Brevet FR2562369A1 — publié le 19851004

PROCEDE DE FABRICATION D'UN DIAPHRAGME DE TRANSDUCTEUR EN MATERIAU POLYMERE COMPRENANT DES PARTIES DE RIGIDITES DIFFERENTES ET DIAPHRAGME OBTENU PAR CE PROCEDE L'invention concerne un procédé de fabrication d'un diaphragme de transducteur en matériau polymère dont la raideur doit satisfaire certaines exigences. L'invention s'applique particulièrement bien à l'obtention des membranes de haut-parleurs ou de microphones. L'obtention de dispositifs tels que des membranes de formes géométriques variées à partir de matériaux polymères est assez répandue. Ces matériaux se prêtent bien au moulage et on peut leur conférer des propriétés piézoélectriques par polarisation. Dans certaines applications, ils doivent satisfaire à des critères bien spécifiques. C'est le cas notamment lorsqu'ils sont employés pour la fabrication de membranes de haut-parleurs ou de microphones. Ils doivent alors présenter simultanément les caracteris- tiques suivantes: une faible densité de façon à limiter la force du moteur pour une accélération donnée, une rigidité élevée de façon à travailler au mieux en piston, de fortes pertes acoustiques afin que les modes propres de la membrane soient amortis le plus possible.En pratique, ces caractéristique, se retrouvent plus ou moins réunies dans le papier et dans des polymères composites tel que Je polypropylène contenant des fibres de carbone. On reproche toutefois au papier des pertes acoustiques insuffisantes et aux composites à fibres de carbone une densité trop importante. De plus, dans les deux cas, si la membrane et sa suspension périphérique sont monolithiques, il est nécessaire de procéder au moulage de corrugations qui définissent la suspension pour en accroître la souplesse. On peut également, afin d'assurer la suspension périphérique, utiliser une couronne circulaire en polymère souple et à fortes pertes mécaniques (mousse de polyuréthane, élastomère chargé). Cette couronne étant collée à la membrane, il se pose des problèmes de compatibilité au collage. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention propose un procédé de fabrication de façon monolithique, d'un dispositif en polymère ou en copolymère qui comprend des régions de rigidité différentes. Ces différences de rigidités sont obtenues par des traitements thermiques différents pour chaque région de rigidité déterminée. Dans le cas des dispositifs entrant dans la composition des haut-parleurs, on peut ainsi obtenir en une seule pièce une membrane et sa suspension périphérique constituant des régions de rigidités différentes. L'invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'un diaphragme de transducteur en matériau polymère ou copolymère comprenant des parties de rigidités differentes, caractérisé en ce que le diaphragme étant réalisé en un seul tenant, la différence de rigidité desdites parties est obtenue par au moins une étape de traitement thermique localisé dudit matériau. L'invention a aussi pour objet un diaphragme en matériau polymère ou copolymère comprenant des parties de rigidités différentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé par le procédé de fabrication défini ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparatrontau moyen de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente un modèle mécanique biphasique sérieparallèle; - la figure 2 est une vue en coupe d'une membrane de haut-parleur; - la figure 3 est illustrative d'une première variante du procédé selon l'invention - la figure 4 est illustrative d'une seconde variante du procédé selon l'invention. La plupart des polymères semi-cristallins présentent des taux de cristallinité X qui dépendent des conditions thermiques selon lesquelles ils ont été transformés. La trempe après formage (par moulage ou extrusion) favorise les faibles taux de cristallinité alors. que la descente lente en température, de la température de transformation à la température ambiante, favorise la cristallisation. Dans le cas où la température vitreuse Tg (température de transition de l'amorphe souple à l'amorphe rigide) est supérieure à la température ambiante, la rigidité mécanique (rattachée au module d'YOUNG) est peu dépendante du taux de cristallinité. En effet, dans ce cas, le module d'YOUNG des cristallites est peu différent de celui de la phase amorphe rigide.Au contraire, lorsque la température vitreuse Tg est inférieure à la température ambiante, la rigidité du polymère est principalement déterminée par celle de l'amorphe et, par conséquent, elle croît lorsque la fraction volumique d'amorphe décroît, c'est-àtire lorsque croît le taux de cristallinité. Le module d'YOUNG E peut être évalué dans un polymère semicristallin à l'aide d'un modèle mécanique biphasique série-parallèle tel que représenté à la figure 1. Le modèle est un composite qui comporte une zone cristalline X1 en parallèle avec une zone amorphe A1 et avec l'axe des forces de déformations possibles représenté par la flèche 1. Le composite comprend également des zones cristalline X2 et amorphe A2 perpendiculaires à l'axe 1. A partir de ce modèle de composite, on peut avoir une idée de la répartition spatiale de certaines propriétés physiques. En posant il vient: X = u . En posant l + u L1 = W.L (W étant le facteur de forme), le module d'YOUNG du composite s'écrit Ex et E a étant respectivement les modules d'YOUNG des zones cristallines et amorphes.Pour Ex nettement supérieur à Eay on obtint: Dans ce cas, le module d'YOUNG E est toujours une fonction croissante du taux de cristallinité x, que l'on se place dans le cas d'un polymère isotrope mécaniquement (c'est-à-dire non étiré soit W 0,5), ou dans le cas d'un polymère orienté mécaniquement selon la direction d'étirement (W o )s ou encore dans le cas d'un polymère orienté selon une direction perpendiculaire à la direction d'étirement (W N 1). A titre d'exemple, le tableau I donne un aperçu de la variation de la valeur du module d'YOUNG E en fonction du taux de cristallinité, dans le cas d'un polymère isotrope (W # 0,5) et pour un rapport des modules d'YOUNG environ égal à 100 EIXEa Og 0,9 E/Ea 11 26 50 TABLEAU I En pratique, des variations notables du taux de cristallinité, et par conséquent du module d'YOUNG, sont observables pour les copolymères de polyfluorure de vinylidène et de polytrifluorure d'éthylène (PVF2 - PTrFe) en fonction des recuits effectués après transformation de ces polymères.Ainsi pour un copolymère formé à partir de 70 % de fluorure de vinylîdène et de 30 % de trifluorure d'éthylène en poids, soit P (0,7 VF2 - 0,3 TrFe), le taux de cristallinité X passe de 62 % après la trempé à 86 % après un recuit à 1400 C pendant 6 heures. Pour le copolymère P'(0,8 VF2 - 0,2 TrFE), X passe de 60 % après la trempe à 87 % après un recuit à 1400 C pendant 6 heures. Pour le copolymère P (0,75 VF2 - 0,25 TrIFE), X passe de 70 % après la trempe à 89 % après un recuit à 1400 C pendant 6 heures. Le tableau 11, représenté à la fin de la description, regroupe les valeurs du module d'YOUNG exprimant la raideur mécanique, mesurées avant recuit et après recuit sur des échantillons préalablement trempés, en fonction de la composition d'un copolymère P (VF2lTrFE). Il est préférable en effet de faire subir aux polymères une trempe qui a pour conséquence de bloquer le taux de cristallinité. L'opération de trempe est bien connue de l'homme de l'art et il n'apparaît pas utile de la décrire ici. Dans le tableau Et, on a également consigné les valeurs des températures de transition vitreuse Tg dont les mesures ont été efectuées à la fréquence de 1 kHz. Le tableau II livre plusieurs renseignements quant à l'évolution des paramètres E et Tg en fonction de la composition du copolymère. Avant recuit, le module d'YOUNG E augmente régulièremnet avec le taux de fluorure de vinylidène dans le mélange tandis que la température de transition vitreuse décroît. Après recuit, le module- d'YOUNG augmente avec le taux de fluorure de vinylidène (VF2) jusque 70 % de VF2 puis décroît légèrement lorsque ce taux continue de croître. La température de transition vitreuse diminue de manière continue lorsque croît le taux de fluorure de vinylidène. D'une façon générale, les modules d'YOUNG sont plus élevés après recuit qu'avant recuit. Les températures de transition vitreuse peuvent varier de quelques degrés selon la composition du mélange. On observe que l'accroissement du module d'YOUNG par recuit est d'autant plus important que la proportion de trifluorure d'éthylène (TrFE) dans le mélange considéré est plus importante. Il est, au vu du tableau Il, particulièrement intéressant de retenir les compositions de P (VF2/TrFE) présentant une proportion de TrFE supérieure à 2û % L'invention n'est pas limitative aux compositions présentées dans le tableau 11. Tout mélange ou simplement tout polymère présentant un accroissement notable de son module d'YOUNG après recuit peut être pris en considération. Cette variation de module d'YOUNG par recuit peut être mise à profit pour réaliser des dispositifs à base de polymères ou de copolymères et ayant une répartition spatiale de la raideur. Un cas d'application particulièrement intéressant est celui des coques acoustiques. On peut alors, à partir d'une coque obtenue par exemple par moulage, faire subir aux zones devant être rigidifiées un recuit localisé. I1 est par exemple possible d'obtenir, à partir d'un mtme moulage, une coque acoustique dont la membrane et la suspension périphérique sont en un seul tenant et qui possèdent des rigidités différentes. Dans ce cas, le problème de la liaison entre la membrane rigide et la suspension ne se pose pas. Les conditions de rigidité et de fortes pertes sont obtenues pour la membrane qui reste semiwristalline et celles de souplesse et de fortes pertes sont acquises pour la suspension. La figure 2 est une représentation en coupe d'une membrane de hautparleur. La coupe est effectuée selon un plan parallèle à l'axe de propagation des sons restitués On distingue la membrane 2 proprement dite, de forme tronconique, et sa suspension périphérique 3 qui possède généralement une forme corruguée. Le dispositif de la figure 2, désigné par la référence 4, peut être obtenu à partir d'un des copolymères cités qui sera choisi en fonction des rigidités désirées, pour les différentes parties du dispositif. Il est possible également dlvaccroître encore les pertes acoustiques de la membrane et de la suspension en ajoutant au mélange de polymères retenu une certaine quantité de polyméthyl métacrylate (PMMA), soit environ 20 à 30 % en volume.Cet ajout a pour effet de déplacer, aux fréquences audio, le maximum des pertes mécaniques vers une température un peu inférieure à la température ambiante. Les polymères cités acquérant des propriétés piézoélectriques lorsqu'ils sont soumis à une polarisation continue à température ambiante, le procédé selon l'invention est applicable à des membranes piézoélectriques, rigidifiées et polarisées, reliées à leur support par des suspensions souples, polarisées ou non. Le procédé selon l'invention comporte plusieurs variantes de mise en oeuvre, le principe directeur étant d'obtenir des régions de rigidités différentes. Une première variante consiste en une trempe globale du dispositif suivie d'un recuit partiel des zones à rigidifier. Une seconde variante consiste en un refroidissement lent de la membrane suivi d'une trempe portant sur les zones devant avoir une rigidité plus faible que le reste du dispositif. Pour ces deux variantes, il est tenu compte du fait que les matériaux polymères ou copolymères généralement employés possèdent une température de transition vitreuse inférieure à la température ambiante. De ce fait, la rigidité augmente avec le taux de cristallinité. On peut utiliser les deux variantes définies dessus pour réaliser des membranes ou coques acoustiques à raideur répartie.Les variantes vont porter, à titre non limitatif, sur des dispositifs du type représenté à la figure 2. Selon la première variante du procédé, le dispositif subit une opération de trempe qui porte sur sa totalité. La trempe peut être réalisée par refroidissement rapide du moule qui a servi à former le dispositif avec une décroissance de la température supérieure à 10 C par seconde. On peut encore réaliser l'opération de trempe par démoulage et trempe dans l'eau à température ambiante. Il reste à effectuer un recuit partiel de la membrane du dispositif afin de lui conférer une plus grande rigidité. La figure 3 est une vue en coupe illustrative d'une façon d'assurer un recuit partiel pour le dispositif désigné sous la référence 4 dans la figure 2. Le dispositif 4 est monté dans un encastrement qui enserre la suspension 3 et qui épouse le profil qui lui a été donné par le moulage. L'encastrement peut être réalisé au moyen de deux éléments complémentaires 10 et 11 en forme de couronne et réalisés en un matériau de très forte masse calorifique. Le recuit est effectué par jet d'air chaud sur l'une ou l'autre des faces de la membrane 2 ou sur ses deux faces à la fois. La température des jets d'air, ou de tout autre fluide assurant la même fonction, doit être suffisante pour assurer le recuit de la membrane 2. Les eléments d'encastrement 10 et 11 assurent le maintien de la suspension à une température proche de la température ambiante pendant la durée de l'opération de recuit.Il est possible éventuellement de maintenir de façon plus certaine la suspension à la température ambiante en refroidissant les éléments d'encastrement 10 et 11 par un fluide tel que l'eau circulant dans des conduits 12 prévus à cet effet. I1 entre dans le cadre de l'invention d'assurer le recuit de la membrane 2 par tout autre moyen chauffant approprié tel que des résistances chauf- fantes ou un chauffage par rayonnement. Selon la seconde variante du procédé, la membrane est refroidie lentement tandis que la suspension subit une opération équivalant à la trempe. En effet, comme il a été dit plus haut, un retour lent en température après formage provoque un taux de cristallinité élevé donc une forte rigidité, tandis que la trempe favorise un faible taux de cristallinité donc une rigidité moindre. Cette double fonction peut être assurée par le mo':le qui a servi à former le dispositif 4. La figure 4 est une vue en coupe d'un meule capable de mettre en oeuvre la seconde variante du procédé.Ce moule comprend deux éléments complémentaires 20 et 21 qui permettent le formage a partir d'un polymère ou d'un copolymère introduit à l'état fondu entre les éléments 20 et 21, de dispositifs du type représenté à la figure 2. Les éléments du moule peuvent cotre par exemple réalisés en acier inoxysda ble ou en bronze. Les parties du moule correspondant à la suspension du dispositif 3 sont refroidies rapidement, afin d'assurer l'opération de trempe de la suspension, par exemple par l'intermédiaire d'un fluide réfrigérant tel que jazz ee l'eau froide circulant dans des conduits 22. La membrane du dispositif ne devant etre refroidie o,ue très graduellement, il est préférable que l'un des éléments 2Ç ou 21 ou m:Te ses deux, comme il est représenté sur la figure 4 so!J équipé de résistances chauffantes représentées symbolique- inera: sous la référence 23.Le refroidissement lent et contrôlé peut alors être obtenu en baissant progressivement le courant qui parcourt les résis- tances 23. I1 est avantageux que les éléments 20 et 21 soient conçus de façon à isoler thermiquement et dans la mesure du possible les parties réfrigérées et les parties chauffantes. C'est le r8le que louent les étrangle- ments 24 et 25 respectivement pour les pièces 20 et 21. Dans le cas où le dispositif obtenu par le procédé selon l'invention constitue la partie active d'un haut-parleur ou d'un microphone, il peut être nécessaire de le polariser. Les copolymères cités deviennent fortement piézoélectriques après polarisation continue à température amiante, pour des champs électriques appliqués compris entre 500 kVlcm et 1 MYlcm et des temps d'application de ces champs de l'ordre de quelques fractions de secondes à plusieurs minutes. Cette propriété remarquable est due à leur vrai caractère ferroélectrique.Lorsque la phase cristalline est complètement orientée électriquement, les coefficients piézoélectriques croissent avec le taux de cristallinité puisque la polarisation électrique rémanente augmente. Ces coefficients décroissent aux basses fréquences lorsque croît le module d'YOUNG donc le taux de cristallinité. De ce fait, aux fréquences audio, les coefficients piézoélectriques sont peu dépendants du taux de cristallinité; ceux atteignent pour les coefficients transversaux d31 = d32) environ 15.10-12 CN-1, soit 4 fois deux de Ihomopolymère PVF2 polarisé dans les mêmes xfltlons. Après mise en oeuvre du procédé de fabrication selon l'nne ou l'autre de ses variantes, la partie du dispositif à polariser est revêtue de mAllisations sur ses deux faces, par exemples par évaporation mélique. Elle est ensuite soumise, à température ambiante, au traitement de polarisation. TABLEAU ll P(VF2/TrFE) avant recuit après recuit E Tg( C) E Tg( C) 109 N.m-2 109 N.m 2 0/100 1 - 12 2 - 10 60/40 1,6 - 12 2,7 - 10 70/30 1,8 - 14 3,3 - 11 80/20 2,8 - 16 2,7 - 15 100/0 2,9 -20 2,9 -20 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un diaphragme de transducteur (4) en matériau polymère ou copolymère comprenant des parties de rigidités différentes, caractérisé en ce que le diaphragme (4) étant réalisé en un seul tenant, la différence de rigidité desdites parties est obtenue par au moins une étape de traitement thermique localisé dudit matériau. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diaphragme (4) étant obtenu par formage à chaud, le traitement thermique comprend une étape de trempe qui concerne l'ensemble dudit diaphragme puis une étape de recuit d'au moins une partie du dispositif. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diaphragme (4) étant obtenu par formage à chaud, le traitement thermique comprend une étape comportant simultanément le refroidissement lent d'au moins une partie du diaphragme (4) et la trempe d'au moins une autre partie. 4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le diaphragme est à base de copolymère et qu'il comprend également une étape de choix des proportions des constituants dudit copolymère en fonction des rigidités désirées. 5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce que le choix consiste en un copolymère comprenant plus de 20 % de polytrifluoroéthylène et moins de 80 % de polyfluorure de vinylidène. 6. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'un des constituants du copolymère est le polyméthyl métacrylate. 7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ledit traitement thermique est mis en oeuvre par l'intermédiaire des éléments (20, 21) ayant servi au formage dudit diaphragme (4). 8. Diaphragme en matériau polymère ou copolymère comprenant des parties de rigidités différentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé par un procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Diaphragme selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit matériau est susceptible d'acquérir des propriétés piézoélectriques par polarisation sous champ électrique. 10. Diaphragme selon l'une des revendications 8 ou 9 caractérisé en ce que, le diaphragme étant utilise dans un transducteur du type électroacoustique à membrane (2) et à suspension periphérique -(3)' la membrane constitue une partie de rigidité plus élevée que la partie servant de suspension périphérique.