Brevet FR2633465A1 — publié le 19891229

OSCILLATEUR ULTRASTABLE FONCTIONNANT A PRESSION ATMOSPHERIQUE ET SOUS VIDE La présente invention concerne un oscillateur à résonateur piézoélectrique, ultrastable en fréquence et fonctionnant aussi bien à pression atmosphérique que dans le vide. Les oscillateurs à résonateur piézoélectrique constituent des bases de temps pour un grand nombre d'appareillages. Ces bases de temps doivent être aussi précises que possible. Les paramètres qui Jouent sur la stabilité de fréquence sont nombreux: température, pression, vibrations, chocs, âge, démarrages et arrêts... Les variations de température et de pression en particulier, influent de manière très importante sur la stabilité de fréquence d'un oscillateur A résonateur piézoélectrique. Les oscillateurs embarqués dans les satellites doivent fonctionner avec une grande stabilité de fréquence, aussi bien à pression atmosphérique avant le lancement, que dans le vide lorsque le satellite est en orbite. De plus, les variations de température ne se manifestent pas de la même manière lorsque l'on se place dans le vide ou dans l'atmosphère, car dans le vide il n'y a pas de convection. Les matériaux utilisés dans les oscillateurs destinés à fonctionner aussi bien dans le vide qu'à pression atmosphérique doivent répondre à un certain nombre de critères. Ils doivent tout d'abord respecter les règles spatiales, notamment en ce qui concerne le taux de condensat et le taux de perte de poids. Ils doivent également garantir une faible variation de résistance thermique de façon à minimiser les variations de températures lors du passage de la pression atmosphérique au vide et vice et versa. Les oscillateurs à résonateur piézoélectrique ultrastables de type connu sont généralement insérés dans un vase Dewar afin de garantir une bonne isolation thermique vis-à-vis de l'extérieur. La présente invention propose un oscillateur à résonateur piézoélectrique ultrastable en fréquence dont les performances de stabilité en fréquence sont obtenues grâce à un montage permettant d'éviter l'utilisation d'un vase Dewar. La présente invention propose un oscillateur ultrastable en fréquence fonctionnant à pression atmosphérique et sous vide, comprenant un résonateur piézoélectrique constitué d'une lame piézoélectrique encapsulée dans un boitier composé d'un capot et d'une embase, le résonateur étant placé à l'intérieur d'une enceinte thermostatée comprenant des côtés limités par un fond et au moins un couvercle, caractérisé en ce que le capot du résonateur piézoélectrique est en contact sur toute sa surface extérieure avec les côtés et le fond de l'enceinte thermostatée. L'enceinte thermostatée peut être constituée d'une cuve interne et d'une cuve externe encastrées l'une dans l'autre. Les cuves possèdent chacune des côtés et un fond et au moins leurs côtés sont en contact. La cuve interne peut être vissée à l'intérieur de la cuve externe. Un joint thermique tendre pourra être inséré entre le fond de la cuve interne et le fond de la cuve externe. Le capot du résonateur peut être brasé sur toute sa surface extérieure à l'intérieur de la cuve Interne. L'enceinte thermostatée peut aussi être constituée d'une seule cuve. Dans ce cas, le capot du résonateur sera brasé directement à l'intérieur de l'enceinte thermostatée. L'enceinte thermostatée sera Insérée dans une enceinte intermédiaire, un espace étroit étant réalisé entre les deux enceintes de façon à minimiser les phénomènes de convection lorsque que l'on travaille à pression atmosphérique. La surface intérieure de l'enceinte Intermédiaire sera brillante afin de minimiser les pertes thermiques par rayonnement de l'enceinte thermostatée. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront au moyen de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et agrémentée de la figure unique qui représente une vue en coupe d'un oscil]ateur à résonateur piézoélectrique ultrastable selon l'invention. Sur cette figure, le résonateur piézoélectrique 1 comprend une lame de matériau piézoélectrique 2 maintenue par deux poteaux 3 conducteurs auxquels sont fixés des fils l électriques 4 assurant la liaison électrique avec un circuit oscillateur 5. La lame piézoélectrique 2 est encapsulée dans un boîtier constitué d'un capot 7 et d'une embase 8. Le résonateur 1 est placé à l'intérieur d'une enceinte thermostatée 10 comprenant un fond 15 et des côtés 14. L'enceinte thermostatée 10 peut comme sur notre figure être constituée par deux cavités 6, 17 placées dos à dos et possédant le même fond 15. La première cavité 6 contient le circuit électronique 5 constituant l'oscillateur piézoélectrique. Il est en effet préférable, pour la bonne marche de l'oscillateur que ce circuit électronique 5 soit placé dans une enceinte thermostatée. La deuxième cavité 17 contient le résonateur piézoélectrique 1. Dans la réalisation représentée sur notre figure, la deuxième cavité de l'enceinte thermostatée 10 est constituée d'une cuve externe 30 dans laquelle est encastrée une cuve interne 40. Les deux cuves 30, 40 sont solidaires l'une de l'autre. La cuve externe 30 possède des côtés 34 et un fond 35. La cuve interne 40 possède des côtés 44 et un fond 45. Les deux cuves 30, 40 sont en contact direct, au moins par leurs côtés 34, 44. Dans cette réalisation, le capot 7 du résonateur piézoélectrique 1 est en contact sur toute la surface extérieure avec les côtés 44 et le fond 45 de la cuve interne 40. Ce contact peut être réalisé par brasage. Le capot étant généralement de forme cylindrique, la cuve interne 40 sera aussi de forme cylindrique. Ses côtés 44 peuvent porter sur leur surface extérieure un pas de vis. La cuve interne 40 peut être vissée à l'intérieur de la cuve externe 30. Les côtés 34 de la cuve externe 30 porteront aussi sur leur surface intérieure un pas de vis de dimensions appropriées. Les deux cuves seront ainsi solidaires. Un joint 16 thermique en matériau métallique tendre est inséré entre le fond 35 de la cuve externe 30 et le fond 45 de la cuve interne 40. Ce joint 16 est écrasé lorsque la cuve interne 40 est vissée à l'intérieur de la cuve externe 30. Il permet d'améliorer la conduction thermique entre le résonateur 1 et l'enceinte thermostatée 10. Ce joint 16 thermique est réalisé dans un matériau métallique bon conducteur de la chaleur tel que l'indium, I'or, l'argent, le cuivre... Les côtés 14 de la deuxième cavité 17 de l'enceinte thermostatée sont constitués des côtés 44 de la cuve interne 40 qui sont vissés dans les côtés 34 de la cuve externe 30. Le fond de l'enceinte thermostatée est constitué du fond 44 de la cuve interne 40 recouvert avec le joint 16, lui-même recouvert avec le fond 34 de la cuve externe 30. La construction qui vient d'être décrite donne de bons résultats au point de vue stabilité thermique. Elle présente l'avantage de pouvoir être démontée en cas de panne du résonateur piézoélectrique 1. Selon une variante qui n'est pas représentée, il est possible que la deuxième cavité de l'enceinte thermostatée soit constituée d'une seule cuve. Dans ce cas, le capot du résonateur sera en contact sur toute sa surface extérieure avec les côtés et le fond de la deuxième cavité. Le contact pourra se faire par brasage. Cette construction, donnant des résultats satisfaisants au point de vue stabilité therrr.que et étant simple à réaliser ne permet pas le démontage du résonateur, ce qui peut être gênant. L'enceinte thermostatée 10 possède en outre plusieurs éléments de chauffage 11 répartis sur sa surface extérieure. Les éléments de chauffage 11 sont, par exemple, des transistors de puissance dont les résistances thermiques sont choisies de façon à être les plus faibles possibles pour assurer un meilleur transfert de la chaleur à la surface extérieure de l'enceinte thermostatée 10. Les transistors de puissance peuvent être fixés par brasage en phase vapeur à la surface extérieure de l'enceinte thermostatée 10. Le nombre d'éléments de chauffage 11 est supérieur ou l dans l'enceinte thermostatée 10. Les fils de liaison 4 en sortie du résonateur piézoélectrique 1 passent à l'intérieur d'un conduit 3 situé dans l'épaisseur d'un côté 34 de la cuve externe 30. Le conduit se prolonge dans l'épaisseur d'un côté de la première cavité 6. Les fils de contacts 4 sont connectés au circuit électronique 5 constituant I'oscillateur placé à l'intérieur de la première cavité 6. Les deux cavités 6, 17 constituant l'enceinte thermostatée 10 possèdent chacune un couvercle 18, 19. Les 2$; couvercles 18, 19 peuvent être fixés à l'enceinte thermostatée I par des vis. Seules les vis 20 du couvercle 18 ont été représentées sur notre figure. L'enceinte thermostatée 10 est introduite dans une enceinte secondaire 21 fermée. La forme intérieure de l'enceinte secondaire 21 épouse la forme extérieure de l'enceinte thermostatée 10. Un espace 22 étroit est aménagé entre les parois des deux enceintes 10, 21. Cet espace 22, dont la dimension est d'environ quelques millimètres, permet de minimiser la convection lorsque l'on travaille à pression ) atmosphérique. Les deux enceintes ne sont en contact qu'au niveau de protubérances 23 situées par exemple sur les couvercles 18, 19 de l'enceinte thermostatée 10. Les protubérances 23 pourront être fixées par des vis, par exemple, à l'enceinte secondaire 21 afin de rendre solidaires les deux enceintes 10, 21. Sur notre figure, nous n'avons par représenté de moyen de fixation entre les deux enceintes. Ces protubérances pourraient aussi être situées sur la surface extérieure de l'enceinte thermostatée 10 ou même sur la surface intérieure de l'enceinte secondaire 21. Des freins thermiques 24 sont insérés à l'extrémité de chaque protubérance 23, au niveau du contact avec l'enceinte secondaire 21. Ces freins thermiques 24 sont réalisés dans un matériau isolant thermiquement tel qu'une résine contenant des fibres de verre. Ils contribuent à isoler thermiquement l'enceinte thermostatée 10. La surface intérieure de l'enceinte secondaire 21 subira un traitement de surface tel qu'un étamage brillant de façon à obtenir une faible emissivité. Cela permettra de minimiser les pertes par rayonnement qui se produisent lorsque I' l'on travaille dans le vide. L'enceinte secondaire 21 est fermée par un couvercle 25 qui peut être solidaire de l'enceinte secondaire 21 par des vis. Ces vis n'ont pas été représentées sur notre figure. L'enceinte secondaire 21 peut être introduite dans un boitier qui constitue le boitier de l'oscillateur ultrastable. Ce boitier n'a pas été représenté afin de ne pas surcharger la figure. L'enceinte thermostatée 10 est réalisée dans un matériau présentant une conductibilité thermique de l'ordre de 380W/m. C et une chaleur massique entre 0 C et 100 C de l'ordre de 0,38 kJ/kg. C. Le cuivre, l'aluminium ou un alliage de ces deux métaux conviennent parfaitement pour la réalisation de l'enceinte thermostatée 10. Lorsque l'enceinte thermostatée est constituée de deux cuves encastrées, les deux cuves pourront être réalisées dans un des matériaux cités précédemment. Les couvercles 18, 19 de l'enceinte thermostatée seront également réalisés dans un matériau cité précédemment. L'enceinte thermostatée sera étamée sur toute sa surface extérieure afin de permettre le brasage des éléments de chauffage 11. Sa surface intérieure sera également étamée afin que le capot 7 du résonateur 1 soit directement brasé à l'intérieur de l'enceinte thermostatée. Dans le cas ou l'enceinte thermostatée 10 est constituée de deux cuves encastrées, c'est la surface intérieure de la cuve interne qui sera brasée afin de pouvoir y fixer le capot 7 du résonateur piézoélectrique 1. Le capot 7 du résonateur 1 est généralement en cuivre doré. L'enceinte secondaire 21 est également réalisée dans un matériau bon conducteur de la chaleur. Les mêmes matériaux peuvent être utilisés pour les deux enceintes 10, 21. REVENDICATIONS 1. Oscillateur ultrastable en fréquence fonctionnant à pression atmosphérique et sous vide, comprenant un résonateur piézoélectrique (1) constitué d'une lame piézoélectrique encapsulée dans un boîtier composé d'un capot (7) et d'une embase (8), le résonateur (1) étant placé à l'intérieur d'une enceinte thermostatée (10) comprenant des côtés (14) limités par un fond (15) et au moins un couvercle (18, 19), caractérisé en ce que le capot (7) du résonateur piézoélectrique (1) est en contact sur toute sa surface extérieure avec les côtés (14) et le fond (15) de l'enceinte thermostatée (10). 2. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capot (7) est brasé sur toute sa surface extérieure à l'intérieur de l'enceinte thermostatée (10)'. 3. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte thermostatée (10) est constituée d'une cuve externe (30) possédant un fond (35) et des côtés (34) et d'une cuve interne (40) possédant un fond (45) et des côtés (44), la cuve interne (40) étant encastrée dans la cuve externe (30), les deux cuves (30, 40) étant en contact au moins par leurs côtés (34, 44). 4. Oscllateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cuve interne (40) est vissée à l'intérieur de la cuve externe (30), les côtés (44) de la cuve interne (40) et les côtés (34) de la cuve externe (30) portant chacun un pas de vis. 5. Oscillateur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'un Joint (16) thermique est inséré entre le fond (35) de la cuve externe (30) et le fond (45) de la cuve interne (40). 6. Oscillateur selon la revendication 5, caractérisé 3$ en ce que le Joint thermique (16) est en métal tendre bon conducteur de la chaleur. 7. Oscillateur selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le joint thermique 16 est choisi parmi les métaux tels que l'indium, l'or, l'argent-, le cuivre. 8. Oscillateur selon l'une des revendications 1 a 7, caractérisé en ce que l'enceinte thermostatée (10) est réalisée dans un matériau bon conducteur de la chaleur tel que le cuivre, l'aluminium ou un alliage de ces métaux. 9. Oscillateur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'enceinte thermostatée (10) est introduite dans une enceinte secondaire (21) fermée, la forme intérieure de l'enceinte secondaire (21) épousant la forme extérieure de l'enceinte thermostatée (10), un espace étroit (23) étant aménagé entre les deux enceintes (10, 21) afin de minimiser les phénomènes de convection. 10. Oscillateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'espace étroit (23) est de l'ordre de quelques millimètres. 11. Oscillateur selon les revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que des points de contact sont établis entre les deux enceintes par des protubérances (23) solidaires au moins de l'une des enceintes. 12. Oscillateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que la surface de contact entre les deux enceintes est aussi faible que possible. 13. Oscillateur selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'un frein thermique (24) est placé sur chaque protubérance (23) afin d'isoler thermiquement les deux enceintes (10, 21). 14. Oscillateur selon la revendication 13, caractérisé en ce que le frein thermique (24) est réalisé dans un matériau tel qu'une résine contenant des fibres de verre. 15. Oscillateur selon l'une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que la surface intérieure de l'enceinte secondaire (21) est rendue brillante par étamage afin de minimiser les pertes par rayonnement. 16. Oscillateur selon l'une des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que l'enceinte secondaire (21) est réalisée -dans un matériau bon conducteur de la chaleur tel que le cuivre, l'aluminium ou un alliage de ces métaux. 17. Oscillateur selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que l'enceinte thermostatée est constituée de deux cavités (6, 17) placées dos A dos, séparées par le même fond (15) et fermées par des couvercles (18, 19), la première (6) contenant un circuit électronique (5) de l'oscillateur, la seconde (17) contenant le résonateur (1).