Brevet FR2532807A1 — publié le 19840309

La présente invention concerne un détecteur d'ultra- sons et, plus spécialement, une structure de détecteur d'ultrasons constituée de pellicules piézoélectriques de haut polymère en plu- sieurs couches. On peut facilement donner une forme ou une taille quelconques à un matériau piézoélectrique en haut polymère en rai- son des propriétés des hauts polymères, et ce matériau possède une impédance acoustique plus faible que celle d'un matériau piézo- électrique du type céramique Par conséquent, un matériau piézo- électrique en haut polymère constitue un matériau pouvant être uti- lisé dans un détecteur d'ultrasons à applications industrielles ou médicales Toutefois, un haut polymère, par exemple un polymère tel que fluorure de vinyle, fluorure de vinylidène ou trifluorure d'éthylène, qui sont des matériaux piézoélectriques préférables, ou bien un copolymère, possède une résistance électrique propre extrêmement élevée par rapport à un matériau piézoélectrique céra- mique, tel que PZT Pour cette raison, dans un détecteur utilisant une pellicule épaisse de matériau piézoélectrique en haut polymère, il faut que la tension de commande, produite par un oscillateur de commande, soit extrêmement élevée, ce qui pose des problèmes de coût et de sécurité. On obtient une résolution plus élevée lorsque la longueur d'onde des ondes ultrasonores servant à la prise de vues d'images ultrasonores ou à la détection d'ultrasons est courte. D'autre part, oi la longueur d'onde des ondes ultrasonores est courte, l'atténuation des ondes par absorption dans divers milieux tels que l'eau ou le corps humain s'accroît Ceci empêche la détection dans une région profonde située au-dessous de la surface. Par conséquent, il faut choisir une longueur d'onde (ou fréquence) optimale pour chaque prise de vue ou détection On obtient fréquemment la fréquence d'oscillation d'un dispositif de prise de vues d'images ultrasonores par oscillation d'impulsions à la fréquence de résonance d'un élément piézoéelctrique tel qu'un détecteur Si la matière de l'élément piézoélectrique devant subir l'oscillation d'impulsions est uniforme, la fréquence de résonance de l'élément piézoélectrique est inversement proportionnelle à son épaisseur Ceci signifie que, dès que la matière de l'élément piézoélectrique et la longueur d'onde optimale ont été déterminées, il en est de même pour l'épaisseur de l'élément piézoélectrique. Comme cela a été ci-dessus mentionné, si un détec- teur épais est fait d'une seule pellicule piézoélectrique en haut polymère, l'impédance électrique de la pellicule devient extrêmement élevée Il faut alors également faire appel à une tension élevée pour I 'oscillateur. Eu égard à ce problème, comme le montre la figure 1, on sait empiler plusieurs pellicules minces piézoélectriques en haut polymère 1 entre des électrodes 2 e L 3 de façon que des pâles iden- tiques des électrodes se fassent face, comme cela est indiqué par les flèches Ces électrodes 2 et 3 sont connectées à un oscillateur, désigné par la référence OSC, par l'intermédiaire de fils de câblage. Comme le montre la figure 2, on sait également replier plusieurs fois sur elle-même une seule pellicule piézoélectrique en haut poly- mère 1 possédant des électrodes 2 et 3 sur ses surfaces antérieure et postérieure Dans les exemples des figures 1 et 2, la tension nécessaire pour exciter chaque pellicule piézoélectrique est faible, Dans le même temps, le détecteur résultant possède une oscillation propre qui correspond à l'épaisseur de l'empilement de pellicules. Des exemples sont révélés par exemple dans 1978 Ultrasonic Symposium Proceedings, IETE cat, N O 78 CH, 1344-ISU. Dans l'exemple présenté sur la figure 1, si le détec- teur empilé est petit, la connexion à l'aide d'un fil de ceblage pour chaque électrode 2 ou 3 se trouvant entre des pellicules piézo- électriques empilées 1 est encombrante En particulier dans le cas d'un détecteur groupé, ou un certain nombre de surfaces unitaires d'entrée et de sortie d'ondes comprenant des éléments allongés en matériaux piézoélectriques sont formées en un groupe, chaque élément piézoélectrique unitaire est très petit Par conséquent, si les élé- ments unitaires doivent être tous empilés et qu'un fil de câblage doit 8 tre connecté entre chaque paire de pellicules empilées adja- centes, le c 9 blage est encombrant et des courts-circuits peuvent facilement se produire par suite de l'enchevêtrement des fils dans l'espace étroit. Dans l'exemple présenté sur la figure 2, puisque les couches sont respectivement constituées d'une unique pellicule, 2532807, il suffit que le câblage des électrodes s'effectue au niveau des parties d'électrodes des surfaces antérieure et postérieure de la pellicule supérieure et de la pellicule inférieure Par conséquent, le travail de câblage est notablement réduit par comparaison avec l'exemple de la figure 1, et il n'existe pas d'enchevêtrement de fils Toutefois, si l'on replie en de multiples couches une pelli- cule possédant des électrodes collées sur ses deux surfaces, les électrodes ont tendance à se séparer au niveau des plis et il existe ainsi une tendance à la déconnexion. Il a également été proposé de laisser chaque coin replié de la structure de la figure 2 de manière qu'il s'arrondisse -de la manière indiquée sur la figure 3, auquel cas les électrodes ne se séparent pas facilement Toutefois, si on laisse le coin de pliage présenter un semblable arrondi, la partie ronde C ne com- prend qu'une seule pellicule piézoélectrique Alors, l'oscillation piézoélectrique (oscillation d'allongement et de contraction s'ajou- tant à l'oscillation d'épaisseur) au niveau de la partie C introduit un bruit et augmente les pertes électriques de l'oscillateur. Le premier but de l'invention est de proposer un détecteur d'ultrasons qui ne demande pas une tension de commande élevée. Le deuxième but de l'invention est de proposer un détecteur d'ultrasons auquel on peut donner toute fréquence de réso- nance voulue en enroulant autour d'une base une pellicule piézo- électrique en haut polymère comportant des électrodes collées à ses deux surfaces et en changeant le nombre de tours de'la pellicule piézoélectrique, Le troisième but de l'invention est de proposer un détecteur d'ultrasons permettant un câblage aisé. Le quatrième but de l'invention est de proposer un détecteur d'ultrasons du type groupé qui est facile à fabriquer, Le cinquième but de l'invention est de proposer un détecteur d'ultrasons qui possède un niveau-électrique de sortie élevé et qui produit peu de bruit. La description suivante, conçue à titre d'illustra- tion de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de 2532807. ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une vue latérale montrant un exemple de la technique antérieure; la figure 2 est une vue latérale montrant un autre exemple de la technique antérieure; la figure 3 est une vue latérale montrant la partie principale d'un autre exemple de la technique antérieure; la figure 4 est une vue en perspective montrant un mode de réalisation de pellicule piézoélectrique selon la pré- sente invention; la figure 5 est une vue en plan de la pellicule piézoélectrique; les figures 6 A et 6 B sont des vues en coupe sui- vant les lignes VIA-VIA et VIB-VIB de la figure 5; la figure 7 est une vue en plan d'un mode de réa- lisation de détecteur d'ultrasons selon la présente invention; la figure 8 est une vue en coupe suivant la ligne VIII-VIII de la figure 7; la figure 9 est une vue en plan montrant un mode de réalisation d'une base pour détecteur d'ultrasons du type groupé selon la présente invention; la figure 10 est une vue latérale de la base repré- sentée sur la figure 9; et 2-5 la figure Il est une vue de face en coupe du détec- teur d'ultrasons de type groupé. On se reporte aux figures 4 et 5 Des électrodes 2 et 3 sont formées en continu sur les deux surfaces d'une pelli- cule piézoélectrique 1, Faite d'une matière piézoélectrique telle que polyfluorure de vinylidène, suivant les -directions longitudinales. L'électrode 2 est constituée d'une électrode 2 a possédant une lon- gueur Xî et une largeur wl et d'une autre électrode 2 b possédant la même longueur Z 2 et une largeur'w 2 (o W 2 suivant des lignes de pliage formées dans la direction de l'épaisseur. Les figures 6 A et 6 B montrent la pellicule 1 dans son état plié Sur la figure 6 A, les électrodes 2 a et 3 a des deux surfaces de la pellicule 1 se chevauchent mutuellement Dans ce cas, les électrodes 2 a et 3 a ne doivent pas nécessairement être parfaite- ment en regard l'une de l'autre, comme cela est présenté sur la figure 6 A; il suffit simplement qu'elles soient en regard l'une de l'autre dans leur plus grande partie Comme le montre la figure 6 B, les électrodes 2 b et 3 b des deux surfaces de la pellicule 1 sont décalées l'une par rapport à l'autre Dans ce cas, les électrodes 2 b et 3 b ne doivent pas être complètement décalées l'une par rapport à l'autre; elles peuvent se chevaucher partiellement. Avec la structure ci-dessus décrite, dans une partie LA d'électrodes en regard qui est présentée *sur la figure 6 A, les électrodes 2 a et 3 a se chevauchent l'une l'autre dans leur plus grande partie Par conséquent, si une tension est appliquée entre les électrodes 2 et 3, la partie LA de la pellicule 1 produit une oscillation d'épaisseur Lorsque la pellicule 1 oscille, cette partie l A fait fonction de partie active piézoélectrique dont on obtient la différence de potentiel entre les électrodes 2 et 3 Cette partie l A possède également une capacité élevée Dans le même temps, dans une partie l B d'électrodes ne se trouvant pas en regard qui est présentée sur la figure 6 B, les électrodes 2 b et 3 b se trouvant sur les deux surfaces de la pellicule 1 sont décalées l'une par rapport à l'autre dans leur plus grande partie (ou entièrement) Par conséquent, la partie 1 B possède une capacité presque nulle Les parties l A et 1 B sont formées de manière alternée et continue sur la pellicule 1, comme le montre la figure 5. La pellicule 1 est enroulée sur une base 4 en deux couches ou en tout autre nombre pair de couches, comme cela est montré sur les figures 7 et 8 Dans ce cas, la pellicule l est enroulée de telle manière que les- parties LA se chevauchent l'une l'autre et les parties 1 B se chevauchent également l'une l'autre. Les surfaces en regard des parties LA se chevauchant font fonction de parties actives piézoélectriques Des fils conducteurs 5 et 6 connectés aux électrodes 2 et 3 sont sélectivement connectés à un oscillateur 7 et à un processeur 8 par l'intermédiaire d'un commu- tateur 15 Comme ci-dessus décrit, deux couches de la pellicule 1, ou tout nombre pair de couches, sont enroulées; une couche signifie une seule pellicule 1 Par conséquent, si l'on utilise la pellicule pliée de la manière indiquée sur la figure 4, deux couches sont formées Si des électrodes sont formées sur les deux surfaces d'une pellicule unique et que la pellicule est enroulée, les électrodes se trouvant sur les deux surfaces sont en court-circuit Toutefois, si on utilise la pellicule 1 représentée sur la figure 4, les élec- trodes de mime polarité sont en regard l'une de l'autre Plus spé- cialement, la pellicule 1 est pliée de telle manière que les élec- trodes 2 se font face et les électrodes 3 se font face, Par consé- quent, les électrodes 2 et 3 ne peuvent pas produire de court- circuit Si les couches de la pellicule 1 sont enroulées de manière sûre, il n'est besoin d'aucun adhésif spécial Toutefois, il peut être appliqué un adhésif entre chaque paire de couches adjacentes de la pellicule 1, si cela est nécessaire. On peut former à la surface de la base 4 une plaque de réflexion d'ondes en métal ou en un matériau analogue, et on *peut placer sur celle-ci la partie l A d'électrodes en regard de la pellicule 1 Dans ce cas, l'épaisseur de la plaque de réflexion d'ondes vaut de préférence le quart de la longueur d'onde des ondes ultrasonores utilisées Lorsque la plaque a une telle épaisseur, les ondes réfléchies par la plaque se superposent aux ondes rayon- nées par le matériau piézoélectrique et les augmentent. Les figures 9 à Il montrent un mode de réalisation d'un détecteur d'ultrasons de type groupé selon l'invention. En relation avec les figures 9 à il, la base 4 en résine phénolique possède une longueur de 150 lmm, une largeur de Il mat et une épaisseur de 5 me Des surfaces concaves principales 4 a sont formées à la surface de la base 4 de manière à présenter un rayon de courbure de 70 me dans la direction de la largeur Des parties saillantes 9 et 9 ' possédant chacune une largeur de 0,1 mm et comptant respectivement 101 sont formées sur chaque surface de la base 4 à intervalles de 1,1 mm suivant la direction longitudi- nale de la base 4. Ainsi, ces parties saillantes 9, 9 et 9 ', 9 ' défi- nissent entre elles des rainures 10 et 10 ' verticalement opposées comptant 100 chacune Des plaques réfléchissantes ll en cuivre, qui possèdent une épaisseur de 180 microns, une largeur de 1 mm et une longueur de 10,5 mm, sont respectivement logées dans les rainures 10 Des évidements 12 servant à la fixation d'une extré- mité de la pellicule piézoélectrique 11 sont formés dans les rai- nures 10 '. Une pellicule 1, formée d'une pellicule en poly- fluorure de vinylidène piézoélectrique d'une épaisseur de 9 microns et d'une largeur de 1,0 mm et ayant la structure présentée sur la figure 4, est enroulée dans chacune des rainures 10 et 10 ' Dans ce cas, les parties l A d'électrodes en regard se chevauchent mutuel- lement dans la rainure 10, tandis que les parties l B d'électrodes ne se trouvant pas en regard se chevauchent mutuellement dans la rainure 10 ' La pellicule 1 est enroulée par exemple cinq fois ( 10 couches) après collage d'une extrémité de la pellicule 1 dans l'évidement 12 Dans le cas particulier de cette pellicule 1, les électrodes 2 et 3 comprennent respectivement une pellicule de nickel d'épaisseur 80 nm et une pellicule d'or d'épaisseur 160 nu, toutes deux formées par évaporation Les pellicules ont une longueur el d'environ 10 mm et des largeurs wl et W 2 valant respectivement 0,5 mm et 0,25 mm environ. Une résine époxy à faible viscosité est appliquée -sur les rainures 10, et un caoutchouc de silicone est placé au- dessus Ensuite, une pression sous vide est effectuée, si bien que le caoutchouc de silicone et la partie l A d'électrodes en regard de la pellicule 1 collent ensemble Ensuite, des fils de câblage formés de fil d'argent d'un diamètre de 50 microns sont soudés aux électrodes 2 b et 3 b se trouvant à l'extrémité finale de la pelli- cule 1 enroulée dans chaque rainure postérieure 10 ' On O peut omettre les parties saillante 9 et 9 v Dans ce cas, la pellicule piézo- électrique à enrouler peut avoir sensiblement pour largeur la longueur de la base En outre, l'électrode se trouvant sur la sur- face antérieure de la pellicule piézoélectrique comprend un cer c tain nombre de bandes parallèles entre elles dans la direction d'enroulement Les bandes respectives sont écartées les unes des autres à intervalles égaux. Le détecteur d'ultrasons de type groupé 16 possède une fréquence de résonance d'environ 5 11 Hz et peut fonctionner avec un rendement élevé. Dans un détecteur d'ultrasons selon l'invention, une pellicule-piézoélectrique en haut polymère 1 comportant des élec- trodes collées sur ses deux surfaces n'a besoin que d'être enroulée sur une base Par conséquent, il est possible d'obtenir un détecteur possédant une fréquence de résonance voulue par simple modification du nombre de tours de la pellicule Ceci facilite singulièrement la fabrication d'un ensemble d'éléments piézoélectriques unitaires compacts sous forme de détecteur d'ultrasons de type groupé De plus, pour le câblage des éléments unitaires respectifs, il est pos- sible d'effectuer la connexion à la partie 1 B d'électrodes ne se trouvant pas en regard au niveau de l'extrémité de la pellicule piézoélectrique en haut polymère 1 respective Le processus de câblage est donc simplifié et il ne peut se produire d'enchevêtre- ment de fils La partie l B d'électrodes ne se trouvant pas en regard a une capacité sensiblement nulle Par conséquent, l'énergie élec- trique d'impulsion transmise depuis l'oscillateur est pratiquement consommée dans la partie active piézoélectrique LA dans laquelle les électrodes sont mutuellement en regard, si bien qu'il peut être obtenu une onde de sortie de haut niveau. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'ima- giner, à partir des détecteurs dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses autres variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'inven- tion. R E V E N D I C A T I O N S 1 Détecteur d'ultrasons, caractérisé en ce que des électrodes ( 2, 3) sont formées sur les surfaces antérieure et posté- rieure d'une pellicule piézoélectrique en haut polymère ( 1), de façon que des parties (LA) d'électrodes en regard et des parties (l B) d'électrodes ne se trouvant pas en regard soient formées de manière alternée et continue, les électrodes 2 a, 3 a) des surfaces antérieure et postérieure étant mutuellement en regard sur leur plus grande partie au travers de ladite pellicule piézoélectrique ( 1) au niveau desdites parties (l A) d'électrodes en regard, lesdites élec- trodes ( 2 b, 3 b) des surfaces antérieure et postérieure de ladite pellicule ( 1), qui sont différentes des électrodes ( 2 a, 3 a) se trou- vant au niveau desdites parties (l A) d'électrodes en regard, étant mutuellem Ent décalées dans leur plus grande partie au niveau des- dites parties (l B) d'électrodes ne se trouvant pas en regard, si bien qu'elles possèdent une capacité sensiblement nulle, et ladite pellicule piézoélectrique ( 1) est enroulée autour d'une base ( 4) en un nombre pair de couches, de façon que lesdites parties (l A) d'électrodes en regard se chevauchent mutuellement et lesdites par- ties ( 1 B) d'électrodes ne se trouvant pas en regard se chevauchent mutuellement. 2 Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une plaque réfléchissante est disposée sur ladite base ( 4), et ladite partie (l A) d'électrodes en regard est formée sur ladite plaque réfléchissante. 3 Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que lesdites parties (l A) d'électrodes en regard se chevauchent mutuellement en plusieurs positions sur ladite base ( 4). 4 Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite plaque réfléchissante a une épaisseur valant le quart de la longueur d'onde des ondes ultrasonores utilisées O Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que plusieurs rainures ( 10, 10 ') sont formées sur cha- cune des surface antérieure et postérieure de ladite base ( 4), les- dites parties (LA) d'électrodes en regard se chevauchent mutuelle- ment dans chacune desdites rainures ( 10) sur la surface antérieure, 2532807. et lesdites parties (l B) d'électrodes ne se trouvant pas en regard se chevauchent mutuellement dans chacune desdites rainures ( 10 ') de la surface postérieure.