DE69711131T2

DE69711131T2 - Piezoelektrischer Resonator, Verfahren zu seiner Herstellung, und elektronisches Bauelement mit diesem Resonator

Info

Publication number: DE69711131T2
Application number: DE69711131T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Baba; Jiro Inoue; Shigemasa Kusabiraki; Tetsuo Takeshima; Toshihiko Unami; Hirohide Yoshino
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-08-05
Filing date: 1997-04-01
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2017-04-02
Also published as: NO971935D0; JP3577170B2; EP0823781A3; CN1173080A; NO971935L; EP0823781B1; JPH1051261A; CN1085442C; DE69711131D1; EP0823781A2; US5900790A; CN1395367A; CN1198390C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gemäß den beigefügten Ansprüchen betrifft die vorliegende Erfindung einen piezoelektrischen Resonator, Verfahren zur Herstellung desselben und elektronische Bauelemente, bei denen die piezoelektrischen Resonatoren verwendet werden. Insbesondere nutzt der piezoelektrische Resonator die mechanische Resonanz eines piezoelektrischen Elements und umfaßt ein Basiselement mit einer Längsrichtung, einen aktiven Abschnitt, der aus einem polarisierten piezoelektrischen Element besteht und wenigstens einen Teil des Basiselements bildet, und zwei äußere Elektroden, die mit dem aktiven Abschnitt versehen sind. Bei den elektronischen Bauelementen, die mit dem piezoelektrischen Resonator arbeiten, handelt es sich zum Beispiel um einen Oszillator, einen Diskriminator und ein Filter.
Fig. 28 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen piezoelektrischen Resonators. Das Dokument "Patent Abstract of Japan", Vol. 009, Nr. 212 (E-339), 29. August 1985, offenbart einen solchen herkömmlichen piezoelektrischen Resonator. Ein piezoelektrischer Resonator 1 umfaßt ein piezoelektrisches Substrat 2, das zum Beispiel von oben betrachtet die Form einer rechteckigen Platte hat. Das piezoelektrische Substrat 2 ist in Dickenrichtung polarisiert. Auf beiden Oberflächen des piezoelektrischen Substrats 2 sind. Elektroden 3 ausgebildet. Wenn ein Signal zwischen den Elektroden 3 eingeleitet wird, wird ein elektrisches Feld in Dickenrichtung an das piezoelektrische Substrat 2 angelegt, und das piezoelektrische Substrat 2 schwingt in Längsrichtung.
In Fig. 29 ist ein piezoelektrischer Resonator 1 dargestellt, bei dem Elektroden 3 auf beiden Oberflächen eines piezoelektrischen Substrats 2 ausgebildet sind, das von oben betrachtet die Form einer quadratischen Platte hat. Das piezoelektrische Substrat 2 des piezoelektrischen Resonators 1 ist in Dickenrichtung polarisiert. Wenn ein Signal zwischen den Elektroden 3 in den piezoelektrischen Resonator 1 eingeleitet wird, wird ein elektrisches Feld in Dickenrichtung an das piezoelektrische Substrat 2 angelegt, und das piezoelektrische Substrat 2 schwingt in einer Rechteckschwingung (in Richtung der Ebene).
Zur Herstellung eines elektronischen Bauelements unter Verwendung des piezoelektrischen Resonators 1 wird der piezoelektrische Resonator 1 auf einem Isoliersubstrat 5 montiert, auf dem Musterelektroden 4 ausgebildet sind, wie in Fig. 30 gezeigt. Die Mitte des piezoelektrischen Resonators 1, die als Schwingungsknoten dient, wird auf einem auf einer Musterelektrode 4 ausgebildeten Auflageelement 6 gelagert, um die Schwingung des piezoelektrischen Resonators 1 nicht zu stören. Das Auflageelement 6 besteht aus einem elektrisch leitenden Material und stellt eine elektrische Verbindung her zwischen einer Musterelektrode 4 und einer Elektrode 3 des piezoelektrischen Resonators 1. Die andere Elektrode 3 des piezoelektrischen Resonators 1 ist über einen Anschlußdraht 7 mit der anderen Musterelektrode 4 verbunden. Eine Metallkappe 8 wird dann auf das Isoliersubstrat 5 gesetzt. Da auf dem Auflageelement 6 nur die als Schwingungsknoten dienende Mitte des piezoelektrischen Resonators 1 gelagert ist, ist bei dem elektronischen Bauelement die Schwingung des piezoelektrischen Substrats 2 nicht beeinträchtigt, und die Eigenschaften des piezoelektrischen Resonators 1 können sich nicht verschlechtern.
Diese piezoelektrischen Resonatoren sind unversteift, und die Schwingungsrichtung ist von der Polarisationsrichtung und der Richtung des elektrischen Feldes verschieden. Der elektromechanische Kopplungskoeffizient eines solchen unversteiften piezoelektrischen Resonators ist niedriger als der eines versteiften piezoelektrischen Resonators, bei dem die Schwingungsrichtung, die Polarisationsrichtung und die Richtung, in der ein elektrisches Feld angelegt wird, gleich sind. Ein unversteifter piezoelektrischer Resonator hat einen relativ kleinen Frequenzunterschied ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz. Dies führt zu dem Nachteil, daß eine Frequenzbandbreite im Gebrauch schmal ist, wenn ein unversteifter Frequenzresonator als Oszillator oder Filter verwendet wird. Daher besteht bei einem solchen piezoelektrischen Resonator und bei elektronischen Bauelementen, die mit einem solchen piezoelektrischen Resonator arbeiten, ein geringer Freiheitsgrad hinsichtlich der Auslegung der Eigenschaften.
Der in Fig. 28 gezeigte piezoelektrische Resonator arbeitet mit der Resonanz erster Ordnung in der Longitudinalmode. Aufgrund seines Aufbaus erzeugt er auch große Störresonanzen bei Oberschwingungen einer ungeradzahligen Ordnung, wie zum Beispiel der dritten oder fünften Ordnung, und bei einer Breitenschwingung. Zur Unterdrückung dieser Störresonanzen werden einige Maßnahmen in Betracht gezogen, wie zum Beispiel Polieren, Erhöhen der Masse und Ändern der Form der Elektrode. Diese Maßnahmen erhöhen die Herstellungskosten.
Da das piezoelektrische Substrat von oben betrachtet die Form einer rechteckigen Platte hat, darf das Substrat außerdem wegen einer eingeschränkten Festigkeit nicht dünner sein. Der Abstand zwischen den Elektroden darf daher nicht verringert werden, und die Kapazität zwischen den Klemmen darf nicht groß ausgelegt werden. Dies ist äußerst ungünstig für die Erzielung einer Impedanzanpassung an einen äußeren Schaltkreis. Zur Herstellung eines Abzweigfilters durch abwechselnde Hintereinander- und Parallelschaltung mehrerer piezoelektrischer Resonatoren muß das Kapazitätsverhältnis des Reihenresonators zu dem Parallelresonator groß ausgelegt werden, um die Dämpfung zu erhöhen. Weil ein piezoelektrischer Resonator der oben beschriebenen Einschränkung hinsichtlich der Form unterliegt, kann jedoch keine große Dämpfung erzielt werden.
Bei dem in Fig. 29 gezeigten piezoelektrischen Resonator werden große Störresonanzen wie zum Beispiel jene bei der Dickenschwingung und bei der Dreifachwellenschwingung in Richtung der Ebene erzeugt. Da der piezoelektrische Resonator im Vergleich zu einem mit der Längsschwingung arbeitenden piezoelektrischen Resonator groß sein muß, um dieselbe Resonanzfrequenz zu erhalten, läßt sich der piezoelektrische Resonator nur schwer verkleinern. Um bei einem aus mehreren piezoelektrischen Resonatoren gebildeten Abzweigfilter das Kapazitätsverhältnis zwischen dem Reihenresonator und dem Parallelresonator zu erhöhen, werden die hintereinandergeschalteten Resonatoren dick ausgelegt und Elektroden werden nur auf einem Teil eines piezoelektrischen Substrats ausgebildet, um auch die Kapazität klein auszulegen. Da in diesem Fall die Elektroden nur teilweise hergestellt sind, ist die Differenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz und auch die Kapazität verringert. Die parallelgeschalteten Resonatoren müssen demzufolge ein kleines ΔF haben. Infolgedessen wird die Piezoelektrizität des piezoelektrischen Substrats nicht wirksam genutzt, und die Übertragungsbandbreite des Filters kann nicht vergrößert werden.
Wenn ein elektronisches Bauelement unter Verwendung des piezoelektrischen Resonators hergestellt wird, muß ein Anschlußdraht verwendet werden, um den piezoelektrischen Resonator mit einer Musterelektrode auf dem Isoliersubstrat zu verbinden. Dies erhöht die Produktionskosten. Das Auflageelement wird auf der Musterelektrode ausgebildet, und der piezoelektrische Resonator wird an dem Auflageelement befestigt. Das Anbringen der Mitte des piezoelektrischen Resonators auf dem Auflageelement erfordert eine hohe Genauigkeit. Im Falle einer Verschiebung des Auflagepunktes geht die Schwingung des piezoelektrischen Resonators verloren, und es können keine überlegenen Eigenschaften erzielt werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Resonator der obengenannten Art bereitzustellen, der eine geringe Störresonanz, eine große Differenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz, eine einstellbare Kapazität und ein einstellbares ΔF und einen hohen Freiheitsgrad in der Auslegung der Eigenschaften hat, und ein Herstellungsverfahren für den piezoelektrischen Resonator bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines elektronischen Bauelements, das mit einem piezoelektrischen Resonator arbeitet, der kostengünstig hergestellt wird und eine Verschlechterung von Eigenschaften unterdrücken kann.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen piezoelektrischen Resonators, mit dem eine Massenproduktion der piezoelektrischen Resonatoren ohne weiteres möglich ist.
Die obigen Aufgaben werden bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gelöst durch Bereitstellen eines piezoelektrischen Resonators der obengenannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens zwei innere Elektroden in dem aktiven Abschnitt so angeordnet sind, daß die inneren Elektroden zur Längsrichtung des Basiselements senkrecht sind, wobei Enden der inneren Elektroden auf einer Seitenfläche des Basiselements freiliegen, eine erste Isolierschicht freiliegende Abschnitte der inneren Elektroden an einem Ende der Seitenfläche des Basiselements bedeckt, eine zweite Isolierschicht freiliegende Abschnitte der nicht mit der ersten Isolierschicht bedeckten inneren Elektroden am anderen Ende der Seitenfläche des Basiselements bedeckt, die zwei äußeren Elektroden sich jeweils an dem einen und dem anderen Ende der Seitenfläche des Basiselements in Längsrichtung erstrecken und an jedem Ende der Seitenfläche des Basiselements mit den nicht mit der ersten und zweiten Isolierschicht bedeckten inneren Elektroden verbunden sind, der aktive Abschnitt in Längsrichtung des Basiselements polarisiert ist, und das Basiselement zu einer Grundschwingung im Längsmodus angeregt wird, wenn ein elektrisches Feld an die Längsrichtung des Basiselements über die inneren Elektroden angelegt wird.
Die weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung stellt den oben beschriebenen piezoelektrischen Resonator bereit, der ferner eine erste Isolierschicht umfaßt, die freiliegende Abschnitte der einander abwechselnden inneren Elektroden an einem Ende der Seitenfläche des Basiselements bedeckt, und eine zweite Isolierschicht, die freiliegende Abschnitte der einander abwechselnden, von der ersten Isolierschicht nicht bedeckten inneren Elektroden am anderen Ende der Seitenfläche des Basiselements bedeckt.
Der piezoelektrische Resonator kann eine Nut auf der Seitenfläche des Basiselements zwischen den zwei äußeren Elektroden aufweisen.
Der piezoelektrische Resonator kann ein elektrisch leitendes Auflageelement aufweisen, das auf jeder äußeren Elektrode in der Mitte des Basiselements in Längsrichtung vorgesehen ist.
Der piezoelektrische Resonator kann ein elektrisch leitendes Auflageelement aufweisen, das auf jeder äußeren Elektrode in der Mitte des Basiselements in Längsrichtung vorgesehen ist.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die obengenannten Aufgaben gelöst durch Bereitstellung eines mit dem oben beschriebenen piezoelektrischen Resonator arbeitenden elektronischen Bauelements, das gekennzeichnet ist durch ein Isoliersubstrat und eine Musterelektrode, die auf dem Isoliersubstrat vorgesehen ist und mit den äußeren Elektroden des piezoelektrischen Resonators über das Auflageelement verbunden ist.
Das elektronische Bauelement kann als Abzweigfilter dienen, bei dem mehrere Musterelektroden auf dem Isoliersubstrat vorgesehen sind und mit den äußeren Elektroden mehrerer piezoelektrischer Resonatoren so verbunden sind, daß die piezoelektrischen Resonatoren kettenartig miteinander verbunden sind.
Bei noch einer weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die obengenannten Aufgaben gelöst durch Bereitstellen eines Verfahrens zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: 1) Herstellen eines mehrschichtigen Elements, bei dem mehrere piezoelektrische Schichten und mehrere innere Elektroden aufeinandergeschichtet sind; 2) Ausbilden einer Isolierschicht zum Teil auf einer Oberfläche des mehrschichtigen Elements, auf der Enden der inneren Elektroden freiliegen; 3) Ausbilden einer äußeren Elektrode auf der Oberfläche des mehrschichtigen Elements; 4) Schneiden des mehrschichtigen Elements senkrecht zur Oberfläche des mehrschichtigen Elements.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators kann der Schritt des Ausbildens eines Auflageelements aus einem elektrisch leitenden Material auf der äußeren Elektrode mit enthalten sein.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators kann sich das Auflageelement in der Mitte in Längsrichtung des mehrschichtigen Elements befinden.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators kann auf der Oberfläche des mehrschichtigen Elements, auf dem die äußere Elektrode ausgebildet ist, eine Nut ausgebildet werden, wobei die Richtung der Nut parallel zur Schneidrichtung des mehrschichtigen Elements verläuft.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators kann die Isolierschicht in einem Schachbrettmuster ausgebildet sein, bei dem ein Satz abwechselnder Reihen der Isolierschicht einen Satz abwechselnder freiliegender Abschnitte der inneren Elektroden bedeckt und ein weiterer Satz abwechselnder Reihen der Isolierschicht einen weiteren Satz abwechselnder freiliegender Abschnitte der inneren Elektroden bedeckt.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators kann das mehrschichtige Element so hergestellt werden, daß die inneren Elektroden auf entgegengesetzten Seiten der piezoelektrischen Schichten abwechselnd freiliegen, zwei Polarisationselektroden auf den entgegengesetzten Seiten der piezoelektrischen Schichten ausgebildet und mit jeder zweiten inneren Elektrode elektrisch verbunden sind, die piezoelektrischen Schichten durch Anlegen einer Gleichspannung über die Polarisationselektroden und die inneren Elektroden polarisiert werden, und das piezoelektrische Element und die inneren Elektroden senkrecht zu einer Schichtrichtung derselben geschnitten werden.
Der piezoelektrische Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung ist versteift und hat einen aktiven Abschnitt, bei dem die Schwingungsrichtung, die Polarisationsrichtung und die Richtung, in der ein elektrisches Feld angelegt wird, gleich sind. Im Vergleich zu einem unversteiften piezoelektrischen Resonator, bei dem die Schwingungsrichtung von der Polarisationsrichtung und der Richtung des elektrischen Feldes verschieden ist, hat der versteifte piezoelektrische Resonator daher einen größeren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und einen größeren Frequenzunterschied ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz. Außerdem ist es unwahrscheinlich, daß bei einem versteiften piezoelektrischen Resonator Schwingungen in Schwingungsarten wie zum Beispiel der Breiten- und der Dickenschwingung stattfinden, die von der Grundschwingung verschieden sind. Ferner kann die Kapazität eingestellt werden durch Ändern der Anzahl der zum Anlegen eines elektrischen Feldes an den aktiven Abschnitt verwendeten Elektroden, der Abstände derselben und der Größe derselben. Der Frequenzunterschied ΔF und die Resonanzfrequenz können eingestellt werden durch Trimmen eines bereitgestellten inaktiven Abschnitts, der im Gegensatz zu einem aktiven Abschnitt nicht schwingt, oder durch Erhöhen der Masse des Abschnitts.
Wenn elektronische Bauelemente wie zum Beispiel ein Oszillator, ein Diskriminator und ein Filter unter Verwendung des piezoelektrischen Resonators hergestellt werden, wird der piezoelektrische Resonator auf einem Isoliersubstrat montiert, auf dem Musterelektroden ausgebildet sind, und mit einer Kappe abgedeckt, um chipartige (oberflächenmontierte) elektronische Bauelemente zu bilden. Da der piezoelektrische Resonator zwei äußere Elektroden aufweist, die auf einer Seitenfläche des Basiselements ausgebildet sind, kann er durch Kopfüber-Kontaktierung ohne Verwendung eines Anschlußdrahtes an einer Musterelektrode montiert werden. Wenn ein Auflageelement im voraus in der Mitte des Basiselements ausgebildet wird, kann der Schwingungsknoten des piezoelektrischen Resonators formschlüssig gelagert werden, wenn der piezoelektrische Resonator auf einer Musterelektrode montiert ist.
Der piezoelektrische Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung kann in großen Stückzahlen hergestellt werden durch Ausbilden einer Isolierschicht, einer äußeren Elektrode und eines Auflageelements auf einem mehrschichtigen Element, durch Ausbilden einer Nut und durch Schneiden des mehrschichtigen Elements.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Frequenzunterschied ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequen groß im Vergleich zu einem herkömmlichen piezoelektrischen Resonator, und somit erhält man einen Resonator mit breitem Frequenzband. Da der Frequenzunterschied ΔF eingestellt wird durch Einstellen des inaktiven Abschnitts, kann die Frequenzbandbreite des piezoelektrischen Resonators verändert werden. Außerdem ist es unwahrscheinlich, daß bei diesem piezoelektrischen Resonator Schwingungen in anderen Schwingungsarten als in der Grundschwingung auftreten, und es werden überlegene Eigenschaften erzielt. Da die Kapazität des piezoelektrischen Resonators eingestellt werden kann, kann ferner ohne weiteres eine Impedanzanpassung an einen externen Schaltkreis erzielt werden, wenn der piezoelektrische Resonator auf einer Leiterplatte montiert ist.
Ein elektronisches Bauelement wird mit diesem piezoelektrischen Resonator kostengünstig hergestellt, da der piezoelektrische Resonator mit einer Musterelektrode auf dem Isoliersubstrat ohne Verwendung eines Anschlußdrahtes verbunden werden kann. Man kann ein elektronisches Bauelement mit überlegenen Eigenschaften erhalten, weil der piezoelektrische Resonator infolge eines auf dem piezoelektrischen Resonator ausgebildeten Auflageelements nicht an einer Schwingung gehindert wird. Wenn ein Abzweigfilter unter Verwendung mehrerer piezoelektrischer Resonatoren hergestellt wird, kann es kostengünstig hergestellt werden und hat dabei überlegene Eigenschaften.
Da ein chipartiges elektronisches Bauelement unter Verwendung des piezoelektrischen Resonators hergestellt werden kann, kann das Bauelement ohne weiteres auf einer Leiterplatte montiert werden. Außerdem kann leicht eine Impedanzanpassung zwischen einem solchen elektronischen Bauelement und einem externen Schaltkreis durch Einstellen der Kapazität des piezoelektrischen Resonators erreicht werden. Außerdem kann bei einem durch abwechselnde Reihen- und Parallelschaltung mehrerer piezoelektrischer Resonatoren gebildeten Abzweigfilter die Dämpfung in dem Filter eingestellt werden durch Ändern des Verhältnisses der Kapazität des in Reihe geschalteten piezoelektrischen Resonators zu der Kapazität des parallelgeschalteten piezoelektrischen Resonators.
Nach dem durch diese Erfindung vorgegebenen Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Resonators kann der piezoelektrische Resonator, der die oben beschriebenen Vorteile erzielt, in großen Stückzahlen hergestellt werden. Daher kann ein solcher piezoelektrischer Resonator kostengünstig hergestellt werden.
Die obenbeschriebene Aufgabe, weitere Aufgaben, weitere Merkmale und sonstige Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen deutlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Resonators gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine Ansicht des Aufbaus des in Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen Resonators.
Fig. 3 ist eine Draufsicht, aus der ein Zustand hervorgeht, in dem eine Isolierschicht auf einem bei dem in Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen Resonator verwendeten Basiselement ausgebildet wird.
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, aus der hervorgeht, wie rohe Keramikschichten aufgebracht werden, um den in Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen Resonator herzustellen.
Fig. 5 ist eine Ansicht einer mehrschichtigen Basis, die aus den in Fig. 4 gezeigten rohen Keramikschichten gebildet wurde.
Fig. 6 ist eine Ansicht von Abschnitten, wo die in Fig. 5 gezeigte mehrschichtige Basis geschnitten wird.
Fig. 7 ist eine Ansicht eines durch Schneiden der in Fig. 6 gezeigten mehrschichtigen Basis hergestellten mehrschichtigen Elements.
Fig. 8 ist eine Ansicht einer Draufsicht und einer Seitenansicht des in Fig. 7 gezeigten mehrschichtigen Elements, auf das eine Isolierschicht aufgebracht ist.
Fig. 9 ist eine Ansicht einer Draufsicht und einer Seitenansicht des in Fig. 8 gezeigten mehrschichtigen Elements, auf das eine äußere Elektrode aufgebracht ist.
Fig. 10 ist eine Ansicht einer Draufsicht und einer Seitenansicht des in Fig. 9 gezeigten mehrschichtigen Elements, bei dem ein Auflageelement auf der äußeren Elektrode ausgebildet ist.
Fig. 11 ist eine Ansicht eines Verfahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen Resonators, bei dem Nuten auf dem in Fig. 9 gezeigten mehrschichtigen Element ausgebildet werden und bei dem das mehrschichtige Element geschnitten wird.
Fig. 12 ist zum Vergleich eine perspektivische Ansicht eines unversteiften piezoelektrischen Resonators, der in Längsrichtung schwingt.
Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht eines versteiften piezoelektrischen Resonators, der in Längsrichtung schwingt.
Fig. 14 ist zum Vergleich eine perspektivische Ansicht eines unversteiften piezoelektrischen Resonators, der in Richtung der Ebene schwingt (Rechteckschwingung).
Fig. 15 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Frequenz und der Impedanz eines piezoelektrischen Resonators gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 16 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Frequenz und der Impedanz eines herkömmlichen piezoelektrischen Resonators.
Fig. 17 ist eine Ansicht eines piezoelektrischen Resonators, beidem die Verteilung der aktiven und inaktiven Abschnitte in einem Basiselement verändert ist.
Fig. 18 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Verteilung der aktiven Abschnitte und der Kapazität und ΔF/Fa.
Fig. 19 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Anteil der aktiven Abschnitte und ΔF.
Fig. 20 ist eine Ansicht eines modifizierten inaktiven Abschnitts eines piezoelektrischen Resonators.
Fig. 21 ist eine Ansicht eines weiteren modifizierten inaktiven Abschnitts eines piezoelektrischen Resonators.
Fig. 22 ist eine Ansicht noch eines weiteren modifizierten inaktiven Abschnitts eines piezoelektrischen Resonators.
Fig. 23 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines mit dem oben beschriebenen piezoelektrischen Resonator arbeitenden elektronischen Bauelements.
Fig. 24 ist eine Seitenansicht, aus der hervorgeht, wie der piezoelektrische Resonator in dem in Fig. 23 gezeigten elektronischen Bauelement montiert ist.
Fig. 25 ist eine Draufsicht eines Hauptabschnitts eines mit den piezoelektrischen Resonatoren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitenden Abzweigfilters.
Fig. 26 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Hauptabschnitts des in Fig. 25 gezeigten Abzweigfilters.
Fig. 27 ist ein entsprechender Schaltplan des in Fig. 25 gezeigten Abzweigfilters.
Fig. 28 ist eine Ansicht eines herkömmlichen unversteiften piezoelektrischen Resonators.
Fig. 29 ist eine Ansicht eines weiteren herkömmlichen unversteiften piezoelektrischen Resonators.
Fig. 30 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Aufbaus, bei dem ein herkömmlicher unversteifter piezoelektrischer Resonator montiert ist, der in der Längsschwingung schwingt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Resonators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 zeigt den inneren Aufbau des piezoelektrischen Resonators. Der piezoelektrische Resonator 10 umfaßt ein Basiselement 12, das zum Beispiel eine Würfelform hat. Das Basiselement 12 besteht zum Beispiel aus einem piezoelektrischen keramischen Material. Mehrere innere Elektroden 14 sind in dem Basiselement 12 so ausgebildet, daß die Oberflächen der inneren Elektroden 14 senkrecht sind zur Längsrichtung des Basiselements 12. Das Basiselement 12 ist so in Längsrichtung polarisiert, daß die Polarisationsrichtungen auf beiden Seiten einer inneren Elektrode 14 einander entgegengesetzt sind.
Auf einer Seitenfläche des Basiselements 12 erstreckt sich eine Nut 15 in Längsrichtung des Basiselements 12. Die Nut 15 ist in der Mitte in Breitenrichtung des Basiselements 12 ausgebildet und teilt die Fläche in zwei Abschnitte. Auf der durch die Nut 15 unterteilten Seitenfläche sind gemäß Fig. 3 eine erste Isolierschicht 16 und eine zweite Isolierschicht 18 ausgebildet. Auf einem durch Unterteilen der Seitenfläche des Basiselements 12 durch die Nut 15 hergestellten Abschnitt ist der freiliegende Abschnitt jeder zweiten inneren Elektrode 14 durch die erste Isolierschicht 16 bedeckt. Auf dem anderen Abschnitt ist der freiliegende Abschnitt jeder zweiten, durch die erste Isolierschicht 16 nicht bedeckten inneren Elektrode 14 mit der zweiten Isolierschicht 18 bedeckt. Beide Enden des Basiselements 12 sind nicht polarisiert.
In Abschnitten, wo die erste Isolierschicht 16 und die zweite Isolierschicht 18 ausgebildet sind, nämlich auf beiden Seiten der Nut 15, sind äußere Elektroden 20 und 22 ausgebildet. Daher ist die äußere Elektrode 20 mit inneren Elektroden 14 verbunden, die nicht mit der ersten Isolierschicht 16 bedeckt sind, und die äußere Elektrode 22 ist mit inneren Elektroden 14 verbunden, die nicht mit der zweiten Isolierschicht 18 bedeckt sind. Mit anderen Worten, benachbarte innere Elektroden 14 sind mit der äußeren Elektrode 20 bzw. mit der äußeren Elektrode 22 verbunden. In der Mitte der äußeren Elektroden 20 und 22 sind jeweils in Längsrichtung Auflageelemente 24 so ausgebildet, daß sie elektrisch leitend sind. Die Auflageelemente 24 können aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Die Auflageelemente 24 können elektrisch leitend gemacht werden, indem man auf der Oberfläche eines die Auflageelemente bildenden Isoliermaterials einen Elektrodenfilm ausbildet.
Auf beiden Seiten der Nut 15 bedecken die erste Isolierschicht 16 und die zweite Isolierschicht 18 die inneren Elektroden 14, und die äußeren Elektroden 20 und 22 sind auf der ersten und zweiten Isolierschicht ausgebildet. Die Nut muß nicht zwangsläufig ausgebildet sein. Elektroden können zum Beispiel so ausgebildet sein, daß an beiden Enden in Breitenrichtung auf einer Seitenfläche des Basiselements 12 die inneren Elektroden 14 abwechselnd auf ihren freiliegenden Abschnitten mit der Isolierschicht 16 bzw. 18 bedeckt sind, und zwei Reihen äußere Elektroden 20 und 22 sind darauf in Längsrichtung des Basiselements 12 ausgebildet. Wenngleich das Basiselement 12 nicht mit einer Nut versehen ist, sind in diesem Fall benachbarte innere Elektroden 14 mit den äußeren Elektroden 20 bzw. 22 verbunden.
Bei dem piezoelektrischen Resonator 10 werden die äußeren Elektroden 20 und 22 als Eingangs- und Ausgangselektroden verwendet. In Abschnitten mit Ausnahme der beiden Enden des Basiselements 12 ist das Basiselement 12 piezoelektrisch aktiv, da ein elektrisches Feld an benachbarte innere Elektroden 14 angelegt ist. An beiden Enden des Basiselements 12 ist das Basiselement piezoelektrisch inaktiv, da das Basiselement nicht polarisiert ist und kein elektrisches Feld angelegt ist, da an den beiden Enden keine Elektroden ausgebildet sind. Daher ist ein aktiver Abschnitt 26 für Eingangssignale in der Mitte des Basiselements 12 ausgebildet, und inaktive Abschnitte 28 für Eingangssignale sind an beiden Enden des Basiselements 12 ausgebildet. Die inaktiven Abschnitte 28 erzeugen beim Empfang von Eingangssignalen keine Antriebskraft. Falls ein elektrisches Feld an innere Elektroden angelegt wird, wenn der Abschnitt zwischen den inneren Elektroden nicht polarisiert ist, ist der Abschnitt inaktiv. Es kann ein Aufbau verwendet werden, bei dem kein elektrisches Feld an polarisierte piezoelektrische Schichten angelegt wird.
Zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators 10 werden aus einer piezoelektrischen Keramik bestehende Grünschichten 30 zunächst als die in Fig. 4 gezeigten piezoelektrischen Schichten hergestellt. Auf eine Oberfläche jeder Grünschicht 30 wird eine elektrisch leitende Paste, die zum Beispiel Silber, Palladium und ein organisches Bindemittel umfaßt, aufgetragen, um eine elektrisch leitende Pastenschicht 32 auf fast der gesamten Fläche jeder Grünschicht 30 mit Ausnahme eines Endabschnitts auszubilden. Mehrere Grünschichten 30 werden so aufgebracht, daß die Endabschnitte, wo keine elektrisch leitenden Pastenschichten 32 auf den Grünschichten ausgebildet sind, abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen angeordnet sind. Das mehrschichtige Element mit der auf den entgegengesetzten Seitenflächen aufgebrachten elektrisch leitenden Paste wird gebrannt, um eine in Fig. 5 gezeigte mehrschichtige Basis 34 zu bilden.
Die mehrschichtige Basis 34 hat mehrere innere Elektroden 36, die durch Brennen der elektrisch leitenden Schichten 32 hergestellt wurden. Auf gegenüberliegenden Seiten ausgebildete Polarisationselektroden 38 und 40 sind mit jeder zweiten inneren Elektrode 36 verbunden, da die inneren Elektroden 36 abwechselnd auf gegenüberliegenden Seiten der mehrschichtigen Basis 34 freiliegen. Wenn eine Gleichspannung an die Polarisationselektroden 38 und 40 angelegt wird, wird die mehrschichtige Basis 34 polarisiert. Im Inneren der mehrschichtigen Basis 34 wird ein starkes elektrisches Gleichfeld zwischen benachbarten inneren Elektroden 36 abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen angelegt. Die mehrschichtige Basis 34 wird daher auf beiden Seiten der inneren Elektroden 36 in entgegengesetzten Richtungen polarisiert, wie durch die Pfeile in Fig. 5 gezeigt.
Die mehrschichtige Basis 34 wird auf die gewünschte Dicke plangeschliffen, da die Antiresonanzfrequenz des Resonators von der Dicke der mehrschichtigen Basis 34 bestimmt wird. Die mehrschichtige Basis 34 wird mit einer Trennmaschine längs der in Fig. 6 gezeigten gestrichelten Linien geschnitten, so daß die Schnittebenen senkrecht zu der Vielzahl von inneren Elektroden 36 verlaufen. Gemäß Fig. 7 erhält man dann ein mehrschichtiges Element 42, bei dem die Enden der inneren Elektroden 36 freiliegen. Eine Isolierschicht 44 wird gemäß Fig. 8 in einem Schachbrettmuster auf eine Oberfläche des mehrschichtigen Elements 42 aufgebracht. Im Vergleich zu Fig. 7 ist Fig. 8 eine vereinfachte Darstellung und die Anzahl der aufgebrachten Schichten ist der Einfachheit halber verringert. Eine Reihe der Isolierschicht 44 bedeckt jede zweite innere Elektroden 36. Die benachbarten Reihen der Isolierschicht 44 bedecken jeweils die anderen inneren Elektroden 36. Eine äußere Elektrode 48 wird durch Sputtern auf der Oberfläche ausgebildet, wo die Isolierschicht 44 auf dem mehrschichtigen Element 42 ausgebildet ist, wie in Fig. 9 gezeigt.
Ein riemenförmiges Auflageelement 50 aus einem elektrisch leitenden Material ist in der Mitte des mehrschichtigen Elements 42 so ausgebildet, daß das Auflageelement zu den inneren Elektroden 36 parallel ist, wie in Fig. 10 gezeigt. Nuten 15 sind zwischen benachbarten Reihen der schachbrettartig ausgebildeten Isolierschicht 44 ausgebildet, so daß die Nuten zu den Oberflächen der inneren Elektroden 36 senkrecht sind, wie in Fig. 11 gezeigt. Das mehrschichtige Element 42 wird entlang der Nuten 15 zu dem in Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen Resonator geschnitten.
Wenn ein Signal an die äußeren Elektroden 20 und 22 in dem piezoelektrischen Resonator 10 angelegt wird, dehnen sich die piezoelektrischen Schichten als Ganzes aus und ziehen sich in derselben Richtung wieder zusammen, da Spannungen in zur Polarisation der piezoelektrischen Schichten in dem aktiven Abschnitt 26 entgegengesetzten Richtungen angelegt werden. Der piezoelektrische Resonator 10 schwingt daher in Längsrichtung in der Grundschwingung, wobei die Mitte des Basiselements 12 als Schwingungsknoten dient.
Bei dem piezoelektrischen Resonator 10 sind die Polarisationsrichtung des aktiven Abschnitts 26, die auf ein Signal zurückzuführende Richtung des angelegten elektrischen Feldes und die Richtung der Schwingung in dem aktiven Abschnitt 26 alle gleich. Mit anderen Worten, der piezoelektrische Resonator 10 ist versteift. Der versteifte piezoelektrische Resonator 10 hat einen größeren elektromagnetischen Kopplungskoeffizienten als ein unversteifter piezoelektrischer Resonator, bei dem die Schwingungsrichtung von der Polarisationsrichtung und der Richtung des elektrischen Feldes verschieden ist. Der piezoelektrische Resonator 10 hat daher einen größeren Frequenzunterschied ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz als der herkömmliche piezoelektrische Resonator. Dies bedeutet, daß sich der piezoelektrische Resonator 10 durch ein breites Frequenzband auszeichnet.
Um die Unterschiede zwischen versteiften und unversteiften piezoelektrischen Resonatoren zu messen, wurden die in Fig. 12, 13 und 14 gezeigten piezoelektrischen Resonatoren hergestellt. Der in Fig. 12 gezeigte piezoelektrische Resonator wurde hergestellt durch Ausbilden von Elektroden auf beiden Oberflächen in Dickenrichtung eines piezoelektrischen Substrats mit den Maßen 4,0 mm · 1,0 mm x 0,38 mm. Dieser piezoelektrische Resonator wurde in Dickenrichtung polarisiert und schwang in Längsrichtung, wenn ein Signal an die Elektroden angelegt wurde. Der in Fig. 13 gezeigte piezoelektrische Resonator hatte dieselben Abmessungen wie der in Fig. 12 gezeigte piezoelektrische Resonator. Elektroden wurden auf beiden Oberflächen in Längsrichtung eines piezoelektrischen Substrats ausgebildet. Wenn ein Signal an die Elektroden angelegt wurde, wurde der piezoelektrische Resonator in Längsrichtung polarisiert und schwang in Längsrichtung. Der in Fig. 14 gezeigte piezoelektrische Resonator wurde hergestellt durch Ausbilden von Elektroden auf beiden Oberflächen in Dickenrichtung eines piezoelektrischen Substrats mit den Maßen 4,7 mm · 4,7 mm · 0,38 mm. Dieser piezoelektrische Resonator wurde in Dickenrichtung polarisiert und schwang in Richtung der Ebene, wenn ein Signal an die Elektroden angelegt wurde. Die in Fig. 12 und 14 gezeigten piezoelektrischen Resonatoren waren unversteift, und der in Fig. 13 gezeigte piezoelektrische Resonator war versteift.
Die Resonanzfrequenz Fr und der elektromechanische Kopplungskoeffizient K jedes dieser piezoelektrischen Resonatoren wurde gemessen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1, 2 und 3 dargestellt. Tabelle 1 zeigt die Meßergebnisse des in Fig. 12 dargestellten piezoelektrischen Resonators. Tabelle 2 zeigt die Meßergebnisse des in Fig. 13 dargestellten piezoelektrischen Resonators. Tabelle 3 zeigt die Meßergebnisse des in Fig. 14 dargestellten piezoelektrischen Resonators. Tabelle 1 Tabelle 2 Tabelle 3
Aus den Meßwerten geht hervor, daß ein versteifter piezoelektrischer Resonator einen größeren elektromagnetischen Kopplungskoeffizienten K hat als ein unversteifter piezoelektrischer Resonator und daher einen größeren Frequenzunterschied ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz. Die größte Störschwingung bei einem versteiften piezoelektrischen Resonator ist eine Dreifachwellenschwingung in Längsrichtung und der elektromagnetische Kopplungskoeffizient K beträgt während der Schwingung 12,2%. Während der Schwingung in Breitenrichtung, die von der Grundschwingung verschieden ist, beträgt der elektromagnetische Kopplungskoeffizient K 4,0 %. Im Gegensatz dazu beträgt der elektromagnetische Kopplungskoeffizient K während der Schwingung in Breitenrichtung bei einem unversteiften, mit einer Längsschwingung arbeitenden piezoelektrischen Resonator 25,2%. Bei einem unversteiften, mit einer Rechteckschwingung arbeitenden piezoelektrischen Resonator beträgt der elektromagnetische Kopplungskoeffizient K während der Schwingung in Dickenrichtung 23,3%. Es versteht sich daher, daß ein versteifter piezoelektrischer Resonator geringere Störschwingungen hat als ein unversteifter piezoelektrischer Resonator.
Bei dem piezoelektrischen Resonator 10 ist der inaktive Abschnitt 28 an beiden Enden des Basiselements 12 ausgebildet. Der inaktive Abschnitt 28 wird verändert, um die Resonanzfrequenz und die Differenz ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz einzustellen. Mit anderen Worten, durch Schleifen der Stirnflächen in Längsrichtung des Basiselements 12 oder durch Erhöhen der Masse kann die Bandbreite des piezoelektrischen Resonators 10 eingestellt werden.
Bei dem piezoelektrischen Resonator 10 kann die Kapazität des Resonators beispielsweise dadurch eingestellt werden, daß man die Anzahl Schichten in dem aktiven Abschnitt 26 ändert. In dem aktiven Abschnitt 26 sind piezoelektrische Schichten und innere Elektroden 14 abwechselnd gestapelt und elektrisch parallelgeschaltet. Wenn die Anzahl Schichten bei gleichbleibender Gesamtdicke des aktiven Abschnitts 26 geändert wird, wird die folgende Beziehung erfüllt, da die Dicke einer Schicht umgekehrt proportional ist zur Anzahl der Schichten.
Die Kapazität des Resonators ist proportional zu dem Verhältnis (Anzahl Schichten in dem aktiven Abschnitt/Dicke einer Schicht), das wiederum proportional ist zu (Anzahl Schichten in dem aktiven Abschnitt)2.
Die Kapazität des Resonators ist proportional zum Quadrat der Anzahl Schichten in dem aktiven Abschnitt 26. Daher wird die Anzahl Schichten in dem aktiven Abschnitt 26 geändert, um die Kapazität des piezoelektrischen Resonators 10 einzustellen. Dies bedeutet, daß der piezoelektrische Resonator 10 einen hohen Freiheitsgrad bei der Auslegung der Kapazität hat. Daher läßt sich leicht eine Impedanzanpassung an einen externen Schaltkreis erreichen, wenn der piezoelektrische Resonator 10 auf einer Leiterplatte montiert ist.
Elektrisch leitende Paste, die zum Beispiel Silber, Palladium und ein organisches Bindemittel enthält, wurde auf eine Seite jeder aus piezoelektrischer Keramik bestehenden Grünschicht 30 aufgetragen. Mehrere solcher Grünschichten wurden abwechselnd aufeinandergestapelt und in einem Stück bei 1200ºC zu einer mehrschichtigen Basis 34 mit den Maßen 20 mm · 30 mm · 3,9 mm gebrannt. Polarisationselektroden 38 und 40 wurden durch Sputtern ausgebildet. Ein starkes elektrisches Gleichfeld wurde zwischen benachbarten inneren Elektroden 36 angelegt, um die mehrschichtige Basis so zu polarisieren, daß die Polarisationsrichtungen in benachbarten piezoelektrischen Schichten wechselweise einander entgegengesetzt waren. Die Dicke der mehrschichtigen Basis 34 wurde geändert. Die mehrschichtige Basis 34 wurde zu einem mehrschichtigen Element 42 mit den Maßen 1,5 mm · 30 mm · 3,8 mm geschnitten. Die Isolierschicht 44 wurde in einem Schachbrettmuster auf den inneren Elektroden 36 ausgebildet, die zu einer Seite des mehrschichtigen Elements 42 hin freilagen, und darauf wurde eine Silberelektrode durch Sputtern ausgebildet. Ein Auflageelement 50 wurde auf der Elektrode ausgebildet, und außerdem wurde eine Nut 15 ausgebildet. Der entstehende Block wurde mit einer Trennmaschine zu einem piezoelektrischen Resonator 10 mit den Maßen 1,5 mm · 1,5 mm · 3,8 mm geschnitten.
Der piezoelektrische Resonator 10 hatte neunzehn Elektroden 14 in dem Basiselement 12, wobei die Elektroden 14 in fast gleichen Abständen von 0,19 mm angeordnet waren. Es wurde eine erste und zweite Isolierschicht 18 und 19 ausgebildet, so daß an die drei an beiden Enden des Basiselements 12 befindlichen piezoelektrischen Schichten kein elektrisches Feld angelegt wird. Ein aktiver Abschnitt 26 enthielt 14 piezoelektrische Schichten in der Mitte des Basiselements 12, und ein inaktiver Abschnitt 28 hatte drei piezoelektrische Schichten an beiden Enden. Der piezoelektrische Resonator 10 hatte eine Kapazität von 830 pF und den in Fig. 15 dargestellten Frequenzgang. Zum Vergleich ist in Fig. 16 der Frequenzgang eines mit einer Rechteckschwingung arbeitenden piezoelektrischen Resonators dargestellt. Aus Fig. 15 und Fig. 16 geht hervor, daß der piezoelektrische Resonator 10 gemäß der vorliegenden Erfindung viel weniger Störschwingung hat als der quadratische piezoelektrische Resonator.
In Abhängigkeit von den Stellen, wo aktive Abschnitte 26 und inaktive Abschnitte 28 ausgebildet sind, ändert sich der Frequenzunterschied ΔF zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz. Wie zum Beispiel in Fig. 17 gezeigt, können inaktive Abschnitte 28 an beiden Enden und in der Mitte des Basiselements 12 ausgebildet werden. Nach der Methode der endlichen Elemente wurden Änderungen in der Kapazität Cf und im Frequenzunterschied ΔF in dem piezoelektrischen Resonator für einen Fall berechnet, wo sich die Stellen, an denen aktive Abschnitte 26 ausgebildet waren, ändern, wobei "a" den Abstand zwischen der Mitte und einem Ende des piezoelektrischen Resonators 10 angibt, "b" den Abstand zwischen der Mitte und dem Schwerpunkt eines aktiven Abschnitts 26 angibt, "c" die Länge der aktiven Abschnitte 26 angibt, B die Breite des Basiselements 12 angibt und D die Dicke des Basiselements 12 angibt. Fig. 18 zeigt die Beziehung zwischen b/a und das Verhältnis von ΔF zur Antiresonanzfrequenz Fa, also ΔF/Fa, sowie die Kapazität Cf, wobei "a" gleich 1,89 mm, B und D gleich 0,8 mm, "c" gleich 0,86 mm und b/a veränderlich ist. Aus Fig. 18 geht hervor, daß sich die Kapazität Cf nicht ändert, unabhängig davon, wo die aktiven Abschnitte 26 ausgebildet sind. Im Gegensatz dazu wurde außerdem festgestellt, daß ΔF abnimmt, wenn die aktiven Abschnitte 26 näher bei beiden Enden des Basiselements 12 liegen.
Der Frequenzunterschied ΔF kann bei dem piezoelektrischen Resonator 10 geändert werden durch Ändern des Verhältnisses der aktiven Abschnitte 26 zu den inaktiven Abschnitten 28. Bei einem sich ändernden Anteil der aktiven Abschnitte, d. h. einem sich ändernden Verhältnis der Länge des aktiven Abschnitts 26 zu der des Basiselements 12 bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten piezoelektrischen Resonator 10, wurden die Resonanzfrequenz Fr, die Antiresonanzfrequenz Fa, der Frequenzunterschied ΔF und seine Änderungsgeschwindigkeit gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 und Fig. 19 angegeben. Tabelle 4
Fig. 19 zeigt die Beziehung zwischen dem Anteil der aktiven Abschnitte und der Änderung des ΔF unter der Bedingung, daß ΔF auf 100% gesetzt ist, wenn der Anteil der aktiven Abschnitte 100% ist, nämlich wenn kein inaktiver Abschnitt vorhanden ist. Aus Fig. 19 geht hervor, daß ΔF groß ist bei einem Anteil der aktiven Abschnitte von 65% bis 85%, wobei man das größte ΔF bei einem Anteil der aktiven Abschnitte von 75% erhält. Der Spitzenwert ist um etwa 10% größer als das ΔF, das man erhält, wenn der Anteil der aktiven Abschnitte 100% beträgt, mit anderen Worten, wenn kein inaktiver Abschnitt vorhanden ist. Bei einem Anteil der aktiven Abschnitte von 50% und 100% erhält man dasselbe ΔF. Um einen piezoelektrischen Resonator mit einem großen ΔF zu erhalten, muß daher der Anteil der aktiven Abschnitte auf 50% oder mehr gesetzt werden.
Wenn bei dem piezoelektrischen Resonator 10 vierzehn von zwanzig piezoelektrischen Schichten den aktiven Abschnitt 26 bildeten, betrug die Kapazität 830 pF. Wenn dagegen der Anteil der aktiven Abschnitte auf 100% gesetzt war, was bedeutet, daß nur eine piezoelektrische Schicht verwendet wurde, mit anderen Worten, wenn Elektroden an beiden Stirnflächen des Basiselements 12 aus demselben Material und mit denselben Abmessungen ausgebildet waren, dann betrug die Kapazität 3,0 pF. Wenn alle 20 piezoelektrischen Schichten den aktiven Abschnitt 26 bildeten, betrug die Kapazität 1185,6 pF. Durch Ändern der Anzahl der piezoelektrischen Schichten in dem aktiven Abschnitt 26 des Basiselements in dem piezoelektrischen Resonator 10 kann die Kapazität in einem Bereich von etwa dem 400fachen Unterschied zwischen dem Minimum und dem Maximum geändert werden. Durch Ändern der Schichtstruktur des piezoelektrischen Resonators 10 kann daher die Kapazität aus einem weiten Bereich gewählt werden, was einen hohen Freiheitsgrad bei der Auslegung der Kapazität bietet.
Ein inaktiver Abschnitt 28 kann so ausgebildet werden, daß kein elektrisches Feld angelegt wird, indem an einem Ende des Basiselements 12 keine Elektrode ausgebildet wird, wie in Fig. 20 gezeigt. Das Ende des Basiselements 12 kann polarisiert sein oder nicht. Gemäß Fig. 21 kann nur das Ende des Basiselements 12 nicht polarisiert sein. Selbst wenn ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden 14 angelegt wird, ist in diesem Fall ein nicht polarisierter Abschnitt piezoelektrisch inaktiv. Der Aufbau kann so ausgebildet sein, daß das Basiselement 12 ganz polarisiert ist und wegen der Isolierschichten 16 und 18 kein elektrisches Feld an die inneren Elektroden 14 angelegt wird. Mit anderen Worten, nur wenn eine piezoelektrische Schicht polarisiert ist und ein elektrisches Feld angelegt wird, wird die Schicht piezoelektrisch aktiv, andernfalls ist sie inaktiv. Bei der in Fig. 21 und 22 gezeigten Konfiguration sind auch in dem inaktiven Abschnitt Kondensatoren ausgebildet, und die Kapazität kann erhöht werden. Gemäß Fig. 22 kann eine kleine Elektrode 52 an einer Stirnfläche des Basiselements 12 ausgebildet werden, um die Frequenz einzustellen oder um die Verbindung mit einem externen Schaltkreis herzustellen.
Unter Verwendung eines solchen piezoelektrischen Resonators 10 werden elektronische Bauelemente wie zum Beispiel Oszillatoren und Diskriminatoren hergestellt. Fig. 23 ist eine perspektivische Ansicht eines elektronischen Bauelements 60. Das elektronische Bauelement 60 umfaßt ein Isoliersubstrat 62. An entgegengesetzten Endabschnitten des Isoliersubstrats 62 sind jeweils zwei Einkerbungen 64 ausgebildet. Auf einer Oberfläche des Isoliersubstrats 62 sind zwei Musterelektroden 66 und 68 ausgebildet. Eine Musterelektrode 66 ist zwischen gegenüberliegenden Einkerbungen 64 ausgebildet und erstreckt sich L-förmig von einem Punkt in der Nähe des einen Endes in Richtung zur Mitte des Isoliersubstrats 62. Die andere Musterelektrode 68 ist zwischen gegenüberliegenden Einkerbungen 64 ausgebildet und erstreckt sich L-förmig von einem Punkt in der Nähe des anderen Endes in Richtung zur Mitte des Isoliersubstrats 62. In der Mitte des Isoliersubstrats 62 liegen sich die zwei Musterelektroden 66 und 68 mit einem Abstand gegenüber. Die Musterelektroden 66 und 68 sind so ausgebildet, daß sie von den Enden des Isoliersubstrats 62 zu der entgegengesetzten Seite herumgeführt sind.
An den in der Mitte des Isoliersubstrats 62 befindlichen Enden der Musterelektroden 66 und 68 ist ein Auflageelement 24 für den piezoelektrischen Resonator 10 mit einem elektrisch leitenden Kleber befestigt, wie in Fig. 24 gezeigt. Die äußeren Elektroden 20 und 22 des piezoelektrischen Resonators 10 sind dadurch an dem Isoliersubstrat 62 befestigt und mit den Musterelektroden 66 und 68 elektrisch verbunden.
Eine Metallkappe 74 wird auf das Isoliersubstrat 62 gesetzt, um das elektronische Bauelement 60 fertigzustellen. Um zu verhindern, daß die Metallkappe 74 mit den Musterelektroden 66 und 68 kurzgeschlossen wird, wird im voraus Isolierharz auf das Isoliersubstrat 62 und die Musterelektroden 66 und 68 aufgebracht. Bei dem elektronischen Bauelement 60 werden die Musterelektroden 66 und 68 verwendet, die so ausgebildet sind, daß sie als Eingangs- und Ausgangsklemmen zum Anschluß an externe Schaltkreise von den Enden des Isoliersubstrats 62 zur Rückseite geführt werden.
Da der piezoelektrische Resonator 10 bei diesem elektronischen Bauelement 60 auf dem in der Mitte in Längsrichtung des Basiselements 12 ausgebildeten Auflageelement 24 gelagert ist, sind die Enden des piezoelektrischen Resonators 10 getrennt von dem Isoliersubstrat 62 angeordnet, und somit wird die Schwingung des piezoelektrischen Resonators 10 nicht verhindert. Die Mitte des piezoelektrischen Resonators 10, die als Schwingungsknoten dient, wird durch das Auflageelement 24 befestigt, und die äußeren Elektroden 20 und 22 sind mit den Musterelektroden 66 und 68 elektrisch verbunden. Da das Auflageelement 24 im voraus auf dem piezoelektrischen Resonator 10 ausgebildet wird, ist der Schwingungsknoten des piezoelektrischen Resonators 10 genau positioniert. Daher ist der Schwingungsknoten genauer gelagert als bei einem Fall, wo der piezoelektrische Resonator auf hervorstehenden Auflageelementen gelagert ist, die auf den Musterelektroden 66 und 68 ausgebildet sind. Die Schwingung des piezoelektrischen Resonators 10 kann also nicht verlorengehen, und es werden überlegene Eigenschaften erzielt. Das elektronische Bauelement 60 wird kostengünstig hergestellt, weil keine Anschlußdrähte erforderlich sind, um die äußeren Elektroden 20 und 22 des piezoelektrischen Resonators 10 mit den Musterelektroden 66 und 68 zu verbinden.
Das elektronische Bauelement 60 wird zusammen mit IC-Bausteinen und anderen Bauelementen auf einer Leiterplatte montiert, um einen Oszillator oder einen Diskriminator herzustellen. Da das elektronische Bauelement 60 durch die Metallkappe 74 abgedichtet und geschützt ist, kann es als chipartiges (oberflächenmontiertes) Bauelement verwendet werden, das durch Reflow-Löten montiert werden kann.
Wenn das elektronische Bauelement 60 bei einem Oszillator verwendet wird, werden Störschwingungen bis auf ein geringes Maß unterdrückt und durch die Störschwingungen verursachte ungewöhnliche Schwingungen werden aufgrund der Merkmale des bei dem elektronischen Bauelement 60 verwendeten piezoelektrischen Resonators 10 verhindert. Es läßt sich auch leicht eine Impedanzanpassung an einen externen Schaltkreis erzielen, da die Kapazität des piezoelektrischen Resonators 10 auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden kann. Vor allem wenn das elektronische Bauelement bei einem Oszillator für eine spannungsgesteuerte Schwingung verwendet wird, wird infolge eines großen ΔF des Resonators ein herkömmlicherweise nicht erreichbarer weiter Frequenzbereich erzielt.
Wenn das elektronische Bauelement 60 bei einem Diskriminator verwendet wird, wird infolge eines großen ΔF des Resonators ein weiter Trennbereich für die Spitzenwerte erzielt. Da der Resonator einen weiten Kapazitätsbereich liefert, läßt sich außerdem auch leicht eine Impedanzanpassung an einen externen Schaltkreis erreichen.
Ein Abzweigfilter kann unter Verwendung mehrerer piezoelektrischer Resonatoren 10 hergestellt werden. Fig. 25 ist eine Draufsicht auf den Hauptabschnitt eines Abzweigfilters mit einem kettenartigen Schaltkreis. Fig. 26 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Hauptabschnitts. Bei dem in Fig. 25 und 26 gezeigten elektronischen Bauelement 60 sind vier Musterelektroden 90, 92, 94 und 96 auf einem Isoliersubstrat 62 ausgebildet. Fünf in einem gewissen Abstand hintereinander angeordnete Lötaugen sind auf den Musterelektroden 90, 92, 94 und 96 ausgebildet. Das erste Lötauge, das einem Ende des Isoliersubstrats 62 am nächsten ist, ist auf der Musterelektrode 90 ausgebildet, das zweite und fünfte Lötauge sind auf der Musterelektrode 92 ausgebildet, das dritte Lötauge ist auf der Musterelektrode 94 ausgebildet, und das vierte Lötauge ist auf der Musterelektrode 96 ausgebildet.
An den äußeren Elektroden 20 und 22 der piezoelektrischen Resonatoren 10a, 10b, 10c und 10d ausgebildete Auflageelemente 24 sind auf diesen Lötaugen montiert, um einen in Fig. 27 gezeigten kettenartigen Schaltkreis zu erhalten. Dann wird eine Metallkappe (nicht dargestellt) auf das Isoliersubstrat 62 gesetzt.
Das elektronische Bauelement 60 wird als Abzweigfilter mi einem in Fig. 27 gezeigten kettenartigen Schaltkreis verwendet. Zwei piezoelektrische Resonatoren 10a und 10d dienen als Reihenresonatoren und die beiden anderen piezoelektrischen Resonatoren 10b und 10c dienen als Parallelresonatoren. Bei einem solchen Abzweigfilter sind die parallelen piezoelektrischen Resonatoren 10b und 10c so ausgelegt, daß sie eine wesentlich höhere Kapazität haben als die seriellen piezoelektrischen Resonatoren 10a und 10d.
Die Dämpfung in dem Abzweigfilter wird ermittelt durch das Kapazitätsverhältnis zwischen den Reihenresonatoren und den Parallelresonatoren. Bei diesem elektronischen Bauelement 60 kann die Kapazität eingestellt werden durch Ändern der bei den piezoelektrische Resonatoren 10a bis 10d verwendeten Anzahl von aufgebrachten Schichten. Verglichen mit einem Fall, wo die herkömmlichen unversteiften piezoelektrischen Resonatoren verwendet werden, wird daher ein Abzweigfilter mit einer größeren Dämpfung bei weniger Resonatoren implementiert durch Ändern der Kapazität der piezoelektrischen Resonatoren. Da die piezoelektrischen Resonatoren 10a bis 10d ein größeres ΔF haben als der herkömmliche piezoelektrische Resonator, wird ein breiteres Übertragungsfrequenzband implementiert als bei dem herkömmlichen piezoelektrischen Resonator.
Da bei der vorliegenden Erfindung ein versteifter piezoelektrischer Resonator verwendet wird, hat der Resonator ein größeres ΔF und ein breiteres Frequenzband als der herkömmliche unversteifte piezoelektrische Resonator. Außerdem hat der versteifte piezoelektrische Resonator geringe Störschwingungen. Da das Basiselement 12 einen mehrschichtigen Aufbau hat, kann die Kapazität auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden, und es läßt sich leicht eine Impedanzanpassung an einen externen Schaltkreis erzielen. Durch Einstellen der Größe und Lage der aktiven und inaktiven Abschnitte kann ferner ΔF geändert werden. Da das elektronische Bauelement 60 gemäß der vorliegenden Erfindung einen einfachen Aufbau hat, kann es kostengünstig hergestellt werden, während es gleichzeitig die oben beschriebenen Merkmale des piezoelektrischen Resonators 10 aufweist.
Bei Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen Resonators gemäß der vorliegenden Erfindung wird der piezoelektrische Resonator 10 mit den oben beschriebenen Eigenschaften in großen Stückzahlen hergestellt. Der piezoelektrische Resonator 10 wird daher kostengünstig angeboten.
Da der piezoelektrische Resonator 10 gemäß der vorliegenden Erfindung mehr festzulegende Parameter umfaßt als der herkömmliche piezoelektrische Resonator, können verschiedene Eigenschaften implementiert werden.

Claims

1. Piezoelektrischer Resonator (10), der folgendes umfaßt:

ein Basiselement (12) mit einer Längsrichtung,

einen aktiven Abschnitt (26), der aus einem polarisierten piezoelektrischen Element besteht und wenigstens einen Teil des Basiselements (12) bildet, und zwei äußere Elektroden (20, 22), die mit dem aktiven Abschnitt (26) versehen sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

wenigstens zwei innere Elektroden (14) in dem aktiven Abschnitt (26) angeordnet sind, so daß die inneren Elektroden (14) zur Längsrichtung des Basiselements (12) senkrecht sind, wobei Enden der inneren Elektroden (14) auf einer Seitenfläche des Basiselements (12) freiliegen,

eine erste Isolierschicht (16) freiliegende Abschnitte der inneren Elektroden (14) an einem Ende der Seitenfläche des Basiselements (12) bedeckt,

eine zweite Isolierschicht (18) freiliegende Abschnitte der nicht mit der ersten Isolierschicht (16) bedeckten inneren Elektroden (14) am anderen Ende der Seitenfläche des Basiselements (12) bedeckt,

die zwei äußeren Elektroden (20, 22) sich jeweils an dem einen und dem anderen Ende der Seitenfläche des Basiselements (12) in Längsrichtung erstrecken und an jedem Ende der Seitenfläche des Basiselements (12) mit den nicht mit der ersten und zweiten Isolierschicht (16, 18) bedeckten inneren Elektroden (14) verbunden sind,

der aktive Abschnitt (26) in Längsrichtung des Basiselements (12) polarisiert ist, und

das Basiselement (12) zu einer Grundschwingung im Längsmodus angeregt wird, wenn ein elektrisches Feld an die Längsrichtung des Basiselements (12) über die inneren Elektroden (14) angelegt wird.

2. Piezoelektrischer Resonator (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Isolierschicht (16), die freiliegende Abschnitte der einander abwechselnden inneren Elektroden (14) an einem Ende der Seitenfläche des Basiselements (12) bedeckt, und eine zweite Isolierschicht (18), die freiliegende Abschnitte der einander abwechselnden, von der ersten Isolierschicht (16) nicht bedeckten inneren Elektroden (14) am anderen Ende der Seitenfläche des Basiselements (12) bedeckt.

3. Piezoelektrischer Resonator (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Resonator (10) eine Nut (15) auf der Seitenfläche des Basiselements (12) zwischen den zwei äußeren Elektroden (20, 22) aufweist.

4. Piezoelektrischer Resonator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Resonator (10) ein elektrisch leitendes Auflageelement (24) aufweist, das auf jeder äußeren Elektrode (20, 22) in der Mitte des Basiselements (12) in Längsrichtung vorgesehen ist.

5. Piezoelektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein inaktiver Abschnitt (28), in dem keine Schwingung erzeugt wird, wenn das elektrische Feld angelegt wird, den anderen Teil des Basiselements (12) bildet.

6. Elektronisches Bauelement (60) zur Verwendung bei dem piezoelektrischen Resonator (10) nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch

ein Isoliersubstrat (62) und

eine Musterelektrode (66, 68), die auf dem Isoliersubstrat (62) vorgesehen ist und mit den äußeren Elektroden (20, 22) des piezoelektrischen Resonators (10) über das Auflageelement (24) verbunden ist.

7. Elektronisches Bauelement (60) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bauelement (60) ein Abzweigfilter ist, bei dem mehrere Musterelektroden (90, 92, 94, 96) auf dem Isoliersubstrat (62) vorgesehen sind und mit den äußeren Elektroden (20, 22) einer Vielzahl der piezoelektrischen Resonatoren (10) so verbunden sind, daß die piezoelektrischen Resonatoren (10) leiterförmig miteinander verbunden sind.

8. Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

1) Herstellen eines mehrschichtigen Elements (42), bei dem mehrere piezoelektrische Schichten und mehrere innere Elektroden (36) aufeinandergeschichtet sind,

2) Ausbilden einer Isolierschicht (44) zum Teil auf einer Oberfläche des mehrschichtigen Elements (42), auf dem Enden der inneren Elektroden (36) freiliegen,

3) Ausbilden einer äußeren Elektrode (20, 22) auf der Oberfläche des mehrschichtigen Elements (42),

4) Schneiden des mehrschichtigen Elements (42) senkrecht zur Oberfläche des mehrschichtigen Elements (42).

9. Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators (10) nach Anspruch 8, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfaßt: Ausbilden eines Auflageelements (50) aus einem elektrisch leitenden Material auf der äußeren Elektrode (20, 22).

10. Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Auflageelement (50) in der Mitte in Längsrichtung des mehrschichtigen Elements (42) befindet.

11. Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfaßt:

Ausbilden einer Nut (15) auf der Oberfläche des mehrschichtigen Elements, auf dem die äußere Elektrode (20, 22) ausgebildet ist, wobei die Richtung der Nut (15) parallel zur Schneidrichtung des mehrschichtigen Elements (42) verläuft.

12. Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (44) in einem Schachbrettmuster ausgebildet ist, bei dem ein Satz abwechselnder Reihen der Isolierschicht (44) einen Satz abwechselnder freiliegender Abschnitte der inneren Elektroden (36) bedeckt und ein weiterer Satz abwechselnder Reihen der Isolierschicht (44) einen weiteren Satz abwechselnder freiliegender Abschnitte der inneren Elektroden (36) bedeckt.

13. Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (15) zwischen benachbarten Reihen der in dem Schachbrettmuster ausgebildeten und zu den inneren Elektroden (36) senkrechten Isolierschicht (44) ausgebildet wird und das mehrschichtige Element (42) auf den Reihen der Isolierschicht (44) und parallel zu der Nut (15) geschnitten wird.

14. Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Resonators (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das mehrschichtige Element (42) so hergestellt wird, daß die inneren Elektroden (36) auf entgegengesetzten Seiten der piezoelektrischen Schichten abwechselnd freiliegen, zwei Polarisierungselektroden (38, 40) auf den entgegengesetzten Seiten der piezoelektrischen Schichten ausgebildet und jeweils mit den inneren Elektroden (36) elektrisch verbunden werden, die piezoelektrischen Schichten durch Anlegen einer Gleichspannung über die Polarisierungselektroden (38, 40) und die inneren Elektroden (36) polarisiert werden, und das piezoelektrische Element und die inneren Elektroden (36) senkrecht zu einer Schichtrichtung derselben geschnitten werden.