Brevet FR2464595A1 — publié le 19810306

La présente invention concerne les résonateurs à cristal piézoélectrique en forme de diapason, leur fabrica- tion et l'examen de leurs performances. Les résonateurs de type diapason sont constitués d'un cristal piézoélectrique, presque toujours en quartz, qui porte des électrodes d'excitation sur deux branches parallèles for- mées dans le cristal de part et d'autre d'un axe de symétrie. Un tel cristal en forme de diapason est d'une manière généra- le taillé sensiblement dans le plan X-Y, les branches étant perpendiculaires à l'axe X et formant un angle (angle de coupe) avec l'axe Y. L'application d'un champ électrique selon l'axe X permet de mettre le diapason en vibration par flexions symétriques des branches dans leur plan, et d'entretenir ces vibrations à la fréquence propre du diapason. Les performances de ces résonateurs sont étroitement liées aux masses respecti- ves des deux branches et à l'obtention d'une symétrie exacte de leurs déformations. D'o l'intérêt d'une détection de l'asymétrie éventuelle. Pour détecter l'asymétrie, l'invention propose de détecter les contraintes de flexion qui se transmettent dans le corps du cristal, au- delà des branches,lorsqu'il n'y a pas équilibre entre les déformations d'une branche et celles de l'autre branche, et d'effectuer cette détection en faisant intervenir également un effet piézoélectrique à ce niveau. Ainsi, l'invention a pour objet un procédé de détec- tion de l'asymétrie dans un résonateur à cristal piézoélec- trique formant deux branches de diapason de part et d'autre d'un axe de symétrie, caractérisé en ce qu'en plus d'électro- des d'excitation sur lesdites branches, on forme des électro- des conductrices auxiliaires sur une partie du même cristal réunissant les deux branches, au moins provisoirement, avec le même axe de symétrie, puis l'on fait vibrer le résonateur en appliquant une tension d'excitation auxdites électrodes d'ex- citation et pendant sa vibration, on détecte la tension appa- raissant entre les électrodes auxiliaires en cas de vibration asymétrique des branches. La détection d'asymétrie par ce procédé a lieu avan- 2 2464595 tageusement en cours de fabrication des résonateurs, pour corri- ger toute asymétrie ainsi détectée par modification de la masse de l'une des branches du diapason sélectivement. La modifica- tion de masse peut être effectuée par toute technique en elle- même classique, du genre de celles que l'on applique, en agis- sant simultanément sur les deux branches, pour régler la fr&- quence propre du résonateur à une valeur déterminée. Le plus souvent, on procède par réduction de masse d'un dépôt métalli- que formé spécialement à cet effet en bout des branches, dépôt que l'on attaque par exemple par action d'un faisceau laser. Une autre technique consiste à ajouter de la masse par évapora- tion sous vide. La correction d'asymétrie peut en particulier s'effec- tuer pendant un premier réglage, grossier, de la fréquence. L'attaque par faisceau laser a l'avantage de meilleures possi- bilités d'automatisation. Dans un mode de mise en oeuvre du prrn- cédé selon l'invention, pour la fabrication de résonateurs de type diapason, faisant intervenir une détection d'asymétrie comme il a déjà été défini, on détermine en outre la diffërems- ce de phase entre la tension d'asymétrie détectée aux bornes des électrodes auxiliaires d'un résonateur et la tension d'ex- citation. De cette différence de phase on peut déduire le sens de la flexion résultante au niveau des électrodes auxiliaires, déterminant la tension d'asymétrie par effet piézoélectrique, et donc connaître celle des deux branches dont la flexion lwem- porte sur l'autre. On peut, par conséquence, exploiter les mh- sures effectuées pour commander, en fonction de la différence de phase ainsi déterminée, l'enlèvement de matière sélective- ment sur l'une des branches pour corriger l'asymétrie, en agis- sant notamment au niveau de la commande d'un faisceau laser per- mettant d'attaquer un dépôt métallique formé sur les branches du résonateur. On sait d'autre part que dans la fabrication indus- trielle des résonateurs de type diapason, on taille en général une série de résonateurs dans le même cristal par attaque chi- mique en les laissant réunis, chacun par au moins un pied, à une base commune, pendant tout le temps des opérations de dé- 3 2464595 pôt des revêtements conducteurs formant les électrodes d'ex- citation et leurs pistes d'alimentation, y compris en général un réglage de fréquence par enlèvement de matière sur les branches. Les électrodes auxiliaires servant selon l'invention à la détection d'asymétrie peuvent avantageusement être for- mées- sur des faces différentes de ces pieds, lesquels sont cassés par la suite pour séparer les résonateurs individuels. L'invention couvre les résonateurs ainsi constitués qui, sur au moins un pied taillé dans le même cristal et les réunissant à une base, en général commune à plusieurs résona- teurs, comportent des électrodes auxiliaires sur au moins une face dudit pied. On obtient le plus de sensibilité avec une disposition symétrique par rapport à l'axe de symétrie du dia- pason, ou plus exactement à son plan de symétrie,et l'arrange- avantageuseroent ment de ces électrodes auxiliaires est/conçu pour que la ten- sion recueillie aux bornes des électrodes auxiliaires soit particulièrement sensible aux flexions du pied dans le plan du diapason. Dans un mode de réalisation particulier, le pied uni- que du résonateur est disposé selon l'axe et il porte des élec- trodes auxiliaires électriquement reliées ensemble sur les faces principales du cristal du résonateur et d'autres élec- trodes auxiliaires électriquement reliées ensemble sur les faces latérales du pied, sur la tranche du cristal, les unes et les autres reliées séparément à des plages de contact for- mées sur ladite base pour la détection de la tension d'asymé- trie. Dans un autre exemple de réalisation, chaque résonateur comporte deux pieds symétriques portant des électrodes auxi- liaires sur leurs deux faces latérales, et l'on détecte la ten- sion d'asymétrie entre les électrodes des faces internes en vis-à-vis, qui sont reliées ensemble, et les électrodes des faces externes, reliées d'autre part ensemble. Les mêmes pieds peuvent porter en outre, d'une manière en elle-même connue, des pistes d'alimentation des électrodes d'excitation des ré- sonateurs, provisoirement à partir d'autres plages de contact formées sur la base. Naturellement, l'invention étend sa portée également 4 2464595 aux installations de fabrication de résonateurs qui comportent des moyens propres à la mise en oeuvre de la détection d'as'y- métrie, y compris de préférence à son utilisation pour la cor- rection des défauts de symétrie dans le procédé de fabrication suivant l'invention. L'invention sera maintenant plus complètement décrite dans le cadre de modes de réalisation particuliers choisis à titre d'exemples, et non limitatifs. La description se réfère aux figures 1 à 5 des dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente une première forme de réali- sation d'un résonateur en cours de fabrication, vu par l'une de ses faces principales. La figure 2 représente une section du pied de ce ré- sonateur, en coupe selon la ligne II-II de la figure 1. La figure 3,montre de la même manière une seconde forme de réalisation d'un résonateur en cours de fabrication. La figure 4 est une coupe des pieds de ce résona- teur, selon la ligne IV-IV de la figure 3. La figure 5 est un schéma synoptique illustrant un exemple de mise en oeuvre de l'invention impliquant une détec- tion d'asymétrie. Les résonateurs auxquels s'applique l'invention sont essentiellement constitués d'un cristal piézoélectrique taillé * en forme de diapason, muni d'électrodes d'excitation. Ainsi, conformément à la figure 1, le cristal de quartz 1 comporte une fente médiane qui sépare deux branches parallèles 2 et 3, réunies par une partie commune constituant le corps 4 du dia- pasqn. pLe diapason est sensiblement taillé dans le plan des axes X et Y du cristal. Les deux branches sont perpendiculai- res à l'axe X. Elles sont identiques entre elles et symétri- ques par rapport au plâf médian du diapason, mais l'invention ne se limite pas à cette coupe de quartz. Pour les diapasons taillés selon d'autres "coupes" ou dans un autre matériau que le quartz, il suffit d'arranger les électrodes parallèles auxiliaires différemment. L'excitation d'un tel diapason nécessite un système d'électrodes créant un champ électrique parallèle à l'axe X. 2464595 Différents systèmes d'électrodes sont connus. A titre d'exem- ple, le dessin représente l'arrangement selon le brevet japo- nais original 48-42927 du 16.4.1973, bien que beaucoup d'amé- liorations ont été apportées à cette disposition entre temps, notamment en ajoutant des électrodes sur les faces latérales des branches du diapason. Selon la figure 1, sur les deux faces principales du cristal, parallèles au plan de la figure, les deux branches 2 et 3 portent des électrodes d'excitation, également identiques entre elles, qui ne se distinguent que dans les connexions électriques pour l'alimentation du résonateur. Ces électrodes comportent sur chaque branche une électrode centrale 5, entre deux électrodes latérales 6 et 7 qui, en fonctionnement, sont de polarité opposée à celle de l'électrode centrale 5; de plus, il y a toujours inversion de polarité entre les deux branches, par le fait que les pistes conductrices 8, 9 également déposées sur la surface du cristal, relient les deux électrodes latéra- les de chaque branche ensemble et à l'électrode centrale de l'autre branche. Les pistes conductrices assurent également la transmission du courant d'alimentation à partir de plages de contact 11, 12, déposées sur le corps 4 du cristal. Sur la face principale opposée du cristal, non visible sur la figure 1, les électrodes d'excitation présentent une disposition exac- tement symétrique par rapport au plan de la figure. Des trous métallisés percés à travers le cristal au niveau des plages de contact 11 et 12 conduisent le courant entre les deux faces principales du résonateur. Les électrodes, plages de contact et pistes conduc- trices sont toutes constituées par des dépôts métalliques, ici en Cr et Au, réalisés par les techniques usuelles d'évapora- tion sous vide. Les électrodes auxiliaires qui seront décrites par la suite sont réalisées simultanément, ainsi que des dé- pôts supplémentaires 13 et 14, formés au bout des branches 2 et 3, qui sont utiles par la suite pour régler la masse des branches par enlèvement de matière à ce niveau. Avant de réaliser ces dépôts métalliques, lorsqu'on forme le diapason, on taille plusieurs diapasons analogues, 6 2464595 les uns à côté des autres, dans le même cristal de quartz et on les maintient unis ensemble pendant tout le temps de la fa- brication. A cette fin, chaque résonateur comporte un pied 15 qui est taillé dans le même cristal que le diamant et qui le réunit à une base 16, également taillée dans le quartz et commune aux différents résonateurs. Ce pied est destiné à être cassé en fin de fabrication, pour séparer les différents réso- nateurs individuels, une fois prêts à l'emploi. Conformément à la figure 1, le pied 15 est disposé dans l'axe du diapason. C'est sur ce pied que sont constituées les électrodes auxiliaires, symétriquement par rapport au plan médian du diapason. Ces électrodes sont disposées pour permet- tre la détection d'un champ électrique transversal résultant d'efforts de flexion transmis dans le cristal depuis les bran- ches du diapason jusqu'au pied 15. Elles comprennent des élec- trodes centrales 17, 18, deux sur chacune des faces principales opposées du cristal, et des électrodes extérieures 19 et 21, disposées sur les faces latérales du pied, sur la tranche la- térale du cristal. Au delà du pied 15, sur la base 20 (commune à plusieurs résonateurs), des pistes conductrices 22 et 23 re- lient les électrodes extérieures 19 et 21 à une même plage de contact 24 également formée sur la base 20. Par d'autres pis- tes 25, les deux électrodes centrales 17 et 18 sont reliées de leur côté à une même plage de contact 26. Les homologues des électrodes 17 et 18 se trouvant sur la face principale opposée du cristal sont reliés de la même manière à une plage -de contact symétrique de la plage 26 qui est elle-même en con- tact électrique avec cette dernière grâce à un trou métallisé 27 qui les réunit à travers le cristal. Les électrodes 17 et 18 sont suffisamment écartées l'une de l'autre pour laisser passer entre elles d'autres pis- tes conductrices qui relient les plages de contact 11 et 12 du diapason respectivement à des plages de contact 28 et 29 qui sont déposées sur la base 20 pour être utilisées pour l'ali- mentation du résonateur dans les essais en cours de fabrication. La disposition est identique sur les deux faces principales du cristal, comme le montre la figure 2. Le résonateur représenté sur les figures 3 et 4 est identique à celui des figures 1 et 2 pour tout ce qui concerne la réalisation du diapason proprement dit. La base 20 est éga- lement réalisée d'une manière analogue à celle de la figure 1 et les mêmes chiffres de référence ont été utilisés. La diffé- renée essentielle concerne la liaison entre le diapason 1 et la base 20 et la disposition des électrodes auxiliaires. Dans ce cas, en effet, il est prévu, non plus un pied unique, mais deux pieds distincts 31 et 32, disposés symétriquement de part et d'autre de l'axe du diapason. Toutes les électrodes auxi- liaires sont alors déposées sur les faces latérales des pieds, sur la tranche du cristal, tandis que les faces principales, au recto ou au verso ou sur les deux faces du résonateur, sont réservées au passage des pistes conductrices 33 et 34 qui re- lient séparément les plages de contact 11 et 12 du diapason respectivement aux plages de contact 28 et 29 de la base 20. Les électrodes auxiliaires comprennent deux électrodes 35 et 36 sur les faces internes en vis-à-vis des deux pieds 31 et 32, reliées ensemble à la plage de contact 26 sur la base 20, et d'autre part deux électrodes 37 et 38 qui sont formées sur les faces externes des pieds 31 et 32 et qui sont reliées en- semble à la plage de contact 24. La disposition est ici encore identique sur les deux faces principales du cristal, comme le montre la figure 4, pour une section au niveau des pieds. Les électrodes auxiliaires sont utilisées dans les essais de mise en vibration des diapasons en cours de fabrica- tion, pour détecter les asymétries éventuelles entre les deux branches, qui se traduisent par des efforts de flexion résul- tant au niveau des pieds, provoquant par effet piézoélectrique l'apparition d'une tension d'asymétrie aux bornes des électro- des auxiliaires, laquelle est détectée entre les plages de contact 24 et 26. Conformément au schéma de mise en oeuvre de la fi- gure 5, illustrant les essais de vibration avec correction de l'asymétrie éventuelle, un résonateur 41, toujours réuni à la base commune par son ou ses pieds, est alimenté à partir d'une source d'énergie 42 de manière à constituer l'oscilla- 8 2464595 teur sur un circuit oscillant. Un laser 43 équipé d'un dispositif de déflection du faisceau -par exempleun miroir pivotant 47) permet d'orienter un faisceau lumineux avec une longueur d'onde donnant une ab- sorption dans les couches métalliques vers les extrémités des branches du diapason, pour attaquer les dépôts 13 ou 14 sous la commande d'une électronique de commande 46 qui permet d'agir sur le laser 43 et sur un dispositif 44 d'orientation du mi- roir 47. D'une manière en elle-même classique la fréquence de vibration du diapason est mesurée en 45 et comparée en 46 à une fréquence prédéterminée et, en- fonction du résultat de cette comparaison, on commande par le dispositif 44 l'attaque des dépôts par le faisceau laser pour diminuer la fréquence par enlèvement de matières symétriquement sur les deux bran- ches du diapason. En outre, conformément à l'invention, un circuit électrique 47 permet de détecter la tension apparais- sant éventuellement entre les plages de contact 24 et 26. Un amplificateur "phase-lock" 48 est utilisé pour mesurer cette tension utilisant la phase du signal d'excitation aux bornes des électrodes d'excitation du diapason comme référence. L'am- plitude de ce signal est donc une mesure de l'asymétrie du diapason et le signal change le signe (change la phase par 1800) en passant d'un diapason avec un bras trop lourd à un autre diapason ayant l'autre bras trop lourd. Ceci permet de déterminer sur laquelle des deux branches il faut agir en en- levant de la masse pour obtenir un diapason symétrique. En 46 on commande par le dispositif 44 le faisceau du laser en conséquence pour attaquer sélectivement l'un des dépôts 13 ou 14. Il est possible de corriger l'asymétrie par dépôt sélectif de masse sur une branche du diapason. La méthode de dépôt de masse est en elle-même classique et utilisée pour l'ajustage à la fréquence des diapasons. Pour pouvoir corri- ger l'asymétrie avec une telle installation il faut l'équi- per avec l'électronique de détection et de commande montée en figure 5. Au lieu de commander un miroir (34) on commande dans ce cas un cache qui permet de déposer de la matière seu- 9 2464595 lement sur une des deux branches du diapason. La correction des asymétries permet d'augmenter le facteur de qualité des résonateurs fabriqués et de diminuer la sensibilité de la fréquence propre aux variations de tem- pérature. Ce n'est qu'après cette correction que les résona- teurs sont séparés de leur base commune. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection de l'asymétrie dans un réso- nateur a cristal piézoélectrique formant deux branches de dia- pason de part et d'autre d'un axe de symétrie, caractérisé en ce qu'en plus d'électrodes d'excitation (5, 6, 7) sur lesdites branches (2, 3), on forme des électrodes conductrices auxili- aires (17, 18, 19, 21) sur une partie du même cristal réunis- sant les deux branches, au moins provisoirement, avec le même axe de symétrie, puis l'on fait vibrer le résonateur en appli- quant une tension d'excitation auxdites électrodes d'excita- tion et, pendant sa vibration, on détecte la tension apparais- sant entre les électrodes auxiliaires en cas de vibration asymétrique des branches. 2. Procédé de fabrication de résonateurs de type dia- pason comportant une détection de l'asymétrie desdits résona- teurs conformément au procédé de la revendication 1, caracté- risé en ce que l'on corrige toute asymétrie ainsi détectée par modification de la masse de l'une des branches de diapason sélectivement. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on détermine la différence de phase entre la tension d'asymétrie détectée aux bornes des électrodes auxiliaires d'un résonateur et la tension d'excitation, et en ce que l'on commande en fonction de la différence de phase ainsi déterminée, un enlèvement de matière sélectivement sur l'une des branches pour corriger l'asymétrie. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'enlèvement de matière s'effectue par attaque, au moyen d'un faisceau laser, d'un dépôt métallique (13, 14) formé à cet effet sur les branches (2, 3) du résonateur. 5. Procédé selon la revendication 2, 3, ou 4, carac- térisé en ce que l'on taille une série de résonateurs en forme de diapason dans le même cristal en les laissant provisoirement réunis, chacun par au moins un pied (15), à une base commune (16), on dépose sur le cristal des revêtements conducteurs for- mant, d'une part les électrodes d'excitation (5, 6, 7) sur les branches des diapasons et leurs pistes d'alimentation (8, 9), d'autre part les électrodes auxiliaires (17, 18, 19, 21) servant à la détection d'asymétrie, sur des faces desdits pieds, et l'on procède à la détection d'asymétrie, avec sa correction il 2464595 éventuelle, sur chacun des résonateurs, avant de séparer les résonateurs individuels de leur base commune. 6. Résonateur de type diapason, obtenu par le procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 2 à 5. 7. Résonateur à cristal piézoélectrique formant deux branches de diapason de part et d'autre d'un axe de symétrie, caractérisé en ce qu'en plus d'électrodes d'excitation (5, 6, 7) formées sur lesdites branches (2, 3), il comporte des élec- trodes auxiliaires (17, 18, 19, 21) constituées par des revê- tements conducteurs formés sur une partie du même cristal réu- nissant les deux branches, avec le même axe de symétrie de préférence. 8. Résonateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que dans ladite partie commune aux deux branches, le cristal forme au moins un pied (15) réunissant au moins provisoirement le diapason à une base (16), et en ce que lesdites électrodes auxiliaires sont formées sur les faces dudit pied. 9. Résonateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit pied est disposé dans l'axe du diapason, et en ce qu'il porte des électrodes auxiliaires (17, 18) électriquement reliées ensemble sur les faces principales du cristal et d'autres électrodes auxiliaires (19, 21) électriquement reliées ensemble sur les faces latérales du pied, sur la tranche du cristal. 10. Résonateur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte deux pieds symétriques (31, 32), et en ce que les électrodes auxiliaires sont formées sur les faces latérales de ces pieds, sur la tranche du cristal, les unes (35, 36) re- liées électriquement ensemble sur les faces internes en vis-à- vis, les autres (37, 38) reliées électriquement ensemble sur les faces externes. 11. Résonateur selon la revendication 9 ou 10, carac- térisé en ce qu'il comporte des pistes conductrices reliant les unes et les autres des électrodes séparément à des plages de contact formées sur ladite base. 12. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que ladite base est commune à plusieurs résonateurs analogues taillés dans le même cristal. 13. Installation de fabrication de résonateurs de type diapason, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour détecter une tension d'asymétrie apparaissant entre lesdites électrodes auxiliaires d'un résonateur selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, lorsqu'il est amené à vibrer par alimentation de ces électrodes d'excitation en cas d'asymétrie entre les deux branches. 14. Installation selon la revendication 13, caracté- risée en ce qu'elle comporte en outre des moyens pour déterminer la différence de phase entre la tension d'asymétrie et la tension d'excitation, ainsi que des moyens pour commander, en fonction de cette différence de phase, un dépôt ou un enlèvement sélectif de matière sur l'une des branches du diapason pour corriger l'asy- métrie détectée.