Brevet FR2061592A1 — publié le 19710625

la présente invention se rapporte à un transducteur piézoélectrique destiné à convertir un signal électrique en un signal acoustique et vice versa. Depuis longtemps on utilise le?* transducteurs piézoélectriques 5 pour une telle conversion de signa}., les éléments du transducteur se déforment 3e long d'un exe donné en réponse à un signal électrique d'entrée alternatif selon la manière dont la substance piézoélectrique est polarisée, les substances piézoélectriques telles que le ti-tanate de baryum et les zirconates de plomb présentent les caractéris-10 tiques des céramiques en ce qu'elles résistent bien à la. compression mais faiblement à la traction. la plupart des trcjosducteurs piézoélectriques sont réalisés ae manière à vibrer laigitudinalenient ou radia-lement. les transducteur's vibrent longitudinalement formés d'une série d'anneaux polarisés axialemen " reçoivent voie r.récompression en étant 15 comprimés entre des organes inférieur et supérieur de boîtier au moyen d'un boulon. D'autres transducteurs sont formés par un barreau présentant ces segments alternés ae polarités opposées et constituent le type à barreau fléchissant. Un segment unique peut aussi agir soit comme un barreau à flambage ou comme un disque qui se déforme 20 à la manière d'un bidon d'huile. Les éléments de transducteur du type à disques ont été d'un usage peu répaidu en raison des limitations d'effort, leur possibilité en puissance est sévèrement limitée du fait qu'ils se brisent sous l'influence d'efforts physiques bien avant qu'ils se trouvent électriquement dé--.olarisés. 25 Les transducteurs piézoélectriques du tvpe à disques sont nor- malenent polarises en épaisseur (selon un axe perpendiculaire aux faces) et, afin oe pouvoir accomplir la polarisation, un dépôt très mince d'une substance fortement conductrice, co:,.me de l'argent ou du cuivre, est déposé sur chaque face, les bornes ce sortie étant re-30 liées à chaque face plaquée. De nombreuses défaillances de ces éléments en forme de disque pour des puissances modérées, dues apparemment à aes efforts de traction durant la. vibration, ont donné l'idée de lier un disque ce métal précontraint à la face de l'élément. Cette solution a apporté une amélioration notable en ce qui concerne la 35 puissance de sortie. On a constaté plus tard que la précontrainte du disque de métal n'était pas nécessaire et que les mêmes résultats pouvaient être sensiblement obtenus avec un simple disque de métal. On a en outre constaté que la même technique était efficace pour un barreau à flambage à un segment ou un barreau fléchissant à plusieurs 40 segments séparés. Dans ce dernier cas, le problème du court-circuit BAD ORIGINAL 70 23559 2 2061592 des segments a exigé l'emploi d'une feuille, de renforcement non conductrice, et une couche de verre epoxy s'est révélée efficace et a permis des puissance de sortie relativement élevées pour un barreau d'une dimension donnée» 5 Par conséquent, un objet de la présente invention consiste à réaliser un transducteur piézoélectrique perfectionné permettant de délivrer une plus grande puissance de sortie. Get objet et ces caractéristiques et d'autres encore de la présente invention apparaîtront plus clairement de la description &é-10 taillée qui suit ainsi que qes dessins y annexés, étant bien entendu que ceux-ci ne sont donnés qu'à titre d'exemples nullement limitatifs « Sur les dessins : la Figo 1 représente en cci-pe un transducteur du type à disques 15 selon l'invention ; la Fig. 2 est'une vue explosée des organes du transducteur de la Pig» 1 ; la Piga 3 représente en coupe un transducteiir du type à barreaux fléchissants selon l'invention ; et 20 la Fig» 4 représente en coupe un transducteur du type a bar reau à flambage selon l'invention» En se reportant maintenant à la Fig. 1, on y voit un transducteur 10 dans lequel deux éléments en forme de disque sont agencés dos à dos. L'un des éléments est xormé d'un disque de céramique en une 25 substance piézoélectrique 12 possédant une fine couche dsune substance fortement conductrices telle que de l'argent ou du cuivre» plaquée sur chaque face» ^haque face constitue ainsi une êLectrode et est reliée à une source de courant alternatif. La face interne est liée à un organe réfléchissant en métal formé de deux plaques parallèles H 30 et 16 séparées par un anneau d6espacement 18 flexible radialement qui laisse un. espace d'air 20® Les plaques 14 et 16 sont généralement de la même épaisseur que le disque 12. La plaque 16 est .liée au second élément qui est formé dstm disque de céramique 22 identique au disque Î2„ Des disques minces en métal 24 et 26, généralement d'une épais-35 seur allant d'environ 25/1000 mm à 50/100 mm selon le diamètre du transducteur et sa gamme de fréquence désirée, sont liés aux faces externes des disques de céramique 12 et 22. Des conducteurs 21,23 et 25 sont connectés.comme représenté afin qu'une tension alternative puisse être appliquée entre les faces opposées des disques de céra-40 mique « 70 23559 3 2061592 a la irig. 2, qui représente une vue explosée des organes de la Fig. 1, les organes 14, 16 et 18 sont représentés séparés. Cependant, ces ors-anes sont normalement liés ensemble afin de former un organe cylindrique plat présentant un espace d'air au centre. Oe transducteur fonctionne selon le mode de d^i'ormation en bidon a'huile, chaque élément transducteur séparé se déplaçant vers l'extérieur et vers l'intérieur simultanément. la déformation vers 1 'extérieur fait subir a la face externe une traction ,etsans les disques minces en métal 24 et Zo les éléments seraient limités quant- à la puissance au' il peuvent délivrer en raison au manque de résistance à la traction des disques de céramique, -^n liant les disques minces de métal 24 et 26 aux disques de céramique comme représenté, on a constaté que la déformation permise et, par conséquent, la possibilité en puissance pouvait être augmentée jusqu'à environ quatre fois. Les disques 24 et 26 précontraints ou non ont été utilisés et les deux types ont donné satisfaction. Il apparaît qu'aucun avantage n'est obtenu par la précontrainte de ces aisques. La liaison peut être réalisée par un fort ciment époxy, tel que l'jipon VI fabriqué par Shell Chemical Company. Le ciment ne doit pas être trop épais ni trop dur, puisque cela pourrait produire la rupture du lien durant le fonctionnement et tendrait en outre à raidir tout le transducteur, élevant sa fréquence et réduisant sa largeur de bande. la même technique es : représentée à la r'i;j. 3 en liaison avec un transducteur du cype à barreaux fléchissants. Dans ce type ae transducteur, une série de barbeaux en substance piézoélectrique 30a,30b, 32a, "ydo, ^4a, 34b, 36a, 36b sont connectés côte à côte en série et dos a aos de manière que les segments inclus entre les' électrodes 29, 31, 33, 55, 37, 39, 41 et 43 soient de polarités alternées. Les segments supérieurs sont ae polarités opposées par rapport à ceux immédiatement dessous et il en résulte que les segments supérieurs tendent à se dilater tandis que les segments inférieurs tendent à se contracter. Exactement le contraire se produit lors du demi cycle suivant, te sorte que l'ensemble tend à fléchir d'arrière en avant en synchronis-ae aven l#>. -ensio.- alternative appliquée. Comme dans 3e cas du transducteur à disques, l'expansion provoque un effort de traction dans le transducteur et généralement cela limiterait la possibilité en puissance du transducteur. Puisque la liaison d'une feuille de métal directement sur les faces du transducteur court-circuiterait les electrodes situées entre les segments, une feuille en substance isolante 44, 46,telle que du verre epoxy, est liée à chacune des iàees 70 23559 4 2061592 supérieure et inférieure des segments, et une "bande de métal est a-lors fixée à chacune des feuilles de manière que cette bande soit isolée des électrodes. On a constaté que l'on pouvait beaucoup gagner en utilisant le verre epoxy seul. Cependant, en vue d'un effort maxi-5 mal le métal doit être utilisé c on j o int emenv avec la feuille isolante. En se reportant à la Eig. 4, on y voit un transducteur de type à barreaux à flambage utilisant deux éléments de céramique 54 et 56. Lorsque cet agencement est employé, chaque barreau s'oppose à l'expansion de l'autre, donnant naissance à des vibrations de flambage, 10 et ainsi tendent àaccomplir certaines des fonctions des lourdes plaques de métal 14 et 16 représentées à la Eig. 1» Avec la tension appliquée comme représentée, les barreaux 54 et 56 tendent à se courber vers l'extérieur durant rai demi cycle et vers l'intérieur durant le demi cycle opposé. Une couche d'une substance fortement conductrice, 15 telle que de l'argent, est plaquée sur chaque côté des barreaux 54 et 56 et chaque cot.che est connectée à une source de courant alternatif comme représenté. Des barreaux minces en métal 58 et 60 sont respectivement fixés aux éléments 54 et 56 et sont destinés à accroître la grandeur de la déformation qui peut être tolérée pour les é— 20 léments de la même manière que décrit ci-dessus. On croit savoir que la raison de la limitation quant à la possibilité en puissance des transducteurs ne possédant pas de feuilles liées aux faces réside dans le fait que la substance en céramique présente toujours des fissures minuscules en surface qui engendrent 25 une défaillance importante lorsque l'élément est conduit à se déformer au delà d'une valeur donnée. En liant à la surface une substance présentant une grande résistance à la traction, on donne à la surface de la céramique une plus grande intégrité, on répartit l'effort sur une substance de plus forte résistance mécanique et on empêche la 30 croissance de ces fissures à un point tel que les défaillances de structure constituent une limitation moins sévère du fonctionnement que ne le fait la dépolarisation électrique des éléments du transducteur . Bien que dans un but d'explication de l'invention plusieurs 35 formes de réalisation particulières de celle-ci aient été représentées et décrites, il doit être entendu que divers changements ou modifications évidents à tout homme de l'art peuvent y être apportés sans s'écarter pour cela de l'esprit de l'invention ni sortir de son domaine. Par exemple, la présente invention s'applique à la fois aux 40 transducteurs d'émission et aux transducteurs de réception. Ainsi, 5 70 23559 un transducteur de réception réalisé comme décrit peut être exposé des forces acoustiques plus grandes, de sorte qu'il en résulte une déformation plus grande et une plus grande tension de sortie. 2061592 70 23559 6 2061592 EETBJIIOATIONS 1. Transducteur piézoélectrique destiné à convertir un signal électrique en un signal acoustique et vice versa comprenant un organe en substance piézoélectrique polarisé de telle manière que lorsqu'il 5 est excité au moins l'une de ses deux faces opposées est soumise à des forces de traction, un organe réfléchissant de raideur notable disposé contre l'autre face du premier organe, et des électrodes fixées aux aeux faces opposées du premier organe, caractérisé en ce qu'il est prévu une couche d'une substance présentant une résistance 10 à.la traction notablement supérieure à celle du premier organe qui est liée à la face soumise aux forces de traction» 2. Transducteur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier organe et l'organe réfléchissant sont constitués par des disques, l'organe réfléchissant étant d'épaisseur 15 notable et. lié au premier orgene, et le premier organe étant polarisé et monté de manière que ces disques vibrent en flexion comme un ensemble parallèle à l'axe du transducteur. 3° Transducteur piézoélectrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche d'une substance présentant une résis-20 tance à la traction notablement supérieure à celle du premier organe comprend un disque mince de métal <> 4« Transducteur piézoélectrique selon les revendications 2 et 3S caractérisé en ce que deux paires de disques sont agencés dos à dos et sont espacées l'une de l'autre par un moyen procurant un es-25 pace dfair entre les organes réfléchissants, et en ce que les organes réfléchissants sont connectés aux électrodes voisines pour former un pôle d'un circuit électrique et les électrodes restantes sont connectées ensemble pour former le pôle opposé du circuit électrique. 5. Transducteur piézoélectrique destiné à convertir un signal 30 électrique en un signal acoustique et vice versa comprenant une pluralité de segments en une substance piézoélectrique qui sont de polarités alternées et disposés de manière à former un barreau fléchissant, ces segments étant assemblés entre des couches liées à chaque face exposée du barreaus caractérisé en ce que les couches sont for- 35 mées d'une substance isolante présentant une grande résistance à la traction« 6. Transducteur piézoélectrique selon la revendication 5» caractérisé en ce que chacune des couches comprend aussi orne mince "bande de métal séparée des segments par la substance isolante.