CN1106072C

CN1106072C - 能量陷获压电谐振器

Info

Publication number: CN1106072C
Application number: CN98106985A
Authority: CN
Inventors: 轮岛正哉; 井上二郎; 开田弘明; 山田光洋
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-04-14
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 2003-04-16
Anticipated expiration: 2018-04-14
Also published as: CN1196607A; DE19816488A1; US6054797A; DE19816488C2

Abstract

本发明提供了一种能量陷获压电谐振器，这种谐振器以厚度延伸振动模式的三阶波振动。压电谐振器包括沿其厚度极化的压电基片。基片的宽度W与厚度T的比值定为大约0.88±5%、1.06±4%、1.32±5%、1.80±3%、2.30±3%、2.69±3%、3.16±2%、或者3.64±2%。第一和第二电极分别设置在基片的正面和背面，以覆盖整个宽度，并且在基片的中心部分沿纵向互相面对，从而在第一和第二电极之间形成谐振部分。因此可以得到一种它不需要在基片谐振部分周围有特别大的区域，而且通过有效地抑制在谐振频率和反谐振频率附近的不需要的杂散响应而显示出良好的谐振特性。

Description

能量陷获压电谐振器

技术领域

本发明涉及一种以厚度延伸振动模式振动的能量陷获(energy-trapping)压电谐振器，本发明尤其涉及一种以厚度延伸振动模式振动，并被合并在压电滤波器或压电振荡器中的能量陷获压电谐振器。

背景技术

在第7-70941号日本经审查的专利公报中揭示了以厚度延伸模式振动的能量陷获压电谐振器一个例子。现在将参照图20描述这种谐振器的结构。由51概略地指出的压电谐振器包括沿该压电谐振器的厚度方向极化的矩形压电基片52。并把谐振电极53a设置于基片52的上表面的中心部分，谐振电极53b设置于基片52的下表面的中心部分，以和谐振电极53a相对。把谐振电极53a和53b分别电气连接到引线电极54a和54b，沿基片52的相对的边缘设置所述引线电极。

上述压电谐振器51遇到下面的问题。必须把谐振电极53a和53b置于基片52的中心部分，以将振动能量限制于相对区域(谐振部分)，所述区域位于谐振电极53a和53b之间。相应地，需要相当大的压电基片52，以保证基片52的谐振部分周围有足够大的区域。这一点妨碍减小压电谐振器51的尺寸。

为了克服上述缺点，第2-235422号日本未审查的专利公报揭示了一种使用厚度延伸振动模式的能量陷获压电谐振器，这种压电谐振器不需要有大的区域，围绕压电基片的谐振部分。在如图21所示的这种谐振器61中，在窄的压电陶瓷基片62的上表面上设置谐振电极63a，并且在陶瓷基片62的下表面上设置谐振电极63b。安排谐振电极63a和63b，以覆盖基片62的整个宽度。还有，在基片62的中心处沿纵向在谐振电极63a和63b之间相对区域提供谐振部分。谐振电极63a和63b分别沿基片62的宽度方向延伸到侧面边缘62a和62b。

在上述的窄压电基片62中产生厚度延伸振动模式的压电谐振器61中，由于基片62的宽度W和厚度T之间的关系而导致不想要的振动。因此，第2-235422号日本未审查专利公报说明，通过按照下面的方法确定W/T的比值，能够减小谐振频率和反谐振频率之间的范围中的不想要的杂散(spurious)响应。当使用基波时，在谐振频率16MHz处W/T比值定为接近5.33。另一方面，当使用三阶波时，在谐振频率16MHz处W/T定为接近2.87。

但是，当实际制备和测试压电谐振器61的原型时，在谐振频率和反谐振频率之间仍旧产生不想要的杂散响应，因此妨碍了滤波器具有好的谐振特性。

发明内容

为了克服上述缺点，本发明的较佳实施例提供了一种能量陷获压电谐振器，这种谐振器以厚度延伸振动模式振动，而压电基片上谐振部分的附近不需要大的外部区域，并且这种谐振器通过在谐振器的谐振频率和反谐振频率之间的范围中防止或者抑制不需要的杂散响应而显示出好的谐振特性。

根据本发明的较佳实施例，提供了一种能量陷获压电谐振器，这种谐振器使用厚度延伸振动模式的三阶波，谐振器包括沿基片的厚度方向极化的压电基片，压电基片的宽度W与厚度T的W/T比值为0.88±5％、1.06±4％、1.32±5％、1.80±3％、2.30±3％、2.69±3％、3.16±2％、或者3.64±2％；以及分别设置在压电基片的顶面和底面上的第一和第二电极，用于覆盖压电基片整个宽度，并且相对于谐振器的纵向在压电基片的中心部分互相面对。

根据本发明的另一个较佳实施例，在前一段中描述的压电谐振器中，第一电极可以沿压电基片的宽度方向延伸到一个侧面边缘，而第二电极可以沿压电基片的宽度方向延伸到另一个侧面边缘。

根据本发明的又一个较佳实施例，构成所述压电基片的压电材料的压电常数d₃₁最好由|d₃₁|≤20×10^-12C/N给出。压电材料例如可以是基于锆钛酸铅的陶瓷。

附图概述

图1是描述根据本发明的较佳实施例的能量陷获压电谐振器的透视图；

图2是描述作为通过使用图1所示的压电谐振器而形成的压电谐振元件的与电容器一体化的压电谐振器的部件分解视图；

图3描述由一个压电谐振器显示出来的阻抗-频率特性和相位-频率特性，当W/T比值定为接近2.60时，该压电谐振器的谐振频率为大约16MHz；

图4描述由一个压电谐振器显示出来的阻抗-频率特性和相位-频率特性，当W/T比值比值定为接近2.68时，该压电谐振器的谐振频率为大约16MHz；

图5描述由一个压电谐振器显示出来的阻抗-频率特性和相位-频率特性，当W/T比值定为接近2.76时，该压电谐振器的谐振频率为大约16MHz；

图6描述了根据本发明的较佳实施例的压电谐振器的W/T比值。

图7描述了根据本发明的一个较佳实施例当W/T比值在0.88附近变化时，较低频率和较高频率的杂散响应的影响；

图8描述了根据本发明的一个较佳实施例当W/T比值在1.06附近变化时，较低频率和较高频率的杂散响应的影响；

图9描述了根据本发明的一个较佳实施例当W/T比值在1.32附近变化时，较低频率和较高频率的杂散响应的影响；

图10描述了根据本发明的一个较佳实施例当W/T比值在1.80附近变化时，较低频率和较高频率的杂散响应的影响；

图11描述了根据本发明的一个较佳实施例当W/T比值在2.30附近变化时，较低频率和较高频率的杂散响应的影响；

图12描述了根据本发明的一个较佳实施例当W/T比值在2.69附近变化时，较低频率和较高频率的杂散响应的影响；

图13描述了根据本发明的一个较佳实施例当W/T比值在3.16附近变化时，较低频率和较高频率的杂散响应的影响；

图14描述了根据本发明的一个较佳实施例当W/T比值在3.64附近变化时，较低频率和较高频率的杂散响应的影响；

图15是本发明的厚度延伸压电谐振器的条型横截面；

图16是描述以压电体的横向(lateral)模式WE位移的分布图，其中用有限元法分析该分布；

图17是描写在传统厚度延伸压电谐振器中作为杂散谐振出现的横向模式WE的阻抗-频率特性的图；

图18是描写根据本发明的第一实施例的厚度延伸压电谐振器的阻抗-频率特性的图；

图19是描写压电常数d₃₁的绝对值和相对带宽之间关系的图；

图20是描述传统的使用厚度延伸振动模式的能量陷获压电谐振器的例子的部分分解透视图；及

图21是描述另一个传统的使用厚度延伸振动模式的能量陷获压电谐振器例子的透视图。

本发明的较佳实施方式

图1是描述根据本发明的较佳实施例的能量陷获压电谐振器的透视图。用标号1概略地指出的能量陷获压电谐振器最好包括压电基片2，如图所示，该基片可大体上为矩形。基片2最好由诸如锆钛酸铅陶瓷等压电陶瓷制成，并且沿厚度T的方向极化。压电陶瓷的压电常数d₃₁由|d₃₁|≤20×10^-12C/N给出。将第一电极3a置于压电基片2的上表面的中心部分，而将第二电极3b置于基片2的下表面的中心部分。第一和第二电极3a和3b延伸到两个侧面边缘2a和2b，并且覆盖基片2的整个的宽度。更具体地说，第一电极3a延伸到基片2的上表面的一个侧面边缘2a，而第二电极延伸到基片2的下表面的另一个侧面边缘2b。

第一和第二电极3a和3b沿纵向在基片2的顶面和底面的中心部分互相面对，由此确定一个谐振部分。

除了基片2的顶面和底面上第一和第二电极3a和3b之间相对区域之外，不必将第一和第二电极3a和3b安排得沿压电基片2的整个宽度延伸。可以如此形成电极3a和3b的从谐振部分延伸到边缘2a和2b的部分从而小于基片2的宽度。

这个较佳实施例的能量陷获压电谐振器1使用了厚度延伸振动模式的三阶波。压电基片2的宽度W与厚度T的W/T比值最好定为0.88±5％、1.06±4％、1.32±5％、1.80±3％、2.30±3％、2.69±3％、3.16±2％、或者3.64±2％。采用这种安排，在由使用厚度延伸振动模式的三阶波而得到的谐振特性中，可有效地防止和抑制不想要的杂散响应。这一点将根据具体的实例，参照图1和图3到图13作出解释。

为了证实这一发现，要准备多个由钛锆酸铅陶瓷制成的压电基片2。基片2的尺寸定为：厚度T为480μm；长度L为4.0mm；而不同基片2的宽度W是不同的。第一和第二电极3a和3b的互相面对长度为0.9mm。在上述条件下，制出多个谐振频率约为16MHz的压电谐振器。

在用上述方法制出的压电谐振器中，具有W/T比值为2.60、2.68、和2.76的谐振器的阻抗-频率特性和相位-频率特性分别示于图3、4和5中。通过图3、4和5的比较，W/T为2.60的谐振器显示如图3所示的特性，图3中由箭头A指出的较大的杂散响应出现在低于谐振频率fr的频率范围。另外，W/T为2.76的谐振器的特性如图5所示，由箭头B指出的较大杂散响应出现在高于反谐振频率fa的频率范围中。

相反，W/T为2.68的压电谐振器的特性如图4中所示，图中在低于谐振频率fr或者高于反谐振频率fa的范围中未出现较大的杂散响应。虽然出现一个高次模式杂散响应C，但它位于大大高于反谐振频率fa的范围中。因此，在如图4所示的谐振特性中，在谐振频率fr和反谐振频率fa之间具有很大的频率差，因此和现有技术相比得到了显著改进的谐振特性。

然后，改变基片的宽度W，以制出更多不同类型的谐振频率约为16MHz的压电谐振器，并对这些谐振器的阻抗-频率特性和相位-频率特性评估。然后证实当W/T比值定为由图6指出的接近0.88、1.06、1.32、1.80、2.30、2.69、3.16和3.64时，得到显著改善的谐振特性，并且象图4中那样，在谐振频率fr和反谐振频率fa的附近没有不想要的杂散响应。

结果，当W/T在上述W/T的八个值附近变化时，作测试确定出现在低于谐振频率fr的范围中的杂散响应A(图3)的变化以及出现在高于反谐振频率fa的范围中的杂散响应B(图5)的变化。结果示于图7到14中。

图7到14描述了通过在上述八个值的各个值附近改变W/T比值而得到的杂散响应A和B的特性。这一点可以参考例如图7作出解释。图7描述了当W/T比值在0.88的附近变化时，杂散响应A和B的影响。图7中，◇表示谐振频率fr；□表示反谐振频率fa；▲表示较低频率的杂散响应A；以及●表示较高频率的杂散响应。

例如，图7示出当W/T约为0.88时，从15.7MHz到16.5MHz的频率范围中未出现杂散响应A和B。因此，以这个W/T比值得到图4所示的显著改善的谐振特性。

在图7到14中，当杂散响应A和B不是分别接近谐振频率fr和反谐振频率fa时，在接近谐振频率16MHz的频率范围中，得到显著改善的谐振特性。当谐振频率fr和反谐振频率fa之间有足够的差时，也可以得到优良的谐振特性，因为即使杂散响应A和B分别相对地靠近谐振频率fr和反谐振频率fa，杂散响应A和B的值也较小。

图7中，当例如W/T大约为0.82时，较低频率的杂散响应A出现在16.0MHz附近，而且谐振频率fr和反谐振频率fa之间的频率差比当W/T为例如0.88时的频率差要小，因为杂散响应A位于谐振频率fr的附近。当W/T为大约0.94时，在16.3MHz附近出现较高频率的杂散响应B，而且谐振频率fr和反谐振频率fa之间的频率差比当W/T为例如大约0.88时的频率差要小，因为杂散响应B接近于反谐振频率fa。

图7还指出当W/T从大约0.82增加时，较低频率的杂散响应A移到较低频率侧，因而离开谐振频率fr更远，因此对谐振特性产生更小的负面影响。另一方面，当W/T从大约0.94减小时，较高频率的杂散响应B移到较高频率侧，因而离开谐振频率fa更远，因此对谐振特性产生更小的负面影响。相应地，W/T比值最好在大约0.83到大约0.92的范围中，即，在0.88±5％的范围中，为了得到诸如图4中所示的优良的谐振特性，其中较低频率和较高频率的杂散响应A和B分别位于远离谐振频率fr和反谐振频率fa的地方，因而不对谐振特性产生负面影响。换句话说，压电谐振器1应该如此构造，从而W/T比值在0.88±5％的范围中，因此获得由图4指出的良好的谐振特性。

图8描述了当W/T比值为在1.06附近变化时，杂散响应A和B的影响。如从上述参考图7的解释可以容易地理解，图8指出，当W/T范围从大约1.02到大约1.1，即，当W/T在大约1.06±4％的范围中时，杂散响应A和B分别位于远离谐振频率fr和反谐振频率fa的位置上，因而谐振频率fr和反谐振频率fa之间有更大频率差，因此得到良好的谐振特性。

图9指出，当W/T范围从大约1.25到大约1.39，即，当W/T的范围是大约1.32±5％时，较低频率的杂散响应A远离谐振频率fr，而较高频率的杂散响应B远离反谐振频率fa，因而在谐振频率fr和反谐振频率fa之间有大的频率差，因此得到好的谐振特性。

如从图10中看到的，当W/T范围从大约1.75到大约1.85，即，当W/T范围在大约1.80±3％中时，得到良好的谐振特性。然而，应该注意，当W/T约为1.86时，较高频率的杂散响应B不利地位于谐振频率fr和反谐振频率fa之间。结果，严重损害谐振特性，因此在通带中产生大杂散响应。另外，当W/T约为1.84时，较高频率的杂散响应B相对较接近于反谐振频率fa。然而，这里谐振频率fr和反谐振频率fa之间有相当大的频率差，因此，杂散响应B被抑制，因此得到良好的谐振特性。

图11描述了当W/T范围从大约2.23到大约2.37，即，当W/T在大约2.30±3％的范围中时，大体上保护谐振特性不受较低频率和较高频率杂散响应A和B的影响，因此到良好的谐振特性。

图12示出当W/T的范围从大约2.6到大约2.77，即，当W/T在2.69±3％的范围中时，谐振特性大体上被保护，不受较低频率和较高频率杂散响应A和B的影响，因此得到良好的谐振特性。

图13描述了当W/T范围从大约3.1到大约3.22，即，当W/T在大约3.16±2％的范围中时，较低频率和较高频率杂散响应A和B对谐振特性产生很小的负面影响。结果，得到良好的谐振特性。

如从图14看到的，当W/T范围从大约3.57到大约3.71，即，当W/T在大约3.64±2％的范围中时，较低频率和较高频率的杂散响应A和B对谐振特性产生很小的负面影响。结果，得到良好的谐振特性。

如从图7到14看到的，如此构造压电谐振器1，从而W/T比值是大约0.88±5％、大约1.06±4％、大约1.32±5％、大约1.80±3％、大约2.30±3％、大约2.69±3％、大约3.16±2％、或者大约3.64±2％。这样可以得到使用厚度延伸振动模式的三阶波的压电谐振器，该压电谐振器提供了良好的谐振特性。

另外，不象现有技术条型厚度延伸压电谐振器，根据本发明的厚度延伸压电谐振器1可以有效地抑制不想要的杂散振动，这些杂散振动是由横向模式的振动引起的，这将参照图15-19描述。

在图21所示的现有技术的条型压电谐振器61中，由宽度W确定的横向模式产生强谐振。此现有技术压电谐振器61的阻抗-频率特性示于图17中，其中用箭头TE₃指出的振动模式是厚度延伸振动模式的三阶波，而用WE指出的响应是杂散振动，这种杂散振动是横向模式导致的。图17中所示的阻抗-频率特性是压电谐振器61的特性，其中该压电谐振器谐振频率(三阶波的谐振频率)为16MHz。如可以从图17中看到的，用WE指出的横向模式的杂散振动强烈地出现在5-6MHz附近。

我们已经分析了压电谐振器在横向杂散振动WE下的位移。得到了如图16中所示的结果。图16示意地示出当如图15所示，取沿垂直于纵向的方向以及沿厚度方向时，条型压电谐振器表面的移动。图15是条型厚度延伸压电谐振器的横截面。

相应地，本申请的发明人进行了各种实验，试图抑制由上述的横向模式WE导致的杂散振动，并且发现，如果图1所示的厚度延伸压电谐振器1压电条2由某一种材料制成，则可以减小横向模式WE的响应，而且，只有厚度延伸振动模式的三阶波TE₃可以被强烈地激励。用这种方式得到的压电谐振器的阻抗-频率特性示于图18中。阻抗-频率特性是在压电条2由基于钛酸铅的压电陶瓷(-d₃₁＝9×10^-12C/N)构成的条件下得到的。如从图18可以看到的，在根据本实施例的压电谐振器1中，用箭头TE₃指出的厚度延伸振动模式的三阶波被强烈地激励。横向模式杂散振动WE的大小要小得多。另一方面，图17所示的特性是由基于锆钛酸铅的陶瓷(d₃₁＝-42×10^-12C/N)制成的压电条2得到的。

当压电条2由上述基于锆钛酸铅的陶瓷制成时，得到如图18所示的良好的特性。鉴于这个事实，改变构成压电条2的压电材料的压电常数d₃₁，并且用有限元法检查得到的相对带宽。结果在图19中给出。在图19中，·指出三阶波TE₃的相对带宽，而O指出横向模式WE的相对带宽。

相对带宽由下式给出

(fa-fr)×100/fa(％)

其中，fr为谐振频率，而fa为反谐振频率。

如从图19可以看到的，如果改变压电常数d₃₁，则相对带宽改变。特别地，当常数超过20×10^-12C/N时，横向模式WE的相对带宽增加。因此，可以理解，当压电常数d₃₁设定得小于20×10^-12C/N时，横向模式WE的响应可以被有效地抑制，而不减小三阶波TE₃的响应。

在根据本发明的厚度延伸压电谐振器1中，把压电材料的压电常数d₃₁的绝对值设定得小于20×10^-12。因此，可以发现，当压电谐振器使用厚度延伸振动模式的三阶波TE₃时，可以有效地抑制由横向模式WE导致的不想要的杂散振动。结果，可以得到良好的谐振特性。

上述能量陷获压电谐振器1适合于并且被安排用于各种压电谐振元件中，诸如压电滤波器或者压电振荡器。作为这些元件的一个实例，使用上述类型的谐振器1的与电容器一体化的压电振荡器示于图2中。

如图2中所示，用标号11概略地指出的压电振荡器具有一个基件12和有向下延伸的开口的外壳13。以预定的间隔安排用于将振荡器11连接到外部电子元件的端电极14a、14b和14c，以覆盖基底部件12的整个宽度。

将电容器16藉导电粘合剂15a、15b和15c分别固定在端电极14a、14b和14c。电容器16最好包括用介质材料(例如介电陶瓷)制成的介质基片16a。以预定的间距将电容器电极16b、16c设置在介质基片16a上，并且从基片16a的上表面经过侧表面延伸到下表面。设置在基片16a的底面上的电容器电极16b和16c的部分藉上述导电粘合剂15a和15c分别电气连接到端电极14a和14c。

共用的电极16d位于电介质基片16a的底面的中心部分。共用电极16d和设置在电介质基片16a上的电容器电极16b和16c的一部分相面对。由此构成了包括电容器电极16b和16c以及共用电极16d的三端电容器。共用电极16d藉导电粘合剂15b也电气连接到设置在基件12上的端电极14b。

上述较佳实施例的能量陷获压电谐振器1最好藉导电粘合剂17a和17b连接到电容器16。更具体地说，在谐振器1的底表面上的第二电极3b(象图1中所示的电极)藉导电粘合剂17b电气连接到电容器16的电容器电极16c。另外，第一电极3a经一个侧面而从压电基片2的上表面延伸到下表面，而且藉导电粘合剂17a电气连接到电容器16的电容器电极16b。

虽然粘合剂18a和18b不是必需的，但最好用绝缘粘合剂18a和18b将外壳13连接到压电谐振器1。由于从顶部看外壳13比基件12小，故如图2的下面部分所示，端电极14a、14b和14c在外壳13装配到基件12上时是露出的。依靠露出的端电极14a、14b和14c，压电振荡器可以直接表面安装在印刷电路板上。

如从上面的描述中显而易见的，本发明较佳实施例的能量陷获压电谐振器提供了以下的优点。

第一和第二电极设置在压电基片的顶面和底面上以覆盖整个宽度，并且在形成谐振部分的基片中心部分沿纵向相互面对，其中该基片沿其厚度方向极化。另外，由于基片宽度W与厚度T的W/T比值最好设定在上述范围的一个范围之内，能够有效地抑制在谐振频率fr和反谐振频率fa附近的不想要的杂散响应。因此，可以提供在谐振频率fr和反谐振频率fa之间有较大频率差因而显示良好谐振特性的压电谐振器。

另外，由于谐振器的第一和第二电极按照以上的方式设置在基片上，不需要压电基片的谐振部分(由第一和第二电极之间相对的区域形成)周围的大的外部区域。结果，可以减小压电谐振器的尺寸，由此进一步地改善使用上述类型的谐振器而构成的压电振荡器或者压电滤波器的小型化。

另外，第一电极沿压电基片的宽度方向延伸到一个边缘，而第二电极沿压电基片的宽度方向延伸到另一个边缘。因此，容易把压电谐振器安装在印刷电路板上，而且也容易连接到另一个片状电子元件，诸如电容器。通过使用这样一个小型的提供了良好的谐振特性的压电谐振器，可以加强各种类型的压电谐振元件的小型化。

Claims

1.一种以厚度延伸振动模式的三阶波振动的能量陷获压电谐振器，包括：压电基片，所述压电基片沿其厚度方向极化；第一和第二电极，所述第一和第二电极分别设置在所述压电基片的顶面和底面上，以基本上覆盖所述压电基片的整个宽度，并且在所述压电基片的中心部分沿其纵向相互面对，

其特征在于所述压电基片的宽度W与厚度T的W/T比值接近于0.88±5％、1.06±4％、1.32±5％、1.80±3％、2.30±3％、2.69±3％、3.16±2％或者3.64±2％中的一个。

2.如权利要求1所述的能量陷获压电谐振器，其特征在于所述第一电极沿所述压电基片的宽度方向延伸到一个侧面边缘，而所述第二电极沿所述压电基片的宽度方向延伸到另一个侧面边缘。

3.如权利要求1所述的能量陷获压电谐振器，其特征在于构成所述压电基片的压电材料的压电常数d₃₁由|d₃₁|≤20×10^-12C/N给出。

4.如权利要求2所述的能量陷获压电谐振器，其特征在于构成所述压电基片的压电材料的压电常数d₃₁由|d₃₁|≤20×10^-12C/N给出。