Brevet FR2503517A1 — publié le 19821008

TRANSDUCTEUR PIEZO-ELECTRIQUE La présente invention se rapporte aux transducteurs piézo-électriques destinés à émettre ou à recevoir des ondes ultra-sonores se propageant dans un milieu d'impédance acoustique voisine de celle de l'eau. Ces transducteurs piézo-électriques trouvent emploi, par exemple, dans les systèmes d'essai non-traumatisant tels que ceux utilisés pour les méthodes de diagnostic sur les tissus biologiques que ce soit dans le cas de l'homme ou de l'animal. Ces systèmes d'essai non-traumatisant utilisent ce transducteur en émetteur ou en récepteur. Le transducteur émetteur sert à exciter des ondes ultra-sonores longitudinales dans les tissus biologiques, les ondes étant émises dans une bande de fréquence qui s'étend de quelques mégahertz à plusieurs dizaines de mégahertz. Le transducteur récepteur fonctionne selon le principe de l'effet piézo-électrique inverse et sert à recueillir les échos après insonification des tissus biologiques. La comparaison entre l'impulsion émise et l'impulsion écho examinée permet de visualiser la structure aux fins de diagnostic. Pour obtenir une échographie dotée d'une bonne résolution, il est important de disposer de transducteurs à large bande de fréquence donc à brève réponse impulsionnelle.D'autre part, il faut que le transducteur rayonne le maximum d'énergie ultra-sonore dans un corps hémisphérique ce qui nécessite la présence d'un renvoi d'énergie sur la face du transducteur non couplé au milieu à insonifier. Un détecteur de l'art antérieur comporte un élément actif piézoélectrique associé sur sa face arrière à une structure réflectrice dtimpé- dance acoustique supérieure à celle du matériau constituant l'élément piézoélectrique. Un transformateur impédance s'avère nécessaire pour obtenir une forte valeur d'impédance ramenée sur la face arrière de l'élément actif piézo-électrique. Il est avantageux d'utiliser comme matériau piézo-électrique des polymères piézo-électriques, comme par exemple le polyfluorure de vinylidène ou PVF2, car l'impédance acoustique des polymères est plus proche de celle des tissus biologiques que ne l'est celle des céramiques. Par ailleurs, les céramiques sonts rigides, fragiles et les arêtes en cas de cassure sont coupantes.L'ensemble réflecteur utilisé est souvent, une feuille de cuivre ou de bronze associée à une résine époxy solide, I'impédance acoustique ramenée sur la face arrière de l'élément actif est environ dix fois supérieure à celle des polymères. La feuille de cuivre se comporte comme un transformateur d'impédance capable de relever l'impédance dans un domaine de fréquence restreint voire pour une fréquence centrale d'une bande de fréquence de travail. C'est pourquoi un transducteur de l'art antérieur présente comme principal inconvénient une bande de fréquence de travail peu étendue. En effet, le transformateur est un élément surtendu qui ne fonctionne que dans une plage de fréquence étroite. La présente invention se propose quant à elle de pallier cet inconvénient en proposant un transducteur piézo-électrique destiné à l'émission ou à la réception d'ondes ultra-sonores doué d'une large bande de fréquence de travail. Pour ce faire la présente invention propose un transducteur piézoélectrique destiné à ltémission ou à la réception d'ondes ultras-sonores dans un milieu (6) ayant une impédance acoustique proche de celle de l'eau, ledit transducteur comprenant un élément actif (1) en polymère piézo-électrique ayant deux grandes faces (la, lb) équidistantes portant chacune au moins une électrode (4a, 4b), lesdites électrodes (4a, 4b) formant condensateur, ledit élément actif (1) étant polarisé de façon à vibrer selon un mode d'épaisseur, I'une desdites grandes faces (la, lb) étant couplé audit milieu (6) et l'autre desdites grandes faces (16) étant couplée à un milieu réflecteur (30), caractérisé en ce que l'impédance acoustique dudit milieu réflecteur (3) est sensiblement inférieure à l'impédance acoustique dudit polymère piézoélectrique ; ledit élément actif (1) vibrant en demi-onde à la fréquence centrale de fonctionnement dudit transducteur. La présente invention sera mieux comprise grâce à la description qui va suivre et aux dessins ci-annexés: Figure 1: Vue en coupe d'une partie d'un transducteur de l'art antérieur Figure 2 : Vue en coupe d'une partie d'un transducteur selon l'invention Figure 3 : Vue en coupe d'une partie d'un transducteur selon l'invention muni sur sa face avant d'une couche en quart d'onde, et sur sa face arrière d'un milieu réflecteur en matériau poreux Figure 4 : Vue en coupe d'un transducteur selon l'invention monté sur un boîtier creux Figure 5 :Vue en coupe d'un transducteur selon l'invention, l'élément actif étant fixé par son pourtour à la paroi d'un boîtier creux rempli de matériau poreux et Sa face avant étant une surface concave Figure 6 : Vue en perspective d'un transducteur selon l'invention muni sur sa face avant d'un ensemble d'électrodes. Sur la figure 1, est représentée une vue en coupe d'une partie d'un transducteur piézo-électrique de l'art antérieur comportant un élément actif 1 en polymère piézo-électrique, un milieu réflecteur 3 et un transformateur d'impédance 2. L'élément actif 1 est une plaque de polymère piézoélectrique qui est munie sur chacune des grandes faces la, lb d'au moins une électrode 4a, 4b. Le milieu réflecteur 3, disposé à l'arrière de l'élément actif 1, est un matériau d'impédance acoustique voisine de celle du polymère, c'est par exemple de la bakélite ou de l'époxy. Pour ramener l'impédance la plus élevée possible sur la face arrière lb de l'élément actif 1 le transformateur d'impédance est une feuille 2, en cuivre, par exemple, dont répaisseur est calculée pour maximiser son effet à une fréquence de fonctionnement.Dans ces conditions, l'impédance ramenée sur la face arrière lb de l'élément actif I varie dans la bande de fréquence de travail. Cet effet, s'ajoutant au fait que l'élément actif 1 vibre en lame quart d'onde conduit à une bande de fréquence relativement étroite. Sur la figure 2, est représentée une vue en coupe d'une partie d'un transducteur piézo-électrique selon l'invention. Le transducteur comportant un élément actif 1 et un milieu réflecteur 30 sans aucune interposition de transformateur d'impédance entre les deux. L'élément actif 1 est, par exemple, en polyfluorure de vinylidène ou PVF2, il est muni sur chacune de ses grandes faces la, lb d'au moins une électrode 4a, 4b formant condensateur. Ledit élément actif étant polarisé et excité de façon à vibrer selon un mode d'épaisseur, c'est selon l'invention une lame demi-onde d'épaisseur: e=(n+ 1)2 où n est un entier naturel et 1w la longueur d'onde.C'est-à-dire que ronde acoustique quittant la face avant la et ronde acoustique émise sur la face et arrivant après avoir traversé deux fois, une fois à l'aller et une fois au retour, ledit élément actif 1, présentent un déphasage de 2 X c'est-à-dire sont en phase pour la fréquence central de fonctionnement de la bande de fréquence de travail. Le milieu réflecteur 30 en contact avec la face arrière lb est, contrairement à l'art antérieur, choisi parmi les matériaux présentant une impédance acoustique très inférieure à celle du matériau polymère piézo-électrique. Un matériau particulièrement avantageux car présentant une impédance acoustique sensiblement nulle est l'air.Ce qui permet d'avoir, contrairement à l'art antérieur compte-tenu du fait de l'absence de feuille 2 transformateur d'impédance, une impédance ramenée sur la face arrière lb constante et sensiblement nulle sur toute la bande de fréquence de travail. L'élément actif 1 travaille alors dans une bande de fréquence notablement plus étendue que dans l'art antérieur, et donc compte-tenu du milieu réflecteur 30 avec un coefficient de réflexion élevé. Sur la figure 3 est représentée une vue en coupe d'une partie d'un transducteur piézo-électrique selon l'invention muni sur la face avant la, de l'élément actif 1, d'une couche 5 adaptatrice d'impédance et sur la face arrière lb d'un milieu réflecteur 30 en matériau poreux. Un transducteur piézo-électrique étant destiné à l'émission ou à la réception d'ondes ultrasonores dans un milieu 6 ayant une impédance acoustique proche de celle de l'eau, ce qui est le cas pour les tissus biologiques et pour les gels interposés entre le transducteur et les tissus biologiques, une couche 5 réalise avantageusement l'adaptation d'impédance entre l'impédance du milieu 6 et l'impédance du matériau polymère de l'élément actif 1.La couche 5 adaptatrice d'impédance est une couche quart d'onde dont l'impédance du matériau la composant est comprise entre celle du milieu 6 et celle du matériau polymère piézo-électrique. De préférence, l'impédance acoustique du matériau de ladite couche 5 adaptatrice d'impédance est sensiblement égale à la moyenne géométrique de l'impédance dudit milieu 6 et de l'impédance du polymère piézo-électrique. I1 est entendu que la lame quart d'onde a une épaisseur donnée par la relation: 4 où k est un nombre impair et A la longueur d'onde. Dans le cas du transducteur selon l'invention,l'impédance du milieu 6 étant proche de celle de l'eau et l'élément actif I étant en PVF2, les meilleurs résultats sont obtenus avec une couche 5 quart d'onde adaptatrice d'impédance en polystyrène.Le tableau ci-joint permettant de mieux se rendre compte des valeurs caractéristiques des matériaux mis en oeuvre: Matières Densité P Vitesse du Impédance Longueur d'onde [10 .Kg.m- ] son V Acoustique a 5 Mhz [m.s'3 tKg.m~2.S~3 X 1n3 Eau l 1500 1500 300 PVF2 1,76 2200 3870 440 Polyste- 1,06 2300 2500 470 rene 10-3 330 0,330 66 Si la fréquence centrale de fonctionnement est, à titre d'exemple non limitatif, égale à 5 MHz les épaisseurs seront respectivement pour l'élément actif 1, sachant que c'est une lame en demi-onde en polyfluorure de vinylidène, de 220 pm et pour la couche 5 adaptatrice d'impédance, sachant que c'est une couche quart d'onde en polystyrène, de 118 um. Si le milieu réflecteur 30 est une mousse de polyuréthane, le diamètre moyen des cellules, qui est égal à la longueur d'onde du rayonnement dans l'air pour la fréquence centrale, sera de 661,m. Dans un mode de réalisation représenté à la figure 4 un transducteur selon l'invention est monté sur un boîtier creux 7. L'élément actif 1 en polymère piézo-électrique est fixé par son pourtour à la paroi du boîtier creux 7. Le milieu réflecteur 30 est un gaz qui reste prisonnier dans la cavité, ce peut être avantageusement de l'air. L'élément actif I est muni d'électrodes 4a, 4b, obtenues par métallisation, ou par tout autre moyen connu, des faces avant la et arrière lb. Une rondelle métallique 8, en cuivre par exemple, interposée entre le boîtier creux 7 et l'élément actif I assure la prise de contact électrique avec l'électrode arrière 4b. Sur la figure 4, L'élément actif I a des faces la, lb équidistantes et planes.L'émission ou la réception des ondes ultra-sonores se faisant vers un milieu 6 à impédance acoustique proche de celle de l'eau, une couche 5 en quart d'onde assure l'adaptation d'impédance. Dans un autre mode de réalisation représenté à la figure 5, un transducteur selon l'invention est aussi monté sur un boîtier creux 7, l'élément actif I étant fixé par son pourtour à la paroi du boîtier creux 7. Le milieu réflecteur 30, est dans ce mode de réalisation une mousse de polyurélthane, par exemple, qui rempli la cavité dudit boîtier creux 7 et vient en contact avec ledit élément actif 1. De ce fait, L'élément actif peut revêtir une forme prédéterminée, comme par exemple sur la figure 5 une des faces est concave et l'autre convexe. L'élément actif 1 épousant l'empreinte laissée dans la mousse qui assure son maintien. Si la forme prédéterminée est, par exemple, un organe ou un membre, il n'est pas nécessaire d'avoir un boîtier creux 7, la mousse formant elle-même le support de l'élément actif 1 tout en épousant la forme donnée à cet élément actif 1. Selon un autre mode de réalisation représenté à la figure 6, l'élément actif 1, d'un transducteur selon l'invention, est pourvu de plusieurs électrodes. Par exemple, sa face avant la est munie de trois électrodes 9a, lOa, lia tandis que sa face arrière lb reçoit une contre-électrode 4b. Lesdites électrodes 9a, lOa, lia et la contre-électrode 4b, coopèrent afin de constituer les cellules adjacentes d'un réseau de transducteurs qui sur la figure 6 s'étend selon une dimension, mais qui peut aussi former plusieurs alignements. De même un réseau peut être constitué par plusieurs transducteurs montés sur des boîtiers creux individuels comme décrit précédemment pour former des barrettes. Comme on le voit l'invention ne se limite pas aux seuls exemples de réalisation donnés, l'homme de métier peut modifier certaines caractéristiques ici décrites ou regrouper un réseau de transducteurs selon l'invention sans s'éloigner pour autant de celui-ci. REVENDICATIONS 1. Transducteur piézo-électrique destiné à l'émission ou à la réception d'ondes ultra-sonores dans un milieu (6) ayant une impédance acoustique proche de celle de l'eau,ledit t ransducteur comprenant un élément actif (1) en polymère piézo-électrique ayant deux grandes faces (la, lb) équidistantes portant chacune au moins une électrode (4a, 4b), lesdites électrodes (4a, 4b) formant condensateur, ledit élement actif (1) étant polarisé et excité de façon à vibrer selon un mode d'épaisseur, l'une desdites grandes faces (la, lb) étant couplée audit milieu (6) et l'autre desdites grandes faces (lb) étant couplée à un milieu réflecteur (30), caractérisé en ce que l'impédance acoustique dudit milieu réflecteur (30) est très sensiblement inférieure à l'impédance acoustique dudit polymère piézo-électrique; ledit élément actif (1) vibrant en demi-onde à la fréquence centrale de fonctionnement dudit transducteur. 2. Transducteur piézo-électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une couche quart d'onde (5) est interposée entre ledit élément actif (1) et ledit milieu (6) d'impédance acoustique proche de celle de veau, ladite couche quart d'onde (5) ayant une impédance acoustique comprise entre celle dudit milieu (6) et celle dudit polymère piézoélectrique. 3. Transducteur piézo-électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite couche quart d'onde (3) est unique et faite d'un matériau dont l'impédance acoustique est sensiblement égale à la moyenne géométrique de l'impédance acoustique dudit milieu (6) et de l'impédance acoustique dudit polymère piézo-électrique. 4. Transducteur piézo-électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le polymère piézo-électrique est du polyfluorure de vinylidène et la couche quart d'onde (5) est faite de polystyrène. 5. Transducteur piézo-électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu réflecteur (30) est un matériau poreux formé de cellules ouvertes dont le diamètre moyen est égal à la longueur d'onde dans l'air à ladite fréquence centrale, desdites ondes ultrasonores. 6. Transducteur piézo-électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit milieu réflecteur (30) est en mousse de polyuréthane. 7. Transducteur piézo-électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que élément actif (1) en polymère piézo-électrique est une plaque montée sur un boîtier creux (7) et dont le pourtour est fixé à la paroi dudit boîtier creux (7). 8. Transducteur piézo-électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le boîtier creux (7) comporte une cavité remplie d'un matériau poreux constituant ledit milieu réflecteur (30); ledit matériau poreux étant en contact avec l'élément actif (1) et formé de cellules ouvertes dont le diamètre moyen est égal à la longueur d'onde dans l'air à ladite fréquence centrale desdites ondes ultrasonores. 9. Transducteur piézo-électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces (la, lb) équidistantes de l'élément actif (1) sont planes. 10. Transducteur piézo-électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites grandes faces (la, lb) sont l'une concave et l'autre convexe. 11. Transducteur piézo-électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément actif (1) en polymère piézo-électrique est muni d'un ensemble d'électrodes (9a, 10a, lla) sur l'une de ses grandes faces (la) et d'au moins une contre-électrode (4b) sur l'autre de ses grandes faces (lb) afin de constituer plusieurs cellules adjacentes. 12. Transducteur piézoélectrique selon la revendication Il, caractérisé en ce que ledit ensemble d'électrodes forme au moins un alignement.