Brevet FR2815117A1 — publié le 20020412

l La présente invention concerne un capteur de force com- prenant un support muni d'au moins un chemin pour une onde acousti- que de surface, l'effet de la force sur le support se détectant par une mesure de temps, nécessaire à une onde acoustique de surface pour par- courir le chemin. On connaît déjà des capteurs de force dans lesquels on me- sure la déformation d'un support par un chemin d'une onde acoustique de surface. En cas d'action d'une force sur le support, cela modifie le temps nécessaire à l'onde acoustique de surface pour parcourir le chemin. Avantages de l'invention La présente invention concerne un capteur de force du type défini ci-dessus, caractérisé par un premier et un second chemin prévus pour les ondes acoustiques de surface, dont le premier et le second che- min sont essentiellement parallèles et ont des longueurs différentes. Le capteur de force selon l'invention offre l'avantage de pou- voir prouver l'action de la force sur le support dans deux directions per- pendiculaires. On peut ainsi mesurer différentes composantes de forces avec un élément de capteur. Suivant une caractéristique particulièrement simple, le chemin est formé de structures de condensateurs en peignes et de barriè- res. De manière particulièrement simple, on utilise un support en matière piézo-électrique. Le couplage en entrée et en sortie des signaux électriques se fait avantageusement par une antenne. D'une manière très avantageuse, on réalise le support par une plaque et sur la face supé- rieure de celle-ci on réalise le premier et le second chemin de circulation. D'autres chemins de circulation peuvent être réalisés sur la face inférieure du support en forme de plaque pour permettre de mesurer une compo- sante de force dans une troisième direction. Le support peut également être intégré dans une matière élastique, telle qu'un pneumatique d'automobile. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre un capteur de force selon l'état de la technique, - la figure 2 montre les signaux du capteur de la figure 1, - les figures 3 à 5 montrent un premier exemple de réalisation de l'invention sollicité par des forces dans des directions différentes, - les figures 6 à 8 montrent les signaux du capteur des figures 3, 4, 5, - la figure 9 montre un autre exemple de réalisation de l'invention. Description Selon les figures 1 à 3 on décrira le principe de base de capteurs de force utilisant un chemin de circulation pour des ondes acoustiques de surfaces. La figure 1 montre en vue de dessus un support en matière piézo-électrique. Sur le support on a appliqué une struc- ture de condensateur 101 en forme de doigts par exemple par une métalli- sation en couche mince. Un grand nombre de doigts de condensateur, différents, s'interpénètrent. Les intervalles géométriques des différents doigts, lorsqu'on applique une tension électrique à la matière piézo- électrique du support 1, engendrent une déformation générant une onde acoustique de surface dans le support 100. Il s'agit d'une onde acoustique de surface car elle se déploie à la vitesse du son dans la matière du sup- port 100 et est perceptible par les déformations de la surface du support 100. Les déformations au niveau de la structure du condensateur 101 sont engendrées par l'application de tensions électriques car en général les tensions électriques produisent une déformation des matières piézo- électriques. Pour appliquer les tensions électriques à la structure de condensateur 101, il est prévu un dispositif d'antenne 102 également ré- alisé par métallisation en couche mince. En injectant un signal électrique de haute fréquence, on applique ainsi à la structure de condensateur 101 une tension électrique correspondante de sorte que l'on crée une onde acoustique de surface dans le support 100. Comme déjà indiqué, cette onde acoustique de surface se développe à la vitesse du son sur le support 100. Partant de la structure de condensateur, l'onde acoustique de surface circule dans la direction longitudinale du support 100 et rencontre une barrière de réflexion de surface 103. Une partie de l'onde acoustique de surface est réfléchie par la barrière de réflexion 103 et revient alors de la barrière 103 vers la struc- ture de condensateur 101. Une autre partie de l'onde acoustique de sur- face continue à se déployer pour être réfléchie par une seconde barrière 104. Ainsi, une onde de surface revient de la barrière 104 avec un déca- lage dans le temps vers la structure de condensateur 101. Les ondes acoustiques de surfaces de retour des barrières 103, 104 génèrent des déformations correspondantes dans la matière piézo-électrique sous les structures de condensateur 101 qui sous l'effet piézo-électrique engen- drent des tensions électriques dans la structure de condensateur 101. Ces tensions électriques sont de nouveau émises vers l'extérieur par les an- tennes 102 sous la forme de signaux de haute fréquence. La structure de condensateur 101 et les barrières 103, 104 réalisent un chemin de circu- lation pour les ondes acoustiques de surface. La figure 2 représente l'intensité des signaux de haute fré- quence I(t) en fonction du temps t. A l'instant tO se produit un premier si- gnal de haute fréquence, intense, qui représente le signal d'excitation. Ce signal arrive de l'extérieur et génère, dans la structure de condensateur 101, l'onde acoustique de surface dans le support 100. A l'instant t 1, l'antenne 102 émet un signal de haute fréquence déclenché par l'onde de surface réfléchie par la barrière 103. A l'instant t2, l'antenne 102 émet un second signal de haute fréquence qui déclenche l'onde de surface réfléchie par la barrière 104. L'intervalle entre les signaux aux instants tl et t2 par rap- port à l'instant tO et des signaux entre eux permet d'obtenir des informa- tions concernant le support 100 car ces différences de temps dépendent du temps de parcours de l'onde acoustique de surface dans le support 100. Le temps de parcours de l'onde acoustique de surface dans le sup- port 100 est influencé par exemple par la température du support 100. De plus, le temps de parcours est influencé par les déformations mécaniques du support 100. Pour séparer ces effets entre eux, le support 100 de la figure 1 comporte une zone rigide 110 et une zone souple 120. La zone rigide 110 peut notamment avoir une plus forte épaisseur que la zone souple 120. Lors de l'application d'une force mécanique au niveau de l'extrémité du support 100, à l'opposé de la structure de condensateur 101, le support 100 fléchit principalement dans la zone souple 120. Cela est perceptible par le temps de parcours de l'onde acoustique de surface dans la zone souple 120 si bien que l'instant t2 sera décalé par rapport à l'instant tO. Comme la barrière 103 se trouve dans la zone mécaniquement stable 110, même l'application d'une force mécanique à l'instant tl par rapport à l'instant tO n'est pas décalée en première approximation. Le temps de parcours de l'onde de surface dépend ainsi dans cette zone uni- quement de la température. En mesurant le temps compris entre les ins- tants tO ett 1, on peut ainsi avoir une information concernant la température du support 100. En mesurant les différences de temps entre les instants tO et t2 on peut avoir une information concernant la force ap- pliquée au support 100. Le dispositif de la figure 1 convient ainsi comme capteur de force qui permet d'identifier une force agissant sur le support 100. Le si- gnal réfléchi par la barrière 104 sera influencé à la fois pour son décalage dans le temps par la force appliquée et par la température du support. L'influence de la température sur ce signal peut se calculer en considérant le signal réfléchi par la barrière 103. La structure digitée de condensateur 101 et les barrières 103, 104 réalisent ainsi un chemin de parcours pour les ondes acousti- ques de surface sur le support piézo-électrique 100. On a également d'autres possibilités de réalisation d'un tel chemin de parcours sur le sup- port piézo-électrique 100. Par exemple, on pourrait appliquer deux struc- tures de condensateur sur le support dont l'une serait conçue pour exciter les ondes acoustiques de surface et l'autre pour les recevoir. Le temps de parcours de ce signal serait également influencé par les tensions mécani- ques dans le support. Dans la mesure o d'autres possibilités de mesure de température existent pour mesurer la température du support 100 on peut supprimer par exemple la barrière 103 de la figure 1 car cette bar- rière fournit principalement une information de température. Un élément comme celui de la figure 1 ne permet toutefois de mesurer qu'une seule composante de force perpendiculaire au support. Dans les figures suivantes on décrira un capteur de force selon l'invention permettant de justifier de plusieurs composantes de force dans des direc- 2s tions perpendiculaires. La figure 3 montre un support piézo-électrique 100 ayant une première structure digitée de condensateur 11 et une seconde struc- ture digitée de condensateur 12. La première structure digitée de conden- sateur 11 forme avec les barrières 1, 3, qui sont également prévues sur le support 100, un premier chemin pour les ondes acoustiques de surface. La seconde structure digitée de condensateur 12 sur le support 100 forme avec les barrières 2, 4 du support 100, un second chemin pour les ondes acoustiques de surface. Le support 100 comporte une première zone rigide 110. Dans cette zone se trouve la première et la seconde structure de condensateur 11, 12 et les barrières 1, 2. Le support 100 comporte égale- ment une zone souple 120 portant les barrières 3, 4. Sur la face inférieure de la zone amincie 120 on a prévu un élément 130 permettant d'induire une force. Le support 100 et l'élément 130 pour induire une force sont ré- alisés en une matière élastique, par exemple dans le caoutchouc d'un pneumatique. Cette matière élastique dans laquelle est intégré le support n'est pas représentée à la figure 3. Mais pour expliciter on a repré- senté la limite extérieure 140 de cette matière élastique. On pense no- s tamment à un pneumatique, c'est-à-dire que la limite extérieure 140 est par exemple réalisée avec le profil d'un tel pneumatique. La première et la seconde structure de condensateur 11, 12 sont reliées électriquement par un chemin de liaison 150. Ces structures sont reliées électriquement à des éléments d'antenne 102 qui injectent de l'extérieur un signal de haute fré- quence ou en fonction de tensions électriques dans les structures de condensateurs 1 1, 12, émettent un signal correspondant. La figure 3 montre le support 100 lorsqu'aucune force n'agit sur la matière élastique intégrée. Les signaux électriques générés dans cet état par l'arrivée d'un signal de haute fréquence sont représentés à la fi- l 5 gure 6. La figure 6 montre l'intensité d'un signal de haute fré- quence I(t) en fonction du temps t. A l'instant tO on a une excitation par l'arrivée d'une impulsion externe de haute fréquence. Ainsi à la fois la première structure de condensateur 1 1 et la seconde structure de conden- sateur 12 sont excitées de sorte que les ondes acoustiques de surface sont émises. A l'instant tl, l'onde de surface réfléchie par la barrière 1 atteint la première structure de condensateur 11 qui transmet un signal de haute fréquence émis par les antennes 1 et 2. A l'instant t2, l'onde de surface réfléchie par la barrière 2 atteint la seconde structure de condensateur 1 1 et cela se traduit de nouveau par l'émission d'un signal. Pour que les deux impulsions puissent se séparer simplement l'une de l'autre, les barrières 1, 2 sont décalées des structures de condensateur respectives selon le temps de parcours. De même, les structures de barrières 3, 4 sont déca- lées l'une par rapport à l'autre de sorte qu'à l'instant t3, l'onde de surface réfléchie par la barrière 3 atteint la première structure de condensateur 11 et à l'instant t4 l'onde de surface réfléchie par la barrière 4 atteint la se- conde structure de condensateur 12. La figure 4 montre le capteur de force sous l'action d'une force dans la direction Y (le système de coordonnées est représenté à la figure 3). Les références utilisées désignent les mêmes objets qu'à la figure 3. La force dirigée dans la direction Y déforme le milieu élastique dans le- quel est intégré le support 100 comme cela est indiqué par le décalage correspondant de la surface 100 de la masse élastique. L'élément de cou- plage de force 130 crée une torsion correspondante du support 100. Cette torsion agit principalement sur la partie souple 120 du support 100 car cette partie est d'épaisseur réduite et ainsi elle est plus souple. La zone rigide épaisse 110 du support 100 ne sera toutefois que faiblement défor- mee. La figure 7 montre la variation du signal d'intensité I(t) en fonction du temps, produite par l'action de la force dans la direction Y. Les signaux aux instant tO, tl, t2 correspondent aux signaux déjà présentés à la figure 6. Cela repose sur le fait que dans la zone 110 du support 100, il n'y a pas de déformation et ainsi aucune modification des signaux géné- rés. Comme le montre clairement la figure 7, la torsion de la zone 120 du support 100 produit un décalage significatif des instants t3, t4, c'est-à- dire des instants auxquels les signaux réfléchis par les barrières 3, 4 re- viennent. A la figure 7 on a représenté les signaux des instants t3, t4 de la figure 6 en trait mince alors que les signaux décalés sont représentés en trait gras. Selon la figure 7, l'instant t3 est avancé par rapport à la figure 6 alors que l'instant t4 est retardé. Cela est souligné par les flèches à la fi- gure 7. La force dans la direction Y fait ainsi que le temps de parcours du premier chemin de circulation, formé par la structure de condensateur 11 et la barrière 3, est raccourci alors que le temps de parcours entre la structure de condensateur 1 1 et la barrière 4 est allongé. La figure 5 montre l'action d'une force dans la direction X. On utilise les mêmes références pour désigner les mêmes objets qu'aux figures 3 et 4. Selon la figure 5, une force dans la direction X déforme principalement la zone déformable 120 du support 100. Comme la force dans la direction X déforme la zone souple 120 essentiellement vers le bas dans la direction Z, négative, l'influence sur le temps de parcours des si- gnaux pour les deux chemins est essentiellement la même. Cela apparaît également à la figure 8 dans laquelle on a représenté des signaux corres- pondants à deux des figures 6 et 7 pour l'application d'une force dans la direction X. Les signaux aux instants tO, tl, t2 correspondent de nouveau à ceux des figures 6 et 7. Les signaux aux instants t3, t4 sont représentés en trait épais et les signaux d'origine aux instants t3, t4 selon la figure 6 sont représentés en trait mince. Comme le montrent les flèches, les deux instants t3, t4 sont décalés par rapport aux instants non chargés t3, t4 de la figure 6 dans le sens du retard. Les deux chemins prévus sur le support 100 permettent ainsi de séparer clairement l'une de l'autre l'action des forces dans la di- rection X et celles dans la direction Y. Grâce aux deux chemins parallèles sur le support 100 on peut ainsi détecter simultanément les deux compo- santes de force. La figure 9 montre un autre exemple de réalisation de l'invention. La figure 9 est une vue de dessous d'un support 100. En vue de dessus le support 100 correspond à celui des figures 3 à 5, c'est-àdire que la face supérieure du support comporte le premier et le second che- min comme cela est présenté aux figures 3 à 5. La face inférieure du sup- port comporte deux autres chemins représentés à la figure 9 par une vue de dessous de parties des zones 110, 120. Sur la face inférieure de la zone on a une troisième et une quatrième structure de condensateur en forme de peignes 13, 14 auxquels est associée respectivement une barrière 5, 6 pour former deux autres chemins. Les deux structures de condensa- teur en forme de peignes 13, 14 sont également reliées aux antennes 102 pour recevoir et pour émettre des signaux de haute fréquence. Des signaux des chemins 3, 4 appliqués sur la face infé- rieure permettent de détecter en outre une force dans la direction X, une force dans la direction Z produit une déformation de la zone souple 120 du support 100. Lorsqu'une force agit dans la direction X, cela se traduit non seulement par une flexion de la zone 120 mais également directement par une composante de force dans la direction X sur le support 100 qui influence également le temps de parcours des ondes de surface dans le support 100. Pour une force appliquée dans la direction de l'axe Z on n'a toutefois qu'une flexion de la zone 120. L'action d'une force dans la direc- tion Z est ainsi en première approximation égale pour la face supérieure et la face inférieure du support 100 mais les deux effets sont de signes algé- briques différents. Pour une action d'une force dans la direction X, du fait que la force est appliquée directement au support 100 dans la direction X, les effets sur les temps de parcours des ondes de surface sur la face supé- rieure et la face inférieure, sont de signes algébriques opposés mais de même amplitude. On peut ainsi distinguer entre l'action d'une force dans la direction X et l'action d'une force dans la direction Z. REVENDICATIONS 1 ) Capteur de force comprenant un support (100) muni d'au moins un chemin pour une onde acoustique de surface, l'effet de la force sur le sup- port (100) se détectant par une mesure de temps, nécessaire à une onde acoustique de surface pour parcourir le chemin, caractérisé par un premier et un second chemin (11, 12, 1, 2, 3, 4) prévus pour les ondes acoustiques de surface, dont le premier et le second chemin (11, 12, 1, 2, 3, 4) sont essentiellement pa- rallèles et ont des longueurs différentes. 2 ) Capteur de force selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier et le second chemin (11, 12, 1, 2, 3, 4) sont réalisés par des structures de condensateur en forme de peignes (11, 12) réalisés sur une matière piézo-électrique, et par la disposition de barrières de réflexion (1, 2, 3, 4) sur le support (100). 3 ) Capteur de force selon la revendication 2, caractérisé en ce que le support (100) est en matière piézo-électrique et les structures de condensateur (11, 12) sont réalisées directement sur la surface du sup- port. 4 ) Capteur de force selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les structures de condensateur (11, 12) sont reliées à des éléments d'antenne (102). 5 ) Capteur de force selon l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que le support (100) est en forme de plaque et le premier et le second chemin sont réalisés sur la surface supérieure du support en forme de plaque (100). 6 ) Capteur de force selon la revendication 5, caractérisé par au moins un autre chemin (13, 14, 5, 6) réalisé sur la face inférieure du support en forme de plaque (100). 7 ) Capteur de force selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support est intégré dans un milieu déformable, notamment dans la ma- tière d'un pneumatique automobile.