Brevet FR2764691A1 — publié le 19981218

L'invention concerne un dispositif permettant les mesures différentielles d'une force et d'un couple appliqués sur une structure. II permet en un point d'application la mesure d'une force et d'un couple de direction perpendiculaire à la direction de la force, c'est-à-dire deux des six grandeurs (3 forces, 3 couples) qui caractérisent les actions en un point. L'intérêt de ces grandeurs réside dans le fait qu'elles sont caractéristiques des sollicitations mécaniques auxquelles est soumise une structure. L'une des applications de cette invention est son utilisation sur un véhicule sous-marin motorisé par deux propulseurs reliés entre eux, pour connaître la poussée des propulseurs et le couple entre les deux, ceci afin de faire une commande en poussée du véhicule. Ce type de commande est plus simple et plus fiable que celles pratiquées classiquement. Certains de ces véhicules sont motorisés par deux propulseurs placés de chaque côté. L'invention permet de mesurer simultanément et en un même point la somme des actions ou forces de poussée et le déséquilibre des actions de chacun des propulseurs ou couple. Un certain nombre de dispositifs existent déjà, qui mesurent l'une des deux grandeurs (capteurs de couple, capteurs de force ou d'effort). II en existe également qui mesurent plusieurs grandeurs (capteurs d'effort 2 axes, 3 axes). Le brevet FR 2 712 982 propose un couplemètre différentiel à aimants permanents. Le dispositif est formé de deux circuits magnétiques excités chacun par un aimant et ayant une branche commune centrale. Des couronnes dentées placées en vis-à-vis se déplacent l'une par rapport à l'autre sous l'effet d'un couple. La réluctance de chaque circuit est modifiée, de même que le point de fonctionnement des aimants. Le calage des dents des deux systèmes dentés est fait de façon à ce que les réluctances de chaque circuit varient en sens opposés pour un même couple appliqué. Le flux dans la branche centrale est la somme algébrique des flux dans les deux circuits. L'induction mesurée dans la branche centrale, à l'aide d'une sonde à effet Hall, est proportionnelle au couple appliqué et l'électronique de traitement est simple. Le dispositif du brevet français n" 95.08620 utilise des bobines au lieu d' aimants et délivre un signal à la suite d'une démodulation synchrone. Ces deux dispositifs permettent la mesure du couple sur des arbres tournants. Le dispositif du brevet français n" 95.08960, quant à lui permet la mesure du couple appliqué sur une structure fixe. II existe de nombreux autres dispositifs permettant la mesure d'un couple seul, dont les différences reposent sur les choix technologiques effectués. Les capteurs utilisant des jauges de déformation sont fréquemment utilisés. Ils mesurent la déformation d'une structure sous l'effet du couple appliqué. Ils sont alimentés par des contacts glissants, souvent remplacés par un transformateur tournant, comme dans l'article de E. Zabler et al. intitulé "a non contact strain-gage torque sensor for automotive servo-driven steering systems" dans la revue "Sensors and Actuators" A, 41-42 (1994). Les solutions capacitives existent également et sont mentionnées dans un article de Reinoud F. Wolffenbuttel "non contact capacitive torque sensor for use on a rotating axel", IEEE Trans. Instr. Meas., Vol 39, N .6. Dec. 1990. Elles utilisent le déplacement relatif des armatures d'un condensateur en fonction de la torsion de l'arbre liée au couple appliqué. De nombreuses solutions de mesures de couple ont également vu le jour ces dernières années et utilisent les propriétés de magnétostriction des matériaux. II existe depuis longtemps des solutions volumineuses pour gros arbres, telles que celles proposées par O. Dahle dans un article "the ring torductor -a torque-gauge, without slip rings, for industrial measurement and control", ASEA Journal, 1960, Vol 33, No 3;elles utilisent directement la magnétostriction de l'arbre en acier qui subit le couple. Un circuit magnétique est constitué d'un "noyau" porteur d'une ou plusieurs bobines, qui se referme par l'arbre. La réluctance du circuit varie en fonction des modifications de perméabilité magnétique de l'arbre. Les versions ultérieures de ce dispositif consistent en des modifications de la forme du circuit magnétique extérieur (William J. Fleming, "magnetostrictive torque sensors Comparison of branch, cross and solenoidal designs", SAE technical papers series, 900264) ou bien en sa miniaturisation (I. Sasada et al., "a new thin pickup coil for magnetic head type torque sensors", IEEE Trans. Mag. Vol. 29, No. 6, Nov. 1993). Les solutions présentées par I. J. Garshelis dans un certain nombre d'articles (dont "a torque transducer utilizing a circularly polarized ring", IEEE Trans. Mag. Vol. 28, N" 5, Sept. 1992 et "a torque transducer utilizing two oppositely polarised rings", IEEE Trans. Mag., Vol. 30, No. 6, Nov. 1994) utilisent un matériau magnétostrictif en forme d'anneau, polarisé, et rendu solidaire de l'arbre qui se déforme sous forme d'un manchon. La mesure du champ se fait à l'aide de sondes à effet Hall placées au-dessus de l'arbre et est une image du couple appliqué. Les solutions de K. Harada et I. Sasada ("torque transducers with streesensitive amorphous ribbons of chevron-pattern", IEEE. Trans. Mag., Vol. MAG-20, N". 5, Sept. 1984) utilisent elles aussi la magnétostriction de matériaux amorphes collés sous forme de fins rubans sur l'arbre qui se déforme. La mesure se fait par l'intermédiaire d'une bobine excitatrice du circuit magnétique et d'une bobine réceptrice, dont l'inductance varie en fonction de la perméabilité du matériau, donc du couple. II existe également d'autres dispositifs permettant la mesure d'une force ou d'un effort. Les solutions les plus classiques sont celles à jauges de contraintes, bien connues de l'homme de l'art, et sont commercialisées par de nombreux fabricants (Trayvou, Kyowa, Interface, Strainsert, Tefal). Les jauges sont collées sur des corps d'épreuve de forme et de propriétés adaptées à la mesure de la force suivant l'axe choisi. Les technologies utilisant les propriétés magnétostrictives de certains matériaux ont également été utilisées pour créer des dispositifs de mesure de force. (K. Mohri, E. Sudoh, IEEE Trans. Mag., MAG-17, N" 3, 1981). II existe aussi des dispositifs qui mesurent des forces sur plusieurs axes, tel le dispositif décrit par D. Diddens et al. pour la mesure de forces selon trois axes dans "design of a ring-shaped three-axis micro forceltorque sensor", Sensors and actuators A 46-47 (1995). La technologie utilisée est celle de jauges de contraintes collées sur un corps d'épreuve dessiné afin de se déformer de façon exploitable sous l'effet d'une force. En fait, quatre ponts complets de jauges délivrent des signaux qui permettent de calculer les forces appliquées, moyennant la connaissance de la matrice de sensibilité du corps d'épreuve. Tous les dispositifs de mesure sur plusieurs axes nécessitent la connaissance de la matrice des contraintes appliquées au corps d'épreuve et des dessins parfois compliqués de pièces afin d'arriver à découpler certains efforts et simplifier le traitement des signaux obtenus. Parmi les autres technologies utilisées, le brevet FR 2 680 874 présente une structure associant des aimants permanents pour créer dans un entrefer un champ dont la valeur varie beaucoup pour de faibles variations de cet entrefer. Ainsi la force appliquée à la structure la déforme et modifie l'entrefer, donc la valeur de I'induction mesurée à l'aide d'une sonde à effet Hall. Ce dispositif mesure la force suivant deux axes, à l'aide de plusieurs sondes placées dans l'entrefer à cet effet. Les capteurs de forces piézo-électriques. utilisent les propriétés de certains matériaux, comme le quartz, pour lesquels une tension apparaît entre deux de leurs faces lorsqu'ils sont soumis à une force mécanique. L'exploitation de ces propriétés conduit à des capteurs, tels ceux de la société Kistler mesurant les forces suivant un ou plusieurs axes. Toutefois, la nature même de la propriété de piézo-électricité ne permet que la mesure de forces alternatives ou variant dans le temps, et non la mesure de la composante continue d'une force. Tous les dispositifs de l'état de l'art sont des dispositifs qui mesurent soit le couple seul, soit une force seule, soit plusieurs forces. Aucun des dispositifs existants ne permet la mesure simultanée des deux grandeurs couple et force. L'invention a pour but de proposer un dispositif simple du point de vue conception et traitement électronique qui mesure à la fois une force et un couple dans une direction orthogonale à la force en un point d'application, et ce, même en continu. L'invention a donc pour objet un dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k , et de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k, caractérisé en ce qu'il comprend deux pièces en forme de "U" munies de bobinages sur chaque bras du "U", fixées par le fond du "U" à l'axe, les bras des "U" se faisant face, solidaires de l'axe, et définissant avec un barreau qu'elles encadrent et qui est fixé en son milieu à l'axe, un circuit magnétique avec deux entrefers supérieurs (e1 ,e4) et deux entrefers inférieurs (e2,e3), les deux pièces en forme de "U" et le barreau étant situés dans trois plans différents, décalés parallèlement les uns aux autres pour que sous l'action d'une force exercée dans la direction j, les surfaces des entrefers supérieurs (e1 ,e4) varient en sens inverse des surfaces des entrefers inférieurs (e2,e3), et, sous l'action d'un couple s'exerçant autour de l'axe k, les surfaces d'un entrefer supérieur et de l'entrefer inférieur opposé par rapport à l'axe k varient en sens inverse des surfaces des deux autres entrefers. Le dispositif selon l'invention a une construction simple et permet de connaître l'état d'un dispositif mécanique et les contraintes appliquées sur une pièce. Le barreau peut présenter des extrêmités et dans ce cas prendre une forme de "H". Dans un mode de réalisation préférentiel du dispositif selon l'invention, les surfaces des entrefers sont horizontaux. Dans une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, les surfaces des entrefers sont inclinées par rapport à la direction horizontale. Dans un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, les surfaces des entrefers sont verticales. Dans une autre variante de réalisation, les surfaces des entrefers sont inclinées par rapport à la direction verticale. Avantageusement, pour un traitement électronique simple les bobinages sont montés en pont magnétique. La valeur de la force de flexion est ainsi proportionnelle à la tension entre un point situé entre les deux premières bobines montées en série et un point situé entre les deux autres bobines montées en série. La valeur du couple de torsion est aussi proportionnelle à la tension d'alimentation diminuée de la tension entre le point situé entre les deux premières bobines montées en série et le point situé entre les deux autres bobines montées en série. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférentiels, donnés à titre illustratif et non limitatif, et des figures annexées dans lesquelles: -la figure 1 représente un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention avec des surfaces d'entrefers horizontales; -la figure 2 représente le schéma électronique du dispositif selon l'invention; -les figures 3a et 3b représentent deux modes de réalisation du dispositif selon l'invention vus de face, avec des surfaces d'entrefers inclinées par rapport à l'horizontale; -la figure 4a représente un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, vu de face avec des surfaces d'entrefers verticales;la figure 4b représente le même mode de réalisation vu de profil; -la figure 4c représente un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention vu en partie de face, avec des surfaces d'entrefers inclinées par rapport à la verticale; -la figure 5 représente des modes de réalisation particuliers du dispositif selon l'invention. Sur la figure 1, le dispositif selon l'invention est constitué d'une pièce 1 qui se déforme sous l'action conjuguée d'une force dans une direction j et d'un couple dans une direction k. II est complété par deux pièces 2 et 4 en forme de "U" fixées par le fond du "U" à la pièce 1, les branches ou bras des "U" se faisant face. Ces deux pièces sont munies de bobinages. Elles sont séparées par un barreau 3, fixé lui aussi en son milieu à la pièce 1. L'ensemble constitue ainsi un circuit magnétique définissant quatre entrefers, dont deux sont supérieurs et situés au dessus du barreau 3: el, e4, et deux sont inférieurs et situés au dessous du barreau 3: e2, e3. On peut aussi le considérer comme l'assemblage de quatre circuits magnétiques élémentaires correspondant chacun à un entrefer. Les pièces 1 et 3 constituent des branches communes aux circuits élémentaires: la partie la est commune aux circuits 1 et 4, la partie 3a aux circuits 1 et 2, la partie 1 b aux circuits 2 et 3, la partie 3b aux circuits 3 et 4. Chaque circuit est excité par une bobine Bi avec i = 1, 2, 3 ou 4 selon le circuit. Comme cela est visible sur la figure 1, les pièces 2, 3, 4 sont fixées à la pièce 1 dans trois plans différents, décalés parallèlement les uns par rapport aux autres de telle façon que sous l'action d'une force dans une direction j, les surfaces des entrefers ei et e4 diminuent, par exemple, pendant que les surfaces des entrefers e2 et e3 augmentent et réciproquement pour une force de sens oppose. De la même manière, sous l'action d'un couple selon k, les surfaces des entrefers el et e3 diminuent, par exemple, alors que les surfaces des entrefers e2 et e4 augmentent et réciproquement pour un couple de sens opposé. Dans le mode de réalisation indiqué sur la figure i, les entrefers ont des surfaces planes horizontales. Les variations de surface des entrefers se traduisent par des variations de réluctance R (R = I/,uoS, I étant la longueur de l'entrefer, S la section du circuit qui correspond à la surface de l'entrefer, et sso la perméabilité magnétique du vide) de chacun des circuits magnétiques et donc par des variations du flux dans les branches. Les inductances des bobinages varient elles aussi. Or, I'angle de torsion d'un arbre sous l'effet d'un couple est proportionnel à ce couple et la variation de surface des entrefers est proportionnelle à l'angle de torsion. De plus, la flexion d'un arbre sous l'effet d'une force se traduit par un déplacement linéaire en fonction de cette force, et les variations de surface des entrefers sont proportionnelles au déplacement. Les variations des réactances, Xi (i=i à 4), des quatre bobinages sont donc les suivantes: X1 = X (i - aC + ss F) X2 = X (i + aC - P F) X3 = X( 1 C -'3 F) X4=X(i +ctC+'3F) avec X = Lo et L = N2/R, et où C est le couple appliqué, F la force appliquée, a et ss deux constantes, L l'inductance au repos, o la pulsation de l'alimentation de la bobine, N son nombre de spires, X la valeur de réactance au repos. Cette expression signifie que les variations de réactance en fonction de la force et du couple sont linéaires. Les bobines sont connectées en pont complet, comme il est indiqué à la figure 2. La bobine B1 est connectée en un point B en série avec la bobine B2 et la bobine B3 est connectée en un point A en série avec la bobine B4. Ces deux associations sont connectées en parallèle et l'ensemble est alimenté par une tension alternative E. Une première tension, Vf, est prélevée entre les points A et B, et ainsi évaluée: Vf=VA - VB Classiquement Vf est égal à E (X1X4 - X2X3) / (X1 + X2) (X3 + X4)et donc à '3EF A l'aide d'un montage à amplificateur opérationnel qui additionne les tensions prélevées aux points A et B et soustrait cette somme à la tension d'alimentation, on construit une tension Vc = E - (VA + VB), soit Vc = aE C Ces deux tensions alternatives s'obtiennent très simplement, et après démodulation elles sont continues et proportionnelles, I'une au couple et l'autre à la force. Toutes les variations et exploitations se font de façon linéaire. Cette linéarité à tous les niveaux présente un très grand intérêt, puisque cela permet une construction et une exploitation très simples de l'information, et la mesure en continu du couple et de la force. L'intérêt du dispositif selon l'invention réside dans sa simplicité : les pièces sont mécaniquement simples à réaliser. La pièce 1, qui sert de corps d'épreuve, doit être ferromagnétique. Les propriétés mécaniques du fer doux n'étant pas très bonnes, on peut remédier à cet inconvénient en réalisant cette pièce dans un matériau aux propriétés mécaniques choisies et en la manchonnant par du fer doux. Les pièces 2, 3 et 4 sont ferromagnétiques. Les grandeurs délivrées par le dispositif ne sont sensibles qu'à celles que l'on veut mesurer, couple selon k et force selon j. Par exemple, si la pièce 3 est suffisamment longue dans la direction de i, alors le dispositif est insensible à une force appliquée selon i. Ce découplage des grandeurs est primordial pour un traitement simple des mesures. Le dispositif selon l'invention mesure la force et le couple de façon différentielle. Ceci est lié à l'utilisation d'un pont complet et au fait que les inductances varient en sens opposés, deux à deux, pour chacun des types de sollicitation, couple ou force. L'intérêt d'une structure différentielle réside dans son effet linéarisant des caractéristiques électriques et dans son insensibilité au premier ordre aux dérives liées à des variations de température, ainsi que dans un accroissement de la sensibilité du dispositif par rapport à une structure simple de mêmes caractéristiques. Le réglage initial des positions relatives des différentes pièces se fait de façon à ce que les quatre réluctances soient égales pour les valeurs de force et de couple choisies comme valeurs de repos, ces valeurs pouvant être nulles ou non. Les entrefers peuvent avoir d'autres formes, adaptées pour obtenir de meilleures performances du capteur, notamment en sensibilité. Le barreau peut avoir en particulier une forme de "H" comme cela est représenté sur la figure 5a. La figure 4a montre également une forme de "H", dans laquelle les extrêmités du barreau forment avec les branches des "U" des entrefers avec des surfaces verticales. Le profil de la figure 4b montre les deux pièces en forme de "U" et le barreau dans des plans parallèles décalés. A titre d'exemple, les entrefers peuvent avoir des surfaces en plan incliné, comme sur les figures 3a, 3b, 4c et 5b. Le dispositif selon l'invention trouve son application dans l'optimisation des dimensions à donner à des pièces mécaniques soumises à des efforts. REVENDICATIONS 1.Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k, caractérisé en ce qu'il comprend deux pièces en forme de "U" (2,4), munies de bobinages sur chaque bras du "U", fixées par le fond du "U" à l'axe, les bras des "U" se faisant face, solidaires de l'axe, et définissant avec un barreau (3) qu'elles encadrent et qui est fixé en son milieu à l'axe, un circuit magnétique avec deux entrefers supérieurs (e1 ,e4) et deux entrefers inférieurs (e2,e3), les deux pièces (2,4) en forme de "U" et le barreau (3) étant situés dans trois plans différents, décalés parallèlement les uns aux autres pour que sous l'action d'une force exercée dans la direction j, les surfaces des entrefers supérieurs (e1 ,e4) varient en sens inverse des surfaces des entrefers inférieurs (e2,e3), et, sous l'action d'un couple s'exerçant autour de l'axe k, les surfaces d'un entrefer supérieur et de l'entrefer inférieur opposé par rapport à l'axe k varient en sens inverse des surfaces des deux autres entrefers. 2.Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe selon la revendication 1, caractérisé en ce que le barreau a une forme en "H" 3.Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces des entrefers sont horizontales. 4. Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces des entrefers sont inclinées par rapport à la direction horizontale. 5. Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces des entrefers sont verticales. 6.Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces des entrefers sont inclinées par rapport à la direction verticale. 7. Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les bobinages sont montés en pont magnétique. 8.Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k selon la revendication 7, caractérisé en ce que la valeur de la force de flexion est proportionnelle à la tension entre un point situé entre les deux premières bobines montées en série et un point situé entre les deux autres bobines montées en série. 9.Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la valeur du couple de torsion est proportionnelle à la tension d'alimentation diminuée de la tension entre le point situé entre les deux premières bobines montées en série et le point situé entre les deux autres bobines montées en série. 10.Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k selon la revendication 7 ou 8, dans lequel les variations de surface des entrefers se traduisent par des variations de reluctance, caractérisé en ce que les quatre reluctances sont égales pour les valeurs de force et de couple choisies comme valeurs de repos, ces valeurs pouvant être nulles ou non.