FR3144487A1 - Dispositif piézoélectrique - Google Patents
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Abstract
Dispositif piézoélectrique
Dispositif électronique portable pour évaluer une déformation/pression de contact appliquée en un ou plusieurs points de contact, notamment un ou plusieurs points du corps humain, le dispositif comportant un substrat et un transducteur fixé sur le substrat, notamment un transducteur piézoélectrique, le transducteur comportant au moins deux, mieux au moins trois éléments transducteurs, et le dispositif étant configuré pour communiquer avec un circuit de traitement de donnés évaluant la déformation/ pression subie au niveau du point de contact.
Fig 1
Description
La présente invention concerne dispositifs piézoélectriques ainsi que leurs applications, et plus particulièrement mais non exclusivement les capteurs piézoélectriques.
Pour déterminer l’intensité et la durée des interactions entre un utilisateur et son environnement, il est connu de positionner sur une partie du corps de l’utilisateur une pluralité de capteurs, par exemple intégrés à un gant ou une semelle. Ces capteurs fournissent chacun une mesure en un point de contact.
La présence de multiples capteurs sous forme de pièces distinctes nécessite une connectique relativement complexe et fragile pour les relier à un circuit électronique de collecte des données, et peut générer des contraintes de mobilité pour l’utilisateur.
Par ailleurs, les transducteurs piézoélectriques peuvent être utilisés en tant qu’excitateurs pour générer des vibrations, en étant par exemple appliqués contre une surface vers laquelle des vibrations doivent être émises, ainsi qu’en tant que capteurs pour mesurer l’amplitude de ces vibrations. Lorsque ladite surface est non plane et le transducteur piézoélectrique de forme circulaire, il peut en résulter une discontinuité de l’interface entre certaines zones du transducteur et la surface, ce qui impacte négativement la transmission des ondes vibratoires. De plus, en raison de la fragilité inhérente du matériau piézoélectrique, les contraintes mécaniques (traction, compression) exercées sur le transducteur peuvent l’endommager.
Il existe par conséquent un besoin pour perfectionner les capteurs de pression de contact, en particulier ceux utilisés pour déterminer l’intensité et la durée des interactions entre un utilisateur et son environnement.
Il existe également un besoin pour perfectionner les excitateurs piézoélectriques, notamment afin d’améliorer la transmission des vibrations avec une surface non plane et réduire le risque d’endommagement de l’excitateur.
L’invention vise à répondre à tout ou partie de ces besoins en proposant un dispositif piézoélectrique, notamment capteur et/ou excitateur, comportant un substrat ayant une face électriquement conductrice formant électrode commune, une couche d’un matériau piézoélectrique au contact de la face conductrice du substrat, ce matériau étant présent sous la forme d’au moins trois, notamment quatre, parties disjointes formant autant d’éléments de transducteur, et une couche conductrice formant électrode individuelle recouvrant chacune desdites parties.
Les éléments de transducteur permettent chacun la mesure d’une pression de contact lorsque le dispositif est utilisé en tant que capteur, ou peuvent générer une vibration mécanique lorsque le dispositif est utilisé en tant qu’excitateur.
Grâce à l’invention, on peut ainsi bénéficier d’un capteur compact présentant plusieurs zones de mesure de la pression de contact.
Le dispositif selon l’invention simplifie la connectique vers un circuit électronique de traitement et/ou de commande, qui s’étend par exemple autour des éléments de transducteur, et son intégration à un équipement de protection individuel ou autre support à positionner sur le corps est facilitée.
La possibilité d’avoir une mesure en plusieurs points de contact au sein d’un même dispositif permet de réduire le nombre de capteurs si on le souhaite, et ainsi de diminuer les contraintes de mobilité.
Dans le cas d’une utilisation comme capteur ou comme excitateur, les éléments de transducteur peuvent plus facilement se conformer au contour de la surface sur laquelle ils sont appliqués, et l’on améliore le confort et/ou la qualité de l’interface de transduction entre les éléments de transducteur et la surface à leur contact. On réduit également le risque d’endommagement par les contraintes mécaniques, les éléments de transducteur pouvant fléchir pour relâcher les contraintes qui s’exercent sur le dispositif, notamment sur sa partie centrale.
Le dispositif peut comporter des parties formées par découpe, notamment laser, au moins du matériau piézo-électrique recouvert par la couche conductrice. Cela permet d’utiliser comme produit de départ pour réaliser le dispositif selon l’invention un transducteur conventionnel produit à large échelle, et relativement peu coûteux. De plus, cela permet d’adapter facilement la forme des éléments de transducteur à celle de la région du corps sur laquelle le capteur est disposé.
Lors de l’utilisation du dispositif comme capteur, les points de mesure multiples permettent d’obtenir une estimation relativement précise de l’amplitude des forces normales, le point d’application de la force sur la surface et le déplacement du point de contact dans le temps (force tangentielle) qui s’appliquent sur le capteur.
Le substrat, auquel la couche de matériau piézoélectrique est fixée, peut avoir un contour circulaire. En variante ce substrat peut avoir un contour de forme polygonale ou autre.
Le substrat peut présenter une partie périphérique annulaire s’étendant autour de la couche de matériau piézoélectrique, notamment une partie périphérique annulaire de contour extérieur circulaire. Le substrat permet un renforcement mécanique de la couche de matériau piézoélectrique. Un tel substrat peut permettre également, le cas échéant, d’augmenter l’amplitude du signal électrique émis par l’élément de transducteur suite à une pression exercée dessus, ou l’amplitude de déformation lors de l’application d’une tension, par effet dit « unimorphe piézoélectrique ».
Les parties formant éléments de transducteur peuvent présenter un bord au moins partiellement circulaire. En variante lesdites parties peuvent présenter un bord rectiligne ou partiellement polygonal, ou autre.
Lesdites parties peuvent être séparées par des évidements débouchant à une extrémité radialement extérieure sur une partie périphérique annulaire du substrat, non recouverte par la couche de matériau piézoélectrique, et à une extrémité radialement intérieure sur un évidement central. Ces évidements assurent l’isolation électrique entre les éléments de transducteurs, et permettent à chacun d’eux de s’étendre sous la forme d’un bras en porte-à-faux à partir de la partie périphérique annulaire du substrat.
L’évidement central précité peut avoir une forme généralement polygonale, notamment carrée ou rectangulaire.
Le dispositif selon l’invention peut comporter un circuit électronique relié électriquement à l’électrode commune et à chaque électrode individuelle.
Ce circuit peut comporter une carte de circuit imprimé, notamment de forme au moins partiellement annulaire, se superposant au moins partiellement au substrat, notamment à ladite partie annulaire périphérique. Cela permet de limiter l’encombrement du dispositif, et de contribuer à sa compacité et mobilité. De plus, la proximité entre la carte et les éléments de transducteur rend le dispositif moins exposé à un endommagement des connectiques et globalement plus résistant mécaniquement.
En variante, la carte de circuit imprimé n’est pas superposée au substrat, étant reliée par exemple par un câble aux éléments de transducteur.
De préférence, la carte de circuit imprimé est de forme au moins partiellement annulaire, pouvant être non superposée (en vue de face) à la couche de matériau piézoélectrique.
Le circuit électronique peut être configuré, dans le cas où le dispositif est utilisé comme capteur, pour détecter une variation de tension au niveau de chacun des éléments de transducteur. Cette variation de tension peut être convertie en un signal numérique qui peut être traité afin de déterminer la force appliquée sur l’élément de transducteur et sa localisation.
Le circuit électronique peut aussi être configuré, le cas échéant, pour permettre de générer une force mécanique excitatrice en appliquant une tension aux éléments de transducteur. Cela peut permettre d’utiliser le dispositif dans une double fonction, comme excitateur pour exciter mécaniquement une zone du corps dans un premier temps puis comme capteur dans un deuxième temps pour mesurer la réponse mécanique de ladite zone à cette excitation.
Le circuit électronique peut comporter un module de communication sans fil, par exemple un module de type Bluetooth.
Le dispositif peut comporter au moins une batterie d’alimentation électrique, l’ensemble du dispositif pouvant être manuellement portatif.
Le circuit électronique peut comporter une centrale inertielle, notamment au moins un accéléromètre. Cela peut permettre de détecter un mouvement d’ensemble du dispositif. Cela peut être avantageux notamment lorsque les éléments de transducteur sont utilisés pour générer une excitation mécanique, et non pour détecter une pression de contact.
Le dispositif peut comporter des moyens de fixation sur une partie du corps humain ou animal. Par exemple, il est maintenu sur le corps à l’aide d’un moyen de fixation tel qu’un adhésif et/ou une bande de fixation, par exemple du type à crochets et boucles, ou à l’aide d’un article vestimentaire ou équipement de protection individuelle, par exemple un gant, une genouillère, une chaussure ou un casque.
La fabrication d’un dispositif selon l’invention peut comporter une première étape consistant à fournir un transducteur comportant un substrat ayant une face électriquement conductrice formant électrode commune, une couche d’un matériau piézoélectrique au contact de la face conductrice du substrat, une couche conductrice recouvrant la couche de matériau piézoélectrique du côté opposé au substrat, puis une seconde étape consistant à découper au moins partiellement le transducteur de manière à former au moins trois, notamment quatre, parties disjointes de matériau piézoélectrique formant autant d’éléments de transducteur.
La découpe de la couche de matériau piézoélectrique se fait de préférence avec découpe du substrat, le transducteur étant ainsi découpé sur toute son épaisseur, ce qui permet de former des éléments de transducteur sous forme de bras s’étendant chacun en porte-à-faux depuis une partie périphérique annulaire du substrat.
La découpe est de préférence effectuée par laser.
L’invention a encore pour objet un procédé de détection d’une pression de contact exercée sur au moins une région, notamment du corps humain ou animal, dans lequel on dispose au moins un dispositif selon l’invention sur ladite région et l’on détecte la pression de contact exercée par une surface d’appui sur ladite région au moyen du dispositif.
Il est notamment possible de détecter un glissement éventuel de la surface d’appui relativement au dispositif en comparant l’évolution dans le temps des pressions exercées sur les différents éléments de transducteur.
Le procédé peut comporter une étape d’enregistrement des données du dispositif dans une période de temps donnée, et lorsque que l’on utilise plusieurs dispositifs comme capteurs, cet enregistrement peut s’effectuer sous la forme d’une matrice 2D dont une dimension représente les valeurs de pression de contact d’un même capteur prises à différents moments et l’autre dimension les valeurs mesurées pour différents capteurs à un même instant. La connaissance des valeurs de pression d’un même capteur permet de mesurer l’amplitude de la force, la localisation du point de contact, le déplacement du point de contact et la force tangentielle.
Comme mentionné plus haut, lors de son utilisation, le dispositif peut être maintenu sur ladite région au moyen d’un article vestimentaire ou d’un équipement individuel de protection, notamment un gant, une genouillère, une chaussure, un casque, et/ou d’un adhésif ou d’une bande ou fixation.
Un dispositif selon l’invention peut encore être utilisé pour générer une force d’excitation mécanique de la région avec laquelle les éléments de transducteur sont en contact, la réponse de celle-ci en fonction du temps étant ensuite mesurée, en utilisant par exemple un accéléromètre d’une centrale inertielle du dispositif.
On peut notamment disposer sur le corps plusieurs dispositif selon l’invention à des endroits d’intérêts, par exemple sous forme de patchs. Les éléments de transducteur se déforment en réponse à l’application de tensions électriques, et produisent une vibration localisée qui se propage dans le muscle et met en vibration ce dernier.
Le fait d’avoir plusieurs éléments de transducteur permet de se conformer plus facilement aux formes tridimensionnelles de la région à exciter mécaniquement. En particulier, lorsque les éléments de transducteur résultent d’une découpe laser, il est possible de leur donner toute forme appropriée au relief de la région sur laquelle le dispositif est fixé. On peut ainsi faire en sorte que l’interface entre la peau et le capteur ne soit pas rompue, et assurer une bonne transduction des ondes acoustiques dans les couches de l’épiderme en direction des muscles.
La mesure de la réponse musculaire peut être faite une fois les éléments de transducteur mis hors tension, à l’aide de la centrale inertielle du dispositif.
On peut alors quantifier l’oscillation naturelle amortie de la réponse du muscle. Il est possible à partir de ce signal d’extraire plusieurs données, telles que la tension interne du muscle, la raideur musculaire, l’élasticité et/ou la capacité de relaxation musculaire.
L’estimation de la raideur dynamique S peut se faire avec la relation :
avec M la masse du dispositif, a l’accélération maximale, et le déplacement selon la direction z, perpendiculaire à la surface de la peau. Une raideur importante caractérise un effort élevé réalisé par le muscle pour compenser l’effort appliqué.
L’élasticité D caractérise la propriété biomécanique qui traduit la capacité d’un muscle à revenir à sa forme initiale après une contraction ou lorsque la force extérieure l’ayant déformé est supprimée. L’élasticité peut être donnée par la relation :
Le temps de relaxation R caractérise le temps nécessaire pour que le muscle retrouve sa forme initiale. R peut se calculer par la formule suivante :
où tRest la demi-période de la période oscillation amortie du muscle et t1la durée mise pour atteindre l’amplitude maximale d’oscillation amortie.
L’oscillation caractérise l’état de la tension interne du muscle en son état de repos sans aucune contraction volontaire. Des valeurs élevées de tension peuvent réduire l’afflux sanguin et augmenter la fatigue musculaire et provoquer une récupération plus lente.
La quantification de la réponse musculaire ainsi que la détermination des paramètres tels que la raideur musculaire, l’élasticité musculaire ou le temps de relaxation qui lui sont associés, trouvent de nombreuses applications notamment dans les domaines de la santé et du sport. Des valeurs élevées de tension musculaire peuvent réduire l’afflux sanguin et augmenter la fatigue musculaire en induisant une récupération plus lente du muscle après l’effort, il est donc intéressant notamment pour les sportifs de pouvoir quantifier la réponse musculaire de leur muscle, sur n’importe quelle partie du corps.
L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un système d’analyse de la réponse musculaire, comportant :
- au moins un excitateur piézoélectrique configuré pour être positionné sur un muscle,
- un circuit électronique relié à l’excitateur, agencé pour
- générer à l’aide de l’excitateur piézoélectrique une vibration destinée à se propager dans le muscle,
- mesurer une oscillation amortie du muscle en réponse à cette excitation.
Un tel système comporte avantageusement comme excitateur piézoélectrique un dispositif tel que défini plus haut, comportant un substrat ayant une face électriquement conductrice formant électrode commune, une couche d’un matériau piézoélectrique au contact de la face conductrice du substrat, ce matériau étant présent sous la forme d’au moins trois, notamment quatre, parties disjointes formant autant d’éléments de transducteur, une couche conductrice formant électrode individuelle recouvrant chacune desdites parties.
Le circuit électronique comporte avantageusement une centrale inertielle pour mesurer l’oscillation amortie du muscle.
Le dispositif, et notamment le circuit électronique, peuvent présenter tout ou partie des caractéristiques définies précédemment.
L’invention a encore pour objet l’utilisation d’un tel système pour analyser la réponse musculaire d’un muscle du corps humain ou animal.
L’invention a encore pour objet un procédé de mesure d’au moins une caractéristique biomécanique d’un muscle, comportant l’étape consistant à solliciter mécaniquement ledit muscle en l’excitant au moyen d’au moins un transducteur piézoélectrique, notamment un élément de transducteur d’un dispositif selon l’invention tel que défini plus haut, et à mesurer une réponse oscillatoire amortie dudit muscle suite à cette excitation, de préférence en utilisant une centrale inertielle du dispositif.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de l’invention, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :
Le dispositif piézoélectrique 1 selon l’invention, représenté sur la , comporte des éléments de transducteur, au nombre de quatre dans l’exemple illustré, référencés respectivement 11 à 14, reliés à un circuit électronique 20 comportant une carte de circuit imprimé 21. De préférence, comme illustré sur la , la carte de circuit imprimé 21 présente une forme annulaire.
Le circuit électronique 20 peut comporter, comme illustré sur la , un microcontrôleur 22, permettant de traiter les signaux reçus des éléments de transducteur 11 à 14, dans le cas de l’utilisation du dispositif 1 comme capteur.
Le circuit électronique 20 peut également comporter une centrale inertielle 23, reliée au microcontrôleur 22, une mémoire 24 permettant l’enregistrement local de données, une interface de commande 25 et un module de communication sans fil 26, par exemple de type Bluetooth.
L’ensemble peut être alimenté électriquement par une ou plusieurs batteries 27, par exemple de type Lithium polymère. Sur la , on a représenté deux batteries 27 diamétralement opposées, qui sont par exemple logées dans un ou plusieurs boîtiers solidaires de la carte 21.
Le dispositif 1 peut communiquer avec un terminal externe 30, par exemple du type tablette, micro-ordinateur ou téléphone portable. Les données acquises par le dispositif 1 peuvent être transférées au terminal 30 pour y être traitées et/ou stockées, en temps réel ou en temps différé.
Les éléments de transducteur 11 à 14 peuvent être réalisés par découpe d’un transducteur piézoélectrique en forme de pastille, par exemple comme ceux utilisés pour les buzzer, tel qu’illustré à la , comportant un substrat 15 dont au moins la face supérieure 15a est électriquement conductrice, recouvert d’une couche de matériau piézoélectrique 17 sous la forme d’un disque centré sur le substrat 15, également de contour circulaire dans l’exemple illustré, mais de moindre diamètre que le substrat 15. Ce dernier présente ainsi autour du disque central une partie périphérique 15b.
La couche 17 est recouverte sur sa face supérieure, opposée au substrat 15, par une couche conductrice électrique 18, notamment une couche de métal.
Le substrat 15 peut être en laiton, en alliage à base de nickel ou en un autre métal. Il peut encore être en un matériau non conducteur électrique, métallisé sur sa face supérieure au contact du matériau piézoélectrique.
La face 15a et la couche 18 peuvent constituer les électrodes du transducteur, sur lesquelles des fils électriques peuvent être soudés.
L’épaisseur du substrat 15 est par exemple inférieure ou égale à 1mm, de même que celle de la couche de matériau piézoélectrique 17.
La fréquence de résonnance d’un tel transducteur va par exemple de 1kHz à 10kHz, le diamètre extérieur du substrat 15 étant par exemple compris entre 10 et 30mm .
Lorsque le transducteur est alimenté électriquement, le matériau piézolélectrique se déforme dans toutes les directions de polarisation. Le matériau piézoélectrique utilisé peut avoir un coefficient de couplage électromagnétique plus important dans la direction normale au plan du transducteur, afin de maximiser l’effet de déformation dans cette direction sous l’effet de la tension appliquée.
De tels transducteurs, encore appelés diaphragmes piézoélectriques, sont commercialisés par exemple sous la référence 7BB-20-6 par la société MURATA
Pour réaliser les éléments de transducteur 11 à 14, on procède à la découpe de la couche 17 de matériau piézoélectrique de manière à former des parties disjointes constituant les éléments transducteur 11 à 14, ces parties étant séparées par des évidements 43 s’étendant de la partie annulaire périphérique 15b à une région centrale 44.
Cette découpe peut s’effectuer par laser.
De préférence, les évidements 43 sont pratiqués sur toute l’épaisseur du transducteur, donc sur toute l’épaisseur du substrat 15, de la couche de matériau piézoélectrique 17 et de la couche métallique 18.
La découpe s’étend également à la région centrale 44 du transducteur, qui peut ainsi être entièrement évidée.
De préférence, tous les éléments de transducteur 11 à 14 présentent une forme identique, notamment une forme de secteur dont le sommet est tronqué. Ainsi, chaque élément de transducteur peut être image d’un autre par une rotation d’un multiple de 360°/n autour du centre du transducteur,nétant le nombre d’éléments de transducteur.
La région centrale 44 peut présenter une forme généralement polygonale, notamment carrée dans le cas où il y a quatre éléments de transducteur, comme illustré.
La largeur de la région centrale évidée 44 (mesurée entre les sommets de deux éléments de transducteur diamétralement opposés) est par exemple de l’ordre de 1mm pour un substrat 15 de l’ordre de 10mm de diamètre.
Les éléments de transducteur 11 à 14 forment des bras reliés chacun à leur extrémité radialement extérieure à la partie annulaire 15b du substrat 15, et présentent un bord libre à l’extrémité opposée.
Au niveau de chaque bras, on a comme on peut le voir sur la , la superposition du substrat 15, de la couche de matériau piézoélectrique 17 et de la couche métallique 18; le substrat 15 est non piézoélectrique et présente un rôle passif, apportant une rigidité supplémentaire à l’ensemble ; une telle structure est dite unimorphe piézoélectrique ; lorsque le matériau piézoélectrique 17 se déforme en s’allongeant ou se rétractant, il impose des contraintes mécaniques au substrat 15 qui accentuent le mouvement axial de son extrémité libre.
De préférence, la carte 21 présente un diamètre intérieur qui n’est que légèrement supérieur à celui du disque initial de matériau piézoélectrique 17, et un diamètre extérieur qui est sensiblement égal à celui de la partie périphérique 15b du substrat, voire légèrement supérieur. Ainsi, la partie périphérique annulaire 15b du substrat 15 se superpose au moins partiellement, sinon sensiblement entièrement, à la carte 21.
Des connexions électriques (non illustrées) sont formées entre la face conductrice 15a du substrat et la carte 21, ainsi qu’entre celle-ci et chacun des éléments de transducteur 11 à 14.
Les éléments de transducteur 11 à 14 peuvent être revêtus, le cas échéant, d’un adhésif sur leur face destinée à contacter la surface à exciter mécaniquement et/ou dont on souhaite détecter une pression de contact.
Lorsque le dispositif 1 est utilisé comme capteur de pression de contact, selon la distribution des forces de contact sur les éléments de transducteur 11 à 14, chacun d’eux délivrera une tension différente, laquelle sera traitée par le circuit électronique 20.
On a illustré sur la l’application d’une pression de contact dans des zones A, B et C des éléments de transducteur, pour illustrer le principe d’une mesure de distribution de forces à l’aide du dispositif.
Lors d’une pression exercée au niveau du cercle A, les éléments transducteurs 12 et 13 sont les seuls sollicités en flexion et génèrent des tensions de sortie correspondantes selon la force exercée.
Lors d’une pression exercée au niveau du cercle B, les éléments transducteurs 11 et 12 sont les seuls sollicités et génèrent des tensions de sortie respectives.
Lors d’une pression exercée au niveau du cercle C, les éléments transducteurs
11 et 14 sont les seuls sollicités et génèrent des tensions de sortie respectives.
Les mesures effectuées permettent ainsi de connaître la distribution spatiale des forces de contact sur le dispositif 1, au niveau des éléments de transducteur.
Ces données peuvent être enregistrées localement, dans la mémoire 24 du dispositif, ou remontées au terminal 30 auquel le dispositif 1 est connecté.
Les informations transmises comportent par exemple un identifiant du dispositif, des valeurs représentatives de la force appliquée et de la distribution des efforts sur les éléments de transducteur, par exemple des valeurs mesurées à chaque intervalle de temps et/ou des valeurs moyennes.
Les mesures peuvent être traitées en vue d’une représentation graphique sous forme matricielle, telle qu’illustré à la , par exemple sous la forme d’une matrice 3x3 pour quatre éléments de transducteur, la couleur dans chaque cercle représentant l’intensité de la pression de contact à l’emplacement correspondant sur le capteur. Une échelle de couleurs allant entre des valeurs Min et Max peut être utilisée pour rappeler la valeur de pression de contact en fonction de la couleur affichée.
Ainsi, chaque cercle dans un angle de la matrice correspond à l’intensité de la force détectée à la jonction entre deux éléments de transducteur correspondants adjacents, comme illustré, c’est-à-dire une force s’appliquant sur ces deux éléments simultanément.
Lorsque plusieurs dispositifs selon l’invention sont utilisés comme capteurs, on peut juxtaposer des valeurs provenant de capteurs respectifs au sein d’une même représentation graphique matricielle, comme illustré sur la .
Une même colonne de la matrice représente les mesures de la pression de contact acquises par les différents capteurs utilisés à un même instant t, et chaque ligne de la matrice représente les valeurs de la pression de contact d’un même capteur à différents instants.
Un dispositif selon l’invention peut être utilisé dans différentes applications, mais il sert avantageusement, en étant placé sur une région du corps humain ou animal, pour quantifier l’amplitude et la distribution des forces de contact sur cette région.
Le dispositif 1 peut être réalisé avec un poids relativement faible, par exemple moins de 35g, et avec un encombrement également relativement faible, par exemple moins de 6mm d’épaisseur, ce qui facilite son intégration sous un vêtement.
Par exemple, le dispositif 1 est utilisé sur un opérateur dans le secteur de la construction ou des travaux publics, qui est amené à réaliser plusieurs tâches en position débout, accroupie, ou sur les genoux, ainsi qu’à porter des charges lourdes de différents poids.
On peut alors placer des dispositifs selon l’invention sous la semelle de chaussures de sécurité, sur des gants face paume, ainsi que sur des genouillères et des fixations de celles-ci.
Les dispositifs vont collecter en tant que capteurs des données relatives à la distribution des points de contact et des pressions appliquées au cours du processus d’acquisition, qui débute par exemple à la mise sous tension du dispositif, et ces données sont par exemple stockées dans la mémoire interne du dispositif.
A l’issue du processus d’acquisition, les dispositifs transmettent des données brutes ainsi que des moyennes de mesure au terminal distant, par exemple via une liaison Bluetooth.
Ces données peuvent être traitées ensuite pour être visualisées et permettre de quantifier les sollicitations mécaniques auxquelles a été exposé l’opérateur durant sa journée de travail.
Un dispositif selon l’invention peut encore être utilisé pour mesurer des caractéristiques biomécaniques et viscoélastiques d’un muscle, notamment pour estimer une raideur musculaire après l’effort et le niveau de sollicitation du muscle après l’effort, permettant entre autres d’avoir une meilleure connaissance de la sollicitation du système musculosquelettique et/ou de détecter une dégradation de celui-ci.
Des appareils existent pour estimer la raideur musculaire après l’effort, tels que celui commercialisé par la société Myoton sous la marque Myoton Pro. Cet appareil comporte une pointe de mesure pour exercer une sollicitation mécanique, et permet d’enregistrer l’oscillation naturelle amortie du tissu sous la forme d’un signal d’accélération, puis de calculer des paramètres d’état de tension musculaire et des propriétés biomécaniques et viscoélastiques. Toutefois, la pointe de mesure doit être précontrainte en appuyant sur la zone de mesure, afin de maximiser le ratio signal/bruit. La précontrainte imposée ne prend pas en compte les caractéristiques physiologiques de la personne, et de plus modifie l’oscillation naturelle du muscle et donc la réponse fréquentielle à la sollicitation effectuée, ce qui limite la précision de la mesure.
L’utilisation d’un dispositif selon l’invention permet de quantifier la rigidité musculaire sans cet inconvénient de l’art antérieur.
Pour exciter mécaniquement le muscle, le dispositif 1 étant fixé contre le muscle, on alimente les éléments de transducteur afin de transformer la tension appliquée en une déformation des éléments de transducteur. Pour ce faire, le circuit électronique 20 peut comporter un étage de puissance 29 piloté par le microcontrôleur 22, permettant d’appliquer une tension à chacun des éléments de transducteur 11 à 14.
La sollicitation mécanique localisée qui résulte de la déformation des éléments de transducteur se propage dans le muscle et met celui-ci en vibration. Une fois la sollicitation mécanique initiale effectuée, la tension peut cesser d’être appliquée, et l’oscillation amortie du muscle détectée grâce à la centrale inertielle 23 du dispositif 1.
La illustre deux réponses oscillatoires différentes pour un même muscle suite à une excitation mécanique. L’axe des ordonnées représente l’accélération et les abscisses le temps.
La courbe Y représente la réponse musculaire du muscle n’ayant pas subi d’efforts en amont de ces mesures. La courbe X représente la réponse musculaire du même muscle, ce dernier ayant été stimulé au préalable, par exemple en traction ou en flexion.
Les réponses musculaires observées sont très différentes selon l’état du muscle, à savoir préalablement stimulé ou non.
Pour mieux comparer ces deux courbes X et Y, il est possible d’en extraire plusieurs métriques. Ces métriques, appliquées à la courbe Y, sont illustrées à la .
La représente l’oscillation amortie caractérisant l’état de la tension interne du muscle en son état de repos sans aucune contraction volontaire, en fonction du temps, soit la courbe Y représentée à la .
L’élasticité musculaire, qui caractérise la capacité du muscle à reprendre sa forme initiale lorsqu’une force extérieure l’ayant déformé est supprimée ou après une contraction, est donnée par ln (a1/a3), a1 étant l’amplitude maximale de l’accélération mesurée et a3 celle après la première période suivante.
A partir de la , on peut également déterminer le temps de relaxation, soit la durée nécessaire pour que le muscle retrouve sa forme initiale. Ce temps est donné par la différence entre t1, qui correspond au moment où l’amplitude de distorsion du muscle est maximale, et tRqui est le moment où le muscle retrouve la forme initiale antérieure à la contrainte.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits. Par exemple, le dispositif selon l’invention peut être réalisé avec un nombre différent d’éléments de transducteur, par exemple trois. Le dispositif 1 peut être réalisée sans la centrale inertielle, s’il est utilisé dans le seul but de mesurer une distribution de forces de contact.
Claims (18)
- Dispositif piézoélectrique (1), comportant :
- un substrat (15) ayant une face (15a) électriquement conductrice formant électrode commune,
- une couche d’un matériau piézoélectrique (17) au contact de la face conductrice (15a) du substrat, ce matériau étant présent sous la forme d’au moins trois, notamment quatre, parties disjointes formant autant d’éléments de transducteur (11, 12, 13, 14),
- une couche conductrice (18) formant électrode individuelle recouvrant chacune desdites parties.
- Dispositif (1) selon la revendication 1, lesdites parties étant formées par découpe laser au moins du matériau piézo-électrique (17) recouvert par la couche conductrice (18).
- Dispositif (1) selon l’une des revendications 1 et 2, le substrat (15) présentant une partie périphérique annulaire (15b) s’étendant autour de la couche de matériau piézoélectrique (17), notamment une partie périphérique annulaire (15b) de contour extérieur circulaire.
- Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, chacune desdites parties ayant un bord au moins en partie circulaire.
- Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, lesdites parties étant séparées par évidements (43), débouchant à une extrémité radialement extérieure sur une partie périphérique annulaire (15b) du substrat, et à une extrémité radialement intérieure sur un évidement central (44), notamment un évidement central ayant une forme généralement polygonale, notamment carrée ou rectangulaire, ces évidements (43) assurant l’isolation électrique entre les éléments de transducteurs, et permettant à chacun d’eux de s’étendre en porte-à-faux à partir de la partie périphérique annulaire (15b) du substrat (15).
- Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un circuit électronique (20) relié électriquement à l’électrode commune et à chaque électrode individuelle.
- Dispositif (1) selon la revendication précédente, ledit circuit comportant une carte de circuit imprimé (21) se superposant au moins partiellement au substrat (15).
- Dispositif (1) selon la revendication 7, la carte de circuit imprimé (21) ayant une forme au moins partiellement annulaire.
- Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, le circuit électronique (20) étant configuré pour détecter une variation de tension au niveau de chacun des éléments de transducteur (11, 12, 13, 14).
- Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, le circuit électronique (20) étant configuré pour permettre de générer une force mécanique excitatrice en appliquant une tension aux éléments de transducteur.
- Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications6 à 10, le circuit électronique (20) comportant un module de communication sans fil (26).
- Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications6 à 11, le circuit électronique (20) comportant une centrale inertielle (23), notamment au moins un accéléromètre.
- Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins une batterie d’alimentation électrique (27), l’ensemble du dispositif (1) étant manuellement portatif.
- Procédé de fabrication d’un dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant :
une première étape consistant à fournir un transducteur comportant un substrat (15) ayant une face (15a) électriquement conductrice formant électrode commune, une couche (17) d’un matériau piézoélectrique au contact de la face conductrice du substrat, une couche conductrice (18) recouvrant la couche de matériau piézoélectrique du côté opposé au substrat, puis
une seconde étape consistant à découper au moins partiellement le transducteur de manière à former au moins trois, notamment quatre, parties disjointes de matériau piézoélectrique formant autant d’éléments de transducteur (11, 12, 13, 14). - Procédé de détection d’une pression de contact exercée sur au moins une région, notamment du corps humain ou animal, dans lequel on dispose au moins un dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 13 sur ladite région et l’on détecte la pression de contact exercée par une surface d’appui sur ladite région au moyen du dispositif.
- Procédé selon la revendication 15, dans lequel on détecte un glissement éventuel de la surface d’appui relativement au dispositif (1) en comparant l’évolution dans le temps des pressions exercées sur les éléments de transducteur (11, 12, 13, 14).
- Procédé selon l’une des revendications 15 et 16, le dispositif (1) étant maintenu sur ladite région au moyen d’un article vestimentaire ou d’un équipement individuel de protection, notamment un gant, une genouillère, une chaussure, un casque, et/ou d’un adhésif ou d’une bande ou fixation.
- Procédé de mesure d’au moins une caractéristique biomécanique d’un muscle, comportant l’étape consistant à solliciter mécaniquement ledit muscle en l’excitant au moyen d’au moins un transducteur piézoélectrique, notamment un élément de transducteur (11, 12, 13, 14) d’un dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, et à mesurer une réponse oscillatoire amortie dudit muscle suite à cette excitation, de préférence en utilisant une centrale inertielle (23) du dispositif.
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2022
- 2022-12-23 FR FR2214383A patent/FR3144487A1/fr active Pending
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2023
- 2023-12-21 WO PCT/EP2023/087504 patent/WO2024133832A1/fr unknown
Patent Citations (4)
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| WO2024133832A1 (fr) | 2024-06-27 |
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