压电谐振器、压电元件和梯形滤波器的制作方法

专利名称：压电谐振器、压电元件和梯形滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及压电谐振器(具体涉及采用扩张振动的压电谐振器)，还涉及压电元件和梯形滤波器(具体涉及用于表面装配的压电元件和梯形滤波器)。另外，本发明涉及梯形滤波器，具体涉及使用采用扩张振动的压电谐振器的梯形滤波器。
采用扩张振动的传统压电谐振器1的结构如

图1所示。在压电谐振器1中，压电板2被研磨成厚度为T，在压电板2的主表面上形成有电极薄膜3a和3b，使得压电板2沿厚度方向通过极化处理而极化。当T是压电谐振器1的厚度，并且L1和L2是其边缘长度时，可用下列等式(1)给出两端问的电容(两个电极之间的电容)CfCf＝(εo×εs×L1×L2)/T (1)其中，εo＝真空中的介电常数；εs＝压电板的比介电常数。
在L1≈L2的条件下，压电谐振器1的扩张谐振频率fr可由下列等式(2)给出fr＝V/L1 (2)其中，V＝在压电板2中波动(wave motion)的传播速度≈2000m/sec。因此，当所需的谐振频率fr确定后，根据等式(2)可确定压电谐振器的边缘长度L1＝L2。
因此，为了在预定的谐振频率fr下提高压电谐振器1两端间的电容Cf，根据上面等式(1)，必须选择具有较大比介电常数εs的压电材料，或者必须减小压电板2的厚度T。
但是，当增大用作压电板2的压电材料的比介电常数εs时，会改变其它压电常数，如压电品质常数Qm和机电常数k，因此不改变其它压电常数就不能改变两端间的电容Cf。另一方面，当过分减小压电板2的厚度T时，在受到外部冲击(如跌落)时压电谐振器1容易开裂，从而使减少压电板2的厚度的方法受到限制。当L1≈L2≈4.5mm(fr＝450kHz)时，根据经验估算出在强度极限时厚度T约为300微米。
用作表面安装的梯形滤波器的压电元件公开在日本未审查专利申请8-18382和7-176977中。在这些压电元件中，多个压电谐振器和金属引出端结合在一起，它们沿垂直的方向交替地排成一直线并堆置在一个外壳中，通过金属引出端弯曲的引导部分而在该外壳的外部组成外电极。
但是，这些压电元件外部厚度很大，当安置在基片上时，该压电元件很高地突出基片表面，使之难以作低外形器件的线路基底，并且阻碍将器件改变成低外形的。
在这些压电元件中，需要较多的金属引出端的数量。例如，当一个元件包括4个压电谐振器时，需要有4-5个金属引出端。从而增加了材料成本，同时增加了装配工时，从而进一步增加了压电元件的成本。
普通的四元件型(两级)梯形滤波器201的线路图示于图14。梯形滤波器201包括两块串联在输入端202和输出端203之间的谐振器204s和205s，和两块并联的谐振器206p和207p，并联的两块谐振器分别连接在谐振器204s和205s的输出端与地之间。在实际的梯形滤波器中，将用接线导板垂直地夹在两块串联的谐振器和两块并联的谐振器的组合物中间从外壳的开口端装入外壳中(例如日本未审查的实用新型公开No 4-76724)。
这种梯形滤波器的保证衰减ATTo由下列等式(3)给出，此时，串联的谐振器204s和205s的两端之间的电容为Cfso，并联的谐振器2060和207p的两端之间的电容为CfpoATTo＝2×20Log(Cfso/Cfpo) (3)如图15所示，在采用扩张振动的传统串联谐振器204s和205s以及并联谐振器206p和207p中，在制成正方形的压电板208的两个表面上均形成电极209。当Ls是串联谐振器204s和205s的边缘长度，Ts是其厚度，εs是其比介电常数并且εo是真空中的介电常数时，串联谐振器204s和205s的两端的电容Cfso由下式(4)给出Cfso＝(εo×εs×Ls2)/Ts(4)同样，当Lp是并联谐振器206p和207p的边缘长度，Tp是其厚度，εp是其比介电常数并且εo是真空中的介电常数时，并联谐振器206p和207p的两端的电容Cfpo由下式(5)给出Cfpo＝(εo×εp×Lp2)/Tp(5)因此，将式(4)和式(5)的值代入上面等式(3)，得到下列等式(6)用于求得保证衰减ATTo，
ATTo＝2×20Log((Tp×εs×Ls2)/(Ts×εp×Lp2)) (6)另外，串联谐振器204s和205s的谐振频率以及并联谐振器206p和207p的谐振频率均取决于各自的尺寸(边缘长度Ls和Lp)。当制得具有所需频率的梯形滤波器时，串联谐振器204s和205s以及并联谐振器206p和207p的尺寸相同(Ls＝Lp)，从而可用下列等式(7)表示保证衰减ATTo(＜0)，ATTo＝2×20Log((Tp×εs)/(Ts×εp)) (7)因此，为了提高保证衰减ATTo(绝对值)，需要减小串联谐振器204s和205s的比介电常数εs，同时增加并联谐振器206p和207p的比介电常数εp。还需要加大串联谐振器204s和205s的厚度Ts，同时减小并联谐振器206p和207p的厚度Tp.
但是，当考虑其它压电特性(如压电品质常数Qm、机电常数k和温度特性)时，串联谐振器204s和205s以及并联谐振器206p和207p较好使用相同的压电材料。很难仅从比介电常数εs和εp来挑选用于串联谐振器204s和205s以及并联谐振器206p和207p的压电材料。
同样，随着并联谐振器206p和207p的厚度Tp的减小，其强度因而下降，使得该元件本身容易破裂(碎裂)。而随着串联谐振器204s和205s厚度Ts的上升，梯形滤波器的重量会上升并且尺寸会增大。
由于设计上的上述限制，因此传统的梯形滤波器存在保证衰减ATTo不能自由设计地的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种压电谐振器，本发明能够在不降低其强度并且不改变用作压电板的压电材料的情况下仅使两端之间具有很大的电容值。
同样，为了解决上述技术问题，本发明的另一个目的是提供一种压电部件，它包括多个压电元件或包括多个串联谐振器和并联谐振器的梯形滤波器，它们是适用于表面装配的低外形器件。
另外，为了解决上述技术问题，本发明再一个目的是提供一种具有大的保证衰减值的梯形滤波器，尤其提供一种梯形滤波器，它的保证衰减值提高了然而只用同样的压电材料形成大致相同厚度的串联谐振器和并联谐振器。
本发明的第一方面提供一种采用扩张振动的谐振器，它包括多块压电板和多块电极薄膜，其中所述多块压电板和所述多块电极薄膜交替积附成一体，并且所述多块电极薄膜中的一部分相互电气相连，而剩余的电极薄膜又相互电气相连。
对于带这些特征的压电谐振器，以扩张方式振动的元件包括一块压电板和形成在该板两个表面上的电极薄膜，所述谐振器是将多个这种元件积附在一起形成的，从而增加两端的电容，而不需要改变压电板的大小和压电材料。
同样由于这些特征，因为压电谐振器的结构中多块压电板是整体积附的，因此即使通过降低压电板的厚度来增加两端间的电容，压电板也不易破裂。因此，可通过减小各块压电板的厚度来极大地增加压电谐振器两端的电容，而不会降低压电谐振器的强度。
较好的是，在多块压电板和多块电极薄膜的单块体的外周表面上的节点处，压电谐振器还包括多个端面电极，其中所述多个端面电极中的一部分将所述多块电极薄膜中的一部分电气地连接在一起，而所述多个端面电极中的另一部分将剩余的电极薄膜电气地连接在一起。
由于压电谐振器的这些特征，因为在单块体的外表面上的节点处形成端面电极，因此不会由于该端面电极而阻碍该压电谐振器的扩张振动。
根据本发明的第二方面，压电元件包括多块压电板和一个外壳，其中在该外壳中所述多块压电板排列在一个平面中。
由于压电元件(包括梯形滤波器)的这些特征，因为外壳中多块平板式压电元件排列在一个平面中，因此得到低外形的压电元件。当将其安装在线路板等上面时，不会增加安装高度，从而仍然形成低外形的设备。通过将压电元件排列在一个平面中还可简化金属引出端的结构，从而可减少金属端部配件所需的数量。
在所述压电部件中，多块压电板可具有基本相同的厚度。
由于压电部件的这些特征，因为多块压电元件具有基本相同的厚度因此在排列压电元件的外壳中不会浪费空间，从而能有效地形成低外形的压电部件。由于各块压电元件的厚度基本相同，因此引出端也易于装配。
根据本发明的第三方面，一种梯形滤波器包括串联的平板式谐振器；并联的平板式谐振器，其结构中电极沿厚度方向积附；以及外壳，在所述外壳中所述串联的平板谐振器和并联的谐振器排列在一个平面中。
由于梯形滤波器的这些特征，因为在外壳中串联的平板谐振器和并联的平板谐振器排列在一个平面中，因此可制得低外形的梯形滤波器。当将其安装在线路板等上面时，不会增加安装高度，从而仍然形成低外形的设备。通过将梯形滤波器排列在一个平面中还可简化金属引出端的结构，从而可减少所需的金属引出端的数量。
另外，由于并联的谐振器具有沿厚度方向积附电极的结构，因此可增加并联谐振器两端的电容，而不需改变压电材料或者减小并联的谐振器的厚度，结果增加了梯形滤波器的保证衰减。
根据本发明的第四方面，一种梯形滤波器包括串联的谐振器和并联的谐振器，在并联谐振器的结构中电极沿厚度方向积附，并且两块电极之间放置压电板。
由于梯形滤波器的这些特征，因为并联谐振结构中电极沿厚度方向积附，并且两块电极之间放置压电板，因此可降低电极之间的距离而不减小并联的谐振器的厚度，并增加并联谐振器两端的电容。从而还可增加梯形滤波器的保证衰减。具体地说，尽管用相同材料组成串联谐振器和并联谐振器，但是可使并联谐振器的电容增至大于串联谐振器的电容并且可提高梯形滤波器的保证衰减。
较好的是，梯形滤波器还包括放置在并联的谐振器振动节点处的外电极，该外电极将所述电极连接在一起。
由于梯形滤波器的这些特征，因为形成于并联谐振器的振动节点处的外电极将所述电极连接在一起，因此通过外电极将各对电极间的静电容量并联在一起，可极大地增加并联谐振器两端的电容。此外，由于外电极形成在振动的节点处因此不会抑制并联谐振器的压电振动。
在这种梯形滤波器中，串联谐振器的厚度可与并联谐振器的厚度基本相同。
由于梯形滤波器的这些特征，尽管串联谐振器的厚度与并联谐振器的厚度相同，但是并联谐振器两端的电容增至大于串联谐振器两端的电容，从而提高了梯形滤波器的保证衰减。当串联谐振器的厚度与并联谐振器的厚度基本相同时，不需要如传统梯形滤波器那样减小并联谐振器的厚度来提高保证衰减，避免可能发生的碎裂，或者避免增加串联谐振器的厚度导致的笨重或大尺寸的梯形滤波器。串联谐振器和并联谐振器基本相同的厚度还能简化梯形滤波器的装配工作。
附图简述图1A和图1B分别是采用扩张振动的传统压电谐振器的平面图和侧视图；图2是本发明一个实例的压电谐振器的透视图；图3A、3B和3C分别是图2压电谐振器的平面图、侧视图和正视图；图4是具有另一种结构的压电谐振器的透视图；图5A和5B是本发明另一个实例的压电谐振器的透视图6是具有另一种结构的压电谐振器的透视图；图7是本发明一个实例的梯形滤波器透视图，通过将基底与外壳分开显示该滤波器器件；图8是图7梯形滤波器的装配透视图，但是不包括外壳；图9是图8梯形滤波器的透视图，表示一个端电极装在外壳中的状态；图10是用于上述梯形滤波器的串联谐振器的透视图；图11是用于上述梯形滤波器的并联谐振器的透视图；图12A、12B和12C分别是图11所示并联谐振器的平面图、侧视图和正视图；图13是上述梯形滤波器的线路图；图14是两级(two-stage)梯形滤波器的线路图；图15是用于传统梯形滤波器的串联谐振器和并联谐振器的透视图；图16是本发明一个实例的梯形滤波器的正视图，显示其内部结构；图17是图16所示梯形滤波器的装配图，显示该滤波器不包括外壳的结构；图18是用于图16所示梯形滤波器的外壳和盖子的视图；图19是用于图16梯形滤波器的串联谐振器的透视图；图20是用于图16梯形滤波器的并联谐振器的透视图；图21A、21B和21C分别是图20所示并联谐振器的平面图、侧视图和正视图。
第一个实例图2是本发明一个实例中采用扩张振动的压电谐振器的透视图，而图3A、3B和3C分别是其平面图、侧视图和正视图。在压电谐振器11中，通过交替积附奇数片由压电陶瓷制成的压电板12和偶数片电极薄膜13a、13b、13c和13d形成单块的谐振器体。各块压电板12具有相同的边缘长度L1和L2以及相同的厚度t，并且沿厚度方向进行极化，从而激发以扩张方式进行压电振动。尽管如图3B的箭头所示各块压电板12的极化方向交替地相反，但是它们也可均具有相同的极化方向。在积附的电极薄膜中，两块外电极薄膜是表面电极13a和13d，而夹在压电板12中的电极薄膜是内电极13b和13c。表面电极13a和13d以及内电极13b和13c排列成在各层中以相反的方向偏移(deviate)。也就是说，相互间隔开一层的积附表面电极13a和内电极13c触及单块体的第一个端面，而与另一个端面不相交。相互隔开一层的积附的另一个表面电极13d和内电极13b触及单块体的所述另一个端面，而与所述第一个端面不相交。
在位于单块体两个端面的中央部分的节点(扩张振动的节点)处，形成端面电极14a和14b。通过端面电极14a将一个表面电极13a和内电极13c电气连接在一起，而另一个端面电极14b将另一个表面电极13d和内电极13b连接在一起。通过用这种方法将端面电极14a和14b排列在单块体的节点处，在激发压电谐振器11的过程中，不会阻止压电板12中产生的扩张振动。
当积附的压电板12的数量为n时，由于以上述方式堆积的压电谐振器11等于将n块图1所示的单板式压电谐振器以并联的方式连接在一起，因此压电谐振器11两端之间的电容可由下列等式(8)给出Cf＝n(εo×εs×W1×W2)/t (8)其中t是压电板12的厚度；W1(≤L1)，W2(≤L2)为电极薄膜相互叠对的边缘区的长度；εo为真空中的介电常数；εs为压电板12的比介电常数。
现在来看图1所示的单板式压电谐振器1和图2所示的积附的压电谐振器11，假定压电谐振器1和11的外部尺寸(L1和L2)以及压电材料(即比介电常数εs)相同。还假定电极薄膜基本上形成在整个压电板12的表面上，使得L2≈W2，L1≈W1。由于压电谐振器1和11具有相同的厚度，因此在压电谐振器1的厚度T和压电板12的t之间具有关系式T＝nt。因此，当比较等式(1)和等式(8)时，可以理解在具有n块压电板12积附的压电谐振器11中，可获得比单板式压电谐振器1的两端电容高n2倍的两端电容Cf。例如，在具有三块堆积的压电板12的压电谐振器11中，可得到比同样大小的单板式压电谐振器1高9倍的两端间的电容Cf。因此，在本发明压电谐振器11中，不改变压电谐振器11的谐振频率和其它压电特性就可得到较大的两端间电容Cf。此外，即使当压电板12的厚度为1/n倍，由于它是整体地积附的，因此压电板12不易破裂。
另外，如图4所示的压电谐振器15那样，表面电极13a和13d可形成在压电板12的整个主表面上。在这种情况下，如图4所示，要求形成在单块体的端面上的端面电极14a与单块体的一个表面脱离，以便不与表面电极13d在端面处相接触，同时，端面电极14b与单块体的另一个表面相脱离，以便不与表面电极13a在端面处相接触(第二个实例)。
在第一个实例中，单块体由奇数块压电板和偶数块电极薄膜组成，但是单块体也可由偶数块压电板和奇数块电极薄膜组成。图5所示的压电谐振器16是后一种情况的一个实例，在这种谐振器中，表面电极17a和17c通过形成在单块体第一端面上的第一端面电极18a将表面电极17a和17c连接在一起。在该实例中，第一端面电极18a形成在第一端面的整个表面上，而另一个端面电极18b仅形成在节点部分，但是，两个端面电极18a和18b也可均形成在端面的整个表面上，或者均仅形成在节点部分。
对于如图6所示的压电谐振器19，可将表面电极17a和17c的宽度W1减至小于压电板17的宽度L1，形成部分电极。这种情况可在奇数的压电板12或偶数的压电板12的情况下发生。在任何情况下，压电谐振器19两端的电容Cf可用等式(8)给出。当表面电极17a和17c的宽度W1以这种方式减至小于压电板12的宽度L1时，通过改变表面电极17a和17c的宽度W1，可自由地调节谐振器两端的电容值Cf。
图7是本发明一个实例的梯形滤波器的透视图，图中通过将基底119与安放压电元件的串联谐振器114s和115s与并联谐振器116p和117p的外壳118相分离来显示滤波器装置。图8是在外壳118中的串联谐振器114s和115s以及并联谐振器116p和117p和端部配件120及121处于分离状态的透视图。在图7和图8中，所示的外壳118均为从滤波器的底面向上示出的。由图中可以理解，在这种梯形滤波器中，两块串联的谐振器114s和115s以及两块并联的谐振器116p和117p均被容纳在外壳118中，并且谐振器114s、115s、116p和117p通过端部配件120和121电气相连。
首先，描述所用的串联谐振器114s和115s的结构以及并联谐振器116p和117p的结构。如图10所示，串联谐振器114s和115s包括由压电陶瓷制成的矩形压电板122和在压电板122两个主表面上形成的电极薄膜123，沿厚度方向对122进行极化处理，从而激发扩张式的压电振动。
并联谐振器116p和117p的结构如图11和图12A、12B和12C所示。在并联谐振器116p和117p中，通过交替积附由压电陶瓷形成的奇数片矩形压电板124和偶数片电极薄膜125a、125b、125c和125d构成单块体，对各块压电板124沿厚度方向进行极化处理，从而激发扩张式压电振动。尽管如图12b的箭头所示各块压电板124具有相反的极化方向，但是这些极化方向也可以全部相同。在积附的电极薄膜中，两个外电极薄膜是表面电极125a和125d，而夹在压电板124中的电极薄膜是内电极125b和125c。表面电极125a和125c和内电极125b和125c排列成在各层中以相反的方向偏移。也就是说，相互间隔开一层积附的表面电极125a和内电极125c触及单块体的第一个端面，而与另一个端面不相交。相互隔开一层积附的另一个表面电极125d和内电极125b触及单块体的所述另一个端面，而与所述第一个端面不相交。
在位于单块体两个端面中央的节点(扩张振动的节点)处，形成端面电极126a和126b。第一表面电极125a和内电极125c通过第一端面电极126a而电气相连，同时另一个表面电极125d和内电极125b通过另一个端面电极126b而电气相连。通过用这种方式将端面电极126a和126b排列在单块体的节点部分，在并联的谐振器116p和117p的激发过程中，不会抑制在压电板124中产生的扩张振动。另外，并联的谐振器116p和117p以及堆积的压电板124可以是一体化的烧结体。
当使用这种单块结构的并联谐振器116p和117p时，不需使用与串联谐振器114s和115s不同的材料或者不需使用与串联谐振器114s和115s不同的大小就可增大并联谐振器116p和117p两端的电容。因此，可提高并联谐振器116p和117p与串联谐振器114s和115s两端的电容之比，从而可增加梯形滤波器的保证衰减。即使当减小各块压电板124的厚度时，由于并联的谐振器116p和117p的总厚度未变化，因此不会降低并联的谐振器116p和117p的强度。例如，当单块结构的并联谐振器116p和117p是由n块厚度为1/n的压电板124组成时，两端间的电容增加n2倍，梯形滤波器的保证衰减也提高n2倍。
如图8所示，在外壳118的底面上形成凹陷部分131，用于接纳两块串联的谐振器114s和115s以及两块并联的谐振器116p和117p，以便将其排列在一个平面中。凹陷部分131围绕有框架部分130。在凹陷部分131的内壁表面(框架部分130的内表面)上，形成有用于固定各块谐振器114s、115s、116p和117p的突起部分132，同时在凹陷部分131的顶盖上形成用于固定各块谐振器114s、115s、116p和117p的凸片133。凸片133还具有固定端部配件120和121的作用。
第一端部配件121具有平的大致L型的形状，其面积约为谐振器面积的三倍，它包括三个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之间用于让凸片133穿过的开孔134和135。另一片端部配件120的面积约为谐振器面积的两倍，它包括平面部分139和141(两者具有不同的高度，排列在两侧)和一个将平面部分139和141连接在一起的斜面140。在端部配件120的第一平面部分139的底面上和另一个平面部分141的上表面上，分别形成有突起部分142和144，而用于让凸片133通过的开孔143则形成于斜面片140中。
因此，如图9所示在装配时，将平的端部配件121放入外壳118的凹陷部分131中，使凸片133穿过开孔134和135。接着，将两片串联的谐振器114s和115s以及并联的谐振器117p放在端部配件121上。此时，位于框架部分130内周上的突起132和凸片133固定两片串联的谐振器114s和115s以及并联的谐振器117p。随后，使凸片133穿过开孔143并将平面部分139放置在串联的谐振器114s上，从而将端部配件120放入外壳118中。随后，如图7所示，将其余的并联谐振器116p放置在另一个平面部分141上。该并联的谐振器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，用于固定串联谐振器114s和115s以及并联谐振器116p和117p的突起部分132和凸片133与各谐振器的外周表面的中央边缘部分(谐振器振动的节点位置)相接触，从而不会抑制各谐振器114s、115s、116p和117p的扩张振动。
基底119包括由玻璃环氧树脂基片或氧化铝基片制成的基片145和形成在基片145上表面和下表面等上的电极部分。如图7所示，在基片145的上表面上，通过烧制(burning)铜箔或导电胶等形成输入电极部分146、输出电极部分148和接地电极部分150。在输入电极部分146和接地电极部分150上，用印刷或投放器将导电胶或导电粘合剂放置在与各个谐振器中央相应的位置上，形成突起部分147、149和151。由于突起部分147、149和151的高度不均匀会导致电气连接不通，因此可对其进行研磨使之具有相同的高度。在基底119的下表面上，与上表面那样形成输入电极部分、输出电极部分和接地电极部分(图中未表示)。通过利用通孔形成的侧面电极152将上表面和下表面上的输入电极部分、输出电极部分和接地电极部分分别电气连接在一起。
在外壳118的框架部分130底面上涂覆粘合剂后装入串联谐振器114s和115s、并联谐振器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将其放置在外壳118上。通过向基底119的上侧施压而将各片谐振器114s、115s、116p和117p弹性地夹在外壳118、端部配件120和121以及基底119之间。随后对其进行加热以固化粘合剂，用粘合剂将框架130的底面与基底119粘附在一起，而将各块谐振器114s、115s、116p和117p屏蔽在基底119和外壳118之间。
当以这种方式将基底119连接在外壳118上时，在基底119的突起部分中，形成在输入电极部分146上的突起部分147与串联谐振器115s的主表面电气相连；输出电极部分148与端部配件120的平面部分139电气相连；接地电极部分150的突起部分149和151分别与并联谐振器116p和117p的主表面接触。同时，输入侧的串联谐振器115s在谐振器主表面的中央部分被夹在输入电极部分146的突起147和端部配件121的突起137之间；输出侧的串联谐振器114s在谐振器主表面的中央部分被夹在端部配件120的突起142和端部配件121的突起136之间；并联谐振器116p和117p在谐振器主表面的中央部分被分别夹在接地电极部分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之间。
结果，串联谐振器114s和115s以及并联谐振器116p和117p被梯形地连接成梯形滤波器111。也就是说，如图13所示，在输入端112(输入电极部分)和输出端113(输出电极部分)之间两块串联的谐振器114s和115s串联地连接在一起，而两块并联的谐振器116p和117p分别插在各块串联谐振器114s和115s的输出端和接地之间。在用作通讯装置的第二IF滤波器的这种梯形滤波器中，例如，目前按传统方法制得的仅是可用于高达450kHz的滤波器，但是，根据本发明，可获得频率比常规滤波器高两倍的用于高达900kHz(例如600-1000kHz)的高频滤波器。
当将用这种方法制得的梯形滤波器用于一种设备中时，将基底119朝下，将外壳118朝上，并且将基底119固定在线路板上等。
由于这种梯形滤波器的结构中谐振器114s、115s、116p和117p均处于一个平面上，因此它可以被改进成低的外形(例如产品高度不超过2mm)。此外。传统的梯形滤波器等的结构中外壳的开孔是用屏蔽树脂屏蔽的，因此屏蔽树脂填充的体积占据相当大的空间，导致大尺寸的梯形滤波器。但是，在上述梯形滤波器结构中，基底119与外壳118相结合，从而可将其改进成低外形。当将用这种方法改进成低外形的梯形滤波器固定在线路板等之上时，可降低装配高度，从而有助于将设备改进成低外形设备。
仅需将串联谐振器114s和115s以及并联谐振器116p和117p排列在外壳118中就可装配本发明滤波器，而无需如传统滤波器那样进行堆叠，因此该滤波器还适合自动装配。
在具有四个元件的梯形滤波器中，尽管常规的滤波器需要4-5个端部配件，但是本发明梯形滤波器通过将各个谐振器114s、115s、116p和117p排列在一个平面中而仅需两个端部配件。同时，在本发明梯形滤波器中，端部配件的形状也得到简化，从而降低梯形滤波器的成本，并使之更容易装配。
另外，在传统梯形滤波器中，通过弯曲金属端部的引导部分而形成外电极，因此容易产生金属端部的弯曲断裂，从而在安装过程中容易发生焊接失误。但是，在本发明梯形滤波器中，由于电极部分是由导电膜形成在基底的底面上的，因此改进了梯形滤波器底面(装配表面)的平整度，在表面装配过程中不会发生焊接失误。
另外，尽管从梯形滤波器的角度对实例进行了描述，但是本发明不限于梯形滤波器，它可用于除梯形滤波器以外其它用于表面装配的各种压电装置中。
图16是本发明另一个实例的梯形滤波器211的内部结构的正视图，该图中盖子213已从外壳212中移去。图17是所述外壳中所装的串联谐振器214s和215s、并联谐振器216p和217p以及四个端部218、219、220和221的结构的透视图。图18是外壳212和盖子213的透视图。由这些附图可见，在梯形滤波器211中，两块串联谐振器214s和215s以及两块并联谐振器216p和217p被装在外壳212中，并且谐振器214s、215s、216p和217p通过端部218-221电气地连接在一起，形成线路与图14相似的两级梯形滤波器。
下面，先描述用于这种滤波器的串联谐振器214s和215s以及并联谐振器216p和217p的结构。如图19所示，串联的谐振器214s和215s是能量封闭型(energy-enclosing-type)谐振器，它包括由压电陶瓷制成的矩形压电板222和形成在压电板222两个主表面的中央部分上的电极薄膜223，并在厚度方向上对其进行极化处理，以激发扩张振动模式的压电振动。
在这种串联谐振器214s和215s中，两端间的电容Cfs由下式(9)给出Cfs＝(εo×εs×Ws2)/T (9)其中，T是压电板222的厚度，Ws是电极薄膜223的边缘长度(其中串联谐振器的边缘长度为Ls，Ws≤Ls)；εo是真空中的介电常数；εs是压电板222的比介电常数。
并联谐振器216p和217p的结构如图20和图21A、21B和21C所示。在并联压电谐振器216p和217p中，通过间隔积附由压电陶瓷制成的奇数片矩形压电板225和偶数片电极薄膜225a、225b、225c和225d形成单块体。在任何一块压电板224上沿厚度方向进行极化，激发作扩张模式的压电振动。尽管如图21B的箭头所示各块压电板224的极化方向是相反的，但是这些极化方向也可以全部是同向的。在积附的电极薄膜中，两块外电极薄膜是表面电极225a和225d，而夹在压电板224中的电极薄膜是内电极225b和225c。表面电极225a和225d以及内电极225b和225c排列成每隔一片向相反方向偏移。也就是说，相互间隔开一层积附的表面电极225a和内电极225c触及单块体的第一个端面，而与另一个端面不相交。相互隔开一层堆积的另一个表面电极225d和内电极225b触及单块体的所述另一个端面，而与所述第一个端面不相交。另外，并联的谐振器216p和217p可以是一体化地烧结的单块体。
在位于单块体两个端面中央的节点(扩张振动的节点)处，形成端面电极226a和226b。一个表面电极225a和内电极225c通过一个端面电极226a而电气相连，同时另一个表面电极225d和内电极225b通过另一个端面电极226b而电气相连。通过用这种方式将端面电极226a和226b排列在单块体的节点处，在并联的谐振器216p和217p的激发过程中，不会抑制在压电板224中产生的扩张振动。
当积附的压电板224的数量为n时，这种单块结构的并联谐振器216p和217p的两端间电容Cfp由下式(10)给出Cfp＝n(εo×εp×Wp1×Wp2)/t (10)其中，t是压电板224的厚度；Wp1和Wp2是为电极薄膜225a至225d相互叠对的边缘区长度(并联谐振器的边缘长度为Lp，Wp1≤Lp，Wp2≤Lp)；εo为真空中的介电常数；εp为压电板224的比介电常数。
下面来看如图15形成的串联的谐振器204s和205s和如图19所示的串联的谐振器214s和215s，假定两种串联的谐振器204s、205s和214s、215s具有相同的外部尺寸(例如Ls＝2.2mm)和压电材料(即比介电常数εs)。还假定两种串联的谐振器204s、205s和214s、215s具有相同的厚度T。因此，本发明串联的压电谐振器214s和215s的两端间电容Cfs与传统的串联谐振器204s和205s的两端间电容Cfso的比例可由下式(11)给出Cfs/Cfso＝(Ws/Ls)2(11)因此，在上面形成的串联谐振器214s和215s中，不改变大小Ls、厚度T和压电板224的压电材料就可获得较小的两端间电容Cfs。
同样，当考虑如图15所示形成的并联谐振器206p和207p以及如图20所示的并联谐振器216p和217p时，假定两种并联的谐振器206p、207p和216p、217p具有相同的外部尺寸(例如Lp＝2.3mm)和压电材料(即比介电常数εp)。还假定电极薄膜225a-225d大致形成在压电板224的整个表面上，使得Wp2≈Lp，Wp1＝Lp。当两种并联的谐振器206p、207p和216p、217p具有相同的厚度T(例如0.5mm)时，在并联的谐振器216p和217p的厚度T与压电板224的厚度t之间具有关系式T＝nt(例如当n＝3，t≈0.17mm时)。因此，当将等式(5)与等式(10)相比较时，具有n块堆积的压电板224的并联的压电谐振器116p和117p的两端间电容Cfp与单块结构的并联谐振器206p和207p的两端间电容Cfp。的比例可由下式(12)给出Cfp/Cfpo＝n2(12)例如，在具有三块积附的压电板224的并联谐振器116p和117p中，得到比同样大小的单块并联谐振器106p和107p的电容高9倍的两端间电容Cf。因此，在这种并联的谐振器116p和117p中，不改变大小(Lp)、厚度T和并联谐振器116p和117p的压电材料就可获得较大的两端间电容Cfpo另外，即使压电板224的厚度仅为1/n倍，由于其一体化地积附，因此压电板224不易碎裂。
结果，在由串联谐振器114s和115s与并联谐振器116p和117p形成的两级梯形滤波器211中，与由传统的串联谐振器204s和205s以及并联谐振器206p和207p形成的梯形滤波器相比，保证衰减ATT被提高了。梯形滤波器211的保证衰减ATT与传统梯形滤波器的保证衰减ATTo之比可由下式(13)给出ATT/ATTo＝[Ws/(n×Ls)]2(13)因此，与压电基片面积Ls×Ls相比降低串联谐振器214s和215s的电极面积Ws×Ws并且增加并联谐振器216p和217p的层数n可获得比传统梯形滤波器的保证衰减ATTo更大的保证衰减ATT。
下面将参照图16-18描述上面形成的梯形滤波器结构，所述结构包括两块串联的谐振器214s和215s以及两块并联的谐振器216p和217p，两组谐振器具有大致相同的大小(La≈Lp)和厚度(T)，并且密实地容纳在外壳212中。在梯形滤波器211中，两块串联的谐振器214s和215s与两块并联的谐振器216p和217p通过四个端部配件(即输入端218、输出端219、内电极端220和接地端221)连接在一起。输出端219包括宽度为串联谐振器215s和并联谐振器217p的宽度之和的电极板231并包括伸出电极板231的引导部分232。在电极板231的上表面两边形成两个突起233和234。接地端221包括对折以具有弹性的电极板235和伸出电极板235的引导部分236。在电极板235的上表面和下表面上分别形成有突起237和238。输入端218包括下表面上形成有突起部分239的电极板240和从电极板上伸出的引导部分241。内电极端220的宽度同样是串联谐振器214s和215s以及并联谐振器216p和217p的宽度之和，并且220左面包括弹性的平面部分242，右面包括单板平面部分243，所述两个平面部分具有不同的高度，高度差大致相当于谐振元件的厚度，内电极端还包括将弹性平面部分242和单板平面部分243连接在一起的斜面片244。在右面的单板平面部分243的下表面上形成突起245。左面的弹性平面部分242对折并在上表面和下表面分别形成有突起部分246和247。
因此，如图16和17所示，串联谐振器215s和并联谐振器217p放置在输出端219的上表面的两边；接地端221放置在右边的并联谐振器217p上；另外，并联谐振器216p放置在接地端221上。在左面的串联谐振器215s和右面的并联谐振器216p的上面，分别放置内电极端220的弹性平面部分242和单板部分243。在内电极端的弹性平面部分242上，放置串联谐振器214s，同时将输入端放置在串联谐振器214s上。
用这种方式与端部配件218-221一起放置的串联谐振器214s和215s和并联谐振器216p和217p被放入外壳221中，外壳221的一端具有开口，放入时将这些元件从开口251中放入即可。也就是说，串联谐振器214s的两个主表面的中央部分被弹性地夹在输入端218的突起239和弹性平面部分242的突起246之间；串联谐振器215s被弹性地夹在弹性平面部分242的突起247和输出端219的突起233之间；同样并联的谐振器216p的两个主表面的中央部分被弹性地夹在单板部分243的突起245和接地端221的突起237之间；并联的谐振器217p被弹性地夹在接地端221的突起238和输出端219的突起234之间。结果，可得到与将两个串联谐振器214s和215s以及两个并联的谐振器216p和217p结合在一起形成的线路相似的线路，形成两级梯形滤波器11。
在用于屏蔽外壳212的开口的盖子213的内表面上，带有分隔壁252，用于将外壳212分隔成串联谐振器214s和215s部分以及并联谐振器216p和217p部分，分隔壁252带有狭缝253，用于穿过内电极端220的斜面片244。盖子213带有开孔254、255和256用于分别穿过输入端218的引导部分241、输出端219的引导部分232和接地端221的引导部分236。在将串联谐振器214s和215s、并联谐振器216p和217p以及端部配件218-221放入外壳212后，将盖子213嵌入外壳212的开口251，用例如密封粘合剂将其密封。用这种方法，可制得具有密实结构，无浪费空间的梯形滤波器211。
在上述结构的梯形滤波器211中，由于在端部配件218-221沿厚度方向的变形极限内串联谐振器214s和215s与并联谐振器216p和217p的厚度大致相同，因此减少了对串联谐振器214s和215s和并联谐振器216p和217p的排列限制，从而仅需考虑电子线路的连接。同样，可将并联谐振器216p和217p两端间的电容Cfp设计得非常大，因此可降低串联谐振器214s和215s的厚度，从而减小梯形滤波器211的总尺寸，使之小型化。增加并联谐振器216p和217p的两端间的电容Cfp，可提高梯形滤波器211的阻抗。
当具体设计频率为450kHz的梯形滤波器时，在传统的梯形滤波器中，使用元件厚度作为获得所需保证衰减ATT的参数，其中并联谐振器的厚度定为约280微米(防碎裂的强度极限)；串联谐振器的厚度约为1200微米以获得所需的电容比，从而串联谐振器和并联谐振器的厚度比设计成1200/280≈4.3。相反，在本发明梯形滤波器211中，串联谐振器214s和215s以及并联谐振器216p和217p具有约500微米的大致相同的厚度。因此，在一个四元件的两级梯形滤波器中，传统滤波器的总厚度为2960微米，但是本发明梯形滤波器可设计成总厚度约为2000微米，约为传统滤波器的2/3。
另外，尽管在上面设计中间串联谐振器214s和215s以及并联谐振器216p和217p的厚度定为约500微米，但是可以理解，比其更薄的厚度是不成问题的。最大的问题仅在于厚度不要低于抗冲击破裂的强度极限(约280微米)。
根据本发明的第一方面，由于在压电谐振器的结构中将多个以扩张模式振动的元件积附在一起，因此不改变压电板的尺寸和压电材料就可增加两端间的电容。在该结构中多块压电板一体化地积附在一起，从而通过减小压电板的厚度可加大两端间的电容，而没有降低压电谐振器的强度。因此，在本发明压电谐振器中，不增加压电谐振器的尺寸或不改变压电特性就可得到较大的两端间电容。
在压电谐振器中，由于端面电极形成在单块体外表面的节点处，因此不会抑制压电板的扩张振动，因为有连接电极薄膜在一起的端面电极。
根据本发明的第二方面，在压电部件中，多个压电元件连成一平面地排列在外壳中，从而得到低外形的压电部件。因此，当将其装配在线路板等上面时，不会增加装配高度，从而适用于低外形设备。将压电元件排列在一个平面上还可简化金属端的结构，从而还可减少所需的金属端的数量。
在压电元件中，由于多个压电元件可具有基本相同的厚度，因此在排列压电元件的外壳中很少有浪费的空间，从而能有效地形成低外形的压电部件。由于各压电元件的厚度基本相同，因此在用端部配件装配时也易于加工。
根据本发明的第三方面，在梯形滤波器中，由于在外壳中串联谐振器和并联谐振器排列在一个平面中，因此可获得低外形的梯形滤波器。因此，当将其装配在线路板等上面时，不会增加固定高度，从而也适用于低外形设备。通过把梯形滤波器排列在一个平面上还可简化金属端部配件的结构，从而可减少金属端部配件所需的数量。
另外，由于并联的谐振器具有沿厚度方向积附电极的结构，因此不改变压电材料或者不减小并联谐振器的厚度就可加大并联谐振器两端的电容，从而增加梯形滤波器的保证衰减。
根据本发明的第四方面，在一种梯形滤波器中，由于并联谐振结构中电极沿厚度方向积附，并且两块电极之间放置压电板，因此可缩小电极之间的距离而不减小并联的谐振器的厚度，从而增加并联谐振器两端的电容。
因此，根据本发明的第四方面，可增加梯形滤波器的保证衰减。具体地说，尽管用相同材料制成串联谐振器和并联谐振器，但是可使并联谐振器的电容增至大于串联谐振器的电容并且可提高梯形滤波器的保证衰减。
在梯形滤波器中，由于形成于并联谐振器的振动节点处的外电极将电极连接在一起，因此通过外电极将各对电极间的静电容量并联在一起，可极大地增加并联谐振器两端的电容。此外，由于外电极形成在振动的节点处，因此不会抑制并联谐振器的压电振动。
较好的是，在梯形滤波器中，尽管串联谐振器的厚度与并联谐振器的厚度相同，但是并联谐振器两端的电容增至大于串联谐振器两端的电容，从而提高梯形滤波器的保证衰减。当串联谐振器的厚度与并联谐振器的厚度基本相同时，不需要如传统梯形滤波器那样降低并联谐振器的厚度来提高保证衰减，避免可能发生的碎裂，或者避免增加串联谐振器的厚度导致的笨重或大尺寸的梯形滤波器。串联谐振器和并联谐振器基本相同的厚度还能简化梯形滤波器的装配。
权利要求
1.一种采用扩张振动的谐振器，它包括多块压电板；和多块电极薄膜，其中所述多块压电板和所述多块电极薄膜交替积附成一体，并且所述多块电极薄膜中的一部分相互电气相连，而所述多块电极薄膜的其余部分相互电气相连。
2.如权利要求1所述的压电谐振器，它还包括多个安置在所述多块压电板和多块电极薄膜的单块体的外周表面上的节点处的端面电极，其中所述多个端面电极中的一部分将所述多块电极薄膜中的一部分电气地连接在一起，而所述多个端面电极中的另一部分将其余的电极薄膜电气地连接在一起。
3.一种压电部件，它包括多块压电板；和一个外壳，其中在该外壳中所述多块压电板排列在一个平面中。
4.如权利要求3所述的压电部件，其特征在于所述多块压电板具有基本相同的厚度。
5.一种梯形滤波器，它包括串联的平板式谐振器；并联的平板式谐振器，其结构中电极沿厚度方向积附；以及外壳，其中在所述外壳中，所述串联的平板谐振器和并联的平板谐振器排列在一个平面中。
6.一种梯形滤波器，它包括串联的谐振器；和并联的谐振器，在并联谐振器的结构中电极沿厚度方向积附，并且两块电极之间放置压电板。
7.如权利要求5或6所述的梯形滤波器，它还包括放置在所述并联的谐振器振动节点处的外电极，其中该外电极将所述电极连接在一起。
8.如权利要求5或6所述的梯形滤波器，其特征在于所述串联谐振器的厚度与所述并联谐振器的厚度基本相同。
9.如权利要求7所述的梯形滤波器，其特征在于所述串联谐振器的厚度与所述并联谐振器的厚度基本相同。
全文摘要
提供一种压电谐振器,可增加两端间的电容而不降低强度或改变用作压电板的压电材料。多块沿厚度方向极化的压电板和多块电极薄膜交替积附成单块体。电极薄膜每隔一片排列成在各层中沿相反方向偏移。在位于单块体的两个端面的中央部分的节点处形成外电极,第一对电极薄膜与第一外电极电气相连。而另一对电极薄膜与另一个外电极电气相连。
文档编号H03H9/54GK1270448SQ0010649
公开日2000年10月18日 申请日期2000年4月10日 优先权日1999年4月9日
发明者山本隆, 舟木裕史 申请人:株式会社村田制作所