Résonateur à cristal piézo-électrique
La présente invention a pour objet un résonateur à cristal piézo-électrique pour applications en dehors du domaine de la mesure du temps, du type suspendu par des éléments élastiques et protégé par des amortisseurs de chocs limitant ses déplacements provoqués par des chocs.
L'invention a pour but d'empêcher le quartz d'entrer en contact avec des organes rigides environnants, lors d'un choc.
Le résonateur est caractérisé en ce que les amortisseurs agissent directement sur le cristal dans les régions de points nodaux, qui sont les endroits de fixation de l'une des extrémités des éléments élastiques au cristal.
Dans un brevet américain, on a décrit un tel type de résonateur piézo-électrique; dans celui-ci, la plaque de quartz est suspendue au moyen de quatre fils et des amortisseurs de chocs agissent directement sur la plaque, mais pas dans la région où celle-ci est fixée aux quatre fils.
Dans un brevet anglais, la plaque de quartz est suspendue par deux fils fixés à deux faces opposées de la plaque, ces deux fils étant situés sur un même axe perpendiculaire auxdites faces. Des amortisseurs agissent directement sur la plaque, mais ici aussi comme dans le cas précédent, à l'écart des points de fixation des fils à la plaque et ceci pour éviter un mouvement de torsion de la plaque.
Dans un brevet français, la plaque de quartz est fixée aux mêmes endroits que dans le cas précédent, à deux fils, et deux amortisseurs agissent non pas directement sur le quartz, mais sur les deux fils et à une certanie distance des points de fixation de ceux-ci à la plaque.
Le dessin représente un résonateur connu et, à titre d'exemple, une forme d'exécution du résonateur selon l'invention.
La fig. 1 est une vue en perspective d'un barreau de quartz au repos.
La fig. 2 est une vue schématique illustrant le mode oscillatoire de ce barreau de quartz.
La fig. 3 est une vue schématique en coupe, illustrant un montage connu de ce barreau de quartz dans une capsule.
La fig. 4 est une vue partielle en coupe selon 44 de la fig. 5, à grande échelle, de la forme d'exécution.
La fig. 5 est une vue partielle en élévation avec arrachement de la capsule, de cette forme d'exécution.
La fig. 1 représente un barreau de quartz 1, de longueur L, libre aux deux extrémités. Lorsque ce barreau oscille en mode fondamental en flexion, dans le plan
X-Y, on trouve deux points nodaux O et P', situés sur chaque face latérale à 0,224 L des extrémités correspondantes, ces deux points nodaux étant séparés de la distance 1.
On entend ici par points nodaux les lieux où les axes nodaux percent les faces latérales du barreau de quartz.
Selon un dispositif connu, représenté à la fig. 3, le barreau 1 est monté dans une capsule 2 au moyen de quatre ressorts 3, fixés chacun par l'une de ses extrémités à l'un des points nodaux du quartz et à l'autre extrémité, à une tige traversante 4, isolée en 5 de la capsule 2.
Lorsque le barreau de quartz, désigné couramment par Quartz , vibre à la fréquence f, les points d'attache P, P' subissent une rotation, comme représenté à la fig. 2, et la distance 1 qui les sépare, un raccourcissement périodique dont la fréquence est le double de la fréquence f du quartz.
I1 est donc nécessaire d'avoir un dispositif de suspension élastique tel que les déformations qui lui sont imposées par les oscillations du quartz ne produisent pas de pertes d'énergie, pertes incompatibles avec un facteur de qualité élévé.
Mais un tel dispositif de suspension est trop élastique pour pouvoir absorber de fortes accélérations; il ne peut empêcher le quartz d'entrer en contact avec la capsule, celle-ci devant être de petite dimension.
Les fig. 4 et 5 illustrent un dispositif de suspension du quartz en l'un de ses axes nodaux P-P.
Le quartz 10 est fixé à la capsule 11 par deux organes de suspension 12 et 13, disposés de chaque côté du quartz 10, deux autres organes identiques étant disposés sur l'autre axe nodal.
Chacun des organes de suspension 12, 13 présente un ressort de suspension 14 dont l'extrémité libre est soudée à une extrémité d'une tige 15 dont l'autre extrémité est soudée au point nodal du quartz 10. L'autre extrémité du ressort 14 est solidaire d'une bride plane 22, de forme générale circulaire, le ressort 14 et la bride 22 étant situés dans un même plan. L'élasticité du ressort est suffisante pour que le quartz puisse vibrer sans que ce ressort provoque des pertes sensibles d'énergie.
Les organes de suspension 12 et 13 présentent chacun un ressort de protection 16, constitué par un bras incliné 17 dont l'extrémité libre se termine par une partie en secteur de couronne 18 entourant partiellement la tige 15. Ce secteur est situé dans un plan parallèle aux faces latérales du quartz 10. Les brides 22 de chacun des organes de suspension 12, 13 sont soudées respectivement à une tige 19 en Kovar (marque déposée), cette tige traversant la capsule 11 par un anneau de verre 20 fixé de façon étanche à la capsule 11, par un manchon 21.
Lors de chocs ou d'accélérations dépassant une certaine valeur que les ressorts de suspension 14 ne peuvent absorber, les tiges 15 et/ou le quartz 10 entreront en contact avec le secteur 18 des ressorts de protection 16. Ceux-ci étant moins élastiques que les ressorts 14, ils absorbent les chocs, empêchant ainsi que le quartz entre en contact avec la capsule 11.
Les ressorts de suspension étant venus d'une pièce avec les ressorts de protection, ils sont toujours au même potentiel électrique; aucune isolation particulière n'est donc nécessaire entre ces deux parties.
On remarque que l'absorption des chocs se faisant aux axes nodaux, aucune perturbation sensible du mode oscillatoire du quartz n'est à craindre.
On peut donner à chacun des ressorts de protection 16 une rigidité supérieure à la rigidité de l'ensemble des ressorts de suspension 14.
La forme d'exécution qui a été décrite permet:
a) d'empêcher que le dispositif de suspension dépasse sa limite d'élasticité;
b) d'empêcher que le quartz puisse entrer en contact avec la capsule, afin que celui-ci ne risque pas de s'ébrécher ou même de se casser;
c) d'amortir les chocs, c'est-à-dire de limiter les déplacements du quartz dans sa capsule, cela afin de perturber le moins possible l'oscillation du quartz;
d) d'éviter, lors du contact du dispositif de suspension avec le dispositif amortisseur de chocs, de courtcircuiter deux pôles électriques du quartz ou un pôle avec la capsule.
Piezoelectric crystal resonator
The present invention relates to a piezoelectric crystal resonator for applications outside the field of time measurement, of the type suspended by elastic elements and protected by shock absorbers limiting its displacements caused by shocks.
The object of the invention is to prevent the quartz from coming into contact with surrounding rigid members during an impact.
The resonator is characterized in that the dampers act directly on the crystal in the regions of nodal points, which are the places of attachment of one of the ends of the elastic elements to the crystal.
In a US patent, such a type of piezoelectric resonator has been described; in this, the quartz plate is suspended by means of four wires, and shock absorbers act directly on the plate, but not in the region where it is attached to the four wires.
In an English patent, the quartz plate is suspended by two wires attached to two opposite faces of the plate, these two wires being located on the same axis perpendicular to said faces. Shock absorbers act directly on the plate, but here also as in the previous case, away from the points of attachment of the wires to the plate, in order to avoid a twisting movement of the plate.
In a French patent, the quartz plate is fixed at the same places as in the previous case, with two wires, and two dampers act not directly on the quartz, but on the two wires and at a certain distance from the fixing points of these to the plate.
The drawing shows a known resonator and, by way of example, an embodiment of the resonator according to the invention.
Fig. 1 is a perspective view of a quartz bar at rest.
Fig. 2 is a schematic view illustrating the oscillatory mode of this quartz bar.
Fig. 3 is a schematic sectional view illustrating a known assembly of this quartz bar in a capsule.
Fig. 4 is a partial sectional view along 44 of FIG. 5, on a large scale, of the embodiment.
Fig. 5 is a partial elevational view with cutaway of the capsule, of this embodiment.
Fig. 1 represents a quartz bar 1, of length L, free at both ends. When this bar oscillates in fundamental mode in bending, in the plane
X-Y, there are two nodal points O and P ', located on each side face at 0.224 L from the corresponding ends, these two nodal points being separated by the distance 1.
Nodal points are understood here to mean the places where the nodal axes pierce the lateral faces of the quartz bar.
According to a known device, shown in FIG. 3, the bar 1 is mounted in a capsule 2 by means of four springs 3, each fixed by one of its ends to one of the nodal points of the quartz and at the other end, to a through rod 4, isolated in 5 of capsule 2.
When the quartz bar, commonly designated by Quartz, vibrates at the frequency f, the attachment points P, P 'undergo rotation, as shown in FIG. 2, and the distance 1 between them, a periodic shortening whose frequency is twice the frequency f of the quartz.
It is therefore necessary to have an elastic suspension device such that the deformations which are imposed on it by the oscillations of the quartz do not produce energy losses, losses incompatible with a high quality factor.
But such a suspension device is too elastic to be able to absorb strong accelerations; it cannot prevent the quartz from coming into contact with the capsule, the latter having to be small.
Figs. 4 and 5 illustrate a device for suspending the quartz in one of its nodal axes P-P.
Quartz 10 is attached to capsule 11 by two suspension members 12 and 13, arranged on each side of quartz 10, two other identical members being arranged on the other nodal axis.
Each of the suspension members 12, 13 has a suspension spring 14, the free end of which is welded to one end of a rod 15, the other end of which is welded to the nodal point of the quartz 10. The other end of the spring 14 is integral with a flat flange 22, of generally circular shape, the spring 14 and the flange 22 being located in the same plane. The elasticity of the spring is sufficient so that the quartz can vibrate without this spring causing significant losses of energy.
The suspension members 12 and 13 each have a protective spring 16, consisting of an inclined arm 17, the free end of which ends in a part in the crown sector 18 partially surrounding the rod 15. This sector is located in a parallel plane. to the lateral faces of the quartz 10. The flanges 22 of each of the suspension members 12, 13 are welded respectively to a rod 19 in Kovar (registered trademark), this rod passing through the capsule 11 by a glass ring 20 fixed in a sealed manner to the capsule 11, by a sleeve 21.
During shocks or accelerations exceeding a certain value that the suspension springs 14 cannot absorb, the rods 15 and / or the quartz 10 will come into contact with the sector 18 of the protection springs 16. These being less elastic than the springs 14, they absorb shocks, thus preventing the quartz from coming into contact with the capsule 11.
The suspension springs having come in one piece with the protection springs, they are always at the same electric potential; no special insulation is therefore necessary between these two parts.
It is noted that the absorption of the shocks being done at the nodal axes, no significant disturbance of the oscillatory mode of the quartz is not to be feared.
Each of the protection springs 16 can be given greater rigidity than the rigidity of all of the suspension springs 14.
The embodiment which has been described allows:
(a) prevent the suspension device from exceeding its elastic limit;
b) prevent the quartz from coming into contact with the capsule, so that it does not risk chipping or even breaking;
c) damping shocks, that is to say limiting movement of the quartz in its capsule, in order to disturb the oscillation of the quartz as little as possible;
d) avoid, when the suspension device comes into contact with the shock-absorbing device, from short-circuiting two electrical poles of the quartz or one pole with the capsule.