Brevet FR2361774A1 — publié le 19780310

L'invention est relative aux oscillateurs à résonateur piézoélectrique, et notamment à ceux de ces oscillateurs qui sont conçus pour être utilisés comme étalons de fréquence de bases de temps ou d'horloges dans des véhicules aéronautiques ou spatiaux, en vue d'applications telles que la trajectographie à l'horloge, le guidage de véhicules aériens ou spatiaux, etc*.. Bien que les oscillateurs quantiques, et en particulier les horloges au césium, se soient pratiquement imposés comme étalons primaires de fréquence pour de telles applications, les oscillateurs à résonateur piézoélectrique et plus particulièrement les oscillateurs 'a quartz ont désormais acquis une telle stabilité à long terme que leur substitution aux oscillateurs quantiques peut être avantageusement envisagée dans de nombreux cas du fait qu'ils sont plus légers, moins encombrants et moins coûteux, mais leur fonctionnement met en jeu des phénomènes de résonance mécanique, ce qui les rend sensibles aux accélérations imposées par le véhicule porteur. L'objet de l'invention est un oscillateur à résonateur piézoélectrique, et notamment un nscillateur à quartz, qui soit pratiquement insensible à des accélérations importantes et qui puisse par conséquent etre utilisé comme étalon de fréquence dans un véhicule aéronautique ou spatial. L'invention repose sur les constatations suivantes qui seront développées ci-après et dont certaines ont été faites par les inventeurs; elles sont valables pour des accélérations de valeur élevée du moment que les contraintes engendrées par celles-ci ne provoquent pas dans les résonateurs ou dans leurs supports des déformations non linéaires :: - la variation de fréquence d'un oscillateur piézoélectrique est une fonction linéaire du module de l'accélération imposée; - ladite variation de fréquence est une fonction sinusoïdale de ltécart angulaire entre la direction de l'accélération et une direction de référence dépendant notamment du nombre et de la position des points de fixation du cristal à son support; - le coefficient de proportionnalité entre l'écart en fréquence et le module de l'accélération est pratiquement indépendant du nombre et de la position des points de fixation On sait d'autre part que l'on peut corriger dans une cer taine assure la fréquence d'un résonateur piézoélectrique inséré dans une boucle d'oscillateur en lui connectant en série une capacité réglable. Selon sa définition la plus générale, l'oscillateur de l'invention, qui est du genre comportant dans une boucle d'entretien des oscillations un résonateur piézoélectrique et au moins une capacité de réglage de fréquence connectée en série audit résonateur, est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens sensibles à l'accélération imprimée à l'oscillateur pour imposer à la capacité une valeur telle que l'écart de fréquence que provoque celle-ci est opposé à l'écart de fréquence provoqué par l'accélération. Autrement dit, si une accélération déterminée en module et en direction provoque une variation g F de la fréquence de 1' oscillateur, la capacité de réglage agit automatiquement pour provoquer une variation substantiellement égale à -ZiF. D'autres dispositions de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un diagramme de blocs d'un oscillateur à résonateur piézoélectrique ; - la figure 2 est un schéma en perspective d'un cristal piézoélectrique et de ses axes principaux ; - la figure 3 est un schéma électrique équivalent d'un résonateur piézoélectrique et de sa capacité de réglage ; - la figure 4 est une vue de côté d'un condensateur de compensation d'accélération selon l'invention, avec demi-coupe à droite; et - la figure 5 est une vue de dessus du même condensateur, à même échelle que la figure 4. On considère d'abord la figure 1. L'oscillateur y est représenté par une boucle série constituée par une capacité de réglage 10, un résonateur piézoélectrique 30 et un amplificateur 40. Un circuit 50, dont l'entrée 51 est connectée à la liaison de la sortie 41 de l'amplificateur 40 et de la borne Il de la capacité lb, assure l'adaptation en niveau et en impédance du signal d'oscillation qu'il délivre par sa sortie 52 à des circuits ou organes que l'on n'a pas figurés. On a porté, dans une direction quelconque, un vecteur ! représentant l'accélération qui est imprimée au sys tème et dont l'invention vise à compenser les effets au moyen d'une variation automatique de la valeur de la capacité 10. On considère maintenant la figure 2 qui représente le cristal piézoélectrique 31 du résonateur 30 et le trièdre de ses axes principaux que l'on dénomme, ;#elon l'usage, OX', OYt et OZ*. Le cristal 31 est, par exemple, un quartz de coupe AT; on sait que ce mode de coupe assure une stabilité maximale de la fréquence et une sensibilité minimale aux variations de température. Pour assurer une résonance maximum, sa face 32 est une calotte sphérique dont la convexité est orientée dans la direction OY'. On a déterminé au moyen d1 essais au bras tournant l'excursion en fréquence de tels quartz dans différentes directions relativement aux axes principaux, en faisant varier le nombre des points de support (non représentés sur la figure 2) pour différentes valeurs d'accélération.On a trouvé que, dans tous les cas, l'excursion en fréquence de part et d'autre de la fréquence nominale (ctest-à-dire de la fréquence sous accélération nulle) peut s'exprimer par une relation de la forme relation dans laquelle AF est la-valeur de l'excursion, r ry et rz les projections respectives du vecteur accélération # sur les trois axes principaux OX', OY' et OZ' et kx, ky et k z des coeffi y cients de proportionnalité caractéristiques du résonateur considéré mais pratiquement constants dans un domaine étendu de valeurs de l'accélération. À titre d'exemple, on trouve pour un quartz du genre défini ci-dessus : pour une fourchette de valeurs d'accélération comprises entre 50g et +50g. Les coefficients On remarque que l'équation (1) est la forme développée du produit scalaire dans lequel t est le vecteur accélération et k un vecteur exprimant, en module et en direction, la sensibilité à l'accélération du résonateur considéré, Les conséquences en seront tirées par la suite. On considère maintenant la figure 3 pour rappeler comment la fréquence d'oscillation du résonateur peut être corrigée par l'adjonction d'une capacité en série. Ladite figure montre le schéma électrique équivalent du résonateur 30 de la figure 1 et la capacité 10 réglable de correction. Le circuit résonant série constitué par la résistance R, la self L et le condensateur C équivaut au cristal piézoélectrique et le condensateur CO à la capacité interélectrodes. C1 est la valeur assignée à la capacité 10 de correction. On rappelle que le décalage en fréquence #F provoqué par l'adjonction de la capacité C1 s'exprime par la relation suivante A titre d'exemple, pour un quartz tel que celui que l'on a déjà examiné (F = 5.106 Hertz), on peut admettre les valeurs approximatives suivantes C = 10-16 Farad: R = 100 n 'J = 10 H CO = 5.10 Farad . Si la valeur de la capacité C1 est sensiblement plus élevée que celle de la capacité CO, la relation (3) devient, en première approximation AF/F = C/2(Co+C1) (4) En fait, pour obtenir un réglage précis de la fréquence, on constitué en général le condensateur 10, de capacité C1, par deux condensateurs en parallèle, l'un fixe de capacité C2 et l'autre réglable de capacité C3, la capacité C2 étant sensiblement supérieure à C3.L'expression (4) devient alors ssF/F = C/2(C0+C2+C3) (5) et la sensibilité du réglage s'exprime ainsi d( ss F) = - AF, dC3 /(CO+C2+C3) (6) soit: d( F) -dC3 (7) Les considérations qui précèdent justifient l'utilisation, conformément à l'invention, d'un condensateur variable connecté en série au résonateur et de moyens pour asservir la capacité dudit condensateur à la valeur de l'accélération pour compenser l'excursion en fréquence dudit résonateur provoquée par ladite accélératin. On pourrait par exemple asservir l'un des paramètres géométriques qui/ à un degré de liberté (recouvrement ou distance des armatures) re- gissent la capacité du condensateur variable à la valeur du signal délivré par un capteur d'accélération. Mais l'invention prévoit une solution préférentielle particulièrement simple et efficace qui consiste à intégrer le capteur d'accélération au condensateur variable en réalisant la fixation de l'armature mobile de celui-ci au moyen d'un organe de rappel élastique. On conçoit que, en conférant une masse déterminée à l'armature mobile et une raideur déterminée à ltorgane de rappel, on puisse assigner au paramètre asservi une loi linéaire déterminée de variation en fonction de l'accélération. Pour des raisons de sensibilité à l'accélération et de facilité de réalisation, on retient de préférence comme paramètre asservi fia distance entre armatures. Quant aux moyens de rappel élastique, on pourrait par exemple faire appel à un volume gazeux enclos entre les armatures et une gaine élastique étanche. Il est cependant beaucoup plus simple d'utiliser une suspension à lames élastiques, telle que celle déante ci-après en référence aux figures 4 et 5. L'armature fixe 12 de la capacité 10 est collée sur un support isolant 13 prolongé par des bras 14. l'armature mobile 15 parallèle à l'armature 12 est une plaquette en un matériau conducteur élastique - par exemple un alliage de nickel - se prolongeant par deux lames 16 qui surplombent les bras 14 et dans lesquelles sont ménagées des échancrures longitudinales 17. Des goujons 18 sont prisonniers des bras 14 et supportent les lames 16 dans les échancrures desquelles ils pénètrent par des extrémités filetées 19, sur lesquelles sont vissés des écrous 21 de serrage. les écrous 21 ne sont pas représentés dans la figure 5. Une plaquette 22 en matériau isolant est collée sur l'armature 15 et joue le rôle de masselotte. Les armatures 12 et 15 sont respectivement connectées par des conducteurs 23 et 24 traversant les pièces 13 et 22 aux conducteurs de sortie 25 et 26. La capacité (que l'on continuera à dénommer C3) du condensateur de la figure 5 s'exprime :par la formule classique C3 = E S / e (8) dans laquelle 6 est la constante diélectrique de l'air, S la sur face de coopération des armatures et e la distance entre armatures. Etant donné la symétrie des liaisons mécaniques, S est pratiquement invariable et seule e varie linéairement en fonction de l'accélération. Si la direction du vecteur k (voir équation (2)) est connue, par exemple au moyen d'une détermination préalable des coefficients kx, k et kz de l'équation (1), on dispose# le condensateur de telle y z sorte que ses armatures soient perpendiculaires audit vecteur. D'après l'équation (8) une valeur r k de la composante de t dans la direction 3 telle qu'elle provoque une variation "de"de la distance e entraine une variation de capacité ac, = - Sde / e2 (9) dC - - Sde / et dC3 ~ - de (10) Mais, pour une masse donnée de la masselotte 22 (la masse de la plaquette 15 étant négligeable) et une raideur donnée des res sorts de flexion constitués par les barrettes 16 :: de ~ r (11) d'où dC3N -r (12) et l'on voit que, en comparant les équations (7) et (12) d( A F) - -dC3 ..'9 -r (13) il est donc possible de réaliser au moyen d'un condensateur variable å suspension élastique du genre décrit en référence aux figures 4 et 5, en déterminant convenablement ses paramètres géométriques et mécaniques (distance entre armatures, surface de coopération, raideur des lamelles) par construction ou au moyen d'organes de réglage non représentés dans les figures 4 et 5, une compensation pratiquement exacte du décalage de fréquence provoqué par les accélérations imprimées à l'oscillateur. Si le vecteur k est inconnu, le calcul montre que la compensation peut être réalisée au moyen de trois condensateurs variables du genre précité, connectés en parallèle entre eux et en série au résonateur, et disposés respectivement de telle sorte que leurs armatures soient perpendiculaires aux trois axes principaux OX',OY' OZ' du cristal piézoélectrique. REVENDICATIONS 1. Oscillateur électrique comprenant, dans une boucle d'entretien d'oscillations, un résonateur à cristal piézoélectrique ainsi qu'une capacité de réglage de fréquence connectée en série audit résonateur et comportant au moins un condensateur variable, ledit oscillateur étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens sensibles à l'accélération qui lui est imprimée pour commander ledit condensateur variable de telle sorte que l'écart de fréquence provoqué par ledit condensateur est opposé à l'écart de fréquence provoqué par 11 accélération. 2. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit condensateur variable comporte une armature fixe et une armature mobile à un degré de liberté en translation dont le mouvement assure la variation de capacité dudit condensateur et en ce que les moyens sensibles à l'accélération consistent en un organe de rappel élastique de l'armature mobile. 3. Oscillateur selon la revendication 2 caractérisé en ce à distance que ledit condensateur variable est du genre/inter-armatures variable et en ce que l'organe de rappel élastique est constitué par des lames de flexion maintenant l'armature mobile en face de l'armature fixe et parallèlement à celle-ci. 4. Oscillateur selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un unique condensateur variable à moyens de rappel élastique orienté de telle sorte que le mouvement de l'armature mobile est approximativement parallèle au v#ecteur de sensibilité à l'accélération du cristal du résonateur. 5. Oscillateur selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte trois condensateurs variables à moyens de rappel élastique connectés électriquement en parallèle entre eux et en série au résonateur et qui sont respectivement orientés de telle sorte que les mouvements de leurs armatures mobiles sont respectivement approximativement parallèles aux trois axes principaux du cristal du résonateur.