Brevet FR2105068A1 — publié le 19720428

La présente invention se rapporte b des oscillateurs d cristal piézoélectrique et a pour objet de prévoir des oscillateurs à cristal piézoélectrique simples et améliorés qui peuvent avoir un degré élevé de. constance de fréquence sur une large gamme utile de variations de température ambiante. Une nécessité qui souvent s'élève est celle pour laquelle un oscillateur à cristal piézoélectrique doit avoir un degré élevé de constance de fréquence sur une large gamme utile de variations de température ambiante. Ainsi, par exemple, un oscillateur à cristal devant être utilisé pour la détermination de la fréquence du porteur d'un émetteur à fréquence radio très élevée à bande latérale unique peut, dans certains cas, nécessiter une stabilité de fréquence aussi bonne qu'une partie par million sur une gamme de température ambiante allant de -20 C à +700C.Le moyen à ltheure actuelle le plus habituellement adopté pour satisfaire une telle nécessité est de monter le cristal dans un bottier ou "radiateur" (comme on l'appelle communément) qui s'adapte avec un élément de chauffage électrique et est contrôlé ou commandé thermiquement de façon telle que le cristal soit protégé des variations de température ambiante et puisse fonctionner à une température prédéterminée approximativement constante. Cependant, cette solution du problême comporte les défauts pratiques sérieux de comprendre une consommation considérable d'énergie (pour l'élément de chauffage du radiateur), particulièrement lorsqlle la température ambiante est basse, et un supplément sensible de poids et d'encombrement du fait du radiateur avec son élément de chauffage et la source nécessaire de l'énergie de chauffage.En conséquence, ces défauts rendent cette solution du problème impraticable pour quelques applications. Une autre solution ou expédient connu pour effectuer une constante acceptablement bonne de la fréquence est d'associer au cristal un circuit transistorisé de compensation de température -par exemple un circuit transistorisé comportant des varactors à thermistances ou des semi-conducteurs sensibles à la température ou des ferritesayant une caractéristique de température qui puisse compenser, à un degré aussi proche que possible, celui du cristal seul. Cependant, il est très difficile de concevoir de tels circuits de compensation pour donner un degré suffisamment élevé de compensation sur une gamme suffisamment grande de variations de température et, encore, les circuits de compensation utilisés sont complexes et consomment de l'énergie dans une mesure, qui, dans quelques cas, peut porter objection. La présente invention tente de surmonter les défauts et les désavantages précédents. La difficulté principale dans le moyen d'obtenir un oscillateur à cristal simple de stabilité de fréquence très élevée sur une large gamme de température réside dans le fait que la caractéristique fréquence/température (incorrecte) d'un cristal piézoélectrique n'est pas linéaire mais s'écarte sensiblement de la linéarité et, de plus, l'étendue de l'écartement diffère, même parmi les cristaux du même type de coupe, avec des angles différents de coupe. Un exemple de ce fait est représenté dans la figure 1 des dessins ci-joints. Cette figure représente une famille de caractéristiques fréquence/température généralisées et "idéales" pour des cristaux de coupe AT. Dans cette figure, les ordonnées représentent les valeurs de variation de fréquence en parties par million et les abscisses représentent les valeurs de la température en degrés centigrades. Chaque courbe en trait plein est donnée pour un angle différent de coupe dont la valeur est représentée par un nombre aux extrémités de la courbe. Dans la figure 1 toujours, ces courbes se coupent toutes à 27 C-où la fréquence est prise comme donnée.Chacune de ces courbes satisfait, à un degré suffisamment approché de précision pour les buts présents, l'équation suivante dans laquelle f est la fréquence à 270C ; f est la fréquence à une température T ; t est toute température égale à T - 27 ; et a est une constante qui est différente pour chaque angle de coupe dans la gamme des angles de coupe représentée dans la figure 1. Comme cela apparaîtra, la valeur de f r fo comporte un terme liné aire (at) et un terme cubique (10 4t)). Associée avec chaque courbe en trait plein de la figure 1 se trouve une courbe linéaire en traits pointillés, pour le terme linéaire at seul, dont la valeur est représentée par un nombre aux extrémités de cette courbe, et, comme on 1 t appréciera, c'est la présence du terme cubique qui rend difficile l'obtention d'un degré élevé de compensation de température au moyen de circuits transistorisés de compensation de température utilisant des thermistances ou d'autres dispositifs sensibles à la température pour effectuer la compensation. Des difficultés de nature généralement semblable résident dans le moyen pour obtenir, par des moyens simples, la compensation de température adéquate des oscillateurs à cristal utilisant des cristaux avec des caractéristiques paraboliques fréquènce/tempéra ture. Beaucoup de cristaux présentent des caractéristiques paraboliques. Une telle caractéristique est donnée en exemple dans la figure 2 des dessins ci-joints, figure donnée pour un cristal de coupe 3T typique prévu pour une fréquence d'une valeur comprise entre 8.500 KHz/s et 17.000 KHz/s. Dans cette figure 2, comme dans la figure 1, les ordonnées représentent les valeurs de la variation de fréquence en parties par million et les abscisses représentent les valeurs de la température en degrés centigrades.La loi de la courbe dans la figure 2 est en fait très proche de la loi exprimée par l'équation suivante dans laquelle fO est la fréquence à une température To à laquelle la variation de fréquence est zéro ; f est la fréquence à quelque autre température T ; et K est une constante qui, pour une plaque de coupe BT (pour laquelle la figure 2 est tracée), est approximativement 0,038. Comme cela sera apparent il est très difficile de concevoir un circuit de compensation sensible à la température, satisfaisant et efficace, utilisant, par exemple, des varactors à thermiStances, ou analogues, pour un cristal ayant une caractéris- tique de température telle que donnée pour type dans la figure 2, car la compensation de fréquence doit être commandée à la fois quant à la grandeur et au sens (c'est-à-dire la direction). Selon la présente invention un oscillateur à cristal compensé en température comprend un cristal piézoélectrique et, parallèlement à celui-ci, un condensateur sensible à la température dont la ou les capacitances est ou sont prévue(s) entre un liquide se dilatant à la chaleur électriquement conducteur dans une enveloppe tubulaire étanche, isolante, allongée et une ou plusieurs électrodes à l'extérieur de ladite enveloppe et de forme prédéterminée, les dimensions et la disposition étant choisies en fonction des caractéristiques fréquence/température du cristal seul. Dans un exemple de réalisation de la présente invention dans lequel le cristal est un cristal de coupe AT, l'enveloppe est semblable à celle d'un thermontètre ordinaire comportant une partie de boule ou ampoule cormuniquant avec une partie de tige tubulaire d'isolement et sur la surface extérieure de ladite partie de tige se trouvent deux électrodes longitudinalement espacées, chacune enveloppant une partie sensible de la périphérie de ladite partie de tige, l'une de ces électrodes s'étendant sur une longueur de la tige en correspondance avec une gamme de température inférieure prédéterminée dans la gamme totale de température sur laquelle la compensation est nécessaire et l'autre électrode s'étendant sur une longueur de la tige en correspondance avec une gamme de température supérieure prédéterminée dans ladite gamme totale, lesdites deux électrodes étant connectées ensemble et à une borne du cristal, l'autre borne du cristal étant connectée à un conducteur qui pénètre dans l'enveloppe d'isolement et fait contact avec le liquide qui s'y trouve. De préférence, en vue d'obtenir plus de précision dans la compensation d'un cristal de coupe AT, les électrodes dans le dernier exemple de réalisation décrit sont de forme telle que la partie de la périphérie de la partie de tige entourée par l'électro- de qui s'étend sur la gamme de température inférieure prédéterminée est la plus grande aux environs du milieu de la longueur de ladite électrode et décrit doucement vers ses extrémités alors que la partie de la périphérie de la partie de tige entourée par l'électrode qui s'étend sur la gamme de température plus élevée prédéterminée est la moindre au-dessus du milieu de la longueur de ladite électrode et augmente doucement vers ses extrémités. Dans un autre exemple de réalisation de l'inventionoùlecris- tai est un cristal possédant une caractéristique parabolique de température (c'est-à-dire un cristal de coupe BT), L'enveloppe est sous la forme d'un U (ressemblant à celle souvent adoptée pour un thermomètre "maximum-minimum", et il est prévu sur la surface extérieure de ladite enveloppe et s'étendant sur la courbe du U de celle-ci et pour des distances prédéterminées le long des branches du U une électrode qui entoure une partie sensible de la périphérie de l'enveloppe aux environs du milieu de la courbe du U, la proportion de ladite périphérie entourée par ladite électrode décroissant graduellement à sensiblement zéro aux extrémités de ladite électrode en s'éloignant dudit milieu de ladite courbe du U, le liquide étant connecté à une borne du cristal au moyen d'une connexion traversant l'enveloppe, et l'électrode étant connectée à l'autre borne du cristal De préférence, dans tous les cas, l'enveloppe est en verre et le liquide conducteur est du mercure. L'électrode ou les électrodes peut ou peuvent être constituée(s) par un dépôt ou des dépats métalliques -de préférence d'argent- sur la surface de paroi extérieure de l'enveloppe. Cependant, dans beaucoup de cas, on préfère que la ou les électrode(s) soit(ent) constituée(s) par un enroulement de fil fin enroulé autour de la surface extérieure de l'enveloppe. Le pas et/ ou le diamètre de l'enroulement peut être varié sur la longueur du diamètre de l'enroulement en vue d'obtenir la loi demandée de compensation. L'avantage d'utiliser une électrode entourée de fil est qu'un ajustement ou réglage fin est aisément possible durant la fabrication par le réglage des spires ou enroulements du fil. De préférence, apres le réglage,l'enroulement est fixé par un adhésif approprié. L'invention est également illustrée dans les figures 3, 4, 5, 6, 7 et 8 des dessins ci-joints. La figure 3 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation de la présente invention dans lequel le cristal est un cristal de coupe AT et les ri- gures 4 et 5 sont des vues développées représentant les formes préférées (pour le cas particulier représenté dans la figure 3) des deux électrodes extérieures utilisées dans la figure 3 ; et la figure 6 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation dans lequel le cristal est un cristal de coupe BT, la figure 7 étant une vue développée représentant la forme préférée (pour le cas particulier représenté dans la figure 6) de l'électrode extérieure utilisée dans la figure 6.La figure 8 est une représentation schématique d'un autre exemple de réalisation dans lequel le cristal est un cristal de coupe BT. Dans la description des dessins, on donnera les dimensions présentes. Cependant, il doit être sous-entendu que celles-ci sont données simplement pour aider A la conception et ne sont en aucun cas limitatives ; en fait, elles s'appliquent seulement aux cristaux particuliers auxquels les dessins se rapportent. En se référant aux figures 3, 4 et 5, qui, comme les figures 6 et 7 sont purement schématiques et non rapportées à une échelle, la référence AT désigne un cristal de coupe AT et la référence C désigne un circuit de maintien d'oscillation, c'est-à-dire du type Colpitt, de toute forme appropriée connue en soi. Le cristal particulier qui sera exposé dans la description dimensionnelle suivante de la figure 3 est un cristal de coupe AT dimensionné pour une fréquence spécifiée de 6,954 MHz/s. La mesure de la caractéristi- que fréquence/température de ce cristal a montré que, pour effectuer la compensation de tempéra'cure, des condensateurs de shunt de 1,2 pF et de 1,0 pF étaient nécessités sur le cristal à des températures de -230C et de +770C respectivement. Sur le cristal est connecté un condensateur variable sensible à la température, tel qu'illustré par la figure 3. Celui-ci comporte un thermomètre, conçu sous forme d'une enveloppe étanche de verre (connu sous la marque déposée "pyrex") et ayant un ballon B et une tige droite S et contenant du mercure M représenté par la surface hachurée. L'alésage de la tige S est (dans cet exemple particulier) de 1 mm de diamètre ; la paroi de la tige est de 11 mm d'épaisseur et le diamètre intérieur du ballon est de 1,5 mm. Sur la surface extérieure de la tige se trouvent deux électrodes espacées K1 et K2 constituées d'argent déposé, l'électrode K1 s'étendant sur la longueur de la tige correspondant à la gamme de température de -230C à -7 C et l'électrode K2 s'étendant sur la longueur de la tige correspondant à la gamme de température de 7 C à 770C. Avec les dimensions, telles qu'elles sont données, la capacité entre une connexion faite au mercure et une connexion faite à l'une des électrodes serait, si cette électrode était une simple douille ou manchon entourant complètement la tige, de 1,8 pF pour chaque centimètre de longueur de mercure à l'intérieur de la douille ou manchon.Cependant, en vue d'obtenir la compensation maximum ayant rapport à la fois aux termes linéaire et cubique dans l'é- quation (ci-dessus) donnant l'expression de la caractéristique fréquence/température d'un cristal AT, les électrodes K1 et K2 sont formées de la manière indiquée dans les vues développées des figures 4 et 5 respectivement, à partir desquelles on verra que K1 a un angle maximum d'enveloppement (de valeur en pratique d'un enveloppement d'à-peu-près la totalité de la périphérie de la tige S) au milieu de sa longueur, l'angle décroissant doucement d'une manière prédéterminée à des angles moindres aux extrémités de la longueur, alors que K2 a un angle minimum d'enveloppement au milieu de sa longueur, l'angle augmentant doucement de manière prédéterminée à des angles supérieurs (de valeur à-peu-près à l'enveloppement total) aux extrémités. Il est possible, ayant mesuré la caractéristique température/fré;quence de tout cristal particulier, de calculer selon des principes connus, les formes les meilleures pour les électrodes K1 et K2, mais il est probablement préférable -et sans difficulté- de déterminer ces formes par des mesures expérimentales aidées de calculs préliminaires approchés. Les électrodes K1, K2 sont connectées ensemble et à une borne du cristal AT dont l'autre borne est connectée à un fil W qui est fondu au travers de la paroi du ballon B et fait contact avec le mercure. La figure 6 représente, de façon semblable à celui adopté dans la figure 3, un exemple de réalisation dans lequel le cristal, référencé ici BT, est un cristal de coupe BT avec une caractéristique parabolique température/fréquence et la référence C désigne, comme dans la figure 3, le circuit de maintien d'oscillation. Le cristal exposé dans la figure 3 a une caractéristique qui peut s'exprimer par l'équation précédente (2) avec K égal à -0,038 de façon telle qu'il faille corriger -95 x 10 6 pF à des tempéra tures de 500C au-dessus et au-dessous de la température correspondant à fo. Le condensateur sensible à la température utilisé dans la figure 6 comporte une enveloppe tubulaire en pyrex de forme en U ressemblant à celle d'un thermomètre "maximum-minimum" ordinaire et comprend une colonne de mercure M sous forme de U. L'alésage de l'enveloppe dans l'exemple présentement décrit a, dans le cas de la figure 3, un diamètre de 1 mm et la paroi de l'enveloppe a une épaisseur de 1 mm.Sur la courbe du U et s'étendant en haut des deux branches du U aux points correspondant à une température de 250C se trouve une électrode K en argent déposé qui est formée comme représenté dans la vue développée de la figure 7 afin d'envelopper à-peu-près la totalité de la périphérie de l'enveloppe au milieu de sa longueur (qui correspond avec le milieu de la courbe en U), l'angle d'enveloppement décroissant doucement à zéro aux extrémités de manière à donner la correction de la loi parabolique demandée.L'électrode K est connectée8 une borne du cristal et le mercure M est connecté à l'autre borne de celui-ci, cette dernière connexion étant faite au moyen d'un fil W qui est fondu au travers du verre de l'enveloppe, l'électrode K d'argent déposé ayant un petit trou H situé centralement en elle afin de permettre à la connexion depuis le mercure de passer de façon isolée au travers de ladite électrode K. La figure 8 représente un exemple de réalisation semblable à celui de la figure 6 dans lequel l'électrode K est un fil fin qui est enroulé autour des branches du tube en U. Le fil est enroulé de façon que les spires successives soient très proches les unes des autres sur le coude du U, les spires successives étant espacées de plus vers les extrémités des branches afin de fournir la correction de la loi parabolique demandée. Le fil fin est fixé en position avec un adhésif approprié tel que, par exemple, celui connu sous la marque déposée "Araldite". La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 -Oscillateur à cristal compensé en température, caractérisé en ce qu'il comprend un cristal piézoélectrique et, parallèlement d celui-ci, un condensateur sensible b la température dont la ou les capacitances est ou sont prévue(s) entre un liquide se dilatant d la température, électriquement conducteur, dans une enveloppe tubulaire étanche, isolée, allongée et une ou plusieurs électrodes sur l'extérieur de ladite enveloppe de forme prédéterminée, les dimensions et la disposition étant choisies en fonction de la caractéristique fréquence/température du cristal seul. 2 - Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal est un cristal de coupe AT, en ce que l'enveloppe comprend une partie de ballon communiquant avec une partie de tige tubulaire d'isolement et en ce que sur la surface extérieure de ladite partie de tige se trouvent deux électrodes espacées longitudinalement, chacune enveloppant une partie sensible de la périphérie de ladite partie de tige, l'une de ces électrodes s'étendant sur une longueur de la tige correspondant avec une gamme de température inférieure prédéterminée dans toute la gamme de température, sur laquelle la compensation est demandée, et l'autre s'étendant sur une longueur de la tige correspondant avec une gamme de température supérieure prédéterminée dans ladite gamme totale, ces deux électrodes étant connectées ensemble et à une borne du cristal, et l'autre borne du cristal étant connectée d un conducteur qui pénètre dans l'enveloppe d'isolement et fait contact avec le liquide qui y est contenu. 3 - Oscillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les électrodes sont de forme telle que la partie de la périphérie de la partie de tige enveloppée par l'électrode qui s'étent sur la gamme de température inférieure prédéterminée est la plus grande aux environs du milieu de la longueur de ladite électrode et décroît doucement vers ses extrémités tandis que la partie de la périphérie de la partie de tige enveloppée par l'électrode qui sté- tend sur la gamme de température supérieure prédéterminée est la moindre aux environs du milieu de la longueur de cette électrode et augmente doucement vers ses extrémités. 4 - Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal est un cristal ayant une caractéristique de température parabolique, en ce que l'enveloppe est sous la forme d'un U, et en ce qu'il est prévu sur la surface extérieure de ladite enve loppe et s'étendant sur la courbe du U de celle-ci et pour des distances prédéterminées le long des branches du U, une électrode qui enveloppe une partie sensible de la périphérie de 1'enveloppe aux environs du milieu de la courbe en U, la partie de ladite périphérie enveloppée par ladite électrode décroissant graduellement à sensiblement zéro aux extrémités de ladite électrode en s'éloignant dudit milieu de la courbe en U, le liquide étant connecté à une borne du cristal au moyen d'une connexion traversant l'enveloppe et l'électrode étant connectée à l'autre borne du cristal. 5 - Oscillateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enveloppe est en verre et en ce que le liquide conducteur est du mercure. 6 - Oscillateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'électrode ou les électrodes est ou sont constituée(s) par un dépôt ou des dépôts métallique(s) sur la surface de la paroi exté- rieure de l'enveloppe. 7 - Oscillateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la ou les électrode(s) est ou sont constituée(s) par un enroulement d'un fil fin enroulé autour de la surface de paroi extérieure de l'enveloppe. 8 - Oscillateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le pas et/ou le diamètre de l'enroulement est varié sur la longueur de l'enroulement en vue d'obtenir la loi demandée de compensation. 9 - Oscillateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enroulement est fixé par un adhésif approprié -après réglage. 10 - Oscillateursà cristal piézoélectrique ainsi obtenus à titre de produits industriels nouveaux.