專利名稱：壓電諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于壓電振蕩器件、梯形濾波器和其它同類設(shè)備的壓電諧振器，尤其涉及端間電容大、以彎曲(bending)振動模式振動的壓電諧振器。
普通諧振器的陶瓷壓電材料在300kHz～800kHz頻帶內(nèi)作擴展(spreading)振動。

圖1A是表示擴展振動諧振器1的結(jié)構(gòu)的透視圖，圖1B是表示擴展振動諧振器1的極化方向與電場方向的側(cè)視圖。在擴展振動諧振器1中，表面電極3設(shè)置在單層壓電基片2的上下主表面上，基片2呈方形，且整塊壓電基片2沿垂直于兩主表面的方向極化。相應(yīng)地，在表面電極3之間所加的電場的方向垂直于這兩個主表面且平行于極化方向。在這種擴展振動諧振器1中，當在表面電極3之間加上信號電壓時，壓電基片2就在平行于兩主表面的平面內(nèi)向外擴展或向內(nèi)收縮。
在擴展振動諧振器1中，一邊的長度Ls與諧振頻率fr的乘積幾乎是常數(shù)，其關(guān)系定義為Ls×fr=As(1)式中As為常數(shù)(頻率相關(guān)常數(shù))，且As≌2100mmkHz。例如，要獲得諧振頻率fr=450kHz的諧振器，要求其一邊的長度Ls=4．67mm。
由于電子元件越益要求小型化，所以這種擴展振動諧振器幾乎無法做得小型、輕量和廉價。
圖2示出具有二級結(jié)構(gòu)的梯形濾波器6，它包括串聯(lián)諧振器7a與7b和并聯(lián)諧振器8a與8b；圖3示出梯形濾波器6的衰減特性。鑒于這種梯形濾波器6的某種特性，必須盡量增大圖3所示的保證衰減值A(chǔ)tt．。若用C1表示串聯(lián)諧振器7a與7b的端間電容，C2表示并聯(lián)諧振器8a與8b的端間電容，則二級結(jié)構(gòu)的梯形濾波器6的保證衰減值A(chǔ)tt．定義為Att．=2×20log(C2／C1)(2)因此，為了增大保證衰減值A(chǔ)tt．，就要增大并聯(lián)諧振器8a與8b的端間電容C2，并減小串聯(lián)諧振器7a與7b的端間電容C1。然而，當將上述擴展振動諧振器1應(yīng)用于并聯(lián)諧振器8a與8b時，則難以增大端間電容C2，原因如下。
圖1A所示擴展振動諧振器1的端間電容Cs以下式定義Cs=(ε·ε0·Ls2)／t (3)式中Ls是諧振器1一邊的長度，ε是壓電基片的介電常數(shù)，t為壓電基片的厚度，而ε0為真空中的介電常數(shù)(即，8．854×10-12)。
在選擇了擴展振動諧振器1的諧振頻率fr后，確定諧振器1一邊的長度Ls(比較公式(1))，因此端間電容Cs僅由基片2的厚度t和介電常數(shù)ε來確定。
為了增大擴展振動諧振器1的端間電容Cs，必須增大壓電基片2的介電常數(shù)ε，或使壓電基片更薄。然而，由于壓電基片2的介電常數(shù)ε是由構(gòu)成該基片2的材料確定的，所以無法隨意選擇介電常數(shù)ε，而且若改變壓電基片的材料，就會影響其它特性。再者，若把基片2的厚度減薄，則抗斷強度降低，擴展振動諧振器1容易減薄，則抗斷強度降低，擴展振動諧振器1容易損壞。因此，限制了可選擇的厚度。
結(jié)果，對于梯形濾波器的并聯(lián)諧振器而言，雖然希望有端間電容大的諧振器，但是難以獲得端間電容大的擴展振動諧振器。反之，如果研制的壓電諧振器具有對應(yīng)于上述常數(shù)Cs的小常數(shù)，且能把壓電諧振器制成小尺寸，則端間電容將減小。因此，當把壓電諧振器用作并聯(lián)諧振器時，會劣化保證衰減值。
為解決上述問題，本發(fā)明的較佳實施例提供了一種尺寸極小的壓電諧振器，它具有很大的端間電容，且實現(xiàn)了所需的諧振頻率。
根據(jù)本發(fā)明一較佳實施例的壓電諧振器，包括層疊的四層或更多層電極和三層或多層壓電層，壓電層中的至少有兩層以基本上垂直于電極的方向極化。這些電極相互如此連接，從而在壓電層的第一部分中，產(chǎn)生的電場與壓電層的極化方向同方向，而在壓電層的第二部分中，產(chǎn)生的電場與壓電層的極化的方向不同。
根據(jù)本發(fā)明的另一較佳實施例的壓電諧振器，包括上述的一種壓電諧振器，其中將偶數(shù)層電極與奇數(shù)個壓電層層疊起來，而且諸電極相互如此連接，從而中間壓電層不極化，在中間壓電層的一側(cè)上，極化方向與電場方向相同，而在中間壓電層的另一側(cè)上，極化方向與電場方向相反。
在根據(jù)上述較佳實施例的壓電諧振器中，由于極化方向與電場方向相同的壓電層沿著向?qū)又行牡姆较蚴湛s，而極化方向與電場方向相反的壓電層沿著向?qū)舆吘壍姆较驍U展，因此在整個壓電諧振器中產(chǎn)生彎曲振動。與擴展振動諧振器相比，在表現(xiàn)出這種彎曲振動的壓電諧振器中，諧振器一邊的長度與諧振頻率的乘積變得更小。因此可大大減小壓電諧振器的尺寸，并可應(yīng)用同一所需頻帶。另外，由于壓電諧振器具有四層或更多層的電極，所以大大增大了每對電極之間產(chǎn)生的端間電容和總的端間電容。再者，因為每個壓電層是層疊的，所以大大減小了每個壓電層的厚度而不降低壓電諧振器的強度，甚至還增大了端間電容。
在根據(jù)另一較佳實施例的壓電諧振器中，中間壓電層不極化，在中間壓電層的一側(cè)上，極化方向與電場方向相同，而在中間壓電層的另一側(cè)上，極化方向與電場方向相反。因而產(chǎn)生強烈的彎曲振動。此外，通過插入一不極化的壓電層，可使其它壓電層更薄而不降低諧振器的強度，甚至還增大了端間電容。
通過以下對較佳實施例的詳述并參照附圖，本發(fā)明的其它特征、要素、特性與優(yōu)點將變得更加清楚。
圖1A是示出普通擴展振動諧振器的結(jié)構(gòu)的透視圖；圖1B是示出圖1A諧振器的極化方向與電場方向的側(cè)視圖；圖2是梯形濾波器的電路圖；圖3是示出圖2中梯形濾波器的特性的圖；圖4是本發(fā)明一較佳實施例的壓電諧振器的透視圖；圖5是圖4所示壓電諧振器的放大剖視圖；圖6A是示出母基片極化處理的透視圖與剖視圖；圖6B是示出母基片第一次切割處理的透視圖；圖6C是示出經(jīng)切割的母基片的透視圖；圖6D是示出母基片第二次切割處理的透視圖；圖6E是完成的壓電諧振器的透視圖；圖7A是示出根據(jù)本發(fā)明另一較佳實施例的壓電諧振器的極化處理的圖；圖7B是示出圖7A壓電諧振器的驅(qū)動的圖；圖8A是示出根據(jù)本發(fā)明另一較佳實施例的壓電諧振器的極化處理的圖；圖8B是示出圖8A壓電諧振器的驅(qū)動的圖；及圖9是示出其雙層結(jié)構(gòu)適于以彎曲振動模式振動的壓電諧振器的透視圖。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明一較佳實施例的壓電諧振器9的透視圖，圖5是根據(jù)本發(fā)明該較佳實施例的諧振器的剖視圖。例如，將該壓電諧振器9用作頻帶約300kHz到約800kHz的陶瓷振蕩器。壓電諧振器9最好包括內(nèi)電極12和14，這兩層內(nèi)電極夾在陶瓷壓電層11、13和15中間，這三層陶瓷壓電層基本上為方形；以及設(shè)置在層疊起來的壓電層11、13和15及內(nèi)電極12與14的上下兩主表面上的表面電極10與16。中間壓電層13不極化，壓電層13兩側(cè)上的壓電層11與15以基本上垂直于主表面的方向極化，從而極化方向相反。另外，極化方向可如圖5中的實線箭頭所示在中間壓電層13兩側(cè)上向內(nèi)，或者在中間壓電層13的兩側(cè)上向外。
在壓電諧振器9的兩側(cè)表面上設(shè)置了連接電極18與20。一連接電極18電氣連接至兩個分開壓電層所在的表面電極10和內(nèi)電極14，并利用設(shè)置在側(cè)面上的絕緣材料17與在中間的內(nèi)電極12絕緣。另外，另一連接電極20電氣連接至兩個分開壓電層所在的表面電極16與內(nèi)電極12，也利用設(shè)置在另一側(cè)面上的絕緣材料19與在中間的內(nèi)電極14絕緣。
因此，當在兩個表面電極10與16之間加上電壓從而產(chǎn)生沿圖5中虛線箭頭所示方向的電場方向時，電場方向與極化方向在一壓電層11里變?yōu)橄嗤?，且壓電?1向其中心方向收縮，但電場方向與極化方向在另一壓電層15里變?yōu)橄喾?，壓電?5向其邊緣方向伸展。結(jié)果，當把信號(高頻電場)加到表面電極150與16之間時，壓電層11與15都以擴展振動模式沿其邊緣方向擴展并沿其中心方向收縮。于是，由于壓電層11與15的伸展和收縮的相位相反，所以整個壓電諧振器9產(chǎn)生形變，兩主表面彎曲而交替地形成凹面和凸面(以下把該形變稱為彎曲振動，把本發(fā)明各較佳實施例的壓電諧振器9稱為彎曲諧振器)。
在具有這種三層結(jié)構(gòu)的彎曲諧振器9中，Lb表示諧振器9一邊的長度，ε表示壓電層11、13和15的介電常數(shù)，t1、t2與t3分別表示壓電層11、13和15的厚度，把端間電容Cb定義為Cb=(ε·ε0·Lb2)(1／ta+1／tb+1／tc)(4)ε0是真空中的介電常數(shù)。
當擴展振動諧振器1和彎曲諧振器9均用同種材料(ε相同)制作時，其中尺寸基本上一樣，而且厚度大體上相等(ta+tb+tc=t)，可用公式(3)定義擴展振動諧振器1的端間電容，但當壓電層11、13與15各自的厚度基本上相同時(ta=tb=tc=t／3)，則由下式(4′)定義彎曲諧振器9的端間電容Cb=(ε·ε0·Lb2)(9／t)=9Cs(4′)因此，在本發(fā)明較佳實施例的彎曲諧振器9中，得到的端間電容是同尺寸、同厚度擴展振動諧振器1的端間電容的9倍。而且，即便將壓電層11、13與15的厚度做得更薄，但層疊壓電層的總厚度不變，所以強度也不變。
結(jié)果，當將圖2中梯形濾波器使用的并聯(lián)諧振器8a與8b從擴展振動諧振器1改為三層結(jié)構(gòu)的彎曲諧振器9時，梯形濾波器的保證衰減值增大約38．2dB，如下式(5)所示ΔAtt．=2×20log(Cb/Cs)=38．2dB (5)如果將選擇不同介電常數(shù)的材料、改變串聯(lián)諧振器與并聯(lián)諧振器的厚度以及常規(guī)技術(shù)中常見的其它方法結(jié)合起來，就能以更寬的范圍設(shè)計相對電容與保證衰減值。
在彎曲諧振器9中，一邊的長度Lb與諧振頻率fr的乘積也幾乎不變，可定義為Lb×fr=Ab這里，頻率相關(guān)常數(shù)為Ab≡430mmkHz]]>由于彎曲諧振器9的頻率相關(guān)常數(shù)Ab大約是擴展振動諧振器1的頻率相關(guān)常數(shù)As的0．3倍(Ab/As≡0.3)]]>，所以對于同樣的諧振頻率，彎曲諧振器9一邊的長度Lb約為擴展振動諧振器1一邊長度Ls的0．3倍。因此，在比較彎曲諧振器9與擴展振動諧振器1時，彎曲諧振器9一邊的長度變得小于擴展振動諧振器1一邊長度的約1／3．3，在面積上小于約1／10。結(jié)果，只要使用同一諧振頻率，彎曲諧振器9的尺寸比擴展振動諧振器1的尺寸減小很多。
再者，在比較同一諧振頻率的擴展振動諧振器1與彎曲諧振器9時，彎曲諧振器9變成擴展振動諧振器1的1／10那么大(Lb2=Ls2／10)，當壓電層11、13與15各自的厚度為擴展振動諧振器1厚度的1／3時(ta=tb=tc=t／3)，彎曲諧振器9的端間電容Cb變?yōu)閿U展振動諧振器1的端間電容Cs的9／10，就是說，雖然彎曲諧振器9的尺寸約為擴展振動諧振器1的1／10，但是卻具有與諧振器1幾乎一樣的端接電容。另外，雖然彎曲諧振器9的厚度不變，但是強度大大增大了。
接下來說明上述彎曲諧振器9的制造方法。首先，在層疊了經(jīng)厚膜印刷導(dǎo)電膏所制備的內(nèi)電極12a與14a以及壓電材料制成的生片(greensheet)11a、13a與15a并經(jīng)燒結(jié)之后，通過在燒結(jié)材料的兩表面上形成外電極10a與16a形成圖6A所示的母基片21，并在燒結(jié)材料的端面形成連接至內(nèi)電極12a與14a的端電極22。此時，在外電極10a和16a與端電極22之間加一電極，燒結(jié)材料就沿圖6A中的箭頭方向極化。接著，沿圖6B所示箭頭線切割母基片21，使之成條形，就可得到圖6C所示條形的母基片23。接下來，沿圖6D所示箭頭線切割條形母基片23，得到圖6E所示單個單元的壓電諧振器24。接著，如圖5所示給內(nèi)電極12與14的端部覆蓋絕緣材料17與19，在壓電諧振器9的端面上將連接電極18與20置于絕緣材料17與19上面。以此法可以一次制作許多圖4所示的彎曲諧振器9。
圖7A示出本發(fā)明另一較佳實施例的壓電諧振器31是如何極化的，圖7B表示如何驅(qū)動壓電諧振器31。在壓電諧振器31中，層疊了五個壓電層33、35、37、39與41(層數(shù)可以是等于7或更大的奇數(shù))與四層內(nèi)電極34、36、38與40(層數(shù)可以是等于6或更大的偶數(shù))，表面電極32與42設(shè)置在層疊件的兩個表面上。在極化處理中，如圖7A所示電氣連接表面電極32與42和內(nèi)電極36與38，內(nèi)電極34與40也電氣連接，并在它們之間加一電壓。于是，中間的壓電層37不極化而位于壓電層37上面或下面的壓電層33、35、39與41被極化。之后，如圖7B所示，利用一連接電極把表面電極32同內(nèi)電極36與40電氣連接起來，并用另一連接電極把內(nèi)電極34與38同表面電極42電氣連接起來。于是，因為在中間壓電層37上面的壓電層33與35中，極化方向與電場方向相同，而在中間壓電層37下面的壓電層39與41中，極化方向與電場方向相反，所以壓電諧振器作彎曲振動。利用這種結(jié)構(gòu)，由于在表面電極32、42與內(nèi)電極34、40之間以及在內(nèi)電極34、36、38與40自身之間產(chǎn)生端間電容，所以可得到大得多的端間電容。
圖8A示出本發(fā)明再一個較佳實施例的壓電諧振器51是如何極化的，圖8B表示如何驅(qū)動壓電諧振器51。在壓電諧振器51中，層疊了偶數(shù)個壓電層53、55、57與59(例如，四層)和奇數(shù)個內(nèi)電極54、56與58(例如，三層)，表面電極52與60設(shè)置在層疊件的兩個表面上。在極化處理中，如圖8A所示電氣連接表面電極52、60與內(nèi)電極56，內(nèi)電極54與58也電氣連接，并在其間加一電壓。于是，壓電層53、55、57與59被極化。之后，如圖8B所示，第一連接電極將表面電極54與內(nèi)電極56、58電氣連接，第二連接電極將內(nèi)電極54與表面電極60電氣連接。于是，由于在上半部分的壓電層53與55中，極化方向與電場方向相同，而在最下層的壓電層59中，極化與電場方向相反，所以壓電諧振器51作彎曲振動。即使采用這種結(jié)構(gòu)，由于在表面電極52和60與內(nèi)電極54和58之間以及內(nèi)電極54與56之間產(chǎn)生端間電容，所以得到的端間電容極大。
再者，在圖7A與7B或圖8A與8B的較佳實施例中，極化與驅(qū)動的布線可以顛倒。然而，如按圖示那樣布線，由于可在驅(qū)動的兩表面電極之間加信號，故可簡化安置壓電諧振器的管殼或封裝的結(jié)構(gòu)。
此外，圖9示出作彎曲振動的壓電諧振器61，其中層疊了兩塊壓電層63和65(內(nèi)電極64夾在其間)，外電極62與66設(shè)置在層疊件兩表面上。像本發(fā)明各較佳實施例的壓電諧振器的情況那樣，與擴展振動模式的壓電諧振器相比，壓電諧振器61的尺寸大大縮小了，但在同尺寸、同厚度和同一壓電材料的壓電諧振器61中，與本發(fā)明諸較佳實施例的壓電諧振器相比，其端間電容很小。因此，若用壓電諧振器61作為串聯(lián)諧振器且用壓電諧振器61作為并聯(lián)諧振器來構(gòu)成圖2所示的梯形濾波器(或具有三級或更多級)，則可以制成保證衰減值大、尺寸小的梯形濾波器。
根據(jù)本發(fā)明各較佳實施例的壓電諧振器，壓電諧振器實現(xiàn)了小型化，但仍能得到大的端間電容，并以彎曲振動模式振動。因此，若將壓電諧振器用作梯形濾波器的并聯(lián)諧振器，可大大提高衰減值。
此外，根據(jù)本發(fā)明各較佳實施例的壓電諧振器，中間的壓電層不極化，在中間壓電層一側(cè)上，極化方向與電場方向相同，而在中間壓電層的另一側(cè)上，極化方向與電場方向相反。因此，壓電諧振器的彎曲振動大大增強且非常強烈。
雖然已參照諸較佳實施例描述了本發(fā)明內(nèi)容，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解，可以在形式上和細節(jié)上作出上述和其它更改而不背離本發(fā)明的精神與范圍。
權(quán)利要求
1．一種壓電諧振器，包括包含至少四層的多個電極；與多個電極層疊以限定諧振器主體的至少三個壓電層；其特征在于至少三個壓電層中的至少兩個壓電層以基本上垂直于多個電極的方向極化，諸電極相互如此連接，從而在壓電層第一部分中，產(chǎn)生的電場與壓電層的極化方向同方向，而在壓電層第二部分中，產(chǎn)生的電場與壓電層的極化方向不同。
2．如權(quán)利要求1所述的壓電諧振器，其特征在于偶數(shù)個電極層與奇數(shù)個壓電層層疊而限定諧振器主體，多個電極相互連接成使中間壓電層不極化，而且在中間壓電層的一側(cè)上，極化方向與電場方向相同，在中間壓電層的另一側(cè)，極化方向與電場方向相反。
3．如權(quán)利要求1所述的壓電諧振器，其特征在于將壓電諧振器構(gòu)成操作于約300kHz到約800kHz的頻帶。
4．如權(quán)利要求1所述的壓電諧振器，其特征在于至少四層電極大體上呈方形。
5．如權(quán)利要求1所述的壓電諧振器，其特征在于至少三個壓電層大體上呈方形。
6．如權(quán)利要求2所述的壓電諧振器，其特征在于極化方向在中間壓電層兩側(cè)向內(nèi)定向。
7．如權(quán)利要求2所述的壓電諧振器，其特征在于極化方向在中間壓電層兩側(cè)向外定向。
8．如權(quán)利要求1所述的壓電諧振器，其特征在于將層疊諧振器主體中的內(nèi)電極與壓電層安置成響應(yīng)于對其施加的電壓以彎曲振動模式振動。
9．如權(quán)利要求1所述的壓電諧振器，其特征在于Lb表示層疊諧振器主體一邊的長度，ε表示壓電層的介電常數(shù)，t1、t2和t3表示各壓電層的厚度，把端間電容Cb定義為Cb=(ε·ε0·Lb2)(1／ta+1／tb+1／tc)式中ε0為真空中的介電常數(shù)。
10．如權(quán)利要求1所述的壓電諧振器，其特征在于壓電層的數(shù)目至少為五。
11．如權(quán)利要求1所述的壓電諧振器，其特征在于內(nèi)電極數(shù)至少為四。
12．一種壓電諧振器，包括多個電極層；與多個電極堆迭以限定諧振器主體的多個壓電層；其特征在于壓電層中的至少兩個壓電層以基本上垂直于多個電極層的方向極化，諸電極相互如此連接，從而在壓電層第一部分中，產(chǎn)生的電場與壓電層的極化方向同方向，而在壓電層第二部分中，產(chǎn)生的電場與壓電層的極化方向不同。
13．如權(quán)利要求12所述的壓電諧振器，其特征在于偶數(shù)個電極層與奇數(shù)個壓電層層疊以限定諧振器主體。
14．如權(quán)利要求12所述的壓電諧振器，其特征在于多個電極相互連接成使中間壓電層不極化，而且在中間壓電層的一側(cè)上，極化方向與電場方向相同，在中間壓電層的另一側(cè)，極化方向與電場方向相反。
15．如權(quán)利要求12所述的壓電諧振器，其特征在于壓電諧振器構(gòu)成操作于約300kHz到約800kHz的頻帶。
16．如權(quán)利要求12所述的壓電諧振器，其特征在于多個電極層與多個壓電層大體上呈方形。
17．如權(quán)利要求14所述的壓電諧振器，其特征在于極化方向在中間壓電層兩側(cè)向內(nèi)定向。
18．如權(quán)利要求14所述的壓電諧振器，其特征在于極化方向在中間壓電層兩側(cè)向外定向。
19．如權(quán)利要求12所述的壓電諧振器，其中將層疊諧振器主體中的內(nèi)電極與壓電層安置成響應(yīng)于對其施加的電壓以彎曲振動模式振動。
20．如權(quán)利要求1所述的壓電諧振器，其中壓電層的數(shù)目至少為三，內(nèi)電極層數(shù)至少為二。
全文摘要
一種壓電諧振器,其內(nèi)電極包括夾在陶瓷壓電層中間的兩層。表面電極置于壓電層上下主表面上。中間壓電層不極化,其兩側(cè)的壓電層則以基本上垂直于主表面的方向極化,從而極化方向相反。一側(cè)表面上設(shè)置的連接電極電氣連接表面電極與內(nèi)電極,并用絕緣材料與內(nèi)電極絕緣。另一相對側(cè)面上的另一連接電極電氣連接表面電極與內(nèi)電極,并以絕緣材料與內(nèi)電極絕緣。
文檔編號H03H9/58GK1293486SQ0013176
公開日2001年5月2日 申請日期2000年10月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月15日
發(fā)明者山本隆 申請人:株式會社村田制作所