专利名称：包含电容器的压电谐振单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及包含静电电容器的压电谐振器，特别涉及包含电容器的压电谐振单元，该单元具有限定电容器和空间的改进电极布局，使得压电谐振器振动部分自由和不受阻碍地振动。
通常情况下，包含电容器的压电谐振单元被广泛用作压电振动体。例如日本未经审查的专利申请公开No．7-94997揭示了如图32所示包含电容器的压电谐振单元201。在包含电容器的压电谐振单元201中，介电基片203和204分别设置在压电谐振单元202的上下表面。压电谐振单元202利用属于能量捕获型振动模式的厚度垂直振动模式和厚度延伸滑移模式中的一种。振动空间205和206的排列使得压电谐振单元202振动部分可以自由和不受阻碍地振动。在普通实例中，每个振动空间205和206由形成于介电基片203和204其中一个主表面内的凹面部分限定。
在谐振单元201中，电容器形成电极207-209设置在由堆叠的介电基片203-204限定的层状体外表面上以限定电容。电容器形成电极208与接地电势相连。电容器单独位于电容器形成电极207(热侧)与208之间和电容器形成电极209(热侧)与208之间。
此外，日本未经审查的专利申请公开No．3-240311揭示了如图33所示的包含电容器的压电谐振单元211。在包含电容器的压电谐振单元211中，介电基片213和214位于压电谐振单元212的上下表面。在普通实例中，介电基片213和214分别经绝缘粘合层215和216单独粘合在压电谐振单元212上。振动空间217和218由各自的绝缘粘合层215与216内的开孔构成。与包含电容器的压电谐振单元201一样，在包含堆叠介电基片213和214的层状体外表面上设置了包含电容器的电极219-221以限定电容。
在每个包含电容器的压电谐振单元201和211中，电容经预设间隔G被单独限定在过渡的电容器形成电极208和220(它们与接地电势相连)与相对放置的电容器形成电极207和219之间以及经预设间隔G被单独限定在过渡的电容器形成电极208和220与相对放置的电容器形成电极209和221之间。在这些情况下，每个电容器的静电电容依赖于介电基片的相对介电常数、电容器形成电极之间的间隔G的尺寸和其他因素。
但是在上述包含电容器的压电谐振单元201和211中，产生的问题是电容的静电电容随电容器形成电极208和220位置的变化而变化。
为了克服上述问题，本发明较佳实施例提供了包含电容器的压电谐振单元，它使静电电容的变化最小并且予以消除。
按照本发明的较佳实施例，包含电容器的压电谐振单元包括能量捕获型压电谐振单元，它具有压电板和单独设置在压电板两个主表面部分上从而使得上下表面经压电板相对的第一和第二振动电极。介电基片设置在至少一个压电谐振单元表面上，振动空间被限定使得振动部分可以自由和不受阻碍地振动。第一电容器形成电极和第二电容器形成电极放置在介电基片上从而沿基本平行于介电基片主表面的方向经间隔G相对。当G’表示第二构成电容电极的端部与振动空间端部之间沿第一与第二电容器形成电极相对方向的距离时，至少满足下列一个表达式G’／G≥1和G’／G≤-0．4。
如上所述，由于比率G’／G在所需范围内，所以即使第一和第二电容器形成电极的位置变化，使比率G’／G落在特定范围内可以使静电电容的变化明显减小。这在第二构成电容电极的位置变化时特别有效。因此借助这种独特的构造，很容易获得性能出色的包含电容器的压电谐振单元。此外，由于无需改进构成电容电极的制造精度，所以极大提高了包含电容器的压电谐振单元的生产率。
按照本发明的另一较佳实施例，包含电容器的压电谐振单元包括能量捕获型压电谐振单元，它具有压电板和单独设置在压电板两个主表面部分上从而使得上下表面经压电板相对的第一和第二振动电极。介电基片设置在至少一个压电谐振单元表面上，振动空间被限定在其中，使得谐振单元的振动部分可以自由和不受阻碍地振动。介电层设置在压电谐振单元与介电基片之间并且包括限定了至少一部分振动空间的开孔。当ε1表示介电基片的相对介电常数而ε2表示介电层的相对介电常数时，满足ε2／ε1≤0．063的关系式。
如上所述，由于比率ε2／ε1在所需范围内，所以即使第一和第二电容器形成电极的位置变化，使比率ε2／ε1落在所需范围内可以使静电电容的变化明显减小。在第二构成电容电极的位置变化时特别有效。因此很容易获得性能出色的包含电容器的压电谐振单元。此外，由于无需改进构成电容电极的制造精度，所以极大提高了包含电容器的压电谐振单元的生产率。
按照本发明的另一较佳实施例，包含电容器的压电谐振单元包括能量捕获型压电谐振单元，它具有压电板和单独设置在压电板两个主表面部分上从而使得上下表面经压电板相对的第一和第二振动电极。介电基片设置在至少一个压电谐振单元表面上，振动空间被限定在其中，使得振动部分可以自由和不受阻碍地振动。介电层设置在压电谐振单元与介电基片之间并且包括限定了至少一部分振动空间的开孔。第一和第二电容器形成电极放置在介电基片上，从而沿基本平行于介电基片主表面的方向相距间隔G。当G’表示第二构成电容电极的端部与振动空间端部之间沿第一和第二电容器形成电极相对的方向的距离，ε1表示介电基片的相对介电常数而ε2表示介电层的相对介电常数时，至少满足下列一个表达式ε2／ε1＞0．063和G’／G＞0．2183log(ε2／ε1)+1．0682或者ε2／ε1＞0．063和G’／G≤-0．3756log(ε2／ε1)-0．5734。
按照上述独特的构造，由于比率ε2／ε1和G’／G在所需范围内，所以即使第一和第二电容器形成电极的位置变化，使比率G’／G落在特定范围内可以使静电电容的变化最小并予以消除。在第二构成电容电极的位置变化时特别有效。因此很容易获得性能出色的包含电容器的压电谐振单元。此外，由于无需改进构成电容电极的制造精度，所以极大提高了包含电容器的压电谐振单元的生产率。
在上述包含电容器的压电谐振单元内，可以放置一对第一电容器形成电极，从而沿一对第一电容器形成电极和第二构成电容电极相对的方向夹住第二构成电容电极以电学连接压电谐振单元，并且第二构成电容电极与接地电势相连。
按照上述独特的构造，包含电容器的压电谐振单元比较好的是三端子类型，其中一个端子与接地端相连。因此，提供的包含电容器的压电谐振单元极大抑制了静电电容的变化。
在本发明各种较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元中，介电基片可以放置在压电谐振单元两个主表面上，可靠地提供了振动空间。
上述独特的构造使得交叠型包含电容器的压电谐振单元能够将静电电容的变化减少到最小。
而且，上述包含电容器的压电谐振单元可以进一步包括类似盖子的外罩部件，其中介电基片大于压电谐振单元，并且类似盖子的外罩部件固定在介电基片上从而包含压电谐振单元。
上述布局提供了盖子型包含电容器的压电谐振单元，它使静电电容的变化最小。
此外，上述包含电容器的压电谐振单元可以进一步包含大于介电基片和压电谐振单元的外罩基片和限定压电谐振单元和介电基片的类似盖子的外罩部件，其中压电谐振单元与介电基片交叠的结构固定在外罩基片上，并且类似盖子的外罩部件粘合在外罩基片上。
上述构造还可以提供包含电容器的压电谐振单元，消除并使静电电容的变化最小，并具有稳定出色的性能。在这种情况下，包含电容器的压电谐振单元包含了包括外罩基片和类似盖子的外罩部件的封装结构内的压电谐振单元和介电基片限定的电容。
而且在上述包含电容器的压电谐振单元中，可以使第一和第二电容器形成电极相隔预设间隔G相对放置在介电基片的外表面上。
在这种情况下，由于电容器形成电极比较好的是只形成于介电基片外表面之上，所以很容易形成电容器形成电极。
而且在上述包含电容器的压电谐振单元中，第一和第二电容器形成电极中的至少一个可以位于介电基片内中等高度以限定内部电极。
在这种情况下，通过控制内部电极所在的位置，可以提供各种内置电容器，并且实现了具有高度防潮特性的包含电容器的压电谐振单元。
而且，在上述包含电容器的压电谐振单元内，可以在交叠在压电谐振单元上的介电基片表面上放置第一和第二电容器形成电极中的至少一个。
在这种情况下，由于电容器形成电极可以只形成于介电基片的外表面上，所以可以很容易形成电容器形成电极。
图1A和1B分别是按照本发明第一较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元的垂直剖视图和本发明第一较佳实施例重要部分的局部放大剖面图；图2为按照本发明第一较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元外观的透视图；图3为第一较佳实施例内包含的介电基片和压电谐振单元的分解视图；图4为第一较佳实施例内包含的压电谐振单元下表面上电极的底视图；图5A和5B为普通包含电容器的压电谐振单元的局部剖视图，每张图示出了电容器形成电极位置改变时的电力线；图6示出了本发明第一较佳实施例包含电容器的压电谐振单元内比率G’／G变化时静电电容的变化；图7A-7D为用来解释第二电容器形成电极位于图1所示包含电容器的压电谐振单元内不同位置时G与G’之间关系的局部剖面图；图8为按照本发明第一较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元改进实例的剖面图；图9A-9E为示出了按照本发明第一较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元改进实例的局部剖面图；图10A和10B分别是按照本发明第二较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元的分解透视图和本发明第二较佳实施例外观的透视图；图11为按照本发明第二较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元的垂直剖面图；图12A和12B分别是按照本发明第三较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元的分解透视图和本发明第三较佳实施例外观的透视图；图13为包含在本发明第三较佳实施例内的介电基片的垂直剖面图；图14为图12所示本发明第三实施例的包含电容器的压电谐振单元内构成电容电极与振动空间之间关系的局部剖面图；图15为图13所示介电基片改进实例的垂直剖面图；图16A和16B分别是按照本发明第四较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元的分解透视图和本发明第四较佳实施例外观的透视图；图17为图16A和16B所示包含电容器的压电谐振单元的垂直剖面图；图18A和18B分别是按照本发明第五较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元的分解透视图和本发明第五较佳实施例外观的透视图；图19为图18A和18B所示包含电容器的压电谐振单元的垂直剖面图；图20为按照本发明第五较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元内比率G／G’与静电电容之间关系的曲线图；图21为按照本发明第五较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元内比率G／G’与ε2／ε1之间关系的曲线图；图22A-22C为按照本发明第五较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元改进实例的局部剖面图23为在按照本发明第五较佳实施例的包含电容器的正电谐振单元中形成如图22A所示电容器形成电极时比率G／G’与静电电容之间关系的曲线图；图24为在按照本发明第五较佳实施例中形成如图22B所示电容器形成电极时比率G／G’与静电电容之间关系的曲线图；图25为在按照本发明第五较佳实施例中形成如图22C所示电容器形成电极时比率G／G’与静电电容之间关系的曲线图；图26为按照本发明第五较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元改进实例的分解示意图；图27为图26所示包含电容器的压电谐振单元内重要部分的局部剖面图；图28为按照本发明第五较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元另一改进实例的分解示意图；图29为图28所示包含电容器的压电谐振单元内重要部分的局部剖面图；图30为按照本发明另一较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元改进实例的分解示意图；图31为按照本发明另一较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元的另一改进实例的分解示意图；图32为普通包含电容器的压电谐振单元的剖面图；以及图33为另一普通的包含电容器的压电谐振单元的剖面图。
以下借助附图描述本发明的较佳实施例。
图1A是按照本发明第一较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元1的剖视图，而图1B为本发明第一较佳实施例重要部分的放大剖面图。图2为包含电容器的压电谐振单元1外观的透视图。
在片型包含电容器的压电谐振单元1内，介电基片3和4分别放置在板状压电谐振单元2的上下表面。
如图3和4所示，压电谐振单元2比较好的是包含基本为矩形的压电板2a和谐振电极2b和2c。谐振电极2b和2c置成使得互相交叠，压电板2a位于其间。谐振电极2b和2c互相交叠的部分限定了能量捕获型振动部分。
压电板2a由合适的压电材料构成，例如诸如钛酸铅锆基陶瓷之类的压电陶瓷和诸如石英之类的压电单晶材料。在第一实施例中，比较好的是采用压电陶瓷构成谐振板2a。压电陶瓷沿厚度方向极化，从而构成以厚度垂直振动模式振动的能量捕获型压电谐振单元2。
介电基片3和4的每一个比较好的是在内表面具有凹面部分。凹面部分单独限定空间5和6，使得谐振单元振动部分的振动自由而不受阻碍。介电基片3和4利用绝缘粘合剂(未画出)固定在压电谐振单元2上。介电基片3和4由例如氧化铝介电陶瓷构成。在这种情况下，比较好的是采用相对介电常数高的钛酸钡陶瓷或钛酸锶陶瓷在下述电容器形成电极之间获得大的静电电容。
如上所述，介电基片3和4分别放置在压电谐振单元2的上下表面。但是按照本发明的较佳实施例，介电基片可以只形成于压电谐振单元一个主表面上。
如图1A所示，在包含电容器的压电谐振单元1内，在包括介电基片3和4的层状体外表面上提供第一电容器形成电极7和第二电容器形成电极8。如图2所示，在层状体的端部，第一电容器形成电极7排列为覆盖上表面部分、一对侧面部分和下表面部分。在纵向层状体的中心附近，第二电容器形成电极8排列为围绕上表面部分、一对侧面部分和下表面部分。而且第二电容构成电极8排列为经介电基片3与振动空间5交叠。如图1B所示，第一和第二电容构成电极7和8经间隔G相对。
按照本发明第一实施例的包含电容器的压电谐振单元1具有如下特性。在这种结构中，G’代表振动空间5的端部5a与第二电容器形成电极8的端部8a之间沿第一构成电容电极7与第二电容器形成电极8相对的方向的距离。在这种情况下，G’与G之间关系用下列表达式表示G’／G≥1和G’／G≤-0．4。端部5a与端部8a限定为在端部5a为上述相对方向上振动空间5其中一个端部时，第二电容器形成电极8的端部8a(位于端部5a一侧)限定了上述距离G’。
因此在包含电容器的压电谐振单元1中，由于G’／G比率落在上述所需范围内，所以形成于第一构成电容电极7与第二构成电容电极8之间的电容器的静电电容的变化最小减少至±1％以下。考虑上述较佳实施例，以下借助图5A、5B、6和7A-7D作详细描述。
图5A和5B为用来解释静电电容如何随第二电容器形成电极208的位置变化而变化的局部剖面图。
如图5A和5B所示，在第一电容器形成电极207和第二电容器形成电极208放置在介电基片203的外表面上时，其间的电势差导致电力线如实线A所示分布。这表明电力线受下振动空间205的影响。这表明根据位于下振动空间205之上的第二构成电容电极208与下振动空间205之间沿第一电容器形成电极207和第二电容器形成电极208相对的方向的位置变化，获得的静电电容发生了变化。
发明人发现基于上述原因，普通包含电容器的压电谐振单元201和211(相关技术中描述)中的静电电容是变化的。这激发了发明人研究本发明的各种较佳实施例。
按照上述发现，对于图1所示包含电容器的压电谐振单元1，发明人发现可以控制比率G’／G以将静电电容的变化减小到最低程度。图6示出了结果。
在图6中，水平轴表示G’／G比率，而垂直轴表示第一电容器形成电极7和第二电容器形成电极8之间的静电电容(相对值)。在曲线图中，对于G’／G=1的情况，假定静电电容为1．00，并且标出了相对G’／G=1时静电电容的比值，即在G’／G比率不为1时，标为静电电容(相对值)。
对于压电谐振单元2的测量，采用尺寸大约为2．5mm×2．0mm×0．25mm(厚度)的等价压电谐振单元。对于每个基本为圆形的谐振电极2b和2c，采用直径大约为0．7mm的等价谐振电极。对于介电基片3和4，采用由钛酸钡基陶瓷构成的等价介电基片，其尺寸大约为2．5mm×2．0mm×0．40mm。
图1B和7A-7D示出了各种G’／G比率下电容器形成电极与振动空间之间的位置关系。图1B示出了G’G＞1时的关系。图7A示出了G’／G=1时的关系。图7B示出了G’／G＞0并且G’G＜1时的关系。图7C示出了G’／G=0时的关系。图7D示出了G’／G＜0(负数)时的关系。
如图6所示，当G’／G≥1并且G’／G＜-0．4时，获得的静电电容非常稳定。因此布局具有上述关系G’／G≥1和G’／G≤-0．4的结构，可以提供消除和使静电电容变化最小的包含电容器的压电谐振单元1。
在上述情况下，由于下述原因，静电电容的变化最小。在G’／G≥1的情况下，如图1B所示，振动空间被排列为沿相对于第一和第二电容器形成电极7和8互相面对的区域两侧的上述相对方向延伸。在这种情况下，第一和第二电容器形成电极7和8之间获得的静电电容非常稳定，即静电电容的变化最小。另一方面，在G’／G≤-0．4的情况下，如图7D所示，由于振动空间5仅仅位于第二电容器形成电极8之下，所以第一和第二电容器形成电极7和8之间获得的静电电容的变化最小。
在本发明第一较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元1中，上述比率G’／G落在上述规定范围内。因此，很容易提供消除和使静电电容变化最小的包含负载电容器的压电谐振器。例如，将包含电容器的压电谐振单元1用作压电振动体，大大减小了振荡频率的变化。
图8为按照本发明第一较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元1的改进实例的剖面图。
在改进的片式包含电容器的压电谐振单元11中，第一电容器形成电极17a和17b以及第二电容器形成电极18排列为限定内部电极。外部电极12、13和14与第一电容器形成电极17a、第二电容器形成电极18和第一电容器形成电极17b分别电学相连。第二电容器形成电极18导向介电基片3的至少一侧表面部分并且与外部电极13相连。
外部电极12和14的每一个排列为不仅延伸至包含负载电容器的压电谐振单元11的端面部分，而且延伸至上表面、一对侧面部分和下表面部分。在这种改进实例中，第一电容器形成电极17a和17b和第二电容构成电极18可以排列为限定内部电极。而且在这种情况下，通过确保G’／G比率落在本发明第一较佳实施例所述具体范围内使静电电容的变化最小。
另外，如图9A-9E所示，第一和第二电容器形成电极7和8可以位于介电基片3的各种高度上。在图9A所示的实例中，第一电容器形成电极7c排列为限定介电基片3内中等高度上的内部电极，并且第一电容器形成电极7c的端部暴露在振动空间5内。第二电容器形成电极8b位于介电基片3凹面部分的内表面从而限定振动空间5的表面。
在图9B所示的实例中，除了第二电容器形成电极8c设置于介电基片3上表面部分以外与图9A的相同。如图9C所示，第一电容器形成电极7d或第二电容器形成电极8d可以是位于介电基片3不同高度上的内部电极。而且如图9D所示，第一电容器形成电极7可以位于介电基片3的上表面，并且第二电容器形成电极8b可以位于介电基片3的凹面部分内从而暴露在振动空间5内。而且如图9E所示，第一电容器形成电极7e和7f可以经介电基片层交叠，同样，第二电容器形成电极8e和8f可以经介电基片层交叠。
参见图10A、10B和11，描述了按照本发明第二较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元21。
第二较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元21具有的封装包括比较好的由介电材料制成的基本为矩形的外罩基片23和比较好的是由介电材料制成并且具有向下开口的盖子24。封装存储压电谐振单元22。
压电谐振单元22构造为谐振电极22b位于基本为矩形的压电板22a的上表面，并且谐振电极位于下表面上从而经纵向中心附近的压电板22a与谐振电极22b相对。由于压电板22a沿纵向极化，所以压电谐振单元22是能量捕获型谐振器，以厚度延伸滑移模式振动。
作为外罩基片23和盖子24的材料，可以选择采用合适的介电材料，例如氧化铝介电陶瓷和树脂。在外罩基片23上，端电极23a-23c的每一个排列为围绕上表面部分、一对侧面部分和下表面部分。压电谐振单元22的谐振电极22b经导电粘合剂25a与端电极23a电学相连。压电谐振单元2的其他谐振电极经导电粘合剂25b与端电极23c电学相连。虽然图10不是很清楚，但是如图11所示，谐振电极22b排列为从压电板22a的上表面经侧面部分延伸至下表面部分。因此谐振电极22b的下部与导电粘合剂25a电学相连。
盖子24具有排列为在上表面部分延伸至一对侧面部分的外部电极26-28。利用绝缘粘合剂(未画出)将盖子24粘附在外罩基片23上。
在第二较佳实施例中，第一电容器形成电极29a和29b以及第二电容器形成电极29c由外部电极26-28和端电极23a-23c限定。具体而言，如图10B所示，第一电容器形成电极29a通过将外部电极26与端电极23a互相电学连接起来限定。其他第一电容器形成电极29b通过将外部电极28与端电极23c互相电学连接起来限定。第二电容器形成电极29c通过将外部电极27与端电极23b互相连接起来限定。
如图11所示，在第二较佳实施例中，外罩基片23和盖子24排列为限定振动空间30，使得压电谐振单元22能够自由和不受阻碍地振动。因此与第一较佳实施例类似，在第一电容器形成电极29a和29b其中一个与第二电容器形成电极29c之间的相对距离用G表示，并且沿上述第二电容器形成电极29c的端部与振动空间30的端部30a之间的相对方向的尺寸(距离)用G’表示时，满足下列表达式G’／G≥1。因此静电电容的变化最小。
以下描述本发明的第三较佳实施例。
图12A和12B分别是按照本发明第三较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元31的分解透视图和外观透视图。
在包含电容器的压电谐振单元31中，压电谐振单元22经导电粘合剂33a和33b位于基本为矩形的介电基片32上。介电基片32在上表面中心附近具有凹面部分32a并且用来形成电容器。
如图13的剖面图所示，在介电基片32的相对端部内提供了第一电容器形成电极34和35。第一电容器形成电极34和35中的一个位于介电基片32的一个端部，从而从上表面部分经侧面部分延伸至下表面部分。同样，在其他侧面部分提供其他第一电容器形成电极35。第二电容器形成电极36位于介电基片32下表面的中间。因此在第三实施例中，电容被单独形成于第一与第二电容器形成电极34与36之间和第一与第二电容器形成电极35与36之间。
在压电谐振单元22被交叠的情况下，介电基片32的凹面部分32a限定了振动空间，从而使压电谐振单元22可以自由和不受阻碍地振动。
第三较佳实施例具有大于压电谐振单元22的外罩基片37。通过交叠介电基片32与压电谐振单元22形成的层状体经导电粘合剂38a-38c粘合到外罩基片37上。而且在外罩基片37上提供了端电极39a-39c。端电极39a、39b和39c分别经导电粘合剂38a、38b和38c电学连接到电容器形成电极34、36和35上。绝缘盖子40经绝缘粘合剂(未画出)固定在外罩基片37上，从而限定压电谐振单元22和介电基片32。
而且在上述第三较佳实施例中，如图14的局部剖面图所示，当振动空间41的端部41a与第二构成电容电极36的端部36a之间的尺寸用G’表示，并且第一电容器形成电极34的端部与第二电容器形成电极36之间间隔用G表示时，比率G’／G具有与第一较佳实施例相同的数值。因此静电电容的变化最小。
对于介电基片32，在下表面上比较好地提供了第一和第二电容器形成电极34-36。但是构造可以如图15所示。在图15中，第一和第二电容器形成电极34a和35a以及第二电容器形成电极36a单独位于介电基片32的中间高度上以限定内部电极。在该实例中，第二电容器形成电极36a经通孔电极41与位于介电基片32的下表面部分的连接电极42电学相连。
而且在该实例中，第一电容器形成电极34a和35a导向介电基片32的每个端部。因此第一电容器形成电极34a和35a与各个外部电极43和44电学连接，外部电极覆盖介电基片32的端面部分并延伸至下表面部分。
以下描述本发明的第四较佳实施例。
图16A和16B分别是按照本发明第四较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元51的分解透视图和外观透视图。
在包含电容器的压电谐振单元51中，介电基片53和54分别经绝缘粘合剂(未画出)交叠在压电谐振单元52的上表面和下表面。压电谐振单元52是以厚度垂直振动模式振动的能量捕获型。
如图16B所示，在包含电容器的压电谐振单元51中，第一和第二电容器形成电极55和56位于层状体的两个端部。第一和第二电容器形成电极55和56排列为围绕层状体的上表面部分、一对侧面部分和下表面部分。如图16A所示，第二电容器形成电极56与谐振电极52a电学相连。放置在压电谐振单元52下表面部分的谐振电极(未画出)与第一电容器形成电极55电学相连。
因此，压电谐振器和电容器并联在第一和第二电容器形成电极55和56之间。此外，第一和第二电容器形成电极55和56还相当于与外部单元电学连接的端电极。
在第四较佳实施例中，如图17所示，第一和第二电容器形成电极55和56相隔间隔G。因此在G’代表沿第二电容器形成电极56的端部和振动空间57的端部57a的方向上的尺寸时，结构使得G’／G比率落在上述具体范围内。因此，静电电容的变化最小。
以下描述本发明的第五较佳实施例。
图18A和18B分别是按照本发明第五较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元61的分解透视图和外观透视图。
在包含电容器的压电谐振单元61中，介电基片65和66分别经介电层63和64叠盖在压电谐振单元62的上表面和下表面。介电层63具有开口63a而介电层64具有开口64a。介电层63和64排列为限定振动空间，从而使得能量捕获振动部分自由和不受阻碍地振动。
压电谐振单元62的结构与按照第一较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元1的压电谐振单元2类似。介电层63和64比较好的是由合适的介电材料制成，例如树脂或绝缘陶瓷。
压电谐振单元62、介电层63、介电层64、介电基片65和介电基片66利用粘合剂(未画出)互相粘合并且交叠。而且第一电容器的电极67和68以及第二电容器的电极69设置在包含电容器的压电谐振单元61的外表面。电容器的电极67-69的每一个排列为围绕上表面部分、一对侧面部分和下表面部分。
如图19所示，介电层63的开口63a限定了振动空间70而开口64a限定了振动空间71。而且在较佳实施例中，如图19所示，第一电容器形成电极67和第二电容器形成电极69互相面对的距离用G表示，而沿着振动空间70端部与第二电容器形成电极69端部相互面对方向的距离用G’表示。
在第五较佳实施例中，构成外罩基片65和66(介电基片)的介电材料的相对介电常数用ε1表示，而构成介电层63和64的介电材料的相对介电常数用ε2表示。当结构满足ε2／ε1≤0．063时，不管比率G’／G如何，可以减少静电电容的变化。
以下借助图20、21、22A-22C、23和24作详细描述。
发明人改变了包含电容器的压电谐振单元61内的比率ε2／ε1和比率G’／G并且评估了获得的静电电容。结果示于图20中。在图20中，水平轴代表G’／G比率，而垂直轴代表静电电容(相对值)。静电电容(相对值)表示相对1．00的静电电容值的比率(假定G’／G=1．00，而ε2／ε1=1．00)。对于压电谐振单元62，采用产生图6所示结果的同一压电谐振单元。对于介电基片65和66，采用尺寸大约为2．5mm×2．0mm×0．30mm(厚度)的基本为矩形并且由钛酸锶基陶瓷构成的基片部件。每个介电层63和64具有近似的尺寸2．5mm×2．0mm×0．05mm，并且采用环氧树脂作为材料。
如图20所示，静电电容在ε2／ε1=1．0以外的区域也是稳定的。由此，对于各种ε2／ε1比率，选择在静电电容稳定的区域内产生极限值的比率G’／G并且检验相对ε2／ε1比率的关系。图21示出了结果。
在图21中，对角阴影线区域表示静电电容稳定区域。这表明作为对数函数，ε2／ε1比率(=Y)和G’／G比率可以互相靠近。而且在ε2／ε1=0．063时，逼近曲线C和D相互交叠。这表明在ε2／ε1≤0．063时，G’／G比率的变化对静电电容几乎没有影响。
因此在结构为介电层63和64分别交叠在介电基片65和66的包含电容器的压电谐振单元61内，无论G’／G比率变化如何，满足ε2／ε1≤0．063的结构可以在每个第一电容器形成电极67和68与第二电容器形成电极69之间形成高精度静电电容器。
在这种结构中，对于介电层63和64，可以通过集成烘干处理制备集成单元。另外，介电层63和64的分离部件可以分别粘合至介电基片65和66。
在图18所示的第五较佳实施例中，电容器形成电极67、68和69设置在包含电容器的压电谐振单元61的外表面上。但是如图22A-22C所示，它们的形成方式不同。例如第一电容器形成电极67和68可以位于外罩基片65(介电基片)的下表面部分。另外，第一电容器形成电极67和68中至少一个可以位于外罩基片65的上表面部分或下表面部分。另外，电容器形成电极67、68和69中的至少一个可以是在介电层63和／或介电层64内形成的内部电极。另外，电容器形成电极67、68和69中的至少一个可以是位于介电基片65和／或介电基片66内中间高度的内部电极。
图23-25示出了在电容器形成电极如图22A-22C所示排列在包含电容器的压电谐振单元61内时G’／G比率与获得的静电电容的关系。例如，图23示出了电容器形成电极如图22A所示排列时G’／G比率与静电电容的关系。在图中，实线E表示ε2／ε1=1．00时的关系，而实线F表示ε2／ε1=0．025时的关系。同样，在图24和25中，实线G和I以及实线H和J分别表示ε2／ε1=1．00和ε2／ε1=0．025时的关系。
由图23-25可见，根据电容器形成电极67-69的布局类型，静电电容变化区域的变化程度发生一定的变化。但是，代表静电电容稳定区域与静电电容变化区域之间阈值的G’／G比率几乎不变化。
图21示出了1≤ε2／ε1≤0．063的情况，比较好的是使得结构满足其中一个表达式G’／G＞0．2183log(ε2／ε1)+1．0682或G’／G≤-0．3756log(ε2／ε1)-0．5734。比较好的结构产生具有较高精度的静电电容。
如上所述，第五较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元61具有交叠结构，其中介电基片65和66经介电层63和64交叠在板状压电谐振单元62上。但是按照本发明各种较佳实施例的包含电容器的压电谐振单元并不局限于交叠型。
图26-31示出了按照本发明第五较佳实施例的压电谐振单元的改进实例。
在图26所示的片型压电谐振单元81中，利用厚度延伸滑移模式的能量捕获压电谐振单元82存储在封装内。封装比较好的是包括开口83a向上的外罩部件83、具有开口84a的框架状介电层84和介电基片85。压电谐振单元82经导电粘合剂86和87粘附在外罩部件83上，并且还与端电极电学连接。在封装的组装状态下，第一电容器形成电极88和90以及第二电容器形成电极89设置在压电谐振单元81的外表面。
而且在改进的结构中，与第五较佳实施例类似，ε2／ε1比率的控制使得可以在第一和第二电容器形成电极88和89之间以及第二与第一电容器形成电极89与90之间形成高精度电容。如图27所示，振动空间由介电层84的开口84a形成。在这种结构中，当ε1表示限定介电层84的介电材料的相对介电常数而ε2表示限定介电基片85的介电材料的相对介电常数时，与第五较佳实施例中一样控制ε2／ε1比率。因此静电电容的变化最小。
同样，在图28所示的片型压电谐振单元91中，提供了利用厚度延伸滑移模式的能量捕获压电谐振单元92，并且具有介电基片94的电容单元95经导电粘合剂93a和93b叠盖在谐振电极92上。在图中，100表示外罩基片，101表示盖子。
使得压电谐振单元92可以自由和不受阻碍地振动的空间由导电粘合剂93a与93b之间的空间限定。因此，通过使结构具有图29所示使G’／G比率落在与第一较佳实施例同一范围内的尺寸G和G’，静电电容的变化最小。电容器形成电极97-99比较好的是设置在介电基片94的下表面部分。
在上述第一-第五较佳实施例中，以三端型包含电容器的压电谐振单元为例作了描述。但是本发明还可以应用于两端型包含电容器的压电谐振单元。图30为两端包含电容器的压电谐振单元实例的分解透视图。两端型包含电容器的压电谐振单元具有板状能量捕获压电谐振单元102。在压电谐振单元102的上表面部分下表面部分，介电基片105和106经框状介电基片103和104叠加。介电层103和104具有开口103a和104a。电容器限定在电容器形成电极107和108之间。至少满足按照第一较佳实施例的G’／G比率或者按照第五实施例的ε2／ε1比率。因此，上述静电电容具有极高的精度。
如图31所示，可以采用基本为矩形的开口103a和104a的介电层。另外，在图30和31所示包含电容器的压电谐振单元中，可以在外罩基片105和106的内表面上形成凹面部分代之以具有开口的介电层103和104。
虽然本发明借助较佳实施例描述了本发明，但是本发明的精神和范围由所附权利要求限定。
权利要求
1．一种包含电容器的压电谐振单元，其特征在于包含能量捕获型压电谐振单元，它具有压电板和设置在压电板两个主表面部分上从而使得上下表面经压电板相对的第一和第二振动电极；设置在至少一个压电谐振单元表面上的介电基片，振动空间被限定在其中，使得谐振单元的振动部分可以自由和不受阻碍地振动；第一电容器形成电极和第二电容器形成电极，放置在介电基片上从而沿基本平行于介电基片主表面的方向相距间隔G相对；其中当G’表示第二构成电容电极的端部与振动空间的端部之间沿第一和第二构成电容电极相对方向的距离时，至少满足下列一个表达式G’／G≥1和G’／G≤-0．4。
2．如权利要求1所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于放置一对第一电容器形成电极，从而沿一对第一和第二构成电容电极相对的方向夹住第二构成电容电极并电学连接压电谐振单元，并且第二构成电容电极与接地电势相连。
3．如权利要求1所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于介电基片放置在压电谐振单元两个主表面上而确保了振动空间。
4．如权利要求1所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于进一步包括外罩部件，其中介电基片大于压电谐振单元，并且外罩部件固定在介电基片上从而限定压电谐振单元。
5．如权利要求1所述包含电容器的压电谐振单元，其特征在于进一步包含大于介电基片和压电谐振单元的外罩基片和限定压电谐振单元和介电基片的外罩部件，其中设置压电谐振单元与介电基片的结构固定在外罩基片上，并且外罩部件装在外罩基片上。
6．如权利要求1所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于第一和第二电容器形成电极相隔预设间隔G相对放置在介电基片的外表面上。
7．如权利要求1所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于第一和第二电容器形成电极中的至少一个位于介电基片内中等高度以限定内部电极。
8．如权利要求1所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于在压电谐振单元上设置介电基片一侧的介电基片表面上放置第一和第二电容器形成电极中的至少一个。
9．一种包含电容器的压电谐振单元，其特征在于包括能量捕获型压电谐振单元，它具有压电板和设置在压电板两个主表面部分上从而使得上下表面经压电板相对的第一和第二振动电极；设置在至少一个压电谐振单元表面上的介电基片，振动空间被限定在其中，使得谐振单元的振动部分可以自由和不受阻碍地振动；及设置在压电谐振单元与介电基片之间并且包括形成至少一部分振动空间的开孔的介电层；其中当ε1表示介电基片的相对介电常数而ε2表示介电层的相对介电常数时，满足ε2／ε1≤0．063的关系式。
10．如权利要求9所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于放置一对第一电容器形成电极，从而沿一对第一电容器形成电极和第二构成电容电极相对的方向夹住第二构成电容电极而以电学连接压电谐振单元，并且第二构成电容电极与接地电势相连。
11．如权利要求9所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于介电基片放置在压电谐振单元两个主表面上而确保了振动空间。
12．如权利要求9所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于进一步包括外罩部件，其中介电基片大于压电谐振单元，并且外罩部件固定在介电基片上，从而限定压电谐振单元。
13．如权利要求9所述包含电容器的压电谐振单元，其特征在于进一步包含大于介电基片和压电谐振单元的外罩基片和限定压电谐振单元和介电基片的外罩部件，其中设置压电谐振单元与介电基片的结构固定在外罩基片上，并且外罩部件装在外罩基片上。
14．如权利要求9所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于第一和第二电容器形成电极相隔预设间隔G相对放置在介电基片的外表面上。
15．如权利要求9所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于第一和第二电容器形成电极中的至少一个位于介电基片内中等高度以限定内部电极。
16．如权利要求9所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于在压电谐振单元上设置介电基片一侧的介电基片表面上放置第一和第二电容器形成电极中的至少一个。
17．一种包含电容器的压电谐振单元，其特征在于包含能量捕获型压电谐振单元，它具有压电板和设置在压电板两个主表面部分上从而使得上下表面经压电板相对的第一和第二振动电极；设置在至少一个压电谐振单元表面上的介电基片，振动空间被限定在其中，使得谐振单元的振动部分可以自由和不受阻碍地振动；设置在压电谐振单元与介电基片之间并且包括形成至少一部分振动空间的开孔的介电层；及第一和第二电容器形成电极放置在介电基片上，从而沿基本平行于介电基片主表面的方向相距间隔G；其中当G’表示第二构成电容电极的端部与振动空间的端之间沿第一和第二构成电容电极相对方向的距离，ε1表示介电基片的相对介电常数而ε2表示介电层的相对介电常数时，至少满足下列一个表达式ε2／ε1＞0．063和G’／G＞0．2183log(ε2／ε1)+1．0682或者ε2／ε1＞0．063和G’／G≤-0．3756log(ε2／ε1)-0．5734。
18．如权利要求17所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于放置一对第一电容器形成电极，从而沿一对第一电容器形成电极和第二构成电容电极相对的方向夹住第二构成电容电极而以电学连接压电谐振单元，并且第二构成电容电极与接地电势相连。
19．如权利要求17所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于介电基片放置在压电谐振单元两个主表面上而确保了振动空间。
20．如权利要求17所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于进一步包括外罩部件，其中介电基片大于压电谐振单元，并且外罩部件固定在介电基片上，从而限定压电谐振单元。
21．如权利要求17所述包含电容器的压电谐振单元，其特征在于进一步包含大于介电基片和压电谐振单元的外罩基片和限定压电谐振单元和介电基片的外罩部件，其中设置压电谐振单元与介电基片的结构固定在外罩基片上，并且外罩部件装在外罩基片上。
22．如权利要求17所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于第一和第二电容器形成电极相隔预设间隔G相对放置在介电基片的外表面上。
23．如权利要求17所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于第一和第二电容器形成电极中的至少一个位于介电基片内中等高度以限定内部电极。
24．如权利要求17所述的包含电容器的压电谐振单元，其特征在于在交叠在压电谐振单元上设置介电基片一侧的介电基片表面上放置第一和第二电容器形成电极中的至少一个。
全文摘要
一种包含电容器的压电谐振单元,包括能量捕获型压电谐振单元,它具有压电板和单独设置在压电板两个主表面部分上的第一和第二振动电极。介电基片设置在至少一个压电谐振单元表面上,振动空间被限定。第一和第二电容器形成电极放置在介电基片上,从而沿基本平行于介电基片主表面的方向相距间隔G。当G'表示第二构成电容电极的端部与振动空间端部之间的距离时,满足下列一个表达式:G’/G≥>1和G’/G≤－0.4。
文档编号H03H9/125GK1293487SQ0013175
公开日2001年5月2日 申请日期2000年10月13日 优先权日1999年10月15日
发明者轮岛正哉 申请人:株式会社村田制作所