DE69719414T2

DE69719414T2 - Piezoelektrischer Resonator und elektrisches Bauteil unter Verwendung derselben

Info

Publication number: DE69719414T2
Application number: DE69719414T
Authority: DE
Inventors: Jiro Inoue; Toshihiko Unami
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1997-04-01
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2017-04-02
Also published as: DE69719414D1; EP0820144A2; US5912601A; EP0820144B1; NO971938D0; JPH1084244A; EP0820144A3; NO971938L; CN1078405C; CN1171657A

Description

Die Erfindung in der durch die Patentansprüche definierten Form bezieht sich auf einen piezoelektrischen Resonator, der die mechanische Resonanz eines piezoelektrischen Bauteils nutzt, und insbesondere auf einen piezoelektrischen Resonator, welcher ein Basisbauteil mit einer längsgerichteten Erstreckung, einen aktiven, aus dem polarisierten piezoelektrischen Bauteil bestehenden und mindestens einen Teil des Basisbauteils bildenden Bereich und ein Paar externer, mit dem aktiven Bereich versehener Elektroden aufweist. Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf elektronische Bauelemente zur Verwendung mit dem piezoelektrischen Resonator, wie z. B. einen Oszillator, einen Diskriminator und ein Filter.
Fig. 34 ist eine perspektivische Ansicht eines an sich bekannten piezoelektrischen Resonators. Ein piezoelektrischer Resonator 1 weist ein piezoelektrisches Substrat 2 auf, das beispielsweise in der Draufsicht eine flache rechteckige Form hat. Das piezoelektrische Substrat 2 ist in der Richtung der Dicke polarisiert. Auf beiden Oberflächen des piezoelektrischen Substrats 2 werden Elektroden 3 ausgeformt. Wenn ein Signal zwischen den Elektroden 3 eingegeben wird, wird ein elektrisches Feld an das piezoelektrische Substrat 2 in Richtung der Dicke angelegt, und das piezoelektrische Substrat 2 schwingt in der Längsrichtung. In Fig. 35 wird ein piezoelektrischer Resonator 1 gezeigt, bei dem die Elektroden 3 auf beiden Oberflächen eines piezoelektrischen Substrats 2 ausgebildet werden, das in der Draufsicht eine flache quadratische Form hat. Das piezoelektrische Substrat 2 des piezoelektrischen Resonators 1 ist in der Richtung der Dicke polarisiert.
Wenn ein Signal zwischen den Elektroden 3 im piezoelektrischen Resonator 1 eingegeben wird, wird ein elektrisches Feld an das piezoelektrische Substrat 2 in Richtung der Dicke angelegt, und das piezoelektrische Substrat 2 schwingt in einem Modus der quadratischen Flächendehnungsschwingung (in det Richtung der Ebene).
Diese piezoelektrischen Resonatoren sind von einem nicht versteiften Typ, bei dem die Schwingungsrichtung sich von der Richtung der Polarisierung und des elektrischen Feldes unterscheidet. Der elektromechanische Kopplungskoeffizient eines solchen nicht versteiften piezoelektrischen Resonators ist niedriger als der eines versteiften piezoelektrischen Resonators, bei dem die Schwingungsrichtung, die Polarisierungsrichtung und die Richtung, in der das elektrische Feld angelegt wird, die gleichen sind. Ein nicht versteifter piezoelektrischer Resonator hat eine relativ geringe Frequenzdifferenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz. Dies führt zu einem Nachteil insofern, als die nutzbare Frequenzbandbreite dann gering ist, wenn ein nicht versteifter Frequenzresonator als ein Oszillator oder Filter verwendet wird. Demzufolge ist der Freiheitsgrad bei der Festlegung der Charakteristika bei einem solchen piezoelektrischen Resonator und bei diesen verwendenden elektronischen Bauelementen gering.
Der in Fig. 34 gezeigte piezoelektrische Resonator verwendet eine Resonanz erster Ordnung im Längsmodus. Aufgrund seiner Struktur erzeugt er auch starke Störresonanzen bei Oberschwingungen ungerader Ordnung, wie z. B. bei Modi der dritten und fünften Ordnung, sowie im Flächenmodus. Um diese Störresonanzen zu unterdrücken, werden einige Maßnahmen in Kauf genommen, wie z. B. Polieren, Erhöhen der Masse und Veränderung der Form der Elektroden. Diese Maßnahmen erhöhen die Herstellkosten.
Hierzu kommt, daß für den Fall, daß das piezoelektrische Substrat von oben gesehen eine rechteckige flache Form aufweist, das Substrat aufgrund von Festigkeitszwängen nicht dünner sein kann. Demzufolge kann die Entfernung zwischen den Elektroden nicht gemindert werden, und eine Kapazität zwischen den Anschlüssen kann nicht groß gewählt werden. Dies ist extrem unzweckmäßig hinsichtlich der Impedanzanpassung gegenüber einem externen Schaltkreis. Um durch Verbindung einer Mehrzahl von alternierend in Reihe und parallel geschalteten piezoelektrischen Resonatoren einen Leiterfilter zu bilden, muß das Kapazitätsverhältnis des in Reihe geschalteten Resonators zum parallel geschalteten Resonator jeweils größer gewählt werden, um die Dämpfung zu erhöhen. Da ein piezoelektrischer Resonator der oben beschriebenen Einschränkung hinsichtlich der Form unterliegt, kann jedoch eine starke Dämpfung nicht erhalten werden.
Der in Fig. 35 gezeigte piezoelektrische Resonator verwendet eine quadratische Resonanz erster Ordnung (Flächendehnungsschwingung). Aufgrund seiner Struktur werden auch starke Störresonanzen, wie z. B. Dickenschwingungsstörresonanzen und Resonanzen im Dreifachwellenmodus in der Richtung der Ebene (als Flächendehnungsschwingung) erzeugt. Da der piezoelektrische Resonator im Vergleich zu einem in Längsrichtung schwingenden piezoelektrischen Resonator unter Verwendung der Längsschwingung groß sein muß, um die gleiche Resonanzfrequenz zu erhalten, ist es schwierig, die Größe des piezoelektrischen Resonators zu verringern. Wenn ein Leiterfilter durch eine Mehrzahl von piezoelektrischen Resonatoren gebildet wird, werden, um das Kapazitätsverhältnis zwischen dem in Reihe geschalteten Resonator und dem parallel geschalteten Resonator zu erhöhen, die in Serie geschalteten Resonatoren dick gewählt, und nur auf einem Teil eines piezoelektrischen Substrats werden Elektroden ausgebildet, um auch die Kondensatoren klein zu machen. Da in diesem Fall die Elektroden nur teilweise ausgebildet werden, wird die Differenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz ebenso wie die Kapazität gemindert. Die parallel geschalteten Resonatoren müssen demzufolge ein kleines ΔF haben. Als Ergebnis wird die Piezoelektrizität des piezoelektrischen Substrats nicht effektiv genutzt, und die Übertragungsbandbreite des Filters kann nicht erhöht werden.
Die Erfinder entwickelten einen piezoelektrischen Resonator mit geringer Störresonanz und einer großen Differenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz. Bei dem piezoelektrischen Resonator werden eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten und eine Vielzahl von Elektroden alternierend so laminiert, daß ein schmales Basisbauteil gebildet wird, und die Vielzahl von piezoelektrischen Schichten wird in der Längsrichtung des Basisbauteils polarisiert. Dieser laminierte piezoelektrische Resonator ist von einem versteiften Typ und weist piezoelektrische Schichten auf, bei denen die Schwingungsrichtung, die Polarisierungsrichtung und die Richtung, in der ein elektrisches Feld angelegt wird, gleich sind. Im Vergleich zu einem nicht versteiften piezoelektrischen Resonator, bei dem sich die Schwingungsrichtung von der Richtung der Polarisierung und der Richtung des elektrischen Feldes unterscheidet, weist der versteifte piezoelektrische Resonator einen größeren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und eine größere Frequenzdifferenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz auf. Zusätzlich treten Schwingungen in Modi, wie z. B. dem Flächen- und dem Dickenmodus, die sich von der Basisschwin- Flächen- und dem Dickenmodus, die sich von der Basisschwingung unterscheiden, wahrscheinlich bei einem versteiften piezoelektrischen Resonator nicht auf.
Da bei dem piezoelektrischen Resonator, der diese Laminatstruktur aufweist, jede den Basisbauteil bildende piezoelektrische Schicht in der gleichen Richtung des Basisbauteils die gleiche Länge aufweist und jede Elektrode die gleiche Fläche umfaßt, ist die Kapazität zwischen jedem Paar nebeneinanderliegender Elektroden die gleiche, und die piezoelektrische durch jede piezoelektrische Schicht erzeugte Antriebskraft ist ebenfalls die gleiche.
Bei der Basisschwingung in der Längsrichtung wird eine stärkere Antriebskraft in einem dem Mittelpunkt des Basisbauteils in der Längsrichtung näherliegenden Teil deshalb erforderlich, weil von diesem Teil bis zu einem Ende des Basisbauteils in der Längsrichtung eine große Masse gegeben ist. Demzufolge weist der piezoelektrische Resonator einen unzureichend großen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten auf, und demzufolge ist ΔF nicht ausreichend groß.
Bei diesem piezoelektrischen Resonator ist es unwahrscheinlich, daß Schwingungen höherer Ordnung auftreten. Jedoch sind Belastungen, die in jeder piezoelektrischen Schicht durch Schwingungen ungerader höherer Ordnung, wie z. B. Schwingungen der dritten oder der fünften Ordnung, erzeugt werden, nicht ausreichend unterdrückt und führen zu Störschwingungen der höheren Ordnung, da die Kapazität zwischen jedem Paar nebeneinanderliegender Elektroden konstant ist.
EP-A-0 818 881, die ein Prioritätsdatum am 10. Juli 1996 beansprucht und nur nach Art. 54(3) EPC eine Vorveröffentlichung darstellt, offenbart einen piezoelektrischen Resonator, welcher ein Basisbauteil mit Längsrichtung, einen aktiven, aus dem polarisierten piezoelektrischen Bauteil bestehenden und mindestens einen Teil des Basisbauteils bildenden Bereich und ein Paar externer, mit dem aktiven Bereich versehener Elektroden aufweist. Des weiteren legt dieses Dokument eine Mehrzahl von Innenelektroden offen, die mit dem genannten Paar externer Elektroden verbunden sind, die in dem genannten aktiven Bereich in Längsrichtung des genannten Bauteils beabstandet und an den Enden des genannten aktiven Bereiches in Längsrichtung des genannten Basisbauteils angeordnet sind, wobei der genannte aktive Bereich in Längsrichtung des genannten Basisbauteils polarisiert ist, und mindestens eine Kapazität zwischen einem Paar der genannten Innenelektroden, die sich von der jeweils anderen Kapazität zwischen dem anderen Paar der genannten Innenelektroden unterscheidet.
Der Erfindung liegt als Hauptaufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Resonator, der weiter verminderte geringe Störresonanzen, eine weiter vergrößerte Differenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz und ein anpaßbares ΔF aufweist, und ein elektronisches Bauelement, bei dem der piezoelektrische Resonator verwendet wurde, zu liefern.
Die vorstehende Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Resonator gelöst, der die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen.
Es wird bevorzugt, daß die gemeinsamen Flächen in dem Maße größer werden, wie die genannten Paare der genannten sich gegenüberliegenden Innenelektroden in der Längsrichtung näher am Mittelpunkt des genannten Basisbauteils liegen.
Der piezoelektrische Resonator nach der vorliegenden Erfindung kann des weiteren ein Tragebauteil aufweisen, das das Basisbauteil über ein Montagebauteil befestigt, wobei das Montagebauteil in Längsrichtung gesehen in einem mittleren Bereich des Basisbauteils angeordnet ist.
Die vorstehende Aufgabe wird bei einem weiteren Erfindungsmerkmal durch die Lieferung eines elektronischen Bauelements zur Verwendung mit dem oben beschriebenen piezoelektrischen Resonator gelöst, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß das Tragebauteil ein Isoliersubstrat ist und auf dem Isoliersubstrat eine strukturierte Elektrode angeordnet und mit den genannten externen Elektroden des genannten piezoelektrischen Resonators über das genannte Montagebauteil verbunden wird. Wenn ein elektronische Bauelement, wie z. B. ein Oszillator, ein Diskriminator oder ein Filter, unter Verwendung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonators hergestellt wird, wird der piezoelektrische Resonator auf einem Isoliersubstrat montiert, auf dem die strukturierten Elektroden ausgebildet werden.
Das elektronische Bauelement kann ein Leiterfilter sein, bei dem eine Mehrzahl der strukturierten Elektroden auf dem Isoliersubstrat angeordnet und mit den externen Elektroden einer Mehrzahl der piezoelektrischen Resonatoren in der Weise verbunden werden, daß die piezoelektrischen Resonatoren miteinander in Form einer Leiter verbunden sind.
Bei den oben beschriebenen elektronischen Bauelementen kann auf dem Isoliersubstrat eine Kappe in der Weise angeordnet sein, daß das Basisbauteil abgedeckt wird, um ein chipartiges (oberflächenmontiertes) elektronisches Bauelement zu bilden. Der piezoelektrische Resonator kann durch das Tragebauteil in einem Gehäuse fixiert werden.
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Resonator ist von einem versteiften Typ und weist piezoelektrische Schichten auf, bei denen die Schwingungsrichtung, die Polarisierungsrichtung und die Richtung, in der ein elektrisches Feld angelegt wird, die gleichen sind. Demzufolge hat der versteifte piezoelektrische Resonator im Vergleich zu einem nicht versteiften piezoelektrischen Resonator, bei dem die Schwingungsrichtung sich von der Richtung der Polarisierung und des elektrischen Feldes unterscheidet, einen größeren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und eine größere Frequenzdifferenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz. Zusätzlich können Schwingungen in Modi, wie z. B. Flächen- und Dickenmodi, die sich von der Längsschwingung unterscheiden, bei dem versteiften piezoelektrischen Resonator kaum auftreten.
Da des weiteren mindestens eine Kapazität zwischen einem Paar der genannten Innenelektroden sich von der anderen Kapazität zwischen dem anderen Paar der genannten Innenelektroden unterscheidet, kann ΔF eingestellt werden.
Insbesondere wenn mindestens ein Paar sich gegenüberliegender Innenelektroden eine gemeinsame Fläche aufweist, die in der Größe unterschiedlich zu anderen Paaren der genannten Innenelektroden ist, kann ΔF leicht durch Veränderung der Größe des gemeinsamen Bereiches eingestellt werden.
Bei einem piezoelektrischen Resonator nach der Erfindung hat der piezoelektrische Resonator eine größere Kapazität zwischen den Elektroden als ein piezoelektrischer Resonator mit Laminatstruktur, bei dem die Größe des gemeinsamen Bereiches der sich gegenüberliegenden Elektroden konstant ist, wenn die Elektroden in einer solchen Weise ausgebildet werden, daß der gemeinsame Bereich sich gegenüberliegender Elektroden in dem Maße in der Größe zunimmt, wie die Elektroden in Längsrichtung näher am Mittelpunkt des Basisbauteils liegen. Da am Mittelpunkt des Basisbauteils in der Längsrichtung eine starke, für die Basisschwingung in Längsrichtung erforderliche Antriebskraft erhalten wird, wird der elektromagnetische Kopplungskoeffizient weiter erhöht, und damit wird auch ΔF größer. Belastungen, die in jeder piezoelektrischen Schicht durch Oberschwingungen ungerader Ordnung, wie z. B. Schwingungen der dritten Ordnung oder der fünften Ordnung, erzeugt werden, werden gelöscht und Störschwingungen höherer Ordnung werden unterdrückt.
Wenn elektronische Bauelemente, wie z. B. ein Oszillator, ein Diskriminator und ein Filter, unter Verwendung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonators hergestellt werden, wird der piezoelektrische Resonator auf einem Isoliersubstrat montiert, auf dem strukturierte Elektroden ausgebildet werden, und er wird durch eine Kappe abgedeckt, um chipartige (oberflächenmontierte) elektronische Bauelemente zu bilden.
Erfindungsgemäß wird ein piezoelektrischer Resonator erhalten, der eine geringe Störresonanz, eine große Differenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz und ein einstellbares ΔF aufweist.
Erfindungsgemäß kann die Frequenzdifferenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz im Vergleich zu einem piezoelektrischen Resonator mit einer in der Größe konstanten gemeinsamen Fläche gegenüberliegender Elektroden weiter vergrößert werden, und somit wird ein piezoelektrischer Resonator mit breitem Frequenzband erhalten. Des weiteren ist das Auftreten von Schwingungen in anderen Modi als im Modus der Basisschwingung bei einem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonator unwahrscheinlich, und es werden überlegene Eigenschaften erzielt.
Da ein chipartiges elektronisches Bauelement unter Verwendung des piezoelektrischen Resonators hergestellt werden kann, ist es leicht, das Bauelemente auf einer Leiterplatte zu montieren.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Resonators nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Ansicht mit der Darstellung der Struktur des in Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen Resonators,
Fig. 3 eine Draufsicht einer in dem in Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen Resonator verwendeten Elektrode;
Fig. 4 eine Draufsicht einer weiteren, in dem in Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen Resonator verwendeten Elektrode;
Fig. 5A eine Draufsicht einer modifizierten Elektrode; ,
Fig. 5B eine Draufsicht einer weiteren modifizierten Elektrode,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines nicht versteiften piezoelektrischen Resonators, der in der Längsrichtung schwingt und zum Vergleich gezeigt wird,
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines versteiften piezoelektrischen Resonators, der in der Längsrichtung schwingt,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines nicht versteiften piezoelektrischen Resonators, der in der Richtung der Ebene schwingt (quadratische Flächendehungsschwingung) und zum Vergleich gezeigt wird,
Fig. 9 eine Ansicht, die die für das Basisbauteil während der Längsbasisschwingung erforderliche ideale Antriebskraft angibt,
Fig. 10 eine Ansicht mit der Darstellung eines piezoelektrischen Resonators mit Laminatstruktur mit einer in der Größe konstanten gemeinsamen Fläche gegenüberliegender Elektroden;
Fig. 11 eine Ansicht mit der Anzeige von durch die Störschwingung dritter Ordnung in dem Basisbauteil des in Fig. 10 gezeigten piezoelektrischen Resonators erzeugten Belastungen;
Fig. 12 eine Ansicht mit der Darstellung von durch die Störschwingung dritter Ordnung in dem Basisbauteil des in den Fig. 1 und 2 gezeigten piezoelektrischen Resonators erzeugten Belastungen;
Fig. 13 eine Ansicht mit der Anzeige von durch die Störschwingung fünfter Ordnung in dem Basisbauteil des in Fig. 10 gezeigten piezoelektrischen Resonators erzeugten Belastungen;
Fig. 14 eine Ansicht mit der Darstellung von durch die Störschwingung fünfter Ordnung in dem Basisbauteil des in den Fig. 1 und 2 gezeigten piezoelektrischen Resonators erzeugten Belastungen;
Fig. 15 eine Ansicht mit der Darstellung eines modifizierten Ausführungsbeispiels des in den Fig. 1 und 2 gezeigten piezoelektrischen Resonators;
Fig. 16 eine Ansicht mit der Darstellung eines weiteren modifizierten Ausführungsbeispiels des in den Fig. 1 und 2 gezeigten piezoelektrischen Resonators;
Fig. 17 eine Ansicht mit der Darstellung eines noch weiteren piezoelektrischen Resonators nach der Erfindung;
Fig. 18 eine Ansicht mit der Darstellung eines nicht aktiven Bereiches;
Fig. 19 eine Ansicht eines Hauptteils unter Einschluß eines weiteren nicht aktiven Bereiches;
Fig. 20 eine Ansicht eines Hauptteils unter Einschluß eines noch weiteren nicht aktiven Bereiches;
Fig. 21 eine perspektivische Ansicht eines elektronischen Bauelements, bei dem ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Resonator Verwendung findet;
Fig. 22 eine perspektivische Ansicht eines in dem in Fig. 21 gezeigten elektronischen Bauelement verwendeten Isoliersubstrats;
Fig. 23 eine perspektivische Explosionszeichnung des in Fig. 21 gezeigten elektronischen Bauteils;
Fig. 24 eine Ansicht mit der Angabe eines weiteren Verfahrens zur Montage des piezoelektrischen Resonators auf dem Isoliersubstrat;
Fig. 25 eine seitliche Ansicht mit der Darstellung des Verfahrens zur Montage des in Fig. 24 gezeigten piezoelektrischen Resonators;
Fig. 26 eine Ansicht mit der Angabe noch eines weiteren Verfahrens zur Montage des piezoelektrischen Resonators auf dem Isoliersubstrat;
Fig. 27 eine seitliche Ansicht mit der Darstellung des Verfahrens zur Montage des in Fig. 26 gezeigten piezoelektrischen Resonators;
Fig. 28 eine perspektivische Explosionszeichnung eines Leiterfilters unter Verwendung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonators;
Fig. 29 eine perspektivische Ansicht eines Isoliersubstrats und des piezoelektrischen Resonators in dem in Fig. 28 gezeigten Leiterfilter;
Fig. 30 ein äquivalentes Schaltkreisdiagramm des in den Fig. 28 und 29 gezeigten Leiterfilters;
Fig. 31 eine Draufsicht des Hauptteils eines weiteren die erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonatoren verwendenden Leiterfilters;
Fig. 32 eine perspektivische Explosionszeichnung des Hauptteils des in Fig. 31 gezeigten Leiterfilters;
Fig. 33 eine perspektivische Explosionszeichnung eines elektronischen Bauelements mit zwei Anschlüssen unter Verwendung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonators;
Fig. 34 eine perspektivische Ansicht eines an sich bekannten piezoelektrischen Resonators; und
Fig. 35 eine perspektivische Ansicht eines weiteren an sich bekannten piezoelektrischen Resonators.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Resonators nach einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2 zeigt die innere Struktur des piezoelektrischen Resonators. Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte piezoelektrische Resonator 10 umfaßt ein rechteckig-parallelepipedon-förmiges Basisbauteil 12, welches beispielsweise 3,8 mm · 1 mm · 1 mm mißt. Das Basisbauteil 12 umfaßt sechs laminierte piezoelektrische Schichten 12a, die beispielsweise aus piezoelektrischer Keramik gefertigt sind. Jede dieser piezoelektrischen Schichten 12a hat die gleichen Abmessungen. Die piezoelektrischen Schichten 12a sind in einer solchen Weise polarisiert, daß nebeneinanderliegende Schichten entgegengesetzte Polarisierungsrichtungen aufweisen, wie dies durch Pfeile in Fig. 2 gezeigt wird.
An beiden Hauptoberflächen der sechs piezoelektrischen Schichten 12a im Basisbauteil 12, die zur Längsrichtung des Basisbauteils 12 senkrecht sind, werden sieben Elektroden 14a, 14b und 14c ausgebildet. Dies bedeutet, daß diese Elektroden 14a, 14b und 14c senkrecht zur Längsrichtung des Basisbauteils 12 in bestimmten Abständen in der Längsrichtung des Basisbauteils 12 angeordnet sind. Die Abstände zwischen den Elektroden 14a, 14b und 14c sind jeweils gleich den Abmessungen der entsprechenden Schichten unter den sechs piezoelektrischen Schichten 12a in der Längsrichtung des Basisbauteils 12.
Eine am Mittelpunkt des Basisbauteils 12 in Längsrichtung angeordnete Elektrode 14a und zwei Elektroden 14a, die am nächsten daran angeordnet sind, werden auf den gesamten Flächen der Hauptoberflächen der piezoelektrischen Schichten 12a, wie in Fig. 3 gezeigt, ausgebildet. Mit anderen Worten haben diese Elektroden 14a die gleiche Fläche (100%) wie die Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht 12a. Zwei Elektroden 14b, welche außerhalb der drei Elektroden 14a angeordnet sind, werden in der Breitenrichtung am Mittelpunkt auf den Hauptoberflächen der piezoelektrischen Schichten 12a, wie in Fig. 4 gezeigt, ausgebildet. Die beiden Elektroden 14b decken 95% der Fläche der Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht 12a ab. Zwei ganz außen angeordnete Elektroden 14c werden in der Breitenrichtung am Mittelpunkt auf den Hauptoberflächen der piezoelektrischen Schichten 12a in einer solchen Weise angeordnet, daß die Elektroden schmal sind. Die Elektroden belegen 5% der Fläche der Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht 12a. Demzufolge decken die gemeinsame (überlappende) Fläche gegenüberliegender Elektroden, die ersten und zweiten Elektroden 14a ausgehend von der am Mittelpunkt angeordneten Elektrode 14a 100% der Fläche der Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht 12a in der Längsrichtung des Basisbauteils 12 ab. Darüber hinaus deckt die gemeinsame Fläche der zweiten Elektrode 14a und der dritten Elektrode 14b 95% der Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht 12a ab, und die gemeinsame Fläche der dritten Elektrode 14b und der vierten Elektrode 14c, die ganz außen angeordnet ist, deckt 5% der Fläche ab, Die Elektroden 14a, 14b und 14c werden in einer solchen Weise ausgebildet, daß die gemeinsame Fläche zweiter nebeneinanderliegender (sich gegenüberliegender) Elektroden in dem Maße breiter wird, wie die Elektroden dem Mittelpunkt des Basisbauteils 12 in Längsrichtung näherkommen.
In den Fig. 2 und 4 sind die Elektroden 14b übertrieben klein und die Elektroden 14c übertrieben groß gezeichnet.
Zur Anpassung der gemeinsamen Fläche sich gegenüberliegender Elektroden können die Elektroden 14 auf der Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht 12a, wie in Fig. 5A gezeigt, in Streifen ausgebildet werden. Die Elektroden 14a können auch auf den Hauptflächen der piezoelektrischen Schichten 12a ausgebildet werden, wobei, wie in Fig. 5B zeigt, in die Elektroden 14 Löcher 15 gebohrt werden.
An den gegenüberliegenden Seitenflächen des Basisbauteils 12 wird jeweils eine Mehrzahl von Isolierfilmen 16 und 18 ausgebildet. An einer Seitenfläche des Basisbauteils 12 deckt der Isolierfilm 16 die freiliegenden Endabschnitte der alternierenden Elektroden 14a, 14b und 14c ab. An der anderen Seitenfläche des Basisbauteils 12 deckt der Isolierfilm 18 die freiliegenden Endabschnitte der alternierenden Elektroden 14a, 14b und 14c ab, die nicht von dem Isolierfilm 16 an der oben beschriebenen Seitenfläche abgedeckt werden. Die beiden Seitenflächen des Basisbauteils 12, auf denen die Isolierfilme 16 und 18 ausgebildet werden, dienen als Verbindungsabschnitte zu externen Elektroden, welche später beschrieben werden.
In diesen Verbindungsbereichen, d. h. den Seitenflächen des Basisbauteils 12, auf denen die Isolierfilme 16 und 18 ausgebildet werden, werden externe Elektroden 20 und 22 ausgebildet. Die Elektrode 20 stellt eine Verbindung zu den Elektroden 14a, 14b und 14c her, die nicht durch den Isolierfilm 16 abgedeckt werden, und die Elektrode 22 stellt eine Verbindung zu den Elektroden 14a, 14b und 14c her, die nicht durch den Isolierfilm 18 abgedeckt werden. Mit anderen Worten sind jeweils zwei nebeneinanderliegende Elektroden unter den Elektroden 14a, 14b und 14c mit den Elektroden 20 bzw. 22 verbunden.
Der piezoelektrische Resonator 10 verwendet die externen Elektroden 20 und 22 als Eingangs- und Ausgangsanschlüsse. Die piezoelektrischen Schichten 12a des Basisbauteils 12 sind deshalb piezoelektrisch aktiv, weil ein elektrisches Feld zwischen nebeneinanderliegenden Elektroden unter den Elektroden 14a, 14b und 14c dadurch angelegt wird, daß ein Signal an die externen Elektroden 20 und 22 angelegt wird. Da die Spannungen in entgegengesetzten Richtungen angelegt werden, werden die piezoelektrischen Schichten 12a im Basisbauteil 12 in entgegengesetzten Richtungen polarisiert, die piezoelektrischen Schichten 12a dehnen sich insgesamt in der gleichen Richtung aus und ziehen sich in der gleichen Richtung zusammen. Demzufolge schwingt der gesamte piezoelektrische Resonator 10 im Basismodus in der Längsrichtung, wobei der Mittelpunkt des Basisbauteils 12 als Knotenpunkt dient.
Im piezoelektrischen Resonator 10 sind die Polarisierungsrichtung der piezoelektrischen Schicht 12a, die Richtung des auf einem Eingangssignal beruhenden angelegten elektrischen Feldes und die Richtung der Schwingung der piezoelektrischen Schicht 12a jeweils gleich. Mit anderen Worten ist der piezoelektrische Resonator 10 von einem versteiften Typ. Der piezoelektrische Resonator 10 hat einen größeren elektromagnetischen Kopplungskoeffizienten als ein nicht versteifter piezoelektrischer Resonator, in dem die Schwingungsrichtung sich von der Polarisierungsrichtung und der Richtung des elektrischen Feldes unterscheidet. Demzufolge weist der piezoelektrische Resonator 10 eine größere Frequenzdifferenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz auf als der an sich bekannte nicht versteifte piezoelektrische Resonator. Dies bedeutet, daß der piezoelektrische Resonator 10 im Vergleich zum an sich bekannten nicht versteiften piezoelektrischen Resonator Eigenschaften in Form eines breiten Frequenzbandes erhält.
Um Unterschiede zwischen versteiften und nicht versteiften piezoelektrischen Resonatoren zu messen, wurden die in den Fig. 6, 7 und 8 gezeigten piezoelektrischen Resonatoren hergestellt. Der in Fig. 6 gezeigte piezoelektrische Resonator wurde dadurch hergestellt, daß auf beiden Oberflächen eines piezoelektrischen Substrats mit den Abmessungen 4,0 · 1,0 m · 0,38 mm in Richtung der Dicke Elektroden ausgeformt wurden. Dieser piezoelektrische Resonator wurde in der Richtung der Dicke polarisiert und schwang in der Längsrichtung, als ein Signal an die Elektroden angelegt wurde. Der in Fig. 7 gezeigte piezoelektrische Resonator hatte die gleichen Abmessungen wie der in Fig. 6 gezeigte piezoelektrische Resonator. Auf beiden Oberflächen wurden in der Längsrichtung eines piezoelektrischen Substrats Elektroden ausgeformt. Der piezoelektrische Resonator wurde in der Längsrichtung polarisiert und schwang in der Längsrichtung, als ein Signal an die Elektroden angelegt wurde. Der in Fig. 8 gezeigte piezoelektrische Resonator wurde dadurch hergestellt, daß auf beiden Oberflächen eines piezoelektrischen Substrats mit den Abmessungen 4,7 · 4,7 m · 0,38 mm in Richtung der Dicke Elektroden ausgeformt wurden. Dieser piezoelektrische Resonator wurde in der Richtung der Dicke polarisiert und schwang in der Richtung der Ebene, als ein Signal an die Elektroden angelegt wurde. Die in den Fig. 6 und 8 gezeigten piezoelektrischen Resonatoren waren vom nicht versteiften Typ, und der in Fig. 7 gezeigte piezoelektrische Resonator war vom versteiften TYP.
Die Resonanzfrequenz Fr und der elektromechanische Kopplungskoeffizient K dieser beiden piezoelektrischen Resonatoren wurden jeweils gemessen, und die Ergebnisse werden in den Tabellen 1, 2 und 3 ausgewiesen. Tabelle 1 gibt die Meßergebnisse des in Fig. 6 gezeigten piezoelektrischen Resonators an. Tabelle 2 gibt die Meßergebnisse des in Fig. 7 gezeigten piezoelektrischen Resonators an. Tabelle 3 gibt die Meßergebnisse des in Fig. 8 gezeigten piezoelektrischen Resonators an. Tabelle 1 Tabelle 2 Tabelle 3
Es ergibt sich aus den Meßdaten, daß ein versteifter piezoelektrischer Resonator einen größeren elektromagnetischen Kopplungskoeffizienten K aufweist als ein nicht versteifter piezoelektrischer Resonator und daß er demzufolge eine größere Frequenzdifferenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz aufweist. Die größte Störschwingung bei einem versteiften piezoelektrischen Resonator ist von der Art einer Dreifachwellen-Längsrichtung, und der elektromagnetische Kopplungskoeffizient K beträgt während der Schwingung 12,2%. Während der Schwingung im Flächenmodus, der sich von der Basisschwingung unterscheidet, beträgt der elektromagnetische Kopplungskoeffizient K 4,0%. Im Gegensatz dazu beträgt der elektromagnetische Kopplungskoeffizient K während der Schwingung bei einem nicht versteiften piezoelektrischen Resonator mit Längsschwingung 25,2% im Flächenmodus. Bei einem nicht versteiften piezoelektrischen Resonator mit quadratischer Flächendehnungsschwingung beträgt der elektromagnetische Kopplungskoeffizient K nicht weniger als 23,3% während der Schwingung im Dickenmodus. Demzufolge steht fest, daß ein versteifter piezoelektrischer Resonator geringere Störschwingungen aufweist als ein nicht versteifter piezoelektrischer Resonator.
Da der piezoelektrische Resonator 10 gemeinsame Flächen unterschiedlicher Größe bei den gegenüberliegenden Elektroden unter einer Mehrzahl von Elektroden 14a, 14b und 14c aufweist, oder, mit anderen Worten da die gemeinsame Fläche sich gegenüberliegender Elektroden bei den Elektroden 14a, 14b und 14c in dem Maße der Größe nach zunimmt, wie die sich gegenüberliegenden Elektroden in Längsrichtung näher am Mittelpunkt des Basisbauteils 12 liegen, kann die Kapazität jeder piezoelektrischen Schicht 12a entsprechend angepaßt werden. Demzufolge kann ΔF in zweckmäßiger Weise angepaßt werden. Da eine starke Antriebskraft, welche für die Basisschwingung in Längsrichtung erforderlich ist, am Mittelpunkt des Basisbauteils 12 in Längsrichtung erhalten wird, erhöht sich der elektromagnetische Kopplungskoeffizient noch weiter, und demzufolge wird auch ΔF im Vergleich zu einem piezoelektrischen Resonator mit Laminatstruktur noch größer, bei dem die gemeinsame Fläche gegenüberliegender Elektroden in der Größe konstant ist.
Bei der Basisschwingung in Längsrichtung ist eine stärkere Antriebskraft an einer Stelle erforderlich, die in der Längsrichtung näher am Mittelpunkt des Basisbauteils liegt, da von diesem Teil bis zu einem Ende des Basisbauteils in der Längsrichtung die Masse groß ist. Idealerweise und wie in Fig. 9 gezeigt, ist eine in der Stärke unterschiedliche Antriebskraft entsprechend einer Kosinuskurve erforderlich, die die Länge des Basisbauteils als halbe Wellenlänge und eine maximale Amplitude am Mittelpunkt in der Längsrichtung des Basisbauteils aufweist. Im Gegensatz dazu wird bei dem piezoelektrischen Resonator 10 eine in der Stärke unterschiedliche Antriebskraft, welche für die Basisschwingung in Längsrichtung geeignet ist, im gesamten Bereich in der Längsrichtung des Basisbauteils 12 erhalten, da die gemeinsame Fläche sich gegenüberliegender Elektroden bei den Elektroden 14a, 14b und 14c in dem. Maße größer wird, wie die sich gegenüberliegenden Elektroden in der Längsrichtung näher am Mittelpunkt des Basisbauteils 12 liegen. Demzufolge werden der elektromagnetische Kopplungskoeffizient und ΔF größer.
Um Unterschiede bei ΔF und anderen durch Unterschiede bei den gemeinsamen Flächen zwischen einer Mehrzahl von Elektroden verursachten Faktoren zu messen, wurde ein in Fig. 10 gezeigter piezoelektrischer Resonator mit Laminatstruktur hergestellt. Dieser in Fig. 10 gezeigte piezoelektrische Resonator unterschied sich insofern von dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten piezoelektrischen Resonator 10, als sieben Elektroden 14a, 14b und 14c auf den gesamten Hauptoberflächen senkrecht zur Längsrichtung des Basisbauteils 12 in den piezoelektrischen Schichten 12a ausgebildet wurden. Demzufolge hatte der in Fig. 10 gezeigte piezoelektrische Resonator mit Laminatstruktur eine gemeinsame Fläche sich gegenüberliegender Elektroden unter den Elektroden 14a, 14b und 14c in der gleichen Größe wie die Fläche der Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schichten 12a.
Die Resonanzfrequenz Fr und die Antiresonanzfrequenz Fa wurden bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten piezoelektrischen Resonator 10 und bei dem in Fig. 10 gezeigten piezoelektrischen Resonator gemessen. Die Tabelle 4 gibt jeweils jedes Resonanzfrequenz Fr, jede Antiresonanzfrequenz Fa, die Frequenzdifferenz ΔF und ΔF/Fa an. Tabelle 4
Es wurde anhand der in Tabelle 4 angegebenen Ergebnisse festgestellt, daß der in den Fig. 1 und 2 gezeigte piezoelektrische Resonator 10 ein größeres ΔF und ein größeres ΔF/Fa aufweist als der in Fig. 10 gezeigte piezoelektrische Resonator.
Da der in den Fig. 1 und 2 gezeigte piezoelektrische Resonator 10 zwischen den Elektroden 14a, 14b und 14c jeweils unterschiedliche Kapazitäten aufweist, da also mit anderen Worten die Kapazität zwischen den Elektroden in dem Maße größer wird wie die Elektroden in der Längsrichtung näher am Mittelpunkt des Basisbauteils liegen, werden Belastungen, die in jeder piezoelektrischen Schicht 12a durch Oberschwingungen ungerader Ordnung, wie z. B. Oberschwingungen der dritten Ordnung und der fünften Ordnung, erzeugt werden, aufgehoben und Störschwingungen in Form von Oberschwingungen werden unterdrückt.
Die Störschwingung der dritten Ordnung wird beispielsweise betrachtet. Wie in Fig. 11 gezeigt, werden Belastungen mit zyklischer Amplitude und der gleichen maximalen Amplitude in der Längsrichtung von einem Ende des Basisbauteils des in Fig. 10 gezeigten piezoelektrischen Resonators zum anderen Ende erzeugt, und die Belastungen werden nicht ausreichend aufgehoben und bleiben demzufolge bestehen. Im Gegensatz dazu werden bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten piezoelektrischen Resonator 10 die Belastungen in einer solchen Weise erzeugt, daß sie in dem Maße eine größere Amplitude aufweisen wie sie in der Längsrichtung näher am Mittelpunkt des Basisbauteils erzeugt werden, wie dies in Fig. 12 gezeigt wird, und die meisten der Belastungen werden aufgehoben. Als nächstes wird die Störschwingung der fünften Ordnung geprüft. In der gleichen Weise wie bei der Störschwingung der dritten Ordnung werden, wie in Fig. 13 gezeigt, Belastungen mit einer zyklischen Amplitude und der gleichen maximalen Amplitude in der Längsrichtung von einem Ende des Basisbauteils des in Fig. 13 gezeigten piezoelektrischen Resonators zum anderen Ende erzeugt, und die Belastungen werden nicht ausreichend aufgehoben und bleiben demzufolge bestehen. Im Gegensatz dazu werden bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten piezoelektrischen Resonator 10 die Belastungen in einer solchen Weise erzeugt, daß sie in dem Maße eine größere Amplitude aufweisen wie sie in der Längsrichtung näher am Mittelpunkt des Basisbauteils erzeugt werden, wie dies in Fig. 14 gezeigt wird, und die meisten der Belastungen werden aufgehoben. Bei Störschwingungen der ungeraden Ordnung, wie z. B. Schwingungen der siebten, neunten und elften Ordnung, werden die meisten Belastungen ebenso wie bei den Störschwingungen der dritten und fünften Ordnung aufgehoben. Demzufolge unterdrückt der in den Fig. 1 und 2 gezeigte piezoelektrische Resonator 10 Störschwingungen der höheren Ordnung stärker als der in Fig. 10 gezeigte piezoelektrische Resonator.
Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten piezoelektrischen Resonator 10 kann die Kapazität des Resonators dadurch angepaßt werden, daß die gemeinsamen Flächen sich gegenüberliegender Elektroden 14a, 14b und 14c in der Größe, die Anzahl der piezoelektrischen Schichten 12a oder der Elektroden 14a, 14b und 14c oder die Abmessungen der piezoelektrischen Schichten 12a in der Längsrichtung des Basisbauteils 12 verändert werden. Mit anderen Worten kann die Kapazität dadurch erhöht werden, daß die gemeinsamen Flächen sich gegenüberliegender Elektroden 14a, 14b und 14c vergrößert werden, die Anzahl der piezoelektrischen Schichten 12a oder der Elektroden 14a, 14b und 14c erhöht wird oder dadurch, daß die Abmessungen der piezoelektrischen Schichten 12a in Längsrichtung des Basisbauteils 12 vermindert werden. Im Gegensatz dazu kann die Kapazität dadurch gemindert werden, daß die Größe der gemeinsamen Flächen sich gegenüberliegender Elektroden 14a, 14b und 14c, die Anzahl der piezoelektrischen Schichten 12a oder die Elektroden 14a, 14b und 14c vermindert werden oder dadurch, daß die Abmessungen der piezoelektrischen Schichten 12a in der Längsrichtung des Basisbauteils 12 erhöht werden. Dies bedeutet, daß ein hoher Freiheitsgrad für die Festlegung der Kapazität gegeben ist. Demzufolge ist es leicht, eine Impedanzanpassung gegenüber einem externen Schaltkreis zu erreichen, wenn der piezoelektrische Resonator 10 auf einer Leiterplatte montiert und verwendet wird.
Um die Elektroden 14a, 14b und 14c mit den externen Elektroden 20 und 22 zu verbinden, können Isolierfilme 16 und 18 mit Öffnungen 50 in der Weise vorgesehen werden, daß, wie in Fig. 15 gezeigt, alternierende Elektroden 14a, 14b und 14c freiliegen. Die externen Elektroden 20 und 22 werden auf den Isolierfilmen 16 und 18 ausgebildet, und die Elektroden 14a, 14b und 14c stehen mit den beiden externen Elektroden 20 und 22 alternierend in Verbindung. Zwei externe Elektroden 20 und 22 können auf einer Seitenfläche des Basisbauteils 12, wie in Fig. 16 gezeigt, ausgebildet werden. In diesem Fall werden die Isolierfilme 16 und 18 auf einer Seitenfläche des Basisbauteils 12 in zweireihiger Form ausgebildet, und es werden zwei Reihen von Verbindungsbereichen ausgebildet. Diese beiden Reihen von Isolierfilmen 16 und 18 werden jeweils auf alternierenden Elektroden 14a, 14b und 14c ausgebildet. Auf diesen beiden Reihen von Isolierfilmen 16 und 18 werden zwei Reihen externer Elektroden 20 und 22 jeweils ausgebildet. Die äußersten beiden Elektroden 14c werden beispielsweise in einer T-Form ausgebildet, so daß sie mit der externen Elektrode 22 verbunden sind. Die in den Fig. 15 und 16 gezeigten piezoelektrischen Resonatoren können die gleichen Vorteile erzielen, wie der in den Fig. 1 und 2 gezeigte piezoelektrische Resonator.
Innenelektroden 14a, 14b und 14c können die gegenüberliegenden Seitenflächen des Basisbauteils 12, wie in Fig. 17 gezeigt, alternierend erreichen. An den gegenüberliegenden Seitenflächen des Basisbauteils 12 ist es notwendig, externe Elektroden 20 und 22 auszubilden. Bei dem in Fig. 17 gezeigten piezoelektrischen Resonator 10 sind die Innenelektroden 14a, 14b und 14c alternierend mit den externen Elektroden 20 und 22 dadurch verbunden, daß die externen Elektroden 20 und 22 an den Seitenflächen des Basisbauteils 12 ausgebildet werden, da die Elektroden 14a, 14b und 14c alternierend freiliegen. Demzufolge ist es nicht notwendig, Isolierfilme an den Seitenflächen des Basisbauteils 12 auszubilden. In diesem Fall ist es notwendig, die Elektroden 14a, 14b und 14c auf den piezoelektrischen Schichten 12a mit verbleibenden Lücken auszuformen, so daß die Elektroden ein Ende der piezoelektrischen Schichten 12a nicht erreichen.
Bei dem in Fig. 17 gezeigten piezoelektrischen Resonator werden die Elektroden 14a, 14b oder 14c nicht auf der gesamten Fläche eines Querschnitts des Basisbauteils 12 ausgebildet. Demzufolge ist die gemeinsame Fläche nebeneinanderliegender Elektroden unter den Elektroden 14a, 14b und 14c kleiner als eine auf dem gesamten Querschnitt ausgebildete Elektrode. Unter Verwendung dieses gemeinsamen Bereiches können die Kapazität und das ΔF des piezoelektrischen Resonators 10 eingestellt werden. In dem Maße, wie die gemeinsame Fläche sich gegenüberliegender Elektroden 14a, 14b und 14c kleiner wird, werden auch Kapazität und ΔF kleiner.
Bei dem oben beschriebenen piezoelektrischen Resonator 10 ist das Basisbauteil 12 in der Längsrichtung von einem Ende zum anderen Ende piezoelektrisch aktiv und schwingt. Ein Teil des Basisbauteils 12 in der Längsrichtung kann als inaktiver Bereich dienen, welcher piezoelektrisch inaktiv ist. Ein solcher inaktiver Bereich 24 kann in einer solchen Weise ausgebildet werden, daß ein elektrisches Feld dadurch nicht angelegt wird, daß keine Elektroden 14 an den Enden des Basisbauteils 12, wie in Fig. 18 gezeigt, ausgebildet werden. Wenn der inaktive Bereich in dieser Weise ausgebildet wird, wird ein Prozeß zur Ausbildung von Elektroden an beiden Enden des Basisbauteils 12 überflüssig. Die Enden des Basisbauteils 12 können polarisiert werden oder auch nicht. Wie in Fig. 19 gezeigt, kann das Polarisieren nur bei den Enden des Basisbauteils 12 unterbleiben. In diesem Fall ist ein nicht polarisierter Teil piezoelektrisch aktiv, selbst wenn ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden 14 angelegt wird. Die Struktur kann in einer solchen Weise ausgebildet werden, daß kein elektrisches Feld an die piezoelektrische Schicht angelegt wird, die als inaktiver Bereich 24 dient, da der Bereich durch die Isolierfilme 16 und 18 auch dann isoliert wird, wenn der Bereich polarisiert wird, wie dies in Fig. 20 gezeigt wird. Mit anderen Worten wird die Schicht nur denn piezoelektrisch aktiv, wenn eine piezoelektrische Schicht polarisiert und ein elektrisches Feld angelegt wird, ansonsten ist sie inaktiv. Bei dieser Konfiguration wird in dem inaktiven Bereich ein Kondensator ausgebildet, und die Kapazität kann erhöht werden. Eine kleine Elektrode 52 kann an einer Endfläche des Basisbauteils 12, wie in Fig. 20 gezeigt, ausgebildet werden, um die Frequenz anzupassen oder eine Verbindung zu einem externen Schaltkreis herzustellen.
Unter Verwendung eines solchen piezoelektrischen Resonators 10 werden elektronische Bauelement, wie Oszillatoren und Diskriminatoren, hergestellt. Fig. 21 ist eine perspektivische Ansicht eines elektronischen Bauelements 60. Das elektronische Bauelement 60 umfaßt ein Isoliersubstrat 62, welches als Tragebauteil dient. An sich gegenüberliegenden Endabschnitten des Isoliersubstrats 62 werden jeweils zwei Aussparungen 64 ausgebildet. An einer Oberfläche des Isoliersubstrats 62 werden, wie in Fig. 22 gezeigt, zwei strukturierte Elektroden 66 und 68 ausgebildet. Eine strukturierte Elektrode 66 wird zwischen sich gegenüberliegenden Aussparungen 64 ausgebildet und erstreckt sich in L-förmiger Weise von einem Punkt in der Nähe eines Endes hin zum Mittelpunkt des Isoliersubstrats 62. Die andere strukturierte Elektrode 68 wird zwischen sich gegenüberliegenden Aussparungen 64 ausgebildet und erstreckt sich gerade von einem Punkt in der Nähe des anderen Endes hin zum Mittelpunkt des Isoliersubstrats 62. Die strukturierten Elektroden 66 und 68 werden in einer solchen Weise ausgebildet, daß sie in umlaufender Form von den Enden des Isoliersubstrats 62 zu der gegenüberliegenden Oberfläche hin angeordnet sind.
An einem Ende der am Mittelpunkt des Isoliersubstrats 62 angeordneten strukturierten Elektrode 66 wird ein Überstand 70, der als Montagebauteil dient, mit elektrisch leitendem Klebstoff ausgeformt. Wie in Fig. 23 gezeigt, wird der oben beschriebene piezoelektrische Resonator 10 auf dem Überstand 70 in einer solchen Weise montiert, daß der Mittelpunkt des Basisbauteils 12 auf dem Überstand 70 angeordnet ist. Eine externe Elektrode 22 des piezoelektrischen Resonators 10 wird beispielsweise mit dem Überstand 70 verbunden. Die andere externe Elektrode 20 wird mittels elektrisch leitendem Draht 72 mit einer strukturierten Elektrode 68 verbunden. Der elektrisch leitende Draht 72 wird mit dem Mittelpunkt der externen Elektrode 20 des piezoelektrischen Resonators 10 verbunden.
Auf dem Isoliersubstrat 62 wird eine Metallkappe 74 angebracht, um das elektronische Bauelement 60 fertigzustellen. Um zu verhindern, daß die Metallkappe 74 an den strukturierten Elektroden 66 und 68 kurzgeschlossen wird, wird im vorhinein Isolierharz auf dem Isoliersubstrat 62 und den strukturierten Elektroden 66 und 68 angebracht.Das elektronische Bauelement 60 verwendet die strukturieren Elektroden 66 und 68, die in einer solchen Weise ausgebildet werden, daß sie in Richtung auf die rückwärtige Oberfläche ausgehend von den Enden des Isoliersubstrats 62 als Eingangs- und Ausgangsanschlüsse zur Verbindung mit externen Schaltkreisen angeordnet werden.
Da der Mittelpunkt des piezoelektrischen Resonator 10 bei diesem elektronischen Bauelement 60 mit dem Überstand 70 verbunden ist, sind die Enden des piezoelektrischen Resonators 10 getrennt von dem Isoliersubstrat 62 angeordnet, so daß die Schwingung nicht verhindert wird. In Längsrichtung erregte Schwingung wird nicht gedämpft, da der Mittelpunkt des piezoelektrischen Resonators, der als Knotenpunkt dient, an dem Überstand 70 montiert wird und mit dem elektrisch leitenden Draht 72 verbunden ist.
Das elektronische Bauelement 60 wird auf einer Platine zusammen mit IC-Chips und sonstigen Komponenten montiert, um einen Oszillator oder einen Diskriminator zu bilden. Da das elektronische Bauelement 60 durch die Metallkappe 74 versiegelt und geschützt wird, kann es als ein chipartiges (oberflächenmontiertes) Bauelement verwendet werden, das durch Aufschmelzlöten montiert werden kann.
Wenn das elektronische Bauelement 60 in einem Oszillator verwendet wird, werden Störschwingungen auf einen niedrigen Pegel gemindert, und ungewöhnliche Schwingungen, die durch die Störschwingungen verursacht werden, werden aufgrund der Merkmale des im elektronischen Bauelement 60 verwendeten piezoelektrischen Resonators 10 verhindert. Es ist auch leicht, eine Impedanzanpassung gegenüber einem externen Schaltkreis zu erreichen, da die Kapazität des piezoelektrischen Resonators 10 auf einen beliebigen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Insbesondere wenn das elektronische Bauelement für einen Oszillator für spannungsgesteuerte Oszillation verwendet wird, wird ein breiter Frequenzbereich, der nach dem Stand der Technik nicht erhalten werden kann, aufgrund eines großen ΔF des Resonators gewonnen.
Wenn das elektronische Bauelement für einen Diskriminator verwendet wird, ergibt sich aufgrund des großen ΔF des Resonators ein breiter Peak-Separations-Bereich. Da der Resonator einen breiten Kapazitätsbereich bietet, ist es des weiteren leicht möglich, eine Impedanzanpassung gegenüber einem externen Schaltkreis zu erzielen.
Der piezoelektrische Resonator 10 kann auf dem Isoliersubstrat 62 in der Weise montiert werden, daß zwei Überstände 70, die aus einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. elektrisch leitendem Klebstoff, hergestellt werden, auf beiden strukturierten Elektroden 66 und 68 ausgebildet werden, und die externen Elektroden 20 und 22 des piezoelektrischen Resonators 10 werden mit den beiden Überständen verbunden, wie dies in den Fig. 24 und 25 gezeigt wird. Der piezoelektrische Resonator 10 kann auch in der in den Fig. 26 und 27 gezeigten Weise auf dem Isoliersubstrat 62 montiert werden, wobei zwei Überstände 70, die aus einem Isoliermaterial, wie z. B. einem Isolierklebstoff, hergestellt werden, auf dem Isoliersubstrat 62 ausgebildet werden, und die externen Elektroden 20 und 22 werden mittels des elektrisch leitenden Drahtes 72 mit den strukturierten Elektroden 66 und 68 verbunden. Die Überstände können im vorhinein auf dem piezoelektrischen Resonator 10 ausgebildet werden.
Unter Verwendung einer Mehrzahl von piezoelektrischen Resonatoren 10 kann ein Leiterfilter hergestellt werden. Wie in den Fig. 28 und 29 gezeigt, werden drei strukturierte Elektroden 76, 78 und 80 auf dem Isoliersubstrat 62 ausgebildet und dienen als Tragebauteil in einem elektronischen Bauelement 60. Überstände 82 und 86, welche als Montagebauteile dienen, werden mit elektrisch leitendem Klebstoff an beiden Enden der strukturierten Elektroden 76 und 80 ausgebildet. Bei der mittleren strukturierten Elektrode 78 werden zwei als Montagebauteile dienende Überstände 84 und 88 mit elektrisch leitendem Klebstoff ausgebildet.
Eine externe Elektrode 22 für jeden der piezoelektrischen Resonatoren 10a, 10b, 10c und 10wird jeweils an jedem der Überstände 82, 84, 86 und 88 montiert. Die Überstände 82, 84, 86 und 88 können im vorhinein auf dem piezoelektrischen Resonatoren 10a, 10b, 10c und 10d ausgebildet werden. Die anderen externen Elektroden 20 für die piezoelektrischen Resonatoren 10a, 10b und 10c werden miteinander mittels des elektrisch leitenden Drahtes 72 verbunden. Die andere externe Elektrode 20 des piezoelektrischen Resonators 10d wird mit der strukturierten Elektrode 80 mittels des elektrisch leitenden Drahtes 72 verbunden. Eine Metallkappe 74 wird auf dem Isoliersubstrat 62 angebracht.
Das elektronische Bauelement 60 wird als ein Leiterfilter verwendet, welcher einen in Fig. 30 gezeigten leiterförmigen Schaltkreis aufweist. Zwei piezoelektrische Resonatoren 10a und 10c dienen als in Reihe geschaltete Resonatoren, und die anderen beiden piezoelektrischen Resonatoren 10c und 10c dienen als parallel geschaltete Resonatoren. In einem solchen Leiterfilter werden die parallel geschalteten piezoelektrischen Resonatoren 10b und 10d entwickelt, daß sie im wesentlichen größere Kapazitäten haben als die piezoelektrischen in Serie geschalteten Resonatoren 10a und 10c.
Die Dämpfung im Leiterfilter wird durch das Kapazitätsverhältnis zwischen den in Reihe geschalteten Resonatoren und den parallel geschalteten Resonatoren bestimmt. In dem elektronischen Bauelement 60 kann die Kapazität dadurch angepaßt werden, daß die Anzahl der in den piezoelektrischen Resonatoren 10a bis 10d verwendeten laminierten Schichten verändert wird. Demzufolge wird ein Leiterfilter mit einer stärkeren Dämpfung mit weniger Resonatoren dadurch implementiert, daß die Kapazitäten der piezoelektrischen Resonatoren im Vergleich zu dem Fall verändert werden, in dem konventionelle nicht versteifte piezoelektrische Resonatoren verwendet werden. Da die piezoelektrischen Resonatoren 10a bis 10d ein größeres ΔF aufweisen als der konventionelle piezoelektrische Resonator, wird im Vergleich zu dem an sich bekannten piezoelektrischen Resonator ein breites Übertragungsfrequenzband implementiert.
Fig. 31 ist eine Draufsicht des Hauptabschnittes eines Leiterfilters mit einem leiterförmigen Schaltkreis. Fig. 32 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Hauptbereiches. In dem in den Fig. 31 und 32 gezeigten elektronischen Bauelement 60 werden vier strukturierte Elektroden 90, 92, 94 und 96 auf einem als Tragebauteil dienenden Isoliersubstrat 62 ausgebildet. Fünf in einer Linie beabstandet angeordnete lötbare Anschlußflächen werden auf den strukturierten Elektroden 90, 92, 94 und 96 ausgebildet. Die erste lötbare Anschlußfläche, die sich am nächsten an einem Ende des Isoliersubstrats 62 befindet, wird auf der strukturierten Elektrode 90 ausgebildet, die zweite und die fünfte lötbare Anschlußfläche werden auf der strukturierten Elektrode 92 ausgebildet, die dritte lötbare Anschlußfläche wird auf der strukturierten Elektrode 94 ausgebildet, und die vierte lötbare Anschlußfläche wird auf der strukturierten Elektrode 96 ausgebildet.
Montagebauteile werden in einer Linie beabstandet unter Verwendung elektrisch leitenden Klebstoffs auf den fünf lötbaren Anschlußflächen ausgebildet: ein Überstand 98 auf der ersten lötbaren Anschlußfläche, zwei Überstände 100 und 102 auf der zweiten lötbaren Anschlußfläche, zwei Überstände 104 und 106 auf der dritten lötbaren Anschlußfläche, zwei Überstände 108 und 110 auf der vierten lötbaren Anschlußfläche und ein Überstand 112 auf der fünften lötbaren Anschlußfläche.
Die externen Elektroden 20 und 22 der piezoelektrischen Resonatoren 10a, 10b, 10c und 10d werden auf den genannten Überständen 98, 100, 102, 104, 106, 108, 110 und 112 montiert, um einen in Fig. 30 gezeigten leiterförmigen Schaltkreis auszubilden. Die Überstände können im vorhinein auf den piezoelektrischen Resonatoren 10a, 10b, 10c und 10d ausgebildet werden. Anschließend wird eine (nicht gezeigte) Metallkappe auf dem Isoliersubstrat 62 aufgebracht.
Das in den Fig. 31 und 32 gezeigte elektronische Bauelement unterscheidet sich insofern von dem in den Fig. 28 und 29 gezeigten elektronischen Bauelement, als zwei Elektroden von nebeneinanderliegenden piezoelektrischen Resonatoren auf zwei auf der gleichen lötbaren Anschlußfläche ausgebildeten Überständen montiert werden. Demzufolge müssen die beiden Elektroden nebeneinanderliegender piezoelektrischer Resonatoren nicht isoliert werden, und demzufolge können nebeneinanderliegende Resonatoren mit geringem Abstand angeordnet werden, was ein kompaktes Bauelement ermöglicht.
Ein elektronisches Bauelement 60 mit zwei Anschlüssen, wie z. B. ein Keramikresonator und ein Keramikdiskriminiator, können, wie in Fig. 33 gezeigt, mit einem piezoelektrischen Resonator 10 hergestellt werden. Zwei Anschlüsse 120 aus einem elektrisch leitenden Material werden vorbereitet, um ein solches elektronisches Bauelement 60 mit zwei Anschlüssen herzustellen. Diese Anschlüsse 120 werden so ausgebildet, daß sie sich ausgehend von Ringen 122 erstrecken. Praktisch wird eine Mehrzahl von Anschlüssen 120 in einer Linie auf jedem Ring 122 ausgebildet. Ein Anschluß 120 weist einen gefalteten Bereich 124 im mittleren Teil und am Ende ein H-förmiges Tragebauteil 126 auf. Das Tragebauteil 126 ist gebogen und weist am Mittelpunkt ein überstehendes Montagebauteil 128 auf. Die beiden Anschlüsse 120 sind so angeordnet, daß sich ihre Montagebauteile 128 gegenüberliegen.
Der piezoelektrische Resonator 10 wird zwischen den Montagebauteilen 128 gestützt. Die Montagebauteile 128 stoßen gegen die externen Elektroden 20 und 22 am Mittelpunkt des piezoelektrischen Resonators 10 in Längsrichtung an. Da die Anschlüsse 120 gefaltete Bereiche 124 aufweisen, die als Federelemente dienen, wird der piezoelektrische Resonator 10 durch die Anschlüsse 120 federnd gehalten. Ein Gehäuse 130, das an einem Ende eine Öffnung aufweist, wird auf dem piezoelektrischen Resonator 10 angebracht. Die Öffnung des Gehäuses 130 wird mit Papier geschlossen und dann mit Harz versiegelt. Die Anschlüsse 120 werden aus den Ringen 122 ausgeschnitten, um das elektronische Bauelement 60 fertigzustellen. Das elektronische Bauelement 60 mit einer anderen Form als einer Chipform kann entsprechend hergestellt werden.
Bei jedem der oben beschriebenen piezoelektrischen Resonatoren wird eine piezoelektrische Schicht zwischen zwei nebeneinanderliegenden Elektroden angeordnet. Es kann eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten geliefert werden.
Eine Dummyelektrode, die nicht mit einer externen Elektrode verbunden ist, kann für das Basisbauteil 12 vorgesehen werden.
Bei jedem der oben beschriebenen piezoelektrischen Resonatoren wird die gemeinsame Fläche sich gegenüberliegender Elektroden bei der Mehrzahl von Elektroden in dem Maße größer ausgebildet, wie die sich gegenüberliegenden Elektroden in der Längsrichtung näher beim Mittelpunkt des Basisbauteils befinden. Es ist notwendig, mindestens ein Paar sich gegenüberliegender Elektroden zu haben, welche eine gemeinsame Fläche aufweisen, deren Größe im Vergleich zu derjenigen der anderen Paare sich gegenüberliegender Elektroden unter der Mehrzahl von Elektroden unterscheidet.
Wie oben beschrieben, kann ΔF bei dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonator 10 angepaßt werden. Des weiteren kann bei dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonator 10 die Frequenzdifferenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz im Vergleich zu einem piezoelektrischen Resonator weiter vergrößert werden, bei dem die gemeinsame Fläche sich gegenüberliegender Elektroden in der Größe konstant ist, und demzufolge wird ein piezoelektrischer Resonator mit breitem Frequenzband erhalten. Des weiteren kann erfindungsgemäß ein piezoelektrischer Resonator mit geringer Störschwingung erhalten werden. Die Kapazität des piezoelektrischen Resonators 10 nach der Erfindung kann bedarfsgerecht dadurch entwickelt werden, daß die gemeinsamen Flächen sich gegenüberliegender Elektroden in der Größe, die Anzahl von piezoelektrischen Schichten oder Elektroden oder die Abmessungen der piezoelektrischen Schichten in der Längsrichtung des Basisbauteils verändert werden, und demzufolge ist es leicht, eine Impedanzanpassung gegenüber einem externen Schaltkreis zu erreichen. Es kann ein elektronisches Schaltkreis zu erreichen. Es kann ein elektronisches Bauelement mit einem die oben beschriebenen Merkmale aufweisenden piezoelektrischen Resonator 10 erhalten werden.

Claims

1. Piezoelektrischer Resonator (10), welcher umfaßt:

ein Basisbauteil (12) mit Erstreckung in Längsrichtung, einen aktiven, aus einem polarisierten piezoelektrischen Bauteil bestehenden und mindestens einem Teil des genannten Basisbauteils bestehenden Bereich und

ein Paar mit dem genannten aktiven Bereich ausgestattete externe Elektroden (20, 22),

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Vielzahl von Innenelektroden (14a, 14b, 14c), die mit dem genannten Paar externer Elektroden (20, 22) verbunden sind, in/auf dem genannten aktiven Bereich in der Längsrichtung des genannten Basisbauteils (12) beabstandet angeordnet sind,

der genannte aktive Bereich in der Längsrichtung des genannten Basisbauteils (12) polarisiert ist,

mindestens eine Kapazität zwischen einem Paar der genannten Innenelektroden (14a, 14b, 14c) sich von der anderen Kapazität zwischen dem anderen Paar der genannten Innenelektroden (14a, 14b, 14c) unterscheidet, und

mindestens ein Paar der genannten sich gegenüberliegenden Innenelektroden (14a, 14b, 14c) einen gemeinsamen Bereich aufweist, der sich in der Größe von den anderen Paaren der genannten Innenelektroden (14a, 14b, 14c) unterscheidet.

2. Piezoelektrischer Resonator (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten gemeinsamen Bereiche in dem Maße größer werden, wie das genannte Paar sich gegenüberliegender Innenelektroden (14a, 14b, 14c) näher am Mittelabschnitt des genannten Basisbauteils (12) in der Längsrichtung angeordnet ist.

3. Piezoelektrischer Resonator (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Resonator (10) des weiteren umfaßt:

ein Tragebauteil (62), das das genannte Basisbauteil (12) über ein Montagebauteil (70) befestigt,

wobei das genannte Montagebauteil (70) in einem Mittelabschnitt des genannten Basisbauteils (12) in der Längsrichtung angeordnet ist.

4. Elektronisches Bauelement (60) zur Verwendung mit dem piezoelektrischen Resonator (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

das genannte Tragebauteil (62) ein Isoliersubstrat (62) ist und

auf dem genannten Isoliersubstrat (62) eine strukturierte Elektrode (66, 68) angeordnet und mit den genannten externen Elektroden (20, 22) des genannten piezoelektrischen Resonators (10) verbunden ist.

5. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte elektronische Bauelement (60) ein Leiterfilter ist, bei dem eine Vielzahl von strukturierten Elektroden (76, 78, 80) auf dem genannten Isoliersubstrat (62) abgeordnet und mit den genannten externen Elektroden (20, 22) einer Vielzahl der genannten piezoelektrischen Resonatoren (10a, 10b, 10c, 10d) in der Weise verbunden ist, daß die genannten piezoelektrischen Resonatoren (10a, 10b, 10c, 10d) in Leiterform miteinander verbunden sind.

6. Elektronisches Bauelement (60) zur Verwendung mit dem piezoelektrischen Resonator (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte piezoelektrische Resonator (10) durch das genannte Tragebauteil (126) in einem Gehäuse (130) befestigt ist.