Brevet FR2931548A1 — publié le 20091127

La présente invention concerne le domaine automobile, notamment le domaine de la mesure de hauteur de caisse (également appelé hauteur d'assiette) d'un véhicule. On connaît divers procédés de détermination de la hauteur de caisse d'un véhicule automobile, comprenant une étape consistant à déduire de la tension de sortie (Vaut) d'un capteur la hauteur de caisse du véhicule automobile. Généralement, les systèmes de mesure utilisés à cette fin comprennent un capteur rotatif, par exemple à effet Hall, associé à un système de tringlerie. Le capteur est alors monté sur le châssis, et la tringlerie est attachée à la partie mobile de la suspension, par exemple au triangle de roue. Les inconvénients de tels systèmes de mesure sont nombreux. Par exemple, les tringles sont exposées aux conditions extérieures de la route et peuvent par conséquent facilement subir des dommages. De mêrne pour les capteurs rotatifs, montés sous le châssis. Ensuite, les coûts des tringles et de leur montage sont élevés. Enfin, l'alimentation en énergie d'un capteur par roue nécessite un câblage particulièrement long et onéreux. Or, le câblage est nécessaire non seulement pour la transmission du signal de sortie d'un capteur, mais également pour l'alimentation de celui-ci. Et dans le domaine automobile, un nombre croissant de capteurs et d'actionneurs sont utilisés. Leur alimentation électrique pose donc un certain nombre de problèmes. Par exemple, dès la conception d'un véhicule, il convient de prévoir des passages pour les câbles d'alimentation. Enfin, il est également à noter qu'un nombre croissant de câbles entraîne une augmentation de la masse de cuivre utilisée dans le véhicule. Il convient en outre de prévoir une batterie capable d'assurer l'alimentation électrique de tous ces composants. Pour pallier certains au moins de ces inconvénients, de nouveaux capteurs dits autarciques ont été développés, notamment par l'exemple qu'en donne le document de l'état de la technique antérieure FR 07 00 408 déposée par la demanderesse. Un tel capteur autarcique est non seulement un générateur d'électricité délocalisé, mais également un capteur saris fil doté de sa propre source d'énergie, sans source d'énergie électrochimique embarquée, et n'ayant pas non plus besoin pour son fonctionnement d'être équipé d'un récepteur / transducteur recevant de l'énergie électromagnétique à partir d'une antenne émettrice. En complément, il est proposé dans la présente invention que : l'on utilise comme capteur un générateur électrique comportant un transducteur électromécanique comportant au moins une couche de matériau polymère électro-actif disposée entre au moins une paire d'électrodes, cette couche et les électrodes étant intégrées à un soufflet, lequel est en matériau souple entourant une liaison entre deux arbres non alignés et est entraîné en rotation avec eux, la couche de matériau polymère électro-actif et les électrodes s'étendant longitudinalement par rapport aux arbres, l'on enregistre la valeur crête de la tension de sortie de chaque paire d'électrodes, une fois mise à l'échelle, l'on sélectionne une paire d'électrodes parmi lesdites paires, et l'on établisse la tension de sortie du capteur en fonction de la tension de sortie de la paire d'électrodes sélectionnée. Grâce à ces caractéristiques, un capteur autarcique tel que décrit dans la demande FR 07 00 408, incorporée dans son intégralité par référence dans la présente demande, va pouvoir être utilisé comme capteur de détermination de la hauteur de caisse d'un véhicule automobile. De préférence, les électrodes desdites au moins une paire seront disposées, par paire, l'une face à l'autre, de part et d'autre de la couche de matériau polymère électro actif. Dans un mode de réalisation préféré, pour établir la tension de sortie du capteur en fonction de la tension de sortie de la paire d'électrodes sélectionnée, il est ici conseillé de redresser ladite tension de sortie de ladite paire d'électrodes sélectionnée après l'avoir mise à l'échelle. Dans un mode de réalisation également préféré, le procédé comprend en outre une étape consistant à convertir la tension de sortie du capteur. Favorablement, on transmettra la tension de sortie du capteur par radiofréquence. De préférence, le procédé comprendra en outre une étape consistant à autoalimenter le capteur par une paire d'électrodes sélectionnée parmi lesdites paires. On conseille en outre que la paire d'électrodes sélectionnée pour l'auto-alimentation du capteur, et la paire d'électrodes sélectionnée pour établir la tension de sortie du capteur soient les mêmes. Selon un autre de ses objets, l'invention concerne également un programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé selon l'invention lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur ou un calculateur automobile. L'invention sera en particulier utile pour le réglage de la hauteur d'assiette ou de suspension, typiquement semi-active, d'un véhicule automobile. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 présente schématiquement un soufflet de cardan utilisé pour la réalisation d'un générateur selon l'invention, la figure 2 illustre la contrainte dans la couche de polymère du soufflet de la figure 1 au point A, la figure 3 représente les contraintes dans la couche de polymère pour le point A' de la figure 1, la figure 4 est une vue de face du soufflet et du générateur électrique de la figure 1, la figure 5 illustre la tension de sortie du capteur selon l'invention en fonction du temps, pour différents facteurs de chargement du véhicule, la figure 6 est un schéma électrique d'un mode de réalisation d'un circuit détecteur de crête pour la mise en oeuvre d'un mode de réalisation du procédé selon l'invention, la figure 7 est un schéma électrique d'un mode de réalisation d'un circuit d'alimentation électrique d'un capteur pour la mise en oeuvre d'un mode de réalisation du procédé selon l'invention, et la figure 8 illustre un mode de réalisation du procédé selon l'invention. La présente invention met en oeuvre un capteur autarcique tel décrit dans la demande FR 07 00 408 déposée par la demanderesse, et l'utilise pour la détermination de la hauteur de caisse d'un véhicule automobile. De ce fait, la figure 1 représente un soufflet 2 protégeant une liaison, par exemple par cardan, entre deux arbres 4 et 6 inclinés dans le sens axial l'un par rapport à l'autre. Le premier arbre ou axe 4 entraîne par exemple le second arbre ou axe 6 en 25 rotation. On retrouve un tel soufflet par exemple au niveau d'une roue d'un véhicule automobile. L'articulation entre ces deux arbres est protégée par le soufflet 2 à l'intérieur duquel se trouve éventuellement un lubrifiant. Le soufflet 2, de manière classique, est en matériau souple entourant dans le sens axial la liaison entre les deux arbres 4, 6 non alignés et entraîné en rotation avec 30 eux, et se présente sous la forme d'un manchon tubulaire avec des ondulations longitudinales. Ainsi, une section transversale à travers le soufflet est de forme circulaire mais le diamètre de la section varie en fonction de la position longitudinale de la coupe transversale. Selon l'invention, on intègre un générateur électrique dans un tel soufflet. Ce 35 générateur utilise des matériaux polymères électro-actifs. Lorsqu'un tel matériau se déforme, on voit apparaître à sa surface un champ électrique. L'utilisation d'un tel matériau est donc avantageuse dans la présente invention puisque le soufflet 2 étant solidaire en rotation des arbres 4, 6, il se déforme en permanence lorsque l'arbre 4 entraîne l'arbre 6 en rotation. Or, de grandes déformations sont acceptables par ces matériaux polymères 5 électro-actifs (supérieures souvent à 250% de la longueur initiale) et leur coût est très intéressant. Dans le domaine automobile, on peut utiliser par exemple des polymères électroactifs à base d'élastomère acrylique, de silicone, de polyuréthane, de fluoro-silicones, de fluoro-élastomères, d'isoprène, de polybutadiène, de caoutchouc naturel ou bien de latex. 10 Les performances de tels matériaux élastomères diélectriques sont très intéressantes. On notera par ailleurs que les déformations que subit le soufflet dépassent largement la limite d'élasticité de la plupart des matériaux piézoélectriques qui sont par conséquent à proscrire. En outre, les matériaux polymères électro-actifs présentent l'avantage de 15 présenter une densité énergétique spécifique importante. On peut ainsi générer 3,4 J/g avec de tels matériaux. La figure 2 représente à échelle agrandie une coupe longitudinale réalisée dans le soufflet 2 au niveau de la zone A de la figure 1. Cette coupe permet d'apprécier la structure de l'intérieur du soufflet 2. La surface extérieure du soufflet 2 est formée par une 20 couche extérieure 8 réalisée dans un matériau souple tel, par exemple, du caoutchouc. On peut utiliser ici le matériau Inabituellement utilisé pour la réalisation d'un soufflet similaire. A l'intérieur du soufflet 2, protégé par la couche extérieure 8, se trouve un générateur électrique comprenant notamment une couche d'un matériau polymère électro-actif, appelée par la suite couche EAP 10. Une électrode extérieure 12 est 25 disposée entre la couche EAP 10 et la couche extérieure 8 tandis qu'une électrode intérieure 14 est disposée face à l'électrode extérieure 12 sur la face opposée de la couche EAP 10, à l'intérieur du soufflet 2. Les électrodes 12 et 14 s'étendent longitudinalement par rapport au soufflet 2, donc par rapport aux arbres 4, 6, les électrodes étant disposées l'une face à l'autre de 30 part et d'autre de la couche de matériau polymère électro-actif 10. Ainsi, lors de la rotation du soufflet 2, entraîné par la rotation des arbres 4 et 6, le matériau polymère électro-actif se trouvant entre les électrodes est dans un même état d'étirement ou de compression. La figure 4 montre une vue d'extrémité du soufflet 2 de la figure 1. On remarque que, dans la forme de réalisation représentée, le générateur électrique à l'intérieur du 35 soufflet 2 présente deux électrodes extérieures 12 et 12' et deux électrodes intérieures 14 et 14'. Pour une meilleure efficacité, chacune des électrodes s'étend sur toute la longueur du soufflet 2 ou, de préférence au moins sur toute la longueur de la partie ondulée du soufflet 2, c'est-à-dire toute la longueur du soufflet 2 se déformant. Bien entendu, les électrodes sont toujours séparées par la couche EAP 10 si bien que cette dernière s'étend elle aussi de préférence sur toute la longueur du soufflet 2 ou de préférence sur au moins toute la longueur des ondulations de ce soufflet. Cette couche EAP 10 reprend ainsi de préférence globalement la forme de la couche extérieure 8. Elle présente uniquement un diamètre très légèrement inférieur et éventuellement une épaisseur différente. Comme on peut le remarquer sur la figure 4, chacune des électrodes 12, 12', 14, 14' s'étend sur environ 180°. Les électrodes extérieures 12, 12' de même que les électrodes intérieures 14, 14' sont séparées les unes des autres par des éléments isolants 16 s'étendant à chaque fois sur toute la longueur des électrodes correspondantes. Il est avantageux de choisir des électrodes en matériau polymère conducteur, car les propriétés thermiques et mécaniques seront plus proches de celles du matériau EAP que dans le cas d'électrodes métalliques (par exemple feuilles d'acier ou d'aluminium). Le soufflet 2 selon l'invention est donc un manchon tubulaire ondulé avec des ondulations longitudinales en matériau polymère électro-actif, à l'intérieur duquel se trouvent au moins une paire d'électrodes intérieures s'étendant longitudinalement et recouvrant la face intérieure du manchon en matériau polymère électro-actif. La face extérieure du manchon en matériau polymère électro-actif est quant à elle recouverte par au moins une paire d'électrodes extérieures s'étendant longitudinalement et en forme de demi manchon recouvrant le manchon de matériau polymère électro-actif. Chaque électrode extérieure est disposée face à une électrode intérieure, le matériau polymère électro-actif formant ainsi le diélectrique d'une paire d'électrodes (électrode intérieure et électrode extérieure correspondante). Sur les figures 2 et 3, les flèches 18 représentent schématiquement les contraintes dans la couche EAP 10. La figure 2 correspond à une coupe dans la zone A de la figure 1 dans laquelle le matériau polymère électro-actif est étiré, tandis que la figure 3 correspond à la même coupe mais lorsque les arbres ont effectué une rotation de 180°, c'est-à-dire lorsque le même matériau se trouve dans la zone A' de la figure 1. Le matériau polymère électro-actif est alors comprimé. Le générateur électrique ainsi réalisé fournit au niveau des électrodes une tension alternative Veap. Pour pouvoir suivre les déformations permanentes du matériau électro-actif, les électrodes sont également souples. Par exemple les électrodes sont réalisées en feuilles de métal (aluminium, acier, etc.) mais plus avantageusement encore en polymères conducteurs. De cette manière, le matériau polymère électro-actif est, au cours d'une rotation, tantôt comprimé, tantôt étiré. Un champ électrique alternatif apparaît donc et une différence de potentiel correspondante est créée entre les électrodes. Ce générateur électrique est opérationnel dès qu'il est entraîné en rotation avec un angle entre les arbres 4 et 6. Afin d'exploiter au mieux les déformations du soufflet, une couche de matériau polymère électro-actif forme un manchon continu, et au moins deux paires d'électrodes sont réparties à la périphérie du manchon en matériau polymère électro-actif, deux électrodes d'une même paire d'électrodes se faisant face en étant séparées par le manchon polymère électro-actif. Les paires d'électrodes recouvrent de préférence presque toute la surface intérieure et extérieure du manchon réalise en matériau polymère électro-actif. Il est possible de cette manière d'optimiser la récupération d'énergie liée à la déformation du manchon. Dans ce mode de réalisation, on peut prévoir que les deux paires d'électrodes entourent le manchon polymère électro-actif, chaque électrode étant isolée électriquement des autres électrodes, et dans laquelle chaque électrode s'étend sur environ 180° à la périphérie ou à l'intérieur du manchon. On peut également prévoir une variante comprenant plus de deux paires d'électrodes, par exemple trois ou quatre paires, entourant le manchon polymère électro- actif, chaque électrode étant isolée électriquement des autres électrodes, et dans laquelle chaque électrode s'étend sur environ 120° (3 paires) ou 90° (4 paires) à la périphérie ou à l'intérieur du manchon. Selon l'invention on peut donc prévoir N paires d'électrodes identiques entre elles, dont chaque électrode s'étend sur 360° / N. En fonctionnement, un signal périodique sous forme de tension de sortie Veap, de période 360° correspondant à la rotation d'une roue, est produit aux bornes de chaque paire d'électrodes. L'amplitude de cette tension dépend du niveau de contraintes mécaniques maximales dans le matériau polymère électro-actif, c'est-à-dire que le signal est produit quand le matériau polymère électro-actif enfermé dans une paire d'électrodes est compressé ou étiré. L'amplitude du signal dépend également de l'angle d'inclinaison entre les deux arbres. L'amplitude du signal Veap est donc maximale quand un volume maximum de matériau polymère électro-actif est compressé ou étiré, c'est-à-dire pour un volume donné d'électrodes, au moment où l'angle entre les deux arbres est maximal. Or, plus un véhicule est chargé, plus le joint de cardan et le soufflet qui l'enveloppe sont étirés (l'angle entre les arbres 4 et 6 variant avec la charge notamment). Le degré de pliage du soufflet est donc une image de la charge (du poids) du véhicule. Pour en extraire un signal électrique Vout exploitable, il convient donc selon l'invention de mesurer l'amplitude maximale de la tension Veap générée aux bornes d'une paire d'électrodes sur une révolution de la roue. La tension de sortie Veap de la paire d'électrodes 12, 14 sélectionnée est de forte amplitude. Avantageusement, celle-ci est mise à l'échelle par un pont diviseur de tension, en l'espèce le réseau R1 / 1000R1 (cf. figure 6), pour donner la tension Vsc. La figure 5 illustre la tension de sortie Vsc au cours du temps d'une roue donnée, pour trois configurations de chargement d'un même véhicule : le véhicule est soit peu chargé (courbe A), soit moyennement chargé (courbe B), soit très chargé (courbe C). Il est clair que la tension de sortie Vsc est maximale pour un véhicule très chargé (courbe C). La tension de sortie Vout du capteur est elle positive et relativement constante en raison du redressement de la tension réalisé par l'invention (cf. figure 6). Vout suit l'amplitude maximale de Vsc. Toutefois, afin de s'affranchir des aléas de l'état de la route (nid de poules, dos d'âne, cailloux, etc.), l'amplitude du signal de sortie est de préférence mesurée sur 15 plusieurs révolutions puis filtrée, par exemple moyennée. La tension de sortie du capteur Vout est obtenue de préférence par un capteur selon l'invention dont le schéma électrique est illustré figure 6. Sur la figure 6, la paire d'électrodes 12, 14 est sélectionnée pour la détermination de la hauteur de caisse du véhicule automobile. 20 Les moyens pour sélectionner une paire d'électrodes pour la détermination de la hauteur de caisse du véhicule automobile, non illustrés, de même que les moyens pour sélectionner une paire d'électrodes pour l'auto-alimentation du capteur, comprennent par exemple un comparateur, et peuvent être les mêmes. Afin d'évaluer l'amplitude maximale de la tension Vsc, un étage détecteur de 25 valeur crête ("peak detector" en anglais) est mis en oeuvre, l'étage comprenant une diode Dl (figure 6) permettant de redresser la tension de sortie de la paire d'électrodes sélectionnée, et un condensateur Cl (figure 6) permettant d'enregistrer la valeur crête de la tension de sortie de la paire d'électrodes sélectionnée. La tension de sortie Vout du capteur est ainsi égale à la valeur maximale de la 30 tension de sortie Vsc de la paire d'électrode sélectionnée redressée. Par ailleurs, le capteur étant autarcique, celui-ci génère également sa propre source d'énergie. Aussi, afin de ne pas trop charger le condensateur Cl, et de ne pas générer une constante de temps trop élevée, il convient de choisir une valeur relativement faible du condensateur Cl (en l'espèce inférieure à 1 pF). 35 La tension de sortie du capteur \/out est une tension analogique dont la valeur est représentative de la hauteur de caisse du véhicule automobile. Cette tension de sortie Vout peut être introduite à l'entrée analogique d'un microprocesseur afin d'être traitée pour des étapes de codage, d'identification, etc. Puis, la valeur lue par le microprocesseur peut être transmise par voie radiofréquence (RF), par exemple à un récepteur centralisé, notamment situé dans l'unité de contrôle de caisse BCU (acronyme anglais pour "body control unit"). A cet effet, la figure 7 est un schéma électrique d'un mode de réalisation d'un circuit d'alimentation électrique d'un capteur comprenant deux paires 100, 110 d'électrodes, pour la mise en oeuvre d'un mode de réalisation du procédé selon l'invention. Chaque paire 100, 110 d'électrodes est suivie par une diode redresseuse D100, D110 respectivement. Puis, un condensateur C est utilisé pour lisser la tension redressée générée. Cette tension lissée est ensuite introduite dans un dispositif 26 de transformation de tension (alimentation à découpage de type abaisseur par exemple), dont la sortie est 15 connectée au capteur de hauteur de caisse 28. Le capteur 28 émet par une antenne 30 le résultat de la mesure de hauteur de caisse par liaison radiofréquence (en bande UHF par exemple) vers un récepteur centralisé, situé par exemple dans l'unité de contrôle de caisse. Un schéma bloc du procédé selon l'invention est illustré figure 8. 20 Une étape 200 consiste à enregistrer la valeur crête de la tension de sortie Vsc de chaque paire 100, 110 d'électrodes. Par exemple, on peut utiliser le "peak detector" précédemment décrit. Avantageusement, une étape 215 consiste à comparer, pour un instant donné ou une plage de temps donnée, les valeurs crête des tensions de sortie Vsc respectives de 25 chaque paire 100, 110 d'électrodes. On peut alors sélectionner 210 la paire d'électrodes dont la valeur crête de la tension de sortie Vsc est la plus grande, soit pour établir 220 la tension de sortie Vout du capteur 28, soit pour l'auto-alimentation 270 du capteur, soit les deux. Une fois la paire d'électrodes sélectionnée, une étape consistant à redresser 230 30 la tension de sortie Vsc de ladite paire d'électrodes sélectionnée est de préférence mise en oeuvre. La tension de sortie Vout du capteur, éventuellement redressée, peut être convertie 240, par exemple par un convertisseur analogique numérique d'un processeur. La tension de sortie Vout du capteur, éventuellement redressée et/ou convertie, 35 peut être transmise 250 par radiofréquence. Par exemple la sortie du microprocesseur utilisé pour la conversion analogique/numérique peut être connectée à un émetteur UHF standard. La sortie de l'émetteur est connectée à une antenne UHF, constituée par exemple par une piste circuit imprimé ou autre type d'antenne. Pour la réception du signal ainsi transmis, une antenne UHF standard, réalisée par exemple par une piste sur circuit imprimé ou autre type est employée. Cette antenne est connectée à un récepteur UHF. La sortie du récepteur peut être traitée par le microprocesseur de l'unité de contrôle de caisse, puisque le traitement de signal du capteur ne nécessite pas de grosse puissance de calcul. De la tension de sortie Vout du capteur 28, on peut alors déduire 260 la hauteur de caisse du véhicule automobile, par exemple par référence à un modèle comprenant une correspondance entre la valeur de la tension de sortie Vout et la hauteur de caisse du véhicule automobile. L'alimentation du capteur 28 peut être assurée par une ou plusieurs paires d'électrodes 100, 110. Grâce à l'invention, la détermination de la hauteur de caisse d'un véhicule 15 automobile peut n'être effectuée que par une seule paire d'électrodes. On peut également prévoir l'utilisation d'un capteur de température, pour mesurer la température ambiante du soufflet 2, et compenser les éventuelles dérives thermiques du signal de sortie Vout du capteur 28. De préférence, on disposera un capteur selon l'invention par roue. Autrement dit 20 le procédé selon l'invention sera favorablement mis en oeuvre pour chaque roue d'un véhicule automobile. REVENDICATIONS, 1. Procédé de détermination de la hauteur de caisse d'un véhicule automobile, comprenant une étape consistant à déduire (260) de la tension de sortie (Vout) d'un capteur (28) la hauteur de caisse du véhicule automobile. caractérisé en ce que : on utilise comme capteur (28) un générateur électrique comportant un transducteur électromécanique comportant au moins une couche de matériau polymère électro-actif (10) disposée entre au moins une paire (100, 110) d'électrodes (12, 12', 14, 14'), cette couche (10) et les électrodes étant intégrées à un soufflet (2), lequel est en matériau souple entourant une liaison entre deux arbres (4, 6) non alignés et est entraîné en rotation avec eux, la couche (10) de matériau polymère électro-actif et les électrodes (12, 12', 14, 14') s'étendant longitudinalement par rapport aux arbres, on enregistre (200) la valeur crête de la tension de sortie (Veap) de chaque paire (100, 110) d'électrodes une fois mise à l'échelle (Vsc), on sélectionne (210) une paire d'électrodes parmi lesdites paires, et on établit (220) la tension de sortie (Vout) du capteur (28) en fonction de la tension de sortie (Vsc) de la paire d'électrodes sélectionnée. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, pour utiliser le capteur (28), on dispose lesdites électrodes (12, 12', 14, 14') par paire, l'une face à l'autre, de part et d'autre de la couche de matériau polymère électro-actif (10). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, pour établir (220) la tension de sortie (Vout) du capteur (28) en fonction de la tension de sortie (Veap) de la paire d'électrodes sélectionnée, on redresse ( 230) la tension de sortie (Veap) de ladite paire d'électrodes sélectionnée après l'avoir mise à l'échelle (Vsc). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape consistant à convertir (240) la tension de sortie (Vout) du capteur. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape consistant à transmettre (250) la tension de sortie (Vout) du capteur par radiofréquence. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape consistant à autoalimenter (270) l'électronique du capteur (28) par une paire d'électrodes sélectionnée parmi lesdites paires (100, 110). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on choisit les mêmes électrodes comme paire d'électrodes sélectionnée pour l'auto-alimentation du capteur (28) etpaire d'électrodes sélectionnée pour établir la tension de sortie (Vout) du capteur (28). 8. Programme d'ordinateur, comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur ou un calculateur automobile.