DE19816488C2 - Energiesperrender piezoelektrischer Resonator - Google Patents

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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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%.

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.