Brevet FR2685960A1 — publié le 19930709

ELEXEZIT DE CAPTGpR DE FORCE EN DOUBLE DIAPASON L'invention concerne les capteurs de force comportant deux lames dont la fréquence propre de résonance varie en fonction de la force axiale qui leur est appliquée. Le principe général de la mesure de force au moyen de tels capteurs est bien connu, par exemple par le document FR-A-2 548 364, dont on incorpore ici l'enseignement par référence. Selon ce document, le capteur en double diapason est monobloc, ce qui pose de difficiles problèmes d'usinage. Dans le but de pallier de telles difficultés, le document EP-A-O 316 217 a proposé un élément comportant un feuilletage de plaques métalliques, au minimum trois et de préférence cinq, d'épaisseur identique, deux d'entre elles constituant les lames vibrantes, les autres constituant des entretoises et sections d'extrémité. Les différentes plaques de feuilletage sont solidarisées par collage ou rivetage. Si - cette construction améliore la technique antérieure, elle n'en présente pas moins de graves inconvénients. D'une part, le positionnement précis de nombreuses plaques superposées est difficile. D'autre part, les deux, voire quatre, couches de collage qui solidarisent les plaques, sont soumises à des forces de cisaillement qui compromettent la solidité de la liaison. Enfin, les différentes plaques servant à réa liser les lames sont différentes des plaques servant à réaliser les entretoises, ce qui complique la production en masse de ces dispositifs. L'invention a pour but de proposer un élément de capteur de force en double diapason comportant plusieurs plaques métalliques formant une zone centrale à deux lames vibrantes, située entre deux zones d'extrémité, qui ne présente pas les inconvénients des techniques antérieures mentionnées ci-dessus. Ce but est atteint grâce au fait que le capteur est constitué de deux plaques seulement, identiques et symétriques, solidarisées face contre face (éventuellement avec interposition d'une couche de colle), une partie centrale de chaque plaque formant une lame vibrante. Les deux plaques peuvent être solidarisées l'une à l'autre par tout moyen, et notamment par soudure ou collage. Dans ce dernier cas, du fait que les plaques ne sont pas soumises au cisaillement intense qui caractérisait les réalisations antérieures, le choix de la colle peut être très large. Des colles de type époxyde monocomposant notamment donnent de bons résultats. La lame centrale est définie par son gabarit, réalisé par un usinage approprié. Son épaisseur peut être identique à celle de la plaque, dans le cas où la solidarisation se fait au moyen d'une couche de colle dont l'épaisseur est suffisante pour permettre la vibration de la lame, sur une amplitude qui reste de toute façon de quelques micromètres. Mais de préférence, la lame a une épaisseur plus faible que celle de la plaque, ceci étant avantageusement réalisé sous forme d'un évidement de la plaque sur la face en regard de l'autre plaque. Cet évidement peut être obtenu par n'importe quel procédé, par exemple par électroérosion ou par usinage mécanique, mais de préfé rence par gravure chimique. Les deux lames amincies des plaques en regard sont ainsi espacées et peuvent vibrer librement. Avantageusement, chaque plaque comporte de part et d'autre de la partie centrale, en direction des zones d'extrémité, au moins une partie amincie, destinée à apporter plus de souplesse à l'élément et lui permettre une meilleure adaptation entre des fixations qui ne seraient pas rigoureusement coplanaires. Cette ou ces zones amincies sont de préférence obtenues par un évidement formé dans la face opposée à celle en regard de l'autre plaque. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention qui pourrait d'ailleurs trouver application dans les solutions de l'art antérieur (diapason monobloc ou feuilleté), on prévoit de part et d'autre de la lame vibrante deux lames latérales supplémentaires qui peuvent avoir l'épaisseur intégrale de la plaque. Ces lames ne participent pas à la vibration mais en revanche elles participent au support de la charge, ce qui permet d'augmenter considérablement la charge maximale admissible sur le capteur. Le calcul des lames vibrantes et des lames latérales permet de choisir la fréquence au repos, la variation de fréquence sous la charge nominale, et la charge supportée par le résonateur. La forme des lames peut éventuellement varier en épaisseur et en largeur. Du fait que l'élément de capteur conforme à l'invention résulte de la superposition de deux plaques semblables en tous points, la fabrication en masse de tels éléments en est facilitée, et d'une manière générale, on obtiendra les plaques par usinage, et de préférence gravure chimique, d'une plaque-mère selon des motifs répétitifs. L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui va suivre de deux modes préférés de réalisa tion. On se référera aux dessins sur lesquels - la figure 1 est une vue de dessus d'un premier mode de réalisation de capteur selon l'invention, - la figure 2 est une coupe II-II de la figure 1, - la figure 3 est une vue de dessus d'un second mode de réalisation, - la figure 4 est une coupe IV-IV de la figure 3, - la figure 5 est un schéma-bloc de l'électronique de commande. Le capteur 1 est constitué de deux plaques exactement symétriques et identiques 2 et 3 placées en opposition. Chaque plaque 2,3 comporte dans sa partie centrale une lame vibrante 4 de moindre épaisseur dont les bords 5 sont usinés à la forme voulue. Ici, la lame est constituée par une bande de largeur réduite se raccordant par une partie trapézoidale à la largeur totale de la plaque. Les deux lames 4 des plaques opposées sont espacées l'une de l'autre par un intervalle. Cette lame 4 est reliée par une partie pleine 6 et une partie de transition 7 amincie à des parties pleines extrêmes 8 comportant éventuellement divers trous 9 pour leur fixation à un dispositif utilisateur et/ou pour le positionnement des lames lors de la fabrication. Les plaques 2 et 3 sont solidarisées l'une à l'autre sur toute leur surface adjacente en regard par une couche de colle 10. Chaque plaque 2, 3 est obtenue à partir d'une plaque d'épaisseur 6 usinée à partir d'une face et de l'autre sur des profondeurs respectives A et B déterminant respectivement la partie amincie 7 et la partie de lame 4. De manière connue en soi, l'une des lames 4 re çoit un élément piézoélectrique 12 excitateur, tandis que l'autre lame 4 supporte un élément piézoélectrique 13 à fonction de capteur. Ces deux éléments 12 et 13 sont re liés par des fils 14 et 15 à un circuit électronique approprié. Le mode de réalisation des figures 3 et 4 est comparable au précédent en ce que le capteur 1' est constitué de deux plaques identiques 2', 3', comportant une lame vibrante centrale 4' reliée à des parties pleines extrêmales 8' par plusieurs parties pleines 6' et amincies 7' intermédiaires (améliorant les possibilités de fixation des extrémités du capteur dans des plans non rigoureusement confondus). La partie pleine centrale 6' s'avère aussi utile pour permettre une bonne application de pression lors du collage des deux plaques l'une contre l'autre, application d'autant plus souhaitable que l'usinage chimique a pu faire naitre des contraintes dans les plaques. La lame centrale amincie 4' est entourée de deux lames supplémentaires latérales 11' pleines, collées l'une à l'autre comme le reste des surfaces adjacentes en regard par la couche de colle 10'. Ces lames latérales 11' participent au support de la charge mais ne vibrent pas. Les lames latérales pourraient cependant n'être pas pleines pour adapter précisément le dispositif à la contrainte maximale à supporter. Les lames centrales opposées 4' supportent les éléments piézoélectriques 12' et 13'. Dans un mode de réalisation comme dans l'autre, les éléments piézoélectriques sont connectés à une électronique de commande dont le but est d'entretenir l'oscillation tout en suivant les variations de fréquence du système mécanique. On pourra par exemple se référer au dispositif décrit dans le document US-A-3 486 383. Dans un exemple d'application concret, l'électronique a été mise au point par M. Marc ROUFF, et, comme le montre la figure 5, a pour principe de prendre le signal à la sortie du résonateur que constitue le système méca nique, de l'amplifier, de le déphaser et de la réinjecter. Une stabilité de l'ordre de 10-' a été obtenue à l'aide de trois dispositifs les plus indépendants possible. 1) Un dispositif de verrouillage de l'amplitude de sortie; les gains nécessaires pouvant être importants, un souci particulier est apporté aux adaptations d'impédance et aux couplages entre composants actifs et passifs du circuit. 2) Un dispositif de verrouillage de la fréquence à l'aide de filtres passe-bande. 3) Un dispositif de verrouillage de la phase. REVENDICATIONS 1. Elément de capteur de force en double diapason, comportant plusieurs plaques métalliques formant une zone centrale à deux lames vibrantes située entre deux zones d'extrémité, caractérisé en ce qu'il est constitué de deux plaques (2,3,2',3') seulement, identiques et symétriques, solidarisées face contre face, une partie centrale de chaque plaque formant une lame (4,4') vibrante. 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour chaque plaque (2,3,2',3'), l'épaisseur de la lame vibrante (4,4') est inférieure à celle de la plaque. 3. Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lame vibrante (4,4') est constituée par un évidement de la face qui est en regard de l'autre plaque. 4. Elément selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque plaque (2,3,2',3') comporte de part et d'autre de la partie centrale, en direction des zones d'extrémité, au moins une partie amincie (7,7'). 5. Elément selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque partie amincie (7,7') est constituée par un évidement de la face opposée à la face en regard de l'autre plaque. 6. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les faces (2,3,2',3') en regard sont solidarisées par collage. 7. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la partie centrale de chaque plaque (2',3') comporte deux lames supplémentaires latérales (11') de part et d'autre de la lame vibrante (4'). 8. Elément selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'épaisseur des lames latérales (11') est égale à l'épaisseur de la plaque (2',3'). 9. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chaque plaque (2,3,2',3') est formée en série par usinage d'une plaque-mère. 10. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est associé à des éléments piézoélectriques (12,13,12',13') reliés à un circuit électronique récupérant le signal à la sortie de l'un des éléments piézoélectriques, l'amplifiant, le déphasant et le réinjectant dans l'autre des éléments piézoélectriques.