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Title:
CONVERTER OF MECHANICAL ENERGY INTO ELECTRIC ENERGY AND APPARATUS EQUIPPED WITH SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1999/049556
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a converter of mechanical energy into electric energy comprising a fixed magnetic circuit (2) and a mobile magnetic circuit (3) mounted on spring means (40). When the mobile magnetic circuit (3) is made to oscillate, an electric voltage is induced at the fixed magnetic circuit coil terminals (20). Said converter is useful for powering electronic appliances, in particular watches.

Inventors:
Mai, Xuan TU. (Chiésaz 13 Ecublens, CH-1024, CH)
Schwab, Michel (Rue du Cornouiller 4 Bienne, CH-2502, CH)
Application Number:
PCT/CH1998/000401
Publication Date:
September 30, 1999
Filing Date:
September 18, 1998
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Assignee:
DETRA S.A. (Rue du Cornouiller 4 Bienne, CH-2502, CH)
Mai, Xuan TU. (Chiésaz 13 Ecublens, CH-1024, CH)
Schwab, Michel (Rue du Cornouiller 4 Bienne, CH-2502, CH)
International Classes:
H02K35/02; H02K35/06; (IPC1-7): H02K35/06; G04C10/00
Foreign References:
US4412355A
US5149996A
FR342307A
DE183725C
CH336027A
DE19620880A1
Attorney, Agent or Firm:
PATENTS & TECHNOLOGY SURVEYS SA (AG, Ltd) (Faubourg du Lac 2 P.O. Box 1448 Neuchâtel, CH-2001, CH)
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Claims:
Revendications
1. Convertisseur d'énergie mécanique en énergie électrique caractérisé en ce qu'il comprend : des moyens de transmission d'énergie mécanique (42), des moyens de production d'énergie électrique comprenant : un circuit magnétique fixe (2) fermé constitué d'une portion de circuit magnétique en matériau ferromagnétique doux (21,22,23) de forme essentiellement cintrée, d'au moins une bobine (20) disposée sur une portion formant noyau (21) de ladite portion de circuit magnétique fixe, de deux aimants permanents (24,25) fixés chacun sur une extrémité de ladite portion de circuit magnétique fixe, les deux aimants permanents étant disposés de manière à tre réunis par une pièce intercalaire (26) en matériau ferromagnétique doux, les deux aimants permanents étant orientés entre eux de manière à ce que les flux magnétiques produits par les deux dits aimants soient de sens opposés, d'un circuit magnétique mobile (3) constitué d'une pièce en matériau ferromagnétique doux (30) montée sur des moyens à ressort (40), lesdits moyens de transmission d'énergie mécanique (42) étant aptes à faire osciller ladite pièce entre deux positions (A, B) le long de la portion dudit circuit magnétique fixe (2) comportant les deux aimants permanents (24,25) séparés par la pièce intercalaire (26).
2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce (30) du circuit magnétique mobile (3) oscille dans le mme plan que celui constitué par le circuit magnétique fixe (2), sur un côté latéral de ladite portion dudit circuit magnétique fixe comportant les deux aimants permanents (24,25) séparés par la pièce intercalaire (26).
3. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce (30) du circuit magnétique mobile (3) oscille dans un plan parallèle à celui constitué par le circuit magnétique fixe (2), sur une face de ladite portion dudit circuit magnétique fixe comportant les deux aimants permanents (24,25) séparés par la pièce intercalaire (26).
4. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de transmission d'énergie mécanique (42) sont aptes à imprimer au moins une impulsion mécanique audit circuit magnétique mobile (3).
5. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de transmission d'énergie mécanique (42) sont aptes à imprimer des impulsions mécaniques entretenues audit circuit magnétique mobile (3).
6. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est associé à un circuit redresseur (44) apte à redresser la tension délivrée par la bobine (20), suivi d'un circuit de stockage d'énergie électrique (45).
7. Appareil électronique comportant au moins un circuit (46) alimenté en énergie électrique, caractérisé en ce qu'il est équipé d'au moins un convertisseur selon l'une des revendications précédentes.
8. Montre munie d'un mouvement mécanique, caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un convertisseur selon l'une des revendications 1 à 4 ou 6, apte à alimenter une fonction électrique temporaire de ladite montre.
9. Montre munie notamment d'un circuit électronique (46), caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un convertisseur selon l'une des revendications 1 à 6, apte à alimenter de manière continue ledit circuit électronique en énergie électrique.
Description:
Convertisseur d'énergie mécanique en énergie électrique et appareil électronique muni d'un tel convertisseur La présente invention concerne un convertisseur d'énergie mécanique en énergie électrique, tel que décrit dans le préambule de la revendication 1, ainsi qu'un appareil électronique, notamment une montre, muni d'un tel convertisseur d'énergie.

Les appareils électroniques portables, notamment les montres munies d'un circuit électronique, utilisent généralement des piles ou des accumulateurs comme source d'énergie. Ces sources d'énergie électrochimiques ont une durée de vie limitée et doivent donc périodiquement tre échangées ou rechargées. Dans certains pays, un tel échange ou une recharge peut poser des problèmes. D'autre part, ces éléments peuvent présenter des risques de fuite de l'électrolyte risquant d'endommager le circuit électronique associé ou d'autres composants.

Lorsque la consommation d'énergie électrique n'est pas trop élevée, comme c'est le cas des appareils électroniques modernes, notamment des montres, il peut tre intéressant de remplacer ces sources électrochimiques par une source d'énergie mécanique suivie d'un convertisseur apte à transformer l'énergie mécanique produite en énergie électrique utilisable pour l'alimentation de I'appareil.

Dans un appareil électronique miniature ou dans une montre, le problème de la place disponible pour un tel dispositif est primordial. Le dispositif doit tre d'encombrement minimum, notamment en épaisseur. D'autre part, le rendement de conversion d'énergie doit tre optimisé et les pertes dues tant à la portion mécanique qu'à la portion électrique du dispositif doivent tre minimisées.

Des convertisseurs d'énergie mécano-électriques sont connus. La demande EP-A-0.665.478 décrit une montre électronique comportant une roue dentée (4) solidaire d'une masse oscillante (8). La roue dentée entraîne plusieurs rotors placés à la périphérie de la montre. La demande W089/06833

décrit une montre électronique comportant une masse oscillante couplée à un rotor d'une génératrice au travers d'un engrenage multiplicateur de vitesse. Les deux dispositifs décrits ci-dessus présentent en commun l'inconvénient de posséder un train d'engrenage multiplicateur de vitesse de très grand rapport, ce qui entraîne une augmentation d'encombrement ainsi que des pertes d'énergie par frottements.

US-A-5.149.996 décrit un dispositif convertisseur électromécanique, mais constitué de telle sorte qu'il peut tre utilisé comme convertisseur mécano-électrique. Dans ce cas, la bobine entoure complètement une portion importante des circuits magnétiques fixes et mobiles, faisant que la longueur moyenne de chaque spire est relativement importante. Vu le grand nombre de spires nécessaires pour obtenir une tension suffisante, la résistance interne de la bobine est élevée, créant ainsi des pertes électriques importantes. D'autre part une structure coaxiale ainsi conçue a une épaisseur trop importante pour le but recherché.

D'autres documents, par exemple DE-A-196 20 880, DE-U-296 18 105, et US-A-3.480.808, décrivent des dispositifs comprenant notamment un circuit magnétique mobile constitué d'un ou plusieurs aimants montés sur une lame ressort. Ce système permet de résoudre une partie des inconvénients précités en supprimant la nécessité d'avoir des engrenages multiplicateurs. Par contre, l'utilisation d'aimants mobiles pose de nouveaux problèmes. Les aimants à grand produit d'énergie sont généralement constitués en matériau fritte, ils sont donc assez fragiles et difficiles à fixer à une lame ressort. D'autre part, pour obtenir un flux important dans le circuit magnétique, il est nécessaire d'avoir un ou plusieurs aimants de masse relativement importante. Cette masse important diminue d'autant la fréquence de vibration de la masse mobile, pour une lame ressort donnée, ce qui conduit à une diminution de la tension induite, celle-ci étant proportionnelle à la fréquence.

Un premier but de l'invention est de proposer un convertisseur d'énergie mécanique en énergie électrique ne comportant pas les

inconvénients des dispositifs connus, soit d'encombrement minimum, notamment en épaisseur, et dont le rendement est optimisé.

Un deuxième but de l'invention est de proposer un convertisseur d'énergie mécanique en énergie électrique apte à alimenter temporairement un circuit en énergie électrique.

Un troisième but de l'invention est de proposer un convertisseur d'énergie mécanique en énergie électrique apte à alimenter de manière continue un circuit en énergie électrique.

Enfin un dernier but de l'invention est de proposer un appareil électronique, notamment une montre, muni d'un tel convertisseur.

Le premier des buts mentionnés est obtenu par un convertisseur tel que décrit dans la partie caractérisante de la revendication 1, des formes d'exécution particulières et variantes étant mentionnées dans les revendications 2 et 3.

Le deuxième but mentionné est obtenu par un convertisseur répondant à la revendication 4, alors que le troisième but est obtenu par un convertisseur répondant à la revendication 4.

Le dernier but proposé est obtenu par un appareil ou une montre tel que décrit dans une des revendications 7 à 9.

Deux formes d'exécution préférentielles ainsi que des variantes d'un convertisseur selon l'invention sont décrites ci-dessous, la description étant à considérer en regard du dessin annexé comportant les figures où : la figure 1 est une vue de dessus d'un convertisseur selon une première forme d'exécution de l'invention, la figure 2 est une vue de dessus d'un convertisseur selon une deuxième forme d'exécution de l'invention, et

la figure 3 est un schéma bloc d'un circuit d'alimentation électrique d'un appareil ou d'une montre muni d'un convertisseur selon l'invention.

La figure 1 montre un convertisseur d'énergie mécanique en énergie électrique 1, comprenant un circuit magnétique fixe 2 et un circuit magnétique mobile 3 monté sur un moyen de transmission d'énergie mécanique 4.

Le circuit magnétique fixe 2 est ici constitué d'une bobine 20, bobinée autour d'un noyau 21, les deux extrémités du noyau 21 étant chacune reliée à une pièce polaire 22, respectivement 23, formant ainsi un élément essentiellement de forme cintrée, deux aimants permanents 24,25 étant fixés chacun sur une extrémité libre de pièce polaire 22,23. Les deux aimants sont fixés en opposition de flux, comme schématisé par les flèches sur la figure, de telle manière que les faces des deux aimants se faisant face sont de mme polarité. Ces deux faces opposées sont reliées par une pièce intercalaire 26, de manière à fermer le circuit magnétique fixe 2. Le noyau 21, les pièces polaires 22 et 23 ainsi que la pièce intercalaire 26 sont de préférence en matériau ferromagnétique doux. De préférence, et afin de diminuer l'encombrement en épaisseur du dispositif, les pièces mentionnées composant le circuit magnétique 2 sont essentiellement de faible épaisseur relativement à leurs autres dimensions.

Le moyen de transmission d'énergie mécanique 4 est constitué d'une lame ressort 40, dont une extrémité 41 est fixée à une portion fixe de I'appareil portant le dispositif, par exemple une portion de châssis, de platine ou de boîtier, l'autre extrémité de la lame ressort 40 portant le circuit magnétique mobile 3, constitué ici d'une pièce en matériau ferromagnétique 30, disposé ici sur un côté extérieur de la portion du circuit magnétique fixe 2 comprenant les deux aimants 24 et 25 ainsi que la pièce intercalaire 26, un <BR> <BR> <BR> faible entrefer 8 subsistant entre les faces opposées de ladite portion de circuit magnétique fixe 2 et la pièce 30. La valeur de l'entrefer 8 est suffisante pour éviter le frottement des deux pièces l'une contre I'autre, tout en étant le plus faible possible afin d'augmenter le rendement du dispositif. L'épaisseur de la pièce 30 est comparable à celle des éléments mentionnés qui lui font face. Un moyen d'actionnement, schématisé ici par le poussoir 42, agissant sur la lame

ressort 40 ou sur la pièce 30, est apte, depuis la position d'équilibre représentée en traits continus sur la figure, à déplacer l'ensemble du système ressort 40/pièce 33 vers la position A représentée en traits discontinus, puis suite à un relâchement brusque à faire osciller la pièce 30 représentant le circuit magnétique mobile 3 entre les positions A et B.

Lorsque le circuit magnétique mobile 3, respectivement la pièce 30 est dans sa position d'équilibre, elle se trouve dans une position symétrique relativement aux deux aimants 24 et 25. De ce fait, aucun flux ne traverse le noyau de bobine 21 et aucune tension induite n'apparaît aux bornes de la bobine 20. Lors du déplacement du circuit magnétique mobile 3 entre les positions A et B, les aimants 24 et 25 sont successivement au moins partiellement court-circuités, créant ainsi une variation de flux dans le circuit magnétique fixe 2, respectivement dans le noyau de bobine 21, ce qui crée une tension induite aux bornes de la bobine 20 de valeur proportionnelle à la fréquence d'oscillation du circuit magnétique mobile.

La figure 2 montre une autre forme d'exécution d'un convertisseur selon l'invention dans laquelle le circuit magnétique mobile 3 oscille à l'intérieur d'un espace aménagé dans le circuit magnétique fixe 2 en face de la portion dudit circuit portant les deux aimants 24 et 25 et la pièce intercalaire 26. Le point de fixation 41 de l'extrémité de la lame ressort 40 peut dans ce cas tre aménagé sur une portion du circuit magnétique fixe 2. On voit aussi sur cette figure que la bobine 20 est disposée asymétriquement sur le circuit magnétique fixe, lui-mme étant de forme essentiellement circulaire. Un avantage d'une telle forme est qu'il devient éventuellement possible de loger un tel dispositif dans un emplacement prévu initialement pour une pile ou une batterie de type bouton. Comme précédemment des moyens d'actionnement schématisés en 42 permettent de faire osciller le circuit magnétique 3 entre les deux positions A et B.

Les deux formes d'exécution décrites mentionnent une portion du circuit magnétique fixe 2 composée du noyau 21 et des deux pièces polaires 22 et 23 ; il est évidemment possible que cette portion de circuit soit constituée en une seule pièce en matériau ferromagnétique doux portant le bobinage 20,

les deux aimants permanents 24 et 25 étant fixés aux deux extrémités de ladite pièce. Les deux formes d'exécution montrent un circuit magnétique fixe 2 de forme essentiellement quadrangulaire ou de forme circulaire ; on doit comprendre ici que la forme dudit circuit est sans importance, à condition que le circuit soit refermé sur lui-mme. La forme générale du circuit magnétique fixe 2 peut donc tre adaptée aux besoins ou à la place disponible dans I'appareil à alimenter.

En variante des deux formes d'exécution décrites, le circuit magnétique mobile 3 pourrait osciller non pas sur un côté externe ou interne de la portion du circuit magnétique fixe 2 comportant les deux aimants 24 et 26 ainsi que la pièce intercalaire 26 mais directement au-dessus ou au-dessous de cette portion de circuit magnétique fixe, soit dans un plan parallèle au plan de ladite portion, un entrefer 8 séparant ces deux plans.

Les différentes formes d'exécution et variantes décrites ci-dessus montrent un déplacement d'oscillation du circuit magnétique mobile 3 selon une portion d'arc de cercle. Cette caractéristique n'est absolument pas essentielle, la pièce 30 du circuit magnétique mobile 3 pourrait tout aussi bien tre maintenue différemment que décrit par les moyens à ressort, I'oscillation se faisant selon un chemin différent que celui décrit. Par exemple le circuit magnétique mobile 3 pourrait tre maintenu par deux ressorts de traction fixés sur deux faces opposées de ladite pièce, les deux ressorts étant alignés et parallèles au flux engendrés par les aimants permanents dans le circuit magnétique fixe. Le circuit magnétique mobile 3 pourrait donc tre mis en oscillation, comme précédemment à proximité immédiate de la portion de circuit magnétique fixe 2 comportant les deux aimants permanents et la pièce intercalaire.

Le moyen d'actionnement apte à faire osciller le circuit magnétique mobile 3 entre les positions A et B est représenté sur les deux figures 1 et 2 par un poussoir 42 donnant une impulsion de manière à faire osciller le circuit magnétique mobile 3 durant un certain temps. Un tel moyen d'actionnement par une impulsion peut par exemple tre utilisé pour l'alimentation électrique d'une fonction temporaire, par exemple un éclairage de cadran d'une montre à

mouvement mécanique. Dans ce cas, un bouton poussoir disposé par exemple sur une périphérie extérieure du boîtier de la montre actionne le poussoir 42 pour donner une impulsion au système de manière à alimenter l'éclairage du cadran durant un temps suffisant pour la lecture. Dans le cas où I'alimentation électrique doit tre entretenue durant une période plus longue ou doit tre continue, le mouvement d'oscillation doit aussi tre entretenu. Pour ceci, le moyen d'actionnement peut par exemple consister en une roue dentée en rotation donnant régulièrement des impulsions permettant d'entretenir l'oscillation du circuit magnétique mobile 3.

La tension induite dans la bobine 20 dépend notamment de la fréquence de variation du flux dans le circuit magnétique fixe, par conséquent de la fréquence d'oscillation du circuit magnétique mobile 3. La masse de la pièce 30 ainsi que la longueur et les caractéristiques élastiques de la lame ressort 40 sont donc choisies afin que le circuit magnétique mobile 3 oscille à la fréquence voulue.

La figure 3 montre un schéma bloc d'un circuit d'alimentation électrique d'un appareil électronique, par exemple une montre, utilisant un convertisseur selon l'invention. Le convertisseur 1, de l'un ou l'autre des types décrits plus haut est entraîné à osciller par un moyen d'actionnement 42, par exemple une roue dentée, elle-mme entraînée par une source d'énergie mécanique 43, par exemple un ressort. La tension aux bornes de la bobine du convertisseur 1 est redressée par un circuit redresseur 44 pour tre emmagasinée dans un moyen de stockage, par exemple un condensateur 45, avant d'tre délivrée à l'utilisateur, par exemple un circuit intégré 46. Le cas représenté ici correspond à celui où l'utilisateur 46 est continuellement alimenté en énergie électrique tant que la source d'énergie mécanique 43 est apte à fournir son énergie.

Le convertisseur d'énergie décrit est donc de dimension extrmement réduite, notamment de par la construction à plat décrite, il occupe très peu de place en épaisseur. II peut donc facilement tre intégré à un appareil électronique miniaturisé comme une montre.