專利名稱：壓電諧振器和壓電諧振器部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電諧振器和一種壓電諧振器部件。
使用壓電陶瓷的壓電諧振器業(yè)已廣泛地用于過濾器、諧振器或傳感器。具體地說，諸如鈦酸鉛(PT)和鈦酸鋯酸鉛(PZT)之類的壓電材料要比由單晶體構(gòu)成的稱為晶體的壓電材料廉價。這種材料已廣泛地用作這樣的諧振器，它用于在諸如CD-ROM(小型光盤--只讀存儲器)或DVD(數(shù)字通用視盤)之類的記錄媒體的再現(xiàn)設(shè)備中生成基本信號(基本時鐘信號)。但是，由于這些壓電材料包含有鉛(Pb)，故為關(guān)愛環(huán)境起見，需要開發(fā)出一種不包鉛的壓電材料。
作為不含鉛的壓電材料，例如周知有諸如鉭酸化合物或鈮酸化合物之類的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物及其固溶體以及具有鈦鐵礦結(jié)構(gòu)的化合物及其固溶體、由含鉍(bi)的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物或者具有鎢-青銅結(jié)構(gòu)的化合物。在這些物質(zhì)中，由含鉍的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物具有這樣的優(yōu)異性能介電常數(shù)低、壓電性較強、機械質(zhì)量系數(shù)Qm高、居里溫度高，從而，這種化合物在高溫下很少會性能惡化。
但是，這些壓電材料的有效泊松比小于1/3。因此，不能吸收掉其中厚度縱向振動中的基波能量，并且，在與使用有效泊松比為1/3或更大的諸如PZT之類的壓電材料的壓電諧振器結(jié)構(gòu)相類似的結(jié)構(gòu)中，例如在壓電基層的一對相反表面上配備有一對面積比壓電基層面積小的電極的結(jié)構(gòu)中，難以利用基波的振動。在使用了上述壓電材料的壓電諧振器中，存在有多種這樣的壓電諧振器，它們抑制基波的振動并利用厚度上縱向振動中的三元諧波。
但是，就表示在特定波長易于出現(xiàn)振動的諧振銳度Q值而言，當(dāng)三元諧波小于基波時，就會有利用三元諧波方面的問題即具有大Q值的基波的振動會因衰減而受到抑制，從而，必須要獲得具有小Q值的三元諧波的振動，因此，不能獲得穩(wěn)定的振動。所以，盡管需要不含鉛的壓電材料，但難以普遍地付諸實踐。
此外，普遍周知的是，壓電諧振部件將壓電振動器用作諧振器，以獲得振蕩頻率。壓電振動器是由這樣的壓電元壓構(gòu)成的，所述元件具有一對相反的電壓，它們位于該元件的一側(cè)或相反的兩側(cè)。壓電振動器按這樣的方式層壓在電容元件上即位于厚度方向上的一側(cè)面波此相對向，所述電容元件上形成有兩個充電電容。此外，配備有連接導(dǎo)體以便按電學(xué)和機械的方式連接輸入電極、輸出電機和接地電極。配備有一罩帽以封住壓電諧振部件。
例如在JP-A-60-123120、JP-A-1-236715、JP-A-8-237066或JP-A-10-135215以及其它專利中公開了這種壓電諧振部件。
作為使用厚度縱向振動模式的壓電諧振部件，普遍周知的是，一種使用了基本波振動模式，另一種使用了諧波振動模式，具體說是使用了三元諧波振動模式。
使用三元諧波振動模式的壓電諧振部件的一個典型實例是是用于吸收掉能量型的部件。這種類型的壓電諧振部件包括壓電基層，該基層帶有無振動部分的部分。利同按固定方式支承的部分，可以獲得這樣的壓電諧振部件，它的性能不會惡化，并且能廣泛地使用。
厚度縱向基本振動模式下的壓電諧振部件使用了基本波振動。所以，能獲得諧振性能的高Qmax。但是，與能量切斷型相反，這種部件難以獲得非振動的部分。特別是在將壓電諧振部件做得小型化的情況下，壓電基層本身會振動，這就不可能以固定的方式支承住壓電基層。
由于壓電諧振部件使用了基本波振動模式，故在將壓電材料安裝到介電基層上時，導(dǎo)電粘合劑在連接時粘性的變化會使得連接區(qū)不均勻，并且，粘合劑通常會擴散，從而使得粘合強度不穩(wěn)定。因此，用壓電諧振部件來抑制振動能量會使得諧振性能惡化，并且，完全抑制不必要的振動的失敗會進一步使諧振性能惡化。因此，壓電諧振部件通常不能產(chǎn)生例如沒有跳躍振蕩等的穩(wěn)定振蕩。
發(fā)明概要本發(fā)明的一個目的是通過使用有效泊松比小于1/3的壓電材料來提供一種壓電諧振部件，從而能很容易地獲得穩(wěn)定的振動。
本發(fā)明的另一個目的是提供這樣一種壓電諧振部件，它能阻止振動能量衰減至最小，從而并將壓電諧振器支承于穩(wěn)定狀態(tài)。
依照本發(fā)明的第一個方面，壓電諧振器包括一壓電基層，它含有有效泊松比小于1/3的壓電材料，所述壓電基層具有一對相反的表面；以及，一對相應(yīng)位于上述相反表面上的振動電極；其中，壓電基層的相反表面是矩形的，并且，一個表面的垂直一側(cè)的長度與該表面另一側(cè)的長度之和被限制在2.22至2.24mm或2.34至2.48mm的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明第一個方面的壓電諧振器中，由于壓電基層的相反表面中垂直側(cè)的長度與該相反表面的另一側(cè)長度之和被限制在2.22至2.24mm或2.34至2.48mm的范圍內(nèi)，故可以使用基波的振動，并且，可獲得穩(wěn)定的振動。
在上述壓電諧振器中，最佳的是，例如，壓電基層的相反表面的一側(cè)的相應(yīng)長度在1.06至1.24mm的范圍內(nèi)，另一側(cè)的相應(yīng)長度在1.16至1.30mm的范圍內(nèi)。更佳的是，所述相反表面的一側(cè)的相應(yīng)長度在1.16至1.22mm的范圍內(nèi)，另一側(cè)的相應(yīng)長度在1.18至1.22mm的范圍內(nèi)。此外，最佳的是，壓電基層包括含有鉍-鍶-鈦-氧的分層結(jié)構(gòu)。由上述分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物含有鑭。
依照本發(fā)明的第二個方面，壓電諧振器包括一壓電基層，它含有有效泊松比小于1/3的壓電材料，所述壓電基層具有一對相反的表面；以及，一對相應(yīng)位于上述相反表面上的振動電極；其中，相對所說的一側(cè)而言，壓電基層的相反表面的相應(yīng)面積從1.22至1.26mm2或從1.35至1.538mm2。
在上述第二個方面的壓電諧振器中，由于壓電基層的相反表面的相應(yīng)面積相對所說的一側(cè)而言從1.22至1.26mm2或從1.35至1.538mm2，故可以使用基波的振動，并且，可獲得穩(wěn)定的振動。
在上述第二個方面的壓電諧振器中，最佳的是，壓電基層具有由分層結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)成的化合物，上述分層結(jié)構(gòu)含有鉍，例如含有鉍-鍶-鈦-氧。
本發(fā)明第三個方面的壓電諧振器包括一壓電基層，它含有有效泊松比小于1/3的壓電材料，所述壓電基層具有一對相反的表面；以及，一對相應(yīng)位于上述相反表面上的振動電極；其中，壓電基層的相反表面是矩形的，并且，相反表面一側(cè)的長度被限制在是壓電基層厚度的5倍或更少的范圍內(nèi)，相反表面與所述一側(cè)相垂直的另一側(cè)的長度則被限制在是所說的一側(cè)的長度的0.93倍至1.07倍的范圍內(nèi)。
在上述第三個方面的壓電諧振器中，相反表面一側(cè)的長度被限制在是壓電基層厚度的5倍或更少的范圍內(nèi)，相反表面的與上述一側(cè)相垂直的另一側(cè)的長度則被限制在是所述一側(cè)長度的0.93倍至1.07倍的范圍內(nèi)。所以，即便使用了有效泊松比小了1/3的壓電材料，也能使用基波的振動，并且，可獲得穩(wěn)定的振動。
在上述第三個方面的壓電諧振器中，最佳的是，振動電極的面積是所述相反表的面積的6％或更多。最佳的是，壓電基層具有由分層結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)成的化合物，上述分層結(jié)構(gòu)含有鉍，例如含有鉍-鍶(Sr)-鈦(Ti)-氧(O)，并且，壓電基層還包括由含有鑭(Ta)和錳(Mn)的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物。
本發(fā)明第四個方面的壓電諧振部件包括一壓電諧振器、一基層以及連接導(dǎo)體。所述壓電諧振器按厚度延長方向振動模式操作并有兩個側(cè)面電極。這兩個側(cè)面電極設(shè)置在壓電諧振器的相反側(cè)面上，所說的相反側(cè)面不同于位于厚度方向上的側(cè)面并且分別與振動電極相通導(dǎo)。所述基層具有終端電極，它們設(shè)置在基層的表面上。連接導(dǎo)體包括金屬球，這些金屬球位于壓電諧振器的側(cè)面電極與基層的終端電極之間并且以固定的方式與這兩種部件相連。
如上所述，在本發(fā)明第四個方面的壓電諧振部件中，壓電諧振器有兩個側(cè)面電極。這兩個側(cè)面電極設(shè)置在壓電諧振器的相反側(cè)面上，所說的相反側(cè)面不同于位于厚度方向上的側(cè)面并且分別與振動電極相通導(dǎo)。所以，可將電能提供給側(cè)面電極以激活壓電諧振器。
就上述功能而言，可以實現(xiàn)這樣的壓電諧振部件，它可形成表示諧振性能的高Qmax的穩(wěn)定諧振性能，同時能消除振動能量的幅射、消除不完全地抑制不必要的振蕩、消除諧振性能的惡化以及消除包括不穩(wěn)定的跳躍振蕩等在內(nèi)的劣質(zhì)振蕩。
在附圖中圖1是一透視圖，它示出了與本發(fā)明一個實施例有關(guān)的壓電諧振器的結(jié)構(gòu)；圖2是顯示阻抗特征與相位特征的圖，其中，可獲得本發(fā)明實例1中的最佳◇波形；圖3是顯示阻抗特征與相位特征的圖，其中，可獲得本發(fā)明實例1中的較好的○波形；圖4是顯示阻抗特征與相位特征的圖，其中，可獲得本發(fā)明實例1中的好的Δ波形；圖5是顯示阻抗特征與相位特征的圖，其中，可獲得實例1中的不好的 波形；圖6是一透視圖，它示出了與本發(fā)明一個實施例有關(guān)的壓電諧振器的概略結(jié)構(gòu)；圖7是顯示實例2-1的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖8是顯示實例2-2的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖9是顯示實例2-3的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖10是顯示實例2-4的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖11是顯示實例2-5的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖12是顯示實例2-6的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖13是顯示實例2-7的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖14是顯示比較實例2-1的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖15是顯示實例2-8的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖16是顯示實例2-9的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖17是顯示實例2-10的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖18是顯示實例2-11的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖19是顯示實例2-12的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖20是顯示實例2-13的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖21是顯示實例2-14的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖22是顯示實例2-1 5的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖23是顯示實例2-16的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖24是顯示實例2-17的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖25是顯示實例2-18的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖26是顯示實例2-19的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖27是顯示比較實例2-2的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖28是顯示比較實例2-3的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖29是顯示比較實例2-4的壓電諧振器的阻抗特征的圖30是顯示比較實例2-5的壓電諧振器的阻抗特征的圖；圖31是本發(fā)明壓電諧振部件的透視圖，它顯示組裝好的并且部分是分解的以展示其內(nèi)部；圖32是圖1的壓電諧振部件的放大側(cè)視圖，它部分是分解的以展示其內(nèi)部；圖33是圖1的壓電諧振部件的分解透視圖；圖34是上述壓電諧振部件的等價電路圖；圖35是壓電諧振器本身的放大透視圖；圖36是顯示壓電諧振器的一側(cè)的振動位移量的分布的圖；圖37是顯示在圖6的中心線X1處測出的振動位移量的值的曲線圖；圖38是顯示用模型分析獲得的壓電諧振器上的振動位移量分布的圖；圖39是顯示用探頭接觸獲得的壓電諧振器的諧振性能值的分布的圖。
以下參照附圖詳細說明本發(fā)明。
第一實施例圖1示出了本發(fā)明一個實施例的壓電諧振器的結(jié)構(gòu)。該壓電諧振器配備有壓電基層1，它帶有一對相反的表面1a和1b并且有效泊松比小于1/3；以及，一對電極2、3，它們設(shè)置成與壓電基層1的相反表面1a、1b相對應(yīng)。
壓電基層1的相反表面1a、1b分別具有諸如矩形之類的幾乎相同的形狀。本文所稱的矩形形狀是基本上可傳感到的形狀。所以，略微切掉角或者角不是精確的90度是允許的。相反表面1a、1b的一個表面的垂直側(cè)的長度與該相反表面的另一側(cè)的長度之和被限制在2.22至2.24mm或2.34至2.48mm的范圍內(nèi)。也就是說，假定所述一側(cè)的長度是Lc，所述另一側(cè)的長度是Wc，則所述一側(cè)的長度Lc與所述另一側(cè)的長度Wc的關(guān)系如下述公式1-1所示(公式1-1)Lc+Wc=2.22mm≤ ≤2.24mm2.34mm≤ ≤2.48mm在這種壓電諧振器中，限定了壓電基層1的相反表面1a、1b的一側(cè)的長度Lc和另一側(cè)的長度Wc。盡管使用了有效泊松比小于1/3的壓電材料，但是，可以獲得最佳的波形和高諧振銳度Q值并且能使用基波的振動。最佳的是，相反表面1a、1b的一側(cè)的相應(yīng)長度Lc在1.06至1.24mm的范圍內(nèi)，另一側(cè)的相應(yīng)長度Wc在1.16至1.30mm的范圍內(nèi)。由于在這樣的范圍內(nèi)，所以，可在基波中獲得更佳的波形。一側(cè)的更佳長度Lc為從1.16至1.22mm，就所述的另一側(cè)而言，長度Wc為從1.18至1.22mm。另外，在本實施例中所述一側(cè)的長度Lc是沿與后述電極2、3的前導(dǎo)部2b、3b的延伸部Ⅰ相同方向延伸的側(cè)面的長度，而另一側(cè)的長度Wc則是沿與之相垂直方向延伸的側(cè)面的長度。
相對所說的一側(cè)而言，壓電基層1的相反表面1a、1b的相應(yīng)面積Sc最好為1.22至1.26mm2或為1.35至1.538mm2。由于在這樣的范圍內(nèi)，所以，可在基波中獲得更佳的波形。
作為有效泊松比小于1/3的壓電材料，例如存在有諸如鉭酸化合物或鈮酸化合物之類的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物及其固溶體、具有鈦鐵礦結(jié)構(gòu)的化合物及其固溶體、具有燒綠石結(jié)構(gòu)的化合物、由含鉍(bi)的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物或者具有鎢-青銅結(jié)構(gòu)的化合物。壓電基層1作為有最大含量的主要成份包含有上述壓電材料。
作為鉭酸化合物或鈮酸化合物，例如可例舉出由從包括鈉(Na)、鉀(K)和鋰(Li)的一組中選出的至少一種構(gòu)成的第一元素、由從包括鉭(Ta)、鈮(Nb)的一組中選出的至少一種構(gòu)成的第二元素以及含氧的物質(zhì)。假定第一元素是A，第二元素是B，則可用下述化學(xué)式1-1所示的一般表示形式來表示這些元素。
(化學(xué)式1-1)ABO3作為含鉍的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物，例如存在有包括鉍的材料、由從包括鈉、鉀、鋇(Ba)、鍶、鉛、鈣(Ca)、釔(Y)、鑭系元素(Ln)和鉍的-組中選出的至少一種構(gòu)成的第一元素、由從包括釩(V)、鋯(Zr)、銻(Sb)、鈦(Ti)、鈮、鉭、鎢(W)、鉬(Mo)、錳的一組中選出的至少一種構(gòu)成的第二元素以及含氧的物質(zhì)。假定第一元素是C，第二元素是D，則可用下述化學(xué)式1-2所示的一般表示形式來表示這些元素。
(化學(xué)式1-2)(Bi2O2)2+(Cm-1DmO3m+1)2-m1至8的整數(shù)。
鎢-青銅化合物沒有一般的表示形式，但例如有NaWO6BaNaNbO15。本文中的化學(xué)式是按化學(xué)計量成分表示的，用于構(gòu)成壓電基層1的壓電材料也可以是那些不是上述化學(xué)計量成分的成分。
其中，由含鉍的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物作為構(gòu)成壓電基層1的壓電材料是最佳的。特別是作為有高機械質(zhì)量系數(shù)Qm和高居里溫度的諧振器，所述化合物可提供優(yōu)異的性能。例如，由含鉍-鍶-鈦-氧的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物是最佳的，具體地說，除這些元素以外，由含鑭的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物是更佳的。
電極2由諸如銀(Ag)之類的金屬構(gòu)成并帶有一振動電極2a和前導(dǎo)部2b，它被連續(xù)地配備給振動電極2a。振動電極2a形成為諸如是矩形并基本上設(shè)置在相反表面1a的中心。前導(dǎo)部2b通過導(dǎo)線等電連接于外部電源(未示出)并形成為沿壓電基層1的相反表面1a、1b的一側(cè)上的延伸部Ⅰ從振動電極2a延伸至另一側(cè)。電極3具有與電極2相同的結(jié)構(gòu)。振動電極3a借助壓電基層1配備在電極2的振動電極2a的下方。前導(dǎo)部3b沿電極2的前導(dǎo)部2b的相反方向相對振動電極3a延伸。
振動電極2a、3a的大小沒有特別的限制，任何尺寸都足夠用。在本文中，將振動電極2a、3a說明為是矩形，但對振動電極2a、3a的形狀沒有特別的限制，如圓形的其它形狀也是足夠用的。前導(dǎo)部2b、3b的形狀也沒有特別的限制，其它形狀也行，例如，壓電基層1的相反表面1a、1b的另一側(cè)的長度不同于振動電極2a、3a的長度是允許的。
上述結(jié)構(gòu)的壓電諧振器是按下述方式生產(chǎn)出來的。
作為壓電基層1的起始材料，使用了氧化物構(gòu)成的原料，稱出所述原料的重量以提供預(yù)定的成份，并使所述原料在純水或丙酮溶液中經(jīng)歷與氧化鋯球體的球磨混合。通過加壓后在700至900℃的溫度使混合后的原料粉末完全干燥并對該原料加以煅燒。隨后，在球磨機中將煅燒后的材料再次磨成粉末、加以干燥并通過增加適當(dāng)量的作為粘合劑的聚乙烯醇使之成顆粒狀。顆?；螅?00至300MPa的壓力下將顆粒狀的粉末形成到長20mm×寬20mm×厚約1.5mm的薄板上。此后，通過熱處理使粘合劑從所形成的主體上揮發(fā)，并在1100至1350℃的溫度下進行真正的燒結(jié)。在真正的燒結(jié)之后，用研磨機調(diào)整燒結(jié)后主體的厚度，以形成壓電基層1的基板。
形成了基板之后，例如使銅(Cu)經(jīng)歷真空蒸發(fā)，以便在基板的兩面上形成用于極化的電極。然后，將形成有極化電極的基板浸到被加熱至200至300℃的硅油中，并對該基板施加5至10KV/mm的電場一分鐘。在極化之后，撤去極化電極，并通過切割來調(diào)整基板的大小，從而形成壓電基層1。通過沉積使相反的表面1a、1b上形成有諸如銀之類的金屬構(gòu)成的電極2、3。因此，形成了圖1所示的壓電諧振器。
壓電諧振器按下述方式啟動。
在這種壓電諧振器中，電極2、3的前導(dǎo)部2a、3a通過導(dǎo)線(未示出)與外部電源相連，當(dāng)壓電基層1通過電極加載電壓時，就會產(chǎn)生厚度上的延長方向振動。換句話說，會沿與壓電基層1的相反表面1a、1b相反的方向產(chǎn)生振動。這里，壓電基層1的相反表面1a、1b中的一個表面的長度與該相反表面的另一側(cè)的長度之和被分別限制在2.22至2.24mm的范圍內(nèi)或在2.34至2.48mm的范圍內(nèi)。相反表面1a、1b的相應(yīng)面積Sc為1.22至1.26mm2或1.35至1.538mm2。就基波的振動而言，可以獲得預(yù)定的波形和高諧振銳度Q值?？梢允褂没ǖ恼駝?。
依照所實施的實施例，壓電基層1的相反表面1a、1b中的垂直一側(cè)的長度與該相反表面的另一側(cè)的長度之和分別被限制在2.22至2.24mm或在2.34至2.48mm的范圍內(nèi)。壓電基層1的相反表面1a、1b的相應(yīng)面積Sc為1.22至1.26mm2或1.35至1.538mm2。所以，即便壓電基層1是由有效泊松比小干1/3的壓電材料構(gòu)成的，就基波的振動而言，也可以獲得預(yù)定的波形和高諧振銳度Q值。此外，可以使用基波的振動。
所以，依照本實施例，不需要減振，并且，與使用高諧波的先有技術(shù)相比，可以獲得高Q值。因此，可很容易地提供穩(wěn)定的振動。所以能將使用不含鉛的壓電材料的壓電諧振器廣泛地付諸實踐，從而，可以保護環(huán)境?？筛鶕?jù)小型的元件將壓電諧振器做得小型化。
如果相反表面1a、1b的一側(cè)的相應(yīng)長度Lc在1.06至1.24mm的范圍內(nèi)且另一側(cè)的相應(yīng)長度Wc被限制在1.16至1.30mm的范圍內(nèi)，則可以提供更佳的波形。如果一側(cè)的長度Lc為1.16至1.22mm且另一側(cè)的長度Wc為1.18至1.22mm，則可獲得特佳的波形。
實例1以下說明本發(fā)明的的實例。
作為起始材料，使用了氧化鉍(Bi2O3)、氧化鑭(La2O3)、氧化鈦(TiO2)、碳酸鍶(SrCO3)和碳酸錳(MnCO3)構(gòu)成的原料粉末，稱出所述原料的重量以提供由(Sr0.9La0.1)Bi4Ti4O15構(gòu)成的成份，稱出碳酸錳的重量為(Sr0.9La0.1)Bi4Ti4O15的0.5質(zhì)量％。使稱出的原料在純水中經(jīng)歷與氧化鋯球體的球磨混合約15小時。通過加壓在800℃的溫度下使混合后的原料粉末完全干燥并對該原料加以煅燒。隨后，使煅燒后的材料再次經(jīng)歷球磨機粉碎、加以干燥并通過增加適當(dāng)量的作為粘合劑的聚乙烯醇使之成顆粒狀。顆粒化之后，在200MPa的載荷下將顆粒狀的粉末形成到長20mm×寬20mm×厚約1.5mm的薄板上。此后，通過熱處理使粘合劑從所形成的主體上揮發(fā)，并在1200℃的溫度下進行真正的燒結(jié)。從而，可獲得用含有Bi4Ti4O15晶體的鉍層化合物構(gòu)成的燒結(jié)主體。
在獲得了燒結(jié)的主體之后，用研磨機研磨該主體，以形成厚度為0.501mm的基板。然后，在基板上形成用于極化的電極，并將該基板浸到250℃的硅油中，且對該基板施加10KV/mm的電場一分鐘。在極化之后，撤去極化電極，并對基板進行切割，從而通過改變相反表面1a、1b的大小來形成多個壓電基層1。表1示出了所產(chǎn)生的壓電基層1的相反表面1a、1b的大小。在本文中，所述相反表面的一側(cè)的長度Lc在1.06至1.24mm的范圍內(nèi)改變了0.02mm，而另一側(cè)的長度Wc在1.16至1.30mm的范圍內(nèi)改變了0.02mm。表1中一側(cè)長度Lc與另一側(cè)長度Wc相交位置處所示的數(shù)值是相反表面1a、1b的一側(cè)的面積Sc。
表1(單位mm2)
在形成了壓電基層1之后，分別在其相反表面1a、1b上沉積出銀電極2、3，以便形成壓電裝置。
在形成了壓電基層1之后，分別在其相反表面1a、1b上沉積出銀電極2、3，以便獲得壓電諧振器。就所有的壓電振動器而言，電極2、3的振動電極2a、3a均為矩形，沿壓電基層1的相反表面1a、1b上的一側(cè)的方向I延伸的那個側(cè)面的長度為1.0mm，與之相垂直的另一側(cè)為0.9mm。
將按上述方式獲得的壓電諧振器放置在室溫下24小時，用阻抗分析器檢測厚度的延長方向上的壓電特征。作為壓電特征值，可測出阻抗特征和相位特征。根據(jù)所測出的結(jié)果，對厚度的延長方向基本波形中的主振動部件的波形進行測定。需要基本(主)波振動中的最大諧振銳度Qmax1和三元諧波振動中的最大諧振銳度Qmax3，并計算出Qmax1/Qmax3之比。諧振銳度Q值是指這樣的值，其中，用電阻R除阻抗中的電抗X的絕對值(Q=｜X｜/R)。最大諧振銳度Qmax是指諧振頻率與反諧振頻率之間的諧振銳度Q值。
表2示出了所測定出的與基波波形有關(guān)的結(jié)果。在表2中，標(biāo)記◇是指在主振動部件中不存在噪聲的情況下獲得了最佳的波形。標(biāo)記○是指盡管在主振動部件中存在有噪聲，但仍獲得了可用的較好的波形。標(biāo)記Δ是指盡管在主振動部件中或多或少地存在有噪聲，但仍可獲得可用的好的波形。標(biāo)記 是指在主振動部件中大量存在噪聲，并且，獲得了不能使用的波形。用在諧振頻率與反諧振頻率之間以及按這些頻率的0.15％或其左右的范圍內(nèi)來判定存在或不存在噪聲。表2
圖2示出了其中獲得了最佳波形◇的代表性壓電諧振器的阻抗特征和相位特征。這些特征是壓電基層1的相反表面1a、1b上的一側(cè)的長度Lc為1.2mm而另一側(cè)的長度Wc也為1．2mm且所述一側(cè)的面積Sc為1.44mm2時的壓電諧振器的測定結(jié)果。在圖2中，垂直軸的左側(cè)是阻抗Imp(Q)，垂直軸的右側(cè)是相位θz(°)，橫軸是頻率Freq(MHz)。如圖2所示，在主振動部件的波形中不存在噪聲，可以使用基波的振動。
圖3示出了其中獲得了較好波形○的代表性壓電諧振器的阻抗特征和相位特征。這些特征是壓電基層1的相反表面1a、1b上的一側(cè)的長度Lc為1.18mm而另一側(cè)的長度Wc為1.28mm且所述一側(cè)的面積Sc為1.5104mm2時的壓電諧振器的測定結(jié)果。圖3的垂直軸和橫軸與圖2的垂直軸和橫軸相同。在這一壓電諧振器中，如圖3所示，盡管噪聲存在于主振動部件的波形內(nèi)但是很少，故此通過消除噪聲可以使用基波的振動。
圖4示出了其中獲得了好的波形Δ的代表性壓電諧振器的阻抗特征和相位特征。這些特征是壓電基層1的相反表面1a、1b上的一側(cè)的長度Lc為1.06mm而另一側(cè)的長度Wc為1.18mm且所述一側(cè)的面積Sc為1.2508mm2時的壓電諧振器的測定結(jié)果。圖4的垂直軸和橫軸與圖2的垂直軸和橫軸相同。在這一壓電諧振器中，如圖4所示，盡管主振動部件的波形內(nèi)或多或少地存在有噪聲，但是，通過消除噪聲可以使用基波的振動。
圖5示出了作為比較實例的其中獲得了不好的波形 的代表性壓電諧振器的阻抗特征和相位特征。這些特征是壓電基層1的相反表面1a、1b上的一側(cè)的長度Lc為1.14mm而另一側(cè)的長度Wc為1.18mm且所述一側(cè)的面積Sc為1.3452mm2時的壓電諧振器的測定結(jié)果。圖5的垂直軸和橫軸與圖2的垂直軸和橫軸相同。在這一壓電諧振器中，如圖5所示，主振動部件的波形內(nèi)大量地存在有噪聲，不能使用基波的振動。
從這些結(jié)果中可以看出，可在表1和2中的用粗實線示出的范圍內(nèi)即在壓電基層1的相反表面1a、1b中的一個表面的長度Lc與該相反表面的另一側(cè)長度Wc之和被限制在2.22mm≤≤2.24mm或2.34mm≤≤2.48mm的范圍內(nèi)以及在相反表面1a、1b的面積相對所說的一側(cè)而言為1.22≤Sc≤1.26mm2或1.35≤Sc≤1.358mm2的范圍內(nèi)才能使用基波的振動。此外，還可以看出，可在壓電基層1的相反表面1a、1b的一側(cè)的長度Lc為1.16mm≤Lc≤1.22mm且另一側(cè)的長度Wc為1.18mm≤Wc≤1.22mm的范圍內(nèi)獲得基波的最佳波形。
表3示出了最大諧振器銳度Qmax1和Qmax3以及Qmax1/Qmax3之比的幾個代表性結(jié)果。如果所述比例的值小于3，則會導(dǎo)致不正常的振動，并且，振動頻率的頻率穩(wěn)定性會變差。在本文中，可在包括表3中未示出的壓電諧振器在內(nèi)的壓電諧振器中獲得3或更大的值。也就是說，就上述范圍內(nèi)的壓電基層1的相反表面1a、1b的尺寸而言，可以看出，能始終獲得基波的振動。表3
除壓電基層1的厚度為0.23mm、相反表面1a、1b的一側(cè)的長度Lc為1．20mm且另一側(cè)的長度Wc也為1．20mm以外，可在與上述相同的條件下生產(chǎn)出壓電諧振器。就這些壓電諧振器而言，檢測厚度延長方向上的壓電特征。表3中還示出了檢測到的結(jié)果?；ǖ牟ㄐ螢楹谩?，并且，最大諧振銳度之比Qmax1/Qmax3為3或更大。也就是說，可以看出，盡管壓電基層1的厚度有所變化，但是，如果相反表面1a、1b的尺寸在上述范圍內(nèi)，就可以始終獲得基波的振動。但是，在將壓電基層1的厚度作得薄的時侯，噪聲就會或多或少地存在。
除壓電基層1的厚度為0．501咖、相反表面1a、1b的一側(cè)的長度Lc為1．20mm、另一側(cè)的長度Wc也為1．20mm、且改變了壓電諧振電極2a、3a的尺寸以外，可在與上述相同的條件下生產(chǎn)出壓電諧振器。表4示出了所生產(chǎn)出的壓電諧振器的振動電極2a、3a的尺寸。這里，振動電極2a、3a是方形的，沿壓電基層1的相反表面1a，lb中的一側(cè)的延伸方向I延伸的長度Le以及沿垂直方向延伸的長度We在1.10至0.70mm的范國內(nèi)改變了0．1mm。圖4中示出了振動電極2a、3b的面積(Se)與壓電基層1的相反表面1a、1b之一的面積Sc之比(Se／Sc)。
表4
就這些壓電諧振器而言，檢測厚度延長方向上的壓電特征．表4中還示出了所檢測到的結(jié)果。基波的波形為好○，并且，最大諧振銳度之比Qmax1／Qmax3為3或更大。也就是說，可以看出，盡管壓電電機2a、3a的尺寸有所變化，但是，如果相反表面1a、1b的尺寸在上述范圍內(nèi)，就可以始終獲得基波的振動。
從這些結(jié)果中可以看出，可以使用基波的振動，因為，壓電基層1包括由作為主要成分含有鉍一鍶一鈦一氧的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物，并且，壓電基層1的相反表面1a、1b中的一側(cè)的長度Lc與該基層另一側(cè)長度Wc之和被限制在2.22mm≤≤2.24mm或2.34mm≤≤2.48mm的范圍內(nèi)，而且，相反表面1a、1b的面積Sc相對所說的一側(cè)而言為1.22≤Sc≤1.26 mm2或1.35≤Sc≤1.358mm2。此外，還可以看出，可在壓電基層1的相反表面1a、1b的一側(cè)的長度Lc為1.16mm≤Lc≤1.22mm且另一側(cè)的長度Wc為1.18mm≤Wc≤1.22mm的范圍內(nèi)獲得基波的最佳波形。
在上述實例中，對壓電基層1包括由含有鉍-鍶-鈦-鑭-錳的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物這樣的情況進行了說明，但是，盡管用由不含有鉍的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物來形成壓電基層1，也可以獲得類似的結(jié)果。此外，盡管使用了有效泊松比小于1/3的壓電材料而不是由含鉍的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物，但也可提供相似的結(jié)果。
業(yè)已參照實際的實施例和實例說明了本發(fā)明，但是，應(yīng)該注意，本發(fā)明并不局限于此，而是可以作多種改進。例如，在上述實際實施例和實例中，通過列舉了實例說明了構(gòu)成壓電基層1的壓電材料，但是，只要壓電材料的有效泊松比小于1/3，就可以廣泛地使用該材料。
第二實施例以下參照


本發(fā)明的第二實施例。
圖6是一透視圖，它概略地示出了本發(fā)明第二實施例的壓電諧振器的結(jié)構(gòu)。該壓電諧振器包括壓電基層1，它帶有一對相反的表面1a和1b并且有效泊松比小于1/3；以及，一對電極2、3，它們設(shè)置成與壓電基層1的相反表面1a、1b相對應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)與第一實施例的相類似。
壓電基層1的相反表面1a、1b分別具有諸如矩形之類的幾乎相同的形狀。本文所稱的矩形形狀是基本上可傳感到的形狀。所以，略微切掉角或者角不是精確的90度是允許的。相反表面1a、1b的一側(cè)的長度Lc如公式2-1所示那樣被限制在相反表面1a與1b之間的距離范圍內(nèi)，即為壓電基層1的厚度Tc的5倍或更少。與相反表面1a、1b的前述一側(cè)相垂直的另一側(cè)的長度Wc如公式2-2所示那樣在一側(cè)長度Lc的0.93至1.07倍的范圍內(nèi)。
(公式2-1)Lc≤5.0×Tc(公式2-2)0.93×Lc≤Wc ≤1.07×Lc1．07×Lc在這種壓電諧振器中，指定了壓電基層1的相反表面1a、1b的一側(cè)的長度Lc和另一側(cè)的長度Wc。盡管使用了有效泊松比小于1/3的壓電材料，但是，可以獲得最佳的波形和高諧振銳度Q值并且能使用基波的振動。另外，在本實施例中一側(cè)的長度Lc是沿與后述電極2、3的前導(dǎo)部2b、3b的延伸部I相同方向延伸的側(cè)面的長度，而另一側(cè)的長度Wc則是沿與之相垂直方向延伸的一側(cè)的長度。諧振銳度Q值是指這樣的值，其中，用電阻R除阻抗中的電抗x的絕對值(Q=｜X｜/R)。
最佳的是，相反表面1a、1b的一側(cè)的長度Lc被限制在厚度Tc的0.35倍或更大的范圍內(nèi)，如公式2-3所示。更佳的是，該長度Lc被限制在厚度Tc的4.3倍或更小的范圍內(nèi)，如公式2-4所示，并且，最好是在3.2倍或更少的范圍內(nèi)，如公式2-5所示，特佳的是在2.7倍或更少的范圍內(nèi)，如公式2-6所示。另一方面，另一側(cè)的長度Wc最好在長度Lc的0.97倍至1.03倍，如公式2-7所示。由于在這樣的范圍內(nèi)，所以，可在基波中獲得更佳的波形。
(公式2-3)Lc≥0.35×Tc(公式2-4)Lc≤4.3×Tc(公式2-5)Lc≤3.2×Tc(公式2-6)Lc≤2.7×Tc(公式2-7)0.97×Lc≤Wc≤1.03×Lc作為有效泊松比小于1/3的壓電材料，可使用第一實施例的同樣的材料，因此，這里略去了對這種材料的具體說明。
電極2由諸如銀(Ag)之類的金屬構(gòu)成并帶有一振動電極2a和前導(dǎo)部2b，它被連續(xù)地配備給振動電極2a。振動電極2a是這樣形成的即該電極與壓電基層1相接觸的表面是矩形的并基本上設(shè)置在相反表面1a的中心。前導(dǎo)部2b通過導(dǎo)線電連接于外部電源(未示出)并沿壓電基層1的延伸部I從振動電極2a延伸至另一側(cè)。電極3具有與電極2相同的結(jié)構(gòu)。振動電極3a借助壓電基層1在壓電基層1的厚度方向上配備在電極2的振動電極2a的下方。前導(dǎo)部3b沿電極2的前導(dǎo)部2b的相反方向相對振動電極3a延伸。換句話說，電極2、3在壓電基層1的厚度方向上彼此多出的部分是振動電極2a、3a。
振動電極2a、3a的與壓電基層1相接觸的表面面積即振動電極2a、3a的面積Sd最好是振動基層1的相反表面1a、1b的面積Sc的6％或更多。如果所說的面積小，則不能獲得預(yù)定的波形。振動電極2a、3a的面積Sd的更佳范圍是相反表面1a、1b的面積Sc的17％或更大。面積Sd可等于相反表面1a、Ib的面積Sc。在這種情況下，振動電極2a、3a還可用作前導(dǎo)部2b、3b。
業(yè)已說明了在本實施例中振動電極2a、3d是矩形的，但是，其形狀并沒有特別的限制，如圓形的其它形狀也是足夠用的。前導(dǎo)部2b、3b的形狀也沒有限制，其它形狀也行。
具有上述結(jié)構(gòu)的壓電諧振器是按第一實施例中相類似的方法生產(chǎn)出來的。因此，這里略去了對生產(chǎn)方法的具體說明。
上述壓電諧振器按下述方式啟動。
在這種壓電諧振器中，電極2、3的前導(dǎo)部2a、3a通過導(dǎo)線(未示出)與外部電源相連。當(dāng)壓電基層1通過電極加載電壓時，就會產(chǎn)生厚度上的延長方向振動。換句話說，會沿與壓電基層1的相反表面1a、1b相反的方向產(chǎn)生振動。這里，相反表面1a、1b的一側(cè)的長度Lc被限制在厚度Tc的5倍或更少的范圍內(nèi)，另一側(cè)的長度Wc為長度Lc的0.93倍至1．07倍。就基波的振動而言，可以獲得預(yù)定的波形和高諧振銳度Q值?？梢允褂没ǖ恼駝?。
如上所述，在本實施例的壓電諧振器中，壓電基層1的相反表面1a、1b的一側(cè)的長度Lc被限制在厚度Tc的5倍或更少的范圍內(nèi)。同時，另一側(cè)的長度Wc被限制在所述一側(cè)長度Lc的0.93倍至1.07倍的范圍內(nèi)。所以，即便壓電基層1是由有效泊松比小干1/3的壓電材料構(gòu)成的，就基波的振動而言，也可以獲得預(yù)定的波形和高諧振銳度Q值。因此，可以使用基波的振動。
所以，不需要減振，并且，與使用高諧波的先有技術(shù)相比，可以獲得高諧振銳度Q值。因此，可很容易地提供穩(wěn)定的振動。所以能將使用不含鉛的壓電材料的壓電諧振器廣泛地付諸實踐，從而，可以保護環(huán)境?？筛鶕?jù)小型的元件將壓電諧振器做得小型化。
具體地說，所述一側(cè)的長度Lc最好被限制在厚度Tc的4.3倍或更小的范圍內(nèi)、更佳地是被限制在3.2倍或更小的范圍內(nèi)、特佳地是被限制在2.7倍或更小的范圍內(nèi)。此外，所述另一側(cè)的長度Wc為長度Lc的0.97倍至1.03倍。因此，就基波的振動而言，可以獲得預(yù)定的波形和高諧振銳度Q值。
再有，如果振動電極2a、3a的面積Sd為相反表面1a、1b的面積Sc的6％或更大或者如果更佳地是面積Sc的17％或更大，則可獲得預(yù)定的波形。
實例2以下就本發(fā)明的實例對第二實施例作具體說明。
(實例2-1至2-7)作為起始材料，使用了由氧化鉍(Bi2O3)、氧化鑭(La2O3)、氧化鈦(TiO2)、碳酸鍶(SrCO3)和碳酸錳(MnCO3)構(gòu)成的原料粉末，稱出所述原料的重量以提供由(Sr0.9La0.1)Bi4Ti4O15構(gòu)成的成份，稱出碳酸錳的重量為(Sr0.9La0.1)Bi4Ti4O15的0.5質(zhì)量％。使稱出的原料在純水中經(jīng)歷與氧化鋯球體的球磨混合約15小時。通過加壓在800℃的溫度下使混合后的原料粉末完全干燥并對該原料加以煅燒。隨后，使煅燒后的材料再次經(jīng)歷球磨機粉碎、加以干燥并通過增加適當(dāng)量的作為粘合劑的聚乙烯醇使之成顆粒狀。顆粒化之后，用單軸壓模機在2×108Pa的壓力下將顆粒狀的粉末形成到長20mm×寬20mm×厚約1．5mm的薄板上。此后，通過熱處理使粘合劑從所形成的主體上揮發(fā)，并在1200℃的溫度下進行真正的燒結(jié)。從而，可獲得由含有Bi4Ti4O15晶體的鉍層化合物構(gòu)成的燒結(jié)主體。
在獲得了燒結(jié)的主體之后，用研磨機研磨該主體，以形成基板?；宓暮穸仍趯嵗?-1至2-7中是有所變化的并且可按下述方式加以調(diào)整即壓電基層的厚度Tc如表5所示。在基板上形成用于極化的電極，并將該基板浸到250℃的硅油中，且對該基板施加10KV/mm的電場一分鐘。在極化之后，撤去極化電極，并對基板進行切割，從中撤去了極化電極的表面會成為相反表面1a、1b，從而形成了壓電基層1。相反表面1a、1b是矩形的，所述一側(cè)的長度Lc和另一側(cè)的長度Wc均為1．2mm。表1示出了實例2-1至2-7中相反表面1a、1b的長度Lc、Wc及其與厚度Tc的關(guān)系。表5
在形成了壓電基層1之后，分別在其相反表面1a、1b上沉積出銀電極2、3。電極2、3的振動電極2a、3a是矩形的，所述一側(cè)的尺寸為1.0mm，與之相垂直的另一側(cè)的尺寸為0.9mm。除壓電基層1的厚度Tc不同以外，在同樣的條件下形式實例2-1至2-7的壓電諧振器。
將按上述方式獲得的實例2-1至2-7的壓電諧振器放置在室溫下24小時，用阻抗分析器檢測厚度的縱向方向上的壓電特征。作為壓電特征值，可側(cè)出阻抗特征。根據(jù)所測出的阻抗特征，對厚度的延長方向基波中的主振動部件的波形進行測定。用在諧振頻率與反諧振頻率之間存在或不存在噪聲以及按這些頻率的0.15％或其左右的范圍內(nèi)來判定波形。圖7中示出了實例2-1的結(jié)果，圖8中示出了實例2-2的結(jié)果，圖9中示出了實例2-3的結(jié)果，圖10中示出了實例2-4的結(jié)果，圖11中示出了實例2-5的結(jié)果，圖12中示出了實例2-6的結(jié)果，圖13中示出了實例2-7的結(jié)果。在圖7至13中，垂直軸是阻抗Imp()，橫軸是頻率Freq(MHz)。
作為與實例2-1至2-7的比較實例2-1，除壓電基層的厚度為0.188mm以外，在與實例2-1至2-7相同的條件下形成壓電諧振器。表5示出了壓電基層的厚度與所述相反表面的側(cè)面的長度之間的關(guān)系。在比較實例2-1中，如實例2-1至2-7那樣測出阻抗特征。圖10示出了比較實例2-1的結(jié)果。垂直軸與橫軸與圖7至13的相同。
從圖7至14中可以看出，在實例2-1至2-4中，可在主振動部件中不存在有噪聲的情況下獲得最好的波形。在實例2-5中，雖然在主振動部件中存在有少許噪聲，但可獲得優(yōu)異的波形。在實例2-6至2-7中，雖然在主振動部件中略微存在有噪聲，但可以獲得可用的良好波形。另一方面，在比較實例2-1中，主振動部件內(nèi)大量地存在有噪聲，只能獲得不能使用的波形。
也就是說，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，如果壓電基層1的相反表面1a、1b的側(cè)面的長度Lc、Wc為該基層厚度Tc的5倍或更少，則可以使用基波的振動。此外，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，如果長度Lc、Wc為厚度Tc的3.2倍或更少，則可獲得基波的更好的波形，如果長度Lc、Wc為厚度Tc的2.7倍或更少，則可獲得基波的特別優(yōu)異的波形。
(實例2-8至2-15)壓電基層1的相反表面1a、1b側(cè)面的長度LC、Wc之間的關(guān)系是固定的，除了如表6所示那樣在實例2-8至2-15中長度Lc、Wc和厚度Tc有變化以外，按與實例2-1至2-7中相同的條件生產(chǎn)出壓電諧振器。這時，相反表面1a、1b的一側(cè)的長度Lc與另一側(cè)的長度Wc是相同的，并且，所述側(cè)面的長度Lc、Wc為厚度Tc的2.4倍。表6中示出了振動電極2a、3a的尺寸。
表6
就所獲得的實例2-8至2-15的壓電諧振器而言，按與實例2-1至2-7中相同的方式檢測厚度延長方向上的壓電特征。圖15示出了實例2-8的結(jié)果，圖15示出了實例2-8的結(jié)果，圖15示出了實例2-8的結(jié)果，圖15示出了實例2-8的結(jié)果，圖16示出了實例2-9的結(jié)果，圖17示出了實例2-10的結(jié)果，圖18示出了實例2-11的結(jié)果，圖19示出了實例2-12的結(jié)果，圖20示出了實例2-13的結(jié)果，圖21示出了實例2-14的結(jié)果，圖22示出了實例2-15的結(jié)果。圖15至22的垂直軸和橫軸與圖7至13中的相同。
從圖15至22中可以看出，在實例2-8至2-15的每個實例中，可在主振動部件中不存在有噪聲的情況下獲得最好的波形。也就是說，如果相反表面1a、1b的側(cè)面的長度Lc、Wc為厚度Tc的5倍或更少，則可在與壓電基層1的尺寸無關(guān)的情況下使用基波的振動。
(實例2-16至2-19)壓電基層1的厚度Tc固定為0.5mm，除了如表7所示那樣在實例2-16至2-19中所述一側(cè)的長度Lc和另一側(cè)的長度Wc有變化以外，按與實例2-1中相同的條件生產(chǎn)出壓電諧振器。表7中還示出了一側(cè)長度Lc與另一側(cè)長度Wc之間的關(guān)系。
表7
就所獲得的實例2-16至2-19的壓電諧振器而言，按與實例2-1至2-7中相同的方式檢測厚度延長方向上的壓電特征。圖23示出了實例2-16的結(jié)果，圖24示出了實例2-17的結(jié)果，圖25示出了實例2-18的結(jié)果，圖26示出了實例2-19的結(jié)果。圖23至26的垂直軸和橫軸與圖7至13中的相同。
作為與實例2-16至2-19的比較實例2-2至2-5，除如表7所示那樣所述一側(cè)的長度和另一側(cè)的長度有所變化以外，在與實例2-16至2-19相同的條件下形成壓電諧振器。就上述比較實例2-2至2-5而言，如實例2-16至2-19那樣檢測壓電特征。圖27示出了比較實例2-2的結(jié)果，圖28示出了比較實例2-3的結(jié)果，圖29示出了比較實例2-4的結(jié)果，圖30示出了比較實例2-5的結(jié)果。圖27至30的垂直軸和橫軸與圖7至13的相同。
從圖23至30可以看出，在實例2-16至2-19中，盡管在主振動部件中或多或少地存在有噪聲，但仍可獲得可用的好的波形。另一方面，在比較實例2-2至2-5中，在主振動部件中大量存在噪聲，并且，獲得了不能使用的波形。也就是說，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，如果所述另一側(cè)的長度Wc為壓電基層1的相反表面1a、1b的所述一側(cè)的長度Lc的0.93倍至1.07倍，則可使用基波的振動。
在上述實例中，對壓電基層1包括由含有鉍-鍶-鈦-鑭-錳的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物這樣的情況進行了說明，但是，盡管用由不含有鉍的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物來形成壓電基層1，也可以獲得類似的結(jié)果。此外，盡管使用了有效泊松比小于1/3的壓電材料而不是由含鉍的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物，但也可提供相似的結(jié)果。
業(yè)已參照上述實施例和實例說明了本發(fā)明，但是，應(yīng)該注意，本發(fā)明并不局限于此，而是可以作多種改進。例如，在上述實施例和實例中，通過列舉了實例說明了構(gòu)成壓電基層1的壓電材料，但是，只要壓電材料的有效泊松比小于1/3，就可以廣泛地使用該材料。
業(yè)已就壓電基層1的相反表面1a、1b的一側(cè)的長度Lc是在電極2、3的前導(dǎo)部2b、3b的延伸方向I上的延伸部的長度對上述實際的實施例進行了說明，但是，可將兩個垂直側(cè)面的任一個長度形成為Lc。
第三實施例圖31是本發(fā)明壓電諧振部件的透視圖，它按組裝好的狀態(tài)并且部分是剖面的方式作了顯示。圖32是圖31的放大側(cè)視圖，它部分是剖面的。圖33是如圖31和32所示的壓電諧振器部件的分解透視圖。所示出的壓電諧振部件包括一壓電諧振器103、一基層105、一連接導(dǎo)體107和一罩帽。
壓電諧振器103包括一壓電部件111、多個側(cè)面電極113、115以及多個振動電極117、119。振動電極117、119沿壓電部件111的厚度方向在一側(cè)和另一側(cè)上彼此相反地形成在壓電部件111上，壓電部件111位于這兩個振動電極之間。側(cè)面電極113、115沿壓電部件111的長度方向在一側(cè)和另一側(cè)上彼此相反地形成在壓電部件111上，壓電部件111位于這兩個側(cè)面電極之間。側(cè)面電極113按電連接和機械連接與振動電機117相通連，側(cè)面電極115按電連接和機械連接與振動電機119相通連。
此外，壓電部件111是由一燒結(jié)部件構(gòu)成的，該燒結(jié)部件被研磨成有預(yù)定的厚度并在一高電場中被極化。壓電部件111由不含PbO的無鉛材料制成，否則的話就會污染環(huán)境。
用諸如真空蒸發(fā)沉積法或噴濺成形法之類的層壓成形技術(shù)來形成振動電極117、119和側(cè)面電極113、115。振動電極117、119和側(cè)面電極113、115的材料可包括Ag、Cu、Cr等。
基層105包括基層主體127和多個終端電極121、123、125，它們形成在基層主體127的表面上。終端電極121、123分別環(huán)繞基層主體127延伸一圈。在終端電極121與終端電極125之間以及終端電極123與終端電極125之間分別設(shè)置有電容。
連接導(dǎo)體107包括金屬球131、133以及導(dǎo)電粘合劑135、137。金屬球有例如0.3至0.5mm的大小并且可從無鉛族構(gòu)成的焊料球、銅(Cu)球、具有銅芯的鍍錫(Sn)球等中選出。就環(huán)境污染而言，無鉛族的焊料球的材料可以至少是從Sn-Sb、Sn-Sb-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Cu-Bi、Sn-Ag-Cu-In、Sn-Zn、Sn-Zn-Bi等中選出的一組。錫鍍層的厚度為5μm至30μm。具體地說，所使用的金屬球131、133可以是帶鍍層的球(Cu芯+Sn鍍層鍍層厚度為5μm至30μm)，球的直徑為0.3至0.5mm，或者是Cu球(不帶鍍層，球的直徑為0.3至0.5φmm。
導(dǎo)電粘合劑135、137可以包含有銀(Ag)以及從苯酚樹脂基礎(chǔ)組分、尿烷樹脂和環(huán)氧樹脂構(gòu)成的混合基礎(chǔ)組分或環(huán)氧樹脂基礎(chǔ)組分中選出的一種。以下示例性地示出了導(dǎo)電粘合劑的固化條件中的一種苯酚族150℃×30分(在空氣中)
尿烷/環(huán)氧族 170℃×10分(在空氣中)環(huán)氧族 200℃×30分(在空氣中)作為由組成部件構(gòu)成的組件，壓電諧振器103安裝在基層105上，金屬球131、133位于壓電諧振器103與基層105之間，壓電諧振器103與基層105之間有容隙G。
金屬球131、133分別定位成與壓電諧振器103的側(cè)面電極113、115作點接觸。導(dǎo)電粘合劑135粘合于點接觸部分的周圍。從而，金屬球131、133分別固定于側(cè)面電板113、115，從而形成了電和機械連接。
與側(cè)面電極113、115結(jié)合使用的導(dǎo)電粘合劑135最好有柔性，以便利用壓電諧振器103的性能。所以，推薦使用尿烷樹脂和環(huán)氧樹脂或苯酚族的混合物而不是環(huán)氧樹脂基礎(chǔ)組分。
此外，金屬球131、133放置在終端電極121、123的表面上并定位成與終端電極121、123的表面作點接觸，而終端電極121、123則分別環(huán)繞基層主體127延伸完整的一圈。終端電極121、123的表面與壓電諧振器103相對向。點接觸部分用導(dǎo)電的粘合劑137粘合起來。因此，金屬球131、133會固定于終端電極121、123，從而形成了電和機械連接。
與終端電極121、123結(jié)合使用的導(dǎo)電粘合劑137不需要有如就側(cè)面電極113、115而言所需的柔性，所以，可以使用環(huán)氧樹脂基礎(chǔ)組分。
舉例而言，按下述順序?qū)弘娭C振器103和基層105組裝起來。
首先，將導(dǎo)電粘合劑135涂敷到側(cè)面電極113、115上，而側(cè)面電極113、115則固定于壓電諧振器103。隨后，將金屬球131、133放置到涂敷后導(dǎo)電粘合劑135上，并通過干燥來使涂敷后的導(dǎo)電粘合劑135固化。
然后，將導(dǎo)電粘合劑137涂敷到設(shè)置在基層105上的終端電極121、123上。
隨后，將壓電諧振器103按這樣的指向安裝到基層105上即固定的金屬球131、133與基層105的涂敷有導(dǎo)電粘合劑137的表面相接觸，并且，通過干燥使涂敷在終端電極121、123上的導(dǎo)電粘合劑137固化。
通過干燥使導(dǎo)電粘合劑135、137固化。至于固化條件，舉例而言，苯酚樹脂基礎(chǔ)組分在150℃固化30分鐘。尿烷樹脂和環(huán)氧樹脂的混合物在170℃固化10分鐘。環(huán)氧樹脂基礎(chǔ)組分在200℃固化30分鐘。
在將壓電諧振器103以固定的方式安裝到基層105上之后，利用氣密結(jié)構(gòu)通過絕緣粘合劑139將罩帽固定到基層105上。
圖34示出了壓電諧振器自身的等價電路。壓電諧振器包括一等價的電阻R、一等價的電感線圈L、一等價的電容C1以及電極間電容Co。
圖35示出了壓電諧振器的放大透視圖。如前所示，壓電諧振器103包括壓電部件111、側(cè)面電極113、115以及振動電極117、119。
舉例來說，壓電諧振器103的尺寸如下沿箭頭所示方向X的寬度為1mm至1.2mm，沿方向Z的厚度T為0.4mm至0.5mm，沿方向Y的長度K為1mm至1.2mm。
本發(fā)明的壓電諧振器設(shè)計成使用了由厚度延長方向基本振動模式構(gòu)成的基本波振動。所使用的振動位移的方向是Z方向。當(dāng)然，所述振動位移沿Z方向在形成有振動電極117、119的表面的中心部分為最大。
如圖32所示，壓電諧振器103在側(cè)面電極113、115的部分處受金屬球131、133的支承。被支承的側(cè)面電極113、115位于沿方向Y的一側(cè)和相反的一側(cè)。所述沿方向Y的一側(cè)和相反的一側(cè)通常垂直于方向Z，方向Z是所使用的厚度延長方向振動位移的方向。所以，所述振動位移在上述一側(cè)和相反的一側(cè)處是小的。此外，通常垂直于振動位移方向的壓電諧振器的定向幾乎不會影響所使用的厚度延長方向振動位移。
所以，依照其中壓電諧振器103在側(cè)面電極113、115的部分處受金屬球131、133所支承的結(jié)構(gòu)，可以避免因振動能量的衰減和抑制不必要的振動而導(dǎo)致的諧振性能的惡化。
此外，由于壓電諧振器103受點接觸結(jié)構(gòu)的支承，所以，就會進一步減少影響壓電諧振器振動的因素。利用這種支承結(jié)構(gòu)，可以生產(chǎn)出有高Qmax值的壓電諧振器。
在側(cè)面部分處，存在有這樣的部分，其中，振動位移很少占有大的區(qū)域。用S表示的這樣兩個部分有很少的振動位移。在圖35中，部分S示出了可獲得高諧振性能的區(qū)域。部分S是作為支承點位置的最佳部分，在該部分處，金屬球331、333與該部分相接觸。每個部分S均具有一中心，它位于C1所示的厚度T的中線和C2所示的寬度W限定的四個部分的交匯點處，所述中心的高度在該區(qū)域內(nèi)約為厚度T的一半(1/2)，寬度約為整個寬度W的四分之一(1/4)。但是，這并不意味著作為支承位置不能采用除部分S以外的部分。與沿寬度的整個長度延伸粘合的通常結(jié)構(gòu)相反，可確定除部分S以外的支承位置以獲得實用的性能。
圖36示出了壓電諧振器的側(cè)面處的振動位移的分布。該圖示出了用激光來測定振動位移。厚度T為0.5mm，寬度W為1．2mm。畫有斜線的部分B為位移量2nm至4nm，它們表示較高的值。無陰影線的其它部分為位移量2nm或更小。在這一側(cè)上沒有位移量超過4nm的部分，在位于如圖35所示的方向Z上的一個側(cè)面的中心中可以看到4nm的位移量。圖35所示的部分S包括在位移量為2nm或更小的部分A中。
圖37是一曲線圖，它示出了在圖36的中心線X1上測出的位移量值。橫軸表示圖36的中心線X1上的位置。一格為0.1mm，整個的寬度為1．2mm。垂直軸表示振動位移量，一格為1nm。最大位移量為3.6nm，該位移量存在于圖36所示的位置Z1處。圖35所示的部分S包括在約1nm或更小的區(qū)域內(nèi)。
圖38是一曲線圖，它示出了通過模型分析得到的壓電諧振器的振動位移量的分布。在計算機模擬中使用的模型的尺寸在圖35所示的壓電諧振器的尺寸的范圍內(nèi)。方向X、Y、Z與圖35所示的相同。將振動位置量分成五級，其中，白色的部分A為最小位移量，隨后依次為點劃線部分B、垂直線部分C、橫線部分D和斜線部分E。多個交疊的劃線部分有那么大的振動位移量。位于方向Z上的上表面的中心部分E表示最大的位移量。此外，與位于方向Z上的上表面相比，位于X和Y方向上的側(cè)面部分表示較小的振動位移量，X和Y方向不表示與位于方向Z上的位移量最大的上表面的中央部分相對應(yīng)的部分。
圖35所示的部分S分別部分地位于白色區(qū)域A內(nèi)并分別部分地位于點劃線的區(qū)域B內(nèi)，在區(qū)域A中，位移量在五個分級中為最小，在區(qū)域B中，位移量在區(qū)域A之后。
圖39示出了用探頭檢測到的壓電諧振器上的諧振性能值的分布。通過用與壓電諧振器的一側(cè)的四分之一(1/4)面積相接觸的探頭測定Qmax值的變化，可獲得上述分布?？捎盟募墎肀硎綫max值。劃線區(qū)域從“好”至“壞”相交疊。白色區(qū)域A為最好，Qmax值為30至25。僅畫點劃線的區(qū)域B為Qmax值25至20。畫垂直線的區(qū)域C為Qmax值20至15。畫橫線的區(qū)域D為Qmax值15至10。
圖35所示的部分S通常被分別限定在上述四個分級的區(qū)域中的畫點劃線的Qmax值為25至20的區(qū)域B內(nèi)。
由于參照圖36至39觀察了壓電諧振器側(cè)面處的振動位移量和Qmax值，故可以說，圖35所示的部分S在高Qmax值情況下有最小的振動位移量。
如上所述，依照壓電諧振器303由分別與側(cè)面電極313、315在支點處與相接觸的金屬球331、333所支承的點接觸結(jié)構(gòu)，可用厚度延長方向基本振動模式來獲得有優(yōu)異諧振性能的壓電諧振部件，它可防止能量衰減、不必要的振動以及諧振性能的惡化。
權(quán)利要求
1.一種壓電諧振器，該壓電諧振器包括一壓電基層，它含有有效泊松比小于1/3的壓電材料，所述壓電基層具有一對相反的表面；以及，一對相應(yīng)位于上述相反表面上的振動電極；其中，壓電基層的相反表面是矩形的；并且一個表面的垂直一側(cè)的長度與該表面另一側(cè)的長度之和被限制在2.22至2.24mm或2.34至2.48mm的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1的壓電諧振器，其特征在于，所述相反表面的一側(cè)的相應(yīng)長度被限制在1.06至1.24mm的范圍內(nèi)，另一側(cè)的相應(yīng)長度被限制在1.16至1.30mm的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2的壓電諧振器，其特征在于，所述相反表面的一側(cè)的相應(yīng)長度被限制在1.16至1.22mm的范圍內(nèi)，另一側(cè)的相應(yīng)長度被限制在1.18至1.22mm的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1的壓電諧振器，其特征在于，所述壓電基層包含有鉍(Bi)。
5.如權(quán)利要求4的壓電諧振器，其特征在于，由分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物包含有鉍-鍶(Sr)-鈦(Ti)-氧(O)。
6.如權(quán)利要求4的壓電諧振器，其特征在于，由分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物包含有鉍-鍶(Sr)-鑭(La)-鈦(Ti)-氧(O)。
7.一種壓電諧振器，該壓電諧振器包括一壓電基層，它含有有效泊松比小于1/3的壓電材料，所述壓電基層具有一對相反的表面；以及一對相應(yīng)位于上述相反表面上的振動電極；其中，所述壓電基層的相反表面的相應(yīng)面積相對所述一側(cè)而言從1.22至1.26mm2或從1.35至1.538mm2。
8.如權(quán)利要求7的壓電諧振器，其特征在于，所述壓電基層包含有鉍(Bi)。
9.如權(quán)利要求8的壓電諧振器，其特征在于，由分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物包含有鉍-鍶(Sr)-鈦(Ti)-氧(O)。
10.如權(quán)利要求8的壓電諧振器，其特征在于，由分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物包含有鉍-鍶(Sr)-鑭(La)-鈦(Ti)-氧(O)。
11.一種壓電諧振器，該壓電諧振器包括一壓電基層，它含有有效泊松比小于1/3的壓電材料，所述壓電基層具有一對相反的表面；以及一對相應(yīng)位于上述相反表面上的振動電極；其中，所述壓電基層的相反表面是矩形的，并且所述相反表面一側(cè)的長度被限制在前述壓電基層厚度的5倍或更少的范圍內(nèi)，以及所述相反表面的與上述一側(cè)相垂直的另一側(cè)的長度被限制在所說的一側(cè)的長度的0.93倍至1.07倍的范圍內(nèi)。
12.如權(quán)利要求11的壓電諧振器，其特征在于，所述振動電極的面積是前述相反表面的面積的6％或更多。
13.如權(quán)利要求11的壓電諧振器，其特征在于，所述壓電基層具有由含鉍(Bi)的分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物。
14.如權(quán)利要求13的壓電諧振器，其特征在于，所述由分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物包含有鉍-鍶(Sr)-鈦(Ti)-氧(O)。
15.如權(quán)利要求13的壓電諧振器，其特征在于，所述由分層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的化合物包含有鉍-鍶-鈦-鑭(La)-錳(Mn)-氧。
16.一種壓電諧振部件，該壓電諧振部件包括一壓電諧振器、一基層以及連接導(dǎo)體；其中，所述壓電諧振器按厚度延長方向振動模式操作并有兩個側(cè)面電極，這兩個側(cè)面電極設(shè)置在壓電諧振器的相反側(cè)面上，所說的相反側(cè)面不同于位于厚度方向上的側(cè)面，所述側(cè)面電極分別與相應(yīng)的振動電極相通導(dǎo)，所述基層具有終端電極，它們設(shè)置在基層的表面上，所述連接導(dǎo)體包括金屬球，這些金屬球位于壓電諧振器的側(cè)面電極與基層的終端電極之間并且以固定的方式與這兩種部件相連。
17.如權(quán)利要求16的壓電諧振部件，其特征在于，所述金屬球在壓電諧振器的振動最小的部分處分別與側(cè)面電極相連。
18.如權(quán)利要求16的壓電諧振部件，其特征在于，所述壓電諧振器設(shè)計成能利用基本波振動。
19.如權(quán)利要求16的壓電諧振部件，其特征在于，所述壓電諧振器包括一壓電基層，它是由無鉛的壓電材料構(gòu)成的。
20.如權(quán)利要求16的壓電諧振部件，其特征在于，所述金屬球是導(dǎo)電球，它們由無鉛材料構(gòu)成。
全文摘要
一種由有效泊松比小于1/3的壓電材料構(gòu)成的壓電基層。所述壓電基層具有一對相反的表面,所述相反表面相應(yīng)地配備有一對振動電極。所述壓電基層的相反表面分別是矩形的。所述相反表面1a、1b中的一個表面的長度與該相反表面另一側(cè)的長度Lc之和被限制在2.22mm≤2.24mm或2.34mm≤2.48mm的范圍內(nèi),所述表面是彼此垂直的、所述相反表面的面積Sc為1.22mm
文檔編號H03H9/17GK1284788SQ0012255
公開日2001年2月21日 申請日期2000年8月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月5日
發(fā)明者鈴木利幸, 三木信之, 廣瀨正和, 井上正良 申請人:Tdk株式會社