Brevet FR2448226A1 — publié le 19800829

L'invention concerne un nouveau type de résonateur à cristal et tout particulièrement un résonateur à quartz dont les caractéristiques permettent d'en envisager une industrialisation à grande échelle et à prix de revient réduit ; conditions impératives pour les applications horlogères. Jlisqusà présent, la plupart des résonateurs à quartz fonctionnant dans la plage de fréquences de 1 à 10 MHz se présentent sous la forme d'une lentille ou plus particulièrement d'un disque peu épais dont l'une des faces présente un certain rayon de courbure. Lorsque le bloc cristallin a une telle forme, les oscillations restent localisées au voisinage du centre. Ceci permet donc la fixation du résonateur par la périphérie sans amortir sensiblement les oscillations. Cependant, la taille du bloc cristallin est très délicate et ne permet pas d'obtenir de grandes séries à faible prix de revient. On connais aussi des résonateurs dont le bloc crisin est de forme parallélépipèdique, donc d'un usinage plus facile. Cependant, tous ces résonateurs connus offrent un coefficient de surtension médiocre. De plus, on métallise deux faces dudit bloc cristallin de façon à pouvoir y raccorder des fils électriques, par soudure, nécessaires pour l'application du champ électrique d'excitation. Cette métallisation est une opération délicate et coûteuse. L'invention permet d'éliminer tous ces inconvénients. L'invention consiste principalement à utiliser une coupe parallélépipèdique du bloc cristallin (donc d'usinage simple) dans un boîtier permettant d'éviter la métallisation des faces dudit bloc cristallin. Plus précisément, l'invention peut se définir comme étant un résonateur à cristal, caractérisé en ce qu'il comporte un bloc cristallin, par exemple et de préférence en quartz, comportant deux faces planes parallèles, placé dans l'espace diélectrique dus'un condensateur de façon que lesdites faces planes soient en regard de deux armatures conductrices planes et parallèles dudit condensateur, respectivement. Le signal électrique d'excitation est bien entendu appliqué entre les armatures du condensateur. Une autre caractéristique de l'invention consiste à utiliser une coupe AT (connue en soi) du bloc cristallin de façon à obtenir une vibration en cisaillement d'épaisseur dudit bloc cristallin et plus particulièrement une coupe AT dirigée de façon à garantir une vibration dans le mode de cisaillement d'épaisseur s'effectuant suivant la plus grande dimension du bloc cristallin, pour obtenir un coefficient de surtension élevé. Un avantage important de l'invention, spécialement pour son application dans l'industrie horlogère, réside dans le fait qutavec la structure décrite ci-dessus, on est maintenant capable d'obtenir un résonateur à haute fréquence fonctionnant dans la gamme de 1 à 10 MHz et dont l'encnmbrement, boîtier compris, est inférieur à un dixième de centimètre~cube. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui a suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma électrique illustrant la structure du résonateur selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective éclatée du boîtier du résonateur selon l'invention - la figure 3 est une vue en coupe de ce même résonateur; - la figure 4 est une illustration des directions de découpe du bloc cristallin utilisé dans le cadre de l'invention. En se reportant aux dessins, le résonateur à cristal Il est constitué d'un bloc cristallin 12, en quartz. Ce bloc est taillé de telle façon qu'il comporte au moins deux faces planes parallèles 13 et 14. Plus précisément, le bloc cristallin 12 est de forme parallélépipèdique se définissant donc par son épaisseur, sa largeur et sa longueur ; par ordre croissant des dimensions du parallélépipède et les faces planes 13 et 14 sont séparées par ladite épaisseur e. Selon l'invention, ce bloc cristallin 12 est placé dans l'espace diélectrique d'un condensateur 15 de façon que lesdites faces planes parallèles 13, 14 soient en regard des deux armatures conductrices 16, 17, planes et parallèles du condensateur 15, respectivement0 Les figures 2 et 3 montrent que les armatures 16 et 17 constituent une partie d'un boîtier 19 destiné à recevoir le bloc cristallin 12Q Plus précisément, ce boîtier 19 comprend un cadre d'entretoisement 20, en matière diélectrique et de préférence en verre, d'épaisseur e', avec e' ) e.Les deux ouvertures opposées 21 et 22 du cadre 20 sont fermées par les armatures ss6 et 17 du condensateur 15. Comme le montre la figure 3, le bloc cristallin 12 est immobilisé dans le boîtier 19 par l'inter médiaire d'au moins un petit bloc d'élastomère 25, ou tout autre matière analogue, fixé entre l'une des faces du bloc cristallin 12 et l'intérieur du boîtier 19. Par exemple, le bloc d'élastomère 25 peut être collé entrele centre de l'une des faces planes précitées (13) et l'armature conductrice (16) située en regard. Par ce moyen simple, on assure l'imobilisation du bloc cristallin à l'intérieur du boîtier sans affecter de façon nuisible le mode vibratoire dudit bloc cristallin.Avantageusement, on fait le vide dans le boîtier, après le montage du bloc cristallin, pour réduire la résistance motionelle du résonateur. Ce vide d'air peut être de l'ordre de 10 5Torr. Il est réalisé sous cloche à vide au dernier moment lorsqu'on scelle la deuxième armature sur la cadre de verre. Pour les fréquences utilisées dans l'industrie horlogère, on a-déterminé que lesWdsmensions du bloc cristallin parallélépipèdique 12 pouvait être : épaisseur 0,41 mm environ ; longueur 5 mm environ et largeur comprise entre 1,4 et 2 mm. On va maintenant donner en référence à la figure 4 quelques détails relatifs à la façon de tailler et d'usiner le bloc cristallin 12 pour obtenir à la fois des vibrations en cisaillement d'épaisseur et un coefficient de surtension élevé. On sait que tout morceau de quartz (aussi bien le quartz naturel que le quartz de culture obtenu industriellement) a une structure cristalline telle qu'on puisse définir un axe électrique Xi un axe mécanique Y, et un axe optique ; ces trois axes étant perpendiculaires. Ainsi, dans le cas du quartz de culture on obtient un morceau de quartz, en provoquant une croissance autour d'une plaque rectangulaire servant de germe et déjà découpé dans le sens Y (c'est-à-dire avec sa longueur parallèle à l'axe mécanique). En plongeant cette plaque rectangulaire dans un bain de silice vers 4500 et sous haute pression, pendant un mois, on obtient une croissance, c'est-à-dire une augmentation à la fois de la largeur (suivant l'axe électrique X) et de la hauteur (suivant l'axe optique Z) de la plaque rectangulaire initiale.Ainsi, les fabricants de quartz de culture proposent-ils des barreaux de quartz relativement volumineux dont la longeur (150 mm généralement ; correspondant à la longueur de la plaque d'origine) est parallèle à l'axe mécanique précité, dont la largeur (de l'ordre de 60 mm) est parallèle à l'axe électrique X et dont la hauteur (généralement de l'ordre 40 mm) est parallèle à l'axe optique Z. Si l'on débite ce barreau de quartz de culture en cames minces d'épaisseur e en effectuant des coupes AT c'est-à-dire parallèles au plan XOZ et si le champ électrique d'excitation est appliqué suivant l'axe OY on obtient des vibrations dont le mode est un cisaillement d'épaisseur. Dans ce cas la fréquence du résonateur a des variations très sensibles aux changements de température.Pour éviter ces variations de fréquence et rendre le résonateur plus stable en fonction de la température d'utilisation on effectue un découpage de ce barreau en lamelles d'épaisseur e dans le plan XOZ qui est un plan réduit du plan XOZ par une rotation d'angle Q autour de l'axe OX comme représenté sur la figure 4. Une fois les lamelles d'épaisseur e découpées dans le barreau de quartz, on en extrait un certain nombre de petits parallélépipèdes aux dimension voulues ; chacun de ces petits parallelépipèdes constituant un bloc cristallin 12 décrit ci-dessus. Ainsi, dans chaque bloc cristallin obtenu de cette façon, les faces planes 13 et 14 sont bien séparées par l'épaisseur e du bloc cristallin et sont situées dans des plans inclinés par rapport à l'axe mécanique OY tandis que l'une des deux autres dimensions du parallélépipède reste dirigée suivant l'axe électrique OX. Lorsque ces deux conditions sont réalisées, le bloc cristallin peut être le siège de vibrations en cisaillement d'épaisseur lorsqu'un champ électrique d'excitation est crée entre lesdites faces planes, c'est-à-dire entre les armatures du condensateur. De préférence, la dimension du parallélépipède constituant le bloc cristallin 12 qui est dirigé suivant l'axe électrique OX, est la longueur L de façon que le bloc cristallin vibre en cisaillement d'épaisseur suivant sa plus grande dimension ; ce qui est une condition pour obtenir le meilleur coefficient de surtensior possible. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit, elle comprend tous les équivalents techniques des moyens mis en jeu si ceux-ci le sont dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS lo Résonateur à cristal caractérisé en ce qu'il comporte un bloc cristallin, par exemple et de préférence en quartz, comportant au moins deux faces planes parallèles, placé dans l'espace diélectrique d'un condensateur de façon que lesdites faces planes soient en regard de deux armatures conductrices planes et parallèles dudit condensateur, respec vivement0 2. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit bloc cristallin est de forme parallélépipèdique. 3o Résonateur selon lalrevendication 2, caractérisé en ce que ledit bloc cristallin parallélépipèdique se définissant par son épaisseur, sa largeur et sa longueur, par ordure croissant des dimensions dudit parallélépipède, et la structure cristalline se définissant de façon bien connue par un axe électrique, un axe mécanique et un axe optique; tous trois perpendiculaires ; lesdites faces planes sont séparées par ladite épaisseur du bloc cristallin et sont des plans inclinés par rapport audit axe mécanique, tandis que l'une des deux autres dimensions du parallélépipède est dirigée suivant l'axe électrique ; de façon que ledit bloc cristallin soit le siège de vibration en cisaillement d'épaisseur, lorsqu'un champ électrique d'excitation est crée entre lesdites armatures. 4o Résonateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la dimension dudit parallélépipède qui est dirigée suivant ledit axe électrique est la longueur ; de façon que ledit bloc cristallin vibre en cisaillement d'épaisseur suivant sa plus grande dimension. 5. Résonateur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit bloc cristallin est enfermé dans un boîtier constitué par un cadre d'entretoisement en matière diélectrique, par exemple en verre, dont les deux ouvertures opposées sont fermées par les armatures conductrices planes précitées ; l'épaisseur dudit cadre étant supérieure à l'épaisseur dudit bloc cristallin0 6. Résonateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit bloc cristallin est immobilisé dans ledit boîtier, par l'intermédiaire d'au moins un bloc d'élastomère ou analogue, fixé entre l'une des faces dudit bloc et l'intérieur dudit boîtier. 70 Résonateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit bloc d'élastomère est fixé entre la face interne de l'une desdites armatures et l'une des faces planes parallèles précitées dudit bloc cristallin. 8o Résonateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'espace interne dudit boîtier est sensiblement vide d'air, par exemple un vide de l'ordre de 10 5 Torr. 9. Résonateur selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que l'épaisseur dudit bloc cristallin est d'environ 0,41 mm, sa longueur est d'environ 5 mm et sa largeur est comprise entre 1,4 et 2 mm.