Brevet FR2479575A1 — publié le 19811002

!J4a présente invention se rapporte au domaine des dispositifs électriques mettant en oeuvre un résonna- teur piézoélectrique. Ce type de résonnateur, qui se comporte comme un circuit accordé du type capacitéinductance en parallèle, présente un facteur de surtension treks élevé par rapport au circuit réalisé avec des composants séparés, & savoir un condansateur et une bobine d'auto-inductance. Cela- le fait adopter dans des applications ou cette caractéristique est avantageuse, telles que les oscillateurs et les filtres de fréquence. Un inconvénient cependant s'attache à l'utilisation des résonnateurs piézoélectriques, celui de la puissance maximale qu'ils sont susceptibles de supporter ; dans le cas d'un matériau piézoélectrique couramment utilise, le quartz, cette puissance est de l'ordre d'une dizaine de milliwatts. Or il serait très avantageux, dans les applications, de pouvoir faire fonctionner un résonnateur piézoélectrique à des puissances beaucoup plus élevées, de l'ordre, par exemple de plusieurs watts. Dans le cas de l'utilisation dans un oscillateur, l'intéret réside dans l'amélioration du rapport signalbruit qui en résulte, nécessaire dans les applications oùune très haute pureté spectrale. associée à une fréquence élevée est indispensable, telles que les radars et les missiles par exemple. Dans le cas de l'utilisation dans les filtres de fréquence, la possibilité d'appliquer une puissance élevée au résonnateur piézoélectrique est également souhaitable. Il est en effet, connu que, la aussi, le résonateur piézoélectrique présente l'intérêt d'une surtension très élevée, conduisant par exemple pour une fréquence de .service de 10 MHz, à un intervalle de fréquences ou "bande passante" de l'ordre de 0,1 fi à 3 dB ; cependant, une limitation apparat avec le quartz lorsqu'il est nécessaire de réaliser des bandes passantes larges, de l'ordre de 10% par exemple par rapport à la fréquence de service centrale, et cela avec des puissances appliquées notables sur le filtre. C'est le cas, par exemple, pour des émetteurs-récepteurs radio-électriques, fonctionnant à des fréquences comprises entre 2 et 80 MHz. fia puissance maximale appliquée au filtre est alors de l'ordre de 5 watts. Actuellement, la puissance maximale admissible par un filtre piézoélectrique à quartz est de l'ordre de 10 milliwatts. Au deQà de cette puissance, le filtre est considéré comme détruit pour des puissances supérieures à 10 milliwatts, on observe de plus, dans les filtres à quartz-, des déformations de la courbe de réponse en amplitude et en phase.En effet, l'application d'un signal de forte puissance crée des signaux harmoniques à des fréquences multiples du signal d'entrée (distorsion- harmonique) et l'application de deux signaux de fréquences voisines engendre un signal parasite, combinaison linéaire des deux fréquences d'entrée (intermodulation) L'apparition d'un nouveau matériau piézoélectrique, la Tantalate de Lithium, permet de réaliser d'une part des oscillateurs de puissances plus élevés qu'avec le quartz, et d'autre part de filtres de bande passante large, de l'ordre de 10% à la fréquence centrale, susceptibles de supporter une puissance d'attaque assez élevée, de l'ordre de 1 watt . Cependant, l'application de signaux de plus forte puissance, de l'ordre de 2 a' 4 watts, aboutit à la destruction du résonnateur. Une étude a été faite par la dema der-es-se~visant à établir la cause de cette destruction, qui pouvait être interprétée comme provenant soit de 1claquages-" diélec-triques, soit de vibrations mécaniques excessives, soit d'une élévation de température trop importante. Cette étude a montré que seul, l'effet caloriìque était responsable. I1 se pose alors le problème nouveau et jusqu'ici jamais rencontré dans les résonnateurs piézo- électriques : l'évacuation des calories créées s.ur le résonnateur par l'application des signaux électriques, et qui risquent de provoquer sa destruction. Dans le cas des filtres, la solution du problème des puissances élevées est recherchée; suivant l'art connu, en écartant l'exploitation des phénomènes pièzoélectriques et en s'adressant, pour satisfaire les besoins équivalents, à des filtres comportant des condensateurs et des auto-inductances ou bobinages pouvant supporter de fortes puissances, par exemple des bobinages réalisés sur des mandrins neutres ou en l'air. Cependant, cette solution présente plusieurs incon- vénients. D'abord, les filtres à bobines à air ne sont réalises qu'au prix d'un volume très encombrant , ensuite il faut tolérer une dégradation du coefficient de qualité des bobinages, ce qui introduit de grandes pertes en transmission. En effet, le fait de ne tolérer aucun matériau magnétique, à cause des phénomènes-de saturation, implique que le coefficient de qualité Q des bobinages est diminué.Or, il est démontré que, dans un filtre, ce coefficient réagit sur le coefficient de qualité normalisé q de celui-ci, qui s'obtient en multipliant le coefficient de qualité de bobinage par la largeur de bande F et en le divisant par la fréquence centrale Fo : q = QxF - Fo Dans le cas des bobinages,. on n'obtient que des coefficients normalisés de l'ordre de 6 à 10 , tandis que, par -mise en oeuvre d'un résonnateur piézoélectrique en Tantalate de Lithium, on obtient des coefficients normalisés de 50 à 100. Le dispositif à résonateur piézoélectrique faisant l'objet de la présente invention ne comporte pas ces limitations. I1 procure à la fois la possibilité de coefficients normalisés élevés pour les filtres, de l'ordre de 50 à 100, et de puissances électriques réservées jusqu'ici aux circuits accordés à condensateurs et inductances, de l'ordre de 5 watts par exemple. Dans son fondements l'invention fait appel à ltéva- cuation de l'énergie calorifique dégagée par le résonnateur, en plaçant celui-ci dans un fluide liquide, ou gazeux, sous une pression définie. Le fluide a pour fonction d'opérer le transfert des calories de la lame résonnante à un bottier extérieur, muni de moyens de refroidissement. Cette solution n'impose que des contraintes mécaniques modérées sur le résonnateur, ne modifiant que peu ses caratéristiques de fonctionnement. Plus précisément, l'invention ccnsiste en un dispositif résonnateur piézoélectrique de puissance à Tantalate de Lithium,caractérisé en ce qu'il comporte d'une part un tel résonnateur, et d'autre part une enceinte contenant un matériau ^ état fluide, conducteur de la chaleur, où le résonnateur est immergé. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après, en s'appuyant sur la figure annexée, qui représente, suivant une vue en coupe, le dispositif à résonnateur piézoélectrique de l'invendu tion. Il comporte, dans un boitier 1, un résonnateur 2, en forme de lame, constitué de Tantalate de Lithium, muni de couches de métallisation 3 et 4 et de connexions 5 et 6, reliées à des bornes de traversée 7 et 8 isolées du boîtier par des perles de verre telles que 9. Selon l'invention, un liquide 10 remplit le boitier en quantité telle que le résonnateur est totalement immergé. Ce liquide peut etre par exemple une huile minérale neutre, ou de l'alcool éthylique à 900. Des dissipateurs de chaleur à ailettes ll sont disposés à l'extérieur des parois. En fonctionnement, le résonnateur est le siege d'un dégagement de chaleur,dû au effets mécaniquesg et l'énergie calorifique esttransmise, par convection naturelle dans le liquide, jusqu'aux parois; da là, elle est dissipée à l'extérieur par les ailettes Il du refroidisseur, par convection naturelle dans l'air. Le fait de mettre un corps étranger en contact avec le résonnateur amortit évidemment la vibration méca- nique de la lame de cristal de Tantale de Lithium néanmois, on ne constate qu'une très faible variation de l'auto-inductance motionnelle. Le coefficient de qualité se trouve diminué, diun facteur de l'ordre de 3 ; ce qui n'a pratiquement aucune incidence sur la courbe de réponse du filtre,puisque le coefficient de qualité normalisé conserve une valeur suffisamment élevée pour ne pas introduire de perte en amplitude dans cette courbe de réponse. Ainsi, par utilisation d'une enceinte refroidissante à fluide, l'invention permet de réaliser des dispositifs au Tantalate de Lithium sous un faible encombrement et supportant, dans le cas d'uh fluide liquide, des puissances de l'ordre de plusieurs watts. Les filtres obtenus présentent de plus un faible taux de distorsion harmonique et un faible taux de distorsion par intermodulation. De plus, les frotte meqts mécaniques dus aux contacts entre la lame piézoélectrique oscillante et le fluide réduisent considérablement les phénomènes de résonance anharmonique parasite, ce qui améliore la courbe de réponse du filtre. Dans ce qui précède, le fluide présent à l'intérieur du boîtier est un liquide. Cependant, ce choix n'est pas limitatif, et doit etre coedpris dans le domaine de l'invention tout corps pa-Leux ou poudreux, â condition qu'il soit bon conducteur ie la chaleur sans ltetre de l'électricité, et que sa densité soit suffisamment faible pour ne pas amortir exagérément l'amplitude des oscillations du résonnateur. De meme, on doit remarquer que les éléments dissipateurs de l'énergie calorifique dégagée par le résonnateur ont été décrits comme refroidis par convection naturelle dans l'air. Cependant, tout autre moyen de dissipation de l'énergie thermique délivrée par les parois de l'enceinte fait partie du domaine de l'invention, tel qu'un fluide gazeux ou liquide à circulation forcée, et maintenu dans une gamme de températures données par des éléments refroidisseurs éloignés de l'enceinte du résonnateur. I1 est aussi à noter qu2tdan.- tout ce qui précède, c'est dans le cas d'un résonnateur en Tantalate de Lithium que l'invention a été décrite. Cependant, c'est à sa caractéristique de fort couplage mécanique entre ses différents modes dé vibration que ce matériau doit d'être choisi dans l'invention, et d'autres matériaux possédant la même caractéristique doivent être compris dans le domaine de l'invention, tels que le Niobate de Lithium,et 1'orthophosphate d'Aluminium bu Berlinite. Le dispositif à résonnateur en Tantalate de Lithium selon l'invention a permis de gagner avantat geusement des facteurs de l'ordre de 3, aussi bien sur les puissances admissibles sans refroidissement, que,dans le cas des filtres, sur les coefficients de qualité normalisés, par rapport aux filtres à condensateur et bobinages. REVENDICATIONS 1. Dispositif à résonnateur piézoélectrique pour circuit de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte un tel résonnateur (2) et.d'autre part urie enceinte (1) contenant un matériau (10) à l'état fluide, conducteur de la chaleur, où le résonnateur est immergé. 2. Dispositif a' résonnateur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte supporte un dissipateur de chaleur à convection naturelle muni d'ailettes. 3. Dispositif à résonnateur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau à l'état fluide est un liquide. 4, Dispositif à résonnateur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau à l'état fluide est un gaz. 5. Dispositif à résonnateur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau à l'état fluide est une. poudre à degré élevé de division. 6 Dispositif de résonnateur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau à l'état fluide est de consistance pâteuse. 7. Dispositif à résonnateur piézoélectrique selon la revendication 3, caractérisé ence que ledit matériau à l'état fluide est une huile. 8. Dispositif à résonnateur piézoélectrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit matériau à l'état fluide est un gaz chimiquement neutre. 9. Dispositif à résonnateur piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le resonnateur piézoélectrique est constitué de Tantalate de Lithium. 10. Dispositif à résonnateur piézoélectrique selon l'une des revendications de 1 à 8caracté- risé en ce que le résonnateur est constitué de Niobate de Lithium. Il. Dispositif à résonnateur piézoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le résonnateur est constitué d'orthophosphate d'Aluminium. 12. Circuit de puissance1 caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif piézoélectrique selon l'une des revendications précédentes. 13. Circuit de puissance selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est du type autooscillateur. 14. Circuit de puissance selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est du type filtre de fréquence