Кварцевый микрорезонатор крутильных колебаний

Союз СоветскихСоциалистических еспубли РЕ ОМУ СВИДЕТЕДЬС 61) Дополнитель 22) Заявлено 29 присоединением авт. свид-ву,77(21) 25вки Ко 31 М. К 4/18-2 3 Н 9 1 сударственныи коми СССР о делам нзооретенн и открытий(23) Приорите бликова 30,12,82. Бюлл вания описаии еиь Ио05.01,8 3621 372 12 (088 8) ата опубл В.Г.Андросова, В.Н.Банков, Л.Л,Вепринский, П.Г,ПозднА.П.Федорков, 1.И.Ярославский и В.Н,Христофоров 72) Авторыизобретени( 5 4) КВАРЦЕ ВЫт 1 МИКРОРЕВОНАТОР КРУТИЛЬНЫХКОЛЕБАНИЙ Из радиозобр дост 3 обретение относится к области электроники и может быть использовано при конструировании и изготовлении микроминиатюрных кварцевых резонаторов, предназначенных для применения в радиоэлектронных устройствах а также бытовой электроники.Известны кварцевые резонаторы крутильных колебаний, содержащие кварцевый стержень в форме прямоугольного параллелепипеда, ориентированный дли ной вдоль кристаллографической оси Х кварца, снабженный расположенными на его боковых гранях двумя парами возбуждающих электродов, каждая из кото рых 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 11Недостатками этих резонаторов являются большие габариты и невысокая эксплуатационная надежность, обуслов ленная недостаточной устойчивостью их параметров к внешним механическим воздействиям.Наиболее близким к и етению по технической сущности и игаемому результату является кварцевый резонатор крутильных колебаний, содержащий кварцевый стержень в Форме прямо угольного 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 элект" рическими зарядами одного знака, два проволочных держателя, выполненных из упругого материала, например Фосфористой бронзы, соединенных с квар 5 цевым стержнем в центральных точках,торцовых граней, и корпус с выводами 2) . Однако данный резонатор не можетО быть выполнен в микроминиатюрном исполнении, пригодном, например, дляприменения в наручных электронныхчасах, из-за недопустимого ухудшениэлектрических параметров, связанных5 с уменьшением объема резонатора, аследовательно, и входящего в негопьезоэлемента. Кроме того,занных соотношениях размеро рталлографической ориентации кварцеО вого стержня резонатор обладаетнедостаточно высокой эксплуатацион ной надежностью.Целью изобретения является снижение габаритов при сохранении неизменными электрических параметров и повышении эксплуатационной надежности 1Указанная 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, расположенным на другом торце кварцевого стержня, отношение ширины к 15 длине 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 наклонены относительно кристаллографических 20 осей 1 и Е кварца под углом от30 до +бОКроме 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 0 330 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 величине 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 крис 50 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 + 45 О и заключенный в преде лах +30 ндо 60 . Однако минимальный температурный коэффициент частоты (ТКЧ) при такой ориентации может быть получен не для всех существующих значений отношения толщины к ширине 65 кварцевого стержня, Приемлемые значения электрических параметров: ТКЧ,эквивалентного сопротивления и др,обеспечинаются только при выборе отношения толщины к ширине кварцевогостержня н пределах от 0,5 до 1,0.Нанесение электродных покрытий наторцы кварцевого стержня предложенным образом, наряду с закреплениемего по торцам, позволяет сократитьгабариты микрорезонатора за счетуменьшения 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 1 линий электрического поля в некоторый момент времени; на фи,3общий нид смонтированного микрорезонатора с кварцевым стержнем, показанным на фиг.2.На фиг.1 показан кварцевый стержень 1, имеющий длину 1., ширину Ю итолщину Р . Кварцевый стержень 1 изготовлен из монокристалла кварца, новозможно использование и других пье-зокристаллон или пьезокерамики, Кварцевый стержень 1 выполнен н общемслучае с прямоугольным поперечным сечением.Введена вторая система прямоугольных координат н дополнение к обычнойсистеме кристаллографических осей Х,1 Д: первая ось приведена в направлении ширины, вторая - в направлениитолщины, а третья - в направлениидлины кварцевого стержня, ПервОй изперечисленных осей присвоено обозначение Е, второй У , а продольнаяось совпадает с кристаллографическойосью Х кварца. Кристаллографическивоси Х , ( исоответствуют основнойустановке кварца, обычно используемойпри математическом описании физических свойств кварца. Обе стороны осейпоказаны на фиг.1На фиг.1 изображен кварцевый стержень 1,.повернутый нокруг кристаллографической оси Х на угол, близкий к45 , так что осии Есоставляютс осями У и Е соответственно этотугол. Относительный угол поворотакварцевого стержня 1 вокруг оси Х может существенно отличаться от 45 ииметь любые значения в зависимостиот конкретных требований к электрическим параметрам микрорезонатора,в пределах от +30 до Ф 60 О,Кварцевый стерхень 1 с нанесенными на него электродами 2-7 показанна фиг.2. Электроды 2-5, нанесенныена четыре боковые грани кварцевогостержня 1, служат для возбуждения вкварцевом стержне пьезоэлектрических деформаций, а электроды 6 и 7,нанесенные на торцовые грани кварцевого стержня, предназначены для электрической коммутации электродов набоковых гранях и соединения с внешнейэлектрической цепью. Электроды наносятся методом испарения металла ввакууме или любым другим методом. 10.Электроды 2 и 4 соединены между собой через электрод 6, а электроды 3и 5 - через электрод 7. На электроды2,4 и 6 некоторый момент времени подается электрический потенциал одного знака, например положительный, вто время, как электроды 3,5 и 7 втот же момент подается потенциал противоположного знака, в данном случаеотрицательный, как это показано на 20фиг.2. Пьезоэлектрические деформациив кварцевых стержнях среза ХО(,гдеозаключено в пределах от -30 до-60 О и от +30 до +60 при приложениик ним электрического поля, образованного указанными выше потенциалами,вызывают деформацию кручения вокругпродольной оси.Если знаки электрических потенциалов меняются на противоположные с З 0частотой, соответствующей собственнойчастоте колебаний кручения кварцевого стержня 1, то последний совершаетрезонансные крутильные колебания вокруг Осир совпадающей с кристаллографической осью кварца М .Собственная (резонансная) частотакрутильных колебаний кварцевого стержня рассчитывается по формулеР= - , 40где Ь - длина кварцевого стержня в мм,11 - частотный коэффициент в кГцмм.Величина частотного коэффициентаможет. находиться в пределах от 1400до 1900 кгц,мм в зависимости от угла 45среза Ро и соотношения размеров Ю/Т(в рассматриваемом случае толщина Твсегда наименьший размер кварцевогостержня 1, .длина ( - наибольший размер, а ширина Ф - средний между ними),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 кнарцевый стержень 1, с внешней электрической цепьючерез стойки 10 и 11, служащие одновременно токовыми выводами микрореэонатора.Основание 12 сконструировано такимобразом, чтобы к нему можно было прикрепить кожух, служащий для защитыкварцевого стержня 1 и всей конструкции микрорезонатора от механических повреждений и внешних атмосферныхвоздействий, Когда к стойкам 10 и 11подводится переменное электрическоенапряжение, противолежащие электроды2 и 4 приобретают потенциал, противоположный потенциалу другой йары про-1тиволежащих электродов 3 и 5, чтообуславливает кручение кварцевогостержня 1, показанное на Фиг.2 пунктирной линией.Объем кварцевого стержня, соответствующего данному изобретению, например, на частоту колебаний 262 кГцсоставляет лишл 1/3 - 1,4 объемакварцевого стержня, чаще всего используемого в этом диапазоне срезаДТ на ту же частоту, а крепление кварцевого стержня с крутильными колебаниями описанным выше образом нарядус указанными соотношениями его размеров и относительной ориентацией обеспечивают возможность уменьшения объема всего резонатора среза ДТ в 1030 раз (при сохранении неизменнымиэлектрических параметров) . В результате этого повышается механическаяустойчивость микрорезонатора и егоэксплуатационная надежность.Благодаря малым размерам, высокоймеханической устойчивости и высокимзначением электрических параметров,предложенный микрорезонатор крутильных колебаний может особенно эффективно использоваться в миниатюрныхэлектронных 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 вдвое) повысить точность хода такихчасов и заметно уменьшить их размеры, что является задачей первостепейной важности.Принципиально более простая, чему резонаторов с изгибными колебанияя, конструкция предложенного микрорезонатора обеспечивает, наряжу с высоким коэффициентом выхода годных приизготовлении, более низкую его себестоимость, особенно при массоном изготовлении,Формула изобретения1. Кварцевый микрорезонатор крутильных колебаний, содержащий кварцевый стержень в форме прямоугольно;го параллелепипеда, ориентированныйдлиной вдоль крислаллографическойоси Х кварца, снабженный расположен.ными на его боковых гранях двумя парами возбуждающих электродов, каждаяиз которых образована двумя противо-лежащими электродами с электрическиМизарядами одного знака, два проволоч,ных держателя, выполненных из упругс)го материала, например фосфористойбронзы, соединенных с кварцевым стержнем в центральных точках торцовыхграней, я- корпус с выводами,о т л и"ч а й щ и й с я тем, что, с цельюснижения габаритов при сохранении 15неизменными электрических параметрови повышения эксплуатационной надежности, кварцевый стержень снабженэлектродным покрытием на его торцах,при этом одна пара противолежащих 2 Оэлектродов на боковых гранях кварцевого стержня соединена с электроднымпокрытием, расположенным на одномиз 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 У и 2 кварца под углом +30 до + 60 О .2. Кварцевый микрорезонатор крутильных колебаний по п.1, о т л и - ч а ю щ и й с я 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 экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 151389, кл. Н ОЗ Н 9/20, 1966 г.2. Сборник "Электронная техника",сер.1 Х, 1970, вып. 6, стр,6-12 (прототип),683478 Редактор О,Филиппова Техреду. И.Костик Корректор В.Бутягаг де л.Проектная, 4 лиал ППП "Патент", г.ужго з 10676/12 Тираж 95 ВН 111 П 11 Государстве по делам изобрет 113035, Москва, Ж Подписно ного комитета СССР ний и открытий 5, Рауыская наб