Brevet FR2267160A1 — publié le 19751107

L'invention concerne un dispositif vibratoire piezoélectrique du type diapason vibrant avec un mode de flexion et utili sé dans une gamme de basse fréquence, et plus particulièrement un support d r élément vibratoire piezoélectrique du type diapason approprié à l'emploi dans diverses machines et appareillages devant présenter d'excellentes caractéristiques électriques et une haute résistance mécanique. Au cours des dernières années, les éléments vibratoires piezoélectriques réalisés en qu-artz, en tantalate de lithium, en niobate de lithium etc. ont été largement utilisés dans diverses machines et appareils, comme par exemple une montrebracelet. De tels éléments vibratoires piezoélectriques doivent etre de dimensions réduites, présenter une grande résistance aux vibrations et chocs mécaniques ainsi que d'excellentes caractéristiques électriques. Toutefois, il est difficile de satisfaire à toutes ces exigences car certaines sont contradictoires.Par exemple, un élément piezoélectrique du type diapason vibrant avec un mode de flexion et approprié à une gamme de basse fréquence est avantageux en ce qu'il est facile de réduire ses dimensions, mais il est différent des vibrateurs à quartz de coupe AT ou FC qui utilise un mode de vibration à cisaillement d'épaisseur approprié à l'emploi dans des gammes de fréquences élevées, si ltélément de vibration est supporté par un membre de support rigide et fixe dans le but d'améliorer la résistance aux chocs et vibrations mécaniques1 le membre support est souvent excité pour provoquer un phénomène de résonance de fil spécifique du mode de vibration de flexion. Lorsqu'un tel phénomène de résonance de fil se produit, quand l'élément vibratoire est enfermé dans un boiter, il y a une perte de vibration qui est spécifique pour le mode de vibration de flexion, dégradant de ce fait la stabilité de la fréquence de résonance de ltélément vibrant lui-même. Les figures lA et lB des dessins annexés montrent respectivement une vue de face et une vue de profil d'un moyen connu de support pour un élément vibratoire piezoélectrique du type diapason. Ces figures montrent un élément 10 de vibration en U qui est maintenu dans ses axes longitudinal et horizontal. Une telle méthode de maintien-de ltélémen* vibratoire est bien con nue. Ltélément vibratoire 10 est compose de deux branches parallèles espacées Il réunies par une base 12. Le dispositif de support comprend deux tiges 14 qui fixent la base 12 par sa surface principale au moyen de leurs extrémités supérieures 15 et qui passent par des ouvertures 16 ménagées dans un pied 18. Les tiges 14 sont fixées au pied 18 par des éléments de calage 19 inserrés dans les ouvertures 16. Les extrémités inférieures 17 des tiges 14, qui s'étendent vers le bas à partir du pied 18, sont utilisées comme fils électriques. Si la longueur des tiges support 14 est choisie égale à un multiple impair de /4 (expression dans laquelle h représente la longueur d'onde de vibration de la tige 14, formant de ce fait une onde stable) la longueur des tiges support n'est pas arbitraire ce qui nuit aux exigences de miniaturisation de 1' élément vibratoire. Même si l'on pouvait rendre la longueur des tiges-support égale à un multiple impair de h/4, du fait que la base 12 de l'élément vibrant 10 est fixée entre les parties supérieures 15 des tiges, il serait impossible d'obtenir une onde stable comme dans le cas d'un élément vibrant avec un mode de vibration de contour.Pour cette raison, il a été dif fieile d'utiliser un élément de vibration piezoélectrique du type diapason comme élément vibratoire de référence d'une montre-bracelet, par exemple, et l'on désire depuis longtemps apporter une methode efficace pour empêcher la perte de vibration spécifique d'un mode de vibration par flexion. Toutefois aucun moyen positif et efficace n'a été mis au point jusqu'à ce jour. En conséquence, le but de la présente invention est de fournir un dispositif vibratoire électrique du type diapason comportant un nouveau moyen de support de I'élément vibratoire capable de diminuer la perte de vibration sans affecter les carac téristiques mécaniques et électrique de ltélément vibratoire. C'est pourquoi la présente invention a pour objet un dispositif vibratoire piezoélectrique du type diapason comprenant un élément vibratoire piezoélectrique ayant une surface principale en forme de U et une pluralité d'électrodes montées sur ledit élément vibratoire de manière que ce dernier vibre selon le mode de flexion et des moyens de support pour I'élément vibratoire piezoélectrique, remarquable en ce que lesdits moyens de support comprennent une attache pour fixer la surface principale par la base de l'élément vibratoire en U et un membre support qui s'étend perpendiculairement à la surface principale entre ladite attache et un organe fixe empêchant de ce fait une perte de vibration quelle que soit la longueur dudit membre support. D'autres buts et avantages-de la présente invention pourront être mieux compris à la lecture de la description qui va suivre et qui se réfère aux dessins annexes dans lesquels la figure 1A est une vue de face d'un moyen connu de support d'un élément vibratoire piézoélectrique du type diapason, la figure 1B est une vue de profil du support de la figure lA les figures 2 et 3 sont des vues en perspective montrant la réalisation de base des éléments vibratoires piezoélectri- ques du type diapason réalisés selon l'invention, les figures 4 et 5 sont des schémas de cablage des électrodes de commande des éléments vibratoires piezoélectriques montrés aux figures 2 et 3, les figures 6, 7 et 8 montrent des éléments vibratoires en quartz et trois dispositions différentes des tiges-support dans lesquelles les figures 6A, 7A et 8A sont des vues de face et les figures 6B, 7B et 8B sont des vues de profil, les figures 9, 10 et 11 montrent les courbes caractéristiques correspondant aux dispositions illustrées par les figures 6, 7 et 8 respectivement, la figure 12A est une vue en plan d'un mode de réalisation pratique du nouvel élément vibratoire faisant l'objet de la présente invention, La figure 12 B est une vue latérale, en partie en coupe, de l'élément vibratoire montré a la figure 12A, La figure 13 est une vue en perspective d'une variante de l' attache montrée aux figures 12A et 12B, les figures 14, 15 et 16 illustrent diverses dispositions des supports utilisés pour réaliser les essais de perte de vibration dans lesquelles les figures 14A, 1-5A et 16A sont des vues en plan, en partie en coupe et les figures 14B, 15B et 16B sont des vues latérales, partiellement en coupe, les figures 17, 18 et 19 sont des diagrammes indiquant le résultat des essais de perte de vibration effectués pour un élément vibratoire en quartz supporté par les supports montrés respectivement sur les figures 14, 15 et 16, et les figures 20 a 24montrent differents modes de réalisation pratiques du nouveau support pour un élément vibratoire piezoélectrique du type diapason dans lesquelles les figures 20 A à 24A sont des vues en plan et les figures 20B à 24B sont des vues latérales, partiellement en coupe. Pour faciliter la compréhension de la présente invention, le principe de fonctionnement d'un élément vibratoire piezoélectrique du type diapason et sa réalisation seront d'abord décrits en se référant aux figures 2 à 5. Les figures 2 et 3 montrent la réalisation de base d'un élément vibratoire piezoélectrique du type diapason ou en forme de U bien connu. Dans la figure 2, les parties hachurées montrent les électrodes qui font vibrer ltélément piezoélectrique selon un mode de flexion. Deux électrodes fendues 131 sont appliquées sur chaque branche 111, à savoir la surface principale (B1C1), le long de la longueur de ladite branche. De même, dans la figure 3, les parties hachurées montrent les électrodes faisant vibrer l'élément piezoélectrique selon le mode de flexion. Dans ce cas, deux électrodes 132 sont appliquées sur la surface principale (B2C2) et sur une surface latérale (A2C2), de chaque branche 112, ce qui fait un total de quatre électrodes par branche.Les branches ll1et 112 sont réunies respectivement par les bases 121 et 122 Dans les figures 2 et 3, chaque branche de ltélé- ment vibratoire piezoélectrique présente une section carrée ou rectangulaire avec les axes de cristallisation A B1, C1 et A2, Bp, C2, constituant des coordonnées rectangulaires. Il existe la correspondance suivante entre les axes sus mentionnés et les axes de cristallisation ( X, Y, Z) généralement utilisés. Dans le cas ou l'élément piezoélectrique est fait de quartz, l'axe A1 correspondant à l'axe X, l'axe B1 å l'axe Z', l'axe C à l'axe Y', l'axe A2 à l'axe Z', l'axe B2 à l'axe X et l'axe C2 à celui des Y'. Dans le cas ou l'élément piezoélectrique est constitué de tantalate de lithium, l'axe A1 correspond à l'axe Z', l'axe B1 à l'axe X', l'axe C1 a l'axe Y", l'axe A2 à l'axe X', l'axe B à l'axe Z' et l'axe C2 à l'axe Y". Lorsque l'élément piezoélectrique est réalisé en hiobate de lithium, du fait que le coefficient de température de ce matériau est différent de zéeo, l'élément piezoélectrique est découpé pour que l'axe A1 soit un axe autre que l'axe X, que l'axe C1 soit différent de l'axe Z, que l'axe B2 soit différent de l'axe X et que l'axe C2 soit différent de l'axe Z. Les axes de coordonnées ( X,Y', Z') correspondent aux axes de coordonnées ( X, Y, Z) ayant subit une rotation autour de l'axe X. Les axes de coordonnées X', Yg' et Z' sont obtenus par rotation des axes de coordonnées originels ( ts Y, Z) autour de l'axe des Z pour former les axes de coordonnées(X', Y', Z) puis par rotation de ces derniers autour de l'axe X'. Comme il est connu dans la conception d'un élement piezoélectrique vibrant en flexion, une telle rotation des axes de coordonnées est nécessaire pour limiter l'angle de rotation de l'angle de coupe de l'élément de quelques degrés afin d'obtenir une caractéristique de fréquence appropriée à la température de fonctionnement de l'élément. Les figures 4 et 5 montrent les schémas de raccordement des électrodes illustrées par les figures 2 et 3 respectivement dans lesquelles les branches 111 et 112 et les électrodes 131 et 132 sont vue d'en haut. Lorsqu'une tension alternative de même fréquence que la fréquence de résonance de l'élément piezoélectrique est appliquée respectivement sur les bornes D1et E1 et les bornes D2 et E2-, les éléments piezoélectriques montrés sur les figures 2 et 3 vibrent selon le mode de flexion avec les plans B1Cl et B2C2, comme plans vibratoires. Pour prouver le fait que cette invention peut empêcher le phénomène de résonance de fil qui est spécifique d'un élément vibratoire en quartz utilisant le mode de vibration de flexion et utilisés pour les gammes de basses frésuences, les expériences suivantes ont été réalisées : Les figures 6A et 6B, les figures 7A et 7B et les figures 8A et 8B respectivement sont des vues de face et de profil montrant les éléments vibratoires en quartz supportés par des supports selon différents angles, et les figures 9, 10 et li illustrent les caractéristiquent des éléments montrés respectivement dans les figures 6, 7 et 8. Dans les figures 6, 7 et 8, un élément vibratoire en quartz 25 est supporté par une tige-support 26 sur un pied fixe 27 selon des angles différents. Dans la figure 6 plus particulièrement, l'élément vibratoire en quartz 25 est supporté par une tige support 26 s'étendant parallèlement à l'axe Y' de l'élément. La figure 9 montre la variation A f de la fréquence d'oscilla- tion et la tension de sortie e0 d'un oscillateur ( non représenté) utilisant l'élément vibratoire de la figure 6 en fonction de la longueur l de la tige support 26 ce qui montre les variations importantes en fonction de cette longueur. Plus particulièrement, le pied fixe 27 présente une masse sensiblement plus grande que celle de l'élément vibratoire en quartz 25 et sa tige support 26. La tige support 26 a été utilisée comme l'un des conducteurs allant aux électrodes tandis que l'autre conducteur a été réalisé suffisamment mince afin de ne pas affecter la vibration. Dans l'exemple représenté sur la figure 6, un fil métallique d'un diamètre de 0, 5 mm a été utilisé comme tige support 26 tandis que l'élément vibratoire en quartz était du type XY avec une fréquence propre de 16.384 Hz. Dans la figure 9, l'abscisse représente la longueur de la tige support alors que l'ordonnée représente la varia tion de ss f de la fréquence d'oscillation et la tension de sortie e0 de l'oscillateur utilisant l'élément vibratoire.Les variations cycliques de la fréquence d'oscillation et de la tension de sortie signifient que l'impédance mécanique de la tige support 26 vue de l'élément vibratoire en quarte varie en fonction de la longueur de la tige support 26 car cette dernière est excitée par l'élément vibratoire en quarte, provoquant de ce fait ladite résonance de fil. La présence d'un tel phénomène peut être constatée en remarquant que les points de tension de sortie zéro correspondent et coïncident aux points de discontinuité de la variation de la fréquence d'oscillation. Dans la position montrée à la figure 7, la tige support a été inclinée à 45 par rapport à la verticale et la figure 10 montre les caractéristiques d'une telle disposition. Comme on peut se rendre compte d'après la figure 10, la fréquence d'oscillation et la tension de sortie varient encore avec la lon gueux de la tige support. Comme le montre la figure 8, la tige support 26 a été disposée à l'horizontale ou parallèlement à l'axe Z' de l'élément vibratoire en quartz 25 et dont les caractéristiques sont montrés dans la figure 11. Comme on peut le remarquer d'après la figure 11, la tension de sortie et la fréquence d'oscillation ne varient que faiblement en fonction de la longueur de la tige support, ce qui améliore donc grandement les caractéristiques électriques de l'oscillateur par rapport aux résultats montrés aux figures 9 et 10. il résulte de ces essais que la disposition illustrée par la figure 8 élimine la résonance de fil spécifique d'un élément vibratoire en quartz fonctionnant selon le mode de flexion. Les figures 12A et 12B montrent un mode de réalisation selon l'invention d'un élément vibratoire en quartz de type diapason. Ces figures montrent un élément vibratoire en quartz 35 en forme de U dont la base est supportée par une attache 38 elle-même supportée par un membre support 39a qui traverse une bague isolante 40a réalisée en verre par exemple. L'élément vibratoire en quartz est renfermé dans une enveloppe fermée 41 dans laquelle on a fait le vide ou que lton a remplie d'un gaz inerte approprié. I1 est évident que la forme de l'attache 38 et du membre support 39a n'est pas limitée à celle illustrée par les figures 12A et 12B et que la configuration illustrée par la figure 13 peut être également utilisée. De cette façon, en fixant la base de l'élément vibratoire en quartz avec l'attache 38, cette dernière vibre selon le même mode que celui de la vibration de la base de l'élément vibratoire en quartz. Comme l'élément vibratoire en quartz est fixé à l'attache et que le support s'étend dans le sens de l'axe Z', l'ensemble attache et membre support correspond à la tige support 26 de la figure 8. De même, les caractéristiques électriquesde l'élément vibratoire en quartz montré aux figures 12 sont analogues à celles illustrées par la figure il. Plus particulièrement, l'effet de la longueur 1 entre l'attache 38 et la bague isolante 40a sur la vibration ( effet causé par le phénomène de résonance de fil) est éliminé. L'épreuve de contrôle de résistance aux chocs suivante a été réalisée. On a laissé tomber une montre bracelet munie d'un élément vibratoire en quartz sur une planche de bois d'une hauteur de 1m50 et la variation de fréquence fut très faible, correspondant à moins de 0, 3 seconde par jour. Ce qui montre que ce nouvel élément vibratoire a une assez forte résistance mécanique. L'épreuve de contrôle de perte de vibration fut conduite de la manière suivante. Plus particulièrement, avec des éléments vibratoires en quartz ayant les configurations montrées aux figures 14, 15 et 16, une charge de 100 g fut appliquée à l'enveloppe étanchéïsée contenant I'élémentvibratoire quartz pour obtenir les répartitions de pourcentage de varia tion f/f 1 de la fréquence de résonance comme le montre respectivement les figures 17, 18 et 19.Dans un élément vibratoire en quartz dans lequel la base de l'élément vibratoire 45 est fixée par une attache 48 et dans lequel le membre support 49a s'étend dans le sens de l'axe Z' comme indiqué dans la figure 14, le pourcentage de variationlaf/f f de la fréquence de résonance provoquée par la fuite de vibration est de 80% à moins de 1 ppm et de 95% à moins de 2 ppm comme indiqué sur la figure 17, ce qui signifie que la fuie de vibration est efficacement empêchée. Dans les cas indiqués par les figures 15 et 16, seules les surfaces respectivement supérieure et inférieure de la base de l'élément vibratoire en quartz 45 sont fermement supportées et lemembre support 49a s'étend dans la direction de l'axe Z' comme dans la disposition précédemment montrée à la figure 14.Les résultats des épreuves de contrôle de fuite de vibration effectuées pour les éléments vibratoires illustrés dans les figures 15 et 16 sont indiqués respectivement par les figures 18 et 19. Ces figures 18 et 19 montrent que le pourcentage de variatioi4f/f i de la fréquence de résonance provoqué par la perte de vibration ne présente une distribution que d'environ 30% à moins-d'environ i ppm et ceux variant sur une vaste gamme allant de 1 à 5 ppm se répartissent sur plus de 75%, ce qui signifie que l'empêchement de la perte de vibration est insuffisante. En conséquence, les résultats des expériences montrent qu'un élément vibratoire en quartz supporté par des attaches comme celles illustrées aux figures 12 à 14 permet un empechement suffisant de la perte de vibrations. Les figures 20 à 23 représentent des modes de réalisation de la présente invention dans lesquelles les éléments vibratoires piezoélectriques du type diapason sont supportés dans ie sens horizontal par des attaches en forme de C.. En référence tout d'abord à la figure 20, un-membre support 64 intercalé entre une attache 65 et un fil conducteur 67 scellé dans une ouverture 66 d'un élément 68 au moyen d'une bague isolante 69 réalisée en verre par exemple, est réalisé dans un matériau ( par exemple en maillechort et cuivre) ayant une impédance acoustique différente de celle des matériaux utilisés pour la fabrication de l'attache et du fil conducteur. Dans la figure 20, l'élément vibratoire piezoélectrique comprend une paire de branches 61 réunies par une base 62. Les éléments vibratoires en quartz montresaux-figures 21, 22 et 23 sont maintenus par un membre support réalisé dans le même matériau que le membre support 64 indiqué dans la figure 20 mais d'une configuration différente. Dans le mode de réalisation de la figure 21, le diamètre de la partie 70 du membre support 64 en forme de tige qui est relié à l'attache 65 diminue de plus en plus en allant vers le bas. Dans le mode de réalisation illustré par la figure 22, une tige cylindrique 72 ayant un diamètre plus grand que celui du fil 67 et munie d'une ouverture latérale 73, est intercalée entre le fil conducteur 67 et l'at- tache 65. La section de l'ouverture 73 peut être circulaire, carrée ou en forme d'ellipse.Dans le mode de réalisation illustré par la figure 23, une tige cylindrique 73 ayant un renfoncement 74 en forme de sablier en son milieu est intér- calée entre le fil conducteur 67 et l'attache 65. Donc dans les différents modes de réalisation illustrés par les figures 20 à 23,' du fait que la section du membre support 64 n'est pas uniforme sur sa longueur, la distribution d'impédance acoustique varie dans le sens longitudinal. En conséquence, la perte de vibration est encore diminuée lorsque l'élément vibratoire agit comme un élément vibratoire à mode de flexion.Lorsque ces réalisations furent "testées" selon la méthode sus-mentionnée d'épreuve de contrôle d'attache, il fut constaté que les dispositifs de support utilisés dans ces réalisations présentaient des caractéristiques de perte de vibration amémiorées. Les figures 24A et 24B montrent un autre membre de support selon l'invention pour l'élément vibratoire piezoélectrique. Dans ce mode de réalisation, deux attaches 65 du type déjà représenté à la figure 20 sont utilisés pour fixer la surface principale de l'élément vibratoire. Avec cette disposition, il est possible de connecter les électrodes ( voir les figures 2 et 3) appliquées aux branches de l'élément vibratoire pour le faire vibrer selon le mode de flexion de ces deux attaches. Dans la description ci-avant, bien que l'avantage de 1' élément vibratoire piezoélectrique de type diapason proposé par cette invention ait été apprécié surtout en ce qui concerne la faible perte de vibration qui est spécifique des éléments vibratoires qui vibrent selon le mode de flexion, il a été constaté que ce nouvel élément vibratoire piezoélectrique du type diapason présentait d'excellentes caractéristiques de tension de sortie et de fréquence-température, de même que d'autres caractéristiques électriques ainsi qu'une forte résistance mécanique. En fait, il fut confirmé que même en laissant tomber une montre-bracelet munie de ce nouvel élément vibratoire piezoélectrique sur une planche de bois à une hauteur de 1,5 m. le pourcentage de variation de la fréquence de résonance était inférieur à 2 ppm. Comme décrit ci-avant, le membre support d'un élément vibratoire piezoélectrlq ue de type diapason non seulement présente d'excellentes caractéristiques mécaniques et électriques, mais offre également une configuration simple et réduite appropriée à la production en série. REVENDICATIONS i - Dispositif vibratoire piezoélectrique du type diapason comprenant un élément vibratoire piezoélectrique ayant une surface principale en forme de U et une- pluralpté d'électrodes montées sur ledit élément vibratoire de manière que ce dernier vibre selon le mode de flexion et des moyens de support pour ledit élément vibratoire piezoélectrique, caractérisé en ce que lesdits moyens de support comprennent une attache pour fixer la surface principale par la base dudit élément vibratoire en forme de Uet un membre support qui s'étend perpendiculairement à ladite surface principale entre ladite attache et un organe fixe empêchant de ce fait une perte de vibration quelle que soit la longueur du membre support. 2 Dispositif vibratoire piezoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément vibratoire est un cristal de quartz, en ce que la surface principale est la surface XY' du cristal de quartz tandis que ledit membre support s'étend selon la direction de l'axe Z' du cristal. 3 - Dispositif vibratoire piezoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément vibratoire piezoélectrique est réalisé en tantalate de lithium, en ce que la surface principale est la surfaçe X'Y" du cristal de tantalate de lithium, tandis que -ledit membre support s'étend selon la direction de l'axe Z' de ce cristal. 4 - Dispositif vibratoire piezoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le membre support présente des parties ayant des impédances acoustiques différentes. 5 - Dispositif vibratoire piezoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section dudit membre support varie le long de sa longueur. 6 - Dispositif vibratoire piezoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de support comprennent une paire d'attaches et une paire de membres support supportant respectivement lesdites attaches qui fixent la base de l'élément vibratoire en forme de U et servent de moyen de raccordement électrique pour les électrodes. 7 - Dispositif vibratoire piezoélectrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le membre support comprend une tige cylindrique munie d'une ouverture transversale. 8 - Dispositif vibratoire piezoléectrique selon la revendication 5 caractérisé en ce que la section du membre support décroit progressivement à partir de son extrémité reliée à l'attache. 9 - Dispositif vibratoire piezoélectrique selon la revendication 5 caractérisé en ce que la section longitudinale du membre support prend la forme d'un sablier.