Brevet FR2548364A1 — publié le 19850104

La présente invention concerne un mécanisme destiné à convertir un poids en une fréquence, comprenant un vibreur à diapason intégré à ce mécanisme. Il a été proposé précédemment de mesurer un poids en utilisant le phénomène qui consiste en ce qu'une fréquence naturelle d'un diapason varie en fonction d'une force de traction ou de compression qui est appliquée au diapason, comme il est décrit dans les demandes de brevet japonaises ouvertes à l'examen du public n 133 390/79 et 51 329/80. 10 Dans l'appareil de mesure de poids utilisant un diapason, si le poids est correctement appliqué au diapason dans sa direction axiale, on peut obtenir un résultat de mesure exact Cependant, si une force de torsion ou de flexion est appliquée au diapason vibrant ou si une force parasite per15 pendiculaire à la direction axiale du diapason est appliquée à ce dernier, il peut apparaître diverses erreurs de mesure qui constituent une gêne pour l'utilisation pratique En outre, lorsque le diapason est fixé à un appareil de mesure, par exemple un appareil de pesée, le diapason est soumis à 20 une contrainte interne parasite De plus, la contrainte interne dépend d'opérations de fixation respectives et, par conséquent, les caractéristiques des diapasons peuvent être différentes pour des diapasons respectifs Dans certains cas, des phénomènes d'hystérésis et de fluage peuvent se 25 produire, et la résolution peut être diminuée Il faut en outre noter que du fait que les diverses parties sont formées par des matières ayant des coefficients de dilatation thermique différents, une erreur peut être introduite par une variation de température. L'invention a pour but de procurer un mécanisme de conversion de poids utilisant un vibreur à diapason, qui soit capable de supprimer tous les inconvénients précités, qui puisse être réalisé par un plus petit nombre d'opérations de fabrication, qui ait d'excellentes caractéristi35 ques de vibration et qui ait une grande précision avec une structure simple Conformément à l'invention, un mécanisme destiné à convertir un poids en une fréquence comprend un élément vibrant formé par un vibreur à diapason qui comporte une paire de branches vibrantes en forme de lames, s'éten5 dant parallèlement l'une à l'autre avec un axe de symétrie central, et une paire de parties de liaison destinées à coupler mutuellement les branches vibrantes à leurs deux extrémités, la fréquence de résonance naturelle du diapason étant changée sous l'effet du poids qui lui est appliqué 10 dans la direction axiale, caractérisé en ce qu'un côté de l'élément vibrant, lorsqu'on le regarde dans la direction axiale, est relié par une partie en forme de lame mince à un point de génération de force d'un levier qui est supporté au niveau d'un point d'appui, l'autre côté de l'élément 15 vibrant est accouplé par une partie en forme de lame mince à une partie de base, un point d'application de force du levier est accouplé au moyen d'une partie en forme de lame mince à une partie de réception de poids, le poids à convertir que reçoit la partie de réception de poids est trans20 féré à l'élément vibrant au moyen du levier, et toutes les parties sont intégrées en un seul corps. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue en perspective montrant un premier mode de réalisation du mécanisme de conversion de poids conforme à l'invention; La figure 2 est une vue en perspective montrant un second mode de réalisation du mécanisme de conversion de 30 poids conforme à l'invention; La figure 3 est une vue de face représentant un troisième mode de réalisation du mécanisme de conversion de poids conforme à l'invention; La figure 4 est une vue de face montrant un qua35 trième mode de réalisation du mécanisme de conversion de poids conforme à l'invention; et La figure 5 est une vue en perspective montrant un autre mode de réalisation d'un vibreur à diapason conforme à l'invention. La figure 1 représente la structure principale du mécanisme de conversion de poids conforme à l'invention Un vibreur à diapason 1 comprend une paire de branches vibrantes allongées la et lb, une paire de parties de liaison en U, 2 a et 2 b, destinées à relier mutuellement les branches 10 vibrantes la et lb à leurs extrémités respectives, et une paire de parties en forme de lames minces 3 a et 3 b, destinées à supporter les branches vibrantes à leurs deux extrémités, lorsqu'on les regarde dans une direction axiale On notera que dans des mécanismes de conversion connus, seul 15 le vibreur à quartz est formé en un seul corps indépendant. Pour produire une vibration continue, des premier et second éléments piezoélectriques 4 a et 4 b sont appliqués sur des côtés respectifs de la partie de liaison 2 b, au moyen d'une matière adhésive ou par dépôt par évaporation Ces éléments 20 sont respectivement connectés à une entrée et une sortie d'un amplificateur 5 qui se trouve à l'extérieur du vibreur 1 Dans ces conditions, le premier élément piezoélectrique 4 a a pour fonction d'exciter le vibreur 1 et le second élément piezoélectrique 4 b fait fonction de capteur En sélectionnant de façon appropriée des caractéristiques de gain et de fréquence pour l'amplificateur 5, les branches vibrantes allongées la et lb vibrent symétriquement à une fréquence naturelle qui correspond au poids, c'est-à-dire à la force,qui est appliqué au vibreur à diapason 1. Ainsi, en détectant la fréquence au moyen d'un compteur de fréquence 6, il est possible d'afficher le poids appliqué. Conformément à l'invention, le vibreur à diapason 1 n'est pas formé indépendamment sous la forme d'un seul corps, mais est intégré en un seul corps avec un levier 10 35 et une partie de base 11 Une extrémité du vibreur à diapa- son 1 est accouplée à une extrémité du levier 10 au moyen de la partie en forme de lame mince 3 a, à un point de génération de force 12 du levier 10 L'autre extrémité du vibreur à diapason 1 est accouplée à la partie de base 11 au moyen de la partie en forme de lame mince 3 b L'autre extrémité du levier 10 est accouplée par une branche de traction en forme de lame mince, 15, à une partie de réception de poids 16, au niveau d'un point d'application de force 14 du levier 10, ce dernier étant-supporté par la partie de base 11 au niveau d'un point 10 d'appui 13 Le poids qui est appliqué à la partie de réception de poids 16 est transféré par le levier 10 au vibreur à diapason 1. Le levier 10 peut avoir un rapport de levier désiré donné, a:b Lorsque le poids à convertir est inférieur à 50 N, il est pratique de prendre a inférieur à b Des trous 17 et 18 sont formés dans la partie de base 11 pour fixer le mécanisme de conversion à un bottier d'un appareil de pesée La partie de réception de poids 16 peut comporter un crochet 19 représenté en pointillés, et le poids à convertir peut 20 être appliqué au crochet, selon le cas Des saillies 20 et 21 formées d'un seul tenant avec la partie de base 11, sont respectivement formées près du point de génération de force 12 et du point d'application de force 14, de façon que le levier 10 soit séparé par de faibles distances de la partie 25 de base 11. Dans le mode de réalisation considéré, lorsque la force F qui est due au poids à mesurer est appliquée à la partie de réception de poids 16, cette force est appliquée au vibreur à diapason 1 par l'intermédiaire du levier 10 30 ayant le rapport de levier a:b, et la force multipliée (b/a)F est appliquée au vibreur 1 Dans ces conditions, en détectant la fréquence de vibration du vibreur 1 à l'aide du compteur de fréquence 6 on peut afficher le poids Dans ce cas, même si la force F qui est appliquée à la partie de réception de poids 16 n'est pas parallèle à l'axe central du t 548364 vibreur 1 et de la branche 15 en forme de lame mince, ou si une force perturbatrice autre que la force mesurée F est appliquée à des parties quelconques du mécanisme de conversion, le vibreur à diapason 1 n'est absolument pas endommagé et la condition de vibration n'est absolument pas affectée. A titre d'exemple lorsqu'une force F' ayant une composante parasite dans une direction X parallèle à un plan du corps est appliquée à la partie de réception de poids 16, cette composante dans la direction X est également 10 appliquée au levier 10, et une force latérale est appliquée au point d'appui 13, mais du fait que le levier 10 peut difficilement être déformé dans sa direction longitudinale, la composante parasite n'influence pas le vibreur à diapason 1 et, par conséquent, la condition de vibration du vibreur à 15 diapason 1 n'est pas modifiée En outre, si la force F contient une composante de torsion, cette composante est absorbée par la branche 15 en forme de lame mince et elle n'affecte donc pas le vibreur à diapason 1. Si la force F comprend une composante dans une direction Y perpendiculaire au corps, il apparaît un couple de rotation M autour d'un axe Z passant par le point d'appui 13 Le couple de rotation est alors atténué par le point d'appui 13, et l'influence du couple de rotation sur le vibreur 1 est notablement réduite, en fonction des dimensions du point d'appui 13 dans les directions X et Y. On notera qu'on peut réduire encore davantage le couple de rotation en accouplant de façon appropriée le crochet 19 à la partie de réception de poids 16. On va maintenant expliquer le fonctionnement dans le cas de l'application d'une force excessive, au-delà d'une gamme mesurable Dans un tel cas, le levier 10 tourne en sens d'horloge autour du point d'appui 13, et il est appliqué contre la saillie 21 proche du point d'application de force 14, ce qui limite la rotation du levier 10 De 35 cette manière, le vibreur à diapason 1 peut être protégé effectivement contre la force de valeur excessive Lorsqu'une force de compression excessivement grande est appliquée à la partie de réception de poids 16, la branche 15 en forme de lame mince est courbée, ce qui fait que le vibreur à diapa5 son 1 est protégé contre la force de compression excessive. En outre, même si la force de compression de valeur élevée est directement appliquée au levier 10, la rotation du levier 10 est limitée par la venue en contact du levier avec la saillie 20 qui est proche du point de génération de 10 force 12 De cette manière, le vibreur à diapason 1 peut être protégé effectivement contre des forces de traction et de compression excessivement grandes. Le mécanisme de conversion de poids expliqué ci-dessus peut être réalisé par divers procédés et, en pra15 tique, il est recommandé de former le mécanisme à partir d'une seule plaque au moyen d'une machine d'électroérosion à fil coupant Dans ce cas, le mécanisme, à l'exception des éléments piezoélectriques 4 a et 4 b, peut être formé à partir d'une seule matière, par un seul processus, et l'opéra20 tion de fabrication peut donc être très simple En outre, il n'y a pas d'introduction de caractéristiques différentes entre des appareils fabriqués individuels, et aucune contrainte interne ne peut être introduite du fait qu'il n'y a pas d'opération d'assemblage pendant la fabrication Il ne peut donc absolument pas apparaître d'hystérésis et de fluage, et on peut parvenir à des caractéristiques uniformes et à une résolution élevée En pratique, on peut réaliser le mécanisme de conversion à partir d'une plaque en un alliage ayant un coefficient d'élasticité constant, et après le découpage on recuit l'ensemble du corps, ce qui permet de supprimer complètement des contraintes internes quelconques dues à l'usinage De plus, du fait que l'ensemble du corps du mécanisme de conversion est formé par une seule matière, les coefficients de dilatation thermique des diverses par35 ties sont mutuellement égaux, ce qui fait que même en pré- sence d'une variation de température, le rapport b/a du levier est maintenu constant et il n'apparaît presque aucune erreur de mesure due à la variation de température. La figure 2 montre un second mode de réalisation 5 du mécanisme de conversion de poids conforme à l'invention. La différence du mode de réalisation présent par rapport au premier mode de réalisation, représenté sur la figure 1, consiste en ce que le levier 10 et la partie de base 11 sont mutuellement accouplés non seulement au niveau du point d'appui 13, mais également près du point d'application de charge 14, au moyen d'un ressort 22 en forme d'anneau mince, ayant une constante de rappel de valeur faible On notera que le ressort 22 est également formé d'un seul tenant avec le levier 10 et la partie de base 11. Lorsqu'une force de traction, par exemple de 50 N, est appliquée au vibreur à diapason 1, celui-ci s'allonge d'une très faible distance, d'environ 0,01 mm, et sa constante de rappel a donc une valeur très élevée, telle que 5000 N/mm On peut aisément fixer la constante de rappel du 20 ressort 22 à une valeur faible telle que 50 N/mm Dans ces conditions, le ressort 22 absorbe seulement environ 1 % de la charge F à mesurer, et la force restante est effectivement transférée au vibreur à quartz 1 L'existence du ressort 12 n'affecte donc pas du tout la mesure. Dans le mode de réalisation présent, lorsque la force F n'est pas parallèle à l'axe du vibreur à diapason 1 ou contient une composante dans la direction Y qui produit un moment M par rapport à l'axe Z, la force de cisaillement dans la direction Y est appliquée au ressort 30 22 Cependant, du fait que le ressort 22 a une très grande résistance contre la force dans la direction Y, le levier 10 ne subit pas une torsion autour de l'axe Z et, par conséquent, le moment M n'est pas transféré au vibreur à diapason 1 De cette manière, dans le mode de réalisation repré35 senté sur la figure 2, seule la force parallèle à l'axe du vibreur à diapason 1 est appliquée à ce dernier, et toutes les autres forces perturbatrices parasites sont supprimées, ce qui permet d'obtenir une mesure de très haute précision. En outre, lorsque la distance entre une moitié supérieure 522 a et une moitié inférieure 22 b du ressort 22 est fixée à une valeur faible, dans le cas o on applique une force excessivement grande, ces moitiés 22 a et 22 b viennent en premier en contact l'une avec l'autre ce qui permet de protéger effectivement le vibreur à diapason 1 contre les dété10 riorations. La figure 3 représente un troisième mode de réalisation du mécanisme de conversion de poids conforme à l'invention Dans le mode de réalisation présent, le point d'appui 13 n'est pas placé en position intermédiaire entre 15 le point d'application de force 14 et le point de génération de force 12, mais il est placé à l'opposé du point d'application de force 14 par rapport au point de génération de force 12 En outre, la partie de réception de poids 16 est placée au-dessus du point d'application de force 14 20 et elle est accouplée au levier 10 au moyen d'une branche en forme de lame mince La force F due au poids à mesurer doit donc être appliquée vers le haut, comme l'indique une flèche En outre, un ressort 23 qui est similaire au ressort 22 du mode de réalisation de la figure 2 est formé d'un seul 25 tenant avec le corps entre le levier 10 et la partie de base 11 Le ressort 23 a une forme en U, mais on peut lui donner n'importe quelle forme désirée, comme une forme en S, aussi longtemps qu'il a une constante de rappel faible et une résistance élevée vis-à-vis de la force de cisaillement. La figure 4 représente un quatrième mode de réalisation du mécanisme de conversion de poids conforme à l'invention, qui offre une plus grande résistance vis-à-vis d'une force parasite que le premier mode de réalisation représenté sur la figure 1 Il existe un mécanisme formé par 35 des éléments de liaison parallèles comprenant un premier élément de liaison 24 ayant des articulations à flexion 24 a et 24 b à ses deux extrémités, et un second élément de liaison ayant également des articulations à flexion 25 a et 25 b à ses deux extrémités, ces éléments de liaison s'étendant parallèlement au levier 10 Les éléments de liaison 24 et 25 sont accouplés, d'une part, à la partie de base 11 par l'intermédiaire des articulations à flexion 24 a et 25 a, et d'autre part à une biellette 26 dont une extrémité inférieure est accouplée à la partie de réception de poids 16. Dans le mode de réalisation présent, du fait que la partie de réception de poids 16 et la biellette 26 forment un corps rigide, lorsque le déplacement est faible, ils ne peuvent pas se déplacer dans des directions autres qu'une direction perpendiculaire aux éléments de liaison 24 15 et 25, c'est-à-dire dans une direction parallèle à l'axe du vibreur à diapason 1 Par conséquent, même si une force F' comprenant une composante dans la direction de l'axe X est appliquée à la partie de réception de poids 16, la composante parasite dans la direction de l'axe X est absorbée par les éléments de liaison 24 et 25 et n'a aucune influence sur la branche en forme de lame mince 15 et sur le résonateur à diapason 1 De façon similaire, même si un moment de torsion est appliqué à la partie de réception de poids 16, ce moment est absorbé par le mécanisme articulé comprenant les élé25 ments de liaison 24 et 25 et la biellette 26, ce qui fait que le vibreur à diapason 1 n'est pas affecté En outre, dans le mode de réalisation présent, une saillie 27 est formée d'un seul tenant avec la partie de réception de poids 16 et fait face à la partie de base 11 en étant séparée 30 d'elle par une faible distance La saillie 27 fait donc fonction de butée lorsqu'une force excessivement grande est appliquée à la partie de réception de poids 16. La figure 5 est une vue en perspective montrant un autre mode de réalisation du vibreur à diapason conforme 35 à l'invention Dans le mode de réalisation présent, les par- ties similaires à celles de la figure 1 sont désignées par les mêmes numéros de référence que sur la figure 1 Dans ce mode de réalisation, des poids d'équilibrage cylindriques 28 a et 28 b sont respectivement formés dans des parties médianes 5 d'une paire de branches vibrantes la et lb, en ne formant qu'une seule pièce avec ces branches Il est important que les poids d'équilibrage 28 a et 28 b aient une dimension faible dans la direction axiale du diapason 1 et, par consé-. quent, les poids d'équilibrage peuvent avoir n'importe 10 quelle forme désirée autre que la forme cylindrique. Lorsque les poids d'équilibrage 28 a et 28 b sont formés au milieu des branches vibrantes la et lb, la fréquence naturelle du diapason 1 est diminuée, mais aucune influence indésirable n'est communiquée au diapason 1, du fait que le 15 milieu correspond à un ventre de vibration S'il se trouve que les fréquences naturelles des branches vibrantes respectives la et lb sont mutuellement différentes, on coupe l'un des poids d'équilibrage 28 a ou 28 b formé dans la branche ayant une fréquence de vibration inférieure, de façon à 20 enlever une partie de ce poids telle que sa fréquence de vibration devienne identique à la fréquence de vibration supérieure En outre, si les modes de vibration des branches la et lb ne sont pas mutuellement égaux, on peut les rendre identiques l'un à l'autre en coupant l'un des poids d'équi25 librage 28 a et 28 b, ou les deux De cette manière, on peut assurer de façon très précise l'identité mutuelle des caractéristiques de vibration des branches vibrantes la et lb, ce qui permet d'obtenir des vibrations précisément symétriques n'ayant pas de déphasage Ceci augmente la 30 valeur du facteur Q et évite la fuite de l'énergie de vibration hors du diapason 1 On peut en outre éviter l'influence d'une vibration externe et seule la force due au poids à mesurer peut être transférée fidèlement au diapason 1 La fréquence de vibration du diapason 1 est donc déter35 minée exclusivement par le poids appliqué, ce qui permet de mesurer le poids d'une manière très précise. Comme il est expliqué en détail ci-dessus, dans le mécanisme de conversion de poids conforme à l'invention, le vibrateur à diapason est formé d'un seul tenant avec la par5 tie de base et avec le levier, et on peut supprimer toute force perturbatrice parasite, ce qui permet d'obtenir une excellente précision de conversion En outre, du fait que tous les éléments sont formés d'un seul tenant, on peut simplifier considérablement le processus de fabrication, du 10 fait qu'il n'exige aucune opération d'assemblage. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Mécanisme destiné à convertir un poids en une fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend: un vibreur à diapason comprenant une paire de branches vibrantes en forme 5 de lames allongées, s'étendant parallèlement l'une à l'autre, et une paire de parties de liaison destinées à accoupler mutuellement les branches vibrantes à leurs deux extrémités, la fréquence de résonance naturelle du vibreur à diapason étant changée sous l'effet du poids qui est appliqué au 10 vibreur à diapason dans sa direction axiale; un levier ayant un point de génération de force, un point d'application de force et un point d'appui; une partie de base ayant des surfaces principales qui s'étendent dans la direction axiale du vibreur à diapason et qui est reliéeau point d'appui du levier; une première partie en forme de lame destinée à accoupler l'un des éléments de liaison au point de génération de force du levier; une seconde partie-en forme de lame destinée à accoupler l'autre élément de liaison à la partie de base; et une troisième partie en forme de lame destinée à accoupler le point de génération de force avec une partie de réception de poids à laquelle est appliqué un poids à convertir; la structure étant telle que tous les éléments comprenant le vibreur à diapason, le levier, la partie de base et les première, seconde et troisième parties 25 en forme de lames minces sont formés d'un seul tenant à partir d'un seul corps. 2 Mécanisme selon la revendication 1, caractérisé en ce que le levier fait face à une partie d'extrémité de la partie de base, près du point d'application de force, avec 30 un écartement correspondant à une faible distance, de façon que cette partie d'extrémité limite le mouvement du levier lorsqu'un poids excessif est appliqué au point d'application de force. 3 Mécanisme selon la revendication 1, caractérisé en ce que le levier fait face à une partie d'extrémité de la partie de base, près du point de génération de force, avec un écartement correspondant à une faible distance, de façon que le mouvement du levier soit limité par cette partie d'extrémité lorsqu'une force de compression excessive est appliquée au levier. 4 Mécanisme selon la revendication 1, caractérisé en ce que le levier et la partie de base sont mutuellement accouplés près du point d'application de force au moyen d'un 10 ressort de compression plat ayant une constante de rappel faible et formé d'un seul tenant avec le levier et la partie de base. Mécanisme selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une paire d'éléments de liai15 son parallèles ayant des articulations à flexion à leurs deux extrémités, l'un des côtés des éléments de liaison étant accouplé à la partie de base tandis que l'autre côté est accouplé à une biellette qui est elle-même accouplée à la partie de réception de poids, et le mouvement de la par20 tie de réception de poids est limité à la seule direction parallèle à la direction axiale du vibreur à diapason. 6 Mécanisme selon la revendication 1, caractérisé en ce que le point de génération de force se trouve entre le point d'appui et le point d'application de force, et la par25 tie de réception de poids est placée au-dessus du point d'application de force. 7 Mécanisme selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une extrémité du levier opposée au point de génération de force, par rapport au point d'appui, est accouplée à 30 la partie de base au moyen d'un ressort plat formé d'un seul tenant avec le levier et la partie de base. 8 Mécanisme selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des poids d'équilibrage formés d'un seul tenant avec les branches vibrantes respectives, au 35 milieu de ces dernières.