DE102004022335A1

DE102004022335A1 - Energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil

Info

Publication number: DE102004022335A1
Application number: DE102004022335A
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiro Nagaokakyo Yamada; Masakazu Nagaokakyo Yoshio; Kenichi Nagaokakyo Kotani
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2004-05-06
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2024-05-07
Also published as: JP4111139B2; DE102004022335B4; US6987346B2; CN1574619A; US20040245892A1; JP2005198216A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein einen dritten Oberton einer Dicken-Längsvibration nutzendes energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil (1). Der piezoelektrische Resonator (1) enthält ein piezoelektrisches Substrat (2) und eine erste und zweite Vibrationselektrode (4) mit elliptischer Form, die jeweils auf Teilen einer ersten und zweiten Hauptfläche (3a, 3b) des piezoelektrischen Substrats (2) so angeordnet sind, dass sie einander mit dem dazwischen liegenden piezoelektrischen Substrat (2) gegenüber liegen. Ein Abflachungsverhältnis "a/b" des Durchmessers "a" der längeren Achse zum Durchmesser "b" der kürzeren Achse der elliptischen Form liegt in einem Bereich von etwa 1,2 bis etwa 1,45. Auf diese Weise ist der Resonator kompakt und kontrolliert wirksam die als Streuwelle auftretende Grundwelle der Dicken-Längsvibration, hat im Wesentlichen keine Flächenbeschränkung der Elektroden und keine Abmessungseinschränkungen und erfüllt eine Vielfalt von Frequenzanforderungen in einem weiten Bereich (Figur 1).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil und besonders ein energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil, mit einer Struktur, die eine Grundwelle einer Dicken-Längsvibration unterdrückt und Oberschwingungen der Dicken-Längsvibration nutzt.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Energieeinfangende piezoelektrische Resonatoren werden häufig als Oszillatoren oder Resonatoren eingesetzt. Dabei werden abhängig von einer Sollfrequenz wahlweise verschiedene Vibrationsmoden verwendet.

Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 11-168343 beschreibt einen energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator, der einen dritten Oberton eines Dicken-Längsvibrationsmodus nutzt. Die 12 und 13 sind jeweils eine perspektivische und eine ebene Ansicht des darin beschriebenen piezoelektrischen Resonators 101.

Der piezoelektrische Resonator 101 enthält ein quaderförmiges piezoelektrisches Substrat 102. Vibrationselektroden 103 und 104, jeweils in kreisförmiger, ebener Form, sind jeweils in der Mitte der Oberseite und der Mitte der Unterseite des piezoelektrischen Substrats 102 angeordnet. Verlängerungselektroden 105 und 106 sind jeweils mit den Vibrationselektroden 103 und 104 verbunden. Die Vibrationselektroden 103 und 104 liegen einander mit dem dazwischen liegenden piezoelektrischen Substrat 102 gegenüber. Das piezoelektrische Substrat 102 ist in Richtung seiner Dicke polarisiert.

Wenn zwischen den Vibrationselektroden 103 und 104 ein elektrisches Wechselfeld angelegt wird, vibriert der piezoelektrische Resonator 101 in einem Dicken-Längsvibrationsmodus. Der piezoelektrische Resonator 101 nutzt einen dritten Oberton der Dicken-Längsvibration und dadurch werden gewünschte Resonanzeigenschaften erzielt.

Beim Auftreten der Dicken-Längsvibration wird zusätzlich zum dritten Oberton auch die Grundwelle erzeugt. Wenn der dritte Oberton gefordert ist, bildet die Grundwelle eine Streuwelle. Aus diesem Grund wird die Leitungsbreite der Verlängerungselektroden 105 und 106 im piezoelektrischen Resonator 101 jeweils so eingestellt, dass eine Streuwellenkontrollelektrode zur Kontrolle der Grundwelle angebracht werden kann.

14 zeigt eine ebene Ansicht eines den dritten Oberton des Dicken-Längsvibrationsmodus nutzenden piezoelektrischen Resonators 111, wie er in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 10-178329 beschrieben ist. Dieser piezoelektrische Resonator 111 enthält ein quaderförmiges piezoelektrisches Substrat 112. Eine elliptische Vib rationselektrode 113 ist mittig auf der Oberseite des piezoelektrischen Substrats 112 angeordnet. Eine elliptische Vibrationselektrode ist mittig auf der Unterseite des piezoelektrischen Substrats 102 angeordnet. Die Vibrationselektroden 113 auf beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats 112 liegen einander mit dem dazwischen liegenden piezoelektrischen Substrat 112 gegenüber.

Wenn man den Durchmesser der langen Achse der Vibrationselektrode 113 mit L₁ und den Durchmesser der kurzen Achse der Vibrationselektrode 113 mit L₂ bezeichnet, liegt das Verhältnis L₁/L₂ in einem Bereich von 1,10 bis 1,75. Eine Verlängerungselektrode 114 ist mit der längeren Seite der Vibrationselektrode 113 verbunden. Die Leitungsbreite der Verlängerungselektrode 114 beträgt das 0,9- bis 1,1-fache des Durchmessers L₁ der langen Achse der Vibrationselektrode 113. Oberwellen der Expansionsvibration, die sich von der Dicken-Längsvibration unterscheidet, werden positiv angeregt. Diese Oberwellen der Expansionsvibration sind der Grundwelle der Dicken-Längsvibration überlagert und unterdrücken diese Grundwelle. In dem in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 11-168343 beschriebenen piezoelektrischen Resonator 101 ist in den Verlängerungselektroden 105 und 106 ein Nebenwellenkontrollabschnitt angeordnet. Die Grundwelle wird durch absichtliche Vergrößerung der Grundwelle der Dicken-Längsvibration in dem Nebenwellenkontrollabschnitt unterdrückt, und dann wird die Grundwelle in einem Verkapselungsabschnitt unterdrückt.

In dem in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 10-178329 beschriebenen piezoelektrischen Resonator 111 wird die Grundwelle der Dicken-Längsvibration durch Überlagerung der Grundwelle durch die Oberwellen der Expansionsvibration unterdrückt.

Bei diesen beiden bekannten Bauteilen ist die Fläche der Vibrationselektrode, in der die Grundwelle der Dicken-Längsvibration unterdrückenden Struktur nicht erhöht unter der Einschränkung, dass der verwendete dritte Oberton nicht unterdrückt wird.

Wenn man eine Vielfalt von Resonanzeigenschaften durch Vergrößerung der Fläche der Vibrationselektrode erreichen möchte, wird die Grundwelle der Dicken-Längsvibration nicht ausreichend unterdrückt.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Zur Lösung der oben beschriebenen Probleme sehen bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Erfindung ein kompaktes energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil vor, das nicht nur die eine Streuwelle bildende Grundwelle einer Dicken-Längsvibration bei Verwendung eines dritten Obertons der Dicken-Längsvibration wirksam unterdrückt, sondern auch leicht eine geforderte Resonanzcharakteristik mit wenigen oder gar keinen Beschränkungen hinsichtlich der Elektrodenfläche und der Abmessungen eines piezoelektrischen Substrats erreicht.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung enthält ein den dritten Oberton einer Dicken-Längsvibration nutzendes piezoelektrisches Resonatorbauteil des energieeinfangenden Typs ein energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorelement, das ein piezoelektrisches Substrat, das eine erste und zweite Hauptfläche hat und in Dickenrichtung zwischen der ersten und zweiten Hauptfläche polarisiert ist, eine erste auf einem Teil der ersten Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats angeordnete Vibrationselektrode und eine zweite Vibrationselektrode enthält, die auf einem Teil der zweiten Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats gegenüber der ersten Vibrationselektrode mit dem dazwischen liegenden piezoelektrischen Substrat angeordnet ist. Die erste und zweite Vibrationselektrode haben im Wesentlichen elliptische Form und ein Abflachungsverhältnis "a/b" liegt im Bereich von etwa 1,2 bis etwa 1,45, wobei "a" den Durchmesser der langen Achse und "b" den Durchmesser der kurzen Achse der im Wesentlichen elliptischen Form angeben. Das energieeinfangende piezoelektrische Resonatorbauteil enthält außerdem ein erstes und zweites Gehäusesubstrat, die jeweils auf die Ober- und Unterseite des piezoelektrischen Substrats laminiert sind, wobei zwischen der ersten Vibrationselektrode und dem ersten Gehäusesubstrat und zwischen der zweiten Vibrationselektrode und dem zweiten Gehäusesubstrat Vibrationskammern vorgesehen sind.

In dem einem bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechenden energieeinfangenden piezoelektrischen Resonatorbauteil hat die erste und zweite Vibrationselektrode bevorzugt die im Wesentlichen elliptische Form, bei der das Abflachungsverhältnis "a/b" im Bereich von etwa 1,2 bis etwa 1,45 liegt, wobei "a" der Durchmesser der langen Achse und "b" der Durchmesser der kurzen Achse der im Wesentlichen elliptischen Form angeben. Die Grundwelle der Dicken-Längsvibration vibriert im seitlichen Abschnitt der Vibrationselektrode stärker. Durch Ummanteln eines Abschnitts, an dem die Grundwelle der Dicken-Längsvibration mit größerer Amplitude vibriert, wird die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wirksam kontrolliert, ohne die Vibration des dritten Obertons der Dicken-Längsvibration zu beeinträchtigen.

Das den dritten Oberton der Dicken-Längsvibration nutzende energieeinfangende piezoelektrische Resonatorbauteil hat eine gute Resonanzcharakteristik. Da die Abmessungsbeschränkungen nicht strikt sind, können energieeinfangende piezoelektrische Resonatorbauteile mit in einem weiten Frequenzbereich liegenden Betriebsfrequenzen erzielt werden. Außerdem ist das energieeinfangende piezoelektrische Resonatorbauteil auch miniaturisiert.

Bevorzugt hat die erste und zweite Hauptfläche im Wesentlichen eine rechteckige Form, die durch zwei längere Seiten und zwei kürzere Seiten definiert ist, und die kurze Achse der im Wesentlichen elliptischen Form der ersten und zweiten Vibrationselektrode liegt im Wesentlichen parallel zur kurzen Seite des piezoelektrischen Substrats. Wenn die erste und zweite Hauptfläche, die durch die zwei längeren Seiten und die zwei kürzeren Seiten definierte im Wesentlichen rechteckige Form haben, und die kurze Achse der im Wesentlichen elliptischen Form der ersten und zweiten Vibrationselektrode im Wesentlichen parallel zur kürzeren Seite des piezoelektrischen Substrats liegt, wird die Grundwelle der Dicken-Längsvibration stärker von der Vibrationselektrode zum Außenabschnitt des piezoelektrischen Substrats entlang der Richtung der kürzeren Seite des piezoelektrischen Substrats angeregt. Durch die Verkapselung des Abschnitts, an dem die Grundwelle der Dicken-Längsvibration stärker angeregt wird, lässt sich die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wirksam unterdrücken.

Bevorzugt enthält das energieeinfangende piezoelektrische Resonatorbauteil außerdem eine erste mit der ersten Vibrationselektrode verbundene Verlängerungselektrode auf der ersten Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats, die sich zur Peripherie der ersten Hauptfläche hin erstreckt, und eine zweite mit der zweiten Vibrationselektrode verbundene Verlängerungselektrode auf der zweiten Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats, die sich zur Peripherie der zweiten Hauptfläche hin erstreckt, wobei die Leitungsbreite der ersten und zweiten Verlängerungselektrode schmaler als der Durchmesser der kleinen Achse der ersten und zweiten Vibrationselektrode ist.

Wenn in dem einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden energieeinfangenden piezoelektrischen Resonatorbauteil die Leitungsbreite der ersten und zweiten Verlängerungselektrode schmaler als die kleine Achse der ersten und zweiten Vibrationselektrode ist, werden unnötige überlappende Abschnitte der Verlängerungselektroden verringert. Diese Anordnung unterdrückt eine in einem Bereich, in dem der dritte Oberton auftritt, erzeugte Streuvibration.

Bevorzugt haben das erste und zweite Gehäusesubstrat an ihren dem energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator gegenüber liegenden Seiten Ausschnitte, die sicher stellen, dass die Vibration eines Vibrationsabschnitts, der die einander gegenüber liegenden erste und zweite Vibrationselektrode hat, nicht beschränkt ist.

Die auf den jeweiligen dem energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator gegenüber liegenden Seiten des ersten und zweiten Gehäusesubstrats angebrachten Ausschnitte stellen sicher, dass die Vibration eines Vibrationsabschnitts mit den einander gegenüber liegenden ersten und zweiten Vibrationselektroden nicht beschränkt ist. Als Ergebnis wird die Vibration des Vibrationsabschnitts nicht beschränkt. Die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wird wirksam durch den Verkapselungsabschnitt unterdrückt, ohne dass der dritte Oberton der Dicken-Längsvibration beeinträchtigt ist. Auf diese Weise wird ein energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil mit guten Resonanzeigenschaften erzielt.

Bevorzugt enthält das energieeinfangende piezoelektrische Resonatorbauteil außerdem eine erste Klebstofflage zwischen dem ersten Gehäusesubstrat und dem piezoelektrischen Resonator und eine zweite Klebstofflage zwischen dem zweiten Gehäusesubstrat und dem piezoelektrischen Resonator, wobei die erste und zweite Klebstofflage jeweils das erste und zweite Gehäusesubstrat mit dem piezoelektrischen Resonator verbinden und die jeweilige erste und zweite Klebstofflage einen im Wesentlichen rechtwinkligen Rahmen hat und der Vibrationsabschnitt, wo sich die erste und zweite Vibrationselektrode einander gegenüber liegen, innerhalb der Kammerabschnitte der Umrisslinien des im Wesentlichen rechtwinkligen Rahmens angeordnet ist.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das erste und zweite Gehäusesubstrat mit dem energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator jeweils durch die erste und zweite Klebstofflage verbunden. Wenn ein Ausschnitt die Öffnung des im Wesentlichen rechtwinkligen Rahmens ist, bildet die Öffnung des im Wesentlichen rechtwinkligen Rahmens der Klebstofflage eine Kammer, innerhalb der die Vibration des Vibrationsabschnitts nicht beschränkt ist. Die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wird durch den Verkapselungsabschnitt wirksam unterdrückt, ohne dass der dritte Oberton der Dicken-Längsvibration beeinträchtigt ist. Auf diese Weise ist ein energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil mit guten Resonanzcharakteristiken erzielt.

Ein einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechendes energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil hat eine Struktur, bei der die Kammer durch den Ausschnitt oder die Öffnung der Klebstofflage gebildet ist. Die Klebstofflage verkapselt die Stelle, wo die Grundwelle der Dicken-Längsvibration stark vibriert. Die Grundwelle der Dicken-Längsvibration ist damit wirksam unterdrückt und im Ergebnis eine gute Resonanzcharakteristik erreicht.

Bevorzugt enthält das energieeinfangende piezoelektrische Resonatorbauteil außerdem ein rahmenförmiges Dämpfungsglied, das an der Peripherie wenigstens einer der Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats angeordnet ist.

Wenn an der Peripherie wenigstens einer Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats ein rahmenförmiges Dämpfungsglied angeordnet ist, streut und dämpft das Dämpfungsglied die Grundwelle der Dicken-Längsvibration und unterdrückt sie dadurch wirksam.

Andere Merkmale, Elemente, Eigenschaften und Vorteile dieser Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele noch deutlicher, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die ein mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung übereinstimmendes energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil veranschaulicht;
2 ist eine ebene Ansicht zur Verdeutlichung von Dimensionen einer Kammer, die eine Beschränkung eines Vibrationsabschnitts in dem mit dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung übereinstimmenden piezoelektrischen Resonatorbauteil verhindert;
3 ist eine ebene Ansicht, die den mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung übereinstimmenden piezoelektrischen Resonator zeigt;
4 zeigt grafisch die Maxima der Phasen der Grundwelle und des dritten Obertons einer Dicken-Längsvibration in einem zum Vergleich dienenden kreisförmige Vibrationselektroden aufweisenden piezoelektrischen Resonatorbauteil und in dem dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden Resonatorbauteil;
5 zeigt grafisch die Verteilung der Auslenkungen der Grundwelle der Dicken-Längsvibration in einer parallel zur kürzeren Seite eines piezoelektrischen Substrats liegenden y-Richtung, und zwar durch die Mitte der Vibrationselektrode jeweils in dem dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechenden piezoelektrischen Resonatorbauteil und in dem zum Vergleich dienenden piezoelektrischen Resonatorbauteil;
6 zeigt grafisch die Verteilung der Auslenkungen des dritten Obertons in Dicken-Längsvibration in einer parallel zur kürzeren Seite eines piezoelektrischen Substrats liegenden y-Richtung durch die Mitte der Vibrationselektrode jeweils in dem dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechenden piezoelektrischen Resonatorbauteil und in dem zum Vergleich dienenden piezoelektrischen Resonatorbauteil;
7 ist ein Diagramm in ebener Ansicht der Vibrationselektrode zur Veranschaulichung der Bedeutung der Richtung der in den 5 und 6 gezeigten y-Achse;
8 zeigt grafisch die Verteilung der Auslenkungen der Grundwelle der Dicken-Längsvibration in Richtung der y-Achse mit sich änderndem Abflachungsverhältnis der Vibrationselektrode als Parameter;
9 zeigt grafisch Änderungen in den Maxima der Phase der Grundwelle der Dicken-Längsvibration abhängig von dem sich verändernden Abflachungsverhältnis;
10 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die ein mit einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels dieser Erfindung übereinstimmendes piezoelektrisches Resonatorbauteil zeigt;
11 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonatorbauteils;
12 ist eine perspektivische Ansicht eines bekannten energieeinfangenden piezoelektrischen Resonators;
13 ist eine ebene Ansicht, die den bekannten energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator der 12 zeigt und
14 ist eine ebene Ansicht eines anderen energieeinfangenden piezoelektrischen Resonators.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele dieser Erfindung werden nachstehend bezogen auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt in perspektivischer Explosionsansicht ein mit einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung übereinstimmendes energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil 1. Das piezoelektrische Resonatorbauteil 1 enthält einen piezoelektrischen Resonator 2 des energieeinfangenden Typs.
Der energieeinfangende piezoelektrische Resonator 2 enthält ein piezoelektrisches Substrat 3, das in ebener Ansicht bevorzugt rechteckig ist. Das piezoelektrische Substrat 3 besteht bevorzugt aus piezoelektrischer Keramik, wie z.B. aus Bleititanat-Keramik. Das piezoelektrische Substrat 3 ist in Richtung der Dicke zwischen der ersten und zweiten Hauptfläche 3a und 3b polarisiert.
Die erste Hauptfläche 3a hat eine durch zwei längere und zwei kürzere Seiten definierte im Wesentlichen rechteckige Form. Die zweite Hauptfläche 3b hat im Wesentlichen dieselbe Form wie die erste Hauptfläche 3a.
Eine erste Vibrationselektrode 4 mit in ebener Ansicht im Wesentlichen elliptischer Form ist in der Mitte der ersten Hauptfläche 3a angeordnet. Eine zweite Vibrationselektrode, die dieselbe im Wesentlichen elliptische Form hat, ist auch auf der zweiten Hauptfläche 3b des piezoelektrischen Substrats 3 angeordnet. Mit dem dazwischen liegenden piezoelektrischen Substrat 3 liegen sich die erste und zweite Vibrationselektrode 4 gegenüber.
Eine erste Verlängerungselektrode 5 ist mit der ersten Vibrationselektrode 4 verbunden. Die erste Verlängerungselektrode 5 erstreckt sich zur Peripherie der ersten Hauptfläche 3a und zwar bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel zu einer kürzeren Seite der ersten Fläche 3a hin. Die erste Verlängerungselektrode 5 ist mit einer Verbindungselektrode 6 verbunden, die sich entlang der kürzeren Seite der ersten Hauptfläche 3a erstreckt.
Die sich entlang der kürzeren Seite der ersten Hauptfläche 3a erstreckende Verbindungselektrode 6 hat zwei Endabschnitte, die sich partiell entlang den längeren Seiten der ersten Hauptfläche 3a erstrecken.
Außerdem ist mit der zweiten Vibrationselektrode eine zweite Verlängerungselektrode verbunden und mit letzterer eine zweite Verbindungselektrode verbunden, die auf der zweiten Hauptfläche 3b des piezoelektrischen Substrats liegen. Die zweite Verlängerungselektrode und die zweite Verbindungselektrode sind nahe einer Stirnfläche 3d angeordnet, die einer Stirnfläche 3c des piezoelektrischen Substrats gegenüber liegt.
Übereinstimmend mit dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die erste Vibrationselektrode 4, die erste Verlängerungselektrode 5, die erste Verbindungselektrode 6 und die zweite Vibrationselektrode, die zweite Verlängerungselektrode und die zweite Verbindungselektrode, die auf der zweiten Hauptfläche 3b liegen, bevorzugt aus einer Nickel (Ni), Chrom (Cr) und Silber (Ag) enthaltenden Legierung. Die Erfindung ist aber nicht auf ein besonderes Elektrodenmaterial beschränkt. Diese Elektroden werden bevorzugt mit einem Dünnfilmverfahren, z.B. durch Abscheidung oder Sputtern oder durch ein anderes geeignetes Verfahren, hergestellt.
Eine Klebstofflage 8 ist auf die Oberseite des energieeinfangenden piezoelektrischen Resonators 2 laminiert und verbindet ein erstes Gehäusesubstrat 7 mit der Peripherie der ersten Hauptfläche 3a des piezoelektrischen Substrats 3. Auf der Unterseite des energieeinfangenden piezoelektrischen Resonators 2 ist ein zweites Gehäusesubstrat 9 mit dem energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator 2 durch eine im Wesentlichen rechteckige Klebstofflage 10 verbunden und dazwischen ist ein im Wesentlichen rechteckiges Dämpfungsglied 11 eingefügt. Das erste und zweite Gehäusesubstrat 7 und 9 haben eine ebene Struktur. Das erste und zweite Gehäusesubstrat 7 und 9 bestehen aus einer geeigneten Keramik, wie z.B. aus Isolierkeramik oder aus Kunstharz.
Die Klebstofflagen 8 und 10 bestehen aus einem geeigneten Verbindungsmittel, z.B. einem auf Epoxidharz beruhenden Verbindungsmittel. Die Klebstofflagen 8 und 10 haben eine im Wesentlichen rechteckige Rahmenstruktur, jeweils mit Öffnungen 8a und 10a. Die Öffnungen 8a und 10a bilden Kammern, die bewirken, dass die Vibration eines Vibrationsabschnitts einschließlich der einander gegenüber liegenden ersten und zweiten Vibrationselektrode 4 nicht eingeschränkt ist.
Das Dämpfungsglied 11 besteht bevorzugt aus Epoxidharz oder einem anderen geeigneten Material. Das Dämpfungsglied 11 besteht bevorzugt aus einem Material mit einem höheren Elastizitätsmodul als der der Klebstofflagen 8 und 10 und hat die Funktion, die Grundwelle der Dicken-Längsvibration zu streuen und zu dämpfen. Um die Grundwelle der Dicken-Längsvibration zu streuen und zu dämpfen, haben das Dämpfungsglied 11 und die Klebstofflage 10 bevorzugt eine Gesamtdicke von etwa λ/4, wobei λ die Wellenlänge der Grundwelle der Dicken-Längsvibration angibt. In dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat das Dämpfungsglied 11 bevorzugt z.B. eine Dicke von etwa 40 μm oder mehr. Die Grundwelle wird auf beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats erzeugt. Um die Grundwelle jeweils effektiv zu unterdrücken, ist das Dämpfungsglied bevorzugt auf beiden Hauptflächen angeordnet. Selbst wenn das Dämpfungsglied 11 lediglich auf einer einzigen Seite, wie im bevorzugten Ausführungsbeispiel angeordnet ist, wird die Grundwelle der Dicken-Längsvibration noch wirksam auf dieser einen Hauptfläche unterdrückt.
Elektrodenlagen 15A–15C und 15D–15F sind auf den Seitenflächen der Gehäusesubstrate des piezoelektrischen Substrats 8 angeordnet und in 1 schraffiert dargestellt und dienen zur Verbindung mit einer äußeren Schaltung. Da das piezoelektrische Resonatorbauteil 1 in 1 in Explosionsdarstellung gezeigt ist, sind Teile der Abschnitte der Elektrodenlagen 15A–15C auf den Seitenflächen der Gehäusesubstrate des piezoelektrischen Substrats 3 segmentiert gezeigt.
Eines der einzigartigen Merkmale des dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonatorbauteils 1 besteht in der elliptischen Form der ersten und zweiten Vibrationselektrode und darin, dass deren Abflachungsverhältnis "a/b" im Bereich von etwa 1,2 bis etwa 1,45 liegt, wobei "a" den Durchmesser der langen Hauptachse und "b" den Durchmesser der kurzen Achse der im Wesentlichen elliptischen Form angeben. Mit dieser Anordnung wird die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wirksam unterdrückt. Nachstehend wird ein besonderes Beispiel diskutiert.
Als ein Beispiel des piezoelektrischen Substrats 3 des energieeinfangenden piezoelektrischen Resonators 2 wurde ein piezoelektrisches Substrat bereitgestellt, das aus Bleititanatkeramik besteht und das beispielsweise eine Länge L von etwa 2,5 mm, eine Breite W von etwa 2,0 mm und einer Dicke von etwa 0,23 mm hatte. Wie das Diagramm in 3 zeigt, wurden die erste und zweite Vibrationselektrode mit einem Durchmesser "a" ihrer langen Achse von etwa 1,00 mm und dem Durchmesser "b" ihrer kurzen Achse von etwa 0,75 mm hergestellt, so dass sich das Abflachungsverhältnis "a/b" von 1,33 ergab. Die Klebstofflagen 8 und 10 hatten, wie 2 zeigt, eine Öffnung mit einer längeren Seite "da" von etwa 2,10 mm und einer kürzeren Seite "db" von etwa 1,60 mm. Die Dicke der Klebstofflagen 8 und 10 betrug etwa 0,05 mm. Das Dämpfungsglied 11 hatte in ebener Ansicht eine Öffnung mit einer längeren Seite "da" von etwa 1,90 mm und einer kürzeren Seite "db" von etwa 1,20 mm und eine Dicke von etwa 0,05 mm.
Zum Vergleich wurde ein Vergleichsbeispiel eines piezoelektrischen Resonatorbauteils hergestellt. Der zum Vergleich dienende piezoelektrische Resonator mit einer Vibrationselektrodenfläche F von etwa 0,59 mm² war mit dem piezo elektrischen Resonatorbauteil 1 identisch mit der Ausnahme, dass die Vibrationselektrode kreisförmig war. Dann wurden die Resonanzeigenschaften des piezoelektrischen Resonatorbauteils 1 und des piezoelektrischen Vergleichs-Resonatorbauteils gemessen.
4 zeigt grafisch die Maxima der Phasen der Grundwelle und des dritten Obertons der Dicken-Längsvibration im Vergleichs-piezoelektrischen Resonatorbauteil und in dem piezoelektrischen Resonatorbauteil 1.
4 zeigt deutlich, dass das Maximum der Phase der Grundwelle des zum Vergleich dienenden piezoelektrischen Resonatorbauteils mit der kreisförmigen Vibrationselektrode wesentlich größer ist als das Maximum der Phase des dritten Obertons. Im Gegensatz dazu wird bei dem dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonatorbauteil 1 das Maximum der Phase des dritten Obertons wesentlich größer als das Maximum der Phase der Grundwelle. Nach diesen Testergebnissen unterdrückt das piezoelektrische Resonatorbauteil 1 wirksam die Grundwelle der Dicken-Längsvibration und verbessert dadurch vorteilhafterweise die Resonanzeigenschaften des verwendeten dritten Obertons.
Der Grund, weshalb das erste Ausführungsbeispiel eine derartige Wirkung zeigt, besteht darin, dass die Verwendung der ersten und zweiten Vibrationselektroden mit der im Wesentlichen elliptischen Form das Verhalten der Vibration der Grundwelle der Dicken-Längsvibration in der Richtung der kurzen Achse der Vibrationselektroden verändert. Genauer stellt sich heraus, dass die Grundwelle eine große Auslenkung in Dickenrichtung in der Nähe des Verkapselungsabschnitts der Klebstofflage hat, während der dritte Oberton von dem Problem frei ist und keine großen Änderungen in der Auslenkung hat, selbst mit der im Wesentlichen elliptischen Form der Vibrationselektrode.
Die vorliegenden Erfinder haben die Auslenkung mit der Methode der finiten Elemente hinsichtlich des Vibrationsverhaltens des dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechenden piezoelektrischen Resonatorbauteils 1 und des zum Vergleich dienenden piezoelektrischen Resonatorbauteils analysiert.
Die Ergebnisse der Analyse sind in den 5 und 6 dargestellt. 5 stellt grafisch die Verteilung der Auslenkungen der Grundwelle der Dicken-Längsvibration in einer y-Richtung jeweils in dem dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechenden piezoelektrischen Resonatorbauteil und in dem zum Vergleich dienenden piezoelektrischen Resonatorbauteil dar. 6 zeigt grafisch die Verteilung der Auslenkungen des dritten Obertons der Dicken-Längsvibration in der y-Richtung jeweils in dem dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonatorbauteil und in dem zum Vergleich dienenden piezoelektrischen Resonatorbauteil. Die y-Richtung bezieht sich auf die Richtung der kleinen Achse der elliptischen ersten Vibrationselektrode 4, d.h. die Richtung der kürzeren Seite des piezoelektrischen Substrats 3, wie dies in 7 gezeigt ist. In der kreisförmigen Elektrode bezieht sich die y-Richtung auf die Richtung der kürzeren Seite des piezoelektrischen Substrats.
Wenn man von der Kreisform zur elliptischen oder im Wesentlichen elliptischen Form der ersten und zweiten Vibrationselektrode übergeht, erhält man eine große Auslenkung der Grundwelle der Dicken-Längsvibration an einem Punkt oder in der Nähe eines Punktes von etwa ± 0,4 mm vom Nullpunkt des Diagramms. Im Falle der kreisförmigen Vibrationselektrode ist die Auslenkung an derselben Position gering und die Wirksamkeit des aus der Klebstofflage zur Unterdrückung der Grundwelle gebildeten Verkapselungsabschnitts ist gering. Im Gegensatz dazu ergibt sich bei dem dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechenden piezoelektrischen Resonatorbauteil 1 eine große Auslenkung der Grundwelle der Dicken-Längsvibration in der Nähe des Punktes oder an dem Punkt ± 0,4 mm. Der Verkapselungsabschnitt unterdrückt wirksam die Grundwelle.
6 zeigt, dass hinsichtlich des dritten Obertons der Dicken-Längsvibration kein wesentlicher Unterschied zwischen einer kreisförmigen Vibrationselektrode und einer im Wesentlichen elliptischen Vibrationselektrode besteht.
Die 5 und 6 machen deutlich, dass der Verkapselungsabschnitt, genauer die Klebstofflagen 8 und 10, die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wirksam unterdrückt, die in Richtung der y-Achse in der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit im Wesentlichen elliptischer Form vorgesehenen ersten und zweiten Vibrationselektrode wandert.
Um zu untersuchen, wie sich der Unterdrückungseffekt in Reaktion auf eine Änderung der im Wesentlichen elliptischen Form der Vibrationselektrode auswirkt, wurden Versuche durchgeführt. 8 zeigt grafisch die Verteilung von Auslenkungen der Grundwelle der Dicken-Längsvibration in Richtung der y-Achse mit einem Abflachungsverhältnis "a/b" der Vibrationselektrode von 1 (Kreisform), etwa 1,10, etwa 1,26 und etwa 1,33 (in der im Wesentlichen elliptischen Form). Das Abflachungsverhältnis ändert sich somit, wie 8 zeigt, von etwa 1,0 bis etwa 1,33. Mit dem sich dem Wert 1,33 annähernden Abflachungsverhältnis wird die Auslenkung am Punkt oder in der Nähe des Punktes y = ± 0,4 mm maximal.
9 zeigt grafisch Änderungen des Maximums der Phase der Grundwelle der Dicken-Längsvibration mit sich änderndem Abflachungsverhältnis und bei einer Fläche S der Vibrationselektrode von annähernd 0,62 mm². Wie gezeigt ist die Phase innerhalb eines Bereichs des Abflachungsverhältnisses "a/b" von etwa 1,2 bis etwa 1,3 minimal. Anders gesagt wird die Wirkung der Unterdrückung der Grundwelle innerhalb des Bereichs des Abflachungsverhältnisses von 1,2 bis etwa 1,3 maximal. Genauer liegt das Maximum der Phase der Grundwelle der Dicken-Längsvibration unter 40 Grad, wenn das Abflachungsverhältnis in einen Bereich von etwa 1,3 bis etwa 1,4 fällt, im Gegensatz zur Kreiselektrode mit einem Abflachungsverhältnis etwa 1,0. In dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt das Abflachungsverhältnis "a/b" der ersten und zweiten Vibrationselektrode mit der im Wesentlichen elliptischen Form in einem Bereich von etwa 1,2 bis etwa 1,45. Die als Streuwelle fungierende Grundwelle wird, wenn der dritte Oberton der Dicken-Längsvibration genutzt wird, wirksam unterdrückt. Dadurch lassen sich gute Resonanzeigenschaften erzielen.
10 zeigt in perspektivischer Explosionsansicht ein piezoelektrisches Resonatorbauteil 21, das eine Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung bildet. Dieses die Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels bildende piezoelektrische Resonatorbauteil 21 hat dieselbe Struktur wie das piezoelektrische Resonatorbauteil 1 des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels mit der Ausnahme, dass kein Dämpfungsglied 11 eingesetzt ist. Die gleichen Elemente sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und deren Beschreibung ist weggelassen. Wie bei dem piezoelektrischen Resonatorbauteil 21 ist das Dämpfungsglied 11 entbehrlich, obwohl dessen Einsatz bei der noch wirksameren Unterdrückung der Grundwelle der Dicken-Längsvibration hilft.
11 zeigt in perspektivischer Explosionsansicht ein einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechendes piezoelektrisches Resonatorbauteil 31.
Das piezoelektrische Resonatorbauteil 31 hat bevorzugt dieselbe Struktur wie das piezoelektrische Resonatorbauteil 1 des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels mit der Ausnahme, dass die ersten Gehäusesubstrate 7 und 9 durch erste und zweite Gehäusesubstrate 33 und 35 mit Aussparungen auf ihren Oberflächen ersetzt sind, die auf den energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator 2 laminiert sind und dass die Klebstofflagen zur Bildung der Kammern durch dünne Klebstofflagen 32 und 34 ersetzt sind.
Gemäß 11 wird das erste Gehäusesubstrat 33 mit der ersten Hauptfläche des piezoelektrischen Resonators 2 mit einer dazwischen liegenden filmartigen Klebstofflage 32 verbunden. Das zweite Gehäusesubstrat 35 wird mit der zweiten Hauptfläche 3b des piezoelektrischen Resonators 2 durch eine dazwischen liegende filmartige Klebstofflage 34 verbunden. Das zweite Gehäusesubstrat 35 hat eine obere Aussparung 35a. Die obere Aussparung 35a dient zur Bildung einer Kammer, die eine Behinderung der Vibration des Vibrationsabschnitts vermeidet. Das erste Gehäusesubstrat 33 hat an seiner Bodenseite ebenfalls eine (nicht gezeigte) Aussparung. Bei dem dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonatorbau teil bilden die Aussparungen der Gehäusesubstrate 33 und 35 die Kammern, die eine freie Vibration des Vibrationsabschnitts gestatten. Die filmartigen Klebstofflagen 32 und 34 können dünn sein. Statt der filmartigen Klebstofflagen kann Klebstoff in Form einer rahmenartigen Struktur aufgebracht werden.
Diese Erfindung wurde zuvor bezogen auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Den hier zuständigen Fachleuten leuchtet jedoch unmittelbar ein, dass die offenbarte Erfindung in verschiedenartiger Weise modifiziert werden kann und viele sich von den oben spezifisch beschriebenen Ausführungsbeispielen unterscheidende Ausführungen annehmen kann. Dementsprechend ist diese Erfindung nur durch den Inhalt der beiliegenden Patentansprüche beschränkt.

Claims

Energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil, das den dritten Oberton einer Dicken-Längsvibration nutzt und aufweist: ein piezoelektrisches Substrat (2) mit einer ersten und zweiten Hauptfläche (3a, 3b), das in seiner Dickenrichtung zwischen der ersten und zweiten Hauptfläche (3a, 3b) polarisiert ist; eine erste Vibrationselektrode (4), die auf einem Teil der ersten Hauptfläche (3a) des piezoelektrischen Substrats (2) angeordnet ist und eine zweite Vibrationselektrode (4), die auf einem Teil der zweiten Hauptfläche (3b) des piezoelektrischen Substrats (2) angeordnet ist und die der ersten Vibrationselektrode (4) mit dem dazwischen liegenden piezoelektrischen Substrat (2) gegenüber liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Vibrationselektrode (4) jeweils eine im Wesentlichen elliptische Form haben, deren Abflachungsverhältnis a/b in einem Bereich von etwa 1,2 bis ca 1,45 liegt, wobei a den Durchmesser der längeren Achse und b den Durchmesser der kürzeren Achse der im Wesentlichen elliptischen Form angeben; und dass ein erstes und zweites Gehäusesubstrat (7, 9; 33, 35) jeweils auf die Ober- und Unterseite des piezoelektrischen Substrats (2) laminiert ist, wobei Vibrationskammern (8a, 10a; 33a, 35a) jeweils zwischen der ersten Vibrationselektrode (4) und dem ersten Gehäusesubstrat (7; 33) sowie zwischen der zweiten Vibrationselektrode (4) und dem zweiten Gehäusesubstrat (9; 35) gebildet sind.
Energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Hauptfläche jeweils eine im Wesentlichen rechteckige Form haben, die durch zwei längere Seiten und zwei kürzere Seiten definiert ist und die kürzere Achse der im Wesentlichen elliptischen Form jeweils der ersten und zweiten Vibrationselektrode (4) im Wesentlichen parallel zur kürzeren Seite des piezoelektrischen Substrats (2) liegt.
Energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter aufweist: eine erste Verlängerungselektrode (5), die mit der ersten Vibrationselektrode (4) auf der ersten Hauptfläche (3a) des piezoelektrischen Substrats (2) verbunden ist und sich zur Peripherie der ersten Hauptfläche (3a) hin erstreckt; und eine zweite Verlängerungselektrode (5), die mit der zweiten Vibrationselektrode (4) auf der zweiten Hauptfläche (3b) des piezoelektrischen Substrats (2) verbunden ist und sich zur Peripherie der zweiten Hauptfläche hin erstreckt, wobei eine Leitungsbreite jeweils der ersten und zweiten Verlängerungselektrode (5) schmaler als der Durchmesser der kürzeren Achse b jeweils der ersten und zweiten Vibrationselektrode ist.
Energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Gehäusesubstrat (33, 35) Ausschnitte auf ihren jeweiligen dem energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator gegenüber liegenden Oberflächen haben, um sicher zu stellen, dass die Vibration eines die erste und die gegenüber liegende zweite Vibrationselektrode aufweisenden Vibrationsabschnitts nicht behindert ist.
Energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin eine erste Klebstofflage (8; 32) zwischen dem ersten Gehäusesubstrat (7; 33) und dem piezoelektrischen Resonator (2) und eine zweite Klebstofflage (10; 34) zwischen dem zweiten Gehäusesubstrat (9; 35) und dem piezoelektrischen Resonator (2) aufweist, wobei die erste und zweite Klebstofflage (8, 10; 32, 34) das erste und zweite Gehäusesubstrat (7, 9; 33, 35) mit dem piezoelektrischen Resonator (2) verbinden und jeweils die Form eines rechteckigen Rahmens haben und der Vibrationsabschnitt, wo die erste und die gegenüber liegende zweite Vibrationselektrode (4) innerhalb der Öffnungen der im Wesentlichen rechteckigen Rahmen der ersten und zweiten Klebstofflage liegen.
Energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem ein rahmenförmiges Dämpfungsglied aufweist, das auf der Peripherie wenigstens einer der Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats (2) angeordnet ist.
Energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vibrationselektrode (4), die erste Verlängerungselektrode (5), die zweite Vibrationselektrode (4) und die zweite Verlängerungselektrode (5) aus einer Nickel, Chrom und Silber enthaltenden Legierung bestehen.
Energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, bei dem das erste und zweite Gehäusesubstrat (7, 9; 33, 35) aus Isolierkeramik oder Kunstharz bestehen.
Energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsglied (11) aus einem Epoxidharz besteht.
Energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem ein auf der Peripherie wenigstens einer Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats (2) angeordnetes rahmenförmiges Dämpfungsglied (11) aufweist, das aus einem Material besteht, dessen Elastizitätsmodul höher ist als der der ersten und zweiten Klebstofflage (8, 10).
Energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsglied (11) und die Klebstofflage (10) eine Gesamtdicke von etwa λ/4 haben, wobei λ die Wellenlänge der Grundwelle der Dicken-Längsvibration angibt.
Energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsglied (11) eine Dicke von annähernd 40 μm oder mehr hat.