Brevet FR2506505A1 — publié le 19821126

DISPOSITIF TRANSFORMATEUR PIEZOELECTRIQUE La présente invention se rapporte à des dispositifs transformateurs d'énergie électrique mettant en oeuvre la conversion électromécanique par exploitation des effets piézoélectriques direct et inverse. Elle concerne plus particulièrement des dispositifs transformateurs dans lesquels l'un des organes transducteurs comporte un matériau polymère qui, moyennant un traitement approprié, présente des propriétés piézoélectriques semblablesà celles que possèdent les corps appartenant à certaines classes de cristaux. Les polymères dans lesquels on peut développer de tels effets sont nom breux, à titre indicatif, on peut citer le polyfluorure de vinylidène (PVF2), le polychlorure de vinyle (PVC), le polyfluorure de vinyle (PVF), ainsi que des copolymères, par exemple l'association du polytétrafluoréthylène et du polyfluorure de vinylidène (PTFE-PVF2). Ces matériaux piézoélectriques se présentent généralement sous la forme de films plans, métallisés sur leurs deux faces. Les films peuvent avoir été étirés mécaniquement pour obtenir des propriétés piézoélectriques orientées mais ils peuvent aussi n'avoir subi aucun traitement mécanique particulier. Dans tous les cas, ces films ont été polarisés par application de champ électrique intense, à température supérieure ou égale à la température ambiante. Grâce à ce traitement, les chaînes macromoléculaires s'orientent de sorte qu'à l'échelle macroscopique, on développe des propriétés piézoélectriques exploitables pour réaliser des transducteurs électromécaniques. On a déjà utilisé ces films pour confectionner des capteurs de pression et de déplacement- (microphone, hydrophone, jauge de contrainte, ...) , des écouteurs, des haut-parleurs. Comme il s'agit de transducteurs ayant la structure d'un condensateur électrique, ils ont une impédance électrique relativement forte à basse fréquence. En outre, les tensions électriques d'excitation peuvent atteindre plusieurs centaines de milliers de volts ce qui pose un problème d'adaptation au niveau du raccordement à des circuits électroniques utilisant des composants actifs à l'état solide. Pour résoudre ce problème l'invention propose d'associer des matériaux polymères à des matériaux piézoélectriques classiques, par exemple une céramique comme le titano zirconate de plomb, pour réaliser des dispositifs transformateurs. Les caractéristiques piézoélectriques et électromécaniques de ces deux types de matériaux étant très différentes, un dispositif conforme à l'invention nécessite un couplage mécanique adaptant au mieux les caractéristiques de déformation des deux types de transducteurs utilisés. Le domaine d'application privilégié d'un dispositif conforme à l'invention sera la génération de hautes tensions, sous faible débit. A titre d'exemple non limitatif, on peut citer les générateurs corona, les amplificateurs de brillance, les chambres à ionisation, etc... L'invention sera mieux comprise au moyen de-la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles La figure 1 représente un premier mode de réalisation du transformateur conforme à l'invention. La figure 2 représente une première variante de réalisation du transformateur de la figure 1. La figure 3 représente une seconde variante de réalisation du transformateur de la figure 1. La figure 4 représente une troisième variante de réalisation du transformateur de la figure 1. La figure 5 est une vue en perspective d'un transformateur utilisant la technique d'amplification de déplacement par arcboutement. Les figures 6, 7 et 8 représentent des variantes de réalisation du transformateur de la figure 5. La figure 9 représente un transformateur utilisant la technique d'amplification de déplacement par effet de flexion d'une structure bimorphe. Sur la-- figure 1, on a représenté une base rigide 1 sur laquelle reposent des transducteurs piézoélectriques 3 et 6. Le transducteur piézoélectrique 3 est muni de deux électrodes 4 et 11 reliées à deux bornes d'entrée 9. Le transducteur piézoélectrique 6 est muni d'électrodes 7 et 11 qui sont reliées à deux bornes de sortie 10. Le sommet du transducteur 3 est mécaniquement couplé à l'extrémité A d'un levier de couplage 5. Le sommet du transducteur 6 est relié à l'extrémité B du levier 5. Le levier 5 est articulé en 0 sur un couteau 2 qui repose sur la base 1. Les longueurs 11, et 12 des deux bras du levier 5 définissant un rapport de transformation mécanique entre les forces et les déplacements.Un déplacement A el au point A donne naissance au point B à son déplacement A e2 de sens contraire. La force F1 appliquée en A donne naissance en B à une force F2 de sens contraire. Pour fixer les idées, on peut relier ces grandeurs par la relation: La transformation de la tension électrique V1 appliquée aux bornes 9 en une tension électrique V2 disponible aux bornes 10 fait intervenir le moyen de couplage mécanique dont le levier 5 est un exemple simple, mais elle fait intervenir aussi les caractéristiques propres des transducteurs 3 et 6. Pour commencer, on peut supposer que le matériau piézoélectrique du transducteur 3 est un bloc à faces parallèle de hauteur e1 et de section S1 à la base. De même, le transducteur 6 est formé d'un bloc à faces parallèles de hauteur e2 et de section S2 à la base. La polarisation des transducteurs 3 et 6 est telle que la tension V1 engendre un déplacement xl perpendiculaire aux faces revêtues d'électrodes et que le déplacement x2 engendre à son tour la tension V2. Il y a donc parallélisme entre le déplacement et le champ electrique à l'intérieur des matériaux piézoélectriques utilisés pour confectionner les transducteurs 3 et 6. Ces transducteurs vibrent en épaisseur de sorte que le montage de la figure 1 peut être qualifié de longitudinallongitudinal.Ceci résulte de l'orientation parallèle du champ électrique et des déplacements, en abrégé ce montage sera dit "LL". Pour la commodité de expose', nous désignerons par "primaire" le transducteur 3 et par "secondaire" le transducteur 6. Du point de vue de l'effet piézoélectrique, au primaire, on a les relations où X1 est la contrainte mécanique F1/S1, E1 le champ électrique interne, P1 la polarisation électrique et A e1 le déplacement du point A. Les coefficients dl, sl, X 1 caractérisent le matériau piézoélectrique utilisé au primaire. Pour le secondaire, on a des relations similaires: d2X2+ X2E2=O (3) Ae #2 #2 + d2 E2 - 2 (4) e2 Le second membre de la relation (3) est nul, car on a pris pour hypothèse que le circuit secondaire est ouvert. X1 est la contrainte mécanique F2/S2, E2 le champ électrique interne et A e2 le déplacement du point B. Les coefficients d2, s2 et X2 caractérisent le matériau piézo électrique utilise au secondaire. A l'aide des relations (0) à (4) et en utilisant l'expression du coefficient de couplage électromécanique: on peut calculer le gain en champ électrique On trouve: Le rapport de transformation optimal est: En adoptant ce rapport de transformation, le gain GE peut se mettre sous la forme: (GE)n optimal Ce gain peut se mettre sous la forme: (GE) n optimal Le facteur Am ne dépend que des matériaux piézoélectriques, car dl et d2 sont des coefficients piézoélectriques et sl et S2 des compliances mécaniques. Le facteur A g est lié au dimensionnement des transducteurs. A titre d'exemple, on peut rechercher la valeur prise par le facteur Am pour différents couples de matériaux piézoélectriques obtenus avec pour matériaux de base une céramique piézoélectrique PZT et du polyfluorure de vinylidène polarisé (PVF2). Pour cette estimation, on prend les données suivantes: k2 = 3 ; k2 0 04 ~2 PZT kPVF = 0,04; 2 dPZT/dPVF = 15 ; SPVF /SPZT = 10. 2 2 On trouve: pour le couple PZT - PZT A = 0,25 m pour le couple PZT-PVF2 Am = 1,86 pour le couple PVF2-PVF2 A m = 0,04 pour le couple PVF2-PZT Am = 0,01. On voit que l'utilisation au primaire d'une céramique piézoélectrique et au secondaire d'un polymère piézoélectrique fournit un résultat beaucoup plus avantageux que toute autre combinaison. Conformément à l'invention, c'est le couple céramique-polymère qu'il convient d'utiliser. Avec la configuration LL de la figure 1, on peut calculer le gain en tension GV Ce gain vaut: soit: égal à - 30, le rapport de transformation n était égal à 10. Dans ce qui précède, on a considéré que les deux extrémités du levier 5 se déplacent dans le sens des champs électriques E1 et E, ce qui correspond à la configuration LL, c'est-à-dire longitudinale-longitudinale. D'une façon générale, le volume piézoélectrique se déforme en tous sens de sorte que des déplacements transversaux peuvent également servir à mou voir les extrémités du levier 5. Sur la figure 2, on peut voir les éléments essentiels d'une configuration transversalclongitudinale dite TL. Pour simplifier le dessin, on a omis la base 1 et le couplage mécanique par levier est simplement esquissé en pointillé. Le transducteur 3 comporte un bloc de céramique piézoélectrique ayant une hauteur el, une largeur tl et une profondeur 1. Le champ électrique E1 est parallèle à la face motrice reliée au levier 5. Le transducteur 6 est fait d'un bloc de polymère piézoélectrique de hauteur e2, de largeur t2 et de profondeur A2. Le champ électrique E2 au sein du transducteur 6 est normal à la face réceptrice actionnée par le levier 5. Pour cette configuration transverse longitudinale, on peut calculer un gain en tension Gv qui est donné par la relation: Avec les données suivantes: t1=t2=e1 et e2/e 1 2 on obtient un gain GV =- 93 avec un facteur de transformation mécanique n = 9,8. La configuration inverse, c'est-à-dire longitudinale-transversale (LT) est illustrée sur la figure 3. Les mêmes références désignent les mêmes éléments que sur la figure 2. Le gain GV est donné par l'expression: Avec: e2 = t2 = tl = 10 el et X 2-= 10. On trouve un gain de même valeur qu'avec la configuration TL. Les configurations TL et LT des figures 2 et 3 peuvent donner un gain en tension plus important que la configuration LL. Une dernière configuration possible est la configuration TT, c'est-àdire transversale-transversale. Elle est illustrée par la figure 4. Dans ce cas, le gain en tension GV est donné par l'expression: Avec: on obtient le même gain qu'avec la configuration LL. On peut remarquer que lorsqu'un transducteur est monté en configuration transversale, on dispose d'un paramètre supplémentaire pour dimensionner le transformateur. Dans la description qui précède, le moyen de couplage intertransducteurs est un simple levier 5 fournissant une amplification mécanique n. En pratique, l'amplification mécanique nécessaire pour adapter les impédances mécaniques primaire et secondaire peut être déterminée au moyen de la relation (5). Pour la réaliser on peut faire appel à la technique d'arcboutement ou à la flexion d'une structure bimorphe. La figure 5 représente un transformateur conforme à l'invention mettant en oeuvre la technique d'arcboutement. Ce transducteur comporte une base rigide en forme de U. Un transducteur primaire 3 constitué par une lamelle de céramique est arc-bouté entre deux angles intérieurs de la base rigide 1. Les faces cintrées du transducteur 3 portent les électrodes 4 et Il. Le rayon de courbure de la plaquette céramique du transducteur 3 dépend de la distance séparant ses extrémités lorsqu'elles est montée et de la longueur de l'arc soutendu par cette distance. La flèche que présente la plaquette varie de façon beaucoup plus importante que la variation de longueur de cette plaquette céramique et c'est cet effet amplificateur qui permet de réaliser le couplage approprié avec le transducteur 6, lequel est fixé par ses extrémités respectivement à la base 1 et au milieu de la face concave de la plaquette du transducteur 3. La configuration illustrée sur la figure 5 est du type transversal-transversal, mais on pourrait tout aussi bien monter les électrodes 7 et 12 du transducteur 6 pour fonctionner selon la configuration transversale-longitudinale. La multiplication de l'amplitude de déplacement apportée par la disposition en arc de la figure 5 peut atteindre un facteur compris entre 10 et 100 selon que l'arc est plus ou moins incurvé. Pour un facteur d'amplification n = 10, on choisi l'incurvation de la céramique piézoélectrique de façon à fournir un coefficient d'amplification égal à 20 avant montage du secondaire. La disposition illustrée par la figure 6 utilise une base rigide 1 en forme de cadre, afin que le transducteur 3 puisse agir en son milieu sur deux transducteurs 6. La tension d'entrée du transformateur est appliquée aux électrodes 4 et Il qui recouvrent les faces de la lamelle de céramique piézoélectrique. Les électrodes 7 et 12 qui recouvrent les faces du polymère piézoélectrique constituant les transducteurs 6 délivrent des tensions électriques qui peuvent être égales et de signes contraires. On obtient donc un transformateur à secondaires symétriques permettant de réaliser un montage du type "push pull". En interconnectant les électrodes 7 et 12, on peut relier les secondaires en série ou en parallèle. Pour le montage en parallèle, il est nécessaire que les tensions délivrées soient égales. La disposition illustrée par la figure 7 utilise également une base rigide 1 en forme de cadre. Le transducteur primaire est ici dédoublé grâce à l'utilisation de deux plaquettes de céramique piézoélectriques arcboutées à l'intérieur du cadre 1 sur des angles formés par deux bossages médians occupant les cotés du cadre 1. Le transducteur secondaire 6 occupe le centre de l'espace lenticulaire délimité par les deux transducteurs primaires 3. Les électrodes 4 et 11 recouvrant les faces incurvées des transducteurs 3 peuvent constituer des bornes d'entrées distinctes en vue d'une utilisation comme transformateur à deux entrées. Dans ce cas, le secondaire unique aura pour bornes de sortie les électrodes 7 et 12 qui recouvrent deux faces opposées du polymère piézoélectrique constituant le transducteur 6. Bien entendu, on peut interconnecter les électrodes 4 et 11 des deux transducteurs primaires 3, soit en série, soit en parallèle, afin que ceux-ci exercent sur le transducteur 6 des efforts antagonistes. Cette disposition permet d'obtenir une plus grande tension de sortie. En combinant les enseignements des figures 6 et 7, on peut réaliser des configurations de transformateurs à plusieurs primaires et plusieurs secondaires. Sur la figure 8, on peut voir une variante de réalisation qui utilise aussi l'effet d'arcboutement et qui s'apparente à la disposition de la figure 5. La différence réside dans le fait que la partie cintrée 13 qui fournit l'amplifica- tion mécanique est faite d'une lamelle de matériau non piézoélectrique dont les deux extrémités sont attachées à deux transducteurs primaires 3 fixés aux rebords de la base en U référencée 1. Le transducteur secondaire 6 est monté entre le milieu de la lamelle 13 et le fond de la base en U. On peut s'inspirer de la disposition de la figure 8 pour modifier les dispositions des figures 6 et 7. Au lieu d'utiliser l'effet d'arcboutement, tel qu'il vient d'être décrit, on peut mettre en oeuvre l'effet bimorphe. Sur la figure 9, on peut voir un cadre support rigide 1 dans le montant gauche duquel est encastrée une structure bimorphe constituant le transducteur primaire du transformateur selon l'invention. Cette structure bimorphe comprend une électrode centrale 11 à laquelle adhèrent deux plaquettes 3 et 30 de céramique piézoélectrique. Les faces libres des plaquettes 3 et 30 sont munies d'électrodes 4. La tension d'entrée est appliquée aux électrodes 4 et Il de telle façon que la plaquette 3 se dilate dans son plan lorsque la plaquette 30 se contracte. Il en résulte une incurvation de la structure bimorphe telle que son extrémité libre se rapproche de la base du cadre 1 et s'éloigne de son sommet. Lorsque la tension d'entrée s'inverse, le déplacement de l'extrémité libre a lieu en sens contraire.Le dispositif de la figure 9 comporte deux transducteurs secondaires 6 reliés à l'extrémité libre de la structure bimorphe et rattachés au cadre 1. Si les électrodes portées par les transducteurs 6 sont situées sur les faces qui n'adhèrent pas au cadre et à la structure bimorphe, le système transformateur est du type transversal-transversal. L'amplification mécanique produite par la structure bimorphe est calculable en appliquant les lois de la flexion simple des poutres élastiques. Cependant, l'adaptation de l'amplification mécanique s'obtient en faisant en sorte que sa valeur à vide soit double de celle que l'on observe avec les transducteurs 6 branchés. Les données précédentes visent plus particulièrement le fonctionnement statique d'un transformateur car elles ne font pas intervenir les forces d'inertie associées aux masses en mouvement. On sait que la déformation par effet piézoélectrique d'un bloc ayant une masse spécifique et une compliance mécanique s dépend de la fréquence d'excitation et que connaissant la vitesse de propagation d'une onde de déformation dans ce bloc, on peut montrer qu'il existe plusieurs fréquences naturelles d'oscillation. La plus basse de ces fréquences correspond à la résonance en demi-onde du bloc piézoélectrique. D'après ce qui précède, si l'on néglige les caractéristiques du moyen de couplage, on voit que le transformateur selon l'invention équivaut à deux résonateurs couplés, chacun ayant au moins une fréquence de résonance et un facteur de surtension fonction de l'amortissement propre du matériau utilisé. L'étude en fonction dey la fréquence de l'amplification de champ électrique entre primaire et secondaire montre qu'il est plus avantageux de ne pas faire coincider les fréquences de résonance du primaire et du secondaire. En outre lorsque la bande de fréquence à transmettre est centrée sur la fréquence de résonance du primaire, la fréquence de résonance du secondaire étant hors bande, on obtient un fonctionnement moins favorable que lorsque l'on utilise la solution inverse avec secondaire accordé. Du point de vue du produit gain-bande, la solution préférée est celle qui consiste à accorder le secondaire sans accorder le primaire. Pour terminer, il y a lieu de considérer que le transformateur selon l'invention n'a pas un rendement énergétique élevé. En effet, à l'adaptation mécanique et en régime statique le rendement est donné par l'expression: où k1 et k2 sont les coefficients de couplages des transducteurs primaire et secondaire. Avec les valeurs k2 = 0,3 et k2 = 0,04, on trouve un rendement n de 1,2 %. Le domaine d'application préférentiel de l'invention est d'une façon générale celui où l'on peut accepter un rendement faible en vue d'élever ou d'abaisser une tension électrique. Lorsqu'on doit réaliser une élévation de tension avec faible débit, on utilise avantageusement le fait que les champs de claquage des polymères piézoélectriques sont de 10 à 100 fois supérieurs à ceux des matériaux piézoélectriques minéraux. Le transformateur selon l'invention est particulièrement indiqué dans le domaine des générateurs à effet corona, des amplificateurs de brillance et des chambres à ionisation Dans la description qui précède, on a adopté une terminologie particulière pour désigner les modes transducteurs transversaux et longitudinaux. Lorsqu'il s'agit des transducteurs illustrés aux figures 1 à 4, cette termino logie ne pose pas de problème puisque la déformation du matériau piézoélectrique correspond en direction avec le déplacement de la face motrice ou réceptrice. Dans le cas des figures 5 à 7 et 9, la déformation du matériau piézoélectrique se produit perpendiculairement au déplacement communiqué à l'autre transducteur. Pour lever cette ambiguité, il suffit de se rapporter à la déformation et non au déplacement. Ainsi les transducteurs primaires des figures 5 à 7 et 9 doivent être considérés comme opérant selon le mode transversal. REVENDICATIONS 1. Dispositif transformateur d'énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens transducteurs piézoélectriques primaires (3) couplés mécaniquement à des moyens transducteurs piézoélectriques secondaires (6) ; lesdits moyens transducteurs piézoélectriques primaires (3) comportant un matériau piézoélectrique minéral; lesdits moyens transducteurs piézoélectriques secondaires (6) comportant un matériau polymère piézoélectrique. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le couplage mécanique entre les moyens transducteurs piézoélectriques primaires (3) et les moyens transducteurs piézoélectriques secondaires (6) est assuré par un élément mécanique (5,13) amplificateur de déplacement. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sollicitation mécanique des moyens transducteurs piézoélectriques secondaires (6) résulte d'une déformation du matériau constituant les moyens transducteurs piézoélectriques primaires (3); ladite déformation ayant lieu transversalement par rapport au champ électrique inducteur. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sollicitation mécanique des moyens transducteurs piézoélectriques secondaires (6) résulte d'une déformation du matériau piézoélectrique constituant les moyens transducteurs piézoélectriques primaires (3); ladite déformation ayant lieu suivant la direction du champ électrique inducteur. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les électrodes chargées par le champ électrique induit#dans le polymère piézoélectrique constituant les moyens transducteurs secondaires sont orientées suivant la direction de déformation dudit polymère en réponse à ladite sollicitation. 6. Dispositif selon rune des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les électrodes chargées par le champ électrique induit dans le polymère piézoélectrique constituant les moyens transducteurs secondaires sont orientées perpendiculairement à la direction de déformation dudit polymère en réponse à ladite sollicitation. 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément mécanique est un levier (5), 8. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément mécanique est une lame élastique cintrée (13) reliée en son centre aux moyens transducteurs piézoélectriques secondaires (6) et reliée à l'une au moins de ses extrémités aux moyens transducteurs primaires (3). 9. Dispositif selon la revendication 1 ,caractérisé en ce que les moyens transducteurs piézoélectriques primaires (3) comprennent au moins une lamelle piézoélectrique arcboutée dans un cadre (1) ; lesdits moyens transducteurs piézoélectriques secondaires comprenant au moins un élément (6) attaché audit cadre et à l'une des faces incurvées de ladite lamelle piézoélectrique; lesdites faces incurvées étant munies d'électrodes. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le point d'attache dudit élément (6) est au milieu de la face incurvée de ladite lamelle piézoélectrique. 11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens transducteurs piézoélectriques primaires (3) comprennent une struc- ture bimorphe encastrée à rune de ses extrémités dans un cadre rigide (1) ~ l'autre extrémité de ladite structure bimorphe agissant sur lesdits moyens transducteurs piézoélectriques secondaires (6). 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits moyens transducteurs piézoélectriques secondaires (6) comprennent au moins un élément ayant une extrémité attachée audit cadre et l'autre extrémité attachée à ladite structure bimorphe. 13. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau piézoélectrique minéral est une céramique piézoélectrique. 14. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit polymère piézoélectrique est du polyfluorure de vinylidène. 15. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résonance naturelle desdits moyens transducteurs piézoélectriques secondaires est située dans la plage de fréquences transmises par ledit transfor mateur; lesdits moyens transducteurs piézoélectriques primaires n'ayant pas de fréquence de résonance dans ladite plage de fréquence.