CN1166055C - 压电谐振器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种能实现具有高热阻和窄容限的高性能小型振荡器的压电谐振器。压电谐振器包括具有激励层和非激励层的元件主体。在激励层的表面上形成一振动电极，在激励层与非激励层之间形成另一振动电极。从激励层的相对端向其中心部分形成这两个振动电极，从而这两个电极在激励层的中心部分处相对。在元件主体的端面上，所形成的端面电极分别连到振动电极。
Description
技术领域
本发明涉及压电谐振器，尤其涉及主要用于振荡器等中的压电谐振器。
背景技术
迄今为止，作为主要用于振荡器中压电谐振器，已提出了能量封闭(enclosing)型谐振器并已投入实际使用，该谐振器利用压电单片的纵向厚度模式基波、压电单片的第三纵向厚度模式谐波、压电单片的切变(shear)模式振动、叠片(monolithic)压电体的纵向厚度模式谐波等。
然而，在利用纵向厚度模式基波的常规谐振器中，能封闭能量的材料是有限的，从而使用具有高热阻的材料来制造能量密封型谐振器是相当困难的。虽然常规的切变模式谐振器可使用具有高热阻的材料，但所存在的问题是，在制造高频谐振器期间因高音速而使控制变得复杂，同时难于提高元件本身的机械可靠性。此外，这些具有大机电系数的谐振器所具有的另一个问题在于，难于把它们用作具有窄容限的谐振器。
利用压电单片的第三纵向厚度模式的元件没有这些问题；然而，能量封闭型谐振器的最佳电极直径较大，这些元件的缺点是在使元件本身的小型化方面。此外，元件厚度为基波型元件厚度的三倍，从而也难以促进厚度的减小。利用叠片压电体的纵向厚度模式谐波的谐振器可使用具有高热阻的材料，同时能量封闭性谐振器的最佳电极直径类似于纵向厚度模式基波谐振器，从而对小型化的限制较少；然而，所存在的问题是，难于把它们用作具有窄容限的谐振器，因为其机电系数大。如上所述，通过常规的技术，难于实现具有高热阻和窄容限的小型振荡器。
此外，发明人所发明的5-48377号日本未审查专利申请公开揭示了使用由一无压电性的仲电层及一压电层构成的两层形成的淀积材料的压电谐振器。在此压电谐振器中，存在的问题是，由于在压电层与仲电层串联的情况下加电场，所以压电层不能有效地振动，而且由于在等效电路中插入串联的电容性部件，所以谐振器的特性大大改变。
发明内容
相应地，本发明的一个主要目的是提供一种压电谐振器，该谐振器能实现具有高性能(具有高热阻和窄容限)的小型振荡器。
依据本发明，提供了一种压电谐振器，包括：至少一对振动电极；包括至少一个激励层和至少一个非激励层的元件主体，所述至少一个激励层夹在至少一对振动电极之间且被电场激励而振动，所述至少一个非激励层不被激励振动，此压电谐振器激励n次纵向厚度模式谐波(n为1以外的整数)，其中当以t来表示元件主体的厚度，以t/n来近似表示单元层厚度时，激励层的厚度将是单元层厚度的整数倍，至少一个非激励层的厚度将是单元层厚度的整数倍。
在这种压电谐振器中，激励层的厚度最好在0.7t/n到1.2t/n的范围内，非激励层的厚度最好在0.8t/n到1.3t/n的范围内。
此外，可仅在非激励层的一个主平面上形成振动电极，或者可在非激励层的两个主表面上形成处于相同电位的振动电极。
此外，非激励层可由非极化压电陶瓷或介电陶瓷制成。
这种压电谐振器还可包括：在元件主体的表面上形成的第一和第二端面电极；电气连接到第一端面电极的假信号响应抑制电极，其中假信号响应抑制电极是如此形成的，从而沿着与激励层和非激励层的淀积方向垂直的方向，该假信号响应抑制电极到振动电极的一端有一恒定间隙，所述振动电极的另一端连到第二端面。
此间隙与单元层厚度之比，即间隙/单元层厚度最好在1.0到3.0的范围内。
通过在把激励层相夹形成的振动电极之间加上一电场，把激励层激励到沿纵向厚度模式振动。此时，由于未把电场加到非激励层，或由于非激励层是由即使在被加上电场时也不能受激的材料制成的，故激励层不能受激振动；然而，通过激励层的振动把一驻波传送到非激励层，从而这一整体变为一利用较高次纵向厚度模式谐波的压电谐振器。即，当以t来表示元件主体的厚度，以t/n来近似表示单元层厚度，则通过把一激励层和至少一个非激励层的厚度与单元层厚度t/n的整数倍相乘，可获得一整体地利用n次纵向厚度谐波的压电谐振器。
这种压电谐振器可使用具有高热阻的材料，而且可减小机电系数的值，从而将成为具有窄容限的谐振器。
在这种压电谐振器中，当激励层的厚度在0.7t/n到1.2t/n的范围内，且非激励层的厚度在0.8t/n到1.3t/n的范围内时，可获得具有优良特性的压电谐振器。
可如此形成非激励层，从而通过使它不被振动电极夹住而使得不能对其加上电场。
此外，通过使用非极化压电陶瓷或介电陶瓷，非激励层即使在加上电场时也不受激。当然，在此情况下，可如此放置电极，从而不能把电场加到非激励层。
此外，通过形成假信号响应抑制电极，可抑制除想要模式以外的任何模式的振动。
当间隙/单元层厚度的比值在1.0到3.0范围内时，这些效果将变得明显起来。
从以下对依据本发明的实施例的详细描述并结合附图，将使本发明的这些和其它目的、特征和优点变得更加明显起来。
附图概述
图1是示出依据本发明的压电谐振器的一个例子的示意图；
图2是示出依据本发明的压电谐振器的另一个例子的示意图；
图3是示出依据本发明的压电谐振器的又一个例子的示意图；
图4是示出依据本发明的压电谐振器的再一个例子的示意图；
图5是示出依据本发明的压电谐振器的还有一个例子的示意图；
图6是示出依据本发明的压电谐振器中激励层和非激励层的厚度变化状态的示意图；
图7是示出其中形成假信号响应抑制电极的压电谐振器的一个例子的示意图；
图8是示出其中形成假信号响应抑制电极的压电谐振器的另一个例子的示意图；
图9是示出其中形成假信号响应抑制电极的压电谐振器的又一个例子的示意图；
图10是制造图1所示压电谐振器的部分工艺的示意图；
图11是示出在图10所示的工艺中生产烧结体的示意图；
图12是示出作为对照样本的常规压电谐振器的示意图；
图13是示出图1所示依据本发明的压电谐振器与图12所示常规压电谐振器的阻抗的频率特性的曲线图；
图14是示出用作图2所示压电谐振器的对照例子的常规压电谐振器的示意图；
图15是示出图2所示依据本发明的压电谐振器与图14所示常规压电谐振器的阻抗的频率特性的曲线图；
图16是示出非激励层的厚度与图6所示压电谐振器的值θmax之间关系的曲线图；
图17是示出有关图7所示压电谐振器中所激励的基波、二次谐波和三次谐波的值Esd/D与值θmax之间关系的曲线图；
图18是示出图7所示压电谐振器的值dF/Fa与值Esd/D之间关系的曲线图；以及
图19是示出依据本发明的压电谐振器中振动电极的形状改变的一个例子的示意图。
本发明的较佳实施方式
图1是示出依据本发明的压电谐振器的一个例子。压电谐振器10包括元件主体12，它包括激励层14和非激励层16。非激励层16表示在把一电场加到压电谐振器10时不会受激振动的所述层。此时激励层14沿厚度方向极化。如此形成元件主体12，从而激励层14与非激励层16具有相同的厚度。即，当以t来表示元件主体12的厚度时，各激励层14和非激励层16的厚度为t/2。
在激励层14的两个表面上形成振动电极18和20。振动电极18在激励层14的顶面形成，而振动电极20在激励层与非激励层16之间形成。从激励层14的一段向其中心部分形成一振动电极18，而从该激励层14的另一端向其中心部分形成另一振动电极20。在激励层14的中心部分，这两个振动电极18和20相对。在元件主体12的两个端面时，还形成端面电极22和24。一端面电极22连到位于激励层14顶面上的振动电极18，而另一端面电极24连到位于激励层14与非激励层16之间的振动电极20。
在压电谐振器10中，通过把一信号加到端面电极22和24，沿激励层14的厚度方向在振动电极18和20之间施加了一个电场。从而，激励层14被激励而沿纵向厚度模式振动。此时，对非激励层16未施加电场，从而非激励层16不受激振动。然而，由于激励层14被激励而沿纵向厚度模式振动，所以一驻波被传送到非激励层16，从而这一整体变为利用较高次纵向厚度模式谐波的压电谐振器。图1所示的压电谐振器10是通过淀积具有相同厚度的激励层14和非激励层16来形成的，从而它是一个利用二次纵向厚度模式谐波的压电谐振器。在这种结构的压电谐振器10中，振动电极18与20仅在激励层14的中心部分处相对，从而在其中形成一能量封闭区，从而形成一能量封闭型压电谐振器。
压电谐振器10可把具有高热阻的材料用作激励层14的材料，并可减小机电系数的值，从而它将成为具有窄容限的谐振器。此外，通过在激励层14的两个表面上形成振动电极18和20，可仅把电场加到激励层14，从而压电谐振器10可被有效地激励，从而沿纵向厚度模式振动。此外，在一等效电路中，不插入与激励层14串联的电容性部件，所以可获得稳定的谐振器特性。
如图2所示，压电谐振器10还可以是利用三次纵向厚度模式谐波的压电谐振器10，它使用包括通过淀积两个激励层14a和14b以及一非激励层16而形成的元件主体12的压电谐振器。在压电谐振器10中，在激励层14a和14b的两侧上形成的振动电极30和32连到端面电极22。在两个激励层14a和14b之间形成的另一振动电极34连到端面电极24。此外，在非激励层16的外表面上未形成振动电极，从而不能把电场加到所形成的非激励层16上。当以t来表示元件主体12的厚度时，激励层14a和14b以及非激励层16的厚度分别为t/3。
在这样的压电谐振器10中，把电场加到激励层14a和14b，继而激励这两个激励层以纵向厚度模式振动。此时，还把一驻波传送到非激励层16，从而这一整体变为利用三次纵向厚度模式谐波的压电谐振器。
此外，如图3所示，可使用这样的元件主体12，它是由两侧上分别形成非激励层16a和16b的激励层14形成的。在此情况下，当以t来表示元件主体的厚度时，所形成的激励层14的厚度为t/3，而这两个非激励层16a和16b中每一层的厚度T2为t/3。在激励层14中心的两侧上，如此形成振动电极18和20，从而这两个电极分别连到端面电极22和24。此外，在这样的压电谐振器10中，把一电场加到激励层14，继而激励激励层14以纵向厚度模式振动，一驻波被传送到在激励层14的两侧上形成的非激励层16a和16b，从而这一整体变为利用三次纵向厚度模式谐波的压电谐振器。
此外，如图4所示，在使用通过淀积激励层14和非激励层16而形成的元件主体12的压电谐振器10中，当以t来表示元件主体12的厚度时，激励层14的厚度可以是t/3，而非激励层16的厚度T2可以是2t/3。在此情况下，当把一电场加到激励层14时，激励层14被激励而以纵向厚度模式振动，一驻波被传送到两倍于激励层14厚度的非激励层16，从而这一整体变为利用三次纵向厚度模式谐波的压电谐振器。
此外，如图5所示，压电谐振器10可使用这样的元件主体12，在该元件主体12的中心处形成了两侧上形成有激励层14a和14b的非激励层16。在此压电谐振器10中，当以t来表示元件主体12的厚度时，所形成的激励层14a和14b各自的厚度为t/4，所形成的非激励层16的厚度T2为t/2。在激励层14a的两侧上形成振动电极36和38，而在激励层14b的两侧上形成振动电极40和42。在元件主体12的外表面上形成的振动电极36和42连到端面电极22，而在元件主体12的内表面上形成的振动电极38和40连到端面电极24。
在这样的压电谐振器10中，把一电场加到位于元件主体12两侧的激励层14a和14b，继而这两层被激励而以纵向厚度模式振动。然而，由于位于中心非激励层16两侧的振动电极38和40连到同一端面电极24，所以不把一电场加到非激励层16，从而该层不受激振动。把一驻波传送到厚度为每一激励层14a和14b的厚度的两倍的中心非激励层16，从而这一整体变为利用四次纵向厚度模式谐波的压电谐振器。
如上所述，当以t来表示元件主体12的厚度，且以t/n来表示单元层的厚度时，通过把一激励层与一非激励层的厚度乘以t/n的整数倍，可获得一整体地利用n次纵向厚度模式谐波的压电谐振器。此外，在每个上述的压电谐振器10中，形成具有不加电场结构的非激励层；然而，虽然在加电场的结构中，但非激励层可通过由非极化压电陶瓷或介电陶瓷形成而获得。
此外，当以t来表示元件主体12的厚度时，激励层和非激励层的厚度不必精确地等于t/n。例如，如图6所示，在利用二次纵向厚度谐波的压电谐振器10中，激励层14的厚度可大于非激励层16的厚度T2。相反，激励层14的厚度可小于非激励层16的厚度T2。从实验结果可以理解，如果以t来表示元件主体12的厚度，则在激励层14的厚度在0.7t/n到1.2t/n的范围内且非激励层16的厚度在0.8t/n到1.3t/n的范围内时，可获得具有优良特性的压电谐振器。
此外，如图7所示，通过形成假信号响应抑制电极可抑制乱真输出。在压电谐振器10中，在非激励层16的外表面上形成假信号响应抑制电极44，从而该电极连到端面电极22。沿与激励层14和非激励层16的淀积方向垂直的方向形成假信号响应抑制淀积44，且该电极与连到端面电极24的内部振动电极20隔开。这样，通过形成假信号响应抑制电极44，可抑制乱真输出。依据实验结果可理解，当Esd/D的值在1.0到3.0的范围内时这种效果是显著的，其中Esd代表振动电极20与假信号响应抑制电极44之间的间隙，D为表示元件主体12的厚度t的1/2的单元层厚度。
由于图7所示的压电谐振器10为利用二次纵向厚度模式谐波的压电谐振器，所以D为元件主体12的厚度t的1/2。一般，当压电谐振器是利用n次纵向厚度模式谐波的压电谐振器，当以t来表示元件主体12的厚度时，D为t/D所表示的单元层厚度。当间隙Esd与单元层厚度D之比在1.0到3.0的范围内时，假信号抑制效果变得显著起来。
如图8所示，在利用二次纵向厚度模式谐波的压电谐振器10中形成了假信号响应抑制电极44，所以压电谐振器10还可以是振动电极18和20以及假信号响应抑制电极44不暴露在元件主体12的表面外压电谐振器。此外，如图9所示，可在非激励层16的厚度为激励层14厚度的两倍的利用三次纵向厚度模式谐波的压电谐振器上形成假信号响应抑制电极。在图9所示的压电谐振器10中，在非激励层16的厚度方向的中间部分中形成假信号响应抑制电极44a，在非激励层16的表面上形成另一假信号响应抑制电极44b。在假信号响应抑制电极44a与内部振动电极20之间形成间隙Esd，而在假信号响应抑制电极44b与外部振动电极18之间形成间隙Esd。这样，通过形成假信号响应抑制电极44，不仅可抑制利用二次纵向厚度模式谐波的压电谐振器也可抑制利用n次纵向厚度模式谐波的压电谐振器中的乱真输出。
例子
(例1)
首先，制备氧化铅、二氧化钛、氧化镧(lanthan)和碳酸锰，从而Pb∶La∶Ti∶Mn之间的摩尔比将为0.865∶0.090∶1.000∶0.020；在球磨机中把它们与水和部分稳定化的氧化锆构成的研磨介质 搅拌混合约10小时；在脱水后，在800到1000℃的温度下在大气压中把混合物煅烧二小时。通过以把10克还原的粘合剂固体、30克水以及适当数量的可塑剂加到100克的煅烧过材料中的比例把醋酸乙烯酯粘合剂混合入所获得的煅烧过材料，而产生了用于形成板材(sheet)的浆料(slurry)。
通过浆料的刮刀法形成厚度近似于50μm的板；把所形成的板切割成20mm×30mm的尺寸；如图10所示，以平行线的方式在片50的一部分上丝网印刷电极图案52；所使用的网孔(screen mesh)为#400；电极材料为铂；印刷所用的糊为包括50到70wt％铂的铂与清漆(varnish)的混合物；如图10所示，把其上未形成电极图案的板54置于其上形成电极图案52的板50的两个表面时，从而在100到200MPa的压力下加压；在1200℃下把所获得的加压产品烧制约二小时，从而获得其内部形成电极56的烧结体58。
在所获得的烧结体58的整个两个表面上，通过汽相淀积形成银电极；然后在100到150℃的温度下，在油中通过加到5到10MV/m的电场使烧结体58极化；然后，在把样品在空气中在100到250℃的温度下保持一小时后，通过蚀刻对汽相淀积的银电极进行构图；如此形成如图11所示的经构图的银电极60，从而这些电极相互平行且与烧结体内形成的电极部分相对；如图11的虚线所示，如此切割烧结体，从而在相对的端面上暴露出在烧结体内形成的电极56与在烧结体的表面上形成的电极60，从而获得其上形成了电极18和20的元件主体12；在元件主体12的侧面上，形成的端面电极22和24连到相对端面上所暴露的电极18和20；这样，产生了图1所示的压电谐振器。
对于获得的压电谐振器10，测量阻抗的频率特性。作为一个对照例子，测量图12所示其上形成电极66、68、70和分别相对的两个激励层62和64的常规压电谐振器的阻抗的频率特性。获得的结果如图13所示。从图13可以理解，在依据本发明的压电谐振器10中，与常规的压电谐振器相比，获得的谐振特性具有较窄的带宽。此外，依据本实施例的压电谐振器10激励二次纵向厚度模式谐波。
(例2)
如图2所示，产生压电谐振器10，它包括两个激励层以及一个非激励层并激励三次纵向厚度模式谐波。对于获得的压电谐振器10，测量阻抗的频率特性。作为一个对照例子，测量图14所示其上形成电极78、80、82和84以及分别相对的三个激励层72、74和76的常规压电谐振器的阻抗的频率特性。获得的结果如图15所示。从图15可理解，在依据本发明的压电谐振器10中，与常规的压电谐振器相比，获得的谐振特性具有较窄的带宽。
(例3)
如图6所示，通过改变激励层14和非激励层16的厚度形成了利用二次纵向厚度模式谐波的压电谐振器10。然后，测量非激励层16的厚度T2与压电谐振器10的相位特性的最大值θmax之间的关系，其结果如图16所示。从图16可理解，如果以t来表示元件主体12的厚度，且D＝t/2，则当T2在0.8D到1.3D的范围内即激励层14的厚度在0.7D到1.2D的范围内时，θmax的值较大，从而指示特性优良。
(例4)
如图7所示，形成包括假信号响应抑制电极44并利用二次纵向厚度模式谐波的压电谐振器10。此外，在图7所示的压电谐振器10中，元件主体12的厚度为t＝0.245mm，元件主体12的长度为L＝2.2mm，振动电极18和20的长度分别为：
Ein＝1.35mm，Eout＝1.35mm。然后，测量间隙Esd与单元层厚度D的比值Esd/D与值θmax之间的关系，其结果如图17所示。在图17中，示出压电谐振器10所激励的二次谐波、基波(它是一个假信号)以及三次谐波的值θmax。从图17可理解，当值Esd/D等于或小于3.0时，基波(它是一个假信号)与三次谐波的值θmax较小，二次谐波的值θmax较大。
此外，在图7所示的压电谐振器10中，测量相对带宽dF/Fa与Esd/D之间的关系，其结果如图18所示。从图18可理解，当Esd/D等于或大于1.0时，获得窄的带宽区。在这种压电谐振器10中，想要窄的带宽区，从而Esd/D最好大于或大于1.0。相应地，从图17和18，Esd/D最好在1.0到3.0的范围内。
如上所述，依据本发明的压电谐振器10可激励任何次的纵向厚度模式谐波。作为用于形成能量封闭区的振动电极18和20的形状，它可以是图19所示的圆形、椭圆形或把这些形状中的任一个与矩形相连接的形状。
作为激励层14的材料，只要它是压电体，任何材料都可使用；发明人确认，即使在泊松比等于或大于1/3或小于1/3，都可实现能量封闭。作为整体烧结结构的激励层的材料，一般使用陶瓷材料。作为这些材料，可适用钛酸铅、锆钛酸铅、钛酸钡、钨青铜、烧绿石及诸如铋层化合物等层化合物。可通过使用接合或粘接技术等把单晶压电材料与任意非激励层集成来实现类似的效果。
此外，激励层14与非激励层16的材料可以是相同的或不同的。当它们相同时，由于不存在热膨胀率的差别，所以即使在温度变化时也不会产生任何内部应力，导致压电谐振器的高度可靠性。当它们不同时，可进行谐振频率的温度特性的修正及谐振器的Q值的控制。这样，通过适当地选择激励层14和非激励层16的材料，可实现各自特性。此外，非激励层16可具有或者没有压电性，只要它不会被加到压电谐振器10的电场所激励。
依据本发明，可获得这样一种压电谐振器，它能实现具有高热阻及窄容限的高性能小型振荡器。
在这样的压电谐振器中，通过形成假信号响应抑制电极，可获得具有小的假信号响应的压电谐振器。
Claims (9)
1.一种压电谐振器，包括：
至少一对振动电极；以及
包括至少一个激励层和至少一个非激励层的元件主体，所述至少一个激励层夹在至少一对振动电极之间且被电场激励而振动，所述至少一个非激励层不被激励振动，此压电振荡器激励n次纵向厚度模式谐波，其中n为1以外的整数，
其特征在于当以t来表示元件主体的厚度，以t/n来表示单元层厚度时，激励层的厚度将是单元层厚度的整数倍，至少一个非激励层的厚度将是单元层厚度的整数倍。
2.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于激励层的厚度在0.7t/n到1.2t/n的范围内，非激励层的厚度在0.8t/n到1.3t/n的范围内。
3.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于仅在非激励层的一个主平面上形成振动电极，或者在非激励层的两个主表面上形成处于相同电位的振动电极。
4.如权利要求2所述的压电谐振器，其特征在于仅在非激励层的一个主平面上形成振动电极，或者在非激励层的两个主表面上形成处于相同电位的振动电极。
5.如权利要求1到4中任一项所述的压电谐振器，其特征在于非激励层由非极化压电陶瓷或介电陶瓷制成。
6.如权利要求1到4中任一项所述的压电谐振器，还包括：
在元件主体的表面上形成的第一和第二端面电极；
电气连接到第一端面电极的假信号响应抑制电极，
其特征在于假信号响应抑制电极是如此形成的，从而沿着与激励层和非激励层的淀积方向垂直的方向，该假信号响应抑制电极到振动电极的一端有一恒定间隙，所述振动电极的另一端连到第二端面。
7.如权利要求5所述的压电谐振器，还包括：
在元件主体的表面上形成的第一和第二端面电极；
电气连接到第一端面电极的假信号响应抑制电极，
其特征在于假信号响应抑制电极是如此形成的，从而沿着与激励层和非激励层的淀积方向垂直的方向，该假信号响应抑制电极到振动电极的一端有一恒定间隙，所述振动电极的另一端连到第二端面。
8.如权利要求6所述的压电谐振器，其特征在于此间隙与单元层厚度之比，即间隙/单元层厚度在1.0到3.0的范围内。
9.如权利要求7所述的压电谐振器，其特征在于此间隙与单元层厚度之比，即间隙/单元层厚度在1.0到3.0的范围内。
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