DISPOSITIF A COQUE RIGIDE DESTINE A SUBIR DES CHOCS ET COMPRENANT DES MOYENS INTERNES DE RECUPERATION D'ENERGIE |
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| 申请号 | EP14790164.9 | 申请日 | 2014-07-31 | 公开(公告)号 | EP3049164B1 | 公开(公告)日 | 2017-08-09 |
| 申请人 | Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives; | 发明人 | SAVELLI, Guillaume; CORONEL, Philippe; | ||||
| 摘要 | |||||||
| 权利要求 | |||||||
| 说明书全文 | L'invention a trait au domaine de la fonctionnalisation d'objets rigides destinés à subir des chocs, notamment des balles, des ballons ou des palets, en particulier dans le domaine du sport et/ou de la rééducation physique. Dans les sports de balle, de ballon et de palets à coque rigide et dans 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 récoltées 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. En outre, certains sports consomment beaucoup de balles, ces dernières ayant une durée de vie limitée, balles qu'il est nécessaire de recycler, ce qui génère un coût non négligeable. Il existe ainsi un intérêt à intégrer dans ces objets, et de manière plus générale dans tout objet rigide destiné à subir des chocs, des fonctions électroniques permettant par exemple 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 dédié aux balles et ballons à coque déformable et le matériau piézoélectrique est agencé sur ou dans la coque déformable. La coque souple étant déformable, le matériau piézoélectrique subit donc également des déformations, ce qui permet de produire une grande quantité de charges électriques. Cependant, à supposer que l'enseignement de ce document soit appliqué à un objet à coque rigide, par exemple un palet, le choc ne déformant pas l'objet, la production de charges électriques est alors induite par les ondes acoustiques qui se propagent depuis la coque rigide au matériau piézoélectrique. En outre, le document En outre, la production d'énergie et l'intégration d'une fonction de récupération d'énergie et/ou d'une fonction électronique, comme par exemple une fonction de comptage, se pose dans les mêmes termes pour tout objet rigide destiné à subir des chocs ou des accélérations lors de son utilisation. Le document Le but de la présente invention est de proposer un dispositif rigide qui comprend des moyens de production d'énergie électrique efficaces. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif comportant une coque rigide externe délimitant un volume interne creux, qui comprend :
Par « rigide », on entend ici une coque qui ne se déforme sensiblement pas sous l'effet d'impacts subis par celle-ci au cours d'une utilisation standard de la coque. Par « déformable », on entend un élément qui se déforme sous l'effet d'impacts que celui-ci subit au cours d'une utilisation standard. Par « libre de se déplacer », on entend ici que l'objet interne n'est pas connecté, relié ou fixé, à la coque externe, ou bien connecté à cette dernière à l'aide d'un système de maintien appliquant une faible force de rappel s'opposant de manière minime aux déplacements de l'objet interne. En d'autres termes, une cavité est prévue dans le dispositif rigide et la production d'énergie électrique est réalisée par un objet comportant une coque piézoélectrique et libre de se déplacer dans cette cavité. Sous l'effet d'un choc ou d'une accélération, l'objet interne frappe donc la paroi de la cavité, ce qui génère des charges électriques par effet piézoélectrique. En outre, l'objet peut subir des chocs plusieurs fois, ce qui augmente la quantité totale de charges électriques produites. Selon un mode de réalisation, la paroi interne de la coque externe est munie de picots rigides en saillie régulièrement disposés sur ladite paroi. De cette manière, les picots excitent directement la coque piézoélectrique. Notamment, lorsque la coque piézoélectrique comporte une membrane piézoélectrique externe, les picots permettent une production accrue de charges électriques. Selon un mode de réalisation, la coque interne est rigide. Plus particulièrement, la coque interne rigide est constituée d'un matériau piézoélectrique rigide, un tel matériau présentant des performances piézoélectriques supérieures à celle d'un matériau piézoélectrique souple. En variante, une membrane piézoélectrique souple est plaquée contre la paroi externe de la coque interne rigide. Une telle membrane peut ainsi épouser la paroi externe de la coque interne, ce qui permet d'être libre de la géométrie de la coque interne. En outre, en étant placée sur la face externe de la coque, la membrane piézoélectrique subit directement les chocs, produisant de ce fait plus de charges électriques. Avantageusement, la coque interne rigide a une géométrie choisie de manière à être sensible dans toutes les directions. Notamment, la coque interne rigide est sphérique. En variante, le volume interne de la coque externe et la paroi externe de la coque interne présentent la même géométrie que celle de la paroi externe de la coque externe. De cette manière, les charges électriques produites représentent fidèlement les chocs subits par la coque externe. Par exemple, un palet de hockey sur glace comporte un volume interne de même et une coque interne ayant la même forme que le palet lui-même. Avantageusement, la coque interne rigide forme un boitier pour le circuit électrique, et les éléments de maintien sont des éléments de fixation solidarisant le circuit électrique au boitier, ce qui permet d'obtenir un objet interne compact et simple de réalisation. En variante, le circuit électrique comporte une structure rigide, et les éléments de maintien comportent des éléments élastiques longilignes aptes à maintenir le circuit électrique dans une position prédéterminée dans le volume interne de la coque interne, chaque élément longiligne de maintien étant disposé entre la structure rigide du circuit électrique et une paroi interne de la coque interne. De cette manière, le circuit est maintenu au centre de la coque interne et les éléments de maintien élastiques absorbent les chocs subis par la coque interne, protégeant de ce fait les circuits électroniques. Notamment, les éléments de maintien sont constitués de ressorts. Les ressorts présentent l'avantage de nécessiter un volume limité de matière pour mettre en oeuvre de manière efficace une force de rappel, et perturbent donc au minimum le fonctionnement, par exemple aérodynamique, du dispositif. De manière avantageuse, la coque interne comporte une couche de matériau absorbant les chocs entre une couche de matériau piézoélectrique et le circuit électrique, par exemple une couche de mousse, de gel, de polyester, de PCM (acronyme de « Phase change material »), ou de papier, de manière à protéger le circuit électrique. Par exemple, la coque interne comprend deux parois rigides concentriques définissant un espace remplie d'un matériau absorbant les chocs. Selon un mode de réalisation, au moins deux des éléments de maintien sont conducteurs de l'électricité et forment deux connexions électriques entre la couche piézoélectrique de la coque interne et le circuit électrique. Il n'est ainsi pas nécessaire de prévoir d'autres types de connexion électrique, comme par exemple des fils soudés. En outre, ces connexions résistent aux chocs. Selon un mode de réalisation, le circuit électrique est constitué d'étages électriques parallélépipédiques agencés en parallèle dans un cadre rigide. Ce type de configuration permet d'obtenir un circuit compact, et donc perturbant de manière minime le fonctionnement du dispositif. Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte une membrane piézoélectrique plaquée contre la paroi interne de la coque externe et un circuit électrique fixé à la paroi interne de la coque externe, connecté électriquement à la membrane piézoélectrique de la coque externe, et comportant un élément de stockage d'énergie électrique produite par la membrane piézoélectrique de la coque externe. De cette manière, l'ensemble des éléments subissant des chocs produisent des charges électriques sous l'effet d'un choc ou d'une accélération, augmentant de ce fait la quantité de charges produites. Selon un mode de réalisation, le circuit électrique comporte un circuit de production de données à partir de l'énergie électrique produite par la couche piézoélectrique de la coque interne, et un circuit de transmission sans fil desdites données à l'extérieur de la coque externe, lesdits circuits de production et de transmission étant alimentés par l'élément de stockage d'énergie électrique. Selon un mode de réalisation, l'élément de stockage d'énergie électrique comporte une micro-batterie formée sur un substrat souple ou rigide et/ou une capacité et/ou une supercapacité. Ce type de stockage d'énergie électrique est très léger, usuellement d'un poids et d'une surface faibles pour une grande capacité de stockage. De manière avantageuse, la coque interne est connectée à la coque externe au moyen d'un système de rappel de la coque interne dans une position prédéterminée du volume interne de la coque externe, ce qui permet de produire une charge électrique minimale quel que soit la direction d'un impact, d'une accélération ou d'une secousse subis par le dispositif. Notamment, le dispositif est une balle, un ballon, un palet, une pédale de bicyclette, une semelle de chaussure, une rame, une voile, une crosse, une batte ou une raquette. 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 :
Il va à présent être décrit en relation avec les Le dispositif 10 comprend une coque rigide 12 délimitant un volume interne 14. Le volume interne 14 est par exemple naturellement présent dans l'objet ou est réalisé pour des objets usuellement prévus pour être pleins. La coque 12 peut donc représenter l'essentiel du volume de l'objet 10. La paroi interne 16 de la coque 12 est par ailleurs optionnellement pourvue de picots 18, avantageusement répartis de manière régulière sur ladite paroi 16. Les picots sont rigides, par exemple réalisés en graphite, ou constitués de ressorts de très forte raideur, la mise en oeuvre de ressorts permettant d'augmenter la force des impacts sur l'objet interne 20. Enfin, un objet interne 20, par exemple sphérique, est prévu dans le volume interne 14 et peut se déplacer librement dans celui-ci. L'objet interne 20 comporte une coque 22 délimitant un volume interne 24 et constituée d'un matériau rigide et léger, comme par exemple du graphite, du plastique, un élastomère. L'objet interne 20 comprend en outre un système de récupération d'énergie 26 qui comprend :
Le circuit électrique 32 et l'ensemble d'éléments de maintien sont insérés le volume interne 24 de la coque interne 22. Ainsi, lorsque le dispositif 10 subit un impact, une accélération ou une secousse par exemple, l'objet interne 20 vient frapper la coque 12, le cas échéant muni de picots 18, La membrane piézoélectrique 28 plaquée contre la coque 22 subit donc une déformation et produit ainsi des charges électriques qui sont ensuite stockées et/ou traitées dans le circuit 32 comme cela est décrit ci-dessous. De manière avantageuse, la coque 22 est constituée, ou comporte une couche, de matériau absorbant les chocs, par exemple couche de mousse, de gel, de polyester, de PCM ou de papier. Le film piézoélectrique étant placé à l'extérieur de la coque 22, il subit pleinement les impacts de l'objet interne contre la paroi interne de la coque externe 12. Par contre, en prévoyant une coque 22 absorbant les chocs, le circuit électrique 32 est protégé de ceux-ci. Comme illustré aux
Avantageusement, le film piézoélectrique 38 est constitué de polyfluorure de vinylidène (« PVDF ») qui présente l'avantage d'être à la fois léger, souple et mécaniquement résistant, les électrodes métalliques 40, 42 pouvant être déposées directement sur les faces du film sans utiliser de substrat 44. En variante, le film 38 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. Le circuit électrique 22 est choisi pour être le plus léger possible compte tenu des fonctions qu'il met en oeuvre. Notamment, l'élément de stockage d'énergie électrique est avantageusement constitué d'une micro-batterie formée sur un substrat souple ou rigide. Par exemple, l'élément de stockage est une micro-batterie à substrat rigide de la gamme « EnerChip » de la société Cymbet® Corp., par exemple une micro-batterie de référence « CBC050-M8C » d'une surface de 8 x 8 mm2 pour une capacité de 50 µAh, ou bien une micro-batterie à substrat souple de la société Solicore®, Inc.,par exemple un micro-batterie de référence « SF-2529-10EC » d'une surface pliable de 25,75 x 29 mm2 pour une capacité de 10 mAh. En variante, l'élément de stockage d'énergie électrique comprend une ou plusieurs capacités et/ou une ou plusieurs super-capacités et/ou une ou plusieurs piles boutons rechargeables. Le circuit 32 est également avantageusement conçu pour présenter une symétrie tridimensionnelle la plus élevée possible, l'idéal étant que le circuit 32 soit de forme sphérique et de densité uniforme. Toutefois, compte tenu des procédés usuels de fabrication des circuits électriques et électroniques, ces derniers prennent généralement une forme parallélépipédique. De manière avantageuse, le circuit 32 prend la forme d'un empilement de circuits parallélépipédiques, tel qu'illustré aux Le circuit 32 comporte ainsi notamment :
Les étages sont par ailleurs solidarisés au moyen d'une armature rigide 52 à laquelle sont fixés les éléments de maintien 34. Les éléments de maintien 34 ont quant à eux une forme longiligne, et chacun des éléments 34 est fixé à une première extrémité au circuit électrique 32, notamment à l'armature 52 de celui-ci. De manière avantageuse, l'autre extrémité de l'élément 34 est posée contre la paroi interne de la coque interne 22, sans être fixé de manière solidaire à cette dernière. Par exemple, les éléments 34 sont montés en compression dans la coque interne 22. Les éléments 34 sont fixés à l'armature du circuit 42 et à la paroi interne de la coque interne par collage, par soudure, par contact magnétique, par visserie, par un système autobloquant ou au moyen d'un système de type « quickconnect ». En variante, la fixation est réalisée à l'aide d'un matériau polymère, comme par exemple un polyuréthane, une colle époxy, une colle anaérobie comportant un mélange d'un diméthacrylate de glycol avec une quantité minoritaire de peroxyde et d'accélérateur de prise, un cyanoacrylate, ou un mastic MS polymère à base de silane modifié. En variante, la fixation est réalisée à l'aide de nanofibres, par exemple des nanofibres de collagène, des nanofibres de carbone et de cuivre, des nanofils de SiC comprenant des micro-pointes en carbone. Le circuit 32 et les éléments de maintien 34, forment ainsi avantageusement, mais optionnellement, un seul et même objet, ce qui facilite son installation dans l'objet interne 20 ainsi que son retrait. Comme illustré à la En outre, les ressorts sont choisis pour être déformable selon leur axe principal de rappel et sensiblement plus rigides perpendiculairement à cet axe, ce qui facilite la mise en contact de leur second extrémité avec la coque 22. Dans le cadre d'un circuit électrique 32 présentant la forme d'un parallélépipède, le nombre de ressorts est avantageusement au nombre de huit, un ressort étant prévu pour chaque coin de circuit 32. En variante, comme illustré à la Les éléments de maintien 34 présentent une force de rappel en étirement et/ou en compression choisie de manière à ce que le circuit 32 puisse se déplacer dans le volume interne 24 de l'objet 20 sans jamais impacter la paroi interne 30 sous l'effet des chocs violents que l'objet 20 est susceptible de subir lors de l'utilisation du dispositif 10. Avantageusement, les éléments de maintien 34 comprennent chacun plusieurs ressorts 34a, 34b, par exemple deux, mis en série, comme illustré à la Les Selon une première variante illustrée à la Selon une seconde variante illustrée à la Selon une troisième variante, illustrée à la La première variante présente l'avantage de pouvoir choisir une armature indépendante de la connexion entre la membrane et le circuit 32. En revanche, les fils subissent pleinement les accélérations de la balle lors des impacts de celle-ci, ce qui les fragilise. La seconde variante propose au contraire des connexions peu sensibles auxdites accélérations, mais nécessite en contrepartie une armature plus complexe pour le circuit 32. La troisième variante représente un compromis entre les deux premières variantes, les fils étant protégés par les éléments 34, et la connexion au circuit 32 pouvant être indépendante de l'armature, par exemple en prévoyant une portion de fils disposée hors des éléments 34 pour une connexion à des plots du circuit 22. Evidemment, ces variantes peuvent être combinées. De même, plus de deux connexions peuvent être prévues. Par exemple, dans le cas d'une membrane piézoélectrique 38 comprenant plusieurs portions électriquement isolées les unes des autres, ou membrane « pixélisée », deux connexions électriques peuvent être prévues pour chacune des portions de la membrane piézoélectrique. Le circuit électrique 32 peut par exemple comprendre un ou plusieurs circuits électroniques alimentés en énergie électrique par la micro-batterie du circuit 32 et réalisant une fonction de traitement des impulsions électriques produites par la membrane piézoélectrique et de production de données. Ainsi, le circuit 32 peut comprendre un circuit de comptage du nombre d'impulsions produites depuis la mise en service du dispositif 10, de détermination de l'intensité moyenne ou individuelle des impulsions, et/ou de détermination de la durée moyenne ou individuelle des impulsions. Les données ainsi produites sont par exemple stockées dans une mémoire interne du circuit 32 et/ou transmises par un circuit de transmission sans fil, par exemple par radiofréquence, du circuit 32 à l'extérieur du dispositif 10 pour leur collecte. Notamment, la connaissance du nombre d'impulsions permet de connaître, outre le nombre d'impacts subis par le dispositif 10, l'état d'usure de ce dernier, puisque cet état d'usure dépend pour une balle, 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 au dispositif, etc...En outre, en traitant les impulsions produites par chaque portion d'une membrane pixélisée, il est possible de préciser les caractéristiques des frappes, leur forme et leur empreinte sur le dispositif. De plus, l'analyse des impulsions produites par la membrane piézoélectrique permet également d'estimer la vitesse du dispositif 10. Lors du recyclage du dispositif 10, les moyens de stockage d'énergie électrique du circuit 32 peuvent être déchargés pour récupérer l'énergie stockée. En outre, l'objet interne 20 peut être réutilisé dans un autre dispositif. Une fois l'objet 20 jugé hors d'usage, il suffit pour récupérer le circuit 32 d'ouvrir la coque 22. Lorsque les éléments de maintien 34 ne sont pas fixés à la coque 22, il suffit alors de saisir le circuit 32 pour l'ôter de la coque 22. L'intégration de l'objet interne 20 dans la coque externe 12 consiste alors à prévoir la coque externe en deux demi-coques, chacune tapissée par exemple d'une membrane recouverte de picots 18, à loger l'objet interne 20 dans l'une des deux demi-coques puis à assembler les deux demi-coques formant la coque externe 12, par exemple par collage. Il a été décrit un système de récupération d'énergie 26 muni d'une membrane piézoélectrique 28 souple, et donc capable d'épouser une surface non plane, et notamment sphérique. La géométrie de la coque 22 de l'objet interne 20 peut ainsi être choisie indépendamment du matériau piézoélectrique, et notamment choisi pour l'objet soit sensible aux chocs dans toutes les directions. Par contre, les matériaux piézoélectriques souples présentent usuellement des performances piézoélectriques inférieures à celles des matériaux piézoélectriques rigides. Selon un second mode de réalisation de l'invention, le matériau piézoélectrique utilisé dans l'objet interne 20 est rigide, et constitue la totalité ou la majorité d'une coque creuse dans laquelle le circuit électrique 32 est logé. Selon une variante illustrée aux Cette variante présente l'avantage d'être de construction simple. Par contre, la géométrie de la coque 80 ne permet pas d'être sensible de manière identique dans toutes les directions. En variante, la coque 80 est sphérique et remplace par exemple la coque 22 et le film piézoélectrique 28 du mode de réalisation illustré aux Dans la variante illustrée aux De manière avantageuse, le polyèdre est choisi pour avoir un nombre de faces important de manière à approximer une sphère, comme par exemple illustré à la Il a été décrit des modes de réalisation dans lesquels le matériau piézoélectrique est incorporé dans la coque d'un objet frappant la paroi interne de la coque externe du dispositif. De manière avantageuse, la paroi interne de la coque externe du dispositif est également utilisée pour convertir l'énergie mécanique en charges électriques, cette paroi étant également sujette aux chocs de la part de l'objet interne, mais également sujette à des ondes acoustiques en provenance de la paroi externe de la coque externe lorsque cette dernière subit des chocs, des frappes, des rebonds, des secousses, ou autres. Dans un mode de réalisation illustré à la Il a été décrit des modes de réalisation dans lesquels l'objet interne 20 est totalement libre de se déplacer dans le volume 14 de la coque externe 12, l'objet interne 20 ne comportant aucun lien ni connexion avec la coque externe 12. De manière avantageuse, un système de rappel de l'objet interne 20 dans une position prédéterminée du volume interne 14, par exemple le centre de celui-ci lorsque le volume est sphérique est prévu de manière supplémentaire. Par exemple, en se référant à la L'invention s'applique également aux balles, ballons, palets rigides, c'est-à-dire ne subissant sensiblement pas de déformation lors de leur utilisation, comme par exemple des balles de golf, des balles de polo, des balles de hockey sur gazon, des palets de hockey, des balles de baseball, des boules de pétanques ou autres. L'invention s'applique également à d'autres types de sport que les sports de balles/ballons/palets/boules. Par exemple, l'invention s'applique au cyclisme, notamment en prévoyant des pédales de bicyclette comportant une cavité dans laquelle est logée un objet interne libre de s'y déplacer. De même, l'invention s'applique également aux chaussures, par exemple de sport, comprenant par exemple des semelles munies d'une cavité et d'un objet interne conformes à l'invention. L'invention s'applique également aux sports nautiques. Par exemple, un mat, une voile, une rame d'aviron et de kayak sont munis d'une cavité et d'un objet interne conformes à l'invention. Ainsi, à chaque fois que les objets décrits précédemment subissent un choc ou une accélération, des charges électriques sont produites, stockées et traitées, ce qui permet de fournir des statistiques par exemple. Evidemment, l'invention s'applique à d'autres types d'activité que le sport, notamment les activités de rééducation physique qui utilisent des balles, des ballons, des boules, des palets 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. L'invention s'applique également aux dispositifs électroniques portables, par exemple des montres, des lecteurs MP3, des lampes à LED, ou autres, à des pièces mécaniques dans les transports (voiture, avion, vélo, revêtements de route...), des ustensiles de cuisine, des matériels en usine (alimentaire, bio), qui peuvent être rechargés par secousse en prévoyant une cavité et un objet interne conformes à l'invention. |
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