压电元件 本发明涉及一种压电元件，尤其涉及一种用于诸如数据处理和通信之类的技术领域，并用作谐振器、滤波器等等的压电元件。
压电元件包含，例如，由压电陶瓷制成的压电元件，这种适合以正方形振动模式或厚度振动模式振动的压电元件被广泛地使用。
图10示出适合以正方形振动模式振动的压电元件1。压电元件1包含矩形板状的压电元件2，并且在压电元件2的主表面上形成电极3和4。
压电元件2沿箭头5指出的方向极化，通过端子6和7在电极3和4之间施加电场，激励正方形振动。
图11示出压电元件8，它利用未加强振动模式。压电元件8包含薄板状压电元件9，将电极10和11配置在压电元件9的主表面上。
压电元件9沿由箭头12所示的方向极化，通过端子13和14在电极10和11之间施加电场，激励未加强模式的纵向振动。
图12示出压电元件15，它利用加强振动模式。压电元件15包含薄板状或杆状的压电元件16，电极17和18配置在压电元件16的主表面上。
压电元件16沿箭头19所示的方向极化，通过端子20和21在电极17和18之间施加电场，激励加强模式的纵向振动。
但是，分别示于图10、图11和图12中的压电元件1、8和15具有下面的缺点。
首先，示于图10中的压电元件1比较大，使结合了这种元件1的电路或装置不能制得较小。例如，当将压电元件1用作445kHz无线电中的AM中频滤波器时，压电元件2必需是大约5mm×5mm的正方形板状的压电元件，这对结合了它地电子电路或装置的小型化，造成相当大的障碍。
另外，在图11所示的压电元件8的情况下，当压电元件9制成长度约为4mm的薄板状，以使压电元件8较小时，则无法得到较大的滤波器通带。
另外，在图12所示的压电元件15中，当压电元件16，例如为长度约4mm的细杆状，以使压电元件15较小时，则阻抗过大，并且不容易和结合了元件15的电路的阻抗匹配。
相应地，为了克服上述问题，本发明的较佳实施例提供一种具有小尺寸，容易和电路阻抗匹配，并具有高性能的压电元件。
本发明的较佳实施例提供了一种压电元件，包含：板状或杆状压电元件；以及至少一个叉指电极，这种叉指电极包含两个梳形电极，并配置在所述压电元件的至少一个表面上；其中通过在所述两个梳形电极之间施加电场，使所述压电元件极化或调整，并且所述压电元件通过在所述两个梳形电极之间施加电场，适合以加强模式振动。
根据上述结构和安排，由于压电元件以加强模式振动，由此沿其纵向扩展和收缩，本发明的较佳实施例的压电元件可制成小尺寸，结合这种元件的电子装置尺寸非常小，还能够容易地和电路匹配，并在用作例如滤波器等时可得到较宽的通带。
在上述压电元件中，叉指电极最好分别配置在所述压电元件的至少两个表面上。所述压电元件的两个表面最好是大致上相互平行的。
根据上述结构和安排，可更为有效地极化和调整压电元件，另外可更为有效地激励它。此外，当叉指电极配置在压电元件的两个表面上以大致上相互平行时，形成叉指电极比将叉指电极配置在不平行的两个表面上时更容易。另外，在形成叉指电极前更容易对这种表面进行抛光。
在上述压电元件中，构成配置在所述压电元件的两个表面中的一个表面上的所述叉指电极的一个所述梳形电极最好电气连接到构成配置在所述压电元件的所述两个表面中的另一个表面上的叉指电极的另一个所述梳形电极。
根据上述结构和安排，可更为有效地激励压电元件。
在上述压电元件中，其上配置有所述叉指电极的所述压电元件的一个所述表面最好是抛光的表面。
根据上述结构和安排，抛光的表面是平滑的，使之可能有效地使用光刻，以形成叉指电极。
在上述压电元件中，所述叉指电极的所述梳形电极的两个电极指之间的距离可以不同于所述叉指电极的所述梳形电极的其它两个电极指之间的距离。在这种情况下，位于所述压电元件的中心部分的所述叉指电极的所述梳形电极的两个电极指之间的距离最好大于位于所述压电元件的端部的所述叉指电极的所述梳形电极的其它两个电极指之间的距离。
根据上述结构和安排，电极指之间的距离较大的部分具有较高的阻抗，机电耦合系数相应改善，电极指之间的距离较小的部分有助于防止压电元件的阻抗增加。当电极指之间的距离在压电元件的中心部分处制得较大，而在压电元件的端部处制得较小时，则在中心部分的极化水平增加，成为显著地影响机电耦合系数的部分，由此进一步提高了机电耦合系数，并得到更大的效力。
从下面参照附图对本发明的描述，本发明的其它特点和优点将是显然的。
图1是根据本发明的第一较佳实施例的压电元件22的透视图。
图2是图1中所示的压电元件22的纵截面图。
图3是根据本发明的第二较佳实施例的压电元件36的透视图。
图4是图3所示的压电元件36的纵截面图。
图5是根据本发明的第三较佳实施例的压电元件56的纵截面图。
图6是图5所示的压电元件56的纵截面图。
图7是根据本发明的第四较佳实施例的压电元件36a的透视图。
图8是根据本发明的第五较佳实施例的压电元件56a的透视图。
图9示出第一较佳实施例中，以及比较例子2和3中，接近谐振频率时端子之间的阻抗-频率特性图，它们是在所完成的实验中评估的，以确认本发明较佳实施例的效果。
图10是传统的压电元件1的透视图，它利用本发明感兴趣的正方形振动。
图11是传统的压电元件8的透视图，它利用本发明感兴趣的未加强振动模式；及
图12是传统的压电元件15的透视图，它利用本发明感兴趣的加强振动模式。
图1和图2示出根据本发明的第一较佳实施例的压电元件22，图1是透视图，图2是纵截面图。
压电元件22最好包含例如由压电陶瓷制成的长板状的延长的压电元件23。压电元件23具有两个表面24和25，它们大致上相互平行，并抛光得光滑。
包含两个梳形电极26和27的叉指电极28配置在压电元件23的第一表面24上，而包含两个梳形电极29和30的叉指电极31配置在压电元件23的第二表面25上。叉指电极31的图案最好是叉指电极28反射图像，但这没有清楚地显示在图中。叉指电极28和31可以由例如光刻形成。
压电元件23以下面的方式极化。首先，在第一表面24上形成叉指电极28的两个梳形电极26和27之间施加电场，同时将梳形电极26接地。又在第二表面25上形成叉指电极31的梳形电极29和30之间施加电场，同时将梳形电极27接地。
以这种方式，使压电元件23按图2中的箭头32和33所示的方向极化。即，在每一个叉指电极28和31中，极化压电元件23，从梳形电极27和30到其它梳形电极26和29，从而形成在梳形电极27和30，以及其它梳形电极26和29之间相邻的区域沿相反的方向极化。
为了激励压电元件22的压电元件23，作为第一表面24上的叉指电极28的两个梳形电极中的一个梳形电极26，以及作为第一表面25上的叉指电极31的两个梳形电极中的一个的梳形电极29，两者都连接到端子34，由此它们相互电气连接，叉指电极28的另一个梳形电极27和叉指电极31的另一个梳形电极30连接到端子35，由此它们相互电气连接。在这种情况下，当施加一交流电场作为端子34和35之间的电场时，在压电元件23中以未加强模式激励纵向振动，使压电元件23沿其纵向扩展和收缩。
图3和图4示出根据本发明第二较佳实施例的压电元件36，图3是透视图，图4是纵截面图。
压电元件36包含长板状的延长的压电元件37。压电元件37具有两个表面38和39，它们相互平行，并被抛光得光滑。
沿压电元件37的第一表面38的纵向配置包含两个梳形电极40和41的叉指电极42和包含两个梳形电极43和44的叉指电极45。
另一方面，沿压电元件37的第二表面上的纵向配置包含两个梳形电极46和47的叉指电极48和包含两个梳形电极49和50的叉指电极51。虽然在图中未清楚地示出，但形成在第二表面39上的叉指电极48和51的图案是第一表面38上的梳形电极42和45的图案的投影。
在这个较佳实施例中，通过在第一表面38上分别形成叉指电极42和45的梳形电极40和41之间，以及梳形电极43和44之间施加电场同时将梳形电极40和43接地，类似地，在第二表面39上形成叉指电极48和51的梳形电极46和47之间，以及梳形电极49和50之间施加电场，同时将梳形电极46和49接地，使压电元件37极化。以这种方法，压电元件37如图4中的箭头52和53所示极化。
另外，如图3中所示，为了激励压电元件37，作为叉指电极42、45、48和51的两个梳形电极中的一个梳形电极的40、43、46和49都连接到端子54，而另一个梳形电极41、44、47和50都连接到另一个端子55。在这种情况下，当在端子54和55之间施加交流电场，作为端子54和55之间的激励电场时，在压电元件37中激励加强模式的纵向振动，使压电元件37沿其纵向扩展和收缩。
在这个较佳实施例中，在压电元件37的中心部分，梳形电极41和43的电极指之间、以及梳形电极47和49的电极指之间的距离定义为A，距离A设置得大于距离B，其中距离B是在压电元件37的端部的梳形电极40和41的电极指之间、梳形电极43和44的电极指之间、梳形电极46和47的电极指之间、以及梳形电极49和50的电极指之间所定义的距离。这是由于下面的原因。
通常，当压电元件的厚度大于电极指之间的距离时，压电元件不能充分极化，这减小了机电耦合系数。因此，电极指之间的距离最好应大于压电元件的厚度，但是，当电极指之间的距离太大时，压电元件的阻抗增加，并且较难和电路匹配。相应地，将压电元件中心部分处电极指之间的距离设置成较大，它对机电耦合系数具有相当的影响，并将压电元件端部处电极指之间的距离设置得较小，这样当升高压电元件中心部分的极化水平时，可防止阻抗的增加，由此增加机电耦合系数，并允许更有效地激励压电元件。
在较佳实施例中，如上所述，由于压电元件37中心部分的距离A大于压电元件37端部的距离B，故具有防止阻抗增加和升高机电耦合系数的双重效果。
图5和图6示出根据本发明的第三较佳实施例的压电元件56，图5是透视图，而图6是纵截面图。
这个压电元件56包含长板状压电元件57。压电元件57有两个表面58和59，它们相互平行地延伸。
在压电元件57的第一表面58上，沿纵向配置包含两个梳形电极60和61的叉指电极62，包含两个梳形电极63和64的叉指电极65，以及包含两个梳形电极66和67的叉指电极68。
在压电元件57的第二表面59上，沿纵向配置包含两个梳形电极69和70的叉指电极71、包含两个梳形电极72和73的叉指电极74、以及包含两个梳形电极75和76的叉指电极77。第二表面59上的叉指电极71、74和77的图案分别是第一表面58上的叉指电极62、65和68的投影。
在较佳实施例中，通过分别在第一表面58上形成叉指电极62、65和68的梳形电极60和61之间、梳形电极63和64之间，以及梳形电极66和67之间施加电场以极化压电元件57，同时将梳形电极61、64和67接地；类似地，通过在第一表面59上分别形成叉指电极71、74和77的梳形电极69和70之间、梳形电极72和73之间、和梳形电极75和76之间施加电场而极化，同时将梳形电极70、73和76接地。结果，压电元件57沿图6中箭头78和79所示的方向极化。
另外，为了激励压电元件57，每一个作为叉指电极62、65、68、71、74和77的两个梳形电极中之一的梳形电极60、63、66、69、72和75都连接到端子80，而另外的梳形电极61、64、67、70、73和76都连接到另一个端子81。在这种情况下，当在端子80和81之间施加交流电场作为激励电场时，在压电元件57中以加强模式激励纵向振动，使压电元件57沿其纵向扩展和收缩。
在本较佳实施例中，作为图3和图4中所示的较佳实施例，将压电元件57中心部分处的距离C设置得大于压电元件57的端处的距离D。因此，当升高压电元件57中心部分的极化水平时，可防止阻抗增加，由此，增加机电耦合系数，并得到更有效的压电元件激励。
图7是根据本发明的第四较佳实施例的压电元件36a的透视图。压电元件36a相应于图3所示的压电元件36的修改。因此在图7中，和图3所示的类似的元件由类似的参考数字表示，并省略了对其进一步的解释。
在图7所示的压电元件36a中，在压电元件37的第一表面38上配置导电图案82，并连接作为第一表面38上的叉指电极42和45中的梳形电极之一的梳形电极40和43，在相同的第一表面38上配置导电图案83，并连接其他的梳形电极41和44。
另一方面，导电图案84配置在压电元件37的第二表面39上，并连接作为第二表面38上的叉指电极48和55的梳形电极之一的梳形电极46和49，并在相同的第二表面39上配置导电图案(图7中未示)，并连接梳形电极47和50(见图4)。
在所有的其它方面，图7的压电元件36a的结构大体上和图3中所示的压电元件36相同。
图8是根据本发明的第五实施例的压电元件36a的透视图。这个压电元件56a相应于图5中所示的压电元件56的修改。因此，在图8中，和图5所示的类似的元件由类似的参考数字指出，并省略了对其进一步的解释。
在图8中所示的压电元件56a中，在压电元件57的第一表面58上配置导电图案85，并连接作为第一表面58上的叉指电极62、65和68的梳形电极之一的梳形电极60、63和66，并在相同的第一表面58上配置导电图案86，并连接其他的梳形电极61、64和67。
另一方面，在压电元件57的第二表面59上配置导电图案87，并连接作为第二表面39上的叉指电极71、74和77的梳形电极之一的梳形电极68、72和75，并在相同的第二表面59上配置导电图案(图8中未示)，并连接其他的梳形电极70和73(见图6)。
在所有其它方面，压电元件56a的结构大体上和图5中所示的压电元件56相同。
虽然已经描述了本发明的较佳实施例，在本发明范围内的各种其它修改都是可允许的。
例如，在上面每一个所示的实施例中，压电元件是板状的，但它可以用杆状的代替。另外，当压电元件是杆状时，其截面形状不限于正方形，而可以是任何给出的截面形状，诸如三角形，例如。
另外，在上述实施例中，在压电元件的平行的第一和第二表面上配置叉指电极，但压电元件的配置叉指电极的两个表面不必照这样相互平行。例如，当压电元件具有截面为三角形的杆状结构时，如上所述，即，当它是三棱柱时，可以在这个三棱柱两个表面上配置叉指电极。
另外，可在压电元件的三个或更多的表面上配置叉指电极。例如，当如上所述压电元件是三棱柱时，可以在三个侧表面的每一个表面上配置叉指电极。或者，可以只在压电元件的一个表面上配置一个叉指电极。
另外，在例如图1和图2所示的较佳实施例中，配置在压电元件23的第一表面24上的梳形电极26和27通过端子34和35的共同连接，电气连接到配置在第二表面25上的梳形电极29和30，或者这种电气连接可通过在侧表面上或在压电元件23的第一和第二表面24和25之间延伸的端面上配置导电图案而达到。
另外，在上述每一个较佳实施例中，可以改变叉指电极的数量，包含在梳形电极中的梳形齿的数量，梳形齿之间的距离，梳形齿的宽度，梳形齿之间的交会长度等等。
下面将详细描述一个所完成的试验，确认本发明的效果。
制备压电板，它包含表示为PB0.95Sr0.05(Ti0.50Zr0.50)O3+1mol％MnO0.2的成份的压电陶瓷。使用这种压电板作为压电元件，通过下面的程序制造图1中所示的压电元件22(实施例1)、图3中所示的压电元件36(实施例2)、图5中所示的压电元件56(实施例3)、图10中所示的压电元件1(比较例1)、图11中所示的压电元件8(比较例2)及图12中所示的压电元件15(比较例3)。
在实施例1-3和比较例1-3中的每一个中，压电元件被抛光，直到其厚度为0.3mm，而表面粗糙度约为1μm。另外，压电元件平坦的表面的尺寸在实施例1-3和比较例2和3中是1mm×3.6mm，而在比较例2中是4.8mm×4.8mm。
然后，按实施例1-3中每一个所相应的附图所示的情况，将叉指电极配置在压电元件上，在比较例1-3中，按相应的附图所示的情况将电极配置在压电元件上。在实施例1-3和比较例1和2中，将叉指电极和电极配置在压电元件上经抛光的表面上。
这里，在较佳实施例1-3中，将形成叉指电极的梳形电极的梳形齿的宽度设置为50μm，这些梳形齿的交会长度设置为大约0.6mm。
另外，在实施例1中，将叉指电极的梳形齿之间的距离设置为200μm，将叉指电极的每一个梳形电极的梳形齿的数量设置为6。
另外，在第二较佳实施例2中，叉指电极的梳形齿A之间的距离设置在大约600μm，梳形齿B之间的距离设置在大约200μm，而叉指电极的每一个梳形电极的梳形齿数量设置为6。
另外，在较佳实施例3中，叉指电极的梳形齿C之间的距离设置为大约400μm，梳形齿D之间的距离为200μm，叉指电极的每一个梳形电极的梳形齿的数量为2。
然后极化每一个较佳实施例1-3和比较例1-3中的压电元件。
更明确地说，在较佳实施例1-3的每一个中，通过将配置在第一表面上和在第二表面上的每一个叉指电极的梳形电极之一接地，同时将2-5kV/mm的电位施加到每一个叉指电极的另一个梳形电极，使压电元件极化。
另一方面，在比较例1中，通过将一个电极接地，同时将3.0kV/mm的电位施加到另一个电极上，使压电元件极化。类似地，在比较例2中，通过施加3.0kV/mm的电位极化压电元件，而在比较例3中，电位为3.0kV/mm。
对于每一个较佳实施例1-3和比较例1-3，对电容、机电耦合系数、机械质量系数进行评估。结果示于表1中。
表1 电容(pF)机电耦合系数(％)机械质量系数 实施例1 140 47 1400 实施例2 120 50 1500 实施例3 120 50 1500 比较例1 1100 33 2200 比较例2 160 19 1800 比较例3 1 52 1300
表1清楚地示出，在比较例1中，机电耦合系数并不特别高；另外，尺寸较大，使电子元件较难小型化。另外，在比较例2中，机电耦合系数为最小，限制了应用的范围。另外，在比较例3中，电容极其低，较难和电路匹配，并在滤波器等等的设计上有严格的限制。
通过比较，根据实施例1-3，可以在每一个情况下得到具有小尺寸和较大机电耦合系数，并且易于和电路匹配的压电元件。
另外，图9示出对实施例1和比较例2和3所确定的谐振频率附近的端子之间的阻抗-频率特性。
从图9中清楚地看出，首先，在比较例3中，有较高的阻抗，使得难以得到和电路的匹配。另外，在比较例2中，虽然阻抗较低，但谐振频率和非谐振频率之间的差Λf较小，使其难以用作低通滤波器或VCO等等。
通过比较，实施例1得到了较低的阻抗，并且谐振频率为450kHz，非谐振频率为500kHz，给出约为47％的耦合系数。因此，根据实施例1，容易和电路匹配，并且当用作滤波器时，可以得到较宽的通带。
虽然已经参照本发明的较佳实施例详细地示出和描述了本发明，但对熟悉本发明的人可以知道，在本发明中可以对上述的和其它的在形式上和细节上作出变化，而不背离本发明的主旨。