CA1154144A - Oscillateur haute frequence autothermostate - Google Patents
Oscillateur haute frequence autothermostateInfo
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- CA1154144A CA1154144A CA000356377A CA356377A CA1154144A CA 1154144 A CA1154144 A CA 1154144A CA 000356377 A CA000356377 A CA 000356377A CA 356377 A CA356377 A CA 356377A CA 1154144 A CA1154144 A CA 1154144A
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- H03H9/02—Details
- H03H9/05—Holders; Supports
- H03H9/08—Holders with means for regulating temperature
Abstract
Oscillateur à haute fréquence autothermostaté comprenant un résonateur piézoélectrique du type à électrodes non adhérentes au cristal. Le contact entre d'une part, la partie du cristal servant de support à la partie vibrante du cristal et, d'autre part, les plateaux diélectriques supportant les électrodes excitatrices est limité à une surface discontinue d'étendue réduite constituée par un nombre fini d'éléments de surface de contact. Au moins un écran réflecteur infra-rouge disposé à l'intérieur même de l'enceinte étanche entourant le résonateur, est situé au voisinage immédiat du résonateur, et la puissance électrique appliquée aux électrodes excitatrices est d'au moins environ cinquante microwatts. L'invention permet la réalisation d'oscillateurs à faible consommation d'énergie et haute stabilité dans le temps.
Description
115~4~
La présente invention a pour objet un oscillateur haute fréquence autothermostaté~ du type comprenant, monté
dans une enceinteétanche, un réson~teur, piézoélectrique cons-titué par au moins un cristal piézoélèctrique muni d'une partie pé-riphérique continue formant bague reliée à une partie centrale par une zone intermédiaire qui est évidée dans sa majeure partie et comprend au moins deux ponts de liaison pour rendre soli-daires l'une de l'autre la partie centrale et la partie péri-phérique, et deux plateaux diélectriques pour supporter et maintenir des électrodes excitatrices sans contact avec et en regard respectivement de chacune des faces de l"~ne des parties centrale et périphérique qui constitue alors la partie active vibrante du cristal, ]'autre partie du cristal qui constitue une partie de support pour le cristal étant main-tenue en position entre lesdits plateaux diélectriques.
Dans les oscillateurs utilisant des résonateurs piézoélectriques à crista~l de quartz, on tend à alimenter les électrodes d'excitation du cristal avec des puissances très faibles, comprises entre environ 0,1 I~W et une vingtaine des microwatts et généralement voisines de 5 MW, afin de li-miter les dérives, sauts de fréquence, voire même les risques d'explosion du cristal. Parallèlement, le résonateur est pla-cé dans un thermostat de très haute précision afin de limiter au maximum les fluctuations de la température du cristal, qui ont toujours une répercussion sur la fréquence d'oscillation.
La présente inventiona notamment pour objet de four-nir un oscillateur de haute précision qui augmente l'insensibi-lité du résonateur aux fluctuations de la température externe tout en limitan~t fortement les dépenses globales d'énergie nécessaires au fonctionnement de l'oscillateur, et notamment l'énergie dépensée dans le thermostat dans lequel est placé
l'oscillateur.
Ces buts sont atteints grace à un oscillateur du type mentionné au debut~ dans lequel, conformément à l'inven-tion, le contact entre la partie de support du ~ristal et les deux plateaux diélectriques est limité à une surface dis-continue d'étendue réduite constituée par un nombre fini d'eléments de surface de contact, au moins un écran réflecteur infra-rouge est disposé à l'intérieur même de l'enceinte étan-che au voisinage immédiat du résonateur piézoélectrique et la puissance électrique appliquée aux electrodes excitatrices est ; 10 d'au moins environ cinquante microwatts.
Le nombre fini d'éléments de surface de contact de la partie de support du cristal peut être par exemple égal à quatre.
Le niveau de la puissance électrique appliquée aux - électrodes excitatrices permet de réaliser un chauffage in-terne dans la masse même de la partie active de résonateur grace à la puissance consommée dans la résistance motionnelle du cristal. Du ait de l'isolation de la partie active du .
cristal par rapport aux plateaux support, grâce à l'existan-ce d'un nombre limité de ponts de liaison de faible épaisseur entre la partie active du cristal et sa partie formant support, et d'un nombre également limité d'élements de surface de con-tact entre la partie de support du cristal et les plateaux diélectriques, et grâce à la présence diau moins un écran électromagnétique infra-rouge au ~oisinage immédiat du résona-teur, les pertes de chaleur par rayonnement et conduction sont limitées et le cristal piézoélectrique peut être maintenu à sa température d'inversion essentiellement grâce à la chaleur dis-sipée dans la partie active du cristal par la vibration qui 3~ produit un chauffage interne dans la masse du cristal de réfé-rence. Par suite, l'oscillateur peut être installé dans un thermostat de très faible précision et consommant peu d'éner-~5~4 gie. Globalement/ la présente invention permet d'économiser une énergie appréciable puisqu'une puissamce électrique par exemple de l'ordre d'un milliwatt suffit à maintenir le cristal à sa température d'inversion, alors que les méthodes classi-ques consistant a maintenir le cristal en température grâce à l'ambiance externe régulée par un thermostat de grande préci-- sion nécessite une puissance de plusieurs watts. Surtout, le chauffage du cristal par une vibration interne permet de pro~
duire un flux de cha~eur dirigé vers l'extérieur du cristal et conservant toùjours le même sens. Cette propriété, ajoutée au fait que le cristal est chauffé dans sa masse et non pas seu-lement par sa surface, accroît la stabili~é de la température ; du cristal et son insensibilité aux fluctuations externes, par exemple aux variation diurnes. Les dérivés de fréquence sont ainsi extrêmement réduites, malgré le haut niveau de l'énergie électrique~appliquée aux électrodes. Par exemple, on peut obtenir une dérivé de 3,3 10 10 Hz/jour pour un résonateur à quartz de 5 MHz, P5, coupe AT ~onctionnant avec une puissan-ce de 1600 microwatts.
-20 - Selon des caractéristiques particulières de le pré-sente invention, les parties des faces internes des plateaux diélectriques situées en regard du cristal mais non recouver-tes diélectrodes et non en contact avec le crlstal sont polies et recouvertes d'un écran électromagnétique infra-rouge.
Les faces externes des plateaux diélectriques sont polies et recouvertes d'un écran électromagnétiques infra-rouge.
La partie du support du cristal est polie et recou-verte d'un écran électromagnétique infra-rouge.
Les écrans électromagnétiques infra-rouge peuvent être constitués par un depôt d'un métal tel que de l'or, de ! l'argent, du cuivre ou être constitués par des éléments . - 3 -115414~
réflecteurs multicouches correspondants à un quart de longueur d'onde pour les radiations infra-rouges.
La présence d'un écran électromagnétique déposé sur les plateaux diélectriques eux-memes et/ou sur la partie sup-port du cristal accroît sensiblement l'efficacité du chauffa-. ` ge interne réalisé dans la partie active du cristal, et réa-lise un véritable confinement de l'énergie infra-rouge, car l'émission d'énergie par le résonateur est limitée au ma~:imu.m.
L'oscillateur autothermostaté selon l'invention com-- 10 prend un capteur de ~empérature disposé à proximité immédiate de la paroi de l'enceinte étanche entourant le résonateur piézoélectrique et des moyens sont prévus pour réguler le ni-veau de la puissance électrique ~ournie aux électrodes dépo-sées sur les plateaux diélectriques en fonction des signaux par le capteur.
Selon um mode par.ticu.lier de réalisation~ les é1ectro-des excitatrices produisant un champ électrique dans la partie : ~ active du cristal piézoélectrique reçoivent d'une part une puissance éle¢trique pour exciter le cristal selon un mode utile choisi pour déterminer une référence de fréquence et , :~: d'aut:re part une puissance électrique supérieure ou égale à
environ 50 microwatts pour exciter le cristal selon un mode, ou un partiel, ou une vibration anharmonique différents du ~ mode utile choise~pour déterminer une référence de fréquence.
: . Cette caractéristique est particulièrement avantageuse~
- car la puissance électriqued'excitation du criska1 en vue de réaliser une référence de fréquence peut être ajustée à une valeur pour ]aque1le ].e vieillissement est pratiquement nul, tandis que la vibration du cristal sur un mode différent, non utilisé comme référence de fréquence, permet, dans la mesure où le couplage avec la vibration de base est suffisamment faiblej de produire un chauffage interne supplémentaire de la partie active du ~S4~44 cristal.
Il est ainsi possible de choisir comme vibration de base un mode pour lequel le coefficient de qualité du cristal est excellent et comme vibration annexe de chauffage un autre mode pour lequel le coefficient de qualité du cristal est moins élévé. En ajustant la puissance d'excitation de la vibration de base, qui présente déjà un trèsfort coefficient de qualité, à une valeur optimum pour laquelle le vieillissement est quasi nul, les performances de stabilité dans le temps pourront être excellents. La vibration annexe permet, dans ce cas, de compléter le chauffage interne du cristal pour atteindre fa-cilement la température d'inversion et peut être efEectuée de fa~con d'autant plus avantageuse que le coefficient de quali-té pour cette vibration annexe est plus faible.
Lors de la mise en oeuvre de plusieurs modes de vibration différents, plusieurs systèmes d'electrodes d1ffé-rents peuvent être utilisés, mais dans le cas où l'on réali-: . :
se une sélection électroniquement par filtrage, une seule pai-re d'electrodes est suffisante.
Des écrans électromagnétiques~mulkiples intérieurs :::: : - ~ : :
~ ou extérieurs à l'enceinte étanche peuvent être utilisés pour ~ . :
accroitre le confinement de l'énergie électromagnétique dans le cristal~
~: . . . .
Dans certains cas, des moyens classiques de chauffage d'appoint peuvent également etre adjoints au dispositif selon l'invention afin de bénéficier d'un:temps de mise en température réduit et simultanément d'un maintien en température~du cristal avec une énergie extrêmement réduite.
D'autres caractéristiques et avantages de la pré-- 30 sente invention apparaîtront mieux à la lecture de la des-cription qui fait suite de modes particuliers de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
.
~5~
la Eigure 1 est une vue schématique en coupe dlun mode particulier de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue schematique en coupe d'un autre mode de réalisation de l'invention, ~ la f1gure 3 est une vue~en perspective d'un plateau support d'éléctrode conforme à l'invention, - la figure 4 est une vue agrandie en coupe axiale de la partie des dispositifs des figures l et 2 qui constitue . ~ Ull resonateur, ~ lO ` - la figure 5 est une vue en coupe, selon la ll-gne V-V de la figure 6 d'une variante de réalisati:on, - la figure 6 est une vue de dessus d'un exemple .
de cristal piéxoélectrique utilisable dans le cadre de l'in-; vention.
La figure l représente schématiquement un;oscilla-~
~; teur comprenant d'un:e part des circu.its électroniques 75 ali~
: me:ntés en 77, 78 et montés sur un support 79, et d'autres part un ensemble formant résonateur qui est disposé à l'inté-rieur d'une enaeinte~étanche 400. L'eceinte étanche~400 peut comprendre par exemple un. capot métalIique 401 poli et doré
sur ses deux faces afin de posséder un bon pouvoir réfléchis-.sant, et un socle 402-qui peut être ëgalement métall:ique mais, dans l'exemple de la figure l, est constitué~de préfé- -:
:: rence par une plaque isolante en alumine.
A l'intérieur de l'enceinte 400, est disposé un écran électromagnétique 300 adapté pour réfléchir principale-ment l'infra-rouge. L'écran 300 comprend de préérence des plaques isolantes en une matière peu conductrice de la cha-leur, sur lesquelles on a réalisé un dépôt réflecteur.
L'écran 300 peut comprendre plusieurs p].aques montées sur le capot 401 ou l'embase 402 de l'enceinte 400.
Le résonateur proprement dit comprend essentiellement .
l~S~
un cristal piézoélectrique 1 et deux plateaux diélectriques 2, 3 destinés à supporter dès electrodes excitatrices devant etre placées à trés Eaible distance du cristal 1, mais sans contact avec celui-si. Le résonateur 1, 2~ 3, qui apparait de façon plus détaill.ée sur ].a figure 4, est monté à l'intérieur de l'en-ceinte 400 et de l'écran 300 à l'aide de pinces 410 adaptées pour maintenir en position llensemble 1, 2, 3 .tout en limitant les transfers de chaleur par conduction.
Un écran électromagnétique 200, qui sera décrit 10 plus en détail en référence aux figures 3 et 4, est disposé à-proximité immédiate du résonateur 1, 2, 3 et, de préférence, fait corps avec le résonateur. La structure de base du résona-teur piézoélectrique 1,2,3 est du type à électrodes non adhé-rentes, tel que décrit notamment dans la demande de brevet français publiée sous le no. 2 338 .607. Ainsi, un cristal piézéoélectrique 1, par exemple un cxistal de quartz, com-prend une partie centrale 11 reliée à une partie périphéri-que 12 par un nombre limité de ponts de liaison 131, 132,.
. 133, 134 (figures 4 à 6) dont l'épaisseur est de préEérence . ~ : 20 réduite par rapport à l'épaisseur à la fois de la partie centrale 11 et de la partie périphérique 12. Dans le cadre cle la.présente.
application, il est particulièrement important pour les ponts : de liaison 131 à 134 soient d'épaisseur et/ou de largeur très limitées afin de réduire au maximum les transferts de chaleur par conduction entre la partie active du cr.istal et la partie formant support. Un nombre de ponts de liaison égal a quatre constitue un optimum tandis qu'un pont unique cons-titué par une zone intermédiaire 13 amincie entre les parties centrale 11 et périphérique 12, mais ne présentant aucune partie évidée, est à exclure du cadre de la présente invention.
Dans le mode de réalisation des figures 3 à 6, des électrodes 4 et 5 (cette dernière étant alimentée en 51~ sont 115~
déposées sur les aces internes 20, 30 des plateaux diélectri-ques 2 et 3 respectivement, en re~ard des faces 14 et 15 du cristal l, au niveau de la partie centrale ll qui est ainsi la partie active vibrante. Selon une caractéristique parti~
culière de l'invention, la partie 12 du cristal l qui constitue la partie de support du cristal, n'est en contact avçc les plateaux 2, 3 que par une surace discontinue d'étendue ré-duite constituée par un nombre fini d'éléments de surface de contact tels que 61, 62 ou 71, 72, 73, 74. Les suraces de contact telles que 71 à 74 (figure 3) peuvent être facile-ment réalisées par exemple par attaque chimiqae de la sur~ace 30~du plateau 3, si les points de contact 71 à 74 ont été au préalable protégés de l'action d'attaque par dépot sur la surface 30 de résines protectrices par exemple. Il est avan-tageux que les éléments de surface de contact tels que 61, 62, 71 à 74 soient régulièrement répartis par rapport à la partie périphér1que 12 avec laquelle elles coopèrent et soient en nombre limité, par exemple trois éléments ou de préférence quatre éléments 71 à 74 par plateau support, dispos~és en croix.
.
~:Selon une réalisation particulièrement intéres-; sante de la présente invention,un écran réflecteur 200 est déposé sur le résonateur 1, 2, 3 lui- même. L'écran 200 peut .
~t~e constitué par u~ dépôt metallique tel que de l'or, de llar-~ent ou du cuivre, par exemple. Toutefois, des dépôts multi-couches non métalliques cor~espondants à un quart de longueur d'onde pour les radiations infra-xouge peuvent être égale-ment utilisés comme écrans réElecteurs~ Dans tous les cas, les dépôts métalliques ou multicouches sont réalisées sur des surfaces précédemment polies. On voit sur les figures 3 et 4 que l'écran 200 est constitué par un ensemble de dépôts réa-lisés sur les diverses faces des plateaux 2 et 3. Des dépôts ~ - \
~5~
222, 232 sont réalisés sur les faces internes 20~ 30 des pla-teaux 2, 3 dans les zones qui sont démunies d'électrodes et ne sont pas porteuses (dans lesquelles sont de préférence pratiquées des gorges 120 , 130 pour faciliter l'accrochage, et la délimitation des dépôts), c'est à dire notamment entre les éléments de surface de contact tels que 61, 71 et les electrodes 4, 5. Les couches 222, 232 qui se trouvent au voisinage immédiat de la partie centrale active vibrante 11 du cristal 1 jouent un rôle prépondérant dans la concentra-tion de la chaleur émise par la partie 11 du cristal 1.
Les couches réflectrices externes 221, 223 et 231,233 réalisées sur les faces externes des p].ateaux 2 et 3, par l'enceinte qu'elles forment autour du résonateur, contri-buent également de facon essentielle au confinement dans le ré-sonateur de l'énergie thermique déve~loppée dans la partie vi-brante du cristal 1. En effet, les plateaux 2, 3 équipés de couches 221, 223, 231, 233 ne peuvent émettre vers l'extérieur qu'une quantltéextrêmement limitée cle rayonnnement et contrl-buent ainsi à empêcher une évacuation de la chaleur apparais-sant dans le cristal 1.
La variante de réalisation représentée sur les fi-- gures 5 et 6 montre qu'un dépôt réflecteur 211, 212, 2I3 faisant partie de l'écran 200 peut être réalisé sur le cris-tal lui-même, sur le-s parties inactives distantes de la par-tie centrale active vibrante. Ainsi, la tranche du cristal 1 peut être recouverte, après polissage, d'une couche 211 analogue aux couches 221 ou 231 par exemple. Les faces 14 et 15 du cristal peuvent également être recouvertes de cou-ches 212, 213 Eormant écran réflecteur, dans la partie 12, et éventuellement la partie intermédiaire de liaison 13 munie de ponts 131, 132, 133, 134. La rayonnement du cristal 1 lui-même est alors extrêmement limité, sans que les qualités du g _ l~S'~
~ristal soient afectées r puisque la partie active vibrante 11 reste exempte de tout dépôtd'électrodeou de couche ré-flectrice.
Le fonctionnement de l'oscillateur selon l'inven-tion sera main~enant expliqué de façon détaillée.
Comme on le sait, le cristal piézoélectrique d'un résonateur destiné à servir de référence de fréquence doit être porté à sa température d'inversion et maintenu rigoureu-sement à cette température, qui est supérieure à la température ambiante, pour que le système présente une stabilité dans le temps qui soit la meilleure possible. Cette mise en tempé~
~rature et surtout le maintien à cette température sont réa-lisés selon l'invention essentiellement par chauffage interne - de la partie active du cristal du résonateur par la puissance consommée dans la résistance motionnelle du cristal.
Ceci est possible grâce au fait que d'une part de niveau de puissance a'pliqué aux électrodes excitatrices du résonateur est particulièrement élevé, c'est à di~re supérieur à au moins environ cinquante microwatts et pouvant être de l'ordre de quelques milliwatts et d'autre part le résonateur est lui-même isolé de l'extérieur par au moins un ou plusieurs écrans électromagnétiques.
Le rbglage de la température du cristal à l'inver-sion est ainsi effectué en ajustant le niveau de la puissance électrique appliquée au résonateurO Cet ajustement peat être effectué automatiquement en ajustant le niveau de puissance électrique en fonction d'une température extérieure d'un point - de référence situé au voisinage du résonateur, mais pouvant être extérieur à l'enceinte 400. Ainsi, le point de référen-de peut être par exemple situé sur l'enceinte 400 et un capteur 74A situé en ce point permet d'asservir le niveau d'alimentation des électrodes du résonateur en fonction des i~5~
fluctuations externes de température et ainsi de maintenir pour le cristal lui-même une température constante. Le fait que le cristal soit ainsi chaufEé dans sa masse et devienne thermiquement actif puisqu'il est porté à une température supérieure à la température externe favorise la stabilité du fonctionnement puisque le yradient de température est toujours dans le même sens, contrairement au cas où le chauffage du cristal se fait par apport externe de chaleur. Le maintien en température du cristal res-te ainsi beaucoup plus indépendant des variations extérieures de température et il est possible d'utiliser un thermostat d'appoint de qualité relativement mé-diocre.
- Par ailleurs, il a été constaté que le vieillisse-ment d'un résonateur est fonction de la puissance de fonction-nement de celui-ci et devient nul pour une certaine valeur de puissance qui est fonction du type de cristal utilisé. Il est ainsi particulièrement intéressant de prévoir une alimentation du résonateur avec une puissance ~ui, pour la vibration utile - utilisée, est ajustée à une valeur voisine de la puissance pour laquelle le vieillissement est nul. DanS le cas où cette puïs-sance reste insuffisante pour chauffer complètement la masse de la partie active du cristal et conduire à la température d'in-version, il est alors possible d'utiliser une autre vibration du cristal, non utilisée comme référence de fréquence, pour participer à la mise en température du cristal. Cette autre vibration peut être une vibration anharmonique, une vibration sur un partiel différent ou encore sur un mode différent.
Cette vibration supplémentaire servant exclusivement au chauffa-ge peut être appliquée avec une puissance comprise entre envi-ron 50 microwatts et un milliwatt, bien que cette dernière va-leur puisse être largement dépassée Selon un premier mode de réalisation, la vibration 115~
supplémentaire de chaufage est appliquée au moyen d'une partie d'électrodes additionnelles superposées aux électrodes princi-pales 4 et 5, en étant isolées de celles-ci/ ou encore latéra-lement par rapport aux électrodes 4 et 5 sur les plateaux 2 et 3 mais toujours au voisinage de la partie centrale active 11 du cristal~
Selon un autre mode de réalisation, une seule paire d'électrodes 4, 5 est déposée sur les plateaux diélectriques
La présente invention a pour objet un oscillateur haute fréquence autothermostaté~ du type comprenant, monté
dans une enceinteétanche, un réson~teur, piézoélectrique cons-titué par au moins un cristal piézoélèctrique muni d'une partie pé-riphérique continue formant bague reliée à une partie centrale par une zone intermédiaire qui est évidée dans sa majeure partie et comprend au moins deux ponts de liaison pour rendre soli-daires l'une de l'autre la partie centrale et la partie péri-phérique, et deux plateaux diélectriques pour supporter et maintenir des électrodes excitatrices sans contact avec et en regard respectivement de chacune des faces de l"~ne des parties centrale et périphérique qui constitue alors la partie active vibrante du cristal, ]'autre partie du cristal qui constitue une partie de support pour le cristal étant main-tenue en position entre lesdits plateaux diélectriques.
Dans les oscillateurs utilisant des résonateurs piézoélectriques à crista~l de quartz, on tend à alimenter les électrodes d'excitation du cristal avec des puissances très faibles, comprises entre environ 0,1 I~W et une vingtaine des microwatts et généralement voisines de 5 MW, afin de li-miter les dérives, sauts de fréquence, voire même les risques d'explosion du cristal. Parallèlement, le résonateur est pla-cé dans un thermostat de très haute précision afin de limiter au maximum les fluctuations de la température du cristal, qui ont toujours une répercussion sur la fréquence d'oscillation.
La présente inventiona notamment pour objet de four-nir un oscillateur de haute précision qui augmente l'insensibi-lité du résonateur aux fluctuations de la température externe tout en limitan~t fortement les dépenses globales d'énergie nécessaires au fonctionnement de l'oscillateur, et notamment l'énergie dépensée dans le thermostat dans lequel est placé
l'oscillateur.
Ces buts sont atteints grace à un oscillateur du type mentionné au debut~ dans lequel, conformément à l'inven-tion, le contact entre la partie de support du ~ristal et les deux plateaux diélectriques est limité à une surface dis-continue d'étendue réduite constituée par un nombre fini d'eléments de surface de contact, au moins un écran réflecteur infra-rouge est disposé à l'intérieur même de l'enceinte étan-che au voisinage immédiat du résonateur piézoélectrique et la puissance électrique appliquée aux electrodes excitatrices est ; 10 d'au moins environ cinquante microwatts.
Le nombre fini d'éléments de surface de contact de la partie de support du cristal peut être par exemple égal à quatre.
Le niveau de la puissance électrique appliquée aux - électrodes excitatrices permet de réaliser un chauffage in-terne dans la masse même de la partie active de résonateur grace à la puissance consommée dans la résistance motionnelle du cristal. Du ait de l'isolation de la partie active du .
cristal par rapport aux plateaux support, grâce à l'existan-ce d'un nombre limité de ponts de liaison de faible épaisseur entre la partie active du cristal et sa partie formant support, et d'un nombre également limité d'élements de surface de con-tact entre la partie de support du cristal et les plateaux diélectriques, et grâce à la présence diau moins un écran électromagnétique infra-rouge au ~oisinage immédiat du résona-teur, les pertes de chaleur par rayonnement et conduction sont limitées et le cristal piézoélectrique peut être maintenu à sa température d'inversion essentiellement grâce à la chaleur dis-sipée dans la partie active du cristal par la vibration qui 3~ produit un chauffage interne dans la masse du cristal de réfé-rence. Par suite, l'oscillateur peut être installé dans un thermostat de très faible précision et consommant peu d'éner-~5~4 gie. Globalement/ la présente invention permet d'économiser une énergie appréciable puisqu'une puissamce électrique par exemple de l'ordre d'un milliwatt suffit à maintenir le cristal à sa température d'inversion, alors que les méthodes classi-ques consistant a maintenir le cristal en température grâce à l'ambiance externe régulée par un thermostat de grande préci-- sion nécessite une puissance de plusieurs watts. Surtout, le chauffage du cristal par une vibration interne permet de pro~
duire un flux de cha~eur dirigé vers l'extérieur du cristal et conservant toùjours le même sens. Cette propriété, ajoutée au fait que le cristal est chauffé dans sa masse et non pas seu-lement par sa surface, accroît la stabili~é de la température ; du cristal et son insensibilité aux fluctuations externes, par exemple aux variation diurnes. Les dérivés de fréquence sont ainsi extrêmement réduites, malgré le haut niveau de l'énergie électrique~appliquée aux électrodes. Par exemple, on peut obtenir une dérivé de 3,3 10 10 Hz/jour pour un résonateur à quartz de 5 MHz, P5, coupe AT ~onctionnant avec une puissan-ce de 1600 microwatts.
-20 - Selon des caractéristiques particulières de le pré-sente invention, les parties des faces internes des plateaux diélectriques situées en regard du cristal mais non recouver-tes diélectrodes et non en contact avec le crlstal sont polies et recouvertes d'un écran électromagnétique infra-rouge.
Les faces externes des plateaux diélectriques sont polies et recouvertes d'un écran électromagnétiques infra-rouge.
La partie du support du cristal est polie et recou-verte d'un écran électromagnétique infra-rouge.
Les écrans électromagnétiques infra-rouge peuvent être constitués par un depôt d'un métal tel que de l'or, de ! l'argent, du cuivre ou être constitués par des éléments . - 3 -115414~
réflecteurs multicouches correspondants à un quart de longueur d'onde pour les radiations infra-rouges.
La présence d'un écran électromagnétique déposé sur les plateaux diélectriques eux-memes et/ou sur la partie sup-port du cristal accroît sensiblement l'efficacité du chauffa-. ` ge interne réalisé dans la partie active du cristal, et réa-lise un véritable confinement de l'énergie infra-rouge, car l'émission d'énergie par le résonateur est limitée au ma~:imu.m.
L'oscillateur autothermostaté selon l'invention com-- 10 prend un capteur de ~empérature disposé à proximité immédiate de la paroi de l'enceinte étanche entourant le résonateur piézoélectrique et des moyens sont prévus pour réguler le ni-veau de la puissance électrique ~ournie aux électrodes dépo-sées sur les plateaux diélectriques en fonction des signaux par le capteur.
Selon um mode par.ticu.lier de réalisation~ les é1ectro-des excitatrices produisant un champ électrique dans la partie : ~ active du cristal piézoélectrique reçoivent d'une part une puissance éle¢trique pour exciter le cristal selon un mode utile choisi pour déterminer une référence de fréquence et , :~: d'aut:re part une puissance électrique supérieure ou égale à
environ 50 microwatts pour exciter le cristal selon un mode, ou un partiel, ou une vibration anharmonique différents du ~ mode utile choise~pour déterminer une référence de fréquence.
: . Cette caractéristique est particulièrement avantageuse~
- car la puissance électriqued'excitation du criska1 en vue de réaliser une référence de fréquence peut être ajustée à une valeur pour ]aque1le ].e vieillissement est pratiquement nul, tandis que la vibration du cristal sur un mode différent, non utilisé comme référence de fréquence, permet, dans la mesure où le couplage avec la vibration de base est suffisamment faiblej de produire un chauffage interne supplémentaire de la partie active du ~S4~44 cristal.
Il est ainsi possible de choisir comme vibration de base un mode pour lequel le coefficient de qualité du cristal est excellent et comme vibration annexe de chauffage un autre mode pour lequel le coefficient de qualité du cristal est moins élévé. En ajustant la puissance d'excitation de la vibration de base, qui présente déjà un trèsfort coefficient de qualité, à une valeur optimum pour laquelle le vieillissement est quasi nul, les performances de stabilité dans le temps pourront être excellents. La vibration annexe permet, dans ce cas, de compléter le chauffage interne du cristal pour atteindre fa-cilement la température d'inversion et peut être efEectuée de fa~con d'autant plus avantageuse que le coefficient de quali-té pour cette vibration annexe est plus faible.
Lors de la mise en oeuvre de plusieurs modes de vibration différents, plusieurs systèmes d'electrodes d1ffé-rents peuvent être utilisés, mais dans le cas où l'on réali-: . :
se une sélection électroniquement par filtrage, une seule pai-re d'electrodes est suffisante.
Des écrans électromagnétiques~mulkiples intérieurs :::: : - ~ : :
~ ou extérieurs à l'enceinte étanche peuvent être utilisés pour ~ . :
accroitre le confinement de l'énergie électromagnétique dans le cristal~
~: . . . .
Dans certains cas, des moyens classiques de chauffage d'appoint peuvent également etre adjoints au dispositif selon l'invention afin de bénéficier d'un:temps de mise en température réduit et simultanément d'un maintien en température~du cristal avec une énergie extrêmement réduite.
D'autres caractéristiques et avantages de la pré-- 30 sente invention apparaîtront mieux à la lecture de la des-cription qui fait suite de modes particuliers de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
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la Eigure 1 est une vue schématique en coupe dlun mode particulier de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue schematique en coupe d'un autre mode de réalisation de l'invention, ~ la f1gure 3 est une vue~en perspective d'un plateau support d'éléctrode conforme à l'invention, - la figure 4 est une vue agrandie en coupe axiale de la partie des dispositifs des figures l et 2 qui constitue . ~ Ull resonateur, ~ lO ` - la figure 5 est une vue en coupe, selon la ll-gne V-V de la figure 6 d'une variante de réalisati:on, - la figure 6 est une vue de dessus d'un exemple .
de cristal piéxoélectrique utilisable dans le cadre de l'in-; vention.
La figure l représente schématiquement un;oscilla-~
~; teur comprenant d'un:e part des circu.its électroniques 75 ali~
: me:ntés en 77, 78 et montés sur un support 79, et d'autres part un ensemble formant résonateur qui est disposé à l'inté-rieur d'une enaeinte~étanche 400. L'eceinte étanche~400 peut comprendre par exemple un. capot métalIique 401 poli et doré
sur ses deux faces afin de posséder un bon pouvoir réfléchis-.sant, et un socle 402-qui peut être ëgalement métall:ique mais, dans l'exemple de la figure l, est constitué~de préfé- -:
:: rence par une plaque isolante en alumine.
A l'intérieur de l'enceinte 400, est disposé un écran électromagnétique 300 adapté pour réfléchir principale-ment l'infra-rouge. L'écran 300 comprend de préérence des plaques isolantes en une matière peu conductrice de la cha-leur, sur lesquelles on a réalisé un dépôt réflecteur.
L'écran 300 peut comprendre plusieurs p].aques montées sur le capot 401 ou l'embase 402 de l'enceinte 400.
Le résonateur proprement dit comprend essentiellement .
l~S~
un cristal piézoélectrique 1 et deux plateaux diélectriques 2, 3 destinés à supporter dès electrodes excitatrices devant etre placées à trés Eaible distance du cristal 1, mais sans contact avec celui-si. Le résonateur 1, 2~ 3, qui apparait de façon plus détaill.ée sur ].a figure 4, est monté à l'intérieur de l'en-ceinte 400 et de l'écran 300 à l'aide de pinces 410 adaptées pour maintenir en position llensemble 1, 2, 3 .tout en limitant les transfers de chaleur par conduction.
Un écran électromagnétique 200, qui sera décrit 10 plus en détail en référence aux figures 3 et 4, est disposé à-proximité immédiate du résonateur 1, 2, 3 et, de préférence, fait corps avec le résonateur. La structure de base du résona-teur piézoélectrique 1,2,3 est du type à électrodes non adhé-rentes, tel que décrit notamment dans la demande de brevet français publiée sous le no. 2 338 .607. Ainsi, un cristal piézéoélectrique 1, par exemple un cxistal de quartz, com-prend une partie centrale 11 reliée à une partie périphéri-que 12 par un nombre limité de ponts de liaison 131, 132,.
. 133, 134 (figures 4 à 6) dont l'épaisseur est de préEérence . ~ : 20 réduite par rapport à l'épaisseur à la fois de la partie centrale 11 et de la partie périphérique 12. Dans le cadre cle la.présente.
application, il est particulièrement important pour les ponts : de liaison 131 à 134 soient d'épaisseur et/ou de largeur très limitées afin de réduire au maximum les transferts de chaleur par conduction entre la partie active du cr.istal et la partie formant support. Un nombre de ponts de liaison égal a quatre constitue un optimum tandis qu'un pont unique cons-titué par une zone intermédiaire 13 amincie entre les parties centrale 11 et périphérique 12, mais ne présentant aucune partie évidée, est à exclure du cadre de la présente invention.
Dans le mode de réalisation des figures 3 à 6, des électrodes 4 et 5 (cette dernière étant alimentée en 51~ sont 115~
déposées sur les aces internes 20, 30 des plateaux diélectri-ques 2 et 3 respectivement, en re~ard des faces 14 et 15 du cristal l, au niveau de la partie centrale ll qui est ainsi la partie active vibrante. Selon une caractéristique parti~
culière de l'invention, la partie 12 du cristal l qui constitue la partie de support du cristal, n'est en contact avçc les plateaux 2, 3 que par une surace discontinue d'étendue ré-duite constituée par un nombre fini d'éléments de surface de contact tels que 61, 62 ou 71, 72, 73, 74. Les suraces de contact telles que 71 à 74 (figure 3) peuvent être facile-ment réalisées par exemple par attaque chimiqae de la sur~ace 30~du plateau 3, si les points de contact 71 à 74 ont été au préalable protégés de l'action d'attaque par dépot sur la surface 30 de résines protectrices par exemple. Il est avan-tageux que les éléments de surface de contact tels que 61, 62, 71 à 74 soient régulièrement répartis par rapport à la partie périphér1que 12 avec laquelle elles coopèrent et soient en nombre limité, par exemple trois éléments ou de préférence quatre éléments 71 à 74 par plateau support, dispos~és en croix.
.
~:Selon une réalisation particulièrement intéres-; sante de la présente invention,un écran réflecteur 200 est déposé sur le résonateur 1, 2, 3 lui- même. L'écran 200 peut .
~t~e constitué par u~ dépôt metallique tel que de l'or, de llar-~ent ou du cuivre, par exemple. Toutefois, des dépôts multi-couches non métalliques cor~espondants à un quart de longueur d'onde pour les radiations infra-xouge peuvent être égale-ment utilisés comme écrans réElecteurs~ Dans tous les cas, les dépôts métalliques ou multicouches sont réalisées sur des surfaces précédemment polies. On voit sur les figures 3 et 4 que l'écran 200 est constitué par un ensemble de dépôts réa-lisés sur les diverses faces des plateaux 2 et 3. Des dépôts ~ - \
~5~
222, 232 sont réalisés sur les faces internes 20~ 30 des pla-teaux 2, 3 dans les zones qui sont démunies d'électrodes et ne sont pas porteuses (dans lesquelles sont de préférence pratiquées des gorges 120 , 130 pour faciliter l'accrochage, et la délimitation des dépôts), c'est à dire notamment entre les éléments de surface de contact tels que 61, 71 et les electrodes 4, 5. Les couches 222, 232 qui se trouvent au voisinage immédiat de la partie centrale active vibrante 11 du cristal 1 jouent un rôle prépondérant dans la concentra-tion de la chaleur émise par la partie 11 du cristal 1.
Les couches réflectrices externes 221, 223 et 231,233 réalisées sur les faces externes des p].ateaux 2 et 3, par l'enceinte qu'elles forment autour du résonateur, contri-buent également de facon essentielle au confinement dans le ré-sonateur de l'énergie thermique déve~loppée dans la partie vi-brante du cristal 1. En effet, les plateaux 2, 3 équipés de couches 221, 223, 231, 233 ne peuvent émettre vers l'extérieur qu'une quantltéextrêmement limitée cle rayonnnement et contrl-buent ainsi à empêcher une évacuation de la chaleur apparais-sant dans le cristal 1.
La variante de réalisation représentée sur les fi-- gures 5 et 6 montre qu'un dépôt réflecteur 211, 212, 2I3 faisant partie de l'écran 200 peut être réalisé sur le cris-tal lui-même, sur le-s parties inactives distantes de la par-tie centrale active vibrante. Ainsi, la tranche du cristal 1 peut être recouverte, après polissage, d'une couche 211 analogue aux couches 221 ou 231 par exemple. Les faces 14 et 15 du cristal peuvent également être recouvertes de cou-ches 212, 213 Eormant écran réflecteur, dans la partie 12, et éventuellement la partie intermédiaire de liaison 13 munie de ponts 131, 132, 133, 134. La rayonnement du cristal 1 lui-même est alors extrêmement limité, sans que les qualités du g _ l~S'~
~ristal soient afectées r puisque la partie active vibrante 11 reste exempte de tout dépôtd'électrodeou de couche ré-flectrice.
Le fonctionnement de l'oscillateur selon l'inven-tion sera main~enant expliqué de façon détaillée.
Comme on le sait, le cristal piézoélectrique d'un résonateur destiné à servir de référence de fréquence doit être porté à sa température d'inversion et maintenu rigoureu-sement à cette température, qui est supérieure à la température ambiante, pour que le système présente une stabilité dans le temps qui soit la meilleure possible. Cette mise en tempé~
~rature et surtout le maintien à cette température sont réa-lisés selon l'invention essentiellement par chauffage interne - de la partie active du cristal du résonateur par la puissance consommée dans la résistance motionnelle du cristal.
Ceci est possible grâce au fait que d'une part de niveau de puissance a'pliqué aux électrodes excitatrices du résonateur est particulièrement élevé, c'est à di~re supérieur à au moins environ cinquante microwatts et pouvant être de l'ordre de quelques milliwatts et d'autre part le résonateur est lui-même isolé de l'extérieur par au moins un ou plusieurs écrans électromagnétiques.
Le rbglage de la température du cristal à l'inver-sion est ainsi effectué en ajustant le niveau de la puissance électrique appliquée au résonateurO Cet ajustement peat être effectué automatiquement en ajustant le niveau de puissance électrique en fonction d'une température extérieure d'un point - de référence situé au voisinage du résonateur, mais pouvant être extérieur à l'enceinte 400. Ainsi, le point de référen-de peut être par exemple situé sur l'enceinte 400 et un capteur 74A situé en ce point permet d'asservir le niveau d'alimentation des électrodes du résonateur en fonction des i~5~
fluctuations externes de température et ainsi de maintenir pour le cristal lui-même une température constante. Le fait que le cristal soit ainsi chaufEé dans sa masse et devienne thermiquement actif puisqu'il est porté à une température supérieure à la température externe favorise la stabilité du fonctionnement puisque le yradient de température est toujours dans le même sens, contrairement au cas où le chauffage du cristal se fait par apport externe de chaleur. Le maintien en température du cristal res-te ainsi beaucoup plus indépendant des variations extérieures de température et il est possible d'utiliser un thermostat d'appoint de qualité relativement mé-diocre.
- Par ailleurs, il a été constaté que le vieillisse-ment d'un résonateur est fonction de la puissance de fonction-nement de celui-ci et devient nul pour une certaine valeur de puissance qui est fonction du type de cristal utilisé. Il est ainsi particulièrement intéressant de prévoir une alimentation du résonateur avec une puissance ~ui, pour la vibration utile - utilisée, est ajustée à une valeur voisine de la puissance pour laquelle le vieillissement est nul. DanS le cas où cette puïs-sance reste insuffisante pour chauffer complètement la masse de la partie active du cristal et conduire à la température d'in-version, il est alors possible d'utiliser une autre vibration du cristal, non utilisée comme référence de fréquence, pour participer à la mise en température du cristal. Cette autre vibration peut être une vibration anharmonique, une vibration sur un partiel différent ou encore sur un mode différent.
Cette vibration supplémentaire servant exclusivement au chauffa-ge peut être appliquée avec une puissance comprise entre envi-ron 50 microwatts et un milliwatt, bien que cette dernière va-leur puisse être largement dépassée Selon un premier mode de réalisation, la vibration 115~
supplémentaire de chaufage est appliquée au moyen d'une partie d'électrodes additionnelles superposées aux électrodes princi-pales 4 et 5, en étant isolées de celles-ci/ ou encore latéra-lement par rapport aux électrodes 4 et 5 sur les plateaux 2 et 3 mais toujours au voisinage de la partie centrale active 11 du cristal~
Selon un autre mode de réalisation, une seule paire d'électrodes 4, 5 est déposée sur les plateaux diélectriques
2, 3 en regard de la partie ac~ive ll du cristal pour exciter cette partie active sur un mode utile de référence de fréquence et sur un mode additionnel de chauffage, et les circuits électro-.
niques 75 de l'oscillateur comprennent des circuits de filtrage pour isoler la composante utile de référence de fréquence du signal électrique appliqué aux électrodes. Dans ce cas, la configuration du résonateur reste ainsi particulièrement simple.
On donnera ci-dessous divers exemples de modes de vi-bration utilisables et de puissances opt~um à mettre en jeul en fonction de divers types de cristaux.
Avec un cristal ~e quartz de coupe AT,dimensionné et excité pour vibrer à 5 MHz sur le mode part~el 5, la puissance électrique fournie aux électrodes pour exclter la partie active du cristal gur ce mode partiel 5 en vue d'obtenir un vieillis-sement le plus faible possible, doit etre comprise entre environ 70 et 110 microwatts.
Avec un cristal de quartz de coupe SC, dimensionné
et excité pour vibrer à 5 MH7 sur le mode C et le mode partiel
niques 75 de l'oscillateur comprennent des circuits de filtrage pour isoler la composante utile de référence de fréquence du signal électrique appliqué aux électrodes. Dans ce cas, la configuration du résonateur reste ainsi particulièrement simple.
On donnera ci-dessous divers exemples de modes de vi-bration utilisables et de puissances opt~um à mettre en jeul en fonction de divers types de cristaux.
Avec un cristal ~e quartz de coupe AT,dimensionné et excité pour vibrer à 5 MHz sur le mode part~el 5, la puissance électrique fournie aux électrodes pour exclter la partie active du cristal gur ce mode partiel 5 en vue d'obtenir un vieillis-sement le plus faible possible, doit etre comprise entre environ 70 et 110 microwatts.
Avec un cristal de quartz de coupe SC, dimensionné
et excité pour vibrer à 5 MH7 sur le mode C et le mode partiel
3, la puissance électrique fournie aux électrodes pour exciter la partie active du cristal sur ce mode C et ].e mode partiel 3 en vue d'obtenir un vieillissement le plus faible possible, doit être compris entre environ 140 et 180 microwatts.
- Avec un type de quartz de même que plus généralement avec les cristaux de quartz à double rotation, il est possible ~5~4~
d'utiliser en outre une vibration additionnelle de chauffage en excitant le crista1 pour le faire vibrer sur le mode B. Dans la mesure où la vibration additionne].le n'est pas prise en compte comme référence de fréquence, le vieillissement n'inter-vient pas et la puissance électrique fournie aux électrodes .. . .
pour exciter la partie active du cristal sur le mode B peut être sans inconvénient de l'ordre de quelques centaines ou milliers de microwatts et peut par exemple être voisine de 1500 microwatts~
D'une manière générale, pour un cristal présentant un bon coefficient de qualité sur un premier mode partiel et un : coe-fficient de qualité inférieur sur un autre mode partiel, on aura intérêt à utiliser d'une part le premier mode partiel pour obtenir une référence de fréquence et simultanément contribuer au moins en partie au chauffage du cr:istal, et-dans la mesure où il n'existe pas de couplage excess:if entre les deux modes~
de vibration, à utiIiser d'autre part le deuxième mode partiel pour assurer un chauffage àdditionnel du cristal, qui sera d'autant plus eEficace que pour ce deuxième mode partiel la :
résistance motionnelle est en général plus élévée~ ~
Dans tous les cas, un oscillateur conforme à l'in-vention présentera une stabilité d'autant meilleure que la différence de température entre le cristal lui-même et l'envi-ronnement externe sera plus élévée. L'oscillateur, muni de son chauffage interne par les vibrations appliquées au cristal sera ainsi avantageusement placé dans une ambiance à faible température, par exemple dans de l'azote liquide, dans le cas où une stabilité de fonctionnement exceptionnelle sera requise.
Des moyens classiques de mise en température du cristal peuvent toutefois être adjoints à l'oscillateur décr.it - précédemment en vue de jouer un rôle essentieLlement au démarra~e et d'accélérer notamment la mise à la température d'inversion du ` ~54~
cristal, le maintien à cette température d'inversion étant ensuite effectué comme indiqué précédemment de façon prépondérante grace à la chaleur dégagée dans le cxistal par la vibration elle-même.
Les moyens classiques de mise en température du cristal destinés à pouvoir fournir une énergie de quelques joules au démarrage i du système peuvent comprendre une résistance électrique 76 extérieure a l'enceinte 400 ou, selon les applications, une résistance interne constituée par une couche résistive, non représentée,déposée sur les plateaux 2, 3 de support des électrodes 4, 5. Même dans le cas où ces moyens classiques de mise en température sont utilisés à titre auxiliaire, la dépen-dance de la fréquence du résonateur par rapport à la températu-re est fortement atténuée dès lors que, pour des fréquences de l'ordre de quelques mégahertzs, la puissance électrique appli-quée aux électrodes d'excitation du résonateur est supér-ieur a environ cinquante microwatts et, pour la vibration utile, n'est pas trop éloignée de la valeur optimum pour laquelle le vieillissement est nul.
Dans tous les cas, les ~lux de chaleur issus du cristal doivent etre limités en régime permanent. Pour ce faire, l'iso-, , .
lement de la ou des enceintes entourant le résonateur doit être particulièrement soignéO
Dans le mode de ré;alisation des figures l et 2, les électrodes déposées sur les plateaux 2,3 sont reliées aux cir-cuits 75 par des fils de liaison 71A qui sont de préEérence chauffés à l'aide de très faibles puissances, de l'ordre de 10 mw, pour les porter à une température de l'ordre de la tempéra-ture d'inversion du cristal et limiter ainsi les fuites de chaleur ~rs l'extérieur. Le chauffage des fils de liaison 71A peut d'ail-leurs être aisément réalisé au moyen des seules déperditions dechaleur dues aux éléments des circuits 75, dans la mesure où ces derniers sont placés au voisinage immédiat de l'enceinte 400.
1~5~
L'eficacité du s~stème peut être augmentée si, comme dans le cas du mode de réalisation de la fiyure 2, plu-sieurs écrans réElecteurs tels que 500, ~00 sont disposées en dehors mê~e de la première enceinte 400, et si le vide est réa-lisé à 1' intérieur de ces enceintes 500, 600, les enceintes étant reliées entre elles par des plots isolants ~11, 612.
Les pinces 411r 412 de support du résonateur 1,2,3 dans llen-ceinte 400 sont également réalisées en un matériau isolant.
Dans le cas du mode de réalisation de la figure 2, où plusieurs écrans électromagnétiques sont disposées en dehors même de l'enceinte 400, l'écran interne, tel que 300 présent dans le mode de réalisation de la figure 1, peut être supprimé, mais il reste important que dans ce cas le résonateur soit entouré de l'écran 200 déposé sur les plateaux 2, 3 eux-mêmes.
Diverses modifications et adjonctions peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositis qui viennent d'être décrits. Ainsi, selon une variante de réalisation, les électrodes 4,5 peuvent ne pas être totalement indépendantes des couches 200 ormant écran déposées sur les plateaux 2,3 et/
ou le cristal 1 et l'une des électrodes peut dans ce cas être - au même potentiel de référence ~ue lesdites parties d'écran 200.
- Avec un type de quartz de même que plus généralement avec les cristaux de quartz à double rotation, il est possible ~5~4~
d'utiliser en outre une vibration additionnelle de chauffage en excitant le crista1 pour le faire vibrer sur le mode B. Dans la mesure où la vibration additionne].le n'est pas prise en compte comme référence de fréquence, le vieillissement n'inter-vient pas et la puissance électrique fournie aux électrodes .. . .
pour exciter la partie active du cristal sur le mode B peut être sans inconvénient de l'ordre de quelques centaines ou milliers de microwatts et peut par exemple être voisine de 1500 microwatts~
D'une manière générale, pour un cristal présentant un bon coefficient de qualité sur un premier mode partiel et un : coe-fficient de qualité inférieur sur un autre mode partiel, on aura intérêt à utiliser d'une part le premier mode partiel pour obtenir une référence de fréquence et simultanément contribuer au moins en partie au chauffage du cr:istal, et-dans la mesure où il n'existe pas de couplage excess:if entre les deux modes~
de vibration, à utiIiser d'autre part le deuxième mode partiel pour assurer un chauffage àdditionnel du cristal, qui sera d'autant plus eEficace que pour ce deuxième mode partiel la :
résistance motionnelle est en général plus élévée~ ~
Dans tous les cas, un oscillateur conforme à l'in-vention présentera une stabilité d'autant meilleure que la différence de température entre le cristal lui-même et l'envi-ronnement externe sera plus élévée. L'oscillateur, muni de son chauffage interne par les vibrations appliquées au cristal sera ainsi avantageusement placé dans une ambiance à faible température, par exemple dans de l'azote liquide, dans le cas où une stabilité de fonctionnement exceptionnelle sera requise.
Des moyens classiques de mise en température du cristal peuvent toutefois être adjoints à l'oscillateur décr.it - précédemment en vue de jouer un rôle essentieLlement au démarra~e et d'accélérer notamment la mise à la température d'inversion du ` ~54~
cristal, le maintien à cette température d'inversion étant ensuite effectué comme indiqué précédemment de façon prépondérante grace à la chaleur dégagée dans le cxistal par la vibration elle-même.
Les moyens classiques de mise en température du cristal destinés à pouvoir fournir une énergie de quelques joules au démarrage i du système peuvent comprendre une résistance électrique 76 extérieure a l'enceinte 400 ou, selon les applications, une résistance interne constituée par une couche résistive, non représentée,déposée sur les plateaux 2, 3 de support des électrodes 4, 5. Même dans le cas où ces moyens classiques de mise en température sont utilisés à titre auxiliaire, la dépen-dance de la fréquence du résonateur par rapport à la températu-re est fortement atténuée dès lors que, pour des fréquences de l'ordre de quelques mégahertzs, la puissance électrique appli-quée aux électrodes d'excitation du résonateur est supér-ieur a environ cinquante microwatts et, pour la vibration utile, n'est pas trop éloignée de la valeur optimum pour laquelle le vieillissement est nul.
Dans tous les cas, les ~lux de chaleur issus du cristal doivent etre limités en régime permanent. Pour ce faire, l'iso-, , .
lement de la ou des enceintes entourant le résonateur doit être particulièrement soignéO
Dans le mode de ré;alisation des figures l et 2, les électrodes déposées sur les plateaux 2,3 sont reliées aux cir-cuits 75 par des fils de liaison 71A qui sont de préEérence chauffés à l'aide de très faibles puissances, de l'ordre de 10 mw, pour les porter à une température de l'ordre de la tempéra-ture d'inversion du cristal et limiter ainsi les fuites de chaleur ~rs l'extérieur. Le chauffage des fils de liaison 71A peut d'ail-leurs être aisément réalisé au moyen des seules déperditions dechaleur dues aux éléments des circuits 75, dans la mesure où ces derniers sont placés au voisinage immédiat de l'enceinte 400.
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L'eficacité du s~stème peut être augmentée si, comme dans le cas du mode de réalisation de la fiyure 2, plu-sieurs écrans réElecteurs tels que 500, ~00 sont disposées en dehors mê~e de la première enceinte 400, et si le vide est réa-lisé à 1' intérieur de ces enceintes 500, 600, les enceintes étant reliées entre elles par des plots isolants ~11, 612.
Les pinces 411r 412 de support du résonateur 1,2,3 dans llen-ceinte 400 sont également réalisées en un matériau isolant.
Dans le cas du mode de réalisation de la figure 2, où plusieurs écrans électromagnétiques sont disposées en dehors même de l'enceinte 400, l'écran interne, tel que 300 présent dans le mode de réalisation de la figure 1, peut être supprimé, mais il reste important que dans ce cas le résonateur soit entouré de l'écran 200 déposé sur les plateaux 2, 3 eux-mêmes.
Diverses modifications et adjonctions peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositis qui viennent d'être décrits. Ainsi, selon une variante de réalisation, les électrodes 4,5 peuvent ne pas être totalement indépendantes des couches 200 ormant écran déposées sur les plateaux 2,3 et/
ou le cristal 1 et l'une des électrodes peut dans ce cas être - au même potentiel de référence ~ue lesdites parties d'écran 200.
Claims (21)
1. Oscillateur à haute fréquence autothermostaté, du type comprenant, monté dans une enceinte étanche, un résonateur piézoélectrique constitué par au moins un cristal piézol-électrique muni d'une partie périphérique continue formant bague reliée à une partie centrale par une zone intermédiaire qui est évidée dans sa majeure partie et comprend au moins deux ponts de liaison pour rendre solidaires l'une de l'autre la partie centrale et la partie périphérique, et deux plateaux diélectriques pour supporter et maintenir des électrodes excitatrices, sans contact avec et en regard respectivement de chacune des faces de l'une des parties centrale et péri-phérique qui constitue alors la partie active vibrante du cristal, l'autre partie du cristal qui constitue une partie de support pour le cristal étant maintenue en position entre les-dits plateaux diélectriques, caractérisé en ce que le contact entre la partie de support du cristal et les deux plateaux diélectriques est limité à une surface discontinue d'étendue réduite constituée par un nombre fini d'éléments de surface de contact, en ce qu'au moins un écran réflecteur infra-rouge est dispose à l'intérieur même de l'enceinte étanche au voisinage immédiat du résonateur piézoélectrique et en ce que la puissance électrique appliquée aux électrodes excitatrices est d'au moins environ cinquante microwatts.
2. Oscillateur autothermostaté selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre fini d'éléments de surface de contact de la partie de support du cristal est égal à quatre.
3. Oscillateur autothermostaté selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les parties des faces internes des plateaux diélectriques situées en regard du cristal mais non recouvertes d'électrodes et non en contact avec le cristal sont polies et recouvertes d'un écran électromagnétique infra-rouge.
4. Oscillateur autothermostaté selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les faces externes des plateaux diélectriques sont polies et recouvertes d'un écran électro-magnétique infra-rouge.
5. Oscillateur autothermostaté selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie de support du cristal est polie et recouverte d'un écran électromagnétique infra-rouge.
6. Oscillateur autothermostaté selon la revendication l ou 2, caractérisé en ce que le ou les écrans électromagnétiques infra-rouges sont constitués par un dépôt métallique d'or, d'argent ou de cuivre.
7. Oscillateur autothermostaté selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les écrans électromagnétiques sont constitués par des éléments multicouches réflecteurs correspondant à un quart de longueur d'onde pour les radiations infra-rouges.
8. Oscillateur autothermostaté selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de température disposé à proximité immédiate de la paroi de l'enceinte étanche entourant le résonateur piézoélectrique et en ce que des moyens sont prévus pour régler le niveau de la puissance électrique fournie aux électrodes déposées sur les plateaux diélectriques en fonction des signaux délivrés par le capteur.
9. Oscillateur autothermostaté selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes excitatrices produisant un champ électrique dans la partie active du cristal piézoélec-trique reçoivent d'une part une puissance électrique supérieure ou égale à environ une vingtaine de microwatts pour exciter le cristal selon un mode utile choisi pour déterminer une référence de fréquence et d'autre part une puissance électrique supérieure ou égale à environ 50 microwatts pour exciter le cristal selon un mode, un partiel ou une vibration anharmonique différents du mode utile choisi pour déterminer une référence de fréquence,
10. Oscillateur selon la revendication 1, dans lequel le cristal piézoélectrique est de coupe AT, et est dimensionné et excité pour vibrer à 5 MHz sur le mode partiel 5, caractérisé
en ce que la puissance électrique fournie aux électrodes pour exciter la partie active du cristal sur le mode partiel 5 est comprise entre environ 70 et 110 microwatts.
en ce que la puissance électrique fournie aux électrodes pour exciter la partie active du cristal sur le mode partiel 5 est comprise entre environ 70 et 110 microwatts.
11. Oscillateur selon la revendication 1, dans lequel le cristal piézoélectrique est de coupe SC et est dimensionné et excité pour vibrer à 5 MHz sur le mode C et le mode partiel 3, caractérisé en ce que la puissance électrique fournie aux électrodes pour exciter la partie active du cristal sur le mode C et le mode partiel 3 est comprise entre environ 140 et 180 microwatts.
12. Oscillateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que le cristal de coupe SC est en outre excité pour vibrer sur le mode B et en ce que la puissance électrique fournie aux électrodes pour exciter la partie active du cristal sur le mode B est de l'ordre d'environ quelques centaines de microwatts.
13. Oscillateur selon la revendication 9, 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comprend deux paires d'électrodes différentes déposées sur les plateaux diélectriques en regard de la partie active du cristal pour exciter ladite partie active sur un mode utile de référence de fréquence et sur un mode additionnel de chauffage.
14. Oscillateur selon la revendication 9, 10 ou 11, carac-térisé en ce qu'il comprend une seule paire d'électrodes déposées sur les plateaux diélectriques en regard de la partie active du cristal. pour exciter ladite partie active sur un mode utile de référence de fréquence et sur un mode additionnel de chauffage, et en ce que les circuits électriques de l'oscilla-teur comprennent des circuits de filtrage pour isoler la composante utile de référence de fréquence du signal électrique appliqué aux électrodes.
15. Oscillateur selon la revendication 1, 2 ou 9, carac-térisé en ce qu'il comprend un écran électromagnétique infra-rouge constitué par un matériau isolant thermiquement recouvert d'une couche d'un matériau réflecteur, disposé à l'intérieur de l'enceinte isolante et entourant l'ensemble du résonateur piézoélectrique.
16. Oscillateur selon la revendication 1, 2 ou 9, carac-térisé en ce que l'enceinte étanche comprend un capot poli recouvert sur ses deux faces d'une couche d'un matériau réflé-chissant.
17. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les liaisons électriques entre d'une part les électrodes déposées sur les plateaux diélectriques et d'autre part les circuits électroniques de l'oscillateur sont portées par un dispositif de chauffage annexe consommant une puissance de l'ordre d'une dizaine de milliwatts à une température de l'ordre de la température d'inversion du cristal.
18. Oscillateur selon la revendication 17, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage annexe utilise les déper-ditions de chaleur des circuits électroniques de l'oscillateur disposés à proximité de l'enceinte étanche de l'oscillateur piézoélectrique.
19. Oscillateur selon la revendication 1, 2 ou 9, carac-térisé en ce qu'il comprend une résistance électrique additionnelle de démarrage disposée au voisinage de l'enceinte étanche.
20. Oscillateur selon la revendication 1, 2 ou 9, carac-térisé en ce que l'une des électrodes et les écrans électro-magnétiques infra-rouges déposés sur les plateaux diélectriques et/ou la partie de support du cristal sont à un même potentiel de référence.
21. Oscillateur selon la revendication 1, 2 ou 9, carac-térisé en ce qu'il est disposé dans une atmosphère dont la température est très inférieure à la température d'inversion du cristal piézoélectrique.
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