CH630747A5 - Procede d'ajustement de la frequence d'un resonateur et resonateur a frequence ajustee obtenu par la mise en oeuvre de ce procede. - Google Patents
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Description
La présente invention a pour objet un procédé d'ajustement de la fréquence d'un résonateur à cristal piézo-électrique par enlèvement de matière au moyen de tirs de rayons lasers exécutés en rafales.
L'invention a également pour objet le résonateur à cristal piézoélectrique obtenu par la mise en œuvre de ce procédé.
Il est connu, notamment par le brevet suisse N° 588733, d'ajuster la fréquence d'un résonateur à cristal piézo-électrique, par exemple d'un résonateur à quartz, par enlèvement de matière, plus précisément par enlèvement, par points, d'une couche métallique revêtant partiellement le cristal piézo-électrique. Cet enlèvement de matière, qui peut s'effectuer par des tirs de rayons lasers, a pour effet d'augmenter la fréquence du résonateur ainsi traité. Cette fréquence est mesurée et comparée à la fréquence désirée après chaque tir et, si la fréquence mesurée est inférieure à la fréquence désirée, un nouveau tir est déclenché. Le processus se termine lorsque la fréquence mesurée égale la fréquence désirée.
La précision de la mesure de la fréquence étant directement liée à la durée de cette mesure, et chaque mesure étant faite avec la précision maximale, ce procédé présente l'inconvénient de nécessiter, pour sa mise en œuvre, un temps assez long, incompatible avec les exigences de la production en très grande série.
Le but de la présente invention est de rationaliser la méthode d'utilisation des rayons lasers en vue de l'ajustement de la fréquence d'un tel résonateur, en réduisant à un minimum le temps total d'ajustement de la fréquence de celui-ci.
Ce but est atteint par le procédé défini dans la revendication 1. Le résonateur à fréquence ajustée obtenu par la mise en œuvre de ce procédé est défini par la revendication 11.
Le dessin illustre, à titre d'exemple, deux modes de mise en œuvre du procédé suivant l'invention et une variante.
La fig. 1 représente, schématiquement, une installation permettant d'effectuer la mise à la fréquence d'un résonateur à quartz.
La fig. 2 est une vue en plan d'une partie d'un résonateur à quartz dont la fréquence a été ajustée par des tirs de rayons lasers suivant un premier mode de mise en œuvre du présent procédé.
La fig. 3 est un organigramme des différentes étapes du premier mode de mise en œuvre du présent procédé d'ajustement de fréquence appliqué au résonateur de la fig. 2.
La fig. 4 est un diagramme représentant l'évolution de la fréquence du résonateur au cours de l'ajustement de celle-ci.
La fig. 5 est un organigramme d'une partie des opérations d'une variante du premier mode de mise en œuvre du procédé d'ajustement de fréquence, également appliqué au résonateur de la fig. 2.
La fig. 6 est une vue en plan d'une partie d'un résonateur à quartz destiné à être ajusté en fréquence par des tirs de rayons lasers suivant un second mode de mise en œuvre du présent procédé, et la fig. 7 est un organigramme des différentes étapes du second mode de mise en œuvre du présent procédé d'ajustement de fréquence, appliqué au résonateur de la fig. 6.
L'installation permettant la mise à la fréquence d'un quartz représentée à la fig. 1 comprend une enceinte sous vide 1 contenant le quartz dont la fréquence doit être ajustée, désigné par 2, monté sur un support non représenté. Une cellule photo-électrique 3 est placée à l'arrière du quartz pour permettre de déterminer la position de celui-ci. Les oscillations du quartz sont entretenues par un circuit 5. Un fréquencemètre 6 mesure la fréquence du quartz. La durée de la mesure, définissant sa précision, est donnée par un dispositif de commande 7 qui peut être constitué par un micro-ordinateur. Ce dispositif 7 commande en outre un laser 8 ainsi qu'un dispositif de déflexion 9 du rayon laser désigné par 10 qui peut être déplacé selon un axe X sensiblement perpendiculaire aux longs côtés du quartz 2 et selon un axe Y perpendiculaire à l'axe X (fig. 2). A l'avant de l'enceinte 1 se trouve une plaque transparente 11 laissant passer le rayon laser 10.
Cette installation fonctionne de la façon suivante:
Le quartz 2, en forme de diapason, dont la fréquence doit être ajustée, est placé dans l'enceinte 1 dans laquelle on fait le vide. Ce quartz est amené à vibrer et ses oscillations sont entretenues à leur
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fréquence propre par le circuit 5. Le fréquencemètre 6 mesure la fréquence du quartz et le dispositif de commande 7 compare cette fréquence avec une fréquence appelée fréquence limite provisoire, qui sera définie plus loin. Si le résultat de la comparaison indique que la fréquence du quartz est inférieure ou égale à cette fréquence limite provisoire, le dispositif de commande 7 donne l'ordre au laser 8 de tirer une rafale de coups pour percer une couche métallique 12 (fig. 2), dont est partiellement revêtu le quartz, et réaliser ainsi dans cette couche métallique 12 des trous 13 destinés à alléger les extrémités des branches du diapason et donc à augmenter sa fréquence propre.
Le dispositif de déflection 9 est également commandé par le dispositif de commande 7 de manière que les tirs de rayons lasers soient distribués le long de lignes parallèles à l'axe X et que les différentes lignes soient séparées les unes des autres d'une distance déterminée.
Dans un premier mode de mise en œuvre du procédé selon l'invention, la densité D d'une rafale, c'est-à-dire le nombre de coups par unité de longueur, peut être différente d'une ligne à l'autre, donnant ainsi des lignes de types différents. Ainsi, dans l'exemple représenté à la fig. 2, la densité des tirs est la même pour les trois lignes 14a, et diminue de moitié, successivement, pour les lignes 14d à 14f.
Cette densité D peut être modifiée soit en changeant la fréquence des coups tout en gardant une vitesse de déflexion parallèle à l'axe X constante, soit en changeant cette vitesse tout en gardant la fréquence des coups constante.
La dernière ligne, 14f, ne comporte généralement qu'un trou.
Pour que le tir destiné à percer ce trou atteigne certainement le diapason, il est nécessaire que la position de ce dernier soit déterminée avec précision. A cet effet, et comme cela est indiqué par le bloc 15 à la fig. 3, qui est un organigramme du présent procédé, on commence le processus d'ajustement par une série de tirs à faible puissance, insuffisante pour percer la métallisation 12, dont les premiers sont dirigés nettement en dehors du diapason, et on commande le dispositif de déflexion 9 de manière à déplacer le faisceau du laser dans la direction de l'axe X. La cellule photoélectrique 3, indiquée schématiquement à la fig. 2, située derrière le plan du résonateur 2, reçoit la lumière émise par le laser et délivre un signal au dispositif de commande 7. Lorsque le faisceau est intercepté par le quartz, ce signal disparaît, ce qui indique au dispositif de commande 7 la position X0 du bord du résonateur.
Lorsque cette position X0 a été ainsi déterminée, le dispositif de commande 7 agit sur le déflecteur 9 de manière à ramener le faisceau d'un certain nombre de pas en arrière, dix par exemple (bloc 16), et sur le laser 8 pour augmenter la puissance du faisceau, qui devient alors capable de percer la métallisation 12.
Un facteur d'ordre i, qui détermine entre autres la densité D du tir, est ensuite fixé à sa valeur initiale, 1 dans cet exemple (bloc 17).
La densité D du tir, pour chaque ligne ou rafale, est calculée à partir de la formule suivante:
D(i) = D0-2-(i-D où D0 est la densité de la première rafale de tirs et où i varie de 1 à n, n représentant le nombre des valeurs possibles de i et de D, nombre qui a été choisi égal à 6 dans l'exemple décrit (bloc 18).
La quantité Q de matière enlevée par chaque rafale est évidemment proportionnelle à la densité D de cette rafale et suit donc une loi semblable:
Q(i) = Q0-2-(i-D où Q0 est la quantité de matière enlevée par la première rafale.
L'opération d'ajustement de la fréquence implique des mesures successives de la fréquence momentanée du quartz, en cours d'ajustement. Pour les premières mesures, on se contente d'une précision relativement faible, ce qui limite la durée T de la mesure. En revanche, plus on s'approche de la fréquence finale désirée f0, plus la durée T des mesures de ladite fréquence momentanée doit être élevée puisque, comme on le sait, la précision d'une mesure de fréquence est fonction de la durée de ladite mesure. La valeur de la durée de la mesure de la fréquence momentanée du quartz T(i) est donnée par la fonction T(i) =
T0-2-01-0,
où T0 est la durée de la mesure permettant d'obtenir la précision maximale désirée. Le calcul de la durée de la mesure est indiqué par le bloc 19.
On calcule ensuite la fréquence limite provisoire fj qui est la fréquence maximale pour laquelle il est encore possible de tirer une ligne ou rafale complète, à la suite de laquelle la fréquence du quartz se trouve au plus dans la tolérance définie pour la fréquence finale, en tenant compte de la quantité de matière enlevée par cette rafale et de sa tolérance, de même que de la tolérance de la mesure de fréquence. Cette fréquence limite fj doit être revue pour chaque valeur du facteur d'ordre i, et répond à la formule:
où f0 est la fréquence d'ajustement,
où fc est la fréquence finale, A f est la variation de la fréquence du résonateur provoquée par le tir de densité maximale et e est un coefficient de sécurité tenant compte des tolérances de mesure et de comparaison. Ce calcul de f, est indiqué par le bloc 20.
Le bloc 21 indique que l'on procède ensuite à la mesure de la fréquence momentanée fq du quartz, la durée de la mesure étant égale à T(i).
On compare ensuite la fréquence mesurée fq à la fréquence limite f] calculée pour le facteur d'ordre i en cause. Cette opération est indiquée par le bloc 22. Deux situations peuvent se présenter:
1. Si fq est inférieur ou égal à f] (i), la rafale est tirée, comme indiqué par le bloc 23, avec la densité déterminée au bloc 18.
Après le tir de la rafale et le déplacement du faisceau d'un pas en direction Y (bloc 25), on répète les opérations, comme indiqué par la flèche 26, à partir de la mesure de la fréquence momentanée fq du quartz. On continue à tirer des rafales avec la même densité de coups tant que fq < f[ (i).
2. Si, au contraire, fq > f] (i), le facteur d'ordre i est augmenté d'une unité (bloc 24), et on le compare, au bloc 27, à la valeur n prédéterminée, soit six dans l'exemple décrit.
Si i est supérieur à n, la marche de l'installation est interrompue comme indiqué par le bloc 28. Si, au contraire, i est inférieur ou égal à n, les opérations sont reprises comme indiqué par la flèche 29, au niveau du calcul de la densité des tirs.
Le diagramme de la fig. 4 indique un exemple de la variation de la fréquence d'un quartz au cours de ces différentes opérations. En ordonnées sont portées les fréquences f et en abscisses le facteur d'ordre i. La fréquence de référence vers laquelle on fait tendre la fréquence du cristal de quartz 2 est indiquée par f0. Les différentes fréquences limites provisoires, pour i = 1, i=2, i = 3, i=4, i = 5 et i = 6, ont été portées le long de l'axe des fréquences et indiquées respectivement par fi (1), Q (2), fj (3), fj (4), f, (5) et f[ (6).
La première fréquence du quartz mesurée est indiquée par f q. On voit qu'elle est située en dessous de fj (1), de sorte qu'un tir à une densité de coups calculée avec le facteur d'ordre i = 1 est effectué. Ce tir amène la fréquence du quartz à la valeur f"q qui, comme le montre le diagramme, est supérieure à la fréquence limite provisoire pour i = 2, soit fi (2). Dès lors, il n'y a pas de tir à effectuer à une densité calculée avec le facteur d'ordre i = 2. Par contre, f'q étant inférieur à f] (3), une rafale est tirée avec le facteur i = 3, ce qui porte la fréquence du quartz à une nouvelle valeur f"'q qui, comme le montre le diagramme, est supérieure à la valeur de fj (4). Il n'y a donc pas de tir avec le facteur i=4. Cependant, f"'q étant inférieur à f| (5), un tir est effectué avec le facteur d'ordre i = 5. La nouvelle fréquence du quartz flV
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étant inférieure à ft (6), une rafale est tirée avec l'indice d'ordre i=6. La nouvelle fréquence fv
'q
étant encore inférieure à fj (6), une deuxième rafale est tirée avec ce même facteur d'ordre i=6. Enfin, la nouvelle fréquence fVI
lq
étant supérieure à fj (6), aucune rafale n'est plus tirée, la fréquence du cristal de quartz étant considérée comme bonne, c'est-à-dire dans une tolérance admissible.
Chacune des fréquences momentanées fq du cristal de quartz 2 est mesurée pendant un temps T(i) de façon que la précision de ces mesures augmente progressivement.
Avec un fréquencemètre équipé d'une base de temps à 10 MHz et pour une valeur de T0 égale à 125 ms, il est possible d'atteindre une précision de mesure de la fréquence égale à 0,8 • 10~6. Dans ces conditions, il est possible de réaliser une mise à la fréquence d'un résonateur dans un temps de l'ordre de 300 à 400 ms.
En utilisant un dispositif de mesure de fréquence dont les performances sont plus élevées, mais qui est évidemment plus coûteux, il serait possible d'obtenir une précision suffisante pour un temps de mesure de l'ordre de 10 ms. Dans ce cas, le temps de mesure pourrait rester fixe pendant toute l'opération.
Si les tolérances des quartz sont assez serrées et si la puissance du laser est stable, on peut encore diminuer le temps nécessaire à l'ajustement d'un quartz, en utilisant le mode de fonctionnement de la variante de la fig. 5 qui diffère de celui de la fig. 3 par le fait que l'on ne vérifie plus systématiquement après chaque tir si une deuxième rafale ayant la même densité de coups est nécessaire. La flèche 26 est donc supprimée. On n'effectue cette vérification que pour i = 1 ou i = 6. Cette condition est indiquée par le bloc 30. Si elle est remplie, on reprend les opérations au niveau de la mesure de la fréquence fq du quartz, comme indiqué par la flèche 31. Si cette condition n'est pas remplie, c'est-à-dire si i est différent de 1 et de 6, le processus recommence au bloc 24, comme indiqué par la flèche 32, par l'augmentation d'une unité du facteur d'ordre i. Quant au reste, le mode opératoire est le même que celui décrit ci-dessus.
Le résonateur partiellement représenté à la fig. 6 est constitué par un quartz ayant la forme d'un diapason. Ce quartz, désigné par 33, se distingue de celui de la fig. 2 par le fait que la zone métallisée, désignée par 34, ne recouvre pas entièrement l'extrémité des branches du diapason, comme dans le cas de la fig. 2, mais est déposée sur chacune des branches du diapason en bandes contiguës 34a à 34f dont la longueur L décroît en direction Y selon la loi
L(i) = L0-2-0-1),
où L0 est la longueur de la première bande, égale à la largeur d'une des branches du diapason, et i est à nouveau un facteur d'ordre variant de 1 à 6. La hauteur de chacune de ces bandes est telle qu'on puisse tirer sur chacune d'elles, par exemple, cinq rafales distinctes le long de lignes parallèles à l'axe X, lignes dont l'emplacement est marqué, sur la figure, par les traits pointillés 35.
Il en résulte qu'il n'y a plus besoin, d'une rafale à l'autre de tirs de rayons lasers, de diminuer la densité des coups de la rafale. On peut au contraire, dans ce cas, laisser constante la densité des coups des différentes rafales, la quantité Q de matière enlevée par une rafale étant alors déterminée par la longueur L de la bande atteinte par le faisceau du laser. Pour modifier cette quantité Q lorsque la fréquence mesurée du quartz se trouve être supérieure à la fréquence limite provisoire, on passe d'une bande de la surface métallisée 34 à la suivante.
Le procédé d'ajustement d'un tel résonateur est décrit par l'organigramme de la fig. 7. La recherche de la position Y0 du bord du quartz, selon l'axe des Y, est effectuée d'une manière analogue à la recherche de la position XQ du quartz selon l'axe des X dans le cas du premier mode de mise en œuvre (bloc 36). Lorsque cette position Y0 a été déterminée, le dispositif de commande 7 agit sur le déflecteur 9 de manière que le faisceau 10 soit déplacé de deux pas, par exemple, en direction Y, pour que la première rafale ne soit pas tirée trop près du bord supérieur du diapason (bloc 37). La hauteur de la première bande est d'ailleurs légèrement plus grande que celle des bandes suivantes pour tenir compte de ce déplacement initial.
Comme dans le premier mode de mise en œuvre du procédé, la valeur du facteur d'ordre i est ensuite fixée à 1 (bloc 38). La valeur d'un autre facteur d'ordre j est, elle, rendue égale au nombre maximal de rafales qui peuvent être tirées sur une bande, c'est-à-dire cinq dans l'exemple décrit (bloc 39).
Les opérations suivantes de calcul de la durée T(i) de la mesure de la fréquence (bloc 40), de calcul de la fréquence limite provisoire fj (i) (bloc 41), de mesure de la fréquence du quartz fq (bloc 42) et de comparaison entre fq et fj (bloc 43), sont les mêmes que dans le premier mode de mise en œuvre; le calcul de la densité du tir n'a plus de raison d'être effectué.
Si la comparaison de fréquence montre que fq ^ j (i), une rafale est tirée (bloc 44), et le faisceau est déplacé d'un pas en direction Y (bloc 45), comme dans le premier mode de mise en œuvre. Mais ensuite, avant de recommencer la mesure de la fréquence du quartz fq, le facteur d'ordre j est décrémenté d'une unité (bloc 46). Le processus continue, jusqu'à ce que le résultat de la comparaison (bloc 43) montre que fq > f] (i). Dans ce cas, le facteur d'ordre i est incréménté d'une unité et comparé à sa valeur maximale (blocs 48 et 49) et, si cette valeur maximale est dépassée, le processus est arrêté (bloc 50).
Sinon, le faisceau est déplacé de j pas en direction Y (bloc 51), de manière que la prochaine rafale soit tirée au début de la bande suivante. En effet, si, par exemple, deux rafales ont été tirées sur une des bandes, le facteur d'ordre j vaut 4, qui est justement le nombre de pas dont il faut déplacer le faisceau pour que la prochaine rafale soit tirée au début de la prochaine bande.
Le processus recommence alors, comme indiqué par la flèche 52, au bloc 39, où la valeur du facteur d'ordre j est à nouveau fixée à sa valeur maximale.
Si les tolérances de fabrication du résonateur sont tellement larges qu'il puisse arriver que la cinquième rafale tirée dans une bande n'amène pas encore la fréquence du quartz à une valeur supérieure à la fréquence limite provisoire, on peut prévoir, après la décrémentation du facteur d'ordre j au bloc 46, une comparaison entre la valeur de ce facteur j et la valeur 0, de manière à arrêter le processus si j = 0. Il est en effet inutile d'essayer de poursuivre l'ajustement du quartz qui ne pourra de toute façon pas être amené à la fréquence désirée.
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Claims (11)
1. Procédé d'ajustement de la fréquence d'un résonateur à cristal piézo-électrique par enlèvement de matière au moyen de tirs de rayons lasers exécutés en rafales, ledit procédé comportant des séquences successives de mesure de la fréquence du résonateur pendant une durée déterminée et de comparaison de la fréquence mesurée avec une fréquence limite, inférieure à la fréquence d'ajustement, caractérisé par le fait qu'on intervale une rafale de coups entre deux séquences successives de mesure et de comparaison lorsque la fréquence mesurée est inférieure ou égale à la fréquence limite, augmente la fréquence limite et diminue la quantité de matière enlevée par une rafale de coups à la fin d'une séquence lorsque la fréquence mesurée est supérieure à la fréquence limite.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la fréquence limite et la quantité de matière enlevée par une rafale de coups ont un nombre prédéterminé n de valeurs possibles qui sont fonction d'un facteur d'ordre i = 1,2,3,... n, augmentant d'une unité chaque fois que la fréquence mesurée est supérieure à ladite fréquence limite.
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REVENDICATIONS
3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on augmente également la durée de la mesure à la fin d'une séquence de mesure et de comparaison lorsque la fréquence mesurée est supérieure à la fréquence limite.
4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que la durée T de la mesure a également n valeurs possibles fonction du facteur d'ordre i et que cette durée T est donnée par
T(i) = T0-2-(n-'>
où T0 est la durée de la mesure permettant d'obtenir la précision maximale désirée.
5. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la quantité Q de matière enlevée par une rafale de coups est donnée par
Q(i) = Qo-2-a-l)
où Q0 est la quantité de matière enlevée par la première rafale de coups.
6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que la fréquence limite fj est donnée par où f0 est la fréquence d'ajustement,
Af est la variation de la fréquence du résonateur provoquée par une rafale de coups enlevant la quantité Q0 de matière, et e est un coefficient de sécurité tenant compte des tolérances de mesure et de comparaison.
7. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé par le fait qu'on diminue la quantité de matière enlevée par une rafale de coups en diminuant la densité des tirs.
8. Procédé suivant la revendication 5 d'ajustement de la fréquence d'un résonateur à cristal piézo-électrique comprenant des zones présentant une densité de matière différente, caractérisé par le fait qu'on diminue la quantité de matière enlevée par une rafale de coups en dirigeant les tirs sur une zone à plus faible densité de matière.
9. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on effectue une séquence de mesure et de comparaison après chaque rafale de coups.
10. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on effectue une séquence de mesure et de comparaison après une rafale de coups lorsque i = 1 ou n.
11. Résonateur à fréquence ajustée obtenu par la mise en œuvre du procédé suivant l'une des revendications précédentes.
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