Brevet FR2152348A1 — publié le 19730427

La présente invention a pour objet un traducteur ultrasonore à effet piézoélectrique et utilisable à haute température. De façon plus précise, la présente invention a pour but de réaliser un traducteur ultra-sonore à haute température à partir de capsules piézoélectriques monocristallines de faibles dimensions. Pour beaucoup d'applications, on doit utiliser des traducteurs à ultrason de type particulier, capables de conserver leur propriété piézoélectrique à haute température. C'est le cas en particulier des capteurs de déplacement dans les réacteurs refroidis au sodium liquide. Dans le cas des traducteurs focalisés, l'énergie émise par ledit traducteur dépend de sa surface active. Or, dans le cas des capteurs à haute température (par exemple capteurs au niobate de lithium) on ne peut pas trouver actuellement de traducteurs ultra-sonores à effet piézoélectrique ayant un diamètre supérieur à 20 mm. De plus, le coût d'un tel capteur croît très rapidement lorsque sa dimension augmente. Pour réaliser un traducteur à haute température et de grande dimension (supérieure à 20 mm), la présente invention propose de remplacer un traducteur unique par un ensemble de pastilles monocristallines reliées électriquement entre elles par un montage en parallèle. Toutefois, pour que l'onde sonore émise par l'ensemble de ces capteurs élémentaires donne le même effet que celle émise par un capteur unique, il faut que ltensemble de ces capteurs ait une disposition de révolution autour de l'axe dudit capteur. La présente invention a précisément pour objet un traducteur ultra-sonore à effet piézoélectrique utilisable à haute température qui répond mieux qùe ceux de l'art antérieur aux critères cités ci-dessus. Le traducteur se caractérise en ce que des pastilles monocristallines piézoélectriques sont fixées par leur face active sur un support commun, lesdites pastilles étant réguliément répartis sur au moins un cercle centré sur l'axe dudit capteur, et situé dans un plan perpendiculaire audit axe, lesdites pastilles étant reliées en parallèle par des connexions électriques de telle façon que les ondes sonores émises par les pastilles soient en phase. Les traducteurs conformes à la présente invention, peuvent être de trois types principaux: Les pastilles piézoélectriques sont collées sur une lame plane. Les pastilles piézoélectriques sont collées sur une lame sphérique à facettes. Les pastilles piézoélectriques sont montées sur un support à géométrie variable telle que lesdites pastilles soient tangentes à une sphère à rayon variable. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif; la description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté: - sur la figure 1, un exemple de réalisation de traducteurs piézoélectriques plans, - sur la figure 2, un exemple de réalisation de traducteurs piézoélectriques à focale fixe, - sur la figure 2' une variante du traducteur précédent, - sur la figure 3, un exemple de réalisation de traducteurs piézoélectriques à focale variable en coupe verticale, - sur la figure 4, le même traducteur piézoélectrique en coupe horizontale selon le plan A-A de la figure 3. Selon une caractéristique de la présente invention, les pastilles piézoélectriques monocristallines sont reliées électriquement en parallèle toutefois, pour alléger les figures, on n'a pas représenté lesdites connexions. Sur la figure 1, on a représenté un exemple de réalisation d'un traducteur plan conforme à l'invention. Sur une lame de phase 2 plane, dont l'épaisseur constante est un multiple de la demi-longueur d'onde de l'onde émise par les pastilles piézoélectriques, on colle un certain nombre de pastilles piézoélectriques monocrista-llines telles que 4. La pastille piézoélectrique 4a occupe le centre du dispositif. Les huit autres pastilles sont situées de telle façon que leur centre soit placé sur un cercle dont le centre est confondu avec celui de la pastille 4a. Sur la figure 1, on a donné aux pastilles piézoélectriques une forme cylindrique, il va de soi que cette forme pourrait être autre, par exemple parallélépipédique. De même le traducteur pourrait comporter plusieurs cercles de pastilles piézoélectriques. Sur la figure 2, on a représenté un exemple de réalisation d'un traducteur selon l'invention, à focale fixe. Le support est constitué par un demi-polyèdre régulier creux 6 qui est circonscrit à une demi-sphère 8. Le support est limité par un deuxième polyèdre 7 circonscrit par une demi-sphère 8' concentrique à la sphère 8, le demi-polyèdre étant en un matériau bon conducteur des ondes ultra-sonores. Sur chaque face du polyèdre extérieur on colle une pastille piézoélectrique 10 de forme cylindrique, selon l'exemple représenté, sa face active étant appliquée sur le polyèdre. Le polyèdre est régulier de telle sorte que les normales à chacune des pastilles piézoélectriques 10 se coupent au centre de la sphère inscrite dans le demi-polyedre. On obtient ainsi un traducteur piézoélectrique dont la distance focale est égale au rayon de la sphère 8. La différence entre les longueurs des rayons des sphères 8 et 8' est égale à un multiple de la demi-longueur d'onde de l'onde émise par les pastilles. Sur la figure 2', on a représenté une variante du traducteur représenté sur la figure 2. Les pastilles piézoélectriques telles que 10 sont collées sur le polyèdre intérieur 7. Le polyèdre extérieur est recouvert par un amortisseur 11 en un matériau absorbant les ondes ultra-sonores. Sur les figures 3 et 4, on a représenté un exemple de réalisation de traducteur ultra-sonore conforme à l'invention, à focale variable. Le traducteur se compose d'un cylindre central creux 12, contenant une pastille piézoélectrique 14 isolée électriquement dudit cylindre. La face active de la pastille 14 coïncide avec la section inférieure dudit cylindre 12. A sa partie inférieure, le cylindre 12 comporte une rotule annulaire 16. A sa partie supérieure et sur sa paroi extérieure, le cylindre 12 comporte une partie filetée 18 sur laquelle on peut visser un écrou mobile 20. L'écrou 20 a une section conique dont la pointe est tournée vers le bas. Le traducteur à focale variable, conforme à l'invention, comporte également six cylindres 22 répartis régulièrement autour du cylindre central 20. Ces cylindres 22 creux renferment une pastille piézoélectrique 24 isolée électriquement dudit cylindre.La face active de la pastille 24 coincide avec la section plane inférieure du cylindre 22.Chaque cylindre 22 présente à sa partie inférieure et sur sa périphérie, une gorge annulaire 26 dont le rayon est le meme que celui de la rotule 16. Chaque cylindre 22 prend appui, d'une part sur la rotule 16 par l'intermédiaire de la gorge 26 et sur la face inclinée 28 de l'écrou conique 20 par sa partie supérieure. Le serrage des six cylindres 22 sur le cylindre central 12 est assuré par un lien 30 engagé dans des gorges 32 ménagées autour de chacun des cylindres 22 et à mi-hauteur desdits cylindres. Les cylindres 22 sont maintenus en position radiale par des ailettes 34 solidaires du corps du cylindre 12. Dans l'exemple décrit, le traducteur comporte six pastilles piézoélectriques périphériques. I1 va de soi que le traducteur pourrait en comporter davantage, à condition de répartir régulièrement les pastilles autour de la pastille centrale. On peut d'ailleurs remarquer que plus il y a de pastilles piézoélectriques, plus on se rapproche du cas idéal où le traducteur serait constitué par une seule pastille de grande dimension. Le réglage de la distance focale se fait de la façon suivante: - en dévissant l'écrou conique 20, les cylindres 26 qui sont plaqués contre ledit écrou par le lien élastique 38, se rapprochent de la verticale en pivotant autour de la rotule 16. On modifie ainsi le point de convergence des axes de chacune des pastilles piézoélectriques. Les ailettes 34 ont bien sûr une forme qui permet le mouvement de chacun des cylindres 26 dans un plan vertical contenant l'axe du cylindre 12 et le point de contact de la rotule annulaire ave la gorge 26 du cylindre correspondant. Les possibilités de réglage de la distance focale du traducteur à ultrasons ne sont limitées que par la longueur de la face inclinée 28 de l'écrou conique. Les pastilles piézoélectriques sont avantageusement fabriquées à partir de métaniobates de métaux alcalins, (de formule générale M.NbO3, M représentant un métal) tels que le métaniobate de lithium. Cependant des traducteurs conformes à l'invention peuvent tout aussi bien être fabriqués à partir de pastilles d'autres matériaux. I1 va de soi que la présente invention ne se limite pas aux exemples de réalisation plus spécialement décrits et repyésentési elle en embrasse au contraire toutes les variantes. En particulier les traducteurs, en adaptant l'appareillage électrique, peuvent tout aussi bien être utilisés comme metteur que comme émetteur-récepteur. REVENDICATIONS 10) Traducteur ultra-sonore à effet piézoélectrique, caractérisé en ce que des pastilles monocristallines piézoélectriques sont fixées par leur face active sur un support commun, lesdites pastilles étant régulièrement réparties sur au moins un cercle centré sur l'axe dudit capteur, et situé dans un plan perpendiculaire audit axe, lesdites pastilles étant reliées en parallèle par des connexions électriques de telle façon que les ondes sonores émises par les pastilles soient en phase. 20) Traducteur ultra-sonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support commun, en un matériau conduteur des ondes ultra-sonores, est plan et qu'il a une épaisseur constante qui est un multiple de la demi-longueur d'onde, de l'onde émise par lesdites pastilles. 30) Traducteur ultra-sonore focalisé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support commun est un solide, en un matériau conducteur des ondes ultra-sonores, limité par deux demi-surfaees poy8driques régulières et parallèles circonscrites à des demi-spheres concentriques, une pastille piézoélectrique étant collée sur chaque face de l'une desdites surfaces et la différence entre les longueurs des rayons des demi-sphères étant un multiple de la demilongueur d'onde de l'onde émise par lesdites pastilles. 40) Traducteur ultra-sonore selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un premier cylindre creux contenant une pastille piézoélectrique électriquement isolée dudit cylindre, ledit cylindre comportant à 1-' une de ses extrémités, un écrou conique mobile dont la pointe est tournée vers l'autre extrémité du cylindre, laquelle est munie sur sa périphérie d'une rotule annulaire, et une pluralité de cylindres creux contenant chacun une pastille piézoélectrique électriquement isolée de chaque cylindre, lesdits cylindres étant régulièrement répartis autour du premier cylindre et prenant appui, à leur partie inférieure sur la rotule du premier cylindre par l'intermédiaire dune gorge annulaire, et à leur partie supérieure sur la face inclinée de l'écrou conique, lesdits cylindres étant appliqués sur le premier cylindre par un lien élastique entourant extérieurement l'ensemble desdits cylindres. 5 ) Traducteur piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les pastilles piézoélectriques sont en métaniobate de métaux alcalins.