FR2472325A1 - Transducteur electromecanique - Google Patents
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Abstract
A.TRANSDUCTEUR ELECTROMECANIQUE. B.TRANSDUCTEUR CARACTERISE PAR DEUX COUCHES 12 DE MATIERE PIEZOELECTRIQUE MUNIES SUR LEURS DEUX FACES D'UNE COUCHE CONDUCTRICE 11 FORMANT ELECTRODE, CES DEUX PLAQUES ENSERRANT UNE PLAQUE INTERMEDIAIRE 13 DONT LE MODULE DE YOUNG EST DIFFERENT DANS LA DIRECTION LONGITUDINALE ET DANS LA DIRECTION TRANSVERSALE. C.TRANSDUCTEUR APPLICABLE AUX MAGNETOSCOPES.
Description
W 2472325
La présente invention concerne un transducteur électromécanique pour convertir un signal électrique en un déplacement mécanique, par exemple un transducteur bimorphe,
et notamment un transducteur électromécanique dont une extré-
mité est fixe et dont l'autre extrémité porte une tête magnéti- que; le déplacement mécanique engendré dans le transducteur déplace la tête magnétique en fonction de la tension appliquée
au transducteur.
Récemment, pour augmenter la densité d'enregistre-
ment d'un appareil d'enregistrement et de reproduction magnéti-
que tel qu'un magnétoscope, on a fait des essais pour réduire
autant que possible la largeur des pistes d'enregistrement.
Dans un magnétoscope ou analogue dans lequel la largeur de la piste est faible, il faut que la position de la tête magnétique de reproduction ou de lecture par rapport à la piste d'enregistrement soit beaucoup plus précise que dans les autres. Il est de ce fait relativement difficile au plan technique et très coûteux d'arriver à la très grande précision
de position en se basant uniquement sur la précision mécanique.
Pour cette raison, on utilise un transducteur électromécanique pour régler la relation de position de la t9te magnétique et de la piste d'enregistrement, pour que ces deux éléments se correspondent toujours de façon prédéterminée. Le transducteur électromécanique est fixé à une extrémité au tambour magnétique, l'autre extrémité du transducteur portant une tête magnétique; un signal électrique, qui répond à la variation du signal reproduit engendré par la variation de la relation de position entre la
tête magnétique et la piste est appliqué au transducteur électro-
mécanique pour déplacer son autre extrémité et fixer ainsi la tête magnétique pour qu'elle soit toujours dans une position
correcte par rapport à la piste d'enregistrement.
En général, le transducteur électromécanique utilisé dans l'asservissement de la trace d'un magnétoscope doit être déplacé principalement par une basse tension. En particulier dans le cas de magnétoscopes à largeur importante de piste, il
faut déplacer de façon importante le transducteur électromagné-
tique, de plusieurs centaines jusqu'à six centaines de microns
(t m).
La figure 1 montre un transducteur électromécanique connu qui se compose de deux plaques piézoélectriques 2 ayant chacune des électrodes 1 réalisées comme revêtements sur les surfaces principales de ces plaques ainsi qu'une plaque 4 dite
plaque de réglage qui est prévue entre les plaques piézoélectri-
ques 2 en étant fixée à celles-ci par de la colle 3. Les plaques
piézoélectriques 2 sont réalisées chacune en un matériau piézo-
électrique tel qu'une matière céramique, un polymère, un complexe de céramique et de polymère ou analogue; la plaque 4 est en un métal tel que du titane, de l'acier inoxydable, du bronze au phosphore ou analogue; la colle 3 est une colle conductrice. Les plaques piézoélectriques sont polarisées de façon que la polarisation soit dirigée perpendiculairement aux surfaces principales. Toutefois, les directions de polarisation sont opposées l'une par rapport à l'autre dans les plaques piézoélectriques. Lorsqu'on applique une tension aux électrodes extérieures 1 des plaques piézoélectriques 2 pour leur appliquer des champs électriques perpendiculaires à la surface principale,
une plaque piézoélectrique 2 se dilate et l'autre plaque piézo-
électrique 2 se rétracte, ce qui déplace le transducteur piézo-
électrique. Selon la figure 1, lorsqu'une extrémité du transduc-
teur électromécanique formé de plaques piézoélectriques laminées
2 et d'une plaque intermédiaire 4 est fixée ou serrée mécanique-
ment, l'autre extrémité du transducteur est déplacée comme
représenté par les flèches à la figure 1.
Toutefois, le transducteur électromécanique selon
l'art antérieur n'est pas autant déplacé.
Lorsqu'une tension déterminée est appliquée aux bornes des électrodes 2 appliquées comme revêtements sur les deux surfaces principales de la plaque piézoélectrique 2 comme représenté à la figure 2, la plaque piézoélectrique 2 se dilate ou se rétracte en fonction du sens du champ électrique qui lui est appliqué. Dans ce cas, la dilatation et le retrait sont
engendrés par rapport aux directions x et y qui sont perpendi-
culaires l'une à l'autre. C'est pourquoi, si la plaque 4 est réalisée en un métal dont le module d'élasticité ou module de Young est le même dans la direction x et dans la direction y, dont le module de Young est isotrope, et que cette plaque est fixée à la surface principale de la plaque piézoélectrique 2
3 2472325
pour bloquer celle-ci mécaniquement dans la direction x et dans
la direction y, il en résulte une courbure dans la plaque piézo-
électrique 2 à la fois dans la direction x et dans la direction y selon la figure 3. Dans ces conditions, s'il suffit d'un déplacement par courbure dans une seule direction par exemple la direction x, la courbure dans la direction y évite plut8t
la courbure dans la direction x.
En outre dans le transducteur électromécanique selon la figure 1, on utilise en général une colle 3 constituée par un polymère. Toutefois en fait la molesse de la colle interdit un blocage approprié de la plaque piézoélectrique 2
et ne donne pas lieu à la courbure.
Il est ainsi clair que le transducteur électroméca-
nique selon l'art antérieur ne permet pas d'arriver à un dépla-
cement suffisant.
La présente invention a pour but de créer un trans-
ducteur électromécanique remédiant aux inconvénients des solu-
tions connues, dont une extrémité soit bloquée et dont l'autre extrémité permette un déplacement important, ce transducteur étant destiné notamment à un mécanisme d'asservissement de traçage pour une tête de transducteur magnétique et un support
d'enregistrement magnétique.
L'invention a également pour but de créer un
transducteur électromécanique permettant des déplacements impor-
tants avec moins de variation à long terme et une plus grande
fiabilité, ce transducteur se présentant sous un élément bimor-
phe à fort déplacement, moins sensible au vieillissement et
ainsi qu'une grande fiabilité.
Enfin, l'invention a pour but de créer un transduc-
teur sensible à une fissure d'électrode après une utilisation prolongée. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés, dans lesquels:
- la figure 1 est une coupe transversale d'un exem-
ple de transducteur électromécanique selon l'art antérieur.
- les figures 2 et 3 sont des vues en perspective servant à expliquer l'exemple de l'art antérieur selon la
figure 1.
- la figure 4 est une coupe transversale à échelle agrandie d'un exemple de transducteur électromécanique selon l'invention.
4 2472325
la figure 5 est une vue en perspective à échelle agrandie de la partie principale de l'exemple de l'invention
selon la figure 4, cet exemple étant partiellement coupé.
- la figure 6 est un graphique montrant le dépla-
cement mesuré dans le cas de l'exemple de la figure 4. - la figure 7 est une coupe transversale à échelle
agrandie montrant la partie principale de l'exemple de l'inven-
tion selon la figure 5.
- la figure 8 est un graphique montrant le dépla-
cement mesuré dans le cas d'un exemple de comparaison selon l'invention. la figure 9 est un graphique montrant le résultat de la mesure de la relation entre le déplacement d'un second
matériau et le sens des fibres de celui-ci.
- la figure 10 est une vue en plan à échelle
agrandie d'un autre exemple d'un second matériau selon l'inven-
tion. - la figure 11 est une vue en plan d'un élément bimorphe ou transducteur électromécanique selon un exemple de
l'invention.
- la figure 12 est une coupe transversale en vue de côté de l'élément bimorphe de la figure 11 dont une extrémité
est portée par une base fixe.
- la figure 13 est un graphique montrant la rela-
tion entre l'épaisseur d'une électrode, la sensibilité et la
dérivée du déplacement de l'élément bimorphe de la figure 11.
- les figures 14 et 15 sont des vues en plan respectives montrant d'autres exemples d'éléments bimorphes
de l'invention.
- la figure 16 est un graphique montrant l'amplitude du déplacement des éléments bimorphes lorsqu'une fissure se
forme dans les électrodes, ainsi que la sensibilité correspon-
dante. - la figure 17 est une vue en- plan d'un exemple de
comparaison lorsqu'une fissure se forme dans son électrode.
- les figures 18A, 18B et 19A, 19B représentent
respectivement les courbes de déplacement des éléments bimor-
phes. - les figures 20 et 21 sont des vues en plan
d'autres exemples d'éléments bimorphes selon l'invention.
2472325
DESCRIPTION DE DIVERS MODES DE REALISATION PREFERENTIELS
On décrira ci-après un transducteur électromécani-
que ou élément transducteur selon l'invention en se reportant
aux dessins annexés.
Un exemple de transducteur électromécanique selon l'invention sera décrit en référence aux figures 4 et 5. Dans
cet exemple, on a deux plaques piézoélectriques dont les sur-
faces principales comportent toutes les deux des électrodes 11 Dans chaque cas, il est prévu une première couche 12 en un premier matériau et une seconde couche 13 en un second matériau la couche 13 est interposée entre les premières couches 12 pour
être laminée de façon à faire corps.
Les premières couches 12>c'est-à-dire les plaques piézoélectriques, sont constituées chacune par une plaque de céramique piézoélectrique telle que de la céramique de titanate zirconate ou de plomb. Chacune des électrodes réalisées sur
les deux surfaces principales des plaques de céramique piézo-
électriques est formée par un dépôt non électrolytique des
métaux tels que du nickel Ni, du cuivre Cu etc, par électro-
plaquage de Au et/ou Ag sur la couche de revêtement déposée sans électrolyse et qui est constituée de nickel Ni, de cuivre Cu etc de façon à en abaisser la résistance électrique ou de présenter des caractéristiques anti-corrosion ou encore en vaporisant différents métaux tels que Au, Ag, Ni, Cu, Cr etc. Dans tous les cas, l'épaisseur totale de chaque électrode 11 est comprise entre 0,1 micron et 3 microns. Pour
la seconde couche 13, on utilise une feuille de fibres de car-
bone formée par exemple de fibres de carbone disposées dans une direction; les colles sont des résines époxy dans lesquelles on immerge ou imprégne les fibres de carbone. Cette feuille en fibres de carbone présente un module de Young qui est maximum dans la direction longitudinale des fibres mais minimum dans la direction perpendiculaire à la direction longitudinale des fibres. Lorsqu'on utilise la feuille de fibres de carbone pour réaliser le transducteur électromécanique, on répartit la feuille des fibres de carbone de façon que la direction dans
laquelle la feuille offre le module de Young maximum (c'est-à-
dire la direction longitudinale des fibres de carbone) soit
parallèle à la direction dans laquelle le transducteur électro-
mécanique doit se dilater ou se rétracter, pour permettre le
déplacement c'est-à-dire la direction x dans l'exemple repré-
senté.
La description ci-après concerne un exemple de
transducteur électromécanique. Exemple de référence Comme première couche 12 ou plaque piézoélectrique on utilise une plaque formée de céramiques piézoélectriques qui sont des céramiques de zirconate, titanate de plomb (appelées en abrégé céramiques PZT) d'une épaisseur de 250 microns; puis on applique par exemple un revêtement d'or Au sur les deux
surfaces principales de la plaque piézoélectrique 12 en procé-
dant par évaporation sous vide pour former les électrodes 11 sur ces surfaces principales. Puis, on effectue un polissage
de la plaque piézoélectrique 12 dans la direction perpendicu-
laire à la surface principale. Dans cet exemple de référence, on soumet les deux plaques piézoélectriques 12 à un polissage de façon que les directions de polarisation soient opposées l'une avec l'autre. On répartit un certain nombre de fibres de carbone 15 ayant chacune un diamètre de 10 microns, dans une direction, puis on les imprègne dans de la colle 16 à base de résine époxy pour former une feuille de fibres de carbone d'une épaisseur de 100 microns. On utilise cette feuille de fibres de
carbone comme plaque de commande ou plaque intermédiaire corres-
pondant à la seconde couche 13 ci-dessus. La plaque 13 constituée par la feuille de fibres de carbone est placée entre les deux plaques piézoélectriques 12. Dans ces conditions, on chauffe et on comprime à une température de 120C - 130C pendant trois heures pour durcir la colle 16 et réaliser un transducteur
électromécanique de dimensions 25 mm x 25 mm.
Dans ce cas, la direction longitudinale de chacune
des fibres de carbone de la plaque 13 du transducteur électro-
mécanique est la direction x; la direction perpendiculaire à
la direction x dans le plan de la surface principale du trans-
ducteur électromécanique est la direction y; le transducteur électromécanique est fixé à une extrémité sur une largeur de mm dans la direction x. Le déplacement du transducteur électro- mécanique dans la plage entre son centre et la direction y, dans les deux sens, sur 10 mm c'est-à-dire sur une amplitude de déplacement totale de 20 mm et dans la direction perpendiculaire
7 2472325
à la surface du transducteur électromécanique>est mesuré pour
tracer la courbe A à la figure 6. De même, on fixe le transduc-
teur électromécanique par une extrémité sur une largeur de 5 mm
dans la direction x. Puis on mesure le déplacement du transduc-
teur électromécanique dans la plage envisagée en partant du centre, dans la direction x, dans les deux sens sur 10 mm
c'est-à-dire une plage de variation de 20 mm et dans la direc-
tion perpendiculaire à la surface du transducteur électromécani-
que. Les résultats mesurés donnent la courbe B du graphique de
la figure 6.
Pour les mesures ci-dessus, on applique une tension de 200 volts entre les maxima, aux bornes des électrodes les
plus extérieures du transducteur électromécanique dans les con-
ditions de la figure 4. La comparaison des courbes A et B montre que le déplacement du transducteur électromécanique dont une
extrémité est, fixée dans la direction x, c'est-à-dire la direc-
tion longitudinale desfibres de carbone (qui sera appelé ci-après déplacement dans la direction x) est supérieur au déplacement lorsque la direction y est fixe (appelé ci-après déplacement dans la direction y), le rapport correspondant sensiblement à 2,5 dans la position centrale et 1,8 aux deux
extrémités. On montre ainsi que dans le premier cas, la sensi-
bilité est plus élevée.
La raison pour laquelle le déplacement dans la direction y est inférieur à celui dans la direction x vient de ce que comme la direction y de la plaque 13 correspond à la direction de répartition des fibres de carbone 15, le module de Young de la plaque 13 dans cette direction est faible, si bien que lors des dilatations et des rétractions engendrées dans les plaques piézoélectriques 12 par effet piézoélectrique ou électrostrictif, la plaque 13 est quelque peu dilatée ou rétractée en fonction de la dilatation ou de la rétraction des plaques 12 et tend à réduire le blocage de celle-ci sur l'autre; il est ainsi difficile d'obtenir une déformation courbe dans cette direction dans les plaques piézoélectriques 12, ce qui ne permet pas d'obtenir un fort déplacement. Au contraire comme la
direction x est la direction longitudinale des fibres de car-
bone de la plaque 13, le module de Young est important dans cette direction. L'effet de blocage de la plaque 13 sur les plaques piézoélectriques 12 est important, ce qui se traduit
8 2472325
par un déplacement important. De plus comme il n'y a pas de courbure des plaques piézoélectriques 12 dans la direction y comme cela vient d'être indiqué, il est facile de courber la plaque piézoélectrique 12 dans la direction x, si bien que l'on arrive à un fort déplacement dans la direction x. En comparant les courbes A et B, on voit que le déplacement au centre de la courbe A est inférieur à celui au centre de la courbe B. La raison en est que les causes des
fléchissements dans la direction x et dans la direction y dis-
paraissent dans ces directions et notamment dans la position centrale, mais comme le transducteur électromécanique présente des caractéristiques moindres dans la direction y, la courbure dans la direction x reste grande m9me dans la position centrale, ce qui évite une réduction du déplacement dans la position
centrale.
Le transducteur électromécanique obtenu en mettant la plaque 13 entre les plaques piézoélectriques 12, cette plaque 13 étant elle-même réalisée par imprégnation d'un certain nombre de fibres telles que des fibres de carbone 15 dans de la colle 16, par durcissement et pressage pour former un ensemble comme indiqué ci-dessus, présente une construction telle que les
fibres 15 sont fixées par la colle 16 comme l'indique schémati-
quement la figure 7. Comme les fibres 15 sont collées pour être pratiquement en contact direct avec l'électrode 11 de l'élément piézoélectrique 12, il n'y a pratiquement pas de couches ou une simple couche mince de colle 16 très souple qui peut se déplacer. On évite ainsi de réduire.le blocage entre la plaque
13 et la plaque piézoélectrique 12 par la colle 16.
Les bornes d'alimentation peuvent sortir de l'élec-
trode mince il de chacune des premières couchescbest-à-dire
des plaques piézoélectriques 12>en utilisant une feuille métal-
lique ou une couche métallique déposée par vaporisation, pour former la couche conductrice; cette couche est appliquée comme
revêtement aux extrémités de la plaque 13 du côté fixe du trans-
ducteur électromécanique pour être en contact avec son électrode 11; puis, la borne sort de la couche conductrice ou (non représentée) par une cavité ou une découpe réalisée dans une partie de la plaque 13, pour dégager en partie les électrodes
intérieures 11 des plaques 12 d'o sortent les bornes.
Pour exposer plus clairement la caractéristique de l'invention, on utilisera'un exemple de comparaison qui sera
décrit ci-après.
Exemple de comparaison n l On forme upLkN 1>ur électromécanique à l'aide de plaques piézoélectriques à base de polymères; chaque plaque est faite d'un matériau complexe de polyfluorovinylidène et de poudre de céramiques piézoélectriques qui est utilisé comme plaque r Noé électrique 12 d n1 trax5uc ur ctromécanique exposé dan emple de rèéé. Dan c nditions, on À1 us- se nt r1 -' "!- identique à la
plaque 1 a' r r et dé a Iit dans l'exem-
ple d4c 1 n n l dans les r tions_ et y est mesuré
respectivement de la m9me me.nre que dans 1'! xçmple de référence.
Les résultats es mesures s.par les courbes C 9 tives graphiquf 1 -IL'examen
_ des pur tre_ u il y a r qu e ie diffé-
rr ent Q c la dir' u =t- la direc-
tion y. d u, termes dans 1'c m de comp s4o l, m9me si l'on utilise une pla ue de commande dont le module de Young est anisotrope ou dont le module de Yo mg est plus élevé dans la direc x ue i i ection mm. 5dans4 exemple de référence, il. auc fférence pol e dl mts F i g4a.1 F rio Dane i u usy. q s exempl e Fe comparaison s,ues o riques anscteur
électromé6&qi hacu constituées pa une plaque piézo-
électrique à base de polymères dont le module de Young est infé-
rieur au plus petit module de Young de la plaque de commande dans la direction y, si bien effde blocage est trop grand. Cela montre pourquoi7 ansJ inve tion, on choisit pour la plaque piézoélectrique 12 (premier matériau ou première couche) un module de Young E ui es5 -X prieur au module de Young Ey de la plaque 13 (seco tji ou seconde couche) dans la direction y. /]I l L A titre] bî meoàule Young des matières céramiques piézoé ctrique 1 ées dans emple de référence est de l'ordre de x 10 p ple 7 x 105kg/cm2; le module de Young de uille d de Xone, dans la direction des fibres est t, 10 kg/cm2; le module de Young de la feuille dans ectio5p rpendiculaire à la direction des fibres est à 1,0 x 15 kg/cm2; le module de
2 MS? 5
2 427%22 5
Young de la plaque piLézoée tque base de polymères de -LANCn j&cu 4 2 l'exemple de comparaison 1 est égal à 2,6 x 10 kg/cm. En outre, le module de Young de Ti utilisé dans la plaque de l'art
antérieur est de 10 x 105 kg/cm2.
Dans l'exemie 6e référence, la plaque 13 est telle que son module de Young, ax um boit dans la direction x et que son modul X de Vain ; m, t n 1 A ection y. I1
est cependant possible d 'voir unr_ ain angi entre la direc-
tion C fibr s de la pl ue 13 e irection x sans que ces deux direc io s ne coinc ent néc ssai rement. i dans l'exemple de référence, UI a un an Le entre la direction longitudinale des(Cibrej de la plaque 3 la dire jn--. que cet angle
varie a nt e 0, srçe le déplace-
m t. s ucteur éleromécanique n *r.tion x, on ent 1 é ultat corr du graphique de la figu -1-a-iga. iiie de 1 re Le déplacement corres t 'ila ligne e p é a c resp nd à une plaque de crole c nstituée pir une e métaliqu dais le cas du tr çansduttex él3l rom4 l'art antér eur. Cette 'valeur du c ce >co esc o)roximativem nt au cas d'un
O>angle le >ga * 7 les, si l'an le e est infé-
rieur a i opie dans 1 module de Young
L de la pla ue e q liore sa se sibilité.-
N Lte " g-a g lonne le mod le Young ExImesuré r uG - a s de carbon, servant d'etempe c ree d tion x a i q le rapport
entre les u" da You g r x t Ey lorsque l'aigle G varie.
n TABLEAU:,
e eT Ex (Kg/cm2) [ _!/ó
K
---
r-------
0 1 13,5 xn 0 13,5.
0 10 BS S le"t 9 I30 _: 2 x 10Xl5L 4,5l 450I,
I450 12 2X 105 F 1
- I 600 5 X 105
La o I li d5 fr te g0o, 1,O x 105 0,07 Lorsque la feuille formée à l'aide de fibres telles iî 2472325 que des fibres de carbone est utilisée comme seconde couche 13 et qu'elle présente une anisotropie pour le module de Young
comme indiqué ci-dessus, il n'est pas nécessaire que la direc-
tion des fibres soit limitée à une direction dont l'angle e est compris entre O' et 45 . Il est par exemple possible comme le montrent les traits minces à la figure 10, de réaliser une feuille de fibres 15 telles que des fibres de carbone faisant un angle +e par rapport à la direction x ou de réaliser une feuille de fibres 15 par exemple en fibres de carbone faisant un angle -G dans la direction x, et de laminer ou de solidariser
ou de les laminer pour former la seconde couche 13.
Dans certains cas, il est possible d'interposer une feuille réalisée à l'aide de fibres analogues faisant un angle e de 900 (non représenté), entre les deux feuilles pour
les réunir et former un seul élément.
Comme décrit ci-dessus dans le cadre de l'invention, l'épaisseur de chacune des plaques formant électrodes prévues sur les plaques piézoélectriques 12 est comprise entre 0,1 micron
et 3 microns.
On examinera ci-après l'épaisseur de l'électrode 11. Exemile 1 On prépare deux plaques piézoélectriques chacune formée d'une céramique de titanate zirconate de plomb d'une épaisseur de 200 microns; on applique un revêtement de nickel Ni par un procédé non électrolytique, sur les deux surfaces
principales de chaque plaque piézoélectrique, avec une épais-
seur de 1 micron; puis on réalise un dépôt d'or Au par élec-
trolyse sur la couche de Ni, avec une épaisseur de 0,1 micron
pour former l'électrode 11. Entre les deux plaques piézoélec-
triques, on introduit un matériau par exemple de fibres de carbone imprégnées dans de la colle à base de résine époxy, d'une épaisseur de 170 microns; puis on chauffe ou on comprime
pour obtenir l'élément bimorphe 19 (figure 11).
Selon la figure 11, l'élément bimorphe 19 a une longueur L qui correspond à la direction longitudinale des fibres de carbone; cette longueur est égale à 27 mm; une
extrémité est fixée à la base 20 par un support 21 sur une lon-
gueur *s égale à 9 mm dans la direction longitudinale des fibres (figure 12). L'autre extrémité ou extrémité libre présente
12 2472325
une longueur t égale à 18 mm; cette autre extrémité est mobile.
La largeur Ws de l'élément bimorphe 19 dans la direction perpendiculaire à la longueur des fibres de carbone du côté fixe est égale à 26 mm; l'extrémité libre de l'élément bimorphe 19 a une forme allant en se rétrécissant progressive- ment jusqu'à l'extrémité libre proprement dite; à ce niveau, la largeur w est égale à 4 mm (figure 11). On réalise cinq
échantillons ayant la structure décrite ci-dessus. Ces échan-
tillons sont numérotés de 1 à 5.
Exemple de comparaison n 2: Sur la plaque piézoélectrique de même structure que celle de l'exemple n l, on réalise l'électrode en appliquant un point d'argent sur une épaisseur de 8 microns. On réalise cinq échantillons correspondant à la structure ci-dessus et on
les numérote de 6 à 10.
Les résultats des mesures du déplacement de l'ex-
trémité libre des éléments bimorphes des échantillons 1 à 10 soumis à une tension de maximum à maximum Vpp égale à 200 V (volts) et d'une fréquence de 600 Hz sont appliqués à chacun des échantillons représentés dans le tableau 2 ci-après:
TABLEAU 2
à----Exemple 1 Exemple de compara2ison 2 quméro de Vibration -2uméro. de Vibration l'échantillon (micron) l'échantillon (micron)
1 650 6 484
2 714 7 477
3 644 8 472
4 656 9 460
5 711 10 484
oyenne x 677 moyenne x 475 Le tableau 2 montre que les éléments bimorphes selon l'invention présentent un déplacement important par rapport à ceux des exemples de comparaison; si l'on utilise une plaque de commande anisotrope pour le module de Young, on
peut ainsi obtenir des déplacements importants. Dans ces condi-
tions, il est à remarquer que les électrodes ont une grande influence.
13 2472325
La figure 13 est un graphique montrant la relation entre l'épaisseur de l'électrode et le déplacement de l'élément
bimorphe; la grandeur représentée correspond à la valeur rela-
tive du déplacement de l'élément bimorphe de l'art antérieur ayant des électrodes d'une épaisseur de 8 microns. Au graphique de la figure 13, la courbe 26 correspond au cas d'une électrode de l'élément bimorphe de l'exemple 1, formée par un revêtement non électrolytique de nickel; la courbe 27 correspond au cas d'une tension (fréquence 60 Hz) dont le déplacement de maximum à maximum est égal à 500 microns pour l'élément bimorphe, dans le cas d'un fonctionnement continu pendant 500 heures. Les courbes 26 et 27 montrent que lorsque l'épaisseur de l'électrode 11augmente, la sensibilité (déplacement) diminue, ce qui peut s'expliquer du fait que lorsque l'épaisseur de l'électrode augmente, cela détériore la dilatation ou le retrait de la plaque piézoélectrique du fait du blocage assuré par l'électrode; lorsque l'épaisseur de l'électrode diminue et qu'elle est en particulier inférieure à 0,1 micron, la déviation dpi déplacement est remarquable, ce qui peut s'expliquer du fait que si la plaque piézoélectrique est courbée de façon répétée, cela engendre une fatigue importante dans les électrodes et ne permet plus d'appliquer la tension voulue à la plaque piézoélectrique sur toute la surface de la plaque. Pour cette raison, on choisit une électrode dont l'épaisseur est inférieure à 3 microns pour
arriver à une sensibilité suffisamment supérieure à celle obte-
nue selon l'art antérieur; l'épaisseur de l'électrode reste toutefois supérieure à 0,1 micron pour réduire la dérivée du déplacement. Les explications ci-dessus montrent pourquoi
l'épaisseur de l'électrode doit être choisie de façon précise.
Comme indiqué dans l'élément bimorphe selon l'inven-
* tion, on peut avoir un déplacement important, si bien que cet élément bimorphe convient par exemple pour l'asservissement de traçage de la tête magnétique dans un magnétoscope; il est possible de commander cet élément bimorphe à l'aide d'une basse tension tout en obtenant le même déplacement que celui de l'art antérieur. De plus, si pour le second matériau, on utilise une plaque constituée par des fibres telles que des fibres de carbone noyées dans de la colle comme dans l'exemple ci-dessus, il est inutile d'appliquer de la colle sur l'élément bimorphe
14 2472325
comme cela est nécessaire selon l'art antérieur. Cela permet de simplifier le procédé et permet de fabriquer des éléments
bimorphes peu coûteux.
En outre selon l'invention, le déplacement dans la direction y n'influence pas la suppression nécessaire du déplacement, si bien que même lorsque l'élément bimorphe est
déplacé de façon importante, on évite la formation de fissures.
La description ci-après concerne un second exemple
de réalisation de l'invention.
Dans le second exemple, on réalise deux plaques piézoélectriques c'est-àdire les premiers éléments 12; chaque
plaque comporte des électrodes 11 sur ses deux surfaces princi-
pales; le second matériau ou élément 13 est placé entre les
deux premières plaques 12 pour former un ensemble avec celles-ci.
Dans cet exemple en particulier sur les électrodes 11 prévues sur les surfaces principales des deux plaques piézoélectriques 12 en regard des surfaces principales de contact avec le second élément 13 c'est-à-dire les surfaces extérieures, on a appliqué
comme revêtement une couche de résine 14 conductrice d'électri-
cité; cette couche 14 est une couche de peinture d'une poudre conductrice d'électricité telle qu'une poudre d'argent à - 90 % en poids dispersée dans 30 à 10 % en poids de liant résineux tel qu'une résine époxy, une résine phénolique et on laisse durcir de façon à obtenir une couche dont l'épaisseur est de préférence comprise entre 5 et 50 microns pour constituer l'élément bimorphe 15. Cet élément bimorphe est fixé d'un c8té sur la base fixe 20. La couche ci-dessus peut être appliquée comme revetement sur toute l'électrode extérieure ll sur une surface comprenant la partie limite entre la partie fixe et la partie mobile de l'élément bimorphe c'est-à-dire l'extrémité
fixe et la zone proche de celle-ci.
Exemple 2:
Comme dans l'exemple 1, on utilise comme premier matériau c'est-à-dire comme plaque piézoélectrique, une plaque en céramique piézoélectrique à base de titanate zirconate de
plomb d'une épaisseur de 200 microns; l'électrode 11 est réali-
sée sur les deux surfaces principales de la plaque piézoélectri-
que en déposant du nickel sans électrolyse sur une épaisseur de 1 micron, puis en procédant à un dépôt électrolytique d'or Au d'une épaisseur de 0, 1 micron. Les fibres de carbone d'un diamètre
247M325
de 10 microns sont disposées allongées dans une direction, puis on les imprègne de colle formée de résine époxy pour obtenir
une feuille de fibres de carbone d'une épaisseur de 170 microns.
Cette feuille de fibres de carbone est placée entre les deux plaques piézoélectriques ci-dessus pour en constituer la plaque de commande. Puis on chauffe et on comprime à 120-130'C pendant
trois heures pour faire durcir la colle.
On obtient ainsi un élément bimorphe de 25 mm x 25 min. Puis on disperse une peinture contenant de la poudre d'argent Ag à 80 % en poids dans 20 % en poids de résine phénolique durcissable à basse température; cette peinture est appliquée sur l'électrode 11, sur la surface extérieure de chacune des deux plaques piézoélectriques de l'élément bimorphe, puis on chauffe à une température comprise entre 100 et 2000C par exemple 1300C pour durcir et former ainsi une couche de résine conductrice d'électricité. L'élément bimorphe ainsi obtenu est usiné à la forme suivante:Ws = 26 mmn,es = 7 mmn, = 20 mmn et w = 3 mmn (figure 14); dans cette figure, l'élément bimorphe ci-dessus porte globalement la référence 40; cet élément est muni d'une couche conductrice d'électricité 41. Les m9mes lettres de référence que celles de la figure Il désignent les
memes eléments et organes.
ExemiDle 3
On prépare un élément bimorphe analogue à l'élé-
ment 40 de l'exemple 2. Toutefois dans cet exemple, comme cela est représenté à la figure 15, on réalise-la couche conductrice d'électricité 41, en partie dans la zone voisine de la partie
fixe de l'élément bimorphe 40.
Exemrlle 4
On réalise un élément bimorphe identique à l'élé-
ment 40 de la figure 2 sauf que la couche conductrice 41
n'existe pas dans cet exemple 4.
Dans le graphique de la figure 16, on a donné les résultats des mesures des amplitudes de maximum à maximum (déplacement) des éléments bimorphes selon les exemples 2, 3, 4 des fissures apparaissent comme l'indiquent les colonnes 29, 30,
28. Le graphique de la figure 16 montre que les éléments bimor-
phes 40 des exemples 2, et 3 ne laissent appara tre des fissures
que pour des amplitudes importantes de l'électrode ll par compa-
raison avec l'élément bimorphe ne comportant pas de couche
16 2472325
conductrice 41. En d'autres termes, l'invention permet d'éviter efficacement la formation de fissures dans l'électrode 11, même pour des déplacements importants; cela augmente la durée de
vie de l'élément bimorphe.
Pour une tension de maximum à maximum Vpp égale à 150 volts est appliquée à chacun des éléments bimorphes des exemples 2, 3, 4, les déplacements mesurés sont donnés par le graphique de la figure 13, par les colonnes hachurées 31, 32, 33; cette figure montre que le déplacement et la sensibilité
des éléments bimorphes sont pratiquement les mêmes qu'aux exem-
ples 2, 3, 4, ce qui signifie que la couche conductrice 41 n'a pratiquement pas d'influence sur la sensibilité de l'élément bimorphe. La raison en est que la couche conductrice 41 est élastique et n'influence pratiquement pas le déplacement de l'élément bimorphe. Toutefois si la couche mince conductrice 41 a une trop forte épaisseur, elle influence la sensibilité de l'élément bimorphe; lorsque la couche est plus mince, cet effet disparaît. Pour cette raison, il suffit que l'épaisseur de la couche conductrice mince 41 soit comprise entre 5 microns
et 50 microns.
Dans l'élément bimorphe selon l'exemple 4, les craquelures sont formées dans l'électrode 11 lorsque celle-ci est polarisée au voisinage de la partie fixe proche de la zone mobile comme le montre la courbe en traits mixtes b de la
figure 17.
La figure 18A représente la courbe de déplacement de l'élément bimorphe de l'exemple 4 sans fissure; après l'apparition d'une fissure, la courbe de déplacement diminue d'amplitude pour le même signal ou la même tension et la même fréquence comme le montre la figure 18B. Au contraire pour l'élément bimorphe 40 de l'exemple 2 de l'invention, il n'y a pratiquement pas de changement d'amplitude de la courbe de déplacement mais une faible distorsion pour le même signal
appliqué à un élément bimorphe avec ou sans fissure et l'élec-
trode (figuresl8A, 18B). La raison en est que même si une
fissure apparait, on peut appliquer un signal de tension prédé-
terminé aux éléments respectifs de l'élément bimorphe du fait de la présence de la couche mince de résine 41 qui est très
fortement conductrice d'électricité et permet de faire la jonc-
tion de la fissure.
La trace de revêtement formée par la couche conduc-
trice 41 peut être réalisée de façon appropriée. Par exemple comme le montre la figure 20, on réalise un certain nombre d'orifices 34 à travers la couche 41 ou encore comme représenté à la figure 21, on forme la couche 41 par un certain nombre de bandes 35 partant chacune de l'extrémité fixe pour rejoindre
l'extrémité libre de l'élément bimorphe 40.
Comme décrit ci-dessus selon l'invention, grâce à la couche de résine conductrice d'électricité 41, on évite la formation de fissures dans les électrodes 11 appliquées comme revêtements sur les deux surfaces extérieures de l'élément
bimorphe, même si cet élément bimorphe subit un fort déplace-
ment ou aussi les électrodes 11 sont fortement déplacées lors du déplacement important de l'élément bimorphe; on évite ainsi que la caractéristique de l'élément bimorphe ne varie ou que
celui-ci ne puisse plus servir après la formation d'une fissure.
Selon la présente invention, la couche de résine
conductrice 41 appliquée comme revêtement à la surface de l'élé-
ment bimorphe n'entraîne pratiquement aucune réduction de la sensibilité lorsque son épaisseur est comprise entre 5 et 50 microns mais influence légèrement cette sensibilité, ce qui permet de régler la sensibilité en choisissant l'épaisseur de
la couche 41 dans les limites données ci-dessus.
Comme décrit, comme l'invention permet de réaliser un transducteur électromécanique donnant un fort déplacement,
ce transducteur électromécanique peut s'utiliser avantageuse-
ment pour l'asservissement de traçage de la tête magnétique par exemple dans un magnétoscope et peut 9tre entratné par une
tension relativement basse tout en donnant le m9me déplacement.
En outre lorsqu'on immerge une feuille de fibres
par exemple de fibres de carbone dans de la colle pour consti-
tuer la seconde couche c'est-à-dire la plaque de commande, il n'est pas nécessaire d'appliquer un revêtement particulier sur la plaque comme dans l'art antérieur. Cela simplifie le procédé
de fabrication et aboutit à un transducteur peu coûteux.
De même, l'invention supprime le déplacement du transducteur électromécanique dans la direction y, déplacement qui n'a pas de lien direct avec le déplacement recherché, ce qui permet d'éviter que des fissures ou analogues ne se forment dans le transducteur électromécanique lorsque celui-ci travaille
18 2472325
à son amplitude maximale.
Dans la description ci-dessus, l'invention est
appliquée à un transducteur électromécanique qui se compose principalement de deux plaques piézoélectriques, laminées; il est clair que l'invention peut également s'appliquer à divers types de transducteurs électromécaniques pour donner le meme résultat.
19 2472325
Claims (5)
- 4 ) Transducteur électromécanique selon la reven-dication 1, caractérisé en ce que la seconde couche (13) se compose de fibres de carbone (15) orientées dans une direction en étant imprégnées de colle (16), de façon à donner un modulede Young anisotrope.
- 50) Transducteur électromécanique caractérisé en ce qu'il se compose de deux plaques piézoélectriques (12) dont les deux surfaces principales comportent des électrodes (11), les plaques piézoélectriques (12) étant des plaques de céramiques piézoélectriques, une plaque de commande (13) étant placée entre les deux plaques piézoélectriques (12) en étant bloquée entre celles-ci pour former une plaque de commande, cette plaque de commande (13) étant réalisée en un matériauayant un module de Young anisotrope.) Transducteur électromécanique selon la reven-dication 5, caractérisé en ce que la plaque de commande (13) est2402325une feuille de fibres de carbone dont les fibres s'étendent dans une seule direction et sont noyées dans de la résine époxy (16), la feuille de-fibres de carbone ayant un module de Young maximum dans la direction longitudinale des fibres et un module de Young, minimum dans la direction perpendiculaire à cettedirection longitudinale.) Transducteur électromécanique selon la reven-dication 5, caractérisé en ce que les deux plaques piézoélectri-ques (12) sont en une céramique à base de titanate zirconatede plomb.) Transducteur électromécanique selon la reven-dication 1, caractérisé en ce que l'électrode est revêtue de nickel.
- 9 ) Transducteur électromécanique selon la reven-dication 8,-caractérisé en ce que l'électrode est revêtue de nickel par un dép8t non électrolytique, pour recevoir unecouche d'or.) Transducteur électromécanique selon la reven-dication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une couche de revêtement de résine conductrice d'électricité sur la surfaceextérieure de l'électrode.
- 11 ) Transducteur électromécanique selon la reven-dication 10, caractérisé en ce que la couche de revêtement aune épaisseur comprise entre 5 et 50 microns.
- 120) Transducteur électromécanique selon la reven-dication 10, caractérisé en ce que la couche de revêtement se compose d'une poudre conductrice d'électricité et d'un liantà base de résine qui est durcissable à une température infé-rieure à 2000C.
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