Qu’est-ce qu’un élément piézoélectrique ?
Un élément piézoélectrique est un élément passif qui utilise les effets piézoélectriques et piézoélectriques inverses qui se produisent dans les matériaux diélectriques tels que le quartz pour contrôler ainsi que détecter des mouvements infimes.
En raison de leur structure simple, qui ne nécessite pas d’engrenages ou de moteurs pour fonctionner, les éléments piézoélectriques sont plus petits que d’autres éléments de mécanismes de micromouvement.
Utilisations des éléments piézoélectriques
Les éléments piézoélectriques sont principalement utilisés dans des dispositifs qui détectent et contrôlent des micro-mouvements dans le domaine industriel.
Par exemple, on peut les retrouver dans les vibromètres, où d’infimes variations de force causées par des vibrations sont transmises à l’élément piézoélectrique sous forme de pression. La tension est ensuite générée dans l’élément piézoélectrique sous pression, puis émise pour obtenir une valeur de tension, qui est quantifiée comme étant l’ampleur de la vibration.
Ils sont également utilisés comme systèmes d’entraînement accompagnant les mouvements de scène d’équipements tels que les microscopes et les interféromètres, qui nécessitent des mouvements précis.
Les composants piézoélectriques de ces systèmes d’entraînement sont appelés “pilotes piézoélectriques” ou “actionneurs piézoélectriques”. De plus, les actionneurs multicouches avec plusieurs couches d’éléments piézoélectriques sont également des composants courants. Dans ces derniers, des mouvements infimes sont obtenus en appliquant des courants d’impulsion infimes aux éléments piézoélectriques. Ils conviennent dans les situations où une grande réactivité et un contrôle précis des mouvements sont nécessaires.
1. Refroidissement des équipements électroniques
Lorsqu’il s’agit de refroidir des équipements électroniques tels que des PC, les méthodes de refroidissement utilisant des ventilateurs à courant continu sont souvent utilisées. Toutefois, des méthodes de refroidissement utilisant des éléments piézoélectriques ont également été proposées.
Plus précisément, l’effet piézoélectrique inverse de l’élément piézoélectrique sert à générer du vent en faisant vibrer une structure qui combine l’élément piézoélectrique et des pales génératrices de vent.
Cette méthode de refroidissement utilisant des éléments piézoélectriques fait moins de bruit que les ventilateurs à courant continu et peut être entraînée de manière à économiser de l’énergie.
Toutefois, en cas d’utilisation prolongée, les pales et lui peuvent se déconnecter. C’est pourquoi des plaques de support sont installées pour répartir les contraintes sur la structure.
2. Production d’énergie
Des systèmes de production d’énergie utilisant des éléments piézoélectriques sont également en cours de développement.
Par exemple, le “Frontier Service Laboratory du JR East Research and Development Center” étudie un système de production d’énergie par le sol et effectue des essais de démonstration à la gare de Tokyo depuis 2006.
Plus précisément, il s’agit d’un “système dans lequel des éléments piézoélectriques sont disposés verticalement, horizontalement et verticalement tel un plancher, et l’électricité est générée par l’effet piézoélectrique lorsque l’utilisateur marche dessus”.
Le “Frontier Service Laboratory du JR East Research and Development Center” estime que la quantité d’électricité produite sera d’environ 10 Wsec pour les tests de démonstration prévus en 2008-2009.
Ainsi, bien que la capacité de production d’électricité ne soit pas très élevée et que la quantité d’électricité générée ne soit pas proportionnelle au coût, la recherche et le développement sont actuellement menés par diverses entreprises et instituts de recherche. Cela reste le cas même si l’élément piézoélectrique est un matériau fragile et peu durable. Le thème de ces recherches est de savoir s’il est possible de générer de l’électricité à un niveau pratique.
3. Haut-parleurs
Des haut-parleurs utilisant des éléments piézoélectriques ont également été développés.
Principe des éléments piézoélectriques
Le principal matériau utilisé dans les éléments piézoélectriques est la céramique piézoélectrique, qui présente une polarité, c’est-à-dire une distorsion électrique à l’intérieur du cristal.
Un élément piézoélectrique est constitué d’un corps piézoélectrique pris en sandwich entre une électrode positive et une électrode négative.
En appliquant une tension entre les électrodes, une pression est exercée sur le corps piézoélectrique. Par conséquent, il se dilate, se contracte, puis se déplace comme indiqué par les flèches bleues en fonction de l’amplitude de la tension. Ce déplacement est utilisé comme force motrice. De plus, il est également possible de détecter une tension en appliquant une pression qui déforme le l’élément piézoélectriques dans la direction opposée.
Le réseau cristallin du corps piézoélectrique reste électriquement stable dans des conditions normales en absorbant les ions de l’atmosphère. Toutefois, lorsqu’une tension est appliquée, l’équilibre est facilement rompu et la polarité à l’intérieur du cristal change. Cela provoque l’expansion et la contraction du réseau cristallin lui-même dans la direction du déplacement du corps piézoélectrique.
En d’autres termes, le déplacement du matériau piézoélectrique est au mieux de l’ordre de quelques microns en raison de la déformation due à la polarité électronique du réseau cristallin. Le volume d’entraînement de l’élément piézoélectrique lui-même est généralement de l’ordre de quelques microns.
C’est pourquoi les actionneurs multicouches avec plusieurs éléments piézoélectriques combinés et empilés sont utilisés lorsqu’un volume d’entraînement encore plus important est nécessaire.
Autres informations sur les éléments piézoélectriques
1. Principe d’un haut-parleur utilisant des éléments piézoélectriques
L’effet piézoélectrique de ces éléments est également utilisé. En effet, les éléments vibrants sont disposés de manière à être en contact avec l’élément piézoélectrique dans le sens de la dilatation et de la contraction.
Lorsqu’une tension est appliquée par le signal du dispositif de lecture, l’élément piézoélectrique se dilate et se contracte en raison de l’effet piézoélectrique et vibre. Ceci est ensuite transmis à l’élément vibrant pour reproduire le son.
2. Produits spécifiques
En tant que haut-parleur utilisant un tel élément piézoélectrique, un haut-parleur appelé PiezoListen™ est vendu par TDK Corporation.
La structure de base consiste en un élément piézoélectrique recouvert d’un film de résine et équipé d’un cadre et de bornes de câblage.
En utilisant un élément capable d’un déplacement élevé, ce haut-parleur augmente la sortie dans la plage des basses fréquences et atteint une sortie sur une large plage sonore.
L’utilisation de céramiques fines pour les éléments piézoélectriques permet également au haut-parleur d’être plus petit et plus fin.