CN1229309A - 适于产生厚度延伸振动模式的谐波的压电谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适合于产生厚度延伸振动模式的谐波的压电谐振器,包括:矩形板形式的压电件;设置在所述压电件上或在其内部的多个激励电极,所述激励电极沿所述压电件的厚度方向相互重叠,并以所述压电件的压电层插在它们之间;分别连接到所述激励电极的引出电极,它们在和激励电极相同的高度位置处修复到所述压电件的侧面;及在设置所述激励电极的高度位置的至少一个高度位置处设置的假电极,在这个位置处关于相应的激励电极和连接到所述激励电极的引出电极具有对称关系。

Description

适于产生厚度延伸振动模式的谐波的压电谐振器

本发明涉及一种适用于产生厚度延伸振动模式的谐波的压电谐振器。本发明尤其涉及包括多个激励电极的上述压电谐振器，这些激励电极沿厚度方向相互重叠，而压电层插在它们之间。

已知一种利用厚度延伸振动模式的谐波的层叠压电谐振器。这种类型的压电谐振器在例如第176110/1989号日本专利公开公告中揭示，如图10的部件分解透视图中所示。这种压电谐振器具有设置在压电层51的上表面的中心部分的激励电极52、设置在压电层53的上表面的中心部分的激励电极54和设置在压电层53的下表面的中心部分的激励电极55。在图10中，通过把激励电极55投影在底部平面上而示出。

引出电极52a、54a和55a分别设置得和激励电极52、54和55连续。每一个引出电极52a、54a和55a延伸到压电层51或53的一个边缘。

如图11中所示，在这个压电谐振器中，相互重叠的激励电极52、54和55的部分以及插在电极之间的压电层51和53的部分构成振动部分，其中，当在激励电极54以及激励电极52和55之间施加交流时，以谐波频率激励厚度延伸振动。

但是，当驱动时，上述压电谐振器有发生以斜对称模式(A模式)振动的问题，它作为波纹出现在谐振特性中。

为了制造上述的压电谐振器，提供了相应于由图12中所示的压电层51和53形成的多个叠片的平面阵列的压电母体56。每个相应于一个压电谐振器的单元叠层通过沿图12中平行于厚度方向的虚线A到C切割压电母体56而得到。在图12中，形成在压电体56中的电极薄膜在58处指出，而未示出形成在压电母体56的上表面上的激励电极52和引出电极52a。

提供电极薄膜58，以形成图10所示的内部激励电极54和引出电极54a。通过沿虚线B切割能够可靠地使引出电极54a的边缘露出在压电谐振器57的侧面。

即，在准备好图12中所示的压电母体56之后，通过沿虚线B切割内部电极薄膜58而使引出电极54a的端面露出。通过这种切割，必须去掉虚线B和C之间所示的压电体的某些部分，这意味着压电材料和电极材料不必要的消耗。这限制了降低生产成本。

因此，上述适合于以厚度延伸振动模式振动的传统的压电谐振器具有由斜对称模式引起的波纹，以在大量的生产中由于不必要的压电和电极材料的消耗而使生产成本较高的缺点。

本发明的一个目的是提供一种适合于以厚度延伸振动模式振动的压电谐振器，这种压电谐振器中能够有效地减小由于斜对称模式引起的波纹，因而它能具有令人满意的谐振特性。

本发明的另一个目的是提供一种制造适合于以厚度延伸振动模式振动的压电谐振器的方法，其中不容易发生由斜对称模式引起的波纹，且能以低成本有效地制造。

本发明的较佳实施例提供了一种适合于以产生厚度延伸振动模式的谐波的压电谐振器，包括：矩形板形式的压电件；设置在所述压电件上或在其中的多个激励电极，所述激励电极沿所述压电件的厚度方向相互重叠，而所述压电件的压电层插在它们之间；分别连接到所述激励电极并且延伸到所述压电件的侧表面的引出电极，所述引出电极和所述激励电极处于高度相同的位置；以及假电极在设置所述激励电极的高度位置中的至少一个位置处设置它，以及在这样的位置处，以便关于相应的激励电极具有对称关系，而引出电极连接到激励电极。

根据上述的压电谐振器，在设置激励电极的高度位置的至少一个位置处设置假电极，并且在这一位置以关于相应的激励电极具有对称关系，把引出电极连接到激励电极。能够以这种方式改进电极对称的程度。因此，能够减小由斜对称模式引起的波纹，由此使得可能在使用厚度延伸振动模式的谐波的厚度延伸振动压电谐振器中得到波纹较小的良好的谐振特性。

在上述压电谐振器中，所述压电件可以包括第一主表面和第二主表面，而所述多个激励电极包括分别设置在所述压电件的所述第一和第二主表面上的第一和第二激励电极和设置在所述压电件内的内部激励电极。

根据上述结构，在沿激励电极层叠部分的厚度方向没有压电材料层。因此限制层叠的压电层的数量，以低成本提供厚度延伸振动压电谐振器。

在上述压电谐振器中，可以把所述多个激励电极设置在所述压电件中，(沿厚度方向，在所述多个激励电极中最外面激励电极)之外，存在有压电层。

根据上述结构，多个激励电极以不同的高度位置设置在压电件中，并且压电层存在于沿厚度方向在最外面激励电极的外面。以这种方式，能够改进振动部分的防潮特性。还有，因为外部有压电层存在，故可以提高厚度延伸振动压电谐振器的机械强度。

在上述压电谐振器中，所述压电件可以是狭长的带状压电件，从而其平面形状中具有长边和短边。

根据上述结构，可以得到这样的压电谐振元件，它的宽度和传统的使用厚度滑移振动模式的压电谐振器一样小，由此可以设计更小的压电谐振器。

在上述的压电谐振器中，所述连接到第一和第二激励电极的引出电极可以延伸到所述压电件的侧表面，而宽度与第一和第二激励电极的宽度相等。

根据上述结构，可以在同一过程中容易而同时地设置第一和第二激励电极和连接到第一和第二激励电极的引出电极。

在上述压电谐振器中，所述压电件可以具有狭长的矩形(具有长边和短边)；连接到所述第一和第二激励电极的引出电极在一端沿压电件的纵向延伸到压电件的侧表面；并且所述第一和第二激励电极如此设置，从而沿压电件的宽度方向延伸到压电件的两端。

根据上述结构，通过沿厚度方向切割压电母体能够容易地得到适合于以厚度延伸振动模式振动的压电谐振器。

本发明的较佳实施例还提供了一种制造上述压电谐振器的方法，包括下述步骤：制备压电母体，其中，多个单元部分的每一个都包括沿厚度方向相互重叠，并且有压电层插在它们之间的多个激励电极，而分别连接到激励电极的电极薄膜通过沿平面分布而形成；和如此沿厚度方向切割所述压电母体，以得到多个所述压电谐振器，其方法是划分开所述电极薄膜，以在每个所述压电谐振器中形成所述激励电极，并在一个相邻的和所述压电谐振器中形成所述假电极。

根据上述的方法，通过在划开电极薄膜时切割，使引出电极在压电件的侧表面处可靠地露出，而避免了压电材料和电极材料不必要的耗费。由此，能够有效地大量生产上述根据本发明的压电谐振器，由此降低了厚度延伸振动压电谐振器的生产成本。

从下面参照附图对本发明的描述，本发明的其它特点和优点是显而易见的。

图1是表示本发明的第一较佳实施例的，适合于产生厚度延伸振动模式的谐波的层叠压电谐振器的透视图。

图2是沿图1的E-E线截取的截面图。

图3A和3B是图，分别示出  用有限元法对压电谐振器以厚度延伸振动模式的谐波振动和谐振器以斜对称模式振动的情况分析的结果。

图4是为比较而准备的没有假电极的，适合于以厚度延伸振动模式振动的层叠压电谐振器的截面图。

图5是示出第一较佳实施例的压电谐振器的阻抗-频率特性的曲线图。

图6是示出为比较而准备的，适合于以厚度延伸振动模式振动的层叠的压电谐振器的阻抗-频率特性的曲线图。

图7是当制造第一较佳实施例的层叠压电谐振器时，所准备的压电母体的示意透视图；

图8是本发明的压电谐振器的一修改例的示意截面图。

图9是本发明的压电谐振器的另一修改例的示意截面图。

图10是适合于以厚度延伸振动模式振动的传统的压电谐振器的部件分解透视图。

图11是适合于以厚度延伸振动模式振动的传统的层叠压电谐振器的部件分解截面图。

图12是用于大量生产适合于以厚度延伸振动模式振动的传统的层叠压电谐振器的压电母体的透视图。

图1是表示根据本发明的第一较佳实施例的，适合于产生厚度延伸振动模式的谐波的层叠压电谐振器的透视图。本实施例的压电谐振器1通过提供狭长的压电件2(具有矩形板的形状)而构成。压电件2由压电陶瓷(例如LiTaO₃、LiNbO₃、石英等的压电单晶)或压电陶瓷(例如基于锆钛酸铅的陶瓷等)制成。如果由压电陶瓷形成，则压电件2沿厚度方向极化。

将第一激励电极3设置在压电件2的第一主表面2a上。将第二激励电极4设置在第二主表面上。内部激励电极5以中间高度设置在压电件2内，从而在激励电极3和4之间延伸，并且压电层插在它们之间。

这里所指的激励电极3到5是沿厚度方向相互重叠的电极部分，而压电层插在它们之间。即，本实施例中，一电极设置得和激励电极3连续，以沿纵向在一端延伸到压电件2的端面2c，并且这个连接到激励电极3的电极部分形成引出电极3a。类似地，引出电极4a设置得和激励电极4连续。还有，延伸到压电件2的另一端面2d的引出电极5a设置得和激励电极5连续。

激励电极3到5沿厚度方向相互重叠的部分(即，由图1中的虚线D限定的部分)形成了振动部分，并且在振动部分D的外面形成上述的引出电极3a、4a和5a。

不必如此设置每一个引出电极3a、4a和5a，从而其宽度等于激励电极3到5的宽度。每一个引出电极3a、4a和5a可以如此设置，从而其尺寸小于激励电极3到5。但是，在这个实施例中，为了使设置电极容易，如此设置每个激励电极3到5和电极3a到5a，从而具有和压电件2相同的宽度。

在压电谐振器1中，在压电件2的第一主表面2a上，把假电极3b设置在和引出电极3a关于激励电极3具有对称关系的位置上。类似地，在压电件2的第二主表面2b上，把假电极4b设置在和引出电极4a关于激励电极4具有对称关系的位置上。另外，在压电件2的中间的高度处(即，在设置激励电极5的高度处)，把假电极设置在与引出电极5a关于激励电极5b具有对称关系的位置处。

本实施例的压电谐振器1的一个特点是，提供上述假电极3b、4b和5b，以减小由于斜对称模式引起的波纹的发生。将参照图2到6解释这个特点。

图2是沿图1的箭头直线E-E截取的压电谐振器1的示意截面图。在压电谐振器1中，假电极3b、4b和5b设置在这些位置处，以分别和引出电极3a、4a以及5a关于激励电极3到5具有对称关系，从而增加了电极布局的对称程度，由此能够限制由于斜对称模式引起的振动的发生。

即，在图1所示的压电谐振器1中，当在激励电极5和激励电极3以及4之间施加交流电压时，振动部分D由厚度延伸振动模式的二次谐波激励。图3A示出用有限元法分析沿图1中的线E-E截取的沿厚度延伸振动压电谐振器1的截面的位移分布的结果。

图3B示出用有限元素法分析用于比较的上述厚度延伸振动压电谐振器1中的斜对称模式的位移分布的结果。

由此，如在本实施例中那样，可以通过将假电极3b到5b设置得关于振动部分D(它带有从振动部分D延伸出来的引出电极3a到5a)对称而改进电极结构的对称程度，由此限制了斜对称模式的振动。

下面将参照实验例子描述减小压电谐振器1中斜对称模式引起的波纹的效果。

制备由钛酸铅做的，并且尺寸为2.5×0.4×0.3mm的压电件2作为层叠的压电谐振器1。在这个压电谐振器1中，振动部分D中的激励电极3到5的相面对的区域为0.4×0.6mm，引出电极3a、4a和5a沿压电件2的纵向的尺寸为1.55mm，而尺寸为0.4×0.5mm的电极形成为假电极3a、4b和5b。

为了比较，制备适合于以厚度延伸振动模式振动的层叠压电谐振器10(诸如图4的示意截面图中所示的)，它通过以和上述实施例的压电谐振器1的相同的方法形成，只是不设置上述假电极3b、4b和5b。

图5和6分别示出层叠的压电谐振器1和10的阻抗-频率特性。

在用于比较制备的压电谐振器10中，如可以在图6中清楚地看到的那样，由箭头F所指出的较大的波纹出现在谐振频率fr和反谐振频率fa之间。该波纹是由如上所述的斜对称模式得到的波纹。

作为对比，在本实施例的压电谐振器1中，如可以从图5中清楚地看到的那样，如箭头G所指，由斜对称模式引起的波纹非常小。

在本实施例的压电谐振器1中，把假电极3b到5b设置在这样的位置处，以使得关于所有的激励电极3到5和引出电极3a到5a具有对称的关系。但是，如果把假电极设置在激励电极3、4或5设置的至少一个高度位置处并且在这一位置与引出电极具有对称关系，则与没有假电极的压电谐振器10相比，电极结构对称的程度可以改进。因此，在这种情况下，也可以和上述实施例中一样减小由斜对称模式引起的波纹。

事实上，如果象上述实施例中的情况那样把假电极3b到5b分别形成在所有设置激励电极3到5的高度位置处，则电极结构的对称程度能够进一步改进。由此如图5所示，能够有效地减小由斜对称模式引起的波纹。因此，以根据实施例描述的方法设置电极是较好的。

下面将描述制造压电谐振器1的方法。

通常，通过为提高大量生产率制备压电母体以及通过沿厚度方向切割压电母体而得到压电谐振器1。即，提供相应于由上述激励电极3到5、引出电极3a到5a和假电极3b到5b形成的多个单元的平面短阵阵列的压电母体。图7是这个压电母体的示意透视图。在图7中，未示出形成在压电母体11的第一和第二主表面上的电极。即，激励电极3和4、引出电极3a和4a以及假电极3a和4b未示出于该图中。

在压电母体11中，电极12形成在中间高度位置处。压电母体11沿图7中平行于厚度方向的虚线H切割，以在每一个压电谐振器1中形成激励电极5和引出电极5a和相邻的压电谐振器1的假电极5b。即，当制备了压电母体11时，电极薄膜12形成，其中每一个厚度延伸振动压电谐振器的激励电极5和引出电极5a以及相邻的压电谐振器的假电极6b(在引出电极5a的外端)相互整体地形成。沿平行于厚度方向的虚线H切割压电母体11，即，把电极薄膜12分开，以在一侧形成压电谐振器的激励电极5和引出电极5a，而在另一侧形成压电谐振器的假电极5a。

类似地，形成电极薄膜，用于形成在厚度延伸振动压电谐振器1的第一和第二主表面形成上激励电极3和4、引出电极3a和4a以及假电极3b和4b，并且沿上述的虚线H切割，以在一侧形成压电谐振器的激励电极3和4以及引出电极3a和4a，并形成相邻的压电谐振器的假电极3b和4b。

但是，如图12中所示，当制造压电谐振器时，适合于以厚度延伸振动模式振动的传统的压电谐振器的(限定在虚线B和C之间)的压电部分和在压电部分中的电极材料不必为在每一个压电件端面处露出引出电极的端面而被消耗。因此，能够减少压电材料和电极材料必需的数量，因此降低了压电谐振器1的生产成本。

在得到压电母体11的过程中，可以使用一种公知的层叠陶瓷技术。即，把相应于电极薄膜12的电极通过在压电陶瓷未烧结薄片上丝网印刷而印刷，将其上印刷了电极的陶瓷未烧结薄片重叠，从而激励电极3到5、引出电极3a到5a以及假电极3a到5b处于如图1中所示的位置关系，因此得到了压电母体。沿厚度方向对压电母体施压，然后沿虚线H切割，以得到相应于厚度延伸振动压电谐振器1单元的层叠小片。烧结用上述的方式得到的层叠小片，并且通过适当的方式(诸如淀积、电镀和溅射)形成外部电极6，由此得到厚度延伸振动压电谐振器1。

制造压电谐振器1的方法并不限于上述方法。压电件2可以通过将预先烧结的压电板相互贴合而得到。

在上述实施例的压电谐振器1中，激励电极3、引出电极3a和假电极3b形成在压电件2的第一主表面上，而激励电极4、引出电极4a和假电极4b形成在第二主表面2b上。但是，每一个激励电极、引出电极和假电极都可以嵌在压电件中。

图8和9是修改的例子的示意截面图，其中激励电极、引出电极和假电极形成在压电件中。

在适合于产生厚度延伸振动模式的谐波的层叠压电谐振器21(如图8所示)中，激励电极23和24通过沿厚度方向相互重叠同时把压电材料层插在它们之间而设置在压电件22中。

在振动部分(激励电极23和24在其中相互重叠)的外面设置引出电极23a，以连接到激励电极23，并且设置引出电极24a，以连接到激励电极24。引出电极23a和24a露出在压电件22的端面处。

在设置激励电极23和24的高度位置处，把假电极23b和24b设置在这样的位置，从而关于激励电极23和24与引出电极23a和24a具有对称关系。

在适合于产生厚度延伸振动模式的谐波的压电谐振器21中，电极结构的对称的程度也由于设置假电极23b和24b而得到改进。由此，能够减少由斜对称模式引起的波纹，并可以改进谐振特性。

图9是适合于产生厚度延伸振动模式的谐波的层叠压电谐振器的另一个修改的例子(其中激励电极形成在压电件中)的示意截面图。示于图9中的压电谐振器31具有和第一实施例的压电谐振器1相同的结构，只是把压电层32e和32沿压电件32的厚度方向设置在激励电极3和4的外面。在压电谐振器31中，电极结构的对称程度也通过形成假电极3b到5b而改进。由此，可以减少由斜对称模式引起的波纹，并且如在第一实施例的压电谐振器的2情况下那样得到良好的谐振特性。

虽然每一个激励电极3到5、23和24都设置在上述压电谐振器1、21和31中，由此延伸穿过狭长的带状压电件2(如平面图中所示的矩形)整个宽度，但本发明的压电谐振器中的激励电极的形状不限于描述过的例子。

例如，可以设置一般具有圆形或任何其它的形状的激励电极，从而只占据在平面图中为矩形的压电件的一部分面积，象那些如图10中所示的传统的纵向振动压电谐振器那样。

虽然已经参照本发明的实施例示出和描述了本发明，但熟悉本领域的人可以知道，可以作出形式上和细节上的上述和其它的变化，而不背离本发明的主旨。

Claims (7)

1.一种适合于产生厚度延伸振动模式的谐波的压电谐振器，其特征在于包括：

矩形板形式的压电件；

设置在所述压电件上或在其内部的多个激励电极，所述激励电极沿所述压电件的厚度方向重叠，同时所述压电件的压电层插在它们之间；

分别连接到所述激励电极的引出电极，所述引出电极在和所述激励电极相同的高度处延伸到压电件的侧表面；及

在所述激励电极的所述高度位置中至少一个位置处设置的假电极，并且在这样的位置处它具有关于所述激励电极和连接到所述激励电极的引出电极对称的关系。

2.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于所述压电件包括第一主表面和第二主表面，并且所述多个激励电极包括分别设置在所述压电件的所述第一和第二主表面上的第一和第二激励电极，以及设置在所述压电件中的内部电极。

3.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于所述多个激励电极设置在所述压电件中，在所述多个激励电极中，沿厚度方向最外面激励电极的外面有压电层存在。

4.如权利要求1到3中任一条所述的压电谐振器，其特征在于所述压电件是狭长的带状压电件，从而其平面形状具有长边短边。

5.如权利要求2所述的压电谐振器，其特征在于连接到所述第一和第二激励电极的所述引出电极延伸到所述压电件的侧表面，所述引出电极具有和所述第一和第二激励电极相同的宽度。

6.如权利要求5所述的压电谐振器，其特征在于所述压电件具有狭长的矩形形状，该矩形具有长边和短边；

连接到所述第一和第二激励电极沿所述压电件的纵向在一端延伸到所述压电件的所述侧表面；及

如此设置所述第一和第二激励电极从而沿所述压电件的宽度方向延伸到所述压电件的两端。

7.一种如权利要求1所述的压电谐振器的制造方法，其特征在于包括下述步骤：

制备压电母体，其中多个单元部分的每个包括多个激励电极，它们沿厚度方向相互重叠，并且压电层插在它们之间，并且分别连接到激励电极的电极薄膜通过沿平面分布而形成；及

沿厚度方向切割所述压电母体，以用这样的方法得到多个所述压电谐振器，即，划开所述电极薄膜，以在每一个所述压电谐振器中形成所述激励电极和在一个相邻的所述压电谐振器中形成的所述假电极。

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