DE69726636T2

DE69726636T2 - Piezoelektrischer Resonator und elektronisches Bauelement unter Verwendung derselben

Info

Publication number: DE69726636T2
Application number: DE69726636T
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Nagaokakyo-shi Unami; Jiro Nagaokakyo-shi Inoue
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-04-05
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: CN1085908C; DE69726636D1; NO971560L; US5925970A; JPH09275325A; JP3271517B2; EP0800269A2; EP0800269A3; CN1167368A; EP0800269B1; NO971560D0

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Resonator, der die mechanische Resonanz eines piezoelektrischen Elements ausnützt, und genauer gesagt einen piezoelektrischen Resonator, der aus einem Grundelement in einer Längsrichtung, eine aktive Zone, die sich aus einem polarisierten piezoelektrischen Element, das zumindest einen Teil des Grundelements ausmacht, und einem äußeren Elektrodenpaar, in das die aktive Zone eingebracht ist, zusammensetzt.
Mit der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein elektronisches Bauelement unter Verwendung des piezoelektrischen Resonators, z. B. ein Oszillator, ein Diskriminator und ein Filter bereitgestellt. Mit der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus ein Herstellungsverfahren für den piezoelektrischen Resonator bereitgestellt.
In 39 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen piezoelektrischen Resonators gezeigt. Der piezoelektrische Resonator 1 umfasst ein piezoelektrisches Substrat 2, das z. B. die in Draufsicht gezeigte rechteckige Plattenform aufweist. Das piezoelektrische Substrat 2 ist in Dickenrichtung polarisiert. An beiden Oberflächen des piezoelektrischen Substrats 2 befinden sich Elektroden 3. Geht ein Signal zwischen die Elektroden 3 ein, so wird ein elektrisches Feld an das piezoelektrische Substrat 2 in Dickenrichtung angelegt und schwingt das piezoelektrische Substrat 2 in Längsrichtung. In 40 ist ein piezoelektrischer Resonator 1 gezeigt, bei dem Elektroden 3 an beiden Oberflächen des piezoelektrischen Substrats 2 vorhanden sind, das die in Draufsicht gezeigte quadratische Plattenform aufweist. Das piezoelektrische Substrat 2 des piezoelektrischen Resonators 1 ist in Dickenrichtung polarisiert. Geht ein Signal zwischen die Elektroden 3 in den piezoelektrischen Resonator 1 ein, so wird ein elektrisches Feld an das piezoelektrische Substrat 2 in Dickenrichtung angelegt und schwingt das piezoelektrische Substrat 2 in Rechteckschwingungsmodus (in Richtung der Ebene).
Diese piezoelektrischen Resonatoren sind von einer unversteiften Art, bei der die Schwingungsrichtung von der Richtung der Polarisation und des elektrischen Feldes abweicht. Der elektromechanische Kopplungskoeffizient eines solchen unversteiften piezoelektrischen Resonators ist niedriger als der eines versteiften piezoelektrischen Resonators, bei dem die Schwingungsrichtung, die Polarisationsrichtung und die Richtung, in der ein elektrisches Feld angelegt wird, dieselben sind. Ein unversteiften piezoelektrischen Resonator weist eine relativ kleine Frequenzdifferenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz auf. Dies ergibt den Nachteil, dass die Breite des Frequenzbandes in der Anwendung gering ist, wenn ein unversteier Frequenzresonator als ein Oszillator oder ein Filter verwendet wird. Daher ist der Spielraum bei der Gestaltung der Charakteristika für solch einen piezoelektrischen Resonator und die elektronischen Bauelemente unter Verwendung desselben gering.
Der in 39 gezeigte piezoelektrische Resonator nützt die Resonanz der ersten Ordnung in Longitudinalmodus aus. Er erzeugt aufgrund seiner Struktur auch große Störresonanzen in Oberwellenmodi einer ungeraden Ordnung, wie etwa dem Modus der dritten und der fünften Ordnung, und im Dichtenmodus. Um diese Störresonanzen zu unterdrücken, werden einige Maßnahmen erwogen wie Polierung, Massenerhöhung und Formveränderung der Elektrode. Diese Maßnahmen bringen allerdings höhere Herstellungskosten mit sich.
Da das piezoelektrische Substrat außerdem bei Draufsicht eine rechteckige Plattenform aufweist, kann das Substrat aufgrund von Beschränkungen hinsichtlich der Stärke nicht dünner gemacht werden. Daher kann der Abstand zwischen den Elektroden nicht vermindert und die Kapazität zwischen den Klemmen nicht vergrößert werden. Dies ist äußerst unkomfortabel zur Erzielung einer Impedanzanpassung mit einem externen Stromkreis. Um einen Leiterfilter durch Reihenschaltung, und wechselnd Parallelschaltung, einer Vielzahl von piezoelektrischen Resonatoren herzustellen, muss das Kapazitätsverhältnis des Reihenresonators zum Parallelresonator groß gestaltet werden, um die Dämpfung zu erhöhen. Da ein piezoelektrischer Resonator den oben beschriebenen Formbeschränkungen unterliegt, kann jedoch keine große Dämpfung erzielt werden.
Bei dem in 40 gezeigten piezoelektrischen Resonator werden große Störresonanzen, wie etwa im Dickenmodus und im Oberwellenmodus der dritten Ordnung, in Richtung der Ebene erzeugt. Da der piezoelektrische Resonator im Vergleich zu einem piezoelektrischen Resonator mit Längsschwingung von großer Größe sein muss, um dieselbe Resonanzfrequenz zu erreichen, ist eine Größenreduzierung bei diesem piezoelektrischen Resonator schwierig. Wird ein Leiterfilter aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Resonatoren erzeugt, so werden, um das Kapazitätsverhältnis zwischen dem Reihenresonator und dem Parallelresonator zu erhöhen, die in Reihe geschalteten Resonatoren dicker gemacht und die Elektroden lediglich auf einem Teil des piezoelektrischen Substrats gebildet, um auch die Kapazität zu vermindern. In diesem Fall ist, da die Elektroden lediglich teilweise vorliegen, die Differenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz als auch die Kapazität herabgesetzt. Die parallel geschalteten Resonatoren müssen demgemäß einen kleinen ΔF aufweisen. Als Folge wird die Piezoelektrizität des piezoelektrischen Substrats nicht effektiv genutzt und kann die Breite des Transmissionsbandes des Filters nicht erhöht werden.
In US-A-4.503.352 ist ein piezoelektrischer Resonator mit einem Grundelement, zwei aktive Zonen und einem äußeren Elektrodenpaar beschrieben. Die aktiven Zonen sind polarisiert, die Zone zwischen ihnen dagegen unpolarisiert.
Ein piezoelektrischer Resonator mit den Merkmalen gemäß der Einleitung des Anspruchs 1 ist aus US-A-3.378.704 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines piezoelektrischen Resonators mit einer geringen Störresonanz, einer großen Differenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz, einstellbarer Kapazität und ΔF und einem hohen Freiheitsgrad bezüglich der Gestaltung der Charakteristika.
Die vorangegangene Aufgabe wird bei einem Aspekt der Erfindung durch Bereitstellung eines piezoelektrischen Resonators mit den Merkmalen aus Anspruch 1 erfüllt. Die bevorzugten Ausführungsformen stellen den Gegenstand der Unteransprüche dar.
Die vorangegangene Aufgabe wird bei einem anderen Aspekt der Erfindung durch Bereitstellung eines elektronischen Bauelements mit den Merkmalen aus Anspruch 4 erfüllt. Eine bevorzugte Ausführungsform bildet den Gegenstand des Unteranspruchs 5. Weiterhin kann eine Abdeckkappe auf dem Isoliersubstrat angebracht werden, um das Grundelement zu bedecken.
Die vorangegangene Aufgabe wird bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung durch Bereitstellung eines elektronischen Bauelements mit den Merkmalen aus Anspruch 6 erfüllt.
Die vorangegangene Aufgabe wird bei noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung durch Bereitstellung eines Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen aus Anspruch 7 erfüllt. Eine bevorzugte Ausführungsform bildet den Gegenstand des Unteranspruchs 8.
Gemäß dem piezoelektrischen Resonator der Erfindung kann, da die Frequenzdifferenz ΔF durch Anpassung der inaktiven Zone eingestellt wird, die Breite des Frequenzbandes des piezoelektrischen Resonators verändert werden. Außerdem sind Schwingungen in einem anderen als dem Grundschwingungsmodus bei diesem piezoelektrischen Resonator unwahrscheinlich und werden hervorragende Eigenschaften erzielt. Da weiterhin die Kapazität des piezoelektrischen Resonators eingestellt werden kann, ist die Erzielung einer Impedanzanpassung mit einem externen Schaltkreis dann, wenn der piezoelektrische Resonator auf einer Schalttafel montiert wird, einfach.
Der piezoelektrische Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung ist von versteifter Art und weist eine aktive Zone auf, in der die Schwingungsrichtung, die Polarisationsrichtung und die Richtung, in der ein elektrisches Feld angelegt ist, gleich sind. Daher weist der versteifte piezoelektrische Resonator im Vergleich zu einem unversteiften piezoelektrischen Resonator, bei dem die Schwingungsrichtung von der Richtung der Polarisation und des elektrischen Feldes abweicht, einen größeren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und eine größere Frequenzdifferenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz auf. Außerdem ist das Auftreten von Schwingungsmodi wie den Dichten- und Dickenmodi, die von der Grundschwingung verschieden sind, bei einem versteiften piezoelektrischen Resonator unwahrscheinlich. Darüber hinaus kann die Kapazität durch Ändern der Zahl von Elektroden, die zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die aktive Zone eingesetzt werden, deren Abständen und ihrer Größe, eingestellt werden. Die Frequenzdifferenz ΔF kann durch Trimmen einer vorhandenen inaktiven Zone oder durch Massenerhöhung der Zone eingestellt werden.
Bei Herstellung von elektronischen Bauelementen wie einem Oszillator, einem Diskriminator und einem Filter unter Verwendung des piezoelektrischen Resonators wird der piezoelektrische Resonator auf einem Isoliersubstrat montiert, auf dem Musterelektroden erzeugt wurden, und durch eine Abdeckkappe zum Erhalt chipartiger (oberflächenmontierter) elektronischer Bauelemente bedeckt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Frequenzdifferenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz im Vergleich zu einem herkömmlichen piezoelektrischen Resonator groß, wodurch ein Resonator mit breitem Frequenzband erhalten wird.
Da ein chipartiges elektronisches Bauelement unter Verwendung des piezoelektrischen Resonators erzeugt werden kann, ist die Montage des Bauelements auf einer Schalttafel einfach. Auch ist die Erzielung einer Impedanzanpassung zwischen einem derartigen elektronischen Bauelement und einem externen Schaltkreis durch Einstellen der Kapazität des piezoelektrischen Resonators einfach. Außerdem kann bei einem durch Reihenschalten einer Vielzahl von piezoelektrischen Resonatoren und wechselnd Parallelschalten erzeugter Leiterfilter, die Dämpfung im Filter durch Ändern des Verhältnisses der Kapazität des in Reihe geschalteten piezoelektrischen Resonators zu der des parallelgeschalteten piezoelektrischen Resonators eingestellt werden.
Die oben beschriebene Aufgabe, weitere Aufgaben, weitere Merkmale und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Resonators gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Ansicht der Struktur des in 1 gezeigten piezoelektrischen Resonators.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht, die die Art und Weise der Laminierung von keramischen Grünplatten wiedergibt, um den in 1 gezeigten piezoelektrischen Resonator zu erhalten.
4 zeigt eine Ansicht eines Laminatblocks, der aus den in 3 gezeigten keramischen Grünplatten besteht.
5 zeigt eine Ansicht der Zonen, wobei der in 4 gezeigte Laminatblock aufgeschnitten ist.
6 zeigt eine Ansicht eines plattenförmigen Blocks, wie durch Aufschneiden des in 5 gezeigten Laminatblocks erhalten.
7 zeigt eine Ansicht des Zustandes, bei dem ein Harzisoliermaterial auf den in 6 gezeigten plattenförmigen Block aufgebracht und die Außenelektroden erzeugt werden.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines unversteiften piezoelektrischen Resonators, der in Längsrichtung schwingt und welcher zu Vergleichszwecken gezeigt ist.
9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines versteiften piezoelektrischen Resonators, der in Längsrichtung schwingt.
10 zeigt eine perspektivische Ansicht eines unversteiften piezoelektrischen Resonators, der in Richtung der Ebene (Rechteckschwingung) schwingt und welcher zu Vergleichszwecken gezeigt ist.
11 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen der Frequenz und der Impedanz des piezoelektrischen Resonators gemäß der vorliegenden Erfindung. 12 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen der Frequenz und der Impedanz eines herkömmlichen piezoelektrischen Resonators.
13 zeigt eine Ansicht eines piezoelektrischen Resonators, bei dem die Verteilung einer aktiven Zone und inaktiver Zonen in einem Grundelement verändert ist.
14 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen der Verteilung der aktiven Zone und der Kapazität, und ΔF/FA.
15 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Aktivzonen-Verhältnis und ΔF.
16 zeigt eine Ansicht eines modifizierten piezoelektrischen Resonators gemäß der vorliegenden Erfindung.
17 zeigt eine Ansicht eines anderen modifizierten piezoelektrischen Resonators gemäß der vorliegenden Erfindung.
18 zeigt eine Ansicht noch eines anderen piezoelektrischen Resonators gemäß der vorliegenden Erfindung.
19 zeigt eine Ansicht des Abstands zwischen dem Ende einer Innenelektrode und einer Seitenfläche des Grundelements im in 18 gezeigten piezoelektrischen Resonator.
20 zeigt ein Diagramm der Beziehungen zwischen der Kapazität und ΔF, und den Abstand zwischen einer Innenelektrode und einer Seitenfläche des Grundelements.
21 zeigt ein Schema der modifizierten piezoelektrischen Schichten des in 18 gezeigten piezoelektrischen Resonators.
22 zeigt eine Ansicht eines piezoelektrischen Resonators mit den in 21 gezeigten piezoelektrischen Schichten.
23 zeigt eine Ansicht einer modifizierten inaktiven Zone eines piezoelektrischen Resonators.
24 zeigt eine Ansicht einer anderen modifizierten inaktiven Zone eines piezoelektrischen Resonators.
25 zeigt eine Ansicht einer an einem Ende eines Grundelements erzeugten Elektrode.
26 zeigt eine perspektivische Ansicht eines elektronischen Bauelements unter Verwendung des oben beschriebenen piezoelektrischen Resonators.
27 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Isoliersubstrats, wie in dem in 26 gezeigten elektronischen Bauelement verwendet.
28 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht dem in 26 gezeigten elektronischen Bauelement.
29 zeigt eine Ansicht einer anderen Methode zum Montieren des piezoelektrischen Resonators auf dem Isoliersubstrat.
30 zeigt eine Seitenansicht der Methode zum Montieren des in 29 gezeigten piezoelektrischen Resonators.
31 zeigt eine Ansicht noch einer anderen Methode zum Montieren des piezoelektrischen Resonators auf dem Isoliersubstrat.
32 zeigt eine Seitenansicht der Methode zum Montieren des in 31 gezeigten piezoelektrischen Resonators.
33 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Leiterfilters unter Verwendung der piezoelektrischen Resonatoren gemäß der vorliegenden Erfindung.
34 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Isoliersubstrats und der piezoelektrischen Resonatoren im in 33 gezeigten Leiterfilter.
35 zeigt einen Ersatzschaltplan des in 33 gezeigten Leiterfilters. 36 zeigt eine Ansicht eines elektronischen Bauelements, bei dem ein piezoelektrischer Resonator mit unterschiedlich geformten Außenelektroden auf einem Isoliersubstrat montiert ist.
37 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines elektronischen Bauelements mit zwei Klemmen.
38 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen Cf und ΔF/Fa, und weitere Parameter.
39 zeigt eine Ansicht eines herkömmlichen unversteiften piezoelektrischen Resonators.
40 zeigt eine Ansicht eines anderen herkömmlichen unversteiften piezoelektrischen Resonators.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Resonators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt die Innenstruktur des piezoelektrischen Resonators. Der piezoelektrische Resonator 10 umfasst ein Grundelement 12, das z. B. eine kubische Form aufweist. Das Grundelement 12 ist z. B. aus einem piezoelektrischen keramischen Material hergestellt. Eine Vielzahl von Elektroden 14 wird in dem Grundelement 12 so gebildet, dass die Oberflächen der Elektroden 14 senkrecht zur Längsrichtung des Grundelements 12 stehen. Das Grundelement 12 ist in der Längsrichtung so polarisiert, dass die Polarisationsrichtungen an beiden Seiten einer Elektrode 14 gegeneinander gerichtet sind.
Auf den sich gegenüberliegenden Seitenflächen des Grundelements 12 wird eine Vielzahl von Isolierfilmen 16 bzw. 18 erzeugt. Auf einer Seitenfläche des Grundelements 12 bedeckt der Isolierfilm 16 den freiliegenden Bereich jeder zweiten Elektrode 14. Auf der anderen Seitenfläche des Grundelements 12 bedeckt der Isolierfilm 18 den freiliegenden Bereich jeder zweiten Elektrode 14, die nicht durch den Isolierfilm 16 auf der vorher beschriebenen Seitenfläche bedeckt ist. Einige Elektroden 14 jedoch, die sich nahe den beiden Enden des Grundelements 12 befinden, sind aufeinanderfolgend durch den Isolierfilm 16 und 18 bedeckt. Bei dieser Ausführungsform werden drei aufeinanderfolgende Elektroden 14 an jedem Ende des Grundelements 12 durch den Isolierfilm 16 bedeckt und zwei aufeinanderfolgende Elektroden 14 an jedem Ende des Grundelements 12 durch den Isolierfilm 18 bedeckt. Die Seitenflächen des Grundelements 12, auf denen sich der Isolierfilm 16 und 18 befindet, dienen als Verbindungsbereiche zu den Außenelektroden, was später beschrieben werden wird.
In diesen Verbindungsbereichen, nämlich den Seitenflächen des Grundelements 12, auf denen sich die Isolierfilme 16 und 18 befinden, werden die Außenelektroden 20 und 22 gebildet. Die Elektrode 20 verbindet die Elektroden 14, die nicht durch den Isolierfilm 16 bedeckt sind, und die Elektrode 22 verbindet die Elektroden 14, die nicht durch den Isolierfilm 18 bedeckt sind. In anderen Worten sind zwei benachbarte Elektroden 14 mit den Elektroden 20 bzw. 22 verbunden, davon abgesehen, dass einige der an beiden Enden des Grundelements 12 befindlichen Elektroden 14 nicht mit den Außenelektroden 20 und 22 verbunden sind.
Der piezoelektrische Resonator 10 verwendet die Außenelektroden 20 und 22 als Eingangs- und Ausgangselektroden. Im Zentrum des Grundelements 12 ist das Grundelement 12 piezoelektrisch aktiv, da ein elektrisches Feld zwischen den benachbarten Elektroden 14 angelegt ist. Das Grundelement 12 ist an beiden Enden piezoelektrisch inaktiv, da kein elektrisches Feld zwischen den benachbarten Elektroden 14 angelegt ist, da die Elektroden 14 isoliert sind. Aus diesem Grunde ist eine aktive Zone 24 für Eingangssignale am Zentrum des Grundelements 12 geschaffen, wie durch Schraffierung in 2 gezeigt. An beiden Enden des Grundelements 12 sind außerdem inaktive Zonen 26 für Eingangssignale geschaffen.
Zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators 10 werden zunächst Grünplatten 30 aus einem piezoelektrischen keramischen Material hergestellt, wie in 3 gezeigt. Auf einer Oberfläche jeder Grünplatte 30 wird eine elektrisch leitfähige Paste, die zum Beispiel Silber, Palladium und ein organisches Bindemittel enthält, zur Bildung einer elektrisch leitfähigen Pastenschicht 32 über nahezu die gesamte Fläche jeder Grünplatte 30 ausschließlich eines Endabschnitts aufgetragen. Eine Vielzahl von Grünplatten 30 wird so laminiert, dass die Endabschnitte, auf denen keine elektrisch leitfähige Pastenschicht 32 auf den Grünplatten erzeugt wurde, abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen platziert sind. Das laminierte Element, auf dem elektrisch leitfähige Paste auf gegenüberliegenden Seitenflächen aufgetragen ist, wird zum Erhalt eines in 4 gezeigten Laminatblocks gebrannt.
Der Laminatblock 34 weist eine Vielzahl von Innenelektroden 36 auf, die durch Brennen der elektrisch leitfähigen Schichten 32 erzeugt wurden. Die auf den gegenüberliegenden Seitenflächen erzeugten Außenelektroden 38 und 40 werden jeweils mit jeder zweiten Innenelektrode 36 verbunden, da die Innenelektroden 36 abwechselnd an den gegenüberliegenden Seitenflächen des Laminatblocks 34 freiliegen. Wird eine Gleichstromspannung an die Außenelektroden 38 und 40 angelegt, so wird der Laminatblock 34 polarisiert. Im Innern des Laminatblocks 34 wird ein hohes elektrisches Gleichstromfeld abwechselnd zwischen benachbarte Innenelektroden 36 in entgegengesetzten Richtungen angelegt. Daher wird der Laminatblock 34 an beiden Seiten der Innenelektroden 36 in die entgegengesetzten Richtungen polarisiert, wie durch Pfeile in 4 gezeigt.
Der Laminatblock 34 wird an der Oberfläche zur gewünschten Dicke abgeschliffen, da die Antiresonanzfrequenz des Resonators durch die Dicke des Laminatblocks 34 bestimmt wird. Der Laminatblock 34 wird mittels eines Würfelschneiders entlang der in 5 gezeigten gestrichelten Linien so geschnitten, dass die Schnittebenen senkrecht zu der Vielzahl der Innenelektroden 36 verlaufen. Dadurch wird der in 6 gezeigte plattenförmige Block 42 erhalten. Ein Harzisoliermaterial 44 wird auf beide Oberflächen des plattenförmigen Blocks 42 wie in 7 gezeigt so aufgetragen, dass sich das Material 44 auf jeder zweiten Innenelektrode 36 an einer Oberfläche und auf jeder zweiten Innenelektrode 36, auf die das Material 44 nicht aufgetragen ist, auf der anderen Oberfläche befindet. An beiden Enden des plattenförmigen Blocks 42 wird das Harzisoliermaterial 44 auf die Gesamtheit der Innenelektroden 36 aufgetragen. Die Außenelektroden 48 werden auf dem plattenförmigen Block 42 erzeugt. Daraufhin wird der resultierende Block senkrecht zu den Innenelektroden 36 zum Erhalt des in 1 gezeigten piezoelektrischen Resonators 10 geschnitten.
Wird ein Signal an die Außenelektroden 20 und 22 im piezoelektrischen Resonator 10 angelegt, so expandieren und kontrahieren die piezoelektrischen Schichten als Ganzes in derselben Richtung, da Spannungen in entgegengesetzten Richtungen zur Polarisierung der piezoelektrischen Schichten in der aktiven Zone 24 angelegt werden. Daher schwingt der piezoelektrische Resonator 10 in Längsrichtung im Grundmodus, wobei das Zentrum des Grundelements 12 als ein Knotenpunkt dient.
Im piezoelektrischen Resonator 10 sind die Polarisationsrichtung der aktiven Zone 24, die Richtung des durch ein Signal angelegten elektrischen Feldes und die Schwingungsrichtung in der aktiven Zone 24 alle gleich. Anders gesagt handelt es sich bei dem piezoelektrischen Resonator um einen solchen der versteiften Art. Der versteifte piezoelektrische Resonator 10 weist einen größeren elektromagnetischen Kopplungskoeffizient auf als ein unversteifter piezoelektrischer Resonator, bei dem die Schwingungsrichtung von der Richtung der Polarisation und des elektrischen Feldes verschieden ist. Daher weist der piezoelektrische Resonator 10 eine größere Frequenzdifferenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz auf als ein herkömmlicher piezoelektrischer Resonator. Dies bedeutet, dass der piezoelektrische Resonator 10 breite Frequenzband-Charakteristika erhält.
Zur Messung der Differenzen zwischen versteiften und unversteiften piezoelektrischen Resonatoren wurden die in 8 , 9 und 10 gezeigten piezoelektrischen Resonatoren hergestellt. Der in 8 gezeigte piezoelektrische Resonator wurde durch Bilden von Elektroden an beiden Oberflächen in Dickenrichtung eines piezoelektrischen Substrats mit den Maßen 4,0 mm mal 1,0 mm mal 0,38 mm erzeugt. Dieser piezoelektrische Resonator wurde in der Dickenrichtung polarisiert und schwang in Längsrichtung, wenn ein Signal an die Elektroden angelegt wurde. Der in 9 gezeigte piezoelektrische Resonator wies dieselben Dimensionen wie der in 8 gezeigte piezoelektrische Resonator auf. Auf beiden Oberflächen eines piezoelektrischen Substrats wurden Elektroden in seiner Längsrichtung erzeugt. Der piezoelektrische Resonator wurde in Längsrichtung polarisiert und schwang in Längsrichtung, wenn ein Signal an die Elektroden angelegt wurde. Der in 10 gezeigte piezoelektrische Resonator wurde durch Bilden von Elektroden an beiden Oberflächen in Dickenrichtung eines piezoelektrischen Substrats mit den Maßen 4,7 mm mal 4,7 mm mal 0,38 mm erzeugt. Dieser piezoelektrische Resonator wurde in Dickenrichtung polarisiert und schwang in Richtung der Ebene, wenn ein Signal an die Elektroden angelegt wurde. Die in 8 und 10 gezeigten piezoelektrischen Resonatoren waren von der unversteiften Art, der in 9 gezeigte piezoelektrische Resonator dagegen von der versteiften Art.
Die Resonanzfrequenz Fr und der elektromagneische Kopplungskoeffizient K jedes dieser piezoelektrischen Resonatoren wurde gemessen; die Ergebnisse sind in Tabellen 1, 2 und 3 gezeigt. Tabelle 1 gibt die Messergebnisse für den in 8 gezeigten piezoelektrischen Resonator wieder. Tabelle 2 gibt die Messergebnisse für den in 9 gezeigten piezoelektrischen Resonator wieder. Tabelle 3 gibt die Messergebnisse für den in 10 gezeigten piezoelektrischen Resonator wieder.
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
Aus den Messdaten wird erkennbar, dass ein versteifter piezoelektrischen Resonator einen größeren elektromagnetischen Kopplungskoeffizienten K aufweist als ein unversteifter piezoelektrischer Resonator und daher eine größere Frequenzdifferenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz besteht. Die größte Störschwingung bei einem versteiften piezoelektrischen Resonator ist vom longitudinalen Oberwellen-Typ der dritten Ordnung, und der elektromagnetische Kopplungskoeffizient K beträgt 12,2% während der Schwingung. Während der Dichtenmodus-Schwingung, die von der Grundschwingung verschieden ist, beträgt der elektromagnetische Kopplungskoeffizient K 4,0%. Im Gegensatz dazu beträgt der elektromagnetische Kopplungskoeffizient K während der Dichtenmodus-Schwingung 25,2% bei einem unversteiften longitudinal schwingenden piezoelektrischen Resonator. Bei einem unversteiften rechteckschwingenden piezoelektrischen Resonator beträgt der elektromagnetische Kopplungskoeffizient K sogar 23,3% während der Dickenmodus-Schwingung. Daraus wird klar, dass ein versteifter piezoelektrischer Resonator geringere Störschwingungen zeigt als ein unversteifter piezoelektrischer Resonator.
Beim piezoelektrischen Resonator 10 wird die inaktive Zone 26 an beiden Enden des Grundelements 12 gebildet. Die inaktive Zone wird zur Einstellung der Resonanzfrequenz und der Differenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz geändert. In anderen Worten kann durch Schleifen der Endflächen in Längsrichtung des Grundelements 12 oder durch Hinzufügen von Masse die Bandbreite des piezoelektrischen Resonators 10 eingestellt werden.
Beim piezoelektrischen Resonator 10 kann die Kapazität des Resonators zum Beispiel durch Ändern der Zahl von Schichten in der aktiven Zone 24 eingestellt werden. In der aktiven Zone 24 werden die piezoelektrischen Schichten und Elektroden 14 abwechselnd aufeinandergestapelt und elektrisch parallelgeschaltet. Wird die Anzahl von Schichten bei konstant bleibender Gesamtdicke der aktiven Zone 24 verändert, so erfüllt dies die folgende Beziehung, da die Dicke einer Schicht umgekehrt proportional zur Anzahl von Schichten ist.
Kapazität des Resonators·(Anzahl von Schichten in der aktiven Zone/Dicke einer Schicht)·(Anzahl von Schichten in der aktiven Zone)².
Die Kapazität des Resonators ist proportional zum Quadrat der Anzahl von Schichten in der aktiven Zone 24. Daher wird die Anzahl von Schichten in der aktiven Zone 24 zur Einstellung der Kapazität des piezoelektrischen Resonators 10 geändert. Das bedeutet, dass der piezoelektrische Resonator 10 einen hohen Grad an Freiheit bezüglich der Auslegung der Kapazität zulässt. Folglich ist die Erzielung einer Impedanzanpassung mit einem externen Schaltkreis, wenn der piezoelektrische Resonator 10 auf eine Schalttafel montiert wird, einfach.
Die elektrisch leitfähige Paste, die z. B. Silber, Palladium und ein organisches Bindemittel enthält, wurde auf eine der Oberflächen jeder der aus dem piezoelektrischen Keramikum hergestellten Grünplatte 30 aufgetragen. Mehrere solcher Grünplatten wurden abwechselnd aufeinandergestapelt und integriert bei 1200°C zum Erhalt eines Laminatblocks 34 mit den Maßen 20 mm mal 30 mm mal 3,9 mm gebrannt. Die Außenelektroden 38 und 40 wurden durch Zerstäubung erzeugt. Ein hohes elektrisches Gleichstromfeld wurde zwischen die benachbarten Innenelektroden 36 zum Polarisieren des Laminatblocks angelegt, so dass die Polarisationsrichtungen in benachbarten piezoelektrischen Schichten abwechselnd entgegengesetzt waren. Die Dicke des Laminatblocks 34 wurde variiert. Der Laminatblock 34 wurde zum Erhalt eines plattenförmigen Blocks 42 mit den Maßen 1,5 mm mal 30 mm mal 3,8 mm geschnitten. Jede zweite, an den Seitenflächen des plattenförmigen Blocks 42 freiliegende Elektrode 36 wurde mit einem Harzisoliermaterial 44 bedeckt und darauf eine Silberelektrode durch Zerstäubung erzeugt. Der resultierende Block wurde mittels eines Würfelschneiders zum Erhalt eines piezoelektrischen Resonators 10 mit den Maßen 1,5 mm mal 1,5 mm mal 3,8 mm geschnitten.
Der piezoelektrische Resonator 10 wies neunzehn Elektroden 14 im Grundelement 12 auf, wobei die Elektroden 14 in einem nahezu gleichen Intervall von 0,19 mm angeordnet waren. Die Isolierfilme 16 und 18 wurden so angebracht, dass das Anlegen eines elektrischen Feldes an drei piezoelektrische Schichten, die an beiden Enden des Grundelements 12 angebracht wurden, vermieden wurde. Eine aktive Zone 24 umfasste die am Zentrum des Grundelements 12 angebrachten 14 piezoelektrischen Schichten, und eine inaktive Zone 26 wies drei piezoelektrische Schichten an beiden Enden auf. Der piezoelektrische Resonator 10 wies eine Kapazität von 830 pF und die in 11 gezeigten Frequenz-Eigenschaften auf. Zum Vergleich sind die Frequenz-Eigenschaften eines piezoelektrischen Resonators mit Rechteckschwingung in 12 gezeigt. Aus 11 und 12 ist erkennbar, dass der piezoelektrische Resonator 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eine viel geringere Störschwingung aufweist als der quadratförmige piezoelektrische Resonator.
In Abhängigkeit von den Positionen, an denen aktive Zonen 24 und inaktive Zonen 26 erzeugt werden, ändert sich die Frequenzdifferenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz. Inaktive Zonen 26 können, wie z. B. in 13 gezeigt, an beiden Enden und dem Zentrum des Grundelements 12 erzeugt werden. Die Methode der finiten Elemente wurde zur Berechnung der Änderungen bei der Kapazität Cf und Frequenzdifferenz ΔF im piezoelektrischen Resonator in einem Fall verwendet, bei dem sich die Positionen, an denen die aktiven Zonen erzeugt werden, ändern, wobei "a" den Abstand zwischen dem Zentrum und einem Ende des piezoelektrischen Resonators 10 angibt, "b" den Abstand zwischen dem Zentrum und dem Schwerpunkt einer aktiven Zone 24 angibt, "c" die Länge der aktiven Zone 24 angibt, W die Breite des Grundelements 12 angibt und T die Dicke des Grundelements 12 angibt. 14 zeigt die Beziehung b/a und das Verhältnis von ΔF zur Antiresonanzfrequenz Fa, ΔF/Fa, ebenso wie die Kapazität Cf, wobei "a" gleich 1,89 mm ist, W und T gleich 0,8 mm sind, "c" gleich 0,86 mm ist und b/a sich ändert. Aus 14 ist erkennbar, dass die Kapazität Cf, unabhängig von den Positionen, an denen die aktiven Zonen 24 erzeugt wurden, nicht variiert. Im Gegensatz dazu wurde auch festgestellt, dass ΔF mit dem Näherrücken an die aktiven Zonen an beide Enden des Grundelements 12 abnimmt.
Die Frequenzdifferenz ΔF kann im piezoelektrischen Resonator 10 durch Ändern des Verhältnisses der aktiven Zonen 24 zu den inaktiven Zonen 26 geändert werden. Bei einem sich ändernden Aktivzonen-Verhältnis, bei dem es sich um ein Verhältnis der Länge der aktiven Zone 24 zu der des Grundelements 12 im in 1 und 2 gezeigten piezoelektrischen Resonator 10 handelt, wurden die Resonanzfrequenz Fr, die Antiresonanzfrequenz Fa, die Frequenzdifferenz ΔF und ihre Änderungsrate gemessen und in Tabelle 4 und 15 wiedergegeben.
Tabelle 4
15 zeigt die Beziehung zwischen dem Aktivzonen-Verhältnis und der Änderung von ΔF unter der Bedingung, dass ΔF auf 100% eingestellt ist, also das Aktivzonen-Verhältnis 100% beträgt, d. h. keine inaktive Zone vorliegt. Aus 15 ist zu erkennen, dass ΔF bei einem Aktivzonen-Verhältnis von 65% bis 85% groß ist, wobei die Spitzen-ΔF bei einem Aktivzonen-Verhältnis von 75% erhalten wird. Der Spitzenwert ist um etwa 10% größer als die ΔF, die erhalten wird, wenn das Aktivzonen-Verhältnis 100% beträgt, in anderen Worten, wenn keine inaktive Zone vorliegt. Dieselbe ΔF wird bei Aktivzonen-Verhältnissen von 50% und 100% erhalten. Um daher einen piezoelektrischen Resonator mit einer großen ΔF zu erhalten, ist es erforderlich, das Aktivzonen-Verhältnis auf 50% einzustellen.
Im piezoelektrischen Resonator 10 betrug, wenn 14 piezoelektrische Schichten die aktive Zone 24 unter insgesamt 20 Schichten ausmachten, die Kapazität 830 pF. Im Gegensatz dazu betrug die Kapazität 3,0 pF, wenn das Aktivzonen-Verhältnis auf 100% eingestellt war, also lediglich eine piezoelektrische Schicht verwendet wurde, in anderen Worten, wenn die Elektroden an beiden Endflächen des Grundelements 12 mit demselben Material und denselben Dimensionen erzeugt wurde. Bestand die aktive Zone 24 aus allen 24 piezoelektrischen Schichten, so betrug die Kapazität 1185,6 pF. Durch Ändern der Anzahl von Schichten im piezoelektrischen Resonator 10 kann die Kapazität innerhalb einer etwa 400-fachen Differenz zwischen dem Minimum und dem Maximum geändert werden. Folglich wird durch Verändern der Laminatstruktur des piezoelektrischen Resonators 10 die Kapazität aus einem breiten Bereich wählbar, was einen hohen Grad an Freiheit bezüglich der Auslegung der Kapazität bietet.
Um die innerhalb des Grundelements 12 erzeugten Elektroden 14 an die Außenelektroden 20 und 22 anzuschließen, können die Isolierfilme 16 und 18 mit Fenstern 50 so angebracht werden, dass jede zweite Elektrode 14 freiliegt, wie in 16 gezeigt. Die Außenelektroden 20 und 22 werden auf dem Isolierfilm 16 und 18 erzeugt, wobei die Elektroden 14 abwechselnd mit den beiden Außenelektroden 20 und 22 verbunden sind. Zwei Außenelektroden 20 und 22 können auf einer Seitenfläche des Grundelements 12 erzeugt werden, wie in 17 gezeigt. Die Isolierfilme 16 und 18 werden auf einer Seitenfläche des Grundelements 12 in zweireihiger Weise erzeugt, wodurch zwei Reihen von Verbindungsbereichen erhalten werden. Diese beiden Reihen der Isolierfilme 16 und 18 werden jeweils auf jeder zweiten Elektrode 14 erzeugt. An diesen beiden Reihen der Isolierfilme 16 und 18 werden zwei Reihen von Außenelektroden 20 bzw. 22 gebildet. Piezoelektrische Resonatoren mit diesen Modifikationen können dieselben Vorteile wieder der oben piezoelektrische Resonator erzielen.
Die Innenelektroden 14 können abwechselnd an die gegenüberliegenden Seitenflächen des Grundelements 12 heranreichen, wie in 18 gezeigt. An den entgegengesetzten Seitenflächen des Grundelements 12 ist die Bildung der Außenelektroden 20 und 22 erforderlich. Bei dieser Art von piezoelektrischem Resonator 10 werden, da die innenliegenden Elektroden 14 abwechselnd freiliegen, die Innenelektroden 14 an die Außenelektroden 20 und 22 durch Bilden der Außenelektroden 20 und 22 an den Seitenflächen des Grundelements 12 verbunden. Daher ist keine Aufbringung von Isolierfilm auf die Seitenflächen des Grundelements 12 erforderlich.
Bei diesem piezoelektrischen Resonator 10 wird die Elektrode 14 nicht über die gesamte Querschnittsfläche des Grundelements 12 hinweg erzeugt. Daher ist die gegenüberliegende Fläche der benachbarten Elektroden 14 kleiner als die bei der über den gesamten Querschnitt erzeugten benachbarten Elektroden 14. Durch die gegenüberliegende Fläche kann die Kapazität und die ΔF des piezoelektrischen Resonators 10 eingestellt werden. Unter Anwendung der Methode der finiten Elemente, bei der die Lücke G zwischen dem Ende einer Elektrode 14 und der Seitenfläche des Grundelements 12 in der Dickenrichtung geändert wird, wurde die Antiresonanzfrequenz Fa, die Kapazität Cf und die Δf eines piezoelektrischen Resonators mit einem Grundelement 12, das 3,74 mm lang, 0,8 mm breit, 1,0 mm dick ist und deren aktive Zone 24 3,6 mm lang ist, die inaktive Zonen 26, die sich an beiden Enden befinden, 0,07 mm lang sind und 20 piezoelektrische Schichten von jeweils 0,18 mm Dicke vorhanden sind, berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 und 20 gezeigt. Aus Tabelle 5 und 20 ist erkennbar, dass die Cf und die ΔF mit zunehmender Lücke G, anders gesagt mit kleiner werdender entgegengesetzter Fläche der Elektroden 14, kleiner wird.
Tabelle 5
Die Elektroden 14 können so gebildet werden, dass sie unterschiedliche Endflächen auf derselben Seite der piezoelektrischen Schichten in einem piezoelektrischen Resonator 10 erreichen, wie in 21 gezeigt, bei welchem es sich um ein modifiziertes Beispiel des oben beschriebenen piezoelektrischen Resonators 10 handelt. Durch Laminieren dieser beiden Arten von piezoelektrischen Schichten liegen zwei Reihen von Elektroden 14 an einer Seitenfläche des Grundelements 12 frei, wie in 22 gezeigt. Dadurch werden beim Herstellen der Außenelektroden 20 und 22 an den Bereichen, an denen die Elektroden 14 freiliegen, diese Elektroden 14 abwechselnd mit den Außenelektroden 20 und 22 verbunden.
Im piezoelektrischen Resonator 10, in dem sich jede Elektrode 14 über den gesamten Querschnitt des Grundelements 12 erstreckt, wie in 2 gezeigt, ist, da ein elektrisches Feld über den gesamten Querschnitt des Grundelements 12 angelegt wird, der elektromagnetische Kopplungskoeffizient des Resonators groß und folglich auch die ΔF. Die Kapazität des piezoelektrischen Resonators 10 ist ebenfalls groß. Wird der Laminatblock zur Erzeugung einer Vielzahl von piezoelektrischen Resonatoren 10 geschnitten, so weist, da vorab jede Elektrode über nahezu den gesamten Querschnitt des Laminatblocks gebildet wurde, jeder piezoelektrische Resonator eine Elektrode über den gesamten Querschnitt selbst dann auf, wenn sich die Schnittposition verschiebt. Daher ist keine exakte Bestimmung der Positionen erforderlich, an denen der Laminatblock zu schneiden ist. Durch Änderung der Schnittrichtung werden Resonatoren mit unterschiedlichen Querschnitten, unterschiedlichen Flächen und unterschiedlichen Kapazitäten aus demselben piezoelektrischen Laminatblock aus keramischem Material erhalten. Es können Resonatoren mit verschiedenen Kapazitäten und verschiedenen ΔF in Abhängigkeit von dem Elektroden-Endabschnitt, der Isolierfilm trägt, erhalten werden. Wie oben beschrieben, können viele Arten von piezoelektrischen Resonatoren aus demselben Laminatblock erhalten werden.
Um im Gegensatz dazu einen piezoelektrischen Resonator mit einer Lücke zwischen den Enden jeder Innenelektrode und den Seitenflächen eines Grundelements zu erzeugen, wie in 18 gezeigt, ist es erforderlich, den Laminatblock an Positionen zu schneiden, an denen keine Elektroden vorliegen. Bei diesem piezoelektrischen Resonator ist allerdings kein Isolierfilm erforderlich, der an einer Seitenfläche des Grundelements zu erzeugen wäre, wodurch die Zahl der Herstellprozesse vermindert werden kann.
Eine inaktive Zone 26 kann so erzeugt werden, dass kein elektrisches Feld angelegt wird, indem keine Elektroden 14 an einem Ende des Grundelements 12 gebildet werden, wie in 23 gezeigt. Das Ende des Grundelements 12 kann polarisiert oder nicht polarisiert werden. Wie in 24 gezeigt, kann lediglich das Ende des Grundelements 12 nicht polarisiert werden. In diesem Fall ist selbst dann, wenn ein elektrisches Feld zwischen die Elektroden 14 angelegt wird, eine nicht polarisierte Zone piezoelektrisch inaktiv. In anderen Worten wird lediglich dann, wenn eine piezoelektrische Schicht polarisiert und ein elektrisches Feld angelegt wird, die Schicht piezoelektrisch aktiv, wohingegen sie ansonsten inaktiv ist. Bei dieser Anordnung wird der Kondensator in der inaktiven Zone erzeugt, wodurch die Kapazität erhöht werden kann. Eine kleine Elektrode 52 kann an einer Endfläche des Grundelements 12 erzeugt werden, wie in 25 gezeigt, um die Frequenz einzustellen oder an einen externen Schaltkreis angeschlossen zu werden.
Unter Verwendung eines derartigen piezoelektrischen Resonators 10 werden elektronische Bauelemente wie Oszillatoren und Diskriminatoren erzeugt. 26 zeigt eine perspektivische Ansicht eines elektronischen Bauelements 60. Das elektronische Bauelement 60 umfasst ein Isoliersubstrat 62. An entgegengesetzten Endabschnitten des Isoliersubstrats 62 werden jeweils zwei Einkerbungen 64 erzeugt. An einer Oberfläche des Isoliersubstrats 62 werden zwei Musterelektroden 66 und 68 erzeugt, wie in 27 gezeigt. Eine Musterelektrode 66 wird zwischen sich gegenüberliegenden Einkerbungen erzeugt und erstreckt sich in L-förmiger Weise von einem Punkt nahe einem Ende zum Zentrum des Isoliersubstrats 62. Eine anderen Musterelektrode 68 wird zwischen sich gegenüberliegenden Einkerbungen 64 erzeugt und erstreckt sich auf geradem Wege von einem Punkt nahe dem anderen Ende zum Zentrum des Isoliersubstrats 62. Die Musterelektroden 66 und 68 werden so erzeugt, dass sie in einer umlaufenden Weise von den Enden des Isoliersubstrats 62 zu den entgegengesetzten Enden geführt werden.
An einem Ende der Musterelektrode 66, die am Zentrum des Isoliersubstrats 62 angebracht ist, wird ein Vorsprung 70 (dient als Trägerelement) mit Strom leitendem Klebstoff erzeugt. Wie in 28 gezeigt, wird der oben beschriebene piezoelektrische Resonator 10 auf dem Vorsprung 70 so montiert, dass das Zentrum des Grundelements 12 auf dem Vorsprung 70 sitzt. Eine Außenelektrode 22 des piezoelektrischen Resonators 10 wird zum Beispiel an den Vorsprung 70 angeschlossen. Die andere Außenelektrode 20 wird an eine Musterelektrode 68 mit elektrisch leitfähigem Draht 72 angeschlossen. Der elektrisch leitfähige Draht 72 wird an das Zentrum der Außenelektrode 20 des piezoelektrischen Resonators 10 angeschlossen.
Eine Metallkappe 74 wird auf dem Isoliersubstrat 62 zur Vervollständigung des elektronischen Bauelements 60 platziert. Um einen Kurzschluss durch die Metallkappe 74 an den Musterelektroden 66 und 68 zu verhindern, wird vorab Isolierharz auf das Isoliersubstrat 62 und die Musterelektroden 66 und 68 aufgetragen. Das elektronische Bauelement 60 nutzt die Musterelektroden 66 und 68, die auf solche Art geformt sind, dass sie von den Enden des Isoliersubstrats 62 zur Rückseite geführt werden, als Eingangs- und Ausgangsklemmen zum Anschluss an externe Schaltkreise.
Da das Zentrum des piezoelektrischen Resonators 10 an den Vorsprung 70 bei dieses elektronischen Bauelements 60 angeschlossen ist, sind die Enden des piezoelektrischen Resonators 10 separat vom Isoliersubstrat 62 angebracht, so dass die Schwingung nicht unterdrückt wird. Eine angeregte Längsschwingung wird nicht abgeschwächt, da das Zentrum des piezoelektrischen Resonators, welches als ein Knotenpunkt dient, am Vorsprung 70 befestigt und an den elektrisch leitfähigen Draht 72 angeschlossen ist.
Das elektronische Bauelement 60 wird auf eine Schalttafel zusammen IC-Chips und anderen Bauelementen zum Erhalt eines Oszillators und eines Diskriminators montiert. Da das elektronische Bauelement 60 versiegelt und durch die Metallkappe 74 geschützt ist, kann sie als ein chipartiges (oberflächenmontiertes) Bauelement verwendet werden, die durch Rückstromschweißen montiert werden kann.
Wird das elektronische Bauelement 60 als ein Oszillator verwendet, so werden Störschwingungen auf ein niedriges Niveau unterdrückt und eine durch die Störschwingung erzeugte ungewöhnliche Schwingung aufgrund der Merkmale des im elektronischen Bauelement 60 verwendeten piezoelektrischen Resonators 10 vermieden. Auch ist die Erzielung einer Impedanzanpassung mit einem externen Kreislauf einfach, da die Kapazität des piezoelektrischen Resonators 10 auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden kann. Besonders dann, wenn das elektronische Bauelement für einen Oszillator zur spannungskontrollierten Oszillation verwendet wird, wird ein breiter Frequenzbereich, wie es herkömmlicherweise nicht erzielbar ist, aufgrund einer großen ΔF des Resonators erzielt.
Wird das elektronische Bauelement 60 für einen Diskriminator verwendet, so wird ein breiter Peaktrennbereich aufgrund einer großen ΔF des Resonators bereitgestellt.
Da der Resonator außerdem einen breiten Kapazitätsbereich bietet, ist die Erzielung einer Impedanzanpassung mit einem externen Schaltkreis einfach.
Der piezoelektrische Resonator 10 kann auf das Isoliersubstrat 62 so montiert werden, dass zwei Vorsprünge 70 aus einem elektrisch leitfähigen Material, z. B. einem Strom leitenden Klebstoff, an beiden Musterelektroden 66 und 68 erzeugt werden, wobei die Außenelektroden 20 und 22 des piezoelektrischen Resonators 10 an die beiden Vorsprünge 70 angeschlossen werden, wie in 29 und 30 gezeigt. Der piezoelektrische Resonator 10 kann auch auf das Isoliersubstrat 62 in einer Weise montiert werden, wie in 31 und 32 gezeigt, worin zwei Vorsprünge 70 aus einem Isoliermaterial wie isolierendem Klebstoff am Isoliersubstrat 62 erzeugt und die Außenelektroden 20 und 22 an die Musterelektroden 66 und 68 mit elektrisch leitfähigem Draht 72 angeschlossen werden.
Ein Leiterfilter kann unter Verwendung einer Vielzahl der piezoelektrischen Resonatoren 10 hergestellt werden. Wie in 33 und 34 gezeigt, werden bei diesem elektronischen Bauelement drei Musterelektroden 76, 78 und 80 an einem Isoliersubstrat 62 erzeugt. Die Vorsprünge 82 und 86 werden mit Stom leitendem Klebstoff an beidendigen Musterelektroden 76 und 80 erzeugt. An der zentralen Musterelektrode 78 werden zwei Vorsprünge 84 und 88 mit Strom leitendem Klebstoff erzeugt.
Eine Außenelektrode 22 für jeden der piezoelektrischen Resonatoren 10a, 10b, 10c und 10d wird an jeden der Vorsprünge 82, 84, 86 bzw. 88 montiert. Die anderen Außenelektroden 20 für die piezoelektrischen Resonatoren 10a, 10b und 10c werden mit elektrisch leitfähigem Draht 72 aneinander angeschlossen. Die andere Außenelektrode 20 eines piezoelektrischen Resonators 10d wird an die Musterelektrode 80 mit elektrisch leitfähigem Draht 72 angeschlossen. Eine Metallkappe 74 wird auf dem Isoliersubstrat 62 platziert.
Das elektronische Bauelement 60 wird als ein Leiterfilter mit einem leiterförmigen Schaltkreis verwendet, wie in 35 gezeigt. Zwei piezoelektrische Resonatoren 10a und 10c dienen als Reihenresonatoren, und die anderen beiden piezoelektrischen Resonatoren 10c und 10d dienen als Parallelresonatoren. Bei einem derartigen Leiterfilter sind die parallelen piezoelektrischen Resonatoren 10b und 10d so entworfen, dass sie wesentlich größere Kapazitäten als die piezoelektrischen Reihenresonatoren 10a und 10c aufweisen.
Die Dämpfung des Leiterfilters wird durch das Kapazitätsverhältnis zwischen den Reihenresonatoren und den Parallelresonatoren bestimmt. Bei diesem elektro nischen Bauelement 60 kann die Kapazität durch Ändern der Anzahl der in den piezoelektrischen Resonatoren 10a bis 10d verwendeten laminierten Schichten eingestellt werden. Daher wird ein Leiterfilter, der eine größere Dämpfung besitzt, mit weniger Resonatoren durch Ändern der Kapazitäten der piezoelektrischen Resonatoren im Vergleich zu dem Fall erhalten, bei dem herkömmliche unversteifte piezoelektrische Resonatoren verwendet werden. Da die piezoelektrischen Resonatoren 10a bis 10d eine größere ΔF als der herkömmliche piezoelektrische Resonator aufweisen, wird ein breiteres Transmissions-Frequenzband im Vergleich zu dem herkömmlichen piezoelektrischen Resonator erzielt.
36 zeigt ein elektronisches Bauelement 60, bei dem zwei Elektroden 14 innenliegend im Grundelement 12 des piezoelektrischen Resonators 10 erzeugt werden. Die inaktiven Zonen 26 machen 25% (jeweils 12,5%) der Länge des Grundelements 12 aus. Die Außenelektroden 20 und 22 werden so geformt, dass sie sich von den Innenelektroden 14 jeweils zu den Zentren der Seitenflächen des Grundelements 12 erstrecken. Die Formen der Außenelektroden 20 und 22 werden gemäß der Zahl der Innenelektroden 14 und ihren Herstellbedingungen eingestellt.
Ein elektronisches Bauelement 60 mit zwei Klemmen, wie z. B. ein keramischer Resonator und ein keramischer Diskriminator, können mit einem piezoelektrischen Resonator 10, wie in 37 gezeigt, hergestellt werden. Zwei aus einem elektrisch leitfähigem Material bestehende Klemmen 90 werden zur Erzeugung eines solchen zweiklemmigen Bauelements 60 hergestellt. Diese Klemmen 90 sind so geformt, dass sie von den Ösen 92 ausgehen. Praktischerweise werden mehrere Klemmen 90 von jeder Öse 92 aus in einer Reihe erzeugt. Eine Klemme 90 wird mit einem Faltbereich 94 an der mittleren Zone und einem H-förmigen Trägerelement 96 am Ende versehen. Das Trägerelememt 96 wird gebogen und mit einem vorspringenden Montageelement 98 am Zentrum versehen. Die beiden Klemmen 90 werden so angebracht, dass ihre Montageelemente 98 einander gegenüberliegen.
Der piezoelektrische Resonator 10 wird zwischen den Montageelementen 98 abgestützt. Die Montageelemente 98 stoßen gegen die Außenelektroden 20 und 22 am Zentrum des piezoelektrischen Resonators in Längsrichtung an. Da die Klemmen 90 die Faltbereiche 94 aufweisen, die als Federelemente dienen, wird der piezoelektrische Resonator 10 durch die Klemmen 90 abgefedert. Ein Gehäuse 100, das eine Öffnung an einem Ende aufweist, wird auf dem piezoelektrischen Resonator 10 platziert. Die Öffnung des Gehäuses 100 wird mit Papier geschlossen und dann harzversiegelt. Die Klemmen 90 werden von den Ösen 92 geschnitten, um das elektronische Bauelement 60 zu vervollständigen. Auch kann ein elektronisches Bauelement 60 mit einer anderen Form als einer Chipform auf diese Weise hergestellt werden.
Da bei der vorliegenden Erfindung ein versteifter piezoelektrischen Resonator verwendet wird, weist der Resonator eine größere ΔF und ein breiteres Frequenzband als der herkömmliche unversteifte piezoelektrische Resonator auf. Außerdem zeigt der versteifte piezoelektrische Resonator geringe Störschwingungen. Da das Grundelement 12 eine Laminatstruktur besitzt, kann die Kapazität auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden und ist die Erzielung einer Impedanzanpassung mit einem externen Schaltkreis einfach. Weiterhin kann durch Einstellen von Größen und Positionen der aktiven Zone und der inaktiven Zonen die ΔF geändert werden. Da das elektronische Bauelement 60 gemäß der vorliegenden Erfindung eine einfache Struktur aufweist, kann es kostengünstig hergestellt werden und zeigt dabei die oben beschriebenen Merkmale des piezoelektrischen Resonators 10.
Da der piezoelektrische Resonator 10 gemäß der vorliegenden Erfindung mehr konfigurierbare Parameter umfasst als der herkömmliche piezoelektrische Resonator, können verschiedene Charakteristika realisiert werden. Die Beziehungen zwischen diesen Parametern, ΔF/Fa und Kapazität Cf, sind in 38 angegeben. Aus 38 ist erkennbar, dass diese Parameter den Grad der Freiheit bei der Gestaltung der Charakteristika des piezoelektrischen Resonators 10 erhöhen.

Claims

Piezoelektrischer Resonator (10), umfassend – ein Grundelement (12) mit einer Längsrichtung, – eine aktive Zone (24), die sich aus einem polarisierten piezoelektrischen Element zusammensetzt und zumindest einen Teilbereich des Grundelements (12) ausmacht, wobei sie in Längsrichtung des Grundelements (12) polarisiert ist, – ein Paar Außenelektroden (20, 22), die mit der aktiven Zone (24) versehen sind, – eine inaktive Zone (26), die nicht polarisiert ist und/oder nicht durch ein elektrisches Feld aktiviert ist, welche den anderen Teilbereich des Grundelements (12) ausmacht, und – mindestens ein Paar Innenelektroden (14), die in der aktiven Zone (24) so angeordnet sind, dass die Innenelektroden (14) senkrecht zur Längsrichtung des Grundelements (12) stehen und jeweils an das Paar Außenelektroden (20, 22) angeschlossen sind, – welches Grundelement (12) eine längsgerichtete Grundschwingung anregt, wenn ein elektrisches Feld an die Längsrichtung des Grundelements (12) über die Außenelektroden (14) angelegt wird, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Isolierfilmen (16, 18), wobei auf einer ersten Seitenfläche des Grundelements (12), erste Isolierfilme (16) die freiliegende Zone jeder zweiten Elektrode (14) bedecken, und auf einer zweiten Seitenfläche des Grundelements (12), die freiliegenden Zonen jeder zweiten Elektrode (14), die nicht durch den ersten Isolierfilm (16) auf der ersten Seitenfläche des Grundelements (12) bedeckt sind, durch einen zweiten Isolierfilm (18) bedeckt sind und wobei einige Innenelektroden (14), die nahe den beiden Enden des Grundelements (12) angeordnet sind, sukzessive durch beide Isolierfilme (16, 18) bedeckt sind.
Piezoelektrischer Resonator (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die inaktive Zone (26) an beiden Enden der aktiven Zone (24) angebracht ist, und dass die aktive Zone (24) 50% des Grundelements (12) oder mehr in Längsrichtung besetzt.
Piezoelektrischer Resonator (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Resonator (10) außerdem ein Trägerelement (70) am Zentrum des Grundelements (12) in Längsrichtung umfasst.
Elektronische Komponente (60), welche einen piezoelektrischen Resonator (10) nach Anspruch 3 umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (70) auf einem Isoliersubstrat (62) angebracht ist und dass eine Musterelektrode (66, 68) auf dem Isoliersubstrat (62) vorhanden ist und an die Außenelektroden (20, 22) des piezoelektrischen Resonators (10) angeschlossen ist.
Elektronische Kompoentne (60) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Komponente (60) ein Leiterfilter ist, in welchem eine Vielzahl von Musterelektroden (76, 78, 80) auf dem Isoliersubstrat (62) vorhanden sind und an die Außenelektroden (20, 22) einer Vielzahl von piezoelektrischen Resonatoren (10) angeschlossen sind, so dass die piezoelektrischen Resonatoren (10) in einer leiterartigen Form miteinander verbunden sind.
Elektronische Komponente (60), welche einen piezoelektrischen Resonator (10) nach Anspruch 3 umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halterungselement (96) mit dem Trägerelement (98) versehen ist und der piezoelektrische Resonator (10) in einem Gehäuse (100) durch das Halterungselement (96) fixiert ist.
Herstellungsverfahren eines piezoelektrischen Resonators (10), welches umfasst – ein Grundelement (12) mit einer Längsrichtung, – eine aktive Zone (24), die sich aus einem polarisierten piezoelektrischen Element zusammensetzt und zumindest einen Teilbereich des Grundelements (12) ausmacht, wobei sie in Längsrichtung des Grundelements (12) polarisiert ist, – ein Paar Außenelektroden (20, 22), die mit der aktiven Zone (24) versehen sind, – eine inaktive Zone (26), die nicht polarisiert ist und/oder nicht durch ein elektrisches Feld aktiviert ist, welche den anderen Teilbereich des Grundelements (12) ausmacht, und – mindestens ein Paar Innenelektroden (14), die in der aktiven Zone (24) so angeordnet sind, dass die Innenelektroden (14) senkrecht zur Längsrichtung des Grundelements (12) stehen und jeweils an das Paar Außenelektroden (20, 22) angeschlossen sind, – welches Grundelement (12) eine längsgerichtete Grundschwingung anregt, wenn ein elektrisches Feld an die Längsrichtung des Grundelements (12) über die Außenelektroden (14) angelegt wird, welches Verfahren die folgenden Schritte umfasst 1) Herstellen eines Laminatelements (42), in welchem eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten und eine Vielzahl von Innenelektroden (36) laminiert sind, 2) Anbringen einer Außenelektrode (20, 22) auf der Oberfläche des Laminatelements (42), an welcher die Enden der Innenelektroden (36) freiliegen, 3) Schneiden des Laminatelements (42) senkrecht zur Oberfläche des Laminatelements (42).
Herstellungsverfahren des piezoelektrischen Resonators (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminatelement (42) in solcher Weise hergestellt wird, dass die Innenelektroden (36) abwechselnd an entgegengesetzten Seiten der piezoelektrischen Schichten freiliegen, ein Paar der polarisierenden Elektroden (38, 40) an den entgegengesetzten Seiten der piezoelektrischen Schichten angebracht werden und jeweils an jede zweite der Innenelektroden (36) elektrisch angeschlossen werden, wobei die piezoelektrischen Schichten durch Anlegen einer Gleichstromspannung über die polarisierenden Elektroden (38, 40) und die Innenelektroden (36) polarisiert werden, und das piezoelektrische Element und die Innenelektroden (36) senkrecht zu ihrer Laminierungsrichtung geschnitten werden.