壓電諧振器、壓電元件和梯形濾波器的製作方法

2023-12-03 00:18:06 3

專利名稱：壓電諧振器、壓電元件和梯形濾波器的製作方法
技術領域：
本發明涉及壓電諧振器(具體涉及採用擴張振動的壓電諧振器)，還涉及壓電元件和梯形濾波器(具體涉及用於表面裝配的壓電元件和梯形濾波器)。另外，本發明涉及梯形濾波器，具體涉及使用採用擴張振動的壓電諧振器的梯形濾波器。
採用擴張振動的傳統壓電諧振器1的結構如

圖1所示。在壓電諧振器1中，壓電板2被研磨成厚度為T，在壓電板2的主表面上形成有電極薄膜3a和3b，使得壓電板2沿厚度方向通過極化處理而極化。當T是壓電諧振器1的厚度，並且L1和L2是其邊緣長度時，可用下列等式(1)給出兩端問的電容(兩個電極之間的電容)CfCf＝(εo×εs×L1×L2)/T (1)其中，εo＝真空中的介電常數；εs＝壓電板的比介電常數。
在L1≈L2的條件下，壓電諧振器1的擴張諧振頻率fr可由下列等式(2)給出fr＝V/L1 (2)其中，V＝在壓電板2中波動(wave motion)的傳播速度≈2000m/sec。因此，當所需的諧振頻率fr確定後，根據等式(2)可確定壓電諧振器的邊緣長度L1＝L2。
因此，為了在預定的諧振頻率fr下提高壓電諧振器1兩端間的電容Cf，根據上面等式(1)，必須選擇具有較大比介電常數εs的壓電材料，或者必須減小壓電板2的厚度T。
但是，當增大用作壓電板2的壓電材料的比介電常數εs時，會改變其它壓電常數，如壓電品質常數Qm和機電常數k，因此不改變其它壓電常數就不能改變兩端間的電容Cf。另一方面，當過分減小壓電板2的厚度T時，在受到外部衝擊(如跌落)時壓電諧振器1容易開裂，從而使減少壓電板2的厚度的方法受到限制。當L1≈L2≈4.5mm(fr＝450kHz)時，根據經驗估算出在強度極限時厚度T約為300微米。
用作表面安裝的梯形濾波器的壓電元件公開在日本未審查專利申請8-18382和7-176977中。在這些壓電元件中，多個壓電諧振器和金屬引出端結合在一起，它們沿垂直的方向交替地排成一直線並堆置在一個外殼中，通過金屬引出端彎曲的引導部分而在該外殼的外部組成外電極。
但是，這些壓電元件外部厚度很大，當安置在基片上時，該壓電元件很高地突出基片表面，使之難以作低外形器件的線路基底，並且阻礙將器件改變成低外形的。
在這些壓電元件中，需要較多的金屬引出端的數量。例如，當一個元件包括4個壓電諧振器時，需要有4-5個金屬引出端。從而增加了材料成本，同時增加了裝配工時，從而進一步增加了壓電元件的成本。
普通的四元件型(兩級)梯形濾波器201的線路圖示於圖14。梯形濾波器201包括兩塊串聯在輸入端202和輸出端203之間的諧振器204s和205s，和兩塊並聯的諧振器206p和207p，並聯的兩塊諧振器分別連接在諧振器204s和205s的輸出端與地之間。在實際的梯形濾波器中，將用接線導板垂直地夾在兩塊串聯的諧振器和兩塊並聯的諧振器的組合物中間從外殼的開口端裝入外殼中(例如日本未審查的實用新型公開No 4-76724)。
這種梯形濾波器的保證衰減ATTo由下列等式(3)給出，此時，串聯的諧振器204s和205s的兩端之間的電容為Cfso，並聯的諧振器2060和207p的兩端之間的電容為CfpoATTo＝2×20Log(Cfso/Cfpo) (3)如圖15所示，在採用擴張振動的傳統串聯諧振器204s和205s以及並聯諧振器206p和207p中，在製成正方形的壓電板208的兩個表面上均形成電極209。當Ls是串聯諧振器204s和205s的邊緣長度，Ts是其厚度，εs是其比介電常數並且εo是真空中的介電常數時，串聯諧振器204s和205s的兩端的電容Cfso由下式(4)給出Cfso＝(εo×εs×Ls2)/Ts(4)同樣，當Lp是並聯諧振器206p和207p的邊緣長度，Tp是其厚度，εp是其比介電常數並且εo是真空中的介電常數時，並聯諧振器206p和207p的兩端的電容Cfpo由下式(5)給出Cfpo＝(εo×εp×Lp2)/Tp(5)因此，將式(4)和式(5)的值代入上面等式(3)，得到下列等式(6)用於求得保證衰減ATTo，
ATTo＝2×20Log((Tp×εs×Ls2)/(Ts×εp×Lp2)) (6)另外，串聯諧振器204s和205s的諧振頻率以及並聯諧振器206p和207p的諧振頻率均取決於各自的尺寸(邊緣長度Ls和Lp)。當製得具有所需頻率的梯形濾波器時，串聯諧振器204s和205s以及並聯諧振器206p和207p的尺寸相同(Ls＝Lp)，從而可用下列等式(7)表示保證衰減ATTo(＜0)，ATTo＝2×20Log((Tp×εs)/(Ts×εp)) (7)因此，為了提高保證衰減ATTo(絕對值)，需要減小串聯諧振器204s和205s的比介電常數εs，同時增加並聯諧振器206p和207p的比介電常數εp。還需要加大串聯諧振器204s和205s的厚度Ts，同時減小並聯諧振器206p和207p的厚度Tp.
但是，當考慮其它壓電特性(如壓電品質常數Qm、機電常數k和溫度特性)時，串聯諧振器204s和205s以及並聯諧振器206p和207p較好使用相同的壓電材料。很難僅從比介電常數εs和εp來挑選用於串聯諧振器204s和205s以及並聯諧振器206p和207p的壓電材料。
同樣，隨著並聯諧振器206p和207p的厚度Tp的減小，其強度因而下降，使得該元件本身容易破裂(碎裂)。而隨著串聯諧振器204s和205s厚度Ts的上升，梯形濾波器的重量會上升並且尺寸會增大。
由於設計上的上述限制，因此傳統的梯形濾波器存在保證衰減ATTo不能自由設計地的問題。
為了解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種壓電諧振器，本發明能夠在不降低其強度並且不改變用作壓電板的壓電材料的情況下僅使兩端之間具有很大的電容值。
同樣，為了解決上述技術問題，本發明的另一個目的是提供一種壓電部件，它包括多個壓電元件或包括多個串聯諧振器和並聯諧振器的梯形濾波器，它們是適用於表面裝配的低外形器件。
另外，為了解決上述技術問題，本發明再一個目的是提供一種具有大的保證衰減值的梯形濾波器，尤其提供一種梯形濾波器，它的保證衰減值提高瞭然而只用同樣的壓電材料形成大致相同厚度的串聯諧振器和並聯諧振器。
本發明的第一方面提供一種採用擴張振動的諧振器，它包括多塊壓電板和多塊電極薄膜，其中所述多塊壓電板和所述多塊電極薄膜交替積附成一體，並且所述多塊電極薄膜中的一部分相互電氣相連，而剩餘的電極薄膜又相互電氣相連。
對於帶這些特徵的壓電諧振器，以擴張方式振動的元件包括一塊壓電板和形成在該板兩個表面上的電極薄膜，所述諧振器是將多個這種元件積附在一起形成的，從而增加兩端的電容，而不需要改變壓電板的大小和壓電材料。
同樣由於這些特徵，因為壓電諧振器的結構中多塊壓電板是整體積附的，因此即使通過降低壓電板的厚度來增加兩端間的電容，壓電板也不易破裂。因此，可通過減小各塊壓電板的厚度來極大地增加壓電諧振器兩端的電容，而不會降低壓電諧振器的強度。
較好的是，在多塊壓電板和多塊電極薄膜的單塊體的外周表面上的節點處，壓電諧振器還包括多個端面電極，其中所述多個端面電極中的一部分將所述多塊電極薄膜中的一部分電氣地連接在一起，而所述多個端面電極中的另一部分將剩餘的電極薄膜電氣地連接在一起。
由於壓電諧振器的這些特徵，因為在單塊體的外表面上的節點處形成端面電極，因此不會由於該端面電極而阻礙該壓電諧振器的擴張振動。
根據本發明的第二方面，壓電元件包括多塊壓電板和一個外殼，其中在該外殼中所述多塊壓電板排列在一個平面中。
由於壓電元件(包括梯形濾波器)的這些特徵，因為外殼中多塊平板式壓電元件排列在一個平面中，因此得到低外形的壓電元件。當將其安裝在線路板等上面時，不會增加安裝高度，從而仍然形成低外形的設備。通過將壓電元件排列在一個平面中還可簡化金屬引出端的結構，從而可減少金屬端部配件所需的數量。
在所述壓電部件中，多塊壓電板可具有基本相同的厚度。
由於壓電部件的這些特徵，因為多塊壓電元件具有基本相同的厚度因此在排列壓電元件的外殼中不會浪費空間，從而能有效地形成低外形的壓電部件。由於各塊壓電元件的厚度基本相同，因此引出端也易於裝配。
根據本發明的第三方面，一種梯形濾波器包括串聯的平板式諧振器；並聯的平板式諧振器，其結構中電極沿厚度方向積附；以及外殼，在所述外殼中所述串聯的平板諧振器和並聯的諧振器排列在一個平面中。
由於梯形濾波器的這些特徵，因為在外殼中串聯的平板諧振器和並聯的平板諧振器排列在一個平面中，因此可製得低外形的梯形濾波器。當將其安裝在線路板等上面時，不會增加安裝高度，從而仍然形成低外形的設備。通過將梯形濾波器排列在一個平面中還可簡化金屬引出端的結構，從而可減少所需的金屬引出端的數量。
另外，由於並聯的諧振器具有沿厚度方向積附電極的結構，因此可增加並聯諧振器兩端的電容，而不需改變壓電材料或者減小並聯的諧振器的厚度，結果增加了梯形濾波器的保證衰減。
根據本發明的第四方面，一種梯形濾波器包括串聯的諧振器和並聯的諧振器，在並聯諧振器的結構中電極沿厚度方向積附，並且兩塊電極之間放置壓電板。
由於梯形濾波器的這些特徵，因為並聯諧振結構中電極沿厚度方向積附，並且兩塊電極之間放置壓電板，因此可降低電極之間的距離而不減小並聯的諧振器的厚度，並增加並聯諧振器兩端的電容。從而還可增加梯形濾波器的保證衰減。具體地說，儘管用相同材料組成串聯諧振器和並聯諧振器，但是可使並聯諧振器的電容增至大於串聯諧振器的電容並且可提高梯形濾波器的保證衰減。
較好的是，梯形濾波器還包括放置在並聯的諧振器振動節點處的外電極，該外電極將所述電極連接在一起。
由於梯形濾波器的這些特徵，因為形成於並聯諧振器的振動節點處的外電極將所述電極連接在一起，因此通過外電極將各對電極間的靜電容量並聯在一起，可極大地增加並聯諧振器兩端的電容。此外，由於外電極形成在振動的節點處因此不會抑制並聯諧振器的壓電振動。
在這種梯形濾波器中，串聯諧振器的厚度可與並聯諧振器的厚度基本相同。
由於梯形濾波器的這些特徵，儘管串聯諧振器的厚度與並聯諧振器的厚度相同，但是並聯諧振器兩端的電容增至大於串聯諧振器兩端的電容，從而提高了梯形濾波器的保證衰減。當串聯諧振器的厚度與並聯諧振器的厚度基本相同時，不需要如傳統梯形濾波器那樣減小並聯諧振器的厚度來提高保證衰減，避免可能發生的碎裂，或者避免增加串聯諧振器的厚度導致的笨重或大尺寸的梯形濾波器。串聯諧振器和並聯諧振器基本相同的厚度還能簡化梯形濾波器的裝配工作。
附圖簡述圖1A和圖1B分別是採用擴張振動的傳統壓電諧振器的平面圖和側視圖；圖2是本發明一個實例的壓電諧振器的透視圖；圖3A、3B和3C分別是圖2壓電諧振器的平面圖、側視圖和正視圖；圖4是具有另一種結構的壓電諧振器的透視圖；圖5A和5B是本發明另一個實例的壓電諧振器的透視圖6是具有另一種結構的壓電諧振器的透視圖；圖7是本發明一個實例的梯形濾波器透視圖，通過將基底與外殼分開顯示該濾波器器件；圖8是圖7梯形濾波器的裝配透視圖，但是不包括外殼；圖9是圖8梯形濾波器的透視圖，表示一個端電極裝在外殼中的狀態；圖10是用於上述梯形濾波器的串聯諧振器的透視圖；圖11是用於上述梯形濾波器的並聯諧振器的透視圖；圖12A、12B和12C分別是圖11所示並聯諧振器的平面圖、側視圖和正視圖；圖13是上述梯形濾波器的線路圖；圖14是兩級(two-stage)梯形濾波器的線路圖；圖15是用於傳統梯形濾波器的串聯諧振器和並聯諧振器的透視圖；圖16是本發明一個實例的梯形濾波器的正視圖，顯示其內部結構；圖17是圖16所示梯形濾波器的裝配圖，顯示該濾波器不包括外殼的結構；圖18是用於圖16所示梯形濾波器的外殼和蓋子的視圖；圖19是用於圖16梯形濾波器的串聯諧振器的透視圖；圖20是用於圖16梯形濾波器的並聯諧振器的透視圖；圖21A、21B和21C分別是圖20所示並聯諧振器的平面圖、側視圖和正視圖。
第一個實例圖2是本發明一個實例中採用擴張振動的壓電諧振器的透視圖，而圖3A、3B和3C分別是其平面圖、側視圖和正視圖。在壓電諧振器11中，通過交替積附奇數片由壓電陶瓷製成的壓電板12和偶數片電極薄膜13a、13b、13c和13d形成單塊的諧振器體。各塊壓電板12具有相同的邊緣長度L1和L2以及相同的厚度t，並且沿厚度方向進行極化，從而激發以擴張方式進行壓電振動。儘管如圖3B的箭頭所示各塊壓電板12的極化方向交替地相反，但是它們也可均具有相同的極化方向。在積附的電極薄膜中，兩塊外電極薄膜是表面電極13a和13d，而夾在壓電板12中的電極薄膜是內電極13b和13c。表面電極13a和13d以及內電極13b和13c排列成在各層中以相反的方向偏移(deviate)。也就是說，相互間隔開一層的積附表面電極13a和內電極13c觸及單塊體的第一個端面，而與另一個端面不相交。相互隔開一層的積附的另一個表面電極13d和內電極13b觸及單塊體的所述另一個端面，而與所述第一個端面不相交。
在位於單塊體兩個端面的中央部分的節點(擴張振動的節點)處，形成端面電極14a和14b。通過端面電極14a將一個表面電極13a和內電極13c電氣連接在一起，而另一個端面電極14b將另一個表面電極13d和內電極13b連接在一起。通過用這種方法將端面電極14a和14b排列在單塊體的節點處，在激發壓電諧振器11的過程中，不會阻止壓電板12中產生的擴張振動。
當積附的壓電板12的數量為n時，由於以上述方式堆積的壓電諧振器11等於將n塊圖1所示的單板式壓電諧振器以並聯的方式連接在一起，因此壓電諧振器11兩端之間的電容可由下列等式(8)給出Cf＝n(εo×εs×W1×W2)/t (8)其中t是壓電板12的厚度；W1(≤L1)，W2(≤L2)為電極薄膜相互疊對的邊緣區的長度；εo為真空中的介電常數；εs為壓電板12的比介電常數。
現在來看圖1所示的單板式壓電諧振器1和圖2所示的積附的壓電諧振器11，假定壓電諧振器1和11的外部尺寸(L1和L2)以及壓電材料(即比介電常數εs)相同。還假定電極薄膜基本上形成在整個壓電板12的表面上，使得L2≈W2，L1≈W1。由於壓電諧振器1和11具有相同的厚度，因此在壓電諧振器1的厚度T和壓電板12的t之間具有關係式T＝nt。因此，當比較等式(1)和等式(8)時，可以理解在具有n塊壓電板12積附的壓電諧振器11中，可獲得比單板式壓電諧振器1的兩端電容高n2倍的兩端電容Cf。例如，在具有三塊堆積的壓電板12的壓電諧振器11中，可得到比同樣大小的單板式壓電諧振器1高9倍的兩端間的電容Cf。因此，在本發明壓電諧振器11中，不改變壓電諧振器11的諧振頻率和其它壓電特性就可得到較大的兩端間電容Cf。此外，即使當壓電板12的厚度為1/n倍，由於它是整體地積附的，因此壓電板12不易破裂。
另外，如圖4所示的壓電諧振器15那樣，表面電極13a和13d可形成在壓電板12的整個主表面上。在這種情況下，如圖4所示，要求形成在單塊體的端面上的端面電極14a與單塊體的一個表面脫離，以便不與表面電極13d在端面處相接觸，同時，端面電極14b與單塊體的另一個表面相脫離，以便不與表面電極13a在端面處相接觸(第二個實例)。
在第一個實例中，單塊體由奇數塊壓電板和偶數塊電極薄膜組成，但是單塊體也可由偶數塊壓電板和奇數塊電極薄膜組成。圖5所示的壓電諧振器16是後一種情況的一個實例，在這種諧振器中，表面電極17a和17c通過形成在單塊體第一端面上的第一端面電極18a將表面電極17a和17c連接在一起。在該實例中，第一端面電極18a形成在第一端面的整個表面上，而另一個端面電極18b僅形成在節點部分，但是，兩個端面電極18a和18b也可均形成在端面的整個表面上，或者均僅形成在節點部分。
對於如圖6所示的壓電諧振器19，可將表面電極17a和17c的寬度W1減至小於壓電板17的寬度L1，形成部分電極。這種情況可在奇數的壓電板12或偶數的壓電板12的情況下發生。在任何情況下，壓電諧振器19兩端的電容Cf可用等式(8)給出。當表面電極17a和17c的寬度W1以這種方式減至小於壓電板12的寬度L1時，通過改變表面電極17a和17c的寬度W1，可自由地調節諧振器兩端的電容值Cf。
圖7是本發明一個實例的梯形濾波器的透視圖，圖中通過將基底119與安放壓電元件的串聯諧振器114s和115s與並聯諧振器116p和117p的外殼118相分離來顯示濾波器裝置。圖8是在外殼118中的串聯諧振器114s和115s以及並聯諧振器116p和117p和端部配件120及121處於分離狀態的透視圖。在圖7和圖8中，所示的外殼118均為從濾波器的底面向上示出的。由圖中可以理解，在這種梯形濾波器中，兩塊串聯的諧振器114s和115s以及兩塊並聯的諧振器116p和117p均被容納在外殼118中，並且諧振器114s、115s、116p和117p通過端部配件120和121電氣相連。
首先，描述所用的串聯諧振器114s和115s的結構以及並聯諧振器116p和117p的結構。如圖10所示，串聯諧振器114s和115s包括由壓電陶瓷製成的矩形壓電板122和在壓電板122兩個主表面上形成的電極薄膜123，沿厚度方向對122進行極化處理，從而激發擴張式的壓電振動。
並聯諧振器116p和117p的結構如圖11和圖12A、12B和12C所示。在並聯諧振器116p和117p中，通過交替積附由壓電陶瓷形成的奇數片矩形壓電板124和偶數片電極薄膜125a、125b、125c和125d構成單塊體，對各塊壓電板124沿厚度方向進行極化處理，從而激發擴張式壓電振動。儘管如圖12b的箭頭所示各塊壓電板124具有相反的極化方向，但是這些極化方向也可以全部相同。在積附的電極薄膜中，兩個外電極薄膜是表面電極125a和125d，而夾在壓電板124中的電極薄膜是內電極125b和125c。表面電極125a和125c和內電極125b和125c排列成在各層中以相反的方向偏移。也就是說，相互間隔開一層積附的表面電極125a和內電極125c觸及單塊體的第一個端面，而與另一個端面不相交。相互隔開一層積附的另一個表面電極125d和內電極125b觸及單塊體的所述另一個端面，而與所述第一個端面不相交。
在位於單塊體兩個端面中央的節點(擴張振動的節點)處，形成端面電極126a和126b。第一表面電極125a和內電極125c通過第一端面電極126a而電氣相連，同時另一個表面電極125d和內電極125b通過另一個端面電極126b而電氣相連。通過用這種方式將端面電極126a和126b排列在單塊體的節點部分，在並聯的諧振器116p和117p的激發過程中，不會抑制在壓電板124中產生的擴張振動。另外，並聯的諧振器116p和117p以及堆積的壓電板124可以是一體化的燒結體。
當使用這種單塊結構的並聯諧振器116p和117p時，不需使用與串聯諧振器114s和115s不同的材料或者不需使用與串聯諧振器114s和115s不同的大小就可增大並聯諧振器116p和117p兩端的電容。因此，可提高並聯諧振器116p和117p與串聯諧振器114s和115s兩端的電容之比，從而可增加梯形濾波器的保證衰減。即使當減小各塊壓電板124的厚度時，由於並聯的諧振器116p和117p的總厚度未變化，因此不會降低並聯的諧振器116p和117p的強度。例如，當單塊結構的並聯諧振器116p和117p是由n塊厚度為1/n的壓電板124組成時，兩端間的電容增加n2倍，梯形濾波器的保證衰減也提高n2倍。
如圖8所示，在外殼118的底面上形成凹陷部分131，用於接納兩塊串聯的諧振器114s和115s以及兩塊並聯的諧振器116p和117p，以便將其排列在一個平面中。凹陷部分131圍繞有框架部分130。在凹陷部分131的內壁表面(框架部分130的內表面)上，形成有用於固定各塊諧振器114s、115s、116p和117p的突起部分132，同時在凹陷部分131的頂蓋上形成用於固定各塊諧振器114s、115s、116p和117p的凸片133。凸片133還具有固定端部配件120和121的作用。
第一端部配件121具有平的大致L型的形狀，其面積約為諧振器面積的三倍，它包括三個形成在其上表面上的突起部分136、137和138，和形成在突起部分136、137和138之間用於讓凸片133穿過的開孔134和135。另一片端部配件120的面積約為諧振器面積的兩倍，它包括平面部分139和141(兩者具有不同的高度，排列在兩側)和一個將平面部分139和141連接在一起的斜面140。在端部配件120的第一平面部分139的底面上和另一個平面部分141的上表面上，分別形成有突起部分142和144，而用於讓凸片133通過的開孔143則形成於斜面片140中。
因此，如圖9所示在裝配時，將平的端部配件121放入外殼118的凹陷部分131中，使凸片133穿過開孔134和135。接著，將兩片串聯的諧振器114s和115s以及並聯的諧振器117p放在端部配件121上。此時，位於框架部分130內周上的突起132和凸片133固定兩片串聯的諧振器114s和115s以及並聯的諧振器117p。隨後，使凸片133穿過開孔143並將平面部分139放置在串聯的諧振器114s上，從而將端部配件120放入外殼118中。隨後，如圖7所示，將其餘的並聯諧振器116p放置在另一個平面部分141上。該並聯的諧振器116p也被形成在框架部分130外周上的突起部分132和凸片133所固定。
另外，用於固定串聯諧振器114s和115s以及並聯諧振器116p和117p的突起部分132和凸片133與各諧振器的外周表面的中央邊緣部分(諧振器振動的節點位置)相接觸，從而不會抑制各諧振器114s、115s、116p和117p的擴張振動。
基底119包括由玻璃環氧樹脂基片或氧化鋁基片製成的基片145和形成在基片145上表面和下表面等上的電極部分。如圖7所示，在基片145的上表面上，通過燒制(burning)銅箔或導電膠等形成輸入電極部分146、輸出電極部分148和接地電極部分150。在輸入電極部分146和接地電極部分150上，用印刷或投放器將導電膠或導電粘合劑放置在與各個諧振器中央相應的位置上，形成突起部分147、149和151。由於突起部分147、149和151的高度不均勻會導致電氣連接不通，因此可對其進行研磨使之具有相同的高度。在基底119的下表面上，與上表面那樣形成輸入電極部分、輸出電極部分和接地電極部分(圖中未表示)。通過利用通孔形成的側面電極152將上表面和下表面上的輸入電極部分、輸出電極部分和接地電極部分分別電氣連接在一起。
在外殼118的框架部分130底面上塗覆粘合劑後裝入串聯諧振器114s和115s、並聯諧振器116p和117p以及端部配件120和121，以基底119的上表面向下的方式將其放置在外殼118上。通過向基底119的上側施壓而將各片諧振器114s、115s、116p和117p彈性地夾在外殼118、端部配件120和121以及基底119之間。隨後對其進行加熱以固化粘合劑，用粘合劑將框架130的底面與基底119粘附在一起，而將各塊諧振器114s、115s、116p和117p屏蔽在基底119和外殼118之間。
當以這種方式將基底119連接在外殼118上時，在基底119的突起部分中，形成在輸入電極部分146上的突起部分147與串聯諧振器115s的主表面電氣相連；輸出電極部分148與端部配件120的平面部分139電氣相連；接地電極部分150的突起部分149和151分別與並聯諧振器116p和117p的主表面接觸。同時，輸入側的串聯諧振器115s在諧振器主表面的中央部分被夾在輸入電極部分146的突起147和端部配件121的突起137之間；輸出側的串聯諧振器114s在諧振器主表面的中央部分被夾在端部配件120的突起142和端部配件121的突起136之間；並聯諧振器116p和117p在諧振器主表面的中央部分被分別夾在接地電極部分150的突起149和151以及各自的端部配件120和121的突起144和138之間。
結果，串聯諧振器114s和115s以及並聯諧振器116p和117p被梯形地連接成梯形濾波器111。也就是說，如圖13所示，在輸入端112(輸入電極部分)和輸出端113(輸出電極部分)之間兩塊串聯的諧振器114s和115s串聯地連接在一起，而兩塊並聯的諧振器116p和117p分別插在各塊串聯諧振器114s和115s的輸出端和接地之間。在用作通訊裝置的第二IF濾波器的這種梯形濾波器中，例如，目前按傳統方法製得的僅是可用於高達450kHz的濾波器，但是，根據本發明，可獲得頻率比常規濾波器高兩倍的用於高達900kHz(例如600-1000kHz)的高頻濾波器。
當將用這種方法製得的梯形濾波器用於一種設備中時，將基底119朝下，將外殼118朝上，並且將基底119固定在線路板上等。
由於這種梯形濾波器的結構中諧振器114s、115s、116p和117p均處於一個平面上，因此它可以被改進成低的外形(例如產品高度不超過2mm)。此外。傳統的梯形濾波器等的結構中外殼的開孔是用屏蔽樹脂屏蔽的，因此屏蔽樹脂填充的體積佔據相當大的空間，導致大尺寸的梯形濾波器。但是，在上述梯形濾波器結構中，基底119與外殼118相結合，從而可將其改進成低外形。當將用這種方法改進成低外形的梯形濾波器固定在線路板等之上時，可降低裝配高度，從而有助於將設備改進成低外形設備。
僅需將串聯諧振器114s和115s以及並聯諧振器116p和117p排列在外殼118中就可裝配本發明濾波器，而無需如傳統濾波器那樣進行堆疊，因此該濾波器還適合自動裝配。
在具有四個元件的梯形濾波器中，儘管常規的濾波器需要4-5個端部配件，但是本發明梯形濾波器通過將各個諧振器114s、115s、116p和117p排列在一個平面中而僅需兩個端部配件。同時，在本發明梯形濾波器中，端部配件的形狀也得到簡化，從而降低梯形濾波器的成本，並使之更容易裝配。
另外，在傳統梯形濾波器中，通過彎曲金屬端部的引導部分而形成外電極，因此容易產生金屬端部的彎曲斷裂，從而在安裝過程中容易發生焊接失誤。但是，在本發明梯形濾波器中，由於電極部分是由導電膜形成在基底的底面上的，因此改進了梯形濾波器底面(裝配表面)的平整度，在表面裝配過程中不會發生焊接失誤。
另外，儘管從梯形濾波器的角度對實例進行了描述，但是本發明不限於梯形濾波器，它可用於除梯形濾波器以外其它用於表面裝配的各種壓電裝置中。
圖16是本發明另一個實例的梯形濾波器211的內部結構的正視圖，該圖中蓋子213已從外殼212中移去。圖17是所述外殼中所裝的串聯諧振器214s和215s、並聯諧振器216p和217p以及四個端部218、219、220和221的結構的透視圖。圖18是外殼212和蓋子213的透視圖。由這些附圖可見，在梯形濾波器211中，兩塊串聯諧振器214s和215s以及兩塊並聯諧振器216p和217p被裝在外殼212中，並且諧振器214s、215s、216p和217p通過端部218-221電氣地連接在一起，形成線路與圖14相似的兩級梯形濾波器。
下面，先描述用於這種濾波器的串聯諧振器214s和215s以及並聯諧振器216p和217p的結構。如圖19所示，串聯的諧振器214s和215s是能量封閉型(energy-enclosing-type)諧振器，它包括由壓電陶瓷製成的矩形壓電板222和形成在壓電板222兩個主表面的中央部分上的電極薄膜223，並在厚度方向上對其進行極化處理，以激發擴張振動模式的壓電振動。
在這種串聯諧振器214s和215s中，兩端間的電容Cfs由下式(9)給出Cfs＝(εo×εs×Ws2)/T (9)其中，T是壓電板222的厚度，Ws是電極薄膜223的邊緣長度(其中串聯諧振器的邊緣長度為Ls，Ws≤Ls)；εo是真空中的介電常數；εs是壓電板222的比介電常數。
並聯諧振器216p和217p的結構如圖20和圖21A、21B和21C所示。在並聯壓電諧振器216p和217p中，通過間隔積附由壓電陶瓷製成的奇數片矩形壓電板225和偶數片電極薄膜225a、225b、225c和225d形成單塊體。在任何一塊壓電板224上沿厚度方向進行極化，激發作擴張模式的壓電振動。儘管如圖21B的箭頭所示各塊壓電板224的極化方向是相反的，但是這些極化方向也可以全部是同向的。在積附的電極薄膜中，兩塊外電極薄膜是表面電極225a和225d，而夾在壓電板224中的電極薄膜是內電極225b和225c。表面電極225a和225d以及內電極225b和225c排列成每隔一片向相反方向偏移。也就是說，相互間隔開一層積附的表面電極225a和內電極225c觸及單塊體的第一個端面，而與另一個端面不相交。相互隔開一層堆積的另一個表面電極225d和內電極225b觸及單塊體的所述另一個端面，而與所述第一個端面不相交。另外，並聯的諧振器216p和217p可以是一體化地燒結的單塊體。
在位於單塊體兩個端面中央的節點(擴張振動的節點)處，形成端面電極226a和226b。一個表面電極225a和內電極225c通過一個端面電極226a而電氣相連，同時另一個表面電極225d和內電極225b通過另一個端面電極226b而電氣相連。通過用這種方式將端面電極226a和226b排列在單塊體的節點處，在並聯的諧振器216p和217p的激發過程中，不會抑制在壓電板224中產生的擴張振動。
當積附的壓電板224的數量為n時，這種單塊結構的並聯諧振器216p和217p的兩端間電容Cfp由下式(10)給出Cfp＝n(εo×εp×Wp1×Wp2)/t (10)其中，t是壓電板224的厚度；Wp1和Wp2是為電極薄膜225a至225d相互疊對的邊緣區長度(並聯諧振器的邊緣長度為Lp，Wp1≤Lp，Wp2≤Lp)；εo為真空中的介電常數；εp為壓電板224的比介電常數。
下面來看如圖15形成的串聯的諧振器204s和205s和如圖19所示的串聯的諧振器214s和215s，假定兩種串聯的諧振器204s、205s和214s、215s具有相同的外部尺寸(例如Ls＝2.2mm)和壓電材料(即比介電常數εs)。還假定兩種串聯的諧振器204s、205s和214s、215s具有相同的厚度T。因此，本發明串聯的壓電諧振器214s和215s的兩端間電容Cfs與傳統的串聯諧振器204s和205s的兩端間電容Cfso的比例可由下式(11)給出Cfs/Cfso＝(Ws/Ls)2(11)因此，在上面形成的串聯諧振器214s和215s中，不改變大小Ls、厚度T和壓電板224的壓電材料就可獲得較小的兩端間電容Cfs。
同樣，當考慮如圖15所示形成的並聯諧振器206p和207p以及如圖20所示的並聯諧振器216p和217p時，假定兩種並聯的諧振器206p、207p和216p、217p具有相同的外部尺寸(例如Lp＝2.3mm)和壓電材料(即比介電常數εp)。還假定電極薄膜225a-225d大致形成在壓電板224的整個表面上，使得Wp2≈Lp，Wp1＝Lp。當兩種並聯的諧振器206p、207p和216p、217p具有相同的厚度T(例如0.5mm)時，在並聯的諧振器216p和217p的厚度T與壓電板224的厚度t之間具有關係式T＝nt(例如當n＝3，t≈0.17mm時)。因此，當將等式(5)與等式(10)相比較時，具有n塊堆積的壓電板224的並聯的壓電諧振器116p和117p的兩端間電容Cfp與單塊結構的並聯諧振器206p和207p的兩端間電容Cfp。的比例可由下式(12)給出Cfp/Cfpo＝n2(12)例如，在具有三塊積附的壓電板224的並聯諧振器116p和117p中，得到比同樣大小的單塊並聯諧振器106p和107p的電容高9倍的兩端間電容Cf。因此，在這種並聯的諧振器116p和117p中，不改變大小(Lp)、厚度T和並聯諧振器116p和117p的壓電材料就可獲得較大的兩端間電容Cfpo另外，即使壓電板224的厚度僅為1/n倍，由於其一體化地積附，因此壓電板224不易碎裂。
結果，在由串聯諧振器114s和115s與並聯諧振器116p和117p形成的兩級梯形濾波器211中，與由傳統的串聯諧振器204s和205s以及並聯諧振器206p和207p形成的梯形濾波器相比，保證衰減ATT被提高了。梯形濾波器211的保證衰減ATT與傳統梯形濾波器的保證衰減ATTo之比可由下式(13)給出ATT/ATTo＝[Ws/(n×Ls)]2(13)因此，與壓電基片面積Ls×Ls相比降低串聯諧振器214s和215s的電極面積Ws×Ws並且增加並聯諧振器216p和217p的層數n可獲得比傳統梯形濾波器的保證衰減ATTo更大的保證衰減ATT。
下面將參照圖16-18描述上面形成的梯形濾波器結構，所述結構包括兩塊串聯的諧振器214s和215s以及兩塊並聯的諧振器216p和217p，兩組諧振器具有大致相同的大小(La≈Lp)和厚度(T)，並且密實地容納在外殼212中。在梯形濾波器211中，兩塊串聯的諧振器214s和215s與兩塊並聯的諧振器216p和217p通過四個端部配件(即輸入端218、輸出端219、內電極端220和接地端221)連接在一起。輸出端219包括寬度為串聯諧振器215s和並聯諧振器217p的寬度之和的電極板231並包括伸出電極板231的引導部分232。在電極板231的上表面兩邊形成兩個突起233和234。接地端221包括對摺以具有彈性的電極板235和伸出電極板235的引導部分236。在電極板235的上表面和下表面上分別形成有突起237和238。輸入端218包括下表面上形成有突起部分239的電極板240和從電極板上伸出的引導部分241。內電極端220的寬度同樣是串聯諧振器214s和215s以及並聯諧振器216p和217p的寬度之和，並且220左面包括彈性的平面部分242，右面包括單板平面部分243，所述兩個平面部分具有不同的高度，高度差大致相當於諧振元件的厚度，內電極端還包括將彈性平面部分242和單板平面部分243連接在一起的斜面片244。在右面的單板平面部分243的下表面上形成突起245。左面的彈性平面部分242對摺並在上表面和下表面分別形成有突起部分246和247。
因此，如圖16和17所示，串聯諧振器215s和並聯諧振器217p放置在輸出端219的上表面的兩邊；接地端221放置在右邊的並聯諧振器217p上；另外，並聯諧振器216p放置在接地端221上。在左面的串聯諧振器215s和右面的並聯諧振器216p的上面，分別放置內電極端220的彈性平面部分242和單板部分243。在內電極端的彈性平面部分242上，放置串聯諧振器214s，同時將輸入端放置在串聯諧振器214s上。
用這種方式與端部配件218-221一起放置的串聯諧振器214s和215s和並聯諧振器216p和217p被放入外殼221中，外殼221的一端具有開口，放入時將這些元件從開口251中放入即可。也就是說，串聯諧振器214s的兩個主表面的中央部分被彈性地夾在輸入端218的突起239和彈性平面部分242的突起246之間；串聯諧振器215s被彈性地夾在彈性平面部分242的突起247和輸出端219的突起233之間；同樣並聯的諧振器216p的兩個主表面的中央部分被彈性地夾在單板部分243的突起245和接地端221的突起237之間；並聯的諧振器217p被彈性地夾在接地端221的突起238和輸出端219的突起234之間。結果，可得到與將兩個串聯諧振器214s和215s以及兩個並聯的諧振器216p和217p結合在一起形成的線路相似的線路，形成兩級梯形濾波器11。
在用於屏蔽外殼212的開口的蓋子213的內表面上，帶有分隔壁252，用於將外殼212分隔成串聯諧振器214s和215s部分以及並聯諧振器216p和217p部分，分隔壁252帶有狹縫253，用於穿過內電極端220的斜面片244。蓋子213帶有開孔254、255和256用於分別穿過輸入端218的引導部分241、輸出端219的引導部分232和接地端221的引導部分236。在將串聯諧振器214s和215s、並聯諧振器216p和217p以及端部配件218-221放入外殼212後，將蓋子213嵌入外殼212的開口251，用例如密封粘合劑將其密封。用這種方法，可製得具有密實結構，無浪費空間的梯形濾波器211。
在上述結構的梯形濾波器211中，由於在端部配件218-221沿厚度方向的變形極限內串聯諧振器214s和215s與並聯諧振器216p和217p的厚度大致相同，因此減少了對串聯諧振器214s和215s和並聯諧振器216p和217p的排列限制，從而僅需考慮電子線路的連接。同樣，可將並聯諧振器216p和217p兩端間的電容Cfp設計得非常大，因此可降低串聯諧振器214s和215s的厚度，從而減小梯形濾波器211的總尺寸，使之小型化。增加並聯諧振器216p和217p的兩端間的電容Cfp，可提高梯形濾波器211的阻抗。
當具體設計頻率為450kHz的梯形濾波器時，在傳統的梯形濾波器中，使用元件厚度作為獲得所需保證衰減ATT的參數，其中並聯諧振器的厚度定為約280微米(防碎裂的強度極限)；串聯諧振器的厚度約為1200微米以獲得所需的電容比，從而串聯諧振器和並聯諧振器的厚度比設計成1200/280≈4.3。相反，在本發明梯形濾波器211中，串聯諧振器214s和215s以及並聯諧振器216p和217p具有約500微米的大致相同的厚度。因此，在一個四元件的兩級梯形濾波器中，傳統濾波器的總厚度為2960微米，但是本發明梯形濾波器可設計成總厚度約為2000微米，約為傳統濾波器的2/3。
另外，儘管在上面設計中間串聯諧振器214s和215s以及並聯諧振器216p和217p的厚度定為約500微米，但是可以理解，比其更薄的厚度是不成問題的。最大的問題僅在於厚度不要低於抗衝擊破裂的強度極限(約280微米)。
根據本發明的第一方面，由於在壓電諧振器的結構中將多個以擴張模式振動的元件積附在一起，因此不改變壓電板的尺寸和壓電材料就可增加兩端間的電容。在該結構中多塊壓電板一體化地積附在一起，從而通過減小壓電板的厚度可加大兩端間的電容，而沒有降低壓電諧振器的強度。因此，在本發明壓電諧振器中，不增加壓電諧振器的尺寸或不改變壓電特性就可得到較大的兩端間電容。
在壓電諧振器中，由於端面電極形成在單塊體外表面的節點處，因此不會抑制壓電板的擴張振動，因為有連接電極薄膜在一起的端面電極。
根據本發明的第二方面，在壓電部件中，多個壓電元件連成一平面地排列在外殼中，從而得到低外形的壓電部件。因此，當將其裝配在線路板等上面時，不會增加裝配高度，從而適用於低外形設備。將壓電元件排列在一個平面上還可簡化金屬端的結構，從而還可減少所需的金屬端的數量。
在壓電元件中，由於多個壓電元件可具有基本相同的厚度，因此在排列壓電元件的外殼中很少有浪費的空間，從而能有效地形成低外形的壓電部件。由於各壓電元件的厚度基本相同，因此在用端部配件裝配時也易於加工。
根據本發明的第三方面，在梯形濾波器中，由於在外殼中串聯諧振器和並聯諧振器排列在一個平面中，因此可獲得低外形的梯形濾波器。因此，當將其裝配在線路板等上面時，不會增加固定高度，從而也適用於低外形設備。通過把梯形濾波器排列在一個平面上還可簡化金屬端部配件的結構，從而可減少金屬端部配件所需的數量。
另外，由於並聯的諧振器具有沿厚度方向積附電極的結構，因此不改變壓電材料或者不減小並聯諧振器的厚度就可加大並聯諧振器兩端的電容，從而增加梯形濾波器的保證衰減。
根據本發明的第四方面，在一種梯形濾波器中，由於並聯諧振結構中電極沿厚度方向積附，並且兩塊電極之間放置壓電板，因此可縮小電極之間的距離而不減小並聯的諧振器的厚度，從而增加並聯諧振器兩端的電容。
因此，根據本發明的第四方面，可增加梯形濾波器的保證衰減。具體地說，儘管用相同材料製成串聯諧振器和並聯諧振器，但是可使並聯諧振器的電容增至大於串聯諧振器的電容並且可提高梯形濾波器的保證衰減。
在梯形濾波器中，由於形成於並聯諧振器的振動節點處的外電極將電極連接在一起，因此通過外電極將各對電極間的靜電容量並聯在一起，可極大地增加並聯諧振器兩端的電容。此外，由於外電極形成在振動的節點處，因此不會抑制並聯諧振器的壓電振動。
較好的是，在梯形濾波器中，儘管串聯諧振器的厚度與並聯諧振器的厚度相同，但是並聯諧振器兩端的電容增至大於串聯諧振器兩端的電容，從而提高梯形濾波器的保證衰減。當串聯諧振器的厚度與並聯諧振器的厚度基本相同時，不需要如傳統梯形濾波器那樣降低並聯諧振器的厚度來提高保證衰減，避免可能發生的碎裂，或者避免增加串聯諧振器的厚度導致的笨重或大尺寸的梯形濾波器。串聯諧振器和並聯諧振器基本相同的厚度還能簡化梯形濾波器的裝配。
權利要求
1.一種採用擴張振動的諧振器，它包括多塊壓電板；和多塊電極薄膜，其中所述多塊壓電板和所述多塊電極薄膜交替積附成一體，並且所述多塊電極薄膜中的一部分相互電氣相連，而所述多塊電極薄膜的其餘部分相互電氣相連。
2.如權利要求1所述的壓電諧振器，它還包括多個安置在所述多塊壓電板和多塊電極薄膜的單塊體的外周表面上的節點處的端面電極，其中所述多個端面電極中的一部分將所述多塊電極薄膜中的一部分電氣地連接在一起，而所述多個端面電極中的另一部分將其餘的電極薄膜電氣地連接在一起。
3.一種壓電部件，它包括多塊壓電板；和一個外殼，其中在該外殼中所述多塊壓電板排列在一個平面中。
4.如權利要求3所述的壓電部件，其特徵在於所述多塊壓電板具有基本相同的厚度。
5.一種梯形濾波器，它包括串聯的平板式諧振器；並聯的平板式諧振器，其結構中電極沿厚度方向積附；以及外殼，其中在所述外殼中，所述串聯的平板諧振器和並聯的平板諧振器排列在一個平面中。
6.一種梯形濾波器，它包括串聯的諧振器；和並聯的諧振器，在並聯諧振器的結構中電極沿厚度方向積附，並且兩塊電極之間放置壓電板。
7.如權利要求5或6所述的梯形濾波器，它還包括放置在所述並聯的諧振器振動節點處的外電極，其中該外電極將所述電極連接在一起。
8.如權利要求5或6所述的梯形濾波器，其特徵在於所述串聯諧振器的厚度與所述並聯諧振器的厚度基本相同。
9.如權利要求7所述的梯形濾波器，其特徵在於所述串聯諧振器的厚度與所述並聯諧振器的厚度基本相同。
全文摘要
提供一種壓電諧振器,可增加兩端間的電容而不降低強度或改變用作壓電板的壓電材料。多塊沿厚度方向極化的壓電板和多塊電極薄膜交替積附成單塊體。電極薄膜每隔一片排列成在各層中沿相反方向偏移。在位於單塊體的兩個端面的中央部分的節點處形成外電極,第一對電極薄膜與第一外電極電氣相連。而另一對電極薄膜與另一個外電極電氣相連。
文檔編號H03H9/54GK1270448SQ0010649
公開日2000年10月18日 申請日期2000年4月10日 優先權日1999年4月9日
發明者山本隆, 舟木裕史 申請人:株式會社村田製作所