CN101383600B - 具有优化的运动电容的压电音叉谐振器 - Google Patents

Abstract

音叉谐振器(1)包括基体(4)，第一和第二平行振动臂(2，3)从基体(4)延伸，承载一组用于以基本频率振动所述臂的激励电极(5，6)。凹槽(7，8)形成在每个所述臂的顶部表面或底部表面的至少一个上。振动臂具有通常的楔状，并且由形成每个臂的自由端的放大的鳍状部分(9，10)扩展。凹槽(7，8)在臂的自由端的方向中延伸超过鳍(9，10)的开始端以便增加对于基本频率的谐振器的第一运动电容，减少对于泛音频率的谐振器的所述第二运动电容，并确保机械应力沿着振动臂更好的分布并且增加振动阻力。

Description

具有优化的运动电容的压电音叉谐振器

技术领域

本发明涉及压电晶体谐振器并且更具体地涉及最经常用于制造频率发生器的小尺寸谐振器，尤其是用在例如钟表学、信息技术、电信以及医疗领域的多种领域中的便携式电子设备。 

背景技术

该类小尺寸谐振器已经在现有技术文件US4,384,232中公开，其通过引用并入这里。该文件公开了一种由基体和从基体延伸出的两个振动臂形成的音叉谐振器。每个臂承载镀金属部分，该镀金属部分形成主相对表面上的中心电极和沿每个臂侧面的侧电极。一个臂的中心电极连接到另一个臂的侧电极并连接到电源的一个端子。另一中心电极和侧电极以相同的方式连接到电源的另一个端子。向电极施加电场以便臂以需要的基本频率振动。 

在每个臂中提供凹槽。在具有臂厚度的凹槽中设置中心电极增加了压电耦合。在同样的尺寸下，耦合的增加使给定的谐振器品质因数的等效阻抗降低并且其消耗功率相应的降低。该效果可以被模拟为是由于表示在等效常规谐振器电路中的损耗的串联阻抗的减少。相反，对于相同的所需的等效阻抗，该设置可以减小谐振器尺寸。 

使这些凹槽尽可能深是有利的，如果谐振器保持良好的机械阻力的话。在凹槽和臂的侧边缘之间设置的区域必须保持足够的刚性，并且还需维持以足够刚性的方式连接到臂的中心部分上以能够使整个音叉振动。 

由于使用这些凹槽，对于相同的给定频率以及相同的给定等效阻抗，可获得较高的小型化程度。然而，在特定尺寸以下，弹性活性(active)压电材料体积的减小与品质因数降低有关，这导致等效阻抗的不希望的增加。 

发明内容

因此本发明的目的是提供一种压电晶体谐振器，其能在不导致等效阻抗额外增加的情况下尽可能小型化。 

而且，上述类型的压电晶体谐振器具有运动电容(motional capacitances)，该 运动电容被定义为对于每个共振模式、即基本频率共振模式以及谐波频率共振模式并且更具体地对于第一部分频率共振模式与整体压力成比例。因此本发明的另一目的是提供一种压电晶体谐振器，其对于基本频率具有最大运动电容，对于泛音频率具有最小运动电容，该泛音频率是由振荡器电路随机启动的频率。 

发明内容

本发明通过提供根据所附的权利要求1的压电音叉谐振器而实现所述目标。 

应理解的是权利要求1的前序部分描述的压电音叉谐振器特别地对于称为基本频率的第一频率具有第一运动电容，以及对于称为泛音频率(partialfrequency)的第二频率具有第二运动电容。还应理解形成本发明主题的特征有利地使谐振器的所述第一运动电容对于基本频率是增加的，并且使所述第二运动电容对于泛音频率是降低的。它们还确保机械应力沿着振动臂更好的分布并且增加耐震强度。 

特别地，应理解根据本发明，形成振动臂的质量分布相当不同于现有技术。实际上，本发明使振动臂具有楔形并且以称为鳍(flipper)的扩大部分结束。该质量分布的一个优点在于尽可能升高了品质因数。特别地，鳍的效果降低了给定臂长度下的频率，并且由此允许频率调节到需要的值。 

与鳍的出现相关的另一优点是在泛音频率模式中不促进共振。实际上，鳍的效果是用泛音频率模式与关于臂的对称轴扭转的扭转模式耦合。其效果是降低该模式的实际运动电容。 

凹槽的出现导致了对于给定谐振器品质因数的等效阻抗的降低。但是，实质上凹槽在品质因数上仅具有次要的效果。 

还应理解，根据本发明，凹槽沿臂延伸到超过与鳍的开始端重合的放大点。实际上，如果发生振动，与鳍的开始端重合的放大点形成最大应力区域。在这些情况下，由于本发明的特点，如果发生振动，凹槽的易碎端离最大应力区域有特定的距离。而且，通过更好地分布与振动相关联的应力以及与鳍的质量相关的应力，凹槽延伸出鳍的开始端的情况使谐振器的运动电容增加。 

根据本发明的优选实施例，凹槽开始于臂的锚定区域(anchorage zone)前的基体4阱中。 

而且，根据本发明的另一优选实施例，基体(base)的长度包括在振动臂 的平均宽度的4.5和6.5倍之间。通过申请人实施的检测，实际上已经证实不能观察到该比率可能导致组件敏感度效应以及等效频率和/或阻抗的不稳定性。实际上，即使在极端小型化的情况下，还需要提供尺寸取决于固定工艺的连接表面。还需要保证谐振器的固定区域和弹性活动区域之间的最小距离，以使得最有效的机械非耦合成为可能。 

优选地，基体长度近似等于振动臂平均宽度的6倍。 

在本发明的范围内，具有不同凹槽深度的几个实例已表明当凹槽深的时候谐振器的运动电容更敏感。这样，对于在振动臂厚度的40和50％之间的凹槽深度，基本频率时的谐振器的运动电容对于制造容差太敏感并且谐振器的整个结构易碎。由于在谐振器的尺寸和其对机械应力的抵抗之间良好的折中，因此优选最大等于振动臂厚度的40％的凹槽深度。 

尽管在振动臂厚度的30和40％之间的凹槽厚度具有优点，但是具有这样厚度的臂可能保持不充分的机械应力抵抗，并且为了增加安全性，似乎更优选最大等于振动臂厚度的30％的凹槽深度。 

而且，优选地，对鳍进行平整(ballast)以便基本频率易于调节。 

凹槽可以是矩形，以降低电极之间的空间并因此还增加了第一运动电容，或者是适合臂的形状的楔形以防止电极间的任何短路。 

附图说明

当参考附图研读如下描述时本发明的其它特征和优点将显现的更清楚，其中： 

图1示出根据本发明的具体实施例的音叉谐振器； 

图1a示出沿图1线A-A的截面部分； 

图2是示出作为相对于鳍开始端的凹槽的末端位置的函数的鳍的断开部分比例的图表； 

图3是示出作为在鳍开始端为67％的长度比率时凹槽的长度的函数的等效阻抗的图表。 

发明的详细描述 

参考图1至3给出的非限制性实例描述本发明。 

在图1所示的具体实施例中，由编号1表示的谐振器包括包含由基体4连接的两个振动臂2和3的音叉部分，该组件用单一的压电材料件，例如石英， 制造。基体4与臂2和3承载镀金属部分，即形成一组电极5和6的导电沉积，其使得臂被施加电场以便使它们以称为基本频率的所需的频率振动。形成在臂上的镀金属部分在主相对表面上形成中心电极和沿每个臂侧面形成侧电极。凹槽7和8还形成在每个振动臂的前面或后面的至少一个中。该附图示出这些凹槽7和8在基体4内开始并沿着臂延伸到基本上超过与鳍9和10的开始端重合的放大点。通过这样改变实际上在臂的整个长度上的臂部分，甚至当该装置小型化时，这些凹槽还可提供更准确的性能。 

图1还示出在凹槽7、8内形成每个臂的中心电极。这种在凹槽内以臂厚度安排中心电极的一个优点是增加压电耦合。 

图1示出振动臂2和3的厚度在代表大部分臂长的一个部分上减小。振动臂包括楔形主体部分的情况具有在晶体中更好分布张力的优点，因此在降低对于泛音频率的运动电容时，增加了对于基本频率的运动电容。还可知道每个振动臂的楔状部分用较宽的鳍(分别用9和10表示)盖住。由于这些鳍形成振动臂2和3的末端，所以这还在不改变谐振器特征并且同时确保机械应力沿着臂更好分布的情况下减少臂2和3的尺寸。优选地，还能将不平衡团块11和12添加到鳍9和10上，以便获得谐振器基本频率的更好的调节。 

而且，图1所示在该实施例中，中心电极在鳍9和10的开始端之前停止并且由此还停在凹槽7和8的远端之前相当远的地方。该安排的一个优点是因为鳍9和10的相对刚性，电能在运动电容大量降低的区域中没有被浪费。 

最后，在该具体实施例中，在基体部分4中还提供槽口(notch)13和14以改善振动臂和基体的固定部分之间的非耦合。 

优选地，在楔形部分远端(在与鳍开始端重合的放大点)的臂宽度w1选择为在楔状部分最近端(在与谐振器基体4的结合处)的臂宽度w2的30和60％之间。优选地，在上述提到的两个宽度w1和w2的45和55％之间的比率是更好的折中。 

而且，鳍的宽度优选在臂的楔形部分的平均宽度的1.5和2.5倍之间。 

现在让我们考虑图1a，其是图1沿线A-A的截面，示出两振动臂2和3，其中凹槽7a、7b、8a、8b沿音叉谐振器的纵向形成。根据一个变形，每个臂可在其前面或后面上仅具有一个凹槽。而且，为了确保谐振器结构具有足够的机械抵抗力，凹槽还应该尽可能浅。而且，这些凹槽还应该尽可能深以确保对于 给定品质因数的更好的等效阻抗，或降低对于所需等效阻抗的谐振器尺寸。在考虑振动臂的楔形状的同时应该寻找最好的折中。 

在本发明的范围内已经示出凹槽的深度优选小于振动臂厚度w的40％，并且该深度在谐振器尺寸和其对机械应力的抵抗力之间提供良好的折中。尽管在振动臂厚度的30和40％之间的凹槽深度具有一些优点，但是为了更加安全，对于小于振动臂厚度w的30％的凹槽深度d，获得在谐振器尺寸和其对机械应力的抵抗力之间的优化折中。 

图2是示出在振动期间作为凹槽末端位置的函数的断开部分百分比的图表。在该图中，Lr是凹槽末端的长度，Lp是鳍开始处的长度，L是臂长。这三个长度从基体臂的锚定中测得。 

如该附图所示，形成在振动臂中的凹槽的几何形状对振荡器的振动阻力是决定性的。实际上，该图表显示当凹槽的远端与标记鳍的开始端的放大点(Lp＝Lr；在图表中横坐标0％)重合时断裂率更高。解释该现象的决定因素应该在于由鳍形成的大量团块的影响。要考虑的另一因素可能在于通过刻蚀石英晶体而刻蚀凹槽的情况。按照已知方式，化学刻蚀倾向于去除多个晶体平面，特别是在凹槽的末端。该多重晶体面具有对振动和其相关联的应力更为敏感的缺点。 

无论该现象的原因如何，将凹槽的末端布置在与振动相关的最大应力区域之外似乎是有利的。为此，有两个先验的解决方案。第一个是将凹槽末端放置在鳍的该侧，或更准确地，完全在臂的放大点之前。形成本发明主题的第二种可能性是凹槽末端明确地超过臂的放大点地设置，以便与振动相关联的最大应力区域分布在凹槽的整个侧壁上。 

图3是给出作为具体实例中的凹槽长度的函数的等效阻抗的图表，在该实例中，在每个振动臂上，与鳍的开始端重合的放大点位于臂长的67％(Lp/L＝67％)。在图3观察到等效阻抗在离横坐标67％不远的位置具有最小值，即类似于凹槽的远端与鳍的开始端重合(Lp＝Lr)的情况。而且，当凹槽的远端更远时，实际上在臂末端时，由于鳍的机械性能的改变，等效阻抗增加。 

但是对该图表的更进一步检查表示出当凹槽延伸到有一点超过鳍的开始端时比当凹槽在鳍的开始端之前一点停止时的等效阻抗小。根据本发明，由此凹槽基本上延伸出鳍的开始端以便同时最小化断裂部分的比率(图2)和等效阻抗 (图3)。根据本发明该方案的另一优势在于通过更好地分布与振动和鳍的质量相关联的应力增加了谐振器的运动电容。 

优选地，凹槽延伸超过鳍的开始端的距离在臂的平均长度的1到2倍之间。而且，该距离优选至少是凹槽深度的三倍。但是，凹槽的末端优选接近鳍的开始端甚于接近臂的末端。该安排防止了等效阻抗的上升和启动其它振动模式。 

尽管参照具体实施例描述了本发明，应该理解该实施例并不构成本发明的限制。实际上，在不脱离所附权利要求定义的发明范围的情况下，在本领域技术人员面前可出现特征的多种变化、改进和/或组合。例如，图1所示的电极的楔形可用矩形代替。在这种情况下，矩形电极降低电极之间的空间，并且由此增加基本振动模式的运动电容。

Claims (9)

1.一种压电音叉谐振器(1)，包括基体(4)，平行的第一和第二振动臂(2、3)从该基体(4)延伸出去，每个振动臂通过形成每个臂的自由端的鳍(9、10)形状中的放大部分延伸，每个所述振动臂承载一组用于以基本频率振动所述臂的激励电极(5、6)，该组激励电极(5、6)包括在所述臂的主体相对表面上的中心电极和沿所述臂侧面的侧电极，所述压电音叉谐振器(1)还包括形成在每个所述臂的顶部表面或底部表面的至少一个上的至少一个凹槽(7、8)，所述凹槽(7、8)在朝臂的自由端的方向延伸超过鳍(9、10)的开始端，其特征在于，所述振动臂具有通常的楔状，并且所述中心电极不延伸到鳍(9、10)的开始端，而是在鳍(9、10)的开始端之前停止。

2.根据权利要求1的压电音叉谐振器，其特征在于，形成在每个所述臂(2、3)上的所述凹槽(7、8)的开始点在基体(4)内，而且在臂锚定区域之前。

3.根据权利要求1的压电音叉谐振器，其特征在于，凹槽(7、8)延伸超过鳍开始端的距离在臂(2、3)的平均宽度的一或两倍之间。

4.根据权利要求1的压电音叉谐振器，其特征在于，凹槽(7、8)延伸超过鳍的开始端的距离至少是凹槽深度的3倍。

5.根据权利要求1的压电音叉谐振器，其特征在于，凹槽(7、8)的末端接近鳍(9、10)的开始端甚于接近鳍的末端。

6.根据权利要求1的压电音叉谐振器，其特征在于，所述凹槽的深度小于振动臂厚度的40％，以便获得谐振器尺寸和谐振器对机械应力的抵抗力之间的良好折中。

7.根据权利要求1的压电音叉谐振器，其特征在于，所述凹槽(7、8)的深度小于振动臂(2、3)的厚度的30％，以便获得谐振器尺寸和谐振器对机械应力的抵抗力之间的优化折中。

8.根据权利要求1的压电音叉谐振器，其特征在于，所述凹槽(7、8)具有矩形形状，以便减少电极之间的空间并进一步增加第一运动电容。

9.根据权利要求1的压电音叉谐振器，其特征在于，所述凹槽(7、8)具有楔状以便防止电极之间的短路。

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