Brevet FR2935795A1 — publié le 20100312

Capteur de pression piézoélectrique L'invention concerne un capteur de pression piézoélectrique, avec au moins un élément de mesure, disposé sur la partie de base d'un boîtier et relié, du côté opposé à la partie de base du boîtier, à une membrane de fermeture de la partie de base, exposée à la pression à mesurer, et s'appliquant sur une tôle d'électrode lors de la mise en contact de l'un de ses pôles. Des capteurs de pression à membrane sont connus depuis longtemps à travers des réalisations très variées ù voir à titre d'exemple la figure 3 du document EP 352 773 A2 ou la figure 1 du document EP 90 871 Al. La pression agissant de l'extérieur sur la membrane est transmise en tant que force à l'élément de mesure, qui met à disposition, au niveau des deux pôles, une charge proportionnelle à la pression, susceptible d'être captée et utilisée ultérieurement. Bien que la construction des capteurs de pres- sion de ce genre soit en principe très simple, un effort de construction et de finition technique relativement important est nécessaire, en particulier pour la mise en contact des deux pôles et le positionnement des éléments de mesure, s'opposant ainsi à une production en masse à faible coût, pourtant souhaitable dans de nombreuses applications. Des capteurs de pression correspondants sont également connus de par le document AT 503 816 A, dans lequel le positionnement des éléments de mesure lors du montage du capteur a été facilité ou amélioré grâce au fait que l'élément de mesure ou la pile d'éléments de mesure est fixé(e) sur une électrode de dérivation ou sur une tôle d'électrode, lors de la mise en contact d'un de ses pôles. Mais ici aussi, le position- nement exact par rapport au boîtier est effectué au moyen d'éléments supplémentaires, ce qui implique également un effort de construction et de finition technique supplémentaire. La présente invention a pour but d'améliorer un capteur de pression piézoélectrique du genre mentionné en introduction, de manière à pouvoir appliquer le principe de base de façon conséquente à une fabrication en masse, simple et peu couteuse, mais néanmoins de grande qualité. Ce but est atteint selon la présente invention, pour un tel capteur de pression piézoélectrique, par le fait que la ou chaque tôle d'électrode entoure une broche de contact saillante vers l'extérieur, de façon conductrice, par complémentarité de forme et de manière à fixer la position. Cela permet tout d'abord de garantir de manière simple et précise la fixation de la position de la tôle d'électrode, par complémentarité de forme, absolument essentielle pour une qualité reproductible, en même temps que la mise en contact du pôle de l'élément de mesure ou des éléments de mesure, appliqué à cet endroit, ce qui permet d'obtenir une construction très simple et donc peu couteuse du capteur de pression, sans nécessiter d'autres éléments d'ajustage ou autres. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, au moins l'un des éléments de mesure peut ici être fixé directement sur une tôle d'électrode correspondante, de préférence par reliure, soudure ou thermo-compression. Une fixation en position par complémentarité de forme de l'unité mécanique formée par l'élément de mesure et la tôle d'électrode est ainsi possible, en même temps que la mise en contact de l'un des pôles de l'élément de mesure, ce qui permet notamment de simplifier avantageuse-ment la fabrication et le montage d'un tel capteur de pression. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le deuxième pôle de l'élément de mesure est connecté par le biais de la partie de base du boîtier et/ou de la membrane, ce qui représente une nouvelle simplification et permet d'éviter ici tout effort supplémentaire. Dans une autre forme de réalisation préférée de l'invention, le deuxième pôle de l'élément de mesure peut être relié à une autre broche de contact saillante vers l'extérieur, par le biais d'une autre tôle d'électrode, de façon conductrice, par complémentarité de forme et de manière à fixer la position, des éléments de transmission de pression étant alors disposés de façon électriquement isolante entre les tôles d'électrode d'une part et la partie de base ou membrane d'autre part. Cela permet d'obtenir une mise en contact bipolaire, isolée par rapport au boîtier et à l'environnement de montage, nécessaire dans de nombreux cas d'application, de l'élément de mesure ou de plusieurs éléments de mesure intégrés, tout en préservant les avantages liés à la fixation en position par complémentarité de forme, associée à la mise en contact simultanée des éléments de mesure par le biais des tôles d'électrodes. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, la tôle d'électrode peut porter deux éléments de mesure mis en contact au-dessus de façon électriquement opposée, dont l'autre pôle est mis en contact d'une part par le biais de la partie de base et d'autre part par le biais de la membrane reliée à celle-ci de façon conductrice. Cela permet d'augmenter le gain de signaux, sans pour autant compliquer la construction du capteur de pression. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le ou les éléments) de mesure peut ou peuvent être conçu(s) de façon annulaire et disposé(s) concentriquement au-tour de la broche de contact, ce qui permet d'obtenir une construction symétrique du capteur de pression, avantageuse dans certains cas d'application. Dans une autre forme de réalisation préférée de l'invention, plusieurs éléments de mesure peuvent également être disposés en forme d'étoile autour de la broche de contact placée au milieu, ce qui permet d'utiliser un plus grand nombre d'éléments de mesure plus petits. Selon une autre forme de réalisation préférée de l'invention, au moins l'un des élé- ments de mesure et/ou un élément de transmission de pression électriquement isolant peut également être fixé directement sur la partie de base et/ou la membrane, de préférence par reliure, soudure ou thermo-compression. Ainsi, le positionnement et la fixation des éléments appliqués sur la partie de base du boîtier et/ou la membrane sont effectués directement sur ceux-ci, ce qui simplifie largement notamment le mon- tage d'unités mécaniques en plusieurs parties, constituées d'éléments de mesure, de tôles d'électrodes et éventuellement d'éléments de transmission de pression. Par ailleurs, dans une forme de réalisation particulièrement préférée de l'invention, la membrane peut être constituée quasiment en forme de pot, par exemple comme une pièce monobloc rotative ou emboutie, et directement reliée à la partie de base du boî- tier, de préférence au moyen d'une soudure périphérique. Cela permet d'obtenir une réalisation et un montage très simples, à partir d'un petit nombre de pièces, facilitant encore davantage une fabrication en masse à faible coût des capteurs de pression de ce genre. L'invention est décrite plus en détail ci-dessous, à l'aide d'exemples de réalisation représentés de façon schématique sur les dessins. Les figures 1, 3, 5, 7, 9, 1l et 12 montrent ici une coupe schématique de différents exemples de réalisation de capteur de pression piézoélectrique selon l'invention, tandis que les figures 2, 4, 6, 8, 10 et 13 montrent des vues en perspective (à plus grande échelle) des éléments de mesure utilisés dans les capteurs de pression représentés respectivement à côté, y compris les tôles d'électrode destinées à leur mise en contact û dans tous ces exemples, une unité mécanique, constituée d'éléments de mesure, de tôles d'électrodes et parfois égale-ment d'éléments de transmission de pression électriquement isolants, est préfabri- quée et insérée entre la partie de base du boîtier et la membrane, pendant le montage. Les figures 14 à 20 montrent des vues éclatées en coupe d'autres exemples de réalisation de capteurs de pression piézoélectriques selon l'invention, dans lesquelles l'élément appliqué respectivement sur la partie de base du boîtier et la membrane est préalablement positionné et fixé sur ces pièces. Tous les exemples de réalisation représentés montrent un capteur de pression piézoé- lectrique 1, avec au moins un élément de mesure piézoélectrique 3, disposé sur une partie de base de boîtier 2, qui peut lui-même être également constitué de plusieurs couches reliées entre elles, et qui, du côté opposé à la partie de base 2, est relié à une membrane 4 exposée à la pression à mesurer et fermant la partie de base 2, tout en étant électriquement connecté à l'extérieur par deux pôles. La pression agissant de l'extérieur sur la membrane 4 est transmise en tant que force à l'élément de mesure 3, qui met à disposition une charge proportionnelle à la pression, détectable au ni-veau de chaque pôle et réutilisable, selon le principe piézoélectrique connu. L'élément de mesure 3 selon les figures 1 à 13 est fixé, par exemple par reliure, sou-dure ou thermo-compression, sur une tôle d'électrode 5 entourant, de façon conductrice, par complémentarité de forme et donc en fixant la position, une broche de contact 7 saillante vers l'extérieur et isolée par rapport à la partie de base 2 au moyen d'un manchon 6. La fixation en position de l'élément de mesure 3, essentielle en particulier lors de l'assemblage et du montage du capteur de pression 1, est garantie de manière simple et précise, en même temps que la mise en contact de l'un des pôles de l'élément de mesure 3, ce qui permet d'obtenir un capteur de pression 1 avec une construction peu couteuse et une configuration apte à être fabriquée en masse. Selon les figures 1 et 2, il n'est prévu qu'un seul élément de mesure 3, avec une tôle d'électrode 5 û du côté de la tôle d'électrode 5 qui est tourné vers la membrane 4 ou du moins vers son épaississement central 8, il est prévu un élément de transmission de pression 9 électriquement isolant, destiné à l'isolation et à la transmission de force, ce qui permet de connecter le deuxième pôle de l'élément de mesure 3 à l'extérieur, par le biais de la partie de base de boîtier 2. Dans la forme de réalisation selon les figures 3 et 4, la tôle d'électrode 5 porte deux éléments de mesure 3 mis en contact au-dessus, de façon électriquement opposée, 25 dont les autres pôles opposés à la tôle d'électrode 5 sont mis en contact d'une part par le biais de la partie de base 2 et d'autre part par le biais de la membrane 4 reliée à celle-ci de façon conductrice, ou du moins de son épaississement 8. Dans la forme de réalisation selon les figures 5 et 6, il est prévu deux éléments de mesure 3 centraux, mis en contact de façon opposée avec la tôle d'électrode du mi-lieu 5, dont le deuxième pôle respectif est relié, de façon conductrice, par complémentarité de forme et donc en fixant la position, à une broche de contact 7 saillante vers l'extérieur, isolée de la partie de base par un manchon 6. Des éléments de transmission de pression 9 électriquement isolants sont ici également disposés entre les tôles d'électrode extérieures 5' d'une part et la partie de base 2 ou la membrane 4 d'autre part. Cela permet d'obtenir une mise en contact bipolaire des éléments de mesure 3, isolée par rapport à la partie de base du boîtier 2 et à l'environnement de montage, avantageuse dans de nombreux cas d'application. Dans la forme de réalisation selon les figures 7 et 8, un seul élément de mesure 3', conçu en forme d'anneau (semblable à celui de la figure 5) est disposé entre deux tôles d'électrodes séparées 5, 5', pour les deux pôles à mettre en contact. Comme dans la figure 5, les tôles d'électrodes 5, 5' sont reliées, de façon conductrice, par complémentarité de forme et fixant la position, à des broches de contact 7 séparées. L'isolation des tôles d'électrodes 5, 5' par rapport à la partie de base 2 d'une part et à la membrane 4 d'autre part est ici aussi réalisée par des éléments de transmission de pression 9' intermédiaires, électriquement isolants. Dans la forme de réalisation selon les figures 9 et 10, deux éléments de mesure 3' 25 annulaires sont disposés concentriquement autour d'une broche de contact 7 centrale, de façon diamétralement opposée sur une tôle d'électrode 5" également quasiment annulaire, les deux autres pôles des éléments de mesure 3' étant ici aussi (comme dans la figure 3) conduits à l'extérieur ou mis en contact par le biais de la partie de base 2 et de la membrane 4. Cela permet d'obtenir une construction symétrique du capteur de pression 1, avantageuse dans de nombreux cas d'application. La forme de réalisation selon la figure 11 se distingue de celle de la figure 9 essentiellement par le fait qu'ici, deux éléments de mesure 3' annulaires, connectés de façon opposée, sont disposés à l'extérieur, sur deux tôles d'électrode 5" reliées à la broche de contact 7 centrale, en s'appliquant contre la partie de base 2 d'une part et l'épaississement 8 de la membrane 4 d'autre part. Un élément de transmission de pression 9' électriquement isolant est ici à nouveau disposé entre les deux tôles d'électrode 5". Dans la forme de réalisation selon les figures 12 et 13, trois éléments de mesure 3" séparés sont disposés dans un plan sur la tôle d'électrode 5", en étoile autour de la broche de contact disposée au milieu, trois autres éléments de mesure 3" connectés de façon opposée étant installés du côté opposé sur cette tôle d'électrode 5", en étant connectés à l'extérieur, directement par le biais de la partie de base 2 ou de l'épaississement 8 de la membrane 4, de leur côté opposé à la tôle d'électrode 5", comme dans les figures 3 et 9. Dans les formes de réalisation selon les figures 14 à 20, un élément de mesure 3, 3' (figures 14 à 16 et 20) ou encore un élément de transmission de pression 9, 9' élec-25 triquement isolant (figures 17 à 19) est respectivement fixé directement sur la partie 2935795 -9 de base 2 ou sur l'épaississement 8 de la membrane 4, ce qui peut être réalisé avantageusement avant l'assemblage définitif, par exemple par reliure, soudure ou thermocompression. 5 Dans la forme de réalisation selon la figure 14, une seule tôle d'électrode 5 est insérée, lors de l'assemblage définitif, entre les éléments de mesure 3 fixés sur la partie de base 2 et la membrane 4 et mis en contact unilatéralement, laquelle entoure, de façon conductrice, par complémentarité de forme et en fixant la position, une broche de contact 7 saillante vers l'extérieur et isolée par rapport à la partie de base 2 au 10 moyen d'un manchon 6 - tout comme dans la forme de réalisation selon la figure 15, qui ne se distingue de celle de la figure que par la conception rectangulaire ou carrée des éléments de mesure 3. Selon la figure 16, il est prévu une broche de contact 7 disposée de façon centrale 15 (similairement aux formes de réalisation selon les figures 9 à 12), entourée par complémentarité de forme et fixée en position par une tôle d'électrode 5" avec un évidement central. Les éléments de mesure 3' sont ici aussi conçus comme deux éléments annulaires, mis en contact d'une part par le biais de la tôle d'électrode 5" et d'autre part par le biais de la partie de base 2 et de la membrane 4. 20 Dans les formes de réalisation selon les figures 17 à 19, des unités mécaniques cons- tituées d'éléments de mesure 3, 3' et de tôles d'électrode 5, préalablement assem- blées par reliure ou autre, sont insérées entre les éléments de transmission de pres- sion 9 électriquement isolants qui sont fixés sur la partie de base du boîtier 2 et sur la membrane 4. Dans tous les cas, la mise en contact des deux pôles des éléments de 2935795 - 10 - mesure est ici réalisée par le biais de deux broches de contact 7 séparées, isolées par rapport à la partie de base du boîtier. Selon les figures 17 et 18, un seul élément de mesure 3 ou 3' est respectivement insé- 5 ré entre deux tôles d'électrode 5, et fixé de la manière décrite plus haut. Selon la figure 19, deux éléments de mesure 3 sont disposés de façon diamétralement opposée sur une tôle d'électrode centrale 5 û la mise en contact des pôles extérieurs est réalisée par le biais de deux autres tôles d'électrode 5 vers l'autre des deux broches de contact 7. 10 Selon la figure 20, seule la broche de contact 7 représentée à droite est isolée par rapport à la partie de base du boîtier 2, au moyen d'un manchon 6 û la broche de contact 7 de gauche est reliée de façon électriquement conductrice à la partie de base du boîtier 2 et donc également à la membrane 4, et sert, en plus de la mise en contact 15 et de la fixation en position de l'une des tôles d'électrode 5"', enroulée à la façon d'une bande autour des élément de mesure centraux 3, également à la mise en contact des pôles côté boîtier et côté membrane des deux élément de mesure 3 extérieurs. Parmi les quatre éléments de mesure 3, ceux du milieu sont respectivement disposés de façon diamétralement opposée entre les surfaces de contact des deux tôles 20 d'électrode 5"', et reliés avec celles-ci de la manière décrite, en formant une unité mécanique. Dans tous les exemples de réalisation représentés, la membrane 4 est conçue en une seule pièce, rotative ou emboutie, quasiment en forme de pot, reliée directement à la 25 partie de base du boîtier 2, de préférence au moyen d'une soudure périphérique non 2935795 - 11 - représentée ici, ce qui permet de simplifier la fabrication et le montage, éventuelle-ment sous précontrainte contrôlée des éléments de mesure 3, 3', 3". Par ailleurs, l'assemblage entre la partie de base du boîtier 2 et la membrane peut également être réalisé de toute autre manière appropriée û par exemple par vissage, collage, pres- 5 sage, soudure bout à bout ou tout autre procédé similaire. Dans tous les cas, la partie de base du boîtier 2 est ici également conçue quasiment en forme de pot et peut, contrairement aux exemples de réalisation représentés, être reliée directement à une membrane essentiellement plate, ce qui permet de réaliser d'autres configurations. 10 Revendications: 1. Capteur de pression piézoélectrique (1), avec au moins un élément de mesure piézoélectrique (3, 3', 3") relié à une partie de base de boîtier (2) et, du côté opposé à la partie de base (2), à une membrane (4) exposée à la pression à mesurer et fermant la partie de base (2), et s'appliquant contre une tôle d'électrode (5, 5', 5", 5') lors de la mise en contact de l'un de ses pôles, caractérisé e n c e q u e la ou chaque tôle d'électrode (5, 5', 5", 5"') entoure de façon conductrice, par complémentarité de forme et en fixant la positon, une broche de contact (7) saillante vers l'extérieur. 2. Capteur de pression selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é e n c e q u ' au moins l'un des éléments de mesure est fixé directement sur une tôle d'électrode correspondante, de préférence par reliure, soudure ou thermo-compression. 3. Capteur de pression selon l'une des revendications 1 ou 2, c a r a c t é - r i s é e n c e q u e le deuxième pôle de l'élément de mesure (3, 3', 3") est mis en contact par le biais de la partie de base du boîtier (2) et/ou de la membrane (4). 4. Capteur de pression selon l'une des revendications 1 ou 2, c a r a c t é - r i s é e n c e q u e le deuxième pôle de l'élément de mesure (3, 3', 3") est relié, de façon conductrice, par complémentarité de forme et en fixant la position, à une autre broche de contact (7) saillante vers l'extérieur et isolée par rapport à la partie de base (2), par le biais d'une autre tôle d'électrode (5', 5"), des éléments de transmission de pression (9, 9') électriquement isolants étant disposés entre les tôles d'électrode (5', 5") d'une part, et la partie de base (2) ou la membrane (4) d'autre part. 5. Capteur de pression selon la revendication 3, c a r a c t é r i s é e n c e q u e la tôle d'électrode (5, 5") porte deux élément de mesure (3, 3', 3") connectés au-dessus de façon électriquement opposée, dont l'autre pôle est mis en contact d'une part par le biais de la partie de base (2) et d'autre part par la membrane (4) reliée à celle-ci de façon conductrice. 6. Capteur de pression selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 5, c a - raetérisé e n c e q u e le ou les élément(s) de mesure (3� 2935795 -13- est/sont conçu(s) de façon annulaire et disposé(s) concentriquement autour de la broche de contact (7). 7. Capteurs de pression selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 5, c a - / a c t é r i s é e n c e q u e plusieurs élément de mesure (3") sont 5 disposés dans un plan, en étoile autour de la broche de contact (7) disposée au centre. 8. Capteur de pression selon l'une des revendications 1 ou 2, c a r a c t é - / i s é e n c e q u 'au moins l'un des éléments de mesure et/ou un élément de transmission de pression électriquement isolant est/sont directe- 10 ment fixé(s) sur la partie de base et/ou la membrane, de préférence par reliure, soudure ou thermo-compression. 9. Capteur de pression selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 8, c a - / a c t é r i s é e n c e q u e la membrane (4) est conçue comme une pièce quasiment en forme de pot et directement reliée à la partie de base 15 de boîtier (2), de préférence au moyen d'une soudure périphérique. 10. Capteur de pression selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 8, c a - / actérisé en ce que la partie de base deboîtier(2)est conçue quasiment en forme de pot et reliée directement à la membrane (4) conçue de façon essentiellement plate, de préférence au moyen d'une soudure 20 périphérique.