Brevet FR2860736A1 — publié le 20050415

Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur d'ultrasons comprenant une membrane et un élément piézo-électrique comme système oscillant primaire relié à une installation d'amortissement. Etat de la technique On utilise les capteurs à ultrasons en particulier dans la technique automobile pour contrôler la distance d'un véhicule et d'un obstacle fixe ou mobile, par exemple un piéton, lors d'une manoeuvre de rangement dans un emplacement de parking et pour informer le conducteur du véhicule par un signal indicateur correspondant, entre autre un signal optique ou acoustique et lui donner la distance par rapport à l'obstacle. A l'avant et/ou à l'arrière, le véhicule comporte un capteur à ultrasons qui fait partie d'un système d'assistance de conduite connu des spécialistes pour faciliter une manoeuvre d'entrée ou de sortie d'un créneau de rangement. Le capteur à ultrasons fonctionne alors en mode d'émission et en mode de réception et le temps de parcours de l'impulsion d'ultrasons émise par le capteur à ultrasons, par celui-ci vers l'obstacle, et réfléchie vers le capteur, est mesuré. Appliquant la vitesse connue du son dans l'air on peut obtenir la distance par rapport à l'obstacle. Le capteur à ultrasons se compose principalement d'une membrane munie d'un élément piézo-électrique permettant d'exciter la membrane pour osciller et générer ainsi des ondes à ultrasons. L'élément piézo- électrique est formé par un cristal piézo-électrique connu qui se contracte ou se dilate suivant l'axe principal du cristal par l'application d'une tension alternative et excite ainsi la membrane. L'élément piézo-électrique et la membrane forment un système oscillant primaire. Pour minimiser l'énergie d'excitation requise pour la membrane par l'élément piézo-électrique en mode d'émission, on fait fonctionner ce système oscillant primaire du capteur à ultrasons en résonance. Cela signifie que l'élément piézo-électrique est excité à une fréquence correspondant à la fréquence de résonance de la membrane pour nécessiter ainsi une énergie aussi faible que possible et donner une amplitude maximale à la membrane. L'inconvénient de cette solution est qu'en mode d'émission, après l'excitation par l'élément piézo-électrique, la membrane continue de vibrer un certain temps à la fréquence de résonance si bien que pendant cette phase d'atténuation de l'oscillation de la membrane, il n'est pas pos- sible de détecter les ondes d'ultrasons réfléchies par un obstacle et arri- vant de nouveau sur le capteur à ultrasons ou la membrane. Ainsi, l'éloignement minimum mesurable que peut détecter un système d'assistance aux manoeuvres de parking avec un capteur à ultrasons est limité vers le bas par ce temps de poursuite de l'oscillation. Cela signifie qu'il faut toujours conserver une distance minimale par rapport à un obstacle pour avoir une mesure de distance fiable avec le capteur à ultra-sons. En d'autres termes, on ne peut assister une manoeuvre de range-ment dans un créneau pour lequel on passe en dessous de la distance minimale mesurable par le capteur à ultrasons et qui néanmoins permet-trait de ranger le véhicule, ces manoeuvres ne pouvant être assistées à l'aide d'un système d'assistance de conduite ou d'aide aux manoeuvres de rangement. Cela est notamment le cas si la manoeuvre de rangement con-cerne un créneau avec un système semi-automatique ou autonome comportant des indications de direction ou des algorithmes de régulation. Pour amortir les oscillations après l'impulsion d'une membrane excitée à sa fréquence de résonance, il est connu de coupler la membrane du capteur à ultrasons à une installation d'amortissement pour convertir l'énergie d'oscillation mécanique par exemple en chaleur dans l'installation d'amortissement. Cela permet de réduire le temps de poursuite des oscillations de la membrane et permet de mesurer des dis-tances plus courtes par rapport à l'obstacle. Selon le document WO 92/01521 Al on connaît un convertisseur à ultrasons équipé d'un élément piézo-électrique. Un côté de l'élément piézoélectrique est revêtu d'une couche mince en caoutchouc de silicone pour améliorer la transmission de l'énergie acoustique de l'élément piézoélectrique vers un milieu gazeux environnant. En outre, l'élément piézoélectrique est relié à un organe d'amortissement massif en résine synthétique pour qu'après l'excitation de l'élément piézo-électrique, l'énergie d'oscillation soit déviée vers l'organe d'amortissement massif. On raccourcit ainsi le temps de poursuite de l'oscillation et le convertisseur à ultrasons peut commuter plus rapidement sur le mode de réception. But de l'invention Partant de cet état de la technique la présente invention a pour but de développer un capteur à ultrasons avec une membrane et un élément piézo-électrique permettant une commutation plus rapide entre le mode d'émission et le mode de réception par raccourcissement de la durée de fin d'oscillation. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un capteur à ultrasons du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que l'installation d'amortissement est un système oscillant secondaire excité de manière temporisée. Ainsi, l'idée de base de l'invention est que le capteur à ultrasons comporte un second système vibrant secondaire couplé au système oscillant primaire formé de la membrane et de l'élément piézo-électrique. Ce couplage entre le système oscillant primaire et le système oscillant secondaire produit une excitation temporisée du système os-cillant secondaire par les vibrations du système oscillant primaire. L'expression excitation retardée utilisée ici signifie que la membrane du système oscillant primaire qui oscillera ensuite est mise plus rapidement en position de repos par le couplage d'un système secondaire ou encore on prend rapidement de l'énergie dans le système oscillant primaire grâce au couplage. Ainsi, ni le mode d'émission ni le mode de réception du système oscillant primaire ne sont perturbés par l'excitation temporisée du système oscillant secondaire car le système oscillant primaire peut osciller au moins pendant un certain temps d'une manière pratiquement non perturbée par le système oscillant secondaire, c'est-à-dire émettre et recevoir des ondes d'ultrasons. L'avantage de l'invention est de permettre un amortisse-ment plus efficace de la membrane qui continue d'osciller car l'énergie est transmise par le couplage du système primaire au système oscillant secondaire. Dans le cas d'une installation d'amortissement sous la forme d'un corps massif comme cela est connu de l'état de la technique, l'énergie d'oscillation de la membrane n'est transmise que de manière insuffisante à l'organe rigide de sorte que l'on a également un temps de poursuite d'oscillation relativement long pendant lequel il n'est pas possible de détecter une onde ultrasonore incidente. En outre, la fréquence propre de la membrane ou de l'élément piézo-électrique est modifiée d'une manière gênante par le corps rigide relié solidairement à celle-ci. Selon un développement de l'invention, le système oscillant secondaire est amorti notamment avec un amortissement réglable ce qui permet d'amortir particulièrement rapidement la suite des oscillations du système primaire oscillant, car l'énergie transmise par le système oscillant primaire au système oscillant secondaire est évacuée rapidement par l'amortissement associé au système oscillant secondaire ou que cette énergie est convertie en chaleur. On évite ainsi de manière efficace égale- ment une reprise d'oscillation par une excitation à la fréquence de résonance du système oscillant secondaire. La réalisation de l'amortissement peut se faire d'une manière quelconque connue du spécialiste suivant la réalisation du système oscillant secondaire. Suivant une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le couplage entre le système oscillant primaire et le système oscillant secondaire est un couplage de rigidité réglable. Ce moyen permet d'évacuer efficacement l'énergie d'oscillation du système oscillant primaire car la rigidité du couplage entre le système oscillant primaire et le système oscillant secondaire ou le taux de transmission d'énergie peut s'adapter à l'amplitude ou aux différentes fréquences de fonctionnement du système primaire oscillant. De même, par le couplage avec une rigidité variable, on peut exciter de manière retardée comme souhaité le système oscillant secondaire pour ne pas influencer l'oscillation du système oscillant primaire en mode d'émission ou en mode de réception. Pendant cette durée de temporisation, le système oscillant primaire oscille principalement d'une manière non influencée par le système oscillant secondaire et peut ainsi fournir ou recevoir des ondes d'ultrasons de fréquence souhaitée. Ce n'est qu'après un certain temps défini par la rigidité du couplage que de l'énergie est transmise d'une manière significative du système oscillant primaire vers le système oscillant secondaire. Cela permet de régler également une distance minimale mesurable par le capteur à ultrasons. Suivant une autre caractéristique avantageuse, les plages de résonance des deux systèmes oscillants se chevauchent. Ce chevau- chement des plages de résonance permet de rapprocher fortement les fréquences de résonance des deux systèmes oscillants ou de les avoir identiques de sorte que par un choix approprié du couplage entre les systèmes, l'énergie d'oscillation peut être transmise directement du système primaire au système secondaire et y être convertie en chaleur par une installation d'amortissement prévue le cas échéant. De façon préférentielle, la plage de résonance, au moins du système oscillant secondaire, est réglable pour permettre toujours une adaptation optimale aux oscillations du système primaire. Suivant une autre caractéristique avantageuse, le système oscillant secondaire comprend une plaquette métallique mobile librement, notamment un couplage entre la plaquette métallique et l'élément piézo- électrique réalisé par de la colle. En d'autres termes, le système secon- daire comporte une plaquette métallique mobile librement et dont la masse propre et la souplesse constituent un système ressort-masse couplé mécaniquement au système oscillant primaire formé de la membrane et de l'élément piézo-électrique. Cela permet de convertir l'énergie d'oscillation à la fréquence de résonance du système primaire, efficacement en énergie mécanique de mouvement de la lamelle métallique libre en mouvement, avec une fréquence propre, notamment comparable. Ce mode de réalisation est simple et économique. Selon un développement avantageux, la plaquette ou lamelle métallique est reliée à l'élément piézo-électrique par un couplage avec de la colle. La lamelle métallique est collée solidairement à l'élément piézo-électrique. Grâce au choix d'une colle qui à l'état durci présente une certaine élasticité, l'homme du métier peut régler l'intensité du couplage de la plaquette métallique sur l'élément piézoélectrique. Selon un autre développement de l'invention, la lamelle métallique est noyée dans une mousse d'amortissement. Cette mousse d'amortissement est par exemple une mousse de polyuréthane entourant la lamelle métallique et amortissant ainsi les vibrations libres de la lamelle métallique. On peut choisir des mousses d'amortissement ayant des propriétés élastiques différentes pour arriver à des amortissements différents de la plaquette métallique. Selon un autre mode de réalisation, le système oscillant secondaire comprend une lamelle métallique encastrée solidairement et ayant un autre élément piézo-électrique. Dans ce mode de réalisation, le système oscillant secondaire est formé par une lamelle métallique encastrée solidairement et comportant un autre élément piézo-électrique. Cet autre élément piézo-électrique permet d'exciter également les oscillations dans la lamelle métallique et le couplage entre le système oscillant primaire et le système oscillant secondaire se fait de préférence par un élément de commutation ou élément de circuit qui assure notamment une commande temporisée. L'énergie mécanique de vibration de la membrane du capteur à ultrasons est convertie dans l'élément piézo-électrique en une tension électrique alternative fournie à l'élément de circuit par les lignes de liaisons électriques. Le circuit transmet l'énergie électrique de manière appropriée et de préférence temporisée à l'élément piézo- électrique associé à lamelles métalliques encastrées librement pour con- vertir de nouveau l'énergie électrique en énergie mécanique. La commande temporisée permet au premier système oscillant d'osciller pendant un certain temps sans être perturbé en mode d'émission ou de réception. En principe, l'énergie électrique de l'élément piézo-électrique de la membrane peut être fournie à l'élément piézo-électrique également indirectement au niveau de la plaquette métallique encastrée. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la plaquette métallique encastrée solidairement est noyée dans une mousse d'amortissement. Cette mousse est par exemple une mousse de polyuréthane dans laquelle est noyée la plaquette métallique pour amortir des vibrations du système oscillant secondaire. Le capteur à ultrasons décrit ci-dessus peut s'appliquer à différents domaines techniques; toutefois, comme indiqué, il est utilisé de préférence comme système d'aide aux manoeuvres de parking dans un véhicule automobile, permettant de mesurer, gràce au capteur à ultrasons, des distances également courtes par rapport à un obstacle dans des créneaux de rangement de voiture. L'avantage est que l'atténuation rapide de la poursuite des oscillations de la membrane permet de saisir les ondes d'ultrasons réfléchies par des obstacles plus proches. De même, le capteur à ultrasons peut travailler de manière économe en énergie grâce au mode de fonctionnement en mode résonant, au moins du système oscillant primaire. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de deux modes de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique de deux systèmes oscillants couplés, la figure 2 montre un premier mode de réalisation d'un capteur à ultra- sons, la figure 3 montre un second mode de réalisation d'un capteur à ultra-sons. Description de modes de réalisation de l'invention Selon la vue schématique de la figure 1 on a deux systèmes oscillants 10, 20, mécaniques, couplés par un ressort 30. Le système os-cillant primaire 10 se compose d'une masse 12 suspendue par un ressort 11 à une paroi 32. Le système oscillant secondaire 20 est formé d'une masse 22 suspendue par un ressort 21 à la paroi 32 et comportant un amortisseur 23. L'amortisseur 23 évite la mise en oscillation de la masse 22 lorsque celle-ci est par exemple excitée à la fréquence de résonance du système oscillant 20. L'amortisseur 23 transforme l'énergie d'oscillation par exemple en chaleur. Les deux masses 12, 22 sont couplées par un ressort 30. Une oscillation du système oscillant primaire 10, notamment à sa fréquence de résonance, peut être amortie rapidement au niveau du système oscillant secondaire 20 par le couplage par le ressort 30. La constante du ressort 30 peut être choisie pour que le système oscillant primaire 10 oscille au moins pendant un certain temps sans être influencé par le système oscillant secondaire 20 et que la transmission d'énergie se fasse seulement de manière retardée (ou temporisée). Il est évident pour le spécialiste que l'équation des oscillations valable pour des systèmes mécaniques s'applique également à des oscillations électromagnétiques. La vue de la figure 2 montre un premier mode de réalisation du capteur à ultrasons 100. Le système oscillant primaire 10 se compose principalement d'une membrane 13 excitée par un élément piézo-électrique 14 pour vibrer et générer ainsi des ondes d'ultrasons. Les lignes électriques 15 assurent l'alimentation en énergie de l'élément piézo- électrique 14. Une lamelle métallique 24, libre en mouvement, est collée par de l'adhésif 23 à l'élément piézo-électrique 14 et grâce à sa souplesse et à sa masse propre, elle fonctionne comme système champ-masse ou comme système oscillant secondaire 20. La membrane 13 oscille de préférence à sa fréquence de ré- sonance comme l'indiquent les flèches U pour émettre de telles ondes d'ultrasons. Pour permettre une commutation rapide du mode d'émission au mode de réception, on amortit l'oscillation de la membrane 13 par le système oscillant secondaire 20, la lamelle métallique 24 oscillant comme l'indique la flèche D. En plus, on peut amortir mécaniquement l'oscillation de la lamelle métallique 24 par une mousse d'amortissement 25 dans le boîtier 16 du capteur à ultrasons 100. La mousse d'amortissement 25 correspond à l'amortisseur 23 de la figure 1. Ainsi, les oscillations de la membrane 13 s'atténuent rapidement à la fin de l'excitation de la membrane 13 par l'élément piézo-électrique 14 et on peut détecter les ondes d'ultrasons qui arrivent sur la membrane 13. La colle 23 sert au couplage mécanique entre la lamelle métallique 24 libre en mouvement de l'élément piézo-électrique 14 et on peut choisir ses propriétés élastiques pour avoir une transmission temporisée de l'énergie de la membrane 13 vers la plaquette métallique 24. Les plages de résonance des deux systèmes oscillants 10, 20 se chevauchent de préférence. Selon le mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 3, le second système oscillant 20 se compose d'une lamelle métallique 26 encastrée dans le boîtier 16 du capteur à ultrasons 100; cette la- melle est également noyée dans une mousse d'amortissement 25. Un autre élément piézo-électrique 27 est prévu sur la plaquette métallique 26 encastrée solidairement. Cet autre élément piézo-électrique peut exciter la lamelle métallique 26 pour vibrer. Le second élément piézo-électrique 27 est relié à un élément de circuit 33 et est par exemple commandé par celui-ci en étant couplé par celui-ci au premier système oscillant 10. La tension électrique induite par les oscillations après impulsion de la membrane 13 comme l'indiquent les flèches U dans l'élément piézo- électrique 14 du premier système oscillant 10 est transmise par les lignes électriques 15 à l'élément de circuit 33 qui transmet cette tension de manière temporisée au second élément piézo-électrique 27 pour avoir le meilleur amortissement possible du premier système oscillant 10 ou pré- lever de l'énergie d'oscillation de manière temporisée de la membrane 13. La lamelle métallique 26, solidairement encastrée, vibre dans la mousse d'amortissement 25 comme l'indique la flèche E. L'amortissement se produit seulement après que le premier système oscillant 10 ait oscillé pendant un certain temps d'une manière pratiquement non perturbée par le système oscillant secondaire 20 pour émettre ou recevoir des ondes d'ultrasons. 2860736 9 REVENDICATIONS 1 ) Capteur d'ultrasons (100) comprenant une membrane (13) et un élément piézo-électrique (14) comme système oscillant primaire (10) relié à une installation d'amortissement, caractérisé en ce que l'installation d'amortissement est un système oscillant secondaire (20) ex-cité de manière temporisée. 2 ) Capteur à ultrasons selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système oscillant secondaire (20) est amorti et notamment son amortissement est réglable. 3 ) Capteur à ultrasons selon la revendication 1, caractérisé par un couplage entre le système oscillant primaire (10) et le système oscillant secondaire (20), couplage dont la rigidité est réglable. 4 ) Capteur à ultrasons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plages de résonance des deux systèmes oscillants (10, 20) se chevauchent. 5 ) Capteur à ultrasons selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système oscillant secondaire (20) comprend une plaquette métallique (24) mobile librement, notamment un couplage entre la plaquette métallique (24) et l'élément piézo-électrique (14) réalisé par de la colle (31). 6 ) Capteur à ultrasons selon la revendication 5, caractérisé en ce que la plaquette métallique (24) est noyée dans une mousse d'amortissement (25). 7 ) Capteur à ultrasons selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système oscillant secondaire (20) comprend une plaquette métallique (26) encastrée solidairement et comportant un autre élément piézo- électrique (27). 8 ) Capteur à ultrasons selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'autre élément piézo-électrique (27) est commandé par un élément de circuit (33), notamment par une commande temporisée. 9 ) Capteur à ultrasons selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la lamelle métallique (26) encastrée solidairement est noyée dans une mousse d'amortissement (25). 10 ) Application d'un capteur à ultrasons (100) selon l'une des revendications 1 à 9, dans un véhicule automobile pour déterminer la distance entre le véhicule et un obstacle.