Brevet FR3164528A1 — publié le 20260116

Capteur (1) angulaire comprenant : un support (2) ; un ressort (10) de torsion ayant une première extrémité (11) mécaniquement liée au support (2) et une deuxième extrémité (12) liée à un organe d’entraînement (9) mobile en rotation par rapport au support 2), le ressort (10) comprenant un matériau électriquement conducteur piézorésistif ; un circuit de mesure de résistance ayant des bornes électriquement reliées au ressort (10). FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 2 Capteur angulaire à matériau piézorésistif La présente invention concerne le domaine des capteurs angulaires. ARRIERE PLAN DE L’INVENTION De façon connue en soi, un capteur angulaire est associé à un élément pivotant pour déterminer la position angulaire de l’élément pivotant par rapport à un repère de référence. Par exemple, dans l’aéronautique, les capteurs angulaires permettent de déterminer la position d’un actionneur rotatif. Dans l’industrie, plusieurs technologies de capteurs angulaires peuvent être citées. Une première technologie de capteurs angulaires concerne les potentiomètres rotatifs. Toutefois, un tel usage est déconseillé dans des environnements soumis à de fortes vibrations et/ou à la présence de particules susceptibles de pénétrer dans le capteur angulaire, qui peuvent altérer le fonctionnement du capteur angulaire. Une deuxième technologie concerne les capteurs optiques, autrement appelés « codeurs ». Cependant, il est connu de l’art antérieur que les capteurs optiques sont sensibles aux perturbations extérieures telles que la saleté et les températures extrêmes. D’autres technologies concernent les capteurs capacitifs et les capteurs magnétiques. Les capteurs capacitifs sont connus pour être sensibles à la température et à l’humidité tandis que les capteurs magnétiques sont sensibles aux champs magnétiques extérieurs, ce qui peut engendrer des erreurs de mesure. Une alternative possible concerne les capteurs inductifs et plus précisément les capteurs RVDT (de l’anglais « Rotary Variable Differential Transformer »). Ces capteurs sont connus pour être robustes et peuvent être utilisés dans des environnements sévères sujets aux températures extrêmes, aux corps étrangers, etc… Toutefois, du fait de leur structure, les capteurs RVDT sont relativement volumineux, lourds et coûteux. En outre, ce type de capteur connaît une plage de fonctionnement rotative limitée à plus ou moins 35°. OBJET DE L’INVENTION L’invention a notamment pour but un capteur angulaire remédiant au moins en partie aux inconvénients précités. A cet effet, on prévoit, selon l’invention, un capteur angulaire comprenant : un support ; un ressort de torsion ayant une première extrémité mécaniquement liée au support et une deuxième extrémité liée à un organe d’entraînement mobile en rotation par rapport au support, le ressort comprenant un matériau électriquement conducteur piézorésistif ; un circuit de mesure de résistance comprenant une première borne et une deuxième borne qui sont électriquement reliées à deux parties du ressort écartées l’une de l’autre. Ainsi, le ressort de torsion est fixé au support via sa première extrémité. La deuxième extrémité du ressort est, quant à elle, liée à l’organe d’entraînement mobile en rotation par rapport au support. On comprend donc que la forme du ressort de torsion est imposée par l’organe d’entraînement et qu’elle dépend de l’effort exercé par l’organe d’entraînement sur le ressort et donc de la position dudit organe d’entraînement par rapport au support. Par conséquent, la piézorésistivité du matériau du ressort entraine une variation de la résistance électrique du ressort proportionnellement et en réponse à une variation de la position de l’organe d’entraînement par rapport au support. Le circuit de mesure permet d’évaluer la variation de la résistance électrique aux bornes du ressort. On comprend donc que lorsque l’organe d’entraînement est lié mécaniquement à un système, l’invention permet de connaître une position angulaire dudit système. Selon des caractéristiques optionnelles, utilisées individuellement ou tout ou partie en combinaison : le ressort est un ressort spiral ; le matériau est un alliage métallique comportant du cuivre et du nickel ; le matériau est un alliage métallique comportant plus ou moins 55% cuivre et plus ou moins 45% de nickel ; le matériau est du constantan ; le ressort est enveloppé d’une protection isolante ; le support est un boîtier renfermant le ressort ; le circuit de mesure comprend un ohmmètre ; le circuit de mesure comprend un pont de Wheatstone. L’invention concerne également un actionneur comprenant un bâti, un arbre monté pivotant sur le bâti et un capteur, le support étant fixe par rapport au bâti et l’organe d’entraînement étant lié en rotation à l’arbre. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers et non limitatifs de l’invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : FIG. 1 la FIG. 1 est une vue en perspective d’un capteur angulaire selon l’invention ; FIG. 2 la FIG. 2 est une vue en perspective d’une structure interne du capteur angulaire illustré à la FIG. 1 ; FIG. 3 la FIG. 3 est un schéma électrique d’un circuit de mesure du capteur angulaire illustré à la FIG. 2 selon un premier mode de réalisation ; FIG. 4 la FIG. 4 est un schéma électrique d’un circuit de mesure du capteur angulaire illustré à la FIG. 2 selon un deuxième mode de réalisation ; FIG. 5 la FIG. 5 est un graphique représentant une position angulaire en fonction d’une résistance électrique mesurée par l’un des circuits de mesure illustrés sur les figures 3 ou 4 ; FIG. 6 la FIG. 6 est une vue schématique partielle d’un véhicule équipé d’un actionneur selon l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION En référence à la FIG. 6 , l’invention est ici décrite en application à un actionneur A monté sur une structure d’un véhicule V. Ici, l’actionneur comprend un moteur Mot ayant un stator formant bâti et un rotor reçu à pivotement dans le stator et porté par un arbre S traversant le stator. L’arbre S a une extrémité destinée à être liée en rotation à un élément à déplacer en rotation et une extrémité opposée associée à un capteur 1 angulaire. En référence à la FIG. 1 , le capteur 1 angulaire comprend un support, ici un boîtier 2, ici en matériau électriquement isolant. Le boîtier 2 présente ici une forme sensiblement cylindrique. Le boîtier 2 est ici conformé en au moins deux parties, à savoir une première partie formant une embase 3 du boîtier et une deuxième partie formant un opercule 4 du boîtier. L’embase 3 et l’opercule 4 présentent une section circulaire. L’embase 3 comprend une bordure périphérique 5 circulaire. La bordure périphérique 5 porte un conduit 6 s’étendant radialement vers l’extérieur par rapport à la bordure périphérique 5. Le conduit 6 est ici conformé en au moins deux portions. Une première portion 7 possède une forme sensiblement cubique. La première portion 7 est liée à la bordure périphérique 5. Une deuxième portion 8 possède une forme sensiblement cylindrique. La deuxième portion 8 comprend un filetage externe et surmonte la première portion 7. Dans le cas présent, la bordure périphérique 5, la première portion 7 et la deuxième portion 8 ne forment qu’une seule pièce. La première portion 7 et la deuxième portion 8 délimitent un canal central débouchant à l’intérieur d’une cavité interne du boîtier 2, via une ouverture de la bordure périphérique 5. L’embase 3 et l’opercule 4 sont assemblés pour délimiter la cavité interne du boîtier 2. La cavité interne communique avec l’extérieur du boîtier 2 via un orifice réalisé ici au centre de l’opercule 4. Le capteur 1 angulaire comprend également un organe d’entraînement 9 reçu à pivotement dans l’orifice ménagé au centre de l’opercule 4 pour s’étendre selon un axe de rotation X, l’axe de rotation X étant perpendiculaire à une surface principale de l’opercule 4. L’organe d’entraînement 9 comprend une première extrémité qui s’étend à l’extérieur du boîtier 2 et qui a une forme de fourchette formant un élément d’accouplement mécanique en rotation de l’organe d’entraînement 9 avec l’arbre S. L’organe d’entraînement 9 comprend également une deuxième extrémité qui s’étend à l’intérieur du boîtier 2. En référence à la FIG. 2 , le capteur 1 angulaire comprend également un ressort 10 logé dans la cavité interne du boîtier 2. Le ressort 10 est un ressort de torsion et de préférence un ressort spiral. Le ressort 10 comprend une pluralité de spires non jointives et équidistantes et s’étend dans un plan d’enroulement perpendiculaire à l’axe de rotation X. Le ressort 10 comprend une première extrémité 11 et une deuxième extrémité 12. La première extrémité 11 est mécaniquement liée au boîtier 2. La deuxième extrémité 12 est mécaniquement liée à la deuxième extrémité de l’organe d’entraînement 9. Par ailleurs, le ressort 10 comprend un matériau électriquement conducteur piézorésistif. Par « piézorésistif », on entend que la résistance électrique du ressort 10 varie suite à l’application d’une contrainte mécanique sur ledit ressort 10. La résistance électrique du ressort 10 varie car la résistivité électrique du matériau varie en fonction la contrainte mécanique. De préférence, le matériau est un alliage métallique comportant du cuivre et du nickel. Plus précisément, l’alliage métallique comprend entre 45% et 65% de cuivre et entre 35% et 55% de nickel. Dans le cas présent, le ressort 10 comprend du constantan et plus précisément est constitué de constantan. De façon connue en soi, le constantan est caractérisé par un ensemble de valeurs physiques. Le constantan possède une résistance à la traction comprise entre 300 et 860 mégapascals (MPa). Le constantan possède un module élastique d’environ 160000 MPa, et plus précisément d’environ 162000 MPa. Par ailleurs, le constantan possède une résistivité électrique d’environ ohm-mètre (Ωm). On rappelle que la résistivité électrique correspond à la capacité d’un matériau à s’opposer à la circulation du courant électrique. La résistivité électrique du constantan est sensiblement indépendante de la température environnante, ce qui est très avantageux lorsque le capteur angulaire est destiné à être soumis à des variations de température. Le coefficient thermique de résistivité du constantan s’élève à environ . Le ressort 10 est optionnellement recouvert d’une couche de protection en matériau électriquement isolant. La couche de protection est agencée pour éviter les courts-circuits potentiels entre les spires, le constantan étant un matériau électriquement conducteur comme indiqué ci-dessus. Par exemple, la couche de protection peut être en polyimide, tel que celui produit sous la marque Kapton par la société DuPont, ou bien en polytétrafluoroéthylène, tel que celui produit sous la marque Téflon par la même société DuPont. Le capteur 1 comprend également un circuit de mesure 13, disposé à l’extérieur du boîtier 2, qui est agencé pour mesurer une résistance électrique du ressort 10. En référence à la FIG. 3 et dans un premier mode de réalisation, le circuit de mesure 13 comprend un ohmmètre 14. Ainsi, le circuit de mesure 13 est un circuit simple dans lequel une première borne de l’ohmmètre 14 est électriquement reliée à la première extrémité 11 du ressort (symbolisé par la résistance R sur le schéma) et une deuxième borne de l’ohmmètre 14 est électriquement reliée à la deuxième extrémité 12 du ressort 10. L’ohmmètre 14 est relié aux extrémités 11, 12 par des câbles passant par le canal délimité par le conduit 6. Une résistance électrique Rw associée auxdits câbles est pris en compte dans la mesure de résistance effectuée par le circuit de mesure 13. En référence à la FIG. 4 et dans un deuxième mode de réalisation, le circuit de mesure 13 comprend un pont de Wheatstone 15. Le pont de Wheatstone 15 est un instrument de mesure connu, capable d’évaluer une variation de résistance électrique minime. Le pont de Wheatstone 15 est donc un circuit en pont diviseur de tension, agencé ici pour mesurer la résistance électrique du ressort 10, symbolisé par la résistance R1 sur le schéma, relié au circuit de mesure par des câbles passant par le canal délimité par le conduit 6. Comme visible sur la FIG. 4 , le circuit de mesure 13 comprend une source de tension et cinq résistances (R1, R2, R3, R4 et R5). Le circuit de mesure 13 comprend une première branche comportant les deux résistances R1 et R2 et une deuxième branche, parallèle à la première, dans laquelle on retrouve les deux résistances R3 et R4. La résistance R5 comprend une première borne sur la première branche et une deuxième borne sur la deuxième branche. Le principe de fonctionnement des deux modes de réalisation de l’invention va désormais être décrit. Le capteur 1 est ici vissé sur la structure du véhicule V pour être immobile par rapport au bâti de l’actionneur A et la deuxième extrémité de l’arbre S est engagée et accouplée en rotation avec la fourchette de l’organe d’entraînement 9. Indépendamment du mode de réalisation choisi pour le circuit de mesure, le capteur 1 angulaire permet de connaître la position angulaire de l’arbre S de l’actionneur. On comprend donc que lorsque l’arbre S de l’actionneur est en mouvement, cela entraîne une rotation de l’organe d’entraînement 9. Dès lors, la rotation de l’organe d’entraînement 9 exerce un effort, une contrainte mécanique, sur le ressort 10 qui s’enroule alors sur lui-même ou se déroule selon le sens de rotation de l’organe d’entraînement 9. La modification de la forme du ressort 10 fait varier la résistivité du matériau et donc la résistance électrique aux bornes du ressort 10. En référence à la FIG. 5 , un graphique est présenté avec, en abscisse la valeur de la résistance électrique mesurée et, en ordonnée, la position angulaire associée. Ce graphique est ici construit de manière empirique pour permettre de lier la valeur de l’angle de rotation à la valeur de la résistance mesurée. En variante, le graphique pourrait être obtenu par une modélisation. Dans le premier mode de réalisation précédemment décrit, l’ohmmètre 14 mesure directement la résistance électrique aux bornes du ressort 10 et la position angulaire de l’arbre S de l’actionneur A peut être déduite du graphique de la FIG. 5 . La lecture de la mesure de la résistance électrique et son traitement peuvent être effectués par une unité de traitement quelconque qui comprend par exemple un microcontrôleur ou tout autre organe de calcul et qui est reliée au circuit de mesure 13. Dans le deuxième mode de réalisation de l’invention, l’instrument de mesure est le pont de Wheatstone 15. Pour rappel, la résistance R1 correspond à la résistance électrique du ressort 10 que l’on cherche à mesurer. Les valeurs des résistances R2, R3, R4 et R5 sont connues. Une notion d’équilibre est établie lorsque la tension mesurée aux bornes de la résistance R5 est nulle : En effet, si le rapport des résistances dans les deux branches est égal, alors le pont de Wheatstone 15 est équilibré et la tension aux bornes de la résistance R5 est nulle. Dès lors, dans le cas où la tension aux bornes de la résistance R5 est non nulle, on comprend que la résistance R1 aux bornes du ressort 10 a été modifiée. La variation de la résistance R1 est liée à une variation de la résistivité du matériau du ressort 10. On en déduit une variation de la forme du ressort 10 et donc une variation de la position angulaire de l’actionneur. En s’appuyant sur le graphique de la FIG. 5 , on en déduit la position angulaire de l’actionneur. De la même façon, la lecture de la mesure de la résistance électrique et son traitement peuvent être effectués par une unité de traitement quelconque. La connaissance de la position angulaire de l’actionneur nous permet par ailleurs d’en déduire la vitesse de rotation et l’accélération. A titre d’exemple non limitatif, on considère un actionneur formant un vérin dont la course totale représente 90 tours de l’arbre S. Pour cette application, un réducteur ayant un rapport de réduction de 3 est intégré entre l’organe d’entraînement 9 et l’arbre S. Dès lors, le capteur 1 mesurera 30 tours au maximum. Pour cela, on choisit un ressort 10 dont la longueur et le nombre de spires sont adaptés à la réalisation de 30 tours. La limite élastique, appelée également contrainte de cisaillement (τ) du ressort 10, est d’environ 630 MPa et le module élastique E (module de Young) est d’environ 162 gigapascals (GPa). Le coefficient de poisson ν est d’environ 0,35. Le diamètre interne du ressort est de 10 millimètres (mm) et le diamètre externe du ressort est de 100 mm. On en déduit un diamètre moyen (dm) de 55 mm. Par ailleurs l’épaisseur (e) du ressort est de 0,5 mm. On calcule l’angle de torsion total : On calcule le moment de torsion maximum : Le module de cisaillement correspond à : On calcule le moment d’inertie polaire : On en déduit la longueur du ressort : On en déduit également le nombre de spires : Dans cette application, le ressort 10 a une longueur de 4,49 mètres et possède 25 spires. La résistance électrique mesurée est, dans ce cas, de 21,5 ohms (Ω) au repos. Après 30 tours, la résistance électrique mesurée est d’environ 23,6 Ω. On notera que la longueur du ressort influence la précision de la mesure : plus le ressort est long, plus la mesure est précise. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications. En particulier, le support du capteur est ici un boîtier mais il peut être envisagé d’utiliser une cage ou de ne pas utiliser de support. Bien qu’ici une protection isolante entoure le ressort, il peut être envisagé d’omettre cette protection isolante dans le cas où aucun risque de contact entre les spires ne peut avoir lieu. Bien qu’ici l’organe d’entraînement comprenne une fourchette, il peut être envisagé d’utiliser d’autres types d’accouplement mécanique tels que le clavetage, les coupleurs à collier de serrage, les accouplements à soufflet ou les accouplements à cardan. Bien qu’ici le ressort comprenne du constantan, le ressort peut comprendre tout matériau dont la résistivité varie en fonction de la contrainte mécanique exercée sur le ressort. Bien qu’ici la section transversale du fil formant le ressort soit rectangulaire, elle pourrait être circulaire, carrée ou ovale… Bien que dans l’exemple fourni, un réducteur soit intégré, il est possible de relier directement l’actionneur au capteur angulaire. Quoi qu’il en soit, l’amplitude de fonctionnement du capteur angulaire selon l’invention est supérieure à celle d’un capteur RVDT standard. Le conduit 6 peut servir à la fixation du capteur au bâti et/ou peut héberger un connecteur de raccordement des extrémités du ressort 10 au circuit de mesure. Bien que le circuit de mesure soit relié aux extrémités du ressort, le circuit de mesure peut être relié simplement à deux parties du ressort qui sont éloignées l’une de l’autre, d’une distance telle que le tronçon de ressort s’étendant entre lesdites parties ait une longueur correspondant à l’amplitude de rotation souhaitée. Bien qu’ici le moteur soit intégré à la structure de l’actionneur, le moteur peut être déporté de l’actionneur et lié à l’arbre S par l’intermédiaire d’un arbre flexible, en anglais « flexshaft », ou tout autre dispositif de liaison mécanique. Capteur (1) angulaire comprenant : un support (2) ; un ressort (10) de torsion ayant une première extrémité (11) mécaniquement liée au support (2) et une deuxième extrémité (12) liée à un organe d’entraînement (9) mobile en rotation par rapport au support 2), le ressort (10) comprenant un matériau électriquement conducteur piézorésistif ; un circuit de mesure (13) de résistance comprenant une première borne et une deuxième borne qui sont électriquement reliées à deux parties du ressort (10) éloignées l’une de l’autre. Capteur (1) selon la revendication 1, dans lequel le ressort (10) est un ressort spiral. Capteur (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le matériau est un alliage métallique comportant du cuivre et du nickel. Capteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau est un alliage métallique comportant plus ou moins 55% cuivre et plus ou moins 45% de nickel. Capteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau est du constantan. Capteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ressort (10) est enveloppé d’une protection isolante. Capteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support (2) est un boîtier renfermant le ressort (10). Capteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de mesure (13) comprend un ohmmètre (14). Capteur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le circuit de mesure (13) comprend un pont de Wheatstone (15). Actionneur comprenant un bâti, un arbre monté pivotant sur le bâti et un capteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le support (2) étant fixe par rapport au bâti et l’organe d’entraînement (9) étant lié en rotation à l’arbre.