DE19916885B4

DE19916885B4 - Piezoelektrisches Bauteil

Info

Publication number: DE19916885B4
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: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2019-04-15
Also published as: KR19990083337A; CN1136653C; CN1233106A; JP3303772B2; JPH11308070A; KR100318245B1; DE19916885A1; TW444430B; US6218770B1

Abstract

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 durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den beiden Kammelektroden polarisiert ist und durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes zwischen den beiden Kammelektroden derart vibriert, dass es sich in Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht, wobei
der Abstand zwischen den Elektrodenfingern im mittleren Bereich des piezoelektrischen Elementes groß ist und der Abstand zwischen den Elektrodenfingern an den Endbereichen des piezoelektrischen Elements demgegenüber verkleinert ist.

Description

Die Erfindung befasst sich mit einem piezoelektrischen Bauteil, insbesondere einem piezoelektrischen Bauteil, das in technologischen Bereichen, wie der Datenverarbeitung und Nachrichtentechnik, als Resonator, Filter und dergleichen verwendet wird.
Ein piezoelektrisches Bauteil weist beispielsweise ein aus piezoelektrischer Keramik bestehendes piezoelektrisches Element auf, und derartige piezoelektrische Bauteile, die dazu angepasst sind, in einem quadratischen Vibrationsmodus oder Dickenschwingungsmodus zu vibrieren, finden breite Anwendung.
10 zeigt ein piezoelektrisches Bauteil 1, das dazu angepasst ist, in einem quadratischen Vibrationsmodus zu vibrieren. Das piezoelektrische Bauteil 1 weist ein rechteckiges plattenförmiges piezoelektrisches Element 2 auf, auf dessen Hauptflächen 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.
11 zeigt ein piezoelektrisches Bauteil 8, das in einem nichtversteiften Vibrationsmodus vibriert. Das piezoelektrische Bauteil 8 weist ein schmales plattenförmiges 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 nichtversteiften Modus angeregt.
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 Versteifungsmodus angeregt.
Die jeweils in den 10, 11 und 12 dargestellten piezoelektrischen Bauteile 1, 8 und 15 weisen jedoch die folgenden Nachteile auf.
Erstens ist das in 10 gezeigte piezoelektrische Bauteil 1 verhältnismäßig groß und kann somit nicht in einer kleinen Schaltung oder einem kleinen Gerät verwendet werden. Wenn z.B. das piezoelektrische Bauteil 1 in einem amplitudenmodulierten 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 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 Filter-Durchlassband erzielen.
Ferner ist bei dem in 12 gezeigten piezoelektrischen Bauteil 1, wenn das piezoelektrische 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.

Aus der U.S.-A-5,315,205 ist ein piezoelektrischer Resonator mit einer ersten und zweiten piezoelektrischen Schicht bekannt. Die U.S.-A-5,552,655 offenbart einen piezoelektrischen Resonator, der ebenfalls zwei piezoelektrische Schichten aufweist. Eine erste Elektrode erstreckt sich auf der Oberseite der oberen piezoelektrischen Schicht, eine zweite Elektrode erstreckt sich auf der Unterseite der unten angeordneten piezoelektrischen Schicht und eine dritte Elektrode ist zwischen zwei piezoelektrischen Schichten angeordnet. Schließlich beschreibt die U.S.-A-2,540,194 einen piezoelektrischen Resonator, der dazu ausgelegt ist, auf Biegebelastung anzusprechen. Zur Verfügung gestellt werden soll ein piezoelektrischer Empfänger, der ständig auf Biegebelastungen im Audiofrequenzbereich anspricht.

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

Die Erfindung stellt ein piezoelektrisches Bauteil gemäß Anspruch 1 bereit, das ein platten- oder stangenförmiges piezoelektrisches Element und auf wenigstens einer Oberfläche desselben wenigstens eine Interdigitalelektrode mit zwei Kammelektroden aufweist, wobei das piezoelektrische Element durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den beiden Kammelektroden polarisiert oder ausgerichtet wird, und das piezoelektrische Bauteil dazu angepasst ist, durch Anlegen eines elektri schen 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 dimensioniert sein. Die Impedanz des piezoelektrischen Bauteils lässt sich problemlos an eine Schaltung anpassen, und das piezoelektrische Bauteil hat ein breites nutzbares 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 Elements. 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 Interdigitalelektrode bildet, bevorzugt elektrisch mit der anderen Kammelektrode verbunden, die die Interdigitalelektrode bildet, die auf der anderen Oberfläche des piezoelektrischen 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, poliert.

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

Beim erfindungsgemäßen, oben beschriebenen piezoelektrischen Bauteil unterscheidet sich ein Abstand zwischen zwei der elektronischen Finger der Kammelektroden der Interdigitalelektrode von einem Abstand zwischen den beiden anderen elektronischen Fingern der Kammelektroden dieser Interdigitalelektrode. In diesem Fall ist der Abstand zwischen den beiden elektronischen Fingern der Kammelektroden der Interdigitalelektrode, die sich im mittleren Bereich des piezoelektrischen Elements befinden, bevorzugt größer, als der Abstand zwischen den beiden anderen elektronischen 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 Kopplung resultiert, während die Bereiche, in denen der Abstand zwischen den Elektrodenfingern gering ist, die Impedanz des piezoelektrische Bauteil nicht erhöhen. Wenn der Abstand zwischen den Elektrodenfingern im mittleren Bereich des piezoelektrischen Elements vergrößert und im Endbereich des piezoelektrischen Elements verringert ist, ist auch der Polarisationsgrad in der Mitte, dem Bereich, der den Koeffizienten der elektromechanischen Kopplung beträchtlich beeinflusst, vergrößert, wodurch der elektromechanische Kopplungskoeffizient weiter erhöht und eine größere Wirksamkeit erzielt wird.

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich, die sich auf die beiliegende Zeichnung bezieht, wobei 1 und 2 nicht unter die Erfindung fallen.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils 22 gemäß dem Stand der Technik.
2 ist eine Längsschnittansicht des in 1 gezeigten piezoelektrischen Bauteils 22.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils 36 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
4 ist eine Längsschnittansicht des in 3 gezeigten piezoelektrischen Bauteils 36.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils 56 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
6 ist eine Längsschnittansicht des in 5 gezeigten piezoelektrischen Bauteils 56.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils 36a gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
8 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils 56a gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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.
10 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen piezoelektrischen Bauteils 1, das mit quadratischer Vibration arbeitet und für die Erfindung von Interesse ist.
11 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen piezoelektrischen Bauteils 8, das im nicht versteiften Vibrationsmodus arbeitet und für die Erfindung von Interesse ist; und
12 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen piezoelektrischen Bauteils 15, das im Versteifungsvibrationsmodus arbeitet und für die Erfindung von Interesse ist.
Die 1 und 2 zeigen ein piezoelektrisches Bauteil 22 gemäß dem Stand der Technik, wobei 1 eine perspektivische Ansicht und 2 ein Querschnitt in Längsrichtung ist.
Das piezoelektrische Bauteil 22 weist beispielsweise ein längliches plattenförmiges piezoelektrisches Element 23 aus piezoelektrischer Keramik auf. Das piezoelektrische 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 Interdigitalelektrode 31, die zwei Kammelektroden 29 und 30 aufweist, ist auf der zweiten Oberfläche 25 des piezoelektrischen Elements 23 vorgesehen. Das Muster der Interdigitalelektrode 31 ist eine Projektion der Interdigitalelektrode 28 von der ersten Oberfläche 24 auf die zweite Oberfläche 25, obwohl das im Diagramm nicht deutlich gezeigt ist. Die Interdigitalelektroden 28 und 31 können beispielsweise durch Photolithographie gebildet werden.
Das piezoelektrische Element 23 wird folgendermaßen polarisiert. Zuerst wird zwischen den beiden Kammelektroden 26 und 27, die die Interdigitalelektrode 28 auf der ersten Oberfläche 24 bilden, ein elektrisches Feld angelegt, wobei die Kammelektrode 26 geerdet wird. Außerdem wird zwischen den Kammelektroden 29 und 30, die die Interdigitalelektrode 31 auf der zweiten Oberfläche 25 bilden, ein elektrisches Feld angelegt, wobei die Kammelektrode 29 geerdet wird.
Auf diese Weise wird das piezoelektrische Element 23, wie durch die Pfeile 32 und 33 in 2 angegeben, polarisiert. Das heißt, es wird von den Kammelektroden 27 und 30 zu den anderen Kammelektroden 26 und 29 in jeder der Interdigitalelektroden 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 Interdigitalelektrode 28 auf der ersten Oberfläche 24 ist, und die Kammelektrode 29, die eine der beiden Kammelektroden auf der Interdigitalelektrode 31 auf der zweiten Oberfläche 25 ist, beide mit einem Anschluss 34 verbunden, wobei sie elektrisch miteinander 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 diesem Zustand werden, wenn ein elektrisches Wechselspannungsfeld zwischen den Anschlüssen 34 und 35 angelegt wird, im piezoelektrischen Element 23 Längsvibrationen im Versteifungsmodus angeregt, was dazu führt, dass sich das piezoelektrische Element 23 in dieser Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht.
Die 3 und 4 zeigen ein piezoelektrisches Bauteil 36 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei 3 eine perspektivische Ansicht und 4 einen Querschnitt in Längsrichtung zeigt.
Das piezoelektrische Bauteil 36 weist ein plattenförmiges piezoelektrisches Element 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 vorgesehen.
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 polarisiert, 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 4 gezeigt ist.
Um das piezoelektrische Element 37 anzuregen sind ferner, wie in 3 gezeigt ist, die Kammelektroden 40, 43, 46 und 49, von denen jede eine der beiden Kammelektroden 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 Anschlüsse 54 und 55 angelegt wird, im piezoelektrische Element 37 Längsvibrationen im Versteifungsmodus angeregt, die dazu führen, dass sich das piezoelektrische 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 Kammelektroden 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 Abstand im Endbereich des piezoelektrischen Elements 37 zwischen den Elektrodenfingern der Kammelektroden 40 und 41, zwischen den Elektrodenfingern der Kammelektroden 43 und 44, zwischen den Elektrodenfingern der Kammelektroden 46 und 47 und zwischen den Elektrodenfingern der Kammelektroden 49 und 50 definiert 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 genügend polarisiert werden kann und dadurch der Koeffizient der elektromechanischen Kopplung verringert wird. Daher sollte der Abstand zwischen den Elektrodenfingern 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 Impedanzanpassung an eine Schaltung zu erzielen. Dementsprechend ist es möglich, dass man, wenn man den Abstand zwischen den Elektrodenfingern im mittleren Bereich 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 Elements demgegenüber verkleinert, die Impedanzerhöhung verhindert, und gleichzeitig 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 5 und 6 zeigen ein piezoelektrisches Bauteil 56 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung, wobei 5 eine perspektivische Ansicht und 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 Oberfläche 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 dadurch 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 Kammelektroden 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 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 Interdigitalelektroden 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 gemeinsam mit dem anderen Anschluss 81 verbunden. In diesem Zustand werden, wenn zwischen den Anschlüssen 80 und 81 ein elektrisches Wechselfeld zur Anregung angelegt wird, im piezoelektrischen Element 57 Längsvibrationen im Versteifungsmodus 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 3 und 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsform, der Abstand C im mittleren Bereich des piezoelektrischen Elements 57 größer festgelegt als der Abstand D an den Endbereichen 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 elektromechanischen Kopplung erhöht und eine effektivere Anregung des piezoelektrischen Elements erzielt wird.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils 36a gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das piezoelektrische Bauteil 36a entspricht einer Modifikation des in 3 gezeigten piezoelektrischen Bauteils 36. Daher sind in 7 Teile, die denen in 3 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen, und auf ihre weitere Erklärung wird verzichtet.
In dem in 7 gezeigten piezoelektrischen Bauteil 36a ist auf der ersten Oberfläche 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 leitendes 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 piezoelektrischen 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 7 nicht gezeigtes) leitendes Muster ist auf derselben zweiten Oberfläche 39 vorgesehen und verbindet die anderen Kammelektroden 47 und 50 (siehe 4).
In jeder anderer Hinsicht ist der Aufbau des piezoelektrischen Bauteils 36 von 7 im wesentlichen derselbe wie der des piezoelektrischen Bauteils 36 in 3.
8 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Bauteils 56a gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Dieses piezoelektrische Bauteil 56a entspricht einer Modifikation des in 5 gezeigten piezoelektrischen Bauteils 56. Daher sind in 8 Einzelteile, die denen in 5 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen, und auf ihre weitere Erklärung wird verzichtet.
In dem in 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 Interdigitalelektroden 62, 65 und 68 auf der ersten Oberfläche 58 bilden, und ein leitendes Muster 86 verbindet auf derselben ersten Oberfläche 58 die anderen Kammelektroden 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 Oberfläche 59 bilden, und ein (in 8 nicht gezeigtes) leitendes Muster verbindet auf derselben zweiten Oberfläche 59 die anderen Kammelektroden 70 und 73 (siehe 6).
In jeder anderer Hinsicht ist der Aufbau des piezoelektrischen Bauteils 56a im wesentlichen derselbe wie der des in 5 gezeigten piezoelektrischen Bauteils 56.
Während die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, sind zahlreiche andere Modifikationen hierzu möglich.
Zum Beispiel ist das piezoelektrische Element in allen oben dargestellten Ausführungsformen plattenförmig, es kann aber statt dessen auch stangenförmig ausgebildet 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 ferner auf parallelen ersten und zweiten Oberflächen des piezoelektrische Element vorgesehen, aber die beiden Oberflächen des piezoelektrischen Elements, auf denen die Interdigitalelektroden vorgesehen sind, müssen nicht unbedingt parallel verlaufen. Wenn z.B. das piezoelektrische Element, wie oben erwähnt, einen stangenförmigen 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 piezoelektrischen Elements vorgesehen sein. Wenn das piezoelektrische Element beispielsweise, 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 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 vorgesehenen Kammelektroden 29 und 30 und gemeinsam mit den Anschlüssen 34 und 35 verbunden, aber alternativ kann diese elektrische Verbindung auch dadurch erreicht werden, dass ein leitendes Muster auf den Seiten- oder Endflächen vorgesehen wird, die sich zwischen der ersten und zweiten Oberfläche 24 und 25 des piezoelektrischen 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 Kammzähne, die Länge der Zwischenräume zwischen den Kammzähnen und dergleichen zu verändern.
Nachstehend wird ein Versuch geschildert, der zur Bestätigung der Wirkungsweisen 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 umfasst, wurde vorbereitet. Unter Verwendung dieser piezoelektrischen Platte als piezoelektrisches Element wird das in 1 (Vergleichsbeispiel 4) gezeigte piezoelektrische Bauteil 22, das in 3 (Ausführungsform 1) gezeigte piezoelektrische Bauteil 36, das in 5 (Ausführungsform 2) gezeigte piezoelektrische Bauteil 56, das in 10 (Vergleichsbeispiel 1) gezeigte piezoelektrische Bauteil 1, das in 11 (Vergleichsbeispiel 2) gezeigte piezoelektrische Bauteil 8 und das in 12 (Vergleichsbeispiel 3) gezeigte piezoelektrische Bauteil 15 folgendermaßen hergestellt.
In jeder der Ausführungsformen 1 und 2 und in jedem der Vergleichsbeispiele 1–4 wurde das piezoelektrische Element solange poliert, bis seine Dicke 0,3 mm und seine Oberflächenrauhigkeit etwa 1 μm betrug. Ferner waren die Abmessungen der flachen Oberflächen des piezoelektrischen Elements in den Ausführungsformen 1 und 2 und den Vergleichsbeispielen 2 und 31 mm × 3,6 mm und im Vergleichsbeispiel 14,8 mm × 4,8 mm.
Dann wurden bei den in den jeweiligen Figuren dargestellten Ausführungsformen 1 und 2 und bei den in den jeweiligen 10–12 dargestellten Ausführungsformen der Vergleichsbeispiele 1–4 die Interdigitalelektroden auf das piezoelektrische Element aufgebracht. In den Ausführungsformen 1 und 2 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurden die Interdigitalelektroden und Elektroden auf den polierten Oberflächen des piezoelektrischen Elements vorgesehen.
Hier, in den Ausführungsformen 1 und 2, wurde die Breite der Kammzähne der die Interdigitalelektroden bildenden Kammelektroden auf 50 μm und die sich überlappende Länge dieser Kammzähne auf 0,6 mm festgelegt.
Ferner wurde in Vergleichsbeispiel 4 der Abstand zwischen den Kammzähnen der Interdigitalelektrode auf 200 μm und die Anzahl der Kammzähne jeder Kammelektrode der Interdigitalelektroden auf 6 festgelegt.
Weiterhin wurde in Ausführungsform 1 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 Interdigitalelektroden auf 6 festgelegt.
Ferner wurde in Ausführungsform 2 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 Interdigitalelektroden auf zwei festgelegt.
Dann wurden die piezoelektrischen Elemente jeder Ausführungsform 1 und 2 und der Vergleichsbeispiele 1–4 polarisiert.
Genauer gesagt, wurde in jeder Ausführungsform 1 und 2 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 Interdigitalelektrode 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 Vergleichsbeispiel 3 durch ein Potential von 3,0 kV/mm polarisiert.
Für jede Ausführungsform 1 und 2 und jedes Vergleichsbeispiel 1–4 wurden die Kapazität, der elektromechanische Kopplungskoeffizient und ein Koeffizient der mechanischen 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 Abmessungen 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 begrenzt sind. Ferner ist im Vergleichsbeispiel 3 die Kapazität äußerst gering, wodurch die Anpassung der Impedanz an eine Schaltung erschwert wird, was zu starken Einschränkungen für den Entwurf eines Filters oder dergleichen führt.
Im Gegensatz dazu kann man gemäß den Ausführungsformen 1 und 2 in jedem Fall ein klein dimensioniertes piezoelektrisches Bauteil herstellen, das einen hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten aufweist und bei dem die Impedanz problemlos an eine Schaltung angepasst werden kann.
Ferner zeigt die 9 die Impedanz-Frequenzgänge zwischen den in der Nähe der Resonanzfrequenz liegenden Anschlüssen, wie sie für die Vergleichsbeispiele 2, 3 und 4 ermittelt wurden.
Wie aus 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 Verwendung als Tiefpassfilter, VCO oder dergleichen zu umständlich macht.
Im Gegensatz dazu weist das Vergleichsbeispiel 4 eine geringe Impedanz, eine Resonanzfrequenz von 450 kHz, eine Antiresonanzfrequenz von 500 kHz und einen Kopplungskoeffizienten von etwa 47% auf. Daher ist in Ausführungsform 1 die Impedanzanpassung an eine Schaltung einfach und man kann, wenn diese Ausführungsform in einem Filter eingesetzt wird, eine große Bandbreite erreichen.

Claims

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 durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den beiden Kammelektroden polarisiert ist und durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes zwischen den beiden Kammelektroden derart vibriert, dass es sich in Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht, wobei der Abstand zwischen den Elektrodenfingern im mittleren Bereich des piezoelektrischen Elementes groß ist und der Abstand zwischen den Elektrodenfingern an den Endbereichen des piezoelektrischen Elements demgegenüber verkleinert ist.
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.
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 zueinander liegen.
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 Interdigitalelektrode bildet, die auf der anderen der beiden Oberflächen des piezoelektrischen Elements vorgesehen ist.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Oberflächen des piezoelektrischen Elements, auf der die Interdigitalelektrode vorgesehen ist, poliert ist.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Abstand (C) zwischen zwei der elektronischen Finger der Kammelektroden der Interdigitalelektrode von einem Abstand (D) zwischen den zwei anderen elektronischen Fingern der Kammelektroden dieser Interdigitalelektrode unterscheidet.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (C) zwischen zwei der elektronischen Finger der Kammelektroden (63, 64) der Interdigitalelektrode (65), die sich im mittleren Bereich des piezoelektrischen Elements (57) befindet, größer ist, als der Abstand (D) der zwei anderen elektronischen Finger der Kammelektroden (66, 67) der Interdigitalelektrode (68), die an einem Endbereich des piezoelektrischen Elements liegt.