Brevet FR2736790A1 — publié le 19970117

TRADUCTEUR ULTRASONORE COMPRENANT UN ENSEMBLE FOCALISANT D'ELEMENTS PIEZOELECTRIQUES ET UNE LENTILLE MINCE DE FOCALISATION DESCRIPTION La présente invention concerne un traducteur ultrasonore comprenant un ensemble focalisant d'éléments piézoélectriques. Elle s'applique notamment au contrôle non destructif de matériaux dans l'industrie ainsi que dans le domaine médical pour les échographies. On a représenté schématiquement sur la figure 1 un traducteur ultrasonore connu qui comprend un amortisseur d'ultrasons 2 et, sur ce dernier, une pastille piézoélectrique plane 4 qui est généralement circulaire et qui est recouverte par une couche protectrice de résine polymérique 6. Ce traducteur connu, appelé "traducteur plan", ne comprend ainsi qu'un élément piézoélectrique dont le diamètre est généralement de l'ordre de 5 à 130 mm. On voit également sur la figure 1 un faisceau ultrasonore 8 que ce traducteur connu est capable d'émettre lorsque la pastille 4 est convenablement excitée par des moyens non représentés. La figure 2 montre de façon schématique un autre traducteur ultrasonore connu, appelé "traducteur focalisé", qui comprend encore, sur l'amortisseur d'ultrasons 2, la pastille piézoélectrique 4 à un seul élément piézoélectrique. Le traducteur ultrasonore connu, qui est représenté sur la figure 2, comprend aussi une lentille épaisse de focalisation 10, destinée à focaliser le faisceau ultrasonore émis par la pastille 4 lorsque celle-ci est convenablement excitée (par des moyens non représentés). On voit sur la figure 2 le faisceau ultrasonore focalisé 12. La lentille épaisse de focalisation 10, qui est généralement en résine époxy, peut être usinée successivement à divers rayons de courbure pour ajuster la valeur de focalisation obtenue. Cette technique est peu coûteuse pour réaliser des lentilles à surface sphérique, torique ou d'équation mathématique quelconque. Cependant, les caractéristiques du traducteur focalisé obtenu ne sont pas idéales pour les raisons suivantes - l'homogénéité de la répartition de l'énergie ultrasonore dans le faisceau 12 est perturbée du fait des différences importantes de l'épaisseur de la lentille 10 en divers points de celle-ci, et - des échos parasites, dus aux rebonds du faisceau ultrasonore à l'intérieur de la lentille épaisse 10, sont engendrés et diminuent le pouvoir de résolution du traducteur. Pour remédier à ces inconvénients, on peut utiliser une pastille piézoélectrique à un seul élément en forme de coupelle sphérique ou torique pour focaliser le faisceau d'ultrasons sans avoir les inconvénients ci-dessus. Une telle technique est cependant peu utilisée étant donné le coût élevé d'une telle pastille. On connaît également des traducteurs ultrasonores à pastille piézoélectrique composite. Ces traducteurs connus ont été développés en vue d'applications médicales mais sont également utilisables dans le domaine du contrôle non destructif de matériaux. Un exemple de tels traducteurs est schématiquement représenté sur la figure 3 et comprend, sur un amortisseur d'ultrasons 14, une pastille piézoélectrique focalisante composite 16, qui est comprise entre deux couches métalliques 18 et 20, la couche 18 reposant sur l'amortisseur 14. Une lame très mince 22, qui peut être une lame quart d'onde, recouvre également la couche électriquement conductrice 20. La pastille piézoélectrique composite est réalisée à partir d'une pastille piézoélectrique plane classique à un seul élément piézoélectrique. Cette pastille plane est découpée en petits éléments dont les dimensions, comptées parallèlement au plan de cette pastille, sont de l'ordre de 20 à 500 pm alors que l'épaisseur de la pastille est de l'ordre de 0,2 à 2 mm. Les intervalles entre les petits éléments piézoélectriques disposés en réseau bidimensionnel sont remplis d'une résine polymérique. On métallise ensuite les deux faces de la pastille composite ainsi obtenue. Cette pastille composite est mise directement en forme pour obtenir la focalisation souhaitée. On voit sur la figure 3 les éléments de la pastille composite 16 qui portent la référence 24 tandis que la résine qui entoure ces éléments porte la référence 26. L'impédance acoustique de cette pastille composite 16 est plus faible que celle d'une pastille à un seul élément en céramique piézoélectrique, ce qui permet d'améliorer la bande passante et la résolution du traducteur comportant cette pastille. Ces paramètres sont encore améliorés par l'adjonction, sur la face avant, de la lame quart d'onde 22 en résine. On rappelle qu'une telle lame quart d'onde a une épaisseur égale au quart de la longueur d'onde du faisceau d'ultrasons que l'on veut engendrer au moyen du traducteur. On notera que cette lame quart d'onde n'a pas pour fonction de focaliser le faisceau ultrasonore : elle sert à renforcer ce faisceau (et à protéger la face avant du traducteur). La fabrication d'une pastille piézoélectrique composite est très délicate et très onéreuse du fait qu'elle nécessite des scies dont les lames ont une épaisseur qui peut être aussi faible que 20 um. De plus, il est difficile d'injecter une résine entre les petits éléments piézoélectriques 24, que l'on peut appeler "micro-éléments". La mise en forme de la pastille piézoélectrique composite et de ses couches-avant (lame quart d'onde et couche métallique) est généralement obtenue par moulage et ne permet jamais de retouches de la focalisation obtenue. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des traducteurs ultrasonores connus, mentionnés plus haut, en proposant un traducteur ultrasonore à éléments piézoélectriques focalisants, associés à une lentille de focalisation mince, dont l'usinage permet d'ajuster la focalisation du traducteur si elle ne correspond pas à ce que l'on souhaite, et qui ne présente pas les inconvénients des lentilles épaisses classiquement utilisées avec les traducteurs à un seul élément piézoélectrique. Dans des cas particuliers, qui ne nécessitent pas de retouche de focalisation, cette lentille mince devient une couche-avant mince d'épaisseur constante. De façon précise, la présente invention a pour objet un traducteur ultrasonore comprenant un amortisseur d'ultrasons et un ensemble focalisant d'éléments piézoélectriques espacés les uns des autres et formant un réseau bidimensionnel, les éléments piézoélectriques étant rendus solidaires les uns des autres par une matière électriquement isolante qui remplit les espaces entre ces éléments, l'ensemble ayant une première face, qui se trouve en regard d'une face de l'amortisseur d'ultrasons et qui est rendue électriquement conductrice, et une deuxième face dont au moins des parties espacées les unes des autres sont rendues électriquement conductrices, ce traducteur étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre une lentille correctrice de focalisation du faisceau ultrasonore susceptible d'être émis par l'ensemble d'éléments piézoélectriques, en ce que cette lentille est placée en regard de la deuxième face de l'ensemble, en ce que l'épaisseur de cette lentille est au plus égale à 2 mm environ, et en ce que les dimensions des éléments piézoélectriques, comptées parallèlement aux faces de l'ensemble, ne dépassent pas 10 mm environ. De préférence, la matière électriquement isolante est une résine polymérique. Selon un premier mode de réalisation particulier du traducteur objet de l'invention, au moins ladite face de l'amortisseur d'ultrasons est électriquement conductrice et la première face de l'ensemble d'éléments piézoélectriques est en contact avec cette face de l'amortisseur. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, le traducteur objet de l'invention comprend en outre une première couche électriquement conductrice entre la première face de l'ensemble d'éléments piézoélectriques et la face de l'amortisseur d'ultrasons. Le traducteur objet de l'invention peut comprendre en outre une deuxième couche électriquement conductrice qui recouvre la deuxième face de l'ensemble d'éléments piézoélectriques. Au lieu de cela, le traducteur objet de l'invention peut comprendre en outre une pluralité de couches électriquement conductrices disjointes qui sont en contact avec la deuxième face de l'ensemble d'éléments piézoélectriques. Le traducteur objet de l'invention peut aussi comprendre une lame quart d'onde en regard de la lentille de focalisation, du côté de celle-ci qui est en regard de la deuxième face de l'ensemble d'éléments piézoélectriques. Les dimensions des éléments piézoélectriques, comptées parallèlement aux faces de l'ensemble de ces éléments, peuvent être de l'ordre de 20 Cun à 500 zm (on peut alors parler de "micro-éléments") ou peuvent être de l'ordre de 1 mm à 10 mm (on peut alors parler de "macro-éléments"). La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un traducteur ultrasonore connu, comprenant une pastille piézoélectrique à un seul élément, et a déjà été décrite, - la figure 2 est une vue schématique d'un autre traducteur ultrasonore connu, comprenant une pastille piézoélectrique à un seul élément et une lentille épaisse de focalisation des ultrasons, et a déjà été décrite, - la figure 3 est une vue schématique d'un autre traducteur ultrasonore connu, comprenant une pastille piézoélectrique composite, et a déjà été décrite, - la figure 4 est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation particulier du traducteur ultrasonore objet de l'invention, - la figure 5 est une vue de dessus schématique d'un ensemble d'éléments piézoélectriques, qui est utilisable dans un traducteur conforme à l'invention, et - la figure 6 est une vue de dessus schématique et partielle d'un traducteur ultrasonore conforme à l'invention, comprenant une pluralité de couches métalliques annulaires concentriques. Le traducteur ultrasonore conforme à l'invention qui est schématiquement représenté en coupe sur la figure 4, comprend - un amortisseur d'ultrasons 28, - une pastille piézoélectrique 30 dont une face (face-arrière) est fixée à l'amortisseur d'ultrasons 28, et - une lentille mince 32 de focalisation du faisceau ultrasonore émis par la pastille piézoélectrique lorsque celle-ci est convenablement excitée. Cette lentille 32 se trouve en regard de l'autre face (face-avant) de la pastille piézoélectrique. Cette pastille 30 comprend des éléments piézoélectriques 34 espacés les uns des autres et formant un réseau bidimensionnel. Les espaces 36 entre ces éléments 34 sont remplis d'une résine polymérique électriquement isolante. Une couche électriquement conductrice 38, par exemple métallique, recouvre la face-avant de la pastille 30. Une autre couche électriquement conductrice 40, par exemple métallique, recouvre la face-arrière de cette pastille 30. Les couches métalliques 38 et 40 permettent l'excitation de la pastille piézoélectrique 30 lorsqu'une tension électrique appropriée est appliquée entre ces couches métalliques 38 et 40 par des moyens de polarisation 41. Lorsque l'amortisseur 28 est électriquement conducteur, au moins au niveau de sa face qui se trouve en regard de la pastille piézoélectrique 30, la couche métallique 40 n'est pas nécessaire. Dans ce cas, la tension électrique est appliquée entre cette face conductrice de l'amortisseur 28 et la couche métallique 38, pour exciter la pastille piézoélectrique 30. Une lame quart d'onde 42 peut être interposée entre la couche métallique 38 et la lentille mince 32 pour améliorer la bande passante et la résolution du traducteur ultrasonore de la figure 4. La pastille piézoélectrique focalisante 30 peut être une pastille piézoélectrique composite du genre de celle qui a été décrite en faisant référence à la figure 3. Dans ce cas, les éléments piézoélectriques 34 ont de très petites dimensions, de l'ordre de 20 à 500 pm (comptées parallèlement aux faces de la pastille 30). Les espaces 36 remplis de résine ont alors des dimensions comparables aux dimensions de ces éléments piézoélectriques 34. Cependant, dans un mode de réalisation préféré, les éléments 34 sont des macro-éléments dont les dimensions (comptées parallèlement aux faces de la pastille 30) sont de l'ordre de 1 à 10 mm. Dans ce cas, les espaces remplis de résine ont des dimensions nettement inférieures à celles de ces macroéléments 34. A titre purement indicatif et nullement limitatif, les éléments piézoélectriques 34 ont, en vue de dessus, la forme de carrés dont le côté est choisi dans l'intervalle allant de 3 à 8 mm. On voit sur la figure 5, de façon schématique et en vue de dessus, une pastille piézoélectrique 30 utilisable dans un traducteur ultrasonore conforme à l'invention. La pastille de la figure 5 a une forme circulaire et seule une moitié de cette pastille, délimitée par un diamètre de celle-ci, est représentée sur la figure 5. Bien entendu, d'autres formes sont utilisables pour une telle pastille, par exemple une forme elliptique. On précise que, suivant les besoins des utilisateurs, la pastille piézoélectrique peut être plane ou avoir une forme sphérique ou torique ou d'équation mathématique particulière pour obtenir le pouvoir focalisant souhaité. La lentille mince de focalisation 32 peut d'abord être usinée avec les mêmes courbures que la pastille piézoélectrique 30. Ces courbures peuvent être modifiées par usinage pour ajuster la focalisation de l'ensemble? La taille des macro-éléments n'est généralement pas gênante : l'écart entre chaque point émetteur ultrasonore des macro-éléments et la surface courbe idéale décrite par le rayon de courbure de l'ensemble de la pastille composée des macro-éléments est négligeable pour toute longueur focale supérieure ou égale à 100 mm environ dans l'eau. Il est à noter que pour contrôler de façon non destructrice des matériaux métalliques, on focalise dans ceux-ci un faisceau ultrasonore, à partir d'un traducteur dont le rayon de courbure est de l'ordre de 200 à 2000 mm. Dans ce cas, des éléments piézoélectriques 34, dont les côtés ont une valeur de 1 à 10 mm, conviennent. La lentille mince de focalisation 32 a une épaisseur ne dépassant pas 2 mm environ et ce, quel que soit le diamètre de la pastille piézoélectrique 30 qui est associée à cette lentille. L'épaisseur de cette lentille est par exemple de l'ordre de 0,1 à 2 mm. Une telle lentille mince ne présente pas les inconvénients des lentilles épaisses dont il a été question plus haut. A titre purement indicatif et nullement limitatif, la largeur des espaces occupés par la résine est de l'ordre de 0,3 à 0,5 mm. On peut réaliser un traducteur ultrasonore conforme à l'invention comprenant des macro-éléments identiques du point de vue des dimensions et de la fréquence acoustique (qui est fonction de l'épaisseur de ces éléments). On peut également réaliser un traducteur ultrasonore conforme à l'invention dont les macroéléments ont des dimensions différentes. Par exemple, certains des éléments ont alors une forme carrée tandis que d'autres ont une forme rectangulaire (en vue de dessus). Dans l'exemple de la figure 4, la couche métallique 38 est une couche continue qui recouvre la pastille piézoélectrique 30. On peut cependant réaliser un traducteur ultrasonore conforme à l'invention (à macro-éléments ou à micro-éléments) dont la pastille piézoélectrique est recouverte de couches métalliques espacées les unes des autres 44 comme on le voit sur la figure 6. On a ainsi plusieurs secteurs métallisés, qui recouvrent chacun un certain nombre d'éléments piézoélectriques. Il peut s'agir de secteurs en forme de bandes parallèles ou, comme on le voit sur la figure 6, de secteurs annulaires concentriques. On forme ainsi un traducteur ultrasonore à plusieurs voies, qui est destiné à la focalisation électronique (en polarisant convenablement les secteurs en fonction du temps). On remarquera qu'un traducteur ultrasonore à macro-éléments conforme à l'invention est moins coûteux qu'un traducteur utilisant une pastille piézoélectrique composite et ne nécessite pas des opérations compliquées pour sa fabrication. Il est à noter que l'injection de résine entre les macro-éléments est plus facile que dans le cas où l'on utilise des micro-éléments. Les signaux ultrasonores sont moins amortis avec une pastille à macro-éléments qu'avec une pastille piézoélectrique composite. Cependant, cet inconvénient peut être corrigé en optimisant la lame quart d'onde 42. Des calculs de modélisation de champ acoustique, en bande étroite de fréquences, ont montré qu'un traducteur à macro-éléments permettait une focalisation très voisine de celle obtenue avec une pastille classique, à un seul élément piézoélectrique. Des lobes secondaires peuvent apparaître pour certaines dimensions de macro-éléments. Cependant, ces lobes disparaissent ou sont du moins très fortement atténués dans des traducteurs à large bande spectrale. Certes, un traducteur ultrasonore à macro-éléments a, du fait des découpes et des joints de résine entre ces éléments, une surface émissive plus réduite qu'un traducteur classique à un seul élément piézoélectrique. Cela se traduit par une légère baisse du niveau d'énergie du faisceau ultrasonore émis. Cet inconvénient est cependant largement compensé par de moindres pertes d'énergie au travers de la lentille mince du traducteur à macro-éléments. On donne ci-après un exemple de procédé de fabrication d'un traducteur ultrasonore conforme à l'invention, comprenant des macro-éléments piézoélectriques. Pour fabriquer ce traducteur ultrasonore, on utilise par exemple une plaque circulaire de céramique piézoélectrique de 100 mm de diamètre. Après l'assemblage des macro-éléments, cette plaque donnera une pastille piézoélectrique également circulaire. On pourrait fabriquer une plaque de céramique piézoélectrique de forme elliptique (par un usinage approprié d'une plaque circulaire), si l'on voulait obtenir une pastille piézoélectrique de forme elliptique. La plaque circulaire a par exemple une épaisseur de l'ordre de 0,4 à 2,5 mm. On rappelle que la fréquence des ultrasons dépend de l'épaisseur de la plaque et cette fréquence est de l'ordre de 1 MHz pour une épaisseur de 2,5 mm environ. On fixe la plaque circulaire sur une plaque de verre, par l'intermédiaire d'une mince couche de cire fondue. On découpe ensuite la plaque de céramique en carrés dont le côté est petit devant le diamètre de la plaque et vaut par exemple de l'ordre de 2 à 6 mm. Pour le découpage, on utilise une scie diamantée dont la lame a une épaisseur de l'ordre de 0,2 à 0,5 mm. On fait en sorte que la plaque de verre soit légèrement entamée au cours du découpage des carrés. Les traits de scie correspondent aux espaces entre les éléments ainsi découpés. On met dans ces espaces une résine époxy très fluide qui vient les remplir par capillarité. Quand cette résine est sèche, on réchauffe l'ensemble à une température suffisante pour décoller, de la plaque de verre, l'assemblage des macro-éléments rendus solidaires les uns des autres par la résine. On usine ensuite une contre-forme correspondant à la forme souhaitée pour la pastille piézoélectrique à macro-éléments, par exemple une forme sphérique. On met en forme cette pastille soit en la collant à froid sur la contre-forme soit en la déformant à chaud par la contre-forme. On coule ensuite l'amortisseur d'ultrasons sur l'autre face de la pastille, en utilisant un moule pour ce coulage. Cet amortisseur est fait d'une résine époxy suffisamment chargée de poudre métallique pour être électriquement conductrice. En variante, avant de former cet amortisseur sur la face-arrière de la pastille piézoélectrique, on dépose sur celle-ci une couche faite d'un métal bon conducteur, par exemple l'argent, soit par évaporation sous vide soit par dépôt manuel d'une mince couche de résine chargée d'argent. On forme ensuite l'amortisseur d'ultrasons sur cette couche métallique. On démoule ensuite l'ensemble, on enlève la contre-forme et l'on forme sur la face avant de la pastille piézoélectrique une couche métallique, par exemple en argent, de la manière décrite ci-dessus. Pour exciter la pastille piézoélectrique, on peut souder un fil électriquement conducteur à chacune des couches métalliques qui recouvrent la pastille piézoélectrique (ou à celle qui recouvre la face-avant de cette pastille et à l'amortisseur d'ultrasons lorsque celui-ci est électriquement conducteur). Si l'on souhaite que le traducteur ultrasonore comprenne une lame quart d'onde, on forme celle-ci à partir d'une résine époxy chargée en poudre métallique sur la couche métallique qui recouvre la face-avant de la pastille piézoélectrique. On forme ensuite la lentille mince du traducteur ultrasonore. L'épaisseur de cette lentille est de l'ordre de 0,1 à 2 mm. Cette lentille est en résine époxy que l'on coule puis que l'on taille au rayon de la contre-forme. On essaie ensuite le traducteur ultrasonore pour voir si la focalisation est celle qui était souhaitée. Si ce n'est pas le cas, on modifie la forme de la lentille mince au moyen d'une machine à commande numérique programmable et l'on recommence les essais et ainsi de suite, jusqu'à obtenir la focalisation souhaitée. On peut également réaliser un traducteur ultrasonore conforme à l'invention comprenant une pastille piézoélectrique composite dont les éléments piézoélectriques sont des micro-éléments de formes identiques ou différentes (carrés, rectangles, ...). Le procédé de fabrication est sensiblement le même que précédemment à ceci près qu'il faut d'abord réaliser la pastille à micro-éléments et, pour ce faire, découper ces micro-éléments à partir d'une plaque en céramique piézoélectrique et les rendre solidaires les uns des autres. REVEND I CAT IONS l.Traducteur ultrasonore comprenant un amortisseur d'ultrasons (28) et un ensemble focalisant (30) d'éléments piézoélectriques (34) espacés les uns des autres et formant un réseau bidimensionnel, les éléments piézoélectriques étant rendus solidaires les uns des autres par une matière électriquement isolante qui remplit les espaces (36) entre ces éléments, l'ensemble ayant une première face, qui se trouve en regard d'une face de l'amortisseur d'ultrasons et qui est rendue électriquement conductrice, et une deuxième face dont au moins des parties espacées les unes des autres sont rendues électriquement conductrices, ce traducteur étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre une lentille (32) correctrice de focalisation du faisceau ultrasonore susceptible d'être émis par l'ensemble d'éléments piézoélectriques, en ce que cette lentille est placée en regard de la deuxième face de l'ensemble, en ce que l'épaisseur de cette lentille est au plus égale à 2 mm environ, et en ce que les dimensions des éléments piézoélectriques, comptées parallèlement aux faces de l'ensemble, ne dépassent pas 10 mm environ. 2. Traducteur selon la revendication l, caractérisé en ce que la matière électriquement isolante est une résine polymérique. 3. Traducteur selon l'une quelconque des revendication 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins ladite face de l'amortisseur d'ultrasons (28) est électriquement conductrice et en ce que la première face de l'ensemble (30) d'éléments piézoélectriques est en contact avec cette face de l'amortisseur. 4. Traducteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une première couche électriquement conductrice (40) entre la première face de l'ensemble (30) d'éléments piézoélectriques et la face de l'amortisseur d'ultrasons (28). 5. Traducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une deuxième couche électriquement conductrice (38) qui recouvre la deuxième face de l'ensemble (30) d'éléments piézoélectriques. 6. Traducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de couches électriquement conductrices disjointes (44) qui sont en contact avec la deuxième face de l'ensemble (30) d'éléments piézoélectriques. 7. Traducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une lame quart d'onde (42) en regard de la lentille de focalisation (32), du côté de celle-ci qui est en regard de la deuxième face de l'ensemble (30) d'éléments piézoélectriques. 8. Traducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les dimensions des éléments piézoélectriques (34), comptées parallèlement aux faces de l'ensemble de ces éléments, sont de l'ordre de 20 pm à 500 pm. 9. Traducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, cararactérisé en ce que les dimensions des éléments piézoélectriques (34), comptées parallèlement aux faces de l'ensemble de ces éléments, sont de l'ordre de 1 mm à 10 mm.