Brevet FR2819586A1 — publié le 20020719

L'invention concerne un capteur de force permettant de mesurer une force au moyen d'une première électrode et une seconde électrode isolée électriquement de celle-ci, au moins la première électrode étant soutenue de façon à être mobile suivant une direction, afin de modifier la distance séparant la première électrode de la seconde électrode en fonction de l'action d'une force. On utilise aujourd'hui des capteurs de force de multiples manières. C'est ainsi par exemple que, dans le cas d'un actionnement de freins d'un véhicule automobile, des garnitures de frein exercent habituellement une pression sur un disque de frein. L'effet de freinage s'obtient grâce aux frottement entre les garnitures de frein et le disque de frein, le frottement dépendant de la force avec laquelle les garnitures de frein exercent une pression sur le disque. A l'avenir, on va utiliser de plus en plus des systèmes de freinage électroniques dans lesquels des éléments de régulation sont nécessaires afin d'assurer d'une manière exacte la régulation de la force de freinage. A cet effet, il est nécessaire de détecter la force que les garnitures de frein exercent sur le disque de frein. La mesure de la force de freinage a habituellement lieu au moyen d'un capteur de force. Toutefois, du fait des conditions rudes de l'environnement d'un dispositif de freinage, il est nécessaire que le capteur de force présente une structure robuste. C'est ainsi que le capteur de force doit résister à des différences élevées de température d'environ - 40 oC à environ 350 oC. La fourchette de mesure de force peut correspondre à un poids allant jusqu'à quelques tonnes. Malgré l'apparition de changements rapides de température pendant le fonctionnement du frein, de sollicitations de choc et de variations rapides et fréquentes de force, une précision du capteur de force dans la fourchette d'environ 1% est exigée. Les capteurs de force connus, tels que par exemple des capteurs piézoélectriques ou des jauges extensométriques ne remplissent pas les conditions exigées indiquées ci-dessus. Par le document EP 0 849 576 B1, on connaît un capteur de force capacitif qui comporte un cylindre creux. Une face frontale du cylindre creux est déformable. Un condensateur a plaques situé intérieurement présentant un intervalle d'air réduit sa distance entre plaques lorsqu'une pression extérieure s'exerce sur la face frontale, de sorte que la capacité du condensateur varie. La force appliquée sur la face frontale se détermine à partir de cette capacité du condensateur. L'invention a pour but de fournir un capteur de force particulièrement efficace. A cet effet, l'invention a pour objet un capteur de force, du type générique défini en introduction, dans lequel un élément-entretoise isolant est disposé entre la première électrode et la seconde électrode et la première électrode est agencée d'une manière telle que, lors de l'action de la force, un intervalle séparant la première électrode de l'élément-entretoise isolant s'accroît. Le capteur de force conforme à l'invention peut aussi présenter une ou plusieurs des particularités suivantes : - l'élément-entretoise isolant est un diélectrique stable à la température, - la première électrode et la seconde électrode sont en appui sur l'élément-entretoise isolant, - l'élément-entretoise isolant est déposé sous forme de couche sur la seconde électrode, - la première électrode et/ou la seconde électrode ont une forme plane, - la première électrode est mobile vis-à-vis de la seconde électrode d'une manière telle que l'épaisseur de l'intervalle séparant la première électrode de l'élément de compensation isolant est essentiellement constante sur l'étendue de la surface de la première électrode et/ou de la seconde électrode, - la grandeur de l'intervalle est essentiellement proportionnelle à la force, -la première électrode et/ou la seconde électrode sont disposées dans un cylindre creux, - la première électrode est réalisée sous forme d'une membrane sur laquelle la force s'exerce, - la seconde électrode comporte un passage servant à recevoir un élément de transmission de force sur la première électrode. Ainsi, conformément à l'invention, au moins l'une des électrodes est soutenue de façon à être mobile suivant une direction et, à l'état non sollicité, les deux électrodes sont essentiellement séparées par un élément-entretoise isolant. Le capteur de force conforme à l'invention constitue un condensateur dont la distance entre plaques s'accroît lors de l'action d'une force. L'élément- entretoise isolant situé entre les deux électrodes est de préférence un diélectrique possédant une constante diélectrique stable à la température, afin d'obtenir une influence la plus faible possible de la température. En outre, l'élément-entretoise isolant a pour effet que la distance séparant les électrodes ne dépasse pas vers le bas une distance minimale et qu'il ne peut pas se produire de court-circuit entre les deux électrodes lorsqu'apparaissent par exemple des vibrations ou des chocs. Par ailleurs, le diélectrique empêche que les électrodes ne se déplacent l'une vis-à-vis de l'autre et il permet que, dans le cas des électrodes en forme de plaques, une disposition parallèle des électrodes l'une vis-à-vis de l'autre soit maintenue. Un capteur de force qui est agencé d'une manière conforme à l'invention possède une capacité de base relativement élevée qui se réduit lorsqu'une force s'exerce. Etant donné que la capacité du condensateur diminue d'une manière inversement proportionnelle lorsque la distance des deux électrodes augmente, la sensibilité est maximale lorsque les deux électrodes présentent l'espacement le plus faible, c'est-à-dire à l'état non sollicité ou peu sollicité. Cela permet d'obtenir que, dans le cas où de faibles forces s'exercent, la sensibilité du capteur de force soit plus grande que lorsque s'exercent des forces importantes. Cela est avantageux pour une utilisation, présentée à titre d'exemple, dans un dispositif de freinage en vue de la mesure d'une force qui est exercée sur les mâchoires de frein. De préférence, l'élément-entretoise isolant peut être déposé sous forme de couche diélectrique sur l'une des électrodes. Cela a l'avantage qu'ainsi, l'élément-entretoise isolant est présent sous une épaisseur définie sur l'électrode. Cela permet un ajustement précis, à savoir une adaptation de la capacité de base du capteur de force. Par ailleurs, l'assemblage du capteur de force est avantageusement facilité, étant donné qu'un montage de l'élémententretoise isolant et de l'une des électrodes disparaît. De préférence, la première électrode et la seconde électrode sont réalisées de façon à être planes. La première électrode peut être mobile vis-àvis de la seconde électrode d'une manière telle que l'épaisseur de l'intervalle, c'est-à-dire la distance séparant la première électrode de l'élément-entretoise isolant est essentiellement constante sur l'étendue de la surface de la première électrode et/où de la seconde électrode. De cette manière, les électrodes ne sont déplacées l'une vis-à-vis de l'autre que d'une manière parallèle, de sorte que la configuration géométrique du condensateur ne varie pas d'une façon importante. De cette manière, on obtient une dépendance inversement proportionnelle, entre la force et la capacité du condensateur, à partir de laquelle on peut déterminer d'une manière relativement simple la force exercée. La précision de la détermination de la force peut encore être améliorée lorsqu'on prévoit que la grandeur de l'intervalle est essentiellement proportionnelle à l'action de la force. De préférence, il peut être prévu que les électrodes soient disposées dans un cylindre creux. De ce fait, le capteur de force peut être réalisé en étant protégé d'influences extérieures. Le cylindre creux possède par ailleurs une stabilité élevée qui permet l'utilisation du capteur de force dans le trajet de force. Dans une forme préférée de réalisation, il est prévu que la seconde électrode comporte un passage servant à recevoir un élément de transmission de force sur la première électrode. De ce fait, il est possible, d'une manière simple, d'appliquer par couplage la force sur la première électrode, c'est-à-dire d'une manière générale une force de poussée s'exerçant en direction de la première électrode, d'une manière telle que la distance entre les électrodes s'accroisse lorsque la force s'exerce. Un exemple de réalisation est décrit en regard des figures qui suivent, les différents éléments étant désignés d'une manière unitaire sur les différentes figures. On voit : à la figure 1, une représentation en coupe d'un capteur de force à l'état non sollicité et, à la figure 2, une représentation en coupe d'un capteur de force à l'état sollicité. La forme de réalisation, décrite ci-après, d'un capteur de force pour dispositif de freinage n'est présentée qu'à titre d'exemple, afin d'exposer la nature et le fonctionnement du capteur de force. Toutefois, les particularités et avantages décrits sont applicables d'une manière générale à tous les capteurs de force comportant les particularités de l'invention et ne doivent pas être compris comme étant limités à des dispositifs de freinage. La figure 1 représente un capteur de force 1 capacitif pour un dispositif de freinage, à l'état non sollicité. Le capteur de force 1 est placé entre un organe de réglage (non représenté) et une garniture de frein 2, sur le trajet de force. Le capteur de force est situé dans un cylindre creux 3 dans lequel se trouve une première électrode 4 fixée à demeure à ce cylindre creux 3. La première électrode 4 s'étend de préférence suivant la direction radiale vis-à-vis du cylindre creux 3, de sorte que ce cylindre creux 3 est totalement fermé. La première électrode 4 est reliée élastiquement au cylindre creux 3, du fait que, sur le bord de cette première électrode 4 et faisant tout le tour, il est prévu, sur les deux faces, des rainures 5 qui rendent la première électrode 4 plus mince en cet endroit. La zone située entre les rainures 5 et le cylindre creux 3 constitue une partie en saillie 14. La première électrode 4 et le cylindre creux 3 sont constitués d'une matière conductrice, de préférence un métal, qui possède une certaine élasticité. Il est prévu, situé en position centrale sur la première électrode 4, un élément cylindrique 6 au moyen duquel une force peut être appliquée par couplage. Un disque 7 est en appui sur la première électrode 4 du côté de l'élément cylindrique 6, ce disque 7 comportant un passage pour l'élément cylindrique 6. Le disque 7 est appliqué sous pression par des ressorts 8 sur la première électrode 4. Ce disque 7 est essentiellement constitué d'un diélectrique 10 qui est déposé sur une face, sous forme de couche, sur une matière de support conductrice qui constitue la seconde électrode 9. Le disque 7 est disposé de manière que le diélectrique 10 se trouve entre la première électrode 4 et la seconde électrode 9. Al203, le téflon et toutes les matières qui possèdent une constante diélectrique stable à la température conviennent par exemple en tant que matières pour le diélectrique 10. Un espace intermédiaire 11 existe entre le cylindre creux 3 et le bord extérieur du disque 7, de sorte que la seconde électrode 9 n'est pas reliée au cylindre creux 3, lequel, pour des raisons de stabilité et de mise en contact simple, est de préférence également constitué d'un métal. D'une part, le cylindre creux conducteur 3 et donc la première électrode 4 font l'objet d'une mise en contact au moyen de la première ligne d'acheminement 12 et, d'autre part, la seconde électrode 9 est connectée par l'intermédiaire de la seconde ligne d'acheminement 13. Les lignes d'acheminement 12,13 constituent les deux bornes d'un condensateur à plaques formé par la première électrode 4 est la seconde électrode 9. Le disque 7 présente de préférence une épaisseur qui lui confère une stabilité suffisante, de sorte qu'il ne subit au mieux que dans une faible mesure, négligeable, l'influence d'un déplacement de la première électrode 4 ou de vibrations ou de fluctuations de température. La couche diélectrique est de préférence conçue avec une constante diélectrique élevée. L'épaisseur de cette couche diélectrique 10 peut valoir de quelques um à quelques dizaines de um. Ces couches minces peuvent être produites d'une manière relativement simple au moyen de techniques de revêtement, telles que métallisation sous vide, revêtement par rotation ou autres. Les ressorts 8 servent uniquement à immobiliser le disque 7, étant donné que, lors d'un déplacement de la première électrode 4 en direction de l'étrier de frein, le disque 7 est en appui sur la partie en saillie 14 du cylindre creux 3. Les ressorts 8 sont de préférence agencés de façon à ne constituer aucune liaison conductrice entre le cylindre creux 3 et le disque 7. La figure 2 représente le capteur de force conforme à l'invention dans le cas d'une sollicitation par une force F. La force s'exerce sur l'élément cylindrique 6. On constate un intervalle d'air 15 qui est formé entre la première électrode 4 et le diélectrique 10. Le disque 7 est alors en appui sur la partie en saillie 14 du cylindre creux 3 et, sous l'effet de sa liaison élastique avec ce cylindre creux 3, la première électrode 4 se déplace en direction de l'étrier de frein. De ce fait, la distance séparant la seconde électrode 9 de la première électrode 4 s'accroît, de sorte que la capacité du condensateur à plaques constitué par les deux électrodes 4,9 varie. La suspension élastique de la première électrode 4 au cylindre creux 3 est de préférence conçue de manière que la distance entre électrodes varie d'une manière approximativement linéaire vis-à-vis de la force F s'exerçant, de sorte qu'il existe la relation : d = kF, dans laquelle d est : La variation de distance, k : la constante de ressort, F : la force. Par ailleurs, il est avantageux que la distance entre électrodes soit dans une large mesure constante sur l'étendue de toute la surface des électrodes, ce qui signifie que les électrodes restent essentiellement parallèles l'une à l'autre. De cette manière, l'entrefer 15 et le diélectrique 10 peuvent être considérés comme le montage série de deux capacités CD et CL (CD : capacité du diélectrique et CL : capacité de l'intervalle d'air). La capacité totale CG du capteur de force correspond donc approximativement à la relation suivante : A : aire de plaque effective C, : constante diélectrique relative Co : constante diélectrique. Il en résulte pour la force F : L'effet du diélectrique réside uniquement dans le fait que la distance entre électrodes effective est soumise à une influence en l'absence de l'action d'une force. Pour le reste, cela n'a aucun effet sur la caractéristique du capteur de force. Cela évite d'une manière avantageuse que, par exemple dans le cas de chocs, vibrations ou analogues, les deux électrodes 4,9 ne puissent venir en contact l'une avec l'autre et ne forment de ce fait un court-circuit. Un tel court-circuit entraînerait des erreurs de mesure qui pourraient nuire au fonctionnement de l'ensemble du dispositif. Par ailleurs, il est avantageux que la sensibilité du capteur de force à l'état non sollicité ou lorsque de faibles forces s'exercent, soit plus élevée que dans l'état présentant une sollicitation avec des forces élevées. La sensibilité du capteur de force 1 pour une force F correspond à On constate que la sensibilité de ce capteur de force est inversement proportionnelle au carré de la force. Ceci signifie qu'on obtient une sensibilité élevée pour de faibles forces et une sensibilité réduite pour des forces importantes. Les particularités décrites peuvent être importantes, aussi bien individuellement qu'en n'importe quelle combinaison, pour la mise en oeuvre de l'invention dans ses différentes formes de réalisation. REVENDICATIONS 1. Capteur de force (1) permettant de mesurer une force au moyen d'une première électrode (4) et une seconde électrode (9) isolée électriquement de celle-ci, au moins la première électrode (4) étant soutenue de façon à être mobile suivant une direction, afin de modifier la distance séparant la première électrode (4) de la seconde électrode (9) en fonction de l'action d'une force (F), caractérisé en ce qu'un élément-entretoise isolant (10) est disposé entre la première électrode (4) et la seconde électrode (9) et la première électrode (4) est agencée d'une manière telle que, lors de l'action de la force (F), un intervalle (15) séparant la première électrode (4) de l'élémententretoise isolant (10) s'accroît. 2. Capteur de force suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément-entretoise isolant (10) est un diélectrique stable à la température. 3. Capteur de force suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la première électrode (4) et la seconde électrode (9) sont en appui sur l'élément-entretoise isolant (10). 4. Capteur de force suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément-entretoise isolant (10) est déposé sous forme de couche sur la seconde électrode (9). 5. Capteur de force suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première électrode (4) et/ou la seconde électrode (9) ont une forme plane. 6. Capteur de force suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la première électrode (4) est mobile vis-à-vis de la seconde électrode (9) d'une manière telle que l'épaisseur de l'intervalle (15) séparant la première électrode (4) de l'élément de compensation isolant (10) est essentiellement constante sur l'étendue de la surface de la première électrode (4) et/ou de la seconde électrode (9). 7. Capteur de force suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la grandeur de l'intervalle (15) est essentiellement proportionnelle à la force. 8. Capteur de force suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la première électrode (1) et/ou la seconde électrode (9) sont disposées dans un cylindre creux (3). 9. Capteur de force suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première électrode (4) est réalisée sous forme d'une membrane sur laquelle la force s'exerce. 10. Capteur de force suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la seconde électrode (9) comporte un passage servant à recevoir un élément (6) de transmission de force sur la première électrode (4).