Brevet FR2575281A1 — publié le 19860627

CAPTEUR DE POSITION A ONDES ELASTIQUES La présente invention a pour objet un dispositif permettant de capter la position d'un point mobile par utilisation d'ondes élastiques se propageant dans une plaque solide. Ainsi qu'il est connu, il est possible de mesurer la position d'un élément (point) mobile en utilisant des ondes élastiques (également appelées ondes acoustiques) se propageant dans une plaque piézoélectrique: on émet des ondes élastiques à la surface ou dans le volume d'une plaque piézoélectrique, à un instant donné (t0), à partir d'un transducteur électro-élastique dont la position est connue l'onde se propage dans la plaque piézoélectrique et, après un certain temps (instant tel)' elle arrive au point dont on recherche les coordonnées et où l'on place un détecteur, piézoélectrique par exemple ; la mesure du temps de propagation (tl-t0) multipliée par la vitesse de propagation des ondes élastiques dans la plaque piézoélectrique (connue) donne la distance parcourue par l'onde et par suite la coordonnée du point. Un tel dispositif présente des limitations d'utilisation dues notamment au prix de revient d'une plaque piézoélectrique, qui croit avec sa taille, et aux dimensions maximales qu'il est possible d'obtenir pour une telle plaque. La présente invention a pour objet un capteur de position à ondes élastiques permettant d'éviter ces limitations. Il utilise en effet une plaque de matériau solide non piézoélectrique, du verre par exemple, dans laquelle se propagent des ondes élastiques engendrées par des transducteurs, périphériques par exemple, et captées par un crayon, placé au point dont on cherche les coordonnées.La plaque a une épaisseur telle que s'y propagent des ondes de Lamb, dites également ondes de plaque, et les transducteurs sont placés sur la surface de la plaque, par exemple son chant D'autres objets, particularités et résultats de- 15mention res sortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, qui représentent: - la figure 1, le schéma général du capteur de position selon l'invention - la figure 2, un mode de réalisation des transducteurs utilisés dans le capteur selon l'invention; - la figure 3, un mode de réalisation du crayon utilisé dans le dispositif selon l'invention. Sur ces différentes figures, les mêmes.références se rap portent aux mêmes éléments. Sur la figure 1, on a donc représenté le schéma général du capteur de position selon l'invention. Celui-ci se compose principalement : d'une plaque 1 non piézoélectrique ; de deux transducteurs électro-élastiques Tx et Ty, placés à la périphérie de cette plaque ; d'un crayon 2, placé sur le point (noté hA) dont on désire déterminer les coordonnées, et d'un ensemble de circuits électroniques 31 sa 34 et 41 à 44. La plaque 1 est donc constituée d'un matériau solide, non piézoélectrique, choisie de préférence pour que son impédance accoustique soit voisine de celle des transducteurs d'émission des ondes élastiques ; elle peut être par exemple en verre. Elle peut être par exemple, comme représentée sur la figure vue de dessus, de forme rectangulaire, ses côtés étant pris comme référence Oxy. La plaque 1 est placée de sorte à recouvrir le ou les points dont on veut déterminer les coordonnées. Ses dimensions en longueur et en largeur sont quelconques mais son épaisseur est telle que soient susceptibles de s'y propager des. ondes dites de Lamb ou encore de plaque, c'està-dire que son épaisseur est de l'ordre de la longueur de l'onde élastique qui s'y propage. -Le transducteur T est fixé sur la surface de la plaque 1, de y préférence à sa périphérie, sur la face supérieure ou inférieure de la plaque, ou encore sur son chant. Dans l'exemple représenté sur les figures, il est fixé sur l'un des côtés de la plaque 1, par exemple le côté parallèle à Ox. Il a pour fonction d'émettre dans la plaque 1 une onde élastique, schématisée par une bande 10 pointillée, dont le front est parallèle à Ox et qui correspond à un signal électrique d'excitation qu'il reçoit d'un ensemble de circuits électroniques 31 à 34. De façon analogue, le transducteur Tx est fixé sur un côté de la plaque 1 parallèle à Oy et a pour fonction d'émettre une onde élastique dont le front: est parallèle à Oy et qui correspond à un signal électrique reçu des mêmes circuits 31-34. Sur la figure 2, on a représenté, à titre d'exemple, un mode de réalisation du transducteur Tx (ou Ty ), vu dans le plan xOz, Oz étant un axe perpendiculaire au plan xOy. Sur la figure 2, on retrouve la plaque 1, vue en coupe, sur le côté 15 de laquelle est fixé le transducteur Tx également vu en coupe. Celuici est composé d'une plaquette d'un matériau piézoélectrique 11, une céramique par exemple, portant de part et d'autre par des électrodes planes 12 et 13, parallèles au plan yOz. Le transducteur Tx est fixé sur le coté 15 par exemple par une couche de colle 14. Dans une variante de réalisation, les- électrodes planes peuvent être parallèles au plan xOy et disposées de part et d'autre du matériau 11. Le crayon 2 est donc placé au point M dont on veut déterminer les coordonnées ; il est destiné à recevoir et capter les ondés élastiques se propageant dans la plaque 1 et il consiste en un transducteur élasto-électrique, réalisé par exemple à partir d'un matériau piézoélectrique. La figure 3 donne un mode de réalisation d'un tel crayon. Sur cette figure, on a représenté seulement l'extrémité du crayon 2. Celui-ci est constitué par un corps métallique 23, sensiblement cylindrique, par exemple réalisé en laiton. Le cylindre 23 est par exemple un cylindre creux (évidement 25 sensiblement cylindrique également). L'extrémité 27 du cylindre 23 porte une plaquette 21 d'un matériau piézoélectrique (cristal par exemple) qui est fixée par exemple par son autre grande face sur un corps 22, par exemple métallique et sensiblernent conique, dont la pointe 28 est placée au point M. Les parties métalliques 22 et 27 sont utilisées comme électrodes de prélèvement du signal électrique apparaissant aux bornes de la plaquette piézoélectrique 21.La partie 22, transmettant la vibration mécanique de la plaque 1 à la plaquette 21, est de préférence choisie en un matériau léger, tel que le dural ; au contraire, la partie 27 est de préférence choisie en un matériau plus lourd, afin de charger la plaquette. A titre d'exemple, on a représenté le cylindre 23 relié à la masse et le-cône 22 relié à un fil de signal 29, placé dans l'évidement central 25 du crayon. En outre, dans l'exemple de la figure 3, l'extrémité 27 du cylindre 23 se prolonge par un cône creux 24, formant blindage et protection autour du cône 22. Toujours dans l'exemple de la figure 3, un matériau 20 absorbant les vibrations mécaniques est disposé autour de la plaquette piézoélectrique 21, par exemple remplissant espace entre l'extrémité du corps 23 et le cône 22, comme un disque. Dans une variante de réalisation (non représentée), l'extrémité du crayon 2 (parties 22, 21 et 27) est percée de façon à laisser passer un instrument (crayon, feutre, bille...) permettant d'écrire, sur la plaque 1 par exemple. Dans une autre variante de réalisation, destinée notamment à faciliter le glissement du crayon 2 sur la surface de la plaque 1, et à améliorer leur contact, le crayon est muni à son extrémité 28 d'une pastille 26, par exemple en forme de disque, réalisée en un matériau souple comme du caoutchouc. Parallèlement, la surface de la plaque 1 peut recevoir une couche lubrifiante facilitant le glissement, comme par exemple un mince film d'huile. Dans une autre variante de réalisation, destinée à désigner un point précisément et/ou à laisser une trace sur la plaque 1, la surface de la plaque, restant transparente, est légèrement dépolie. En fonctionnement, un générateur d'impulsions 31 (figure 1) fournit une impulsion électrique alternativement aux transducteurs Tx et Ty par l'intermédiaire d'un commutateur 32 et, le cas échéant, de dispositifs de mise en forme et éventuellement d'amplification 33 et 34, respectivement pour les transducteurs Tx et Ty. Simultanément, le générateur 31 envoie une impulsion à un circuit de mesure de temps 42, afin de fournir à ce dernier l'instant (to) d'émission des ondes élastiques. Le transducteur Ty par exemple émet alors une onde élastique correspondant au signal électrique reçu, tel que représenté par la bande 10 sur la figure 1 et qui balaie la plaque 1 dans la direction Qv jusqu'à rencontrer la pointe du crayon 2 en M. L'onde élastique reçue par la pointe 28 du crayon 2 est transformée en un signal électrique par la plaquette piézoélectrique 21. Ce dernier signal est transmis à un détecteur 41 qui fournit au circuit 42 un signal à un instant tl, qui représente l'instant d'arrivée des ondes élastiques au point M. Le circuit 42, qui a par ailleurs reçu une impulsion à l'instant t0, en déduit la durée tl - to qu'il transmet à un circuit 43 de calcul de la coordonnée YM du point M. Cette coordonnée peut être ultérieurement transmise à un dispositif d'affichage 44 par exemple, ou à un calculateur, etc. Le circuit 42 de mesure de la durée tl - t0 peut être constitué par exemple par un compteur et une horloge, l'impulsion reçue à tQ déclenchant le comptage et l'impulsion reçue à tl l'arretant. Le circuit de calcul 43 peut être constitué par exemple par une mémoire, contenant la valeur de la vitesse de propagation des ondes élastiques dans la plaque 1, et un multiplicateur de la durée déterminée par le circuit 42 par cette vitesse, ce qui fournit la distance Après un temps au moins égal au temps de balayage de la plaque 1 par l'onde Sy, le générateur d'impulsions 31 fournit un signal électrique au transducteur Tx, lequel émet une onde élastique Sx correspondante dans la plaque 1.Cette onde Sx se propage jusqu'au point M, où elle est détectée par le crayon 2 ; et les circuits 41 à 43 fournissent alors la valeur de la coordonnée XM, comme dans le cas de la coordonnée YM. Dans le cas où la vitesse de propagation des ondes élastiques dans la plaque 1 n'est pas la même dans toutes les directions, le circuit 43 contient bien entendu la valeur de cette vitesse dans chacune des deux directions Ox et Oy. Dans une variante de réalisation (non représentée), les bords de la plaque 1 ne portant pas de transducteurs sont recouverts de matériau absorbant, afin d'éviter les réflexions parasites des ondes élastiques sur ces bords. Le matériau absorbant peut être constitué de bandes, collées sur la surface de la plaque. Dans une variante de réalisation, non représentée, le détecteur 41 comporte des circuits de mise en forme de l'impulsion détectée et/ou des circuits d'amplification, ainsi éventuellement qu'un circuit à seuil, afin d'éviter que des parasites ne soient pris en compte. Au plan de la réalisation pratique, tout ou partie du détecteur 41 peut être placé dans le crayon 2, à l'intérieur de l'évidement 25. A l'aide du dispositif décrit ci-dessus, en opérant un balayage de la plaque 1 par des ondes élastiques alternativement selon Ox et Oy, il est ainsi possible d'obtenir en permanence les coordonnées d'un point M se déplaçant sur la plaque 1, dont les dimensions ne sont pas limitées comme dans le cas de plaques piézoélectriques, mais peuvent atteindre plusieurs mètres carrés. A titre d'exemple, il a été réalisé un dispositif selon l'invention avec les caractéristiques suivantes: - pour les transducteurs périphériques Tx et Ty, des céra- miques piézoélectriques d'épaisseur environ 2mm, émettant des ondes élastiques de l'ordre de quelques centaines de kilohertz (4 à 600 KHz); - pour le transducteur du crayon 2, un cristal piézoélectrique carré d'environ 5mm de côté sur 0,5mm d'épaisseur, dont la fréquence propre, qui doit être très différente de la fréquence de l'onde reçue, est de l'ordre de quelques mégaherz (6 à 8 MHz); - pour l'impulsion électrique d'entrée, une amplitude de l'ordre de 50 volts, et une durée de l'ordre de la demi-période de Ponde élastique; ; - pour la dimension de la pointe de crayon 2, de préférence voisine du quart de la longueur d'onde élastique, environ 2mm de diamètre; - pour la plaque 1, une épaisseur d'environ 2mm et une surface d'environ 30 x 30 cm2. Un tel dispositif peut être utilisé par exemple dans le dialogue avec une machine informatique, pour désigner un point ou reproduire un graphisme donné. Dans ce dernier cas, il est avantageux que la plaque 1 soit transparente, afin de pouvoir être posée sur le graphisme à reproduire, le crayon 2 suivant alors simplement le contour du graphisme. Toutefois, si le graphisme est réalisé sur un support suffisamment fin (papier par exemple), le support peut être posé sur la plaque, le crayon suivant alors le graphisme directement sur le support. REVENDICATIONS l. Capteur de la position d'un point (M), comportant : une plaque (1), sur laquelle le point (M) est mobile et dans laquelle sont susceptibles de se propager des ondes élastiques (Sx, Sy) 9 des transducteurs (Tx, T ), susceptibles d'émettre ces ondes élastiques sur commande d'un signal électrique, et un récepteur (2) de ces ondes élastiques, placé au dit point (M) ; le capteur étant caractérisé par le fait que la plaque (1) est réalisée en un matériau non piézoélectrique et que les transducteurs (Tx, Ty) sont fixés sur la y surface de la plaque. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'épaisseur de la plaque (1) est de l'ordre de grandeur de la longueur de l'onde élastique qui s'y propage. 3. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que chacun des transducteurs (Tx, T ) comporte y une plaquette (11) d'un matériau piézoélectrique portant deux électrodes (12, 13), et qu'il est fixé, par sa plaquette ou l'une de ses électrodes, sur la surface de la plaque (1). 4. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que chacun des transducteurs (Tx, Ty) est placé à la périphérie de la plaque (1). 5. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que chacun des transducteurs (Tx, Ty) est placé sur le chant de la plaque (1). 6. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le récepteur (2) est sensiblement en forme de crayon dont l'extrémité (27) porte une plaquette (21) de matériau piézoélectrique, cette dernière portant une pièce en forme de cône (22) dont l'extrémité est placée au dit point (M). 7. Capteur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit cône (22) est protégé par une pièce (24) en forme de cône creux, l'entourant. 8. Capteur selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait que le récepteur (2) comporte en outre des moyens absorbant les vibrations mecaniques disposés autour de la plaquette piézoélectrique (21) du récepteur. 9. Capteur selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que le crayon (2) comporte des moyens pour écrire. 10. Capteur selon l'une des revendications précédentesg caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens facilitant le glissement et/ou le contact du récepteur (2) sur la plaquette (1) 11. Capteur selon la revendication 10, caractérisé par le fait que ces moyens comportent une couche lubrifiante déposée sur la surface de la plaque (1), et/ou une pastille (26) de matériau souple disposée à l'extrémité du récepteur (2) reposant sur la plaque. 12. Capteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que la plaque (1) est dépolie.