BE492968A - - Google Patents

Description

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  Organe convertisseur électro-mécanique en matière diélectrique céramique agissant par flexion ou torsion 
L'invention concerne des organes convertisseurs électro-mécaniques en matière diélectrique céramique agissant par flexion ou torsion,   c'est-à-dire   des organes à même de convertir en énergie électrique l'énergie mécanique de flexion ou de torsion, ou inversement, et qui peuvent être constitués à base de métatitanates, par exemple de métatitanate de baryum, ou de substances analogues que l'on peut dénommer matières céramiques piézo-électriques. 



   En général, ces matières ne présentent les propriétés de conversion électro-mécanique désirées que   lorsqu'on   leur applique un champ   polarisant.   Cependant, dans certaines matières, 

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 par exemple le métatitanate de baryum dont il vient d'être question, il subsiste une polarisation rémanente suffisamment grande ce qui permet de se passer d'un champ   prëpolarisant   permanent pendant la conversion de l'énergie. 



   Les organes convertisseurs en question peuvent, équipes d'électrodes et de moyens pour capter et céder l'énergie électrique, être utilisés dans la construction de dispositifs électro-magnétiques tels que pick-ups, enregistreurs, micro- phones, haut-parleurs et commutateurs. 



   L'organe convertisseur en matière diélectrique céramique conforme à l'invention est caractérisé par le fait qu'il est exempt de discontinuités macroscopiques et que, dans le cas d'application d'une tension continue, les propriétés de conversion électro-mécaniques d'une partie de l'organe diffè- rent de celles d'une autre partie de composition différente. 



   Par organe exempt de discontinuités macroscopiques dans la matière, on entend un organe dont, bien qu'il comporte des limites granuleuses résultant de la microstructure poly- cristalline, la continuité dans la matière n'est pas troublée par des surfaces de séparation ou des couches intermédiaires macroscopiques. Ce cas se présente, par exemple, dans les organes convertisseurs agissant par torsion ou flexion, constitués par deux parties séparées, assemblées par une couche de colle. 



   Les organes céramiques conformes à l'invention ne présentent pas l'inconvénient inhérent aux formes d'exécution précitées, dans lesquelles des parties séparées sont assemblées à l'aide d'une couche de colle. Dans ce dernier cas, une adhérence imparfaite et la différence en module de cisaillement entre la couche de colle et la matière des parties peuvent provoquer une perte notable de l'énergie mécanique. 



   En général, la composition, qui doit être différente dans deux parties de l'organe céramique, peut passer progres-   ivement   de l'une à l'autre des compositions, bien que la 

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 variation puisse aussi s'effectuer par¯sauts. Cependant, il faut toujours que   l'assemblage   moléculaire ou la structure cristalline présente une concordance telle que les propriétés mécaniques, essentiellement déterminées par la cohésion et   lélasticité,   soient approximativement les mêmes dans tout l'organe. 



   L'organe peut être constitué, par exemple, par une partie en métatitanate de baryum polycristallin, tandis qu'une autre partie est constituée par un cristal mixte de substitu- tion de ce dernier, par exemple un titanate de baryum-strontium. 



  Eventuellement, la matière peut encore contenir de faibles pourcentages d'autres substances telles que   lesoxydes   de calcium, d'aluminium ou de silicium. 



   Comme avantage particulier d'un organe convertisseur en titanate de baryum et en titanate de baryum-strontium, on peut encore mentionner   qu'aux   températures usuelles, la constante diélectrique du titanate mixte peut être plus élevée que celle du titanate de baryum. De ce fait, une tension de signal peut alors provoquer un champ plus intense dans la partie en titanate de baryum dont la sensibilité électro-mécanique est la plus grande, ce qui augmente le rendement de l'organe convertisseur. 



   Lorsqu'une partie de l'organe est conductrice de l'électricité, une tension de signal provoquera un champ plus intense dans une partie non conductrice électro-mécanique, ce qui permet aussi d'augmenter le rendement de l'organe convertisseur. 



   Comme matière première céramique pour la fabrication des organes, on peut utiliser, outre les métatitanates et autres substances analogues précités, des mélanges de substances dont le chauffage fournit ces métatitanates ou substances analogues. 



   Pour fabriquer l'organe céramique, on peut constituer de la manière connue en technique céramique, une plaque des A 

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 dimensions désirées en une matière première céramique, par exemple en métatitanate de baryum et aussi une plaque en une autre matière première, par exemple du titanate de baryum-strontium. On applique alors les plaques l'une sur l'autre et on fritte l'ensemble. Le frittage fait disparaître la surface de séparation entre les deux parties de compositions différentes.   Lorsquon   applique une tension continue, on engendre, dans les diverses parties de l'organe obtenu, des prépolarisations différentes. La sensibilité électro-mécanique de la partie en titanate de baryum est notablement plus élevée que la sensibilité de l'autre partie. 



   Par suite du désir de supprimer dans la mesure du possible la surface de séparation entre les deux parties de compositions différentes de l'organe, on donne la préférence à un procédé qui évite les surfaces de séparation macrosco- piques aussi pendant les stades intermédiaires. A cet effet, un organe peut être constitué en métatitanate de baryum et cet organe est alors traité superficiellement par voie chimique de façon à modifier la composition en cet endroit. Ce résultat peut s'obtenir, par exemple, par un traitement avec une substance qui réagit avec le métatitanate de baryum en formant un cristal mixte ou une solution solide. 



   Une substance appropriée au traitement précité est l'oxyde de strontium et, de préférence, le titanate de strontium. La substance, éventuellement mélangée avec un agent de frittage pulvérulent,peut être appliquée sur la surface. Pendant le frittage, la substnace appliquée sur la surface pénétrera dans la plaque jusqu'à une profondeur qui dépend de la quantité de substance appliquée et du cycle de température décrit pendant le frittage. Jusqu'à cette profondeur, la composition de la matière change, avec formation de titanate da baryum-strontium. Lors de 1.'¯application   d'une   tension 

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 continue, la polarisation de cette partie sera plus petite que celle du métatitanate de baryum inchangé de l'autre partie de l'organe.

   Si le rapport moléculaire du titanate de strontium et du titanate de baryum dans la partie modifiée de l'organe   dépasse 25 :75 ou30:70, la partie ainsi constituée ne compor-   tera pratiquement pas de polarisation rémanente. 



   Une autre substance qui est à même de modifier localement les propriétés du titanate de baryum, est par exemple,   l"oxyde   d'étain, qui peut réagir en formant des stannates. 



  Pour obtenir la variation désirée des propriété, il suffit d'une plus petite quantité d'oxyde d'étain que dans le cas d'utilisation d'oxyde de strontium. 



   Une autre possibilité de modifier les proprités électro-mécaniques dans une partie de l'organe céramique, consiste en une réduction locale. C'est ainsi que si une plaque en titanate de baryum est exposée par lune de ses faces µ une atmosphère gazeuse réductrice, il s'y forme du titanate de baryum partiellement réduit qui constitue un semi-conducteur. Un tel organe convertisseur offre l'avantage dont il a déjà été question, d'un meilleur rendement. 



   L'organe, par exemple en titanate de baryum, peut aussi être fritté d'une manière réductrice dans son ensemble et l'organe conducteur ainsi obtenu est alors chauffé pendant un certain temps dans une atmosphère oxydante ce qui fournit un organe comportant un noyau conducteur entouré de matière non conductrice.

   Si l'on réalise de cette façpn un organe en forme de plaque, on obtient, après enlèvement des bords, un organe   comportant trois couches : couche médiane, en matière conduc-   trice partiellement, et deux couches extérieures en une matière très sensible à l'effet   électro-mécanique.   Un tel organe convertisseur permet de polariser en opposition les parties électro-mécaniquement sensibles : à cet effet, on relie la partie   @   

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 médiane conductrice à un pôle et les deux autres parties simul- tanément à l'autre pôle de la source de tension polarisante. 



   Pour obtenir les organes céramiques conformes à l'invention on peut aussi avantageusement utiliser le procédé suivant. Sur un support, on applique d'abord une couche de l'une des matières et ensuite une couche de matière d'une autre compo- sition. Cette application peut s'effectuer, par exemple, en plongeant successivement le support dans une dispersion des matières premières céramiques différentes. Après séchage, on en- lève le support et on fritte. 



   Lorsqu'on utilise un support en une matière non- réfractaire, par exemple du papier ou un film thermo-plastique, l'enlèvement du support peut s'effectuer par combustion pendant le frittage. 



   Pour obtenir un dépôt uniforme de la matière première dispersée sur le support, pendant l'immersion dans une disper- sion, on applique sur le support une substance qui peut provo- quer la floculation de la matière première céramique de la dispersion. Il est avantageux de sécher entre   l'application   des deux couches sur le support, éventuellement on peut répéter entre- temps le traitement à l'aide du moyen de floculation. 



   Dans ce procédé, on utilise une dispersion de la matière céramique, éventuellement avec un liant tel que l'alcool polyvinylique ou la gomme arabique dans un fluide approprié, par exemple l'eau, dans lequel est dissous un moyen de dispersion tel que le sel de sodium du naphtalène acide sulfonique. 



   Comme moyens de floculation, on utilisera par exemple, du pentaborate d'ammonium qui peut être appliqué sur le support par immersion dans une solution aqueuse de ce pentaborate, éventuellement additionnée d'alcool éthylique comme humectant. 



  D'autres solutions utilisables à cet effet sont des solutions   @   

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 aqueuses concentrées d'acide formique et d'acide acétique diluées avec de l'alcool éthylique ou de l'acétone; on peut aussi utiliser des solutions de chlorure de calcium ou de nitrate de calcium dans un mélange d'acétone et   d"alcool.   



   Le support, par exemple en papier, est recouvert de    matières premières céramiqueset on fritte cet ensemble ; ce fait   le support disparait. Avant ou après le frittage, l'ensemble est divisé en pièces aux dimensions désirées pour obtenir les organes céramiques.

Claims (1)

1. RESUME 1.- Organe convertisseur électro-mécanique en matière diélectrique céramique agissant par flexion ou torsion, carac- térisé en ce qu'il est exempt de discontinuités macroscopiques dans la matière et que lors de l'application d'une tension continue, les propriétés de conversion électro-mécaniques d'une partie diffèrent de celles d"une autre partie de composition différente.

   2. - Des formes de réalisation de l'organe convertisseur électro-mécanique spécifié sous 1, pouvant présenter en outre les particularités suivantes, prises séparément ou en combinaison: a) l'organe est à base de métatitanate; b) une partie de l'organe a une polarisation rémanante et une autre partie de composition différente ne présente pas une telle polarisation; c) la constante diélectrique d'une partie de l'organe est plus petite que celle d'une autre partie; d) la partie à constante diélectrique la plus faible a la plus grande sensibilité électro-mécanique; e) une partie est en métatitanate de baryum et une autre partie en un cristal mixte de substitution de ce métati- tanate ;

   f) une partie de l'organe est conductrice de l'élctricu <Desc/Clms Page number 8> g) l'organe est constitué par deux parties électro- mécaniquement sensibles séparées par une partie conductrice de l'électricité.

   3.- Formes de procédés de fabrication d'organes conver- tisseurs tels que spécifié sous 1, ou 2, pouvant présenter les particularités suivantes, prises séparément ou selon les diverses combinaisons possibles. a) l'organe est obtenu par frittage des parties formées séparément, de compositions différentes. b) l'organe est formé par une matière première de composition homogène et la composition d'une partie de l'organe est modifié localement, puis l'ensemble est fritté; c) sur la surface on applique une substance pulvéru- lente et la variation de composition s'obtient pendant le frittage de l'organe; d) la constante diélectrique d'une partie de l'organe est augmentée par formation de cristaux mixtes;

   e) l'organe est formé d'une masse de métatitanate de baryum et on augmente la constante diélectrique d'une partie de l'organe par un traitement au titanate de strontium; f) une partie de l'organe formé est rendue localement conductrice de l'électricité par réduction; g) l'organe formé est chauffé de manière réductrice et l'organe conducteur obtenu est rendu localement isolant par oxydation ; h) l'organe est formé et fritté dans une atmosphère réductrice, puis l'organe conducteur de l'électricité ainsi obtenu est chauffé dans une atmosphère oxydante de façon à obtenir un organe constitué par une partie médiane conductrice et des parties supersicielles non conductrices, ces dernières pouvant être polarisées en opposition;

   i) deux couches de matières premières céramiques de <Desc/Clms Page number 9> compositions différentes sont appliquées sur un support, on enlève le support et on fritte l'ensemble; j) on utilise un support qui ne résiste pas à la chaleur et qui disparaît lors du frittage; k) les matières premières céramiques sont appliquées sur le support par immersion dans une dispersion de ces matières qui, de préférence, contient en outre un liant; 1) avant Inapplication d'une couche de matière première céramique, on applique sur le support une substance qui peut provoquer la floculation de la substance céramique d'une dispersio m) lors de Inapplication de la substance à effet de floculation à l'aide d'une solution de cette substance, on utilise un humectant.