КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР-ТЕРМОСТАТ

КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР-ТЕРМОСТАТ
Описание полезной модели
Назначение и область применения
Заявленная полезная модель относится к области радиоэлектроники и предназначена для работы в составе кварцевых генераторов.
Предшествующий уровень техники
Известны кварцевые резонаторы-термостаты (КРТ), содержащие кварцевую пьезопластину (ПП) с нанесенными на нее пленочными электродами, а также систему термостатирования, включающую нагреватель и датчик температуры, которая вместе с ПП размещается в вакуумированном корпусе КРТ, обеспечивая точное поддержание температуры ПП при изменении окружающей температуры [Пьезоэлектрические резонаторы. Справочник под ред. П.Е.Кандыбы и П.Г.Позднякова, М., 1992 г., стр.332]. Благодаря размещению системы термостатирования внутри вакуумированного объема КРТ вместе с ПП, достигается низкая потребляемая мощность, малое время разогрева, а также уменьшение размеров термостатированного кварцевого генератора.  К числу недостатков данного решения следует отнести недостаточную механическую прочность таких устройств и сложный цикл изготовления и сборки элементов конструкции.
Из уровня техники известны также решения КРТ, включающие кварцевую пьезопластину с пленочным нагревателем, датчик температуры и блок термостатирования с электрической схемой, помещенные на теплопроводящей плате, которая с помощью теплоизолятора установлена на основании вакуумированного корпуса, где теплоизолятором являются стойки, выполненные из металлических, например, нихромовых полосок в форме крючков с отогнутыми в разные стороны концами, образующими на разных уровнях площадки с взаимно параллельными плоскостями, причем нижняя площадка приварена к основанию корпуса точечной сваркой, а на верхнюю площадку приклеена плата на «клеевой замок» (RU128042)
В предшествующем уровне техники также известны близкие к вышеуказанному решению варианты осуществления конструкции кварцевого резонатора, например, представленные на фиг. 1-3 опубликованной заявки США на изобретение US2004021402, в которых резонатор снабжен двумя, тремя или четырьмя стойками крепления пластины резонатора соответственно. Тепловой путь каждой стойки в указанных конструкциях обеспечивает требуемые тепловые потери КРТ, при этом, очевидным образом, тепловые потери в данных конструкциях можно уменьшить выбором корпуса большей высоты, а, следовательно, выполнением стоек большей высоты; либо выбором материала с меньшей теплопроводностью, например, сплавы титана; или изменением количества стоек.  Возможно также размещение буферного материала совместимого по теплопроводности, например, так, как это представлено в публикации патента США US5030875, где промежуточный (буферный) кварцевый слой представляет собой защитный слой, который кроме решения задачи снижения механических напряжений в конструкции из-за различия коэффициентов теплового расширения ее элементов, дополнительно обеспечивает поддержание расстояния между монтажными элементами.
Все вышеуказанные решения обеспечивают эффект снижающий механическое напряжение, в первую очередь, возникающее в конструкции вследствие различия коэффициента теплового расширения элементов конструкции. Вместе с тем, возможность изменения количества стоек, фиксирующих пластину резонатора, позволяет снижать механические нагрузки, вызванные внешним воздействием окружающей среды, в том числе в результате ударных нагрузок, обеспечивая тем самым увеличение прочности КРТ. Однако, существенным  недостатком данного рода решений является высокая вероятность чрезмерной деформации длинных монтажных элементов (стоек) при воздействии механической нагрузки, что приводит к ухудшению эксплуатационных параметров резонатора, снижению стабильности частоты КРТ и повышению потребляемой мощности. Кроме того, данные решения обладают сложной конструкцией, требующей применения особых условий сборки  всех компонентов КРТ и специализированного оборудования для ее осуществления.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков, принятым за прототип, к заявленному решению полезной модели относится решение КРТ, раскрытое в описании полезной модели RU 103042, содержащее вакуумированный корпус, в котором кварцевая пьезопластина с нанесенными на нее пленочными возбуждающими электродами через контактные лепестки смонтирована на диэлектрической подложке с размещенной на ней элементами системы термостатирования, которая закреплена на теплоизолирующей опоре, установленной на основании вакуумированного корпуса, имеющего выводы от возбуждающих электродов и системы термостатирования. Диэлектрическая подложка закреплена в двух местах к теплоизолирующей опоре в виде кольца, которое, в свою очередь, приклеено к теплоизолирующей диэлектрической полоске, центральная часть которой через прокладку приклеена к основанию вакуумированного корпуса типа ТО-8 (НС-37). КРТ имеет выводы для подключения возбуждающих электродов к внешней схеме автогенератора, а также выводы для подключения схемы термостатирования к внешнему источнику электрического напряжения. Данный КРТ, благодаря вакуумной теплоизоляции нагретых частей своей конструкции (диэлектрической подложки, ПП и металлического экрана) и низкой теплопроводности теплоизолирующего кольца, имеет низкую потребляемую мощность подогрева и малое время установления частоты после включения. Однако, недостатком данной конструкции, также как и предыдущих аналогов, является её невысокая механическая прочность, что недопустимо при повышенных механических воздействиях, в особенности при воздействии одиночных ударов.
Сущность полезной модели
Техническая задача, решаемая заявленной  полезной моделью, заключается в предложение простой, компактной конструкции КРТ, обеспечивающей повышение прочностных характеристик конструкции с одновременным упрощением технологий изготовления и сборки ее элементов и сохранении высоких эксплуатационных характеристик КРТ.
Технический результат, достигаемый применением заявленной полезной модели, заключается в расширении арсенала средств КРТ, обеспечивающих повышение механической прочности и собственного механического резонанса конструкции по сравнению с прототипом при сохранении величины потребляемой электрической мощности, используемой для целей термостатирования.
Заявленный технический результат достигается тем, что используют  кварцевый резонатор-термостат (КРТ) содержащий вакуумированный корпус, в котором кварцевая пьезопластина с нанесенными на нее пленочными возбуждающими электродами через контактные лепестки смонтирована на диэлектрической подложке с размещенными на ней элементами системы термостатирования, которая закреплена на теплоизолирующей опоре, установленной на основании вакуумированного корпуса, имеющего выводы от возбуждающих электродов и системы термостатирования. При этом, в отличие от прототипа, теплоизолирующая опора состоит из трех последовательно расположенных по вертикали соосных теплоизолирующих опорных колец, изготовленных из материала с низкой теплопроводностью и соединенных по торцевым контактным поверхностям опорных колец между собой, а также со смежными с ними контактными поверхностями диэлектрической подложки и основания, с формированием контактных соединений на смежных контактных поверхностях соединяемых элементов, в четырех параллельных плоскостях крепления,  каждое из которых содержит, по меньшей мере, три точки крепления, равномерно распределенных по торцевой контактной поверхности соединяемого опорного кольца и смежных с ней контактных поверхностей, с обеспечением поворота положения точек крепления относительно оси вращения опорного кольца в плоскости крепления каждой последующей группы контактных соединений на угол равный половине угла между соседними точками крепления предшествующей плоскости крепления.
Таким образом, согласно заявленной полезной модели, диэлектрическая подложка со стороны нижней контактной поверхности прикреплена к верхней торцевой поверхности первого теплоизолирующего опорного кольца, которое нижней своей торцевой поверхностью прикреплено к верхней торцевой поверхности второго теплоизолирующего опорного кольца, которое, в свою очередь, нижней своей торцевой поверхностью прикреплено к верхней торцевой поверхности третьего теплоизолирующего опорного кольца, которое нижней своей торцевой поверхностью прикреплено к верхней контактной поверхности основания вакуумированного корпуса, имеющего выводы от возбуждающих электродов пьезопластины (ПП) и системы термостатирования. При этом, используемая в заявленном решении полезной модели для крепления между собой элементов КРТ (диэлектрической подложки, теплоизолирующих опорных колец и основания) схема контактных соединений с равномерным распределением, например, по окружности, точек крепления (точечных областей крепления) содержащих не менее трех точек крепления в каждой плоскости крепления, по сравнению с прототипом, в конструкцию которого заложено одноточечное крепление, позволяет увеличить жесткость системы крепления пьезопластины и тем самым повышает частоту механического резонанса и прочность всей конструкции КРТ, ее устойчивость к механическим воздействиям, в том числе ударным нагрузкам, обеспечивая тем самым стабильность частоты резонатора.
Применение в конструкции КРТ чередующегося поворота положения точек крепления относительно оси вращения опорного кольца в каждой последующей плоскости крепления на угол равный половине угла между соседними точками крепления предшествующей плоскости крепления позволяет, с одной стороны, за счет распределения нагрузки по окружности торцевых оснований опорных колец, повысить, как указано выше частоту механического резонанса и механическую прочность всей конструкции КРТ, а также, с другой стороны, удлинить путь для тепловых потоков и тем самым уменьшить величину электрической энергии, необходимой для термостатирования.
В предпочтительном варианте осуществления соединение опорных колец между собой, диэлектрической подложкой и основанием осуществляется в точках крепления через прокладки к каждой из смежных контактных поверхностей контактных соединений.
В одном из вариантов осуществления полезной модели, каждое контактное соединение, в четырех параллельных плоскостях крепления, снабжено тремя точками крепления, равномерно распределенных по контактирующим поверхностям, а поворот положения точек крепления в каждой из последующих плоскостей крепления относительно оси вращения теплоизолирующей опоры составляет 60°
Краткое описание чертежей
Конструкция заявленной полезной модели проиллюстрирована на фиг.1, представляющей: 1а) - структурную схему кварцевого резонатора-термостата согласно полезной модели, включающей вид: б) – сечение A-A теплоизолирующей опоры на уровне основания; в) сечение Б-Б теплоизолирующей опоры на уровне соединения нижнего и среднего опорных колец.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один  из наиболее предпочтительных вариантов осуществления полезной модели и не может рассматриваться в качестве ограничений содержания полезной модели, которое включает  и другие варианты ее осуществления.
Осуществимость полезной модели.
Как следует из представленного на фиг. 1а)- в) варианта осуществления полезной модели  КРТ согласно заявленной полезной модели содержит основание вакуумированного корпуса 1, имеющего выводы 2 - 6 для подключения возбуждающих электродов, а также системы термостатирования  к внешнему источнику постоянного электрического напряжения,  при этом к верхней поверхности корпуса 1 в трёх точках 8 прикреплено через прокладки нижней торцевой поверхностью третье (нижнее) теплоизолирующее опорное кольцо 7, к верхней торцевой поверхности которого в трёх точках 10, сдвинутых на 60° по отношению к точкам 8, прикреплено через прокладки второе (среднее) теплоизолирующее опорное кольцо 9, к верхней торцевой поверхности которого в трёх точках, аналогичных расположению точек 8, также через прокладки прикреплено первое (верхнее) теплоизолирующее опорное кольцо 11, к верхней торцевой поверхности которого в трёх точках, аналогичных расположению точек 10, через прокладки прикреплена диэлектрическая подложка 12, с размещёнными на ней электронными элементами системы термостатирования и держателями 13, в которых закреплена кварцевая ПП 14. При этом конструкция содержит крышку 15 герметично соединённую в вакууме с корпусом 1.
Заявленная полезная модель может быть реализована на основе серийно выпускаемых КРТ в стеклянных или металлических корпусах. При этом, опорные кольца теплоизолирующей опоры выполнены из материала с низкой теплопроводностью, например, из стекла или металла, например, нихромовой ленты. Прокладки, при этом, также могут быть выполнены из стекла или металла, например, медной ленты, толщиной, предпочтительно, не менее 0,1 мм. Соединение опорных колец теплоизолирующей опоры между собой и поверхностью основания и диэлектрической подложки может быть выполнено, например, эпоксидным клеем, либо другим соединением, обеспечивающим прочное соединение с низким газовыделением. Крепление ПП к монтажным лепесткам осуществляется предпочтительно токопроводящим клеем, например, Loctite Ablestik 84. Однако, возможно применение и иных известных из уровня техники способов крепления контактных поверхностей между собой, так же как и крепления ПП к монтажным лепесткам.
При подаче питающего напряжения через выводы на внутреннюю схему термостатирования начинает нагреваться диэлектрическая подложка 12 до заданной температуры с поддержкой в дальнейшем этой температуры с высокой точностью во всём диапазоне окружающих КРТ температур. Нагретая диэлектрическая подложка 12 через монтажные лепестки 13 и, в значительно меньшей степени, через теплопроводность остаточного газа в вакуумированном объеме КРТ и инфракрасное излучение, подогревает кварцевую ПП 14 до ее рабочей температуры. При этом нагретые части КРТ теряют энергию главным образом через теплоизолирующую опору, состоящую из трёх теплоизолирующих опорных колец 11, 9 и 7. Контактные соединения между диэлектрической подложкой 12 и опорным кольцом 11, опорными кольцами 11 и 9, опорными кольцами 9 и  7, а также опорным кольцом 7 и основанием 1 осуществляются последовательно, согласно представленному варианту осуществления,  по трёхточечной схеме,  которая, с одной стороны, позволяет получить более высокую механическую прочность, чем одноточечная схема прототипа, а с другой стороны, при наличии сдвига между тройкам точек крепления на торцах каждого из колец равного 60°, позволяет получить наилучшую для данной конструкции тепловую изоляцию.
Очевидным образом, при использовании в контактных соединениях более трех точечных областей соединения заявленный технический результат также будет достигаться в полном объеме.
При этом, возможность выполнения опорных колец из различных материалов с низкой теплопроводностью, разных типоразмеров, при условии обеспечения при этом контактных соединений согласно заявленной полезной модели, позволяет дополнительно оказывать влияние на повышение прочности и механической надежности конструкции КРТ, а также ее тепловую изоляцию.
Таким образом, решение согласно заявленной полезной модели предлагает простую в технологическом плане конструкцию КРТ, обеспечивающую существенное повышение механической прочности и собственного механического резонанса конструкции при сохранении величины потребляемой электрической мощности, используемой для целей термостатирования.