CN1881792B - 小型压电谐振器 - Google Patents

Abstract

根据本发明的压电谐振器(10)包括具有两个平行的振动臂(12、14)的音叉形部件，这两个振动臂通过连接部分(16)互相连接，从该连接部分伸出位于所述音叉形部件的两个振动臂之间的中心臂(18)，其中，在每个振动臂的前侧和后侧中的至少一侧上形成至少一个槽(36，38)。

Description

小型压电谐振器

技术领域

本发明涉及压电谐振器，具体地涉及最常用于制造频率发生器的小型谐振器，该频率发生器尤其用于诸如钟表、信息技术、电信和医学领域等多种领域中的便携式电子设备。

背景技术

在以受让人名义提交的现有技术文献US6700313中已经公开了这种小型谐振器，该文献在此作为参考。图13中所示的用于安装在壳体中的谐振器10包括具有两个平行的臂12、14的音叉形部件，这两个臂通过连接部分16互相连接并承载电极20、22以使电极振动，这些电极连接到用于电连接到壳体外部的连接片28、30上。谐振器10还包括附装在连接部分16上并且位于音叉形部件的臂12、14之间的的中心臂18，该中心臂与这两个臂基本上距离相等，该中心臂18的质量比音叉形部件的臂的质量大，连接片28、30由该中心臂承载。该谐振器通过将中心臂18固定到至少一个固定于壳体底部的支承件上而安装在平行六面体形状的壳体内。

上述类型的谐振器——下文称作三臂谐振器——能够避免传统的音叉谐振器所遇到的许多问题。

其中一个问题是，传统音叉谐振器的尺寸和功能特征被优化以便将其安装在金属壳体而不是陶瓷壳体内。例如，传统谐振器的长宽比不适于这种(金属)壳体的制造，尤其当这些壳体是SMD(表面安装设备)类型，即用于被自动地安装在无孔的印刷电路板上时。由于这个原因，传统的音叉谐振器及其与壳体的连接不具有良好的抗震性。

此外，传统的音叉谐振器在被固定到壳体的台阶上时容易朝壳体底部倾翻。

此外，陶瓷材料和石英的热膨胀系数的差异足以在谐振器内产生机械应力，该机械应力不仅会在温度改变时存在于音叉的臂中并干扰谐振器的工作，而且还会使焊接破裂或使谐振器的连接片从壳体的连接元件脱离，并改变或甚至切断谐振器电极和壳体的外部接触片之间的电连接。

出于同样的原因，如果在连接片所在的音叉的基部一侧有初始裂纹，则显著的温度变化甚至会使音叉断裂。

最后，当真空封装谐振器时，不可能达到完全真空，从而当谐振器振动时，由音叉的臂对大气的扰动可能会在该臂彼此靠近时改变谐振器的工作参数，这(在陶瓷壳体的情况下)比在金属壳体的情况下更突出。

因此，三臂谐振器能够为传统音叉谐振器所遇到的各种问题提供令人满意的解决方案。然而，尽管已经证明这些三臂谐振器是有利的，但是对于移动电话或手表的应用领域，小型化需求以及维持音叉振动所需的能量消耗一直是重要的问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供这样一种三臂谐振器，该谐振器能够通过生成更均匀且局部更密集的激励电场来减少能量消耗，并且即使当振动件的尺寸被小型化时臂的振动损失也较低，并且CI值(晶体阻抗或相等的串联电阻)也可被抑制在较低水平。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种压电谐振器，包括具有两个平行的振动臂的音叉形部件，这两个振动臂通过连接部分互相连接，从该连接部分伸出位于所述音叉形部件的两个振动臂之间的中心臂，在每个振动臂的与由所述两个平行的振动臂限定的平面平行的两侧中的至少一侧上形成至少一个槽，其中，所述中心臂的长度小于振动臂的长度；所述振动臂的与所述连接部分相对的端部形成的突片，所述突片的宽度大于所述振动臂的宽度；并且，附装在所述中心臂上的一平衡簧片在两个突片之间延伸，所述平衡簧片的宽度小于所述中心臂的宽度。

为此，根据本发明的第一方面，本发明涉及一种包括具有两个平行的振动臂的音叉形部件的压电谐振器，这两个振动臂通过连接部分互相连接，从该连接部分伸出位于音叉形部件的两个振动臂之间的中心臂，其中，在每个振动臂的前侧和后侧中的至少一侧上形成有至少一个槽。在振动臂上使用槽能够在即使装置被小型化时也提供精确的性能。

根据本发明的另一方面，为了提高振动臂的振动耦合效果，所述槽在连接部分中延伸。所述槽在连接部分中的机械应力最大的部位延伸使得可以对此高应力区域内的电场进行补偿。

根据本发明的另一方面，为了进一步优化激励电场的均匀性，在每个振动臂的前侧和后侧设置两个槽。

根据本发明的另一方面，为了确保在高应力区域具有足够的机械抗力，相对于中心臂位于内侧的内部槽比相对于中心臂位于外侧的外部槽在连接部分内延伸的长度短。

根据本发明的另一方面，为了在保持上面列出的优点的情况下进一步减小这种三臂谐振器的尺寸，尤其是长度，使所述中心臂的宽度大于或等于振动臂的宽度的1.5倍，并且中心臂的自由端不会延伸到振动臂之外。

根据本发明的另一方面，为了确保将谐振器准确和牢固地定位在封装壳内，在中心臂中设置有固定孔或凹槽。

根据本发明的另一方面，为了减小这种三臂谐振器的尺寸，尤其是宽度，使中心臂的宽度大致与振动臂的宽度相同，并且在中心臂的与连接部分相对的一端设置有一基部。

根据本发明的另一方面，为了确保将谐振器精确和牢固地定位在封装壳内，在基部中设置有固定孔或凹槽。

根据本发明的另一方面，为了进一步减小这种三臂谐振器的尺寸，尤其是长度，使中心臂的长度小于振动臂的长度，并且振动臂的端部形成为延伸到所述中心臂之外的突片，该突片的宽度大于振动臂的宽度。

根据本发明的另一方面，为了在振动时进一步稳定谐振器，附装在中心臂上的一平衡簧片在两个突片之间延伸，该平衡簧片的宽度小于中心臂的宽度。

根据本发明的另一方面，为了避免由于臂的振动而在谐振器的固定部分上引起机械应力，在中心臂上设置去耦(decoupling)孔或去耦凹槽或者同时设置二者。

根据本发明的另一方面，为了进一步减小谐振器的长度并且使中心臂从振动臂去耦，在连接部分的与中心臂所在的一侧相对的一侧上设置有凹槽。

附图说明

通过阅读下面参照附图的说明可以看到本发明的其它特征和优点，在附图中：

-图1a，1b和1c分别是根据本发明的压电谐振器的第一实施例的仰视图、俯视图和截面图；

-图2a，2b和2c是根据本发明的压电谐振器的第二实施例的三种变型的仰视图；

-图3a，3b和3c是根据本发明的压电谐振器的第三实施例的三种变型的仰视图；

-图4是根据本发明的压电谐振器的第四实施例的仰视图；

-图5a和5b是根据本发明的压电谐振器的第五实施例的两种变型的仰视图；

-图6a和6b是根据本发明的压电谐振器的第六实施例的两种变型的仰视图；

-图7a和7b是根据本发明的压电谐振器的第七实施例的两种变型的仰视图；

-图8a和8b是根据本发明的压电谐振器的第八实施例的两种变型的仰视图；

-图9a，9b，9c和9d是根据本发明的压电谐振器的第九实施例的四种变型的仰视图；

-图10a，10b和10c是根据本发明的压电谐振器的第十实施例的三种变型的仰视图；

-图11是用于接纳根据本发明的压电谐振器的适当封装壳的俯视图；

-图12a，12b和12c是分别根据第四和第五实施例的装入适当的封装壳的压电谐振器的俯视图；

-图13已经说明过，它是根据现有技术的压电谐振器的俯视图。

具体实施方式

在图1a，1b和1c所示的第一实施例中，用参考标号10表示的根据本发明的谐振器包括具有两个振动臂12和14的音叉形部件，该振动臂通过连接部分16连接，在该连接部分16上附装有中心臂18，该中心臂位于臂12和14之间并与其平行，整个组件由石英制成一体部件。

如图1a和1b所示，振动臂12和14承载两组分别通过导电路径24和26互相连接的电极20和22，该导电路径24和26由音叉形部件的连接部分16承载。如图中所示，这些电极和导电路径设置成使得臂12和14以挠曲模式振动，但是它们可以具有不同的构造以使该臂以相同模式或另一种模式(扭转、剪切等)振动。对于中心臂18，图1a示出中心臂18在其背面承载有两个导电连接片28和30，该连接片28和30位于谐振器长度方向的重心G的两侧且优选与该重心距离相等，这些连接片28和30分别通过导电路径32和34连接到将各组电极20和22相互连接在一起的导电路径26和24。这些连接片28和30还可用于将谐振器固定在谐振器封装壳(未示出)内。

由图1a和1b可看出，中心臂18的宽度应当至少略大于音叉形部件的臂12或14的宽度的1.5倍。此外，中心臂18的长度不一定如图1a和1b所示等于臂12和14的长度。它的长度例如可以较短。但是重要的是，一方面，中心臂18与臂12和14的距离基本相等，该距离可以等于传统音叉谐振器的臂隔开的距离，另一方面，该中心臂18的质量比必须振动的臂12和14的质量大得多。

为了通过生成更均匀且局部更密集的激励电场来减少能量消耗并且使得即使当振动件的尺寸被小型化时臂的振动损失仍较低，在每个振动臂12、14的前侧和后侧中的至少一侧上形成有至少一个槽36、38。

如图1c所示，每个振动臂12、14优选为H形，这意味着优选地在每个振动臂12和14的前侧和后侧中的每一侧上分别设置一个槽36a、36b和38a、38b。应当理解，这些槽的深度优选为对应振动臂在深度方向(沿轴线D)的厚度的30％-50％之间，有利地在40％-50％之间。应指出，该比率可适用于下文所有带槽的实施例。在振动臂上使用这种槽能够在即使装置被小型化时也提供精确的性能。然而，作为一种替代方案，可仅在每个振动臂的前侧或后侧上设置一个槽。

有利地，为了进一步提高振动臂的振动耦合效果，槽36、38在连接部分16中延伸。槽36、38的在连接部分16中延伸的并且实际上由虚线40所限定的部分42、44——此处机械应力最大——使得可以对此高应力区域内的电场进行补偿。

在图2a，2b和2c分别示出的第二实施例的三种变型中，谐振器与第一实施例的区别在于，在连接部分16内的槽部分42、44被设计成具有相对于振动臂12、14的纵向轴线(X₁，X₂)不对称的形状。

为了确保与带有第一实施例中所示的槽获得的机械抗力相比，谐振器在高应力区域有更好的机械抗力，将槽36、38设计成在连接部分16内具有宽度变窄的部分422、442。槽36、38的宽度变窄的被挖空部分422、442相对于中心臂18位于外侧。因此，高机械应力区域中的材料数量更为重要，并由此使得这些区域更坚固以抵抗机械约束(constraint)，所述高机械应力区域由阴影区46、48示出并且主要位于与振动臂12、14邻接的连接部分的区域内。

如图2b和2c所示，可在中心臂18上靠近连接部分16处分别设置去耦装置50和52，以便机械地消除用于将谐振器10固定到封装壳(未示出)内的中心臂18与振动臂12、14之间的耦合。这些去耦装置50，52必须设置在中心臂18的固定元件——优选为导电片28和30——和振动臂12、14附装于其上的连接部分16之间。在图2b所示的变型中，去耦装置以设置在中心臂18两侧的凹口50的形式实现。这些凹口50可以是矩形、半圆形或V形。在图2c所示的变型中，去耦装置以穿过中心臂18的孔52的形式实现。该孔可以具有不同的形状，如矩形、圆形或六边形。与凹口一样，该孔必须在固定元件28、30和连接部分16之间加工出。应当理解，也可以同时实现这两种去耦装置。

在图3a，3b和3c分别示出的第三实施例的变型中，谐振器与上述第二实施例的三种变型的区别在于，在每个振动臂12、14的前侧和后侧中的每一侧设置有两个槽362、364和382、384。根据该第三实施例，槽362、364、382和384有利地在连接部分16内延伸以使电场在最大程度上均匀化。

与第二实施例一样，其中两种变型具有位于固定元件28、30和振动臂12、14附装于其上的连接部分16之间的去耦装置。这些去耦装置分别为图3b中的凹口50和图3c中的孔52。同样应该理解，图3b和3c的两种变型可以相结合。

在图4所示的第四实施例中，谐振器与图3a所示的谐振器的区别在于，为了确保谐振器在高应力区域具有更好的机械抗力，相对于中心臂18位于内侧的内部槽364、382在连接部分16内延伸的长度分别比相对于中心臂18位于外侧的外部槽362、384短。因此，在由阴影区46、48示出的并且主要位于与振动臂12、14邻接的连接部分区域内的高机械应力区域中的材料数量更为重要，并由此使得这些区域更坚固以抵抗机械约束。

在图5a和5b分别示出的第五实施例的两种变型中，谐振器与图4所示的谐振器的区别在于，在中心臂18上设置有固定与定位装置。根据该第五实施例可以实现双重目的：确保将谐振器10精确定位和牢固地固定在封装壳内。为此，根据图5a示出的第一种变型，穿过中心臂18加工出固定与定位孔54和56，这些孔优选地还用于将谐振器10的电极组20、22连接到封装壳(未示出)内的导电元件上。由于这些孔54和56穿过中心臂18，因此可通过观察设计在封装壳(来示出)底部上的标记而将谐振器10精确地定位在所述封装壳内。此外，在将谐振器装配到封装壳内期间，在孔54、56内填充导电粘合剂，这一方面可以将电极20、22电连接到封装壳(未示出)内的导电元件上，另一方面可以将谐振器10牢固地固定在封装壳内。作为图5a的第一种变型的替代方案，也可以在中心臂的背面，即支承导电元件28和30的那一面上设置盲孔。然后可通过沿壳体内对应的突起部引导这些盲孔来定位谐振器。

根据图5b示出的第二种变型，在中心臂18的面向谐振器的振动臂12、14的两侧上加工出固定与定位凹槽58和60。与图5a的孔一样，这些凹槽58、60是穿过中心臂18的整个深度加工出的，由此可以在封装壳内相对于在封装壳底部形成的标记精确定位，并通过添加导电粘合剂填充所述凹槽来牢固地固定。应当理解，孔54、56以及凹槽58、60可具有多种形状，如方形、圆形或多边形。

在图6a和6b分别示出的第六实施例的两种变型中，谐振器分别与图2a和图4所示的第二和第四实施例的区别在于，中心臂18的宽度变窄，该宽度大致与一个振动臂的宽度相同。尽管这种窄的中心臂18减小了整个谐振器结构的宽度并且可以被封装在较窄的封装壳(未示出)中，但是它可能不会再被用作谐振器10的固定部件。因此，在中心臂的与连接部分16相对的一端设置有基部62，并且该基部62延伸到振动臂12和14之外。该基部62既用于将谐振器10固定在封装壳内，还用于将谐振器的电极20和22电连接到封装壳(未示出)内的导电元件上。图6a示出第一种变型，其中在每个振动臂12和14的前侧和后侧中的每一侧上分别挖空形成单个槽36、38(前侧分别对应于36a、38a，后侧分别对应于36b、38b)。每个槽36、38在连接部分16中延伸并且具有在所述连接部分内不对称的形状，以便提高谐振器结构在高机械应力区域内的机械抗力。图6b示出第二种变型，其中在每个振动臂12和14的前侧和后侧中的每一侧上分别挖空形成两个槽362、364和382、384(前侧分别对应于362a、364a和382a、384a，后侧分别对应于362b、364b和382b、384b)。槽362、364、382和384在连接部分16内延伸。相对于中心臂18的外侧槽362和384比内侧槽364和382要长，以便加强高应力区域内的机械抗力。

在图7a和7b所示的第七实施例中，谐振器与第六实施例的区别在于，在基部中设置有固定与定位孔或凹槽，以确保将谐振器精确定位和可靠固定在封装壳内。图7a示出第一种变型，其中穿过基部62加工出孔64和66。因此，当装配时可以通过所述孔64和66观察设置在封装壳(未示出)底部的标记，以便将谐振器10精确地定位在封装壳内。此外，在孔64和66中填充粘合剂可确保将谐振器牢固地固定在封装壳内。图7b示出第二种变型，其中在基部62的与中心臂18相对的一侧上切割出凹槽68和70，该基部附装于中心臂18上。凹槽68和70具有与孔64、66相似的优点。利用导电粘合剂将基部62固定到封装壳使得可以将电极20和22连接到封装壳(未示出)内的导电元件上。

在图8a和8b所示的第八实施例中，谐振器与第一实施例的区别在于，一方面，中心臂18的长度小于振动臂12和14的长度，另一方面，每个振动臂12和14的端部形成延伸到中心臂18之外的突片72和74。优选地，这些突片72和74具有相对于对应的振动臂12、14的纵向轴线(X₁，X₂)对称的矩形形状，突片宽度约为振动臂宽度的两倍。但是另一方面，应当理解，在不改变谐振器性能的情况下，可以从振动臂的总体长度推导出突片的长度，由此可相应地减小谐振器的长度。根据图8b所示的第二种变型，在与连接部分16相对的中心臂的一端附装有平衡簧片76。该平衡簧片76位于振动臂12、14的两个突片72、74之间，并且其宽度比中心臂18的宽度窄，以便在不会与两个振动臂12、14发生碰撞的情况下使两个振动臂振动。此外，簧片76不会沿谐振器结构的纵向轴线延伸到突片72、74之外，以便保持整个谐振器的长度尽可能短。利用这种簧片76，可以使谐振器结构在振动时获得更好的稳定性，并从而使更少的机械应力施加在固定部分28、30上。

在图9a、9b、9c和9d所示的第九实施例中，谐振器与第八实施例的区别在于，在每个振动臂12、14的前侧和后侧上都设置有两个槽362、364和382、384。图9a示出第一种变型，其中中心臂的长度比振动臂的长度短，并且在振动臂12、14的端部设置有延伸到中心臂18之外的突片72、74，以便在不改变谐振器性能的情况下减小谐振器10的总体长度。图9b示出第二种变型，其中谐振器10还包括从中心臂18伸出并在两个振动臂12、14之间延伸的平衡簧片76。该簧片76可以在振动时稳定谐振器。图9c示出第三种变型，其中在中心臂18上在固定元件28、30和连接部分16之间设置有凹口50，以便将所述中心臂从振动臂12、14机械地去耦，谐振器10通过该中心臂固定到封装壳上。图9d示出第四种变型，它是第三种变型的一个替代方案，其中不是在中心臂18上设置凹口，而是在固定元件28、30和连接部分16之间穿过中心臂18切割出一孔52。

应当理解，还可以实现没有示出的许多其它变型。其中包括这样的变型：穿过中心臂设有固定与定位孔或可选地固定与定位凹槽，如上述第五实施例中所限定的。

在图10a示出的第十实施例的第一种变型中，谐振器与第四实施例的区别在于，在连接部分16的与中心臂18伸出的一侧相对的一侧上设置有一个凹口78。该凹口78的优点是：在不削弱谐振器结构的情况下使中心臂18从两个振动臂12、14机械地去耦。

在图10b示出的第十实施例的第二种变型中，谐振器与图1a的第一实施例的区别在于，在连接部分16的与中心臂18伸出的一侧相对的一侧上设置有狭槽80，该狭槽80优选地沿谐振器的纵向轴线X。该狭槽80的效果是实际上将振动臂12、14延长到连接部分16的对应的半个部分内。为了通过对被切割的连接部分的所有高应力区域内的电场进行补偿来进一步优化振动臂的振动耦合效果，沿狭槽80设置有附加电极82、84。有利地，在电极82、84下方挖空形成槽，以便生成更均匀且局部更密集的激励电场。因此，对于确定的频率，使用优选带槽的这些电极82、84可以减小谐振器的总体长度。

在图10c所示的第三种变型中，谐振器与上述第二种变型的区别在于，设置有如参照图8a所述的突片72、74，以便进一步减小谐振器的总体长度。

图11是用于接纳根据本发明的压电谐振器的适当封装壳在没有盖的情况下的俯视图。应当理解，封装壳的尺寸可根据谐振器结构的总体形状而调节，谐振器结构的总体形状可能根据所考虑的实施例而变化。平行六面体形状的壳体100包括由平的底部102和四个侧面104形成的主体部分以及带有边缘(未示出)的盖，当谐振器被安装进壳体100后，利用焊接台(也未示出)通过加热和加压经由所述边缘将盖真空焊接到主体部分的侧面104上。此外，在壳体100的底部102上设置有中心肋部106，该肋部106沿纵向轴线X延伸以便支承谐振器的固定部件。肋部的宽度选择成使得谐振器的振动臂能够在壳体100内自由地振动。在肋部106上设置有两个导电元件，例如薄导电层、短柱或突出部108和110，以便接触谐振器的对应导电片。应当理解，肋部106不应从一个侧面104延伸到相对的侧面。

图12a，12b和12c是安装在适当的封装壳100内的分别根据第四和第五实施例的压电谐振器10的打开的俯视图。图12a示出具有根据第四实施例的谐振器的俯视图，其中中心臂18支承导电片28和30，该导电片将要连接到设置于肋部106上的对应导电元件。通过将连接片28、30焊接或利用导电粘合剂粘结到各个薄导电层、短柱或突出部上来实现谐振器的安装。

总之，在谐振器的重心区域内将谐振器固定到壳体底部的事实使得装配更加容易，并且使装配期间谐振器倾翻的危险减到最小。出于相同的原因，被封装的谐振器的抗震性也高得多。

图12b和12c示出具有根据第五实施例的两种变型的谐振器的俯视图。有利地，在这两种变型中，为了在将谐振器安装到封装壳100内时确保谐振器的精确定位，可以通过穿透中心臂18的孔54、56或凹槽58、60观察导电元件108和110。

应当理解，优选地，为了进一步改善根据任何上述实施例的谐振器的抗震性，有利地选择在振动臂连接到连接部分位置处的切除部分，使得谐振器的可见晶体平面最小。在一个石英谐振器的示例中，该切除部分形成大约60°或120°的角度。

已经借助于某些具体实施例说明了本发明，但是应当理解，这些实施例并不意味着对本发明的限制。实际上，在不脱离所附权利要求范围的情况下，各种变型、修改和/或实施例之间的组合对于本领域技术人员将是显而易见的。

Claims (12)

1.一种压电谐振器(10)，包括具有两个平行的振动臂(12、14)的音叉形部件，这两个振动臂通过连接部分(16)互相连接，从该连接部分伸出位于所述音叉形部件的两个振动臂之间的中心臂(18)，在每个振动臂的与由所述两个平行的振动臂限定的平面平行的两侧中的至少一侧上形成至少一个槽(36，38)，其中，所述中心臂的长度小于振动臂的长度；所述振动臂的与所述连接部分相对的端部形成的突片(72，74)，所述突片的宽度大于所述振动臂的宽度；并且，附装在所述中心臂上的一平衡簧片(76)在两个突片之间延伸，所述平衡簧片的宽度小于所述中心臂的宽度。

2.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，穿过所述中心臂加工有去耦孔(52)。

3.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，在所述中心臂的面对所述振动臂的两侧上设置有去耦凹口(50)。

4.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，在所述连接部分中与所述中心臂相对而设置有凹口(78)。

5.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，在所述连接部分中与所述中心臂相对而设置有狭槽(80)；并且，沿所述狭槽的边缘设置有附加电极(82，84)。

6.根据权利要求5所述的压电谐振器，其特征在于，在所述附加电极下方挖空以形成槽。

7.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述槽的深度为所述振动臂在深度方向的厚度的40％-50％。

8.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述中心臂的宽度大于或等于所述振动臂的宽度的1.5倍。

9.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，穿过所述中心臂加工有固定孔(54，56)。

10.根据权利要求9所述的压电谐振器，其特征在于，所述固定孔用于将所述谐振器定位在封装壳内。

11.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，在所述中心臂中加工有固定盲孔。

12.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，在所述中心臂的面对所述振动臂的两侧上设置有固定凹槽(58，60)。

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