CH239450A - Dispositif à cristal piézo-électrique. - Google Patents

Description

Dispositif ä eristal piezo-eleetrique. n sait, dune maniere qui devient main- tenant courante, faire vibrer un cristal pi6zo- electrique suivant des mouvements de dilata- tion et de contraction; ces vibrations sont dune frequence relativement tres elevee. Les vibrations d'an tel cristal, par flexion, sont de frequence beaucoup plus faible, voisine des frequences sonores, mais an n'a pas imagine, jusqu'ici, de moyens simples permettant d'en- tretenir de telles vibrations.

La hresente invention comble cette la- cune. Elle a pour objet un dispositif ä cristal piezo-electrique, caracterise en ce que 1e cris- tal piezo-electrique de forme parallelipipe- dique est equipe de deux paires d'electrodes dont chacune interesse les faces opposees d'un meme couple de faces, les electrodes de chaque paire etant reunies electriquement entre elles.

Suivant une forme de realisation, 1e cristal piezo-electrique, par exemple une barre de quartz, est equipe de deux paires d'electrodes: une premiere paire est appliquee suivant les faces opposees placees transversalement ä Faxe optique et ses elements sont reunis elec- triquement; une seconde paire d'electrodes est appliquee sur les faees du cristal transver- sales ä laxe electrique et ses elements sont reunis electriquement; la difference de po- tentiel alternative est presente entre les deux paires d'electrodes.

Un cristal piezo-electrique ainsi equipe est susceptible de vibrer suivant des d6forma- tions de flexion, 1e plan neutre des mouve- ments de flegion etänt 1e plan moyen trans- versal ä Faxe electrique. Le cristal peut, en vue de ces vibrations, etre soit laisse libre, soit maintenu par encastrement. De pr6fe- rence, an prevoit une immobilisation par voie mecanique aux regions nodales, soit par pin- cement du cristal entre des fils tendus, soit par son serrage, de preference elastique, entre des plaques qui, dune maniere avantageuse, jouent, simultanement, 1e röle d'electrodes.

Dans la description qui suit, faite ä titre d'exemple, an se refere au dessin annexe, dans lequel La fig. 1 montre une barre taillée dans un cristal piézo-électrique; La fig. 2 est un schéma de montage de cette barre en vue de ses vibrations par flexion; , La fig. 3 montre, d'une manière simpli fiée, la répartition du champ électrique dans le cristal; La fig. 4 est une figure explicative; La fig. 5 est un schéma, en vue perspec tive; La fig. 6 montre, en coupe, une variante d'un tel dispositif; La fig. 7 est une coupe suivant la ligne 7-7 de la fig. 6; La fig. 8 est une vue perspective d'une autre variante; La fig. 9 est un schéma d'un filtre faisant application du dispositif selon l'invention; La fi-. 10 définit, pour le cristal, une coupe particulièrement avantageuse; La fig. 11. est analogue à la fig. 10, mais pour une autre coupe; La fig. 12 est une vue, en section, d'une autre variante; La fig. 13 est une coupe transversale au cristal, suivant sa ligne nodale, pour une autre variante; La fig. 14 est une vue analogue à la fi,,,. 13, mais à, plus grande échelle; La fig. 15 est une coupe suivant la ligne 15-15 de la fig. 14.

Dans le dispositif piézo-électrique selon fig. 2, m est la trace, sur le plan de section, de l'axe mécanique du cristal, 0-0 est l'axe optique et E-E est l'axe électrique. Sur les faces 1 et 2 du cristal perpendiculaires < L l'axe optique sont appliquées des électrodes 3 et 4; ces électrodes sont reliées électrique ment l'une à l'autre par des fils conducteurs 5 et 6, qui se réunissent suivant un fil unique 7. Sur les faces 8 et 9, perpendiculaires à l'axe électrique, sont appliquées des élec trodes 10 et 11, reliées électriquement l'une à l'autre par des fils conducteurs<B>1.2)</B> et<B>13,</B> qui se réunissent suivant un fil unique 14. La tension alternative est présente entre les fils 7 et 14. Si, par exemple, on applique une tension alternative entre les fils 7 et 14, on constate que le cristal subit des déformations de flexion, le plan neutre de ces déformations ayant, dans la section représentée sur la fig. 2, sa trace confondue avec l'axe optique 0--0. L'expérience montre que ces déforma tions deviennent brusquement très impor tantes pour une fréquence déterminée, qui est la fréquence de résonance du cristal à l'égard des déformations de flexion. Cette fréquence <B>de</B> résonance est très inférieure à la fré quence de résonance attachée aux déforma tions du cristal suivant des dilatations et con tractions successives. En fait, la fréquence de résonance de cristaux piézo-électriques à l'égard de déformations à la flexion peut couvrir le domaine des fréquences correspon dant aux ondes sonores et déborder au-dessous et au-dessus de ce domaine.

La fig. 5 montre une forme de réalisation suivant laquelle la barre parallélipipédique <B>1.5</B> constituant le cristal piézo-électrique a été métallisée sur ses faces 16 et 17, perpendicu laires à l'axe électrique, et sur ses faces 18 et 19, perpendiculaires à l'axe optique., de manière à constituer des électrodes. Un des fils d'amenée 20 se subdivise suivant deux branches 21 et 22 aboutissant, respectivement, aux électrodes 16 et 17; l'autre fil d'amenée 23 se subdivise suivant deux branches 24 et 25 aboutissant, respectivement, aux électrodes 18 et 19.

La barre 15 est pincée suivant des lignes voisines (le ses lignes nodales à l'égard des vibrations par flexion, d'une part, entre les fils 26 et 27 tendus entre des appuis figes 28 et 29, d'autre part, entre des fils 30 et 31 tendus entre des appuis fixes 32 et 33. Ces fils 26, 27, 30 et 31 constituent les seuls moyens de maintien de la barre 15, qui peut. ainsi vibrer librement. Ces fils peuvent être guidés dans des encochés pratiquées sur les faces 16 et 17, à l'intersection des plans nodaux avec lesdites faces.

Dans une variante (fig. 12), la barre 15 est suspendue par des fils tendus 65 qui la traversent suivant ses lignes nodales situées dans le plan neutre, grâce à des perforations 66, pratiquées dans la barre; la liberté de vi bration est ainsi complète.

Les fig. 13 à 15 sont relatives à une autre variante. Le cristal piézo-électrique 101 est percé suivant un canal 102, coïncident sensi blement avec une ligne nodale et qui sert au passage d'un fil de maintien 103, tendu entre des supports 104 et 105. Le cristal 101 est en outre maintenu, au voisinage immédiat de la ligne nodale suivant laquelle est tendu le fil 103, grâce à un second fil 106, transver sal au premier, et tendu entre des supports 107 et 108. Le maintien du cristal 101 par le fil 106 est.localisé au voisinage immédiat de la ligne nodale, grâce à ce fait que le canal 109, dans lequel est logé le fil 106, est d'un diamètre nettement supérieur audit fil, sauf au voisinage immédiat de ladite ligne nodale, comme il est bien visible sur la fig. 3. Cette figure, ainsi que la fig. 2, a été tracée à très grande échelle, et on peut dire qu'en pratique le maintien du cristal 101 par le fil 106 a lieu sensiblement sur la ligne nodale maté rialisée par le fil 103.

Pour le maintien d'un cristal destiné à vibrer comme selon les formes de réalisation précédentes, deux paires de fils tels que 103 et 106 sont prévues.

Dans certains cas, le maintien d'un cristal peut avoir lieu par une seule paire de fils transversaux.

Suivant une variante, le canal 102 pour rait être d'un diamètre nettement supérieur à celui du fil 103, sauf dans sa partie où il est le plus voisin du canal 109.

Dans une autre variante, le canal 109 pourrait être d'un diamètre uniforme suivant sa longueur.

Les fig. 6 et 7 sont relatives à une autre variante. Dans cette variante, les faces 34 et 35 du cristal, perpendiculaires à l'axe élec trique, sont recouvertes par des plaques con ductrices, respectivement 36 et 37, qui consti tuent une première paire d'électrodes. La se conde paire d'électrodes est constituée par des plaques 38 et 39, recouvrant les faces 40 et 41, perpendiculaires à l'axe optique. Des boulons 42 et 43 d'une part, 44 et 45 d'autre part, traversant des entretoises isolantes 46 et 47, assurent le maintien de l'ènsemble.

De préférence, le contact mécanique entre les électrodes 36, 37, 38, 39, et les faces cor respondantes du cristal, possède un carac tère élastique. A cet effet, lesdites faces pré sentent, à leur intersection avec les plans nodaux, des rigoles 48 et 49, dans lesquelles sont logés de petits fragments de caoutchouc, ou analogues, qui sont comprimés lors de la mise en place des électrodes et assurent un bon maintien du cristal, tout en lui laissant sa liberté de vibration. Ces rigoles peuvent également être pratiquées dans les plaques.

Dans la forme de réalisation selon la fig. 8, le cristal piézo-électrique 50 est en castré entre deux mâchoires 51 et 52, réunies l'une à l'autre, par exemple par le serrage de deux boulons. Les faces constituant les élec trodes sont métallisées; l'entrée et la sortie du courant se fait par les fils 53 et 54. Les mâchoires peuvent avantageusement servir à l'amenée du courant pour les faces avec les quelles elles sont en contact.

Le dispositif décrit est applicable comme diapason, comme filtre et, d'une manière gé nérale, dans tous les cas où il est nécessaire de disposer d'un élément piézo-électrique vi brant à une fréquence relativement basse. Il possède, bien entendu, les qualités inhérentes aux cristaux piézo-électriques, à savoir, en ; particulier, une stabilité presque absolue.

A titre d'exemple, on a représenté sché matiquement, sur la fig. 9, l'application d'un dispositif selon l'invention en tant que filtre. Le couplage d'entrée se fait, par exemple, par l'intermédiaire de bobinage 55 et 56, ce dernier ayant une de ses extrémités reliée à la terre, et son autre extrémité reliée à une électrode 57, perpendiculaire à l'axe élec trique. Le couplage de sortie se fait, par s exemple, par l'intermédiaire des bobinages 58 et 59, le bobinage 58 ayant des extrémités réunies, d'une part, à la terre, d'autre part, à l'électrode 60 opposée à l'électrode 57. Les électrodes 61 et 62, perpendiculaires à l'axe i optique, sont toutes deux mises à la terre directement. Avec ce montage, les vibrations obtenues pour le cristal 62a sont d'amplitude moindre que pour celles qui seraient obtenues avec les formes de réalisation selon les fig. 5 à 8. Il se comprend que celles-ci pourraient également être utilisées comme filtres, d'une manière analogue.

Sur la fig. 1, on a montré un cristal taillé sous forme d'une barre 63, dont les faces sont perpendiculaires à l'axe optique 0-0, à l'axe électrique E-E et à l'axe mécanique i1-11, la grande dimension de cette barre étant parallèle à, l'axe mécanique.

Dans certains cas, on peut avoir intérêt à pratiquer la taille du cristal de telle ma nière que la grande dimension de la barre fasse un certain angle avec l'axe mécanique.

C'est ce qui a été montré sur la fig. 10, dans laquelle l'axe X-X de la barre 64 fait un certain angle avec l'axe mécanique M-Il. L'expérience a montré que lorsque cet angle est égal à -18 28', le cristal était particu lièrement adapté pour l'obtention de grandes puissances.

La fi--. 11 définit une direction de coupe différente suivant laquelle l'axe X-X fait avec l'angle mécanique 111-M un angle posi tif, et l'expérience a montré que lorsqu- cet angle était voisin de -f- 1 72', le cristal pré sentait un coefficient de température parti culièrement faible.

Il se comprend que les indications numé riques qu'on vient de donner n'ont rien d'absolu, et que, d'une manière générale, l'angle de coupe est choisi de façon que la barre soit- adaptée à la propriété particulière qu'on recherche: coefficient de température, puissance, fréquence de résonance, etc.

On va maintenant donner une explication théorique de l'apparition des vibrations de flexion dans le dispositif piézo-électrique dé crit, sans qu'il `# ait lieu d'attacher à cette explication un bul, autre que celui de relier le mode de fonctionnement dudit dispositif aux théories piézo-électriques actuelles.

On rappelle tout d'abord que si l'on exerce, sur certaines faces opposées d'un cristal piézo-électrique, une action de compression, il apparaît des charges positives sur une de ces faces et des charges négatives sur l'autre face. Inversement, si l'on fait apparaître des charges positives sur une face<B>67</B> d'un cristal piézo-électrique 68, par exemple grâce à une électrode 69 appliquée sur cette face, et des charges de signes opposés sur la face opposée 70 grâce à une électrode 71, le cristal se com primera ou se dilatera, c'est-à-dire s'allongera ou se rétrécira suivant la longueur de la barre, selon que les charges apparaissant sur l'une des faces seront d'un signe ou de l'autre. Dans cc: cas, le cristal est parcouru par un champ électrique dont les lignes de force sont perpendiculaires aux faces d'entrée et de sortie sur lesquelles sont appliquées les élee- trodes.

Dans le dispositif piézo-électrique schéma tisé sur la fig. 3, on applique: des électrodes 72 et 73 de même potentiel, sur des faces opposées 74 et 75 d'un cristal piézo-électrique 76. Sur un autre couple de faces 77 et 78, on applique des électrodes 79 et 80 qui peuvent être à un même potentiel, mais différent de celui des électrodes 72 et 73. Les potentiels de ces dernières électrodes 72 et 73 pourraient d'ailleurs être différents entre eux, mais tous deux supérieurs ou tous deux inférieurs au potentiel des électrodes 79 et 80. Si l'on con sidère le cas simple dans lequel les électrodes 7 2 et 73 sont au même potentiel, et les élec trodes 79 et 80 sont également à mi même potentiel, mais différent du premier, on cons tate qu'une charge électrique élémentaire 81; placée sur lit face, 75, et une charge élémen- iaire 82, placée sur la face 76, donnent lieu à des champs électriques dont les lignes de force, respectivement 83 et 84, qui vont. vers les faces 77 et 78, sont dirigées en sens in verse les unes des autres, c'est-à-dire qu'elles présentent des composantes suivant les per- pendiculaires aux faces 74 et 75, qui sont dirigées en sens inverse. Dans ces conditions, la moitié supérieure de la barre 76 est, par exemple, comprimée, et sa moitié inférieure est dilatée, c'est-à-dire que cette barre aug mente (le longueur clans sa moitié supérieure et diminue de longueur dans sa moitié infé- rieuse; autrement dit, cette barre prend un mouvement de flexion et devient convexe vers le haut. Lorsque le signe du potentiel des électrodes 72 et 73 change, la barre devient :, convexe vers le bas; elle prend donc un mou vement de vibration par flexion, le plan neutre de ce mouvement étant le plan moyen de la barre parallèle aux faces 74 et 75.

Claims (12)

1. REVENDICATION Dispositif à cristal piézo-électrique, carac térisé en ce que le cristal piézo-électrique, de forme parallélipipédique, est équipé de deux paires d'électrodes dont chacune intéresse les faces opposées d'un même couple de faces, les électrodes d'une même .paire étant réunies entre elles électriquement. SOUS-REVENDICATIONS: 1. Dispositif à cristal piézo-électrique selon la revendication, dans lequel un des couples d'électrodes intéresse les faces du cristal placées transversalement à l'axe optique et l'autre couple intéresse les faces placées transversalement à l'axe électrique.
2. 2. Dispositif à cristal piézo-électrique selon la revendication et la sous-revendica- tion 1, dans lequel une des paires d'électrodes est perpendiculaire à l'axe optique et l'autre paire est perpendiculaire à l'axe électrique.
3. 3. Dispositif à cristal piézo-électrique selon la revendication, dans lequel l'axe lon gitudinal du barreau parallélipipédique cons tituant le cristal est confondu avec l'axe mé canique du cristal.
4. 4. Dispositif à cristal piézo-électrique selon la revendication, dans lequel l'axe lon gitudinal du barreau parallélipipédique cons tituant le cristal fait un certain angle avec l'axe mécanique du cristal.
5. 5. Dispositif à cristal piézo-électrique selon la revendication, dans lequel le cristal est maintenu au voisinage d'une ligne nodale.
6. 6. Dispositif à cristal piézo-électrique selon la revendication et la sous-revendica- tion 5, dans lequel le cristal est serré entre deux paires de fils tendus disposés suivant des lignes voisines de ses lignes nodales.
7. 7. Dispositif à cristal piézo-électrique selon la revendication et la sous-revendica- tion 5, dans lequel le cristal repose sur deux fils tendus qui le traversent suivant ses lignes nodales.
8. 8. Dispositif à cristal piézo-électrique selon la revendication et la sous-revendica- tion 5, dans lequel le cristal est maintenu par deux fils transversaux le traversant dans une région nodale.
9. 9. Dispositif à cristal piézo-électrique selon la revendication et les sous-revendica- tions 5 et 8, dans lequel le canal prévu pour le passage d'un fil de maintien est d'un diamètre plus grand que le fil, sauf dans la région nodale.
10. 10. Dispositif à cristal piézo-électrique selon la revendication, dans lequel le cristal est enfermé entre des plaques jouant le rôle d'électrodes et dont le contact mécanique avec les faces en regard est à caractère élastique.
11. 11. Dispositif à cristal piézo-électrique selon la revendication et la sous-revendica- tion 10, caractérisé en ce que ce maintien élastique est obtenu grâce à des fragments en matière élastique contenus dans des en coches pratiquées dans l'une des deux parties en contact au voisinage des lignes nodales.
12. 12. Dispositif à cristal piézo-électrique selon la revendication, dans lequel le cristal est maintenu par encastrement dans un support.