Brevet FR2982715A1 — publié le 20130517

Module indicateur pour tableau de bord à mouvement fluide Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des moteurs électriques pas-à-pas pour le positionnement précis d'un organe, selon une position angulaire généralement inférieure à 360°. Il concerne plus particulièrement un module indicateur de tableau de bord. Etat de la technique On connaît, dans l'état de la technique, le brevet américain US 6043574 décrivant un moteur diphasé formé par une partie statorique excitée par des bobines électriques et par un rotor aimanté présentant N paires de pôles aimantés radialement en sens alternés, N étant égal à 3 ou à 5. La partie statorique présente au moins deux circuits en forme de W comportant chacun une bobine électrique entourant la jambe centrale. Les circuits en W sont disposés de façon à ce que lorsque l'une des jambes centrales se trouve en face d'une transition magnétique, l'autre jambe centrale se trouve en face d'un pôle magnétique. Les épanouissements polaires des jambes d'un circuit en W étant espacés angulairement de n/4 et les épanouissements polaires des jambes centrales de deux circuits en W appartenant à des phases différentes étant écartés angulairement d'un angle sensiblement égal à n/2±k.n/N, où N est le nombre de paires de pôles magnétiques, soit 3 ou 5 et k est égal à 0, 1, ou 2. On connaît également le brevet français FR2807160 de la société DENSO, décrivant un appareil de mesure indicateur comprenant un cadran, un boîtier disposé derrière le cadran, une section de commande d'entraînement disposée dans le boîtier, un arbre rotatif entraîné par la section de commande d'entraînement. L'arbre rotatif est composé de deux arbres fins supportés respectivement par deux paliers et d'un arbre épais reliant les deux arbres fins. La longueur et le diamètre extérieur de chaque arbre fin sont tels que le rapport de la longueur sur le diamètre extérieur garantit une résistance à la flexion suffisante. Par conséquent, l'arbre rotatif tourne sans à-coup et une aiguille indicatrice portée par l'arbre indique des valeurs précises d'une condition de fonctionnement du véhicule. L'objectif technique des solutions de l'art antérieur est d'augmenter le couple et d'éliminer la pièce de fermeture de flux sans perdre l'avantage de la simplicité de la fabrication et les possibilités d'intégration des mécanismes associés tels les réducteurs. Inconvénient de l'état de la technique. Ces solutions de l'art antérieur sont globalement satisfaisantes, mais il apparaît que le déplacement de l'organe entraîné présente, dans certains cas, des à-coups, résultant d'une part du fonctionnement et caractéristiques du moteur (couple sans courant trop important et couple avec courant non constant) et d'autre part des jeux dans le train d'entraînement. Ces à-coups sont notamment présents lorsque certaines vitesses sont atteintes par l'indicateur. Du point de vue de l'utilisateur, le premier inconvénient est le manque de fluidité du mouvement perçu par l'utilisateur, ce qui représente un inconfort visuel ainsi qu'une perte de précision d'information. Le deuxième inconvénient, dû aux vibrations excessives produites par ces à-coups, est un bruit audible par l'utilisateur, représentant encore un inconfort. Enfin, ces mêmes vibrations peuvent avoir un effet néfaste sur la durée de vie de l'ensemble motorisé nécessitant son remplacement précoce.35 Solution apportée par l'invention Afin d'améliorer la fluidité de l'organe entraîné, la présente invention concerne selon son acception la plus générale un module indicateur présentant un moteur diphasé comportant un rotor présentant N paires de pôles aimantés radialement, en sens alternés, N étant égal à 3 ou à 5, et une partie statorique présentant au moins deux circuits en forme de W faites de dents polaires radiales s'étendant vers l'intérieur depuis une ceinture périphérique fermée et présentant une bobine sur la jambe centrale du W, lesdits circuits en forme de W étant disposés de façon à ce que lorsque la dent centrale de l'un des circuits en forme de W se trouve en face d'une transition magnétique rotorique, au moins une dent centrale d'un autre circuit en forme de W se trouve en face d'un pôle magnétique rotorique. De plus, il comporte au moins un moyen spécifique d'interaction mécanique entre le rotor et le stator assurant un frottement angulaire d'une force sensiblement constante en fonction de la vitesse relative du rotor par rapport au stator, et d'une valeur inférieure au couple produit par l'interaction électromagnétique entre le rotor et le stator. L'interposition d'un moyen de frottement est très 25 inhabituelle pour l'homme du métier, qui cherche généralement à réduire les frottements dans son système. Selon un mode de réalisation préféré, le module comporte plus précisément un boîtier solidaire du stator, un ensemble de réduction mécanique de vitesse du rotor comportant 30 une roue de sortie entrainant un pointeur et un moyen spécifique d'interaction mécanique constitué par au moins un bras frotteur arqué réalisé découpé dans la partie discale de ladite roue de sortie et une piste de glissement solidaire dudit boîtier. De manière préférentielle, ledit bras frotteur est réalisé en polymère polyoxyméthylène. De manière préférentielle encore, ladite piste de glissement vient en contact avec l'extrémité desdits frotteurs 5 et est de forme bombée. De préférence, le module comporte N bras frotteurs flexibles, dont les extrémités glissantes sont espacées de 360/N degrés, N étant égal à 2 ou 3. Selon une variante particulière, le stator présente 10 une ceinture annulaire, un ensemble de dents s'étendant radialement à partir d'un segment annulaire formant un épaulement de fixation sur le boîtier présentant un moyen de liaison mécanique de forme complémentaire. Cet épaulement permet d'assurer une liaison 15 mécanique d'une grande raideur entre le stator et le boîtier et de réduire une source de jeu entre le stator et le rotor par l'intermédiaire du boîtier. Selon une autre variante avantageuse, le stator présente au moins cinq dents de longueurs, mesurées 20 radialement, identiques. Cette réalisation permet de réduire une autre source d'à-coup. De préférence, pour les circuits en forme de W, la longueur des dents bobinées est identique. 25 Avantageusement, la longueur de la bobine et des dents portant ladite bobine sont sensiblement égales mais inférieures à la section de la zone centrale évidée du stator. Selon un mode de réalisation préféré, l'extrémité 30 des dents est de forme parallélépipédique. Cette solution permet d'augmenter le couple avec courant et ainsi contribuer à l'amélioration de la fluidité du déplacement. Description détaillée des figures 35 Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture qui suit d'exemples de réalisation détaillés, en référence aux figures annexées qui représentent respectivement : -la figure 1, une vue en trois-quarts d'un premier module selon un mode de réalisation de l'invention avec le couvercle supérieur du boîtier retiré ; -la figure 2, une vue en trois-quarts d'un premier module selon le mode de réalisation de l'invention avec le 10 couvercle inférieur du boîtier retiré ; -la figure 3, une vue isolée du couvercle inférieur du boîtier moteur ; -la figure 4, une vue isolée de trois-quarts de la roue de sortie du réducteur mécanique intégré au premier 15 module indicateur ; -la figure 5, une vue isolée de face de la roue de sortie du réducteur mécanique intégré au premier module indicateur ; -la figure 6, une vue de coupe du premier module 20 indicateur ; -la figure 7, une vue de détail de la vue de coupe montrée en figure 6 ; -la figure 8, une vue isolée du stator ferromagnétique doux du moteur intégré au premier module 25 indicateur ; -la figure 9, une vue isolé d'un pointeur entrainé par le premier module indicateur. -la figure 10, une vue de trois-quart d'un deuxième module indicateur selon un second mode de réalisation de 30 l'invention avec le couvercle inférieur du boîtier retiré. La figure 1 présente un module indicateur 1 selon une vue de trois-quarts sans le couvercle supérieur, référencé 3 sur la figure 2. Ce couvercle supérieur 3 forme, avec le 35 couvercle inférieur 2, un boîtier contenant l'ensemble des éléments permettant la rotation d'un organe à commander, en l'occurrence une aiguille indicatrice ou pointeur, non montrée ici. Le couvercle inférieur 2 présente deux pattes de connexion mécanique déformable 11 permettant le positionnement du boîtier sur un circuit imprimé non montré ici. A l'intérieur du module indicateur 1 se trouve un moteur composé d'un stator ferromagnétique doux 4 formé de plusieurs dents, référencées 18, 20, 21 en Figure 8, dont deux dents 20 portent des bobines 5 destinées à être alimentées en courant électrique. Le flux magnétique produit par ces bobines 5 coopère avec un rotor aimanté 6 présentant N pôles, N étant égal à 3 ou 5, afin de mettre en mouvement le rotor aimanté 6 relativement au stator ferromagnétique doux 4. Afin de réduire la vitesse de rotation de l'organe à déplacer, un ensemble de réduction comporte une première roue 7 solidaire du rotor aimanté 6, une roue intermédiaire 8 engrenant sur la première roue 7 et une roue de sortie 9. Le système de réduction ainsi formé comprend trois roues distinctes. La troisième et dernière roue, la roue de sortie 9, s'étend axialement pour former un axe creux (10) recevant l'organe à piloter, en l'occurrence l'aiguille indicatrice non montrée ici. La figure 2 présente le module indicateur 1 selon une vue de trois-quarts sans le couvercle inférieur 2. Ce couvercle inférieur 2 est connecté mécaniquement au couvercle supérieur 3 par l'élément de connexion 12. La roue de sortie 9 présente trois bras frotteur 13 découpés dans ladite roue de sortie 9 pouvant être déformés en flexion dans la direction axiale, c'est-à-dire selon l'axe de rotation de l'axe creux 10. Ces bras frotteurs 13 sont destinés à être contraints mécaniquement lorsque les couvercles inférieur 2 et supérieur 3 sont montés ensemble pour former le boîtier, par appui de l'extrémité glissante , référencée 15 sur la Figure 4, bombée des bras frotteurs 13 sur une piste de glissement, référencé 14 sur la Figure 3, solidaire du couvercle inférieur 2. La forme bombée de l'extrémité 15 permet d'assurer un contact ponctuel sûr. Sur la figure 3, représentant ce couvercle inférieur 2, on peut voir la piste de glissement(14 circulaire sur le pourtour d'une ouverture 23 destinée à laisser passer l'axe creux 10 débouchant sur les deux couvercles inférieur 2 et supérieur 3. Sur les vues isolées de la roue de sortie 9 montrée en figures 4 et 5, on peut mieux voir les trois bras frotteurs 13 répartis à 120° autour de l'axe creux 10. Ces trois bras frotteurs 13 sont découpés dans la roue suivant une certaine longueur et largeur qui doit être réglée de manière à assurer une raideur axiale optimale. Le dimensionnement exact de ces bras 13 est réalisé par calcul de résistance des matériaux. La matière plastique polymère type polyoxyméthylène (POM) est privilégiée car elle permet d'obtenir une raideur compatible avec l'application et la dimension de la roue de sortie 9 tout en conservant une résistance et tenue mécanique intéressante. Le dimensionnement de ces bras frotteurs 13 est réalisé par un calcul de résistance des matériaux considérant le bras 13 comme une poutre. La force de frottement permettant d'obtenir le couple de frottement voulu à appliquer à la roue de sortie 9, permet de dimensionner le bras par optimisation de la largeur et longueur du bras connaissant la déformation maximale admissible des bras 13 selon la formule suivante : 3.E.IGz.y F= la Où E [N/m2] est le module de Young du matériau utilisé, ./"'g [m4] est le moment quadratique de la poutre formée par rapport à l'axe de flexion, y [m] est la déflection de l'extrémité glissante 15 bombée, et 1 [m] la longueur du bras frotteur 13. Chacun de ces bras frotteurs 13 présente donc une extrémité glissante 1) bombée qui vient en appui ponctuel glissant sur la piste de glissement 14 du couvercle inférieur 2. Sur cette roue de sortie 9 est aussi réalisée, moulée, un arrêt mécanique 16 qui vient coopérer avec la butée 24 du couvercle inférieur 2, comme montré en figure 3, afin de constituer une contrainte mécanique interdisant à la roue de sortie 9 de réaliser une course angulaire trop importante. Sur la figure 6représentant une vue de coupe du module indicateur 1, on montre les pattes de connexion électriques 17 des bobines venant se fixer sur des pads de connexion liés au circuit imprimé (non montré). Plus particulièrement, sur cette figure 6, est pointée la roue de sortie 9. Le cadre pointillé 25 n'a pas de sens structurel mais représente la zone qui est montrée, avec plus de détails, en figure 7. Sur cette figure 7, la roue de sortie 9 avec un de ses bras frotteurs 13 est montrée. Par le contact mécanique avec la piste de glissement 14 du couvercle inférieur 2, le bras frotteur 13 est contraint axialement en flexion assurant ainsi, lors du mouvement relatif de la roue de sortie 9 par rapport au couvercle 2, l'introduction d'un frottement de type coulombien permettant de limiter le débattement de la roue de sortie 9 occasionné soit par des couples avec et sans courant variant dans le temps, soit par des jeux mécaniques trop importants. Ce débattement, qui peut être plus ou moins important suivant la vitesse angulaire de la roue de sortie 9 est ainsi grandement limité par la présence des bras frotteurs 13 contraints et en contact avec le couvercle inférieur 2 via la piste de glissement 14 dudit couvercle inférieur 2. En fonction du type d'indicateur (taille, matière), la vitesse de rotation désirée et le niveau de qualité d'affichage demandé, le couple de frottement et donc le nombre et les dimensions des bras frotteurs 13 seront différents mais toujours guidés par le dimensionnement explicité plus haut. Une approche expérimentale est aussi d'une grande aide dans le dimensionnement pour tenir compte des éventuelles non linéarités du système mécanique ainsi que de l'évolution du fluage mécanique du matériau qui évolue avec le temps et nécessite une stabilisation temporelle et/ou thermique. La figure 8 présente une vue isolée du stator ferromagnétique doux 4 dans son mode de réalisation préféré comprenant deux dents longues 20 portant les bobines électriques 5, une dent centrale 21 entre les deux dents longues 20, et cinq dents identiques 18. Ces dents forment ainsi deux circuits en forme de W dont une dent est commune à chacun. La répartition des dents permet une minimisation du couple sans courant et contribue ainsi à minimiser les à-coups sur l'aiguille indicatrice 22. Les dents ont des extrémités de forme parallélépipédique permettant de canaliser le flux magnétique de façon optimale contribuant à l'augmentation du couple avec courant. Sur la forme extérieure du stator 4, un épaulement 19 est réalisé permettant une meilleure indexation du stator 4 dans le couvercle inférieur 2. La figure 9 présente une aiguille indicatrice ou pointeur 22 entrainé par l'axe creux 10. La figure 10 présente un deuxième module indicateur (1) selon un second mode de réalisation de l'invention. Ce deuxième module se distingue du premier en ce que la roue de 25 sortie 9 n'est pas prolongée par un axe creux mais est solidaire d'une aiguille 26 qui est l'arbre de sortie moteur et destinée à entrainer en rotation un organe indicateur (non représenté). Le principe de l'invention n'est en effet pas limité aux seuls modules présentant des axes creux. La roue de 30 sortie 9 présente, de même que pour le premier module, des bras frotteurs 13 découpés dans le matériau de la roue de sortie 9. Le nombre et la dimension de ces bras frotteurs 13 peut varier en fonction des enseignements décrits plus haut dans ce texte. 35 REVENDICATIONS1 - Module indicateur présentant un moteur diphasé comportant un rotor (6) présentant N paires de pôles aimantés 5 radialement, en sens alternés, N étant égal à 3 ou à 5, et une partie statorique (4) présentant au moins deux circuits en forme de W faites de dents polaires radiales (20) s'étendant vers l'intérieur depuis une ceinture périphérique fermée et présentant une bobine (5) sur la jambe centrale du W, lesdits 10 circuits en forme de W étant disposés de façon à ce que lorsque la dent centrale de l'un des circuits en forme de W se trouve en face d'une transition magnétique rotorique, au moins une dent centrale d'un autre circuit en forme de W se trouve en face d'un pôle magnétique rotorique, 15 caractérisé en ce que en ce qu'il comporte au moins un moyen spécifique d'interaction mécanique (13, 14, 15) entre le rotor et le stator assurant un frottement angulaire d'une force sensiblement constante en fonction de la vitesse relative du rotor (6) par rapport au stator (4), et d'une 20 valeur inférieure au couple produit par l'interaction électromagnétique entre le rotor et le stator. 2 - Module indicateur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un boîtier solidaire 25 (2) du stator, un ensemble de réduction mécanique de vitesse du rotor comportant une roue de sortie (9) entrainant un pointeur (22) et en ce que ledit moyen spécifique d'interaction mécanique est constitué par au moins un bras frotteur (13, 15) arqué réalisé découpé dans la partie discale 30 de ladite roue de sortie et une piste de glissement (14) solidaire dudit boîtier. 3 - Module indicateur selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit bras frotteur est réalisé en 35 polymère polyoxyméthylène. 4 - Module indicateur selon les revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que ladite piste de glissement vient en contact avec l'extrémité (15) desdits frotteurs (13). 5- Module indicateur selon la revendication 4 caractérisé en ce que ladite extrémité est de forme bombée. 6 - Module indicateur selon les revendications 2 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte N bras frotteurs (13) 10 flexibles, dont les extrémités glissantes sont espacées de 360/N degrés, N étant égal à 2 ou 3. 7 - Module indicateur selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que le stator (4) 15 présente une ceinture annulaire, un ensemble de dents (18) s'étendant radialement à partir d'un segment annulaire formant un épaulement (19) de fixation sur le boîtier (2) présentant un moyen de liaison mécanique de forme complémentaire. 20 8 - Module indicateur selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que cinq dents au moins présentent des longueurs, mesurées radialement, identiques. 25 9 - Module indicateur selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que la longueur des dents bobinées est identique. - Module indicateur selon la revendication 30 précédente caractérisé en ce que la longueur de la bobine et des dents portant ladite bobine sont sensiblement égales mais inférieures à la section de la zone centrale évidée du stator.11 - Module indicateur selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que l'extrémité des dents est de forme parallélépipédique.