DE19816488C2 - Energiesperrender piezoelektrischer Resonator - Google Patents
Energiesperrender piezoelektrischer ResonatorInfo
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Description
Diese Erfindung betrifft in Dickenrichtung schwingende energiesperrende (energy
trapping) piezoelektrische Resonatoren und insbesondere einen solchen energie
sperrenden piezoelektrischen Resonator, der bei Schwingung eine Dehnung in Dic
kenrichtung erfährt und der in einem piezoelektrischen Filter oder einem piezoelek
trischen Oszillator enthalten ist.
Ein Beispiel eines energiesperrenden piezoelektrischen Resonators, dessen
Schwingungsmodus eine Auslenkungen in Dickenrichtung verursacht, ist in der
geprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7-70941 beschrieben. Die Struk
tur dieses Resonator wird nun bezogen auf Fig. 20 beschrieben. Ein allgemein mit
51 bezeichneter piezoelektrischer Resonator enthält ein in seiner Dickenrichtung
polarisiertes rechtwinkliges piezoelektrisches Substrat 52. Eine Resonanzelektrode
53a ist am Mittelabschnitt auf der oberen Oberfläche des Substrats 52 vorgesehen,
und eine Resonanzelektrode 53b ist im Mittelabschnitt der unteren Oberfläche des
Substrats 52 so angeordnet, daß sie der Resonanzelektrode 53a gegenüberliegt.
Die Resonanzelektroden 53a und 53b sind elektrisch jeweils mit Zuleitungselektro
den 54a und 54b verbunden, die entlang gegenüberliegenden Kanten des Sub
strats 52 vorgesehen sind.
Der oben beschriebene piezoelektrische Resonator 51 hat das folgende Problem.
Die Resonanzelektroden 53a und 53b müssen in den Mittelabschnitten des Sub
strats 52 liegen, um Vibrationsenergie im gegenüberliegenden Bereich (Resonanz
abschnitt) einzusperren, der zwischen den Resonanzelektroden 53a und 53b liegt.
Demgemäß benötigt man ein verhältnismäßig großes piezoelektrisches Substrat
52, damit um den Resonanzabschnitt des Substrats 52 eine ausreichend große
Fläche verbleibt. Dies verhindert eine Verkleinerung des piezoelektrischen Reso
nators 51.
Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2-235422 beschreibt zur
Vermeidung des obigen Nachteils einen energiesperrenden piezoelektrischen Re
sonator, der im Dickendehnungsvibrationsmodus schwingt und keine große Fläche
um den Resonanzabschnitt des piezoelektrischen Substrats braucht. In diesem Re
sonator 61, wie er in Fig. 21 dargestellt ist, ist eine Resonanzelektrode 63a auf der
oberen Oberfläche eines schmalen piezoelektrischen Keramiksubstrats 62 und eine
Resonanzelektrode 63b auf der unteren Oberfläche des Keramiksubstrats 62 an
geordnet. Die Resonanzelektroden 63a und 63b liegen so, daß sie die gesamte
Breite des Substrats 62 bedecken. Außerdem ist ein Resonanzabschnitt in einem
gegenüberliegenden Bereich zwischen den Resonanzelektroden 63a und 63b in
der Mitte des Substrats 62 in Längsrichtung geschaffen. Die Resonanzelektroden
63a und 63b erstrecken sich jeweils zu den Seitenkanten 62a und 62b in Breiten
richtung des Substrats 62.
In dem oben beschriebenen piezoelektrischen Resonator 61, in dem in dem
schmalen piezoelektrischen Substrat 62 eine Vibration in Form einer Auslenkung in
Dickenrichtung angeregt wird, entstehen unerwünschte Vibrationen aufgrund des
Verhältnisses zwischen der Breite W und der Dicke T des Substrats 62. Deshalb
führt die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2-235422 aus, daß un
gewünschte Streukopplungen in einem Bereich zwischen der Resonanzfrequenz
und der Antiresonanzfrequenz durch das Festlegen des Verhältnisses W/T in der
nachfolgenden Weise verringert werden können. Das Verhältnis W/T ist so be
stimmt, daß es bei der Resonanzfrequenz von 16 MHz bei Anregung einer Grund
schwingung annähernd 5,33 beträgt. Andererseits ist W/T bei einer Resonanzfre
quenz von 16 MHz, wenn eine Schwingung dritter Ordnung verwendet wird, auf
2,87 festgelegt.
Bei einer praktischen Realisierung und Prüfung eines Prototyps des piezoelektri
schen Resonators 61 ergaben sich jedoch immer noch unerwünschte Streukopp
lungen, die zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz liegen,
und die demzufolge einen zufriedenstellenden Resonanzfrequenzgang des Filters
verhinderten.
Um die o. e. Schwierigkeiten zu überwinden, ist es Aufgabe der Erfindung einen in
Dickenausdehnungsmodus schwingenden energiesperrenden piezoelektrischen
Resonator zu schaffen, der keinen zusätzlichen großen Substratbereich in der Nä
he des Resonanzabschnitts braucht und der einen guten Resonanzfrequenzgang
zeigt, indem er unerwünschte Streukopplungen in dem Bereich zwischen der Re
sonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz des Resonators wirksam verhindert
oder unterdrückt.
Diese Aufgabe wird durch einen energiesperrenden piezoelektrischen Resonator
gelöst, der eine Schwingung dritter Ordnung bei Vibration in Dickenrichtung erzeugt
und der ein längs der Substratdicke polarisiertes piezoelektrisches Substrat enthält,
bei dem ein Verhältnis W/T der Breite W zur Dicke T des piezoelektrischen Sub
strats 0,88 ± 5%; 1,06 ± 4%; 1,32 ± 5%; 1,80 ± 3%; 2,30 ± 3%; 2,69 ± 3%;
3,16 ± 2% oder 3,64 ± 2% vorliegt, und bei dem eine erste und zweite Elektrode
jeweils auf der oberen und unteren Oberfläche des piezoelektrischen Substrats so
liegen, daß sie dessen gesamte Breite überdecken und einander im mittleren Ab
schnitt des piezoelektrischen Substrats bezogen auf die Längsrichtung des Reso
nators gegenüberliegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung kann sich die erste Elek
trode in dem im vorangehenden Abschnitt beschriebenen piezoelektrischen Reso
nator bis zu einer seitlichen Kante in Breitenrichtung des piezoelektrischen Sub
strats erstrecken, und die zweite Elektrode kann sich bis zur anderen Seitenkante
in Breitenrichtung des piezoelektrischen Substrats erstrecken. Bei einer anderen
bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist die piezoelektrische Konstante
(d31) eines das piezoelektrische Substrat bildenden piezoelektrischen Materials be
vorzugt durch |d31| ≦ 20 × 10-12 C/N gegeben. Das piezoelektrische Material kann
z. B. eine auf Bleizirkonat-Titanat basierende Keramik sein.
Fig. 1 veranschaulicht in Form einer perspektivischen Darstellung einen
energiesperrenden piezoelektrischen Resonator gemäß einer be
vorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines einen Kondensator
integrierenden piezoelektrischen Resonators als ein den piezo
elektrischen Resonator in Fig. 1 verwendendes piezoelektrischen
Resonanzbauteil.
Fig. 3 veranschaulicht einen Impedanz-Frequenzgang und einen Pha
senfrequenzgang, den ein bei einer Resonanzfrequenz von etwa
16 MHz betriebener piezoelektrischer Resonator hat, wenn das
Verhältnis W/T annähernd zu 2,60 festgelegt ist.
Fig. 4 veranschaulicht einen Impedanz-Frequenzgang und einen Phasen-
Frequenzgang, den ein bei einer Resonanzfrequenz von 16 MHz
betriebener piezoelektrischer Resonator hat, wenn das Verhältnis
W/T zu annähernd 2,68 festgelegt ist.
Fig. 5 veranschaulicht einen Impedanz-Frequenzgang und einen Phasen-
Frequenzgang, den ein bei einer Resonanzfrequenz von etwa 16
MHz betriebener piezoelektrischer Resonator hat, wenn dessen
Verhältnis W/T zu annähernd 2,76 festgelegt ist.
Fig. 6 veranschaulicht die Verhältnisse W/T von piezoelektrischen Reso
natoren in Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungsformen
dieser Erfindung.
Fig. 7 veranschaulicht die Einflüsse unterer und oberer Streukopplungen,
wenn das Verhältnis W/T gemäß einer bevorzugten Ausführungs
form dieser Erfindung um 0,88 variiert wird.
Fig. 8 veranschaulicht die Einflüsse unterer und oberer Streukopplungen,
wenn das Verhältnis W/T gemäß einer bevorzugten Ausführungs
form der Erfindung um 1,06 variiert wird.
Fig. 9 veranschaulicht die Einflüsse unterer und oberer Streukopplungen,
wenn das Verhältnis W/T gemäß einer bevorzugten Ausführungs
form der Erfindung um 1,32 variiert wird.
Fig. 10 erläutert die Einflüsse unterer und oberer Streukopplungen, wenn
das Verhältnis W/T übereinstimmend mit einer bevorzugten Aus
führung der Erfindung um 1,80 variiert wird.
Fig. 11 erläutert die Einflüsse unterer und oberer Streukopplung, wenn das
Verhältnis W/T gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Er
findung um 2,30 variiert wird.
Fig. 12 erläutert die Einflüsse unterer und oberer Streukopplungen, wenn
das Verhältnis W/T gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung um 2,69 variiert wird.
Fig. 13 erläutert die Einflüsse unterer und oberer Streukopplungen, wenn
das Verhältnis W/T gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung um 3,16 variiert wird.
Fig. 14 erläutert die Einflüsse unterer und oberer Streukopplungen, wenn
das Verhältnis W/T gemäß einer bevorzugten Ausführung der Er
findung um 3,64 variiert wird.
Fig. 15 ist ein horizontaler Querschnitt eines in Dickenauslenkungsrichtung
schwingenden piezoelektrischen streifenförmigen Resonators der
Erfindung.
Fig. 16 erläutert diagrammartig die Verteilung der Auslenkung in einem
Lateralmodus WE eines piezoelektrischen Körpers, wobei diese
Verteilung durch das Verfahren finiter Elemente analysiert wird.
Fig. 17 veranschaulicht diagrammartig die Impedanz-Frequenzgänge in
Lateralmoden WE, die als Streukopplungen im herkömmlichen in
Dickenrichtung schwingenden piezoelektrischen Resonator auftre
ten.
Fig. 18 veranschaulicht diagrammartig die Impedanz-Frequenzgänge eines
in Dickenausdehnungsrichtung schwingenden piezoelektrischen
Resonators einer ersten Ausführung der Erfindung.
Fig. 19 veranschaulicht diagrammartig die Beziehung zwischen dem Ab
solutwert der piezoeletrischen Konstanten d31 und einer relativen
Bandbreite.
Fig. 20 ist eine perspektivische Teilexplosionsdarstellung, die ein Beispiel
eines herkömmlichen energiesperrenden piezoelektrischen Reso
nators veranschaulicht, der den Dickendehnungsvibrationsmodus
nutzt, und
Fig. 21 ist eine perspektivische Ansicht, die ein weiteres Beispiel eines
herkömmlichen energiesperrenden piezoelektrischen Resonators
veranschaulicht, der den Vibrationsmodus in Dickendehnungsrich
tung nutzt.
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung, die einen energiesperrenden piezo
elektrischen Resonator gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfin
dung veranschaulicht. Ein allgemein mit 1 bezeichneter energiesperrender piezo
elektrischer Resonator enthält bevorzugt ein piezoelektrisches Substrat 2, das, wie
gezeigt, eine im wesentlichen rechteckige Form haben kann. Das Substrat 2 ist be
vorzugt aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial hergestellt, z. B. aus einer
Blei-Titanat-Zirkonat-Keramik und ist in Richtung seiner Dicke T polarisiert. Die pie
zoelektrische Konstante d31 eines piezoeletrischen Keramikmaterials ist durch
|d31| ≦ 20 × 10-12 C/N gegeben. Eine erste Elektrode 3a ist an einem zentralen Teil
der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 2 und eine zweite Elektrode
3b an einem zentralen Teil der unteren Oberfläche des Substrats 2 angebracht. Die
erste und zweite Elektrode 3a und 3b erstrecken sich bis zu beiden Seitenkanten
2a und 2b und bedecken die gesamte Breite des Substrats 2. Genauer erstreckt
sich die erste Elektrode 3a bis zur einen Kante 2a der oberen Oberfläche des Sub
strats 2 und die andere Elektrode 3b bis zur anderen Kante 2b der unteren Oberflä
che des Substrats 2.
Die erste und zweite Elektrode 3a und 3b liegen einander im mittleren Teil in
Längsrichtung der Ober- und Bodenfläche des Substrats 2 gegenüber und definie
ren damit einen Resonanzabschnitt.
Die erste und zweite Elektrode 3a und 3b brauchen mit Ausnahme des gegenüber
liegenden Bereichs zwischen der ersten und zweiten Elektrode 3a und 3b auf der
oberen und unteren Oberfläche des Substrats 2 nicht so angeordnet sein, daß sie
sich über die gesamte Breite des piezoelektrischen Substrats 2 erstrecken. Ein Teil
der Elektroden 3a und 3b der sich vom Resonanzabschnitt bis zu den Kanten 2a
und 2b erstreckt kann schmaler ausgebildet sein als die Breite des Substrats 2.
Der energiesperrende piezoelektrische Resonator 1 dieser bevorzugten Ausführung
nutzt die Schwingung dritter Ordnung des Vibrationsmodus in Dickendehnungs
richtung. Das Verhältnis W/T der Breite W zur Dicke T des piezoelektrischen Sub
strats 2 ist bevorzugt so festgesetzt, daß es 0,88 ± 5%; 1,06 ± 4%; 1,32 ± 5%
1,80 ± 3%; 2,30 ± 3%; 2,69 ± 3%; 3,16 ± 2% oder 3,64 ± 2% beträgt. Mit die
ser Anordnung lassen sich ungewünschte Streukopplungen im Resonanzgang bei
Nutzung der Schwingung dritter Ordnung im Vibrationsmodus in Dickendehnungs
richtung wirksam verhindern und unterdrücken. Dies wird nun in den spezifischen
Ausführungsformen unter bezug auf Fig. 1 und die Fig. 3 bis 13 erläutert.
Um diese Erkenntnis zu bestätigen, wurden mehrere piezoelektrische Substrate
aus Blei-Titanat-Zirkonat-Keramik hergestellt. Die Dimensionen des Substrats 2
wurden wie folgt festgelegt: Die Dicke T war 480 µm; die Länge 4,0 mm und die
Breiten W wurden bei den Substraten unterschiedlich gewählt. Die Länge 1 gegen
überliegender Teile der ersten und zweiten Elektrode 3a und 3b war 0,9 mm. Unter
den obigen Bedingungen wurden mehrere piezoelektrische Resonatoren mit einer
Resonanzfrequenz von etwa 16 MHz hergestellt.
In den Fig. 3, 4 und 5 sind jeweils der Impedanz-Frequenzgang und Phasen-
Frequenzgang der in der obigen Weise hergestellten piezoelektrischen Resonato
ren mit dem Verhältnis W/T von 2,60, 2,68 und 2,76 gezeigt. Ein Vergleich der
Fig. 3, 4 und 5 zeigt, daß der Resonator, dessen Verhältnis W/T 2,60 beträgt, ein
in Fig. 3 gezeigtes Resonanzverhalten mit einer großen durch einen Pfeil A ange
deuteten Streukopplung im Frequenzbereich unterhalb der Resonanzfrequenz fr
hat. Außerdem zeigt das in Fig. 5 dargestellte Resonanzverhalten des Resona
tors, dessen Verhältnis W/T 2,76 beträgt, eine große Streukopplung, die durch ei
nen Pfeil B angegeben ist, im Frequenzbereich oberhalb der Antiresonanzfrequenz
fa.
Im Gegensatz dazu hat der in Fig. 4 gezeigte piezoelektrische Resonator, dessen
Verhältnis W/T 2,68 beträgt, ein Resonanzverhalten, bei dem keine großen Streu
kopplungen im Bereich unterhalb der Resonanzfrequenz fr oder im Bereich ober
halb der Antiresonanzfrequenz fa auftreten. Obwohl eine Streukopplung C bei ei
nem höheren Schwingungsmodus auftritt, liegt diese in einem Bereich weit ober
halb der Antiresonanzfrequenz fa. Deshalb besteht ein großer Frequenzunterschied
zwischen der Resonanzfrequenz fr und der Antiresonanzfrequenz fa im Resonanz
gang gemäß Fig. 4, wodurch dieser im Vergleich mit dem Stand der Technik be
trächtlich verbessert ist.
Dann wurde die Weite W des Substrats verändert, um verschiedene Variationen
von piezoelektrischen Resonatoren mit einer Resonanzfrequenz bei etwa 16 MHz
herzustellen, und deren Impedanz-Frequenzgang und Phasen-Frequenzgang wur
de ausgewertet. Es hat sich dabei gezeigt, wenn ihre Verhältnisse W/T auf annä
hernd 0,88, 1,06, 1,32, 1,80, 2,30, 2,69, 3,16 und 3,64 festgelegt wurden, wie dies
in Fig. 6 angedeutet ist, daß beträchtlich verbesserte Resonanzverhalten ohne
unerwünschte Streukopplungen in der Nähe der Resonanzfrequenz fr und Antire
sonanzfrequenz fa genauso wie in den in Fig. 4 gezeigten Resonanzverhalten
erzielt werden.
Danach wurden Messungen ausgeführt, um eine Veränderung der Streukopplung A
(Fig. 3) im Bereich unterhalb der Resonanzfrequenz fr und eine Veränderung der
Streukopplung B (Fig. 5) im Bereich oberhalb der Antiresonanzfrequenz fa festzu
stellen, wenn WiT um die oben erwähnten acht Werte variiert wird. Die Ergebnisse
sind in den Fig. 7 bis 14 gezeigt. Die Fig. 7 bis 14 veranschaulichen das
Verhalten der Streukopplungen A und B bei einer Variation des Verhältnisses W/T
jeweils um die o. g. acht Werte herum. Dies wird beispielsweise bezogen auf Fig. 7
erklärt. Fig. 7 stellt die Einflüsse der Streukopplungen A und B dar, wenn das Ver
hältnis W/T um 0,88 herum variiert wird. In Fig. 7 gibt ⌑ die Resonanzfrequenz fr;
die Antiresonanzfrequenz fa; Δ die untere Streukopplung A und . die obere
Streukopplung B an.
Z. B. zeigt Fig. 7, daß sich keine Streukopplungen A und B im Frequenzbereich
von 15,7 bis 16,5 MHz einstellen, wenn W/T etwa 0,88 beträgt. Deshalb werden mit
diesem Verhältnis W/T, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, beträchtlich verbesserte
Resonanzgänge erzielt.
Wie die Fig. 7 bis 14 zeigen, erhält man wesentlich verbesserte Resonanzgän
ge in einem Frequenzbereich in der Nähe der Resonanzfrequenz von 16 MHz,
wenn die Streukopplungen A und B nicht in der Nähe der Resonanzfrequenz fr und
der Antiresonanzfrequenz fa liegen. Die besten Resonanzgänge werden auch er
reicht, wenn eine ausreichend große Differenz zwischen der Resonanzfrequenz fr
und der Antiresonanzfrequenz fa vorliegt, da die Stärke der Streukopplung A und B
gering ist, auch wenn letztere jeweils verhältnismäßig nahe an der Resonanzfre
quenz fr und der Antiresonanzfrequenz fa liegen.
In Fig. 7 ergibt sich, wenn beispielsweise W/T etwa 0,82 ist, die untere Streu
kopplung A nahe 16,0 MHz, und der Frequenzunterschied zwischen der Reso
nanzfrequenz fr und der Antiresonanzfrequenz fa ist kleiner als wenn W/T bei
spielsweise 0,88 wäre, da die Streukopplung A in der Nähe der Resonanzfrequenz
fr liegt. Wenn W/T etwa 0,94, beträgt erscheint die obere Streukopplung B in der
Nähe von 16,3 MHz, und der Frequenzunterschied zwischen der Resonanzfre
quenz fr und der Antiresonanzfrequenz fa ist kleiner als wenn W/T z. B. 0,88 ist, weil
die Streukopplung B in der Nähe der Antiresonanzfrequenz fa liegt.
Fig. 7 zeigt auch, das die untere Streukopplung A zur niederfrequenten Seite hin
verschoben ist und weiter weg von der Resonanzfrequenz fr liegt, wenn W/T von
etwa 0,82 wächst, wodurch ein Einfluß auf den Resonanzgang ausgeübt wird, der
weniger schädlich ist. Auf der anderen Seite wird die obere Streukopplung B zur
höherfrequenten Seite hin verschoben und liegt weiter von der Antiresonanzfre
quenz fa weg, wenn W/T von etwa 0,94 abnimmt, wodurch ein Einfluß auf die Re
sonanzgänge ausgeübt wird, der weniger schädlich ist. Demgemäß sollte das Ver
hältnis W/T bevorzugt im Bereich von etwa 0,83 bis etwa 0,92 liegen, d. h. im Be
reich 0,88 ± 5%, um einen so ausgezeichneten Resonanzgang zu erzielen, wie er
in Fig. 4 gezeigt ist, bei dem die untere und obere Streukopplung A und B jeweils
von der Resonanzfrequenz fr und der Antiresonanzfrequenz fa abliegen und das
Resonanzverhalten nicht nachteilig beeinflussen. Anders gesagt, sollte der piezo
elektrische Resonator 1 so gestaltet sein, daß das Verhältnis W/T im Bereich 0,88 ±
5% liegt, um so ein gutes Resonanzverhalten zu erreichen, wie es Fig. 4 zeigt.
Fig. 8 zeigt die Einflüsse der Streukopplungen A und B, wenn das Verhältnis W/T
um 1,06 variiert wird. Wie aus der vorangehenden Erläuterung, die sich auf Fig. 7
bezog, leicht verständlich geworden ist, zeigt Fig. 8, daß wenn W/T von etwa 1,02
bis etwa 1, 1 reicht, d. h. wenn W/T im Bereich von etwa 1.06 ± 4% liegt, die Streu
kopplungen A und B jeweils abseits von der Resonanzfrequenz fr und der Antireso
nanzfrequenz fa liegen und daß ein größerer Frequenzunterschied zwischen der
Resonanzfrequenz fr und der Antiresonanzfrequenz fa herrscht, wodurch ein gutes
Resonanzverhalten erreicht wird.
Fig. 9 zeigt, daß, wenn W/T von etwa 1,25 bis etwa 1,39 reicht, d. h., wenn W/T im
Bereich von etwas 1,32 ± 5% liegt, die untere Streukopplung A von der Resonanz
frequenz fr und die obere Streukopplung B von der Antiresonanzfrequenz fa ablie
gen und daß ein größerer Frequenzunterschied zwischen der Resonanzfrequenz fr
und der Antiresonanzfrequenz fa herrscht, wodurch ein gutes Resonanzverhalten
erzielt wird.
Wie Fig. 10 deutlich macht, wird ein sehr gutes Resonanzverhalten erreicht, wenn
W/T von etwa 1,75 bis etwa 1,85 reicht, d. h. wenn W/T im Bereich von etwa 1,80 ±
3% liegt. Es sollte hier erwähnt werden, daß, wenn W/T etwa 1,86 beträgt, die obe
re Streukopplung B nachteiligerweise zwischen der Resonanzfrequenz fr und der
Antiresonanzfrequenz fa liegt. Folglich wird das Resonanzverhalten ernsthaft ver
schlechtert, wodurch eine große Streukopplung im Durchlaßband erzeugt wird.
Darüber hinaus liegt, wenn W/T etwa 1,84 beträgt, die Streukopplung B relativ nahe
an der Antiresonanzfrequenz fa. An diesem Punkt herrscht jedoch ein ausreichend
großer Frequenzunterschied zwischen der Resonanzfrequenz fr und der Antireso
nanzfrequenz fa und somit wird die Streukopplung B unterdrückt und ein ausge
zeichnetes Resonanzverhalten erreicht.
Fig. 11 veranschaulicht, daß, wenn W/T von etwa 2,23 bis etwa 2,37 reicht, d. h.,
wenn W/T im Bereich von etwa 2,30 ± 3% liegt, die Resonanzgänge wesentlich
von der unteren und oberen Streukopplung A und B geschützt sind und deshalb
sehr gute Resonanzgänge erzielt werden.
Fig. 12 macht deutlich, daß, wenn W/T von etwa 2,6 bis 2,77 reicht, d. h. wenn
W/T im Bereich von etwas 2,69 ± 3% liegt, die Resonanzgänge im wesentlichen
von der unteren und oberen Streukopplung A und B geschützt sind und dadurch ein
ebenfalls exzellentes Resonanzverhalten zeigen.
Fig. 13 veranschaulicht, daß, wenn W/T von etwa 3,1 bis etwa 3,22 reicht, d. h.,
wenn W/T im Bereich von etwa 3,16 ± 2% liegt, die untere und obere Streukopp
lung A und B einen weniger nachteiligen Einfluß auf das Resonanzverhalten aus
üben. Als Ergebnis werden auch hier exzellente Resonanzgänge erzielt.
Wie man aus Fig. 14 erkennt, üben, wenn W/T von etwa 3,57 bis 3,71 reicht, d. h.,
wenn W/T im Bereich von etwa 3,64 ± 2% liegt, die untere und obere Streukopp
lung A und B weniger nachteilige Einflüsse auf die Resonanzgänge aus. Als Ergeb
nis werden hier exzellente Resonanzgänge erreicht.
Wie aus den Fig. 7 bis 14 ersichtlich ist, ist der piezoelektrische Resonator 1 so
gestattet, daß das Verhältnis W/T bei 0,88 ± 5%; 1,06 ± 4%; 1,32 ± 5%; 1,80 ±
3%; 2,30 ± 3%; 2,69 ± 3%; 3,16 ± 2% oder bei 3,64 ± 2% liegt. Auf diese Wei
se läßt sich ein piezoelektrischer Resonator erreichen, der eine Schwingung dritter
Ordnung im Dickendehnungs-Vibrationsmodus nutzt und exzellente Resonanzgän
ge aufweist.
Außerdem kann, anders als bei den bekannten streifenartigen, in Dickenrichtung
schwingenden piezoelektrischen Resonatoren der erfindungsgemäße in Dicken
richtung schwingende piezoelektrische Resonator 1 unerwünschte Streuvibrationen
aufgrund lateraler Vibrationsmoden wirksam unterdrücken, wie dies bezogen auf
die Fig. 15-19 beschrieben wird.
In dem in Fig. 21 gezeigten streifenartigen piezoelektrischen Resonator 61 er
zeugt ein durch die Breite W eines piezoelektrischen Substrats 61 bestimmter Late
ralmodus starke Resonanz. Der Impedanz-Frequenzgang dieses bekannten piezo
elektrischen Resonators 61 ist in Fig. 17 gezeigt, wo ein durch den Pfeil TE3 an
gedeuteter Vibrationsmodus eine Welle dritter Ordnung im Dickendehnungsvibrati
onsmodus ist, und die durch WE angegebenen Antworten sind aufgrund dieses
Lateralschwingungsmodus erzeugte Streuvibrationen. Der in Fig. 17 dargestellte
Impedanz-Frequenzgang ist die Charakteristik des piezoelektrischen Resonators
61, dessen Resonanzfrequenz (Resonanzfrequenz der Schwingung dritter Ord
nung) 16 MHz ist. Wie man aus Fig. 17 erkennt, treten um 5-6 MHz starke Streu
vibrationen des Lateralschwingungsmodus auf.
Die Erfinder haben die Auslenkungen des piezoelektrischen Resonators bei den
Streuvibrationen WE im Lateralschwingungsmodus analysiert. Die erzielten Ergeb
nis sind in Fig. 16 dargestellt. Fig. 16 zeigt schematisch die Auslenkungen der
Oberflächen des streifenartigen piezoelektrischen Resonators in der Richtung senk
recht zur Längsrichtung und in Dickenrichtung, wie in Fig. 15 gezeigt. Fig. 15 ist
ein horizontaler Querschnitt eines in Dickenrichtung dehnenden streifenförmigen
piezoelektrischen Resonators.
Demgemäß haben die Erfinder dieser Anmeldung verschiedene Experimente mit
dem Versuch ausgeführt, die obigen Streuvibrationen aufgrund der lateralen
Schwingungsmoden WE zu unterdrücken und haben erkannt, daß, wenn der pie
zoelektrische Streifen 2 des in Fig. 1 gezeigten, in Dickendehnung schwingenden
piezoelektrischen Resonators 1 aus bestimmten Materialien hergestellt ist, die Ant
worten der lateralen Schwingungsmoden TE verringert werden können, und daß
nur die Schwingung dritter Ordnung TE2 des Dickendehnungsvibrationsmodus stark
angeregt werden kann. Der Impedanz-Frequenzgang des in dieser Weise erzielten
piezoelektrischen Resonators 1 ist in Fig. 18 gezeigt. Der Impedanz-
Frequenzgang ist unter Bedingungen abgeleitet, wo der piezoelektrische Streifen 2
aus einer auf Blei-Titanat basierenden piezoelektrischen Keramik besteht mit -d31 =
9 × 10-12 C/N. Man erkennt aus Fig. 18, daß in dem gemäß der vorliegenden
Ausführungsform realisierten piezoelektrischen Resonators die durch den Pfeil TE3
angedeutete Schwingung dritter Ordnung des Dickendehnungsvibrationsmodus
stark angeregt wird. Die Stärke der Streuschwingung WE im Lateralschwingungs
modus ist sehr viel kleiner. Andererseits ist die in Fig. 17 gezeigte Charakteristik
die des aus einer Blei-Titanat-Zirkonat basierenden Keramik hergestellten piezo
elektrischen Streifens 2, wobei d31 = -42 × 10-12 C/N ist.
Man erhält, wie Fig. 18 zeigt, eine gute Charakteristik, wenn der piezoelektrische
Streifen 2 aus der oben erwähnten auf Blei-Zirkonat-Titanat basierenden Keramik
hergestellt ist. Angesichts dieser Tatsache, wurde die piezoelektrische Konstante
d31 des den piezoelektrischen Streifen 2 bildenden piezoelektrischen Materials va
riiert, und die sich ergebenden relativen Bandbreiten wurden mit der Methode finiter
Elemente untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 19 angegeben. In Fig. 18 gibt .
den Verlauf der relativen Bandbreite der Schwingung dritter Ordnung TE3 und o
den Verlauf der relativen Bandbreite im Lateralschwingungsmodus WE an.
Die relative Bandbreite erhält man durch (fa - fr) × 100/fa(%), worin fr die Reso
nanzfrequenz und fa die Antiresonanzfrequenz sind.
Man sieht aus Fig. 19, daß sich die relative Bandbreite mit sich ändernder piezo
elektrischer Konstante d31 verändert. Insbesondere wächst die relative Bandbreite
im Lateralmodus WE an, wenn die piezoelektrische Konstante 20 × 10-12 C/N über
schreitet. Deshalb ist verständlich, daß dort wo die piezoelektrische Konstante d31
auf unter 20 × 10-12 C/N gesetzt wird, die Antworten der Lateralschwingungsmoden
WE ohne Reduktion der Antwort im Schwingungsmodus dritter Ordnung TE3 effek
tiv unterdrückt werden können.
In dem dieser Ausführungsform entsprechenden in Dickendehnung resonierenden
piezoelektrischen Resonator 1 ist der Absolutwert der piezoelektrischen Konstanten
d31 des piezoelektrischen Materials auf unter 20 × 10-12 C/N gesetzt. Deshalb kann
man beobachten, daß, wo der piezoelektrische Resonator die Schwingung dritter
Ordnung TE3 im Dickendehnungsvibrationsmodus verwendet, durch den Lateral
schwingungsmodus WE verursachte unerwünschte Streuvibrationen wirksam un
terdrückt werden können. Folglich erhält man gute Resonanzgänge.
Der oben beschriebene energiesperrende piezoelektrische Resonator 1 ist dafür
eingerichtet und angeordnet, in unterschiedlichen piezoelektrischen Resonanz
bauteilen eingesetzt zu werden, wie z. B. in piezoelektrischen Filtern oder piezo
elektrischen Oszillatoren. Als ein Beispiel eines solchen Bauteils ist in Fig. 2 ein
piezoelektrischer Oszillator mit integriertem Kondensator gezeigt, der den obigen
Typ des Resonators 1 verwendet.
Ein allgemein mit 11 bezeichneter piezoelektrischer Oszillator hat, wie Fig. 2 zeigt,
ein Grundglied 12 und ein Gehäuse 13, das eine nach unten sich erstreckende Öff
nung hat. Anschlußelektroden 14a, 14b, 14c für die Verbindung des Oszillators 11
mit äußeren elektronischen Bauteilen sind unter einem vorbestimmten Intervall an
geordnet und bedecken die gesamte Breite des Grundglieds 12.
Ein Kondensator 16 ist durch leitende Klebstoffe 15a, 15b und 15c jeweils an den
Anschlußelektroden 14a, 14b und 14c befestigt. Der Kondensator 16 enthält bevor
zugt ein aus dielektrischen Material bestehendes dielektrisches Substrat 16a, wie
z. B. ein dielektrisches Keramiksubstrat. Kondensatorelektroden 16b, 16c sind auf
dem dielektrischen Substrat 16a in einem vorbestimmten Abstand angebracht und
ragen von der oberen Oberfläche zur unteren Oberfläche des Substrats 16a über
dessen seitlichen Flächen hinweg. Die Teile der Kondensatorelektroden 16b und
16c, die auf der unteren Oberfläche des Substrats 16a angeordnet sind, sind elek
trisch mit den Anschlußelektroden 14a und 14c jeweils durch die oben erwähnten
leitenden Klebstoffe 15a und 15c verbunden.
Eine gemeinsame Elektrode 16d liegt im Mittelabschnitt der unteren Oberfläche des
dielektrischen Substrats 16a. Die gemeinsame Elektrode 16d liegt einem Teil der
auf dem dielektrischen Substrat 16a vorgesehenen Kondensatorelektroden 16b und
16c gegenüber. Auf diese Weise entsteht ein Kondensator mit drei Anschlüssen,
der die Kondensatorelektroden 16b und 16c und die gemeinsame Elektrode 16d
enthält. Die gemeinsame Elektrode 16d ist elektrisch auch mit der auf dem Grund
glied 12 angeordneten Anschlußelektrode 14b durch den leitenden Klebstoff 15b
verbunden.
Der energiesperrende piezoelektrische Resonator 1 der vorangehenden bevorzug
ten Ausführungsart ist mit dem Kondensator 16 bevorzugt über leitende Klebstoffe
17a und 17b gebondet. Genauer ist die in Fig. 1 gezeigte zweite Elektrode 3b auf
der unteren Oberfläche des Resonators 1 elektrisch durch den leitenden Klebstoff
17b mit der Kondensatorelektrode 16c des Kondensators 16 verbunden. Außerdem
erstreckt sich die erste Elektrode 3a von der oberen Oberfläche zur unteren Ober
fläche des piezoelektrischen Substrats 2 über eine seiner Seitenflächen und ist au
ßerdem elektrisch mit der Kondensatorelektrode 16b des Kondensators 16 durch
den leitenden Klebstoff 17a verbunden.
Isolierende Klebstoffe 18a und 18b dienen bevorzugt zur Verbindung des Gehäu
ses 13 mit dem piezoelektrischen Resonator 1, obwohl diese Klebstoffe 18a, 18b
nicht wesentlich sind. Da das Gehäuse 13 von oben gesehen schmaler ist als das
Grundglied 12, liegen die Anschlußelektroden 14a, 14b, 14c, wenn das Gehäuse
13 auf dem Grundglied 12 bestückt wurde, frei, wie der untere Teil in Fig. 2 zeigt.
Durch die freiliegenden Anschlußelektroden 14a, 14b und 14c kann der piezoelek
trische Oszillator mit seiner Oberfläche direkt auf einer gedruckten Leiterplatte
montiert werden.
Wie die vorangehende Beschreibung unmittelbar verdeutlicht, hat der energiesper
rende piezoelektrische Resonator der bevorzugten Ausführungsformen dieser Er
findung die folgenden Vorteile.
Die erste und zweite Elektrode liegen auf der Ober- und Unterseite des piezoelek
trischen Substrats, das in seiner Dickenrichtung polarisiert ist, bedecken seine ge
samte Breite und liegen einander im mittleren Teil des Substrats in dessen Längs
richtung dort gegenüber, wo ein Resonanzabschnitt gebildet wird. Außerdem las
sen sich unerwünschte Streuschwingungen oder -kopplungen in der Nähe der Re
sonanzfrequenz fr und in der Nähe der Antiresonanzfrequenz fa wirksam unter
drücken, da das Verhältnis W/T der Weite W zur Dicke T des Substrats bevorzugt
auf einen der oben genannten Bereiche eingestellt ist. Deshalb ist es möglich einen
piezoelektrischen Resonator mit einem großen Frequenzunterschied zwischen der
Resonanzfrequenz fr und der Antiresonanzfrequenz fa herstellen, der aus diesem
Grund einen guten Resonanzgang zeigt.
Darüber hinaus wird kein großer zusätzlicher Bereich des piezoelektrischen Sub
strats um den durch die gegenüberliegenden Bereiche der ersten und zweiten
Elektrode gebildeten Resonanzabschnitt benötigt, da die erste und zweite Elektrode
des Resonators in der oben beschriebenen Weise auf dem Substrat angeordnet
sind. Folglich kann die Größe des piezoelektrischen Resonators verringert werden
und dadurch die Miniaturisierung eines piezoelektrischen Oszillators oder eines
piezoelektrischen Filters, wie sie unter Verwendung des oben beschriebenen Re
sonatortyps gebildet werden, weiterhin gesteigert werden.
Außerdem erstreckt sich die erste Elektrode so weit, daß sie eine Kante in Breiten
richtung des piezoelektrischen Substrats erreicht, und die zweite Elektrode er
streckt sich so weit, daß sie die andere Kante in Breitenrichtung des piezoelektri
schen Substrats erreicht. Deshalb läßt sich der piezoelektrische Resonator leicht
auf einer gedruckten Leiterplatte montieren und außerdem einfach mit anderen chi
partigen elektronischen Bauteilen verbinden, wie z. B. mit einem Kondensator. Unter
Verwendung eines solchen kompakten piezoelektrischen Resonators der diese
ausgezeichneten Resonanzgänge hat, kann die Miniaturisierung verschiedener Ty
pen piezoelektrischer Resonanzbauteile noch gesteigert werden.
Claims (3)
1. Energiesperrender piezoelektrischer Resonator der im Schwingungsmodus
dritter Ordnung in Dickendehnung vibriert, wobei
eine erste und zweite Elektrode (3a, 3b) jeweils auf der oberen Oberfläche und unteren Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (2) derart angeordnet sind, daß sie im wesentlichen die gesamte Breite des piezoelektrischen Sub strats (2) überdecken und einander in einem mittleren Abschnitt des piezo elektrischen Substrats (2) in dessen Längsrichtung gegenüberliegen;
dadurch gekennzeichnet,
daß ein in Dickenrichtung polarisiertes piezoelektrisches Substrat (2) ein Ver hältnis W/T seiner Breite W zu seiner Dicke T annähernd in folgenden Werte bereichen hat 0,88 ± 5%; 1,06 ± 4%; 1,32 ± 5%; 1,80 ± 3%; 2,30 ± 3%; 2,69 ± 3%; 3,16 ± 2% oder 3,64 ± 2%.
eine erste und zweite Elektrode (3a, 3b) jeweils auf der oberen Oberfläche und unteren Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (2) derart angeordnet sind, daß sie im wesentlichen die gesamte Breite des piezoelektrischen Sub strats (2) überdecken und einander in einem mittleren Abschnitt des piezo elektrischen Substrats (2) in dessen Längsrichtung gegenüberliegen;
dadurch gekennzeichnet,
daß ein in Dickenrichtung polarisiertes piezoelektrisches Substrat (2) ein Ver hältnis W/T seiner Breite W zu seiner Dicke T annähernd in folgenden Werte bereichen hat 0,88 ± 5%; 1,06 ± 4%; 1,32 ± 5%; 1,80 ± 3%; 2,30 ± 3%; 2,69 ± 3%; 3,16 ± 2% oder 3,64 ± 2%.
2. Energiesperrender piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß sich die erste Elektrode (3a) bis zu einer Seitenkante in
Breitenrichtung des piezoelektrischen Substrats (2) erstreckt und daß sich die
zweite Elektrode (3b) bis zur anderen Seitenkante in Breitenrichtung des pie
zoelektrischen Substrats (2) erstreckt.
3. Energiesperrender piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß eine piezoelektrische Konstante d31 eines das pie
zoelektrische Substrat (2) bildenden piezoelektrischen Materials durch
|d31| ≦ 20 × 10-12 C/N
gegeben ist.
|d31| ≦ 20 × 10-12 C/N
gegeben ist.
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