CN1135693C - 压电振动器和压电谐振元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能陷型压电振动器，它产生厚度切向模，并包含细长的压电元件，该压电元件具有第一和第二纵向相对的端部、设置在第一和第二端部之间从而相互相对的顶部表面和底部表面，以及设置在第一和第二端部附近从而压电元件的厚度分别朝着第一和第二端部逐渐减小的斜面。第一和第二振动电极分别设置在压电元件的顶部表面和底部表面上。第一和第二振动电极位于压电元件的大致中间部分从而相互相对，并且压电元件设置在它们之间以确定构成振动器的相对部分。斜面的粗糙度大于压电基片的顶部表面和底部表面设置在振动电极下面的平坦部分的粗糙度。

Description

压电振动器和压电谐振元件

技术领域

本发明涉及一种用于压电谐振器、压电滤波器和其它类似的器件中的压电振动器和压电谐振元件。本发明尤其涉及在压电元件的每一端附近有一斜面的压电振动器和压电谐振元件。

背景技术

能陷型压电器件已经被广泛地用于谐振器、带通滤波器和其它类似的器件中。这种压电器件的一个来例子揭示在第56-165413号日本未审查专利公告中。本申请的图7示出了相关技术中描述的压电器件的透视图。压电器件51包括压电基片52。压电基片52沿由图7中的箭头P的方向极化，即，沿平行于基片52的主表面的方向极化。在压电基片52的顶部表面和底部表面的中心，将振动电极53和54设置得相对，并且它们之间设置有压电基片52。将振动电极53电气连接到位于压电基片52的一端的端子电极55。在压电基片52的底部表面上，将振动电极54连接到位于压电基片52的另一端的端子电极56。

在压电器件51中，压电基片52纵向端的四个脊部中的至少一个沿压电基片52的宽度方向切割。换句话说，在基片52的相对端形成斜面52a和52b。

在压电器件51中，通过适当地设置斜面52a和52b的尺寸，可以抑制由纵向模引起的寄生响应。

还有，如第1-40920号日本未审查实用新型公开公告中揭示的，产生厚度切向振动的压电谐振器在压电基片的两端具有斜面。在这种器件中，通过在压电基片的端部形成斜面，增加能陷效率，并改进了滤波特性。该公告还揭示了可以抑制由轮廓模引起的寄生响应，并更加容易使器件小型化。

如上述相关技术中所述的，在产生厚度切向振动的能陷型压电器件中，已知通过在压电基片上形成斜面可以抑制由纵向模或轮廓模引起的寄生响应，并可以增加能陷效率。

但是，在传统的具有斜面的能陷压电器件中，产生一个问题，即，通过增加能陷效率，大大增加了导致寄生响应的更高级模振动的响应。

当将厚度切向模能陷压电器件用作振荡器时，抑制在基本振动的奇数倍频率产生的谐波是绝对必要的。当对谐波的抑制不充分时，可能在奇数倍频率处产生振荡，诸如发送频率的三倍、五倍或其它倍数。

发明内容

为了克服所述问题，本发明的较佳实施例提供了一种设置得产生厚度切向模、有效地抑制由纵向模和轮廓模引起的寄生响应，并有效地抑制由更高级模引起的寄生响应的能陷型压电振动器，由此实现了改进的谐振和滤波特性。

本发明的一个较佳实施例提供了一种压电振动器，它具有压电元件，该压电元件具有第一和第二纵向相对的端部、设置在第一和第二端部之间从而相对的顶部表面和底部表面、设置在第一和第二端部附近从而压电元件的厚度分别朝着第一和第二端部逐渐减小的斜面、分别设置在压电元件的顶部表面和底部表面上的第一和第二振动电极，第一和第二振动电极位于压电元件的中间部分而相互相对，并且它们之间设置有压电元件，以确定构成振动器的相对部分，其中，斜面的粗糙度大于压电元件在相对部分和第一和第二振动电极下面的表面的粗糙度。

较好地，满足关系(Ra1-Ra2)＞0.3μm，其中，Ra1是斜面中心线根据日本工业标准B0601的平均粗糙度，Ra2是压电元件在相对部分和第一与第二振动电极下面的表面中心线的平均粗糙度。

在本发明中，斜面可以仅设置在顶部表面上，或底部表面上，或顶部表面和底部表面上。

在本发明的另一个较佳实施例中，提供了一种压电谐振元件，其特征在于包含：罩子基片、安装在罩子基片上的压电振动器和安装在所述罩子基片上以便封装所述压电振动器的罩子构件，其中，所述压电振动器包含一个压电元件，所述压电元件包含第一和第二纵向相对的端部、设置在所述第一和第二端部之间从而相对的顶部表面和底部表面，以及设置在第一和第二端部附近从而所述压电元件的厚度分别朝着所述第一和第二端部逐渐减小的斜面；第一和第二振动电极分别设置在所述压电元件顶部表面和底部表面上，并位于压电元件的中间部分从而相对，并且所述压电元件处于它们中间，以确定构成振动器的相对部分，其中斜面的粗糙度大于压电元件在相对部分和所述第一和第二振动电极下面的表面的粗糙度。

较好地，上述压电谐振元件还包含安装在罩子基片上的电容器，其中压电振动器固定在电容器上，并通过电容器安装在罩子基片上，内装负载电容型振荡器通过上述的安排配置。注意，当将电容器安装在罩子基片上并且当将压电振动器固定到电容器上时，得到一个在所需频率正振荡并且没有不正常振荡或其它缺点的压电谐振元件。

在本发明的较佳实施例中，由于将斜面设置在具有能陷型压电振动器的压电元件上，故可以有效地抑制由纵向模或轮廓模引起的寄生响应。另外，由于斜面的表面粗糙度大于压电元件在相对部分和第一和第二振动电极下面的表面的表面粗糙度，故还有效地抑制由更高级模引起的寄生响应。

结果提供了一种压电振动器，它具有良好的能陷作用，减小了由不理想的寄生响应引起的影响，并有良好的谐振和滤波特性。

注意，当斜面的中心线平均粗糙度Ra1和压电元件的平坦表面的中心线平均粗糙度Ra2具有(Ra1-Ra2)＞0.3μm的关系时，将更加有效地抑制由更高级模引起的寄生响应。

另外，在有一对斜面设置在压电元件的顶部表面的端部附近在压电元件的底部表面上不设斜面的较佳实施例中，压电元件可以以非常可靠和稳定的安装结构，使底部表面安装在罩子基片、印刷电路板或其它基片上。

当将一对斜面设置在压电元件的顶部表面和底部表面的纵向相对的端部时，由于顶部表面和底部表面具有相同的配置，可以使用自动处理，不必将压电元件置成具有某一方向性，而容易地将压电元件安装到罩子基片或其它类型的基片上。

在本发明的较佳实施例中，压电振动器可以由压电陶瓷材料、压电单晶材料或其它适当的压电材料制成，从而通过控制压电材料的成份就可以容易地实现各种谐振特性和滤波特性。

在根据本发明的较佳实施例的压电谐振元件中，由于根据较佳实施例的压电振动器安装在罩子基片上，并将罩子构件固定到罩子基片以便围绕压电振动器，故可以提供这样一种压电谐振元件，它具有大大改进的谐振特性和滤波特性，其中抑制了不理想的寄生响应，而且能够容易地安装到印刷电路板或其它基片上。

另外，在根据本发明的较佳实施例的压电谐振元件中，当设置了安装到罩子基片上的电容器，压电振动器被安全地安装到电容器上，并且内装负载电容型压电振荡器包含压电振动器和电容器时，内装负载电容型压电振荡器可以由单个压电谐振元件配置而成，其中设置有根据本发明的较佳实施例的压电振动器。结果，提供了一种压电谐振元件，它以所需频率正振荡，并且没有不正常的振或者其它问题。

下面将参照本发明的较佳实施例和附图，详细描述本发明的其它特点、要素和优点。

附图说明

从下面给出的详细描述和附图，可以更为全面地理解本发明，并且这些描述和附图仅仅是为了说明而给出的，不限制本发明，这些附图为：

图1是根据本发明的第一较佳实施例的压电振动器的透视图；

图2是一个曲线图，示出Ra1和Ra2之间的关系，更具体地说，是斜面的表面粗糙度Ra1与振动电极下面的压电基片表面的表面粗糙度Ra2之间的关系，以及由第一较佳实施例中的压电振动器的三次谐波引起的寄生响应的响应；

图3示出根据本发明的另一个较佳实施例的压电谐振元件的分解透视图；

图4示出部分切去的透视图，说明根据本发明的另一个较佳实施例的压电谐振元件；

图5示出根据本发明的第二较佳实施例的压电振动器的透视图；

图6示出根据本发明的第三较佳实施例的压电振动器的透视图；和

图7示出现有技术的压电振动器的透视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的第一较佳实施例的压电振动器的透视图。

压电振动器1是适应以厚度切向振动模振动的能陷型压电谐振器。

较好地，压电振动器1包括压电基片2。本较佳实施例中的压电基片2最好包括PZT基压电陶瓷，并沿图1所示的箭头P的方向极化。换句话说，使压电基片2沿其纵向大致上平行于压电基片2的顶部表面2a和底部表面2b的方向极化。

压电基片2可以由除了PZT基压电陶瓷以外的压电陶瓷制成，或由诸如石英或其它类似物质的压电单晶制成。另外，可以使用柱形或其它不同于板状压电器件的形状代替压电基片2。

在压电基片2的顶部表面2a上，较好地，通过在压电基片2的端部附近形成斜面来设置斜面2c和2d。更具体地说，较好地，通过对由压电基片2的顶部表面2a和侧表面2e和2f定义的脊部的宽度切割形成斜面2c和2d。在斜面2c和2d上，如此构成压电基片2，从而其厚度朝着压电基片2的端部逐渐减小。斜面2c和2d较好地定义一个平坦的斜坡，该斜坡朝着压电基片2的端部向底部表面2b接近。但是，斜面2c和2d也可以是曲面或其它形状的表面。

另一方面，在压电基片2的顶部表面2a的中心附近设置了第一振动电极3，并在压电基片2的底部表面2b的中心附近设置了第二振动电极4。第一和第二振动电极3和4设置在压电基片2的纵向的中心附近，以便通过压电基片2相对。振动电极3和4重叠和垂直相对的部分构成一个压电振动器。

振动电极3连接到延伸电极5，其中延伸电极5经斜面2c和侧面2e延伸到达压电振动器的底部表面2b。注意，振动电极3和延伸电极5较好地同时由同一种材料制成。换句话说，延伸电极5与振动电极3连成一体。相应地，为了分清振动电极3和延伸电极5之间的边界，图1中用虚线A示出该边界。

另一方面，延伸电极6连接到设置在压电基片2的底部表面2b上的振动电极4。延伸电极6设置得从压电振动器到达压电基片2的底部表面2b和侧表面2f之间的脊部。

在本较佳实施例的压电振动器1中，压电基片2的斜面2c和2d的表面粗糙度大于压电基片2的顶部表面2a和底部表面2b的表面粗糙度。换句话说，斜面2c和2d的表面粗糙度大于振动电极3和4下面的压电基片2的表面部分的表面粗糙度。

在本较佳实施例的压电振动器1中，由于通过在振动电极3和4之间施加一个交变电压使压电基片2沿图的箭头P方向极化，压电振动器1可以用作产生厚度切向模的压电谐振器。在这种情况下，由于如上所述地设置斜面2c和2d，可以有效地抑制由纵向模或轮廓模引起的寄生响应，并且可以增加能陷效率。

另外，由于斜面2c和2d的表面粗糙度大于振动电极3和4下面的压电基片的表面的表面粗糙度，故可以有效地抑制更高级模的寄生响应并使之最小化。

较好地，假设斜面的中心线的平均粗糙度为Ra1，振动电极3和4下面的压电基片表面的中心线的平均粗糙度是Ra2，最好满足表达式Ra1-Ra2＞0.3μm。该关系将参照图2描述。

在本较佳实施例的压电振动器1中，制成了具有各种程度的表面粗糙度的压电振动器，图2示出了曲线图，该结果是从压电振动器中得到的三次谐波的响应量和由上述表达式Ra1-Ra2得到的相应的值之间的关系得到的。

注意，对于这个试验，作为压电振动器1，使用由PZT制成的压电振动器，其尺寸为大约5.4mm长，0.5mm宽，0.6mm厚，并且斜面2c和2d的纵向尺寸是1.2mm，斜面2c和2d下面的端部和压电基片的顶部表面之间的距离是0.23mm，振动电极3和4的相对面积是1.25mm²。

如从图2清楚地看到的，当Ra1-Ra2的值是正时，如果Ra1-Ra2的值增加，换句话说，当斜面2c和2d的相对表面粗糙度增加，三次谐波的响应就减小。特别地，如果Ra1-Ra2的值大于大约0.3μm，很清楚，可以有效地抑制由三次谐波的响应引起的寄生响应。

对于形成斜面2c和2d以及使斜面2c和2d粗糙的方法是没有具体的限制的。换句话说，可以使用旋转研磨工具研磨压电基片2的顶部表面2a两端附近的部分，形成具有预定表面粗糙度的斜面2c和2d。另外，在通过切削机或其它类似装置形成斜面2c和2d后，可以使用旋转研磨工具、喷砂器或其它类似的装置使斜面2c和2d粗糙。

另外，虽然不特别需要研磨压电基片2的顶部表面2a和底部表面2b，为了实现相对于斜面2c和2d的表面粗糙度，可以使用例如精研磨使表面2a和2b更平滑。

另外，如上所述希望，斜面2c和2d的表面粗糙度大于顶部表面2a和底部表面2b的表面粗糙度，而且在斜面2c和2d上可以保留研磨的标记。

虽然在本较佳实施例中，整个顶部表面2a和底部表面2b与整个斜面2c和2d的表面粗糙度小于斜面2c和2d的表面粗糙度，但是，还可以如此配置，从而只有振动电极3和4下面的压电基片部分的表面粗糙度小于斜面2c和2d的表面粗糙度。

在根据第一较佳实施例的压电振动器中，由于不但由轮廓模或纵向模引起的寄生响应很大，并且斜面2c和2d的表面粗糙度大于压电基片2的顶部表面2a和底部表面2b的表面粗糙度，故可以抑制由更高级模引起的寄生响应，由此可以得到改进的谐振特性。

另外，将斜面2c和2d设置在顶部表面2a的端部附近，而不将斜面设置在底部表面2b上。换句话说，当从侧面看时，压电振动器1的形状象梯形。结果，可以以一种稳定的封装方式从底部表面2b将压电振动器1安装在印刷电路板或其它类似的装置上。

由于将电极5和6设置得分别达到侧表面2e和2f，如果安装到印刷电路板上，可以容易地设置焊条，由此改进封装可靠性。

图3和4分别示出包含第一较佳实施例的压电振动器1的压电谐振元件的分解透视图和部分切去的透视图。

在压电谐振元件11中，封装件具有罩子基片12和金属盖子13(这是罩子构件)。罩子基片12由诸如铝土之类的绝缘材料制成，并在一个侧表面上具有凹口12a到12c，在另一个侧表面上具有凹口12d到12f。凹口12a到12c和凹口12d到12f分别相对。在压电基片12的顶部表面上，将端子电极14a到14c安置成分别沿压电基片12的宽度方向延伸。将端子电极14a到14c设置得不仅达到顶部表面12g，还分别达到上述凹口12a、12d、12b、12e、12c和12f。

另外，较好地，在罩子基片12上设置电容器15和压电振动器1，并封装在其中的里边。

电容器15较好地包括介质基片15a。在介质基片15a的顶部表面的中心附近，设置电容器电极15b和15c，它们之间有预定的间隔。电容器电极15b和15c都通过介质基片15a的两个纵向端部处的端子表面达到其底部表面。

另外，电容器15较好地具有设置在介质基片15a的底部表面中心附近的电容器电极15d。

将电容器电极15b达到介质基片15a的底部表面的部分通过导电粘剂16a连接到端子电极14a。电容器电极16d也通过导电粘剂16b电气连接到端子电极14b。电容器电极15c延伸到介质基片的底部表面的部分通过导电粘剂16c电气连接到端子电极14c。如上所述，电容器15电气连接到端子电极14a到14c，并固定在罩子基片12上。

另外，在电容器15的顶部表面上，通过导电粘剂17a和17b接合压电振动器1。将压电振动器1的延伸电极5通过导电粘剂17a电气连接到电容器电极14b。将延伸电极6通过导电粘剂17b电气连接到电容器电极15c。然后，将金属盖子13通过绝缘膏18和粘剂19接合到罩子基片12。

结果，在本较佳实施例的压电谐振元件11中，在具有罩子基片12和金属盖子13的封装件中，配置了一个三端型内装负载电容型压电振荡器，它包含压电振动器1和电容器15。

图5示出了根据本发明的第二较佳实施例的压电振动器的透视图。

在压电振动器21中，在其压电基片2的底部表面2b上端部附近还设置了斜面2h和2i。换句话说，不但在压电基片2的顶部表面2a上设置了斜面2c和2d，还在其底部表面2b上设置了斜面2h和2i。

将斜面2h和2i设置得与包围水平表面的斜面2c和2d呈对称，而该水平表面包含沿压电基片2的厚度方向的大致中心。

另外，将延伸电极5设置得由斜面2c经侧表面2e达到朝下的斜面2h的半长点，将延伸电极6设置得从压电基片2的底部表面2b达到斜面2i。

和本较佳实施例的压电谐振装置2相同，在压电基片2的底部表面2b上也可设置一对斜面2h和2i。在这种情况下，斜面2h和2i的表面粗糙度也大于振动电极3和4下面的压电基片表面的粗糙度。

结果，通过和第一较佳实施例的情况类似的方法，可以在第二较佳实施例中有效地抑制由更高级模引起的寄生响应。

另外，在第二较佳实施例的压电振动器21中，较好地，压电基片2的顶部表面和底部表面的形状大致上同样呈对称。结果，可以将压电振动器21提供给自动插入和安装设备，而不需安排器件的方向性，由此改进了将器件安装在印刷电路板、罩子基片或类似装置上的自动化，还改进了安装的容易性。

图6示出根据本发明的第三较佳实施例的压电振动器的透视图。在压电振动器31中，在压电基片2的顶部表面2a上，将斜面2d设置在一个端部处的侧表面2f附近，而在其底部表面2b上，将斜面2h设置在侧表面2e附近。在这种情况下，通过使斜面2d和2h的表面粗糙度大于振动电极3和4下面的压电基片表面的表面粗糙度，可以通过类似于第一和第二较佳实施例的方法，有效地抑制更高级模引起的寄生响应。

在第三较佳实施例的压电振动器31中，只将延伸电极5设置在压电基片2的顶部表面2a上，并只将延伸电极6设置在压电基片2平坦的底部表面2b上。

结果，由于不需要将延伸电极设置在斜面上，故可以容易地设置延伸电极5和6。另外，可以容易地将根据第三较佳实施例的压电振动器31插入自动机器中，而不必先要设置器件的方向性，这是由于顶部表面上的配置和底部表面上的配置是一样的，由此容易地实现封装自动化。

虽然根据第一、第二和第三较佳实施例的压电振动器都具有设置在压电基片的主表面上的第一和第二端子电极从而构成压电谐振器，但是在本发明中，可以将多个端子电极设置在压电基片的至少一个主表面上而构成压电滤波器。

虽然已经参照本发明的较佳实施例具体示出和描述了本发明，但是熟悉本领域的人应该知道，在不背离本发明的主旨的条件下，可以有上述和其它形式和细节上的变化。

Claims (17)

1.一种压电振动器，其特征在于包含：

压电元件，所述压电元件包含第一和第二纵向相对的端部，顶部表面和底部表面设置在所述第一和第二端部之间以使该两个表面相互相对，并在所述第一和第二端部附近设置斜面，从而所述压电元件的厚度分别朝着所述第一和第二端部逐渐减小；和

分别设置在所述压电元件的顶部表面和底部表面上的第一和第二振动电极，所述第一和第二振动电极位于所述压电元件的中间部分从而相互相对，并且所述压电元件设置于所述第一和第二振动电极之间，以确定构成振动器的相对部分；

其中，斜面的粗糙度大于所述压电元件在构成振动器的相对部分和第一和第二振动电极下面的表面的粗糙度。

2.如权利要求1所述的压电振动器，其特征在于满足关系(Ra1-Ra2)＞0.3μm，其中，Ra1是斜面中心线的平均粗糙度，Ra2是顶部表面和底部表面的平坦部分的中心线的平均粗糙度。

3.如权利要求1所述的压电振动器，其特征在于压电元件位于构成振动器的相对部分和第一和第二振动电极下面的表面是平坦的。

4.如权利要求1所述的压电振动器，其特征在于斜面是曲面。

5.如权利要求1所述的压电振动器，其特征在于将斜面设置在压电元件的顶部表面上。

6.如权利要求1所述的压电振动器，其特征在于将斜面设置在压电元件的底部表面上。

7.如权利要求1所述的压电振动器，其特征在于将斜面设置在顶部表面和底部表面上。

8.如权利要求1所述的压电振动器，其特征在于压电元件由压电陶瓷材料制成。

9.一种压电谐振元件，其特征在于包含：

罩子基片；

安装在罩子基片上的压电振动器；和

安装在所述罩子基片上以便封装所述压电振动器的罩子构件；

其中，所述压电振动器包含细长的压电元件，所述压电元件包含第一和第二纵向相对的端部、设置在所述第一和第二端部之间从而相互相对的顶部表面和底部表面，以及设置在所述第一和第二端部附近从而所述压电元件的厚度分别朝着所述第一和第二端部逐渐减小的斜面，设置在所述压电元件的顶部表面和底部表面上的第一和第二振动电极，所述第一和第二振动电极设置在所述压电元件的中间部分，从而相对，并且有所述压电元件设置于所述第一和第二振动电极中间以确定构成振动器的相对部分，其中斜面的粗糙度大于压电元件在构成振动器的相对部分和所述第一和第二振动电极下面的表面的粗糙度。

10.如权利要求9所述的压电谐振元件，其特征在于满足关系(Ra1-Ra2)＞0.3μm，其中Ra1是斜面中心线的平均粗糙度，Ra2是顶部表面和底部表面的平坦部分的中心线的平均粗糙度。

11.如权利要求9所述的压电谐振元件，其特征在于压电元件在构成振动器的相对部分和第一和第二振动电极下面的表面是平坦的。

12.如权利要求9所述的压电谐振元件，其特征在于斜面是曲面。

13.如权利要求9所述的压电谐振元件，其特征在于斜面设置在压电元件的顶部表面。

14.如权利要求9所述的压电谐振元件，其特征在于斜面设置在压电元件的底部表面上。

15.如权利要求9所述的压电谐振元件，其特征在于斜面设置在顶部表面和底部表面上。

17.如权利要求9所述的压电谐振元件，其特征在于压电元件由压电陶瓷材料制成。

18.如权利要求9所述的压电谐振元件，其特征在于还包含通过导电粘剂安装在罩子基片上的电容器，其中将压电振动器通过导电粘剂固定在所述电容器上，从而将所述压电振动器安装在罩子基片上。

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