Кварцевый микрорезонатор крутильных колебаний Советский патент 1982 года по МПК H03H9/15 

(54) КВАРЦЕВЫЙ МИКРОРЕЗОНЛТОР КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

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

Известны кварцевые резонаторы крутильных колебаний, содержащие кварцевый стержень в форме прямоугольного параллелепипеда, ориентированный длиной вдоль кристаллографической оси х кварца, снабженный расположенными на его боковых гранях двумя парами возбуждающих электродов, каждая из которых образована двумя противолежащими электродами с электрическими зарядами одного знака. Крепление кварцевого стержня в этих резонаторах выполнено четырьмя проволочными дepжaтeля tи, соединенными с кварцевым стержнем в центральных точках боковых граней ij.

Недостатками этих резонаторов являются большие габариты и невысокая эксплуатационная надежность, обусловленная недостаточной устойчивостью их параметров к внешним механическим воздействиям.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемоь1у

результату является кварцевый резонатор крутильных колебаний, содержащий кварцевый стержень в форме прямоугольного параллелепипеда, ориентированный длиной вдоль кристаллографической оси X кварца, снабженный расположенными на его боковых гранях двумя парами возбу ; дающих электродов, каждая из которых образована двумя

0 противолежащиьш электродами с электрическими зарядами одного знака, два проволочных держателя, выполненных из упругого материала, например фосфористой бронзы, соединенных с квар5цевым 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, для применения в наручных электронных часах, из-за недопустимого ухудшения электрических параметров, связанных с уменьшением объема резонатора, а

5 следовательно, и входящего в него пьезоэлемента. Кроме того, при указанных соотношениях размеров и кристаллографической ориентации кварцевого стержня резонатор обладает

0 недостаточно высокой эксплуатацией ной надежностью. Целью изобретения является снижение габаритов при сохранении неизменными электрических параметров и повышении эксплуатационной надежност Указанная цель достигается тем, что кварцевый стержень снабжен элект родным покрытием на его торцах, при этом одна пара противолежащих электродов на боковых гранях стержня сое динена с электродным покрытием, расположенным на одном из его торцов, а другая - с электродным покрытием, расположенным на другом торце кварцевого стержня, отношение ишрины к 1длине кварцевого стержня составляет от 0,1 до 0,3, отношение толщины к его ширине - от 0,5 до 1,0, а боковые грани кварцевого стержня наклоне ны относительно кристаллографических осей Y и Z кварца под углом от ±30 до ±60°, Кроме того, проволочные держатели выполнены в виде прямых отрезков, пр .этом длина отрезков проволоки равна нечетному числу четвертой длины волн расггространяющихся по ним колебаний кручения. Увеличение отношения ширины кварцевого стержня к его длине до 0,3 позволяет увеличить отношение объема кварцевого стержня к его поверхности и тем самым снизить удельный вес поверхностных потерь и потерь в месте крепления к кварцевому стержню прово лочных дерлсателей. Влияние этих факторов на электрические параметры осо бенно сильно именно для микроминиатюрных резонаторов. Пределы отношени ширины к длине от 0,1 до 0,3 объективно обоснованы, поскольку при вели чине отношения, меньшем 0,1, габариты микрорезонаторов недопустимо возрастают, а при отношении, большем 0, настолько возрастает влияние техноло гических и конструктивных факторов, что электрические параметры микрорезонаторов ухудшаются. Увеличение отношения ширины кварцевого стержня к его длине приводит к необходимости изменения его кристаллографической ориентации, так как от соотношения геометрических размеров кварцевого стержня зависит положение экстремума температурно-частот ной характеристики (ТЧХ) резонатора. У данного микрорезонатора кварцевый стержень имеет наклон боковых граней по отношению к кристаллографическим осям на угол, отличный во многих слу чаях от i 45 и заключенный в пределак ±30до t60°. Однако минимальный температурный коэффициент частоты (ТКЧ) при такой ориентации может быт получен не для всех существуклцих зна чений отношения толщины к ширине кварцевого стержня. Приемлемые значения электрических параметров: ТКЧ, эквивалентного сопротивления и др, обеспечиваются только при выборе отношбния толщины к ширине кварцевого стержня в пределах от 0,5 до 1,0. Нанесение электродных покрытий на торцы кварцевого стержня предложенпым образом, наряду с закреплением его по торцам, позволяет сократить габариты микрорезонатора за счет уменьшения его ширины и высоты практически до значений, лишь незначительно превышающих поперечные размеры стержня, при сохранении неизменными электрических параметров. На фиг.1 показан общий вид ориентации кварцевого стержня относительно кристаллографических осей пьезокристалла; на фиг,2 - обилий вид кварцевого стержня, с нанесенными на него электродами, показан характер силовы5г линий электрического поля 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 прямоугольным поперечным сечением. Введена вторая система прямоугольных координат в дополнение к обычной системе кристаллографических осей X , YrZ: первая ось приведена в направлении ширины, вторая - в направлении толщины, а третья - в направлении длины кварцевого стержня. Первой из перечисленных осей присвоено обозначение Z , второй Y , а продольная 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, составляют с осями Y и Z соответственно этот угол. Относительный угол поворота кварцевого стержня 1 вокруг оси X может существенно отличаться от 45 и иметь любые значения 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 стержня 1, служат для возбуждения в кварцевом стержне пьезоэлектрических деформаций, а электроды 6 и 7, нанесенные на торцовие грани кварцевого стержня, предназначены для элек трической коммутации электродов на боковых гранях и соединения с внешне электрической цепью. Электроды наносятся методом испарения 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 подается электрический потенциал одного знака, например положительный, в то время, как электроды 3,5 и 7 в тот же момент подается потенциал про тивоположного знака, в данном случае отрицательный, как это показано на фиг.2. Пьезоэлектрические деформации в кварцевых стержнях среза ух 6/р,где Р заключено в пределах от -30 до -60° и от +30 до +60 при приложении к ним электрического поля, образованного указанными выше потенциалами вызывают деформацию кручения вокруг продольной оси, Если знаки электрических потенциалов меняются на противоположные с частотой, соответствующей собственно частоте колебаний кручения кварцево го стержня 1, то последний совершает резонансные крутильные колебания вокруг оси, совпадающей с кристаллогра фической осью кварца X. Собственная (резонансная) частота крутильных колебаний кварцевого стер жня рассчитывается по формуле где Ь - длина кварцевого стержня в мм N - частотный коэффициент в кГц мм Величина частотного коэффициента может находиться в пределах от 1400 до 1900 КГЦ,мм в зависимости от угла среза i° и соотношения размеров W/T (в рассматриваемом случае толщина Т всегда наименьший размер кварцевого стержня 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 стержня 1, как это показано на фиг.3. Присоединение может осуществляться 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 основания 12 корпуса. Эти соединения обеспечивают механическое закреплени кварцевого стержня 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 для защиты кварцевого стержня 1 и всей конструкции мякрорезонатора от механических повреждений и внешних атмосферных воздействий. Когда к стойкам 10 и 11 подводится переменное электрическое напряжение, противолежащие электроды 2 и 4 приобретают потенциал, противопо ложный потенциалу другой пары противолежащих электродов 3 и 5, что обуславливает кручение кварцевого стержня 1, показанное на фиг.2 пунктирной линией. Объем кварцевого стержня, соответствующего данному изобретению, например, на частоту колебаний 262 кГц составляет лишл 1/3 - 1,4 объема кварцевого стержня, чаще всего используемого в этом диапазоне среза ДТ на ту же частоту, а крепление кварцевого стержня с крутильными колебаниями описанным выше образом наряду с указанными соотношениями его размеров и относительной ориентацией обеспечивают возможность уменьшения объема всего резонатора среза ДГ в 1030 раз (при сохранении неизменными электрических параметров). В результате этого повышается механическая устойчивость микрорезонатора и его эксплуатационная надежность. Благодаря малым размерам, высокой механической устойчивости и высоким значением электрических параметров, предложенный микрорезонатор крутильных колебаний может особенно эффективно использоваться в миниатюрных электронных приборах точного времени, например в наручных часах. Замена предложенным микрорезонатором повсеместно применяемых в наручных электрических часах резонаторов с изгибными колебаниями позволитв несколько раз (не менее, чем в двое) повысить точность хода таких часов и заметно уменьшить их размеры, что является задачей первостепенной важности. Принципиально более простая, чем у резонаторов с изгибными колебаниягш, конструкция предложенного микро резонатора обеспечивает, наряжу с высоким коэффициентом выхода годных при изготовлении, более низкую его себестоимость, особенно при массовом изготовлении . Формула изобретения 1. Кварцевый микрорезонатор крутильных колебаний, содержащий кварцевьЛй стержень в форме прямоугольного параллелепипеда, ориентированный длиной вдоль крислаллографической оси X кварца, снабженный расположен ными на его боковых гранях двумя парами возбуждающих электродов, каждая из которых образована двумя противолежащими - электродами с электрическийи зарядами одного знака, два проволоч- ных держателя, 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 я тем, что, с целью снижения габаритов при сохранении неизменными электрических параметрой и повышения эксплуатационной надежности, кварцевый стержень снабжен электродным покрытием на его торцах, при этом одна пара противолежащих электродов на боковых гранях кварцевого стержня соединена с электродным покрытием, расположенным на одном из его торцов, другая - с электродным покрытием, расположенным на другом торце кварцевого стержня, отисяиёние ширины к длине кварцевого стержня составляет от 0,1 до 0,3, отношение толщины к его ширине составляет от 0,5 до 1,0, а боковые грани кварцевого стержня наклонены относительно кристаллографических осей Y и Z кварца- под углом ±30 до i 60.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

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