Brevet FR2458176A1 — publié le 19801226

L'invention a pour obJet un ensemble de résonateurs à cristaux piézo-électriques agencés de telle sorte que la sensibilité aux accélérations soit réduite. Les résonateurs piézo-électriques qui sont mis en oeuvre dans les oscillateurs électriques utilisés comme etalons de fréquence dans les bases de temps ou les horloges embarquées à bord des véhicules aéronautiques ou spatiaux sont sujets à des phénomènes de résonance mécanique qui les rendent sensibles aux accélérations imposées par le véhicule porteur. Le demandeur a déjà décrit dans la demande de brevet français nO 76.24 571 et la demande de premier certificat d'addition 77.23 990 des moyens de compensation de la variation de fréquence d'un oscillateur à cristal piézo-électrique soumis à une accélération. Ces moyens de compensation comportent au moins un condensateur variable dont l'une des armatures, mobile, se déplace en fonction de l'accélération. Le condensateur variable est connecté en série avec la capacité de réglage de fréquence de l'oscillateur et est orienté sur son support par rapport aux axes cristallographiques du cristal pour que les variations de capacités dues aux déplacements de l'armature mobile réduisent ou annulent l'effet de l'accélération sur la variation de fréquence de l'oscillateur. Bien que ces moyens de compensation aient donné d'excellents résultats, on a cherché à mettre en oeuvre de nouveaux moyens et procédés pour réduire le volume des équipements embarqués. C'est ainsi que l'on a cherché à agir directement sur le résonateur en réunissant dans un même bottier deux résonateurs piézo-électriques dont les cristaux sont identiques, par exemple taillés dans deux zones voisines d'un même cristal de base, convenablement couplés électriquement et disposés dans le bottier pour produire un signal électrique dont les variations de fréquence d'origine accélérométrique sont réduites.Les cristaux sont disposés dans le bottier de telle sorte que dans le repère d'axes orthogonal OX, OY, OZ lié aux axes cristallographiques, deux des trois axes OX-OY ou OX-OZ, ou OY-OZ d'un cristal soient respectivement opposés aux deux mêmes axes OX'-OY' ou OX'-OZ' ou OY'-OZ' de l'autre cristal, ce qui procure un résonateur insensible aux accélérations suivant deux directions. Les troisièmes axes OX et OX' ou OY et OY' ou OZ et OZ' ont alors le même sens, ce qui augmente la sensibilité accélérométrique de l'ensemble des résonateurs dans la direction de ces dits axes. Cette disposition est avantageuse pour les applications aux accéléromètres unidirectionnels mais elle ne convient pas pour les applications aux oscillateurs embarqués. L'invention vise à réaliser un ensemble de résonateurs à cristaux piézo-électriques, notamment un ensemble de résonateurs à quartz, qui soit compact et insensible aux accélérations. L'invention s'applique aux oscillateurs électriques mettant en oeuvre aussi bien des dispositifs résonnants à ondes de surface que des dispositifs résonnants à ondes de volume. L'invention a pour objet un ensemble de résonateurs dans lequel un premier et un second résonateur couplés entre -eux et comportant chacun un cristal piézo-électrique sont disposés de telle sorte que deux des trois axes cristallographiques du cristal du premier résonateur soient opposés aux axes cristallographiques correspondants du cristal du second résonateur, caractérisé en ce que le cristal du premier résonateur est un cristal droit (dextrogyre) et en ce que le cristal du second résonateur est un cristal gauche (levogyre). Une première application de l'invention consiste à insérer l'ensem- ble de résonateurs dans la boucle d'un oscillateur électrique. Une deuxième application de l'invention consiste à insérer respectivement le premier et le second résonateur de I'ensemble.résonnant dans deux boucles d'oscillations distinctes et à traiter l'ensemble des signaux produits pour obtenir un signal électrique dont la fréquence est stable quelles que soient l'amplitude et la direction de l'accélération appliquée aux résonateurs. L'invention va etre décrite en se référant aux dessins qui montrent - fig. 1, des diagrammes vectoriels illustrant les sensibilités aux accéléra tions de cristaux de quartz dextrogyre et levogyre, - fig. 2, une coupe axiale d'un exemple de réalisation de l'invention, - fig. 3, une première application de l'invention, - fig. 4, une deuxième application de l'invention. Les résonateurs à cristaux piézo-électriques, notamment les résonateurs à quartz, présentent une sensibilité aux accélérations ou " sensibilité accélérométrique " qui entraine une variation L F de leur fréquence propre F. Cette sensibilité accélérométrique, due en particulier à la présence des électrodes de contact et des supports matériels du cristal, peut être représentée par un vecteur de sensibilité accélérométrique r dont les composantes sont matérialisées dans un système d'axes orthogonal lié à la nature du cristal utilisé. Pour compenser les variations de fréquence propre d'un quartz soumis à une accélération, on peut lui associer un autre quartz et disposer l'ensemble de ces quartz de telle sorte que les deux vecteurs de sensibilité accélérométrique K et K' soient opposés. Mais il est très difficile de déterminer la direction des vecteurs K et K' et de réaliser l'orientation spatiale des résonateurs pour que les deux vecteurs aient strictement la meme direction. Dans la pratique, l'orientation spatiale des quartz repose sur l'utilisation de repères connus avec précision, tels que les axes cristallographiques. Une loi déterminée au moyen d'essais d'accélérations au bras tournant régit l'excursion de fréquence d'un quartz dans différentes directions par rapport au système d'axes OX, OY, OZ, pour différentes valeurs de l'aceéléra- tion. On a montré que, dans tous les cas, l'excursion de fréquence a F de part et d'autre de la fréquence nominale (à accélération nulle) s'exprime, en fonction de l'accélération, par une relation de la forme #F = K = # . #x #x + Ky + Ky + Kz #z (1) Dans cette relation on exprime par K le vecteur de sensibilité accélérométrique du résonateur, r l'accélération appliquée au résonateur, #x, #y, #z, et Kx, Ky, Kz, les composantes de l'accélération et les sensibilités à l'aecélération suivant les trois axes orthogonaux OX, OY, OZ. Les coefficients Kx, y, KZ, sont caractéristiques du résonateur considéré. Par exemple pour un quartz de taille AT, on trouve K = 10 Hz/g Ky = 2.10 Hz/g K = 10- Hz/g. x J y J z pour une fourchette de valeur d'accélération comprise entre - 50 g à + 50 g. Des études complémentaires entreprises par le demandeur ont montré que l'amplitude et le sens de l'excursion de fréquence de part et d'autre de la fréquence nominale d'un quartz soumis à une accélération dépendent de la nature dextrogyre ou levogyre du matériau et par suite dépendent de la dispo sition relative de l'axe optique OZ par rapport aux deux autres axes cristallo graphiques. On a donc été amené à considérer que la sensibilité accéléromé- trique suivant les trois axes devait être définie non pas seulement par les scalaires Kx, Ky, Kz, mais par des vecteurs Kx, K , K appelés " vecteurs de sensibilité aecélérométriques ". Les figures la et lb montrent la disposition des axes orthogonaux OX, OY, OZ pour un cristal levogyre (ou cristal gauche) et dextrogyre (ou cristal droit) ainsi que leurs vecteurs de sensibilité accélérométriques. Si l'on effectue une rotation de 180 autour de l'axe OY, du cristal repré senté fig. lb, on remarque (fig. lc) que les vecteurs K'x, K' , K' , et Kx, Ky, K z g sont alors opposés deux à deux Dans cette position les axes cristallographiques des cristaux sont alors opposés deux à deux. En dispo sant donc convenablement deux quartz, un droit et un gauche, dans un meme boîtier et en les insérant judicieusement dans la boucle d'un oscillateur pour que les variations de fréquences A f' et A f qui sont de signes opposés s'annulent, il devient possible de compenser les effets de l'accélération sur la fréquence du signal engendré. On obtient évidemment la meilleure compensation en choisissant les résonateurs pour que : K = K' ; K = K' ; K = K' x x y y z z La figure 2 montre la coupe longitudinale d'un ensemble résonateur 1 comprenant un bottier rigide de positionnement 2, de forme tubulaire, dans lequel sont disposés en regard deux résonateurs 3, 4, comportant respectivement une pastille 5 de quartz droit et une pastille 6 de quartz gauche. Les électrodes de sorties 51 - 52 et 61 - 62 traversent des embases isolantes et étanches 7 et 8 dont l'une au moins est réglable en rotation autour de l'axe des symétries du montage.Les axes cristallographiques des quartz 5 et 6 ayant été déterminée avant la taille des cristaux par une méthode de diffraction par rayons X et les directions des axes orthogonaux OX, OY, OZ repérées sur les boîtiers au montage des résonateurs 3 et 4, on oriente l'un des résonateurs pour mettre les axes OX, OX' et OZ, OZ' en opposition. L'invention s'applique aux oscillateurs electriques comprenant (fig. 3) un ensemble résonateur 10, un condensateur de réglage 11 et un amplificateur 12. L'ensemble résonateur comprend un cristal piézo-électrique dextrogyre 13 et un cristal levogyre 14 de sensibilité accélérométrique res 3 4 pective K et K'.On connecte entre eux les deux cristaux en série et la va- riation de fréquence h f de l'oscillateur soumis à une accélération s'exprime par une relation de la forme A f = (K + K') . (2) L'orientation relative > conformément à l'invention, des cristaux 13 et 14 du résonateur pour obtenir la mise en opposition des vecteurs K et K' permet d'éliminer les variations de fréquence de l'oscillateur lorsqu'il est soumis à une accélération. Dans une variante de réalisation non représentée on connecte, de manière connue, les cristaux 13 et 14 en parallèle. Dans une deuxième application de l'invention (fig. 4) les cristaux piézo-électriques 13 et 14 de l'ensemble résonateur 10 sont insérés chacun dans l'une des boucles de deux oscillateurs 15 et 16~comprenant chacun un amplificateur 17 - 18 et une capacité de réglage 19 - 20. Les signaux engendrés par les oscillateurs 15 et 16 de fréquence fl et f2 sont appliqués à un multiplieur 21 et filtrés au moyen d'un filtre 22 dont la bande passante est centrée sur la fréquence somme (fl + f2). Cette disposition procure un signal de sortie dont les variations de fréquence tfl et nf2 dues à la sensibilité propre des quartz 13 et 14 aux accélérations sont automatiquement compensées. A titre d'exemple un ensemble de résonateurs constitué par la combinaison d'un quartz droit et d'un quartz gauche vibrant en mode de cisaillement d'épaisseur à la fréquence de 5 MHZ et dont les sensibilités accéléro métriques propres sont respectivement K = 5.10 3 Hz/g et K' = 5,25.10 Hz/g, présente une sensibilité accélérométrique globale de 2,5.10-4Hz/g lorsqu'il est soumis à une accélération pouvant atteindre 30 g. REVENDICATIONS 1 - Ensemble de résonateurs dans lequel un premier et un second résonateur couplés entre eux et comportant chacun un cristal en matériau piézoélectrique sont disposés de telle sorte que deux des trois axes cristallographiques du cristal du premier résonateur soient opposés aux axes cristallographiques correspondants du cristal du second résonateur, caractérisé en ce que le cristal du premier résonateur est dextrogyre et en ce que le cristal du second résonateur est levogyre. 2 - Ensemble de résonateurs selon la revendication 1j caractérisé en ce que les cristaux sont choisis pour que les sensibilités accélérométriques du premier résonateur suivant la direction de chacun des axes OX, OY, OZ liés aux axes cristallographiques soient sensiblement égales aux sensibilités accélérométriques du second résonateur suivant les axes correspondants. 3 - Oscillateur électrique caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de résonateurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, inséré dans une boucle d'entretien d'oscillations et en ce que le premier et le second résonateur- sont connectés en série. 4 - Oscillateur électrique caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de résonateurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 inséré dans une boucle d'entretiEn d'oscillations et en ce que le premier et le second résonateur. sont connectés en parallèle. 5 - Oscillateur électrique caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de résonateurs selon l'une des revendications 1 à 2, en ce que chacun des résonateurs est respectivement inséré dans une boucle d'entretien d'oscillations distincte et en ce qu'il comprend des moyens de multiplier entre eux les signaux engendrés dans chacune des boucles d'oscillations suivi des moyens de filtrage, la bande passante du filtre étant ajustée pour ne laisser passer que le signal dont la fréquence est égale à la somme des fréquences des signaux engendrés par chaque boucle d'oscillations. 6 - Oscillateur électrique selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les cristaux de chacun des résonateurs sont agencés pour délivrer une vibration d'onde de volume. 7 - Oscillateur électrique selon l'une quelconque des revendications 3 à 5 caractérisé en ce que les cristaux de chacun des résonateurs sont agencés pour engendrer des oscillations de surface.