Résonateur balancier - spiral appairé

Description

Domaine de l'invention

[0001] L'invention se rapporte à un résonateur balancier - spiral appairé et plus précisément un spiral formé à partir de quartz monocristallin.

Arrière-plan de l'invention

[0002] Les documents EP 1 519 250 et EP 1 605 182 décrivent la fabrication d'un spiral en quartz monocristallin. Le document US 2010/0034057 décrit un balancier dont le coefficient de dilatation est moins de +9 ppm.°C^-1, de préférence moins de +6 ppm.°C^-1. Toutefois, un spiral en quartz monocristallin n'est pas facile à appairer dans la pratique.

Résumé de l'invention

[0003] Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie les inconvénients cités précédemment en proposant un appairage amélioré d'un spiral en quartz avec son balancier.

[0004] A cet effet, l'invention se rapporte à un résonateur comportant un spiral formé dans un cristal de quartz monocristallin d'axes cristallographiques x, y, z, l'axe x, étant l'axe électrique et l'axe y l'axe mécanique, et coopérant avec un balancier caractérisé en ce que le coefficient de dilatation du balancier est compris entre +6 ppm.°C^-1 et +9,9 ppm.°C^-1 pour un angle de coupe du spiral par rapport à l'axe z dudit cristal de quartz monocristallin compris entre -5° et +5° afin que le résonateur soit moins sensible aux variations de température.

[0005] Conformément à d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention :

• le coefficient de dilatation du balancier est sensiblement égal à +9 ppm.°C^-1 pour un angle de coupe du spiral par rapport à l'axe z dudit cristal de quartz monocristallin sensiblement égal à +2°;
• au moins une partie du balancier est en titane ou en platine ;
• le coefficient de dilatation du balancier est sensiblement égal à +9,9 ppm.°C^-1 pour un angle de coupe du spiral par rapport à l'axe z dudit cristal de quartz monocristallin sensiblement égal à +5° ;
• au moins une partie du balancier est en durimphy.

Description sommaire des dessins

[0006] D'autres particularités et avantages ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

• les figures 1 et 2 représentent schématiquement l'angle de coupe θ d'un spiral dans un monocristal de quartz selon l'invention ;
• la figure 3 représente schématiquement un résonateur balancier - spiral selon l'invention.

Description détaillée des modes de réalisation préférés

[0007] Comme illustré à la figure 3, l'invention se rapporte à un résonateur 1 du type balancier 3 - spiral 5. Le balancier 3 et le spiral 5 sont préférentiellement montés sur le même axe 7. Dans un tel résonateur 1, le moment d'inertie I du balancier 3 répond à la formule :

dans laquelle m représente la masse et r le rayon de giration qui dépend évidemment du coefficient de dilatation α_b du balancier.

[0008] De plus, la constante élastique C du spiral 5 répond à la formule :

dans laquelle E est le module d'Young du spiral, h sa hauteur, e son épaisseur et L sa longueur développée.

[0009] Enfin, la fréquence f du résonateur 1 balancier-spiral répond à la formule :

[0010] Bien entendu, il est souhaité que la variation de la fréquence en fonction de la température d'un résonateur soit sensiblement nulle. La variation de la fréquence en fonction de la température dans le cas d'un résonateur balancier-spiral suit sensiblement la formule suivante :

où :

• 
  
  est la variation de fréquence en fonction de la température ;
• 
  
  est la variation du module d'Young en fonction de la température, c'est-à-dire le coefficient thermoélastique (CTE) du spiral ;
• α_s le coefficient de dilatation du spiral, exprimé en ppm.°C^-1 ;
• α_b le coefficient de dilatation du balancier, exprimé en ppm.°C^-1.

[0011] Les oscillations de tout résonateur destiné à une base de temps ou de fréquence devant être entretenues, la dépendance thermique comprend également une contribution éventuelle du système d'entretien comme, par exemple, un échappement à ancre suisse (non représenté) coopérant avec la cheville 9 du plateau 11 également monté sur l'axe 7.

[0012] Comme illustré aux figures 1 et 2, l'invention concerne plus particulièrement un résonateur 1 dans lequel le spiral 5 est formé à partir d'un monocristal de quartz d'axes cristallographiques x, y, z, l'axe x, étant l'axe électrique et l'axe y l'axe mécanique. On peut voir à ces figures que la hauteur h des spires a sensiblement la même orientation que l'axe cristallographique z. Plus précisément la hauteur h forme, avec l'axe z, un angle θ qui peut être positif ou négatif. La modification de cet angle θ permet de faire varier les caractéristiques du spiral 5 sans avoir à en modifier la géométrie.

[0013] On comprend donc à partir des formules (1)-(4) qu'il est possible d'appairer le spiral 5 avec le balancier 3 afin que la fréquence f du résonateur 1 soit quasiment insensible aux variations de température. L'utilisation du quartz pour la fabrication d'un spiral 5 offre également l'avantage, outre ses excellentes caractéristiques thermiques, de posséder aussi d'excellentes propriétés mécaniques et chimiques, en particulier au niveau du vieillissement et de la très faible sensibilité aux champs magnétiques.

[0014] Pour un angle de coupe θ sensiblement égal à +2°, il a ainsi empiriquement été trouvé qu'un coefficient de dilatation α_b du balancier 3 devait être sensiblement égal à +9 ppm.°C^-1 pour obtenir un coefficient thermique sensiblement égal à +0,06 s.j^-1.°C^-1 qui est très en-dessous des conditions COSC égalent à ± 0,6 s.j^-1.°C^-1.

[0015] Plus généralement, pour que le coefficient thermique de résonateur 1 reste sensiblement à ± 0,1 s.j^-1.°C^-1, c'est-à-dire toujours dans les conditions COSC, et pour un angle θ de coupe du spiral 5 par rapport à l'axe z du cristal de quartz monocristallin compris entre -5° et +5°, le coefficient de dilatation α_b du balancier 3 est compris entre +6 ppm.°C^-1 et +9,9 ppm.°C^-1.

[0016] Pour respecter ces coefficients de dilatation α_b, le balancier 3 peut notamment comporter du titane et/ou du durimphy (symbole AFNOR : Z2NKD 18-09-05) et/ou du platine. En effet, les coefficients de dilatation α_b du titane et du platine sont sensiblement égaux à respectivement +9 ppm.°C^-1 et celui du durimphy sensiblement égal à +9,9 ppm.°C^-1. De plus, avantageusement, on notera que le durimphy peut être faiblement sensible aux champs magnétiques selon sa température de revenu.

[0017] Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à l'exemple illustré mais est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, tout autre matériau du balancier 3 respectant les coefficients de dilatation expliqués ci-dessus peuvent être utilisés.

Revendications

1. Résonateur (1) comportant un spiral (5) formé dans un cristal de quartz monocristallin d'axes cristallographiques x, y, z, l'axe x, étant l'axe électrique et l'axe y l'axe mécanique, ce spiral coopérant avec un balancier (3), caractérisé en ce que le coefficient de dilatation (α_b) du balancier (3) est sensiblement égal à 9 ppm.°C^-1 et en ce que l'angle (θ) de coupe du spiral (5) par rapport à l'axe z dudit cristal de quartz monocristallin est sensiblement égal à +2° afin que le résonateur (1) soit moins sensible aux variations de température.

2. Résonateur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'au moins une partie du balancier (3) est en titane.

3. Résonateur (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'au moins une partie du balancier (3) est en platine.

4. Résonateur (1) comportant un spiral (5) formé dans un cristal de quartz monocristallin d'axes cristallographiques x, y, z, l'axe x, étant l'axe électrique et l'axe y l'axe mécanique, ce spiral coopérant avec un balancier (3), caractérisé en ce que le coefficient de dilatation (α_b) du balancier (3) est sensiblement égal à +9,9 ppm.°C^-1 et en ce que l'angle (θ) de coupe du spiral (5) par rapport à l'axe z dudit cristal de quartz monocristallin est sensiblement égal à +5° afin que le résonateur (1) soit moins sensible aux variations de température.

5. Résonateur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'au moins une partie du balancier (3) est en durimphy.

Ansprüche

1. Resonator (1), umfassend eine Spiralfeder (5), die aus einem monokristallinen Quarzkristall mit kristallographischen Achsen x, y, z gebildet ist, wobei die Achse x die elektrische Achse ist und die Achse y die mechanische Achse ist, wobei diese Spiralfeder mit einer Unruh (3) zusammenwirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Ausdehnungskoeffizient (α_b) der Unruh (3) im Wesentlichen gleich 9 ppm.°C^-1 ist und dass der Schnittwinkel (Θ) der Spiralfeder (5) in Bezug auf die z-Achse des einkristallinen Quarzsignals im Wesentlichen gleich +2° ist, damit der Resonator (1) gegenüber Temperaturschwankungen weniger empfindlich ist.

2. Resonator (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Unruh (3) aus Titan hergestellt ist.

3. Resonator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Unruh (3) aus Platin hergestellt ist.

4. Resonator (1), umfassend eine Spiralfeder (5), die aus einem einkristallinen Quarzkristall mit kristallographischen Achsen x, y, z gebildet ist, wobei die Achse x die elektrische Achse ist und die Achse y die mechanische Achse ist, wobei diese Spiralfeder mit einer Unruh (3) zusammenwirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Ausdehnungskoeffizient (α_b) der Unruh (3) im Wesentlichen gleich +9,9 ppm.°C^-1 ist und dass der Schnittwinkel (Θ) der Spiralfeder (5) in Bezug auf die Achse z des einkristallinen Quarzkristalls im Wesentlichen gleich +5° ist, damit der Resonator (1) gegenüber Temperaturschwankungen weniger empfindlich ist.

5. Resonator (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Unruh (3) aus Durimphy hergestellt ist.

Claims

1. Resonator (1) comprising a balance spring (5) formed in a single crystal quartz with crystallographic axes x, y, z, where the x axis is the electrical axis and the y axis is the mechanical axis, said balance spring cooperating with a balance (3), characterized in that the thermal expansion coefficient (α_b) of the balance (3) is substantially equal to +9 ppm.°C^-1 and in that the cut angle (θ) of the balance spring (5) to the z axis of said single crystal quartz is substantially equal to +2° so that the resonator (1) is less sensitive to temperature variations.

2. Resonator (1) according to the preceding claim, characterized in that at least one portion of the balance (3) is made of titanium.

3. Resonator (1) according to the claim 1, characterized in that at least one portion of the balance (3) is made of platinum.

4. Resonator (1) comprising a balance spring (5) formed in a single crystal quartz with crystallographic axes x, y, z, where the x axis is the electrical axis and the y axis is the mechanical axis, said balance spring cooperating with a balance (3), characterized in that the thermal expansion coefficient (α_b) of the balance (3) is substantially equal to +9.9 ppm.°C^-1 and in that the cut angle (θ) of the balance spring (5) to the z axis of said single crystal quartz is substantially equal to +5° so that the resonator (1) is less sensitive to temperature variations.

5. Resonator (1) according to the preceding claim, characterized in that at least one portion of the balance (3) is made of durimphy.

Dessins