Brevet FR2404829A1 — publié le 19790427

La présente invention est relative à un capteur de déplacement miniature destiné à équiper le matériel de laboratoire ou le matériel de contrôle dans les installations industrielles. Il est déjà connu de réaliser des capteurs de déplacement entrant dans des équipements de matériel de laboratoire ou d'installations industrielles permettant la mesure de déplacements linéaires. Ces dispositifs sont alors utlisés le plus souvent en comparateur et ils trouvent leur application la plus courante dans la mesure de cotes ou d'épaisseurs, mais peuvent être utilisés d'une manière plus générale pour la mesure de la distance entre deux plans. Ces capteurs sont du type magnétique dit à transformateur différentiel comprenant essentiellement un noyau magnétique entrainé dans un déplacement rectiligne par une tige de palpage, ce dépaacement se produisant constamment en regard de deux champs magnétiques de même sens. Or les exigences actuelles de l'industrie sont telles que bien souvent il est nécessaire d'avoir des capteurs de haute performance ndcessi- tant en particulier une très grande maintenance de coaxialité des divers éléments lors du déplacement de la tige de palpage.Cette haute performance n'a pu Cette obtenue jusqu'à présent que par lssobtention d'un guidage de la tige de palpage et du noyau de très haute qualité et la solution retenue pour les capteurs de plus petites dimensions réside dans l'utilisatiln de guide à billes. Mais une autre exigence de l'industrie d'aujourdlui réside dans la nécessité de réaliser des capteurs priser.- tant des dimensions d'encombrement en longueurs, mais aussi et principalement en diamètre bien plus petits que ceux que l'on axait réaliser jusqu'à présent.L'adaptation des capteurs de types à transformateur, différentiel avec guide à billes à des dimensions inférieures à 8 mm en diamètre a pratiquement été impossible du fait du coût des éléments et del'imprécision inévitable inhérente au système même de montage. La présente invention se propose ainsi de réaliser un capteur de déplacement miniature du type magnétique dit à transformateur différentiel permettant de conserver et même d'améliorer la précision de mesure de telle sorte que l'encombrement diamétral soit de moitié inférieur au plus petit de ce qui est réalisé couramment jusqu'à présent. De tels capteurs sont ainsi susceptibles d'être utilisés dans les laboratoires ou dans les matériels de contrôle industriels en association avec des boitiers électroniques-qui traitent l'information et donnent les valeurs de déplacement. Ils s'u tiliseBt alors de la même manière que les comparateurs mécaniques et permettent l'accès à des cotes ou des plans de mesure que ne peuvent réaliser les capteurs actuels. En outre, le capteur de déplacement miniature selon l'invention est de fabrication relativement simple et économique de précision equivalente. La capacité de conserver la précision dans un encombrement réduit est obtenue en abandonnant le principe du montage du noyau ferromagnétique et de la tige palpeur en porte à faux jusqu'alors réalisé dans les capteurs de ce type. C'est en allant à l'encontre de ce principe établi, que la demanderesse a songé au guidage bien connu en deux points ou deux zones les plus éloigné possible, en devant Far là même résoudre les problèmes in hérents aux caractéristiques mécaniques et magnétiques résultant de cette transfor mation. Le montage par guidage en deux paliers n'a pu etre conservé que grâce i une disposi tion judicieuse des divers éléments de comportement mécanique, magnétique bien déterminé. La présente invention a alors pour objet à titre de produit industriel nouveau, un capteur de déplacement miniature du type à transformateur différentiel comprenant un fourreau cylindrique extérieur en matière ferro-magnétique, deux bobines créant des champs magnétiques orientés dans le même sens, une tige-palpeur comprenant à une extrémité une touche et dans sa partie active magnétique un noyau susceptible d'être entrainé dans un déplacement axial par l'intermédiaire de la touche caractérisé en ce que le capteur comprend en outre deux paliers miniatures lisses, disposés le plus éloignés possible l'un de l'autre à l'intérieur du fourreau et en ce que la tige palpeur est guidée par les deux paliers en question. Suivant une réalisation particulièrement avantageuse, les paliers miniatures consis tent en des paliers en matériau dur ayant un très bon coefficient de frottement etr en ce que la surface interne de révolution est de génératrice courbe convexe, par exemple en rubis ou pierre synthétique. On comprend alors aisément qu'en disposant de telle sorte des paliers lisses de la façon la plus éloignée possible 1 tun de l'autre on parvienne, d'une part, à minimiser le défaut d'alignement axial de l'ensemble"noyau-bobine" générateur de champs magné tiques, tout en conservant des exécutions d'usinage dans des tolérances standards, d'autre part, par la nature même des paliers à une réduction d' encombfement dia métral. Dans une forme avantageuse de réalisation, le dispositif selon l'invention présente une symétrie magnétique par rapport au noyau magnétique. On comprend alors aisément que les pertes magnétiques soient équilibrées pour chacun des deux circuits magnéti ques d l'intérieur duquel se déplace le noyau ferro-magnétique. A cette fin, le capteur selon l'invention comporte une tige-palpeur de structure composite présentant une symétrie magnétique par rapport à la zone centrale composant le noyau, ce dernier étant entièrement et constamaent en regard des deux bobines B1 et B2 lorsque la tige-palpeur se déplace axiqlement. Suivant une réalisation parti culièrement intéressante de cette tige-palpeur, celle-ci présente dans sa partie cen trale un noyau maintenu par deux entretoises identiques en matériau non magnétique, elles-mêmes solidaires da deux tiges de guidage coopérant avec les paliers lisses. Lors des essais effectués sur un capteur du type ci-dessus décrit, il s'est avéré très avantageux d'utiliser un noyau à grande perméabilité magnétique dans les condi tions et présentant simultanément un module d'élasticité suffisamment important pour répondre de manière satisfaisante aux contraintes de flexiors qui peuvent naitre lors des opérations de mesure lorsque l'extrémité de la tige de palpage subit accidentellement un choc. Ainsi cette tige-palpeur consiste en un axe composite comprenant un noyau central réalisé en matériau magnétique doux- relié par l'intermédiaire de deux entretoises réalisées en matériau amagnétique et possédant un bon eoofficient d'élasticité -s surdent l'absorption de chocs accidentels, à deux axes en matériau dur destinés à coopérer avec les paliers lisses Cette tige-palpeur étant l'élément fonctionnel essentiel du capteur t 1)ar ailleurs exposée aux chocs et perturbations extérieurs, présente l'avantage inconnu dans l'art antérieur, de s'escamoter an fin de course à l'intcrieur d'un nez de protection en matière convenablement choisie par exemple en acier inox, pouvant être rapporté sur l'extrémité convenable dù corps, assurant alors à la tige de palpage un déplacement limité, sans butée mécanique. En réalisant ainsi une sécurité de fin de course sans contrainte sur l'équipage mobile pouvant résulter dans les dispositifs selon l'art antérieur de l'action d'un choc sur une butée, on parvient à augmenter la fiabilité de l'équipage mobile et donc du capteur. Le dispositif selon ltinvention peut également comprendre avantageusement, en outre, une zone de préhension et de positionnement de l'ensemble dont le diamètre extérieur est inférieur au diamètre du corps du capteur. Cette dernière zone est située en dehors de la partie active du capteur, à l'extrémité opposée à la partie visible de la tige de palpage. On réalise ainsi une tige de serrageextérieure à la zone active ayant un diamètre extérieur inférieur au diamètre extérieur du corps, entrainant ainsi la suppression des perturbations dues à la présence des pièces de serrage que l'on trouvait dans les dispositifs selon l'art antérieur. Un autre avantage de ce choix de réalisation permettant de dissocier la fonction de "serrage" de la fonction "fermeture magnétique" réside dans la simplification de réalisation, il sera dès lors possible de choisir et d'utiliser le matériau le mieux adapté à la fonction demandée. Ainsi, il sera aisé et suffisant d'utiliser du fer doux pour le corps, et un acier dur pour la tige de fixation. Ce type de montage met en évidence au moins deux autres avantages. En premier lieu, on se rend compte que le maintien du capteur en position fixée sur un support peut être réalisé en respectant l'encombrement diamétral du corps. Ceci est très important lors d'un montage contigu de plusieurs capteurs, puisque le pas minimum de positionnement de deux capteurs le plus proche correspond à sa valeur minimale théorique possible à savoir, le diamètre du capteur. Un tel montage n'était pas possible dcms les systèr.es selon l'art antérieur puisele Les pinces ou organes de yositiozmement venaient en prise sur le diamètre extérieur 'du corps présentant alors nécessairement un diamètre ,d'encombrement supérieur.En second lieu, du simple point de vue mécanique, un tel montage permet d'éviter toute déformation du corps au niveau de la zone active par suite de l'effort de serrage en pince nécessairement développé pour positionner et maintenir en position le capteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la deseription suivante donnée à titre d'exemple en aucune manière limitatif en se référant au dessin annexé dr ns lequel - la fifre 1 illustre de façon schématique un capteur de déplacement selon l'invention, monté sur un dispositif montrant une utilisation possible. - la figure 2, représente en coupe longitudinale une réalisation particulière d'un capteur miniature de déplacement selon l'invention. in se reportant naintenant à la figure 1, on voit qu'un capteur de déplacement selon l'invention référencé 2 est fixé sur un support 4 de manière à ce que dans cet exemple le palpeur 6 ait une direction axiale de déplacement qui soit verticale, afin de mesurer une pièce ou de donner un plan référence P1 représenté par la face supérieure d'un étalon 8, placé sur une table 10 solidaire du support 4. La pince de fixation 12, permet de maintenir en position verticale l'axe du corps du capteur. Cette pince est montée de façon connue sur un bras susceptible de se déplacer le long du support et d'être fixé sur le support 4.Les différents agencer-nts sur les éléments supports ne seront pas décrits en plus amples détails, étant donné qu'ils ne constituent pas là l'essentiel de l'invention, mais illustrent une manière d'utilisation d'un tel capteur. - La surface supérieure de l'étalon est mise en contact avec la touche du capteur. il en résulte un déplacement axial de celle-ci et du noyau qu'elle porte. Un déséquilibre magnétique résulte de ce déplacement bien connu dans la conception de tout capteur du type à transformateur différentiel qu'elle utilise ici. Une sortie de connexion L t-rale 14 permet le passage des ftls d'c'linentution et de transfert du paramètre de dérlacenent 16. Ceux-ci sont connectés à un boitier électronique 18 d'alimentatcn pour le capteur et de traitement ae l'information reçue donnant la valeur du déplacement sur une fenetre d'affichage 20. Là encore, la composition d'un tel boitier ne faisant pas l'objet de la présente invention, celui-ci ne sera pas décrit de manière plus détaillée. - En retirant l'étalon 8 et en mettant sur la table 10 une pièce à mesurer, il sera aisé de connaitre la cote réelle de la pièce par comparaison de l'écart constaté avec la mesure donnée par le plan de référence Pi. - otagissant à présent de la structure du capteur 2 et de l'agencement des différents éléments de ce capteur, on se rerertera à la figure 2. Celle-ci représente en coupe longitudinale le capteur 2, utilisé dans le montage schématisé en figure 1. Le capteur comporte alors un fourreau cylindrique 22 réalisé en matériau ferro-magnétique par exemple en fer.doux, constituant le corps du capteur. Ce fourreau assure la fermeture du chaI, magnétique au niveau des emplacements des bobines d'inductions comme cela sera précisé ultérieurement. Ce fourreau se présente donc sous la forme d'un tube ayant un diamètre extérieur 24 et un diamètre intérieur 26.L'extrémité arrière du tube présente une portée de diamètre réduit dont l'utilité et le but seront également précisés ultérieurement. Par convention, on entendra par "côté arrière" ou l'expression "vers l'arrière", toute zone orientée du côté de l'extrémité de fication du capteur, par opposition au "coté avant" ou l'expression "vers l'avant" qualifiant toute zone située en direction ou au voisinage du palpeur 28. Une pince centrale 3Q, réalisée en un matériau non magnétique et bon isolat électrique, est montée entièrement à l'intérieur du fourreau et s'étend pratiquement sur toute la longueur de celui-ci. Cette pièce présente au voisinage de la zone centile du fourreau, lorsqu'elle est montée à l'intérieur de ce dernier, une partie 32, de diamètre réduit, séparé en son milieu par une collerette 34 en définissant alors deux volumes cylindriques V1 et V2.Dans ces volumes seront montées des bobines B1 et B2 de telle sorte que les champs magnétiques provoqués par le passage d'un courant électrique soient de meme sens, le cablage étant réalisé conformément au principe bien connu dans le domaine de la réalisation de capteurs magnétiques dits "à transformateur différentiel1,. L'extrémité-avant 36 de cette pièce centrale est relativement courte et présente un chambrage 38 destiné à assurer un meilleur positionnement de la pièce de rappel de la tige de palpage.L'extrémité arrière 40 s'étend sur une longueur beaucoup plus importante allant jusqu'au voisinage de la partie arrière du fourreau cylindrique 22. L'extrémité arrière 40 66 la pièce centrale 30 présente deux surfaces cylindriques concentriques 44 et 42, coaxiales avec l'axe du fourreau eylindriquer22 assurant respeetivement le centrage du palier arrière 54; tandis que l'extrémité avant 36 présente une surface cylindrique extérieure assurant avec son extrémité arrière, le eentrage de la pièce centrale 30 et permettant dès lors d'obtenir la coaxialité de l'ensemble sur le fourreau.Enfin, cette pièce centrale 30 comporte un dVidemEnt central-cylindrique sur toute sa longueur, devant permettre le déplacement libre de l'ensemble de la tige de palpage-noyau dans le sens longitudinal. - Une porte-palier 46, réalisé en un matériau qyant une bonne usinabilité, par exemple en laiton, présente deux surfaces cylindriques concentriques, d'axes confondus à l'axe du fourreau cylindrique 22, de même qu'à l4axe de la pièce centrale 70. L'une de ces surfaces 48 définissant un alésage est destinée à recevoir et à maintenir en position le palier avant 50, tandis que l'autre surface 52, engendrant un cylindre extérieur de diamètre extérieur égal au diamètre intérieur du fourreau cy cylindrique 22, assure le centrage de l'ensemble sur le fourreau. Le montage de la pièce centrale évidée 30 et du porte-palier avant 46 décrit ci-dessus est tel qu'il procure une parfaite coaxialité du palier 50 avec l'axe du fourreau. - La partie avant de ce porte-palier 46 permet la mise en place sur une zone de diamètre réduit d'un: nez protecteur 55, de forme tronconique, dont le sommet est dirigé vers l'avant. Ce nez est mis en place par adhérence de la surface cylindrique de ltelésage ménagé à l'arrière sur la surface de la portée de diamètre réduit du porte palier tel que mentionné plus haut. Ce nez de protection est réalisé dans un matériau présentant une dureté voisine de celle d'un acier trempé courant. - Les deux paliers avant et arrière 50, 54, sont réalisés dans un matériau dur ayant un très bon coefficient de frottement, par exemple, en rugis synthétique, dont la surface interne de révolution peut être de génératrice courbe convexe de manière à assurer un contact théorique de révolution linéaire. La tige palpeur 56 comprenant différents éléments assemblés suivant leurs axes lon situdinaux est susceytible de coulisser axialement en étant guidées par les deux paliers avant et arrière 50-, 54. Suivant le mode de réalisation représenté ici, cette tige comporte cinq zones désignées de l'avant vers l'arrière respectivement A, B, C, D et E. Le palpeur proprement dit venant en contact avec la pièce à mesurer, définit la zone A. Ce palpeur est réalisé dans un matériau de très haute dureté et de bon coefficient de frottoment, par exemple, en ~carbure de tungstène et il se présente sous la forme d'une tige dont l'extrératé avant arrondie et polie (28) assure un contact ponctuel avec la pièce à mesurer. La partie cylindrique extérieure, située dans sa zone arrière coopère avec le palier avant pour participer à la définition de guidage de l'ensemble tige-palpeur. La zone intermédiaire q représente une pièce ferro-magnétique réalisée dans un ma matériau ayant une très haute perméabilité magnétique, par exemple en mumétal et dont les dimensions en rapport avec les volumes Vi et V2 de la pièce centrale 30, sont connues de lthomme de l'art. Le noyau ainsi réalisé, présente deux alésages identiques, de profondeurs réduites, coaxiaux, assurant le montage des éléments aja- cents, par pénétration forcée d'une partie de chacun des élements adjacents. Les zones B et D, représentent des entretoises avant et arrière ; celles-ci sont les éléments adjacents mentionnés ci-dessus. Ils sont identiques et leur montage avec le noyau de la zone C est symétrique. Leurs longueurs, égales, sont calculées de manière à ce que, d'une part le noyau soit pour toute valeur de déplacement du palpeur, continuellement entièrement compris dans le volume total Vi + V2 ; d'autre part, la zone A et par symétrie la zone E, ne pénètre jamais dans le volume Vu .+ V2. Ces entretoises des zones B et D sont respectivement pourvues à leurs extrémités avant et arrière d'un alésage permettant une liaison mécanique par adhérence du type déjà évoqué, réalisé par un assemblage à force. On obtient ainsi une parfaite coaxalité des éléments assemblés. Ces entretoises, pour des commodités de réalisation et en raison de la fonction magnétique recherchée, sont réalisées en un matériau non magnétique, de préférence en laiton. Le blindage magnétique est alors aisément réalisé. Dans la zone arrière E, se trouve une tige de guidage arrière, réalisée dans un matériau identique à celui utilisé pour le palpeur de la zone A. L'assemblage avec l'entretoise arrière est assurée de manière identique à celles déjà décrites ; la symétrie de l'ensemble est réalisé par rapport au plan médian trtnsversal du noyau de la zone C. Le diamètre extérieur de la tige arrière, d'une r,anièr 1c t que au palpeur coopère avec le palier correspondant pour assurer le guidage de 'e-^emble tige-palpeur ainsi assemblé. Il est remarquable de constater la simplicité d'exécution des différents éléments tous réalisés dans des matériaux courants, nécessitant des opérations de mise en fore me et d'usinage usuelles, et de constater également la facilité de montage de l'en- semble. Une fois,sontée, la tige-palpeur 56 est une tige composite, présentant une partie centrale cylindrique-, en matière à très haute perméabilité magnétique servant de noyau, située en cours d'utilisation constamment, entièrement en regard des bobines B1 et B2, la tige composite présentant ausi deux tiges de guidage avant et arrière en un matériau de très haute dureté, coopérant avec des paliers lisses de guidage et dont la tige avant présente une extrémité trrmndie destinée à veiiir en contact avec les pièces à mesurer, la liaison entre le noyau de c:laclue tige de guidage étant assurée par une entretoise en matériau non magnétique. - D'autres éléments nécessaires à un montage correct du capteur décrit cidessus, comprennent un ressort de rappel 58, de forme cylindrique ou tronconique, assurant le rappel mécanique de la tige palpeur 56, vers la partie avant du capteur, c'est-à-dire tige-palpeur constamment sollicité à l'extérieur du nez de protection 55. La partie arrière du ressort de rappel 58 se trouve placée en appui et centrée axialement dans un évidement 38 pratiqué dans la face avant de la pièce centrale évidée 50. La partie avant du ressort de rappel 9 se trouve placée en appui contre une rondelle 60, solidaire de la tige-palpeur 56 en sa zone A, et en appui sur la face avant de la zone B de la tige-palpeur.La limitation de la course de la tige est obtenue lorsque la butée 60 se trouve en butée mécanique contre la face inteine de l'évidenent arrière réalisé sur le porte-palier avant 46. - Afin de pouvoir monter et positionner le capteur, une pièce 62 de po.itionnemerlt et de blocage réalisée dans un matériau ayant la dureté et la rigidité d'un acier trempé courant, est assemblée sur la partie arrière du diamètre réduit du fourreau, au moyen d'un ajustement serré, tel que cela a été décrit plus haut. Cette pièce présente c?i sa parte irrier ia cylindre extérieur de diamètre inférieur au diamètre extérieur du capteur, destiné àinsi à assurer la fixation du capteur sur son socle et dont l'axe est situé dans le prolongement de l'axe du capteur.Il est aisé dans certains cas, de prévoir une inclinaison-de l'axe de cette partie arrière par raport à l'axe tu csp- teur. - Enfin, un connecteur électrique 64, dont le corps réalisé en un matériau isoltrtt électriquement est muni de trois fiches destinées à recevoir sur leur partie avant, les extrémités des fils de bobine, et sur leur partie arrière, les extrémités des fils du cordon de raccordement électrique au boitier électronique. Il est bien entendu que le mode de réalisation qui a été décrit du capteur miniature de déplacer^.ent n'a-été donné qu'à titre d'exemple et que de nombreuses modifications peuvent lui être apportées sans pour autant sortir ni du cadre, ni de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Capteur dc de déplacement miniature du type à transformateur différentiel, compre nant un fourreau cylindrique extérieur, en matière ferro-magnétique, deux bobi nes criant des champs magnétiques orientés tins le morne sens, une tige-palpeur comprenant a ne extrémité une touche et dans sa partie active magnétique, un noyau susceptible d'etre entraîne dans un déplacement axial par l'intermédiaire de la touche caracerise en ce que la capteur comprend en outre, deux paliers -niatures lisses, disposés le plus éloigné possible l'un de l'autre à l'5hté- rieur du fourreau et en ce @@@@@@tige pareur est guidée par les deux paliers en question. 2 - Capteur ue déplacement miniature, selon ia revendication 1,-car-actérisé en ce que les paliers sont en un matériau dur ayant un très bon coefficient de fnt- tement et en ce que la surface interne de révolution est de génératrice courbe convexe. 3 - Capteur de déplacement miniature, selon la revendication 2, caractérisé en ce que les paliers sont en-rubis synthétique. 4 - Capteur de déplacement miniature selon ltun des revendications 1 à 3, caractéri sé en ce que la tige-palpeur a une structure composite présentant une symétrie magnétique par rapport à la zone centrale composant le noyau et en ce que ce noyau est entièrement et constam^.ent en regard des deux bobines B1 et B2, lors que la tige palpeur se déplace axialement. 5 - Capteur de déplacement miniature selon l'une des rever.dications 1 ou 4, caracté risé en ce que la tige-palpeur présente dans sa partie centrale un noyau main tenu par deux entretoises identiques, en matériau non magnétique, elles-mees solidaires de deux tiges de guidage, coopérant avec les deux paliers lisses. 6 - Capteur de déplacement miniature selon l'une des revendications 1 à 5, caracté risé en ce que la tige de guidage avant se terriine par une extrémité avant jou ant le rôle de touche et an ce que le capteur est muni d'un nez de protection protegeant la tige palpeur de tout choc. 7 - Capteur de déplacement miniature, selon l'une des revendications 1 à 6, caracté risé en ce que la solidarisation des différents éléments entrant dans l'assemb- lage de l'ensemble tige-palpeur est du type à adhérence par emmanchement à force. 8 - Capteur de déplacement miniature, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte dans sa partie arrière, une pièce de blocage dont le diamètre extérieur est inférieur au diamètre extérieur du corps du cap teur ou du fourreau. 9 - Capteur de déplacement miniature selon la revendication 8, caractérisé er ce que la pièce de blocage est rapportée à l'arrière du fourreau, et en ce que la fonction mécanique de serrage n'est pas réalisée sur un élément assurant une fonction magnétique.