CN100590970C - 厚度纵向压电谐振器 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有优良频率-温度特性的厚度纵向压电谐振器，其中在广泛温度范围上难以发生频率特性的变化。在使用厚度纵向振动模式的能量捕获厚度纵向压电谐振器(1)中，具有：在其厚度方向上极化的压电基片(2)的上表面和下表面的多个部分上形成的第一和第二谐振电极(3，4)，其中第一和第二谐振电极(3，4)彼此相对的部分形成为能量捕获型振动部分，其中为了抑制作为使用谐振特性的主响应的、由温度引起的厚度纵向振动模式的频率变化，使具有用于抑制由温度引起的主响应的频率变化的、具有频率-温度-变化倾向的对抑制的响应靠近该主响应，以便于抑制由温度引起的主响应的频率变化。

Description

厚度纵向压电谐振器

技术领域

本发明涉及一种使用厚度纵向振动模式的能量捕获型厚度纵向压电谐振器，它被配置成抑制要使用的厚度纵向振动模式的响应的谐振频率或反谐振频率中由温度引起的变化。

背景技术

至今为止，压电谐振器已用于各种压电谐振部件，例如，压电振荡器和滤波器。另外，根据所使用频率使用各种压电振动模式的压电谐振器是公知的。

例如，在下述专利文献1中，公开了图22中示出的厚度纵向压电谐振器。该厚度纵向压电谐振器101是使用厚度纵向振动模式的三次谐波的能量捕获型压电谐振器。在此，使用矩形板状的条型压电体102。在压电体102的上表面形成第一谐振电极103，而在下表面则形成第二谐振电极104。谐振电极103和104的下表面和上表面分别在压电体102的中央部分中沿其长度方向穿过压电体102彼此相对。谐振电极103和104被形成为横跨压电体102的整个宽度。

当将压电体102的宽度表示为W，厚度表示为t，且d＝t/3时，W/d被设置成等于或小于7.7。结果，能抑制使用厚度纵向振动的三次谐波时所出现的非期望乱真。

另一方面，在下述专利文献2中，公开了一种类似的使用厚度纵向振动的三次谐波的能量捕获型压电谐振器。在此，通过将压电体的宽度W对厚度T的比W/T设置至特定范围，能有效地抑制谐振频率和反谐振频率之间及其附近的非期望乱真。

在下述专利文献3中，公开了在使用厚度纵向振动的三次谐波的能量捕获型压电谐振器中，可将包含Pb、Ti、Li、Sr和Mn的特定成分的钙钛矿复合氧化物用作压电体，从而改善振荡频率的温度特性。即，在专利文献3中，公开了能减少在-20℃至+80℃之间由温度引起的振荡频率中的变化。

专利文献1：日本未审查专利申请No.1999-8527公报

专利文献2：日本未审查专利申请No.1998-290139公报

专利文献3：日本未审查专利申请No.1999-130526公报

发明的公开内容

近年来，在压电振荡器中，对减少由温度引起的振荡频率变化的需求正在日益增加。例如，在0-70℃的温度范围内，存在着对振荡频率的变化在室温下应在约±100ppm的范围内的需求。

在上述专利文献3中所公开的使用厚度纵向振动模式的三次谐波的压电谐振器中，通过使用特定成分的压电体来减少由温度引起的振荡频率变化。然而，仅仅通过这种材料的选择，已很难例如在0-70℃的温度范围内使振荡频率的变化量在±100ppm的范围内。例如，在由专利文献3中图1标号14所指示的压电谐振器中，也不满足上述需求。

另外，压电谐振器的频率-温度特性根据各种条件变化，诸如制造要使用的压电体时的极化电压、或极化后的热处理温度等。因此，即使要通过调节成分来控制温度特性，也存在着取决于实际制造步骤的各种条件、温度特性变得与所设计的温度特性不同的风险。即，很难仅仅通过调节形成压电体的材料的成分来准确地设置温度特性。

另外，开发材料，例如选择该成分的范围，必须进行许多实验并花费许多时间，并且可靠地找到所需温度特性并不容易，从而必须进行大量努力和工作。

另一方面，在上述专利文献1和2的压电谐振器中，抑制了谐振频率和反谐振频率之间的非期望乱真。为了抑制这种乱真，将上述压电谐振器的尺寸设置在特定范围内。然而，在专利文献2和3中，描述了通过抑制或移动非期望乱真来改善频率特性，但没有提到谐振频率的温度特性本身。即，在专利文献2和3中，考虑到通过调节压电体的尺寸来抑制乱真。结果，压电谐振器取决于这种能抑制乱真的尺寸而具有各种温度特性。因此，难以可靠地减少由温度变化引起的特性中的变化。即，难以在0-70℃的温度范围内使特性变化在等于或小于±100ppm的范围内。

考虑到相关技术的上述现状，本发明的一个目的是提供一种具有优良频率-温度特性的厚度纵向压电谐振器，其中频率特性的变化在广泛温度范围上得到抑制。

根据本发明，提供了一种使用厚度纵向振动模式的能量捕获型厚度纵向压电谐振器，包括：具有上表面和下表面的压电基片，该压电基片在连接上表面和下表面的厚度方向上极化；以及第一和第二谐振电极，分别在该压电基片的上表面和下表面上的多个部分形成，并设置成彼此相对、其间隔着压电基片，其中，为了抑制由温度引起的厚度纵向振动模式的响应的频率的变化，该响应是使用谐振特性的主响应，用于抑制由温度引起的主响应的频率变化的、具有频率-温度变化倾向的对抑制的响应与该主响应结合，以抑制由温度引起的主响应的频率变化。

在本说明书中，术语“结合”指其中使抑制的响应相互靠近、并混合两个振动模式的状态。

在根据本发明的厚度纵向压电谐振器的特定方面中，对抑制的响应在与主响应的频率-温度变化倾向的方向相反的方向上具有频率-温度变化倾向。

在根据本发明的厚度纵向压电谐振器的另一特定方面中，对抑制的响应的频率-温度变化倾向与主响应的频率-温度变化倾向在同一方向上，且对抑制的响应的频率变化小于由温度引起的主响应的频率变化。

在根据本发明的厚度纵向压电谐振器的又一特定方面中，压电基片为在长度方向上延伸的条状，第一和第二谐振电极形成为分别在压电基片的上表面和下表面的长度方向上的中央区域中横跨压电基片的整个宽度，且对抑制的响应是因压电基片的宽度尺寸产生的响应。

在根据本发明的厚度纵向压电谐振器的另一特定方面中，因宽度尺寸产生的响应的至少一个谐振频率比主响应的反谐振频率高。

在根据本发明的厚度纵向压电谐振器的又一特定方面中，当主响应的反谐振频率被表示为Fa(TE)而因宽度尺寸产生的响应的谐振频率被表示为Fr(WH)时，至少在使用温度范围的上限中(Fr(WH)-Fa(TE))/Fa(TE)大于0且小于或等于0.04。较佳的是，在每一使用温度范围的整个范围上满足上述范围。

在根据本发明的厚度纵向压电谐振器的另一特定方面中，至少一个因宽度尺寸产生的响应低于主响应的谐振频率。

在根据本发明的厚度纵向压电谐振器的又一特定方面中，当主响应的谐振频率被表示为Fr(TE)而因宽度尺寸产生的响应的反谐振频率被表示为Fa(WL)时，至少在使用温度范围的上限中(Fr(TE)-Fa(WL))/Fr(TE)大于0且小于或等于0.04。较佳的是，在每一使用温度范围的整个范围上满足上述范围。

在根据本发明的厚度纵向压电谐振器的另一特定方面中，因宽度尺寸产生的响应包括：比主响应的反谐振频率高的频率上的第一响应、和比主响应的谐振频率低的频率上的第二响应。

在根据本发明的厚度纵向压电谐振器的又一特定方面中，当主响应的谐振频率表示为Fr(TE)、反谐振频率表示为Fa(TE)、第一响应的谐振频率表示为Fr(WH)、并且第二响应的反谐振频率表示为Fa(WL)时，至少在使用温度范围的上限中(Fr(WH)-Fa(TE))/Fa(TE)大于0且小于或等于0.04，并且至少在使用温度范围的下限中(Fr(TE)-Fa(WL))/Fr(TE)大于0且小于或等于0.04。较佳的是，在每一使用温度范围的整个范围上满足上述范围。

在根据本发明的厚度纵向压电谐振器中，可使用各种厚度振动模式。例如，作为主响应，可使用厚度纵向振动的谐波响应。在本发明的更有限方面中，提供了一种使用厚度纵向振动的3次谐波的厚度纵向压电谐振器。

在根据本发明的厚度纵向压电谐振器中，还可提供以使第一和第二谐振电极相对、其间隔着压电基片的方式设置在压电基片中的至少一层内部电极。

优点

在根据本发明的厚度纵向压电谐振器中，第一和第二谐振电极以其间隔着压电基片彼此相对的方式分别形成于压电基片的上表面和下表面上，该压电基片在厚度方向上极化。因此，可通过从第一和第二谐振电极施加AC电场来获得其中使用能量捕获型厚度纵向振动模式的谐振特性。另外，为了抑制由温度引起的以使用谐振特性为目的的主响应的频率变化，将用于抑制频率变化的、具有频率-温度变化倾向的抑制的响应与主响应结合，以抑制由温度引起的主响应的频率变化。因此，可能提供一种具有优良温度特性的厚度纵向压电谐振器，在该谐振器中能减少由温度引起的要使用的主响应的频率变化。

在本发明中，因为使用用于抑制在谐振特性中出现的、谐振频率和/或反谐振频率随温度的变化、具有频率-温度变化倾向的抑制的响应，可在例如0-70℃的范围内将由温度引起的频率变化量减至基本上±100ppm。

在上述专利文献3中所述的方法中，即使使用具有特定范围内的成分的压电体，在实际制造时频率-温度特性也会由于极化电压和热处理温度而被迫改变。相反在本发明中，因为使用厚度纵向压电谐振器的谐振特性，能可靠地改善频率-温度特性。

另外，在基于专利文献3中所述的材料开发改善频率-温度特性的方法中，当获得要使用频率的压电谐振器时，每次获取时都要重复多次实验。相反根据本发明，可能简便地提供一种与材料开发相比时具有所需温度特性的厚度纵向压电谐振器。

当对抑制的响应具有在与主响应的频率-温度倾向的方向相反的方向上的频率-温度变化倾向时，该对抑制的响应的频率-温度倾向被主响应的频率-温度变化倾向抵消，从而抑制了主响应的频率变化。

对抑制的响应的频率-温度变化倾向可与主响应的频率-温度倾向在同一方向上。如果对抑制的响应的频率变化小于由温度引起的主响应的频率变化，则对抑制的响应的频率-温度变化倾向使得减少由温度引起的主响应的频率变化成为可能。

在本发明中，压电基片为在长度方向上延伸的矩形条状，并且第一和第二谐振电极形成为分别在压电基片的上表面和下表面的长度方向的中央部分中横跨压电基片的整个宽度。当对抑制的响应是因压电基片在宽度方向上的尺寸产生的响应时，在条形厚度纵向压电谐振器中，通过控制沿宽度方向的尺寸可抑制由温度引起的主响应的频率变化。

当因宽度尺寸产生的至少一个响应的谐振频率高于主响应的反谐振频率时，可减少由温度引起的主响应的反谐振频率的变化。至少在所使用温度范围的上限中，较佳地在总的使用温度范围上，当(Fr(WH)-Fa(TE))/Ta(TE)大于0且小于或等于0.04时，可更有效地减少由温度引起的主响应的反谐振频率变化。

因宽度尺寸产生的对抑制的响应可低于主响应的谐振频率。在此情形中，可抑制主响应的谐振频率变化。至少在上限中，较佳地在总的使用温度范围上，当(Fr(TE)-Fa(WL))/Fr(TE)大于0且小于或等于0.04时，如从实验的例子中清晰可见(将在下面描述)，可更有效地抑制由温度引起的主响应的谐振频率变化。

当作为因宽度尺寸产生的响应，高于主响应的反谐振频率的频率上的第一响应和低于主响应的反谐振频率的频率上的第二响应存在时，可根据本发明有效地减少由温度引起的主响应的谐振频率和反谐振频率的变化。

至少在每一使用温度范围的上限和下限中，较佳地在总的使用温度范围上，当以上述方式(Fr(WH)-Fa(TE))/Fa(TE)大于0且小于或等于0.04时，可有效地抑制由温度引起的主响应的谐振频率和反谐振频率的变化。

当厚度纵向振动的谐波用作主响应时，根据本发明更高频率上的使用是可能的，并且还可提供根据本发明的具有改善温度特性的厚度纵向压电谐振器。特别地，在使用厚度纵向振动的三次谐波的能量捕获型厚度纵向压电谐振器的情形中，可能提供根据本发明的具有改善温度特性的厚度纵向压电谐振器。

当根据本发明的厚度纵向压电谐振器还包括至少一层内部电极时，可能提供一种使用与内部电极的多个堆叠层相对应的各种厚度纵向振动的谐波的厚度纵向压电谐振器。

附图的简要说明

图1是示出压电谐振部件的立体图，其中根据本发明一个实施例的压电谐振器安装在安装基片上。

图2是示出在厚度纵向压电谐振器中由温度上升引起的主响应的谐振特性的频率变化的示意图。

图3是示出在根据一个实施例的厚度纵向压电谐振器中温度上升期间主响应的频率变化、和由温度上升引起的对在较高频率上抑制的第一响应的频率变化的示意图。

图4示出当在主响应附近不存在对抑制的响应时由于温度下降引起的主响应的频率变化。

图5示出当温度下降时主响应的频率变化和对抑制的第二响应的频率变化。

图6是示出在不结合因宽度尺寸产生的对抑制的响应时由于温度引起的谐振频率变化，还示出在根据一个实施例的厚度纵向压电谐振器中对抑制的第一和第二响应与主响应结合、且温度特性得到改善的事实的示意图。

图7示出作为主响应的厚度纵向振动的三次谐波的响应的Fr.T的变化、以及因宽度尺寸产生的对抑制的响应的Fr·T由于W/T比率的变化。

图8是示出通过FEM来分析图7的箭头D所指示位置处的压电体的横向振动位移状态的结果的示意图。

图9是示出通过FEM来分析图7的箭头E所指示位置处的压电体的横向振动位移状态的结果的示意图。

图10是示出通过FEM来分析图7的箭头F所指示的位置处的压电体的横向振动位移状态的结果的示意图。

图11是用于比较的比较示例的厚度纵向压电谐振器的外部的立体图。

图12示出图11所示比较示例的厚度纵向压电谐振器的由温度引起的谐振频率变化。

图13示出图11所示的比较示例的厚度纵向压电谐振器在0℃、25℃和70℃的阻抗特性。

图14示出图1所示实施例的厚度纵向压电谐振器的频率-温度特性。

图15(a)-15(c)示出图1所示实施例的厚度纵向压电谐振器在0℃、25℃和70℃下反谐振频率侧的频率特性。

图16(a)-16(c)示出图1所示实施例的厚度纵向压电谐振器在0℃、25℃和70℃下谐振频率侧的频率特性。

图17是示出实施例的厚度纵向压电谐振器中的主响应与对抑制的第一和第二响应之间的频率差的示意图。

图18示出在一个实施例中当温度从0℃变到70℃时(Fr(TE)-Fa(WL))/Fr(TE)与由于温度引起的谐振频率的变化率Fa·TC之间的关系。

图19示出在一个实施例中当温度从0℃变到70℃时(Fr(WH)-Fa(TE))/Fa(TE)与由于温度引起的谐振频率的变化率Fa·TC之间的关系。图20示出在实施例的厚度纵向压电谐振器中比率W/T与基于宽度模式的响应的温度特性的变化率之间的关系。

图21是示出本发明适用的厚度纵向压电谐振器的另一个例子的立体图。

图22是示出相关技术的厚度纵向压电谐振器的一个例子的立体图。

标号

1…厚度纵向压电谐振器

2…压电基片

2a…上表面

2b…下表面

2c、2d…端面

3…第一谐振电极

4…第二谐振电极

5…连接电极

6…端电极

7…连接电极

8…端电极

9、10…导电粘合剂

11…安装基片

11a、11b…电极

21…厚度纵向压电谐振器

22…压电基片

22a…上表面

22b…下表面

23…谐振电极

24…谐振电极

25…内部电极

26、27…连接电极

28…端电极

29…端电极

实现本发明的最佳方式

下面将通过说明本发明的具体实施例来阐明本发明。

图1是构成根据本发明一实施例的压电谐振器的压电谐振部件的立体图。本实施例的压电谐振器1具有长度为2.2mm，宽度为0.54mm且厚度为0.25mm的窄矩形板状的条状压电体2。该压电体2由基于PbTiO₃的压电陶瓷形成并且在厚度方向上极化。该压电体2还可由另一压电陶瓷形成。

在压电体2中，厚度方向上的机电耦合系数k₃₃为43.9％。而在宽度方向上的机电耦合系数k₃₁为7.7％。在上述极化期间，通过在60℃的温度下施加9kV/mm的电压来进行极化。

在压电体2的上表面2a的中心位置上形成长度为0.65mm、宽度为0.54mm的第一谐振电极3。以隔着压电基片2与第一谐振电极3相对的方式在压电基片2的下表面2b的中心形成与第一谐振电极3形状相同的第二谐振电极4。第一和第二谐振电极形成为横跨压电基片2的整个宽度。

在压电基片2的上表面2a上，第一谐振电极3通过连接电极5与设置在压电基片2的一个端面2c上的端电极6电连接。端电极6形成为从压电基片2的上表面2a延伸至端面2c。另外，端电极6从端面2c延伸至下表面2b。

连接电极5的宽度，即连接电极的压电体2的宽度方向上的尺寸被设置成0.15mm。端电极6的压电体2的上表面2a上谐振电极3一侧的端部、上表面2a和端面2c之间的尺寸被设置成0.15mm。

另一方面，在压电基片2的下表面2b上，第二谐振电极4通过连接电极7与设置在与端面2c相对的端面2d上的端电极8电连接。端电极8从端面2d延伸至下表面2b，且延伸至下表面的部分与连接电极7电连接。连接电极7和端电极8的压电体2的下表面2d的两个空间形式与连接电极5和端电极6的空间形式相似。

谐振电极3和4、连接电极5和7、以及端电极6和8可由合适的导电材料制成。在本实施例中，通过溅镀形成厚度为0.3μm的银的薄膜。

如图1所示，厚度纵向压电谐振器1通过使用导电粘合剂9和10与安装基片11接合。安装基片11由诸如氧化铝等的绝缘陶瓷的合适绝缘材料制成。在安装基片11上形成电极11a和11b。电极11a和11b以从安装基片11的上表面、经过两侧、并到达下表面的方式形成。压电谐振器1的端电极6和8分别通过导电粘合剂9和10与电极11a和11b电连接、并机械耦合。

为了不阻碍能量捕获型厚度纵向压电谐振器1的振动部分的振动，在振动部分的谐振电极3、4彼此相对的部分的下方提供一个空隙。即，使用具有一定厚度的导电粘合剂9和10将压电谐振器1安装在安装基片11上，该厚度使得谐振电极4的下表面与安装基片11之间形成了空隙。

在厚度纵向谐振器1中，当从端电极6和8施加AC电场时，使得谐振电极3和4彼此相对的能量捕获型压电振动部分在厚度方向上振动，并且可使用由厚度纵向振动的三次谐波提供的谐振特性。

压电体2在宽度方向、长度方向以及厚度方向上振动。因为谐振电极3和4在压电体2的整个宽度上形成，所以该宽度方向上的振动具有多个宽度模式的谐振频率，这些宽度模式根据压电体2的宽度尺寸而变化。在本申请中，例如，如在宽度模式中宽度方向上的谐振被称为“因宽度尺寸产生的响应”。

通常，在通过使用压电陶瓷配置的厚度纵向压电谐振器中，对于谐振特性，当温度上升时，谐振频率和反谐振频率移向更高的频率。即，厚度纵向压电谐振器1常常具有正频率-温度-变化倾向。更具体地，如图2所示，在室温(25℃)下，在具有由实线所示的谐振特性的厚度纵向压电谐振器中，当温度变得高于25℃时，谐振频率和反谐振频率常移向由虚线所示的更高频率。

在本实施例的厚度纵向压电谐振器1中，因宽度尺寸产生的响应在比反谐振频率的主响应更高的频率上位于主响应的反谐振频率附近，从而这种由随温度的变化引起的谐振频率及反谐振频率的变化变小。

现在将参照图3对此进行描述。如图3所示，基于宽度模式的对抑制的响应B位于比箭头A所指示的主响应的频率高的频率。在室温下基于宽度模式的对抑制的响应B存在于由实线所示的位置。当温度变得比常温高时，对抑制的响应B移向由虚线所示的较低频率。即，对抑制的响应B具有负频率-温度-变化倾向。

当温度从常温升至例如约70℃，即所使用温度范围的上限时，以及当如图2所示在主响应附近不存在对抑制的响应时，主响应的频率移向由图2的虚线所示的更高频率。即，由随温度的变化引起的谐振频率和反谐振频率的变化被迫变大。

相反，在本实施例中，如图3所示，对抑制的响应B在主响应A的反谐振频率的更高频率上位于反谐振频率附近。因此，当温度上升时，如虚线所示，对抑制的响应B的频率下降，从而抑制了主响应A的反谐振频率向更高频率移动。即，对抑制的响应的负频率-温度-变化倾向抵消了主响应的正频率-温度-变化倾向。结果，有效地抑制了由随温度的变化引起的主响应中的频率变化。

另一方面，当如图4中所示温度变到低于常温的温度时，如虚线所指示的，对抑制的响应A移向较低的频率。

相反，在本实施例中，如图5所示，基于宽度模式的对抑制的第二响应C位于主响应A的较低频率。在室温下对抑制的第二响应C存在于由虚线示出的位置，且当温度下降时，如虚线所示，对抑制的第二响应C移动使频率变高。即，当温度变成低于室温时，主响应的频率变低，而对抑制的第二响应C的频率变高。结果，抑制了由于温度下降引起的主响应的谐振频率向较低频率的移动。

因此，在本实施例中，对抑制的第一和第二响应B和C在主响应的反谐振频率Fa和谐振频率Fr的高频率和低频附近相互靠近，以便于具有抑制效果并结合在一起。结果，可有效地减少由于随着温度从室温变成高温、或变成低温的变化而引起的谐振特性的频率变化。这在图6中示意性地示出。

图6通过将室温(25℃)下的谐振频率Fr用作基准示出当温度上升至高于室温(25℃)或下降至低于室温时谐振特性的变化。实线示出厚度纵向压电谐振器作为其中对抑制的第一和第二响应未被配置成与主响应结合的参考示例的情形的结果。虚线示出根据上述实施例当对抑制的第一和第二响应与主响应结合时的结果。

如图6的虚线所示，根据本实施例，在从低于室温的温度范围到高温范围的广泛温度范围(例如大约0℃-70℃)上，可有效地减少由温度变化引起的谐振频率和反谐振频率的变化。例如，可以使该变化在±100pm内。

为了允许对抑制的第一和第二响应的频率位于如上所述的位置，最好应各自控制使对抑制的第一和第二响应发生的宽度模式的频率特性。图7示出基于室温下宽度模式的响应的频率常数(Fr·T)、与压电基片2的宽度W与厚度T的比率W/T之间的关系。图8-10均为示出使用有限元法通过分析图7的位置D-F处穿过压电基片2的中心的横截面所获得的振动状态的示意图。

如从图7和图8-10中清晰可见，作为选择比率W/T的结果，作为主响应的厚度纵向振动模式的三次谐波的响应、和宽度方向上振动的响应被结合在一起。当它们不相结合时，对于主响应，在厚度方向上显示出主要振动位移，而随着结合度的加大，宽度方向上的位移变大。

厚度纵向振动的三次谐波示出正频率-温度-变化倾向，而用作对抑制的第一和第二响应的、基于宽度模式的响应具有如上所述的负频率-温度特性。因此，通过将对抑制的第一和第二响应与主响应结合以能够抵消主响应的温度特性，可在总体上改善温度特性。

如从图7和图8-10中清晰可见，最好应选择因宽度尺寸产生的对抑制的第一和第二响应的位置，从而比率W/T可选择成使得上述结合发生。

因此，根据上述实施例，可通过选择比率W/T以使基于宽度方向上的振动模式的对抑制的第一和第二响应与作为厚度纵向振动的三次谐波的响应的主响应结合来改善温度特性。

接着，将具体地将上述实施例和比较示例的厚度纵向压电谐振器的频率-温度特性作相互比较。

图11是用于比较的相关技术的厚度纵向压电谐振器的立体图。压电谐振器121具有长度为2.2mm、宽度为1.6mm且厚度为0.24mm的矩形板状的压电基片122。压电基片122在厚度方向上的机电耦合系数k₃₃为43.9％，而在宽度方向上的机电耦合系数k₃₁为7.7％。在压电基片122的上表面上，形成形状为直径0.80mm的圆的第一谐振电极123。虽然在图中没有特别示出，具有相同形状的第二谐振电极以与谐振电极123相对的方式在压电基片122的下表面上形成。谐振电极123与端电极125电连接，其间夹有连接电极124。

连接电极124的宽度，即沿压电基片122的宽度方向上的尺寸被设置成0.25mm。端电极125的谐振电极123一侧上的端部、与由端电极125的压电基片122的上表面和端面形成的边缘之间的距离被设置成0.30mm。

下表面上的第二谐振电极类似地与端电极电连接，其间夹有连接电极。压电基片122由在厚度方向上极化的PbTiO₃基片形成，且各种电极由厚度为0.3μm的银的薄膜形成，该薄膜通过溅镀形成。通过控制压电基片122的厚度，制造将厚度纵向振动的三次谐波用作主响应的能量捕获型厚度纵向压电谐振器121。

图12中示出使用以上述方式获得的、比较示例的厚度纵向压电谐振器121的振荡电路的振荡频率-温度特性。如从图12清晰可见，当温度从-40℃上升至70℃时，振荡频率Fosc的变化率Fosc·Tc(ppm)增加。即，因为在图13(a)、13(b)和13(c)中分别示出0℃、25℃和75℃的谐振特性，可以看出谐振频率和反谐振频率在温度升高时移向更高的频率。

另一方面，图14示出使用上述实施例的厚度纵向压电谐振器1的振荡频率-温度特性。在此，示出15个厚度纵向压电谐振器1的结果。即，示出15个厚度纵向压电谐振器1的谐振频率在各温度下的变化率Fosc·Tc的上限、下限和平均值。

图15(a)-15(c)分别为厚度纵向压电谐振器1在0℃、25℃和70℃下的谐振特性的反谐振频率附近的放大图。图16(a)-16(c)分别示出厚度纵向压电谐振器1在0℃、25℃和70℃下的谐振特性的谐振频率变化。

如从图14-图16清晰可见，当温度升高时，位于比反谐振频率Fa(TE)高的位置的对抑制的第一响应WH接近反谐振频率Fa(TE)，结果，抑制了反谐振频率Fa(TE)向更高频率的移动。类似地，可看出在较低频率时，当温度从70℃下降至0℃时，位于比谐振频率Fr(TE)低的位置的对抑制的第二响应(WL)移向较高的频率，结果，抑制了由温度下降引起的主响应的谐振频率Fr(TE)的移动。

厚度纵向压电谐振器1中对抑制的响应与主响应之间的上述差异，可通过改变厚度纵向压电谐振器1的宽度方向上的尺寸与厚度的比率W/T来控制。即，因为对抑制的第一和第二响应是因宽度尺寸发生的响应，可通过改变W/T来简便地设置频率差。即，可将对抑制的第一和第二响应与主响应结合，从而使抑制主响应的谐振频率和反谐振频率的移动成为可能。

换言之，通过设置上述频率差以便于抑制由温度引起的主响应的特性的频率变化，并根据该频率差来设置W/T，根据上述实施例可抑制由随温度的变化引起的频率特性变化。

将参照图17-19对此进行更具体的描述。图17是示出主响应的频率与对抑制的第一和第二响应的频率之间的关系的示意图。主响应的谐振频率被表示为Fr(TE)而反谐振频率被表示为Fa(TE)。对抑制的第一响应WH的谐振频率被表示为Fr(WH)，而对抑制的第二响应WL的反谐振频率被表示为Fa(WL)。在此情形中，在主响应的较高频率处，最好应将频率差Fr(WH)-Fa(TE)选择成能获得上述效果。在较低频率处，最好应将频率差Fr(TE)-Fa(WL)选择成能获得上述效果。

图18和图19示出当频率差变化时由温度引起的使用厚度纵向压电谐振器1的振荡电路的振荡频率Fosc的变化率。图18和图19的水平轴分别示出0℃下的(Fr(TE)-Fa(WL))/Fr(TE)、以及70℃下的(Fr(WH)-Fa(TE))/Fr(TE)。从图18中可以看出，在较低频率下，当温度从0℃变成70℃时，如果0℃下的(Fr(TE)-Fa(WL))/Fr(TE)(以下称为表示式(1))小于或等于0.04，则可使振荡频率的频率-温度特性的变化率Fosc·TC小于或等于4ppm/℃。

类似地，在较高频率下，当温度从0℃变成70℃时，如果70℃下的(Fr(WH)-Fa(TE))/Fa(TE)(以下称为表示式(2))小于或等于0.04，则可使振荡频率的频率-温度特性的变化率Fosc·TC小于或等于4ppm/℃。因此，最好应将比率W/T确定为满足上述表达式(1)和(2)。结果，可进一步减少由温度引起的厚度纵向压电谐振器1的频率特性变化。

因宽度尺寸产生的响应的温度特性的斜率根据比率W/T变化。即，如图20所示，可看出当比率W/T变化时，因宽度尺寸产生的响应的温度特性的变化率变化。更具体地，可看出当W/T降低时，由温度引起的因宽度尺寸产生的响应变化在负方向上增加。还可看出，在较低频率下对抑制的第二响应WL与较高频率下的对抑制的第一响应WH的温度特性的斜率之间几乎没有差别。

在压电谐振器1中，比率W/T最好实际上大于或等于1.5，以确保作为谐振器的容量。因此，较佳的是，在实施例的厚度纵向压电谐振器1中控制温度特性时所使用的用作对抑制的响应的因宽度尺寸产生的响应具有大于或等于-300ppm/℃、且小于0ppm/℃的温度特性的斜率。

在上述实施例中，已描述了使用厚度纵向振动的三次谐波的厚度纵向压电谐振器1。然而，本发明不限于使用厚度纵向振动的三次谐波的厚度纵向压电谐振器。图2是示出应用本发明的厚度纵向压电谐振器的另一个例子的立体图。

在厚度纵向压电谐振器21中，在矩形板状的压电基片22的上表面上形成第一谐振电极23，而在下表面上形成第二谐振电极24。厚度纵向压电谐振器21具有在压电基片22内与谐振电极23和24相对的内部电极25。第一和第二谐振电极23和24各自与设置在压电基片22的端面22c之一上的端电极26电连接。另一方面，该内部电极25与设置在端面22d上的端电极27电连接。压电基片22由诸如PbTiO₃的陶瓷的合适压电陶瓷形成，并且在其厚度方向进行极化处理。可用合适的导电材料以与厚度纵向压电谐振器1相同的方式来形成各个电极。

与厚度纵向压电谐振器1相似，厚度纵向压电谐振器21被安装在安装基片11上。

在厚度纵向压电谐振器21中，可通过在第一和第二谐振电极23和24与内部电极25之间施加AC电场来将厚度纵向振动的二次谐波用作主响应。同样，在这种使用厚度纵向振动的二次谐波的厚度纵向压电谐振器21中，通过设置比率W/T使第一和第二对抑制的响应与主响应结合、并抑制由温度引起的主响应的频率变化，可以与第一实施例相同的方式减少由随温度的变化引起的频率特性变化。

即，本发明还可应用于不仅使用厚度纵向振动的三次谐波、而且还使用诸如二次谐波等其它谐波的厚度纵向压电谐振器。另外，只要使用厚度纵向振动，本发明就可应用于使用除二次谐波和三次谐波以外的谐波的厚度纵向压电谐振器。在上述实施例中，当在主响应的较高频率下使对抑制的第一响应靠近主响应、且在主响应的较低频率下使对抑制的第二响应靠近主响应时，只可将对抑制的第一响应和对抑制的第二响应之一与主响应结合。在该情形中，所结合的对抑制的响应使得由温度引起的主响应向对抑制的响应的频率变化得到抑制。

在上述实施例中，作为用于抑制主响应的变化的对抑制的响应，使用基于宽度模式的响应。或者，可将基于除了宽度模式以外的振动模式的响应用作对抑制的响应。在该情况中，可以根据要使用的对抑制的响应的振动形态来调节除W/T以外的尺寸等。

另外，在上述实施例中，使用了具有抵消谐振频率和/或反谐振频率的随温度变化的温度变化倾向的对抑制的响应。对抑制的响应的频率-温度-变化倾向可与主响应的频率-温度-变化倾向相同。在该情形中，由于温度引起的对抑制的响应的频率变化最好小于由于温度引起的主响应的频率变化。同样，在该情形中，可抑制由随温度的变化引起的主响应的频率变化。

Claims (10)

1.一种使用厚度纵向振动模式的能量捕获型厚度纵向压电谐振器，包括：

具有上表面和下表面的压电基片，所述压电基片在连接所述上表面和下表面的厚度方向上极化；以及

第一和第二谐振电极，分别在所述压电基片的上表面和下表面的部分上形成，并被设置成彼此相对、其间隔着所述压电基片，

其中所述压电基片具有在长度方向上延伸的条状，所述第一和第二谐振电极形成为分别只在所述压电基片的上表面和下表面的长度方向上的中央区域中横跨所述压电基片的整个宽度，

其中，为了抑制由温度引起的厚度纵向振动模式的响应的频率变化，所述响应是使用谐振特性的主响应，用于抑制由温度引起的主响应的频率变化的、具有频率-温度-变化倾向的对抑制的响应与所述主响应耦合，以便于抑制由温度引起的主响应的频率变化；

其中所述对抑制的响应是因压电基片的宽度尺寸产生的响应；

其中因宽度尺寸产生的响应的至少一个谐振频率比所述主响应的反谐振频率高；

其中当所述主响应的反谐振频率被表示为Fa(TE)、且因宽度尺寸产生的响应的所述谐振频率被表示为Fr(WH)时，至少在使用温度范围的上限中(Fr(WH)-Fa(TE))/Fa(TE)大于0且小于或等于0.04。

2.如权利要求1所述的厚度纵向压电谐振器，其特征在于，所述对抑制的响应具有与所述主响应的频率-温度-变化倾向相反的方向上的频率-温度变化倾向。

3.如权利要求1所述的厚度纵向压电谐振器，其特征在于，所述对抑制的响应的频率-温度变化-倾向与主响应的频率-温度-变化倾向在同一方向上，且所述对抑制的响应的频率变化小于由温度引起的主响应的频率变化。

4.一种使用厚度纵向振动模式的能量捕获型厚度纵向压电谐振器，包括：

具有上表面和下表面的压电基片，所述压电基片在连接所述上表面和下表面的厚度方向上极化；以及

第一和第二谐振电极，分别在所述压电基片的上表面和下表面的部分上形成，并被设置成彼此相对、其间隔着所述压电基片，

其中所述压电基片具有在长度方向上延伸的条状，所述第一和第二谐振电极形成为分别只在所述压电基片的上表面和下表面的长度方向上的中央区域中横跨所述压电基片的整个宽度，

其中，为了抑制由温度引起的厚度纵向振动模式的响应的频率变化，所述响应是使用谐振特性的主响应，用于抑制由温度引起的主响应的频率变化的、具有频率-温度-变化倾向的对抑制的响应与所述主响应耦合，以便于抑制由温度引起的主响应的频率变化；

其中所述对抑制的响应是因压电基片的宽度尺寸产生的响应；

其中至少一个因宽度尺寸产生的响应频率低于所述主响应的谐振频率；其中当所述主响应的谐振频率被表示为Fr(TE)、且所述因宽度尺寸产生的响应的反谐振频率被表示为Fa(WL)时，至少在使用温度范围的下限中(Fr(TE)-Fa(WL))/Fr(TE)大于0且小于或等于0.04。

5.一种使用厚度纵向振动模式的能量捕获型厚度纵向压电谐振器，包括：

具有上表面和下表面的压电基片，所述压电基片在连接所述上表面和下表面的厚度方向上极化；以及

第一和第二谐振电极，分别在所述压电基片的上表面和下表面的部分上形成，并被设置成彼此相对、其间隔着所述压电基片，

其中所述压电基片具有在长度方向上延伸的条状，所述第一和第二谐振电极形成为分别只在所述压电基片的上表面和下表面的长度方向上的中央区域中横跨所述压电基片的整个宽度，

其中，为了抑制由温度引起的厚度纵向振动模式的响应的频率变化，所述响应是使用谐振特性的主响应，用于抑制由温度引起的主响应的频率变化的、具有频率-温度-变化倾向的对抑制的响应与所述主响应耦合，以便于抑制由温度引起的主响应的频率变化；

其中所述对抑制的响应是因压电基片的宽度尺寸产生的响应；

其中所述因宽度尺寸产生的响应包括比所述主响应的反谐振频率高的频率上的第一响应、以及比所述主响应的谐振频率低的频率上的第二响应；其中当所述主响应的谐振频率被表示为Fr(TE)，所述反谐振频率被表示为Fa(TE)，所述第一响应的谐振频率被表示为Fr(WH)、且所述第二响应的反谐振频率被表示为Fa(WL)时，

至少在使用温度范围的上限中，(Fr(WH)-Fa(TE))/Fa(TE)大于0且小于或等于0.04，并且至少在使用温度范围的下限中，(Fr(TE)-Fa(WL))/Fr(TE)大于0且小于或等于0.04。

6.如权利要求1-5中任一项所述的厚度纵向压电谐振器，其特征在于，所述主响应是厚度纵向振动的谐波响应。

7.如权利要求6所述的厚度纵向压电谐振器，其特征在于，所述厚度纵向压电谐振器是使用厚度纵向振动模式的三次谐波的能量捕获型厚度纵向压电谐振器。

8.如权利要求1-5中任一项所述的厚度纵向压电谐振器，其特征在于，还包括以使第一和第二谐振电极相对且其间隔着压电基片层的方式在所述压电基片内设置的至少一层内部电极。

9.如权利要求6所述的厚度纵向压电谐振器，其特征在于，还包括以使第一和第二谐振电极相对且其间隔着压电基片层的方式在所述压电基片内设置的至少一层内部电极。

10.如权利要求7所述的厚度纵向压电谐振器，其特征在于，还包括以使第一和第二谐振电极相对且其间隔着压电基片层的方式在所述压电基片内设置的至少一层内部电极。

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