專利名稱：壓電裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種壓電裝置，本發(fā)明尤其涉及一種能夠使用例如厚度延伸三次諧波振動的能量陷阱型壓電裝置。
傳統(tǒng)上一直來推薦能量陷阱壓電裝置，每一種都具有一對形成在壓電基片的兩個表面上的能量陷阱振動電極，用于激勵厚度延伸三次諧波振動。對于相同的材料，厚度延伸三次諧波振動具有比基波大3倍左右的頻率常數(shù)。
相應地，對于可以使用基波工作的壓電裝置，考慮到壓電基片強度的限制，中心頻率的上限是大約15MHz。另一方面，能夠使用三次諧波的壓電裝置的中心頻率中的上限是大約30到40MHz。即，壓電裝置可以應用于更高的頻率范圍。
但是，對于能夠激勵厚度延伸三次諧波振動的能量陷阱壓電裝置，最適宜的電極結構根據材料的類型而不同。即，必須為每一種材料類型確定最適宜的電極尺寸。特別地，熟知在能量陷阱壓電裝置中，被稱為非諧波的寄生振動的諧振頻率出現(xiàn)在主振動的諧振頻率附近。當電極尺寸，即能量陷阱范圍小時，非諧波不被激勵。不激勵非諧波的電極尺寸范圍中的最大值依賴于材料的類型。相應地，必須為每一種材料類型確定最大電極尺寸。無定向鉍層結構化合物型陶瓷材料具有極好的熱穩(wěn)定性。因此，可望實現(xiàn)高性能壓電裝置。但是，對于能夠激勵厚度延伸三次諧波振動的能量陷阱壓電裝置來說，還未發(fā)現(xiàn)不被激勵非諧波的電極尺寸范圍中的最大值。
相應地，本發(fā)明的一個目的是提供一種壓電裝置，通過這種壓電裝置，可以實現(xiàn)具有極好的熱穩(wěn)定性的高性能振蕩器。
為了達到上述目的，根據本發(fā)明，提供了一種壓電裝置，它包含含有Sr,Bi,Nb，和O作為主成份的壓電基片，以及至少一對形成在壓電基片的兩個表面上互相相對的振動電極，它們可以用于激勵能量陷阱范圍內的厚度延伸三次諧波，該能量陷阱范圍是通過將形成在壓電基片的兩個表面上的電極相對層疊而確定的，L/t的值小于9，其中L表示平行于振動電極的直線與能量陷阱范圍的外圍交叉的點之間的最大距離，t表示振動電極之間的距離。
較好地，在壓電裝置中將SrBi2Nb2O9用作主成份。
含有Sr,Bi,Nb，和O作為主成份的壓電材料如SrBi2Nb2O9是熱穩(wěn)定的。如果將這種材料用于制造能夠激勵厚度延伸三次諧波振動的壓電裝置，將值L/t設置得小于9，可以避免非諧波的重疊，并且可以實現(xiàn)良好的能量陷阱。
這里，如果能量陷阱范圍的平面形狀是圓形的，則標號L表示圓的直徑。如果形狀是橢圓的，則L表示其長軸。如果形狀是矩形或方形的，則L表示對角線的長度。另外，使用含有Ca,Bi,Ti，和O作為主成份的壓電材料，以及含有Sr,Bi,Ti，和O作為主成份的壓電材料。


圖1說明了本發(fā)明的壓電裝置的一個例子；圖2說明了圖1的壓電裝置的側面；圖3說明了用于估計壓電裝置的電路圖；圖4是示出能量陷阱范圍直徑為3.6mm的阻抗的頻率特性的曲線圖；圖5是示出例子1的壓電裝置中在不同L/t值時的電阻的峰值-谷值比；圖6說明了本發(fā)明的壓電裝置的另外一個例子；圖7是示出例子2中在能量陷阱范圍直徑為3.6mm時阻抗的峰值-谷值比；圖8是例子2的壓電裝置在不同L/t值時的阻抗的峰值-谷值的比的曲線圖；圖9是例子3中的能量陷阱范圍直徑為3.6mm時阻抗的頻率特性的曲線圖；圖10是例子3的壓電裝置在不同L/t值時阻抗的峰值-谷值比的曲線圖。
圖1說明了本發(fā)明的壓電裝置的一個例子。圖2說明了壓電裝置的側面。壓電裝置10包含壓電基片12。壓電基片12由含有Sr,Bi,Nb，和O作為主成份的壓電陶瓷材料形成。將例如含有SrBi2Nb2O9作為主成份的材料用作壓電材料。在壓電基片12的兩個表面的大致中心形成圓形的振動電極14和16,互相相對。振動電極14和16被引出至壓電基片12的相對的端部。形成振動電極14和16，以便具有基本上相等的直徑。壓電基片12沿著從振動電極16側到振動電極14側的方向極化。不需要說明，壓電基片12可以沿振動電極14側到振動電極16側極化。
這種壓電裝置10用作能陷型壓電裝置。位于振動電極14和16之間，并通過重疊振動電極14和16確定的壓電裝置10的部分構成能量陷阱范圍。這里，平行于振動電極14和16的直線與能量陷阱范圍的外圍交叉的點之間的最大距離L，即，圖1的壓電裝置10中的振動電極14和16中的每一個的圓形部分的直徑L，并且振動電極14和16之間的距離t按照如此方式設置，從而值L/t小于9。
可以將由含有Sr,Bi,Nb，和O作為主成份的壓電材料(諸如SrBi2Nb2O9等)形成的壓電裝置10用作具有高熱穩(wěn)定性的高性能振蕩器。另外，可以防止L/t的值小于9的壓電裝置激勵非諧波。
例子1首先，制備SrCO3,Bi2O3,Nb2O5，和MnCO3作為起始材料。這些原材料被稱重和混合，以產生SrBi2Nb2O9+1wt.％MnCO3的合成物?；旌系姆勰┰?00到1000攝氏度下煅燒。加入適量的有機粘結劑，并用球磨機進行濕研磨4小時。通過使粉末通過40網眼篩調節(jié)微粒尺寸。
微粒尺寸經過調節(jié)的原材料在1000kg/cm2的壓力下模制為矩形生片，尺寸為30mm×20mm×1.0mm厚，并且在大氣中在1250到1300攝氏度下進行燒制1至5小時，以生產具有矩形生片形狀的瓷品。對瓷品進行切割和拋光，以形成5mm×5mm×0.4mm厚的矩形生片。將矩形生片沿厚度方向極化。另外，如圖3中所示，通過在兩個主表面上進行氣相沉積形成銀電極。由此，形成具有如圖1和2所示的結構的壓電裝置。形成的瓷品基片的厚度是0.4mm。相應地，形成在兩個主表面上的振動電極之間的距離是0.4mm。在得到的壓電裝置中，能量陷阱范圍的直徑，即，每一個振動電極的圓形部分的直徑設置在1.0到5.2mm的范圍內。
為了估計所述壓電裝置對三次諧波的能量陷阱性能，如圖4所示，連接阻抗分析器20，并且測量阻抗的頻率特性。圖4是示出電極直徑為3.6mm時的阻抗-頻率特性的曲線圖。在這種情況下，L是3.6，而t是0.4mm，即，值L/t的值是9?？梢?，在壓電裝置中，非諧波重疊在主振動的諧振頻率上。
圖5示出L/t的值與主振動與非諧波的峰值-谷值比值(諧振阻抗和反諧振阻抗的比值)之間的關系。如圖5所示，當L/t的值為9或更高時，非諧波重疊。當將壓電裝置用作振蕩器時，非諧波引起異常振蕩，振蕩終止等。另外，當將壓電裝置用作濾波器時，非諧波引起一個問題，即，衰減減小等。
如上所述，關于具有至少一對形成在壓電基片(該壓電基片包含諸如鉍層結構混合物型材料的SrBi2Nb2O9之類的含有Sr,Bi,Nb，和O作為主成份的材料，)的兩個相對的表面上的能量陷阱振動電極，并激勵厚度延伸三次諧波的壓電裝置，可以通過將電極的尺寸設置得具有小于9的L/t的值，用于具有極好的熱阻的高性能壓電諧振器中。
在圖1的壓電裝置中，能量陷阱電極具有圓形形狀。形狀可以是橢圓的，或可以是正方形的、長方形的或其它多邊形的。在這些情況下，L表示最長部分的長度。即，在這些形狀中，標號L分別表示最長部分放大長度。在橢圓中，L表示長軸的長度。在正方形或長方形中，L表示對角線的長度。另外，包含引出部分的電極可以具有如圖6所示的長方形。在這種情況下，由相互重疊的電極14和16確定的裝置的部分構成能量陷阱范圍。
在上述例子中，使用所是含有SrBi2Nb2O9作為主成份的合成物的材料，其中加入Mn?？梢允褂眠@種加入Si和W的材料。這種材料是能夠得到的，在Sr和N的一部分中，構成其它元素。但是，為了改進陶瓷的燒制特性，可以將諸如玻璃成份之類的輔助劑加入到含有Sr,Bi,Nb，和O作為主成份的合成物中。
用于壓電裝置的壓電材料的主成份在這個例子中是SrBi2Nb2O9。但是，元素量的比與上述合成物有某種程度的差別，假設主成份主要取SrBi2Nb2O9的晶體結構，這不背離本發(fā)明的范圍。還是在這種情況下，可以得到本發(fā)明的優(yōu)點。
在本發(fā)明中，至少一對振動電極形成在壓電基片的兩個表面上，互相相對。但是，不必將電極設置在整個裝置的最外面的部分上。例如，壓電層可以沿厚度方向形成在振動電極的外側。但是，較好的，振動電極或外部電極，即，電極形成在整個裝置的最外面部分上，而沒有設置在電極外側上的壓電層。特別地，在將壓電裝置用于振蕩器或濾波器的情況下，必須將諧振頻率調節(jié)到所要的值。壓電裝置的諧振頻率依賴于構成壓電裝置的壓電材料，電極的類型、裝置的厚度等。在許多情況下，為了最后的調節(jié)，使用將涂敷材料等施于振動電極上，并干燥以為振動電極提供慣性負載的方法。因此，當振動電極是外部電極，并暴露于裝置的外側時，上述用于調節(jié)諧振頻率的技術可以被容易地應用。另外，類似地，還有一些對于寄生振動的抑制的情況，通過應用涂敷材料等將質量負載提供到振動電極上。較好地，振動電極形成為外部電極。如上所述，如果最外部振動電極是外部電極，可以在振動電極上采取各種動作。
通過使用本發(fā)明的壓電裝置，可以提供具有極好的熱阻的高性能諧振器。
例子2首先，制備SrCO3、Bi2O3,TiO2，和MnCO3作為起始材料。這些原材料被稱重，并混合，以產生SrBi4Ti4O15+1wt.％MnCO3。將混合的粉末在800到1000攝氏度下煅燒。此后，加入適量的有機粘結劑，并由球磨機濕研磨4小時。通過使粉末通過40網眼篩調節(jié)微粒尺寸。
其微粒尺寸經過調節(jié)的原材料在1000kg/cm2的壓力下調節(jié)為尺寸為40mm×25mm×1.2mm厚的長方形生片，并在大氣中在1150到1300攝氏度的溫度下燒制1到5小時，制成矩形片狀的瓷品。對瓷品進行切割和拋光，以形成5mm×5mm×0.4mm厚的瓷品。沿厚度方向極化正方形生片。另外，如圖3所示，通過在兩個主表面上氣相沉淀形成銀電極。由此，形成具有如圖1和2說明的結構的壓電裝置。在制造的壓電裝置中，能量陷阱范圍的直徑，即，每一個振動電極的圓形部分的直徑設置在1.0到5.2mm的范圍內。
為了估計壓電裝置對三次諧波的能量陷阱性能，如圖3所示，連接阻抗分析器20，并且測量阻抗的頻率特性。圖7是曲線圖，示出在電極直徑為3.6時的阻抗頻率特性。在這種情況下，L是3.6mm,t是0.4mm，即值L/t的值是9?？梢?，在壓電裝置中，將非諧波重疊在主振動的諧振頻率上。
圖8示出了L/t的值與主振動和反諧振的峰值-谷值比(諧振阻抗與反諧振阻抗的比值)的關系。如圖8所示，當L/t的值更高時，非諧波被重疊。如果將壓電裝置用作振蕩器，則非諧波將引起異常振蕩、振蕩的終止等等。另外，如果將壓電裝置用作濾波器，則非諧波引起一個問題，即衰減減小等。
如上所述，具有至少一對形成在壓電基片(該壓電基片包含含有鉍層結構混合物型材料的SrBi4Ti4O15作為主成份的材料)的兩個相對表面上的能量陷阱振動電極，并且激勵厚度延伸三次諧波的壓電裝置，通過將電極的尺寸設置得L/t值小于9，可以用于具有極好的熱阻的高性能壓電諧振器。
使用加入Mn的含有SrBi4Ti4O15作為主成份的合成物?？梢允褂眠@種材料，其中加入了Si和W。另外，這種材料是能夠得到的，其中在一部分Sr和Ti位置上，其它元素被替代了。另外，為了改進陶瓷的燒結特性，可以將諸如玻璃成份之類的輔助劑加入含有SrBi4Ti4O15作為主成份的合成物中。
用于這個例子的壓電裝置的壓電材料的主成份包含Sr,Bi,Ti，和O,并且是例如SrBi4Ti4O15。但是，元素量的比值可以與上述合成物有某些程度不同，假設混合物基本上取SrBi4Ti4O15的晶體結構，并不背離本發(fā)明的范圍。還有，在這種情況下，可以達到本發(fā)明的優(yōu)點。
例子3例如，制備CaCO3、Bi2O3、TiO2和MnCO3作為起始材料。這些原材料被稱量，并混合，以便生產合成物CaBi4Ti4O15+1wt.％MnCO3。在800到1000攝氏度煅燒混合的粉末。此后，加入適量的有機粘結劑，并且用球磨機濕研磨4小時。通過使粉末通過40網眼篩調節(jié)微粒尺寸。
將微粒尺寸結果調節(jié)的原材料在1000kg/cm2的壓力下模制成長方形生片，其尺寸為40mm×30mm×1.0mm厚度，并且在大氣下，在1100到1300攝氏度下燒制1到5小時，以產生具有長方形生片形狀的瓷品。瓷品被切割并拋光，形成正方形生片，尺寸為5.5mm×5.5mm×0.4mm厚。正方形生片沿厚度方向極化。另外，通過如圖3所示，在兩個主表面上進行氣相沉淀形成銀電極。由此，形成具有如圖1和2所說明的結構的壓電裝置。在產生的壓電裝置中，能量陷阱范圍的直徑，即每一個振動電極的圓形部分的直徑設置在1.0到5.2mm的范圍內。
為了估計壓電裝置對三次諧波的能量陷阱性能，如圖3所示連接一阻抗分析器20，并且測量阻抗的頻率特性。圖9是曲線圖，示出電極直徑為3.6mm時阻抗頻率特性。在這種情況下，L是3.6mm，而t是0.4mm，即，L/t的值是9。可見，在壓電裝置中，非諧波重疊在主振動的諧振頻率上。
圖10示出了L/t的值與主振動和非諧波的峰值-谷值比(諧振阻抗與反諧振阻抗比值)的關系。如圖10所示，當L/t的值是9以及更高時，非諧波重疊。如果將壓電裝置用于振蕩器，則非諧波可能引起異常振蕩、振蕩終止等。另外，如果將壓電裝置用于濾波器，則非諧波引起衰減減小等問題。
如上所述，具有至少一對形成在包含鉍層結構混合物型材料的含有CaBi4Ti4O15作為主成份的材料的壓電基片的兩個表面上的相對的能量陷阱振動電極，并且激勵厚度延伸三次諧波的壓電裝置，通過將電極的尺寸設置得L/t的值小于9而用于具有極好的熱阻的高性能壓電諧振器。
使用加入Mn的含有CaBi2Ti4O15的合成物。可以使用這種加入例如Si和W的材料。另外，可以使用在一部分Ca和Ti位置其它元素被替代的材料。另外，加入諸如玻璃成份之類的輔助劑(以改進陶瓷的燒結特性)的含有CaBi2Ti4O15作為主成份的合成物是可以得到的。
用于根據本發(fā)明的壓電裝置中的壓電材料的主成份包含Ca,Bi,Ti，和O，并且是例如Ca2Bi4Ti4O15。但是，元素的量的比可以與上述合成物不同，假設材料基本上取晶體結構的CaBi4Ti4O15，這不背離本發(fā)明的范圍。在這種情況下，仍可以得到本發(fā)明的優(yōu)點。
權利要求
1．一種壓電裝置，其特征在于包含含有壓電材料的壓電基片，所述壓電材料含有Sr、Bi、Nb和O作為主要成份，及至少一對相對地形成在壓電基片的兩個表面上的振動電極，能夠激勵能量陷阱范圍內的厚度延伸三次諧波，所述能量陷阱范圍由重疊形成在所述壓電基片的兩個表面上的相對的電極確定，L/t值小于9，其中L表示平行于振動電極的直線與所述能量陷阱范圍的外圍交叉的點之間的最大距離，而t表示所述振動電極之間的距離。
2．如權利要求1所述的壓電裝置，其特征在于壓電材料的主成份是SrBi2Nb2O9。
3．一種壓電裝置，其特征在于包含含有壓電材料的壓電基片，所述壓電材料含有Sr,Bi,Ti和O作為主成份，及至少一對相對地形成在壓電基片的兩個表面上的振動電極，能夠激勵在能量陷阱范圍內的厚度延伸三次諧波，其中所述能量陷阱范圍由重疊形成在所述壓電基片的兩個表面上的相對的電極確定，L/t值小于9，其中L表示平行于振動電極的直線與能量陷阱范圍的外圍交叉的點之間的最大距離，t表示振動電極之間的距離。
4．如權利要求3所述的壓電裝置，其特征在于壓電材料的主成份是SrBi4Ti4O15。
5．一種壓電裝置，其特征在于包含含有壓電材料的壓電基片，所述壓電材料含有Ca,Bi,Ti和O作為主成份，及至少一對相對地形成在所述壓電基片的兩個表面上的振動電極，能夠激勵能量陷阱范圍內的厚度延伸三次諧波，所述能量陷阱范圍由重疊形成在壓電基片的兩個表面上的相對的電極確定，L/t值小于9，其中L表示平行于所述振動電極的直線與能量陷阱范圍的外圍交叉的點之間的最大距離，t表示所述振動電極之間的距離。
6．如權利要求5所述的壓電裝置，其特征在于壓電材料的主成份是CaBi4Ti4O15。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠激勵厚度延伸三次諧波振動的壓電裝置,它能夠實現(xiàn)具有極好熱穩(wěn)定性的高性能振蕩器。這種壓電裝置包含壓電基片。壓電基片由含有Sr,Bi,Nb和0作為主成份的壓電材料形成。振動電極形成在壓電基片的兩個表面上。在振動電極之間,并由重疊的振動電極確定的位于電極之間的范圍構成能量陷阱范圍。將L/t值設置得小于9,其中,L表示平行于振動電極的直線與能量陷阱范圍的外圍交叉的點之間的最大距離,t表示振動電極之間的距離。
文檔編號H03H9/15GK1289181SQ0012885
公開日2001年3月28日 申請日期2000年9月22日 優(yōu)先權日1999年9月22日
發(fā)明者澤田拓也, 木村雅彥, 安藤陽 申請人:株式會社村田制作所