Brevet FR2592980A1 — publié le 19870717

VIBREUR SONORE PIEZOELECTRIQUE ADAPTABLE SUR LE SECTEUR ~ALIMENTATION ELECTRIQUE L'invention concerne un vibreur sonore piezoéléctrique pouvant fonctionner sur une large gamme de tension et de fréquence, et notamment , sur le secteur d'alimentation éléctrique. De façon connue, une vibreur piezoéléctrique est constitué : - d'une part,d'un disque en céramique piezoéléctrique, dont le diamètre varie suivant l'amplitude et la polarité du signal éléctrique auquel il est soumis - d'autre part, d'un disque métallique accolé au disque en céramique, qui joue le rôle de ressort de rappel à la position plane du disque en céramique, déformé par l'effet piezoéléctrique sous l'action du courant éléctrique .De plus, sous l'effet des déformations du disque en céramique, le disque métallique étant accolé à ce dernier subit également toutes les déformations, et de ce fait, permet la transformation des signaux éléctriques en vibrations, qui du fait des fréquences du courant éléctrique auquel est soumis le disque en céramique, sont des vibrations sonores L'une des propriétés fondamentales des vibreurs piezoéléctriques concerne la conservation de la fréquence, à savoir ,un signal éléctrique de fréquence f est transformé en une vibration sonore de même fréquence f. De manière générale, les vibreurs piezoéléctriques avec leurs circuits 'attaque sont soumis à de basses tensions continues.Cela suppose donc la présence en amont du vibreur d'un circuit d'alimentation stabilisée en tension. De plus, le signal sonore obtenu est de fréquence pure,constante,ce qui produit un son particulièrement désagréable On désire de plus en plus des vibreurs sonores susceptibles de fonctionner en tensions alternatives usuelles, notamment celles du secteur d'alimentation éléctrique domestique ou industrielle,et ce, particulièrement pour les applications dites "grand public",qui n'ont en qénéral pas d'alimentation stabilisée incorporée On connait plusieurs types de dispositifs répondant à ces critères - l'un, éléctro-mécanique (type éléctroaimant),mais il est encombrant;;et de plus, la puissance sonore développée est faible et de fréquence basse très désagréable (par exemple, 100 Herzt pour un réseau de 50 Herzt) - l'autre est un dispositif avec vibreur piezoéléctrique, mais il est plus encombrant et coûteux L'invention vise à obtenir un vibreur sonore piezoéléctrique du type en question, économique, facile à réaliser, fiable, de faible encombrement,consommant très peu d'énergie et adaptable au secteur d'alimentation éléctrique Elle propose un vibreur sonore piezoéléctrique adaptable sur le secteur d'alimentation éléctrique,du type comprenant - un vibreur piezoéléctrique proprement dit, constitué :: d'un disque en céramique piezoéléctrique . dun disque métallique accolé au dit disque en céramique - un circuit d'attaque du vibreur,destiné à envoyer des signaux éléctriques correspondants au dit vibreur - au moins deux éléments de connexion L'invention se caractérise - en ce qu'il comprend entre les deux bornes du secteur d'alimentation éléctrique au moins une résistan ce et une première diode en série avec le circuit d'attaque et le vibreur - et,en ce que l'ensemble constitué par le vibreur, le circuit d'attaque et la diode est court-circuité par une seconde diode, mais montée en inverse par rapport à la première diode En d'autres termes, l'invention consiste à considérer le vibreur piezoéléctrique et son circuit d'attaque non plus comme un élément particulier du circuit, fonctionnant en basse tension, mais comme un simple composant ayant une impédance propre,que l'on intègre globalement avec l'impédance totale, et ce, sans plus se soucier de la nature du courant qui le traverse. L'utilisation du vibreur sonore piezoéléctrique est certes connue, de même que l'usage d'un circuit primaire abaisseur de tension, mais la combinaison des deux systèmes était loin d'être évidente, et même d'autant moins que le vibreur et son circuit d'attaque sont soumis à une tension continue, et le circuit primaire à une tension alternative, et que l'on ne pouvait présumer en rien du résultat obtenu Avantaqeusement, en pratique - le vibreur sonore piezoéléctrique est du type dit à oscillations à commande externe ou du type dit à oscillations auto-commandées - les deux diodes sont identiques - le vibreur sonore piezoéléctrique et son circuit d'attaque sont soumis à chaque alternance positive,à une faible tension continue variable, créée par le courant redressé et limité par le circuit ; à chaque alternance négative, le circuit n'est traversé par aucun courant - la puissance sonore obtenue est modulée en puissance et en fréquence par la tension et la fréquence du secteur d'alimentation - le vibreur sonore piezoéléctrique et l'ensemble éléctronique sont aisément miniaturisables en un boitier unique de très faible encombrement et de très faible poids , en utilisant la microéléctronique La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées Les figure 1A, 1B, 1C sont des coupes transversales d'un vibreur piezoéléctrique respectivement au repos (lA),puis sous l'action d'un courant polarisé positivement (1B), et négativement (1C) La figure 2 est un synoptique du montage d'un vibreur du type à oscillations auto-commandées,en accord avec l'invention La figure 3 est un synoptique du montage d'un vibreur du type à oscillations à commande externe, en accord avec l'invention La figure 4 est la représentation graphique de l'intensité du courant éléctrique traversant le vibreur et son circuit d'attaque en fonction de la tension qui lui est appliquée . La figure 5 est la représentation graphique de la puissance sonore fournie par le vibreur en fonction de la tension qui lui est appliquée La figure 6 est la représentation graphique de l'enveloppe de la tension aux bornes du vibreur, en fonction du temps, et commandé avec le montage en accord avec l'invention En se référant aux figures, un vibreur piezoéléctrique se compose essentiellement d'un disque en céramique (1) piezorésonnante, accolé à un disque métallique (2).Dans une forme de réalisation de l'invention, le vibreur (10) est du type ARK 203,commercialisé par la société ARK ELECTRONIC.Ce vibreur est du type dit à oscillations auto-commandées, c'est à dire, que outre les deux connexions partant respectivement du disque en céramique (1) et du disque métallique (2), une troisième connexion (12) part du bord du disque en céramique (1). Un signal éléctrique dont l'amplitude augmente, provoque un agrandissement du diamètre du disque en céramique (1), ce qui a pour effet de courber l'ensemble disque en céramique (1) et disque métallique (2),et ce, de façon convexe par rapport au disque en céramique (1). Inversement,lorsque la polarité du signal éléctrique est inversée,on observe l'effet opposé,à savoir, que le système (1,2) prend une courbure concave par rapport au disque en céramique (1). C'est le circuit d'attaque (3), de type connu, lié au vibreur (10) ,qui va entretenir ce phénomène Un tel vibreur (10), avec son circuit d'attaque présente une gamme de tension possible comprise entre trois et vingt cinq volts et sa fréquence de résonnance se situe autour de six kilohertz et demi. En se référant à la fiqure 2, on observe que le vibreur (10) est placé entre les bornes du collecteur et de l'emetteur d'un transistor de type 2222, par exemple. Plus exactement, le disque métallique (2) est connecté à l'émetteur, et le disque en céramique (1) est relié au collecteur.La connexion (12)-collecteur comporte en outre, en série, une résistance, qui dans l'exemple a une valeur de deux cent vingt kilo-ohms.I1 est à noter, que, de plus,cette connexion (12) est également relié à la base du transistor par l'intermédiaire d'une résistance, qui, dans l'exemple, prend la valeur de dix kilo-ohms.Ce circuit ainsi décrit, constitue le circuit d'attaque (3). Le circuit d'attaque (3), permet avec ce type de vibreur d'entretenir la vibration, et ceci avec un courant d'alimentation très faible, de l'ordre de trois milliampères Pour assurer le bon fonctionnement du vibreur (10), avec son circuit d'attaque (3), l'ensemble doit être soumis à une tension continue comprise entre trois et vingt cinq volts.On place donc,en amont du circuit d'attaque (3),des composants permettant de redresser le courant d'une part,et d'abaisser sa valeur d'autre part. Pour ce faire, on interpose entre l'une des bornes (4) du secteur d'alimentation éléctrique et l'une des entrées (5) du circuit d'attaque une diode (6) de type, par exemple,lN-4148, et deux résistances (ll),chacune ayant, par exemple,pour valeur trente trois kilo-ohms.On relie l'autre borne (7) du secteur d'alimentation éléctrique à l'autre entrée 8) du circuit d'attaque par l'intermédiaire d'une autre résistance, également de trente trois kilo-ohms.On monte en parallèle entre les bornes de l'ensemble éléctrique constitué par le circuit d'attaque (3),le vibreur (10) et la diode (6), une diode (9) du même type que la diode (6),mais montée en inverse par rapport à cette dernière Ainsi, comme on peut le voir au sein des figures 4, 5 et 6, si le secteur d'alimentation éléctrique délivre une tension sinusoïdale de deux cent vingt volts efficace à une fréquence de cinquante hertz, à chaque alternance positive, le courant traversant le circuit d'attaque (3) et le vibreur (10) est limité, par les résistances (11) en amont, à une valeur d'environ deux milliampères efficace .11 peut varier entre zéro et trois milliampères. Le résultat se traduit par une tension d'alimentation continue, variant de zéro à dix volts à chaque alternance positive.On obtient ainsi une puissance sonore variant entre zéro et cent décibels, à chaque alternance pos-t v-. n revancìie, à chaque alternance négative, on observe aux bornes du circuit d'attaque (3), une tension sensiblement nulle Il est bien entendu que la place des résistances de trente trois kilo-ohms importe peu, dans la mesure où elles sont situées entre le circuit d'attaque (3) et les bornes (4,7) du secteur d'alimentation éléctrique. I1 est également entendu,que le nombre de résistances importe peu. L'exemple décrit comporte trois résistances (11) ayant une puissance de deux cent cinquante milliwatts chacune, mais il va de soi qu'une seule résistance de puissance égale à un watt ,ou six résistances de puissance égale à cent vingt cinq milliwatts chacune, auraient tout aussi bien pu être mises dans le circuit I1 est également entendu -que ces résistances peuvent dans certains cas être remplacées par une ou plusieurs capacités alternatives créant une impédance de valeur identique à ces résistances (à la fréquence réseau considérée . Dans le cas d'un vibreur piezoéléctrique du type à oscillations à commande externe,seul le circuit d'attaque (3) varie (il en existe plusieurs sortes circuit intégré,multivibrateurs,circuit résonnant avec selfs et capacités,etc.), les deux diodes (6) et (9) restant à la même place,ainsi que les résistances (11) de trente trois kilo-ohms.Dans le cas d'un tel vibreur, on n'observe plus que deux connexions , l'une isuue du disque en céramique (1) et l'autre,du disque métallique (2). Dans l'ensemble, on obtient des résultats analogues à ceux du cas précédent Dans certains cas, le circuit d'attaque (3) est intégré dans le même boitier que le vibreur (10), par exemple , un de ceux commercialisés par la société FUJI sous la référence EB 20 E 35 C.Il suffit alors de rajouter le circuit décrit par l'invention pour obtenir le résultat désiré En pratique, selon le vibreur (10) et le circuit d'attaque (3) utilisés, l'ensemble ainsi constitué ne se comporte pas comme une simple impédance .11 peut s'averer nécessaire dans certains montages, de limiter les surtensions créées,par une diode zener ou par une résistance montée en court-circuit de l'ensemble vibreur (10) et circuit d'attaque (3) , entre les bornes (5) et (8) (figures 2 et 3). En utilisant la micro-éléctronique,on peut aisément passer au stade de la miniaturisation, et intégrer tous les composants au sein d'un boitier unique de très faibles dimensions De la présente invention, se dégage un certain nombre d'avantages , à savoir -le vibreur,selon l'invention,est d'une utilisation très simple, et permet un branchement direct sur toutes les tensions alternatives courantes, et ce quelque soit leur fréquence, ce que économiquement,on ne savait faire jusqu'alors -le bruit résultant est très pénétrant et peut être entendu de loin, et de plus , il n'est plus du tout désagréable : il fait penser au cri du criquet, car il est modulé en puissance et en fréquence ; - le dispositif selon l'invention est très compact; - toutes les connexions sont de type traditionnel - le dispositif selon l'invention consomme très peu d'énergie (inférieure à 750 milliwatts dans l'exemple donné - le poids du boitier miniaturisé est faible (quelques grammes - le dispositif selon l'invention est compatible avec les normes actuelles concernant les différents types d'appareils aussi bien domestiques qu'industriels, ainsi qu'avec les normes éléctroniques (composante continue, harmoniques, etc.) La présente invention présente donc de nombreuses applications, en particulier dans le domaine domestique: - sonettes de portes, d'interphones, de jeux etc... - alarme de sécurité pour ce qui concerne la température, une porte ouverte de cong-élateur,lave-linge, réfrigérateurs,fours,etc. - alarme de fin de cycle : machines à laver,fours, sèche-linge, lave-vaisselle, etc. I1 est même possible d'adapter un tel vibreur à toute circuiterie éléctrique déjà existante,en le branchant en parallèle sur un contact à ouverture alimentant une charge de puissance supérieure à vingt Watts. REVENDICATIONS 1/ Vibreur sonore piezoéléctrique adaptable sur le secteur d'alimentation éléctrique, du type comprenant - un vibreur (10) proprement dit constitué d'un disque en céramique piezoéléctrique (1), d'un disque métallique (2) accolé contre le dit disque en céramique (1) - un circuit d'attaque (3) du vibreur (10), destiné à envoyer des signaux éléctriques correspondants au dit vibreur (10) - au moins deux éléments de connexion caractérisé :: - en ce qu'il comprend entre les deux bornes (4) et (7) du secteur d'alimentation éléctrique au moins une résistance (11) et une diode (6) en série avec le circuit d'attaque (3) et le vibreur (10), - et en ce que l'ensemble constitué par le vibreur (10), le circuit d'attaque (3) et la diode (6) est court-circuité par une seconde diode (9), montée en inverse par rapport à la première diode (6) 2/ Vibreur sonore piezoéléctrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le vibreur (10) est du type dit à oscillations auto-commandées. 3/ Vibreur sonore piezoéléctrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le vibreur (10) est du type dit à oscillations à commande externe 4/ Vibreur sonore piezoéléctrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux diodes (6,9) sont identiques 5/ Vibreur sonore piezoéléctrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le vibreur (10) et son circuit d'attaque sont soumis à chaque alternance positive à une faible tension continue variable ,créée par le courant redressé et limité par le circuit (4,11,6,9,7) ,et à chaque alternance négative à une tension sensiblement nulle 6/ Vibreur sonore piezoéiéctrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la puissance sonore obtenue est modulée en puissance et fréquence par la tension et la fréquence du secteur d'alimentation éléctrique 7/ Vibreur sonore piezoéléctrique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est miniaturisable en un boitier unitaire de très faibles dimensions