DE10022271A1 - Piezoelektrisches Bauteil - Google Patents

Abstract

Es wird ein kostengünstiges piezoelektrisches Bauteil (10) bereitgestellt, das einfach herzustellen ist und darüber hinaus ausgezeichnete elektrische Kennwerte aufweist. Das piezoelektrische Bauteil (10) weist ein piezoelektrisches Glied (11), ein Dämpfungsglied (12), ein Trägersubstrat (13) für die Montage des piezoelektrischen Glieds (11) und ein Abdeckglied (14) auf. Auf einer Hauptfläche des piezoelektrischen Glieds wird das Dämpfungsglied (12), das eine vorbestimmte Härte hat, so angebracht, dass es eine Schwingungselektrode bedeckt. Bei einem piezoelektrischen Bandsperrfilter wird ein Dämpfungsglied (12) mit einer Shore-Härte von 35 bis 80 und bei einem piezoelektrischen Diskriminator ein Dämpfungsglied mit einer Shore-Härte von 80 bis 100 verwendet (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft piezoelektrische Bauteile und insbesondere ein piezoelektrisches Bandsperrfilter zum Entfernen eines Signals mit einer bestimmten Frequenz und einen Diskriminator zum Aussondern eines Signals.

Ein piezoelektrisches Bauteil, wie ein Bandsperrfilter oder ein Diskriminator, das in Dickenscherungsvibration und in Dickenlängsvibration schwingt, besteht im allgemeinen aus einem rechteckigen piezoelektrischen Substrat mit auf seinen beiden Hauptebenen gebildeten Schwingungselektroden, einem Aufnahmeteil, der aus dem Material eines Gehäuse­ teils, z. B. aus Aluminiumoxid, gebildet ist und zur Aufnahme des piezoelektrischen Substrats dient, und einem Deckelglied zum Schutz des Aufnahmeteils mit dem einge­ betteten piezoelektrischen Substrat, wobei das piezo­ elektrische Substrat im Gehäuse so gelagert ist, dass sein Schwingungsbereich schwingen kann. Bei einem so aufgebauten piezoelektrischen Bauteil sind, da die Dickenscherungs­ vibration usw. in einem Schwingungsmodus geschieht, dessen Schwingungsknoten im Zentrum der Dicke des piezoelektri­ schen Substrats liegt, aus Silikonkautschuk bestehende Dämpfungsglieder auf den Hauptebenen des piezoelektrischen Substrats angebracht, auf dem Schwingungselektroden so liegen, dass elektrische Kennwerte, wie Dämpfung, Gruppen­ laufzeit und Verzerrungsrate (Klirrfaktor), so eingestellt sind, dass sie die gewünschten Werte aufweisen.

Übrigens sind bei einem herkömmlichen piezoelektrischen Bauteil die Dämpfungsglieder jeweils an beiden Hauptebenen des piezoelektrischen Substrats angebracht, so dass das Dämpfungsglied am piezoelektrischen Substrat zweimal aufge­ bracht werden muss. Dadurch benötigt man bei der Her­ stellung des piezoelektrischen Bauteils mehr Herstellungs­ schritte, was das Problem zur Folge hat, dass die Her­ stellungskosten für das piezoelektrische Bauteil hoch sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein kostengünstiges piezo­ elektrisches Bauteil bereitzustellen, das einfach herzu­ stellen ist und außerdem ausgezeichnete elektrische Kennwerte aufweist.

Zur Erfüllung dieser Aufgabe hat das oben genannte erfindungsgemäße piezoelektrische Bauteil ein piezoelektri­ sches Glied, das ein piezoelektrisches Substrat aufweist, auf dessen beiden Hauptebenen Schwingungselektroden gebildet sind, wobei das piezoelektrische Glied im Dicken­ scherungsmodus schwingt; und ein Dämpfungsglied, das eine vorbestimmte Härte hat, und das an einer der Hauptebenen des piezoelektrischen Substrats so angebracht ist, dass es die darauf gebildete Schwingungselektrode bedeckt.

Aufgrund des obigen Aufbaus erhielt man die geforderten elektrischen Kennwerte dadurch, dass man das Dämpfungs­ glied, das eine geeignete Härte aufweist, an nur einer Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats anbringt. Genauer gesagt erhält man, wenn ein Dämpfungsglied mit einer Shore-Härte von 35 bis 80 verwendet wird, die für ein Bandsperrfilter geforderten Dämpfungs- und Gruppenlaufzeit­ kennwerte dadurch, dass man das Dämpfungsglied auf nur einer Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats anbringt.

Ebenso erhält man, wenn ein Dämpfungsglied mit einer Shore- Härte von 80 bis 100 verwendet wird, die für einen Diskriminator geforderten Verzerrungskennwerte (Klirr­ faktor) dadurch, dass man das Dämpfungsglied auf nur einer Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats anbringt.

Fig. 1 ist eine Zusammenbauansicht eines piezoelektrischen Bauteils gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines piezo­ elektrischen Glieds, das in dem in Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen Bauteil verwendet wird;

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt des in Fig. 1 dargestellten piezoelektrischen Bauteils;

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Veränderungen der Dämpfung des Bandsperrfilters des in Fig. 1 darge­ stellten piezoelektrischen Bauteils im Verhältnis zur Härte des Dämpfungsglieds;

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Beziehung der Gruppenlaufzeit des in Fig. 1 dargestellten piezo­ elektrischen Bauteils zur Härte des Dämpfungsglieds;

Fig. 6 ist eine Zusammenbauansicht des piezoelektrischen Bauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt des piezoelektrischen Bauteils gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Beziehung der Verzerrungsrate (des Klirrfaktors) des in Fig. 6 darge­ stellten piezoelektrischen Bauteils zur Härte des Dämpfungsglieds;

Fig. 9 ist eine Gesamtansicht eines piezoelektrischen Bauteils gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 10 ist eine perspektivische Darstellung der Außen­ ansicht des in Fig. 9 gezeigten piezoelektrischen Substrats.

Nachstehend werden piezoelektrische Bauteile gemäß den Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben.

Erste Ausführungsform, Fig. 1 bis 5

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes, in ein Bandsperrfilter eingebautes, piezoelektrisches Bauteil dargestellt. Ein piezoelektrisches Bandsperrfilter 10 weist ein piezo­ elektrisches Glied 11, ein Dämpfungsglied 12, ein Träger­ substrat 13 als Träger des piezoelektrischen Glieds 11 und ein Abdeckglied 11 zum Abdecken des piezoelektrischen Glieds 11 auf dem Trägersubstrat 13 auf.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist das piezoelektrische Glied 11 ein rechteckiges piezoelektrisches Substrat 15, das z. B. aus PZT besteht, zwei auf der Oberseite des piezoelektrischen Substrats 15 gebildete Schwingungs­ elektroden 21a und 22a und zwei auf dessen Unterseite gebildete Schwingungselektroden 21b und 22b auf. Die Schwingungselektroden 21b und 22b liegen jeweils den Schwingungselektroden 21a und 22a gegenüber, dazwischen liegt das piezoelektrische Substrat 15. Am linken Endabschnitt des piezoelektrischen Substrats 15 erstreckt sich eine Anschlusselektrode 31 von der Ober- zur Unter­ seite. Die Anschlusselektrode 31 ist mit der Schwingungs­ elektrode 21a verbunden. Am rechten Endbereich des piezoelektrischen Substrats 15 erstreckt sich eine Anschlusselektrode 32 von der Ober- zur Unterseite. Die Anschlusselektrode 32 ist mit der Schwingungselektrode 22a verbunden. Zwischen den auf der Unterseite des piezo­ elektrischen Substrats 15 gebildeten Schwingungselektroden 21b und 22b ist eine Anschlusselektrode 33 gebildet, die mit den Schwingungselektroden 21b und 22b verbunden ist.

Das Trägersubstrat besteht aus isolierendem Material, z. B. aus Aluminiumoxid, und weist auf seiner Oberseite Verbin­ dungselektroden 41 bis 43 auf, die jeweils den Anschluss­ elektroden 31 bis 33 auf dem piezoelektrischen Glied 11 entsprechen. Die beiden Endabschnitte 41a der Verbindungs­ elektrode 41 erstrecken sich in Nocken 13a, die jeweils an zwei Kanten des Trägersubstrats 13 gebildet sind. Die beiden Endabschnitte 42a der Verbindungselektrode 42 erstrecken sich innerhalb von Einsprüngen 13b, die jeweils an zwei Kanten des Trägersubstrats 13 gebildet sind. Die beiden Endabschnitte 43a der Verbindungselektrode 43 erstrecken sich innerhalb von Einsprüngen 13c, die jeweils an zwei Kanten des Trägersubstrats 13 gebildet sind.

Eine Schicht eines leitenden Klebers 16 (siehe Fig. 3) ist jeweils auf den Verbindungselektroden 41 bis 42 des Träger­ substrats 13 aufgedruckt oder dergleichen, und die Anschlusselektroden 31 bis 33 auf dem piezoelektrischen Glied 11 sind mit dem Kleber 16 jeweils an den Verbindungs­ elektroden 41 bis 42 befestigt. Dadurch wird das piezo­ elektrische Glied 11 auf dem Trägersubstrat 13 gehalten, wobei seine Schwingungsbereiche zum Trägersubstrat 13 hin eine Spalte aufweisen, die aufgrund der Dicke der Kleberschicht 16 entsteht.

Auf der Oberseite des piezoelektrischen Substrats 15 ist das aus Silikonkautschuk gebildete Dämpfungsglied 12, das eine Shore-Härte von 35 bis 80 aufweist, durch ein Verfahren, wie z. B. Drucken, so angebracht, dass es die Schwingungselektroden 21a und 22a bedeckt.

Ein Glaspastenfilm 17 ist durch Drucken oder dergleichen um die Peripherie der Oberseite des Trägersubstrats 13, aufgebracht. Das aus Metall bestehende Abdeckglied 14 ist am Glaspastenfilm 17 so befestigt, dass es das piezo­ elektrische Glied 11 bedeckt. Das Abdeckglied 14 ist durch Bohrungen 18, die am Glaspastenfilm 17 gebildet sind, elektrisch mit der Verbindungselektrode 43 mit leitenden Klebern oder dergleichen verbunden, um es zu erden. Dadurch ist das piezoelektrische Glied 11 elektromagnetisch abgeschirmt.

Bei dem oben beschriebenen piezoelektrischen Bandsperr­ filter dämpft das Dämpfungsglied 12 die Vibration in Dickenscherung, die im piezoelektrischen Glied 11 von der Oberseite aus, auf der die Schwingungselektroden 21a und 22a gebildet sind, erzeugt wird. Dadurch dass man, für das Dämpfungsglied 12 ein Material mit einer Shore-Härte von 35 bis 80 verwendet, was auch aus den Fig. 4 und 5 hervorgeht, erhält man das piezoelektrische Bandsperrfilter 10, das eine Sperrdämpfung von mehr als 50 dB (= Unter­ grenze des Normwerts) und eine Gruppenlaufzeit von weniger als 100 ms (= Obergrenze des Normwerts) aufweist.

Zweite Ausführungsform, Fig. 6 bis 8

In Fig. 6 ist ein bei einem Diskriminator angewendetes piezoelektrisches Bauteil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Ein piezoelektrischer Diskriminator 50 weist ein piezoelektrisches Glied 51, ein Dämpfungsglied 52, ein Gehäuse 53 zur Aufnahme des piezoelektrischen Glieds 51 und ein Deckelglied 54 zum Schutz der Öffnung an der Oberfläche des Gehäuses 53 auf.

Das piezoelektrische Glied 51 ist aus einem rechteckigen piezoelektrischen Substrat 55 gebildet, auf dessen Ober­ seite eine Schwingungselektrode 61 und auf dessen Unter­ seite eine Schwingungselektrode 62 gebildet sind. Die Schwingungselektroden 61 und 62 liegen einander im mittleren Bereiche des piezoelektrischen Substrats 55 gegenüber. Am linken Ende des piezoelektrischen Substrats 55 erstreckt sich eine Verlängerung 61a der Schwingungs­ elektrode 61 von der Ober- zur Unterseite des Substrats 55. Am rechten Ende des piezoelektrischen Substrats 55 erstreckt sich eine Verlängerung 62a der Schwingungs­ elektrode 62 von der Ober- zur Unterseite des Substrats 55.

Das Gehäuse 53 besteht aus isolierendem Material, z. B. aus Aluminiumoxid, und weist eine Aussparung 56 zur Aufnahme des piezoelektrischen Glieds 51 auf. An beiden Endab­ schnitten der Aussparung 56 sind jeweils Stufen 57 und 58 gebildet, in die jeweils die beiden Endabschnitte des piezoelektrischen Glieds 51 eingefügt werden. In den in Fig. 7 dargestellten Stufen 57 und 58 ist das piezo­ elektrische Glied so gelagert, dass zwischen seinem Schwingungsbereich und der Oberseite 59 der Aussparung 56 eine Spalte bleibt.

Im Gehäuse 53 erstrecken sich Verbindungselektroden 62 und 63 von den jeweiligen Stufen 57 und 58 zum Außenumfang des Gehäuses. Ein leitender Kleber 64 ist auf den Stufen 57 und 58 so aufgetragen, dass die Verlängerungen 61a und 62a der Schwingungselektroden 61 und 62 des piezoelektri­ schen Glieds 51 durch den leitenden Kleber 64 jeweils elektrisch mit den Verbindungselektroden 62 und 63 verbunden sind.

Auf der Oberseite des piezoelektrischen Substrats 55 ist das Dämpfungsglied 52, das aus einem Silikonkautschuk mit einer Shore-Härte von 80 bis 100 besteht, so angebracht, dass es die Schwingungselektrode 61, abgesehen von der Verlängerung 61a, bedeckt.

Das Deckelglied 54 ist am Rand der nach oben offenen Oberseite des Gehäuses 53 befestigt. An beiden Enden des Deckelglieds 54 sind außerdem Verbindungselektroden 65 und 66 zur jeweiligen elektrischen Verbindung mit den Ver­ bindungselektroden 62 und 63 des Gehäuses 53 gebildet.

Bei dem oben beschriebenen piezoelektrischen Diskriminator 50 dämpft das Dämpfungsglied 52 die Dickenscherungs­ vibration, die im piezoelektrischen Glied 51 von der Ober­ seite aus, auf der die Schwingungselektrode 62 gebildet ist, erzeugt wird. Durch die Verwendung eines Materials mit einer Shore-Härte von 80 bis 100, wie das beim Dämpfungs­ glied 52 der Fall und auch aus der Fig. 8 zu ersehen ist, erhält man einen piezoelektrischen Diskriminator 50, der eine Verzerrungsrate (Klirrfaktor) von unter einem Prozent (= Untergrenze des Normwerts) aufweist.

Dritte Ausführungsform, Fig. 9 und 10

Im Zusammenhang mit einem monolithischen piezoelektrischen Bandsperrfilter wird nunmehr eine dritte Ausführungsform beschrieben. Wie in Fig. 9 dargestellt ist, weist das piezoelektrische Bandsperrfilter 70 ein piezoelektrisches Glied 71 und Schutzsubstrate 74 und 75 auf, die das piezoelektrische Glied 71 zwischen sich unter Bildung von Schwingungszwischenräumen halten.

Das piezoelektrische Glied 71 weist ein piezoelektrisches Substrat 80 auf, auf dessen Oberseite die Schwingungs­ elektroden 81a und 82a gebildet sind. Auf der Unterseite des piezoelektrischen Substrats 80 liegen die Schwingungs­ elektroden 81b und 82b jeweils den Schwingungselektroden 81a und 82a gegenüber. Am linken Ende des piezoelektrischen Substrats 80 ist eine Verlängerungselektrode 84 gebildet, die mit der Schwingungselektrode 81a verbunden ist. Am rechten Ende des piezoelektrischen Substrats 80 ist eine Verlängerungselektrode 85 gebildet, die mit der Schwingungselektrode 82a verbunden ist. Zwischen den Schwingungselektroden 81b und 82b auf der Unterseite des piezoelektrischen Substrats 80 liegt eine Verlängerungs­ elektrode 86, die mit den Schwingungselektroden 81b und 82b verbunden ist.

Auf der Oberseite des piezoelektrischen Substrats 80 sind Dämpfungsglieder 72 und 73, die aus einem Silikonkautschuk mit einer Shore-Härte von 35 bis 80 bestehen, mit Hilfe eines Druckverfahrens oder dergleichen, so angebracht, dass sie jeweils die Schwingungselektroden 81a und 82a bedecken.

In den mittleren Bereichen der Schutzsubstrate 74 und 75 sind jeweils Aussparungen 74a und 75a zur Bildung eines Schwingungszwischenraums gebildet. Die Schutzsubstrate 74 und 75 bestehen aus einem Keramik- oder Harzmaterial. Außerdem sind die Aussparungsbereiche 74a und 75a zur Bildung des Schwingungszwischenraums nicht unbedingt erforderlich, und der Schwingungszwischenraum kann durch die Dicke der Klebstoffschichten sichergestellt sein, die zum Befestigen der Schutzsubstrate 74 und 75 am piezoelektrischen Glied 71 verwendet werden.

Die Schutzsubstrate 74 und 75 werden mit Klebstoffschichten am piezoelektrischen Glied 71 befestigt. Auf diese Weise erhält man einen monolithischen Körper 90, wie er in Fig. 10 dargestellt ist, der im Inneren Schwingungszwischenräume aufweist. Außenelektroden 91 und 92 sind jeweils an beiden Enden des monolithischen Körpers 90 gebildet, während eine Außenelektrode 93 in dessen mittleren Bereich gebildet ist. Die Außenelektroden 91, 92 und 93 sind elektrisch jeweils mit den Verlängerungselektroden 84, 85 und 86 verbunden.

Das soeben beschriebene piezoelektrische Bandsperrfilter 70 hat dieselbe Betriebsweise und Wirkung wie das weiter oben beschriebene piezoelektrische Bandsperrfilter 10 der ersten Ausführungsform.

Weitere Ausführungsformen

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, und es können viele Änderungen vorgenommen werden. Zum Beispiel kann das piezoelektrische Glied 11 des Bandsperrfilters gemäß der ersten Ausführungs­ form in dem Gehäuse 53 der zweiten Ausführungsform eingefügt sein, oder das piezoelektrische Glied 51 der zweiten Ausführungsform kann andererseits auf dem Träger­ substrat 13 der ersten Ausführungsform angeordnet sein. Ferner kann das Dämpfungsglied statt auf der Oberseite des piezoelektrischen Substrats auf dessen Unterseite angebracht sein.

Da, wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, das erfin­ dungsgemäß eine vorbestimmte Härte aufweisende Dämpfungs­ glied auf einer der Hauptebenen des piezoelektrischen Substrats angebracht ist, um so die Dickenscherungs­ vibration des piezoelektrischen Glieds zu dämpfen und die geforderten elektrischen Kennwerte zu liefern, benötigt man zum Anbringen des Dämpfungsglieds eine geringere Anzahl von Herstellungsschritten, was zu einem vereinfachten Herstel­ lungsverfahren und preiswerten piezoelektrischen Bauteilen führt.

Wenn zum Beispiel das Dämpfungsglied verwendet wird, das eine Shore-Härte von 35 bis 80 hat, kann man Dämpfungs- und Gruppenlaufzeitkennwerte erreichen, die der geforderten Norm als Bandsperrfilter entsprechen, so dass Bandsperr­ filter vereinfacht dadurch hergestellt werden können, dass das Dämpfungsglied auf nur einer Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats angeordnet wird.

Außerdem kann man, wenn das Dämpfungsglied, das eine Shore- Härte von 80 bis 100 aufweist, verwendet wird, Verzerrungs­ raten (Klirrfaktoren) erreichen, die der geforderten Norm als Bandsperrfilter genügen, so dass Diskriminatoren vereinfacht dadurch hergestellt werden können, dass das Dämpfungsglied auf nur einer Hauptfläche des piezoelektri­ schen Substrats angeordnet wird.

Claims (3)

1. Piezoelektrisches Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass es
ein piezoelektrisches Glied (11; 51; 71), das ein piezoelektrisches Substrat (15; 55; 80) aufweist, auf dessen beiden Hauptflächen Schwingungselektroden gebildet sind, wobei das piezoelektrische Glied (11; 51; 71) im Dickenscherungsmodus schwingt; und
ein Dämpfungsglied (12; 52; 72; 73) aufweist, das eine vorbestimmte Härte hat, und das auf einer der Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats (15; 55; 80) so angebracht ist, dass es die darauf gebildete Schwingungelektrode bedeckt.

2. Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsglied (12; 72; 73) eine Shore-Härte von 35 bis 80 aufweist.

3. Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsglied (52) eine Shore- Härte von 80 bis 100 aufweist.