Brevet FR3000198A1 — publié le 20140627

La présente invention concerne le domaine des capteurs de position, et plus particulièrement un capteur de position angulaire, inductif. Pour mesurer la position, par exemple, d'un rotor d'une machine tournante on utilise traditionnellement un capteur de position, également appelé « resolver ». Ces 5 capteurs délivrent un signal sensiblement proportionnel à la position d'une cible sur une étendue de mesure. Dans le cadre de l'invention, cette étendue de mesure est angulaire. Plus particulièrement, l'invention concerne le domaine des capteurs dits inductifs. Ces types de capteur ne comportent pas de circuit magnétique et fonctionnent à haute fréquence. Ils sont également appelés transformateurs. Ils comportent un 10 enroulement primaire et deux enroulements secondaires. Le principe de fonctionnement de ce type de capteur est basé sur le fait que la pièce mobile, dont on veut connaitre la position, va modifier le couplage entre l'enroulement primaire et les deux enroulements secondaires. En mesurant les tensions aux bornes de l'enroulement primaire et des enroulements secondaires, il est ainsi possible de calculer la position de la pièce étudiée. 15 Plus précisément, l'enroulement primaire est alimenté par une source électrique à haute fréquence qui produit un courant dans l'enroulement primaire. Ce courant produit un champ magnétique à la même fréquence que la source électrique. A proximité du transformateur se trouve une cible solidaire d'un objet dont on veut connaître la position. Cet objet peut par exemple être un rotor dans le cas d'une machine tournante. 20 Cette cible est en matériau conducteur électriquement. Elle est donc le siège de courants induits par le champ magnétique haute fréquence produit par l'enroulement primaire. Le fait que la fréquence de la source soit une haute fréquence, un effet de peau électromagnétique se produit dans la cible. Le champ ne pénètre que dans une très faible épaisseur de la cible. Il reste donc confiné au niveau d'une peau très fine, de quelques 25 micromètres. De ce fait, la cible empêche le champ magnétique de passer à travers elle. Les enroulements secondaires se trouvent à proximité de l'enroulement primaire et donc de la cible. Comme la cible empêche le champ magnétique de traverser la cible, les enroulements secondaires placés a proximité de la cible voient une quantité de flux du champ magnétique plus faible que si la cible était absente. Si par exemple, un 30 enroulement secondaire est constitué de deux boucles d'orientation opposée et que la cible se déplace au dessus de l'une puis de l'autre de ces boucles, cet enroulement secondaire voit, par rapport à une valeur moyenne nulle, une augmentation relative puis une diminution relative de la quantité de flux du champ magnétique qui le traverse. Pour que cette variation soit maximale, et donc efficace il faut que la taille de la cible soit 35 adaptée à la taille de chaque boucle des enroulements secondaires. Pour un capteur angulaire, la cible couvre angulairement la bobine du capteur. Par exemple, pour un capteur angulaire de course 360 degrés, soit un tour complet, une cible fait 180 degrés d'ouverture angulaire. Pour un capteur de course 180 degrés la cible fait deux fois 90 degrés disposés à 180 degrés l'un de l'autre. La réponse du capteur est intimement liée au tracé des boucles des 5 enroulements secondaires. Selon leurs formes, la quantité de flux du champ magnétique les traversant sera plus ou moins grande. Par conséquent la linéarité de la réponse du capteur dépend de leurs formes. La taille des bobines utilisées aujourd'hui est la plus grande possible pour que la réponse du capteur soit la plus forte possible. La taille des boucles est ainsi maximale 10 dans l'encombrement donné par le bobinage primaire. L'inconvénient de cette taille qui implique des angles très accentués, provient du fait que lorsque le bord de la cible passe au dessus de la ligne qui ferme la boucle, la variation de quantité de flux de champ magnétique est très forte à cette position angulaire. La linéarité du capteur est ainsi affectée, et la détermination de la position de la cible est moins précise. 15 La présente invention a donc pour objet de pallier un ou plusieurs des inconvénients de l'art antérieur en proposant un capteur de position angulaire (ou appelé aussi dispositif de mesure de la position angulaire d'une cible) configuré pour éviter ces effets de fin de présence de boucle sous la cible, et ainsi améliorer la linéarité du capteur. Pour cela la présente invention propose un dispositif de mesure de la position 20 angulaire d'une cible selon un axe longitudinale circulaire parallèle à la direction de mesure, comportant une piste et un enroulement primaire apte à induire une tension électrique dans au moins deux enroulements secondaires, les enroulements secondaires étant organisés selon une géométrie permettant de couvrir la surface de la piste avec au moins deux boucles d'enroulement, de largeur L, liées au niveau d'un croisement, la 25 largeur des boucles diminuant de façon progressive jusqu'au croisement, de façon à ce que les angles des boucles soient arrondis. Selon un mode de réalisation de l'invention, un bord extérieur de chaque boucle varie de Re à Re+ EIR, puis revient à Re, Re étant le rayon minimal du bord extérieur de la boucle et EIR étant la valeur de la variation d'un rayon du bord extérieur de 30 la boucle. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque point d'un rayon du bord extérieur de la boucle suit la loi de variation suivante : SR r = Re + (0 - a) * (A/4)' Avec : 35 a : est un angle d'origine de la boucle, Re : est un rayon minimal du bord extérieur de la boucle, ÔR : est la valeur de la variation du rayon du bord extérieur de la boucle, 0 : est un angle au niveau du point concerné et A : est une valeur de la course du capteur de position. Selon un mode de réalisation de l'invention, la valeur de la variation d'un rayon du bord extérieur de la boucle EIR est compris entre 15 et 33%. Selon un mode de réalisation de l'invention, la cible est constituée d'un matériau électriquement conducteur. Selon un mode de réalisation de l'invention, la cible est constituée par une piste sur un circuit imprimé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et 10 apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant aux figures annexées et données à titre d'exemple: - la figure 1 relative à l'art antérieur, représente a) un dispositif de mesure de la position d'une cible en vue de dessus, et b) un diagramme d'évolution de la mesure délivrée par un tel dispositif sur la longueur utile de la cible, 15 - la figure 2 représente en vue de dessus en mode linéaire d'un exemple de réalisation d'un capteur selon l'invention apte à mesurer la position angulaire d'une cible, le capteur comportant deux enroulements secondaires représentés respectivement sur la figure 2a et 2b pour simplifier la lecture de la figure, 20 - la figure 3 représente des boucles du capteur de course angulaire 180 degrés selon l'invention, - la figure 4 représente des vues en perspectives selon deux axes différents des boucles du capteur de position angulaire 180 degrés selon l'invention. La figure 1 représente schématiquement la constitution d'un capteur classique 25 selon l'art antérieur. La cible (non représentée) est constituée d'un matériau électriquement conducteur et se déplace relativement aux enroulements primaires et secondaires. Sur la figure 1 a, selon un exemple simple de réalisation, la piste 100 comprend un enroulement primaire 10, lequel est alimenté par un courant alternatif à haute fréquence comprise entre quelques KHz et quelques MHz, et deux enroulements 30 secondaires 11 (dont un seul est représenté pour des raisons de clarté sur la figure). Dans cet exemple, au moins un enroulement secondaire 11 comprend deux boucles 110, 111. Dans ce cas, l'enroulement forme un huit et comporte un croisement 16. La figure lb illustre le diagramme d'évolution du signal 103 délivré par un tel dispositif sur la longueur utile de la cible, où l'on voit que les courbes sont très abruptes et vont donc être 35 difficilement intégrables pour les calculs de position de la cible. Le capteur de position inductif selon l'invention est un capteur de position angulaire, de structure identique à celui du capteur représenté sur la figure 1. Ce capteur selon l'invention se différencie des capteurs de l'art antérieur par le fait que les angles des boucles des enroulements secondaires sont arrondis. C'est à dire que le coin des boucles des enroulements secondaires subit un rognage qui permet d'améliorer la linéarité du capteur. Plus précisément, la largeur L des boucles diminue de façon progressive jusqu'au croisement formant les boucles. La largeur L étant la largeur maximale des boucles. Cette diminution de la largeur jusqu'au croisement formant les boucles, empêche les effets décrits plus haut consistant, lorsque le bord de la cible passe à l'aplomb de la ligne qui ferme la boucle, à provoquer une très forte variation de quantité de flux de champ magnétique à cette position angulaire. Les figures 2a et b, illustrent un capteur de position inductif selon l'invention, de façon linéaire afin de mieux comprendre l'invention. Il comporte une piste 200 parallèle à la direction de mesure, un enroulement primaire 20, lequel est alimenté par un courant alternatif à haute fréquence, celle-ci étant généralement comprise entre quelques KHz et quelques MHz, et deux enroulements secondaires 21, 22, illustrés respectivement sur la figure 2a et 2b. Dans cet exemple, le premier enroulement secondaire 21 comprend deux boucles 210, 211 qui forme un huit avec un croisement CP1. Le deuxième enroulement secondaire 22, comprend trois boucles 220, 221, 222. Dans ce dernier cas, l'enroulement comporte deux croisements CS1, CS2 formant les trois boucles. Les boucles décrivent des motifs géométriques décalés spatialement selon un axe longitudinal linéaire. La largeur L de chacune de ces boucles 210, 211, 220, 221, 222 diminue progressivement jusqu'aux croisements CS1, CS2 des boucles 220, 221, 222. Les figures 3 et 4 illustrent un capteur de position angulaire selon l'invention. La piste 300 parallèle à la direction de mesure comprend un enroulement primaire 30 entourant deux enroulements secondaires 31, 32 dont les boucles 310, 311 décrivent des motifs géométriques décalés spatialement, selon un axe longitudinal, qui est ici un axe circulaire. Des moyens, non représentés, permettent de guider le capteur selon un mouvement circulaire autour d'un axe commun 33. Les signaux délivrés par les enroulements secondaires 31, 32 au cours de la rotation de la cible et de la piste 300 permettent de déterminer la position relative de la cible par rapport à la piste 300. L'homme du métier comprendra que la géométrie des boucles d'enroulement représentées sur les diverses figures n'a d'autre but que d'illustrer le principe, et que la géométrie réelle des boucles peut être nettement plus complexe. Le capteur de position angulaire selon l'invention comprend en outre des moyens (non représentés) pour alimenter l'enroulement primaire 20, 30 par un courant de tension alternative à haute fréquence, des moyens (non représentés) aptes à mesurer et à démoduler la tension aux bornes des enroulements secondaires 21, 22, 31, 32 et des moyens de traitement du signal, non représentés, aptes à réaliser des opérations sur les signaux mesurés aux bornes des enroulements secondaires 210, 211, 220, 221, 222, 310, 311 de sorte à délivrer une mesure proportionnelle à la position relative de la cible sur l'axe longitudinal de la piste. La cible de largeur sensiblement égale à celle de la piste 200, 300 est apte à se déplacer dans un plan parallèle à celui de la piste de sorte à recouvrir, sans contact, une partie de la surface des enroulements secondaires 21, 22, 31, 32. Ce déplacement s'effectue à une distance sensiblement constante de la piste 200, 300. Au cours de ce déplacement, chaque enroulement secondaire 21, 22, 31, 32 délivre, après démodulation de la tension mesurée à ses bornes, un signal qui varie sensiblement avec le déplacement de la cible. Le fait que les angles des boucles soient arrondis, par la diminution progressive de la largeur L des boucles jusqu'à une largeur Lmin (dans les exemples illustrés aux figures 2, 3, et 4, jusqu'aux croisements CP1, CS1, CS2, Cl, 02, ceci est expliqué ci-dessous) permet d'obtenir des signaux délivrés assimilables à un sinus, dans le cas de l'enroulement secondaire avec deux boucles, et à un cosinus dans le cas de l'enroulement secondaire avec trois boucles. Le rapport du sinus avec le cosinus fournit une tangente dont on peut calculer l'arc-tangente pour obtenir une information linéaire en fonction de la position de la cible sur la piste 200, 300. Le calcul du rapport entre les signaux et le calcul de la fonction arc-tangente peut être réalisé par des circuits électroniques intégrés dans le dispositif. L'effet du recouvrement de la piste par la cible est assimilable à une intégration, ce qui a pour effet de lisser les variations du signal notamment lors des transitions entre les boucles. Selon un mode de réalisation de l'invention, comme illustré aux figures 2a, 2b, la largeur L des boucles du capteur diminue progressivement pour atteindre une largeur Lmin égale à zéro au croisement CS1, 0S2, CP1. Lorsque l'enroulement secondaire 21 comporte deux boucles 210, 211, la largeur de chaque boucle diminue uniquement au niveau de la partie de la boucle située du coté du croisement. A la figure 3, plus précisément, la largeur L des boucles diminue progressivement de façon à ce que le bord extérieur 311 de la boucle soit arrondi jusqu'au croisement Cl, 02. On entend par bord extérieur 311 de la boucle, le bord situé à l'opposé du centre du capteur et représenté par l'axe 33 sur la figure 3. La largeur des boucles diminue de chaque coté de la boucle selon la direction de la mesure. Plus précisément, le bord extérieur de la boucle varie de Re à Re+ EIR, puis revient à Re. Re est un rayon minimal du bord extérieur de la boucle. EIR est une valeur d'une variation du rayon du bord extérieur de la boucle. Dans le cas d'un capteur de position angulaire avec deux boucles 310, 311 de 35 l'enroulement secondaire, une boucle est orientée positivement et une boucle est orientée négativement, par rapport à la direction de référence du flux produit par l'enroulement primaire (non représenté). Une boucle s'étale donc sur A/2, A étant la valeur de la course du capteur. Etant donné que chaque boucle a deux bords, l'arrondi se fait sur A/4. Pour tracer la boucle on utilise les coordonnées polaires (r, 0). Chaque point du rayon externe de la boucle suit la loi de variation suivante : (SR r = Re + (0 - a) * (A / 4) Où: a : est un angle d'origine de la boucle, Re : est le rayon minimal du bord extérieur de la boucle, EIR : est la valeur de la variation du rayon du bord extérieur de la boucle, 0 : est l'angle au niveau du point concerné et A : est la valeur de la course du capteur de position. La valeur de la variation du rayon du bord extérieur de la boucle EIR dépend de la taille de la bobine. En général pour une bobine on a 10mm d'écart entre le bord extérieur et le bord intérieur, c'est à dire entre le rayon intérieur et extérieur. En pourcentage, cela représente une valeur de la variation du rayon du bord extérieur de la boucle EIR comprise entre 15 et 33 °A, et de préférence égale à 20 °A. De cette façon, l'arrondi est réparti sur l'ensemble de l'arc de l'enroulement secondaire pour être progressif. Ci-dessous, est décrit, un exemple de réalisation d'un capteur de positon angulaire selon l'invention : Pour un capteur de course de 1800, A = 180, donc A/4 = 45. On défini Re = 10 et EIR = 2. Ces valeurs sont définies de façon à ce que le capteur soit le plus petit possible pour notamment des raisons de coût, et d'encombrement. Il ne doit toutefois pas être trop petit pour pouvoir émettre et recevoir des champs magnétiques. On considère a = 0, le point de départ de la boucle Si on fait le calcul par exemple sur 10 points, on obtient les résultats suivants, 25 illustrés à la table 1. Il doit être évident pour l'homme du métier que la présente invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par exemple le principe de ce capteur est aussi valable pour des dimensions 30 sub-atomiques et il est tout à fait envisageable de réaliser un tel capteur en nanotechnologie Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications. Angle G (degrés) Rayon Re (mm) 0 10 *,575 10 +/- 2 io *75 15 *75 10 +/- 2 *-20 45 45 45 45 10 +/- 2 40 *75 10 +/- 2 45 *75 Table 1 REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de la position angulaire d'une cible selon un axe longitudinal circulaire parallèle à la direction de mesure, comportant une piste (200, 300) et un enroulement primaire (20, 30) apte à induire une tension électrique dans au moins deux enroulements secondaires (21, 22, 31, 32), les enroulements secondaires étant organisés selon une géométrie permettant de couvrir la surface de la piste (200, 300) avec au moins deux boucles d'enroulement, de largeur L, liées au niveau d'un croisement (Cl, 02), caractérisé en ce que la largeur (L) des boucles diminue de façon progressive jusqu'au croisement (Cl, 02) de façon à ce que les angles des boucles soient arrondis. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel un bord extérieur de chaque boucle varie de Re à Re+ EIR, puis revient à Re, Re étant un rayon minimal du bord extérieur de la boucle, et EIR étant une valeur d'une variation d'un rayon du bord extérieur de la boucle. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel chaque point d'un rayon (r) du bord extérieur de la boucle suit la loi de variation suivante : (SR r = Re + (0 - a) * (A/4) Où: a : est un angle d'origine de la boucle, Re : est un rayon minimal du bord extérieur de la boucle, ÔR : est la valeur de la variation du rayon du bord extérieur de la boucle, 0 : est un angle au niveau du point concerné et A : est une valeur de la course du capteur de position. 4. Dispositif selon une des revendications 2 ou 3, dans lequel la valeur de la variation d'un rayon du bord extérieur de la boucle EIR est comprise entre 15 et 33 `Vo. 5. Dispositif selon une des revendications 1 à 4, dans lequel la cible est constituée d'un matériau électriquement conducteur. 6. Dispositif selon une des revendications 1 à 5, dans lequel la cible (200, 300) est constituée par une piste sur un circuit imprimé.