Brevet FR2863710A1 — publié le 20050617

Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur comprenant une masse sismique, au moins une butée mécanique, des moyens pour détecter le débattement de la masse sismique et le convertir en un signal élec- trique, et dans au moins un mode de fonctionnement du capteur, le débattement de la masse sismique étant limité de manière asymétrique par une butée vis à vis de la position centrale d'oscillation. Etat de la technique Les accélérations dans les véhicules automobiles notam- ment dans les appareils de commande des coussins gonflables se mesurent à l'aide de capteurs inertiels micromécaniques. Pour cela on utilise le principe du condensateur différentiel comportant une masse sismique mobile formant deux capacités avec deux électrodes de référence fixe. Lorsqu'une accélération agit sur la masse, celle-ci est déplacée ce qui mo- difie les capacités. La différence des capacités est convertie par un circuit électronique c'est-à-dire un convertisseur capacité/tension (convertisseur C/U) en un signal de tension pratiquement proportionnel à l'accélération. Les structures mobiles et les montages de type condensateur formant les capacités sont réalisées habituellement sous la forme de structures micro électromécanique (structure MEMS). Une difficulté dans la fabrication des capteurs inertiels réalisés sous la forme de structures MEMS est le centrage précis de la masse sismique entre les électrodes fixes. Du fait des imprécisions du procédé, en général on a une déviation entre la position effective de la masse sismi- que et la position centrale ou médiane souhaitée. Ce décalage engendre un signal capacitif qui n'est pas motivé par le débattement de la masse sous l'effet d'une accélération et habituellement on compense ce décalage à l'aide d'un circuit électrique. Pour cela on mesure électriquement le décalage au moment du branchement du capteur on retranche en continu cette valeur du signal de sortie pendant le fonctionnement. En fonctionnement normal, la masse sismique du capteur inertiel exposée sous l'effet des accélérations à des mouvements d'une certaine amplitude et est excitée en parties à haute fréquence. Dans les états de fonctionnement exceptionnels, comme par exemple lorsque le capteur est exposé à des chocs intenses dans la direction de débattement prévue de la masse sismique, l'amplitude peut être beaucoup plus grande pour éviter que les électrodes ne se contactent et provoquent l'effondrement du circuit électrique, on a prévu des butées mécaniques limitant le débattement des masses sismiques. De ce fait, la position de repos ou position centrale d'oscillation de la masse sismique diffère de la position centrale géométrique ou milieu géométrique des butées ce qui se traduit par une limitation asymétrique du signal du capteur et ainsi à un signal erroné à la sortie du capteur. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un capteur à masse sismique et au moins une butée mécanique du type défini ci-dessus, caractérisé par des moyens pour limiter la valeur maximale du signal électrique, la limitation symétrique se faisant par rapport à la position centrale d'oscillation et la valeur maximale du signal électrique n'est pas supérieure à la plus petite valeur prédéfinie par la butée mécanique. Le capteur selon l'invention a l'avantage de remplacer la limitation asymétrique du signal par une limitation symétrique. Dans cer- taines conditions de fonctionnement comme par exemple sous l'effet de la projection de graviers ou d'eau, le débattement de la masse sismique est un signal périodique dont la valeur moyenne dans le temps est essentiellement constante. En cas de limitation asymétrique du débattement cela modifierait la valeur moyenne. Après filtrage dans le chemin de transmis- Sion du signal, cette valeur modifiée serait interprétée de façon erronée comme une très grande accélération constante agissant sur le capteur. Si en revanche le signal est limité de manière symétrique, la valeur moyenne reste conservée par rapport à un oscillateur non limité par les butées. Un développement avantageux du capteur selon l'invention comporte des moyens pour déterminer la déviation de la position centrale d'oscillations de la masse sismique par rapport au milieu géométrique. En principe la déviation peut se déterminer en position de repos ou à partir de la position centrale d'oscillations de la masse sismique par rapport au milieu géométrique entre les butées ou les moyens de détection, déjà après la fabrication du capteur. Mais le vieillissement et les conditions d'environnement, variables peuvent modifier également cette déviation. Cela modifie également la valeur moyenne du signal dans le temps pour des accélérations importantes et à haute fréquence. Pour pouvoir définir la valeur moyenne du signal dans le temps de façon aussi précise que possible, on détermine cette valeur lors du branchement du capteur. Partant de cette valeur on prévoit les limites pour la limitation asymétrique du signal. Il est en outre avantageux que le capteur soit construit en technique micromécanique. Les capteurs micromécaniques ont du fait de leur construction et de leur technique de fabrication et de l'imprécision du procédé, souvent la déviation décrite ci-dessus de la position effective de repos ou position centrale de la masse sismique par rapport à leur débattement sous l'effet de forces extérieures par rapport à la position géomé- trique centrale souhaitée. Dans ces conditions la correction symétrique du signal telle que décrite est particulièrement importante. En outre les structures micromécaniques des capteurs électriques et des circuits d'exploitation microélectroniques s'intègrent avantageusement dans un composant commun. Un développement avantageux de l'invention prévoit des moyens pour détecter le débattement des électrodes sous la forme d'un capteur de mesure capacitif travaillant en particulier selon le principe de la capacité différentielle. C'est un principe simple et confirmé pour des débattements de capteur d'accélération et de vitesse de rotation en technique micromécanique. La mesure de la capacité modifiée peut se faire facilement à l'aide du circuit d'exploitation électronique ainsi raccordé et le traitement des valeurs de mesure électriques obtenues est simple. Un développement particulièrement avantageux prévoit des moyens de limitation de la valeur maximale du signal électrique par un circuit d'exploitation électronique. La limitation électrique de la valeur maximale du signal électrique se fait avantageusement de manière simple dans un circuit d'exploitation électronique. Selon un développement avantageux, il est prévu une autre butée qui peut être positionnée de manière variable. Les moyens de limi- tation sont prévus pour qu'ils positionnent au moins l'autre butée de manière appropriée pour limiter symétriquement le débattement de la masse oscillante. La butée peut être positionnée par exemple à l'aide d'un élément piézoélectrique auquel on applique une tension. Le capteur est avantageusement un capteur inertiel no- tamment un capteur d'accélération ou un capteur de vitesse de rotation. De tels capteurs s'utilisent dans des véhicules dans lesquels ils sont exposés tout particulièrement à des contraintes importantes de chocs et de variation de température et d'autres influences de l'environnement. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre un capteur inertiel selon l'état de la technique; la figure 2A montre le chronogramme du signal oscillant d'un capteur inertiel pour une excitation externe à haute fréquence; la figure 2B montre le chronogramme du signal d'oscillations d'un capteur inertiel à limitation asymétrique du signal; la figure 3 montre un mode de réalisation du capteur inertiel selon l'invention à limitation symétrique du signal électrique; la figure 4 montre [e chronogramme du signal oscillant d'un capteur inertiel selon l'invention à limitation symétrique du signal électrique; la figure 5 montre un mode de réalisation du capteur inertiel selon to l'invention à limitation symétrique mécanique du signal; la figure 6 montre le chronogramme du signal oscillant d'un capteur inertiel selon l'invention à limitation symétrique mécanique du signal. Description de modes de réalisation La figure 1 montre un capteur inertiel selon l'état de la technique. Il se compose d'une masse sismique 100 suspendue de ma- nière oscillante par un système de ressort 103, 104. Le débattement ou l'oscillation de la masse sismique 100 excitée par une force externe, se produit dans une direction 107. Le débattement maximum possible de la masse 100 est limité dans cet exemple par deux butées mécaniques 101, 102. La masse mobile 100 constitue une électrode mobile et forme deux capacités 105, 106 avec deux électrodes de référence, fixes. Les capacités 105, 106 varient en fonction du débattement de la masse dans la direction 107. Le capteur de mesure travaille selon le principe de la capacité différentielle. La différence des capacités 105, 106 est convertie ainsi par un convertisseur capacité/tension (convertisseur C/U) 110 en un signal de tension 111 pratiquement proportionnel à l'accélération. Le signal de ten- sion 111 est filtré dans un filtre passe-bas 112, ce filtre est par exemple un filtre à capacité commutée (encore appelé filtre S/C). Le signal de ten- sion filtré 113 est amplifié dans un étage amplificateur 114. La sortie du capteur fournit un signal de tension 115, amplifié. Du fait de la déviation de la position médiane d'oscillation de la masse sismique 100 par rapport à la position géométrique médiane entre les électrodes de référence et du fait d'autres influences électriques, le signal de tension 115 sans influence d'une accélération extérieure agissant sur le capteur n'est pas égal à zéro; au contraire il présente un décalage. Ce décalage est compensé par un cir- cuit de compensation de décalage 116. Au début de la mise en oeuvre du capteur, on détermine ce décalage en l'absence d'accélération externe et on applique un signal 117 à l'amplificateur 114 qui assure la compensa- tion à 0 du signal 115. Le capteur est ainsi calibré par rapport à ce décalage pour le fonctionnement ultérieur. La figure 2A montre le signal oscillant ou chronogramme du signal oscillant d'un capteur inertiel pour une excitation extérieure à haute fréquence. Le signal oscillant est engendré par une accélération à haute fréquence. L'axe X représente le temps en unité quelconque. L'axe Y donne le signal de tension 111 à la sortie du convertisseur C/U, 110. Le chronogramme 203 s'obtient pour une excitation à haute fréquence de l'élément de capteur 100 à faible amplitude. Cela correspond à un premier t 0 état de fonctionnement habituel du capteur. La fonction (ou chronogramme) 203 possède des points d'inversion caractérisant la position médiane ou centrale d'oscillation 210 de la masse sismique 100. La position centrale d'oscillation 210 présente un décalage 200 par rapport à la ligne zéro du diagramme. La ligne zéro représente le milieu géométrique entre les électrodes de référence. Le décalage 200 correspond ainsi à la déviation entre la position centrale d'oscillation 210 de la masse sismique 100 et le milieu géométrique des électrodes de référence. Les lignes 201 et 202 indiquent les valeurs maximales possibles pour la fonction 203 résultant de la limitation du débattement de la masse sismique 100 par les butées 101, 102. Un capteur selon la figure 1 compense le décalage 200 et en plus les influences électriques du filtre passe-bas 112 et de l'amplificateur 114 à l'aide de l'élément de compensation 116 et le signal filtré 115 est égal à zéro en l'absence d'accélération extérieure à faible fréquence. La figure 2B montre à titre d'exemple le signal d'oscillations d'un capteur inertiel à limitation asymétrique du signal. Le signal oscillant est le résultat d'une excitation extérieure à haute fréquence et forte amplitude d'accélération agissant sur le capteur. Sur l'axe X on a représenté le temps en unité quelconque. Sur l'axe Y on a le signal de tension 111 à la sortie du convertisseur C/U 110. La courbe de signal ou chronogramme 204 résulte de l'excitation à haute fréquence de l'élément de capteur 100 avec une amplitude importante. Une telle amplitude importante est en- gendrée par exemple par un choc extérieur appliqué au capteur avec des accélérations allant jusqu'à quelques 100 g. Ces accélérations sont engen- drées entre autres par l'action de l'eau projetée ou par le choc d'un caillou sur un véhicule équipé du capteur. Cela correspond à un second état de fonctionnement exceptionnel du capteur. La fonction 204 possède égale- ment des points d'inversion caractérisant la position médiane ou centrale d'oscillations 210 de la masse sismique 100. La position centrale d'oscillation 210 présente également un décalage 200 par rapport à la ligne 0 du diagramme. L'amplitude de la fonction 204 est limitée dans les zones de plus fort débattement 205 par la butée 101 qui limite à la valeur maximale 201. La fonction 204 essentiellement périodique peut se subdi- viser en deux demi-oncles distinctes par la position centrale d'oscillations 210. Une première demi-onde présente une surface 206 limitée par la position centrale 210, la courbe 204 et la ligne de la valeur maximale 201. Une seconde demi-ondee présente une surface 207 délimitée par la position centrale 210 et la courbe 204. Pour des amplitudes encore plus importantes, la surface 207 serait également limitée par la ligne de la valeur maximale 202. Du fait du décalage 200 vers la valeur maximale 201 dans cet exemple, la surface 206 sera toujours plus petite que la surface 207. La fonction 204 est également limitée de manière asymétrique et sa valeur moyenne dans le temps ne correspond plus au décalage 200. En compen- sant le décalage 200 par l'élément de compensation 116 dans un capteur selon la figure 1, le signal 115 sera différent de 0. On aura un signal interprété comme une accélération bien qu'aucune accélération qu'il con- vient de mesurer n'agisse sur le capteur. La figure 3 montre un mode de réalisation d'un capteur inertiel selon l'invention à limitation symétrique du signal électrique. A la différence du capteur de la figure 1, le capteur selon l'invention correspondant à cet exemple de réalisation comporte un convertisseur C/U 110A, modifié ainsi qu'une électronique d'exploitation 300 servant à limiter électriquement le signal 111. Pour cela, le signal 111 est fourni à l'électronique d'exploitation 300. Après la mise en marche, on détermine le décalage 200 du signal 111 dans l'électronique d'exploitation 300; on met ce décalage en mémoire et on convertit en une grandeur de réglage 301 fournie au convertisseur C/U 110A, modifié. Dans un étage de sortie du convertisseur C/U 110A, modifié, on a prévu de manière symétrique par rapport à la position centrale 210 du signal, des amplitudes maximales possibles positives et négatives pour le signal 111. L'amplitude maximale peut également être réglable. Partant de la position centrale ou médiane 210 du signal exprimé par la grandeur de réglage 301 et de l'amplitude maximale par rapport à cette position médiane, on détermine des valeurs maximales absolues positives et négatives que le signal 111 est autorisé à prendre. L'étage de sortie du convertisseur C/U 1 1OA, modifié limite ainsi de manière symétrique le signal 111. La figure 4 montre le signal d'oscillations d'un capteur inertiel selon l'invention à limitation symétrique du signal électrique. L'axe X donne le temps en unité quelconque. L'axe Y donne le signal de tension 111 à la sortie du convertisseur C/U, 110A modifié. La courbe de signal 204 correspond à l'excitation de l'élément de capteur 110 à haute fréquence et forte amplitude. La courbe de signal 204 ou chronogramme est limitée symétriquement par les limites électriques 401, 402. Les limitations représentent l'amplitude positive et négative maximale possible du signal 111. Les limitations 401 et 402 sont équidistantes de la position centrale 210 du signal si bien que les surfaces 403 et 404 sont identiques. Les limitations électriques 401, 402 se situent dans les limites mécaniques 201, 202. La figure 5 montre un exemple de réalisation du capteur inertiel selon l'invention à limitation symétrique mécanique du signal. A la différence du capteur selon la figure 1, le capteur selon l'invention correspondant à cet exemple de réalisation est équipé d'une électronique d'exploitation 500 et d'une butée mécanique modifiée 102A. Ces moyens servent à limiter mécaniquement le signal 111. Au début du fonctionne-ment du capteur, la compensation du décalage 200 se fait de la manière décrite à la figure 1 et à la figure 2A. Le signal 111 est fourni à l'électronique d'exploitation 500. A partir du signal 111 qui est principalement défini au début du fonctionnement par le décalage 200 en l'absence de forces extérieures, l'électronique d'exploitation 500 fournit une grandeur de réglage 501 par exemple par une fonction mathématique ou à l'aide d'un tableau de valeurs enregistrées dans une mémoire. La grandeur de réglage 501 est transmise à un actionneur 502 portant la butée modifiable ou réglable 102A. En fonction de la grandeur de réglage 501, l'actionneur 502 déplace la position 503 de la butée réglable 102A. L'actionneur 502 sert à modifier la butée réglable 102A dans la direction d'oscillation de l'oscillation d'entraînement 107 de la masse sismique 100. En réglant la butée 102A en fonction du décalage 200 on limite symétriquement l'amplitude maximale possible du signal 115 par un moyen mécanique. La figure 6 montre le signal oscillant d'un capteur inertiel selon l'invention à limitation symétrique mécanique du signal. L'axe X représente le temps en unité quelconque. L'axe Y représente le signal de tension 111 à la sortie du convertisseur C/U 111. La courbe 204 du signal résulte de l'excitation de l'élément de capteur 100 à haute fréquence et forte amplitude par des forces extérieures. La courbe de signal 204 atteint sa valeur maximale 201 limitée par la butée mécanique 101 et sa valeur maximale 601 est limitée symétriquement par la butée mécanique modifiée 102A. La limitation symétrique résulte du décalage de la valeur maxi- male 202 par rapport à la valeur maximale 601. Le décalage 600 de l'amplitude maximale possible de la fonction 204 est l'expression du décalage de la position 503 de la butée mécanique 102A. Les limitations représentent l'amplitude maximale positive et négative possible pour le signal 111. Les limitations 201, 601 sont équidistantes de la position 1 o centrale 210 du signal et les surfaces 403, 404 sont égales. Les valeurs maximales 202 et 601 du signal électrique 111 sont égales et correspondent aux valeurs prédéfinies par les butées mécaniques. 2863710 9 REVENDICATIONS 1 ) Capteur comprenant: une masse sismique (100), au moins une butée mécanique (101), des moyens (105, 106, 110) pour détecter le débattement (107) de la masse sismique (100) et le convertir en un signal électrique (111), et dans au moins un mode de fonctionnement du capteur, le débattement (107) de la masse sismique (100) étant limité de manière asymétrique par une butée (101) vis à vis de la position centrale d'oscillation (210), caractérisé par des moyens pour limiter la valeur maximale (401, 402) du signal électrique (111), la limitation symétrique se faisant par rapport à la position centrale d'oscillation (210) et la valeur maximale du signal électrique (111) n'est pas supérieure à la plus petite valeur prédéfinie par la butée mécanique (101). 2 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé par des moyens pour déterminer une déviation (200) de la position centrale d'oscillation (210) de la masse sismique (100) par rapport au milieu géométrique entre les moyens de détection (105, 106). 3 ) Capteur selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce qu' il est de constructions micromécanique. 4 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (105, 106) pour détecter le débattement (107) sont des électrodes représentant un capteur de mesure capacitif fonctionnant notamment selon le principe d'une capacité différentielle. 5 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour limiter la valeur maximale (401, 402) du signal électrique (111) sont constitués par un circuit d'exploitation électronique (300) limi- tant électriquement les valeurs maximales (401, 402) du signal électrique (111). 6 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé par une autre butée (102A) et les moyens de limitation de cette autre butée (102A) sont positionnés pour limiter symétriquement le débattement (107) de la masse sismique (100). Io 7 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur est un capteur inertiel notamment un capteur d'accélération ou un capteur de vitesse de rotation.