EP0035426B1

EP0035426B1 - Transducteur électromécanique à suspension active, et son procédé de fabrication

Info

Publication number: EP0035426B1
Application number: EP81400241A
Authority: EP
Inventors: Pierre Ravinet; François Micheron
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1980-03-04
Filing date: 1981-02-17
Publication date: 1984-01-25
Also published as: DE3161995D1; GB2070891B; GB2070891A; US4518555A; US4401911A; JPS56136098A; ATE6015T1; CA1173553A; FR2477822B1; FR2477822A1; EP0035426A1

Description

La présente invention se rapporte aux transducteurs électromécaniques comportant un élément en polymère dans lequel une anisotropie électrique a été induite sous la forme d'un excès de charge électrique ou d'une orientation dipolaire des chaînes macromoléculaires. L'invention concerne plus particulièrement les transducteurs tels que haut-parleur, microphone, hydrophone, sonde pour échographie, etc., dans lesquels la structure active est constituée par au moins un film de polymère ayant subi une mise en forme de type non développable. Une telle structure est autoportante et ne nécessite aucun autre support qu'une fixation périphérique. En pratique, on rencontre deux modes de déformation suivant que la structure lamellaire est homogène ou hétérogène. L'exemple le plus simple est celui d'un film unique portant des métallisations sur ses deux faces planes. Un tel film soumis à un champ électrique d'excitation se déforme suivant trois directions qui sont la normale à ses faces et deux directions contenues dans son plan. Des transducteurs de ce type sont décrits dans le document EP-A No 0002161. Dans le cas d'une structure bimorphe composée de deux films qui adhèrent l'un à l'autre, il suffit que les déformations induites se différencient l'une de l'autre pour que l'ensemble fléchisse.
Mis à part la déformation en épaisseur, les autres déformations dépendent de l'étirement que le film a subi lors du formage. Lorsque l'étirement est unidirectionnel, les déformations sont plus importantes selon la direction d'étirement. Par contre, en l'absence d'étirement, ou lorsque l'étirement est isotrope, Ies déformations sont également isotropes.
Dans les transducteurs utilisant comme élément actif une calotte sphérique, tels que décrits par exemple dans le document D E-A N° 2417962, la fixation périphérique s'oppose localement à toute déformation circonférentielle, de sorte que le déplacement dépend largement de l'effet d'arc- boutement qui s'exerce selon les lignes méridiennes. En remplaçant la fixation périphérique par une suspension passive à ondulation annulaire, comme illustré dans le document EP-A N_° 0002161, on donne plus de liberté à la structure, mais l'effet de piston vibrant est encore loin de s'approcher du déplacement radial qui caractérise une surface et un rayonnement assez différent de celui d'une source ponctuelle.
L'invention a pour objet un transducteur électromagnétique à structure rayonnante autoportante comportant au moins un élément actif constitué par au moins un film de matériau polymère dont les faces comportent des électrodes, cette structure rayonnante étant fixée à sa périphérie à un moyen d'appui, cette structure rayonnante comportant au moins une suspension active s'étendant entre ledit moyen d'appui et un élément central de cette structure rayonnante constitué par un film épousant la forme d'une portion de surface sphérique, caractérisé en ce que ladite suspension active épouse sensiblement la forme d'un tronc de pyramide ou de cône, ladite forme ayant pour directrice la périphérie de ladite portion de surface sphérique et pour génératrices des lignes parallèles aux rayons marginaux de ladite portion de surface sphérique, ladite suspension active étant faite d'un film encadré d'électrodes.
L'invention a aussi pour objet le procédé de fabrication du transducteur électromécanique mentionné ci-dessus.
L'invention a encore pour objet un transducteur électromécanique à structure rayonnante autoportante comportant au moins un élément actif constitué par au moins un film de matériau polymère dont les faces comportent des électrodes, cette structure rayonnante étant fixée à sa périphérie à un moyen d'appui, cette structure rayonnante comportant au moins une suspension active s'étendant entre ledit moyen d'appui et un élément central de cette structure rayonnante constitué par un film épousant la forme d'une portion de surface sphérique, caractérisé en ce que ladite suspension active épouse sensiblement la forme d'un tronc de pyramide ou de cône, ladite forme ayant pour directrice la périphérie de ladite portion de surface sphérique et pour génératrices des lignes perpendiculaires aux rayons marginaux de ladite portion de surface sphérique, ladite suspension active étant faite d'une structure bimorphe encadrée d'électrodes.
L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles:

la fig. 1 est une coupe méridienne d'un transducteur selon l'invention;
la fig. 2 est une coupe méridienne d'une variante de réalisation du transducteur selon l'invention;
les fig. 3 et 4 sont des vues en perspective des transducteurs représentés en coupe sur les fig. 1 et 2;
les fig. 5 à 8 sont des figures explicatives;
la fig. 9 est une coupe méridienne d'une autre variante de réalisation du transducteur selon l'invention;
la fig. 10 est une vue en plan des électrodes équipant le transducteur de la fig. 9;
les fig. 11, 12 et 13 illustrent le procédé de fabrication d'un transducteur selon l'invention;
la fig. 14 est une coupe méridienne d'un transducteur à double suspension active.

Avant d'entrer dans le détail de la description, il est utile de rappeler que les transducteurs électromécaniques considérés sont excités électriquement via un système d'électrodes et émettent via une surface rayonnante couplée à des milieux propageant des ondes vibratoires longitudinales. Cependant, ces transducteurs linéaires fonctionnent aussi bien en sens inverse. Les effets transducteurs induits dans des films polymères polaires sont des effets piézo-électriques. Pour les films polymères non polaires, on peut induire un excès de charge permanent qui linéarise des effets d'attraction de charges électriques et conduit à un comportement transducteur apparenté à l'effet piézo-électrique. Selon la constitution de la structure polymère, la déformation d'un élément actif peut produire essentiellement une variation de surface isotrope ou anisotrope avec changement correspondant de courbure s'il y a lieu (cas de la structure homogène) ou, au contraire, produire un fléchissement cumulatif accompagné de déplacement transverse (cas de la structure bimorphe).
Les matériaux polymères utilisables sont des homopolymères polaires tels que le PVF_z (polyfluorure de vinylidène) et le PVF (polyfluorure de vinyle) ou encore des copolymères polaires tels que le PVF_z/PTFE. Les matériaux polymères non polaires sont également utilisables avec un excès de charge électrique obtenu par implantation, par électrisation thermique ou par décharge corona. Beaucoup de diélectriques organiques de synthèse sont utilisables tels que le polyuréthanne (PU) et le polytétrafluorure d'éthylène (PTFE).
Sur la fig. 1, on peut voir la coupe méridienne d'un transducteur électromécanique conforme à l'invention. Ce transducteur comporte un appui annulaire 2 d'axe de révolution XX auquel est fixé un film de polymère 1 dont la mise en forme a été telle qu'il se présente au centre sous la forme d'une calotte sphérique de demi-angle d'ouverture a ayant son centre C sur l'axe XX. Entre la périphérie de la calotte et l'appui 2, ce film a une forme tronconique avec des génératrices rectilignes selon les rayons marginaux de la calotte sphérique. La partie tronconique de la structure rayonnante de la fig. 1 constitue une suspension active. A cet effet elle est revêtue sur ses deux faces d'électrodes 3 et 4. A titre d'exemple non limitatif, la structure rayonnante de la fig. 1 peut être réalisée par thermoformage d'un film mince de polyfluorure de vinylidène ayant une épaisseur de l'ordre de 25 _lim. Les électrodes 3 et 4 sont obtenues par évaporation thermique sous vide d'aluminium jusqu'à une épaisseur de 1500 Â. La partie du film 1 formant la calotte a été étirée biaxialement tandis que la partie tronconique a été étirée unidirectionnellement selon les rayons représentés en pointillé. Après un traitement de polarisation électrique créant entre les électrodes 3 et 4 un champ électrique transverse d'intensité élevée (1 MV/cm), la suspension périphérique du dôme central est activée. En reliant les électrodes 3 et 4 à un générateur de tension alternative 5, la suspension périphérique active se comporte comme un transducteur piézo-électrique. Les allongements et contractions alternés de la paroi conique de la suspension périphérique active sont par construction orientés comme le montre la flèche double 8. Il en résulte que la calotte sphérique passive est sollicitée selon ses rayons marginaux, ce qui entraîne son déplacement parallèlement à l'axe XX. La ligne pointillée 6 représente la position basse de la structure rayonnante et la ligne en trait mixte 7 représente la position haute. Bien que n'étant pas active, la calotte sphérique balaie un volume relativement important, car l'effet transducteur est concentré dans la suspension conique avec un maximum de sensibilité pour les déformations selon les méridiens. Pour obtenir une meilleure compliance mécanique de la suspension périphérique active, on peut, comme le montre la fig. 3, réduire la raideur circonférentielle. Ce résultat est obtenu par une mise en forme particulière qui consiste à créer des protubérances 11 orientées radialement qui alternent avec des secteurs actifs 12. Chaque protubérance 11 réalise l'étanchéité de la structure rayonnante, afin de contrecarrer le court-circui- tage acoustique entre les faces rayonnantes du piston vibrant. Elle n'offre cependant aucune raideur circonférentielle susceptible d'empêcher les secteurs actifs 12 de suivre le mouvement de translation du dôme central. Comme le dôme central joue un rôle passif et qu'il peut subir une incurvation, on peut le réaliser dans un autre matériau que la suspension active tronconique ou avec une autre épaisseur de paroi. En jouant sur les paramètres piézo-électriques et en dosant le rapport de la surface active à la surface passive compte tenu de l'angle d'ouverture a, on peut s'approcher des conditions de rayonnement d'une source ponctuelle.
Sur la fig. 2, on peut voir la coupe méridienne d'une variante de réalisation de la structure rayonnante de la fig. 1. La fig. 4 montre en perspective cette variante.
Les mêmes références désignant les mêmes éléments que sur les fig. 1 et 3, on voit que la suspension périphérique active est ici du type bimorphe. Il en résulte un montage différent, puisque la suspension périphérique est encastrée dans l'appui 2 alors que, sur la fig. 1, elle pouvait pivoter autour de l'appui grâce à un effet de charnière au repli extérieur. Une autre différence réside dans le fait que le raccordement entre la calotte sphérique et la suspension active tronconique ne comporte pas la pliure à 90° qui est visible sur la fig. 1.
Pour obtenir un fonctionnement bimorphe, la suspension active de la fig. 2 est munie d'un film 10 de forme tronconique qui adhère parfaitement à la partie tronconique du film 1. En choisissant des conditions telles que les déformations superficielles du film 1 diffèrent de celle du film 10, on observe un effet de fléchissement alterné de la suspension active bimorphe. Le long de la ligne de raccordement avec la calotte sphérique, on observe un déplacement orienté selon les rayons marginaux de celle-ci. Ce déplacement est illustré par la flèche double incurvée 9 et, si l'on se reporte à la fig. 1, on voit qu'il diffère peu du déplacement symbolisé par la double flèche 8. En ce qui concerne le mouvement d'ensemble imprimé à la calotte sphérique, les deux types de suspensions actives sont tout à fait comparables. On peut faire la remarque que la compliance mécanique de la suspension active de la fig. 1 est supérieure à celle de la suspension de la fig. 2; il en résulte que le bord de la calotte sphérique de la fig. 2 se déplace d'une façon plus précise suivant les rayons marginaux représentés en pointillé.
Les structures représentées aux fig. 1 et 2 ont des diagrammes de rayonnement moins directifs que ceux d'une calotte active s'appuyant directement sur l'anneau de fixation 2.
Conformément à l'invention, on peut s'approcher davantage du rayonnement d'une source ponctuelle en s'arrangeant pour que la suspension active et la calotte sphérique présentent les mêmes déformations le long de la circonférence de raccordement.
La fig. 5 représente une surface sphérique 13 avec, au point H, un système d'axes 1,2,3. L'axe 3 est orienté suivant un rayon, l'axe 1 est tangent à un parallèle et l'axe 2 est tangent à un méridien.
La fig. 6 est une vue en coupe méridienne d'un transducteur sphérique ayant un rayonnement omnidirectionnel par ondes sphériques de centre de phase C; un tel transducteur est décrit dans le document DE-A N^o 2417962. Le film de polymère 16 possède une épaisseur de paroi e et il porte sur ses faces externe et interne des métallisations 14 et 15. Un orifice est nécessaire pour la prise de contact sur la métallisation 15. Un tel transducteur est d'une fabrication très délicate et il présente l'inconvénient d'enfermer un faible volume d'air qui accroît fortement la rigidité de la structure rayonnante.
Pour pallier cet inconvénient, on peut imaginer qu'un piston vibrant constitué par une portion de surface sphérique pourrait émettre des ondes de centre de phase C. Un tel piston est représenté sur la fig. 7. Il s'agit d'une calotte sphérique 13 de rayon R et de demi-angle d'ouverture a. On voit que l'état déformé idéal est une calotte dilatée 17 de rayon R +AR; tous les points ont subi un déplacement radial AR. La fig. 8 montre que la fixation de cette calotte sphérique dans un support rigide annulaire 18, comme décrit dans le document D E-A N° 2417962, ne reproduit pas du tout le déplacement purement radial de la fig. 7. Le centre de courbure passe de C en C' et le rayon de courbure passe de la valeur R à la valeur R'.
En vue de conserver à une calotte sphérique active sa qualité potentielle de calotte pulsante idéale, l'invention prévoit d'effectuer son raccordement au moyen d'une suspension périphérique active qui reproduit les conditions aux limites de la sphère pulsante dont elle est extraite et qui assure l'immobilité du centre C.
Sur la fig. 9, on peut voir une coupe méridienne d'une structure rayonnante à centre de phase fixe. Elle est réalisée en étirant un film 1 de polyfluorure de vinylidène de façon à former une calotte sphérique d'épaisseur e, de rayon de courbure R et de demi-angle d'ouverture a. Cette mise en forme doit conserver l'isotropie des propriétés piézo-électriques induites dans la calotte; après polarisation électrique, cette calotte présente des coefficients piézo-électriques ayant par exemple les valeurs suivantes:

d₃₁ = d₃₂ = 5·10^-12 C·N^-1. Une mise en forme parétirement unidirectionnel a été appliquée à une suspension active tronconique de longueur L, de demi-angle d'ouverture a et d'épaisseur e'. Les coefficients piézo-électriques résultant de cet étirement unidirectionnel et de la polarisation électrique de la suspension tronconique sont par exemole:

Pour réaliser la condition d'un raccordement neutre de la calotte sphérique et de la suspension active, il faut que|ΔR| =|ΔL|et que le générateur 5 fournisse des tensions V et V' dont les polarités soient telles que, si R augmente, L diminue.
Le calcul de AR (variation de rayon de courbure) se fait à partir de l'expression:
Le calcul de AL (variation de longueur de la suspension) se fait à partir de l'expression:
En supposant par exemple que V = V' et que
on obtient, avec R = 50 mm:
d'où:
Comme l'angle a reste constant, la suspension active vibre sans rayonner pour son propre compte. Le diagramme de rayonnement est uniquement déterminé par le fonctionnement en calotte pulsante du dôme central.
Pour faire fonctionner le dôme central comme élément actif, il faut le munir d'électrodes 18 et 19. La fig. 10 est une vue en plan des métallisations 3 et 18 portées par la face supérieure du film polymère 1. Ces métallisations 18 et 3 sont indépendantes l'une de l'autre pour permettre que les polarisations électriques de la calotte sphérique et de la suspension active soient faites dans un signe tel que l'application des tensions d'excitation soient facilitées. Après polarisation, les électrodes 18 et 3 peuvent être interconnectées si une même tension d'excitation est appliquée à la calotte sphérique et à la suspension périphérique. Les électrodes 19 et 4 sont agencées de la même façon que les électrodes 18 et 3. On peut sans inconvénient métalliser complètement l'une des faces du film 1. L'utilisation d'une calotte sphérique active dans la configuration de la fig. 2 est également possible. Cependant, il faut remarquer que la suspension active de la fig. 2 assure une partie du rayonnement global.
Le rapport complexe des tensions d'excitation de la calotte sphérique active et de la suspension périphérique active peut ne pas être constant. On peut exciter ces deux éléments avec des tensions dont les amplitudes et les phases n'assurent plus la neutralité des déformations de part et d'autre de la ligne de raccordement que pour les fréquences élevées du spectre acoustique. En effet, aux fréquences basses, un piston n'ayant pas les caractéristiques d'une portion de sphère pulsante peut rayonner de façon peu directive. Il est donc possible de faire varier le rapport des tensions excitatrices avec la fréquence à seule fin d'obtenir une courbe de réponse en fréquence optimisée dans un angle de rayonnement prédéterminé.
La fabrication d'une structure telle que représentée à la fig. 9 peut se faire en réalisant séparément la calotte sphérique et la suspension tronconique.
Les fig. 11 à 13 illustrent un procédé de fabrication permettant d'obtenir ces deux éléments actifs à partir d'un film plan de polyfluorure de vinylidène. Dans une première phase, le film de PVF₂24 est pincé en deux mors périphériques 20 et 23; il est également pincé entre deux mors 21 et 22, comme le montre la fig. 11.
Dans une seconde phase, les mors 21 et 22 sont déplacés parallèlement à l'axe XX pour étirer uni- axialement la suspension 25, ainsi que le montre la fig. 12.
Dans une troisième phase, les mors 20, 21, 22 et 23 restent fixes et un poinçon 26 vient mettre en forme par étirement biaxial la calotte sphérique. L'état de la structure est alors illustré par la fig. 13.
L'invention n'est nullement limitée à une portion de surface sphérique passive ou active en forme de calotte sphérique.
Sur la fig. 14, on peut voir une coupe méridienne de transducteur selon l'invention dont l'élément rayonnant principal est constitué par une zone sphérique raccordée à deux suspensions périphériques actives et tronconiques. Le transducteur comporte un support rigide 2 sur lequel s'appuient les deux suspensions périphériques tronconiques. La suspension inférieure est munie d'électrodes 27 et 28, tandis que la suspension supérieure a reçu des électrodes 29 et 30. La zone sphérique rayonnante est munie d'électrodes 18 et 19. Toutes les électrodes sont reliées à un générateur d'excitation 5 qui réalise la condition de fonctionnement en sphère pulsante. Bien entendu, la zone sphérique peut être purement passive et il est possible de lui adjoindre une calotte sphérique supérieure passive ou active de même courbure qui se raccorde à la suspension active supérieure encadrée par les électrodes 29 et 30.
La fabrication d'une zone sphérique peut se faire par soufflage dans un moule en deux parties d'un tube de matériau polymère. Les suspensions tronconiques peuvent être rapportées ou réalisées par une autre opération d'étirement du tube de matériau polymère. On voit sur la fig. 14 que la suspension active tronconique peut être évasée vers le support ou, au contraire, convergente vers le support. Cette dualité de forme s'applique aussi aux fig. 1 et 9. Les suspensions actives de la fig.14 peuvent être remplacées par des suspensions bimorphes, comme illustré sur la fig. 2. Ces dernières participent au rayonnement d'ensemble de la structure rayonnante. On peut aussi réaliser l'une des suspensions en film bimorphe et l'autre en film simple. Dans le cas d'une calotte ou d'une zone sphérique passive, il peut être avantageux de réaliser la portion de surface sphérique en matériau de plus grande compliance que les suspensions actives. Par exemple, le polyuréthanne sera utilisé comme élément passif et le polyfluorure de vinylidène comme élément de suspension active.
Bien que les suspensions actives décrites soient réalisées à partir de films polymères, on ne doit pas écarter les suspensions actives qui font appel à des forces électrodynamiques ou magnétiques. Il ne faut pas davantage écarter les structures de suspensions actives à ondulations qui peuvent réduire l'encombrement des structures bimorphes tout en cumulant les effets de fléchissement sur une longueur effective supérieure à leur longueur repliée.
Les structures rayonnantes en polymère sont vulnérables à des poussées exercées sur leur face convexe. En vue d'assurer leur protection, on peut faire appel à des coussins perméables acoustique- ment que l'on applique contre la face concave. De telles mesures ont été décrites dans la demande de brevet français déposée au nom de la titulaire le 8 janvier 1980 et publiée sous le N_o 2473242 le 10 juillet 1981.
Pour terminer, il faut remarquer que l'invention n'est nullement limitée à des surfaces rayonnantes présentant la symétrie de révolution. La suspension active peut épouser la forme d'un tronc de cône ou de pyramide à directrice non circulaire se raccordant avec une portion de surface sphérique. Lorsque la suspension active doit reproduire les mouvements d'une sphère pulsante, il y a avantage à faire coïncider le sommet du tronc de cône ou de pyramide avec le centre de cette sphère. D'autre part, l'invention n'est pas non plus limitée aux portions de surface sphériques utilisées en piston. Elle comprend également, à titre de variante de réalisation, des pistons de forme généralement sphérique, mais présentant un relief de faible amplitude destiné à accroître la compliance mécanique.

Claims

1. Transducteur électromécanique à structure rayonnante autoportante comportant au moins un élément actif constitué par au moins un film (1 ) de matériau polymère dont les faces comportent des électrodes, cette structure rayonnante étant fixée à sa périphérie à un moyen d'appui, cette structure rayonnante comportant au moins une suspension active (3, 4) s'étendant entre ledit moyen d'appui et un élément central de cette structure rayonnante constitué par un film épousant la forme d'une portion de surface sphérique, caractérisé en ce que ladite suspension active épouse sensiblement la forme d'un tronc de pyramide ou de cône, ladite forme ayant pour directrice la périphérie de ladite portion de surface sphérique et pour génératrices des lignes parallèles aux rayons marginaux de ladite portion de surface sphérique, ladite suspension active étant faite d'un film (1) encadré d'électrodes (3, 4).

2. Transducteur électromécanique à structure rayonnante autoportante comportant au moins un élément actif constitué par au moins un film (1 ) de matériau polymère dont les faces comportent des électrodes, cette structure rayonnante étant fixée à sa périphérie à un moyen d'appui, cette structure rayonnante comportant au moins une suspension active (3, 4) s'étendant entre ledit moyen d'appui et un élément central de cette structure rayonnante constitué par un film épousant la forme d'une portion de surface sphérique, caractérisé en ce que ladite suspension active (3, 4) épouse sensiblement la forme d'un tronc de pyramide ou de cône, ladite forme ayant pour directrice la périphérie de ladite portion de surface sphérique et pour génératrices des lignes perpendiculaires aux rayons marginaux de ladite portion de surface sphérique, ladite suspension active étant faite d'une structure bimorphe (1, 10) encadrée d'électrodes (3,4).

3. Transducteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément central est un élément passif.

4. Transducteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément central est un élément actif (18, 19) revêtu d'électrodes sur ses deux faces et ayant été polarisé électriquement.

5. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément central est une calotte sphérique.

6. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément central est une zone sphérique; deux suspensions actives (27, 28, 29, 30) de forme tronconique ayant pour directrices respectives les périphéries circulaires de cette zone sphérique.

7. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la suspension active comporte des protubérances (11) destinées à accroître sa compliance.

8. Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les excitations électriques appliquées à l'élément central et à la suspension active sonttelles que la périphérie de la suspension active simule en grandeur et en signe la déformation qu'aurait imposée une portion de sphère pulsante venant compléter l'élément central.

9. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'élément central présente un relief destiné à accroître sa compliance.

10. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de protection contre renfoncement des parties convexes de la structure rayonnante.

11. Procédé de fabrication d'un transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à pincer un film (24) de polymère entre deux jeux concentriques de mors annulaires (20, 23, 21, 21, 22) et à déplacer l'un des jeux par rapport à l'autre pour étirer la zone annulaire (25) du film qui forme la suspension active et mettre en forme la portion (24) du film située à l'intérieur du jeu central (21, 22) par enfoncement d'un poinçon (26) ayant une face d'appui sphérique.