CN1147941C - 利用厚度延伸振动模式的谐波的压电谐振器 - Google Patents
利用厚度延伸振动模式的谐波的压电谐振器Info
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Abstract
在利用厚度延伸振动模式的谐波的能量陷获型压电谐振器中，包括：具有第一主表面和第二主表面的压电基片；分别部分地设置在所述压电基片的所述第一主表面和所述第二主表面上的第一和第二激励电极，从而所述第一和第二激励电极通过所述压电基片相互面对；第一和第二引线电极，分别连接到所述第一和第二激励电极并向所述压电基片的边缘延伸；第一和第二端子电极，分别连接到所述第一和第二引线电极并沿所述压电基片的边缘设置；引线电极延伸部分，连接到所述第一和第二引线电极的至少一个电极的一部分；其中，在所述引线电极中设置有所述引线电极延伸部分的引线电极部分的宽度尺寸上等于或大于所述激励电极的宽度尺寸的一半。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用厚度延伸振动模式的谐波的厚度延伸压电谐振器，本发明尤其涉及通过改进的电极形状而抑制由基波引起的寄生振动的厚度延伸压电谐振器。
背景技术
例如，利用厚度延伸振动模式的谐波的压电谐振器被认为是用于产生微型计算机的时钟信号的MHz-频带压电谐振器。由于这样的压电谐振器利用厚度延伸振动模式的谐波，故由厚度延伸振动的基波引起的响应是寄生谐振。因此，迫切需要抑制由基波引起的寄生谐振。
在第4-216208号未审查的日本专利公告中，揭示了一种压电谐振器，这种压电谐振器利用厚度延伸振动的三次谐波，并通过使用浮动电极抑制由基波引起的寄生谐振。
图15示出上面的专利公告中描述的压电谐振器的结构。在压电谐振器61中，将振动电极63设置在矩形压电基片62的第一主表面中心，并将振动电极64设置在第二主表面的中心。振动电极63和64相互面对，并且将压电基片62设置在它们之间。
振动电极63通过引线电极65a连接到沿压电基片62短边处的边缘设置的端子电极65b。振动电极64通过设置在压电基片62的第二主表面上的引线电极66a电气连接到沿压电基片62的短边处的边缘设置的端子电极66b。
在压电基片62的第一主表面上，浮动电极67a和67b沿压电基片62的一对长边处的边缘设置，而浮动电极67c和67d设置在第二主表面上，从而它们与浮动电极67a和67b面对，并使压电基片62位于它们之间。
在压电谐振器61中，振动电极63和64相互面对的部分限定了一振动区域，而厚度延伸振动的第三次谐波陷于振动区域中。把基波从振动区域转移到周围区域。由于浮动电极67a到67d的机械负荷以及压电短路效应，设置浮动电极67a到67d的部分吸收基波的振动能量，因而抑制了由基波引起的不想要的寄生谐振。
然而，由于需要将浮动电极67a到67d设置在振动区域的两侧，并沿压电谐振器61中的压电基片62的短边方向延伸，压电谐振器61由于有设置了浮动电极67a到67d的部分而不能做得紧凑。由于要将基波引导至设置了浮动电极67a到67d的部分，浮动电极67a到67d的面积必须较大，故很难同时抑制由基波引起的寄生谐振以及将压电谐振器61做得紧凑。
发明内容
为了克服上述问题，本发明的较佳实施例提供了使用厚度延伸振动模式的谐波的厚度延伸压电谐振器，这种压电谐振器能够有效地抑制由基波引起的不想要的寄生谐振，并可以做得紧凑。
本发明的较佳实施例提供了一种利用厚度延伸振动模式谐波的压电谐振器，包括：具有第一主表面和第二主表面的压电基片；分别部分地设置在所述压电基片的所述第一主表面和所述第二主表面上的第一和第二激励电极，从而所述第一和第二激励电极通过所述压电基片相互面对；第一和第二引线电极，分别连接到所述第一和第二激励电极并向所述压电基片的边缘延伸；第一和第二端子电极，分别连接到所述第一和第二引线电极并沿所述压电基片的边缘设置；引线电极延伸部分，连接到所述第一和第二引线电极的至少一个电极的一部分；其中，在所述引线电极中设置有所述引线电极延伸部分的引线电极部分的宽度尺寸上等于或大于所述激励电极的宽度尺寸的一半。
由于把引线电极延伸部分连接到第一和第二引线电极中的至少一个引线电极(引线电极连接到第一和第二激励电极)的一部分，故根据本发明的一个较佳实施例的厚度延伸压电谐振器中，厚度延伸振动模式的基波通过第一和第二引线电极有效地引向压电基片的端部。因此，通过连接到第一和第二引线电极的第一和第二端子电极得出厚度延伸压电谐振器，有效地阻尼了被引导的基波，由此阻尼了由基波引起的寄生谐振。结果，提供了利用厚度延伸振动模式的谐波，并具有极好的谐振特性的厚度延伸压电谐振器。
在传统的厚度延伸压电谐振器中，当基波由浮动电极抑制时，由于需要把浮动电极沿压电基片的短边方向设置在振动区域两侧，因此不能将它做得紧凑。与传统的厚度延伸压电谐振器相比，根据本发明的较佳实施例的压电谐振器由于引线电极延伸部分连接到引线电极的一部分，故不妨碍把它做得紧凑。
在上述的压电谐振器中，引线电极延伸部分可以安排得沿压电基片短边边缘方向延伸，以增加引线电极的宽度。
在这种情况下，由于引线电极延伸被安排得沿压电基片短边边缘方向延伸以增加引线电极的宽度，因此可以在设置引线电极的过程中容易地设置引线电极延伸部分。另外，在形成引线电极时通过增加引线电极的宽度就可以容易地设置引线电极延伸部分。另外，即使抑制了由基波引起的寄生谐振，压电谐振器仍然可以做得紧凑。
在上述压电谐振器中，设置引线电极延伸部分的引线电极的一部分的宽度尺寸可以等于或大于激励电极宽度的一半左右。
设置引线电极延伸部分的引线电极的一部分的尺寸宽度最好等于或大于激励电极的宽度尺寸。
可以如此做出厚度延伸压电谐振器，从而第一激励电极具有大致上为圆形的形状，(大致设置在压电基片的主表面的中心；大致上为矩形的电极薄膜(包括通过压电基片而面对第一激励电极的区域)确定了第二激励电极、第二引线电极和第二端子电极；而大致上为矩形的电极薄膜中通过压电基片面对着第一激励电极的区域用作第二激励电极。
在这种情况下，由于第一激励电极具有设置在压电基片的第一主表面的大致中心处的大致上为圆形形状；包括通过压电基片面对着第一激励电极的区域的大致上为矩形的电极薄膜确定了第二激励电极、第二引线电极和第二端子电极；而通过压电基片面对着第一激励电极的区域以及大致上为矩形的电极薄膜用作第二激励电极部分，由基波引起的寄生谐振由大致上为矩形的电极薄膜中的设置在第二引线电极的两侧的引线电极延伸抑制，显著地减小了第一和第二激励电极之间重叠区域的变化。
附图说明
从下面参照附图对本发明的描述，本发明的其它的特点和优点将是显然的。
图1是根据本发明的第一较佳实施例的压电谐振器的透视图。
图2是根据第一较佳实施例的压电谐振器的平面图。
图3是使用根据第一较佳实施例的压电谐振器的片型压电谐振元件的部件分解透视图。
图4是包括根据第一较佳实施例的压电谐振器的片型压电谐振元件的透视图。
图5是用于描述包括根据第一较佳实施例的压电谐振器的片型压电谐振元件中的厚度延伸振动模式的三次谐波的响应而示出谐振特性的曲线图。
图6是用于描述包括根据第一较佳实施例的厚度延伸压电谐振器的片型压电谐振元件中的基波的响应而示出谐振特性的曲线图。
图7是用于比较的压电谐振器的平面图。
图8是用于描述使用比较用压电谐振器的片型压电谐振元件中的厚度延伸振动的三次谐波的响应而示出谐振特性的曲线图。
图9是用于描述使用比较用的压电谐振器的片型压电谐振元件中的厚度延伸振动的基波的响应而示出谐振特性的曲线图。
图10是根据本发明的第二较佳实施例的压电谐振器的透视图。
图11是用于描述使用根据第二实施例的压电谐振器的片型压电谐振元件中的厚度延伸振动的三次谐波的响应而示出谐振特性的曲线图。
图12是用于描述使用根据第二较佳实施例的厚度延伸压电谐振器的片型压电谐振元件中的厚度延伸振动的基波的响应而示出谐振特性的曲线图。
图13A和13B是描述根据第二较佳实施例的压电谐振器中的激励电极的重叠情况的平面图。
图14是示出在根据第一较佳实施例的压电谐振器中，引线电极的宽度尺寸D变化时，由基波引起的寄生谐振的变化的曲线图。
图15是利用厚度延伸振动模式振动的传统的压电谐振器的透视图。
具体实施方式
图1是根据本发明的第一较佳实施例的压电谐振器的透视图。利用厚度延伸振动模式的谐波的压电谐振器1最好包括大致上为矩形板形状的压电基片2。压电基片2可以由例如锆钛酸铅陶瓷之类的压电陶瓷或石英晶体、LiTaO3和LiNbO3之类的压电单晶制成。当压电基片2由压电陶瓷制成时，基片沿厚度方向极化。
在压电基片2的第一主表面2a上，第一激励电极3a(大致上为圆形)大致设置在中心处。如此设置连接到第一激励电极3a的引线电极3b，从而以第一激励电极3a朝压电基片2的短边处的边缘2b延伸。引线电极3b的外端电气连接到沿压电基片2的短边处的边缘2b设置的端子电极5。
第一激励电极3a具有大致上为圆形的形状。点链线指出第一激励电极3a和连接到第一激励电极3a的引线电极3b之间的边界。在第一较佳实施例中，引线电极3b的宽度最好等于第一激励电极3a沿宽度方向的尺寸(即，其直径)，并且把引线电极3b连接到激励电极3a。
在本说明书中，第一和第二引线电极沿宽度方向的尺寸指大致上垂直于第一和第二引线电极延伸方向的方向。
沿压电基片2的第一主表面2a上的短边处的边缘2b设置第一端子电极5，并且其宽度尺寸最好大于第一引线电极3b的宽度尺寸。第一端子电极5如此安排，从而它从压电基片2a的第一主表面2a通过端面2c延伸到第二主表面2d。
另一方面，在压电基片2的第二主表面上，大致上为圆形的第二激励电极4a大致上设置在中心区域处。第二激励电极4a如此安排，从而它通过压电基片2面对着第一激励电极3a。第二激励电极4a连接到第二引线电极4b。第二引线电极4b沿宽度方向的尺寸最好等于第二激励电极4a的直径，(即，其沿宽度方向的尺寸)。
第二引线电极4b电气连接到沿在压电基片2的第二主表面2d上的短边处的边缘2e设置的第二端子电极6。第二端子电极6的宽度尺寸最好大于第二引线电极4b的尺寸。
由于在压电谐振器1中端子电极5和6有一些部分位于压电基片2的第二主表面上，故谐振器能够容易地表面安装在例如印刷电路板上，从而具有和图所示相同的取向。
在压电谐振器1中，当AC电压施加在端子电极5和6之间时，振动部分(在该部分第一和第二激励电极3a和4a通过压电基片相互面对着)由于压电效应而以厚度延伸振动模式振动。厚度延伸振动的第三次谐波陷在振动部分中，而厚度延伸振动模式的基波朝振动部分的外部转移。因此，一个问题是由厚度延伸振动的基波引起的寄生谐振。
在根据第一较佳实施例的压电谐振器1中，为了抑制由基波引起的不想要的寄生谐振，引线电极3b和4b的宽度延伸，并且引线电极3b和4b设置有引线电极延伸部分。换句话说，第一和第二引线电极3b和4b抑制了由基波引起的寄生谐振，并且还将第一和第二激励电极3a和4a电气连接到根据第一较佳实施例的压电谐振器1中的端子电极5和6。
通过增加引线电极3b和4b宽度尺寸，即，通过提供引线电极延伸部分，能有效抑制由基波引起的寄生谐振的原因，是基波被引导至引线电极3b和4b，并通过引线电极延伸部分有效地引至压电基片2的纵向的两端。
另一方面，端子电极5和6通过导电粘合材料电气连接并机械固定到外部。因此，基波由引线电极延伸部分有效引至设置有端子电极5和6的部分(即，沿压电基片2的纵向的两端)，并在端子电极5和6的固定部分被有效阻尼。因此，抑制了由基波引起的寄生谐振。
由于引线电极延伸部分和引线电极3b和4b一起形成为一个元件，而不必在振动区域沿压电基片2短边方向的两侧都设置浮动电极，故不妨碍把厚度延伸压电谐振器1做得紧凑。
当抑制由基波引起的寄生谐振时，在设置引线电极延伸部分处的引线电极3b和4b宽度尺寸不受限制。第一和第二引线电极3b和4b的宽度D最好等于或大于d/2，其中“d”表示第一和第二激励电极3a和4a的宽度尺寸，如图2所示。如果D小于d/2，则引线电极延伸部分通过增加引线电极3b和4b提供的效果，即，抑制由基波引起的寄生谐振的效果可能在一些情况下是足够的。
图14示出了当第一和第二引线电极3a和4b的宽度“D”变化，而第一和第二激励电极3a和4a的宽度尺寸“d”不变时，由基波引起的寄生谐振的大小的变化。具体而言，图14描述了压电谐振器1的例子(其平面形状尺寸大约2.2mm×大约1.1mm，中心频率大约是30MHz，并且第一和第二激励电极3a和4a的宽度尺寸“d”大约是0.7mm)中，当第一和第二引线电极3b和4b从0.2mm到0.7mm变化时，由基波引起的寄生谐振，即，基波的相位差的最大值。从图14清楚地知道，当D是大约0.35mm或者更大时，由基波引起的寄生谐振减小。
第一和第二引线电极3b和4b的宽度最好等于或大于第一和第二激励电极3a和4a的宽度尺寸“d”。
下面将参照具体的实验例子描述通过利用为第一和第二引线电极设置的引线电极延伸部分而得到的抑制由基波引起的寄生谐振的效果。
通过利用厚度延伸压电谐振器1，生产出了图3和4中所示的片型压电谐振元件。在上部具有大致上为矩形的开口8a，且由绝缘材料制成的壳体8，以及由绝缘材料制成的平板型盖子9限定了一个外壳。将厚度延伸压电谐振器1设置在外壳中。
壳体8设置有外部电极10a和10b。外部电极10a和10b沿纵向设置在壳体8的两侧附近，并延伸到开口8a的内部，到达一对侧表面8b和8c，并到达壳体8的第二主表面。
在壳体8的开口8a的内部，压电谐振器1通过导电接合件11a和11b接合。端子电极6通过导电接合件11a连接到外部电极10a，而端子电极5通过导电接合件11b连接到外部电极10b。
盖子9通过绝缘接合件(图中未示出)与壳体8接合，以密封外壳。由于外部电极10a和10b设置得延伸到侧表面8b和8c以及到壳体8的第二主表面8d，因此如上面所述得到的片型压电谐振元件11能容易地表面安装在印刷电路板上。
如上所述，在压电谐振器1中，通过设置有引线电极延伸部分的第一和第二引线电极3b和4b有效地把基波引至压电基片2的两侧。另外，由于压电基片2的两端附近通过导电接合件11a和11b接合到壳体8，泄漏的基波有效地由该固定机构阻尼。由此，能够有效地抑制由基波引起的不想要的寄生谐振。
上述片型压电谐振元件的一个例子按下面的规格形成，并且测出厚度延伸振动模式的三次谐波和基波响应。图5和6示出测量的结果。厚度延伸压电谐振器1具有由钛酸铅制成的压电基片，尺寸为大约2.2mm×大约1.1mm×大约0.25mm(厚度)。第一和第二激励电极3a和4a的直径是大约0.7mm。谐振器1如此形成，从而厚度延伸振动的三次谐波出现在大约30MHz的频率处。
为了比较，生产出图7中所示的厚度延伸压电谐振器71，它没有引线电极延伸部分。片型压电谐振元件用相同的方式产生，使用了壳体8、盖子9和导电接合件11a和11b，并测量了其特性。示于图7中的用于比较的利用厚度延伸振动模式中的第三次谐波的压电谐振器71，使用了和本发明的较佳实施例相同的压电基片。第一和第二激励电极的直径设定为0.7mm，和本发明的较佳实施例相同。换句话说，压电谐振器71以和压电谐振器1相同的方式形成，只是将引线电极73和74的宽度设置为0.3mm。
图8和9分别示出用于比较的片型压电谐振元件的厚度延伸振动模式的三次谐波和基波的响应。
从比较图8和9以及图5和6中所示的特性可以清楚地看出，在本发明的较佳实施例中，由基波引起的寄生谐振的最大相位低至61.5度，而在厚度延伸压电谐振器71中，由基波引起的寄生谐振的最大相位高至78.6度。因此，很清楚，有效地抑制了由基波引起的寄生谐振。
用于第一和第二激励电极、第一和第二引线电极以及第一和第二端子电极的材料不受限制。可以使用传统上用于压电谐振器的合适的电极材料，诸如Ag、Cu和Ag-Pd合金。
当在本发明的较佳实施例中从上面看时，第一和第二激励电极的形状不限于大致上为圆形。它可以是任何的形状，诸如方形或矩形或其它几何形状。
图10是根据本发明的第二较佳实施例的，利用厚度延伸振动模式的压电谐振器的透视图。在根据第二较佳实施例的压电谐振器21中，带有引线电极延伸部分的引线电极只在压电基片22的一个主表面上提供。
在压电基片22的第一主表面22a的大致的中心处，设置具有大致上为圆形的第一激励电极23a。第一激励电极23a通过引线电极23b连接到端子电极25。端子电极25如此设置，从而从压电基片22的第一主表面22a通过侧表面22c延伸到第二主表面22b。
另一方面，在压电基片22的第二主表面22c上，安排大致上为矩形的电极薄膜26，以从压电基片22的短边处的边缘22d延伸到大约中心处，其宽度尺寸等于压电基片22的整个宽度。电极薄膜26延伸到一个位置处，在那里它通过压电基片22与第一激励电极23a面对。在第二较佳实施例中，通过压电基片22面对着第一激励电极23a的电极部分(即，如图10中所示的大致上为圆形电极部分26a)，在电极薄膜26中限定了第二激励电极。在电极薄膜26中，边缘22d附近的区域限定了用于连接到外面的端子电极部分。其它部分(即，将端子电极部分连接到第二激励电极部分26a的部分)限定了第二引线电极和引线电极延伸部分，后者沿第二引线电极延伸的方向连接到前者。
换句话说，在压电谐振器21中，用和利用厚度延伸振动模式的传统压电谐振器相同的方式将激励电极23a和引线电极23b设置在压电基片22的第一主表面22a上，而将连接到而将根据本发明的较佳实施例的引线电极延伸的第二引线电极设置在压电基片22的第二主表面上。
还是在第二较佳实施例中，当将AC电压施加在端子电极25和电极薄膜26之间时，振动部分(在前表面和后表面上的第一激励电极23a面对着第二激励电极部分26a的部分)以厚度延伸振动模式振动，而厚度延伸振动的三次谐波在有效地陷于振动部分中。厚度延伸振动的基波被转移到振动部分的外部。由于形成大致上为矩形的电极薄膜26，换句话说，由于设置了第二引线电极以及第二引线电极一起形成的引线电极延伸，故基波有效地引至边缘22d。因此，当电极薄膜26在边缘22d的附近固定时，基波被阻尼，由此而有效抑制了由基波引起的寄生谐振。
下面将根据一具体的例子描述，由基波引起的寄生谐被有效地抑制在压电谐振器21中。
根据下面的规格，产生压电谐振器21的例子。使用和用于第一较佳实施例中相同的压电基片，在第一主表面上设置大致上为圆形的第一激励电极23a(直径为大约0.7mm)和第一引线电极23b(大约0.3mm宽)。换句话说，第一主表面上的电极结构和上述比较情况的相同。在压电基片22的第二主表面上设置大致上为矩形的电极薄膜26(宽度为大约1.1mm，长度为大约1.45mm)。
通过使用以上述方法生产的压电谐振器(具有三次谐波频率为34MHz)，片型元件以与图3和4所示的片型压电谐振元件相同的方法产生，并测量其特性。图11和12示出厚度延伸振动三次谐波和基波的响应。
从图12中清楚地知道，和使用比较用的上述压电谐振器的情况相比，当使用根据第二较佳实施例的压电谐振器21时，由基波引起的寄生谐振的最大相位低至57度，因而可以有效地抑制由基波引起的寄生谐振。
根据二较佳实施例，由于设置在第二主表面上的电极薄膜26具有大致上为矩形的形状，并且具有压电谐振器21中的压电基片22的第二主表面的整个宽度，故提高了激励电极23a和第二激励电极26a之间重叠的精度。
即使当第一激励电极23a、引线电极23b和端子电极25的印刷位置沿压电基片22的纵向偏离图13A所示的情况(其中第一激励电极23a正确地和大致上为矩形的电极薄膜26重叠)，如果第一激励电极23a处于面对着大致上为矩形的电极薄膜26的位置，则振动部分的位置并不变化。换句话说，由于大致上为矩形的电极薄膜26的一部分限定了一激励电极，故能够提高电极薄膜26和第一激励电极23a之间重叠面积的精度，或增加印刷第一激励电极23a的容差。
即使当第一激励电极23a的印刷的位置沿第一激励电极23a的宽度方向偏移，如果通过向下凸出第一激励电极23a而形成的部分落入大致上为矩形的电极薄膜26中，也能可靠地得到具有所想要的面积的振动部分。
在本发明中，为了增加由引线电极延伸部分产生的寄生谐振抑制的效果，可以在引线电极延伸部分上层叠一树脂层，以增加阻尼效果。适当的树脂，诸如环氧树脂或硅树脂可以用作这样的树脂层。最好使用诸如硅酮粘合剂和环氧树脂合粘剂等粘合剂，因为它们易于形成在引线电极延伸部分上。
虽然已经参照本发明的较佳实施例具体地示出和描述了本发明，但熟悉本领域的人知道在本发明的范围内可以有形式和细节上的上述和其它的变化，而不背离本发明的主旨。
Claims (8)
1.一种利用厚度延伸振动模式谐波的压电谐振器，其特征在于包括：具有第一主表面和第二主表面的压电基片；
分别部分地设置在所述压电基片的所述第一主表面和所述第二主表面上的第一和第二激励电极，从而所述第一和第二激励电极通过所述压电基片相互面对；
第一和第二引线电极，分别连接到所述第一和第二激励电极并向所述压电基片的边缘延伸；
第一和第二端子电极，分别连接到所述第一和第二引线电极并沿所述压电基片的边缘设置；
引线电极延伸部分，连接到所述第一和第二引线电极的至少一个电极的一部分；
其中，在所述引线电极中设置有所述引线电极延伸部分的引线电极部分的宽度尺寸上等于或大于所述激励电极的宽度尺寸的一半。
2.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于所述引线电极延伸部分安排得沿压电基片短边边缘方向延伸，从而增加所述引线电极的宽度。
3.如权利要求1或2所述的压电谐振器，其特征在于，在所述引线电极中设置有所述引线电极延伸部分的引线电极部分的宽度尺寸等于或大于所述激励电极的宽度尺寸。
4.如权利要求1或2中的任一条所述的压电谐振器，其特征在于所述第一激励电极具有圆形的形状，设置在所述压电基片的第一主表面的中心处；
包括通过所述压电基片而面对所述第一激励电极的区域的矩形的电极薄膜，包括所述第二激励电极、所述第二引线电极和所述第二端子电极；并且
在所述矩形的电极薄膜中，通过所述压电基片面对所述第一激励电极的区域限定所述第二激励电极。
5.如权利要求3中的任一条所述的压电谐振器，其特征在于所述第一激励电极具有圆形的形状，设置在所述压电基片的第一主表面的中心处；
包括通过所述压电基片而面对所述第一激励电极的区域的矩形的电极薄膜，包括所述第二激励电极、所述第二引线电极和所述第二端子电极；并且
在所述矩形的电极薄膜中，通过所述压电基片面对所述第一激励电极的区域限定所述第二激励电极。
6.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于所述压电基片的长边的边缘上不设置电极。
7.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于所述第一和第二端子电极沿所述压电基片的短边的边缘延伸。
8.如权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于所述第一和第二激励电极具有大致上为圆形的形状。
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