CN1130017C - 制造压电共振器的方法 - Google Patents
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Abstract
可通过以下步骤制造压电共振器：提供第一母板，第一条形电极形成于该母板上，且沿基本上垂直于第一方向的第二方向延伸，而在一励磁电极和一引导电极之间延伸的一条线的方向是第一方向。通过在一切割位置处切割第一母板形成第二母板，从而使沿第一方向测量的的第一条形电极的长度相对于目标共振频率具有精确和理想的电极重叠长度。通过使用一膜片在由此形成的第二母板上形成第二条形电极，然后切割第二母板。
Description
本发明涉及一种制造例如用于振荡器的压电共振器、特别是能量收集型压电共振器的方法，共振器里安装着许多励磁电极，从而互相重叠，而压电体置于它们之间。
一种传统的能量收集型压电共振器具有：安装在压电板的各主表面上的第一励磁电极和第二励磁电极，并使第一励磁电极和第二励磁电极互相重叠，而压电板置于它们之间，从而在互相重叠的电极区域形成一励磁部分。另一种传统的压电共振器是一种层叠的能量收集型压电共振器，它具有至少一层内电极，其中，在压电表面上设置励磁电极，并互相重叠，而内电极和压电层置于它们之间，如日本专利申请第7-105686号所述的。
在这些压电共振器里，共振频率取决于压电体的厚度。为此，为了生产具有不同共振频率的压电共振器，将根据所需要的共振频率来选择压电体的厚度。
压电共振器的共振特性按照励磁电极的电极重叠区域限定的励磁部分变化。因此，首先必须确定压电体的厚度，然后调整励磁电极的重叠区域，以提供最适当的面积，以便在一任意的共振频率时获得良好的共振特性。励磁电极的最适当重叠面积是根据共振频率变化的。
因此，为了在一任意的共振频率上获得良好的共振特性，必须提供具有与共振频率对应的厚度的压电体，并必须提供励磁电极，以便获得在压电共振器里的励磁电极精确和理想的重叠面积。
然而，在制造传统的压电共振器的过程中，许多励磁电极通常都是同时形成于一由压电材料制成的母板上。这将通过制造作为例子的、如图13所示的传统的压电共振器70的方法来介绍，而这种共振器适合于以厚度剪切振动方式振动。
在制造压电共振器70时，互相之间具有间隙的条形电极形成于压电材料制成的母板的上表面和下表面上。在上表面上安装条形电极是为了形成励磁电极72a和引导电极72b，如图13所示，在下表面上安装条形电极是为了形成励磁电极72c和引导电极72d。
在母板上表面上的条形电极和在同一母板下表面上的条形电极互相重叠，而母板的一部分在它们之间，从而具有在励磁电极72a和72c之间形成的重叠长度L。然后沿着连接励磁电极72a和引导电极72b的一条线的方向、以及沿着垂直于该条线的方向切割母板，从而获得压电共振器70。
在压电共振器70里，引导电极72b和72d沿与压电体71上的励磁部分相反的方向延伸，而压电体71沿箭头P所示的方向极化。提供引导电极72b是为了延伸至侧表面71a，而提供引导电极72d是为了延伸至侧表面71b。
如上所述，传统的能量收集型压电共振器70一般是通过在母板的各表面上同时形成许多条形电极制造出来的。
如上所述，为了在特定的共振频率时获得良好的特性，必须优化在压电共振器里的励磁电极之间的重叠区域，即在压电共振器70里的励磁电极72a和72c之间的重叠长度L。因此，在制造具有许多频率的压电共振器时，在母板上形成条形电极后，必须给各频率提供不同的膜片，以便各共振器可以获得最适合的电极重叠长度L。
然而，对应不同的共振频率提供不同的膜片的费用是很高的。因此，实际上是将频率划分成几个频段，每个频段使用一个共用膜片，由此在母板上形成上述的条形电极。
为了使不同的共振频率在各范围里而制造和使用膜片将使电极重叠长度L不精确和不适合某些共振频率。当电极重叠长度L被设计为对应于某频段一特定共振频率时，该电极重叠长度并不特别适合于此频段内的其它共振频率，因此，在给定频段中只有在一个共振频率处可获得良好的共振特性，而在其它共振频率处并不能提供良好的共振特性。
为了克服上述缺点，本发明的较佳实施例提供一种制造具有优良共振特性的压电共振器的方法，该方法通过只使用一种类型的、用来形成电极的膜片就能相对任何需要的共振频率获得精确的电极重叠，并获得与许多共振频率精确对应的理想的电极重叠面积。
本发明的一个较佳实施例提供一种制造具有压电体的压电共振器的方法，许多第一和第二励磁电极互相重叠，而压电体位于它们之间，从而提供一励磁部分；第一引导电极自对应的第一励磁电极延伸至压电体的侧面部分，并与第一电位连接；而第二引导电极自与所述第一引导电极延伸方向相反的方向延伸，并与第二电位连接；所述方法包括下列步骤：提供第一母板，通过使用一膜片在第一母板上形成许多第一条形电极，这些电极具有在它们之间的沿第一方向排列的间隙且沿第二方向延伸，第一方向沿着在励磁电极和引导电极之间延伸的一条线的方向，而第二方向基本上垂直于第一方向；通过沿着第二方向切割第一母板而获得第二母板，这样，第一条形电极在第一方向上的长度与目标共振频率相称，并能按照目标共振频率选择切割第一母板的位置；通过使用一膜片在第二母板的一主表面上形成许多第二条形电极，各第二条形电极构成第二励磁电极和沿第二方向与第二电位连接的第二引导电极；以及通过沿第一方向切割第二母板而获得许多压电共振器。
按照上述方法，可获得许多压电共振器。在生产第二母板的切割步骤中，通过改变切割位置可确定与第一电位连接的第一条形电极在第一方向上的长度。由于在生产第二母板的切割步骤过程中，在最终获得的压电共振器上的与第一电位连接的第一励磁电极在第一方向上的长度可以调整，因此励磁电极互相重叠长度可较容易地调整到一适当长度，从而在不同的频率时可获得优良的共振特性。
此外，在形成上述第二条形电极、其中第二励磁电极与第二电位连接、而第二引导电极沿第二方向成一直线的过程中，即使共振频率和所需要的对应叠长度改变也可只使用一种类型的膜片。结果，在该步骤中使用的膜片的数量和类型可减少至一个。
在上述方法中，压电体可是一细长的条状，且它的纵方向对应于第一方向。
按照上述结构，利用第一和第二母板可方便地制造许多压电共振器。
在上述方法里，许多第一条形电极可形成于所述第一母板的第一主表面上；以及在利用膜片形成许多第二条形电极的步骤中，许多第二条形电极可形成于第二母板的第二主表面上。
按照上述方法，可制造单板型的能量收集型压电共振器，它适合于以厚度扩展振动方式或厚度剪切振动方式振动。
在上述方法里，第一母板可沿其厚度方向极化，从而提供适合于以厚度扩展振动方式振动的压电共振器。
在上述方法里，第一母板可沿第一方向极化，从而提供适合于以剪切方式振动的压电共振器。
在上述方法里，第一条形电极可作为内电极安装，第二条形电极在使用膜片形成许多第二条形电极的步骤中形成于第二母板的第一和第二主表面上，由此可获得以均匀的厚度扩展振动方式振动的压电共振器。
按照上述方法，可获得一种适合于以高度均匀的厚度扩展振动方式振动的能量收集型压电共振器。因此，提供一种可用于高频段的小尺寸压电共振器。
通过下面参考附图对本发明的描述可更清楚地了解本发明的其它特征和优点。
图1是表示由第一较佳实施例提供的第一母板的立体图；
图2是一剖视图，它是为了说明在从第一母板切割下来的第二母板的下表面上形成一电极的步骤；
图3是一剖视图，它是为了说明在第二母板的下表面上形成一电极的步骤，该步骤是为了制造按照第一较佳实施例的具有较高共振频率的压电共振器；
图4是按照第一较佳实施例的、适合于以厚度扩展振动方式振动的压电共振器的剖视图；
图5是第二较佳实施例提供的第一母板的立体图；
图6是一剖视图，它是为了说明在从第一母板上切割下来的第二母板的下表面上形成电极的步骤；
图7是一剖视图，它是为了说明在第二母板的下表面上形成一电极的步骤，该步骤是为了制造按照第二较佳实施例的、具有较高共振频率的压电共振器；
图8是按照第二较佳实施例的、适合于以厚度扩展振动方式振动的共振器的剖视图；
图9是第三较佳实施例提供的第一母板的立体图；
图10是一剖视图，它是为了说明在从第一母板上切割下来的第二母板的下表面上形成电极的步骤；
图11是一剖视图，它是为了说明在第二母板的下表面上形成一电极的步骤，该步骤是为了制造第三较佳实施例中的具有较高共振频率的压电共振器；
图12是按照第三较佳实施例的、适合于以厚度扩展振动方式振动的共振器的剖视图；
图13是一立体图，为了说明一种传统的能量收集型压电共振器。
现在通过参看附图1至4来描述本发明的第一较佳实施例。
提供一母板1，它的立体图如图1所示。母板1较佳的是(例如)由压电陶瓷、诸如PZT陶瓷形成的，并最好具有基本上是长方形的形状。
母板1沿图1中箭头P指示的厚度方向被极化。在母板1的第一主表面、即上表面1a上形成有基本上互相平行的、具有间隙的第一条形电极2a至2h。第一条形电极的延伸方向作为第二方向，而基本上垂直于第二方向的方向作为第一方向，第一条形电极沿着第一方向互相并列。为了提供第一条形电极2a，可通过使用置于母板1上表面1a上的膜片并利用诸如蒸镀法或溅射成型之类的薄膜形成方法提供导电材料。关于形成第一条形电极2a至2h的材料，可使用诸如镍或铜之类的适当的金属材料。
接着，沿图1中的虚线A所示的位置切割第一母板1。虚线A基本上与第二方向平行。
如下面所述的，确定切割位置A与A之间距离，从而提供最后获得的、并对应于目标共振频率的压电共振器的、理想的和精确的电极重叠长度L。
如上面所述的，通过沿切割位置A进行切割可获得许多第二母板3。
图2显示了沿第一方向的剖视图，膜片4和5分别与第二母板3的上表面和下表面接触，通过诸如蒸镀法或溅射等薄膜形成方法提供导电材料，并由此形成第二条形电极6a。
膜片4被设计成可完全覆盖第二母板3的上表面3a，以避免在表面3a上出现电极材料。
按照膜片5上的窗口5a的形状形成第二电极6a。可使用与形成第一电极2a至2h相同的导电材料形成第二电极6a。
第二条形电极6a沿连接图2所在图纸的前侧和后侧的方向、即第二方向延伸。第二电极6a的宽度、即沿第一方向的长度X由沿第一方向的膜片5的窗口5a的长度决定。
接着，沿对应图1中的C-C线的部位、即沿第一方向切割上述第二母板3，从而获得许多压电共振器。
图4是由此获得的一压电共振器的剖视图。通过切割第二母板3获得的压电共振器7包括一细长的条形压电体3A，它具有分别形成于其上表面和下表面上的电极2A和电极6A。电极2A是通过沿C-C线切割第一条形电极2a形成的，同样地，电极6A是通过沿C-C线切割第二条形电极6a形成的。
电极2A和电极6A通过压电体3A、在它们的中间部位、沿长度方向互相重叠。电极2A和6A上的、通过压电体3A互相重叠的部分形成励磁部分8，而形成励磁部分8的电极部分分别形成第一励磁电极2A1和第二励磁电极6A1。从励磁电极2A1延伸至压电体3A一侧表面3A1的电极2A的一部分形成第一引导电极2A2，而从励磁部分8延伸至压电体3A另一侧表面3A2的电极6A的一部分形成第二引导电极6A2。
压电共振器7的共振频率取决于压电体3A的厚度。因此为了制造具有比上述压电共振器7高的共振频率的压电共振器，使用一较薄的压电基片作为图1中的母板1。在这种情况下，通过使用图2中的同一膜片5在第二母板3的下表面上形成第二条形电极6a，从而提供第二励磁电极和引导电极。这将通过参看图1和3来说明。
简单地说，为了制造具有较高共振频率的压电共振器，要减少图1所示的第一母板的厚度。当通过切割第一母板来制造第二母板时，要选择切割位置A，以便获得与目标共振频率严格对应的电极重叠长度L。例如，为了获得具有较高频率的压电共振器，要减少电极重叠长度L，即在点划线A’所示的位置处切割母板。
由此可获得图3所示的第二母板13。由于第二母板13是通过在点划线A’所示的位置处进行切割获得的，因此，形成于第一主表面13a上的第一条形电极12b在第一方向的长度小于图2所示的第一条形电极2b在第一方向的长度。
如图3所示，通过使用与图2中的膜片5相同的膜片5在第二母板13的下表面13b上形成第二条形电极6a。如图3清楚显示的，沿上述电极12b和6a第一方向的重叠长度L小于沿图2中的电极2b和6a第一方向的重叠长度L。然后在对应于图1中的点划线C-C的位置处切割图3中的第二母板13，由此获得具有非常高共振频率的良好共振特性的压电共振器。
在该较佳实施例里，如上所述，根据最后得到的压电共振器的电极重叠长度L来选择(当通过切割第一母板1来获得第二母板3和13时)切割位置A和A’可制造出具有所需电极重叠长度L的压电共振器。此外，由于在任何共振频率时都不需要改变形成于下表面上的第二电极6a，因此只需要一种类型的膜片5作为在第二主表面上形成第二条形电极6a的膜片。
由此可获得对应于各种共振频率的一精确和理想的电极重叠长度L，并且只需要使用同一种膜片5就可在第二主表面上形成第二电极6a。
在上述第一较佳实施例里，适合于以厚度扩展振动方式振动的压电共振器7是利用在厚度方向被极化的第一母板1制造出来的。然而，本发明的制造压电共振器的方法不限于以厚度扩展振动方式振动的压电共振器，还可包括适合于以另一种振动方式、诸如厚度剪切振动方式振动的压电共振器。
第二实施例涉及制造一种能量收集型的压电共振器，这种压电共振器适合于以厚度剪切振动方式振动。首先，提供图5所示的第一母板21。第一母板21是由例如PZT陶瓷之类的压电陶瓷制成的。第一母板21较佳的是具有基本上是长方形的形状，并沿基本上平行于主表面的方向、即图5中的箭头P所示的方向被极化。在母板21的第一主表面、即上表面21a上，以基本上互相平行并具有间隙的方式形成有第一条形电极22a至22c。
沿图5中的虚线所示的位置B切割上述第一母板21，从而得到第二母板23。这时，与第一实施例所述的相同，可根据所需的共振频率来选择位置B。
这样，可获得图6所示的第二母板23。第一条形电极22b形成于第二母板23的上表面23a。使膜片4和5分别与上表面23a和下表面23b接触，通过诸如蒸镀法或溅射之类的薄膜形成方法提供导电材料，从而形成第二条形电极6a。第二条形电极6a位于作为第二主表面的下表面23b上，然后沿对应于图5中的点划线C的位置切割第二母板23，从而获得适合于以厚度剪切振动方式振动的压电共振器。
利用一种类似于第一较佳实施例所述的方法，可获得适合于以厚度剪切振动方式振动的、图8所示的压电共振器25。它们的生产工艺是相同的，除了能量收集型压电共振器25的极化方向不同于第一母板1之外。在图8中，标号23A和22B分别表示压电体和电极，而共振器具有第一励磁电极22B1和第一引导电极22B2。
也是在这种情况下，为了获得具有较高频率的压电共振器，将较薄的压电共振器作为第一母板21，且切割位置由图5中的点划线B’、B’所示的位置替换。这样，获得图7所示的第二母板33。在第二母板33里，由于上述切割位置被改变，在上表面33a上形成的第一条形电极32b沿第一方向的长度小于图6中的第一条形电极22b沿第一方向的长度。
然后，利用膜片5在下表面33b上形成条形电极6a，并在对应于图5中的点划线C的位置上切割该母板，从而形成压电共振器。
也是在这种情况下，利用相同的膜片5在第二母板33的下表面33b上形成条形电极6a，并通过将上述的切割位置B变成切割位置B’可优化电极重叠长度L。
这样，在上述第二较佳实施例里，也必定能制造出具有对应于各种共振频率的最适宜的电极重叠长度的压电共振器。
下面将参看图9至12描述按照第三较佳实施例制造压电共振器的方法。
首先，准备好图9所示的母板41。母板41是用例如PZT陶瓷之类的压电陶瓷制造的，且较佳的是具有基本上是长方形平板形状。母板41沿厚度方向被均匀极化。
在母板41里，有许多形成于中间高度处的内电极42a至42h，它们作为第一条形电极。各内电极42a至42h具有长条形状，它们沿第二方向延伸，而第二方向基本上垂直于在最终形成的压电共振器的励磁电极和引导电极之间延伸的一条线的第一方向。所形成的内电极42a至42h具有类似于在第一较佳实施例里形成于第一母板上的条形电极2a至2h的形状。
上述内电极42a至42h沿第二方向延伸且被安装成互相之间具有间隙。
内电极42a至42h可用适当的导电材料制造，而具有内电极42a至42h的第一母板41可通过例如烧制层叠的陶瓷坯块之类的现有技术来制造。
沿着虚线D所示的切割位置切割母板41可获得第二母板43。如下面所述的，可通过选择切割位置D来获得所需的电极重叠长度。
如图10中的剖视图所示，使膜片44和45分别与第二母板43上的作为第一主表面的上表面43a和作为第二主表面的下表面43b接触，并通过诸如蒸镀法或溅射的方法提供导电材料，从而形成第二条形电极46a和46b。
膜片44和45分别具有窗口44a和45a。在这里，膜片44和45较佳的是具有相同的形状。
这样，在第二母板43的上表面43a和43b上分别形成第二条形电极46a和46b。
第二条形电极46a和46b沿进入显示图10的图纸的方向、即第二方向延伸。
接着，在与图9中的点划线C对应的位置处切割第二母板43，从而得到如图12中的立体图所示的压电共振器47。在该压电共振器47里，内电极42B位于压电体48里。内电极42B是通过切割上述的内电极42b形成的。
在压电体48的上表面和下表面上，电极46A和46B是通过切割上述第二条形电极46a和46b形成的。电极46A和46B分别包括在厚度方向与内电极42B重叠的励磁电极部分46A1和46B1，以及分别自励磁电极部分46A1和46B1延伸的引导电极46A2和46B2。标号49和50表示连接电极，它们是在上述步骤后通过形成导电薄膜的适当方法形成的。
因此，压电共振器47可起压电发生器的作用，而压电发生器适合于以厚度扩展振动方式的三次谐波振动，而这是通过在内电极42B的励磁电极部分42B1和励磁电极46A1和46B1之间施加交流电压形成的。标号42B2表示引导电极部分。
在本较佳实施例里，为了降低共振频率，可减少第一母板41的厚度；此外，为了获得优良的共振特性，可容易地改变切割位置D。
具体地说，如图9所示，为了生产较薄的第二母板43A，可通过在位于图9所示的切割位置D左侧的切割位置D’处进行切割来缩短内电极42b在第一方向上的长度。这样，如图11所示，可通过使用与图10所示相同的膜片44和45形成第二条形电极46a和46b，从而生产出具有缩短的电极重叠长度的压电共振器。
虽然上述的第三较佳实施例显示了一其中只有一层内电极的压电共振器，但本发明也适用于一种适合于以厚度扩展振动方式的三次谐波振动的压电共振器，其中设有一层以上的内电极。
虽然通过较佳的实施例具体地显示和描述了本发明，但本技术领域的技术人员将会明白，在不脱离本发明精神的情况下，在形式上和细节上还可以有许多其它的变化。
Claims (17)
1.一种制造压电共振器的方法，该压电共振器包括一压电体；许多互相重叠的第一和第二励磁电极，而所述压电体位于它们之间，从而形成一励磁部分；自对应的第一励磁电极延伸至压电体的侧面部分、并与第一电位连接的第一引导电极；以及自与所述第一引导电极延伸方向相反的方向延伸、并与第二电位连接的第二引导电极；
其特征在于，所述方法包括下列步骤：
提供第一母板，通过使用一膜片在第一母板上形成许多第一条形电极，这些电极具有在它们之间的、沿第一方向排列的间隙，各第一条形电极沿第二方向延伸，所述第一方向沿着在励磁电极和引导电极之间延伸的一条线的方向，而所述第二方向垂直于第一方向；
通过沿所述第二方向切割所述第一母板获得第二母板，按照目标共振频率设定第一条形电极在所述第一方向上的长度，并按照目标共振频率选择切割所述第一母板的位置；
通过使用一膜片在第二母板的一主表面上形成许多第二条形电极，所述各第二条形电极构成所述第二励磁电极和沿所述第二方向与所述第二电位连接的所述第二引导电极；以及
通过沿所述第一方向切割第二母板而获得许多压电共振器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，压电体具有一细长的条状，且压电体的纵方向对应于第一方向。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述许多第一条形电极形成于所述第一母板的第一主表面上；以及
在利用膜片形成许多第二条形电极的步骤中，所述许多第二条形电极形成于所述第二母板的第二主表面上。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一母板沿其厚度方向极化，从而形成适合于以厚度扩展振动方式振动的压电共振器。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一母板沿所述第一方向极化，从而形成适合于以剪切方式振动的压电共振器。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一条形电极可作为内电极，所述第二条形电极在使用膜片形成所述许多第二条形电极的步骤中形成于所述第二母板的第一和第二主表面上，由此形成以均匀的厚度扩展振动方式振动的压电共振器。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果目标共振频率改变，在形成许多第二条形电极步骤中使用的膜片不改变。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果目标共振频率改变为一新的目标共振频率，按照新的目标共振频率改变沿上述第二方向切割所述第一母板的切割位置。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括改变沿所述第二方向切割所述第一母板的位置的步骤，以减少第一条形电极的长度，从而减少第一和第二条形电极的重叠面积。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，压电体具有一细长的条状，且压电体的纵方向对应于第一方向。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述许多第一条形电极形成于所述第一母板的第一主表面上；以及
在利用膜片形成许多第二条形电极的步骤中，所述许多第二条形电极形成于所述第二母板的第二主表面上。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一母板沿其厚度方向极化，从而形成适合于以厚度扩展振动方式振动的压电共振器。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一母板沿所述第一方向极化，从而形成适合于以剪切方式振动的压电共振器。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一条形电极可作为内电极，所述第二条形电极在使用膜片形成所述许多第二条形电极的步骤中形成于所述第二母板的第一和第二主表面上，由此形成以均匀的厚度扩展振动方式振动的压电共振器。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果目标共振频率改变，在形成许多第二条形电极步骤中使用的膜片不改变。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果目标共振频率改变为一新的目标共振频率，按照新的目标共振频率改变沿上述第二方向切割所述第一母板的切割位置。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括改变沿所述第二方向切割所述第一母板的位置的步骤，以减少第一条形电极的长度，从而减少第一和第二条形电极的重叠面积。
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