DE4017023C2

DE4017023C2 - Piezoelektrische Vorrichtung mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE4017023C2
Application number: DE4017023A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Seto
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1989-05-27
Filing date: 1990-05-26
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2010-05-27
Also published as: DE4017023A1; JPH02312310A; GB2233819A; GB2233819B; GB9011790D0; US5121024A

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 3a und 3b für eine Schwingung und eine Reihe von rechteckigen Endelektrodenpaaren 5a und 5b auf die obere Oberfläche der geschnittenen Platte 9 aufgebracht, so daß jedes Paar der Elektroden 3a und 3b sich gegenübersteht, jedes Paar der Elektroden 5a und 5b sich gegenübersteht, jede Elektrode 3a elektrisch verbunden ist mit jeder Elektrode 5a und jede Elektrode 3b elektrisch verbunden mit jeder Elektrode 5b ist, wie in Fig. 1f dargestellt, und weiterhin eine Reihe von kreisförmigen Elektrodensätzen 4a und 4b für die Schwingung und rechteckige Endelektrodensätze 5c so auf der Grundseite der geschnittenen Platte 9 gebildet, daß die Elektroden 4a und 4b jeweils den Elektroden 3a und 3b gegenüberstehen, die Elektrode 5c sich zwischen den Elektroden 5a und 5b sich befindet und jeder Satz von Elektroden 4a, 4b und 5c 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 11a, 11b und 11c an die Elektroden 5a, 5b und 5c 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 3a, 3b, 4a und 4b 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 Δf₀ 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 Δf₀ der Resonanzfrequenz f₀(T) gegenüber der Resonanzfrequenz f₀(20) einer Umgebungstemperatur von 20°C darstellt, die durch die folgende Gleichung (1) wiedergegeben wird.

Δf₀ = f₀(T) - f₀(20) (1)

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ändert sich die Resonanzfrequenz f₀ 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 f₀ auf, da die Resonanzfrequenz f₀ 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 Δf₀ 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 f₀ 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 f₀, da die Resonanzfrequenz f₀ mit steigender Umgebungstemperatur ansteigt.

Wie oben beschrieben, besteht ein Problem darin, daß relativ große Änderungen in der Resonanzfrequenz f₀ 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 f₀ durch die Umgebungs temperatur bewirkt wird, notwendig, die Resonanzfrequenz f₀ einer piezoelektrischen Vorrichtung zu messen, und dabei die Umgebungs temperatur konstant zu halten, bei der Prüfung, ob die hergestellte piezoelektrische Vorrichtung den gewünschten Spezifikationen ent spricht, woraus relative hohe Kosten für das Auffinden von Produkten außerhalb der Spezifikation (offspecification product) resultieren.

Die Fig. 3 der JP 59-43619 A zeigt eine piezoelektrische Vorrichtung 10 mit einer Schwingungsrichtung in Pfeilrichtung. Dieser Pfeil ist in der Dickenerstreckung der Platte 11 geneigt wobei der Winkel θ der Polarisationsrichtung in Dickenerstreckung der Platte 11 dahin gehend eingestellt wird, daß dieser einen Winkel von 0 bis 90° überstreicht, wie dies auch in dem Anspruch festgehalten wird. Augenscheinlich umfaßt die Vorrichtung eine rechteckige piezoelek trische Platte 11, die in einer Richtung (nämlich dem Pfeil A folgend) eine Polarisationsachse hat, die sowohl gegenüber der Längs- als auch gegenüber der Querachse geneigt ist.

Ein Elektrodenpaar 12, 13 ist auf der dielektrischen Platte ge bildet, wodurch eine piezoelektrische Vorrichtung mit Schwingungs richtung in Dickenerstreckung entsteht.

Harzumhüllungen für piezoelektrische Platten, die Hohlräume auf den Elektroden und in ihrer Nachbarschaft aufweisen, sind aus JP 62- 142408 A, Fig. 1 bekannt.

Ein wesentliches Problem der vorliegenden Erfindung ist die Be reitstellung einer piezoelektrischen Vorrichtung mit Schwingungs richtung in Dickenerstreckung mit einer verbesserten Temperatur charakteristik der Resonanzfrequenz.

Ein weiteres Problem der vorliegenden Erfindung besteht in der Be reitstellung einer piezoelektrischen Vorrichtung mit Schwingungs richtung in Dickenerstreckung mit einer Resonanzfrequenz, die sich praktisch nicht in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ändert.

Ein weiteres Problem der vorliegenden Erfindung ist die Bereit stellung eines Herstellungsverfahrens einer piezolektrischen Vor richtung mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung mit einer verbesserten Temperaturcharakteristik der Resonanzfrequenz.

Ein darüber hinaus weiteres Problem der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von piezoelek trischen Vorrichtungen mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung mit einer Resonanzfrequenz, die sich praktisch nicht in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ändert.

Zur Lösung der obengenannten Probleme 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, die sowohl gegenüber deren Längs- als auch Querseite geneigt ist, polarisiert ist und
einer Vielzahl von Elektrodenpaaren, die auf der piezoelek trischen Platte gebildet sind, wodurch die Empfindlichkeit in Dickenerstreckung entsteht, wobei die Platte ein Paar gegenüberlie gende Hauptoberflächen aufweist, die durch die Längs- und Querseiten definiert sind und wobei die Elektrodenpaare jeweils auf einander gegenüberliegenden Oberflächen angeordnet sind.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Vorrichtung weiterhin eine äußere Harzumhüllung zur Um hüllung der Elektroden aufweisenden piezoelektrischen Platte, unter Bildung von Hohlräumen in der Nachbarschaft der Elektroden 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 mit dem elastischen Element umhüllte piezoelektrischen Platte.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Vorrichtung mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung mit folgenden 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 piezoelektrische Platte eine Polarisationsachse parallel zur ersten Seite aufweist durch Anlegen eines vorbestimmten elektrischen Feldes an die piezo elektrische Platte in Richtung der ersten Seite,
Polarisation der piezoelektrischen Platte in einer Richtung der zweiten Seite, so daß die piezoelektrische Platte eine Polarisa tionsachse 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.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt das Verfahren weiterhin den Schritt der Bildung einer äußeren Harzumhüllung zum Umhüllen der piezoelektrischen Platte mit den Elektroden ein, um so Hohlräume auf den Elektroden und in deren Nachbarschaft zu bilden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt das Verfahren weiterhin die Schritte ein:
Bildung eines elastischen Elements zum Umhüllen der piezoelek trischen Platte und
Bildung einer äußeren Harzumhüllung zum weiteren Umhüllen der mit dem elastischen Element umhüllten piezoelektrischen Platte.

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 6a parallel zur YZ-Ebene auf, die einander gegenüberliegen, ein Paar zweiter Oberflächen 6b parallel zu der XY-Ebene, die einander gegenüberliegen, und ein Paar dritter Oberflächen 6c 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 6a der piezoelektrischen Grundplatte 2 aufgebracht und anschließend eine vorbestimmte 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 6a 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 6a der piezoelektrischen Grundplatte 2 entfernt und anschließend ein Elektrodenpaar 8 aus Kupfer für ein zweites Polarisationsverfahren auf den beiden zweiten Oberflächen 6b 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 6b polarisiert wird. Anschließend wird der Polarisationsvektor P auf der XZ-Abene parallel zu den dritten Oberflächen 6c 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 6b 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 3a und 3b zur Schwingung und mehrere rechteckige Endelektrodenpaare 5a und 5b auf einer oberen Oberfläche der geschnittenen Platten 9 angebracht, so daß jedes Elektrodenpaar 3a und 3b sich gegen überliegt, jedes Elektrodenpaar 5a und 5b sich gegenüberliegt, jede Elektrode 3a elektrisch mit jeder Elektrode 5a verbunden ist und jede Elektrode 3b elektrisch mit jeder Elektrode 5b verbunden ist, wie in Fig. 6f dargestellt und weiterhin mehrere Sätze von kreisförmigen gemeinsamen Elektroden 4a und 4b und rechteckige Endelektroden 5c auf der Grundoberfläche der geschnittenen Platte 9 derart gebildet, daß die Elektroden 4a und 4b jeweils den Elektroden 3a und 3b gegenüberliegen, die Elektrode 5c zwischen den Elektroden 5a und 5b befindlich ist und jeder Satz von Elektroden 4a, 4b und 5c 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 3a und 3b für die Schwingung, die gemeinsamen Elektroden 4a und 4b und die End elektroden 5a, 5b und 5c, 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 11a, 11b und 11c jeweils an die Endelektroden 5a, 5b und 5c des piezoelektrischen Schwin gungselements 10 angelötet, wie in Fig. 6i dargestellt.

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 3a, 3b, 4a und 4b 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 θ, der größer als 0 und kleiner als 90° ist. Der Neigungswinkel θ 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 θ 0. Wenn weiterhin die angelegte Spannung des zweiten Polarisa tionsverfahrens erhöht wird, erhöht sich der Neigungswinkel θ graduell und erreicht 90°. Für den Fall, daß der Neigungswinkel θ 0 beträgt, weist das piezoelektrische Schwingungselement 10 eine negative Temperaturcharakteristik der Resonanzfrequenz auf, wie in Fig. 3 dargestellt. Andererseits weist im Falle eines Neigungswinkels θ 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 θ oder der Richtung der Polarisationsachse der piezoelektrischen Platte 1 erhalten werden. Wenn beispielsweise der Absolutwert der Änderung Δf₀ 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, ausgedrückt 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 f₀ 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 Δf₀/ΔT der Änderung Δf₀ der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit einer vorbestimmten Änderung ΔT 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 Δf₀/ΔT der Änderung Δf₀ der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit einer vorbestimmten Änderung ΔT 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 θ der Polarisationsachse von 0, die erhalten wurde durch Anwendung nur eines Polarisationsverfahrens, ein Verhältnis Δf₀/ΔT der Änderung Δf₀ der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit einer vorbe stimmten Änderung ΔT 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 θ der Pola risationsachse von 90°C, die durch Anwendung nur eines Polari sationsverfahrens erhalten wurde, ein Verhältnis Δf₀/ΔT der Änderung Δf₀ der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit einer vorbe stimmten Änderung ΔT der Umgebungstemperatur im Bereich von +20 ppm/°C bis +30 ppm/°C gemessen.

Fig. 8 zeigt die Charakteristik des obigen Δf/ΔT-Verhält nisses in Abhängigkeit des angelegten elektrischen Feldes (kV/mm) des zweiten Polarisationsverfahrens oder des obengenannten Neigungswinkels θ (in Grad).

Aus Fig. 8 wird offensichtlich, daß, wenn der Neigungswinkel θ von 0 bis 90° ansteigt, das obige Verhältnis Δf₀/ΔT 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 Δf₀/ΔT 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 Δf₀/ΔT 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 Schwingungselement 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 103b, eine Endelektrode 104b und eine Schwingungselektrode 103a in Streifenform gebildet, so daß sie miteinander elektrisch verbunden sind. Andererseits wird auf der rückwärtigen Oberfläche des piezoelektrischen Schwin gungselements 102 eine Endelektrode 106a und eine Schwingungs elektrode 105a gebildet, die elektrisch miteinander verbunden sind, eine Schwingungselektrode 105b, eine Kondensatorelektrode 104a und eine Schwingungselektrode 105c, die elektrisch unter einander verbunden sind, und eine Schwingungselektrode 103b und eine Endelektrode 106b, die elektrisch untereinander verbunden sind, so daß die Schwingungselektroden 105a und 105b der Schwingungselektrode 103a durch das piezoelektrische Schwingungselement 102 einander gegenüberliegen, die Konden satorelektrode 104a der Endelektrode 104b gegenüberliegt und die Schwingungselektroden 105c und 103d der Schwingungselektrode 103b gegenüberliegen.

Weiterhin wird eine Eingangsanschlußleitung 158 mit Lötmaterial 153 an die Endelektrode 106a, eine Ausgangsanschlußleitung 159 mit Lötmaterial 154 an die Endelektrode 159 und eine Erdungs anschlußleitung 157 mit Lötmaterial 152 an die Endelektrode 104b 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 Harzumhüllung 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

1. Eine piezoelektrische Vorrichtung mit Schwingungs richtung 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
einer Vielzahl von Elektrodenpaaren, die auf der piezoelek trischen Platte gebildet sind, wodurch die Empfindlichkeit in Dickenerstreckung entsteht, wobei die Platte ein Paar gegen überliegende Hauptoberflächen aufweist, die durch die Längs- und Querseiten definiert sind und wobei die Elektrodenpaare jeweils auf einander gegenüberliegenden Oberflächen angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine äußere Harzumhüllung zur Umhüllung der piezoelektrischen Platte mit den Elektroden unter Bildung von Hohlräumen in der Nachbarschaft der Elektroden.

3. 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.

4. Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Vorrichtungen mit Schwingungsrichtung in Dickenerstreckung und mit geneigter Polarisationsachse umfassend die Schritte:
Polarisation einer rechteckigen piezoelektrischen Platte mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite senkrecht zu der ersten Seite in Richtung der ersten Seite, so daß die piezoelektrische 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 piezoelek trischen Platte.

5. Verfahren nach Anspruch 4, 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.

6. Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin umfassend die Schritte:
Bildung eines elastischen Elements zum Umhüllen der piezoelek trischen Platte und
Bildung einer äußeren Harzumhüllung zum weiteren Umhüllen der mit dem elastischen Element umhüllten piezoelektrischen Platte.