具有優化的運動電容的壓電生成器的製作方法

2023-06-25 11:26:16 2

專利名稱：具有優化的運動電容的壓電生成器的製作方法
技術領域：
本發明涉及壓電晶體諧振器並且更具體地涉及最經常用於製造頻率發生器 的小尺寸諧振器，尤其是用在例如鐘錶學、信息技術、電信以及醫療領域的多 種領域中的可攜式電子設備。
背景技術：
io 該類小尺寸諧振器己經在現有技術文件US4,384,232中公開，其艦引用
併入這裡。該文件公幵了一種由基體和從基體延伸出的兩個振動臂形成的音叉 諧振器。每個臂承載M^屬部分，該M^屬部分形成主相對表面上的中心電極 和沿每個臂側面的側電極。 一個臂的中心電a^接到另一個臂的側電極並連接
至IJ電源的一個端子。另一中心電極和側電極以相同的方式連接到電源的另一個 15端子。向電，鵬加電場以便臂以需要的基本頻率振動。
在每個臂中提供凹槽。在具有臂厚度的凹槽中設置中心電極增加了壓電耦 合。在同樣的尺寸下，耦合的增加使給定的諧振器品質因數的等效阻抗降低並 且其消耗功率相應的降低。該效果可以被模擬為是由於表示在等效常規諧振器 電路中的損耗的串聯阻抗的減少。相反，對於相同的所需的等效阻抗，該設置 20可以減小諧振器尺寸。
使這些凹槽儘可能深是有利的，如果諧振器保持良好的機械阻力的話。在 凹槽和臂的側邊緣之間設置的區域必須保持足夠的剛性，並且還需維持以足夠
岡勝的方式連接至嵴的中心部分上以育,使^hW叉振動。
由於使用這些凹槽，對於相同的給定頻率以及相同的給定等效阻抗，可獲 25得較高的小型似呈度。然而，在特定尺寸以下，彈性活性(active)壓電材料體 積的減小與品質因數陶氐有關，這導致等效阻抗的不希望的增加。

發明內容
因此本發明的目的是提供一種壓電晶體諧振器，其能在不導致等效阻抗額 夕卜增加的情況下儘可能小型化。 30 而且，上述類型的壓電晶體諧振器具有運動電容(motional capacitances),該
運動電容被定義為對於每個共振模式、即基本頻率共振模式以及諧波頻率共振 模式並且更具體地對於第一部分頻率共振模式與整體壓力成比例。因此本發明 的另一 目的是提供一種壓電晶體諧振器，其對於基本頻率具有最大運動電容， 對於泛音頻率具有最小運動電容，該泛音頻率是由振蕩器電路隨機啟動的頻率。 5

發明內容
本發明通過提供根據所附的權利要求1的壓電音叉諧振器而實現所述目標。
應理解的是權利要求1的前序部分描述的壓電音叉諧振t^寺別iW"於稱為 基本頻率的第一頻率具有第一運動電容，以及對於稱為泛音頻率(partial 10 frequency)的第二頻率具有第二運動電容。還應理解形成本發明主題的特徵有 利地使諧振器的所述第一運動電容對於基本頻率是增加的，並且4妙萬述第二運 動電容對於泛音頻率是降低的。它們還確保機械應力沿著振動臂更好的分布並 且增加耐震強度。
特別地，應理解根據本發明，形成振動臂的質量分布相當不同於現有技術。 15實際上，本發明使振動臂具有楔形並且以稱為鰭(flipper)的擴大部分結束。該 質量分布的一個優點在於儘可能升高了品質因數。特別地，鰭的效果降低了給 定臂長度下的頻率，並且由此允許頻率調節到需要的值。
與鰭的出現相關的另一優點是在泛音頻率模式中不促進共振。實際上，鰭 的效果是用泛音頻率模式與關於臂的對稱軸扭轉的扭轉模式耦合。其效果是降 20低該模式的實際運動電容。
凹槽的出現導致了對於給定諧振器品質因數的等效阻抗的降低。但是，實 質上凹槽在品質因數上僅具有次要的效果。
還應理解，根據本發明，凹槽沿臂延伸到艦與鰭的開始端重合的放大點。 實際上，如果發生振動，與鰭的開始端重合的放大點形成最大應力區域。在這 25些情況下，由於本發明的特點，如果發生振動，凹槽的易碎端離最大應力區域 有特定的距離。而且，通過更好地分布與振動相關聯的應力以及與鰭的質量相 關的應力，凹槽延伸出鰭的開始端盼瞎況使諧振器的運動電容增加。
根據本發明的 實施例，凹槽開始於臂的錨定區域(anchoragezone)前 的基體4阱中。
30 而且，根據本發明的另一4，實施例，基體(base)的長度包括在振動臂
的平均寬度的4.5禾口6.5倍之間。M申請人實施的檢測，實際上已經證實不能 觀察到該比率可能導致組件敏感度效應以及等效頻率和/或阻抗的不穩定性。實 際上，即使在極端小型化的情況下，還需要提供尺寸取決於固定工藝的連接表 面。還需要保證諧振器的固定區域和彈性活動區域之間的最小距離，以使得最 5有效的機械非耦合成為可能。
優選地，基體長度近似等于振動臂平均寬度的6倍。
在本發明的範圍內，具有不同凹槽深度的幾個實例己表明當凹槽深的時候 諧振器的運動電容更敏感。這樣，對於在振動臂厚度的40和50%之間的凹槽深 度，基本頻率時附皆振器的運動電容對於製造容差太敏感並且諧振器的整個結構易碎。由於招皆振器的尺寸和其對機械應力的抵抗之間良好的折中，因此優選最大于振動臂厚度的40%的凹槽深度。
儘管在振動臂厚度的30和40%之間的凹槽厚度具有優點，但是具有這樣 厚度的臂可能保持不充分的機械應力抵抗，並且為了增加安全性，似乎更優選最大等于振動臂厚度的30%的凹槽深度。 15 而且，ttiML對鰭進行平整(ballast)以便基本頻率易於調節。
凹槽可以是矩形，以降低電&t間的空間並因此還增加了第一運動電容， 或者是適合臂的形伏的楔形以防止電極間的任何短路。


當參考附圖研讀如下描述時本發明的其它特徵和優點將顯現的更清楚，其
20 中
圖1示出根據本發明的具體實施例的音叉諧振器； 圖la示出沿圖1線A-A的截面部分；
圖2是示出作為相對於鰭開始端的凹槽的末端位置的函數的鰭的斷開部分 比例的圖表；
25 圖3 ^出作為在鰭開始端為67%的長度比率時凹槽的長度的函數的等效
阻抗的圖表。
發明的詳細描述
參考圖1至3給出的非限制性實例描述本發明。
在圖1所示的具體實施例中，由編號1表示的諧振器包括包含由基體4連 30接的兩個振動臂2和3的音叉部分，該組件用單一的壓電材料件，例如石英，
製造。基體4與臂2和3承載^^屬部分，即形成一組電極5和6的導電沉積， 其使得臂被施加電場以便使它們以稱為基本頻率的所需的頻率振動。形成在臂 上的IS^屬部分在主相對表面上形成中心電極和沿每個臂側面形成側電極。凹 槽7和8還形成在每個振動臂的前面或後面的至少一個中。該附圖示出這些凹 5槽7和8在基體4內開始並沿著臂延伸到基本上皿與鰭9和10的開始端重合 的放大點。通過這樣改變實際上在臂的整個長度上的臂部分，甚至當該裝置小 型化時，這些凹槽還可提供更準確的性能。
圖1 g出在凹槽7、 8內形成每個臂的中心電極。這種在凹槽內以臂厚度 安排中心電極的一個優點是增加壓電耦合。
io 圖1示出振動臂2和3的厚度在〗，大部分臂長的一個部分上減小。振動
臂包括楔形主體部分的情況具有在晶體中更好分布張力的優點，因此在降低對 於泛音頻率的運動電容時，增加了對於基本頻率的運動電容。還可知道每個振 動臂的概部分用較寬的鰭(分別用9和10表示)蓋住。由於這些鰭形成振動 臂2和3的末端，所以皿在不改變諧振器特徵並且同時確保機械應力沿著臂
15更好分布的情況下減少臂2和3的尺寸。優選他，還能將不平衡團塊11和12 添加到鰭9和10上，以便獲得諧振ll基本頻率的更好的調節。
而且，圖1所示在該實施例中，中心電極在鰭9和10的開始端之前停止並 且由ith3as停在凹槽7和8的遠端之前相當遠的地方。該安排的一個優點是因為 鰭9和10的相對剛性，電能在運動電容大量降低的區域中沒有被浪費。
20 最後，在該具體實施例中，在難部分4中還提供槽口(notch)13和14以改
善振動臂和基體的固定部分之間的非耦合。
優選地，在楔形部分遠端(在與鰭開始端重合的放大點)的臂寬度wl選 擇為在娜部分最近端(在與諧振器基體4的結合處)的臂寬度w2的30和60 %之間。雌地，在上述提到的兩個寬度wl和w2的45和55X之間的比率是
25更好的折中。
而且，鰭的寬度it^在臂的楔形部分的平均寬度的1.5和2.5倍之間。 現在讓我們考慮圖la，其是圖1沿線A-A的截面，示出兩振動臂2和3， 其中凹槽7a、 7b、 8a、 8b ^t叉諧振器的縱向形成。根據一個變形，每個臂可 在其前面或後面上僅具有一個凹槽。而且，為了確保諧振器結構具有足夠的機 30械抵抗力，凹槽還應該儘可能淺。而且，這些凹槽還應該儘可能深以確保對於
給定品質因數的更好的等效阻抗，或斷氐對於所需等效阻抗的諧振器尺寸。在 考慮振動臂的楔皿的同時應該尋找最好的折中。
在本發明的範圍內己經示出凹槽的深度優選小于振動臂厚度^的40%，並 且該深度在諧振器尺寸和其對機械應力的抵抗力之間提供良好的折中。儘管在 5振動臂厚度的30和40%之間的凹槽深度具有一些優點，但是為了更加安全，對 於小于振動臂厚度w的30 %的凹槽深度d，獲得在諧振器尺寸和其對機 力 的抵抗力之間的優化折中。
圖2是示出在振動期間作為凹槽末端位置的函數的斷開部分百分比的圖 表。在該圖中，Lr是凹槽末端的長度，Lp是鰭開始處的長度，L是臂長。駐 10化度從基體臂的錨定中觀"得。
如該附圖所示，形itt振動臂中的凹槽的幾何形狀對振蕩器的振動阻力是 決定性的。實際上，該圖表顯示當凹槽的遠端與標記鰭的開始端的放大點 (Lp=Lr;在圖表中橫坐標0%)重合時斷裂率更高。解釋該現象的決定因素應 該在於由鰭形成的大量團塊的影響。要考慮的另一因素可能在於fflil刻蝕石英 15晶體而刻蝕凹槽的情況。按照已知方式，化學刻蝕傾向於去除多個晶體平面， 特別是在凹槽的末端。該多重晶體面具有對振動和其相關聯的應力更為敏感的 缺點。
無論該5，的原因如何，將凹槽的末端布置在與振動相關的最大應力區域 之外似乎是有利的。為此，有兩個先驗的解決方案。第一個是將凹槽末端放置
20在鰭的該側，或更準確地，完全在臂的放大點之前。形成本發明主題的第二種
可能性是凹槽末端明確地超過臂的放大點地設置，以便與振動相關聯的最大應 力區域分布在凹槽的整刊則壁上。
圖3是給出作為具體實例中的凹槽長度的函數的等效阻抗的圖表，在該實 例中，在^振動臂上，與鰭的開始端重合的放大點位於臂長的67% (Lp/L= 25 67 % )。在圖3觀察到等效阻抗在離橫坐標67 %不遠的位置具有最小值，即對以 於凹槽的遠端與鰭的開始端重合(Lp=Lr)盼瞎況。而且，當凹槽的遠端更遠時， 實際上在臂末端時，由預的機械性能的改變，等效阻抗增加。
但是對該圖表的更進一步檢查表示出當凹槽延伸至陏一點艦鰭的開始端 時比當凹槽在鰭的開始端之前一點停止時的等效阻抗小。根據本發明，由此凹 30槽基本上延伸出鰭的開始端以便同時最小化斷裂部分的比率(圖2)和等效阻抗
(圖3)。根據本發明該方案的另一優勢在於ffl31更好地分布與振動和鰭的質量相
關聯的應力增加了諧振器的運動電容。
imt也，凹槽延伸超過鰭的開始端的距離在臂的平均長度的i到2倍之間。
而且，該距離 至少是凹槽深度的三倍。但是，凹槽的末端tt^接近鰭的開
5始端甚於接近臂的鄉。該安排防止了等效阻抗的上升和啟動其它振動模式。
儘管參照具體實施例描述了本發明，應該理解該實施例並不構成本發明的 限制。實際上，在不脫離所附豐又利要求定義的發明範圍的情況下，在本領域技 術人員面前可出現特徵的多種變化、,和/或組合。例如，圖1所示的電極的 楔形可用矩形代替。在這種情況下，矩形電極降低電極之間的空間，並且由此
10增加基本振動模式的運動電容。
權利要求
1、一種壓電音叉諧振器(1)，包括基體(4)，平行的第一和第二振動臂(2、3)從該基體(4)延伸出去，每個振動臂通過形成每個臂的自由端的鰭(9、10)形狀中的放大部分延伸，每個所述振動臂承載一組用於以基本頻率振動所述臂的激勵電極(5、6)，所述激勵電極(5、6)組包括在所述臂的主體相對表面上的中心電極和沿所述臂側面的側電極，所述壓電音叉諧振器(1)還包括形成在每個所述臂的頂部表面或底部表面的至少一個上的至少一個凹槽(7、8)，所述凹槽(7、8)在朝臂的自由端的方向延伸超過鰭(9、10)的開始端，其特徵在於，所述振動臂具有通常的楔狀，並且所述中心電極不延伸到鰭(9、10)的開始端，而是在鰭(9、10)的開始端之前停止。
2、 根據權利要求1的壓電音叉諧振器，其特徵在於，形成在齡所述臂(2、 3)上的所述凹槽(7、 8)的開始點在基體(4)內，而且在臂錨定區域之前。
3、 根據權利要求1的壓電音叉諧振器，其特徵在於，凹槽(7、 8)延伸超 15過鰭開始端的距離在臂(2、 3)的平均寬度的一或兩倍之間。
4、 根據權利要求1的壓電音叉諧振器，其特徵在於，凹槽(7、 8)延伸超 過鰭的開始端的距離至少是凹槽深度的3倍。
5、 根據權利要求1的壓電音叉諧振器，其特徵在於，凹槽(7、 8)的末端 接近鰭(9、 10)的開始端甚於接近鰭的末端。
6、根據權利要求1的壓電音叉諧振器，其特徵在於，所述凹槽的深度小于振動臂厚度的40%，以便獲衛皆振器尺寸稱皆振器對機械應力的抵抗力之間的 良好折中。
7、 根據權利要求1的壓電音叉諧振器，其特徵在於，所述凹槽(7、 8)的 深度小于振動臂(2、 3)的厚度的30%，以便獲得諧振器尺寸和諧振器對機械25應力的抵抗力之間的優化折中。
8、 根據權利要求1的壓電音叉諧振器，其特徵在於，所述凹槽(7、 8)具 有矩形形狀，以便M^電極之間的空間並進一步增加第一運動電容。
9、 根據權利要求1的壓電音叉諧振器，其特徵在於，所述凹槽(7、 8)具 有徵伏以便防止電極之間的短路。
全文摘要
音叉諧振器(1)包括基體(4)，第一和第二平行振動臂(2，3)從基體(4)延伸，承載一組用於以基本頻率振動所述臂的激勵電極(5，6)。凹槽(7，8)形成在每個所述臂的頂部表面或底部表面的至少一個上。振動臂具有通常的楔狀，並且由形成每個臂的自由端的放大的鰭狀部分(9，10)擴展。凹槽(7，8)在臂的自由端的方向中延伸超過鰭(9，10)的開始端以便增加對於基本頻率的諧振器的第一運動電容，減少對於泛音頻率的諧振器的所述第二運動電容，並確保機械應力沿著振動臂更好的分布並且增加振動阻力。
文檔編號H03H9/13GK101383600SQ200810168639
公開日2009年3月11日 申請日期2008年7月18日 優先權日2007年7月19日
發明者B·斯圖德, F·斯託布, S·達拉皮亞扎 申請人:伊塔瑞士鐘錶製造股份有限公司