Brevet FR2128798A1 — publié le 19721020

La présente invention concerne les transducteurs ultrasonores qui transforment une énergie électrique à haute fréquence en énergie mécanique à haute fréquence, comprenant des cristaux piézoélectriques en matière céramique. Elle a pour but l'amélioration du refroidissement de ces cristaux pendan -5 le fonctionnement. On connaît des transducteurs ultrasonores qui comprennent une masse métallique antérieure, une masse métallique postérieure et au moins un générateur piézoélectrique formé par au moins un cristal piézoélectrique. Si un tel générateur comprend deux cristaux piézoélectriques, ceux-ci sont habituellement 10 écartés par un séparateur fait d'une feuille métallique mince à laquelle une extrémité du circuit électrique esc reliée. Suivant la technique connue, un tel séparateur est tellement mince qu'il ne sert guère à recroidir le transduc-teur pendant son fonctionnement. Des transducteurs de ce genre sont décrits, notamment, au brevet LVanjais 2 009 959 et aux brevets des Etats-Unis 15 d'Amérique 3 328 510 et 3 358 035. On a trouvé, suivant l'invention, qu'on peut construire un transducteur ultrasonore comprenant au moins deux cristaux piézoélectriques écartés par un séparateur beaucoup plus épais, dissipant une grande quantité de chaleur en cours de fonctionnement. 20 L'invention a essentiellement pour objet un transducteur ultrasonore comprenant une masse antérieure métallique, une masse postérieure métallique . deux générateurs à cristaux piézoélectriques intercalés entre ces masses et un séparateur métallique placé entre ces générateurs et en contact avec eux, caractérisé en ce que, simultanément la longueur totale de bout en bout du 25 transducteur est un nombre entier de demi-longueurs d'onde et est au moins de deux demi-longueurs d'onde, en ce que les générateurs sont placés en deux noeuds de vibrations distants d'une demi-longueur d'onde et en ce que ce est un séparateur ° n séparateur/épais dont la longueur est voisine d'une demi-longueur d'onde. Suivant un mode de réalisation de l'invention, un outil transmet les 30 vibrations émises par la masse métallique an érieure ; cet outil peut taire partie de la masse métallique elle-même, ou être simplement fixé à elle. Les diverses parties du transducteur sont avantageusement cylindriques. Le transducteur peut être assemblé par un boulon axial unique, par une série de boulons périphériques ou par une enveloppe externe de maintien. 35 3ien entendu, les orientations des générateurs sont ^elles que les vibrations ne se compensent pas quand l'excitation est-produi e en courant alternatif de fréquence comprise entre environ 20 kHz et -i-O kHz ou même au-delà. La chaleur dégagée dans les cristaux et dans les parties métalliques 40 72 08342 2128798 du transducteur peut être dissipée par un courant d'air de refroidissement autour de ces pièces ou à travers celles-ci, ou encore en immergeant le tout dans un liquide de refroidissement. L'évacuation de la chaleur peut être améliorée par des ailettes conductrices de la chaleur fixées au séparateur 5 métallique. La firme Clevite Corporation, de Cleveland, Etats-Unis d'Amérique, vend des cristaux en forme de disques, qu'on peut utiliser à la fabrication des transducteurs suivant l'invention. Ces cristaux sont polarisés à la fabrication, et la surface polarisée positivement est repérée. 10 Au dessin annexé : - les Fig. 1, 2 et 3 représentent, en élévation latérale, trois modes différents de réalisation de transducteurs ultrasonores suivant l'inven ion ; - la Fig. 4 représente, en élévation latérale, avec coupe partielle verticale, un transducteur ultrasonore suivant un quatrième mode de réalisa- 15 tion de l'invention (les parties sicuées à droite des Fig. 1 à 4 sont appelées dans la description parties "antérieures", et les par.ies si uées à gauche sont appelées parties "postérieures") ; et - la Fig. 5 est une coupe transversale suivant la ligne 5-5 de la Fig. -4. 20 Le transducteur représenté à la Fig. 1 comprend un générateur !"ormé d'une masse 11 métallique cylindrique postérieure, d'une masse 13 métallique cylindrique antérieure, de deux disques 15, 17 faits de cris aux diélectriques polarisés, comme le montrent les flèches, respectivement placés en coniact des faces planes des masses 11 postérieure et 13 antérieur, et d'un séparateur 25 19 métallique placé entre les disques 15, 17 ; ce séparateur présente des faces planes appliquées contre ces disques. Formant corps avec la masse 13 antérieure, un outil 21, appliquant les vibrations ultrasonores, se termine par une tête 25 de diamètre beaucoup plus petit que le corps de l'outil ; un épaulement 23 annulaire raccorde la tête 25 et le corps. Le tou-_ est assemblé 30 par une tige 27 métallique axiale, filetée à son extrémité antérieure et vissée, dans un filetage borgne, dans la masse 13 ; cette tige traverse les disques 15, 17 et le séparateur 19 par des trous axiaux et est isolée électriquement de ces disques et de ce séparateur, par un isolant électrique convenable ou par un simple espace d'air ; cet :e tige 27 relie électriquement les masses 11, 13 35 métalliques postérieure et antérieure. Les masses 11, 13 et le séparateur 19 peuvent être fabriqués en un même ou en des métaux différents ; on peut utiliser, par exemple, l'aluminium, le titane, l'acier, etc. Les disques 15, 17 peuvent être d'un :ype bien connu ; ce sont, par exemple, des disques de titanate de baryum ou de li ;ana..e/zirconate 40 de plomb, qui sont vendus à l'état polarisé, et qu'on monte de manière que les 72 08342 3 2128798 surfaces polarisées positivement soient orientées dans le même sens (comme le » montrent les flèches), pour que les vibrations créées par les deux disques ne se compensent pas. On rappelle ici que, suivant la technique connue utilisant un séparateur mince, les surfaces en vis à vis sont polarisées avec le même 5 signe (polarisées positivement, par exemple). Le transducteur représenté à la Fig. 1 a une longueur totale d'une longueur d'onde et demie ; le séparateur 19 a une épaisseur d'une demi-longueur d'onde, c'est-à-dire une épaisseur beaucoup plus grande que les séparateurs dos transducteurs connus. Les disques 15, 17 sont placés en des noeuds N de 10 vibration ; les plans médians de ces disques passent avantageusement par ces noeuds, ce qui donne un maximum de rendement. L'épaulement 23 est également placé à un noeud N. On peut fixer le transducteur aux noeuds, au nombre de trois, à savoir entre le cristal 15 et la masse 11 postérieure, entre le cristal 17 et la masse 13 antérieure et à l'épaulement 23, sans perte d'énergie 15 par amortissement des vibrations longitudinales. La plus grande élongation longitudinale se produit aux ventres A de vibration, dont l'un est situé à la tête 25 de l'outil, qu i est la partie active. La vibration à la tê::e de l'ou il est amplifiée par la réduction de son diamètre. Cette construction améliore le refroidissement puisque les disques de 20 cristaux sont séparés par toute l'épaisseur du séparateur 19. D'autre par;:, la chaleur dégagée par l'excitation des disques 15, 17 es : dissipée par conduc :ion dans les masses 11, 13 métalliques et dans le séparateur 19 aussi métallique ; ces pièces ont des masses ei une conductivité thermique beaucoup plus grande que les disques en matière céramique cristallisée. On évite ainsi un échauffe-25 ment exagéré de l'appareil. Suivant un exemple numérique, le transducteur travaille avec une fréquence de -+0 kHz. L'outil 21 et la masse 13 ont une longueur totale de 81,58 mm et sont formés d'une seule pièce de titane. Le séparateur 19, en aluminium, a une longueur de 53,98 mm ; la masse 11 postérieure est en acier 30 et est longue de 23,29 mm. L'épaisseur des disques 15, 17 est de 6,35 mm. Le diamètre de la tête 25 d'outil est de 12,70 et celui des autres parties du transducteur est de 33,1 mm. La Fig. 2 représente un mode un peu différent de réalisation du transducteur suivant l'invention. Ce transducteur comprend deux masses 11', 13' 35 métalliques et un séparateur 19* métallique, épais, analogues à ceux de la réalisation décrite ci-dessus. Les disques 15, 17 sont remplacés par deux couples de disques 15' et 16', d'une part et 17' et 18', d'autre part ; de minces séparateurs 31, 33 métalliques écartent les deux disques d'un même couple. Chaque couple est placé en un noeud et les deux séparateurs 31, 33 sont 72 08342 4 2128798 reliés électriquement entre eux et sont reliés aussi à 1'une des bornes de l'alimentation électrique, tandis que la masse 111 métallique pos'-érieure et le séparateur 19', qui est le séparateur épais, sont reliés en parallèle à l'autre borne du circuit d'alimentation. L'avantage de cette construction est la diminution de résistance électrique, qui permet une adaptation facile à un générateur de petite impédance et de réduire la tension de commande. Les cristaux ont tous la même polarisation et doivent être placés dans le transducteur de manière que les cristaux d'un des couples et ceux de l'autre couple produisent des vibrations en phase. Par exemple, les surfaces marquées positivement des cristaux 15', 16' sont placées face à face, de part et d'autre du séparateur 31 et les surfaces marquées positivement des cristaux 17', 18' sont placées dos à dos, de part et d'autre du séparateur 33. Par conséquent, les deux cristaux d'un couple s'allongent longitudinalement sous l'action de l'alternance positive de la tension alternative appliquée, .tandis que les cristaux de l'autre couple se contractent longitudinalement ; le phénomène est inversé pendant 1'autre alternance. On peut aussi adopter la disposition inverse, les surfaces marquées positivement des cristaux 15', 16' étant dos à dos et celles des cristaux 17', 18' face à face. Le mode de réalisation représenté à la Fig. 3 ne diffère de celui de la Fig. 1 que par la nature du séparateur large d'une demi-longueur d'onde, qui sépare les deux disques de cristaux. Ce séparateur est formé de deux parties 35, 37 ayant mêmes dimensions et faites de métaux différents, ayant des densités différentes ; ces deux parties sont placées côte à cote entre les cristaux. Par exemple, on peut utiliser un métal peu dense 'tel que du titane ou de 1'aluminium, pour la moitié 35 postérieure (formant la moitié antérieure de la section postérieure, longue d'une demi-longueur d'onde, du transducteur complet) et pour la masse antérieure 13" (formant la région antérieure de la partie antérieure, longue d'une demi-longueur d'onde, du transducteur complet) et utiliser un métal relativement dense, tel que de l'acier, pour la moitié 37 antérieure (formant la région postérieure de la partie antérieure, longue d'une demi-longueur d'onde, du transducteur complet) et pour la masse postérieure 11" (formant la région postérieure de la partie postérieure, longue d'une demi-longueur d'onde, du transducteur complet). Ceci produit une augmentation de vitesse par suite de la conservation du moment. Avec une telle disposition, les deux parties 35, 37 sont reliées électriquement et reliées aussi à une borne du circuit d'alimentation. Les Fig. 4 et 5 représentent un transducteur T ultrasonore monté dans un support S, de manière à permettre le refroidissement du transducteur par l'air. Ce transducteur comprend un séparateur 19" métallique, épais d'une demi-longueur d'onde, placé entre les disques 15", 17" de cris'.aux et muni d'ailettes 39 radiales de refroidissement, orientées longitudinalement. On peut aussi utiliser des ailettes annulaires. Ce transducteur T est placé dans un boîtier 40 cylindrique et est fixé à ce boîtier par une plaque 41 de montage, qui est fortement serrée entre 72 08342 5 2128798 le disque 17 : antérieur et l'extrémité postérieure de la masse 13'! métallique antérieure, grâce à la tige 27" filetée axiale. Avec cette disposition, on peu., admettre que la plaque -+1 de montage est une partie de la masse 13" métallique antérieure. La plaque -VI est reliée au boîtier 40 par tou e 5 technique convenable, par exemple, par une série de peci es vis ou boulons 42. Pour amortir la transmission des vibrations du transducteur T au support S, la plaque -*1 est perforée par deux séries de fentes 43, 45 en arc de cercle disposées sur plusieurs circonférences . Le refroidissement est amélioré en faisane circuler de l'air dans 10 le boîtier ->0 par un orifice -r9 d'entrée ; le courant d'air lèche les ailet-.es 19" et sort par les fentes -*3, -t5. On peut aussi utiliser le dispositif de refroidissement dj brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 555 297, qui assure une circulation d'air pénétrant par un canal axial ménagé dans la tige filetée. Si on demande une rigidité et une stabilité plus grandes que celles 15 qu'on peut obtenir avec une fixation unique, on peut fixer une autre plaque 50 perforée, analogue à la plaque +1 au noeud situé entre la masse 11" métallique postérieure et le disque 15". La fixation de la plaque 50 au boîtier +0 peut être assurée par toute technique usuelle, par exemple, par des~ vis radiales. Le support S ne sert pas uniquement à assurer le refroidissement du 20 transducteur, il peut aussi être utilisé pour fixer le transducteur sur un appareil. Cet appareil peut être fixe ou assurer le déplacement du transducteur, par exemple, s'il sert à faire des collures. Ceci est décrit, par exemple, au brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 555 912. Les transducteurs ultrasonores suivant les divers modes de réalisa;ion 25 de l'invention sont de construction simple et facile, parce que les diverses pièces sont cylindriques et de même diamètre ; l'usinage en est donc facile ; on peut assemble le tout par une tige filetée unique. Le refroidissement est considérablement amélioré, ce qui est précieux dans le cas d'un fonc.ionnement continu à forte puissance, par exemple, quand on réuni. des nappes de manières 30 plastiques. L'invention est aussi applicable aux transduc .eurs ultrasonores qui se terminent à la partie antérieure de la masse 13 et qu'on utilise pour agiter des solutions de nettoyage ou pour mélanger des liquides, le transucteur étant alors fixé à la paroi de la cuve renfermant ces liquides. On décrit maintenant comment on peut calculer, approximativement, un 35 transducteur suivant l'invention, puis comment on le construit pratiquement à partir de ce calcul. On utilise la relation. c 72 08342 6 2128798 où ^désigne la longueur d'onde, c désigne la vitesse du son dans une longue, barre métallique et f désigne la fréquence de résonance. Dans une barre d'aluminium, par exemple, la vitesse du son est de 5156 m/s ; pour une fréquence de 40 kHz, on a : A =c . /fTt =5156/40 000 = 0,1289 m. m m/s Hz 5 La vitesse du son dans une barre de titane est de 4970 m/s. De nombreuses vitesses du son sont données à l'Appendice B, page 363 de l'ouvrage suivant : FREDERICK (J.R.), Ultrasonic Engineering, John Wiley & Sons, 1965. Le séparateur 19 doit donc avoir une longueur de environ 6,45 cm, s'il est en aluminium, la fréquence étant de h-0 kH. On calcule de manière analogue 10 les longueurs théoriques des autres pièces métalliques 11, 13 e:. 21. En fait, les noeuds devant être dans les disques 15, 17 de cristaux, la longueur réelle du séparateur 19 doit être un peu plus petite que la longueur ainsi calculée pour tenir compte des épaisseurs des disques. Ce calcul n'est qu'approximatif pour plusieurs raisons : la formule 15 donnée n'est valable que pour une barre fine infinie de diamètre constant ; les vitesses dans les alliages différent de celles qu'on mesure sur des métaux purs ; la fabrication des transducteurs nécessite la présence d'un ou de plusieurs boulons d'assemblage ; enfin le diamètre de l'outil 21 n'est pas constant. En pratique, on fabrique des pièces un peu plus grandes que calculé ; 20 on les assemble et on fait fonctionner le transducteur. On rogne ensuite les diverses pièces jusqu'à obtenir les positions convenables des noeuds et des ventres pour la fréquence choisie comme fréquence de travail. On connaît diverses techniques pour déterminer les positions des noeuds et des ventres de vibration ; on peut, par exemple, observer les effets des vibrations sur 25 une poudre ou bien utiliser un dispositif piézoélectrique analogue à un capteur de tournedisque. Si on utilise des métaux différents pour le mode de réalisation de la Fig. 1, il est avantageux que la masse 11 postérieure ait la plus grande densité, que le séparateur 19 72 08342 7 2128798 REVENDICATIONS Transducteur ultrasonore comprenant une masse antérieure mé allique, une masse postérieure métallique, deux générateurs à cristaux piézoélectriques intercalés entre ces masses et un séparateur métallique placé entre ces générateurs et en contact avec eux, caractérisé en ce que, simultanément la longueur totale de bout en bout du transducteur est un nombre entier de demi-longueurs d'onde et est au moins de deux demi-longueurs d'onde, en ce que les générateurs sont placés en deux noeuds de vibrations distants d'une demi-longueur d'onde et en ce que ce séparateur est un séparateur dont la longueur est voisine d'une demi-longueur d'onde. Transducteur ultrasonore conforme à la revendication 1, caractérisé par la présence d'un outil fixé sur la masse métallique antérieure, ayant une tête libre de diamètre réduit, une longueur d'une demi-longueur d'onde, la tête se trouvant à un ventre de vibrations. Transducteur ultrasonore, conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le séparateur épais est formé d'une uaique masse métallique. Transducteur ultrasonore conforme à l'une quelconque des revendica ions 1 à 3, caractérisé en ce que le séparateur épais est formé de deux parties métalliques mises bout « bout et ayant des densités différentes. Transducteur ultrasonore conforme à l'une quelconque des revendications 1 à -f, caractérisé en ce que les deux générateurs comprennent chacun un seul élément ristallin, les orientations de ces deux éléments é :ant de même sens. Transducteur ultrasonore, conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4-, caractérisé en ce que chacun des deux générateurs comprend deux éléments cristallins séparés par un conducteur électrique mince, les surfaces polarisées positivement des éléments cristallins d'un des générateurs étant orientées vers le séparateur mince du dit générateur, tandis que, dans le second générateur, ce sont les surfaces polarisées négativement qui sont orientées vers le conducteur électrique mince. Transducteur ultrasonore conforme à la revendication S, caractérisé en ce que les deux conducteurs électriques minces sont reliés électriquement entre eux et à l'une des.bornes d'une soruce d'énergie électrique alternative et en ce que le séparateur épais est relié électriquement aux masses métalliques antérieure et postérieure et à l'autre des bornes de la source d'énergie électrique. Transducteur ultrasonore conforme à 1'une quelconque des revendications 72 08342 8 2128798 1 à 7, caractérisé par la présence d'ailet.es de refroidissement sur le séparateur épais. 9. Transducteur ultrasonore conforme à l'une quelconque des revendica ions 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un boÎLier eL un dispositif de 5 ventilation soufflant de l'air frais dans le boîtier sur la surface du t ransduc teur. 10. Transducteur conforme à la revendication 9, caractérisé par au moins une plaque de montage perforée serrée entre deux des éléments consLitu .i ?s du transducteur en un noeud de vibrations et fixée au boîtier.