Brevet FR2343366A1 — publié le 19770930

L'invention est relative à un résonateur piézoélectrique ayant des dimensions et un facteur de qualité qui le rendent susceptible d'être utilisé dans une pièce d'horlogerie, telle qu'une montre-bracelet, et qui lui permettent d'être fabriqué à moindres frais que jusqu'à présent. Le développement considérable des pièces d'horlogerie pilotées par un résonateur à quartz, en particulier les montres-bracelets, qui s'est manifesté pendant les dernières années, a nécessite des progrès continuels dans un ou deux domaines particulièrement critiques, à savoir les circuits utilisés pour convertir en basse fréquence les vibrations à haute fréquence des résonateurs pour les besoins de l'affichage, et évidemment les résonateurs euxmêmes. Pour ce qui concerne les circuits, ceux-ci sont arrivés à un point de développement tel, qu'ils peuvent être facilement fabriqués, même si l'on utilise des fréquences très élevées, et que le résonateur nécessite de plus en plus d'étages diviseurs.Puisque, en pratique, de tels circuits sont plus facilement disponibles, les limitations antérieures imposées par la consommation d'énergie et les impératifs de fiabilité se sont largement estompées, si bien quvil devient possible d'utiliser des résonateurs à très haute fréquence, quand on peut le désirer pour des raisons de qualité et de précision. En même temps, une forte poussée vers une production plus importante a pour conséquence que les résonateurs eux-mêmes deviennent critiques en tant que pièces détachées pour la fabrication des pièces d'horlogerie qu'ils équipent. Ainsi, une difficulté a été de trouver une manière économique de fabriquer de grands nombres de résonateurs susceptibles d'être utilisés dans des pièces d'horlogerie, telles que des montres-bracelets. Evidemment, ces resonateurs ne doivent occuper qu'un espace relativement restreint, mais en même temps doivent montrer un bon facteur de qualité. Dans ce but, de nombreuses propositions ont e été faites ces dernières années, et de nombreux types de cristaux ont été utilisés ou suggérés pour un tel emploi. On sait bien, par exemple, utiliser des cristaux vibrant en flexion et, plus récemment, on a proposé l'utilisation de cristaux vibrant en cisaillement d'épaisseur, ces derniers cependant étant réservés à des fréquences su périeuresa I L MHz. Des pièces d'horlogerie pilotées par ces cristaux de quartz sont couramment disponibles et fonctionnent en général à une frequence de 32 768 Hz. On a aussi vu, sur le marché, des pièces d'horlogerie ayant des fréquences beaucoup plus élevées, d'env- ron 2,4 MHz, ces dernières fonctionnant avec une précision extrême. Avec le développement des circuits, comme on l'a mentionné plus haut, il est devenu opportun d'explorer les possibilités offertes par des domaines intermediaires, c'est-à-dire la gamme de fréquences comprises entre 100 KHz et 1 MHz. Dans cette gamme, les tailles préférées pour les cristaux sont des types DT, CT ou SL pour lesquels on a des vibrations de cisaillement de surface. La nature de ces vibrations dans le mode principal implique qu'il y aura moins de perturbations dues à l'atmosphère qui entoure le résonateur.Ainsi, au contraire des resonateurs couramment employés, dont la plupart vibrent en flexion et qui nécessitent des encapsulages scellés sous vide afin d'obtenir un facteur de qualité raisonnable, on a trouvé que par l'utilisation de ces fréquences intermédiaires en cisaillement de surface, il est possible de monter les résonateurs correspondants dans une atmosphère qui se trouve à une pression voisine de la pression extérieure ambiante, sans pour autant abaisser le facteur de qualité à un niveau inacceptable. C'est pourquoi l'invention propose un résonateur piézoélectrique ayant un facteur de qualité qui le rende susceptible d'utilisation dans des pièces d'horlogerie, et comprenant un élément résonant en quartz taillé de manière à vibrer en cisaillement de surface, et, pour maintenir et protéger cet élément résonant, une enceinte dans laquelle règne une pression voisine de la pression atmosphérique. L'inventiDn sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit, pour laquelle on fera référence aux dessins, parmi lesquels - la fig. 1 montre une coupe d'un résonateur conforme à une exécution préférentielle de l'invention, - la fig. 2 est une vue en perspective partiellement coupée d'un résonateur selon l'invention. Dans une exécution préférentielle de l'invention, l'élément résonant lui-même est constitué d'un disque plat ou d'une plaquette c de quartz qui, au préalable, peut avoir été taillé selon la coupe DT, CT ou SL de manière à vibrer en cisaillement de surface. Un tel disque c est monté dans une enceinte formée d'une part d'un manchon annulaire a qui peut être injecté en plastique directement avec des rubans de suspension b qui traversent sa paroi en direction du centre et sont décapés axialement pour faciliter le montage. Les extrémités internes des rubans b sont équipées de tétons d, les extrémités libres de ces tétons d pouvant être soudées en des points centraux du disque ou de la plaquette c sur des surfaces métallisées de celui-ci.Par un procédé de fabrication approprié, ces tétons d peuvent être venus d'une seule pièce avec les rubans b ou être fixés aux rubans par un joint de soudure. Le résonateur ainsi assemblé est finalement protégé en pla çant des couvercles e terminaux de chaque côté du manchon annulaire a, donnant à l'enceinte la forme d'une boite cylindrique creuse, comme la fig. 1 le montre. Comme ltélément résonant c est le siège de vibrations de cisaillement de surface dans son mode principal, il n'est pas nécessaire de fermer hermétiquement l'enceinte sous vide. Ce fait permet aux enceintes elles-mêmes qui, jusqu'a présent constituaient un problème difficile et coûteux à résoudre dans la production de résonateurs à quartz, d'être fabriquées de façon grandement simplifiée, et même, d'être constituées directement de pièces de plastique moulées. Divers plastiques peuvent être utili sés comme, par exemple, un matériau thermo-plastique tel que le type PPS vendu sous la marque Ryton, ou encore une résine époxy thermo-durcissable. Le moulage du manchon a sera facilité par des méthodes d'injection directe. Avec cette pièce constitutive du résonateur complet fabriquée si facilement en grande quantité, il devient relativement simple de fixer ltélément résonant c en place, et d'appliquer ensuite les couvercles e,ceux-ci ne nécessitant aucune mesure particulière pour tenir le vide. L'utilisation d'une encéinte en plastique moulé à la place des enceintes métalliques usuelles avec leur dispositif d'étanchéité complexe et la nécessité de scellements étanches pour les fils d'arrivée b fait que le résonateur va vibrer sous une pression voisine de la pression atmosphérique. On pourrait aussi, évidemment, remplir l'enceinte d'un autre type de gaz, comme par exemple, l'hélium. Dans ce cas, cependant, on rencontrerait à nouveau les problèmes d'étanchéité pour maintenir l'intérieur de l'enceinte à l'abri des contaminations de l'atmosphère ambiante. Aussi, dans I'exécu- tion préférentielle, se contente-t-on de placer le cristal de quartz c dans l'enceinte et d'appliquer des couvercles terminauxe. I1 est clair que contrairement au produit des méthodes usuelles de fabrication, le résonateur selon l'invention est de construction extrêmement simplifiée. Bien que le cristal c montré dans l'exécution préférentielle soit un disque circulaire aplati, il est évident qu'il pourrait aussi bien avoir la forme d'une plaquette rectangulaire ou carrée. Dans ce cas, le manchon annulaire a aurait une forme similaire de manière à entourer au mieux le cristal. On pense cependant qu'il est beaucoup plus facile et rationnel de produire le type de ré-sonateur qui est montré dans l'exécution préférentielle. En ce qui concerne les perturbations qui pourraient encore résulter de la présence d'une at,mosphère dans l'enceinte, un facteur peut être pris en considération. Ainsi, lorsque l'enceinte -et le cristal sont tous deux de forme circulaire, comme représenté, la distance D1 entre le bord intérieur du manchon annulaire a et le bord extérieur du cristal c a une certaine importance. Cette distance doit être maintenue constante et être choisie de manière à éviter les effets d'ondes stationnaires dans l'atmosphère se trouvant entre le cristal c et le manchon a. Dans un gaz, la longueur d'onde d'une onde acoustique ayant une fréquence f est donnée par l'équation où f est égal à la fréquence du résonateur, g au rapport entre les chaleurs spécifiques à pression constante et à volume constant, P à la pression et Q à la masse volumique du gaz contenu dans l'enceinte. Dans le cas présent, la distance D1 optimale est égale à (2n + 1) # , où n est un entier 4 positif ou nul. 4 REVENDICATIONS 1. Résonateur piézoélectrique de facteur de qualité convenant à des applications en horlogerie, caractérisé par le fait qu'il comprend un élément résonant en quartz taillé de manière à vibrer en cisaillement de surface, et, pour maintenir et protéger cet élé- ment résonant, une enceinte dans laquelle règne vne pression voisine de la pression atmosphérique. 2. Résonateur selon la revendication I caractérisé par le fait que l'enceinte est constituée de pièces de plastique moulées. 3. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'enceinte comprend un manchon annulaire central et deux couvercles terminaux donnant à l'enceinte la forme d'une boite cylindrique creuse. 4. Rôsonateur selon la revendication 2, caractérise par le fait que des rubans métalliques conducteurs de support pour la suspension de ltélément résonant sont encastrés pendant le moulage directement dans les parois de l'enceinte. 5. Résonateur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que des rubans métalliques conducteurs de support pour la suspension de l'élement résonant traversent la paroi du manchon annulaire et sont décalés axialement de manière que ltélément résonant puisse être suspendu entre ces rubans en un point central de contact sur chacune de ses faces opposées. 6. Résonateur selon la revendication 3,caractérisé par le fait que le manchon annulaire est de forme circulaire et que l'élément résonant a la forme d'un disque circulaire de rayon inférieur au rayon intérieur du manchon. 7. Résonateur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la distance séparant l'élément résonant du manchon, ctest-à- dire la différence entre leurs rayons respectifs est égale à (2 n + 1) # , où n est un entier positif ou nul et 4 la longueur d'onde d'une onde acoustique de fréquence f, &gamma; étant le rapport des chaleurs spécifiques à pression constante et à volume constant, P la pression etf la masse volumique de l'atmosphère intérieure à l'enceinte. 8. Résonateur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le manchon annulaire est de forme rectangulaire et que 1'é1é- ment résonant a la même forme mais est de dimensions inférieures. 9. Résonateur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le manchon et ltélément résonant sont de forme carrée. 10. Résonateur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'atmosphère intérieure à l'enceinte est la même que l'atmosphère ambiante.