Brevet FR2640815A1 — publié le 19900622

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONDITIONNEMENT D'UN ELEMENT PIEZOELECTRIQUE POUR EN MODIFIER LES PROPRIETES MECANIQUES La présente invention concerne le domaine technique des corps ou éléments, au sens général, du type piézoélectrique, capables de transformer de l'énergie mécanique ou acoustique en énergie électrique, ou inversement. L'invention vise, plus précisement, les procédés, circuits et, plus généralement, les moyens associés à un élément piézoélectrique pour le conditionner en relation avec l'application à laquelle l'élément est destiné. Il doit, tout d'abord, être considéré que, dans certaines applications spécifiques, il convient de pouvoir disposer d'un matériau dont les caractéristiques mécaniques, à savoir, essentiellement, la raideur et l'amortissement, peuvent être modifiées à volonté et indépendamment l'une de l'autre. Ce besoin apparait, par exemple, pour la réalisation de panneaux adaptés pour absorber des ondes sonores. Un autre exemple de besoin exprimé est l'obtention d'un matériau de recouvrement adapté et employé dans la technique dite du "revêtement simple" consistant à réduire l'amplitude des vibrations que prend une structure lors de ses résonances. Par ailleurs, il doit être constaté que les éléments piézoélectriques constituent des éléments ayant fait l'objet d'études approfondies et trouvant des applications diverses comme, par exemple, la détection de grandeurs physiques, la génération de signaux ou le filtrage de fréquences. Plus récemment, des moyens, visant la réduction des amplitudes vibratoires d'une structure, ont été proposés, mais selon des méthodes classiques d'asservissement pour lesquelles le rôle de l'élément piézoélectrique est uniquement moteur. Les éléments piézoélectriques possèdent des propriétés mécaniques qui sont déterminées au cours de leur fabrication, en relation avec le ou les matériaux les constituant et leurs dimensions présentées. Les propriétés mécaniques des éléments piézoélectriques, à savoir, essentiellement, la raideur et 26 40815 l'amortissement, restent, pratiquement, inchangées au cours de leur utilisation, sauf sous L'effet d'une forte élévation de température qui constitue, généralement, une grandeur d'influence non contrôlée. Il semble donc que les éléments piézoélectriques ne sont pas adaptés pour être mis en oeuvre dans des applications nécessitant une modification de la raideur et de l'amortissement du matériau utilisé. La présente invention vise, justement, à remédier à cet inconvénient, en proposant un procédé permettant de modifier à volonté et pour des valeurs importantes, les propriété mécaniques d'un élément piézoélectrique, en relation avec l'application visée. L'invention vise, également, à offrir un procédé adapté pour modifier les propriétés mécaniques d'un élément piézoélectrique, de manière que l'élément puisse répondre différemment, suivant les besoins, à une sollicitation mécanique extérieure mais, également, à une excitation électrique pour provoquer un déplacement de l'élément. L'invention vise, aussi, à proposer un procédé conçu pour modifier les propriétés mécaniques d'un élément piézoélectrique, de façon quasi instantanée et précise. Pour atteindre les buts énoncés ci-dessus, le procédé selon l'invention de conditionnement d'un élément piézoélectrique, du type comportant une capacité électrique et une capacité représentant l'élasticité de l'élément, est caractérisé en ce qu'il consiste à connecter en parallèle, entre les deux bornes de l'élément piézoélectrique: - une résistance ohmique de dissipation, - et une impédance de charge du type résistive et/ou capacitive, à travers un convertisseur d'impédance négative pour modifier les propriétés mécaniques de l'élément piézoélectrique. L'invention vise, également, à proposer un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. Les fig. 1 et 2 sont des vues de schémas permettant de mettre en évidence le procédé selon l'invention. La fig. 3 est une vue d'un exemple de réalisation pratique d'un circuit permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention suivant une première variante préférée d'exécution. La fig. 4 est un graphique montrant les modifications des caractéristiques d'un élément piézoélectrique auquel est appliqué le procédé selon l'invention. La fig. 5 est une vue d'un autre exemple de réalisation pratique d'un circuit permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention suivant la première variante d'exécution. La fig. 6 est une vue d'un exemple de réalisation pratique d'un circuit permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention suivant une seconde variante préférée d'exécution. La fig. 7 illustre un circuit montrant un détail caractéristique du procédé selon l'invention. La fig. 1 illustre la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, permettant le conditionnement d'un matériau ou élément piézoélectrique 1, de nature et de forme diverses en relation avec l'application visée. L'élément piézoéLectrique 1, qui a été représenté par son schéma électrique équivalent, connu en soi, comporte, d'une part, une capacité Co, représentant la capacité électrique de l'élément apparaissant entre les deux électrodes A et B de l'élément et, d'autre part, un circuit motionnel formé d'une capacité C1 représentant l'élasticité de l'élément, une inductance L représentant la masse et une résistance r correspondant aux pertes mécaniques. Le schéma indique, également, la force F à laquelle l'élément est soumis. Par souci de simplification de la description de L'invention, il doit être considéré que les condensateurs seront désignés par leur valeur de capacité et les selfs par Leur vaLeur d'inductance. Le procédé selon l'invention consiste à connecter en parallèle, entre les deux bornes A, B de l'élément piézoélectrique, d'une part, une résistance ohmique R de dissipation dont la fonction sera mieux comprise dans la description qui suit et, d'autre part, une capacité négative Cr déterminée. Tel que cela apparaît plus précisément à la fig. 2, la capacité négative C r ramenée aux bornes de l'élément, est obtenue en connectant, aux bornes de l'élément 1, une impédance de charge ZL par l'intermédiaire d'un convertisseur d'impédance négative 2. Un tel procédé, qui permet de réduire la valeur de la capacité électrique C de l'élément piézoélectrique, en ramenant o une capacité négative Cr aux bornes de l'élément, autorise la modification indirecte de la valeur du coefficient de couplage de l'élément dont l'évolution est significative de l'écart entre les modules complexes de l'élément à champ constant et à induction constante. Les propriétés mécaniques de l'élément, à savoir l'amortissement, la raideur, les modules apparents et les fréquences de résonance, peuvent donc être modifiées à volonté suivant les besoins de l'application, en choisissant judicieusement les valeurs de la résistance de dissipation R et de la capacité négative Cr- Pour un choix optimum de la capacité Cr, le choix de la valeur de la résistance de dissipation R, prise entre des valeurs nulle et infinie, assure un éventail très large de raideur et, surtout, d'amortissement au niveau de l'élément piézoélectrique. La valeur de la résistance R est, en effet, déterminée pour maîtriser la dissipation de l'énergie ayant une origine mécanique ou vibratoire. La mise en oeuvre d'une résistance de dissipation R, en combinaison avec l'association d'un convertisseur d'impédance négative et d'un élément piézoélectrique, permet donc d'obtenir des variations très importantes des modules complexes de l'élément et d'utiliser le procédé selon l'invention dans de nombreuses applications. Selon une variante préférée de réalisation de l'invention, la capacité négative C ramenée est déterminée de r manière que la capacité résultante Cres, correspondant à la somme des capacités Cr et C0, est égale sensiblement à zéro. Cette condition (1) peut être exprimée, également, sous la forme: C - C r o La fig. 3 illustre un exemple de configuration d'un convertisseur d'impédance négative 2, pour lequel la condition (1) est respectée. Le convertisseur d'impédance négative est constitué par un amplificateur opérationnel 3 comportant, dans sa boucle de contre-réaction négative, une résistance R1 et, dans sa boucle de contre-réaction positive, une résistance R2. L'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 3 est reliée à l'impédance de charge ZL constituée par une capacité CL. L'entrée non inverseuse de l'amplificateur 3 est connectée à la résistance R et à l'une des bornes de l'élément piézoélectrique 1. La capacité Cr, ramenée aux bornes de l'élément piézoélectrique, est telle que: R R1 Cr = --. CL R2 De préférence, un condensateur de filtrage CF est monté en parallèle sur la résistance R1, afin de réduire la bande passante du montage. Le respect de la condition (1) permet d'obtenir une modification des propriétés mécaniques dans le sens o l'élément piézoélectrique devient, à la fois, raide et très amortissant. Une telle modification des propriétés mécaniques d'un élément piézoélectrique permet d'appliquer le procédé selon l'invention, notamment à l'amortissement des vibrations. Un tel procédé peut être mis en oeuvre, par exemple, dans la technique du revêtement simple. Ainsi, il peut être envisagé de remplacer la couche de matériau viscoélastique, recouvrant une structure métallique du type poutre ou plaque, par un élément piézoélectrique associé à un convertisseur d'impédance négative et à une résistance de dissipation, tel que décrit précédemment. La fig. 4 permet de mettre en évidence les modifications de propriétés mécaniques d'un tel élément piézoélectrique sollicité, par exemple, en flexion et auquel le procédé selon l'invention est appliqué. Lorsque la condition (1) est respectée, la variation de la résistance de dissipation R entraîne une modification de raideur K et d'amortissement T = tg (6) de l'élément piézoélectrique. A titre de comparaison, la fig. 4 montre les courbes de variation de l'amortissement À' = tg (d') et de raideur K' d'un même élément piézoélectrique connecté uniquement à la résistance R. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir une augmentation des valeurs d'amortissement et de raideur de l'élément piézoélectrique qui présente un module nettement supérieur pour une valeur de résistance équivalente. De plus, le maximum d'amortissement est obtenu pour une valeur intermédiaire de raideur. Le maximum d'amortissement est atteint lorsque: R =1/(w [Cres (Cres + Cl)]) en basse fréquence, ou: R = 1/(. Cres) au voisinage des résonances, avec étant la pulsation. Dans cet exemple de réalisation, l'élément piézoélectrique est constitué par un polymère piézoélectrique comme, par exemple, le polyfluorure de vinylidène ou, de préférence, par une céramique. Le revêtement simple, utilisant des éléments céramiques selon le procédé conforme à l'invention, autorise la réalisation d'amortissement à haute température permettant d'éviter l'utilisation de produits viscoélastiques qui, pour la plupart, 6408 1S vieillissent mal en atmosphère oxydante, même si leur température de transition est élevée. La fig. 5 illustre un autre exemple de configuration du convertisseur d'impédance négative 2, pour lequel la condition (1) est respectée. Le convertisseur d'impédance négative est constitué par l'amplificateur 3 comportant, dans sa boucle de contre-réaction négative, la résistance R1 et, dans sa Doucle de contre-réaction positive, la capacité CL. L'entrée inverseuse de l'amplificateur 3 est connectée à la résistance R2, tandis que l'entrée non inverseuse est reliée à la résistance R et à l'une des bornes de l'élément piézoélectrique 1. Selon une autre variante préférée de réalisation de l'invention, la capacité négative Cr, ramenée aux bornes de l'élément piezoélectrique, est déterminée de manière que la capacité résultante Cres, correspondant à la somme des capacités C et C, soit égale sensiblement à la capacité C1 affectée du r o signe négatif ou soit la condition (2): Cres = Co + Cr - C La fig. 6 illustre un exemple de configuration d'un convertisseur d'impédance négative, pour lequel la condition (2) est respectée. Le convertisseur d'impédance négative 2 est constitué par un amplificateur opérationnel 3' comportant, dans sa boucle de contre-réaction négative, une résistance R'1 et dans sa boucle de contre-réaction positive, une résistance R'2. L'entrée non inverseuse de l'amplificateur 3' est reliée à l'impédance de charge ZL constituée par une résistance R'L montée en parallèle avec une capacité C'. L'entrée inverseuse de l'amplificateur 3' est connectée à la résistance R et à l'une des bornes de l'élément piézoélectriqe 1. La capacité Cr, ramenée aux bornes de l'élément 1 est telle que R' C =--. C' r ' L R35 La mise en oeuvre de la condition (2) permet d'obtenir un La mise en oeuvre de La condition (2) permet d'obtenir un ramolissement de l'éLément piézoélectrique. La modification des propriétés mécaniques de l'éLément piézoélectrique, dans le sens indiqué ci-dessus, peut être mise à profit pour appliquer le procédé selon l'invention à la réalisation de panneaux anéchoîdes, c'està-dire des panneaux adaptés pour absorber des ondes sonores. De préférence, un tel panneau peut être constitué par un polymère piézoélectrique associé à un convertisseur d'impédance négative et à une résistance de dissipation R. Ce panneau, formé d'un matériau piézoélectrique, permet de remplacer, avantageusement, les matériaux utilisés dans l'art antérieur qui présentent un mauvais comportement en pression, en raison de la présence d'une forte proportion d'air pour obtenir une fréquence de résonance très faible pour une épaisseur déterminée. Selon le procédé de l'invention, la fréquence de résonance en circuit ouvert peut être réduite pour tendre, en théorie, vers zéro. Par ailleurs, la valeur de la résistance de dissipation R est déterminée de manière à assurer une bonne adaptation d'impédance mécanique avec le milieu de propagation des ondes sonores. A titre d'exemple, une feuille en polyfluorure de vinylidène, d'épaisseur 1 mm et de 10 cm de côté, présente, dans l'application du procédé selon l'invention, un premier mode d'épaisseur se situant autour de 750 kHz. La mise en oeuvre de la condition (2) du procédé selon l'invention, à la feuille piézoélectrique décrite ci-dessus, permet de réduire au mieux la fréquence de résonance à 75 kHz. Une telle feuille permet, à une onde incidente, d'être pratiquement totalement transmise à l'intérieur de la feuille et de connaître un aller-retour avant de ressortir de celle-ci avec la même facilité. Cependant, l'onde a subi, entretemps, deux fois la perte par insertion qualifiant la fonction de barrière acoustique de la feuille. Ainsi, le facteur de réflexion est alors d'au moins - 27 dB à la fréquence de résonance de 75 kHz. De tels panneaux anéchoîdes jouant, en même temps, le rôle de barrières acoustiques, peuvent être mis en oeuvre, par exemple dans les techniques d'acoustique sous-marine ou aérienne. Dans ce dernier cas, il convient d'employer des éléments piézoélectriques alvéolaires. Une autre application du procédé selon l'invention, en relation avec la mise en oeuvre de la condition (2), concerne la réalisation de transducteurs basse fréquence qui peuvent être réalisés sous faible volume, en raison de la réduction de la fréquence de résonance pour un élément de mêmes dimensions. Une autre application particulière a trait à la réalisation de transducteurs résonnants présentant une fréquence d'accord ajustable en réglant à volonté la résistance de dissipation et/ou la capacité ramenée aux bornes de l'élément piézoélectrique. Bien entendu, il peut être envisagé d'autres applications, données ci-après à titre non limitatif, telles que, par exemple, la réalisation de suspensions ajustables en raideur et en amortissement, d'éléments de structure amortis et d'amortissement pour les tuyauteries. Dans certaines applications, l'élément piézoélectrique est soumis à des déformations de grandes amplitudes, de sorte que les tensions électriques subies ou délivrées par le convertisseur d'impédance négative peuvent devenir considérables, d'autant plus que la compensation capacitive est mieux réalisée. Pour remédier à cet inconvénient, il est avantageux de produire de la haute tension uniquement aux bornes de l'élément piézoélectrique, de manière que le convertisseur d'impédance négative reste à basse tension. Pour assumer cette fonction, il peut être envisage, par exemple, conformément à la fig. 7, d'adapter un amplificateur haute tension 7 entre la sortie de l'amplificateur opérationnel 3 et la capacité de charge CL, d'une part, et d'interposer, entre l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel 3 et l'élément piézoélectrique 1, un pont diviseur de tension présentant une impédance totale très grande devant celle de la résistance de dissipation R ou constituant, par Lui-même, la résistance de dissipation, d'autre part. Le pont diviseur de tension est constitué par deux résistances R8, R9 montées en série aux bornes de l'élément piézoélectrique et dont le point milieu des deux résistances est relié à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel 3. De preference, les valeurs des résistances sont choisies de manière que: R9/(R9 + R8) 1/G avec G le gain de L'amplificateur 7. Bien entendu, l'amplificateur haute tension 7 peut être adapté sur les autres exemples de configuration du convertisseur d'impédance négative 2. Ainsi, l'amplificateur 7 peut être connecté directement à la sortie de l'amplificateur opérationnel 3, 3' en étant placé dans une boucle de contre-réaction pour attaquer indirectement l'élément piézoélectrique 1 et la résistance R, par l'intermédiaire de la résistance R2 (fig. 3) ou de la résistance R'1 (fig. 6). Il doit être considéré que la description du procédé selon l'invention a été établie en relation avec un élément piézoélectrique devant présenter un comportement particulier, en réponse à une sollicitation ou force extérieure. Bien entendu, le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre pour modifier les propriétés mécaniques d'un élément piézoélectrique dont le déplacement est provoqué, en partie, par une source électrique, en absence ou en présence de sollicitation mécanique extérieure. Tel que cela apparaît à la fig. 7, une telle source électrique peut être constituée par un générateur de tension 10 connecté, soit sur une entree de l'amplificateur haute tension 7, soit à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 3, à travers la résistance R2. Par ailleurs, il peut apparaître, en fonction des conditions d'environnement, une dérive des composants du dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Une façon particulièrement avantageuse de compenser la dérive de La capacité interéLectrodes C de l'élément piézoélectrique qui peut o se produire lors d'une variation uniforme de température, est de prendre, pour constituer la capacité CL ou C'L, une partie métallisée, mais non active, de l'élément piézoélectrique, afin de maintenir les conditions (1) et (2). L'invention n'est pas limitée aux exempLes décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 - Procédé de conditionnement d'un élément piézoélectrique du type comportant une capacité électrique (C) o et une capacité (C1) représentant l'éLasticité de l'éLément, caractérisé en ce qu'il consiste à connecter en parallèLe, entre les deux bornes de l'élément piézoélectrique: - une résistance ohmique (R) de dissipation, - et une impédance de charge (ZL) du type résistive et/ou capacitive, à travers un convertisseur d'impédance négative pour modifier les propriétés mécaniques de l'élément piézoélectrique. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à connecter une impédance de charge (ZL) constituée par une capacité (CL). 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à choisir la capacité (CL), de manière que la capacité résultante (Cres), correspondant à la somme de la capacité (Cr) ramenée par le convertisseur d'impédance négative r aux bornes de l'éLément et la capacité électrique (CO), soit sensiblement égale à zéro. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à connecter une impédance de charge (ZL) constituée par une capacité (C'L) placée en parallèle avec une résistance (R'L). - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à choisir la capacité (C'L) de manière que la L capacité ramenée (Cr) par le convertisseur aux bornes de l'élément et additionnée à la capacité électrique (C) soit égale à La o capacité (C1) affectée du signe négatif. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à connecter une résistance (R) variable. 7 - Procédé selon les revendications 3 et 6, caractérisé en ce qu'il consiste à choisir, en basse fréquence, une résistance (R) égale à 1/(Cres.w), avec o la pulsation. 240 8 is 8 - Procédé selon les revendications 3 et 6, caractérisé en ce qu'il consiste à choisir, au voisinage des résonances, une résistance: R = 1/(M [Cres (Cres + C]) 9 - Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte: - une résistance ohmique (R) de dissipation connectée entre les deux bornes de l'élément piézoélectrique, - et une impédance de charge (ZL) du type capacitif et/ou résistif, connectée entre les deux bornes de l'élément par l'intermédiaire d'un convertisseur d'impédance négative. - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le convertisseur d'impédance négative est constitué par un amplificateur opérationnel (3') comportant, dans la boucle de contre-réaction négative et celle positive, respectivement, une résistance (R'1, R'2), l'entrée inverseuse de l'amplificateur étant reliée à la résistance de dissipation (R) et à l'une des bornes de l'élément piézoélectrique, tandis que l'entrée non inverseuse de l'amplificateur est connectée à l'impédance de charge constituée par une résistance (R'L) montée en parallèle avec une capacité (C'L). 11 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le convertisseur d'impédance négative est constitué par un amplificateur opérationnel (3) comportant, dans la boucle de contre réaction négative et celle positive, respectivement, une résistance (R1, R2), l'entrée inverseuse de l'amplificateur étant reliée à l'impédance de charge constituée par une capacité (CL), tandis que L'entrée non inverseuse est reliée à la résistance de dissipation (R) et à l'une des bornes de l'élément piézoélectrique. 12 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le convertisseur d'impédance négative est constitué par un amplificateur opérationnel (3) comportant, dans la boucle de contre réaction négative, une résistance (R1) et, dans la boucle de contre-réaction positive, l'impédance de charge constituée par une capacité (CL), l'entrée inverseuse de l'amplificateur étant reliée à une résistance (R2), tandis que l'entrée non inverseuse est connectée à la résistance de dissipation et à l'une des bornes de l'élément piézoélectrique. 13 - Dispositif selon la revendication 10, 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, un amplificateur haute tension (7) connecté directement à la sortie de l'amplificateur opérationnel (3, 3') en étant placé dans une boucle de contre-réaction pour attaquer indirectement l'élément piézoélectrique (1) et la résistance (R) et, d'autre part, un pont diviseur de tension placé entre l'élément piézoélectrique et t'entrée correspondante de l'amplificateur opérationnel. 14 - Dispositif selon l'une des revendication 10 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de tension (10) connecté à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel à travers la résistance (R). - Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de tension (10) connecté sur une entrée auxiliaire de l'amplificateur haute tension (7). 16 - Dispositif selon la revendication 10, 11 ou 12, caractérisé en ce qu'un condensateur de filtrage (CF) est monté en parallèle sur la résistance placée dans la boucle de contre-réaction négative de l'amplificateur opérationnel. 17 - Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que le condensateur (CL, C'L) est constitué par une partie métallisée non active de l'élément piézoélectrique (1).