Brevet FR2517889A1 — publié le 19830610

"Procédé permettant de réaliser un dispositif piézo-électrique, ainsi qu'un dispositif réalisé selon ce procédé" L'invention concerne un procédé permettant de réaliser un dispositif piézo-électrique, selon lequel plusieurs plaquettes planes en un matériau piézo-céramique polarisable sont empilées avec interposition d'une plaquette métallique, après quoi les deux extrémités de la pile sont munies d'une plaque terminale et les deux plaques terminales sont reliées entre elles à l'aide d'au moins un élément de prétension et pressées l'une vers l'autre de façon que la pile de plaquettes soit soumise à une prétension mécanique, les plaquettes métalliques étant connectées, alternativement, à l'une puis à l'autre parmi deux électrodes. Un dispositif piézo-électrique du genre que concerne la présente invention est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Améri- que N' 2 473 835 Ce dispositif connu comprend une pile de plaquet- tes piézo-céramiques qui sont logées dans une douille cylindrique s'appliquant sans jeu contre la paroi latérale de la pile Dans ce dispositif connu, il s'agit de vibrations dans une direction perpen- diculaire à l'axe géométrique de la pile et pour minimiser l'influ- ence des plaques terminales, les deux extrémités de la douille sont munies d'une rainure annulaire. Dans un autre dispositif connu du brevet britannique No. 1.387 323, il s'agit de variations de la longueur d'une pile de pla- quettes céramiques dans la direction axiale de la pile Du fait que ces variations de longueur peuvent être transmises par l'intermédiai re des plaques terminales à l'ambiance, il est d'importance primor- diale que ces plaquettes s'appliquent sans jeu contre la pile, alors que des jeux se produisant dans la pile doivent également être évi- tés autant que possible Pour atteindre ce but, les plaquettes sont appliquées avec une certaine prétension contre la pile A cet effet, on utilise une douille cylindrique qui est reliée aux plaques termi- nales et qui est étirée de façon à obtenir la prétension requise. De plus, de la pratique, il est connu de mettre la pile sous prétension à l'aide d'un boulon central permettant d'appliquer les plaques terminales contre la pile à l'aide dlécrous. Tant ladite douille cylindrique que le boulon central présentent l'inconvénient de leur grande rigidité, ce qui veut dire que dans la région de la prétension requise, toute variation de la longueur de la douille ou du boulon s'accompagne d'une assez grande augmentation de la force La pile piézo-électrique doit s'allonger à l'encontre de cette force, ce qui est évidement difficile La ri- gidité de la douille de prétension ou du boulon réduit donc l'effet du dispositif. Un autre désavantage inhérent au dispositif connu est que la réalisation est assez coûteuse, ce qui est partiellement dû au fait qu'il est usuel de munir les plaquettes d'une électrode conduc- trice avant l'assemblage et de les polariser ensuite. L'invention vise à fournir un procédé permettant de réa- iser un dispositif du genre mentionné ci-dessus, permettant d'obte- nir une structure meilleure et moins coûteuse que celle des dispo- sitifs connus. Le procédé conforme à l'invention est caractérisé en ce que les plaquettes céramiques sont empilées à l'état non polarisé et que les plaquettes métalliques sont mises en contact direct avec le matériau céramique, après quoi l'élément de prétension est choisi de façon à exercer une grande force de prétension sur la pile et à présenter une caractéristique d'élasticité horizontale, après quoi l'application de la tension nécessaire aux électrodes, éventuelle- ment en combinaison avec l'augmentation de la température du dispo- sitif permet de polariser les plaquettes céramiques. L'application d'un élément de prétension présentant une caractéristique d'élasticité horizontale permet d'appliquer ainsi une grande force de prétension. Ainsi, tous les jeux se produisant dans la pile sont éli- minés d'une façon très efficace Il est ainsi également possible de munir les plaquettes d'une électrode et de les polariser après as- semblage La grande force de prétension contrecarre en premier lieu les déformations des plaquettes pendant la polarisation et s'il se produit néanmoins une telle déformation, les plaquettes intermédiai- res métalliques sont appliquées si fortement contre les plaquettes céramique qu'un contact suffisant entre les plaquettes métalliques et les plaquettes céramiques est toujours assuré. Dans le cas o les matériaux décrits dans la demande de brevet européen N O 80 200439 0 sont utilisés pour les plaquettes céramiques par exemple, la polarisation peut s'effectuer à la tempé- rature ambiante normale Toutefois, lorsque d'autres matériaux sont éventuellement utilisés, le dispositif est porté à une température plus élevée pendant la polarisation. L'invention concerne également un dispositif réalisé con- formément au procédé ainsi qu'un dispositif comportant plusieurs plaquettes planes empilées en un matériau piézo-céramique polarisa- ble se trouvant entre deux plaques terminales qui sont reliées par au moins un élément de prétension de façon que la pile des plaquet- tes soit soumise à prétension, alors qu'entre chaque paire de pla- quettes voisines se trouve une plaquette métallique mince, les pla- quettes-métalliques étant connectées en alternance à une première respectivement à une deuxième électrode Conformément à l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce que chacune des plaquettes mé- talliques est en contact direct avec le matériau céramique des pla- quettes en question et l'élément de prétension exerce une grande force de prétension et présente une caractéristique d'élasticité horizontale. Selon une autre-forme de réalisation de l'invention, le dispositif est caractérisé en ce que selon plusieurs premiers plans perpendiculaires à l'axe géométrique de la douille cylindri- que, l'élément de prétension est formé par une douille cylindrique, qui est munie de deux fentes réalisées des deux côtés d'une première zone diamétrale et dans plusieurs seconds plans situés alternative- ment entre les premiers plans, d'une façon analogue, de deux fentes situées des deux côtés d'une deuxième zone diamétrale, les deux zo- nes diamétrales formant un angle entre elles. Ainsi, on a obtenu une douille de prétension cylindri- que qui peut être très solide dans la direction radiale et qui peut fournir la force de prétension nécessaire dans la direction axiale et de plus, qui présente une caractéristique d'élasticité horizonta- le Cela implique que la pile de plaquettes peut être chargée d'une assez grande force de prétension permettant de supprimer tous les jeux, alors que des variations de la longueur ne sont pas contrecar- rées par une force d'élasticité augmentant de façon inadmissible. Entre autres du fait que dans les structures connues, la force de prétension doit être limitée, les faces terminales de chacune des plaques céramiques dans ces structures sont munies par exemple par évaporation, d'une couche métallique mince, par exemple une couche d'argent mince de façon à obtenir un contact suffisant avec les électrodes même dans le cas d'une faible force de préten- sion Les électrodes sont formées par deux feuilles métalliques qui sont enroulées chaque fois entre les plaquettes céramiques La mé- tallisation des faces terminales de chacune des plaques céramiques constitue une opération très laborieuse et coûteuse et présente en outre le désavantage d'un risque d'un court-circuit se formant en- tre les deux faces terminales par suite de la diffusion poursuivie du métal dans le matériau céramique. Dans le dispositif conforme à l'invention, ces inconvé- nients sont éliminés du fait que chacune des feuilles métalliques est en contact direct avec le matériau céramique des plaquettes, ce qui est possible du fait qu'une plus grande prétension est admissi- ble et applique les feuilles métalliques assez énergiquement contre les plaques pour obtenir un contact suffisant entre les électrodes et les plaquettes sans utilisation de la couche intermédiaire métal- lique. Un autre avantage de ce dispositif est que les plaquet- tes céramiques peuvent être logées dans le dispositif à polarisa- tion inversée, ce qui évite la polarisation préalable usuelle des plaquettes séparées Lorsque, pour une cause a autre, lors du fonc- tionnement, la polarisation disparaît, celle-ci peut être rétablie facilement et sans démontage par application de la tension requise aux électrodes et, au besoin, augmentation de la température du dis- positif. La description ci-après, en se référant aux dessins an- nexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien com- prendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente en coupe schématique un dispositif piézoélectrique. Les figures 2 et 3 représentent en perspective respecti- vement la douille de prétension cylindrique et la pile de plaquettes piézo-céramiques du dispositif selon la figure 1. La figure 4 représente en section une autre forme de réalisation d'un dispositif piézo-électrique. Sur les figures, le chiffre de référence 1 désigne plu- sieurs plaquettes piézo-céramiques empilées. Des feuilles métalliques 2 et 3 sont enroulées, de fa- çon alternative, et croisées à 90 , entre les plaquettes céramiques 1 de façon que la face terminale de chaque plaque soit en contact avec une feuille et l'autre face terminale avec l'autre feuille Les feuilles métalliques font contact avec les conducteurs électriques 14 et 15 qui traversent l'écrou 5. L'empilement des plaquettesi se trouve entre deux écrous 4 et 5 servant de plaques terminales. Les écrous 4 et 5 sont vissés dans une douille de préten- sion cylindrique 6. En vue de conférer à cette douille 6 une caractéristique d'élasticité telle que dans la région de la force de prétension re- quise, la caractéristique d'élasticité soit horizontale, la douille est munie de plusieurs premières fentes 7, qui s'étendent dans les plans perpendiculaires à l'axe géométrique et qui sont réalisées des deux côtés de la douille de façon qu'il subsiste deux épaulements 8. Tous les épaulements 8 se situent dans une première zone diamétrale. De plus, la douille 6 est munie de plusieurs secondes fentes 10 qui sont également ménagées des deux côtés dans la douille de façon qu'il subsiste deux épaulements 11 qui se situent dans une deuxième zone diamétrale qui est pratiquement perpendiculaire à la zone dans laquelle se situent les épaulements 8. Ainsi, on a obtenu une douille de prétension qui est très solide dans la direction radiale et qui offre une bonne protection à la pile des plaquettes céramiques Dans la direction axiale, la douille peut exercer une grande force de prétension, la caractéris- tique d'élasticité étant plus ou moins horizontale, ce qui veut dire qu'une autre augmentation de la longueur ne s'accompagne que d'une faible augmentation de force, par rapport à une première augmenta- tion de longueur donnée. L'application d'une grande force de prétension permet de mettre les électrodes 2 et 3 en contact direct avec les plaquettes céraminues non préalablement munies de faces métalliques appliquées par é 4 Vaporationi Or, la grande force de tension presse, pour ainsi dire 7 le métal des électrodes dans le matériau céramique des plaques Après l'assemblage, l'application de-la tension nécessaire aux élec- trodes 14 et 15 permet de polariser les plaquettes céramiques. Dans une réalisation pratique, l'empilement céramique est constitué par 100 plaquettes d'un diamètre extérieur de 10 mm et d'une épaisseur de 0,5 mm Comme électrodes est utilisée une feuille de cuivre d'une épaisseur de 20 um et d'une largeur de 7 mm La douille de prétension présente un diamètre extérieur de 20 mm et une épaisseur de paroi de 2 mm. La rigidité de la douille est d'environ 2 106 Nm 1 et une force de prétension de 1000 N est exercée par cette douille sur l'em- pilement. Dans le cas d'une différence de tension de 800 V aux élec trodes ce dispositif donne une variation de longueur de 50/um en en- viron 100/u sec. Les avantages du dispositif conforme à l'invention con- siste succinctement dans un degré de fonctionnement élevé, une struc- ture solide et exempte de jeux, grâce à la prétension mécanique sans effet inadmissible d'une élasticité trop variable, un prix bas par l'utilisation de pièces simples-et surtout de plaquettes céramiques non préalablement traitées (non polarisées et non munies d'une cou- che métallique), et dans, une faible capacité électrique, de sorte que le dispositif ne requiert que peu de courant. Dans le dispositif conforme à l'invention, les plaquettes céramiques ne sont nécessairement préalablement polarisées mais cet- te polarisation peut s'effectuer à l'état assemblé par chauffage de tous les dispositifs à la température requise et application de la tension nécessaire aux électrodes. La figure 4 illustre la façon dont la pile de plaquette piézo-céramique 1 est logée dans une douille cylindrique 16 La pile est enfermée entre un écrou 17 et une plaque terminale 18, qui est munie d'un élément 14 traversant la face terminale 20 de la douille 16 Entre la face terminale 20 et une plaque terminale 18 est prévue une cuvette élastique 21 Dans cette structure il est donc éaglement possible de mettre la pile 1 sous pression par serrage de l'écrou 17 - REVENDICATIONS 1 Procédé permettant de réaliser un dispositif piézo-élec- trique, selon lequel plusieurs plaquettes planes en un matériau pié- zo-céramique polarisable sont empilées avec interposition d'une pla- quette métallique, après quoi les deux extrémités de la pile sont munies d'une plaque terminale et les deux plaques terminales sont reliées entre elles à l'aide d'au moins un élément de prétension et pressées l'une vers l'autre de façon que la pile de plaquettes soit soumise à une prétension, les plaquettes métalliques étant connec- tées, alternativement, à l'une puis à l'autre parmi deux électrodes, caractérisé en ce que les plaquettes céramiques sont empilées à l'é- tat non polarisé et que les plaquettes métalliques sont mises en con tact direct avec le matériau céramique, après quoi l'élément de pré- tension est choisi de façon à exercer une grande force de prétension sur la pile et à présenter une caractéristique d'élasticité horizon- tale, après quoi l'application de la tension nécessaire aux électro- des, éventuellement en combinaison avec l'augmentation de la tempé- rature du dispositif permet de polariser les plaquettes céramiques. 2 Dispositif piézo-électrique réalisé par la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1. 3 Dispositif piézo-électrique comportant plusieurs plaquet- tes planes empilées en un matériau piézo-céramique polarisable se trouvant entre deux plaques terminales qui sont reliées par au moins un élément de prétension de façon que la pile des plaquettes soit soumise à prétension, alors qu'entre chaque paire de plaquettes voi- sines se trouve une plaquette métallique mince, les plaquettes me- talliques étant connectées en alternance à une première, respective- ment une deuxième électrode, caractérisé en ce que chacune des pla- quettes métalliques est en contât direct avec le matériau céramique des plaquettes en question et l'élément de prétension exerce une grande force de prétension et présente une caractéristique d'élasti- cité horizontale. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que selon plusieurs premiers plans perpendiculaires à l'axe géomé- trique de la douille cylindrique, ladite douille est munie de deux fentes réalisées des deux côtés d'une première zone diamétrale et dans plusieurs seconds plans situés alternativement entre les pre- miers plans, d'une façon analogue, de deux fentes situées des deux côtés d'une deuxième zone diamétrale, les deux zones diamétrales formant un angle entre elles. Dispositif selon la revendication 3, o la pile de plaquettes céramiques est logée dans une douille, caractérisé en ce que lélément de prétension est formé par au moins une cuvette élastique.