CN103199816B - 小型压电音叉谐振器 - Google Patents

Abstract

小型压电音叉谐振器（21）包括设置在公共平面中的第一和第二平面音叉形部分。旨在经由链接部分（29）将该压电谐振器安装在支架上，所述链接部分被设置为连接第一和第二音叉形部分的内振动臂（25a，25b）的尖端，以把第一和第二音叉形部分链接在一起。通过链接部分把第一和第二平面音叉形部分所承载的电极互相连接，以使第一和第二音叉形部分的外振动臂以相反的相位振荡。

Description

小型压电音叉谐振器

技术领域

本发明涉及压电音叉谐振器，更具体地讲，本发明涉及在诸如钟表制造、信息技术、远程通信以及医疗领域的很多领域中频繁用于制造便携电子设备的频率发生器的小尺寸音叉谐振器。

背景技术

在通过引用并入此处的现有技术文档美国专利7，626，318中，已公开了这种小尺寸的压电谐振器。附图1为这一现有技术文档的图1的复制。参照该图，可以看出，所描绘的音叉谐振器1由基底4和两个从基底延伸的振动臂2，3形成。按人们所熟悉的方式，每一个臂承载形成在主相对表面上的中心电极和沿每一臂侧面的侧电极的金属化部分5，6。把一个臂上的中心电极连接到另一个臂上的侧电极，并且连接到振荡器电路的一端。按同样的方式，把另一个中心电极和侧电极连接到振荡器电路的另一端。振荡器电路为被设置为向电极提供致使臂按所希望的基本频率振动的振荡电流的电路。

在每一个臂中提供了凹槽7，8。就臂的厚度而言，凹槽内中心电极的设置增强了压电耦合。对于具有相同尺寸的谐振器，就给定的谐振器质量系数而言，耦合的增强导致等效电阻的减小，从而导致谐振器的功耗降低。相反，对于相同的等效电阻，凹槽的存在允许谐振器尺寸的减小。实际上，凹槽的使用使制造具有相同给定谐振频率的高度小型化的谐振器成为可能。

然而，最小化存在限制。实际上，理论表明，如果振动臂的长度为L并且振动臂的宽度为W，则基本谐振频率趋向于类似W/L²地表现。从而可知，对于给定谐振频率，臂的长度越短，其宽度必定越窄。结果是，在小于一定的尺寸的情况下，必定使振动臂窄到使得弹性活跃压电材料的体积的减小与质量系数的不可接受的降低相关联。尽管如此，为了实现更高程度的小型化，以上所提到的现有技术文档还教导了：每个振动臂终止于一个称为鳍肢的放大的部分9，10中。鳍肢具有在给定长度的情况下降低频率的效果，从而允许在相同给定频率的情况下采用更短的振动臂。

本发明的一个目的旨在提供一种小型化程度高于现有技术谐振器，但未过度降低质量系数或者增加等效电阻的压电谐振器。

发明内容

本发明通过提供一种根据所附权利要求1所述的压电音叉谐振器，实现了上述目的。

根据本发明，旨在经由链接部分把压电谐振器安装在支架上。这一设置意味着两个音叉形部分均由它们的振动臂之一的尖端加以固定。这与标准情况不同，根据标准情况，通常经由交叉部分在中间固定单个音叉。另外，由于每一个音叉形部分的两个振动臂以相反的相位振动，所以当同一个音叉形部分的两个振动臂弯曲时，两个臂对总位移的各自贡献累加。实践中，这意味着，在一次振荡期间未被固定的振动臂的尖端的移动幅度约为通过交叉部分按通常方式固定音叉时的两倍。换句话说，当通过一个臂的尖端固定时，每一个音叉形部分按类似于单个振动臂的约两倍长的方式来表现。这一特性与人们所熟悉的在中间固定音叉的情况不同，在该熟悉的情况中，两个臂的各自贡献互相补偿。

因此，本发明的优点在于，对于相同的谐振频率，可以使音叉形部分的臂缩短大约二分之一。这可以解释为谐振器的长度明显缩短。

附图说明

当阅读以下的描述时，本发明的其它特点与优点将变得十分明显，以下的描述仅以非限制性示例并参照附图给出，其中：

图1示出了现有技术的压电音叉谐振器；

图2为根据本发明的一个具体实施例的压电音叉谐振器的平面图；

图3a和3b分别为图2的压电音叉谐振器的顶视图和底视图，示出了形成两组电极的金属化部分；

图4为图2的谐振器的中线纵向截面透视图，谐振器安装在外壳内。

具体实施方式

以下，将参照图2、3a、3b以及4描述本发明的示例性实施例。在这一具体实施例中，通过通用的参照数字21表示的压电音叉谐振器包括第一和第二平面音叉形部分。每一个音叉形部分包含两个从交叉部分大体上沿同一个方向延伸的振动臂。特别参照图2，可以看出，一个音叉形部分的振动臂被分别表示为23a和25a，另一个音叉形部分的振动臂被分别表示为23b和25b，并且两个音叉形部分的交叉部分被分别表示为27a和27b。如图2中进一步示出的，两个音叉形部分并排设置在同一个平面中。在本示例中，音叉形部分互相对称和平行地设置。然而，应该意识到，根据本发明这不是一种必须的情况。而且，本示例的谐振器由单片压电材料制造，优选由石英制造。然而应意识到，根据其它实施例，所述组件可以替换地由非压电材料制造，例如由硅制造，并且被涂覆以压电薄膜。

根据本发明，通过链接部分29把第一和第二音叉形部分链接在一起。再次参照图2，可以看出，在所描绘的示例中，把音叉形部分设置在图的对称轴的任一侧，并且位于中心的链接部分跨越对称轴。链接部分在位于对称轴一侧的振动臂25a的尖端和位于对称轴另一侧的振动臂25b的尖端之间延伸。以下将把振动臂25a和25b称为内振动臂，而把另外的振动臂（表示为23a和23b）称为外振动臂。在本示例中，谐振器21还包含位于内振动臂之间的中心臂31。在振动臂平面中，中心臂从链接部分29延伸，大体上与内振动臂等距。根据所描绘的实施例，把中心臂的长度选择为中心臂远端与两个交叉部分27a和27b位于一条直线上。然而，应该意识到，谐振器的替换实施例可以具有更长，或者优选更短的中心臂。还可以看出，图中所示的中心臂宽于振动臂。实际上，优选中心臂的宽度至少为振动臂的宽度的两倍。

把凹槽33a、33b、35a、35b形成在每一个振动臂的上和下主表面至少之一中。图2示出每个凹槽均开始于交叉部分27a和27b之一的内部，并且沿一个臂的全长延伸。所述凹槽的深度在振动臂沿深度方向的厚度的15%和50%之间，优选在30%和50%之间。如图3a和3b中所示，音叉形部分和链接部分29还承载金属化部分，即，导电的沉积物，其形成与图1的谐振器的两组电极类似的两组电极。这两组电极能够使臂23a、23b、25a、25b的压电材料受控于电场，从而使臂能够按称为基本频率的希望频率振动。两组电极均包含形成在臂的顶和底主表面的凹槽内的中心电极，以及沿臂的侧面的侧电极。继续参照图3a和3b，可以意识到，形成在交叉部分27a、27b上和形成在链接部分29上的金属沉积物用于把位于一个臂上的中心电极连接到位于另一个臂上的侧电极，反之亦然。更具体地讲，形成在一个具体音叉形部分（将其称为音叉形部分“a”）的交叉部分27a上的导电路径42a、44a把设置在该音叉形部分的外振动臂23a上的中心电极连接到设置在该音叉形部分的内振动臂25a上的侧电极。相反，形成在交叉部分27a上的导电路径46a、48a把设置在外振动臂23a上的侧电极连接到设置在内振动臂25a上的中心电极。按相同的方式，形成在另一个音叉形部分的交叉部分27b上的导电路径42b、44b、46b、48b连接设置在音叉形部分“b”的振动臂上的中心电极和侧电极。

继续参照图3a和3b，可以看出，链接部分29在其顶侧和底侧分别承载可见的导电路径50和49。可以意识到，这两个导电路径之一用于把一个音叉形部分的内振动臂上的中心电极连接到另一个音叉形部分的内振动臂上的侧电极。而且还将意识到，按相同的方式，另一个导电路径用于连接位于内振动臂上的另一个中心电极和侧电极。图3b还示出了：中心臂在其底侧承载两个导电连接焊盘51，52。通过导电路径（分别被表示为54和56）把每个连接焊盘51，52连接到一组电极。更具体地讲，导电路径54把连接焊盘51连接到导电路径49，而导电路径56把连接焊盘52连接到导电路径50。

刚刚描述的电极和导电路径的设置旨在使臂23a、23b、25a、25b按挠曲模式振动。然而，可以替换地按照适合于使臂按相同模式或者另外的模式（扭转、剪切等）振动的不同配置来设置它们。

图4为图2的谐振器的中线纵向截面透视图。图4示出了如何把谐振器安装在外壳内。所述外壳（被表示为58）具有长方形形状，仅示出了其一半。该外壳包括由平底60和4个侧面62形成的主部分，以及盖板（未在图中加以显示）。盖板被设计为在已经把谐振器21安装在外壳（58）内之后被真空焊接在主部分上。通过将谐振器的连接焊盘51，52焊接在或者粘在形成在外壳底60上的相应的导电螺柱64，66上，实现谐振器在外壳内部的安装。仍然参照图4，可以看出，通过形成在平底60上的内部路径68，70把螺柱64，66电连接到外壳的外部接触焊盘72，74。从以上的描述中应该意识到，根据本示例，外壳的平底用作把谐振器安装在其上的支架。

根据所描述的示例，螺柱64，66为金隆起物。然而，应该意识到，也可以按不同的方式制造所述螺柱。例如，可以通过粘在平底60上的小陶瓷部分形成这些螺柱。然后在这一情况下，可以使用导电粘合剂把谐振器的连接焊盘51，52粘在这些陶瓷部分上，这至少部分地封闭了陶瓷部分，从而确保位于陶瓷部分顶部的焊盘51，52和位于陶瓷部分底部的内部路径68，70之间的电连接。

还应该加以注意的是，类似谐振器21的谐振器的长度不仅明显短于类似图1中所说明的谐振器的长度。谐振器的长度与宽度之间的比例也更适合于把谐振器安装在SMD类型的外壳中。还可以这样地计算所述比例：能够将谐振器安装在正方形外壳中，以有助于所述外壳的制造，并且通过选择适合于螺柱64，66和焊盘51，52的布置，例如L配置，以及通过对它们适当地加以设置，例如使得所述L形成正方形，能够按4个不同的位置把谐振器放置在外壳中。这一特性可以有助于谐振器的自动安装。

Claims (11)

1.一种旨在被安装在支架（60）上的压电谐振器（21），所述压电谐振器包括设置在公共平面中的第一和第二平面音叉形部分，第一和第二音叉形部分的每一个具有内振动臂（25a，25b）、外振动臂（23a，23b）以及交叉部分（27a，27b），同一音叉形部分的内振动臂和外振动臂大体上互相平行地从交叉部分延伸，并且第一和第二音叉形部分的每一个承载被设置为使内振动臂和外振动臂以相反的相位振荡的电极，所述电极连接到连接焊盘（51，52），其中，旨在经由链接部分（29）把压电谐振器安装在支架上，所述链接部分被设置为连接第一和第二音叉形部分的内振动臂（25a，25b）的尖端，以把第一和第二音叉形部分链接在一起，而且其中，通过链接部分把第一和第二音叉形部分所承载的电极互相连接，以使第一和第二音叉形部分的外振动臂以相反的相位振荡，

其特征在于，每一个振动臂具有上主表面和下主表面以及两个在上主表面和下主表面之间延伸的侧表面，其中，电极包含设置在振动臂的上和下主表面上的中心电极，以及设置在振动臂的侧表面上的侧电极，其中，把设置在第一音叉形部分的外振动臂（23a）上的中心电极连接到设置在同一音叉的内振动臂（25a）上的侧电极、设置在第二音叉形部分的内振动臂（25b）中的中心电极、以及设置在第二音叉形部分的外振动臂（23b）上的侧电极，而且其中，把设置在第二音叉形部分的外振动臂（23b）上的中心电极连接到设置在同一音叉形部分的内振动臂（25b）上的侧电极、设置在第一音叉形部分的内振动臂（25a）中的中心电极、以及设置在第一音叉形部分的外振动臂（23a）上的侧电极。

2.根据权利要求1所述的压电谐振器，其中，第一和第二平面音叉形部分互相对称和平行地设置。

3.根据权利要求1所述的压电谐振器，其中，压电谐振器由单个石英晶体制造。

4.根据权利要求1所述的压电谐振器，其中，至少一个凹槽（33a、33b、35a、35b）形成在每一个振动臂的上主表面和下主表面的至少之一上。

5.根据权利要求4所述的压电谐振器，其中，所述凹槽的深度在所述振动臂沿深度方向的厚度的15%和50%之间。

6.根据权利要求4所述的压电谐振器，其中，所述凹槽的深度在所述振动臂沿深度方向的厚度的30%和50%之间。

7.根据先前权利要求中任何一个权利要求所述的压电谐振器，其中，中心臂（31）附接到链接部分（29），并且与内振动臂大体上等距地定位在内振动臂（25a，25b）之间。

8.根据权利要求7所述的压电谐振器，其中，连接焊盘（51，52）由中心臂（31）承载。

9.根据权利要求8所述的压电谐振器，其中，中心臂（31）至少为振动臂的两倍宽。

10.根据权利要求9所述的压电谐振器，其中，通过将两个连接焊盘（51，52）焊接或者粘在形成在支架顶表面上的相应的导电螺柱（64，66）上，实现压电谐振器在支架（60）上的安装。

11.根据权利要求1所述的压电谐振器，其中，外振动臂（23a，23b）终止于延伸超出链接部分的鳍肢（37，39）中，所述鳍肢的宽度大于外振动臂的宽度。