DE19916885A1

DE19916885A1 - Piezoelektrisches Bauteil

Info

Publication number: DE19916885A1
Application number: DE19916885A
Authority: DE
Inventors: Akira Ando; Koichi Hayashi
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2019-04-15
Also published as: JP3303772B2; DE19916885B4; CN1136653C; US6218770B1; JPH11308070A; KR100318245B1; CN1233106A; TW444430B; KR19990083337A

Abstract

Ein piezoelektrisches Bauteil (22) ist klein dimensioniert, hat einen hohen elktromechanischen Kopplungskoeffizienten und seine Impedanz kann problemlos an eine Schaltung angepaßt werden. Eine Interdigitalelektrode (28), die zwei Kammelektroden (26, 27) aufweist, ist auf einer Oberfläche (24) eines plattenförmigen piezoelektrischen Elements (23) angeordnet, und in ähnlicher Weise ist eine zwei Kammelektroden (29, 30) aufweisende Interdigitalelektrode (31) auf der anderen Oberfläche (25) angeordnet. Das piezoelektrische Element (23) wird durch Anlegen eines elektrischen Felds zwischen einem Paar einander entsprechender Kammelektroden polarisiert; und zusätzlich werden durch das Anlegen eines elektrischen Anregungsfeldes zwischen einem Anschluß (34), der mit einer der beiden Kammelektroden jeder Interdigitalelektrode (28, 29) verbunden ist, und einem anderen Anschluß (35), der mit der anderen Kammelektrode jeder Interdigitalelektrode (28, 29) verbunden ist, Längsvibrationen im Versteifungsmodus angeregt, wobei sich das piezoelektrische Element (23) in seiner Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht (Fig. 2).

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem piezoelektrischen Bauteil, insbesondere einem piezoelektrischen Bauteil, das in technologischen Bereichen, wie der Datenverar beitung und Nachrichtentechnik, als Resonator, Filter und dergleichen verwendet wird.

Ein piezoelektrisches Bauteil weist beispielsweise ein aus piezoelektrischer Kera mik bestehendes piezoelektrisches Element auf, und derartige piezoelektrische Bauteile, die dazu angepaßt sind, in einem quadratischen Vibrationsmodus oder Dickenschwingungsmodus zu vibrieren, finden breite Anwendung.

Fig. 10 zeigt ein piezoelektrisches Bauteil 1, das dazu angepaßt ist, in einem qua dratischen Vibrationsmodus zu vibrieren. Das piezoelektrische Bauteil 1 weist ein rechteckiges plattenförmiges piezoelektrisches Element 2 auf, auf dessen Hauptflä chen Elektroden 3 und 4 vorgesehen sind.

Das piezoelektrische Element 2 ist in der von einem Pfeil 5 angezeigten Richtung polarisiert, und beim Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 3 und 4 über die Anschlüsse 6 und 7 werden quadratische Vibrationen angeregt.

Fig. 11 zeigt ein piezoelektrisches Bauteil 8, das in einem nichtversteiften Vibrati onsmodus vibriert. Das piezoelektrische Bauteil 8 weist ein schmales plattenförmi ges piezoelektrisches Element 9 auf, auf dessen Hauptflächen Elektroden 10 und 11 vorgesehen sind.

Das piezoelektrische Element 9 ist in der von einem Pfeil 12 angezeigten Richtung polarisiert, und beim Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 10 und 11 über die Anschlüsse 13 und 14 wird eine Längsvibration im nichtver steiften Modus angeregt.

Fig. 12 zeigt ein piezoelektrisches Element 15, das im Versteifungsmodus vibriert. Das piezoelektrische Bauteil 15 weist ein schmales platten- oder stangenförmiges piezoelektrisches Element 16 auf, auf dessen Hauptflächen Elektroden 17 und 18 vorgesehen sind.

Das piezoelektrische Element 16 ist in der von einem Pfeil 19 angezeigten Richtung polarisiert, und beim Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 17 und 18 über die Anschlüsse 20 und 21 wird eine Längsvibration im Verstei fungsmodus angeregt.

Die jeweils in den Fig. 10, 11 und 12 dargestellten piezoelektrischen Bauteile 1, 8 und 15 weisen jedoch die folgenden Nachteile auf.

Erstens ist das in Fig. 10 gezeigte piezoelektrische Bauteil 1 verhältnismäßig groß und kann somit nicht in einer kleinen Schaltung oder einem kleinen Gerät verwen det werden. Wenn z. B. das piezoelektrische Bauteil 1 in einem amplitudenmodu lierten Zwischenfrequenzfilter in einem 455 kHz Radio eingesetzt wird, muß das piezoelektrische Element 2 ein quadratisches plattenförmiges piezoelektrisches Element von 5 mm×5 mm sein, was einer Verkleinerung einer elektronischen Schaltung oder eines diese verwendenden Geräts im Wege steht.

Ferner kann man mit dem in Fig. 11 gezeigten piezoelektrischen Bauteil 8, wenn das piezoelektrische Element 9, um das piezoelektrische Bauteil 8 klein zu halten, eine schmale plattenförmige Form von etwa 4 mm Länge aufweist, kein breites Fil ter-Durchlassband erzielen.

Ferner ist bei dem in Fig. 12 gezeigten piezoelektrischen Bauteil 1, wenn das pie zoelektrische Element 16, um das piezoelektrische Bauteil 15 klein zu halten, eine schmale Stangenform von beispielsweise etwa 4 mm Länge aufweist, die Impedanz zu hoch, so daß sich diese nicht problemlos an eine das Bauteil 1 verwendende Schaltung anpassen läßt.

Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung ein piezoelektrisches Bauteil be reitzustellen, das klein dimensioniert sein kann, dessen Impedanz problemlos an eine Schaltung angepaßt werden kann, und das eine hohe Leistung aufweist.

Die Erfindung stellt ein piezoelektrischer Bauteil bereit, das ein platten- oder stan genförmiges piezoelektrisches Element und auf wenigstens einer Oberfläche des selben wenigstens eine Interdigitalelektrode mit zwei Kammelektroden aufweist, wobei das piezoelektrische Element durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwi schen den beiden Kammelektroden polarisiert oder ausgerichtet wird, und das pie zoelektrische Bauteil dazu angepaßt ist, durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den beiden Kammelektroden im Versteifungsmodus zu vibrieren.

Da das erfindungsgemäße piezoelektrische Bauteil gemäß der oben beschriebenen Struktur und Anordnung im Versteifungsmodus vibriert und sich daher in seiner Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht, kann es klein dimensioniert werden, und daher kann auch ein es verwendendes elektronisches Gerät ebenso klein di mensioniert sein. Die Impedanz des piezoelektrischen Bauteils läßt sich problemlos an eine Schaltung anpassen, und das piezoelektrische Bauteil hat ein breites nutz bares Durchlaßband, wenn es beispielsweise als Filter oder dergleichen dient.

Beim oben beschriebenen piezoelektrischen Bauteil liegen die Interdigitalelektroden bevorzugt jeweils auf wenigstens zwei Oberflächen des piezoelektrischen Ele ments. Diese beiden Oberflächen liegen bevorzugt parallel zueinander.

Gemäß der oben beschriebenen Struktur und Anordnung kann das piezoelektrische Element wirksamer polarisiert und ausgerichtet und zusätzlich wirksamer angeregt werden. Ferner ist es einfacher, die Interdigitalelektroden zu bilden, wenn diese auf zwei zueinander parallelen Oberflächen des piezoelektrischen Elements liegen, als wenn sie auf zwei nicht parallelen Oberflächen vorgesehen sind. Außerdem ist es einfacher, solche Oberflächen zu polieren, bevor die Interdigitalelektroden darauf gebildet werden.

Im oben beschriebenen piezoelektrischen Bauteil ist eine der Kammelektroden, die die auf einer der beiden Oberflächen des piezoelektrischen Elements liegende In terdigitalelektrode bildet, bevorzugt elektrisch mit der anderen Kammelektrode ver bunden, die die Interdigitalelektrode bildet, die auf der anderen Oberfläche des pie zoelektrischen Elements liegt.

Mit der oben beschriebenen Struktur und Anordnung kann das piezoelektrische Element wirksamer angeregt werden.

Bei dem oben beschriebenen piezoelektrischen Bauteil ist eine der Oberflächen des piezoelektrische Bauteils, auf der die Interdigitalelektrode vorgesehen ist, po liert.

Gemäß der oben beschriebenen Struktur und Anordnung ist die polierte Oberfläche glatt, wodurch es ermöglicht ist, Photolitographie wirksam zur Bildung der Interdi gitalelektroden einzusetzen.

Beim oben beschriebenen piezoelektrischen Bauteil kann sich ein Abstand zwi schen zwei der elektronischen Finger der Kammelektroden der Interdigitalelektrode von einem Abstand zwischen den beiden anderen elektronischen Fingern der Kammelektroden dieser Interdigitalelektrode unterscheiden. In diesem Fall ist der Abstand zwischen den beiden elektronischen Fingern der Kammelektroden der In terdigitalelektrode, die sich im mittleren Bereich des piezoelektrischen Elements befinden, bevorzugt größer, als der Abstand zwischen den beiden anderen elektro nischen Fingern der Kammelektroden der Interdigitalelektrode, die sich an einem Endbereich des piezoelektrischen Elements befindet.

Gemäß der oben beschriebenen Struktur und Anordnung weisen die Bereiche, in denen der Abstand zwischen den Elektrodenfingern groß ist, eine hohe Impedanz auf, woraus eine Verbesserung des Koeffizienten der elektromechanischen Kopp lung resultiert, während die Bereiche, in denen der Abstand zwischen den Elektro denfingern gering ist, die Impedanz des piezoelektrische Bauteil nicht erhöhen. Wenn der Abstand zwischen den Elektrodenfingern im mittleren Bereich des piezo elektrische Element vergrößert und im Endbereich des piezoelektrische Element verringert ist, ist auch der Polarisationsgrad in der Mitte, dem Bereich, der den Koeffizienten der elektromechanischen Kopplung beträchtlich beeinflußt, vergrö ßert, wodurch der elektromechanische Kopplungskoeffizient weiter erhöht und eine größere Wirksamkeit erzielt wird.

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschrei bung deutlich, die sich auf die beiliegende Zeichnung bezieht.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils 22 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht des in Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen Bau teils 22.

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils 36 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 4 ist eine Längsschnittansicht des in Fig. 3 gezeigten piezoelektrischen Bau teils 36.

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils 56 gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 6 ist eine Längsschnittansicht des in Fig. 5 gezeigten piezoelektrischen Bau teils 56.

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils 36a gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils 56a gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 9 ist ein Diagramm, das Impedanz-Frequenzgänge zwischen Anschlüssen in der Nähe einer Resonanzfrequenz in einer ersten bevorzugten Ausführungsform und Vergleichsbeispielen 2 und 3 zeigt, die in einem Experiment ermittelt wurden, das durchgeführt wurde, um die Auswirkungen der Erfindung zu zeigen.

Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen piezoelektrischen Bauteils 1, das mit quadratischer Vibration arbeitet und für die Erfindung von Inter esse ist.

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen piezoelektrischen Bauteils 8, das im nicht versteiften Vibrationsmodus arbeitet und für die Erfindung von Interesse ist; und

Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen piezoelektrischen Bauteils 15, das im Versteifungsvibrationsmodus arbeitet und für die Erfindung von Interesse ist.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein piezoelektrisches Bauteil 22 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei Fig. 1 eine perspektivische An sicht und Fig. 2 ein Querschnitt in Längsrichtung ist.

Das piezoelektrische Bauteil 22 weist beispielsweise ein längliches plattenförmiges piezoelektrisches Element 23 aus piezoelektrischer Keramik auf. Das piezoelektri sche Element 23 hat zwei Oberflächen 24 und 25, die zueinander parallel verlaufen und glatt poliert sind.

Eine Interdigitalelektrode 28, die zwei Kammelektroden 26 und 27 aufweist, ist auf der ersten Oberfläche 24 des piezoelektrischen Elements 23, und eine Interdigital elektrode 31, die zwei Kammelektroden 29 und 30 aufweist, ist auf der zweiten Oberfläche 25 des piezoelektrische Elements 23 vorgesehen. Das Muster der In terdigitalelektrode 31 ist eine Projektion der Interdigitalelektrode 28 von der ersten Oberfläche 24 auf die zweite Oberfläche 25, obwohl das im Diagramm nicht deut lich gezeigt ist. Die Interdigitalelektroden 28 und 31 können beispielsweise durch Photolithographie gebildet werden.

Das piezoelektrische Element 23 wird folgendermaßen polarisiert. Zuerst wird zwi schen den beiden Kammelektroden 26 und 27, die die Interdigitalelektrode 28 auf der ersten Oberfläche 24 bilden, ein elektrisches Feld angelegt, wobei die Kamme lektrode 26 geerdet wird. Außerdem wird zwischen den Kammelektroden 29 und 30, die die Interdigitalelektrode 31 auf der zweiten Oberfläche 25 bilden, ein elektri sches Feld angelegt, wobei die Kammelektrode 27 geerdet wird.

Auf diese Weise wird das piezoelektrische Element 23, wie durch die Pfeile 32 und 33 in Fig. 2 angegeben, polarisiert. Das heißt, es wird von den Kammelektroden 27 und 30 zu den anderen Kammelektroden 26 und 29 in jeder der Interdigitalelektro den 28 und 31 so polarisiert, daß die angrenzenden Bereiche, die zwischen den Kammelektroden 27 und 30 und den anderen Kammelektroden 26 und 29 gebildet sind, in zueinander entgegengesetzter Richtung polarisiert sind.

Um das piezoelektrische Element 23 des piezoelektrischen Bauteils 22 anzuregen, werden die Kammelektrode 26, die eine der beiden Kammelektroden Interdigitale lektrode 28 auf der ersten Oberfläche 24 ist, und die Kammelektrode 29, die eine der beiden Kammelektroden auf der Interdigitalelektrode 31 auf der zweiten Ober fläche 25 ist, beide mit einem Anschluß 34 verbunden, wobei sie elektrisch mitein ander verbunden sind; die andere Kammelektrode 27 der Interdigitalelektrode 28 und die andere Kammelektrode 30 der Interdigitalelektrode 31 werden mit einem Anschluß 35 verbunden, wobei sie elektrisch miteinander verbunden sind. In die sem Zustand werden, wenn ein elektrisches Wechselspannungsfeld zwischen den Anschlüssen 34 und 35 angelegt wird, im piezoelektrischen Element 23 Längsvi brationen im Versteifungsmodus angeregt, was dazu führt, daß sich das piezoelek trische Element 23 in dieser Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht.

Die Fig. 3 und 4 zeigen ein piezoelektrisches Bauteil 36 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei Fig. 3 eine perspektivische An sicht und Fig. 4 einen Querschnitt in Längsrichtung zeigt.

Das piezoelektrische Bauteil 36 weist ein plattenförmiges piezoelektrisches Ele ment 37 auf. Das piezoelektrische Element 37 hat zwei Oberflächen 38 und 39, die parallel zueinander verlaufen und glatt poliert sind.

Eine Interdigitalelektrode 42, die zwei Kammelektroden 40 und 41 aufweist, und eine Interdigitalelektrode 45, die zwei Kammelektroden 43 und 44 aufweist, sind in Längsrichtung auf der ersten Oberfläche 38 des piezoelektrische Element 37 vor gesehen.

Andererseits sind eine Interdigitalelektrode 48, die zwei Kammelektroden 46 und 47 aufweist, und eine Interdigitalelektrode 51, die zwei Kammelektroden 49 und 50 aufweist, in Längsrichtung auf der zweiten Oberfläche 39 des piezoelektrischen Elements 37 vorgesehen. Obwohl es in der Zeichnung nicht deutlich dargestellt ist, bildet das auf der zweiten Oberfläche 39 gebildete Muster der Interdigitalelektroden 48 und 51 eine Projektion des Musters der Interdigitalelektroden 42 und 45 auf der ersten Oberfläche 38.

In dieser bevorzugten Ausführungsform wird das piezoelektrische Element 37 pola risiert, indem zwischen den beiden Kammelektroden 40 und 41 und zwischen den Kammelektroden 43 und 44, die jeweils die Interdigitalelektroden 42 und 45 auf der ersten Oberfläche 38 bilden, ein elektrisches Feld bei gleichzeitiger Erdung der Kammelektroden 40 und 43, und gleichermaßen ein elektrisches Feld zwischen den Kammelektroden 46 und 47 und zwischen den Kammelektroden 49 und 50 angelegt wird, die die Interdigitalelektrode 48 und 51 auf der zweiten Oberfläche 39 bilden, wobei die Kammelektroden 46 und 49 geerdet sind. Auf diese Weise wird das piezoelektrische Element 37 polarisiert, wie das von den Pfeilen 52 und 53 in Fig. 4 gezeigt ist.

Um das piezoelektrische Element 37 anzuregen sind ferner, wie in Fig. 3 gezeigt ist, die Kammelektroden 40, 43, 46 und 49, von denen jede eine der beiden Kam melektroden der Interdigitalelektroden 42, 45, 48 und 51 bildet, alle zusammen mit dem Anschluß 54 verbunden, und die anderen Kammelektroden 41, 44, 47 und 50 sind alle zusammen mit dem anderen Anschluß 55 verbunden. In diesem Zustand werden, wenn ein Wechselstromfeld als elektrisches Anregungsfeld an die An schlüsse 54 und 55 angelegt wird, im piezoelektrische Element 37 Längsvibratio nen im Versteifungsmodus angeregt, die dazu führen, daß sich das piezoelektri sche Element 37 in seiner Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht.

In dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein Abstand A, der im mittleren Bereich des piezoelektrischen Elements 37 zwischen den Elektrodenfingern der Kamme lektroden 41 und 43 und zwischen den Elektrodenfingern der Kammelektroden 47 und 49 definiert ist, so festgelegt, daß er größer ist, als ein Abstand B, der als Ab stand im Endbereich des piezoelektrischen Elements 37 zwischen den Elektroden fingern der Kammelektroden 40 und 41, zwischen den Elektrodenfingern der Kam melektroden 43 und 44, zwischen den Elektrodenfingern der Kammelektroden 46 und 47 und zwischen den Elektrodenfingern der Kammelektroden 49 und 50 defi niert ist. Die Gründe dafür sind nachfolgend angeführt.

Allgemein gilt, daß, wenn die Dicke eines piezoelektrische Elements den Abstand zwischen den Elektrodenfingern übersteigt, das piezoelektrische Element nicht ge nügend polarisiert werden kann und dadurch der Koeffizient der elektromechani schen Kopplung verringert wird. Daher sollte der Abstand zwischen den Elektro denfingern bevorzugt größer sein als die Dicke des piezoelektrischen Elements; wenn jedoch der Abstand zwischen den Elektrodenfingern zu groß ist, erhöht sich die Impedanz des piezoelektrischen Bauteils, und es wird schwierig, eine Impe danzanpassung an eine Schaltung zu erzielen. Dementsprechend ist es möglich, daß man, wenn man den Abstand zwischen den Elektrodenfingern im mittleren Be reich des piezoelektrischen Elements, der eine beträchtliche Auswirkung auf den Koeffizienten der elektromechanischen Kopplung hat, groß macht und den Abstand zwischen den Elektrodenfingern an den Endbereichen des piezoelektrischen Ele ments demgegenüber verkleinert, die Impedanzerhöhung verhindert, und gleich zeitig den Polarisationsgrad im mittleren Bereich des piezoelektrischen Elements erhöht, und so den Koeffizienten der elektromechanischen Kopplung erhöht und eine wirksamere Anregung des piezoelektrische Element ermöglicht.

Da der Abstand A im mittleren Bereich des piezoelektrischen Elements 37 größer ist als der Abstand B in den Endbereichen des piezoelektrischen Elements 37, gibt es, wie oben beschrieben, in dieser bevorzugten Ausführungsform eine doppelte Wirkung, nämlich das Verhindern der Impedanzerhöhung und eine Steigerung des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten.

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein piezoelektrisches Bauteil 56 gemäß einer dritten bevorzugten Ausführung der Erfindung, wobei Fig. 5 eine perspektivische Ansicht und Fig. 6 eine Querschnittsansicht in Längsrichtung des Bauteils 56 zeigt.

Das piezoelektrische Bauteil 56 weist ein langes plattenförmiges piezoelektrisches Element 57 auf. Das piezoelektrische Element 57 hat zwei Oberflächen 58 und 59, die parallel zueinander verlaufen.

Eine Interdigitalelektrode 62, die zwei Kammelektroden 60 und 61 aufweist, eine Interdigitalelektrode 65, die zwei Kammelektroden 63 und 64 aufweist, und eine Interdigitalelektrode 68, die zwei Kammelektroden 66 und 67 aufweist, sind in Längsrichtung auf der ersten Oberfläche 58 des piezoelektrischen Elements 57 vorgesehen.

Eine Interdigitalelektrode 71, die zwei Kammelektroden 69 und 70 aufweist, eine Interdigitalelektrode 74, die zwei Kammelektroden 72 und 73 aufweist, und eine Interdigitalelektrode 77, die zwei Kammelektroden 75 und 76 aufweist, sind in Längsrichtung auf der zweiten Oberfläche 59 des piezoelektrischen Elements 57 vorgesehen. Die Muster der Interdigitalelektroden 71, 74, 77 auf der zweiten Ober fläche 59 sind jeweils die Projektionen der Interdigitalelektroden 62, 65 und 68 auf der ersten Oberfläche 58.

In dieser bevorzugten Ausführungsform wird das piezoelektrische Element 57 da durch polarisiert, daß ein elektrisches Feld zwischen den Kammelektroden 60 und 61, zwischen den Kammelektroden 63 und 64 und zwischen den Kammelektroden 66 und 67 angelegt wird, die jeweils die Interdigitalelektroden 62, 65 und 68 auf der ersten Oberfläche 58 bilden, während die Kammelektroden 61, 64 und 67 geerdet sind; und gleichermaßen dadurch, daß ein elektrisches Feld zwischen den Kam melektroden 69 und 70, zwischen den Kammelektroden 72 und 73 und zwischen den Kammelektroden 75 und 76 angelegt wird, die jeweils die Interdigitalelektroden 71, 74 und 77 auf der ersten Oberfläche 59 bilden, während die Kammelektroden 70, 73 und 76 geerdet sind. Als Folge davon wird das piezoelektrische Element 57 in die von den Pfeilen 78 und 79 in Fig. 6 gezeigten Richtungen polarisiert.

Um das piezoelektrische Element 57 anzuregen, sind ferner die Kammelektroden 60, 63, 66, 69, 72 und 75, die jeweils eine der beiden Kammelektroden der Interdi gitalelektroden 62, 65, 68, 71, 74 und 77 sind, gemeinsam mit einem Anschluß 80 verbunden, und die anderen Kammelektroden 61, 64, 67, 70, 73 und 76 sind ge meinsam mit dem anderen Anschluß 81 verbunden. In diesem Zustand werden, wenn zwischen den Anschlüssen 80 und 81 ein elektrisches Wechselfeld zur Anre gung angelegt wird, im piezoelektrischen Element 57 Längsvibrationen im Verstei fungsmodus angeregt, was dazu führt, daß sich das piezoelektrische Element 57 in seiner Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht.

In dieser bevorzugten Ausführungsform ist, wie in der in den Fig. 3 und 4 ge zeigten bevorzugten Ausführungsform, der Abstand C im mittleren Bereich des pie zoelektrischen Elements 57 größer festgelegt als der Abstand D an den Endberei chen des piezoelektrischen Elements 57. Daher ist es möglich, ein Ansteigen der Impedanz zu verhindern, während der Polarisationsgrad im mittleren Bereich des piezoelektrischen Elements 57 erhöht wird, wobei der Koeffizient der elektrome chanischen Kopplung erhöht und eine effektivere Anregung des piezoelektrischen Elements erzielt wird.

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils 36a gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das piezoelektrische Bauteil 36a entspricht einer Modifikation des in Fig. 3 gezeigten piezoelektrischen Bauteils 36. Daher sind in Fig. 7 Teile, die denen in Fig. 3 entsprechen, mit densel ben Bezugszeichen versehen, und auf ihre weitere Erklärung wird verzichtet.

In dem in Fig. 7 gezeigten piezoelektrischen Bauteil 36a ist auf der ersten Oberflä che 38 des piezoelektrischen Elements 37 ein leitendes Muster 82 vorgesehen, das die Kammelektroden 40 und 43 verbindet, die jeweils eine der Kammelektroden der Interdigitalelektroden 42 und 45 auf der ersten Oberfläche 38 sind, und ein leiten des Muster 83 ist auf derselben ersten Oberfläche 38 vorgesehen und verbindet die anderen Kammelektroden 41 und 44.

Andererseits ist ein leitendes Muster 84 auf der zweiten Oberfläche 39 des piezo elektrischen Elements 37 vorgesehen und verbindet die Kammelektroden 46 und 49, die jeweils eine der Kammelektroden der Interdigitalelektroden 48 und 55 auf der zweiten Oberfläche 39 sind, und ein (in Fig. 7 nicht gezeigtes) leitendes Muster ist auf derselben zweiten Oberfläche 39 vorgesehen und verbindet die anderen Kammelektroden 47 und 50 (siehe Fig. 4).

In jeder anderer Hinsicht ist der Aufbau des piezoelektrischen Bauteils 36 von Fig. 7 im wesentlichen derselbe wie der des piezoelektrischen Bauteils 36 in Fig. 3.

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils 56a gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Dieses piezoelektrische Bauteil 56a entspricht einer Modifikation des in Fig. 5 gezeigten piezoelektrischen Bauteils 56. Daher sind in Fig. 8 Einzelteile, die denen in Fig. 5 entsprechen, mit denselben Be zugszeichen versehen, und auf ihre weitere Erklärung wird verzichtet.

In dem in Fig. 8 gezeigten piezoelektrischen Bauteil 56a verbindet ein leitendes Muster 85 auf der ersten Oberfläche 58 des piezoelektrischen Elements 57 die Kammelektroden 60, 63 und 66, die jeweils eine der Kammelektroden der Inter digitalelektroden 62, 65 und 68 auf der ersten Oberfläche 58 bilden, und ein leiten des Muster 86 verbindet auf derselben ersten Oberfläche 58 die anderen Kamme lektroden 61, 64 und 67.

Andererseits verbindet ein leitendes Muster 87 auf der zweiten Oberfläche 59 des piezoelektrischen Elements 57 die Kammelektroden 68, 72 und 75, die jeweils eine der Kammelektroden der Interdigitalelektroden 71, 74 und 77 auf der zweiten Ober fläche 59 bilden, und ein (in Fig. 8 nicht gezeigtes) leitendes Muster verbindet auf derselben zweiten Oberfläche 59 die anderen Kammelektroden 70 und 73 (siehe Fig. 6).

In jeder anderer Hinsicht ist der Aufbau des piezoelektrischen Bauteils 56a im we sentlichen derselbe wie der des in Fig. 5 gezeigten piezoelektrischen Bauteils 56.

Während die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, sind zahlreiche andere Modifikationen hierzu möglich und liegen im Umfang der Erfindung.

Zum Beispiel ist das piezoelektrische Element in allen oben dargestellten Ausfüh rungsformen plattenförmig, es kann aber statt dessen auch stangenförmig ausge bildet sein. Ferner muß, wenn das piezoelektrische Element stangenförmig ist, sein Querschnitt nicht unbedingt quadratisch sein, sondern kann auch eine andere Form, wie z. B. eine dreieckige, aufweisen.

In den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Interdigitalelektroden fer ner auf parallelen ersten und zweiten Oberflächen des piezoelektrische Element vorgesehen, aber die beiden Oberflächen des piezoelektrischen Elements, auf de nen die Interdigitalelektroden vorgesehen sind, müssen nicht unbedingt parallel verlaufen. Wenn z. B. das piezoelektrische Element, wie oben erwähnt, einen stan genförmigen Aufbau hat, der in seinem Querschnitt dreieckig ist, d. h. wenn es ein dreiseitiges Prisma ist, können die Interdigitalelektroden auf zwei der Oberflächen dieses dreiseitigen Prismas vorgesehen sein.

Ferner können die Interdigitalelektroden auf drei oder mehr Oberflächen des piezo elektrischen Elements vorgesehen sein. Wenn das piezoelektrische Element bei spielsweise, wie oben beschrieben, ein dreiseitiges Prisma ist, können die Interdi gitalelektroden auf jeder der drei Seitenflächen vorgesehen sein. Alternativ kann nur eine Interdigitalelektrode auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements vorgesehen sein.

Ferner waren beispielsweise in der in den Fig. 1 und 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform die Kammelektroden 26 und 27 auf der ersten Oberfläche 24 des piezoelektrische Element 23 elektrisch mit den auf der zweiten Oberfläche vorge sehenen Kammelektroden 29 und 30 und gemeinsam mit den Anschlüssen 34 und 35 verbunden, aber alternativ kann diese elektrische Verbindung auch dadurch er reicht werden, daß ein leitendes Muster auf den Seiten- oder Endflächen vorgese hen wird, die sich zwischen der ersten und zweiten Oberfläche 24 und 25 des pie zoelektrischen Elements 23 befinden.

Weiterhin ist es in jeder der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen möglich, die Anzahl der Interdigitalelektroden, die Anzahl der Kammzähne einer Kammelektrode, den Abstand zwischen den Kammzähnen, die Breite der Kamm zähne, die Länge der Zwischenräume zwischen den Kammzähnen und dergleichen zu verändern.

Nachstehend wird ein Versuch geschildert, der zur Bestätigung der Wirkungswei sen der Erfindung durchgeführt wurde.

Versuch

Eine piezoelektrische Platte, die eine piezoelektrische Keramik einer durch Pb_0,95Sr_0,05(Ti_0,50Zr_0,50)O₃ + 1 Mol-% MnO₀₂ angegebenen Zusammensetzung um faßt, wurde vorbereitet. Unter Verwendung dieser piezoelektrischen Platte als pie zoelektrisches Element wird das in Fig. 1 (Ausführungsform 1) gezeigte piezoelek trische Bauteil 22, das in Fig. 3 (Ausführungsform 2) gezeigte piezoelektrische Bauteil 36, das in Fig. 5 (Ausführungsform 3) gezeigte piezoelektrische Bauteil 56, das in Fig. 10 (Vergleichsbeispiel 1) gezeigte piezoelektrische Bauteil 1, das in Fig. 11 (Vergleichsbeispiel 2) gezeigte piezoelektrische Bauteil 8 und das in Fig. 12 (Vergleichsbeispiel 3) gezeigte piezoelektrische Bauteil 15 folgendermaßen herge stellt.

In jeder der Ausführungsformen 1-3 und in jedem der Vergleichsbeispiele 1-3 wur de das piezoelektrische Element solange poliert, bis seine Dicke 0,3 mm und seine Oberflächenrauhigkeit etwa 1 µm betrug. Ferner waren die Abmessungen der fla chen Oberflächen des piezoelektrischen Elements in den Ausführungsformen 1-3 und den Vergleichsbeispielen 2 und 3 1 mm×3,6 mm und im Vergleichsbeispiel 1 4,8 mm×4,8 mm.

Dann wurden bei den in den jeweiligen Figuren dargestellten Ausführungsformen 1-3 und bei den in den jeweiligen Fig. 10-12 dargestellten Ausführungsformen der Vergleichsbeispiele 1-3 die Interdigitalelektroden auf das piezoelektrische Element aufgebracht. In den Ausführungsformen 1-3 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurden die Interdigitalelektroden und Elektroden auf den polierten Oberflächen des piezoelektrischen Elements vorgesehen.

Hier, in den Ausführungsformen 1-3, wurde die Breite der Kammzähne der die In terdigitalelektroden bildenden Kammelektroden auf 50 µm und die sich überlap pende Länge dieser Kammzähne auf 0,6 mm festgelegt.

Ferner wurde in Ausführungsform 1 der Abstand zwischen den Kammzähnen der Interdigitalelektrode auf 200 µm und die Anzahl der Kammzähne jeder Kammelek trode der Interdigitalelektroden auf 6 festgelegt.

Weiterhin wurde in Ausführungsform 2 der Abstand A zwischen den Kammzähnen der Interdigitalelektroden auf 600 µm, der Abstand B zwischen den Kammzähnen auf 200 µm und die Anzahl der Kammzähne jeder Kammelektrode der Interdigital elektroden auf 6 festgelegt.

Ferner wurde in Ausführungsform 3 der Abstand C zwischen den Kammzähnen der Interdigitalelektroden auf 400 µm, der Abstand D zwischen den Kammzähnen auf 200 µm und die Anzahl der Kammzähne jeder Kammelektrode der Interdigital elektroden auf zwei festgelegt.

Dann wurden die piezoelektrischen Elemente jeder Ausführungsform 1-3 und der Vergleichsbeispiele 1-3 polarisiert.

Genauer gesagt, wurde in jeder Ausführungsform 1-3 das piezoelektrische Element dadurch polarisiert, daß jeweils eine der Kammelektroden jeder auf der ersten und zweiten Oberfläche vorgesehenen Interdigitalelektroden geerdet wurde, während eine Spannung von 2-5 kV/mm an die jeweils andere Kammelektrode jeder Interdi gitalelektrode angelegt wurde.

Andererseits wurde im Vergleichsbeispiel 1 das piezoelektrische Element dadurch polarisiert, daß eine Elektrode geerdet wurde, während ein Potential von 3,0 kV/mm an die andere Elektrode angelegt wurde. Ebenso wurden die piezoelektrischen Elemente im Vergleichsbeispiel 2 durch ein Potential von 3,0 kV/mm und im Ver gleichsbeispiel 3 durch ein Potential von 3,0 kV/mm polarisiert.

Für jede Ausführungsform 1-3 und jedes Vergleichsbeispiel 1-3 wurden die Kapa zität, der elektromechanische Kopplungskoeffizient und ein Koeffizient der mecha nischen Qualität ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1

Wie aus Tabelle 1 klar ersichtlich ist, ist im Vergleichsbeispiel 1 der Koeffizient der elektromechanischen Kupplung nicht besonders hoch; darüber hinaus sind die Ab messungen groß, was eine kleine Dimensionierung des Elektronikteils erschwert. Ferner weist im Vergleichsbeispiel 2 der Koeffizient der elektromechanischen Kopplung seinen kleinsten Wert auf, weshalb seine Anwendungsmöglichkeiten be grenzt sind. Ferner ist im Vergleichsbeispiel 3 die Kapazität äußerst gering, wo durch die Anpassung der Impedanz an eine Schaltung erschwert wird, was zu star ken Einschränkungen für den Entwurf eines Filters oder dergleichen führt.

Im Gegensatz dazu kann man gemäß den Ausführungsformen 1-3 in jedem Fall ein klein dimensioniertes piezoelektrisches Bauteil herstellen, das einen hohen elek tromechanischen Kopplungskoeffizienten aufweist und bei dem die Impedanz pro blemlos an eine Schaltung angepaßt werden kann.

Ferner zeigt die Fig. 9 die Impedanz-Frequenzgänge zwischen den in der Nähe der Resonanzfrequenz liegenden Anschlüssen, wie sie für die Ausführungsform 1 und die Vergleichsbeispiele 2 und 3 ermittelt wurden.

Wie aus Fig. 9 deutlich wird, herrscht im Vergleichsbeispiel 3 eine hohe Impedanz, was die Anpassung der Impedanz an eine Schaltung schwierig macht. Weiterhin ist im Vergleichsbeispiel 2, obwohl die Impedanz niedrig ist, die Differenz ^∧f zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz gering, was eine Verwen dung als Tiefpaßfilter, VCO oder dergleichen zu umständlich macht.

Im Gegensatz dazu weist die Ausführungsform 1 eine geringe Impedanz, eine Re sonanzfrequenz von 450 kHz, eine Antiresonanzfrequenz von 500 kHz und einen Kopplungskoeffizienten von etwa 47% auf. Daher ist in Ausführungsform 1 die Im pedanzanpassung an eine Schaltung einfach und man kann, wenn diese Ausfüh rungsform in einem Filter eingesetzt wird, eine große Bandbreite erreichen.

Während die Erfindung im einzelnen dargestellt und unter Bezug auf die bevor zugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann selbstver ständlich, daß die vorher beschriebenen und andere Abänderungen in Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Piezoelektrisches Bauteil, das aufweist:
ein platten- oder stangenförmiges piezoelektrisches Element (23; 37; 57); und wenigstens eine Interdigitalelektrode (28, 29; 42, 45, 46, 49; 62, 65, 68; 70, 72), die zwei Kammelektroden (26, 27; 41, 42, 43, 44; 61, 62, 63, 64, 66, 67) aufweist und auf wenigstens einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements vorgesehen ist; wobei
das piezoelektrische Element (23; 37; 57) durch Anlegen eines elektrischen Felds zwischen den beiden Kammelektroden polarisiert oder ausgerichtet wird, und das piezoelektrische Bauteil dazu angepasst ist, durch Anlegen ei nes elektrischen Feldes zwischen den beiden Kammelektroden im Verstei fungsmodus zu vibrieren.

2. Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Interdigitalelektroden jeweils auf wenigstens zwei Oberflächen (24, 25; 38, 39; 57, 58) des piezoelektrischen Elements vorgesehen sind.

3. Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Interdigitalelektroden jeweils auf wenigstens zwei Oberflächen (24, 25; 38, 39; 57, 58) des piezoelektrischen Elements vorgesehen sind, die parallel zuein ander liegen.

4. Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kammelektroden, die die Interdigitalelektrode, die auf einer der beiden Oberflächen des piezoelektrischen Elements vorgesehen ist, bilden, elektrisch mit der anderen Kammelektrode verbunden ist, die die Interdigita lelektrode bildet, die auf der anderen der beiden Oberflächen des piezoelektri schen Elements vorgesehen ist.

5. Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn zeichnet, daß eine der Oberflächen des piezoelektrischen Elements, auf der die Interdigitalelektrode vorgesehen ist, poliert ist.

6. Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn zeichnet, daß sich ein Abstand (C) zwischen zwei der elektronischen Finger der Kammelektroden der Interdigitalelektrode von einem Abstand (D) zwi schen den zwei anderen elektronischen Fingern der Kammelektroden dieser Interdigitalelektrode unterscheidet.

7. Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (C) zwischen zwei der elektronischen Finger der Kammelektroden (63, 64) der Interdigitalelektrode (65), die sich im mittleren Bereich des piezo elektrischen Elements (57) befindet, größer ist, als der Abstand (D) der zwei anderen elektronischen Finger der Kammelektroden (66, 67) der Interdigital elektrode (68), die an einem Endbereich des piezoelektrischen Elements liegt.