Brevet FR2628522A1 — publié le 19890915

La présente invention a pour objet un détecteur de vibrations sismiques pour dispositif de mise a feu de piège anti char,du type comprenant un boitier-support, a l'intérieur de ce boîtier une lame oscillante et un bâtonnet piézoélectrique solidaires entre eux et encastrés à une de leurs extrémités dans une paroi du boîtier, et une masselotte disposée a l'extrémité libre de la lame oscillante. Ainsi, la présente invention concerne un dispositif capable de détecter les vibrations sismiques provoquées par un véhicule lourd et chenillé, en vue de permettre la mise à feu d'un piège ou mine antichar dans lequel ledit dispositif de detection est inclus. La plupart des détecteurs connus de vibrations sismiques provoquées par un véhicule lourd et chenillé sont de structure électromagnétique et comprennent un équipage mobile dont la fréquence de résonance est comprise dans le spectre de fréquence caractéristique de ces vibrations sismiques. Ces détecteurs sont très fragiles, et de ce fait inadaptés aux modes actuels d'emploi des mines. En effet, les moyens de pose de mines par largage occasionnent une arrivée des mines sur le sol a très grande vitesse. I1 s'ensuit que les dispositifs de détection et de mise a feu attachés à la mine sont soumis a des contraintes d'environnement très sévères. On connait également des dispositifs de détection de vibrations sismiques dont ia structure est du type électromécani- que et comporte un élément piézoélectrique. Toutefois, ces dispositifs n'ont pas une sensibilité suffisante, de sorte que le signal électrique fourni nécessite une amplification, ou leur résistance mécanique n'est pas optimum. La présente invention a pour but de réaliser un dispositif électromécanique de détection qui soit capable d'engendrer, au mordent du passage d'un vehicule lourd et chenillé, un signal électrique suffisant pour être exploite sans amplification préalable, tout en présentant une très grande résistance mécanique. Ainsi, la présente invention vise à réaliser un détecteur de vibrations sismiques capable de supporter des accélérations très importantes dans toutes les directions telles que les accélérations qui apparaissent au moment de la pose lorsque le détecteur effectue une chute libre de plusieurs centaines de mètres, tout en gardant une grande sensibilité. Ces buts sont atteints grâce à un détecteur du type mentionné au début dans lequel, conformément à l'invention, la lame oscillante et la masselotte sont placées dans des -alésages du boîtier de dimensions telles que la masselotte et la lame viennent en butée contre lesdits alésages lorsque la lame atteint la déformation maximale admissible par le bâtonnet piézoélectrique, et la masselotte est montée légèrement coulissante sur la lame oscillante de manière à pouvoir venir en butée avec l'une de ses faces contre la paroi de son logement dans une direction parallèle à la plus grande dimension de la lame oscillante. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la masselotte coulissante est ramenée dans sa position initiale par deux butees élastiques interposées entre la masselotte et un manchon solidaire de la lame. Avec une telle structure de l'ensemble mécanique du détecteur, l'ensemble oscillant constitué par la lame, le bâtonnet piézoélectrique et la masselotte ne peut pas être endommagé, quelles que soient les accélérations auquel il est soumis.-Par ailleurs, un choix convenable des dimensions relatives des différents éléments constitutifs de l'ensemble oscillant permet d!atteindre une sensibilité telle que le détecteur peut commander sans amplificateur associé a mise en fonctionnement, lorsqu'il détecte la proximité d'un véhicule lourd chenillé, d'un dispositif électronique de commande de mise à feu d'un piège ou mine antichar auquel il est associé et constitue ainsi un économiseur d'anergie électrique.Le signal électrique fourni par le détecteur conforme à l'invention pouvant être d'amplitude suffisante pour commander la mise en fonctionnement du dispositif électronique associé à la mine, ce dernier dispositif ne consomme de l'énergie électrique que durant les périodes d'alerte sismique, c'est-à-dire uniquement lors du passage, aux environs du détecteur, placé sur le sol, d'une cible constituée par un véhicule lourd et chenillé. Selon une caractéristique de l'invention, la lame oscillante est de section rectangulaire. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le détecteur sismique est tel que la plus grande face de la lame est d i s p o s é e par rapport au boîtier de manière à se trouver perpendiculaire a la composante verticale de la vibration sismique lorsque le detecteur est placé horizontalement sur le sol. La composante verticale de la vibration sismique étant la composante qui caractérise le mieux un vehicule lourd chenillé, la disposition horizontale du détecteur sur le sol, avec la plus grande face de la lame parallèle à celui-ci, donne la sensibilité maximum, L'efficacité du détecteur sismique conforme a l'invention est encore améliorée si le bâtonnet piézoélectrique est collé sur la lame oscillante avec une colle conductrice sans interposition d'autres matériaux entre le matériau piézoélectrique et la colle. Pour que la sensibilité du détecteur conforme à l'invention soit accrue, il est également avantageux que la partie de la lame oscillante qui dépasse du bâtonnet piézoélectrique présente une section plus grande que la partie de la lame solidaire dudit bâtonnet, et que notamment, lorsque la lame présente une section rectangulaire, la partie de la lame qui dépasse du bâtonnet piézoélecrique présente une épaisseur plus grande que la partie de la lame solidaire du bâtonnet. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, de quelques modes de réalisation de l'invention, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatifs, en référence aux dessins annexés sur lesquels - La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un détecteur de vibrations sismiques conforme à l'inven tion ; - Les figures da et 2b représentent des vues schématiques en élévation et de dessus d'un mode particulier de réali sation de l'ensemble oscillant d'un détecteur conforme à l'invention ; ; - Les figures 3a et 3b représentent des vues schématiques en élévation et de dessus d'un autre mode de réalisation de l'ensemble oscillant d'un détecteur conforme à l'invention. Sur la figure 1, un corps 10 muni d'un fond 11 et d'un couvercle 12 est percé de deux alésages 17 et 18 à l'inté- rieur desquels sont disposées respectivement une masselotte 15 et une lame oscillante 13. La lame 13 est encastrée 1 une de ses extrémités dans le fond 11 et supporte sur une partie de sa longueur un barreau piézoélectrique 14 également encastré dans le fond 11. La masselotte 15 est disposée à l'extrémité non encastrée de la lame 13. Le signal électrique produit par le bâtonnet piézoélectrique 14 lorsque ce dernier subit des déformations, est délivré par des conducteurs 16. La masselotte cylindrique 15 de diamètre dl est susceptible de se déplacer dans un alésage 17 de diamètre d2 tel qu'il permet d'obtenir la déformation temporaire maximale admissible par le bâtonnet piézoélectrique 14. Pour des déformations plus importantes qui provoqueraient une cassure du bâtonnet piézoélectrique 14, le mouvement de l'ensemble oscillant 14,13,15 est limité par butée de la masselotte 15 contre l'alésage 17. De même, la lame oscillante 13 est dans un logement 18 de dimensions telles que sa flexion maximale autorisée ne peut atteindre son point de déformation permanente, ni provoquer la cassure du bâtonnet 14.Pour éviter que le bâtonnet 14 ne vienne lui-même en butée contre les parois du logement 18, la distance entre la face de la lame 13 portant le bâtonnet 14 et la paroi 18a du logement 18 lui faisant face est plus grande que la distance entre la face de la lame 13 ne portant pas le bâtonnet et la face correspondante 18b du logement 18, au moins sur la longueur 11 du bâtonnet 14. Pour limiter les effets d'une forte accélération dans une direction parallèle à la plus grande dimension de la lame oscillante, la masselotte 15 n'est pas fixée rigidement sur la lame 13, mais coulisse légèrement de part et d'autre de sa position d'équilibre sur un guide 19 lui-même collé sur la lame 13. La masselotte 1S peut ainsi venir en butée, d'un côté sur une face du corps 10, de l'autre sur le couvercle 12. Elle est ramenée dans sa position d'équilibre par deux coussinets élastiques 20,21 interposés entre la masselotte 15 et le guide 19. Lorsque l'ensemble lame 13, masselotte 15 et bâtonnet 14 est sollicité par une vibration sismique, la lame oscillante 13 impose ses déformations au bâtonnet piézoélectrique 14 et un signal électrique apparaît aux bornes des conducteurs 16. Ce signal électrique a une fréquence identique à la fréquence de résonance propre du système oscillant. L'amplitude de ce signal est d'autant plus grande que - la sensibilité du bâtonnet piézoélectrique 14 est grande - la déformation du bâtonnet 14 est importante. Conformément à l'invention, le détecteur représenté sur la figure 1 peut présenter une grande sensibilité, si les dimensions des elements de l'ensemble oscillant sont convenablement choisies, tout en présentant une grande résistance mécanique du fait de la limitation du débattement de la masselotte et de la lame par le support 10,12 qui constitue l'environnement méca- nique de l'ensemble oscillant 13, 14, 15. Selon un mode de réalisation de l'invention, le bâtonnet piézoélectrique 14 est collé sur toute sa longueur sur la lame 13 sans que ne viennent s'interposer entre le matériau piézoélectri- que et la colle d'autres matériaux résiduels comme par exemple une métallisation qui serait susceptible de diminuer la qualité du collage et par conséquent la tenue mécanique.Le bâtonnet piezoélectrique 14 peut être un element du commerce réalisé dans un matériau correspondant à un système piézoélectrique multimorphe spécialement conçu pour un fonctionnement en dehors de la fréquence se résonance propre du bâtonnet, ayant reçu une polarisation dans des directions différentes par deux électrodes situées sur les faces latérales du bâtonnet et quatre électrodes internes, sous forme de trous, traversant le bâtonnet dans toute sa longueur. Un tel bâtonnet peut donner un signal électrique maximal lorsqu'il travaille en porte-à-faux. La déformation du bâtonnet 14 est d'autant plus importante que le coefficient de qualité du système oscillant est grande.Ce coefficient de qualité est accru par le fait que le matériau constituant la lame oscillante 13 est choisi dans un acier ayant un module d'élasticité éleve et une haute résistance a la fatigue. Afin d'accroître encore 'le coefficient de qualité de l'ensemble oscillant, l'encastrement de la lame oscillante 13 et du bâtonnet 14 dans le support 11 est réalisé avec un ciment très rigide. La lame oscillante 13 est de préférence de section rectangulaire et vibre dans une direction privilégiée (la direction perpendiculaire à la plus grande face de la lame). La lame oscillante 13 est positionnée dans le boîtier 10 de manière à ce que, lors d'une utilisation, la direction privilégiée d'oscillation de la lame 13 soit rendue commune à la composante verticale de la vibration sismique, composante qui caractérisé le mieux un véhicule lourd chenillé par rapport à d'autres causes de vibrations sismiques. Ainsi, si le détecteur est placé horizontalement sur le sol, la plus grande face de la lame 13 doit se trouver parallèle au sol. Le boîtier représenté sur la figure 1 est de forme cylindrique, mais d'autres formes sensiblement polyédriques ou non peuvent naturellement être donnees au boîtier. Les dimensions de la lame oscillante 13, (épaisseur h, largeur e, longueur utile 12), du bâtonnet piézoélectrique 14 (épaisseur hp, largeur e, longueur utile 11) et la masse M'- de la masselotte 15 sont de préférence déterminées compte tenu des caractéristiques mécaniques des matériaux, de telle manière que la fréquence propre des oscillations du système oscillant soit voisine de Fn = 50 Hz, valeur caractéristique des vibrations sismiques provoquées par un engin blindé, et que le signal électrique délivré en sortie sur les conducteurs 16, ait une amplitude A d'au moins 0,5 V sur une charge de 10 M/30 pF pour une vibration de 1 micron d'amplitude. Selon un exemple de réalisation particulier de l'invention la différence des diamètres d1 de la masselotte 15 et d2 de l'alésage 17 limite la cambrure maximale de l'ensemble oscillant 13,14,15 à une valeur inférieure àG = 0040', et de préférence à une valeur voisine de = 0025' si l'on assimile la flexion du bâtonnet piézoélectrique à un déplacement angulaire. La fréquence de résonance du système est comprise entre 48 Hz et 54 Hz. La tension crête à -crête disponible aux bornes 16 pour une excitation provoquée par une vibration simusoidale de un micron d'amplitude est de 3 volts sur une impédance de 10 MAr/30 pF. De telles caractéristiques sont obtenues à partir d'un bâtonnet piézoélectrique standard de longueur utile 11 = 13,5 mm de sensi bilité 2,5 V/N par centimètre de longueur. La longueur utile 12 de la lame 13 est alors comprise entre 15 et 40 mm pour une masselotte de masse inférieure ou égale à 10 grammes, la largeur e de la lame et du bâtonnet étant de l'ordre de 1,5 nùT, les épaisseurs de la lame et du bâtonnet étant de l'ordre respectivement de 0,35 mm et de 0,7 mm. Par ailleurs, selon encore un exemple particulier, la masselotte 15 peut coulisser d'environ 0,3 mm de part et d'autre de sa position d'équilibre le long du guide 19. Les figures 2a, 2b,3a et 3b montrent des configurations particulières de l'ensemble oscillant masselotte-lame oscillantebâtonnet piézoélectrique qui permettent d'augmenter la sensibilitê du dispositif de détection. Cette augmentation de sensibilité est obtenue grâce à une modification de la section de la partie de la lame oscillante dépassant du bâtonnet piézoélectrique. Dans le.cas des figures 2a et 2b, la lame oscillante 23 ancrée à une extrémité dans le support 26 et munie à son autre extrémité d'une masselotte 25, supporte un bâtonnet piézoélectrique 24. La partie de la lame 23 qui s'étend au-del du bâtonnet 24 présente une épaisseur accrue, et donc une raideur accrue.qui conduit à une augmentation de sensibilité de l'ensemble. Dans le cas des figures 3a et 3b, c'est la largeur de la lame oscillante 33 qui est accrue dans la partie de la lame s'étendant au-delà de l'extrémité du bâtonnet piézoélectrique 34 jusqu'à la masselotte 35. L'ensemble oscillant 33,34,35 encastré dans le support 36 présente ainsi une sensibilité améliorée qui reste toutefois inférieure à celle de l'ensemble oscillant 23,24, 25 des figures 2a et 2b. Bien entendu, diverses modifications et adjonctions peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs,sans sortir du cadre de protection de l'invention défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Détecteur de vibrations sismiques pour dispositif de mise à feu de piège antichar, du type comprenant un boitier-support, à l'intérieur de ce boîtier une lame oscillante et un bâtonnet piézoélectrique solidaires entre eux et encastrés à une de leurs extrémités dans une paroi du boîtier, et une masselotte disposée à l'extrémité libre de la lame oscillante, caractérisé en ce que la lame oscillante et la masselotte sont placées dans des alésages du boîtier de dimensions telles que la masselotte et la lame viennent en butée contre lesdits alésages lorsque la lame atteint la déformation maximale admissible par le bâtonnet piézoélectrique et en ce que la masselotte est montée légèrement coulissante sur la lame oscillante de manière à pouvoir venir en butée avec l'une de ses faces contre la paroi de son logement dans une direction parallèle à la plus grande dimension de la lame oscillante. 2. Détecteur sismique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masselotte coulissante est ramenée dans sa position initiale par deux butées élastiques interposées entre la masselotte et un manchon solidaire de la lame. 3. Détecteur sismique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la lame oscillante est de section rectangulaire. 4. Détecteur sismique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plus grande face de la lame est disposée parallèlement au sol de manière a se trouver perpendiculaire: à la composante verticale de la vibration sismique lorsque- le détecteur est placé horizontalement sur le sol. 5. Détecteur sismique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le bâtonnet piézoélectrique- est collé sur la lame oscillante avec une colle conductrice sans interposition d'autres matériaux entre le matériau piézoBlectri- que et la colle. 6. Détecteur sismique selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que la partie de la lame dépassant du bâtonnet piézoélectrique présente une section plus grande que la partie de la lame solidaire dudit bâtonnet. 7. Détecteur sismique selon les revendications 3 et 6, caractérisé en ce que la partie de la lame dépassant du bâtonnet piézoélectrique présente une épaisseur plus grande que la partie de la lame solidaire du bâtonnet.