Brevet FR2472901A1 — publié le 19810703

La présente invention concerne les transducteurs électromécaniques et le cas échéant, pyroélectriques, obtenus à partir de matériaux polymères, dont la structure est composite de manière à obtenir un fonctionnement bimorphe. Il existe des matériaux polymères auxquels on peut conférer, à la suite de certains traitements, des propriétés piézoélectriques et pyroélectriques notables. C'est, par exemple, le cas du polyfluorure de vinylidène (PVF2), et des composés analogues tels que le chlorure de polyvinyle, le fluorure de polyvinyle, etc... et des copolymères de ces matériaux. A partir d'un matériau de ce genre, on sait réaliser un dispositif à fonctionnement bimorphe. Par exemple, on prend un feuillet de ce matériau, on recouvre les deux faces d'électrodes de façon à former un condensateur. On obtient l'élément bimorphe en associant à cette structure un autre feuillet qui peut être inerte du point de vue fonctionnement piézoélectrique. Quand on applique une tension entre les deux électrodes du feuillet piézoélectrique, il subit une contrainte normale et un allongement tangentiel. L'autre feuillet, du fait du couplage mécanique, est étiré à l'interface. Finalement, le dispositif fléchit, ce qui représente un déplacement mécanique par rotation beaucoup plus important que celui qui découle de la construction du feuillet. Mais la gamme des matériaux polymères piézoélectriques est assez limitée, et les propriétés piézoélectriques n'apparaissent qu'après un traitement de polarisation qui peut être compliqué dans certains cas. La sujétion à une gamme piézoélectrique empêche souvent de choisir des matériaux présentant des propriétés mécaniques désirées. On sait aussi réaliser un dispositif transducteur électrostatique à partir d'un diélectrique quelconque non piézoélectrique. Soumis à un champ électrique, il subit une pression électrostatique, dans la direction du champ, donc un étirement dans le plan perpendiculaire. Mais cette déformation est un effet quadratique du champ électrique, et indépendante, par conséquent du sens de ce champ. Pour s'affranchir de ces difficultés, l'invention propose d'utiliser dans une structure bimorphe un feuillet transducteur réalisé en matériau polymère diélectrique dépourvu de propriétés piézoélectriques, mais pourvu d'un excès de charge électrique, afin de linéariser son fonctionnement. Elle a plus précisément pour objet un transducteur bimorphe dnnt les plages actives comprennent au moins deux feuillets superposés et mécaniquement solidaires, dont l'un au moins est un matériau polymère diélectrique, et des électrodes permettant d'appliquer un champ électrique h l'un au moins des feuillets diélectriques, caractérisé en ce que ces électrodes encadrent au moins un feuillet diélectrique mais non piézoélectrique, porteur d'une charge électrique permanente. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description qui suit, illustrée par les figures annexées dont le contenu est le suivant: - la figure 1 représente en coupe une structure de transducteur bimorphe selon l'invention; - la figure 2 représente cette structure sous tension; - la figure 3 représente une seconde structure de transducteur selon l'invention; - la figure 4 représente une troisième structure; - la figure 5 est une variante de la structure précédente; - les figures 6 à 9 représentent des exemples de transducteurs bi- morphes selon l'invention; - la figure 10 est un exemple de dispositif comportant un transducteur bimorphe selon l'invention. On sait que tout diélectrique soumis à un champ électrique appliqué entre deux faces opposées, subit une pression électrostatique entre ces deux faces proportionnelle au carré du champ appliqué. Ce phénomène électrostatique s'applique en particulier à un dié- lectrique électretisé, c'est à dire porteur d' un excès de charge électrique permanent. Cette charge permanente crée un champ équivalent E e constant, qu'il faut ajouter au champ Ea appliqué via les électrodes pour l'évaluation de la déformation proportionnelle'1 subie par le diélectrique, soit: =A (E + E) 2 a e expression dans laquelle A est une constante qui a les dimensions de l'inverse du carré d'un champ électrique. En développant cette expression, il vient di 2 +E2 =A (E + E +2E E) a e a e et on voit que la variation proportionnelle de dimension du diélectrique est la somme, à un facteur constant près, d'un terme constant E et de deux e2 termes variables avec le champ appliqué, un terme quadratique E et un terme linéaire 2 EaEe Dans tous les cas o le champ appliqué est petit devant le champ équivalent, le terme quadratique a une valeur faible devant le terme linéaire, et on peut alors considérer que la variation relative de dimension du diélectrique électretisé est une fonction linéaire du champ appliqué, c'est à dire de la tension appliquée aux électrodes. La déformation considérée jusque là est -la striction qui rapproche les deux faces opposées entre lesquelles on applique la tension électrique, et qu'on appellera déformation normale. Le diélectrique, comme tout solide qui subirait une striction dans une certaine direction, s'étend de manière isotrope dans le plan perpendiculaire à cette direction. Cette déformation, dite tangentielle, est liée à la déformation normale par le coefficient de Poisson du matériau. Par conséquent, si la déformation normale est une fonction linéaire d'un champ électrique appliqué, la déformation tangentielle associée est également une fonction linéaire de ce même champ (pour de faibles valeurs des allongements proportionnels). L'invention se propose d'exploiter cette propriété pour un feuillet diélectrique chargé de façon permanente, et dont les deux faces sont recouvertes de couches conductrices qui constituent deux électrodes opposées entre lesquelles on peut faire agir un générateur de tension. Quand on applique une tension d'excitation entre les deux électrodes, le feuillet se comporte comme un transducteur électromécanique et subit, en plus de la déformation normale, une déformation tangentielle, fonction linéaire de la tension appliquée. En fait, comme la déformation normale, cette déformation tan- gentielle est très faible, mais on peut l'exploiter dans une structure bi- morphe analogue à celle que l'on peut obtenir avec un matériau piézo- électrique vrai, en l'associant avec un autre matériau qui résiste mécanique- ment à la déformation tangentielle et donne naissance à une incurvation de l'ensemble. Une première possibilité est représentée sur la figure 1. C'est une structure composite comprenant deux diélectriques 1 et 2 en matériaux polymères sous forme de feuillets. Le diélectrique 1 porte une charge permanente répartie sur un plan situé à une certaine distance de la surface. Cette charge est représentée par les petites croix 3. Les deux faces de cc diélectrique 1 sont recouvertes d'une métallisation qui constitue les électrodes 4 et 5. Selon l'interface contenant l'électrode 5, les deux diélectriques sont couplés mécaniquement par -une liaison qui assure la transmission des efforts tangentiels du diélectrique 1 au diélectrique 2, sans qu'il y ait glissement d'un feuillet par rapport à l'autre. Cette liaison peut être réalisée par collage, par exemple, avec une colle époxy. On raccorde un générateur de tension 6 aux électrodes 4 et 5. Sous l'effet de la tension appliquée, qui agit en plus de la tension équivalente associée aux charges permanentes 3, l'ensemble se déforme comme représenté sur la figure 2. Le feuillet 1 subit en tous ses points un allongement sous l'effet de forces tangentielles, comme représentées par les flèches 7 autour du point I. Ces forces existent en particulier tout le long de l'interface avec le diélectrique 2. Comme l'interface transmet les efforts tangentiels, le diélectrique 2 est soumis aux mêmes forces d'allongement le long de l'interface. Par contre, la surface libre du feuillet 2 n'est soumis à aucune contrainte extérieure. Il existe donc, dans l'épaisseur du feuillet 2, un gradient d'efforts tangentiels qui provoque la flexion du dispositif. Cette flexion est commandée linéairement par une tension appliquée sur le diélectrique 1 contenant une charge permanente. Le dispositif fonctionnera de la même façon si le-diélectrique 2 est remplacé par une couche d'un autre matériau, même métallique. On peut aussi empiler plus de deux feuillets. Le dispositif fonctionnera si l'un au moins de ces feuillets est une couche diélectrique chargée de façon permanente, et entre les faces de laquelle on peut appliquer une tension extérieure, et si les feuillets sont couplés mécaniquement pour assurer la transmission sans glissement des efforts tangentiels. Une autre possibilité de structure est représentée sur la figure 3. Le feuillet diélectrique 1 porteur de la charge électrique 3 est accolé, 247290O selon l'interface 8, à un autre feuillet diélectrique 20. Là encore, la liaison entre les feuillets 1 et 20 assure la transmission des efforts tangentiels sans glissement. Les surfaces libres des diélectriques 1 et 20 sont recouvertes d'une couche conductrice qui constitue les électrodes 4 et 5 auxquelles on raccorde un générateur de tension 6. Les deux diélectriques 1 et 20 sont choisis tels que, sous l'effet de la tension appliquée entre les électrodes, les déformations intrinsèques induites dans les deux diélectriques sont différentes, et en particulier les déformations tangentielles. Il en résulte que si on applique une tension entre les électrodes 4 et 5 de la structure de la figure 3, cette structure se déforme et fléchit comme dans le cas précédent puisque ses deux composants 1 et 20 subissent des efforts tangentiels différents. Là encore, pour une gamme de tensions pas trop élevées, la dé- formation relative obtenue varie linéairement avec la tension appliquée. Si la charge est répartie à l'interface 8 des deux feuillets 1 et 20, la déformation mécanique relative est directement proportionnelle à la tension appliquée, et on peut calculer le coefficient de proportionnalité, c'est l'analogue du coefficient piézoélectrique correspondant d'un matériau piézoélectrique vrai. Ce coefficient est fonction des caractéristiques des deux diélectriques et se calcule en fonction des constantes diélectriques, des coefficients élastiques et de la charge introduite. A titre d'exemple, pour une charge de 5.10-5 C. cmr2, répartie à l'interface d'un feuillet de polypropylène de 25 microns d'épaisseur et d'un feuillet de mylar de 6 microns d'épaisseur, on obtient un coefficient piézo- électrique g de 0,5 V.m.N-1. D'autres couples de matériaux sont utilisables, par exemple poly- propylène et PVC, polyester et copolymère à base de PVC, etc... Ces deux exemples de structure concernent les cas o n'entrent en jeu que des tensions d'excitation de faible amplitude. Pour des. excitations électriques importantes on ne peut plus considérer que les déformations relatives sont des fonctions linéaires des tensions appliquées, ou délivrées. La figure 4 représente une structure qui permet de s'affranchir de cette limitation et peut être utilisée pour des contraintes importantes. 247290' C'est une structure composite qui comprend deux feuillets polymères diélectriques identiques 1 et 11 et trois électrodes 4, 5 et 9. Les feuillets 1 et Il portent les mêmes charges permanentes 3 et 30 réparties sur des plans symétriques par rapport à l'interface. Les deux feuillets adhèrent à l'électrode centrale 9, de telle sorte qu'ils ne peuvent glisser l'un par rapport à l'autre sous l'effet d'efforts tangentiels. Les surfaces libres de cette structure portent les électrodes 4 et 5. Les électrodes 4, 5 et 9 sont alimentées par le générateur de tension 6 par l'intermédiaire du transformateur 12 qui impose aux feuillets 1 et 11 des tensions de même amplitude mais en opposition de phase. Les deux feuillets sont par ailleurs, soumis à la même tension équivalente associée à la charge permanente introduite dans ces feuillets. Les deux diélectriques 1 et 11 subissent des déformations relatives différentes puisque respectivement proportionnelles aux carrés de la somme et de la différence de la tension équivalente et de la tension appliquée. La- déformation résultante est donc encore une flexion. De plus, la déformation relative résultante provenant de la différence des contraintes que subissent chacun des feuillets est proportionnelle à la tension appliquée car les termes quadratiques s'éliminent. Le même effet serait obtenu avec la structure de la figure 5, o les deux diélectriques identiques 1 et 11, sont porteurs des charges égales mais de signe contraire 3 et 31, et soumis à des tensions identiques, en phase. Les feuillets identiques 1 et 11 de la figure 4 ou de la figure 5 pourraient être des feuillets composites, constitués de plusieurs couches de matériaux différents, dont l'une au moins serait une couche diélectrique portant une charge permanente. D'une façon plus générale, dans l'une quelconque des structures décrites, les feuillets homogènes porteurs d'un excès de charge permanent, peuvent être remplacés par des feuillets hétérogènes constitués d'une pellicule diélectrique capable de stocker les charges électriques solidaire d'un feuillet choisi pour ses propriétés mécaniques. On vient de décrire différentes structures stratifiées dont la carac- téristique est de répondre par une flexion à une contrainte électrique, ce qui les assimile à des éléments bimorphes. 247290î Elles sont toutes constituées de plusieurs couches diélectriques dont l'une au moins contient une charge permanente, et d'au moins deux couches conductrices permettant de faire agir une tension électrique. Ces différentes couches sont couplées mécaniquement de façon à ce que, sous l'effet d'efforts tangentiels, il ne se produise aucun glissement d'une couche par rapport à l'autre. Bien entendu, on peut définir des plages actives caractérisées par l'absence de glissement et ces plages sont alors environnées par des régions o le glissement empêche la transmission des efforts tangentiels. Pour réaliser par exemple, une structure analogue à celle qui est représentée sur la figure 3 et dans laquelle les deux feuillets diélectriques sont associés sans électrode intermédiaire, on peut procéder de la manière suivante: - on part d'une feuille de polymère synthétique, polypropylène par exemple. - on introduit une charge électrique par décharge corona, ou par bombardement électronique ou ionique. - sur une des surfaces, on dépose le deuxième polymère, en solution dans un solvant approprié, par coulage, trempage, dépôt à la tournette, pulvérisation, etc..., et on fait évaporer le solvant. - Une variante de cette étape est de déposer le deuxième polymère sous forme de monomère en solution et d'effectuer la polymérisation in situ, par un éclairage approprié par exemple, s'il s'agit d'un composé photopolymérisable, comme le photopolymère Photocryl. - Une autre variante de cette étape est d'assembler, à l'aide d'une colle époxy polymérisable, une autre feuille diélectrique, après traitement des surfaces à coller par attaque électrique ou bombardement ionique. Ce traitement permet, en une opération, de préparer les surfaces et d'introduire la charge électrique nécessaire à la réalisation du dispositif. - La charge électrique peut tout aussi bien être introduite après assemblage des deux couches, en utilisant une énergie d'implantation de particules chargées appropriée. - L'assemblage des deux couches diélectriques peut être obtenu directement par coextrusion des deux polymères utilisés. La charge électrique est, dans ce cas introduite après. - La feuille composite constituée des deux feuillets polymères soudés est alors métallisée sur ses deux faces, et on obtient la structure représentée sur la figure 3. Pour réaliser les structures comportant une électrode entre deux couches diélectriques, comme les cas représentés sur la figure 1 ou sur la figure 4, il faut évidemment mettre en place cette électrode intermédiaire avant d'assembler les deux feuillets, et, à part la coextrusion, les procédés cités précédemment sont utilisables. L'épaisseur des structures stratifiées peut être très variable, de quelques dizaines à quelques centaines de microns, selon l'usage auquel elles sont destinées. Les épaisseurs relatives des différentes couches constituantes peuvent être déterminées en fonction de leur constante diélectrique et de leur élasticité mécanique. Le matériau, obtenu sous forme de feuilles planes, peut être utilisée à la réalisation de cylindres, cônes, bandes enroulées. Il peut aussi être thermoformé sur un moule, ce qui permet d'obtenir des sphères, des calottes sphériques, des troncs de cône, des cylindres fermés, des protubérances sur un plan, etc... Il est avantageux, alors, d'introduire la charge électrique permanente après l'opération de thermoformage. Les applications concernent essentiellement les capteurs de pression et de déplacement, tels que hydrophones, microphones, etc.. Ce matériau est également utilisable pour réaliser des actuateurs tels que écouteurs, haut- parleurs, moteurs, etc.. Dans le cas des structures comportant des feuillets porteurs d'un excès de charge, l'un des feuillets peut convertir l'énergie électrique en énergie mécanique, et l'autre remplir la fonction inverse. Cette structure stratifiée à comportement piézoélectrique bimorphe manifeste évidemment un effet pyroélectrique et peut donc servir à toutes les applications de cet effet, par exemple, détection des points chauds, détection d'intrus, imagerie infrarouge, etc... A titre d'exemple, on décrit ci-après trois transducteurs particuliers que l'on peut obtenir avec ce matériau composite à effet piézoélectrique bimorphe. Le premier transducteur est représenté sur la figure 6. C'est une barre dont l'une des extrémités est encastrée sur un support fixe 13. Cette barre est constituée de deux lames de polymères diélectriques différents 1 et 20, collées ou soudées selon l'interface 8, sur laquelle on a réparti la charge électrique permanente qui donne à la structure ses proprié- tés piézoélectriques. Les faces supérieures et inférieures sont recouvertes de couches métalliques formant les électrodes 4 et 5 qui sont reliées à un générateur de tension 6. Quand on applique une tension électrique entre les deux électrodes 4 et 5, la barre fléchit et son extrémité libre se déplace d'une quantité notable. Elle peut vibrer si on alimente les électrodes avec une tension alternative. A titre d'exemple, un domaine d'application est le vidéodisque: sur l'extrémité libre de la barre, on peut fixer une lentille ou un miroir et commander ainsi, par une tension, leur déplacement de faible amplitude d'une façon précise. Le miroir peut être plan ou à courbure variable et être constitué directement par une métallisation de la structure. Un deuxième exemple de transducteur mettant en oeuvre ce matériau est représenté sur la figure 7. C'est une lamelle bimorphe arc-boutée entre deux supports fixes 101 et 102, pour constituer un élément bistable qui peut prendre les deux positions stables 103 et 104 représentées sur la figure 7. On passe de l'un à l'autre en appliquant à la structure une tension convenablement polarisée. Des applications possibles sont des contacts électriques, des miroirs, etc... Un autre exemple de transducteur constitué avec ce matériau est la forme non développable autoportante représentée en coupe sur la figure 8. Cette forme peut constituer la membrane active d'un microphone. Son fonctionnement est analogue à celui du microphone à électret classique, à lame d'air. Son avantage est de ne pas être sensible à l'humidité. Pour la réalisation de ce dispositif, les diélectriques 1 et 20 peuvent être soudés à l'état de feuilles planes, ou coextrudés. L'ensemble est alors thermoformé selon cette calotte sphérique dont les deux faces, intérieures et extérieures sont recouvertes d'une métallisation qui constitue les électrodes de commande 4 et 5. Le diamètre de cette calotte sphérique est typiquement de quelques centimètres à une ou deux dizaines de centimètres, et l'épaisseur environ 25 microns. Cette forme, recouverte d'électrodes métalliques bien réfléchissantes peut constituer un miroir dont le rayon de courbure et par conséquent la vergence, est commandé par une tension électrique. On dispose ainsi d'un composant optique précis et de prix de revient bas, qui peut aussi trouver son application dans le vidéodisque. Le troisième exemple de transducteur est une surface ondulée, comme représentée sur la figure 9. Elle est constituée de deux feuilles soudées selon l'interface 8 des diélectriques 1, chargé électriquement, et 20 non chargé, selon la structure représentée sur la figure 3. Les deux faces sont métallisées, ce qui constitue les électrodes 4 et 5 entre lesquelles on applique une tension. On se place dans le cas o le diélectrique 1 s'allonge plus que le diélectrique 20, et on représente en pointillés la déformation de l'interface 8. La demi-ondulation représentée sur la figure 9 par AB se déforme selon AB', avec un déplacement angulaire odu point B, car le rayon de courbure de l'ondulation diminue du fait du sens de la flexion imposé par les allongements respectifs des deux couches 1 et 20. La demi-ondulation BC s'ouvre, au contraire, et vient selon B'C', avec un déplacement angulaire supplémentaire O'. De même les demi-ondulations suivantes CD, DE, EF, se referment et s'ouvrent successivement, et viennent selon C'D', D'E', E'F'. Finalement, le déplacement résultant du coté libre de cette surface ondulée, parallèle aux ondulations est amplifiée par rapport à celui d'une surface plane de même encombrement. Cette surface ondulée peut constituer une membrane de haut-parleur, comme représenté sur la figure 10. La partie active de ce hautparleur est la membrane ondulée rectangulaire 14. Elle est entourée par le cadre rigide 15, dont on a enlevé un côté pour rendre le dessin plus explicite. La membrane est attachée par l'ondulation médiane 16 à un support fixe 17, et les bords de la membrane peuvent glisser le long des parois du cadre sous l'effet d'une tension électrique appliquée entre les deux faces et qui provoque la déformation expliquée par la figure 9. Beaucoup d'autres transducteurs peuvent être obtenus sur le principe d'une structure composite dont la caractéristique est d'avoir un comportement piézoélectrique bimorphe, sans contenir d'élément pié- zoélectrique vrai, et les exemples donnés ne constituent pas une limination de l'invention. 247290a REVENDICATIONS 1. Transducteur bimorphe dont les plages actives comprennent au moins deux feuillets superposés et mécaniquement solidaires, dont l'un au moins est un matériau polymère diélectrique, et des électrodes permettant d'appliquer un champ électrique à l'un au moins des feuillets diélectriques, caractérisé en ce que ces électrodes encadrent au moins un feuillet diélectrique mais non piézoélectrique, porteur d'une charge électrique permanente. 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux électrodes encadrant un feuillet diélectrique porteur d'une charge électrique permanente. 3. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en -outre un deuxième feuillet diélectrique. 4. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un deuxième feuillet conducteur. 5. Transducteur selon- la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux électrodes encadrant deux feuillets diélectriques différents dont l'un au moins est porteur d'une charge électrique permanente. 6. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend trois électrodes encadrant deux feuillets diélectriques porteurs de charges électriques permanentes. 7. Transducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux feuillets diélectriques sont identiques et qu'ils portent des charges identiques, ce transducteur étant associé édes moyens d'excitation qui permettent de le soumettre à des tensions de même amplitude, mais en opposition de phase. 8. Transducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux feuillets diélectriques sont identiques, et qu'ils portent des charges égales mais de signe contraire, ce transducteur étant associé à des moyens d'excitation qui permettent de le soumettre à des tensions de même amplitude et en phase. 9. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un troisième feuillet mécani- quement solidaire des autres. 247290Q 10. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'un au moins des feuillets porteur d'une charge électrique permanente est hétérogène et qu'il est constitué d'une couche propre à stocker les charges électriques, et d'une couche d'un autre matériau choisi pour ses propriétés mécaniques, les deux couches étant mécaniquement solidaires l'une de l'autre. 11. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il constitue une barre encastrée. 12. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il constitue un élément bistable. 13. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il constitue une forme non développable autoportante. 14. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il constitue une surface ondulée.