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Diese
Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Resonator der energieeinfangenden
Art und insbesondere einen derartigen piezoelektrischen Resonator,
der eine im wesentlichen rechtwinklige piezoelektrische Platte enthält und unter
Nutzung einer Grundschwingung im Dickenscherungs-Vibrationsmodus vibriert.
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Piezoelektrische
Resonatoren der energieeinfangenden Art, die im Dickenscherungs-Vibrationsmodus
vibrieren, wurden bereits als Resonatoren und in Filtern verwendet.
In den 6A und 6B ist ein bekannter piezoelektrischer
Resonator jeweils in perspektivischer und in einer vertikalen Schnittansicht
dargestellt.
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Der
piezoelektrische Resonator 51 enthält eine lange und schmale rechtwinklige
piezoelektrische Platte 52. Die piezoelektrische Platte 52 besteht aus
einer piezoelektrischen Keramik, z.B. einer auf Bleizirkonat-Titanat
beruhenden Keramik, und ist in ihrer Längsrichtung polarisiert.
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Eine
Resonanzelektrode 53 und eine Resonanzelektrode 54 liegen
jeweils auf der Ober- und Unterseite der piezoelektrischen Platte 52.
Die Resonanzelektroden 53 und 54 liegen im mittleren
Teil der dazwischenliegenden piezoelektrischen Platte 52 in deren
Längsrichtung einander
gegenüber.
Die Resonanzelektrode 53 erstreckt sich in Längsrichtung
bis zum einen Ende der piezoelektrischen Platte 52, während sich
die andere Resonanzelektrode 54 in Längsrichtung bis zum anderen
Ende der piezoelektrischen Platte 52 erstreckt.
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In
dem bekannten piezoelektrischen Resonator 51 wird durch
Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes zwischen den Resonanzelektroden 53 und 54 eine
Grundschwingung im Dickenscherungsvibrationsmodus angeregt, und
diese Grundschwingung wird in einem Vibrationsabschnitt, dort, wo
sich die Resonanzelektroden 53 und 54 einander gegenüberliegen
und überlappen,
eingegrenzt oder gefangen.
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In
dem bekannten piezoelektrischen Resonator 51 liegt der
Vibrationsabschnitt in der geometrischen Mitte in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte 52.
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Es
gibt Fälle,
wo der piezoelektrische Resonator 51 die Struktur eines
piezoelektrischen Bauelements hat, bei dem Leitungsanschlüsse mit
den Resonanzelektroden 53 und 54 verbunden sind,
und das piezoelektrische Bauelement ist zusammen mit den daran angebrachten
Leitungsanschlüssen
mit einem die Spitzen derselben freilassenden Abdeckharz bedeckt.
Außerdem
gibt es Fälle,
wo der piezoelektrische Resonator 51 die Struktur eines
piezoelektrischen Bauelements hat, bei dem der piezoelektrische
Resonator 51 mit einem Gehäusesubstrat verbunden ist,
das einen freien Raum über
dem Substrat vorsieht, der die Vibration des Vibrationsabschnitts
nicht behindert und bei dem der piezoelektrische Resonator von einer
Metallkappe bedeckt ist.
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In
jeder dieser Strukturen wird der piezoelektrische Resonator 51 mit
den Leitungsanschlüssen oder
den Elektroden auf dem Gehäusesubstrat
verlötet.
Entsprechend kann während
des Häusens
oder während
des Aushärtens
und Zusammenziehens des Abdeckharzes eine äußere Spannung auf die piezoelektrische
Platte 52 in ihrer Längsrichtung
einwirken. Als Ergebnis wird die Polarisationsachse der piezoelektrischen
Platte 52 gebogen, und dementsprechend entstehen im Frequenzband
zwischen der Resonanzfrequenz und der Gegenresonanzfrequenz unerwünschte Welligkeiten.
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Insbesondere
können
die oben erwähnten Welligkeiten
dann leicht entstehen, wenn die Dicke und die Breite der piezoelektrischen
Platte 52 zur Herstellung eines miniaturisierten piezoelektrischen Resonators 51 verringert
werden. Bedingt durch diesen Fehler ließ sich der piezoelektrische
Resonator 51 nicht weiter miniaturisieren.
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Aus
der
US 4588918 A ist
ein piezoelektrischer Resonator nach dem Oberbegriff des Anpruchs 1
bekannt.
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Die
DE 19922146 A1 beschreibt
einen piezoelektrischen Resonator, bei welchem der energieeinfangende
Vibrationsabschnitt asymmetrisch in Bezug auf die Mitte in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte ist. Der hier bechriebene piezoelektrische
Resonator ist dazu angepaßt,
in der dritten Oberwelle der Dickendehungsvibration zu schwingen,
so dass die piezoelektrische Platte zwangsläufig in Dickenrichtung polarisiert
ist.
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Um
die oben beschriebenen Schwierigkeiten zu überwinden, geben bevorzugte
Ausführungsformen
dieser Erfindung einen piezoelektrischen Resonator an, der so aufgebaut
ist, dass er in der Grundschwingung im Dickenscherungsvibrationsmodus
vibriert und der selbst dann, wenn eine äußere mechanische Spannung auf
die piezoelektrische Platte des Resonators einwirkt, keine unerwünschten
Welligkeiten zwischen der Resonanzfrequenz und der Gegenresonanzfrequenz
erzeugt, und der viel kleiner hergestellt werden kann als bekannte
Resonatoren.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform dieser
Erfindung enthält
ein energieeinfangender piezoelektrischer Resonator, der eine Grundschwingung
im Dickenscherungsvibrationsmodus nutzt, eine im wesentlichen rechtwinklige
piezoelektrische Platte, die in ihrer Längsrichtung polarisiert ist
und die auf einer ersten und zweiten Hauptfläche eine erste und zweite Resonanzelektrode trägt, die
zusammen so angeordnet sind, dass sie einen energieeinfangenden
Vibrationsabschnitt bilden und einander mit der dazwischenliegenden
piezoelektrischen Platte gegenüberliegen,
wobei der energieeinfangende Vibrationsabschnitt, wo sich die Resonanzelektroden überlappen,
in Bezug auf die in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte definierte geometrische Mitte der piezoelektrischen
Platte asymmetrisch angeordnet ist.
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Bei
dem verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung
entsprechenden piezoelektrischen Resonator ist bevorzugt eine Beziehung
3t ≤ ΔL ≤ 5t erfüllt, worin
L die Länge
der piezoelektrischen Platte, t deren Dicke und ΔL der Abstand zwischen der in
Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte definierten geometrischen Mitte und
der Mitte des Vibrationsabschnitts, die ebenfalls in Längsrichtung
definiert ist, sind.
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In
dem verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen entsprechenden
piezoelektrischen Resonator ist die erste Resonanzelektrode so angeordnet,
dass sie sich in Längsrichtung
bis zu einem Ende der piezoelektrischen Platte erstreckt, während die zweite
Resonanzelektrode so angeordnet ist, dass sie sich in Längsrichtung
bis zum anderen Ende der piezoelektrischen Platte erstreckt.
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In
dem verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung
entsprechenden piezoelektrischen Resonator sind ein erster und zweiter Leitungsanschluss
jeweils mit herausgeführten
Teilen der ersten und zweiten Resonanzelektrode elektrisch verbunden,
und mit Ausnahme der Spitzen des ersten und zweiten Leitungsanschlusses
ist der Rest des piezoelektrischen Resonators von einem Abdeckharz
bedeckt, und zwar so, dass um den Vibrationsabschnitt des Resonators
ein Freiraum verbleibt, so dass die Vibration des Vibrationsabschnitts nicht
behindert ist.
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Weitere
Merkmale, Elemente, Eigenschaften und Vorteile dieser Erfindung
werden aus der detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen,
die sich auf die Zeichnungen bezieht, noch deutlicher.
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Kurze
Beschreibung der Zeichnungen:
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Die 1A und 1B zeigen
jeweils in perspektivischer und vertikaler Schnittansicht einen einer
bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonator;
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2 zeigt
schematisch in einer perspektivische Ansicht die Verzerrung der
Polarisationsachse, wenn eine mechanische Spannung in Längsrichtung des
piezoelektrischen Resonators einwirkt;
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3 zeigt
perspektivisch ein piezoelektrisches Resonatorbauelement mit Leitungsanschlüssen, das
einen einer bevorzugten Ausführungsform dieser
Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonator verwendet;
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4 zeigt
graphisch die Beziehung zwischen der relativen Häufigkeit erzeugter Welligkeiten und
einem mechanischen Gütefaktor
Qm bezogen auf die Größe eines Elektrodenversatzes,
der den Abstand eines piezoelektrischen Vibrationsabschnitts von
der geometrischen Mitte in Längsrichtung
einer piezoelektrischen Platte angibt;
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5 ist
ein Diagramm, das im Frequenzbereich zwischen der Resonanzfrequenz
und der Gegenresonanzfrequenz in einem piezoelektrischen Resonator
erzeugte Welligkeiten veranschaulicht; und die 6A und 6B zeigen
jeweils perspektivisch und in vertikaler Schnittansicht ein Beispiel des
bekannten energieeinfangenden piezoelektrischen Resonators.
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen, bezogen auf die
beiliegenden Zeichnungen, mehr im einzelnen beschrieben.
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Die 1A und 1B zeigen
jeweils perspektivisch und in einem vertikalen Schnitt einen einer bevorzugten
Ausführungsform
dieser Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonator.
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Ein
als energieeinfangender Typ konzipierter piezoelektrischer Resonator 1 nutzt
eine Grundschwingung im Dickenscherungs-Vibrationsmodus.
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Der
piezoelektrische Resonator 1 enthält bevorzugt eine piezoelektrische
Platte 2, die bevorzugt eine lange und schmale, im wesentlichen
rechtwinklige Form hat. Die piezoelektrische Platte 2 besteht bevorzugt
aus piezoelektrischer Keramik, z.B. einer auf Bleizirkonat-Titanat
basierenden Keramik, und ist in der P-Richtung polarisiert, d.h.
im wesentlichen parallel zu ihrer Längsrichtung.
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Eine
erste Resonanzelektrode 3 liegt auf der Oberseite 2a der
piezoelektrischen Platte 2. Eine zweite Resonanzelektrode 4 liegt
auf der Unterseite 2b der piezoelektrischen Platte 2.
Die erste und zweite Resonanzelektrode 3 und 4 liegen
einander gegenüber
und überlappen
sich mit der dazwischenliegenden piezoelektrischen Platte 2.
Der Abschnitt der Platte 2, wo sich die Resonanzelektroden 3 und 4 mit der
dazwischenliegenden Platte 2 überlappen, bildet einen energieeinfangenden
Vibrationsabschnitt.
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Die
erste Resonanzelektrode 3 erstreckt sich in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte 2 vom oben erwähnten Vibrationsabschnitt
auf der Oberseite 2a bis zum Ende der piezoelektrischen
Platte 2. Andererseits erstreckt sich die zweite Resonanzelektrode 4 auf
der Unterseite 2b vom Vibrationsabschnitt in Längsrichtung
bis zum anderen Ende der piezoelektrischen Platte 2.
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Die
Resonanzelektroden 3 und 4 bestehen aus einem
geeigneten Metall, wie z.B. Ag, einer Ag-Pd-Legierung, Al, Cu oder
einem anderen geeigneten Stoff.
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Der
piezoelektrische Resonator 1 der hier bevorzugten Ausführungsform
ist einheitlich so aufgebaut, dass der energieeinfangende Vibrationsabschnitt asymmetrisch
in Bezug auf die in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte 2a definierte geometrische
Mitte liegt. D.h., dass sich der mittlere Abschnitt des Resonators,
wo sich die erste und zweite Resonanzelektrode 3 und 4 unter
Bildung des Resonanzabschnitts überlappen,
einem Ende in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte 2 näher liegt als ihre in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte 2 definierte geometrische
Mitte.
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In
dem dieser Ausführungsform
entsprechenden piezoelektrischen Resonator sind unerwünschte Welligkeiten,
die im Frequenzbereich zwischen der Resonanzfrequenz und der Gegenresonanzfrequenz
eines als Ausgangsprodukt hergestellten piezoelektrischen Resonatorbauelements
wirksam unterdrückt
und verhindert, selbst wenn beim Häusen eine äußere Kraft auf den piezoelektrischen Resonator 1 einwirkt
oder wenn das Abdeckharz auf den mit den Leitungsanschlüssen versehenen
piezoelektrischen Resonator 1 aufgebracht wird, da der energieeinfangende
Vibrationsabschnitt von der in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte 2 definierten Mitte zu einem
Ende hin versetzt ist. Dies wird genauer bezogen auf die 2 bis 5 beschrieben.
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Wenn
ein piezoelektrischer Resonator ein piezoelektrisches Resonatorelement
enthält,
an dem Leitungsanschlüsse
angebracht sind, oder wenn ein piezoelektrischer Resonator auf einem
Gehäusesubstrat
montiert und anschließend
mit einem Deckel unter Bildung eines piezoelektrischen Resonatorbauelements
abgedeckt wird, verwirft sich im allgemeinen der piezoelektrische
Resonator 1 wegen der beim Aushärten und Zusammenziehen des
Harzes, der auf die Verbindungsabschnitte während des Häusens aufgebracht wird, ausgeübten mechanischen Spannung.
Das bedeutet, dass, wie die 2 zeigt, Spannungskräfte F1 und
F2 auftreten, die den piezoelektrischen Resonator 1 verbiegen,
und in diesem Fall verwirft sich auch die durch Pfeile P dargestellte Polarisationsachse
in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte 2.
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In
einem beispielhaft in 3 dargestellten piezoelektrischen
Resonatorbauelement 11 sind mit einem piezoelektrischen
Resonator 1 Leitungsanschlüsse 5 und 6 verbunden,
und diese sind mit Ausnahme ihrer Endabschnitte und der Rest des
piezoelektrischen Resonatorbauelements 11 von einem Abdeckharz 7 bedeckt.
Als ein derartiges Abdeckharz wird im allgemeinen ein wärmehärtbares
Harz, wie z.B. Epoxidharz, oder ein anderer geeigneter Stoff verwendet,
und dieser Stoff zieht sich beim Härten zusammen. Dementsprechend
entstehen beim Aushärten
des Abdeckharzes 7 die auf den piezoelektrischen Resonator 1 einwirkenden,
oben erwähnten mechanischen
Spannungen F1 und F2.
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Deshalb
werden in dem bekannten piezoelektrischen Resonator 51,
weil sich, wenn die oben erwähnten
mechanischen Spannungen einwirken, auch die Polarisationsachse p
verwirft, mit hoher Wahrscheinlichkeit unerwünschte Welligkeiten zwischen
der Resonanzfrequenz und der Gegenresonanzfrequenz erzeugt, wie
in 5 durch einen Pfeil A angedeutet ist.
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Die
Erfinder dieser Erfindung haben erkannt, dass, wenn man die Auswirkung
der Spannungen, die während
des oben erwähnten
Härtens
und Zusammenziehens des Abdeckharzes auftreten, auf das Gehäuse betrachtet,
wenn in dem piezoelektrischen Resonator 1 der Vibrationsabschnitt
so strukturiert ist, dass die durch die oben beschriebenen mechanischen
Spannungen verursachte Verwerfung der Polarisationsachse unterdrückt und
minimiert ist, die Erzeugung unerwünschter Welligkeiten verhindert
werden kann, und diese Erkenntnis hat zur Entwicklung verschiedener
bevorzugter Ausführungsformen
dieser Erfindung geführt.
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4 zeigt
die Änderung
von Qm und der relativen Häufigkeit
der Erzeugung von Welligkeiten, wenn, beruhend auf dem eben erwähnten Prinzip,
die Mitte des Vibrationsabschnitts von der in Längsrichtung der piezoelektrischen
Platte des piezoelektrischen Resonators 1 definierten geometrischen
Mittezur Seite hin, d.h. zu einem Ende der piezoelektrischen Platte 2 hin
versetzt ist. Darüber
hinaus zeigt 4 die Ergebnisse bei verschiedenen
piezoelektrischen Resonatoren, bei denen die Resonanzelektroden 3 und 4 an
unterschiedlichen Stellen auf der Ober- und Unterseite einer piezoelektrischen
Platte 2 liegen, die ungefähr eine Abmessung von 5,4 mm Länge × 0,42 mm
Breite × 0,12
mm Dicke hat und aus einer auf Bleizirkonat-Titanat beruhenden Keramik besteht.
Das Maß des
Elektrodenversatzes in der horizontalen Achse in 4 ist
als Distanz ΔL
zwischen der in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte 2 definierten geometrischen
Mitte der piezoelektrischen Platte 2 und der Mitte des
Vibrationsabschnitts, ebenfalls in Längsrichtung der piezoelektrischen
Platte, definiert.
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Wie 4 klar
zeigt, überschreitet
die relative Häufigkeit
von Welligkeiten 6%, wenn der Vibrationsabschnitt in der in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte 2 definierten geometrischen
Mitte liegt, d.h., wenn der Elektrodenversatz ΔL=0 ist. Andererseits macht 4 deutlich,
dass sich die Häufigkeit der
Welligkeiten verringert, wenn die Mitte des Vibrationsabschnitts
von der in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte definierten geometrischen Mitte zu einem
Ende hin versetzt ist. Das bedeutet, dass in der hier bevorzugten
Ausführungsform
durch die Verschiebung der Mitte des Vibrationsabschnitts von der in
Längsrichtung
definierten geometrischen Mitte der piezoelektrischen Platte 2 zu
einem ihrer Enden hin, d.h. durch den Aufbau des Vibrationsabschnitts
so, dass er zur Mitte der piezoelektrischen Platte 2 asymmetrisch
liegt, Welligkeiten, die beim bekannten piezoelektrischen Resonator
im Frequenzbereich zwischen der Resonanzfrequenz und der Gegenresonanzfrequenz
auftreten, wirksam unterdrückt
sind, d.h. ihr Auftreten ist verhindert.
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Weiterhin
ist im Hinblick auf die Erzeugungshäufigkeit der Welligkeiten,
wie sie auf der senkrechten Achse in 4 aufgetragen
ist, wie auch in dem in 5 dargestellten Impedanz-Frequenzgang,
z.B. in dem Frequenzbereich zwischen der Resonanzfrequenz Fr und
der Gegenresonanzfrequenz Fa, wenn ein Abschnitt, wo die Kurve nicht
glatt kontinuierlich ist, falls die Differenz zwischen dem Spitzenwert
und einem unteren Wert größer als
0 dB ist, deutlich, dass eine Welligkeit erzeugt wird.
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Darüber hinaus
ist ein mechanischer Gütefaktor
ebenfalls verringert, wenn das Maß des Elektrodenversatzes wie
im obigen Beispiel größer als
0 ist.
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Zusätzlich wurde
in dem oben erwähnten
experimentellen Beispiel ein Fall beschrieben, wo der Vibrationsabschnitt
zu dem einen Ende in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte hin versetzt wurde. Statt dessen lässt sich
auch in einem Fall, wo der Vibrationsabschnitt von der in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte 2 definierten geometrischen
Mitte zu ihrem anderen Ende hin versetzt ist, die Erzeugung der
Welligkeiten in der gleichen Weise unterdrücken, und auch hier verringert
sich der mechanische Gütefaktor.
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Aus 4 erkennt
man deutlich, dass, wenn die Beziehung 3t ≤ ΔL erfüllt ist, worin L die Länge der piezoelektrischen
Platte 2, t die Dicke der piezoelektrischen Platte 2 und ΔL die Distanz
zwischen der in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte definierten geometrischen Mitte und
der Mitte des Vibrationsabschnitt sind, die Erzeugungshäufigkeit
der Welligkeiten etwa 4% oder weniger beträgt. Außerdem kann, wenn die Beziehung ΔL ≤ 5t erfüllt ist,
die Verringerung des mechanischen Gütefaktors Qm verhindert
werden.
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Deshalb
ist bevorzugt die Beziehung 3t ≤ ΔL ≤ 5t erfüllt.
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In
einem verschiedenen Ausführungsformen dieser
Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonator liegt, wie
oben beschrieben, ein energieeinfangender Vibrationsabschnitt, der
im Dickenscherungs-Vibrationsmodus
schwingt, asymmetrisch, bezogen auf die in Längsrichtung einer im wesentlichen
rechtwinkligen und in Längsrichtung
polarisierten piezoelektrischen Platte definierte geometrische Mitte,
und dementsprechend ist die Erzeugung unerwünschter Welligkeiten zwischen
der Resonanzfrequenz und der Gegenresonanzfrequenz dann unterdrückt und
verhindert. Deshalb lassen sich, wenn der den bevorzugten Ausführungsformen
dieser Erfindung entsprechende piezoelektrische Resonator z.B. als
piezoelektrischer Oszillator verwendet wird, Erscheinungen wie Schwingungsfrequenzsprünge, Abreißen der Schwingung
oder andere Fehler mit Sicherheit verhindern, so dass ein Oszillator
mit überragender
Zuverlässigkeit
realisierbar ist.
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Außerdem wurden
bis heute die oben erwähnten
piezoelektrischen Resonatoren, die Welligkeiten erzeugen, als Ausschussware
angesehen. Deshalb lässt
sich unter Verwendung der bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung,
da bei ihnen die Erzeugung unerwünschter
Welligkeiten, wie oben beschrieben, wirksam verhindert ist, die
Rate akzeptierbarer Produkte stark steigern und demgemäß die Kosten
der piezoelektrischen Resonatoren beträchtlich verringert.
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Bei
den verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung
ist, wenn die Beziehung 3t ≤ ΔL ≤ 5t erfüllt ist,
die Erzeugung der Welligkeiten und gleichzeitig die Verringerung
des mechanischen Gütefaktors
Qm verhindert. Demgemäß können die Kennwerte des Resonators,
z.B. im Einsatz als piezoelektrischer Oszillator, beibehalten und gleichzeitig
die Erzeugung von Welligkeiten wirksam unterdrückt werden.
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In
verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen
dieser Erfindung kann, wenn sich eine erste Resonanzelektrode bis
zu einem Ende in der Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte und eine zweite Resonanzelektrode bis
zum anderen Ende in Längsrichtung
der piezoelektrischen Platte erstreckt, in derselben Weise, wie
bei dem bekannten piezoelektrischen Resonator, der einen Dickenscherungs-Vibrationsmodus
nutzt, eine elektrische Verbindung und eine mechanische Halterung
an beiden Enden des piezoelektrischen Resonators liegen. Dementsprechend
kann ein piezoelektrisches Resonatorbauelement mit daran angebrachten
Leitungen, auf denen eine Harzabdeckung liegt, und ein auf einem
Gehäusesubstrat
montiertes piezoelektrisches Resonatorbauelement, das mit einem
Deckel abgedichtet ist, hergestellt werden.