Brevet FR2474255A1 — publié le 19810724

2474-55 "Résonateur piézo-électrique". L'invention concerne un résonateur piézo- électrique comportant un corps parallélépipédique oblong dé- coupé dans un cristal de quartz, ledit corps ayant deux fans principales qui, dans le voisinage immédiat d'une des deux (5 faces terminales limitant ces faces principales, sont munies d'un jeu d'électrodes, tandis que l'autre face terminale qui lui est située vis-à-vis fait office d'appui du corps, ledit corps présentant une face de coupe de cristal tournée autour de l'axe X. Dans le présent exposé, par l'expression "face de coupe de cristal tournée autour de l'axe X", on entend ha- bituellement que l'orientation respectée lors de la dkc1pe du corps dans un cristal de quartz est telle qu'un axe principal du corps est parallèle à l'axe X, tandis que les deux autres axes principaux sont parallèles le premier à un axe Y' et l'autre à un axe Z' qui, à partir des axes Y et Z, scLt dter- minés par rotation des axes de cristal autour de l'axe X. Un tel résonateur est connu par exemple de la demande de brevet allemand N' 2 701 416. Dans ce document allemand, le corps est formé par un élément peroloél&é:Épdique oblong découpé dans un cristal de quartz suivant une coupe àT ledit corps ayant deux faces principales oblongues dotl'axe longitudinal est orienté dans la direction Z' et dont l'axe transversal est orienté dans la direction X de la coupe de cristal, ces faces principales étant munies d'électrodes si- tuées en regard. Par la coupe AT choisie et en combinaison avec le jeu d'électrodes, on fait vibrer le cristal suivant un mode de vibration qui résulte d'un couplage entre un mode de cisaillement d'épaisseur XY' et un mode de flexion XY'. Dans le cas de ces résonateurs piézoélectriques utilisés pour des fréquences de résonance supérieures à kHz, on s'efforce de donner aux résonateurs des dimensions aussi réduites que possible. Dans le cas du résonateur piézo- électrique connu, cette exigence est respectée du fait que les deux modes de vibration engendrés ont une direction de mouve- ment qui est située dans le plan XY', c'est-à-dire un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du corps. Ceci signifie également qu'il est possible d'élaborer de façon asymétrique les électrodes sur les faces principales si seulement une des faces terminales (limitant ces deux faces principales dan la direction longitudinale) est utilisée comme face portante 5 pour le résonateur. Etant donné que les modes de vibration possèdent une direction de mouvement parallèle à ces faces terminales, la face terminale libre ne -perturbe pas ces modes de vibartion, de sorte qu'à l'égard de cette face terminale, il n'est plus nécessaire de respecter l'exigence voulant que sur cette face la vibration se soit déjà évanouie, ceci si- gnifie que sur les faces principales, les électrodes peuvent être élaborées dans le voisinage de la face terminale libre. En outre, à l'aide des électrodes, on donne lieu à ce que l'on appelle "le piégeage d'énergie", c'est-à-dire que les vibrations engendrées sont limitées principalement à la zone entre les électrodes-(zone d'électrodes), tandis qu'à l'exté- rieur de ladite zone, l'amplitude des vibrations Carctérsant les modes de vibration diminue fortement en fonction de la distance à ladite zone d'électrodes. En ce qui concerne ce résonateur pesZaO-iectrzqoe connu, la possibilité de réduire les dimensions du résonateur se heurte à l'exigence voulant qu'à l'endroit de la face ter- minale faisant office de face portante, la vibration sctdéjà complètement évanouie, ce qui définit la distance minimale entre la zone d'électrodes et cette face portante. En outre, ce résonateur est affecté par l'inconvénient que tant l'éçEi- seur que la largeur du corps sont des dimensions qui dénis- sent la fréquence de vibration, ce qui évidemment impose des exigences de précision lors de la fabrication. L'invention a pour but de procurer un résona- teur piézo-électrique qui peut présenter des dimensions très réduites et dont la fabrication est simple et sûre. A cet effet, le résonateur est remarquable en ce que la coupe du corps est telle que les faces pr4ncipales sont perpendiculaires à l'axe Z' et lesdites faces ternimles sont perpendiculaires à l'axe X ou à l'axe ', et en ce Uee jeu d'électrodes est choisi de façon à faire vibrer lecristal suivant un mode de vibration qui résulte d'un couplage entre un mode de cisaillement d'épaisseur XY' et un mode de vibra- tion en épaisseur dans la direction X ou dans la diiectic T. Dans le résonateur piézo-électrique conforme à l'invention, on utilise donc un mode de vibration qui réàulte d'un couplage entre un mode de cisaillement d'épaisseur XY'et un mode de vibration en épaisseur dans la direction X culadid rection Y', est un mode de vibration périphérique (enoangais "edge-mode"). Cela signifie que la création de ce mode de vi- bration n'est possiblr que dans le voisinage immédiat d'une des faces terminales limitant les faces principales, de Sate que le positionnement asymétrique des électrodes sur lm FaCoE terminales, nécessaire pour une dimension minimale, est res- pecté automatiquement. En outre, on constate que le mode de vibration utilisé s'évanouit très fortement à mesure que la distance à cette face terminale augmente, ce qui signifie qo la distance entre d'une part la face terminale faisant office de face portante et d'autre part la face terminale libre peut être notablement inférieure à la distance qui est possible avec le résonateur connu. Par ailleurs, de par le mode de vibration utilisé, on obtient une fréquence de vibration qui n'est déterminée que par une seule dimension du corps, ce qui facilite beaucoup la fabrication. Pour éviter qu'il ne se produise des résonances perturbatrices dans la direction Zt, la dimension du corps dans la direction Z' est faible aupoit que, dans cette direction, il ne pert pas se produire des ré- sonateurs ayant une fréquence égale ou inférieure à la fré- quence du mode voulu. Un premier mode de réalisation du résonateur piézo-électrique conforme à l'invention est remarquable enoe que chacune des faces principales comporte deux électrodes qui, chacune, sont placées séparément dans le voisinage immé- diat de l'une des faces terminales transversales aux faces terminales. Dans ce mode de réalisation, on peut raccorder les électrodes à deux bornes de signal de façon que deux champs électriques opposés soient engendrés perpendiculaire- ment aux faces principales. Il est possible aussi de rwcoider les électrodes à deux bornes de signal de façon qu'il soit engendré un champ électrique essentiellement parallèle aux faces principales et aux faces terminales. Un deuxième mode de réalisation du résonateur piézo-électrique conforme à l'invention est remarquable Eice qu'une des faces principales est munie de deux électrodes dont chacune est placée séparément dans le voisinage inmédiat d'une des faces latérales perpendiculaires aux faces termi- nales et dont chacune est raccordée à une borne de signal distincte, et en ce que l'autre face principale est munie d'une électrode commune placée en face de ces deux électbiDxs. Finalement, un troisième mode de réalisation particulièrement efficace du résonateur piézo-électrique òrF- forme à l'invention est caractérisé en ce que les facesprin- cipales sont munies de première et deuxième paires d'élec- trodes situées à l'opposé l'une de l'autre, paires qui sont placées chacune dans le voisinage immédiat de l'une cbs face latérales transversales aux faces terminales, et d'unetroi- Sième paire d'électrodes situées à l'opposé l'une de l'autre et se trouvant entre les électrodes des première et deuxième paires, et que les électrodes des première et deuxième paires sont raccordées à une première borne de signal et les élec-_ trodes de la troisième paire à une seconde borne de signal, alors que la coupe du corps a été choisie de façon que les faces terminales sont perpendiculaires à l'axe X. Ce mode de réalisation a comme avantage que la dinension du corps dans la direction normale aux faces principales peut être très petite, ce qui est souhaité du point de vue du rendement de fabrication. La description suivante, en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien oOuraxhe comment l'invention peut être réalisée. Les figures 1 à 3 illustrent trois modes de réalisation du résonateur piézo-électrique conforme à l'in- vention. La figure 4 illustre de façon schématique une configuration de vibration. 2474255. Le résonateur piézo-électrique conforme àl'in- vention et représenté sur la figure 1 comporte un ctps pa&l- lélépipédique oblong 1. Ce corps a deux faces pdniples 2 et 3, deux faces terminales 4 et 5, et deux faces lateérales6ebt Ce corps 1 est découpé dans un cristal de quartz suivant une coupe tournée autour de l'axe X, et cela notamment de façon que l'axe Y' soit perpendiculaire aux deux faces piincpalE 2 et 3 tandis que l'axe X soit perpendiculaire aux deux faces terminales 4 et 5. Comme variante, on peut aussi choisir l'axe Y' perpendiculairement aux faces terminales 4 et 5, comme indiqué entre paranthèses dans le système de cooidorées appartenant à la figure. Sur la face principale 2, on a élaboré deux électrodes 8 et 8', l'électrode 8 s'étendant jusqu'à la face terminale 4 et jusqu'à la face latérale 7, alors que l'élec- trode 8' s'étend jusqu'à la face terminale 4 et jusqu'à la face latérale 6. De la même façon, on a élaboré les dectricsl 9 et 9' sur la face principale 3. Au moyen des conducteurs respectifs 10, 10', 11 et 11' et des fils de connexion rac- cordés à ces conducteurs, les électrodes 8, 8', 9 et 9' sont raccordées aux bornes de signal 12 et 15, notamment de façon à établir une liaison en croix, c'est-à-dire que les élec- trodes 8 et 9' sont raccordées à la borne de signal 12 alors que les électrodes 8' et 9 sont raccordées à la borne de signal 15. A l'aide de ce jeu d'électrodes, il est créé Paoe les électrodes 8 et 9 d'une part et 8' et 9' d'autre part deux champs électriques dans la direction Z' et de sens op- posés. Comme variante, on peut raccorder les deux électrodes 8 et 9 à la borne de signal 12 et les deux élec- trodes 8' et 9' à la borne de signal 15. Dans ce cas, il est engendré un champ électrique essentiellement parallèle aux faces principales et à la face terminale 4. Si un signal de différence est appliqué aux deux bornes de signal 12 et 15, le champ électrique créé ainsi dans le corps engendre une vibration combinée, se com- posant d'une vibration de cisaillement d'épaisseur XY' et 2474255. d'une vibration en épaisseur Y'. Le mode de vibration total engendré b la rte présente une configuration comme le montre de façon schéma- tique la figure 4. Cette figure 4 montre-également de façon schématique les deux composantes constituant cette configu- ration de vibration, à savoir une vibration en épasseur T et une vibration de cisaillement d'épaisseur S. Ce mode de vibration combiné se caractérise en premier lieu par le fait qu'il reste fortement localisé jus- qu'à une région dans le voisinage de la face term[nae libe 4 et qu'en dehors de cette région il s'évanouit très rlddeMEnt à mesure que la distance à cette face augmente. Ceci a comme conséquence que la distance entre les électrodes 8 et 9 sur les faces principales d'une part et la face terminale 5 fai- sant office de face portante d'autre part peut être choisie très faible sans que pour cela les conditions périphériques imposées par cette face terminale donnent lieu à des pertur- bations dans la configuration de vibration. On a constaté que comparativement au résonateur piézo-électrique connu décrit dans le préambule, la distance entre les électrodes 8 et 9 et la face terminale 5 peut être divisée par un facteur compris entre 2 et 3. Cela signifie que le résonateurpiézo-électrique conforme à l'invention peut avoir des dimensions notablement plus faibles. - Un deuxième avantage supplémentaire du résona- teur piézo-électrique conforme à l'invention est le fait que la fréquence de la vibration combinée engendrée n'-est défiee que par une seule dimension du corps 1, à savoir sa largeur, c'est-à-dire la distance d entre les faces latérales 6 et 7. Cela signifie qu'au cours de la fabrication, c'est seulement cette distance qui doit être réalisée en respectant la pré- cision exigée pour définir la fréquence de résonance. La sensibilité à la température du résonateur piézo-électrique en question dépend evidemment de la coupe de cristal que l'on a choisie, c'est-à-dire de l'angle sli- vant lequel l'axe Y et l'axe Z ont été tournés autour de l'axe X du cristal, comme le montre le système de cooIlonnées 2474255. utilisé dans la figure 1. Par voie de calcul à l'aide d'un ordinateur, on a pu déterminer que dans le cas du quartz, le coefficient de température de premier ordre est égal à zéro pour e = + 25 . Quant au nombre de fréquence, c'est-à-di mi fréquence de résonance fo multipliée par la dimension d, on -37 obtient pour cette coupe la valeur fo.d = 2688 kHz.m 3. La figure 2 illustre un mode de réalisationqi s'apparente à celui de la figure 1. La seule différenceride en ce qu'au lieu des électrodes 9 et 9', on a maintenant é_a- boré une seule électrode 9' sur la face principale 3, élec- trode qui s'étend entièrement entre les faces latraIles6et7 et cela donc aussi bien en face de l'électrode 8 qu'en face de l'électrode 8' de la face principale 2. Cette électrode 9 n'est pas raccordée à une borne de signal. Ladite ébibde 9 acquiert automatiquement un potentiel qui se situe àuiD-can entre les niveaux de potentiels des signaux présents aux bornes 12 et 15, de sorte qu'également lors de l'emploidice jeu d'électrodes, on obtient dans la direction Z' les champs désirés orientés dans des sens opposés. L'avantage du mode de réalisation répondant à la figure 4 est que les pistes conductrices servant à établir les liaisons indispensables avec les bornes de signal sont moins compliquées. La figure 3 représente un mode de réalisation, dans lequel la coupe du corps a été choisie de façon que les faces terminales 4 et 5 soient perpendiculaires à l'axe X. Le jeu d'électrodes 8 et 9, 8' et 9' et 16 et 16'. Les 61élec- trodes 16 et 16' sont raccordées à la borne de signal 15, alors que les autres électrodes sont connectées à la borne de signal 12. Ainsi, on obtient deux champs électriques op- posés, parallèles aux faces principales et aux faces termi- nales. A remarquer que l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation illustrés sur les figures. Tout en restant dans le cadre de l'invention et en farctnode la coupe de cristal choisie, il est évidemment possible de choisir des jeux d'électrodes et/ou des formes d'électrodes qui diffèrent de ce qui a été précisé ci-dessus. ILe &ctdes 2474255. par exemple sur les faces principales ne doivent fEs s'étendcle jusqu'aux bords de la face principale. Une autre possibilité consiste en ce que par exemple sur chaque face p2inciple, on place, dans le voisinage de la face terminale, deux électrccbs G5 qui sont parallèles au bord entre cette face terminale et la face principale, ces électrodes étant séparées par une cer- taine distance et chacune de ces électrodes étant raccordée à une borne de signal distincte. Egalement un tel Eu ditee - trodes engendre une combinaison de champs électriques qui, en fonction de la coupe de cristal choisie, peuvent donner lieu au mode de vibration souhaité. On conçoit de la sorte qu'à l'égard de la forme et du positionnement des pistes co- ductrices et des bornes de signal servant d'appui, il est possible de réaliser bon nombre de variantes. Quant à la forme du corps, il y a lieu de re- marquer que bien que cette forme doive généralement 9te nsc- tangulaire, il est possible de s'en écarter dans une certEine mesure, ce qui éventuellement est même souhaitable. Généra- lement, il est difficile de réaliser des faces en équerre sans aboutir à un certain effritement de certaines parties du bord. Puisque cet effritement est de nature à perturber la configuration de vibration, les bords en question, enfpu- ticulier ceux entre les faces principales 2 et 3 et la face terminale 4, sont arrondis ultérieurement. Par ailleurs, dans le voisinage de la face terminale 5 servant d'appui, on peut pratiquer un taillage à facettes du corps. Dans le voi- sinage de cette face terminale, on peut notamment diminuer - progressivement la distance entre les faces latérales 6 et 7. Ainsi, on prononce davantage le caractère asymétrique du ré- sonateur piézo-électrique, asymétrie qui est une condition pour engendrer le mode de vibration souhaité. Par ailleurs, on conçoit qu'il est souhaitable de réaliser la fixation du résonateur piézo-électrique de façon à donner lieu à l'atténuation de modes de vibrations indésirables près de cet appui à proximité de la face termi- nale 5. En pratiquant de la sorte, on obtient l'atténuation complète de tous les modes de vibration qui sont symétriques par rapport aux faces terminales. 2474255. REVENDICATIONS: 1. Résonateur piézo-électrique comportant u2 oCIpS parallélépipédique oblong découpé dans un cristal de quitze ledit corps ayant deux faces principales qui, dans le voisi- nage immédiat d'une des deux faces terminales limitant ces faces principales, sont munies d'un jeu d'électrodes, tandis que l'autre face terminale qui lui est située vis-à-vis fait office d'appui du corps, ledit corps présentant une face de coupe de cristal tournée autour de l'axe X, caractérisé eoe que la coupe du corps est telle que les faces principales sont perpendiculaires à l'axe Z' et lesdites faces te&'l sloe sont perpendiculaires à l'axe X ou à l'axe Y', et en ce que le jeu d'électrodes est choisi de façon à faire vibrer le cristal suivant un mode de vibration qui résulte d'un oWMbe entre un mode de cisaillement d'épaisseur XY' et un mode de vibration en épaisseur dans la direction X ou dans la direc- tion Y'. 2. Résonateur piézo-électrique selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que chacune des faces principales comporte deux électrodes qui, chacune, sont placées s parémnt dans le voisinage immédiat de l'une des faces latérales, transversales aux faces terminales. 3. Résonateur piézo-électrique selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que les électrodes sont raccordées à deux bornes de signal de façon que deux champs électriques opposés sont engendrés perpendiculairement aux faces princi- pales. 4. Résonateur piézo-électrique selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que les électrodes sont raccordées à deux bornes de signal de façon qu'il est engendré un champ électrique essentiellement parallèle aux faces principales et aux faces terminales. 5. Résonateur piézo-électrique selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'une des faces principales est munie de deux électrodes dont chacune est placée séparément dans le voisinage immédiat d'une des faces latérales perpen- diculaires aux faces terminales et dont chacune est raccoidée 2474255-. à une borne de signal distincte, et en ce que l'autre face principale est munie d'une 6électrode commune placée en face de ces deux électrodes. 6. Résonateur piézo-électrique selon la revediM- tion 1, caract6risé en ce que les faces principales sont mu- nies de première et deuxième paires d'électrodes situées à l'opposé l'une de l'autre, paires qui sont plac6es chacune dans le voisinage immédiat de l'une des faces latéralestvral versales aux faces terminales, et d'une troisième paire d'électrodes situées à l'opposé l'une de l'autre et se trou- vant entre les électrodes des première et deuxième paires, et que les électrodes des première et deuxième paires sont raccord6es à une première borne de signal et les électrodes de la troisième paire à une seconde borne de signal, aoI que la coupe du corps a 6té choisie de façon que les faces trIDi- nales sont perpendiculaires à l'axe X.