CN1574622A - 压电谐振部件 - Google Patents
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Abstract
一种压电谐振部件包括能阱型压电谐振器，该压电谐振器利用厚度纵向振动的三次谐波，并包括压电基板，该压电基板具有第一和第二主表面并在第一与第二主表面之间在厚度方向被极化，第一和第二振动电极关于夹在之间的压电基板彼此相对，第一和第二外壳基板分别层叠在压电谐振器的第一和第二主表面上，从而使空腔被布置成不干扰第一和第二振动电极通过压电基板彼此相对位置处振动部分的振动。第一和第二振动电极的尺寸被设定为，使厚度纵向振动基波的S0和S1模的相位峰值之差处于大约±5度范围内。
Description
技术领域
本发明涉及能阱(energy trap)型压电谐振部件，具体地说，涉及一种可抑制起杂波作用之厚度纵向振动基波的能阱型压电谐振部件。
背景技术
能阱型压电谐振器广泛用作振荡器。根据目标频率选择使用多种振动模式。
日本未审专利申请公开No.8-148967披露了一种使用厚度纵向振动基波的能阱型压电谐振器101。如图9中的透视图所示，公知的能阱型压电谐振器101包括具有矩形平面形状的压电基板102。压电基板102由在厚度方向极化的压电陶瓷制成。圆形平面形状的振动电极103设在压电基板102的顶面上，从振动电极103延伸出的引出电极104设在压电基板102的顶面上。在压电基板102的底面上也设有振动电极，以致该振动电极与振动电极103相对。引出电极从该振动电极延伸。
在能阱型压电谐振器101中，在振动基板102顶面上的振动电极103与底面上的振动电极之间加给交流电场，激发厚度纵向振动。厚度纵向阵列的谐振频率与反谐振频率之间的寄生振荡引起大量杂波振动。为了控制这种杂波振动，在能阱型压电谐振器101的至少一个主表面上设置由含陶瓷粉末之有机聚合物制成的涂敷膜105和106。使用涂敷膜105和106增大能阱型压电谐振器101的重量，从而控制寄生振荡和杂波振动。
涂敷膜105和106对厚度纵向振动基波的寄生振荡产生抑制作用。不过，在这种技术中，必须涂覆涂敷膜105和106，从而增加了制造步骤，导致成本增加。当在压电谐振器101的顶部和底部设置外壳基板时，在压电基板涂覆含有陶瓷粉末之涂敷膜105和106的区域中密封性能下降。涂敷膜105和106因其厚度而导致在压电谐振部件中难以实现小外形(low-profile)设计。因为涂敷膜105和106中含有陶瓷粉末，涂敷膜105和106不能均匀涂覆，从而涂敷膜105和106不能以稳定的方式控制杂波。
日本未审专利申请公开No.2003-87077披露一种使用厚度纵向振动三次谐波的能阱型压电谐振器。将圆形振动电极设在具有矩形平面形状的压电基板的两个主表面上，使振动电极通过其间所设置的压电基板彼此相对。在压电基板的振动电极相对区域的外部设置阻尼(damping)材料。在压电基板方面，将压电基板的厚度“t”设置为大于振动电极外边缘与阻尼材料之间的距离“L”。由于阻尼材料的衰减作用，使压电基板激发出厚度纵向振动的三次谐波，同时控制作为杂波的基波。
在按厚度纵向振动三次谐波工作的压电谐振部件中，阻尼材料用于抑制厚度纵向振动的基波。这种公知技术同样利用了阻尼材料的衰减作用，增加制造步骤，导致成本增加。
根据阻尼材料位置的不同，衰减效果也随之改变，难以稳定控制杂波。
发明内容
为了克服上述问题，本发明的优选实施例提供一种压电谐振部件，它无需提供附加元件，如涂敷膜和阻尼元件，从而简化制造步骤，降低制造成本，并具有在使用厚度纵向振动的三次谐波时，能有效并可靠地控制厚度纵向振动基波影响的结构。
本发明优选实施例的压电谐振部件包括能阱型压电谐振器，该能阱型压电谐振器利用厚度纵向振动的三次谐波，并包括压电基板，该压电基板具有第一和第二主表面且在第一与第二主表面之间在厚度方向被极化，第一和第二振动电极关于设于其间的压电基板彼此相对，第一和第二外壳基板分别层叠在压电谐振器的第一和第二主表面上，从而形成空腔，不会干扰第一和第二振动电极通过压电基板彼此相对位置处振动部分的振动，其中第一和第二振动电极设置成，使厚度纵向振动基波的S0和S1模的相位峰值之差处于大约±5度范围内。
按照本发明这种优选实施例的压电谐振部件，包括分别层叠在压电谐振器第一和第二主表面上的第一和第二外壳基板，从而形成空腔，以致不会干扰第一和第二振动电极通过压电基板彼此相对位置处振动部分的振动。所述压电基板为利用厚度纵向振动三次谐波的能阱型。因为第一和第二振动电极的尺寸被设计成，使得厚度纵向振动基波的S0和S1模的相位峰值之差处于大约±5度范围内，所以抑制厚度纵向振动的基波。可以不用诸如阻尼元件或涂敷膜等附加元件而抑制厚度纵向振动的基波，并且不会影响厚度纵向振动的三次谐波。由于不使用阻尼元件和涂敷膜，可实现小型化和薄型化设计。还可降低压电谐振部件的成本。
在本发明的优选实施例中，第一和第二振动电极中的每一个，优选具有实质上为圆形平面的形状，所述空腔优选具有实质上为正方形平面的形状，并且优选保持关系R/t＝0.40A/t+1.40到0.33A/t+1.95，其中R(mm)代表实质上为圆形平面形状的第一和第二振动电极的直径，A(mm)代表实质上为正方形平面形状之空腔的边长，t(mm)代表压电基板的厚度。
如果第一和第二振动电极中的每一个具有实质上为圆形平面的形状，则空腔具有实质上为正方形平面的形状，而且，最好保持关系R/t＝0.40A/t+1.40到0.33A/t+1.95，厚度纵向振动基波的S0和S1模的相位峰值之差处于大约±5度范围内。使厚度纵向振动的基波得到有效的抑制。
在本发明另一优选实施例中，第一和第二振动电极中的每一个具有实质上为椭圆形平面的形状，空腔具有实质上为正方形平面的形状，并且优选保持关系Ra/t＝0.40A/t+1.40到0.33A/t+1.95，和Ra＝2(S/π)1/2，其中Ra代表第一和第二电极的尺寸，S(mm2)代表第一和第二振动电极每一个的面积，A(mm)代表实质上为正方形平面形状空腔的边长，t(mm)代表压电基板的厚度。
如果第一和第二振动电极中的每一个具有实质上为椭圆形平面的形状，并且空腔具有实质上为正方形平面的形状，而且还保持关系Ra/t＝0.40A/t+1.40到0.33A/t+1.95和Ra＝2(S/π)1/2，则厚度纵向振动基波的S0和S1模的相位峰值之差处于大约±5度范围内。使厚度纵向振动的基波得到有效的抑制。
在又一优选实施例中，第一和第二振动电极中的每一个具有实质上为圆形和实质上为椭圆平面形状中的一种，空腔具有实质上为矩形平面形状，并且优选保持关系Ra/t＝0.40Aa/t+1.40到0.33Aa/t+1.95，Ra＝2S1/2和Aa＝Sr 1/2，其中Ra代表第一和第二电极的尺寸，S(mm2)代表第一和第二振动电极中每一个的面积，Aa代表空腔的尺寸，Sr(mm2)代表实质上为矩形平面形状空腔的面积，t(mm)代表压电基板的厚度。
如果第一和第二振动电极中的每一个具有实质上为圆形和实质上为椭圆形平面形状中的一种，则空腔具有实质上为矩形平面的形状，且优选保持关系Ra/t＝0.40Aa/t+1.40到0.33Aa/t+1.95，Ra＝2S1/2和Aa＝Sr 1/2，使厚度纵向振动的基波得到有效的抑制。
在本发明再一优选实施例中，第一和第二外壳基板在它们被粘接到能阱型压电谐振器的相应表面上分别具有凹槽，并且所述凹槽形成空腔。
在本发明另一优选实施例中，第一和第二外壳基板为平面元件，第一和第二外壳基板借助粘接剂被粘接到压电谐振器上，从而在第一和第二外壳基板中的每一个与压电谐振器之间形成空腔。
如果第一和第二外壳基板在它们被粘接至能阱型压电谐振器的各表面上具有凹槽，并且凹槽形成相应空腔，则通过控制凹槽的尺寸可有效抑制厚度纵向振动的基波。如果第一和第二外壳基板由平面元件制成，则第一和第二外壳基板优选使用粘接剂粘接到压电基板，从而在第一和第二外壳基板中的每一个与压电基板之间形成空腔。在此情形中，如前面所述的那样设计空腔的尺寸。
从下面参照附图对优选实施例的详细说明，将使本发明的其他特征、要素、性质、步骤和优点变得愈为清楚。
附图说明
图1A和1B分别为本发明第一优选实施例压电谐振部件的纵向剖面图和透视图；
图2描绘出本发明第一优选实施例压电谐振部件之能阱型压电谐振器的厚度纵向振动S0和S1模的相位峰值与谐振器电极的尺寸之间的关系；
图3描绘出具有S0模的相位峰值大于S1模的相位峰值的典型压电谐振器的相位-频率特性曲线；
图4描绘出具有S0模的相位峰值小于S1模的相位峰值的典型压电谐振器的相位-频率特性曲线；
图5表示压电谐振部件空腔的尺寸A，并且所绘制区域为，随着振动电极直径R的改变，S0模的相位峰值与S1模的相位峰值之差处于大约±5度范围内；
图6为本发明第二优选实施例压电谐振器的正向剖面图；
图7为本发明第二优选实施例压电谐振部件主要部分的透视图；
图8描绘本发明第二优选实施例压电谐振部件的压电谐振器厚度纵向振动的S0和S1模的相位峰值与谐振器电极的尺寸之间的关系；以及
图9为说明公知能阱型压电谐振器的透视图。
具体实施方式
以下将参照附图描述本发明的优选实施例。
图1A为本发明第一优选实施例压电谐振部件1的纵向剖面图，图1B为该压电谐振部件主要部分的透视图。
压电谐振部件1包括能阱型压电谐振器2。所述压电谐振器2包括具有实质上为矩形平面形状的压电基板3。由压电陶瓷如锆钛酸铅陶瓷或钛酸铅陶瓷制成的压电基板3在其厚度方向被极化。
具有实质上为圆形平面形状的第一振动电极4设在压电基板3顶面大致为中心的位置处。第二振动电极5以这样的方式被设置在压电基板3的底面上，即使得第二振动电极5与第一振动电极4关于夹在它们之间的压电基板3相对。
在压电谐振器2中，第一引出电极6从第一振动电极4引出。而且，第二引出电极7从压电基板3底面上的第二振动电极5引出。第一和第二引出电极6和7分别延伸到压电基板3相对的端面3a和3b。
通过在压电谐振器2中第一与第二振动电极4和5之间加给交流电场，激发出厚度纵向振动模。本发明的第一优选实施例利用厚度纵向振动的三次谐波。
参照图1A，使用粘接层9将第一外壳基板8粘接到平面压电谐振器2的顶面。优选由绝缘陶瓷如氧化铝制成第一外壳基板8，并且在其底面上具有凹槽8a。凹槽8a形成空腔H，从而第一外壳基板8不会干扰第一振动电极4与第二振动电极5彼此相对位置处振动部分的振动。
使用粘接层11将第二外壳基板10粘接到压电谐振器2的底面。在第二外壳基板10的顶面中形成凹槽10a。凹槽10a用于在振动部分下面形成空腔H，从而第二外壳基板10不会干扰振动部分的振动。
由与第一外壳基板8相同的材料制成第二外壳基板10。
图1B表示压电谐振部件1的透视图，其中去除了第一和第二外壳基板8和10以及下部粘接层11。
本发明第一优选实施例压电谐振部件1的特征在于，将第一和第二振动电极4和5的尺寸设计成，使厚度纵向振动基波的S0模与S1模的相位峰值之差处于大约±5度范围内。正如将要参照试验结果所描述的那样，这有效抑制了厚度纵向振动的基波，而不致影响厚度纵向振动的三次谐波。下面详细描述实验结果。
厚度纵向振动的基波具有两种模式，即S0模和S1模。S0和S1模的相位峰值由第一和第二振动电极4和5的尺寸决定，空腔H的尺寸由凹槽8a和10a决定。
图2表示S0模的相位峰值和S1模的相位峰值如何随第一和第二振动电极4和5的尺寸而变。将压电谐振器2设计成具有大约20MHz的谐振频率。压电基板3的尺寸比如约为3.7mm长乘大约3.1mm宽乘大约0.38mm厚。改变第一和第二振动电极4和5中每一个的直径R(mm)。如图所示，分别用虚线、点划线和实线表示具有边长为大约4.2t、大约4.47t以及大约4.7t的空腔H的三种压电谐振器2的试验结果，其中“t”表示压电基板3的厚度，以mm为单位。如该图所示，从左到右向下倾斜的直线代表S0模的结果；从左到右向上倾斜的直线代表S1模的结果。
如图2中所示，随着第一和第二振动电极4和5直径R(mm)的增大，S0模的相位峰值线性减小，而S1模的相位峰值线性增大。随着空腔H的改变，S0和S1模的相位峰值也呈现出相同趋势。当S0模的相位峰值等于S1模的相位峰值时，厚度纵向振动基波的响应最小。
图3表示压电谐振器2典型的频率-相位关系，其中S0模的相位峰值大于S1模的相位峰值。图4表示压电谐振器2典型的频率-相位关系，其中S0模的相位峰值小于S1模的相位峰值。参照图2，当S0模的相位峰值等于S1模的相位峰值时，厚度纵向振动基波的响应最小。不过，S0模相位峰值和S1模相位峰值均有大约±5度的误差范围。根据本发明优选实施例，如果使S0模的相位峰值与S1模的相位峰值之差处于大约±5度范围内，则可有效抑制厚度纵向振动的基波。
S0模相位峰值与S1模相位峰值随振动电极直径沿相反方向变化的原因，可归于S0模的相位振动区域与S1模的相位振动区域之间的差异。就从振动峰值位置的位移而言，S1模导致比S0模更宽的振动区域。这意味着由于封装结构导致S1模更易于减小。
在压电谐振器2的制造阶段，最好使S0模小于S1模。然后通过封装结构使S1模减小，使S0模的相位峰值等于S1模的相位峰值。从而有效抑制厚度纵向振动的基波。
确定封装结构中第一和第二振动电极4和5的尺寸R以及空腔H的尺寸，使压电谐振器2制造阶段S0模的相位峰值较小，然后通过改变封装结构而减小S1模，使S0模的相位峰值近似等于S1模的相位峰值。
通过改变第一和第二振动电极4和5的直径R(mm)以及实质上为正方形空腔H每一边的尺寸A(mm)，制造出具有多种谐振频率的压电谐振部件。压电谐振部件的谐振频率为16、18、20和24MHz。确定每个压电谐振部件的尺寸范围，使S0模的相位峰值与S1模的相位峰值之差保持在大约±5度范围内。图5表示试验结果。如图所示，从左到右绘出的四条曲线分别表示具有大约16、18、20和24MHz谐振频率的压电谐振部件的试验结果。曲线上的数字表示厚度纵向振动基波的S0模和S1模的相位峰值，括号内的数字代表三次谐波的相位峰值。
图5表示本发明第一优选实施例中压电谐振部件1的空腔H和第一与第二振动电极4和5的直径R的尺寸范围，其中有效抑制了厚度纵向振动的基波，并充分激发出三次谐波。厚度纵向振动基波受到充分抑制的范围，是S0模的相位峰值与S1模的相位峰值之差保持在大约±5度范围内的一个范围。
参照图5，用y＝0.33x+1.95t表示实直线A1，用y＝0.40x+1.40t表示实线A2，其中“x”代表实质上为正方形空腔H每边“A”的长度(mm)，“y”代表第一和第二振动电极4和5的直径“R”(mm)，“t”代表压电基板3的厚度。在直线A1和A2围成的区域中，S0模的相位峰值与S1的相位峰值之差保持在大约±5度范围内，有效抑制厚度纵向振动的基波，同时有效激发出厚度纵向振动基波的三次谐波。在直线A1上面的区域中，三次谐波受到衰减，因为三次谐波的相位峰值为大约83度或更小。在直线A2下面的区域中，S0模和S1模的相位峰值为52度或更大，对厚度纵向振动基波的抑制不充分。
如果保持关系R/t＝0.40A/t+1.40到0.33A/t+1.95，其中R(mm)代表实质上为圆形平面形状的第一和第二振动电极的直径，A(mm)代表实质上为正方形平面形状空腔每一边的长度，t(mm)代表压电基板的厚度，则极好地激发出厚度纵向振动的三次谐波，同时充分抑制厚度纵向振动的基波。
在利用厚度纵向振动三次谐波的本发明第一优选实施例压电谐振部件1的压电谐振器2中，优选使厚度纵向振动基波S0模的相位峰值小于S1模的相位峰值。最好通过改变封装结构中空腔“H”每一边的长度，S1模的相位峰值更小。在压电谐振部件1中，优选使S0模的相位峰值与S1模的振动部分之间的差保持在大约±5度范围内。这有效地抑制了厚度纵向振动的基波，同时有效利用了厚度纵向振动的三次谐波。
图6为本发明第二优选实施例压电谐振部件21的纵向剖面图，图7为该压电谐振部件21的透视图。除了第一和第二振动电极24和25具有实质上为椭圆平面的形状，并且空腔H具有实质上为矩形平面形状以外，第二优选实施例的压电谐振部件21与第一优选实施例的压电谐振部件1相同。相同元件用相同附图标记表示，并省略其说明。
如图6和7中所示本发明优选实施例的压电谐振部件可以包括实质上为椭圆形的第一和第二振动电极24和25，以及实质上为矩形空腔H。在此情形中，对于第一和第二振动电极24和25的尺寸Ra(mm)而言，使用2(S/π)1/2。此处，S(mm2)为第一和第二振动电极24和25每一个的面积。由于空腔H具有实质上为矩形平面的形状，则对于空腔H的尺寸Aa(mm)而言，使用Aa＝Sr 1/2。此处，Sr(mm2)代表平面形空腔H的面积。
图8表示在压电谐振部件21的能阱型压电谐振器中，第一和第二振动电极24和25的尺寸Ra与S0模和S1模相位峰值之间的关系。有如从图8可以看到的那样，对于具有实质上为椭圆平面形状的第一和第二振动电极24和25以及具有实质上为矩形平面形状的空腔H2，S0模和S1模的相位峰值沿关于尺寸Ra按相反的方向变化。比较图8与图2，使用实质上为椭圆形的第一和第二振动电极24和25，以及实质上为矩形的空腔H2，导致在代表S0模相位峰值变化的直线与代表S1模相位峰值变化的直线的交点处的相位小于图2中的相应相位。具体而言，使用实质上为椭圆形的第一和第二振动电极24和25以及实质上为矩形的空腔H2，能更有效地抑制厚度纵向振动的基波。
按照本发明的第二优选实施例，S0模和S1模的相位峰值相对于振动电极的尺寸按相反的方向改变。正如本发明第一优选实施例中那样，在压电谐振器22的制造阶段，优选使S0模较小，并在封装结构中减小S1模。优选使S0模的相位峰值与S1模的相位峰值之差处在大约±5度范围内。正如第一优选实施例那样，有效地抑制了厚度纵向振动的基波，同时不致显著地影响厚度纵向振动的三次谐波。
如果在本发明第二优选实施例中的空腔H2具有实质上为正方形平面形状，则可将空腔的尺寸A设定为实质上为正方形形状的每边长。如果在本发明第二优选实施例中的第一和第二振动电极24和25具有实质上为圆形平面形状，则其尺寸Ra可以为其直径R。
由于本发明第二优选实施例中保持关系Ra/t＝0.40Aa/t+1.40到0.33Aa/t+1.95，所以，优选使S0模的相位峰值与S1模的相位峰值之差处在大约±5度范围内。
在本发明第一和第二优选实施例中，由处于外壳基板中的凹槽限定空腔。作为选择，可以增大粘接层9和11的厚度，由形成在每一粘接层9和11中的凹槽限定空腔。在这种情形下，可以使用平面基板作为外壳基板。
虽然参照各优选实施例描述了本发明，不过本领域技术人员显然能够理解，可以通过多种方法对所披露的发明进行变型，而且可以具有除上面具体描述之外的多种实施方式。相应地，所附各权利要求意在覆盖处于本发明真实精神和范围内的所有变型。
Claims (10)
1.一种压电谐振部件，包括：
能阱型压电谐振器，它利用厚度纵向振动的三次谐波，并且包括具有第一和第二主表面的压电基板，而且在第一与第二主表面之间在厚度方向被极化，所述第一和第二振动电极关于设在其间的压电基板彼此相对；和
第一和第二外壳基板，分别层叠在压电谐振器第一和第二主表面上，从而形成空腔，并且设置成使第一和第二外壳基板不干扰第一和第二振动电极通过压电基板彼此相对位置处振动部分的振动；其中
第一和第二振动电极的尺寸设计成，使厚度纵向振动基波的S0和S1模的相位峰值之差处于大约±5度范围内。
2.根据权利要求1所述的压电谐振部件，其中：
第一和第二振动电极中的每一个具有实质上为圆形平面的形状；
每一个空腔具有实质上为正方形平面形状；并且
保持关系R/t＝0.40A/t+1.40到0.33A/t+1.95，其中R(mm)代表实质上为圆形平面形状的第一和第二振动电极的直径，A(mm)代表实质上为正方形平面形状空腔的边长，t(mm)代表压电基板的厚度。
3.根据权利要求1所述的压电谐振部件，其中：
第一和第二振动电极中的每一个具有实质上为椭圆形平面的形状；
每个空腔具有实质上为正方形平面形状；并且
保持关系Ra/t＝0.40A/t+1.40到0.33A/t+1.95和Ra＝2(S/π)1/2，其中Ra代表第一和第二电极的尺寸，S(mm2)代表第一和第二振动电极中每一个的面积，A(mm)代表实质上为正方形平面形状空腔的边长，t(mm)代表压电基板的厚度。
4.根据权利要求1所述的压电谐振部件，其中：
第一和第二振动电极中的每一个具有实质上为圆形形状和实质上为椭圆形平面形状其中之一；
每一个空腔具有实质上为矩形平面的形状；并且
保持关系Ra/t＝0.40Aa/t+1.40到0.33Aa/t+1.95，Ra＝2S1/2以及Aa＝Sr 1/2，其中Ra代表第一和第二电极的尺寸，S(mm2)代表第一和第二振动电极中每一个的面积，Aa代表空腔的尺寸，Sr(mm2)代表实质上为矩形平面形状空腔的面积，t(mm)代表压电基板的厚度。
5.根据权利要求1所述的压电谐振部件，其中，第一和第二外壳基板在其粘接至能阱型压电谐振器的相应表面上分别设置有凹槽，并且凹槽限定空腔。
6.根据权利要求1所述的压电谐振部件，其中，第一和第二外壳基板为平面元件，借助粘接剂将第一和第二外壳基板粘接到压电谐振器上，从而在第一和第二外壳基板中的每一个与压电谐振器之间形成空腔。
7.根据权利要求1所述的压电谐振部件，其中，压电基板实质上为矩形形状。
8.根据权利要求1所述的压电谐振部件，其中，第一和第二振动电极实质上为圆形平面的形状。
9.根据权利要求1所述的压电谐振部件，其中第一和第二振动电极为实质上为椭圆形平面的形状。
10.根据权利要求1所述的压电谐振部件，其中。空腔具有实质上为矩形平面的形状。
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