Manipulateur à jauges de contrainte

Abstract

 L'invention concerne un manipulateur à jauges de contrainte muni d'un bouton de validation. Ce manipulateur comprend une pièce support (1) ; un tube cylindrique à paroi mince (5) fixé rigidement, au niveau d'une première de ses extrémités (4), à la pièce support (1) ; au moins deux jauges de contraintes (8a, 8d) fixées sur le tube au voisinage de sa première extrémité (4) ; une manette (6) reliée à l'autre extrémité (7) du tube, cette manette transmettant au tube des efforts radiaux (9) de manoeuvre effectués par un utilisateur et constituant également un bouton poussoir pouvant se déplacer selon un axe longitudinal (10) du tube sous l'action de l'utilisateur ; et un organe de commande (13) logé à l'intérieur du tube et actionné par le déplacement longitudinal de la manette.

Description

[0001] La présente invention concerne, de façon générale, un manipulateur à jauges de contrainte produisant des signaux représentatifs d'un effort de manipulation pouvant s'exercer dans toute direction radiale par rapport au manipulateur et comprenant également un bouton de validation.

[0002] Dans de multiples applications, par exemple dans certains jeux électroniques interactifs, on est amené à utiliser un levier de commande destiné à être commandé d'une seule main et pouvant être sollicité selon toute direction radiale. Un tel manipulateur est communément appelé "manche à balai", à l'image du levier se déplaçant simultanément dans deux directions orthogonales, utilisé dans les avions pour contrôler simultanément les trajectoires horizontale et verticale. Dans certaines applications, il est en outre utile d'associer à un tel manipulateur un bouton poussoir pouvant être actionné à tout moment, de la même main, par exemple pour valider une action particulière de manipulation.

[0003] Un tel manipulateur est généralement constitué d'une pièce support dans laquelle est encastrée une tige flexible pleine comprenant à son extrémité libre une manette et portant quatre jauges de contrainte disposées sur sa périphérie en des point régulièrement espacés. Les quatre jauges de contrainte sont habituellement montées en pont et fournissent des signaux électriques représentatifs du déplacement de la manette dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tige.

[0004] La tige flexible est généralement relativement rigide, de sorte que sa flèche reste faible sous l'action de manipulations de l'intensité maximum permise. On utilise en général une tige en acier de quelques millimètres de diamètre et de quelques centimètres de long, constituant ainsi un manipulateur se présentant sous la forme d'un levier de faible diamètre et de faible longueur, tenant dans la main.

[0005] Il est connu d'associer à un tel manipulateur un ensemble constitué d'un bouton poussoir de validation et d'un interrupteur actionné par ce bouton poussoir. Le bouton poussoir est alors disposé en bout de la tige et l'interrupteur est disposé à côté de cette tige. Le manipulateur ne présente donc pas une forme symétrique par rapport à l'axe longitudinal de la tige flexible, du fait de la position latérale de l'interrupteur. Une telle disposition présente des difficultés de construction parce que le bouton poussoir agit en porte à faux sur l'interrupteur et présente des difficultés de montage parce que l'interrupteur disposé latéralement crée un encombrement important.

[0006] Il est en général prévu de loger l'ensemble constitué de la tige flexible et de l'interrupteur dans une enveloppe cylindrique fixe, la tige flexible et l'enveloppe cylindrique étant disposées coaxialement. Cette enveloppe cylindrique permet de donner au manipulateur une forme extérieure cylindrique qui assure une protection physique de l'interrupteur. L'enveloppe cylindrique a un diamètre intérieur dont la dimension minimum est égale au double de la dimension de l'interrutpeur dans le sens radial, à laquelle il faut ajouter le diamètre de la tige flexible. Cette disposition implique, soit que l'enveloppe cylindrique a un diamètre relativement grand qui gêne son montage soit que l'interrupteur, ainsi que d'éventuelles pièces intermédiaires transmettant le mouvement du bouton poussoir à l'interrupteur, doivent être réalisés de façon très miniaturisée, ce qui entraîne un surcoût ou une diminution de fiabilité du manipulateur.

[0007] Par exemple, le manipulateur peut être utilisé dans une poignée de commande pour avion. La poignée doit présenter une très grande fiabilité ainsi qu'un faible encombrement, ceci malgré un nombre important de commandes installées sur la poignée.

[0008] Un objet de la présente invention est de prévoir un manipulateur à jauges de contrainte muni d'un bouton poussoir de validation, pouvant se présenter sous forme d'un levier cylindrique de faible diamètre et de faible longueur, présentant un encombrement minimum.

[0009] Un autre objet de la présente invention est de prévoir un manipulateur de complexité minimum et de meilleure fiabilité.

[0010] Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, le manipulateur à jauges de contrainte comprend une pièce support ; un tube cylindrique à paroi mince fixé rigidement, au niveau d'une première de ses extrémités, à la pièce support ; au moins deux jauges de contraintes fixées sur le tube au voisinage de sa première extrémité ; une manette reliée à l'autre extrémité du tube, cette manette transmettant au tube des efforts radiaux de manoeuvre effectués par un utilisateur et constituant également un bouton poussoir pouvant se déplacer selon un axe longitudinal du tube sous l'action de l'utilisateur ; et un organe de commande logé à l'intérieur du tube et actionné par le déplacement longitudinal de la manette.

[0011] Selon un mode de réalisation de l'invention, le manipulateur à jauges de contrainte comprend quatre jauges de contrainte fixées de façon circonférencielle et à équidistance sur la surface extérieure du tube.

[0012] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le tube du manipulateur est réalisé par dépôt électrochimique d'un premier matériau métallique sur un mandrin cylindrique réalisé en un second matériau, puis par attaque chimique sélective du mandrin cylindrique, pour ne laisser finalement subsister que la pièce constituée par le premier matériau métallique qui constitue alors le tube.

[0013] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le tube du manipulateur présente une épaisseur de paroi d'environ 20 micromètres.

[0014] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la pièce support du manipulateur présente une partie cylindrique comprenant un alésage longitudinal, cette partie cylindrique s'étendant longitudinalement à l'intérieur du tube, et en ce que l'organe de commande est logé à l'intérieur de l'alésage.

[0015] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la partie cylindrique de la pièce support s'étend à l'intérieur du tube jusqu'au voisinage de son autre extrémité et comprend une surface cylindrique extérieure ayant un diamètre légèrement inférieur au diamètre de la surface intérieure du tube, de façon à limiter la flèche du tube lors de l'actionnement du manipulateur.

[0016] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la manette comporte une pièce cylindrique traversant un embout fixé à l'extrémité du tube, la pièce cylindrique pouvant coulisser longitudinalement dans l'embout lorsque la manette est utilisée en tant que bouton poussoir, la pièce cylindrique venant actionner l'organe de commande sous l'effet de son déplacement longitudinal, par l'intermédiaire d'un mécanisme d'actionnement disposé à l'intérieur de l'alésage de la partie cylindrique de la pièce support et pouvant coulisser longitudinalement à l'intérieur de cet alésage.

[0017] Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un manipulateur selon la présente invention ; et

la figure 2 est une coupe transversale de la figure 1 selon la ligne A-A.

[0018] La figure 1 représente en coupe un manipulateur selon l'invention. Ce manipulateur est constitué d'une pièce support 1 pouvant être fixée rigidement sur un bâti d'un appareil quelconque 2. La pièce support 1 comporte une surface cylindrique formant une embase 3 sur laquelle vient s'emboîter l'extrémité inférieure 4 d'un tube cylindrique à paroi mince 5. Le tube 5 est ainsi fixé à demeure sur la pièce support 1, par exemple par collage ou soudage. Une manette 6 est fixée au niveau de l'autre extrémité 7 du tube 5. Quatre jauges de contrainte 8a à 8d sont fixées sur la surface extérieure du tube 5, au voisinage de son extrémité inférieure 4, et sont régulièrement espacées circonférenciellement, comme cela est représenté en figure 2.

[0019] Sous l'action d'une force radiale (illustrée par la flèche 9), c'est-à-dire une force perpendiculaire à l'axe longitudinal 10 du tube 5, ce tube fléchit et provoque une compression ou une extension des jauges de contrainte 8a à 8d. Les jauges de contrainte 8a à 8d sont reliées à un dispositif de mesure classique non représenté permettant de déterminer l'intensité et la direction dans un plan radial de la flèche prise par le tube 5, cette flèche correspondant à la force radiale exercée sur la manette 6 par un utilisateur.

[0020] La manette 6 constitue aussi un bouton poussoir pouvant se déplacer longitudinalement, le long de l'axe 10, d'une façon indépendante de ses déplacements radiaux. L'utilisateur a donc la possiblilité d'exercer sur la manette 6 simultanément une action de manoeuvre par des efforts radiaux d'intensité et de direction déterminées et une action indépendante de validation en exerçant sur la manette 6 une pression dans le sens longitudinal.

[0021] Selon l'invention, on loge à l'interieur du tube à paroi mince 5 l'ensemble du mécanisme actionné par le bouton poussoir de validation constitué par la manette 6. On peut ainsi loger à l'intérieur du tube 5 un interrupteur électrique 13, ou tout autre organe de commande produisant un signal binaire en réponse à l'action du bouton poussoir ainsi que les pièces mécaniques de guidage et de rappel du bouton poussoir. Le tube 5 ne doit pas être gêné dans ses déplacements radiaux. Pour cette raison, l'interrupteur 13 et les pièces mécaniques évoquées précédemment sont en fait logés et maintenus à l'intérieur d'une partie cylindrique creuse 14 de la pièce support 1, cette partie cylindrique 14 étant logée à l'intérieur du tube 5.

[0022] La manette 6 est liée à une pièce cylindrique dirigée vers le bas 15 traversant un embout 16 fixé rigidement au tube 5 au niveau de son extrémité supérieure 7. La pièce 15 peut coulisser librement longitudinalement par rapport à l'embout 16.

[0023] Lorsque l'utilisateur emploie la manette 6 en tant que bouton poussoir, il y exerce un effort dirigé vers le bas selon l'axe 10. L'extrémité inférieure de la pièce 15 pousse alors vers le bas une pièce cylindrique 17 logée et guidée longitudinalement à l'intérieur d'un alésage cylindrique 18 de la partie cylindrique 14 de la pièce support 1. Dans la partie inférieure de cet alésage 18, est logé de façon fixe l'interrupteur 13. A l'intérieur de l'alésage 18, dans l'espace situé entre l'interrupteur 13 et la pièce cylindrique 17, est logé un premier ressort de compression 19 qui rappelle vers le haut la pièce 17.

[0024] La pièce cylindrique 17 exerce son action de commande sur l'interrupteur 13 par l'intermédiaire d'une pièce de commande 20 pouvant coulisser longitudinalement par rapport à la pièce 17 et rappelée vers le bas par l'intermédiaire d'un second ressort de compression 21. Cette pièce de commande intermédiaire 20 permet de limiter l'effort exercé sur l'interrupteur 13 lorsque l'utilisateur appuie sur la manette 6, afin d'éviter une détérioration de l'interrupteur 13 sous l'effet d'une trop forte pression exercée par l'utilisateur.

[0025] La pièce cylindrique 17 comporte également une bille 22 logée dans un orifice disposé radialement 23, rappelée vers l'extérieur par un ressort 24, cette bille 22 s'appuyant ainsi sur une paroi cylindrique intérieure 25 ménagée dans la partie cylindrique 14, et présentant un plus grand diamètre que celui de l'alésage 18. La bille 22 oppose donc une résistance au déplacement vers le bas de la pièce 17 et par conséquent de la manette 6, et l'utilisateur doit donc vaincre un certain effort de pression vers le bas pour pouvoir actionner l'interrupteur 13, ce qui lui permet d'être certain d'avoir ou non effectué sa commande.

[0026] L'ensemble du mécanisme logé à l'intérieur de la pièce 14 occupe occupe sensiblement tout le volume intérieur du tube à paroi mince 5. L'ensemble de ce mécanisme est constitué essentiellement de pièces de révolution centrées sur l'axe longitudinal 10, dont les déplacements s'effectuent de façon coaxiale à la direction de l'effort de poussée exercé par l'utilisateur sur la manette 6. Ceci confère au dispositif une grande simplicité de construction, une bonne fiabilité et un caractère compact. On peut ainsi constituer un manipulateur dont les dimensions sont relativement faibles, sans recourir pour cela à une miniaturisation excessive des pièces qui le constituent, en particulier des pièces d'actionnement de l'interrupteur 13 et de l'interrupteur 13 lui-même.

[0027] Le fait d'utiliser un tube à paroi mince 5 présente encore l'avantage que, pour des conditions d'emploi équivalentes à celles d'une tige cylindrique pleine, le tube à paroi mince 5 présente un plus grand diamètre, ce qui permet de pouvoir fixer sur le tube les quatre jauges de contrainte 8a à 8d plus aisément et avec un positionnement plus précis. En effet, il est difficile d'assurer un excellent collage et un excellent positionnement d'une jauge lorsque celle-ci est fixée sur une pièce de très petite dimension comme cela est le cas des manipulateurs à tige flexible pleine.

[0028] La partie cylindrique 14 de la pièce support 1 assure la fonction de positionnement et de guidage du mécanisme d'actionnement de l'interrupteur 13, comme cela a été exposé précédemment, mais assure également la fonction de limiteur du déplacement radial de l'extrémité supérieure 7 du tube 5. Pour cela, l'extrémité supérieure de la partie cylindrique 14 présente une surface cylindrique extérieure 27 dont le diamètre est légèrement inférieur au diamètre de la paroi intérieure du tube 5, la demi différence de diamètre entre ces deux pièces déterminant la flèche maximum que peut prendre l'extrémité supérieure 7 du tube 5 lorsque l'utilisateur exerce des efforts radiaux de manoeuvre.

[0029] On peut prévoir également une enveloppe cylindrique extérieure 28 fixée rigidement sur la pièce support 1, pour protéger le tube 5 contre toute détérioration accidentelle.

[0030] Le tube 5 doit présenter une relativement grande flexibilité, malgré son diamètre relativement important qui est par exemple d'environ 10 mm, tout en étant constitué d'un matériau présentant un module d'élasticité relativement faible. En conséquence, la paroi du tube 5 doit être extrêmement mince et avoir par exemple une épaisseur d'environ 20 micromètres.

[0031] Le tube 5 peut être réalisé en utilisant un mandrin cylindrique en un premier matériau, par exemple en aluminium, en effectuant sur la paroi extérieure de ce mandrin un dépôt électrochimique d'un autre matériau, par exemple du nickel, puis en effectuant une attaque chimique du mandrin afin d'éliminer totalement la matière constituant ce mandrin, pour ne conserver finalement que la pièce en nickel qui constitue alors le tube 5.

[0032] En utilisant ainsi un tube en nickel présentant un diamètre de 10 mm, une longueur de 30 mm et une épaisseur de paroi de 20 micromètres, on a pu employer les jauges de contrainte dans des conditions semblables à celles obtenues en utilisant, de façon classique, une tige flexible pleine en acier présentant un diamètre de 3 mm et une longueur de 30 mm.

[0033] Un tube à paroi mince diffère d'une tige flexible pleine par le fait que, avec un moment quadratique équivalent, la masse du tube est inférieure à celle de la tige pleine. Il résulte de cette caractéristique physique que la fréquence propre d'un manipulateur utilisant un tube à paroi mince est nettement supérieure à celle d'un manipulateur utilisant une tige flexible pleine. On a constaté en effet qu'un manipulateur selon l'invention présentait une fréquence propre d'environ 10 kHz alors qu'un manipulateur similaire mais à tige pleine présentait une fréquence propre d'environ 1 kHz. Or, de nombreux appareils ou équipements provoquent des vibrations dans une gamme de fréquence plus proche de 1 kHz que de 10 kHz. Il en résulte que le manipulateur selon la présente invention est moins sensible aux vibrations de l'équipement sur lequel il est installé. En outre, il est d'autant plus facile d'amortir des vibrations pouvant apparaître dans un manipulateur que ces vibrations ont une fréquence plus élevée.

Revendications

1. Manipulateur à jauges de contrainte caractérisé en ce qu'il comprend :

- une pièce support (1);

- un tube cylindrique à paroi mince (5) fixé rigidement, au niveau d'une première de ses extrémités (4), à la pièce support (1);

- au moins deux jauges de contraintes (8a, 8d) fixées sur le tube au voisinage de sa première extrémité (4) ;

- une manette (6) reliée à l'autre extrémité (7) du tube, cette manette transmettant au tube des efforts radiaux (9) de manoeuvre effectués par un utilisateur et constituant également un bouton poussoir pouvant se déplacer selon un axe longitudinal (10) du tube sous l'action de l'utilisateur ; et

- un organe de commande (13) logé à l'intérieur du tube et actionné par le déplacement longitudinal de la manette.

2. Manipulateur à jauge de contrainte selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend quatre jauges de contrainte (8a-8d) fixées de façon circonférencielle et à équidistance sur la surface extérieure du tube (5).

3. Manipulateur à jauges de contrainte selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le tube (5) est réalisé par dépôt électrochimique d'un premier matériau métallique sur un mandrin cylindrique réalisé en un second matériau, puis par attaque chimique sélective du mandrin cylindrique, pour ne laisser finalement subsister que la pièce constituée par le premier matériau métallique qui constitue alors le tube.

4. Manipulateur à jauges de contrainte selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tube présente une épaisseur de paroi d'environ 20 micromètres.

5. Manipulateur à jauges de contrainte selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pièce support (1) présente une partie cylindrique (14) comprenant un alésage longitudinal (18), cette partie cylindrique s'étendant longitudinalement à l'intérieur du tube, et en ce que l'organe de commande (13) est logé à l'intérieur de l'alésage (18).

6. Manipulateur à jauges de contrainte selon la revendication 5, caractérisé en ce que la partie cylindrique (14) de la pièce support (1) s'étend à l'intérieur du tube jusqu'au voisinage de son autre extrémité (7) et comprend une surface cylindrique extérieure (27) ayant un diamètre légèrement inférieur au diamètre de la surface intérieure du tube, de façon à limiter la flèche du tube lors de l'actionnement du manipulateur.

7. Manipulateur à jauges de contrainte selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe cylindrique extérieure de protection (28) entourant le tube, sans entrer en contact avec lui lors de son fléchissement, cette enveloppe cylindrique de protection étant fixée par l'une de ces extrémités sur la pièce support (1).

8. Manipulateur à jauges de contrainte selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la manette (6) comporte une pièce cylindrique (15) traversant un embout (16) fixé à l'extrémité (7) du tube (5), la pièce cylindrique (15) pouvant coulisser longitudinalement dans l'embout (16) lorsque la manette (6) est utilisée en tant que bouton poussoir, la pièce cylindrique (15) venant actionner l'organe de commande (13) sous l'effet de son déplacement longitudinal, par l'intermédiaire d'un mécanisme d'actionnement (17, 20) disposé à l'intérieur de l'alésage (18) de la partie cylindrique (14) de la pièce support (1) et pouvant coulisser longitudinalement à l'intérieur de cet alésage (18).

Dessins