CH678781A5 - - Google Patents

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L'arrière-plan technologique sur lequel la présente invention est fondée sera décrit tout d'abord. Dans le domaine des produits de consommation et de l'équipement de communication, de grands efforts ont été déployés positivement pour améliorer le degré de miniaturisation, ainsi que la précision des appareils. Spécialement, les résonateurs à cristal de quartz, utilisés dans ces dispositifs, doivent être miniaturisés et les unités de cristal de quartz du type à montage en surface sont requis de fonctionner sous des fréquences de 1,5 MHz jusqu'à 4,2 MHz. La présente invention a été réalisée en vue de satisfaire à ces conditions. Ainsi, le résonateur à cristal de quartz selon la présente invention est d'un type utilisable comme source de signai de référence dans différents dispositifs tels que des produits de consommation et des équipements de communication. En d'autres termes, la présente invention se rapporte à un résonateur à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face et adapté à une fabrication en vue de montages de type de surfaces, ce cristal ayant une zone de vibrations et une zone de supports qui sont formées par une méthode d'attaque chimique.

Les résonateurs à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face et construits selon la technique traditionnelle sont mis en forme par usinage et, de façon générale, ils sont supportés par deux fils conducteurs fins qui sont fixés au centre d'une plaque carrée. C'est pourquoi ces résonateurs de type traditionnel sont difficiles à miniaturiser et ne résistent que faiblement aux chocs. De plus, ils présentent une large perte d'énergie causée par la vibration aux points de supports. En conséquence, il n'est pas possible de fabriquer des résonateurs à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face et qui aient une résistance série en mouvement Rt de faible valeur et un facteur de qualité élevé. De plus, du fait des méthodes dé supports utilisées jusqu'à maintenant, les résonateurs à cristal de quartz traditionnels vibrant en mode dé cisaillement de face et fabriqués par une méthode d'usinage sont d'une miniaturisation limitée lorsqu'on tend à une production de grande masse. Avec les dimensions réalisables pour le résonateur, la fréquence est limitée à 500 KHz dans le meilleur des cas, où des fréquences plus élevées que cette limite sont difficiles à atteindre. D'un autre côté, la méthode consistant à incorporer la zone vibrante et les zones de supports du résonateur à cristal de quartz en utilisant une méthode de fabrication par décapage ou attaque chimique, qui a été adoptée selon la présente invention, est adoptée également dans les constructions selon les publications de brevets japonais N° 58 47 883 et 61 44 408, et dans la construction selon la publication de demande ouverte au public N° 53 132 988, dans les constructions selon les brevets américains N° 4 350 918, 4 447 753, 4 484 382 et 4 633 124. Ces publications décrivent des résonateurs à cristal de quartz à coupe GT impliquant deux modes d'extension en largeur et d'extension en longueur. Ce procédé est connu pour son adaptation à une méthode de fabrication de résonateurs à cristal de quarte.

Ainsi, la présente invention applique une méthode de décapage ou d'attaque chimique bien connue dans le domaine des résonateurs à cristal de quartz à vibrations en mode de cisaillement de face, dans le but de surmonter les défauts mentionnés plus haut.

Bien que la forme du résonateur à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face selon la présente invention est analogue à celle des résonateurs révélés dans les documents susmentionnés, le mode de vibrations du résonateur selon la présente invention diffère de façon fondamentale des modes décrits dans les brevets antérieurs, et l'idée de déterminer la forme et les dimensions du résonateur ainsi que la méthode de penser pour y arriver diffère fondamentalement de ce qui est décrit dans l'art antérieur.

Le résumé de la présente invention s'exprime en disant que le but de cette dernière est de réaliser un résonateur à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face ayant des caractéristiques électriques améliorées, par exemple une perte d'énergie due à la vibration qui est très faible, une résistance série en mouvement Rt qui est faible et un facteur de qualité qui est élevé. Un autre but de la présente invention est de réaliser un résonateur à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face qui donne une fréquence de 1,5 MHz jusqu'à 4,2 MHz, dont les dimensions soient faibles et dont la résistance aux chocs soit excellente. Un autre but de la présente invention est de réaliser un résonateur à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face et présentant une faible variation de fréquence par rapport à une modification de la température. Le cristal de quartz est une substance qui est très stable physiquement et chimiquement. C'est pourquoi on peut fabriquer, dans cette substance, un résonateur à cristal de quartz qui a une résistance série en mouvements qui est faible et qui a un facteur de qualité élevé. Cependant, ces caractéristiques supérieures ne peuvent être obtenues qu'en adoptant une méthode d'établissement de ta forme du résonateur apte à donner une faible perte d'énergie du fait de la vibration. La présente invention prévoit et améliore, dans un résonateur à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de faGe, une zone de vibrations et des zones de supports incorporées au vibreur et obtenues par une méthode de décapage dont la localisation et les dimensions de la zone de supports sont telles que la zone de vibrations ne peut être empêchée de vibrer. On obtient ainsi la faible résistance série Rt désirée, ainsi que le haut facteur de qualité recherché. Comme le résonateur à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face selon la présente invention comporte une zone vibrante et des zones de supports incorporées au cristal par le procédé de décapage, les dimensions générales peuvent être réduites et la fréquence peut être élevée jusqu'aux valeurs de 1,5 MHz à 4,2 MHz citées

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plus haut en comparaison avec le résonateur conventionnel. De plus, comme le résonateur est supporté de façon fixe sur un pied ou un élément analogue, par l'intermédiaire de zones finales distales des zones de supports, la résistance aux chocs est grandement améliorée. De plus, comme on atteint un coefficient de température zéro par la sélection d'un angle de coupe appliqué à une plaque de cristal de quartz, on peut obtenir un résonateur à cristal de quartz ayant des caractéristiques fréquence température excellentes. Comme indiqué plus haut, le résonateur à cristal de quartz à vibrations en mode de cisaillement de face selon la présente invention présente des avantages supérieurs à différents points de vue. On va décrire ci-après, à titre d'exemples, différentes formes d'exécution de l'objet de l'invention en se référant au dessin annexé dont les fîg. 1a et 1b sont des vues respectivement en élévation latérale et en plan de dessus d'une forme d'exécution du résonateur selon la présente invention,

les fig. 2a et 2b sont des vues respectivement en élévation latérale et en plan de dessus d'une autre forme d'exécution du résonateur selon l'invention, et 15 les fig. 3a et 3b sont des vues respectivement en élévation latérale et en plan de dessus d'un modèle explicatif permettant de comprendre les fondements du résonateur à cristal de quartz à mode de vibrations à cisaillement de face selon la présente invention.

On vérifie maintenant en détail (es formes d'exécution définies ci-dessus et les résultats obtenus. 20 La fig. 3 est un diagramme d'un résonateur modifié permettant d'expliquer les principes fondamentaux d'un résonateur à cristal de quartz à mode de vibrations à cisaillement de face selon la présente invention. Un résonateur 1 comprend une zone vibrante 2 et des zones de supports 3. La zone de supports 3 comprend au moins une zone fléchissante 4 et une zone de montage 5, et la zone de supports est considérée comme étant fixée dans des conditions aux limites de supports en porte-à-faux par une extrémité. 25 La zone vibrante 2 comporte une longueur x0, une largeur zo et une épaisseur yo. La zone de fléchissement 4 de la zone de supports 3 a une longueur L et une largeur W. Lorsqu'un champ électrique est appliqué entre des électrodes supérieure et inférieure 6 et 7 de la zone vibrante 2, cette zone vibrante 2 du résonateur 1 provoque un déplacement en mode de cisaillement de face comme le représente la ligne en traitillés. En même temps, la zone fléchissante 4 de la partie de supports 3 présente également un dé-30 placement comme on le voit par les lignes traitillées. Inversément, quand un champ électrique de direction opposée est appliqué à la zone vibrante 2, il va sans dire que des déplacements d'extension et de contraction apparaissent dans les directions opposées. Ainsi, selon la présente invention, le déplacement de cisaillement de face de la zone vibrante 2 est converti en un mode de flexion sur la zone de supports 3, de façon à ne pas supprimer le degré de liberté de la zone vibrante 2 en vibration. En pratique, il 35 y a une certaine dimension qui ne supprime pas la vibration. La forme ou les dimensions permettant d'atteindre ce but sont déterminées par l'énergie potentielle de la zone vibrante 2 et de la zone de flexion 4 faisant partie de l'élément de supports 3. Ainsi, en considérant Ui comme étant l'énergie potentielle de la zone vibrante 2 et Uz étant l'énergie potentielle de la zone fléchissante 4, les valeurs Ui et Uz sont exprimées par les équations suivantes:

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U = — 45 X 2

r

V

T5 S5 dv . Cl)

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te

50 U2 = ( E 1/9 u\ dv (2)

v2

55 expressions dans lesquelles Ts est une sollicitation de traction, Ss est une compression, E est le module de Young, I est un moment d'inertie, u est un déplacement, vi est un volume, V2 est également un volume et z est un axe de système de coordonnées. De plus, la condition qui ne supprime pas la vibration du résonateur à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face est donnée à partir des équations (1) et (2) de la façon suivante:

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Ut > U2 (3)

Avec ces données, les dimensions L et W de la zone de flexion 4 peuvent être déterminées. Ainsi, par

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exemple, quand la fréquence du résonateur de la présente invention doit être f = 1,84 MHz, les dimensions de ia zone vibrante sont telles que la longueur est Xo = z0 = 1,65 mm et l'épaisseur de plaque est y0= 50 (tm (ici, bien que l'épaisseur de plaque y0 ne donne sensiblement pas d'influence sur la fréquence, elle influence les caractéristiques d'usinage en attaque chimique et l'élimination des vibrations parasites» C'est pourquoi on choisit yo = 50 {im). Dans ce cas, si la largeur W de la zone de flexion appartenant à l'élément de supports est plus petite que 0,67 L, la vibration de la zone vibrante 2 n'est pas supprimée. En conséquence, on peut obtenir un résonateur à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face ayant des caractéristiques électriques supérieures ou ayant une résistance série de mouvements Ri = 100 n, c'est-à-dire une valeur faible, et un facteur de qualité élevé, atteignant environ 150 000. Mais, bien que l'exemple précédent ait été décrit comme présentant une fréquence f = 1,85 MHz, quand la fréquence doit être comprise entre 1,5 MHz et 4,2 MHz, chaque côté (xo = z0) de la zone vibrante présentera des dimensions allant de 2,02 mm à 0,72 mm et la dimension générale incluant les éléments de supports ne dépassera pas 5 mm. En conséquence, on peut obtenir un résonateur à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face ayant des dimensions miniaturisées.

De plus, puisque les deux extrémités distales des éléments de supports sont montées sur un corps de céramique ou de matière analogue, on peut obtenir un résonateur à cristal de quartz très résistant aux chocs. La raison pour laquelle les éléments de supports du résonateur à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face selon la présente invention sont alignés sur Taxe z' et qu'avec un tel alignement, les coefficients d'expension thermique d'un pied fait en matière céramique prend une valeur comparativement très proche de celle du résonateur à cristal de quartz. En conséquence, l'influence de la température sur la fréquence devient très faible, de sorte qu'on peut obtenir un résonateur à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face ayant des propriétés stables. En outre, l'angle de coupe e qui produit un coefficient de température égale à zéro est obtenu en faisant tourner une plaque Y autour de l'axe x d'un angle e = 37°.

La perte d'énergie causée par vibrations va maintenant être décrite.

Comme on le verra, sur la base du diagramme modifié de la fig. 3, l'énergie de vibrations de la zone vibrante 2 est transférée sur l'élément de supports 3. En conséquence, il suffit de diminuer la perte d'énergie sur les zones de fléchissement 4 faisant partie des éléments 3. Comme le mode de la zone de supports 3 est converti en un mode de flexion, si la masse de la zone de montage de l'élément de supports à une seule extrémité est infiniment grande, l'énergie et la zone fléchissante 4 d'éléments de supports ne fuient jamais. Cependant, cette condition ne se réalise pas pour tous les types de système vibrant du résonateur. Elle est réalisée si la vibration est symétrique. En d'autres termes, la condition précédente est réalisée si le système résonnant provoque une vibration directe du résonateur et une vibration stable. Selon la présente invention, un système résonnant est constitué par des éléments de supports connectés aux zones centrales des côtés de la zone vibrante. Ces éléments de supports sont disposés symétriquement sur les deux arêtes de la zone vibrante. Avec cette considération, un mode symétrique peut être provoqué et une vibration de fréquence stable peut être obtenue. On appréciera que la présente invention choisit une forme tout à fait particulière pour la conversion de ia vibration provenant de la zone vibrante 2 en un mode de flexion sur l'élément de supports 3. On peut également dire qu'on choisit le rapport de la largeur à la longueur de la zone fléchissante, de telle façon que la vibration de la zone vibrante se développe librement Les masses d'une zone qui est déformable en mode de fléchissement et d'un élément de connection sont réalisées avec une grande valeur. Les deux éléments de supports sont disposés symétriquement sur les zones centrales des cotés de la zone vibrante, ce qui permet d'atteindre les buts indiqués plus haut pour la présente invention.

On va résumer ci-après la structure du dispositif selon l'invention de la façon suivante:

Le résonateur à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face comporte en une pièce obtenue par une méthode d'attaque chimique ou de décapage une zone vibrante et des éléments de supports. Il est caractérisé en ce que les éléments de supports comportent des zones fléchissantes reliées aux éléments centraux des côtés de la zone vibrante, la largeur W de la zone fléchissante connectée à la zone vibrante étant plus petite que 0,67 L, les éléments de supports étant disposés sur les deux arêtes dans la direction de l'axe z* de la zone vibrante, la zone vibrante étant sensiblement carrée avec des côtés ayant en longueur 0,72 mm à 2,02 mm, la zone vibrante étant supportée de façon fixe par l'intermédiaire des deux extrémités distales des éléments de supports.

La fig. 1 est une combinaison d'une vue en plan et d'une vue en élévation latérale d'une forme d'exécution du résonateur à cristal de quartz selon l'invention. Le résonateur 1 comprend une zone vibrante 2 et des éléments de supports 3, des électrodes 6 et 7 sont disposées sur les surfaces supérieure et inférieure du résonateur î et ces composants sont obtenus d'une façon intégrée par une méthode de décapage chimique. L'élément de supports 3 comporte une zone fléchissante 4 dont la largeur est plus petite que 0,67 L, L représentant ia longueur. La raison de la limitation définie ci-dessus est que la vibration de la zone 2 peut être rendue libre sans être supprimée. De plus, la zone de montage 5 est prévue à une extrémité de la zone fléchissante 4 dans le but de réduire la perte d'énergie causée par vibrations. Cette zone de montage 5 est fixée par soudage ou par un moyen d'un agent de liaison. Ainsi, comme les éléments de supports 3 sont éliminés dans la direction de l'axe z', même s'ils sont montés sur un socle en céramique, le matériau des éléments de supports est sensiblement identique en ce qui concerne la valeur

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du coefficient d'expension thermique avec le matériau céramique dans la direction de l'axe z'. En conséquence, même en cas de modification de température, aucune contrainte n'est imposée au résonateur, d'où il résulte une caractéristique de fréquence qui est stable. De plus, la zone fléchissante 4 est connectée à une partie centrale du côté de la longueur x0 de la zone vibrante 2. Avec la configuration ainsi définie, la perte d'énergie causée par vibrations peut être encore réduite. La fig. 2 est une combinaison d'une vue en plan et d'une vue en élévation latérale d'une autre forme d'exécution du résonateur à cristal de quartz selon l'invention. Le résonateur 1 comporte des électrodes 6 et 7 disposées sur ces faces supérieure et inférieure respectivement, et comprend une zone vibrante 2 et des éléments de supports 3. Ces différents composants sont intégrés dans une exécution par attaque chimique ou décapage. L'élément de supports 3 comporte une zone fléchissante 4 et une zone de montage 5. La largeur W et la longueur L de la zone fléchissante sont déterminées de façon à réaliser la relation W ë 0,67 L. La raison de cette condition est la même que celle qui a été décrite en référence avec la forme d'exécution de la fig. 1. Cependant, un trou 8 est formé entre la zone fléchissante 4 et la zone de montage 5, de sorte que la vibration de la zone fléchissante 4 ne se transmet pas à la zone de montage 5. En conséquence, même si le résonateur est monté par l'intermédiaire de zones de montage 5, on peut obtenir un cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face et ayant une faible perte d'énergie par vibrations ainsi qu'une résistance série de mouvements Ri qui est faible. De plus, comme la zone fléchissante 4 est connectée par une zone centrale du côté de la longueur Xo de la zone vibrante 2, la perte d'énergie causée par vibrations peut être encore réduite. De plus, comme les deux extrémités distaies des zones de montage 5 des éléments de supports 3 sont prévues sur les deux arêtes de la zone vibrante carrée 2 fixées par soudage par des moyens analogues incluant des agents de liaison, on obtient un résonateur à cristal de quartz de haute résistance aux chocs.

Comme décrit ci-dessus, la présente invention a pour résultat une amélioration des résonateurs à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face et comportant une zone vibrante et des éléments de supports formés de manière intégrée par attaque chimique. On obtient donc les effets significatifs suivants:

1. Comme ia vibration peut être rendue libre en déterminant de façon conséquente et en améliorant la forme et les dimensions des éléments de supports, on obtient un résonateur à cristal de quartz dont la résistance série aux mouvements est faible et dont le facteur de qualité est élevé.

2. Comme la zone vibrante et les éléments de supports sont intégrés en une pièce réalisée par des méthodes d'attaque chimique, le résonateur peut être miniaturisé.

3. En même temps, comme le résonateur est supporté de façon fixe par l'intermédiaire des zones de montage des éléments de supports, il présente une résistance aux chocs excellente.

4. Comme l'élément de supports est connecté à la zone centrale des côtés de la zone vibrante, la perte d'énergie causée par vibrations est faible et la résistance série aux mouvements Rt est réduite.

5. Comme le résonateur est fixé à un socle fait par exemple de céramique par l'intermédiaire de la zone de montage, qui n'influence pas la vibration, la perte d'énergie causée par vibrations est amoindrie.

6. Comme le résonateur est mince et fixé de manière rigide par l'intermédiaire des deux extrémités distaies, il peut être fabriqué sous forme d'une unité de cristal de quartz mince du type à montage de surface.

Claims (1)

1. Revendication

   Résonateur à cristal de quartz vibrant en mode de cisaillement de face, comportant une zone vibrante et des éléments de supports intégrés à la zone vibrante, et formé d'une pièce par une méthode d'attaque chimique ou de décapage, caractérisé en ce que l'élément de supports comporte une zone fléchissante reliée à une zone centrale d'un côté de la zone vibrante, la largeur W de cette zone fléchissante connectée à ia zone vibrante étant plus petite que 0,67 L, où L est la longueur de la zone fléchissante, lesdits éléments de supports sont disposés sur les arêtes dans la direction de l'axe z' de ladite zone vibrante, cette zone vibrante est sensiblement carrée, chaque côté ayant une longueur de 0,72 mm à 2,02 mm, et la zone vibrante est. supportée rigidement par l'intermédiaire des deux zones extrêmes distales des éléments de supports.

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