TWI390843B - 小尺寸壓電共振器 - Google Patents

Description

小尺寸壓電共振器

本發明與壓電共振器有關，更特定地與用來製造特別是用於可攜式電子設備之頻率產生器的小尺寸共振器有關，適用的領域很廣，諸如鐘錶、資訊技術、遠距通信及醫學領域。

這類小尺寸共振器已揭示於以受讓人為名提出申請的習知技術文件US 6,700,313，該文件併入本文參考。圖13所示的共振器10意欲安裝在一外殼內，包括一具有兩平行臂12、14經由一連接部16相互連接的音叉形部件，並載有使其振動的電極20、22，這些電極連接到連接墊28、30，以便與殼的外部電氣地連接。共振器10也包括附接於連接部16且位於臂12、14之間的中央臂18，此中央臂18與臂12、14實質地等距，質量比音叉形部件的臂大，連接墊28、30由此中央臂承載。此共振器安裝在平行六面體形狀的外殼內，其中央臂18以至少一個支撐件緊固於該外殼的底部。

以上描述的共振器在後文中稱為三臂共振器，可以避免習用音叉形共振器所遭遇的很多問題。

這些問題其中之一是習用音叉形共振器的尺寸及功能特徵適合安裝在金屬殼內，但不適合陶瓷外殼。例如，它的長度與寬度比幾乎不適合這類外殼的製造，特別是當該外殼是表面黏著型元件(SMD type)時，即意指是以自動方式安裝在無孔的印刷電路板上。基於此，習用音叉形共振器及其與外殼的連接，不具有良好的抗衝擊性。

此外，當習用的音叉形共振器固定在外殼的台階上時，它的尖端易向外殼的底部傾斜。

此外，由於陶瓷材料與石英的熱脹係數不同到足以在共振器內產生機械應力，當溫度改變時，不僅音叉的臂會受影響，且會干擾到共振器的工作，還會使焊料崩開，或共振器的連接墊與它的外殼脫離，並改變甚或切斷共振器電極與外殼之外部接觸墊間的電氣連接。

基於相同理由，如果音叉底側的連接墊位置上有初始的裂縫，重大的溫度改變甚至會使音叉斷裂。

最後，當共振器被真空包裝時，該真空絕不可能是完全真空，當共振器振動時音叉臂會攪動空氣，當共振器的臂相互靠近時，共振器的操作參數會改變，且情況會比金屬外殼的嚴重。

因此，三臂共振器能滿意地解決習用音叉共振器的各種問題。儘管三臂共振器具有這些經證實的優點，但小型化的要求及保持音叉振動所需的能量消耗，一直是行動電話或腕錶等應用的關鍵問題。

本發明的主要目標是提供三臂式共振器，其可經由產生更均勻且局部更強的激勵電場以降低能量消耗，且即使當振動件的尺寸被小型化，也能使振動臂的振動損失小，且CI值(晶體阻抗或等效串聯電阻)也可被抑制到一低位準。

為達此目的，根據本發明的第一態樣，相關的壓電共振器包括具有兩平行振動臂的音叉形部件，該兩臂經由一連接部相互連接，一中央臂位於音叉形部件的兩振動臂之間，從該連接部突伸出，該振動臂載有使其振動的第一電極，這些電極連接到由該中央臂所承載的連接元件，其中，在每一振動臂的正面與背面至少其中之一上形成有至少一溝槽。在振動臂上使用溝槽可提供精確的性能，即使當該裝置被最小化。

根據本發明另一態樣，為提高振動臂的振動耦合效果，該溝槽延伸入該連接部。延伸入該連接部之溝槽處的機械應力達最大，以允許擷取此高應力區中的電場。

根據本發明的另一態樣，為使激勵電場的均勻性進一步最佳化，在每一振動臂的每一正面與背面上設置兩道溝槽。

根據本發明的另一態樣，為保證高應力區內足夠的機械抗性，關於中央臂位在內側之內部溝槽在連接部內的延伸，要短於關於中央臂位在外側的外部溝槽。

根據本發明另一態樣，為進一步縮小此三臂式共振器的尺寸，特別是它的長度，同時保持上述表列的優點，該中央臂的寬度大於或等於振動臂之寬度的1.5倍，且中央臂的自由端不超過振動臂。

根據本發明的另一態樣，為保證共振器在其封裝內精確且穩固的定位，在中央臂中配置固定孔或凹部。

根據本發明的另一態樣，為縮小此三臂式共振器的尺寸，特別是它的寬度，中央臂的寬度與振動臂的寬度大致相同，且在中央臂面對連接部的一端上配置基部。

根據本發明的另一態樣，為保證共振器在其封裝內精確且穩固的定位，在基部中配置固定孔或凹部。

根據本發明的另一態樣，為進一步縮小此三臂式共振器的尺寸，特別是它的長度，中央臂的長度小於振動臂的長度，且振動臂的一端是延伸超過該中央臂的漿形部，該漿形部的寬度大於振動臂的寬度。

根據本發明的另一態樣，當振動時為進一步穩定共振器，一附接於中央臂的平衡桿延伸於兩漿形部之間，此平衡桿的寬度小於中央臂的寬度。

根據本發明的另一態樣，為避免由於臂之振動造成共振器之固定部上的機械應力，在中央臂上分別配置去耦孔或去耦凹部或兩者。

根據本發明的另一態樣，為進一步縮短共振器長度並使振動臂與中央臂去耦，在連接部面對中央臂的側面上配置凹部。

在圖1a、1b及1c所示的第一實施例中，根據本發明的共振器以參考編號10指示，其包括具有兩振動臂12及14以連接部16結合而成的音叉形部件，一中央臂18，位於臂12及14之間且與該兩臂平行，附接於連接部16，整個總成是由單片石英製成。

如圖1a及1b所示，振動臂12及14載有兩組的電極20及22，其分別被由音叉形部件之連接部16承載的導電路徑24及26相互連接。如圖所示，這些電極及導電路徑的配置，使得臂12及14以彎曲模式振動，但也可有其它不同的結構，使振動臂以相同模式或其它模式(扭轉、剪形等)。回到中央臂18，圖1a顯示在其背面載有兩導電連接墊28及30，位於重心G在共振器之長度方向的兩側，且與重心G等距較佳，這些連接墊28及30分別經由導電路徑32及34連接到導電路徑26及24，其將每一組的電極20、22相互連接。這些連接墊28及30也用來將該共振器固定在它的封裝內(未顯示)。

從圖1a及1b可看出，中央臂18的寬度應至少稍寬於音叉形部件之臂12或14的1.5倍。同樣地，中央臂18的長度不須等於臂12及14，如圖1a及1b所示。例如其可稍短。不過，重點是，一方面，中央臂18與臂12及14實質地等距，此距離可等於習用音叉形共振器之臂的間隔，另一方面，此中央臂18具有遠大於必須振動之臂12及14的質量。

為經由產生更均勻且局部更強的激勵電場以降低能量消耗，且即使當振動件的尺寸小型化時也能降低臂的振動損失，分別在臂12及14之正面與背面至少其中之一上形成至少一道溝槽36、38。

如圖1c所示，每一臂12及14以H形較佳，意指分別在每一振動臂12及14的正面與背面上，分別配置一道溝槽36a、36b、38a、38b，吾人可瞭解，這些溝槽的深度，在對應之振動臂深度方向(沿著D軸)之厚度的30%至50%間較佳，且在40%至50%間為有利。須注意，此比例適用於以下所有具有溝槽的實施例。在振動臂上使用這類溝槽，即使當該裝置被小型化，也能提供精確的性能。儘管如此，另一選擇是僅在每一振動臂的正面或背面上配置一溝槽。

為更增加振動臂的振動耦合效果，溝槽36、38可延伸到連接部16內為有利。溝槽36、38延伸到連接部16內的部分42、44，實際上是以虛線40為分界線，在該處的機械應力最大，允許在此高應力區中擷取電場。

圖2a、2b及2c分別說明第二實施例的3種型式，與第一實施例之共振器不同之處是連接部16內的溝槽部分42、44被設計成關於振動臂12、14之縱軸(X₁ ，X₂ )不對稱的形狀。

為保證共振器之高應力區的機械抗性優於以關於第一實施例所示溝槽得到的機械抗性，溝槽36、38在連接部16內設計有寬度較窄的部分422、442。溝槽36、38之寬度較窄的挖空部分422、442位在關於中央臂18的外部。因此，高機械應力區中(在圖中以影線區46及48指示，且主要位在連接部鄰近振動臂12、14之區域)的材料量更重要，且因此致使這些區域對機械的約制(constraint)更堅固。

如圖2b及2c所示，去耦機構50、52可配置在中央臂18上靠近連接部16的位置，以便能使將共振器10固定在封裝(未顯示)內的中央臂18與振動臂12、14機械地去耦。這些去耦機構50、52必須配置在中央臂18的固定元件(這些固定元件以導電墊28及30較佳)與振動臂12、14所附接的連接部16之間。在圖2b所示的型式中，去耦機構是以配置在中央臂18兩側之缺口50的型式實施。這些缺口50可以是長方形、半圓形或V形。在圖2c所示的型式中，去耦機構是以切割穿過中央臂18之孔52的型式實施。此孔可有不同的形狀，諸如長方形、圓形或六角形。至於缺口，該孔必須將固定元件28、30與連接部16間挖空。須瞭解，兩種去耦機構也可一起實施。

在圖3a、3b及3c所示之第三實施例的各型式中，與上述第二實施例中3種型式之共振器的差異是在每一振動臂12、14的每一前與背面配置兩道溝槽362、364。按照此第三實施例，溝槽362、364、382及384延伸到連接部16內，以得到最大的電場均勻性。

取用關於第二實施例中具有去耦機構的兩種型式，這些去耦機構位於固定元件28、30與附接振動臂12、14的連接部16之間。這些去耦機構分別是圖3b中的缺口50及圖3c中的孔52。再次，須瞭解，圖3b與3c這兩種型式可結合在一起。

在圖4所示的第四實施例中，與圖3a所示共振器的差異在於為保證共振器高應力區中較佳的機械抗性，關於中央臂18位在內側的外部溝槽364、382，在連接部16內延伸的長度，分別短於關於中央臂18位在外側的內部溝槽362、384。因此，高機械應力區中(在圖中以影線區46及48指示，且主要位在連接部鄰近振動臂12、14之區域)的材料量更重要，且因此致使這些區域對機械的約制更堅固。

在分別顯示於圖5a及5b之第五實施例的兩種型式中，與圖4所示共振器的差異是在中央臂18上配置固定與定位機構。按照此第五實施例，追尋雙重目標；保證共振器10在其封裝內精確的定位及堅固的固定。為此目的，按照圖5a所示的第一型，固定及定位孔54、56切穿中央臂18，這些孔也用於將共振器10的該組電極20、22連接部到該封裝(未顯示)內部的導電元件較佳。由於這些孔54、56已切穿中央臂18，經由檢視設計在該封裝底上的標記，可將共振器10精確地定位在該封裝(未顯示)內。此外，在將共振器組裝到封裝內的期間，以導電膠填充孔54、56，其一方面可將電極20、22電氣地連接到封裝內的導電元件(未顯示)，另一方面，可將共振器10穩固地固定在其封裝內。關於圖5a之此第一種型式的另一選擇，可在中央臂的背面，即支撐導電元件28及30的一側設置盲孔。接著，可經由沿著外殼中的對應凸塊導引這些盲孔做到共振器的定位。

按照圖5b中所示的第二型，在共振器中央臂18面對振動臂12、14的兩側，切割出固定及定位凹部58、60。至於圖5a的孔，這些凹部58、60切穿中央臂18的整個深度，且因此允許其在封裝內關於製作在封裝底上的標記精確地定位，並在該凹部中填滿導電膠以堅固地固定。須瞭解，孔54、56及凹部58、60可具有數種形狀，諸如正方形、圓形或多邊形。

在圖6a及6b分別所示之第六實施例的兩型中，分別與圖2a及4中所示第二及第四實施例共振器不同之處在於中央臂18的寬度較窄，其寬度與一支振動臂大致相同。雖然此細的中央臂18可減少整個共振器結構的寬度，且可被封裝在較細的封裝(未顯示)內，但其無法再用做為共振器10的固定部。因此，在中央臂面對連接部16且延伸超過振動臂12、14的一端上設置一基部62。此基部62用於將共振器10固定在其封裝內，並用於將共振器的電極20及22電氣地連接到封裝(未顯示)內部的導電元件。圖6a顯示第一型，在每一振動臂12、14的正面(分別是36a、38a)及背面(分別是36b、38b)上，分別有挖空的單溝槽36、38。每一溝槽36、38分別延伸到連接部16內，在該連接部內具有非對稱的形狀，以加強高機械應力區內共振器結構的機械抗性。圖6b顯示的第二型，在每一振動臂12、14的正面(分別是362a、364a、382a、384a)及背面(分別是362b、364b、382b、384b)上，分別有挖空的雙溝槽362、364、382、384。每一溝槽362、364、382、384分別延伸到連接部16內。關於中央臂18位在外側之溝槽362、384延伸的長度，分別較在內側的溝槽364、382長，以強化高應力區中的機械抗性。

在圖7a及7b所示的第七實施例中，與第六實施例之共振器不同之處在於固定及定位孔或凹部是配置在基部，以保證共振器在其封裝內精確的定位與穩固地固定。圖7a顯示第一型，其中，孔64及66切穿基部62。因此，當組裝時，可經由該孔64及66看到設置在其封裝(未顯示)底上的標記，以便將共振器10精確地定位在其封裝內。此外，在孔64及66內填膠，以保證共振器在其封裝內穩固地固定。圖7b顯示第二型，其中，在基部62關於其所附接之中央臂18的對側上具有切穿的凹部68及70。凹部68及70呈現與孔64及66類似的優點。使用導電膠將基部62固定到封裝內，允許將電極連接到該封裝(未顯示)內的導電元件。

在圖8a及8b所示的第八實施例中，與第一實施例之共振器不同之處在於，一方面，中央臂18的長度短於振動臂12、14的長度，另一方面，每一振動臂12、14的尾端分別形成為漿形部72、74，其延伸超過中央臂18。這些漿形部72、74具有關於對應之振動臂12、14之縱軸(X₁ ，X₂ )對稱的長方形，且漿形部的寬度大約為振動臂的兩倍較佳。但在另一對應物中，須瞭解，漿形部的長度可演譯自振動臂的整體長度，而不改變共振器的特性，且共振器的長度可因此相應地縮短。按照圖8b所示的第二型，一平衡桿76附接於中央臂面對連接部16的一端，此平衡桿76位於振動臂12、14的漿形部72、74之間，且具有比中央臂18細節的寬度，以使振動臂12、14振動時，不會有兩者相撞的危險。此外，平衡桿76沿著共振器之結構的縱軸不超過漿形部72、74，以便保持整個共振器的長度儘可能地短。有了平衡桿76，當振動時，共振器結構可得到較佳的穩定性，因此，壓迫在固定部28、30上的機械應力也可較少。

在圖9a、9b、9c、及9d所示的第九實施例中，與第八實施例之共振器不同之處在於，在每一振動臂12、14的正面及側面上設置雙溝槽362、364、382、及384。圖9a顯示第一型，其中，中央臂的長度短於振動臂的長度，且其中設置在振動臂12、14之尾端的漿形部72、74延伸超過中央臂18，用以縮短共振器10的整體長度，但不改變其特性。圖9b顯示第二型，其中，共振器10另包含一從中央臂18突伸出的平衡桿76，並延伸於兩振動臂12、14之間。當振動時，此平衡桿76可穩定該共振器。圖9c顯示第三型，其中，在中央臂18上設置缺口50，該缺口位在固定元件28、30與連接部16之間，以便與將共振器10固定在封裝內的該中央臂機械地去耦。圖9d顯示第四型，該第四型是第三型的另一型式，其中，以位於固定元件28、30與連接部16間之切穿中央臂18的孔52取代缺口。

須瞭解，還可實施很多其它的衍生型式。在這些衍生型式中，設置穿過中央臂之固定及定位孔或固定及定位凹部，如關於上述第五實施例中所定義。

在圖10a所示第十實施例的第一型中，與第四實施例之共振器不同之處在於在連接部16設置突出之中央臂18的對側內設置一缺口78，此凹部78的優點是可使中央臂18與振動臂12、14機械地去耦，且不會弱化共振器的結構。

在圖10b所示第十實施例的第二型中，與圖1a之第一實施例之共振器不同之處在於，在連接部16設置突出之中央臂18的對側內設置一狹縫80，且沿著共振器之縱軸延伸較佳。此狹縫80具有實質加長振動臂12、14對應於連接部16長度之半的效果。為進一步擷取被切割之連接部所有高應力區中之電場以進一步使振動臂的振動耦合效果最佳化，沿著狹縫80配置附加電極82、84。在電極82、84下方有挖空的溝槽為優，以產生更均勻且局部更強的激勵電場。因此，對一既定的頻率而言，使用這些電極82、84(以有溝槽為佳)，可縮短共振器的整體長度。

在圖10c所示第十實施例的第三型中，與前述第二實施例之共振器不同之處在於設置關於圖8a所描述的漿形部72、74，以便進一步縮短共振器的整體長度。

圖11是適合容納按照本發明之壓電共振器之封裝(不含蓋)的頂視圖。須瞭解，封裝的尺寸是按共振器結構的一般形狀調整，會按照所考慮的實施例改變。平行六面體形的外殼100包括由平底102及四個側邊104構成的主體部及具有邊緣的蓋(未顯示)構成，在將共振器安裝到外殼100內後，經由焊接框(未顯示)以加熱及加壓方式真空焊接到主體部的側邊104上。此外，外殼100的底102具有沿著縱軸X延伸的肋106，以便支撐共振器的固定部。肋寬經過選擇，以便共振器的振動臂可在外殼100內自由地振動。在肋106上配置有兩個導電元件，諸如導電薄層、主柱或凸塊108及110，用以接觸共振器之對應的導電墊。須瞭解，肋106不是從一側104延伸到對面側。

圖12a、12b及12c分別是按照第四及第五實施例之壓電共振器10安裝到封裝100內之不同的開放頂視圖。圖12a顯示按照第四實施例之共振器的頂視圖，其中，中央臂18支撐的導電墊28、30連接到配置在肋106上對應的導電元件。共振器的安裝，是以焊接或以導電黏著劑將連接墊28、30膠合到各自的薄層、主柱或凸塊上。

無論如何，在共振器的重心帶內將共振器固定在外殼之底上的事實，使其組裝較容易，且使其在此組裝期間傾斜的危險減至最小。基於相同理由，裝在外殼內之共振器的抗衝擊性大幅提高。

圖12b及12c顯示按照第五實施例之兩種型式共振器的頂視圖。此兩種型式的優點是當將共振器安裝到其封裝100內時，可經由切割穿過中央臂18的孔54、56或凹部58、60看到導電元件108及100，以保證共振器的精確定位。

吾人可瞭解，為更進一步增進根據上述任一實施例之共振器的抗衝擊性，在振動臂12、14或狹縫80與連接部16連接處的切除部分經過選擇，以使共振器之結晶平面的顯像(Visualization)最小化。以石英共振器為例，該切除部分形成大約60度或120度的角度。

現已描述了關於本發明的某些特定實施例，須瞭解，這些實施例並無意做為本發明的限制。事實上，熟悉此方面技術之人士可明瞭各種的修改、各實施例間的調適及/或結合，不會偏離所附申請專利範圍的範圍。

10．．．共振器

12、14．．．振動臂

16．．．連接部

20、22．．．電極

28、30．．．連接墊

18．．．中央臂

24、26．．．導電路徑

28、30．．．導電連接墊

32、34．．．導電路徑

36、38．．．溝槽

42、44．．．溝槽延伸部分

422、442．．．溝槽寬度較窄的部分

362、364．．．溝槽

382、384．．．溝槽

50、52．．．去耦機構

54、56．．．固定及定位孔

58、60．．．固定及定位凹部

62．．．基部

64、66．．．孔

68、70．．．凹部

72、74．．．漿形部

76．．．平衡桿

78．．．缺口

80．．．狹縫

82、84．．．附加電極

100．．．外殼

102．．．平底

104．．．側邊

106．．．肋

108、110．．．導電元件

圖1a、1b及1c分別是根據本發明之壓電共振器第一實施例的底視、頂視、及剖視視圖；圖2a、2b及2c分別是根據本發明之壓電共振器第二實施例之3種型式的底視圖；圖3a、3b及3c分別是根據本發明之壓電共振器第三實施例之3種型式的底視圖；圖4是根據本發明之壓電共振器第四實施例的底視圖；圖5a及5b分別是根據本發明之壓電共振器第五實施例之2種型式的底視圖；圖6a及6b分別是根據本發明之壓電共振器第六實施例之2種型式的底視圖；圖7a及7b分別是根據本發明之壓電共振器第七實施例之2種型式的底視圖；圖8a及8b分別是根據本發明之壓電共振器第八實施例之4種型式的底視圖；圖9a、9b、9c及9d及分別是根據本發明之壓電共振器第九實施例之2種型式的底視圖；圖10a、10b及10c分別是根據本發明之壓電共振器第十實施例之3種型式的底視圖；圖11是用於容納根據本發明之壓電共振器之適合封裝的頂視圖；圖12a、12b及12c是分別根據第四及第五實施例之壓電共振器安裝在適合封裝內的頂視圖；圖13是根據習知技術之壓電共振器的頂視圖。

10．．．共振器

12、14．．．振動臂

16．．．連接部

20、22．．．電極

28、30．．．連接墊

18．．．中央臂

24、26．．．導電路徑

28、30．．．導電連接墊

32、34．．．導電路徑

36、38．．．溝槽

36a、38a．．．正面

36b、38b．．．背面

40．．．虛線

42、44．．．溝槽延伸部分

Claims (17)

1. 一種壓電共振器，包括有音叉形部件，該音叉形部件具有兩平行的振動臂，經由一連接部相互連接，一中央臂位於該音叉形部件之兩振動臂之間，從連接部處突伸出，在每一振動臂之每一正面及背面上形成至少一溝槽，其中，該振動臂的每一道溝槽部分延伸入該連接部，在該連接部中的該部具有一寬度比該溝槽窄的部分，且具有一窄的部分的該部分位於關於該中央臂的外側。
2. 一種壓電共振器，包括有音叉形部件，該音叉形部件具有兩平行的振動臂，經由一連接部相互連接，一中央臂位於該音叉形部件之兩振動臂之間，其中，在每一振動臂之每一正面及背面上形成至少一溝槽，且其中每一振動臂的該些溝槽部分延伸入該連接部，其中關於該中央臂位在外側的外部溝槽，較關於該中央臂位在內側的內部溝槽更延伸入該連接部。
3. 如申請專利範圍第1或2項的共振器，其中該中央臂的寬度大於或等於該振動臂的1.5倍，且其中該中央臂不延伸超過該振動臂。
4. 如申請專利範圍第1或2項的共振器，其中該中央臂的寬度大致等於該振動臂，且其中一基部從該中央臂面對該連接部的一側突伸出。
5. 如申請專利範圍第4項的共振器，其中固定孔切 割貫穿該基部。
6. 如申請專利範圍第4項的共振器，其中在該基部上配置固定用凹部。
7. 如申請專利範圍第4項的共振器，其中在該基部上配置固定用盲孔。
8. 如申請專利範圍第1或2項的共振器，其中固定孔切割貫穿該中央臂。
9. 如申請專利範圍第8項的共振器，其中該固定孔被用來將該共振器定位在其封裝內。
10. 如申請專利範圍第1或2項的共振器，其中固定用孔切割入該中央臂。
11. 如申請專利範圍第1或2項的共振器，其中固定用凹部配置在該中央臂面對該振動臂的兩側上。
12. 如申請專利範圍第1或2項的共振器，其中一去耦孔切割貫穿該中央臂。
13. 如申請專利範圍第1或2項的共振器，其中在該中央臂面對該振動臂的兩側上配置一去耦凹口。
14. 如申請專利範圍第1或2項的共振器，其中在該連接部上面對該中央臂配置一凹口。
15. 如申請專利範圍第1或2項的共振器，其中在該連接部內面對該中央臂配置一狹縫，且其中沿著該狹縫配置額外的電極。
16. 如申請專利範圍第15項的共振器，其中，在該額外電極下方挖出溝槽。
17. 如申請專利範圍第1或2項的共振器，其中，該些溝槽的深度為該共振器在深度方向之厚度的40%至50%之間。