Brevet FR2378419A1 — publié le 19780818

L'invention concerne un transducteur piézoélectrique et notamment uÙ transducteur à élément élastique Les transducteurs élastiques piézoélectriques sont connus et sont par exemple décrits dans les brevets UOSo 3 629 625 et 3 676 722 Chaque élément d'un tel transducteur est normalement formé d'un disque circulaire0 mince en un matériau piézoélectrique ayant des surfaces principales opposées, planes, sur lesquelles sont placées les électrodes Dans le cas d'un transducteur à un seul élément, cet élément est maintenu en place par rapport à l'émetteur de rayonnement acoustique, inactif sur le plan piézoélectrique, de sorte que l'alimentation électrique du disque piézoélectrique et la dilatation et la contraction résultantes du disque déforment l'émetteur acoustique et créent des ondes de pression sonores. Dans le cas d'un transducteur à deux éléments, comme décrit dans les brevets cités ci-dessus, les éléments sont normalement formés de deux éléments piézoélectriques ayant des parties de surface diamétralement opposée s sur lesquelles sont formées les électrodes et qui occupent pratiquement toute la surface Les deux éléments sont séparés par une plaque centrales conductrice, ondulée Lors de l'application de signaux électriques aux électrodes d'un tel élément bimorphe0 les plaquettes se déforment par la dilatation de l'un des éléments et la contraction de l'autre Les transducteurs connus ont des surfaces et des épaisseurs prédéterminées, pour arriver à un rendement acoustique optimum caractérisé par le coefficient de couplage électromagnétique K Ce coefficient est défini dans le brevet UOS 3 676 722 comme étant la racine carrée du rapport de l'énergie d'entrée et de l'énergie de sortie du transducteur L'énergie d'entrée est de l'énergie électrique et lténergie de sortie est de l'énergie mécanique lorsque le transducteur fonctionne comme haut-parleuro Inversement lorsqu'il fonctionne comme microphone, l'énergie d'entrée est de l'énergie mécanique et l'énergie de sortie est de l'énergie électrique. Les électrodes des surfaces principales opposées de chaque élément en combinaison avec la matière diélectrique de l'élément piézoélectrique forment un condensateur dont la capacité est déterminée par la surface de l'électrode et l'épaisseur ainsi que la constante diélectrique de la matière piézoélectrique. Le circuit électrique équivalent d'un tel transducteur bimorphe, est par exemple formé par deux condensateurs branchés en parallèle. Par comparaison avec des haut-parleurs classiques, les transducteurs piézoélectriques utilisés comme éléments de haut-parleur, ont vu leur application limitée aux fréquences audio élevées, car ils présentent généralement une forte impédance aux basses fréquences Les tranducteurs du type ci-dessus travaillant aux fréquences basses nécessitent généralement des tensions de commande élevées pour donner une certaine puissance audio à la sortie Les transducteurs piézoélectriques ayant un coefficient K de couplage électromécanique optimum, nécessitent des signaux de tension basse fréquence de valeur relativement élevée Il est souhaitable de réduire laimpédance de téls transducteurs pour permettre leur application aux tensions de commande faibles des fréquences audio basses, tout en maintenant des coefficients de couplage électromécanique optimum -La présente invention a pour but de créer un élément piézoélectrique de transducteur formé par des plaquettes minces et dont le coefficient de couplage électromécanique de cet élément composé est égal à celui d'un élément non composé L'invention a également pour but de créer un élément applicable a' un transducteur à impédance électrique réduite, donnant une puissance de sortie plus forte pour une tension de commande donnée, et dont chaque élément est composé de deux plaquettes A cet effet, l'invention concerne un élément piézoélectrique de transducteur composé d'une première et d'une seconde plaquettes piézoélectriques Chaque plaquette présente deux surfaces principales opposées, planes, sur lesquelles sont déposées des éLectrodes ;; chaque plaquette présente une impédance prédéterminée Des moyens sont prévus pour fixer une surface principale de l'une des plaquettes sur la surface principale de l'autre plaquette pour que les surfaces des plaquettes soient en contact électrique et mécanique. Les plaquettes coopèrent pour fonctionner comme un ensemble Un élément selon l'invention peut être monté dans une structure bimorphe pour avoir un coefficient de couplage électromécanique prédéterminé et une impédance d'entrée réduite.Un élément selon l'invention peut également s'utiliser dans un transducteur bimorphe formé de deux éléments piézoélectriques, chaque élément étant formé de deux plaquettes dont les surfaces principales sont en contact mécanique et électrique pour que chacun des éléments présente le même coefficient de couplage électromécanique qu'un élément de meme surface et de même épaisseur que cet élément composé, tout en ayant une impédance électrique d'entrée, notablement réduite L'invention sera décrite dans les dessins dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'un transducteur bimorphe connu - la figure 2 est une vue éclatée d'un élément selon 1' invention - la figure 3 est une vue arrachée à échelle agrandie montrant la juxtaposition des électrodes de deux plaquettes formant un élément selon l inventionD - la figure 4 est une vue en perspective éclatée d'un transducteur bimorphe à deux éléments selon l'invention - la figure 5 est une vue en perspective d'un transducteur bimorphe. à lQétat monté, montrant les branchements électriquels - la figure 6 est un circuit équivalent d'un transducteur bimorphe à éléments classiques - la figure 7 est un schéma équivalent d'un transducteur bimorphe à éléments selon l'invention La figure 2 représente un élément 10 selon l'inventionS en vue éclatée Lçélément 10 se compose d"une première et d'une seconde plaquettes piézoélectriques 11, 12 La première plaquette 11 comporte deux surfaces principales 17a, 17b, extérieure et intérieure opposées* planes ff une électrode extérieure 15a et une électrode intérieure 15b sont-prévues respectivement sur les surfaces principales De la même manierez la seconde plaquette 12 a une électrode extérieure 16a et une électrode intérieure 16b déposées respectivement sur les surfaces principales extérieure et intérieure 18a. 18b Les électrodes peuvent etre des dépôts de nickel et sont réalisées aussi minces que possible pour éviter de charger en masse et de rigidifier les plaquettes , chaque électrode a une résistance inférieure à 50 ohmsg mesurée entre les extrémités d'un diamètre de l'électrode L'épaisseur de la première plaquette porte la référence 21 et l'épaisseur de la seconde plaquette porte la référence 22 Les éléments de transducteur bimorphe selon l'art antérieur ont des épaisseurs de 1,13 mm alors que dans le mode de réalisation préférentiel de Iiinvention, la première et la seconde plaquettes ont une épaisseur 21, 22 égale respectivement à 0.06 mm.Les épaisseurs combinées de la première et de la seconde plaquettes sont ainsi approximativement égales à l épaisseur 23 de l'élément connu 24 (figure 1) faisant partie du transducteur bimorphe 26 Des moyens sont prévus pour fixer la surface intérieure 17b de la première plaquette 11 sur la surface intérieure principale 18b de la seconde plaquette 12 La figure 3 montre à échelle agrandie et de façon quelque peu exagérée dans un but de clarté la liaison entre les éléments Un film mince 25 est constitué par un agent de liaison tel qu'unie résine époxy non chargée? qui fond et qui coule dans les crevasses des surfaces de deux électrodes 15b, 16b de la première et de la seconde plaquettes 11. 12 Les points le long des électrodes internes 15b- 16b sont maintenus en contact électrique et mécanique et les plaquettes piézoélectriques Il 12 coopèrent pour ne constituer qu'un élément sur le plan mécanique L'élément composé ainsi obtenu présente les mêmes propriétés mécaniques et acoustique qu'un élément 24 non compose connu ayant le meme coefficient de couplage électromécanique (figure 1) La figure 1 est une vue en perspective d'un transducteur bimorphe 16 formé d'élémentspiézoélectriquesclassiques24 ; chaque élément se compose de disques minces d'épaisseur donnée 23 munis d'électrodes 27 déposées sur chaque surface Les surfaces intérieures des éléments connus sont collées par une résine époxy sur une plaquette conductrice ondulée 28 munie une patte 29 qui constitue une borne de connexion électrique pour le dispositif La plaquette 28 constitue une charnière rigide permettant le déplacement des éléments l'un par rapport à l'autre Les électrodes 27 des surfaces extérieures du dispositif sont reliées électriquement par un conducteur souple 30 qui est soudé sur les surfaces extérieures de chaque élément et forme la seconde borne électrique du dispositif La figure 6 montre le schéma électrique équivalent du dispositif connu décrit en détail ultérieurement Selon la figure 2 la première plaquette 11 comporte une découpe 36 et le film époxy 25 n'est pas appliqué sur une -surface correspondante pour dégager une partie 37 de l'électrode interne 16b à la surface de la seconde plaquette piézoélectrique 12 La partie exposée 37 de la seconde plaquette est telle que les connexions électriques puissent se faire sur les électrodes internes 15b. 16b après assemblage des plaquettes pour former un élément Comme chaque plaquette 11 12 présente deux surfaces principales opposées munies d'électrodes 15b et 16b et comme chaque plaquette est en un matériau diélectrique. ces plaquettes 11- 12 constituent un condensateur dont la capacité est directement proportionnelle à la surface et est inversement proportionnelle à l'épaisseur 21 22.Comme chaque plaquette 11 12 a une épaisseur 217 22 approximativement égale à la moitié de l'épaisseur 23 et que les surfaces sont les mêmes que celles des éléments connus 24 (figure 1). la capacité de chaque plaquette 11, 12 est approximativement double de celle des éléments connus L"intérêt de cette augmentation de capacité sera décrit dans le cas d'une application particulière de l'invention La figure 4 est une vue éclatée d'un transducteur bimorphe 40 comprenant des éléments 10a lOb décrits ci-dessus Les éléments sont séparés par une plaquette centrale métallique 41 qui constitue une charnière rigide pour les éléments , cette plaquette 41 est munie dgune patte 42 divisée en une premiere partie 42a et une seconde partie 42b La figure 5 est une coupe transversale partielle du transducteur 40 à l'état monté go l'organe central 41 est compris entre le premier élément 10a et le second élément lob Une fine couche de résine époxy colle l'organe central conducteur 31 comme dans lart antérieur; sur une électrode intérieure du premier élément 10a et sur une électrode intérieure du second élément lOb pour assurer une liaison électrique commune-entre l'organe 31 et les électrodes intérieures des éléments La partie de patte 42a est recourbée autour de la plaquette 10a et est soudée sur l'électrode extérieure 15a du premier élément 10a dans la zone de contact 43 Un premier conducteur souple 44 établit la connexion électrique extérieure de l'élément 40 et est soudé à l'électrode 15a du premier élément 10a dans la surface de contact 43 La partie de patte 42b de l'organe 41 est soudée de façon analogue sur l'électrode extérieure 16a du second élément lob De cette façon, les électrodes extérieures 15a, 16a des deux éléments 10ao lOb sont reliées électriquement Un second conducteur souple 45 est soudé sur une partie 46 de l'électrode intérieure 16a du premier élément 10a, dans la partie découpée 36 formée dans la première plaquette 11 Le second conducteur souple 45 est également soudé à une partie correspondante du second élément lob Ainsi les deux électrodes intérieures de chaque élément sont reliées électriquement Dans la figure 1 les éléments non composés 24 ont les mêmes caractéristiques électro-acoustiques que dans l'invention et leur épaisseur 23 est approximativement égale à la somme des épaisseurs 21 et 22 (figure 21 La figure 6 montre le schéma équivalent du transducteur bimorphe de la figure 1. La borne 28 du circuit de la figure 6 correspond à lorgne conducteur 28 de la figure 1 La borne 30 du schéma de la figure 6 correspond à la connexion électrique entre les deux électrodes extérieures constituées par le conducteur souple 30 représenté à la figure 1. La capacité de chacun des éléments connus est représentée par la capacité C du circuit de la figure 6 La capacité équivalente du transducteur connu est égale au branchement en parallèle de deux conducteurs élémentaires C La figure 7 représente le schéma électrique équivalent du transducteur formé d'éléments selon l'invention La borne 42 de la figure 6 correspond à la connexion de l'organe central 41 et des pattes 42ae 42b avec les électrodes correspondantes des plaquettes La borne 45 correspond à la connexion entre le second conducteur souple 45 et les électrodes intérieures des éléments 10a, lob Dans ce schéma11 il y a quatre condensateurs correspondant à chaque plaquette Comme les épaisseurs 2111 22 de chaque plaquette sont approximativement égales à la moitié de l'épaisseur des éléments de lnart antérieurs la capacité des plaquettes de l'invention est sensiblement double de celle des éléments connus et cette capacité est représentée par 2C dans le circuit de la figure 6 La combinaison des capacités des quatre condensateurs en parallèle dans le dispositif donne une capacité d'entrée, équivalente égale à 8Ca C étant la capacité d'un élément connu I1 est clair qu'avec les éléments de l'invention11 on obtient un transducteur dont la capacité d'entrée est égale à quatre fois celle des transducteurs bimorphes connus Pour un signal de tension de commande donné appliqué au transducteur selon l'invention, on obtient une puissance de sortie quatre fois plus grande. Comme les éléments de l'invention ont le même coefficient de couplage électromécanique K que les éléments connus, le rendement acoustique d'un transducteur à éléments selon lUinvention est le meme que pour les transducteurs bimorphes connus Les éléments du transducteur bimorphe décrit, nécessitent une polarisation électrique initiale Les électrodes reliées aux surfaces intérieures des plaquettes du premier élément 10a ont un potentiel de polarisation d'une certaine valeur alors que les électrodes reliées aux surfaces intérieures du second élément lOb ont un potentiel de polarisation de meme amplitude mais de polarité opposée au précédent L'organe central conducteur et les électrodes extérieures de chaque élément sont maintenus à un potentiel de référence commun pendant l'application des potentiels de polarisation Un transducteur bimorphe à éléments formés de deux plaquettes pour chaque élément est mieux équilibré qu'un transducteur à éléments de l art antérieur à cause du poids de la soudure dans les surfaces de contact 43- 46 qui compense l'absence de masse de matière de plaquettes dans les zones découpées Dans les transducteurs connus- il y a un déséquilibre dynamique mesurable dans chaque élément par suite de l'augmentation de poids correspondant à la soudure ou au conducteur- La masse de matière enlevée au niveau des découpes des éléments selon l invention compense cette augmentation de masse provenant de la soudure et des conducteurs souples R E V E N D I C A T I 0 N Transducteur bimorphe a éléments conducteurs placés entre un premier et un second éléments piézoélectriques transducteur caractérisé en ce que chaque élément est formé d'une première et dsune seconde plaquettes ayant chacune une paire de surfaces principales opposées planes portant des électrodes chaque plaquette ayant une impédance donnée- un film mince de colle servant à fixer une surface principale de la premiere plaquette à une surface principale de la seconde plaquette et à maintenir les surfaces principales en contact électrique et mécanique pour donner un élément dont l'impédance est inférieure à l'impédance de la plaquette donnée