second faisceau 12 est relié à un circuit de réception 31 du signal lumineux. Le circuit d'émission 30 consiste en un dispositif de génération d'un signal lumineux de longueur d'onde déterminée et d'intensité connue. Un tel dispositif est le plus souvent constitué d'une diode électroluminescente (DEL), car ce type de composant tient peu de place, a une durée de vie conséquente et émet un rayonnement de longueur d'onde très stable. Le circuit de réception 31 est constitué de composants électroniques capables de transformer un rayonnement lumineux incident en un signal électrique. De tels composants sont par exemple des photodiodes ou une caméra CCD (Charge Coupled Device). Le signal électrique issu de ces composants est dirigé en entrée d'un circuit d'amplification 32. Le signal électrique ainsi amplifié VS (cf. figure 5) est ensuite dirigé vers deux circuits de comparaison 33 et 34. Le capteur de position angulaire 1 selon l'invention ne nécessite donc pas de re-synchronisation des voies, celle menant au comparateur 33 et celle menant au comparateur 34. Le premier circuit de comparaison 33 permet de détecter dans le signal d'entrée Vs la présence des espaces intermédiaires 23 et des traits sombres 24. Pour cela, le circuit de comparaison 33 compare la valeur de la tension du signal d'entrée Vs avec la valeur d'un seuil SI mémorisée dans le comparateur. Tant que la valeur de la tension Vs est supérieure ou égale à la valeur du seuil S1, le signal électrique de sortie CDM du comparateur 33 a la valeur logique 1. Lorsque la tension d'entrée Vs a une valeur inférieure à celle du seuil S 1, le signal CDM de sortie du comparateur 33 prend la valeur logique O. Le signal CDM de sortie du comparateur 33 est un signal en créneaux (voir figure 5). Le niveau haut de ce signal, qui correspond à la valeur logique 1, représente le passage devant la tête de sonde 14 d'un espace intermédiaire 23 alors que le niveau bas, qui correspond à la valeur logique 0, représente le passage devant la tête de sonde 14 d'un trait sombre 24. Le second circuit de comparaison 34 permet de détecter dans le signal d'entrée Vs la présence de la marque de référence 22. Pour cela, le circuit de comparaison 34 compare la valeur de la tension du signal d'entrée Vs avec la valeur d'un seuil S2 mémorisée dans le comparateur. Quand la valeur de la tension Vs est supérieure à celle du seuil S2, signalant le passage de la marque de référence 22 devant la tête de sonde 14, le signal électrique de sortie TRIGGER du comparateur 34 prend la valeur logique 1. Dans tous les autres cas, la valeur logique de ce signal est O. Le signal TRIGGER de sortie du comparateur 34 est un signal en créneaux (voir figure 5) ne présentant qu'un seul niveau haut correspondant au passage de la marque de référence devant la tête de sonde 14. Le seuil S2 du comparateur 34 est supérieur au seuil SI du comparateur 33 puisque l'intensité réfléchie par les espaces intermédiaires 23, détectés par le comparateur 33, est inférieure à l'intensité réfléchie par la marque de référence 22, détectée par le comparateur 34. Ainsi le comparateur 33 est capable de détecter la marque de référence 22 sans pour autant la distinguer des espaces intermédiaires 23 puisque le signal correspondant au passage de cette marque 22 devant la fenêtre de réception 42 de la tête de sonde 14 a une valeur supérieure à celle du seuil de détection S,. La couche de peinture appliquée sur la couronne extérieure du disque n'a pas nécessairement une largeur égale à la longueur des marques gravées. Elle n'a pas non plus à respecter une largeur très précise. Il suffit qu'elle soit assez large pour que le signal détecté franchisse le seuil S1 sans franchir le seuil S2. Le capteur de position optique selon l'invention dispose d'un système d'autocontrôle. Ce système consiste en une mesure à vide afin de vérifier que le capteur détecte le même nombre de marques noires 24 que ce qu'en comporte la couronne 21. Ainsi, le dispositif de contrôle de la position angulaire d'une machine tournante selon l'invention, dispose, avec des moyens mécaniques simples (marques gravées sur la couronne d'un disque et trait de peinture recouvrant au moins partiellement ces marques, à l'exception d'un espace entre deux marques adjacentes) et des moyens opto-électroniques simples et de très faible encombrement au voisinage du disque (une seule tête de sonde de quelques millimètres cubes sensiblement dans le plan du disque), de la faculté de détecter d'une part une marque de référence permettant la mesure de la vitesse de rotation du disque et le repérage de sa position de référence, et d'autre part des espaces intermédiaires entre marques gravées, par le signal CDM de niveau logique 1, ou bien des marques gravées, par le signal CDM de niveau logique 0, pour en déduire, par comptage, la position angulaire exacte du disque. Le problème de la marque de référence est résolu de façon simple par l'individualisation d'un espace intermédiaire entre deux marques angulaires, ce qui évite d'avoir à graver une marque de référence particulière et permet de n'utiliser qu'une seule sonde à fibres optiques, de surcroît de dimensions très réduites. Selon une variante de réalisation, le disque 20 est brut d'électroérosion. Il est muni sur sa couronne extérieure 21 de marques angulaires 24 constituées de traits gravés noirs. Entre deux marques angulaires 24, un espace 22 est poli pour lui donner un fort pouvoir réfléchissant, supérieur à celui des autres espaces 23 dont le pouvoir réfléchissant est faible. Selon une autre variante de réalisation, le disque 20 est remplacé par une courroie sans fin, portant des marques régulièrement espacées, et 5 tendue sur un jeu de poulies. Sur une poulie, la courroie se comporte comme la couronne extérieure d'un disque. Entre deux poulies, une partie rectiligne de la courroie est équivalente à la couronne d'un disque de rayon infini. Des sondes à fibres optiques placées devant la courroie qui défile peuvent permettre de mesurer un glissement ou de mesurer l'acyclisme. Dans les exemples précédemment décrits, les marques angulaires ont été placées sur un support constitué soit par la couronne ou surface cylindrique extérieure d'un disque, soit sur une courroie sans fin. Le support peut aussi être une surface circulaire telle qu'une face circulaire latérale du disque, ou une feuille mince collée sur une face circulaire latérale du disque ou sur une face de poulie. Dans ce cas, les marques angulaires sont avantageusement constituées par des rayons ou des secteurs angulaires sombres séparés par des secteurs angulaires clairs, et la marque de référence peut être constituée par un onglet collé ou un trait de peinture au voisinage de la périphérie du disque, ayant un très fort pouvoir réfléchissant. Il est possible de marquer selon le procédé de l'invention des arbres euxmêmes plutôt que des disques, mais il faut préserver la propreté de la couronne marquée pour en assurer la lisibilité. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle de la position angulaire d'une machine tournante, dans lequel la position angulaire de la machine tournante est définie par un support portant des marques angulaires, et la mesure de la position dudit support est assurée par l'intermédiaire d'une sonde à fibres optiques, caractérisé en ce que les marques angulaires (24) sont placées à intervalles réguliers sur la surface du support, et en ce qu'un espace entre deux marques angulaires (24) adjacentes présente un état de surface différent de celui des autres espaces intermédiaires (23), de façon à constituer une marque de référence (22). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le support est constitué par un disque (20), les marques angulaires (24) étant placées sur une surface du disque (20). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface du disque (20) portant les marques angulaires (24) est la surface cylindrique extérieure. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface du disque (20) portant les marques angulaires (24) est une surface circulaire latérale. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support est constitué par une courroie sans fin, portant des marques angulaires régulièrement espacées (24). 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace entre deux marques angulaires (24) adjacentes constituant la marque de référence (22) est muni d'un revêtement à fort pouvoir réfléchissant. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les espaces intermédiaires (23) sont recouverts d'un revêtement teinté. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le revêtement teinté est constitué par une couche de peinture. - 12 - 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonde (13) à fibres optiques présente une tête (14) en forme de rectangle dont la longueur est sensiblement parallèle aux marques angulaires (24) dudit support. 1O.Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les parties d'émission (41) et de réception (42) de la tête (14) de la sonde à fibres optiques sont disposées de part et d'autre de la grande médiane du rectangle. 11.Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les parties d'émission (41) et de réception (42) de la tête (14) de la sonde à fibres optiques sont disposées de part et d'autre de la petite médiane du rectangle.