Brevet FR2838885A1 — publié le 20031024

comme moteur electrique. L'invention concerne un dispositif transformant des actions mecaniques humaines en energie electrique par effet piezoelectrique, en particulier pour l'alimentation d'appareils electroniques autonomes. Avec la proliferation des appareils electroniques portables, la question de l'autonomie de ces dispositifs sur le plan energetique se pose de maniere cruciale. L'idee de convertir l'energie mecanique produite par l'homme dans ses activites quotidiennes en energie electrique stockee dans un organe de stockage (capacite ou accumulateur) est seduisante. Fournir un generateur presentant un rendement global de conversion suffisant pour pouvoir alimenter des dispositifs electroniques classiques, par exemple des dispositifs consommant plusieurs Waffs, constitue un objectif central de nos jours. En pratique, I'interet de realiser un transformateur d'energie integrable ayant un rendement global de conversion egal ou superieur a 1% est manifeste. Considerant par exemple la marche comme source d'energie initiale (puissance fournie de ltordre de 70 Waffs), la puissance electrique utilisable affeint 1 Waff pour un rendement global de 1,4%. Ceffe puissance est suffisante pour faire fonctionner de nombreux dispositifs electroniques portables. Dans ceffe perspective, la conversion par effet piezo-electrique est particulierement interessante car elle conjugue compacite et robustesse du fait notamment qu'elle necessite peu ou pas de pieces mobiles. La conversion d'energie mecanique en energie electrique par effet piezoelectrique est connue depuis tres longtemps. Cependant, dans le cas ou la source d'energie est ['action des membres du corps humain, les dispositifs proposes jusqu'ici ne presentent pas un rendement global de conversion suffisant (rapport de l'energie electrique disponible en sortie par l'energie mecanique disponible en entree). De maniere generale, les principes physiques qui ont ete proposes pour transformer l'energie mecanique produite par les membres en energie electrique vent multiples. On peut les crasser en trots categories. Les dispositifs inertiels transforment l'energie cinetique d'une masse sous forme electrique, par induction electromagnetique. Ce principe eprouve a fait ['objet de realisations industrielles dont la plus celebre est la montre Seiko > (marque deposee). Le rendement de conversion de tels dispositifs est faible et les puissances disponibles vent de l'ordre du microwatt. Les dispositifs de type > ont ete utilises dans des prototypes de chaussures developpes au Media Lab du MIT (Massachussets Institute of Technology) (rbf.[1]) et par la Electric Shoe Company (ref. [2]). La puissance disponible peut atteindre piusieurs Watts. Les dispositifs de type > posent des problemes d'integration et de fiabilite car ils comportent de nombreuses pieces mobiles. Enfin, la conversion piezoelectrique a notamment ete utilisee dans la realisation de chaussures, egalement au Media Lab du MIT (ref [1]) (a base de ceramiques de type PZT ou de polymeres connus sous le sigle PVDF) et par la Electric Shoe Company (ref [2]). PZT est un terme generique signifiant Titano Zirconate de Plomb decrivant les ceramiques piezoelectriques les plus usuelles depuis le debut des annees 60. Ces ceramiques vent fabriquees par de nombreuses societes dans le monde. Des moyens inherents a cette conversion piezoelectrique ont egaiement ete decrits dans le FR 2 745 476. Dans le cas de la chaussure du MIT, la conversion est produite par deformation statique en flexion d'une plaque piezoelectrique. Le rendement global de conversion est typiquement de 0,005 %. Les energies produites vent de l'ordre du milliwatt. Le document FR 2 745 476 propose un effet de levier pour deformer de fac, on quasi-statique un empilement piezoelectrique multicouches. Une evaluation des contraintes mecaniques mises en jeu ne laisse prevoir qu'une puissance insuffisante pour de nombreuses applications (en pratique, de ltordre du milliwatt). L'invention a pour but un transformateur d'energie mecanique humaine qui presente un rendement et une compacite ameliores. Ce but est atteint selon ['invention grace a un dispositif de production d'electricite a partir d'un mouvement humain, le dispositif comprenant un organe piezoelectrique et un ensemble de transformation mecanique d'un mouvement humain initial en une sollicitation mecanique de ltorgane piezoelectrique, caracterise en ce que l'organe piezoelectrique est prevu pour pouvoir vibrer en resonance, et ['ensemble de transformation mecanique est prevu pour transformer le mouvement humain initial en une serie d'impacts sur l'organe piezoelectrique de sorte que ce dernier entre alors en resonance sous i'effet de cette serie d'impacts. D'autres caracteristiques, buts et avantages de ['invention appara'^tront a la lecture de la description qui va suivre, faite en reference aux figures annexees sur lesquelles: - la figure 1 est un schema electrique qui modelise les roles energetiques d'un utilisateur humain et de moyens mecaniques et electriques selon ['invention. - les figures 2 et 3 vent des vues de cote et en perspective d'un organe piezoelectrique utiiise dans le cadre de ['invention; - la figure 3bis represente ce meme organe piezoelectrique dans une position deformee; - la figure 4 est une perspective coupee d'un ensemble de production d'impacts selon ['invention; - la figure 5 est une vue de cote d'un dispositif de transformation de mouvement selon une autre variante; - la figure 6 est une vue en perspective coupee d'un autre ensemble de production d'impacts. - la figure 7 est une vue en coupe d'une chaussure equipee de moyens de production d'electricite selon ['invention; Le dispositif de production d'electricite decrit ici se compose de trots elements principaux (fig.1): - un transducteur piezoelectrique 100, sous forme d'une plaque en flexion, dont le role est de constituer le point de conversion de l'energie mecanique en energie electrique; - un mecanisme 200 dont le role est de transformer un mouvement initial produit par un membre humain en un autre mouvement plus approprie pour la sollicitation du transducteur piezoelectrique; - un circuit electronique 300 dont le role est de recuperer l'energie electrique aux bornes du transducteur piezoelectrique et de charger une capacite de stockage sous quelques dizaines de volts. Le transducteur piezoelectrique 100 presente ici un coefficient de couplage eleve (rapport de l'energie electrique transformee a partir de l'energie mecanique en entree). Pour cela, le transducteur 100 est une plaque dont les matbrioux piezoelectriques constitutifs vent des ceramiques piezoelectriques de type PZT, tres rigides et tres fragiles par nature. Ces ceramiques presentent des coefficients de couplage intrinseques eleves. On utilise en outre un mode de conversion connu sous ['appellation >, qui correspond a des orientations de contraintes mecaniques et de champs electriques induits paralleles a la polarisation de la ceramique. Ce mode de conversion s'avere egalement approprie pour l'obtention d'un coefficient de couplage eleve. L'energie de deformation pouvant etre stockee dans la plaque piezoelectrique 100 est limitee, en raison d'une limite maximale admissible des contraintes au-dela de laquelle survient la rupture de la plaque. Cette limite mecanique correspond a une limite de concentration energetique d'environ 6mJ par cm3 de materiau piezoelectrique actif. Cette valeur, prejudiciable a l'obtention de dispositifs compacts dans l'art anterieur, n'est plus un souci ici gr3ce a la transformation de mouvement qui est proposee ci-apres. Ainsi, I'energie mecanique humaine est transmise sur la plaque piezoelectrique 100, par le mecanisme 200, selon une transformation mecanique particulierement avantageuse en termes de rendement global. L'energie mecanique d'un mouvement humain considere n'est pas transmise sur le transducteur 100 en une seule fois, mais elle transite par impulsions successives. Le mecanisme 200 transforme le deplacement initialement produit par le mouvement humain considere, en une serie dtimpacts. Ainsi, un seul mouvement du membre humain considere genere a lui seul une serie d'impacts successifs, utilises pour une sollicitation saccadee du transducteur piezoelectrique 100. Sous l'effet de cette serie d'impacts, le transducteur lOO entre en vibration sur un mode de resonance. Une tension sinusofdale est alors induite aux bornes de sortie du transducteur lOO, sortie modelisee sur la figure 1 par une capacite 110 representant ['aptitude intrinseque du transducteur 100 a stocker et fournir de l'energie electrique a sa sortie. Cette capacite intrinseque 110 de recuperation et de stockage de l'electricite est connectee au primaire d'un transformateur 400 qui amplifie le courant. Le circuit 300, qui est place au secondaire du transformateur 400, est lui constitue d'une diode de redressement 310 et de l'organe de stockage constitue par la capacite Cs precedemment mentionnee. Selon une variante, le circuit 300 est constitue par un ensemble comprenant un pont de diodes et une capacite, ou encore il est constitue par un circuit a commutation. Le chargement de la capacite intrinseque 110 de la plaque piezoelectrique 100 s'effectue a chacune des multiples variations brutales d'application ou de retrait de force, et non en une seule flexion de l'organe piezoelectrique 100. Le principe associant ['excitation du transducteur 100 par impacts successifs (application et relachement brusques de la force) et la mise en resonance du transducteur 100 permet a l'energie de transiter progressivement a travers le materiau piezoelectrique. Ce principe leve la limitation liee a l'energie maximale de deformation stockable dans le materiau piezoelectrique, inherente a tous les dispositifs statiques ou quasi-statiques. En d'autres termes, ce dispositif favorise la compacite car la limite de contrainte maximale ne s'applique que pour cheque impact. Le transducteur piezoelectrique 100 presente, a son entree, une impedance mecanique qui doit etre adaptee a ['impedance de la source (a savoir le membre humain) pour optimiser le transfert de l'energie mecanique produite par le membre en energie de deformation du transducteur 100. Le transducteur adopte ici est. comme indique precedemment, une plaque 100 sollicitee en flexion. Cette plaque 100 (fig.2) est constituee par des lames de ceramiques multicouches 120 et 130 montees sur les deux faces d'une lame centrale 140. La polarisation des lames multicouches 120 et 130 est alternee et parallele a la lame 140. L'encombrement de tels dispositifs mecaniques est de l'ordre de 2cm3 (40x1 Ox5mm). Les couches formant les plaques 120 et 130 vent referencees 125 et 135 sur la figure 2, elles se succedent le long de la plaque, selon une polarisation parallele a la grande dimension de la plaque. Les polarisations vent inversees sur les faces superieure et inferieure de la lame centrale 140. Ce choix permet de garantir une bonne adaptation mecanique a ['entree (plaque en flexion), un coefficient de couplage eleve (fonctionnement en mode 33) et une adaptation electrique en sortie amelioree (capacite 1 10 du transducteur accrue par l'utilisation de ceramiques multicouches). II en resulte un rendement global de conversion plus eleve et une acceleration du transfert d'energie a la capacite 110. L'utilisation de ceramiques polarisees perpendiculairement au plan de la plaque 100 est egalement possible (fonctionnement en mode 13). Cette variante presente cependant ['inconvenient de degrader le coefficient de couplage et de reduire la capacite 110. L'impedance electrique de sortie du transducteur 100 doit preferentiellement etre adaptee a ['impedance de l'organe de stockage Cs. Le dispositif devant etre compact car portable, la capacite 110 du transducteur piezoelectrique considere est naturellement de plusieurs ordres de grandeurs inferieure a l'organe de stockage Cs. L'adaptation electrique a ['aide du transformateur 400 en sortie proposee ici, repond a cette preoccupation. Le transformateur de courant 400 connecte en sortie du transducteur est en outre avantageux car il ameliore le transfert d'energie a l'organe de stockage Cs. De plus, le primaire du transformateur 400 constitue, avec la capacite 110 du transducteur, un circuit bouchon qui optimise le transfert d'energie. Le rapport de transformation peut etre ajuste de maniere a adapter la valeur de l'organe de stockage Cs qui est vue au primaire du transformateur 400 pour optimiser le transfert d'energie. La duree de chaque chargement depend du coefficient de couplage du dispositif. Cette duree est typiquement de quelques periodes de vibrations (soit quelques millisecondes), si le coefficient de couplage electromecanique est superieur a 50%. De nombreux chargements successifs peuvent done etre appliques en un temps tres court. L'association d'un transducteur resonant 100 et du transformateur d'adaptation 400 qui joue a la fois le role de circuit bouchon et d'adaptateur electrique vis a vis des moyens de stockage, est tres avantageuse. Cette association ameliore le rendement global de conversion et en consequence accelere le transfert de ltenergie a l'organe de stockage Cs. La capacite 110 du transducteur 100, associee a ['inductance au primaire du transformateur, en sortie du transducteur, vent des moyens preferentiels pour constituer un circuit bouchon qui stocke lienergie de maniere tres temporaire (quelques periodes) avant transfert. Avant de decrire un ensemble de production d'impacts, on va decrire (figures 2, 3, 3bis) un ensemble d'aide a la sollicitation mecanique selon une variante preferee. 11 presente deux leviers 150 et 160 couples chacun a une extremite de la plaque 100. Chacun des deux leviers s'etend depuis une extremite de la plaque , jusqu'a venir surplomber une partie centrale de celle-ci. Au-dessus de cette partie centrale de la plaque 100, les leviers se trouvent en vis a vis par leur extremite libre. Les leviers ont pour cela une forme sensiblement en angle droit pour venir surplomber la partie centrale de la plaque 100. Ils peuvent, en variante, etre droits. Lorsque deplace en rapprochement de la lame, chacun des leviers produit une flexion d'une extremite de la lame selon une meme courbure. L'utilisation de ces leviers 150 et 160 permet ainsi d'appliquer un moment de flexion et done d'homogeneiser la contrainte. Cette geometric produit dans la plaque 100 un moment flechissant constant qui tend a uniformiser le champ de contrainte et done l'energie de deformation suivant la longueur de la plaque. Cette uniformisation garantit une utilisation optimale du volume disponible pour un dispositif fonctionnant en flexion. Les leviers 150, 160 contribuent egalement a ['adaptation mecanique en entree par amplification de la force, et leur effet se combine avantageusement a ia sollicitation par impacts, exercee preferentiellement sur ltextremite libre de ces leviers en direction de la plaque, favorisant ainsi un mouvement resonant de la lame. On va maintenant decrire plusieurs variantes de moyens de production dtimpacts. On peut, comme propose ci-avant, utiliser le dispositif pour remplacer les piles dans des cles electroniques, plus precisement dans des clefs comprenant a la fois une clef mecanique et un emetteur electronique de deverrouillage. Dans de telles clefs, la partie mecanique est refermee par l'utilisateur dans un bo^tier selon un mouvement de rotation ou translation a l'encontre d'un rappel par ressort. L'energie fournie par l'utilisateur, au rangement de la clef dans le bo^'tier, ou cette meme energie liberee a la detente du ressort, est avantageusement utilisee comme mouvement de production d'electricite. Pour cela, on utilise un dispositif de transformation de mouvement 200 du type de celui de la figure 4, qui transforme la rotation d'un disque 210, assujetti a la partie rotative de la clef, en une serie diimpacts sur une plaque 100. Ce dispositif fonctionne sur le principe d'un crantage peripherique 212 du disque 210, sur loquel bute a repetition un doigt vibrant 230. Ce doigt 230 est maintenu par une liaison presentant une certaine eiasticite de mouvement, pour autoriser la vibration du doigt. Cette liaison lache et elastique est constituee par un bloc 240 entourant le doigt 230. Ce bloc 240 est maintenu en place par un arbre qui traverse le bloc avec une liberte de coulissement dans un sens transversal a cet arbre. Cette liberte de coulissement est autorisee par une lumiere qui s'etend dans le sens longitudinal du bloc, et dans laquelle se trouve l'arbre de maintien. Un ressort helicodal de meme direction que la lumiere du bloc 240 retient les mouvements du bloc. Ainsi, la vibration du doigt 230 est autorisee par de courts va-et-vient de l'arbre transversal dans la lumiere du bloc, a l'encontre de la deformation du ressort. De plus, dans sa partie mediane situee entre la roue crantee 210 et le bloc 240, le doigt 230 est en appui sur un muret 235. Ce muret 235 constitue done un appui qui permet au doigt de fonctionner en levier. Le fonctionnement en levier permet une transmission efficace des va-et-vients sur le bloc 240. Ce bloc 240, mis en contact avec les leviers 150 et 160 precedemment decrits de la plaque 100, forme un marteau qui applique les impacts souhaites directement sur ces leviers. Seule une moitie de la plaque 100 est representee sur la figure 4, pour une plus grande clarte de ['illustration. Pour la transformation d'un mouvement initial de translation humain, on a represente sur la figure 4, a titre illustratif, une cremaillere 250 droite qui engrene le disque 210 par l'intermediaire d'un second crantage peripherique, lateral au disque. Ce type de dispositif s'adapte par exemple a une clef qui se range dans son fourreau par un mouvement coulissant rectiligne. Selon une autre variante encore, la cremaillere droite 250 est utilisee directement pour transmettre la serie de butees successives sur le doigt 230. Dans cette variante, representee a la figure 5, la cremaillere 250 est montee a coulissement sur un guide, et rappelee par un ressort selon la direction de ce guide. Ce type de dispositif a transformation de mouvement rectiligne s'applique par exemple a la transformation de ltenergie d'ecrasement transmise sur des semelles de chaussures. Dans ce cas (figure 7), la cremaillere rectiligne 250 est placee verticalement dans la semelle sous le talon eVou sous la plante du pied. Selon une autre variante encore, un disque 215 est mis en contact directement avec la partie superieure d'un levier 150 de la plaque 100, par la peripherie de ce disque. La peripherie est alors preferentiellement munie de crans 217 a diametre progressif, chaque cran 217 se terminant par une rupture brusque de sa pente. Chaque levier 150 et 160, s'appuyant gr3ce a son elasticite contre la peripherie d'un tel disque crante 215, se volt done buter contre le disque 215 a cheque franchissement d'un tel cran. L'encombrement de tels dispositifs mecaniques est de l'ordre de 2cm3 (40x1 Ox5mm). Grace a ['ensemble des dispositions decrites ci-avant, la mesure a montre que le rendement de conversion des dispositifs obtenus est superieur a 1 %. Grace a de tels dispositifs, on peut recuperer partiellement l'energie mecanique produite lors des actions d'extraction et de retraction par rotation ou translation de la cle dans un fourreau rigide, de maniere a produire l'energie electrique necessaire au fonctionnement de l'emetteur de la clef. Da ns ce type d 'appl ication nota mment, on prevo it typiq u eme nt que ['ensemble de transformation mecanique du mouvement humain en action de deformation de l'organe piezoelectrique inclut un element elastique ou aimante et des moyens de maintien de ['element elastique ou aimante dans une position sollicitee a l'encontre du sens du rappel (deformation pour ltelement elastique, eloignement pour l'aimant attractif), ainsi que des moyens pour transformer une liberation du rappel en une sollicitation mecanique de l'organe piezoelectrique. En d'autres termes, on peut prevoir des moyens de stockage d'energie potentielle mecanique, actionnes au depart par un mouvement humain, et qui, lorsqu'ils se liberent, actionnent liorgane piezoelectrique. Les dispositifs decrits constituent des sources d'energie autonome ou complementaire pour tout type de materiel electronique portable. La mise en couvre de ces dispositifs ameliore le rendement global des transducteurs piezoelectriques connus d'un facteur 100 environ. Le domaine d'activite envisage est extremement large puisqu'il concerne l'alimentation en energie de ['ensemble des dispositifs electroniques portables consommant des puissances inferieures a quelques Watts. Les utilisateurs potentials de ['invention vent les industries de l'electronique, de l'informatique et des telecommunications. De man iere plus generale, I'invention peut etre ad aptee pour donner une autonomic energetique aux dispositifs electroniques ou electriques disposant d'une source d'energie mecanique exterieure (houle, vent, vibration...). Sur le plan militaire, la question de l'autonomie energetique fait partie d'une reflexion plus large sur le >. La DARPA (US Army) a d'ailleurs organise un seminaire sur ce sujet, intitule > > a Washington en Novembre 1997. [1] J. Kymissis, C. Kendall, J. Paradiso, N. Gershenfeld, "Parasitic power harvesting in shoes" presented at the 2nd IEEE International Conference on Wearable Computing, (1998). [2] Les travaux de Trevor Bayliss ont fait ['objet de nombreux articles > que lion pout trouver sur lo site http.//www. theelectricshoeco.com. REVENDICATIONS 1. Dispositif de production d'electricite a partir d'un mouvement humain, le dispositif comprenant un organe piezoelectrique (100) et un ensemble de transformation mecanique (200) d'un mouvement humain initial en une sollicitation mecanique de l'organe piezoelectrique (100), caracterise en ce que l'organe piezoelectrique (100) est prevu pour pouvoir vibrer en resonance, et ltensemble de transformation mecanique (200) est prevu pour transformer le mouvement humain initial en une serie d'impacts sur l'organe piezoelectrique (100) de sorte que ce dernier entre en resonance sous l'effet de cette serie d'impacts. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que I'ensemble de transformation mecanique de mouvement (200) comprend un element mobile (210, 215, 250), presentant un bord portent une serie de dents successives, et un doigt (230) monte mobile avec rappel elastique qui est en contact contre ce bord dense de ['element mobile, de telle sorte que le doigt (230) est sollicite par butees successives contre les dents de ce bord lors du mouvement de ['element mobile (210, 215, 250), 1'ensemble de transformation mecanique comportant en outre un element d'impactage (240) place en vis-a-vis de l'organe piezoelectrique (100) et couple mecaniquement au doigt mobile (230) de sorte que les butees successives du doigt (230) se traduisent par des impacts repetitifs de ['element d'impactage contre l'organe piezoelectrique (100). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caracterise en ce que ltorgane piezoeiectrique est une lame piezoelectrique (100) montee en flexion. 4. Dispositif selon la revendication 3, caracterise en ce que I'ensemble mecanique de transformation de mouvement (200) comprend un element allonge (150, 160), presentant une premiere extremite solidaire de la lame (100) et une seconde extremite mobile, I'ensemble de transformation de mouvement comprenant des moyens pour appliquer des impacts sur ltextremite mobile de cet element allonge (150, 160) de sorte que ces impacts vent transformes par cet element allonge (150, 160) en des flexions correspondantes de la lame (100). 5. Dispositif selon la revendication precedente, caracterise en ce que la lame (100) est en appui lateral par ses deux extremites et en ce que ['ensemble de transformation de mouvement (200) presente deux elements allonges (150, 160) ayant chacun une extremite solidaire de la lame (100) au niveau d'une extremite respective de celle-ci, les deux elements allonges (150, 160) presentant en outre leur extremite libre sensiblement au droit de la partie centrale de la lame (100). 6. Dispositif selon la revendication 5, caracterise en ce que ltensemble de transformation de mouvement est prevu pour appliquer les impacts sur l'extremite libre de chacun des elements allonges (150, 160). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce qu'il inclut un circuit (300) comprenant un element de stockage d'energie electrique (Cs), le circuit comprenant en outre des moyens pour recueillir l'energie electrique en sortie de l'organe piezo electrique (130) et stocker cette energie dans cet element de stockage (Cs). 8. Dispositif selon la revendication precedente, caracterise en ce que le circuit comprend une diode de redressement (310) montee en serie avec ['element de stockage (Cs). 9. Dispositif de production d'electricite selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que ['ensemble de transformation mecanique du mouvement humain en action de deformation de l'organe piezoelectrique inclut un montage de rappel mecanique et des moyens de maintien de ce montage de rappel dans une position sollicitee a l'encontre du rappel, ainsi que des moyens pour transformer une liberation du montage de rappel en une sollicitation mecanique de l'organe piezoelectrique. 10. Clef electronique incluant un emetteur electronique de deverrouillage et un organe mecanique de deverrouillage, ainsi qu'un fourreau couple a l'organe mecanique de deverrouillage par une liaison autorisant une introduction et une extraction de cet organe dans et hors du fourreau, la clef etant caracterisee en ce qu'elle inclut un dispositif de production d'electricite Solon rune quelconque des revendications precedentes, dont ['ensemble de transformation de mouvement (200) est prevu pour transformer le mouvement de l'organe mecanique de deverrouillage vis a vis du fourreau en la serie d'impacts sur ['element piezoelectrique (100), et le dispositif de production d'electricite etant relic a ltemetteur electronique de maniere a alimenter celui-ci.