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WO1996031869A1 - Avertisseur sonore piezo-electrique, notamment pour l'equipement de vehicules - Google Patents

Avertisseur sonore piezo-electrique, notamment pour l'equipement de vehicules Download PDF

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WO1996031869A1
WO1996031869A1 PCT/FR1996/000498 FR9600498W WO9631869A1 WO 1996031869 A1 WO1996031869 A1 WO 1996031869A1 FR 9600498 W FR9600498 W FR 9600498W WO 9631869 A1 WO9631869 A1 WO 9631869A1
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WO
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membrane
piezoelectric
ceramic
horn
horn according
Prior art date
Application number
PCT/FR1996/000498
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English (en)
Inventor
Gilbert Hurst
Original Assignee
Societe De Composants Electriques
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Publication date
Application filed by Societe De Composants Electriques filed Critical Societe De Composants Electriques
Priority to EP96911020A priority Critical patent/EP0821822B1/fr
Priority to AU54030/96A priority patent/AU5403096A/en
Priority to DE69604797T priority patent/DE69604797T2/de
Priority to US08/930,869 priority patent/US6166624A/en
Priority to DK96911020T priority patent/DK0821822T3/da
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated

Definitions

  • Piezoelectric horn especially for vehicle equipment
  • the present invention relates to audible warning devices, in particular for the equipment of motor vehicles, and it relates more particularly to a piezoelectric audible warning device.
  • the audible warning devices which currently equip motor vehicles use the vibration of a membrane under the action of an electromagnetic system.
  • These electromagnetic audible warning devices which are universally used, have the disadvantage of being of non-negligible weight (of the order of 250g) and of presenting a significant average electrical consumption (approximately 4 to 6 amperes under a voltage d 12 V supply).
  • the object of the present invention is to remedy the drawbacks mentioned above of electromagnetic horns and it proposes, for this purpose, the production of a piezoelectric horn that is to say of a horn using vibration of a piezoelectric membrane.
  • piezoelectric effect by which electric charges appear on the faces of certain crystals (quartz in particular) when these are subjected to mechanical stresses.
  • these crystals are generally insulating, the charges which appear on their faces give electric voltages, which can be very high, are born, and these electric voltages are collected by metal electrodes on the faces of the crystals.
  • the piezoelectric effect is characteristic of the ordered structures of matter (crystals), but monocrystalline materials are rare and inconvenient to use.
  • certain ceramics having a crystal-type structure also lend themselves to the implementation of piezoelectric effects by prior orientation of the molecules constituting the ceramic. This orientation is obtained by applying for a few seconds a high polarization electric field on the ceramic, causing the alignment of the molecules within the ceramic. When the electric polarization field is eliminated, the molecular orientation remains and gives rise to a piezoelectric phenomenon identical to that observed in single crystals.
  • Ceramics thus polarized are much more convenient to use than crystals, in fact they are obtained in the desired shape by sintering at high temperature and firing at more than 1000 ° C.
  • the assembly will curve like a bimetallic strip alternately in one direction then in the other, producing a vibration corresponding to the frequency of the excitation voltage.
  • the piezoelectric membrane is mounted in an appropriate support, this mounting device contributes significantly to the sound emission of the membrane by modifying the resonance frequencies of the membrane and more generally the frequency response of the device. tif.
  • the piezoelectric membranes currently available on the market are only used for applications with low noise level. These applications mainly concern telephony, low-level sound reproduction in portable devices, and also noisemakers for industrial equipment and instrumentation: in particular automobile noisemakers (signaling a forgotten headlights, a door left open or an engine fault ).
  • the only applications with a noise level higher than 100 dBA relate either to high frequency generators (1800 to 3600 Hz for car alarms), or to narrow frequency band applications and limited power (105 dB at 1000 Hz for warning devices setback for trucks and machines).
  • the sound level measured at 2m from the horn in free field (or in a deaf room) must be between 105 dBA and 118 dBA and the sound level of this horn, once mounted on the vehicle, must be 93 dBA 7 meters in front of the vehicle.
  • the subject of the present invention is a new design and use of a piezoelectric sound element allowing the production of an audible warning device which fully meets the regulatory conditions laid down, and which, compared with traditional electro-magnetic audible warning devices, advantage of a significant reduction in weight and power consumption.
  • the piezoelectric horn includes:
  • an acoustic assembly comprising a compression chamber, acoustic adaptation means and a radiating element
  • a housing serving as a covering and which includes the mounting and electrical connection elements of the device.
  • the piezoelectric membrane is a membrane with a diameter between 60 and 100mm, having a main resonance peak in a frequency region between 350 and 500 Hz and a large amplitude of vibration, and its suspension is designed to allow a large clearance for a minimum of stress and deformation on the ceramic.
  • the piezoelectric membrane used according to the invention to produce a sufficient sound level, will in vibration sweep a certain volume during its vibration. To this end, the membrane must be curved, without however reaching the minimum radius of curvature below which the ceramic breaks.
  • the suspension device for this membrane must be designed according to the invention in order to obtain, from a ceramic having a given limit radius of curvature, the sweeping of the largest possible volume. To this end, the suspension of ls. membrane must be free and not embedded.
  • the invention proposes to produce l ⁇ . piezoelectric membrane only under the. shape of a large diameter metal membrane (for example of the order of 9 cm) fitted in the center with a ceramic disc of smaller size (of the order of 3 to 5 cm for example).
  • the part located in line with the ceramic undergoes a deformation in a spherical cap, while the rest of the membrane tends to dampen the deformation by taking a curvature opposite to that of the spherical cap.
  • the rest of the membrane should take the form of a truncated cone tangent to the spherical cap.
  • the piezoelectric membrane is in its external part (not covered by the ceramic) while at l ⁇ . both rigid in the radial direction and flexible in the diametrical direction, so that it can deform only "in a tulip" or "in an umbrella".
  • the central part of the membrane on which the ceramic is stuck must retain its elastic properties
  • such a deformation is obtained starting from a flexible membrane on which are grafted rigid elements arranged along the spokes, like the whales of an umbrella. These elements can be added elements (like umbrella whales), or even folds or ribs arranged along the rays of the membrane. These elements are arranged in a ring at the periphery of the membrane, from the edge, outside to the limit of the area covered by the ceramic, so as to preserve the central part of the membrane the ability to deform into a "cap”. spherical”. Between the stiffening elements, the membrane must be very flexible.
  • An advantageous embodiment of such a membrane according to the invention comprises a molded rubber membrane on which a metallic membrane in the shape of a daisy is stuck.
  • each petal of the daisy can be arranged a stiffener, such as a fold, which slightly encroaches on the central part so that, during the deformation of this central part, these stiffeners are positioned in a tangent to the spherical part.
  • the external shape of said rubber membrane is advantageously shaped so as to create waves intended to give maximum flexibility to l ⁇ . membrane fixation both in flexion and extension.
  • the waves thus created also have the effect of distributing the stresses and therefore the fatigue of the rubber over a larger surface, leading to a longer service life.
  • the "daisy-shaped" membrane can be produced in two parts, a homogeneous central metal part furnished with a crown of stiffeners which are not necessarily metallic and can therefore be obtained by molding
  • the rubber part of the membrane could also be glued to the same side of the metal membrane as the piezoelectric pellet.
  • the rubber membrane being obtained by molding, it would be easy to spare the space available for this purpose.
  • this contact can f ⁇ it be completely molded
  • This contact-making system also makes it possible to connect a second, reduced-size electrode located on the ceramic pad at a lower cost.
  • This second electrode constitutes with the underlying ceramic a piezoelectric sensor providing an electric voltage which varies with the displacement of the membrane. This voltage is used in the electronic control circuit to control the control frequency so that it automatically matches the resonant frequency of l ⁇ . membrane. Thus, without adjustment, a maximum sound level is obtained.
  • Yet another role of the rubber part of the membrane according to the invention is to ensure the tightness of the horn, a suitable shape being provided for this purpose at the end of the waves of the membrane.
  • BAD ORIGINAL J> uses a membrane of rectangular shape with rounded corners, or of elliptical shape or more generally having, the shape of a surface characterized by two main dimensions, resulting in the existence of at least two prircipal resonance frequencies.
  • the invention provides for using as an acoustic adaptation element a Helmholtz resonator with a cavity or else a wound or folded up exponential horn, the choice being made so to obtain, depending on the diameter of the membrane selected, the best compromise between the quality of the sound and the bulk.
  • the control circuit preferably of the highly integrated type, is designed to provide a high control voltage of the order of one hundred volts.
  • a variety of control modes are then possible, ranging from control by sinusoidal voltage through a transformer to short high-voltage pulse systems produced by capacitive switching.
  • the membrane it is however necessary to adapt the membrane to the signal delivered by the control circuit, and this adaptation can be carried out in the following manner: when the chosen control circuit delivers a symmetrical waveform (alternating voltage or even at zero mean value) a membrane is advantageously used, the central part of which supports l ⁇ . ceramic, is flat. Indeed the symmetrical waveforms will stress the membrane alternately in one direction then in the other
  • FIG. 1 is a front view of the piezoelectric membrane fitted to the horn according to the invention
  • Figure 2 is a sectional view of the membrane of Figure 1
  • Figure 3 is a schematic view of the control circuit of the piezoelectric horn
  • Figure 4 is a vertical sectional view of the horn after mounting the piezoelectric membrane and the control circuit
  • Figures 5 and 6 are views of the horn of the figure equipped with a right horn and a rolled-up horn respectively.
  • the metal of the plate 2 is a brass or a chrysocale having good elasticity.
  • the ratio between the length and the width of l ⁇ . plate 2 is between 1.1 and 1.5.
  • An annular structure 3 of light metal, in the form of a notched crown, is rigidly fixed (by soldering or gluing) to l ⁇ . periphery of the plate 2).
  • the outer part of the crown 3 has sixteen fingers which are arranged radially and are distributed uniformly around the periphery. These fingers are provided, along their axis. a boss 4 produced by stamping. These bosses 4 act as stiffeners by preventing the fingers from being deformed.
  • the annular structure 3 could ussi be made of rigid plastic, the bosses 4 then being replaced by edges.
  • the whole plate? and l ⁇ . structure 3 can be produced in a single metallic part by cutting and cold stamping.
  • the entire membrane comprising the ceramic 1, the metal plate 2 and the stiffening crown 3, is then * fixed to a molded rubber membrane 5.
  • This membrane 5 of circular shape for greater convenience in mounting the alarms , has a thick outer part
  • the membrane 5 also includes a softened part 7 in the form of waves, intended to allow free movement of the central part of the device.
  • the central part of the membrane 5 has molding reserves allowing the housing of the ceramic 1 and of the plate 2 if necessary.
  • FIG. 3 shows a control circuit for a piezoelectric warning device according to the invention.
  • This control circuit is designed to be as economical as possible. It includes a modified "flyback" type high voltage generator.
  • an integrated frequency generator circuit C supplies, on the basis of a transistor T, positive pulses which put the latter in conduction, which has the effect: on the one hand to discharge the capacitance C formed by the piezoelectric ceramic, on the other hand to establish in the inductor L a current I which will increase linearly with time.
  • the transistor T is blocked and the energy stored in the coil L is transferred., Passing through a diode D in series with the coil L, in the capacitance C formed by the piezo membrane -electric. The diode D then prevents the capacity from discharging in turn in the coil L.
  • the second electrode E of the membrane supplies the integrated circuit G with a feedback voltage which makes it possible to control the frequency of the control pulses which it supplies on the frequency giving the maximum amplitude the movement of the membrane.
  • the control circuit (which has been described in detail in FIG. 3 ⁇ is mounted on a printed circuit board 12 which includes all the electronic components shown diagrammatically at 13.
  • the connection with the outside is made by a connector 14, molded in the housing 8. the lamellae 15 of which are mounted directly on the printed circuit.
  • connection of the electrodes of l ⁇ . membrane is made by means of metallic ribbons, overmolded in it. membrane 5, which have been described above. These tapes come out of the membrane at the level of a protrusion 1C which makes it possible to establish contact by simple pres ⁇ ior during assembly.
  • the horn is completed by a horn, which includes a cross-section part used for acoustic tuning and an exponential part.
  • the pavilion 17 can be straight, in the case of heavy-duty warning devices, as shown in FIG. 5, but the pavilion will preferably be of the rolled-up type as on conventional warning devices, as shown in 18 on l ⁇ . figure 6.

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Abstract

La membrane piézo-électrique de l'avertisseur comprend un disque de céramique (1) collé sur une plaque métallique rectangulaire (2). Une couronne crantée (3) en métal léger est fixée rigidement à la périphérie de la plaque (2), cette couronne comportant seize doigts radiaux uniformément répartis sur le pourtour et chaque doigt présentant axialement un bossage (4) formant raidisseur. L'ensemble (1, 2, 3) de la membrane est fixé sur une membrane de caoutchouc moulé (5), dont la forme ciruculaire facilite le montage. La membrane (5) comporte une partie ondulée assouplie (7) destinée à permettre le libre débattement de la partie centrale. Dans l'épaisseur de caoutchouc de la membrane (5) sont noyés deux minces rubans métalliques disposés pour établir un contact électrique l'un avec la pastille de céramique (1) et l'autre avec la plaque métallique (2). L'avertisseur piézo-électrique selon l'invention présente, par rapport aux avertisseurs électromagnétiques traditionnels, une réduction sensible de son poids et de sa consommation électrique.

Description

Avertisseur sonore piézo-électrique, notamment pour l'équipement de véhicules,
La présente invention concerne les avertisseurs sonores, notamment pour l'équipement de véhicules automobiles, et elle concerne plus particulièrement un avertisseur sonore piézo-électrique. Les avertisseurs sonores qui équipent actuellement les véhicules automobiles mettent en oeuvre la vibration d'une membrane sous l'action d'un système électromagnétique. Ces avertisseurs sonores électromagnétiques, qui sont universellement utilisés, présentent toutefois l'inconvénient d'être d'un poids non négligeable (de l'ordre de 250g) et de présenter une consommation électrique moyenne importante (environ 4 à 6 Ampères sous une tension d'alimentation de 12 V).
La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus des avertisseurs sonores électromagnétiques et elle propose, à cet effet, la réalisation d'un avertisseur piézo-électrique c'est-à-dire d'un avertisseur sonore utilisant la vibration d'une membrane piézo-électrique.
On connait le phénomène, appelé "effet piézo-électrique", par lequel des charges électriques apparaissent sur les faces de certains cristaux (quartz notamment) lorsque ceux-ci sont soumis à des contraintes mécaniques. Comme ces cristaux sont en général isolants, les charges qui apparaissent sur leurs faces donnent naissance à des tensions électriques, pouvant être très élevées, et ces tensions électriques sont recueillies par des électrodes métalliques sur les faces des cristaux .
Cet effet piézo-électrique est réversible. Si l'on applique une tension électrique, il en résulte une déformation mécanique de ce cristal.
L'effet piézo-électrique est caractéristique des structures ordonnées de la matière (cristaux), mais les matériaux mono-cristallins sont rares et peu commodes à mettre en oeuvre. Toutefois certaines céramiques présentant une structure de type cristallin se prêtent également à la mise-en-oeuvre d'effets piézo-électriques moyennant une orientation préalable des molécules const tuant la céramique. Cette orientation s'obtient en appliquant pendant quelques secondes un champ électrique de polarisation élevé sur la céramique, en provoquant l'alignement des molécules au sein de l a céramique. A la suppression du champ électrique de polarisation, l'orientation moléculaire subsiste e donne lieu à un phénomène piézo-électrique identique à celui observé dans les monocristaux.
Les céramiques ainsi polarisées sont, beaucoup plus commodes d'emploi que les cristaux, en effet on les obtient dans la forme souhaitée par frittage à haute température et cuisson à plus de 1000°C.
On a déjà proposé, pour produire des sons à l'aide d'une céramique piézo-électrique, de faire appel à une membrane sonore piézo-électrique constituée d'un disque métallique mince sur lequel est collé un disque de céramique piézo-électrique. Une contre-électrode, constituée par de l'encre conductrice, est déposée sur la surface libre du disque de céramique, et la polarisation est effectuée de façon que, lorsqu'on applique au disque de céramique une tension alternative, celle-ci se dilate ou se contracte diamétralement. Ces modificat ons de diamètre étant contrariées sur l'une de
BAD ORIGINAL- Jt ses faces par la membrane métallique, l'ensemble va s'incurver à la façon d'un bilame alternativement dans un sens puis dans l'autre en produisant une vibration correspondant à la fréquence de la tension d'excitation. Pour une utilisation effective la membrane piézo-électrique est montée dans un support approprié, ce dispositif de montage participe de manière significative à l'émission sonore de la membrane en modifiant les fréquences de résonance de la membrane et plus généralement la réponse fréquenciel le du disposi tif.
Il est également connu que cette réponse fréquencielle est susceptible d'être modifiée par l'utilisation de structures métalliques planes non circulaires (rectangles en particulier) utilisées soit à la place du disque métallique mince, soit en conjonction avec celui-ci.
Les membranes piézo-électriques actuellement disponibles sur le marché sont uniquement utilisées pour des applications à bas niveau sonore. Ces applications concernent essentiellement la téléphonie, la reproduction sonore à faible niveau dans les appareils portables, et aussi les bruiteurs pour appareillage industriel et instrumentation : en particulier des bruiteurs d'automobile (signalant un oubli de phares, une porte restée ouverte ou un défaut moteur) . Les seules applications à niveau sonore supérieur à 100 dBA concernent soit des générateurs de fréquence aiguë (1800 à 3600 Hz pour des alarmes de voiture), soit des applications à bande de fréquence étroite et puissance limitée (105 dB à 1000 Hz pour les avertisseurs de recul pour camions et engins).
Ces bruiteurs connus à bas niveau sonore, de l'ordre de 70 à 90 dBA en champ libre à 10 cm de distance, utilisent des membranes piézo-électriques de petit diamètre (généralement inférieurs à 50 cm) ayant une fréquence de résonance de 2 à 3 KHz.
Cette conception connue des bruiteurs à
3
I
BAD ORIGINAL membrane piézo-électrique, en raison de son faible niveau sonore, ne peut convenir pour la réalisation d'avertisseurs sonores pour véhicules automobiles dont les caractéristiques acoustiques, fixées par la directive européenne 70/388/CEE et par l'accord international connu sous la dénomination "règlement 28", doivent être très nettement, supérieures.
En effet, le niveau sonore mesuré à 2m de l'avertisseur en champ libre (ou en chambre sourde) doit être compris entre 105 dBA et 118 dBA et le niveau sonore de cet avertisseur, une fois monté sur véhicule, doit être de 93 dBA à 7 mètres en avant du véhicule.
Cette dernière condition. compte-tenu de l'isolement phonique de plus en plus important du compartiment moteur des véhicules, nécessite de régler l'avertisseur de façon aussi proche que possible du maximum de 118 dBA autorisé, ce qui est sans rapport avec les 90 dBA mesurés à 10 cm de distance obtenus avec les bruiteurs mentionnés plus haut qui correspondent à environ 65dBA mesurés à 2 m.
De plus, bien que cela ne fasse pas l'cbjet d'une prescription formelle, l'usage est d'utiliser pour les avertisseurs sonores des fréquences comprises entre 350 et 500 Hz ce qui rend les dispositifs sonores utilisés dans les alarmes inadéquats à l'application en avertisseur.
La présente invention a pour objet une conception et une utilisation nouvelles d'un élément sonore piézo-électrique permettant lε réalisation d'un avertisseur sonore qui réponde totalement aux conditions réglementaires posées, et qui présente par rapport aux avertisseurs sonores électro-magnétiques traditionnels l'avantage d'une réduction sensible de son poids et de sa consommation électrique.
Selon l'invention, l'avertisseur sonore piézo-électrique comprend :
- un générateur sonore piézo-électrique composé d'une membrane piézo-électrique et
BAD ORIGINAL d'un dispositif de suspension de la membrane ;
- un ensemble acoustique comportant une chambre de compression, des moyens d'adaptation acoustique et un élément rayonnant ;
- un circuit électronique de commande servant à produire les signaux nécessaires au fonct onnement de la membrane, et
- un boîtier servant d'habillage et qui comporte les éléments de montage et de raccordement électrique de l'appareil.
La membrane piézo-électrique, selon l'invention, est une membrane d'un diamètre compris entre 60 et 100mm, présentant un pic de résonance principal dans une zone de fréquence comprise entre 350 et 500 Hz et une grande amplitude de vibration, et sa suspension est conçue de façon à permettre un grand débattement pour un minimum de contrainte et de déformation sur la céramique.
La membrane piézo-électrique utilisée selon l'invention, pour produire un niveau sonore suffisant, devra en vibration balayer un certain volume lors de sa vibration. A cet effet la membrane devra se courber, sans atteindre toutefois le rayon de courbure minimal au-dessous duquel la céramique casse.
Ce rayon de courbure limite étant d'autant plus petit que la céramique est plus mince, il faudra donc selon la présente invention utiliser la céramique la plus mince possible qui soit compatible avec l'effet mécanique recherché.
Le dispositif de suspension de cette membrane devra être conçu selon l'invention pour obtenir, à partir d'une céramique ayant un rayon de courbure limite donné, le balayage du plus grand volume possible. A cet effet, la suspension de ls. membrane devra être libre et non pas encastrée.
Comme mentionné ci-avant, le diamètre rie la.
βAD ORIGINAL (j& membrane selon l'invention doit être sensiblement supérieur à celui des membranes actuellement sur le marché (50mm) qui est trop faible pour permettre d'atteindre à la fois les 120 décibels et les 400 Hz requis. On est donc amené à augmenter le diamètre des membranes, ce qui n'entraîne pas nécessairement l'augmentation du diamètre des pastilles céramiques.
En effet, si l'on veut éviter que les pastilles de céramique deviennent fragiles au point de casser sous l'effet de leur propre pcids, on ne peut augmenter à volonté le diamètre des pastilles sans augmenter aussi leur épaisseur, avec l'inconvénient d'augmenter par contrecoup le rayon de courbure limite et d'obérer ainsi l'augmentation du volume balayé résultant de l'augmentation de diamètre de la membrane.
Pour remédier à cet inconvénient l'invention propose de réaliser lε. membrane piézo-électr que sous la. forme d'une membrane métal ique de grand diamètre (par exemple de l'ordre de 9cm • équipée en son centre d'une pastille de céramique de taille plus réduite (de l'ordre de 3 à 5cm par exemple).
Lors de l'application d'une tension électrique à une telle membrane, la partie située au droit de lε céramique subit une déformation en calotte sphérique, alors que le reste de la membrane tend à amortir la déformation en prenant une courbure inverse à celle de la calotte sphérique. Or. pour un maximum d'efficacité, il faudrait que le reste de la membrane prenne la forme d'un tronc de cône tangent à la calotte sphérique.
A cet effet, il est nécessaire que la membrane piézo-électrique soit dans sa partie externe (non couverte par la céramique) tout à lε. fois rigide dans le sens radial et souple dans le sens diamétral, de manière à pouvoir se déformer uniquement "en tulipe" ou bien "en parapluie". Dans le même temps, la partie centrale de la membrane sur laquelle est collée la céramique do t conserver ses propriétés élastiques
BAD ORIGINAL J» i sotropes .
Selon l'invention, une telle déformation est obtenue en partant d'une membrane souple sur laquelle on greffe des éléments rigides disposés suivant les rayons, à la manière des baleines d'un parapluie. Ces éléments peuvent être des éléments rapportés (comme des baleines de parapluie), ou bien encore des plis ou des nervures disposés suivant les rayons de la membrane. Ces éléments sont disposés en couronne à la périphérie de la membrane, depuis le bord, extérieur jusqu'à lε limite de la zone recouverte par la céramique, de manière à conserver à la partie centrale de la membrane la faculté de se déformer en "calotte sphérique". Entre les éléments raidisseurs, lε membrane doit être très souple. Une forme de réalisation avantageuse d'une telle membrane selon l'invention comprend une membrane de caoutchouc moulé sur laquelle est collée une membrane métallique en forme de marguerite. Au centre de cette membrane en forme de marguerite est collée la pastille de céramique piézo-électrique. Dans l'axe de chaque pétale de la marguerite peut être disposé un raidisseur, tel qu'un pli, qui empiète légèrement sur la partie centrale rie sorte que, lors de la déformation de cette partie centrale, ces raidisseurs se positionnent suivant une tangente à la partie sphérique.
La forme extérieure de la dite membrane de caoutchouc est avantageusement façonnée de manière à créer des ondes ayant pour objet de donner un maximum de souplesse à lε. fixation de la membrane tant en flexion qu'en extension. Les ondes ainsi créées ont également pour effet de répartir les contraintes et donc la fatigue du caoutchouc sur une plus grande surface, en conduisant à une plus grande durée de vie.
Dans une variante de cette réalisation, la membrane "en marguerite" peut être réalisée en deux parties, une partie centrale homogène en métal garni d'une couronne de raidisseurs non nécessairement métalliques et pouvant donc être obtenus par moulage de
BAD ORIGINAL matière plastique.
On pourrait, sans sortir de l'invention., utiliser un textile imprégné à la place du caoutchouc. Toutefois 1 ' ut liεation de caoutchouc moulé permet de surmouler da.ns le corps de la membrane les conducteurs electricues nécessaires à l'alimentation électrique de la membrane piézo-électrique.
On pourrait également, sans sortir de l'invention utiliser une matière plastique souple (par exemple du chlorure de polyvinyle ou du mylεr) en conservant les avantages du caoutchouc.
La partie caoutchouc de la membrane pourrait aussi être collée sur le même côté de la membrane métallique que lε pastille piézo-électr que. La membrane caoutchouc étant obtenue par moulage, il serait aisé de ménager la place disponible à cet effet.
De plus, la prise de contact sur la pastille piézo-électr que se trouverait facilitée, ce contact pouvant de fεit être totalement surmoulé
Ce système de prise de contact permet également de connecter à moindre frais une seconde électrode de taille réduite située sur la pastille de céramique. Cette seconde électrode constitue avec la céramique sous-jacente un capteur piézo-électrique fournissant une tension électrique qui varie avec le déplacement de la membrane. Cette tension est utilisée dans le circuit électronique de commande pour asserv r la fréquence de commande de manière à ce qu'elle s'accorde automatiquement sur la fréquence de résonance de lε. membrane. On obtient de la sorte, sans réglage, un niveau sonore maximum.
Un autre rôle encore de lε partie caoutchouc de la membrane selon l'invention est d'assurer 1 ' étanchéité de l'avertisseur, une forme appropriée étant à cet effet ménagée à l'extrémité des ondes de la membrane .
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, afin d'enrichir le spectre sonore émis, on
8
BAD ORIGINAL J> utilise une membrane de forme rectangulaire à coins arrondis, ou encore de forme elliptique ou plus généralement ayant, la forme d'une surface caractérisée par deux dimensions principales, se traduisant par l'existence de deux fréquences de résonance prircipale au moins.
Afin d'assurer un son qui soit à la fois puissant et agréable, l'invention prévoit d'utiliser comme élément d'adaptation acoustique un résonateur de Helmholtz à cavité ou bien un pavillon exponentiel enroulé ou replié, le choix s'effectuant de façon à obtenir, selon le diamètre de membrane retenu, le meilleur compromis entre la qualité du son et 1 ' encombrement .
Le circuit de commande, de préférence du type à intégration poussée, est conçu pour fournir une tensicn de commande élevée de l 'ordre de la centaine de volts. Une variété de modes de commande sont alors possibles, pouvant aller de la commande par une tension sinusoïdale à travers un transformateur jusqu'aux systèmes d'impulsions brèves à haute tension produites par commutation capacitive.
Selon l'invention, il convient toutefois d'adapter la membrane au signal délivré par le circuit de commande, et cette adaptation peut s'effectuer de la manière suivante : lorsque le circuit de commande choisi délivre une forme d'onde symétrique (tension alternative ou encore à valeur moyenne nulle) on utilisera avantageusement une membrane dont la partie centrale, supportant lε. céramique, est plane. En effet les formes d'onde symétriques vont solliciter la membrane alternativement dans un sens puis dans l'autre
De la sorte, la déformation de la membrane sera symétrique de part et d'autre de son plan de repos. Pour un même rayon de courbure lim te, on aura ainsi une amplitude de débattement maximale.
Par contre, il est souvent plus économique 9
BAD OrtK*»" de réaliser des circuits de commande délivrant des impulsions électriques d'une seule polarité. Dans ce cas la membrane n'est sollicitée que dans un seul sens et, si l'on utilise une membrane plane, l 'amplitude de débattement permise pour un rayon de courbure donné sera la moitié de celle obtenue par une forme d'onde symétrique. On a dans ce cas intérêt à choisir une forme de membrane déjà déformée au repos de manière à ce qu'après polarisation, et en l 'absence de sollicitation électrique, le rayon de courbure de la céramique soit proche du minimum admissible. Les impulsions électriques de commande seront alors appliquées de manière à provoquer une déformation antagoniste par rapport à la déformation initiale. De la sorte, pour un rayon de courbure limite donné de la céramique., il est possible d'obtenir, avec des impulsions de commande d'une seule polarité, la même amplitude de vibration qu'avec des impulsions symétriques.
Pour bien faire comprendre l'avertisseur piézo-électrique selon la présente invention, on en décrira ci-après, à titre d'exemple sans caractère limitatif, une forme d'exécution préférée en référence au dessin schématique annexé dans lequel : la figure 1 est une vue de face de la membrane piézo-électrique équipant l'avertisseur sonore selon 1 ' invention ; la figure 2 est une vue en coupe de la membrane de la figure 1 ; la figure 3 est une vue schématique du circuit de commande de l'avertisseur piézo-électrique ; la figure 4 est une vue en coupe verticale de l'avertisseur après montage de la membrane piézo-électrique et du circuit de commande ; et les figures 5 et 6 sont des vues de l'avertisseur de la figure équipé respectivement d'un pavillon droit et d'un pavillon de type enroulé.
En référence aux figures 1 et 2, on a représenté en 1 un disque de céramique qui est collé sur
10
BAO ORIGINAL
L- une plaque métallique 2 ayant la forme d'un rectangle à coins arrondis. De préférence, le métal de la plaque 2 est un laiton ou un chrysocale présentant une bonne élasticité. Suivant l'effet recherché, le rapport entre la longueur et la largeur de lε. plaque 2 est compris entre 1,1 et 1,5.
Une structure annulaire 3 en métal léger, en forme de couronne crantée, est fixée de manière rigide (par brasure ou collage) à lε. périphérie de la plaque 2). La partie externe de la couronne 3 comporte seize doigts qui sont disposés radiale ent et sont répartis uniformément sur le pourtour. Ces doigts sont munis, le long de leur axe. d'un bossage 4 réalisé par emboutissage. Ces bossages 4 jouent le rôle de raidisseurs en empêchant les doigts de se déformer.
Selon une variante, non représentée au dessin, la structure annulaire 3 pourrait ussi être réalisée en matière plastique rigide, les bossages 4 étant alors remplacés par des arêtes.
Suivant une autre variante, l'ensemble de la plaque ? et de lε. structure 3 peut être réalisé en une seule pièce métε.llique par découpe et frappe à froid.
Lors de l'assemblage de la céramique 1 sur la plaque 2 .. une légère déformation est appliquée sur l'ensemble de manière à ce qu'une fois 1 ' assemblε.ge réalisé et la céramique pclarisée, la partie centrale soit déformée suivant une calotte sphérique dont le rayon de courbure soit légèrement supérieur au rayon de courbure minimum supporté par la céramicue . On remarquera que, à la figure 2, on a volontairement exagéré cette courbure pour une plus grande clε.rte' de 1 ' llustration.
L'ensemble de la membrane, comportant la céramique 1, la plaque métallique 2 et la couronne raidisseuse 3, est ensuite* fixée sur une membrane de caoutchouc moulé 5. Cette membrane 5 de forme circulaire, pour une plus grande commodité du montage des avertisseurs, comporte une partie extérieure épaisse
11 6 de section rectangulaire formant joirt de montage.
La membrane 5 comporte également une partie assouplie 7 en forme de vagues, destinée à permettre le libre débattement de la partie centrale du dispositif. La partie centrale de la membrane 5 comporte des réserves venues de moulage permettant le logement de la céramique 1 et de la plaque 2 le cas échéant.
Dans l'épaisseur du caoutchouc de la membrane 5 sont noyés deux minces rubans métalliques (non représentés) qui sont disposés de manière à établir un contact électrique respectivement avec la pastille de céramique 1 et avec la plaque métallique 2. Ces deux rubans affleurent au niveau de la partie formant joirt de la membrane 5, à un endroit où celle-ci est fixe. Cette disposition permet d'éliminer un point fε.ib e des transducteurs sonores piézo-électriques traditionnels, c 'est-à-dire lε. prise de contact électrique sur la céramique en mouvement.
Grâce à cette technique de mise en contact, on utilise de préférence une céramique à deux électrodes permettant, à moindre coût, un asservissement automatique de la fréquence d'excitation.
A lε. figure 3 on a représenté un c rcuit de commande pour un avertisseur piézo-électrique selon 1 ' irvention.
Ce circuit de commande est conçu pour être le plus économique possible. Il comporte un générateur de haute tension de type "flyback" modifié.
Lors de 1 ' actionne ent de la commande B de l'avertisseur, un circuit intégré générateur de fréquence C fournit, sur la base d'un transistor T, des impulsions positives qui mettent celui-ci en conduction, ce qui a pour effet : d'une part de décharger la capacité C formée par la céramique piézo-électrique, d'autre part d'établir dans la bobine d'inductance L un courant I qui va croître linéairement avec le temps.
12
^ ORIGINAL A la fin de l'impulsion de commande, le transistor T est bloqué et l'énergie stockée dans la bobine L est transférée., en passant par une diode D en série avec la bobine L, dans la capacité C formée par la membrane piézo-électrique. La diode D empêche ensuite la capacité de se décharger à son tour dans la bobine L.
La seconde électrode E de la membrane, comme on l'a vu précédemment, fournit au circuit intégré G une tension de contre réaction qui permet d'asservir la fréquence ries impulsions de commande qu'il fournit sur la fréquence donnant le maximum d'amplitude au mouvement de la membrane.
A la figure on a schématisé lε construction. qui est en soi classique . de 1 ' rvert sseυr sonore utilisant la membrane représentée aux figures 1 et 2. La membrane 5 est montée entre un boîtier 8 et une platine 9, tous deux réalisés en matière plastique. L'espace 10 compris entre la membrane 5 et la platine 9 détermine une chambre de compression dont l'event central 11 communique, comme on le verra aux figures 5 et 6, avec le centre d'un pavillon acoustique.
Le circuit de commande (qui a été décrit en détail à la figure 3^ est monté sur une platine imprimée 12 qui comporte l'ensemble des composants électroniques schématisés en 13. La connection avec l'extérieur se fait par un connecteur 14, moulé dans le boîtier 8. dont les lamelles 15 sont montées directement sur le circuit imprimé .
Le raccordement des électrodes de lε. membrane se fa t au moyen ries rubans métε.lliques, surmoulés dans lε. membrane 5, qui ont été décrits plus haut. Ces rubans sortent de la membrane au niveau d'une excroissance 1C qui permet d'établir le contact par simple presεior lors du montage.
L'avertisseur est complété par un pavillon, qui comprend une partie de section droite servant à l'accord acoustique et une partie exponentielle.
13
' BAD ORIGINAL Le pavillon 17 peut être droit, dans le cas d'avertisseurs à usage poids lourd, comme représenté à la figure 5, maiε le pavillcn sera de préférence du type enroulé comme sur les avertisseurs classiques, ainsi qu'on l 'a représenté en 18 sur lε. figure 6.
On comprendra que la description ci-dessus a été donnée à simple titre d'exemple, sans caractère limitatif, et que des adjonctions ou modifications conεtructives pourraient y être apportées sans sortir du cadre de l'invention.
14
!
^ ORIGINAL

Claims

REVENDICATIONS.
1. Avertisseur sonore piézo-électrique notamment pour l 'équipement de véhicules, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur sonore piézo-électrique composé d'une membrane piézo-électrique (5) et d'un dispositif de suspension de cette membrane, un ensemble acoustique déterminant avec le dispositif de suspension de la membrane piézo-électrique une chambre de compression (10) et comportant des moyens d'adaptation acoustique et un élément rayonnant, un circuit électronique de commande fournissant à la membrane piézo-électrique les signaux haute tension et fréquence nécessaires à son fonctionnement, et un boîtier (8) servant à l'habillage du dispositif.
2. Avertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane piézo-électrique présente un diamètre élevé de l'ordre de 90mm.
3. Avertisseur selon la revendication 1 ou lε. revendication 2. caractérisé en ce que la membrane piézo-électrique comprend une membrane métallique (2,3) de grand diamètre équipée en son centre d'une pastille de céramique (1) de taille plus réduite.
4. Avertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane piézo-électrique porte des éléments rigides formant raidisseurs (4) qui sont disposés suivant les rayons de la membrane.
5. Avertisseur selon lε. revendication 4, caractérisé en ce que les dits éléments formant raidisseurs (4) sont rapportés sur lε. membrane.
6. Avertisseur selon la revendication 4, caractériεé en ce que les dits éléments formant raidisseurs (4) sont des plis ou nervures de la membrane .
7. Avertisseur selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les éléments formant raidisseurs (4) s'étendent depuis le bord extérieur de la membrane jusqu'à la limite de la zone recouverte par la pastille de céramique (1).
15 8. Avertisseur selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la membrane piézo-électrique comprend une membrane de caoutchouc moulé (5) sur laquelle est collée une membrane métallique (2,3) en forme de marguerite au centre de laquelle est collée la pastille de céramique (1), les raidisseurs (4) étant disposés dans l'axe rie chaque pétale de la marguerite.
9. Avertisseur selcn lε revendication 8. caractérisé en ce que la dite membrane de caoutchouc (5) est façonnée de manière à former des ondes (7).
10. Avertisseur selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce que la membrane métallique en ferme de marguerite eε.t constituée par une partie centrale en métal (2) et par une couronne de raidisseurs (3) qui ne sont pas nécessa rement en métal.
11. Avertisseur selcn l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que la membrane de caoutchouc (5) est collée sur le même côté de la membrane métallique (2,3') que la pastille piézo-électricue (1), en présentant de moulage un logement pour la pastille céramique (1).
12. Avertisseur selon la revendicat on 11, caractérisé en ce que la prise de contact sur la pastille piézo-électrique (1) s'effectue par une électrode totεlement surmoulée dans la partie de caoutchouc (5) de la membrane.
13. Avertisseur selon la revendication 12. caractérisé en ce qu'une seconde électrode est connectée à la pastille de céramique (1), cette seconde électrode constituant avec la céramique sous-jacente un capteur piézo-électrique fournissant une tension électrique qui varie avec le déplacement de la membrane, cette tension pouvant servir dans le circuit électronique rie commande pour asservir la fréquence de commande afin qu'elle s'accorde automatiquement sur la fréquence de résonance de la membrane.
1*^. Avertisseur selon l 'une quelconque ries
16 revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la fréquence de résonance de la membrane piézo-électrique se situe dans lε. zone des 400 Hz.
15. Avertisseur sonore selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le circuit de commande comprend un générateur de haute tension de type "flyback" modifié, comportant une diode (D) montée en série avec la bobine (L) pour empêcher, à la fin de l'impulsion de commande appliquée à la. base du transistor T, la capacité (C) formée par la. céramique piézo-électrique de se décharger dans la bob ne (L) .
Figure imgf000019_0001
ORIGINAL <}& O 9631869 PCIYFR96/00498
REVENDICATIONS MODIFIEES
[reçues par le Bureau international le 13 août 1996 (13.08.96); revendications 1-15 remplacées par les revendications
1-11 modifiées (2 pages)]
1. Avertisseur sonore piézo-électrique notamment pour l'équipement de véhicules, comprenant un générateur sonore piézo-électrique composé d'une membrane piézo-électrique (5), comportant une membrane métallique (2, 3) de grand diamètre équipée en son centre d'une pastille de céramique (1) de taille plus réduite, un ensemble acoustique comportant des moyens d'adaptation acoustique et un élément rayonnant, et un 0 circuit électronique de commande fournissant à la membrane piézo-électrique (5) les signaux haute tenfion pt fréquence nécessaires à son fonctionnemrint, caractérisé en ce que le dit ensemble acoustique détermine avec le dispositif de suspension de la 5 membrane piézo-électrique une chambre de compression (10), et en ce que la membrane piézo-électrique porte des éléments rigides formant raidisseurs (4) qui sont disposés selon les rayons de cette membrane, de façon que sa partie non couverte par la céramique soit à la fois rigide dans le sens radial et souple dans le sens diamétral.
2. Avertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dits éléments formant raidisseurs (4) sont rapportés sur la membrane. 3. Avertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dits éléments formant raidisseurs (4) sont des plis ou nervures de la membrane.
4. Avertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les éléments formant raidisseurs (4) s'étendent depuis le bord extérieur de la membrane jusqu'à la limite de la zone recouverte par la pastille de céramique (1).
5. Avertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la membrane piézo-électrique comprend une membrane de caoutchouc moulé (5) sur laquelle est collée une membrane métallique (2,3) en forme de marguerite au centre de
18 IFIEE ARDCU 19 laquelle est collée la pastille de céramique (1), les raidisseurs (4) étant disposés dans l'axe de chaque pétale de la marguerite.
6. Avertisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la dite membrane de caoutchouc (5) est façonnée de manière à former des ondes (7).
7. Avertisseur selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que la membrane métallique en forme de marguerite est constituée par une partie centrale en métal (2) et par une couronne de raidisseurs (3) qui ne sont pas nécessairement en métal.
8. Avertisseur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la membrane de caoutchouc (5) est collée sur le même côté de la membrane métallique (2,3) que la pastille piézo-électrique (1), en présentant de moulage un logement pour la pastille céramique (1).
9. Avertisseur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la prise de contact sur la pastille piézo-électrique (1) s'effectue par une électrode totalement surmoulée dans la partie de caoutchouc (5) de la membrane.
10. Avertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la fréquence de résonance principale de la membrane piézo-électrique se situe dans la zone des 400 Hz.
11. Avertisseur sonore selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le circuit de commande comprend un générateur de haute tension de type "flyback" modifié, comportant une diode (D) montée en série avec la bobine (L) pour empêcher, à la fin de l'impulsion de commande appliquée à la base du transistor T, la capacité (C) formée par la céramique piézo-électrique de se décharger dans la bobine (L) .
19
HBUttlE MODIFIEE (ARTICLE 19)
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