Brevet FR2858415A1 — publié le 20050204

i "Dispositif de mesure pour la caractérisation d'un matériau" L'invention concerne un dispositif de mesure pour la caractérisation d'un matériau donné, notamment du rendu de toucher du matériau, et installation de caractérisation comportant un tel dispositif de mesure. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de mesure pour la caractérisation d'un matériau donné, du type qui comporte une tête de mesure constituée d'un corps délimitant un logement ouvert et d'au moins un capteur agencé dans une zone 10 de mesure déterminée fournissant un signal représentatif du rendu de toucher du matériau. Dans certains domaines, notamment dans l'automobile, le confort joue un rôle important lors de la décision de l'achat d'un produit tel qu'une voiture ou un véhicule utilitaire. Il est donc important d'identifier et de quantifier de manière objective et reproductible les sensations que l'utilisateur perçoit, telles que le rendu de toucher, et qui sont liées au confort. Le confort intègre notamment la perception tactile qui bien que complexe se décompose en sensations élémentaires telles 20 que le rendu thermique ou encore le rendu mécanique d'un matériau donné. Le rendu thermique d'un matériau est notamment caractérisé par la sensation de chaud ou de froid lors du contact entre le corps de l'utilisateur et un matériau donné à une 25 température donnée. De même, le rendu mécanique est caractérisé par la sensation éprouvée par le corps de l'utilisateur lors du contact de la peau, par exemple celle des mains ou l'extrémité des doigts avec un matériau donné. De plus, les sensations du rendu mécanique varient selon les conditions dans lesquelles s'établit le contact entre l'utilisateur et le matériau, comme par exemple l'intensité de la pression exercée sur le matériau ou encore un contact dynamique au cours duquel l'utilisateur rencontre plus ou moins de résistance. Contrairement à certains domaines tels que l'évaluation visuelle avec des dispositifs de spectrocolorimétrie, aucun 5 dispositif de mesure n'est capable de quantifier d'une manière représentative et reproductible la perception humaine des sensations liées au rendu mécanique, mais aussi au rendu thermique avec un matériau donné. En effet dans le cas du rendu thermique, il existe différents 10 dispositifs de mesure qui permettent d'évaluer comparativement les comportements thermiques de divers matériaux. Il s'agit notamment du "Touchau" et du module thermique de la machine de Kawabata dont les résultats fournis ne peuvent cependant pas être directement mis en relation avec le rendu 15 thermique d'un matériau ou la perception humaine des sensations liées au toucher. Il est aussi connu d'une demande de brevet du demandeur, déposée le 30.08. 2002 sous le n FR-0210749, un dispositif de mesure d'une caractéristique représentative du rendu thermique 20 d'un matériau donné. A cet effet lors de sa mise en oeuvre, le dispositif de mesure est conditionné thermiquement en étant placé à l'intérieur d'une enceinte dont la température est régulée à l'aide de moyens de chauffage. Lorsque l'ensemble du dispositif de mesure est préchauffé 25 à une température stabilisée sensiblement homogène, par exemple de l'ordre de 35 C qui correspond à la température de l'extrémité du doigt humain, il est sorti de l'enceinte et son extrémité inférieure est alors placée sur une partie du matériau donné à caractériser, qui se trouve par exemple à une 30 température ambiante de 20 C. Un tel dispositif de mesure ne donne cependant pas entière satisfaction. En effet, il s'avère à l'usage peu pratique du fait de la nécessité de procéder au conditionnement thermique préalablement à la mesure et ne permet pas de conserver des conditions opératoires analogues permettant de procéder à une série de mesures successives sans procéder à de nouvelles opérations de conditionnement thermique. On connaît aussi d'une autre demande de brevet du 5 demandeur, déposée le 31.10.2002 sous le n FR-0213661, une installation de caractérisation du rendu mécanique de toucher d'un matériau. Ainsi, le rendu thermique ou le rendu mécanique d'un matériau donné sont actuellement encore évalués par des experts 10 qui quantifient la sensation de chaud ou de froid, de douceur ou de rugosité, lors du contact entre l'extrémité de leurs doigts et un matériau donné. Les matériaux sont ensuite classés en fonction des résultats obtenus. Cette façon de procéder, bien que donnant des 15 résultats satisfaisants, nécessite un personnel hautement qualifié et un nombre de mesures important, de façon à minimiser d'éventuelles erreurs de perception. La détermination du rendu de toucher d'un matériau, qu'il s'agisse du rendu thermique ou du rendu mécanique, est donc 20 longue et onéreuse. Dans le but de résoudre ces problèmes, I'invention propose un dispositif de mesure du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte un module de chauffage intégré réalisé sous la forme d'un sous-ensemble qui est susceptible d'être reçu au 25 moins en partie dans le logement de la tête de mesure. Avantageusement, le dispositif comporte des moyens de préhension de manière à constituer un système facilement transportable et autonome qui permet notamment de procéder à des mesures dans des conditions réelles de mise en ceuvre, telles 30 qu'à bord d'un prototype de véhicule automobile. Selon d'autres caractéristiques selon l'invention - la tête de mesure et le module de chauffage constituent un système homéotherme formant un doigt artificiel, dont les caractéristiques thermiques sont proches de celles de la peau de l'extrémité d'un doigt humain; - le module de chauffage intégré est amovible hors du logement de la tête de mesure; - le module de chauffage comporte une paroi externe qui délimite une cavité borgne contenant un électrolyte de coefficient calorifique élevé et dans laquelle sont logés des moyens de chauffage; - le module de chauffage comporte un capuchon de 10 fermeture de la cavité borgne qui est réalisé en matériau isolant; - la paroi externe du module est réalisée dans un matériau conducteur de chaleur; - le module de chauffage comporte des moyens de contrôle et de régulation de la température qui commandent les moyens de 15 chauffage; - le dispositif de mesure comporte au moins un capteur formant un élément de mesure qui est agencé à une extrémité inférieure du corps et le logement est ouvert à l'autre extrémité supérieure du corps de la tête de mesure; - le dispositif comporte, dans la zone de mesure, au moins un capteur de température fournissant un signal représentatif du rendu thermique du toucher du matériau; - il comporte au moins un capteur d'effort fournissant un signal représentatif du rendu mécanique du toucher du matériau; 25 - il comporte au moins un capteur de pression fournissant un signal représentatif de la dureté du matériau; - il comporte des moyens de mesure, pour un effort donné, de la surface de contact entre le matériau et la zone de mesure de la tête; - au moins une partie de la zone de mesure est recouverte d'une membrane présentant des caractéristiques mécaniques et/ou thermiques analogues à celles de la peau humaine. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une tête de mesure d'un dispositif de mesure selon un exemple de réalisation s de l'invention; - la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'un module de chauffage amovible susceptible d'être reçu dans le logement de la tête de mesure du dispositif selon la figure 1; - la figure 3 représente une vue schématique en l0 fonctionnement du dispositif de mesure selon l'invention. L'invention propose un dispositif 10 de mesure pour la caractérisation du rendu de toucher d'un matériau donné, encore appelé "doigt" du fait qu'il se rapproche dans ses formes et dans sa structure d'un doigt humain. Dans la suite de la description une orientation, non limitative, supérieure, inférieure sera utilisée, conformément à l'orientation de haut en bas du dispositif 10 de mesure selon la figure 1. Dans le mode de réalisation illustré aux figures 1 à 3, le 20 dispositif 10 de mesure comporte une tête de mesure 12 qui est susceptible de caractériser le rendu de toucher d'un matériau, c'est-à-dire les sensations perçues par un doigt lorsqu'il est mis en contact avec un matériau pour ensuite pouvoir classer chaque matériau selon des caractéristiques telles que son rendu 25 thermique ou son rendu mécanique. La figure 1 propose plus particulièrement une tête de mesure 12 d'un dispositif 10 de mesure du rendu thermique d'un matériau. La tête de mesure 12 est disposée au contact d'un 30 matériau donné 11. Le contact entre le dispositif 10 de mesure et le matériau donné 11 définit une zone inférieure de mesure 13. La tête de mesure 12 comporte principalement un corps 14 qui est réalisé dans un matériau rigide tel que du métal, et qui est de forme cylindrique d'axe général vertical de révolution A de façon à se rapprocher de la forme d'un doigt humain. Le corps 14 constitue l'ossature de la tête de mesure 12, et il permet notamment de supporter un élément de mesure 16 qui 5 est ici un capteur de température fournissant un signal représentatif du rendu thermique du toucher du matériau. Le corps 14 est ouvert axialement vers le haut à son extrémité supérieure et il délimite un logement intérieur 18 d'axe A tel qu'un perçage est réalisé à partir de la face supérieure 20 10 du corps 14 sur la quasitotalité de la hauteur de ce dernier. Les épaisseurs de la paroi latérale tubulaire 22 et du fond inférieur 24 du corps 14 sont sensiblement égales, assurant ainsi un comportement thermique sensiblement homogène, quelle que soit la zone du corps 14. Les dimensions du corps 14 sont sensiblement les mêmes que celles d'un doigt humain. La hauteur H est par exemple égale à 60 mm alors que le diamètre D1 peut-être égal à 30 mm. Un élément souple 30 en forme de disque est placé au contact de la face inférieure du corps 14. Il permet d'imiter le 20 comportement mécanique élastique de l'extrémité et de la peau d'un doigt humain lorsqu'il est en contact avec le matériau donné 11. Le diamètre D2 de l'élément souple 30 est inférieur au diamètre D1 du corps 14. Son épaisseur E est, dans l'exemple 25 proposé à la figure 1, de l'ordre de 5 mm. De préférence, l'élément souple 30 est du caoutchouc souple. L'ensemble constitué par le corps 14 et l'élément souple 30 est recouvert par l'élément de mesure 16 qui a une section en forme de U. L'élément de mesure 16 est constitué d'une première membrane extérieure 32 à l'intérieur de laquelle sont agencés successivement un réseau de capteurs thermiques 34 ainsi qu'une seconde membrane 36 intérieure en latex. De préférence, des aspérités sont réalisées sur la surface extérieure de la première membrane 32 de façon à reproduire les légères ondulations de la peau telles que les empreintes digitales. Le réseau de capteurs 34 proposé à la figure I comporte 5 quatre thermocouples 38 qui permettent de mesurer la température au niveau de la zone de mesure 13 entre le dispositif 10 de mesure et le matériau donné 11. Les quatre thermocouples 38 permettent de mesurer les écarts éventuels de température dans la zone de mesure en contact et ainsi de diminuer les 10 erreurs de mesure dues à une mauvaise homogénéité de la température au niveau de la zone de mesure 13. Cependant, il est possible d'utiliser un seul thermocouple 38, si ce dernier permet de s'affranchir des erreurs de mesure par son agencement ou sa conception. Les thermocouples 38 sont reliés à un connecteur de raccordement 40 qui est fixé sur le couvercle 14. D'autres capteurs tel qu'un capteur de flux peuvent être utilisés. Avantageusement, I'extrémité inférieure du dispositif 10 de 20 mesure est courbe de façon à se rapprocher de la forme de l'extrémité du doigt humain et comporte des moyens de mesure, pour un effort donné, de la surface de contact entre le matériau 11 et la zone de mesure 13. Le fonctionnement du dispositif 10 de mesure du rendu de 25 toucher, ici du rendu thermique, d'un matériau 11 est le suivant. Le but est de mesurer une caractéristique qui est représentative du rendu thermique d'un matériau donné 11. Ceci permet alors de classer le matériau donné 11 dans une catégorie qui correspond à la sensation perçue par un doigt humain lorsqu'il 30 est mis en contact avec ce matériau. Pour que le doigt perçoive une sensation thermique, qui est due aux échanges thermiques, il est nécessaire que la température du matériau donné 11 soit à une température différente de celle du doigt. Ainsi, dans un premier temps, le dispositif 10 de mesure est conditionné thermiquement grâce à un module de chauffage intégré 50 selon l'invention qui est représenté à la figure 2. Le module de chauffage 50 est réalisé sous la forme d'un 5 sous-ensemble cylindrique qui est susceptible d'être reçu dans le logement 18 de la tête de mesure 12. Le module de chauffage 50 comporte une paroi externe 52 qui délimite une cavité borgne 54 contenant un électrolyte 56 de coefficient calorifique élevé et dans laquelle sont logés des 10 moyens de chauffage 58. La paroi externe 52, qui forme le corps du module 50, est isolée électriquement et elle est réalisée dans un matériau présentant de bonnes propriétés de conduction de la chaleur, tel qu'un matériau métallique comme l'aluminium. En variante, l'électrolyte 56 contenu dans la cavité 54 peut être remplacé de manière économique par de l'air. Les moyens de chauffage 58 sont constitués par une résistance chauffante ayant globalement une forme de U . Le module de chauffage 50 comporte dans sa partie 20 supérieure, à son extrémité ouverte, un capuchon 60 en matériau isolant qui ferme la cavité 54. Le capuchon 60 comporte sur sa face supérieure un connecteur 62 pour l'alimentation électrique de la résistance chauffante 58. Les moyens de chauffage 58 sont solidaires du capuchon à partir de la face inférieure duquel ils s'entendent axialement vers le bas à l'intérieur de la cavité 54 Le module de chauffage 50 comporte des moyens de contrôle et de régulation de la température qui commandent les 30 moyens de chauffage 58. Les moyens de contrôle de la température sont par exemple réalisés à l'aide d'au moins un thermocouple 64 qui est solidaire de la paroi 52. La régulation de la température du module 50 est obtenue à l'aide d'un dispositif de commande 66 auquel sont connectés les moyens de contrôle de la température 64 et l'alimentation des moyens de chauffage 58. Le module de chauffage 50 permet de réguler en permanence avec précision la température de la tête de mesure 12 de manière que la température, notamment dans la zone de mesure soit généralement de l'ordre de 35 C, ce qui correspond à la température de l'extrémité d'un doigt humain lorsque la 10 température ambiante est d'environ 20 OC. La figure 3 représente l'ensemble du dispositif 10 de mesure en position d'utilisation, c'est-à-dire une tête de mesure 12 dans le logement 18 de laquelle le module de chauffage 50 a été mis en place axialement de haut en bas. Avantageusement, il est prévu des moyens de fixation (non représentés) qui interviennent entre le module 50 et la tête 12 de manière à garantir notamment un bon positionnement du module dans le logement 18. Les moyens de fixation consistent par exemple en des clips 20 ou des moyens analogues tel qu'un vissage intervenant, en fin de course d'introduction du module, entre la paroi externe 52 de ce dernier et la paroi interne du corps 14 délimitant le logement 18. Après son conditionnement thermique, le dispositif de mesure 10 et le module de chauffage 50 constituent un système 25 homéotherme ou encore un doigt artificiel dont les caractéristiques notamment thermiques sont proches de celles de la peau de l'extrémité d'un doigt humain. Il est dès lors possible d'effectuer des séries de mesures avec le doigt homéotherme ainsi obtenu. Pour ce faire, I'extrémité inférieure du dispositif de mesure est placée sur une partie du matériau donné 11 à caractériser conformément à la figure 3. Pour que le contact entre le dispositif 10 et le matériau donné 11 soit reproductible, il est nécessaire d'appliquer une force suffisante qui est de l'ordre de 2N. Un dispositif d'acquisition de données 68 déclenche aussitôt la mesure, ici de la température fournie par les thermocouples 38 au niveau de la zone de mesure 13. Lorsque la mesure est terminée, il est possible d'effectuer immédiatement 5 d'autres mesures sans qu'il soit nécessaire comme précédemment de procéder de nouveau au conditionnement thermique du dispositif de mesure 10. Pour plus de détail sur le fonctionnement d'un tel dispositif de mesure permettant de caractériser chaque matériau selon 10 son rendu thermique du toucher, on se reportera à la demande de brevet du demandeur, déposée le 30.08.2002 sous le n FR-0210749. Toutefois, le dispositif de mesure 10 selon l'invention n'est nullement limité à la caractérisation du rendu thermique du 15 toucher d'un matériau 11 qui n'est donné ici qu'à titre d'exemple. En variante non représentée, la tête de mesure 12 du dispositif 10 comporte au moins un capteur de pression fournissant un signal représentatif de la dureté du matériau et / ou des moyens de mesure, pour un effort donné, de la surface de 20 contact entre le matériau 11 et la zone de mesure 13 de la tête 12. L'élément de mesure 16 de la tête 12 consiste par exemple en une demisphère simulant la souplesse de l'extrémité d'un doigt humain, qui est recouverte d'une nappe de pression réalisée 25 à l'aide de capteurs de type piézo-électrique. Avantageusement, une telle demi sphère est réalisée dans un matériau identique à celui de la membrane 32 de manière à présenter des caractéristiques mécaniques et/ou thermiques analogues à celles de la peau humaine. Ainsi, ce type d'élément de mesure permet notamment de connaître les forces mises en jeu lors d'une évaluation sensorielle du caractère souple du matériau 11 à caractériser. Selon une autre variante non représentée, la tête de mesure 12 du dispositif 10 comporte au moins un capteur d'effort 1l fournissant un signal représentatif du rendu mécanique du toucher du matériau. Pour ce faire, on peut utiliser un ou des capteurs dynamométriques afin d'obtenir un signal représentatif du contact dynamique entre la peau et la surface du matériau 11. Avec un élément de mesure comportant au moins deux capteurs d'effort fournissant chacun un signal représentatif de la force tangentielle et de la force normale au plan de la surface du matériau exercée par la tête de mesure 12. On peut ainsi caractériser le rendu de toucher soit la sensation perçue au contact du matériau 11 comme son caractère glissant ou bloquant Pour cela, on effectue le rapport entre la valeur de la force tangentielle et la valeur de la force normale qui est représentatif du coefficient de frottement 15 intervenant entre la peau artificielle de la zone de mesure 13 et le matériau 11. La tête de mesure 12 du dispositif 10 peut donc comporter différents types de capteurs formant des éléments de mesure en fonction de ce que l'on souhaite caractériser pour un matériau 20 donné. Avantageusement, le module de chauffage 50 qui est amovible étant standard, il peut être reçu dans un logement 18 complémentaire que comportent différentes têtes de mesure 12 comprenant chacune un ou plusieurs éléments de mesure 16 de 25 type différent selon les applications. Pour les applications visant à déterminer le rendu mécanique du toucher, il est souhaitable d'utiliser une installation fixe pour réaliser des mesures fiables car on peut alors maîtriser avec plus de précision les déplacements relatifs entre le dispositif 30 de mesure 10 et le matériau 11. Ainsi, le dispositif de mesure 10 selon l'invention peut être intégré à une installation (non représentée) de caractérisation du rendu de toucher d'un matériau. Le dispositif 10 est par exemple solidaire d'un bras commandé qui est monté mobile dans l'espace selon les trois directions longitudinale, verticale et transversale de manière à ce que la membrane 32 de l'élément de mesure 16 viennent au 5 contact de la surface du matériau 11 d'un porte-échantillon selon un parcours déterminé. Avantageusement, le dispositif de mesure 10 peut être transporté de manière à effectuer des mesures de caractérisation de matériau sur des produits finis tels que des sièges ou d'autres composants d'un véhicule automobile, sans nécessairement avoir à utiliser des échantillons de matériau. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure (10) pour la caractérisation d'un matériau donné (11), du type qui comporte une tête de mesure (12) constituée d'un corps (14) délimitant un logement ouvert (18) 5 et d'au moins un capteur (16, 38) agencé dans une zone de mesure déterminée (13) fournissant un signal représentatif du rendu de toucher du matériau, caractérisé en ce qu'il comporte un module de chauffage (50) intégré réalisé sous la forme d'un sousensemble qui est susceptible d'être reçu au moins en partie dans 10 le logement (18) de la tête de mesure (12). 2. Dispositif de mesure (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête de mesure (12) et le module de chauffage (50) constituent un système homéotherme formant un doigt artificiel. 3. Dispositif de mesure (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le module de chauffage (50) intégré est amovible hors du logement (18) de la tête de mesure (12). 4. Dispositif de mesure (10) selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module de 20 chauffage (50) comporte une paroi externe (52) qui délimite une cavité borgne (54) contenant un électrolyte (56) de coefficient calorifique élevé et dans laquelle sont logés des moyens de chauffage (58). 5. Dispositif de mesure (10) selon la revendication 4, 25 caractérisé en ce que le module de chauffage (50) comporte un capuchon de fermeture de la cavité borgne (54) qui est réalisé en matériau isolant. 6. Dispositif de mesure (10) selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la paroi externe (52) du module (50) 30 est réalisée dans un matériau conducteur de chaleur. 7. Dispositif de mesure (10) selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le module de chauffage (50) comporte des moyens de contrôle (64) et de régulation (66) de la température qui commandent les moyens de chauffage (58). 8. Dispositif de mesure (10) selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un capteur (38) formant un élément de mesure (16) qui est agencé à une extrémité inférieure du corps (14) et en ce que le 5 logement (18) est ouvert à l'autre extrémité supérieure du corps (14) de la tête de mesure (12). 9. Dispositif de mesure (10) selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, dans la zone de mesure (13) , au moins un capteur de température 10 (38) fournissant un signal représentatif du rendu thermique du toucher du matériau (11). 10. Dispositif de mesure (10) selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un capteur d'effort fournissant un signal représentatif du rendu mécanique du toucher du matériau (11). 11. Dispositif de mesure (10) selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un capteur de pression fournissant un signal représentatif de la dureté du matériau (11) . 12. Dispositif de mesure (10) selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure, pour un effort donné, de la surface de contact entre le matériau (11) et la zone de mesure (13) de la tête (12). 13. Dispositif de mesure (10) selon l'une quelconques des 25 revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la zone de mesure (13) est recouverte d'une membrane (32) présentant des caractéristiques mécaniques et/ou thermiques analogues à celles de la peau humaine.