TWI395401B - 小尺寸封裝體中的壓電共振器 - Google Patents

Description

小尺寸封裝體中的壓電共振器

本發明有關封裝式壓電共振器，或換句話說，每一藉由壓電共振器及在其中安置該壓電共振器的殼體所形成之裝置。本發明更特別有關小尺寸之封裝式壓電共振器，其於諸如鐘錶製造術、資訊技術、電信、及醫療領域之極多領域中，最常特別用於製造手提式電子設備用之頻率產生器。

此一小尺寸之封裝式共振器已被揭示在以該受讓人之名字提出的先前技藝之美國專利文件第7,084,556號中，且其以引用的方式併入本文中。代表在圖1上之共振器10係意欲被安裝於一封裝體中。共振器包括一個具有二平行支臂12、14之音叉形部份，該二平行支臂藉由一連結部份16彼此連接及備有電極20、22，以使得它們震動，這些電極被連接至意欲電連接至該殼體外部之連接墊片28、30。

圖2係一習知封裝體之俯視圖(以其之蓋子移去顯示)，該封裝體用以承納對應於本發明之領域的壓電共振器型式。當然該封裝體之尺寸視該共振器之一般形狀而定，並可根據所考慮之具體實施例而變動。平行六面體形狀之封裝體70包括一藉由平坦底部72與四側面74所形成之殼體、及一蓋子(未示出)。諸如薄傳導層、柱螺栓或凸 塊78與80之二傳導元件係配置在該平坦底部72上，用於接觸該共振器10之連接墊片28、30(圖1)。在該共振器10已被安裝於該殼體70中之後，該蓋子可在其邊緣上藉由真空軟焊被緊固至該殼體之側面74上。這可藉著焊接框架(未示出)被加熱與壓力所作成。以習知之方式，圖2之殼體的平坦底部72與四側面74可藉由蝕刻諸陶瓷層所形成。如果用於該殼體之蓋子不是像該封裝體之其餘部份由陶瓷所製成，其可例如由金屬、玻璃或矽所製成。

關於大部分傳統共振器的問題之一係它們被設計成僅只在其端部之一接合至一支撐基板。以此一設計，其係難以保證該共振器之平面式音叉形部份被適當地定位及平行於該支撐基板之表面對齊。萬一未對準，有該共振器之震動支臂將衝撞該支撐基板之表面或該封裝體之蓋子的風險。為了避免此一結果，充分之間隙必需被提供在該共振器上方及下方。此對於間隙之需求嚴格地限制設計儘可能較薄及更小巧之封裝式壓電共振器的可能性。

先前美國專利文件第7,084,556號藉由提供一改良之音叉共振器局部地解決上面之問題，該共振器包括一額外之中心附接支臂18(圖1)，其連接至連結部份16及坐落於該音叉形部份的二支臂12、14之間，實質上與它們等距離地隔開。如在圖1中所描述，基底部份62可被進一步形成在該附接支臂之和該連結部份16相反向的端部。根據所描述之範例，該基底部份延伸超出震動支臂12 及14，且較佳地是承載該共振器之連接墊片28、30。該共振器10係經過至少一附接點，藉由接合該基底部份62及/或該附接支臂18至該殼體之底部而安裝在其殼體中。該基底部份較佳地係被用於接合共振器10至其封裝體內側、及用於電連接電極20、22至該封裝體(未示出)內側之傳導性元件兩者。

用於藉由專利美國文件第7,084,556號所揭示之具有至少一附接支臂的共振器之製備總計達一相當可觀之改良。然而，存在用於一儘可能較細長的及更小巧之封裝式壓電共振器的需要。因此，本發明的一目標係進一步改良該等封裝式壓電共振器之細長性及小巧性。

達成此結果的一方式係減少容置該壓電共振器的封裝體外殼之蓋子厚度。然而，該封裝體之內側通常被維持在真空狀態之下。因此，該蓋子係忍受藉由該大氣所施加在該封裝體外面上之相當可觀的壓力。於很多案例中，該大氣壓力將足以造成該蓋子實質上鬆垂。因該等震動支臂及該蓋子間之間隙應為最小的，該蓋子之鬆垂可造成該等震動支臂及該蓋子的底側間之碰撞。

本發明的一目標係限制該蓋子之鬆垂，以致在該等震動支臂及該蓋子的底側之間維持充分之間隙。

用於此目的，本發明有關根據所附申請專利範圍第1項之封裝式壓電共振器。

吾人將了解根據本發明，該蓋子之內側表面係階梯狀的，且包括一延伸在該附接支臂上方之實質上較大厚度的部份。因此，該蓋子之任何顯著的鬆垂造成該蓋子之較厚部份來至停靠在該附接支臂上。如此防止該蓋子之任何進一步鬆垂。再者，該蓋子延伸在該等震動支臂之遠側端部的部份具有較小之厚度。這確保留有充分的間隙，以避免該等震動支臂衝撞該蓋子之底側的任何風險。

在關於圖3a、及3b所示之具體實施例中，根據本發明被標以參考數字110之共振器包括一具有二震動支臂112及114之音叉形部份，該二震動支臂藉由一連結部份116接合，一坐落在支臂112及114之間且平行該等支臂的中心附接支臂118係連接至該連結部份。該整個組件係由單件石英所製成。

如於圖3a中看見，該中心支臂118係比該等震動支臂112及114稍微較長。該中心支臂之遠側端部加寬成一延伸超出該等震動支臂之基底部份162。該基底部份162被用於固定共振器110至其封裝體之底部、及用於電連接該共振器之驅動電極(未示出)至形成在該封裝體內側之傳導性柱螺栓或凸塊178及180兩者。

每一震動支臂112及114之遠側端部加寬成一升降裝置(分別為166與168)，其幾乎是該震動支臂的其餘部份之兩倍寬。為了減少該共振器之整個寬度，該長方形之 升降裝置較佳地是相對於該等震動支臂之縱軸未對稱地配置。反之，如圖3a所示，該等升降裝置166、168可被偏置朝向該中心支臂118。於此案例中，為了於該等升降裝置166、168及該中心支臂118之間提供充分之橫側間隙，該中心支臂包括一狹窄部份176。如在圖3a所示，該狹窄部份176延伸於該等升降裝置166及168之間。由該先前技藝已知提供具有升降裝置的震動支臂之優點係該升降裝置之長度能被由該震動支臂之全長減去，而不會修改該共振器性質，且因此該共振器之長度能據此減少。

如能夠在圖3a及3b中看見，該附接支臂118被定位在該封裝體170的平坦底部上所形成之固定柱螺栓或凸塊182的頂部上。如先前所論及，共振器110亦被固定至傳導性柱螺栓178及180。吾人將因此了解在本具體實施例中，柱螺栓178、180及182形成一用於將該共振器110固定在該封裝體170內側之三腳支座。此三腳支座亦於該等震動支臂及該平坦底部172之間提供充分之間隙。該附接支臂118及該基底部份162可譬如被膠黏或焊接至該三柱螺栓。如可於圖3a中看見，該附接支臂118位於固定柱螺栓182及連結部份116間之部份較佳地是該等震動支臂之一的至少1.5倍寬。再者，在本具體實施例中，退耦機構150被配置在接近連結部份116的中心支臂上。提供這些退耦機構，以便使中心附接支臂118由震動支臂112及114機械式地退耦。如所示，該退耦機構能以刻槽150之形式提供在中心支臂118之任一側面上。該等退耦機構 被配置於固定柱螺栓182及連結部份116之間。較佳地是較靠近連結部份116。

如此型式之共振器所常見者，震動支臂112及114承載二群組之電極(未示出)，其能以與圖1所示電極群組20及22類似之方式被配置及連接至彼此。該二電極群組係進一步連接至形成在基底部份162的背面上之二傳導性連接墊片(未示出)。配置這些連接墊片，以造成分別與傳導柱螺栓178及180接觸。

如由該先前技藝已知，為了減少藉由該共振器所消耗之能量，至少一溝槽(未示出)能進一步被形成在每一震動支臂的前面或後側之至少一個上。溝槽之存在允許產生一更均勻及局部地更強烈之激勵電場，且在該等支臂之震動損失係低的，甚至當該震動件之尺寸係微型化時。

如先前所論及，圖3a及3b所示壓電共振器110被固定地安裝於封裝體170中。較佳地係根據該共振器之尺寸及一般形狀選擇該封裝體之實際尺寸，並可根據所考慮之具體實施例而變動。平行六面體形狀之封裝體170包括一藉由平坦底部172與四側面174所形成之殼體、及一蓋子140(未示出)(圖3b所示)。該蓋子具有一邊緣，藉著一軟焊框架(未示出)，在該共振器已被安裝在殼體170中之後，該蓋子係藉由加熱及壓力經由該邊緣真空軟焊在該主要零件之側面174上。支撐該共振器110的三柱螺栓178、180及182之高度被選擇，以致該共振器之震動支臂可在殼體170內側自由地震動。

圖3b之側視圖顯示圖3a之封裝式共振器，使其之頂部或蓋子140在其上。如能被看見者，該蓋子不具均勻之厚度。該蓋子之第一部份具有第一厚度，而該蓋子之其餘部份具有第二厚度，該第二厚度實質上係大於該第一厚度。該蓋子具有該第一厚度之部份在該蓋子之內側上形成一大的凹入區域142。使用一包括不同厚度之部份的蓋子之目的係調和在該等震動支臂上方提供充分間隙、及減少封裝體170之整個高度的矛盾需求。在由玻璃、矽、或金屬所製成之蓋子的案例中，該凹入部份142能藉由用蝕刻、化學蝕刻、深反應離子蝕刻移除該蓋子之部份材料所形成、或甚至在由金屬所製成之蓋子的案例中用落錘鍛造。

如在圖3b所示，根據本具體實施例，該凹入部份142實際上蓋住面朝該平坦底部172之整個區域，除了一凸出部份或突出部份144以外。然而，應了解根據另一選擇具體實施例，代替延伸在面朝該平坦底部172之整個區域上方，該凹入部份142可被限制於直接面朝該等震動支臂112及114之區域，或甚至被限制於直接面朝這些震動支臂之遠側端部的區域。

如圖3a所示，上面論及之凸出部份或突出部份144於一面朝該中心支臂118之位置中延伸在該蓋子140內側上。較佳地是，配置該突出部份144，以便由該附接點直接地越過坐落，在此中心支臂118係附接至固定柱螺栓182。

圖3a及3b所描述之封裝體的內側係意欲被維持在真 空狀態之下。當該蓋子140被製成為薄的，以便產生一較細長之封裝體時，該蓋子140的外面上之大氣壓力能造成其實質上鬆垂。根據本發明，此問題係藉由提供一由該蓋子之內側表面往下延伸的凸出部份或突出部份144所袪除。當該蓋子鬆垂時，該凸出部份來至停靠在該中心支臂118之頂部上。該蓋子如此被該中心支臂所支撐，其被防止任何進一步鬆垂。當該等震動支臂之遠側端部被由該凹入部份142越過定位時，該等震動支臂及該蓋子間之間隙保持充分的，以確保不會發生碰撞。

圖4顯示根據本發明的封裝式共振器之又另一具體實施例。依據此特別之具體實施例，蓋子240不包括一凹入區域。反之，該整個蓋子具有一減少之厚度(除了該突出部份144以外)。依據此具體實施例，為了對於該等震動支臂提供充分之間隙，該封裝體之側面274被製成為稍微高於圖3所示封裝體之側面174。

已經關於某些特定之具體實施例敘述本發明，應了解的是這些具體實施例不被意指為本發明之限制。實際上，諸具體實施例間之各種修改、修正及/或結合對於那些熟諳此技藝者可變得明顯，而未由所附申請專利之範圍脫離。特別地是，美國專利文件第7,084,556號對應於本發明之領域敘述十種不同之封裝式共振器。本發明可被慣常地提供以這些不同封裝式共振器之任何一種。

10‧‧‧共振器

12‧‧‧支臂

14‧‧‧支臂

16‧‧‧連結部份

18‧‧‧支臂

20‧‧‧電極

22‧‧‧電極

28‧‧‧連接墊片

30‧‧‧連接墊片

62‧‧‧基底部份

70‧‧‧封裝體

72‧‧‧平坦底部

74‧‧‧側面

78‧‧‧凸塊

80‧‧‧凸塊

110‧‧‧共振器

112‧‧‧震動支臂

114‧‧‧震動支臂

116‧‧‧連結部份

118‧‧‧中心支臂(附接支臂)

140‧‧‧蓋子

142‧‧‧凹入部份

144‧‧‧突出部份

150‧‧‧退耦機構(刻槽)

162‧‧‧基底部份

166‧‧‧升降裝置

168‧‧‧升降裝置

170‧‧‧封裝體(殼體)

172‧‧‧平坦底部

174‧‧‧側面

176‧‧‧狹窄部份

178‧‧‧凸塊

180‧‧‧凸塊

182‧‧‧凸塊(中心附接點)

240‧‧‧蓋子

274‧‧‧側面

本發明之其他特色及優點將在閱讀以下參考所附圖面之敘述時顯現，其中：-圖1係對應於本發明領域之壓電共振器型式的一先前技藝範例；-圖2係用於承納圖1所示壓電共振器型式的合適封裝體之俯視圖；-圖3a係安裝於根據本發明的一特別具體實施例的封裝體中之壓電共振器的俯視圖；-圖3b係圖3a之經封裝的共振器之側視圖；-圖4係對應於本發明的另一選擇具體實施例之經封裝的共振器之側視圖。

110‧‧‧共振器

112‧‧‧震動支臂

114‧‧‧震動支臂

116‧‧‧連結部份

118‧‧‧中心支臂(附接支臂)

140‧‧‧蓋子

142‧‧‧凹入部份

144‧‧‧突出部份

150‧‧‧退耦機構(刻槽)

162‧‧‧基底部份

166‧‧‧升降裝置

168‧‧‧升降裝置

170‧‧‧封裝體(殼體)

172‧‧‧平坦底部

174‧‧‧側面

176‧‧‧狹窄部份

178‧‧‧凸塊

180‧‧‧凸塊

182‧‧‧凸塊(中心附接點)

Claims (10)

1. 一種封裝式壓電共振器，包括：一殼體，其具有一底部、四個側面和一蓋子，且一壓電共振器元件被安置在該殼體中，該壓電共振器元件包括：一平面式音叉形部份，其具有藉由連結部份彼此連接之二平行的震動支臂；及一附接支臂，其由該連結部份沿著該平面式音叉形部份之平面延伸，該附接支臂經過至少一附接點被固定地附接至該殼體之底部，且該附接支臂之至少一主要部份係被配置在該等震動支臂之間，且與該等震動支臂平行及並排地配置，其中該蓋子之內側表面係以此一方式呈階梯狀的，該方式係便於在該蓋子具有第一厚度之處形成第一部份、及在該蓋子具有第二厚度之處形成第二部份，該第二厚度實質上大於該第一厚度，該第一部份至少延伸在該等震動支臂之遠側端部份上方，且該第二部份至少延伸在該附接支臂的一部份上方。
2. 如申請專利範圍第1項之封裝式壓電共振器，其中該附接支臂係經過一坐落於該等震動支臂間之中心附接點固定地附接至該殼體之底部。
3. 如申請專利範圍第1項之封裝式壓電共振器，其中 該附接支臂之遠側端部加寬成一與該連結部份相反向及延伸超出該等震動支臂之基底部份，該基底部份係固定地附接至該底部。
4. 如申請專利範圍第3項之封裝式壓電共振器，其中該基底部份包括聯合該殼體之底部的二遠側附接點，且其中該二遠側附接點隨同一坐落位於該等震動支臂間之中心附接點形成一用於該共振器之三腳支座。
5. 如申請專利範圍第1至4項之任一項的封裝式壓電共振器，其中該第一部份實質上蓋住面朝該底部之整個區域，除了面朝該附接支臂的一部份之凸出部份或突出部份以外。
6. 如申請專利範圍第5項之封裝式壓電共振器，其中該突出部份面朝該中心附接點。
7. 如申請專利範圍第1至4項之任一項的封裝式壓電共振器，其中該第一部份在該蓋子之內側部份中形成二凹部，該等凹部之每一個面朝該等震動支臂之一。
8. 如申請專利範圍第7項之封裝式壓電共振器，其中該等凹部之每一個直接地面朝該等震動支臂之一的遠側端部。
9. 如申請專利範圍第2或4項之封裝式壓電共振器，其中該附接支臂包括退耦機構，該退耦機構被配置在該中心附接點及該連結部份之間。
10. 如申請專利範圍第9項之封裝式壓電共振器，其中該退耦機構係藉由該附接支臂的任一側面上之刻槽所形 成。