CN1356773A - 纵向耦合型多模压电滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种利用压电增强效应的串联耦合型多模压电滤波器。这种压电滤波器包括多层压电元件,这种多层压电元件具有实质上互相平行配置的至少4个激励电极,和在激励电极之间形成的、并在预定的方向上被极化的多个压电层。这种压电滤波器还包括输入电极、输出电极和接地电极。施加在输入电极和接地电极之间的输入信号,引起被激励和耦合的不同阶模式的振动,以致在输出电极和接地电极之间取出输出信号。
Description
(1)技术领域
本发明涉及用于带通滤波器的压电滤波器，特别涉及具有压电增强效应并且利用不同阶模式耦合的纵向耦合型多模压电滤波器。
(2)背景技术
以往，使用各种压电滤波器作为带通滤波器。在几MHz到几十MHz的频率范围内通常使用双重式压电滤波器，这种双重式压电滤波器体积小而且成本低。
例如，如未审查的日本专利5-327401号公报公开了这种类型的双重式压电滤波器。
图20表示以往的利用厚度扩张(extensional)振动的双重式压电滤波器的断面图。
压电滤波器201包括在厚度方向上被极化的压电板202。在压电板202的上表面上形成一对激励电极203和204，并在压电板202的下表面上形成共同激励电极205，通过压电板202使其与激励电极203和204对置。
在使用中，将输入电压施加在激励电极203和共同激励电极205之间，以便激励压电板202。其结果在图21A所示的对称模式和图22B所示的非对称模式中，将两者耦合构成滤波器带域。并在激励电极204和接地电极205之间取出输出。
除如前所述采用厚度扩张模式的双重式压电滤波器外，还知道有压电板202在平行于上表面的方向上被极化，并利用厚度剪切振动的双重式压电滤波器。
在以往的压电滤波器201中，对称模式和非对称模式之间的耦合强度依赖于激励电极203和204之间的间距。因此，激励电极203和204之间的距离决定对称模式和非对称模式之间的频率差，从而决定通过带域。
因此，为了使滤波器具有较宽的带域，必须减小间距并增加激励电极203和204之间的耦合和频率差。
典型地利用网印法由导电糊形成激励电极203和204。但是，在网印中，使它们之间的距离减至最小的能力受到限制。另一方面，利用光刻形成激励电极203和204能够减小它们之间的距离。但是，这导致成本增加。
这种结构还存在着即使激励电极203和204之间的距离减小，也会有静电电容增加和压电滤波器201的输入和输出之间发生的衰减减小的问题。
(3)发明内容
为解决前述问题，本发明的较佳实施例提供纵向耦合型多模压电滤波器。这种压电滤波器带域宽，带域外衰减大，并且制造成本低。
根据本发明实施例1，利用压电增强效应而形成的纵向耦合型多模压电滤波器，本发明的纵向耦合型多模压电滤波器，包括
多层压电元件，所述多层压电元件具有实质上互相平行配置的至少4个激励电极，和在2个邻接的激励电极之间形成的、并在实质上垂直于或者实质上平行于激励电极的方向上被极化的多个压电层，其中所述多层压电元件在实质上垂直于激励电极的方向上具有相互对置的第1和第2端面。
这种压电滤波器还包括接地电极、输入电极和输出电极。
所述接地电极形成在多层压电元件的外表面上，并与包括至少两个激励电极所确定的第1组电气连接，并且将至少两个激励电极有选择地设置在形成压电层的方向上，
所述输入电极形成在多层压电元件的外表面上，并与包括至少一个激励电极的第2组电气连接，并且至少1个激励电极设置成朝着第1端面的方向而且是由不同于第1组激励电极的激励电极怕规定的
所述输出电极形成在多层压电元件的外表面上，并与包括至少一个激励电极中的第3组电气连接，并且至少一个激励电极设置在第2端面附近而且是由不同于第1组激励电极的激励电极所规定的。
其中，施加在输入电极和接地电极之间的输入信号，引起被激励和耦合的不同阶模式振动，以致在输出电极和接地电极之间取出输出信号。
根据本发明的实施例1，能利用各种不同阶模式调节压电层数，因此能实现较宽频带滤波特性。
另一方面，在以往的双重式压电滤波器中，在压电板的一个表面上形成的激励电极之间的距离决定每种模式的频率差，因此，当形成激励电极以实现较宽频带时，必须增加精度。相反地，根据本发明较佳的实施例，能通过简单地对模式进行选择，容易实现较宽频带。
此外，在以往的双重式压电滤波器中，为了实现较宽频带而减小在压电板的一个表面上形成激励电极之间的间距，引起输入和输出之间的静电电容的增加，从而减小衰减。但是，根据本发明较佳实施例的多模压电滤波器，不必减小激励电极之间的间距，就能实现较宽频带，因此能大大地增加衰减。
因此，在本发明的较佳实施例中，具有较宽频带和较大衰减的纵向耦合型多模压电滤波器能大大地降低成本。
在本发明的各实施例中，根据本发明的较佳实施例，利用n次谐波和n-1次谐波，作为不同阶模式来实现双重式压电滤波器。相应地，根据本发明的较佳实施例，利用n次谐波、n-1次谐波和n+1次谐波，作为不同的阶模式来实现三重模式压电滤波器，从而实现平坦较宽频带。
根据本发明实施例2，本发明的利用压电增强效应的纵向耦合型多模压电滤波器，包括
多层压电元件，所述多层压电元件具有实质上互相平行配置的至少4个激励电极，和在2个邻接的激励电极之间形成的、并在实质上垂直于激励电极的方向上被极化的多个压电层，其中所述多层压电元件在实质上垂直于激励电极的方向上具有相互对置的第1和第2端面，并具有在第1和第2端面之间延伸的第1、第2、第3和第4侧面。所述侧面的方向在所述压电元件的所述纵向方向上延伸。
这种纵向耦合型多模压电滤波器还包括接地电极、输入电极和输出电极。
所述接地电极形成在多层压电元件的外表面上，并与包括至少两个激励电极的第1组电气连接，并将至少两个激励电极有选择地设置在形成压电层的方向上，
所述输入电极形成在多层压电元件的外表面上，并与包括至少一个激励电极的第2组电气连接，并且至少一个激励电极设置成朝着第1端面的方向而且是由不同于第1组激励电极的激励电极所规定。
所述输出电极形成在多层压电元件的外表面上，并与包括至少一个激励电极的第3组电气连接，并且至少一个激励电极设置在第2端面附近而且是由不同于第1组激励电极的激励电极所规定，
其中，施加在所述输入电极和所述接地电极之间的输入信号，引起不同阶纵向模式振动的激励和耦合，以致在所述输出电极和所述接地电极之间取出输出信号。
根据本发明实施例2的纵向耦合型多模压电滤波器，能实现较宽带域和较大的衰减。
根据本发明实施例3，本发明利用压电增强效应的纵向耦合型多模压电滤波器，包括
多层压电元件，所述多层压电元件具有实质上互相平行配置的至少4个激励电极，和在2个邻接的激励电极之间形成的、并在实质上垂直于激励电极的方向上被极化的多个压电层，其中所述多层压电元件在实质上垂直于激励电极的方向上具有相互对置的第1和第2端面，并具有在第1和第2端面之间延伸的第1、第2、第3和第4侧面。所述侧面的方向在所述压电元件的所述厚度方向上延伸。
这种纵向耦合型多模压电滤波器还包括接地电极、输入电极和输出电极。
所述接地电极形成在多层压电元件的外表面上，并与包括至少两个激励电极的第1组电气连接，并将至少两个激励电极有选择地设置在形成压电层的方向上，
所述输入电极形成在多层压电元件的外表面上，并与包括至少一个激励电极的第2组电气连接，并且至少一个所述激励电极设置在第1端面的附近而且是由不同于第1组激励电极的激励电极所规定，
所述输出电极形成在多层压电元件的外表面上，并与包括至少一个激励电极的第3组电气连接，并且至少一个激励电极设置在第2端面的附近而且是由不同于列入第1组激励电极的激励电极所规定，
其中，施加在所述输入电极和所述接地电极之间的输入信号，引起不同阶厚度扩张模式振动的激励和耦合，以致在所述输出电极和所述接地电极之间取出输出信号。
根据本发明实施例3的纵向耦合型多模压电滤波器，也能如本发明实施例1那样地实现较宽带域和较大的衰减。因此，压电滤波器能利用厚度扩张模式振动的谐波和达到良好的滤波特性。
根据本发明实施例4，本发明的纵向耦合型多模压电滤波器，包括
多层压电元件，所述多层压电元件具有实质上互相平行配置的至少4个激励电极，和在2个邻接的激励电极之间形成的、并在实质上平行于激励电极的方向上被极化的多个压电层，其中所述多层压电元件在实质上垂直于激励电极的方向上具有相互对置的第1和第2端面，并具有在第1和第2端面之间延伸的第1、第2、第3和第4侧面。所述侧面的方向在所述压电元件的所述厚度方向上延伸。
这种纵向耦合型多模压电滤波器还包括接地电极、输入电极和输出电极。
所述接地电极形成在多层压电元件的外表面上，并与包括至少两个激励电极的第1组电气连接，并将至少两个激励电极有选择地设置在形成压电层的方向上，
所述输入电极形成在多层压电元件的外表面上，并与包括至少一个激励电极的第2组电气连接，并且至少一个激励电极设置成朝着第1端面的方向而且是由不同于第1组激励电极的激励电极所规定的。
所述输出电极形成在多层压电元件的外表面上，并与包括至少一个激励电极的第3组电气连接，并且至少一个激励电极设置成朝着第2端面而且是由不同于第1组激励电极的激励电极所规定的。
其中，施加在所述输入电极和所述接地电极之间的输入信号，引起不同阶厚度剪切模式振动的激励和耦合，以致在所述输出电极和所述接地电极之间取出输出信号。
根据本发明实施例4的纵向耦合型多模压电滤波器，也能如本发明实施例1、2和3那样地实现较宽带域和较大的衰减。因此，压电滤波器能利用厚度剪切模式振动的谐波，来实现良好的滤波特性。
较佳的是，所述不同阶模式是n次谐波和n-1次谐波，其中n是大于等于3的整数。
另一方面，所述不同阶模式更好n次谐波是n-1次谐波和n+1次谐波，其中n是大于等于3的整数。并且，这种设置能实现平坦较宽带域。
较佳的是，将所述第1组的至少一个激励电极设置在最接近于第2组和第3组的激励电极之间。
这种设置大大地减小输入和输出之间的静电电容，因此，能实现平坦较大的衰减。
本发明各实施例的纵向耦合型多模压电滤波器，还包括反射层和保持部分。
所述反射层分别与所述多层压电元件的第1和第2端面耦合，并由具有确定所述多层压电元件规定压电层的压电材料的、小于声阻Z1的第2声阻Z2的材料构成，
所述保持部分分别与所述反射层的外表面耦合，并更好由大于第2声阻Z2的第3声阻Z3的材料构成，所述反射层的外表面相对于与所述反射层耦合的第1和第2端面。
这种场合，对在反射层和保持部分的交界面从多层压电元件传播来的振动进行反射。因此，保持部分用于机械地保持压电滤波器而不影响其特性。
下面，通过参照附图对本发明实施例的详细描述，能进一步理解本发明的其它特点、元件、特性和优点。
(4)附图说明
图1A和图1B表示与本发明实施例1相关的多模压电滤波器的透视图和纵剖图。
图2A表示实施例1的多模压电滤波器的概略正视图，图2B和图2C分别表示10次谐波和9次谐波的简图。
图3表示与本发明实施例1相关的多模压电滤波器的改型例的纵向剖视图。
图4表示与本发明实施例1相关的多模压电滤波器的阻抗特性图。
图5表示与本发明实施例1相关的多模压电滤波器的滤波特性图。
图6表示连接与本发明实施例1相关的一对多模压电滤波器结构的滤波特性图。
图7表示与本发明实施例1相关的多模压电滤波器的另一个改型例的概略正视图。
图8表示与本发明实施例2相关的多模压电滤波器的透视图。
图9A表示本发明实施例2的多模压电滤波器电极结构的概略正视图，图9B到图9D分别表示在本发明实施例2中被强烈激励的14次谐波、13次谐波和15次谐波的简图。
图10表示使用与本发明实施例2相关的多模压电滤波器的滤波器器件的装配图。
图11表示与本发明实施例2相关的多模压电滤波器在垂直方向上叠加的结构透视图。
图12表示与本发明实施例2相关的多模压电滤波器的阻抗特性图。
图13表示与本发明实施例2相关的多模压电滤波器的滤波特性图。
图14表示连接与本发明实施例2相关的一对多模压电滤波器的结构的滤波特性图。
图15表示与本发明实施例2相关的多模压电滤波器的改型例的概略主视图。
图16A表示与本发明实施例3相关的利用厚度扩张模式的多模压电滤波器的概略透视图，图16B和图16C分别表示在本发明实施例3中被强烈激励的10次谐波和9次谐波的简图。
图17A表示与实施例3相关的多模压电滤波器的改型例的概略透视图，图17B和图17C分别表示在图17A所示的多模压电滤波器中被强烈激励的10次谐波和9次谐波的简图。
图18A表示本发明的利用厚度剪切模式的多模压电滤波器的较佳实施例的概略透视图，图18B和图18C分别表示在图18A所示的多模压电滤波器中被激励的10次谐波和9次谐波的简图。
图19表示利用有限元法分析具有反射层和保持部分的压电滤波器的位移分布的结果图。
图20表示以往的利用厚度扩张模式振动的双重式压电滤波器剖视图。
图21A和21B分别表示在图20所示的以往的双重式压电滤波器中被激励的对称模式和非对称模式的简图。
(5)具体实施方式
下面，参照附图对实施本发明的最佳实施例进行说明。
实施例1
图1A和图1B分别表示与本发明实施例1相关纵向耦合型的重式式压电滤波器的透视图和纵剖图。
压电滤波器1包括实质上为正方形截面的矩形棒状的压电元件2。压电滤波器1是利用在压电元件2的纵向方向上振动传播的纵向模式的双重式压电滤波器。
在本发明中，压电元件2由例如锆钛酸铅压电陶瓷或者其它合适的材料构成。
压电元件2具有在纵向方向上相互对置的第一端面2a和第二端面2b，激励电极3覆盖端面2a。多个激励电极4-12中的每一个在截面方向上延伸，并且它们之间在纵向方向上形成间隔。此外，激励电极13覆盖端面2b。
因此，实质上相互平行地设置激励电极3-13，并且在激励电极3-13的每一个之间形成压电层。
在压电元件2中，在激励电极两侧的压电层在实质上垂直于激励电极3-13的方向上被极化。
激励电极3-13最好由规定压电元件2的压电陶瓷通过共烧结技术构成。但是，压电元件2和激励电极3-13也可以由另一种方法形成。此外，也可以在利用共烧结技术形成压电元件2后，分别在端面2a和2b形成激励电极3和13。
压电元件2具有在端面2a和2b之间延伸的上表面2c、下表面2d和一对侧面2e和2f。在上表面2c处朝着端面2a形成输入电极14，并朝着端面2b形成输出电极15。另一方面，在下表面2d上形成接地电极16。输入电极14、输出电极15和接地电极16是类似于激励电极3-13的例如铜、镍、银或者其它合适的专用金属材料形成。
在激励电极4、6、10和12的上端形成绝缘材料18，以在输入电极14和激励电极4和6之间形成电气绝缘，并在输出电极15与激励电极10和12之间形成电气绝缘。激励电极4、6、8、10和12是与接地电极16电气连接。
另一方面，用绝缘材料19形成激励电极5、7、9和11的下端，这种绝缘材料19在接地电极16与激励电极5、7、9和11之间形成电气绝缘。在端面2a和2b形成的激励电极3和13分别与输入电极14和输出电极15连接。
为描述方便，将激励电极3-13进行归类成组。即、将有选择地设置在激励电极3-13的叠加方向上的多个激励电极4、6、8、10和12定义为第一组。在剩下的激励电极3、5、7、9、11和13中，将设置成朝着第二表面2b的多个激励电极3、5和7定义为第二组。将设置成朝着第一端面2b的多个激励电极9、11和13定义为第3组。下面，对通过输入电极14、输出电极15和接地电极16电气连接这些组进行说明。
将包括激励电极4、6、8、10和12的第1组连接到接地电极16。将包括激励电极3、5和7的第2组连接到输入电极14。将包括激励电极9、11和13的第3组连接到输出电极15。
在本实施例中，将激励电极3-13设置成覆盖压电元件2的整个截面。但是，也可以仅部分覆盖截面。
而且，对于规定绝缘材料18和19的材料，使用例如绝缘树脂或者绝缘粘接剂，但是不限于此，也可以是其它合适的材料。
下面，参照图2a-2c对本发明实施例的多模压电滤波器1的动作进行说明。
图2A表示压电滤波器1的电极结构的概略正视图。施加在输入电极14和接地电极16之间的输入电压通过压电效应激励压电元件2。其结果，导致如图2B所示的纵向模式10次谐波的激励和图2C所示的纵向模式9次谐波的激励。对这些模式耦合起来以确定带通。从而从输出电极15取出输出。下面，通过特殊实验例子来说明这种过程。
下面，构成压电滤波器1的例子，使得压电元件2具有大约100μm的高度和大约220μm的宽度，并使夹在邻接的激励电极之间的每个压电层具有大约130μm的厚度(压电元件2的纵向方向)。因此，这种制造的压电元件2具有总共大约1300μm的厚度，除去电极厚度。然后，测量这种装置的阻抗特性和滤波特性，图4和5示出了其结果。
图4表示被激励的9次谐波和10次谐波的阻抗特性图。其中，实线表示9次谐波特性，虚线表示10次谐波特性。如图4所示，9次谐波和10次谐波的响应相互邻接。因此，这表示由这种装置在9次谐波的谐振频率和10次谐波的抗谐振频率中形成的滤波特性是衰减极。
图5表示压电元件的衰减-频率特性和群延迟时间特性图。在图5中，实线表示衰减-频率特性，虚线表示群延迟时间特性。图5中的右刻度iE-0j表示i×10-j。如图5所示，按照本实施例装置形成的滤波特性具有大约12.5MHz的中心频率和大约1.3MHz的带宽。
在以往的双重式压电滤波器201中(参照图20)，在对称和非对称模式之间的频率差是依赖于在压电板202的一个表面上形成的激励电极203和204之间的间距。相反，在本实施例的压电滤波器1中，由谐波阶数的比例决定的9次谐波和10次谐波的频率差，独立于距离电极之间的间距。因此，利用9次谐波和10次谐波形成由9次谐波阶数和10次谐波的阶数之比决定的频率的带宽。因此，通过按照所要的带宽选择谐波，能实现所要的带宽。
在本实施例中，在激励电极3到13之间形成10个压电层，使9次谐波和10次谐波被有效地激励。但是如果将压电层数变换成11，则能利用11次谐波和10次谐波来确定双重式压电滤波器，能容易地对带宽进行调节。
换句话说，用n次谐波和n-1次谐波(n是大于等于3的整数)能确定双重式压电滤波器。通过选择n能容易地形成压电滤波器的各种带宽。因此，能阶数较大不同的两个模式来形成较宽的带宽。
也就是说，在以往的双重式压电滤波器中，为了形成较宽带域必须更精确地形成激励电极203和204。相反，在本实施例的压电滤波器1中，不必显著地增加激励电极3到13的精度，就能达到所期望的或者较宽的带域。
在压电滤波器1中，衰减依赖于静电电容C1-G对CI-O之比，其中C1-G是输入电极14和接地电极16之间的值，CI-O是输入电极14和输出电极15之间的值。因此，C1-G/C1-O越大或者CI-O越小，则衰减越大。在本实施例中，将激励电极8连接到在激励电极3、5和7之间形成的接地电位，并电气连接到输入电极14和激励电极9、11和13，并电气连接到输出电极15。也就是说，在最接近的激励电极7和9之间形成第1组的激励电极8，激励电极7属于第1组，并且激励电极9属于第2组。其结果，本实施例的装置形成较小的CI-O，使得频带外的衰减增加。因此，这种压电滤波器1比以往的压电滤波器201衰减更大。
在本实施例中，激励电极3到13之间的所有压电层最好具有相同的厚度，但是厚度也可以不同。因此，有选择地改变厚度能增强有益的谐波激励效率，并能减小杂散谐波的激励效率。
因本实施例的压电滤波器1整体上振动，所以需要用弹簧终端或其他合适的来机械地支承。因此，如图3的改型例所示，将反射层21和22以及保持部分23和24分别耦合到压电滤波器1的多层压电元件2的端面，使得保持部分23和24机械地固定压电滤波器1。在图3所示的装置中，反射层21和22由小于压电元件2的声阻Z1的第二声阻Z2的材料构成。保持部分23和24由大于第二声阻Z2的第三声阻Z3的材料构成。因此，如后所述，从压电元件2传播来的振动在反射层21和22以及保持部分23和24之间的交界面被反射。因此，有可能使漏到保持部分23和24中的振动减至最小。其结果，即使用保持部分23和24形成机械支承，也不会影响压电滤波器1的滤波特性。
因此，如图3的改型例所示，反射层21和22以及保持部分23和24分别被耦合到压电滤波器的两端面。
图19表示在具有反射层21和22以及保持部分23和24的压电滤波器1的工作期间，利用有限元法分析位移分布的结果图。
如图19所示，几乎没有振动从压电滤波器1传播到保持部分23和24。其结果，即使用保持部分23和24形成机械支承，对压电滤波器1的滤波特性也没有实质影响。为了进一步保证传播的振动的反射，在反射层21和22与保持部分23和24的交界面上，每个反射层21和22具有(mγ/4)±(γ/8)范围内的厚度，其中γ是传播的振动的波长，m是奇数。
可以用满足前述阻抗关系的任何材料，形成反射层21和22以及保持部分23和24。例如，可以用环氧树脂或者环氧树脂与填充剂的合成物，形成反射层21和22。可以用类似于压电元件2的压电陶瓷或者其它合适的绝缘陶瓷，形成保持部分23和24。
在图3所示的改型例中，形成终端电极25和26，以使表面安装容易。特别，形成端电极25和26，并使其分别扩展到保持部分23和24以及反射层21和22，并通过保持部分23和24的外端面进一步扩展到下表面。当用两个压电滤波器并且反射层21和22以及保持部分23和24由此耦合时，这一对压电滤波器1利用保持部分23和24相互连接，以形成两个元件型压电滤波器。图6示出了这种连接的两个元件型压电滤波器例子的特性。
图7表示与本发明实施例1相关的压电滤波器的另一个改型例的概略正视图。在实施例1的压电滤波器1中，绝缘材料18和19在激励电极与这些电极之间形成电绝缘，而且电极必须与激励电极绝缘。相反地，如图7所示，本改型例的激励电极设置成不与上表面和下表面接触，从而实现激励电极和必须与激励电极绝缘的电极之间的电气绝缘。
在图7所示的改型例的压电滤波器31中，设置激励电极3、5、7、9、11和13，使其不扩展到压电元件2的下表面。这样使第2和第3组的激励电极3、5、7、9、11和13与接地电极16绝缘。同样地，设置激励电极4、6、8、10和12，使其不扩展到压电元件2的上表面。这样使激励电极4、6、8、10和12与输入电极14和输出电极15电气绝缘。
实施例2
图8表示与本发明实施例2相关的压电滤波器41的透视图。本实施例的压电滤波器41是纵向耦合型多模压电滤波器，这种压电滤波器使用利用压电增强效应的纵向模式，但是与用于不同阶模式的3种模式的实施例1不同。
压电滤波器41包括如实施例1所述的实质上为长方形棒状的压电元件42。压电滤波器41使用压电元件42的纵向方向中传播的振动模式的13次、14次和15次谐波。
因此，压电元件42包括具有多个激励电极43到58之间堆积的15个压电层。每个压电层和激励电极43到58用与实施例1相同的方法构成。在压电元件42的上表面上，在第1端面42a的附近设置输入电极14，并在第2端面42b的附近设置输出电极15。在压电元件42的下表面上，设置接地电极16。并用与实施例1相同的方法构成输入电极14、输出电极15和接地电极16。
在本实施例中将激励电极43到58如下分类成为第1、第2和第3组。
第1组激励电极---激励电极44、46、48、50、51、53、55和57，
第2组激励电极---激励电极43、45、47和49，
第3组激励电极---激励电极52、54、56和58，
设置激励电极43到58使其覆盖压电元件42的端面42a和42b。
如图3的改型例所示，将反射层59和60分别耦合到激励电极43和58的外端，即压电元件42的外端。保持部分61和62是分别地与反射层59和60相连接的。并用与图3所示的改型例相同的方法，构成反射层59和60以及保持部分61和62。因此，即使将保持部分61和62用于机械支承，也不会影响压电滤波器41的滤波特性。
因为电滤波器41的其它结构类似于实施例1的压电滤波器1，所以省略其说明。
本实施例的压电元件42也在纵向方向上被极化。因此，施加在输入电极14和接地电极16之间的输入电压，造成压电元件42被激励。下面，参照图9A到图9D对这种场合被激励的模式进行说明。
图9A表示压电滤波器41的电极结构的简图(未展示反射层和保持部分)，如前所述，施加输入电压引起图9B所示的14次谐波、图9C所示的13次谐波以及图9D所示的15次谐波的增强激励。下面，根据特定的实施例对这种场合每个谐波的阻抗和滤波器特性进行说明。
下面，如实施例1所述，给出的制造压电滤波器41的例子，使得压电元件42具有100μm左右的高度和220μm左右的宽度，并使夹在邻接的激励电极之间的每个压电层具有130μm左右的厚度(压电元件42的纵向方向)，不包括电极厚度。因此，这种制造的压电元件2总共1950μm左右的厚度。然后，用与实施例1相同的方法测量这种装置的电阻-频率特性和滤波特性。
图12表示与本实施例相关的压电滤波器的阻抗特性图。其中，实线表示包括13次和15次谐波响应的阻抗特性，虚线表示包括14次谐波响应的特性。因此，对这3个谐波进行耦合，形成具有13次谐波响应频率和15谐波反谐振频率的通带作为衰减极。
参照图13，实线表示包括衰减-频率特性，虚线表示组延迟时间特性。如图所示，这种装置形成较宽频带滤波器特性。在本实施例中，压电滤波器41具有12.8MHz左右的中心频率和1.35MHz左右的带宽。
在本实施例中，如前所述耦合3个谐波，因此能产生比实施例1的压电滤波器1更平坦更宽的带域。在本实施例中，能使用不同类型的谐波，形成具有各种带宽的压电滤波器。
由本实施例可见，本发明的纵向耦合型多模压电滤波器使用3个谐波。但是，通过调节设置在压电元件内的激励电极的位置，能有效地激励4次或者更高次的谐波，以便形成利用4次或者更高次谐波耦合的多模压电滤波器。
在本实施例中，邻接激励电极之间的压电层的厚度不必相等。某些压电层的厚度可以变化，以便增强在滤波器中使用的谐波激励效率，或者减小杂散谐波的激励效率。
在本实施例中，将激励电极50和51与接地电极16连接，并形成于分别与输入电极14和输出电极15连接的2个最接近的激励电极之间。如实施例1所述，C1-O大大地减小，因此使衰减大大地增加。
在本实施例中，也可以相互连接一对压电滤波器41用绝缘粘接剂或者其它合适材料，以便形成两个元件型压电滤波器。图14示出了这种两个元件型压电滤波器的滤波特性的例子。
如图14所示，通过连接两个压电滤波器41，产生选择性优良的滤波器特性。
下面，参照图10通过例子说明使用一对压电滤波器41的压电滤波器装置。
在图10所示的压电滤波器装置中，用绝缘粘接剂66和67将一对压电滤波器41相互连接起来安装在外壳衬底65上，然后利用绝缘粘接剂将金属盖68固定在外壳衬底65上，以便覆盖压电滤波器41。这样使得压电滤波器装置具有密封在其中的一对压电滤波器41。在外壳衬底65上形成电极65a到65d，以便在两个压电滤波器41之间形成电气连接，并确定由外壳延伸的终端电极。
在图10所示的例子中，在水平方向上相互连接一对压电滤波器41，如图11所示，用绝缘粘接剂69a和69b，也可以在垂直方向上连接一对压电滤波器41。
图15表示压电滤波器41的改型例的概略正视图。在压电滤波器41中，绝缘材料18和19在激励电极与必须与激励电极绝缘的这些电极之间形成电气绝缘。但是，也可以如图7的实施例1的改型例所示，压电滤波器41可以包括排列的激励电极只要是不扩展到压电元件42的上表面和下表面，用于在激励电极与必须与激励电极绝缘的电极之间形成电气绝缘。
实施例1和2中的多模压电滤波器，利用压电元件2和42的纵向模式的谐波构成。但是本发明的多模压电滤波器不只限于纵向模式。
下面，参照图16到18对本发明利用另一种振动模式的纵向耦合型多模压电滤波器进行说明。
图16A表示与本发明实施例3相关的多模压电滤波器结构的透视图，图16B和图16C分别表示在多模压电滤波器中被激励的展示谐波简图。
在压电滤波器71中，用压电层叠积多个激励电极73到83，以便确定多层压电元件72。如实施例1所述，使用例如锆钛酸铅陶瓷的专用压电陶瓷，作为规定压电层的压电材料。
应该指出，在压电滤波器71中，被叠层的激励电极的方向、即图16A中的垂直方向是厚度方向。在多层压电元件72的上表面72a上形成激励电极73，在下表面72b上形成激励电极83。用内部电极的形式形成其它的激励电极74到82。
在本实施例中，上表面72a和下表面72b在实质上垂直于激励电极73到83的方向上相互对置，并确定本发明的第1和第2端面。
在多层压电元件72的侧面72c上，将输入电极14设置在确定第1端面的上表面72a的附近，并将输出电极15设置在确定第2端面的下表面72b的附近，并将接地电极(未图示)设置在相对于侧面72c的侧面72d上。
将激励电极73到83分类成为前述的第1、第2和第3组。
第1组激励电极---激励电极74、76、78、80和82，
第2组激励电极---激励电极73、75和77，
第3组激励电极---激励电极79、81和83，
在本实施例中，施加在输入电极14和接地电极之间的输入信号，引起图16B所示的厚度扩张振动的10次谐波的增强激励，并引起图16C所示的厚度扩张振动的9次谐波的增强激励。
因此，对10次谐波和9次谐波进行耦合，形成具有通带大大增加的带宽。因此，本实施例的纵向耦合型双模压电滤波器，由利用压电增强效应和厚度扩张振动的10次谐波和9次谐波形成。虽然，这种压电滤波器利用振动的不同模式，但通过用实施例1和2相同的方法来耦合不同阶谐波，能大大地增加带宽。而且在本实施例中，利用不同的谐波能够达到所要的带宽。因此，通过调节被叠积的压电层数，能实现用于滤波器中谐波的有效激励，从而能改变压电滤波器带宽。
此外，某些压电层厚度的改变能大大地增加滤波器中谐波的激励效率或者大大地减少杂散谐波的激励效率，因此，能实现具有所要滤波器特性的滤波器。
实施例3
图17A表示实施例3的压电滤波器71的改型例的压电滤波器91的透视图，图17B和图17C分别表示被激励的谐波简图。
在图16A所示的压电滤波器71中，在多层压电元件72的中间区域上激励电极73到83相互对置，并且每层压电层具有长方形形状、即类似带状的形状。但是，本发明能使用各种压电层或者激励电极的不同形状。例如，在表示压电滤波器91的图17A中，如激励电极95和100清楚地所示，激励电极93到103的每一个具有在多层压电元件92的给定的高度向着近似中心延伸的带状。激励电极93到103的带状部分重叠，并且在压电层中间相互对置。因此，将电压施加在垂直叠积的激励层的之间，由能陷型厚度扩张模式振动引起，激励每个压电层。在这种方法中，在每层压电层的部分，两侧激励电极可以相互对置，以便实现能陷型压电滤波器。
本改型例的压电滤波器91除去具有不同形状的激励电极外，能用如实现压电滤波器71相同的方法来构成。如图17B和17C所示，压电滤波器91能产生10次谐波和9次谐波的有效激励，因此，能产生如压电滤波器71的更宽频带滤波特性。在压电滤波器91中，激励电极93到103仅在接近于中间区域的给定的高度相互对置，并且狭窄宽度部分扩展到多层压电元件92的拐角部分。因此，激励电极，特别是形成在内部激励电极94到102的两侧的压电层，被刚性地固定。这样能增强多层压电元件92的强度，并能使这种装置适用于较高频率。
与实施例1到3的每种压电滤波器相比，压电滤波器91由于能陷功能，所以能对于激励电极93到103的端部形状，容易地进行各种变化。这样能改善对于激励电极93到103的端部设计的通用性。
图18A表示本发明的利用厚度剪切模式的纵向耦合型多模压电滤波器的较佳实施例的概略透视图，图18B和图18C分别表示在压电滤波器中被激励的10次谐波和9次谐波的简图。
压电滤波器111具有如压电滤波器71中的多层压电元件72和激励电极73到83，但是，在本实施例中，多层压电元件72在分别确定第1和第2端面的实质上平行于上表面72a和下表面72b的方向P上被极化。因此，施加在输入电极14和接地电极(未图示)之间的输入信号，由邻接激励电极夹住的压电层引起激励，从而造成厚度剪切模式振动的增强激励。本实施例的压电滤波器111还包括多层压电元件72和叠积的激励电极73到83。也就是说，压电滤波器111具有10层压电层的叠积，从而引起图18B所示的10次谐波和图18C所示的9次谐波的增强激励。
因此，压电滤波器111利用厚度剪切模式的10次和9次谐波，实现更宽频带滤波器特性。
在本实施例中，激励电极73到83在多层压电元件的近似中心重叠，用与压电滤波器71相同的方法，能在激励电极的两侧增强压电层的耦合强度
此外，厚度剪切振动比厚度扩张振动更大地改善了机电耦合系数，并能用于平坦较宽带宽。
在图16到18所示的压电滤波器71、91和111中，能用3种类型的谐波实现3重模式压电滤波器，并能利用4重或者多重模式振动。
如实施例1到3及其改型例所述，用于本发明的振动的模式不限于特殊的模式。
上面，虽然参照实施例对本发明具体地进行了描述，但显然对本专业的技术人员来说只要不脱离本发明精神的范围，当然可以进行种种修改和变化。
Claims (20)
1.一种利用压电增强效应的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，包括
多层压电元件，所述多层压电元件具有实质上互相平行配置的至少4个激励电极，和在所述至少4个激励电极的邻接电极之间形成的、并在实质上垂直于或者实质上平行于激励电极的方向上被极化的多个压电层，其中所述多层压电元件在实质上垂直于激励电极的方向上具有相互对置的第1和第2端面，
接地电极，所述接地电极形成在多层压电元件的外表面上，并与所述至少4个激励电极中的至少2个所确定的第1组电气连接，并且将所述第1组的激励电极中的至少2个有选择地设置在形成压电层的方向上，
输入电极，所述输入电极形成在多层压电元件的外表面上，并与所述至少4个激励电极中的至少1个所确定的第2组电气连接，并且所述第2组的激励电极的至少1个设置成朝着第1端面的方向而且除了第1组的激励电极之外，
输出电极，所述输出电极形成在多层压电元件的外表面上，并与至少一个激励电极所确定的第3组电气连接，并且所述第3组至少一个激励电极设置成朝着第2端面的方向而且除了第1组的激励电极之外，
其中，施加在所述输入电极和所述接地电极之间的输入信号，引起被激励和耦合的不同阶模式的振动，以致在所述输出电极和所述接地电极之间取出输出信号。
2.如权利要求1所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，
所述不同阶模式是n次谐波和n-1次谐波，其中n是大于等于3的整数。
3.如权利要求1所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，
所述不同阶模式是n次谐波、n-1次谐波和n+1次谐波，其中n是大于等于3的整数。
4.如权利要求1所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，
将所述第1组的至少一个激励电极设置在两个最接近的激励电极之间，其中一个属于第二组，另一个属于第三组。
5.如权利要求1所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，还包括
反射层，所述反射层分别与所述多层压电元件的第一和第二端面耦合，并由具有确定所述多层压电元件的压电层的压电材料的、小于声阻Z1的第2声阻Z2的材料构成，
保持部分，所述保持部分分别与所述反射层的外表面耦合，并由大于第二声阻Z2的第三声阻Z3的材料构成，所述反射层的外表面相对于与所述反射层的第一和第二端面是耦合的。
6.一种利用压电增强效应的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，包括
多层压电元件，所述多层压电元件具有实质上互相平行配置的至少4个激励电极，和在所述至少4个激励电极的邻接电极之间形成的、并在实质上垂直于激励电极的方向上被极化的多个压电层，其中所述多层压电元件在实质上垂直于激励电极的方向上具有相互对置的第一和第二端面，并具有在所述压电元件的所述纵向方向上在第一和第二端面之间延伸的第一、第二、第三和第四侧面，
接地电极，所述接地电极形成在多层压电元件的外表面上，并与所述至少4个激励电极中的至少2个所确定的第1组电气连接，并将所述第1组的4个激励电极中的至少2个有选择地设置在形成压电层的方向上，
输入电极，所述输入电极形成在多层压电元件的外表面上，并与所述至少4个激励电极中的至少1个所确定的第2组电气连接，并且所述第2组至少一个激励电极设置成朝着第一端面的方向而且是除了第1组的激励电极之外，
输出电极，所述输出电极形成在多层压电元件的外表面上，并与至少一个激励电极所确定的第三组电气连接，并且所述第三组至少一个激励电极设置成朝着第二端面的方向而且是除了第1组的激励电极之外，
其中，施加在所述输入电极和所述接地电极之间的输入信号，引起不同阶长度模式振动的激励和耦合，以致在所述输出电极和所述接地电极之间取出输出信号。
7.如权利要求6所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，
所述不同阶模式是n次谐波和n-1次谐波，其中n是大于等于3的整数。
8.如权利要求6所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，
所述不同阶模式是几次谐波、n-1次谐波和n+1次谐波，其中n是大于等于3的整数。
9.如权利要求6所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，
将所述第1组至少一个激励电极设置在两个最接近的激励电极之间，其中一个属于第二组，另一个属于第三组。
10.如权利要求1所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，还包括
反射层，所述反射层分别与所述多层压电元件的第1和第2端面耦合，并由具有确定所述多层压电元件的压电层的压电材料的、小于声阻Z1的第二声阻Z2的材料构成，
保持部分，所述保持部分分别与所述反射层的外表面耦合，并由大于第2声阻Z2的第3声阻Z3的材料构成，所述反射层的外表面相对于与所述反射层的第1和第2端面是耦合的。
11.一种利用压电增强效应的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，包括
多层压电元件，所述多层压电元件具有实质上互相平行配置的至少4个激励电极，和在2个邻接的激励电极之间形成的、并在实质上垂直于激励电极的方向上被极化的多个压电层，其中所述多层压电元件在实质上垂直于激励电极的方向上具有相互对置的第1和第2端面，并具有在所述压电元件的厚度方向上在第1和第2端面之间延伸的第1、第2、第3和第4侧面，
接地电极，所述接地电极形成在多层压电元件的外表面上，并与所述至少4个激励电极中的至少2个所确定的第1组电气连接，并将所述第1组至少2个激励电极有选择地设置在形成压电层的方向上，
输入电极，所述输入电极形成在多层压电元件的外表面上，并与所述至少4个激励电极中的至少1个所确定的第2组电气连接，并且所述第2组至少一个激励电极设置成朝着第1端面的方向而且是除了第1组的激励电极之外，
输出电极，所述输出电极形成在多层压电元件的外表面上，并与至少4个激励电极中的至少1个所确定的第3组电气连接，并且所述第3组至少一个激励电极设置成朝着第2端面的方向而且是除了第1组的激励电极之外，
其中，施加在所述输入电极和所述接地电极之间的输入信号，引起不同阶厚度扩张模式振动的激励和耦合，以致在所述输出电极和所述接地电极之间取出输出信号。
12.如权利要求11所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，
所述不同阶模式是n次谐波和n-1次谐波，其中n是大于等于3的整数。
13.如权利要求11所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，
所述不同阶模式是n次谐波、n-1次谐波和n+1次谐波，其中n是大于等于3的整数。
14.如权利要求11所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，
将所述第1组至少一次激励电极设置在两个最接近的激励电极之间，其中一个属于第二组，另一个属于第三组。
15.如权利要求11所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，还包括
反射层，所述反射层分别与所述多层压电元件的第1和第2端面耦合，并由具有确定所述多层压电元件的压电层的压电材料的、小于声阻Z1的第2声阻Z2的材料构成，
保持部分，所述保持部分分别与所述反射层的外表面耦合，并由大于第2声阻Z2的第3声阻Z3的材料构成，所述反射层的外表面相对于与所述反射层耦合的第1和第2端面是耦合的。
16.一种纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，包括
多层压电元件，所述多层压电元件具有实质上互相平行配置的至少4个激励电极，和在至少4个激励电极的邻接激励电极之间形成的、并在实质上平行于激励电极的方向上被极化的多个压电层，其中所述多层压电元件在实质上垂直于激励电极的方向上具有相互对置的第1和第2端面，并具有在所述压电元件的厚度方向上在第1和第2端面之间延伸的第1、第2、第3和第4侧面，
接地电极，所述接地电极形成在多层压电元件的外表面上，并与所述至少4个激励电极中的至少2个所确定的第1组电气连接，并将所述第1组至少两个激励电极有选择地设置在形成压电层的方向上，
输入电极，所述输入电极形成在多层压电元件的外表面上，并与所述至少4个激励电极中的至少1个所确定的第2组电气连接，并且所述第2组至少一个激励电极设置成朝着第1端面的方向而且是除了第1组的激励电极之外，
输出电极，所述输出电极形成在多层压电元件的外表面上，并与至少4个激励电极中的至少1个所确定的第3组电气连接，并且所述第3组至少一个激励电极设置成朝着第2端面的方向而且是除了第1组的激励电极之外，
其中，施加在所述输入电极和所述接地电极之间的输入信号，引起不同阶厚度剪切模式振动的激励和耦合，以致在所述输出电极和所述接地电极之间取出输出信号。
17.如权利要求16所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，
所述不同阶模式是n次谐波和n-1次谐波，其中n是大于等于3的整数。
18.如权利要求16所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，
所述不同阶模式是n次谐波、n-1次谐波和n+1次谐波，其中n是大于等于3的整数。
19.如权利要求16所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，
将所述第1组至少一个激励电极设置在两个最接近的激励电极之间，其中一个属于第二组，另一个属于第三组。
20.如权利要求16所述的纵向耦合型多模压电滤波器，其特征在于，还包括
反射层，所述反射层分别与所述多层压电元件的第1和第2端面耦合，并由具有确定所述多层压电元件的压电层的压电材料的、小于声阻Z1的第2声阻Z2的材料构成，
保持部分，所述保持部分分别与所述反射层的外表面耦合，并由大于第2声阻Z2的第3声阻Z3的材料构成，所述反射层的外表面相对于与所述反射层的第1和第2端面是耦合的。
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