Brevet FR2098353A1 — publié le 19720310

La présente invention se rapporte d'une façon générale à un transducteur magnéto-mécanique utilisant tin matériau magnétostrictif et a trait plus particulièrement à un transducteur utilisant un élément magnétostrictif à couche unique. ^ De nombreux dispositifs connus, tels que celui décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3.4-14.010, utilisent des matériaux magnétostrictifs à couches multiples» Ces éléments à magnétostriction à couches multiples comprennent généralement deux couches liées ensemble, une couche présentant un coefficient 10 cLe magnétostriction positif tandis que l'autre présente un coefficient négatif. La flexion de l'élément magnétostrictif est fonction de la force du champ magnétique appliqué. Généralement ce champ magnétique est appliqué à l'aide d'une bobine ou d'un électro-aimant• 15 Des dispositifs de types connus comprennent également des ensembles trimétalliques dans lesquels une troisième couche de métal présente un coefficient de dilatation thermique adapté à celui d'une des couches bimétallique de manière à assurer une compensation de l'influence de la température. 20 Bien que de tels dispositifs connus se soient avérés très utiles, ils présentent tous l'inconvénient intrinsèque de nécessiter l'assemblage de matériaux pour obtenir des structures bimétalliques ou trimétalliques de manière à obtenir une possibilité de friction et/ou à éviter des erreurs fonction de la tempéra-25 ture .L'invention permet cependant d'éliminer l'assemblage de métaux du fait qu'on obtient une flexion de la matière à magnétostriction même en utilisant un élément à couche unique. En outre, du fait qu'on utilise une seule couche de matière, le dispositif est intrinsèquement insensibilisé à l'action de la température 30 et il n'est pas nécessaire de prévoir de moyens ou de couche additionnelle pour éliminer l'influence de la température. L'objet de l'invention présente également une hystérésis variable intrinsèque de sorte que, par un réglage simple et commode d'un dispositif utilisant l'invention, l'hystérésis peut être modifiéede façai 35 à être rendue positive ou négative. Le transducteur suivant l'invention utilise une matière présentant un coefficient élevé, positif ou négatif, de magnétostriction. Lorsqu'une bande ou pièce de matière est incurvée, des contraintes de flexion sont engendrées dans une moitié de la ban-40 de et sont équilibrées par des contraintes de compression engen- 71 21151 2 2098353 drées dans 1*autre moitié. Bans une matière à coefficient positif de magnétostriction soumise à une tension, le coefficient diminue par rapport à la valeur correspondant à la matière non-sollicitée tandis qu'une matière présentant un coefficient positif est ca-5 ractérisée par une augmentation du coefficient. Si la bande de matériau" magnétostrictif ainsi déformée est soumise à un champ magnétique sur sa longueur et si la matière présente un coefficient positif de magnétostriction, elle a tendance à se redresser ou à s'infléchir en opposition à la déformation. Si la matiè-10 re présente un coefficient négatif de magnétostriction, la bande a tendance à s'infléchir dans la direction de déformation. Cette flexion varie linéairement avec la densité de flux magnétique dans la matière. En conséquence, le dispositif se prête par.lui-même à une utilisation comme transducteur magnéto-mécaniquej 15 Tout processus de magnétisation d'une telle matière fait intervenir une certaine hystérésis de sorte que la flexion d'une bande de matière à magnétostriction dans un champ déterminé est fonction de l'augmentation ou de la réduction du champ. Suivant l'invention, cette hystérésis peut être contrôlée en modifiant 2D la charge exercée pour déformer ou infléchir l'élément magnétostrictif. En faisant varier la charge exercée sur l'élément au-dessus ou en-dessous d'un niveau donné, l'hystérésis peut être rendue positive ou négative. Cette hystérésis variable résulte d'un équilibre de l'hystérésis magnétique imputable à l'applica-25 tion d'un champ magnétique et d'une hystérésis mécanique, connue sous le nom d ' effet Bauscîii nger et qui se produit dans des métaux dans certaines conditions. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention «eront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre 30 d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : Fig. 1 représente une piècë. en matériau magnétostrictif de façon à montrer schématiquement l'orientation des domaines magnétiques dans la matière j 35 Eig. 2 représente une pièce de matériau magnétostrictif sou mise à une contrainte de tension et montre l'effet de la contrainte sur les domaines magnétiques de la matière ; Fig. 3 représente de façon similaire les effets d'une contrainte de compression ; 40 Pig. 4 montre les variations dimensionnelles d'une poutre en 71 21151 3 2098353 matériau magnétostrictif gui a été déformée et qui est soumise à un champ magnétique ; Fig. 5 représente un mode de réalisation d'une soupape à clapet pneumatique utilisant l'invention j 5 Fig. 6 représente un autre mode de réalisation d'une soupa pe pneumatique utilisant l'invention ; Fig. 7 représente un relais électrique utilisant l'invention ; Fig. 8 montre l'utilisation d'un aimant permanent à la place 10 d'un électro-aimant. L'invention utilise le fait que, lorsqu'une bande de matériau magnétostrictif est soumise à une déformation de manière qu'une partie de la bande soit en tension et une contre-partie en compression, et lorsqu'ensuite un champ électrique est appliqué 15 à la matière, la bande a tendance à s'infléchir. Gomme indiqué plus haut, cela résulte de l'augmentation et de la réduction du coefficient de magnétostriction dans la matière absorbant des contraintes de compression et de traction. Une bande démagnétisée d'une matière à coefficient positif 20 à© magnétostriction présente des domaines magnétiques dirigés de façon aléatoire. On peut définir approximativement la distribution des orientations les domaines magnétiques de la façon suivante ï un tiers aligné le long de la bande, un tiers transversalement à la bande et un tiers dans l'épaisseur de la bande, 25 comme indiqué sur la fig. 1. Si cette bande est soumise à une contrainte de tension 9" , comme indiqué sur la fig. 2 (changement de déformation » + )f Les domaines magnétiques ont tendance à s'aligner dans la direction de sollicitation. Du fait qu'il existe deux directions perpendiculaires à la ligne d'application de 30 la contrainte, le changement de déformation dans la matière est égal à 2/3 A j X désignant la déformation par magnétostriction. D'autre part, si une bande est soumise à une contrainte de compression, comme indiqué sur la fig. 3, (changement de déformation = - % X), les domaines magnétiques ont tendance à s'aligner per-35 pendiculairement à la direction d'application de la contrainte. Du fait qu'il existe deux directions mutuellement perpendiculaires et qui sont toutes deux orthogonales à la ligne d'application de la contrainte, il se produit seulement une variation de 1/3\ de la contrainte de magnétostriction dans la matière en compres-40 sion. 71 21151 4 Gomme cela est bien connu, une poutre ou une bande de matière lorsqu'elle est incurvée, présente un côté en compression et un côté en tension. Gomme indiqué sur la fig. 4, lorsqu'une bande ou poutre incurvée de matériau magnétostrictif présentant un coef-5 ficient positif de magnétostriction est soumise à un champ magnétique H, pour lequel X, désigne la magnétostriction maximale possible, le changement de déformation dans la partie de la poutre en tension est égal k\ - 2/3 X • D'autre part, le changement de déformation de la partie de poutre en compression est 10 égal à X - (- 1/3^ ) - Ka + 1/3 ?l . En conséquence, il se produit une plus grande modification de déformation d'un côté de la poutre que de l'autre et la poutre est par conséquent redressée. Ce changement de flexion a tendance à être lié par une relation linéaire avec le flux magnétique, ce qui permet au dispositif de 15 fonctionner comme un transducteur magnéto-mécanique. Si la matiè-rçfrrésente un coefficient négatif de magnétostriction, la poutre a tendance à s'infléchir dans la direction de la contrainte exercée. la fig. 5 représente une soupape à clapet pneumatique utili-20 sant l'invention. Sur un socle 10 est fixé un élément ou plaquette 11 en forme de U constitué d'un matériau magnétostrictif, la plaquette étant montée en porte-à-faux. Des électro-aimants ou bobines 12 sont enroulés autour de l'élément 11 afin de produire un champ magnétique. Pour produire taie contrainte ou déformation 25 dans l'élément magnétostrictif il est prévu un ressort 13. Le circuit de flux magnétique établi est indiqué par la ligne en tirets 15. Lorsque les bobines 12 sont excitées, l'élément 11, qui est normalement poussé vers le haut par le ressort 13» a tendance à se redresser et à fermer la buse 14. Si l'élément présen-30 te un coefficient négatif de magnétostriction, il est infléchi dans la direction opposée de manière à réduir^la força du ressort. Lorsque le courant passant dans les bobines 12 est modifié, la flexion de l'élément 11 varie à peu près linéairement de sorte que la pression à la sortie de la buse 14 est pratiquement une 35 fonction linéaire du courant fourni à la bobine 12 (c'est-à-dire que la linéarité correspond à la partie utilisée de la courbe de magnétisation de la matière en question). Il est évident que la construction représentée sur la fig. 5 peut être utilisée comme relais électrique en remplaçant la buse 14 par des contacts élec-40 triques appropriés. 71 21151 5 209835$ ; la fig. 6 représente un second mode de réalisation d'une soupape à clapet pneumatique du type indiqué sur la fig. 5. Une "bande ou plaquette d'un matériau magnétostrictif 21 est montée en porte-à-faux sur un socle 20 et coopère avec un électro-aimant 5 ou enroulement 22* L' élément magnétosirictif 21 de la fig. 6 est une simple poutre par rapport à l'élément en forme de U représenté sur la fig. 5 de sorte que le trajet de flux magnétique 25 de la fig. 6 comprend un entrefer. Un élément de poussée constitué par un ressort 23 est fixé sur le socle 20 de manière à produire 10 la contrainte ou déformation nécessaire dans l'élément 21. Du fait que la relation entre le courant fourni à la "bobine 22 et la pression de sortie n'est pas exactement linéaire mais correspond à une courbe ayant légèrement une forme de S lorsqu'on représente la pression de sortie en fonction du courant fourni à la bobine, 15 un relais amplificateur 28 est utilisé pour exploiter avantageusement la partie sensiblement linéaire de la courbe. Un fluide sous pression est introduit par le conduit 26 et arrive par l'intermédiaire d'un étranglement 27 à la buse 24. Une pression est également fournie au relais amplificateur 28» Lorsque du courant 20 est fourni à la bobine 22, l'élément 21 se déplace en opposition à la contrainte exercéé. sur l'élément par le ressort 23 de manière à obturer la buse 24 et par conséquent à augmenter la pression de sortie en 29. Oette pression de sortie peut être utilisée pour actionner une soupape ou un appareil similaire. 25 La fig. 7 montre comment l'invention peut être appliquée à Tin relais électrique. Dans ce cas, un élément 40 en forme de U et constitué d'une matière magnétique est supporté entre les deux branch.es d'un élément magnétostrictif 41 en forme de U. Du fait que la distance entre les deux branches est inférieure à la 30 longueur de l'élément 41, celui-ci est continuellement dans un état de contrainte. Un enroulement 42 produit'le champ magnétique qui assure la flexion de l'élément 41 lors de l'application d'un courant à la bobine 42. Le trajet du flux magnétique a été représenté par la ligne en tirets 45. Il est prévu deux contacts 35 44 et xin contact commun 43 porté par l'élément 41» On a représenté sur la fig. 8 un autre mode de réalisation de l'invention. Dans ce cas, un aimant permanent 52 est utilisé à la place d'un électro—aimant ou d'une partie similaire comme dans les modes de réalisation précédemment décrits. Un socle ou 40 partie similaire 50 porte l'élément magnétostrictif 51 ainsi qu'ai 71 211 SI 6 20V8353 ressort 53 destiné à créer une contrainte dans l'élément 51* Lorsque l'aimant permanent 52 est placé de manière à fermer un circuit de flux magnétique passant par le socle 50 et par l'élément 51, celui-ci est infléchi. Cette flexion peut être utilisée pour ob-5 turer un orifice de buse ou pour servir de moyen de captage, de moyen d'indication ou similaire en réponse à la proximité de l'aimant permanent 52. Dans tous les modes de réalisation décrits plus haut, l'élément magnétostrictif se trouve dans un état déformé ou infléchi 10 avant l'application d'un champ magnétique. Lorsque le champ magnétique est appliqué, cet élément a tendance à se redresser ou à s'infléchir additionnellement en fonction de ce qu'on utilise un matériau magnétostrictif de coefficient positif ou négatif. Lorsque le champ magnétique est supprimé, l'élément a tendance à 15 reprendre sa flexion ou soii incurvation initiale. Souvent, cet élément ne revient pas dans son état initial de flexion du fait de l'hystérésis magnétique dans l'élément. En conséquence, l'élément reste plus redressé qu'il ne l'était initialement. Comme indiqué plus haut, on a trouvé que cette hystérésis pouvait être 20 commandée en faisant varier la change qui produit la déformation dans l'élément. Cet effet est imputable à une certaine hystérésis mécanique. On sait qu'il peut se produire une hystérésis mécanique dans des métaux sous certaines conditions. Cet effet présente deux 25 caractéristiques principales : il se produit seulement dans des métaux déformés légèrement au delà de la limite élastique et la grandeur de cet effet est d'autant plus grande que la précontrainte est plus importante. En conséquence, si une plaquette telle que 21 sur la fig. 6 est correctement traitée par précontrainte 30 et recuite et si un organe de poussée tel que le ressort 23 de la fig. 6 produit dans la plaquette 21 une contrainte suffisante pour que la limite élastique soit dépassée lorsque la plaquette est redréssée à partir de sa position infléchie,die peut prendre une plus grande flexion lorsqu'on la laisse revenir dans sa posi-35 tion infléchie. Cette flexion additionnelle peut, si la contrainte exercée sur la plaquette à l'aide du ressort 23 est choisie de façon optimale, contrebalancer étroitement l'effet d'hystérésis magnétique du cycle de magnétisation de sorte que l'hystérésis combinée ou variation résultante de flexion a tendance à s'annu-40 1er. 71 21151 7 2098353 En augmentant ou en réduisant la contrainte au-dessus ou en-dessous de ce niveau critique, on peut obtenir une hystérésis négative ou positive dans le transducteur. En utilisant des tôles polycristallines non-orientées formées d,nHyperco 50", à savoir 5 un alliage de fer, de cobalt et de vanadium qui présente un coefficient positif élevé de magnétostriction, on a trouvé qu'une précontrainte de l'"Hyperco 50" à 11,2 kg/mm?, suivie par un recuit, permettait d'obtenir dans l'élément une élasticité pour des contraintes pouvant descendre à 2,8 kg/mm^. Avec ce traitement, 10 on a constaté que le niveau critique de contrainte était d'environ 8,4 kg/mm2. Une augmentation de la charge au-dessus de 8,4 kg/mm2 produit dans le transducteur une courbe hystérésis négative tandis qu'une réduction de la charge en-dessous de 8,4 kg/mm2 produit une courbe d'hystérésis poritive. Ces valeurs sont don-15 nées seulement à titre indicatif du fait qu'il existe de nombreuses variables et que les résultats exacts sont fonction des conditions existantes. Il est clair que l'invention présente de nombreuses applications et peut être utilisée en dehors des fonctions d'actionne-20 ment et d'indication décrites plus haut. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits plus haut mais en couvre au contraire toutes les variantes. 71 21151 8 2098353 EEVEMDIOATIOS8 1. Transducteur, caractérisé en ce qu'il comprend un élément (11) formé d'un matériau magnétostrictif présentant un coefficient prédéterminé de magnétostriction, des moyens (13) pour pro- 5 duire une déformation et pour établir à la fois des contraintes de compression et de tension dans l'élément en vue de modifier le coefficient de magnétostriction dans des parties de ce dernier, des moyens (12) pour appliquer un champ magnétique permettant d'établir un trajet de flux magnétique dans l'élément magné-10 tostrictif,et en ce que ce dernier s'infléchit en réponse à l'application du champ magnétique, la flèche étant fonction de la contrainte produite dans l'élément. 2. Transducteur suivant'la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une base (10) qui supporte l'élément magnéto- 15 strictif en permettant sa flexion. 3. Transducteur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément magnétostrictif comprend une seule couche de matière. 4-. Transducteur suivant la revendication 3» caractérisé en 20 ce que lesdits moyens (13) de production de déformation comprennent un ressort. 5. Transducteur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément magnétostrictif comprend un barreau (21) dont uœ extrémité est portée par la base (20) de manière à fléchir. 25 6. Transducteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'application de champ magnétique comprennent un électro-aimant (22), l'élément magnétostrictif ayant un coefficient positif de magnétostriction et s'infléchissant en réponse à une variation du courant dans 1'électro-aimant et en 30 opposition à la déformation produite dans l'élément. 7» Transducteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'application de champ magnétique comprennent un électro-aimant (22), l'élément magnétostrictif ayant un coefficient négatif de magnétostriction et s'infléchissant en 35 réponse à une variation du courant dans 1'électro-aimant dans la même direction que celle de la déformation exercée sur l'élément. 8. Transducteur suivant la revendication 1, caractérisé en œ qu'il comprend,additionnellement,des moyens pour faire varier de façon réglable la déformation dans l'élément magnétostrictif afin 40 de pouvoir régler l'hystérésis dans ledit élément. 71 21151 9 2098353 9. Transducteur, caractérisé en ce qu'il comprend une soupape (24) traversée par un passage de fluide, un élément homogène magnétostrictif (21) comportant une partie déplaçable par rapport à 1*élément de soupape en vue de contrôler l'écoulement dans 5 ledit passage, des moyens (23) pour produire une déformation dans l'élément magnétostrictif, un électro-aimant (22) pour appliquer un champ magnétique en vue d1établir un trajet de flux dans l'élément magnétostrictif et en ce que ce dernier s'infléchit en réponse à une variation du courant passant dans 1'électro-aimant 10 et en fonction de la déformation produite dans l'élément magnétostrictif. 10. Transducteur suivant la revendication 9» caractérisé en ce qu'une extrémité de l'élément magnétostrictif est fixée rigidement sur les moyens (20) reliés à l'élément de soupape et en ce 15 que l'autre extrémité de l'élément est déplaçable par rapport à l'élément de soupape. 11. Transducteur suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens reliant l'extrémité fixe de l'élément magnétostrictif à l'élément de soupape sont constitués au moins en par- 20 tie d'une matière magnétique et font partie d'un trajet de flux traversant l'élément magnétostrictif.