SU683478A1 - Кварцевый микрорезонатор крутильных колебаний - Google Patents

Description

(54) КВАРЦЕВЫЙ МИКРОРЕЗОНЛТОР КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Изобретение относитс  к области радиоэлектроники и может быть использовано при конструировании и изготовлении микроминиатюрных кварцевых резонаторов , предназначенных дл  приме ,нени  в радиоэлектронных устройствах, а также бытовой электроники.

Известны кварцевые резонаторы крутильных колебаний, содержащие кварцевый стержень в форме пр моугольного параллелепипеда, ориентированный длиной вдоль кристаллографической оси х кварца, снабженный расположенными на его боковых гран х двум  парами возбуждающих электродов, кажда  из которых образована двум  противолежащими электродами с электрическими зар дами одного знака. Крепление кварцевого стержн  в этих резонаторах выполнено четырьм  проволочными дepжaтeл  tи, соединенными с кварцевым стержнем в центральных точках боковых граней ij.

Недостатками этих резонаторов  вл ютс  большие габариты и невысока  эксплуатационна  надежность, обусловленна  недостаточной устойчивостью их параметров к внешним механическим воздействи м.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемоь1у

результату  вл етс  кварцевый резонатор крутильных колебаний, содержащий кварцевый стержень в форме пр моугольного параллелепипеда, ориентированный длиной вдоль кристаллографической оси X кварца, снабженный расположенными на его боковых гран х двум  парами возбу ; дающих электродов, кажда  из которых образована двум 

0 противолежащиьш электродами с электрическими зар дами одного знака, два проволочных держател , выполненных из упругого материала, например фосфористой бронзы, соединенных с квар5 цевым стержнем в центральных точках ,торцовых граней, и корпус с выводами 2 ..

Однако данный резонатор не может

0 быть выполнен в микроминиатюрном ис- полнении, пригодном, например, дл  применени  в наручных электронных часах, из-за недопустимого ухудшени  электрических параметров, св занных с уменьшением объема резонатора, а

5 следовательно, и вход щего в него пьезоэлемента. Кроме того, при указанных соотношени х размеров и кристаллографической ориентации кварцевого стержн  резонатор обладает

Claims (2)

1. 0 недостаточно высокой эксплуатацией ной надежностью. Целью изобретени   вл етс  снижение габаритов при сохранении неизменными электрических параметров и повышении эксплуатационной надежност Указанна  цель достигаетс  тем, что кварцевый стержень снабжен элект родным покрытием на его торцах, при этом одна пара противолежащих электродов на боковых гран х стержн  сое динена с электродным покрытием, расположенным на одном из его торцов, а друга  - с электродным покрытием, расположенным на другом торце кварцевого стержн , отношение ишрины к 1длине кварцевого стержн  составл ет от 0,1 до 0,3, отношение толщины к его ширине - от 0,5 до 1,0, а боковые грани кварцевого стержн  наклоне ны относительно кристаллографических осей Y и Z кварца под углом от ±30 до ±60°, Кроме того, проволочные держатели выполнены в виде пр мых отрезков, пр . этом длина отрезков проволоки равна нечетному числу четвертой длины волн расггростран ющихс  по ним колебаний кручени . Увеличение отношени  ширины кварцевого стержн  к его длине до 0,3 позвол ет увеличить отношение объема кварцевого стержн  к его поверхности и тем самым снизить удельный вес поверхностных потерь и потерь в месте креплени  к кварцевому стержню прово лочных дерлсателей. Вли ние этих факторов на электрические параметры осо бенно сильно именно дл  микроминиатюрных резонаторов. Пределы отношени ширины к длине от 0,1 до 0,3 объективно обоснованы, поскольку при вели чине отношени , меньшем 0,1, габариты микрорезонаторов недопустимо возрастают , а при отношении, большем 0, настолько возрастает вли ние техноло гических и конструктивных факторов, что электрические параметры микрорезонаторов ухудшаютс . Увеличение отношени  ширины кварцевого стержн  к его длине приводит к необходимости изменени  его кристаллографической ориентации, так как от соотношени  геометрических размеров кварцевого стержн  зависит положение экстремума температурно-частот ной характеристики (ТЧХ) резонатора. У данного микрорезонатора кварцевый стержень имеет наклон боковых граней по отношению к кристаллографическим ос м на угол, отличный во многих слу ча х от i 45 и заключенный в пределак ±30до t60°. Однако минимальный температурный коэффициент частоты (ТКЧ) при такой ориентации может быт получен не дл  всех существуклцих зна чений отношени  толщины к ширине кварцевого стержн . Приемлемые значени  электрических параметров: ТКЧ, эквивалентного сопротивлени  и др, обеспечиваютс  только при выборе отношбни  толщины к ширине кварцевого стержн  в пределах от 0,5 до 1,0. Нанесение электродных покрытий на торцы кварцевого стержн  предложенпым образом, нар ду с закреплением его по торцам, позвол ет сократить габариты микрорезонатора за счет уменьшени  его ширины и высоты практически до значений, лишь незначительно превышающих поперечные размеры стержн , при сохранении неизменными электрических параметров. На фиг.1 показан общий вид ориентации кварцевого стержн  относительно кристаллографических осей пьезокристалла; на фиг,2 - обилий вид кварцевого стержн , с нанесенными на него электродами, показан характер силовы5г линий электрического пол  в некоторый момент времени;на фи.З общий вид смонтированного микрорезонатора с кварцевым стержнем, показанным на фиг. 2. На фиг,1 показан кварцевый стержень 1, имеющий длину L, ширину W и толщину Т, Кварцевый стержень 1 изготовлен из монокристалла кварца, но возможно использование и других пьезокристаллов или пьезокерамики. Кварцевый стержень 1 выполнен в общем случае с пр моугольным поперечным сечением . Введена втора  система пр моугольных координат в дополнение к обычной системе кристаллографических осей X , YrZ: перва  ось приведена в направлении ширины, втора  - в направлении толщины, а треть  - в направлении длины кварцевого стержн . Первой из перечисленных осей присвоено обозначение Z , второй Y , а продольна  ось совпадает с кристаллографической осью К кварца. Кристаллографические оси К ,Y и 2 соответствуют основной установке кварца, обычно используемой при математическом описании физических свойств кварца. Обе стороны осей показаны на фиг.1. На фиг.1 изображен кварцевый стержень 1,.повернутый вокруг кристаллографической оси X на угол, близкий к 45, так что оси Y и 2, составл ют с ос ми Y и Z соответственно этот угол. Относительный угол поворота кварцевого стержн  1 вокруг оси X может существенно отличатьс  от 45 и иметь любые значени  в зависимости от конкретных требований к электрическим параметрам микрорезонатора, в пределах от до ±60. Кварцевый стержень 1 с нанесенны ми на него электродами 2-7 показан на фиг,2. Электроды 2-5, нанесенные на четыре боковые грани кварцевого стержн  1, служат дл  возбуждени  в кварцевом стержне пьезоэлектрических деформаций, а электроды 6 и 7, нанесенные на торцовие грани кварцевого стержн , предназначены дл  элек трической коммутации электродов на боковых гран х и соединени  с внешне электрической цепью. Электроды нанос тс  методом испарени  металла в вакууме или любым другим методом. .Электрода 2 и 4 соединены между собой через электрод 6, а электроды 3 и 5 - через электрод 7. На электроды 2,4 и 6 некоторый момент времени подаетс  электрический потенциал одного знака, например положительный, в то врем , как электроды 3,5 и 7 в тот же момент подаетс  потенциал про тивоположного знака, в данном случае отрицательный, как это показано на фиг.2. Пьезоэлектрические деформации в кварцевых стержн х среза ух 6/р,где Р заключено в пределах от -30 до -60° и от +30 до +60 при приложении к ним электрического пол , образованного указанными выше потенциалами вызывают деформацию кручени  вокруг продольной оси, Если знаки электрических потенциалов мен ютс  на противоположные с частотой, соответствующей собственно частоте колебаний кручени  кварцево го стержн  1, то последний совершает резонансные крутильные колебани  вокруг оси, совпадающей с кристаллогра фической осью кварца X. Собственна  (резонансна ) частота крутильных колебаний кварцевого стер жн  рассчитываетс  по формуле где Ь - длина кварцевого стержн  в мм N - частотный коэффициент в кГц мм Величина частотного коэффициента может находитьс  в пределах от 1400 до 1900 КГЦ,мм в зависимости от угла среза i° и соотношени  размеров W/T (в рассматриваемом случае толщина Т всегда наименьший размер кварцевого стержн  1, .длина L - наибольший размер , а ширина W - средний между ними ) , Проволочные держатели 8 и 9, служащие одновременно токоотводами, при соединены к электродам б и 7 соответ ственно в центрах тори.овых граней стержн  1, как это показано на фиг.3. Присоединение может осуществл тьс  пай.кой каким-либо припоем, термокомпрессионной сваркой или другим способом . Противоположными кoнцa И прО волочные держатели 8 и 9 присоединен к стойкам 10 и 11 соответственно основани  12 корпуса. Эти соединени  обеспечивают механическое закреплени кварцевого стержн  1 на основании 12 а также электрический контакт электродов , нанесенных на кварцевый стер жень 1, с внешней электрической цепью через стойки 10 и 11, служащие одновременно токовыми выводами микрорезонатора . Основание 12 сконструировано таким образом, чтобы к нему можно было прикрепить кожух, служа1дий дл  защиты кварцевого стержн  1 и всей конструкции м крорезонатора от механических повреждений и внешних атмосферных воздействий. Когда к стойкам 10 и 11 подводитс  переменное электрическое напр жение, противолежащие электроды 2 и 4 приобретают потенциал, противопо ложный потенциалу другой пары противолежащих электродов 3 и 5, что обуславливает кручение кварцевого стержн  1, показанное на фиг.2 пунктирной линией. Объем кварцевого стержн , соответствующего данному изобретению, например , на частоту колебаний 262 кГц составл ет лишл 1/3 - 1,4 объема кварцевого стержн , чаще всего используемого в этом диапазоне среза ДТ на ту же частоту, а крепление кварцевого стержн  с крутильными колебани ми описанным выше образом нар ду с указанными соотношени ми его размеров и относительной ориентацией обеспечивают возможность уменьшени  объема всего резонатора среза ДГ в 1030 раз (при сохранении неизменными электрических параметров). В результате этого повышаетс  механическа  устойчивость микрорезонатора и его эксплуатационна  надежность. Благодар  малым размерам, высокой механической устойчивости и высоким значением электрических параметров, предложенный микрорезонатор крутильных колебаний может особенно эффективно использоватьс  в миниатюрных электронных приборах точного времени , например в наручных часах. Замена предложенным микрорезонатором повсеместно примен емых в наручных электрических часах резонаторов с изгибными колебани ми позволитв несколько раз (не менее, чем в двое) повысить точность хода таких часов и заметно уменьшить их размеры , что  вл етс  задачей первостепенной важности. Принципиально более проста , чем у резонаторов с изгибными колебани гш , конструкци  предложенного микро резонатора обеспечивает, нар жу с высоким коэффициентом выхода годных при изготовлении, более низкую его себестоимость , особенно при массовом изготовлении . Формула изобретени  1. Кварцевый микрорезонатор крутильных колебаний, содержащий кварцевьЛй стержень в форме пр моугольного параллелепипеда, ориентированный длиной вдоль крислаллографической оси X кварца, снабженный расположен ными на его боковых гран х двум  парами возбуждающих электродов, кажда  из которых образована двум  противолежащими - электродами с электрическийи зар дами одного знака, два проволоч- ных держател , выполненных из упругого материала, например фосфористой бронзы, соединенных с кварцевым стержнем в центральных точках торцовых раней,- И корпус с выводами,о т л и ч а ищи йс   тем, что, с целью снижени  габаритов при сохранении неизменными электрических параметрой и повышени  эксплуатационной надежности , кварцевый стержень снабжен электродным покрытием на его торцах, при этом одна пара противолежащих электродов на боковых гран х кварцевого стержн  соединена с электродным покрытием, расположенным на одном из его торцов, друга  - с электродным покрытием, расположенным на другом торце кварцевого стержн , отис иёние ширины к длине кварцевого стержн  составл ет от 0,1 до 0,3, отношение толщины к его ширине составл ет от 0,5 до 1,0, а боковые грани кварцевого стержн  наклонены относительно кристаллографических осей Y и Z кварца- под углом ±30 до i 60.
2. 2. Кварцевый микрорезонатор крутильных колебаний по п.1, отличаю щ. и и с  тем, что проволочны держатели выполнены в виде пр мых отрезков , при этом длина отрезков проволоки равна нечетному числу четвертой длины волны распростран ющихс  по ним колебаний кручени .

   Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

   1.Авторское свидетельство СССР № 151389, кл. Н 03 Н 9/20, 1966 г.

   2.Сборник Электронна  техника, сер.IX, 1970, вып. 6, стр.6-12 (прототип ) .