Brevet FR2612021A1 — publié le 19880909

RESSORTS DE SUSPENSION D'UNE LAME VIBRANTE PIEZOELECTRIQUE La présente invention concerne des ressorts de suspension de lames vibrantes piézoélectriques et permettant la fabrication de résonateurs tà faible sensibilité accélérométrique. Les lames piézoélectriques destinées à la fabrication de résonateurs sont généralement fixées sur une embase au moyen de ressorts métalliques souvent constitués d'une bande de nickel formée. Ces ressorts servent de filtres mécaniques et sont par conséquent indispensables. Sous l'effet d'une accélération, ces ressorts se déforment ce qui provoque une déformation de la lame piézoélectrique qu'ils maintiennent. Cette déformation de la lame vibrante entraîne une variation de la fréquence de résonance du résonateur qui est suffisamment importante pour dépasser les tolérances admissibles dans certains dispositifs. Un moyen connu de remédier à cet inconvénient consiste à prévoir cette variation de fréquence. La lame piézoélectrique est alors conçue pour résonner, en l'absence d'accélération, à une fréquence proche mais différente de la fréquence désirée et pour résonner à la fréquence désirée pour une accélération déterminée. Outre la difficulté que représente cette approche en fréquence, ce remède n'est valable que pour une valeur d'accélération particulière et la fréquence de résonance sera rapidement hors tolérance pour des valeurs d'accélération qui s'écartent trop de cette valeur particulière. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention propose des ressorts de suspension de conception originale, comprenant au moins deux parties une partie destinée à être fixée sur l'embase du résonateur et une partie destinée à supporter la lame vibrante. La géométrie de ces parties ainsi que leur arrangement particulier font que les ressorts selon l'invention se déforment sous l'effet d'une accélération mais n'entraînent qu'une faible déformation de la lame vibrante et par conséquent 26 i202 1 une faible variation de sa fréquence de résonance, ce qui permet le respect des tolérances imposées. L'invention a donc pour objet un ressort de suspension d'une lame vibrante piézoélectrique, comprenant une première partie destinée à être fixée sur une embase et une seconde partie destinée à supporter la lame vibrante, caractérisé en ce que la seconde partie est une languette dont l'une de ses extrémités est solidaire de la première partie en une zone de cette première partie opposée à son point de fixation sur l'embase, l'autre extrémité de la languette supportant la lame vibrante, l'extrémité de la languette qui est la plus proche du point de fixation de la première partie sur l'embase étant celle qui supporte la lame vibrante. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif, et grâce aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 représente une lame vibrante maintenue par des ressorts selon l'art connu, - la figure 2 représente le dispositif de la figure 1 soumis à une accélération, - la figure 3 représente une lame vibrante maintenue par des ressorts selon l'invention, -la figure 4 représente le dispositif de la figure 3 soumis à une accélération, - les figures 5 à 10 représentent des ressorts selon l'invention, - les figures 11 et 12 illustrent la réalisation d'un ressort selon l'invention. La figure 1 illustre, selon l'état de l'art, la manière de maintenir une lame piézoélectrique 1 au-dessus d'une embase 2 traversée par les poteaux conducteurs 3 et 4 servant de bornes de sortie au résonateur. Des perles de verre 5 et 6 permettent d'isoler les poteaux de l'embase. Sur ces poteaux sont fixés, par des points de soudure 7 et 8, des ressorts conducteurs 9 et 10. Les ressorts sont formés pour que leurs extrémités opposées aux poteaux aient des formes en V en regard l'une de l'autre pour pouvoir maintenir la lame vibrante 1. Chaque face de la lame 1 est munie d'une électrode qui peut être reliée électriquement à l'un des ressorts par un point de colle conductrice non représenté. Une continuité électrique est ainsi assurée entre les poteaux et les électrodes de la lame vibrante. Un boîtier de protection sera ensuite posé et fixé sur l'embase. En l'absence d'accélération, le résonateur ainsi constitué possède une fréquence de résonance fO' Si ' le résonateur décrit cidessus est soumis à une accélération P parallèle au plan de la lame et dans le plan de déplacement des ressorts, la lame vibrante va se déformer de la manière illustrée de façon exagérée à la figure 2. Cette déformation, en forme de S, est due à la déformation des ressorts de suspension 9 et 10. Dans ces conditions la fréquence de résonance du résonateur sera différente de f et si O l'accélération est suffisamment élevée, cette fréquence sera située en dehors de la gamme de variation tolérée. Les ressorts selon l'invention se déforment lorsqu'ils sont soumis à une accélération, mais cette déformation entraîne une déformation de la lame vibrante nettement inférieure à la déformation du dispositif selon l'art connu. C'est ce que montrent les figures 3 et 4. Les ressorts 15 et 16 fixés, par exemple par des points de soudure 17 et 18, sur l'embase 19 supportent la lame vibrante 20. La lame 20 peut être fixée aux ressorts par des points de colle conductrice. La figure 3 représente le résonateur en l'absence d'accélération. La figure 4 représente le même résonateur soumis à l'accélération r" Dans ce cas ce sont les ressorts qui subissent toute l'accélération tandis que la lame vibrante n'est pas sensiblement déformée. 2 6 1 2 0 2 1 Le ressort selon l'invention comprend au moins deux parties solidaires entre elles ou éventuellement reliées par une troisième partie. La première partie est celle qui sera fixée sur l'embase, directement ou par l'intermédiaire d'un poteau traversant cette embase. La seconde partie est une languette dont une extrémité est destinée à supporter la lame vibrante. Cette extrémité porteuse est l'extrémité de la languette qui se trouve la plus proche du point de fixation de la première partie sur l'embase. La figure 5 représente un ressort de suspension selon l'invention. Il est constitué d'une bande repliée plusieurs fois. Il comprend une première partie 25 dont une extrémité 26 est destinée à être fixée sur l'embase du résonateur et dont l'extrémité opposée 27 est solidaire de la languette 28 grâce à une partie intermédiaire 29. La languette 28 est située dans un plan parallèle au plan de la partie 25. L'extrémité 30 de la languette est destinée à supporter la lame vibrante. Elle est bien l'extrémité de la languette la plus proche du point de fixation du ressort sur l'embase du résonateur. Elle peut avantageusement être prolongée d'une partie 31 qui permet la réception aisée, entre deux ressorts de même type, d'une lame vibrante. Une fois la lame vibrante posée sur ces parties réceptrices 31, il suffit de déposer des points de colle pour fixer la lame aux ressorts, la colle adhérant aux partie 30 et/ou 31. Pour obtenir le meilleur rendement des ressorts selon l'invention, Il est souhaitable de respecter certaines conditions géométriques. La figure 6 reprend la forme retenue précédemment. On suppose que le ressort a été fabriqué à partir d'une bande métallique d'épaisseur constante e, que cette bande a été pliée pour obtenir des parties de longueurs h et H écartées d'une distance comme l'indique la figure 6. La distance H est mesurée à partir du point de fixation du ressort sur le poteau correspondant ou sur l'embase. Les meilleurs résultats sont ceux pour lesquels: E 2 6 1 2 0 2 1 On peut concevoir, pour les ressorts selon l'invention, d'autres formes que celle représentée A la figure S en particulier des formes o la distance E est nulle. La figure 7 représente un ressort de ce type réalisé à partir d'une pièce rectangulaire. La languette 35 est située dans le même plan que la partie 36 qui sera fixée à son extrémité inférieure 37 sur l'embase du résonateur. Comme pour la figure 5, la languette 35 peut être avantageusement prolongée d'une partie réceptrice de la lame vibrante. La languette 35 possède une largeur 1' pour une hauteur h. La dimension H dans ce cas est celle correspondant à la hauteur de la lumière en forme de U pratiquée symétriquement dans la pièce. La zone située sous la lumière est considérée comme ayant une rigidité Infinie du fait de la fixation sur l'embase. On considère que l'effet ressort est obtenu grâce à la languette 35 et aux deux branches latérales 38 et 39 de largeur 1. Si 1 = 1' et pour une pièce d'épaisseur constante, les meilleurs résultats seront obtenus pour h = 2-1 soit environ 0,5. Si 1 est différent de 1' et pour une pièce d'épaisseur constante, les meilleurs résultats seront obtenus lorsque le rapport h sera la solution de l'équation suivante H 1 x h 2 +2 ( -1 La figure 8 représente une autre variante du ressort selon l'invention. Il a une forme en T et est constitué d'une première partie 40 qui sera fixée sur l'embase du résonateur par son extrémité 41, et d'une seconde partie formée de deux demi-languettes 42 et 43 situées de part et d'autre de la première partie. Chaque ressort fournit donc deux points d'appui pour la lame vibrante. Comme précédemment, les demi-languettes peuvent être prolongées d'une partie réceptrice de la lame vibrante. Les dimensions 1, 1', h et H sont mentionnées sur la figure. Pour une pièce d'épaisseur constante, 2 6 1 2 0 2 1 les meilleurs résultats seront obtenus pour les mêmes conditions que pour le ressort de la figure 7. La figure 9 est une autre variante de ressort selon l'invention. Elle reprend le type représenté à la figure 7 avec en plus des flancs latéraux 50 et 51 pliés à 90 . Dans ce cas la dimension H sera celle indiquée sur la figure, les flancs latéraux ayant pour effet de supprimer l'effet ressort des zones qui leur sont limitrophes. Ces flancs latéraux peuvent aussi être formés sur les autres ressorts avec les mêmes conséquences. La figure 10 représente une autre réalisation de l'invention. Ce ressort ressemble à celui représenté à la figure 7. Son originalité consiste dans les différences d'épaisseur entre les branches latérales 55 et 56 d'une part et le reste du ressort d'autre part. Les régions hachurées ont une épaisseur e' supérieure à l'épaisseur e des branches latérales 55 et 56. Si e' est suffisamment grand par rapport à e (en fait pour e' > 2e), les régions hachurées peuvent être considérées comme rigides vis-à-vis des régions non hachurées. La condition géométrique A respecter pour obtenir les meilleurs résultats devient alors très simple: il faut h = TH Cette relation est indépendante de la largeur de la languette 57 et de celle des branches latérales. L'avantage de cette solution est que le collage de la lame peut être effectué avec moins de soin puisqu'il est réalisé sur une partie considérée comme rigide. Avec les structures précédentes, on doit éviter les points de colle trop important pour garder une bonne souplesse à la languette, ce qui est une opération délicate à cause de la petite taille des ressorts. Différentes méthodes peuvent être utilisées pour obtenir des régions d'épaisseurs différentes. On peut partir d'une feuille mince et faire des dépôts locaux par électrodéposition.On peut aussi partir d'une feuille épaisse qui sera usinée par exemple par électro-érosion ou par les techniques d'usinage chimique. A titre d'exemple, les dimensions du ressort représenté à la figure 10 peuvent être les suivantes: - dimensions de la pièce de départ: 2,2 mm x 4 mm, - languette: h =1,32 mm, largeur 0,8 mm, - H = 2,1 mm, - largeur des branches latérales 0,4 mm, - épaisseurs: e' = 0,16 mm, e = 0,08 mmn. Les ressorts selon l'invention peuvent être soudés directement ou non sur les embases. Pour faciliter la mise en place verticale des ressorts on peut leur prévoir une partie repliée servant de base. La figure 11 représente, avant pliage, une pièce métallique 60 destinée à former un ressort selon l'invention. Cette pièce a été obtenue, par exemple, par une opération d'électro-érosion qui a également permis la formation d'une lumière 61 et d'encoches 62 et 63. Comme le montre la figure 12, ces encoches facilitent la pliure de la base 64 du ressort qui sera soudée et la pliure de la partie 65 qui supportera la lame vibrante. Les ressorts selon l'invention, comme ceux de l'art connu, peuvent être utilisés pour servir de conducteurs électriques jusqu'aux électrodes de la lame vibrante. Le matériau utilisé peut être du nickel de qualité S. La variation relative de fréquence en fonction de l'accélération est donnée par la relation f=K f 4 K étant le vecteur sensibilité accélérométrique du résonateur. Une mesure de la variation de fréquence en réponse à une accélération donnée permet donc de déterminer la valeur de K. Des mesures ont été effectuées pour comparer les ressorts selon l'invention à ceux de l'art connu. La lame vibrante utilisée possède les caractéristiques suivantes: fréquence de résonance 10 MHz, coupe SC, fonctionnement en partiel 3, quartz auto-suspendu. Avec les ressorts de l'art connu tels que représentés à la figure 1, K vaut environ 7.10 10/g. Avec des 2 6 1 2 0 2 1 261202') ressorts tels que celui représenté à la figure 10, K vaut environ 2.10 10/g. La diminution de ce paramètre a pour conséquence directe une diminution proportionnelle de la dérive en fréquence. REVENDICATIONS 1. Ressort de suspension d'une lame vibrante piézoélectrique, comprenant une première partie destinée à être fixée sur une embase et une seconde partie destinée à supporter la lame vibrante, caractérisé en ce que la seconde partie est une languette dont l'une de ses extrémités est solidaire de la première partie en une zone de cette première partie opposée à son point de fixation sur l'embase, l'autre extrémité de la languette supportant la lame vibrante, l'extrémité de la languette qui et la plus proche du point de fixation de la première partie sur l'embase étant celle qui supporte la lame vibrante. 2. Ressort de suspension selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort est constitué d'une bande repliée plusieurs fois, la languette (28) étant reliée à ladite première partie (25) par une partie intermédiaire (29), la languette et la première partie étant dans des plan s sensiblement parallèles entre eux. 3. Ressort de suspension selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance séparant la languette (28) de ladite première partie est inférieure ou égale à trois fois l'épaisseur de ladite bande, et que la longueur (h) de la languette représente environ la moitié de la longueur (H) de la première partie. 4. Ressort du suspension selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort résulte d'une lumière en forme de U pratiquée symétriquement dans une pièce rectangulaire, la lumière définissant une languette (35) et ladite première partie comprenant deux branches latérales (38, 39). 5. Ressort de suspension selon la revendication 4, caractérisé en ce que, la languette (35) possédant une hauteur h et une largeur 1', H étant la hauteur de la lumière et l- la largeur de chaque branche latérale (38, 39) , l'équation suivante x ( h) + 2 -1 0 est satisfaite. 6. Ressort de suspension selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux branches latérales (55,56) ont une épaisseur e inférieure à l'épaisseur e' du reste du ressort. 7. Ressort de suspension selon la revendication 6, caractérisé en ce que e' > 2e. 8. Ressort de suspension selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort a une forme en T, ladite languette étant dédoublée en deux demi-languettes (42,43) situées de chaque côté de la barre verticale du T constituant ladite première partie (40). 9. ressort de suspension selon la revendication 8, caractérisé en ce que, 1 étant la largeur de ladite première partie (40), H la hauteur du T, h la longueur de chaque demi-languette et - leur largeur, l'équation suivante x (_!l.2 ( h) est satisfaite. 10. Ressort de suspension selon l'une quelconque des revendicatlons 1 à 9, caractérisé en ce que des flancs latéraux (50,51) sont prévus sur ladite première partie du côté du point de fixation du ressort sur l'embase. 11. Ressort de suspension selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite languette est prolongée d'un partie repliée (31,65) permettant la pose de ladite lame vibrante. 12 Ressort de suspension selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ladite première partie est prolongée d'une base (64) repliée permettant la fixation du ressort sur l'embase. 13. Ressort de suspension selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que des encoches (62,63) sont prévues pour faciliter le pliage de ladite partie prolongée.