Brevet FR2956738A1 — publié le 20110826

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif de me-sure de torsions, flexions ou déformations analogues ainsi qu'à un pro-cédé de fabrication d'un tel dispositif. Etat de la technique Il est connu de mesurer les torsions et flexions de pièces en utilisant des jauges de contraintes. Les jauges de contraintes sont par exemple connues selon le document DE 90 170 56 U 1 et comportent de manière générale un film formant une grille de mesure composée de fils résistants d'une épaisseur de quelques microns. Le film formant la grille de mesure est appliqué sur un support mince en matière plastique, notamment un film, par marouflage ou en étant dégagé par gravure et il est muni de branchements électriques. Comme film de support, on utilise de manière générale un polyamide ou une résine 15 époxyde. Ensuite, on colle la jauge de contraintes sur un point de la pièce à mesurer. Du fait du collage, la jauge de contraintes aura une résolution de précision limitée car la liaison collée elle-même absorbe une partie de la dilation si bien que la dilation mesurée par la jauge de con- 20 traintes ne représente pas exactement la dilation effective de la pièce. Des procédés de vieillissement peuvent en outre modifier la liaison par collage si bien que la mesure de la dilation dérive en fonction du temps ou sa sensibilité change. Pour arriver à une précision de mesure suffisante d'une torsion ou d'une flexion, il faut dimensionner suffisamment 25 la jauge de contraintes pour réduire dans une très large mesure les influences évoquées ci-dessus sur la précision de la mesure. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un dispositif pour mesurer des torsions, des flexions et autres déformations d'une pièce com- 30 prenant : - un substrat, notamment métallique, une couche d'isolation et une couche de capteur sous la forme d'un montage de jauges de contraintes, - le dispositif étant fixé à la pièce par l'intermédiaire d'une liaison 35 solidaire. 2 L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un tel dispositif, caractérisé par les étapes de procédé suivantes : - application d'une couche d'isolation sur une plaque métallique, - application d'une couche de détection, notamment d'une couche métallique mince, sur la couche d'isolation, - mise en structure de la couche de détection, notamment de la couche métallique mince pour réaliser au moins une jauge de contraintes, - séparation des différents dispositifs, notamment à l'aide d'un laser. Le dispositif de mesure selon l'invention et son procédé de fabrication ont l'avantage de permettre de réaliser une mesure très précise et très fiable des torsions, flexions ou autres déformations. De plus, on évite de fatiguer ou de vieillir la liaison entre le dispositif et la pièce. Enfin, le dispositif est extrêmement sensible et permet de réduire les dimensions et ainsi l'encombrement nécessaire à la position à mesurer sur la pièce. Le dispositif ou le procédé de fabrication sont extrême-ment économiques car on peut réaliser simultanément un grand nombre de dispositifs. En outre, le dispositif permet de mesurer les torsions, compressions, ou forces d'extension, aussi des combinaisons de tels efforts. Une liaison solidaire dans le sens de la présente invention concerne notamment une liaison rigide et/ ou mécaniquement solidaire qui ne subit pratiquement pas de phénomène de vieillissement et n'est ni élastique ni plastique. L'idée de base de la présente invention consiste à déve- lopper des dispositifs déjà connus pour la mesure des torsions, flexions ou déformations analogues pour fixer de manière fiable le dispositif à la pièce tout en permettant une mesure précise des torsions, flexions ou effets analogues sur la pièce. Selon un développement préférentiel de l'invention, le substrat, notamment métallique, est relié à la couche d'isolation et/ou la couche d'isolation est reliée à la couche de détection par l'intermédiaire d'une liaison solide, rigide. L'avantage de cette solution est que les efforts sont transmis directement entre le substrat et la couche d'isolation ou entre la couche d'isolation et la couche de cap- teur, c'est-à-dire que la torsion ou l'allongement d'une pièce seront 3 transmis à la couche de détection avec des pertes réduites au minimum. Cela permet une mesure précise des torsions ou flexions ou autres déformations par la couche de détection. En même temps, cela permet une fixation extrêmement fiable entre le substrat et la couche d'isolation ou entre la couche d'isolation et la couche de capteur. Selon un autre développement préférentiel, la couche de capteur comporte des couches de type métalliques, piézorésistantes ou piézoélectriques et/ou des combinaisons de telles couches. L'avantage de cette caractéristique est de pouvoir adapter la couche de détection de manière optimale aux mesures à effectuer sur les torsions, flexions ou autres déformations. Selon un développement avantageux, le substrat, notamment métallique, comporte une plaque métallique pour fixer le dis-positif à la pièce par une liaison solidaire, notamment par une soudure. L'avantage de cette caractéristique est que la plaque métallique constitue une liaison fiable du dispositif à la pièce et permet en outre une très grande sensibilité de la mesure des torsions, flexions ou autres déformations car les torsions, flexions et autres déformations sont transmises directement de la pièce au dispositif. Selon un développement avantageux, la plaque métallique a une surface supérieure en acier, notamment polie, meulée, rodée, polie par le polissage mécano-chimique (trowalisée), laminée, corrodée et/ ou électropolie pour recevoir la couche d'isolation. L'avantage de cette caractéristique est que la couche d'isolation, no- tamment sous la forme d'une couche dure, par exemple vitreuse, peut être appliquée d'une manière particulièrement simple et directe à la surface de l'acier, notamment par un procédé de dépôt au plasma, par exemple par le procédé PECVD. En même temps, cela permet d'assurer un accrochage optimum de la couche d'isolation à la surface d'acier. Selon un développement préférentiel, le dispositif comporte au moins un dispositif d'exploitation. L'avantage de cette caractéristique est de pouvoir exploiter directement les signaux de mesure du montage des jauges de contraintes. Selon un développement préférentiel, le dispositif, no- tamment la plaque métallique, comporte un dégagement. L'avantage de 4 cette solution est que le dispositif peut être adapté de manière optimale par une réalisation appropriée du dégagement, par sa forme, aux exigences spécifiques de la pièce ou aux exigences des mesures. De même, on améliore la fiabilité de la liaison solidaire entre le dispositif, notam- ment la plaque métallique, et la pièce et aussi la précision de la mesure faite par le dispositif. L'adaptation de la forme du dégagement permet selon les exigences, d'influencer la charge du dispositif de manière plus précise aux jauges de contraintes. En l'absence d'aucun dégagement, la charge se répartit essentiellement sur tout le dispositif. En particulier, dans le cas d'une plaque métallique munie de dégagement au niveau des bandes de mesure, on augmente la sensibilité vis-à-vis des contraintes car les contraintes se concentrent au niveau du dégagement. Selon un développement préférentiel, le dispositif comporte un boîtier. L'avantage de cette solution est que le montage de jauges de contraintes est protégé contre les dommages. Il n'est pas nécessaire de faire des calibrages supplémentaires du dispositif. L'expression « boîtier » signifie dans le sens de l'invention, de manière générale, toute installation servant à la protection des dispositifs contre les dommages. L'expression boîtier signifie ainsi notamment une passi- vation qui ne vieillit pas comme par exemple une couche de nitrure. Selon un développement préférentiel, le dispositif se fixe dans un dégagement de la pièce. Cette solution a l'avantage que les me-sures des torsions, flexions ou autres déformations de la pièce pourront se faire dans des zones de la pièce qui n'étaient pas accessibles sans le dégagement. Selon un développement préférentiel, le dispositif, notamment le dispositif d'exploitation, comporte un émetteur pour la transmission sans fil des données. L'avantage de cette caractéristique en particulier dans le cas de pièces en rotation, est d'éviter toute instal- lation complexe de câble de raccordement de sorte que globalement la plage d'application du dispositif pourra être élargie et en même temps les moyens à mettre en oeuvre pour le dispositif pourront être diminués. En particulier, si le dispositif d'exploitation comprend l'émetteur, on évite des liaisons supplémentaires entre l'émetteur et le dispositif d'exploitation, ce qui simplifie considérablement la fabrication du dispositif. Selon un développement préférentiel, la couche d'isolation est une couche d'oxyde. L'avantage de cette solution est que 5 la couche d'isolation peut être appliquée par un procédé de technique grossière, en particulier par le procédé PECVD. Selon un développement préférentiel du procédé le dispositif est fixé sur la pièce par une soudure, ce qui a l'avantage de réaliser une liaison fiable et solidaire en permanence entre le dispositif et la pièce. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure la est une vue de dessus d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, - la figure lb est une vue de côté d'un dispositif selon un septième mode de réalisation de la présente invention, - la figure 1c est une vue d'un huitième mode de réalisation de la présente invention, - la figure 2a est une vue de côté d'un dispositif correspondant au septième mode de réalisation avec un composant, - la figure 2b montre un dispositif correspondant au septième mode de réalisation de l'invention avec une pièce, - la figure 2c est une vue de dessus d'un dispositif correspondant au septième mode de réalisation ainsi que de la pièce selon la figure 2b, - la figure 2d montre un dispositif selon un neuvième mode de réalisation de l'invention avec une pièce, - la figure 3a est une vue de dessus d'une partie des dispositifs fa-briqués selon un douzième mode de réalisation de la présente invention, - la figure 3b est un détail d'un huitième mode de réalisation de l'invention représenté sous la forme d'une section.35 6 Description de modes de réalisation de l'invention Dans la description ci-après, on utilisera les mêmes références pour désigner les mêmes éléments ou les éléments qui, dans les figures, ont les mêmes fonctions. La figure 1 est une vue d'un dispositif correspondant à un premier mode de réalisation de l'invention, représenté en vue de dessus. Selon les figures la, lb, 1c, la référence 1 désigne un dispositif de mesure des torsions, flexions et autres déformations d'une pièce elle-même non représentée, selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 1 comporte comme substrat, une plaque d'acier polie 1' sur laquelle est appliquée une couche d'isolation 2. Sur la couche d'isolation 2, il y a une couche de capteur 3 partiellement dé-gagée par gravure. Les zones non dégagées de la couche de capteur 3 forment un montage comportant des jauges de contraintes 3a, 3b, 3c, 3d. Les jauges de contraintes 3a, 3b, 3c, 3d sont respectivement parallèles. En outre, les jauges de contraintes 3b et 3d sont symétriques des jauges de contraintes 3a, 3c de sorte que l'ensemble correspond pratiquement à une forme de V. Les dispositifs 1 du premier mode de réalisation représentés au milieu ou en bas de la figure la se distinguent uniquement en ce que le montage de jauges de contraintes 3a, 3b, 3c, 3d est différent. Le dispositif 1, au milieu de la figure la, comporte deux jauges de contraintes parallèles allongées 3a, 3b et deux autres jauges de con- traintes 3c et 3d, parallèles entre elles et perpendiculaires aux jauges de contraintes 3a, 3b. Dans le cas du dispositif 1 de la figure la, en bas, on a deux jauges de contraintes 3a, 3b, longues, disposées en forme de V et dans la zone des autres jauges de contraintes, c'est-à-dire au ni-veau du côté ouvert de la forme en V, on a deux jauges de contraintes 3c, 3d, plus courtes, parallèles entre elles. Le montage de jauges de contraintes 3a, 3b, 3c, 3d du dispositif 1 selon la figure la, dans la partie supérieure, présente une très grande sensibilité vis-à-vis de la torsion. Le montage des jauges de contraintes 3a, 3b, 3c, 3d du dispositif 1 du milieu de la figure la présente en revanche une sensibilité élevée pour une mesure de flexion, alors que le montage 3a, 3b, 3c, 3d du dis- 7 positif 1 selon la figure le est insensible aux flexions et semi-sensible vis-à-vis des torsions. La figure lb montre une vue côté d'un septième mode de réalisation d'un dispositif 1 selon l'invention. La figure lb montre trois formes de réalisation alternatives du septième mode de réalisation. En bas de la figure lb, on a présenté un dispositif 1 qui ne comporte aucun dégagement sur la face inférieure ou le dos du substrat constitué ici par la plaque métallique 1'. A la figure lb, au milieu, un dispositif 1 avec un dégagement 11 pratiquement en forme de cuvette et dont l'ouverture se trouve sur le côté opposé du montage de jauges de contraintes 3a, 3b, 3c, 3d. En haut de la figure lb, on a également un dispositif 1 avec une plaque métallique 1' dont le dos comporte un dégagement 10 à section en forme d'arête, ce qui facilite considérablement la réalisation du dégagement 10 par frai- 15 sage. La figure 1c montre un huitième mode de réalisation de l'invention. Le côté supérieur du montage de jauges de contraintes 3a, 3b, 3c, 3d, du dispositif d'exploitation 4 et du fil de liaison 5, est logé dans un boîtier 8 ; le boîtier entoure le montage de jauges de con- 20 traintes 3a, 3b, 3c, 3d, le dispositif d'exploitation 4 et les liaisons par fil 5 et aussi les autres zones de la couche d'isolation 2. Cela protège le dispositif 1, notamment le dispositif de jauges de contraintes 3a, 3b, 3c, 3d, complètement, vis-à-vis des influences de l'environnement. La figure 2a montre un septième mode de réalisation d'un 25 dispositif 1. Le dispositif 1 selon ce septième mode de réalisation est installé sur une pièce 14 de forme cylindrique. Le dispositif 1 est perpendiculaire à l'axe de la pièce 14 sur la face frontale 20. En revanche, à la figure 2b, le dispositif 1 est installé sur la surface périphérique, en 30 parallèle à l'axe du composant cylindrique 14. Le dos de la plaque métallique 1', rectangulaire, est installé sur la surface périphérique de sorte qu'il y a une cavité 11 entre la surface périphérique de la pièce 14 et la plaque métallique l'. Au niveau des bords la, présentés en section à la figure 2 de la plaque métallique 1', cette plaque 1' et le dispositif 1 8 sont reliés solidairement par une liaison soudée 7 à une partie de la surface périphérique de la pièce 14. La figure 2c montre un dispositif 1 et une pièce 14 selon la figure 2b en vue de dessus. Les liaisons soudées ou soudures 7 re- liant la plaque métallique 1' à la surface périphérique de la pièce 14 s'étendent le long des petits côtés la de la plaque métallique rectangulaire 1'. La figure 2d montre une pièce 14 comportant un dégagement 15 pour recevoir un dispositif 1 selon un neuvième mode de réalisation. La plaque métallique 1' présente à cet effet la cavité 15 de sorte que le dos de la plaque métallique 1' est tourné vers l'extérieur ; le dispositif de jauges de contraintes 3 est placé à l'intérieur de la cavité 15 et le dispositif 1 est fixé par une liaison soudée 7 à la pièce 14. Le dégagement 15 de la figure 2d est conçu pour recevoir complètement le dispositif 1. Le dispositif 1, plus précisément le dos de la plaque métallique 1', est réalisé pour que le passage de la surface périphérique de la pièce 14 et du dispositif 1 se fasse de manière continue pour éviter des zones en saillie. Pour éviter un balourd de la pièce 14 pour une éventuelle rotation, le côté opposé de la pièce 14 pourra avoir un dégage- ment correspondant non représenté, d'une largeur de la pièce 14 et être adapté de manière appropriée. La figure 3 montre un extrait d'un dispositif fabriqué correspondant à un douzième mode de réalisation de la présente invention, représenté en vue de dessus. Les dispositifs 1, la, lb, le présentés à la figure 3a sont pratiquement installés en échiquier sur une plaque métallique 1' commune, dont le dos 30 (figure 3b) est muni comme pour le motif d'échiquier des dispositifs 1, la, lb, 1c, 1d avec des passages continus 10'. Les dégagements ou passages 10' sont répartis pour que les trajets de mesure 3a, 3b, 3c, 3d ne soient pas situés pour une section centrale, sur le côté opposé du dégagement 10' correspondant à ce mode de réalisation. Pour diviser les dispositifs 1, la, lb, 1c, 1d, on sépare selon un motif d'échiquier, les différents dispositifs 1, la, lb, 1c, 1d à l'aide des-quels un laser L sépare les lignes ou les bords, c'est-à-dire que le laser découpe de manière appropriée, les bords I du motif d'échantillon des 9 dispositifs 1, la, lb, 1c, 1d. Ensuite, le dispositif 1 peut être utilisé pour mesurer des torsions, des flexions et des contraintes analogues sur une seule pièce B.5 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1 Dispositif de mesure de déformation 1' Plaque d'acier la, lb, 1c, 1d Dispositif de mesure 2 Couche d'isolation 3 Couche de détection 3a, 3b, 3c, 3d Montage de jauges de contraintes 5 Fil de liaison 10 Dispositif d'exploitation 11 Dégagement 14 Pièce 20 Surface frontale15 REVENDICATIONS1 °) Dispositif (1) pour mesurer des torsions, des flexions et autres dé-formations d'une pièce (14) comprenant : - un substrat (1'), notamment métallique, une couche d'isolation (2) et une couche de capteur (3) sous la forme d'un montage de jauges de contraintes (3a, 3b, 3c, 3d), - le dispositif (1) étant fixé à la pièce (14) par l'intermédiaire d'une liaison solidaire (7). 2°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (1'), notamment métallique, est relié à la couche d'isolation (2) et/ou la couche d'isolation (2) est reliée à la couche de capteur (3) par une liaison solidaire, rigide. 3°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de capteur (3) comprend des couches métalliques, piézorésistantes ou piézoélectriques et/ou des combinaisons de telles couches. 4°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat, notamment métallique, comporte une plaque métallique (1') pour fixer le dispositif (1) à la pièce (14) par une liaison solidaire (7) no- tamment par une soudure (7). 5°) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plaque métallique (1') a une surface supérieure en acier, notamment polie, meulée, rodée, trowalisée, laminée, corrodée et/ ou électropolie pour recevoir la couche d'isolation (2). 6°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte au moins un dispositif d'exploitation (4). 12 7°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque métallique (1') comporte un dégagement (10, Il). 8°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (1) comporte un boîtier (8). 9°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (1) est fixé dans un dégagement (13) de la pièce (14). 10°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'exploitation (4) comporte un émetteur (4a) pour transmettre des données de mesure par une transmission par une liaison sans fil. 11°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'isolation (2) comporte une couche d'oxyde. 12 °) Procédé de fabrication d'un dispositif (1, la, lb, 1c, 1d) pour mesurer les torsions, flexions ou autres, d'un composant (14), notamment selon la revendication 1, caractérisé par les étapes de procédé suivantes : - application d'une couche d'isolation (2) sur une plaque métallique ( 1), - application d'une couche de détection (3), notamment d'une couche métallique mince, sur la couche d'isolation (2), - mise en structure de la couche de détection (3), notamment de la couche métallique mince (3) pour réaliser au moins une jauge de contraintes (3a, 3b, 3c, 3d),13 - séparation des différents dispositifs (la, lb, 1c, 1d), notamment à l'aide d'un laser (L). 13°) Procédé selon la revendication 12, 5 caractérisé en ce que le dispositif (1) est fixé à la pièce (14) par soudage (7). 10