CN1211857A - 厚度延伸振动模式压电谐振器 - Google Patents

Abstract

厚度延伸压电谐振器1包括矩形压电条2、在压电条2的两个表面上形成的第一和第二激励电极3、4和设置在压电条内部的内部电极6。把第一和第二激励电极3和4放置在压电条2的相对的两侧。内部电极6与第一和第二激励电极3、4面对。假设压电条2的宽度为W而厚度为t,如果d=t/n则压电条的尺寸满足W/d小于6.1。可将这种厚度延伸压电谐振器制成较小尺寸。谐振器可以有效地抑制不想要的寄生振动。

Description

厚度延伸振动模式压电谐振器

本发明涉及用于各种谐振器、振荡器和类似装置的压电谐振器，特别是，涉及利用厚度延伸振动模式的谐波的厚度延伸压电谐振器。

在诸如压电振荡器的压电滤波器等各种压电谐振器组件中使用压电谐振器。这种类型的已知的压电谐振器根据所使用的频率而利用各种压电振动模式。

在117409/1989号未审查专利公报中揭示了一种利用厚度延伸振动模式的二次波的能量陷获(energy-trapped)压电谐振器。现在参考图21和22来描述此压电谐振器。

如图21的分解透视图所示，通过依次堆叠压电材料制成的未烧结陶瓷薄片51、52并把它们烧结在一起而构成上述的压电谐振器。圆形激励电极53形成于未烧结陶瓷薄片51的中央。激励电极53通过引出电极54引出到未烧结陶瓷薄片51的一端。在未烧结陶瓷薄片52上表面的中央形成圆形激励电极55。激励电极55通过引出电极56引出到未烧结陶瓷薄片52的一端。如下部投影图所示，在未烧结陶瓷薄片52的下表面上形成激励电极57。激励电极57通过引出电极58引出到未烧结陶瓷薄片52的一端。

把上述未烧结陶瓷51和52彼此堆叠，并沿厚度方向加压。然后，对它们进行烧结，于是产生一烧结体。然后，使此烧结体极化。于是，获得如图22所示的压电谐振器70。

在压电谐振器60中，压电层61和62沿箭头方向即厚度方向是均匀极化的。

在驱动该装置时，把激励电极53和57连接在一起，在激励电极53、57和激励电极55之加上AC电压。这样，可使压电谐振器60谐振。在此情况下，振动能量被限制在激励电极53、55、57相互重叠的区域，即，谐振部分A。

把利用厚度延伸模式的谐波的已有技术的压电谐振器60设计成如上所述的能量陷获压电谐振器。因此，它具有所需的包围谐振部分A的衰减振动用的振动衰减部分。即，需要与谐振部分的面积相比较大的振动衰减部分。结果，难于促使压电谐振器60小型化。

另一方面，在235422/1990号未审查专利公报中也揭示了一种能量陷获压电谐振器，它使用压电陶瓷条，而且几乎不需要包围谐振部分的额外压电基板部分。

这里，如图23所示，在狭长的压电基板71的上下表面上分别形成激励电极72a和激励电极72b。激励电极72a和72b沿压电基板71的整个主要尺寸延伸，并在压电基板71的纵向中心相互远离，以形成一谐振部分。这两个激励电极72a和72b分别延伸到压电基板71的纵向端部71a和71b。

当压电谐振器70激励厚度延伸振动模式时，由于压电基板71的宽度W与厚度T之间尺寸关系而产生不想要的振动。相应地，235422/1990号未审查专利公报中揭示了在使用基波时，如果谐振频率为16MHz，则应使用的W/T=5.33，在使用三次波时，把W/T大致设定为2.87(这里，谐振频率为大约16MHz)可减少谐振频率和反谐振频率之间不想要的寄生波。

如上所述，117409/1989号未审查专利公报中所揭示的利用厚度延伸振动模式的能量陷获压电谐振器需要包围谐振部分的大的振动衰减部分。因此，难于减小谐振器的尺寸。

235422/1990号未审查专利公报中所揭示的能量陷获压电谐振器不需要谐振部分两侧的振动衰减部分，这样可获得小型化。然而，在利用厚度延伸振动模式的谐波的场合，除了在谐振频率和反谐振频率之间的寄生波以外，还出现各种不想要的寄生波。结果，不能获得有效的谐振特性。

因此，本发明的目的在于提供一种厚度延伸压电谐振器，它利用厚度延伸振动模式的谐波，而且可以制成较小尺寸，于是可以有效地抑制不想要的寄生振动(从而具有较好的谐振特性)。

本发明提供一种利用厚度延伸振动模式的n次谐波的厚度延伸振动模式压电谐振器，所述压电谐振器包括：具有互相面对的第一和第二面的矩形压电板；分别设置在所述第一和第二面上并通过压电板互相面对的第一和第二激励电极；设置在所述压电板中并至少部分面对第一和第二激励电极设置的至少一个内部电极；限定谐振部分的所述第一和第二激励电极的面对部分、所述内部电极和所述所述压电板；其中，W/d小于6.1，其中d=t/n,W和t分别是矩形压电板的宽度和厚度，而n是大于1的整数。

运用上述结构，可以有效地抑制由于截面边缘模式和除了所用的谐波之外的谐波所引起的不想要的寄生振动。结果，可以提供具有良好谐振特性的厚度延伸压电谐振器。

较佳的是，上述厚度延伸振动模式压电谐振器的W/d满足下列范围中的任何一个：

W/d≤0.8，

1.0≤W/d≤2.0，

2.2≤W/d≤4.0，

4.3≤W/d≤4.8，

5.7≤W/d≤6.1。

当把比值W/d设置在上述五个确定范围中的任一范围内时，可以更加有效地抑制由截面边缘模式和除了所用的谐波之外的谐波所引起的不想要的寄生振动。

在上述厚度延伸振动模式压电谐振器中，所述厚度延伸振动模式压电谐振器可以是具有谐振部分和只沿着一个方向的振动衰减部分的能量陷获压电谐振器，和可以如此设置所述第一和第二激励电极，从而沿着与所述方向垂直的方向延伸至或靠近于压电板的一个端部。

当如上所述地构成谐振器时，把谐振器制成能量陷获压电谐振器。只沿着一个方向呈现振动衰减量。如此形成第一和第二激励电极，从而沿着与所述方向垂直的方向延伸至或靠近于压电板的端部。因此，在谐振部分的侧面不必提供振动衰减部分。因此，可以使压电谐振器小型化。

在上述厚度延伸振动模式压电谐振器中，所述压电板可以是狭长条型。

当把狭长压电条用作压电板，可以加速厚度延伸压电谐振器的小型化，而且可以提供尺寸更小的厚度延伸压电谐振器。

上述厚度延伸振动模式压电谐振器还包括设置在压电板的第一或第二面上并在两者之间有一间隔的电容器，间隔起到不阻止压电谐振器振动的作用。

根据上述结构，采用具有极少不想要的寄生振动和良好的谐振特性的压电谐振器，可以提供具有内置电容器的压电谐振器。

图1是示出根据本发明的第一实施例的厚度延伸压电谐振器的透视图；

图2是根据第一实施例的厚度延伸压电谐振器的剖面图；

图3是其位移分布如图4-8所示的压电谐振器的一半剖面图；

图4是示出用有限元法分析的以截面边缘模式SE₀振动的压电板的位移分布的图；

图5是示出用有限法分析的以截面边缘模式SE₁振动的压电板的位移分布的图；

图6是示出用有限元法分析的以截面边缘模式SE₂振动的压电板的位移分布的图；

图7是示出用有限元法分析的以截面边缘模式SE₃振动的压电板的位移分布的图；

图8是示出用有限元法分析的以截面边缘模式SE₄振动的压电板的位移分布的图；

图9是示出其中比值W/d是4.2，并运用有限元法进行分析的阻抗-频率特性的图；

图10是示出其中比值W/d是2.8，并运用有限元法进行分析的厚度延伸压电谐振器的阻抗-频率特性的图；

图11是示出根据本发明第一实施例的厚度延伸压电谐振器的阻抗-频率谐振器的图；

图12是示出在比值W/d的绝对值和相对带宽之间关系的图；

图13是示出根据本发明第二实施例的厚度延伸压电谐振器的透视图；

图14是示出根据本发明的厚度延伸压电谐振器的第一变更例的剖面图；

图15是示出根据本发明的厚度延伸压电谐振器的第二变更例的剖面图；

图16是示出根据本发明的厚度延伸压电谐振器的第三变更例的剖面图；

图17是示出根据本发明的厚度延伸压电谐振器的第四变更例的剖面图；

图18是示出具有内置电容器的压电谐振器的透视图，其中根据本发明的第三实施例制成所述谐振器；

图19是示出如图18所示的压电谐振器的电路结构的图；

图20是示出根据本发明的厚度延伸压电谐振器的又一个变更例的透视图；

图21是示出现有技术的厚度延伸压电谐振器的一例的部件分解透视图；

图22是如图21所示的厚度延伸压电谐振器的剖面图；

图23是示出现有技术的厚度延伸压电谐振器的另一例的透视图；和

图24示出现有技术的厚度延伸压电谐振器的阻抗-频率特性。

本发明的其它特性和优点从下面参照附图对于本发明的描述中显而易见。

(第一实施例)

图1是示出根据本发明的第一实施例的厚度延伸压电谐振器的透视图。图2是谐振器的剖面图。

厚度延伸压电谐振器1由包括压电陶瓷(诸如锆钛酸铅基陶瓷)的狭长压电条2形成。假设压电板的宽度为W，厚度为t，如果d=t/n，那么把W/d设置为小于6.1。

沿着如图中箭头所示的厚度方向使压电板2均匀极化。在压电条2的顶面上形成第一激励电极3。在底面上形成第二激励电极4。在压电条2的顶面和底面处，激励电极3和4从压电条2的一端2a朝另一端2b延伸。

通过在压电条2的端面2a上形成连接电极5，把激励电极3和4连接起来。

在压电条2的中间一半高度处，形成内部电极6。把内部电极6引出到压电条2的端面2b，并与在端面2b上形成的端电极7电气连接。

在操作期间，在第一和第二激励电极3、4与内部电极6之间施加交流电压，由此强烈感生厚度延伸振动模式的二次波。于是，可以把谐振器用作利用二次波的压电谐振器。

在本实施例中，通过在压电条2的纵向中心的压电层，把第一和第二激励电极3和4叠在内部电极6上。因此，在内部电极6与第一和第二激励电极3、4重叠的部分中，形成能量陷获谐振部分。当此谐振部分谐振时，由从谐振部分延伸到端面2a和2b的压电部分衰减能量。

如果把上述谐振部分作为中心，那么只沿着压电条2的纵向(第一方向)，在纵向相对的两侧处形成振动衰减部分。第一和第二激励电极沿着与纵向垂直的方向延伸到压电条的端部，即，到纵向端部。

在这种情况下，只要求第一和第二激励电极3、4和内部电极6在谐振部分6中沿着压电条2整个宽度延伸。在谐振部分之外，通常不要求保持这个宽度。把激励电极3作为一个例子。激励电极3只需在谐振部分中沿着压电条2的整个宽度延伸。由于只是将激励电极与连接电极5电气连接，所以在端面2a侧的激励电极部分可以细些。

与现有技术的条型厚度延伸压电谐振器不同，根据本实施例的厚度延伸压电谐振器1能有效地抑制由于横向模式振动造成的不要的寄生振动，如参照图24和3-11所述。

运用本发明，我们确定，如图23所示的现有技术的条型压电谐振器70产生由于压电衬底71的截面边缘模式引起的强烈谐振。图24示出这种压电谐振器70的阻抗-频率特性。

在图24中，由箭头TE₂所示的振动模式是厚度延伸振动模式的二次波。由SE₁-SE₃所示的响应是由截面边缘模式所引起的寄生振动。从具有谐振频率为16MHz的压电谐振器70得出如图24所示的阻抗-频率特性。从图24可见，由SP₁、SP₂和SP₃所示的寄生振动分别接近于13.5、14.5和16.5MHz。可见每个寄生振动很大。

我们分析压电谐振器在上述寄生振动处的位移。已获得如图4-8所示的结果。图4-8是如图3所示的条形的厚度延伸压电谐振器当沿着与纵向垂直的方向向沿着厚度方向时截取的水平剖面图，它以放大的比例示意地示出条型压电谐振器的一半表面的位移。

图4-8是截面边缘模式的位移模式，并将它们分别称为SE₀-SE₄。考虑到，SP₁、SP₂和SP₃或者基于截面边缘模式寄生振动SE₂，或者与SE₂伴是。

因此，本发明的发明者进行各种实验，试图抑制由上述截面边缘模式SE₀-SE₄引起的寄生振动，并发现在压电板2的宽度为W和厚度为t以及d=t/n的情况下，如果比值W/d设置为一定值，那么可以减小截面边缘模式的响应，而且只能强烈地激励厚度延伸振动模式的二次波TE₂。即，图9和10示出在比值W/d=4.2和2.8的情况下，压电板1的阻抗-频率特性，它们是运用有限元法分析的。

从图9可见，图中W/d等于4.2，在谐振点fr和反谐振点fa之间的通带中强烈地出现截面边缘模式SE₂和相关模式。如图10所示，图中W/d等于2.8，在谐振点fr和反谐振点fa之间的通带附近，不出现大的截面边缘模式寄生振动。

我们根据运用上述有限元法的分析，实际制造压电谐振器1，从而W/d=2.8。测量阻抗-频率特性，而得到如图11所示的结果。

从图11可见，在谐振点fr和反谐振点fa之间的通带附近几乎没有由于截面边缘模式引起的寄生振动出现。

当上述比值W/d变化时，获得较好的谐振特性，如图11所示。由于这个，运用有限元法确定当比值W/d变化时获得的模式的频率常数。获得如图12所示的结果。

这里所指的频率常数是反谐振频率fa与d相乘，以使频率为定值。

从图12可见，当比率W/d变化时，相对带宽变化。特别是，当W/d超过6，由截面边缘模式引起的谐振点(由图12中的x所示)出现在通带中。当比值W/d小于6.1，通过适当选择比率W/d的值可以获得不受由截面边缘模式引起的振动影响的厚度延伸压电谐振器。特别是，当在式(1)-(5)的范围内设定比值W/d，由x所示的截面边缘模式的谐振不在谐振点(O)和反谐振点(Δ)之间的通带内，因而可以获得良好的谐振特性。

在根据本发明的厚度延伸压电谐振器1中，如上所述，把压电板2的比值W/d设置为小于6.1。因此，当构成利用厚度延伸振动模式的二次波TE2的压电谐振器，可以有效地抑制由截面边缘模式引起的不想要的寄生振动。结果，可以获得良好的谐振特性。

(第二实施例)

在根据第一实施例的厚度延伸压电谐振器1中，使压电条2沿着厚度方向均匀极化。以平行结构连接压电谐振器，从而施加的电场在每个后续的层中反向。还可以把本发明应用于多个压电层沿着厚度方向交替相反地极化的串联型压电谐振器。图13示出这种串联型厚度延伸压电谐振器。

如图13所示的厚度延伸压电谐振器11由狭长矩形压电条12构成。在压电条12的顶面上形成第一激励电极13。在底面上形成第二激励电极14。分别把第一和第二激励电极13和14设置在压电条12相对的两侧上。在压电条12的纵向中心处，第一和第二激励电极13和14互相面对。第一和第二激励电极13、14互相面对的部分形成能量陷获谐振部分。

此外，在本实施例中，分别把第一和第二激励电极13、14引出到压电条12的端面12a和12b。除了谐振部分之外的部分不需要沿着压电条12的整个长度延伸。

从不同的观点看，激励电极13和14沿着压电条12的纵向形成具有振动衰减部分的能量陷获谐振部分。为此，第一和第二激励电极13和14沿着与纵向垂直的方向，延伸到压电条12的纵向端部。

在压电条12内的一半高度处形成内部电极16，并用于使压电条12极化。即，在极化期间，通过分别把高压和低压施加于内部电极16和激励电极13、14，沿着厚度方向以相反方向使压电条12c和12d极化。

在操作期间，分别在第一和第二激励电极13和14之间施加交流电压。即，内部电极16不用于该操作。可以激励厚度延伸振动模式的二次波TE₂。

由于把比值W/d设置在上述五个范围的任一范围内，所以用与根据第一实施例的厚度延伸振动模式压电谐振器1相同的方法，根据第二实施例的厚度延伸振动模式压电谐振器11可以有效地抑制由截面边缘模式引起的不想要的寄生振动。结果，可以获得良好的谐振特性。

(变更例)

第一和第二实施例提供都利用厚度延伸振动模式的二次波的压电谐振器1和11。根据本发明的压电谐振器可以利用除了厚度延伸振动模式的二次波之外的谐波。图14-17是示出利用这些谐波的压电谐振器的剖面图，而且与用于描述第一实施例的图2相对应。

图14是利用厚度延伸振动模式的三次波的并联型厚度延伸压电谐振器21。特别是，把两个内部电极22和23设置在压电体2内。沿着箭头所示的厚度方向使压电体2均匀极化。于是，可以建立利用厚度延伸振动模式的三次波的压电谐振器21。

如图15所示的厚度延伸压电谐振器24是示出利用厚度延伸振动模式的四次波的并联型压电谐振器24的剖面图。在厚度延伸压电谐振器24中，沿着厚度方向使压电条2均匀极化。沿着谐振器内的厚度方向把三个内部电极25-27互相有规则地隔开。于是，有效地激励厚度延伸振动模式的四次波。

图16是示出利用厚度延伸振动模式的三次波的串联型厚度延伸压电谐振器28的剖面图。在这种厚度延伸压电谐振器28中，把两个内部电极29和30设置在压电体12中。把压电体12的内部分成三层压电层12e-12g。运用这些内部电极29和30，进行极化，从而使互相邻近的压电层沿着厚度方向以相反的方向极化。于是，通过对第一和第二激励电极13和14施加交流电压，可以激励厚度延伸振动模式的三次波。

同样地，图17是示出利用厚度延伸振动模式的四次波的串联型压电谐振器31的剖面图。这里，把三个内部电极32-34置于压电体12内。使用这三个内部电极32-34进行极化，从而使相邻的压电层沿厚度方向以相反的方向极化。

因此，通过对第一和第二激励电极13和14的施加交流电压，可实现利用厚度延伸振动模式的四次波的压电谐振器。

此外，在如图14-17所示的厚度延伸压电谐振器中，把比值W/d设置在上述五个范围中的任何一个中。因此，可以与第一和第二实施例相同的方法，利用厚度延伸振动的谐波。此外，可以有效地抑制由于截面边缘模式或其它谐波引起的不想要的寄生振动。

(第三实施例)

图18是示出依据本发明第三实施例的厚度延伸压电谐振器的透视图。图19是示出其等效电路的图。图18示出一压电谐振器41，它是依据第一实施例的厚度延伸振动模式压电谐振器1与电容器42的组合。电容器42通过导电粘合剂43、44粘合到厚度延伸振动模式压电谐振器1的底面。

在电容器42中，通过介质衬底42a顶面上给定的空隙来形成电容电极42b和42c。在介质衬底42a的底面上形成公共电极42d。公共电极42d和电容电极42b、42c位于介质衬底42a的面对的两侧。

导电粘合剂43把电容电极42b粘合到端电极7。导电粘合剂44把电容电极42c粘合到端电极5。

因此，如图19所示，可把压电谐振器41用作装有两个电容单元的压电谐振器。

于是，厚度延伸振动模式压电谐振器1是利用厚度延伸振动的二次波的压电谐振器。可有效地抑制由截面边缘模式引起的寄生振动。因此，可提供具有良好频率特性的压电谐振器。

(其它变更例)

图20是示出根据本发明的厚度延伸压电谐振器的另外的变更例的透视图。

根据本发明的厚度延伸压电谐振器的特性在于谐振器利用厚度延伸振动模式的谐波，而且把比值W/d设置在上述五个确定的范围内。于是，抑制由截面边缘模式和其它谐波引起的不想要的寄生振动。即，本发明不限于能量陷获压电谐振器。如图20所示，可将本发明用于除了能量陷获型之外的厚度延伸压电谐振器。

参照图20，厚度延伸压电谐振器45包括狭长的矩形压电条46。把这个压电条46的比值W/d设置在结合第一实施例所述的五个确定范围中的任何一个内。分别在压电条46的整个顶面和整个底面上形成第一激励电极47和第二激励电极48。把内部电极50设置在压电条内。在这个压电条46中，使相邻的压电层46a和46b沿着厚度方向以相反方向极化。

此外，在压电谐振器45中，把W/d设置在所述确定范围内。用与根据第二实施例的厚度延伸压电谐振器11相同的方法，可以有效地抑制由截面边缘模式和其它谐波引起的不想要的寄生振动。可以获得良好的谐振特性。

虽然参考本发明的较佳实施例特别描述了本发明，但本领域熟练的技术人员应理解，可对本发明的形式和细节进行上述的和其他的变化而不背离本发明的精神。

Claims (6)

1．一种利用厚度延伸振动模式的n次谐波的厚度延伸振动模式压电谐振器，其特征在于，所述压电谐振器包括：

具有互相面对的第一和第二面的矩形压电板；

分别设置在所述第一和第二面上并通过所述压电板互相面对的第一和第二激励电极；

设置在所述压电板中并至少部分与所述第一和第二激励电极面对设置的至少一个内部电极；

限定谐振部分的所述第一和第二激励电极的所述面对部分、所述内部电极和所述压电板；其中

W/d小于6.1，其中d=t/n，W和t分别是所述矩形压电板的宽度和厚度，而n是大于1的整数。

2．如权利要求1所述的厚度延伸振动模式压电谐振器，其特征在于，所述W/d满足下列范围中的任何一个：

W/d≤0.8，

1.0≤W/d≤2.0，

2.2≤W/d≤4.0，

4.3≤W/d≤4.8，

5.7≤W/d≤6.1。

3．如权利要求2所述的厚度延伸振动模式压电谐振器，其特征在于，所述厚度延伸振动模式压电谐振器是具有所述谐振部分和只沿着一个方向的振动衰减部分的能量陷获压电谐振器，和

如此设置所述第一和第二激励电极，从而沿着与所述方向垂直的方向延伸至或靠近于所述压电板的两端。

4．如权利要求1所述的厚度延伸振动模式压电谐振器，其特征在于；

所述厚度延伸振动模式压电谐振器是具有所述谐振部分和只沿着一个方向的振动衰减部分的能量陷获压电谐振器，和

如此设置所述第一和第二激励电极，从而沿着与所述方向垂直的方向延伸至或靠近于所述压电板的一端。

5．如权利要求1至4中的任一权利要求所述的厚度延伸振动模式压电谐振器，其特征在于，所述压电板是狭长条型。

6．如权利要求1至5中的任一权利要求所述的厚度延伸振动模式压电谐振器，其特征在于，还包括设置在所述压电板的所述第一或第二面上并在两者之间有一间隔的电容器，所述间隔起到不阻止所述压电谐振器振动的作用。

Images