Brevet FR2916273A1 — publié le 20081121

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif de capteur pour mesurer une pression. Etat de la technique Il est connu de réguler ou de commander le processus de combustion d'un moteur à combustion interne. En régulant l'injection du carburant, on peut optimiser par exemple la consommation de carburant Diesel et diminuer le niveau de bruit. Les émissions de noir de fumée et d'oxydes d'azote peuvent également se réduire par une telle régulation. La régulation du moteur se fonde de préférence sur les conditions de pression régnant dans la chambre de combustion. Ces conditions de pression se détectent à l'aide d'un capteur de pression de chambre de combustion. Mais un tel capteur ne doit pas avoir des dimensions trop grandes ; sa stabilité thermique doit être bonne pour une sensibilité suffisante. On connaît des capteurs de pression de chambre de combustion équipés d'un élément de paroi sous la forme d'un mono-cristal piézo-électrique tel que du quartz ou de la langasit ou encore une céramique piézo-électrique telle que PZT ou BIT. Les monocristaux né- cessitent un usinage mécanique compliqué et en général leur sensibilité de mesure est relativement faible. Les piézo-céramiques utilisés en va-riante ont certes une sensibilité élevée mais présentent souvent des effets d'hystérésis ou de vieillissement. On connaît également des capteurs de pression de cham- bre de combustion piézo-résistifs formés de jauges de contrainte métalliques ou d'éléments de convertisseur Si. Les jauges de contrainte métalliques ont une bonne stabilité thermique mais ne conviennent pas de façon optimale à cause de leur faible sensibilité et de leur dimension relativement importante pour servir de capteurs de chambre de com- bustion d'un moteur à combustion interne. Les capteurs de pression utilisant du silicium ont une sensibilité relativement élevée mais ne peuvent s'utiliser qu'à des températures allant jusqu'à environ 140 C. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un dispo- sitif de capteur pour mesurer la pression dans la chambre de combus- tion d'un moteur à combustion interne offrant une sensibilité de mesure élevée et une stabilité thermique importante tout en permettant une précision de mesure élevée. Le dispositif de capteur selon l'invention doit avoir une construction très souple et permettre un montage très peu encombrant dans la chambre de combustion d'un moteur. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, dans le dispositif de capteur selon l'invention pour mesurer la pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, ayant au moins un élément de ressort électroconducteur et au moins un élément opposé électroconducteur, - l'élément de ressort et l'élément opposé sont en contact mécanique par au moins une plage de contact, - la surface supérieure de contact de l'élément de ressort a un profil de courbure autre que la surface supérieure de contact de 15 l'élément opposé pour que l'action d'une force ou d'une pression produisant une déformation élastique de l'élément de ressort se traduise par une variation de dimension de la plage de contact entre l'élément de ressort et l'élément opposé, et la surface supérieure de contact d'au moins l'un des 20 deux éléments (l'élément de ressort et/ou l'élément opposé) présente un revêtement fortement ohmique pour qu'une variation de dimension de la plage de contact se traduise par une variation de la résistance du dispositif composé de l'élément de ressort et de l'élément opposé. Le dispositif de capteur selon l'invention est un capteur à 25 microcontact piézo-résistif. La conversion de l'action d'une force ou d'une pression ou poussée en un signal électrique repose sur le fait que la résistance électrique de deux corps en contact mécanique par l'intermédiaire d'une couche fortement ohmique (ici l'élément de ressort et l'élément opposé), dépend de la taille de la plage de contact. Du fait 30 des profils de surface différents dans les surfaces de contact de l'élément de ressort et de l'élément opposé, la dimension de la plage de contact varie en fonction de la force appliquée. A côté des profils de surface supérieure la construction ainsi que les propriétés mécaniques et électriques de l'élément de ressort et de l'élément opposé définissent 35 la caractéristique charge-résistance du dispositif de capteur ; ainsi, des mesures constructives simples permettent d'adapter la caractéristique charge-résistance à toute application pratique. En principe, il existe différentes possibilités de réalisation d'un dispositif de capteur selon l'invention à la fois du point de vue des composants séparés du dispositif de capteur que du nombre de composants et leur installation. Comme déjà indiqué, la surface supérieure de contact d'au moins l'un des deux éléments conducteurs (l'élément de ressort et/ou l'élément opposé) sont munis d'un revêtement fortement ohmique. L'élément de ressort et/ou l'élément opposé sont réalisés sous la forme d'un élément composite comprenant au moins deux matières ayant une résistance spécifique différente si bien que la résistance totale du dispositif formée de l'élément de ressort et de l'élément opposé se définit principalement par le revêtement fortement ohmique. C'est 15 pourquoi la surface de la plage de contact est déterminante pour la résistance totale qui sera alors inversement proportionnelle à la force appliquée. Comme matières de revêtement, conviennent par exemple les matières semi-conductrices telles que SiO2 ou Si3N4. La sensibilité du dispositif de capteur selon l'invention peut être améliorée par 20 l'utilisation de matières de revêtement piézo-résistif tel que par exemple SiC ou DLC. Il est avantageux pour avoir un dispositif de capteur selon l'invention qui soit de construction simple, que l'élément opposé soit fixe et ne subisse pratiquement pas de déformation sous l'action d'une 25 force ou d'une poussée ou pression. Selon l'invention, les profils de courbure des surfaces supérieures de contact de l'élément de ressort et de l'élément opposé doivent être différents pour que le contact mécanique ne se fasse que par une ou plusieurs plages de contact. Pour cela, une surface supérieure 30 de contact peut par exemple se déformer de façon homogène. Les plages courbes de l'une des surfaces de contact peuvent également être obtenues par l'impression d'un profil défini de surface. Du point de vue technique, par exemple pour appliquer un revêtement fortement ohmique, il peut être avantageux que la surface de contact à revêtir soit 35 plane. Si l'effet de ressort exercé par l'élément de ressort correspond à une structure courbe, de façon avantageuse l'élément opposé pourra être plan. Comme la résistance de matière stratifiée, très homogène est souvent fortement dépendante de la température, il faut pour cer- taines applications du dispositif de capteur selon l'invention prendre des mesures de compensation de température. Selon un développement particulièrement avantageux de l'invention, on corrige l'influence de la température par une combinaison de caractéristiques constructives et de caractéristiques de circuit. Pour cela, on donne au dispositif de capteur une forme symétrique plane pour comporter au moins un élément opposé entre deux éléments de ressort ou au moins un élément de ressort entre deux éléments opposés. Entre les deux éléments adjacents, on a chaque fois au moins une plage de contact pour que ce montage comporte au moins deux plages de contact entre un élément de ressort 15 et un élément opposé. Les résistances de ces deux plages de contact va-rient en sens opposé sous l'action d'une force. Ces plages sont combinées selon un pont de mesure pour que l'influence de la température sur la grandeur de mesure se compense. Il existe des applications pour lesquelles une réalisation 20 simple du dispositif de capteur selon l'invention est intéressante par exemple dans la chambre de combustion d'un moteur à essence. Le dispositif de capteur selon l'invention peut non seulement se monter de manière simple, mais également s'intégrer dans des applications spéciales à l'aide de moyens de construction appropriés. 25 Par exemple, pour détecter la pression dans la chambre de combustion d'un moteur Diesel, il est avantageux qu'au moins un élément de ressort et au moins un élément opposé du dispositif de capteur selon l'invention présente une forme annulaire et que l'élément de ressort a une surface supérieure de contact bombée en forme de tore. 30 Dans ce cas, le dispositif de capteur peut en effet être simplement intégré dans un composant de la culasse, notamment dans une bougie de préchauffage ou un injecteur. Le centre ouvert de l'anneau permet le passage des lignes d'alimentation des composants de la culasse, par exemple pour le courant de préchauffage dans l'intégration du dispositif de capteur à une bougie de préchauffage, ou pour le carburant dans le cas de l'intégration du dispositif de capteur dans un injecteur. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un dispositif de mesure pour la saisie de la pression dans la chambre de combustion à l'aide d'un dispositif de capteur selon l'invention, - les figures 2a/b montrent le principe de fonctionnement d'un tel dispositif de capteur à microcontact piézo-résistant, - les figures 3a/b montrent la structure d'un dispositif de capteur selon l'invention, et - les figures 4-6 montrent des vues en coupe schématique de trois variantes d'un dispositif de capteur à compensation de température selon l'invention. Description de modes de réalisation Dans le dispositif de mesure 10 selon la figure 1, un composant de culasse à savoir une bougie de préchauffage 1 consti- tuant un élément convertisseur de force-pression. Une extrémité de la bougie de préchauffage 1 pénètre dans la chambre de combustion au-tour de l'extrémité de la bougie de préchauffage 1 non tournée vers la chambre de combustion, on a fixé un tube de support 2. Ce tube dé-passe de l'extrémité de la bougie de préchauffage 1. Du côté de la chambre de combustion, la bougie de préchauffage 1 est reliée à un manchon 4 par l'intermédiaire d'une membrane d'étanchéité 3 élastique linéairement. Ce manchon constitue le moyen de guidage du tube de support 2 pour permettre de coulisser la bougie de préchauffage 1 dans la direction axiale 11. Du côté opposé à la chambre de combustion, le manchon 4 est muni d'un appui annulaire 5 pour le tube de support 2. L'appui 5 sert en outre de palier pour un dispositif de capteur 6 égale-ment de forme annulaire, selon l'invention. Le dispositif de mesure 10 tel que représenté permet de transmettre les conditions de pression régnant dans la chambre de combustion sous la forme d'une action de force F sur la bougie de préchauffage 1 montée de manière coulissante avec le tube de support 2, directement sur le dispositif de capteur 6. Le dispositif de capteur 6 est précontraint en général entre l'appui et le tube d'appui de sorte qu'au montage, les couples de serrage et les sollicitations mécaniques d'origine thermique, ne présentent dans la culasse pratiquement aucun effet sur le dispositif de capteur 6. La ligne d'alimentation électrique pour le courant de préchauffage de la bougie de préchauffage 1 passe ainsi par le tube d'appui 2, l'ouverture annulaire du dispositif de capteur 6 et l'appui 5. Le principe de fonctionnement d'un élément de capteur à microcontact sur lequel se fonde le dispositif de capteur 6 selon la figure 1 sera décrit ci-après en référence aux figures 2a et 2b. Un dispositif de capteur à microcontact se compose d'au moins deux parties ici les parties 21 et 22 en contact mécanique par l'intermédiaire d'au moins une plage de contact 23. Les deux parties 21 et 22 forment en combinaison une résistance électrique définie principalement par l'importance de la plage de contact 23. La surface supérieure de contact de la pièce 21 est courbe et comporte une couche 24 fortement ohmique, qui a une résistance spécifique plus élevée que la matière de support électroconductrice de la pièce 21. Ainsi, comme matériau de support on peut par exemple utiliser un métal revêtu d'une matière semi-conductrice telle que SiO2 ou Si3N4. A la différence de cela, la surface de contact de la partie métallique 22 est pratiquement plane et ne comporte pas de revête-ment. C'est pourquoi la résistance d'ensemble des deux parties 21, 22 est définie principalement par la couche fortement ohmique 24 et les dimensions de la plage de contact 23. La force F que l'on veut saisir agit sur les deux parties 21 et 22 pressées l'une contre l'autre, dont au moins l'une des deux parties 21 et/ou 23 sera déformée élastiquement. La dimension de la plage de contact 23 et par conséquent la résistance électrique de l'ensemble du montage varie ainsi. On a ainsi une relation définie entre la résistance du dispositif de capteur et la force F agissant sur celui-ci. La sensibilité du dispositif de capteur peut être accentuée en plus si l'on utilise comme matière de revêtement un élément piézorésistif tel que SiC ou DLC pour la couche fortement ohmique 24. Un dispositif de capteur 30 sera décrit en liaison avec les figures 3a et 3b. Ce dispositif est conçu pour un dispositif de mesure selon la figure 1. Le dispositif de capteur 30 comporte un élément de ressort 31 représenté seul à la figure 3a. L'élément de ressort 31 à la forme d'un ressort métallique 311 annulaire, muni d'un revêtement et ayant une forme bombée torique. La surface supérieure bombée tournée vers le haut du ressort métallique ou ressort Belleville 311 est munie d'une couche semi-conductrice 312 fortement ohmique. La figure 3b montre l'élément de ressort 31 installé entre deux éléments opposés 32, 33 en forme de disques troués, munis de branchements 34 pour appliquer une tension de mesure permettant de saisir la résistance électrique de ce dispositif de capteur 30. La plage de contact 35 déterminante pour la résistance électrique est ici en forme d'anneau de cercle correspondant à la forme bombée de l'élément de ressort 31 entre la surface supérieure, revêtue, l'élément de ressort 31 et l'élément opposé 32, en dessous. Les figures 4 à 6 montrent des développements de cette variante la plus simple d'un dispositif de capteur selon l'invention. Dans ces développements on a compensé une éventuelle dépendance de la résistance du revêtement fortement ohmique de l'élément de ressort en fonction de la température par une construction appropriée du dispositif de capteur et un câblage adéquat. Les trois variantes représentées aux figures 4 et 6 ont un dispositif de capteur de construction symétrique plane, si bien que ce dispositif de capteur réalise au moins deux plages de contact entre un élément de ressort et un élément opposé. Ainsi, le dispositif de capteur 40 présenté à la figure 4 a un élément opposé 41 en forme de disque troué installé entre deux éléments de ressort 42, 43 ayant la forme de ressort métallique annulaire, non revêtu comme l'élément de ressort 31 représenté à la figure 3a. La forme torique des surfaces supérieures, bombées vers le haut pour les deux éléments de ressort 42, 43 forment chaque fois les surfaces supérieures de contact avec l'élément opposé 41, si bien qu'à la fois entre l'élément de ressort inférieur 42 et l'élément opposé 41 ainsi qu'entre l'élément de ressort supérieur 43 et l'élément opposé 41, on a une plage de contact 42-41 ou 41-43 en forme d'anneau de cercle. Le dispositif de capteur 40 comprend à côté de l'élément opposé 41, central un élément opposé 44 en forme de disque perforé, inférieur et un élément opposé 45 en forme de disque perforé, supérieur. Tous les éléments opposés 41, 44, 45 sont réalisés en une ma- tière électroconductrice telle que par exemple un métal pour permettre de détecter la chute de tension dans les plages de contact 41-42 ou 41-43, séparément entre les éléments opposés 41 et 44 ou entre les éléments opposés 41 et 45. Les résistances correspondant aux deux plages de con- 1 o tact 41-42 et 41-43 sont combinées sous la forme d'un demi-pont d'un montage en pont de Wheatstone. Deux résistances R1 et R2 définies constituent l'autre demi-pont si bien que le montage en pont permet de saisir des variations de résistance relative des plages de contact 41-42 et 41-43, indépendantes de la température. 15 Les deux éléments de ressort 42, 43 du dispositif de capteur 40 sont précontraints. La force à mesurer est appliquée à l'élément complémentaire moyen 41 et produit une sollicitation positive ou négative supplémentaire des éléments de ressort 42 et 43. De façon correspondante, la dimension des plages de contact 41-42 ou 41-43 20 respectives change. Comme déjà indiqué, la variation relative de la résistance qui en résulte peut être saisie de manière simple et indépendamment de la température à l'aide du montage en pont. Le dispositif de capteur 50 de la figure 5 se distingue du dispositif de capteur 40 de la figure 4 principalement seulement en ce 25 que dans ce cas les deux surfaces de contact planes des éléments de ressort 52, 53 en forme de disques troués, soient munies d'un élément opposé 51 entre les deux éléments de ressort 52, 53 ; cet élément opposé 51 a un revêtement fortement ohmique 511 alors que les surfaces de contact des éléments de ressort 52, 53 n'en n'ont pas. Mais cela ne se 30 répercute pas sur le mode de fonctionnement du dispositif de capteur 50 qui correspond à celui du dispositif de capteur 40. De plus, à la figure 5, on a renoncé à représenter les différents autres éléments de contact ce qui est également inutile pour le fonctionnement. A la différence des variantes représentées aux figures 4 et 35 5, la figure 6 montre un dispositif de capteur 60 ayant un élément de ressort 61 installé entre deux éléments opposés 62, 63. Alors que les éléments opposés 62, 63 sont dans ce cas également réalisés par des disques à trou, métalliques, les deux surfaces de contact de l'élément de ressort 61 en forme d'anneau, sont bombées suivant une forme torique et ont un revêtement fortement ohmique 611. La prise du signal se fait ici comme en liaison avec la figure 4, comme cela a été décrit. Enfin, il est à remarquer que le dispositif de capteur selon l'invention pour saisir la pression dans la chambre de combustion d'un véhicule automobile peut être intégré à la fois dans un composant de culasse comme cela a par exemple été décrit en liaison avec la figure 1, mais aussi comme composant indépendant.15 REVENDICATIONS 1 ) Dispositif de capteur (30) pour mesurer la pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne ayant au moins un élément de ressort (31) électroconducteur et au moins un élément oppo- sé (32) électroconducteur, dans lequel : - l'élément de ressort (31) et l'élément opposé (32) sont en contact mécanique par au moins une plage de contact (35), - la surface supérieure de contact de l'élément de ressort (31) a un profil de courbure autre que la surface supérieure de contact de l'élément opposé (32) pour que l'action d'une force ou d'une pression produisant une déformation élastique de l'élément de ressort (31) se traduise par une variation de dimension de la plage de contact (35) entre l'élément de ressort (31) et l'élément opposé (32), et - la surface supérieure de contact d'au moins l'un des deux élément (l'élément de ressort (31) et/ou l'élément opposé) présente un revêtement fortement ohmique (311) pour qu'une variation de dimension de la plage de contact (35) se traduise par une variation de la résistance du dispositif composé de l'élément de ressort (31) et de l'élément opposé (32). 2 ) Dispositif de capteur (30) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement fortement ohmique (311) est en une matière dont la ré- sistance spécifique est supérieure d'au moins un ordre de grandeur à la résistance spécifique de la matière de l'élément de ressort et de la matière de l'élément opposé, notamment en une matière semi-conductrice et en particulier en SiO2 ou Si3N4. 3 ) Dispositif de capteur (30) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement fortement ohmique (311) est en une matière de revête-ment piézo-résistante notamment SiC ou en carbone-diamant (DLC). 4 ) Dispositif de capteur (30) selon la revendication 1,caractérisé en ce que l'élément opposé est fixe et ne subit pas de déformation importante sous l'effet d'une force ou d'une pression. 5 ) Dispositif de capteur (30) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface supérieure de contact de l'élément opposé (32) est pratique-ment plane. 6 ) Dispositif de capteur (40) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins un élément de ressort (42, 43) et au moins un élément opposé (41) sont disposés de manière symétrique plane de façon que cette dis-position donne au moins deux plages de contact (41-42, 41-43) entre un élément de ressort (42, 43) et un élément opposé (41), et les deux résistances formées par les plages de contact (41-42, 41-43) sont combinées dans un pont de mesure. 7 ) Dispositif de capteur (40) selon la revendication 6, comportant au moins un élément opposé (41) installé entre deux éléments de ressort (42, 43). 8 ) Dispositif de capteur (60) selon la revendication 6, comportant au moins un élément de ressort (61) installé entre deux éléments opposés (62, 63). 9 ) Dispositif de capteur (30) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins un élément de ressort (31) et au moins un élément opposé (32) ont une forme annulaire et l'élément de ressort (31) a une surface supérieure de contact bombée en forme de tore. 10 ) Dispositif de capteur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' 512 au moins un élément de ressort et au moins un élément opposé sont intégrés dans un composant de culasse, en particulier dans une bougie de préchauffage (1), dans un injecteur ou dans une bougie d'allumage. 10