DISPOSITIF A COQUE DEFORMABLE COMPRENANT UN CIRCUIT INTERNE PIEZOELECTRIQUE |
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| 申请号 | EP15196573.8 | 申请日 | 2015-11-26 | 公开(公告)号 | EP3029748A1 | 公开(公告)日 | 2016-06-08 |
| 申请人 | COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES; | 发明人 | SAVELLI, Guillaume; CORONEL, Philippe; | ||||
| 摘要 | Un dispositif comporte une coque déformable (16) délimitant un volume interne (14), comprenant au moins un système piézoélectrique (26, 28, 30), ledit système comprenant : - une membrane piézoélectrique (26) souple apte à produire de l'énergie électrique sous l'effet d'une déformation qu'elle subit ; - une source d'alimentation électrique (28), formée sur un substrat souple ; - un circuit électronique (30) comprenant : o un circuit de traitement pour produire et mémoriser des données en fonction de l'énergie électrique produite par la membrane piézoélectrique, et connecté à la source d'alimentation électrique pour son alimentation électrique ; et o un émetteur sans fil connecté au circuit de traitement pour émettre les données mémorisées dans celui-ci et connecté à la source d'alimentation électrique pour son alimentation électrique, Chaque système piézoélectrique (26, 28, 30) est disposé en totalité sur et/ou dans la coque déformable (16). |
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| 权利要求 | |||||||
| 说明书全文 | L'invention a trait au domaine de la fonctionnalisation de balles et ballons, en particulier les balles et ballons déformables, notamment dans le domaine du sport et/ou de la rééducation physique et/ou de loisir. L'invention trouve particulièrement application dans les balles de tennis. Dans les sports de balle et de ballon et la rééducation physique à base de tels objets, il est utile de disposer de statistiques qui permettent aux joueurs d'analyser leur jeu et au personnel médical d'évaluer la qualité des exercices pratiqués par les patients. Usuellement, ces statistiques sont collectées manuellement en comptant par exemple le nombre de frappes, rebonds ou autres qu'un joueur ou un patient exerce sur une balle pendant une durée prédéterminée. Il existe ainsi un intérêt à intégrer dans les balles et les ballons des fonctions électroniques permettant de réaliser automatiquement des statistiques et/ou de convertir et stocker l'énergie mécanique prodiguée à ces objets lors de leur utilisation en énergie électrique. On connait du document Ce document est cependant muet sur la manière d'intégrer ces différents composants dans la balle. Or, cette intégration vise généralement plusieurs objectifs qui peuvent être contradictoires. Tout d'abord, il est recherché un taux de conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique élevé car l'énergie électrique peut servir à alimenter des circuits électroniques requérant un niveau élevé d'énergie pour fonctionner. Ensuite, les composants intégrés dans la balle doivent gêner au minimum son aérodynamique et ses déformations, car il est recherché une balle fonctionnalisée dont les caractéristiques mécaniques sont proches, idéalement identiques, à celles d'une balle classique afin d'être utilisée en lieu et place de celle-ci, notamment dans le domaine sportif dans lequel les balles et les ballons doivent satisfaire des critères très sévères pour être jugés conformes. Enfin, il est préférable que les composants soient mécaniquement robustes pour faire face à des contraintes mécaniques qui peuvent être élevées en raison des chocs et des accélérations importantes subis par la balle. Les inventeurs ont d'ailleurs noté, dans le cadre d'essais sur différents types de circuit électronique et de connexions électriques intégrés dans une balle de tennis, des casses fréquentes de ces composants. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif à coque déformable délimitant un espace interne qui comprend des circuits produisant de l'électricité sous l'effet de déformation de la coque et exploitant ladite production d'électricité à des fins de traitement et/ou de stockage, qui présente un comportement mécanique proche de celui d'un dispositif dépourvu de tels circuits, et dont les circuits sont robustes tout en présentant un taux élevé de conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif comportant une coque déformable délimitant un volume interne comprenant au moins un système piézoélectrique, ledit système comprenant :
Par « déformable », on entend ici une coque apte à se déformer sous l'effet d'impacts subis par celle-ci au cours d'une utilisation standard de la coque. En d'autres termes, il n'existe aucun élément compris dans le volume interne, et aucun élément qui traverse la coque déformable. Tous les éléments du système piézoélectrique sont intégrée sur ou dans la coque qui définit les surfaces d'une balle ou d'un ballon, notamment sur la paroi interne de la coque, à l'intérieur de la coque ou sur paroi externe de la coque. Ainsi, l'ajout des éléments du système piézoélectrique n'influence que très marginalement, voir aucunement, la trajectoire et déformation de coque constitutive d'une balle ou d'un ballon. En outre, le poids total du dispositif peut être adapté pour être compris dans une fourchette de poids officiel que doit par exemple respecter une balle ou un ballon, par exemple en diminuant le poids des éléments rajoutés et/ou en modifiant le poids de la coque. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés dans lesquels :
En se référant à la Selon l'invention, un ou plusieurs systèmes piézoélectriques pour convertir de l'énergie mécanique en énergie électrique, pour produire et émettre des données statistiques sont intégrés, en totalité, dans la coque 16, et/ou sur sa paroi interne 22, et/ou sa paroi externe 24. En se référant par exemple à la
Plus particulièrement, le circuit électronique 30 comprend :
En particulier, à chaque fois que la balle subit un choc, par exemple une frappe ou un rebond, la membrane piézoélectrique 28 produit une impulsion de tension correspondante dont l'amplitude et la durée dépendent des caractéristiques du choc. Le circuit de traitement peut par exemple mettre en oeuvre une fonction de comptage du nombre d'impulsions produites depuis la mise en service de la balle de tennis, une fonction de détermination de l'intensité moyenne ou individuelle des impulsions, et/ou une fonction de détermination de la durée moyenne ou individuelle des impulsions. Le circuit de traitement peut comporter d'autre fonctionnalité, comme par exemple un accéléromètre permettant de déterminer la vitesse de la balle. Notamment, la connaissance du nombre d'impulsions permet de connaître, outre le nombre d'impacts subis par la balle, l'état d'usure de celle-ci, puisque cet état d'usure dépend notamment directement de ce nombre. Le nombre d'impacts, leur intensité et leur durée constituent en outre des données statistiques utiles pour un joueur qui peut ainsi connaître la force de ses frappes et le type de frappes qu'il applique à la balle, etc. Notamment, il a été observé qu'il existe un lien bijectif entre l'amplitude de la première impulsion faisant suite à un impact sur la balle et la force de cet impact. Le circuit de traitement comprend par exemple un abaque mémorisant des valeurs de force en fonction d'amplitude de tension et calcule la force exercée sur la balle en fonction des amplitudes de tensions mémorisées, ou mémorise l'amplitude de l'impulsion, le calcul étant réalisé par un système informatique externe une fois les données d'amplitude émises par l'émetteur radiofréquence et captées par le système informatique qui comprend un récepteur radiofréquence. L'émetteur radio-fréquence du circuit électronique peut en outre émettre à intervalle régulier et/ou de manière sensiblement continue un signal radiofréquence. Une telle émission permet, une fois le signal reçu et traité par un système de réception, de localiser la balle sur un terrain de tennis, ce qui permet par exemple de savoir si une balle est bonne ou faute. Avantageusement, les éléments du système piézoélectrique sont choisis pour modifier au minimum l'élasticité de la coque de la balle de tennis et l'aérodynamisme de cette dernière. Notamment, un maximum d'éléments du système sont choisis souples, donc déformables et capables d'épouser les déformations de la balle de tennis. Plus particulièrement, la membrane piézoélectrique 26 est souple. En se référant à la
Avantageusement, le film piézoélectrique 32 est constitué de polyfluorure de vinylidène (« PVDF ») qui présente l'avantage d'être à la fois léger, souple et mécaniquement résistant. En variante, le film 36 est constitué de titano-zirconate de plomb (« PZT »), d'oxyde de zinc (« ZnO »), ou d'un matériau composite d'au moins deux matériaux parmi ceux-ci et le PVDF. Par exemple, les membranes piézoélectriques sont des « DT sensor » fabriqués par la société Measurement Specialities, Inc. La source d'alimentation électrique 28 est une micro-pile, une microbatterie, une supercapacité, de préférence réalisée sur un substrat souple. Par exemple, la source micro-batterie à substrat souple de la société Solicore®, Inc.,par exemple un micro-batterie de référence « SF-2529-14EC » d'une surface pliable de 25,75x29 mm2 pour une capacité de 14 mAh. Le circuit électronique 30 est notamment composé d'un microcontrôleur permettant de traiter des informations d'entrées, d'un module autorisant une émission radiofréquence, de capacités de découplage, de capacité et de bobines de filtrage, de convertisseur ADC et de circuit à amplificateur opérationnel (inverseur, soustracteur, etc.). Le circuit électronique 30 est de préférence également réalisé ou reporté sur un substrat souple. Les fonctions mises en oeuvre par le circuit électronique 30 ne nécessitant pas de grande puissance de calcul et de mémoire informatique importante, un circuit 30 est réalisé par exemple selon la technologie LGA (acronyme de « Land Grid Array ») ou toute technique analogue permettant un taux élevé d'intégration par unité de surface. Il est ainsi obtenu un circuit 30 dont les dimensions et le poids sont très réduits. Par exemple, un émetteur radiofréquence selon cette technologie est un parallélépipède rectangle de surface égale à 5,5x5,5 mm2 pour une épaisseur inférieure au millimètre. En variante, le circuit 30 est un circuit également connu sous l'expression de « flex PCB » ou « flex circuit ». Il est à présent décrit différents mode de réalisation pour l'intégration du système piézoélectrique venant d'être décrit dans et/ou sur la coque 16 de la balle de tennis. En se référant à nouveau à la Dans une variante privilégiée, le système en forme de bande est lui-même collé à une bande de maintien 52, et la bande de maintien est fixée sur la paroi interne 22 de la demi-coque 16a avec un adhésif « reversible », c'est-à-dire un adhésif (colle, gel, ...) permettant le détachement de la bande de maintien par un opérateur sans déchirement de la bande. Par exemple, l'adhésif est un scotch double face ou un matériau auto-cicatrisant (également connu sous l'expression anglaise de « self healing »). La bande de maintien 52, par exemple un scotch double face, permet à la fois une mise en place facile, solide, et également un retrait facile et rapide. De manière privilégié, la bande de maintien comporte une languette 54, non collée à la demi-coque 16b, et donc libre d'être attrapée par un opérateur, pour faciliter le détachement de la bande de maintien 52, et par conséquent du système piézoélectrique. De cette manière, le système peut être recyclé. En effet, l'usure d'une balle de tennis, par exemple, est très rapide, bien plus rapide que la décharge de l'alimentation intégrée dans la balle. Afin de rentabiliser ces balles fonctionnalisées, un système « tout en un » réutilisable est donc proposé. Les composants du système piézoélectrique sont électriquement reliés entre eux par des fils conducteurs électriques les plus courts et fins possibles. Des éléments comme l'émetteur RF ou/et d'autre composants du circuit électronique et/ou la source d'alimentation peuvent également être déposés et reliés électriquement sur un substrat souple avec des pistes métalliques imprimées directement dessus (PCB avec substrat souple). Dans ce cas, le PCB souple peut également servir directement de bande de maintien et être directement collé directement sur la balle. Evidemment, l'agencement des éléments entre eux proposé à la Avantageusement, un deuxième système piézoélectrique, identique à celui venant d'être décrit est fixé à la paroi interne de l'autre demi-coque de la balle de tennis. Ceci permet à la fois une fonction de redondance, la balle de tennis fonctionnalisée continuant de fonctionner si l'un des systèmes est défaillant, et une meilleure répartition du poids, et donc d'avoir une aérodynamique peu modifiée par rapport à une balle de tennis de l'état de la technique. L'intégration des systèmes piézoélectriques selon l'invention est particulièrement aisée, la fabrication d'une balle de tennis selon le premier mode de réalisation consistant en :
Le recyclage des systèmes piézoélectriques est également réalisé aisément et consiste par exemple en :
Le mode de réalisation permettant le recyclage induit un coût supplémentaire puisqu'il faut gérer le recyclage des balles. Selon un second mode de réalisation, le ou les systèmes piézoélectriques intégrés dans la balle de tennis ne sont pas recyclables. Outre la réduction de cout, ce mode de réalisation a l'avantage de s'affranchir des bandes de maintien qui ajoute une masse supplémentaire à celle de la balle. S'affranchir de ces bandes permet de relâcher les contraintes en termes de poids de la balle, contraintes particulièrement sévères pour les balles de tennis. Ce mode de réalisation est identique à celui des Pour le premier et le second mode de réalisation, un retrait de masse de caoutchouc, par exemple le retrait d'une épaisseur de la coque en caoutchouc, peut être effectué. Ce retrait peut être réalisé lors de la fabrication des demi-coques ou lors de l'intégration des systèmes piézoélectriques, par exemple par découpe ou brûlage avec un moule. Ceci permet de ne pas modifier la masse totale de la balle par rapport à une balle de l'état de la technique et offre ainsi plus de liberté dans les composants électroniques. Les deux modes de réalisation concernent une intégration du ou des systèmes piézoélectriques sur la paroi interne 22 de la coque 16 de la balle de tennis. Selon un troisième mode de réalisation, le ou les systèmes piézoélectriques sont fixés sur la paroi externe 24 de la coque 16 de la balle de tennis. Ce mode de réalisation est similaire aux deux premiers et diffère de ceux-ci par le fait qu'avec ou sans recyclage, l'intégration des bandes fonctionnelles se fait après l'étape de collage des 2 demi-coques en caoutchouc, et avant l'étape de collage de la feutrine. L'ajout de cette dernière permet de protéger mécaniquement les éléments du système piézoélectrique fixés sur la paroi externe de la coque de la balle. Selon une première variante du troisième mode de réalisation, le ou les systèmes piézoélectriques sont fixés sur la coque en caoutchouc de la balle sans que cette dernière ne subisse de retrait de masse. Selon une deuxième variante du troisième mode de réalisation, illustrée aux Selon une troisième variante, les éléments d'un système piézoélectrique (membrane, alimentation, circuit électronique) sont intégrés indépendamment les uns des autres sur la paroi externe 24 de la coque 16, comme cela est illustré aux Selon un quatrième mode de réalisation, le ou les systèmes piézoélectriques sont intégrés dans la coque 16 de la balle de tennis. L'intégration d'un ou plusieurs systèmes piézoélectrique dans l'épaisseur de la coque en caoutchouc 16 présente l'inconvénient d'être plus délicate à mettre en oeuvre et ne pas permettre un recyclage mais présente l'avantage d'être la solution la plus robuste mécaniquement. Les Il a été décrit des formes de réalisation particulière de système piézoélectrique, notamment sous la forme de bande ou d'éléments indépendants. En variante, la membrane piézoélectrique, la source d'alimentation électrique et le circuit électronique sont empilés les uns sur les autres, la source d'alimentation électrique étant agencée entre la membrane piézoélectrique et le circuit électronique. En outre, les systèmes piézoélectriques peuvent être tous dupliqués une ou plusieurs fois sur les parois ou dans la coque, et ceci pour chacune des quatre modes de réalisation décrits ci-dessus, et tel qu'illustré schématiquement aux De manière optionnelle, un système piézoélectrique comporte une alimentation électrique supplémentaire, par exemple une pile bouton, pour l'alimentation du circuit électronique. Selon un autre mode de réalisation, la source d'alimentation n'est pas rechargeable, la membrane piézoélectrique produisant un signal électrique sous l'effet de sa déformation mécanique utilisé uniquement à des fins de traitement et/ou de comme déclencheur d'envoi d'informations via l'émetteur sans fil ou de mémorisation dans la mémoire du circuit électronique. Le circuit de conversion est alors avantageusement omis. Il a été décrit une balle de tennis. Evidemment, l'invention s'applique à tout type de balles et ballon, et de manière générale à tout objet à coque déformable. Il a été décrit des applications au sport. Evidemment, l'invention s'applique à d'autres types d'activité, notamment les activités de rééducation physique qui utilisent des balles, des ballons, ou autres, les statistiques produites par de tels objets conformes à l'invention permettant au personnel médical d'étudier par exemple la qualité des exercices suivis par les patients. |
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