Brevet FR2522818A1 — publié le 19830909

Capteur de cliquetis et procédé d'assemblage, avec réglage de la sensibilité,d'un tel capteur. La présente invention concerne un capteur de cliquetis du type comportant un corps tubulaire rigide, une masse sismique, unélément en céramique piézo-électrique et au moins un élément de contact électrique empilés dans le corps, ainsi qu'une tête de fermeture du corps immobilisée par rapport à ce dernier dans une position où la tête applique à l'empilage une précontrainte correspondant à une sensibilité prédéterminée du capteur. La sensibilité en tension d'un tel capteur dépend en premier lieu des caractéristiques physiques de l'élément piézo-électrique telles que la constante de tension g33 (exprimant le rapport du champ électrique crée selon la direction 3 à la contrainte appliquée suivant l'axe Z), la permittivité , la compliance S et donc le facteur de couplage k33. De plus, dans la mesure où la masse sismique n'est pas solidarisée avec l'élément piézo-électrique pour exercer une traction sur ledit élément, ce dernier n'est sensible qu'à des variations de contraintes de compression et doit donc être toujours sous précontrainte pour donner une sensibilité maximale sur toute la plage d'effort donc d'accélérationàmesurer. En fonction de la gamme d'accélération et des masses dynamiques, il convient donc d'appliquer une précontrainte minimale à l'empi- lage pour obtenir une sensibilité donnée sur ladite gamme. A partir de cette valeur minimale, l'augmentation de cette précontrainte permet mme d'ajuster dans une certaine mesure la sensibilité en modifiant les caractéristiques physiques de l'élément piézo-électrique. Ainsi, les éléments piézo-électriques généralement utilisés dans ce genre de capteur à bon marché sont le plus souvent des céramiques à base par exemple de zirconate titanate de plomb, dont les propriétés piézo-électriques sont en fait dues aux propriétés ferroélectriques microscopiques de la structure (polycristalline) ordonnées par l'application d'un champ électrique élevé qui oriente suivant sa direction les dipôles microcristallins et induit donc une polarisation rémanente (orientation qui s'accompagne de contraintes mécaniques microscopiques). C'est ce qui confère aux céramiques leurs propriétés piézo-resistives. Au delà d'une certaine valeur de la précontrainte suscitée, les contraintes mécaniques internes tendent à disparaître, les dipôles revenant à un état désordonné. L'effet piézo-électrique est fortement diminué, et donc la sensibilité du capteur. La valeur de la précontrainte appliquée à l'empilage d'un tel capteur de cliquetis est un paramètre très important et cette valeur influe considérablement sur la sensibilité en tension du capteur et donc sur les dispersions de cette caractéristique dans le cadre d'une fabrication en grande série. Or, les différentes stratégies d'allumage électronique anti-cliquetis visent à minimiser la garde au cliquetis pour optimiser le fonctionnement du moteur, et imposent donc des détections de cliquetis de plus en plus précises (cas notamment de la détection cylindre par cylindre). Cela suppose de disposer de capteurs de sensibilité peu disperse en production. Les capteurs ou dispositions connues de l'homme de l'art sans réglage de précontrainte ne sauraient conduire à une faible dispersion de la sensibilité des capteurs produits en grande série, étant données d'une part les dispersions sur les caractéristiques physiques de l'élément piézo-électrique comme en premier lieu sur le coefficient de tension, d'autre part les dispersions sur la précontrainte dues au tolérances mécaniques de l'empilage. C'est le cas par exemple des capteurs assemblés par sertissage gyroscopique de la tête d'une tige axiale pour former rivure et serrer l'empilage sans tenir compte des dispersions de longueur dudit empilage. Il est connu, notamment par l'ouvrage de D. PENNINGTON intitulé "PIEZOELECTRIC ACCELEROMETER MANUAL" publié par Endevco Corporation, Pasadena, Californie, 1965, d'immobiliser la tête par rapport au corps en la vissant à une extrémité de celui-ci : il est ainsi aisé, à l'aide de moyens connus, de régler la précontrainte appliquée par la tête à l'empilage. Toutefois, cette technique n'est pas satisfaisante car, dans un assemblage fileté, à moins d'utiliser un filetage de très haute précision, seul un filet de la partie mâle est en contact avec un filet correspondant de la partie femelle : or ce filet peut se trouver dans une zone quelconque de la longueur du filetage, de sorte que, pour des capteurs identiques auxquels la même précontrainte aura été appliquée à la tête de fermeture, le point d'application de la précontrainte à l'empilage suivant la longueur du corps pourra varier sensiblement. Or de telles variations ont une influence importante sur la raideur de l'empilage et, par là même, sur la réponse dynamique du capteur, ainsi que sur son comportement vis-à-vis des dilatations dues à la température. La présente invention vise à réaliser un capteur de cliquetis fabricable en grande série à un faible coût, dans lequel, pour un type donné de capteur, la position de la tête est variable d'un capteur à l'autre pour s'adapter aux besoins de précontrainte qui influencent la sensibilité du capteur et dépendent entre autres des tolérances de fabrication de l'empilage interne, tout en réduisant au minimum les variations de raideur pouvant modifier la fréquence de résonance mécanique du capteur. A cet effet, l'invention a pour objet un capteur de cliquetis comportant un corps tubulaire rigide, une masse sismique, un élément en céramique piézo-électrique et au moins un élément de contact électrique empilés dans le corps, et une tête de fermeture du corps immobilisée par rapport à ce dernier dans une position où la tête appliquée à l'empilage une précontrainte correspondant à une sensibilité prédéterminée du capteur, caractérisé en ce que la tête est immobilisée par rapport au corps suivant un plan de jonc- tion J situé à une distance prédéterminée de l'extrémité du corps perpendiculairement à l'axe de ce dernier. Suivant une caractéristique, ledit empilage est reçu dans un trou cylindrique borgne du corps et comporte successivement, entre la tête et le fond du trou, une première rondelle isolante épaisse, une rondelle élastique formant ressort, la masse sismique, l'élément en céramique piézo-électrique et l'élément de contact électrique, tous deux en forme de rondelle, et une deuxième rondelle isolante épaisse, ledit empilage étant isolé de la paroi cylindrique interne du trou par un tube isolant Suivant un premier mode de réalisation, la tête présente une embase cylindrique logée dans un embout cylindrique complémentaire du corps, l'embase de la tête étant soudée à l'embout du corps suivant le plan de jonction. Suivant un second mode de réalisation, la tête présente une embase cylindrique logée dans un embout cylindrique complémentaire du corps dont le bord libre est serti1 suivant ledit plan de jonction1 contre la face arrière de l'embase, la face avant de ltem- base présentant au moins trois rampes de came circonférentielles identiques portant contre trois luttes rampes de came identiques ménagées sur un épaulement interne du corps et présentant une forme complémentaire de celle des rampes de 1 'embase. L'invention a également pour objet un procédé d'assemblage d'un capteur suivant le premier mode de réalisation précité, caractérisé en ce qu'on monte l'empilage dans le corps, on ferme le corps au moyen de la tête et on assemble celle-ci avec le corps par soudure par laser ou par faisceau d'électrons pendant qu'une pression correspondant à une précontrainte prédéterminée est exercée sur la tête. Enfin, l'invention a encore pour objet un procédé d'assemblage d'un capteur suivant le deuxième mode de réalisation précité, caractérisé en ce qu'on monte l'empilage dans le corps, on ferme le corps au moyen de la tête, on serre l'un contre l'autre le corps et la tête dans une position relative de la tête et du corps telle que leurs rampes respectives sont parfaitement en colncidence, on sertit le bord libre de l'embout contre la face arriere de l'embase dans cette position de coïncidence, on fait ensuite tourner le corps et la tête l'un par rapport à l'autre pour progressivement les écarter et relâcher la précontrainte appliquée à l'empilage tout en mesurant la sensibilité, et on immobilise la tête par rapport au corps dans leur position relative en rotation conduisant à l'application d'une précontrainte correspondant à la sensibilité désirée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'exemples de sa réalisation illustrés par les dessins annexés sur lesquels - la figure l est une vue en élévation latérale d'un capteur de cliquetis et d'un connecteur reliés ensemble par un câble élec trique - la figure 2 est une vue partiellement en coupe longitudinale et partiellement en élévation d'un capteur de cliquetis suivant'un premier mode de réalisation - la figure 3 est une vue en perspective éclatée montrant les principaux éléments du capteur de la figure 2 - les figures 4 à 6 sont des vues en coupe longitudinale partielle illustrant le processus de réglage de la précontrainte du capteur de la figure 2 - les figures 7 et 8 sont des vues partielles en perspective illustrant un mode d'immoilisation de la tête par rapport au corps du capteur de la figure 2, et - la figure 9 est une vue analogue à la figure 2 d'un autre mode de réalisation de l'invention En se reportant à la figure 1, un capteur de cliquetis 1 est raccordé par un câble électrique 2 à un connecteur 3 destiné à permettre son raccordement au faisceau électrique d'un véhicule automobile. Suivant le mode de réalisation représenté aux figures 2 et 3, le capteur de cliquetis l comprend un corps métallique massif tubulaire 4 pourvu d'un alésage cylindrique borgne 5 débouchant à l'une des extrémités du corps et d'un prolongement fileté 6 faisant saillie à son autre extrémité et permettant la fixation du capteur 1 sur le bloc-cylindres d'un moteur à combustion interne (non représenté). Le corps 4 est prolongé du côté ouvert de l'alésage 5 par un embout cylindrique mince 7 définissant avec l'alésage 5 un épaulement 8 conformé de façon à ménager trois rampes de came identiques 9 s'étendant chacune sur 1200 de la circonférence de l'épaulement. L'alésage 5 du corps 4 est fermé par une tête 10 métallique ou en un matériau thermodurcissable tel qu'un phénoplaste comprenant une embase cylindrique il dont la face avant présente trois rampes circonférentielles identiques 12 ayant une forme et un profil complémentaires de ceux des rampes 9 du corps 4. Sur la face arrière de l'embase 11 fait saillie un prolongement tubulaire 13, que traverse le câble i et dans lequel celui-ci est immobilisé axialement, d'une part par un jonc de retenue 14 appuyé contre un épaulement 15 ménagé dans la tête 10, et d'autre part par un manchon 16 en matériau thermorétractable collé à la fois sur le câble 2 et sur le prolongement tubulaire 13 de la tête 10. Cette dernière est fixée au corps 4 par sertissage de l'embout cylindrique 7 contre la face arrière de l'embase 11 et elle est immobilisée en rotation par rapport à ce même corps 4 grâce à trois empreintes 17 ménagées dans la face arrière de l'embase il et dans lesquelles est déformé le bord serti de l'embout 7. La tête 10 applique avec une certaine précontrainte contre le fond de l'alésage 5 un empilage comprenant, à partir de la tête 10, une première rondelle isolante épaisse 18 en alumine ou en aluminium oxydé anodiquement, une rondelle Belleville 19, une masse sismique 20 constituée par un tube cylindrique métallique massif, une rondelle 21 en céramiquepiézoélectrique, une rondelle métallique 22 de contact électrique présentant intérieurement deux pattes de connexion 23, et une deuxième rondelle isolante épaisse 24 appuyée contre le fond de l'alésage 5 et réalisée dans le même matériau que la première rondelle 18. L'ensemble de l'empilage est enfermé dans un tube 25 en matériau polyamide qui l'isole de la paroi cylindrique de l'alésage 5. Enfin, l'empilage est complété par une pièce de contact 26 de section en forme de coeur qui est engagée élastiquement dans la masse sismique 20 et à laquelle est connecté électriquement un conducteur électrique 27 du câble 2, l'autre conducteur électrique 28, issu du câble 2, étant connecté électriquement à la rondelle de contact 22. On se reportera maintenant aux figures 4 à 8 qui illustrent le procédé de montage, avec réglage de la précontrainte, du capteur de cliquetis 1 des figures 2 et 3. Bien que, pour la clarté du dessin, l'empilage n'ait pas étéreprésenté sur les figures 4 à 6, la première opération consiste à monter dans l'ordre voulu les éléments qui le composent dans l'alésage 5, la tête 10 et le manchon 16 étant enfilés sur le câble 2 dont les conducteurs 27 et 28 ont été préalablement connectés électriquement, par exemple par soudure, aux pièces de contact 26 et 22 respectivement. Une fois ces opérations effectuées, la tête 10 et le corps 4 sont orientés angulairement l'un par rapport à l'autre dans une position relative telle que leurs rampes respectives 12 et 9 soient en coincidence comme représenté à la figure 4, puis la tête 10 est enfoncée au maximum dans le corps 4 dans la position où les rampes 12 sont parfaitement embottées dans les rampes 9. Tout en maintenant la tête 10 et le corps 4 dans cette position relative, on sertit ltextrémité libre de l'embout cylindrique 7 contre la face arrière de l'embase 11, ce qui correspondàl'état illustré aux figures 5 et 7. A ce stade, la sensibilité du capteur n'a pas encore été réglée à la valeur voulue, mais le capteur 1 est entièrement monté et peut être stocké en attendant la phase de réglage. Pour mener à bien celle-ci, qui repose sur la relation entre la sensibilité et la précontrainte, il suffit de faire tourner la tête 10 et le corps 4 l'un par rapport à l'autre dans le sens voulu qui tend à les écarter par montée des rampes de l'un sur lesrampes de l'autre et provoque une légère déformation du sertissage. Il en résulte une diminution de la précontrainte et, lorsque la sensibilité,qui peut être mesurée par tout moyen approprié connu, est réglée à la valeur voulue, on immobilise définitivement la tête 10 en rotation par rapport au corps 4 en déformant la partie sertie de l'embout 7 dans les trois empreintes 17 de l'embase il comme représenté aux figures 6 et 8. Il ne reste plus ensuite qu'à coller thermiquement le manchon 16 sur le câble 2 et l'embout 13 : le capteur 1 est alors prêt à l'emploi pour fournir, en fonctionnement, une tension électrique proportionnelle aux accélérations du bloc-cylindres sur lequel il est monté. On constate qu'avec le mode de réalisation du cnpteur t qui vient d'être décrit, la tête 10 et le corps 4, dans la position finale correspondant à la sensibilité voulue, sont assemblés suivant un plan de jonction J (figure 6) situé à l'extrémité du corps, ce qui permet de s'affranchir des variations de raideur pouvantmodifier la fréquence de résonance mécanique du capteur. La figure 9 illustre un autre mode de réalisation du capteur de cliquetis suivant l'invention, figure sur laquelle les numéros due référence des figures 1 à 8 ont été conservés pour désigner des éléments analogues. Le capteur de la figure 9 diffère de celui de la figure 2 uniquement par le mode d'assemblage de la tête 10 et du corps 4 : en effet, ces derniers ne comportent pas de rampes et ne sont pas assemblés par sertissage mais par une soudure par laser ou par faisceau d'électrons effectuée pendant qu'une pression correspondant à une précontrainte prédéterminée voulue est exercée sur la tête 10, le corps 4 étant fixe, ou inversement sur le corps 4 si la tête 10 est fixe, Cette soudure doit être réalisée suivant un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du capteur en un point proche de ou confondu avec l'extrémité du corps, de manière à définir le plan de jonction J entre la tête 10 et le corps 4. Ainsi, dans le premier mode de réalisation de la figure 2 comme dans le second de la figure 9, il est possible de connattre exactement la raideur de l'empilage et son comportement vis-à-vis des dilatations thermiques. Suivant une variante de réalisation non représentée par une figure, les prises de contact électrique de part et d'autre de ltélémenten céramique piézo-électrique 21 sont assurées par soudure directe sur la métallisation de l'élément en céramique piézo-électrique. Suivant une autre variante de réalisation également non représentée, l'une au moins des liaisons électriques et mécaniques entre la masse sismique 20, l'élément en céramique piézo-électrique 21 et la rondelle isolante épaisse 24 est assurée par thermocompression d'aluminium entre deux au moins des pièces précitées. La température à laquelle une bonne liaison se produit est comprise usuellement entre 450 et 6000C. Cette ou ration doit avoir lieu avant polarisation de la céramique suivant les règles de l'art. REVENDICATlONS 1. Capteur de cliquetis comportant un corps tubulaire rigide, une masse sismique, un élément en céramique piézo-électrique et au moins un élément de contact électrique empilés dans le corps1 et une tête de fermeture du corps immobilisée par rapport à ce dernier dans une position où la tête applique à l'empilage une précontrainte correspondant à une sensibilité prédéterminée du capteur, caractérisé ence que la tête (10) est immobilisée par rapport au corps (4) suivant un plan de jonction (J) situé à une distance prédéterminée de l'extrémité du corps (4), perpendiculairement à l'axe de ce dernier. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit empilage est reçu dans un trou cylindrique borgne (5) du corps et comporte successivement, entre la tête et le fond du trou, une première rondelle isolante épaisse (ils), une rondelle élastique (19) formant ressort, la masse sismique (20), l'élément en céramique piézo-électrique (21) et l'élément de contact électrique (22) tous deux en forme de rondelle, et une deuxième rondelle isolante épaisse (24), ledit empilage étant isolé de la paroi cylindrique interne du trou (5) par un tube isolant (25). 3. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les prises de contact électrique se font directement au niveau de l'élément céramique piézo-électrique (21) par soudure sur la métallisation de ce dernier. 4. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la masse sismique (20) présente la forme d'un tube cylindrique massif dans lequel est engagée élastiquementunepièce de contact {26)en forme de coeur à laquelle est connecté un premier conducteur électrique (27), un deuxième conducteur électrique (28) étant connecté à la rondelle de contact (22). 5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la tête (10) présente un prolongement tubulaire (13) que traversentales premier et second conducteurs réunis sous forme de câble (2), le dit câble (2) étant immobilisé axialement, d'une part par un jonc d'arrêt (14) butant contre un épaulement interne (15) de la tête (10), et d'autre part par un manchon (16) en matériau thermorétractable collé à la fois sur le câble (2) et le prolongement tubulaire (13) de la tête (10). 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les rondelles isolantes (18, 24) sont en alumine. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les rondelles isolantes (18, 24) sont en aluminium oxydé anodiquement. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications t à 7, caractérisé en ce que la tête (10) présente une embase cylindrique (11) logée dans un embout cylindrique complémentaire (7) du corps (4) et en ce que l'embase (11) de la tête (10) est soudée à l'embout (7) du corps (4) suivant le plan de jonction (J). 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la tête (10) présente une embase cylindrique (il) logée dans un embout cylindrique complémentaire (7) du corps (4) dont le bord libre est serti, suivant le dit plan de jonction (J), contre la face arrière de l'embase (11), la face avant de ltem- base (11) présentant au moins trois rampes de came circonférentielles identiques (12) portant contre trois autres rampes de came identiques (9) ménagées sur un épaulement (8) interne du corps (4) et présentant une forme complémentaire de celle des rampes (12) de l'embase (11). 10. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la face arrière de l'embase (îi) présente au moins une empreinte (17) dans laquelle est repoussée une partie déformée du bord serti de leembout (7) pour immobiliser la tête (10) en rotation par rapport au corps (4). 11. Procédé d'assemblage d'un capteur suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'on monte l'empilage dans le corps (4), on ferme le corps (4) au moyen de la tête (10) et on assemble celleci avec le corps (4) par soudure par laser ou par faisceau d'électrons pendant qu'une pression correspondant à une précontrainte prédéterminée est exercée sur la tête (10). 121 Procédé d'assemblage d'un capteur suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'on monte l'empilage dans le corps (4), on ferme le corps (4) au moyen de la tête (10), on serre l'un contre l'autre le corps (4) et la tête (10) dans une position relative de la tête et du corps telle que leurs rampes respectives (12, 9) sont parfaitement en colncidence on sertit le bord libre de I'em- bout (7) contre la face arrière de l'embase (il) dans cette position de coincidence, on fait ensuite tourner le corps (4) et la tête (10) itun par rapport à l'autre pour progressivement les écarter et relâcher la précontrainte appliquée à l'empilage tout en mesurant la sensibilité, et on immobilise la tête (10) par rapport au corps (4) dans leur position relative en rotation conduisant à l'application d'une précontrainte correspondant à la sensibilité désirée. 13. Procédé suivant les revendications 10 et 12 prises ensemble, caractérisé en ce qu'on immobilise la tête (10) par rapport au corps (4) en déformant le bord serti de l'embout (7) dans l'empreinte (17) de l'embase (iî) 14. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'une au moins des liaisons électriques et -mécaniques entre la masse sismique (20), l'élément en céramique piézo-électrique (21) et la rondelle isolante épaisse (24) est assurée par thermocompression d'aluminium entre deux au moins des pièces précitées.