FR2728754A1

FR2728754A1 - Transducteur composite piezoelectrique

Info

Publication number: FR2728754A1
Application number: FR8911068A
Authority: FR
Inventors: David T Wilson; Roger H Tancrell
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1989-08-21
Filing date: 1989-08-21
Publication date: 1996-06-28

Abstract

L'invention concerne un transducteur formé par la combinaison d'une couche comprenant un matériau piézoélectrique ayant une paire d'électrodes disposées sur ses surfaces opposées et des moyens pour concentrer sur le matériau piézoélectrique les efforts dérivés de forces appliquées sur la combinaison.

Description

La présente invention concerne de maniére générale des transducteurs et plus parti@ul@érement des transducteurs p@ézo-électriques.

Comme il est connu de l art antérieur les transducteurs @t une large gamme d application comprenant les microphones, les haut-parleurs, les détecteurs de force et les hydrophones utilisés pour détecter l'énerg@e sonique assoc@ée aux objets sous- marins.

n type de transducteur connu de 1 art an trieur utilise les proprletes plézo-électriques d un matériau céramique ou d un matériau polymère piézoélectrique pour produire un signal électrique en réponse aux contraintes mécaniques appliquées directement au matériau et les efforts correspondant produits directement dans le matériau piézo-électrique à partir de la contrainte appliquée.

Les transducteurs @@niques peuvent produire un signal élertrie rn en réponse à des ondes de pression longitudinale associées à 1 énergie sonique ap pl@quée ou à 1 inverse produire des ondes de pression longitudinale de manière à fournir de 1 énergie sonique en réponse à un signal électrique appliqué.

De cette manière le transducteur peut fonctonner comme transmetteur ou récepteur d énergie sonique.

Un matériau polymère suggéré pour les dispositifs soniques piézo-électriques et le fluorure de polyvinylidène (PVDF). Généralement dans la fabrication des transducteurs en fluorure de polyvinylidène destinés à détecter les pressions hydrodynamiques on revêt une feuille composée d un tel matériau PVDF sur les surfaces opposées avec des couches électroconductrices. La feuille revétue est alors immergée dans l'océan de maniére à détecter les sons émis ou réfléchis par les objets sous-marins. Ces sons pro du@sent des ondes de pressio@ qui prodisent des efforts dire@tement dans le maté@@au PVDF.Un voltage est produit à travers les couches conductrices lequel dépend des caractéristiques piézo électriques du maté riau PVDF t est proportionnel à l effort dans le matérieau PVDF, permettant ains@ de détecter de tels sons.

Un exemple d'hydrophone sonique pour l'utilisation dans la détection d'énergie sonique associée aux objets sous-marins est décrit dans le brevet US.

; 486 869. Cet hydrophone comprend une structure tubulaire allongée ayant une pluralité d'éléments transducteurs espacés le lony d un axe commun au moyen de pro tube rances formant entr-toises. Le tube allongé est composé d'un matér@au piézo-électrique tel que le fluorure de polyvinyltdène. Des bornes électriques sont prévues en c on tact avec les surfaces courbées
Interne et externe de chaque élément protubérant de manière à fournir les transducteurs . Avec ce disposi tif les ondes '3 sonore '3 de pression longitudinale frappent directement sur l élément en PVDF. et en raison de la construction tubulaire de l'élément créent des contraintes circonférentielles externes sur le tube de manière à produire une sortie piézo-élec- trique.

Il serait souhaitable de construire de nouveaux détecteurs et t@ansducteurs piézo-électriques qui fournissent une sensibilité plus élevée, c'est à dire une puissance de sortie électrique plus élevée en réponse à l'application d une force ou d une pression sonique prédéterminées.

Différentes techniques sont connues de 1 art antérieur pour augmenter la puissance de sortie électrique d'un matériau piézo-électrique.

Une technique est décrite dans une publication intitulée "Model for a piezeelectric flexural plate hydrophone" par Donald Rivets. (Journal of
Acoustic Society of America, volume 70. n 4 Octobre 1981). Dans cette publication. un décrit une feuille de matériau PVDF recouverte sur ses surfaces opposées par des couches électro-conductrices. Pour augmenter la sensibilité d'un tel transducteur. la feuille en
PVDF ayant deux couches conductrices. est disposée sur une membrane rigide et flexible. telle qu'une plaque métallique ayant une cavité d'air interne de manière à rigidifier la couche en PVDF. La feuille rigidifiée recouverte est alors immergée dans l océan de manière détecter les ondes sonores mises ou réfléchies par les objets sous-marins.Les ondes sonores frappant sur ce transducteur. produisent des contraintes dans les couches rigidifiées créant des efforts dans le matériau en PVDF. En réponse. un voltage est produit à travers les couches condtJItrices qui est fonction des caractéristiques piézo-électriques du matériau en PVDF et de la contrainte appliquée. permettant ainsi la détection des ondes sonores.

En raison du fait que les ondes sonores de basse fréquence (c'est à dire de moins de 1000 Hz) se déplacent sous 1 eau sur de grandes distances sans atténuation excessive et peuvent étre entendues à de longs intervalles. il est souhaitable d'avoir des transducteurs soniques qui peuvent détecter de manière efficace l'énergie sonique à ces basses fréquences.

Bien que les dispositifs soniques piézo-électriques décrits ci-dessus soient utiles dans de nombreuses applications. la détection de signaux de basse fre quence, c est à dire ces signaux ayant des fréquences inférieures à 100 Hz. en particulier. devient difficile ave de tels dispositifs. En particulier. il devient difficile d'atteindre une sensibilité élevée en-dessous de 100 Hz tout en maintenant une sensibi- lité élevée au-dessus de 100 Hz, pour une largeur de bande appréciable sans utiliser des structures resonnantes. Les structures résonnantes sont indèsira bles en raison de difficultés de construction et en outre en raison du fait qu'elles ont en général une réponse à bande étroite.Un problème supplémentaire consiste dans le fait que l'utilisation de dispositifs piézo-électriques en polymère PVDF pour la détection de signaux soniques à basse fréquence. requiert généralement un polymère relativement épais pour améliorer la détection, augmentant les couts de ces dispositifs. De plus. des couches relativement épaisses de matériau en PVDF polarisé sont difficiles à fabriquer. Qui plus est. les couches polymères relativement épaisses induisent des effets de résonance de basse fréquence qui sont difficiles à compenser dans de tels dispositifs. Des couches de polymère épaisses ont en général également une faible capacitance en comparaison des couches plus minces.

qui déteriore le rapport signal/bruit du transducteur quand il est couplé à un amplificateur.

Pour cette raison, il serait souhaitable de fournir un dispositif en PVDF ayant une sensibilité accrue en particulier aux basses fréquences sans augmenter les pertes ou diminuer la capacitance du transducteur. Si la sensibilité du transducteur est augmentée sans une diminution correspondante de capacitance, le rapport signal/bruit du transducteur sera également amélioré.

La présente invention consiste en un détecteur de force comprenant une couche composée d'un matériau piézo-électrique ayant une paire d'électrodes disposées sur ses surfaces opposées et des moyens disposés autour de la couche pour concentrer sur le matériau piézo-électrique l'effort dérivé des forces appliquées au détecteur. Avec cette disposition. la sensibilité efficace du matériau piézo-électrique est augmentée puisque les efforts efficaces produits dans la couche piézo-electrique sont augmentés par les moyens destinés à concentrer les efforts.

L'invention a également pour objet un dispositif qui peut etre utilisé pour détecter une force ou comme un élément transducteur. qui comprend une pièce d'un matériau piézo-électrique ayant un module de
Young prédéterminé et deux feuilles d'un matériau ayant un module de Young sensiblement plus bas que celui du matériau piézo-électrique.Le matériau à basse module de Youny est disposé dans un rapport de couplage d efforts aux surfaces opposées de ladite feuille en matériau piezo-electrique. Avec cette disposition. en prévoyant les deux feuilles en matériau à bas module de Young dans un rapport de couplage d'effort à la feuille en matériau piézo-électrique, les couches a. bas module de Young concentreront les efforts dérivés des forces appliquées au matériau a bas module de Young sur le matériau piézoélectrique. et oralisent un détecteur @e force ou un elément transducteur ayant une sensibilité piézo-électrique efficace ou apparente qui est plus élevée que la sensibilité piézo-électrique du matériau piézoélectrique seul.Les feuilles à bas module de Young fonctionnent également comme un dispositif mécanique d'adaptation d'impédance. entre un milieu à travers lequel des ondes de pression -e propagent jusqu'à l'élément transducteur et un matériau piézo-électrique qui détecte de telles ondes de pression. réa lisant ainsi un transfert plus efficace d'énergie mécanique entre le milieu de propagation et le matériau piézoélectrique.

L'invention a également pour objet un empilement formant on détecteur de force ou un élément transducteur, qu L comprend des moyens ayant une pluralité de régions successives pour produire le transfert de couplage d efforts et la translation de la force orthogonale. et des moyens destinés à produire une interaction piézo-électrique. disposés dans les régions successives desdits moyens de couplage d efforts et de translation de force, Avec cette disposition on réalise un empilement détecteur de force qui peut litre utilisé comme détecteur de force ou comme élément transducteur de façon à augmenter davantage la sensibilité du matériau piézo-électrique pour détecter de manière sensible les petits changements de force.

L invention a également pour objet un élément transducteur pour la détection de la pression hydrodynamique qui comprend un boitier et des moyens détecteurs de force disposés dans ledit boitier comprenant un matériau piézo-électrique et des moyens disposés dans un rapport de transfert d'efforts aux surfaces opposées dudit matériau piézo-électrique de manière à translater les forces appliquées au transducteur en forces perpendiculaires à la force appliquée et pour produire un rapport de couplage d'efforts au matériau piézo-électrique.Avec une telle disposition les efforts orthogonaux produits dans lesdits moyens de translation sont transférés au matériau piézo-électrique et redirigés pour agir sur ledit matériau piézo-électrique de manière à ce que chaque composant tenseur de la sensibilité à la charge hydrostatique du matériau piézo-électrique contribue à produire un voltage de sortie en réponse à la pression hydrodynamique, augmentant ainsi de manière efficace la sensibilité à la charge hydrodynamique du matériau piézo-électrique. Cette disposition fournit une puissance de sortie électrique plus élevée en reponse a une quantité unitaire de la contrainte externe ap pliquée par unité de surface de matériau piézo-élec- trique.

Les caractéristiques ci-dessus décrites de l'invention et l'invention elle-meme seront mieux comprises grace à la description détaillée et aux dessins annexés sur lesquels
- les Fig. 1A à 1D représentent une série de vues en coupe de différents agencements d'éléments détecteurs de force selon la présente invention;
- les Fig.2A à 2D représentent une série de vues en coupe éclatée prises le long des lignes 2A-2A de la Fig. 1A. 28-28 de la Fig. 1B, 2C-2C de la Fig. 1C et 2D-2D de la Fig.1D montrant les détails de construction respectifs des détecteurs de force de la
Fig. 1A - 1D;
- la Fig.3A est une vue en coupe d un transducteur comprenant le détecteur représenté à la Fig. iD disposé dans un conteneur pour détecter des pressions hydrodynamiques;;
- la Fig.3B est une vue en plan partiellement éclatée prise le long de la ligne 3B-38 de la
Fig.3A montrant l'élément détecteur de force disposé dans le conteneur de la Fig.3A;
- la Fig.3C est une vue en coupe d'une por tion des parois latérales d'une variante du conteneur pour le transducteur de la Fig.3A;
- les Flg.;A-4D représentent une série de diayrammes qui montrent la relation entre la direction d'étirement et des tenseurs piézo-electriques;
- la Fig.5A est une vue en plan d'un detecteur de force représenté par la Fig. 1C disposé dans un conteneur approprié à la détection de changement de pression hydrodynamique;
- la Fig.5B est une vue en coupe prise le long des lignes 5B-5B de la Fig.5A;;
- la Fig.6 est une vue en perspective d'une variante de réalisation d'un transducteur ayant des plaques flexibles prenant en sandwich un détecteur de force composite à couche unique de la Fig. 16;
- la Fig.6A est une vue éclatée d'une portion de la Fig.6;
- la Fig.6B est une vue éclatée d'une variante de disposition d'un détecteur de force destiné à etre utilisé dans le transducteur de la
Fig.6;
- la Fig.7 est une vue en plan du détecteur de force de l'élément transducteur de la Fig.6 disposé dans un conteneur pour la détection de pressions hydrodynamiques;
- la Fig.8 est une courbe de la sensibilité à la pression en fonction de la frequence pour un élément transducteur décrit en relation avec les Fig.6 et 7; ;
- la Fig.9 est une vue en perspective d'un détecteur de force comme décrit d'une manière génerale en relation avec la Fig.1C disposé de manière à agir dans un mode de bord, selon un autre aspect de la presente invention;
- la Flg.10 e t une vue en @oupe d u n transducteur destiné à détecter la pression hydrodynamique, ayant un cément détecteur de force, disposé dans une configuration fonctionnant cn mode de bord;
la Fig.11 est une vue en plan partiellement éclate prise le long de la ligne 11-11 de la
Fig. 10;;
- les Fig. 12A et 128 sont des vues en perspective partiellement éclatées d'un détecteur de force enroulé. disposé dans des conteneurs tubulaires allongés; et
- les Fig. 13A-13E sont des courbes du log de la sensibilité au voltage exprimée en (db) en fonction du log de la fréquence exprimée en (Hz) piézo-électriques pour des exemples variés de détecteurs de force piézoélectriques à couche unique;
- les Fig. 14A-14E sont des courbes du log de la sensibilité au voltage exprimée en (db) en fonction du log de la fréquence exprimée en (hz) pour des exemples variés de détecteurs de force ayant une pluralité de couches piézoélectriques ; et
- les Fig. 15A-19C sont des courbes de la réponse en voltage en (db re 1v/ Pa) en fonction de la fréquence pour certains des détecteurs de force des figures 14A-14E réalisés dans un boitier. destinés à détecter la pression hydrodynamique.

La figure tA à laquelle on se réfère maintenant représente un détecteur de force 10 qui comprend une feuille sinueuse 15. comprenant un matériau piézoélectrique 14 avec disposées sur ses surfaces majeures opposées des couches conductrices minces 16 et 18. La feuille sinueuse 15 est disposée dans et entourée par un matériau élastomère ou élastique 12.

Le matériau 12 est en outre caractérisé par une tendresse plus grande que celle du matériau piézoélectrique de la feuille 15. Les matériaux appropriés comprennent les caoutchoucs naturel s les caoutchoucs synthétiques. les résines d époxy d urethanne de vinyle. et les matériaux et leurs mélanges ainsi que d'autres matériaux ayant un Module de Young relativement bas qui peuvent développer en réponse à une contrainte appliquée, un effort ou une distortion élevés en comparaison du Module de Young correspondant du matériau piézoélectrique. Le matériau peut en outre étire caractérisé comme possédant un coefficient de
Poisson relativement élevé en comparaison des matériaux généralement utilises pour rigidifier les couches en PVDF.De préférence, le matériau 12 peut avoir un coefficient de Poisson compris dans la plage d'environ 0,3 à 0,4 ou plus, et un Module de Young d'au moins environ 1 à 2 ordres de grandeur en-dessous de celui du matériau piézoélectrique 14. L épaisseur de chaque feuille élastique 12 est de préférence la meme et est reliée à l'épaisseur de la feuille piézoélectrique 14 par un ordre de grandeur comparable à la différencie entre les Modules de Young de la feuille piézoélectrique 14 et de la feuille en matériau élastique 12. Le matériau piézoélectrique peut comprendre des polymères à polarisation moléculaire tels que le fluorure polyvinylidène (PVDF). des co-polymeres comprenant le PVDF, et un second polymère tel que le trifluoroéthylène, le tétrafluoroéthyléne.

et le méthacrylate de méthyle. En variante, on peut également utiliser des matériaux céramiques piézoélectriques tels que le titanate de baryum, le titanatezirconate de plomb, et analogues. En outre, on peut également utiliser des matériaux chargés électrostatiquement, généralement considérés çomme des électrets comprenant le totrafluoroéthylène.

Ici, Je détecteur de force 10 fournit un empilement d éléments détecteurs piézoélectriques composés par les portions repliées sinueuses, de la feuille piézoélectrique 15, connectés en une configuration en parallèle.

Les fils conducteurs 19a et 19b sont connectés respectivement à chacune des couches conductrices 16 et 18 comme représenté sur la figure.

et fournissent des connexions électriques à l'élément piézoélectrique 15. La disposition électrique en parallèle représentée en tant que détecteur de force 10 fournit un détecteur ayant une capacitance relativement élevée et un voltage de sortie correspondant plus bas.

La figure 18 à laquelle on se réfère maintenant montre un détecteur de force 20. comprenant une pluralite de feuilles en matériaux piézoélectriques ayant. sur leurs surfaces, des revetements conducteurs, disposé dans un corps 22 composé d'un matériau élastomère ou élastique comme décrit ci-dessus. Des feuilles 24a- 24e sont disposées dans le matériau élastomère 22 et comprennent un matériau piezoélectrique tel que le fluorure de polyvinylidène (PVDF).

Sur les surfaces majeures de chacune desdites feuilles 24a- 24e sont disposées respectivement chacune des électrodes formant des paires 26a-26e (pour la polarité +) et 28a-28e (pour la polarité -) comme représente sur la figure. De minces éléments flexibles électro- conducteurs 27 sont disposés en travers de zones choisies dudit corps 22. et sont utilisés pour interconnecter respectivement la partie intérieure de la couche conductrice, par exemple 28a. de la feuille piézoélectrique 24a. à la partie supérieure de la couche conductrice, par exemple 26b, de la feuille suivante (24b) comme représenté.Avec cette disposition les couches piézoélectriques 24a-24e sont connec tees en se rie, de manière à ct que la capacitance de cette disposition soit inférieure à la capacitance de la disposition couplee en parallèle décrite en relation avec la figure 1A et, en outre le voltage produit en réponse à une force dirigée sur l'élément de force est de manière correspondante plus élevé.

Les détecteurs de force 10 et 20 peuvent entre fabriqués par des techniques de moulage qui enferment la feuille piézoélectrique sinueuse 14 ou la pluralité des feuilles piézoélectriques 24a-24e.

Les figures 1C et 1D auxquelles on se réfère maintenant montrent, respectivement. des versions des détecteurs de force 30 et 40, non enfermées. couples en parallèle et en série. Le détecteur de force 30 comprend une pluralité de couches d'un matériau élastique ou élastomère 32a-32f. disposées entre les ment dres de la feuille sinueuse 34 composée d'un matériau piézoélectrique tel que le fluorure de polyvinylidène, une céramique, ou électret. Comme on peut le voir sur la figure. des électrodes 36 et 38 sont disposées sur ladite feuille 34. La feuille 34 a une conformation méandrique, et les couches élastomères 32a-32f sont interposées entre les méandres de la feuille de manière à fournir le détecteur de force.

La figure 1D à laquelle on se réfère maintenant montre la version 40 connectée en série. non enrobée. qui enferme une pluralité de couches d un matériau élastique ou élastomère 42@ empilées entre des feuilles successives espacées 4 4a-44e en un matériau piézoélectrique tel que le PVDF ou une ceramique ou un électret.

En ce qui concerne les versions non enrobées décrites en relation avec les figures 1 C et 1D, des moyens pour un couplage de cisaillement sont nécessa ires pour maintenir les élastométes en contdet avec les feuilles piézoélectriques. Dans certaines applicatirons les caractéristiques de surface du matériau élastomère (c' est-a-dire l adhésivité de la surface élastomère en contact avec les couches conductrices sur le PVDF, par exemple) fournissent un couplage de cisaillement suffisant aux feuilles piézoélectriques pour maintenir les éléments empilés et couplés mécaniquement, de manière a fournir un élément détecteur de force.Dans d'autres dispositions et conditions opératoires. on peut préférer une liaison des couches ou un accrochage de la surface comme cela sera décrit pour les transducteurs destinés à la détection de la pression hydrodynamique.

Les éléments détecteurs de force représentés sur les figures 1A et 18 (c' est-a-dire les versions enrobées) ne nécessitent pas de moyens spéciaux pour maintenir ensemble les éléments. Généralement un couplage de cisaillement est également réalisé de manière appropriée par les caractéristiques de surface des couches conductrices et de 1 élastomère. les champs électriques produits par l'élément détecteur de force, 10. 20, 30 et 40 se lirnitent uniquement aux matériaux en PVDF ce qui permet de disposer les elec- trodes directement sur le matériau en PVDF et les élastomères peuvent étre alternativement conductrices.

Des variantes de dispositions sont possibles pour les électrodes.

Les figures 3A-3B auxquelles on se réfèrent maintenant montrent un élément transducteur 50 approprié à la détection de pressions hydrodynamiques qui comprend un élément détecteur de force 40 comme decrit en relation avec la figure 1D. bien que les éléments détecteurs de force 10, 20 et 30 peuvent éyalement entre utilisés, et ur @o@tier 52 compos d'un matériau diélectrique ou conducteur qui est t r rigide selon un axe radial de manière à maintenir un @eu de relàchement de pression 51.

Des variantes de structure du boitier 52 comprennent un boitier du type à soufflets 52 (figure 3C) c' est-à-dire un boitier qui est fortement compressible de manière anisotropique dans une direction axiale et qui est fortement rigide dans la direction radiale.

Le détecteur de force 40 est disposé dans le boitier 52. espacé des parois du boitier 52 par une zone 51 qui fournit un jeu de relachement de contraintes pour permettre une expansion sans frein de l'élément détecteur de force 40 en réponse aux forces ou pressions appliquées sur l élément. L'élément transducteur 50 comprend en outre un élément formant une membrane supérieure très fine 56a et un élément formant une membrane inférieure tres fine 56b qui sont disposés sur les surfaces ma jeures respectives du détecteur de force 40. disposés en contact étroit avec le détecteur de force 40 et les paroi du boitier 52 et transmettent les forces appliquées au détecteur de force 40 avec une perte de force minimale dans les membranes 56a et 56b. Les éléments formant membranes 56a et 56b qui sont flexibles et peuvent étre composés de matériaux tels que des caoutchoucs ayant une épaisseur typique de 2,5 mm. des plastiques ayant une épaisseur typique de 0,25 mm, et des aciers inoxydables ayant une épaisseur typique de 0.025 mm permettent aux pressions appliquées d'étre transmises aux portions centrales majeures des feuilles élasto mères. ici 44a à 44e, mais non aux bords desdites feuilles.En outre. les elements en forme de membranes 56a et 56b serrent ensemble le s couches de manière à réaliser un couplage de @isaillement et maintenir ensemble en contact les couches élastomères et les couches piézoélectriques. Le boitier 52 comprend en outre des rainures 52a et 52b qui peuvent recevoir des scellements, ici des scellements du type en anneau formant un o, 53a et 53b qui sont disposes en contact étroit respectivement avec les membranes 56a et 56b.

Le transducteur 50 comprend en outre des éléments formant des couvercles en forme d anneaux supérieur et inférieur. 54a et 54b comportant des ouvertures 58a et 58b qui exposent les éléments en forme de membranes 56a et 56b comme représenté sur la figure.Les élém- ents formant les couvercles supérieur et inférieur sont fixés ou attachés au boitier 52 par l intermé- diaire ici de vis 55. bien que d'autres moyens d'attache puissent être utilisés en variante, Aprés que les éléments 54a et 54b formant les couvercles aient été fixés au boitier 52. les membranes 56a et 56b sont disposées en contact étroit entre les scellements ayant une forme d anneaux en O, 53a et 53b sur le boitier 52 et les éléments formant les couvercles 54a et 54b. Les éléments formant membranes 56a et 56b sont également disposés en contact étroit avec les éléments du détecteur de force 40.De préférence. la hauteur du boitier 52 est choisie en fonction de la hauteur de l'empilement formant detecteur de force 50 de manière à ce que l'empilement soit placé sous une compression légère après que les éléments formant les couvercles du boitier 54a et 54b aient été fixés au boitier. assurant ainsi un contact étroit avec les éléments formant membranes 56a et 56b. Un matériau approprié pour les membranes comprend un matériau résilient quelconque tel qu'une couche très fine d'un acier inoxydable @c'est-à-dire de 0.025 mm) ou une couche mince formée d'une matière plastique résiliente (0, 137 mm à 0.254 mm).

Comme représenté sur la figure 3A. un connecteur 59a est disposé à travers une portion latérale du boitier 52 et a son conducteur central 59a' connecté à un fil 49a qui à son tour est connecté à une couche conductrice 46a (figure 1D) de l'élément détecteur 40. Un second connecteur 59b est disposé à travers le boitier 52 et à son connecteur central 59b connecté au moyen d'un fil 49b qui est connecté au fond de la couche conductrice 48e (figure 1D) de l'élément détecteur de force 40.

Les dispositions dcrites ci-dessus fournissent des détecteurs de force et des éléments trans duc t eur s ayant une sensibilité bien plus élevée ou une énergie de sortie bien plus élevée pour une unité de force ou de pression appliquée sur une unité de surfa ce.

Les propriétés électriques qui sont généralement utilisées pour caractériser un matériau en PVDF par exemple, comprennent la quantité d3h ci-après dénommée "la sensibilité de charge hydrodynamique" et généralement donnée par la relation suivante quand la charge est mesurée dans les trois directions d3h = d31 F d32 + d33 dans laquelle les quantités d31, d32 et d33 sont des tenseurs. définis tels que dans les figures 4A-4D comme étant la charge dans les trois directions divisée par la force dans la direction i, i étant égal à 1, 2 ou 3, et la force dans la direction i étant définie comme une direction de la force appliquée au matériau par rapport à la direction d' étirement du matériau en
PVDF.

Des valeurs typiques de cha@un de @es tenseurs pour une feu@lle polarisée ayant 9 micromètres d'épaisseur en matériau PVDF (obtenue de Pennwalt,
Inc., King of Prussia, PA.) sont d31# + 23 #c/N. d32# + 33 # C/N. et d33 # - 33 # c/N et d3h# - 7 #c/N.

Avec les dispositions de l'art antérieur pour les hydrophones, il est généralement préférable de rendre d33 aussi négatif que possible et de réduire les tenseurs de sensibilité d effort dans le meme plan d31 et d32, car les composants d'une force dans le même plan d'une pression appliquée auraient tendance à réduire la sensibilité totale du matériau polymère piézoélectrique.

Les inventeurs ont cependant déterminé que plutôt que de régidifier le matériau en PVDF et réduire ainsi l'effet des tenseurs J31 et d32 sur d33, en réalisant un matériau élastomère tendre dans un rapport de couplage ou de transfert d'efforts au matériau piézoélectrique ayant un coefficient de
Poisson relativement élevé, le matériau élastomère par l'intermédiaire de sa caractéristique formée par le coéfficient de Poisson. on modifiait le trajet directionnel des tenseurs d31 et d32 de manière que chaque contribution à la sortie ait le même signe que la contribution du tenseur d33.En outre, en interposant le matériau élastique ou élastomère tendre entre le milieu à travers lequel la force se propage et le matériau piézoélectrique rigide tel que le PVDF. on fournit une adaptation d'impédance mécanique entre le matériau en PVDF et le milieu à travers lequel la force se propage. augmentant ainsi l'efficacité du transfert d'énergie mécanique au matériau en PVDF. De cette manière. dans cette disposition, la sensibilité de charge apparente ou efficace du matériau plézoélectrique d3eff peut être donnée par la relation :
d3eff = a/d31/ - b/d32/ - c/d33/.

dans laquelle d, b c sont des coefficients positifs reliés aux composants de force transférés å partir de l'élastomère au matériau PVDF, qui à leur tour sont reliés à la valeur du coefficient de Poisson, du
Module de Youny et au degré de couplage d efforts du matériau élastomère et du matériau piézoélectrique.

Des propriétés significatives pour les couches que peuvent composer les couches élastiques ou élastomères 12, 22, 32 et 42 du mode de réalisation représenté par les figures 1A-1D, aussi bien que. les propriétés que peuvent comprendre les matériaux piézoélectriques des couches 14, 24, 34, 44, comme décrit en relation avec les figures 1A-1D, apparaissent dans les tableaux I et II suivants
TABLEAU I
MATERIAU EPAISSEUR DURETE MODULE COEFFICIENT
ELASTOMERE PLAGE M.SHORE A DE YOUNG DE POISSON
(MESUREE (APPROX.) (APPROX.)
Au DURO
METRE)
--------------------------------
CAOUTCHOUC 1.5x10@3
SILICONE à 30 1x106 Pa 3
ROUGE 6.x10
DURETE 30 (MESUREE AU DUROMETRE) 3
CAOUTCHOUC 1.5x 10-@
SILICONE à 50 2.4x106 Pa .3
ROUGE 6.x10-3
DURETE 50 (MESUREE AU
DUROMETRE) ------------------------------ ----------
-----------------------------------------------------------
CAOUTCHOUC 1.5x 10-3
SILICONF à 70 6.5x106 Pa .3
ROUGE 6.x10-3
DURETE 70 (MESUREE AU DUROMETRE)
FEUILLE 3.x10-3 55 3.1x106 Pa .3
DE VINYLE
FEUILLE 3.x10-3 82 13.8x106 Pa .3
D'URETHANNE
TABLEAU Il
MATERIAU GAMME dh d31 d32 J d33 MODULE DE YOUNG
PIEZO D'EPAISSEUR
M. p C/N
PVDF 9.x10-6
à -7. 23. 3. -33 2.x109 Pa 100.x10-6
PZT-5A 250.x10-6
à 32. - 171. - 171 374. 6.1x1010 Pa
1250.x10-6
Les figures SA et 56, auxquelles on se réfère maintenant representent un variante du mode de réalisation d un transducteur GO approprié à la détection de pressions hydrodynamiques ou dans d'autres applications de détection et de génération, comprenant un des éléments détecteurs de force décrits en relation avec les figures. Ici on utilise l'élément détecteur de force 40 tel que décrit en relation avec la figure 1 D, disposé dans un conteneur 62 composé de deux couches 62 et 64 J un matériau rigide, résilient.

plastique ou diélectrique, thermo-déformable ou thermo-soudable. Le fil 49a de la première des couches du detecteur de force 40 tel que décrit dans la figure 1D est disposé à travers une première extrémité du conteneur 62 et. le second fil 49b provenant au moins d'une des couches du détecteur 40 comme décrit en relation avec la figure 1D. est disposé en travers de l'extrémité opposée du conteneur 62.Des matériaux appropiés pour le conteneur 62 comprennent les plastiques dits thermo-déformables ou thermo-soudables qui possèdent des caractéristiques de résiliance mécanique et de relative frigidité après la déformation et montrent Ur1 module de Youny plus grand qu'environ 3x 10 Pascals. En variante. on peut utiliser un matériau conducteur résilient tel que 1 acier inoxydable dans la mesure où les fils 49a et 49b sont isolés.

Avec cette disposition particulière, on réalise des éléments détecteur de force enrobes relativement bon marché. dont les sections supérieures 62a et 64a des couches 62 et 64 fonctionnent comme éléments formant membrane pour le transducteur tel que décrit en relation avec la figure 3.

Les figures 6 et 6A. auxquelles on se réfère maintenant représentent une variante d'un mode de réalisation d un transducteur destin à la détection de pressions hydrodynamiques. lequel comprend un élément détecteur de force 69 (fig. 6A) ayant deux couches élastiques élastomères 68a et 68b prenant en sandwich une couche unique composée d'un matériau piézoélectrique 66, sur les surfaces majeures de laquelle sont disposées des électrodes 67a et 67b
comme représenté sur la figure 6A. Le détecteur de force å couche unique 66 est disposé entre deux plaques flexibles mais cependant rigides 72 et 74 composées ici d'un matériau tel que l'aluminium.

l'acier inoxydable ou la fibre de verre, par exemple, qui sont fixées ensemble au moyen de vis isolantes 75.

Les plaques 72 et 74 s & gt; sont d de préférence perforées, au moyen de trous 72a comme représenté sur la figure.

Quand les plaques 72 et 74 sont couplées l'une à l'autre, par l intermédiaire de vis 75, elles se plient et sont de cette manière légèrement déformées par rapport à leur forme plane normale. Pour la détection de force hydrodynamique. par exemple, l'élément transducteur 70 peut être monté sur une grille 82, au moyen de ressorts 80, tels que représenté à la figure 7, et placé dans une enceinte hydrostatique telle que. comme représenté ici. un coffre en caoutchouc 86 rempli d un matériau de couplage de contraintes ou de pressions, tel que de l huile. La grille 82 et le coffre 86 sont fixés l'un à l'autre au moyen d'une pince 84 comme représenté sur la figure 7 de manière à réaliser un scellement étanche.

La figure 6B à laquelle on se réfère maitï- tenant, représente un mode de réalisation supplémen taire du @@an@du@@eur tel que décrit de manière générale @@ des@us et comme représenté en particulier sur la figure 6. dans lequel l'élément détecteur de force 69 (Fig.6A) est disposé entre les plaques rigides 72 et 74 avec des couches permettant un rela"- chement de contraintes, 76a et 76b formées d'un matériau tendre telle qu'une mousse élastomère disposee de manière à prendre en sandwich l'élément détecteur de force 69.

Des couches 76a et 76b fournissent un découplage de contraintes entre l'élément détecteur 69 et les plaques rigides 72 et 74.

fig. 8 représente la sensibilité à la pression de tel disposition de la figure 7, lorsqu'elle est placée dans une petite chambre à air (représentée par les O) et dans un grand réservoir d'eau (repre- senté par la ligne continue). En considérant qu'une couche unique de PVDF d'une épaisseur de 9 rm devrait avoir une sensibilité à la pression d environ -230 (db re IV/ Pa) , la disposition ci-dessus fournit une augmentation significative de la sensibilité à la pression par unité de volume du détecteur.

Les modes de réalisaiton des éléments détecteurs de force décrits puur les figures 1A-1D et les éléments transducteurs currespurdant fabriqués à partir de ces éléments déte@teurs de force peuvent entre considérés comme des dispositifs de Poisson, dans lesquels les surfaces majeures du matériau piézoélec- trique sont disposées de manière orthogonale par rapport à la force incidente qui duit étre détectée et les surfaces majeures du matériau en PVDF sont disposes de manière orthogonale dans les boitiers de transducteurs de manière à ce que les forces soient incidentes sur I t'S surfaces najeures de l'élément déte@teur de force et e t que le coefficient de Poisson soit utilisé pour le touplage des forces incidentes de maniére @ feurn@r un mouvement orthogonal du PVDF.

Les figs 9 et 9A auxquelles on se réfère maintenant représentent une variante d'un mode de réalisation d'un élément détecteur de force 130 qui est disposé ou orient de manière a ce que les bords de l'élément 130 soient parallèles aux forces appliquées et qu'ainsi, la force soit appliquée dans le plan des surfaces majeures du matériau piézoelectri- que. En général l'élément est disposé de manière à ce que la direction de la force appliquée soit parallèle à la direction d'étirement du PVDF. Ici le détecteur de force 130 comprend une pluralité de couche 132a132c d'un matériau élastique, comme décrit ci-dessus.

espaçant les couches piézoélectriques 134 et comportant des couches conductrices 13 G et 135, qui fournissent les elements piézoélectriques respectifs 135.

Le détecteur de force est construit de manière à ce que la surface des électrodes du transducteur soit disposée sur les surfaces majeures du polymère. et qu'ainsi le champ électrique généré par le polymère piézoélectrique (ou céramique) soit limité au matériau piézoélectrique. De cette manière. il n'y a pas de champ électrique dans le matériau élastomère.

Comme représenté sur les Figs 10 et 11. le transducteur enfermé dans un conteneur 150, destiné à la détection de pressions hydrodynamiques comprend un détecteur de force 130 dont les bords sont disposés de manière à ce que la force incidente appliquée sur le transducteur 150 soit orthogonale par rapport aux bords du détecteur de force 130.

Le transducteur 150 comprend un conteneur 151 qui comprend un boitier 152, des éléments formant des membranes, 156a et 156b, des plaques de couverture 154a et 154b, ayant des ouvertures 158a et 158b, des conne@teurs 159 C t 1 9b une valve pour l'échappement de l'air 157, un jeu de reláchement de la pression 151, cet de; scellements ayant a furme d'un anneau en û. 153a et 153b disposés dans des rainures réceptrices 152a et 1 52b, comme représente sur la figure et comme généralernent décrit par ailleurs en rapport avec les figures 3A-3@.

D autres dispositions préférées des éléments détecteurs de force 160 conditionnés pour détecter des pressions hydrodynamiques sont représentes sur les figures 12A et 12B et comprennent une couche unique élastique 162 et une couche unique piézoélectrique 164 enroulées dans un cylindre de préférence autour J un élément rigide 170, qui empêche la déformation et la torsion de l'élément t60 mais permette une compression axiale (Fig. 12A) ou une compression radiale (Fig.

12B) de l'élément 160. Le cylindre 166 est inseré dans un tube creux composé d'une couche rigide 168. Avec la disposition représentée sur la Fig. 12A, la compresion, radiale c' est à dire les forces appliquées le long de l'élément tubulaire) peut être détectée si un jeu de relâchement de contraintes 151a est prévu aux extrémités du tube. Par conséquent, ici. des capuchons d'extrémités 167 sont creux. permettant l'expansion des extrémités de l'élément 160 à l'intérieur des capuchons en réponse à la contrainte appliquée. En variante, la compression axiale (c' est à dire les forces appliquées le long des extré@ités du tube) peut être détectée par l'intermédiaire d'un jeu de relachement d'efforts 161b autour du rouleau écran. c'est à dire entre le tube et le rouleau cran. tout en utilisant des capuchons solides ou des membranes rigides aux extrémités du tube.

Les transducteurs 50.70 et 70' représentés sur les Fig.3A, 6 et 7 ont é@é fabriqués comme décrits ci-dessus. Le d3h apparent (d3eff) de la couche 66 en matériau PVDF disposée entre deux couches élastiques ou élastomères en matériaux de types variés a été mesure en utilisant un appareil qui applique une force connue au transducteur 70, le voltage produit à partir du transducteur 70 étant mesuré pour comparer la sensibilité à la charge du transducteur 70 à la sensibilité à la charge intrinsèque connue de la couche 70 en
PVDF.

Les exemples 1 à s ont été realisés de ma nière générale en accord avec la Fig.6. Dans chaque exemple on a utilisé une couche de PVDF d'une épaisseur de 9 m (obtenue de Penwal 1l Inc. King of Prussia,
PA) ayant des revetements électro-conducteurs minces, ici en nickel-aluminium, de manière à former des électrodes sur les surfaces majeures de la couche. Les caractéristiques significatives pour les couches minces en PVDF sans couches élastiques ou élastomères sont
dh - 7 p C/N
t1 = 9
E = 2 x 10 Pa
d33 = -33 p C/N
Comme il sera décrit plus loin, les Fig.13A13E et 14A-14D représentent le log de la sensibilité à la charge en fonction du log de la fréquence.Chaque figure est également accompagnée d'une courbe de cohé- rence ou degré de fiabilité des données. Une cohérence de 0,7 ou plus indique que la donnée est fiable.

En-dessous de 0.7. la donnée peut avoir été brouillée par du bruit. des resonnances etc... et n' est par conséquent pas filable.

EXEMPLE No. 1
On dispose une paire de feuilles en caoutchouc silicone rouge, dureté 70, (mesurée au durometre). (Modèle Cohrlastic 700 de CHR Industries. Inc.

New Haven, CT.), chaque feuille ayant une surface
2 approximative de 17,7 cm et une épaisseur de 3 2 mm.

de manière à prendre en sandwich une pièce unique en fluorure de polyvinylidéne d'une surface approximative de 12,9 cm2. Les feuilles de caoutchouc et les couches en PVDF sont fixees entre une paire de plaques en aluminium d une épaisseur de G, 3 mm ayant une surface
2 approximative de 22,6 cm au moyen de vis isolantes.

ici en nylon, qui maintiennent les plaques d'aluminium comprimées contre l'élément 69 en caoutchouc silico ne/PV0F.

La Fig. 13A montre la courbe du log de la sensibilité à la charge (d33) en fonction du log de la fréquence pour la dispositiun de l exemple 1.

Le d33 apparent de ce dispositif est appro ximativement de 367 pC/N à 40 Hz.

EXEMPLE No. 2
On dispose une paire de feuilles de caoutchouc silicone, dureté 30, (mesurée au duromètre) (CHR. Ind. Inc.). chaque feuille ayant approximativement une surface de 17.7 cm2 et une épaisseur de 3.2 mm de manière à prendre en sandwich une pièce unique en fluorure de polyvinylidène, comme décrit ci-dessus.

Les feuilles de caoutchouc et l'élément formant la couche en PVDF sont fixés, comme dans l'exemple 1 ci-dessus. La Fig. 138 montre la courbe du log de la sensibilité à la charge d33 en fonction du log de la fréquence pour le détecteur de force. Le d33 apparent de ce dispositif est approximativement de 1420 p C/N à 50 Hz.

EXEMPLE No. 3
On dispose une pa@@e de feuilles de @a@ut- chouc silicone, dureté 30. (mesurée au duromètre).

(CHR Ind. Inc.), chaque feuille ayant approximative 2 ment une surfaite de 17,7 cm et une épaisseur de 1,6 mm. de manière à prendre en sandwich la pièce unique en fluorure de polyvinylidéne ayant approximativement 12,9 cm2 de surface. Les feuilles de caoutchouc et la couche en PVDF sont fixées entre une paire de plaques en aluminium ayant une épaisseur de G, 3 mm. comme décrit ci-dessus pour 1 exemple 1. Le d37 apparent de ce dispositif est approximativement 414 à 50 Hz, comme indiqué sur la Fig. 13B.

EXEMPLE No. 4
On dispose une paire de feuilles de caoutchouc silicone rouge, dureté 30, (mesurée au durometre). (CHR Industries. Inc.), d'une épaisseur de 6.3
2 mm et approximativement d'une surface de 17,7 cm de manière à prendre en sandwich la pièce unique en fluorure de polyvinylidène. ici approximativement d'une superficie de 16.2 cm2 en utilisant des plaques d'aluminium d'une épaisseur de G, 3 mm. comme décrit ci-dessus dans 1 exemple 1. Le d33 apparent (voir
Fig. 138) mesuré à partir de ce dispositif est approximativement 1420 à 50 Hz.

Les exemples 5-8 suivants ont une construction similaire a celle représentée à la Fig. 6 sauf que I "s couches de relâchement de contraintes 76a et 76b sont disposées entre les plaques 72 et 74 et l'élément transducteur ES, comme indiqué sur la Fig.

6B.

EXEMPLE No. 5 On dispose une p aire * dr feuilles de caout - chouc si@icone rouge. dureté 30 (mesurée au duromètre). (CHR Industi@es. In@.). @ha@une d'une épaisseur
2 de 6,3 mm et d'une superficie de 17,7 cm , de manière à prendre en sandwich la pièce unique en fluorure de polyvinylidène d'une superficie approximative de 16.1 cm . Les feuilles de caoutchouc et la couche en PVDF sont à leur tour prises en sandwich entre une paire de couches en mousse silicone brune d'une épaisseur de 3.2 mm de manière à fournir une couche de relachement de contraintes.Cette disposition est ensuite maintenue entre une paire de plaques en aluminium d'une épaisseur de 6,3 mm et d une surface approximative de
2 22,6 cm , comme décrit dans l'exemple 1. Le d33 apparent (Fig. 13C) de ce dispositif est approximativement 3740 à 50 Hz.

EXEMPLE No. 6
On dispose une paire de feuilles de caoutchouc silicone rouge. dureté 30 (mesurée du durometre). (CHR Ind. Inc.). de maniere à prendre en sandwich une couche d'une surface de 12,9 cm2 en fluorure de polyvinylidène, comme décrit ci-dessus. de manière à former l'élément détecteur de force. On dispose ensuite une paire de couches de caoutchouc.

dureté 30 (mesurée du duromètre), d d'une épaisseur de 6.3 mm. de manière à prendre en sandwich l'élément détecteur de force. Cette disposition est prise en sandwich entre les plaques d aluminium d'une épaisseur de 6,3 mm, comme décrit pour l'exemple 1. Le d33 apparent (Fig. 13E) à 50 Hz pour cette disposition est de 1400.

EXEMPLE No. 7
On construit l'exemple No. 7 de la meme manière que l'exemple 6 sauf que l'on utilise une paire de plaques en fibres de verre d'une épaisseur de 3,2 mm à la place des plaques en aluminium d une épaisseur de 6.3 mm. Le d33 apparent à 50 Hz avec cette disposition est de 2260.

EXEMPLE No. 8
On utilise une paire de feuilles en caoutchouc silicone rouge. dureté 70 (mesurée du duromètre), (CHR. Ind. Inc.), chacune d'une superficie de 17,7 cm2 et d'une épaisseur de 3.2 mm, pour prendre en sandwich une feuille unique d une surface approximative de 12,9 cm2 pour former le détecteur composite.

Le détecteur composite est à son tour pris en sandwich entre des couches en mousse silicone brune. d'une épaisseur de 3,2 mm, de manière à fournir un relachement de forces de cisaillement. Cette combinaison est prise en sandwich entre une paire de plaques en fibres dc verre en type G-10. Le d33 apparent (Fig. 13E) de cette disposition est de 1490 à 50 Hz.

Les exemples @ - 11 ont une construction similaire à celle de la Fig. 6. sauf que l'on utilise la tension d un ressort entre les plaques plutôt que la pression de vis de torsion.

EXEMPLE No. 9
On prend en sandwich entre une paire de feuilles en urethanne blan@ d'une épaisseur de 3 , 2 mm, une couche en PVDF d'une superficie de 17,7 cm2, comme décrit ci-dessus, de manière à fournir le détecteur de force. Le détecteur de force est alors fixé entre une paire de plaques en aluminium sous la pression de ressorts plutôt que sous la pression de vis de torsinon Le d33 apparent de cette disposition est de 202 à 50 Hz.

EXEMPLE No. 10
On construit le dispositif tel que décrit à l'exemple No.9 q s a sduf f rlue les feuilles en uréthanne blanc d'une épaisseur de 3,2 mn sont remplacées par des feuilles en vinyle clair d'une épaisseur de 3,2 mm. Le e d33 apparent à 50 Hz est de 607.

EXEMPLE No. 11
On construit le dispositif tel que décrit pour l'exemple No. 10 de manière à comprendre une paire de feuilles en caoutchouc silicone rouge, de dureté 30
(mesurée au duromètre). d'une épaisseur de 6.3 mm
(CHR. Ind. Inc.), disposées entre les plaques d'alu- minium et la pair de couches en vinyle clair d'une épaisseur de 3,2 mm qui prennent en sandwich le PVDF, de manière à fournir un reláchement de cisaillement de contraintes entre les plaques d aluminium et les couches de vinyle. Le d33 apparent est de 2890 à 50 Hz.

On construit les exemples No, 12-16 de la méme maniere que représentée a la Fig. 1D. On sépare alternativement une multitude de couches d'une épaisseur de 9 micromètres Cri matériau PVDF par une multitude de couches formées d'un matériau élastique ou élastomère, de maniere a fournir un détecteur de force composite. Ce détecteur de force composite est alors dispose entre une paire de palets en aluminium mais n'est pas fixe entre les palets en aluminium.

Cette disposition est alors placée dans un appareil qui applique une force connue au détecteur composite.

de manière à ce que la force et la charge produites à partir du détecteur puissent étre mesurées et comparées, de manière à fournir un d33 apparent.

EXEMPLE No. 12
On dispose six couches de feuilles de caoutchouc, d'une épaisseur de 3.2 mm et d'un diamètre de 50,8 mm, de manière à prendre alternativement en sandwich cinq couches de PVDF d'une épaisseur de 9 micromètres, comme dé@rit ci-dessus. Ce détecteur de force composite est alors disposé entre des palets en aluminium d'une épaisseur de 50,8 mm. Le d33 apparent à 1672 Hz est de 4150. Il est à noter qu'une couche de PVDF de 9 micrométres ou cinq de ces couches connectées en série c, @@@ couche élastomère possè- dent une sensibilité à la charge de -33p C/N. Quand celles-ci sont placées dans un boitier (tel que représente à la Fig. 3A) et lorsqu'on fait la mesure dans une chambre à air, d est de 2250 tout au long de la bande de fréquence de la chambre (de 10 Hz à 300
Hz).Une courbe du log de la sensibilité à la charge en fonction du log de la fréquence est représentée à la Fig. 14A pour l'élément détecteur de force et une courbe de la réponse en voltage Mo pour un volt par microPascal (db re 1V/ Pa) est représentée à la Fig.

15A pour le detecteur de force enfermé dans le boi- tier.

EXEMPLE No. 13
On construit le dispositif tel que décrit à l'exemple No.12 sauf que le caoutchouc de dureté 30, (mesurée du duromètre) est remplacé par un caoutchouc silicone, dureté 70, (mesurée du duromètre), d d'une épaisseur de 3,2 mm. Le d33 apparent (Fig. 14B) à 960 Hz est de 1170. Ce dispositif est testé dans le même boitier dans l'eau qu'à l'exemple 12. Il montre un Mo = -185.0 db re 1V/ Pa, comme indiqué à la Fig.

15B.

EXEMPLE No. 14
On dispose cinq feuilles de PVDF d'une épaisseur de 30 micrométres (obtenues de Pennwalt) , de manière à étre prises en sandwich par six feuilles de caoutchouc silicone dureté 30 (mesurée du duromètre) d'une épaisseur de 3,2 mm. Le d33 apparent (Fig. 14C) à 500 Hz est de 2100. ne courbe de Mu en fonction de la fréquence, pour l'exemple No. 14, est représentée à la Fi. t5C.

EXEMPLE No. 15
On espace dix couches de PVDF de 9 micromètres d'épaisseur par neuf couches de caoutchouc silicone rouge, dureté 30 (mesurée du durométre), d d'une épaisseur de 3,2 mm avec deux couches de caoutchouc silicone rouge, dureté 30 (mesurée du duromètre), d une épaisseur de 3,2 mm, disposées par-dessus la combinaison précédemment mentionnee de couches, de manière à fournir un détecteur de force. Le d33 apparent de cet arrangement est de 2100 à 432 Hz.

EXEMPLE No. 16
On dispose six couches d'un caoutchouc connu sous le terme silastic E, fabriqué par Dow Corning de manière à prendre en sandwich cinq couches de PVDF d une épaisseur de 50 micromètres. Le d33 apparent (Fig.

14D) de cette disposition est de 1700 p C/N à 720
Hz.

Claims

REVENDICATIONS

1 . Combinaison d'une couche compr(?nant un matériau piezoélectrique ayant une paire d'électr@des disposes sur ses surfaces opposées ; et de moyens pour concentrer sur le matériau piezoélectrique les efforts dérivés de forces appliquées sur la combinaison.
2. Combinaison selon la revendication 1.

caractériée en ce que la couche de matériau piézoélectrique et la paire d'électrodes ont un premier

Module de Young prédéterminé et en ce que les moyens de concentration comprennent deux couches d'un matériau ayant un second Module de Young relativement petit par rapport au module de Young du matériau piézoélectrique et de la paire d'électrodes, lesdites couches de matériau de petit Module de Young étant disposées sur des surfaces majeures opposées de ladite couche de matériau piézoélectriquc
3.Combinaison selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matériau desdits moyens de concentration est choisi dans le groupe constitué par les caoutchoucs naturels, les caoutchoucs s yn thèti- ques, les résines d époxy, d uréthanne, de vinyle ainsi que les matériaux omposites formés par lesdits matériaux.
4. Combinaison selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matériau formant les moyens de concentration est choisi dans le group constitué par les caoutchoucs naturels, les caoutchoucs synthétiques et les résines de vinyle.
5. Combinaison selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdites couches sont disposées sur la couche piézoélectrique de manière à développer un effort relativement grand dans ladite couche, en réponse å uri effort appliqué duxdites couches, et transfèrent ledit effort au matériau piézoélectrique.
6 - Combinaison selon la revendication 3, caractérisee en ce que le matériau piézoélectrique est choisi dans le groupe constitué par le fluorure de polyvinylidène, les copolymères à base de fluorure de polyvinylidéne, le titanate de baryum, le titanatezirconate de plomb et de tétrafluorothylène.
7. Combinaison selon la revendication 5, caractérisée en ce que le matériau piézoélectrique est du fluorure de polyvinylidène et des copolymères à base de fluorure de polyvinylidène;
8. Détecteur comprenant - une feuille d'un matériau piézoélectrique ayant deux couches formant des électrodes disposées sur ses surfaces opposées, ayant un premier Module de Young prédéterminé ; et - deux couches d'un matériau ayant un second Module de Young plus petit que le Module de Young du matériau piézoélectrique, lesdites couches étant disposées en un rapport de couplage d'effort auxdites deux électrodes disposées sur le matériau piézuélectrique.
9. Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit matériau possède un Module de Young d'au moins environ un ordre de grandeur de moins que le Module de Young de la feuille de matériau piezoélectrique.
10. Détecteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit matériau est choisi dans le groupe comprenant les caoutchoucs naturels, les caoutchoucs synthétiques, les résines J'époxy, d'uréthanne et de vinyle.
11, Détecteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le produit de l'épaisseur de ladi te feuille de matériau piézoélectrique par son Module de Young correspond sensiblemnt aux produits de 1 e- paisseur de chacune desdites feuilles élastiques par leur Module de Young respectif.
12. Détecteur sel un la revendication 11, caractérisé en ce que ledit matériau piézoélectrique est choisi dans le groupe constitué par le fluorure de polyvinylidéne, les copolymères à base de fluorure de polyvinylidéne, le titanate de baryum, le titanatezirconate de plcmb et le tétrafluoroéthylène.
13. Détecteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit matériau piézoélectrique est le fluorure de polyvinylidène.
14. Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau des deux couches disposées sur les électrodes à un coefficient de Poisson dans la plage d'environ 0,3 à 0,5.
15. Détecteur selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit matériau a un Module de

Young d'au moins environ un ordre de grandeur de moins que le Module de Young de la feuille de matériau pié zoélectrique.
16. Détecteur selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit matériau est choisi dans le groupe constitué par les caoutchoucs naturels, les caoutchoucs synthétiques, les résines d'èpoxy, d'uréchanne et de vinyle.
17. Détecteur selon la revendication 15, caractérisé en ce que le pr@duit de l'épaisseur de ladite feuille de matériau piézoélectrique par son

Module de Youny correspond sensiblement aux produits de l'épaisseur de chacune desdites feuilles élastiques par leur Module de Young respectif.
18. Détecteur selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit matériau piézoélectrique est choisi dans le groupe constitué par le fluorure de polyvinylidène, les copolymres à base de fluorure de polyvinylidène, le titanate de baryum, le titanatezirconate de plomb et le tétrafluorothylène.
19. Détecteur selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit matériau piézoélectrique est le fluorure de polyvinylidéne.
20. Détecteur selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit matériau a un Module de

Young d'au moins environ deux ordres de grandeur de moins que le module de Young de la feuille de matériau piézoélectrique.
21. Détecteur composite comprenant des pretiers moyens destins à fournir une pluralité de régions successives entre des portions successives d'un matériau ayant un Module de Young bas ; et des seconds moyens destinés à fournir une interaction piézoélec- trique, disposés entre lesdites régions successives comprises entre les portions successives du matériau ayant un Module de Young bas, lesdits seconds moyens comprenant un matériau ayant un Module de Young plus élevé que celui des premiers moyens.
22. Detecteur selon la revendication 21, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens enrobent lesdits seconds moyens.
23. Détecteur selon la revendication 22, caractérisé en ce que le matériau desdits premiers moyens est choisi dans le groupe constitué par les caoutchoucs naturels, les caoutchoucs synthétiques, les résines d'époxy, d'uréthanne et de vinyle.
24. Détecteur selon la revendication 23, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens comprennent un matériau choisi parmi le groupe constitué par le fluorure de polyvinylidère, les copolymères à bdse de fluorure de polyvinylidene, le titanate de baryum, ,te t titanate-zirconate de plomb et 1 tétrafluoroethy- lente.
25. Détecteur selon la revendication 23, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens comprennent le fluorure de polyvinylidéne.
26. Détecteur selon la revendication 21, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens comprennent une pluralité de feuilles séparées dudit matériau ayant un Module de Youny bas, et en ce que des portions choisies desdits second moyens sont disposées entre lesdites feuilles successives dudit matériau ayant un Module de Young bas.
27. Détecteur selon la revendication 26, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens enrobent lesdits seconds moyens;
28. Détecteur selon la revendication 27, caractérisé en ce que le matériau desdits premiers moyens est choisi dans le groupe constitué par les caoutchoucs naturels, les caoutchoucs synthétiques, les résines d'époxy, d'uréthanne. et de vinyle.
29. Détecteur selon la revendication 28, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens comprennent un matériau choisi dans le groupe comprenant le fluorure de polyvinylidéne, les copolymères à base de fluorure de polyvinylidéne, le titanate de baryum, de titanate-zirconate de plomb et de ttrafluoroéthylène.
30. Détecteur selon la revendication 28, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens comprennent le fluorure de polyvinylidéne.
31 . Transducteur comprenant un boitier, un détecteur de force disposé dans ledit boitier et comprenant une pluralite de feuilles en un matériau élas tique, et des moyens destines à fournir une interac- tion piézoélectrique, disposés entre des feuilles suc ces s ives Je ladite pluralité de feuilles Cri nia tèriau élastique ; et des moyens disposés sur des surfaces opposées dudit bo1tier, destines à transférer les contraintes appliquées sur eux audit détecteur de force
32.Transducteur selon la revendication 31, caractérisé en ce que ledit boitier comprend deux plaques en un matériau rigide et flexible, ledit détecteur de force étant disposé entre ces plaques et ces plaques étant fixées l'une à l'autre.
33. Transducteur selon la revendication 32, caractérisé en ce que lesdites plaques sont composées d'un matériau choisi dans le groupe constitué par l'a- cier inoxydable, la fibre de vetre et l'aluminium.
34. Transducteur selon la revendication 32, caractérisé en ce qu'il comp@end en outre des moyens destinés à fournir un relâchement de contrainte, disposés entre chaque plaque et ledit détecteur de force.
35. Transducteur selon la revendication 32, caractérisé en ce que ledit transducteur est disposé dans une enveloppe hydrostatique remplie d'un fluide de couplage d'efforts.
36. Transducteur selon la revendication 31, caractérisé en ce que ledit boitier comprend un materiau élastique rigide disposé de manière à renfermer ledit détecteur de force.
37. Transducteur selon la revendication 36, caractérisé en ce que ledit matériau élastique rigide est choisi dans le groupe constitué par les plastiques thermo-retractables, les plastiques thermo-soudables et les aciers inoxydables.
38. Transducteur selon la revendication 31 caractérisé en ce que ledit boitier comprend - un conteneur dans lequel est disposé ledit détecteur de force, - deux membranes minces flexibles disposées en un rapport de transfert de contraintes a l'élément détecteur de force, - et des moyens de fixation des membranes au cunte- neur.
39. Transducteur selon la revendication 38, caractérisé en ce que ledit détecteur de force est disposé dans ledit conteneur et en ce qu'un jeu de relachement cte contraintes est prévu entre des bords dudit conteneur et des bords dudit détecteur de force, de manière à permettre une expansion libre du détecteur de force en réponse à l'application de forces audit détecteur de force.
40. Transducteur selon la revendication 39, caractérisé en ce que ledit buitier comprend un élé- ment cylindrique creux, ledit détecteur de force etant enroulé autour d une régi on et disposé à l intérieur dudit élément cylindrique ; deux éléments à diaphragme disposés sur des surfaces opposées dudit élément cylindrique dans un rapport de couplage d'efforts aux bords dudit détecteur enroulé ; et des éléments formant capuchons d'extrémités disposés sur les extrémi- tés dudit élément cylindrique et desdits éléments à diaphragme.
41. Détecteur de force selon la revendication 31 , comprenant en outre un élément longitudinal rigide, ledit détecteur de force étant enroulé autour de cet élément et cet élément étant fixé auxdits capuchons.