Brevet FR3055960A1 — publié le 20180316

L'invention concerne un codeur destiné à être associé en rotation à un organe tournant de sorte à se déplacer conjointement avec lui, ainsi qu'un système de détermination d'au moins un paramètre de rotation d'un organe tournant comprenant un tel codeur ainsi qu'un capteur de rotation apte à détecter le champ magnétique périodique émis par ledit codeur. Dans de nombreuses applications, on souhaite connaître en temps réel et avec une qualité optimale au moins un paramètre de rotation d'un organe tournant, tel que sa position, sa vitesse, son accélération ou son sens de déplacement. Pour ce faire, le document WO-2006/064169 propose l'utilisation d'un codeur destiné à être solidaire de l'organe mobile et qui est agencé pour émettre un champ magnétique pseudo sinusoïdal à distance de lecture d'un capteur comprenant plusieurs éléments sensibles. De façon avantageuse, chaque élément sensible peut comprendre au moins un motif à base d'un matériau magnétorésistif à effet tunnel (TMR en anglais pour Tunnel MagnetoResistance) dont la résistance varie en fonction du champ magnétique détecté, tel que par exemple décrit dans le document WO-2004/083881. Pour déterminer un paramètre de déplacement de l'organe mobile en fonction de l'évolution du champ magnétique détecté, le document WO-2006/064169 prévoit une combinaison des signaux représentatifs de la résistance de chacun des éléments sensibles afin de délivrer deux signaux en quadrature et de même amplitude qui peuvent être utilisés pour calculer ledit paramètre. Dans certaines applications, on souhaite déterminer la position angulaire de façon absolue, c'est-à-dire par rapport à une position de référence. Pour ce faire, on connaît l'utilisation d'un système de détermination comprenant : - un codeur comprenant une piste magnétique multipolaire principale et une piste magnétique multipolaire secondaire qui sont aptes chacune à 3055960 2 émettre un signal magnétique périodique représentatif du déplacement du codeur ; un capteur de rotation apte à détecter le champ magnétique périodique émis par les pistes du codeur au moyen de plusieurs éléments sensibles 5 qui sont intégrés dans respectivement un montage disposé à distance de lecture d'une piste, ledit capteur comprenant un dispositif de traitement des signaux issus des montages pour déterminer la position angulaire absolue du codeur. 10 En particulier, le document EP-1 353 151 prévoit que la piste secondaire comprenne un nombre de pôles magnétiques qui est différent de celui de la piste principale, de sorte à pouvoir déterminer simplement la position angulaire selon le principe du vernier. 15 Toutefois, les deux pistes des codeurs qui sont nécessaires à de tels systèmes de détermination s'avèrent difficiles à aimanter en une seule fois, notamment du fait du décalage variable existant entre les pôles des deux pistes. En outre, les caractéristiques géométriques des pistes s'avèrent difficilement modifiables en fonction de la géométrie du codeur. 20 On connaît par ailleurs, notamment du document DE-103 09 027, des codeurs dont les transitions magnétiques entre les pôles Nord et Sud s'étendent suivant une spirale d'Archimède, chacune desdites spirales étant répartie sur ledit codeur par rotation successive d'un angleNpp' Npp étant le nombre de paires de pôles. 25 L'invention vise à résoudre les problèmes de l'art antérieur en proposant notamment un codeur pouvant être utilisé dans un système de détermination d'au moins un paramètre de rotation, en particulier la position angulaire absolue, la piste magnétique dudit codeur étant simple à aimanter et suivant une géométrie 30 pouvant être facilement adaptée à celle dudit codeur. 3055960 3 A cet effet, selon un premier aspect, l'invention propose un codeur destiné à être associé en rotation à un organe tournant de sorte à se déplacer conjointement avec lui, ledit codeur comprenant un corps sur lequel est formée une piste magnétique qui est apte à émettre un signal magnétique périodique représentatif 5 de la rotation dudit codeur, ladite piste présentant une alternance de pôles magnétiques Nord et Sud séparés par i transitions, chacune desdites transitions s'étendant suivant une spirale d'Archimède définie en coordonnées polaires par rapport à l'axe de rotation par l'équation p - Npp.Lp.(0 Npp étant le nombre de paires de pôles de la piste magnétique et Lp la largeur polaire de chacun des 10 pôles suivant le rayon dudit codeur, l'angle ei de rotation de la ième spirale par ( 7z- 7z- rapport à la première spirale étant défini par l'équation : 6); = . i ± r.sin .i N N PP PP i étant compris entre 0 et 2.Npp-1 et étant un taux de modulation non nul, avec le signe plus lorsque i est pair et le signe moins lorsque i est impair . 15 Selon un deuxième aspect, l'invention propose un système de détermination d'au moins un paramètre de rotation d'un organe tournant, ledit système comprenant un tel codeur et : un capteur de rotation apte à détecter le champ magnétique périodique émis par ledit codeur au moyen de plusieurs éléments sensibles qui sont 20 intégrés dans un montage, chaque élément sensible comprenant au moins un motif à base d'un matériau magnétorésistif dont la résistance varie en fonction dudit champ magnétique, ledit capteur de rotation comprenant un dispositif de conditionnement de signaux représentatifs de la résistance des éléments sensibles qui est agencé pour délivrer au 25 moins un signal représentatif dudit champ magnétique ; un dispositif de calcul pour déterminer le paramètre de rotation de l'organe tournant en fonction du signal délivré par le dispositif de conditionnement. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la 30 description qui suit, faite en référence aux figures jointes, dans lesquelles : 3055960 4 - la figure 1 est une représentation schématique d'un système de détermination selon un mode de réalisation de l'invention, montrant notamment la disposition des capteurs par rapport au codeur ; - la figure 2 est une représentation fonctionnelle d'un capteur selon un 5 premier mode de réalisation de l'invention, la figure 2a représentant le montage en pont de Wheatstone dudit capteur ; - la figure 3 est une représentation fonctionnelle d'un capteur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la figure 3a représentant le montage en boucle de courant dudit capteur. 10 En relation avec ces figures, on décrit un système de détermination d'au moins un paramètre de rotation d'un organe tournant par rapport à une structure fixe. En particulier, le paramètre de l'organe tournant peut être choisi parmi sa position, sa vitesse, son accélération ou son sens de déplacement. 15 Dans une application particulière, le système peut être utilisé en relation avec un palier à roulement pour mesurer un paramètre de rotation de l'organe tournant dudit palier par rapport à son organe fixe. En particulier, le palier peut permettre le montage d'un volant de véhicule automobile, le paramètre déterminé pouvant 20 être utilisé dans un système de contrôle dynamique du véhicule comme par exemple l'ABS ou l'ESP. Le système de détermination comprend un codeur 10 destiné à être solidaire de l'organe tournant de sorte à se déplacer conjointement avec lui, ledit codeur 25 comprenant un corps, notamment annulaire mais qui peut également être discoïdal, sur lequel est formée une piste magnétique qui est apte à émettre un signal magnétique périodique représentatif de la rotation dudit codeur. La piste présente une alternance de pôles magnétiques Nord et Sud qui sont 30 séparés par i transitions 11, chacune desdites transitions s'étendant suivant une spirale d'Archimède définie en coordonnées polaires (p, 0) par rapport à l'axe de rotation par l'équation p - NPPIP.(0 +0i), Npp étant le nombre de paires de pôles 3055960 5 de la piste magnétique et Lp la largeur polaire de chacun des pôles suivant le rayon dudit codeur, l'angle ei étant l'angle de rotation de la ième spirale de chacune des i transitions 11 par rapport à la première spirale. Ainsi, la piste magnétique délivre un signal magnétique pseudo sinusoïdal dont la période spatiale est égale 5 à = 2.Lp. La géométrie en spirale d'Archimède permet notamment que le nombre Npp de paires de pôles de la piste magnétique ainsi que leur taille puissent être choisis indépendamment du diamètre du corps annulaire du codeur 10. 10 Selon une réalisation, le codeur 10 est formé d'un aimant sur lequel la piste magnétique multipolaire est réalisée. En particulier, l'aimant peut être formé d'une matrice annulaire, par exemple réalisée à base d'un matériau plastique ou élastomère, dans laquelle sont dispersées des particules magnétiques, 15 notamment des particules de ferrite ou de terres rares comme le NdFeB. L'angle ei de rotation de la ième spirale est défini par l'équation : ( =-71-.i±r.sin , i étant compris entre 0 et 2.Npp-1 et -c étant un taux de N PP PP ) modulation non nul, avec le signe plus lorsque i est pair et le signe moins lorsque 20 i est impair. Ainsi, le signal magnétique pseudo sinusoïdal délivré par la piste magnétique présente une modulation qui peut être ajustée avec le taux , notamment compris en valeur absolue entre 0,3 et 0,6. En relation avec la figure 1, Npp est égal à 8 25 et est égal à 0,4. De façon avantageuse, la modulation peut s'étendre sur un tour de sorte à présenter un angle unique sur ledit tour. En variante, plusieurs modulations peuvent être formées sur respectivement une portion de tour pour présenter un 30 angle unique sur ladite portion. 3055960 6 En particulier, la modulation peut être exploitée pour déterminer la position angulaire absolue du codeur 10, c'est-à-dire sa position par rapport à une position de référence, et ce au moyen d'une seule piste magnétique. En particulier, la détermination peut être réalisée immédiatement à la mise sous tension du 5 système, sans nécessiter une rotation minimale de l'organe tournant. Le système de détermination comprend un capteur 12 de rotation qui est destiné à être solidaire de la structure fixe, ledit capteur étant apte à détecter le champ magnétique périodique émis par le codeur 10. Pour ce faire, le capteur comprend 10 plusieurs éléments sensibles 1 qui sont intégrés dans un montage 2, 4 disposé à distance de détection du champ magnétique. Chaque élément sensible 1 comprend au moins un motif à base d'un matériau magnétorésistif dont la résistance varie en fonction du champ magnétique. De 15 façon générale, la résistance R aux bornes de chacun des éléments sensibles 1 peut s'écrire : R = Ro + 4R.sin (wt) + 4Ra.sin (S2t), Ro étant la résistance de base dudit élément, w la pulsation du champ magnétique délivré par le codeur 10 en fonction du temps t, S2t l'angle de la modulation et Ra son amplitude. 20 De façon avantageuse, un élément sensible 1 peut comprendre un seul motif ou un groupe de motifs reliés en série, chacun desdits motifs pouvant notamment être choisi parmi les sondes magnétosensibles, par exemple à effet Hall, mesurant la composante normale du champ magnétique délivré par le codeur 10. 25 En variante, la composante tangentielle du champ magnétique peut être mesurée au moyen de sondes à base de magnétorésistances à effet tunnel (TMR), de magnétorésistances anisotropes (AMR) ou de magnétorésistances géantes (GMR). 30 En particulier, comme décrit dans le document WO-2004/083881, chaque motif forme une jonction tunnel en comprenant un empilement d'une couche magnétique de référence, d'une couche de séparation isolante et d'une couche 3055960 7 magnétique sensible au champ à détecter, la résistance de l'empilement étant fonction de l'orientation relative de l'aimantation des couches magnétiques. Le capteur 12 de rotation comprend un dispositif 13 de conditionnement de 5 signaux représentatifs de la résistance des éléments sensibles 1 qui est agencé pour délivrer au moins un signal S représentatif du champ magnétique. En particulier, le dispositif 13 de conditionnement peut comprendre des moyens de mesure de signaux qui sont chacun représentatifs de la résistance d'un élément sensible 1, ainsi que des moyens de combinaison desdits signaux pour délivrer 10 au moins un signal S représentatif du champ magnétique. En relation avec les figures 2, on décrit ci-dessous l'intégration des éléments sensibles 1 dans un montage 2 en pont de Wheatstone qui est associé à un dispositif de conditionnement comprenant un comparateur 3 des sorties Vouti , 15 Vout2 dudit pont. Dans la configuration du pont de Wheatstone représentée sur la figure 2a, la sortie Vo est donnée par la formule générale : Vo = ( R2 R4 .Vs + R2 R3 + R4 20 Les résistances R1-R4 de chacune des branches du pont de Wheatstone peuvent correspondre à la résistance d'un élément sensible 1 pour former un montage de mesure en pont complet. En variante, on peut utiliser une configuration en demi pont - respectivement en quart de pont - dans laquelle seulement deux branches 25 - respectivement une branche - intègrent chacune un élément sensible 1, les autres résistances étant égales à Ro. Dans le cas d'une configuration en demi pont avec R3 = R4 = Ro, la sortie Vo s'écrit : 3055960 ( R2 1\ Vo = +R2 2) Rl-R2 Ys 2(R1 + R2 ) Lorsque les deux éléments sensibles 1 sont intégrés dans respectivement une branche du pont de Wheatstone avec leurs barycentres espacés d'une distance 5 X/2, les résistances s'écrivent alors : = Ro + 4R.sin (wt) + 4Ra.sin (S2t) R2 = Ro + 4R.sin (wt+7r) + 4Ra.sin (et) Et, la sortie Vo devient proportionnelle à l'amplitude du champ magnétique avec 10 la formule : M. sin(wt) = .Vs 2R0 Ainsi, un dispositif 14 de calcul du système peut permettre de déterminer le paramètre de rotation de l'organe tournant en fonction du signal S délivré par le 15 dispositif 13 de conditionnement, notamment à haute résolution sur une paire de pôles. En particulier, une bascule de Schmitt 3 peut être utilisée pour reconstruire à partir des signaux de sortie Vouti, Vout2 du pont un signal S tout ou rien à la fréquence du champ magnétique délivré par le codeur 10. 20 En relation avec les figures 3, on décrit ci-dessous l'intégration des éléments sensibles 1 dans un montage 4 en boucle de courant. La figure 3a représente un montage 4 comprenant N = 4 éléments sensibles 1 alignés dont les barycentres sont espacés d'une distance constante les uns des autres qui est égale à X,/N. 25 Dans ce cas, les résistances aux bornes de chacun des éléments sensibles 1 s'écrivent : = Ro + 4R.sin (wt) + 4Ra.sin (S2t) R2 = Ro + 4R.sin (cot+n/2) + 4Ra.sin (et) 8 Ys 3055960 9 R3 = Ro + 4R.sin (wt+7r) + 4Ra.sin (et) R4 = Ro + 4R.sin (wt+37r/2) + 4Ra.sin (et) Le dispositif de conditionnement 13 peut comprendre au moins un étage de 5 comparateurs qui sont branchés aux bornes des éléments sensibles 1 pour combiner entre eux les signaux de résistance de chacun desdits éléments. En particulier, le document WO-2006/064169 décrit un dispositif de conditionnement agencé pour délivrer deux signaux respectivement SIN et COS en quadrature et de même amplitude qui sont chacun représentatifs du champ magnétique, lesdits 10 signaux pouvant être utilisés par un dispositif 14 de calcul du système pour déterminer le paramètre de rotation de l'organe tournant. En relation avec la figure 1, le système permet la détermination de la position angulaire absolue de l'organe tournant en comprenant un capteur annexe 15. De 15 même que le capteur 12 de rotation, le capteur annexe 15 comprend plusieurs éléments sensibles 1 qui sont intégrés dans un montage 2, 4, chaque élément sensible 1 comprenant au moins un motif à base d'un matériau magnétorésistif dont la résistance varie en fonction du champ magnétique. De façon avantageuse, les capteurs de rotation 12 et annexe 15 peuvent présenter des 20 montages 2, 4 identiques. Le système de détermination comprend un dispositif 16 de traitement de signaux représentatifs de la résistance des éléments sensibles 1 de chacun des capteurs 12, 15 qui est agencé pour délivrer un signal représentatif de la modulation du 25 champ magnétique émis par le codeur 10. En particulier, le dispositif 16 de traitement intègre des moyens de mesure d'un signal représentatif de la résistance totale de chacun des montages 2, 4. En relation avec les figures 2 et 3, le dispositif 16 de traitement comprend un 30 circuit intégrant des moyens de mesure d'un signal W représentatif de la résistance totale du montage 2, 4. Le circuit intègre un comparateur 6 et une source 7 de courant - respectivement de tension - qui est agencée pour pouvoir alimenter le montage 2, 4 avec une consigne constante, ledit comparateur 3055960 10 mesurant le courant - respectivement la tension - aux bornes du montage 2, 4 pour délivrer le signal W représentatif de la modulation. De façon avantageuse relativement à sa simplicité, le circuit intègre un 5 amplificateur analogique 6 à gain et/ou à offset ajustables dont une entrée mesure la tension - respectivement le courant - aux bornes du montage 2, 4. Dans le mode de réalisation des figures 2, si le montage 2 en pont de Wheatstone est alimenté avec une consigne de courant constante is, nous avons : Vs = (Ro + 4Ra.sin (SU)). is pour le capteur 12 de rotation et, en espaçant angulairement le montage 2, 4 d'éléments sensibles 1 du capteur annexe 15 d'un angle (I) le long de la piste magnétique par rapport au montage 2, 4 d'éléments sensibles 1 du capteur 12 de rotation : Vs' = (Ro'+ 4Ra.sin (S2t+11))).is pour le capteur annexe 15. Vs et Vs' ne dépendent donc pas du champ magnétique mais uniquement de Ro et Ro'. Ainsi, en posant Ro = Ro', il est aisé de calculer : Vs-Vs' = 2.sin(11)).4Ra.cos(S2t+11)/2).is Vs+Vs' - 2. Ro = 2.cos(11)).4Ra.sin(S2t+e2).is Ces deux signaux sont en quadrature et il est donc possible de calculer l'angle 25 absolu SU sur un tour au moyen d'une division et d'une fonction arctangente, par exemple. Pour des raisons de limitation du bruit, il est préférable que l'angle (I) soit proche de 90°, comme représenté sur la figure 1. Pour des raisons de compacité, l'angle (I) peut être inférieur à 90°, notamment en étant proche de 30°. 30 De même, en alimentant le pont avec une tension constante et en mesurant le courant is traversant ledit pont, on obtient l'angle absolu SU de façon analogue. 10 15 20 3055960 11 Dans le mode de réalisation des figures 3, si le montage 4 en boucle de courant est alimenté avec un courant is constant, nous avons : Vs= V1 + V2 +V3 +V4 = (R1 ± R2 ± R3 ± R4). is 5 = 4. (Ro + 4Ra.sin(S2t+11))). is Là encore, Vs du capteur 12 de rotation et Vs' du capteur annexe 15 peuvent être traités pour remonter à l'angle absolu SU. De même, en alimentant la boucle avec une tension constante et en mesurant le courant is traversant ladite boucle, on 10 obtient l'angle absolu SU de façon analogue. Selon une réalisation, le dispositif 16 de traitement comprend des moyens de filtrage temporel du signal W représentatif de la résistance totale du montage 2, 4 afin de ne pas mesurer l'offset magnétique du codeur 10. En particulier, cette 15 réalisation est envisageable puisque les deux phénomènes n'ont pas les mêmes caractéristiques (périodicité, constante de temps). L'invention permet donc de générer une modulation dans le signal émis par le codeur 10 afin, par détermination de l'angle absolu SU de ladite modulation, 20 notamment à basse résolution sur un tour, de pouvoir utiliser ledit angle absolu dans le dispositif 14 de calcul pour rendre absolue la position angulaire déterminée au moyen du capteur 12 de rotation, notamment à haute résolution sur une paire de pôles. 25 REVENDICATIONS1. Codeur (10) destiné à être associé en rotation à un organe tournant de sorte à se déplacer conjointement avec lui, ledit codeur comprenant un corps sur lequel est formée une piste magnétique qui est apte à émettre un signal magnétique périodique représentatif de la rotation dudit codeur, ladite piste présentant une alternance de pôles magnétiques Nord et Sud séparés par i transitions (11), chacune desdites transitions s'étendant suivant une spirale d'Archimède définie en coordonnées polaires par rapport à l'axe de rotation par l'équation p -NppLp.(0Npp étant le nombre de paires de pôles de la piste magnétique et Lp la largeur polaire de chacun des pôles suivant le rayon dudit codeur, l'angle ei étant l'angle de rotation de la ième spirale de chacune des i transitions (11) par rapport à la première spirale, ledit codeur étant caractérisé en ce que l'angle ei est défini par l'équation : ( 7z- 0, = i ± r.sin .1, i étant compris entre 0 et 2.Npp-1 et -c étant un taux PP PP ) de modulation non nul, avec le signe plus lorsque i est pair et le signe moins lorsque i est impair. 2. Codeur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le taux est compris en valeur absolue entre 0,3 et 0,6. 3. Système de détermination d'au moins un paramètre de rotation d'un organe tournant, ledit système comprenant : - un codeur (10) selon l'une des revendications 1 ou 2 ; - un capteur (12) de rotation apte à détecter le champ magnétique périodique émis par ledit codeur au moyen de plusieurs éléments sensibles (1) qui sont intégrés dans un montage (2, 4), chaque élément sensible (1) comprenant au moins un motif à base d'un matériau magnétorésistif dont la résistance varie en fonction dudit champ magnétique, ledit capteur de rotation comprenant un dispositif (13) de conditionnement de signaux représentatifs de la résistance des éléments 3055960 13 sensibles (1) qui est agencé pour délivrer au moins un signal représentatif dudit champ magnétique ; un dispositif (14) de calcul pour déterminer le paramètre de rotation de l'organe tournant en fonction du signal délivré par le dispositif (13) de 5 conditionnement. 4. Système de détermination selon la revendication 3 dans lequel le paramètre à déterminer est la position angulaire absolue, ledit système comprenant un capteur annexe (15) comprenant plusieurs éléments sensibles (1) qui sont 10 intégrés dans un montage (2, 4), chaque élément sensible (1) comprenant au moins un motif à base d'un matériau magnétorésistif dont la résistance varie en fonction du champ magnétique, le montage (2, 4) d'éléments sensibles (1) du capteur annexe (15) étant espacé angulairement d'un angle (I) le long de la piste magnétique par rapport au montage (2, 4) d'éléments sensibles (1) du capteur 15 (12) de rotation, ledit système comprenant un dispositif (16) de traitement de signaux représentatifs de la résistance des éléments sensibles (1) de chacun des capteurs (12, 15) qui est agencé pour délivrer un signal représentatif de la modulation du champ magnétique émis par le codeur (10). 20 5. Système de détermination selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'angle (I) est égal à 90°. 6. Système de détermination selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le dispositif (16) de traitement intègre des moyens de mesure d'un 25 signal représentatif de la résistance totale de chacun des montages (2, 4). 7. Système de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif (13) de conditionnement comprend des moyens de mesure de signaux qui sont chacun représentatifs de la résistance 30 d'un élément sensible (1), ainsi que des moyens de combinaison desdits signaux pour délivrer au moins un signal (S) représentatif du champ magnétique. 3055960 14 8. Système de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les éléments sensibles (1) sont intégrés dans un montage (2) en pont de Wheatstone, le dispositif de conditionnement comprenant un comparateur (3) des sorties (Vouti, Vout2) dudit pont. 5 9. Système de détermination selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'au moins deux éléments sensibles (1) sont intégrés dans respectivement une branche du pont de Wheatstone avec leurs barycentres espacés d'une distance X/2, X étant la période spatiale du champ magnétique délivré par le codeur (10). 10 10. Système de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les éléments sensibles (1) sont intégrés dans un montage (4) en boucle de courant, le dispositif de conditionnement (13) comprenant au moins un étage de comparateurs qui sont branchés aux bornes des éléments 15 sensibles (1). 11. Système de détermination selon la revendication 10, caractérisé en ce que le montage (4) comprend N éléments sensibles (1) alignés dont les barycentres sont espacés d'une distance constante les uns des autres. 12. Système de détermination selon la revendication 11, caractérisé en ce que les barycentres des N éléments sensibles (1) sont espacés d'une distance XIN les uns des autres, X étant la période spatiale du champ magnétique délivré par le codeur. 20 25