TWI444792B - 具有最佳動態電容的壓電共振器 - Google Patents

Description

具有最佳動態電容的壓電共振器

本發明關於壓電共振器，更具體地關於小尺寸共振器，該共振器最常用於製造頻率產生器，特別是用於各式領域的可攜式電子裝備，例如測時法、資訊技術、電訊及醫學領域。

具有小尺寸之該型共振器已於習知技藝文獻US 4,384,232中揭露，其以提及的方式倂入本文。該文獻揭露由一基座及沿該基座延伸之二振動臂組成之音叉共振器。每一臂載運含金屬部分，其於每一臂之主反面上形成中央電極，及沿每一臂之側邊形成側電極。一臂之中央電極連接至另一臂之側電極及電源供應器之一端子。另一中央及側電極以相同方式連接至電源供應器之另一端子。電極歷經電場以使該些臂以所需基本頻率振動。

凹槽係置於每一臂中。中央電極之配置位於凹槽內部，該些臂的最厚處，增加了壓電耦合。在相等尺寸下，耦合的增加造成特定共振器品質因素之相等抵抗性的減少，結果造成其中電力消耗的減少。此效果可予塑造而做為代表相等習知共振器電路中損失之連續抵抗性下降的結果。相反地，對於相同的所需等效抵抗性而言，此配置允許共振器尺寸縮小。

假定共振器維持良好機械抵抗性，該些凹槽有利地儘 可能深。配置於凹槽與該些臂之側緣之間的區必須保持充分堅固，且亦須保持以充分堅固之方式連接至該些臂之中央部分，以便可使整個音叉振動。

由於該些凹槽之使用，對於相同特定頻率及相同特定等效抵抗性而言，可達成較高程度的小型化。然而，在某尺寸以下，彈性主動壓電材料的體積減少係與品質因素下降相關，此造成不希望之等效抵抗性增加。

因而本發明之一目標係提供一種壓電共振器，其可儘量小型化而不造成等效抵抗性過度增加。

此外，上述類型之壓電共振器具有可被定義為與每一共振模式(即基本頻率共振模式)之應力的積分成比例之動態電容，但對諧波頻率共振模式及較具體地對第一局部頻率共振模式亦然。因而，本發明之另一目標係提供一種壓電共振器，其具有基本頻率之最大動態電容及局部頻率之最小動態電容，局部頻率係指可附帶由震盪器電路啓動之頻率。

本發明經由提供符合申請專利範圍第1項之壓電音叉共振器而達成上述目標。

應理解的是申請專利範圍第1項之前言中所描述之類型的壓電音叉共振器特別具有稱為基本頻率之第一頻率的第一動態電容，及稱為局部頻率之第二頻率的第二動態電容。亦應理解的是形成本發明之主題的特徵有利地允許共 振器之基本頻率的第一動態電容增加，且局部頻率的第二動態電容減少。亦確保沿該些振動臂之機械應力的較佳分佈並提升衝擊抵抗性。

特別是，應理解的是依據本發明，形成該些振動臂之質量的分佈與習知技藝顯著不同。實際上，本發明所提供之該些振動臂具有錐形形狀且末端為稱為升降舵之增大部。質量之此種分佈的一個優點是儘量提升品質因素。特別是升降舵的效果在於降低特定臂長度之頻率，因而允許將頻率調整為所需值。

與升降舵之存在相關的其他優點為其並未促進局部頻率模式之共振。事實上，升降舵之效果為以繞臂之對稱軸的扭轉模式結合局部頻率模式。該效果為降低該模式之實際動態電容。

凹槽之存在造成特定共振器品質因素之等效抵抗性的降低。然而，凹槽本身在品質因素上僅具有次要效果。

亦應理解的是，依據本發明，凹槽沿該些臂延伸超越與升降舵之起始合一的增大點。事實上，與升降舵之起始合一的增大點在任何衝擊事件中形成最大應力區。在此狀況下，由於本發明之特徵，凹槽之易碎端位於衝擊事件中最大應力區一段距離處。此外，凹槽延伸超越升降舵之起始的事實致能藉振動相關之應力較佳分佈而增加之共振器的動態電容，該動態電容亦與升降舵之質量相關。

依據本發明之有利實施例，凹槽始自基座4內該些臂之錨座區前。

此外，依據本發明之另一有利實施例，基座之長度介於振動臂之平均寬度的4.5至6.5倍之間。本申請案所實施之測試實際上展現無法觀察該比例可能導致組件靈敏性效應，及導致等效頻率及/或抵抗性的不穩定。實際上，甚至在極度小型化之狀況下，必須配置尺寸係取決於固定技術之連接面。亦需確保共振器之固定區與彈性主動區之間的最小距離，以便具有可能之最有效率之機械脫鉤。

較佳地，基座之長度約等同於振動臂之平均寬度的6倍。

在本發明之範圍內，具有不同凹槽深度之許多實驗已展現當凹槽深時，共振器之動態電容更靈敏。因而，對於介於振動臂厚度之40至50%之間之凹槽深度而言，基本頻率之共振器的動態電容過於靈敏超過製造容限，且共振器的整個表面過於易碎。等同於最大為振動臂之厚度之40%的凹槽深度因而較佳，因其為共振器之尺寸與其對於機械應力之抵抗性之間的良好折衷。

雖然介於振動臂厚度之30至40%之間的凹槽厚度具有一些優點，但具有該厚度之臂對於機械應力可能具有不足之抵抗性，且為提升安全，等同於最大為振動臂之厚度之30%的凹槽深度似乎更佳。

此外，升降舵有利地穩定使得基本頻率可輕易調整。

凹槽可為矩形形狀以減少電極之間之間隔並進一步提升第一動態電容，或可為適於該些臂之形狀的錐形形狀以避免電極之間之短路。

以下將參照圖1至3之非限制性範例描述本發明。

在圖1中所示之特定實施例中，編號1之共振器包括具有連結基座4之二振動臂2及3之音叉零件，該總成係以例如石英之壓電材料單項製成。基座4及臂2和3載運形成一組電極5和6之含金屬部分，即傳導性沈積，其致能該些臂歷經電場以便使其以所謂基本頻率之所需頻率振動。形成於該些臂上之含金屬部分於該些臂之主相反面上形成中央電極，及沿每一臂之側邊形成側電極。凹槽7和8亦形成於每一振動臂之正面或背面之至少之一中。該圖顯示該些凹槽7和8起始於基座4之內並沿該些臂延伸，實質上超越符合升降舵9和10之起始的增大點。因而於臂的實際整個長度上改變臂之切面，該些凹槽提供更精確的性能，甚至當裝置小型化時亦然。

圖1亦顯示每一臂之中央電極係形成於凹槽7、8內部。中央電極於凹槽內部，該些臂的最厚處之配置的一個優點是增加了壓電耦合。

圖1顯示代表該些臂之最長處的一段上振動臂2和3之厚度減少。振動臂包括錐形形狀之主段的事實具有結晶中張力較佳分配的優點，因而增加了基本頻率之動態電容，同時減少了局部頻率之動態電容。吾人亦可見到每一振動臂之錐形部分被較寬的升降舵(編號分別為9和10)覆蓋。隨著升降舵形成振動臂2和3之末端，此進一步減少 了臂2和3之尺寸而未改變共振器之特徵，同時確保沿該些臂之機械應力的較佳分佈。有利地，不均衡之質量11和12亦可附加至升降舵9和10，以便獲得共振器基本頻率的較佳調整。

此外，圖1顯示在此範例中，中央電極於升降舵9和10的起始之前結束，且也在凹槽7和8之遠端的前面一段距離結束。此配置之一優點為沒有電能量浪費在因升降舵9和10相對地硬以致動態電容大為降低之區。

最後，在特定實施例中，凹口13和14亦置於基座部分4中以改進基座之振動臂與固定部分之間之機械脫鉤。

較佳地，選擇於錐形段遠端(與升降舵之起始合一的增大點處)之臂的寬度w1，其介於錐形段近端(與共振器之基座4的連接處)之臂的寬度w2之30至60%之間。有利地，獲得介於45至55%之上述寬度w1與w2之間之比例的較佳折衷。

此外，升降舵之寬度較佳地為臂之錐形段之平均寬度的1.5至2.5倍。

現在考量沿線A-A之圖1截面的圖1a，其顯示二振動臂2和3，其中凹槽7a、7b、8a及8b係沿音叉共振器之縱向形成。依據一變化，每一臂在其正面及背面僅具有一凹槽。此外，為確保共振器結構具有充分機械抵抗性，凹槽亦應儘量地窄。此外，該些凹槽亦應儘量地深，以確保特定品質因素之較佳等效抵抗性，或減少所需等效抵抗性之共振器尺寸。當考量振動臂之錐形形狀時應尋求最佳 折衷。

在本發明的範圍內，已顯示凹槽之深度較佳地少於振動臂之厚度w的40%，且該深度提供共振器之尺寸與其對於機械應力之間之良好折衷。雖然介於振動臂之厚度的30至40%之間的凹槽深度具有一些優點，但對於較大的安全性而言，所獲得之凹槽深度d的共振器之尺寸與其對於機械應力之間之最佳折衷為少於振動臂之厚度w的30%。

圖2表示衝擊期間破裂零件之比例，做為凹槽末端位置的函數。在本圖中，Lr為凹槽末端之長度，Lp為升降舵起始之長度，及L為臂之長度。該些三種長度係自基座中臂之錨座處起測量。

如圖所示，形成於振動臂中之凹槽的幾何係有關震盪器之衝擊抵抗性而予決定。實際上，該圖表示當凹槽之遠端符合標示升降舵之起始的增大點時(Lp＝Lr；圖中橫座標0%)，破損率較高。說明此現象之決定性因素肯定地在於升降舵所形成之可觀質量的效果。將考量的另一因素可能在於凹槽係經由蝕刻石英結晶而予蝕刻之事實。在已知的方式中，化學蝕刻傾向於顯示多個結晶平面，特別是在凹槽末端。該結晶面之增加具有造成對於衝擊及其相關應力之較大敏感性的不利點。

不論該現象的原因為何，其似乎有利於定位與衝擊相關之最大應力區外部之凹槽的末端。為予實施，有兩種預先解決方案。第一是置放升降舵側凹槽的末端，更精確的是明確地在該些臂之增大點之前。第二個可能性形成本發 明之主題，係置放凹槽的末端明確地超越該些臂之增大點，使得與衝擊相關之最大應力區分佈於凹槽的側壁上。

圖3提供等效抵抗性，做為凹槽長度的函數，特別是每一振動臂上符合升降舵之起始的增大點係置於臂之長度的67%(Lp/L＝67%)之狀況。圖3中將觀察到等效抵抗性在橫座標67%不遠處，即接近凹槽之遠端符合升降舵之起始(Lp＝Lr)的狀況處，具有最小值。此外，當凹槽之遠端更遠，特別是在臂的末端時，等效抵抗性因升降舵的機械屬性改變而增加。

然而該圖之接近試驗顯示，等效抵抗性在凹槽延伸略超過升降舵之起始時，較凹槽於升降舵之起始前不遠處停止時為小。依據本發明，凹槽因而實質上延伸超越升降舵之起始，以便同時使零件破損率(圖2)及等效抵抗性(圖3)最小。依據本發明之配置的另一優點為經由較佳地分佈振動相關應力及升降舵之質量，可提升共振器的動態電容。

較佳地，凹槽延伸超越升降舵之起始的距離係介於臂之平均長度的一至兩倍之間。此外，該距離有利地為凹槽之深度的至少三倍。然而，凹槽之末端較佳地較接近升降舵之起始而非該些臂之末端。此配置避免增加等效抵抗性及產生其他振動模式。

雖然本發明已參照特定實施例予以描述，但應理解的是該實施例並不構成本發明之限制。事實上，對於熟悉本技藝之人士而言，顯然在不偏離申請專利範圍所定義之本 發明的範圍下，可進行特徵之改變、調整及/或組合。例如，圖1中所示之電極的錐形形狀可以矩形形狀取代。在此狀況下，矩形形狀之電極減少了電極之間的間隔，並藉此提升了基本振動模式之動態電容。

1‧‧‧共振器

2、3‧‧‧振動臂

4‧‧‧基座

5、6‧‧‧電極

7、7a、7b、8、8a、8b‧‧‧凹槽

9、10‧‧‧升降舵

11、12‧‧‧質量

13、14‧‧‧凹口

d‧‧‧深度

L、Lp、Lr‧‧‧長度

w‧‧‧厚度

w1、w2‧‧‧寬度

讀取參照圖式之下列描述，本發明的其他特徵及優點將更顯而易見，其中：－圖1顯示依據本發明之特定實施例之音叉共振器；－圖1a顯示沿圖1之線A－A的截面；－圖2顯示於升降舵破裂零件之比例，做為相對於升降舵之起始之凹槽末端位置的函數；－圖3顯示等效抵抗性，做為67%升降舵起始處長度比例之凹槽長度的函數。

2、3‧‧‧振動臂

4‧‧‧基座

5、6‧‧‧電極

7、8‧‧‧凹槽

9、10‧‧‧升降舵

11、12‧‧‧質量

13、14‧‧‧凹口

Claims (9)

1. 一種壓電音叉共振器，包括一基座和自該基座延伸的第一及第二平行振動臂，該等振動臂大致成錐形，且每一振動臂藉由形成各振動臂之自由端的升降舵形狀之增大部而延伸，該等振動臂之每一者包括形成於該等振動臂之每一者的頂面或底面其中至少一者之上的至少一凹槽，該凹槽在振動臂之自由端的方向中延伸超越該升降舵之起始，且該等振動臂之每一者進一步帶有一組激發電極，用於以基本頻率振動該等振動臂，該組激發電極包括位於該等振動臂之該頂面和底面上的中央電極，及沿該等振動臂之側邊的側電極，其中該等中央電極未延伸至該等升降舵之起始，而是於之前便結束。
2. 如申請專利範圍第1項之壓電音叉共振器，其中形成於每一該些臂之上之該凹槽的起始點係在該基座內部、並在臂錨座區之前。
3. 如申請專利範圍第1項之壓電音叉共振器，其中該凹槽延伸超越該升降舵之起始的距離係介於該臂之平均寬度的一或二倍之間。
4. 如申請專利範圍第1項之壓電音叉共振器，其中該凹槽延伸超越該升降舵之起始的距離為該凹槽之深度的至少三倍。
5. 如申請專利範圍第1項之壓電音叉共振器，其中該凹槽之末端較接近該升降舵之起始而非其末端。
6. 如申請專利範圍第1項之壓電音叉共振器，其中 該些凹槽之深度較該些振動臂之厚度少40%，以便獲得該共振器之尺寸與對於其機械應力之抵抗性之間的良好折衷。
7. 如申請專利範圍第1項之壓電音叉共振器，其中該些凹槽之深度較該些振動臂之厚度少30%，以便獲得該共振器之尺寸與對於其機械應力之抵抗性之間的最佳折衷。
8. 如申請專利範圍第1項之壓電音叉共振器，其中該些凹槽具有矩形形狀以便減少該些電極之間之間隔，並進一步增加第一動態電容。
9. 如申請專利範圍第1項之壓電音叉共振器，其中該些凹槽具有錐形形狀以便避免該些電極之間之短路。