Brevet FR2717637A1 — publié le 19950922

La présente invention concerne le domaine technique des systèmes adaptés pour assurer le chargement d'un accumulateur d'énergie électrique équipant un objet au sens général soumis à des vibrations ou à des chocs. L'objet de l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des objets électriques dont le fonctionnement nécessite l'utilisation d'un accumulateur d'énergie, ces objets présentant un caractère portable ou un fonctionnement dans des endroits isolés, tout en étant soumis à des vibrations ou à des chocs. D'une manière illustrative mais non limitative, l'invention peut équiper des micro-ordinateurs portatifs, les appareils de radio-communication, tels que les téléphones et télécopieurs, les baladeurs, les postes de radio ou des bouées lumineuses. L'un des problèmes majeurs que présentent ces types d'objets réside dans leur autonomie d'énergie de relativement faible durée. Pour tenter de résoudre ce problème, l'état de la technique a proposé une première solution consistant à utiliser des éléments photo- électriques qui génèrent des courants de charge, en fonction de l'intensité de l'éclairement naturel ou artificiel. Ce type de chargeur équipe, notamment, des objets, tels que des montres ou des calculatrices. Cette solution technique permet de générer uniquement des courants de valeurs faibles, à moins de constituer des panneaux photo-électriques de grande surface, ce qui n'est pas toujours possible, en raison du caractère portatif des objets. Il apparaît, également, que la génération efficace de charge est subordonnée à une orientation appropriée des capteurs dans le champ d'une lumière d'intensité suffisante, de sorte que cette solution technique ne peut pas être mise en oeuvre pour équiper divers objets portatifs dont l'utilisation peut être effectuée en l'absence d'une source lumineuse. Il est connu, dans l'état de la technique, une autre solution consistant à utiliser, à l'aide de moyens thermoélectriques, la différence de température entre la chaleur du corps humain et la température ambiante. Outre le fait que ce genre de solution présente un faible rendement, le principe même de cette technique limite ses applications pratiquement aux montres- bracelets. Il est connu, par ailleurs, une autre solution consistant à utiliser l'énergie des mouvements mécaniques qui sont induits sur un composant inertiel de l'objet par les mouvements naturels associés au transport de cet objet. Il est ainsi connu un dispositif visant à convertir les mouvements par voie électrodynamique et comportant un micro-rotor aimanté, se déplaçant à l'intérieur d'un bobinage de fils conducteurs de l'électricité. Les vibrations sont appliquées à l'objet et, par suite, au micro-rotor, de manière à obtenir l'apparition d'un courant électrique qui, après avoir été redressé et accumulé dans un condensateur, est transféré à une batterie. Il apparaît que le rendement de ce dispositif reste faible et que sa complexité, et donc sa fragilité, est importante. Il s'avère, en pratique, qu'une telle solution technique est limitée essentiellement à des applications horlogères qui requièrent des puissances limitées de l'ordre du microwatt. La présente invention vise donc à remédier aux inconvénients énoncés ci- dessus en proposant un dispositif, adapté pour charger un accumulateur d'énergie électrique équipant un objet, au sens général, soumis à des vibrations ou à des chocs et capable de générer des puissances électriques suffisantes, par exemple de l'ordre de quelques milliwatts, pour permettre de charger ledit accumulateur d'énergie électrique. Un autre objet de l'invention est d'offrir un dispositif pour charger un accumulateur d'énergie électrique offrant une grande fiabilité et simplicité de fabrication, tout en présentant l'avantage de ne pas alourdir les objets équipés du dispositif selon l'invention. Pour atteindre ces objectifs, le dispositif selon l'invention comporte au moins une lame piézoélectrique liée à l'objet par l'une de ses extrémités, afin de pouvoir osciller dans au moins un plan de flexion, une masse oscillante adaptée en porte-à-faux sur la lame, de manière à assurer l'apparition de charges électriques, lorsque la lame est soumise à des vibrations, - et un circuit électrique de conversion des charges apparaissant, à la suite de l'oscillation de la lame, en un signal de charge de l'accumulateur d'énergie électrique. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci- dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une vue schématique montrant un exemple d'application d'un dispositif piézoélectrique, conforme à l'invention, pour un objet portatif. La fig. 2 est une vue générale montrant un détail caractéristique du dispositif selon l'invention. La fig. 3 est une vue schématique montrant un autre exemple de réalisation d'un dispositif piézoélectrique selon l'invention. Tel que cela apparaît plus précisément à la fig. 1, le dispositif 1 selon l'invention est destiné à assurer le chargement d'un accumulateur d'énergie électrique 2 équipant un objet 3 au sens général, destiné à être soumis à des vibrations ou à des chocs. D'une manière classique, l'objet 3 comporte un accumulateur d'énergie électrique 2, tel qu'une batterie, destiné à alimenter un circuit électrique spécifique assumant des fonctions appropriées adaptées à la nature de l'objet. Le dispositif 1 selon l'invention, de chargement de l'accumulateur 2, comporte au moins une lame piézoélectrique 4 liée, par l'une de ses extrémités 4, à l'objet 3. Dans l'exemple illustré, l'extrémité 4, de la lame est montée sur une platine 3, faisant partie de l'objet 3. La lame piézoélectrique 4 comporte une paire d'armatures 5 et 6 déposées sur ses faces principales opposées, de sorte qu'il apparaît, sous l'influence d'une force, des charges de signe contraire sur les armatures et donc une différence de potentiel proportionnelle à la force appliquée. De préférence, la lame piézoélectrique 4 est constituée par l'intermédiaire d'une céramique ferro-électrique polarisée. Bien entendu, il peut être mis en oeuvre une lame 4 constituée à partir d'une association de lamelles piézoélectriques, de manière à constituer un montage bimorphe ou multimorphe, soit parallèle, soit série. Dans le même sens, il peut être envisagé de réaliser la lame à partir d'un matériau souple ou élastique, sur lequel sont montées une ou plusieurs céramiques. Le dispositif selon l'invention comporte, également, une masse oscillante 7, adaptée en porte-à-faux sur la lame 4, de manière à assurer l'apparition de charges électriques sur les armatures 5 et 6, lorsque la lame est soumise à des vibrations,. Tel que cela apparaît plus précisément à la fig. 2, la masse oscillante 7 est ancrée sur l'extrémité libre 42 de la lame, opposée de celle 4, ancrée à l'objet 3. De préférence, la masse 7 est constituée par l'accumulateur 2, de sorte que le poids de l'objet 3 n'est pas augmenté par l'incorporation d'une masse additionnelle. La lame piézoélectrique 4 travaille ainsi en flexion en supportant une masse 7 montée en porte-à-faux, permettant d'obtenir des mouvements de battement de la lame de relativement grande amplitude, par exemple de l'ordre de quelques centimètres. La lame 4 est adaptée pour présenter des fréquences d'oscillation basses, afin de coïncider au mieux avec le contenu des sollicitations de transport, également de basse fréquence. Par exemple, la lame 4 est dimensionnée pour offrir une fréquence d'oscillation comprise entre 1 et 20 Hz et, de préférence, entre 2 et 5 Hz. Dans le même sens, la masse oscillante 7 est comprise entre 30 et 500 grammes et, de préférence, de l'ordre de 100 grammes. Selon une caractéristique avantageuse, la lame piézoélectrique 4 est ancrée sur l'objet 3 par l'intermédiaire d'éléments amortisseurs 10, interposés entre l'extrémité 4, de la lame et l'objet, selon les directions différentes du plan de flexion P. Ainsi, tel que cela apparaît plus précisément à la fig. 2, les éléments amortisseurs 10 sont montés uniquement en relation avec la tranche de la lame. Le dispositif selon l'invention comporte, également, un circuit électrique 11, assurant une conversion des charges apparaissant aux bornes de la lame 4, à la suite de son oscillation, en un signal de charge de la batterie 2. Le dispositif piézoélectrique 1 selon l'invention permet ainsi d'assurer le chargement de la batterie 2 par la récupération des charges électriques dues au mouvement vibratoire de la lame 4 et consécutif aux différentes secousses ou vibrations que subit l'objet lors de son transport ou de son utilisation. Dans l'exemple illustré plus précisément à la fig. 2, le circuit 11 de conversion comporte un circuit redresseur 12 permettant de cumuler les charges obtenues sur une période entière, dans la mesure o les mouvements oscillants génèrent des champs électriques opposés à chaque demie période d'oscillation de la lame. Le circuit redresseur 12 est connecté à un étage 13 permettant de convertir le signal redressé en un courant de charge. A cet effet, l'étage 13 comporte une résistance d'entrée 13l adaptée aux caractéristiques électriques de la lame 4 et un générateur de courant 132 permettant de charger l'accumulateur 2. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la lame 4 est limitée dans son mouvement d'oscillation, par l'intermédiaire de deux butées 15 placées dans le plan de flexion P, de part et d'autre de la lame 4. Par exemple, les butées 15 sont placées de manière à venir en contact avec la masse oscillante 7. De préférence, les butées 15 sont de nature élastique, permettant d'augmenter l'énergie récupérée et la fréquence d'oscillation de la masse 7. Dans l'exemple illustré, la lame piézoélectrique 4 est montée de manière à travailler en flexion dans un plan P, perpendiculaire à ses faces principales constituées par les électrodes 5 et 6. Bien entendu, il peut être envisagé de constituer un élément piézoélectrique formé d'au moins deux lames piézoélectriques, montées de manière à présenter chacune un plan de flexion différent. Ainsi, il pourrait être envisagé de monter, sur la lame piézoélectrique 4, une autre lame piézoélectrique décalée de 90 , dont le plan de flexion privilégié serait parallèle au plan des armatures, c'est-à-dire perpendiculaire au plan de flexion P. Une telle disposition offre l'avantage de pouvoir récupérer l'énergie des oscillations de la masse 7 se déplaçant dans les deux directions sus-indiquées. Tel que cela ressort plus précisément du montage illustré à la fig. 1, le dispositif 1 est sensible aux sollicitations de translation, suivant un axe horizontal s'établissant dans le plan de la feuille. La fig. 3 illustre un montage dans lequel le dispositif 1 est sensible aux sollicitations de translation suivant l'axe vertical. Dans cet exemple de réalisation, il est à noter que l'accumulateur 2 est supporté par deux lames 4 supportées en porte-à-faux par la platine 3,. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: I - Dispositif piézoélectrique pour charger un accumulateur d'énergie électrique (2) équipant un objet (3) soumis à des vibrations, caractérisé en ce qu'il comporte: - au moins une lame piézoélectrique (4), liée à l'objet (3) par l'une de ses extrémités, afin de pouvoir osciller dans au moins un plan de flexion (P), - une masse oscillante (7) adaptée en porte-à-faux sur la lame (4), de manière à assurer l'apparition de charges électriques, lorsque la lame est soumise à des vibrations, -et un circuit électrique (11) de conversion des charges apparaissant, à la suite de l'oscillation de la lame, en un signal de charge de l'accumulateur d'énergie électrique (2). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux lames piézoélectriques (4) montées de manière à présenter chacune un plan de flexion différent. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des butées (15) limitant le déplacement des lames (4) selon leur plan de vibration. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les butées (15) sont de nature élastique, permettant d'augmenter la fréquence d'oscillation de la masse (7). - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lame (4) est montée solidaire de l'objet (3) par l'intermédiaire d'éléments amortisseurs (10) interposés, entre l'extrémité de la lame et l'objet, dans les directions différentes du plan de flexion (P). 6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de conversion (11) comporte un circuit redresseur (12) suivi d'un étage (13) dont la résistance d'entrée (131) est adaptée aux caractéristiques électriques de la lame (4) et comporte un générateur de courant (132) destiné à charger l'accumulateur (2). 7 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la lame (4) présente une fréquence d'oscillation comprise entre 1 et 20 Hz et, de préférence, entre 2 à 5 Hz. 8 - Dispositif selon la revendication l, caractérisé en ce que la lame (4) est pourvue d'une masse oscillante (7) comprise entre 30 et 500 grammes et, de préférence, de l'ordre de 100 grammes. 9 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la lame (4) piézoélectrique est une céramique ferro-électrique polarisée. - Dispositif selon la revendication 1 ou 8, caractérisé en ce que la masse oscillante (7) est constituée par l'accumulateur d'énergie (2) de l'objet.