DE19607499A1

DE19607499A1 - Piezoelektrischer Vibrator, piezoelektrische Vibratorvorrichtung mit demselben und Schaltungsvorrichtung mit der piezoelektrischen Vibratorvorrichtung

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Publication number: DE19607499A1
Application number: DE19607499A
Authority: DE
Inventors: Masanori Yachi; Masaaki Ono
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1995-03-03
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2016-03-01
Also published as: US5925968A; DE19607499C2; JPH08242026A

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Vibratoren oder Schwingungseinrichtungen zur Verwendung in einer Takt signal-Erzeugungsschaltung und einem Filter von Elektronik vorrichtungen, und genauer einen piezoelektrischen Vibrator, der eine piezoelektrische Substanz verwendet.

Viele Elektronikvorrichtungen, wie Mikrocomputer, sind mit Vibratoren ausgestattet. Die Vibratoren werden verwen det, um ein Taktsignal zu erzeugen, das die Operation der Elektronikvorrichtungen und Filtersignale bestimmt. Allge mein werden piezoelektrische Vibratoren, die Piezoelektrizi tät nutzen, als Vibratoren in vielen Fällen verwendet.

Jüngste Verbesserungen bei der Verarbeitungsgeschwin digkeit von Elektronikvorrichtungen erfordern es, ein Takt signal einer höheren Frequenz zu erzeugen. Folglich gab es beachtliche Aktivitäten bei der Entwicklung von Techniken, die insbesondere auf ein Anheben der Frequenz gerichtet sind, wie genaue Produktionstechniken.

Ein piezoelektrischer Vibrator ist ein Element, das ei nen piezoelektrischen Körper enthält, der mit Elektroden ausgerüstet ist. Wenn eine Spannung über die Elektroden an gelegt wird, wird der piezoelektrische Körper vibriert (zum Mitschwingen gebracht). Der piezoelektrische Vibrator hat einen hohen Q-Wert und wird durch Temperaturschwankungen we nig beeinflußt. Außerdem wird der piezoelektrische Vibrator im Laufe der Zeit wenig verschlechtert. Folglich hat der piezoelektrische Vibrator viele Vorteile gegenüber einer LC- Schaltung, die aus einer Spule und einem Kondensator gebil det ist, und wird weithin zum Erzeugen von Taktsignalen und Filtersignalen verwendet.

2. Beschreibung der verwandten Technik

Gewöhnlich nutzt ein piezoelektrischer Vibrator einen Quarz, und dessen primäre Resonanz wird normalerweise ver wendet. Die Vibrationsfrequenz (Oszillationsfrequenz) hängt von der Dicke des Vibrators ab. Um die Frequenz des Vibra tors anzuheben, wird der Vibrator dünner gemacht. In der Praxis gibt es eine Beschränkung für den Verdünnungsprozeß für dünne Plattenelemente. Dies bedeutet, daß das Verdünnen des Vibrators eine Grenze für die primäre Resonanz hat und die Frequenz des Resonators nicht wirksam anhebt. Ferner ist, je dünner, eine um so weiter entwickelte Technik erfor derlich. Dies erhöht die Herstellungskosten.

Um die obigen Probleme zu überwinden, kann in Betracht gezogen werden, daß eine harmonische Welle oder Oberschwin gung, die gleichzeitig mit der primären Resonanz auftritt, verwendet werden kann. Wenn zum Beispiel die dritte harmoni sche Welle oder Harmonische verwendet wird, ist es möglich, von derselben Dicke der Vibratorplatte, die Frequenz zu er halten, die gleich dem dreifachen jener der primären Reso nanzfrequenz ist.

Die Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm einer Oszillati onsschaltung, die die dritten Harmonischen oder Oberschwin gungen des Quarzvibrators verwendet. Die in der Fig. 1 ge zeigte Oszillationsschaltung ist aus einem Quarzvibrator 1, einem Inverter 2, Kondensatoren C1, C2 und C3, einem Induk tor L, Eingangsanschlüssen 3 und Ausgangsanschlüssen 4 auf gebaut. Eine Wechselspannung wird über die Eingangsanschlüs se 3 angelegt, und ein Oszillations- oder Schwingungssignal wird über den Ausgangsanschlüssen 4 erhalten. Die Indukti onsspule L und der Kondensator C3 bilden eine Abstimmschal tung, die bei den dritten Harmonischen des Quarzvibrators 1 oszilliert. Der Induktor L und der Kondensator C3 werden nicht benötigt, um die primäre Oszillationsfrequenz auszuge ben. Der Induktor L und der Kondensator C3 wirken in erster Linie, um die Oszillationsfrequenz zu erhöhen.

Jedoch hat die in der Fig. 1 gezeigte Schaltung, die den Quarzvibrator verwendet, einen Nachteil darin, daß zu mindest ein Induktor L zum Ausbilden der Abstimmschaltung erforderlich ist, um die dritten Harmonischen oder Ober schwingungen zu extrahieren, so daß die Schaltung eine aus gedehnte Größe hat und die hohen Herstellungskosten erfor dert.

Überblick über die Erfindung

Es ist ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Vibrator, eine piezoelektrische Vi bratorvorrichtung, die den Vibrator verwendet, und eine Schaltungsvorrichtung, die die piezoelektrische Vibratorvor richtung verwendet, zu schaffen, bei denen der obige Nach teil beseitigt ist.

Ein genaueres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Vibrator, eine piezoelektrische Vi bratorvorrichtung, die den Vibrator verwendet, und eine Schaltungsvorrichtung, die die piezoelektrische Vibratorvor richtung verwendet, zu schaffen, bei denen der Vibrator leicht hergestellt und eine Harmonische leicht extrahiert werden kann.

Die obigen Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch einen piezoelektrischen Vibrator erreicht, enthaltend: ein piezoelektrisches Element, das einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten eines Dickenausdehnungs-Vibrations- oder Schwingungsmodus hat, der größer als jener eines Dic kenscherungs-Vibrationsmodus ist, und ein Paar von Elektro den, die an Oberflächen des piezoelektrischen Elements ange ordnet sind, so daß Harmonischen- oder Oberwellenenergie der Dickenausdehnungsschwingung des piezoelektrischen Elements eingefangen oder gesperrt wird.

Bei dem obigen piezoelektrischen Vibrator kann das pie zoelektrische Element einen 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall enthalten, und jede des Paars von Elektroden kann eine Länge und Breite gleich oder größer als 2H haben, wobei H eine Dicke des piezoelektrischen Elements bezeichnet.

Bei dem obigen piezoelektrischen Vibrator kann das pie zoelektrische Element einen 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall enthalten, und das piezoelektrische Element kann eine freie Schwingungs- oder Vibrationslänge gleich oder größer als 3,5H haben, wobei H eine Dicke des piezoelektrischen Ele ments bezeichnet.

Bei dem obigen piezoelektrischen Vibrator kann das pie zoelektrische Element einen 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall enthalten, und jede des Paars von Elektroden kann einen Ab stand zwischen einem Ende des piezoelektrischen Elements und einem Ende einer der Elektroden haben, welcher Abstand gleich oder größer als 0,4H ist, wobei H eine Dicke des pie zoelektrischen Elements bezeichnet.

Bei dem obigen piezoelektrischen Vibrator kann das Paar von Elektroden an entgegengesetzten zentralen Oberflächenab schnitten des piezoelektrischen Elements angeordnet sein.

Bei dem obigen piezoelektrischen Vibrator kann die Har monischen-Energie die Energie der dritten Harmonischen oder Oberschwingung sein.

Die oben angegebenen Ziele der vorliegenden Erfindung werden auch durch eine piezoelektrische Vibratorvorrichtung erreicht, enthaltend: ein Substrat, an dem Elektroden für externe Anschlüsse vorgesehen sind, und einen piezoelektri schen Vibrator, der an dem Substrat angebracht ist. Der pie zoelektrische Vibrator ist aufgebaut, wie oben beschrieben wurde. Das Paar von Elektroden ist jeweils mit den Elektro den verbunden, die an dem Substrat ausgebildet sind.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung kann das Substrat ein Verdrahtungs- oder Schaltungsmuster, das mit den Elektroden verbunden ist, für externe Verbindun gen oder Anschlüsse haben, und das Paar von Elektroden des piezoelektrischen Elements kann über den Verdrahtungsmustern durch ein elektrisch leitendes Haftmittel gehalten oder ab gestützt werden.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung kann die Vorrichtung ferner Kondensatoren enthalten, die auf dem Substrat ausgebildet sind, und das Paar von Elektroden kann mit den Elektroden für externe Anschlüsse durch die Kondensatoren gekoppelt sein.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung können die Kondensatoren einen dielektrischen Film enthal ten, der an dem Substrat ausgebildet ist.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung kann das Substrat ein dielektrisches Substrat enthalten, wo bei das Paar von Elektroden mit den Elektroden für externe Anschlüsse durch das dielektrische Substrat gekoppelt ist.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung können die Elektroden für externe Anschlüsse oder Verbindun gen an einer Oberfläche des Substrats entgegengesetzt zu ei ner weiteren Oberfläche davon vorgesehen sein, an der der piezoelektrische Vibrator vorgesehen ist.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung können die Elektroden für externe Anschlüsse an Seitenflä chen des Substrats vorgesehen sein.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung kann das Substrat einen Ausnehmungsabschnitt oder ausgenom menen Teil enthalten, in dem der piezoelektrische Vibrator vorgesehen ist.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung kann die Vorrichtung ferner eine Kappe enthalten, die den piezoelektrischen Vibrator abschließt oder abdichtet.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung kann die Vorrichtung ferner eine Kappe enthalten, die den piezoelektrischen Vibrator abschließt und aus einer dielek trischen Substanz besteht, wobei das Paar von Elektroden mit einem Teil der Elektroden für externe Anschlüsse durch die Kappe gekoppelt ist.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung kann das Verdrahtungs- oder Schaltungsmuster Kammtyp-Inter digitalelektroden enthalten.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung können die Elektroden für externe Anschlüsse eine Mehrzahl von Leitungen enthalten.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung können die Leitungen in einer Reihe angeordnet sein.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung kann die Vorrichtung ferner ein geformtes Bauteil haben, das das Substrat hält.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung kann das piezoelektrische Element einen 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall enthalten.

Bei der obigen piezoelektrischen Vibratorvorrichtung kann die Harmonischen-Energie die Energie der dritten Harmo nischen sein.

Die vorher angegebenen Ziele der vorliegenden Erfindung werden ferner erreicht durch eine Schaltungsvorrichtung, enthaltend: eine Leiterplatte mit einem Verdrahtungsmuster, eine Schaltungskomponente, die auf der Leiterplatte montiert und mit dem Verdrahtungsmuster verbunden ist, eine piezo elektrische Vibratorvorrichtung, die auf der Leiterplatte montiert und mit dem Verdrahtungsmuster verbunden ist, und externe Anschlüsse, die mit dem Verdrahtungsmuster verbunden sind. Die obige piezoelektrische Vibratorvorrichtung ist aufgebaut, wie oben beschrieben wurde.

Bei der obigen Schaltungsvorrichtung kann die Vorrich tung ferner ein Gehäuse enthalten, das die Schaltungsvor richtung abdeckt.

Bei der obigen Schaltungsvorrichtung kann das piezo elektrische Element einen 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall ent halten.

Bei der obigen Schaltungsvorrichtung kann die Harmoni schen-Energie die Energie der dritten Harmonischen sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden genauen Beschreibung deutlicher, wenn sie in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen:

Fig. 1 ein Schaltplan einer herkömmlichen Oszillations schaltung ist, die die dritten Harmonischen eines Quarzos zillators nutzt,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht ist, die das Prin zip der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 3 ein Graph einer Relation zwischen einem Drehwin kel um die X-Achsenrichtung eines 36° Y-Schnitt LiNbO₃- Kristalls und einem Kopplungskoeffizienten ist,

Fig. 4A und 4B jeweils Diagramme sind, die eine fre quenzerhöhende Energieeinfangstruktur und eine Dispersions kurve davon zeigen,

Fig. 5A, 5B und 5C jeweils Diagramme sind, die eine frequenzverringernde Energieeinfangstruktur und Dispersions kurven davon zeigen,

Fig. 6 ein Diagramm von Resonanzcharakteristika der primären Resonanz und harmonischer Wellen oder Schwingungen davon ist,

Fig. 7 ein Diagramm ist, das Variationen des Reso nanzwiderstandes, Q-Wertes und Kapazitätsverhältnisses be züglich der Größe einer Steuerelektrode zeigt,

Fig. 8 ein Diagramm ist, das eine Art zum Befestigen eines piezoelektrischen Vibrators und einen frei schwingenden Abschnitt davon zeigt,

Fig. 9 ein Diagramm ist, das eine Relation zwischen ei ner freien Schwingungslänge und einem Resonanzwiderstand ei nes piezoelektrischen Vibrators zeigt,

Fig. 10A und 10B Diagramme sind, die zeigen, wie die Frequenz- und Phasencharakteristika eines piezoelektrischen Elements durch den Abstand zwischen einem Ende des piezo elektrischen Elements und einem Ende in Breitenrichtung ei ner Steuerelektrode beeinflußt werden,

Fig. 11A und 11B Diagramme sind, die zeigen, wie die Frequenz- und Phasencharakteristika eines piezoelektrischen Elements durch den Abstand zwischen einem Ende des piezo elektrischen Elements und einem Ende in Breitenrichtung ei ner Steuerelektrode beeinflußt werden,

Fig. 12A und 12B Diagramme sind, die zeigen, wie die Frequenz- und Phasencharakteristika eines piezoelektrischen Elements durch den Abstand zwischen einem Ende des piezo elektrischen Elements und einem Ende in Breitenrichtung ei ner Steuerelektrode beeinflußt werden,

Fig. 13 ein Graph einer Relation zwischen einem Brei tenverhältnis und Resonanzwiderstand eines piezoelektrischen Vibrators ist,

Fig. 14 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer ersten Struktur einer piezoelektrischen Vibra torvorrichtung ist, die einen piezoelektrischen Vibrator ge mäß der vorliegenden Erfindung hat,

Fig. 15A, 15B und 15C jeweils Drauf-, Seiten- und Un tersichten der ersten Struktur sind, wobei eine Kappe davon weggelassen wurde,

Fig. 16 ein äquivalenter Schaltplan der piezoelektri schen Vibratorvorrichtung ist, die in den Fig. 14, 15A, 15B und 15C gezeigt ist,

Fig. 17A, 17B und 17C jeweils Drauf-, Seiten- und Un tersichten einer zweiten Struktur der piezoelektrischen Vi bratorvorrichtung sind, die den piezoelektrischen Vibrator gemäß der vorliegenden Erfindung hat, wobei eine Kappe davon weggelassen wurde,

Fig. 18 ein äquivalenter Schaltplan der piezoelektri schen Vibratorvorrichtung ist, die in den Fig. 17A, 17B und 17C gezeigt ist,

Fig. 19A, 19B und 19C jeweils Drauf-, Seiten- und Un tersichten einer dritten Struktur der piezoelektrischen Vi bratorvorrichtung sind, die den piezoelektrischen Vibrator gemäß der vorliegenden Erfindung hat, wobei eine Kappe davon weggelassen wurde,

Fig. 20 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer vierten Struktur der piezoelektrischen Vibra torvorrichtung, die den piezoelektrischen Vibrator gemäß der vorliegenden Erfindung hat,

Fig. 21 eine Querschnittsansicht der piezoelektrischen Vibratorvorrichtung ist, die in der Fig. 20 gezeigt ist,

Fig. 22 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer fünften Struktur der piezoelektrischen Vibra torvorrichtung, die den piezoelektrischen Vibrator gemäß der vorliegenden Erfindung hat,

Fig. 23 eine Querschnittsansicht der piezoelektrischen Vibratorvorrichtung ist, die in der Fig. 22 gezeigt ist,

Fig. 24 eine auseinandergezogene perspektivische An sicht einer sechsten Struktur der piezoelektrischen Vibra torvorrichtung ist, die den piezoelektrischen Vibrator gemäß der vorliegenden Erfindung hat, und

Fig. 25 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer IC-Karte ist, die die piezoelektrische Vibra torvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

Eine Beschreibung wird nun von dem Prinzip der vorlie genden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 2 angegeben.

Die Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines pie zoelektrischen Vibrators gemäß der vorliegenden Erfindung. Der in der Fig. 2 gezeigte piezoelektrische Vibrator enthält ein plattenförmiges piezoelektrisches Element 10 und ein Paar von Elektroden 11 und 12. Das piezoelektrische Element 10 ist zum Beispiel ein 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall. Die Elektroden 11 und 12 sind jeweils an entgegengesetzten Ober flächen des plattenförmigen piezoelektrischen Elements 10 vorgesehen. Leitungs- oder Anschlußelektroden 13 und 14 für externe Anschlüsse sind jeweils integral mit den Elektroden 11 und 12 ausgebildet. Nachfolgend werden die Elektroden 11 und 12 als Steuerelektroden bezeichnet. Bei der obigen Struktur ist es möglich, einen zweidimensionalen frequenz verringernden Energieeinfang zu realisieren, der später be schrieben wird.

Wie in der Fig. 3 gezeigt ist, ist der elektromechani sche Kopplungskoeffizient K des 36° Y-Schnitt LiNbO₃- Kristalls im Dickenscherungs-Vibrationsmodus gleich 0, und daher vibriert oder schwingt der obige Kristall im reinen Dickenausdehnungs-Vibrationsmodus. Die Horizontalachse des Graphen der Fig. 3 bezeichnet den Drehwinkel um die X-Achse, und die Vertikalachse davon bezeichnet den Kopplungskoeffi zienten K. Die durchgezogene Linie gibt den Dickenausdeh nungs-Vibrationsmodus an, und eine einfach punktierte Linie gibt den Dickenscherungs-Vibrationsmodus an. Im Dickensche rungs-Vibrationsmodus wird eine Welle, die eine primäre Ver schiebung in der Ausbreitungsrichtung längs der Platte hat, erzeugt. Im Dickenausdehnungs-Vibrationsmodus wird eine Wel le, die eine primäre Verschiebung in der Dickenrichtung der Platte hat, erzeugt. Die vorliegende Erfindung hat ein er stes wesentliches Merkmal, das einen Vibrator oder eine Schwingungseinrichtung nutzt, in welchem/welcher sein/ihr elektromechanischer Kopplungskoeffizient K im Dickensche rungs-Vibrationsmodus gleich 0 ist.

Gemäß dem Graphen der Fig. 3 ist der elektromechanische Kopplungskoeffizient K im Dickenscherungs-Vibrationsmodus gleich Null, wenn der Winkel Θ der Drehung gleich 90° oder 122° ist. Jedoch ist der Wert des elektromechanischen Kopp lungskoeffizienten K im Dickenausdehnungs-Vibrationsmodus, der dabei erhalten wird, geringer als jener, der erhalten wird, wenn Θ = 36°. Folglich ist es bevorzugt, den 36° Y- Schnitt Kristall zu verwenden, wenn LiNbO₃ verwendet wird. Ferner haben andere Materialien als der 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall Charakteristiken ähnlich der Charakteristik, die in der Fig. 3 gezeigt ist. Beispiele jener Materialien sind ein trigonales System, wie LiTaO₃ und piezoelektrische Keramiken. Damit der Vibrator oder die Schwingungseinrich tung als der Dritte-Harmonischen-Vibrator betrieben wird, ist es bevorzugt, daß das Poisson-Verhältnis oder die Quer dehnzahl der piezoelektrischen Substanz gleich oder kleiner als 1/3 ist. Kurz gesagt, ist es notwendig, ein piezoelek trisches Element zu verwenden, das einen Wert des elektrome chanischen Kopplungskoeffizienten im Dickenausdehnungs- Vibrationsmodus hat, der ausreichend größer ist als jener des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten im Dicken scherungs-Vibrationsmodus.

Als nächstes wird eine Beschreibung des Energieeinfangs angegeben.

Die Fig. 4A zeigt eine frequenzerhöhende Energieein fangstruktur, und die Fig. 4B zeigt eine Dispersionskurve davon. Die Fig. 5A zeigt eine frequenzverringernde Energie einfangstruktur, und die Fig. 5B zeigt eine Dispersionskurve davon. Die Fig. 4A, 4B, 5a und 5B sind beschrieben in "ACOUSTIC WAVE ELEMENT TECHNICAL HANDBOOK", herausgegeben von 15oth committee of the Nippon Academy Promotion Associa tion Acoustic Wave Element Technique, Ohm-sha, S. 82-89.

In den Fig. 4A, 4B, 5A und 5B bezeichnet ω₀ die Winkelfre quenz der Dickenvibrations- oder Schwingungswelle in einem Elektrodenabschnitt (der eine Dickenscherungs-Vibrationswel le, eine Dickenausdehnungs-Vibrationswelle und eine Dicken torsions-Vibrationswelle enthält), ω′₀ bezeichnet die Win kelfrequenz der Dickenvibrationswelle in Nichtelektrodenab schnitten, K bezeichnet die Anzahl von Wellen längs der Platte in dem Elektrodenabschnitt und K′ bezeichnet die An zahl von Wellen längs der Platte in den Nichtelektrodenab schnitten.

Wie in der Fig. 4B gezeigt ist, hat die primäre Vibra tion oder Schwingung der Dickenausdehnungs-Vibrationswelle unter einer Bedingung, unter der das Poisson-Verhältnis gleich oder kleiner als 1/3 ist, wie beim 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall, eine Charakteristik, bei der die Anzahlen von Wellen K und K′ imaginäre Zahlen sind, bei Frequenzen höher als Grenzfrequenzen (ω und ω′₀ Wie in der Fig. 5B gezeigt ist, hat die Harmonische eine Charakteristik, bei der die Anzahlen von Wellen K und K′ imaginäre Zahlen sind, bei Frequenzen niedriger als den Grenzfrequenzen - und ω′₀ Das heißt, daß in der Struktur, die in der Fig. 5A gezeigt ist, eine Grenzbedingung bei den Harmonischen besteht, indem die Anzahl von Wellen K eine reale Zahl und K′ eine imaginä re Zahl im Bereich zwischen ω₀ und ω′₀ ist, so daß Energie in dem Elektrodenabschnitt eingefangen werden kann. Jedoch besteht in der primären Vibration, wie in der Fig. 5C ge zeigt ist, die Grenzbedingung, wo K und K′ entsprechend reale und imaginäre Zahlen sind, nicht, und es ist daher schwierig, Vibrationsenergie aus den Elektrodenabschnitten zu extrahieren. Um Energie der Primärvibration einzufangen, ist es erforderlich, durch Verringern von ω′₀ eine Grenzbe dingung, wo K und K′ entsprechend reale und imaginäre Zahlen sind, zu erzeugen. Als ein Mittel zum Realisieren einer der artigen Grenzbedingung wird eine Struktur, wie sie in der Fig. 4A gezeigt ist, eingesetzt.

Anhand der Überlegung ist unter Bezugnahme auf die Fig. 4A, 4B, 5A, 5B und 5C zu sehen, daß die primäre Resonanz und ihre Harmonischen verschiedene Energieeinfangarten haben, und daß, wenn eine der verschiedenen Energieeinfangarten ausgeführt wird, die Vibrationswelle, die für die andere Energieeinfangart erforderlich ist, nach außerhalb der Elek troden entweicht und ihre Vibration oder Schwingung unter drückt werden kann. Folglich wird es durch Betreiben des piezoelektrischen Elements 10 im Dickenausdehnungs-Vibra tionsmodus und Einsetzen der Elektrodenanordnung, die in der Fig. 5A gezeigt ist, möglich, die Harmonischen in dem Elek trodenabschnitt einzufangen und die Vibration der primären Resonanz zu unterdrücken, die zu den Nichtelektrodenab schnitten hin entweicht. Das heißt, daß die Elektrodenanord nung, die in der Fig. 2 gezeigt ist, auf der Elektrodenan ordnung basiert, die in der Fig. 5A gezeigt ist.

Die Fig. 6 sind Graphen der Resonanzcharakteristika der primären Resonanz, dritten harmonischen Welle und fünften harmonischen Welle des piezoelektrischen Vibrators, der aus einem 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall gebildet ist. Wie vorher beschrieben wurde, ist das piezoelektrische Element 10 aus einem 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall ausgebildet. In der Fig. 6 bezeichnen die horizontalen Achsen die Frequenz, und die vertikalen Achsen bezeichnen die Größe der Dämpfung. Der un tere Abschnitt der vertikalen Achsen gibt eine höhere Größe der Dämpfung an. Die charakteristischen Kurven, die nach oben gerichtete Spitzen haben, bezeichnen Frequenzcharakte ristika, und die charakteristischen Kurven, die nach unten gerichtete Spitzen haben, bezeichnen Phasencharakteristika. Die Spitze P1 der Frequenzcharakteristik der primären Reso nanz ist viel kleiner als die jeweiligen Spitzen P3 und P5 der dritten harmonischen und fünften harmonischen Wellen oder Schwingungen (gedämpft). Dies liegt daran, daß die har monischen Wellen in den Elektrodenteilen eingefangen sind, während die Vibration der primären Resonanz zu den Nicht elektrodenabschnitten entweicht, und somit unterdrückt sind. Die Spitze PS der fünften Harmonischen oder Oberwelle hat eine große Anregung, wie die dritte Harmonische. Jedoch kann die Oszillation der dritten Harmonischen ohne jegliche spe zielle Schaltung erreicht werden, wie eine Abstimmschaltung, unter der Bedingung, unter der die Verstärkung einer Oszil lationsschaltung, die bei einer relativ hohen Frequenz er halten wird, niedriger ist als jene, die bei einer relativ niedrigen Frequenz erhalten wird.

Nun wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7 eine Beschrei bung des Resonanzwiderstandes und des Q-Wertes hinsichtlich des Verhältnisses der Größe der Steuerelektroden 11 und 12, die in der Fig. 2 gezeigt sind, zur Dicke des piezoelektri schen Elements 10 (36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall) angegeben. Die Fig. 7 zeigt die obigen Beziehungen. Genauer bezeichnet die Horizontalachse des Graphen der Fig. 7 das Verhältnis l/H, wobei l die Länge der Steuerelektroden 11 und 12 und H die Dicke des piezoelektrischen Elements 10 sind. Die in Be tracht gezogenen Elektroden 11 und 12 haben dieselbe Breite l_w wie die Länge l_L jeder der Elektroden 11 und 12 (das heißt, l = l_w = l_L). Die vertikale Achse auf der linken Sei te der Fig. 7 bezeichnet den Resonanzwiderstand Rs, und zwei vertikale Achsen, die auf der rechten Seite davon gezeigt sind, bezeichnen den Q-Wert bzw. das Kapazitätsverhältnis r. Das Kapazitätsverhältnis r gibt das Verhältnis der Kapazitä ten an, die in der Äquivalentschaltung oder dem Ersatz schaltbild des piezoelektrischen Vibrators parallelgeschal tet sind. Der Wert des Verhältnisses i/H ist so ausgewählt, daß die gewünschten Werte des Q-Wertes und des Kapazitäts verhältnisses r erhalten werden können. Es ist anhand der Fig. 7 zu erkennen, daß, wenn das Verhältnis r/H gleich oder größer als 2 ist, der Resonanzwiderstand Rs der dritten Har monischen oder Oberwelle viel kleiner als jener der primären Welle ist, und der Q-Wert und das Kapazitätsverhältnis r Werte angeben, die die in der Praxis erforderlichen Bedin gungen erfüllen.

Es wird nun eine Beschreibung der Relation zwischen der freien Schwingungslänge und dem Resonanzwiderstand des pie zoelektrischen Elements 10 angegeben.

Die Fig. 8 ist eine Vorderansicht des piezoelektrischen Elements 10 in Richtung eines Pfeils A betrachtet, der in der Fig. 2 gezeigt ist. Um die Figur zu vereinfachen, sind die Elektroden 11 und 12 in der Fig. 8 weggelassen. Das pie zoelektrische Element 10 ist montiert auf und angebracht an einer Platte, einem Substrat oder ähnlichem mittels elek trisch leitender adhäsiver Schichten 15 und 16, die zum Bei spiel aus Ag-Paste bestehen. Die elektrisch leitenden adhä siven Schichten 15 und 16 sind in Kontakt mit den Elektroden 11 bzw. 12, die in der Fig. 2 gezeigt sind. Die adhäsiven Schichten 15 und 16 haben Befestigungsabschnitte 15a bzw. 16a. Die Befestigungs- oder Halteabschnitte 15a und 16a sind in Kontakt mit dem Substrat, so daß das piezoelektrische Element 10 über dem Substrat gehalten wird. Die derart aus gebildeten Befestigungsabschnitte 15a und 16a erzeugen eine Relation zwischen dem Resonanzwiderstand Rs und einer Länge L_F (freie Schwingungs- oder Vibrationslänge) des piezoelek trischen Elements 10, innerhalb der es frei schwingen kann, wie in der Fig. 9 gezeigt ist.

In der Fig. 9 bezeichnet die horizontale Achse das Ver hältnis L_F/H, und die vertikale Achse bezeichnet den Reso nanzwiderstand. Das piezoelektrische Element 10 ist aus ei nem 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall gebildet. Wenn das Ver hältnis L_F/H gleich oder größer als wenigstens 3,5 ist, ist der Resonanzwiderstand Rs der dritten Harmonischen ausrei chend klein. Der Resonanzwiderstand Rs der dabei erhaltenen primären Resonanz ist außerordentlich groß. Es ist zu beach ten, daß aufgrund einer Praxisbedingung der Messung, die Fig. 9 den Resonanzwiderstand Rs, der erhalten wird, wenn das Verhältnis L_F/H kleiner als 3,5 ist, nicht zeigt. Jedoch kann anhand der Fig. 9 erkannt werden, daß der Resonanzwi derstand Rs der dritten Harmonischen oder Oberschwingung ei nen kleinen Wert haben wird, der kein praktisches Problem verursacht, selbst wenn das Verhältnis L_F/H kleiner als 3,5 ist, wie zum Beispiel L_F/H = 2.

Der Fig. 9 ist ferner zu entnehmen, daß der Resonanzwi derstand Rs der Primärresonanz sehr groß ist innerhalb des Bereichs der freien Vibrationslänge L_F/H von 3,5 bis 4. Folglich ist es innerhalb des obigen Bereichs möglich, die primäre Resonanz, die eine unerwünschte Schwingung ist, stark zu unterdrücken.

Nun wird eine Beschreibung der Relation zwischen Stö rungen und dem Abstand zwischen einem Ende des piezoelektri schen Elements und einem Ende der Elektrode, das in dessen Breitenrichtung angeordnet ist, angegeben.

Die Fig. 10A, 11A und 12A sind Draufsichten von piezo elektrischen Elementen, die bei der Messung verwendet wur den. Genauer weist das piezoelektrische Element, das in der Fig. 10A gezeigt ist, Steuerelektroden auf, die auf einer diagonalen Linie eines quadratischen piezoelektrischen Ele ments (36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall) angeordnet sind. Das piezoelektrische Element, das in der Fig. 11A gezeigt ist, hat eine Form, wie wenn zwei entgegengesetzte Ecken des qua dratischen piezoelektrischen Elements, das in der Fig. 10A gezeigt ist, abgeschliffen sind. Das piezoelektrische Ele ment, das in der Fig. 12A gezeigt ist, hat eine Form, wie wenn zwei entgegengesetzte Ecken des piezoelektrischen Ele ments, das in der Fig. 11A gezeigt ist, abgeschliffen sind.

Die Fig. 10B, 11B und 12B sind Graphen der Frequenz- und Phasencharakteristika der piezoelektrischen Elemente, die in den Fig. 10A, 11A bzw. 12A gezeigt sind. In den Fig. 10B, 11B und 12B bezeichnen die horizontalen Achsen die Fre quenz, und die vertikalen Achsen bezeichnen die Größe der Dämpfung. Wie in der Fig. 10B gezeigt ist, gibt es, wenn die Abstände zwischen den entgegengesetzten Enden des piezoelek trischen Elements und den Enden der Elektrode in Breiten richtung gleich 1,5H (wobei H die Dicke des piezoelektri schen Elements ist) sind, keine Störung, und ausgezeichnete Frequenz- und Phasencharakteristika können erhalten werden.

Das piezoelektrische Element, das in der Fig. 11A ge zeigt ist, hat Abstände 0,7H und 0,9H. Die Frequenz- und Phasencharakteristika, die in der Fig. 11B gezeigt sind, ha ben kleine Störungsabschnitte Sp, die durch Kreise eingefaßt sind. Das piezoelektrische Element, das in der Fig. 12A ge zeigt ist, hat Abstände 0,4H und 0,9H. Wie in der Fig. 12B gezeigt ist, können relativ große Störungsabschnitte beob achtet werden. Folglich ist es möglich, eine wenig gestörte Resonanz des 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristalls zu erhalten, wenn die Abstände zwischen den Enden davon und den Enden der Steuerelektroden in der Breitenrichtung gleich oder größer als 0,4H sind.

In dem Experiment bezüglich der Fig. 10A, 10B, 11A, 11B, 12A und 12B sind die Steuerelektroden jeweils auf der diagonalen Linie auf jeder der entgegengesetzten Oberflächen des piezoelektrischen Elements angeordnet. Jedoch trifft die obige Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die Fig. 10A, 10B, 11A, 11B, 12A und 12B angegeben wurde, auch für die Struktur zu, die in der Fig. 2 gezeigt ist.

Die Fig. 13 zeigt die Relation zwischen dem Verhältnis W/H und dem Resonanzwiderstand Rs eines piezoelektrischen Elements, bei dem die Breite l der Steuerelektroden das Dop pelte der Dicke des piezoelektrischen Elements (das heißt, l = 2H) ist. Wenn die Breite W des piezoelektrischen Ele ments gleich oder größer als 3,5H ist, ist der Resonanzwi derstand Rs kleiner als ungefähr 80 Ohm, so daß eine Abnahme im Q-Wert aufgrund des Resonanzwiderstandes verhindert wer den kann.

Die verschiedenen Meßergebnisse, die durch Verwendung des 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristalls erhalten wurden, wurden beschrieben. Jedoch haben andere piezoelektrische Materiali en Charakteristiken ähnlich jenen des 36° Y-Schnitt LiNbO₃- Kristalls. Es ist leicht, optimale Parameterwerte eines an deren piezoelektrischen Materials in derselben Weise, wie oben beschrieben wurde, auszuwählen.

Anhand des obigen ist zu erkennen, daß der einfach her stellbare, wenig kostende piezoelektrische Vibrator des Oberwellentyps ohne jegliche Abstimm- oder Anpassungsschal tung erhalten werden kann.

Nun wird eine Beschreibung einer piezoelektrischen Vi bratorvorrichtung angegeben, die den piezoelektrischen Vi brator verwendet, der in der Fig. 2 gezeigt ist (anschlie ßend als ein piezoelektrischer Vibrator 20 bezeichnet).

Die Fig. 14 ist eine teilweise aufgeschnittene perspek tivische Ansicht einer ersten Struktur der piezoelektrischen Vibratorvorrichtung, die den piezoelektrischen Vibrator 20 hat. Die piezoelektrische Schwingungsvorrichtung, die in der Fig. 14 gezeigt ist, ist eine Chip-Vorrichtung. Der piezo elektrische Vibrator 20, der die Struktur hat, die in der Fig. 2 gezeigt ist, ist auf einer Keramiksubstanz 21 mon tiert, die zum Beispiel aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht, und ist durch die elektrisch leitenden adhäsiven Schichten 15 und 16 mit einem Schaltungs- oder Verdrahtungsmuster ver bunden, das auf der Substanz 21 ausgebildet ist. Eine Kappe 23 ist vorgesehen, um den piezoelektrischen Vibrator 20 her metisch abzudichten. Die Kappe 23 ist an der Substanz 21 mittels einer isolierenden adhäsiven Schicht 22 fixiert, die zum Beispiel ein Epoxydkleber ist. Ein feuerfestes Glas kann verwendet werden, um die adhäsive Schicht 22 zu bilden. Die Kappe 23 ist zum Beispiel aus Aluminiumoxid oder hitzebe ständigem Kunststoff gebildet.

Die Fig. 15A, 15B und 15C zeigen Einzelheiten der Struktur, die in der Fig. 14 gezeigt ist. Genauer sind die Fig. 15a, 15B und 15C jeweils Drauf-, Seiten- und Unteran sichten der piezoelektrischen Vibratorvorrichtung, wobei die Kappe 23 weggelassen ist. Die Fig. 16 ist eine Äquivalent schaltung oder eine Ersatzschaltbild der piezoelektrischen Vibratorvorrichtung, die in den Fig. 14, 15A und 15C gezeigt ist.

Wie in den Fig. 15A und 15B gezeigt ist, ist ein Muster aus Verdrahtungs- oder Schaltmusterabschnitten 24 und 25 (elektrisch leitfähige Oberseitenschichten) auf der oberen Oberfläche des Substrats 21 ausgebildet. Die Schaltungsmu sterabschnitte 24 und 25 sind dicke Filme, die aus elek trisch leitfähigem Material bestehen, wie Ag-Pd oder Ag-Pt. Der piezoelektrische Vibrator 20 ist auf den Verdrahtungsab schnitten 24 und 25 angeordnet und daran mittels der elek trisch leitenden adhäsiven Schichten 15 und 16 angebracht, so daß der Vibrator 20 von dem Substrat 21 mit einem Spalt gehalten wird, und ist mit den Steuerelektroden 11 und 12 (die Elektrode 12 erscheint nicht) durch die Leitungs- oder Anschlußelektroden 13 und 14 (die Leitung 14 erscheint nicht) elektrisch verbunden. Die Leitungselektrode 14, die mit der Steuerelektrode 12 verbunden ist, die auf der unte ren Oberfläche des piezoelektrischen Elements 10 ausgebildet ist, verläuft auf der oberen Oberfläche davon und ist mit einer oberen Leitungselektrode 14a und der elektrisch lei tenden adhäsiven Schicht 15 verbunden.

Halbe Durchgangslöcher 26 und 27, die mit elektrisch leitenden Schichten beschichtet sind, sind an zwei entgegen gesetzten Seitenabschnitten des Substrats 21 ausgebildet. Ein Muster aus Verdrahtungs- oder Schaltungsmusterabschnit ten 30 und 31 (elektrisch leitende Unterseitenschichten) ist an der unteren Oberfläche des Substrats 21 ausgebildet. Die Schaltungsmusterabschnitte 30 und 31 sind zum Beispiel elek trisch leitende dicke Filme und sind mit den Schaltungsmu sterabschnitten 24 und 25 durch die Durchgangslöcher 26 und 27 elektrisch verbunden. Weitere Durchgangslöcher 28 und 29 sind an anderen zwei entgegengesetzten Seitenabschnitten des Substrats 21 ausgebildet. Diese Durchgangslöcher 28 und 29 haben keine besondere Funktion in der in Betracht gezogenen Ausführung und können weggelassen werden. Jedoch ist zu be achten, daß es die Verwendung der Durchgangslöcher 28 und 29 ermöglicht, das Substrat gleichermaßen für verschiedene Ar ten von Vorrichtungen zu verwenden.

Die Fig. 16 ist ein Äquivalentschaltplan oder ein Er satzschaltbild der piezoelektrischen Vibratorvorrichtung, die in den Fig. 14 und 15A-15C gezeigt ist. Die Schal tungsmusterabschnitte 30 und 31, die auf der unteren Ober seite des Substrats 21 ausgebildet sind, fungieren als An schlüsse oder Elektroden für externe Verbindungen.

Die Fig. 17A, 17B und 17C zeigen eine zweite Struktur der piezoelektrischen Vibratorvorrichtung, die mit dem pie zoelektrischen Vibrator 20 ausgestattet ist. Genauer sind die Fig. 17A, 17B und 17C Drauf-, Seiten- und Untersichten der piezoelektrischen Vibratorvorrichtung, wobei eine Kappe weggelassen wurde. In diesen Figuren haben Teile, die die selben wie jene sind, die in den vorher beschriebenen Figuren gezeigt sind, dieselben Bezugszeichen erhalten. Die pie zoelektrische Vibratorvorrichtung, die in den Fig. 17A, 17B und 17C gezeigt ist, ist dadurch gekennzeichnet, wie in der Fig. 18 gezeigt ist, die ein Ersatzschaltbild davon ist, daß Kapazitäten (Lastkapazitäten) C1 und C2, die mit dem piezo elektrischen Vibrator 20 verbunden sind, in die Vorrichtung eingebaut sind.

Ein Verdrahtungs- oder Schaltungsmuster 43, das aus ei nem elektrisch leitenden dicken Film gebildet ist, ist auf dem zentralen Abschnitt der oberen Oberfläche des Substrats 21 vorgesehen. Das Schaltungsmuster 43 ist mit einem Schal tungsmuster 45 (Unterseitenleiter) elektrisch verbunden, das an dem zentralen Unterseitenabschnitt des Substrats 21 aus gebildet ist, mittels Durchgangslöchern, die jeweils mit Leitern 48 und 49 beschichtet sind. Das Schaltungsmuster 45 fungiert als ein Externverbindungsanschluß, der ein Refe renzpotential, wie ein Erdpotential, erhält. Ein dielektri scher dicker Film 40 ist auf dem Schaltungsmuster 43 und dem Oberseitenabschnitt des Substrats 21 ausgebildet. Der die lektrische dicke Film 40 ist zum Beispiel aus einer ferro elektrischen Substanz, wie TiBaO₃, PZT oder BTO, gebildet. Verdrahtungsleitungen oder -linien 46 und 47, die aus elek trisch leitenden dicken Filmen gebildet sind, sind auf dem Oberseitenabschnitt des dielektrischen dicken Films 40 aus gebildet. Die Schaltungsmusterabschnitte 46 und 47 sind je weils mit den Schaltungsmusterabschnitten 24 und 25 verbun den, die auf dem Substrat 21 ausgebildet sind. Folglich sind die Schaltungsmusterabschnitte 46 und 47, die auf dem die lektrischen dicken Film 40 ausgebildet sind, jeweils mit den Schaltungsmusterabschnitten 30 und 31 verbunden, die an der unteren Oberfläche des Substrats 21 ausgebildet sind.

Die Leitungselektroden 13 und 14a des piezoelektrischen Elements 20 sind jeweils mit den Leitungsmusterabschnitten 46 und 47 mittels elektrisch leitender adhäsiver Schichten 41 und 42 verbunden und werden über dem dielektrischen dic ken Film 40 mit einem Spalt gehalten oder abgestützt. Der Kondensator C1, der in der Fig. 18 gezeigt ist, ist durch den dielektrischen dicken Film 40 und die Schaltungsmuster abschnitte 43 und 46 gebildet, und der Kondensator C2 ist durch den dielektrischen dicken Film 40 und die Schaltungs musterabschnitte 43 und 47 gebildet. Eine Kappe ähnlich oder identisch der Kappe 23, die in der Fig. 14 gezeigt ist, ist an der oberen Oberfläche des Substrats 21 mittels eines iso lierenden Klebers angebracht.

Die zweite Struktur der piezoelektrischen Vibratorvor richtung ist eine kompakte Hochoszillationsfrequenz-Chip- Vorrichtung, die eingebaute Lastkondensatoren C1 und C2 hat.

Nun wird eine Beschreibung unter Bezugnahme auf die Fig. 19A, 19B und 19C einer dritten Struktur der piezoelek trischen Vibratorvorrichtung angegeben, die mit dem piezo elektrischen Vibrator 20 ausgestattet ist. Genauer sind die Fig. 19A, 19B und 19C jeweils Drauf-, Seiten- und Untersich ten der piezoelektrischen Vibratorvorrichtung, wobei eine Kappe weggelassen wurde. In diesen Figuren haben Teile, die dieselben wie jene sind, die in den vorher beschriebenen Figuren gezeigt sind, dieselben Bezugszeichen erhalten. Die piezoelektrische Vibratorvorrichtung, die in den Fig. 19A, 19B und 19C gezeigt ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ersatzschaltungskonfiguration, die in der Fig. 18 gezeigt ist, durch eine unterschiedliche Struktur gegenüber der Vor richtung, die in den Fig. 17A bis 17C gezeigt ist, reali siert ist.

Ein Substrat 51 besteht aus einer ferromagnetischen Substanz wie TiBaO₃, PZT oder BTO. Die Schaltungsmusterab schnitte 24 und 25 sind auf der oberen Oberfläche des Substrats 51 ausgebildet, und die Schaltungsmusterabschnitte 52 und 53, die jeweils damit verbunden sind, sind darauf ausgebildet. Die Schaltungs- oder Verdrahtungsmusterab schnitte 52 und 53 sind zum Beispiel elektrisch leitende dicke Filme, die aus Ag-Pd oder Ag-Pt bestehen. Das Vibra torelement 20 ist mit den Schaltungsmusterabschnitten 52 und 53 durch die elektrisch leitenden adhäsiven Schichten 15 und 16 verbunden, und ist über die ferroelektrische Substanz an dem Substrat 51 mit einem Spalt abgestützt. Der Kondensator C1, der in der Fig. 18 gezeigt ist, ist durch das Substrat 51 und die Schaltungsmusterabschnitte 45 und 52 realisiert, und der Kondensator C2 ist durch das Substrat 51 und die Schaltungsmusterabschnitte 45 und 53 gebildet.

Die in den Fig. 19A, 19B und 19C gezeigte Struktur ist dünner als jene, die in den Fig. 17A, 17b und 17C gezeigt ist.

Nun wird eine Beschreibung unter Bezugnahme auf die Fig. 20 und 21 von einer vierten Struktur der piezoelektri schen Vibratorvorrichtung angegeben, die mit dem piezoelek trischen Vibrator 20 ausgestattet ist. Die vierte Struktur hat eine sogenannte Chip-Trägerstruktur ohne Anschlußstifte und weist die Ersatzschaltung auf, die in der Fig. 16 ge zeigt ist. Ein Chip-Träger 61, der aus Harz oder Keramiken besteht, hat einen gestuften Ausnehmungsabschnitt, in dem der piezoelektrische Vibrator 20 vorgesehen ist. Die schrittweise Ausnehmung hat einen schrittweisen Abschnitt, in dem eine Lücke 61a zwischen der Bodenfläche des Trägers 61 und der Bodenfläche des piezoelektrischen Vibrators 20 ausgebildet ist, wenn er in Position angeordnet ist. Ver drahtungsleitungen 64 und 65, die durch Plattieren oder ei nen Dickfilmprozeß ausgebildet wurden, verlaufen von einem Innenabschnitt des Chip-Trägers 61 zur unteren Oberfläche davon längs der Seitenoberfläche davon. Ein Abschnitt des Schaltungsmusterabschnittes 64, der innerhalb des Chip- Trägers 61 angeordnet ist, ist durch eine elektrisch leiten de adhäsive Schicht 66 mit einer der Anschluß- oder Lei tungselektroden an dem piezoelektrischen Vibrator 20 verbun den. Ein Abschnitt des Schaltungsmusterabschnittes 65, der innerhalb des Chip-Trägers 61 angeordnet ist, ist durch eine elektrisch leitende adhäsive Schicht 67 mit der anderen An schlußelektrode an dem piezoelektrischen Vibrator 20 verbun den. Die Abschnitte der Schaltungsmusterabschnitte 64 und 65, die an der unteren Oberfläche des Chip-Trägers 61 ange ordnet sind, fungieren als Anschlüsse für externe Verbindun gen. Eine plattenförmige Kappe 62 ist an der Oberseite des Chip-Trägers 61 durch eine adhäsive Isolationsschicht 63 be festigt.

Nun wird unter Bezugnahme auf die Fig. 22 und 23 eine Beschreibung einer fünften Struktur der piezoelektrischen Vibratorvorrichtung angegeben, die mit dem piezoelektrischen Vibrator 20 ausgerüstet ist. Die fünfte Struktur basiert auf der oben angegeben vierten Struktur und realisiert die Äqui valent- oder Ersatzschaltung, die in der Fig. 18 gezeigt ist. In den Fig. 22 und 23 haben Teile, die dieselben wie jene sind, die in den vorher beschriebenen Figuren gezeigt sind, dieselben Bezugszeichen erhalten.

Eine Kappe 71, die aus einer ferroelektrischen Sub stanz, wie TiBaO₃, PZT oder BTO, gebildet ist, ist auf dem Chip-Träger 61 vorgesehen ist, der aus einer dielektrischen Substanz besteht. Ein Schaltungsmuster (Elektrode) 72, das aus einem elektrisch leitenden dicken Film gebildet ist, ist an der oberen Oberfläche der Kappe 71 vorgesehen, und Schal tungsmusterabschnitte 76 und 77, die aus elektrisch leiten den dicken Filmen gebildet sind, sind an der unteren Ober fläche der Kappe 71 vorgesehen. Ein Schaltungsmusterab schnitt 74, der aus einem elektrisch leitenden dicken Film gebildet ist, ist an der unteren Oberfläche des Chip-Trägers 61 vorgesehen und mit dem Schaltungsmusterabschnitt 72 mit tels eines zur Verbindung verwendeten leitenden Musters 75 verbunden, das an einer Außenseitenoberfläche des Chip- Trägers 61 ausgebildet ist. Der Verdrahtungs- oder Schal tungsmusterabschnitt 76 ist mit dem Schaltungsmusterab schnitt 64 verbunden, und der Schaltungsmusterabschnitt 77 ist mit dem Schaltungsmusterabschnitt 65 verbunden.

Der Kondensator C1, der in der Fig. 18 gezeigt ist, ist durch die Kappe 71 aus ferroelektrischer Substanz und die Schaltungsmusterabschnitte 72 und 76 gebildet, und der Kon densator C2 ist durch die Kappe 71 und die Schaltungsmuster abschnitte 72 und 77 gebildet. Der Chip-Träger 61 besteht aus einer dielektrischen Substanz, so daß ein Kondensator, der aus dem Chip-Träger 61 und den Schaltungsmusterabschnit ten 64 und 74 aufgebaut ist, und ein weiterer Kondensator, der aus dem Chip-Träger 61 und den Musterabschnitten 65 und 74 aufgebaut ist, gebildet werden.

Nun wird eine Beschreibung unter Bezugnahme auf die Fig. 24 von einer sechsten Struktur der piezoelektrischen Vibratorvorrichtung angegeben, die mit dem piezoelektrischen Vibrator 20 ausgestattet ist. Die ersten bis fünften Struk turen oder Bauformen der piezoelektrischen Vibratorvorrich tungen sind von der Oberflächenmontageart, bei der externe Anschlüsse an dem Bodenseitenabschnitt der Vorrichtungen vorgesehen sind. Die in der Fig. 24 gezeigte sechste Struk tur verwendet den piezoelektrischen Vibrator 20 als eine Einsatzkomponente. Genauer hat die Vorrichtung, die in der Fig. 24 gezeigt ist, eine einzelne Reihenpackungs- oder -baueinheitenstruktur.

Wie in der Fig. 24 gezeigt ist, enthält eine Kappe 81 mit einer Lastkapazität ein Substrat 82, das aus Aluminium oxid oder ähnlichem besteht, kammartige Interdigitalelektro den 83 und zwei Lagen von ferroelektrischen Filmen 84, die aus TiBaO₃, PZT oder BTO gebildet sein können. Die Interdi gitalelektroden 83 sind an der unteren Oberflächenseite des Substrats 82 angeordnet, und die ferroelektrischen Filme 84 sind an den unteren Seiten der Interdigitalelektroden 83 an geordnet. Der piezoelektrische Vibrator 20 wird an den unte ren Oberflächen des Films 84 davon beabstandet mittels elek trisch leitender adhäsiver Schichten 86, wie Ag-Paste, ge halten.

Drei Leitungen oder Anschlüsse 87 gehen durch Löcher hindurch, die in einem geformten Gehäuse 89 ausgebildet sind und verlaufen nach außerhalb davon. Die freiliegenden äuße ren Abschnitte der Leitungen 87 sind plattiert mit Zinn, so daß zinnplattierte Abschnitte 88 gebildet sind. Die inneren Abschnitte der Leitungen 87 sind breiter als die äußeren Ab schnitte und fungieren zum Halten des piezoelektrischen Vi brators 20.

Die Fig. 25 zeigt eine IC-Karte 90, die eine Schal tungsvorrichtung ist, die mit der oben angegebenen piezo elektrischen Vibratorvorrichtung ausgestattet ist. Die IC- Karte ist durch den PCMCIA- (Personal Computer Memory Card International Association) Standard oder ähnliches bestimmt. Im allgemeinen hat die IC-Karte ein Gehäuse, das aus Harz oder ähnlichem besteht, in dem eine Schaltungsplatte, mon tierte Komponenten und eine integrierte Schaltung zusammen gefügt sind, und hat Abmessungen von zum Beispiel 55 mm (Breite) × 88 mm (Länge) × 5 mm (Dicke). Die IC-Karte wird in eine Elektronikvorrichtung eingesetzt und in diesem Zu stand verwendet. Eine Speicherkarte ist ebenfalls als eine Karte ähnlich der IC-Karte bekannt.

Die IC-Karte 90, die in der Fig. 25 gezeigt ist, ent hält ein Gehäuse 92, das zum Beispiel aus Harz besteht, in dem eine Schaltungsplatte 91, eine piezoelektrische Vibra torvorrichtung 100 nach der vorliegenden Erfindung und elek tronische Komponenten, wie ein Mikrocomputer und ein Spei cher, vorgesehen sind. Ferner ist die IC-Karte 90 mit einer Buchse oder Fassung 94 ausgestattet, die viele Anschlüsse hat und eine Verbindung zu einem Computerhauptkörper her stellt. Die Dicke H der IC-Karte 90 ist gleich oder kleiner als 5 mm. Zum Zwecke der Einfachheit ist ein Schaltungsmu ster, das auf der Schaltungsplatte 91 ausgebildet ist, weg gelassen. Die piezoelektrische Vibratorvorrichtung 100 wird verwendet, um ein Taktsignal zu erzeugen, das die Operation des Mikrocomputers 93 bestimmt.

Die Schaltungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die IC-Karte beschränkt, sondern enthält wei tere Arten einer Schaltungsvorrichtung, wie eine normale Schaltungsplatte.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die speziell beschriebenen Ausführungen beschränkt, und Variationen und Modifikationen können durchgeführt werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Piezoelektrischer Vibrator, enthaltend:
ein piezoelektrisches Element mit einem elektromechani schen Kopplungskoeffizienten eines Dickenausdehnungs-Vibra tionsmodus größer jenem eines Dickenscherungs-Vibrationsmo dus, und
ein Paar von Elektroden, die auf Oberflächen des piezo elektrischen Elements angeordnet sind, so daß Harmonischen- Energie der Dickenausdehnungsschwingung des piezoelektri schen Elements eingefangen wird.

2. Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß:
das piezoelektrische Element einen 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall enthält, und
jede des Paars von Elektroden eine Länge und Breite gleich oder größer als 2H hat, wobei H eine Dicke des piezo elektrischen Elements bezeichnet.

3. Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß:
das piezoelektrische Element einen 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall enthält, und
das piezoelektrische Element eine freie Vibrationslänge gleich oder größer als 3,5H hat, wobei H eine Dicke des pie zoelektrischen Elements bezeichnet.

4. piezoelektrischer Vibrator nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß:
das piezoelektrische Element einen 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall enthält, und
jede des Paars von Elektroden einen Abstand zwischen einem Ende des piezoelektrischen Elements und einem Ende ei ner der Elektroden hat, welcher Abstand gleich oder größer als 0,4H ist, wobei H eine Dicke des piezoelektrischen Ele ments bezeichnet.

5. Piezoelektrischer Vibrator nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar von Elektroden auf entgegengesetzten zentralen Oberflächenab schnitten des piezoelektrischen Elements angeordnet sind.

6. Piezoelektrischer Vibrator nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Harmoni schen-Energie die Energie der dritten Harmonischen ist.

7. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung, enthaltend:
ein Substrat, auf dem Elektroden für externe Anschlüsse vorgesehen sind, und
einen piezoelektrischen Vibrator, der auf dem Substrat angeordnet ist,
welcher piezoelektrische Vibrator enthält:
ein piezoelektrisches Element mit einem elektromechani schen Kopplungskoeffizienten eines Dickenausdehnungs-Vibra tionsmodus größer jenem eines Dickenscherungs-Vibrationsmo dus, und
ein Paar von Elektroden, die auf Oberflächen des piezo elektrischen Elements angeordnet sind, so daß Harmonischen- Energie der Dickenausdehnungsschwingung des piezoelektri schen Elements eingefangen wird,
welches Paar von Elektroden entsprechend mit den Elek troden verbunden ist, die auf dem Substrat ausgebildet sind.

8. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß:
das Substrat ein Verdrahtungsmuster aufweist, das mit den Elektroden für externe Anschlüsse verbunden ist, und das Paar von Elektroden des piezoelektrischen Elements über den Verdrahtungsmustern durch ein elektrisch leitendes Adhäsionsmittel gehalten wird.

9. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß:
die piezoelektrische Vibratorvorrichtung ferner Konden satoren enthält, die auf dem Substrat ausgebildet sind, und das Paar von Elektroden mit den Elektroden für externe Anschlüsse durch die Kondensatoren gekoppelt sind.

10. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren einen di elektrischen Film enthalten, der auf dem Substrat ausgebil det ist.

11. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein dielektrisches Substrat enthält, wobei das Paar von Elektroden elektrisch mit den Elektroden für externe An schlüsse durch das dielektrische Substrat gekoppelt sind.

12. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden für externe Anschlüsse auf einer Oberfläche des Substrats entgegengesetzt zu einer anderen Oberfläche davon vorgesehen sind, auf der der piezoelektrische Vibrator vor gesehen ist.

13. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden für externe Anschlüsse an Seitenflächen des Substrats vorgesehen sind.

14. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13′ dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat einen Ausnehmungsabschnitt enthält, in welchem der piezoelektrische Vibrator vorgesehen ist.

15. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Kappe enthalten ist, die den piezoelektrischen Vibrator abdeckt.

16. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Kappe enthalten ist, die den piezoelektrischen Vibrator abdeckt und aus einer dielektrischen Substanz besteht, wobei das Paar von Elektroden mit einem Teil der Elek troden für externe Anschlüsse über die Kappe gekoppelt ist.

17. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdrahtungsmuster kam martige Interdigitalelektroden enthält.

18. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden für externe Anschlüsse eine Mehrzahl von Leitungen enthalten.

19. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen in einer Linie angeordnet sind.

20. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine geformte Baueinheit enthalten ist, die das Substrat hält.

21. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das pie zoelektrischen Element einen 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall enthält.

22. Piezoelektrische Vibratorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Har monischen-Energie die Energie der dritten Harmonischen ist.

23. Schaltungsvorrichtung, enthaltend:
eine Schaltungsplatte mit einem Verdrahtungsmuster,
eine Schaltungskomponente, die auf der Schaltungsplatte angeordnet und mit dem Verdrahtungsmuster verbunden ist,
eine piezoelektrische Vibratorvorrichtung, die auf der Schaltungsplatte angeordnet und mit dem Verdrahtungsmuster verbunden ist, und
externe Anschlüsse, die mit dem Verdrahtungsmuster ver bunden sind,
welche piezoelektrische Vibratorvorrichtung enthält:
ein Substrat, auf dem Elektroden für externe Anschlüsse vorgesehen sind, und
einen piezoelektrischen Vibrator, der auf dem Substrat angeordnet ist,
welcher piezoelektrische Vibrator enthält:
ein piezoelektrisches Element mit einem elektromechani schen Kopplungskoeffizienten eines Dickenausdehnungs-Vibra tionsmodus größer jenem eines Dickenscherungs-Vibrationsmo dus, und
ein Paar von Elektroden, die auf Oberflächen des piezo elektrischen Elements angeordnet sind, so daß Harmonischen- Energie der Dickenausdehnungsschwingung des piezoelektri schen Elements eingefangen wird,
welches Paar von Elektroden entsprechend mit den Elek troden verbunden ist, die auf dem Substrat ausgebildet sind.

24. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Gehäuse enthalten ist, das die Schaltungsvorrichtung abdeckt.

25. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrischen Element einen 36° Y-Schnitt LiNbO₃-Kristall enthält.

26. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 23, 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Harmonischen-Energie die Energie der dritten Harmonischen ist.