FR2888419A1 - Dispositif generateur de capacite variable pour la generation d'energie electrique et dispositif d'assistance au mouvement du type roulement a billes, l'incluant - Google Patents

Abstract

Un dispositif (10) d'assistance au mouvement relatif de deux parties d'un système mécanique, par exemple un roulement à billes ou un dispositif à pignon, est adapté pour former un dispositif à capacité variable, et ainsi permettre la récupération de l'énergie mécanique et la conversion en énergie électrique. A cette fin, l'un au moins parmi les éléments d'entraînement (12, 14) et entraîné (18) du dispositif comprend une zone conductrice (32) séparée d'une distance variable lors du mouvement relatif des éléments (12, 14, 18) l'un par rapport à l'autre des parties conductrices du dispositif, la zone conductrice (32) et les parties conductrices (12, 14, 18, 36) étant couplées à des équipotentiels différents (V1, V).

Description

DISPOSITIF D'ASSISTANCE AU MOUVEMENT GÉNÉRATEUR DE

CAPACITÉ VARIABLE

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention concerne les systèmes présentant une capacité non constante dont les variations proviennent du mouvement d'une masse entraînée par des moyens mobiles entre eux. L'invention se rapporte notamment à des dispositifs d'assistance au mouvement qui permettent de récupérer de l'énergie électrique par conversion électrostatique lors de leur mise en oeuvre; d'autres utilisations des variations de la capacité sont également prévues.

De nombreux systèmes mécaniques mettent en mouvement un élément par rapport à un autre lors de leur fonctionnement. Par exemple, un roulement à billes comprend deux parties mobiles relativement dont le mouvement entraîne le déplacement d'éléments limitant le frottement. Ces systèmes sont optimisés pour leur fonction de limitation des frictions et de toute déperdition d'énergie en découlant, et ne sont considérés que pour leur effet mécanique de transmission de mouvement.

Or, le mouvement relatif entre deux dispositifs est connu également pour générer de l'énergie. Par exemple, le document WO 02/103881 propose une récupération de l'énergie d'un système mobile par principe magnétique, dans lequel une masse magnétique est animée d'oscillations par rapport à un guide fixe, ce qui entraîne une variation du champ magnétique induit, variation convertie en énergie électrique grâce à un bobinage. Par ailleurs, les documents US 2 266 057 ou US 3 414 742 décrivent la conversion électrostatique d'une énergie mécanique de rotation d'un rotor en énergie électrique.

Dans tous les cas, il s'agit de convertir l'énergie mécanique issue du déplacement d'un objet animé isolé en énergie électrique.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention se propose de recupérer l'énergie issue de systèmes mécaniques fonctionnant avec mouvement relatif entre plusieurs éléments. Plus généralement, l'invention se rapporte à la génération de variations capacitives et leur utilisation. L'invention trouve une application particulière pour les systèmes d'assistance au mouvement du type roulements à billes et engrenages, mais peut être adaptée à tout système de principe similaire.

Sous l'un de ses aspects, l'invention concerne un dispositif comprenant deux parties d'entraînement mobiles l'une par rapport à l'autre et définissant un espace entre elles. Le dispositif peut être du type roulement à billes , avec rotation relative entre les parties d'entraînement qui définissent un espace annulaire, ou de type glissière , avec translation entre deux parties d'entraînement parallèles entre elles.

Par leur mouvement, les éléments d'entraînement font rouler un ou plusieurs éléments mobiles dans l'espace de sorte qu'ils se déplacent relativement par rapport aux parties d'entraînement. En particulier, les éléments mobiles sont des sphères ou des cylindres. Le déplacement peut être guidé, contrôlé, avec des dents présentes à la surface des éléments en relation, ou accompagné d'une déformation de l'élément roulant positionné en compression dans l'espace. Les éléments roulants sont donc en contact mécanique avec les éléments d'entraînement; ils peuvent être associés à des éléments coulissants placés entre eux et qu'ils entraînent.

Le dispositif comprend par ailleurs au moins une partie conductrice et une zone conductrice qui sont séparées l'une de l'autre d'une distance variable selon le déplacement relatif des éléments entre eux: si chacune des parties et zones conductrices est placée à un équipotentiel différent, une variation de capacité se produit lors de l'actionnement du dispositif. Le dispositif peut comprendre des moyens pour mesurer ces variations de capacité et/ou les transformer, par exemple par principe électrostatique, en énergie électrique.

La partie conductrice et la zone conductrice peuvent être localisées sur le même élément, ou sur deux éléments différents; avantageusement, plusieurs éléments sont en contact pour former une partie conductrice composant la majeure partie du dispositif, à l'exception des zones conductrices. La séparation entre partie et zone conductrices peut être réalisée par des parties isolantes; il est possible en outre d'avoir plusieurs zones conductrices séparées par des parties isolantes sur le même élément et/ou dont la distance peut elle aussi varier lors du déplacement.

Différents modes de réalisation de l'invention sont prévus: en particulier, les éléments roulants peuvent comprendre des parties isolantes qui, selon leur orientation, éloignent ou rapprochent des zones conductrices d'un élément d'entraînement avec la partie conductrice de l'autre élément d'entraînement, ou isolent des portions conductrices des éléments roulants qui peuvent se retrouver à des potentiels ou des distances différents. Selon un autre mode de réalisation, les éléments roulants sont conducteurs et un des éléments d'entraînement au moins également: lors du déplacement, les éléments roulants s'éloignent et se rapprochent de zones conductrices localisées le long de leur sens de déplacement.

L'invention concerne aussi un procédé pour actionner un mécanisme comprenant la mise sous tension des parties et zones conductrices du dispositif précédent de sorte que les éléments d'entraînement se déplacent l'un par rapport à l'autre. Inversement, un procédé selon l'invention génère une ou plusieurs capacités variables, qui peuvent être transformées en énergie électrique, par déplacement relatif des éléments du dispositif.

Sous un autre aspect, l'invention se rapporte à l'utilisation d'un dispositif d'assistance au mouvement, notamment un roulement à billes ou un palier ou une glissière, pour générer une capacité variable. Diverses applications telles que la conversion en énergie électrique sont prévues.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre et en référence aux dessins annexés, donnés à titre illustratif et nullement limitatifs.

Les figures 1A, 1B, 1C illustrent divers systèmes d'assistance au mouvement.

Les figures 2A, 2B, 2C montrent des variantes d'un mode de réalisation d'un dispositif selon la présente invention.

Les figures 3A et 3B montrent une autre variante du dispositif selon l'invention.

La figure 4 illustre un mode de réalisation alternatif d'un dispositif selon l'invention.

La figure 5 montre un autre mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention.

La figure 6 illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention.

Les figures 7A, 7B, 7C présentent différentes vues d'un autre mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans un système mécanique comprenant deux parties en mouvement l'une par rapport à l'autre, des dispositifs existent permettant d'assister le déplacement, en particulier pour limiter les frottements. Ainsi, tel qu'illustré en figure 1A, un dispositif 1, du type palier ou roulement à billes, comprend habituellement deux éléments 2, rotatifs l'un par rapport à l'autre sans contact, solidarisés à chacune des parties en mouvement du système, définissant entre eux un espace à l'intérieur duquel un ou plusieurs éléments entraînés 3, cylindriques ou sphériques, roulent lors de la mise en mouvement.

Il peut être avantageux de munir les éléments roulants ainsi que les élément d'entraînement de dents, ce type de coopération permettant d'éviter les glissements entre les éléments en contact et de conserver l'espacement entre les éléments roulants sans utiliser de moyens supplémentaires pour maintenir un espacement déterminé. Sur la figure 1B, un tel dispositif 4 comporte deux premiers éléments 5 solidarisés aux parties du système, munis de dents et mobiles en translation l'un par rapport à l'autre, qui définissent entre eux un espace dans lequel un deuxième élément 6 muni de dents pouvant coopérer avec celles des premiers éléments d'entraînement 5 peut tourner.

Ces deux exemples illustratifs peuvent avoir de nombreuses variantes. Le palier en rotation de la figure 1A peut ainsi être réalisé en tant que support de coulissement, avec deux surfaces planes mobiles en translation l'une parallèlement à l'autre entraînant des cylindres localisés entre elles, à la manière du déplacement sur rondins de bois. Un autre mode de réalisation, illustré en figure 1C, concerne la présence d'une cage de guidage pour un élément entraîné sphérique 7 comprenant des éléments mobiles relativement, ici deux tiges mobiles 8 par rapport à une troisième 9. Par ailleurs, tous les éléments d'entraînement 2, 5, 8, 9 ou certains d'entre eux peuvent faire partie du système mécanique en tant que tel, l'assistance étant pourvue par le seul élément entraîné 3, 6, 7.

L'invention peut s'appliquer à tous ces dispositifs dont des exemples 10 sont illustrés sur les figures 2 à 7, qui peuvent être indépendants ou assister le mouvement de systèmes plus complexes, comprenant au moins deux éléments d'entraînement 12, 14 mobiles l'un par rapport à l'autre et définissant un espace 16 entre eux, dans lequel au moins un élément entraîné 18 se déplace par roulement lors du mouvement relatif des éléments d'entraînement 12, 14. Les éléments entraînés 18 ne sont de fait liés à chacune des surfaces d'entraînement que par le contact mécanique. Le dimensionnement des différents éléments 12, 14, 18 et leur forme dépendent de l'utilisation qui est faite du dispositif 10.

Selon l'invention, l'un des éléments 12, 14, 18 comprend une zone conductrice qui est isolée électriquement, en particulier par la présence d'une partie isolante, d'une partie conductrice du dispositif 10 qui peut être localisée au niveau d'un ou plusieurs autres éléments ou au sein du même élément. Une différence de potentiel est ainsi réalisable entre la zone conductrice de l'élément concerné et la partie conductrice du dispositif 10 en tant que tel. Selon l'invention, la zone conductrice est séparée de la partie conductrice d'une certaine distance, et le dispositif est agencé pour que cette distance varie lors du déplacement relatif des éléments d'entraînement, et donc de la rotation des éléments entraînés.

La variation de la distance est couplée avec une variation de la capacité de l'ensemble zone conductrice/partie conductrice: lors du mouvement relatif des éléments 12, 14, 18 entre eux, une variation de la capacité dans le temps et/ou dans l'espace est générée; elle peut être mesurée et/ou convertie en énergie électrique par des moyens appropriés, connus par exemple de Meninger S et coll. : Vibration-to-electric Energy Conversion , IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems; 2001, 9(1) : 64-76, et qui ne seront pas décrit d'avantage.

Par variation de distance , il faut comprendre que la partie conductrice et la zone conductrice sont séparées par un espace isolant dont les dimensions varient physiquement, ou par un espace fixe qui comprend un milieu diélectrique discontinu pouvant prendre différentes orientations relatives de sorte que la constante diélectrique résultante prend des valeurs différentes suivant le déplacement. En particulier, le milieu diélectrique comprend une région isolante et une région conductrice, la région conductrice pouvant prolonger la zone (respectivement partie) conductrice ou en être séparée, de sorte que le trajet des électrons dans la région isolante localisée entre zone et partie conductrices diffère en fonction de la localisation de la région conductrice (voir figure 2A). De fait, zone et partie conductrices ne correspondent pas nécessairement à des éléments physiques mais peuvent, selon le fonctionnement du dispositif et l'orientation de ses éléments constituants, correspondre à des portions différentes du dispositif selon l'invention.

Les zones conductrices peuvent ainsi être intégrées à un élément d'entraînement, avec alternance de parties isolantes dans le sens de déplacement, ou aux éléments entraînés; la partie conductrice peut composer entièrement les autres éléments, voire même l'ensemble du dispositif à l'exception des zones conductrices et des parties isolantes nécessaires. La variation de distance peut se produire au sein de l'élément entraîné, ou en raison de son mouvement. La variation de la distance peut être assurée par le positionnement approprié de parties isolantes séparant parties et zones conductrices.

A titre d'exemple simple, en considérant la figure 2A, l'élément d'entraînement 14, qui est conducteur, est coulissant parallèlement à l'élément d'entraînement 12, qui est conducteur et revêtu d'une couche isolante 20; leur mouvement relatif en rotation entraîne des éléments roulants 18, qui peuvent être des sphères autorisant tout déplacement des éléments d'entraînement 12, 14 l'un par rapport à l'autre ou des cylindres permettant une translation perpendiculaire à leur axe. Les éléments roulants 18 comprennent une partie conductrice 18c et une partie isolante 18i; du fait de leur rotation, la distance entre le potentiel de la zone conductrice 12 et celui de la partie conductrice 14 varie, selon la position de la partie conductrice 18c qui prolonge de fait la partie conductrice 14 (ce qui revient à dire que la constante diélectrique résultante entre les éléments d'entraînement 12, 14 séparés d'une distance fixe varie). La capacité entre les éléments d'entraînement 12, 14 varie donc, ce qu'il est possible de vérifier et mesurer par des moyens appropriés; par procédé électrostatique, il est ainsi possible de convertir une partie de l'énergie mécanique liée au déplacement des surfaces 12, 14 en énergie électrique.

Selon la configuration des parties isolantes 18i et conductrices 18c, si une mise en contact électrique entre les éléments d'entraînement 12, 14 n'est pas possible, par exemple si la partie isolante 18i comprend plus de la moitié de la circonférence de l'élément roulant 18, il est possible de ne pas revêtir d'une couche isolante 20 l'un des éléments d'entraînement 12.

Une variante de ce mode de réalisation peut comprendre des éléments entraînés 18 entièrement conducteurs, qui prolongent de fait la partie conductrice composant l'un des éléments d'entraînement 14: figure 2B. L'autre élément d'entraînement 12, recouvert d'une couche isolante 20, comprend dans ce cas en outre des parties isolantes 12i séparant des zones conductrices 12c dans le sens de déplacement des éléments roulants 18. Lors du déplacement relatif des éléments d'entraînement 12, 14, les éléments roulants 18 vont alterner leur passage sur des zones conductrices 12c ou isolantes 12i, et la distance entre la partie conductrice 14, 18 et la zone conductrice 12c varie entre l'épaisseur minimale de la couche isolante 20 et plus de la moitié de la largeur de la partie isolante 12i, générant ainsi une variation de capacité.

Une variante de ce mode de réalisation permet par ailleurs de créer deux capacités variables en parallèle: figure 2C. Les parties isolantes 12i sont ici réduites à une épaisseur juste suffisante pour séparer des zones conductrices 12c1 et 12c2 connectées à des équipotentiels différents V1 et V2. La variation de capacité est inhérente au fait que l'élément entraîné 18 rapproche le potentiel V constant du premier élément d'entraînement 14, avec un équipotentiel V1 ou l'autre V2 du deuxième élément d'entraînement 12, provoquant ainsi une variation de capacité entre le potentiel V et les potentiels V1 et V2; éventuellement, il peut également se produire une variation de capacité entre les différents potentiels V1 et V2 des parties conductrices 12c.

Il est avantageux que les parties isolantes 12i forment des raies régulières perpendiculaires au sens de roulement des éléments entraînés 18, ou un damier si un déplacement bidirectionnel est autorisé avec des éléments roulants sous forme sphérique.

D'autres géométries sont possibles, avec même plus de deux équipotentiels pour le même élément d'entraînement 12.

Une autre variante est illustrée en figures 3A et 3B, dans laquelle l'un des éléments d'entraînement 12 comprend des zones conductrices 121, 122 physiquement séparées. Ici encore, les éléments roulants sphériques 18 comprennent des parties isolantes 18i qui, selon l'orientation des sphères, recouvrent plus ou moins la distance séparant les zones conductrices 121, 122 placées à des potentiels différents. Lorsque l'élément d'entraînement 14 se déplace parallèlement aux deux barres d'entraînement 121, 122, il fait rouler les billes 18 dont les parties conductrices 18c sont reliées électriquement par contact mécanique soit à l'une, soit à l'autre des barres 121, 122, et sont donc à l'un ou l'autre des potentiels V1 et V2: la distance séparant les deux potentiels V1 et V2 varie, ainsi que la capacité. La forme et la taille des parties isolantes 18i de l'élément entraîné 18 peuvent bien sûr être adaptées en fonction des résultats souhaités, par exemple pour obtenir des effets plus favorables à la variation de capacité entre les éléments conducteurs 18c des différents éléments roulants 18.

Il est à noter que dans ce mode de réalisation, il est possible d'utiliser la variation de capacité directement dans l'élément roulant 18, par exemple grâce à des moyens pour utiliser l'énergie électrique, comme un capteur intégré.

Une telle utilisation à l'intérieur des éléments entraînés 18 peut être envisagée également pour des éléments 18 déformables: selon un mode de réalisation illustré en figure 4, l'élément roulant 18 comprend un cylindre ou une sphère déformable contenant des parties conductrices 18c, comme par exemple une balle polymérique 18i métallisée par endroits. Lorsque l'élément d'entraînement 14 se déplace parallèlement à l'élément d'entraînement 12, les éléments entraînés 18, placés en compression dans l'espace 16, se déforment et roulent de façon unidirectionnelle ou bidirectionnelle. La déformation engendre des variations de distance, et donc de capacité, entre les différentes parties conductrices 18c, qui peuvent générer de l'électricité au sein même de l'élément entraîné 18, pour y être utilisée par exemple pour alimenter un capteur. Dans ce mode de réalisation également, il est possible de rapporter la variation de capacité ou l'énergie électrique vers l'extérieur grâce à des contacts conducteurs en périphérie.

De manière générale, la variation de capacité peut avoir lieu à l'intérieur des éléments roulants 18 et/ou entre eux, ou entre les éléments entraînés 18 et d'entraînement 12, 14, ou à l'intérieur des éléments d'entraînement 12, 14, ou dans l'espace 16. Par ailleurs, toutes les géométries d'éléments entraînés peuvent être envisagées: cylindre solide ou déformable, pignon ou cylindre denté, sphère solide ou déformable; les éléments d'entraînement 12, 14 sont habituellement solides, réalisés en métal conducteur comprenant des parties isolantes éventuelles. Suivant la géométrie du mouvement et la nature des éléments d'entraînement, les éléments roulants 18 peuvent être fabriqués en matériau isolant partiellement métallisé en surface, ou comprenant des inserts conducteurs, ou ils peuvent comprendre des parties complémentaires rigides isolantes et conductrices.

En particulier, il est possible d'associer des deuxièmes éléments entraînés 28 glissants aux éléments entraînés 18 roulants et de formes complémentaires: figure 5. La position relative des éléments glissants 28 par rapport aux éléments d'entraînement 12, 14 ne varie que dans le sens du déplacement, sans combinaison avec une rotation. Par contre, lors de leur rotation, autour d'un axe ou d'un point, les éléments roulants 18 présentent une face différente aux éléments glissants 28. En particulier, les éléments glissants 28 peuvent présenter trois zones 281, 282, 283 d'équipotentiels différents V1, V2, V3 (respectivement 281 en regard et sous influence des éléments d'entraînement 12, 14, et 282, 283 en regard et sous influence principalement de deux éléments roulants consécutifs 18) , les parties conductrices des éléments d'entraînement 12, 14 et roulants 18 étant au même potentiel V. Suivant la distance entre la partie conductrice 18c de l'élément roulant 18 et la zone correspondante 282, 283 de l'élément glissant 28, c'est-à-dire suivant la position relative de la partie isolante 18i de l'élément roulant 18, la capacité diffère: il se produit une variation de capacité entre V et V2 ou V3. De même, les différents équipotentiels V1, V2, V3 voient tous, deux à deux, une variation de capacité permettant de disposer d'énergie électrique au sein de l'élément glissant 28.

Il est bien sûr possible d'avoir une configuration entre les éléments glissants 28 et les surfaces d'entraînement des éléments 12, 14 telle qu'une variation de capacité entre V et V1 soit générée, éventuellement en phase avec celle générée entre V2 (ou V3) et V, de manière à amplifier la variation de capacité entre chacun des potentiels.

Bien que]usqu'ici décrit dans une configuration glissière dans laquelle les éléments d'entraînement coulissent l'un parallèlement à l'autre, l'invention s'applique tout autant aux configurations roulement à billes dans laquelle deux éléments d'entraînement 12, 14 sont rotatifs l'un par rapport à l'autre; les modes de réalisation ci- dessus s'adaptent d'ailleurs de façon immédiate, en incurvant les éléments d'entraînement illustrés et en les refermant sur eux-mêmes pour former un espace 16 annulaire.

Un mode de réalisation est détaillé en figure 6: un espace annulaire 16 permet le roulement guidé d'éléments entraînés 18 conducteurs par la rotation relative de l'axe 14 par rapport à l'élément d'entraînement 12 conducteur. La partie centrale 14 comporte des parties isolantes 14i permettant de séparer des secteurs conducteurs répartis de telle manière que, dans certaines positions angulaires de l'axe 14 par rapport à l'anneau 12, ils forment une capacité importante, et dans d'autres une capacité faible, par rapport à l'anneau 12. Si ces secteurs conducteurs sont rassemblés en deux équipotentiels V1 et V2, une variation temporelle de la capacité entre les deux équipotentiels est obtenue lors de la rotation relative de chacun des éléments 12, 14, 18.

Il est également possible d'obtenir une variation de capacité entre l'élément d'entraînement 12 et l'axe 14 en rassemblant tous les secteurs au même potentiel, par exemple en court-circuitant V1 et V2, et en visualisant la variation de capacité entre l'élément tournant 14 et l'élément extérieur 12.

Dans ce mode de réalisation également, un déplacement complémentaire peut être combiné, avec translation des éléments d'entraînement 12, 14 dans une direction perpendiculaire à l'axe de rotation.

Il est possible dans ce mode de réalisation, tout comme pour celui de la figure 2C, de positionner un damier ou des raies à la surface externe de l'axe 14. Par ailleurs, si on souhaite disposer d'énergie électrique sur la partie extérieure 12, les rôles peuvent être inversés, avec par exemple revêtement de la surface interne de l'anneau 12 par un damier.

En particulier pour une géométrie rotative, il est fréquent que des guides latéraux soient présents sur un des éléments d'entraînement 12, 14 ou les deux de façon à éviter que les éléments roulants 18 ne sortent de l'espace 16 lors de leur déplacement. Il est alors possible en outre de tirer partie de ce type de guidage.

Ainsi par exemple, dans un dispositif tel qu'illustré en figure 7, les éléments roulants 18 et les surfaces d'entraînement 12, 14 sont conductrices et au même potentiel V. Bien qu'illustrée à plat, cette configuration peut être utilisée pour un roulement à billes : les surfaces 12, 14 sont alors annulaires, par exemple avec un espace annulaire 16 de diamètre intérieur 5,5 cm, et de diamètre extérieur 7,5 cm; en particulier, on peut avoir une surface externe de roulement 14 de longueur 24 cm, pour une largeur de 2,5 cm. Dans le cadre illustré, les éléments entraînés sont des cylindres conducteurs 18, de diamètre d = 1 cm et de longueur E = 2 cm. Une des surfaces d'entraînement au moins est associée à des moyens de guidage; afin d'éviter tout frottement, il est préférable que l'espace libre entre les moyens de guidage soit de longueur supérieure à la longueur E du cylindre 18.

Les moyens de guidage 30 associés à un des éléments d'entraînement 12 sont isolants, à l'exception de zones conductrices 32, isolées les unes des autres, et positionnées le long de la direction de déplacement des éléments roulants 18. Les zones conductrices peuvent être intégrées à la paroi 30, ou en faire saillie; un entrefer h minimum doit cependant être assuré lors du mouvement entre les zones conductrices 32 et les rouleaux 18, au moins pour celles qui serviront pour mesurer et/ou utiliser une variation de capacité. Dans l'exemple chiffré, avantageusement, l'entrefer h est de l'ordre de 0,1 mm.

Afin de guider plus précisément le mouvement des éléments roulants 18, des moyens de guidage 34 peuvent être positionnés de part et d'autre de l'autre élément d'entraînement 14, par exemple une protubérance. Par ailleurs, pour assurer la distance de l'entrefer h, il est possible de positionner également une butée 36 sur l'élément d'entraînement 12 comprenant l'élément de guidage 30 avec zones conductrices 32.

Par leur contact mécanique, les éléments entraînés 18 et d'entraînement 12, 14, 36 (ainsi qu'éventuellement les moyens de guidage 34) sont au même équipotentiel V. Lorsque la bague externe 14 se déplace autour du cylindre 12, les éléments 18 sont entraînés en rotation et roulent: ils passent alternativement devant les zones conductrices 32.

Avantageusement, le nombre de zones conductrices 32 est un multiple du nombre d'éléments roulants 18, par exemple 6 éléments roulants 18 et douze paires de zones conductrices 32, réparties de façon homogène de chaque côté le long de la circonférence de l'espace annulaire 16; l'espacement entre les éléments roulants 18 peut être assuré par des inserts par exemple. Les zones conductrices 32 peuvent être couplées à un ou plusieurs équipotentiels V1, V2 différant de l'équipotentiel V du dispositif 10, c'est-à-dire des éléments d'entraînement 12, 14 et entraînés 18. Le déplacement des rouleaux 18 engendre ainsi une variation de capacité entre les éléments conducteurs 32 et l'équipotentiel V, variation qu'il est possible d'utiliser pour récupérer de l'énergie électrique; réciproquement, il est facile d'utiliser cette structure 10 en tant qu'actionneur en appliquant séquentiellement des tensions électriques entre les différents éléments conducteurs 32 et les différents éléments d'équipotentiel V. On peut également prévoir, dans ce mode de réalisation, de remplacer les éléments discrets 32 par une couche conductrice continue et l'objet roulant 18 entièrement conducteur par un objet roulant comportant des secteurs conducteurs et des secteurs isolants.

Selon un mode de réalisation préféré illustré, les zones conductrices 32 peuvent être recouvertes à 90 % par la surface d'extrémité des éléments roulants 18 lorsqu'ils sont alignés, et peuvent être entièrement décalées de ces mêmes éléments au cours de la phase de roulement; par exemple, ils'agit de carrés de 1 cm de côté L espacés de 1 cm dans le sens de roulement, d'épaisseur de l'ordre de e = 0,1 mm, déposés sur une paroi isolante 30, et espacés de la surface de fond, ici représentée par la saillie de la butée 36 de 1 = 1 mm. Comme pour tous les autres modes de réalisation, les techniques usuelles peuvent être utilisées pour réaliser les dispositifs 10 selon l'invention, en particulier l'usinage mécanique (fraiseuse, tour, électroérosion,...) ou le moulage permettent de réaliser les différents éléments. Le choix des matériaux dépend de l'utilisation qui en est faite.

La capacité C entre deux composants espacés est donnée par C= E S avec

D

Eo permittivité de l'air et S surface en regard des composants séparés d'une distance D. Dans la configuration précédente, avec six cylindres roulants 18 passant régulièrement devant les surfaces 32 avec une distance de D = h = 0,1 mm pour en être recouverts, on a une capacité maximale entre les potentiels des éléments conducteurs 32 et l'ensemble élément roulant/éléments d'entraînement: Eo Stot E0.2.6.n.(5.10 _s z =83pF.

La capacité minimale quant à elle est principalement constituée des surfaces en regard des éléments conducteurs 32 et de l'élément d'entraînement C max h 10-4 12, 36: Cm 12ÉE0.10-2.10-4 n =106 fF. Cette capacité Cmin 10-3 pourrait naturellement être minimisée en prenant une forme arrondie pour les éléments conducteurs 32, ou en utilisant une surface d'entraînement 12 conductrice uniquement en son centre. Cette amélioration de la récupération d'énergie se fait cependant aux détriments de la simplicité de réalisation et de la robustesse; de plus, le choix fait ci-dessus permet d'adapter les roulements (ou tout autre système d'assistance au mouvement) existants pour devenir des dispositifs selon l'invention.

Pour un fonctionnement dit à charge constante avec une tension de charge égale à U = V - V1 = 15 V, l'énergie récupérable par cycle est alors: Er, u, Cmax É(Cmax -Cmin =7, 35 pJ.

2 Cmin Pour un tour de l'axe 12, il y a 2x3 cycles de variations capacitives lors de l'utilisation en parallèle des variations capacitives entre V et V1, et entre V et V2. On dispose alors de 6.7,35 = 44,1 pW par tour/s, soit 1,1 mW pour 1500 tr/min. Si au lieu de prendre une tension de charge de 15 V, on prend 100 V, on dispose de 49 mW pour la même vitesse de 1500 tr/min: ces deux puissances sont suffisantes pour récupérer assez d'énergie pour alimenter un ou plusieurs capteurs, ainsi qu'une transmission de données sans fil.

De fait, il suffit d'adapter la tension de charge aux besoins en énergie électrique; il faut cependant garder à l'esprit que plus on génère d'énergie électrique, plus on absorbe d'énergie mécanique sur l'axe 12, et donc plus on risque de perturber le fonctionnement naturel du dispositif 10.

Le dimensionnement peut prendre des valeurs variées en fonction de l'usage: les dimensions peuvent notamment être fortement accrues pour des essieux de véhicules de type camion, ou fortement restreintes pour des applications en horlogerie. Par ailleurs, les variantes des différents modes de réalisation illustrés peuvent être combinés.

Selon l'invention, il est ainsi possible, à partir de la variation de capacité réalisée par un ou plusieurs éléments roulants mis en mouvement par roulement ou glissement entre au moins deux surfaces mobiles relativement l'une par rapport à l'autre, de générer de l'énergie électrique utilisable pour alimenter un circuit électronique, un capteur, ou autre, par un procédé électrostatique. La variation de la capacité peut également être utilisée dans d'autres types d'application, comme la réalisation de capacités variables pour l'électronique, la mesure directement en tant que capteur de la position des éléments roulants, la mesure de la position angulaire ou de la vitesse de rotation des armatures d'un roulement mécanique...

Il est ainsi possible de guider et d'alimenter une partie en mouvement grâce à des roulements dont les éléments roulants génèrent une variation de capacité utilisable pour produire de l'énergie électrique, et d'appliquer ce principe à des roulements mécaniques existants. De plus, les dispositifs selon l'invention sont capables de fonctionner en inverse, c'est-à-dire de générer un mouvement mécanique à partir d'une source d'énergie électrique, et de réaliser un actionneur mécanique.

Les parties roulantes font, selon l'invention, l'objet d'un double emploi, de guide mécanique et de générateur de variations capacitives. Elles peuvent par ailleurs être déformables.

Le système selon l'invention rend également possible la récupération de l'énergie d'un mouvement libre de roulement, issu d'accélérations mécaniques, d'un mouvement fluide, ou autre. Par exemple, un axe en rotation dans un roulement à billes selon la présente invention provoque, lorsqu'il est soumis à des accélérations, la mise en mouvement des billes, ainsi que de la bague extérieure du fait de son inertie; il y a alors apparition d'une variation de capacité transformable en énergie électrique. Il est ainsi possible de disposer d'énergie sur un axe, sans connexion avec l'extérieur, et il n'est plus nécessaire de prévoir une alimentation électrique particulière et des conducteurs électriques pour amener l'énergie électrique jusqu'au dispositif consommateur.

Claims (24)

REVENDICATIONS

1. Dispositif à capacité variable (10) comprenant au moins deux éléments d'entraînement (12, 14) mobiles l'un par rapport à l'autre et définissant un espace (16) entre eux, au moins un élément roulant (18) dans l'espace (16) entraîné par le mouvement des éléments d'entraînement (12, 14) avec lesquels il est en contact mécanique mobile, dans lequel le dispositif (10) comprend au moins une partie conductrice et au moins une zone conductrice, qui est isolée électriquement de la partie conductrice et séparée d'elle d'une distance variant lors du déplacement relatif des éléments (12, 14, 18) entre eux, de sorte que la capacité entre la zone conductrice et la partie conductrice peut varier.

2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel l'espace (16) est annulaire et les éléments d'entraînement (12, 14) sont rotatifs l'un par rapport à l'autre.

3. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel les éléments d'entraînement (12, 14) sont plans et se déplacent en translation l'un parallèlement à l'autre.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel les éléments roulants (18) sont des cylindres de révolution comprenant des dents à leur surface qui coopèrent avec des dents placées sur les surfaces d'entraînement des éléments d'entraînement (12, 14).

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 comprenant une pluralité d'éléments roulants (18) localisés dans l'espace (16) successivement le long de la direction de déplacement.

6. Dispositif selon la revendication 5 comprenant en outre des éléments coulissants (28) disposés entre les éléments roulants (18) et entraînés par eux en coulissement dans l'espace (16).

7. Dispositif selon la revendication 6 dans lequel au moins un élément roulant (18) comprend une partie conductrice (18c) et une partie isolante (18i) et un élément coulissant (28) comprend une zone conductrice (282) qui peut se trouver à distance variable de la partie conductrice (18c) de l'élément roulant (18) en raison du déplacement de la partie isolante (18i) de l'élément roulant (18).

8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel un élément roulant (18) comprend une partie isolante (18i) et une partie conductrice (18c), et un élément d'entraînement (12) comprend une zone conductrice, la distance entre la zone conductrice et la partie conductrice (18c) variant en raison du déplacement de la partie isolante (18i) de l'élément roulant (18).

9. Dispositif selon la revendication 8 dans lequel la surface d'entraînement de l'élément d'entraînement (12) comprenant la zone conductrice est revêtue d'une couche isolante (20).

10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel un élément roulant (18) est une sphère comprenant une portion isolante (18i) et une pluralité de portions conductrices (18c), un élément d'entraînement (12) comprend au moins une zone et une partie conductrices (121, 122) disposées parallèlement dans le sens de déplacement des éléments d'entraînement (12, 14), des portions différentes de la sphère (18) étant amenées en contact avec la partie conductrice et la zone conductrice de l'élément d'entraînement (12) lors du roulement, faisant varier la distance entre les deux potentiels qui peuvent leur être reliés.

11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel chaque élément roulant (18) est déformable et placé dans une position compressée dans l'espace (16) de sorte que le mouvement relatif des éléments d'entraînement (12, 14) entraîne une déformation de l'élément roulant (18) , l'élément roulant (18) comprenant une partie isolante séparant au moins une zone et une partie conductrices (18c), la distance les séparant variant lors de la déformation.

12. Dispositif selon la revendication 11 dans lequel l'un des éléments d'entraînement (12, 14) est au moins partiellement conducteur.

13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel l'un des éléments d'entraînement (12, 14) comprend des parties isolantes séparant des zones conductrices (12c) le long de la direction de déplacement, et les éléments roulants (18) sont au moins partiellement conducteurs, de sorte que la distance entre élément roulant (18) et zone conductrice (12c) varie.

14. Dispositif selon la revendication 13 dans lequel l'espacement entre les zones conductrices (12c) est constant dans la direction de déplacement.

15. Dispositif selon l'une des revendications 13 à 14 dans lequel les parties isolantes (30) de l'élément d'entraînement (12) sont localisées sur des moyens de guidage associés à la surface d'entraînement de l'élément d'entraînement (12) pour que l'élément roulant (18) reste entre les moyens de guidage.

16. Dispositif selon l'une des revendications 13 à 15 comprenant en outre des moyens pour mesurer la variation de capacité entre deux zones conductrices séparées.

17. Dispositif selon l'une des

revendications 8 à 16 dans lequel l'autre élément

d'entraînement (14) est au moins partiellement conducteur.

18. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 17 comprenant en outre des moyens pour mesurer la variation de capacité entre une zone conductrice et une partie conductrice.

19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18 comprenant en outre des moyens pour transformer la variation de capacité en énergie électrique.

20. Procédé d'actionnement de deux éléments d'entraînement d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 19 comprenant la mise sous tension variable de la zone conductrice et de la partie conductrice.

21. Procédé de génération de capacité variable comprenant le déplacement relatif des éléments d'entraînement d'un dispositif selon l'une des

revendications 1 à 19.

22. Utilisation d'un dispositif d'assistance au mouvement (10) comprenant deux portions électriquement conductrices isolées l'une de l'autre par une zone isolante dont l'épaisseur varie au cours du mouvement pour générer une capacité variable.

23. Utilisation selon la revendication 22 dans laquelle le dispositif d'assistance est un roulement à billes.

24. Utilisation selon l'une des revendications 22 ou 23 dans laquelle la capacité variable est utilisée pour récupérer de l'énergie électrique.