Brevet FR2673719A1 — publié le 19920911

DESCRIPTION "CAPTEUR A JAUGE DE CONTRAINTEK L'invention concerne un capteur à jauge de contrainte comprenant une jauge de contrainte pressée entre des membres presseurs qui déforment la jauge de contrainte, ladite jauge comprenant un substrat en forme de lame muni de détecteurs de contrainte. Un tel capteur trouve son application dans la détection ou la mesure de forces notamment dans des capteurs de forces Ceux-ci peuvent permettre de réaliser par exemple des balances, des détecteurs de charges, Il est connu dans l'analyse de la rigidité des matériaux d&eilâcer un échantillon sur deux appuis puis d'opérer une pression de l'autre côté de l'échantillon au milieu des deux appuis en exploitant son aptitude à la flexion. Une disposition analogue est mise en oeuvre pour mesurer des forces dans des capteurs utilisant des jauges de contrainte formées de résistances déposées sur un support rigide: deux appuis sont solidaires d'un premier membre presseur et l'appui placé en opposition est solidaire d'un second membre presseur. Ceci est par exemple décrit dans "Strain sensitivity of thick- film resistors" J S SHAH IEEE Trans CHMT-3, n'4, 1980, p 554. Les apppuis peuvent avoir la forme d'un couteau Les couteaux doivent être bien parallèles entre eux et ceci nécessite un usinage précis des différents organes. Pour des applications destinées à une large diffusion pour des raisons de coût, il n'est pas possible d'utiliser des organes parfaitement usinés Les organes que l'on est conduit à utiliser sont imparfaits quant à leur planéité, leur parallélisme, leur structure. La jauge de contrainte est généralement munie d'éléments régistifs dont la valeur varie avec la déformation du support sur lequel ils sont placés On utilise généralement plusieurs éléments résistifs qui sont connectés entre eux selon un montage en pont de Wheatstone Ceci permet d'obtenir un signal électrique directement proportionnel à la flexion du support indépendamment des variations de température. Pour que la mesure soit linéaire et fidèle, il est nécessaire que le support utilisé ait des propriétés mécaniques linéaires et reproductibles C'est l'intérêt des jauges constituées par une lame de céramique sur laquelle est déposée par sérigraphie une encre résistive La lame de céramique présente en effet une plage élastique très étendue arrêtée seulement par la rupture de la lame de céramique elle- même Il n'y a pas de déformation plastique ni d'hystérésis Afin de pouvoir opérer jusqu'au voisinage du point de rupture, il faut pouvoir disposer d'un moyen qui empêche de franchir ce point. D'autre part, un tel capteur à jauge de contrainte est principalement destiné à être utilisé dans des applications faisant l'objet d'une grande diffusion dans le public, par exemple, des balances ou des capteurs de force de toutes natures Les technologies mises en oeuvre doivent donc s'affranchir de contraintes liées aux grandes séries en particulier des dispersions sur les tolérances mécaniques des éléments constituants Il est à noter que la flexibilité qu'il faut exploiter pour les lames céramiques utilisées est de faible amplitude Par ailleurs, les lames céramiques utilisées pour les applications de large diffusion sont des lames du commerce, généralement non polies, avec une rugosité de surface, ou une cambrure pouvant être du même ordre de grandeur que l'amplitude de flexion Les tolérances mécaniques ne sont pas régulières de lame à lame Un réglage peut être correct pour une lame et être soit destructif soit provoquer des amplitudes trop faibles de flexion pour une autre lame Il est donc difficile de limiter ou de régler, en pratique, la flexion maximale que peut supporter une telle lame pour opérer correctement sans se briser. Le problème qui se pose est donc, à partir de lames céramiques courantes, de disposer de capteurs à jauge de contrainte ayant des caractéristiques reproductibles qui ne soient pas dépendantes des tolérances mécaniques variables des lames Ces tolérances variables concernent leur rugosité, leur cambrure, leur épaisseur, leur flexibilité ou autres. La solution consiste à interposer, entre la jauge de contrainte et au moins un des membres presseurs, au moins un ressort ayant une flexibilité supérieure à celle dudit substrat, ledit substrat et ledit ressort étant en appui l'un sur l'autre pour subir conjointement des déformations sous des pressions exercées par les membres presseurs. Préférentiellement le ressort est un ressort à lame courbée, car il est bien adapté à une industrialisation Ainsi le substrat qui reçoit l'action d'une force appliquée va se déformer tout en écrasant le ressort à lame courbée sur lequel il est en appui entraînant de ce fait une déformation dudit ressort Du fait de l'écrasement dudit ressortl le substrat se rapproche d'un des membres presseurs Il est nécessaire que les flexibilités du substrat et du ressort à lame courbée soient telles que l'un et l'autre se déforment, le ressort se déformant plus que le substrat Les flexibilités du ressort et du substrat doivent être telles que le substrat n'atteigne pas sa limite de rupture lorsque le déplacement maximal est atteint Ces déplacements sont limités par des butées. Un ressort à lame courbée présente une face concave et une face convexe Le substrat peut être en appui sur le ressort sur l'une ou l'autre face. Lorsque le substrat est placé du côté de la face concave dudit ressort, ce sont des bordures dudit substrat qui prennent appui sur le ressort Les bordures peuvent être munies de cales d'appui Il est possible également que le ressort soit du type à boudin ou du type à amortisseur tubulaire. Avantageusement, selon l'invention on combine la faible amplitude de déformation atteinte par un substrat déformé avec une amplitude de déformation plus grande atteinte par un ressort On peut ainsi exploiter la quasi-totalité de la déformation du substrat sans pour cela franchir sa limite de rupture. Dans toutes ces situations les déplacements peuvent être limités par des butées qui peuvent être placées soit sur le substrat soit sur le ressort soit sur au moins sur un membre presseur Cela permet de surcharger le capteur bien au-delà de la charge de rupture du substrat sans briser ce dernier. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures suivantes données à titre d'exemples non limitatifs qui représentent: Figure 1 une représentation schématique d'un art connu. Figure 2 un premier type de capteur à jauge de contrainte selon un premier mode de réalisation de l'invention. Figure 3: un premier type de capteur à jauge de contrainte selon un second mode de réalisation de l'invention. Figures 4 A,4 B: différentes possibilités de positionnement des butées selon les premier et second modes de réalisation. Figures 5 A,5 B: deux modes de montage des butées. Figure 6: une courbe de variation de la sensibilité d'un capteur en fonction de la charge appliquée selon le premier mode de réalisation. Figure 7: un schéma des bordures crénelées du substrat. Figures 8 A, 8 B: une vue en coupe et une vue de dessus d'un substrat muni de cales d'appui. Figure 9: un schéma d'un berceau muni des cales d'appui. Figures 10 A, 10 B: un second type de capteur à jauge de contrainte selon l'invention. La figure 1 est une représentation schématique d'un art connu pour lequel un substrat 5 d'une jauge de contrainte 6 est placé sur deux couteaux inférieurs 41 r 42 un couteau supérieur 3 appliquant une force de pression Sous l'action de la force, le substrat fléchit et subit une flèche f Dans le cas de substrats assez rigides comme par exemple les lames de céramique, cette flèche est très faible de l'ordre de 5 10-2 mm. Pour éviter que la lame de céramique se brise sous l'action de forces trop élevées, il faut alors limiter la valeur que peut prendre cette flèche f. D'autre part, ces lames de céramique formées souvent d'alumine frittée ont une rugosité de surface et une cambrure sensiblement du même ordre de grandeur que la flèche f Pour limiter la flèche prise par la lame, il faut donc utiliser des cales d'épaisseur très réduite Compte tenu des écarts de cambrure ceci s'avère très délicat en pratique car les lames ont des dispersions dans leurs caractéristiques mécaniques qui peuvent être très grandes Il apparaît ainsi évident qu'il est très difficile de maîtriser les limites de flèche car si l'on privilégie le non-franchissement de la limite de rupture de la lame on risque alors d'avoir une course trop faible pour opérer des mesures de contrainte Et si l'on privilégie l'étendue de la course, on peut, pour certaines lames, atteindre la limite de rupture et briser la lame. Le capteur selon l'invention étant destiné à utiliser des lames de céramique sans traitement de surface préalable, il faut donc chercher à s'affranchir de ces difficultés. La figure 2 représente un premier type de capteur selon l'invention pour lequel le ressort est constitué d'une lame courbée Ce capteur comprend deux membres presseurs 10, 11 sur lesquels agissent une force de pression F Celle-ci est transmise à une jauge de contrainte qui prend appui sur un ressort à lame courbée 13 La jauge de contrainte 12 est formée d'un substrat en forme de lame (appelé par la suite substrat) sur lequel sont disposés des détecteurs de contrainte par exemple la résistance 14 Plusieurs tels détecteurs sont disposés à la surface du substrat Pour des questions de sensibilité à la contrainte et d'insensibilité aux variations de température, ces détecteurs sont habituellement montés en pont de Wheastone. Selon un premier mode de réalisation de ce premier type de capteur représenté sur la figure 2, le substrat prend appui sur la face concave du ressort à lame Le substrat appuie donc sur le ressort 13 par des bordures 151, 15 Le membre presseur 11 transmet la force appliquée F à l'aide d'un élément 16 qui peut: soit agir pratiquement ponctuellement par exemple une bille ou une pièce de faible surface de contact, soit agir sur une certaine longueur dans une direction perpendiculaire à la direction de la longueur du substrat par exemple une tige qui peut être cylindrique pour s'affranchir des écarts de planéité, soit agir dans la direction précédente et dans la direction qui lui est perpendiculaire sur une certaine longueur par exemple à l'aide de deux tiges cylindriques fixées entre elles et formant un croisillon On s'affranchit dans ce cas des écarts de planéité dans les deux directions. Cet élément 16 transmet l'action de la force appliquée F sensiblement au centre du substrat de façon à agir en opposition avec les deux bordures 15, 152 ' qui prennent appui sur le ressort 13 Sous l'action de la force F, le substrat 12 de la jauge de contrainte va fléchir mais cette action provoque également l'écrasement du ressort 13 sur le membre presseur 10 La flexibilité du ressort 13 est déterminée pour qu'en fin d'écrasement le substrat ne puisse pas se briser, le substrat ayant alors trouvé un appui central. La figure 3 représente un second mode de réalisation de ce premier type de capteur dans lequel le substrat 12 prend appui sur la face convexe du ressort 13 Dans ce cas, le membre presseur 11 applique la force de pression F sur le substrat 12 à l'aide de deux éléments 161, 162, placés vers les extrémités du substrat 12 Ainsi la force de réaction du ressort 13 sur le substrat 12 s'oppose aux forces qui agissent sur le substrat 12 par les éléments 161, 16 De la même manière que précédemment, les flexibilités du substrat et du ressort sont déterminées pour qu'en fin d'écrasement le substrat ne puisse pas se briser Il est possible de retenir une des extrémités du ressort 13 par exemple dans une encoche 17 pratiquée dans le membre presseur Tout autre mode de maintien équivalent convient. En fonctionnement les membres presseurs 10, 11 sont mobiles l'un par rapport à l'autre Il est nécessaire de leur donner cette mobilité dans la direction du déplacement tout en les maintenant pour les autres directions Ceci peut par exemple être obtenu à l'aide de glissières (non représentées). Selon l'invention, on ne contrôle plus directement la flèche maximale que peut prendre le substrat 12 sans se rompre Ce contrôle s'opère indirectement en contrôlant le déplacement maximal que peut subir le ressort 13 lors de son écrasement par le substrat Ce contrôle est réalisé à l'aide de butées. La figure 4 A se rapporte au premier mode de réalisation représenté sur la figure 2 Les mêmes éléments sont munis des mêmes repères Sur la figure 4 A sont indiquées à titre d'exemple trois possibilités de positionnement des butées Ces trois possibilités sont, préférentiellement, à utiliser indépendamment l'une de l'autre. Une première possibilité consiste à placer une butée sous le substrat 12 sensiblement en son centre Ainsi lors de l'application de la force F, la limite maximale de flexion que peut subir le substrat 12 et la limite maximale d'écrasement que peut subir le ressort 13 sont conjointement obtenues lorsque la butée 20 vient en contact avec la face concave du ressort 13. Une seconde possibilité consiste à placer une butée 21 sur la face concave du ressort 13, sensiblement en son centre Les limites maximales précédentes sont alors atteintes lorsque la butée 21 vient en contact avec le substrat 12. Une troisième possibilité consiste à placer deux butées 221, 222 sur l'un des membres presseurs par exemple le membre presseur 11 L'avantage de cette disposition est, en cas de surcharge, de n'apporter aucune contrainte supplémentaire au substrat lui-même. Selon l'une quelconque de ces possibilités, la taille des butées est déterminée en fonction des flexibilités du substrat 12 et du ressort 13 et de la distance qui sépare les membres presseurs 10, 11 Cette taille de butée reste alors la même pour des lots de substrats, respectivement de ressorts, ayant des caractéristiques sensiblement homogènes. La figure 4 B se rapporte au second mode de réalisation représenté sur la figure 3 D'une manière analogue à ce qui vient d'être décrit pour la figure 4 A, il est possible d'utiliser: soit deux butées 321, 322 placées sur un des membres presseurs, par exemple le membre presseur 11, extérieurement au substrat 12, soit deux butées 331, 332 placées aux extrémités du substrat 12 qui viennent prendre appui sur le membre presseur en limite d'écrasement Dans ce cas, les butées 331 332 sont préférentiellement placées en face des organes 16 V 162 sur la face opposée du substrat 12. Toutes les butées peuvent être constituées de pièces rapportées fixées par collage ou soudure par exemple Elles peuvent aussi être réalisées dans la masse de l'élément auquel elles se rapportent. Ainsi le montage de la butée 21 de la figure 4 A peut se concevoir par exemple selon le schéma de la figure 5 A Dans ce cas, la butée est une butée 21 réalisée dans la masse du ressort 13 Un autre montage peut se concevoir par exemple selon le schéma de la figure 5 B Dans ce cas, la butée est une butée 21 fixée au membre presseur 10, cette butée 21 traversant une ouverture 30 pratiquée dans le ressort 13 La butée 21 peut aussi être constituée d'une vis qui peut se déplacer dans le membre presseur 10 afin de régler la longueur de la butée. Une application d'un capteur à jauge de contrainte selon l'invention consiste par exemple à détecter le poids de charges placées sur le capteur Ce poids doit pouvoir être déterminé pour une certaine gamme de poids Si la charge disposée sur le capteur dépasse la limite de ladite gamme, le capteur ne doit pas se rompre Une telle application se rencontre par exemple pour des plaques tactiles munies de jauges de contrainte La force appliquée F peut être un poids ou une force de pression. Dans le cas d'un substrat en céramique, il a été observé que la flèche maximale admissible est très faible Un substrat de 31 x 16 x 1 mm posé sur deux appuis distants de 25 mm présente une flèche maximale de 5 10 2 mm pour un poids au centre de 10 kg Sans l'apport de l'invention et compte tenu des irrégularités de surface et du gauchissement, on constate qu'il serait difficile d'équiper chaque substrat des butées nécessaires au contrôle d'une flèche de 5 10 2 mm maximum soit que cela entraînerait des difficultés d'usinage des butées, ce qui est inadmissible pour un produit de grande diffusion, - soit que les apports de colle/soudure ne pourraient pas être correctement dosés. Grâce à l'invention on surmonte ces difficultés à l'aide d'un ressort à lame courbée par exemple en acier à ressort, en CHRYSOCAL, ou tout autre matériau ayant les propriétés élastiques adaptées Avec le substrat en céramique précédent on a, par exemple, utilisé un ressort à lame en acier à ressort ayant au repos un rayon de courbure de 240 mm ayant une élasticité telle que la flèche au-centre était d'environ 0,5 mm lorsqu'un poids de 10 kg chargeait le ressort portant sur deux appuis distants de 31 mm Ainsi, pour cet exemple, le rapport de flexibilité du ressort et du substrat était environ égal à 10. Avec une telle disposition, des butées spécifiques n'étaient pas indispensables car pour une charge égale ou supérieure à 10 kg le ressort à lame était presque complètement aplati et le substrat venait en contact avec le ressort. La courbe I de sensibilité d'un tel capteur (fig 2) est représentée sur la figure 6 o sont indiqués en abscisses le poids en kg de la charge appliquée et en ordonnées le signal électrique délivré par la jauge de contrainte placée sur le substrat On observe que la courbe I présente deux parties: une partie croissant linéairement entre les poids O à 8 kg environ et une partie constante entre les poids 10 à 20 kg environ La zone de jonction entre ces deux parties aux environs de 9 kg se rapporte à la charge nécessaire pour que le substrat vienne en appui sur le ressort Le signal électrique délivré par la jauge entre O et 8 kg est parfaitement proportionnel au poids Ce signal devient constant lorsque le substrat arrive en contact avec le ressort Il est donc possible de surcharger le capteur sans rompre le substrat de céramique La position de la zone de jonction est reproductible d'un substrat à l'autre et ne dépend pas des irrégularités de surface du substrat Cette zone de jonction dépend de la reproductibilité de la déformation élastique du ressort En effet, le fléchissement du ressort est environ 10 fois plus important que celui du substrat C'est donc la reproductibilité des caractéristiques du ressort qui permet de déterminer avec précision la charge limite. Sur la figure 2, le contact entre le substrat 12 et le ressort 13 s'opère par des bordures 151, 152 du substrat En fonctionnement, il peut arriver que le contact d'une bordure de substrat s'opère non pas sur une bordure complète mais sur une partie seulement de la bordure voire sur un point Lorsque l'on considère la qualité des appuis du substrat par les parties des deux bordures, on comprend que ces parties vont pouvoir se déplacer le long de leurs bordures respectives lorsque la charge va varier Ceci peut se traduire par un défaut de linéarité aux faibles charges. La figure 7 permet de corriger ce défaut Elle représente, vu de dessus, le ressort 13 sur lequel est placé le substrat 12 en appui par les bordures 151, 152 Pour garder une bonne linéarité, on donne aux bordures une forme crénelée avec, pour la bordure 151, deux créneaux extrêmes 351, 352 séparés par un évidemment 36 et, pour la bordure 152, un créneau 353 de telle sorte que le substrat 12 s'appuie en trois points sur le ressort 13 Un appui sur les créneaux 351, 352 ' 353 permet ainsi d'assurer une bonne reproductibilité de la courbe de linéarité d'un capteur à l'autre. 1 1 Dans le but d'obtenir un bon appui et une bonne linéarité, il est possible de faire reposer le substrat sur des cales d'appui Ceci est représenté sur les figures 8 A, 8 B Le substrat 12 et les cales d'appui de la figure 8 A sont représentés d'après la coupe I-I de la figure 8 B On utilise trois cales d'appui 371 ' 37 2 r 373 disposées de part et d'autre du substrat pour obtenir un équilibre stable Préférentiellement ces cales d'appui épousent l'arête du substrat afin de remonter le long de la bordure du substrat Ainsi en fonctionnement les points de contact 381, 382, 383 peuvent se déplacer sur le ressort à lame courbée. Ces cales d'appui peuvent être fixées par collage ou tout autre moyen au substrat 12 Il est possible de les rendre solidaires les unes des autres en les reliant entre elles Ainsi elles peuvent faire partie d'un berceau 50, représenté sur la figure 9, qui comprend les trois cales d'appui 371 372 x 373 reliées entre elles par une armature ou des nervures ou toute autre forme de solidarisation Ce berceau 50 doit avoir un léger galbe tel que le contact entre le substrat 12 et le berceau 50 s'opère par les cales d'appui. Les figures 10 A, 10 B représentent un deuxième type de capteur selon l'invention Les mêmes-éléments sont indiqués avec les mêmes repères Une partie de la figure 10 A correspond à une coupe Il-II de la figure 10 B On remplace le ressort à lame courbée par des ressorts qui subissent des déformations selon leurs axes propres Il peut s'agir, par exemple, de ressorts à boudin 901, 902 r 903 La flexibilité des ressorts est également déterminée pour que l'étendue de la plage de déformation des ressorts soit plus grande que l'étendue de la plage de déformation du substrat On utilise préférentiellement trois ressorts, deux ressorts étant placés à une extrémité du substrat et un ressort étant placé à l'autre extrémité pour définir une assise stable Il est possible d'utiliser une disposition à deux ressorts (un de chaque côté) ou quatre ressorts (deux de chaque côté) On peut substituer aux ressorts à boudin des ressorts du genre amortisseur tubulaire. REVENDICATIONS 1 Capteur à jauge de contrainte comprenant une jauge de contrainte pressée entre des membres presseurs qui déforment la jauge de contrainte, ladite jauge comprenant un substrat en forme de lame muni de détecteurs de contrainte caractérisé en ce qu'entre la jauge de contrainte et au moins un des membres presseurs est interposé au moins un ressort ayant une flexibilité supérieure à celle dudit substrat, ledit substrat et ledit ressort étant en appui l'un sur l'autre pour subir conjointement des déformations sous des pressions exercées par les membres presseurs. 2 Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le ressort est un ressort à lame courbée. 3 Capteur selon une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit substrat subit des déplacements par rapport à au moins un des membres presseurs, lesdits déplacements étant limités par des butées. 4 Capteur selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le ressort à lame courbée ayant une face concave et une face convexe, des bordures dudit substrat prennent appui sur ledit ressort du côté -_e ladite face concave. Capteur selon la revendication 4 caractérisé en ce que pour limiter les déplacements dudit substrat vers ledit ressort au moins une butée est placée soit sur une partie centrale dudit substrat soit sur une partie centrale dudit ressort, les deux parties centrales se faisant mutuellement face. 6 Capteur selon la revendication 4 caractérisé en ce que pour limiter les déplacements dudit substrat vers ledit ressort, une ouverture est ménagée dans une partie centrale dudit ressort pour laisser passer une butée placée sur le membre presseur qui supporte ledit ressort. 7 Capteur selon une des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que les bordures dudit substrat qui prennent appui sur ledit ressort possèdent une forme crénelée pour limiter l'appui aux créneaux des bordures. 8 Capteur selon une des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que les bordures dudit substrat prennent appui sur ledit ressort à l'aide de cales d'appui. 9 Capteur selon la revendication 8 caractérisé en ce que les cales d'appui sont reliées entre elles par une armature. Capteur selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le ressort à lame courbée ayant une face concave et une face convexe, une partie centrale dudit substrat prend appui sur une partie centrale dudit ressort du côté de la face convexe. 11 Capteur selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'au moins une butée est placée soit sur les parties extrêmes du substrat soit sur un des membres presseurs. 12 Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le ressort est soit un ressort de type à boudin soit un ressort de type à amortisseur tubulaire. 13 Capteur selon la revendication 12 caractérisé en ce que ledit substrat subit des déplacements par rapport à au moins un des membres presseurs, lesdits déplacements étant limités par des butées placées soit sur un des membres presseurs soit sur le substrat.