Кварцевый резонатор

Кварцевый резонатор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области электровакуумных приборов и, в частности, к области приборов кварцевой стабилизации частоты, а именно к кварцевым резонаторам, и может использоваться для стабилизации частоты.

Уровень техники

Для обеспечения стабильности частоты в приборостроении широко используются кварцевые резонаторы. Одним из распространенных видов кварцевых резонаторов является резонатор в металлическом корпусе, описанный, например, в статье Clayton L.D., Eernisse E.P. Four-point SC-cut crystal unit design calculations for reduced acceleration sensitivity, Proceedings of the 1992 IEEE Frequency Control Symposium, p.582-591, фиг.1. Такие резонаторы имеют относительно малые размеры и способны обеспечивать высокую степень стабильности частоты. Дальнейшее повышение стабильности частоты может происходить как за счет увеличения размеров пластины кварцевого пьезоэлемента, что приводит, соответственно, к увеличению размеров корпуса, так и за счет понижения давления остаточных газов (т.е. повышения степени вакуума) в объеме резонатора. Увеличение размеров пластины вместе с требованиями механической прочности конструкции привело к горизонтальному четырехточечному креплению пьезоэлемента, и дальнейшее увеличение размеров является нежелательным в связи с требованиями по миниатюризации электронных изделий.

Другой путь повышения стабильности частоты, как уже говорилось, связан с повышением степени вакуума. Однако в данном направлении существует ограничение, связанное с процессом изготовления кварцевого резонатора в металлическом корпусе. Это ограничение появляется вследствие того, что герметизация корпуса кварцевого резонатора путем соединения металлической крышки и основания происходит под воздействием высокой температуры и/или давления, что приводит к выделению газов, абсорбированных на поверхности металла, а также того, что поверхностно абсорбированные газы выделяются после герметизации корпуса кварцевого резонатора. В результате степень вакуума снижается и, соответственно, ухудшается стабильность частоты кварцевого резонатора.

Давление остаточных газов после герметизации корпуса кварцевого резонатора может быть снижено путем применения газопоглотителя. Обычно активирование газопоглотителя происходит путем его разогрева до температуры в диапазоне от 300 до 1000°С, при этом газопоглотитель активно излучает тепло на пластину кварцевого пьезоэлемента. В результате чрезмерного нагрева пьезоэлемента может нарушиться электрический контакт электродов пьезоэлемента и токоподводящих элементов, а также контакт пьезоэлемента и держателя, которые обычно обеспечиваются применением легкоплавких припоев или клеев с рабочей температурой менее 300°С, вследствие чего при активировании газопоглотителя в креплении пьезоэлемента и токоподводящих контактах могут появиться нарушения, что приведет к значительному ухудшению частотных характеристик резонатора.

С одной стороны, удовлетворительный температурный режим для кварцевого пьезоэлемента может быть обеспечен пространственным разнесением пьезоэлемента и газопоглотителя, однако это приводит к существенному увеличению габаритных размеров кварцевого резонатора, что является нежелательным. С другой стороны, для защиты кварцевого пьезоэлемента от интенсивного теплового излучения газопоглотителя при его активировании может быть применен защитный экран. Например, согласно патентному документу JP 51113489 внутри корпуса резонатора вокруг кварцевого пьезоэлемента предусмотрен защитный экран в виде стакана, на котором газопоглотитель размещается со стороны, обратной к пьезоэлементу и обращенной к боковой стенке резонатора.

В результате применения такой конструкции кварцевый пьезоэлемент оказывается защищенным от прямого теплового излучения газопоглотителя, но в то же время он остается подверженным воздействию теплового излучения, испускаемого стаканом. Последний оказывается нагретым из-за того, что находится в непосредственном контакте с газопоглотителем. Таким образом, существующие конструкции не обеспечивают возможность применения газопоглотителей в малогабаритных кварцевых резонаторах в металлических корпусах.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача создания кварцевого резонатора, обладающего следующими характеристиками:

- корпус резонатора выполнен из металла,

- объем резонатора вакуумирован,

- габаритные размеры незначительно превышают размеры пьезоэлемента,

- в составе резонатора есть газопоглотитель для повышения степени вакуума,

- при активировании газопоглотителя обеспечивается удовлетворительный температурный режим кварцевого пьезоэлемента.

Задача, положенная в основу изобретения, решена в кварцевом резонаторе, содержащем металлический корпус и установленные в этом корпусе кварцевый пьезоэлемент с электродами, газопоглотитель и защитный экран, изготовленный из металла и размещенный между кварцевым пьезоэлементом и газопоглотителем. Для решения поставленной задачи между защитным экраном и корпусом предусматривается теплопроводный контакт, обеспечивающий отвод тепла с защитного экрана на корпус, при этом защитный экран и газопоглотитель выполнены теплоизолированными друг от друга, а между корпусом и газопоглотителем также предусматривается теплоизоляция.

Под теплопроводным контактом, обеспечивающим отвод тепла, понимается возможность передачи тепла кондуктивным способом, причем интенсивность передачи тепла достаточно высока для обеспечения малой разности температур между объектами, находящимися в контакте. Удовлетворительный теплопроводный контакт между защитным экраном и корпусом, изготовленными из металла, может быть обеспечен соединением типа металл-металл, выполненным в виде механического, сварного или любого другого подходящего соединения.

Теплоизоляция может означать как отсутствие возможности прямой передачи тепла кондуктивным способом, так и большое тепловое сопротивление, которое предоставляет возможность сохранения высокой разности температур между объектами. Теплоизоляция между защитным экраном и газопоглотителем может быть обеспечена их расположением на некотором расстоянии друг от друга внутри вакуумированного корпуса. А теплоизоляция между корпусом и газопоглотителем может обеспечиваться соединением типа металл-диэлектрический материал-металл.

Вследствие того что и корпус, и защитный экран изготовлены из металла и обладают достаточно высокой теплопроводностью, а также того, что между ними обеспечен контакт с малым тепловым сопротивлением, при отводе тепла от корпуса резонатора во внешнюю среду также будет происходить отвод тепла и от защитного экрана. Отвод тепла от газопоглотителя будет происходить гораздо менее интенсивно по причине теплоизоляции газопоглотителя и от корпуса, и от экрана. Таким образом, создаются условия, при которых, с одной стороны, будет соблюдаться безопасный температурный режим кварцевого пьезоэлемента, а с другой стороны, газопоглотитель будет активирован нагревом до требуемой высокой температуры.

Защитный экран выполняет функцию защиты кварцевого пьезоэлемента от теплового излучения нагретого газопоглотителя. Кроме того, в случае применения распыляемого типа газопоглотителя, который при активировании распыляет горячие частицы в окружающее пространство, защитный экран будет также предохранять кварцевый пьезоэлемент от оседания на нем распыляемых частиц, которые могут существенно ухудшить частотные характеристики кварцевого резонатора.

Корпус кварцевого резонатора может состоять из металлического основания, заполненного диэлектрическим материалом, и металлической крышки. При изготовлении основания, например, из металлического листа путем штамповки в нем должны быть предусмотрены отверстия для пропуска электрических выводов, выполненные таким образом, чтобы обеспечивать возможность электрической развязки выводов и металлической части основания. После размещения выводов в отверстиях производится заполнение пространства между выводами и металлической частью основания диэлектрическим материалом, обладающим требуемыми механическими характеристиками для надежного закрепления выводов и, предпочтительно, малой теплопроводностью. Такое заполнение основания обеспечивает электрическую и тепловую развязку между электрическими выводами и основанием (то есть высокое электрическое и тепловое сопротивление между ними), а также надежное механическое закрепление электрических выводов в основании. В качестве диэлектрического материала, обладающего малой теплопроводностью, предпочтительно используется стекло.

Кварцевый пьезоэлемент может быть закреплен в корпусе резонатора несколькими способами. Согласно первому из них кварцевый пьезоэлемент фиксируется посредством держателей, которые закреплены на электрических выводах, проходящих через основание и предназначенных для подвода тока к электродам кварцевого пьезоэлемента. Для подвода тока к электродам кварцевого пьезоэлемента предусматриваются, по меньшей мере, два электрических вывода, проходящих через основание. При этом держатели, закрепленные на электрических выводах, обеспечивают как механическое удержание, так и подвод электрического тока к электродам кварцевого пьезоэлемента. Однако для прецизионных кварцевых резонаторов предпочтительно разделение функций механического удержания кварцевого пьезоэлемента и подвода к его электродам электрического тока.

По второму способу крепления кварцевый пьезоэлемент закреплен посредством держателей, которые закреплены на основании корпуса, причем для подвода тока к электродам кварцевого пьезоэлемента от электрических выводов, проходящих через основание и предназначенных для подвода тока к электродам кварцевого пьезоэлемента, предусмотрены отдельные электрические проводники.

Третий способ крепления предусматривает фиксацию кварцевого пьезоэлемента посредством держателей, которые закреплены на защитном экране, причем для подвода тока к электродам кварцевого пьезоэлемента от электрических выводов, проходящих через основание и предназначенных для подвода тока к электродам кварцевого пьезоэлемента, предусмотрены отдельные электрические проводники.

Указанные отдельные проводники, применяемые по второму и третьему способам фиксации кварцевого пьезоэлемента, предпочтительно не несут механической нагрузки, хотя в некоторых случаях могут выполнять функцию механического удержания или фиксации кварцевого пьезоэлемента.

Держатели кварцевого пьезоэлемента могут быть закреплены путем сварки или любым другим приемлемым способом закрепления. При этом для фиксации кварцевого пьезоэлемента могу использоваться, по меньшей мере, два держателя, а для подвода тока от электрических выводов могут быть применены, по меньшей мере, два отдельных проводника.

Предпочтительным является вариант, при котором кварцевый пьезоэлемент расположен в плоскости, параллельной основанию.

Защитный экран выполняется в такой форме, которая защищает кварцевый пьезоэлемент от теплового излучения газопоглотителя, то есть представляет собой преграду на пути распространения, по меньшей мере, той части теплового излучения, которое распространяется по направлению к пьезоэлементу и по направлению к держателям пьезоэлемента.

Как уже указывалось, металлический защитный экран обеспечивает эффективный отвод тепла, излучаемого газопоглотителем, на корпус резонатора и далее во внешнюю среду. Таким образом, изготовление основания корпуса и защитного экрана из металла и обеспечение теплоотвода позволяет решить задачу защиты кварцевого пьезоэлемента от интенсивного теплового излучения газопоглотителя, присущего ему при активировании. Кроме того, изготовление защитного экрана и корпуса из металла предотвращает локальный нагрев защитного экрана и корпуса газопоглотителем, который является сосредоточенным элементом с малыми размерами относительно размеров кварцевого резонатора. Так как металл обладает высокой теплопроводностью, и тепло достаточно быстро перераспределяется по корпусу резонатора, нагрев кварцевого пьезоэлемента будет происходить по всей поверхности и, в результате, вероятность возникновения механических микронапряжений в кварцевом пьезоэлементе, вызванных градиентом температуры и приводящих к изменению частотных характеристик пьезоэлемента, снижается.

Крепление защитного экрана, изготовленного из металла, к металлическому основанию, выполненному из металла, возможно путем сварки или любым другим приемлемым способом закрепления.

Защитный экран предпочтительно изготавливается в форме пластины. При этом защитный экран предпочтительно располагается в плоскости, параллельной основанию. При предпочтительном расположении кварцевого пьезоэлемента также в плоскости, параллельной основанию, будут обеспечены минимально возможные размеры кварцевого резонатора в металлическом корпусе с газопоглотителем и защитным экраном.

Держатели и отдельные электрические проводники, подходящие к кварцевому пьезоэлементу, могут проходить около защитного экрана или огибать его. Указанные держатели и отдельные электрические проводники, не несущие механической нагрузки, могут проходить и сквозь защитный экран. С этой целью в защитном экране могут быть предусмотрены вырезы для пропуска держателей, посредством которых закреплен кварцевый пьезоэлемент и которые закреплены в/на основании, и/или для пропуска отдельных электрических проводников, соединяющих электроды кварцевого пьезоэлемента с электрическими выводами, проходящими через основание. Вырезы могут быть выполнены как с края защитного экрана, так и в виде отверстий различной формы в экране, не имеющих точек соприкосновения периметра с краем защитного экрана.

В связи с тем, что наиболее удобным способом активирования газопоглотителя является электрический способ, то в предпочтительном варианте газопоглотитель закреплен на электрических выводах, предназначенных для подвода тока к газопоглотителю. При этом для активирования газопоглотителя достаточно двух электрических выводов, проходящих через основание.

Подвод электрического тока к газопоглотителю удобно производить с той же стороны, с которой обычно подводится электрический ток к кварцевому пьезоэлементу, то есть через основание. Для исключения температурного влияния на кварцевый пьезоэлемент нагретых электрических выводов, подводящих электрический ток к газопоглотителю, они не должны проходить около пьезоэлемента и должны иметь внутри корпуса минимальную длину. Для этого газопоглотитель может быть расположен между пьезоэлементом и основанием на электрических выводах, проходящих через основание и предназначенных для подвода тока к газопоглотителю, при этом температурное влияние нагретых электрических выводов, подводящих электрический ток к газопоглотителю, на указанный кварцевый пьезоэлемент минимизируется.

С другой стороны, настоящее изобретение допускает конструкцию, в которой газопоглотитель расположен между пьезоэлементом и крышкой, например, на электрических выводах, по меньшей мере, часть которых проходит через крышку и предназначенных для подвода тока к газопоглотителю. При такой конструкции защитный экран, расположенный между газопоглотителем и пьезоэлементом, может быть закреплен на основании и/или крышке при условии, что предусмотрен теплопроводный контакт между экраном и корпусом, обеспечивающий отвод тепла с защитного экрана на корпус. Одновременно согласно изобретению обеспечивается теплоизоляция между защитным экраном и газопоглотителем, а также между газопоглотителем и корпусом.

Для уменьшения количества электрических выводов один вывод может объединять в себе функцию подвода электрического тока и к кварцевому пьезоэлементу, и к газопоглотителю, однако это является нежелательным, так как при этом будет ухудшаться тепловая развязка и, соответственно, тепловая защита кварцевого пьезоэлемента от газопоглотителя. В качестве одного из электрических выводов может использоваться корпус кварцевого резонатора, что также является нежелательным по указанным причинам.

Краткое описание чертежей

На чертежах изображен пример выполнения кварцевого резонатора.

На фиг.1 изображен кварцевый резонатор, вид спереди.

На фиг.2 изображен кварцевый резонатор, вид сбоку.

Осуществление изобретения

Согласно фиг.1 и 2 кварцевый резонатор состоит из основания 1 круглой формы и размещенной на нем металлической крышки 2. На основании 1 также закреплен защитный экран 3 в виде металлической пластины, расположенной в плоскости, параллельной основанию 1. Защитный экран 3 закреплен непосредственно на основании 1 с помощью выступающих частей защитного экрана в виде стоек.

Над защитным экраном 3 размещен кварцевый пьезоэлемент 5, закрепленный держателями 8, прикрепленными к защитному экрану 3. При этом кварцевый пьезоэлемент 5, так же как и защитный экран 3, размещен в плоскости, параллельной основанию 1.

Через основание 1 проходит ряд электрических выводов 6, причем на двух из них закреплен газопоглотитель 7, расположенный между защитным экраном 3 и основанием 1, а от других двух электрических выводов 6 отходят отдельные электрические проводники 4, подводящие электрический ток от выводов 6 к электродам кварцевого пьезоэлемента 5.

Основание 1 выполнено из листового металла, которому путем штамповки придается форма чаши. В этой чаше выполняются отверстия, через которые электрические выводы 6 пропускаются с отсутствием электрического контакта между выводами 6 и основанием 1, а затем металлическая чаша с выводами заливается диэлектрическим материалом, обладающим малой теплопроводностью, например стеклом. Этим самым обеспечивается механическое удержание электрических выводов 6 в основании 1, их электрическая развязка между собой и относительно малая передача тепла между основанием 1 и выводами 6, а также между самими выводами 6.

После герметизации корпуса кварцевого резонатора в течение определенного времени производится активирование газопоглотителя 7 с целью снижения давления остаточных газов и повышения, таким образом, уровня вакуума в объеме резонатора. Распределение тепла в таком кварцевом резонаторе в металлическом корпусе происходит следующим образом. При нагреве газопоглотителя 7 тепло распространяется кондуктивным (неизлучательным) способом только по электрическим выводам 6, к которым присоединен газопоглотитель 7, причем выводы 6 проходят в стекле, которым заполнено основание 1. Так как стекло обладает малой теплопроводностью, то таким образом обеспечивается тепловая развязка нагретого газопоглотителя 7 металлического корпуса, состоящего из основания 1 и крышки 2, и кварцевого пьезоэлемента 5. При этом металл, из которого выполнены электрические выводы 6, к которым присоединен газопоглотитель 7, обладает относительно малой теплопроводностью, а сами выводы - относительно малой площадью поперечного сечения, что необходимо для того, чтобы тепло накапливалось в газопоглотителе 7.

В результате действия другого способа распространения тепла газопоглотителя 7 - излучательного - нагреваются основание 1 под газопоглотителем 7 и защитный экран 3 между газопоглотителем 7 и кварцевым пьезоэлементом 5, над газопоглотителем 7. Учитывая, что защитный экран 3 крепится к основанию 1, а корпус резонатора, так же как и защитный экран 3, выполнены из металла, обладающего высокой теплопроводностью, то тепло распределяется по защитному экрану 3 и корпусу и рассеивается во внешнюю среду.

Таким образом, кварцевый резонатор согласно настоящему изобретению, корпус которого выполнен из металла с габаритными размерами, незначительно превышающими размеры пьезоэлемента, и имеющий в своем составе газопоглотитель, обеспечивает возможность поддержания удовлетворительного температурного режима кварцевого пьезоэлемента при активировании газопоглотителя.

1. Кварцевый резонатор, содержащий металлический корпус, и установленные в этом корпусе кварцевый пьезоэлемент с электродами, газопоглотитель, и защитный экран, изготовленный из металла и размещенный между кварцевым пьезоэлементом и газопоглотителем, отличающийся тем, что между защитным экраном и корпусом предусмотрен теплопроводный контакт, обеспечивающий отвод тепла с защитного экрана на корпус, причем защитный экран и газопоглотитель выполнены теплоизолированными друг от друга, а между корпусом и газопоглотителем также обеспечена теплоизоляция.

2. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что теплопроводный контакт между защитным экраном и корпусом выполнен посредством соединения типа металл - металл.

3. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что теплоизоляция между защитным экраном и газопоглотителем выполнена посредством их расположения на расстоянии друг от друга.

4. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что теплоизоляция между корпусом и газопоглотителем выполнена посредством соединения типа металл-диэлектрический материал - металл.

5. Резонатор по п.4, отличающийся тем, что диэлектрическим материалом является стекло.

6. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что корпус состоит из металлического основания, заполненного диэлектрическим материалом, и металлической крышки.

7. Резонатор по п.6, отличающийся тем, что диэлектрическим материалом является стекло.

8. Резонатор по п.6, отличающийся тем, что кварцевый пьезоэлемент зафиксирован посредством держателей, которые закреплены на электрических выводах, проходящих через основание и предназначенных для подвода тока к электродам кварцевого пьезоэлемента.

9. Резонатор по п.6, отличающийся тем, что кварцевый пьезоэлемент зафиксирован посредством держателей, которые закреплены на основании, причем для подвода тока к электродам кварцевого пьезоэлемента от электрических выводов, проходящих через основание и предназначенных для подвода тока к электродам кварцевого пьезоэлемента, предусмотрены отдельные электрические проводники.

10. Резонатор по п.6, отличающийся тем, что кварцевый пьезоэлемент зафиксирован посредством держателей, которые закреплены на защитном экране, причем для подвода тока к электродам кварцевого пьезоэлемента от электрических выводов, проходящих через основание и предназначенных для подвода тока к электродам кварцевого пьезоэлемента, предусмотрены отдельные электрические проводники.

11. Резонатор по одному из пп.6-10, отличающийся тем, что кварцевый пьезоэлемент расположен в плоскости, параллельной основанию.

12. Резонатор по одному из пп.6-10, отличающийся тем, что защитный экран закреплен на основании.

13. Резонатор по п.9, отличающийся тем, что защитный экран закреплен с помощью держателей экрана.

14. Резонатор по одному из пп.1-10, 13, отличающийся тем, что защитный экран выполнен в форме пластины.

15. Резонатор по одному из пп.6-10, отличающийся тем, что защитный экран расположен в плоскости, параллельной основанию.

16. Резонатор по одному из пп.6-10, отличающийся тем, что в защитном экране предусмотрены вырезы для пропуска держателей, посредством которых закреплен кварцевый пьезоэлемент и которые закреплены в основании, и/или пропуска отдельных электрических проводников, соединяющих электроды кварцевого пьезоэлемента с электрическими выводами, проходящими через основание.

17. Резонатор по одному из пп.6-10, отличающийся тем, что газопоглотитель размещен между кварцевым пьезоэлементом и основанием.

18. Резонатор по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что газопоглотитель активируется электрическим способом.

19. Резонатор по п.18, отличающийся тем, что газопоглотитель закреплен на электрических выводах, проходящих через основание и предназначенных для подвода тока к газопоглотителю.