Brevet FR2595466A1 — publié le 19870911

L'invention concerne un transducteur de force ou de pression possédant une lame qui est reliée au moins de deux côtés à un cadre principalement rigide. Dans les transducteurs de force ou de pression on utilise souvent comme élément de mesure élastique des lames dont la déformation proportionnelle à la grandeur mesurée est convertie en un signal de mesure électrique, par exemple grace à un système de jauges de contrainte à fil résistant ou bien à un capteur de déplacement capacitif. La forme la plus simple de lame est la poutre rectiligne avec laquelle une force dirigée perpendiculairement au sens de la barre donne naissance à un état de contrainte uniaxe. Mais on uti- lise aussi dans une large mesure des lames au sens général, c'est-à-dire encastrées, de plusieurs côtés ou de tous les côtés, la plupart du temps avec bordure circulaire (lames circulaires) qui, lorsqu'ils sont soumis à une force ou à une pression, présentent une contrainte mécanique biaxe. Pour réaliser les conditions d'encastrement rigide sur le bord extérieur, il faut que ces lames soient fabriquées d'une seule pièce avec un collet intégré extérieur car lorsqu'on procède de la façon qui semble naturelle avec un diaphragme plan séparé et. une bride de serrage fabriquée à part, laliai- son ne peut pas être réalisée sans effet de réaction en raison du moment de fléchissement relativement élevé au point d'en- castrement. Alors que le mode de construction monobloc dont il vient d'être question n'entraîne pas d'inconvénients ma- jeurs en ce qui concerne la technique de fabrication lorsqu'- il s'agit de transducteurs à jauges de contrainte collées, elle provoque une forte élévation des frais de fabrication lorsqu'on fait appel à la technologie des jauges de con- trainte en couche mince parce qu'on ne peut obtenir dans ce cas une solution rentable qu'avec des substrats de tôle par traitement groupé. Or avec une tôle simple à faces planes et parallèles, la bride monobloc rigide que l'on veut avoir n'est pas réalisable. Le brevet US 3 621 435, par exemple, décrit un trans- ducteur de force ou de pression à lame dans lequel la lame est faite d'au moins deux parties, la première partie inté- rieure, se présentant exclusivement comme une plaque sensi- blement plane, déformable, tandis que la deuxième partie extérieure, entoure la partie extérieure de la lame élasti- que et que seule la première partie intérieure de la lame est utilisée pour la détection de la déformation provoquée par la force ou la pression. L'invention a pour but de réaliser un corps de lame tel que tout en pouvant utiliser un élément capteur élastique plan, par exemple un plan circulaire et par exemple pourvu de jauges de contrainte à couche mince, la fixation de cet élément capteur dans la monture massive ne provoque pas de réactions sur son comportement d'élasticité. Ce résultat est obtenu par l'invention grâce au fait que la lame est constituée par au moins deux parties, la première partie intérieure seule se présentant sous la forme d'une plaque déformable, sensiblement plane, tandis que la deuxième partie extérieure comprend la zone extérieure de la lame élastique ainsi que le cadre essentiellement rigide qui s'y raccorde, que la zone de liaison entre les deux par- ties du diaphragmese trouve là o le moment de fléchissement perpendiculaire à l'emplacement de liaison est infiniment petit et que seule la première partie intérieure de la lame est utilisée pour la détection de la d4formation provoquée par la force ou par la pression. Par conséquent, contrairement au mode de construc- tion monobloc habituel, l'élément de mesure élastique, une lame est faite de deux parties à savoir l'élément capteur proprement dit intérieur qui porte également le senseur de déformation électrique, et un corps de support extérieur dont les parties de raccordement qui sont également défor- mables élastiquement agissent comme joints articulés de flexion adaptés et permettent ainsi la présence entre les deux parties d'un emplacement de liaison non soumis à une force de fléchissement. Malgré la simplicité de la technique de liaison utilisée, le transducteur selon l'invention ne présente pas, grâce à ces joints articulés de flexion adaptés, d'hystérésis mécanique ou thermique gênante. Des développements avantageux de l'invention résul- tent des sous-revendications. L'invention est décrite ci-après au moyen de quelques 3- exemples de réalisation en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure la représente une poutre de flexion en- castrée de deux côtés; - la figure lb montre le diagramedu moment de fléchissement de la poutre de flexion selon la figure la; - la figure lc représente une poutre de flexion en plusieurs parties; - la figure 2a représente en vue par dessus un trans- ducteur de force avec jauges de contrainte; - la figure 2b représente en section transversale le transducteur de force de la figure 2a; - la figure 3 représente en section transversale un transducteur de pression avec détecteur capacitif; - la figure 4 représente un transducteur de pression complet avec sa cage; - la figure 5 représente un autre mode de réalisation de transducteur de force. Le concept de base de l'invention ressort de la fi- gure 1. La figure partielle la montre une poutre de flexion plane, simple, encastrée de deux côtés, soumise à une charge symétrique. La figure partielle lb est un diagramme du moment de fléchissement le long de la barre de flexion selon la figure la. Le moment de fléchissement passe par la valeur zéro aux points X1 et X'1 de sorte qu'une barre divisée en ces points comme le montre la figure partielle lc peut pré- senter en ces mêmes points des jonctions qui ne sont pas soumises à un moment de flexion. Cela revient à dire que la monture doit être réalisée sous forme d'un corps monobloc composé du bord d'encastrement 13 rigide et des parties flexibles de barre de flexion 2 et 3 et que les jonctions avec la partie médiane 1 simple qui est l'élément de mesure élastique proprement dit doivent être effectuées aux points X1 et X'1 (1/4 de la longueur totale). C'est cette partie médiane seule qui porte le système détecteur 14 proprement dit qui convertit la déformation proportionnelle à la charge en un signal exploitable par procédé électrique. La situa- tion est entièrement analogue en ce qui concerne les éléments élastiques à deux dimensions (lame circulaire, ressort rec- tangulaire ou ressort elliptique), aussi bien pour ce qui est de la chargeponctuelle F représentée ici qu'en ce qui concerne une pression hydrostatique p. On peut faire varier seulement les points X1 et X'1 en fonction de la statique d'élasticité applicable. Pour les diaphragmes circulaires plans, (rayon a), on a X1 = 0,46.a, pour une charge ponc- tuelle centrale F, et X' = 0,63.a pour une pression hydro- statique p (avec un nombre de striction-Y= 0,3). En ces em- placements X1 et X'I o' la contrainte longitudinale devient infiniment petite, il se produit évidemment avec les dia- phragmes à deux dimensions des tensions transversales fina- les, mais, étant donné qu'elles s'étendent de façon constante au-delà du point de séparation, elles ne représentent pas pour la jonction une charge mécanique de sorte qu'en prin- cipe, cette jonction peut s'effectuer en posant simplement l'une sur l'autre les deux parties aux emplacements X1 et X'I Mais il est plus avantageux de procéder à une soudure 1' ou à un brasage. Les dimensionnements indiqués ci-dessus sont valables pour le cas o l'encastrement au bord est idéalement rigide et o la rigidité (E. I) est la même pour les parties défor- mables 2/3 et 1 de la figure lc. Si les conditions de rigi- dité au bord ne sont pas idéales (cintrage élastique de la bride), elles peuvent être compensées en décalant légèrement vers le bord les emplacements X1 et X' D'autre part, il 1' y a lieu de veiller à ce qu'aux emplacements de séparation, la rigidité des éléments extérieurs élastiques 2/3 soit tou- jours la même que celle de l'élément détecteur 1 intérieur proprement dit, sinon le principe du point de liaison sans moment de flexion ne pourrait être réalisé. Naturellement, on peut utiliser dans ce cas égale- ment le profilage connu des lames à une certaine distance du point de séparation. Ce profilage consiste pour le trans- ducteur de pression à un renforcement des zones marginales tandis que, pour le transducteur de force, il est prévu de préférence en plus un renforcement du centre supportant la charge ponctuelle. La réalisation du détecteur électrique de déforma- tion sur la partie centrale élastique du capteur s'effectue 2595466 avantageusement suivant le principe de la jauge de contrain- te à fil résistant ou par procédé capacitif. Les exemples en sont fournis par les figures 2 et 3. En cas de mise en application du principe de la jauge de contrainte selon la figure 2, on ne dispose que d'un seul sens d'allongement de sorte qu'on ne peut réaliser qu'un montage en pont semi- actif asymétrique. A cette fin sont prévues les deux jauges de contrainte à allongement 4 et 4' représentées schémati- quement à la figure 2. Des résistances de compensations en température peuvent être réalisées sous la forme de résis- tances "passives" non allongées faites avec le même matériau que les jauges de contrainte et être montées séparément. A cet effet, dans le cas de jauge de contrainte à couche min- ce, on peut utiliser des chutes, par exemple les coins qui restent entre les flans ronds qui de toute façon reçoivent également la couche de revêtement. Le système capteur capa- citif représenté figure 3 est constitué par les deux élec- trodes annulaires 5 et 5' dont la dernière est montée sur le support isolant 6. Comme il est indiqué schématiquement par l'entretoise 19, le support isolant 6 est relié au cen- tre de la partie inférieure 21' du diaphragme et, sous l'ef- fet d'une charge, s'abaisse en même temps que cette partie inférieure 21' du diaphragme. A la figure 2b, l'application de la force est représentée seulement de façon schématique par le crochet 18. Dans les figures 2 et 3 les parois exté- rieures 23 et 23' massives correspondent à l'encastrement 13 fixe de la figure lc, les parties élastiques en saillie 22 et 22' correspondent au pbint de vue fonctionnel aux parties 2 et 3 de la figure lc et les disques élastiques intérieurs 21 et 21' correspondent au point de vue fonctionnel à la partie médiane 1 de la figure lc. Les figures 4 et 5 montrent deux modes de réalisa- tion pratique de l'invention. La figure 4 représente un transducteur de pression à diaphragme capteur 31 central rond qui est pourvu d'un système de jauges de contrainte à couche mince 4". L'assem- blage entre les deux parties 31 et 32/33 faites en acier résistant à la corrosion est effectué au moyen d'un cordon de soudure 7. De plus la figure montre les résistances de compensation en température 15 mentionnées plus haut dispo- sées sur la paroi de la cage 33, la platine électronique 8 incorporée ainsi que le câble de raccordement 9. La figure 5 montre un transducteur de force de pré- cision pour petites forces. Il est constitué par l'élément capteur intérieur formé par une plaquette 10 de saphir carrée et par le cadre 11 fait en tôle élastique dont la rigidité aux points de jonction correspond à celle de la plaquette de saphir. La liaison s'effectue ici aux emplacements 12 par exemple par brasure d'eutectique de métal précieux. Com- me détecteur d'allongement il est prévu ici des jauges de contrainte à couche mince 4"' en alliage métallique. L'appli- cation des forces s'effectue au centre au point 17, les points 16 sur le cadre 11 sont ceux o s'effectue l'appui solidaire de la cage. Le principe selon l'invention du diaphragme à frac- tionnement sans moment de fléchissement présente deux motiva- tions d'utilisation différentes. Il permet de réaliser à peu de frais des capteurs en tôle grâce au fait que le capteur actif ne nécessite qu'une surface minimum et que l'on peut pourtant disposer du collet rigide nécessaire. Les diaphragmes de capteurs qui doivent être faits en tôle sont fabriqués et pourvus de leur revête- ment comme multiplets par opération en parallèle. Lorsqu'on utilise des matériaux de diaphragme plus difficiles à usiner et coûteux, comme le saphir, qui sont de plus caractérisés par une tendance extrême à la rupture fragile, ce principe offre des avantages considérables en ce qui concerne le coût des matières premières et les frais de fabrication ainsi qu'en ce qui concerne la résistance en charge alternée. REVENDICATIONS 1- Transducteur de force ou de pression avec une lame élastique qui est reliée au moins de deux côtés à un cadre essentiellement rigide, caractérisé en ce que la lame est constituée par au moins deux parties (1, 2, 3, 10, 11, 21, 21', 22, 22', 31, 32), la première partie intérieure, (1, 10, 21, 21', 31), étant exclusivement une plaque sensi- blement plane déformable, tandis que la deuxième partie exté- rieure, comprend la zone extérieure (2, 3, 11, 22, 22', 32)- du dia- phragme élastique ainsi que le cadre (13, 23, 23', 33) essen- tiellement rigide qui s'y raccorde, que l'emplacement de liaison entre les deux parties du diaphragme se trouve là o le moment de fléchissement perpendiculaire à l'emplacement de liaison est infiniment petit, et que seule la première partie intérieure est utilisée pour la détection de la dé- formation provoquée par la force ou la pression. 2- Transducteur de force ou de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie intérieure-de la lame (21, 21', 31) présente la forme d'un cercle, d'une ellipse ou d'un rectangle et est relié sur la totalité de sa périphérie à la deuxième partie, extérieu- re, (22, 22', 32) de la lame. 3- Transducteur de force ou de pression selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première par- tie, intérieure, de la lame (21, 21'; 31) est faite en tôle métallique. 4Transducteur de force ou de pression selon la revendication 3, caractérisé en ce que la liaison entre la première partie, intérieure, de la lame (21, 21', 31) et la deuxième partie, extérieure, de la lame (22, 22', 32) s'effectue par collage, brasage ou soudage. - Transducteur de force ou de pression selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première par- tie, intérieure, de la lame (10) est faite en verre de silice, silicium ou saphir, que la deuxième partie, extérieure, de la lame (11) est faite en métal et que ces deux parties de la lame sont assemblées l'une à l'autre au moyen d'une bra- sure à bas point de fusion. 6- Transducteur de force ou de pression selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on utilise comme capteur pour la détection de la déformation un système de mesure de déplacement (5, 5') capacitif. 7- Transducteur de force ou de pression selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on utilise comme capteur de détection pour la détection de la déformation des jauges de contrainte à allongement {4, 4', 4", 4"'), de préférence du type en couche mince. 8- Transducteur de force ou de pression selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'en plus des jauges de contrainte à allongement à couche mince actives (4") sur la première partie intérieure du diaphragme (31) il est prévu d'autres jauges de contrainte (15) fabriquées suivant la même procédé de jauges de contrainte à couche mince, non soumises à une charge,jouant le rôle de résistances de réfé- rence passives pour la compensation de températures.