Brevet FR2298787A1 — publié le 19760820

La présente invention se rapporte d'une façon générale à un dispositif de détection de la présence ou de l'absence d'un support assuré à un article par le dispositif et concerne plus particulièrement l'utilisation d'une matière polymère piézo-électrique dans ce dispositif. Il est connu que des matières de détection piézoélectrique peuvent être utilisées pour mesurer des contraintes mécaniques afin d'indiquer les poids de différents objets. Une étude patronnée par des organismes officiels a donné lieu à un rapport rédigé en 1972 par R. C. McMaster sous le titre "Measurement of Mechanical Stresses Using Piezoelectric Crystals, qui indique qu'un détecteur a été utilisé pour peser et compter des véhicules, et qutil comporte une jauge de con- trainte constituée par deux morceaux de cornière montés sur les cotés de dalles de béton voisines d'une route, avec plusieurs cristaux de céramique piézo-électrique maintenus entre les cornières par un fort ressort.Les signaux produits par ce détecteur étaient appliqués à une unité de traitement de données par un câble coaxial enterré dans l'accotement de la route et ils étaient traités pour fournir des informations de poids correspondantes. Le rapport indique que le détecteur utilisé ne pouvait compter avec sécurité les véhicules de tourisme et qu'ici ne fonctionnait plus correctement quelques jours après son installation. Il semble qu'une seconde jauge de contrainte ait été réalisée, mais le rapport ne contient aucune description de sa structure. Cette étude concernant la pesée de véhicules montre que l'utilisation de cristaux piézo-électriques pour la détection du poids d'un objet n'est pas satisfaisante quand la détection du support d'un objet est faite au moyen d'un élément de détection un grand nombre de fois plus petit que 1' objet lui#mAeme. L'invention concerne donc un dispositif de détection d'objets par le support assuré à ces objets et qui comporte au moins une couche de matière polymère piézo-électrique polarisée produisant des charges électrostatiques de polarités opposées par ses surfaces en fonction d'une variation de contrainte à laquelle elle est soumise, ce dispositif pouvant être aussi grand ou plus grand que les objets supportés. Une électrode conductrice de l'électricité est disposée sur chaque surface plane de la couche piézo-électrique et un circuit électronique est connecté entre ces électrodes afin de réagir aux charges électrostatiques de la couche piézo-électrique. Un premier mode de réalisation comporte une seule couche de matière piézo-électrique, et la direction de la polarisationde cette couche est perpendiculaire à l'une des surfaces planes de l'élément. Selon ce mod#e de réalisation, les circuits électroniques comprennent un filtre à basse fréquence qui élimine les charges parasites produites par l'élément de détection par suite de variations de température. Un second mode de réalisation comporte deux couches de matière de détection piézo-électrique séparées par une électrode conductrice intérieure en contact électrique avec une surface de chacune de ces couches. L'autre surface de chaque couche est recouverte par une électrode conductrice extérieure. Selon ce mode de réalisation, les deux couches piézo-électriques sont positionnées de manière que leurs polarités soient opposées et les circuits électroniques de détection sont connectés entre les électrodes intérieure et extérieure, ces dernières étant connectées électriquement à la masse. Gracie à l'utilisation des deux couches piézo-électriques comme éléments de détection, la quantité d'électricité détectée, mais non l'amplitude, est double de celle produite pour une contrainte donnée par un dispositif ne comportant qu'une seule couche, et la mise à la masse des électrodes conductrices extérieures protège le détecteur contre les charges électrostatiques parasites. Un aspect important de ce mode de réalisation réside dans le fait que son fonctionnement repose sur la détection de charges produites par effet piézo-élect#rique sous l'effet de contraintes de compression, tandis que sont annulées les charges parasites produites par effet piézo-électrique sous l'effet de contraintes de flexion, ce qui assure une détection précise et exacte. Un troisième mode de réalisation comporte également la structure décrite ci-dessus d'un élément de détection piézoélectrique en deux couches, mais il diffère du second mode de réalisation en ce que ces couches piézo-électriques sont positionnées de manière que leurs polarisations soient dans le même sens. lie fonctionnement de ce mode de réalisation assure une détection qui dépend de charges électriques produites par effet piézo-électrique sous l'effet de contraintes de flexion, les charges électriques parasites produites par des contraintes de compressissnr-étant pratiquement annulées. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lequel la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de détection selon l'invention, connecté à des circuits électriques indicateurs; la figure 2 est une représentation schématique, du dispositif de détection de la figure t, dont les circuits électriques indicateurs sont représentés sous la forme d'un diagramme; la figure 3 est une représentation schématique d'un second mode de réalisation du dispositif de détection selon l'invention, connecté à des circuits électriques indicateurs; la figure 4 est une représentation schématique du mode de réalisation de la figure 3 en état de flexion; et la figure 5 est une représentation schématique d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif de détection selon l'invention, connecté à des circuits électriques indicateurs. La figure I représente donc un dispositif de détection I qui délivre un signal sous la forme de charges électrostatiques en fonction de la présence ou l'absence de support assuré à un objet par le dispositif, et qui comporte une couche 2 de matière piézo-électrique élastique, non conductrice de l'électricité et polarisée, une#plaque inférieure élastique 3 conductrice de l'électricité et une plaque supérieure élastique 4 conductrice de l'électricité. La couche 2 et les plaques 5 et 4 sont en contact par leurs surfaces et elles sont représentées très agrandies pour que la figure soit plus claire. Des dispositifs ont été réalisés avec une couche 2 d'une épaisseur d'environ 50 microns et des plaques 3 et 4 d'environ 2 microns chacune.Mais l'épaisseur de la couche 2 et des plaques 3 et 4 n'est pas critique, et elles pourraient etre beaucoup plus minces. La couche piézo-électrique 2 est de préférence en une matière telle que du fluorure de polyvinylidène ou autre polymère possédant des propriétés piézo-électriques. Une fois polarisées, ces matières#piézo-électriques présentent la caractéristique unique de développer des charges électrostatiques sur leurs surfaces planes lorsqu'elles sont soumises à des variations de contrainte, par compression ou par flexion; la polarité des charges développées sur une surface est opposée à celle des charges développées sur l'autre surface. Al raison de l'absence de conduotibilité de la couche piézo-électrique 2, les plaques conductrices 3 et 4 sont utilisées comme des électrodes qui collectent les charges électrostatiques développées sur les surfaces de la couche 2. lies circuits indicateurs 5 sont connectés électriquement entre les plaques conductrices 3 et 4 et, comme le montre la figure 2, ils comportent un filtre 9 à basse fréquence auquel les charges électrostatiques développées par la couche piézoélectrique 2 sont initialement appliquées. lie filtre 9 à basse fréquence a pour fonction d'éliminer pratiquement tous les signaux électrique#s à basse fréquence qui peuvent etre produits par des variations lentes de la température de la couche 2 dans le cas où.cette dernière possède des propriétés pyro-électriques en plus de ses propriétés piézo-électriques. La sortie du filtre 9 à basse-fréquence est connectée à un détecteur 10 de crêtes d'impulsions qui détecte la valeur maximale du signal de sortie du filtre 9. L'amplitude maximale de ce signal est une fonction du degré de contrainte à laquelle la couche 2 est soumise et, dans le cas du support d'un objet, le signal est une fonction du poids de cet objet supporté par le dispositif 1. Un dispositif de lecture 11 est connecté au détecteur 10 et il peut astre étalonné d'une manière appropriée pour in#diquer le poids dtlul objet en fonction de l'amplitude maximale du signal reçu par le détecteur 10. lie dispositif 1 peut être agencé de manière qu'un signal qu'il produit soit dt à la contrainte produite par la compression de la couche 2 ou par sa flexion. lie dispositif 1 fournit des indications significatives de poids résultant d'une compression lorsqu'il est positionné sur une surface rigide et non flexible, tandis qu'il fournit des indications significatives de poids résultant d'une flexion lorsqu'il est supporté de manière que tout le poids d'un objet positionné sur lui soit en corrélation directe avec le degré de contrainte par flexion à laquelle ce dispositif 1 est soumis. Le dispositif 1 a été décrit ci-dessus dans son application à la pesée d'objets, mais il n'est pas limité à cet usage. il pourrait également très bien convenir pour indiquer la présence ou l'absence d'un objet, d'une personne ou d'un animal. Par exemple, la couche piézo-électrique 2 avec ses plaques 3 et 4 associées pourrait être placée sous un tapis, près de l'entrée d'un immeuble aux fins de détection, ou la couche 2 avec ses plaques 3 et 4 pourrait supporter un article et délivrer un signal pouvant être détecté pour indiquer si l'article est enlevé. Dans de nombreux cas, le dispositif 1 positionné de manière à fournir des indications par suite de contraintes par compression, est soumis à une légère contrainte de flexion qui fournit des indications parasites. Le contraire pourrait Astre vrai lorsque le dispositif 1 est agencé de manière à réagir à des contraintes de flexion. Des modifications peuvent être apportées au dispositif 1 de manière à obtenir des indications plus exactes dans ces conditions. La figure 3 représente un second mode de réalisation de & tiné particulierement à fournir une indication par suite d'une contrainte de compression tout en annulant pratiquement toutes les charges électrostatiques parasites qui peuvent être produites par suite d'une contrainte de flexion. lie dispositif 12 comporte deux couches piézo-électriques 13 et 14 constituant un élément de détection et qui sont assemblées, en contact électrique, par une plaque conductrice 15 en contact superficiel avec une surface intérieure de chacune de ces couches 13 et 14. Les surfaces extérieures des couches 13 et 14 sont en contact électrique superficiel avec des plaques conductrices 16 et 17, de préférence de mêmes dimensions, qui peuvent être déposées ou collées sur les surfaces extérieures des couches 13 et 14.Ces -plaques conductrices sont connectées électriquement à la masse par un conducteur 19 et des circuits indicateurs 20 similaires aux circuits 5 de la figure 1 sont connectés entre la plaque conductrice 15 et la masse. lies couches piézo-électriques 13 et 14 sont de préférence polarisées uniformément en ce qui concerne l'amplitude, mais elles sont positionnées de manière que les polarisations soient opposées, comme l'indiquent les flèches 21 et 22 dans les couches 13 et 14. il est préférable que les dimensions des plaques conductrices 16 et 17 soient identiques de manière que les degrés de polarisation des couches piézo-#électriques 13 et 14 soient les même de sorte que si ces couches 13 et 14 sont comprimées, des niveaux égaux de charges électrostatiques apparaissent sur les plaques conductrices 16 et 17. Ces conditions ne sont pas essentielles selon l'invention, car les plaques 16 et 17 peuvent avoir des dimensions différentes tout en accumulant des charges égales, ceci en déterminant le degré auquel chacune des couches 13 et 14 est polarisée. lie fonctionnement du dispositif 12 sera maintenant décrit dans le but de mieux faire comprendre l'invention. Quand un objet est placé sur l'empilage des couches piézo-électriques 13 et 14 et des plaques conductrices 15, 16 et 17, les couches piézo-électriques 13 et 14 subissent une contrainte par compression provoquant T'accumulation de chargespolarité électrostatiques de polarités opposées dues à l'effet piézo-électrique sur les surfaces planes de ces couches, en proportion directe du poids de l'objet et du degré de polarisation des couches 13 et 14, comme le montre la figure 3. En raison de la différence de sens de polarisation des couches 13 et 14, des charges électrostatiques d'une polarité apparaissent sur la surface extérieure de chacune de ces couches et des charges électrostatiques d'une autre polarité apparaissent sur leurs surfaces intérieures. Une tension perceptible est donc développée entre les surfaces extérieures et intérieures des couches 13 et 14, et elle est détectée par les circuits indicateurs 20 qui donnent une lecture pouvant etre étalonnée en poids d'un objet placé sur le dispositif 12. Ainsi, de meme que le dispositif 1 de la figure 1, le dispositif 12 constitue un dispositif relativement simple permettant de peser différents objets. Mais le dispositif 12 diffère du dispositif 1 de la figure 1 en ce qu'il assure l'annulation des charges produites par effet piézo-électrique par suite d'une flexion des couches 13 et 14. Grâce à cette caractéristique, les indications fournies par le dispositif 12 sont plus exactes que celles fournies par le dispositif 1 de la figure 1. Cette annulation se fait de la manière suivante. Quand le dispositif 12 est soumis à une contrainte de flexion, la valeur des charges électrostatiques qui staccumu- lent sur les surfaces des couches 13 et 14 est déterminée par la valeur de la contrainte de traction ou de compression des couches 13 et 14, produites par suite de ~cette flexion. La polarité des charges électrostatiques dépend du sens de polarisation des couches 13 et 14 et du fait que la contrainte est due à une traction ou une compression. Compte tenu de ces deux facteurs, le dispositif 12 est agencé de manière qu'une n exion ne produise que des charges électrostatiques qui tendent à s'annuler entre elles. Cette annulation des charges est obtenue par le fait que la rigidité de la plaque conductrice intérieure 1 5 est supérieure à la rigidité des couches 13 et 14 avec leurs plaques-conductrices 16 et 17 correspondantes. Dans ces conditions, les contraintes de flexion sur le dispositif 12 entrat- nent une flexion autour de la plaque 15 définissant un point de compression et de tension nulles dans la direction longitudinale et, comme le montre la figure 4, la couche 14 est étirée tandis que la couche 13 est comprimée. Mais il est bien entendu que la flexion du dispositif 12 dans-un sens opposé à celui représenté produirait une compression de la couche 14 et une extension de la couche 13. En raison de l'extension de la couche 14 et du sens dans lequel elle est polarisée, des charges positives et négatives sont produites respectivement-sur ses surface extérieure et intérieure tandis que la compression de la couche 13 qui est polarisée dans le sens opposé à celui de la couche 14 produit des charges négatives et positives sur ses surfaces extérieure et intérieure, comme le montre la figure 4. En raison du fait que la plaque conductrice 15 connecte ensemble les surfaces intérieures des couches 13 et 14 chargées en opposition et que le conducteur 19 interconnecte les plaques conductrices 16 et 17, les charges produites par effet piézo-électrique dans le dispositif 12 produisent une charge résultante pratiquement nulle aux bornes des circuits de détection 20 sous l'effet des contraintes de flexion. En plus d'offrir l'avantage de compenser les charges produites par effet piézo-électrique par suite d'une flexion, le dispositif 12# offre également l'avantage d'une plus grande sensibilité quand les couches 13 et 14 sont soumises à un effort de compression car la quantité d'électricité détectée, produite par effet piézo-électrique et fournie par les deux couches piézo-électriques, est double de la quantité d'électricité qui serait produite par un dispositif ne comportant qu'une seule couche de matière piézo-électrique. En outre, les plaques extérieures 16 et 17 connectées à la masse protègent le dispositif 12 contre les réactions à des charges électrostatiques parasites dont il pourrait résulter un fonctionnement inexact de ce dispositif. lia figure 5 illustre un troisième mode de réalisation de l'invention, représenté par un dispositif 23 produisant un signal de charge électrostatique par suite d'un effort de flexion et compensant les signaux parasites résultant d'un effort de compression. De même que le dispositif 12, le dispositif 23 comporte deux couches piézo-électriques 24 et 25 dont les surfaces intérieures sont connectées par une plaque conductrice 26, et dont les surfaces extérieures sont recouvertes par des plaques conductrices 27 et -28. lie dispositif 23 diffère du dispositif 12 en ce que les deux couches piézo-électriques 24 et 25 sont orientées de manière que leurs polarisations soient dans le même sens, comme l'indiquent les flèches 32 et 33; les circuits de détection 34 similaires au circuit 20 sont connectés électriquement entre les plaques conductrices extérieures 27 et 28. Selon ce mode de réalisation, une flexion des couches 24 et 25 produit des potentiels de détection dAs à des charges électrostatiques de même polarité sur les surfaces extérieures des couches piézo-électriques 24 et 25 ainsi que des charges de même polarité sur les surfaces intérieures de ces couches, de sorte qu'une indication de poids est fournie en réponse à cette flexion. Contrairement à cette indication de poids, une compression du dispositif 23 ne fait apparaître que des charges de polarités opposées sur les surfaces extérieures des couches piézo-électriques 24 et 25 ainsi que des charges de polarités opposées sur leurs surfaces intérieures, comme le montre la figure 5. Ires circuits de détection 34 reçoivent donc une charge pratiquement nulle. Ainsi qu'il ressort de la description faite cidessus, l'invention concerne un-dispositif simple destiné à produire des signaux qui indiquent si ce dispositif support#e un objet ou non, ces signaux étant liés directement au poids des objets, et des compensations étant possibles pour obtenir des indications plus exactes. il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent ttre apportées aux dispositifs décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection de la force de support assurée à un objet, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche (2, 13, 24) de matière polymère piézo-électrique polarisée qui produit des charges électrostatiques de polarités opposées sur ses surfaces, l'amplitude de ces charges correspondant à l'amplitude de variation de contrainte de ladite couche en raison du positionnement dudit objet sur ladite couche ou de son enlèvement, et des première et seconde plaques (3, 4; 15, 16; 26, 27) conductrices de l'électricité, supportées par les surfaces planes de ladite couche piézo-électrique (2, 13, 24), chacune de ces plaques constituant une électrode qui collecte les charges produitessur une surface-de ladite couche piézoélectrique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche piézo-électrique (2, 13, 24) est en fluorure de polyvinylidène. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de ladite couche piézo-électrique (2, 13, 24) est plus grande que la surface de contact entre ledit objet et ledit dispositif de dét-ection. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche (13, 24) est polarisée perpendiculairement à ltune de ses surfaces planes, ledit dispositif comportant en outre une seconde couche (14, 25) de matière polymère piézoélectrique polarisée perpendiculairement à l'une de ses surfaces planes, ladite seconde couche étant positionnée parallèlement à ladite première couche, et l'une de ses surfaces planes étant en contact superficiel avec l'une desdites plaques conductrices (15, 16; 26, 27) supportée par la première couche, une troisième plaque (17, 28) conductrice de l'électricité étant supportée par l'autre surface de ladite seconde couche. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites couches piézo-électriques (13, 14)- sont positionnées de manière que leurs polarisations soient dans des sens opposés, des circuits électroniques (20) étant connectés élec triquement entre lesdites plaques conductrices (15, 16, 17) de manière que les signaux produits par effet piézo-électrique en raison de la compression desdites couches soient détectés par lesdits circuits électroniques et que les signaux produits par effet piézo-électrique en raison d'une flexion desdites couches soient pratiquement annulés. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites couches piézo-électriques (24, 25) sont positionnées de manière que leurs polarisations soient dirigées dams le même sens, des circuits électroniques (34) étant connectés électriquement entre lesdites plaques conductrices (26, 27, 28) de manière que des signaux produits par effet piézo-électrique en raison d'une flexion desdites couches soient détectés par lesdits circuits électroniques et que des signaux produits par effet piézo-électrique par suite d'une compression desdites couches soient pratiquement annulés.