Brevet FR2296943A1 — publié le 19760730

La présente invention se rapporte aux cristaux piézoélectriques oscillants , constitués de blocs cristallins taillés suivant des orientations particulières, certaines faces des blocs étant munies d'électrodes en forme de couches métalliques, et de bornes de raccordement. Dans certaines applications, de tels cristaux, constituant à la résonance un élément à haute surtension, sont mis en oeuvre dans des filtres de fréquence, n'autorisant le passage du signal électrique à filtrer , que dans une partie du spectre total des fréquences appliquées à leur entrée. Dans le cas d'un filtre passe-bande notanment-, il est souvent recherché d'une part une bande de fréquence transmise très étroite devant la bande totale de fréquences appliquée, et d'autre part une atténuation importante en dehors de la bande transmise. Parmi les solutions connues pour atteindre ce but, on a proposé l'association de deux cristaux piézoélectriques connectés entre eux suivant diverses configurations de circuits. L'une d'elles, connue sous le nom de circuit JÂUMANN; fait appel à deux cristaux, de fréquences de résonance proches, et se prote à une réalisation pratique sous forme d'un bloc cristallin unique, muni d'une électrode sur une première face et de deux électrodes sur une seconde face en vis à vis de la première. La structure et le fonctionnement d'un tel circuit peuvent s'analyser comme ceux de deux cristaux élémentaires couplés. Cependant, un tel cristal piézoélectrique, fonctionaant par exemple suivant le mode connu sous le nom de cisaillement, présente à certaines fréquences particulières, différentes de la fréquence fondamentale, des résonances néfastes pour l'efficacité du filtre. La cause peut en être attribuée à la diffusiontavec réflelion > dans la totalité du cristal,de l'énergie mécanique créée dans la région des électrodes. On réduit l'influence de ces résonances parasites par deux dispositions. L'une fait appel à des dimensions particulières en surface et en épaisseur des électrodes des faces du cristal, dont la présence et la masse réalisent une concentration avantageuse, ou "piégeage", de l'énergie mécanique sous leur surface ; l'autre fait appel à une répartition ou orientation particulières des électrodes sur les faces, permettant d'obtenir, dans les filtres à plusieurs cristaux, pour une même fréquence utile, un décalage de fréquence entre résonances parasites des cristaux élémentaires couplés. La non-coïncidence des domaines de fréquence d'admittance élevée correspondant aux résonances parasites empoche ainsi la transmission du signal pour ces fréquences. Lorsque le cristal piézoélectrique n'est plus mis en oeuvre sur sa fréquence de résonance fondamentale, mais sur un mode harmonique d'ordre supérieur, tel que l'ordre 3 ou l'ordre 5 par exemple, la méthode de non-cotncidence décrite ci-dessus n'est plus utilisable. En effet, dans ces cas, la valeur des fréquences de la bande correspondant aux résonances parasites reste sensiblement constante quelle que soit la position, la répartition, ou la masse des électrodes fixées sur les deux faces du cristal. C'est le but de la présente invention de fournir un cristal piézoélectrique, oscillant sur un mode harmonique, ne présentant qu'une amplitude réduite de résonances parasites, et dispensant ainsi de recourir à une mise en oeuvre, alors peu efficacessde la méthode de non-coïncidence indiquée plus haut. Dans son principe, l'invention fait appel à une répartition et à des dimensions relatives particulières des électrodes fixées sur les deux faces principales du bloc cristallin constituant le cristal piézoélectrique oscillant. Vues en projection perpendiculaire à ces faces, les électrodes d'une face ne recouvrent que partiellement la surface de celles de l'autre face, et de plus, la surface libre ainsi laissée représente en général deux parties de valeur inégale. Plus précisément l'invention se rapporte à un cristal piézoélectrique pour filtre de fréquence, en forme de bloc, comportant deux faces planes parallèles, et deux ensembles d'électrodes planes respectivement fixés en vis à vis sur les deux faces, le premier ensemble d'électrodes étant constitué par deux électrodes ayant une première surface en forme de bande, dont les deux côtés longitudinaux sont respectivement disposés dans le prolongement l'un de l'autre, le second ensemble d'électrodes ayant une seconde surface limitée par un contour extérieur polygonal, caractérisé en ce que ladite seconde surface n'est que partiellement recouterte, dans sa partie en vis à vis de la première surface, par la projec tionvperpendiculairement auxdites faces, de ladite première surface, la partie non recouverte étant constituéede deux zones de surface différente. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après, en s'appuyant sur les figures annexées, où - la figure 1 représente un cristal oscillant suivant l'art connu - la figure 2 représente, suivant deux axes de coordonnées, une courbe explicative - la figure 3 représente un cristal oscillant suivant l'invention - la figure 4 représente, suivant deux axes de coordonnées, une courbe de résultats du dispositif selon l'invention; - les figures 5 et 6 représentent des variantes du cristal oscil lant selon l'inventipn. La figure 1 représente un cristal oscillant suivant l'art connu. Il se compose d'un bloc cristallin I,de quartz par exemple, avec deux faces principales sensiblement planes 2 et 3 en vis à vis, réalisant en un bloc unique deux cristaux élémentaires couplés, ainsi qu'il a déjà été expliqué plus haut. Sur les deux faces ont été fixées, par dép8t métallique par exemple, deux paires d'électrodes , respectivement 4 et 8 pour le premier cristal élémentaire et 5 et 9 pour le second ; elles sont munies de bandes de connexion telles que 6, 7, 10 et 11. Dans certains circuits, tels que par exemple le circuit de JÀUMANN, les deux cristaux ont deux électrodes de la même face connectées ensemble, 1'électrode de la face inférieure de la figure t par exemple, qui prend alors la forme d'une électrode unique. C'est pour ce cas que, par voie de simplification, les autres figures ont été établies, le cas des deux électrodes séparées étant bien entendu compris dans le domaine de la présente invention. La figure 2 représente, en coordonnées cartésiennes, une courbe donnant la courbe de transmission d'un cristal oscillant en fonction de la fréquence d'une tension électrique alternative appliquée à ses bornes. Si l'on fait croître progressivement la fréquence F, la grandeur rendant compte de la transmission ou admittance Y, normalement faible en 20, présente une valeur élevée 21 pour la fréquence fondamentale d'oscillation du quartz suivie d'un retour à une admittance faible en 22. Cependant, une oscillation parasite apparat en 23, d'amplitude D, augmentant à nouveau l'admittance du cristal dans la bande de fréquences utiles, limitant ainsi l'atténuation qui y est recherchée, et par conséquent l'efficacité du filtre. Si le cristal résonne sur son mode fondamental, on a déjL indiqué plus haut que par action sur la répartition et la masse des électrodes, il est possible d'agir sur la fréquence de l'oscillation parasite, et d'en compenser l'influence par association de plusieurs cristaux à fréquences parasites décalées, tandis que s'il résonne sur un harmonique la fréquence parasite reste sensiblement constante, ce qui interdit la solution du décalage. La figure 3 représente un cristal oscillant selon l'invention, vu en plan. Le cristal 2 comporte, sur sa face plane inférieure, une électrode 20 représentée en hachures, et sur sa face supérieure, deux électrodes 6 et 7, disposées dans le prolongement l'une de l'autre, et dont les extrémités 4 et 5 sont disposées en vis à vis de l'électrode 20, de telle sorte que l'un de leurs bords 33 soit sensiblement tangent au contour extérieur de cette électrode. La caractéristique fondamentale de l'invention consiste en ce que l'autre de leurs bords 34 n'est plus tangent à ce contour extérieur comme dans les structures de l'art connu. Si l'on considère l'axe de symétrie 22 des deux électrodes supérieures,cette disposition s'exprime par le fait que l'axe de symétrie 22 est à une distance 30 non nulle du centre de symétrie de l'électrode circulaire inférieure 20. Elle peut aussi s' exprimer par la constatation que la largeur L des électrodes supérieures est alors plus petite que le diamètre D du cercle constituant l'électrode inférieure. Le rapport B est alors, suivant l'invention, plus L -grand que l'unité. La figure 4 représente, dans des axes de coordonnées cartésiennes, une courbe rendant compte de la diminution de l'amplitude de l'oscillation parasite lorsque la largeur des électrodes est réduite dans les conditions de positionnement géométrique décrites plus haut, leurs autres dimensions étant adaptées pour que leur masse reste constante. Plus précisément, le diagramme, porte en ordonnées, les valeurs de la grandeur D , définie dans le diagramme de la figure 2, comme lui le rapport entre les admittanc-es du moRe principal et'des résonances parasites, ou dynamique de la résonance parasite, exprimé en décibels, et porte en abscisses les valeurs du rapport E, entre le diamètre D de l'électrode inférieure et la largeur L des électrodes supérieures.Il est possible de constater sur ce diagramme, que, pour toute valeur de E dépassant environ 1,65,la valeur de D ne dépasse dB pas 0,1,ce qui correspond avantageusement,comme on l'indique plus loin dans un cas pratique donné à titre d'exemple, à des atténuations élevées pour les résonances parasites. Les Figures 5 et 6 représentent deux variantes de l'invention où l'électrode inférieure a un contour extérieur différent de celui d'un cercle. Sur la figure 5, ce contour est celui d'un rectangle, et la caractéristique fondamentale de l'invention peut s'exprimer alors par la condition que la largeur L des électrodes supérieures soit plus petite que la dimension L' du rectangle qui lui est perpendiculaire, associé à la condition,déjà indiquée plus haut, que l'axe de symétrie des électrodes supérieures soit à une distance non nulle du centre de symétrie s du rectangle. Sur la figure 6, ce contour est de forme quelconque, et la condition liée au centre de symétrie est impossible à exprimer. Cependant, la signification technique de cette condition, qui repose sur un rapport particulier de surfaces en vis-à-vis, peut se généraliser dans ce cas en remplaçant la notion de centre de symétrie par la notion de centre de gravité ou barycentre, qui reste d'ailleurs valide pour les contours géométriques réguliers présents dans les autres figures. La condition s'exprime alors par le fait que l'axe de symétrie des électrodes supérieures est à une distance non nulle du barycentre B de la figure représentant le contour de l'électrode inférieure. On doit d'autre part noter que, cette première condition étant satisfaite, la disposition décrite, où les deux électrodes supérieures ont un de leurs bords tangent à celui de l'électrode inférieure, représente alors un cas optimal, la partie de cette électrode qui dépasserait ces bords extérieurs ayant en effet une influence négligeable, comme les expériences pratiques l'ont confirmé. Ce dernier cas doit cependant etre considéré comme faisant partie de linventions qui apparat ainsi,de#façon plus générale, comme laissant non couvertes, en projection perpendiculaire aux faces du cristal, deux zones de grandeur inégale sur l'électrode inférieure ; le cas optimal de la tangence correspond alors au fait que l'une de ces zones est de surface nulle. Â titre d'exemple, des filtres réalisés suivant l'invention ont donné, dans des bandes comprises entre 50 et 200 INEz et pour des valeurs du rapport K comprises entre 1,6 et t,7, des atténuations importantes des résonances parasites, de l'ordre de 25 à 35 dB par rapport à l'amplitude maximale de la courbe de transmission. REVENDICATIONS 1. Cristal piézoélectrique pour filtre de fréquence,en forme de bloc, comportant deux faces planes parallèles, et deux ensembles d'électrodes planes respectivement fixés en vis à vis sur les deux faces, le premier ensemble d'électrodes étant constitué par deux électrodes ayant une première surface en forme de bande, dont les deux côtés longitudinaux sont respectivement disposés dans le prolongement l'un de l'autre, le second ensemble d'électrodes ayant une seconde surface limitée par un contour extérieur polygonal, caractérisé en ce que ladite seconde surface n'est que partiellement recouverte, dans sa partie en vis à vis de la première surface, par la projection perpendiculairement auxdites faces, de ladite première surface, la partie non recouverte étant constituée de deux zones de surface différente. 2. Cristal piézoélectrique pour filtre de fréquence suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des deux zones a une surface de valeur nulle. 3. Cristal piézoélectrique pour filtre de fréquence suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit contour est un cercle, l'un desdits côtés longitudinaux étant tangent, suivant ladite projection, audit contour extérieur. 4. Cristal piézoélectrique pour filtre de fréquence suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit contour est un rectangle, l'un desdits côtés longitudinaux étant parallèle à l'un des côtés dudit rectangle. 5. Cristal piézoélectrique pour filtre de fréquence suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux électrodes en forme de bande sont séparées par un intervalle dont les bords sont perpendiculaires à la direction desdits côtés longitudinaux. 6. Cristal piézoélectrique pour filtre de fréquence suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ladite seconde surface est constituée de deux parties égales séparées par un intervalle dont les bords sont perpendiculaires à la direction desdits côtés longitudinaux.