FR2944108B1 - Dispositif d'amortissement - Google Patents
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Abstract
Dispositif (1) pour amortir le mouvement d'une masse sismique (5) d'un capteur inertiel micromécanique (7, 8). Le dispositif (1) génère une force d'amortissement (F(v, s)) appliquée au mouvement de la masse sismique (5) en fonction de valeurs d'au moins l'un des paramètres de mouvement (v(a), s(a)) de la masse sismique (5) pour amortir le mouvement de la masse sismique (5), L'amortissement étant produit par voie électrique, notamment électrostatique et/ou électromagnétique et/ou piézo-électrique.
Description
Domaine de l’invention
La présente invention concerne un dispositif d’amortissement, notamment un dispositif d’amortissement du mouvement d’une masse sismique d’un capteur inertiel micromécanique.
Etat de la technique
En technique des microsystèmes, les dimensions des composants sont de l’ordre du micron dans des systèmes pour différentes applications (MEMS = Système Micro-électromécanique). De tels systèmes micro-électromécaniques ou micromécaniques, ont en général un ou plusieurs capteurs et actionneurs ainsi qu’une électronique de commande. L’utilisation de systèmes micromécaniques est envisageable partout où des capteurs ou des actionneurs coopèrent avec de l’électronique. Le plus grand domaine d’application est celui des capteurs inertiels, tels que par exemple les gyroscopes, les capteurs d’accélération et les capteurs d’inclinaison. Ces capteurs sont entre autres utilisés dans le domaine automobile pour déclencher les coussins gonflables et pour détecter le dérapage et le retournement du véhicule.
Une application importante dans le domaine des capteurs inertiels, est celui des simples capteurs d’accélération utilisés souvent pour saisir des accélérations linéaires. En général, on réalise de tels capteurs d’accélération à partir de silicium. Ces capteurs d’accélération sont en général des systèmes ressort-masse dans lesquels les « ressorts » sont des entretoises en silicium d’une largeur seulement de quelques microns et la masse sismique dont on veut détecter l’accélération, est un élément massique en silicium. Le débattement de la masse sismique sous l’effet de l’accélération, permet de mesurer la variation de la capacité électrique entre la partie suspendue élastique-ment et une électrode de référence fixe. Par exemple, ces mesures sont utilisées pour déclencher les coussins gonflables dans des véhicules automobiles. On trouvera une description générale des techniques de fabrication courantes, par exemple dans le document H.-P. Trah, R. Müller-Fiedler, Mikrosystemtechnik im Automobil, Physik Journal 1 (2002), Nr. 11, P. 39-44.
Une autre application importante dans le domaine des capteurs inertiels, est celui des capteurs de vitesse de lacet (encore appelés capteurs de vitesse de rotation). Les capteurs micromécaniques de lacet à un ou plusieurs axes, sont utilisés pour les applications les plus diverses (dans le domaine automobile), par exemple pour les systèmes ESP, les systèmes de navigation et les systèmes de détection de retournement (encore appelés systèmes ROSE) ; dans le domaine des équipements domestiques tels que par exemple la stabilisation d’image, la détection de mouvement et la navigation. Une forme de réalisation usuelle de ces capteurs utilise l’effet Coriolis : une masse suspendue à des ressorts est mise en mouvement de vibration par un mécanisme d’entraînement dans une première direction, si bien que si une vitesse de rotation est appliquée dans la deuxième direction, une force de Coriolis agira sur la masse. Cette forme agit perpendiculairement à la fois à la direction d’entraînement et à celle de la vitesse de rotation appliquée et produit par exemple un mouvement de rotation ou une oscillation de la masse dans cette troisième direction.
Habituellement, les capteurs inertiels micromécaniques sont réalisés par des systèmes vibrants, ressort-masse-amortisseur. En particulier, les capteurs d’accélération simples sont fréquemment équipés d’une enceinte à gaz sous une certaine pression intérieure dans la cavité du capteur assurant un amortissement gazeux influençant de manière avantageuse le comportement en oscillation propre des éléments de mesure. Un oscillateur utilisé comme capteur d’accélération exige une qualité mécanique moindre pour son fonctionnement correct. Un amortissement mécanique suffisant favorise en outre le comportement d’écrêtage du capteur d’accélération en cas de surcharge. En revanche, un capteur de vitesse de rotation (capteur de vitesse de lacet) fonctionne habituellement sous une pression intérieure plus faible dans la cavité du capteur et ainsi une meilleure qualité mécanique. Dans ces conditions, il suffira de puissances motrices plus faibles, d’un fonctionnement sélectif vis-à-vis des accélérations perturbatrices et le bruit électromécanique de l’élément de capteur sera plus faible. Ainsi, pour des capteurs d’accélération et de vitesse de rotation, il faut des qualités dif férentes et ainsi des pressions intérieures différentes dans la cavité du capteur pour assurer un fonctionnement optimum.
Si Ton veut loger des éléments de base de capteur de vitesse de lacet et d’accélération en commun dans une cavité micromécanique, la difficulté est que le capteur d’accélération exige une qualité mécanique moindre pour une pression intérieure élevée pour fonctionner correctement alors que le capteur de vitesse de lacet nécessite une qualité mécanique élevée, c'est-à-dire une faible pression intérieure. On rencontre une difficulté analogue dans le cas de capteurs d’accélération si Ton veut utiliser des techniques d’encapsulage favorisant tout d’abord une pression intérieure faible et permettant d’assurer avec des moyens supplémentaires, un remplissage de gaz.
Exposé et avantages de l’invention
La présente invention concerne un dispositif remédiant aux inconvénients des solutions connues, caractérisé en ce que : le dispositif génère une force d’amortissement appliquée au mouvement de la masse sismique en fonction de valeurs d’au moins l’un des paramètres de mouvement de la masse sismique pour amortir le mouvement de la masse sismique, et l’amortissement est produit par voie électrique, notamment électrostatique et/ou électromagnétique et/ou piézo-électrique.
Le dispositif selon l’invention permet avantageusement d’installer les éléments principaux de capteurs d’accélération et de vitesse de lacet, dans une même cavité de capteur pour les deux types de capteurs avec un amortissement réglé de manière optimale. Cela ne peut être réalisé dans le cas de l’amortissement classique, simplement par un amortissement gazeux. De façon préférentielle, la présente invention remplace l’amortissement gazeux par un amortissement électrostatique, électromagnétique et/ou piézo-électrique de sorte que dans chaque cas, on utilisera une pression intérieure aussi réduite que possible dans la cavité de capteur ; l’amortissement et ainsi la qualité résultante des structures oscillantes, seront obtenus par des forces régulées de façon appropriée. En outre, dans les capteurs d’accélération utilisant des techniques favorisant les faibles pressions intérieures dans la qualité de cavité de capteur, on a l’avantage de ne pas nécessiter de remplissage de gaz supplémentaire grâce aux techniques de régulation d’amortissement selon l’invention. Dans les capteurs d’accélération, les techniques du réglage d’amortissement selon l’invention, s’appliquent normalement sans difficulté. Si en cas de surcharge, les efforts ou contraintes induites par les techniques selon l’invention (notamment les forces de contre-réaction électrostatiques) devaient être dépassés par le besoin d’amortissement, il est possible de miniaturiser encore plus les éléments de capteurs. C’est ainsi qu’avec une miniaturisation suffisante des masses sismiques et des intervalles dans les structures d’amortissement électrostatique, on pourra même faire fonctionner des capteurs d’accélération à forte gravité G (par exemple les applications pour les coussins gonflables), avec des caractéristiques d’écrêtage avantageuses.
Suivant une autre caractéristique avantageuse de l’invention : la relation entre la force amortissant le mouvement de la masse sismique et les valeurs d’au moins un paramètre de mouvement, est donnée par le mode d’action physique de l’amortissement.
Suivant une autre caractéristique avantageuse, le dispositif comprend en outre : une installation de détection pour détecter au moins un paramètre de mouvement de la masse sismique, et une installation d’amortissement pour appliquer à la masse sismique et en fonction des valeurs saisies d’au moins un paramètre de mouvement détecté, une force amortissant le mouvement de la masse sismique.
Dans le dispositif selon l’invention, le mouvement à amortir de la masse sismique, est avantageusement le mouvement généré par l’accélération à laquelle est exposé le capteur inertiel.
Dans le dispositif, le paramètre de mouvement de la masse sismique, est le débattement de la masse sismique occasionné par l’accélération du capteur inertiel.
De façon avantageuse : la force d’amortissement est d’autant plus grande que le débattement de la masse sismique occasionné par l’accélération du capteur inertiel, est grand, ou la force d’amortissement est proportionnelle au débattement (s(a)) de la masse sismique engendré par l’accélération du capteur inertiel, ou encore la force d’amortissement est proportionnelle au carré du débattement de la masse sismique engendré par l’accélération (a) du capteur inertiel.
Suivant une autre caractéristique avantageuse : l’un des paramètres de mouvement de la masse sismique, est la vitesse du débattement de la masse sismique engendré par l’accélération du capteur inertiel, et la force d’amortissement est d’autant plus grande que la vitesse du débattement de la masse sismique occasionnée par l’accélération du capteur inertiel, est grande, ou la force à amortir est proportionnelle à la vitesse du débattement de la masse sismique occasionné par le capteur inertiel, ou encore la force à amortir est proportionnelle au carré de la vitesse du débattement de la masse sismique engendré par l’accélération du capteur inertiel.
Suivant une autre caractéristique le dispositif : coopère avec un capteur de vitesse de lacet et un capteur d’accélération, notamment avec la masse sismique du capteur d’accélération et du capteur de vitesse de lacet, et le capteur de vitesse de lacet et le capteur d’accélération sont logés en commun dans une cavité micromécanique.
Enfin, suivant une autre caractéristique : la cavité a une pression intérieure aussi faible que possible et également nulle de façon que les éléments de capteurs ne soient soumis qu’à un faible amortissement gazeux ou pas d’amortissement gazeux.
Dessins
La présente invention sera décrite ci-après à l’aide d’exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 montre un premier mode de réalisation du dispositif selon l’invention, la figure 2 montre un second mode de réalisation du dispositif selon l’invention, la figure 3 montre un troisième mode de réalisation du dispositif selon l’invention, la figure 3b montre un quatrième mode de réalisation du dispositif selon l’invention, la figure 3c montre un cinquième mode de réalisation du dispositif selon l’invention.
Description des modes de réalisation
La figure 1 montre schématiquement l’implantation d’un premier mode de réalisation du dispositif 1 selon l’invention pour amortir le mouvement d’une masse sismique 5 d’un capteur inertiel micromécanique 7, 8 dans un système micromécanique. Comme l’indique le bloc tracé en trait interrompu, le dispositif 1 est conçu pour appliquer à la masse sismique 5, en fonction de valeurs d’au moins un paramètre de mouvement v(a), s(a) de la masse sismique 5, une force F(v, s) amortissant le mouvement de la masse sismique 5. L’amortissement se fait par voie électrostatique et/ou électromagnétique et/ou piézo-électrique.
De manière préférentielle, le mouvement de la masse sismique 5 à amortir est le mouvement provoqué par l’accélération (a) à laquelle est exposé le capteur inertiel 7, 8. Ce mouvement se distingue par exemple du mouvement d’oscillation forcée d’un capteur de vitesse de rotation (vitesse de lacet) qui représente une direction de référence pour une vitesse de rotation à mesurer en utilisant l’effet de Coriolis. Comme paramètres de mouvement, on utilise par exemple le débattement s(a) occasionné par l’accélération (a) du capteur inertiel 7, 8 de la masse sismique 5 et/ou la vitesse v(a) occasionnée par l’accélération (a) du capteur inertiel 7, 8 pour le débattement s(a) de la masse sismique 5.
Il est alors possible d’une part, que la relation représentant la force F(v, s) amortissant le mouvement de la masse sismique 5 et d’autre part, les valeurs d’au moins un paramètre de mouvement v(a), s(a), soient données directement par l’action physique de l’amortissement. Dans le cas d’un amortissement électrostatique, il est par exemple possible que des structures chargées électriquement dans le même sens, qui se déplacent et qu’il faut amortir, se repoussent avec une force croissante à mesure qu’ils se rapprochent, et qu’ainsi la force d’amortissement F(v, s) augmente « automatiquement » en fonction de l’augmentation du débattement s(a). La relation de la force F (v, s) à amortir suit ainsi des lois physiques propres comme par exemple les lois de l’électrostatique.
Mais il est tout aussi possible que le dispositif 1 selon l’invention comporte en supplément, une installation de détection 6 conçue pour détecter au moins l’un des paramètres de mouvement v(a), s(a) de la masse sismique 5, par une détection active. Une installation d’amortissement 10 conçue pour appliquer à la masse sismique 5, en fonction des valeurs saisies d’au moins l’un des paramètres de mouvement détectés v(a), s(a), une force F(v, s) amortissant le mouvement de la masse sismique 5, si bien que l’on pourra également réaliser des profils d’amortissement qui dépassent les possibilités du réglage d’amortissement à contre-réaction autonome décrit en premier lieu.
Si la force F(v, s) à amortir, dépend du débattement s(a) de la masse sismique 5 occasionné par l’accélération (a) du capteur inertiel 7, 8, il est intéressant que la force d’amortissement F(v, s) soit d’autant plus grande, que le débattement s(a) de la masse sismique engendré par l’accélération (a) du capteur inertiel 7, 8, est grand. On évite ainsi de solliciter de manière excessive le capteur inertiel 7, 8. En particulier, il est par exemple possible que la force d’amortissement F(v, s) soit proportionnelle au débattement s(a) de la masse sismique 5 généré par l’accélération (a) du capteur inertiel 7, 8. De manière particulièrement avantageuse, la force d’amortissement F(v, s) est proportionnelle au carré du débattement s(a) de la masse sismique 5 provoqué par l’accélération (a) du capteur inertiel 7, 8. Cela se réalise d’une manière particulièrement simple par l’amortissement électrostatique déjà décrit ci-dessus, car la force entre deux corps chargés électriquement, est inversement proportionnelle au carré de l’intervalle, distance (croissant) des deux corps, c'est-à-dire que la force entre les deux corps augmente au carré en fonction de la réduction de la distance.
De façon analogue, il est avantageux que la force F(v, s) à amortir dépende de la vitesse instantanée du mouvement de débatte ment de la masse sismique 5, vitesse engendrée par l’accélération (a) du capteur inertiel 7, 8, de façon que la force d’amortissement F(v, s) soit d’autant plus grande que la vitesse instantanée du mouvement de débattement de la masse sismique 5 occasionné par l’accélération (a) du capteur inertiel 7, 8, est grande. C’est ainsi que par exemple, la force F(v, s) à amortir, sera proportionnelle à la vitesse instantanée de débattement v(a) du mouvement de débattement de la masse sismique 5 provoqué par l’accélération (a) du capteur inertiel 7, 8. Il est également possible d’avoir une force d’amortissement F(v, s) proportionnelle au carré de la vitesse instantanée de débattement v(a) du mouvement de débattement de la masse sismique 5 engendré par l’accélération (a) du capteur inertiel 7, 8.
La figure 2 montre un second mode de réalisation du dispositif selon l’invention sous la forme d’un schéma par blocs pour une régulation préférentielle de la force d’amortissement F(v, s). Cette régulation est fondée sur un mode de contre-réaction d’un élément de capteur 7, 8 réalisé sous la forme d’un système ressort-masse-amortisseur dont la masse sismique 5 est exposée à l’accélération (a) à mesurer. Cette accélération (a) produit un mouvement de débattement de la masse sismique 5 dans l’élément de capteur. Différents paramètres de ce mouvement de débattement tels que par exemple le débattement s(a) et/ou la vitesse v(a) du débattement s(a) de la masse sismique 5, sont détectés par l’installation de détection 6. Les valeurs détectées du mouvement de débattement sont transmises par l’installation de détection 6 à l’installation d’amortissement 1, 10 ; celle-ci génère par l’intermédiaire d’un compensateur K, une force F(v, s) opposée au mouvement de débattement instantané de la masse sismique 5. L’installation d’amortissement 1, 10 sollicite alors la masse sismique 5 avec cette force d’amortissement supplémentaire F(v, s). Cette force d’amortissement peut être appliquée par voie électrostatique, piézoélectrique et/ou électromagnétique sur la masse sismique 5.
La figure 3a montre un troisième mode de réalisation du dispositif selon l’invention réalisé avec un capteur d’accélération 7 et une installation d’amortissement 1, 10 agissant sur celui-ci, ces moyens étant logés dans une cavité de capteur 9. Dans le cas de l’utilisation de capteurs d’accélération 7, les forces sont couplées en retour à la masse sismique 5 par des compensateurs appropriés. Comme compensateurs, on envisage entre autres les types PDTi et PIDTi, PT2, usuels en matière de régulation : PDTi proportionnel, différentiel, temporisé du 1er ordre, PIDTi proportionnel, intégral, différentiel, temporisé du 1er ordre, PT2 proportionnel, temporisé du 2ème ordre, DTi différentiel, temporisé du 1er ordre, mais également des types plus complexes. Le faible amortissement d’une structure oscillante encapsulée sous une faible pression de gaz, sera augmenté jusqu’à obtenir un comportement oscillatoire optimisé. Mais comme habituellement, les capteurs d’accélération doivent également saisir des signaux continus, on peut envisager pour la contre-réaction, d’utiliser notamment des forces électrostatiques ou électromagnétiques pour les capteurs d’accélération.
La figure 3b montre un quatrième mode de réalisation du dispositif selon l’invention, comportant un capteur de vitesse de rotation (capteur de vitesse de lacet) 8, et une installation d’amortissement 1, 10 agissant sur celui-ci ; ces moyens sont logés dans une cavité de capteur 9. Avec les capteurs de vitesse de lacet, on mesure fréquemment les accélérations de Coriolis par des structures d’accélération et on en déduit les vitesses de lacet. Pour régler l’amortissement, on assure également dans ce cas, le couplage en réaction des efforts vers la masse sismique 5 par des compensateurs appropriés. Comme compensateurs, on peut envisager ici par exemple les compensateurs de types DTi et PT2, mais on peut également envisager des types plus complexes. La qualité mécanique des oscillateurs de capteurs de vitesse de lacet équipés de tels compensateurs, est réduite à un niveau tel que la courbe de résonance atteint une largeur de bande pour avoir au moins la largeur de bande de mesure souhaitée pour les capteurs de vitesse de lacet. La fréquence de l’amplification de résonance est influencée très peu. Comme pour des capteurs de vitesse de lacet, on souhaite saisir les accélérations de Coriolis seulement dans la plaque de fréquence entourant la fréquence d’oscillation, il n’est pas nécessaire de saisir des signaux continus de sorte que dans ce cas également, pour la contre-réaction, on peut bien utiliser des forces électrostatiques, électromagnétiques et aussi piézoélectriques.
La figure 3c montre dans un cinquième mode de réalisation du dispositif de l’invention, une réalisation avec un capteur d’accélération 7 et un capteur de vitesse de lacet 8, ainsi qu’une installation d’amortissement 1, 10, agissant sur ces capteurs, l’ensemble étant logé dans une cavité de capteur 9. La cavité 9 est à une pression intérieure aussi faible que possible et de manière idéale sans aucune pression intérieure, de sorte que les éléments de capteurs ne seront soumis à un amortissement gazeux que très faible, voire inexistant. Cela permet d’arriver à un amortissement réglable de manière optimale pour les deux types de capteur par un amortissement électrostatique, électromagnétique et/ou piézo-électrique selon l’invention.
Claims (4)
- REVENDICATIONS 1°) Dispositif (1) pour amortir le mouvement d’une masse sismique (5) d’un capteur inertie! micromêcanïque (7. 8), caractérisé en ce que le dispositif (1) génère une force d’amortissement (F(v, s)) appliquée au mouvement de la masse sismique (5) en fonction de valeurs d’au moins l’un des paramètres de mouvement (v(a), s(a)) de la masse sismique (5) pour amortir le mouvement de la masse sismique (5), l’amortissement est produit par voie électrique, le paramètre de mouvement (v(a), s(a)) de la masse sismique (5), est le débattement (s(a)) de la masse sismique (5) occasionné par l’accélération (a) du capteur inertiel (7, 8), et la force d’amortissement (F(v, s)) est d’autant plus grande que le dëbattement (s(a)) de la masse sismique (5) engendré par l’accélération (a) du capteur inertiel (7, 8), est grand.
- 2°) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la relation entre la force (F(v, s)) amortissant le mouvement de la masse sismique (5) et les valeurs d’au moins un paramètre de mouvement (v(a), s(a)), est donnée par le mode d’action physique de l’amortissement.
- 3°) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’ il comprend en outre : une installation de détection (6) pour détecter au moins un paramètre de mouvement (v(a), s(a)) de la masse sismique (5), et une installation d’amortissement (10) pour appliquer à la masse sismique (5), une force (F(v, s)) amortissant le mouvement de la masse sismique (5), en fonction des valeurs saisies d’au moins un paramètre de mouvement détecté (v{a), s(a)).
- 4°) Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 à3, caractérisé en ce que le mouvement à amortir de la masse sismique (5), est le mouvement généré par l’accélération (a) à laquelle est soumis le capteur inertiel (7, 8), 5°) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la force d’amortissement (F(v, s)) est proportionnelle au débattement (s(a)) de la masse sismique (5) engendré par l’accélération (a) du capteur inertiel (7, 8). 6°) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la force d’amortissement (F(v, s)) est proportionnelle au carré du débattement (s(a)) de la masse sismique (5} engendré par l’accélération (a) du capteur inertiel (7S 8). 7°) Dispositif (1) selon, la revendication 1, caractérisé en ce que l’un des paramètres de mouvement (v(a), s(a)) de la masse sismique (5), est la vitesse (v(a)) du débattement (s(a)) de la masse sismique (5) engendré par l’accélération (a) du capteur inertiel (7, 8). 8°) Dispositif (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la force d’amortissement (F(v, s)) est définie en fonction de la vitesse (v(a)) du débattement (s(a)) de la masse sismique (5), par l’une des fonctions suivantes : - la force d’amortissement (F(v, s)) est d’autant plus grande que la vitesse (v(a)) du débattement (s(a)) de la masse sismique (5) occasionnée par l’accélération (a) du capteur inertiel (7, 8), est grande, - la force à amortir (F(v, s)) est proportionnelle à la vitesse (v(a)) du débattement (s(a)) de la masse sismique (5) occasionné par le capteur inertiel (7, 8), - la force à amortir (F(v, s)) est proportionnelle au carré de la vitesse (v(a)) du débattement (s(a)) de la masse sismique (5) engendré par l’accélération (a) du capteur inertiel (7, 8). 9°) Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu5 il coopère avec un capteur de vitesse de lacet et un capteur d’accélération, notamment avec la masse sismique (5) du capteur d’accélération (7) et du capteur de vitesse de lacet (8), et notamment le capteur de vitesse de lacet et le capteur d’accélération sont logés en commun dans une cavité micromécanique (9). 10°) Dispositif (1) selon la revendication 9, caractérisé en ce que la cavité (9) a une pression intérieure aussi faible que possible et également nulle de façon que les éléments de capteurs ne soient soumis qu’à un faible amortissement gazeux ou pas d’amortissement gazeux.
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