Brevet FR3124893A1 — publié le 20230106

Elément piézoélectrique pour dispositif d’émission d’ondes acoustiques, comprenant une plaquette (1,21,41,61) en un matériau piézoélectrique, de forme sensiblement cylindrique, ladite plaquette comprenant sur la face d’émission d’ondes acoustiques une première couche de conductivité métallique capable d’agir comme première électrode (2), formant un disque et s’étendant sur au moins 70 % de la superficie de ladite face avant, et ladite plaquette (1,21,41,61) comprenant sur sa face arrière une deuxième couche de conductivité métallique capable d’agir comme deuxième électrode (4,24,44) et s’étendant sur au moins 50 % de la superficie de ladite face arrière, ledit élément piézoélectrique étant caractérisé en ce que ladite deuxième électrode (4,24,44) forme un disque comportant, sur ladite deuxième face, au moins deux deuxièmes zones de prolongement (33,34 ;52,53,54) s’étendant chacune dans une direction radiale. Figure pour l’abrégé : Figure 2 ELEMENT PIEZOELECTRIQUE POUR NEBULISATEUR, AVEC UNE DUREE DE VIE AMELIOREE DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION L’invention concerne le domaine technique des dispositifs de pulvérisation capables de produire un brouillard de microgouttelettes à partir d’un liquide, et plus particulièrement les dispositifs dans lesquels des microgouttelettes sont générées par un élément piézoélectrique. Plus particulièrement, l’invention concerne un tel dispositif miniaturisé, qui peut être intégré dans un petit volume, et/ou qui permet un dosage très fin de la quantité de brouillard généré. ETAT DE LA TECHNIQUE Les dispositifs de pulvérisation capables de produire un brouillard de micro-gouttelettes à partir d‘un liquide par excitation piézoélectrique sont connus en tant que tels. Dans ces systèmes l’élément piézoélectrique peut être associé à une membrane micro-perforée ou à un concentrateur acoustique afin de favoriser la production de brouillard. On connaît plus particulièrement des dispositifs de nébulisation dans lesquels un élément piézoélectrique en contact avec un volume de liquide génère des ondes ultrasonores qui provoquent la formation d’un brouillard de gouttelettes de très petite taille. Cette taille dépend typiquement de la fréquence acoustique de l’excitation. Elle est typiquement comprise entre 2 µm et 10 µm pour une fréquence acoustique typiquement comprise entre 0,5 MHz et 5 MHz, et diminue lorsque la fréquence acoustique augmente. De tels dispositifs sont décrits par exemple dans WO 2017/093655 (ARECO). Ils se présentent typiquement sous la forme d’une plaquette cylindrique d’un diamètre circulaire d’environ 5 mm à environ 50 mm et d’une épaisseur d’environ 1 mm à 2 mm. Ces plaquettes piézoélectriques se trouvent couramment dans le commerce spécialisé, dans différents diamètres et épaisseurs. Elles sont fabriquées par frittage de poudres d’un matériau piézoélectrique. Deux électrodes sont ensuite déposées sur cette plaquette (à savoir : une sur chaque face) pour permettre ultérieurement leur connexion au sein d’un circuit électrique. Avant de pouvoir utiliser ces plaquettes en tant qu’éléments piézoélectriques elles doivent encore subir une forte polarisation sous l’influence d’une tension stationnaire de l’ordre du kilovolt par millimètre carré. De manière typique, en situation de fonctionnement normal, l’électronique d’un tel élément piézoélectrique est alimentée par une tension continue (par exemple à une tension de 24 V DC). Le signal d’excitation transmis à l’élément piézoélectrique est typiquement composé d’un train d’impulsions composé chacun d’impulsions individuelles à une fréquence proche de la fréquence de résonance de l’élément piézoélectrique, lesdits trains d’impulsions étant espacés dans le temps, cet espacement étant défini par une deuxième fréquence et par un rapport cyclique. Cette modulation est générée par un générateur de fréquence, qui attaque la grille d’un transistor qui produit un signal carré (on/off) périodique de fréquence déterminée ; ce signal est ensuite amplifié par un amplificateur de signal. Ladite fréquence peut être variable et ajustable (typiquement de l’ordre de 1 MHz à 3 Mhz). Le rapport entre les durées « on » et « off » des trains d’impulsions définit la puissance de nébulisation. Le ratio on/off de la haute fréquence (par exemple 1,7 MHz) permet de composer la dissymétrie des composants électroniques et la réponse vibratoire de la plaquette piézoélectrique compte tenu de sa géométrie (y compris la dimension des électrodes). Le signal aux bornes de la plaquette piézoélectrique est donc une sinusoïde générée par l’étage de puissance comme décrit ci-dessus. Tel qu’utilisée dans les dispositifs de nébulisation, son amplitude est typiquement de l’ordre de 70 V. La puissance crête-à-crête des impulsions peut être élevée. A titre d‘exemple, un train d’impulsions individuel peut représenter une puissance comprise entre 30 W et 70 W (cette valeur se réfère à un régime en continu, c’est-à-dire sur 100 % des cycles) pour une surface active d’un diamètre compris entre environ 15 mm et environ 25 mm ; la puissance totale absorbée par le dispositif dépend alors de l’espacement temporel entre deux trains d’impulsions. Lorsque la surface émettrice de l’élément piézoélectrique est recouverte d’eau, le courant consommé par le dispositif augmente avec la tension appliquée, sur une plage de fonctionnement utile qui est assez large ; à une fréquence proche de la fréquence de résonance l’élément piézoélectrique a un fonctionnement essentiellement résistif. A titre d’exemple, dans un mode de fonctionnement typique pour une telle plaquette piézoélectrique avec un diamètre de la surface active compris entre environ 10 mm et environ 20 mm, une épaisseur d’environ 1 mm et une fréquence de résonance d’environ 1,7 MHz, l’électronique de pilotage de l’élément piézoélectrique est alimentée avec une tension d’environ 24 V. La consommation électrique en mode continu de l’alimentation est de l’ordre de 2,3 A. Comme cela est décrit dans le document WO 2017/093655 cité ci-dessus de la demanderesse, la zone de fonctionnement du dispositif est assez large et s’étend dans cet exemple de l’ordre de 5 V à environ 40 V ; une zone particulièrement utile se situe entre environ 15 V et environ 30 V. Autrement dit, en fonctionnement normal, une telle plaquette absorbe une puissance de l’ordre de quelques dizaines de Watt, pour une surface de l’ordre de quelques centimètres carré. A titre d’exemple, on utilise une plaquette d’un diamètre de 20 mm dont la surface est de 3,14 cm 2 , qui absorbe une puissance d’environ de 50 W, ce qui correspond à une densité de puissance d’environ 16 W/cm 2 . La demanderesse a constaté que dans les dispositifs de nébulisation industriels, la durée de vie des éléments piézoélectrique est parfois assez limitée. Ils peuvent être remplacés, c’est une opération de routine, mais qui nécessite l’intervention d’un technicien de maintenance spécialisé sur le site d’installation du dispositif de nébulisation (c’est-à-dire par exemple dans un supermarché, si le dispositif est utilisé pour la nébulisation de produits alimentaires frais). On a constaté que l’on peut diminuer l’usure des plaquettes piézoélectriques en diminuant leur puissance dissipée par unité de surface émettrice. Cependant, on ne souhaite pas que la production de brouillard soit diminuée : diminuer la puissance absorbée du dispositif n’est pas une solution viable. On peut en revanche utiliser une plaquette avec une surface active plus grande pour une puissance de fonctionnement égale, mais cela revient à rendre le dispositif de nébulisation plus encombrant et plus cher, ce qui n’est pas non plus souhaitable. Le problème que la présente invention cherche à résoudre est de diminuer le taux de défaillance des plaquettes piézoélectriques en service. OBJETS DE L’INVENTION La demanderesse s’est rendu compte qu’un mode de défaillance fréquent est une défaillance au niveau des contacts entre l’élément piézoélectrique et le dispositif de nébulisation dans lequel il est intégré. De manière typique, l’élément piézoélectrique comprend une plaquette en matériau piézoélectrique dont la face arrière, opposée à la face d’émission acoustique, présente au moins deux zones de contact électrique, qui ont typiquement été déposées par sérigraphie ou par collage d’une feuille métallique ; l’une de ces zones représente un pôle positif, l’autre un pôle négatif. Ces zones peuvent typiquement comprendre une couche métallique sur laquelle on fixe un organe de connexion. Le plus souvent, ledit organe de connexion est un fil électrique qui a été soudé sur ladite couche métallique. La demanderesse s’est rendu compte que dans de nombreux cas, c’est au niveau de cette soudure que le dispositif montre des défaillances précoces, et plus précisément, cette défaillance est observée plus souvent au niveau de la soudure sur l’électrode de phase que sur l’électrode de masse. Sans vouloir être lié par cette théorie, les inventeurs pensent que le passage prolongé d’une forte intensité de courant impulsionnel à haute fréquence à travers une zone de soudure sur une plaquette en vibration fragilise ladite zone de soudure, ce qui conduit à un défaut de contact électrique entre la soudure et la couche métallique déposée par sérigraphie. Ce défaut peut être visible ou non ; il peut s’agir de petites fissures ou d’une rupture franche. Le résultat final est que le dispositif de nébulisation ne fonctionne plus. Ce mode de défaillance compte pour approximativement la moitié des défaillances précoces des plaquettes piézoélectriques que la demanderesse a constatées au fil des années sur des milliers d’installations de nébulisation. Sachant que lesdites plaquettes piézoélectriques sont des dispositifs qui se trouvent couramment dans le commerce spécialisé, mais dont le prix augmente avec leur diamètre, il n’est ni souhaitable de les agrandir ni de modifier leur forme ou leur structure. La demanderesse n’a pas non plus réussi à résoudre ce problème en cherchant à optimiser le procédé de soudage des éléments de contact ; ni par une amélioration du système de protection de la zone de soudure contre l’humidité ou la sollicitation mécanique. Selon l’invention, le problème est résolu de manière très simple par une modification des contacts électriques. Ainsi, un premier objet de l’invention est un élément piézoélectrique pour dispositif d’émission d’ondes acoustiques, ledit élément piézoélectrique comprenant une plaquette en un matériau piézoélectrique, de forme sensiblement cylindrique, d’un diamètre circulaire de préférence compris entre 10 mm et 50 mm et d’une épaisseur de préférence comprise entre 0,5 mm et 2,0 mm, ladite plaquette comprenant sur une première face, dite « face avant », qui est la face d’émission d’ondes acoustiques, une première couche de conductivité métallique capable d’agir comme première électrode, formant un disque et s’étendant sur au moins 70 % et de préférence au moins 80 % de la superficie de ladite face avant, et ladite plaquette comprenant sur une deuxième face, dite « face arrière », une deuxième couche de conductivité métallique capable d’agir comme deuxième électrode et s’étendant sur au moins 50 % et de préférence au moins 60 % de la superficie de ladite face arrière, ledit élément piézoélectrique étant caractérisé en ce que : ladite deuxième électrode forme un disque comportant, sur ladite deuxième face, au moins deux deuxièmes zones de prolongement s’étendant chacune dans une direction radiale. De manière typique, ladite plaquette comprend en outre une première zone de prolongement de ladite première électrode qui s’étend sur la tranche de ladite plaquette ainsi que sur une portion périphérique de ladite deuxième face. Selon d’autres aspects de l’invention, l’élément piézo-électrique selon l’invention comprend, sur chacune des zones de prolongement de ladite deuxième électrode, une zone de soudure par laquelle est fixé un élément de connexion électrique tel qu’un fil. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l’élément piézoélectrique selon l’invention comprend au moins trois éléments de connexion électrique, à savoir un fil fixé sur chacune des deux deuxièmes zones de prolongement, et un fil fixé sur ladite première électrode, de préférence sur une zone de soudure. Plus particulièrement, il peut comprendre au moins trois éléments de connexion électrique, à savoir un fil fixé sur chacune des deux deuxièmes zones de prolongement, et un fil fixé sur ladite première zone de prolongement. Selon un autre aspect de l’invention, l’élément piézoélectrique comprend encore un premier revêtement de protection appliqué sur la face avant, et un deuxième revêtement de protection appliqué sur la face arrière, chacun de ces revêtements de protection recouvrant lesdites couches de conductivité métallique et, le cas échéant, lesdites zones de soudure. L’élément piézoélectrique selon l’invention peut comprendre des éléments de connexion électrique, qui sont tous fixés sur la face arrière de ladite plaquette. De manière avantageuse, l’élément piézoélectrique selon l’invention peut comprendre encore un joint périphérique souple capable de protéger la tranche de ladite plaquette ; cela facilite son intégration dans un dispositif de nébulisation. Un autre objet de l’invention est l’utilisation d’un élément piézoélectrique selon l’une quelconque des modes de réalisation ou variantes de l’invention dans un dispositif de nébulisation. FIGURES La se rapporte à l’état de la technique, alors que les figures 2 à 4 illustrent des modes de réalisation de l’invention. montre de manière schématique une séquence d’étapes de fabrication d’une plaquette piézo-électrique selon l’état de la technique. montre de manière schématique la face arrière d’un élément piézoélectrique selon un premier mode de réalisation de l’invention. montre de manière schématique deux vues d’un élément piézoélectrique selon un premier mode de réalisation de l’invention, à savoir une vue frontale de la face arrière (en bas) et une section transversale (en haut). montre de manière schématique la face arrière d’un élément piézoélectrique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Les repères numériques suivants sont utilisés sur les figures et dans la description qui suit : 1;21;41;61 Plaquette piézoélectrique 2;42 Première électrode (masse) 3;23,43 Zone de prolongement de la première électrode 4;24;44 Deuxième électrode (phase) 5 Premier revêtement de protection 6 Source de haute tension stationnaire (DC) 7,8 Premier et deuxième fil de connexion 9,10 Première et deuxième zone de soudure 11 Deuxième revêtement de protection 12 Impression de la référence 28,58 Fil de connexion électrique (masse) 33,34;52,53,54 Zones de prolongement de la deuxième électrode 35,36;55,56,57 Fil de connexion électrique (électrode phase) 62 Joint 63 Tube Elément piézoélectrique pour dispositif d’émission d’ondes acoustiques, ledit élément piézoélectrique comprenant une plaquette (1,21,41,61) en un matériau piézoélectrique, de forme sensiblement cylindrique, de préférence d’un diamètre circulaire compris entre 10 mm et 50 mm, et de préférence d’une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 2,0 mm, ladite plaquette comprenant sur une première face, dite « face avant », qui est la face d’émission d’ondes acoustiques, une première couche de conductivité métallique capable d’agir comme première électrode (2,42), formant un disque et s’étendant sur au moins 70 % de la superficie de ladite face avant, et ladite plaquette (1,21,41,61) comprenant sur une deuxième face, dite « face arrière », une deuxième couche de conductivité métallique capable d’agir comme deuxième électrode (4,24,44) et s’étendant sur au moins 50 % de la superficie de ladite face arrière, ledit élément piézoélectrique étant caractérisé en ce que : ladite deuxième électrode (4,24,44) forme un disque comportant, sur ladite deuxième face, au moins deux deuxièmes zones de prolongement (33,34 ;52,53,54) s’étendant chacune dans une direction radiale. Elément piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite plaquette (1,21,41,61) présente un diamètre circulaire compris entre 12 mm et 25 mm, et une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 2,0 mm, et de préférence un diamètre circulaire comprise entre 15 mm et 25 mm et une épaisseur comprise entre 0,6 mm et 1,7 mm. Elément piézoélectrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite plaquette (1,21,41,61) comprend en outre une première zone de prolongement (3,23,43) de ladite première électrode (2,42) qui s’étend sur la tranche de ladite plaquette (1,21,41,61) ainsi que sur une portion périphérique de ladite deuxième face. Elément piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend, sur chacune des zones de prolongement (33,34;52,53,54) de ladite deuxième électrode (4,24,44), une zone de soudure par laquelle est fixé un élément de connexion électrique tel qu’un fil. Elément piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend au moins trois éléments de connexion électrique, à savoir un fil (35,36;55,56,57) fixé sur chacune des deux deuxièmes zones de prolongement (33,34;52,53,54), et un fil (28,58) fixé sur ladite première électrode (2;42), de préférence sur une zone de soudure. Elément piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend au moins trois éléments de connexion électrique, à savoir un fil (35,36;55,56,57) fixé sur chacune des deux deuxièmes zones de prolongement (33,34;52,53,54), et un fil (28,58) fixé sur ladite première zone de prolongement (3 ;23,43). Elément piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu’il comprend encore un premier revêtement (5) de protection appliqué sur la face avant, et un deuxième revêtement (11) de protection appliqué sur la face arrière, chacun de ces revêtements de protection recouvrant lesdites couches de conductivité métallique et, le cas échéant, lesdites zones de soudure. Elément piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend des éléments de connexion électrique, qui sont tous fixés sur la face arrière de ladite plaquette. Elément piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comprend encore un joint périphérique souple (62) capable de protéger la tranche de ladite plaquette. Elément piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il présente une fréquence d’émission acoustique comprise entre 0,5 MHz et 10 MHz. Elément piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite première électrode (2) est la masse, et ladite deuxième électrode (4,24,44) est la phase. Utilisation d’un élément piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 dans un dispositif de nébulisation.