INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Afin de bénéficier de la finesse et donc de la souplesse et de la conformabilité de l’élément mince PIEZO, le capteur SENS comprend une feuille SH1 souple sur laquelle est fixé l’élément mince PIEZO. Les feuilles sont préférablement faites de matériaux flexibles choisis en fonction de l’application visée, et peuvent être par exemple constituées de métal, chlorure de polyvinyle (PVC), polyimide (PI), polyéthylène téréphtalate (PET), polyéthylène téréphtalate à orientation biaxiale (Mylar®) ou encore d’un matériau composite de résine époxy et de fibres de verre. L’élément mince PIEZO peut être fixé à la feuille SH1 au moyen d’un adhésif souple tel qu’un film conductif anisotrope (ACF) qui permet en outre une prise de contact électrique comme décrit dans le document de brevet FR 3 122 985. En utilisation, le capteur SENS peut être fixé à une surface à caractériser au moyen d’un adhésif, par exemple une colle cyanoacrylate ou une résine époxy.
Outre l’élément mince PIEZO, dans l’exemple de la , un amplificateur de charge C.AMP est également fixé sur la feuille SH1 et fonctionnellement relié à deux couches conductrices EL1 et EL2 jouant le rôle d’électrodes, respectivement formée sur deux faces opposées de l’élément mince PIEZO. L’amplificateur de charge a pour fonction de produire une tension correspondant à la charge appliquée en entrée et qui correspond à la charge générée par l’élément PIEZO au cours de sa déformation, à des fins de traitements électronique du potentiel électrique généré et de procéder à une mesure effective de la déformation de l’élément PIEZO. Bien que non représenté, un élément de connexion filaire, tel qu’un cordon sous forme de nappe, est relié à l’amplificateur de charge pour connecter le capteur à un appareil de mesure extérieur. Une alternative serait de connecter directement l’appareil de mesure extérieur aux électrodes EL1 et EL2, ou encore de passer par un amplificateur situé entre le capteur SENS et l’appareil de mesure extérieur. On peut également se reporter à la demande de brevet publiée sous le numéro FR 3 122 985, dont les enseignements s’appliquent aux objets du présent document.
La illustre en (B) un capteur similaire à celui de la configuration illustrée en (A), mais comportant en outre une seconde feuille SH2, qui peut être de même nature que la feuille SH1, qui permet d’encapsuler l’élément mince PIEZO et amplificateur de charge C.AMP par prise en sandwich entre les feuilles SH1 et SH2.
L’élément mince piézoélectrique PIEZO a préférablement une épaisseur inférieure à 50 µm, plus préférablement inférieure à 25 µm, encore plus préférablement inférieure à 10 µm. Si l’on considère un élément piézoélectrique défini comme illustré dans la , un rapport de l’épaisseur de l’élément PIEZO sur sa dimension L X dans une première direction de son plan d’extension, et/ou d’une dimension Ly dans une deuxième dimension de son plan d’extension normale à la direction Lx, est inférieur à 0,1, préférablement inférieur à 0,05, plus préférablement inférieur à 0,01.
La feuille SH1 et, le cas échéant, la feuille SH2, peuvent avoir une épaisseur comprise entre 5 et 300 µm.
Il est cependant préférable que le capteur piézoélectrique SENS considéré dans son ensemble soit suffisamment souple pour suivre les déformations de l’objet à caractériser sur lequel il est fixé. Le praticien pourra décider pour chaque application des caractéristiques de l’élément mince piézoélectrique PIEZO, de son support, et des autres éléments tels que les couches d’électrodes ou les moyens de prise de contacts électriques.
Alternativement à l’emploi des feuilles souples SH1 et SH2 qui servent de support et de protection de l’élément mince piézoélectrique, on pourrait également employer des supports plus rigides, tels qu’un boîtier rigide métallique, qui ne permettrait cependant pas d’exploiter les aspects de souplesse et de conformabilité d’un élément piézoélectrique mince comme décrit dans le présent document.
Un capteur basé sur un élément mince piézoélectrique à comportement unidirectionnel, et donc à comportement unidirectionnel lui-même, peut être utilisé pour caractériser la déformation d’une pièce mécanique soumise à des déformations dans de multiples directions, mais que l’on recherche la composante de ces déformations dans une direction particulière. On peut également connaître la direction attendue de déformation de la pièce mécanique, et chercher à caractériser cette déformation attendue en particulier. Un avantage d’un capteur basé sur un élément à comportement unidirectionnel est de ne pas mesurer les perturbations résultants des efforts extérieurs parasites auxquels pourrait être exposé le système dans son environnement. Ainsi, la représente en (A) une cellule de charge CELL au repos, équipée de quatre capteurs SENS chacun basé sur un élément mince piézoélectrique à comportement unidirectionnel orientés selon la déformation attendue de la cellule, justement conçue pour se déformer selon une direction préférentielle. Sous charge par application d’une force F, situation illustrée en (B), la cellule de charge se déforme et deux des quatre capteurs sont dans un état de compression Comp tandis que les deux autres sont dans un état d’extension Ext.
Un élément mince piézoélectrique à comportement omnidirectionnel peut être utilisé lorsque la pièce mécanique considérée est soumise à une déformation radiale et/ou si la déformation est la même selon une direction axiale et une direction transverse, par exemple une membrane soumise à une variation de pression acoustique et dont on cherche à caractériser la déformation. La illustre une telle situation, avec une armature rigide circulaire ARM fixant la périphérie d’une membrane MEM pouvant être mise en vibration par exemple sous l’effet d’une onde acoustique. Ici, la membrane peut être constituée d’un élément mince piézoélectrique mince déposé sur un support flexible.
Un élément mince piézoélectrique à comportement bidirectionnel peut être utilisé par exemple lorsqu’une poutre cylindrique BEAM est soumise à ses extrémités à un couple de forces opposées l’une à l’autre F T+ et F T- autour de l’axe longitudinal de la poutre (torsion). Dans cette situation, chaque point de la surface de la poutre subit simultanément une compression Comp selon une première direction et une extension Ext selon une seconde direction normale à la première direction, comme illustré par la . Dans une telle situation, placer un capteur muni d’un élément mince piézoélectrique à comportement bidirectionnel avec ses axes x et y respectivement alignés à la direction de compression et à la direction d’extension est adapté à une détection efficace de la déformation, ce qui permet de remonter au couple de forces subi par la poutre au moyen d’un seul capteur. En effet, au vu des caractéristiques du capteur, avec des sensibilités à la déformation de signes opposés dans les directions normales l’une à l’autre, et des caractéristiques de la déformation, avec une extension dans une première direction et une compression dans une seconde direction normale à la première direction, le capteur peut être sensible aux deux directions de déformation pour peu qu’il soit positionné de manière adéquate sur la poutre cylindrique. Pour une caractérisation similaire par des moyens conventionnelles, deux jauges de déformation résistives seraient nécessaires en raison de leur sensibilité largement unidirectionnelle.
Dans les exemples des figures 10, 11 et 12, la flexibilité de l’élément piézoélectrique mince est avantageusement exploitée pour fixer la totalité de l’une de ses faces en contact intime avec la surface courbe de la pièce mécanique étudiée. Dans l’exemple de la , la déformabilité apportée par la flexibilité de l’élément mince piézoélectrique est particulièrement mise à profit.
La géométrie décrite ci-dessus représente une configuration de base. Il est également possible de combiner ensemble plusieurs éléments PIEZO pour former un capteur. Les figures 13, 14 et 15 illustrent plusieurs configurations possibles pour des capteurs combinant des éléments minces piézoélectriques à comportement unidirectionnel selon une direction Sens_Dir propre à chaque élément. Chacun de ces capteurs a une structure analogue à celle du capteur SENS illustré par la , les éléments minces piézoélectriques de ces capteurs partageant un même support Supp sur lequel ils sont placés, support éventuellement formé de la feuille SH1 souple du capteur SENS. Aussi, chacun des éléments minces peut être connecté à un amplificateur dédié comme dans le capteur SENS décrit plus haut, éventuellement intégré sur le support Supp. L’amplificateur peut être un amplificateur de charges.
La illustre un capteur SENS_1 comprenant deux éléments minces piézoélectriques PIEZO_0° et PIEZO_90° fixés sur un même support Supp et ayant leurs directions Sens_Dir respectives orientées à 90° l’une de l’autre. Cet exemple illustre une configuration avec deux éléments minces piézoélectriques présentant une orientation spécifique l’un par rapport à l’autre, mais l’invention ne se limite pas à cette configuration particulière, et le nombre et les orientations respectives des éléments minces piézoélectriques ne sont pas limités à cette configuration particulière et peuvent être adaptés aux exigences de toute application, comme décidé par le praticien.
La illustre un capteur SENS_2 comprenant trois éléments minces piézoélectriques PIEZO_0°, PIEZO_90° et PIEZO_45° fixés sur un même support Supp, les directions Sens_Dir de PIEZO_90° et PIEZO_45° étant respectivement inclinées de 90° et 45° par rapport à la direction Sens_Dir de PIEZO_0°. En outre, les trois éléments minces piézoélectriques vérifient chacun la caractéristique abs(Sy/Sx)<0,1, c’est-à-dire qu’ils présentent un comportement unidirectionnel.
La illustre un capteur SENS_3 comprenant trois éléments minces piézoélectriques PIEZO_0°, PIEZO_120° et PIEZO_240° fixés sur un même support Supp, les directions Sens_Dir de PIEZO_120° et PIEZO_240° étant respectivement inclinées de 120° et 240° par rapport à la direction Sens_Dir de PIEZO_0°. En outre, les trois éléments minces piézoélectriques vérifient chacun la caractéristique abs(Sy/Sx) < 0,1, c’est-à-dire qu’ils présentent un comportement unidirectionnel.
Les configurations des capteurs SENS_2 et SENS_3 mettent en œuvre le principe connu de combiner des jauges résistives de déformation (voir ) de manière à former ce que l’on appelle des rosettes de jauges de déformation, qui permettent de caractériser la déformation de la surface d’une pièce mécanique même lorsque cette déformation n’est pas unidirectionnelle. Si le principe de placement des éléments minces afin de remonter efficacement des mesures aux composantes de la déformation est connu, le remplacement des jauges résistives présentant une excellente directivité par les éléments minces piézoélectriques à comportement unidirectionnel selon l’invention permet d’obtenir une sensibilité à la déformation d’ordinaire inatteignable pour des applications comparables. Ce remplacement est rendu possible par la détermination d’orientations cristallines spécifiques qui confèrent aux éléments piézoélectriques minces selon l’invention un comportement unidirectionnel.
Il est commode d’utiliser certaines orientations particulières (0°, 45°, 90°, 120°, 240°) pour les éléments minces piézoélectriques constituant les rosettes, mais il n’y a aucune raison de principe de se limiter aux configurations particulières des capteurs SENS_2 et SENS_3, et des orientations relatives quelconques peuvent être retenues tant que deux des capteurs ne sont pas orientés parallèlement entre eux. Lorsque l’on parle de ces orientations particulières, on comprend que les valeurs données sont les valeurs optimales et que les valeurs sur un dispositif réel peuvent être légèrement différentes de ces valeurs optimales. Par exemples, les angles effectifs entre les orientations peuvent être donnés avec une imprécision allant jusqu’à ±10°, préférablement ±5°, encore plus préférablement ±1°.
Plus généralement, la détermination d’orientations cristallines en passant par l’approche détaillée plus haut, basée sur l’étude de la déformation d’un élément piézoélectrique mince, permet de définir des orientations cristallines menant à des comportements en réponse à une déformation qui sont parfaitement choisis et contrôlés. Mis en œuvre dans des capteurs de déformations, de tels éléments minces piézoélectriques apportent une grande souplesse d’utilisation au praticien, et permet la mise au point de capteurs parfaitement adaptés aux applications visées.
Couplage de capteurs
Une possibilité d’emploi des éléments minces piézoélectriques selon l’invention est leur couplage, c’est-à-dire les configurer de manière telle que les charges électriques générés par au moins deux éléments piézoélectriques pendant leur usage s’additionnent, par exemple en connectant électriquement leurs électrodes respectives. Une application peut être la correction de leurs erreurs de directionnalité.
Considérons par exemple une orientation cristalline de de sensibilité omnidirectionnelle, pour laquelle abs(Sx-Sy)/Sx) , se reporter à la ) sont connectées entre elles et à une surface de connexion PAD2 par des éléments de connexion C2.
La sortie du capteur résultant dit « capteur combiné » sera la somme des charges électriques générées par les deux capteurs. L’intérêt est que le couplage ainsi réalisé dans le capteur combiné compense l’erreur de directionnalité maximale de 10% de chacun des deux capteurs élémentaires pris individuellement : le capteur combiné sera parfaitement omnidirectionnel.
Le même principe peut être appliqué à d’autres systèmes, par exemple à plusieurs capteurs élémentaires imparfaitement unidirectionnels pour obtenir un capteur combiné parfaitement directionnel, les capteurs élémentaires pouvant être de tailles différentes et d’orientations relatives déterminées de manière à corriger les imperfections de directionnalité de ces capteurs.
Exemples applicatifs
Ainsi, on peut démontrer que le déplacement électrique généré par l’élément mince piézoélectrique en mode charge lorsqu’une déformation lui est appliquée peut s’exprimer par l’équation Eq. 5
dans laquelle représente la matrice réduite de complaisance, obtenue en supprimant les lignes et colonnes 3, 4 et 5 de la matrice de complaisance , et représente le tenseur des contraintes réduit, obtenu en supprimant les composantes 3, 4 et 5 du tenseur des contraintes .
Dans le cas d’une déformation uniaxiale selon la direction x, le déplacement électrique s’exprime par l’équation Eq. 6
L’équation Eq. 6 montre que le déplacement électrique causé par une déformation uniaxiale dans un piézo-électrique fin dépend non seulement du tenseur piézoélectrique après rotation, mais aussi du tenseur de complaisance réduit après rotation. Analyser uniquement le tenseur piézoélectrique après rotation comme pratiqué d’ordinaire dans la littérature est insuffisant pour caractériser la sensibilité d’un élément mince piézoélectrique à une déformation appliquée dans une direction donnée.
Nous ne nous intéressons qu’à la troisième composante D 3 du tenseur de déplacement électrique : c’est la grandeur qui sera effectivement mesurée lors d’une utilisation pratique de l’élément mince piézoélectrique, au moyen d’une paire d’électrodes placées sur les faces de l’élément parallèles au plan d’extension xy.
La sensibilité S x à la déformation est obtenue par intégration de la composante D 3 du déplacement électrique sur toute la surface de l’élément mince piézoélectrique couverte de part et d’autre par des électrodes, sensibilité calculée pour une déformation uniaxiale . On obtient ainsi S x = A×D 3 /S 1 , ou A est l’aire de la surface de l’élément mince piézoélectrique couverte de part et d’autre par des électrodes. La sensibilité S x s’exprime ainsi en pC/(micro_m/m), et représente la charge électrique générée par l’élément piézoélectrique lorsqu’une déformation de 1 micro_m/m lui est appliquée selon la direction x.
Sensibilité d ’éléments minces monocristallins - Directivité
L’objectif est ici d’évaluer la directivité de la sensibilité d’un élément mince monocristallin pour une orientation cristalline donnée d’un monocristal massif. On considérera les orientations cristallines telles que définies dans les standards IEEE sur la piézoélectricité dans « IEEE Standard on Piezoelectricity », ANSI /I EEE Std 176-1987 , 1988.
La directivité de l’élément mince piézoélectrique monocristallin peut être calculée analytiquement par application d’une séquence R t de rotations à l’élément mince par rapport aux axes cristallographiques, correspondant à la définition des orientations cristallines IEEE (YXwl) θ 1 /θ 2 et illustrée par la .
La séquence R t de rotations est composée de 4 rotations successives, R x (90), R y (θ 1 ), R x (θ 2 ) et R z (θ 3 ) dans cet ordre.
La première rotation R x (90) se fait selon un angle de 90° autour de l’axe X, le repère xyz propre à l’élément mince étant transformé en un repère x’y’z’.
La second rotation R y (θ 1 ) se fait par rotation selon un angle θ 1 autour de l’axe y’, le repère x’y’z’ étant transformé en un repère x’’y’’z’’.
La troisième rotation R x (θ 2 ) se fait par rotation selon un angle θ 2 autour de l’axe x’’, le repère x’’y’’z’’ étant transformé en un repère x’’’y’’’z’’’.
La quatrième rotation R z (θ 3 ) se fait par rotation selon un angle θ 3 autour de l’axe z’’’, le repère x’’’y’’’z’’’ étant transformé en un repère x’’’’y’’’’z’’’’.
Chacun des repères xyz, x’y’z’, x’’y’’z’’ et x’’’y’’’z’’’ est respectivement défini par les triplets de direction x, y et z, x’, y’ et z’, x’’, y’’ et z’’, et x’’’, y’’’ et z’’’, et x’’’’, y’’’’ et z’’’’, par application successives des 4 rotations R x (90), R y (θ 1 ), R x (θ 2 ) et R z (θ 3 ) à l’élément piézoélectrique dont les direction propre x, y et z correspondent initialement aux directions propres X, Y et Z du monocristal massif considéré.
Les trois premières rotations R x (90), R y (θ 1 ) et R x (θ 2 ) servent à définir l’orientation cristalline de l’élément mince dans le cristal massif. La quatrième rotation R z (θ 3 ) est utilisée pour étudier la directivité de la sensibilité pour un plan de d’orientation cristalline définie par les trois premières rotations.
Par « rideau coulissant », on entend par exemple une plaque de fermeture / ouverture s’étendant dans un plan et coulissant pour ouvrir ou fermer une admission, selon une direction contenue dans ce plan ou parallèle à ce plan. Par exemple, comme illustré schématiquement sur les figures 4, 5 et 6, les moyens de fermeture et d’ouverture 31, 32 sont de type rideaux coulissants. Par exemple, les rideaux 31, 32 coulissent, se translatent par l’intermédiaire de deux guides ou glissières en vis-à-vis, par exemple deux gorges ou U, par exemple à l’instar d’une guillotine. Dans les cas illustrés sur les figures 4 à 6, les déplacements se font dans un plan parallèle au plan YZ.
De préférence, les premier et deuxième moyens de fermeture et d’ouverture 31, 32 sont communs, liés, voire ne forment qu’une seule pièce 33. C’est notamment le cas des moyens 31, 32 illustrés sur les figures 4 à 6 qui se translatent simultanément selon la direction verticale par exemple. Dans ce cas, une action sur le moyen 31 déplace le moyen 32 et vice versa. Cependant, par exemple, l’ouverture d’une des deux admissions n’engendre pas obligatoirement l’ouverture de l’autre admission. De la même manière, par exemple, la fermeture d’une des deux admissions n’engendre pas obligatoirement la fermeture de l’autre admission.
Plus précisément, comme illustré sur la , le rideau 33 est en position fermée. Le rideau 33 ferme alors respectivement les première et deuxième admissions 21, 22.
Sur la , le rideau 33 est décalé, translaté vers le bas. Dans ce cas, la première admission 21 est ouverte. Cette position est sans conséquence sur l’admission 22 qui reste fermée. En effet, l’admission 22 est obstruée par une portion supérieure du rideau 33 par exemple.
Sur la , le rideau 33 est décalé, translaté vers le haut. Dans ce cas, la deuxième admission 22 est ouverte. Cette position est sans conséquence sur l’admission 21 qui reste fermée. En effet, l’admission 21 est obstruée par une portion inférieure du rideau 33 par exemple.
Avantageusement, le dispositif de régulation thermique 10 de la boîte de vitesses comprend un premier moyen de contrôle 13. Par exemple, le moyen de contrôle 13 est configuré pour piloter les premier et deuxième moyens de fermeture et d’ouverture 31, 32 des première et deuxième admissions 21, 22. De préférence, le premier moyen de contrôle 13 comprend un moyen de mesure de la température, par exemple de type sonde, pour mesurer la température du carter externe 3, par exemple sur une paroi interne du carter, et/ou la température de l’huile présente au sein de la boîte de vitesses 2. Par exemple, un second moyen de contrôle 14 comprend un moyen de mesure de la température du liquide de refroidissement au sein du système de refroidissement 7 du moteur 8. Le second moyen de contrôle 14, par exemple de type sonde, est également configuré pour piloter les premier et deuxième moyens de fermeture et d’ouverture 31, 32 des première et deuxième admissions 21, 22.
L’agencement 4 comprend le moteur 8. Pour rappel, le moteur 8 comprend le système de refroidissement liquide 7, de préférence de type circuit parcouru par du liquide de refroidissement. Le système 7 comprend de préférence une pompe pour faire circuler le liquide de refroidissement si besoin.
Le circuit ou système de refroidissement 7 peut être un circuit haute température, en ce sens que la température nominale du liquide de refroidissement est par exemple comprise entre 80°C et 110°C.
Selon une variante de réalisation, le circuit ou système 7 comprend un moyen 15 d’ouverture / fermeture permettant la circulation ou non du liquide de refroidissement au sein du circuit. Par exemple, ce moyen est de type calorstat, apte à ouvrir, respectivement à fermer, le circuit selon la température du fluide présent dans, ou parcourant le circuit.
Le circuit ou système 7 de refroidissement peut être un circuit basse température, en ce sens que la température nominale du liquide de refroidissement est par exemple comprise entre 40 à 60°C.
L’agencement 4 comprend encore la boîte de vitesses 2 comprenant de l’huile de lubrification. Pour rappel, la boîte de vitesses 2 comprend le carter externe 3. Plus précisément, comme illustré sur la , la coque 11 est agencée par rapport au carter externe 3 de sorte à créer l’espace de circulation E pour le flux d’air F entre la coque 11 et le carter externe 3. Le flux d’air F provient du conduit d’acheminement d’air 20. Avantageusement, le conduit d’acheminement d’air 20 est agencé, orienté, de sorte à capter l’air sensiblement longitudinalement. Autrement dit, les admissions d’air 21, 22 s’étendent de sorte à capter de l’air dans un plan YZ. De préférence, la captation d’air se fait au niveau de la face avant 5 du véhicule de sorte à profiter du flux d’air créé par le déplacement du véhicule le cas échéant.
L’agencement 4 comprend encore l’échangeur 6 connecté au système de refroidissement liquide 7. La première admission 21 du conduit d’acheminement 20 de l’air est agencée, orientée, disposée de sorte à capter de l’air réchauffé ayant traversé l’échangeur 6. De préférence, la première admission 21 est donc agencée juste derrière le radiateur 6.
La deuxième admission 22 du conduit d’acheminement 20 est de préférence agencée de sorte à capter de l’air frais au même niveau ou sensiblement au même niveau que l’échangeur 6 selon la direction longitudinale. Sur les figures 2, 4, 5 et 6, la deuxième admission 22 est sous le radiateur 6. Alternativement, la deuxième admission 22 est en dessous, ou au-dessus, ou à droite, ou à gauche de l’échangeur 6. Eventuellement, la deuxième admission 22 est décalée devant le radiateur ou derrière le radiateur. Par exemple, ce décalage selon la direction longitudinale par rapport au radiateur, ou au groupe de radiateurs, est inférieur à 30 cm, voire inférieur à 10 cm.
Un mode d’exécution d’un procédé de fonctionnement de l’agencement 4 va maintenant être décrit en relation avec la .