FR2520566A1 - Procede d'excitation d'un resonateur piezoelectrique - Google Patents

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE A L'EXCITATION DES RESONATEURS PIEZOELECTRIQUE COMPOSES D,ELECTRODES 7, 8, 17, 18 ENCADRANT UNE LAMELLE PIEZOELECTRIQUE. L'INVENTION A POUR OBJET UN PROCEDE D'EXCITATION OPTIQUE D'UN TEL RESONATEUR CONSISTANT A FAIRE INTERAGIR UN FAISCEAU OPTIQUE INCIDENT 4 PORTEUR D'UNE MODULATION PULSATOIRE TEMPORELLE OU SPATIALE AVEC UNE METALLISATION 28 PORTEE PAR LADITE LAMELLE 16, AFIN D'OBTENIR UN REGIME D'OSCILLATION FORCEE DANS LA PLAGE DE RESONANCE DUDIT RESONATEUR. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A LA CAPTATION SELECTIVE D'UN RAYONNEMENT MODULE ET A LA REALISATION DE DISPOSITIFS AUTO-OSCILLATEURS.

Description

PROCEDE D'EXCITATION D'UN RESONATEUR PIEZOELECTRIQUE
La présente invention se rapporte à l'excitation des oscillations d'une
structure vibrante constituée par une lamelle de matériau piézoélectrique
munie d'électrodes et reliée à un socle par des moyens de suspension. Une
telle lamelle peut être le siège de déformations alternées engendrées par
exemple par une tension alternative d'excitation appliquée à ses électrodes.

Selon la coupe piézoélectrique adoptée et l'emplacement des électrodes, on
peut favoriser différents modes vibratoires et en disposant les moyens de
suspension aux points nodaux, on obtient des structures résonantes à
surtension élevée qui ont trouvé de nombreuses applications dans le domaine
des filtres et des oscillateurs accordés. Dans ces applications, le résonateur
piézoélectrique est un dipole passif dont le circuit électrique équivalent
comprend en parallèle la capacité interélectrode et un circuit résonant RLC
à résonance très pointue.

Les fréquences de résonance et d'antirésonance dépendent des carac
téristiques mécaniques du matériau piézoélectrique, du mode vibratoire qui
peut etre fondamental ou partiel et du type de déformation, c'est-à-dire
longitudinal, d'épaisseur, de flexion, de torsion, etc ... L'oscillateur à quartz
illustre bien ce genre d'application. Le cristal de quartz comporte un bottier
équipé d'une paire de broches que l'on relie à un circuit électrique actif
capable d'assurer le démarrage et l'entretien des oscillations.

Actuellement, l'électronicien se sert de nombreux composants opto
électriques tels que diodes photoémissives, photodiodes, lasers et modula
teurs ou déflecteurs électrosptiques et acousto-optiques. Pour produire un
rayonnement optique modulé ou pour le capter sélectivement, on peut
mettre en oeuvre ces composants en réalisant des agencements classiques.

Ainsi, pour créer une tension alternative en réponse à un rayonnement
incident modulé, on peut monter en cascade une photodiode, un amplifica
teur et un filtre à résonateur. Pour produire le rayonnement modulé, on peut
exciter une diode photoémissive avec un oscillateur électrique piloté par )quartz. De tels assemblages de moyens utilisés classiquement font songer à
des simplifications possibles qui résulteraient d'une exploitation plus com
plète des phénomènes physiques susceptibles d'interagir dans un composant
déterminé.

Dans cet ordre d'idée, la mise en oeuvre d'un résonateur piézoélectrique comme capteur de rayonnement implique qu'il fonctionne comme moyen transducteur opto-électrique et pas seulement comme simple dipole enfermé dans un bottier.

L'invention a pour objet un procédé d'excitation d'un résonateur piézoélectrique comportant une lamelle de matériau piézoélectrique et des électrodes, caractérisé en ce qu'il consiste à irradier localement ladite lamelle au moyen d'un rayonnement optique incident; l'interaction dudit rayonnement avec ladite lamelle étant modulée périodiquement de manière à forcer la vibration de ladite lamelle à une fréquence située dans sa plage de fréquence naturelle de résonance.

L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles:
La figure 1 est une vue isométrique d'un dispositif d'excitation conforme à l'invention.

La figure 2 illustre une variante de réalisation du dispositif de la figure 1.

La figure 3 est le schéma d'un oscillateur mettant en oeuvre le procédé d'excitation selon l'invention.

Sur la figure 1, on peut voir un résonateur piézoélectrique à mode vibratoire longitudinal comprenant par exemple une lamelle 9 de quartz munie sur ses faces principales de métallisations 7 et 8. Des moyens de suspension constitués par deux tiges métalliques 10 et 11 relient les milieux des rnétallisatlons 7 et 2 à un socle 12. Les métallisations 7 et 8 sont reliées électriquement à deux broches 13 et 14 du socle 12. Une enveloppe de verre 15 sert de protection perméable au rayonnement. Le scellement de Penveloppe 15 permet de faire le vide autour de la lamelle piézoélectrique 9. Les points d'attache avec les tiges support 10 et 11 occupent la ligne nodale d'un mode vibratoire longitudinal en demionde de direction parallèle à l'axe z.

Aux mouvements d'extension-compression selon l'axe z correspondent des detormations secondaires selon l'axe y et l'axe x puisque l'allongement de la lamelle entrane' une striction de sa section et vice-versa. Conformément à l'invention, un faisceau 4 de rayonnement modulé en amplitude à la fréquence f sert à exciter le résonateur piézoélectrique à travers son enveloppe 15. Ce faisceau est modulé par un modulateur 2 à commande électrique qui reçoit un faisceau de rayonnement 3 émis par exemple par un laser 1 hélium-néon d'une puissance de quelques milliwatts. Le modulateur 2 est par exemple un modulateur acousto-optique ou électro-optique commandé électriquement par un générateur alternatif accordable 5.Le simple fait d'éclairer le résonateur à l'aide d'un rayonnement électromagnétique infrarouge ou visible ne fait apparaître aucune tension perturbatrice aux bornes 13 et 14 mais on constate qu'une tension sinusoïdale V apparaît lorsque l'impact 6 du faisceau 4 se produit sur l'une des métallisations 7 et 8 et lorsque la fréquence de modulation f s'approche de la fréquence de résonance f0 du résonateur piézoélectrique. Compte tenu que le quartz n'est pas pyroélectrique, on peut avancer l'explication que la métallisation 7 transforme l'énergie optique en chaleur et que cette chaleur produit une dilatation locale du matériau piézoélectrique. Cette dilatation répétitive peut exciter les modes vibratoires longitudinaux et de flexion de la plaquette piézoélectrique. On serait donc en présence d'une double conversion opto-thermique et thermo-mécanique.On constate expérimentalement que le pouvoir absorbant de la métallisation favorise l'excitation par voie optique. En outre, avec un résonateur à coefficient de surtension élevée, la fréquence d'excitation peut être un sous-multiple de la fréquence fO de résonance.

Lorsque la fréquence d'excitation f coïncide avec la fréquence f0 on obtient aux broches de sortie 13 et 14 une tension alternative sinusoîdale dont la phase est étroitement liée à la phase de la tension modulatrice appliquée au modulateur optique 2. Ceci est aisé à vérifier dans le cas d'un modulateur acoustooptique qui subdivise le faisceau 3 en un faisceau diffracté et un faisceau non diffracté à modulations complémentaires.

A titre d'exemple non limitatif, un résonateur en quartz fonctionnant selon le mode longitudinal avec une fréquence de résonance f0 = 60 kHz et équipé d'électrodes en or a pu être excité optiquement avec une puissance incidente de 5 à 8 mW provenant d'un laser hélium-néon de 10 mW. Le coefficient de surtension du résonateur était de l'ordre de 50.000. L'excitation optique a également été obtenue en remplaçant l'ensemble lasermodulateur par une diode photoémettrice.

Le dispositif de la figure 1 peut être utilisé comme capteur de rayonnement et comme filtre sélectif à bande étroite. L'excitation optique dépend de la zone d'impact du faisceau 4, mais les conditions d'excitation ne sont pas critiques. L'efficacité de conversion opto-électrique est maximale lorsque la vibration forcée de la lamelle a lieu à la fréquence de résonance f.

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Pour le fonctionnement à fréquence plus basse, on peut donner la préférence à un résonateur fonctionnant selon le mode de flexion.

Sur la figure 2, on peut voir un tel résonateur formé d'un bloc de matériau piézoélectrique 16. Le feuillet moyen 19 du bloc 16 subit les déformations 20 et 21 qui sont illustrées à droite de la figure 2. Les lignes nodales 22 et 23 sont celles où viennent se raccorder les moyens sustentateurs du résonateur.Sur deux faces opposées du bloc 16, on a prévu des métallisations 7, 8, 17 et 18 qui servent à recueillir les charges électriques induites par effet piézoélectrique. Les moyens sustentateurs comprennent quatre tiges support 24, 25, 26 et 27 dont les extrémités supérieures sont fixées aux métallisations 7, 8, 17 et 18 à l'emplacement des lignes nodales 22 et 23. Les électrodes 7 et 18 situées de part et d'autre du feuillet médian 19 sont interconnectées et reliées à la broche 14 du socle 12. Les électrodes 8 et 17 sont reliées à la broche 13.Ce montage est typique d'un résonateur fonctionnant en flexion, mais il pourrait également être remplacé par un montage différent des électrodes à condition d'utiliser une structure piézoélectrique bimorphe.

Dans le cas de la figure 2, le faisceau optique excitateur 4 est reçu sur ùne métallisation 28 indépendante des électrodes 7, 8, 17 et 18. L'emplacement de la pastille 28 est choisi pour engendrer une excitation de flexion au ventre de vibration du bloc 16. Le faisceau 4 peut être modulé en intensité comme expliqué ci-dessus, mais on peut aussi adopter une modulation de type spatial qui consiste à faire tomber alternativement le faisceau 4 sur la pastille 28 et en dehors de celleci. Dans ce cas, le faisceau 4 est issu d'un déflecteur optique à commande électrique. On peut aussi mettre en oeuvre une seconde pastille absorbante sur la face du bloc 16 opposée à celle portant la pastflle 28.Cette seconde pastille sera agencée pour recevoir le faisceau 4 lorsqu'il contourne la pastille 28 et traverse le bloc 16 ; cette seconde pastille fournit une excitation en opposition de phase permettant d'exploiter plus complètement la puissance d'excitation de la source de rayonnement.

Le résonateur de la figure 2 permet d'obtenir des fréquences-d'oscillation plus basses. A titre d'exemple, avec une puissance d'excitation optique de quelques milliwatts, on a pu faire vibrer à 1 kHz un résonateur à mode de flexion et obtenir sur une impédance de charge de 1 M fil une tension alternative de 20 mV.

La figure 3 représente le schéma d'un montage auto-oscillateur mettant en oeuvre le procédé d'excitation selon l'invention.

Le rayonnement excitateur modulé en intensité est produit par une diode photo-émettrice 11 reliée à la sortie d'un amplificateur 29. Ce rayonnement est projeté par une lentille 30 sur la métallisation 7 d'un résonateur piézoélectrique 7, 8, 9. Le résonateur alimente avec une phase appropriée l'entrée de l'amplificateur 29 qui est réglé pour obtenir une oscillation entretenue dont la fréquence est déterminée par le résonateur piézoélectrique.

Dans le cas du quartz, la coupe de la lamelle cristalline formant le résonateur peut être une coupe X, - 180 pour un résonateur à mode longitudinal. Pour un résonateur à mode de flexion ou de cisaillement, on peut adopter la coupe X, + 5 . Cependant, le procédé selon l'invention permet d'exciter des résonateurs utilisant d'autres matériaux piézoélectriques substituables au quartz dans les applications de filtres électriques, par exemple les cristaux synthétiques de tartrate d'éthylène diamine. De même l'invention n'est pas limitée à la forme simple d'une lamelle résonante de forme rectangulaire. On peut notamment envisager des structures à deux branches du type diapason.

Dans ce qui précède, on a considéré l'interaction du rayonnement excitateur avec une métallisation portée par la lamelle piézoélectrique.

Cette métallisation peut être remplacée par un matériau quelconque capable d'absorber le rayonnement incident. Dans le cas où le matériau piézoélectrique présente un pouvoir absorbant non négligeable, I'excitation par le rayonnement peut se faire directement sans faire appel à une métallisation ou une couche absorbante. En réalisant un résonateur piézoélectrique avec un cristal de phosphate de potassium di-hydrogéné (KDP), on peut l'exciter optiquement avec un rayonnement infrarouge modulé en intensité. Pour obtenir une bonne délimitation de la région du cristal servant à exciter les vibrations, on peut focaliser le rayonnement excitateur sur une face externe de la lamelle piézoélectrique. II y a lieu de noter également que les électrodes destinées à capter les charges électriques induites par effet piézoelectrique peuvent être portées par la lamelle comme indiqué cidessus, mais il est également possible de recueillir une tension électrique alternative en jouant sur l'électrisation par influence. Dans ce cas, la lamelle piézoélectrique n'a de contact qu'avec le moyén sustentateur et les électrodes délivrant la tension alternative sont situées à proximité immédiate des faces de la lamelle piézoélectrique.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Procédé d'excitation d'un résonateur piézoélectrique comportant une lamelle de matériau piézoélectrique (9, 16) et des électrodes (7, 8, 17, 18), caractérisé en ce qu'il consiste à irradier localement ladite lamelle (9, 16) au moyen d'un rayonnement optique incident (4); l'interaction dudit rayonnement avec ladite lamelle étant modulée périodiquement de manière à forcer la vibration de ladite lamelle à une fréquence (f) située dans sa plage de fréquence naturelle de résonance (fi).

2. Procédé d'excitation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit rayonnement interagit avec une métallisation (7, 28) portée par ladite lamelle.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite métallisation (7) est constituée par l'une desdites électrodes.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la modulation de ladite interaction consiste en une modulation d'intensité du rayonnement incident.

5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la modulation de ladite interaction consiste en une déflexion du rayonnement assurant l'exploration alternée de ladite métallisation (28) et d'une plage contigue dépourvue de métallisation.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'excitation d'une vibration de flexion est accentuée par la présence d'une seconde métallisation portée par une face de ladite lamelle opposée à celle qui porte ladite métallisation (28).

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite interaction est pulsée avec une fréquence de répétition N fois inférieure à la fréquence d'oscillation de ladite lamelle; N étant un entier positif égal ou supérieur à l'unité.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit résonateur vibre selon un mode vibratoire longitudinal.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit résonateur vibre selon un mode vibratoire de flexion.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit résonateur vibre selon un mode vibratoire de cisaillement.

Il. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 10, caractérisé en ce que le rayonnement incident est produit par une source de rayonnement à émission continue (1) coopérant avec un modulateur ou un déflecteur optique (2) à commande électrique (5).

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le rayonnement incident est -produit par une source de rayonnement pulsatoire (1) commandée électriquement.

13. Capteur de rayonnement sélectif en fréquence, caractérisé en ce qu'il est utilisé comme moyen de mise en oeuvre du procédé d'excitation selon l'une quelconque des revendications précédentes.

14. Dispositif autooscillateur, caractérisé en ce qu'il est utilisé comme moyen de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.