Brevet FR2860295A1 — publié le 20050401

L'invention concerne la mesure de couple sur un arbre rotatif d'un véhicule automobile. Une telle mesure de couple est notamment utilisée pour extrapoler la position angulaire du volant. Un dispositif de mesure de couple d'une colonne de direction du type magnétostrictif est notamment connu. L'arbre de la colonne de direction est solidaire d'un premier enroulement en matériau magnétostrictif. Un deuxième enroulement est disposé en vis-àvis du premier enroulement et solidarisé à un bâti par rapport auquel l'arbre est monté pivotant. Lorsqu'un couple est appliqué sur l'arbre de la colonne de direction, les contraintes générées sur le premier enroulement modifient le couplage entre les premier et deuxième enroulements. Un traitement approprié de la tension aux bornes du second enroulement permet de déduire le couple appliqué à l'arbre. Ce dispositif de mesure de couple est cependant relativement complexe et coûteux. L'invention vise ainsi à résoudre cet inconvénient. L'invention porte ainsi sur un dispositif de mesure du couple appliqué sur un arbre rotatif de véhicule automobile, comprenant: - un élément piézoélectrique présentant au moins une surface d'application directe ou indirecte d'un effort sollicitant l'élément piézoélectrique en torsion autour d'un axe, une première et une deuxième surfaces opposées sur lesquelles l'élément piézoélectrique génère des charges lorsqu'il est sollicité selon ladite torsion; - un circuit statique de mesure des charges générées sur les surfaces opposées, présentant des moyens de mesure sans contact des charges générées. Selon une variante, le circuit de mesure comprend: - un amplificateur délivrant en sortie un signal représentatif du couple appliqué sur l'arbre; - une première capacité de transmission connectée entre la première surface et l'entrée inverseuse; -une deuxième capacité de transmission connectée entre la deuxième surface et l'entrée non inverseuse; -un condensateur dont les électrodes sont connectées respectivement à l'entrée inverseuse et à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur, destiné à convertir les charges générées sur lesdites surfaces de l'élément piézoélectrique en différence de potentiel entre ses électrodes. Selon encore une variante, le dispositif comprend un bâti, l'élément piézoélectrique est un manchon cylindrique encastré dans le bâti, dont la surface radiale intérieure est destinée à guider l'arbre en rotation, et dont les surfaces d'extrémité axiale forment les première et deuxième surfaces de génération de charge. Selon une autre variante, les première et deuxième capacités comprennent deux anneaux métalliques disposés respectivement en regard des surfaces d'extrémité axiale de l'élément piézoélectrique, et connectés respectivement à l'entrée inverseuse et à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur. Selon encore une autre variante, le manchon est isolé électriquement du bâti dans lequel il est encastré. On peut encore prévoir que le dispositif comprenne un bâti, deux roulements espacés axialement, destinés à guider l'arbre en rotation, dont la bague extérieure est encastrée dans le bâti; l'élément piézoélectrique est alors un manchon cylindrique dont les surfaces d'extrémité axiale sont solidaires respectivement de la bague intérieure de chaque roulement et dont les surfaces radiales intérieure et extérieure forment les première et deuxième surfaces de génération de charge. Selon une variante, l'élément piézoélectrique est un élément piézoélectrique céramique. L'invention prote également sur une colonne de direction de véhicule automobile qui comprend un tel dispositif de mesure et un arbre de direction sollicitant la surface d'application d'effort de l'élément piézoélectrique. D'autres particularités et avantages apparaîtront dans la description du mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif et illustré par les figures annexées où : La figure 1 représente une vue en coupe schématique d'un premier mode 30 de réalisation de l'invention; La figure 2 représente une vue en coupe schématique d'un deuxième mode de réalisation de l'invention; La figure 3 illustre des détails d'un circuit de mesure selon l'invention. L'invention propose de mesurer le couple appliqué sur un arbre, en le laissant solliciter au moins une surface d'un élément piézoélectrique en torsion. L'élément piézoélectrique est configuré pour générer des charges sur deux de ses surfaces opposées. On utilisera par exemple un élément piézoélectrique en céramique. On utilise un circuit statique de mesure de ces charges: l'élément piézoélectrique n'est pas excité par le circuit de mesure. Ce circuit présente des moyens de mesure sans contact des charges générées sur les surfaces. La figure 1 illustre un exemple de dispositif de mesure 1 selon l'invention. L'arbre 9 est guidé en rotation par rapport à un bâti non illustré par l'intermédiaire de roulements 51 et 52 espacés axialement. Ces roulements présentent de façon connue en soi une bague intérieure et une bague extérieure. Leur bague intérieure est solidaire de l'arbre 9 et d'une surface d'extrémité respective d'un élément piézoélectrique 2. Cet élément piézoélectrique 2 présente dans cet exemple une forme de manchon cylindrique entourant une partie de l'arbre 9. Lors de l'application d'un couple sur l'arbre 9, les bagues intérieures des roulements 51 et 52 subissent une légère rotation l'une par rapport à l'autre. L'élément piézoélectrique est ainsi sollicité en torsion. Du fait d'un choix approprié du matériau de l'élément 2, des charges sont alors générées sur ses surfaces radiales intérieure et extérieure. Un circuit de mesure 3 est connecté à ces surfaces de génération de charge. Le circuit 3 présente notamment des capacités de transmission 41 et 42 permettant de mesurer la charge sur une surface respective de l'élément 2. La surface intérieure de l'élément 2 est connectée à un anneau métallique destiné à déporter la charge hors de la zone entre les roulements. Les capacités 41 et 42 présentent respectivement des surfaces métalliques disposées respectivement en vis-à-vis de l'anneau 47 et de la surface extérieure de l'élément 2. Les charges générées sur les surfaces de l'élément 2 peuvent ainsi être mesurées sans contact. Un exemple de circuit de mesure 3 sera détaillé par la suite. La figure 2 illustre un autre exemple de dispositif de mesure selon l'invention. Dans cet exemple, l'élément piézoélectrique 2 forme un manchon cylindrique encastré par sa surface radiale extérieure 24 dans un bâti 6. La surface radiale intérieure 23 de ce manchon 2 est solidaire de la bague extérieure d'un roulement 53. La bague intérieure de ce roulement est solidaire de l'arbre 9. Ainsi, lorsqu'un couple est appliqué sur l'arbre 9, un effort de torsion proportionnel à ce couple est appliqué au manchon 2 par l'intermédiaire du roulement 53. Les surfaces 21 et 22 aux extrémités axiales du manchon 2 se chargent alors. Afin d'éviter le déchargement des surfaces 21 et 22, le manchon 2 est isolé électriquement du bâti 6. Dans cet exemple, on a disposé des anneaux métalliques 43 et 44 en vis-à-vis des surfaces 21 et 22 respectivement. On forme ainsi des capacités de transmission au niveau des surfaces de génération de charge 21 et 22. Ces anneaux 43 et 44 sont connectés dans le circuit de mesure 3 de façon à déterminer le couple appliqué sur l'arbre 9. Un exemple de circuit de mesure 3 est détaillé à la figure 3. La capacité 46 correspond à la capacité intrinsèque de l'élément piézoélectrique 2 utilisé. Cette capacité 46 est connectée aux entrées de l'amplificateur 7 par l'intermédiaire des capacités de transmission 41 et 42 respectivement. Les capacités 41 et 42 forment un réseau capacitif de transmission des charges. Comme illustré à la figure 3, la capacité 41 est connectée entre la première surface de génération de charge 21 et l'entrée non inverseuse de l'amplificateur 7. De façon similaire, la capacité 42 est connectée entre la deuxième surface de génération de charge 22 et l'entrée inverseuse. Un condensateur 45 est également connecté entre l'entrée inverseuse et l'entrée non inverseuse, afin de convertir les charges générées sur les surfaces 21 et 22 en une différence de potentiel exploitable par l'amplificateur 7. On peut rappeler à ces sujet que la tension V générée aux bornes du condensateur présentant une capacité C s'exprime de la façon suivante: V = C, Q étant la charge du condensateur. La charge générée par l'élément piézoélectrique peut s'exprimer de la façon suivante: Q= CA* K CA étant le couple appliqué et K étant un coefficient d'amplification caractéristique du matériau piézoélectrique. L'amplificateur 7 fournit ainsi sur sa sortie 8 un signal représentatif du couple appliqué sur l'arbre 9. Le dispositif de mesure selon l'invention s'applique en particulier à un arbre 30 de direction d'une colonne de direction d'un véhicule automobile, sollicitant un élément piézoélectrique en torsion. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure (1) du couple appliqué sur un arbre rotatif (9) de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend: -un élément piézoélectrique (2) présentant au moins une surface (23) d'application directe ou indirecte d'un effort sollicitant l'élément piézoélectrique en torsion autour d'un axe, une première et une deuxième surfaces opposées (21, 22) sur lesquelles l'élément piézoélectrique génère des charges lorsqu'il est sollicité selon ladite torsion; -un circuit statique de mesure (3) des charges générées sur les surfaces opposées, présentant des moyens de mesure (43, 44) sans contact des charges générées. 2. Dispositif de mesure de couple (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de mesure comprend: -un amplificateur (7) délivrant en sortie (8) un signal représentatif du couple appliqué sur l'arbre; -une première capacité de transmission (41) connectée entre la première surface et l'entrée inverseuse; - une deuxième capacité de transmission (42) connectée entre la deuxième surface et l'entrée non inverseuse; - un condensateur (45) dont les électrodes sont connectées respectivement à l'entrée inverseuse et à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur, destiné à convertir les charges générées sur lesdites surfaces de l'élément piézoélectrique en différence de potentiel entre ses électrodes. 5. Dispositif de mesure de couple (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un bâti (6), en ce que l'élément piézoélectrique (2) est un manchon cylindrique encastré dans le bâti, dont la surface radiale intérieure est destinée à guider l'arbre (9) en rotation, et dont les surfaces d'extrémité axiale forment les première et deuxième surfaces de génération de charge. 6. Dispositif de mesure de couple selon la revendication 3, caractérisé en ce que les première et deuxième capacités comprennent deux anneaux métalliques (43, 44) disposés respectivement en regard des surfaces d'extrémité axiale de l'élément piézoélectrique, et connectés respectivement à l'entrée inverseuse et à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur (7). 5. Dispositif de mesure de couple (1) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le manchon est isolé électriquement du bâti dans lequel il est encastré. 6. Dispositif de mesure de couple (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend: - un bâti (6); - deux roulements (51, 52) espacés axialement, destinés à guider l'arbre (9) en rotation, dont la bague extérieure est encastrée dans le bâti (6); en outre caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique (2) est un manchon cylindrique dont les surfaces d'extrémité axiale sont solidaires respectivement de la bague intérieure de chaque roulement et dont les surfaces radiales intérieure et extérieure forment les première et deuxième surfaces de génération de charge. 9. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes, caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique est un élément piézoélectrique céramique. 10. Colonne de direction de véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes et un arbre de direction sollicitant la surface d'application d'effort de l'élément piézoélectrique.