DE10256708B4

DE10256708B4 - Piezoelektrischer Scherresonator und zusammengesetzter piezoelektrischer Scherresonator

Info

Publication number: DE10256708B4
Application number: DE10256708A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Nagaokakyo Mitani; Hiroaki Nagaokakyo Kaida
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: CN1424819A; US6967432B2; CN1237713C; DE10256708A1; US20030122450A1

Abstract

Piezoelektrischer Scherresonator, der ein piezoelektrisches Element in Form einer rechteckigen Säule umfasst, das rechteckige Scherdehnungsflächen aufweist, und das einen Scherschwingmodus anregt, wobei die Scherdehnungsflächen ein Seitenverhältnis aufweisen, bei dem der elektromechanische Kopplungsfaktor k im Wesentlichen einen Maximalwert erreicht,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Seitenverhältnis, welches das Verhältnis Le/D der senkrechten Abmessung D der Scherdehnungsflächen zur waagrechten Abmessung Le derselben ist, ausgedrückt ist durch: Le/D = {α·(s44 E/s33 E)1/2 +β} ± 0,3,wobei s₄₄ ^E und s₃₃ ^E elastische Steifigkeiten sind, α = 0,27·n + 0,45, β = 1,09·n + 0,31, und n eine ganze Zahl ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische Scherresonatoren und zusammengesetzte piezoelektrische Scherresonatoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen piezoelektrischen Scherresonator zur Verwendung als Schwingglied in einem zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator sowie einen zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator, ausgenommen einen energieaufnehmenden Resonator, der den piezoelektrischen Scherresonator als Schwingelement benützt.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Piezoelektrische Resonatoren zur Verwendung als piezoelektrischer Schwingungserzeuger oder Bandpassfilter (BPF) sind zum Beispiel in den ungeprüften japanischen Patentanmeldungen Nr. H5-243889 und H7-147527 offenbart. Ein piezoelektrisches Dickenscherschwingelement, das in Patentanmeldung Nr. H5-243889 offenbart ist, weist eine Anordnung auf, in der Erregerelektroden an zwei gegenüberliegenden Hauptflächen eines piezoelektrischen LiTaO₃-Trägermaterials gebildet sind. Dieses piezoelektrische Schwingelement ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der überlappenden Länge der gegenüberliegenden Erregerelektroden und der Dicke des piezoelektrischen Trägermaterials eingestellt ist innerhalb eines entsprechenden Bereichs, um unerwünschte Welligkeit zu vermeiden, die in der Nähe der Resonanzfrequenz entsteht.
Unterdessen weist ein piezoelektrischer Resonator, offenbart in Patentanmeldung Nr. H7-147527 , eine Anordnung auf, in der Resonanzelektroden gebildet sind, die sich an zwei Hauptflächen an der längeren Seite eines piezoelektrischen Elements gegenüberstehen, das eine rechteckige Oberfläche aufweist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge der Kante der längeren Seite zur Länge der Kante der kürzeren Seite entsprechend dem Poissonsche Verhältnis eingestellt ist.
Bei einem solchen piezoelektrischen Resonator erlaubt die Wahl eines bestimmten Längenverhältnisses eine Verbesserung des Wirkungsgrads zur Energieaufnahme eines schwingenden Abschnitts, was den Vorteil bringt, dass eine Miniaturisierung des piezoelektrischen Resonators möglich ist.
Was in Patentanmeldung Nr. H5-243889 offenbart ist, stellt unterdessen einen typischen so genannten „energieaufnehmenden piezoelektrischen Scherresonator dar". Eine solche Anordnung macht es jedoch schwierig, einen Dickenscherresonator bereitzustellen, der eine große spezifische Bandbreite (d. h. das Verhältnis zwischen der Durchlassbreite und der Mittenfrequenz) aufweist. Energieaufnahme weist üblicherweise auf ein Schwingungsphänomen hin, bei dem Schwingungsenergie in der Nähe des überlappenden Abschnitts von Erregerelektroden konzentriert wird. Der piezoelektrische Scherresonator mit der oben beschriebenen Anordnung ist für Miniaturisierung nicht geeignet, da er eine große Fläche als Schwingungsdämpfungsbereich benötigt, d. h. einen Bereich zwischen dem schwingenden und dem nicht schwingenden Abschnitt.
Obwohl der piezoelektrische Scherresonator, der in Patentanmeldung Nr. H7-147527 offenbart ist, ebenfalls ein energieaufnehmender Resonator ist, ermöglicht er im Gegensatz dazu weitere Miniaturisierung im Vergleich zu einem typischen energieaufnehmenden Resonator, da der Energieaufnahmewirkungsgrad deutlich verbessert ist. In der Praxis kann jedoch auch ein solcher piezoelektrischer Scherresonator keine vergrößerte spezifische Bandbreite bieten.
Ein piezoelektrischer Scherresonator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der JP 02-235422 AA bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der oben genannten Mängel gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Scherresonator bereitzustellen, der imstande ist, die spezifische Bandbreite zu erhöhen, sowie einen zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator bereitzustellen, der den piezoelektrischen Scherresonator als Schwingglied verwendet und bei dem eine Miniaturisierung möglich ist. Es ist jedoch anzumerken, dass der hier offenbarte zusammengesetzte piezoelektrische Scherresonator eine andere Anordnung aufweist, als ein energieaufnehmender Resonator.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein piezoelektrischer Scherresonator bereitgestellt. Der piezoelektrische Scherresonator umfasst ein piezoelektrisches Element in Form einer rechteckigen Säule, das rechteckige Scherdehnungsflächen aufweist, und das einen Scherschwingmodus anregt. Die Scherdehnungsflächen weisen ein Seitenverhältnis auf, bei dem ein elektromechanischer Kopplungsfaktor k im Wesentlichen einen Maximalwert erreicht. Folglich kann der piezoelektrische Scherresonator im Wesentlichen einen Maximalwert des elektromechanischen Kopplungsfaktors k nutzen, was eine Erhöhung der spezifischen Bandbreite des piezoelektrischen Scherresonators erlaubt. In der Folge ist es möglich, Abweichungen der Produktqualität zu verringern und eine Verbesserung der Resonatoreigenschaften zu erreichen.
Das Seitenverhältnis, bei dem es sich um das Verhältnis Le/D der senkrechten Abmessung D der Scherdehnungsflächen zur waagrechten Abmessung Le dieser Flächen handelt, wird vorzugsweise ausgedrückt durch Le/D = {α·(s₄₄ ^E/s₃₃ ^E)^1/2 + β} ± 0,3, wobei s₄₄ ^E und s₃₃ ^E elastische Steifigkeiten sind, α = 0,27·n + 0,45, β = 1,09·n + 0,31, und n eine ganze Zahl ist. Wird ein solches Seitenverhältnis Le/D, das auf dem oben beschriebenen Verhältnis beruht, auf ein piezoelektrisches Element angewandt, ist es einfach, im Wesentlichen den Maximalwert des elektromechanischen Kopplungsfaktors k im piezoelektrischen Scherresonator zu verwenden. In der Folge ist es möglich, die spezifische Bandbreite des piezoelektrischen Scherresonators zu erhöhen.
Die Erregerelektroden sind so beschaffen, dass sie sich an zwei Hauptflächen des piezoelektrischen Elements gegenüberstehen, die senkrecht zu den Scherdehnungsflächen und parallel zur Scherrichtung des piezoelektrischen Elements angeordnet sind. Ein Verhältnis L/Le, wobei L die überlappende Länge L der Erregerelektroden und Le die waagrechte Abmessung Le der Scherdehnungsflächen ist, wird ausgedrückt durch 0,86 ≤ L/Le ≤ 1. So lange diese Bedingung erfüllt ist, zeigt der Frequenzwechsel dF_osc/F_osc wenig Veränderung, sogar wenn die überlappende Länge der Erregerelektroden verändert wird. Dadurch wird ermöglicht, einen Frequenzwechsel im piezoelektrischen Scherresonator zu verhindern.
Ein Verhältnis W/D, wobei W der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Scherdehnungsflächen und D die waagrechte Abmessung der Scherdehnungsflächen ist, erfüllt vorzugsweise irgendeine der Bedingungen: W/D ≤ 1,2, 1,3 ≤ W/D ≤ 1,5, 1,7 ≤ W/D ≤ 2,0, 2,2 ≤ W/D ≤ 2,5 und 2,6 ≤ W/D ≤ 3,0. Bei Einhaltung eines solchen Verhältnisses wird der elektromechanische Kopplungsfaktor k des piezoelektrischen Scherresonators groß, wodurch ermöglicht wird, die spezifische Bandbreite des piezoelektrischen Scherresonators zu erhöhen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein zusammengesetzter piezoelektrischer Scherresonator bereitgestellt. Der zusammengesetzte piezoelektrische Scherresonator umfasst den piezoelektrischen Scherresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der piezoelektrische Scherresonator als Schwingglied verwendet ist und eine erste Schallimpedanz Z1 aufweist; eine reflektierende Schicht, die mit dem Schwingglied gekoppelt ist, wobei die reflektierende Schicht eine zweite Schallimpedanz Z2 aufweist, die niedriger ist, als die erste Schallimpedanz Z1; und ein Halteglied, das mit der reflektierenden Schicht gekoppelt ist, wobei das Halteglied eine dritte Schallimpedanz Z3 aufweist, die größer ist, als die zweite Schallimpedanz Z2. Folglich werden Schwingungen, die sich vom Schwingglied zur reflektierenden Schicht ausbreiten, an der Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht und dem Halteglied reflektiert.
Bei dieser Anordnung wird das Halteglied dazu verwendet, den zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator zu unterstützen, ohne die Schwingungseigenschaften des Schwingglieds zu beeinflussen. Folglich kann diese Anordnung einen größeren Vorteil im Vergleich zu einem energieaufnehmenden Resonator schaffen, insofern, als Miniaturisierung erreicht werden kann, während die spezifische Bandbreite erhöht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine räumliche Darstellung, die schematisch die Anordnung eines piezoelektrischen Scherresonators gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
2 ist ein Schaubild, welches das Seitenverhältnis Le/D der Scherdehnungsflächen gegen einen elektromechanischen Kopplungsfaktor k zeigt;
3 ist ein Schaubild, welches das Seitenverhältnis Le/D der Scherdehnungsflächen gegen eine elastische Steifigkeit s₄₄ ^E/s₃₃ ^E zeigt;
4 ist eine Seitenansicht, die schematisch die Anordnung des piezoelektrischen Scherresonators zeigt;
5 ist ein Schaubild, das ein Verhältnis L/Le gegen eine Frequenzverschiebung dF_osc/F_osc zeigt, wobei L die überlappende Länge der gegenüberliegenden Erregerelektroden und Le die waagrechte Abmessung der Scherdehnungsflächen ist;
6 ist ein Schaubild, das ein Verhältnis W/D gegen den elektromechanischen Kopplungsfaktor k zeigt, wobei W der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Scherdehnungsflächen und D die waagrechte Abmessung der Scherdehnungsflächen ist;
7 ist eine räumliche Darstellung, die schematisch die Anordnung eines zusammengesetzten elektromechanischen Scherresonators gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
8 ist eine räumliche Darstellung, die schematisch eine Abänderung der zweiten Ausführungsform zeigt;
9 ist eine räumliche Darstellung, die schematisch den Gesamtaufbau eines zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;
10 ist eine Seitenansicht des in 9 gezeigten Aufbaus;
11 ist ein Schaubild, das ein Verhältnis |Lr1 – Lr2|/(Lr1 + Lr2), das auf dem Unterschied zwischen den Längen der reflektierenden Schichten des zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators beruht, gegen das Änderungsverhältnis dFr/Fr der Resonanzfrequenz Fr zeigt;
12 ist ein Schaubild, welches das Verhältnis |Lr1 – Lr2|/(Lr1 + Lr2), das auf dem Unterschied zwischen den Längen der reflektierenden Schichten beruht, gegen das Änderungsverhältnis der spezifischen Bandbreite einer Störschwingung zeigt;
13 ist ein Schaubild, das ein Verhältnis h/T gegen den elektromechanischen Kopplungsfaktor k zeigt, wobei h die Länge der Halteglieder des piezoelektrischen Scherdehnungsresonators und T die Dicke dieser Halteglieder ist;
14 ist ein Schaubild, welches das Verhältnis h/T gegen den elektromechanischen Kopplungsfaktor k zeigt, wenn das Wellengeschwindigkeitsverhältnis α angegeben wird mit α = Cs/Cr = √2;
15 ist ein Schaubild, welches das Verhältnis h/T gegen den elektromechanischen Kopplungsfaktor k zeigt, wenn das Wellengeschwindigkeitsverhältnis α angegeben wird mit α = Cs/Cr = 1/√2;
16 ist ein Schaubild, das ein Verhältnis |h1 – h2|/(h1 + h2), das auf dem Unterschied zwischen den Längen der Halteglieder beruht, gegen das Änderungsverhältnis der spezifischen Bandbreite einer Störschwingung zeigt;
17 ist eine räumliche Darstellung, die schematisch den Gesamtaufbau eines zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt;
18 ist ein Ersatzschaltschema des Aufbaus, der in 17 gezeigt ist;
19 ist eine räumliche Darstellung, die schematisch den Gesamtaufbau eines zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators gemäß einer Abänderung der vierten Ausführungsform zeigt;
20 ist ein Ersatzschaltschema des Aufbaus, der in 19 gezeigt ist; und
21 ist eine auseinander gezogene räumliche Darstellung, die schematisch den Gesamtaufbau eines piezoelektrischen Resonatorbauteils gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der Folge werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist eine räumliche Darstellung, die schematisch die Anordnung eines piezoelektrischen Scherresonators gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist ein Schaubild, welches das Seitenverhältnis Le/D der Scherdehnungsflächen gegen einen elektromechanischen Kopplungsfaktor k zeigt. 3 ist ein Schaubild, welches das Seitenverhältnis Le/D der Scherdehnungsflächen gegen eine elastische Steifigkeit s₄₄ ^E/s₃₃ ^E zeigt. 4 ist eine Seitenansicht, die schematisch die Anordnung des piezoelektrischen Scherresonators zeigt. 5 ist ein Schaubild, das ein Verhältnis L/Le gegen eine Frequenzverschiebung dF_osc/F_osc zeigt, wobei L die überlappende Länge der gegenüberliegenden Erregerelektroden und Le die waagrechte Abmessung der Scherdehnungsflächen ist. 6 ist ein Schaubild, das ein Verhältnis W/D gegen den elektromechanischen Kopplungsfaktor k zeigt, wobei W der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Scherdehnungsflächen, d. h. die Breitenabmessung des piezoelektrischen Elements, und D die waagrechte Abmessung der Scherdehnungsflächen ist.
Ziffer 101 in 1 bezeichnet einen piezoelektrischen Scherresonator. Dieser piezoelektrische Scherresonator 101 weist ein piezoelektrisches Element in Form einer rechteckigen Säule 102 auf, die unter Verwendung von keramischem Material, wie zum Beispiel LiTaO₃ oder LiNbO₃ hergestellt worden ist. Die Breitenabmessung des piezoelektrischen Elements 102 ist mit W bezeichnet, die senkrechte Abmessung und die waagrechte Abmessung der Scherdehnungsflächen 102a, welche rechteckige Seitenflächen des piezoelektrischen Elements 102 sind, werden mit D beziehungsweise Le bezeichnet. Das piezoelektrische Element 102 ist in seiner Axialrichtung (Längsrichtung) gepolt, und die Polarisationsrichtung ist durch einen Pfeil P in 1 gezeigt.
Des Weiteren sind Erregerelektroden 103 beziehungsweise 104 an zwei Hauptflächen des piezoelektrischen Elements 102 gebildet, d. h. auf den Hauptflächen im rechten Winkel zu den Scherdehnungsflächen 102a und parallel zur Scher richtung des piezoelektrischen Elements 102. Werden die gegenüberliegenden Erregerelektroden 103 und 104 einer Wechselspannung ausgesetzt, schwingt das piezoelektrische Trägermaterial 102 in einem Dickenscherschwingmodus, und aktiviert damit den piezoelektrischen Scherresonator 101.
Unterdessen bestimmten die Erfinder der vorliegenden Erfindung den elektromechanischen Kopplungsfaktor k des piezoelektrischen Scherresonators 101 während der Beobachtung des Seitenverhältnisses Le/D der Scherdehnungsflächen 102a am piezoelektrischen Element 102. Als Ergebnis fanden die beteiligten Erfinder heraus, dass es Zusammenhänge gibt zwischen dem Seitenverhältnis Le/D der Scherdehnungsflächen 102a und dem elektromechanischen Kopplungsfaktor k, wie in 2 gezeigt. Aus den Ergebnissen, die in 2 gezeigt sind, geht klar hervor, dass sich der elektromechanische Kopplungsfaktor k des piezoelektrischen Scherresonators 101 in regelmäßigen Abständen verändert in Bezug auf eine Änderung des Seitenverhältnisses Le/D der Scherdehnungsflächen 102a, auch wenn die Anzahl n der Schwingungswellen irgendwo zwischen eins und vier liegt (n = 1 bis 4). Des Weiteren ist klar, dass der elektromechanische Kopplungsfaktor k einen Maximalwert in Bezug auf ein bestimmtes Seitenverhältnis Le/D erreicht.
2 umfasst schematische, senkrechte Schnittdarstellungen, die Verschiebungsverteilungen, die aus der Analyse unter Verwendung einer Finite-Element-Methode gewonnen werden, für eine bestimmte Anzahl n von Schwingungswellen im piezoelektrischen Scherresonator 101 bebildern.
So zeigt der elektromechanische Kopplungsfaktor k den Maximalwert, d. h. 38% wenn die Anzahl n der Schwingungswellen eins ist (n = 1) bei einem Seitenverhältnis Le/D von ungefähr 2,6. Somit kann eine Konfiguration des piezoelektrischen Scherresonators 101 in der Weise, dass er im Wesentlichen den Maximalwert des elektromechanischen Kopplungsfaktors k nutzt, seine spezifische Bandbreite erhöhen. In einem solchen Fall ist das Seitenverhältnis Le/D der Scherdehnungsflächen am piezoelektrischen Element 102 so voreingestellt, dass der elektromechanische Kopplungsfaktor k seinen Maximalwert erreicht. In der Weise führt eine erhöhte spezifische Bandbreite des piezoelektrischen Scherresonators 101 zu einem Rückgang der Abweichungen der Produktqualität, der eine Verbesserung der Resonatoreigenschaften zur Folge hat.
Die beteiligten Erfinder bestimmten auch das Seitenverhältnis Le/D der Scherdehungsflächen 102a, wenn der elektromechanische Kopplungsfaktor k seinen Maximalwert anzeigt, während der Beobachtung der Materialkonstanten des piezoelektrischen Elements 102. Als Ergebnis fanden die Erfinder die in 3 gezeigten Zusammenhänge. Wenn die Anzahl n der Schwingungswellen eins ist (n = 1), wird das Seitenverhältnis Le/D ausdrückt durch Le/D = 0,72·(s₄₄ ^E/s₃₃ ^E)^1/2 + 1,41; ist die Anzahl n zwei (n = 2), wird es ausdrückt durch Le/D = 1,00·(s₄₄ ^E/s₃₃ ^E)^1/2 + 2,48; ist die Anzahl n drei (n = 3), wird es ausdrückt durch Le/D = 1,26·(s₄₄ ^E/s₃₃ ^E)^1/2 + 3,59; wobei s₄₄ ^E und s₃₃ ^E elastische Steifigkeiten sind, die gemäß dem Material des piezoelektrischen Elements 102 bestimmt sind.
Die Analyse dieser Zusammenhänge zeigte an, dass das Seitenverhältnis Le/D der Scherdehnungsflächen 102a, wenn der elektromechanische Kopplungsfaktor k seinen Maximalwert erreicht, ausgedrückt werden kann durch Le/D = α·(s₄₄ ^E/s₃₃ ^E)^1/2 + β, wobei die Variable α angegeben wird durch α = 0,27·n + 0,45, die Variable β durch β = 1,09·n + 0,31, und n eine positive ganze Zahl ist. Des Weiteren wurde empirisch bewiesen, dass eine Toleranz von ungefähr ±0,3 für das Seitenverhältnis Le/D der Scherdehnungsflächen 102a erlaubt ist. Somit wird ein allgemeiner Ausdruck für das Seitenverhältnis Le/D der Scherdehnungsflächen 102a, wenn der elektromechanische Kopplungsfaktor k seinen Maximalwert erreicht, definiert als Le/D = {α·(s₄₄ ^E/s₃₃ ^E)^1/2 + β} ± 0,3.
Folglich ist das Seitenverhältnis Le/D der Scherdehnungsflächen 102a, wenn der elektromechanische Kopplungsfaktor k seinen Maximalwert erreicht, bestimmt in Bezug auf die elastischen Steifigkeiten s₄₄ ^E und s₃₃ ^E und die Anzahl n der Schwingungswellen. Dementsprechend ermöglicht die Anwendung des Seitenverhältnisses Le/D wie oben beschrieben für das piezoelektrische Element 102 dem piezoelektrischen Scherresonator 101 im Wesentlichen den Maximalwert des elektromechanischen Kopplungsfaktors k zu nutzen. In der Folge ist es möglich, die spezifische Bandbreite des piezoelektrischen Scherresonators 101 zu erhöhen.
Des Weiteren erkannten die beteiligten Erfinder wie in 4 gezeigt eine Änderung der Frequenzverschiebung dF_osc/F_osc in Zusammenhang mit einer Änderung des Verhältnisses L/Le, also des Verhältnisses der überlappenden Länge L zur waagrechten Länge Le der Scherdehnungsflächen 102a, während der Beobachtung der überlappenden Länge L der Erregerelektroden 103 und 104, die an den Hauptflächen des piezoelektrischen Elements 102 gegenüberliegend gebildet sind. Als Ergebnis fanden die Erfinder einen Zusammenhang wie in 5 gezeigt. Mit dem in 5 gezeigten Ergebnis ist klar, dass die Frequenzverschiebung dF_osc/F_osc wenig Änderung zeigt, wenn das Verhältnis L/Le, also das Verhältnis der überlappenden Länge L der Erregerelektroden 103 und 104 zur waagrechten Abmessung Le der Scherdehnungsflächen 102a, im Bereich von 0,86 bis 1 liegt, d. h. wenn die Bedingung 0,86 ≤ L/Le ≤ 1 erfüllt ist.
Solange somit das Verhältnis L/Le der überlappenden Länge L, also der Länge der gegenüberliegenden und einander überlappenden Erregerelektroden 103 (an der oberen Seite gezeigt) und 104 (an der unteren Seite gezeigt), zur waag rechten Abmessung Le der Scherdehnungsflächen 102a im Bereich zwischen 0,86 und 1 liegt, bleibt eine Frequenzverschiebung im piezoelektrischen Scherresonator 101 gering, auch wenn die überlappende Länge L der Erregerelektroden 103 und 104 verändert wird. Mit anderen Worten, so lange eine solche Bedingung eingehalten wird, kann ein Frequenzwechsel im piezoelektrischen Scherresonator 101 verhindert werden.
Zusätzlich, um den elektromechanischen Kopplungsfaktor k zu bestimmen, untersuchten die beteiligten Erfinder ein Verhältnis W/D, wobei W die Breitenabmessung des piezoelektrischen Elements 102 des piezoelektrischen Scherresonators ist, d. h. der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Scherdehnungsflächen 102a, und D die senkrechte Abmessung der Scherdehnungsflächen 102a. In der Folge fanden die Erfinder heraus, dass Zusammenhänge wie in 6 gezeigt bestehen. Aus den in 6 gezeigten Ergebnissen ist ersichtlich, dass der elektromechanische Kopplungsfaktor k des piezoelektrischen Scherresonators 101 groß wird, so lange das Verhältnis W/D, also das Verhältnis des Abstands W zwischen den gegenüberliegenden Scherdehnungsflächen 102a zur waagrechten Abmessung D der Scherdehnungsflächen 102a, im Bereich liegt, der durch eine der Bedingungen W/D ≤ 1,2, 1,3 ≤ W/D ≤ 1,5, 1,7 ≤ W/D ≤ 2,0, 2,2 ≤ W/D ≤ 2,5 und 2,6 ≤ W/D ≤ 3,0 gegeben ist.
Zweite Ausführungsform
7 ist eine räumliche Darstellung, die schematisch die Anordnung eines zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 8 ist eine räumliche Darstellung, die schematisch die Anordnung gemäß einer Abänderung dieser Ausführungsform zeigt. Ziffer 111 in 7 bezeichnet einen zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator gemäß einer zweiten Ausführungsform, und Ziffer 112 in 8 bezeichnet einen zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator gemäß einer Abänderung dieser Ausführungsform.
Der zusammengesetzte piezoelektrische Scherresonator 111 gemäß der zweiten Ausführungsform weist ein Schwingglied 113 in Form einer rechteckigen Säule auf, reflektierende Schichten 114 und 115, die entsprechend gekoppelt sind mit den gegenüberliegenden Endflächen des Schwingglieds 113 in Axialrichtung (Längsrichtung), und Halteglieder 116 und 117, die entsprechend gekoppelt sind mit den äußeren Endflächen der reflektierenden Schichten 114 und 115. In dieser Ausführungsform ist der in der ersten Ausführungsform gezeigte piezoelektrische Scherresonator 101 als Schwingglied 113 verwendet. Das piezoelektrische Element 102 des Schwingglieds 113 besteht aus keramischem Material, das eine erste Schallimpedanz Z1 von zum Beispiel ungefähr 3,4 × 10⁷ kg/(m²·s) aufweist, und ist in Axialrichtung gepolt.
Auch die reflektierenden Schichten 114 und 115, die mit dem Schwingglied 113 gekoppelt sind, bestehen jeweils aus einem Epoxidharz, das eine zweite Schallimpedanz Z2 von zum Beispiel ungefähr 1,87 × 10⁶ kg/(m²·s) aufweist, die unter der ersten Schallimpedanz Z1 des Schwingglieds 113 liegt. Des Weiteren bestehen die Halteglieder 116 und 117 jeweils aus keramischem Material, das eine dritte Schallimpedanz Z3 von zum Beispiel ungefähr 3,4 × 10⁷ kg/(m²·s) aufweist, d. h. eine Impedanz, die über der zweiten Schallimpedanz Z2 liegt.
Dazu sind Erregerelektroden 118 und 119 an zwei Hauptflächen des zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators 111 gebildet, d. h. an den zwei Hauptflächen, die senkrecht zu den Scherdehnungsflächen 102a des piezoelektrischen Elements 102 und parallel zur Scherrichtung des piezoelektrischen Elements 102 angeordnet sind. Eine Erregerelektrode 118 (an der oberen Seite gezeigt) ist aus einem Stück gebildet in Bezug auf die obere Hauptfläche des Schwingglieds 113 sowie die oberen Hauptflächen der reflektierenden Schicht 114 und des Halteglieds 116, die mit einer Endfläche (auf der rechten Seite gezeigt) des Schwingglieds 113 in Längsrichtung gekoppelt sind.
Die andere Erregerelektrode 119 (an der unteren Seite gezeigt) ist aus einem Stück gebildet in Bezug auf die untere Hauptfläche des Schwingglieds 113 sowie die unteren Hauptflächen der reflektierenden Schicht 115 und des Halteglieds 117, die mit der anderen Endfläche (auf der linken Seite gezeigt) des Schwingglieds 113 in Längsrichtung gekoppelt sind. In 7 sind die Erregerelektroden 118 und 119 so gebildet, dass sie sich zu den äußeren Endflächen der Halteglieder 116 beziehungsweise 117 erstrecken, wobei sie sich allerdings nicht unbedingt bis zu den äußeren Endflächen der Halteglieder 116 und 117 erstrecken müssen. Folglich können die Erregerelektroden 118 und 119 natürlich auch nur an den Hauptflächen gebildet sein.
Beim zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 111, der eine solche Anordnung aufweist, schwingt das piezoelektrische Element 102 in einem Dickenscherschwingmodus, sobald eine Wechselspannung über die gegenüberliegenden Erregerelektroden 118 und 119 angelegt wird, zwischen denen das piezoelektrische Element 102 des Schwingglieds 113 angeordnet ist. Die vom Schwingglied 113 erzeugten Schwingungen breiten sich zu den reflektierenden Schichten 114 und 115 aus und werden reflektiert an der Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 114 und dem Halteglied 116 beziehungsweise an der Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 115 und dem Halteglied 117. Auf diese Weise werden Schwingungen gehemmt, die sich zu den Haltegliedern 116 und 117 ausbreiten, und es treten auch keine Versetzungen der Halteglieder 116 und 117 durch Schwingungen auf. Somit ist die Halterung des zusammen gesetzten piezoelektrischen Scherresonators 111 durch Verwendung der Halteglieder 116 und 117 sichergestellt.
Unterdessen weist der zusammengesetzte Scherresonator 111 gemäß der zweiten Ausführungsform eine Anordnung auf, in der die reflektierenden Schichten 114 und 115 mit den entsprechenden Endflächen des Schwingglieds 113 und die Halteglieder 116 und 117 mit den entsprechenden reflektierenden Schichten 114 und 115 gekoppelt sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf eine solche Anordnung, und kann somit auch auf einen zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 112 wie in 8 gezeigt angewandt werden. Im Besonderen weist der zusammengesetzte piezoelektrische Scherresonator 112 eine Anordnung auf, in der die reflektierende Schicht 114 mit nur einer Endfläche (an der rechten Seite gezeigt) des Schwingglieds 113, und das Halteglied 116 mit der äußeren Endfläche der reflektierenden Schicht 114 gekoppelt ist. In 8 bezeichnen dieselben Ziffern wie in 7 dieselben Elemente und Abschnitte, die im Nachfolgenden weggelassen wurden.
Auch im zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 112 gemäß dieser Abänderung weist das Schwingglied 113 eine erste Schallimpedanz Z1 auf, und die reflektierende Schicht 114 eine zweite Schallimpedanz Z2, die unter der ersten Schallimpedanz liegt. Das Halteglied 116 weist eine dritte Schallimpedanz Z3 auf, die höher ist als die zweite Schallimpedanz Z2. Auf diese Weise werden im zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 112 vom Schwingglied 113 erzeugte Schwingungen reflektiert an der Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 114 und dem Halteglied 116, wodurch Schwingungen verringert werden, die sich zum Halteglied 116 ausbreiten.
Dritte Ausführungsform
9 ist eine räumliche Darstellung, die schematisch den Gesamtaufbau eines zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 10 ist eine Seitenansicht davon. 11 ist ein Schaubild, das ein Verhältnis |Lr1 – Lr2|/(Lr1 + Lr2), das auf dem Unterschied zwischen den Längen der reflektierenden Schichten des zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators beruht, gegen das Änderungsverhältnis dFr/Fr der Resonanzfrequenz Fr zeigt. 12 ist ein Schaubild, welches das Verhältnis |Lr1 – Lr2|/(Lr1 + Lr2) gegen das Änderungsverhältnis der spezifischen Bandbreite einer Störschwingung zeigt. 13 ist ein Schaubild, das ein Verhältnis h/T gegen den elektromechanischen Kopplungsfaktor k zeigt, wobei h die Länge der Halteglieder des piezoelektrischen Scherdehnungsresonators und T die Dicke dieser Halteglieder ist.
14 ist ein Schaubild, welches das Verhältnis h/T gegen den elektromechanischem Kopplungsfaktor k zeigt, wenn das Wellengeschwindigkeitsverhältnis α angegeben wird mit α = Cs/Cr = √2. 15 ist ein Schaubild, welches das Verhältnis h/T gegen den elektromechanischen Kopplungsfaktor k zeigt, wenn das Wellengeschwindigkeitsverhältnis α angegeben wird mit α = Cs/Cr = 1/√2. 16 ist ein Schaubild, das ein Verhältnis |h1 – h2|/(h1 + h2), das auf dem Unterschied zwischen den Längen der Halteglieder beruht, gegen das Änderungsverhältnis der spezifischen Bandbreite einer Störschwingung zeigt. Ziffer 1 in 9 und 10 bezeichnet einen zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator.
Der zusammengesetzte piezoelektrische Scherresonator 1 weist ein Schwingglied 3 auf, das ein piezoelektrisches Element 2 in Form einer rechteckigen Säule umfasst. Das piezoelektrische Element 2 besteht aus einem Material, das eine erste Schallimpedanz Z1 aufweist, zum Beispiel weist Keramik auf Basis von Bleititanat eine Schallimpedanz Z1 von ungefähr 3,4 × 10⁷ kg/(m²·s) auf. Das piezoelektrische Element 2 ist so gepolt, dass sich die Polarisationsrichtung P mit der Axialrichtung (Längsrichtung) des Elements deckt. Die Erregerelektroden 4 und 5 sind ebenfalls an den entsprechenden gegenüberliegenden Hauptflächen des piezoelektrischen Elements 2 gebildet.
Das Schwingglied 3 weist folglich in diesem Fall eine Anordnung auf, in der die Erregerelektroden 4 und 5 an den entsprechenden Hauptflächen des piezoelektrischen Elements 2 gebildet sind, das einen Schermodus anregt. Wird eine Wechselspannung über die gegenüberliegenden Erregerelektroden 4 und 5 angelegt, zwischen denen das piezoelektrische Element 2 angeordnet ist, schwingt das Schwingglied 3 in einem Dickenscherschwingmodus. In 10 bezeichnet Le die Länge (den waagrechten Abstand) des Schwingglieds 3 und T bezeichnet dessen Dicke.
Die reflektierenden Schichten 6 und 7 sind gekoppelt mit den entsprechenden Endflächen des Schwingglieds 3 in dessen Axialrichtung. Die reflektierenden Schichten 6 und 7 bestehen beide aus einem Epoxidharz, das eine zweite Schallimpedanz Z2 von zum Beispiel ungefähr 1,87 × 10⁶ kg/(m²·s) aufweist, die niedriger ist als die erste Schallimpedanz Z1 des Schwingglieds 3. In diesem Fall können sich die Längen (waagrechten Abstände) der reflektierenden Schichten 6 und 7 voneinander unterscheiden, die Länge der reflektierenden Schicht 6 ist bezeichnet mit Lr1 und die Länge der reflektierenden Schicht 7 mit Lr2.
Mit anderen Worten ist in 10 der Abstand von der Schnittstelle zwischen dem Schwingglied 3 und der reflektierenden Schicht 6 zur Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 6 und einem Halteglied 8 (weiter unten beschrieben) mit Lr1 bezeichnet, während der Abstand von der Schnittstelle zwischen dem Schwingglied 3 und der reflektierenden Schicht 7 zur Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 7 und einem Halteglied 9 (weiter unten beschrieben) mit Lr2 bezeichnet ist. Natürlich können die Längen Lr1 und Lr2 auch gleich sein (Lr1 = Lr2).
Unterdessen, wenn λ die Wellenlänge der Schwingungen ist, die nur vom Schwingglied 3 erzeugt werden, so sind die Längen Lr, d. h. die Längen Lr1 und Lr2 der reflektierenden Schichten 6 und 7, beide so eingestellt, dass sie im Bereich von n·λ/4 ± λ/8 liegen, vorzugsweise nahe bei λ/4, wobei n eine ungerade Zahl ist. Die Wellenlänge λ der Schwingungen, die vom Schwingglied 3 erzeugt werden, kann ausgedrückt werden durch λ = 1/f × √(E/ρ), wobei f die Frequenz der vom Schwingglied 3 erzeugten Schwingungen ist, E der Youngsche Modul der Halteglieder 8 und 9 und ρ die Dichte der Halteglieder 8 und 9.
Des Weiteren sind die Halteglieder 8 und 9 gekoppelt mit den entsprechenden äußeren Endflächen der reflektierenden Schichten 6 und 7, d. h. mit den Endflächen, die gegenüber den Flächen angeordnet sind, mit denen das Schwingglied 3 gekoppelt ist. Die Halteglieder 8 und 9 bestehen beide aus keramischem Material, das eine dritte Schallimpedanz Z3 von zum Beispiel ungefähr 3,4 × 10⁷ kg/(m²·s) aufweist, die über der zweiten Schallimpedanz Z2 der reflektierenden Schichten 6 und 7 liegt. Ebenso wie die reflektierenden Schichten 6 und 7 weisen diese Halteglieder 8 und 9 eine Dicke T auf, die im Wesentlichen der Dicke des Schwingglieds 3 entspricht.
Die Länge des Halteglieds 8, d. h. der Abstand von der Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 6 und dem Halteglied 8 zur äußeren Endfläche des Halteglieds 8, wird mit h1 bezeichnet. Die Länge des Halteglieds 9, das mit der reflektierenden Schicht 7 gekoppelt ist, d. h. der Abstand von der Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 7 und dem Halteglied 9 zur äußeren Endfläche des Halteglieds 9, wird mit h2 bezeichnet. Natürlich können der Abstand h1 und der Abstand h2 gleich sein.
Beim zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator, wie oben beschrieben, ist die zweite Schallimpedanz der reflektierenden Schichten 6 und 7 niedriger als die erste Schallimpedanz Z1 des Schwingglieds 3 sowie die dritte Schallimpedanz Z3 der Halteglieder 8 und 9. Dadurch werden Schwingungen, die sich vom Schwingglied 3 zu den reflektierenden Schichten 6 und 7 ausbreiten, an der Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 6 und dem Halteglied 8 beziehungsweise an der Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 7 und dem Halteglied 9 reflektiert. Dadurch wird es möglich, den zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 1 mechanisch mittels der Halteglieder 8 und 9 zu unterstützen ohne die Schwingungseigenschaften des Schwingglieds 3 negativ zu beeinflussen.
Des Weiteren besteht bei dieser Anordnung keine Notwendigkeit, einen Schwingungsdämpfungsabschnitt bereitzustellen, der eine relativ große Fläche außerhalb des piezoelektrischen Schwingungsabschnitts aufweist. Somit weist der zusammengesetzte piezoelektrische Scherresonator dieser Ausführungsform im Gegensatz zu einem energieaufnehmenden piezoelektrischen Scherresonator nicht das Problem auf, dass seine Gesamtabmessungen aufgrund einer vergrößerten Längenabmessung größer werden. Das ermöglicht eine Miniaturisierung im Vergleich zu einem energieaufnehmenden piezoelektrischen Scherresonator.
Übrigens beobachteten die Erfinder der vorliegenden Erfindung die reflektierenden Schichten 6 und 7, die mit den entsprechenden Endflächen des Schwingglieds 3 gekoppelt sind, um den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis |Lr1 – Lr2|/(Lr1 + Lr2), das auf dem Unterschied zwischen den Längen Lr1 und Lr2 der reflektierenden Schichten 6 und 7 beruht, und dem Änderungsverhältnis dFr/Fr (%) der Resonanzfrequenz Fr zu bestimmen. Als Ergebnis fanden die Erfinder heraus, dass der in 11 gezeigte Zusammenhang besteht. Folglich ist die Überlegung in diesem Fall, die Auswirkung des Unterschieds zwischen den Längen Lr1 und Lr2 des Paares der linken und rechten reflektierenden Schichten 6 und 7, die im zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator bereitgestellt sind, der in 10 gezeigt ist, auf die Resonanzfrequenz Fr zu untersuchen.
Aus den in 11 gezeigten Ergebnissen ist ersichtlich, dass das Änderungsverhältnis dFr/Fr der Resonanzfrequenz Fr im Wesentlichen 0% beträgt, und somit die Resonanzfrequenz Fr wenig Änderung zeigt, so lange das Verhältnis |Lr1 – Lr2|, das auf dem Unterschied zwischen den Längen Lr1 und Lr2 der reflektierenden Schichten 6 und 7 beruht, im Bereich liegt, in dem die Bedingung 0,01 ≤ |Lr1 – Lr2|/(Lr1 + Lr2) ≤ 0,3 erfüllt ist. Unterdessen besteht im zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 1 gemäß dieser Ausführungsform, außer für Schwingungen, die nur vom Schwingglied 3 erzeugt werden, ein Schwingungsmodus, bei dem die reflektierenden Schichten 6 und 7 und die Halteglieder 8 und 9 gemeinsam schwingen, bei der doppelten Resonanzfrequenz des Schwingglieds 3. Dieser Schwingungsmodus ist jedoch eine unerwünschte Reaktion. Um eine solche Reaktion abzuschwächen, sollten die reflektierenden Schichten 6 und 7 so angeordnet werden, dass ihre Längen unterschiedlich voneinander sind.
Des Weiteren ist in diesem Fall besser, das Verhältnis |Lr – Lr2|, das auf dem Unterschied zwischen den Längen Lr1 und Lr2 der reflektierenden Schichten 6 und 7 beruht, so einzustellen, dass es in einem Bereich liegt, in dem die Bedingung 0,01 ≤ |Lr1 –Lr2|/(Lr1 + Lr2) erfüllt ist. Der Grund dafür ist, wie in 12 gezeigt, dass sich das Änderungsverhältnis der spezifischen Bandbreite einer Störresonanz, die als Reaktion auf die Resonanz der reflektierenden Schichten 6 und 7 und der Halteglieder 8 und 9 entsteht, verringert, wenn der Unterschied zwischen den Längen Lr1 und Lr2 vergrößert wird. Darum kann die Verwendung einer Anordnung, in der die durch den obigen Ausdruck angegebene Bedingung erfüllt ist, einen zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 1 schaffen, der einen kleinen Frequenzwechsel aufweist und stabil ist.
Des Weiteren beobachteten die Erfinder die Halteglieder 8 und 9 des zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators 1, die mit den entsprechenden reflektierenden Schichten 6 und 7 gekoppelt worden waren und eine Dicke T des aufwiesen, um den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis h/T und dem mechanischen Kopplungsfaktor k (%) zu bestimmen. In diesem Fall wurde die Länge h (= h1 = h2) verändert, während die Enden der Halteglieder 8 und 9 fixiert waren. 13 zeigt die Ergebnisse. In diesem Falle ist Cr eine Wellengeschwindigkeit im Material des Schwingglieds 3 und Cs eine Wellengeschwindigkeit im Material der Halteglieder 8 und 9. Des Weiteren ist α ein Wellengeschwindigkeitsverhältnis, das bestimmt wird durch Teilung der Wellengeschwindigkeit Cs durch die Wellengeschwindigkeit Cr (d. h. α = Cs/Cr), und α = 1 in diesem Fall.
Aus diesen Ergebnissen ist klar ersichtlich, dass es drei Bereiche (die aufeinander folgenden Bereiche A bis C) gibt, in denen der elektromechanische Kopplungsfaktor k einen Maximalwert zeigt, sogar wenn die Länge h der Halteglieder 8 und 9 verändert wird, wie in 13 gezeigt. Im Besonderen ist in 13 gezeigt, dass 0,1 < h/T < 0,3 in Bereich A erfüllt ist, (0,5 + 1,6 × n) < h/T < (0,8 + 1,6 × n) in Bereich B und (1,1 + 1,6 × n) < h/T < (1,6 + 1,6 × n) in Bereich C
In diesem Fall gibt n die Anzahl der Schwingungswellen an und ist eine positive ganze Zahl. Während die Abstände h1 und h2 der Halteglieder 8 und 9 bei der Untersuchung gleich waren (h1 = h2), wurde auch bestätigt, dass dieselben Ergebnisse erreicht wurden, so lange sich die Längen h1 und h2 in den drei oben beschriebenen Bereichen befanden, auch wenn die Abstände h1 und h2 unterschiedlich voneinander waren (h1 ≠ h2).
Zusätzlich dazu führten die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine weitere Untersuchung durch, und entdeckten, dass der Bereich des Verhältnisses h/T, bei dem der elektromechanische Kopplungsfaktor k einen Maximalwert zeigt, proportional zum Wellengeschwindigkeitsverhältnis α ist. Somit ergibt sich zum Beispiel das in 14 gezeigte Ergebnis, wenn das Wellengeschwindigkeitsverhältnis α angegeben ist mit α = Cs/Cr = √2, und das in 15 gezeigte Ergebnis, wenn es angegeben ist mit α = Cs/Cr = 1/√2
Das Verhältnis h/T, bei dem der elektromechanische Kopplungsfaktor k seinen Maximalwert zeigt, ist nun in den folgenden allgemeinen Ausdrücken zusammengefasst:
Bereich A: 0,1 × α < h/T < 0,3 × α,
Bereich B: (0,5 + 1,6 × n) × α < h/T < (0,8 + 1,6 × n) × α, und
Bereich C: (1,1 + 1,6 × n) × α < h/T < (1,6 + 1,6 × n) × α.
Ist also das Verhältnis h/T der Halteglieder 8 und 9 des zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators 1 so eingestellt, dass der elektromechanische Kopplungsfaktor k im Wesentlichen seinen Maximalwert erreicht, weist der zusammengesetzte piezoelektrische Scherresonator 1 eine erhöhte spezifische Bandbreite auf und ist stabilisiert. Folglich führt eine erhöhte spezifische Bandbreite des zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators 1 zu einer Verminderung der Abweichungen der Produktqualität, wodurch eine Verbesserung der Filtereigenschaften erreicht werden kann.
Wie oben beschrieben weist der zusammengesetzte piezoelektrische Scherresonator 1 dieser Ausführungsform ein Schwingglied 3 auf, reflektierende Schichten 6 und 7, die mit den Endflächen des Schwingglieds 3 gekoppelt sind, und die Halteglieder 8 und 9, die mit den entsprechenden reflektierenden Schichten 6 und 7 gekoppelt sind. Bei diesem zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 1 liegt der Abstand Lr von den Schnittstellen zwischen dem Schwingglied 3 und den reflektierenden Schichten 6 und 7 zu den entsprechenden Schnittstellen der reflektierenden Schichten 6 und 7 mit den Haltegliedern 8 und 9 im Bereich von n·λ/4 ± λ/8 (n ist eine ungerade Zahl), wobei λ die Wellenlänge der Schwingungen ist, die nur vom Schwingglied 3 erzeugt werden. Des Weiteren weist in diesem Fall, wenn der Abstand von der Schnittstelle zwischen Schwingglied 3 und der reflektierenden Schicht 6 zur Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 6 und dem Halteglied 8 Lr1 ist, und der Abstand von der Schnittstelle zwischen Schwingglied 3 und der reflektierenden Schicht 7 zur Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 7 und dem Halteglied 9 Lr2 ist, der Bereich des Unterschieds |Lr1 – Lr2| zwischen den Abständen Lr1 und Lr2 eine Beziehung auf, angegeben durch: 0,01 ≤ |Lr1 – Lr2|/(Lr1 + Lr2) ≤ 0,3.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf die Anordnung dieser Ausführungsform und kann auch auf einen zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 1 angewandt werden, der die folgende Anordnung aufweist. Folglich kann in derselben Anordnung wie beim zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 1 der dritten Ausführungsform, bei der das Schwingglied 3, die reflektierenden Schichten 6 und 7 und die Halteglieder 8 und 9 in einem Stück gekoppelt sind, der Abstand h von den Schnittstellen der reflektierenden Schichten 6 und 7 zwischen den Halteglieder 8 und 9 zu den äußeren Endflächen der ent sprechenden Halteglieder so eingestellt werden, dass er im Bereich n·λ/4 ± λ/8 liegt, vorzugsweise nahe λ/4, wobei λ die Wellenlänge der Schwingungen ist, die nur vom Schwingglied 3 erzeugt werden, und n eine ungerade Zahl ist.
Bei diesem zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 1, wenn die Länge oder der Abstand von der Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 6 und dem Halteglied 8 zur äußeren Endfläche des Halteglieds 8 h1 ist, und die Länge oder der Abstand von der Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 7 und dem Halteglied 9 zur äußeren Endfläche des Halteglieds 9 h2, weist das Verhältnis des Unterschieds |h1 – h2| zwischen den Abständen h1 und h2 eine Beziehung auf, die angegeben wird durch 0,01 ≤ |h1 – h2|/(h1 + h2). So lange diese Bedingung erfüllt wird, zeigt die Resonanzfrequenz Fr wenig Veränderung wie in der dritten Ausführungsform.
Bei einem solchen zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 1 besteht jedoch ein Schwingungsmodus, bei dem die reflektierenden Schichten 6 und 7 und die Halteglieder 8 und 9 gemeinsam schwingen, bei der doppelten Resonanzfrequenz des Schwingglieds 3. Folglich sollten, um die unerwünschte Reaktion zu vermindern, die Halteglieder 8 und 9 in einer Weise angeordnet werden, dass ihre Längen unterschiedlich voneinander sind. Des Weiteren ist bestätigt worden, dass das Einstellen des Verhältnisses |h1 – h2|, das auf dem Unterschied zwischen den Längen h1 und h2 der Halteglieder 8 und 9 beruht, auf einen Wert im Bereich von 0,01 ≤ |h1 – h2|/(h1 + h2) ein vermindertes Änderungsverhältnis der spezifischen Bandbreite der Störschwingung zur Folge hat, die als Reaktion auf die Resonanz der reflektierenden Schichten 6 und 7 und der Halteglieder 8 und 9 entsteht, wie in 6 gezeigt.
Vierte Ausführungsform
17 ist eine räumliche Darstellung, die schematisch den Gesamtaufbau eines zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 18 ist ein Ersatzschaltschema davon. 19 ist eine räumliche Darstellung, die schematisch den Gesamtaufbau eines zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators gemäß einer Abänderung der vierten Ausführungsform zeigt, die in 19 gezeigt ist, und 20 ist ein Ersatzschaltschema dieser Abänderung. Ziffer 11 in 17 und 18 bezeichnet einen zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator, und Ziffer 21 in 19 und 20 bezeichnet ebenfalls einen zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator. In 17 bis 20 bezeichnen dieselben Ziffern wie in 9 bis 16 dieselben Elemente und Abschnitte, deren ausführliche Beschreibungen im Nachfolgenden weggelassen worden sind.
Ein zusammengesetzter piezoelektrischer Scherresonator 11 gemäß der vierten Ausführungsform weist ein piezoelektrisches Element 2 in Form einer rechteckigen Säule auf, ein Paar von linken und rechten reflektierenden Schichten 6 und 7, die mit den Endflächen des piezoelektrischen Elements 2 in dessen Axialrichtung (Längsrichtung) gekoppelt sind, und ein Paar von linken und rechten Haltegliedern 8 und 9, die mit den entsprechenden äußeren Endflächen der reflektierenden Schichten 6 und 7 gekoppelt sind. Das piezoelektrische Element 2 besteht aus Keramik auf der Basis von Bleititanat, das eine erste Schallimpedanz von zum Beispiel ungefähr 3,4 × 10⁷ kg/(m²·s) aufweist. Das piezoelektrische Element 2 ist ebenfalls so gepolt, dass die Polarisationsrichtung P der Axialrichtung des piezoelektrischen Elements 2 entspricht. Erregerelektroden 4 und 5 sind an den gegenüberliegenden Hauptflächen des piezoelektrischen Elements 2 gebildet. Des Weiteren erstreckt sich die Erregerelektrode 4, die an der oberen Hauptfläche des piezoelektrischen Elements 2 gebildet ist, bis zu den oberen Hauptflächen der reflek tierenden Schicht 7 und des Haltglieds 9, die mit der rechten Endfläche des piezoelektrischen Elements 2 gekoppelt sind.
Zusätzlich erstreckt sich die Erregerelektrode 5, die an der unteren Hauptfläche des piezoelektrischen Elements 2 gebildet ist, bis zu den unteren Hauptflächen der reflektierenden Schicht 6 und des Haltglieds 8, die mit der linken Endfläche des piezoelektrischen Elements 2 gekoppelt sind. Zusätzlich sind Anschlusselektroden 12 und 13 an der oberen Hauptfläche des Halteglieds 8 beziehungsweise der unteren Hauptfläche des Halteglieds 8 gebildet. Folglich steht eine Anschlusselektrode 12 der Erregerelektrode 5 gegenüber, und das Halteglied 8 ist dazwischengeschaltet, d. h. die eine Anschlusselektrode 12 und die Erregerelektrode 5 umschließen das Halteglied 8, so dass eine Kapazität 14 im Wesentlichen im Halteglied 8 geschaffen ist.
In ähnlicher Weise steht die andere Anschlusselektrode 13 der Erregerelektrode 4 gegenüber, und das Halteglied 9 ist dazwischengeschaltet, d. h. die Anschlusselektrode 13 und die Erregerelektrode 4 umschließen das Halteglied 9, so dass eine Kapazität 15 im Wesentlichen im Halteglied 9 geschaffen ist. Der zusammengesetzte piezoelektrische Scherresonator 11 gemäß der vierten Ausführungsform weist Kapazitäten 14 und 15 in den entsprechenden Haltegliedern 8 und 9 auf, die mit den Endflächen des piezoelektrischen Elements 2 gekoppelt sind, mit den jeweiligen reflektierenden Schichten 6 und 7 dazwischengeschaltet. Das bedeutet, der zusammengesetzte piezoelektrische Scherresonator 11 weist eine Anordnung auf, wie im Ersatzschaltschema in 18 gezeigt, d. h. eine Anordnung, bei der die Lastkapazitäten 14 und 15, die in einem Schwingkreis erforderlich sind, im Schwingglied 3 enthalten sind. Demzufolge ist es möglich, die Bauteilanzahl zu verringern.
Da das piezoelektrische Element 2 im zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 11 Erregerelektroden 4 und 5 an den gegenüberliegenden Hauptflächen aufweist, dient das piezoelektrische Element 2 in der dritten Ausführungsform als Schwingglied 3. Wird also eine Wechselspannung über die Erregerelektroden 4 und 5 angelegt, schwingt das Schwingglied 3 in einem Dickenscherschwingmodus. In diesem Fall, da die zweite Schallimpedanz Z2 der reflektierenden Schichten 6 und 7 geringer ist, als die erste Schallimpedanz Z1 des Schwingglieds 3 und die dritte Schallimpedanz Z3 der Halteglieder 8 und 9, werden Schwingungen, die sich vom Schwingglied 3 zu den reflektierenden Schichten 6 und 7 ausbreiten, reflektiert an der Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 6 und dem Halteglied 8 beziehungsweise an der Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht 7 und dem Halteglied 9.
Unterdessen erstreckt sich im zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 11 die Erregerelektrode 4, die an der oberen Hauptfläche des piezoelektrischen Elements 2 gebildet ist, bis zu den oberen Hauptflächen der reflektierenden Schicht 7 und des Halteglieds 9, und die Erregerelektrode 5, die an der unteren Hauptfläche des piezoelektrischen Elements 2 gebildet ist, erstreckt sich bis zu den unteren Hauptflächen der reflektierenden Schicht 6 und des Halteglieds 8. Des Weiteren sind die Anschlusselektroden 12 und 13 an der oberen Hauptfläche des Halteglieds 8 beziehungsweise der unteren Hauptfläche des Halteglieds 9 gebildet. Wie im zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 21, der als Abänderung der vierten Ausführungsform in 19 gezeigt ist, könnte sich ohne Bildung der Anschlusselektroden 12 und 13 die Erregerelektrode 4, die an der oberen Hauptfläche des piezoelektrischen Elements 2 gebildet ist, bis zu den oberen Hauptflächen der reflektierenden Schichten 6 und 7 und des Halteglieds 8, und die Erregerelektrode 5, die an der unteren Hauptfläche des piezoelektrischen Elements 2 gebil det ist, bis zu den unteren Hauptflächen der reflektierenden Schicht 6 und des Halteglieds 8 erstrecken.
Wird eine solche Anordnung gewählt, bildet sich eine Kapazität 22 im Wesentlichen im Halteglied 8, da die Erregerelektrode 4 der Erregerelektrode 5 gegenübersteht, mit dem Halteglied dazwischengeschaltet. Somit weist der zusammengesetzte piezoelektrische Scherresonator 21 gemäß der Abänderung eine Anordnung auf, die im Ersatzschaltschema in 20 gezeigt ist, d. h. eine Schaltungsanordnung, in der die Kapazität 22 parallel zum Schwingglied 3 enthalten ist. Auf diese Weise ist es möglich, die spezifische Bandbreite des Schwingglieds 3 durch Einstellung der Kapazität 22 zu ändern, welche dadurch die Schwingungsfrequenz steuern kann.
Fünfte Ausführungsform
21 ist eine auseinander gezogene räumliche Darstellung, die schematisch den Gesamtaufbau eines piezoelektrischen Resonatorbauteils gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Ziffer 31 in 21 bezeichnet ein piezoelektrisches Resonatorbauteil. Das piezoelektrische Resonatorbauteil gemäß dieser Ausführungsform weist eine Anordnung auf, in der einer der zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonatoren 1, 11 oder 21 verwendet wird, die in der vierten und der fünften Ausführungsform gezeigt sind.
In einem zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 32 zum Beispiel in dieser Ausführungsform erstreckt sich die Erregerelektrode 4, die an der oberen Hauptfläche des piezoelektrischen Elements 2 des zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators 1 (11 oder 21) gebildet ist, zur äußeren Endfläche des Halteglieds 8 über die oberen Hauptflächen der reflektierenden Schicht 6 und des Halteglieds 8. Ebenso erstreckt sich die Erregerelektrode 5, die an der unteren Hauptfläche des piezoelektrischen Elements 2 gebildet ist, zur äußeren Endfläche des Halteglieds 9 über die unteren Hauptflächen der reflektierenden Schicht 7 und des Halteglieds 9.
Der zusammengesetzte piezoelektrische Scherresonator 32, in dem eine Kapazität enthalten ist, ist auf einem so genannten Kondensatorträger 33 befestigt, die Erregerelektroden 4 und 5 sind mit Lötmittel 36 an die Eingangs-/Ausgangselektroden 34 beziehungsweise 35 angeschlossen, die auf dem Kondensatorträger 33 gebildet sind. Ziffer 37 in 21 bezeichnet eine Erdungselektrode, die auf dem Kondensatorträger 33 gebildet ist.
Eine Kappe 38, die ein äußeres Verpackungsmittel zum Abdecken des zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonators 32 darstellt, ist über einen Isolierklebstoff 39 mit dem Kondensatorträger 33 verbunden, und dichtet dadurch den zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 32 ab, der auf dem Kondensatorträger 33 befestigt ist. Die Kappe 38 ist hergestellt unter Verwendung eines leitfähigen Materials, wie zum Beispiel Aluminium oder rostfreier Stahl. Infolgedessen stellt die Kappe 38 eine elektromagnetische Schirmung für den zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 32 bereit. In diesem Fall weist die Kappe 38, die den zusammengesetzten piezoelektrischen Scherresonator 32 abdichtet, natürlich ein internes Volumen auf, das Schwingungen nicht hemmt.

Claims

Piezoelektrischer Scherresonator, der ein piezoelektrisches Element in Form einer rechteckigen Säule umfasst, das rechteckige Scherdehnungsflächen aufweist, und das einen Scherschwingmodus anregt, wobei die Scherdehnungsflächen ein Seitenverhältnis aufweisen, bei dem der elektromechanische Kopplungsfaktor k im Wesentlichen einen Maximalwert erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Seitenverhältnis, welches das Verhältnis Le/D der senkrechten Abmessung D der Scherdehnungsflächen zur waagrechten Abmessung Le derselben ist, ausgedrückt ist durch: Le/D = {α·(s44 E/s33 E)1/2 +β} ± 0,3,wobei s₄₄ ^E und s₃₃ ^E elastische Steifigkeiten sind, α = 0,27·n + 0,45, β = 1,09·n + 0,31, und n eine ganze Zahl ist.
Piezoelektrischer Scherresonator nach Anspruch 1, der mit Erregerelektroden versehen ist, die sich an zwei Hauptflächen des piezoelektrischen Elements gegenüberstehen, die senkrecht zu den Scherdehnungsflächen und parallel zur Scherrichtung des piezoelektrischen Elements angeordnet sind, und bei dem ein Verhältnis L/Le, wobei L die überlappende Länge L der Erregerelektroden und Le die waagrechte Abmessung Le der Scherdehnungsflächen ist, ausgedrückt ist durch 0,86 ≤ L/Le ≤ 1.
Piezoelektrischer Scherresonator nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Verhältnis W/D, wobei W der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Scherdehnungsflächen und D die waagrechte Abmessung der Scherdehnungsflächen ist, festgelegt ist durch irgendeines der folgenden Verhältnisse: (a) W/D ≤ 1,2, (b) 1,3 ≤ W/D ≤ 1,5, (c) 1,7 ≤ W/D ≤ 2,0, (b) 2,2 ≤ W/D ≤ 2,5, und (b) 2,6 ≤ W/D ≤ 3,0.
Zusammengesetzter piezoelektrischer Scherresonator, umfassend: den piezoelektrischen Scherresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der piezoelektrische Scherresonator verwendet ist als Schwingglied und eine erste Schallimpedanz Z1 aufweist; eine reflektierende Schicht, die mit dem Schwingglied gekoppelt ist, wobei die reflektierende Schicht eine zweite Schallimpedanz aufweist, die niedriger ist, als die erste Schallimpedanz Z1; und ein Halteglied, das mit der reflektierenden Schicht gekoppelt ist, wobei das Halteglied eine dritte Schallimpedanz Z3 aufweist, die höher ist, als die zweite Schallimpedanz Z2, wobei Schwingungen, die sich vom Schwingglied zur reflektierenden Schicht ausbreiten, an der Schnittstelle zwischen der reflektierenden Schicht und dem Halteglied reflektiert werden.