Brevet FR2010804A1 — publié le 19700220

I 2010804 La présente invention concerne en général des lignes à retard et plus particulièrement une ligne à retard ultrasonigue améliorée et le procédé de sa fabrication. Un but principal de la présente invention est de fournir 5 une méthode améliorée pour fabriquer par un procédé bon marché demandant des tolérances minimales et une technique peu onéreuse et d'une manière très précise des lignes à retard minces d'un type à deux surfaces de réflection principales pour la propagation d'ondes guidées» 10 Un autre but de l'invention est de fournir des lignes à re tard améliorées, particulièrement appropriées à être fabriquées par la méthode indiquée ci-dessus, pour le mode de propagation non dispersif d'ondes de rotation symétriques à cisaillement du matériau perpendiculaire à la propagation. 15 Encore un but de la présente invention est de fournir des lignes à retard améliorées dont les ouvertures des transmetteurs correspondent à la surface d'attaque des lignes pour assurer une propagation d'ondes guidées avec un minimum de distorsion et de signaux parasites, tandis qu'en même temps la transmission du si-20 gnal principal se fait avec un minimum de perte de transmission. Un but supplémentaire de la présente invention est de fournir un ensemble à ligne à retard améliorée de construction soiide et pouvant assurer un fonctionnement sûr pendant une période de temps prolongée dans des conditions difficiles. 25 D'autres buts, ainsi que les avantages de la présente in vention ressortiront de la description détaillée de celle-ci en relation avec les dessins dans lesquels: la figure 1 est une vue d'une ligne à retard linéaire la figure 2 est une vue d'une extrémité de la ligne repré-30 sentëe dans la figure 1 la figure 3 est une vue agrandie latérale de la ligne à retard de la figure 1. la figure 4 est une vue isométrique d'un bloc de matériau approprié à être coupé en des lignes à retard individuelles. 35 la figure 5 est une vue partiellement en couple, montrant un mode d'exécution préféré d'un ensemble à ligne à retard construit conformément à la présente invention, la figure 6 est un diagramme schématique montrant les phases successives du procédé de fabrication de la ligne à retard 69 17960 2 2010804 décrite. Dans la figure 1 est montré une ligne à retard 10 comprenant une paire de transmetteurs 12, 14 fixés aux faces 16, 17 d'entrée et de sortie du signal ultrasonique d'une plaque 20. 5 La plaque 20 est formée d'un matériau acoustique approprié conducteur d'ondes ultrasoniques, tel que le quartz, des alliages, tels que l'Invar, etc; Les transmetteurs 12, 14 sont de préférence réalisés en un matériau piézoélectrique cristallin ou po-lycristallin. 10 La ligne à retard 10 donne un retard de transmission à un signal électrique appliqué au transmetteur 12, qui est le transmetteur d'entrée connecté à une source de signaux appropriés non montrés. L'énergie ultrasonique entrant par la surface d'entrée 16 traverse la plaque 20 le long d'un chemin, représenté par la 15 ligne 21, par exemple dans la figure 3, vers la surface de sortie 18 de la plaque 20. L'énergie ultrasonique frappe alors le transmetteur de sortie 14 qui reconvertit l'énergie ultrasonique en des impulsions électriques, fournissant ainsi un signal retardé à un circuit de sortie approprié non montré, connecté au trans-20 metteur de sortie 14. Tandis que l'énergie ultrasonique peut être propagée dans un milieu à retard par différents types d'ondes élastiques, des ondes de rotation seront considérées pour les besoins de cette invention. Des ondes de rotation sont caractérisées par un dé-25 placement des particules normales à la direction de propagation de l'onde et exercent une force de cisaillement sur le■matériau. En plus, les ondes de rotation peuvent être polarisées et peuvent avoir une vitesse faible appropriée pour fournir le délai requis dans une structure donnée. 30 II est évident que les transmetteurs 12, 14 sont arrangés d'une manière parallèle aux extrémités de la plaque 20 pour propager des ondes de rotation symétriques ou des ondes connues sous le nom d'ondes SH, de sorte que le mouvement vibratoire des particules est normal à la direction de propagation de l'onde 35 (figure 1) et parallèle aux grandes surfaces 22, 24 du milieu à retard. C'est-à-dire la direction du mouvement des particules est perpendiculaire à l'axe longitudinal de la-plaque 20 et aux petites surfaces 26, 28. Par suite d'une réflection interne quelconque aux grandes 69 17960 3 2010804 surfaces 22, 24 les ondes polarisées SH sont simplement réfléchies sous tous les angles d'incidence, puisque le. mouvement des particules est parallèle aux grandes surfaces 22, 24. Cependant, une onde SH. divergente tombant sur la surface réflectrice,, telle 5 que les petites surfaces 26, 28 de la plaque 20, subira une conversion de mode de .l'onde de rotation en. une onde de compression pour tous les angles d'incidence jusqu'à un angle- critique, qui pour la plupart des milieux à retard est moins que .45°. Ainsi la seule conversion de mode due à une telle divergence .aura lieu 10 dans la dimension de la largeur du milieu à retard et. même cette ■ conversion de mode, qui peut être minimale dû à la petite extension de la ligne à retard considérée, peut être . éliminée si 1' angle de réflection est maintenu plus grand que l'angle critique •.du milieu à retard. 15 ' Après avoir.lâché une impulsion dans la plaque.20, des ra yons parasites non désirés peuvent naître de différentes.manières pour produire une série d'impulsions au transmetteur de sortie 14 dû aux différents .chemins de retardement pris par les faisceaux. Si la durée de l'impulsion est plus grande que la dif-20 fêrence de temps entre les différents chemins,, un recouvrement non désiré .des impulsions peut se présenter et défigurer le signal reçu. Exactement, comme l'étalement du faisceau et la conversion de mode non désirée résultante peut donner naissance à des signaux-parasites non-désirés, ces derniers peuvent aussi ré-25 sulter des réflections.à la surface 18 du transmetteur de sortie, fournissant ainsi- des chemins multiples ou triples pour le signal çe qui donne des délais qui,sont des,multiples du délai principal désiré. En plus des signaux.parasites peuvent naître par l'énergie ultrasonique s1 échappant du chemin voulu par les lobes laté-30 -raux du diagramme de radiation du transmetteur et d'une construction inexacte de la plaque 20 ou de fautes dans le matériau à retard.- Pour minimiser les signaux parasites non désirés, particulièrement ceux dus à l'étalement du faisceau et à la radiation 35 des lobes latéraux, les lignes à retard conventionnelles ont généralement une épaisseur plus grande que le faisceau acoustique ou sont construites de sorte que les réflections à une ou deux des grandes surfaces 22, 24 sont évitées ,en appliquant un revê-- tement absorbant pour absorber une telle propagation de 1'onde BAD ORIG1NAU 69 1.7960 4 201:0804 ou pour disperser .1"onde par des surfaces rendues intentionnellement rugueuses » ce qui introduit encore une phase supplémentaire dans le procédé de fabrication de lignes à retard normalement cher et de longue durée.. En plus, comme l'épaisseur de la 5 ligne est accrue, de larges blocs de matériaux avec de grands transmetteurs augmentent d'une manière sensible les frais, la. grandeur et le poids de la ligne à retard, et des modes disper-sifs en suivent. Dans les raodes dispersifs, la vitesse angulaire d'une tells onde dépend de s?- fréquence propre, et la .forme de iô l'onde, pendant qu'elle se c.ipla-jst d'une aaniêrs.appré ciable vis-à-vis de la forme de l'impulsion d'entrée- Afin de fournir uns ligne à retard particulièrement appropriée pour une fabrication et. un ensemble bon marché, et qui utilise d'une manière maximale 1'énergie disponible, sans demander 15 des tolérances de fabrication exactes ou la provision de milieu acoustique absorbant aux surfaces extérieures de la ligne à retard, une forme du guide d'onde pour le milieu à retard est fourni par cette invention qui a les caractéristiques du mode de propagation non dispersif à cisaillement du milieu perpendiculaire 20 à la propagation» Plus spécialement, la ligne à retard- 10 a- une forme guide d'onde d'une plaque mince d'un milieu à retard ayant une épaisseur maximum d'une demie longueur d'onde qui peut-être aisément fabriquée en utilisant les techniques normales pour fabriquer 25 une ligne à retard ayant une dispersion de fréquence acceptable» Dans les applications pour lesquelles des milieux minces sont particulièrement appropries, une ligne d'une épaisseur de moins d'une demie longueur d1 onde, set préférée puisque seulement le mode 0on dispersif existera,, os qui fait que le retard est in-30 sensible vis-à-vis des changements de fréquence. Pour une description mathématique de la propagation d'ondes guidées de modes de rotation symétriques dans les- plaques, un article par T.R. Mecker et A.H.. Msitsler paru dans Physioal Acoustic édité par WoP= Masoiij- Volume 1, partis Kf *Lcademlc Press, 1964, pages 119-35 122, montre que la vitesse de groupe et la vitesse angulaire sont indépendantes de la -fréquence pc-ar- le mode d'ordre- zéro cmi est 1» arda non dispersif £5- - Dan? la. • ùonatruot-i-o:.A d'un-a ligne a retard, décrite ist-dessus - . ,14s grands? --.aus-s-cy&s 22.* donnent cfe-traivi jne miroir BAD ORIGINAL 69 17960 5 2010804 pour concentrer toute l'énergie du faisceau pour guider d'une manière continuelle vers le transmetteur de sortie 14. Ainsi les lobes latéraux du diagramme de radiation du transmetteur frapperont les grandes surfaces 22, 24 sous de petits angles et la radiation 5 divergente et des lobes latéraux atteindra le transmetteur de sortie 14 avec un retard substantiellement égal au rayon passant en parallèle entre les grandes surfaces 22, 24 de sorte que les pertes du signal transmis seront négligeables. Dans le mode de réalisation spécifique illustré, toute pos-10 sibilité d'étalement du faisceau est minimisée dans la direction de la largeur de la ligne 10 en prévoyant une largeur de la ligne de plusieurs longueurs d'ondes. La ligne 10 décrite est particulièrement appropriée pour fonctionnement à basse fréquence de l'ordre de 5 mégacycles par seconde, dans une bande de températu-15 re de 15-55° C et moindre, donnant un retard d'environ 64 microsecondes et une tolérance du retard à 25° C d'environ - 3 nanosecondes . Comme la grandeur des transmetteurs 12, 14 est réduite, la tendance du faisceau à s'étaler est proportionellement accrue. 20 Pour minimiser cette tendance ainsi que des chemins multiples ou triples dus à la réflection, par exemple à la surface du transmetteur 18, les signaux parasites sont en plus réduits par la provi-. sion de transmetteurs à ouvertures à largeur totale, de sorte que les transmetteurs 12, 14 ont une largeur égale à l'épaisseur de la 25 plaque 20 aux surfaces des transmetteurs 16, 18. Ces ouvertures à largeur totale ont 1'avantage supplémentaire de minimiser la diffraction à la sortie de la ligne 10. En opposition, un milieu à retard ayant une épaisseur de plusieurs longueurs d'ondes avec des transmetteurs à couverture à largeur totale accentuerait des modes 30 dispersifs non désirés et une dissipation non désirée d'énergie ultrasonique aurait lieu. Pour obtenir une transmission satisfaisante de signaux avec un minimum de distorsion et de signaux parasites, il est normalement nécessaire de fabriquer la ligne à retard en un matériau, 35 utilisé comme milieu à retard, d'une manière très précise et d'exé -,cuter le collage et la fabrication des transmetteurs d'une manière très exacte. Ceci est particulièrement vrai pour des lignes à retard utilisant des surfaces limites réflectrices. Fréquemment la même surface limite est utilisée plusieurs fois pour réfléchir 17960 6 2010804 urt signal et toute erreur dans l'angle ou la finition peut-être effectivement multipliée par le nombre de réflections. En plus, si des temps de retard très précis sont désirés, la distance entre les surfaces réfléchissantes doit être très exactement main-'. 5 tenue. D'une manière typique dans la fabrication de lignes de retard, les tolérances angulaires sont maintenues dans la grandeur d'une seconde de l'arc et les tolérances linéaires dans l'ordre de grandeur d'un dixième à un millième d*un pouce. Il est ainsi évident qu'une dépense considérable est normalement inhérente à 10 la production de ligne à retard. Pour réduire d'une manière appréciable les frais dans la production de masse de lignes à retard 10 de haute qualité de type guide d'onde utilisant une onde SH et des transmetteurs à largeur totale, un bloc d'un matériau acoustiquement conducteur et 15 initialement dimensionné et travaillé conformément à la présente invention pour avoir une grandeur et forme prédéterminées, pour fournir une orientation angulaire et dimensionnelle entre le transmetteur et les surfaces réflectrices déterminés par un retard désiré du signal. Dans la figure 4, un polyèdre 30 est montré di-20 mentionné d'une manière appropriée pour fournir une multitude de plaques fines de modèle connu sous le nom de modèle 3x4, assurant un chemin plié désigné par des lignes 31 et dans lequel les angles d'incidence sur les petites surfaces réflectrices, telles que désignées par 33 est plus grand que l'angle critique pour la 25 conversion de mode. Dans la figure 6 un autre polyèdre 32 est montré pour fournir un modèle 2x5 sans conversion de mode. La méthode pour fabriquer de telles lignes à retard sera décrite en relation avec le polyèdre 32. Le polyèdre 32 comprend 4 parois latérales 34, 36, 38, 40, 30 mutuellement perpendiculaires et une paire de parois convergentes 42, 44 formant un angle ou une arête 45. Les parois convergentes 42, 44 sont les surfaces d'entrée et de sortie du bloc 32 et se touchent sous un angle de .90°, tandis quTelles forment un angle de 45° avec la paroi de base 46. Le bloc 32, est ensuite nettoyé 35 d'une manière bien connue, par exemple en utilisant de l'alcool et de l'eau déminéralisée. Une paire de transmetteurs de signaux en forme de bande, tel que celui désigné par 48 (48* pour le polyèdre 30 de la figure 4} sont formés d'un matériau approprié tel que un matériau 69 17960 7 2010804 :'-v piézoélectrique cristallin ou polycristallin et sont soigneusement orientés en accord avec les techniques conventionnelles et sont di-mensionés d'une manière appropriée pour s'adapter aux surfaces convergentes 42, 44 du bloc 32. Le transmetteur en bande 48 est ensui-5 te collé ou fixé d'une manière appropriée aux surfaces 42, 44 du bloc 32, par exemple en galvanisant une ou les deux faces de la bande 48 avec une feuille ou film de métal pur désigné par 50, pour fournir un film métallique 20 entre le bloc 32 et les bandes de transmetteurs 48. Il est évident que la méthode de fixation -décri-10 te ci-dessus n'a été choisie qu'à titre d'exemple et-que différentes autres méthodes de collage peuvent être utilisées telles que celles qui est décrite dans le brevet américain No 2688121 ayant comme titre "Ultrasonic Delay Line". Le bloc composé avec ces transmetteurs en bande 48 collés 15 peut alors être examiné d'une manière conventionnelle pour calculer le temps de transmission. Apres avoir mesuré le délai de temps le b-loc peut être ajusté pour corriger des déviations menues du retard désiré, par exemple par affûtage de la surface de base 46 pour réduire la grandeur du bloc en direction de ses dimensions 20 majeures et réduire ainsi la longueur effective du chemin de transmission 51 indiqué par des lignes interrompues dans la figure 5. Après que la grandeur du bloc 32 a été réduite pour effectuer un ajustage mineur du retard, le bloc composé 42 peut être aménagé à l'intérieur d'un dispositif de fixation approprié d'une 25 machine de sciage, non montrée, et être alors coupé le long des plans parallèles normaux à l'axe commune du bloc 32 désigné par X-X. Un sciage amélioré peut être réalisé par une machine à multiple (non montrée) fournissant, par exemple, approximativement 100 coupes en une seule passe. 30 -Selon la méthode décrite le sciage détermine en une seule opération la grandeur de chacune d'une série de lignes à retard discrète avec leurs transmetteurs prépositionnés 112, 114 „ (112' 114' dans le polyèdre 30 montré dans la figure 4), qui dans les surfaces 116, 118 (116', 118' pour le polyhédron 30) sont alignés 35 dans la direction de l'axe commune X-X. En supplément au fait que les transmetteurs alignés de la façon décrite sont obtenus, cette méthode assure en même temps-que chaque ligne à retard individuelle sera manie d'interfaces automatiquement- alignées d'une manière substantiellement identique pour toutes les lignes de 0AD gBÎG^aS' 69 17960 8 2010304 retard de la même-série. Les plaques à retard 120 polygonales terminées ont ainsi un chemin de retardement interne à réflections multiples entre les transmetteurs d'entrée et de sortie 112, 114 prëformés sur chacune des plaques à retard 12.0 individuelles. xuulative de basculage de chaque ligne à retard individuelle qui est d'une importance primaire, est minimisée par l'opération d" affûtage initiale du polyèdre 3C. Tandis que l'opération de sciage peut -introduire des déviations mineures entre les petites sur-1G faces 33 se les grandes surfaces des plaques 110 du au sciage du polyèdre 30 le long de la ligne interrompus 121, de la figure 4 par exemple, ces déviations n'ont pas d'effets sur l'erreur de basculage cumulative, et les tolérances de fabrication en tant que le basculage est en cause, sent beaucoup moins serrées. 15 On verra maintenant qu'une multitude de phases de produc tion sont éliminées qui sont jusqu'ici normalement associées à la fabrication en masse de lignes a retard. Une multitude de lignes à retard peut être formée en faisant seulement une fabrication de précision sur un grand bloc avec un minimum de pas et sans deman-20 -1er un pas additionnel pour l'application d'un milieu absorbant aux lignes à retard ou pour réaliser d'une autre manière des surfaces irrëguliëres. En répondant aux demandes des applications miniaturisées, par exemple, la structure composée periaet d'obtenir d'une manière plus facile des tolérances de petite valeur et des 25 dimensions critiques et elle tend à promouvoir une uniformité accrue, par exemple, durant l'ajustage du temps de retard de la transmission» En plus, le facteur prédominant des frais, celui d' un travail de haute qualité,, est réduit d'une manière significafci-.ve, tandis qu'un rendement suu-sliorS est acquis, puisque la fixa-30 tion précise des transmetteurs est. seulement réalisée une fois pour une multitude de lignes à retard à cause du coupage simultané des transmetteurs fixés au milieu â retard» En plus,, si un meilleur finissage de la grande surface est requis il est seulement nécessaire d5affûter ou de polir les surfaces coupées plusieurs fois. 35 Conformément à un autre aspect de la présente invention des composants associés appropries, tels qu'une paire de bobines 52 et. 54 d'ajustage sont prévues ayant chacune des conducteurs électriques 5S, 58 et 60? 62 connectés à .line paire de bornes 64, ■56 et 68, 70 respectivement» Les bobines 52, 54 sont préposition- 5 Comme xl est évident pour l'homme de l'art, l'erreur cu- &ÀD ORIGINAL 69 17960 2010804 nées avec leurs conducteurs et bornes respectifs d'une manière fixe dans un boîtier 72 formé d'une matière plastic appropriée qui ne se rétrécit pas, résiste à des changements de température extrêmes, à des secousses et à l'humidité pour fournir un boîtier 5 de protection solide et durable pour chaque ligne à retard 110. Cette dernière est seulement insérée par une extrémité ouverte 74 du boîtier 72 pour placer les transmetteurs 112, 114 d'entrée et de sortie en contact avec un centact à ressort, prévu de préféren ce sur chaque borne, telle que montrée par le dispositif 76. L'ex 10 trëmité ouverte 74 du boîtier 72, par laquelle la ligne à retard 70 est introduite peut alors être bouchée par un couvercle 78 à ressort, qui, s'il est mis en place, aide à maintenir la ligne à retard 110 dans la position de fonctionnement. Si on le désire, le boîtier peut être recouvert d'un finissage métallique et des 15 chevilles de montage non montrées peuvent aussi être prévues pour fixer le boîtier 72 dans l'appareil associe. Le mode d'exécution préféré du boîtier 72, est représenté comme ayant deux pai res d'ouverture 80, 82 alignées avec les entailles des vis 84, 86 Stlit las bobines d '.ajustage 52, 54 pour effectuer tout ajustage 20 final désiré sur chacune des bobines d'ajustage pour une bande d'inductance désirée, bien que l'uniformité des lignes à retard produites par cette méthode permet l'usage d'une bobine fixe préa justëe. On vient de voir que l'ensemble à lignes à retard terminé pour être produit rapidement et d'une manière simple conformément 25 à la méthode de la présente invention pour assurer des dimensions exactes et d'une précision d'ajustage dans un procédé de production de haute qualité uniforme tandis aue le rendement est accru avec une réduiction sensible des frais. Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de rë-30 alisation représentée et décrit qui n'a été choisi qu^à titre d' exemple. 69 17960 10 2010804 i. REVENDICATIONS Une méthode pour fabriquer une multitude de lignes à retard acoustiques substantiellement identiques ayant une paire de grandes surfaces agissant comme miroir et des transmetteurs à ouverture totale, les transmetteurs ayant la même largeur que l'é-5 paisseur de la ligne à retard, les lignes à retard ayant des caractéristiques du mode de propagation non dispersif et à cisaillement du milieu perpendiculaire à la propagation, la méthode étant caractérisé par la fixation d'un moyen transmetteur de signaux à un bloc de matériau acoùstiquement conducteur ayant une 10 grandeur et une forme prédéterminée, et le coupage subséquent du bloc et des moyens transmetteurs de signaux ont des plaques fines formant des lignes à retard de type guide d'onde et d'épaisseur prédéterminée. 2. Le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce 15 que le bloc est coupé en plaques dont la longeur maximum est deux demies longueurs d'onde de l'onde acoustique employée. 3. Le procédé selon la revendication 2, caractérisé par le pas supplémentaire de l'ajustage de la ligne à retard par réduction de la grandeur du bloc après la fixation des moyens trans- 20 metteurs et avant le découpage. 4. Le procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la ligne à retard est introduite dans un boîtier à bornes pré-positionées et que la ligne à retard est fixée à l'intérieur du boîtier, ces moyens transmetteurs étant en contact avec les bornes 25 du boîtier. 5. Le procédé selon les revendications 1 - 4, caractérisé en ce que/?aa?xxation des moyens transmetteurs le bloc est formé en un polyèdre ayant une paire de surfaces d'entrée et de sortie de signaux planes et allongées. 30 6. Xe procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la formation du polyèdre est exécutée tel qu'un chemin de retard de transmission interne à réflections multiples entre les surfaces d'entrée et de sortie du signal est réalisé. 7. Le procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce 35 que le pas de fixation comprend la fixation d'une paire de bandes allongées de matériaux transmetteurs de signaux constituant les moyens transmetteurs de signaux à ladite paire de surfaces d'entrée et de sortie. 8. Le procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce 69 17960 11 2010304 que les surfaces d'entrée et de sortie dans différents plans s1é-tendant respectivement en parallèle à l'axe commune du polyèdre et dans lequel le pas de découpage comprend le découpage simultané du bloc et des moyens transmetteurs le long des plans parallê-5 les espacés normaux à l'axe commune du polyhédron. 9. Une ligne à retard ultrasonique fabriquée conformément à une quelconque des méthodes des revendications 1-8. 10. La ligne à retard ultrasonique selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'élément â retard est un matériau accous- 10 tiquement conducteur auquel sont fixés des moyens transmetteurs de signaux d'entrée et de sortie et un boîtier ayant des bornes pré-positionées â l'intérieur, ce boîtier étant un sous-assemblage unitaire pour la ligne à retard introduite dans le.boîtier, les bornes du boîtier engageant les moyens transmetteurs de signaux 15 de la ligne à retard. 11. La ligne à retard selon la revendication 10, caractérisée en ce que le boîtier est en matière plastique et comprend une ouverture d'accès pour recevoir la ligne à retard et qui est fer-jaé hermétiquement au moyen d'un couvercle. BAD ORIGINAL