РЕЗОНАТОР, ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫЙ С ПОМОЩЬЮ МЕТАЛЛА С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ Российский патент 2017 года по МПК H03H9/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к термокомпенсированному резонатору пружинно-балансного или камертонного типа, позволяющему изготавливать часовое или частотное устройство, тепловые коэффициенты которого, по существу, равны нулю до первого порядка или даже до второго порядка.

Уровень техники

В европейском патенте ЕР №1422436 раскрывается пружина баланса, изготовленная из кремния и покрытая диоксидом кремния таким образом, чтобы сделать ее термический коэффициент, по существу, равным нулю в температурном диапазоне, определяемом Швейцарским официальным институтом тестирования хронометров (COSC), т.е. от +8 до +38°C. Аналогичным образом, в документе WO №2008-043727 раскрывается резонатор микроэлектромеханической системы, который обладает аналогичными свойствами незначительного изменения модуля Юнга в этом же температурном диапазоне.

Между тем, в зависимости от области применения, для изменения частоты в раскрываемых выше устройствах может потребоваться сложная процедура коррекции. Например, для того чтобы электронные кварцевые часы были сертифицированы COSC, необходимо использовать электронную коррекцию в зависимости от измеряемой температуры.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы устранить все или часть вышеуказанных недостатков, предложив резонатор, термокомпенсируемый по меньшей мере до первого порядка.

В этой связи изобретение относится к термокомпенсированному резонатору, содержащему деформированное тело, внутренняя часть тела образована из первого материала, по меньшей мере одна часть тела содержит по меньшей мере одно покрытие из металла с памятью формы, изменение модуля Юнга которого в зависимости от температуры имеет противоположный знак по сравнению со значением первого материала, использованного во внутренней части так, чтобы изменение частоты указанного резонатора в зависимости от температуры было бы, по существу, равно нулю по меньшей мере до первого порядка.

Предпочтительно деформированное тело резонатора может иметь единственное покрытие для компенсации до одного или двух порядков. Поэтому, в зависимости от значений и знаков членов каждого порядка для материала покрытия, расчет толщины покрытия осуществляют таким образом, чтобы компенсировать по меньшей мере первый порядок.

Согласно изобретению:

- внутренняя часть тела содержит стекло, металлическое стекло, техническую керамику, керамическое стекло, монокристаллический кремний, который может быть или не быть легированным, поликристаллический кремний, который может быть или не быть легированным, или кварц;

- указанное по меньшей мере одно покрытие содержит сплав на основе Cu-Zn, Co-Ni, Ni-Ti или Cu-Al;

- тело имеет сечение, форма которого является, по существу, четырехугольной, а стороны которого попарно идентичны;

- тело имеет сечение, форма которого является, по существу, четырехугольной, а стороны полностью покрыты покрытием;

- указанное по меньшей мере одно покрытие образует барьер для влаги;

- указанное по меньшей мере одно покрытие является парамагнитным или диамагнитным;

- тело является прутком, который скручен в спираль, образуя пружину баланса, и соединен с маховиком;

- тело содержит по меньшей мере два прутка, установленных симметрично так, чтобы они образовывали камертон.

Наконец, изобретение также относится к часовому или частотному устройству, такому как, например, хронометр. Устройство содержит резонатор по одному из предыдущих вариантов.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества станут понятны из описания, которое приведено в качестве примера, а не в качестве ограничения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:

- фиг.1 - вид в перспективе части резонатора пружина-баланс;

- фиг.2 - типовое сечение спиральной пружины по фиг.1;

- фиг.3 и 4 - альтернативные варианты сечения резонатора по изобретению;

- фиг.5 - общий вид в перспективе резонатора камертонного типа;

- фиг.6 и 7 - альтернативные варианты сечения резонатора по изобретению.

Осуществление изобретения

Как отмечалось выше, изобретение относится к хронометру, содержащему резонатор, который может быть пружинно-балансного или камертонного типа. Между тем, специалисту в данной области техники, после ознакомления с предлагаемыми ниже идеями, без труда станут очевидны другие области применения резонатора.

Относительное изменение частоты резонатора можно определить следующей формулой

,

где - относительное изменение частоты (миллионные доли или 10^-6);

А - константа, зависящая от эталонной точки (миллионные доли);

Т₀ - опорная температура (°C);

α - термический коэффициент первого порядка (миллионные доли °C^-1);

β - термический коэффициент второго порядка (миллионные доли °С^-2);

γ - термический коэффициент третьего порядка (миллионные доли °С^-3).

Кроме этого, температурный коэффициент упругости (СТЕ) выражает относительное изменение модуля Юнга в зависимости температуры. Термины «α» и «β», используемые ниже, таким образом выражают соответственно термические коэффициенты первого и второго порядков, т.е. относительное изменение частоты резонатора в зависимости от температуры. Термины «α» и «β» зависят от температурного коэффициента упругости тела резонатора и от коэффициента расширения тела. Кроме этого, члены «α» и «β» также учитывают коэффициенты, характеризующие возможную отдельную инерцию, такую как, например, балансового колеса (образующего маховик) для резонатора пружина-баланс.

Для поддержания колебаний всего резонатора, используемого в часовом или частотном устройстве, термическая зависимость также играет определенную роль в системе поддержания.

Наиболее важным параметром, следовательно, является температурный коэффициент упругости (СТЕ), который не следует путать с английской аббревиатурой СТЕ (коэффициент теплового расширения), относящейся к коэффициенту расширения.

Температурный коэффициент упругости (СТЕ) большинства металлов является сильно отрицательным, порядка -1000 миллионных долей °C^-1. Поэтому их нецелесообразно использовать при изготовлении пружины баланса. Для решения данной проблемы были разработаны сложные сплавы, вроде Ниварокс СТ. Тем не менее, ими сложно управлять, в частности, при их изготовлении.

Поэтому изобретением предлагаются альтернативные материалы для формирования указанных резонаторов. Изобретение, таким образом, относится к термокомпенсированному резонатору 1, 11, содержащему тело 5, 15, которое используется в деформированном виде, внутренняя часть 8, 18 тела 5, 15 сформирована из первого материала, такого как керамика - материала на основе кремния или материала на основе кварца.

Керамику можно рассматривать как изделие, имеющее глазурованную или неглазурованную основу, с кристаллической или частично кристаллической структурой, либо состоящую из стекла, основа которого получена из неорганического, металлического или неметаллического вещества, и которая образована из расплавленной массы, которая отверждается при охлаждении, либо которая сформирована и выдержана до готовности, одновременно или через определенное время, путем нагрева.

Керамика по изобретению, следовательно, включает в себя, в частности, обычное стекло, метглас, техническую керамику, такую как карбид кремния или керамическое стекло.

Материал на основе кремния может быть, например, монокристаллическим кремнием, поликристаллическим кремнием, легированным монокристаллическим кремнием или легированным поликристаллическим кремнием, которые могут включать в себя слой собственного оксида или оксидный слой большей толщины, чем собственный оксид. Наконец, материал на основе кварца предпочтительно является природным или синтетическим диоксидом кремния с кристаллами трехгранной формы альфа или бета типа.

Предпочтительно, согласно изобретению, по меньшей мере одна часть тела 5, 15 содержит по меньшей мере одно покрытие 2, 4, 6, 12, 14, 16 из металла с памятью формы, изменения модуля Юнга которого в зависимости от температуры CTE₁ имеют противоположный знак по сравнению со значениями СТЕ₂ первого материала, используемого для внутренней части 8, 18 так, чтобы изменение частоты указанного резонатора в зависимости от температуры было бы, по существу, равно нулю по меньшей мере до первого порядка α, β.

Указанное по меньшей мере одно покрытие 2, 4, 6, 12, 14, 16 из металла с памятью формы может содержать, например, сплав на основе Ag-Cd, Au-Cd, Co-Ni, Cu-Al, Cu-Mn, Cu-Sn, Cu-Zn, Fe-Mn-Si, Fe-Ni, Fe-Pt, Ni-Ti, Ni-Mn или Ti-Pd. При этом указанное по меньшей мере одно покрытие 2,4, 6, 12, 14,16 предпочтительно содержит сплав на основе Cu-Zn, Co-Ni, Ni-Ti или Cu-Al.

На самом деле, желательно, чтобы покрытие было электропроводящим и не особенно чувствительным к действию магнитных полей для того, чтобы исключить паразитное смещение относительно заданной траектории тела. Кроме этого, эти металлы с памятью формы желательно являются химически очень стойкими. Например, они очень устойчивы к чистке и нечувствительны к влаге, что позволяет использовать их в качестве отличного барьера против влаги.

В примере по фиг. 1 и 2 показана пружина 1 баланса, тело 5 которой является единым элементом с ее муфтой 3, и ее термические коэффициенты первого порядка α или даже второго порядка β компенсируются за счет использования двух материалов, соответственно для внутренней части 8 и покрытия 6. На фиг.2 показано сечение тела 5 пружины 1 баланса, на котором более отчетливо видно, что сечение имеет четырехугольную форму. Следовательно, тело 5 определяется его длиной 1, его высотой h и его толщиной е.

На фиг.2 показан пример, где внутренняя часть 8 полностью закрыта покрытием. Разумеется, на фиг.2 показан лишь один неограничивающий пример. Между тем, пружина 1 баланса может содержать покрытие 2, 4, 6 по меньшей мере на одной из ее частей, например на одной или нескольких гранях или даже на всей внешней поверхности тела 5, как это, например, показано на фиг. 3 и 4. К сведению, покрытия 2, 4, 6 показаны не в масштабе относительно размеров внутренней части 8, это сделано для того, чтобы более наглядно показать расположение каждой части.

Поэтому следует понимать, что тело может содержать, неограничивающим образом, сечение, которое имеет, по существу, четырехугольную форму, на одну из граней которого нанесено покрытие, или грани которого попарно идентичны или даже грани, которые полностью идентично закрыты или не закрыты покрытием.

Аналогичным образом, на фиг.5 показан резонатор 11 по изобретению камертонного типа. Тело 15 резонатора образовано основанием 13, которое соединено с двумя плечами 17, 19, которые должны вибрировать. Например, используемый камертон 11 является устройством реверсивного типа, т.е. основание 13 проходит между двумя плечами 17, 19 лапчатого типа, т.е. два плеча 17, 19 содержат на их торцах лапы 20, 22, и являются канавчатого типа, т.е. два плеча 17, 19 содержат канавки 24, 26. Между тем, следует понимать, что существует множество возможных вариантов камертона, которые могут, неограничивающим образом, быть реверсивного типа, и/или канавчатого типа, и/или конического типа, и/или лапчатого типа.

Камертон 11 по изобретению желательно имеет термические коэффициенты до первого порядка α или даже до второго порядка β, которые компенсируются нанесением покрытия 12, 14, 16 на внутреннюю часть 18 тела 15. На фиг. 6 и 7 показаны 2 неограничивающих примера сечения тела 15 камертона 11 в плоскости А-А. На сечениях в виде четырехугольных канавок видна внутренняя часть 18 тела 15, по меньшей мере на одну из частей одной или нескольких граней или даже на всю внешнюю поверхность тела 15 нанесено по меньшей мере одно покрытие 12, 14, 16. Также как и в первом примере, покрытия 12, 14, 16 показаны не в масштабе относительно размеров внутренней части 18, это сделано для того, чтобы более наглядно показать расположение каждой части.

Внутренняя часть 8, 18 резонатора 1, 11 может быть изготовлена из керамики - материала на основе кремния или материала на основе кварца. Между тем, круг подобных материалов достаточно широк. Поэтому предпочтительно использовать материалы с низким температурным коэффициентом упругости (СТЕ) и низким коэффициентом расширения (α_spi).

Следовательно, можно использовать кварцевое стекло, также называемое плавленым кварцем, и кристаллический кварц.

В соответствии со способом изготовления первого материала величина получаемого температурного коэффициента упругости (СТЕ), в целом, оказывается низкой и является положительной или отрицательной, т.е. от 100 до 500 миллионных долей °C^-1.

В результате покрытие 2, 4, 6, 12, 14, 16 имеет температурный коэффициент упругости (СТЕ), который является положительным или отрицательным. Как было рассмотрено выше, такое покрытие, следовательно, может содержать металлический сплав с памятью формы, предпочтительно такой как сплав на основе Cu-Zn, Co-Ni, Ni-Ti или Cu-Al. Например, внутренняя часть 8, 18 из монокристаллического кремния резонатора 1, 11 по изобретению, таким образом, может быть термически компенсированной за счет покрытия 2, 4, 6, 12, 14, 16 на основе Ni-Ti толщиной порядка микрометра, имеющего положительный температурный коэффициент упругости (СТЕ).

Как было рассмотрено выше, следует понимать, что первый материал может иметь температурный коэффициент упругости (СТЕ) до первого порядка и до второго порядка, который может быть как положительным, так и отрицательным. Поэтому покрытие или покрытия 2, 4, 6, 12, 14, 16, наносимые на внутреннюю часть 8, 18, могут в этом случае иметь температурные коэффициенты упругости (СТЕ) до первого порядка и до второго порядка как положительные, так и отрицательные.

Предпочтительно нанесение покрытий 2, 4, 6, 12, 14, 16 из металла с памятью формы осуществляется напылением. Как вариант, для улучшения сцепления и/или проницаемости указанного покрытия перед нанесением основного покрытия 2, 4, 6, 12, 14, 16 также может наноситься связующий слой, например из хрома.

Изобретение относится к термокомпенсированному резонатору пружинно-балансного типа или камертонного типа. Технический результат заключается в упрощении коррекции таких устройств. Заявленный резонатор (1, 11) содержит деформированное тело (5, 15), внутренняя часть (8, 18) тела (5, 15) изготовлена из первого материала. Причем по меньшей мере одна часть тела (5, 15) содержит одно покрытие (2, 4, 6, 12, 14, 16) из металла с памятью формы, изменение модуля Юнга которого в зависимости от температуры (СТЕ) имеет противоположный знак по сравнению со значениями (СТЕ) первого материала, использованного для внутренней части (8, 18), так, чтобы изменение частоты указанного резонатора в зависимости от температуры было бы, по существу, равно нулю по меньшей мере до первого порядка (α, β). 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Термокомпенсированный резонатор (1, 11), содержащий тело (5, 15) в деформированном виде, внутренняя часть (8, 18) которого изготовлена из первого материала, отличающийся тем, что по меньшей мере одна часть тела (5, 15) содержит по меньшей мере одно покрытие (2, 4, 6, 12, 14, 16), выполненное из металла с памятью формы, у которого изменение (СТЕ) модуля Юнга в зависимости от температуры имеет противоположный знак по сравнению с изменением (СТЕ) модуля Юнга первого материала, использованного для внутренней части (8, 18) тела, так что изменение частоты указанного резонатора в зависимости от температуры, по существу, равно нулю по меньшей мере до первого порядка (α, β).

2. Резонатор (1, 11) по п.1, отличающийся тем, что внутренняя часть (8, 18) тела (5, 15) содержит стекло, металлическое стекло, техническую керамику или керамическое стекло.

3. Резонатор (1, 11) по п.1, отличающийся тем, что внутренняя часть (8, 18) тела (5, 15) содержит монокристаллический кремний, легированный или нелегированный, либо поликристаллический кремний, легированный или нелегированный.

4. Резонатор (1, 11) по п.1, отличающийся тем, что внутренняя часть (8, 18) тела (5, 15) содержит кварц.

5. Резонатор (1, 11) по п.1, отличающийся тем, что указанное по меньшей мере одно покрытие (2, 4, 6, 12, 14, 16) содержит сплав на основе Cu-Zn, Co-Ni, Ni-Ti или Cu-Al.

6. Резонатор (1, 11) по п.1, отличающийся тем, что тело (5, 15) имеет сечение, по существу, прямоугольной формы со сторонами, попарно идентичными.

7. Резонатор (1, 11) по п.1, отличающийся тем, что тело (5, 15) имеет сечение, по существу, прямоугольной формы, при этом стороны тела полностью закрыты покрытием.

8. Резонатор (1, 11) по п.1, отличающийся тем, что указанное по меньшей мере одно покрытие (2, 4, 6, 12, 14, 16) образует барьер для влаги.

9. Резонатор (1, 11) по п.1, отличающийся тем, что указанное по меньшей мере одно покрытие (2, 4, 6, 12, 14, 16) является парамагнитным или диамагнитным.

10. Резонатор (1, 11) по п.1, отличающийся тем, что тело (5) представляет собой пруток, скрученный в спираль, которая образует пружину баланса и соединена с маховиком.

11. Резонатор (1, 11) по п.1, отличающийся тем, что тело (15) содержит по меньшей мере два прутка (17, 19), установленные симметрично таким образом, что они образуют камертон.

12. Хронометр, характеризующийся тем, что содержит по меньшей мере один резонатор (1, 11) по любому из пп.1-11.