Brevet FR2557947A1 — publié le 19850712

Diaphragme ondulé pour capteur de pression La présente invention concerne un diaphragme ondulé pour capteur de pression. De façon plus précise, la présente invention concerne un diaphragme servant d'élément sensible dans un capteur de pression, notamment dans un capteur de pression différentielle, ce diaphragme étant du type ondulé. Les diaphragmes pour capteurs de pression se présentent, le plus souvent, sous la forme d'un disque en métal de très faible- épaisseur, par exemple de l'ordre du dixième de millimètre, dont la périphérie est destinée à être encastrée, par exemple, dans le corps du capteur. Sous l'effet de la différence des pressions appliquées de part et d'autre du diaphragme, celui-ci se déforme et le déplacement du centre du diaphragme qui en résulte est mesuré. Cette mesure de déplacement permet d'en déduire la valeur de la différence de pression. Les diaphragmes qui sont formés par un disque qui est plan au repos, présentent une très bonne flexibilité. En outre, la position de repos du centre d'un tel diaphragme (c'est-àdire lorsque les pressions régnant de part et d'autre du diaphragme sont égales) est relativement insensible aux variations de température, de pression statique (même pression appliquée sur les deux faces du diaphragme) ou d'effort de serrage du corps du capteur sur la périphérie du diaphragme. En revanche la zone linéaire de la courbe représentant le 2 - déplacement du centre du diaphragme en fonction de la pression différentielle qui lui est appliquée correspond à une plage de déplacement. Pour remédier à ce défaut de réponse du diaphragme, il est bien connu d'utiliser des diaphragmes du type ondulé. Un tel diaphragme est, par exemple, décrit dans le brevet français 2.016.115. La feuille mince formant le diaphragme est usinée, par exemple emboutie, pour présenter des ondulations concentriques à partir du centre du diaphragme formant ainsi une alternance de "bosses et de creux" depuis sa périphérie jusqu'au centre. Le diaphragme est de révolution autour d'un axe perpendiculaire à son plan moyen. Du fait des ondulations, le diaphragme présente une réponse déplacement/pression différentielle sensiblement linéaire dans un domaine de déplacements beaucoup plus étendu. Cependant, les diaphragmes ondulés de révolution connus présentent l'inconvénient d'être très sensibles aux variations de température, de pression statique et de serrage de la périphérie du diaphragme dans le corps du capteur. L'effet ce ces influences parasites se fait notamment sentir sur le zéro du capteur (position du centre du diaphragme lorsque la pression différentielle qui lui est appliquées est nulle) et sur la sensibilité du capteur. En effet, lors de variations de température ou de serrage de la membrane à l'encastrement ou encore de déformations dues à la pression statique, la périphérie -3- du diaphragme est soumise a des variations de rayon imposées par les déformations relatives du corps (par exemple la dilatation thermique différentielle entre le corps du capteur et la membrane). Ces variations de rayon provoquent une variation de la sensibilité du diaphragme que celui-ci soit plan ou comporte des ondulations de révolution autour de l'axe du diaphragme. Ces variations de rayon provoquent également un changement de la position du centre du diaphragme sauf dans le cas o le diaphrame est plan du fait de sa symétrie parfaite de part et d'autre du plan d'encastrement du diaphragme. Dans le cas des diaphragmes plans le centre reste immobile sous l'effet des variations de rayon, puisque les contraintes radiales en résultant sont dans le plan de symétrie du diaphragme. Au contraire dans le cas des diaphragmes ondulés de révolution le plan d'encastrement n'est pas un plan de symétrie et le centre se déplace sous l'effet des contraintes radiales. Les variations du zéro du capteur qui en résultent dans ce cas solit très gênantes pou un certain nombre d'applications. Pour remédier a cet inconvenient des diaphragmes ondulés classiques, l'objet principal de l'invention est de fournir un diaphragme ondulé qui présente l'avantage des diaphragmes ondulés de révolution, c'est-à-dire une réponse linéaire dans un domaine de déplacements étendu mais qui ne présente pas un zéro sensible aux variations de température, de pression statique et de serrage de sa pérlphérie. - 4 - Pour atteindre ce but, un diaphragme, selon l'invention, est réalisé à partir d'une feuille mince métallique comporte une zone périphérique plane -disposée dans un plan d'encastrement; une zone centrale plane parallèle disposée dans ledit plan d'encastrement; et, entre ladite zone périphérique et ladite zone centrale, une zone ondulée, et il se caractérise en ce que ladite zone ondulée est constituée par 2 n (n nombre entier) portions ondulées séparées par 2 n zones de raccordement,chaque zone de raccordement étant disposée de part et d'autre d'une portion de courbe disposée dans le plan d'encastrement et s'étendant de ladite zone centrale à ladite zone périphérique, deux portions ondulées séparées par une même zone de raccordement étant respectivement d'un premier type et d'un deuxième type, une portion ondulée du premier type se déduisant de la portion ondulée adjacente du deuxième type soit par une rotation de autour de ladite portion de courbe qui les sépare et qui est alors un segment de droite, ou par une rotation d'un angle de 2__ autour d'un axe dudit diaphragme perpendiculaire au plan d'encastrement suivie d'une symétrie par rapport audit plan d'encastrement. On obtient ainsi un diaphragme qui comporte n portions ondulées d'un premier type et n portions ondulées du deuxième type. Compte tenu des relations géométriques qui existent entre les portions ondulées des deux types, le plan d'encastrement du diaphragme constitue en même temps un plan de symétrie fonctionnelle pour le - 5 - diaphragme vis-à-vis des contraintes radiales induites par les variations de rayon provoquées par les phénomènes parasites déjà mentionnés. De préférence n est pair. Ainsi, deux portions ondulées opposées par le sommet sont d'un même type. c'est-à-dire identiques. Par raison de symétrie toute la zone centrale reste perpendiculaire a l'axe de symétrie de la membrane y compris pendant le déplacement. De préférence encore, les crêtes des ondulations se projettent orthogonalement sur le plan d'encastrement sur des cercles concentriques, et les portions de courbe sont des segments de droite passant par le centre commun desdits cercles. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés a titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une vue de dessus d'un premier mode de réalisation d'un diaphragme conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue en section verticale selon la ligne brisée II-II' de la figure 1, du premier mode de réalisation du diaphragme; -6- la figure 3 est une vue en section verticale selon la ligne III-III' de la figure 1 du premier mode de réalisation du diaphragme; S - la figure 4 est une vue développée en coupe verticale selon l'arc de cercle IV-IV de la figure 1; - la figure 5 est une vue semblable à celle de la figure 4, mais montrant une première variante du premier mode de réalisation du diaphragme; - la figure 6 est une vue de dessus d'une deuxième variante du premier mode de réalisation du diaphragme selon l'invention; et - la figure 7 est une vue de dessus d'une troisième variante du premier mode de réalisation du diaphragme selon l'invention. la figure 8a est une vue de dessus d'un deuxième mode de réalisation du diaphragme; et - les figures 8b et 8c sont des vues en coupe selon les lignes BB et CC de la figure 8a; la figure 9a est une vue de dessus d'un troisième mode de réalisation du diaphragme: et - les figures 9b et 9c sont des coupes selon les lignes DD et EE de la figure 9a; -7- En se référant tout d'abord aux figures 1 à 4, on va décrire un premier mode de réalisation du diaphragme. La figure 1 montre en vue de dessus une face du diaphragme. Il a la forme générale d'un disque 10 de centre 0. Le disque est formé dans une feuille mince, par exemple en acier inoxydable, dont l'épaisseur est de 1/10ème de millimètre selon le mode de réalisation décrit. La feuille est usinée, par exemple par emboutissage, pour définir depuis sa périphérie jusqu'à son centre 0 une zone périphérique plane 12, une zone ondulée 14 et une zone centrale circulaire 16, également plane, ayant comme centre le point 0. La zone périphérique 12 est disposée dans un plan P (figure 2) qui est appelé plan d'encastrement. La zone centrale 16, également plane, est disposée également dans le plan. La zone ondulée 14 est constituée par 2 n de portions ondulées n étant un nombre entier. De préférence, n est de la forme n = 2k, k étant un entier. Sur la figure 1, k vaut un et les quatre portions ondulées sont référencées 181 à 184. Les portions ondulées 181 à 184 sont séparées les unes des autres par quatre zones de raccordement référencées 201 à 204. Chaque zone de raccordement est disposée de part et d'autre d'une portion de courbe qui s'étend de la zone centrale 16 jusqu'à la zone périphérique 12 et qui est disposée dans le plan d'encastrement P. Plus généralement, il y a 2n zones de raccordement. Dans le cas de la figure 1, les portions de courbe sont des -8 segments de droite R1 à R4 qui appartiennent à des droites passant par le centre 0 du disque 10. La zone de raccordement 201 est disposée selon le segment R1, la zone 202 selon le segment R2, etc... Deux segments consécutifs font entre eux un angle de 900 ou, plus généralement, de 360 . Une définition plus 2 n précise des zones de raccordement sera donnée ultérieurement en liaison avec les figures 4 à 7. Dans chaque portion ondulée 181 à 184, on trouve des ondulations qui, si on considère une face du diaphragme, se présentent sous la forme d'une alternence de bosses B, figurées en trait plein sur la figure 1, et de creux C, figurés en pointillés sur cette même figure. Chaque portion ondulée comprend Q ondulations. Q vaut sept dans l'exemple considéré. Les crêtes des ondulations se projettent orthogonalement sur le plan P sur Q cercles D1 à D7 centrés au point 0. Sur les figures 2 & 3, on a représenté les intersections de ces cercles par les plans de coupe. Ainsi, les ondulations de rang 4 des quatre portions ondulées se projettent sur le même cercle D4. Selon le premier mode de réalisation, les ondulations de deux portions ondulées adjacentes se projetant sur. un même cercle sont respectivement une bosse B et un creux C. Par exemple, l'ondulation de rang 4 de la portion 181 est une bosse B alors que l'ondulation de même rang de la portion 184 est un creux C. Cela apparaît clairement sur la figure 2. Au contraire, la figure 3 montre que les ondulations de même rang -9- appartenant aux portions opposées 181 et 183 sont toutes les deux, soit une bosse B. soit un creux C. De plus, les ondulations se projetant sur un même cercle se projettent toutes selon des arcs de cercle ayant la même longueur. Si l'on considère les ondulations se projetant sur un même cercle, l'on a donc la même longueur de creux et de bosses. Dans l'exemple représenté sur les figures 1 à 4, les ondulations ont toutes la même profondeur e. La distance crête à crête est égale à 0,8 mm. Bien entendu, comme cela est connu, les ondulations les plus proches du centre pourraient avoir une profondeur inférieure à celles qui se trouvent plus près de la périphérie. Cependant, dans ce cas, les ondulations (creux ou boss) se projetant sur un même cercle présentent la même profondeur. Plus généralement selon le premier mode de réalisation, le diaphragme comprend n portions ondulées d'un premier type, toutes identiques, et n portions ondulées d'un deuxième type, toutes identiques. Une portion ondulée d'un premier type se déduit de la portion ondulée adjacente de l'autre type par une rotation de 21 autour du centre 0 suivie d'une symétrie par rapport au plan d'encastrement P. La figure 4 montre un premier mode de réalisation des zones de raccordement. Il s'agit, par exemple, de la zone de raccordement 201. La zone de raccordement résulte de la combinaison de sept zones de transition, telles que 221, permettant le passage entre une bosse - 10 - B et un creux C se projetant sur un même cercle D1 à D7. Dans la section cylindrique de la figure 4, on trouve la crête 26 de la bosse B, la crête 28 du creux C et la section de la surface de raccordement 30 entre la bosse et le creux. Dans ce cas, on a un raccordement direct entre une bosse et un creux. Si l'on considère le diaphragme décrit précédemment et pour lequel, de plus, le diamètre extérieur vaut 50 mm, le diamètre du cercle D7 vaut 40 mm et le diamètre du cercle D1 vaut 12 mm, les essais ont donné les résultats suivants: la variation sur le zéro est très inférieure à 0,5% pour une variation de température de C et elle est inférieure à 0,1% pour une variation de la pression statique de 100 bars. Si l'on considère un diaphragme ayant exactement les mêmes caractéristiques, mais comportant des ondulations classiques, c'est-à-dire un diaphragme de révolution, les chiffres ennoncés ci-dessus doivent respectivement être multipliés par 10 et par 5. Selon la variante de réalisation de la figure 5, le raccordement entre la crête 26 d'une bosse B et la crête 28 d'un creux C se fait par l'intermédiaire d'une portion de surface plane dont la section est référencée 32. Les portions de surface plane sont disposées dans le plan moyen P du diaphragme. L'ensemble des portions de surface plane 32 forme la zone de raccordement 201 qui est disposée selon le segment R1. La figure 6 montre une autre variante de réalisation des zones de raccordement 201 à 204 qui sont - 11 - toujours disposées selon les segments de droite R1 à R4. Selon cette variante de réalisation, les bosses appartenant aux deux portions ondulées o se trouvent les bosses les plus éloignées du centre 0, cest-à- dire celles qui se projettent sur le cercle D7, sont raccordées aux bosses des deux autres portions ondulées les plus éloignées du centre, c'est-à-dire celles qui se projettent sur le cercle D6. Dans l'exemple représenté sur la figure 6, les deux premières bosses qui sont référencées 50 & 52 appartiennent respectivement aux portions ondulées 181 et 183, et les deux autres bosses, qui sont respectivement référencées 54 & 56. appartiennent aux portions ondulées 182 et 184. Le raccordement se fait par des portions de bosses", référencées 58, 60, 62, 64, qui coupent obliquement les segments de droite R1 à R4. Il en va de même pour les bosses se projetant selon les autres cercles. Seules les bosses 66 & 68 des portions ondulées 181 et 183 se projetant sur le cercle D1 ne sont pas raccordées. Les creux se raccordent de la même manière. Dans certains cas d'utilisation des diaphragmes, on peut craindre que les zones de raccordement, disposées selon des urayons' du disque 10 formant le diaphragme, n'entraînent un moins bon comportement de ce diaphragme. Selon la variante de réalisation de la figure 7, les zones de raccordement référencées 701 à 704 sont disposées selon des portions de spirales S1 à S4 décalées les unes des autres de 90 . Les cercles D1 à D7 coupent toutes ces spirales S1 à S4 selon le même angle. Comme dans les variantes de réalisation précédentes, si l'on considère les - 12 - ondulations des deux portions ondulées disposées de part et d'autre d'une zone de raccordement et se projetant sur un même cercle D1 a D7, on trouve une bosse dans une des portions ondulée et un creux dans l'autre. C'est ce que montre la figure 7 o l'on a adopté les mêmes conventions que sur la figure 1 pour représenter les creux et les bosses. I1 faut encore ajouter que, dans le cas o la tôle dont est fait le diaphragme est obtenue par laminage, il faut de préférence que deux des zones de raccordement alignées soient disposées selon la direction de laminage. Sur la figure 1, on a symbolisé par la flèche F la direction du laminage. Les zones de raccordement 202 et 204 sont disposées selon la direction de laminage définie par la flèche F. Dans le premier mode de réalisation décrit en référence aux figures 1 à 7, les crêtes des ondulations, c'est-a-dire des creux et des bosses, se projettent orthogonalement sur le plan d'encastrement P sur des cercles concentriques dont le centre est confondu avec celui du diaphragme. Les figures 8a à 8c montrent un deuxième mode de réalisation du diaphragme, dans lequel les ondulations ont d'autres formes. La figure 8a montre un diaphragme 100 de forme non circulaire. Ce diaphragme comprend une zone périphérique plane 102, une zone centrale plane 104 contenant le centre 0 du diaphragme, et une zone - 13 - ondulée 106 disposée entre les zones 102 et 104. Les zones 102 et 104 sont situées dans le plan d'encastrement P. La zone ondulée 106 est constituée par quatre portions ondulées 1081 à 1084 séparées par quatre zones de raccordement 1101 & 1104. Chaque zone de raccordement 1101 à 1104 est disposée de part et d'autre d'un des quatre segments de droite R'1 à R'4 dont les prolongements passent par le centre 0 du diaphragme, les segments R'1 à R'4 étant situés dans le plan d'encastrement P. Deux segments consécutifs font entre eux un angle de 90 . Chaque portion ondulée 1081 a 1084 est constituée par une alternancede bosses B et de creux C. Comme le montre la figure 8a les portions ondulées 1081 et 1083 sont identiques et dites d'un premier type et les portions ondulées 1082 et 1084 sont identiques et dites d'un deuxième type. Selon ce deuxième mode de réalisation, la forme et la disposition des ondulations sont telles qu'une portion ondulée d'un type, par exemple la portion 1081 du premier type se déduit d'une portion adjacente qui est de l'autre type, par exemple la portion ondulée 1082 qui est du deuxième type, par une rotation de 1800 autour du segment R1 qui définit la zone de raccordement 1101 séparant les portions ondulées 1081 et 1082. De même la portion ondulée 1082 se déduit de la portion ondulée 1083 par une rotation de 1800 autour de la droite portant le segment R2 etc. Plus généralement, le diaphragme peut comporter 2n portions ondulées et 2n zones de raccordement. Il y a n - 14 - portions ondulées du premier type et n du second. La relation géométrique entre les différentes portions ondulées imposent que toutes les portions ondulées comportent le même nombre d'ondulations. Les figures 9a à 9c illustrent un troisième mode de réalisation du diaphragme. Ce diaphragme 120a a la forme générale d'un disque de centre 0. Il comprend une zone périphérique plane 122 une zone centrale plane 124 et une zone ondulée 126 disposée entre la zone centrale et la zone périphérique. Les zones 122 et. 124 sont disposées dans le plan d'encastrement P. La zone ondulée 126 est formée par quatre portions ondulées 1281 à 1284 séparées par quatre zones de raccordement 1301 à 1304. Dans l'exemple de réalisation particulier du troisième mode de réalisation, chaque zone de raccordement est disposée de part et d'autre d'une parmi quatre portions de spirale S'1 à S'4 situées dans le plan d'encastrement P. Deux portions de spirale consécutives font entre elles un angle de 900. Cependant, les zones de raccordement 1301 à 1304 pourraient être disposées selon des segments de droite comme dans le mode de réalisation de la figure 8a. Les portions ondulées 1281 et 1283 sont identiques et d'un premier type, alors que les portions ondulées 1282 et 1284 sont également identiques et d'un deuxième type. Chaque portion ondulée 1281 à 1284 est constituée par une succession d'ondulations formant alternativement des bosses B et des creux C. - 15 - Selon ce troisième mode de réalisation du diaphragme on passe d'une portion ondulée du premier type (par exemple la portion 1281) à une portion adjacente qui est du deuxième type (par exemple la portion 1282) par une rotation de 900 autour d'un axe ZZ' passant par le centre O et perpendiculaire au plan d'encastrement P. suivie d'une symétrie par rapport au plan d'encastrement P. Plus généralement, le diaphragme selon le troisième mode de réalisation comprend 2n portions ondulées et 2n zones de raccordement. Chaque portion ondulée correspond a un angle au centre égal à 2_Umoins l'angle 2n au centre correspondant à une zone de raccordement, Il y a ainsi n portions ondulées du premier type et n du deuxième. On passe d'une portion ondulée qui est d'un premier type à une des deux portions ondulées adjacentes, qui est un deuxième type par une rotation de 2X autour de l'axe ZZ' et par une symétrie par rapport au plan d'encastrement P. En outre, il faut bien comprendre que lorsqu'on indique que chaque zone de raccordement est disposée de part et d'autre d'une portion de courbe, cela est vrai aussi bien en projection dans le plan de raccordement, que dans une surface contenant la portion de courbe et orthogonale au plan d'encastrement. Selon ce troisième type de réalisation du diaphragme toutes les portions ondulées 1281 à 1284 comportent le même nombre d'ondulations. - 16 - On comprend que le premier mode de réalisation selon lequel les ondulations se projettent sur le plan d'encastrement sur des cercles concentriques, constitue un cas limite entre le deuxième mode de réalisation de la figure 8a et le troisième mode de réalisation de la figure 9a. En effet, en se reportant à la figure 1 on voit qu'une zone portion ondulée du premier type (par exemple la portion 181) se déduit d'une portion ondulée de l'autre type (par exemple la portion 182) soit par une rotation de 180 autour du segment de droite R1, soit par une rotation de 900 autour du centre O suivie d'une symétrie par rapport au plan d'encastrement P. - 17 - REVENDICATIONS 1. Diaphragme réalisé à partir d'une feuille mince métallique qui comporte une zone périphérique (12) plane disposée dans un plan d'encastrement, une zone centrale (16) plane disposée dans ledit plan d'encastrement et, entre ladite zone périphérique et ladite zone centrale, une zone ondulée (14), caractérisé en ce que ladite zone ondulée est constituée par 2n (n nombre entier) portions ondulées (181 à 184) séparée par 2 n zones de raccordement, (201 à 204)chaque zone de raccordement étant disposée de part et d'autre d'une portion de courbe (R1 a R4) située dans le plan d'encastrement et s'étendant de ladite zone centrale (16) a ladite zone périphérique (12). deux portions ondulées séparées par une même zone de raccordement étant respectivement d'un premier type et d'un deuxième type, une portion ondulée du premier type se déduisant de la portion ondulée adjacente du deuxième type soit par une rotation de 1800 autour de ladite portion de courbe (R1 à R4) qui les sépare et qui est alors un segement de droite. ou par une rotation d'un angle de 2Y autour de l'axe dudit diaphragme perpendiculaire au p an d'encastrement suivie d'une symétrie par rapport audit plan d'encastrement. 2. Diaphragme selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre n est pair. - 18 - 3. Diaphragme selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque portion ondulée comprend Q ondulations et en ce que les crêtes et les creux des Q ondulations se projettent orthogonalement sur ledit plan d'encastrement sur Q cercles concentriques.