FR2784745A1 - Detecteur de position a cellule de detection micro-usinee - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un détecteur de position d'un élément mobile utilisant une cellule de détection à faible coût en silicium micro-usiné comportant :- une puce monolithique (26) micro-usinée ayant une partie fixe (41) et une partie mobile (42) pour subir des déplacements, des bras (44, 46) subissant des déformations fonction des déplacements de la partie mobile,- des moyens électriques de mesure des déformations,- un moyen de couplage (28, 30) entre l'organe mobile (22) et la partie mobile (42) de la puce monolithique apte à déplacer la partie mobile (42) en fonction des déplacement de l'organe mobile. Applications : réalisation de manches de commande ou des manches à balai, de mini-manches rapportés.

Description

DETECTEUR DE POSITION
A CELLULE DE DETECTION MICRO-USINEE
L'invention conceme un détecteur de position d'un organe mobile utilisant une cellule de détection à faible coût en silicium micro-usiné.

Le détecteur de position, utilisé dans des nombreux systèmes de contrôle constitués d'une chaîne d'éléments fonctionnels, fournit des informations de position d'un organe mobile sous la forme d'une grandeur électrique, afin d'agir sur l'environnement ou informer un opérateur humain.

Les détecteurs de position sont utilisés en particulier pour la réalisation de manches de commande ou des manches à balai, de minimanches rapportés, ayant des applications dans différents domaines de l'industrie civile ou militaire comme par exemple dans :
-les travaux publics, la manutention, le levage.

-les appareils médicaux et paramédicaux.

-l'aéronautique et le spatial
-les armements divers.

On note d'une façon générale une forte demande des manches de commande destinés au marché grand public due la forte croissance des jeux vidéo.

Les manches de commande ou joysticks en langue anglaise, peuvent tre classés selon deux principaux critères :
1) selon leurs types de fonctionnement, :
-de type isotonique, de loin le plus répandu, est préféré pour la précision du déplacement au détriment de la rapidité. Le manche isotonique est caractérisé par une amplitude de déptacement relativement importante et un effort sur le manche sensiblement constant.

-de type isométrique, préféré pour la rapidité de placement au détriment de la précision, mais nécessitant dans tous les cas un retour visuel. Ce type de manche permet une faible déformation avec un effort plus important que le manche isotonique.

-de type micro-manche de commande, en général isométrique, ce manche est utilisé en verrue sur un manche ordinaire. Une des applications de ce type de micro-manche est la substitution de la souris d'un microordinateur portable.

2) selon la technologie utilisée dans ! a réalisation du détecteur de position parmi lesquelles on trouve :
-les détecteurs rotatifs potentiométriques, comportant une mécanique à deux axes, deux potentiomètres fournissant respectivement une première tension electrique proportionnelle au deplacement du manche dans un premier axe et une seconde tension proportionnelle au déplacement du mme manche dans un second axe perpendiculaire au premier.

Ce type de manche de commande utilisant des potentiomètres comporte des inconvénients importants, en particulier i ! présente un niveau de bruit généré elevé, une durée de vie réduite due à l'usure rapide des pistes des potentiomètres et un encombrement relativement important le rendant inutilisable pour certaines applications.

-les détecteurs à pistes potentiométriques, utilisés pour la réalisation des manches de commande à très faible coût pour les applications grand public de faible précision et ne nécessitant pas une grande fiabilité.

-les jauges collées sur corps d'épreuve sont adaptées pour la réalisation des manches de type isométrique,
-la détection de position par transformateur différentiel qui comporte l'inconvénient d'un coût de réalisation important,
-le codage optique incrémental, comportant des problèmes de résolution et sujet à dérive du point de repos et à l'encrassement. La sortie de ce type de capteur est numérique,
-utilisation d'inductances variables nécessitant beaucoup d'électronique et donc d'un coût élevé,
La figure 1 a montre un dessin simplifié d'un manche de commande 10 de type isométrique, selon t'état de fart. Le manche de commande 10, de forme cylindrique selon un axe de révolution MM', comporte à une de ses extrémités une poignée 12 pouvant tre actionnée par un opérateur, le manche étant fixé à son autre extrémité sur un bâti rigide 14 et fixe par rapport au manche.

Une partie cylindrique 16 du manche 10 pouvant tre déformée par flexion par un effort F appliqué par l'opérateur sur la poignée 12, comporte quatre jauges de contrainte J1, J2, J3, J4 collées contre sa surface cylindrique. La figure 1b représente une vue en coupe selon CC'de la. partie cylindrique 16 du manche.

Les jauges de contrainte J1 à J4 se présentent sous la forme de petites bandes de longueur I selon un axe principal JJ'et de section S et se trouvent collées contre la surface de la partie cylindrique 16 de telle façon que leur axe principal JJ'soit sensiblement parallèle à l'axe de révolution
MM'du manche de commande 10.

Chaque jauge présente deux entrées e1 et e2 de mesures situées respectivement à chacune des deux extrémités de la jauge selon I'axe sensible JJ'. La jauge présente entre ces deux entrées e1 et e2 une certaine résistance Rj au repos, c'est-à-dire, lorsque aucune contrainte mécanique F est appliquée sur le manche.

La résistance Rj est donnée par la relation :
Rj = pj. VS dans laquelle :
pj est la résistivité de la jauge à une température déterminée T
I et S étant respectivement la longueur et la section de la jauge
La résistance de la jauge varie en fonction des contraintes de compression ou d'étirement exercées selon son axe principal JJ'et tendant, soit à diminuer leur longueur I et à augmenter leur section S (compression), soit à augmenter leur longueur et diminuer leur section (étirement).

Dans le cas de la réalisation du manche de commande 10 de la figure 1a, les jauges sont distribuées régulièrement à 90 degrés les unes des autres selon deux axes AA'et BB'perpendiculaires entre eux et à I'axe de révolution MM'du manche 10 et de telle façon que leur axe principal JJ' soit sensiblement parallèle à I'axe de révolution MM'du manche 10, les jauges J1 et J2 étant situées sur I'axe AA'et les jauges J3 et J4 étant situées sur I'axe BB'.

Lorsqu'un utilisateur exerce sur la poignée du manche, I'effort F sensiblement perpendiculaire à I'axe de révolution MM', par exemple selon une direction parallèle à l'axe AA', la partie cylindrique 12 du manche 10 se déforme comprimant une des deux jauges (J1 ou J2) situées sur cet axe AA' et étirant l'autre jauge, d'une amplitude dépendant de l'importance de l'effort
F. Les jauges J3 et J4 situées sur I'axe BB'perpendiculaire à I'axe AA', sont peu déformées selon leur axe principal, leur résistance restera sensiblement constante.

D'une façon générale, lorsque l'effort F se trouve dirigé dans une direction quelconque dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de révolution MM', chacune des jauges J1 à J4 sera déformée différemment en compression et en extension selon la direction de l'effort F. La déformation de chaque jauge se traduit alors par une variation de sa résistance Rj qui sera mesurée par des moyens électriques connus donnant lieu à une information de position, sous la forme de signaux électriques, selon les axes AA'et BB'perpendiculaires. Cette information de commande pourra tre a) ors utilisée pour effectuer une action sur l'environnement ou informer un opérateur de la position du manche.

Ce type de manche comportant des jauges collées, comporte des inconvénients importants. En effet, d'une part le collage des jauges sur le manche est délicat et peu fiable en température, le contrôle de l'épaisseur de la colle ayant une grande importance dans la fiabilité de la tenue des jauges. D'autre part, la dispersion des résistivités pj des jauges ne permet pas d'obtenir une bonne reproductibilité de l'information du point de repos du manche.

L'invention se propose de pallier les inconvénients de fart antérieur en proposant un détecteur de position d'un organe mobile, caractérisé en ce qu'il comporte :
-une puce monolithique micro-usinée ayant une partie fixe et une partie mobile pour subir des déplacements, des bras reliant la partie mobile et la partie fixe subissant des déformations fonction des déplacements de la partie mobile,
-des moyens électriques de mesure des déformations,
-un moyen de couplage entre l'organe mobile et la partie mobile de la puce monolithique apte à déplacer la partie mobile en fonction des déplacements de l'organe mobile.

Dans l'invention, le moyen de couplage fait pivoter la partie mobile de la puce autour de son centre entraînant une déformation en S des bras.

Une des principales applications du détecteur de position selon l'invention se trouve dans la réalisation de manches de commande ou de manches à balai, de mini-manches rapportés. Dans des telles applications, I'organe mobile comporte une poignée de commande actionnée par un opérateur. Des exemples de ce type d'application seront décrits par la suite.

Dans une première réatisation du détecteur de position selon l'invention, la puce monolithique comporte un premier, un deuxième, un troisième et un quatrième bras, les bras ayant un axe longitudinal sensiblement parallèle à deux faces principales de la puce, I'axe longitudinal du premier et du deuxième bras étant perpendiculaire à I'axe longitudinal du troisième et du quatrième bras, chacun des bras comportant au moins une jauge dont la résistance électrique varie en fonction des déformations du bras.

Les moyens électriques de mesure des déformations des bras, comportent un premier pont diviseur formé par les jauges du premier et du deuxième bras et un second pont diviseur formé par les jauges du troisième et du quatrième bras.

Dans une autre réalisation, chacun des bras de la puce monolithique comporte deux jauges, une proche de la partie mobile, une proche de la partie fixe de la puce, I'une des jauges travaillant en extension et l'autre en compression, les moyens électriques de mesure des déformations comportant un premier pont de Wheatstone forme par les jauges du premier et du deuxième bras et un second pont de Wheatstone formé par les jauges du troisième et du quatrième bras.

Dans une réalisation du détecteur de position, les moyens de couplage entre l'organe mobile et la partie mobile de la puce comportent un aimant permanent solidaire de l'organe mobile et une pièce ferromagnétique solidaire de la partie mobile de la puce, les lignes de champ magnétique de
I'aimant permanent traversant la pièce ferromagnétique.

Un déplacement de l'organe mobile entraîne un déplacement des lignes de champs de I'aimant permanent produisant une variation des forces magnétiques s'exerçant sur la pièce ferromagnétique qui seront transmises sous la forme d'un couple à la partie mobile de la puce entraînant son déplacement et une déformation des bras faisant varier les résistances des jauges situées sur ces bras. Ces variations de résistance seront mesurées par les moyens électriques de mesure du détecteur de position.

Dans une autre réalisation du détecteur de position selon l'invention, les moyens de couplage comportent un soufflet solidaire de )'organe mobile par !'intermédiaire d'un corps flexible et un picot de transmission solidaire de la partie mobile de la puce monolithique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaltront à la lecture de la description détaittée qui en est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
-les figures la et 1 b déjà décrites représentent respectivement un manche de commande selon fart antérieur et une vue en coupe selon un plan perpendiculaire au manche.

-la figure 2a représente un dessin de principe d'un détecteur de position 20 selon l'invention.

-la figure 2b une vue de la puce monolithique du détecteur de position selon l'invention.

-la figure 2c une vue en coupe de la puce de la figure 2b.

-la figure 2d une vue en coupe d'une jauge de la puce de la figure 2b.

-la figure 3 montre un schéma de principe d'un dispositif de mesure différentie ! des variations des résistances des jauges de la puce monolithique.

-les figures 4a et 4b représentent le détecteur de position de la figure 2a avec l'organe mobile respectivement dans une position initiale et après un déplacement.

-les figures 5a et 5b représentent un manche de commande utilisant le détecteur de position de la figure 2a.

-la figure 5c montre une courbe typique de variation de tension en sortie d'un circuit de mesure du détecteur position de la figure 2a.

-la figure 6 montre un mini-manche utilisant un détecteur de position selon l'invention.

La figure 2a représente un dessin de principe d'un détecteur de position 20 selon l'invention, d'un organe mobile 22. Le détecteur comporte essentiellement une cellule de détection 24 réalisée à partir d'une puce monolithique 26 en silicium micro-usinée comportant une partie mobile sur laquelle se trouve fixé un picot ferromagnétique 28, et un petit aimant permanent 30 de forme cylindrique circulaire, solidaire de l'organe mobile 22, dont les lignes de champ Ch traversent le picot ferromagnétique.

La puce monolithique 26 comporte deux faces principales, une face supérieure 32 et une face inférieure 34 et se trouve fixée par sa face inférieure 34 sur un support 36. La puce est reliée électriquement par des connexions 38 à des métattisations 40 du support 36 assurant l'interconnexion électrique avec un circuit électronique de mesure.

La figure 2b montre une vue de la puce 26 du coté de sa face supérieure 32.

La puce 26 comporte un cadre 41 de forme carrée entourant un plot central 42 de mme forme carrée, le cadre 41 et le plot central 42 étant respectivement la partie fixe et la partie mobile de la puce monolithique 26.

Le cadre 41 et le plot central 42 ont un mme axe central RR' perpendiculaire aux faces principales de la puce et se trouvent reliés par quatre bras ayant chacun un axe longitudinal SS', chaque côté du cadre 41 étant relié à chaque coté du plot central lui faisant face, et sensiblement dans la partie centrale de chaque coté du cadre et du plot central, par un bras, un premier 44, un deuxième 46, un troisième 48 et un quatrième bras 50 comportant respectivement une première paire de jauges Z1 et Z2, une deuxième paire de jauges Z3 et Z4, une troisième paire de jauges Z5 et Z6 et une quatrième paire de jauges Z7 et Z8.

L'axe longitudinal SS'des premier 44 et deuxième bras 46 est colinéaire avec un premier axe DD"situé dans un plan de symétrie PS de la puce monolithique, ledit plan PS étant parallèle aux faces principales de la puce et I'axe longitudinal SS'des troisième 48 et quatrième bras 50 étant colinéaire avec un second axe EE'du mme plan de symétrie PS, les premier DD'et second axe EE'étant perpendiculaires entre eux et passant par I'axe de central RR'de la puce.

La figure 2c montre une vue en coupe de la puce monolithique 26 micro-usinée selon une vue KK' (voir figure 2b) dans un plan perpendiculaire aux faces principales de la puce. Sur la figure 2c, on a représenté les bras 44,46,48,50 avec une épaisseur de bras d plus faible que l'épaisseur D de la puce. Ceci peut permettre de leur assurer une flexibilité supplémentaire.

Toutefois, dans la pratique, on peut très bien utiliser des bras ayant une épaisseur d égale à l'épaisseur D de la puce.

Cette structure de la puce peut tre obtenue par usinage en
volume du silicium, par exemple par masquage puis attaque chimique dans
un bain de potasse.

Les jauges Z1 à Z8, qui sont dans le cas de cette réalisation, des
résistances variant en fonction des contraintes mécaniques qui leur sont
imposées, sont réalisées sur la surface des bras selon leur axe longitudinal
SS'par enrichissement du silicium en impuretés.

La figure 2d montre une coupe d'une des jauges réalisée sur l'un
des bras de la puce (par exemple la jauge Z1), selon un plan
perpendiculaire aux faces principales de la puce passant par le premier axe
DD'.

La réalisation de la jauge sur le bras, comporte au moins les
étapes suivantes :
Dans une première étape, on effectue du coté de la face
supérieure 32 de la puce, I'enrichissement en impuretés de zones ZB des bras en silicium donnant lieu aux jauges Z1 à Z8. Ces zones présenteront
alors une résistance Rj plus faible que le silicium de la puce sans impuretés
et dont la valeur sera fonction des contraintes d'étirement et de compression
selon I'axe longitudinal SS's'exer, cant dans ces zones ZB.

II est à noter que la variation de la résistance Rj lorsque la jauge
est soumise à une torsion autour de I'axe longitudinal SS'est négligeable
par rapport à la variation de cette résistance lorsqu'on effectue une
contrainte de compression ou d'extension selon cet axe longitudinal SS'.

Dans une deuxième étape, on procède à la réalisation d'une
couche 60 d'oxyde de silicium sur la surface supérieure de la puce laissant
deux passages 62 et 64 respectivement à chacune des deux extrémités de
la zone ZB du silicium enrichi en impuretés.

Dans une troisième étape on effectue une métallisation 66 de la
puce. La métallisation 66 permet de réaliser en une seule opération des
pistes de connexion électrique 68 reliant électriquement, par un dépôt de
métal 70 situé dans les passages 62 et 64, les extrémités des jauges
(extrémités des zones ZB) à des plots de soudure 72 pour la soudure des
fils 38 reliant la puce au support 36 (voir figure 2a).

Le picot ferromagnétique 28 de forme cylindrique circulaire est encastré et fixé, par exemple par collage, sur le plot central 42 de la puce d'une façon coaxiale à l'axe central RR'de la puce.

La puce monolithique 26 comportant le picot 28 fixe sur le support 36 et interconnecté électriquement audit support par les connexions électriques 38 forment la cellule de détection 24.

Les jauges Z1 ci Z8 se comportent comme des résistances variant en fonction de leur déformation selon l'axe longitudinale SS'des bras suite à un déplacement de l'organe mobile 22. Ces variations de résistance seront mesurées à I'aide des moyens de mesure électriques.

A cet effet, la figure 3 montre un schéma de principe d'un dispositif de mesure 78 différentiel, des variations des résistances des jauges Z1, Z8, foumissant deux tensions électriques correspondant au déplacement de l'organe mobile 28 dans un plan passant par deux axes XX' et YY respectivement parallèles au premier DD'et au second axe EE'de la puce.

Le dispositif de mesure comporte un premier pont de Wheatstone
P1 formé par les quatre jauges des premier 44 et deuxième bras 46 de la puce, et un second pont de Wheastone P2 formé par les quatre jauges des troisième 48 et quatrième bras 50 de la puce.

Les jauges Z1, Z2 du premier bras 44 de la puce sont connectées sur une première borne W1 du premier pont de Wheatstone P1 attaquant une première entrée E1 d'un premier amplificateur différentiel A1. Les deux autres jauges Z3, Z4 du deuxième bras 46, formant les deux autres branches du mme premier pont de Wheatstone P1 sont connectées sur une deuxième borne W2 attaquant la seconde entrée E2 du mme amplificateur différentiel A1. Les deux jauges Z1, Z4 situées à proximité du cadre 41 étant connectées sur un troisième borne W3 du pont et les deux jauges Z2, Z3 à proximité du plot central 42 étant connectées sur une quatrième borne W4 du mme pont.

D'une façon connue, une première tension de mesure différentielle U1 est appliquée entre les troisième W3 et quatrième borne
W4 alimentant les quatre jauges Z1 à Z4 du premier pont de Wheatstone P1.

De la mme manière les jauges Z5, Z6 du troisième bras 48 de la puce 26 sont connectées sur une première borne W5 du second pont de
Wheastone P2 attaquant une entrée E3 d'un second amplificateur diff6rentiel A2. Les deux autres jauges Z7, Z8 du quatrième bras 50, formant les deux autres branches du mme second pont de wheastone P2, sont connectées sur une deuxième borne W6 attaquant la seconde entrée E4 du mme second amplificateur différentiel A2. Les deux jauges Z5, Z8 à proximité du cadre 41 étant connectée sur une troisième borne W7 du pont et les deux jauges Z6, Z7 à proximité du plot central 42 étant connectées sur une quatrième borne W8 du mme pont.

D'une façon connue, une seconde tension de mesure différentielle U2 est appliquée entre les troisième W7 et quatrième borne
W8 alimentant les quatre jauges Z5 à Z8 du second pont de Wheastone P2.

Les premier A1 et second amplificateur différentiel A2 fournissent l'un à sa sortie S1 et l'autre à sa sortie S2, respectivement une tension Ux proportionnelle au déséquilibre du premier pont P1 et une tension Uy proportionnelle au déséquilibre du pont P2 liées au déplacement de l'organe mobile 22.

Nous allons par la suite expliquer le fonctionnement du détecteur de position 20.

La figure 4a représente le détecteur de position de l'organe mobile 22 dans une position initiale telle que les axes de révolution de
I'aimant permanent 30 et du picot ferromagnétique 28 se trouvent sensiblement alignés. Dans cette position initiale, le picot ferromagnétique 28 est traversé par les lignes de champ Ch de t'aimant permanent 30 de façon sensiblement parallèle à I'axe du picot 28.

L'effort d'attraction Fc exercé par I'aimant permanent 30 sur le picot ferromagnétique 28 est transmis au plot central 42 de la puce selon son axe central RR'produisant, d'une part, une compression de mme amplitude et de mme sens sur les quatre jauges Z1, Z4, Z5, Z8 qui sont situées à proximité du cadre 41 et d'autre part une extension d'une mme autre amplitude sur les quatre autres jauges Z2, Z3, Z6, Z7 qui sont situées à proximité du plot central 42.

Par conséquence, dans cette position initiale les jauges Z1 et Z4 du premier 44 et du deuxième bras 46 de la puce à proximité du cadre 41 présentent sensiblement une mme valeur de résistance, les deux autres jauges Z2 et Z3 des mmes bras 44 et 46 à proximité du plot central, présentant sensiblement une mme autre valeur de résistance.

Dans ces conditions les premier P1 et le second pont de
Wheastone P2 sont à l'équilibré et aucune tensions différentielle est détectée par le premier A1 et le second amplificateur différentiel A2.

La figure 4b représente le détecteur de position 20 de l'organe mobile 22 dans une position diff6rente de la position initiale après que l'organe mobile ait effectué un déplacement dans une direction Vx selon I'axe XX'sensiblement parallèle au premier axe DD'de la puce.

Les lignes de champ de I'aimant permanent 30 s'éloignant du picot ferromagnétique 28 entraînent ce dernier dans la direction de déplacement de l'organe mobile 22 faisant pivoter légèrement le plot central 42 sensiblement au tour du second axe EE'.

Le mouvement de pivotement du plot central 42 à t'intérieur du cadre 41 fixe entraîne d'une part, une déformation du premier 44 et du deuxième bras 46 qui prend une forme en S produisant, dans le premier bras 44, une extension de la jauge Z1 située à proximité du cadre 41 et une compression de la jauge Z2 située à proximité du plot central 42, et dans le deuxième bras 46, une compression de la jauge Z4 située à proximité du cadre 41 et une extension de la jauge Z3 située à proximité du plot central 42 et d'autre part, une torsion du troisième bras 48 dans un sens autour du second axe EE'et une torsion en sens opposé du quatrième bras 50 autour de ce mme axe. Là encore sur les figures 4a et 4b on a représenté des bras d'épaisseur d plus faible que l'épaisseur D de la puce, ce qui met mieux en évidence les déformations. Mais les épaisseurs peuvent tre égales.

Dans cette configuration, la résistance de la jauge Z1 du premier bras en extension aura une valeur plus élevée tandis que la résistance de la jauge Z2 du mme bras en compression aura une valeur plus faible. De la mme façon la résistance de la jauge Z3 du troisième bras en extension aura une valeur plus élevée tandis que la résistance de la jauge Z4 du meme bras en compression aura une valeur plus faible. Par contre les jauges situées sur les troisième 48 et quatrième bras 50 subissant seulement une torsion, ne présenteront pratiquement pas de variation de leur résistance, comme cela a été expliqué précédemment.

Les variations de résistances des jauges déséquilibrent le premier pont de Wheatstone P1 produisant une tension différentielle Dx de déséquilibre du pont et une tension Ux en sortie de l'amplificateur différentiel
A1 proportionnelle au déplacement de l'organe mobile 22 par rapport à sa position initiale. Le second pont restant en équilibre, dans ce cas aucune variation de l'organe mobile ayant été effectuée selon I'axe YY'.

A l'inverse, un déplacement de l'organe mobile 22 selon I'axe YY' dans une direction perpendiculaire à la direction du premier déplacement
Vx, produit un mouvement de rotation du plot central 42 au tour du premier axe DD'entrainant une déformation en S des troisième 48 et quatrième bras 50 de la puce et une torsion des premier 44 et deuxième bras 46 autour du premier axe DD'.

Les variations des résistances des jauges des troisième 48 et quatrième bras 50 déséquilibrent le second pont de Wheatstone P2 produisant une tension différentielle D2 de déséquilibre du pont et une tension Uy en sortie du second I'amplificateur différentiel A2 proportionnelle au déplacement selon la direction Vy perpendiculaire à la direction Vx, de l'organe mobile 22 par rapport à sa position initiale. Le premier pont de
Wheatstone P1 reste en équilibre, aucun déplacement de l'organe mobile ayant été effectué selon le second axe YY'.

D'une façon générale un déplacement de l'organe mobile 22 dans une direction quelconque tendant à éloigner l'aimant permanent 30 du picot ferromagnétique 28 produit un couple de rotation, sensiblement dans la mme direction, sur le plot central 42 de la puce générant simultanément des torsions et des déformations en S des quatre bras de la puce.

Les variations des résistances des jauges, dues aux déformations des bras, déséquilibrent les deux ponts P1 et P2 fournissant à travers les amplificateurs différentiels A1 et A2 deux tensions simultanées Ux et Uy, correspondant à la position de l'organe mobile 22 dans un plan sensiblement parallèle au plan de symétrie PS de la puce.

Comme cela a été précisé précédemment, du fait de la géométrie des jauges Z1 à Z8, la torsion de deux bras coaxiaux ne produit pas de signal en sortie du pont de Wheatstone correspondant, il n'existe donc pas de couplage sur les sorties des amplificateurs différentiels entre la rotation suivant les deux axes perpendiculaires XX'et YY.

Dans cette réalisation les moyens de couplage entre l'organe mobile 22 et la puce monolithique sont constitués par I'aimant permanent 30 et le picot ferromagnétique 28. Le couple de rotation exercé sur le plot central 42 de la puce par le picot ferromagnétique 28 est croissant avec le décentrage relatif de I'aimant permanent par rapport à I'axe de révolution de la puce.

Le détecteur de position 20 décrit peut tre utilisé pour réaliser des mini-manches de commande, ou des manches de commande industriels (ou t joysticks en langue anglaise).

Les figures 5a et 5b représentent un manche de commande 80 utilisant le détecteur de position 20 de la figure 2a.

La transformation du mouvement du manche de commande en couple ap de champs de I'aimant permanent 30, comme dans le cas de la figure 2a traversant le picot ferromagnétique 28.

L'élément mécanique 86 comporte à sa partie inférieure une rainure cylindrique circulaire 92 coaxiale à son axe de révolution débouchant par sa surface inférieure.

Un ressort 94 de rappel en spirale situé dans la rainure cylindrique circulaire 92 de t'élément mobile 86 et coaxiale à I'axe du manche au repos, dépasse la surface inférieure de t'élément mécanique 86 se trouvant appliqué contre une surface supérieure du bâti 90 lui faisant face. Au repos lorsque aucune force est appliquée sur la poignée 88, le ressort maintient I'axe de révolution GG'de la poignée colinéaire avec I'axe de révolution HH'du manche de commande 80.

Lorsqu'un effort F est exercé sur la poignée 88 par un opérateur dans la direction Vx, la poignée 88 ainsi que l'élément mécanique 86 pivotent au tour de l'élément sphérique 84 de la rotule 82 d'un angle a dans la direction Vx comprimant le ressort de rappel 94 qui présente alors une résistance équilibrant la force exercée par l'opérateur sur la poignée 88.

L'aimant permanent 30 se trouve écarté de l'axe central de la cellule de détection provoquant un couple sur le plot central 42 de la puce entraînant, comme cela a été décrit pour le détecteur de position de la figure 2a, une variation des résistances des jauges détectées par un circuit de mesure 96 situé sur le bâti 90 du manche de commande.

Des connexions électriques 98 relient à cet effet la cellule de détection 24 et le circuit de mesure 96.

La figure 5c représente une courbe typique montrant la variation de la tension Ux en sortie S1 du premier amplificateur différentie) A1 en fonction de I'angle a, dans une plage angulaire de 12 degrés et lorsqu'on déplace le manche de commande 80 dans la direction Vx. Le circuit de mesure est le circuit de mesure différentiel de la figure 3. Les ponts de
Wheatstone P1 et P2 du circuit de mesure étant alimentés sous une tension de 10 volts.

Le déplacement de la puce micro-usinée par le mouvement de l'organe mobile 22 à I'aide d'un champ magnétique, n'est pas limitatif et d'autres moyens de couplage entre l'organe mobile et la puce peuvent tre envisagés. Par exemple par une transmission mécanique directe du mouvement de t'élément mobile au plot central de la puce à I'aide soit des ressorts métalliques soit des étastomères souples.

La figure 6 montre un autre exemple de réalisation d'un minimanche 100 sous la forme d'un boitier standard de forme cylindrique circulaire comportant un fond 102 de boîtier équipé de pattes 104 pour la connexion électrique sur un circuit support.

Le mini-manche utilise un détecteur de position 106 selon l'invention comportant une transmission mécanique directe entre un minibouton, représentant l'organe mobile du détecteur de position, et la puce micro-usinée 26 (voir figures 2a, 2b, 2c).

La puce micro-usinée 26 du détecteur de position 106 est montée sur un support 108 fixé sur le fond de boîtier 102. Des connexions 110 assurant la liaison électrique entre la puce monolithique 26 et les pattes 104 du mini-manche.

Un corps flexible 112 de forme cylindrique circulaire coaxiale à l'axe central de la puce 26 micro-usinée, comporte une partie inférieure solidaire du fond 102 de boîtier et une partie supérieure dépassant la face supérieure de la puce. Sur la partie supérieure de du corps flexible 112 se trouve fixe le mini-bouton de commande 114 pouvant tre actionné par un opérateur.

Un picot de transmission 116 de forme cylindrique circulaire est fixé coaxialement par une de ses extrémités au plot central 42 de la puce monolithique et par son autre extrémité à une partie centrale d'un soufflet 118 de forme cylindrique circulaire dont les bords sont solidaires du corps flexible 112.

Le picot de transmission, sera réalisé dans une matière stable, permettant d'obtenir une bonne tenue dans le temps et en température de sa forme et ses dimensions mécaniques, afin de ne pas créer au repos (position initiale du micro-manche) des contraintes sur le plot central de la puce, produisant un décalage électrique du point de repos du micromanche.

Nous allons décrire par la suite le fonctionnement du micromanche 100.

Une action de l'opérateur sur le mini-bouton 114 produit une déformation du corps flexible 112 deplaçant sa partie supérieure dans un plan Pb sensiblement parallèle aux plans des faces de la puce. Ce déplacement est transmis par le soufflet 118 au picot de transmission 116 sous la forme d'un couple mécanique de rotation du plot central de la puce produisant alors, comme dans le cas de cellule de détection 24 de la figure 2a des déformations des bras reliant le plot central au cadre 42 telles que représentées à la figure 4b. Les déformations des bras de la puce produisent une variation des résistances des jauges Z1 à Z4 qui sera fonction de la positon du mini-bouton 114 selon deux axes perpendiculaires
XX'et YY dans le plan Pb, parallèles aux axes longitudinales SS'des bras.

Un circuit de mesure tel que représenté à la figure 3 fournira à partir des mesures des variations des résistances des jauges deux tensions
Ux et Uy correspondant à la position du mini-bouton sur les deux axes perpendiculaires XX'et YY'.

Parmi les avantages du détecteur de position selon l'invention, par rapport à fart antérieur, nous pouvons citer :
-L'intégration sur une seule puce d'une fonction de détection de déplacements suivant deux axes perpendiculaires.

-Un faible coût du détecteur associé à une intégration poussée.

-Une miniaturisation possible en fonction des besoins.

-Découplage des sensibilités selon deux axes (XX'et YY') de part le principe (la torsion des bras n'introduit pas de variation des résistances mesurées).

-Une amélioration des performances et de la précision du détecteur. En effet la réalisation des jauges sur la mme puce conduit à des caractéristiques très proches des jauges entre elles, diminuant ainsi la dispersion de leurs caractéristiques, ce qui conduit à une amélioration de la précision globale du détecteur.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Détecteur de position d'un organe mobile (12,22,88,114) caractérisé en ce qu'il comporte :

-une puce monolithique (26) micro-usinée ayant une partie fixe (41) et une partie mobile (42) pour subir des déplacements, des bras (44,46,48,50) reliant la partie mobile et la partie fixe subissant des déformations fonction des déplacements de la partie mobile,

-des moyens électriques de mesure (78) des déformations,

-un moyen de couplage (28,30,116,118) entre l'organe mobile (12,22,88,114) et la partie mobile (42) de la puce monolithique apte à déplacer la partie mobile (42) en fonction des déplacements de l'organe mobile.

2. Détecteur de position selon la revendication 1, caractérisé en le moyen de couplage fait pivoter la partie mobile de la puce autour de son centre entraînant une déformation en S des bras.

3. Détecteur de position selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la puce monolithique (26) comporte un premier (44), un deuxième (46) un troisième (48) et un quatrième bras (50), les bras ayant un axe longitudinal (SS') sensiblement parallèle à deux faces principales de la puce, I'axe longitudinal du premier et du deuxième bras étant perpendiculaire l'axe longitudinal du troisième et du quatrième bras, chacun des bras comportant au moins une jauge dont la résistance électrique varie en fonction des déformations du bras.

4. Détecteur de position selon la revendication 3, caractérisé en ce que la puce micro-usinée comporte deux jauges par bras, une proche de la partie mobile, une proche de la partie fixe de la puce, I'une des jauges travaillant en extension et l'autre en compression.

5. Détecteur de position selon la revendication 4, caractérisé en ce que la puce monolithique (26) comporte un cadre (41) de forme carrée entourant un plot central (42) de mme forme carrée, le cadre (41) et le plot central (42) étant respectivement la partie fixe et la partie mobile de la puce monolithique (26), le cadre (41) et le plot central (42) ayant un mme axe central (RR') perpendiculaire aux faces principales de la puce, le cadre et le plot central étant reliés par les quatre bras, chaque côté du cadre (41) étant relié à chaque coté du plot central (42) lui faisant face, et sensiblement dans la partie centrale de chaque coté du cadre et du plot central, par un bras, le premier (44), le deuxième (46), le troisième (48) et le quatrième bras (50) comportant respectivement une première paire de jauges (Z1, Z2), une deuxième paire de jauges (Z3, Z4), une troisième paire de jauges (Z5, Z6) et une quatrième paire de jauges (Z7, Z8), 1'axe longitudinal (SS') des premier (44) et du deuxième bras (46) étant colinéaire avec un premier axe (DD') situé dans un plan de symétrie (PS) de la puce monolithique, ledit plan (PS) étant parallèle aux faces principales de la puce et I'axe longitudinal (SS') des troisième (48) et quatrième bras (50) étant colinéaire avec un second axe (EE') du mme plan de symétrie (PS), les premier (DD') et second axe (EE') étant perpendiculaires entre eux et passant par I'axe central (RR') de la puce.

6. Détecteur de position selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les bras (44,46,48,50) présentent une épaisseur de bras (d) plus faible que l'épaisseur (D) de la puce permettant de leur assurer une flexibilité supplémentaire.

7. Détecteur de position selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les bras (44,46,48,50) ont une épaisseur (d) égale à épaisseur (D) de la puce.

8. Détecteur de position selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de couplage entre l'organe mobile (22,88) et la partie mobile (42) de la puce monolithique comportent un aimant permanent (30) solidaire de l'organe mobile et une pièce ferromagnétique (28) solidaire de la partie mobile (42) de la puce, les lignes de champ magnétique (Ch) de 1'aimant permanent (30) traversant la pièce ferromagnétique.

9. Détecteur de position selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de couplage (116,118) entre l'organe mobile (114) et la partie mobile (42) de la puce monolithique (26) comportent un soufflet (118) solidaire de l'organe mobile par l'intermédiaire d'un corps flexible (112) et un picot de transmission (116) solidaire de la partie mobile de la puce monolithique.

10. Détecteur de position selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens électriques de mesure des déformations des bras, comportent un premier pont diviseur formé par les jauges du premier (44) et du deuxième bras (46) et un second pont diviseur formé par les jauges du troisième (48) et du quatrième bras (50).

11. Détecteur de position selon les revendications 4 à 9, caractérisé en ce que chacun des bras de la puce monolithique comporte deux jauges, les moyens électriques de mesure (78) des déformations comportant un premier pont de Wheatstone (P1) formé par les jauges du premier (44) et du deuxième bras (46) et un second pont de Wheatstone (P2) formé par les jauges du troisième (48) et du quatrième bras (50).

12. Détecteur de position selon la revendication 11, caractérisé en ce que les jauges (Z1, Z2) du premier bras (44) de la puce sont connectées sur une première borne (W1) du premier pont de Wheatstone (P1) attaquant une première entrée (E1) d'un premier amplificateur différentiel (A1), les deux autres jauges (Z3, Z4) du deuxième bras (46), formant les deux autres branches du mme premier pont de Wheatstone (P1) étant connectées sur une deuxième borne (W2) attaquant la seconde entrée (E2) du mme amplificateur différentiel (A1), les deux jauges (Z1, Z4) situées à proximité du cadre (41) étant connectées sur une troisième borne (W3) du pont et les deux jauges (Z2, Z3) à proximité du plot central (42) étant connectées sur une quatrième borne (W4) du mme pont (P1), une première tension de mesure différentielle (U1) est appliquée entre les troisième (W3) et quatrième borne (W4) alimentant les quatre jauges (Z1 à

Z4) du premier pont de Wheatstone (P1), et de la mme manière les jauges (Z5, Z6) du troisibme bras (48) de la puce (26) étant connectées sur une première borne (W5) du second pont de Wheastone (P2) attaquant une entrée (E3) d'un second amplificateur différentiel (A2), les deux autres jauges (Z7, Z8) du quatrième bras (50), formant les deux autres branches du mme second pont de Wheastone (P2), étant connectées sur une deuxième bome (W6) attaquant la seconde entrée (E4) du mme second amplificateur différentiel (A2), les deux jauges (Z5, Z8) à proximité du cadre (41) étant connectée sur une troisième borne (W7) du pont et les deux jauges (Z6, Z7) à proximité du plot central (42) étant connectées sur une quatrième borne (W8) du mme pont (P2), une seconde tension de mesure différentielle (U2) étant appliquée entre les troisième (W7) et quatrième borne (W8) alimentant les quatre jauges (Z5 à Z8) du second pont de Wheastone (P2).

13. Manche de commande comportant un détecteur de position selon l'une quelconque des revendications précédentes.

14. Manche de commande comportant un détecteur de position selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte une rotule (82) ayant un élément mécanique sphérique (84) autour duquel peut pivoter un élément mobile (86) de forme cylindrique circulaire portant à sa partie supérieure une poignée de commande (88), I'élément mécanique sphérique (84) étant fixé sur un bâti (90), ledit élément sphérique portant à sa partie supérieure une cellule de détection (24) ayant un axe central, comportant la puce monolithique (26) sur laquelle se trouve fixée la pièce ferromagnétique (28).

15. Manche de commande selon la revendication 14, caractérisé en ce que la poignée de commande (88) de forme cylindrique selon un axe de révolution (GG') est fixée par une de ses deux extrémités à l'élément mobile (86), I'autre extrémité pouvant tre actionnée par un opérateur en un mouvement circulaire autour de l'élément mécanique sphérique (84),

I'aimant permanent (30) étant fixé à la partie inférieure de la poignée de commande (88), à proximité de la cellule de détection (24), I'axe de révolution de la poignée (88), de I'aimant permanent et I'axe central de la cellule de détection (24) étant colinéaires au repos.

16. Manche de commande selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que l'élément mécanique (86) comporte à sa partie inférieure une rainure cylindrique circulaire (92) coaxiale à son axe de révolution débouchant par une surface inférieure, un ressort (94) de rappel en spirale situé dans la rainure cylindrique circulaire (92) de l'élément mobile (86) et coaxiale à l'axe du manche au repos, dépasse la surface inférieure de l'élément mécanique (86) se trouvant appliqué contre une surface supérieure du bâti (90) lui faisant face.