Brevet FR2764692A1 — publié le 19981218

L'invention concerne un dispositif permettant la mesure différentielle d'une force selon un ou plusieurs axes. II permet de connaître l'intensité d'une force dans une direction fixe connue, ou dans plusieurs directions d'un même plan, ce qui permet de calculer les composantes de la force dans un repère quelconque d'un plan, et donc de déterminer son moduie et sa direction. Cela permet d'avoir accès à la connaissance de deux des six grandeurs (trois forces, trois couples) qui caractérisent les actions exercées sur une structure mécanique en un point. II existe de nombreux 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 formes 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). Il existe aussi des dispositifs qui mesurent des forces sur plusieurs axes, te! 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 force/torque 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. L'invention a pour but de proposer un dispositif de mesure de forces qui a une structure mécanique simple capable de réaliser la mesure de forces dans plusieurs directions d'un plan, et dont le traitement électronique associé est également simple. L'ensemble est très robuste et peut donc être implanté sans problème dans des environnements sévères. L'invention a pour objet un dispositif de mesure différentielle de forces exercées suivant une direction ou plusieurs directions en un point d'une structure déformable centrée sur un axe k, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble centré sur l'axe k de deux pièces situées dans un même plan, dont l'une est en forme de "U" et munie de bobinages, fixée par le fond du "U" à l'axe de la structure et solidaire de celle-ci, chaque ensemble définissant un circuit magnétique à deux entrefers (e1,e2) et une direction de force à mesurer, de façon à ce que la réluctance associée à un entrefer varie en sens opposé de la réluctance associée à l'autre entrefer, pour une direction de force à mesurer, et que les réluctances ne varient pas pour des forces appliquées dans d'autres directions que celles à mesurer ou pour un couple s'exerçant autour de l'axe k. La pièce qui ne porte pas de bobinages est solidaire de la structure déformable pour une mesure dans un repère fixe. Elle peut aussi être solidaire d'une structure mécanique immobile, pour une mesure dans un repère mobile. Préférentiellement la pièce de l'ensemble qui ne porte pas de bobinage est en forme de "U", faisant face à la forme en "U" de la pièce portant les bobinages, ou en forme de barreau, pour une mesure dans une seule direction. Cette même pièce peut avoir une forme à symétrie de révolution de type cloche, en particulier une forme de disque, pour une mesure dans plusieurs directions. 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 dit "à un axe" dans lequel les surfaces d'entrefer sont horizontales; -la figure 2 représente un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention dit "multiaxes" dans lequel les surfaces d'entrefer sont horizontales; -les figures 3a et 3b représentent deux modes de réalisation du dispositif dans lesquels les surfaces d'entrefers sont inclinées par rapport à l'horizontale; -la figure 4 représente un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Le dispositif va être décrit en se référant à la figure 1, qui représente un dispositif selon l'invention dans un repère tridimensionnel (i, j, k). Il est constitué d'une structure 1 centrée sur l'axe k, et qui se déforme sous l'action d'une force dans la direction i. Deux pièces 2 et 3 centrées sur l'axe k, en forme de "U", dont l'une est munie de bobinages, sont fixées par le fond du "U" à la structure 1, les bras des "U" se faisant face. L'ensemble constitue ainsi un circuit magnétique à deux entrefers, el, e2. On peut aussi le considérer comme l'assemblage de deux circuits magnétiques élémentaires, Cl, C2, ayant chacun un entrefer et une branche commune la. Chaque circuit est excité par une bobine, Bi (i = 1 ou 2 selon le circuit). Les pièces 2 et 3 sont fixées à la structure 1 dans le même plan de telle façon que sous l'action d'une force dans le sens de i, L'entrefer el s'ouvre et que sa longueur moyenne augmente, par exemple, pendant que l'entrefer e2 se ferme et que sa longueur moyenne diminue, et réciproquement pour une force de sens opposé. C'est la déformation due à la flexion de la structure 1 qui est ici exploitée. Les variations de longueur des entrefers se traduisent par des variations de réluctance R (R o e1S, e/ > oS, avec e, longueur d'entrefer, S, section du circuit ou surface d'entrefer, llo, perméabilité magnétique du vide) de chacun des circuits magnétiques et donc par des variations du flux dans les branches. Les inductances des bobinages varient donc elles aussi. Or, la flexion d'un arbre sous l'effet d'une force se traduit par une rotation linéaire en fonction de cette force, et les variations de longueur des entrefers sont proportionnelles à la rotation (au premier ordre). On peut donc écrire les variations des réactances, Xi, des bobinages de la façon suivante: Xl =X(l -alF) X2=X(1 +c/F) avec X = Lo et L = N2/R et où F est la force appliquée, a une constante, L l'inductance au repos, w la pulsation de l'alimentation de la bobine, N son nombre de spires, X la valeur de réactance au repos. En alimentant les bobines en tension, E, le courant, I, dans chaque bobine est donc inversement proportionnel à la réactance, donc est proportionnel à la force. L'intérêt de la structure réside dans son exploitation par un montage en pont alimenté en alternatif, un demi-pont étant constitué par les bobines connectées dans des branches contiguës, L'autre demi-pont par des impédances. La tension de sortie du pont varie autour de zéro, après démodulation. Selon les matériaux et la fréquence -de travail choisie on peut en fait exploiter soit le module soit la partie résistive soit la partie réactive de la tension de sortie du pont. L'électronique associée dépendra de ces choix, mais reste néanmoins toujours simple. Le dispositif de base selon l'invention qui vient d'être décrit permet de mesurer une force dans une seule direction. Le dispositif selon l'invention peut aussi être utilisé pour des mesures de forces dans plusieurs directions, par exemple, pour mesurer deux forces dans des directions orthogonales, i et j. Pour ce faire, il suffit d'associer deux structures de base en les agençant à 90" autour du même axe comme cela est indiqué à la figure 2. Une pièce unique peut remplacer deux pièces 2 ainsi associées, et de la même manière une seule pièce peut jouer le rôle de deux pièces 3 ainsi associées. Les circuits magnétiques sont découplés, les alimentations peuvent se faire à la même fréquence. On peut adopter la même démarche pour faire des mesures selon trois directions du même plan, démarche qui est classiquement adoptée lorsqu'on ne connaît pas la direction de la force a priori. On associera de façon préférentielle deux structures à 90 , ou trois structures à 1200. Néanmoins, le nombre et la direction des structures peuvent être quelconques selon l'application. L'intérêt d'une telle structure réside essentiellement dans sa simplicité : les pièces sont mécaniquement simples à réaliser. La structure 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 grandeurs délivrées par le dispositif ne sont sensibles qu'à celles que l'on veut mesurer: la force selon la direction i pour une structure de base. Par exemple, si les sections de la pièce 2 au niveau des entrefers sont plus grandes que celles de la pièce 3, alors le dispositif est insensible à une force appliquée selon la direction j, ainsi qu'à un couple selon la direction k. Ce dispositif mesure la force de façon différentielle. Ceci est lié à l'utilisation d'un pont et au fait que les inductances varient en sens opposés lors d'une sollicitation de -i'arbre. L'intérêt d'une structure diffèrentielle réside dans son effet linéarisant des caractéristiques électriques et dans son insensiblité 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 deux réluctances soient égales pour la valeur de force choisie comme valeur "de repos", cette valeur n'étant pas nécessairement nulle. Les entrefers ont des surfaces horizontales comme sur les figures 1 et 2, mais leur forme peut être adaptée, pour avoir de meilleures performances du capteur, en particulier une meilleure sensibilité. A titre d'exemple, les entrefers peuvent avoir des surfaces en regard "en plan incliné", comme sur la figure 3, ce qui augmente la sensibilité et la linéarité des variations. Les entrefers peuvent aussi être verticaux dans d'autres modes de réalisation. La forme en "U" pour la pièce qui ne porte pas les bobinages peut être remplacée par toute autre forme qui permet au champ de se refermer correctement. Par exemple, la pièce 2 peut avoir des branches de "U" longues et la pièce 3 se réduire à un simple barreau, pour une mesure selon une direction. La pièce 2 peut aussi avoir une forme à symétrie de révolution du type cloche, en particulier une forme de disque, pour une mesure selon plusieurs directions. La pièce qui ne porte pas les bobines peut ne pas être solidaire de la structure 1, mais être fixée sur une partie immobile 4 de la structure mécanique, comme sur la figure 4. Elle est alors séparée de la structure 1 par des entrefers e3 et e4 qui doivent être les plus petits possibles, afin que les circuits magnétiques soient toujours découplés et que le principe reste aussi simple que ce qui a été décrit. La structure 1 peut alors tourner autour de l'axe k. Le dispositif peut ainsi travailler dans un repère mobile ou fixe par rapport à la structure étudiée. Les formes d'entrefer présentées ne sont pas limitatives;toute forme permettant d'améliorer une caractéristique du dispositif (sensibilité, linéarité, insensibilité aux jeux mécaniques ou à la température) est envisageable. L'une des applications de cette invention est son utilisation.sur.un véhicule sous-marin motorisé par des propulseurs associés à des gouvernes soufflées. La commande des gouvernes nécessite de connaître les forces de portance et de traînée sur la gouverne, qui sont deux forces de directions orthogonales. Le mode de réalisation de la figure 2 permet de les mesurer. Revendications 1.Dispositif de mesure différentielle de forces exercées suivant une direction ou plusieurs directions en un point d'une structure (1) déformable centrée sur un axe k, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble centré sur l'axe k de deux pièces situées dans un même plan, dont l'une est en forme de "U" et munie de bobinages, fixée par le fond du "U" à l'axe de la structure (1) et solidaire de celle-ci, chaque ensemble définissant un circuit magnétique à deux entrefers (e1,e2) et une direction de force à mesurer, de façon à ce que la réluctance associée à un entrefer varie en sens opposé de la réluctance associée à l'autre entrefer, pour une direction de force à mesurer, et que les réluctances ne varient pas pour des forces appliquées dans d'autres directions que celles à mesurer ou pour un couple s'exerçant autour de l'axe k. 2.Dispositif de mesure différentielle de forces selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pièce ou les pièces qui ne portent pas de bobinages est ou sont solidaire(s) de la structure (1) pour une mesure dans un repère fixe. 3.Dispositif de mesure différentielle de forces selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la pièce de l'ensemble qui ne porte pas de bobinage est en forme de "U", faisant face à la forme en "U" de la pièce portant les bobinages, ou en forme de barreau. 4.Dispositif de mesure différentielle de forces selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la pièce de l'ensemble qui ne porte pas de bobinage a une forme à symétrie de révolution du type cloche. 5.Dispositif de mesure différentielle de forces selon la revendication 4, caractérisé en ce que la pièce de l'ensemble qui ne porte pas de bobinage a une forme de disque. 6. Dispositif de mesure différentielle de forces selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les deux bobinages d'un ensemble sont connectés dans des branches contiguës d'un pont complété par deux impédances. 7.Dispositif de mesure différentielle de forces selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux réluctances associées aux deux entrefers d'un ensemble sont égales pour les valeurs de force choisies comme valeurs de repos, ces valeurs pouvant être nulles ou non.