Brevet FR2509863A1 — publié le 19830121

i La présente invention concerne le domaine des transducteurs de détection de force, tels que les accéléro- mètres, et elle porte plus particulièrement sur une articu- lation à flexion destinée à fixer un élément de détection de force à une embase de montage, d'une manière permettant une rotation ou une translation. Dans un accéléromètre antérieur, tel que celui décrit dans le brevet U S 3 702 073, un élément de détec- tion de force est fixé à une embase ou un anneau de montage au moyen d'une articulation à flexion qui permet à l'élément de se déplacer par rapport à l'embase, sous l'effet de forces faibles Dans un tel accéléromètre, l'articulation à flexion peut avoir une structure bifilaire consistant en une paire de pièces planes et minces. Pour obtenir des connexions électriques avec des composants situés sur l'élément de détection, on peut utili- ser des fils flexibles entre l'anneau et l'élément de détec- tion, ou bien on peut déposer une pellicule mince de matière conductrice directement sur l'articulation à flexion, ou sur un revêtement non conducteur placé sur l'articulation à flexion, si cette dernière est ellemême conductrice de l'électricité Lorsqu'on dépose de telles matières sur l'articulation à flexion, des contraintes apparaissent dans cette dernière, à cause des coefficients de dilatation différents de l'articulation à flexion et des matières con- ductrices, ou sous l'effet de l'opération de dépôt elle-même Ces contraintes font apparaître à leur tour des forces qui tendent à dévier l'élément de détection à partir d'une position neutre Dans les transducteurs asservis qui appliquent une force de rétablissement pour maintenir l'élément de détection dans la position neutre, une erreur consistant en un décalage apparaît à cause de ces contrain- tes Dans les transducteurs en boucle ouverte dans lesquels on mesure la valeur de la déviation de l'élément de détection, une erreur consistant en un décalage apparaît également. Dans les transducteurs qui utilisent des revête- ments conducteurs, on tente d'annuler les contraintes pro- duites par les couches en déposant les couches de façon éga- le sur les faces supérieure et inférieure des sections de l'articulation à flexion Bien que cette structure réduise les erreurs dans une certaine mesure, elle nécessite utr équi- librage précis pendant l'opération de dépôt, pour que l'épaisseur des couches soit égale sur les deux faces de la section de l'articulation à flexion En outre, cet équilibre dépend de la stabilité des contraintes des couches en fonc- tion du temps, et il dépend également d'autres facteurs tels que la température ambiante, la pureté des matières et la contamination des surfaces. En général, dans les transducteurs antérieurs, on a trouvé qu'il était souhaitable d'utiliser l'articulation à flexion la plus mince possible compatible avec les exigen- ces de résistance mécanique et d'élasticité pour un fonc- tionnement correct, dans le but de minimiser les effets de contraintes conduisant à des erreurs de décalage On a cependant trouvé que la Constante de rappel, angulaire ou linéaire, d'une articulation à flexion est proportionnelle au cube de l'épaisseur "'t" de cette articulation, tandis que le moment de flexion de l'articulation à flexion qui est dû à la contrainte produite par le dépôt des bandes conductrices est seulement proportionnel à t Par exemple, si on réduit de 30 % l'épaisseur de l'articulation à fle- xion, de telle façon que la constante de rappel angulaire de cette articulation passe de 20 gfradian à 7 g /radian, le moment d'erreur dû aux effets de contraintes dans le pla- cage conducteur est réduit seulement d'un facteur de 1,42. On peut ainsi voir que la limite inférieure de la plage acceptable des constantes de rappel que procure une arti- culation à flexion classique sera atteinte bien avant que le moment d'erreur soit réduit à une valeur négligeable. Par conséquent, ces types d'articulations à flexion néces- sqitent de faire des compromis entre l'obtention de la cons- tante de rappel et de la résistance mécanique de l'articu- lation à flexion désirées, et la réduction au minimum des effets de contraintes qui conduisent à des erreurs. L'invention a donc pour but de réaliser une struc- ture d'articulation à flexion destinée à accoupler un élé- ment de détection de force à une embase de montage dans un transducteur de détection de force L'articulation à flexion comprend une partie qui s'étend entre l'élément de détection de force et l'embase de montage et qui comporte une surface destinée à recevoir un revêtement conducteur de l'électricité et une partie consistant en une nervure ayant une épaisseur supérieure à l'épaisseur de la première partie et s'étendant entre l'élément de détection de force et l'embase de montage. Toujours conformément à l'invention, une articula- tion à flexion, destinée par exemple à monter de manière articulée un élément de détection de force sur une embase de montage, dans un transducteur de détection de force, peut avoir une structure bifilaire, dans laquelle chaque section d'une paire de sections d'articulation à flexion comporte une partie centrale mince et une paire de nervures relative- ment épaisses de part et d'autre de chaque partie centrale s'étendant entre l'élément et l'anneau de montage Une cou- che de matière conductrice est située sur les faces supé- rieure et inférieure de chaque section, dans la partie cen- trale et entre les nervures De plus, il est souhaitable que la matière conductrice soit placée sur chaque face de façon à être équidistante de l'axe neutre de flexion de l'articulation à flexion. En plaçant la matière conductrice sur une partie centrale relativement mince, on minimise les moments de flexion qui sont produits par les contraintes dans la pelli- cule conductrice, ce qui a pour effet de réduire d'une manière notable les erreurs de décalage Simultanément, les nervures relativement épaisses procurent une résistance mécanique appropriée et une constante de rappel qui convient pour un bon fonctionnement du transducteur Une manière de faire connexe pour parvenir aux caractéristiques désirées d'une articulation à flexion est décrite dans la demande de brevet U S 283 340 déposée par Hanson le 14 Juillet 1981 et dans le demande de brevet U S 283 129 déposée par Hanson et Atherton le 14 Juillet 1981. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se 4 - référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une vue en perspective éclatée, partiellement en coupe, d'un accéléromètre comportant l'articulation à flexion conforme à l'invention; La figure 2 est une vue en plan agrandied'une partie de la structure de masse sensible représentée sur la figure 1; La figure 3 est une coupe selon la ligne 3-3 de la figure 2; La figure 4 est une vue en élévation et partielle- ment en coupe selon la ligne 4-4 de la figure 2; et La figure 5 est une vue en perspective et en coupe d'une autre configuration d'articulation à flexion. On va maintenant considérer la figure 1 qui repré- sente un transducteur de-force sous la forme d'un accéléro- mètre asservi 10 qui comprend une articulation à flexion 12 conforme à l'invention L'accéléromètre 10 est du type décrit dans le brevet U S 3 702 073, bien qu'on puisse utiliser l'invention dans d'autres transducteurs de détec- tion de force utilisant un mouvement angulaire ou linéaire d'un élément sensible à une force. L'accéléromètre 10 consiste en une paire de corps cylindriques 14 a, 14 b et en une structure de masse sensible 16 qui est fixée entre les deux corps. Les corps 14 a, 14 b sont pratiquement identiques et on ne décrira donc que le corps 14 a Le corps 14 a compor- te une paroi de corps cylindrique 17 munie d'une nervure 18 dirigée vers l'intérieur qui constitue une pièce polaire magnétique, et il capporte une partie de base ou plaque 19 La pièce polaire 18 comporte une paroi intérieure cylindrique 20 qui -définit une cavité 22 Un aimant permanent cylindrique 24 est fixé à la plaque 19 à l'intérieur de la cavité 22, et la surface circonférentielle extérieure de cet aimant est espacée par rapport à la paroi cylindrique intérieure 20 pour définir entre elles un espace annulaire 26. La structure de masse sensible 16 comprend une pièce sensible à une force, ou palette, 30 qui est articu- lée sur une embase ou un anneau de montage 32 au moyen de l'articulation à flexion 12. Dans l'accéléromètre qui est représenté sur les figures, l'articulation à flexion 12 permet à la palette 30 de se déplacer en arc par rapport à l'anneau de montage 32. Il faut cependant noter qu'on pourrait utiliser l'articula- tion à flexion 12 dans un transducteur utilisant un mouve- ment linéaire de l'élément de détection le long de l'axe du transducteur 10. Deux bobines de rétablissement de force, ou de génération de couple, 42, 43 sont respectivement fixées aux faces supérieure et inférieure 40, 41 de la palette 30. Les bobines de génération de couple 42, 43 sont bobinées sur des mandrins qui s'ajustent dans l'espace annulaire 26 formé dans chacun des corps 14 a, 14 b lorsque les divers éléments de l'accéléromètre 10 sont assemblés. Une couche de matière conductrice 45 est déposée sur la face supérieure 40 de la palette 30 Une couche simi- laire de matière conductrice est déposée sur la face infé- rieure 41 de la palette 30 Ces couches conductrices de l'électricité forment une paire d'armatures de condensateur qui donnent lieu à une interaction avec une face 21 de la pièce polaire 18 et avec une face correspondante de la pièce polaire du corps 14 b, d'une manière qu'on décrira par la suite. Trois plots de montage 34 (dont un n'est pas représenté sur les figures) sont disposés sur une surface supérieure 36 de l'anneau de montage 32 Trois plots de montage supplémentaires sont placés dans des positions oppo- sées axialement à celles des plots de montage 34 sur une surface inférieure 38 de l'anneau 32. L'anneau de montage 32 est fixé entre les corps 14 a, 14 b de telle façon qu'une lèvre de la paroi de corps cylindrique 17 et une lèvre correspondante sur le corps 14 b portent contre les plots de montage, et que les bobines de génération de couple 42, 43 soient logées dans l'espace annulaire 26 et dans un espace annulaire correspondant dans le corps 14 b. Deux condensateurs variables 48, 49 sont formés à l'intérieur de l'accéléromètre 10, et l'un d'eux est consti- tué par la face 21 et par le revêtement qui se trouve sur la surface inférieure 38, tandis que l'autre est constitué par une face qui correspond à la face 21 de la pièce polaire pour le corps 14 b et par le revêtement 45 qui se trouve sur la surface supérieure 36 de la palette 30. Les couches conductrices présentes sur la face supé- rieure 40 et la face inférieure 41, et les bobines de géné- ration de couple 42, 43 sont connectées à un circuit externe au moyen de quatre bandes conductrices 47 a-47 d qui s'éten- dent jusqu'à l'anneau 32 en traversant l'articulation à flexion 12 Les connexions électriques vers le circuit externe sont réalisées à partir de l'anneau 32 au moyen de quatre broches de connecteur (non représentées) qui se trou- vent dans les parois des corps 14 a, 14 b. Lorsque l'accéléromètre 10 est soumis à une accé- lération dirigée le long de son axe, la palette 30 se déplace par rapport à l'anneau 32 et aux corps 14 a, 14 b, ce qui entraîne une variation de la capacité des condensateurs 48, 49 La variation de capacité est détectée par un circuit à boucle d'asservissement (non représenté) qui applique à son tour aux bobines de génération de couple 42, 43 un signal proportionnel à la variation de capacité Le champ magnétique résultant qui est établi par les bobines de génération de couple 42, 43 donne lieu à une interaction avec le champ magnétique établi par les aimants permanents qui se trouvent dans les corps 14 a, 14 b, de façon à s'oppc- ser au déplacement de la palette 30 Le courant que nécessi- tent les bobines de génération de couple 42, 43 pour mainte- nir la palette 30 dans une position neutre représente la force due à l'accélération à laquelle l'accéléromètre est soumis. On se référera au brevet U S 3 702 073 pour avoir une description plus détaillée de l'accéléromètre 10. On va maintenant considérer les figures 2 à 4 sur lesquelles l'articulation à flexion 12 de l'invention est représentée en détail La configuration et la structure de l'articulation à flexion sont conçuesde façon à minimiser les effets de contraintes qui se produisent à la frontière entre les bandes conductrices 47 et l'articulation à flexion 12, et qui entraînent à leur tour l'apparition d'une erreur en sortie du circuit indicateur. Comme le montre plus particulièrement la figure 2, le structure d'articulation à flexion consiste, dans le mode de réalisation préféré, en une structure bifilaire en porte- à-faux nervurée comprenant deux sections 50, 52 séparées par une ouverture 54 La palette 30, l'embase de montage 32 et l'articulation à flexion 12 peuvent consister en une seule pièce en quartz fondu qui est attaquée ou traitée de toute autre manière pour lui donner les dimensions et la configu- ration désirées. Selon une variante, on pourrait former l'articu- lation à flexion 12 à partir d'une matière conductrice de l'électricité, auquel cas un rev 8 tement non conducteur de l'électricité serait déposé sur l'articulation à flexion 12 avant le dép 8 t des bandes conductrices 47. Comme le montre plus particulièrement la figure 3, représentant le mode de réalisation préféré de l'invention, chacune des sections 50, 52 comprend une paire de canaux qui s'étendent entre l'embase de montage 32 et la palette , en définissant une partie centrale mince 56 et deux nervures 58, 60, relativement épaisses, situées de part et d'autre de la partie centrale 56 Dans le mode de réalisa- tion représenté, les canaux ont la même profondeur, ce qui fait que l'épaisseur de la partie centrale 56 est inférieure au tiers de l'épaisseur des nervures 58, 60. En considérant également la figure 4, on voit que des bandes conductrices 47 c, 47 d sont déposées sur les faces supérieure et inférieure 62, 64 de la partie centrale 56. L'épaisseur de chacune des bandes conductrices 47 a-47 d est de l'ordre du centième de l'épaisseur de la partie centrale 56 Les bandes conductrices 47 peuvent 8 tre en une matière conductrice appropriée telle que de l'or Il faut noter que l'épaisseur des bandes conductrices 47 a-47 d est exagérée sur les figures 3 et 4, dans un but de clarté. La nervure 58 comporte deux faces 58 a, 58 b qui se trouvent à des distances pratiquement égales des faces res- pectives 62, 64 de la partie centrale 56 De façon similaire, la nervure 60 comporte deux faces 60 a, 60 b qui se trouvent également à des distances pratiquement égales des faces respectives 62, 64. L'épaisseur des nervures 58, 60 est inférieure au dixième de l'épaisseur de l'embase de montage 32 et de la palette 30 L'épaisseur des nervures 58, 60 détermine de façon prépondérante la constante de rappel de l'articla- -tion à flexion 12 et procure la résistance mécanique princi- pale pour la structure de montage en porte-à-faux. Chaque section 50, 52 est approximativement aussi large que longue, et la largeur ou la longueur d'une section est approximativement cinquante fois supérieure à l'épais- seur des nervures 58, 60 On trouvera ci-dessous une liste des diverses dimensions pour le mode de 'réalisation préféré de l'invention, avec la désignation de chaque dimension et les lettres de référence utilisées sur les figures 3 et 4. Lettre Dimensions de (en mm sauf mention contraire) référence A Largeur de la section 50 ou 52 2,5 B Largeur des nervures 58, 60 0,64 C Largeur de la partie centrale 56 1,27 D Epaisseur des nervures 58,60 0,051 E Epaisseur de la partie centrale 56 0,013 F Largeur des bandes conductrices 47 1,14 G Epaisseur des bandes conductrices 47 140 nm H Epaisseur de la palette 30 et de l'anneau de montage 32 0,724 J Longueur de l'articulation à flexion 12 2,5 Bien que les nervures 58, 60 so 2 a Itreprésentées sous une forme comportant des parois intérieures planes perpendiculaires aux faces de la partie centrale 56, comme les parois 58 c et 58 d de la nervure 58, il faut noter que, selon une variante, ces surfaces peuvent être chanfreinées ou peuvent avoir une configuration courbe avec un petit rayon En outre, les sections de l'articulation à flexion peuvent être chanfreinées ou courbées dans la région de leur jonction avec la palette 30 et avec l'anneau de montage 32, pour procurer une transition progressive entre ces élé- ments, au lieu de la transition abrupte qui est représentée sur les figures. Le fait d'employer une partie centrale mince 56 et une paire de nervures relativement épaisses 58, 60 minimise les effets de contraintes dus aux bandes conductrices 47, tandis qu'une constante de rappel désirée pour l'articula- tion à flexion 12 est pratiquement déterminée par les nervu- res 58, 60 Par conséquent, un moindre sacrifice sur la résistance mécanique désirée de l'articulation à flexion est nécessaire pour réduire les erreurs dues aux effets de con- traintes, et on peut donc conserver à l'instrument une robustesse appropriée, tout en réduisant notablement les erreurs de décalage qui sont produites par le revêtement conducteur Il est également souhaitable de placer les ban- des conductrices 47 de telle façon qu'elles soient équidis- tantes de l'axe ou du plan neutre de flexion de l'articula- tion à flexion, de part et d'autre de ce plan On appelle "plan neutre de flexion" le plan qui ne subit aucune trac- tion ni aucune compression lorsqu'on courbe l'articulation à flexion. Le mode de réalisation représenté sur les figures 2-4 peut être modifié par élimination de l'ouverture 54, de telle façon qu'une seule nervure sépare les parties centra- les des sections 50 et 52. La figure 5 représente un autre mode de réalisa- tion de l'invention dans lequel une articulation à flexion 62 comporte une nervure 64 et une pièce plane mince 66 sur laquelle sont déposées la matière ou les bandes conductrices 47 On peut combiner des articulations à flexion 62 du type représenté sur la figure 5 pour réaliser une configuration d'articulation à flexion bifilaire du type représenté sur la figure 1, dans laquelle une seconde articulation à flexion 68 comportant une nervure 70 et une pièce plane mince 72 est combinée avec l'articulation à flexion 62. Une telle structure d'articulation à flexion com- binée peut être souhaitable dans certaines circonstances pour modifier la réaction à des charges qui tendent à gauchir l'articulation à flexion Selon une variante, l'articula- tion à flexion 12 pourrait consister en une série'de parties centrales minces, chacune d'elles étant séparée des parties centrales adjacentes par une nervure relativement épaisse. Cette structure à nervures multiples tendrait à réduire le gauchissement près du centre de l'articulation à flexion. En outre, des articulations à flexion de ce type ne doivent pas nécessairement comporter des surfaces parallèles, et pourraient par exemple avoir une épaisseur qui va en dimi- nuant vers l'élément de détection de force, pour donner une articulation à flexion à résistance mécanique constante Il faut également noter que la technique décrite ci-dessus pour réduire l'effet des contraintes d'un revêtement sur un élément d'articulation à flexion peut être utilisée avec une structure d'articulation à flexion qui n'est pas néces- sairement le support principal de l'élément de détection de force Une telle structure reliant un élément de détection de force à une embase de montage nécessiterait néanmoins une certaine intégrité mécanique, tout en produisant un minimum de forces ou de moments de décalage Il faut en outre noter que bien que la structure d'articulation à fle- xion représentée sur les figures 1 à 4 montre la partie min- ce 56 de l'articulation à flexion réalisée en une seule pièce avec les nervures plus épaisses 58 et 60, il peut ne pas être nécessaire, pour certaines applications de l'in- vention, que la partie mince 56 portant lés bandes conduc- trices 47 soit reliée physiquement aux nervures de support 58 ou 60. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. 2 509863 REVENDICATIONS 1 Structure d'articulation à flexion ( 12) pour un transducteur de détection de force ( 10) qui comporte un élé- ment de détection de force ( 30) et une embase de montage ( 32), cette structure d'articulation à flexion accouplant l'élément de détection de force à l'embase de montage, caractérisée en ce qu'elle comprend: une première partie ( 56) qui s'étend entre l'élément de détection de force ( 30) et l'embase de montage ( 32), et qui présente une surface prévue pour recevoir une matière conductrice de l'électrici- té ( 47); et au moins une partie consistant en une nervure ( 58, 60), qui a une épaisseur supérieure à l'épaisseur de la première partie et qui s'étend entre l'élément de détec- tion de force ( 30) et l'embase de montage ( 32). 2 Structure d'articulation à flexion selon la revendication 1, caractérisée en ce qtue la première partie ( 56) est une pièce plane et mince qui comporte deux faces, et une matière conductrice de l'électricité ( 47 a, 47 b) est disposée sur l'une au moins de ces faces. 3 Structure d'articulation à flexion selon la revendication 2, caractérisée en ce que les parties consis- tant en une nervure ( 58, 60) sont au nombre de deux et sont situées de part et d'autre de la première partie ( 56). 4 Structure d'articulation à flexion selon la revendication 3, caractérisée en ce que chacune des parties. consistant en une nervure ( 58, 60) comporte des premières et secondes faces ( 58 a, 60 a, 58 b, 60 b) qui sont pratiquement parallèles aux faces de la première partie ( 56), et en ce que l'épaisseur de là première partie ( 56) est inférieure au tiers de l'épaisseur des nervures ( 58, 60), et la pre- mière partie est située de façon pratiquement équidistante par rapport aux premières et secondes faces des nervures. Structure d'articulation à flexion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'épaisseur des parties consistant en une nervure ( 58, 60) est approximativement de 0,051 mm et l'épaisseur de la pre- mière partie ( 56) est approximativement de 0,013 mm. 6 Structure d'articulation à flexion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première partie ( 56) est réunie à la partie consistant en une nervure ( 58, 60). 7 Structure d'articulation à flexion selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 6, caractérisée en ce que l'épaisseur de la partie consistant en une nervure ( 58, 60) est au moins trois fois supérieure à l'épaisseur de la première partie ( 56). 8 Structure d'articulation à flexion selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 6, caractérisée en ce que la première partie ( 56) et la partie consistant en une nervure ( 58, 60) sont formées à partir d'un seul mor- ceau de matière. 9 Articulation à flexion selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la matière conductrice de l'électricité ( 47 a, 47 b) est située sur cha- cune des faces de façon à se trouver dans des positions pratiquement équidistantes de l'axe neutre de flexion de l'articulation à flexion.