HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Filter vom Resonatoren-Typ
mit einem mehrschichtigen, piezoelektrischen Bauelement, das als Ganzes in Resonanz
bringbar ist.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Herkömmlicherweise werden verschiedene piezoelektrische Filter
als Bandpassfilter verwendet. In einem Frequenzbereich von mehreren MHz bis in den
zweistelligen MHz-Bereich werden häufig piezoelektrische Dualmodusfilter eingesetzt,
die klein und billig sind.
Ein piezoelektrischer Dualmodusfilter dieser Art wird zum Beispiel
in der ungeprüften japanischen Patentanmeldungsschrift
Nr. 5-327401 offenbart.
20 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen
piezoelektrischen Dualmodusfilters, der die Dickenschwingung verwendet.
Ein piezoelektrischer Filter 201 umfasst eine piezoelektrische
Platte 202, die in der Dickenrichtung polarisiert ist. Ein Paar Erregerelektroden
203 und 204 ist an der oberen Fläche der piezoelektrischen
Platte 202 vorgesehen und eine gemeinsame Erregerelektrode 205
ist an der unteren Fläche der piezoelektrischen Platte 202 so vorgesehen,
dass sie den Erregerelektroden 203 und 204 über die piezoelektrische
Platte 202 gegenüberliegt.
Bei Betrieb wird eine Eingangsspannung zwischen der Erregerelektrode
203 und der gemeinsamen Erregerelektrode 205 angelegt, um die
piezoelektrische Platte 202 zu erregen. Dies führt zu einem in
21A gezeigten symmetrischen Modus und einem in
21B gezeigten asymmetrischen Modus, welche beide gekoppelt
sind, so dass sie ein Filterband ausbilden. Das Ausgangssignal wird zwischen der
Erregerelektrode 204 und der Erdungselektrode 205 extrahiert.
Neben dem oben beschriebenen piezoelektrischen Dualmodusfilter unter
Verwendung des Dickenmodus gibt es auch einen bekannten piezoelektrischen Dualmodusfilter,
bei welchem die piezoelektrische Platte 202 in der Richtung parallel zu
oberen Fläche derselben polarisiert ist, so dass eine Dickenscherschwingung
eingesetzt wird.
Bei dem herkömmlichen piezoelektrischen Filter 201 hängt
die Kopplungsstärke zwischen dem symmetrischen Modus und dem asymmetrischen
Modus von der Beabstandung zwischen den Erregerelektroden 203 und
204 ab. Dabei bestimmt der Abstand zwischen den Erregerelektroden
203 und 204 die Frequenzdifferenz zwischen dem symmetrischen Modus
und dem asymmetrischen Modus, wodurch das Durchlassband bestimmt wird.
Um einen Filter mit einem breiteren Band zur Hand zu geben, muss somit
der Abstand verringert und die Kopplung und die Frequenzdifferenz zwischen den Erregerelektroden
203 und 204 erhöht werden.
Die Erregerelektroden 203 und 204 werden typischerweise
aus leitender Paste mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens gebildet. Beim Siebdruck
ist jedoch die Fähigkeit zur Minimierung des Abstands dazwischen beschränkt.
Andererseits kann das Bilden der Erregerelektroden 203 und 204
durch Photolithographie den Abstand dazwischen verringern. Dies führt jedoch
zu stark erhöhten Kosten.
Bei dieser Anordnung besteht auch das Problem, dass zwischen dem Eingang
und dem Ausgang des piezoelektrischen Filters 201 eine erhöhte elektrostatische
Kapazität und eine verringerte Dämpfung vorliegen, selbst wenn der Abstand
zwischen den Erregerelektroden 203 und 204 verringert ist.
Aus der DE 34 32 133 A1
ist ein piezoelektrischer Filter vom Transversal-Typ bekannt, bei dem am einen Ende
des Bauelements eine Oberflächenwelle erzeugt, in Längsrichtung durch
das Bauelement hindurch übertragen und am anderen Ende wieder in ein elektrisches
Signal umgewandelt wird.
Ferner beschreibt die DE 40
05 184 C2 einen piezoelektrischen Filter mit einem monolithischen Filterbaustein,
der mit einer Oberschwingung der Dickenausdehnungs-Schwingungsmode arbeitet. Dabei
sind wenigstens drei Elektrodenlagen vorhanden, so dass die genannte Oberschwingung
anregbar ist, wobei ein außerhalb des Schwingungsgebiets mit Elektrodenüberlappung
liegender und dieses Schwingungsgebiet umgebender Substratabschnitt einheitlich
in Richtung der Dicke des Substrats polarisiert ist.
ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten
piezoelektrischen Filter vom Resonatoren-Typ zu schaffen, der bei einem verbreiterten
Band eine große Nebenbanddämpfung und geringe Herstellungskosten verwirklicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen piezoelektrischen
Filter nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der nach bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung
vorgesehene piezoelektrische Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen Moden
verwirklicht ein breiteres Band, eine größere Nebenbanddämpfung und
geringere Herstellkosten.
Nach einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung wird
ein piezoelektrischer Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen Moden vorgesehen,
der die piezoelektrische versteifte Wirkung verwendet. Der piezoelektrische Filter
mit mehreren gekoppelten longitudinalen Moden umfasst ein mehrschichtiges piezoelektrisches
Bauelement. Das mehrschichtige piezoelektrische Bauelement weist mindestens vier
im wesentlich parallel zueinander angeordnete Erregerelektroden sowie eine Vielzahl
von piezoelektrischen Schichten auf, die jeweils zwischen zwei benachbarten Erregerelektroden
vorgesehen und in der Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu oder im Wesentlichen
parallel zu den Erregerelektroden ist, polarisiert sind, auf. Das mehrschichtige
piezoelektrische Bauelement weist erste und zweite Endflächen auf, die einander
in der Richtung gegenüberliegen, die im Wesentlichen senkrecht zu den Erregerelektroden
ist. Der piezoelektrische Filter umfasst weiterhin eine Erdungselektrode, eine Eingangselektrode
und eine Ausgangselektrode. Die Erdungselektrode ist an der äußeren Fläche
des mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements vorgesehen und ist mit einer mindestens
zwei der Erregerelektroden enthaltenden ersten Gruppe elektrisch verbunden, wobei
die mindestens zwei der Erregerelektroden in der Richtung selektiv angeordnet sind,
in welcher die piezoelektrischen Schichten vorgesehen sind. Die Eingangselektrode
ist an der äußeren Fläche des mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements
vorgesehen und ist mit einer mindestens eine der Erregerelektroden enthaltenden
zweiten Gruppe elektrisch verbunden, wobei die mindestens eine der Erregerelektroden
in Richtung der ersten Endfläche angeordnet ist und durch Erregerelektroden,
die nicht zu den Erregerelektroden der ersten Gruppe gehören, gebildet wird.
Die Ausgangselektrode ist an der äußeren Fläche des mehrschichtigen
piezoelektrischen Bauelements vorgesehen und ist mit einer mindestens eine der Erregerelektroden
enthaltenden dritten Gruppe elektrisch verbunden, wobei die mindestens eine der
Erregerelektroden nahe der zweiten Endfläche angeordnet ist und durch Erregerelektroden,
die nicht zu den Erregerelektroden der ersten Gruppe gehören, gebildet wird.
Das Anlegen eines Eingangssignals zwischen der Eingangselektrode und der Erdungselektrode
bewirkt das Erregen und Koppeln von Schwingung mit Moden verschiedener Ordnungszahl,
so dass ein Ausgangssignal zwischen der Ausgangselektrode und der Erdungselektrode
extrahiert wird.
Nach einer ersten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung
ermöglicht die Anpassung der Anzahl der piezoelektrischen Schichten die Verwendung
mehrerer Moden unterschiedlicher Ordnungszahl, wodurch das Merkmal eines Filters
mit breiterem Band erzeugt wird.
Andererseits bestimmt bei dem herkömmlichen piezoelektrischen
Dualmodus-Filter der Abstand zwischen den an einer Oberfläche der piezoelektrischen
Platte vorgesehenen Erregerelektroden die Frequenzdifferenz jedes Modus, wodurch
somit eine größere Genauigkeit bei der Bildung der Erregerelektroden erforderlich
ist, um eine größere Bandbreite zu erzeugen. Dagegen wird nach verschiedenen
bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen einfach durch Wählen
der zu verwendenden Moden ein breiteres Band mühelos erzeugt.
Weiterhin bewirkt bei dem herkömmlichen piezoelektrischen Dualmodus-Filter
eine Verringerung des Abstands zwischen den auf einer Oberfläche der piezoelektrischen
Platte vorgesehenen Erregerelektroden zur Verwirklichung eines breiteren Bands eine
Zunahme der elektrostatischen Kapazität zischen dem Eingang und dem Ausgang,
wodurch die Dämpfung gemindert wird. Die piezoelektrischen Filter mit mehreren
Moden gemäß bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen
verwirklicht jedoch ein breiteres Band, ohne den Abstand zwischen den Erregerelektroden
zu verringern, wodurch eine stark erhöhte Dämpfung erzeugt wird.
Demgemäß wird in den bevorzugten erfindungsgemäßen
Ausführungen ein piezoelektrischer Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen
Moden mit einem breiteren Band und größerer Dämpfung bei stark verringerten
Kosten erzeugt.
In verschiedenen bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen
werden eine n-te Oberwelle und eine (n – 1)-te Oberwelle als Moden unterschiedlicher
Ordnungszahl verwendet, um einen piezoelektrischen Dualmodus-Filter nach bevorzugten
erfindungsgemäßen Ausführungen zu erzeugen. Alternativ werden eine
n-te Oberwelle, eine (n – 1)-te Oberwelle und eine (n + 1)-te Oberwelle als
Moden unterschiedlicher Ordnungszahl verwendet, um einen piezoelektrischen Dreifachmodus-Filter
nach bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen zu erzeugen, wodurch
ein noch breiteres Band erzeugt wird.
Nach einer zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung
verwendet ein piezoelektrischer Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen Moden
eine piezoelektrische versteifte Wirkung. Der piezoelektrischer Filter mit mehreren
gekoppelten longitudinalen Moden umfasst ein mehrschichtiges piezoelektrisches Bauelement.
Das mehrschichtige piezoelektrische Bauelement umfasst mindestens
vier im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Erregerelektroden und eine
Vielzahl von piezoelektrischen Schichten, welche jeweils zwischen zwei benachbarten
Erregerelektroden vorgesehen und in der Richtung polarisiert sind, die im Wesentlichen
senkrecht zu den Erregerelektroden steht. Das mehrschichtige piezoelektrische Bauelement
weist erste und zweite Endflächen auf, die einander in der Richtung gegenüberliegen,
die im Wesentlichen senkrecht zu den Erregerelektroden ist, und weist erste, zweite,
dritte und vierte Seitenflächen auf, welche sich zwischen den ersten und zweiten
Endflächen erstrecken. Die Richtung, in welcher sich die Seitenflächen
erstrecken, stellt die Längsrichtung des piezoelektrischen Bauelements dar.
Der piezoelektrische Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen Moden umfasst
ferner eine Erdungselektrode, eine Eingangselektrode sowie eine Ausgangselektrode.
Die Erdungselektrode ist an der äußeren Fläche des mehrschichtigen
piezoelektrischen Bauelements vorgesehen und ist mit einer ersten mindestens zwei
der Erregerelektroden enthaltenden Gruppe elektrisch verbunden, wobei die mindestens
zwei der Erregerelektroden selektiv in der Richtung angeordnet sind, in welcher
die piezoelektrischen Schichten vorgesehen sind. Die Eingangselektrode ist an der
äußeren Fläche des mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements
vorgesehen und ist mit einer zweiten mindestens eine der Erregerelektroden enthaltenden
Gruppe elektrisch verbunden, wobei die mindestens eine der Erregerelektroden in
der Richtung der ersten Endfläche angeordnet ist und durch Erregerelektroden
gebildet wird, die nicht zu den Erregerelektroden der ersten Gruppe gehören.
Die Ausgangselektrode ist an der äußeren Fläche des mehrschichtigen
piezoelektrischen Bauelements vorgesehen und ist mit einer mindestens eine der Erregerelektroden
enthaltenden dritten Gruppe elektrisch verbunden, wobei die mindestens eine der
Erregerelektroden nahe der zweiten Endfläche angeordnet ist und durch Erregerelektroden,
die nicht zu den Erregerelektroden der ersten Gruppe gehören, gebildet wird.
Das Anlegen eines Eingangssignals zwischen der Eingangselektrode und der Erdungselektrode
bewirkt das Erregen und Koppeln von Schwingung von longitudinalen Moden verschiedener
Ordnungszahl, so dass ein Ausgangssignal zwischen der Ausgangselektrode und der
Erdungselektrode extrahiert wird.
Der piezoelektrische Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen
Moden nach der zweiten bevorzugten Ausführung erzeugt ein breiteres Band und
eine größere Dämpfung.
Nach einer dritten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung
verwendet ein piezoelektrischer Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen Moden
eine piezoelektrischen versteifte Wirkung. Der piezoelektrische Filter mit mehreren
gekoppelten longitudinalen Moden umfasst ein mehrschichtiges piezoelektrisches Bauelement.
Das mehrschichtige piezoelektrische Bauelement weist mindestens vier im wesentlich
parallel zueinander angeordnete Erregerelektroden sowie eine Vielzahl von piezoelektrischen
Schichten auf, die jeweils zwischen zwei benachbarten Erregerelektroden vorgesehen
und in der Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu den Erregerelektroden ist,
polarisiert sind, auf. Das mehrschichtige piezoelektrische Bauelement weist erste
und zweite Endflächen auf, die einander in der Richtung gegenüberliegen,
die im Wesentlichen senkrecht zu den Erregerelektroden ist, und weist erste, zweite,
dritte und vierte Seitenflächen auf, die sich zwischen den ersten und zweiten
Endflächen erstrecken. Die Richtung, in welcher sich die Seitenflächen
erstrecken, ist die Dickenrichtung des piezoelektrischen Bauelements. Der piezoelektrische
Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen Moden umfasst weiterhin eine Erdungselektrode,
eine Eingangselektrode und eine Ausgangselektrode. Die Erdungselektrode ist an der
äußeren Fläche des mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements
vorgesehen und ist mit einer mindestens zwei der Erregerelektroden enthaltenden
ersten Gruppe elektrisch verbunden, wobei die mindestens zwei der Erregerelektroden
in der Richtung selektiv angeordnet sind, in welcher die piezoelektrischen Schichten
vorgesehen sind. Die Eingangselektrode ist an der äußeren Fläche
des mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements vorgesehen und ist mit einer mindestens
eine der Erregerelektroden enthaltenden zweiten Gruppe elektrisch verbunden, wobei
die mindestens eine der Erregerelektroden nahe der ersten Endfläche angeordnet
ist und durch Erregerelektroden, die nicht zu den Erregerelektroden der ersten Gruppe
gehören, gebildet wird. Die Ausgangselektrode ist an der äußeren
Fläche des mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements vorgesehen und ist
mit einer mindestens eine der Erregerelektroden enthaltenden dritten Gruppe elektrisch
verbunden, wobei die mindestens eine der Erregerelektroden nahe der zweiten Endfläche
angeordnet ist und durch Erregerelektroden, die nicht zu den Erregerelektroden der
ersten Gruppe gehören, gebildet wird. Das Anlegen eines Eingangssignals zwischen
der Eingangselektrode und der Erdungselektrode bewirkt das Erregen und Koppeln von
Schwingung von Dickenmoden verschiedener Ordnungszahl, so dass ein Ausgangssignal
zwischen der Ausgangselektrode und der Erdungselektrode extrahiert wird.
Der piezoelektrische Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen
Moden nach der dritten bevorzugten Ausführung verwirklicht ebenfalls ein breiteres
Band und eine größere Dämpfung wie in der ersten bevorzugten erfindungsgemäßen
Ausführung. Dadurch wird ein piezoelektrischer Filter erzeugt, der Oberwellen
eines Dickenschwingungsmodus verwendet und ausgezeichnete Filtereigenschaften erzielt.
Nach einer vierten bevorzugten erfindungsgemäßen
Ausführung umfasst ein piezoelektrischer Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen
Moden ein mehrschichtiges piezoelektrisches Bauelement. Das mehrschichtige piezoelektrische
Bauelement weist mindestens vier im wesentlich parallel zueinander angeordnete Erregerelektroden
sowie eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten auf, die jeweils zwischen zwei
benachbarten Erregerelektroden vorgesehen und in der Richtung, die im Wesentlichen
parallel zu den Erregerelektroden ist, polarisiert sind, auf. Das mehrschichtige
piezoelektrische Bauelement weist erste und zweite Endflächen auf, die einander
in der Richtung gegenüberliegen, die im Wesentlichen senkrecht zu den Erregerelektroden
ist, und weist erste, zweite, dritte und vierte Seitenflächen auf, die sich
zwischen den ersten und zweiten Endflächen erstrecken. Die Richtung, in welcher
sich die Seitenflächen erstrecken, ist die Dickenrichtung des piezoelektrischen
Bauelements. Der piezoelektrische Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen
Moden umfasst eine Erdungselektrode, eine Eingangselektrode und eine Ausgangselektrode.
Die Erdungselektrode ist an der äußeren Fläche des mehrschichtigen
piezoelektrischen Bauelements vorgesehen und ist mit einer mindestens zwei der Erregerelektroden
enthaltenden ersten Gruppe elektrisch verbunden, wobei die mindestens zwei der Erregerelektroden
in der Richtung selektiv angeordnet sind, in welcher die piezoelektrischen Schichten
vorgesehen sind. Die Eingangselektrode ist an der äußeren Fläche
des mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements vorgesehen und ist mit einer mindestens
eine der Erregerelektroden enthaltenden zweiten Gruppe elektrisch verbunden, wobei
die mindestens eine der Erregerelektroden in Richtung der ersten Endfläche
angeordnet ist und durch Erregerelektroden, die nicht zu den Erregerelektroden der
ersten Gruppe gehören, gebildet wird. Die Ausgangselektrode ist an der äußeren
Fläche des mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements vorgesehen und ist
mit einer mindestens eine der Erregerelektroden enthaltenden dritten Gruppe elektrisch
verbunden, wobei die mindestens eine der Erregerelektroden in Richtung der zweiten
Endfläche angeordnet ist und durch Erregerelektroden, die nicht zu den Erregerelektroden
der ersten Gruppe gehören, gebildet wird. Das Anlegen eines Eingangssignals
zwischen der Eingangselektrode und der Erdungselektrode bewirkt das Erregen und
Koppeln von Schwingung von Dickenschermoden verschiedener Ordnungszahl, so dass
ein Ausgangssignal zwischen der Ausgangselektrode und der Erdungselektrode extrahiert
wird.
Der piezoelektrische Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen
Moden nach der vierten bevorzugten Ausführung verwirklicht ebenfalls ein breiteres
Band und eine größere Dämpfung wie in der ersten, zweiten und dritten
bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung. Daher wird ein piezoelektrischer
Filter erzeugt, der Oberwellen eines Dickenscherschwingungsmodus verwendet und ausgezeichnete
Filtereigenschaften erzielt.
Vorzugsweise sind die Moden unterschiedlicher Ordnungszahl eine n-te
Oberwelle und eine (n – 1)-te Oberwelle, wobei n eine ganze Zahl gleich oder
größer 3 ist.
Alternativ sind die Moden unterschiedlicher Ordnungszahl vorzugsweise
eine n-te Oberwelle, eine (n – 1)-te Oberwelle und eine (n + 1)-te Oberwelle,
wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer 3 ist. Diese Anordnung erzeugt
ein noch breiteres Band.
Vorzugsweise ist mindestens eine der ersten Gruppe der Erregerelektroden
zwischen einer Erregerelektrode der zweiten Gruppe und einer Erregerelektrode der
dritten Gruppe angeordnet.
Diese Anordnung verringert die elektrostatische Kapazität zwischen
dem Eingang und Ausgang stark, wodurch eine noch größere Dämpfung
erzeugt wird.
Ein piezoelektrische Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen
Moden nach verschiedenen bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen
umfasst weiterhin Reflexionsschichten und Halteteile. Die Reflexionsschichten sind
jeweils mit den ersten und zweiten Endflächen des mehrschichtigen piezoelektrischen
Bauelements gekoppelt und sind vorzugsweise aus einem Werkstoff mit einer zweiten
akustischen Impedanz Z2 hergestellt, die kleiner als die akustische Impedanz
Z1 des piezoelektrischen Werkstoffs ist, der die piezoelektrischen Schichten
des mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements bildet. Die Halteteile sind jeweils
mit äußeren Flächen der Reflexionsschichten gekoppelt und sind vorzugsweise
aus einem Werkstoff mit einer dritten akustischen Impedanz Z3 hergestellt,
die größer als die zweite akustische Impedanz Z2 ist, die äußeren
Flächen der Reflexionsschichten liegen den ersten und zweiten Endflächen,
mit denen die Reflexionsschichten gekoppelt sind, gegenüber.
In diesem Fall wird Schwingung, die sich von dem mehrschichtigen piezoelektrischen
Bauelement ausbreitet, an den Grenzflächen zwischen den Reflexionsschichten
und den Halteteilen reflektiert. Die Halteteile werden daher dazu verwendet, den
piezoelektrischen Filter mechanisch zu halten, ohne dessen Eigenschaften zu beeinträchtigen.
Andere Merkmale, Bauelemente, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden
Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung der bevorzugten erfindungsgemäßen
Ausführungen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B
sind eine perspektivische Ansicht und eine Längsschnittansicht, welche jeweils
einen piezoelektrischen Filter mit mehreren Moden nach einer ersten bevorzugten
erfindungsgemäßen Ausführung zeigen.
2A ist eine Vorderansicht, welche den
piezoelektrischen Filter mit mehreren Moden der ersten bevorzugten Ausführung
darstellt, und 2B und 2C
sind schematische Diagramme, welche eine zehnte Oberwelle bzw. eine neunte Oberwelle
zeigen.
3 ist eine Längsschnittansicht,
welche eine Abwandlung eines piezoelektrischen Filters mit mehreren Moden nach der
ersten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt.
4 ist eine Kurve, welche die Impedanzkennlinie
des piezoelektrischen Filters mit mehreren Moden der ersten bevorzugten erfindungsgemäßen
Ausführung zeigt.
5 ist eine Kurve, welche die Filterkennlinie
des piezoelektrischen Filters mit mehreren Moden der ersten bevorzugten erfindungsgemäßen
Ausführung zeigt.
6 ist eine Kurve, welche eine Filterkennlinie
eines Aufbaus zeigt, bei welchem ein Paar der piezoelektrischen Filter mit mehreren
Moden der ersten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung miteinander
verbunden sind.
7 ist eine Vorderansicht, welche schematisch
eine weitere Abwandlung des piezoelektrischen Filters mit mehreren Moden der ersten
bevorzugten Ausführung zeigt.
8 ist eine perspektivische Ansicht, welche
einen piezoelektrischen Filter mit mehreren Moden nach einer zweiten bevorzugten
erfindungsgemäßen Ausführung zeigt.
9A ist eine Vorderansicht, welche den
Aufbau von Elektroden des piezoelektrischen Filters mit mehreren Moden nach der
zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt, und
9B bis 9D sind schematische
Diagramme, welche eine 14. Oberwelle, 13. Oberwelle bzw. eine 15. Oberwelle zeigen,
die in der zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung stark
erregt sind.
10 ist eine Montageansicht, welche eine
Filtervorrichtung zeigt, die den piezoelektrischen Filter mit mehreren Moden der
zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung verwendet.
11 ist eine perspektivische Ansicht,
welche den Aufbau zeigt, in dem die piezoelektrischen Filter mit mehreren Moden
der zweiten bevorzugten Ausführung in vertikaler Richtung gestapelt sind.
12 ist eine Kurve, welche die Impedanzkennlinie
des piezoelektrischen Filters mit mehreren Moden der zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen
Ausführung zeigt.
13 ist eine Kurve, welche die Filterkennlinie
des piezoelektrischen Filters mit mehreren Moden der zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen
Ausführung zeigt.
14 ist eine Kurve, welche eine Filterkennlinie
eines Aufbaus zeigt, bei welchem ein Paar der piezoelektrischen Filter mit mehreren
Moden der zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung miteinander
verbunden sind.
15 ist eine Vorderansicht, welche schematisch
eine Abwandlung des piezoelektrischen Filters mit mehreren Moden der zweiten bevorzugten
Ausführung zeigt.
16A ist eine perspektivische Ansicht,
welche schematisch einen piezoelektrischen Filter mit mehreren Moden nach einer
dritten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt, der einen
Dickenmodus verwendet, und 16B und 16C
sind Kurven, welche jeweils schematisch eine zehnte Oberwelle und eine neunte Oberwelle
zeigen, die in der dritten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung
stark erregt sind.
17A ist eine perspektivische Ansicht,
welche schematisch eine Abwandlung des piezoelektrischen Filters mit mehreren Moden
nach einer dritten bevorzugten Ausführung zeigt, und 17B
und 17C sind schematische Diagramme, welche eine zehnte
Oberwelle und eine neunte Oberwelle zeigen, die in dem in 17A
gezeigten piezoelektrischen Filter mit mehreren Moden stark erregt sind.
18A ist eine perspektivische Ansicht,
welche schematisch eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen
piezoelektrischen Filters mit mehreren Moden zeigt, der einen Dickenschermodus verwendet,
18B und 18C sind schematische
Diagramme, welche jeweils eine zehnte Oberwelle und eine neunte Oberwelle zeigen,
die in dem in 18A gezeigten piezoelektrischen Filter
mit mehreren Moden erregt sind.
19 zeigt ein Analyseergebnis der Verschiebungsverteilung
unter Verwendung einer Finitelementmethode eines piezoelektrischen Filters mit Reflexionsschichten
und Halteteilen.
20 ist eine Schnittansicht,
welche einen piezoelektrischen Dualmodus-Filter zeigt, der einen herkömmlichen
Dickenschwingungsmodus verwendet.
21A und 21B
sind schematische Diagramme, die jeweils einen symmetrischen Modus und einen asymmetrischen
Moden zeigen, die in dem in 20 gezeigten herkömmlichen
piezoelektrischen Dualmodus-Filter erregt werden.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGEN
Die vorliegende Erfindung geht aus der folgenden Beschreibung der
bevorzugten Ausführungen derselben unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
besser hervor.
1A und 1B
sind eine perspektivische Ansicht bzw. eine Längsschnittansicht, welche einen
piezoelektrischen Filter mit gekoppelten longitudinalen Dualmodus nach einer ersten
bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung zeigen.
Ein piezoelektrischer Filter 1 umfasst vorzugsweise ein piezoelektrisches
Bauelement 2 in Form einer im Wesentlichen rechteckigen Stange mit einem
im Wesentlichen quadratischen Querschnitt. Der piezoelektrische Filter
1 ist vorzugsweise ein piezoelektrischer Dualmodus-Filter, welcher einen
longitudinalen Modus einsetzt, bei dem sich die Schwingung in der Längsrichtung
des piezoelektrischen Bauelements 2 ausbreitet.
In der vorliegenden Erfindung ist das piezoelektrische Bauelement
2 zum Beispiel aus piezoelektrischer Bleizirkonattitanat-Keramik oder einem
anderen geeigneten Werkstoff gefertigt.
Das piezoelektrische Bauelement 2 weist eine erste Endfläche
2a und eine zweite Endfläche 2b auf, die einander in der
Längsrichtung gegenüberliegen. Eine Erregerelektrode 3 ist vorgesehen,
um die Endfläche 2a abzudecken. Eine Vielzahl von Erregerelektroden
4 bis 12, die sich jeweils in einer Querschnittrichtung erstrecken,
sind ebenfalls mit Abständen dazwischen in der Längsrichtung vorgesehen.
Weiterhin ist eine Erregerelektrode 13 vorgesehen, um die Endfläche
2b abzudecken.
Somit sind die Erregerelektroden 3 bis 13 im Wesentlichen
parallel zueinander angeordnet und es sind piezoelektrische Schichten zwischen jeder
der Erregerelektroden 3 bis 13 vorgesehen.
In dem piezoelektrischen Bauelement 2 sind die piezoelektrischen
Schichten an beiden Seiten der Erregerelektroden in einer Richtung polarisiert,
die im Wesentlichen senkrecht zu den Erregerelektroden 3 bis
13 ist.
Die Erregerelektroden 3 bis 13 sind vorzugsweise
durch ein gleichzeitiges Brennverfahren aus der piezoelektrischen Keramik gefertigt,
welche das piezoelektrische Bauelement 2 bildet. Das piezoelektrische Bauelement
2 und die Erregerelektroden 3 bis 13 können jedoch
durch ein alternatives Verfahren gebildet werden und die Bildung der Erregerelektroden
3 und 13 an den Endflächen 2a bzw. 2b kann
ebenfalls nach Vorsehen des piezoelektrischen Bauelements 2 durch ein gleichzeitiges
Brennverfahren durchgeführt werden.
Das piezoelektrische Bauelement 2 weist eine obere Fläche
2c, eine untere Fläche 2d und ein Paar Seitenflächen
2e und 2f auf, welche sich zwischen den Endflächen
2a und 2b erstrecken. An der oberen Fläche 2c ist
eine Eingangselektrode 14 in Richtung der Endfläche 2a vorgesehen
und eine Ausgangselektrode 15 ist in Richtung der Endfläche
2b vorgesehen. An der unteren Fläche 2d ist eine Erdungselektrode
16 vorgesehen.
Die Eingangselektrode 14, die Ausgangselektrode
15 und die Erdungselektrode 16 sind aus einem geeigneten metallischen
Werkstoff, beispielsweise Kupfer, Nickel, Silber oder einem anderen geeigneten metallischen
Werkstoff, gefertigt, ähnlich dem der Erregerelektroden 3 bis
13.
An den oberen Enden der Erregerelektroden 4, 6,
10 und 12 ist ein Isoliermaterial vorgesehen, um zwischen der
Eingangselektrode 14 und den Erregerelektroden 4 und
6 eine elektrische Isolierung vorzusehen und um zwischen der Ausgangselektrode
15 und den Erregerelektroden 10 und 12 eine elektrische
Isolierung vorzusehen. Die Erregerelektroden 4, 6, 8,
10 und 12 sind mit der Erdungselektrode 16 elektrisch
verbunden.
Andererseits sind die unteren Enden der Erregerelektroden
5, 7, 9 und 11 mit einem Isoliermaterial
19 versehen, das zwischen der Erdungselektrode 16 und den Erregerelektroden
5, 7, 9 und 11 eine elektrische Isolierung vorsieht.
Die Erregerelektroden 3 und 13, welche an den Endflächen
2a bzw. 2b vorgesehen sind, sind mit der Eingangselektrode
14 bzw. der Ausgangselektrode 15 verbunden.
Der einfacheren Beschreibung wegen werden die Erregerelektroden
3 bis 13 in Gruppen eingeteilt. Das heißt: eine Vielzahl
der Erregerelektroden 4, 6, 8, 10 und
12, welche in der gestapelten Richtung der Erregerelektroden
3 bis 13 selektiv angeordnet sind, wird als erste Gruppe bezeichnet.
Von den verbleibenden Erregerelektroden 3, 5, 7,
9, 11 und 13 wird eine Vielzahl der Erregerelektroden
3, 5 und 7, welche in Richtung der ersten Endfläche
2b angeordnet sind, als zweite Gruppe bezeichnet. Eine
Vielzahl der Erregerelektroden 9, 11 und 13, welche in
Richtung der zweiten Fläche 2b angeordnet sind, wird als dritte Gruppe
bezeichnet. Die elektrische Verbindung dieser Gruppen mit der Eingangselektrode
14, der Ausgangselektrode 15 und der Erdungselektrode
16 wird nachstehend beschrieben.
Die erste Gruppe mit den Erregerelektroden 4, 6,
8, 10 und 12 ist mit der Erdungselektrode 16
elektrisch verbunden. Die zweite Gruppe mit den Erregerelektroden 3,
5 und 7 ist mit der Eingangselektrode 14 verbunden. Die
dritte Gruppe mit den Erregerelektroden 9, 11 und 13
ist mit der Ausgangselektrode 15 verbunden.
In dieser bevorzugten Ausführung sind die Erregerelektroden
3 bis 13 so angeordnet, dass sie die gesamten Querschnitte des
piezoelektrischen Bauelements 2 abdecken. Die Querschnitte dürfen
jedoch nur teilweise abgedeckt werden.
Bezüglich der Werkstoffe, welche die Isoliermaterialien
18 und 19 bilden, kann zum Beispiel ein isolierendes Harz oder
ein isolierender Klebstoff verwendet werden, doch sind sie nicht hierauf beschränkt
und es können andere geeignete Materialien verwendet werden.
Nun wird die Arbeitsweise des piezoelektrischen Filters mit mehreren
Moden 1 nach der bevorzugten Ausführung unter Bezug auf
2A bis 2C beschrieben.
2A ist eine Vorderansicht, welche schematisch
den Aufbau der Elektroden des piezoelektrischen Filters 1 zeigt. Das Anlegen
einer Eingangsspannung zwischen der Eingangselektrode 14 und der Erdungselektrode
16 bewirkt das Erregen des piezoelektrischen Bauelements 2 durch
eine piezoelektrische Wirkung. Dies führt zu einem starken Erregen einer 10.
Oberwelle des longitudinalen Modus, was in 2B schematisch
gezeigt wird, und einer 9. Oberwelle des longitudinalen Modus, was schematisch in
2C gezeigt wird. Diese Moden werden gekoppelt, um ein
Passband auszubilden, wodurch ein Ausgang von der Ausgangselektrode extrahiert wird.
Dieser Vorgang wird nun gemäß einem spezifischen experimentellen Beispiel
beschrieben.
Es wurde ein Beispiel des piezoelektrischen Filters 1 so
hergestellt, dass das piezoelektrische Bauelement 2 eine Höhe von
etwa 100 &mgr;m und eine Breite von etwa 220 &mgr;m hatte und dass jede zwischen
den benachbarten Erregerelektroden sandwichartig umschlossene piezoelektrische Schicht
eine Dicke (die Längsrichtung des piezoelektrischen Bauelements 2)
von etwa 130 &mgr;m hatte. Das piezoelektrische Bauelement 2 wurde somit
so hergestellt, dass es eine Gesamtdicke von etwa 1.300 &mgr;m ausschließlich
der Dicke der Elektroden aufwies. Die Impedanzeigenschaften und Filtereigenschaften
dieser Anordnung wurden dann gemessen; diese Ergebnisse werden in 4
und 5 gezeigt.
4 ist eine Kurve, welche die Impedanzkennlinien
der 9. Oberwelle und der 10. Oberwelle, die erregt wurden, zeigt. Die durchgehende
Linie zeigt die Kennlinie der 9. Oberwelle und die gestrichelte Linie zeigt die
Kennlinie der 10. Oberwelle. Wie in 4 gezeigt liegen
die Reaktionen der 9. Oberwelle und der 10. Oberwelle nebeneinander. Dies zeigt
daher, dass die Anordnung eine Filtereigenschaft zur Hand gibt, bei der die Resonanzfrequenz
der 9. Oberwelle und die Antiresonanzfrequenz der 10. Oberwelle Dämpfungspole
sind.
5 ist eine Kurve, welche die Dämpfungs-Frequenz-Kennlinie
und die Gruppenverzögerungszeit-Kennlinie des piezoelektrischen Bauelements
zeigt. In 5 zeigt die durchgehende Linie die Dämpfungs-Frequenz-Kennlinie
und die gestrichelte Linie zeigt die Gruppenverzögerungszeit-Kennlinie an.
iE-0j der rechten Skale von 5 zeigt i × 10–j
an. Wie in 5 gezeigt, sieht die Anordnung nach dieser
bevorzugten Ausführung eine Filterkennlinie mit einer Mittenfrequenz von etwa
12,5 MHz und eine Bandbreite von etwa 1,3 MHz vor.
Bei dem herkömmlichen piezoelektrischen Filter mit Dualmodus
201 (siehe 20) hängt die Frequenzdifferenz
zwischen den symmetrischen und asymmetrischen Moden von der Beabstandung zwischen
den auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Platte 202 vorgesehenen
Erregerelektroden 203 und 204 ab. Dagegen wird bei dem piezoelektrischen
Filter 1 dieser bevorzugten Ausführung die Frequenzdifferenz zwischen
der 9. Oberwelle und der 10. Oberwelle durch das Verhältnis der Ordnungszahlen
der Oberwellen bestimmt und ist unabhängig von der Beabstandung zwischen den
Erregerelektroden. Somit sieht die Verwendung der 9. Oberwelle und der 10. Oberwelle
ein Passband mit einer Frequenz vor, die von dem Verhältnis der Ordnungszahl
der 9. Oberwelle zu der Ordnungszahl der 10. Oberwelle bestimmt wird. Demgemäß
wird durch Auswählen der Oberwellen gemäß einer gewünschten
Bandbreite die gewünschte Bandbreite verwirklicht.
In dieser bevorzugten Ausführung werden zehn piezoelektrische
Schichten zwischen den Erregerelektroden 3 bis 13 vorgesehen,
so dass die 9. Oberwelle und die 10. Oberwelle wirkungsvoll angeregt werden. Das
Ändern der Anzahl der piezoelektrischen Schichten auf 11 erlaubt dagegen
die Verwendung einer 11. Oberwelle und einer 10. Oberwelle, um den piezoelektrischen
Dualmodus-Filter auszubilden, wodurch die Angleichung der Bandbreite erleichtert
wird.
Es werden mit anderen Worten eine n-te Oberwelle
und eine (n – 1)-te Oberwelle (n ist eine ganze Zahl gleich oder größer
3) verwendet, um den piezoelektrischen Dualmodus-Filter zu bilden. Das Wählen
von n erleichtert das Vorsehen verschiedener Bandbreiten für den piezoelektrischen
Filter. Somit werden zwei Moden mit einer größeren Differenz zwischen
den Ordnungszahlen verwendet, um ein breiteres Band vorzusehen.
Das heißt der herkömmliche piezoelektrische Dualmodus-Filter
erfordert ein präziseres Ausbilden der Erregerelektroden 203 und
204, um ein breiteres Band vorzusehen. Dagegen erleichtert der piezoelektrische
Filter 1 dieser bevorzugten Ausführung das Verwirklichen eines gewünschten
bzw. breiteren Bands, ohne die Genauigkeit signifikant zu erhöhen, mit der
die Erregerelektroden 3 bis 13 gebildet werden müssen.
Bei dem piezoelektrischen Filter 1 hängt die Dämpfung
von dem Verhältnis der elektrostatischen Kapazität CI_G bis
CI-O ab, wobei CI–G ein Wert zwischen der Eingangselektrode
14 und der Erdungselektrode 16 und CI_O ein Wert zwischen
der Eingangselektrode 14 und der Ausgangselektrode 15 ist. Je
größer CI_G/CI-O bzw. je kleiner CI-O
ist, desto größer wird somit die Dämpfung. In dieser bevorzugten
Ausführung ist die Erregerelektrode 8, die mit dem Erdungspotential
verbunden ist, zwischen den Erregerelektroden 3, 5 und
7 vorgesehen, ist mit der Eingangselektrode 14 und den Erregerelektroden
9, 11 und 13 elektrisch verbunden und ist mit der Ausgangselektrode
15 elektrisch verbunden. Das heißt: die Erregerelektrode
8 der ersten Gruppe ist zwischen den nächstliegenden Erregerelektroden
7 und 9 vorgesehen, wobei die Erregerelektrode 7 zur
ersten Gruppe und die Erregerelektrode 9 zur zweiten Gruppe gehört.
Dadurch sieht die Anordnung dieser bevorzugten Ausführung einen kleineren CI-O-Wert
vor, wodurch eine erhöhte Nebenbanddämpfung ermöglicht wird. Der
piezoelektrische Filter 1 sieht daher eine größere Dämpfung
als der herkömmliche piezoelektrische Filter 201 vor.
In dieser bevorzugten Ausführung weisen alle piezoelektrischen
Schichten zwischen den Erregerelektroden 3 bis 13 vorzugsweise
die gleiche Dicke auf; ihre Dicken können jedoch unterschiedlich sein. Somit
kann ein Andern der Dicke optional die Erregungswirkungsgrade der betreffenden Oberwellen
verbessern und kann auch die Erregungswirkungsgrade der Störoberwellen senken.
Der piezoelektrische Filter 1 dieser bevorzugten Ausführung
schwingt in seiner Gesamtheit und muss somit mechanisch mit einer Federklemme oder
einer anderen geeigneten mechanischen Stütze gestützt werden. Somit sind
als in 3 gezeigte Abwandlung Reflexionsschichten
21 und 22 und Halteteile 23 und 24 jeweils mit
Endflächen des mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements 2 des
piezoelektrischen Filters 1 gekoppelt, so dass die Halteteile
23 und 24 den piezoelektrischen Filter 1 mechanisch halten.
In der in 3 gezeigten Anordnung sind die Reflexionsschichten
21 und 22 aus einem Werkstoff mit einer zweiten akustischen Impedanz
Z2 gefertigt, die kleiner als die akustische Impedanz Z1 des
piezoelektrischen Bauelements 2 ist. Die Halteteile 23 und
24 haben eine dritte akustische Impedanz Z3, die größer
als die zweite akustische Impedanz Z2 ist. Somit wird die Schwingung,
die sich von dem piezoelektrischen Bauelement 2 ausbreitet, an den Grenzflächen
zwischen den Reflexionsschichten 21 und 22 und den Halteteilen
23 und 24 reflektiert, wie nachstehend beschrieben wird. Somit
ist es möglich, die Schwingung, die in die Halteteile 23 und
24 leckt, zu minimieren. Dadurch werden, selbst wenn die Halteteile
23 und 24 als mechanische Stütze verwendet werden, die Filtereigenschaften
des piezoelektrischen Filters 1 nicht beeinträchtigt.
Demgemäß werden als in 3 gezeigte
Abwandlung die Reflexionsschichten 21 und 22 und die Halteteile
23 und 24 jeweils vorzugsweise mit beiden Endflächen des
piezoelektrischen Filters gekoppelt.
19 zeigt ein Analyseergebnis der Verschiebungsverteilung
unter Verwendung einer Finitelementmethode während des Betriebs des piezoelektrischen
Filters 1 mit den Reflexionsschichten 21 und 22 und den
Halteteilen 23 und 24.
Wie in 19 gezeigt breitet sich fast keine
Schwingung von dem piezoelektrischen Filter 1 zu den Halteteilen
23 und 24 aus. Dadurch gibt es, selbst wenn die Halteteile
23 und 24 als mechanische Stütze verwendet werden, keine
wirkliche Wirkung auf die Filtereigenschaften des piezoelektrischen Filters
1. Um die Reflexion der Schwingung, welche sich ausgebreitet hat, an den
Grenzflächen zwischen den Reflexionsschichten 21 und 22 und
den Halteteilen 23 und 24 weiter sicherzustellen, weist jede der
Reflexionsschichten 21 und 22 vorzugsweise eine Dicke in dem Bereich
von (m&mgr;/4) ± (&ggr;/8) auf, wobei &ggr; eine Wellenlänge der
Schwingung ist, die sich ausgebreitet hat, und m eine ungerade Zahl ist.
Die Reflexionsschichten 21 und 22 und die Halteteile
23 und 24 können aus einem beliebigen Werkstoff gebildet
werden, der das oben erwähnte Impedanzverhältnis erfüllt. Die Reflexionsschichten
21 und 22 können zum Beispiel aus einem Epoxydharz oder einer
Zusammensetzung aus einem Epoxydharz und einem Füllstoff gebildet werden. Die
Halteteile 23 und 24 können aus einer piezoelektrischen Keramik
ähnlich der des piezoelektrischen Bauelements 2 oder aus einer anderen
geeigneten isolierenden Keramik gefertigt werden.
In der in 3 gezeigten
Abwandlung sind Endelektroden 25 und 26 vorgesehen, um die Oberflächenbestücken
zu erleichtern. Insbesondere sind die Endelektroden 25 und 26
so vorgesehen, dass sie sich zu den Halteteilen 23 und 24 und
den Reflexionsschichten 21 und 22 und über die äußeren
Endflächen der Halteteile 23 und 24 jeweils weiter zu den
unteren Endflächen erstrecken.
Wenn zwei der piezoelektrischen Filter verwendet werden und deren
Reflexionsschichten 21 und 22 und Haltteile 23 und
24 gekoppelt sind, wird das Paar piezoelektrischer Filter 1 mit
Hilfe der Halteteile 23 und 24 miteinander verbunden, um einen
piezoelektrischen Zweibauelement-Filter vorzusehen. Eine Filtereigenschaft eines
beispielhaften so verbundenen piezoelektrischen Zweibauelement-Filters wird in
6 gezeigt.
7 ist eine Vorderansicht, welch schematisch
eine weitere Abwandlung des piezoelektrischen Filters 1 nach der ersten
bevorzugten Ausführung darstellt. Bei dem piezoelektrischen Filter
1 der ersten bevorzugten Ausführung bieten die isolierenden Werkstoffe
18 und 19 eine elektrische Isolierung zwischen den Erregerelektroden
und den Elektroden, die von den Erregerelektroden elektrisch isoliert werden müssen.
Dagegen sind, wie in 7 gezeigt, die Erregerelektroden
dieser Abwandlung so angeordnet, dass sie weder mit der oberen Fläche noch
mit der unteren Fläche in Berührung kommen, wodurch die elektrische Isolierung
zwischen den Erregerelektroden und den Elektroden, die von den Erregerelektroden
isoliert werden müssen, verwirklicht wird.
Bei einem piezoelektrischen Filter 31 der in 7
gezeigten Abwandlung sind die Erregerelektroden 3, 5,
7, 9, 11 und 13 so angeordnet, dass sie sich
nicht zu der unteren Fläche des piezoelektrischen Bauelements 2 erstrecken.
Dies isoliert die Erregerelektroden 3, 5, 7,
9, 11 und 13 der zweiten und dritten Gruppe elektrisch
von der Erdungselektrode 16. Analog sind die Erregerelektroden
4, 6, 8, 10 und 12 so angeordnet, dass
sie sich nicht zu der oberen Fläche des piezoelektrischen Bauelements
2 erstrecken. Dies isoliert die Erregerelektroden 4,
6, 8, 10 und 12 elektrisch von der Eingangselektrode
14 und der Ausgangselektrode 15.
8 ist eine perspektivische Ansicht, welche
einen piezoelektrischen Filter 41 nach einer zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen
Ausführung zeigt. Der piezoelektrische Filter 41 dieser bevorzugten
Ausführung ist ein piezoelektrischer Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen
Moden, der einen longitudinalen Modus unter Einsatz der piezoelektrischen versteiften
Wirkung verwendet, unterscheidet sich aber von dem der ersten bevorzugten Ausführung
darin, dass für die Moden unterschiedlicher Ordnungszahl drei Moden verwendet
werden.
Der piezoelektrische Filter 41 umfasst ein piezoelektrisches
Bauelement 42 vorzugsweise in Form einer im Wesentlichen rechteckigen Stange
wie in der ersten bevorzugten Ausführung. Der piezoelektrische Filter
41 verwendet 13., 14. und 15. Schwingungsmodus-Oberwellen, die sich in
Längsrichtung des piezoelektrischen Bauelements 42 ausbreiten.
Somit umfasst das piezoelektrische Bauelement 42 15 piezoelektrische
Schichten, die mit einer Vielzahl von Erregerelektroden 43 bis
58 dazwischen aufgeschichtet sind. Jede der piezoelektrischen Schichten
und der Erregerelektroden 43 bis 58 ist vorzugsweise in gleicher
Weise wie die erste bevorzugte Ausführung konfiguriert. An der oberen Fläche
des piezoelektrischen Bauelements 42 ist die Eingangselektrode
14 nahe einer ersten Endfläche 42a angeordnet und die Ausgangselektrode
15 ist nahe einer zweiten Endfläche 42b angeordnet. An der
unteren Fläche des piezoelektrischen Bauelements 42 ist die Erdungselektrode
16 vorgesehen. Die Eingangselektrode 14, die Ausgangselektrode
15 und die Erdungselektrode 16 sind ebenso bevorzugt in gleicher
Weise wie in der ersten bevorzugten Ausführung konfiguriert.
In dieser bevorzugten Ausführung sind die Erregerelektroden
43 bis 58 wie folgt in erste, zweite und dritten Gruppen eingeteilt:
Erste Gruppe der Erregerelektroden – Erregerelektroden 44,
46, 48, 50, 51, 53, 55 und
57
Zweite Gruppe der Erregerelektroden – Erregerelektroden 43,
45, 47 und 49
Dritte Gruppe der Erregerelektroden – Erregerelektroden 52,
54, 56 und 58
Die Erregerelektroden 43 und 58 sind so angeordnet,
dass sie die Endflächen 42a und 42b des piezoelektrischen
Bauelements 42 bedecken.
Wie in der in 3 gezeigten Abwandlung
sind die Reflexionsschichten 59 und 60 mit den äußeren
Enden der Erregerelektroden 43 und 58, d. h. den äußeren
Enden des piezoelektrischen Bauelements 42, jeweils gekoppelt. Die Halteteile
61 und 62 sind mit den äußeren Enden der Reflexionsschichten
59 bzw. 60 verbunden. Die Reflexionsschichten 59 und
60 und die Halteteile 61 und 62 sind bevorzugt in gleicher
Weise wie die in 3 gezeigte Abwandlung konfiguriert.
Somit werden, selbst wenn die Halteteile 61 und 62 als mechanische
Stütze verwendet werden, die Filtereigenschaften des piezoelektrischen Filters
41 nicht beeinträchtigt.
Da andere Konfigurationen des piezoelektrischen Filters
41 ähnlich denen des piezoelektrischen Filters 1 der ersten
bevorzugten Ausführung sind, werden deren Beschreibungen übergangen.
Das piezoelektrische Bauelement 42 dieser
bevorzugten Ausführung ist auch in Längsrichtung polarisiert. Somit bewirkt
das Anlegen einer Eingangsspannung zwischen der Eingangselektrode 14 und
der Erdungselektrode 16 ein Erregen des piezoelektrischen Bauelements
42. Moden, die in diesem Fall erregt werden, werden nachstehend unter Bezug
auf 9A bis 9D beschrieben.
9A ist eine schematische Ansicht, welche
den Aufbau der Elektroden des piezoelektrischen Filters 41 (die Reflexionsschichten
und die Halteteile werden nicht gezeigt) darstellt. Das oben beschriebene Anlegen
einer Eingangsspannung bewirkt eine starke Erregung einer in 9B
gezeigten 14. Oberwelle, einer in 9C gezeigten 13.
Oberwelle und einer in 9D gezeigten 15. Oberwelle.
Nachstehend werden die Impedanz- und Filtereigenschaften jeder Oberwelle in diesem
Fall gemäß eines spezifischen experimentellen Beispiels beschrieben.
Wie in der ersten bevorzugten Ausführung wurde das Beispiel des
piezoelektrischen Filters 41 so hergestellt, dass das piezoelektrische
Bauelement 42 eine Höhe von etwa 100 &mgr;m und eine Breite von
etwa 220 &mgr;m hatte und dass jede zwischen den benachbarten Erregerelektroden
sandwichartig umschlossene piezoelektrische Schicht eine Dicke (in Längsrichtung
des piezoelektrischen Bauelements 42) von etwa 130 &mgr;m hatte. Das
piezoelektrische Bauelement 2 wurde somit so hergestellt, dass es eine
Gesamtdicke von etwa 1.950 &mgr;m ausschließlich der Dicke der Elektroden
aufwies. Die Impedanzfrequenzeigenschaften und Filtereigenschaften dieser Anordnung
wurden dann in gleicher Weise wie in der ersten bevorzugten Ausführung gemessen.
12 zeigt die Impedanzeigenschaft des
piezoelektrischen Filters dieser bevorzugten Ausführung, wobei die durchgehende
Linie die Impedanzeigenschaften einschließlich der Reaktionen der 13. und 15
Oberwellen und die gestrichelte Linie die Eigenschaften einschließlich der
Reaktionen der 14. Oberwelle zeigt. Somit sind diese drei Oberwellen gekoppelt,
um ein Passband mit der Resonanzfrequenz der 13. Oberwelle und der Antiresonanzfrequenz
der 15. Oberwelle als Dämpfungspole vorzusehen.
Unter Bezug auf 13 zeigt die durchgehende
Linie die Dämpfungsfrequenzeigenschaft und die gestrichelte Linie die Gruppenverzögerungszeiteigenschaft.
Diese Anordnung gibt, wie gezeigt, die Filtereigenschaft eines breiteren Bands zur
Hand. In diesem Beispiel gibt der piezoelektrische Filter 41 eine Mittenfrequenz
von etwa 12,8 MHz und eine Brandbreite von etwa 1,5 MHz zur Hand.
In dieser bevorzugten Ausführung werden drei Oberwellen wie vorstehend
beschrieben gekoppelt, wodurch ein Band erzeugt wird, das sogar noch breiter als
der piezoelektrische Filter 1 der ersten bevorzugten Ausführung ist.
In dieser bevorzugten Ausführung erleichtert die Verwendung verschiedener Arten
von Oberwellen wiederum das Erzeugen piezoelektrischer Filter.
Wie aus dieser bevorzugten Ausführung ersichtlich ist, verwendet
der erfindungsgemäße piezoelektrische Filter mit mehreren gekoppelten
longitudinalen Moden drei Oberwellen. Durch Angleichen der Positionen der Erregerelektroden,
die in dem piezoelektrischen Bauelement angeordnet sind, können jedoch vier
oder mehr Oberwellen wirksam erregt werden, um einen piezoelektrischen Filter mit
mehreren Moden zur Hand zu geben, der die Kopplung von vier oder mehr Oberwellen
einsetzt.
In dieser bevorzugten Ausführung müssen die Dicken der piezoelektrischen
Schichten zwischen den benachbarten Erregerelektroden nicht unbedingt gleich sein.
Somit kann die Dicke einiger piezoelektrischen Schichten so variiert werden, dass
die Erregungswirkungsgrade der in dem Filter eingesetzten Oberwellen verbessert
oder der Erregungswirkungsgrad einer Störoberwelle gesenkt wird.
In dieser bevorzugten Ausführung sind die Erregerelektroden
50 und 51 mit der Erdungselektrode 16 verbunden und sind
zwischen den zwei nächstliegenden Erregerelektroden, die jeweils mit der Eingangselektrode
14 und der Ausgangselektrode 15 verbunden sind, vorgesehen. Somit
wird, wie in der ersten bevorzugten Ausführung, C1-O stark verringert, wodurch
eine stark verbesserte Dämpfung erzeugt wird.
In dieser bevorzugten Ausführung kann ein Paar der piezoelektrischen
Filter 41 auch mit einem isolierenden Klebstoff oder einem anderen geeigneten
Werkstoff verbunden werden, um einen piezoelektrischen Zweibauelement-Filter zur
Hand zu geben. Ein Beispiel einer Filtereigenschaft eines derartigen piezoelektrischen
Zweibauelement-Filters wird in 14 gezeigt.
Wie in 14 gezeigt, wird durch Verbinden
von zwei piezoelektrischen Filtern 41 eine Filtereigenschaft erzeugt, die
in Selektivität überlegen ist.
Eine piezoelektrische Filtervorrichtung unter Verwendung eines Paars
piezoelektrischer Filter 41 wird beispielhaft unter Bezug auf
10 beschrieben.
Bei der in 10 gezeigten piezoelektrischen
Filtervorrichtung ist ein Paar der piezoelektrischen Filter 41 mit isolierenden
Klebstoffen 66 und 67 miteinander verbunden und an einem Gehäusesubstrat
65 angebracht. Dann wird eine Metallabdeckung 68 durch einen isolierenden
Klebstoff so an dem Gehäusesubstrat 65 befestigt,
dass sie die piezoelektrischen Filter 41 bedeckt. Dies gibt eine piezoelektrische
Filtervorrichtung mit dem Paar darin verkapselter piezoelektrischer Filter
41 zur Hand. Elektroden 65a bis 65d sind an dem Gehäusesubstrat
65 vorgesehen, um eine elektrische Verbindung zwischen beiden piezoelektrischen
Filtern 41 vorzusehen und sich von dem Gehäuse erstreckende Endelektroden
auszubilden.
In dem in 10 gezeigten Beispiel kann,
während das Paar piezoelektrischer Filter 41 in horizontaler Richtung
miteinander verbunden ist, das Paar piezoelektrischer Filter 41 mittels
isolierenden Klebstoffe 69a und 69b auch in der vertikalen Richtung
verbunden werden, wie in 11 gezeigt.
15 ist eine Vorderansicht, welche schematisch
eine Abwandlung des piezoelektrischen Filters 41 zeigt. In dem piezoelektrischen
Filter 41 sehen die isolierenden Werkstoffe 18 und 19
eine elektrische Isolierung zwischen den Erregerelektroden und den Elektroden vor,
die von den Erregerelektroden isoliert werden müssen. Wie in der Abwandlung
der in 7 gezeigten ersten bevorzugten Ausführung
kann der piezoelektrische Filter 41 jedoch Erregerelektroden umfassen,
die so angeordnet sind, dass sie sich weder zur oberen Fläche noch zur unteren
Fläche des piezoelektrischen Bauelements 42 erstrecken, um eine elektrische
Isolierung zwischen den Erregerelektroden und den Elektroden vorzusehen, die von
den Erregerelektroden elektrisch isoliert werden müssen.
Die piezoelektrischen Filter mit mehreren Moden der ersten und zweiten
bevorzugten Ausführungen sind so konfiguriert, dass sie Oberwellen der longitudinalen
Moden der piezoelektrischen Bauelemente 2 und 42 verwenden; die
erfindungsgemäßen piezoelektrischen Filter mit mehreren Moden sind jedoch
nicht nur auf das Einsetzen eines longitudinalen Modus beschränkt.
Unter Bezug auf 16 bis 18 wird ein
erfindungsgemäßer piezoelektrischer Filter mit mehreren gekoppelten longitudinalen
Moden beschrieben, der einen weiteren Schwingungsmodus einsetzt.
16A ist eine perspektivische Ansicht,
welche den Aufbau eines piezoelektrischen Filters mit mehreren Moden nach einer
dritten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
16B und 16C sind schematische
Diagramme, welche Oberwellen zeigen, die in dem piezoelektrischen Filter mit mehreren
Moden erregt werden.
Bei einem piezoelektrischen Filter 71 ist eine Vielzahl von
Erregerelektroden 73 bis 83 mit piezoelektrischen Schichten aufgeschichtet,
um ein mehrschichtiges piezoelektrisches Bauelement 72 auszubilden. Bezüglich
des piezoelektrischen Werkstoffs, aus dem die piezoelektrischen Schichten gebildet
sind, wird wie in der ersten bevorzugten Ausführung eine geeignete piezoelektrische
Keramik, beispielsweise Bleizirkonattitanat-Keramik, vorzugsweise verwendet.
Zu beachten ist, dass bei dem piezoelektrischen Filter 71
die Richtung, in welcher die Erregerelektroden geschichtet sind, d. h. in
16A die vertikale Richtung, die Dickenrichtung ist.
Eine Erregerelektrode 73 ist an einer oberen Fläche 72a des
mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements 72 vorgesehen und eine Erregerelektrode
83 ist an einer unteren Fläche 72b vorgesehen. Andere Erregerelektroden
74 bis 82 sind in Form von Innenelektroden vorgesehen.
In dieser bevorzugten Ausführung liegen die obere Fläche
72a und die untere Fläche 72b einander in der Richtung gegenüber,
die im Wesentlichen senkrecht zu den Erregerelektroden 73 bis
83 verläuft, und bilden erste und zweite Endflächen der vorliegenden
Erfindung.
An einer Seitenfläche 72c des mehrschichtigen piezoelektrischen
Bauelements 72 ist die Eingangselektrode 14 nahe der oberen Fläche
72a angeordnet, die die erste Endfläche ausbildet, und die Ausgangselektrode
15 ist nahe der unteren Fläche 72b angeordnet, die die zweite
Endfläche ausbildet. Eine Erdungselektrode (nicht abgebildet) ist ebenfalls
an einer Seitenfläche 72d gegenüber der Seitenfläche
72c vorgesehen.
Die Erregerelektroden 73 bis 83 sind wie folgt in
die oben beschriebenen ersten, zweiten und dritten Gruppen eingeteilt:
Erste Gruppe der Erregerelektroden – Erregerelektroden 74,
76, 78, 80 und 82
Zweite Gruppe der Erregerelektroden – Erregerelektroden 73,
75 und 77
Dritte Gruppe der Erregerelektroden – Erregerelektroden 79,
81 und 83
In dieser bevorzugten Ausführung bewirkt das Anlegen eines Eingangssignals
zwischen der Eingangselektrode 14 und der Erdungselektrode eine starke
Erregung einer 10. Oberwelle, schematisch in 16B dargestellt,
der Dickschwingung und einer 9. Oberwelle, schematisch in 16C
dargestellt, einer Dickenschwingung.
Somit sind die 10. Oberwelle und die 9. Oberwelle gekoppelt, um ein
Passband mit einer stark vergrößerten Bandbreite zur Hand zu geben. Diese
bevorzugte Ausführung sieht daher einen piezoelektrischen Filter mit gekoppelten
longitudinalen Dualmodus vor, der eine piezoelektrische versteifte
Wirkung und die 9. und 10. Oberwelle der Dickenschwingung einsetzt. Zwar verwendet
dieser piezoelektrische Filter einen anderen Schwingungsmodus, doch liefert er eine
stark vergrößerte Bandbreite durch Koppeln von Oberwellen unterschiedlicher
Ordnungszahl in gleicher Weise wie in den ersten und zweiten bevorzugten Ausführungen.
Weiterhin ermöglicht in dieser bevorzugten Ausführung die Verwendung unterschiedlicher
Oberwellen wieder das Erzeugen einer gewünschten Bandbreite. Somit ermöglicht
das Angleichen der Anzahl aufzuschichtender piezoelektrischer Schichten eine wirksame
Erregung von Oberwellen, die in dem Filter eingesetzt werden, wodurch eine Vielzahl
von Bandbreiten für den piezoelektrischen Filter verwirklicht werden können.
Ferner verbessert das Variieren der Dicke einiger der piezoelektrischen
Schichten die Erregungswirkungsgrade der in dem Filter verwendeten Oberwellen stark
bzw. senkt die Erregerwirkungsgrade von Störoberwellen stark, wodurch ein Filter
mit günstigen Filtereigenschaften erzeugt wird.
17A ist eine perspektivische Ansicht,
welche einen piezoelektrischen Filter 91 nach einer Abwandlung des piezoelektrischen
Filters 71 der dritten bevorzugten Ausführung veranschaulicht.
17B und 17C sind schematische
Diagramme, welche Oberwellen zeigen, die erregt wurden.
In dem in 16A gezeigten piezoelektrischen
Filter 71 liegen sich die Erregerelektroden 73 bis 83
in einem Mittenbereich des mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements
72 gegenüber und jede der piezoelektrischen Schichten hat eine rechteckige
Form, d. h. streifenförmig. Es können jedoch verschiedene Formen der piezoelektrischen
Schichten oder Erregerelektroden der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zum
Beispiel weisen unter Bezug auf 17A, in welcher ein
piezoelektrischer Filter 91 gezeigt wird, die Erregerelektroden
93 bis 103, wie klar durch die Erregerelektroden 95 und
100 gezeigt wird, jeweils die Form von Streifen auf, die sich hin zur ungefähren
Mitte bei vorgegebenen Höhen des mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements
92 erstrecken. Teile der Streifen der Erregerelektroden 93 bis
103 überlappen einander und liegen einander mit den piezoelektrischen
Schichten dazwischen gegenüber. Somit bewirkt das Anlegen einer Spannung zwischen
den Erregerschichten, welche vertikal aufgeschichtet sind, dass jede piezoelektrische
Schicht durch einen energiefallenartigen, Dickenschwingungsmodus erregt wird. Auf
diese Weise liegen einander Erregerelektroden beider Seiten in Teilen jeder der
piezoelektrischen Schichten gegenüber, so dass ein piezoelektrischer Energiefallen-Filter
verwirklicht wird.
Der piezoelektrische Filter 91 nach dieser Abwandlung ist
vorzugsweise in gleicher Weise wie der piezoelektrische Filter 71 konfiguriert,
wobei lediglich die Erregerelektroden unterschiedliche Formen aufweisen. Wie in
17B und 17C gezeigt erzeugt
der piezoelektrische Filter 91 auch eine wirksame Erregung einer 10. Oberwelle
und einer 9. Oberwelle, wodurch die Eigenschaft eines breiteren Bandfilters wie
bei dem piezoelektrischen Filter 71 erzeugt wird. Bei dem piezoelektrischen
Filter 91 liegen einander die Erregerelektroden 93 bis
103 auf vorgegebenen Höhen nur in dem ungefähren Mittenbereich
gegenüber und Teile schmaler Breite erstrecken sich zu den Eckenteilen des
mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements 92. Somit sind die Erregerelektroden
und insbesondere die an beiden Seiten der inneren Erregerelektroden 94
bis 102 vorgesehenen piezoelektrischen Schichten fest angebracht. Dies
verbessert die Festigkeit des mehrschichtigen piezoelektrischen Bauelements
92, wodurch sich diese Anordnung für eine höhere Frequenz eignet.
Verglichen mit jedem piezoelektrischen Filter der ersten bis dritten
bevorzugten Ausführungen erleichtert der piezoelektrische Filter
91 aufgrund einer dadurch verwirklichten Energiefallenfunktion verschiedene
Änderungen der Form der Klemmenteile für die Erregerelektroden
93 bis 103. Dies verbessert auch die Vielseitigkeit der Ausführung
der Klemmenteile für die Erregerelektroden 93 bis 103.
18A ist eine perspektivische Ansicht,
welche schematisch einen piezoelektrischen Filter mit gekoppeltem longitudinalen
Dualmodus nach bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungen zeigt,
der einen Dickenschermodus einsetzt. 18B und
18C sind schematische Diagramme, welche jeweils eine
10. Oberwelle und eine 9. Oberwelle zeigen, die in dem piezoelektrischen Filter
erregt werden.
Ein piezoelektrischer Filter 111 weist das mehrschichtige
piezoelektrische Bauelement 72 und die Erregerelektroden 73 bis
83, wie in dem piezoelektrischen Filter 71, auf. In dieser bevorzugten
Ausführung ist jedoch das mehrschichtige piezoelektrische Bauelement
72 in der Richtung P polarisiert, die im Wesentlichen parallel zu der oberen
Fläche 72a und der unteren Fläche 72b ist, welche jeweils
die erste und zweite Endfläche ausbilden. Somit bewirkt das Anlegen eines Eingangssignals
zwischen der Eingangselektrode 14 und einer (nicht abgebildeten) Erdungselektrode
eine Erregung der durch die benachbarten Erregerelektroden sandwichartig umschlossenen
piezoelektrischen Schichten, wodurch eine starke Erregung der Schwingung des Dickenschermodus
bewirkt wird. Der piezoelektrische Filter 111 dieser bevorzugten Ausführung
umfasst auch das mehrschichtige piezoelektrische Bauelement 72 und die
geschichteten Erregerelektroden 73 bis 83. Das heißt, der
piezoelektrische Filter 111 weist einen Stapel von zehn piezoelektrischen
Schichten auf, wodurch eine starke Erregung der in 18B
gezeigten 10. Oberwelle und der in 18C gezeigten 9.
Oberwelle bewirkt wird.
Demgemäß sieht der piezoelektrische Filter 111
durch Einsetzen der 10. und 9. Oberwelle des Dickenschermodus die Eigenschaft eines
Filters mit breiterem Band vor.
In dieser bevorzugten Ausführung überlappen sich die Erregerelektroden
73 bis 83 in der ungefähren Mitte des mehrschichtigen piezoelektrischen
Elements in gleicher Weise wie in dem piezoelektrischen Filter 71, wodurch
die Koppelfestigkeit der piezoelektrischen Schichten an beiden Seiten der Erregerelektroden
verbessert wird.
Ferner sieht eine Dickenscherschwingung gegenüber einer Dickenschwingung
einen stark verbesserten elektromechanischen Kopplungsbeiwert vor, was eine noch
breitere Bandbreite ermöglicht.
Bei den in 16 bis 18 gezeigten piezoelektrischen
Filtern 71, 91 und 111 können drei Arten von Oberwellen
verwendet werden, um einen piezoelektrischen Filter mit Dreifachmodus zu ermöglichen,
und es können auch vier oder mehr Schwingungsmoden verwendet werden.
Wie aus den ersten bis dritten bevorzugten Ausführungen und deren
Abwandlungen ersichtlich ist, ist der in der vorliegenden Erfindung eingesetzte
Schwingungsmodus nicht auf einen bestimmten Modus beschränkt.