DE4017023A1 - Piezoelektrische vorrichtung mit schwingungsrichtung in dickenerstreckung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Piezoelektrische vorrichtung mit schwingungsrichtung in dickenerstreckung und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische Vor
richtung mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung und ein
Verfahren zu ihrer Herstellung, insbesondere eine piezoelek
trische Vorrichtung wie beispielsweise eine piezoelektrische
Falle, ein piezoelektrisches Filter, einen piezoelektrischen
Modulationsumwandler (Diskriminator) und ein Verfahren zu ihrer
Herstellung.
Bekannte piezoelektrische Vorrichtungen mit Schwingungsrichtung
in Dickenerstreckung wurden entsprechend Fig. 1a bis 1j her
gestellt. Deren Herstellungsverfahren wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Fig. 1a bis 1j beschrieben.
Zuerst wird ein Elektrodenpaar 27 aus Kupfer für ein Polarisa
tionsverfahren jeweils auf der Ober- und Unterseite einer pie
zoelektrischen Grundplatte 2 mit einer rechteckigen,
parallelepipetischen Form gemäß Fig. 1a gebildet und anschlie
ßend eine vorbestimmte Gleichspannung an die Elektroden 27
angelegt, um die piezoelektrische Grundplatte 2 in deren
Dickenerstreckungsrichtung wie in Fig. 1b dargestellt, zu pola
risieren. Anschließend wird das Elektrodenpaar 27 von der pie
zoelektrischen Grundplatte 2 wie in Fig. 1c dargestellt,
entfernt und dann die piezolektrische Grundplatte 2 in eine
Vielzahl von scheibenförmigen Platten 9 geschnitten, wie in den
Fig. 1d und 1e dargestellt.
Anschließend werden eine Reihe von kreisförmigen Elektroden
paaren 3 a und 3 b für eine Schwingung und eine Reihe von
rechteckigen Endelektrodenpaaren 5 a und 5 b auf die obere
Oberfläche der geschnittenen Platte 9 aufgebracht, so daß jedes
Paar der Elektroden 3 a und 3 b sich gegenübersteht, jedes Paar
der Elektroden 5 a und 5 b sich gegenübersteht, jede Elektrode 3 a
elektrisch verbunden ist mit jeder Elektrode 5 a und jede
Elektrode 3 b elektrisch verbunden mit jeder Elektrode 5 b ist,
wie in Fig. 1f dargestellt, und weiterhin eine Reihe von
kreisförmigen Elektrodensätzen 4 a und 4 b für die Schwingung und
rechteckige Endelektrodensätze 5 c so auf der Grundseite der
geschnittenen Platte 9 gebildet, daß die Elektroden 4 a und 4 b
jeweils den Elektroden 3 a und 3 b gegenüberstehen, die Elektrode
5 c sich zwischen den Elektroden 5 a und 5 b sich befindet und
jeder Satz von Elektroden 4 a, 4 b und 5 c elektrisch miteinander
verbunden ist, wie in Fig. 1i dargestellt.
Anschließend wird, wie in Fig. 1g dargestellt, die geschnittene
Platte 9 entlang der Linie c-c′ geschnitten, um eine Reihe von
piezoelektrischen Schwingungselementen 30 herzustellen, wobei
jedes Element 30 eine piezoelektrische Platte 1 einer recht
eckigen Form mit einer langen Seite (Längsseite) und einer
kurzen Seite (Querseite) aufweist, wie in Fig. 1h dargestellt.
Dann verläuft die Richtung der Polarisationsachse eines jeden
piezoelektrischen Schwingungselements 30, wie durch einen
Polarisationsvektor P angezeigt, parallel zur Längsseite der
piezoelektrischen Platte 1. Anschließend werden jeweils
Anschlußleitungen 11 a, 11 b und 11 c an die Elektroden 5 a, 5 b und
5 c des piezoelektrischen Schwingungselements 30 angelötet, wie
in Fig. 1i dargestellt. Letztlich wird das piezoelektrische
Schwingungselement 30 vollständig umhüllt mit einer äußeren
Harzumhüllung 13 eines Epoxidharzes, um so abgeschlossene
Öffnungen 12 herzustellen, die ein vorbestimmtes Volumen auf den
Elektroden 3 a, 3 b, 4 a und 4 b und in deren Nachbarschaft
aufweisen, woraus eine bekannte piezoelektrische Vorrichtung,
wie in Fig. 1j dargestellt, resultiert.
In bekannten piezoelektrischen Vorrichtungen, die wie oben
beschrieben hergestellt werden, verläuft die Richtung der
Polarisationsachse eines jeden piezoelektrischen Schwingungs
elements 30, wie durch den Polarisationsvektor P angezeigt,
parallel zur Längsseite der piezoelektrischen Platte 1 wie in
Fig. 2 dargestellt. Es ist zu beachten, daß in Fig. 2 keine
Elektroden eingezeichnet sind. In Fig. 2 bezeichnet l a eine
Länge in Richtung der Querseite der piezoelektrischen Platte 1
und l b bezeichnet eine Länge in der Richtung deren Längs
richtung, worin l a < l b ist.
Dennoch können bei bekannten piezolektrischen Vorrichtungen, die
mit einer äußeren Harzumhüllung 13 wie oben beschrieben,
umschlossen sind, thermische Spannungen zwischen der äußeren
Harzumhüllung 13 und der piezoelektrischen Platte 1 auftreten,
bedingt durch deren Expansion oder Kontraktion aufgrund der Un
terschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der äußeren
Harzumhüllung 13 und der piezoelektrischen Platte 1 und einer
Änderung der umgebenden Temperatur. Wenn sich die thermische
Spannung, die auf die piezoelektrische Platte 1 einwirkt,
ändert, kann sich die Resonanzfrequenz der piezoelektrischen
Vorrichtung ändern. Insbesondere kann die Resonanzfrequenz der
piezoelektrischen Vorrichtung durch eine Änderung deren
Temperatur verschoben werden.
Fig. 3 zeigt die Änderung Δ f 0 der charakteristischen Resonanz
frequenz in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur einer
bekannten piezoelektrischen Vorrichtung mit einer Polari
sationsrichtung parallel zur Längsseite der piezoelektrischen
Platte 1 wie in Fig. 2 dargestellt, wobei die Abszisse die
Umgebungstemperatur darstellt und die Ordinate die Änderung Δ f 0
der Resonanzfrequenz f 0 (T) gegenüber der Resonanzfrequenz
f 0(20) einer Umgebungstemperatur von 20°C darstellt, die durch
die folgende Gleichung (1) wiedergegeben wird.
Δ f 0=f 0(T)-f 0(20) (1).
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ändert sich die Resonanzfrequenz f 0
der bekannten piezoelektrischen Vorrichtung in Abhängigkeit von
der Änderung der Umgebungstemperatur und dementsprechend weisen
bekannte piezoelektrische Vorrichtungen eine negative
Temperaturcharakteristik in bezug auf deren Resonanzfrequenz f 0
auf, da die Resonanzfrequenz f 0 mit steigender Umgebungs
temperatur abfällt.
Weiterhin können piezoelektrische Vorrichtungen mit einer Rich
tung der Polarisationsachse parallel zur Querseite der
piezolektrischen Platte 1 nach bekannten Herstellungsverfahren
erhalten werden, wie in Fig. 4 dargestellt.
Fig. 5 zeigt die Änderung Δ f 0 der charakteristischen Reso
nanzfrequenz in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur der
bekannten piezoelektrischen Vorrichtungen mit einer
Polarisationsrichtung parallel zur Querseite der piezo
elektrischen Platte 1 wie in Fig. 4 dargestellt.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, wird deren Resonanzfrequenz f 0 in
Abhängigkeit einer Änderung der Umgebungstemperatur verschoben,
in jedem Fall hat jedoch die piezoelektrische Vorrichtung gemäß
Fig. 4 eine positive Temperaturcharakteristik in bezug auf deren
Resonanzfrequenz f 0, da die Resonanzfrequenz f 0 mit steigender
Umgebungstemperatur ansteigt.
Wie oben beschrieben, besteht ein Problem darin, daß relativ
große Änderungen in der Resonanzfrequenz f 0 bewirkt werden durch
die Änderung der Umgebungstemperatur der piezoelektrischen Vor
richtungen gemäß Fig. 2 und 4, die nach bekannten Herstellungs
verfahren erhalten werden. Weiterhin ist es, da eine relativ
große Änderung in deren Resonanzfrequenz f 0 durch die Umgebungs
temperatur bewirkt wird, notwendig, die Resonanzfrequenz f 0
einer piezoelektrischen Vorrichtung zu messen, und dabei die
Umgebungstemperatur konstant zu halten, bei der Prüfung, ob die
hergestellte piezoelektrische Vorrichtung den gewünschten Spe
zifikationen entspricht, woraus relative hohe Kosten für das
Auffinden von Produkten außerhalb der Spezifikation
(offspecification product) resultieren.
Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Be
reitstellung einer piezoelektrischen Vorrichtung mit Schwin
gungsrichtung in Dickenerstreckung mit einer verbesserten Tem
peraturcharakteristik der Resonanzfrequenz.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Be
reitstellung einer piezoelektrischen Vorrichtung mit Schwin
gungsrichtung in Dickenerstreckung mit einer Resonanzfrequenz,
die sich praktisch nicht in Abhängigkeit von der Umgebungstem
peratur ändert.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereit
stellung eines Herstellungsverfahrens einer piezolektrischen
Vorrichtung mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung mit
einer verbesserten Temperaturcharakteristik der Resonanzfre
quenz.
Ein darüber hinaus weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist
die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von piezo
elektrischen Vorrichtungen mit Schwingungsrichtung in
Dickenerstreckung mit einer Resonanzfrequenz, die sich praktisch
nicht in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ändert.
Zur Erreichung der obengenannten Ziele wird gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine piezoelektrische
Vorrichtung zur Verfügung gestellt, umfassend:
eine rechteckige piezoelektrische Platte, die in einer Richtung einer Polarisationsachse sowohl gegenüber deren Längs als auch Querseite geneigt ist, polarisiert ist; und
ein Elektrodenpaar, das auf der piezoelektrischen Platte gebildet ist, wodurch eine piezoelektrische Vorrichtung mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung entsteht.
eine rechteckige piezoelektrische Platte, die in einer Richtung einer Polarisationsachse sowohl gegenüber deren Längs als auch Querseite geneigt ist, polarisiert ist; und
ein Elektrodenpaar, das auf der piezoelektrischen Platte gebildet ist, wodurch eine piezoelektrische Vorrichtung mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung entsteht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
umfaßt die Vorrichtung weiterhin eine äußere Harzumhüllung zur
Umschließung der Elektroden aufweisenden piezoelektrischen
Platte, um Hohlräume auf den Elektroden und in deren Nachbar
schaft zu bilden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
umfaßt die Vorrichtung weiterhin:
ein elastisches Element in Richtung zur Umhüllung der piezoelektrischen Platte mit den Elektroden; und
eine äußere Harzumhüllung zum weiteren Umhüllen der piezoelektrischen Platte, die mit dem elastischen Element umschlossen ist.
ein elastisches Element in Richtung zur Umhüllung der piezoelektrischen Platte mit den Elektroden; und
eine äußere Harzumhüllung zum weiteren Umhüllen der piezoelektrischen Platte, die mit dem elastischen Element umschlossen ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Vor
richtung mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung mit fol
genden Schritten zur Verfügung gestellt:
Polarisation einer rechteckigen piezoelektrischen Platte mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite senkrecht zur ersten Seite in Richtung der ersten Seite, so daß die piezo elektrische Platte eine Polarisationsachse parallel zur ersten Seite aufweist, durch Anlegen eines vorbestimmten elektrischen Feldes an die piezoelektrische Platte in Richtung der ersten Seite;
Polarisation der piezoelektrischen Platte in Richtung der zweiten Seite, so daß die piezoelektrische Platte eine Polari sationsachse im Neigungswinkel zwischen der ersten und zweiten Seite aufweist, durch Anlegen eines vorbestimmten elektrischen Feldes an die piezoelektrische Platte in Richtung der zweiten Seite; und
Bildung eines Elektrodenpaares auf der piezoelektrischen Platte unter Bildung einer piezoelektrischen Vorrichtung mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung.
Polarisation einer rechteckigen piezoelektrischen Platte mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite senkrecht zur ersten Seite in Richtung der ersten Seite, so daß die piezo elektrische Platte eine Polarisationsachse parallel zur ersten Seite aufweist, durch Anlegen eines vorbestimmten elektrischen Feldes an die piezoelektrische Platte in Richtung der ersten Seite;
Polarisation der piezoelektrischen Platte in Richtung der zweiten Seite, so daß die piezoelektrische Platte eine Polari sationsachse im Neigungswinkel zwischen der ersten und zweiten Seite aufweist, durch Anlegen eines vorbestimmten elektrischen Feldes an die piezoelektrische Platte in Richtung der zweiten Seite; und
Bildung eines Elektrodenpaares auf der piezoelektrischen Platte unter Bildung einer piezoelektrischen Vorrichtung mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
schließt das Verfahren weiterhin den Schritt der Bildung einer
Harzumhüllung zum Umschließen der piezoelektrischen Platte mit
den Elektroden ein, um so Hohlräume auf den Elektroden und in
deren Nachbarschaft zu schaffen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
schließt das Verfahren weiterhin die Schritte ein:
Bildung eines elastischen Elements zur Unhüllung der piezoelektrischen Platte mit den Elektroden; und
Bildung einer äußeren Harzumhüllung zum weiteren Umhüllen der mit dem elastischen Element umschlossenen piezoelektrischen Platte.
Bildung eines elastischen Elements zur Unhüllung der piezoelektrischen Platte mit den Elektroden; und
Bildung einer äußeren Harzumhüllung zum weiteren Umhüllen der mit dem elastischen Element umschlossenen piezoelektrischen Platte.
Diese und weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden durch die folgende Beschreibung im Zusammenhang
mit deren bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die
Figuren deutlich:
Fig. 1a bis 1h sind perspektivische Ansichten, die ein Her
stellungsverfahren einer bekannten piezoelektrischen Vorrichtung
mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung zeigen.
Fig. 1i ist eine Draufsicht, die ein Verfahren zur Herstellung
von bekannten piezoelektrischen Vorrichtungen zeigt.
Fig. 1j ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A′ der Fig. 1i,
die die piezoelektrische Vorrichtung mit einer äußeren
Harzumhüllung zeigt.
Fig. 2 ist eine Draufsicht einer piezoelektrischen Vorrichtung,
hergestellt durch bekannte Herstellungsverfahren gemäß Fig.
1a bis 1j mit einem Polarisationsvektor parallel zur Längsseite
der piezoelektrischen Platte.
Fig. 3 ist ein Schaubild betreffend die Änderung der charakte
ristischen Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Vorrichtung
gemäß Fig. 2 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur.
Fig. 4 ist eine Draufsicht einer weiteren piezoelektrischen
Vorrichtung, hergestellt durch ein weiteres bekanntes
Herstellungsverfahren, mit einem Polarisationsvektor parallel
zur Querseite der piezoelektrischen Platte.
Fig. 5 zeigt in einem Schaubild die Änderung der charakteri
stischen Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Vorrichtung ge
mäß Fig. 4 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur.
Die Fig. 6a bis 6h sind perspektivische Ansichten, die ein
Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Vorrichtungen
mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung gemäß einer bevor
zugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Fig. 6i zeigt in einer Draufsicht ein Verfahren zur Herstellung
der piezoelektrischen Vorrichtungen gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform.
Fig. 6j ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B′ der
Fig. 6i, die die piezoelektrische Vorrichtung mit einer äußeren
Harzumhüllung zeigt.
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine piezoelektrische Vor
richtung, hergestellt durch das Verfahren gemäß den Fig. 6a
bis 6j der bevorzugten Ausführungsform, mit einem Polari
sationsvektor entlang eines Neigungswinkels zwischen der
Längsseite und der Querseite der piezoelektrischen Platte.
Fig. 8 ist ein Schaubild der Charakteristik des Verhältnisses
der Änderung der Resonanzfrequenz der piezoelektrischen
Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform bei einer vor
bestimmten Änderung der Umgebungstemperatur in einem Neigungs
winkel, in dem sich die Polarisationsachse mit der Richtung der
Längsseite der piezoelektrischen Platte kreuzt.
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer piezoelektrischen
Vorrichtung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht von der Seite der
hinteren Oberfläche der piezoelektrischen Vorrichtung der Fig. 9
und
Fig. 11 ist ein Schaltbild einer Ersatzschaltung der pie
zoelektrischen Vorrichtung gemäß Fig. 9 und 10.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Die Fig. 6a bis 6j zeigen ein Verfahren zur Herstellung einer
piezoelektrischen Falle mit Schwingungsrichtung in Dicken
erstreckung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 6a dargestellt, weist eine piezoelektrische Grund
platte 2 einer piezoelektrischen Keramik mit einer rechteckigen
parallelepipeden Form ein Paar erster Oberflächen oder Grund
und obere Oberflächen 6 a parallel zur YZ-Ebene auf, die einander
gegenüberliegen, ein Paar zweiter Oberflächen 6 b parallel zu der
XY-Ebene, die einander gegenüberliegen, und ein Paar dritter
Oberflächen 6 c parallel zur XZ-Ebene, die einander gegenüber
liegen, auf.
Zuerst wird, wie in Fig. 6b dargestellt, ein Elektrodenpaar 7
aus Kupfer für ein erstes Polarisationsverfahren auf den beiden
ersten Oberflächen 6 a der piezoelektrischen Grundplatte 2
aufgebracht und anschließend eine vorbestinmte Gleichspannung an
die piezoelektrische Grundplatte 2 zwischen dem Elektrodenpaar
7 angelegt, um die piezoelektrische Grundplatte 2 in Richtung
ihrer Dickenerstreckung oder der X-Achse senkrecht zu den ersten
Oberflächen 6 a zu polarisieren, wie durch den Polarisationsvek
tor P, gezeigt in Fig. 6b, angegeben.
Nach Abschluß des ersten Polarisationsverfahrens wird das Elek
trodenpaar 7 von den ersten Oberflächen 6 a der piezoelektrischen
Grundplatte 2 entfernt und anschließend ein Elektrodenpaar 8 aus
Kupfer für ein zweites Polarisationsverfahren auf den beiden
zweiten Oberflächen 6 b der piezoelektrischen Grundplatte 2
gebildet und anschließend eine vorbestimmte Gleichspannung an
die piezoelektrische Grundplatte 2 zwischen dem Elektrodenpaar 8
so angelegt, daß die piezoelektrische Grundplatte 2 in einer
Richtung senkrecht zur Z-Achse der zweiten Oberflächen 6 b
polarisiert wird. Anschließend wird der Polarisationsvektor P
auf der XZ-Ebene parallel zu den dritten Oberflächen 6 c so
gedreht, daß er sich zur X-Achse neigt.
Insbesondere, wenn die vorbestimmte Gleichspannung an die pie
zoelektrische Grundplatte 2 im zweiten Polarisationsverfahren
angelegt wird, wird ein zusammengesetztes elektrisches Feld ei
nes inneren elektrischen Feldes der piezoelektrischen Grund
platte 2 in X-Achsen-Richtung gerichtet und das durch die
angelegte Spannung des zweiten Polarisationsverfahrens
induzierte äußere elektrische Feld in eine Richtung
ausgerichtet, die sowohl gegenüber der X-Achse als auch
gegenüber der Z-Achse geneigt ist, so daß die Richtung der
Polarisationsachse der piezoelektrischen Grundplatte 2
dementsprechend um einen Rotationswinkel gedreht wird, der
größer als 0 und kleiner als 90° ist. Dementsprechend ist die
Richtung des erhaltenen Polarisationsvektors P nach dem zweiten
Polarisationsverfahren festgelegt in Abhängigkeit von der
angelegten Spannung des ersten Polarisationsverfahrens und der
angelegten Spannung des zweiten Polarisationsverfahrens.
Wenn die angelegte Spannung des zweiten Polarisationsverfahrens
ausreichend kleiner ist, als die des ersten Polarisationsverfah
rens, ergibt sich eine Richtung des Polarisationsvektors P na
hezu parallel zur X-Achsen-Richtung. Wenn jedoch die angelegte
Spannung des zweiten Polarisationsverfahrens ausreichend größer
ist, als die des ersten Polarisationsverfahrens, ergibt sich
eine Richtung des resultierenden Polarisationsvektors P nahezu
parallel zur Z-Achsen-Richtung.
Nach Abschluß des zweiten Polarisationsverfahrens wird das
Elektrodenpaar 8 von den zweiten Oberflächen 6 b der piezo
elektrischen Grundplatte 2 entfernt und anschließend wird die
piezoelektrische Grundplatte 2 zur Herstellung einer Vielzahl
von geschnittenen Platten 9 in einer Richtung parallel zur
XZ-Ebene geschnitten, wie in Fig. 6d dargestellt. Die Richtung
der Dickenerstreckung der geschnittenen Platten 9 verläuft
parallel zur Y-Achsen-Richtung, senkrecht zur XZ-Ebene, der
Polarisationsvektor P ist zu den Richtungen sowohl der Längs
als auch der Querseiten der geschnittenen Platten 9 geneigt, wie
in Fig. 6e dargestellt.
Anschließend werden mehrere kreisförmige Elektrodenpaare 3 a und
3 b zur Schwingung und mehrere rechteckige Endelektrodenpaare 5 a
und 5 b auf einer oberen Oberfläche der geschnittenen Platten 9
angebracht, so daß jedes Elektrodenpaar 3 a und 3 b sich gegen
überliegt, jedes Elektrodenpaar 5 a und 5 b sich gegenüberliegt,
jede Elektrode 3 a elektrisch mit jeder Elektrode 5 a verbunden
ist und jede Elektrode 3 b elektrisch mit jeder Elektrode 5 b
verbunden ist, wie in Fig. 6f dargestellt und weiterhin mehrere
Sätze von kreisförmigen gemeinsamen Elektroden 4 a und 4 b und
rechteckige Endelektroden 5 c auf der Grundoberfläche der
geschnittenen Platte 9 derart gebildet, daß die Elektroden 4 a
und 4 b jeweils den Elektroden 3 a und 3 b gegenüberliegen, die
Elektrode 5 c zwischen den Elektroden 5 a und 5 b befindlich ist
und jeder Satz von Elektroden 4 a, 4 b und 5 c elektrisch mit
einander verbunden ist, wie in Fig. 6i dargestellt ist.
Anschließend wird, wie in Fig. 6g dargestellt, die geschnittene
Platte 9 entlang den Linien c-c′ parallel zur Richtung der
X-Achse geschnitten, um eine Vielzahl von piezoelektrischen
Schwingungselementen 10 herzustellen, wobei jedes Element 10
eine piezoelektrische Platte 1 mit einer rechteckigen Form mit
einer Längsseite und einer Querseite aufweist, wie in Fig. 6h
dargestellt. Hierbei erhält man dann ein piezoelektrisches
Schwingungselement 10 mit einem Elektrodenpaar 3 a und 3 b für die
Schwingung, die gemeinsamen Elektroden 4 a und 4 b und die End
elektroden 5 a, 5 b und 5 c, die auf der oberen oder Grundfläche
der piezoelektrischen Platte 1 gebildet sind, in Form eines
rechteckigen Streifens, wobei die Richtung des Polarisations
vektors P der piezoelektrischen Platte 1 gegenüber den
Richtungen der Längs- und Querseiten der piezoelektrischen
Platte 1 geneigt ist, wie in Fig. 6h dargestellt.
Anschließend werden Anschlußleitungen 11 a, 11 b und 11 c jeweils
an die Endelektroden 5 a, 5 b und 5 c des piezoelektrischen Schwin
gungselements 10 angelötet, wie in Fig. 6i dargestelllt.
Schließlich wird das piezoelektrische Schwingungselement 10
vollständig umhüllt mit einer äußeren Harzumhüllung 13 eines
Epoxidharzes, wobei geschlossene Hohlräume 12 mit einem vorbe
stimmten Volumen auf den Elektroden 3 a, 3 b, 4 a und 4 b und in
deren Nachbarschaft gebildet werden, wobei eine piezoelektrische
Vorrichtung oder Falle 14 wie in Fig. 6j dargestellt, erhalten
wird.
In der piezoelektrischen Vorrichtung der bevorzugten Ausführungs
form gemäß der vorliegenden Erfindung, hergestellt nach dem oben
beschriebenen Verfahren, ist die Richtung der Polarisationsachse
eines jeden piezoelektrischen Schwingungselements 10, wie durch
den Polarisationsvektor P angegeben, geneigt von der Richtung
der Längsseite der piezoelektrischen Platte 1 in einem vor
bestimmten Neigungswinkel R , der größer als 0 und kleiner als
90° ist. Der Neigungswinkel R kann durch Einstellung des
Verhältnisses der angelegten Spannung des ersten Polarisations
verfahrens zu der des zweiten Polarisationsverfahrens
kontrolliert werden.
Insbesondere, wenn die angelegte Spannung des zweiten Polarisa
tionsverfahrens auf 0 gesetzt wird, wird der Neigungswinkel R 0.
Wenn weiterhin die angelegte Spannung des zweiten Polarisa
tionsverfahrens erhöht wird, erhöht sich der Neigungswinkel R
graduell und erreicht 90°. Für den Fall, daß der Neigungswinkel
R 0 beträgt, weist das piezoelektrische Schwingungselement 10
eine negative Temperaturcharakteristik der Resonanzfrequenz auf,
wie in Fig. 3 dargestellt. Andererseits weist im Falle eines
Neigungswinkels R von 90° das piezoelektrische Schwingungs
element 10 eine positive Temperaturcharakteristik der Re
sonanzfrequenz auf, wie in Fig. 5 dargestellt. Dementsprechend
kann eine piezoelektrische Vorrichtung mit jeder Temperaturcha
rakteristik der Resonanzfrequenz durch Einstellung des
Neigungswinkels R oder der Richtung der Polarisationsachse der
piezoelektrischen Platte 1 erhalten werden. Wenn beispielsweise
der Absolutwert der Änderung Δ f 0 der Resonanzfrequenz in
Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur gleich oder kleiner als
50 ppm/°C wird, kann eine piezoelektrische Vorrichtung mit einer
stabilen oder nahezu konstanten Temperaturcharakteristik der
Resonanzfrequenz erhalten werden.
Nachstehend wird das Ergebnis eines Versuchs mit der piezoelek
trischen Falle der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, der von den Erfindern durchgeführt wurde, be
schrieben.
In dem Versuch wurden zwei piezoelektrische rechteckige Platten
einer piezoelektrischen Keramik mit einer Größe von 20×30×9
(mm) hergestellt. Zuerst wurde das erste Polarisationsverfahren
für beide piezoelektrischen Platten durchgeführt, um sie in
X-Achsen-Richtung oder in Richtung deren Dickenerstreckung zu
polarisieren, wobei die angelegte Spannung, ausgdrückt durch die
Intensität des angelegten elektrischen Feldes, 2,0 kV/mm betrug.
Anschließend wurde das zweite Polarisationsverfahren für beide
piezoelektrischen Platten jeweils durch Anlegen verschiedener
Gleichspannungen auf diese in Z-Achsen-Richtung durchgeführt,
wobei die angelegte Spannung bei der ersten piezoelektrischen
Platte, ausgedrückt durch die Intensität des elektrischen Feldes
0,7 kV/mm betrug und die angelegte Spannung bei der zweiten pie
zoelektrischen Platte, die auf gleiche Weise ausgedehnt wurde,
1,5 kV/mm betrug.
Anschließend wurden, wie in den Fig. 6d bis 6j beschrieben,
die Herstellungsverfahren sowohl für die erste als auch für die
zweite piezoelektrische Platte durchgeführt, und eine erste und
zweite piezoelektrische Falle erhalten.
Es wurden die Temperaturcharakteristika der Resonanzfrequenzen
f 0 von den ersten und zweiten piezoelektrischen Fallen gemessen.
In der ersten piezoelektrischen Falle, die erhalten wurde durch
Anlegen eines elektrischen Feldes einer Intensität von 0,7 kV/mm
an die piezoelektrische Platte 1 im zweiten Polarisationsver
fahren, fiel das Verhältnis Δ f 0/Δ T der Änderung Δ f 0 der
Resonanzfrequenz in Abhängigkeit einer vorbestimmten Änderung
Δ T der Umgebungstemperatur in den Bereich von -15 ppm/°C bis
+5 ppm/°C.
Andererseits wurde bei der zweiten piezoelektrischen Falle, die
erhalten wurde durch Anwendung eines elektrischen Feldes einer
Intensität von 1,5 kV/mm auf die piezoelektrische Platte 1 im
zweiten Polarisationsverfahren, ein Verhältnis Δ f 0/Δ T der
Änderung Δ f 0 der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit einer
vorbestimmten Änderung Δ T der Umgebungstemperatur im Bereich
von +10 ppm/°C bis +20 ppm/°C gemessen.
Weiterhin wurde bei einer bekannten piezoelektrischen Falle mit
einer Polarisationsrichtung parallel zur Richtung der Längsseite
der piezoelektrischen Platte oder mit einem Neigungswinkel R der
Polarisationsachse von 0, die erhalten wurde durch Anwendung nur
eines Polarisationsverfahrens, ein Verhältnis Δ f 0/Δ T der
Änderung Δ f 0 der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit einer vorbe
stimmten Änderung Δ T der Umgebungstemperatur im Bereich von -50
ppm/°C bis -60 ppm/°C gemessen. Andererseits wurde in einer
weiteren bekannten piezoelektrischen Falle mit einer Polarisa
tionsrichtung parallel zur Richtung der Querseite der piezo
elektrischen Platte oder mit einem Neigungswinkel R der Pola
risationsachse von 90°C, die durch Anwendung nur eines Polari
sationsverfahrens erhalten wurde, ein Verhältnis Δ f 0/Δ T der
Änderung Δ f 0 der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit einer vorbe
stimmten Änderung Δ T der Umgebungstemperatur im Bereich von +20
ppm/°C bis +30 ppm/°C gemessen.
Fig. 8 zeigt die Charakteristik des obigen Δ f/Δ T-Verhält
nisses in Abhängigkeit des angelegten elektrischen Feldes
(kV/mm) des zweiten Polarisationsverfahrens oder des
obengenannten Neigungswinkels R (in Grad).
Aus Fig. 8 wird offensichtlich, daß, wenn der Neigungswinkel R
von 0 bis 90° ansteigt, das obige Verhältnis Δ f 0/Δ T von einem
negativen Wert auf einen positiven Wert ansteigt.
Dementsprechend kann gemäß dem Herstellungsverfahren einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der
Absolutwert des obigen Verhältnisses Δ f 0/Δ T vermindert werden,
und die Temperaturcharakteristik der piezoelektrischen Vor
richtung so verbessert werden, daß die Änderung der Resonanz
frequenz in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur vermindert
wird. Da weiterhin die Temperaturcharakteristik einen Bereich
von negativen bis positiven Charakteristiken überdeckt, kann das
Verhältnis Δ f 0/Δ T ungefähr gleich 0 ppm/°C gesetzt werden,
durch entsprechende Auswahl der Richtung der Polarisationsachse,
wie in Fig. 8 dargestellt.
Die Fig. 9 und 10 zeigen eine piezoelektrische Vorrichtung
151 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wobei Fig. 9 eine perspektivische Sicht von der Vor
derseite und Fig. 10 eine perspektivische Sicht von der Rück
seite darstellt.
Auf einem piezoelektrischen Schwingungseelement 102 einer pie
zoelektrischen Vorrichtung 151 werden ein erster Filter vom
dreiterminalen Typ (three terminal type first filter) mit
Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung vom Schwingungs
energiefallentyp und ein zweiter Filter vom dreiterminalen Typ
mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie die der ersten Filter
gebildet, die in Serie zueinander geschaltet sind, und ein
Kondensator, der parallel zwischen den ersten und zweiten
Filtern elektrisch verbunden ist, hergestellt, wie im
Ersatzschaltbild der Fig. 11. Es ist zu betonen, daß das
piezoelektrische Schwingungselement 102 aus einer piezo
elektrischen Platte und einer Polarisationsachse besteht, deren
Neigungswinkel zwischen der Längs- und Querseite eingeschlossen
ist, ähnlich der vorstehenden bevorzugten Ausführungsformen.
Auf der Vorderseite des piezoelektrischen Schwingungselementes
102 wird eine Schwingungselektrode 103 b, eine Endelektrode 104 b
und eine Schwingungselektrode 103 a in Streifenform gebildet, so
daß sie miteinander elektrisch verbunden sind. Andererseits wird
auf der rückwärtigen Oberfläche des piezoelektrischen Schwin
gungselements 102 eine Endelektrode 106 a und eine Schwingungs
elektrode 105 a gebildet, die elektrisch miteinander verbunden
sind, eine Schwingungselektrode 105 b, eine Kondensatorelektrode
104 a und eine Schwingungselektrode 105 c, die elektrisch unter
einander verbunden sind, und eine Schwingungselektrode 103 b und
eine Endelektrode 106 b, die elektrisch untereinander verbunden
sind, so daß die Schwingungselektroden 105 a und 105 b der
Schwingungselektrode 103 a durch das piezoelektrische
Schwingungselement 102 einander gegenüberliegen, die Konden
satorelektrode 104 a der Endelektrode 104 b gegenüberliegt und die
Schwingungselektroden 105 c und 103 d der Schwingungselektrode
103 b gegenüberliegen.
Weiterhin wird eine Eingangsanschlußleitung 158 mit Lötmaterial
153 an die Endelektrode 106 a, eine Ausgangsanschlußleitung 159
mit Lötmaterial 154 an die Endelektrode 159 und eine Erdungs
anschlußleitung 157 mit Lötmaterial 152 an die Endelektrode 104 b
gelötet.
Darüberhinaus wird zur Unterdrückung einer unnötigen Schwingung
das piezoelektrische Schwingungselement 102 vollständig mit
einem elastischen Element 110 aus Silicongummi bedeckt, und
weiterhin vollständig mit einer äußeren Harzumhüllung 111 aus
Epoxidharz umhüllt. Es ist zu beachten, daß keine Hohlräume in
dem elastischen Element 110 und der äußeren Harzunhüllung 111
gebildet werden.
In der piezoelektrischen Vorrichtung gemäß Fig. 9 und 10 sind
die Anschlußleitungen 157, 158 und 159 durch das elastische
Element 110 und die äußere Harzumhüllung 111 fixiert. Da das
elastische Element 110 leicht durch Einwirkung externer Kräfte
deformiert wird, werden praktischerweise die Anschlußleitungen
157, 158 und 159 durch Teile 115 bis 117 der äußeren Harz
umhüllung 111 fixiert. Die piezoelektrische Vorrichtung dieses
Typs überwindet die obengenannten Probleme des betreffenden
Standes der Technik in einer gleichen Weise wie die
obengenannten bevorzugten Ausführungsformen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der piezo
elektrischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, ist die
Richtung der Polarisationsachse gegenüber den Richtungen der
Längs- und Querseiten der piezoelektrischen Platte 1 geneigt.
Dadurch kann die Temperaturcharakteristik der Resonanzfrequenz
derart verbessert werden, daß eine nahezu konstante Temperatur
charakteristik durch Einstellen der Richtung der Polarisations
achse erhalten wird. Da weiterhin die Resonanzfrequenz fast
konstant stabil in Abhängigkeit von einer Änderung der Um
gebungstemperatur gehalten wird, ist eine strikte Einhaltung
einer konstanten Temperatur bei der Überprüfung, ob die
hergestellten piezoelektrischen Vorrichtungen den
Spezifikationen entsprechen, nicht erforderlich. Dementsprechend
können die Kosten für das Auffinden von Produkten mit
ungenügenden Spezifikationen vermindert werden, wodurch die
Ausbeute an hergestelltem Produkt verbessert wird.
Weiterhin kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des
Herstellungsverfahrens der piezoelektrischen Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung die Richtung der Polarisationsachse
leicht sowohl gegenüber der Richtung der Längs- als auch der
Querseite der piezoelektrischen Platte geneigt werden und die
Richtung der Polarisationsachse kann durch Einstellung des
Verhältnisses der angelegten Spannung des ersten und zweiten
Polarisationsverfahrens leicht kontrolliert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die bevorzugten Aus
führungsformen beschränkt. Insbesondere ist die Reihenfolge zur
Durchführung zweier Polarisationsverfahren nicht begrenzt durch
eine solche Reihenfolge, daß das Verfahren gemäß der Fig. 6c im
Anschluß an die Durchführung des Verfahrens gemäß 6b durch
geführt wird, wie in einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beschrieben wird. Die Verfahren gemäß der
Fig. 6b können nach Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 6c
durchgeführt werden. Ebenso kann ein Polarisationsverfahren für
die piezoelektrische Grundplatte 2 dreifach oder mehrfach
durchgeführt werden.
Weiterhin ist das Verfahren zum Schneiden der polarisierten
piezoelektrischen Grundplatte 2 zum Erhalt einer Vielzahl von
piezoelektrischen Platten 1 nicht durch die obige Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform begrenzt.
Weiterhin kann das Polarisationsverfahren für die piezo
elektrische Platte 1 (nicht Grundplatte) zweifach oder mehrfach
durchgeführt werden.
Claims (7)
1. Eine piezoelektrische Vorrichtung mit Schwingungsrichtung in
Dickenerstreckung, umfassend:
eine rechteckige, piezoelektrische Platte, die in einer Richtung einer Polarisationsachse, die sowohl gegenüber deren Längs- als auch Querseite geneigt ist, polarisiert ist und
einem Elektrodenpaar, das auf der piezoelektrischen Platte gebildet ist, wodurch eine piezoelektrische Vorrichtung mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung entsteht.
eine rechteckige, piezoelektrische Platte, die in einer Richtung einer Polarisationsachse, die sowohl gegenüber deren Längs- als auch Querseite geneigt ist, polarisiert ist und
einem Elektrodenpaar, das auf der piezoelektrischen Platte gebildet ist, wodurch eine piezoelektrische Vorrichtung mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung entsteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine äußere
Harzumhüllung zur Umhüllung der piezoelektrischen Platte mit den
Elektroden unter Bildung von Hohlräumen auf den Elektroden und
deren Nachbarschaft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie
eine piezoelektrische Falle ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend:
ein elastisches Element zur Umhüllung der piezoelektrischen Platte mit den Elektroden, und
eine äußere Harzumhüllung zur weiteren Umhüllung der mit dem elastischen Element umhüllten piezoelektrischen Platte.
ein elastisches Element zur Umhüllung der piezoelektrischen Platte mit den Elektroden, und
eine äußere Harzumhüllung zur weiteren Umhüllung der mit dem elastischen Element umhüllten piezoelektrischen Platte.
5. Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Vor
richtungen mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung,
umfassend die Schritte:
Polarisation einer rechteckigen piezolektrischen Platte mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite senkrecht zu der ersten Seite in Richtung der ersten Seite, so daß die piezo elektrische Platte eine Polarisationsachse parallel zur ersten Seite aufweist durch Anlegen eines vorbestimmten elektrischen Feldes an die piezoelektrische Platte in Richtung der ersten Seite,
Polarisation der piezoelektrischen Platte in einer Richtung der zweiten Seite, so daß die piezoelektrische Platte eine Polarisationsachse aufweist, die gegenüber der ersten und der zweiten Seite geneigt ist, durch Anlegen eines vorbestimmten elektrischen Feldes an die piezoelektrische Platte in Richtung der zweiten Seite und
Bildung eines Elektrodenpaares auf der genannten piezoelektrischen Platte.
Polarisation einer rechteckigen piezolektrischen Platte mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite senkrecht zu der ersten Seite in Richtung der ersten Seite, so daß die piezo elektrische Platte eine Polarisationsachse parallel zur ersten Seite aufweist durch Anlegen eines vorbestimmten elektrischen Feldes an die piezoelektrische Platte in Richtung der ersten Seite,
Polarisation der piezoelektrischen Platte in einer Richtung der zweiten Seite, so daß die piezoelektrische Platte eine Polarisationsachse aufweist, die gegenüber der ersten und der zweiten Seite geneigt ist, durch Anlegen eines vorbestimmten elektrischen Feldes an die piezoelektrische Platte in Richtung der zweiten Seite und
Bildung eines Elektrodenpaares auf der genannten piezoelektrischen Platte.
6. Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin umfassend einen Schritt
der Bildung einer äußeren Harzumhüllung zur Umhüllung der
genannten piezoelektrischen Platte mit Elektroden unter Bildung
von Hohlräumen auf den Elektroden und deren Nachbarschaft.
7. Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin umfassend die Schritte:
Bildung eines elastischen Elements zum Unhüllen der piezoelektrischen Platte und
Bildung einer äußeren Harzumhüllung zum weiteren Umhüllen der mit dem elastischen Element umhüllten piezoelektrischen Platte.
Bildung eines elastischen Elements zum Unhüllen der piezoelektrischen Platte und
Bildung einer äußeren Harzumhüllung zum weiteren Umhüllen der mit dem elastischen Element umhüllten piezoelektrischen Platte.
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