Brevet FR2100546A1 — publié le 19720324

a présente invention a essentiellement pour objet un dispositif horaire comportant un résonateur en forme de diapason fait en un matériau piézo-électrique tel qu'un quartz naturel ou synthétique et comportant une branche transversale et au moins deux branches longitudinalesdont les vibrations sont entretenues par un circuit oscillateur alimentant, par l'intermédiaire d'un diviseur de fréquences et d'un amplificateur, un moteur d'entre nement du rouage,par exemple un moteur synchrone ou pas à pas, ledit diapason étant muni d'électrodes constituées par des métalisations appliquées directement sur le matériau piézo-électrique et étant monté à l'intérieur d'une enceinte étanche et fixé à une embase ou analogue de ladite enceinte au moyen d'un dispositif de suspension électriquement conducteur. L'invention concerne plus particulièrement, quoique non exclusivement, les dispositifs horaires portatifs de très petites dimensions tels que des montres-bracelets Bes dispositifs de ce type actuellement connus, en particulier les montres, se heurtent aux difficultés qutil y a à concilier une grande-robuste-sse des pièces leur permettant de résister aux chocs auxquels elles sont fatalement soumises, une haute précision de fonctionnement, une simplification maximale de la fabrication en vue d'un prix de revient minimal et enfin une miniaturisation aussi poussée que possible. On sait que le diapason doit être monté à l'intérieur d'une enceinte sous vide à laquelle il doit etre fixé en évitant que la liaison nécessaire entraîne un couplage mécanique entre le diapason et son support. On a déjà proposé, dans le Cas d'un diapason en forme de U, de fixer la branche transversale du diapason directement sur l'embase en la noyant partiellement dans une masse de résine, les électrodes du diapason étant reliées, par des fils de connexion, à des conducteurs électriques traversant ladite embase. On a proposé également, dans le cas de diapason en forme de H, de fixer la branche transversale du diapason sur une platine intermédiaire, elle-meme portée par des conducteurs électriques traversant l'embase et auxquels les électrodes sont reliées par l'intermédiaire de fils de connexion. Ces fixations sont d'une réalisation relativement compliquée du fait en particulier qu'elles nécessitent l'utilisation de fils de connexion et elles ont de plus l'inconvénient de ne pas assurer une isolation mécanique suffisante entre le diapason et l'embase qui le supporte, d'où un couplage mécanique qui entraîne un amortissement exagéré des vibrations. Be dispositif selon l'invention permet d'éviter ces inconvénients du fait que le dispositif de fixation du diapason comporte deux tiges ancrées, par l'une de leurs extrémités, dans la branche transversale dudit diapason, chaque tige étant en contact électrique avec une électrode de polarité donnée située sur l'une des deux faces du diapason qui sont rallèles à l'axe électrique et avec une électrode de même polarité située sur la face opposée du diapason et reliant électriquement lesdites électrodes de même polarité audit circuit oscillateur. Les tiges précitées ont donc à la fois une fonction de suspension du diapason et une fonction de conduction électrique ce qui permet une simplification notable des opérations de fabrication et de montage. Selon une autre caractéristique de l'invention, les tiges précitées s'étendent parallèlement aux branches longitudinales du diapason, dans un plan perpendiculaire au plan de vibration et sont fixées, par leurs extrémités opposées, à deux broches électriquement conductrices traversant l'embase précitée L'utilisation de tiges de dimensions relativement importantes permet une fixation d'une grande robustesse tout en assurant un bon isolement mécanique entre ledit diapason et l'embase. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque tige précitée est engagée dans un passage traversant la branche transversale du diapason et débouchant de part et- d'autre de cette branche transversale dans deux régions métallisées de même polarité. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, chaque tige est s-cellée dans le passage qu'elle traverse au moyen d'une substance électriquement conductrice de façon à assurer la connexion électrique entre les deux régions métallisées précitées et ladite tige. Les tiges servant également de moyen de connexion électrique entre les régions métallisées prévues sur les faces opposées du diapason et permettent ainsi une simplification appréciable de la fabrication. Toujours selon l'invention les passages précités sont prévus dans la zone médiane de l'extrémité de la branche transversale ou pied du diapason. L'ancrage du diapason sur les tiges se fait donc en dehors de la zone participant à la flexion. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement au cours de la description qui va suivre. Dans les dessins annexés donnés un-iquement à titre d'exemple - la figure 1 est une vue en élévation latérale d'un diapason selon l'invention monté à l'intérieur d'une enceinte étanche, cette dernière étant représentée en coupe; - la figure 2 est une vue de dessous du diapason de la figure 1, l'enceinte étanche étant omise; - la figure 3 est une vue de dessus du diapason de la figure 1, enceinte étanche étant omise; - la figure 4 est une coupe selon la ligne IV-IV de la figure 1; - la figure 5 est une coupe son la ligne V-V de la figure 2, (s-eul le diapason étant représenté); - la figure 6 est une représentation, à plus petite échelle, du diapason selon l'invention non muni des métallisations et destinée à montrer les plans de vibration et de coupe du cristal;; - la figure 7 représente un mode de réalisation d'un circuit électronique du dispositif selon l'invention; - les figures 8, 9 et 10 représentent respectivement les courbes de drive en fréquence, de -consommation et de dérive thermique d'un dispositif selon l'invention. Selon le mode de réalisation représenté aux figures 1 à 6 le diapason 1, en forme de U,est réalisé en un matériau piézoélectrique à haute stabilité,tel un quartz naturel ou synthétique, taillé selon une figure d'orientation permettant d'obtenir une courbe de dérive thermique parabolique centrée sur une température moyenne d'utilisation donnée.La direction de coupe par rapport au système de référence du cristal (OX : axe électrique, OY : axe mécanique, OZ : axe optique), est déterminé par l'angle entre l'axe OY et l'axe 0V1 qui est parallèle aux faces du diapason, % peut être choisi avantageusement de +50 de façon à présenter une courbe de dérive thermique à faible variation au voisinage d'une température de 250C. Cette disposition assure un écart de marche extrêmement faible au voisinage de 250 ctest-à-dire de la température moyenne d'utilisation, même en l'absence de tout dispositif de compensation thermique et permet donc d'obtenir un dispositif horaire simplifié. Bien entendu l'adjonction d'un tel dispositif de compensation thermique permet d'obtenir une précision encore accrue comme il sera expliqué ci-après. Bes dimensions données au diapason sont fonction essentiellement du dispositif horaire auquel il est associé. A titre d'exemple un diapason utilisable pour une montre peut avoir une longueur totale de 12 mm, une largeur de 2 mm, une épaisseur de 0,5 mm, chacune des branches ayant une longueur de 7 mm et une section carrée de 0,5 x 0,5 mn, l'interstice entre ces branches étant par conséquent de 1 mm; la fréquence d'un tel microdiapason est de 8,192 Hz Dans l'exemple de réalisation représenté, le diapason 1, comporte, (voir en particulier la figure 6), une branche transversale 2 et deux branches longitudinales parallèles 3 et 4. Beys faces inférieure et supérieure du diapason, qui sont parallèles à l'axe électrique OX, sont désignées par 1a et 1b respectivement, les faces latérales perpendiculaires à l'axe électrique OX sont dési gnées par 1c et 1d, tandis que les faces internes des branches 3 et 4, qui sont également perpendiculaires à ltaxe électrique OX, sont désingées par 3e et 4e respectivement. Be diapason est muni d'électrodes d'entretien constituées par des métallisations appliquées directement sur le cristal. Chacune des faces 1a et 1b est munie de deux régions métallisées séparées, de polarités contraires, 10a(+), 11a(-) et 10b(-), 11b(+) respectivement. Les faces latérales 1 et 1 sont munies également, c d sur la totalité de leur surface, de métallisations 10 et 11 c d respectivement qui sont raccordées directement aux régions métallisées 10b et 11 respectivement dans la région de la branche a transversale du diapason, comme on le voit aux figures 2 et 3, tandis que les faces internes 3 et 4e des branches 3 et 4 sont également munies, sur la totalité de leur surface, de métallisations 10 et il respectivement.Bes connexions entre les métallisations e e 10 et 10 d'une part et entre les métallisations il et 11 c e d e d'autre part sont assurées par des anneaux métallisés 10f et ilf prévus respectivement aux extrémités des branches 3 et 4 > estentou- rant ces branches. La branche transversale 2 du diapason est traversée par deux passages 5 et 6 prévusdans la zone médiane de l'extrémité de ladite branche transversale (ou pied de diapason) qui ne participe pas à la flexion et débouchant sur les deux faces inférieure et supérieure 1 et 1 du diapason, le passage 5 débouchant dans les a b régions métallisées 10 et 10 tandis que le passage 6 débouche a b dans les régions métallisées 11 et il Dans ces passages 5 et 6 a b sont engagées les extrémités 20a et 21 de deux tiges 20 et 21 qui a sont ramenées parallèlement aux branches 3 et 4 du diapason et sont- situées dans un plan médian orthogonal au plan de vibration OX, OY. Bes tiges 20 et 21 ont leurs extrémités opposées 20b et 21b soudées à deux broches électriquement conductrices 22 et 23 traversant une embase 24 électriquement isolante sur laquelle est fixée une enveloppe 25 cnstituant, avec ladite embase, une enveloppe étanche de forme généralement cylindrique, enfermant le diapason et dans laquelle on fait le vide. Les tiges 20 et 21 sont faites en un métal élastique électriquement conducteur, par exemple en bronze au- bérylium ou en Kovar (alliage fer-nickel-cobalt-manganèse) et leurs extrémités 20 et a 21 sont scelléesdans des passages 5 et 6 au moyen d'une substance a électriquement conductrice de façon à assurer une interconnexion électrique entre les régions métallisées 10a et 10b d'une part 11 et 11 d'autre part. Cette substance de scellement peut être a b un adhésif ou un émail dont la température de cuisson est inférieure au point de Curie du quartz. On peut utiliser avantageusement l'araldite. On voit par conséquent que les branches 20 et 21 servent simultanément au supportage du diapason, à l'interconnexion électrique des régions-métallisées de même polarité des deux faces opposées la et 1 10a - 10b d'une part et 11 - 11 d'autre a b > b part et à l'interconnexion de chaque ensemble de métallisations ayant une meme polarité et constituant par conséquent une des électrodes 10 , 10b, 10 10 (+) d'une part 11a, 11b' 11C,11e(-) d'autre part, avec des broches électriquement conductrices traversant l'embase. Cette fixation du diapason au moyen de deux tiges ancrées dans la branche transversale 2 et ramenées le long des branches longitudinales parallèles 3 et 4 pour être fixées aux broches 22, 23 situées à l'opposé de ladite branche transversale, permet de donner auxdites tiges une longueur relativement importante; elle constitue par conséquent une suspension à basse fréquence propre à isoler mécaniquement le diapason de son support tout en permettant d'utiliser au mieux l'espace libre de ltenveloppe étanche 25, de forme cylindrique, dans laquelle est logé le diapason. Bes tiges 20 et 21 sont munies, dans la région de raccordement entre les branches 2 et 3 et la branche transversale 1, de boucles 20 c et 21 pour permettre d'augmenter la souplesse de la suspension c tout en permettant l'accès à ladite zone de raccordement. L'utilisation des tiges 20 et 21 pour le raccordement électrique des régions métallisées entre elles d'une part et le raccordement direct- ou par l'intermédiaire des anneaux métallisés, des différentes métallisations constituant une même électrode d'autre part, évite toute liaison au moyen de fils de connexion auxiliaires, liaisons qui seraient préjudiciables à la stabilité du diapason. On voit, en particulier en se référant à la figure 5, que la configuration des métallisations permet de créer, à l'intérieur du quartz, des champs électriques de sens opposés dans les deux moitiés de chaque branche, séparées par un plan médian perpendiculaire au plan d'oscillation OX, OY. Cette disposition a pour effet d'exciter les oscillations de flexion lles branches 3 et 4 en opposition de phase. Be tracé des métallisations peut etre obtenu par dépôt direct sous vide avec interposition de masques ou par métallisation de l'ensemble du diapason puis enlèvement sélectif du dépôt métallique au moyen d'un stylet électrique,ou par photogravure. L'extrémité libre 2' de la branche transversale 2 est démunie de métallisation et sert à la fixation du diapason au cours des diverses opérations de fabrication. L'enveloppe 25 peut être faite en un matériau transparent à la lumière tel que le verre de façon à permettre d'effectuer des retouches fines de fréquence par usinage des métallisations du diapason au moyen d'un faisceau laser, ou encore être faite en partie en métal et en partie en matériau transparent à la lumière. On a représenté à la figure 7 un exemple de réalisation d'un circuit électonique d'un appareil horaire selon l'invention. Ce circuit, qui représente une base temps de 1 H , comporte un étage oscillateur constitué par un transistor 30 monté en amplificateur classe A. Be diapason 1 est monté dans le circuit de réaction du transistor 30 en série avec un ensemble de deux capacités 31 et 32 montées en parallèle. Bes deux extrémités du circuit de réaction sont reliées à la masse par l'intermédiaire- de deux capacités 33 et 34 choisies en fonction des caractéristiques dudiapason de façon à assurer un couplage dudit diapason au circuit oscillateur aussi liche que possible, condition nécessaire pour une bonne stabilité de la fréquence.Le circuit comporte en outre un étage séparateur constitue' par un transistor 40, un étage de mise en trime constitué par un transistor 50, un diviseur de fréquence 60 un étage amplificateur constitué par un transistor 70,, un étage multivibrateur monostable constitué par les transistors complémentaires 80 et 81 qui assurent aux impulsions de sortie un rapport cyclique convenable, un~organe de commutation constitué par un transistor 90 piloté par les impulsions issues du multivibrateur mono stable et alimentant directement un moteur pas à pas 100 qui constitue sa charge de collecteur, ce moteur entraînant le rouage (non représenté). On peut utiliser pour les capacités 32, 33 et 34 des condensateurs mica. Be condensateur 32 peut être un condensateur mica multicouche effeuilIable, par exemple du type connu -sous le nom commercial Farabloc-Métafix, permettant un réglage relativement grossier de la fréquence du circuit oscillateur par effeuillage. L'effeuillage du condensateur s'effectue par décollage successif des feuillets par un ruban adhésif. Un vernissage ultérieur aux résines silicones met le condensateur à l'abri de l'humidité de l'air. L'ajustage fin est assuré par le condensateur 31 qui est un trimmer miniature à rotor en céramique ordinaire. Toutefois de tels condensateurs mica ne permettent pas d'obtenir la compensaton de la dérive thermique du quartz. On sait que la courbe de dérive thermique du quartz donne normalement un retard de part et d'autre de la température moyenne d'utilisation T. L'emploi pour les capacités 32, 33 et 34 de condensateurs céramiques à forté constante diélectrique permet d'assurer la compensation de ce retard. De tels condensateurs céramiques présentent en effet la particularité d'avDir une courbe de dérive thermique présentant un maximum de capacité assez prononcé à 250C et d'être de dimensions extrêmement petites.Il est bien entendu possible d'utiliser pour la capacité 32 un condensateur miea effeuillable en parallèle avec un condensateur céramiquedecompersa- tion 32'(rreoentéenpontPCés), ìégl'gefinétmt toujoiispsr31 .l'eur valeur est choisie de façon que l'effet thermque corresponde à une diminution de capacité de part et d'autre de la température moyenne d'utilisation T suffisante pour compenser le retard dA à l'effet thermique direct sur le quartz. L'invention permet donc, sans consommation supplémentaire d'énergie en remplaçant les condensateurs à grande stabilité en mica ou céramiques ordinaires utilisés dans les circuits classiques, par des condensateurs céramiques à courbe thermique particulière, de réaliser la compensation thermique, des circuits miniaturisés indispensables pour des dispositifs horaires de très petites dimensions tels que des montres. Le condensateur céramique remplace en particulier avantageusement les condensateurs variables à air commandés par bilame de la technique antérieure. A titre indicatif, on peut donner aux condensateurs 31 d'une part et 32 d'autre part des valeurs de 10 à 100 p.F. respectivement. Les figures 8 et 9 montrent la dérive en fréquence et de la consommation d'un circuit oscillateur tel que représenté à la figure 7 et utilisant un microdiapason ayant les dimensions indiquées plus haut (fréquence 8,192 Hz). On voit que la variation de fréquence est inférieure à plus ou moins 1 x 10 pour des tensions de 1 à 1,8 V. Par ailleurs la consommation est très faible (de l'ordre de 2A A en moyenne). La figure 10 montre les courbes de dérive thermique dudit circuit dans le cas où il n'y a pas compensation c'est-à-dire dans le cas où les capacités 32, 33 et 34 sont des condensateurs mica (courbe A) et dans le cas où il y a compensation thermique, c'est-à-dire dans le cas où les capacités 32, 33 et 34 sont des condensateurs céramiques à courbe. parabolique. centrée sur 250. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents te(niques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. REVENlI le AT IONS 1 - Dispositif horaire du type comportant un résonateur en forme de diapason fait en un matériau piézo-électrique tel qu'un quartz naturel ou synthétique, et comportant une branche transversale et au moins deux branches longitudinales dont les vibrations sont entretenues par un circuit oscillateur alimentant, par l'intermédiaire d'un diviseur de fréquence et d'un amplificateur, un moteur d'entraînement du rouage, par exemple un moteur synchrone ou pas à pas, ledit diapason étant muni d'électrodes constituées par des métallisations appliquées directement sur le matériau piézo-électrique et étant monté à l'intérieur d'une enceinte étanche et fixé à une embase ou analogue de ladite enceinte au moyen d'un dispositif de suspension électriquement conducteur, caractérisé en ce que le dispositif de fixation précité comporte deux tiges ancrées, par l'une de leurs extrémités, dans la branche transversale dudit diapason, et s'étendant parallèlement aux branches longitudinales du diapason, chaque tige étant en contact électrique avec une électrode de polarité donnée située sur ltune des deux faces du diapason qui sont parallèles à l'axe électrique et avec une électrode de même polarité située sur la face opposée et étant fixée,par son extrémité opposée, à une broche électriquement conductrice traversant l'embase précitée et reliée audit circuit oscillateur. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque tige précitée est engagée dans un passage traversant la zone médiane de la branche transversale du diapason et débouchant de part et d'autre de cette branche transversale dans deux régions métallisées de même polarité. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tiges précitées sont munies de boucles situées sensiblement en regard de la zone de raccordement entre les branches longitudinales et la branche transversale du diapason. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tiges précitées sont faites en bronze au bérylium ou en Kovar0 5 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des deux faces supérieure et inférieure du diapason qui sont parallèles à l'axe électrique présente deux régions métallisées séparées recouvrant chacune une des branches transversales dudit diapason et la partie de la zone médiane de la branche transversale dans laquelle débouchent les passages précités, ces régions métallisées formant des électrodes de polarités opposées, les deux faces interne et externe de chaque branche longitudinale qui sont perpendiculaires à l'axe électrique étant munies également de métallisations raccordées entre elles par un anneau métallisé prévu à l'extrémité de ladite branche longitudinale, la région métallisée de la face externe étant raccordée directement à celle des régions métallisées précitées qui recouvre l'autre branche longitudinale. 6 - Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le circuit 'entretien des vibrations du diapason comporte un étage oscillateur comportant, dans le circuit de réaction, un condensateur mica multicouche -permettant un ajustage de la fréquence de l'oscillateur, essentiellement un condensateur céramique monté en parallèle avec ledit condensateur mica multicouche et assurant la compensation thermique du diapason et un condensateur d'ajustage fin à-rotor céramique.