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Elément convertisseur électro-mécanique.
L'invention concerne un élément convertisseur électro- mécanique, comportant une pièce en une matière diélectrique poly- cristalline capable de convertir l'énergie électrique en énergie mécanique ou inversement. Ces matières, aussi appelées "matières piézo-électriques" peuvent être des titanates alcalino-terreux, par exemple du titanate de baryum.
Lorsqu'on applique une tension électrique à une pièce en une telle matière polycristalline polarisée, cette pièce subit une déformation mécanique tant dans la direction du champ élec- trique engendré que dans une direction perpendiculaire à ce champ; inversement, lorsqu'on imprime une déformation mécanique à une telle matière polarisée, on engendre une tension électrique.
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La polarisation peut s'obtenir en soumettant en permanence la matière, pendant le fonctionnement de l'élément, à un champ électrique de polarisation ou dans certains cas, sous forme d'une polarisation rémanente, en traitant ainsi la matière, avant son emploi comme partie de l'élément convertisseur et en supprimant ensuite le champ de polarisation.
Les pièces en matière polycristalline pourraient affecter la même forme que les éléments en matière monocristal- line, par exemple des cristaux de sel de Seignette; elles pour- raient donc s'obtenir en accolant deux plaques planes de cette matière avec interposition d'une électrode et en appliquant sur les faces extérieures des plaques une autre électrode.
De tels éléments, du type dit "sandwich", ont donné d'excellents résultats pour de nombreuses applications dans lesquelles un mouvement de flexion ou de torsion de l'élément doit être converti en énergie électrique ou inversement. Ils présentent cependant un inconvénient : le fonctionnement, les pla- ques sont soumises au cisaillement, et ont donc tendance à se détacher, ce qui nuit au bon fonctionnement de l'élément con- vertisseur. En outre, la haute température requise pendant la fabrication des plaques par voie céramique, rend difficile l'ob- tention de plaques à parois planes garnies d'électrodes et pro- pres à être accolées de la manière désirée.
L'invention fournit un élément convertisseur, muni d'une pièce en matière diélectrique polycristalline, qui ne pré- sente pas les inconvénients mentionnés du type sandwich.
L'élément conforme à l'invention comporte une pièce tubulaire en matière diélectrique polycristalline à propriétés piézo-électriques, dont la paroi intérieure et la paroi exté- rieure comportent des électrodes longitudinales et cette pièce est accouplée à des moyens de transmettre l'énergie mécanique par une flexion de la pièce.
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Comme, dans une telle pièce, la flexion provoque une compression de certaines parties et une extension d'autres parties, cette flexion permet d'obtenir sur la paroi intérieure et sur la paroi extérieure des potentiels électriques de polarités différentes et inversement, l'application d'une tension électri- que assure une déformation mécanique de la pièce.
L'utilisation de ces pièces tubulaires offre encore d'autres avantages : leur fabrication ne nécessite pas de confor- mations mécaniques compliquées, en outre, le rendement d'éléments convertisseurs munis de telles pièces est plus grand que celui d'éléments munis de pièces planes.
Pour renforcer la pièce, on peut remplir le creux d'une autre matière, ce qui fournit un ensemble massif.
Il va de soi que les électrodes sont appliquées aux endroits où se produit soit une compression, soit une extension de la matière. L'une des parois, de préférence la paroi intérieure, peut ne comporter qu'une seule électrode qui fait alors office de contre-électrode commune pour les électrodes appliquées sur l'autre paroi. L'électrode appliquée sur la paroi intérieure peut avantageusement consister en une couche cohérente de parti- cules conductrices, par exemple de particules de carbone et d'un liant, car une telle couche s'applique plus facilement qu'une électrode constituée par une feuille métallique.
La section transversale de la pièce peut être par exemple annulaire ; elle peut aussi comporter deux parties plates raccor- dées par des parties arrondies; la pièce affecte alors la forme d'un tube aplati.
La section transversale de la pièce peut varier le long de l'axe longitudinal ; ellepeut, par exemple, augmenter ou di- minuer, de sorte que le tube affecte la forme d'un cône tronqué.
En outre, le tube ne doit pas nécessairement être droit ; dans cer- tains cas, il peut être cintré en demi-cercle.
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Dans une forme de réalisation d'un élément, à l'une de ses extrémités, la pièce est fixée à un support ou à un socle et à l'autre extrémité, elle comporte -des moyens pour transmettre par flexion de l'énergie mécanique.
L'élément conforme à l'invention convient par exemple, dans les pick-ups, les vibromètres, les enregistreurs, les haut- parleurs, les microphones, etc.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention.
Les figs. 1 et 2 montrent, la première en élévation et la seconde en plan, un élément convertisseur conforme à l'inven- tion.
La fig. 3 est, à échelle plus grande, une coupe sui- vant le plan 3-3 de la fig. 1.
Les figs. 4 et 5 montrent la première en élévation et la seconde en plan, une autre forme de réalisation du dispositif représenté sur les figs. 1 et 2.
La fig. 6 est, à échelle plus grande, une coupe sui- vant le plan 6-6 de la fig. 4.
La fig. 7 montre un autre élément convertisseur con- forme à l'invention.
La fige $ est une vue de l'extrémité de l'élément convertisseur montré sur la fig. 7.
La fig. 9 est une coupe, à échelle plus grande, suivant le plan 9-9 de la fig. 7.
La fig. 10 est une vue en plan d'un élément convertis- seur du type "pick-up" de l'élément conforme à l'invention.
La fig. 11 est une coupe transversale suivant 11-11 de la fig. 10.
La fig. 12 est une vue en perspective, à grande échelle, d'une partie de l'ensemble comportant la pièce tubulaire poly-
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cristalline du dispositif représenté sur la fig. 10.
La fig. 13 est une coupe transversale de cette pièce par le plan 13-13 de la fig. 12.
L'élément convertisseur représenté sur les figs. 1 et 2 comporte une pièce creuse 21 en une matière diélectrique poly- cristalline qui développe de notables tensions mécaniques lors- qu'on la soumet à des champs électro-statiques. De préférence, cette matière contient du titanate de baryum; elle est même constituée essentiellement par du titanate de baryum additionné éventuellement de strontium pour modifier certaines propriétés, en particulier la constante diélectrique, les coefficients électro-mécaniques et la polarisation rémanente en fonction de la température. Comme le montrent les figs. 2 et 3, la section trans- versale de la pièce 21 est annulaire.
A l'une de ses extrémités, la pièce 21 est fixée à un socle 22 ; àl'autre, elle comporte, des moyens mécaniques, par exemple une tige 23. Pour faciliter la fixation de la tige 23, un couvercle 24 est cimenté au sommet du tube, couvercle auquel est rigidement fixée la tige 23.
La surface intérieure 26 et la surface extérieure 27 de la pièce 21 sont garnies d'électrodes. Les électrodes peuvent être de minces feuilles métalliques, cimentées de manière conduc- trice aux parois de la pièce diélectrique ou aussi une couche de matière conductrice, constituée par du carbone finement divisé et un liant approprié. Dans ce dernier cas surtout, les électro- des sont si minces, qu'elles semblent faire corps avec les parois sur lesquelles elles sont appliquées, contrairement à ce qui est montré dans les vues à grande échelle des dessins. Dans la section transversale représentée à grande échelle sur la fig. 3, la paroi intérieure 26 du tube 21 ne comporte qu'une seule élec- trode 28 qui couvre toute ou presque toute la paroi.
Pour faci- liter la compréhension du dessin, sur la fig. 3 l'épaisseur de
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l'électrode est exagérée. Sur la paroi extérieure sont appli- quées deux électrodes longitudinales 29 et 30 séparées.
Pour obtenir une polarisation permanente de la matière diélectrique polycristalline du tube 21, on interconnecte provi- soirement les électrodes extérieures 30 et 29. Il suffit alors d'appliquer pendant un temps assez court une certaine tension entre l'électrode intérieure et les électrodes extérieures, pour obtenir une polarisation permanente de la matière diélectrique, du moins si celle-ci a la composition requise. Pour l'emploi comme élément convertisseur, les électrodes 30 et 29 peuvent aussi être reliées séparément aux bornes d'une source de tension ou d'un moyen utilisant un signal, suivant que l'on désire convertir de l'énergie électrique en énergie mécanique ou inversement. Les moyens fournissant le signal, ou utilisant le signal, ainsi que les bornes électriques existent sous plusieurs formes et ne sont donc pas représentée sur le dessin.
Eventuellement, l'électrode intérieure 28 peut être mise à la terre, de sorte qu'en régime, il existe non seulement une différence de tension entre les élec- trodes extérieures 30 et 29, mais ces tensions peuvent, en outre, être de polarités différentes.
Dès qu'on imprime à la tige 23 un déplacement dans la direction indiquée par la double flèche, la pièce fléchit. Sui- vant le sens de la flexion, on obtient un rétrécissement des parties de la paroi du tube situées d'un côté de l'axe et simulta- nément, une extension des parties de la paroi situées de l'autre côté de l'axe. Un déplacement vers la gauche de la tige 23 pro- voque un rétrécissement de la partie de paroi couverte par l'élec- trode 29, et une extension de la partie de paroi couverte par l'électrode 30. La compression et la traction qui en résultent, sont réparties sur la périphérie du tube d'une manière telle qu'aux endroits de séparation des électrodes 29 et 30, les ten- -ions sont négligeables.
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Par suite de la compression de la partie de paroi couverte par l'électrode 29 et de l'extension de la partie cou- verte par l'électrode 30, ces électrodes sont le siège de charges électriques de polarités opposées, de sorte que des sollicita- tions mécaniques variables provoquent des tensions de signal uti- lisables dans un appareil. On peut aussi tirer parti de l'effet inverse connu dans la technique des éléments convertisseurs électro-mécaniques. C'est ainsi que l'application d'une tension de signal entre les électrodes 29 et 30 provoque un rétrécisse- ment longitudinal et une extension longitudinale des parties de paroi en regard du tube 21, donc une flexion de l'axe du tube.
Les figs. 4, 5 et 6 correspondent à une variante de l'élément convertisseur montré sur les figs. 1, 2 et 3. La section annulaire de l'élément polycristallin 31 diminue pro- gressivement du socle 32 vers le couvercle 24 sur lequel est fixée la tige 23. L'électrode intérieure 38 appliquée sur la face intérieure 36 de la pièce 31, affecte donc la forme d'un cône tronqué. Les dimensions des deux électrodes extérieures 39 et 40 sont aussi plus petites au sommet qu' à la base de la pièce 31. L'élément convertisseur fonctionne de la même manière que celui représenté sur les figs. 1 à 3.
Cependant, par suite de sa plus grande section transversale à la partie inférieure la pièce 31 est plus rigide et sa résistance à la flexion augmente à mesure que l'on s'écarte des moyens d'accouplement mécanique 23 . La rigidité étant la plus grande à l'endroit où le moment de la force appliquée est maximum, cette forme de construction assure une répartition plus uniforme de la tension.
Les figs. 7 à 9 montrent un élément convertisseur muni d'un tube incurvé 41 en matière polycristalline. Une extrémité de ce tube est fixée au socle 42. Le tube est cintré et affecte .la forme d'un demi-cercle. L'extrémité libre du tube comporte
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un couvercle 44 auquel est fixée, sous un angle dont il sera ques- tion par la suite, une tige 43. Comme le montre la fig. 8, qui représente l'extrémité non-montée du tube 41, le tube a une section circulaire et comporte une paroi intérieure 46 et une paroi extérieure 47. Une électrode intérieure 48, dont l'épais- seur est exagérée sur la fig.
9, est appliquée sur la paroi intérieure 46, tandis que sur la paroi extérieure, sont appli- quées deux électrodes 49 et 50.
Si la pièce 41 est polarisée d'une manière appropriée, et que l'on applique aux électrodes 49 et 50 une tension de signal, la partie de la paroi recouverte par l'une des électrodes 49 et 50 se rétrécit, tandis que celle recouverte par l'autre électrode, s'étend.. Le mouvement résultant du tube 41 ressemble à celui d'un tube de Bourdon, bien que le phénomène résulte plutôt de l'effet combiné du rétrécissement et de l'extension dans les parois du tube, que de la tendance de variation du volume intérieur du tube lors d'une variation du rayon de cour- bure.
Dans le cas d'un tube 41 cintré en demi-cercle, dont une extrémité est fixée, et se déplaçant d'une manière plus ou moins libre de façon que le rayon de courbure de l'axe varie, l'extré- mité libre du tube se déplace d'abord dans la direction longitudi- nale de la tige 43 lorsque la tige est fixée au couvercle 44 sous un angle d'environ 58 avec la face terminale du tube. Cet angle est montré sur la fig. 7. On peut aussi tirer parti de l'effet électro-mécanique inverse : on applique à la tige 43 des forces longitudinales de manière à déformer le tube, ce qui provoque des tensions de signal aux électrodes extérieures.
La fig. 10 représente un élément convertisseur à uti- liser comme pick-up ; la fig. 11 est une vue partielle de cet élément. Cet élément convertisseur comporte une pièce 51 en matière polycristalline montée sur un socle 52 en matière iso- ante. Dans le socle 52 est ménagé un canal longitudinal 53 à
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extrémité rétrécie 54 et comportant deux branchements 56 et 57.
Le socle 52 est en outre muni de deux broches de contact 58 et 59 qui pénètrent dans le socle jusqu'aux extrémités des branche- ments 56 et 57. Des trous 61 et 62 prévus dans le socle permet- tent le passage des vis de montage de l'ensemble. L'une des extrémités de la pièce 51 est cimentée au socle dans la zone rétrécie 54 du canal 53. L'autre extrémité porte un cavalier 63 à l'extrémité duquel est fixé une aiguille ou un saphir 64. Des fils conducteurs 66, 67 qui sont logés dans les canaux 56, 57 et qui sont reliés aux broches 58, 59 font contact avec des électrodes séparées qui seront décrites par la suite, et qui sont appliquées sur des faces en regard de la pièce 51.
La pièce 51 est représentée d'une manière plus dé- taillée sur la fig. 12. Comme le montre la fig. 13, la section transversale de la pièce comporte deux parties de paroi planes 71, 72 qui sont reliées par deux parties arrondies 73 et 74.
L'extrémité de droite de la pièce 51 (fig. 12) est scellée dans la partie rétrécie 54 de la manière indiquée ci-dessus. Un cavalier 76 sur lequel est soudée une mince languette pliée 77 qui porte à son extrémité l'aiguille 64, est cimenté à l'autre extrémité de la pièce 51. La paroi intérieure de la pièce 51 porte une électrode 78. Entre l'extrémité fixée de la pièce 51 et le cavalier 76,deux électrodes séparées 79, 80 sont ap- pliquées sur les parties planes de la paroi extérieure.
Pendant le fonctionnement, l'aiguille 64 se déplace latéralement, ce qui provoque une flexion latérale de la pièce 51. Cette flexion entraîne un rétrécissement de la matière dans l'une des surfaces planes et une extension dans l'autre. Tout comme dans les autres éléments convertisseurs représentés, on a admis que la matière polycristalline de la pièce 51 est polari- sée, du moins ses surfaces planes, dans une direction perpendi- culaire aux parois. Lorsqu'un des côtés est soumis à la com-
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pression et l'autre à l'extension, on obtient aux électrodes 79 et 80 des tensions de polarités opposées par rapport à l'élec- trode intérieure 78, ce qui donne une tension de signal entre ces électrodes.
La plupart des formes représentées de la pièce (21, 31, 51) peuvent s'obtenir en travaillant à la machine de la matière polycristalline obtenue par voie céramique. La pièce tubulaire 41 cintrée montrée sur la fig. 7, peut s'obtenir en cintrant, avant le traitement thermique, un tube extrudé.
Les pièces peuvent être garnies, de manière connue, d'électrodes constituées par de la matière conductrice appliquée sur les parois. Pour former-des électrodes sur les parois inté- rieures, on peut forcer dans le tube une suspension de particules conductrices que l'on sèche par la suite ou que l'on fritte de manière à constituer sur les surfaces de minces couches conductri- ces.