Brevet FR2458151A1 — publié le 19801226

L'invention concerne un dispositif piézoélectrique composite résonnant sur un seul mode, notamment à basse fréquence. Un tel dispositif peut être un transducteur ou un résonateur : Un transducteur piézoélectrique convertit l'énergie électrique en énergie mécanique et réciproquement. Il possède au moins un accès électrique et un accès mécanique. Lorsque l'accès mécanique n'est pas utilisé, un transducteur devient un résonateur. Un résonateur piézoélectrique peut toujours, autour de la fréquence de résonance, être représenté par un circuit à quatre éléments (L1 : inductance, C1 : capacité en série avec L1, R1 : résistance en série avec L7, C : capacité o en parallèle avec le circuit L1, C1, R1). Les caractéristiques électriques du résonateur sont entièrement déterminées par la connaissance des éléments Co, L7, C1 et R1 ou par les quantités fr, k, Co, Q avec Pr = 2 pi.fr (Pr : pulsation de résonance (fr : fréquence de résonance, 1 Pr = L1. C1 (pi : rapport du périmètre au diamètre du cercle) 2 (fa-fr) 2(fa=fr) de k = C1 voisin de (k : facteur de fréquence d'antirésonance) (fa : fréquence d'antirésonance) Q = Pr L1 (Q : Facteur de qualité.) ni Le facteur de couplage k2 est une caractéristique importante car il indique la largeur maximale de la bande passante relative qui peut être réalisée quand les résonateurs sont utilisés dans des filtres électriques. Une caractéristique importante d'un résonateur est le coefficient de température de la fréquence de résonance (C.T.F.) défini par CTF = 1 dfr (en 0 C-1) où T est la température. Le niveau d'impédance d'un résonateur est déterminé par Pr L1 qui s'écrit PrLl : PrCok2 A fréquence donnée le niveau d'impédance dépend de Co et de k il existe une grande variété de résonateurs utilisant de nombreux modes de vibration. En basse fréquence deux classes importantes sont celles des structures vibrant en mode longitudinal avec excitation transversale et celle des structures vibrant en flexion, également avec excitation transversale. Les caractéristiques électriques du résonateur sont déterminées par ses dimensions et ses propriétés piézoélectriques. On peut prendre l'exemple d'un résonateur parallèlipipédique simple à vibration longitudinale et excitation transversale et dont l'épaisseur est e p (distance entre les deux électrodes minces), la largeur Wp et la longueur 1p il vient c fr p 21 p où c p est la vitesse de propagation de l'onde acoustique dans le matériau piézoélectrique k 2 8 rnfl pi2 1-k312 où k31 est le facteur de couplage du matériau piézoélectrique pour la direction d'excitation 3 (épaisseur) et la direction de déplacement 1 (longueur) Co E3t3 (1-k31) w1p , (E33 désignant la constante diélectrique 33 p du matériau dans les conditions considérées.) On sait aussi réaliser un résonateur composite constitué par un assemblage rigide d'un matériau piézoélectrique et d'un métal (ou d'un autre matériau). Un tel résonateur présente l'avantage de pouvoir être compensé en température, c'est-à-dire de permettre, en ce qui concerne l'influence de la température sur la fréquence de résonance, de compenser les variations dues au matériau piézoélectrique par celles dues au métal. Un bon résonateur est caractérisé par - Q grand - CTF faible - k grand - Pr L1 petit. Les résonateurs simples en quartz possèdent les deux premières caractéristiques mais pas les deux dernières. Avec des résonateurs composites il est possible d'avoir ces quatre caractéristiques. Le niobate de lithium de coupe 47Cy possède un grand facteur de couplage k31 (avantage) et un fort CTF négatif (inconvénient). Par son association à un métal, de CTF opposé, il est possible d'avoir un résonateur composite compensé en température tout en ayant un facteur de couplage important. Une structure composite est de fabrication plus complexe qu'une structure simple mais elle présente une grande souplesse dans les performances et dans la réalisation. Selon la disposition adoptée un résonateur peut présenter des modes de flexion et des modes longitudinaux (ou "d'extension"). Les dispositifs connus présentent l'inconvénient que leur fréquence ne peut pas descendre au-dessous de certaines valeurs sans diminuer trop fortement les facteurs de couplage (c'est-à-dire notamment la largeur de bande d'un filtre). Ces valeurs sont par exemple 100 kHz en élongation et 40 kHz en flexion. On ne peut descendre-au-dessous qu'en augmentant la longueur du seul métal, au détriment du facteur de couplage. Si, pour conserver un bon facteur de couplage on veut augmenter aussi la longueur du matériau piézoélectrique on est limité par la longueur des plaquettes disponibles. De plus, lorsqu'on est amené ainsi à choisir la plus grande longueur disponible de ces plaquettes, le prix de la plaquette devient gênant. Ce prix est surtout génant lorsque pour obtenir une structure fonctionnant sur un seul mode, soit de flexion soit d'élongation, (extension) on dispose une plaquette piézoélectrique sur chacune des deux faces d'une lame métallique, le sens des polarisations des deux plaquettes et du signal électrique qui leur est appliqué déterminant le mode de fonctionnement. il faut en effet dans ce cas utiliser deux plaquettes, et, si on désire un bon facteur de couplage on est conduit, selon les dispositions connues, à donner à chacune de ces plaquettes la même longueur qu'à la lame métallique. La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif piézoélectrique composite résonnant sur un seul mode notamment à basse fréquence permettant d'abaisser le coût de fabrication sans diminuer le facteur de couplage, et en conservant une bonne compensation en température. Elle a pour objet un dispositif piezoélectrique composite résonnant sur un seul mode, notamment à basse fréquence, comportant - une lame métallique présentant une longueur - des plaquettes piézoélectriques soudées chacune par une face, sur les deux faces de cette lame, - des métallisations sur les faces opposées de ces plaquettes - des bornes de connexion pour connecter à l'extérieur d'une part cette lame et d'autre part ces métallisations, caractérisé par la fait que les plaquettes piézoélectriques ont une longueur inférieure à celle de la lame métallique, la ou les plaquettes soudées sur une face de cette lame étant décalées selon la direction longitudinale par rapport aux plaquettes soudées sur l'autre face de la lame de manière que la plus grande part de la longueur de la lame laissée libre par la ou les plaquettes soudées sur une face soit occupée par la ou les plaquettes soudées sur l'autre face, et que la plus grande part de la longueur de la lame occupée par la ou les plaquettes soudées sur une face soit laissée libre par la ou les plaquettes soudées sur l'autre face. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. La figure 1 représente une vue en perspective d'un premier mode de réalisation de l'invention fonctionnant en mode d'extension. La figure 2 représente une vue en perspective d'un deuxième mode de réalisation de l'invention fonctionnant en mode de flexion. Le dispositif-selon le premier mode de réalisation de l'invention est un résonateur qui fonctionne en mode d'élongation. il est constitué par une lame métallique dont la longueur s'étend de gauche à droite, la largeur d'avant en arrière et l'épaisseur de bas en haut. Sur toute la largeur de ses faces supérieure et inférieure ont été soudées deux plaquettes de matériau piézoélectrique, la plaquette supérieure 4 occupant la moitié gauche de la longueur de la face supérieure et la plaquette inférieure 6 occupant la moitié droite de la longueur de la face inférieure. Les sens de polarisation des deux plaquettes sont représentés par des flèches P. Ces sens sont opposés dans ce premier mode de réalisation de l'invention de manière à obtenir un fonctionnement en mode d'élongation. Les faces extérieures 8 de ces plaquettes sont métallisées comme connu. Le réseau extérieur est relié au dispositif par les bornes 10 et 12, connectées respectivement l'une aux métallisations extérieures 8 des plaquettes 4, l'autre à la lame 2. A titre d'exemple plus particulier on peut donner les précisions suivantes - composition de la lame 2 - Alliages thermocompensables connus sous les marques Durinval, Elinvar, Thermelast. - son épaisseur : 3 mm - sa largeur : 3 mm - sa longueur : 44 mm -composition des plaquettes piézoélectriques : niobate de lithium - leur épaisseur : 0,5 mm - leur largeur : 3 mm - leur longueur : 22 mm - nature de la soudure : Pb - Sn - nature de la métallisation des faces 6 : Ni-Cr-Au - son épaisseur : 1 micromètre - fréquence de résonance en élongation : 55 kHz Si l'on désire réaliser un quadripole, ou plus généralement un multipole (pour constituer par exemple une cellule d'un filtre), il est possible de prévoir, sur les faces extérieures des plaquettes 4 et 6, des bandes longitu dinales étroites non métallisées de manière à laisser subsister plusieurs bandes longitudinales métallisées isolées les unes des autres,les bandes occupant les mêmes parties de la largeur de la lame métallique sur les deux plaquettes 4 et 6.La lame métallique constitue alors une masse commune, les bandes métallisées qui se succèdent dans la largeur du dispositif étant connectées à des bornes distinctes. Ce qui vient d'être dit pour le premier mode de réalisation de l'invention est identiquement vrai pour le deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 2 à l'exception du fait que, dans ce deuxième mode, les sens de polarisation des deux plaquettes piézoélectriques sont les mêmes de manière à obtenir un fonctionnement en mode de flexion, à une fréquence propre de ...8...kHz. Par rapport à la figure 1 les numéros de référence ont été augmentés de 100. Bien évidemment le fonctionnement en mode de flexion pourrait aussi être obtenu avec les sens de polarisation opposés des plaquettes 4 et 6 du premier mode de réalisation, de même que le fonctionnement en mode d'élongation pourrait être obtenu avec les sens de polarisation identiques des plaquettes 104 et l06,à condition de modifier le circuit électrique de manière à appliquer des signaux en opposition de phase entre d'une part la métallisation extérieure de la plaquette supérieure ou la lame métallique et, d'autre part entre la métallisation extérieure de la plaquette inférieure et la lame métallique. Mais une telle disposition semble généralement peu avantageuse. REVENDICATIONS 1/ Dispositif piézoélectrique composite résonnant sur un seul mode, notamment à basse fréquence comportant - une lame métallique (2) présentant une longueur, - des plaquettes piézoélectriques (4, 6) soudées, chacune par une face, sur les deux faces de cette lame, - des métallisations (8) sur les faces opposées de ces plaquettes, - des bornes de connexion (10, 12) pour connecter à l'extérieur d'une part cette lame et d'autre part ces métallisations, caractérisé par le fait que les plaquettes piézoélectriques (4, 6) ont une longueur inférieure à celle de la lame métallique (2), la ou les plaquettes soudées sur une face de cette lame étant décalées selon la direction longitudinale par rapport aux plaquettes soudées sur l'autre face de la lame de manière que la plus grande part de la longueur de la lame laissée libre par la ou les plaquettes soudées sur une face soit occupée par la ou les plaquettes soudées sur l'autre face, et que la plus grande part de la longueur de la lame occupée par la ou les plaquettes soudées sur une face soit laissée libre par la ou les plaquettes soudées sur l'autre face. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les plaquettes piézoélectriques (4, 6) ont toute une même longueur, les espaces laissés libre par les plaquettes sur chaque face de la lame métallique (2) ayant la même longueur, la ou les plaquettes soudées sur une face de la lame occupant les espaces laissés libres par la ou les plaquettes soudées sur l'autre face, le nombre de plaquettes étant le même sur les deux faces de la lame. 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte une seule plaquette piézoélectrique (4, 6) sur chaque face de la lame métallique (2).