Brevet FR2755765A1 — publié le 19980515

CAPTEUR ANALOGIQUE D'ACCELERATION LINEAIRE. La présente invention concerne un capteur analogique d'accélération linéaire. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à un circuit électronique avertisseur de freinage pour véhicule, permettant de signaler une décélération importante (coup de frein brutal) du véhicule. Actuellement, de tels circuits utilisent des capteurs comprenant un élément de contact mobile (une bille métallique ou du mercure) qui établit ou non un contact électrique en fonction de l'intensité de l'accélération (ou de la décélération qui est une accélération négative). Il s'avère que ces capteurs présentent de nombreux inconvénients. Ils fonctionnent en tout ou rien, ce qui induit un traitement du signal complexe. Ils ne permettent pas un réglage de la sensibilité ou de la plage des valeurs d'accélération à détecter, et sont donc sensibles aux vibrations et aux chocs. Ils sont également sensibles aux composantes transversales de l'accélération à détecter. Ils nécessitent en outre un calage par rapport à l'horizontale délicat à réaliser. Les capteurs à effet Hall et piézo-électriques ne permettent d'éliminer que certains de ces inconvénients, et leur coût est excessif, en particulier pour les applications grand public telles que l'automobile. La présente invention propose un capteur d'accélération ne présentant pas ces inconvénients. Selon l'invention, ce capteur d'accélération est caractérisé en ce qu'il comprend au moins une bille en une matière à forte masse volumique, et des moyens de guidage de la bille selon un axe de détection déterminé, la bille étant maintenue le long de cet axe, contre une cellule à résistance de force dont la résistance électrique varie en fonction de la pression exercée par la bille sur la cellule, cette pression étant fonction de l'accélération appliquée à la bille dans la direction de la cellule. Grâce à ces dispositions, lorsque le capteur selon l'invention n'est soumis à aucune accélération suivant l'axe de détection, la bille n'exerce pas ou presque pas de pression sur la cellule. La résistance entre les électrodes est alors très élevée. Si on exerce une accélération suivant l'axe de détection de manière à ce que la bille vienne exercer une pression sur la cellule, la résistance entre les électrodes diminue selon une loi de variation logarithmique. Par ailleurs, la bille roule sur les moyens de guidage le long de l'axe de détection, ce qui permet de limiter les frottements. Il en résulte une très bonne sensibilité. L'usage d'une bille permet également d'éliminer les effets de composantes transversales de l'accélération. En effet, la surface de contact entre une bille et un plan se limite à un point. Par conséquent la bille ne peut exercer sur un plan qu'une force perpendiculaire à ce plan. On élimine ainsi les problèmes résultant d'une mauvaise précision dans le calage du capteur suivant l'axe de détection souhaité, ainsi que les effets des accélérations transversales, des vibrations et des chocs qui se produisent inévitablement à bord d'un véhicule. Selon une particularité de l'invention, le capteur comprend un tampon élastique de dimensions légèrement inférieures à celles de la cellule, disposé entre la bille et la cellule, qui permet de répartir la force exercée par la bille sur toute la surface sensible de la cellule. Pour améliorer encore sa sensibilité, le capteur selon l'invention comprend avantageusement plusieurs billes maintenues par des moyens élastiques les unes contre les autres et contre la cellule le long de l'axe de détection. Selon une autre particularité de l'invention, le capteur est couplé à un circuit de mesure de résistance qui comprend des moyens de réglage de la sensibilité, de manière à pouvoir s'adapter à différents types de véhicules terrestres. Un mode de réalisation du dispositif selon l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente schématiquement en coupe longitudinale un capteur selon l'invention; La figure 2 illustre une variante de réalisation du capteur selon l'invention; La figure 3 montre en vue de dessus une cellule à détection de force; La figure 4 représente un circuit électronique conçu pour traiter le signal issu du capteur et adapté à une application de détection de décélération des véhicules terrestres. Sur la figure 1, le capteur selon l'invention comprend un boîtier tubulaire 2 en matière plastique, muni à une extrémité d'une ouverture fermée par un capuchon 7. Le boîtier 2 renferme deux billes 6 de diamètre légèrement inférieur à celui du boîtier, et une cellule à détection de force 1 de forme circulaire, fixée par exemple par adhésif sur le fond du boîtier 2, un tampon élastique 5 étant interposé entre la cellule 1 et les billes 6. Le boîtier 2 présente une ouverture 3 permettant le passage de deux pistes de connexion de la cellule 1, supportées par une patte de connexion 4 en polymère. I1 est avantageusement réalisé en PVC, et présente une forme cylindrique de diamètre interne légèrement supérieur à celui des billes 6, par exemple de 18,6 mm pour des billes de 18 mm de diamètre. Par ailleurs, la longueur intérieure du boîtier correspond avec un léger jeu au diamètre cumulé des deux billes 6 auquel viennent s'ajouter l'épaisseur du tampon 5 et celle de la cellule 1 Le capuchon 7 peut être fixé par collage sur le boîtier 2. Le tampon élastique 5, par exemple en mousse de silicone, de forme circulaire et de diamètre légèrement inférieur à celui de la cellule 1 est fixé par adhésif sur la surface sensible de la cellule 1. Ce tampon présente par exemple un diamètre de 12 mm et une épaisseur de 6 mm. Les billes peuvent être réalisées en acier, matière présentant un faible coût et une relativement grande masse volumique. Selon une variante du capteur selon l'invention, le boîtier 2 comprend une portion tubulaire fermée à chacune de ses deux extrémités par un capuchon 7, 9, le capuchon 9 laissant un passage 3 à la patte de connexion 4 de la cellule 1. La cellule 1 est fixée sur la face intérieure plane du capuchon 8, tandis que la face opposée située sur le capuchon 7 sert de face d'appui à un ressort 8 qui maintient avec une très faible pression les deux billes 6 contre le tampon élastique 5. Le ressort 8 permet ainsi de maintenir les billes et de rattraper les jeux éventuels dus aux imprécisions du montage. Ces dispositions permettent de faciliter le montage du capteur. Sur la figure 3, la cellule à détection de force 1 comprend deux feuilles circulaires en polymère, à savoir une première feuille supportant un réseau de bandes conductrices intercalées formant deux électrodes 13, 14 reliées respectivement aux deux pistes de connexion 11, 12 supportées par la patte de connexion 4 prolongeant la première feuille, et une seconde feuille supportant un polymère semi-conducteur disposé de manière à pouvoir venir en contact et à couvrir les électrodes. Plus précisément, les deux électrodes 13, 14 comprennent chacune une piste conductrice en arc de cercle d'où partent une pluralité de segments de piste conductrice rectilignes parallèles, les segments de piste de l'électrode 13 s'intercalant avec ceux de l'électrode 14. Les deux feuilles sont disposées face à face de manière à ce que le polymère semi-conducteur soit en contact avec les deux électrodes 13, 14. Au repos, le boîtier 2 étant positionné de manière à ce que l'axe de déplacement X des billes soit orienté suivant l'axe de détection de l'accélération souhaité, par exemple horizontalement, les billes 6 exercent une pression très faible, voire nulle, sur la cellule 1 qui présente alors une résistance de plusieurs MQ. Lors d'une accélération ou d'une décélération orientée suivant l'axe de détection X de manière à entraîner le déplacement des billes 6 vers la cellule 1, les billes exercent une force d'inertie sur la cellule, entraînant la chute de la résistance de celle-ci. La masse totale des billes est optimisée afin d'obtenir une résistance de l'ordre de 50 kQ pour une accélération de 1 G. De cette manière, on obtient une variation de la résistance de la cellule 1 sensiblement linéaire pour des accélérations comprises entre 0,5 G et 1,2 G. Le circuit de mesure de résistance montré sur la figure 4 permet d'exploiter le signal délivré par la cellule 1 pour réaliser une fonction d'avertisseur de freinage à bord d'un véhicule terrestre tel qu'une automobile. Ce circuit comprend une résistance R5 reliant entre elles les pistes de connexion 11, 12 de la cellule 1, la résistance R5 étant reliée d'un côté à la masse et de l'autre à un point de jonction U2. Le point de jonction U2 est connecté à l'une des bornes d'une résistance R4 variable de réglage de sensibilité et à l'entrée non inverseuse U3 d'un comparateur IC1 par l'intermédiaire d'une résistance R1. Ainsi, la combinaison des résistances R3, R4 et celle Rc de la cellule 1 constitue un pont diviseur de tension. L'autre borne de la résistance R4 est connectée à la fois à une résistance R3 reliée à une source de tension continue, par exemple à 12 V, et à l'entrée inverseuse U4 du comparateur IC1 par l'intermédiaire d'une résistance R2, cette entrée étant appliquée à la masse au travers d'un condensateur C3. D'autre part, l'entrée U3 du comparateur IC i est reliée à la source de tension par l'intermédiaire d'un condensateur C4 en parallèle avec une diode D montée en inverse, tandis qu'un condensateur C1 est disposé entre l'entrée U3 et la sortie U5 du comparateur IC1. La sortie du comparateur IC1 est également reliée à la masse par l'intermédiaire d'une diode Zener Z1 et d'une résistance R6. Le signal de commande est délivré par le point U6 de jonction entre la diode Zener Z1 et la résistance R6, et est par exemple appliqué à l'entrée d'un multivibrateur IC2 monté en astable, dont la fréquence d'oscillation est fixée par les valeurs des composants du circuit RC constitué des résistances R7 et R8 et du condensateur C5 relié à la masse. Ce multivibrateur IC2 délivre un signal rectangulaire de rapport cyclique d'environ 2/3 et de fréquence d'environ 2,5 Hz qui est, par exemple, appliquée à un relais RL1 pour alternativement allumer et éteindre des feux clignotants, ou alimenter un avertisseur sonore 19. Au repos, les tensions aux bornes U 1 et U2 de la résistance R4 sont telles que 0 La différence entre les tensions en U1 et U2 est déterminée par la résistance de réglage R4 qui définit la sensibilité du déclenchement, tandis que la résistance R5 joue le rôle de butée. Ainsi, dans une application du capteur aux véhicules terrestres, cette résistance permet d'ajuster la sensibilité de la détection en fonction du type de véhicule. Lorsqu'une accélération est appliquée au capteur, entraînant les billes 6 contre la cellule 1, la résistance Rc de la cellule 1 diminue ce qui entraîne une évolution en parallèle des tensions en U1 et U2. L'évolution de la tension en U2 est traitée par l'intégrateur constitué par le couple de la résistance R1 et du condensateur C1. Les valeurs de R1 et C1 sont choisies de manière à obtenir une constante de temps de l'ordre de 5 secondes de manière à éliminer les variations de la résistance Rc dues aux phénomènes parasites comme les vibrations. De même, l'évolution de la tension en U1 est intégrée par le couple constitué de la résistance R2 et du condensateur C3 avec une constante de temps très inférieure à celle de l'intégrateur constitué par le couple R1 - C 1. Cette constante de temps est par exemple de l'ordre de 15 ms. Lors d'une apparition lente d'une accélération, les tensions aux entrées U3 et U4 du comparateur IC1 évoluent dans le même sens de manière à ce que la tension en U3 soit toujours inférieure à la tension en U4. La tension en sortie U5 du comparateur IC1 reste donc au niveau bas. Dans ces conditions, aucun déclenchement n'est donc effectué, ce qui se produit lorsque le véhicule aborde une descente, ou lorsque le capteur n'est pas installé horizontalement, ou bien lorsque le capteur comprend un ressort 8 qui pousse les billes 6 contre la cellule 1 avec une légère pression. De cette manière, on élimine les phénomènes parasites à évolution lente, tandis que les couples intégrateurs éliminent les phénomènes transitoires comme les vibrations. Lors d'une apparition brutale et intense d'une accélération, la tension en U4 diminue plus rapidement que celle en U3. Dès que la tension en U3 dépasse la tension en U4, le comparateur IC 1 bascule et délivre en sortie U5 une tension au niveau haut. Le comparateur C1 est monté en réaction sur le comparateur IC1, ce qui assure le maintien au niveau haut de la tension en U5 pendant un certain temps. Par ailleurs, lors du retour au repos du capteur après son déclenchement, la constante de temps du couple intégrateur R1 - C1 assure le maintien de la sortie au niveau haut pendant environ 5 secondes. Lors de la mise sous tension du circuit, la polarisation des condensateurs C3 et C4 provoque le positionnement de la sortie au niveau haut pendant 5 secondes, ce qui entraîne un avertissement lumineux. Combiné au circuit qui vient d'être décrit, le capteur selon l'invention présente un temps de réponse très réduit, quelques millisecondes, ce qui permet dans une application aux véhicules terrestres de déclencher pratiquement instantanément une signalisation d'urgence de freinage important. Cette signalisation permet ainsi au conducteur du véhicule suivant de réagir plus rapidement pour éviter la collision. REVENDICATIONS 1. Capteur analogique d'accélération linéaire, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une bille (6) en une matière à forte masse volumique, et des moyens de guidage de la bille (6) selon un axe prédéterminé de détection (X) de l'accélération, la bille (6) étant maintenue le long de cet axe contre une cellule (1) à résistance de force dont la résistance électrique varie en fonction de la pression exercée par la bille (6) sur la cellule (1), cette pression étant fonction de l'accélération appliquée à la bille (6) dans la direction de la cellule (1). 2. Capteur d'accélération selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un tampon élastique (5) de dimensions légèrement inférieures à celles de la cellule (1), disposé entre la bille (6) et la cellule (1), qui permet de répartir la force exercée par la bille (6) sur toute la surface sensible de la cellule (1). 3. Capteur d'accélération selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs billes (6) de même diamètre, maintenues les unes contre les autres et contre la cellule (1) le long de l'axe de détection (X) par des moyens élastiques (8). 4. Capteur d'accélération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de guidage sont constitués par un boîtier tubulaire (2) dont le diamètre est légèrement supérieur à celui de la bille (6) et dont la longueur est telle que le boîtier (2) maintient la bille (6) contre la cellule (1). 5. Capteur d'accélération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cellule (1) à résistance de force comprend deux feuilles en polymère, la première feuille supportant des bandes conductrices constituant deux électrodes (13, 14) munies de bras parallèles intercalés (17), la seconde feuille supportant un polymère semi-conducteur, les deux feuilles étant placées l'une contre l'autre de manière à ce que le polymère semi-conducteur soit en contact et recouvre les électrodes (13, 14). 6. Capteur d'accélération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens élastiques (8) qui appliquent la bille contre la cellule avec une légère pression. 7. Capteur d'accélération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tampon élastique (5) est en mousse de silicone. 8. Capteur d'accélération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bille (6) est en acier. 9. Capteur d'accélération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est couplé à un circuit de mesure de la résistance électrique de la cellule (1), muni de moyens de réglage (R4) de sensibilité. 10. Capteur d'accélération selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit comprend des moyens pour éliminer les effets des phénomènes parasites transitoires et à évolution lente, et des moyens pour émettre un signal de commande à la suite de la détection d'une accélération brutale et intense.