Brevet FR2285017A1 — publié le 19760409

Commue étalons de fréquence on utilise habituellement des quartz oscillants, c'est-à dire des monocristaux qui sont découpés suivant des directions déterminées et qui sont ensuite réglés sur une fréquence nominale par un usinage mécanique précis ainsi que par le dépôt par vaporisation d'autrc matériaux. Tout ceci est coûteux et nécessite une grande dépense de moyens techniques. En outre, la suspension mécanique du quartz oscillant, vis à vis de la sensibilité achocs exigée, ne peut être réalisée extrêmement difficilement.On connait en outre aussi des oscillateurs en diapason constitues par des matériaux magnétiques et utilisés comme élenents de détermination de fréquence, dans lesquels également l'accord fin de la fréquence d'oscillation doit être réalisée par abrasion ou dépôt de matériau. En outre, en raison de leur forme géométrique relativement compliquée, on ne peut pas réaliser des petits oscillateurs, de sorte que l'on ne peut pas obtenir des fréquences d'oscillation élevées. I1 est aussi connu que des noyaux annulaires de ferrite, réalisés à partir d'un matériau magnétostrictif, qui sont polarisés azimutalement, au moyen d'uncha.np alternatif magnétique orienté azimutalement, peuvent être excités pour fournir des oscillations radiales. Par un assemblage approprié des noyaux annulaires de ferrite, on a déjà cherché à obtenir une faible dépendance de la fréquence propre vis à vis de la température. Les résultats obtenus jusqu'ici ne sont cependant pas satisfaisants pour des exigeances sévères, par exemple pour des étalons de fréquence pour des montres électroniques. La présente invention se propose de réaliser des éléments fonctionnels possédant une fréquence propre constante, convenant notamment pour des appareils électroniques, dont la fréquence nominale respective est aussi constante que possible vis à vis d' in flucnces cxtérieures,par exemple de la température, d'un choc mécanique ou i phénomènes semblables, ou encore sur des intervalles de temps plus longs,sa fabrication devant pouvoir être effectuée avec une dépense de moyens techniques aussi faible que possible. Dans le cas d'un élément fonctionnel possédant une fréquence propre constante qui comporte un noyau annulaire de ferrite cons itut par un matériau magnétostrictif qui est prépolarisé azimutalement et qui peut être excité, par un champ alternatif magnétique orient azimutalement, pour fournir des oscillations radiales, le problbne est résolu suivant l'invention grâce au fait que l'on pré voit un noyau annulaire de ferrite présentant une boucle d'hysté- résis de forme rectangulaire qui est prépolarisu azirlutalerlent, par une impulsion de champ magnétique dot l'intensité est plus imy,;;tante que celle du champ coercitif dii matériau de férritc, la fréquence propre pouvant être modifiée dans certaines limites par l'intensité de cette impulsion de prépolarisation. La valeur de l'impulsion de champ permet d'obtenir un accord fin de la fréquence de résonance. Etant donné que les noyaux annulaires de ferrite sont commandés de façon inductive, à la diffc- rence d'un quartz oscillateur qui comporte des électrodes, aucune liaison du corps oscillant avec une ligne d'alimentation n'est nécessaire, de sorte que l'on peut très facilement réaliser une fixation sans amortissement et absorbant les chocs. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de plusieurs formes de réalisation particulières données à titre d'exemple et représentées au dessin annexé dans lequel La figure I est une vue partiellement en perspective et partiellement schématique, d'une première forme de réalisation de l'invention. La figure 2 représente le schéma équivalent de l'élément fonctionnel de la figure 1. La figure 3 représente le diagramme circulaire de l'impédance apparente du circuit résonant ,l'impédance apparente étant rapportée à la valeur WoL. La figure 4 est une vue schématique d'une seconde forme de réalisation de l'invention. La figure 5 représente le schéma équivalent de la forme de réalisation de la figure 4. La figure 6 est une vue schématique d'une troisième forme de réalisation de l'invention. La figure 7 est une vue schénatique d'une quatrième forme de réalisation de l'invention. La figure 8 est une esguisw du diagramme circulaire de l'impédance apparente du circuit résonant pour la forme de réalisation de la figure 7. La figure 9 est une vue schcmotique d'une cinquième forme cie réalisation de l'invention. La figure 10 illustre la (1t pelldance de la fréquence propre vis à vis de la température pour plusieurs oscillateurs suivant l'invention assemblés de façon différente. La figure ll illustre un exemple de la dépendance vis à vis de la température de la fréquence propre d'un oscillateur suivant l'invention, d'un transformateur et d'une combinaison oscillateur - transformateur. La figure 12 illustre un exemple de la dépendance de la fréquence propre d'un oscillateur suivant l'invention en fonction de la valeur de l'impulsion de prézolarisation. Dans la première forme de réalisation, représentée dans la figure 1, d'un élément fonctionnel présentant une fréquence propre constante, un noyau annulaire 5, constitué d'un ferrite magnétostrictif représentant une boucle d'hystérésis rectangulaire, est prépolarisé azimutalement par une impulsion de champ magnétique dont l'intensité est supérieure à l'intensité du champ coercitif EIC-, et est muni d'un enroulement 6 possédant des bornes 1,2, cet enroulement pouvant être constitué dans un cas extrême uniquement par une spire, comme celà est représenté dans la forme de réalisation de la figure 1. Le noyau annulaire en ferrite 5 peut être excité par un champ alternatif magnétique orienté azimutalement, pour fournir des oscillations mécaniques radiales, le champ d'excitation étant supposé en permanence inférieur à l'intensité du champ coercitif du matériau. La figure 2 représente le schéma équivalent électrique de l'élément fonctionnel de la figure 1, la résistance de ligne étant supposée négligeable. L désigne l'inductance de base k désigne le facteur de couplage électromécanique Q Q désigne le facteur de qualité de l'oscillation mécani- que wo désigne la fréquence angulaire de l'oscillation pro pre (wo = 21rf0). Pour les noyaux de ferrite utilisables, le facteur de couplage électromagnétique k est de l'ordre de grandeur de 0,1, le facteur de qualité de l'oscillation mécanique de l'ordre de grandeur de 1000, les seuls noyaux de ferrite utilisables étant ceux pour lesqucls la condition k . Q 1 est satisfaite. Pour la fré- quence f0 on a la formule approchée 2 TiI-lz ri,/mm da désignant le diamètre extérieur du noyau annulaire de ferrite. Pour le diagramme circulaire de l'impédance apparente dru dipôle on obtient au voisinage de W0 un cercle pour lequel, lorsque ltor rapporte l'impédance apparente à la valcur uso.L et avec l'hypothèse k~.Q t1, qui est toujours valable, les coordonnés du centre sont k .Q/2 ;; 1 et le diamètre est égal à k2.Q (voir figure 3).Entre les fréquences de résonance # 1 et fr 2, rapportées à # , et les valeurs q et k il cxiste la relation #1,2 = 1 \2 Q ce qui donne approximativement Pour la résistance de résonance on a la relation R'1 # k. Q# o . L , c'est pourquoi l'inductance L doit être importante lorsque pour une valeur donnée de k . q et de la frequence de résonance exigée fl e fO, on veut obtenir une résistance de résonnance R'1 aussi importante que possible.L'inductance de l'élé- ment fonctionnel dépend de la perméabilité rémanente du matériau, des dimensions géométriques et du carré du nombre de spires. En tenant compte du nombre de propriétés importantes, comme par exemple le facteur de couplage, le facteur de qualité et des coefficicnts de température, la perméabilité rémanente ne peut bien sûr être choisie librement que dans une faible mesure. Etant donné aussi que les dimensions géométriques sont déterminées, en raison de la fréquence de résonance exigée fl, ou doivent être maintenues aussi faibles que possible pour des raisons d'encombrement, une résistance de résonance élevée ne peut par conséquent être obtenue qu'avec un nombre de spires élevé. Cependant, étant donné qu'un montage sans amortissement, notamment dans le cas de noyaux annulaires i ferrite plus petits, est problèmatique lorsque l'on doit faire passer plusieurs ou un grand nombre de spires à travers le noyau annulaire de Irrite servant d'oscillateur, comme cela est représenté dans la seconde forme de réalisation des figures 4 et 5, le noyau annulaire de ferrite 5 est couplé inductivement, au moyen d'une boucle de couplage 8, à un noyau de transformateur 7 dont l'inductance primaire L1 doit être suffisamment importante pour satisfaire à la relation W 0L1 > > R'1 En outre, il faut faire attention que la résistance ohmique du circuit de couplage soit très faible par rapport à R'1. L'enroulement secondaire, comportant les bornes de sortie 1, 2, qui est disposé sur le noyau de transformateur 7 est désigné ici par la référence 9. En correspondance avec le rapport de transfor nation ü la résistance de résonance R'2 apnaraissant entrc les sor ties 1 et 2 est plus élevée que R' d'un facteur de ü2. Le schéma électrique équivalent du dispositif de la figure 4 est représente dans la figure 5. Entant donné que pour réaliser un circuit oscillateur une impédance quadripolaire est plus avantaqeusc qu'une impédance bipolaire, on peut, suivant la forme de réalisation représentée dans la figure 6, disposer un second enroulent secondaire 10, possédant des sorties 3, 4, sur le noyau de transformateur 7. Indépendamment de la nature du transformateur 7 et du type de son enroulement, on peut brancher entre le noyau annulaire de ferrite et le transformateur 7 un élément de couplage inductif réglable (figure 7), au moyen duquel on peut déplacer le point de fonctionnement ou le passage par zéro du diagramme circulaire, représenté schématiquerent dans la figure 8, vers des fréquences plus élevées. Lorsqu'à l'inductance de base L s'ajoute encore l'in ductance #. L de l'élément de couplage inductif 11, le centre M se déplace parallèlement à l'axe y du diagramme circulaire, vers le point M, la fréquence de résonance #-1 se déplaçant vers Q1* .Pour calculer Q1* on peut utiliser la formule suivante Pour que le point de résonance soit déterminé sans équivoque on doit avoir c'est-à-dire que X ne doit pas prendre des valeurs tres importantes. L'élément de couplage inductif réglable permet d'obtenir un accord fin de la fréquence de résonance. le dispositif représenté dans la figure 9, dans lequel deux noyaux de transformateurs 12 sont couplés inductivement au noyau annulaire de ferrite 5, par l'interm.édiaire d'une boucle de couplage 8 dans laquelle se trouve une inductance mutuelle 13 pou vnnt être équilibrée, permet d'obtenir un domaine dc variations plus important, étant donné que grâce ì cet agencement le centre ! (voir figure 8) peut aussi être décalé suivant l'axe x. Les enroulements secondaires des noyaux de transformateurs 12 sont désignés par la référence 14. Comme matériaux magnétostrictif possédant une boucle dthystérésis rectangulaire, on utilise de préférence un ferrite Ni-Zn contenant du Go, le rapport des composants étant de préfé- rence supérieur au rapport stochiométrique, clui est éventuellement plongé dans un camp magnétique longitudinal après son frittas, qui présente une boucle d'hystérésis rectangulaire et dont la com- position des composants initiaux est donnée par 51 - 62 Mole Oo Fe2O3 0 - 25 ttole % NiO pour 1 reste Oo en poids de con environ n,3 à 1 etant donné que la fréquence propre de ce ferrite dépend très peu de la température, comme on peut le voir dans la figure 10 pour des compositions données ei-dessous à titre d'exemple. La figure 10 représente la dépendance de la fréquence propre vis-à-vis de la température pour trois noyaux annulaires de ferrite désignés par les références a, b, et c dans le tableau cidessous les courl)es a, b et c étant respectivement associées au noyau portant les mômes références et présentant une allure pa- rabolique, la position du maximum pouvant être déterminée, en correspondance avec le domaine de mise en oeuvre, par la teneur en Co. Noyau a b c Fe2O3 Plole % 57 57 57 NiO Mole % 30,5 3n,5 3n,5 ZnO Mole % 12,5 12,5 12,5 CoO Poids % n,475 0,55 0,695 Les noyaux annulaires de ferrite suivant le tableau ei-dessus sont encore plongés, après le frittage, dans un champ magnétique longitudinal pour leur donner les propriétés qui permettent d'obtenir une boucle d'hystérisis rectangulaire. Pour comman- der le comportement en température ainsi que les valeurs de q et k, on peut aussi utiliser d'autres composés additionnels, par exemple du CaO et du nar). Le comportement en température de la fréquence de résonance peut être aplati, comme ceci est représenté dans la figure 11, jusqu'à obtenir une allure de courbe d représentée en pointillés, lorsque l'on compense la courbe, désignée par la référence e, représentant la fréquence propre de l'oscillateur ou du noyau annulaire de ferrite en fonction de la température, au moyen d'une allure correspondante f de l'inductance clii matériau du transformateur en fonction de la température.Lors d'un comportement en température parabolique de la fréquence propre de ltoscillateur, comme cela est le cas dans exemple représentE, l'allure de la courbe de l'inductance du transformateur doit présenter la forme d'une cloche lorsque l'on souhaite obtenir la courbe désignée par la référence d. Le noyau annulaire de ferrite correspondant aux courbes de la figure ll possède les caractéristiques suivantes L = 10 nH k = 0,16 Q = 1200 f0 = 390 kflz. La figure 12 représente l'allure de la fréquence propre en fonction de l'impulsion de pré-aimantation Iv, la valeur étant rapportée au courant coercitif 1c du noyau annulaire en ferrite,déterminée à l'aide d'un noyau annulaire de ferrite plongé dans un champ magnétique, possédant un diamètre extérieur de 6mm et dont les composants initiaux sont donnés par 53,0 Mole % Fe203 20,0 Mole % ZnO 27,0 Mole z NiO 0,64 Poids 3 CoO On voit de ce fait qu'une variation de plus de 10/ou est possible. De façon avantageuse, l'élément fonctionnel est logé dans un boîtier fermé hermétiquement qui est rempli par un gaz sec, par exemple de l'azote, ou qui est éventuellenent mis sous vide. Comme pour n'importe quel agencement oscillant mécaniquement, la fréquence propre varie lorsque par exemple de la poussière ou de l'humidité cordensée se dépose. Etant donné aussi que des champs magnétiques perturbateurs peuvent influencer la fréquence propre, le boîtier sera avantageusement constitué par un matériau conducteur du point de vue magnétique. REVENDICATIONS 1 - Elément fonctionnel possédant une fréquence pr-opre constante, comportant un noyau annulaire de ferrite en matériau magnétostrictif qui est prépolarisé azimutalement et qui peut être excite, par un champ magnétique alternatif orient azimutalenent, pour produire des oscillations radiales, caractérisé par le fait qu'il comporte un noyau annulaire de ferrite (5) présentant une boucle dthystérésis rectangulaire, qui est prépolarisée azimutalement par une impulsion de champ magnétique dont l'intensité est supérieure à l'intensité du champ coercitif du noyau de ferrite, la fréquence propre pouvant être modifiée dans certaines limites au moyen de l'intensité de cette impulsion de prepolarisation. 2 - Elément fonctionnel suivant la revendicaton 1, caractérisé par le fait que le noyau annulaire de ferrite (5) est couplé inductivement, au moyen d'un t-;ansformateur (7), les composants satisfaisant à la relation QoLl ))R1 avec w = fréquence angulaire de l'oscillation propre o L1 = inductance primaire du transformateur R1 = résistance de résonance. 3 - Elément fonctionnel suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que deux enroulements secondaires (9, 10) sont disposés sur le noyau (7) du transformateur. 4 - Elément fonctionnel suivant la revendication 1 et l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait qu'entre le noyau annulaire de ferrite (5) et le transformateur (7) est branché un clément de couplage inductif réglable (11). 5 - Elément fonctionnel suivant la revendication 1 et l'une quelconque des revendications 7 .l 4, caractérisé par le fait que deux transformateurs (12, 12) sont couplés inductivement au noyau annulaire de ferrite (5), par l'intermédiaire d'une boucle de couplage (8) dans laquelle se trouve une inductance mutuelle (13) pouvant être équilibrée. 6 - Elément fonctionnel suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un noyau annulaire éventuellement plongé dans un champ magnétique longitudinal après son frittage, qui est constitué de préférence par un ferrite "li-Zn contenant du Co, le rapport des composants étant supérieur au rapport stochiométrique, et qui présente une boucle d'hystérésis rectangulaire. 7 - Elément fonctionnel suivant la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comporte un noyau annulaire de ferrite dont les composants initiaux sont donnés par 51 - 62 Mole % Fie 203 0 - 25 Mole % ZnO NiO pour le reste environ 0,3 - 1 poids Oa CoO 8 - Elément fonctionnel suivant les revendications 6 ou 7 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait qu'il comporte un noyau annulaire de ferrite dont la composition est la suivante 57 Mole % Re203 12,5 Mole t ZnO 30,5 Mole % NiO 0,55 Poids t CoO 9 - Elément fonctionnel suivant la revendication 1 et l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé par le fait que le noyau annulaire de ferrite (5) est logé dans un boltier fermé rempli par du gaz sec ou mis sous vide, qui est constitué par un matériau conducteur du point de vue magnétique. 10 - Elément fonctionnel suivant la revendication 9, caractérisé par le fait que le boîtier est rempli par du N2