Brevet FR2944175A1 — publié le 20101008

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé pour atténuer l'amortissement d'un composant mécanique oscillant après une excitation, notamment du convertisseur d'un capteur d'ultrasons selon lequel, le composant est combiné à un circuit de commande et d'exploitation. L'invention concerne également un convertisseur électro-acoustique avec un composant mécanique oscillant pour la mise en oeuvre de ce procédé. Etat de la technique Les convertisseurs électro-acoustiques, notamment les capteurs d'ultrasons, sont utilisés en technique automobile pour mesurer des distances par rapport à des obstacles, par exemple dans le cas des systèmes d'assistance aux manoeuvres de parking pour mesurer l'emplacement de parking ou détecter un angle mort. Le rôle des capteurs consiste à émettre des impulsions sonores, recevoir les signaux réfléchis par les obstacles, les amplifier et en déduire des signaux exploitables pour les fournir à un appareil de commande. De tels capteurs à ultrasons doivent pouvoir détecter des obstacles dans une plage définie. La distance maximale entre l'obstacle et le capteur à ultrasons, est limitée par la pression sonore générée et la sensibilité sonore du capteur. L'aptitude à mesurer dans le domaine proche, est limitée par la durée de l'atténuation de l'amortissement du capteur à ultrasons. Pour pouvoir saisir de petits écarts entre un obstacle et le capteur à ultrason, il faut que l'amortissement soit aussi bref que possible. Or, l'amortissement dépend de la qualité électrique du convertisseur d'ultrasons et de l'accord de son branchement électrique. Le branchement peut se composer principalement d'un circuit oscillant parallèle ayant une qualité définie et une certaine fréquence de résonance. Les écarts par rapport à la conception optimale du circuit tels que les tolérances des composants ou la variation en fonction de la température, se traduisent par une détérioration de l'amortissement. Il est connu de raccourcir la durée d'amortissement en équilibrant l'inductance du circuit oscillant parallèle du capteur dans le 2 procédé de fabrication. Selon le document DE 198 36 483 Al, il est connu de faire fonctionner un capteur ferroélectrique comme composant oscillant selon un procédé impulsion-écho. Pour réduire le temps d'amortissement du capteur, le document DE 198 36 483 Al, prévoit de déduire une tension proportionnelle à l'amortissement et de réinjecter cette tension dans le composant mécanique. Cela se réalise par une boucle d'entrée du composant dans un montage en pont. But de l'invention La présente invention a pour but de réduire la durée d'amortissement des capteurs à ultrasons et leur dépendance vis-à-vis de la dispersion des paramètres des composants utilisés ainsi que des influences de la température, d'une manière fiable et économique et de développer un procédé correspondant ainsi qu'un convertisseur électro-acoustique. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que - on découple la tension électrique lors de l'amortissement du composant mécanique, - on fournit la tension découplée comme tension d'entrée à un moyen de décalage générant une tension de sortie de même fréquence mais déphasée, et - on convertit la tension de sortie en une intensité d'amortissement couplée en retour dans le composant mécanique. L'idée de base de l'invention consiste à découpler la tension fournie par le composant mécanique oscillant, notamment le convertisseur d'ultrasons dans la période d'atténuation. La tension ainsi découplée, est appliquée comme tension d'entrée à un moyen de décalage qui fournit ensuite une tension de sortie déphasée et ayant la même fréquence. Cette tension de sortie est de nouveau convertie en un courant d'amortissement réinjecté dans le composant mécanique. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, le moyen coulissant est réalisé par un circuit filtre, notamment un filtre passe-bande, ayant une caractéristique de 3 transfert qui correspond au moins approximativement au circuit électrique équivalent du composant mécanique oscillant. Le composant oscillant peut être caractérisé par un circuit électrique équivalent composé d'une capacité et d'un circuit oscillant série, branché en parallèle sur la capacité et comprenant une résistance, une inductance et une capacité. Un courant fictif traversant le circuit oscillant série, correspond à la vitesse d'oscillation du composant oscillant. Pour recevoir le signal d'écho, on découple la tension par le chemin de réception qui prélève le signal d'écho sur le convertisseur d'ultrasons, notamment pour l'amplifier, le traiter et le fournir à un capteur. De façon analogue, dans le cas de l'amortissement actif, on découple la tension dans la période d'amortissement en utilisant un circuit analogue. Un avantage important de l'invention est de réaliser l'amortissement du filtre, secondaire selon l'invention, avec les parties de circuit existantes. L'invention constitue ainsi une solution simple et économique de commande de capteurs à ultrasons dont la durée d'amortissement est ainsi réduite de manière significative. Les capteurs peuvent assurer une mesure exacte de petites distances par rapport à un objet. De plus, le procédé selon l'invention assure une indépendance très élevée vis-à-vis de la dispersion des paramètres des composants utilisés, ainsi que vis-à-vis de l'influence de la température. De façon avantageuse, le signal obtenu avec une source de courant, est injecté dans le circuit de commande du convertisseur d'ultrasons pour apparaître en opposition de phase par rapport au courant de la branche série du schéma équivalent. Le couplage en retour se fait par un chemin de couplage en retour équipé d'un interrupteur. L'interrupteur permet de régler un intervalle de temps à la suite de l'excitation, dans lequel il y a un couplage en réaction. Il est ainsi avantageux d'amplifier tout d'abord le signal de tension découplé avant de l'appliquer comme tension d'entrée au moyen de décalage. Pour cela, le chemin de réception comporte un amplificateur relié à une capacité et à deux résistances. Ces éléments servent également à régler une amplification définie et la sensibilité du capteur. 4 De façon préférentielle, le circuit de commande comporte un transformateur dont l'inductance secondaire forme un circuit oscillant parallèle avec une capacité ainsi qu'avec la capacité du composant mécanique, et la fréquence de résonance du circuit oscillant parallèle, est accordée sur la fréquence de résonance du composant oscillant. Le transformateur est formé de préférence de trois inductances parmi lesquelles deux inductances forment le primaire. Il permet de générer des tensions plus élevées pour commander le convertisseur d'ultrason. Il est avantageux de disposer d'une tension plus élevée pour atteindre un niveau de son plus élevé et ainsi d'avoir une plus grande portée pour le capteur. 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 montre le schéma d'un mode de réalisation préférentiel d'un convertisseur électro-acoustique selon l'invention, - la figure 2 est un graphique d'une phase d'amortissement simulé dans le cas d'un convertisseur électro-acoustique sans amortissement actif, - la figure 3 est une représentation graphique de la phase de fin d'oscillation simulée dans le cas d'un convertisseur électro-acoustique selon la figure 1. Description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention La figure 1 montre une partie d'un circuit de commande et d'exploitation d'un capteur à ultrasons appliquant le procédé de l'invention. Le convertisseur de son est un oscillateur à membrane à entraînement piézo-électrique. Il est représenté à la figure 1 par les éléments électriques équivalents CO, Cs, Ls et Rs du schéma équivalent 1. Le paramètre Cs correspond à l'inverse de la rigidité de ressort du système, Ls à la masse inerte du composant oscillant et Rs aux pertes internes et externes d'énergie mécanique. Le courant I dans le circuit oscillant série Cs, Ls, Rs, correspond à la vitesse de la membrane liée aux composants oscillants. Rs est relié d'un côté à la masse. Cs est relié d'un côté à un filtre pour l'amortissement actif en phase de fin d'oscillation. CO correspond à la capacité électrique du convertisseur d'ultrason. Le convertisseur d'ultrasons assure à la fois l'émission et la réception des ultrasons. Les éléments du circuit émetteur/récepteur 2 5 comprennent des transistors M1 et M2 qui commutent périodiquement un courant constant à la fréquence de résonance du convertisseur. Les portes U4A et U4B définissent la durée des impulsions sonores. Un transformateur composé des éléments L1 - L3, génère des tensions suffisamment élevées pour la commande. Avec les capacités C3 et CO, le transformateur L3 constitue un circuit oscillant parallèle dont la fréquence de résonance est définie par la résonance série ces du convertisseur d'ultrasons. Les éléments C1, R1, R2, U2, correspondent à l'entrée du chemin de réception du signal d'écho pour l'exploitation de ce signal d'écho. Pour avoir un amortissement actif, on complète le circuit par un filtre 3 formé des composants C2, R3, R4, BPASS 1, G1, U 1. L'amplificateur U3 reçoit la tension par les éléments C2, R3 et R4. Cette tension correspond à l'oscillation en cours d'amortissement du convertisseur d'ultrasons. Les fonctions des deux amplificateurs U3 et U2 sont analogues ; toutefois, l'amplificateur U2 doit amplifier des petits signaux de réception et l'amplificateur U3 des amplitudes de tension relativement importantes en appliquant un traitement linéaire. En aval de l'amplificateur, il y a un filtre passe-bande BPASS 1. Le filtre est un élément essentiel pour l'amortissement actif du circuit présenté. En aval du filtre BPASS 1, on a un convertisseur tension/intensité G1 et un interrupteur U l. La fermeture de l'interrupteur U l branche le circuit de filtre en phase d'amortissement. L'interrupteur U 1 est ouvert au début de chaque phase de réception. L'interrupteur U 1 sera fermé après l'excitation de l'émetteur et de nouveau ouvert après une période définie qui correspond à la durée d'amortissement. L'amortissement actif agit lorsque l'interrupteur U l est fermé. Le signal commuté est injecté dans le primaire du transformateur. Sa phase permet de compenser l'intensité I dans le circuit équivalent Cs, Ls, Rs. La phase du signal injecté doit être dirigée 6 pour avoir une compensation absolue ou du moins une forte compensation du courant dans la branche série Cs, Ls, Rs. De manière préférentielle, on se met en opposition de phase par l'inversion appropriée du sens d'enroulement d'une bobine du transformateur constituant l'inductance. Pour un effet particulièrement efficace, le signal sera injecté en opposition de phase par rapport à l'intensité. L'intensité pourrait également être appliquée au secondaire du transformateur. Mais pour cela, il faut que l'interrupteur et la source de tension, présentent une tenue en tension plus importante. Selon une variante préférentielle, l'amplificateur U3 complété par les éléments C2, R3 et R4, peut assurer la fonction d'un amplificateur de signal pour préparer le signal d'écho. Pour cela, il faut que l'amplification du dispositif puisse être commutée. L'amplification sera alors commutée à un niveau élevé en phase de réception d'écho. Le chemin de réception composé des éléments U2, C1, R1 et R2 est corrigé dans ce cas. Selon l'invention, l'utilisation d'un convertisseur électro-acoustique comme convertisseur d'ultrasons est appliquée à un système d'assistance aux manoeuvres de rangement d'un véhicule automobile. Un avantage de cette application est la possibilité de mesurer des distances même très réduites, par exemple 5 cm, ce qui permet un rangement précis du véhicule automobile. Le circuit oscillant série, mécanique représenté à la figure 1 par les éléments Cs, Ls, Rs ; correspond à une équation différentielle du deuxième ordre d'expression suivante : A2 •.x"+•x'+AO .x= fe (t) (1) Dans cette équation, x" est une accélération, x' une vitesse, x un débattement et fe (t) une fonction d'excitation. Ao désigne la constante de ressort, Ai l'amortissement et A2, la masse. L'équation différentielle du circuit équivalent est donnée par la formule suivante : d2is dis is e du LS dt2 + Rs dt + Cs dt s (2) 5 10 7 Par analogie avec l'équation (1), l'amortissement correspond à la résistance Rs. L'amortissement peut être influencé en ajoutant à l'intensité is, des grandeurs proportionnelles à la fonction d'excitation due/dt. On obtient ainsi : d2is dis is due dis LS 2 + RS dt + Cs _ dt + Rs dt dt et en regroupant les termes correspondant à l'amortissement, on obtient la formule suivante : dei di du L S+ R -R s+ e S dt2 S S -) dt Cs dt Pour la fonction de contre couplage, il faut l'intensité is. L'intensité is ne peut toutefois pas se mesurer dans le circuit, car en 15 parallèle à la branche série, on a la capacité CO. L'intensité is peut toutefois se déduire à l'aide d'un filtre selon l'invention qui réalise la fonction is = f (ue) selon l'équation (2). La fonction de transfert recherchée est la suivante : (3) (4) 20 pCs •ue (5) p2 +p•Cs •Rs +1 2 25 avec 1 ws = VLS •Cs dans laquelle p est l'opérateur de Laplace. Les figures 2 et 3 montrent des opérations d'amortissement simulé, respectif, d'un convertisseur électro-30 acoustique après une excitation. La figure 2 montre l'amortissement n'utilisant pas de filtre ; la figure 3 montre l'amortissement avec le filtre 8 de la figure 1. Sur l'axe horizontal des figures 2 et 3, on a représenté le temps mesuré en millisecondes. Sur l'axe vertical supérieur, aux figures 2 et 3, on a représenté la tension en millivolts à la sortie OUT de U3. Sur l'axe vertical intermédiaire aux figures 2 et 3, on a représenté l'intensité Is en milliampères dans le circuit série Cs, Ls, Rs. L'axe vertical intérieur aux figures 2 et 3 donne la tension Us en volts à échelle logarithmique dans le circuit série Cs, Ls, Rs sans ou avec branchement du filtre. Sans amortissement, la durée de fin d'oscillation est de 1200 �s (figure 2). L'amortissement actif réduit considérablement la durée d'amortissement. Elle n'est plus que de 890 �s (figure 3). La durée d'amortissement de la simulation est ainsi réduite de 310 �s.15 REVENDICATIONS1 °) Procédé pour atténuer l'amortissement d'un composant mécanique oscillant après une excitation, notamment du convertisseur d'un capteur d'ultrasons selon lequel, le composant est combiné à un circuit de commande et d'exploitation, caractérisé en ce que - on découple une tension électrique lors de l'amortissement du composant mécanique, - on fournit la tension découplée comme tension d'entrée à un moyen de décalage générant une tension de sortie de même fréquence mais déphasée, et - on convertit la tension de sortie en une intensité d'amortissement couplée en retour dans le composant mécanique. 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couplage en retour se fait par un chemin de couplage en retour comportant un interrupteur, et le couplage en retour se fait dans un intervalle de temps réglé par l'interrupteur, à la suite de l'excitation. 3°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on amplifie d'abord la tension découplée avant de l'appliquer comme tension d'entrée au moyen de décalage. 4°) Convertisseur électro-acoustique comportant un composant mécanique oscillant, notamment pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé par - un circuit d'amortissement comportant un moyen de décalage, un convertisseur tension/intensité et un élément de commutation, - le circuit amortisseur recevant une tension découplée comme grandeur d'entrée et fournissant, une intensité d'amortissement comme grandeur de sortie, 10 - des moyens assurant le couplage en retour du signal d'amortissement vers un circuit de commande. 5°) Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de décalage est un filtre, notamment un filtre passe-bande, ayant une caractéristique de transfert au moins sensiblement égale à celle du circuit électrique équivalent du composant à oscillation mécanique. 6°) Convertisseur selon la revendication 5, caractérisé par un amplificateur dans le circuit d'amortissement pour amplifier la tension découplée, l'amplificateur précédent le filtre passe-bande, l'amplificateur ayant notamment une capacité (C2) et une résistance (R3) en série et aussi un amplificateur avec une résistance (R4) en parallèle. 7°) Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé par un convertisseur tension/intensité (G 1) en aval du filtre passe-bande (BPASS 1) et le montage en série de l'interrupteur (U 1) en aval. 8°) Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'amplificateur peut être commuté.30