WO2000023778A1 - Detecteur de position a cellule de detection micro-usinee - Google Patents

Detecteur de position a cellule de detection micro-usinee Download PDF

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WO2000023778A1
WO2000023778A1 PCT/FR1999/002458 FR9902458W WO0023778A1 WO 2000023778 A1 WO2000023778 A1 WO 2000023778A1 FR 9902458 W FR9902458 W FR 9902458W WO 0023778 A1 WO0023778 A1 WO 0023778A1
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WO
WIPO (PCT)
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gauges
chip
position detector
arm
arms
Prior art date
Application number
PCT/FR1999/002458
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English (en)
Inventor
Denis Flandin
Pierre Giroud
Original Assignee
Crouzet Automatismes
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers
    • G01L5/223—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to joystick controls
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/004—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring coordinates of points

Definitions

  • the invention relates to a position detector of a movable member using a low-cost detection cell in micromachined silicon.
  • the position detector used in many control systems consisting of a chain of functional elements, provides position information of a movable member in the form of an electrical quantity, in order to act on the environment or inform a human operator.
  • Position detectors are used in particular for the production of control sticks or joysticks, fitted mini-sleeves, having applications in different fields of the civil or military industry, for example in: - public works, handling , lifting.
  • control sticks or "joysticks” in English can be classified according to two main criteria:
  • the isotonic handle is characterized by a relatively large amplitude of movement and a substantially constant force on the handle.
  • this handle is used as a wart on an ordinary handle.
  • One of the applications of this type of micro-handle is the substitution of the mouse for a portable micro-computer. 2) according to the technology used in the production of the position detector, among which are:
  • - potentiometric rotary detectors comprising a two-axis mechanism, two potentiometers respectively supplying a first electrical voltage proportional to the movement of the handle in a first axis and a second voltage proportional to the movement of the same handle in a second axis perpendicular to the first.
  • This type of control stick using potentiometers has significant drawbacks, in particular it has a high level of generated noise, a reduced lifespan due to the rapid wear of the potentiometer tracks and a relatively large size making it unusable for some applications.
  • the gauges glued to the test body are suitable for the production of isometric type sleeves
  • variable inductors requiring a lot of electronics and therefore a high cost
  • FIG. 1a shows a simplified drawing of an isometric type control stick 10, according to the state of the art.
  • the control handle 10 of cylindrical shape along an axis of revolution MM ', has at one of its ends a handle 12 which can be actuated by an operator, the handle being fixed at its other end on a rigid frame 14 and fixed relative to on the handle.
  • a cylindrical part 16 of the handle 10 which can be deformed by bending by a force F applied by the operator to the handle 12, has four strain gauges J1, J2, J3, J4 bonded against its surface cylindrical.
  • Figure 1b shows a sectional view along CC of the cylindrical part 16 of the handle.
  • strain gauges J1 to J4 are in the form of small strips of length I along a main axis JJ 'and of section S and are glued against the surface of the cylindrical part 16 so that their main axis JJ' is substantially parallel to the axis of revolution
  • Each gauge has two measurement inputs e1 and e2 located respectively at each of the two ends of the gauge along the sensitive axis JJ '.
  • the gauge has between these two inputs e1 and e2 a certain resistance Rj at rest, that is to say, when no mechanical stress F is applied to the handle.
  • I and S being respectively the length and the section of the gauge
  • the resistance of the gauge varies according to the compression or stretching stresses exerted along its main axis JJ 'and tending either to decrease their length I and to increase their section S (compression), that is to increase their length and decrease their section (stretching).
  • the gauges are regularly distributed at 90 degrees from each other along two axes AA 'and BB' perpendicular to each other and to the axis of revolution MM 'of the handle 10 and in such a way that their main axis JJ 'is substantially parallel to the axis of revolution MM' of the handle 10, the gauges J1 and J2 being located on the axis AA 'and the gauges J3 and J4 being located on the axis BB '.
  • the cylindrical part 12 of the handle 10 deforms compressing a of the two gauges (J1 or J2) located on this axis AA 'and stretching the other gauge, of an amplitude depending on the importance of the force F.
  • the gauges J3 and J4 located on the axis BB' perpendicular to the axis AA ′, are slightly deformed along their main axis, their resistance will remain substantially constant.
  • each of the gauges J1 to J4 will be deformed differently in compression and in extension in the direction of the force F.
  • the deformation of each gauge then results in a variation of its resistance Rj which will be measured by known electrical means giving rise to position information, in the form of electrical signals, along the axes AA 'and BB 'perpendicular.
  • This control information can then be used to perform an action on the environment or to inform an operator of the position of the handle.
  • the invention proposes to overcome the drawbacks of the prior art by proposing a position detector of a movable member, characterized in that it comprises:
  • micro-machined monolithic chip having a fixed part and a mobile part for undergoing displacements, arms connecting the mobile part and the fixed part undergoing deformations as a function of the displacements of the mobile part, - electrical means for measuring deformations,
  • the coupling means pivots the mobile part of the chip around its center resulting in an S-shaped deformation of the arms.
  • the movable member comprises a control handle actuated by an operator. Examples of this type of application will be described later.
  • the monolithic chip comprises a first, a second, a third and a fourth arm, the arms having a longitudinal axis substantially parallel to two main faces of the chip, the longitudinal axis the first and second arms being perpendicular to the longitudinal axis of the third and fourth arms, each of the arms comprising at least one gauge whose electrical resistance varies as a function of the deformations of the arm.
  • the electrical means for measuring the deformations of the arms comprise a first dividing bridge formed by the gauges of the first and second arms and a second dividing bridge formed by the gauges of the third and fourth arms.
  • each of the arms of the monolithic chip comprises two gauges, one close to the mobile part, one close to the fixed part of the chip, one of the gauges working in extension and the other in compression, the means electrical deformation measurement devices comprising a first Wheatstone bridge formed by the gauges of the first and second arms and a second Wheatstone bridge formed by the gauges of the third and fourth arms.
  • the coupling means between the movable member and the movable part of the chip comprise a permanent magnet secured to the movable member and a ferromagnetic part secured to the movable part of the chip, the lines of magnetic field of the permanent magnet passing through the ferromagnetic part.
  • a displacement of the movable member causes a displacement of the field lines of the permanent magnet producing a variation of the magnetic forces exerted on the ferromagnetic part which will be transmitted in the form of a couple to the movable part of the chip causing its displacement and a deformation of the arms varying the resistances of the gauges located on these arms. These resistance variations will be measured by the electrical measuring means of the position detector.
  • the coupling means comprise a bellows secured to the movable member via a flexible body and a transmission pin secured to the movable part of the monolithic chip.
  • FIGS. 1a and 1b already described respectively represent a control handle according to the prior art and a sectional view along a plane perpendicular to the handle.
  • FIG. 2a shows a block diagram of a position detector 20 according to the invention.
  • FIG. 2b a view of the monolithic chip of the position detector according to the invention.
  • Figure 2c a sectional view of the chip of Figure 2b.
  • Figure 2d a sectional view of a gauge of the chip of Figure 2b.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a differential measurement device for variations in the resistance of the gauges of the monolithic chip.
  • Figures 4a and 4b show the position detector of Figure 2a with the movable member respectively in an initial position and after displacement.
  • Figures 5a and 5b show a control stick using the position detector of Figure 2a.
  • Figure 5c shows a typical curve of voltage variation at the output of a measuring circuit of the position detector of Figure 2a.
  • FIG. 6 shows a mini-stick using a position detector according to the invention.
  • FIG. 2a represents a basic drawing of a position detector 20 according to the invention, of a movable member 22.
  • the detector essentially comprises a detection cell 24 produced from a monolithic chip 26 made of micromachined silicon comprising a movable part on which is fixed a ferromagnetic pin 28, and a small permanent magnet 30 of circular cylindrical shape, secured to the movable member 22, whose field lines Ch cross the ferromagnetic pin.
  • the monolithic chip 26 has two main faces, an upper face 32 and a lower face 34 and is fixed by its lower face 34 on a support 36.
  • the chip is electrically connected by connections 38 to metallizations 40 of the support 36 ensuring the electrical interconnection with an electronic measurement circuit.
  • FIG. 2b shows a view of the chip 26 from the side of its upper face 32.
  • the chip 26 comprises a frame 41 of square shape surrounding a central stud 42 of the same square shape, the frame 41 and the central stud 42 being respectively the fixed part and the mobile part of the monolithic chip 26.
  • the frame 41 and the central stud 42 have the same central axis RR 'perpendicular to the main faces of the chip and are connected by four arms each having a longitudinal axis SS', each side of the frame 41 being connected to each side of the central stud facing it, and substantially in the central part on each side of the frame and the central stud, by an arm, a first 44, a second 46, a third 48 and a fourth arm 50 comprising respectively a first pair of gauges Z1 and Z2 , a second pair of gauges Z3 and Z4, a third pair of gauges Z5 and Z6 and a fourth pair of gauges Z7 and Z8.
  • the longitudinal axis SS 'of the first 44 and second arms 46 is collinear with a first axis DD "located in a plane of symmetry PS of the monolithic chip, said plane PS being parallel to the main faces of the chip and the longitudinal axis SS 'of the third 48 and fourth arm 50 being collinear with a second axis EE' of the same plane of symmetry PS, the first DD 'and second axis EE' being perpendicular to each other and passing through the central axis RR 'of the chip.
  • FIG. 2c shows a sectional view of the monolithic chip 26 micro-machined in a view KK '(see FIG. 2b) in a plane perpendicular to the main faces of the chip.
  • the arms 44, 46, 48, 50 are shown with an arm thickness d less than the thickness D of the chip. This can provide them with additional flexibility. However, in practice, it is very possible to use arms having a thickness d equal to the thickness D of the chip.
  • This structure of the chip can be obtained by volume machining of the silicon, for example by masking then chemical attack in a potash bath.
  • the gauges Z1 to Z8, which in the case of this embodiment, resistances varying as a function of the mechanical stresses which are imposed on them, are produced on the surface of the arms along their longitudinal axis SS 'by enriching the silicon with impurities.
  • FIG. 2d shows a section of one of the gauges produced on one of the arms of the chip (for example the gauge Z1), along a plane perpendicular to the main faces of the chip passing through the first axis DD '.
  • the realization of the gauge on the arm comprises at least the following stages:
  • the impurities ZB areas of the silicon arms are produced giving rise to the gauges Z1 to Z8.
  • These zones will then have a lower resistance Rj than the silicon of the chip without impurities and the value of which will depend on the stretching and compression constraints along the longitudinal axis SS 'exerted in these zones ZB.
  • Rj resistance
  • the variation of the resistance Rj when the gauge is subjected to a torsion around the longitudinal axis SS ' is negligible compared to the variation of this resistance when a compression or extension stress is applied according to this longitudinal axis SS '.
  • a layer 60 of silicon oxide is produced on the upper surface of the chip leaving two passages 62 and 64 respectively at each of the two ends of the zone ZB of the silicon enriched in impurities.
  • a metallization 66 of the chip is carried out.
  • Metallization 66 allows electrical connection tracks 68 to be produced in a single operation electrically connecting, by a metal deposit 70 located in passages 62 and 64, the ends of the gauges (ends of zones ZB) to solder pads 72 for the welding of the wires 38 connecting the chip to the support 36 (see FIG. 2a).
  • the ferromagnetic pin 28 of circular cylindrical shape is embedded and fixed, for example by gluing, on the central stud 42 of the chip in a coaxial manner with the central axis RR 'of the chip.
  • the monolithic chip 26 comprising the pin 28 fixed on the support 36 and electrically interconnected to said support by the electrical connections 38 form the detection cell 24.
  • the gauges Z1 to Z8 behave like resistances varying as a function of their deformation along the longitudinal axis SS 'of the arms following a movement of the movable member 22. These variations in resistance will be measured using the measuring means electric.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a differential measurement device 78, of variations in the resistances of the gauges Z1, Z8, providing two electrical voltages corresponding to the displacement of the movable member 28 in a plane passing through two axes XX 'and YY' respectively parallel to the first DD 'and to the second axis EE' of the chip.
  • the measurement device comprises a first Wheatstone bridge P1 formed by the four gauges of the first 44 and second arm 46 of the chip, and a second Wheastone bridge P2 formed by the four gauges of the third 48 and fourth arm 50 of the chip.
  • the gauges Z1, Z2 of the first arm 44 of the chip are connected to a first terminal W1 of the first Wheatstone bridge P1 driving a first input E1 of a first differential amplifier A1.
  • the two other gauges Z3, Z4 of the second arm 46, forming the two other branches of the same first Wheatstone bridge P1 are connected to a second terminal W2 driving the second input E2 of the same differential amplifier A1.
  • the two gauges Z1, Z4 located near the frame 41 being connected to a third terminal W3 of the bridge and the two gauges Z2, Z3 near the central stud 42 being connected to a fourth terminal W4 of the same bridge.
  • a first differential measurement voltage U1 is applied between the third W3 and fourth terminal W4 supplying the four gauges Z1 to Z4 of the first Wheatstone bridge P1.
  • the gauges Z5, Z6 of the third arm 48 of the chip 26 are connected to a first terminal W5 of the second bridge of Wheastone P2 attacking an input E3 of a second differential amplifier A2.
  • the other two gauges Z7, Z8 of the fourth arm 50 forming the two other branches of the same second bridge of wheastone P2, are connected to a second terminal W6 driving the second input E4 of the same second differential amplifier A2.
  • the two gauges Z5, Z8 near the frame 41 being connected to a third terminal W7 of the bridge and the two gauges Z6, Z7 near the central stud 42 being connected to a fourth terminal W8 of the same bridge.
  • a second differential measurement voltage U2 is applied between the third W7 and fourth terminal W8 supplying the four gauges Z5 to Z8 of the second bridge of Wheastone P2.
  • the first A1 and second differential amplifier A2 provide one at its output S1 and the other at its output S2, respectively a voltage Ux proportional to the imbalance of the first bridge P1 and a voltage Uy proportional to the imbalance of the bridge P2 linked to the displacement of the movable member 22.
  • FIG. 4a represents the position detector of the movable member 22 in an initial position such that the axes of revolution of the permanent magnet 30 and of the ferromagnetic pin 28 are substantially aligned. In this initial position, the ferromagnetic pin 28 is crossed by the field lines Ch of the permanent magnet 30 in a manner substantially parallel to the axis of the pin 28.
  • the attraction force Fc exerted by the permanent magnet 30 on the ferromagnetic pin 28 is transmitted to the central stud 42 of the chip along its central axis RR 'producing, on the one hand, a compression of the same amplitude and the same direction on the four gauges Z1, Z4, Z5, Z8 which are located near the frame 41 and on the other hand an extension of the same other amplitude on the other four gauges Z2, Z3, Z6, Z7 which are located near the central stud 42.
  • the gauges Z1 and Z4 of the first 44 and of the second arm 46 of the chip near the frame 41 have substantially the same resistance value, the other two gauges Z2 and Z3 of the same arms 44 and 46 near the central stud, having substantially the same other resistance value.
  • FIG. 4b represents the position detector 20 of the mobile member 22 in a position different from the initial position after the mobile member has moved in a direction Vx along the axis XX 'substantially parallel to the first axis DD' of the chip.
  • the field lines of the permanent magnet 30 moving away from the ferromagnetic pin 28 drive the latter in the direction of movement of the movable member 22 slightly pivoting the central stud 42 substantially around the second axis EE '.
  • the pivoting movement of the central stud 42 inside the fixed frame 41 causes on the one hand, a deformation of the first 44 and of the second arm 46 which takes an "S" shape producing, in the first arm 44, an extension gauge Z1 located near the frame 41 and compression of the gauge Z2 located near the central stud 42, and in the second arm 46, compression of the gauge Z4 located near the frame 41 and an extension of the gauge Z3 located near the central stud 42 and on the other hand, a twist of the third arm 48 in one direction around the second axis EE 'and a twist in the opposite direction of the fourth arm 50 around this same axis.
  • arms of thickness d smaller than the thickness D of the chip are shown, which better highlights the deformations. But the thicknesses can be cheerful.
  • the resistance of the gauge Z1 of the first arm in extension will have a higher value while the resistance of the gauge Z2 of the same arm in compression will have a lower value.
  • the resistance of the gauge Z3 of the third arm in extension will have a higher value while the resistance of the gauge Z4 of the same arm in compression will have a lower value.
  • the gauges located on the third 48 and fourth arms 50 undergoing only a twist will show practically no variation in their resistance, as has been explained previously.
  • the variations in resistance of the gauges unbalance the first Wheatstone bridge P1 producing a differential voltage Dx of imbalance of the bridge and a voltage Ux at the output of the differential amplifier A1 proportional to the movement of the movable member 22 relative to its initial position.
  • the second bridge remaining in equilibrium, in this case no variation of the movable member having been made along the axis YY '.
  • a movement of the movable member 22 along the axis YY 'in a direction perpendicular to the direction of the first movement Vx produces a movement of rotation of the central stud 42 around the first axis DD' resulting in deformation in "S" of the third 48 and fourth arms 50 of the chip and a twist of the first 44 and second arms 46 around the first axis DD '.
  • the variations in the resistances of the gauges of the third 48 and fourth arms 50 unbalance the second Wheatstone bridge P2 producing a differential voltage D2 of unbalance of the bridge and a voltage Uy at the output of the second differential amplifier A2 proportional to the displacement in the perpendicular direction Vy in the direction Vx, of the movable member 22 relative to its initial position.
  • the first Wheatstone bridge P1 remains in equilibrium, no movement of the movable member having been carried out along the second axis YY '.
  • a movement of the movable member 22 in any direction tending to move the permanent magnet 30 away from the ferromagnetic pin 28 produces a torque, substantially in the same direction, on the central stud 42 of the generating chip simultaneously torsions and “S” deformations of the four arms of the chip.
  • the coupling means between the movable member 22 and the monolithic chip are constituted by the permanent magnet 30 and the ferromagnetic pin 28.
  • the torque exerted on the central stud 42 of the chip by the ferromagnetic pin 28 is increasing with the relative decentering of the permanent magnet relative to the axis of revolution of the chip.
  • FIG. 5a and 5b show a control stick 80 using the position detector 20 of Figure 2a.
  • the control handle 80 essentially comprises a ball joint 82 having a spherical mechanical element 84 around which a movable element 86 of circular cylindrical shape can pivot, carrying at its upper part a control handle 88.
  • the spherical mechanical element 84 is fixed on a frame 90 and carries at its upper part the detection cell 24 of FIG. 2a.
  • the control handle 88 of cylindrical shape along an axis of revolution GG ′ is fixed by one of its two ends to the mobile element 86, the other end being able to be actuated by an operator in a circular movement around the mechanical element spherical 84.
  • the permanent magnet 30 is fixed to the lower part of the control handle 88, near the detection cell, the axis of revolution of the handle 88, the permanent magnet and the central axis of the control cell. detection being collinear at rest.
  • the control handle 80 of cylindrical shape has at rest an axis of revolution H H 'collinear with the axis of revolution GG' of the control handle.
  • the mechanical element 86 has at its lower part a circular cylindrical groove 92 coaxial with its axis of revolution opening out through its lower surface.
  • a spiral return spring 94 located in the circular cylindrical groove 92 of the movable element 86 and coaxial with the axis of the handle at rest, protrudes from the lower surface of the mechanical element 86 being applied against an upper surface of the frame 90 facing him. At rest when no force is applied to the handle 88, the spring maintains the axis of revolution GG 'of the collinear handle with the axis of revolution HH' of the control handle 80.
  • the handle 88 and the mechanical element 86 pivot around the spherical element 84 of the ball joint 82 by an angle ⁇ in the direction Vx compressing the return spring 94 which then has a resistance balancing the force exerted by the operator on the handle 88.
  • the permanent magnet 30 is spaced from the central axis of the detection cell causing a torque on the central stud 42 of the chip causing, as has been described for the position detector of FIG. 2a, a variation in the resistances of the gauges detected by a measurement circuit 96 located on the frame 90 of the control handle.
  • FIG. 5c represents a typical curve showing the variation of the voltage Ux at output S1 of the first differential amplifier A1 as a function of the angle ⁇ , in an angular range of 12 degrees and when the control stick 80 is moved in the direction Vx.
  • the measurement circuit is the differential measurement circuit of FIG. 3.
  • the Wheatstone bridges P1 and P2 of the measurement circuit being supplied at a voltage of 10 volts.
  • the movement of the micro-machined chip by the movement of the mobile member 22 using a magnetic field is not limiting and other means of coupling between the mobile member and the chip can be envisaged .
  • Other means of coupling between the mobile member and the chip can be envisaged .
  • FIG. 6 shows another embodiment of a mini-stick 100 in the form of a standard box of circular cylindrical shape comprising a bottom 102 of the box equipped with lugs 104 for electrical connection on a support circuit.
  • the mini-handle uses a position detector 106 according to the invention comprising a direct mechanical transmission between a mini-button, representing the movable member of the position detector, and the micro-machined chip 26 (see FIGS. 2a, 2b, 2c).
  • the micro-machined chip 26 of the position detector 106 is mounted on a support 108 fixed on the bottom of the housing 102. Connections 110 ensuring the electrical connection between the monolithic chip 26 and the tabs 104 of the mini-handle.
  • a flexible body 112 of circular cylindrical shape coaxial with the central axis of the micro-machined chip 26, comprises a lower part secured to the bottom 102 of the housing and an upper part projecting from the upper face of the chip. On the upper part of the flexible body 112 is fixed the mini control button 114 which can be actuated by an operator.
  • a transmission pin 116 of circular cylindrical shape is fixed coaxially by one of its ends to the central stud 42 of the monolithic chip and by its other end to a central part of a bellows
  • the transmission pin will be made of a stable material, making it possible to obtain good resistance over time and in temperature to its shape and its mechanical dimensions, so as not to create stresses (initial position of the micro-handle). on the central stud of the chip, producing an electrical offset from the rest point of the micro-handle.
  • An action of the operator on the mini-button 114 produces a deformation of the flexible body 112 moving its upper part in a yaw Pb substantially parallel to the planes of the faces of the chip.
  • This displacement is transmitted by the bellows 118 to the transmission pin 116 in the form of a mechanical torque of rotation of the central stud of the chip then producing, as in the case of detection cell 24 of FIG. 2a, deformations of the connecting arms the central stud in the frame 42 as shown in Figure 4b.
  • the deformations of the arms of the chip produce a variation in the resistances of the gauges Z1 to Z4 which will be a function of the position of the mini-button 114 along two perpendicular axes XX 'and YY "in the plane Pb, parallel to the longitudinal axes SS' of the arms
  • a measurement circuit as shown in FIG. 3 will provide, from the measurements of the variations in the resistance of the gauges, two voltages Ux and Uy corresponding to the position of the mini-button on the two perpendicular axes XX 'and YY'.

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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 déplacements 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 concerne 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 à la forte croissance des jeux vidéo.
Les manches de commande ou « joysticks » en langue anglaise, peuvent être classés selon deux principaux critères :
1) selon leurs types de fonctionnement, soit : - 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 déplacement 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 micro- ordinateur portable. 2) selon la technologie utilisée dans la 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 électrique proportionnelle au déplacement du manche dans un premier axe et une seconde tension proportionnelle au déplacement du même manche dans un second axe perpendiculaire au premier.
Ce type de manche de commande utilisant des potentiomètres comporte des inconvénients importants, en particulier il présente un niveau de bruit généré élevé, 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 1a montre un dessin simplifié d'un manche de commande 10 de type isométrique, selon l'état de l'art. Le manche de commande 10, de forme cylindrique selon un axe de révolution MM', comporte à une de ses extrémités une poignée 12 pouvant être 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 être 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 l'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 connue : Rj = pj .l/S 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 l'axe de révolution MM' du manche 10 et de telle façon que leur axe principal JJ' soit sensiblement parallèle à l'axe de révolution MM' du manche 10, les jauges J1 et J2 étant situées sur l'axe AA' et les jauges J3 et J4 étant situées sur l'axe BB'.
Lorsqu'un utilisateur exerce sur la poignée du manche, l'effort F sensiblement perpendiculaire à l'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 l'axe BB' perpendiculaire à l'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 être alors 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 l'art 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, l'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 réalisation 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, l'axe longitudinal du premier et du deuxième bras étant perpendiculaire à 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.
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, l'une des jauges travaillant en extension et l'autre en compression, les moyens électriques de mesure des déformations comportant un premier pont de Wheatstone formé 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 l'aimant permanent traversant la pièce ferromagnétique.
Un déplacement de l'organe mobile entraîne un déplacement des lignes de champs de l'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 l'organe mobile par l'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 apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui en est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- les figures 1a et 1b déjà décrites représentent respectivement un manche de commande selon l'art 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 différentiel 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 métailisations 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 même 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 même 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 l'axe longitudinal SS' des troisième 48 et quatrième bras 50 étant colinéaire avec un second axe EE' du même plan de symétrie PS, les premier DD' et second axe EE' étant perpendiculaires entre eux et passant par l'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 être 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, l'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 l'axe longitudinal SS' s'exerçant 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 l'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 surtace 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 fixé sur le support 36 et interconnecté électriquement audit support par les connexions électriques 38 forment la cellule de détection 24.
Les jauges Z1 à 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 l'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, fournissant 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 même premier pont de Wheatstone P1 sont connectées sur une deuxième borne W2 attaquant la seconde entrée E2 du même 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 même 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 même 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 différentiel A2. Les deux autres jauges Z7, Z8 du quatrième bras 50, formant les deux autres branches du même second pont de wheastone P2, sont connectées sur une deuxième borne W6 attaquant la seconde entrée E4 du même 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 même 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 l'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 l'aimant permanent 30 de façon sensiblement parallèle à l'axe du picot 28.
L'effort d'attraction Fc exercé par l'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 même amplitude et de même 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 même 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 même valeur de résistance, les deux autres jauges Z2 et Z3 des mêmes bras 44 et 46 à proximité du plot central, présentant sensiblement une même 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 différente de la position initiale après que l'organe mobile ait effectué un déplacement dans une direction Vx selon l'axe XX' sensiblement parallèle au premier axe DD' de la puce.
Les lignes de champ de l'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 l'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 même 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 être égaies.
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 même bras en compression aura une valeur plus faible. De la même 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 même 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 l'axe YY'.
A l'inverse, un déplacement de l'organe mobile 22 selon l'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' entraînant 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 l'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 même 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 l'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 l'aimant permanent par rapport à l'axe de révolution de la puce.
Le détecteur de position 20 décrit peut être utilisé pour réaliser des mini-manches de commande, ou des manches de commande industriels (ou « 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 appliqué sur la puce monolithique 26 micro-usinée est assurée par l'intermédiaire de l'aimant permanent 30 du détecteur de position 20 et le picot ferromagnétique 28.
Le manche de commande 80 comporte essentiellement 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. L'élément mécanique sphérique 84 est fixé sur un bâti 90 et porte à sa partie supérieure la cellule de détection 24 de la figure 2a.
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, l'autre extrémité pouvant être actionné par un opérateur en un mouvement circulaire autour de l'élément mécanique sphérique 84.
L'aimant permanent 30 est fixé à la partie inférieure de la poignée de commande 88, à proximité de la cellule de détection, l'axe de révolution de la poignée 88, de l'aimant permanent et l'axe central de la cellule de détection étant colinéaires au repos. Le manche de commande 80 de forme cylindrique, présente au repos un axe de révolution H H' colinéaire à l'axe de révolution GG' de la poignée de commande.
Dans une position initiale de repos l'axe central de la cellule 24 du détecteur de position 20 et l'axe de la poignée sont colinéaires, les lignes de champs de l'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 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. Au repos lorsque aucune force est appliquée sur la poignée 88, le ressort maintient l'axe de révolution GG' de la poignée colinéaire avec l'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 α 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 différentiel A1 en fonction de l'angle α, 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 l'aide d'un champ magnétique, n'est pas limitatif et d'autres moyens de couplage entre l'organe mobile et la puce peuvent être envisagés. Par exemple par une transmission mécanique directe du mouvement de l'élément mobile au plot central de la puce à l'aide soit des ressorts métalliques soit des élastomères souples.
La figure 6 montre un autre exemple de réalisation d'un minimanche 100 sous la forme d'un boîtier 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'axa 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 fixé le mini-bouton de commande 114 pouvant être 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 micro- manche.
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 déplaçant sa partie supérieure dans un pian 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 l'art 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 même 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

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, l'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, l'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 même 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 même 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), l'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 l'axe longitudinal (SS') des troisième (48) et quatrième bras (50) étant colinéaire avec un second axe (EE') du même plan de symétrie (PS), les premier (DD') et second axe (EE') étant perpendiculaires entre eux et passant par l'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 l'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 dîun 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 même premier pont de Wheatstone (P1) étant connectées sur une deuxième borne (W2) attaquant la seconde entrée (E2) du même 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 même 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 même manière les jauges (Z5, Z6) du troisième 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 même second pont de Wheastone (P2), étant connectées sur une deuxième borne (W6) attaquant la seconde entrée (E4) du même 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 même 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), l'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), l'autre extrémité pouvant être actionnée par un opérateur en un mouvement circulaire autour de l'élément mécanique sphérique (84), l'aimant permanent (30) étant fixé à la partie inférieure de la poignée de commande (88), à proximité de la cellule de détection (24), l'axe de révolution de la poignée (88), de l'aimant permanent et l'axe central de la cellule de détection (24) étant colinéaires au repos.
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