CN1190890C - 压电谐振器及调整其谐振频率的方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有较小的寄生谐振和谐振频率和反谐振频率之间较大的差值ΔF的压电谐振器，其谐振频率可以被调整至一个较低的频率。压电谐振器有一个基件，该基件包括多个叠层的压电层和多个内部电极，它们大致上垂直于基件的纵向而设置。多个压电层沿基件的纵向极化。第一外部电极和第二外部电极位于所述基件的表面上，并连接到所述多个电极。压电谐振器的谐振频率通过沿所述基件的纵向磨削的中间部分而进行调整。

Description

压电谐振器及调整其谐振频率的方法
技术领域
本发明涉及压电谐振器和调整压电谐振器的谐振频率的方法，本发明尤其涉及一种最大限度使用压电元件的机械谐振压电谐振器，和包括诸如振荡器、鉴频器和滤波器之类的包括这种压电谐振器的电子元件，以及调整这种压电谐振器的谐振频率的方法。
背景技术
在传统的压电谐振器中，电极位于压电基片的两个表面上，其中压电基片从上面看为矩形板或方形板。压电基片沿厚度方向极化。当信号输入电极之间时，把一个电场沿厚度方向施加到压电基片上，而压电基片沿平行于其主表面的方向振动。
上述压电谐振器是非加强型，其中振动方向不同于极化方向和电场的施加方向。这种非加强的压电谐振器的机电耦合系数比加强的压电谐振器的机电耦合系数低，其中加强的压电谐振器的振动方向、极化方向和施加电场的方向是相同的。因此，非加强的压电谐振器的谐振频率和反谐振频率具有相对较小的频率差值ΔF。这导致这样一个问题，即当把非加强的谐振器用作振荡器或滤波器时，使用的频带宽度较窄。因此，在这种压电谐振器和包括这种压电谐振器的电子元件中特性设计的自由度较低。
上述使用具有从上面看为矩形板的压电基片的压电谐振器使用纵向模式一次谐振。由于它的结构，它还产生数谐波模式(诸如三次和五次模式)，和宽度模式的较大的寄生谐振。
上述使用从上面看是矩形板的压电基片的压电谐振器以使用纵向模式一次谐振。由于它的结构，它还有可能产生较大的寄生谐振，诸如厚度模式和方形振动模式的和三次谐波模式。
已经提出一种叠层结构的压电谐振器，这种压电谐振器具有较小的寄生谐振，并且谐振频率和反谐振频率之间具有较大的差值ΔF。图20是这种叠层结构的压电谐振器的图。在图20所述的叠层结构压电谐振器1中，多个压电层3和多个内部电极4交替地层叠，以形成窄的基件(base member)2，并且多个压电层3沿基件2的纵向极化。这种叠层结构的压电谐振器1是加强型的，并具有压电层3，其中振动方向、极化方向和施加电场的方向是相同的。因此，当和振动方向不同于极化方向和电场方向的非加强的压电谐振器比较时，加强的压电谐振器具有更大的机电耦合系数，并且谐振频率和反谐振频率之间具有更大的差值ΔF。另外，由于这种叠层结构的压电谐振器1是加强型的，故不太可能发生诸如宽度模式和厚度模式之类的不同于基本振动的振动。在这个层叠结构压电谐振器中，内部电极4的边缘暴露于基件2的所有侧面。在基件2的一个侧面，绝缘薄膜5a覆盖每一个交错的内部电极4的一个边缘的一端，如此形成外部电极，从而连接到其它的交错的内部电极4。在基件2的侧面上，为了把外部电极6b连接到交错的内部电极4(对它们已形成绝缘薄膜5a)，使绝缘薄膜5b覆盖每个另一些交错的内部电极4的边缘的另一端，并且随后形成外部电极6b。
当大量生产如图20所示的叠层结构压电谐振器1时，由于制造方面的变化，在一些情况下不能得到想要的谐振频率和想要的反谐振频率。如果压电谐振器1的频率低于想要的频率，则可以通过磨削谐振器，使总长度变短而增加至想要的频率。但如果压电谐振器1的频率高于想要的频率，则无法将频率降低至想要的频率。因此，制造成品率较低。
发明内容
为了克服上述的问题，本发明的最佳实施例提供了一种压电谐振器，这种压电谐振器具有较小寄生谐振，而谐振频率和反谐振频率之间具有较大的差值ΔF，并且这种谐振器中的频率已被调整至较低的频率。
本发明的的较佳实施例提供了一种调整压电谐振器的谐振频率的方法，其中具有较小的寄生谐振，而谐振频率和反谐振频率之间具有较大差值的压电谐振器的频率可以被调整至较低的频率。
根据本发明的较佳实施例，压电谐振器包括具有纵向的基底部件；沿垂直于基件的纵向，并以某一间隔设置的多个内部电极；及位于基件表面上，并连接到多个内部电极的第一外部电极和第二外部电极；其中基件包括多个叠层的压电层，多个压电层沿基件的纵向极化，并且多个内部电极位于多个压电层的表面上而垂直于基件的纵向；而且压电谐振器的谐振频率通过沿基件纵向磨削中间部分而进行调整。
在根据这一较佳实施例的压电谐振器中，沿基件纵向把中间部分磨削至统一的深度或不同的深度。例如，沿基件纵向的中间部分的中心磨削深度大于沿基件纵向的其它部分的磨削深度。
本发明的较佳实施例还提供了一种调整压电谐振器的谐振频率的方法，压电谐振器包括：具有纵向的基件；沿垂直于基件的纵向，并以某一间隔设置的多个内部电极；位于基件的表面上，并连接到多个内部电极的第一外部电极和第二外部电极；基件包括多个叠层的压电层，多个压电层沿基件的纵向极化，多个内部电极位于多个压电层的表面上而垂直于所述基件的纵向；这种方法包括磨削沿所述基件的纵向位于多个压电层的表面上中间部分，以调整所述压电谐振器的谐振频率的步骤。
在根据本较佳实施例的方法中，磨削步骤包括沿基件的纵向将中间部分磨削至统一或不同的深度的步骤。磨削步骤例如包括，磨削沿所述基件纵向的中间部分的中心的步骤，沿所述基件纵向的中间部分的中心的磨削深度大于沿所述基件纵向的其它部分的磨削深度。
根据本发明的一较佳实施例的压电谐振器是加强型的，并具有该振动方向、极化方向和施加电场的方向是相同的压电层。因此，当和振动方向不同于极化方向和电场方向的非加强的压电谐振器比较时，加强的压电谐振器具有更大的机电耦合系数，并且谐振频率和反谐振频率之间具有更大的频率差值ΔF。另外，在加强的压电谐振器中不大可能发生不同于纵向振动的宽度模式和厚度模式之类的振动。
另外，具有较小寄生谐振，并且谐振频率和反谐振频率之间具有较大差值ΔF的压电谐振器的频率可以被调整至一较低的频率。因此，可提高压电谐振器的成品率。
而且，由于可利用根据本发明的压电谐振器制造片型电子元件，故能容易地将元件安装到电路板上。
附图概述
从下面参照附图对本发明的描述中，本发明的其它特点和优点是显而易见的。
图1是根据本发明的较佳实施例的压电谐振器的图。
图2是示出用于在压电谐振器的基件处形成磨削部分的磨削机的图。
图3是示出图1所示压电谐振器在磨削部分形成前(磨削前)和磨削部分形成后(磨削后)得到的频率特性的曲线图。
图4是示出图1中所示的压电谐振器中磨削部分的半径“r”和谐振频率Fr之间的关系的曲线图。
图5是示出图1中所示的压电谐振器中磨削部分的深度“d”和谐振频率Fr之间的关系的曲线图。
图6是根据本发明的另一个实施例的压电谐振器的图。
图7是示出图6所示压电谐振器在磨削部分形成前(磨削前)和磨削部分形成后(磨削后)得到的频率特性的曲线图。
图8是示出图6所示的压电谐振器中磨削部分的宽度“w”和谐振频率Fr之间的关系的曲线图。
图9是示出图6所示的压电谐振器中磨削部分的深度“d”和谐振频率Fr之间的关系的曲线图。
图10是示出在图6中所示的压电谐振器10中对于谐振频率Fr、反谐振频率Fa和它们之间的差值ΔF，磨削部分的规定磨削值和频率变化之间，的关系的曲线图。
图11是示出图6中所示的压电谐振器10的磨削部分的规定磨削深度和谐振频率Fr的频率变化之间的关系的曲线图，其中磨削部分由于磨削层的数量设定为1、2、3和5而具有不同的宽度。
图12是示出图6中所示的压电谐振器10的磨削部分的规定磨削深度和反谐振频率Fr的频率变化之间的关系的曲线图，其中磨削部分由于磨削层的数量设定1、2、3和5而具有不同的宽度。
图13是示出磨削部分的规定磨削深度和磨削部分的实际宽度之间的关系的曲线图。
图14是示出磨削部分的规定磨削深度和磨削部分的实际深度之间的关系的曲线图。
图15是示出根据本发明的还有一个实施例的压电谐振器的示图。
图16是示出图15所示压电谐振器在磨削部分形成前(磨削前)和磨削部分形成后(磨削后)得到的频率特性的曲线图。
图17是一种电子元件的图，这种电子元件包括根据本发明的另一个较佳实施例的压电谐振器。
图18是示出安装图17所示的压电谐振器的方法的侧示图。
图19(a)和19(b)是用于压电谐振器内部电极的修改的平面图。
图20是用作本发明的背景技术的叠层结构压电谐振器的图。
本发明的较佳实施方式
图1是根据本发明的较佳实施例的压电谐振器的图。图1中所示的压电谐振器10最好包括大致上为长方体形状的基件12，其中该基件尺寸是大约4.8mm×大约1mm×大约1mm。基件12包括多个(例如20个)由例如压电陶瓷材料或其它适合的材料制成的叠层的压电层12a。压电层12a最好形成得尺寸相等。这些压电层12a这样沿基件12的纵向极化，从而相邻的压电层12a具有相反的极化方向，如图1中的箭头所示。
在基件12的多个压电层12a的每个压电层之间形成有内部电极14。这些内部电极14与基件12的纵向相垂直，并沿基件12的纵向以某一间隔设置。这些内部电极14设置在压电层12a的整个的主表面上。由此，如此这些内部电极14设置，从而在基件12的四个侧面处露出。
在基件12的一个侧面上，每个交错的内部电极14的一个边缘的一端由绝缘薄膜16覆盖，而每个交错的内部电极14的一个边缘的另一端由绝缘薄膜18覆盖。
在基件12的侧面上，第一外部电极20设置在形成于交错的内部电极14上的绝缘薄膜16上，从而外部电极20连接到另外的交错的内部电极14。在基件12的侧面上，第二外部电极22设置在形成于另外的交错的内部电极14上的绝缘薄膜18上，从而外部电极22连接到交错的内部电极14。
在和基件12的上述侧面相向的侧面上，沿纵向在中间部分处形成一个磨削部分24，该磨削部分具有例如弧形截面。在这种情况下，如此形成磨削部分24，从而沿基件12的纵向中间部分的中心被磨削得最深。用该磨削部分24将压电谐振器10的谐振频率或反谐振频率调整到到较低的频率。
磨削部分24是通过例如示于图2中的一种磨削机100形成的。图2中所示的磨削机100具有两个固定平台102和104。在固定平台102上设置有固定夹106，用于使用例如胶粘剂固定压电谐振器10。分别用固定螺钉108和110将压紧部件112和114固定到两个固定平台102和104，而固定夹106由这些压紧部件112和114向下压。将金刚石砂轮116可旋转和可移动地设置在固定夹106上方。磨削部分24是通过对着压电谐振器10压下旋转的金刚石砂轮116而形成的，其中压电谐振器10由固定夹106固定。
压电谐振器10将第一和第二外部电极20和22用作输入和输出电极。当把信号提供给第一和第二外部电极20和22时，由于在相邻的内部电极14之间施加有电场，故压电激活基件12的除了在其两端的压电层之外的那些压电层12a。由于电压是沿相反方向施加给压电层12a的，而其中压电层12a在基件中沿相反方向极化，故压电层12a整体上沿相同的方向扩展和收缩。换句话说，通过连接到外部电极20和22的内部电极14把沿基件12的纵向的交流电场施加给每个压电层12a，以产生在每个压电层12a中收缩和扩展的驱动力。由此，整个压电谐振器10以基本模式沿纵向振动，而以基件12沿纵向的中心作为节点。
在压电谐振器10中，压电层12a的极化方向、由输入信号造成的所施加电场的方向及压电层12a中的振动方向都是相同的。换句话说，压电谐振器10是加强型的。压电谐振器10具有比非加强的压电谐振器更大的机电耦合系数，其中非加强的压电谐振器的振动方向不同于极化和电场的方向。因此，压电谐振器10在谐振频率和反谐振频率之间具有比传统的非加强的压电谐振器更大的频率差值ΔF。这意味着，和传统的非加强的压电谐振器相比，压电谐振器10可获得宽频带特性。
在图1所示的压电谐振器10中，沿基件12的纵向在中间部分形成磨削部分24，藉此和图20中所示的压电谐振器1相比，频率被调整到较低频率。图3示出图1中所示的压电谐振器10在形成磨削部分24之前(磨削之前)和形成磨削部分24之后(磨削之后)获得的频率特性。
图4示出图1所示的压电谐振器10中磨削部分24的半径“r”和谐振频率Fr之间的关系。图5示出图1所示的压电谐振器10中磨削部分24的深度“d”和谐振频率Fr之间的关系。图1所示的压电谐振器的其它频率(例如反谐振频率Fa)根据磨削部分24的半径“r”和深度“d”以和谐振频率Fr相同方式变化。
在压电谐振器10中，谐振器的电容例如可以通过改变内部电极14的相面对的面积、压电层12a的数量、或内部电极14的数量、或压电层12a沿基件12纵向尺寸而进行调整。换句话说，电容可以通过增加内部电极14的相面对的面积、压电层12a的数量、或内部电极14的数量、或减小压电层12a沿基件12的纵向尺寸而增加。相反，谐振器的电容可以通过减小内部电极14的相面对的面积、压电层12a的数量、或内部电极14的数量、或增加压电层12a沿基件12的纵向的尺寸而减小。因此，通过调整内部电极14的相对的面积、压电层12a的数量、内部电极14的数量、或压电层12a沿基件12的纵向尺寸来调整电容。这意味着给了电容设计一个大的自由度。因此，当将压电谐振器10安装到电路板上时，容易得到和外部电路匹配的阻抗。
图6是根据本发明的另一个实施例的压电谐振器的图。在图6所示的压电谐振器中，和图1中所示的压电谐振器相比，在沿基件12纵向的中间部分处形成截面为矩形的磨削部分24。这一磨削部分24依旧可以通过图2中所示的磨削机100制得。
图6中所示的压电谐振器以图1所示的压电谐振器的磨削部分24的深度“d”的大致一半，就可以获得与其相同的频率。因此，它具有另一个优点，即由于磨削部分24而深度“d”而使频率可以被调整到更低的频率。图7示出图6中所示的压电谐振器10在磨削部分24形成之前(磨削前)和磨削部分24形成之后(磨削后)获得的频率特性。
图8示出图6所示的压电谐振器10中的磨削部分24的宽度“W”和谐振频率Fr之间的关系。图9示出图6所示的压电谐振器中磨削部分24的深度“d”和谐振频率Fr之间的关系。图6所示的压电谐振器10的其它的频率(例如反谐振频率Fa)根据磨削部分24的宽度“W”和深度“d”以和谐振频率Fr相同方式变化。
图10示出对于图6所示的压电谐振器10中的谐振频率Fr、反谐振频率值Fa和它们之间的差值ΔF，在磨削部分24的规定磨削值(μm)与频率变化(kHz)之间的关系。
图11示出图6中所示的压电谐振器10中磨削部分24的规定磨削深度(μm)与谐振频率Fr的频率变化(kHz)之间的关系，其中磨削部分24具有由图2所示的磨削机100形成的不同宽度，切口层数设定为1、2、3和5。图12示出上述情况下磨削部分24的规定磨削深度(μm)和反谐振频率Fa的频率变化(kHz)之间的关系。图13示出图11和12中所示的规定磨削深度(μm)与磨削部分24的实际宽度(mm)之间的关系。图14示出图11和12所示的规定磨削深度(μm)和磨削部分24的实际深度(μm)之间的关系。
图15是根据本发明的还有一个实施例的压电谐振器。在图15所示的压电谐振器中，和图1中所示的压电谐振器比较，还在基件12沿纵向的中间部分处的另一个侧面上形成另一个矩形截面的磨削部分26。这个磨削部分26也可以由图2所示的磨削机形成。
在图15所示的压电谐振器中，由于和图1和6所示的压电谐振器比较，磨削部分并不集中在基件12的一个侧面中，故它具有另一个优点，即提供较大的强度。图16示出图15中所示的压电谐振器10在磨削部分24和26形成之前(磨削前)和磨削部分24和26形成之后(磨削后)所得到的频率特性。
使用上述的每个压电谐振器10，可制得诸如振荡器和鉴别器等电子元件。图17是一种电子元件60的图。电子元件60包括作为支撑件的绝缘基片62。在绝缘基片62的两个相对端部的每个端部都形成有两个凹口64。在绝缘基片62的一个表面上形成有两个图案电极66和68。一个图案电极66形成在相对的凹口64之间，并以L形自靠近一端的一点朝绝缘基片62的中心延伸。另一个图案电极68形成在另外的相对的凹口64之间，并以L形自靠近另一端的一点朝绝缘基片62的中心延伸。这样图案电极66和68形成，从而它们以绕行的方式，从绝缘基片62的凹口通向相对的表面。
在设置在绝缘基片62的中心的图案电极66和68的每个电极末端处，用导电粘合剂形成作为安装件的突出物70。上述压电谐振器10这样安装在突出物70上，从而将基件12的中心放在突出物70上。如图18中所示，例如把压电谐振器10的第一和第二外部电极20和22连接到突出物70。突出物70可以预先形成在压电谐振器10上。
将金属罩74放置在绝缘基片62上。为了防止金属罩74与图案电极66和68短路，把诸如绝缘树脂之类的绝缘体施加于绝缘基片62和图案电极66及68。覆盖金属罩74，以完成电子元件60的制造。电子元件60将图案电极66和68用作连接至外部电路输入和输出端子，其中这样所述图案电极形成，即它们从绝缘基片62的凹口64通至后表面。
由于在这个电子元件60中形成有突出物70，而且把压电基片10的中心固定于突出物70，压电谐振器10的端部设置得与绝缘基片62分开，故不阻碍振动。因为作为节点的压电谐振器10的中心被固定于突出物70，故不减弱激励的纵向振动。
电子元件60和IC芯片及其它元件一起被安装在电路板上，以形成振荡器或鉴频器。由于具有这种结构的电子元件60被金属罩74密封并保护，故它可用作能通过反射流焊接来安装的片型元件。
当把电子元件60用于振荡器中时，由于用于电子元件60中的压电谐振器10的特点，把寄生振动抑制到一较低的水平，并防止了由寄生振动引起的异常振动。由于压电谐振器10的电容可以设置在任何所需要的值，故还可容易地获得和外部电路的阻抗匹配。尤其是，当把电子元件用于振荡器作压控振动时，由于谐振器的较大的ΔF，故获得了照惯例无法得到的宽的频率范围。
当把电子元件60用于鉴频器时，由于谐振器较大的ΔF而提供了宽的峰值的间隔范围。另外，由于谐振器在设计阶段提供宽的电容范围，故容易获得和外部电路的阻抗匹配。
把上述电子元件做成了芯片形状。但在本发明中，可以有不同于芯片形状的其它形状。
在上述每个压电谐振器10中，把内部电极14设置在压电层12的主表面的整个区域上。在本发明中，可以这样设置电极，从而交错的内部电极14设置在主表面上，但压电层12a的上部的一端除外，如图19(a)中所示，而另一些交错的内部电极14设置在主表面中，但压电层12a的上部的另一端除外，如图19(b)中所示。当以这种方式形成内部电极14时，由于在基件12的一个侧面上，交错的内部电极14不在边缘的一端露出，而另一些交错的内部电极14不在边缘的另一端露出，故不需绝缘薄膜16和18。
在上述压电谐振器10中，多个压电层12a沿相反的方向交替地极化。但多个压电层12a的极化方向不限于这种情况。
在上述压电谐振器10中，压电层12a沿基件12纵向的尺寸是相等的，而相邻的内部电极14之间的间隔是相等的。但它们可以不同。
在上述压电谐振器10中，在相邻的内部电极14之间设置了一个压电层12a。但可设置多个压电层。
在上述压电谐振器10中，第一和第二外部电极20和22分别连接到交错的内部电极14。但它们可以连接到不交错安排的内部电极14。
虽然已经参照较佳实施例具体地示出和描述了本发明，但熟悉本领域的人知道，在不背离本发明的主旨的情况下，可以作出上述和其它的形式上和细节上的改变。

Claims (8)

1.一种压电谐振器，包括：
具有纵向的基件；
多个内部电极，所述内部电极沿垂直于所述基件的纵向并以某一间隔而设置；及
位于所述基件的表面上，并连接到所述多个内部电极的第一外部电极和第二外部电极；其特征在于
所述基件包括多个叠层的压电层，
所述多个压电层沿所述基件的纵向极化，及
所述多个内部电极位于所述多个压电层的表面上，从而垂直于所述基件的纵向；及
压电谐振器的谐振频率通过磨削所述基件沿纵向的中间部分而进行调整。
2.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于所述基件的纵向的中间部分被磨削至统一的深度。
3.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于沿所述基件纵向的中间部分被磨削至不同的深度。
4.如权利要求3所述的压电谐振器，其特征在于沿所述基件纵向的中间部分的中心的磨削深度大于沿所述基件纵向的其它部分的磨削深度。
5.一种压电谐振器的谐振频率的调整方法，其特征在于所述压电谐振器包括：
具有纵向的基件；垂直于所述基件的纵向并以某一间隔设置的多个内部电极；位于所述电极部件的表面上，并连接到所述多个内部电极的第一外部电极和第二外部电极；所述基件包括多个叠层的压电层，所述多个压电层沿所述基件的纵向极化；而且所述多个内部电极位于所述多个压电层的表面上，从而垂直于所述基件的纵向；
所述方法包括沿所述基件纵向磨削其中间部分，以调整所述压电谐振器的谐振频率的步骤。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述磨削步骤包括以统一的深度沿所述基件纵向磨削其中间部分的步骤。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述磨削步骤包括以变化的深度沿所述基件纵向磨削其中间部分的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述磨削步骤包括磨削沿所述基件纵向的中间部分的中心的步骤，沿所述基件纵向的中间部分的中心的磨削深度大于沿所述基件纵向的其它部分的磨削深度。
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