CN100388622C - 压电振荡器和包括封闭在壳体内的所述压电振荡器的组件 - Google Patents

Abstract

旨在安装于一壳体中的本发明的振荡器，所述振荡器包括一个音叉形部分(42)，其具有由一个基部(48)相互连接的两个平行臂(44，46)，并具有使所述臂振动的电极(52，54)，这些电极和用于和壳体的外部实现电连接的连接焊盘(60，62)相连。按照本发明，所述振荡器(40)还包括和基部(48)相连的并位于音叉形部分(42)的两个臂(44，46)之间的中央臂(50)，所述中央臂离开所述两个臂的距离基本上相等，所述中央臂(50)的质量大于音叉形部分的两个臂的质量，并且所述中央臂承载着连接焊盘(60，62)。通过把所述振荡器(40)的中央臂(50)固定到和壳体的底部相连的至少一个支撑上，把所述振荡器安装在平行六面体形的壳体内。

Description

压电振荡器和包括封闭在壳体内的所述压电振荡器的组件

技术领域

本发明涉及压电振荡器，尤其涉及小尺寸压电振荡器，其通常用于在许多，例如钟表制造技术，信息技术，电信领域和医疗领域的领域中制造特别用于便携式电子设备的频率发生器。

背景技术

当前用在钟表制造业并特别是用在电子表或机电表中的大多数小尺寸石英振荡器是石英音叉振荡器，其被封闭在真空中，或被封闭在所谓的“金属”壳体中的惰性气体环境中。

这些金属壳体是细长形的壳体，其包括一个基本上是圆柱形的底部，在所述底部上压入一个也是圆柱形的金属帽，从而使得所述壳体能够通过冲压被容易地制造。在这种情况下，借助于两个引线或者两个金属带保证在振荡器的电极和壳体外部之间的电连接，所述引线或金属带通过底部的一个绝缘部分，其内端部被低温焊或借助于导电黏合剂粘结在振荡器的接触焊盘上，使得所述引线或金属带也用作振荡器的支撑。

石英音叉振荡器具有能够利用光刻技术以低的成本被大规模地制造的优点，这意味着，特别是在非钟表应用中它们还常常使用另一种类型的壳体。

另一种类型的所述壳体被称为“陶瓷壳体”，它们是一种相当扁的壳体，通常包括：由陶瓷材料制成的平行六面体形状的主体部分，在其中安装着振荡器，一个由陶瓷材料、玻璃或金属制成的具有或没有边缘的矩形盖，其通过密封垫被焊接到所述主体部分上，以及一个连接系统，其可以采取不同的形式，用于使振荡器的激励电极和壳体外部电气相连。

现在，在把音叉振荡器安装在这种类型的壳体中时存在问题。

一个问题是，优化所述振荡器的尺寸和功能特征使其安装在金属壳体中，而不是使其安装在陶瓷壳体中。例如，其长度和宽度之间的比对于这种壳体的制造就不太合适尤其是当所述壳体是SMD(表面安装器件)类型的壳体，即意味着被自动地安装在无孔印刷电路板上时。

图1和图2用于帮助理解在把音叉安装在陶瓷壳体中时存在的其它问题。

这些图是常规音叉振荡器的顶视和底视平面图，所述振荡器类似于钟表技术中当前使用的振荡器，并被设计成以屈曲方式振动。

所示的振荡器2包括石英音叉4，其基部6和臂部8和10载有敷金属，从而在臂上形成两组电极12和14，这使得其臂部受到电场的作用而振动，并且在基部6，连接焊盘16和18分别和电极组12和14相连。

图3是中部的纵向截面图，其示意地表示图1和图2的振荡器2通常是如何安装在SMD型的陶瓷壳体20中的。

所示的平行六面体形状的壳体20包括具有底部24和侧部26的主体部分22和具有边缘30的盖28，在振荡器2被装入主体部分22内之后，所述的盖通过加热和加压，利用例如由金和锡制成的易熔合金形成的焊点32进行真空焊接。

振荡器2的安装是这样实现的：通过焊接或利用导电黏合剂粘接，把背面(见图2)连接焊盘16和18连接在被提供在位于壳体的主体部分22的一侧上的底部24的台阶36上的相应的导电焊盘34上，这些焊盘34以图中未示出的方式和设置在底部24的背面上的外部连接焊盘37和38相连。

在这种情况下，振荡器的大部分悬垂在壳体底部的台阶36上，所述台阶36支撑着振荡器，并且台阶36距离振荡器的重心相当远。

因此，振荡器及其和壳体的连接没有良好的抗振性能。

在另一方面，当振荡器被固定到所述壳体的台阶36上时，其易于朝向壳体的底部倾斜。

此外，由于陶瓷材料和石英的热胀系数不同，足以在振荡器中产生机械应力，当温度改变时，所述机械应力不仅作用在音叉的臂上，并干扰振荡器的工作，而且可以使焊料断裂，或者使振荡器的焊盘16和18与壳体的焊盘34脱开，并且改变甚至切断振荡器电极和壳体的外部连接焊盘37、38之间的电连接。

由于同样的原因，如果在连接焊盘16和18所在的音叉的基部6的一侧上具有初始的破裂，则大的温度改变甚至能够使音叉折断。

最后，和在金属壳体的情况下相比，当振荡器在真空下封装时，真空度不会很好，在音叉臂彼此靠近时当振荡器振动时，由于音叉臂扇动气体，，可以较大地改变振荡器的操作参数。

本发明的目的在于提供一种压电振荡器和包括封闭在壳体中的所述压电振荡器的组件，其能够满意地解决常规的音叉振荡器具有的各种问题。

因而，按照本发明的旨在安装在壳体中的压电振荡器，其包括一个音叉形的部分，具有两个平行臂，所述两个平行臂由基部相互连接，并具有使其振动的电极，所述电极和旨在用于和所述壳体的外部电气相连的连接焊盘相连，其特征在于，其还包括一个中央臂，所述中央臂连接在所述基部上，并位于音叉形部分的臂之间，离开所述臂的距离基本相等，所述中央臂具有比音叉形部分大的质量，并且所述连接焊盘由所述中央臂承载着。

此外，当振荡器被封闭在密闭的平行六面体形状的壳体中时，所述壳体包括一个具有底部和侧壁的主体部分，所述振荡器被安装在所述主体部分内，还包括一个固定在所述主体部分上的盖，其特征在于，所述壳体还包括连附于其底部的至少一个支撑部分，所述中央振荡器臂被固定在所述支撑上。

本发明的其它特点和优点通过结合附图参阅以下的说明将会更加清楚，其中：

图1和图2分别是上述的已知的音叉振荡器的顶视图和底视图；

图3是上述的振荡器的中部纵向截面图，其表示图1和图2所示的振荡器通常如何安装在陶瓷SMD型壳体内；

图4和图5分别是按照本发明压电振荡器的第一实施例的底视图和顶视图；

图6是拆开的透视图和中部纵向截面图，表示图4和图5的振荡器如何安装在一种合适的壳体中，从而形成按照本发明的振荡器-壳体组件；

图7是透视图和中部纵向截面图，表示在安装在壳体内之后的振荡器；

图8和图9分别是按照本发明压电振荡器的第二实施例的顶视图和底视图；以及

图10和图7类似，表示图8和图9的振荡器安装在合适的壳体内之后的情况。

具体实施方式

在图4和图5由标号40表示的按照本发明的振荡器的第一实施例中，包括音叉形的部分42，其具有两个臂44和46，由基部48连接在一起，在所述基部上连附有位于臂44和46之间，并和它们平行的中央臂50，整个组件被制成一件，并且由石英制成。

如图4和图5所示，中央臂50的宽度比音叉形部分42的臂44或46的宽度的2倍略大，不过所述宽度可以略大或略小。

同样，中央臂50的长度不必等于臂44和46的长度，如图4和图5所示。例如其可以较短。

不过，在另一方面，重要的是，中央臂50离开臂44和46的距离基本相等，这个距离可以等于相同尺寸的如图1和图2所示的常规的音叉振荡器的两个臂分开的距离，并且，在另一方面，由于下面将要说明的理由，所述中央臂具有比必须振动的臂44、46大得多的质量。

现在对此进行说明，如图4和图5所示，臂44和46具有两组和图1、图2的振荡器的电极类似的电极52和54，它们分别由导电通路56和58相互连接，所述导电通路由音叉形部分42的基部48承载着。

如图所示，设置这些电极和导电通路是为了使臂44和46以屈曲方式振动，但是也可以采用不同的构型，使得音叉臂以屈曲方式或者其它方式(扭转，剪切等)振动。

回头看中央臂50，图5表示在中央臂的背面上，具有两个导电连接焊盘60和62，其沿振荡器长度方向位于重心G的每一侧，最好离开重心的距离相等，这些焊盘60和62通过导电通路64和66分别和导电通路58和58相连，从而使每组电极52、54相互相连。

如果将上述的振荡器40和图1、图2所示的音叉振荡器2比较，可以看出，沿其纵向其基部48比振荡器2的基部6窄得多。这是由于，所述基部48不再必须承载用于把振荡器安装在壳体内并使其电极和壳体外部相连的两个连接焊盘，由下面可以看出，这便是连接焊盘60和62的作用。

在另一方面，显然，因为具有第三臂50，振荡器40比具有和臂44、46相同尺寸的臂的常规的音叉振荡器较宽。对于申请人已经制成的样机，其宽度大约增加30％，但是，由于下面将要说明的原因，可以看出，按照本发明的振荡器比常规的音叉振荡器较短和较宽，这是有利的。

最后，还应当注意到的一个优点是，如振荡器40这种振荡器，可以使用和常规振荡器相同的技术，实际上以常规的音叉振荡器那样低的成本被大规模地制造。

图6和图7表示图4和图5的振荡器如何安装在陶瓷壳体内而形成按照本发明的组件。

由图6可见，所述的壳体具有平行六面体的形状，图中用标号68表示，并且只画出了其中的一半，其包括由平的底部72和4个侧部74构成的主体部分70以及具有边缘78的盖76，通过所述的边缘，通过加热和加压，借助于焊接框架80，在把振荡器40安装在主体部分70内之后，把所述盖真空焊接到主体部分70的侧部74上。

所述振荡器的安装通过利用焊接或者利用黏合剂粘接把振荡器的连接焊盘60和62连接到各个接线柱82和84上来实现，如图7所示。

参看图7，可以看出，所述接线柱82和84位于被设置在主体部分70的底部的导电焊盘86和88上，并且所述焊盘86和88通过内部通路90和92以及填充在壳体的底部72中的孔98、100中的导电黏合剂面向内部通路90、92和外部连接焊盘94、96电气相连。

如图所示，接线柱82和84可以通过在导电焊盘86和88上电镀淀积厚的金属层来形成，但是也可以用其它的方法形成。例如，这些接线柱可以由粘接在焊盘86和88上的小的陶瓷部分构成，并且此时振荡器的连接焊盘60和62可以利用导电黏合剂粘接在这些陶瓷部分上，所述导电黏合剂全部包围着接线柱，以便确保在焊盘60、62与焊盘86、88之间的电连接。

在任何情况下，把振荡器在其重心区域固定到壳体的底部这个事实使得容易装配，并减少在所述装配期间振荡器发生倾斜的危险。

由于同样的原因，封闭的振荡器的抗振性能被大大增强。

在另一方面，因为具有接线柱82和84，使得振荡器不再和壳体直接接触，如图1到图3所示的音叉振荡器那样。因而，大大减少由于在石英和制成壳体的陶瓷材料之间的热胀系数的不同而使振荡器受到的应力，并且，即使不是这样，所述应力也仅仅施加于第三个实体臂50的围绕振荡器的重心的区域，因而实际上没有使振荡器断裂的危险，或者，至少不会由所述应力干扰其操作。

此外，假定振荡器40的第三分支比常规的音叉振荡器的基部具有较大的质量，则在振荡器和壳体之间具有较好的去耦作用，因而可以改善封闭振荡器的性能。

此外，也是由于具有第三臂，当振荡器以屈曲方式振动时，振荡器的其它两个臂不像在音叉振荡器的情况下那样相互靠近，而是距离第三臂较近，这意味着，振荡器对于在壳体中的残余的气压具有低得多的灵敏度。

此外，当使振荡器40以屈曲方式振动时，其振动频率的一次谐波比音叉振荡器衰减得快得多，如果需要振荡器只在基本频率下振动，这是一个优点。

最后，像振荡器40这样的振荡器，其长度和宽度之间的比不仅比音叉振荡器更适合于安装在SMD型壳体中，而且在保持高效的同时，这个比还可以被这样计算，使得振荡器可被安装在方形的而不是矩形的壳体中，从而有利于所述壳体的制造，并且，通过使接线柱82和84以及焊盘86和88具有合适的形状，例如L形，并且通过合适的布置，例如使两个L形成方形，当然，不使它们接触，则可以把振荡器放置在壳体中的4个不同的位置，这也有助于振荡器的自动安装。另一个较有利的解决办法是把接线柱和焊盘的数量乘以2。

图8和图9示出了按照本发明的第二实施例的顶视图和底视图。

如果使图8和图9的振荡器40’和图4、图5的振荡器40相比，可以看出它们都包括相同的音叉形部分，并且只有中央臂不同。因而，对于音叉形部分不再说明，音叉形部分的各个元件在图8和图9中利用和图4、图5相同的标号表示。

此外，将这些图相比，可以看出，实际上，在图4、图5的振荡器的中央臂50和图8、图9的振荡器40’的中央臂50’之间具有3个不同。首先，中央臂50’比音叉形部分的臂44、46短。第二，在其背面不再具有两个连接焊盘，而在其前面具有两个连接焊盘60’、62’，它们通过导电通路64’、66’和导电通路56、58相连，所述导电通路56、58使音叉形部分42的臂44和46的电极52、54相互连接。第三，这些连接焊盘60’、62’不再位于振荡器的重心G的每一侧上，而位于中央臂50’的在其自由端的一侧上的端部。

图10相应于图7，表示振荡器40’是如何安装在平行六面体的陶瓷壳体68’内而形成按照本发明的振荡器-壳体组件。

所述壳体68’包括主体部分70’，在图中只能看到其中的一半，并且其由底部72’和4个侧部74’构成。

为了能够安装振荡器40’，底部72’的内表面具有一个呈平行六面体形的凸起部分102，其沿壳体宽度方向的尺寸最好基本上等于或略小于振荡器的中央臂50’的宽度，并且其位于这样的位置，使得当振荡器例如通过粘接被固定到凸起部分上时，所述凸起的中心基本上和振荡器的重心G’垂直。

应当注意，按照本发明的振荡器-壳体组件的第二实施例的一种改型，底部72’的凸起部分102可以用由陶瓷材料或其它绝缘材料制成的例如通过粘接被固定到壳体的底部的部分代替。所述其它的材料可以被有利地选择，使得其具有在构成壳体的陶瓷材料的热胀系数和构成振荡器的石英的热胀系数之间的热胀系数，以便减少由于温度不同而使所述振荡器的中央臂50’受到的应力。

还应当注意，在所述第二实施例中，凸起部分102只用于支撑振荡器，在振荡器和壳体的外部接触焊盘94’、96’之间的电连接方面，不起任何作用。

这个电连接作用由导线104保证，图10中只能看到其中的一个，并且按照熟知的导线连接技术，其一端利用焊接或者利用导电黏合剂粘接被固定在振荡器的连接焊盘60’、62’上(见图8)，并且其另一端以相同方式固定到位于壳体的底部的导电焊盘106上。

导电焊盘106，在图10中只能看到一个，可以通过填充在底部72上形成的通孔中的导电黏合剂直接和外部焊盘94’电气相连，所述通孔在图10中未示出。在图10中也未示出的另一个导电焊盘106也以同样的方式，但是通过设置在壳体的底部上的导电通路和外部焊盘96’相连。

为了避免减少振荡器的第三臂50’的质量，并使其重心G’靠近其基部48，可以使第三臂具有和音叉形部分42的臂42和46相同的长度，但是，因为使振荡器的连接焊盘60’、62’和壳体的焊盘106相连的连接方式，这可能意味着必须增加壳体的长度，这是不希望的。此外，显然，本发明不限于上述的实施例和已经设想到的改型。

例如，为了使振荡器的音叉形部分和其中央臂实现较好地机械去耦，中央臂可以具有缺口，从而减少其和主体部分连接的位置处的宽度。

在另一方面，即使不特意设计使振荡器包括在方形壳体中，按照本发明的振荡器也能够很好地安装在两个以上例如3个接线柱上，以便实现较好的密封。

此外，壳体的内部导电焊盘可以不同于通过在壳体的底部形成的孔并填充导电黏合剂这样的方式和外部连接焊盘相连。

最后，虽然按照本发明的振荡器被特定地设计成置于陶瓷壳体中的，但是其也可以被设置在混合壳体中，所述混合壳体包括陶瓷的主体部分和玻璃的或金属的盖，或者被设置在完全由金属或玻璃制成的壳体中，如同常规的音叉振荡器那样，并且当然可以修改这些壳体，使其适合于按照本发明的振荡器。

Claims (19)

1.一种旨在安装在壳体(68；68’)中的压电振荡器(40；40’)，其包括一个音叉形的部分(42)，所述音叉形部分具有两个平行臂(44，46)，所述两个平行臂由一个基部(48)相互连接，并具有使其振动的两个电极(52，54)，所述电极和旨在用于和所述壳体的外部电气相连的连接焊盘(60，62；60’，62’)相连，其特征在于，其还包括一个中央臂(50；50’)，所述中央臂连接在所述基部(48)上，并位于所述音叉形部分(42)的臂(44，46)之间，离开所述臂的距离相等，所述中央臂具有比所述音叉形部分大的质量，并且所述连接焊盘(60，62；60’，62’)由所述中央臂(50；50’)承载着。

2.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述音叉形部分(42)和所述中央臂(50；50’)是由石英制成的一个元件。

3.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述中央臂(50；50’)的宽度大于或等于音叉形部分(42)的臂(44，46)的宽度的两倍。

4.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述中央臂(50)的长度等于所述音叉形部分(42)的臂(44，46)的长度。

5.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述中央臂(50’)的长度小于所述音叉形部分(42)的臂(44，46)的长度。

6.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述中央臂(50’)在其一个表面上承载着两个连接焊盘(62，64)，所述焊盘位于沿所述振荡器的纵向所述振荡器(40)的重心G的每一侧。

7.如权利要求6所述的振荡器，其特征在于，所述连接焊盘(62，64)离开所述重心G的距离相等。

8.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，所述中央臂(50’)在其一个表面上承载着两个连接焊盘(60’，62’)，所述连接焊盘位于所述臂的自由端一侧的端部。

9.如权利要求1所述的振荡器，其特征在于，其被设计成以屈曲方式振动。

10.一种包括压电振荡器(40；40’)和平行六面体形的密闭壳体(68；68’)组件，所述壳体包括一个具有底部(72；72’)和侧部(74；74’)的主体部分(70；70’)，所述振荡器(40；40’)被安装在所述主体部分内，还包括一个固定在所述主体部分上的盖(76)，所述振荡器包括一个音叉形部分(42)，所述音叉形部分具有两个平行臂(44，46)，所述两个平行臂由一个基部(48)相互连接，并具有使其振动的两个电极(52，54)，所述电极和与所述壳体的外部电气相连的连接焊盘(60，62；60’，62’)相连，其特征在于，所述振荡器(40；40’)还包括一个中央臂(50；50’)，所述中央臂连接在所述基部(48)上，并位于所述音叉形部分(42)的臂(44，46)之间，离开所述臂的距离相等，所述中央臂具有比所述音叉形部分大的质量，并且承载着所述连接焊盘(60，62；60’，62’)，并且所述壳体包括固定在其底部(72；72’)上的至少一个支撑部分(82，84；102)，所述振荡器的中央臂被固定在所述支撑上。

11.如权利要求10所述的组件，其特征在于，所述振荡器的所述音叉形部分(42)和所述中央臂(50；50’)是由石英制成的一个元件。

12.如权利要求10所述的组件，其特征在于，所述振荡器的中央臂(50；50’)的宽度大于或等于音叉形部分(42)的臂(44，46)的宽度的两倍。

13.如权利要求10所述的组件，其特征在于，所述振荡器(40)的中央臂(50)的长度等于所述音叉形部分(42)的臂(44，46)的长度。

14.如权利要求10所述的组件，其特征在于，所述振荡器(40)的中央臂(50)在其背面朝向所述壳体(68)的底部(72)的方向承载着两个连接焊盘(62，64)，所述连接焊盘位于所述振荡器的重心G的每一侧，并且所述中央臂在所述连接焊盘的位置被固定在两个接线柱(82，84)上，所述接线柱被固定在位于壳体的主体部分(70)的底部内的两个导电焊盘(86，88)上，使得所述连接焊盘(62，63)和所述导电焊盘(86，88)电气相连，所述导电焊盘本身和壳体的外部电气相连。

15.如权利要求14所述的组件，其特征在于，所述接线柱(82，84)由淀积在所述导电焊盘(86，88)上的金属层构成。

16.如权利要求14所述的组件，其特征在于，所述接线柱(82，84)是由被固定在所述导电焊盘(86，88)上的电绝缘材料制成的部分，并且所述振荡器(40)的所述连接焊盘(62，64)通过导电黏合剂固定在所述接线柱上，使得所述黏合剂包围着所述部分，从而使所述连接焊盘和所述导电焊盘电气相连。

17.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述振荡器(40’)的所述中央臂(50’)的长度小于所述音叉形部分(42)的臂(44，46)的长度，并且承载着所述中央臂的自由端一侧的端部上的两个连接焊盘(60’，62’)，并且所述支撑由所述壳体(68’)的主体部分(70’)的底部(72’)的内部凸起部分(102)构成，所述中央臂被固定在所述凸起部分上，使得所述振荡器(40’)的重心(G’)的位置垂直于所述凸起部分(102’)的中心，并且所述振荡器的所述连接焊盘(62，62’)通过两个导线(104)分别和位于所述壳体(68’)的主体部分(70’)的底部的两个导电焊盘(106)相连，所述两个导线的每个导线的一端被固定在所述振荡器的所述连接焊盘的一个上，所述导线的另一端被固定在所述导电焊盘的一个上，所述导电焊盘本身和壳体的外部电气相连。

18.如权利要求14或17所述的组件，其特征在于，所述壳体(68，68’)的主体部分(70，70’)和所述盖(76)由陶瓷材料制成。

19.如权利要求18所述的组件，其特征在于，所述导电焊盘(82，84；106)和由所述壳体的主体部分(70，70’)的底部(72，72’)承载着的外部接触焊盘(94，96；94’，96’)，通过内部导电通路(90，92)和填充在所述底部(72；72’)内形成的孔(98，100)中的导电黏合剂电气相连。

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