Brevet FR2546303A1 — publié le 19841123

CAPTEUR DE FORCES A ONDES ELASTIQUES DE SURFACE La présente invention se rapporte aux capteurs de forces à ondes élastiques de surface et plus particulièrement à ceux qui comportent au moins deux oscillateurs reliés à des moyens transducteurs situés sur les deux faces d'une lamelle élastique fléchissant sous l'action de l'accélération Elle est particulièrement utilisable dans les accéléromètres et leur structure permet dans ce cas de mesurer l'accélération selon une composante de direction normale aux faces principales de la lamelle Une telle lamelle comporte généralement au moins une extrémité encastrée dans un bâti et une masse agissant sur la lamelle selon ladite direction Les moyens trans- ducteurs sont conçus pour exciter et recueillir des ondes élastiques de surface dont on sait que la vitesse de propagation varie en fonction des contraintes mécaniques de flexion Selon un premier mode de réalisation, les moyens transducteurs forment une ligne de transmission dont le temps de retard fixe le déphasage d'une boucle oscillatrice Selon un second mode de 1 S réalisation, les moyens transducteurs sont situés dans une cavité résonante à réseaux et sont reliés à des moyens destinés à entretenir l'oscillation de la cavité La fréquence représentative de l'accélération à mesurer résulte de la soustraction de deux' fréquences d'oscillation qui présentent des dérives thermiques qui ne se compensent pas exactement. 2 O Dans la conception de tels dispositifs, il est nécessaire de prévoir des lamelles ayant une géométrie telle qu'elles fournissent des zones dégale résistance correspondant aux zones de mesure de façon que lors de défor- mation de la lamelle, les contraintes dans ces zones soient uniformes et entraînent une vitesse de propagation des ondes élastiques de surface uniforme Par ailleurs, ces dispositifs doivent être conçus de façon à s'affranchir des dérives thermiques créées par les contraintes aux points d'encastrement de la lamelle. Pour pallier ces difficultés, Pinvention propose un capteur dans lequel la lamelle est de forme générale rectangulaire et n'a donc pas une forme géométrique difficilement réalisable De plus, la lamelle n'a pas de point d'encastrement ce qui supprime les problèmes thermiques afférants. L'invention a pour objet un capteur de forces à ondes élastiques de surface comprenant une lamelle ayant une première et une deuxième faces parallèles, des moyens de pression appliquant des forces de flexion à mesurer sur la première face de la lamelle, des moyens oscillateurs de mesure à ondes élastiques de surface disposés sur lesdites faces parallèles et détectant les contraintes de flexion créées dans les faces parallèles par les forces à mesurer, caractérisé en ce que la lamelle s'appuie par sa deuxième face sur deux supports en appuis simples, lesdits moyens de pression étant situés entre les deux supports de façon à déterminer une zone isocontrainte dans laquelle sont placés des moyens oscillateurs. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles: la figure 1 représente une vue isom étrique d'un exemple de réali- sation du capteur de forces selon l'invention; la figure 2 est une figure explicative du dispositif de la figure 1; la figure 3 représente une variante de réalisation du capteur de forces de la figure 1; la figure 4 représente une vue isométrique dun exemple de réali- sation du capteur de forces selon l'invention utilisant des couples de forces; la figure 5 est une figure explicative du dispositif de la figure 4; la figure 6 représente une vue isomrétrique d'une variante de réalisation du capteur de forces selon linvention utilisant des couples de forces; la figure 7 est une figure explicative du dispositif de la figure 6; la figure 8 représente une vue isométrique d'une autre variante de réalisation du capteur de forces selon l'invention; la figure 9 est une figure explicative du dispositif de la figure 8; la figure 10 représente une vue isométrique dun exemple de réalisation du capteur de forces selon l'invention en équilibre hyperstatique; la figure Il est une figure explicative du dispositif de la figure 10. Dans la description qui va suivre, les contraintes mécaniques de flexion sont engendrées par des forces se manifestant sur les faces princi- pales d'une lamelle d'épaisseur constante taillée dans un matériau capable de propager des ondes élastiques de surface Dans le cas d'un accéléromètre, ces forces sont des forces dues à l'accélération On décrira des accéléro- mètres dans lesquels cette accélération s'exerce sur des masses placées sur l'une des faces principales de la lamelle De plus, à titre d'exemple non limitatif, on peut envisager d'utiliser une lamelle taillée dans un matériau piézoélectrique cristallin tel que le quartz, mais moyennant une réalisation plus complexe des moyens transducteurs d'ondes élastiques de surface, on pourrait également mettre en oeuvre une lamelle de silice En ce qui concerne la mesure de Paccélération, c'est la composante selon la normale aux faces principales de la lamelle qui est mesurée Les découpes envisagées sont telles que la rigidité à la flexion pour des sollicitations parallèles aux faces principales de la lamelle soit plus grande que la rigidité entrant en ligne de compte pour la mesure de la composante normale de l'accélération. L'accéléromètre comporte nécessairement un support de lamelle permettant son fléchissement. Sur la figure 1, on peut voir un accéléromètre selon l'invention rapporté à un trièdre trirectangle Oxyz. Cet accéléromètre comporte une lamelle 1, ayant la forme d'un parallélépipède rectangle, reposant sur les arêtes 5 et 6 de pivots simples 3 et 4 appartenant à un bâti support 22 Si l'on considère le plan de symétrie x Oy du dispositif tel que les arêtes 5 et 6 sont symétriques et parallèles à ce plan, on dispose sur la face supérieure 7 de la lamelle 1, deux masses 9 et symétriques par rapport à ce plan Sur la face 7 sont équipées des électrodes interdigitées 11-12 et 13-14 symétriques par rapport au plan x Oy. Il en est de même de la face opposée 8 avec des électrodes 15-16 et 17-18 légèrement décalées pour limiter les couplages parasites dus aux ondes magnétostatiques de volume Ces électrodes délimitent des intervalles rayonnants Les électrodes Il et 12 forment un transducteur d'émission d'ondes élastiques de surface qui progressent dans la direction Oz avant d'être captée par les électrodes 13 et 14 constituant le transducteur de réception Les électrodes 12 et 14 sont connectées à une masse électrique M Les électrodes Il et 13 sont connectées respectivement à l'entrée et à la sortie d'un amplificateur 19 L'ensemble des éléments conducteurs porté sur la face 7 forme donc une ligne à retard à ondes élastiques de surface qui fait office de boucle de l'amplificateur 19 De la même façon, les électrodes 15, 16, 17, 18 portées par la face 8 forme une ligne à retard à ondes élastiques de surface rebouclant l'entrée et la sortie d'un autre amplificateur 20 On est donc en présence d'une paire d'oscillateurs dont les fréquences d'oscil- lation fl et f 2 sont liées aux temps de transit t I et t 2 des ondes élastiques de surface échangées selon les faces 7 et 8 Les sorties des amplificateurs 19 et 20 sont connectées aux entrées d'un mélangeur soustractif 21 dont la sortie S fournit un signal alternatif de fréquence f = fi f 2 Pour alléger le dessin des connexions, des mises à la masse M ont été ajoutées sur le schéma électrique de la figure 1. Sous l'effet d'une accélération G'dirigée selon l'axe Oy dans'le sens les masses 9 et 10 exercent chacune une force F_ 1 F 2 >sur la lamelle l qui fléchit La flexion de la lamelle 1 entraine l'apparition de contraintes mécaniques de sens contraire au niveau des faces 7 et 8, ce qui a pour effet de modifier en sens contraire les temps de propagation tl et t 2 des ondes élastiques de surfaces Il en résulte de nouvelles fréquences d'oscillations fi + df et f 2 df et un signal sur la sortie S ayant une fréquence f + 2 df. L'accélération G est donc mesurée par une variation de fréquence 2 df. La figure 2 représente une vue simplifiée du capteur de la figure l On retrouve sur cette figure la lamelle 1, les appuis 3 et 4, les masses 9 et 10 et les transducteurs 11-12 à 17-18. Sous l'effet d'une accélération G dirigée selon l'axe Oy et dans le sens 0 y? et des masses 9 et 10, la lamelle 1 fléchit et prend une position telle qu'indiquée en pointillé > Les masses 9 et 10 ont même valeur et les forces Fl et F 2 qu'elles exercent en raison de l'accélération G sont égales Leur centre de gravité ainsi que les appuis 3 et 4 sont situés symétriquement par rapport à l'axe Oy. On a donc une symétrie du système par rapport à l'axe Oy. A la partie inférieure de la figure 2, on a représenté les diagrammes des moments La courbe 1 z 1 représente la courbe des moments de flexion dus à la force'TÄ La courbe 1 t 2 représente la courbe des moments de flexion dus à la force F 2 Ces courbes sont symétriques par rapport à l'axe Oy et sont chacune constituées de deux demi-droites La courbe résultante l(possède donc une symétrie par rapport à l'axe Oy et comporte dans sa partie centrale située entre les deux points d'application des forces FT 1 et F 2, correspondant au centre de gravité des masses 9 et 10, une partie 2 v 4 t 6303 rectiligne et parallèle à l'axe Oz Dans cette partie rectiligne, la lamelle subit donc des contraintes uniformes On peut donc placer les transducteurs 11-12 à 17-18 n'importe o sur les faces 7 et 8 dans les limites de cette partie rectiligne. Dans ce qui précède on a négligé la masse propre de la lamelle En effet, on réalisera la lamelle de telle façon que sa masse soit négligeable par rapport aux masses 9 et 10, et on utilise ses propriétés élastiques. Enfin, la déformation de la lamelle 1 par flexion simple produit aussi des contraintes mécaniques de cisaillement, mais celles-ci sont nulles selon les faces libres 7 et 8 qui véhiculent les ondes élastiques de surface C'est pourquoi on peut assimiler la flexion simple à une flexion pure Pour éviter de se trouver dans le cas d'une flexion gauche, on donne à la lamelle 1 et aux masses 9 et 10 une forme présentant un plan de symétrie parallèle à y Oz, ainsi on évite les contraintes mécaniques de torsion de la lamelle 1. Pour des facilités de fabrication du capteur de forces, les masses 9 et exerçant une force sur la lamelle 1 peuvent être réalisées en une seule pièce Ainsi sur la figure 3 on a prévu une masse 40 reposant par des extrémités 41 et 42 sur la face 7 de la lamelle 1 Pour permettre une déformation en flexion de la lamelle 1, la masse 40 n'est pas solidaire de la lamelle 1 et prévoit un glissement possible entre les extrémités 41 et 42 et la face 7 A cet effet, on réduit les surfaces de contact entre extrémités 41, 42 et la face 7. En se reportant aux figures 4 et 5, on va maintenant décrire un autre exemple de réalisation du capteur de forces selon l'invention. Sur cette figure, on retrouve le bâti 2, les appuis 3 et 4, la lamelle 1. Pour simplifier la figure, on n'a pas représenté les transducteurs 11 à 18, ni les circuits 19, 20, 210 Mais il est bien évident qu'ils seraient nécessaires pour le fonctionnement du capteur comme celà a été décrit en relation avec la figure 1. La lamelle possède des languettes 31, 32, 33, 34 toutes identiques disposées par couples de part et d'autre de la lamelle La lamelle repose sur les arêtes 5 et 6 des appuis 3 et 4 Les languettes 31 et 32 sont connectées de part et d'autre de la lamelle 1, au niveau de l'arête 5 Les languettes 33 et 34 sont connectées de part et d'autre de la lamelle 1, au niveau de l'arête 6 Les extrémités des languettes sont munies de masses 35, 36, 37, 38 de même valeur. Sous l'effet dune accélération G>orientée selon l'axe Oy) les diffé- rentes masses 35 à 38 exercent des forces inverses au sens de l'accélération, de même valeur F)à l'extrémité des languettes Ces forces ont tendance à faire tourner les languettes par rapport à la lamelle 1 C'est ainsi que la languette 34, par exemple, tourne par rapport à la section de connexion 39 à la lamelle 1 En fait, en définissant dans la section 39, un centre de rotation de la languette 34, et en faisant coincider ce centre avec un plan parallèle à 1 o x Oy et contenant l'arête 6 de l'applui 4 on peut considérer que la languette 34 tourne sensiblement autour de l'arête 6 Il en est de même pour la languette 33 ainsi que pour les languettes 31 et 32 relativement à l'arête 5. Par ailleurs, les connexions des languettes à la lamelle sont rigides, la rotation des languettes a donc pour effet d'entraîner une flexion de la lamelle 1. La figure 5 permet d'expliquer l'action des forces exercées aux extrémités des languettes On retrouve sur cette figure, la lamelle 1 reposant sur les arêtes 5 et 6 des appuis 3 et 4, les languettes 31-32 et 33- 34 A l'extrémité de chaque languette est exercée une force F, corres- pondant aux masses 35 à 38, 'à une distance L des arêtes -5 et 6 Chaque force donne lieu à un couple de torsion dont l'axe coïncide sensiblement avec une arête d'un appui Les languettes 31-32 étant représentées globa- lement, la force équivalente des masses correspondantes est 2 F et le couple de torsion équivalent a pour valeur C 1 = 2 F L Il en est de même des languettes 33 et 34 qui fournissent un couple C; 2 = 2 F L En raison de la symétrie du système par rapport à l'axe Oy les couples C 1 et C 2 ont même valeur et même action sur la lamelle 1 Les courbes de moments repré- sentées dans la partie inférieure de la figure 5, fournissent pour le couple C 1, une droite'tl et pour le couple C 29 une droite'lq 2, symétriques par rapport à l'axe Oy La courbe résultante est une droite 1 I(f parallèle à l'axe Oz Ce qui fait apparaître que la lamelle 1 est isocontrainte entre les appuis 3 et 4. La figure 6 fournit une variante de réalisation du capteur de la figure 4 Selon cette variante les points de connexion des languettes 31 à 34 sont situées entre les appuis Le couple de languettes 31-32 a ses points de connexions sur un axe parallèle à l'appui 3 et situés à une distance d de cet appui Il en est de même des languettes 33-34 par rapport à l'appui 4. Le système est donc symétrique par rapport à l'axe Oy comme celà apparait sur la figure 7. Une accélération Gdirigée selon l'axe Oy donne lieu à l'application de forces F, dues aux masses 35 à 38, à l'extrémité des languettes 31 a 34. Comme dans le capteur des figures 4 et 5, ces forces se traduisent par des couples de flexion C 1 et C 2, égaux et symétriques par rapport à l'axe Oy, tendant à faire fléchir la lamelle 1 Par contre, dans le cas présent, les axes de ces couples C 1 et C 2 ne sont pas situés le long des arêtes des appuis 3 et 4 mais sont localisés nettement entre les appuis 3 et 4 La zone isocon- trainte de la lamelle 1 est celle comprise entre les axes des couples C 1 et CT Les transducteurs de détection décrits en relation avec la figure 1 seront placés dans cette zone isocontrainte. Il est à noter que dans les capteurs décrits à l'aide des figures 3 à 6, on a considéré uniquement l'incidence des couples de forces dus aux masses 35 à 38 à l'extrémité des languettes et on a négligé le poids des languettes et des masses elles-mêmes. En se reportant aux figures 8 et 9 on va maintenant décrire un exemple de réalisation préférée du capteur de forces de l'invention. Ce capteur diffère de celui des figures 6 et 7 par l'orientation des languettes 31 à 34 et par la nature des appuis. En effet, les languettes 31 à 34 sont, sur les figures 8,et 9, connectées à la lamelle 1 en des points situés entre les appuis de la lamelle Par contre elles sont orientées vers les appuis Le centre de gravité de chaque masse 35 à 33 est dans un plan x Oy contenant l'axe d'un appui de la lamelle 1 De cette façon l'incidence du poids des masses f sur le comportement de la lamelle est annulée par la présence des appuis Le poids des languettes est négligeable Seuls ont une incidence sensible les couples de forces C 1 et C 2 dus aux masses 35 à 38 lors d'une accélération. En ce qui concerne les appuis, ils ont été réalisés à l'aide de surfaces cylindriques permettant un meilleur déplacement de la lamelle par rapport aux appuis lors dune flexion A chaque extrémité de la lamelle selon l'axe Oz a été pratiquée une rainure cylindrique telle que 45 parallèle à l'axe Ox recevant des axes 3 et 4 Le bâti 2 comporte des embases telles que 48 et 49 possédant des surfaces de glissement sur lesquelles viennent reposer les axes 3 et 4 A une des deux extrémités de la lamelle 1, les embases, telle que 48, possèdent une surface cylindrique, telle que 46, recevant l'axe 4 A l'autre extrémité de la lamelle 1, les embases telle que 49 possèdent une surface plane 44 recevant l'axe 3. La lamelle 1 repose sur les surfaces de glissement par l'intermédiaire des axes 3 et 4 et n'est donc pas liée rigidement au bâti 2 A chaque extrémité des axes 3 et 4, une flasque telle que 47 empêche un déplacement latéral de l'axe Par ailleurs la situation des axes dans des rainures cylindriques les empêche de se déplacer le long de la lamelle 1. Dans une telle réalisation on choisira uhe lamelle 1 d'épaisseur 0,8 mm, de longueur 40 mm, de largeur 4 mm La longueur L des languettes est de I Omm, ce qui fournit une zone isocontrainte de 20 mm pour placer les détecteurs Enfin la valeur de chaque masse est de 10 grammes. Pour réduire les problèmes thermiques, les axes sont réalisés en quartz ou en silice. Les systèmes précédemment décrits à l'aide des figures 1 à 9 sont des systèmes en équilibre isostatiques Le système des figures 10 et 11 est un système hyperstatique Il diffère du capteur de la figure 9 par l'adjonction d'axes 49 et 50 situés sur la surface supérieure de la lamelle 1 selon l'axe des couples exercés par les masses 35, 36 d'une part et 37, 38 d'autre part, sous l'effet de l'accélération G Ces axes sont logés de chaque côté de la lamelle 1 dans des ouvertures cylindriques telles que 52 pratiquées dans des bossages 51 La partie supérieure de l'ouverture 52 est située de telle façon qu'en position de repos de la lamelle 1, l'axe 50, reposant sur la lamelle, affleure cette partie supérieure. Ainsi en se reportant à la figure 11 on s'aperçoit qu'un couple de flexion, créé comme décrit précédemment, a pour effet de plaquer la lamelle 1 contre les axes 49 et 50 On obtient toujours, entre les axes des couples de flexion, c'est-à-dire des axes 49 et 50, une zone isocontrainte. Par contre, les zones de lamelle comprises entre les axes 3 et 49 et entre les axes 4 et 50 permettent de raidir la lamelle On obtient ainsi une réduction de la sensibilité et une augmentation de la fréquence de résonance De plus, les zones 3-49 et 4-50 font office de ressort de rappel pour la lamelle 1. R EVENDI C ATI ONS 1 Capteur de forces à ondes élastiques de surface comprenant une lamelle ( 1) ayant une première et une deuxième faces parallèles ( 7, 8), des moyens d'application ( 9, 10) de forces de flexion à mesurer (FI, F 2) sur la première face ( 7) de la lamelle ( 1), des moyens oscillateurs de mesure à ondes élastiques de surface ( 11 à 18) disposés sur lesdites faces parallèles ( 7, 8) et détectant des contraintes de flexion créées dans les faces parallèles ( 7, 8) par les forces (Fl, F 2) à mesurer, caractérisé en ce que la lamelle s'appuie, par sa deuxième face sur deux supports ( 3, 4) en appuis simples; lesdits moyens d'application ( 9, 10) étant situés entre les deux supports ( 3, 4) de façon à déterminer une zone isocontrainte dans laquelle sont placés les moyens oscillateurs (I 1 à 18). 2 Capteur de forces à ondes élastiques de surface selon la revendi- cation 1, dans lequel la lamelle ( 1) a l'une de ses faces principales disposée selon un plan de référence (x Oz), caractérisé en ce que la lamelle ( 1) est à faces parallèles; que les deux supports ( 3 et 4) sont rectilignes, parallèles et équidistants d'un axe de référence (Ox) de la lamelle ( 1); lesdits moyens d'application étant constitués de deux masses ( 9 et 10) égales disposées sur la lamelle ( 1); lesdites forces (Fl, F 2) de flexion étant engendrées par une accélération (G) dirigée suivant laxe (Oy) perpendiculaire au plan de réfé- rence (x Oz), de même sens et de même valeur en des points équidistants de l'axe de référence (Ox). 3 Capteur de forces à ondes élastiques de surface selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que les deux masses ( 9 et 10) sont situées entre les deux appuis ( 3 et 4). 4 Capteur de forces à ondes élastiques de surface selon la revendi- cation 1, dans lequel la lamelle ( 1) a l'une de ses faces principales disposée selon un plan de référence (x Oz), caractérisé en ce que la lamelle ( 1) est isotrope et à faces parallèles; que les deux supports ( 3 et 4) sont rectilignes, parallèles et équidistants d'un axe de référence (Ox) de la lamelle ( 1); et qu'il comporte une masse unique ( 40) reposant par deux points ( 41, 42) symétriques par rapport à l'axe de référence (Ox), le centre de gravité de la masse ( 40) étant situé dans un plan contenant l'axe (Ox) et parallèle à la direction des forces exercées par la masse ( 40) sur la lamelle ( 1). Capteur de forces à ondes élastiques de surface selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les forces s'exerçant sur la lamelle ( 1) sont constitués par deux couples ayant chacun leur axe disposé parallèlement aux supports ( 3, 4) de la lamelle ( 1) et agissant sur celle-ci avec des sens de rotation inverses. 6 Capteur de forces à ondes élastiques de surface selon la revendi- cation 5, caractérisé en ce que la lamelle ( 1) est isotrope et à faces parallèles; que les deux supports sont rectilignes, parallèles et équidistants d'un axe de référence (Ox) de la lamelle ( 1); et que les deux couples de forces sont égaux et ont leurs axes parallèles et équidistants de l'axe de référence (Ox). 7 Capteur de forces à ondes élastiques de surface selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que la lamelle comporte deux couples de languettes ( 31-32 et 33-34) disposés symétriquement par rapport à l'axe de référence (Oz) les deux languettes de chaque couple étant connectées de part et d'autre de la lamelle ( 1) et disposées dans un plan parallèle au plan de référence (x Oz) et orthogonalement à la direction des supports; des forces s'exerçant à l'extrémité libre de chaque languette. 8 Capteur de forces à ondes élastiques de surface selon la revendi- cation 7, caractérisé en ce que les deux couples de languettes sont connectés à la lamelle ( 1) chacun au niveau d'un support ( 3, 4). 9 Capteur de forces à ondes élastiques de surface selon la revendi- cation 7, caractérisé en ce que chaque languette ( 31 à 34) comporte une masse à son extrémité libre. Capteur de forces à ondes élastiques de surface selon la revendi- cation 7, caractérisé en ce que les points de connexion ( 39) des languettes à la lamelle ( 1) sont situés entre les supports ( 3 et 4). Il Capteur de forces à ondes élastiques de surface selon la revendi- cation 10, caractérisé en ce que les languettes de chaque couple sont orientées à partir des points de connexion ( 39) vers un support, de manière à ce que la résultante des poids des masses d'un couple de languettes soit dans un même plan que l'appui correspondant. 12 Capteur de forces à ondes élastiques de surface selon l'uné Z 546303 quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que les languettes du premier couple de languettes ( 31-32) sont connectées à la lamelle ( 1) en des points situés selon un troisième support ( 49); les languettes du deuxième couple de languettes ( 33-34) sont connectées à la lamelle ( 1) en des points situés selon un quatrième support ( 50); les troisième et quatrième supports ( 43, 44) étant situés entre le premier et le deuxième supports ( 3, 4). 13 Capteur de forces à ondes élastiques de surface selon la revendi- cation 12, caractérisé en ce que les premier et deuxième supports ( 3, 4) sont disposés selon une face de la lamelle ( 1) les troisième et quatrième supports ( 49, 50) sont disposés selon la face opposée de la lamelle ( 1) de façon à ce qu'ils s'opposent aux couples de forces appliqués par les languettes. 14 Capteur de forces à ondes élastiques de surface selon la revendi- cation 13, caractérisé en ce que les troisième et quatrième supports sont situés symétriquement par rapport à l'axe de référence (Ox).