Domaine technique

La présente invention se rapporte au domaine de la caractérisation de matériau, par exemple et non limitativement un échantillon d'os, en particulier à l'aide de techniques de spectroscopie par résonance ultrasonore.

Plus spécifiquement, la présente invention concerne un transducteur.

La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un tel transducteur ainsi qu'un dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore comprenant un ou plusieurs transducteurs selon l'invention. État de la technique antérieure

On connaît dans l'état de la technique antérieure des dispositifs de spectroscopie par résonance ultrasonore tels que décrits dans les documents suivants :

- Characterization of thin films and novel materials using résonant ultrasound spectroscopy , J. R. Gladden, 2003, ci-après "Gladden

2003" ;

- Measurement of elastic constants of polycrystals by the résonance method in a cylindrical spécimen, M . Senoa, T. Nishimura & M . Hirano, Bull . JSME (Japan Soc. Mech'l Engineers), 27, 2239-2346, 1984, ci-après "Hirano 1984" ;

- Complète mode identification for résonance ultrasound spectroscopy, H. Ogi, K. Sato, T. Asada & M . Hirao, J. Acoust. Soc. Am. 112, 2553, 2002, ci-après "Hirao 2002".

Gladden 2003 décrit un dispositif comprenant deux transducteurs piézoélectriques. Chaque transducteur comprend une pièce de contact dotée d'une surface plane. Un échantillon à analyser est maintenu entre les surfaces planes des pièces de contact des deux transducteurs.

Un inconvénient d'un tel dispositif concerne la présence de modes parasites aux moyennes et basses fréquences.

Le dispositif de Hirano 1984 comprend aussi deux transducteurs piézoélectriques, chacun comprenant une pièce de contact dotée d'une pointe. L'échantillon à analyser est maintenu entre les pointes des deux transducteurs.

Les dispositifs selon Gladden 2003 ou Hirano 1984 limitent le nombre de degrés de liberté de l'échantillon, ce qui favorise l'apparition de modes rigides aux fréquences basses et un décalage des fréquences propres supérieures.

Un autre type de dispositifs est décrit dans Hirao 2002 qui divulgue un système comprenant deux transducteurs piézoélectriques et une troisième pointe passive. Chaque transducteur comprend une pièce de contact dotée d'une pointe. L'échantillon à analyser est placé en équilibre sur les pointes des deux transducteurs et de la troisième pointe.

Un inconvénient de ce type de dispositif consiste dans la présence de modes propres des pointes elles-mêmes.

De plus, ce type de dispositif n'est pas adapté à l'analyse d'échantillons de petite taille, typiquement dont la plus importante dimension serait inférieure à 10 mm.

La présente invention a notamment pour objectif de proposer un transducteur piézoélectrique et un dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore permettant de limiter les contraintes mécaniques statiques appliquées à l'échantillon et/ou permettant et/ou facilitant l'analyse d'un échantillon de taille relativement petite et/ou de géométrie variable et/ou complexe.

Exposé de l'invention

À cet effet, l'invention propose un transducteur piézoélectrique comprenant une pastille piézoélectrique et une pièce de contact empilée sur la pastille piézoélectrique, la pièce de contact formant des pointes dont le sommet respectif constitue des points de contact spatialement isolés les uns par rapport aux autres, ce transducteur étant agencé pour établir un contact mécanique, par l'un au moins des points de contact, avec un échantillon à analyser.

De préférence, les points de contact peuvent être répartis sur une surface convexe.

Les points de contact peuvent ainsi former une surface discrète convexe. Par ailleurs, les points de contact peuvent être répartis de sorte qu'aucun plan géométrique ne passe par plus de trois desdits points de contact, ou qu'aucun plan géométrique ne passe à moins de 0,5 pm de plus de trois desdits points de contact.

Une telle géométrie des points de contact permet de limiter les contraintes appliquées à l'échantillon en apportant un positionnement isostatique. Par exemple, si l'échantillon présente une surface plane, cette surface plane de l'échantillon ne peut être mise en contact avec plus de trois points de contact du transducteur.

Dans un mode de réalisation, les pointes peuvent avoir une hauteur comprise entre 1 pm et 10 mm, de préférence comprise entre 20 pm et 3 mm, plus préférentiellement comprise entre 50 pm et 1 mm.

Dans un mode de réalisation, les points de contact peuvent être régulièrement espacés entre eux avec un pas compris entre 1 pm et 10 mm, de préférence compris entre 20 pm et 3 mm, plus préférentiellement compris entre 50 pm et 1 mm.

De telles dimensions sont notamment adaptées à l'analyse d'échantillons de taille relativement petite, et permettent de repousser les fréquences propres des pointes au-delà de la bande passante utile du transducteur, typiquement, au-delà de 1MHz.

De préférence, la pièce de contact peut être en un matériau dont le rapport JT _c /d _c est supérieur à 1 GPa ^1/2 *cm ³ /g, de préférence supérieur à 2 GPa ^1/2 *cm ³ /g, plus préférentiellement supérieur à 2,5 GPa ^1/2 *cm ³ /g, avec E _c le module de Young de ce matériau et d _c la densité de ce matériau.

Par exemple, la pièce de contact peut comprendre ou consister en du diamant polycristallin et/ou du nitrure de bore cubique polycristallin et/ou du béryllium et/ou de l'aluminium et/ou du magnésium.

Dans un mode de réalisation, la pièce de contact forme, dans un plan transversal, un disque tronqué radialement.

Une telle troncature libère un espace permettant de souder des câbles de connexion électronique de la pastille piézoélectrique. Le transducteur piézoélectrique peut comprendre en outre un support, et la pastille piézoélectrique peut être montée entre le support et la pièce de contact.

De préférence, le support peut être en un matériau dont le rapport _T fE _s ^~ /d _s est supérieur à 3 GPa ^1/2 *cm ³ /g, de préférence supérieur à 4 GPa ^1/2 *cm ³ /g, plus préférentiellement supérieur à 6 GPa ^1/2 *cm ³ /g, avec E _s le module de Young de ce matériau et d _s la densité de ce matériau.

Par exemple, le support peut comprendre ou consister en du diamant polycristallin et/ou du nitrure de bore cubique polycristallin et/ou du béryllium et/ou du carbure de silicium et/ou de l'alumine.

Un tel support permet de rigidifier le transducteur et de relever les premiers modes propres typiquement au-delà de 1 MHz.

De préférence, le support est axisymétrique.

D'une part, un support axisymétrique est plus facile à réaliser. D'autre part, cela permet de rigidifier uniformément le transducteur.

De préférence, le support cylindrique présente un rapport h/ds compris entre 0,3 et 2, de préférence compris entre 0,4 et 1,5, plus préférentiellement compris entre 0,6 et 1, avec h la hauteur et ds le diamètre de ce support cylindrique.

De telles dimensions du cylindre permettent d'augmenter de manière optimale la valeur de la première fréquence propre, en particulier lorsque le support est du type cylindre droit.

Selon une variante de réalisation, le support peut être une sphère tronquée axialement de manière à former une surface de montage, et la pastille piézoélectrique peut être montée sur cette surface de montage.

Pour réaliser un tel support sphérique, on peut utiliser par exemple des billes de roulement rodées dans des matériaux très durs (carbure de silicium, etc.). De telles billes de roulement sont disponibles dans le commerce à très bas coût.

Dans un mode de réalisation, le transducteur piézoélectrique peut comprendre en outre : - un élément porteur, et

- un ou plusieurs éléments de positionnement,

ce ou ces éléments de positionnement reliant le support et l'élément porteur et étant en un matériau dont la raideur est inférieure à 200 MPa, de préférence inférieure à 50 MPa, plus préférentiellement inférieure à 10 MPa.

De préférence, le ou les éléments de positionnement peuvent être agencés pour filtrer les fréquences d'ondes acoustiques supérieures à 5 kHz, de préférence supérieures à 1 kHz, plus préférentiellement supérieures à 100 Hz.

Ce ou ces éléments de positionnement constituent ainsi un filtre passe- bas (vibratoire).

De préférence, le transducteur piézoélectrique peut être agencé pour émettre et/ou recevoir des ondes acoustiques de fréquences comprises entre 5 kHz et 1 MHz, ou plus largement comprises entre 1 kHz et 10 MHz, ou préférentiellement encore plus largement comprises entre 100 Hz et 100 MHz.

Un tel transducteur est donc adapté à la spectroscopie par résonance ultrasonore.

De préférence, la pièce de contact peut comprendre au moins neuf pointes, de préférence au moins seize pointes, plus préférentiellement au moins vingt-cinq pointes. Selon un autre aspect, la présente invention concerne aussi un dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore comprenant au moins un transducteur piézoélectrique selon une combinaison choisie des caractéristiques décrites ci-dessus.

De préférence, ce dispositif de spectroscopie peut comprendre deux transducteurs piézoélectriques selon une combinaison choisie des caractéristiques décrites ci-dessus, et les directions dans lesquelles s'étendent les pointes de l'un desdits deux transducteurs piézoélectriques peuvent être :

- parallèles, ou - peuvent croiser les directions dans lesquelles s'étendent les pointes de l'autre desdits deux transducteurs piézoélectriques, les points de croisement desdites directions étant situés dans le sens dans lequel s'étendent les pointes depuis leur base jusqu'aux points de contact. Un dispositif comprenant deux transducteurs selon l'invention permet d'analyser des échantillons de géométrie variable et/ou complexe, tout en limitant les contraintes statiques appliquées à l'échantillon par un placement judicieux de l'échantillon sur les pointes. Selon un autre aspect, la présente invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une pièce de contact pour transducteur piézoélectrique selon une combinaison choisie des caractéristiques décrites ci-dessus, ce procédé comprenant une étape d'usinage des pointes par électroérosion par fil.

Ce type d'usinage permet de réaliser avec précision des pièces de contact selon l'invention, en particulier pour des dimensions de pointe telles que celles mentionnées ci-dessus.

De préférence, l'étape d'usinage des pointes peut comprendre :

- une première série de lignes de découpe par électroérosion de la pièce de contact parallèles à un premier axe d'érosion,

- une deuxième série de lignes de découpe par électroérosion de la pièce de contact parallèles à un deuxième axe d'érosion, le premier axe d'érosion n'étant pas parallèle au deuxième axe d'érosion.

Description des figures et modes de réalisation D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :

la figure 1 est une vue en perspective d'une pièce de contact de transducteur selon l'invention ;

- la figure 2 et la figure 3 sont des vues en perspective d'un transducteur selon une variante de l'invention ;

la figure 4 est une vue en perspective d'un transducteur selon une autre variante de l'invention ; la figure 5 est une vue en perspective d'une partie de dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore selon l'invention, comprenant le transducteur de la figure 2 et 3 ;

la figure 6 est une vue en perspective partielle d'un dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore selon l'invention, comprenant deux transducteurs ;

la figure 7 est une vue en coupe d'une pièce de contact de transducteur selon l'invention ;

la figure 8a et la figure 8b représentent schématiquement une pointe de pièce de contact de transducteur selon l'invention.

Les modes de réalisation décrits ci-après n'étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites, même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.

Transducteur piézoélectrique

Les figures 2 à 4 montrent des transducteurs piézoélectriques selon l'invention. Ces transducteurs comprennent un empilement, typiquement avec collage, d'un support 3 axisymétrique, d'une pastille piézoélectrique 2 et d'une pièce de contact 1, la pastille piézoélectrique 2 étant montée entre le support 3 et la pièce de contact 1.

Support du transducteur

Le support 3 du transducteur des figures 2 et 3 est cylindrique et peut typiquement présenter un rapport h/ds compris entre 0,3 et 2, de préférence compris entre 0,4 et 1,5, plus préférentiellement compris entre 0,6 et 1, avec h la hauteur (typiquement comprise entre 2 et 20 mm) et ds le diamètre (typiquement compris entre 2 et 30 mm de ce support cylindrique 3.

Le support 3b du transducteur de la figure 4 est une sphère (de diamètre typiquement compris entre 3 et 30 mm) tronquée axialement. La troncature forme une surface de montage sur laquelle est montée la pastille piézoélectrique 2.

Du point de vue de la composition du support 3, celui-ci peut :

- être en un matériau dont le rapport JT _s /d _s est supérieur à 3 GPa ^1/2 *cm ³ /g, de préférence supérieur à 4 GPa ^1/2 *cm ³ /g, plus préférentiellement supérieur à 6 GPa ^1/2 *cm ³ /g, avec E _s le module de Young et d _s la densité de ce matériau ; et/ou

- comprendre ou consister en du diamant polycristallin et/ou du nitrure de bore cubique polycristallin et/ou du béryllium et/ou du carbure de silicium et/ou de l'alumine.

Pièce de contact du transducteur

La figure 1 représente la pièce de contact 1 du transducteur des figures 2 à 4.

On voit sur la figure 1 que la pièce de contact 1 forme des pointes 10 dont le sommet respectif constitue des points de contact 11 spatialement isolés les uns par rapport aux autres.

Les points de contact 11 du transducteur sont prévus pour mettre le transducteur en contact, par un nombre limité de ces points de contact 11, avec un échantillon à analyser, tel qu'illustré en figure 7. La figure 7 montre un échantillon E2 en contact avec deux points de contact 11b de la pièce de contact lb.

Autrement dit, le transducteur selon l'invention est agencé pour établir un contact mécanique, par l'un au moins des points de contact, avec un échantillon à analyser.

Bien sûr, compte tenu des techniques d'usinage connues, les points de contact 11c forment en réalité non pas un « point » en tant que tel mais une surface lld, du moins en-deçà d'une certaine échelle d'observation d'une pointe 10c (voir figures 8a et 8b). Toutefois, cette surface doit être de dimension négligeable par rapport aux dimensions du transducteur. La figure 7 fait apparaître une répartition des points de contact 11b en une surface SI convexe.

La surface SI est dite convexe car elle apparaît convexe vue depuis l'extérieur de transducteur. Autrement dit, la surface SI est concave du côté des pointes 10 et convexe de l'autre côté.

Ainsi, les points de contact 11 de la pièce de contact 1 des figures 1 à 4 forment de préférence une surface discrète convexe.

Les points de contact 11 sont répartis de sorte qu'aucun plan géométrique ne passe par plus de trois desdits points de contact 11, ou aucun plan géométrique ne passe à moins de 0,5 pm de plus de trois desdits points de contact 11.

D'un point de vue dimensionnel :

- les points de contact 11 peuvent être régulièrement espacés entre eux avec un pas Dl (de préférence constant, mais pas nécessairement) compris entre 1 pm et 10 mm, de préférence compris entre 20 pm et 3 mm, plus préférentiellement compris entre 50 pm et 1 mm, et/ou

- les pointes 10 peuvent avoir une hauteur D2 comprise entre 1 pm et 10 mm, de préférence comprise entre 20 pm et 3 mm, plus préférentiellement comprise entre 50 pm et 1 mm.

Concernant sa composition, la pièce de contact 1 peut :

- être en un matériau dont le rapport JT _c /d _c est supérieur à 1

GPa ^1/2 *cm ³ /g, de préférence supérieur à 2 GPa ^1/2 *cm ³ /g, plus préférentiellement supérieur à 2,5 GPa ^1/2 *cm ³ /g, avec E _c le module de Young et d _c la densité de ce matériau ; et/ou

- comprendre ou consister en du diamant polycristallin et/ou du nitrure de bore cubique polycristallin et/ou du béryllium et/ou de l'aluminium et/ou du magnésium.

En référence aux figures 1 à 6, la pièce de contact 1 forme, dans un plan transversal, un disque tronqué radialement. Comme illustré en figure 5, une telle troncature libère un espace et permet, malgré l'empilage de la pastille piézoélectrique 2 avec la pièce de contact 1, de souder des câbles 81 et 82 sur deux bornes de la pastille piézoélectrique 2 situées sur un dessus de cette pastille, une première de ces bornes étant reliée électriquement à une face de la pastille piézoélectrique 2 et une deuxième de ces bornes étant reliée électriquement à l'autre face de la pastille piézoélectrique 2.

La pièce de contact 1 peut comprendre au moins neuf pointes, de préférence au moins seize pointes, plus préférentiellement au moins vingt- cinq pointes.

Pastille piézoélectrique 2

On utilise pour la pastille 2 typiquement une pastille en PZT (Lead Zirconate Titanate) d'épaisseur comprise entre 0,05 et 3 mm.

Transducteur + support

Dans les modes de réalisation des figures 2, 3, 5 et 6, le transducteur comprend des éléments de positionnement 41, 42 et 43 visibles en figure 3.

De préférence, ces éléments de positionnement 41, 42 et 43 peuvent être en un matériau dont la raideur est inférieure à 200 MPa, de préférence inférieure à 50 MPa, plus préférentiellement inférieure à 10 MPa, comprenant ou consistant typiquement en du silicone ou polyuréthane.

En outre, ces éléments de positionnement 41, 42 et 43 peuvent être agencés pour filtrer les fréquences d'ondes acoustiques supérieures à 5 kHz, de préférence supérieures à 1 kHz, plus préférentiellement supérieures à 100 Hz. Pour obtenir un tel agencement de filtration d'ondes acoustiques, on peut par exemple utiliser trois plots de silicone de diamètre 1,5 mm et d'épaisseur 0,5 mm, dans la mesure où le transducteur a une masse de l'ordre de 0,3 grammes.

En référence à la figure 5, le transducteur 9 est typiquement monté sur un élément porteur 7 par les éléments de positionnement 41, 42 et 43.

L'élément porteur 7 est par exemple un circuit imprimé en résine époxy de type FR-4. Typiquement, la pastille piézoélectrique du transducteur 9 est reliée à un module d'adaptation d'impédance 6, typiquement à 50 Ohms, par des câbles 81 et 82. Des câbles 83 et 84 relient ce module 6 à des points de fixation du circuit 7.

Dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore

La figure 6 représente un dispositif de spectroscopie par résonance ultrasonore selon l'invention.

Un échantillon El à analyser est positionné sur deux transducteurs piézoélectriques 9a et 9b de forme globalement cylindrique, conformes au transducteur des figures 2 et 3.

Typiquement, l'un 9a des transducteurs fonctionne en émetteur et l'autre 9b en récepteur.

Les deux transducteurs 9a et 9b sont agencés pour ne pas pincer entre eux l'échantillon, ce qui augmente le nombre de degrés de liberté de l'échantillon El par comparaison avec des dispositifs de l'état de la technique antérieure tels que ceux décrits dans Gladden 2003 et Hirano 1984.

Le positionnement relatif des deux transducteurs 9a et 9b, en angles et en distance, doit être ajusté en fonction de la taille et de la forme de l'échantillon El .

Dans le cas illustré en figure 6, la direction dans laquelle s'étend l'un 9a des deux transducteurs croise la direction dans laquelle s'étend l'autre 9b transducteur. Autrement dit, l'axe du support cylindrique du transducteur 9a croise l'axe du support cylindrique du transducteur 9b.

Autrement dit, les directions dans lesquelles s'étendent les pointes du transducteur 9a croisent les directions dans lesquelles s'étendent les pointes du transducteur 9b.

En outre, les points de croisement desdites directions sont situés dans le sens dans lequel s'étendent les pointes depuis leur base jusqu'aux points de contact.

De préférence, une masselotte respectivement 5a et 5b est montée sur chacun des éléments porteurs 7a et 7b du côté opposé par rapport au transducteur 9a et 9b respectif. Les masselottes 5a et 5b peuvent être en plomb et peuvent être positionnées et présenter une masse et une forme aptes à stabiliser les transducteurs 9a et 9b par inertie.

Ces masselottes 5a et 5b sont aussi utiles pour réduire les fréquences propres de l'élément porteur 7.

De préférence, les transducteurs piézoélectriques 9a et 9b peuvent être agencés pour émettre et/ou recevoir des ondes acoustiques de fréquences comprises entre 5 kHz et 1 MHz, de préférence comprises entre 1 kHz et 10 MHz, plus préférentiellement comprises entre 100 Hz et 100 MHz.

Procédé de fabrication de la pièce de contact

La pièce de contact 1 est de préférence fabriquée par un procédé mettant en œuvre une étape d'usinage des pointes 10 par électroérosion par fil comportant :

- une première série de lignes de découpe par électroérosion de la pièce de contact 1 parallèles à un premier axe d'érosion,

- une deuxième série de lignes de découpe par électroérosion de la pièce de contact 1 parallèles à un deuxième axe d'érosion, le premier axe d'érosion n'étant pas parallèle au deuxième axe d'érosion.

Dans l'exemple de la figure 1, on voit que la pièce de contact 1 a été usinée avec un deuxième axe d'érosion perpendiculaire au premier axe d'érosion. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple :

- la pièce de contact 1 peut présenter une troncature différente de celle représentée aux figures 1 à 6, ou ne présenter aucune troncature notamment si le support axisymétrique et la pièce de contact sont électriquement conducteurs ;

- le support peut présenter toute forme axisymétrique, par exemple avec des génératrices paraboliques, permettant d'améliorer encore la performance de la première fréquence propre. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.