專利名稱：壓電滑動共振子、復合壓電滑動共振子以及壓電共振零件的制作方法
技術領域：
本發明涉及壓電滑動共振子和復合壓電滑動共振子，具體地說，涉及作為復合壓電滑動共振子的振動構件來使用的壓電滑動共振子和一面將該壓電滑動共振子作為振動構件一面采用非能量封閉型結構的復合壓電滑動共振子。
另外，本發明還涉及復合壓電滑動共振子和壓電共振零件，涉及采用了由反射層和保持構件的界面反射由振動構件傳播到反射層的振動的結構的復合壓電滑動共振子，和利用該復合壓電滑動共振子而構成的壓電共振零件。
另一方面，特開平7-147527號公報中描述的壓電共振子其特征在于具有矩形面的壓電體的長邊一側的兩主面上相對形成了共振電極，用與泊松比的關系限制其長邊和短邊各自的長度比。而且，如果是具有這種結構的壓電共振子，就能通過采用特定的長度比來提高共振部的能量封閉效率，確保能實現其小型化這一優點。
但是，特開平5-243889號公報中描述的是通常的被稱作能量封閉型的壓電滑動共振子，當采用這樣的能量封閉型的結構時，很難構成比頻帶(通帶寬度/中心頻率)大的厚度滑動共振子。另外，通常的能量封閉是指對于激勵電極彼此的重疊部分附近，振動能量局部集中的振動現象，但是在具有所述結構的壓電滑動共振子中，從振動部分到無振動部分的區域即構成振動衰減區域需要很大的面積，所以不適合小型化。
對此，特開平7-147527號公報中描述的壓電共振子也是能量封閉型的，因為大幅度提高了能量封閉效率，所以與通常的能量封閉型相比，能實現其小型化。但是，即使是采用這種結構的壓電共振子，實際上也無法增大比頻帶。
另外，本發明的目的還在于提供不但能實現不對振動特性產生不良影響的小型化，而且頻率變化小、穩定，并且，比頻帶大、穩定的復合壓電滑動共振子，和利用該復合壓電滑動共振子而構成的壓電共振零件。
本發明1的壓電滑動共振子其特征在于具有激勵滑動振動模式的棱柱狀的壓電體，其矩形的剪切變形面具有使機電耦合系數k變為極大值附近的縱橫比。
本發明2的壓電滑動共振子是根據本發明1所述的壓電滑動共振子，其特征在于當所述剪切變形面的縱向尺寸為D，其橫向尺寸為Le時的縱橫比Le/D由Le/D＝{α·(S44E/S33E)1/2+β}±0.3(但是，S44E和S33E為彈性柔量，α＝0.27·n+0.45，β＝1.09·n+0.31，n為正整數)表示。
本發明3的壓電滑動共振子是根據本發明1或2所述的壓電滑動共振子，其特征在于在與所述剪切變形面正交，并且與所述壓電體的剪切方向平行的兩主面上形成了激勵電極；這些對置的激勵電極彼此重疊的長度和所述剪切變形面的橫向尺寸Le的比L/Le由0.86≤L/Le≤1表示。
本發明4的壓電滑動共振子是根據本發明1或2所述的壓電滑動共振子，其特征在于對置的所述剪切變形面彼此的間隔W和所述剪切變形面的縱向尺寸D的比W/D由以下的表達式中的任意一個表示(1)W/D≤1.2(2)1.3≤W/D≤1.5(3)1.7≤W/D≤2.0(4)2.2≤W/D≤2.5(5)2.6≤W/D≤3.0。
本發明5的復合壓電滑動共振子以本發明1或2所述的壓電滑動共振子為振動構件，其特征在于具有聲阻抗為Z1的振動構件；具有比第一聲阻抗值Z1低的第二聲阻抗值Z2，并且連接了所述振動構件的反射層；具有比第二聲阻抗值Z2高的第三聲阻抗值Z3，并且連接了所述反射層的保持構件；在所述反射層和所述保持構件的界面，反射從所述振動構件向所述反射層傳播來的振動。
本發明6的復合壓電滑動共振子包括由具有第一聲阻抗值Z1的材料構成，并且分別形成在激勵滑動模式的壓電體的對置的主面上的振動構件；由具有比第一聲阻抗值Z1低的第二聲阻抗值Z2的材料構成，并且分別連接了振動構件的兩側的反射層；由具有比第二聲阻抗值Z2低的第三聲阻抗值Z3的材料構成，并且連接在與反射層的連接了振動構件的一側相反的一側上的保持構件。
即，該復合壓電滑動共振子采用了在反射層和保持構件的界面，反射從振動構件向反射層傳播來的振動的結構，其特征在于當振動構件單獨振動時的振動的波長為λ時，從振動構件和反射層的界面到該反射層和保持構件的界面的距離Lr在n·λ/4±λ/8(n為奇數)的范圍內，另外，當從振動構件和一側的反射層的界面到該反射層和保持構件的界面的距離為Lr1，并且從振動構件和另一側的反射層的界面到該反射層和保持構件的界面的距離為Lr2時，這些距離Lr1、Lr2的差|Lr1-Lr2|的范圍由以下關系表示0.01≤|Lr1-Lr2|/(Lr1+Lr2)≤0.3。
本發明7的復合壓電滑動共振子是根據本發明6所述的復合壓電滑動共振子，具有振動構件、反射層、保持構件，在反射層和保持構件的界面，反射從振動構件向反射層傳播來的振動；當振動構件單獨振動時的振動的波長為λ時，從反射層和保持構件的界面到該保持構件自身的外端面的距離h在n·λ/4±λ/8(n為奇數)的范圍內。而且，其特征在于從一側的所述反射層和一側的所述保持構件的界面到該保持構件自身的外端面的距離為h1，并且從另一側的所述反射層和另一側的所述保持構件的界面到該保持構件自身的外端面的距離為h2，這些距離h1、h2的差|h1-h2|的范圍由以下關系表示0.01≤|h1-h2|/(h1+h2)。
本發明8的復合壓電滑動共振子是根據本發明6或7所述的復合壓電滑動共振子，其特征在于當所述保持構件具有與所述振動構件幾乎相同的厚度T，并且，所述反射層和所述保持構件的界面到該保持構件的外端面的距離為h時，h/T的范圍由以下的關系表示(1)0.1×α＜h/T＜0.3×α(2)(0.5+1.6×n)×α＜h/T＜(0.8+1.6×n)×α(3)(1.1+1.6×n)×α＜h/T＜(1.6+1.6×n)×α(但是，音速比α是保持構件的音速Cs除以振動構件的Cr得到的值(α＝Cs/Cr)，n為正整數)。
本發明9的復合壓電滑動共振子是本發明6或7所述的復合壓電滑動共振子，其特征在于在保持構件上形成有電容。
本發明10的壓電共振零件是利用本發明6或7所述的復合壓電滑動共振子而構成的，其特征在于在內置有電容的襯底上搭載復合壓電滑動共振子，并且用接合在襯底上的外裝構件包圍、密封了該復合壓電滑動共振子。
圖1是簡要表示實施例1的壓電滑動共振子的結構的立體圖。
圖2是表示剪切滑動面的縱橫比Le/D和機電耦合系數k的關系的說明圖。
圖3是表示剪切滑動面的縱橫比Le/D和彈性柔量S44E和S33E的關系說明圖。
圖4是簡要表示壓電滑動共振子的結構的側視圖。
圖5是表示對置的激勵電極彼此重疊的長度L和剪切變形面的橫向尺寸Le的比L/Le以及頻率變位dFosc/Fosc的關系的說明圖。
圖6是表示對置的剪切變形面彼此的間隔W和剪切變形面的縱向尺寸D的比W/D以及機電耦合系數k的關系的說明圖。
圖7是簡要表示實施例2的復合壓電滑動共振子的結構的立體圖。
圖8是簡要表示其變形例的立體圖。
圖9是表示實施例3的復合壓電滑動共振子的整體構造的立體圖。
圖10是其側視圖。
圖11是表示基于復合壓電滑動共振子具有的反射層的長度差的比|Lr1-Lr2|/|Lr1+Lr2|和共振頻率的變化率dFr/Fr的關系的說明圖。
圖12是表示基于反射層的長度差的比|Lr1-Lr2|/|Lr1+Lr2|和寄生振蕩的百分比帶寬變化率的關系的說明圖。
圖13是表示基于復合壓電滑動共振子具有的保持構件的長度和厚度的比h/T和機電耦合系數k的關系的說明圖。
圖14是表示音速比α為α＝Cs/Cr＝√2時的比h/T和機電耦合系數k的關系的說明圖。
圖15是表示音速比α為α＝Cs/Cr＝1/√2時的比h/T和機電耦合系數k的關系的說明圖。
圖16是表示基于保持構件的長度差的比|h1-h2|/|h1+h2|和寄生振蕩的百分比帶寬變化率的關系的說明圖。
圖17是表示實施例4的復合壓電滑動共振子的整體構造的立體圖。
圖18是其等價電路圖。
圖19是表示變形例的復合壓電滑動共振子的整體構造的立體圖。
圖20是其等價電路圖。
圖21是簡要表示實施例5的壓電共振零件整體構造的分解立體圖。
下面簡要說明附圖符號。
101-壓電滑動共振子；102-壓電體；102a-剪切變形面；103、104-激勵電極；111、112-復合壓電滑動共振子；113-振動構件；114、115-反射層；116、117-保持構件；118、119-激勵電極；D-剪切變形面102a的縱向尺寸；Le-剪切變形面102a的橫向尺寸；W-壓電體102的寬度尺寸(剪切變形面102a彼此的間隔)；L-激勵電極103、104彼此重疊的長度；1-復合壓電滑動共振子；3-振動構件；3-激勵電極；5-激勵電極；6-反射層；7-反射層；8-保持構件；9-保持構件；11-復合壓電滑動共振子；14-電容；15-電容；21-復合壓電滑動共振子；22-電容；31-壓電共振零件；32-復合壓電滑動共振子；33-電容器襯底(內置了電容器的襯底)；Z1-第一聲阻抗值；Z2-第二聲阻抗值；Z3-第三聲阻抗值；Lr1-反射層6的長度(振動構件3和一側的反射層6的界面到反射層6和保持構件8的界面的距離)；Lr2-反射層7的長度(振動構件3和另一側的反射層7的界面到反射層7和保持構件9的界面的距離)；h1-保持構件8的長度(從一側的反射層6和一側的保持構件8的界面到該保持構件8自身的外端面的距離)；h2-保持構件9的長度(從另一側的反射層7和另一側的保持構件9的界面到該保持構件9自身的外端面的距離)；T-保持構件8、9的厚度。
(實施例1)圖1是簡要表示本實施例的壓電滑動共振子的結構的立體圖，圖2是表示剪切變形面的縱橫比Le/D和機電耦合系數k的關系的說明圖，圖3是表示縱橫比Le/D和彈性柔量S44E和S33E的關系說明圖。而且，圖4是簡要表示壓電滑動共振子的結構的側視圖，圖5是表示對置的激勵電極彼此重疊的長度L和剪切變形面的橫向尺寸Le的比L/Le以及頻率變位dFosc/Fosc的關系的說明圖，圖6是表示對置的剪切變形面彼此的間隔W和剪切變形面的縱向尺寸D的比W/D以及機電耦合系數k的關系的說明圖。
圖1中的符號101是壓電滑動共振子，該壓電滑動共振子101具有使用LiTaO3和LiNbO3等陶瓷材料制造的棱柱狀的壓電體102。而且，在該壓電體102中，其寬度尺寸設定為W，并且矩形的側面即剪切變形面102a的分別設定為D、Le。另外，該壓電體102沿著軸心方向(長度方向)被極化處理，圖1中的矢量P表示了極化方向。
在此時的壓電體的主面即與所述剪切變形面102a分別正交，并且與壓電體102的剪切方向平行的兩主面上形成了激勵電極103、104。在此，通過這些彼此對置的激勵電極103、104外加了交流電壓，則壓電體102以厚度滑動共振模式振動，作為壓電滑動共振子101起作用。
但是，本發明的發明者們著眼于壓電體102的剪切變形面102a縱橫比Le/D，研究了壓電滑動共振子101的機電耦合系數k，發現了剪切變形面102a的縱橫比Le/D和機電耦合系數k之間存在圖2所示的關系。而且，從圖2所示的研究結果可知，振動波數n為n＝1～4的任意一個，與剪切變形面102a的縱橫比Le/D的變化對應，壓電滑動共振子101的機電耦合系數k周期地變化，與某一特定的縱橫比Le/D對應，機電耦合系數k表現了極大值。
須指出的是，在圖2中，付記了表示利用有限要素法解析的壓電滑動共振子101的各振動波數n的變位分布的模式縱剖視圖。
即當振動波數n為n＝1時，縱橫比在Le/D＝2.6附近，取得了機電耦合系數k的極大值即k＝38％。在此，如果預先設定壓電體102的剪切變形面102a的縱橫比Le/D，使機電耦合系數k在極大值附近，并且采用在壓電滑動共振子101中利用機電耦合系數k的極大值附近的結構，就能增大該壓電滑動共振子101的比頻帶。而且，當壓電滑動共振子101的比頻帶大使，能降低產品質量的偏移，能實現共振特性的提高。
另外，著眼于壓電體102的材料常數，研究了機電耦合系數k表現了極大值的剪切變形面102a的縱橫比Le/D，發現了圖3所示的關系。即振動波數n為n＝1時的縱橫比Le/D為Le/D＝0.72·(S44E/S33E)1/2+1.41，振動波數n為n＝2時，縱橫比Le/D變為Le/D＝1.00·(S44E/S33E)1/2+2.48，并且，振動波數n為n＝3時的縱橫比Le/D為Le/D＝1.26·(S44E/S33E)1/2+3.59。須指出的是，在此的S44E和S33E是按照壓電體102的材料決定的彈性柔量。
而且，根據對這些關系的解析，可知機電耦合系數k變為極大值的剪切變形面102a的縱橫比Le/D由α·(S44E/S33E)1/2+β表示。但是，α＝0.27·n+0.45，β＝1.09·n+0.31，并且n為正整數。由實驗可知，關于這些剪切變形面102a的縱橫比Le/D，還允許±0.3的公差，所以機電耦合系數k變為極大值的剪切變形面102a的縱橫比Le/D的一般式為Le/D＝{α·(S44E/S33E)1/2+β}±0.3。
即與彈性柔量S44E、S33E以及振動波數n對應，決定了機電耦合系數k變為極大值的剪切變形面102a的縱橫比Le/D。在此，如果對壓電體102適用這樣決定的剪切變形面102a的縱橫比Le/D，就能在壓電滑動共振子101中容易地利用機電耦合系數k的極大值附近，作為結果，能增大壓電滑動共振子101具有的比頻帶。
如圖4所示，著眼于分別形成在壓電體102的兩主面上，并且彼此對置的激勵電極103、104彼此的重疊長度L，研究了與它們的重疊長度L和剪切變形面的橫向尺寸Le的比L/Le的變化對應的頻率變位dFosc/Fosc的變化，發現了圖5所示的關系。而且，根據圖5所示的研究結果可知如果激勵電極103、104彼此的重疊長度L和剪切變形面的橫向尺寸Le的比L/Le在0.86以上，1以下的范圍內，即0.86≤L/Le≤1的范圍內，頻率變位dFosc/Fosc幾乎不變化。
因此，只要一側(圖中的上側)的激勵電極103以及另一側(圖中的下側)的激勵電極104相對重疊的長度L和剪切變形面的橫向尺寸Le的比L/Le在0.86以上，1以下的范圍內，則即使激勵電極103、104彼此的重疊長度有變化，壓電滑動共振子101的頻率變化也很小。即當持續維持了這樣的關系時，能抑制壓電滑動共振子101的頻率變化。
另外，本發明的發明者們著眼于壓電滑動共振子101具備的壓電體102的寬度尺寸W即對置的剪切變形面102a彼此的間隔W和剪切變形面102a的縱向尺寸D的比W/D，研究了機電耦合系數k，發現了圖6所示的關系。即根據圖6所示的研究結果可知對置的剪切變形面102a彼此的間隔W和剪切變形面102a的縱向尺寸D的比W/D只要滿足以下關系中的任意一個W/D≤1.2、1.3≤W/D≤1.5、1.7≤W/D≤2.0、2.2≤W/D≤2.5、2.6≤W/D≤3.0，則壓電滑動共振子101具有的機電耦合系數k變大。
(實施例2)圖7是簡要表示實施例2的復合壓電滑動共振子的結構的立體圖，圖8是簡要表示其變形例的立體圖。須指出的是，圖7中的符號111表示實施例2中的復合壓電滑動共振子，圖8中的符號112表示了變形例的復合壓電滑動共振子。
實施例2中的復合壓電滑動共振子111是以實施例1中說明的壓電滑動共振子101作為振動構件113而構成的，并且具有棱柱狀的振動構件113、分別連接了沿著其軸心方向(長度方向)的兩個斷面的反射層114、115、分別連接了這些反射層114、115的外端面的保持構件116、117。而起，在此的振動構件113具有的壓電體102例如由具有3.4×107Kg(m2·s)左右的第一聲阻抗值Z1的陶瓷材料制作，沿著其軸心方向被極化。
另外，連接了該振動構件113的反射層114、115分別由具有比振動構件113具有的第一聲阻抗值Z1低的第二聲阻抗值Z2例如1.87×106Kg(m2·s)左右的第二聲阻抗值Z2的環氧樹脂制作。此時的保持構件116、117分別由例如具有3.4×107Kg(m2·s)左右的第三聲阻抗值Z3即比第二聲阻抗值Z2高的第三聲阻抗值Z3的陶瓷材料制造。
另外，在沿著振動構件13的軸心方向的兩端，分別通過反射層114、115連接了保持構件116、117而形成的復合壓電滑動共振子111的兩個主面上即與壓電體102的剪切變形面102a正交，并且與壓電體102的剪切方向平行的兩個主面上，分別形成了激勵電極118、119。而且，此時的一側(圖中的上側)激勵電極118對于構成復合壓電滑動共振子111的振動構件113、連接了其長度方向的一側(圖中的右側)的反射層114以及保持構件116的上側主面上，一體形成。
另外，另一側(圖中的下側)激勵電極119對于振動構件113、連接了其長度方向的另一側(圖中的左側)的反射層115以及保持構件117的下側主面上，一體形成。須指出的是，在圖7中，激勵電極118、119沒有必要一直形成到保持構件116、117的外端面上，當然可以只在主面上形成。
在這樣構成的復合壓電滑動共振子111中，如果通過夾著振動構件113具有的壓電體102彼此對置的激勵電極118、119外加交流電壓，振動構件113的壓電體102以厚度滑動振動模式振動。而且，該振動構件113產生的振動向反射層114、115傳播，向反射層114、115傳播傳播的振動由反射層114、115和保持構件116、117的界面分別反射。因此，抑制了此時的向保持構件116、117傳播的振動，因為在保持構件116、117不產生伴隨著振動的變位，所以利用這些保持構件116、117，能可靠地址成復合壓電滑動共振子111。
但是，本實施例2的復合壓電滑動共振子111在振動構件113的兩個端面分別連接反射層114、115，并且在這些反射層114、115上分別連接了保持構件116、117。但是，并不僅僅局限于這樣的結構，也可以是圖8所示的復合壓電滑動共振子112，即只在振動構件113的一側(圖中的右側)的端面上連接反射層114，再在反射層114的外端面上連接了保持構件116。須指出的是，在圖8中，對于與圖7相同的零件、部分，采用了相同的符號，省略了在在此的說明。
即在該變形例的復合壓電滑動共振子112中，振動構件113具有聲阻抗值Z1，并且反射層114具有比第一聲阻抗值Z1低的第二聲阻抗值Z2，保持構件116具有比第二聲阻抗值Z2高的第三聲阻抗值Z3。因此，在復合壓電滑動共振子112中，在振動構件113產生的振動由反射層114和保持構件116的界面反射，抑制了對保持構件116的振動的傳播。
(實施例3)圖9是表示實施例3的復合壓電滑動共振子的整體構造的立體圖，圖10是其側視圖。而且，圖11是表示基于復合壓電滑動共振子具有的反射層的長度差的比|Lr1-Lr2|/|Lr1+Lr2|和共振頻率的變化率dFr/Fr的關系的說明圖，圖12是表示基于反射層的長度差的比|Lr1-Lr2|/|Lr1+Lr2|和寄生振蕩的百分比帶寬變化率的關系的說明圖，圖13是表示基于復合壓電滑動共振子具有的保持構件的長度和厚度的比h/T和機電耦合系數k的關系的說明圖。
另外，圖14是表示音速比α為α＝Cs/Cr＝√2時的比h/T和機電耦合系數k的關系的說明圖，圖15是表示音速比α為α＝Cs/Cr＝1/√2時的比h/T和機電耦合系數k的關系的說明圖，圖16是表示基于保持構件的長度差的比|h1-h2|/|h1+h2|和寄生振蕩的百分比帶寬變化率的關系的說明圖。須指出的是，圖9和圖10中的符號1表示了復合壓電滑動共振子。
復合壓電滑動共振子1具有由具有第一聲阻抗值Z1的材料例如具有3.4×107Kg(m2·s)左右的聲阻抗值Z1的鈦酸鉛類陶瓷形成的棱柱狀的壓電體2構成的振動構件3。而且，在使極化方向P與軸心方向(長度方向)一致而進行了極化處理的壓電體2的彼此對置的主面上，分別形成了激勵電極4、5。
即在此的振動構件3分別在激勵滑動模式的壓電體2的主面上形成了激勵電極4、5，如果在夾著壓電體2彼此對置的激勵電極4、5之間外加了交流電壓，則振動構件3以厚度滑動模式振動。須指出的是，振動構件3的長度(距離)由Le表示，其厚度由T表示。
另外，在沿著振動構件3的軸心方向的兩側端面上，分別連接了具有比該振動構件3具有的第一聲阻值Z1低的第二聲阻值Z2例如1.87×106Kg(m2·s)左右的聲阻抗值Z2的環氧樹脂等材料構成的反射層6、7。而且，此時的反射層6、7的長度(距離)彼此不同，反射層6的長度由Lr1表示，反射層7的長度由Lr2表示。
即在此，從振動構件3和一側的反射層6的界面到一側的反射層6和保持構件8(后面描述)的界面的距離為Lr1，比從振動構件3和另一側的反射層7的界面到另一側7的反射層和保持構件9(后面描述)的界面的距離為Lr2。須指出的是，當然，也可以Lr1＝Lr2。
但是，當振動構件3單獨振動時的振動的波長為λ時，反射層6以及反射層7的各自的長度即從振動構件3和反射層6、7的界面到反射層6、7和它們各自連接的保持構件8、9的界面的距離Lr在n·λ/4±λ/8(n為奇數)的范圍內，最好設定在λ/4的附近。須指出的是，由振動構件3產生的振動的波長λ由λ＝1/f×√(E/ρ)表示，f為振動構件3產生的振動的頻率，E為保持構件8、9的楊式模量，ρ為保持構件8、9的密度。
在這些反射層6、7的外側端面即與連接了振動構件3的一側相反一側的端面上，連接了由具有比比第二聲阻抗值Z2高的第三聲阻抗值Z3例如3.4×107Kg(m2·s)左右的聲阻抗值Z3的陶瓷材料構成的保持構件8、9。須指出的是，這些保持構件8、9與反射層6、7相同，具有與振動構件3幾乎相同的厚度T。
而且，此時的保持構件8的長度即從反射層6和保持構件8的界面到保持構件8自身的外端面的距離由h1表示。另外，與反射層7連接的保持構件9的長度即從反射層7和保持構件9的界面到保持構件9自身的外端面的距離用h2表示。須指出的是，當然，也可以h1＝h2。
在該復合壓電滑動共振子1中，因為反射層6、7具有的第二聲阻抗值Z2比振動構件3具有的第一聲阻抗值Z1以及保持構件8、9具有具有的第三聲阻抗值Z3的任意一個都低，所以從振動構件3向反射層6、7傳播而來的振動由反射層6、7和保持構件8、9的界面分別反射。因此，對振動構件3的振動特性不會造成任何不良影響，通過保持構件8、9，能機械地址成復合壓電滑動共振子1。
另外，如果是這樣的結構，就沒必要象以往那樣，在壓電振動部的外側設置具有比較大的面積的振動衰減部。因此，不會象能量封閉型那樣，發生其長度尺寸變長，變大型化，與能量封閉型的壓電滑動共振子相比，能實現小型化。
但是，本發明的發明者們著眼于分別連接了振動構件3的兩側端面的反射層6、7，研究了基于這些反射層6、7的長度Lr1、Lr2的差的比|Lr1-Lr2|/|Lr1+Lr2|與共振頻率的變化率dFr/Fr(％)的關系，發現了其具有圖11所示的關系。即在此的研究課題是調查圖10所示的復合壓電滑動共振子1具有的左右一對的反射層6、7的長度Lr1、Lr2的差對共振頻率Fr產生的影響。
根據圖11所示的研究結果，可知基于連接了振動構件3的兩側端面的反射層6、7各自的長度Lr1、Lr2的差的比|Lr1-Lr2|的范圍只要符合用|Lr1-Lr2|/|Lr1+Lr2|≤0.3表示的關系，共振頻率的變化率dFr/Fr就幾乎為0％，共振頻率Fr幾乎不變化。但是，在本實施例的復合壓電滑動共振子1中，在振動構件3單獨的振動以外，反射層6、7以及保持構件8、9成為一體而共振的振動模式存在于振動構件3的共振頻率的約2倍的位置，但是這是不要的諧振，為了減弱這樣的諧振，最好使反射層6、7各自的長度彼此不同。
而且，此時，如果基于反射層6、7的長度Lr1、Lr2的差的比|Lr1-Lr2|的范圍為0.01≤|Lr1-Lr2|/|Lr1+Lr2|，則如圖12所示，反射層6、7的長度Lr1、Lr2的差越大，越成為所希望的伴隨著反射層6、7以及保持構件8、9的共振而產生的寄生振蕩的百分比帶寬變化率下降的狀態。當采用了具有所述表達式表示的關系的結構時，復合壓電滑動共振子1的頻率變化變小，變穩定了。
另外，著眼于復合壓電滑動共振子1具有的保持構件8、9即分別連接了反射層6、7并且厚度為T的保持構件8、9，研究了在限制這些保持構件8、9的端部的基礎上，使長度h(＝h1＝h2)變化時的比h/T和機電耦合系數k(％)的關系，得到了圖13所示的研究結果。須指出的是，在在此，振動構件3的材料的音速為Cr，保持構件8、9的材料的音速為Cs，保持構件8、9的音速Cs除以振動構件3的音速Cr得到的音速比α為α＝Cs/Cr＝1。
而且，根據此時的研究結果，可知如圖13所示，即使讓保持構件8、9的長度h變化，機電耦合系數k表現極大值的三個范圍即從A到C的范圍也彼此并列存在。即在圖13中的A范圍中，0.1＜h/T＜0.3；在范圍B中，(0.5+1.6×n)＜h/T＜(0.8+1.6×n)；在范圍C中，(1.1+1.6×n)＜h/T＜(1.6+1.6×n)。
須指出的是，在此的n表示振動的波數，用正整數表示。另外，進行這些研究時，h1＝h2，但是，即使在保持構件8、9各自的長度h1、h2不等式(h1≠h2)，只要h1、h2分別在所述的三個范圍內，就能得到同樣的結果。
本發明的發明者們通過研究得知，機電耦合系數k表現極大值的比h/T的范圍與音速α成比例。即當音速比α為α＝Cs/Cr＝√2時，得到圖14所示的研究結果，另外，當α＝Cs/Cr＝1/√2時，得到圖15所示的研究結果。
在此，如果整理機電耦合系數k表現極大值的比h/T的范圍，則一般化為A范圍0.1×α＜h/T＜0.3×αB范圍(0.5+1.6×n)×α＜h/T＜(0.8+1.6×n)×αC范圍(1.1+1.6×n)×α＜h/T＜(1.6+1.6×n)×α因此，如果預先設定復合壓電滑動共振子1具有的保持構件8、9的比h/T，使機電耦合系數k在極大值附近，則該復合壓電滑動共振子1具有的比頻帶增大，變得穩定。而且，當復合壓電滑動共振子1的比頻帶大時，能降低產品質量的偏移，能實現濾波特性的提高。
但是，在本實施例中，復合壓電滑動共振子1具有振動構件3、連接在其兩側的反射層6、7、分別連接了反射層6、7的保持構件8、9，當振動構件3單獨振動時的振動的波長為λ時，從振動構件3和反射層6、7的界面到反射層6、7和各保持構件8、9的界面的距離Lr在n·λ/4±λ/8(n為奇數)的范圍內。另外，此時，當從振動構件3和一側的反射層6的界面到反射層6和保持構件8的界面的距離為Lr1，并且從振動構件3和另一側的反射層7的界面到反射層7和保持構件9的界面的距離為Lr2時，這些距離Lr1、Lr2的差|Lr1-Lr2|的范圍由以下關系表示0.01≤|Lr1-Lr2|/|Lr1+Lr2|≤0.3。
但是，并不局限于本實施例的結構，也能采用具有如下結構的復合壓電滑動共振子1。即與本實施例的復合壓電滑動共振子1同樣，振動構件3和反射層6、7和保持構件8、9一體連接，但是，當振動構件3單獨振動時的振動的波長為λ時，從反射層6、7和保持構件8、9的界面到保持構件8、9自身的外端面的距離h設定在n·λ/4±λ/8(n為奇數)的范圍內，最好為λ/4的附近。
而且，在該復合壓電滑動共振子1中，當從一側的反射層6和一側的保持構件8的界面到保持構件8自身的外端面的長度即距離為h1，并且從另一側的反射層7和另一側的保持構件9的界面到保持構件9自身的外端面的距離為h2時，這些距離h1、h2的差|h1-h2|的范圍具有由0.01≤|h1-h2|/|h1+h2|表示的關系，只要是這樣的結構，與本實施例同樣，共振頻率Fr幾乎不變化。
須指出的是，即使是這樣的復合壓電滑動共振子1，因為反射層6、7以及保持構件8、9成為一體而共振的振動模式存在于振動構件3的共振頻率的約2倍的位置，所以為了減弱這樣不要的諧振，最好使保持構件8、9各自的長度彼此不同。而且，如果把基于保持構件8、9的長度h1、h2的差的比|h1-h2|的范圍設定在0.01≤|h1-h2|/|h1+h2|，則如圖16所示，保持構件8、9的長度h1、h2的差越大，越成為所希望的伴隨著反射層6、7以及保持構件8、9的共振而產生的寄生振蕩的百分比帶寬變化率下降的狀態。
(實施例4)圖17是表示實施例4的復合壓電滑動共振子的整體構造的立體圖，圖18是其等價電路圖，圖19是表示變形例的復合壓電滑動共振子的整體構造的立體圖，圖20是其等價電路圖。須指出的是，圖17和圖18所示的符號11表示復合壓電滑動共振子11，圖19和圖20中的符號21也表示了復合壓電滑動共振子。另外，在圖17～圖20中，對于與圖9～圖16彼此相同的構件以及部分，采用了相同的符號，省略了在此的詳細說明。
實施例4的復合壓電滑動共振子11包括由具有第一聲阻抗值Z1的材料例如具有3.4×107Kg(m2·s)左右的聲阻抗值Z1的鈦酸鉛類陶瓷形成的棱柱狀的壓電體2；分別連接了其軸心方向(長度方向)的兩側端面的左右一對的反射層6、7；連接了這些反射層6、7的各自的外側端面的左右一對的保持構件8、9。而且，在使極化方向P與軸心方向一致而進行了極化處理的壓電體2的彼此對置的主面上，分別形成了激勵電極4、5，形成在壓電體2的上側主面上的激勵電極4延伸到連接了壓電體2的右側端面的反射層7以及保持構件9各自的上側主面上。
另外，形成在壓電體2的下側主面上的激勵電極5延伸到連接了壓電體2的左側端面的反射層6以及保持構件8各自的下側主面上。對于保持構件8的上側主面上和保持構件9的下側主面上，分別形成了端子電極12、13。因此，此時的一側端子電極12隔著保持構件8與激勵電極5相對，在激勵電極5和端子電極12夾著的保持構件8內形成了虛擬電容14。
另外，另一側的端子電極13也通過保持構件9與激勵電極4相對，所以在由保持構件9和激勵電極4夾著的保持構件9內形成了虛擬電容15。即實施例4的復合壓電滑動共振子11中，在通過反射層6、7連接在壓電體2的兩側端面上的保持構件8、9的內部，分別形成了虛擬電容14、15，確保了圖18的等價電路圖所表示的結構即在振動構件3中內置了振蕩電路所必要的負載電容14、15的電路結構。結果，能實現零件數量的削減。
須指出的是，復合壓電滑動共振子11中的壓電體2在其對置的主面形成了激勵電極4、5，所以作為實施例3的振動構件3起作用。因此，如果在激勵電極4、5間外加了交流電壓，則振動構件3以厚度滑動振動模式振動，因為反射層6、7具有的第二聲阻抗值Z2比振動構件3具有的第一聲阻抗值Z1以及保持構件8、9具有的第三聲阻抗值Z3低，所以從振動構件3向反射層6、7傳播而來的振動在反射層6、7和保持構件8、9的界面被反射。
但是，在復合壓電滑動共振子11中，形成在壓電體2的上側主面上的激勵電極4延伸到反射層7以及保持構件9各自的上側主面上，形成在壓電體2的下側主面上的激勵電極5延伸到反射層6以及保持構件8各自的下側主面上，而且，對于保持構件8的上側主面上和保持構件9的下側主面上，分別形成了端子電極12、13。但是，如圖19用作為變形例表示的復合壓電滑動共振子21所示，不形成端子電極12、13，形成在壓電體2的上側主面上的激勵電極4延伸到反射層6、7以及保持構件8的上側主面上，并且形成在壓電體2的下側主面上的激勵電極5延伸到反射層6和保持構件8的下側主面上。
當采用這樣的結構時，因為激勵電極4隔著保持構件8與激勵電極5相對，所以在由激勵電極4、5夾著的保持構件8的內部形成了虛擬電容22。因此，變形例的復合壓電滑動共振子21是圖20的等價電路圖所示的結構即內置了與振動構件3并聯的電容22的電路結構。結果，伴隨著電容22的調整，能使振動構件3的比頻帶變化，能控制振蕩頻率。
(實施例5)圖21是簡要表示實施例5的壓電共振零件的整體構造的分解立體圖，圖21中的符號31表示了壓電共振零件。即本實施例的壓電共振零件31是利用實施例5或實施例4所述的復合壓電滑動共振子1、11、21的任意一個而形成的。
在此的復合壓電滑動共振子32的結構為復合壓電滑動共振子1(11或12)具有的壓電體2的上側主面上形成的激勵電極4從反射層6以及保持構件8的上側主面上延伸到外側端面，并且形成在壓電體2的下側主面上的激勵電極5延伸到反射層7和保持構件9的下側主面上。
而且，復合壓電滑動共振子32搭載在內置了電容的介質襯底即所謂的電容器襯底33上，激勵電極4、5分別通過焊錫接合了電容器襯底33上形成的輸入輸出電極34、35。須指出的是，圖21中的符號37表示了電容器襯底33上形成的接地電極。
另外，搭載在該電容器襯底33上的復合壓電滑動共振子32通過把包圍它而配置的外裝構件的蓋38即用鋁和不銹鋼等導電性材料制造的蓋38由絕緣層粘接材料接合在電容器襯底33上，而被密封起來。因此，復合壓電滑動共振子32被蓋38電磁屏蔽。須指出的是，此時，密封了復合壓電滑動共振子32的蓋38當然具有不阻礙振動的內容積。
發明的效果如上所述，在本發明1的壓電滑動共振子中，剪切變形面的縱橫比Le/D設定為使機電耦合系數k成為極大值附近。因此，能在壓電滑動共振子中利用機電耦合系數k的極大值附近，能增大壓電滑動共振子的比頻帶。結果，降低了產品質量的偏移，并且能實現共振特性的提高。
在本發明2的壓電滑動共振子中，剪切變形面的縱橫比Le/D由Le/D＝{α·(S44E/S33E)1/2+β}±0.3(但是，S44E和S33E為彈性柔量，α＝0.27·n+0.45，β＝1.09·n+0.31，n為正整數)表示。當在壓電體中適用基于這樣的關系的縱橫比Le/D時，能容易地在壓電滑動共振子中利用機電耦合系數k的極大值附近，作為結果，能增大壓電滑動共振子的比頻帶。
在本發明3的壓電滑動共振子中，形成在壓電體的主面上的彼此對置的激勵電極彼此重疊的長度L和剪切變形面的橫向尺寸Le的比L/Le由0.86≤L/Le≤1表示。而且，只要具有這樣的關系，即使激勵電極彼此重疊的長度L變化，頻率變位dFosc/Fosc也幾乎不變化，所以能抑制壓電滑動共振子的頻率變化。
在本發明4的壓電滑動共振子中，剪切變形面彼此的間隔W和剪切變形面的縱向尺寸D的比W/D由以下的表達式中的任意一個表示W/D≤1.2、1.3≤W/D≤1.5、1.7≤W/D≤2.0、2.2≤W/D≤2.5、2.6≤W/D≤3.0。如果是這樣的關系，因為壓電滑動共振子具有的機電耦合系數k增大，所以能使壓電滑動共振子的比頻帶更大。
本發明5的復合壓電滑動共振子在由壓電滑動共振子構成的振動構件上連接反射層，并且，在該反射層上連接了保持構件，反射層具有的聲阻抗值Z2比振動構件以及保持構件具有的聲阻抗值Z1、Z3低。因此，從振動構件向反射層傳播而來的振動由反射層和保持構件的界面反射。
即如果是這樣構成的復合壓電滑動共振子，對振動構件的振動特性就不會產生影響，通過利用保持構件，能支撐復合壓電滑動共振子。因此，與能量封閉型的相比，不但其比頻帶增大，而且能實現小型化。
如果是本發明6的復合壓電滑動共振子，因為反射層具有的第二聲阻抗值Z2比振動構件3具有的第一聲阻抗值Z1以及保持構件具有的第三聲阻抗值Z3的任意一個都小，所以從振動構件向反射層傳播而來的振動由反射層和保持構件的界面分別反射。因此，對振動構件的振動特性不會造成任何不良影響，能通過保持構件機械地支撐復合壓電滑動共振子，能使它的全體結構小型化。
另外，在本發明6中，當振動構件單獨振動時的振動的波長為λ時，從振動構件和反射層的界面到該反射層和保持構件的界面的距離Lr在n·λ/4±λ/8(n為奇數)的范圍內，另外，當從振動構件和一側的反射層的界面到該反射層和保持構件的界面的距離為Lr1，并且從振動構件和另一側的反射層的界面到該反射層和保持構件的界面的距離為Lr2時，這些距離Lr1、Lr2的差|Lr1-Lr2|的范圍由以下關系表示0.01≤|Lr1-Lr2|/|Lr1+Lr2|≤0.3。如果是這樣的結構，因為共振頻率幾乎不變化，所以復合壓電滑動共振子的頻率變化小，變得穩定。
在本發明7的復合壓電滑動共振子中，當振動構件單獨振動時的振動的波長為λ時，從反射層和保持構件的界面到該保持構件自身的外端面的距離h在n·λ/4±λ/8(n為奇數)的范圍內，另外，從一側的反射層和一側的保持構件的界面到該保持構件自身的外端面的距離為h1，并且從另一側的反射層和另一側的保持構件的界面到該保持構件自身的外端面的距離為h2，這些距離h1、h2的差|h1-h2|的范圍由以下關系表示0.01≤|h1-h2|/|h1+h2|。如果是這樣的結構，共振頻率幾乎不變化，復合壓電滑動共振子的頻率變化小，變得穩定。
在本發明8的復合壓電滑動共振子中，當保持構件具有與振動構件幾乎相同的厚度T，并且反射層和保持構件的界面到該保持構件的外端面的距離為h時，h/T的范圍由以下的關系表示(1)0.1×α＜h/T＜0.3×α(2)(0.5+1.6×n)×α＜h/T＜(0.8+1.6×n)×α(3)(1.1+1.6×n)×α＜h/T＜(1.6+1.6×n)×α(但是，音速比α是保持構件的音速Cs除以振動構件的Cr得到的值(α＝Cs/Cr)，n為正整數)。在此，如果預先設定復合壓電滑動共振子具有的保持構件的比h/T，使機電耦合系數k變為極大值附近，則該復合壓電滑動共振子比頻帶增大。結果，能降低復合壓電滑動共振子的產品質量的偏移，能實現濾波特性的提高。
在本發明8的復合壓電滑動共振子中，在該保持構件中形成有電容。因此，該復合壓電滑動共振子具有在振動構件中內置了振蕩電路所必要的負載電容的電路結構，其結果是確保了能實現零件數量削減的效果。
本發明10的壓電共振零件其特征在于在內置有電容的襯底上，搭載復合壓電滑動共振子，并且，用接合在襯底上的外裝構件包圍、密封了該復合壓電滑動共振子。即，如果是這樣的結構，則能極容易地制作很難產生與復合壓電滑動共振子的電連接不良的具有電容器襯底壓電共振零件，通過電容器襯底的輸入輸出電極，確保高效地進行向印刷電路板等的安裝。
權利要求
1.一種壓電滑動共振子，其特征在于具有激勵滑動振動模式的棱柱狀的壓電體，其矩形的剪切變形面具有使機電耦合系數k位于極大值附近的縱橫比。
2.根據權利要求1所述的壓電滑動共振子，其特征在于當所述剪切變形面的縱向尺寸為D，其橫向尺寸為Le時的縱橫比Le/D由Le/D＝{α·(S44E/S33E)1/2+β}±0.3來表示；式中，S44E和S33E為彈性柔量；α＝0.27·n+0.45；β＝1.09·n+0.31；n為正整數。
3.根據權利要求1或2所述的壓電滑動共振子，其特征在于在與所述剪切變形面正交，并且與所述壓電體的剪切方向平行的兩主面上形成有激勵電極；這些對置的激勵電極彼此互相重疊的長度L和所述剪切變形面的橫向尺寸Le的比L/Le由0.86≤L/Le≤1來表示。
4.根據權利要求1或2所述的壓電滑動共振子，其特征在于相互對置的所述剪切變形面彼此的間隔W和所述剪切變形面的縱向尺寸D的比W/D由(1)W/D≤1.2(2)1.3≤W/D≤1.5(3)1.7≤W/D≤2.0(4)2.2≤W/D≤2.5(5)2.6≤W/D≤3.0。中的任意一個來表示
5.一種復合壓電滑動共振子，以權利要求1或2所述的壓電滑動共振子為振動構件，其特征在于包括聲阻抗為Z1的振動構件；具有比第一聲阻抗值Z1還低的第二聲阻抗值Z2，并連接了所述振動構件的反射層；具有比第二聲阻抗值Z2還高的第三聲阻抗值Z3，并連接了所述反射層的保持構件；在所述反射層和所述保持構件的界面上反射從所述振動構件向所述反射層傳播來的振動。
6.一種復合壓電滑動共振子，包括由具有第一聲阻抗值Z1的材料構成，并且在激勵滑動模式的壓電體的互相對置的主面上分別形成有激勵電極的振動構件；由具有比所述第一聲阻抗值Z1還低的第二聲阻抗值Z2的材料構成，并且分別連接了所述振動構件的兩側的反射層；由具有比所述第二聲阻抗值Z2還高的第三聲阻抗值Z3的材料構成，并且連接在與所述反射層的連接了振動構件的一側相反的一側上的保持構件；在所述反射層和所述保持構件的界面上，反射從所述振動構件向所述反射層傳播來的振動；其特征在于當所述振動構件單獨振動時的振動的波長為λ時，從所述振動構件和所述反射層的界面到該反射層和所述保持構件的界面的距離Lr在n·λ/4±λ/8的范圍內，其中n為奇數；另外，當從所述振動構件和一側的所述反射層的界面到該反射層和所述保持構件的界面的距離為Lr1，并且從所述振動構件和另一側的所述反射層的界面到該反射層和所述保持構件的界面的距離為Lr2時，這些距離Lr1、Lr2的差|Lr1-Lr2|的范圍由0.01≤|Lr1-Lr2|/(Lr1+Lr2)≤0.3來表示。
7.根據權利要求6所述的復合壓電滑動共振子，包括由具有第一聲阻抗值Z1的材料構成，并且在激勵滑動模式的壓電體的互相對置的主面上分別形成有激勵電極的振動構件；由具有比所述第一聲阻抗值Z1還低的第二聲阻抗值Z2的材料構成，并且分別連接了所述振動構件的兩側的反射層；由具有比所述第二聲阻抗值Z2還高的第三聲阻抗值Z3的材料構成，并且連接在與所述反射層的連接了振動構件的一側相反的一側上的保持構件；在所述反射層和所述保持構件的界面上，反射從所述振動構件向所述反射層傳播來的振動，其特征在于當所述振動構件單獨振動時的振動的波長為λ時，從所述反射層和所述保持構件的界面到該保持構件自身的外端面的距離h在n·λ/4±λ/8的范圍內，其中n為奇數；另外，從一側的所述反射層和一側的所述保持構件的界面到該保持構件自身的外端面的距離為h1，并且從另一側的所述反射層和另一側的所述保持構件的界面到該保持構件自身的外端面的距離為h2時，這些距離h1、h2的差|h1-h2|的范圍由0.01≤|h1-h2|/(h1+h2)。來表示。
8.根據權利要求6或7所述的復合壓電滑動共振子，其特征在于當所述保持構件具有與所述振動構件幾乎相同的厚度T，并且從所述反射層和所述保持構件的界面到該保持構件的外端面的距離為h時，h/T的范圍由(1)0.1×α＜h/T＜0.3×α(2)(0.5+1.6×n)×α＜h/T＜(0.8+1.6×n)×α(3)(1.1+1.6×n)×α＜h/T＜(1.6+1.6×n)×α來表示；但是，音速比α是保持構件的音速Cs除以振動構件的Cr得到的值α＝Cs/Cr，n為正整數。
9.根據權利要求6或7所述的復合壓電滑動共振子，其特征在于在保持構件上形成有電容。
10.一種壓電共振零件，利用權利要求6或7所述的復合壓電滑動共振子而構成，其特征在于在內置有電容的襯底上搭載復合壓電滑動共振子，并且用接合在所述襯底上的外裝構件來包圍、密封了該復合壓電滑動共振子。
全文摘要
本發明公開了一種壓電滑動共振子(101)，它具有激勵滑動振動模式的棱柱狀的壓電體(102)，其對置的矩形剪切變形面(102a)具有使機電耦合系數k位于極大值附近的縱橫比。而且，該壓電滑動共振子(101)當剪切變形面(102a)的縱向尺寸為D，其橫向尺寸為Le時的縱橫比Le/D由Le/D＝{α·(S
文檔編號H03H9/00GK1424819SQ0215482
公開日2003年6月18日 申請日期2002年12月2日 優先權日2001年12月4日
發明者三谷彰宏, 開田弘明 申請人:株式會社村田制作所