FR2685960A1

FR2685960A1 - Force sensor element in the form of a double tuning fork

Info

Publication number: FR2685960A1
Application number: FR9200115A
Authority: FR
Inventors: Konieczka Stanislas; Rouff Marc
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-01-08
Filing date: 1992-01-08
Publication date: 1993-07-09
Anticipated expiration: 2012-01-08
Also published as: WO1993014385A1; FR2685960B1

Abstract

Double diapason force transducer consisting of only two identical and symmetrical metal plates (2, 3) secured together face to face, the central part of each plate constituting a vibrating strip (4) of a width less than that of the plate. The vibrating strip (4) is formed by a recess in the face opposite the other plate.

Description

ELEXEZIT DE CAPTGpR DE FORCE EN DOUBLE DIAPASON
L'invention concerne les capteurs de force comportant deux lames dont la fréquence propre de résonance varie en fonction de la force axiale qui leur est appliquée.ELEXEZIT OF CAPTGpR FORCE IN DOUBLE DIAPASON
The invention relates to force sensors comprising two plates whose natural resonant frequency varies as a function of the axial force applied to them.

Le principe général de la mesure de force au moyen de tels capteurs est bien connu, par exemple par le document FR-A-2 548 364, dont on incorpore ici l'enseignement par référence. Selon ce document, le capteur en double diapason est monobloc, ce qui pose de difficiles problèmes d'usinage. The general principle of force measurement by means of such sensors is well known, for example from the document FR-A-2 548 364, the teaching of which is incorporated here by reference. According to this document, the double tuning fork sensor is in one piece, which poses difficult machining problems.

Dans le but de pallier de telles difficultés, le document EP-A-O 316 217 a proposé un élément comportant un feuilletage de plaques métalliques, au minimum trois et de préférence cinq, d'épaisseur identique, deux d'entre elles constituant les lames vibrantes, les autres constituant des entretoises et sections d'extrémité. Les différentes plaques de feuilletage sont solidarisées par collage ou rivetage. In order to overcome such difficulties, document EP-AO 316 217 proposed an element comprising a lamination of metal plates, at least three and preferably five, of identical thickness, two of them constituting the vibrating blades, the others constituting spacers and end sections. The different laminating plates are joined by gluing or riveting.

Si - cette construction améliore la technique antérieure, elle n'en présente pas moins de graves inconvénients. D'une part, le positionnement précis de nombreuses plaques superposées est difficile. D'autre part, les deux, voire quatre, couches de collage qui solidarisent les plaques, sont soumises à des forces de cisaillement qui compromettent la solidité de la liaison. If - this construction improves the prior art, it nevertheless has serious drawbacks. On the one hand, the precise positioning of many superimposed plates is difficult. On the other hand, the two, even four, bonding layers which secure the plates, are subjected to shear forces which compromise the solidity of the connection.

Enfin, les différentes plaques servant à réa liser les lames sont différentes des plaques servant à réaliser les entretoises, ce qui complique la production en masse de ces dispositifs.Finally, the different plates used to make the blades are different from the plates used to make the spacers, which complicates the mass production of these devices.

L'invention a pour but de proposer un élément de capteur de force en double diapason comportant plusieurs plaques métalliques formant une zone centrale à deux lames vibrantes, située entre deux zones d'extrémité, qui ne présente pas les inconvénients des techniques antérieures mentionnées ci-dessus. The object of the invention is to propose a force sensor element in double tuning fork comprising several metal plates forming a central zone with two vibrating blades, situated between two end zones, which does not have the drawbacks of the prior techniques mentioned above. above.

Ce but est atteint grâce au fait que le capteur est constitué de deux plaques seulement, identiques et symétriques, solidarisées face contre face (éventuellement avec interposition d'une couche de colle), une partie centrale de chaque plaque formant une lame vibrante. This object is achieved thanks to the fact that the sensor consists of only two plates, identical and symmetrical, secured face to face (possibly with the interposition of a layer of adhesive), a central part of each plate forming a vibrating blade.

Les deux plaques peuvent être solidarisées l'une à l'autre par tout moyen, et notamment par soudure ou collage. Dans ce dernier cas, du fait que les plaques ne sont pas soumises au cisaillement intense qui caractérisait les réalisations antérieures, le choix de la colle peut être très large. Des colles de type époxyde monocomposant notamment donnent de bons résultats. The two plates can be joined to one another by any means, and in particular by welding or gluing. In the latter case, because the plates are not subjected to the intense shearing which characterized the previous embodiments, the choice of glue can be very wide. One-component epoxy type adhesives in particular give good results.

La lame centrale est définie par son gabarit, réalisé par un usinage approprié. Son épaisseur peut être identique à celle de la plaque, dans le cas où la solidarisation se fait au moyen d'une couche de colle dont l'épaisseur est suffisante pour permettre la vibration de la lame, sur une amplitude qui reste de toute façon de quelques micromètres. The central blade is defined by its template, produced by appropriate machining. Its thickness may be identical to that of the plate, in the case where the connection is made by means of a layer of adhesive the thickness of which is sufficient to allow the vibration of the blade, over an amplitude which remains anyway a few micrometers.

Mais de préférence, la lame a une épaisseur plus faible que celle de la plaque, ceci étant avantageusement réalisé sous forme d'un évidement de la plaque sur la face en regard de l'autre plaque. Cet évidement peut être obtenu par n'importe quel procédé, par exemple par électroérosion ou par usinage mécanique, mais de préfé rence par gravure chimique. Les deux lames amincies des plaques en regard sont ainsi espacées et peuvent vibrer librement. However, preferably, the blade has a thickness that is thinner than that of the plate, this advantageously being produced in the form of a recess of the plate on the opposite face of the other plate. This recess can be obtained by any process, for example by electroerosion or by mechanical machining, but preferably by chemical etching. The two thinned blades of the facing plates are thus spaced and can vibrate freely.

Avantageusement, chaque plaque comporte de part et d'autre de la partie centrale, en direction des zones d'extrémité, au moins une partie amincie, destinée à apporter plus de souplesse à l'élément et lui permettre une meilleure adaptation entre des fixations qui ne seraient pas rigoureusement coplanaires. Advantageously, each plate comprises on either side of the central part, in the direction of the end zones, at least one thinned part, intended to bring more flexibility to the element and allow it to better adapt between fixings which would not be rigorously coplanar.

Cette ou ces zones amincies sont de préférence obtenues par un évidement formé dans la face opposée à celle en regard de l'autre plaque. This or these thinned areas are preferably obtained by a recess formed in the face opposite to that facing the other plate.

Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention qui pourrait d'ailleurs trouver application dans les solutions de l'art antérieur (diapason monobloc ou feuilleté), on prévoit de part et d'autre de la lame vibrante deux lames latérales supplémentaires qui peuvent avoir l'épaisseur intégrale de la plaque. Ces lames ne participent pas à la vibration mais en revanche elles participent au support de la charge, ce qui permet d'augmenter considérablement la charge maximale admissible sur le capteur. In a particularly advantageous embodiment of the invention which could moreover find application in the solutions of the prior art (monobloc or laminated tuning fork), there are provided on either side of the vibrating blade two additional lateral blades which can have the full thickness of the plate. These blades do not participate in the vibration but on the other hand they participate in the support of the load, which makes it possible to considerably increase the maximum admissible load on the sensor.

Le calcul des lames vibrantes et des lames latérales permet de choisir la fréquence au repos, la variation de fréquence sous la charge nominale, et la charge supportée par le résonateur. La forme des lames peut éventuellement varier en épaisseur et en largeur. The calculation of the vibrating plates and the lateral plates allows to choose the frequency at rest, the frequency variation under the nominal load, and the load supported by the resonator. The shape of the blades can possibly vary in thickness and in width.

Du fait que l'élément de capteur conforme à l'invention résulte de la superposition de deux plaques semblables en tous points, la fabrication en masse de tels éléments en est facilitée, et d'une manière générale, on obtiendra les plaques par usinage, et de préférence gravure chimique, d'une plaque-mère selon des motifs répétitifs. Because the sensor element according to the invention results from the superimposition of two similar plates in all points, the mass production of such elements is facilitated, and in general, the plates will be obtained by machining, and preferably chemical etching, of a mother plate according to repeating patterns.

L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui va suivre de deux modes préférés de réalisa tion. On se référera aux dessins sur lesquels
- la figure 1 est une vue de dessus d'un premier mode de réalisation de capteur selon l'invention,
- la figure 2 est une coupe II-II de la figure 1,
- la figure 3 est une vue de dessus d'un second mode de réalisation,
- la figure 4 est une coupe IV-IV de la figure 3,
- la figure 5 est un schéma-bloc de l'électronique de commande.The invention will be better understood from the following description of two preferred embodiments. We will refer to the drawings on which
FIG. 1 is a top view of a first embodiment of the sensor according to the invention,
FIG. 2 is a section II-II of FIG. 1,
FIG. 3 is a top view of a second embodiment,
FIG. 4 is a section IV-IV of FIG. 3,
- Figure 5 is a block diagram of the control electronics.

Le capteur 1 est constitué de deux plaques exactement symétriques et identiques 2 et 3 placées en opposition. The sensor 1 consists of two exactly symmetrical and identical plates 2 and 3 placed in opposition.

Chaque plaque 2,3 comporte dans sa partie centrale une lame vibrante 4 de moindre épaisseur dont les bords 5 sont usinés à la forme voulue. Ici, la lame est constituée par une bande de largeur réduite se raccordant par une partie trapézoidale à la largeur totale de la plaque. Les deux lames 4 des plaques opposées sont espacées l'une de l'autre par un intervalle. Each plate 2,3 has in its central part a vibrating blade 4 of lesser thickness whose edges 5 are machined to the desired shape. Here, the blade is formed by a strip of reduced width connected by a trapezoidal part to the total width of the plate. The two blades 4 of the opposite plates are spaced from each other by an interval.

Cette lame 4 est reliée par une partie pleine 6 et une partie de transition 7 amincie à des parties pleines extrêmes 8 comportant éventuellement divers trous 9 pour leur fixation à un dispositif utilisateur et/ou pour le positionnement des lames lors de la fabrication. This blade 4 is connected by a solid part 6 and a transition part 7 thinned to extreme solid parts 8 possibly comprising various holes 9 for their attachment to a user device and / or for positioning the blades during manufacture.

Les plaques 2 et 3 sont solidarisées l'une à l'autre sur toute leur surface adjacente en regard par une couche de colle 10. The plates 2 and 3 are joined to each other over their entire adjacent surface facing each other by a layer of adhesive 10.

Chaque plaque 2, 3 est obtenue à partir d'une plaque d'épaisseur 6 usinée à partir d'une face et de l'autre sur des profondeurs respectives A et B déterminant respectivement la partie amincie 7 et la partie de lame 4. Each plate 2, 3 is obtained from a thickness plate 6 machined from one face and the other over respective depths A and B determining the thinned part 7 and the blade part 4 respectively.

De manière connue en soi, l'une des lames 4 re çoit un élément piézoélectrique 12 excitateur, tandis que l'autre lame 4 supporte un élément piézoélectrique 13 à fonction de capteur. Ces deux éléments 12 et 13 sont re liés par des fils 14 et 15 à un circuit électronique approprié. In a manner known per se, one of the blades 4 receives an exciter piezoelectric element 12, while the other blade 4 supports a piezoelectric element 13 with sensor function. These two elements 12 and 13 are connected by wires 14 and 15 to an appropriate electronic circuit.

Le mode de réalisation des figures 3 et 4 est comparable au précédent en ce que le capteur 1' est constitué de deux plaques identiques 2', 3', comportant une lame vibrante centrale 4' reliée à des parties pleines extrêmales 8' par plusieurs parties pleines 6' et amincies 7' intermédiaires (améliorant les possibilités de fixation des extrémités du capteur dans des plans non rigoureusement confondus). La partie pleine centrale 6' s'avère aussi utile pour permettre une bonne application de pression lors du collage des deux plaques l'une contre l'autre, application d'autant plus souhaitable que l'usinage chimique a pu faire naitre des contraintes dans les plaques. The embodiment of FIGS. 3 and 4 is comparable to the previous one in that the sensor 1 'consists of two identical plates 2', 3 ', comprising a central vibrating plate 4' connected to solid end portions 8 'by several parts solid 6 ′ and thinned intermediate 7 ′ (improving the possibilities of fixing the ends of the sensor in non-strictly confused planes). The solid central part 6 ′ is also useful for allowing good pressure to be applied when the two plates are bonded together, an application all the more desirable since chemical machining has been able to give rise to stresses in the plaques.

La lame centrale amincie 4' est entourée de deux lames supplémentaires latérales 11' pleines, collées l'une à l'autre comme le reste des surfaces adjacentes en regard par la couche de colle 10'. Ces lames latérales 11' participent au support de la charge mais ne vibrent pas. Les lames latérales pourraient cependant n'être pas pleines pour adapter précisément le dispositif à la contrainte maximale à supporter. The thinned central strip 4 ′ is surrounded by two additional lateral full strips 11 ′, glued to one another like the rest of the adjacent surfaces facing each other by the layer of glue 10 ′. These side blades 11 'participate in the support of the load but do not vibrate. The lateral blades could however not be full in order to precisely adapt the device to the maximum stress to be supported.

Les lames centrales opposées 4' supportent les éléments piézoélectriques 12' et 13'. The opposing central blades 4 'support the piezoelectric elements 12' and 13 '.

Dans un mode de réalisation comme dans l'autre, les éléments piézoélectriques sont connectés à une électronique de commande dont le but est d'entretenir l'oscillation tout en suivant les variations de fréquence du système mécanique. On pourra par exemple se référer au dispositif décrit dans le document US-A-3 486 383. In one embodiment as in the other, the piezoelectric elements are connected to control electronics, the aim of which is to maintain the oscillation while following the frequency variations of the mechanical system. We can for example refer to the device described in document US-A-3,486,383.

Dans un exemple d'application concret, l'électronique a été mise au point par M. Marc ROUFF, et, comme le montre la figure 5, a pour principe de prendre le signal à la sortie du résonateur que constitue le système méca nique, de l'amplifier, de le déphaser et de la réinjecter. In an example of a concrete application, the electronics were developed by Mr. Marc ROUFF, and, as shown in FIG. 5, its principle is to take the signal at the output of the resonator that constitutes the mechanical system, to amplify it, to phase it and to reinject it.

Une stabilité de l'ordre de 10-' a été obtenue à l'aide de trois dispositifs les plus indépendants possible. Stability of the order of 10- 'has been obtained using three devices which are as independent as possible.

1) Un dispositif de verrouillage de l'amplitude de sortie; les gains nécessaires pouvant être importants, un souci particulier est apporté aux adaptations d'impédance et aux couplages entre composants actifs et passifs du circuit. 1) A device for locking the output amplitude; the necessary gains can be significant, a particular concern is brought to the impedance adaptations and to the couplings between active and passive components of the circuit.

2) Un dispositif de verrouillage de la fréquence à l'aide de filtres passe-bande. 2) A frequency locking device using bandpass filters.

3) Un dispositif de verrouillage de la phase. 3) A phase locking device.

Claims

1. Force sensor element in double tuning fork, comprising several metal plates forming a central zone with two vibrating blades situated between two end zones,

characterized in that it consists of two plates (2,3,2 ', 3') only, identical and symmetrical, secured face to face, a central part of each plate forming a vibrating blade (4,4 ').

2. Element according to claim 1, characterized in that for each plate (2,3,2 ', 3'), the thickness of the vibrating blade (4,4 ') is less than that of the plate.

3. Element according to claim 2, characterized in that the vibrating blade (4,4 ') is constituted by a recess in the face which is opposite the other plate.

4. Element according to one of claims 1 to 3, characterized in that each plate (2,3,2 ', 3') comprises on either side of the central part, in the direction of the end zones, at least a thinned part (7,7 ').

5. Element according to claim 4, characterized in that each thinned part (7,7 ') is constituted by a recess on the face opposite to the opposite face of the other plate.

6. Element according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the facing faces (2,3,2 ', 3') are secured by gluing.

7. Element according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the central part of each plate (2 ', 3') comprises two additional lateral blades (11 ') on either side of the vibrating blade (4 ').

8. Element according to claim 7, characterized in that the thickness of the lateral blades (11 ') is equal to the thickness of the plate (2', 3 ').

9. Element according to any one of claims 1 to 8, characterized in that each plate (2,3,2 ', 3') is formed in series by machining a mother plate.

10. Element according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it is associated with piezoelectric elements (12,13,12 ', 13') connected to an electronic circuit recovering the signal at the output of the 'one of the piezoelectric elements, amplifying, phase shifting and reinjecting it into the other of the piezoelectric elements.