Brevet FR2492937A1 — publié le 19820430

La présente invention concerne le domaine des transducteurs et, plus particulièrement, des transduc- teurs comportant un élément sensible formé par, ou compre- nant, un diaphragme déformable. Il existe de nombreuses formes de transduc- teurs de l'art antérieur qui comportent un diaphragme comme élément sensible. De tels éléments sensibles servent égale- ment dans des transformateurs différentiels de variables linéaires et dans d'autres formes de convertisseurs de mouve- ment. En outre, certaines formes de jauges de contrainte de l'art antérieur comportent de tels diaphragmes. Dans la quasi-totalité de ces applications, le diaphragme formant élément sensible est généralement un élément déformable, mince, relativement lisse, souvent tendu entre des points de support situés sur ses bords. De tels diaphragmes sont géné- ralement efficaces pour les utilisations auxquelles on les destine, mais ils constituent souvent, lors du fonctionnement des détecteurs ou capteurs, des éléments qui en limitent le rendement dans les gammes de températures et aussi qui en limitent la sensibilité. Pour obtenir le meilleur rende- ment, le diaphragme doit être un élément sensible de dimen- sions relativement stables en cas de variation de la tempé- rature et il doit présenter aussi une sensibilité uniforme. Pour assurer une grande sensibilité, le diaphragme doit être très sensible aux forces qui le déforment. Généralement, les diaphragmes tendus de l'art antérieur (comme des feuilles minces d'acier inoxydable, ayant une épaisseur de l'ordre de 5,1 micromètres) ont des caractéristiques relativement limitées de sensibilité et de stabilité. La présente invention vise donc à proposer, comme élément sensible pour un transducteur, un diaphragme perfectionné qui est relativement stable tout en présentant une grande sensibilité. L'invention vise également à proposer un diaphragme perfectionné comportant une partie élastiquement déplaçable le long d'un axe perpendiculaire à cette partie. En bref, la présente invention concerne Z49iZ937 un diaphragme comportant (ou constitué par) un élément dont une région périphérique est destinée à supporter le diaphragme de manière que sa partie centrale soit essentiellement plane. Cet élément présente une configuration de plis telle que le diaphragme peut se déployer dans le sens radial aussi bien que tangentiel, par rapport à un point quelconque dé référence situé dans sa partie centrale. Dans une forme de réalisation de l'invention, le diaphragme présente une partie nominalement plane et plusieurs parties plissées partant d'au moins un côté de la partie plane. Dans d'autres formes de réalisation de l'invention, les parties pliées ou ridées peuvent faire saillie des deux côtésde la partie plane. Géné- ralement, on obtient avec cette configuration une structure de dimensions stables présentant une grande sensibilité aux différences de pression appliquées de part et d'autre de cette structure. Par exemple, avec un diaphragme en clinquant selon la présente invention et qui est destiné à servir dans un transducteur capacitif, l'amélioration de sensibilité et de stabilité est de l'ordre d'un facteur de 10 en comparai- son d'un transducteur capacitif comportant un diaphragme plan classique ayant des dimensions comparables. Pour permettre de mieux comprendre les buts et caractéristiques de l'invention, ainsi que ses divers avan- tages, quelques exemples nullement limitatifs seront mainte- nant décrits plus en détail en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en plan d'un exemple de diaphragme selon la présente invention; la figure 2A est une coupe d'une partie du diaphragme selon la ligne 2A-2A de la figure 1 la figure 2B est une coupe d'une partie d'un diaphragme présentant une configuration modérément dense de plis ou rides; et la figure 2C est une coupe d'une partie d'un diaphragme présentant une configuration relativement dense de plis; et les figures 3 à 13 montrent d'autres formes de réalisation du diaphragme de la présente invention. Les figures 1 et 2A montrent un diaphragme selon la présente invention. Ce diaphragme 10 est en un clinquant (comme de l'aluminium) de forme circulaire ayant une épaisseur de l'ordre de 5,1 micromètres.Le clinquant est essentiellement plat mais comporte plusieurs parties plissées s'étendant d'un côté, ou faisant-saillie d'un côté. Sur la figure 1, les partzies plissées sont indiquées par les lignes courtes. Dans la forme de réalisation représentée, les parties ridées ne s'étendent que dans une seule direction par rapport à la partie plate du diaphragme (c'est-à-dire ne font saillie que d'un côté de cette partie plate). Cepen- dant, dans d'autres formes de réalisation, certaines des parties plissées peuvent faire saillie d'un côté du diaphrag- me, cependant que d'autres parties plissées peuvent faire saillie de l'autre côté. On comprendra que, sur la figure 1, les parties plissées sont considérées comme étant des perturba- tions d'une partie nominalement plate. Cependant, d'ans des formes de réalisation comportant des configurations relati- vement denses de plis, la "partie plate" à laquelle on se réfère peut ne pas être réellement ou strictement plate ou plane, mais représenter plutôt la"base" par rapport à la- quelle les extrémités des parties plissées font saillie. Dans d'autres formes encore de réalisation, la distribution des plis peut être si dense que les parties plissées peu- vent juste être décrites comme étant des plis, sans aucune référence à une base. Par exemple, la figure 2B montre une coupe d'un diaphragme comportant une configuration modéré- ment dense de plis. La ligne interrompue 14 est un exemple de ligne de référence qui, pour l'illustration, sépare les "parties plissées" (audessus de la ligne 14) des "parties planes" (au-dessous de la ligne 14). Dans cette illustration, les parties situées au-dessous de la ligne 14, quoi que n'étant pas strictement planes, sont désignées comme étant "planes". On voit que dans la configuration moins dense représentée sur la figure 2A, la"partie plane" (c'est-à-dire située au- dessous de la ligne 14) se rapproche davantage d'une partie strictement plane. La figure *2C montre une configuration à densité relativement élevée de plis. Dans certaines formes de réalisation du diaphragme de l'invention, celui-ci peut être légèrement "en dôme", de sorte que les parties plissées sont en saillie par rapport à une partie nominalement sphéri- que du diaphragme. Cependant, dans de telles formes de réa- lisation, le rayon de courbure du dôme est relativement grand en comparaison des dimensions des plis. Donc, la par- tie sphérique est considérée comme tombant encore dans le cadre de la définition donnée ici pour la "partie plane". Dans la forme de réalisation représentée sur la figure], les parties plissées du diaphragme 10 sont orientées au hasard à la surface de ce diaphragme. La figure 2A montre une coupe du clinquant effectuée à travers l'une des parties plissées du diaphragme 10. A titre d'exemple, on peut indiquer que, - lors de son utilisationle diaphragme 10 peut être supporté sous tension mécanique radiale par son bord dans un capteur de pression capacitif tel que celui décrit dans la demande de brevet déposée par la Demanderesse ce même jour et inti- tulée "capteur de pression capacitif". Dans un tel capteur, la partie centrale du diaphragme 10 peut se déplacer de ma- nière relativement aisée dans un sens perpendiculaire au plan du bord supporté du diaphragme 10 sous l'effet des variations de la différence des pressions s'exerçant de part et d'autre de ce diaphragme. Avec la structure de diaphragme de la présente invention, ce déplacement de la partie centrale du diaphragme 10 est une fonction hautement reproductible de la différence de pression. En outre, cette reproductibilité est relativement constante lorsque la tem- pérature varie. Globalement, les caractéristiques de sensi- bilité et de stabilité (en fonction du temps aussi bien que de la température) du diaphragme 10 sont meilleures d'un facteur de 10 en comparaison des caractéristiques d'un dia- phragme (classique) plat d'épaisseur semblable. Chacune des parties plissées du diaphragme est rectiligne et longe un axe principal associé dans le plan de la partie plate. Dans d'autres formes de réalisation, au moins certaines des parties plissées peuvent être curvili- gnes et longer des lignes de référence de courbure corres- pondante situées dans le plan de l'élément plat. On peut former le diaphragme 10 de la figure 1 par la suite des étapes ciaprès. En premier lieu, on tend dans deux directions perpendiculaires un élément élastique plat, comme une feuille de caoutchouc, de manière que l'élé- ment élastique tendu se situe dans un plan. On fait ensuite adhérer par friction un clinquant (feuille relativement mince de métal) à la surface de l'élément élastique tendu, de manière que le clinquant se situe à plat contre l'élément élastique tendu. On peut, par exemple, légèrement coller le clinquant à la surface de l'élément élastique ou, en variante, on peut le maintenir à l'aide d'une pression relativement élevée de gaz contre cet élément élastique tendu. On relâche ensuite le serrage sur l'élément élastique, de sorte que cet élément élastique peut revenir à son état non étiré. Pen- dant que l'élément élastique revient à cet état non étiré, l'adhérence par friction entre le clinquant et cet élément élastique provoque le plissement du clinquant en une configura- tion à faible énergie, de sorte que le clinquant présente alors une partie relativement plane et plusieurs parties plissées. On sépare ensuite le clinquant du diaphragme (par exemple en enlevant la pression relativement élevée d'air du côté retenant le clinquant contre le diaphragme), et l'on peut utiliser le clinquant plissé résultant comme élément sensible d'un transducteur. Selon un second procédé pour former un dia- phragme selon l'invention, on positionne un clinquant en une configuration stratifiée ou "en sandwich" entre deux éléments élastiques plans supportés par leurs bords (comme des feuilles de caoutchouc), avec une pression P1 régnant à l'extérieur du stratifié et au voisinage de l'une des feuilles, une pression P2 régnant entre les deux feuilles et une pres- sion P3 régnant à l'extérieur du stratifié et au voisinage de l'autre feuille. Initialement, la pression P1 est égale à la pression P2, et P1 et P2 sont chacune supérieures à P3. Puis l'on ajuste les pressions de manière que P1 excède P2, qui excède à son tour P3, ce qui provoque un étirement du strati- fié. On ajuste ensuite les pressions de manière que la pres- sion P1 soit égale à la pression P, les pressions P1 et P3 excédant chacune la pression P2. Cette étape fait revenir les feuilles à leur position d'origine sans étirement. Pen- dant que les feuilles se contractent, le contact de friction avec le clinquant (provoqué par la valeur relativement fai- ble de la pression P2 pendant cette étape) provoque le plis- sement du clinquant. Comme étape finale, on rend égales les pressions Pl, P2 et P3, on sépare les feuilles et l'on en- lève le clinquant destiné à devenir un diaphragme. On comprend que chacun des deux procédés ci-dessus de fermage donne une configuration à énergie relati- vement faible-du clinquant. Donc, les diaphragmes de la pré- sente invention conviennent bien pour être utilisés dans des capteurs de pression capacitifs, comme ceux décrits dans la demande précitée de brevet, ou pour servir dans d'autres capteurs de pression capacitifs comportant des diaphragmes supportés par leurs bords et dont le fonctionnement se fonde sur le déplacement de la partie centrale de ces diaphragmes. Dans diverses autres formes de réalisation, le diaphragme peut être non conducteur de l'électricité, par exemple lorsque la position de la partie centrale de ce diaphragme peut être décelée par voie optique. Dans d'autres formes de réalisation, le diaphragme peut être non conducteur, mais comprendre sur une surface une région conductrice, telle qu'une région pouvant être formée par une pellicule conduc- trice formée par dépôt. Dans cette dernière forme de mise en oeuvre de l'invention, une partie de la pellicule conduc- trice se prolonge jusqu'à la périphérie du diaphragme pour permettre de réaliser un contact électrique avec des instru- ments externes de mesure. Dans ces formes et dans d'autres encore du diaphragme de l'invention, celle-ci propose un dia- phragme "mou" qui peut servir dans de nombreux dispositifs, en plus du capteur capacitif décrit dans la demande précitée de brevet (à laquelle on pourra se référer). Par exemple, le diaphragme de la présente invention peut servir à rempla- cer les diaphragmes classiques dans certaines jauges de contrainte et certains commutateurs de l'art antérieur. En variante, le diaphragme peut servir à séparer deux fluides lorsqu'il est important de transmettre les différences en- tre les pressions s'exerçant de part et d'autre de la ou des cloisons de séparation des fluides et au voisinage de ces cloisons. Les figures 3 à 6 montrent d'autres formes de réalisation du diaphragme de l'invention. On voit sur la figure 3 une partie d'un diaphragme semblable au dia- phragme 10, dans laquelle les parties plissées sont incur- vées et longent des segments de lignes de référence de cour- bure correspondante, situés dans le plan de la partie plane du diaphragme 10. La figure 4 montre une région limitée d'un diaphragme présentant une configuration dans laquelle les parties de plis rectilignes sont chacune essentiellement alignées sur l'un des trois axes (ces axes étant décalés à 600 l'un de l'autre) du plan de la partie plate. Cette con- figuration donne à la partie plane l'aspect de "raquettes" comportant plusieurs parties hexagonales et en triangles équilatéraux, délimitées par les parties plissées. La figure 5 montre une partie limitée d'une autre forme de réalisation d'un diaphragme, dans laquelle les parties plissées rectilignes sont alignées sur l'un des deux axes (ces deux axes étant décalés à 9Q0 l'un de l'autre) du plan de la partie plate. La configuration résultante com- porte plusieurs zones carrées délimitées par les parties plissées dans la partie plane. Le diaphragme de l'invention peut comporter plusieurs configurations de plis linéaires en-zig-zag. La figure 6 montre une forme de réalisation du diaphragme de la présente invention dans laquelle ce dia- phragme comporte plusieurs courbes annulaires en zig-zag concentriques formées par les parties plissées. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 6, les lignes en zig-zag sont discontinues, c'est-à-dire que chaque anneau en zig-zag comporte deux segments linéaires de plis reliés qui ne sont pas reliés aux paires adjacentes de l'anneau. Dans d'autres formes de réalisation, même les deux segments recti- 249:2937 lignes de plis peuvent ne pas être reliés. Les figures 7 à 13 sont des vues planes mon- trant des formes de réalisation de diaphragmes comportant d'autres formes de plis entrant dans le cadre de la présente invention. Dans toutes ces figures, les diaphragmes sont désignés par l'indice général de référence 10, et une partie de la périphérie de chaque diaphragme est désignée par l'in- dice de référence 12. La configuration des plis des diaphragmes représentés sur les figures 7 à 10 comporte généralement des parties plissées en forme d'anneaux concentriques en zig- zag qui sont continus (c'est-à-dire que chaque anneau en zig- zag comporte des segments relativement courts de plis rec- tilignes qui sont reliés par leurs extrémités à des segments adjacents de plis rectilignes). Les diaphragmes des figures 7 à 10 comportent en outre un groupe de parties plissées en forme de "V" ou en "chevron" remplissant les zones qui, dans d'autres formes de réalisation de la configuration, ne sont pas plissées. Les divers anneaux formés par les plis du diaphragme de la figure 7 sont sensiblement équidistants des anneaux adjacents, ce qui donne des angles intérieurs de rac- cordement entre les segments des anneaux qui augmentent, d'un anneau à l'autre, avec la distance radiale par rapport au centre du diaphragme. Les autres angles internes sont constants (1200, 900 et 90 , respectivement),pour chacun des anneaux de la configuration des plis des diaphragmes des figures 8, 9 et 10, d'un anneau à l'autre, quelle qu'en soit la distance par rapport au centre du diaphragme. Dans une autre forme, le diaphragme peut comporter plusieurs par- ties plissées en zig-zag, s'étendant radialement et emboîtées les unes dans les autres (figure 11). Avec toutes ces confi- gurations, n'importe quelle région de la partie plissée du diaphragme 10 peut se déployer aussi bien radialement que tangentiellement par rapport à n'importe quel point du dia- phragme, y compris n'importe quel point situé dans la partie centrale de ce diaphragme. Les figures 12 et 13 montrent des régions limitées d'autres formes de réalisation de l'invention, comportant des configurations de plis comprenant des par- ties linéaires plissées en zig-zag. Sur la figure 12, les parties plissées sont continues et sur la figure 13, les parties plissées sont discontinues. Dans la forme préférée des configurations des figures 12 et 13, les angles situés entre les crêtes des plis (c'est-à-dire les lignes noires en zig-zag représentées sur la figure 12) sont de 90 , les angles formés par les surfaces en creux entre les crê- tes des plis sont de 900, et les angles formés par les sur- faces des crêtes de chaque côté des crêtes des plis sont de 90 . Dans d'autres formes de réalisation, entrant dans le cadre de la présente invention, les parties plis- sées peuvent être alignées sur des axes orientés différem- ment. Dans toutes les formes ci-dessus de réalisa- tion, la configuration des plis peut être engendrée à l'aide d'une matrice présentant une surface généralement 201 plane, sauf des perturbations représentant la configura- tion voulue des plis. Initialement, on peut placer le clin- quant contre cette matrice. Puis l'on utilise un gaz sous pression élevée pour emboutir le clinquant et lui donner la forme définie par la matrice. En variante, le clinquant peut être embouti au refoulé contre la matrice par un tam- pon de caoutchouc entraîné par le mandrin d'une presse hydraulique. Par exemple, on peut réaliser un élément de capteur, de 43,8 mm de diamètre, ayant la forme représen- tée sur la figure 10, en de l'acier inoxydable 303 de 6,86 micromètres d'épaisseur,, à l'aide d'une matrice com- portant des gorges, correspondant à la configuration des plis voulus, ayant une largeur de 0,635 mm et une profon- deur de 0,13 à 0,25 mm, les gorges étant séparées l'une de l'autre par une distance de 0,635 mm. La partie centrale du diaphragme résultant fléchit de 0,13 mm pour une diffé- rence de pression de 10,35 Pa. Dans d'autres formes encore de réalisation, on peut utiliser dans le même diaphragme diverses combinai- sons des configurations de plis définies ci-dessus. Dans toutes les formes, cependant, il vaut mieux que tous les axes du plan nominal, ou de la surface de base, du diaphrag- me, soient traversés par au moins une partie plissée. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'invention, de nombreuses modifications peuvent être ap- portées au diaphragme décrit et représenté. REVENDICATIONS 1. Diaphragme caractérisé en ce qu'il com- prend-un élément (10) comportant une configuration de plis permettant à ce diaphragme de se déployer aussi bien dans le sens radial que dans le sens tangentiel par rap- port à un point quelconque de référence situé dans sa par- tie centrale. 2. Diaphragme selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie centrale comporte une sur- face conductrice de l'électricité. 3. Diaphragme selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément comprend une région péri- phérique (12) destinée à supporter ce diaphragme, de ma- nière que la partie centrale soit essentiellement plane. 4. Diaphragme selon la revendication 1, caractérisé en ce que la configuration de ses plis comprend une partie nominalement plane (14) et plusieurs parties plis- sées faisant saillie d'un côté au moins de cette partie plane (14). 5. Diaphragme selon la revendication 4, caractérisé en ce que les parties plissées font saillie des deux côtés de la partie plane. 6. Diaphragme selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des plis est relativement court et rectiligne. 7. Diaphragme selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins certains des plis sont curvi- lignes. 8. Diaphragme selon la revendication 6, caractérisé en ce que les axes principaux des plis sont ali- gnés sur l'un des deux axes de la surface de la partie cen- trale, de sorte que les parties plissées forment plusieurs configurations linéaires en zig-zag. 9. Diaphragme selon la revendication 1, caractérisé en ce que les principaux axes d'au moins cer- tains des plis sont alignés, de sorte que ces plis forment plusieurs anneaux concentriques en zig-zag à partir de la partie centrale. 10. Diaphragme selon la revendication 9, - caractérisé en ce que chacun des anneaux en zig-zag est continu. 11. Diaphragme selon la revendication 9, caractérisé en ce que chacun des anneaux en zig-zag est discoritinu. 12. Diaphragme selon la revendication 10, caractérisé en ce que les angles intérieurs alternés de chaque anneau sont de 90 . 13. Diaphragme selon la revendication 10, caractérisé en ce que les angles intérieurs alternés de chaque anneau sont de 1200. 14. Diaphragme selon la revendication 10, caractérisé en ce que la distance séparant les anneaux est sensiblement constante. 15. Diaphragme destiné à un transducteur et caractérisé en ce que ce diaphragme (10) comporte un élément comprenant une partie nominalement plane (14) et plusieurs parties plissées faisant saillie sur un côté au moins de cette partie plane, chaque partie plissée étant relative- ment courte. 16. Diaphragme selon la revendication 15, caractérisé en ce que chacune des parties plissées est rectiligne et longe un axe principal associé dans le plan de la partie plane. 17. Diaphragme selon la revendication 15, caractérisé en ce que certaines au moins des parties plis- sées sont curvilignes et longent une ligne de référence de courbure correspondante dans le plan de cette par-tie plane. 18. Diaphragme selon la revendication 16, caractérisé en ce que les axes principaux des parties plis- sées sont alignés sur l'un des deux axes du plan de la par- tie plane, de sorte que les parties plissées forment plu- sieurs configurations linéaires en zig-zag. 19. Diaphragme selon la revendication 15, caractérisé en ce que les axes principaux d'au moins certai- nes des parties plissées sont alignés1de sorte que les par- ties plissées forment plusieurs anneaux concentriques en zig-zag partant de la partie plane du diaphragme.