Brevet FR2474254A2 — publié le 19810724

FR 2474254 A2 19810724 FR 8001316 A 19800122 La présente addition constitue un perfectionnement à un résonateur à cristal comprenant un bloc cristallin,par exemple et de préférence en quartz, comportant au moins deux faces planes parallèles, placées dans l'espace diélectrique d'un condensateur de façon à pouvoir osciller en mode de cisaillement d'épaisseur,selon la demande de brevet principale nO 79 02 503. On sait que la fabrication des résonateurs à cristal, notamment lorsqu'il s'agit d'une fabrication de grande série se heurte à un certain nombre de problèmes technologiques provenant par exemple du fait que le bloc cristallin doit être monté dans un encapsulage sous-vide et que les connexions électriques sont réalisées sous forme de traversées étanches à l'aide de scellement verre-métal ou céramique-métal. La présente addition a pour but de proposer un résonateur à bonnes performances et qui peut être réalisé par des opérations simples et monté dans un encapsulage facile à réaliser. Le résonateur à cristal selon la présente addition se prête ainsi à une fabrication de grande série, permettant un bon rendement de production et un prix de revient très bas. Pour atteindre ce but, le résonateur selon la présente addition est caractérisé en ce que le bloc cristallin est enfermé dans un bottier métallique pourvu d'un couvercle en une matière isolante qui est pourvu sur sa surface interne, sur la partie en regard de la surface supérieure plane dudit bloc cristallin, -d'une couche métallique coopérant électriquement avec un organe de contact électrique externe, et est maintenu à l'intérieur dudit bottier en une position parallèle à la surface interne de la paroi de fond dudit bottier et à la surface interne dudit couvercle par au moins un organe de ressort de serrage configuré et placé en appui sur une surface de boîtier de façon à pouvoir exercer une pression sensiblement ponctuelle de maintien sur le bloc cristallin, au niveau des quatre coins d'une surface principale plane de celui-ci. L'addition sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparattront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusiurs modes de réalisation de l'addition et dans lesquels - la figure 1 est une illustration des directions de découpe du bloc cristallin utilisé dans le cadre de l'addition - la figure 2 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation du résonateur à cristal selon l'addition - la figure 3 est une vue de dessus du résonateur selon la figure 2, le couvercle et le ressort de serrage étant enlevés - les figures 4 et 5 sont des vues en coupe axiale de deux autres modes de réalisation du résonateur à cristal selon l'addition ; et - la figure 6 illustre en une vue en perspective le ressort destiné à maintenir en place le bloc cristallin. Comme il a été expliqué en détail dans la demande de brevet principal, le résonateur à cristal comprend un bloc cristallin quiauneforme sensiblement parallélépipèdique et est fait de préférence par une coupe AT, ce qui signïfie que les faces principales sont normales à un axe Y' obtenu par rotation du système de référence d'un angle d'environ 34 à 360 autour de l'axe X, dans le sens positif (figure 1). Le bloc cristallin 100 en quartz, illustré sur la figure 1 produit des vibrations dont le mode est un cisaillement d'épaisseur, si le champ électrique d'excitation est appliqué suivant l'axe OY . La vibration du bloc cristallin a lieu dans le plan XY'. La coupe présente de notables avantages par rapport à la coupe Y simple.Il confère notamment au résonateur à cristal une excellente stabilité en température. Un des problèmes survenant dans des quartz de ce type est que le cisaillement d'épaisseur n1 est pas le seul mode de vibration qui est excité. Il s'est avéré que pour une plaque de dimensions non infinies il se produit obligatoirement une flexion d'ordre supérieur selon l'axe X. En outre, le champ électrique orienté dans la direction de l'axe Y produit également une excitation du cisaillement de surface dans le plan XZ'. En outre, de très faibles asymétries peuvent produire des vibrations d'allongement selon l'axe X bien que le champ soit en principe nul dans la direction de cet axe.Tous ces modes sont à plus basse fréquence que le cisaillement d'épaisseur, mais si un mode partiel supérieur de l'un d'eux coïncide avec le mode principal, il y a"cotpage"entre modes, c'est-à-dire entratnement de l'une des vibrations par l'autre. Ceci peut provoquer des instabilités de fréquence et un comportement thermique perturbé. Il s'est avéré que ces couplages indésirables peuvent être éliminés par un choix approprié des dimensions du bloc cristallin. Etant donné que ltépaisseur est déterminée par la fréquence désirée, ce sont les autres dimensions qui doivent être choisies en conséquence. Ainsi le bloc cristallin, dans un mode de réalisation avantageux pourrait présenter un rapport de 12,5 entre la longueur L et l'épaisseur e et un rapport d'environ 3,5 à 5 entre la largeur 1 et l'épaisseur e. Dans les conditions qui viennent d'être énoncées, l'ensemble du bloc cristallin en forme d'une plaque est en vibration et seul le centre géométrique de cette plaque parallélépipèdique est nodal. Mais ce centre n'est pas accessible pour la fixation. Les modes de réalisation du résonateur à cristal selon la présente addition tiennent parfaitement compte de cet état de fait. Les figures 2 et 3 représentent un premier mode de réalisation. Le bloc cristallin 100 qui peut entre recouvert d'électrodes sur ces faces principales 101,102 repose par ces quatre angles 103 sur un épaulement 104 pratiqué dans le fond 106 d'un bottier métallique 105. Ce dernier comprend dans sa zone périphérique une zone 108 permettant la fixation par exemple par soudage dbncouvercle 107 au bottier 105. La surface interne du couvercle 107 est recouverte dans sa partie médiane en regard de la surface supérieure du bloc cristallin 100 en forme d'une plaquette, par une couche métallique 109. La surface externe du couvercle porte une couche métallique 110 qui correspond à la couche 109. Ces couches 109, 110 forment avec la matière isolante du couvercle 107, qui est de préférence réalisé en verre ou en céramique, un condensateur placé électriquement en série avec la plaquette 100 et permettant d'exciter la vibration de celle-ci.La plaquette 100 est maintenue en place sur l'épaulement 104 par l'intermédiaire d'un organe formant ressort 111 configuré et disposé entre le couvercle 1C7et la surface supérieure de la plaquette 100 de façon à prendre appui ponctuellement sur cette surface supérieure de la plaquette, au niveau des quatre coins de cette surface. Le mode de réalisation suivant les figures 2 et 3, comme d1ailleurs les modes de réalisation représentés sur les figures 4 etE; présente: 'davantage important d'éviter des traversées étanches et les inconvénients de coNs derffl élevés et d'une faible fiabilité,quselles impliquent. Le mode dé réalisation représenté sur la figure 4 se distingue du mode de réalisation qui vient d're décrit par le fait que la plaque cristalline 100 est montée en sandwich entre deux organes fermant ressort 111. Un ressort est interposé entre le fond du bottier 105 et la surface inférieure de la plaque cristalline 100, tandis que l'autre est placée comme auparavant entre le couvercle et la surface supérieure de cette plaquette. Dans ce mode de réalisation il n'est plus nécessaire de pratiquer un épaulement dans le fond du boiter, comme dans le cas de la figure 2. Le mode de réalisation représenté sur la figure 5 se distingue du mode de réalisation selon la figure 4 par le seul fait essentiel que les deux couches métalliques 109, 110 situées sur lesfacesinterne et externe respectivement du couvercle 107 sont électriquement reliées au niveau du centre du couvercle par une zone localement conductrice 112. Un couvercle pourvu d'une telle zone conductrice peut être réalisé avantageusement en choisissant comme matière de couvercle par exemple un oxyde métallique que l'on réduit localement par chauffage en présence d'hydrogène.Le mode de réalisation suivant la figure 5 est avantageux si on désire éviter que les couches métalliques 109, 110 se comportent comme une capacité montée en série avec la structure proprement dite du résonateur à cristal, comprenant le bloc cristallin 100 et les deux armatures métalliques fcrmées par la paroi inférieure du bottier 105 et la couche métallique 109 en regard du bloc 100 en forme de plaquette. La figure 6 illustre la forme de l'organe formant ressort 111 avantageusement utilisé dans les trois modes de réalisation selon l'addition. Le ressort de maintien 111 a la forme d'une plaquette de forme sensiblement rectangulaire. Les quatre coins 113 de cette plaquette sont pliés hors du plan de celle-ci, dans une même direction pour former des pattes à angle vif par lesquels ce ressort prend appui sur la surface supérieure de la plaquette cristalline 100. Cette configuration du ressort permet d'obtenir des forces de pression importantes, par exemple de l'ordre de 100 à 200 grammes pour un bloc cristallin de dimensions voisineNde celle indiquée plus haut, c'est-à-dire présentant une longueur L d'environ 5 mm, une épaisseur e d'environ 0,4 mm et une largeur de l'ordre de 1,4 à 2 mm. La pression spécifique atteint ainsi des valeurs très importantes.Par exemple, puisque la force du ressort se répartit entre les quatre angles 113 et à supposer que la surface d'appui soit de 10 4 mm2 la pression spécifique atteint des valeurs supérieures à 250 kg/mm2, ce qui entrain 11 écrasement du ressort au niveau de ces angles vifs et permet d'obtenir une véritable soudure à froid. Ceci amène des avantages importants : le montage estparticulièrement résistant auchocsen raison de la solidité de la fixation et celle-ci constitue un système parfaitement' élastique, sans perte par friction, n'amortissant que très peu la vibration du cristal. En effet, on peut montrer qu'un élément vibrant stil n'est pas maintenu à une région nodale ne peut être fixé que de deux façons,soit de-manière parfaitement souple de façon à éliminer toute transmission d'énergie à l'extérieur, soit de manière parfaitement rigide et dépourvuede friction, de façon à ne pas convertir l'énergie de vibration en frottement, ce qui se traduirait par un notable abaissement du facteur de qualité. En particulier, l'utilisation des colles et de matière plastique se heurte au fait que ces matières ont-des pertes internes élevées. Les avantages des résonateurs à cristal selon l'addition résident avant tout dans le fait qu'ils ne comprennent qu'un très petit nombre de constituants qui sont faciles à usiner. En particulier, l'élément vibrant n'a pas besoin de répondre aux mêmes exigences de parallélisme et de planéité que pour les quartz usuels puisqu'il n'y apasdeconcentration d'énergie. Pour l'assemblage, on pourra soit souder directement le couvercle sous vide, ou procéder au soudage dans l'air et prévoir un orifice que l'on refermera après la mise sous vide. il est encoreànoter que la présence des électrodes sur les surfaces principales 101, 102 n'est pas obligatoire, comme il a été indiqué plus haut. Les deux électrodes ou au moins l'une d'elles peuvent être éliminées. Dans le mode de réalisation suivant les figures 2 et 3, l'épaulement 104 duboôtier 105 peut être tel que la plaquette cristalline en quartz soit très près du fond et forme avec lui une capacité suffisante pour l'excitation, ce qui justifierai l'abandon de l'électrode sur la surface inférieure 102 de la plaquette. L'électrode sur la surface supérieure 101 pourrait également être supprimée à condition de donner au ressort 111 une forme telle qu'il soit proche du quartz sur une grande partie de sa surface. En pratique, toutefois, on conservera au moins l'une des électrodes, car ceci fournit un moyen simple de réglage fin de la fréquence par enlèvement ou addition de matière sur celle-ci. Bien entendu, l'addition n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1. Résonateur à cristal piézo-électrique, comprenant un bloc cristallin, par exemple et de préférence en quartz, sensiblement en forme d'un parallélépipède et placé dans l'espace diélectrique d'un dispositif condensateur de façon à pouvoir osciller en mode de cisaillement d'épaisseur, selon l'une des revendications I à 4 de la demande de brevet principal nO 79 02 503, caractérisé en-ce que ledit bloc cristallin est enfermé dans un bottier métallique pourvu d'un couvercle en une matière isolante qui est pourvu sur sa surface interne, sur la partie en regard de la surface supérieure plane dudit bloc cristallin, d'une couche métallique coopérant électriquement avec un organe de contact électrique externe, et en ce que ledit bloc cristallin est maintenu à l'intérieur dudit boîtier en une position parallèle à la surface interne de la paroi de fond dudit bottier et à la surface interne dudit couvercle par au moins un organe de ressort de serrage configuré et placé en appui sur une surface de bottier de façon à pouvoir exercer une pression sensiblement ponctuelle de maintien sur le bloc cristallin, au niveau des quatre coins d'une surface principale plane de celui-ci. 2. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un épaulement est pratiqué dans la surface interne précitée de la paroi de fond précité du bottier; sur lequel repose le bloc cristallin par les quatre angles de sa surface principale inférieure, et en ce qu'un seul organe de ressort de serrage est interposé entre la surface interne du couvercle précité et la surface principale supérieure dudit bloc cristallin. 3. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux organes de ressort de serrage/ l'une étant interposée entre la surface interne de la paroi de fond du couvercle précité et la surface principale inférieure du bloc cristallin et l'autre étantplacée entre la surface interne du couvercle précité et la surface principale supérieure dudit bloc cristallin. 4. Résonateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque organe de ressort de serrage est formé par une lame flexible de préférence rectangulaire, dont les parties formant coin sont repliées du plan de la lame pour former des pattes d'appui à angle vif, par lesquelles la lame prend appui sur le bloc cristallin au niveau des quatre coins de celui-ci, lorsqu'elle est es mise en compression par ledit couvercle. 5. Résonateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'à l'état comprimé par le couvercle précité, chaque organe de ressort de serrage en forme de lame précité produit au niveau de ses pattes d'appui une pression élevée conduisant à un écrasement de ces pattes pour la formation d'une soudure à froid avec la surface du bloc cristallin précité. 6. Résonateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une couche métallique est déposée sur la surface externe du couvercle précité en face de la couche métallique sur la surface interne du couvercle, les deux couches métalliques formant une capacité montée en série avec le conden.ateur dans l'espace diélectrique duquel est situé le bloc cristallin, pour l'excitation de ce dernier. 7. Résonateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le couvercle précité comprend sur sa surface externe une couche métallique et une zone électriquement conductrice traversant ledit couvercle pour établir un contact électrique entre les couches métalliques sur les surfaces interne. et externe dudit couvercle. 8. Résonateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la zone conductrice précitée est réalisée pour un couvercle constitué par un oxyde métallique par une réduction locale de cette zone par chauffage en présence d'hydrogène. 9. Résonateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bloc cristallin est recouvert sur l'une de ses faces principales planes ou sur les deux surfaces par -des électrodes métalliques minces. 10. Résonateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bloc cristallin présente un rapport de l'ordre de 12,5 entre sa longueur et son épaisseur et un rapport de l'ordre de 3,5 à 5 entre sa largeur et son épaisseur.