Brevet FR2542553A1 — publié le 19840914

DISPOSITIF D'ENCASTREMENT D'UN DIAPHRAGME PIEZOELECTRIQUE, SON PROCEDE DE REALISATION ET TRANSDUCTEUR ELECTROMECANIQUE UTILISANT UN TEL DISPOSITIF La présente invention concerne des dispositifs transducteurs ou cap- teurs qui font appel à des diaphragmes polymères encastrés pour assurer des fonctions de transfert mécanique ou acoustique L'invention concerne plus particulièrement les transducteurs électromécaniques et les accéléromètres. Les développements récents des polymères piézoélectriques ont permis leur application à des dispositifs qui les utilisent souvent sous la forme de diaphragme encastré L'encastrement est généralement réalisé par serrage entre des mors métalliques Les mors métalliques ont l'avantage sur ceux réalisés en d'autres matériaux de procurer un encastrement ayant de bonnes qualités mécaniques, de bien résister aux contraintes de fluage engendrées lors du serrage du diaphragme Ils satisfont également aux exigences de précision et de fabrication en grande série Le choix du métal est d'autant plus justifié lorsque les pièces servant à l'encastrement ont à assurer une prise de contact électrique par pression sur les électrodes supportées par le di Iaphragme. Une telle structure, associant des matériaux aussi différents qu'un métal et un polymère, présente l'inconvénient résultant de la grande différence entre les coefficients de dilatation thermique de ces matériaux. En effet, les valeurs typiques des coefficients de dilatation thermique vont de 0,5 10-5 à 2 10-5 K 1 pour les métaux et de 0,5 10-4 à 5 104 K-1 pour des polymères d'emploi usuel Il en résulte que les polymères se déforment plus que les métaux avec la température Lorsque la température varie, il se produit une dilatation différentielle entre les mors et le diaphragme qui peut modifier l'état mécanique du diaphragme en affectant soit sa forme soit son état de contrainte Si les variations de température sont faibles, les modifications mécaniques du diaphragme sont réversibles Il n'en va pas de même pour des variations importantes de la température, par exemple de l'ordre de grandeur de celles imposées par les normes militaires Dans ce cas, le diaphragme peut subir des modifications mécaniques irréversibles qui entraînent des altérations de ses propriétés électromécaniques. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention propose la mise en oeuvre de moyens évitant tout mouvement relatif causé par les variations de température, d'un diaphragme par rapport à ses pièces d'encastrement Ces moyens agissent soit par augmentation du frottement entre les différentes parties, soit par un ancrage du diaphragme par rapport à ses mors. L'invention a donc pour objet un dispositif d'encastrement d'un dia- phragme piézoélectrique entre des mors qui exercent un serrage du diaphra- gme suivant une ou plusieurs zones périphériques, ledit dispositif pouvant être soumis à des variations de température susceptibles de causer un 1 O retrait du diaphragme par rapport à ses mors, caractérisé en ce que les mors et le diaphragme définissent un profil d'encastrement présentant au moins une surface qui s'oppose audit retrait. L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'un tel dispositif d'encastrement. L'invention a également pour objet un transducteur électromécanique utilisant un diaphragme piézoélectrique, caractérisé en ce que le dispositif d'encastrement présente un profil qui s'oppose à un retrait du diaphragme par rapport à ses mors. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparattront au moyen de la description qui va suivre ainsi que des figures l'accompagnant, parmi lesquelles: la figure 1 représente la structure de base d'une capsule microphoni- que à élément vibrant en forme de plaque encastrée, les figures 2 (a) à 2 (d) sont des schémas explicatifs des effets dus à une variation de température, la figure 3 est une vue en coupe méridienne d'une capsule micropho- nique, la figure 4 est un profil d'encastrement à bourrelet torique selon l'invention, les figures 5 à 8 sont des variantes de profils d'encastrement selon l'invention. La' figure 1 représente la structure de base d'une capsule micro-. phonique à élément vibrant en forme de plaque encastrée -La capsule se compose d'un boîtier en deux parties comprenant un corps 1 et une collerette 2 Une plaque 3 servant de diaphragme en polymère piézoélectri- que, est pincée entre le corps et la collerette du bottier Une découpe a été effectuée dans la capsule afin d'en mieux voir les différentes parties Les éléments 1 et 2, généralement en aluminium, jouent le rôle de pièces d'encastrement. Les figures 2 (a) à 2 (d) montrent les déformations provoquées sur un diaphragme encastré par la dilatation différentielle La figure 2 (a) repré- sente, de façon schématique, un diaphragme 4 et ses pièces d'encastrement et 6 Cette figure est une vue en coupe diamétrale d'une capsule microphonique du type de la figure 1 exempte de toute déformation et à température ambiante Si la capsule est soumise à une variation de température, des dilatations ou des contractions vont se produire dans ses éléments constitutifs Par exemple, à une température inférieure à la température ambiante, les éléments subiront une contrainte radiale Xr provoquant une diminution des dimensions extérieures de la capsule comme le montre la figure 2 (b) Puisque le polymère subit davantage les variations dimensionnelles dues à la température que les pièces métalliques 5 et 6, il tend à les entratner dans sa déformation Ces variations restent réversibles tant que les écarts de température sont faibles Leurs conséquences sur la -'20 fonction assurée par le diaphragme sont le plus souvent tolérables ou peuvent être compensées par d'autres moyens Il en va autrement si le diaphragme est soumis à des écarts de température importants par rapport à la température ambiante Il arrive, dans certains cas, que des capsules telles que celle décrite plus haut doivent supporter une température de l'ordre de - 400 C pendant plusieurs centaines, voire plusieurs milliers d'heures Dans de telles conditions, le diaphragme en se contractant soumet ces mors à une contrainte de traction radiale considérable qui peut être assez forte pour que la force permanente de serrage exercée par les mors sur le diaphragme ne sufise pas à empêcher son glissement à l'intérieur de l'encastrement. C'est ce que montre la figure 2 (c) o l'on constate que le diaphragme 4 s'est contracté plus que les pièces 5 et 6 Lors du retour à la température ambiante, des dilatations thermiques se produisent mais elles n'entraînent pas un retour à la situation représentée à la figure 2 (a) En effet, les contraintes engendrées par la dilatation du diaphragme favorisent le flam- bage du diaphragme plutôt que sa réinsertion dans son encastrement d'origine Comme le montre la figure 2 (d), le diaphragme conserve sa position en retrait à l'intérieur des mors et le flambage est maximum dans sa partie centrale. Les effets d'un cycle de températures aussi important entraînent une modification irréversible des caractéristiques de la capsule En particulier, des paramètres tels que la compliance -et les fréquences des modes de résonance ont leurs valeurs modifiées Il peut en résulter des altérations de fonctionnement, des dégradations et une mauvaise reproductibilité des grandeurs à recevoir ou à transmettre. A titre d'exemple, les effets de variations de températures sur une capsule du type représenté à la figure 1 vont être étudiés Les caractéristi- ques des matériaux utilisés sont les suivantes: le diaphragme piézoélectrique 3 est en polyfluorure de vinylidène (PVF 2) Son épaisseur est de 200 micromètres, le diamètre de lencastrement 14 mm, le coefficient de dilatation linéaire du PVF 2 a = 100 10-6 K -'. les mors 1 et 2 sont en aluminium de coefficient de dilatation linéaire a' = 22 10-6 K 1. Pour un écart de température A T, la contrainte radiale Xr peut être 2 d iestimée par la relation: Xr = E( a a') A T, o E désigne le module d'Young du PVF ( 310 W N m-2) Le passage de la température ambiante à la température de 40 C provoque une contrainte radiale qui correspond à une force d'environ 140 N radialement répartie sur le périmètre d'encastre- ment. On s'est aperçu que la forme donnée au diaphragme influe sur son comportement face aux écarts de températures En particulier, un dia- phragme en forme de dôme faiblement bombé et dont lencastrement est tronconique réagit relativement bien aux effets dus à la température Le principe de ce type de capsule a été décrit dans la demande de brevet français déposée le Il août 1981 sous le numéro national 81 15506 La figure 3 est une vue en coupe méridienne d'une telle capsule microphonique à plaque piézoélectrique Le boîtier comporte une partie supérieure 16 en métal qui s'emboîte dans un fond de boîtier 11 muni de bornes de raccorde- ment isolées 14 La plaque piézoélectrique 17 munie de métallisations 15 et 18 est encastrée tronconiquement entre le rebord de la partie supérieure 16 du bottier et un anneau métallique 8 à section trapézoïdale L'anneau 8 est pressé contre la plaque 17 par une rondelle isolante 9 reposant sur une pièce élastique de blocage 10 qui pénètre dans une fente circulaire de la partie supérieure 16 du boîtier Un tampon 12 de matière absorbante acoustique est logé dans l'évidement central de la partie supérieure 16 du bottier Ce tampon est coincé entre la pièce 9 et une plaquette 13 de circuit imprimé sur laquelle sont agencés les composants électroniques d'un circuit électri- que adaptateur d'impédance Les matériaux utilisés pour la plaque 17 et les 1 i O pièces d'encastrement son supposés identiques au cas précédent Il en va de même pour les dimensions de la plaque 17 On remarque sur cette figure la forme de dôme faiblement bombé de la plaque 17 et son encastrement tronconique dont l'angle au sommet est très ouvert (de valeur 1660 dans cet exemple) Cette géométrie est assez bonne du point de vue du comporte- ment au froid car la contraction du diaphragme se traduit d'abord par un affaissement du dôme sans apparition d'une contrainte radiale sensible On estime que cette structure évite la transmission de contraintes radiales vers les pièces d'encastrement jusqu'à une température de 100 C, en partant de l'ambiante A 40 C, la contrainte radiale Xr exercée par la plaque est de z O l'ordre de 70 newtons Les effets de rétraction du diaphragme dans l'encas- trement se produisent alors et ont des conséquences sensibles sur la fréquence fo du premier mode de résonance du diaphragme et sur la sensibilité S de la capsule microphonique à 1 k Hz Ces conséquences sont regroupées dans le tableau suivant: Caractéristiques initiales Après quelques heures à t ambiante à 40 'C et retour à T ambiante fo 4000 Hz 6400 Hz S 2,4 m V/Pa 1,7 m V/Pa On s'aperçoit qu'après quelques heures à 400 C et retour à tempéra- ture ambiante, la fréquence fo et la sensibilité S ont vu leur valeur se modifier sensiblement La géométrie donnée à la plaque piézoélectrique ne compense donc pas les effets dus aux grandes variations de température. Les solutions retenues devront tenir compte du fait qu'on peut utiliser parfois une plaque de PVF 2 étiré monoaxialement et dont les coefficients a il et a 22 sont dans un rapport d'environ 4 D'une manière générale, on considérera du domaine de l'invention les cas o il existe une forte dilatation différentielle entre le diaphragme et les pièces d'encastrement, que ces pièces soient métalliques ou non Les moyens mis en oeuvre dans l'invention visent à exercer une réaction à la contrainte Xr pour empêcher le glissement. La solution qui consiste à augmenter la force de serrage n'est pas à retenir pour un diaphragme en polymère en raison de son aptitude au fluage qui conduit au bout d'un certain temps à un relâchement de la force de compression appliquée Cet effet est particulièrement marqué si la capsule subit un cycle d'échauffement avant un cycle de refroidissement. Si la forme du diaphragme est obtenue par moulage, il est possible de prévoir à sa périphérie un bourrelet torique s'épaulant sur la surface latérale 21 externe des pièces d'encastrement comme le montre la figure 4 Cette solution empêche tout retrait de la partie encastrée Pour être valable cet épaulement doit se faire sans jeu Ceci suppose un ajustage très précis du diamètre intérieur du bourrelet 20 du diaphragme 21 sur le diamètre extérieur des pièces d'encastrement 22 et 23 Cette solution ne s'applique pas à un diaphragme obtenu par simple découpe à partir d'une feuille de grandes dimensions ce qui est le cas de la plupart des dispositifs à diaphragme en polymère piézoélectrique. Il est plus efficace, pour lutter contre la contrainte de traction Xr de serrer le diaphragme entre des surfaces rugueuses L'état de surface des pièces d'encastrement en contact avec le diaphragme contribue donc à éviter la rétraction du diaphragme Pratiquement, pour avoir une action efficace sur les mouvements d'un diaphragme en PVF 2 dans son encastre- ment, l'amplitude des rugosités doit être de l'ordre de grandeur de l'épais- seur du diaphragme. Une manière efficace de lutter contre le retrait consiste à effectuer une corrugation de toute la surface du diaphragme en contact avec les pièces d'encastrement, l'amplitude de ces corrugations et leur pas moyen étant de lordre de grandeur d'une fraction de l'épaisseur du diaphragme. Cette solution possède certains inconvénients émanant de l'absence d'une aire de positionnement du diaphragme ce qui influe sur la vitesse d'exécution des opérations d'encapsulation Un autre inconvénient se présente dans la zone de contact intérieure des différentes pièces, référencée 25 sur la figure 2 (a) En effet, suivant le profil de la corrugation, les conditions aux limites (notamment la pente à Porigine) peuvent être influencées par la précision du montage. La meilleure solution consiste à disposer d'un profil d'encastrement comprenant deux régions concentriques jouant des rôles distincts: une région adjacente au bord intérieur des pièces dencastrement et une région adjacente au bord extérieur La figure 5 est un exemple de profil d'encastre- ment réalisé selon l'invention La plaque de polymère 31 est serrée entre les pièces 32 et 33 La région 34 adjacente au bord intérieur présente un profil adapté à des conditions optimales d'encastrement: c'est-à-dire une surface lisse avec un très bon parallélisme des surfaces des mors 32 et 33 Elle 29)"'èeonstitue une couronne dont la largeur est très supérieure à l'épaisseur du diaphragme de manière à éviter tout effet de charnière Ce profil est également très bien adapté à une prise de contact électrique entre les mors et des électrodes portées par le diaphragme La région 35 adjacente au bord extérieur des pièces d'encastrement permet une bonne résistance aux contraintes dues à la rétraction éventuelle de la plaque de polymère Le profil en L donné aux pièces 32 et 33 crée un ancrage périphérique qui s'oppose mieux aux forces de glissement qu'une plaque rigoureusement plane. La fonction d'ancrage peut être assurée par de nombreux profils Par ordre croissant de complexité et d'efficacité, ces profils peuvent être en forme de L, de S, de U ou, plus généralement, peuvent présenter n incurvations Plus le nombre des incurvations est élevée, plus la résistance au glissement des différentes parties sera grande Dans tous les cas, les deux principaux paramètres géométriques qui déterminent l'efficacité de l'an- crage sont la profondeur p déterminée par rapport au plan moyen de la plaque de polymère et le rayon r de l'arrondi des incûrvations Le rayon r devra toujours être choisi d'une valeur au plus comparable à l'épaisseur du diaphragme et de préférence de l'ordre de grandeur d'une fraction de celle- ci La situation la plus favorable est celle dans laquelle l'incurvation du diaphragme est imposée par un profil à angles vifs des mors comme cela est possible lorsqu'ils sont obtenus par décolletage D'autres procédés d'exécu- tion de ces pièces (emboutissage, filage, fonderie) ne permettent pas de réaliser aussi facilement un tel profil En pareil cas, la moindre résistance des incurvations au frottement doit être compensée par une profondeur p l plus grande ou par une augmentation du nombre d'incurvations Il est avantageux que la profondeur p soit au moins égale à quelques dixièmes de l'épaisseur du diaphragme. Les figures 6 à 8 sont des variantes de réalisation d'encastrements selon l'invention Dans la figure 6, la plaque 40 est enserrée entre des mors 41 et 42 lui assurant un profil en S Dans la figure 7, les mors 46 et 47 imposent un profil d'encastrement en U pour la plaque 45 Dans la figure 8, la forme des mors 51 et 52 détermine un profil à 3 incurvations pour Pencastrement de la plaque 50. Le profil de corrugation d'un mors est sensiblement parallèle à celui de l Pautre mors Leur cotation doit être telle que, après serrage, l'espacement des corrugations perpendiculairement au diaphragme soit faiblement supé- rieur (de 5 % environ) à son épaisseur Une cotation affectée de telles tolérances permet d'éviter un bourrage de matière à Pintérieur de la corrugation, et surtout de faire porter la force de serrage là o elle est nécessaire, c'est-à-dire sur la couronne d'encastrement. En ce qui concerne le mode d'assemblage du diaphragme entre ses mors, deux possibilités peuvent être envisagées Les mors corrugués peuvent être utilisés comme un moyen de formage du diaphragme Dans ce cas, le diaphragme est inséré dans le montage sous la forme d'un disque plan, le serrage des mors Pamenant à épouser le profil de corrugation Il est alors préférable de faire suivre cet assemblage d'un traitement thermique à une température suffisante pour ramollir le polymère et parfaire son formage en amenant le diaphragme en contact intime avec les incurvations du profil Ce procédé peut ne pas être applicable si la force de serrage requise est trop 25425-53 élevée pour être communiquée au mors, ou si le dispositif complet ne peut supporter le traitement thermique En pareil cas, le diaphragme peut être préalablement thermoformé selon un profil identique ou similaire à celui des mors Un procédé hybride consiste à effectuer le serrage des mors à chaud, ceux-ci jouant alors directement le rôle de moule de thermoformage. Quel que soit le mode d'assemblage, un avantage supplémentaire de cette structure de diaphragme encastré est que l'emboîtement des profils de corrugation l'un dans l'autre réalise un auto-centrage des mors Dans la structure d'ensemble d'un dispositif, cette fonction est généralement assurée soit par une pièce de guidage distincte, soit par un outillage d'assemblage définissant la précision d'alignement L'emploi d'un profil d'encastrement selon l'invention permet d'amoindrir le caractère critique de cette fonction, voire de supprimer une pièce du montage. A titre d'exemple, des essais approfondis ont été réalisés sur des capsules de microphone dont l'encastrement présente un profil en S à angles vifs et dont la profondeur p est égale à l'épaisseur du diaphragme Le serrage a été effectué sans thermoformage préalable du diaphragme et a été suivi d'un recuit à 90 C pendant 1 heure Après stockage à 40 C pendant plusieurs milliers d'heures, les variations relatives de la sensibilité micro- 2 phonique après retour à température ambiante n'excèdent pas + 0,5 d B Ces essais ont été effectués sur une vingtaine de microphones. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'encastrement d'un diaphragme entre des mors qui exercent un serrage dudit diaphragme suivant une ou plusieurs zones périphériques, ledit dispositif pouvant être soumis à des variations de température susceptibles de causer un retrait du diaphragme par rapport à ses mors, caractérisé en ce que les mors et le diaphragme définissent un profil d'encastrement présentant au moins une surface qui s'oppose audit retrait. 2 Dispositif d'encastrement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit diaphragme possède des propriétés piézoélectriques. 3 Dispositif d'encastrement selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le diaphragme est en matériau polymère. 4 Dispositif d'encastrement selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit diaphragme est réalisé à partir d'alliages de polymères. 5 Dispositif d'encastrement selon Pune quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les faces principales dudit diaphragme sont recouvertes d'électrodes. 6 Dispositif d'encastrement selon lune -quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit matériau polymère est en polyfluorure de vinylidène ou Pun de ses copolymères. 7 Dispositif d'encastrement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits mors sont des mors conducteurs électriquement. 8 Dispositif d'encastrement selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits mors sont en aluminium. 9 Dispositif d'encastrement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit diaphragme présente une forme bombée dans sa partie active. Dispositif d'encastrement selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit encastrement s'effectue selon une couronne périphérique du diaphragme. 11 Dispositif d'encastrement selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que Popposition audit retrait est réalisée par un bourrelet torique ( 20) situé à la périphérie du diaphragme ( 21) et s'appuyant sur la face externe des mors ( 22 et 23). 12 Dispositif d'encastrement selon l'une quelconque des, revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit profil d'encastrement a une forme en L. 13 Dispositif d'encastrement selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit profil d'encastrement a une forme en S. 14 Dispositif d'encastrement selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit profil d'encastrement a une forme en U. Dispositif d'encastrement selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit profil d'encastrement se présente sous la forme d'une corrugation. 16 Dispositif d'encastrement selon lune quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que la profondeur p du profil d'encastrement est au moins égale à quelques dixièmes de l'épaisseur du diaphragme. 17 Dispositif d'encastrement selon Pune quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que la valeur du rayon r des arrondis des incurvations du diaphragme lui assurant ledit profil est au plus égale à 2 e 3 l'épaisseur du diaphragme. 18 Dispositif d'encastrement selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que le profil d'encastrement est à angles vifs. 19 Dispositif d'encastrement selon lune quelconque des revendications 12 à 18, caractérisé en ce que l'espacement entre les mors ( 51 et 52) dans la partie qui s'oppose audit retrait est supérieur d'environ cinq pour cent à l'épaisseur du diaphragme. Procédé de réalisation d'un dispositif d'encastrement selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que le diaphragme est initialement plan et que son profil d'encastrement est assuré par le pressage des mors. 21 Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que le pressage s'effectue à chaud - 22 Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que ledit pressage a été suivi d'un traitement thermique pour parfaire son formage. 23 Procédé selon l'une des revendications 20 à 22, caractérisé en ce que ledit diaphragme a été thermoformé avant pressage. 24 Transducteur électromécanique à diaphragme piézoélectrique maintenu entre des mors, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'encastrement selon Pune quelconque des revendications I à 19. Transducteur électromécanique selon la revendication 24, caracté- risé en ce qu'il est une capsule microphonique.