DE10050058A1 - Piezoelektrischer Resonator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Resonator (9), der wenigstens zwei Lagen von Innenelektroden (12, 14) enthält, die sandwichartig zwischen piezoelektrischen Keramiklagen (11, 13, 15) liegen. Auf der als Hauptflächen definierten Ober- und Unterseite der piezoelektrischen Lagen liegen Oberflächenelektroden (10, 16). Die mittlere piezoelektrische Lage (13) ist unpolarisiert, während die piezoelektrischen Lagen (11, 15) auf den beiden Seiten der mittleren piezoelektrischen Lage (13) in einer senkrecht zu den Hauptflächen stehenden Richtung so polarisiert sind, dass ihre Polarisationsrichtungen einander entgegengesetzt sind. Eine auf der einen Stirnseite liegende Verbindungselektrode (18) verbindet elektrisch eine der Oberflächenelektroden (10) mit einer der Innenelektroden (14) und ist gegenüber der anderen Innenelektrode durch ein Isoliermaterial (17) isoliert. Eine weitere Verbindungselektrode (20) liegt auf der gegenüberliegenden Stirnseite und verbindet elektrisch die andere Oberflächenelektrode (16) mit der anderen Innenelektrode (12) und ist von der anderen Innenelektrode (14) durch ein Isoliermaterial (19) isoliert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Resonator, der in piezoelektrischen Oszillatoren, Kettenfiltern und dergleichen Vorrichtungen verwendet werden kann und insbesondere einen piezoelektrischen Resonator mit einer großen Anschlusskapazität, der so konstruiert ist, dass er in einem Biegevibrationsmodus vibriert.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Bekannte Resonatoren haben eine Dehnungsvibration des keramischen piezoelektrischen Materials in einem Frequenzband von 300 kHz bis 800 kHz. Fig. 1A zeigt in perspektivischer Ansicht die Konstruktion eines Dehnungsvibrationsresonators 1 während Fig. 1B denselben in einer Seitenansicht zeigt, aus der die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes erkennbar sind. In dem Dehnungsvibrationsresonator 1 sind Oberflächenelektroden jeweils auf der Ober- und Unterseite eines quadratischen, einlagigen piezoelektrischen Substrats 2 aufgebracht, und das gesamte piezoelektrische Substrat 2 ist in einer Richtung senkrecht zu den beiden Hauptflächen polarisiert.

Dementsprechend steht die Richtung des zwischen den Oberflächenelektroden 3 angelegten elektrischen Feldes senkrecht zu beiden Hauptflächen und parallel zur Polarisationsrichtung. Bei einem derartigen Dehnungsvibrationsresonator 1 dehnt sich das piezoelektrische Substrat 2, sobald eine Signalspannung zwischen den Oberflächenelektroden 3 angelegt wird nach außen aus oder zieht sich nach innen zusammen.

In dem Dehnungsvibrationsresonator 1 ist das Produkt aus der Länge L_s einer Seite und der Resonanzfrequenz f_r nahezu konstant und die Beziehung ist definiert durch:

L_f × f_r = A_s (1)

worin A_s eine (frequenzbezogene) Konstante und A_s annähernd 2100 mmkHz ist. Beispielsweise muss, damit ein solcher Resonator mit einer Resonanzfrequenz f_r = 450 kHz vibriert, die Länge der einen Seite L_s gleich 4,67 mm sein.

Da die Forderung zur immer stärkeren Miniaturisierung elektronische Bauteile besteht, ist ein so großer Dehnungsvibrationsresonator unvorteilhaft, da es nahezu unmöglich ist, ihn gleich, leicht und billig zu machen.

Fig. 2 zeigt ein Kettenfilter 6, das eine zweistufige Konstruktion hat, die Serienresonatoren 7a und 7b und Parallelresonatoren 8a und 8b einschließt, und Fig. 3 zeigt den Dämpfungsverlauf des Kettenfilters 6 über der Frequenz. Für ein derartiges Kettenfilter 6 muss der garantiert Dämpfungswert Att., wie ihn Fig. 3 zeigt, so groß wie möglich gemacht werden. Wenn die Anschlusskapazität der Serienresonatoren 7a und 7b durch C₁ und die Anschlusskapazität der Parallelresonatoren 8a und 8b durch C₂ angegeben sind, lässt sich der garantierte Dämpfungswert Att. des Kettenfilters 6 eines zweistufigen Schaltungsaufbaus wie folgt angeben:

Att. = 2 × 20log(C₂/C₁) (2)

Dementsprechend muss, um den garantierten Dämpfungswert Att. zu erhöhen, die Anschlusskapazität C₂ der Paralleiresonatoren 8a und 8b erhöht und die Anschlusskapazität C₁ der Serienresonatoren 7a und 7b verringert werden. Wenn jedoch der oben geschilderte Dehnungsvibrationsresonator 1 für die Parallelresonatoren 8a und 8b eingesetzt wird, ist es aus den nachstehend angegebenen Gründen schwierig, die Anschlusskapazität C₂ zu erhöhen.

Die Anschlusskapazität C_s des in Fig. 1A gezeigten Dehnungsvibrationsresonators 1 ist durch folgende Gleichung definiert:

C_s = (ε . ε₀ . L_s ²)/t (3)

worin L_s die Länge einer Seite des Resonators 1, ε die Dielektrizitätskonstante des piezoelektrischen Substrats, t die Dicke desselben und ε₀ die Dielektrizitätskonstante im Vakuum, das heißt 8,854 × 10^-12 angeben.

Zur Wahl der Resonanzfrequenz f_r des Dehnungsvibrationsresonators 1 wird die Länge L_s einer Seite des Resonators 1 festgelegt (vergleiche Formel (1)) und dementsprechend ist die Anschlusskapazität C_s lediglich durch die Dicke t des piezoelektrischen Substrats 2 und die Dielektrizitätskonstante ε bestimmt.

Damit die Anschlusskapazität C_s des Dehnungsvibrations­ resonators 1 erhöht werden kann, muss die Dielektrizitäts­ konstante des piezoelektrischen Substrats erhöht oder das piezoelektrische Substrat dünner gemacht werden. Da jedoch die Dielektrizitätskonstante ε des piezoelektrischen Substrats von dessen Material abhängt, kann die Dielektrizitätskonstante ε nicht beliebig gewählt werden, und wenn das Material für das piezoelektrische Substrat verändert wird, werden auch andere Kennwerte beeinflusst. Außerdem verringert sich die Durchbruchsfestigkeit, wenn die Dicke des piezoelektrischen Substrats dünner wird, und es besteht die Gefahr, dass der Dehnungsvibrationsresonator 1 zerstört wird. Dementsprechend gibt es eine Grenze für die wählbare Dicke.

Als Ergebnis war es, obwohl Resonatoren mit hoher Anschluss­ kapazität für Parallelresonatoren von Kettenfiltern wünschenswet sind, schwierig Dehnungsvibrationsresonatoren mit großer Anschlusskapazität zu verwirklichen. Im Gegensatz würde sich sogar die Anschlusskapazität sogar verringern, wenn es gefordert wäre, einen piezoelektrischen Resonator mit einer kleinen oben erwähnten Konstanten C_s und diesen mit möglichst kleinen Abmessungen herzustellen. Dementsprechend würde sich der garantierte Dämpfungswert verschlechtern, wenn ein derartiger piezoelektrischer Resonator als Parallelresonator eingesetzt würde.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Um die oben erwähnten Schwierigkeiten zu vermeiden, geben bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung einen sehr kleinen piezoelektrischen Resonator mit großer Anschlusskapazität an, bei dem gleichzeitig eine gewünschte Resonanzfrequenz erreichbar ist.

Ein einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entsprechender piezoelektrischer Resonator enthält Elektroden in vier oder mehr Lagen und drei oder mehr piezoelektrische Lagen, die laminiert sind, und wenigsten zwei dieser piezoelektrischen Lagen sind in einer Richtung polarisiert, die im wesentlichen senkrecht zu den Elektroden steht. Die Elektroden sind untereinander so verbunden, dass das elektrische Feld in einem ersten Teil der piezoelektrischen Lagen in derselben Richtung wie deren Polarisationsrichtung und in einem zweiten Teil der piezoelektrischen Lagen in einer von deren Polarisationsrichtung unterschiedlichen Richtung erzeugt wird.

Ein einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entsprechender piezoelektrischer Resonator entspricht dem im vorangehenden Absatz beschriebenen piezoelektrischen Resonator, und ist dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl der Elektrodenlagen und eine ungerade Anzahl der piezoelektrischen Lagen laminiert sind und bei dem die Elektroden untereinander so verbunden sind, dass die mittlere piezoelektrische Lage nicht polarisiert ist, so dass auf der einen Seite der mittleren piezoelektrischen Lage die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes dieselben und dass auf der anderen Seite der mittleren piezoelektrischen Lage die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes entgegengesetzt zueinander sind.

In einem der oben geschilderten bevorzugten Ausführungsform entsprechenden piezoelektrischen Resonator wird eine Biegevibration in dem gesamten Resonator erzeugt, da die piezoelektrische Lage(n), in der (denen) die Polarisations­ richtung und die Richtung des elektrischen Feldes übereinstimmen eine Kontraktion in der Richtung zur Mitte hin und die piezoelektrische Lage(n), in der (denen) die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes einander entgegengesetzt sind, eine Dehnung in Richtung zur Lagenkante erzeugen. In dem eine solche Biegevibration ausführenden piezoelektrischen Resonator wird das Produkt der Länge einer Seite des Resonators mit der Resonanzfrequenz kleiner als dieses Produkt bei einem Dehnungsvibrationsresonator. Demgemäß lassen sich die Abmessungen des piezoelektrischen Resonators stark verringern, wobei er im selben gewünschte Frequenzband arbeitet. Außerdem ist, da ein vier oder mehr Elektrodenlagen aufweisender piezoelektrischer Resonator verwendet wird, die zwischen jeweils zwei dieser Elektroden erzeugte Anschlusskapazität und die Gesamtanschlusskapazität beträchtlich erhöht. Außerdem ist die Dicke jeder piezoelektrischen Lage aufgrund der Laminierung der piezoelektrischen Lagen beträchtlich verringert, ohne dass die Festigkeit des piezoelektrischen Resonators verringert würde, und die Anschlusskapazität ist dadurch noch mehr erhöht.

In einem einer anderen Ausführungsform entsprechenden piezoelektrischen Resonator ist die mittlere piezoelektrische Lage nicht polarisiert, und auf einer Seite der mittleren piezoelektrischen Lage sind die Polarisationsrichtungen und die Richtung des elektrischen Feldes gleich, während auf der anderen Seite der mittleren piezoelektrischen Lage die Richtung der Polarisation und die des elektrischen Feldes entgegengesetzt zueinander gerichtet sind. Deshalb wird eine starke Biegevibration erzeugt. Außerdem können durch die Einführung der unpolarisierten piezoelektrischen Lage die anderen piezoelektrischen Lagen, ohne die Festigkeit des Resonators zu verringern, verdünnt und dadurch die Anschlusskapazität noch mehr erhöht werden.

Andere Merkmale, Elemente, Kennwerte und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen noch deutlicher, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen beziehen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines bekannten Dehnungsvibrationsresonators zeigt;

Fig. 1B ist eine Seitenansicht des Dehnungsvibrationsresonators der Fig. 1, die die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes zeigt;

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines Kettenfilters;

Fig. 3 zeigt Kennwerte des in Fig. 2 gezeigten Kettenfilters;

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung eines einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonators;

Fig. 5 ist eine vergrößerte Schnittansicht des in Fig. 4 gezeigten piezoelektrischen Resonators;

Fig. 6A ist eine perspektivische Ansicht und eine Schnittansicht, die den Polarisationsprozess eines Muttersubstrats veranschaulichen;

Fig. 6B ist eine perspektivische Darstellung, die den ersten Schneideprozess des Muttersubstrats veranschaulicht;

Fig. 6C ist eine perspektivische Ansicht, die ein geschnittenes Muttersubstrat veranschaulicht;

Fig. 6D ist eine perspektivische Ansicht, die den zweiten Schneideprozess des Muttersubstrats veranschaulicht;

Fig. 6E ist eine perspektivische Ansicht des kompletten piezoelektrischen Resonators;

Fig. 7A ist ein Diagramm, das den Polarisationsprozess eines einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonators veranschaulicht;

Fig. 7B ist ein Diagramm, das die Ansteuerung des in Fig. 7A dargestellten piezoelektrischen Resonators zeigt;

Fig. 8A ist ein Diagramm, das den Polarisationsprozess eines einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonators zeigt;

Fig. 8B ist ein Diagramm, das die Ansteuerung des in Fig. 8A dargestellten piezoelektrischen Resonators zeigt; und

Fig. 9 ist eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Resonators, der einen zweilagigen Aufbau hat und der zur Vibration in einem Biegevibrationsmodus eingerichtet ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 4 zeigt perspektivisch einen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonator 9 und Fig. 5 eine Schnittansicht desselben. Der piezoelektrische Resonator 9 ist z. B. als keramischer Oszillator in einem Frequenzband von annähernd 300 kHz bis 800 kHz verwendbar. Der piezoelektrische Resonator 9 enthält bevorzugt Innenelektroden 12 und 14, die in zwei Lagen sandwichartig zwischen drei im wesentlichen quadratisch geformte piezoelektrische Keramiklagen 11, 13 und 15 geschichtet sind, und Oberflächenelektroden 10 und 16, die jeweils auf der oberen und unteren Hauptfläche der piezoelektrischen Lagen 11, 13 und 15 mit den dazwischen laminierten Innenelektroden 12 und 14 aufgebracht sind. Die mittlere piezoelektrische Lage 13 ist unpolarisiert, während die piezoelektrischen Lagen 11 und 15 auf beiden Seiten der piezoelektrischen Lage 13 in der im wesentlichen senkrecht zu den Hauptflächen stehenden Richtung so polarisiert sind, dass ihre Polarisationsrichtungen einander entgegengesetzt sind. Außerdem können die Polarisationsrichtungen auf den beiden Seiten der mittleren piezoelektrischen Lage 13 nach innen gerichtet sein, wie es die ausgezogene gezeichneten Pfeile in Fig. 5 angeben, oder auf beiden Seiten der mittleren piezoelektrischen Lage 13 nach außen gerichtet sein.

Auf den beiden Stirnflächen des piezoelektrischen Resonators 9 sind Verbindungselektroden 18 und 20 gebildet. Die eine Verbindungselektrode 18 ist elektrisch mit der Oberflächenelektrode 10 und mit der um zwei piezoelektrische Lagen davon beabstandeten Innenelektrode 14 und gegenüber der Innenelektrode 12 in der Mitte durch ein auf die Stirnfläche aufgebrachtes Isoliermaterial 17 isoliert. Außerdem ist die andere Verbindungselektrode 20 elektrisch mit der Oberflächenelektrode 16 und mit der von dieser um zwei piezoelektrische Lagen beabstandeten Innenelektrode 12 verbunden und gegenüber der in der Mitte liegenden Innenelektrode 14 durch ein auf die andere Stirnseite aufgetragenes Isoliermaterial 19 isoliert.

Aus diesem Grunde wird, sobald eine Spannung zwischen den beiden Außenelektroden 10 und 16 so angelegt wird, dass die Richtung des erzeugten elektrischen Feldes in die durch gestrichelte Pfeile in Fig. 5 angedeutete Richtung weist, die Richtung des elektrischen Feldes und die Polarisationsrichtung innerhalb der einen piezoelektrischen Lage 11 gleichgerichtet und diese piezoelektrische Lage 11 zieht sich zu ihrer Mitte hin zusammen, während die Richtung des elektrischen Feldes und die Polarisationsrichtung innerhalb der anderen piezoelektrischen Lage 15 entgegengesetzt zueinander sind und diese piezoelektrische Lage 15 in einer zu ihrer Kante weisenden Richtung expandiert. Als Ergebnis dehnen sich, sobald ein Signal (hochfrequentes elektrisches Feld) zwischen den Oberflächenelektroden 10 und 16 angelegt wird, beide piezoelektrischen Lagen 11 und 15 in der Richtung zu ihrer Kante und ziehen sich in der Richtung des ungefähren Mittelpunkts in einem Dehnungsvibrationsmodus zusammen. Deshalb wird der gesamte piezoelektrische Resonator 9, da die Dehnung und Kontraktion der piezoelektrischen Lagen 11 und 15 gegenphasig geschieht, so verformt, dass sich beide Hauptflächen verbiegen und abwechselnd eine konkave Oberfläche und eine konvexe Oberfläche bilden (nachstehend wird diese Verformung Biegevibration genannt und der piezoelektrische Resonator 9 der verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung als Biegeresonator bezeichnet).

In dem Biegeresonator 9, der einen derartigen dreilagigen Aufbau hat, ist, wenn die Länge der einen Seite des Resonators 9 mit L_b, die Dielektrizitätskonstante der piezoelektrischen Lagen 11, 13 und 15 mit ε und die Dicke jeder der piezoelektrischen Lagen 11, 13 und 15 mit t₁, t₂ und t₃ angegeben sind, die Anschlusskapazität C_b definiert durch:

C_b = (ε . ε₀ . L_b ²)(1/t₁ + 1/t₂ + 1/t₃) (4)

worin ε₀ die Dielektrizitätskonstante im Vakuum angibt.

Wenn zum Vergleich der Dehnungsvibrationsresonator 1 und der Biegeresonator 9 aus demselben Material hergestellt (ε ist gleich) und die Abmessungen und die Dicken im wesentlichen gleich sind (t₁ + t₂ + t₃ = t), ist die Anschlusskapazität des Dehnungsvibrationsresonators 1 durch die Gleichung (3) definiert. Wenn die Dicke jeder piezoelektrischen Lage 11, 13 und 15 des Biegeresonators 9 im wesentlichen dieselbe ist (t₁ = t₂ = t₃ = t/3), ergibt sich dessen Anschlusskapazität durch die folgende Gleichung (4')

C_b = (ε . ε₀ . L_b ²)(9/t) = 9C_s (4')

Deshalb ist bei dem Biegeresonator 9 der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung die Anschlusskapazität neun mal so groß als die des Dehnungsvibrationsresonators 1, der dieselbe Größe und dieselbe Dicke aufweist. Außerdem ist, auch wenn die Dicken der piezoelektrischen Lagen 11, 13 und 15 dünner werden, die Gesamtdicke der laminierten piezoelektrischen Lagen unverändert und dementsprechend ist die Festigkeit dieselbe.

Als Ergebnis kann, wenn die in dem in Fig. 2 gezeigten Kettenfilter verwendeten Parallelresonatoren 8a und 8b statt Dehnungsvibrationsresonatoren 1 erfindungsgemäße Biegeresonatoren 9 mit einem dreilagigen Aufbau sind, der garantierte Dämpfungswert des Kettenfilters um etwa 38,2 dB erhöht werden, wie dies die folgende Formel (5) zeigt.

ΔAtt. = 2 × 20log(C_b/C_s) = 38,2 dB (5)

Wenn Verfahren zur Auswahl von Stoffen mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten und zur Änderung der Dicken der Serienresonatoren und Parallelresonatoren, u. s. w., angesichts der konventionellen Techniken kombiniert werden, ist es möglich, die relative Kapazität und den garantierten Dämpfungswert in einem weiten Bereich zu gestalten.

In dem Biegeresonator 9 ist das Produkt der Länge L_b einer Seite mit der Resonanzfrequenz f_r ebenfalls nahezu konstant und gegeben durch:

L_b × f_r = A_b

Hier ist die frequenzbezogene Konstante A_b ≅ 430 mmkHz.

Da die frequenzabhängige Konstante A_b des Biegeresonators 9 annähernd 0,3 mal (A_b/A_s ≅ 0,3) so groß wie die frequenzabhängige Konstante A_s des Dehnungsvibrations­ resonators 1 für dieselbe Frequenz ist, ist die Länge L_b einer Seite des Biegeresonators 9 nur etwa 0,3 mal so lang wie die Länge L_s einer Seite des Dehnungsvibrationsresonators 1. Dementsprechend ergibt der Vergleich zwischen dem Biegeresonator 9 und dem Dehnungsvibrationsresonator 1, dass der Biegeresonator 9 auf einer Seite nur etwa 1/3,3 mal so lange sein als der Dehnungsvibrationsresonator 1 und etwa nur 1/10 von dessen Fläche haben muss. Als Ergebnis lässt sich, soweit sie mit derselben Resonanzfrequenz arbeiten, die Größe des Biegeresonators 9 im Vergleich mit der des Dehnungsvibrationsresonators 1 beträchtlich verringern.

Außerdem ist, wenn der Dehnungsvibrationsresonator 1 und der Biegeresonator 9 mit derselben Resonanzfrequenz arbeiten und der Biegeresonator 9 etwa 1/10 mal so groß wie der Dehnungsvibrationsresonator 1 (L_b ² = L_s ²/10) und die Dicke jeder der piezoelektrischen Lagen 11, 13 und 15 1/3 (t₁ = t₂ = t₃ = t/3) ein Drittel der Dicke des Dehnungsvibrations­ resonators 1 ist, beträgt die Anschlusskapazität C_b des Biegeresonators 9 etwa 9/10 der Anschlusskapazität C_s des Dehnungsvibrationsresonators 1. Dies bedeutet, dass, obwohl die Größe des Biegeresonators 9 nur etwa 1/10 der Größe des Dehnungsvibrationsresonators 1 ist, der Biegeresonator 9 nahezu dieselbe Anschlusskapazität wie der Dehnungs­ vibrationsresonator 1 haben kann. Weiterhin ist die Festigkeit beträchtlich erhöht, da die Dicke des Biegeresonators unverändert bleibt.

Nun wird ein Herstellungsverfahren für den oben beschriebenen Biegeresonator 9 erläutert. Zuerst wird, nachdem Innenelektroden 12a und 14a durch Dickfilmdruck einer leitenden Paste und Grünblätter 11a, 13a und 15a aus piezoelektrischem Material laminiert und gesintert wurden, ein Muttersubstrat 21, wie es in Fig. 6A gezeigt ist, durch die Bildung von Außenelektroden 10a und 16a der beiden Hauptflächen des gesinterten Materials geformt, und eine mit den Innenelektroden 12a und 14a verbundene Anschlusselektrode 22 wird an einer Stirnseite des gesinterten Materials gebildet. In diesem Zustand wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen beiden Außenelektroden 10a und 16a und der Anschlusselektrode 22 das gesinterte Material in der durch die Pfeile in Fig. 6A angedeuteten Richtung polarisiert. Dann wird das Muttersubstrat 21 entlang den durch Pfeile in Fig. 6B dargestellten Schnittlinien so geschnitten, dass man streifenförmige Muttersubstrate 23 gemäß Fig. 6C erhält. Dann wird das streifenförmige Muttersubstrat 23 entlang der Schnittlinien geschnitten, die durch Pfeile in Fig. 6D angedeutet sind, und man erhält einen einzelnen piezoelektrischen Resonator 24, wie er in Fig. 6E gezeigt ist. Dann werden die stirnseitigen Enden der Innenelektroden 12 und 14 mit Isoliermaterial 17 und 19 bedeckt, wie dies Fig. 5 zeigt, und die Verbindungselektroden 18 und 20 an den Stirnseiten des piezoelektrischen Resonators 9 über den Isolierstoffen 17 und 19 angeordnet. Auf diese Weise wird gleichzeitig eine große Stückzahl des in Fig. 4 gezeigten Biegeresonators hergestellt.

Fig. 7A zeigt, wie ein piezoelektrischer Resonator 31, der mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung übereinstimmt, polarisiert wird, und Fig. 7B zeigt, wie der piezoelektrische Resonator 31 angesteuert wird. In dem piezoelektrischen Resonator 31 sind fünf piezoelektrische Lagen 33, 35, 37, 39 und 41 (die Anzahl der Lagen kann auch eine ungerade Zahl gleich oder größer 7 sein) und vier Lagen Innenelektroden 34, 36, 38 und 40 (die Anzahl der Innenelektrodenlagen kann auch eine gerade Anzahl gleich oder größer 6 sein) laminiert, und Oberflächenelektroden 32 und 34 sind auf beiden Hauptflächen des Laminats gebildet. Beim Polarisationsprozess werden die Oberflächenelektroden 32 und 42 untereinander und mit den Innenelektroden 36 und 38 und ebenfalls die Innenelektroden 34 und 40 untereinander elektrisch verbunden, wie dies Fig. 7A zeigt. Dazwischen wird eine elektrische Spannung angelegt. Dann wird die piezoelektrische Lage 37 in der Mitte nicht polarisiert und die piezoelektrischen Lagen 33, 35, 39 und 41, die über und unter der piezoelektrische Lage 37 liegen, werden polarisiert. Danach werden, wie Fig. 7B zeigt, die Oberflächenelektrode 32 elektrisch mit den Innenelektroden 36 und 40 unter Verwendung einer Verbindungselektrode verbunden und gleichzeitig die Innenelektroden 34 und 38 mit der Oberflächenelektrode 42 unter Verwendung einer anderen Verbindungselektrode. Weil in den piezoelektrischen Lagen 33 und 35 oberhalb der mittleren piezoelektrischen Lage 37 die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes gleichgerichtet sind und in den piezoelektrischen Lagen 39 und 41 unterhalb der mittleren piezoelektrischen Lage 37 die Polarisationsrichtung entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes liegt, führt der piezoelektrische Resonator 31 eine Biegevibration durch. Mit einem derartigen Aufbau ist eine viel größere Anschlusskapazität erzielt, da Teilanschlusskapazitäten zwischen den Oberflächenelektroden 32 und 42 und den Innenelektroden 34 und 40 einerseits und andererseits zwischen den Innenelektroden 34, 36, 38 und 40 gebildet werden.

Fig. 8A zeigt, wie ein piezoelektrischer Resonator 51, der mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung übereinstimmt, polarisiert wird, und Fig. 8B zeigt, wie der piezoelektrische Resonator 51 betrieben wird. In dem piezoelektrischen Resonator 51 sind eine gerade Zahl piezoelektrischer Lagen 53, 55, 57 und 59 (z. B. vier Lagen) und eine ungerade Anzahl Innenelektroden 54, 56 und 58 (z. B. drei Lagen) übereinander laminiert, und Oberflächenelektroden 52 und 60 sind auf beiden Hauptflächen des Laminats angeordnet. Bei dem Polarisationsvorgang werden die Oberflächenelektroden 52 und 60 und die Innenelektrode 56 elektrisch verbunden, wie dies in Fig. 8A gezeigt ist, und andererseits werden die Innenelektroden 54 und 58 ebenfalls elektrisch verbunden, und dazwischen wird eine Spannung angelegt. Dann werden die piezoelektrischen Lagen 53, 55, 57 und 59 polarisiert. Danach werden, wie in Fig. 8B gezeigt, die Oberflächenelektrode 54 mit den Innenelektroden 56 und 58 durch eine erste Verbindungselektrode und andererseits die Innenelektrode 54 und die Oberflächenelektrode 60 elektrisch durch eine zweite Verbindungselektrode verbunden. Dann führt der piezoelektrische Resonator 51 eine Biegevibration aus, weil in den piezoelektrischen Lagen 53 und 55 der oberen Hälfte die Polarisationsrichtung mit der Richtung des elektrischen Feldes übereinstimmt und in der piezoelektrischen Lage 59, das heißt der untersten Lage, die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes entgegengesetzt zueinander sind.

Auch mit einem derartigen Aufbau lässt sich eine sehr große Anschlusskapazität erreichen, da Anschlusskapazitäten zwischen den Oberflächenelektroden 52 und 60 und den Innenelektroden 54 und 58 und zwischen den Innenelektroden 54 und 56 erzeugt werden.

Außerdem kann in der bevorzugten Ausführungsform gemäß den Fig. 7a und 7b oder 8a und 8b die Verdrahtung bei der Polarisation und die bei der Ansteuerung umgekehrt werden. Wenn jedoch die Verdrahtung so erfolgt, wie dargestellt, lässt sich die Konstruktion eines Gehäuses oder einer Packung, wenn der piezoelektrische Resonator gehäust wird, vereinfachen, da bei der Ansteuerung ein Signal zwischen beiden Oberflächenelektroden angelegt werden kann.

Weiterhin zeigt Fig. 9 einen piezoelektrischen Resonator 61, der eine Biegevibration ausführt und bei dem zwei piezoelektrische Lagen 62 und 65, die eine Innenelektrode 64 sandwichartig zwischen sich haben, laminiert sind und bei dem die Außenelektroden 62 und 66 auf den beiden Hauptflächen des Laminats aufgebracht sind. Die Abmessungen des piezoelektrischen Resonators 61 sind wie in dem Fall des piezoelektrischen Resonators der verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung im Vergleich mit einem piezoelektrischen Resonator, der im Dehnungsvibrationsmodus arbeitet, beträchtlich reduziert, aber bei dem piezoelektrischen Resonator 61, der dieselbe Größe, dieselbe Dicke und dasselbe piezoelektrische Material hat, ist die Anschlusskapazität im Vergleich mit der des piezoelektrischen Resonators der verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispiele dieser Erfindung klein. Deshalb lässt sich ein Kettenfilter kleiner Abmessung, das einen großen garantierten Dämpfungswert hat, herstellen, wenn ein solches Kettenfilter, wie es in Fig. 2 gezeigt ist (oder das drei oder mehr Stufen hat), unter Einsatz des piezoelektrischen Resonators 61 als Reihenresonator und eines einer Ausführungsform der Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Biegeresonators (z. B. des Resonators 21) als Parallelresonator.

Ein mit den verschiedenen Ausführungsformen dieser Erfindung übereinstimmender piezoelektrischer Resonator ist so eingerichtet, dass er in einem Biegevibrationsmodus vibriert, ist stark verkleinert und hat dennoch die Fähigkeit, eine große Anschlusskapazität zu erreichen. Dementsprechend wird der Dämpfungswert eines den piezoelektrischen Resonator als Parallelresonator einsetzenden Kettenfilters beträchtlich erhöht.

Weiterhin ist bei dem den Ausführungsformen dieser Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonator die mittlere piezoelektrische Lage unpolarisiert und die Polarisationsrichtung fällt auf der einen Seite der mittleren piezoelektrischen Lage mit der Richtung des elektrischen Feldes zusammen, während auf der anderen Seite der mittleren piezoelektrischen Lage die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes einander entgegengesetzt gerichtet sind. Demgemäß erzielt der piezoelektrische Resonator eine beträchtlich gesteigerte und sehr große Biegevibration.

Während die Erfindung in ihren Einzelheiten in Bezug auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben und dargestellt wurde, ist es den einschlägigen Fachleuten deutlich, dass im Bereich der beiliegenden Patentansprüche verschiedene Modifikationen in Form und Details ausführbar sind.

Claims (20)

1. Piezoelektrischer Resonator, gekennzeichnet durch:
mehrere Elektroden (10, 12, 14, 16), die mindestens vier Lagen enthalten;
wenigstens drei piezoelektrische Lagen (11, 13, 15), die unter Bildung eines Resonatorkörpers (9) mit den Elektrodenlagen laminiert sind, wobei
zumindest zwei der wenigstens drei piezoelektrischen Lagen in einer Richtung polarisiert sind, die im wesentlichen senkrecht zu den mehreren Elektroden steht, welche untereinander so verbunden sind, dass in einem ersten Teil der piezoelektrischen Lagen das elektrische Feld in derselben Richtung erzeugt wird, wie die Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Lagen, und in einem zweiten Teil der piezoelektrischen Lagen die Richtung des erzeugten elektrischen Feldes sich von der Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Lagen unterscheidet.

2. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl Elektrodenlagen (10, 12, 14, 16) und eine ungerade Anzahl piezoelektrischer Lagen (11, 13, 15) zur Bildung des Resonatorkörpers (9) laminiert sind und die Elektroden untereinander so verbunden sind, dass die mittlere piezoelektrische Lage (13) unpolarisiert ist und dass auf einer Seite der mittleren piezoelektrischen Lage (13) die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes gleich und auf der anderen Seite der piezoelektrischen Lage die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes entgegengesetzt sind.

3. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, dass er so konstruiert ist, dass er in einem Frequenzband von etwa 300 kHz bis etwa 800 kHz arbeitet.

4. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens vier Elektrodenlagen im wesentlichen eine quadratische Form haben.

5. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei piezoelektrischen Lagen im wesentlichen eine quadratische Form haben.

6. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtungen auf beiden Seiten der mittleren piezoelektrischen Lage nach innen zeigen.

7. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtungen auf beiden Seiten der mittleren piezoelektrischen Lage nach außen zeigen.

8. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenelektroden und die piezoelektrischen Lagen in dem laminierten Resonatorkörper so angeordnet sind, dass sie in Reaktion auf eine daran angelegte Spannung in einem Biegevibrationsmodus vibrieren.

9. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge einer Seite des laminierten Resonatorkörpers mit L_b, die Dielektrizitätskonstante der piezoelektrischen Lagen mit ε, die Dicken der jeweiligen piezoelektrischen Lagen mit t₁, t₂ und t₃ bezeichnet sind und die Kapazität C_b bestimmt ist durch
C_b = (ε . ε₀ . L_b ²)(1/t₁ + 1/t₂ + 1/t₃)
wobei so die Dielektrizitätskonstante im Vakuum ist.

10. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der piezoelektrischen Lagen wenigstens fünf ist.

11. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Innenelektroden wenigstens vier ist.

12. Piezoelektrischer Resonator, gekennzeichnet durch:
mehrere Elektrodenlagen (32, 34, 36, 38, 40, 42); und
mehrere piezoelektrische Lagen (33, 35, 35, 37, 39, 41), die mit den mehreren Elektrodenlagen zur Bildung eines Resonatorkörpers (31) übereinander gestapelt sind, wobei wenigstens zwei der piezoelektrischen Lagen in einer im wesentlichen senkrecht auf den Elektrodenlagen stehenden Richtung polarisiert sind und die Elektroden untereinander so verbunden sind, dass das elektrische Feld in einem ersten Teil der piezoelektrischen Lagen in derselben Richtung wie deren Polarisationrichtung und in einem zweiten Teil der piezoelektrischen Lagen in einer von deren Polarisations­ richtung unterschiedlichen Richtung erzeugt wird.

13. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl der Elektrodenlagen und eine ungerade Anzahl der piezoelektrischen Lagen zur Bildung des Resonatorkörpers laminiert sind.

14. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Elektroden untereinander so verbunden sind, dass eine mittlere piezoelektrische Lage unpolarisiert ist und auf einer Seite der mittleren piezoelektrischen Lage die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes dieselben und auf der anderen Seite der piezoelektrischen Lage die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes entgegengesetzt sind.

15. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass er so konstruiert ist, dass er in einem Frequenzband von etwa 300 kHz bis etwa 800 kHz arbeitet.

16. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Elektrodenlagen und die mehreren piezoelektrischen Lagen im wesentlichen quadratisch sind.

17. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtungen auf beiden Seiten der mittleren piezoelektrischen Lage nach innen zeigen.

18. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtungen auf beiden Seiten der mittleren piezoelektrischen Lage nach außen zeigen.

19. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenelektroden und die piezoelektrischen Lagen in dem laminierten Körper so angeordnet sind, dass sie in Reaktion auf eine an sie angelegte Spannung in einem Biegevibrationsmodus vibrieren.

20. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der piezoelektrischen Lagen wenigstens drei und die Anzahl der Innenelektroden wenigstens zwei sind.