Brevet FR2621129A1 — publié le 19890331

1. La présente invention concerne un dispositif de détection d'accélération permettant de détecter l'accélé- ration ou la décélération. Le dispositif de détection d'accélération décrit en figure 17 est bien connu dans l'art. Ce dispositif com- prend un barreau 1 dont une extrémité est supportée par un socle 3 et l'autre extrémité est libre, et des jauges de contrainte 2 qui sont montées sur le barreau 1. Lorsque le dispositif est soumis à une accélé- ration, il y a déplacement de l'extrémité libre du bar- reau 1 et celui-ci est soumis à une flexion. Cette flexion est alors transformée en signal électrique par les jauges de contrainte 2. Par ailleurs, la flexion à laquelle le barreau 1 est soumis est proportionnelle à la valeur absolue de l'accélération. Par conséquent, le signal électrique trans- formé par les jauges de contrainte 2 devient le signal 2. certain proportionnellement à la valeur absolue de l'accé- lération. Un tel dispositif de détection est suggéré dans de nombreuses applications, par exemple dans la publication du brevet japonais 139758/1986 du 27 juin 1986. Cette pu- blication représente un dispositif de détection à semi- conducteur avec le barreau en silicium et les jauges de contrainte 2 en résistances piézo-électriques. Dans ce dispositif de détection, le barreau 1 doit subir une flexion importante lors des petites accéléra- tions de façon à pouvoir les détecter. Pour être amplifié, le signal électrique trans- formé par les jauges de contrainte 2 doit pouvoir être utilisé afin de permettre la détection des accélérations de faible valeur. Cependant, l'amplification du signal électrique n'est pas souhaitable dans ce dispositif de dé- tection, car on amplifie non seulement le signal électri- que mais également les bruits. Pour que le barreau 1 soit soumis à une flexion plus grande lors de faibles accélérations, il y a lieu de réduire sa résistance mécanique, par exemple en l'amincis- sant ou en augmentant la masse de son extrémité libre en y fixant un poids. Cependant, si l'on affaiblit la résistance méca- nique du barreau 1, on ne peut pas toujours obtenir une détection normale lors de l'application d'une accéléra- tion excessive. En effet, les caractéristiques de détec- tion de l'accélération pourraient être perturbées par rup- ture ou déformation plastique du barreau 1. En conséquence, la présente invention a pour ob- jet un dispositif perfectionné de détection de l'accéléra- tion qui surmonte les inconvénients venant d'être exposés qui concernent les dispositifs classiques. La présente invention a également pour objet la détection des accélérations de faible valeur. 3. La présente invention a aussi pour objet d'éviter que les caractéristiques de détection ne changent après application d'une accélération excessive. La présente invention a encore pour objet de produire un signal électrique de sortie précis. Pour atteindre les objets précédents, la présente invention prévoit un barreau, un moyen pour supporter les deux extrémités du barreau, un moyen pour soumettre le bar- reau à une torsion en réponse à l'accélération appliquée, celle-ci l'étant pratiquement au centre du barreau, et un moyen pour détecter la valeur de la déformation du barreau ainsi produite. La présente invention sera bien comprise en liai- son avec les dessins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe prise le long de la ligne I-I de la figure 16 du premier mode de réalisa- tion de la présente invention; La figure 2 est une vue en coupe le long de la ligne II-II de la figure 16 du premier mode de réalisation de la présente invention; La figure 3 est une vue en coupe permettant d'ex- pliquer l'origine de l'erreur du dispositif; La figure 4 est un schéma de circuit de traitement de signal pour le premier mode de réalisation de la présen- te invention; La figure 5 est une vue en coupe prise le long de la ligne I-I de la figure 16, représentant le second mode de réalisation de la présente invention; La figure 6 est une vue en coupe le long de la li- gne II-II de la figure 16, représentant le second mode de réalisation de la présente invention; La figure 7 est une vue en coupe prise le long de la ligne I-I de la figure 16, représentant le troisième mode de réalisation de la présente invention; La figure 8 est une vue en coupe prise le long de 4. la ligne II-II de la figure 16, représentant le troisième mode de réalisation de la présente invention; La figure 9 est un schéma de circuit de traite- ment de signal pour le troisième mode de réalisation de la présente invention; La figure 10 est une vue en coupe prise le long de la ligne II de la figure 16, représentant le quatrième mode de réalisation de la présente invention; La figure 11 est une vue en coupe prise le long de la ligne II-II de la figure 16, représentant le quatriè- me mode de réalisation de la présente invention; La figure 12 est une vue oblique du cinquième mo- de de réalisation de la présente invention; La figure 13 est une vue en coupe prise le long de la ligne I-I de la figure 16, représentant le sixième mode de réalisation de la présente invention; La figure 14 est une vue en coupe prise le long de la ligne II-II de la figure 16, représentant le sixième mode de réalisation de la présente invention; La figure 15 est un schéma de circuit de trai- tement de signal pour le sixième mode de réalisation de la présente invention; La figure 16 est une vue oblique de l'aspect ex- térieur du dispositif de détection d'accélération de la pré- sente invention; La figure 17 est une vue en plan d'un dispositif classique de détection de l'accélération. Les figures 1, 2 et 16 représentent le premier mo- de de réalisation de la présente invention. Commne cela est illustré en figure 16, le dispositif de détection est mon- té dans un bottier 17. Comme illustré en figures 1 et 2, le dispositif de détection selon ce premier mode de réalisa- tion comprend un barreau 11, deux socles 12 et 13 pour sup- porter les deux extrémités du barreau 11, un poids 15 pour provoquer la torsion du barreau 11 en réponse à 5. l'application d'une accélération, celle-ci l'étant sensi- blement au centre du barreau, et deux jauges de contrain- te 16 pour la détection de la valeur de la torsion du bar- reau. Les deux extrémités du barreau 11 sont supportées par les deux socles 12 et 13, respectivement. Un élément en saillie 14 est fixé au centre du barreau 11. L'élément 14 est perpendiculaire au côté lla du barreau 11. Le poids 15 est fixé à une extrémité de l'élément en saillie 14. D'autre part, deux jauges de contrainte 16 sont montées de part et d'autre du poids 15. Les jauges sont fixées au barreau 11 de manière à détecter la contrainte exercée dans une direction faisant un angle de 45 par rapport au sens longitudinal du barreau 11. Les jauges 16 sont connectées à un circuit 21 de traitement de signal par des fils conducteurs (non représentés). Le barreau 11 et les socles 12 et 13 sont montés dans le boîtier 17. Deux butées 18 sont fixées à la par- tie intérieure du boîtier 17. Deux interstices 20 sont for- més entre les butées 18 et le poids 15. Il est préférable que les dimensions des espaces 20 soient fonction de la résistance mécanique du barreau 11, mais dans le présent mode de réalisation, les dimensions des interstices 20 sont établies en conformité avec la valeur acceptée pour les erreurs. En liaison maintenant avec la figure 3, on donne- ra une explication générale de l'origine des erreurs. La force F, proportionnelle à la valeur absolue de l'accélé- ration, est produite lorsqu'une accélération a est appli- quée au dispositif de détection 10. A ce moment là, le poids 15 subit une rotation autour de l'axe longitudinal llb du barreau 11 sous l'effet de la déformation par tor- sion de ce barreau. Si la force F produite par l'accélération doit étre maintenue à une valeur constante, la contrainte f 6. liée à la déformation due à la torsion diminue lors de la rotation du poids 15. Par conséquent, plus la déforma- tion par torsion est grande, c'est-à-dire plus l'accéléra- tion appliquée est élevée, plus les erreurs sont importan- tes. Par conséquent, les dimensions des interstices 20 sont établies en conformité avec la valeur admissible pour les erreurs dans ce premier mode de réalisation. En liaison maintenant de nouveau avec les figu- res 1 et 2, on expliquera le fonctionnement du dispositif de détection 10. La force proportionnelle à la valeur absolue de l'accélération agit sur le poids 15 lorsque l'accéléra- tion est appliquée dans la direction X-X du dispositif de détection 10 illustré en figure 2. La force s'exerçant sur le poids 15 provoque la torsion du barreau 11 et dé- veloppe une déformation par torsion qui est proportionnel- le à la valeur absolue de l'accélération. A ce stade, la dé- formation par torsion à laquelle le barreau 11 est soumis est répartie de manière uniforme dans sa direction longitu- dinale. Lorsque la déformation par torsion est produite, le barreau 11 est soumis à une contrainte proportionnelle à la valeur de la déformation. La valeur de la contrainte à laquelle le barreau 11 est soumise est transformée en si- gnal électrique par les jauges de contraintes 16. Incidemment, le dispositif de détection du premier mode de réalisation de l'invention procède à la détection de l'accélération en utilisant la déformation en torsion du barreau 11. La contrainte de compression et la contrainte d'expansion sont produites dans le barreau 11 dans des di- rections se coupant à angle droit, lorsque se produit la déformation par torsion du barreau. Les contraintes de com- pression et d'expansion ainsi produites se coupent à 45 de la direction longitudinale du barreau 11, respective- ment. Par conséquent, si une seule jauge de contrainte 16 est fixée au barreau 11 dans une telle direction à 45 7. du sens longitudinal du barreau, on peut convertir l'une des contraintes en signal électrique. En outre, dans le premier mode de réalisation de l'invention, la déformation par torsion est produite symé- triquement par rapport au poids 15 agissant sur le barreau 11, car le poids est fixé à son centre. Par conséquent, le dispositif de détection de ce premier mode de réalisation peut être utilisé avec un pont de Wheatstone car les deux jauges de contrainte 16 sont fi- xées aux deux côtés du poids 15, parallèlement l'une à l'au- tre, et dans la direction à 45 du sens longitudinal du bar- reau 11. La contrainte de compression est détectée par une jauge 16 et la contrainte d'extension par l'autre jauge 16. En liaison maintenant avec la figure 4, on expli- que le circuit 21 de traitement de signal du premier mode de réalisation de l'invention. S'agissant du pont de Wheatstone, on omet de procéder à sa description car il s'agit là d'un circuit bien connu. Cependant, le dispositif de détection 10 utilisant le pont de Wheatstone compense les changements des caractéristiques de détection de jauges de contrainte 16 dus aux variations de température etc. et devient plus précisément sensible aux petites accélérations. En outre, dans le premier nmode de réalisation de l'invention, la contrainte développée est répartie de maniè- re uniforme sur toute la longueur du barreau 11 car la dé- formation par torsion l'est elle-même dans le sens longi- tudinal de ce barreau. Par conséquent, si la position de fixation des jauges de contrainte 16 varie, les caractéris- tiques de détection ne seront pas modifiées lorsque les jauges 16 sont placées parallèlement l'une à l'autre et dans la direction faisant un angle de 45 avec le sens longitudinal du barreau. Par conséquent, le dispositif de détection 10 selon le premier mode de réalisation peut être fabriqué en série en présentant des caractéristiques de détection identiques. 8. En liaison avec les figures 5 et 6, on décrit le second mode de réalisation de la présente invention. L'élé- ment en saillie 14 du premier mode de réalisation est sup- primé et le poids 15 est fixé directement au barreau 11 dans ce second mode de réalisation. En outre, les butées 18 sont également supprimées, et les interstices 20 se trouvent entre le poids 15 et le bottier 17. Les dimensions des in- terstices 20 sont établies en fonction de la valeur admise pour les erreurs comme dans le premier mode de réalisation. Le reste de la construction du dispositif 10 de ce second mode de réalisation est identique à celle du premier. Par conséquent, on ne procédera pas à sa description détail- lée. En liaison maintenant avec les figures 7, 8 et 9, on décrira le troisième mode de réalisation de la présente invention. Le dispositif de détection de ce troisième mode de réalisation utilise quatre jauges de contrainte 16a, 16b, 16c et 16d à la place des deux jauges 16 du premier mode de réalisation. Le montage des quatre jauges 16a-16d est le sui- vant. Les jauges 16a et 16c sont fixées à une surface du bar- reau 11 aux deux côtés du poids 15, parallèlement l'une à l'autre et dans la direction faisant un angle de +45 avec le sens longitudinal du barreau. De plus,les jauges de contrainte 16b et 16d sont fixées à une surface du bar- reau 11, aux deux côtés du poids 15, parallèlement l'une à l'autre et dans la direction faisant un angle de -45 avec le sens longitudinal du barreau. Les quatre jauges de contrainte 16a-16d sont connectés au circuit de trai- tement de signal 22 par des fils conducteurs (non représen- tés). On ne procédera pas à l'explication détaillée du circuit 22 car il comprend un pont de Wheatstone bien con- nu dans la technique. Cependant, le circuit de traitement 22 avec les quatre jauges de contrainte 16a-16d compense les 9. changements des caractéristiques de détection des jauges dues aux variations de la température, etc. et est plus pré- cis dans le cas des accélérations de petite valeur. Le reste de la construction de ce troisième mode de réalisation est identique à celui du premier mode. Par conséquent, on omettra son explication détaillée. En liaison maintenant avec les figures 10 et 11, on décrira le quatrième mode de réalisation de la présente invention. Le barreau 11 du quatrième mode de réalisation a subi une rotation de 90 autour de l'axe longitudinal llb par rapport à la position du barreau du troisième mode de réalisation. Par conséquent, la position du poids 15 sur le barreau 11 est différente de celle du troisième mo- de de réalisation. Dans le quatrième mode de réalisation, le poids 15 est en saillie dans une direction telle qu'il est difficile de faire fléchir le barreau 11. Par conséquent, la valeur de la flexion du barreau est faible, en cas d'accélération dans la direction Y-Y et la direction Z-Z illustrées en 23 figure 10. Par conséquent, le dispositif de détection 10 du quatrième mode de réalisation a une directivité pointue. En conséquence, seule l'accélération dans la direction X-X est détectée par le dispositif 10 de ce quatrième mode de réali- sation. De plus, le dispositif 10 a une haute endurance vis-à-vis des accélérations excessives se produisant dans la direction Y-Y ou dans la direction Z-Z. Le reste de la construction de ce quatrième mode de réalisation est identique au troisième mode de réalisa- tion. Par conséquent, on ne procèdera pas à son explica- tion détaillée. En liaison maintenant avec la figure 12, on décri- ra le cinquième mode de réalisation de la présente inven- tion. Ce cinquième mode est un exemple de simplification du quatrième mode de réalisation. Dans le cinquième mode de réalisation de l'invention, le barreau 11, l'élément en 10. saillie 14 et le poids 15 forment un même ensemble par micro-usinage d'une tranche de silicium 23. Les jauges de contrainte 16a-16d sont formées directement sur le barreau 11 sous forme d'une résistance à diffusion du silicium.Par conséquent, les positions des jauges 16a-16d peuvent être déterminées d'une façon très précise. Il en résulte que le cinquième mode de réalisation peut être fabriqué en série en présentant des caractéristiques de détection identiques. En outre, le barreau 11 peut être aminci par gra- vure dans ce cinquième mode de réalisation. En conséquence, l'épaisseur du barreau 11 peut être établie librement en fonction des valeurs les plus petites de l'accélération qu'on doit détecter. Le reste de la construction du cinquième mode de réalisation est identique au quatrième mode et on en omettra la description. En liaison maintenant avec la figure 13, on dé- crira le sixième mode de réalisation de la présente inven- tion. Dans ce sixième mode de réalisation, un détecteur de lumière constitué d'une diode électroluminescente 24 et d'un dispositif de détection de position à semi-conducteur 26 est utilisé comme moyen permettant de détecter la valeur de la déformation en torsion du barreau 11 à la place des jauges de contrainte 16a-16d employées dans le quatrième mode de réalisation. La diode électroluminescente 24 est disposée comme source de lumière, à la sortie du boîtier 17. La lumière pro- duite par la diode électroluminescente 24 est transmise au détecteur de position à semi-conducteur 26 par une fibre opti- que 25. Une extrémité de la fibre 25 est fixée à la diode électroluminescente 24, et l'autre extrémité au poids 15.La lumière produite par la diode 24 est introduite dans le dé- tecteur 26 qui constitue l'élément convertissant la position de la lumière incidente en tension ou courant électrique. Dans le sixième mode de réalisation de 11. l'invention, lorsque le barreau 11 est soumis à une tor- sion par application de l'accélération, la position de la lumière incidente est détectée. A ce stade, la tension électrique proportionnelle à l'accélération appliquée est présente à la sortie du dispositif 26. Le reste de la construction de ce sixième mode de réalisation est identique au quatrième mode et on en omettra par conséquent la description. En liaison maintenant avec la figure 14, on expliquera le septième mode de réalisation de l'invention. Dans ce septième mode de réalisation, une bobine primai- re 27 et une paire de bobines secondaires 28 sont utili- sées comme moyens permettant de détecter la valeur de la dé- formation par torsion du barreau 11 à la place des jauges 13 de contrainte 16a-16d du quatrième mode de réalisation. La bobine primaire 27 est enroulée autour du poids 15 et excitée par une tension en courant alternatif de fréquence prédéterminée. Par ailleurs, les deux bobines secondaires 28 sont enroulées à proximité du poids 15 en regard des deux extrémités de la bobine primaire 27. Les bobines secondaires 28 sont fixées au bottier 17 par des moyens (non représentés). En outre, des interstices sont ménagés entre le poids 15 et les bobines secondaires 28. Par conséquent, le poids 15 n'interfère pas avec les bobines secondaires 28 lorsqu'il est soumis à un déplacement en fonc- tion de la déformation du barreau 11. Dans le septième mode de réalisation de la présente invention, lorsque le barreau 11 est soumis à une torsion en fonction de l'accélération appliquée, les ten- sions induites dans les bobines secondaires 28 sont modi- fiées par la variation de l'inductance mutuelle entre la bobine primaire 27 et les bobines secondaires 28 en répon- se à la valeur de la déformation par torsion du barreau 11. Les deux bobines secondaires 28 sont connectées au circuit de traitement de signal 29 illustré en figure 15, 12. respectivement, et une tension proportionnelle à la valeur de l'accélération est obtenue à la sortie du circuit 29. Le reste de la construction de ce septième mode de réalisation est identique au quatrième mode et ne sera donc pas décrit. Incidemment, on sait dans la technique que la contrainte nécessaire pour provoquer la torsion du barreau 11 est établie quelle que soit la longueur totale de ce bar- reau. Par conséquent, la tension de flexion du barreau 11 peut être renforcée en utilisant un barreau de courte lon- gueur sans réduire la valeur détectable de l'accélération. En outre, selon la présente invention, le bar- reau 11 peut subir une grande déformation et le poids 15 est en saillie sur le barreau. Par conséquent, la position des butées 13 peut être déterminée facilement. La présente invention n'est pas limitée aux exem- ples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 13. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de détection d'accélération, caractérisé en ce qu'il comprend: - un barreau (11), - des moyens (10, 19) pour supporter au moins les deux extrémités du barreau; - un moyen (15) pour faire subir une torsion au barreau en réponse à l'application d'une accélération agis- sant sensiblement au centre du barreau; et - des moyens (16) pour détecter la valeur de la déformation par torsion du barreau. 2 - Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens (12) supportant les deux ex- trémités du barreau comprennent en outre: - des moyens pour fixer lesdites extrémités et - des moyens (18) pour arrêter la torsion du barreau. 3 - Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le moyen provoquant la torsion du barreau comprend un poids (15) en saillie dans une direction per- pendiculaire au barreau. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens permettant la détection de la dé- formation par torsion du barreau comprennent en outre: - des moyens (16) pour transformer la valeur de la déformation par torsion en signal électrique; et - un moyen (21) pour traiter ce signal électri- que. - Dispositif selon la revendication 2, caracté- risé en ce que le moyen de fixation des deux extrémités du barreau comprend une paire de socles (10, 12). 6 - Dispositif selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le poids est un élément en saillie (15). 7 - Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que les moyens de transformation de la valeur 14. de la déformation par torsion comprend des jauges de con- trainte (16). 8 - Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que les moyens de transformation de la valeur de la déformation par torsion comprennent: - un moyen (26) pour transformer la position d'une lumière incidente en signal électrique; - une source lumineuse (24) produisant la lumière incidente; - une fibre optique (25) connectée à la source lu- mineuse et fixée au barreau. 9 - Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que les moyens transformant la valeur de la dé- formation par torsion comprennent au poins deux bobines (28).