Кварцевый микрорезонатор крутильных колебаний

 

Ьт r

Ветен но Ф Ф li би ио о н к 4-я-аж

ggQ@PPTENNQ

Союз Советских

Социалистических

Республик

<1683478 (Я»

/ = — - г

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 29.06.77(21) 2501724/18-23 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

Опубликовано 30.12.82. Бюллетень № 48 Дата опубликования описания 05. 01. 83

t$j)М Ктт 3

Н 03 Н 9/15

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (531 УДК 621. 372 ..412(088.8) В.Г.Андросова, В.Н.Банков, Л.Л.Вепринский, П.Г,Поздняков, А.П.Федорков, 1!.И.Ярославский и В.Н.Христофоров (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (5 4) КВАРЦЕ ВЫт1 МИКРОРЕВОНАТОР КРУТИЛЬНЫХ

КОЛЕБАНИЙ ми P).

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

Известны кварцевые резонаторы крутильных колебаний, содержащие кварцевый стержень в форме прямоугольного параллелепипеда, ориентированный длиной вдоль кристаллографической оси X 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 держателями, соединенными с кварцевым стержнем в центральных точках боковых граней (1).

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 суг,ности и достигаемому

1 результату является кварцевый резонатор крутильных колебаний, содержащий кварцевый стержень в форме прямоугольного параллелепипеда, ориентированный длиной вдоль кристаллографической оси Х кварца, снабженный расположенными на его боковых гранях двумя парами возбу>кдающих электродов, каждая из которых образована двумя противоле>кащими электродами с электрическими зарядами одного знака, два проволочных держателя, выполненных из упругого материала, например фосфористой бронзы, соединенных с квар

15 цевым стержнем в центральных точках ,торцовых граней, и корпус с выводаОднако дан ный резонатор не может быт ь в ып олн е н в ми «р омин и атюрн ом и сполнении, пригодном, например, для применения в наручных электронных часах, из-за недопустимого ухудшения электрических параметров, связанных

25 с уменьшением объема резонатора, а следовательно, и входящего в него пьезоэлемента. Кроме того, при указанных соотношениях размеров и кристаллографической ориентации кварцеЗО вого стержня резонатор обладает

683478 не до ст ат о чн о вы сок ой э к сплуат аци он ной надежностью.

Целью изобретения является снижение габаритов при сохранении неизменными электрических параметров и повышении эксплуатационной надежности1

Указанная цель достигается тем, что кварцевый стержень снабжен электродным покрытием на его торцах, при этом одна пара противолежащих электродов на боконых гранях стержня сое-10 динена с электродным покрытием, расположенным на одном из его торцов, а другая — с электродным покрытием, располох<енным на другом торце кварцевого стержня, отношение ширины к 15

:длине кварцевого стержня составляет

or 0,1 до 0,3, отношение толщины к его ширине — от 0,5 до 1,0, а боковые грани кварцевого стержня наклонены относительно кристаллографических 20 осей 1 и Е кварца под углом от + 30 до+ б0

Кроме того, проволочные держатели выполнены в виде прямых отрезков, при этом длина отрезков проволоки равна нечетному числу четвертой длины волны распространяющихся по ним колебаний кручения.

Увеличение отношения ширины кварцевого стержня к его длине до 0 3

30 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 пронолочных держателей. Влияние этих факторов на электрические параметры особенно сильно именно для микроминиатюрных резонаторов. Пределы отношения ширины к длине от 0,1 до 0,3 объективно обоснованы, поскольку при вели-40 чине отношения, меньшем 0,1, габариты микрорезонаторов недопустимо возрастают, а при отношении, большем 0,3 настолько возрастает влияние технологических и конструктивных факторов, 45 что электрические параметры микрорезонаторов ухудшаются. !

Увеличение отношения ширины кварцевого стержня к его длине приводит к необходимости изменения его крис50 таллографической ориентации, так как от соотношения геометрических разме- . ров кварцевого стержня зависит положение экстремума температурно-частотной характеристики (ТЧХ) резонатора.

У данного микрорезонатора кварцевый стержень имеет наклон боковых граней по отношению к кристаллографическим осям на угол, отличный во многих случаях от + 45О и заключенный в преде- 60 лах +30ндо 60 . Однако минимальный температурный коэффициент частоты (ТКЧ) при такой ориентации может быть получен не для всех существующих значений отношения толщины к ширине кварцевого стержня, Приемлемые значения электрических параметров: ТКЧ, эквивалентного сопротивления и др, обеспечинаются только при выборе отношения толщины к ширине кварцевого стержня н пределах от 0,5 до 1,0.

Нанесение электродных покрытий на торцы кварцевого стержня предложенны> 1 образом, наряду с закреплением еro 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 - общий нид кварцевого стержня, с нанесенными на него электродами, показан характер силоны!< линий электрического поля в некоторый момент времени; на фи.3 общий нид смонтированного микрорезонатора с кварцевым стержнем, показанным на фиг.2.

На фиг.1 показан кварцевый стержень 1, имеющий длину L, ширину W u толщину 7 . Кварцевый стержень 1 изготовлен из монокристалла кварца, но возможно использование и других пье- зокристаллон или пьезокерамики. Кварцевый стержень 1 выполнен н общем случае с прямоугольным поперечным сечением.

Введена вторая система прямоугольных координат н дополнение к обычной системе кристаллографических осей )<, (Ä: первая ось приведена в направлении ширины, вторая — в направлении толщины, а третья — в направлении длины кварцевого стержня. Первбй из перечисленных осей присвоено. обозначение Z, второй Y а продольная ось совпадает с кристаллографической осью Х кварца. Кристаллографическив оси >(, Y и 4 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 нокруг кристаллографической оси Х на угол, близкий к

45, так что оси Y u K составляют с осями Y и соответственно этот угол. Относительный угол поворота кварцевого стержня 1 вокруг оси >< может существенно отличаться от 45 и иметь любые значения в зависимоСти от конкретных требований к электрическим параметрам микрорезонатора, в пределах от + 30 до + б 0 о .

Кварцевый стерх<ень 1 с нанесенны ми на него электродами 2-7 показан на фиг.2. Электроды 2-5, нанесенные.683478 на четыре боковые грани кварцевого стержня 1, служат для возбуждения в кварцевом стержне пьезоэлектрических деформаций, а электроды 6 и 7, нанесенные на торцовые грани кварцевого стержня, предназначены для элек- 5 трической коммутации электродов на боковых гранях и соединения с внешней электрической цепью. Электроды наносятся методом испарения металла в вакууме или любым другим методом. 10 .Электроды 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 противоположного знака, в данном случае отрицательный, как это показано на 20 фиг.2. Пьезоэлектрические деформации в кварцевых стержнях среза Х 0/P,где о заключено в пределах от -30 до

-60О и от +30 до +60 при приложении к ним электрического поля, образо- 15 ванного указанными выше потенциалами, вызывают деформацию кручения вокруг продольной оси.

Если знаки электрических потенциалов меняются на противоположные с З0 частотой, соответствующей собственной частоте колебаний кручения кварцевого стержня 1, то последний совершает резонансные крутильные колебания вокруг оси, совпадающей с кристаллогра- 35 фической осью кварца X .

Собственная (резонансная) частота крутильных колебаний кварцевого стержня рассчитывается по формуле

Р= —, 40 где Ь вЂ” длина кварцевого стержня в мм, N — частотный коэффициент в кГцмм.

Величина частотного коэффициента может, находиться в пределах от 1400 до 1900 кгц,мм в зависимости от угла 45 среза (о и соотношения размеров W/Ò (в рассматриваемом случае толщина Т всегда наименьший размер кварцевого стержня 1, .длина (— наибольший размер, а ширина VI — средний между ни- 50 ми), Проволочные держатели 8 и 9, служащие одновременно токоотводами, присоединены к электродам 6 и 7 соответственно в центрах. торцовых граней стержня 1, как это показано на фиг..3

Присоединение может осуществляться пайкой каким-либо припоем, термокомпрессионной сваркой или другим способом. Противоположными концами проволочные держатели 8 и 9 присоединены к стойкам 10 и 11 соответственно основания 12 корпуса. Эти соединения обеспечивают механическое закрепление кварцевого стержня 1 на основании 12, 65 а также электрический контакт электродов, нанесенных на кварцевый стержень 1, с внешней электрической цепью через стойки 10 и 11, служащие одновременно токовыми выводами микрореэонатора.

Основание 12 сконструировано таким образом, чтобы к нему можно было прикрепить кожух, служащий для защиты кварцевого стержня 1 и всей конструкции микрорезонатора от механических повреждений и внешних атмосферных воздействий. Когда к стойкам 10 и 11 подводится переменное электрическое напряжение, противолежащие электроды

2 и 4 приобретают потенциал, противоположный потенциалу другой йары про-

1 тиволежащих 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 ДТ 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 резонато ров с изгибными колебаниями позволит в 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 колебания и, конструкция предложенного микрорезонатора обеспечивает, наряжу с высоким коэффициентом выхода годных при изготовлении, более низкую его себе стоимость, особенно при массовом изготовлении.

Формула изобретения

1. Кварцевый микрорезонатор крутильных колебаний, содержащий квар683478 цевый стержень в форме прямоугольно; го параллелепипеда, ориентированный длиной вдоль крислаллографической оси Х кварца, снабженный расположен. ными на его боковых гранях двумя па рами возбуждающих электродов, каждая из которых образована двумя противо- лежащими. электродами с электрическиМи зарядами одного знака, два проволоч, ных держателя, выполненных из упругс)го материала, например фосфористой бронзы, соединенных с кварцевым стержнем в центральных точках торцовых граней,. и- корпус с выводами,о т л и ч а и шийся тем, что, с целью снижения габаритов при сохранении 35 неизменными электрических параметров и повышения эксплуатационной надежности, кварцевый стержень снабжен электродным покрытием на era торцах, при этом одна пара противолежащих 2О электродов на боковых гранях кварце» вого стержня соединена с электродным покрытием, расположенным на одном из его торцов, другая — с электродным покрытием, расположенным на другом торце кварцевого стержня, отношв" ние ширины к длине кварцевого стержня составляет от 0,1 до 0,3, отношенйе толщины к его ширине составляет от 0,5 до 1,0, а боковые грани кварцевого стержня наклонены относительно кристаллографических осей и Х кварца- под углом +30 до + 60О .

2. Кварцевый микрорезонатор крутильных колебаний по п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что проволочные держатели выполнены в виде прямых отрезков, при этом длина отрезков проволоки равна нечетному числу четвертой длины волны распространяющихся по ним колебаний кручения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 151389, кл. Н ОЗ Н 9/20, 1966 г.

2. Сборник "Электронная техника", сер.1Х, 1970, вып. 6, стр,6-12 (прототип), 683478

Редактор О.Филиппова Техрел И.Костик

Корректор В.Бутяга

Заказ 10676/12 Тираж 959 Подписное

ВН11ППИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауыская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r.ужгород, ул.Проектная, 4