DE4228324C2 - Stimmgabelförmiger piezoelektrischer Resonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen stimmgabelförmigen piezoelektrischen Resona­ tor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Resonator dieser Art ist aus Fig. 5 der DE 39 36 695 A1 bekannt. Die wesentlichen Merkmale dieses herkömmlichen Resonators sollen anhand der Fig. 2 der beigefügten Zeichnung erläutert werden.

Der stimmgabelförmige Resonator 1 baut auf einem rechteckigen piezoelek­ trischen Substrat 2 auf. Ein erster Schlitz 3 ist so angeordnet, daß er von der Mitte einer Kante 2a des piezoelektrischen Substrats 2 nach innen verläuft. Zweite und dritte Schlitze 4 und 5 sind in ähnlicher Weise beiderseits des ersten Schlitzes 3 angeordnet, so daß sie von der Kante 2a nach innen verlau­ fen. Durch die zweiten und dritten Schlitze 4 und 5 werden somit beiderseits des ersten Schlitzes 3 zwei Stimmgabelarme 6 und 7 begrenzt. Resonanze­ lektroden 8 und 9 sind in einem Gebiet um den innersten Teil des Schlitzes 3 herum auf beiden Hauptflächen des piezoelektrischen Substrats angeord­ net.

In Fig. 2 sind die auf der Rückseite des piezoelektrischen Substrats 2 ange­ ordneten Elektroden dadurch sichtbar gemacht, daß die Unterseite des Sub­ strats nach unten projiziert dargestellt ist.

Der Resonator 1 ist so aufgebaut, daß ein Gebiet, in dem die Resonanzelektro­ den 8 und 9 einander gegenüberliegen, zu Schwingungen angeregt wird, in­ dem eine Spannung an Klemmenelektroden 10a und 10b angelegt wird, die ihrerseits mit den Resonanzelektroden 8 und 9 verbunden sind, so daß die Stimmgabelarme 6 und 7 in einer stimmgabelartigen Schwingungsmode er­ regt werden.

In der erwähnten Druckschrift DE 39 36 695 A1 ist in Fig. 3A und 3B ein Resonator mit einer modifizierten Elektrodenanordnung gezeigt. Bei dieser Anordnung weist eine der Resonanzelektroden eine um den ersten Schlitz herum und längs der inneren Kanten der Stimmgabelarme ausgebildete erste Teilelektrode und eine längs der äußeren Kanten der Stimmgabelarme aus­ gebildete zweite Teilelektrode auf, während die andere Resonanzelektrode so auf der entgegengesetzten Oberfläche des Substrats angeordnet ist, daß sie den ersten und zweiten Teilelektroden gegenüberliegt.

Aus WO 88/06 818 A1 ist ein stimmgabelförmiger piezoelektrischer Resona­ tor bekannt, dessen Substrat aus einer langgestreckten rechteckigen Platte besteht, dessen längere Seitenränder jeweils mit einer Stufe versehen sind, so daß das Substrat einen relativ schmalen Stimmgabelabschnitt und einen breiteren Basisabschnitt bildet. In dem Stimmgabelabschnitt ist ein von der Schmalseite des Substrats ausgehender Schlitz ausgebildet, der sich bis in Höhe der Stufen der seitlichen Ränder erstreckt und zusammen mit den seitlichen Außenrändern des Stimmgabelabschnitts die beiden Stimmgabe­ larme begrenzt. Die Resonanzelektroden sind nebeneinanderliegend an dem Ende des Basisabschnitts angeordnet, das den Stimmgabelarmen entgegenge­ setzt ist.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten gattungsgemäßen piezoelektrischen Resona­ tor sind die zweiten und dritten Schlitze 4 und 5 in dem rechteckigen Sub­ strat 2 angebracht, damit die Schwingung der Stimmgabelarme 6 und 7 nicht behindert wird.

Wenn der Resonator 1 mit Hilfe eines Lötmittels oder dergleichen in einer Schaltungsplatine befestigt wird, kann jedoch die Resonanzkennlinie des Re­ sonators 1 in einigen Fällen erheblich von der ursprünglichen Resonanzkenn­ linie abweichen.

Die Erfinder haben deshalb den Schwingungszustand der Stimmgabelarme 6 und 7 des piezoelektrischen Resonators 1 mit Hilfe der Finite-Elemente-Me­ thode analysiert und haben erkannt, daß nicht nur der Stimmgabelarm 7, sondern auch andere Teile des piezoelektrischen Substrats ausgelenkt wer­ den. Speziell hat sich gezeigt, daß eine Auslenkung selbst in einem Bereich 2a des piezoelektrischen Substrats stattfindet, der außerhalb des dritten Schlitzes 5 liegt, sowie in einem Bereich 2d auf der Seite einer Kante 2b, die der Kante 2a gegenüberliegt, wenn der Stimmgabelarm 7 zu Schwingungen angeregt wird.

Bei dem herkömmlichen piezoelektrischen Resonator 1 ergibt sich somit, daß Teile 2c und 2d des piezoelektrischen Substrats, die an einer Schal­ tungsplatine oder dergleichen befestigt werden, einer Auslenkung unterwor­ fen sind, weil Leckschwingungen von den unmittelbar ausgelenkten Stimm­ gabelarmen 6 und 7 übertragen werden. Wenn die Teile 2c und 2d des pie­ zoelektrischen Substrats an der Schaltungsplatine oder dergleichen befestigt werden, so wird deshalb die Schwingung in diesen Teilen behindert. Folg­ lich wird auch der Schwingungszustand der Stimmgabelarme 6 und 7 durch die oben beschriebene Befestigung beeinflußt, so daß zwangsläufig die Reso­ nanzcharakteristik des Resonators beeinträchtigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen stimmgabelförmigen piezoelektrischen Resonator zu schaffen, bei dem die Übertragung von Leckschwingun­ gen von den Stimmgabelarmen auf andere Teile des piezoelektrischen Sub­ strats unterdrückt ist, so daß die Resonanzkennlinie nicht oder zumindest weniger stark beeinträchtigt wird, wenn der Resonator an einer Schaltungsplatine oder dergleichen befestigt wird.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Gemäß der Erfindung sind Stufen in den äußeren Kanten der Stimmgabelar­ me ausgebildet, so daß Teile der Stimmgabelarme auf der Seite der freien Enden von den Stufen aus leichter in Schwingung versetzt werden können. Hierdurch wird die Übertragung von Leckschwingungen von den Stimmgabe­ larmen auf andere Teile des piezoelektrischen Substrats unterdrückt. Auch wenn diese anderen Teile des Substrats an weiteren Bauteilen wie beispiels­ weise einer Schaltungsplatine befestigt werden, kommt es kaum zu einer Be­ einträchtigung der Schwingung der Stimmgabelarme. Auf diese Weise ist es möglich, einen stimmgabelförmigen piezoelektrischen Resonator zu schaffen, dessen Resonanzkennlinie weniger stark beeinträchtigt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnun­ gen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines stimmgabelförmigen piezoe­ lektrischen Resonators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen stimmgabel­ förmigen piezoelektrischen Resonators;

Fig. 3 eine Skizze der Verteilung der Schwingungsauslenkungen in dem herkömmlichen Resonator;

Fig. 4 eine Skizze der Verteilung der Schwingungsauslenkungen in dem Resonator gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine vergrößerte Teilansicht des erfindungsgemäßen Resona­ tors von oben, zur Erläuterung eines Verfahrens zur Bildung von Stufen;

Fig. 6 eine perspektivische Explosionsdarstellung zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens für einen stimmgabelförmigen piezoe­ lektrischen Resonator in einer Ausführungsform als chip- oder knopfförmiges Bauelement;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht des fertigen Resonator-Bauele­ ments;

Fig. 8 eine Impedanz/Frequenz-Kennlinie des stimmgabelförmigen piezoelektrischen Resonators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 9 die Impedanz/Frequenz-Kennlinie des Resonator-Bauelements aus Fig. 7;

Fig. 10 die Impedanz/Frequenz-Kennlinie eines herkömmlichen stimmgabelförmigen piezoelektrischen Resonators in der Aus­ führungsform als chipförmiges Bauelement;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels mit ge­ änderter Stufenanordnung; und

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung eines Resonators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist ein stimmgabelförmiger piezoelektrischer Resonator gemäß ei­ nem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Bei dem Resonator 11 ist in einem rechteckigen piezoelektrischen Substrat 12 ein erster Schlitz 13 ausgebildet, der von der Mitte einer Kante 12a des Substrats nach innen ver­ läuft. In ähnlicher Weise sind zweite und dritte Schlitze 14 und 15 beiderseits des ersten Schlitzes 13 angeordnet. Die zweiten und dritten Schlitze sind je­ doch länger als der erste Schlitz 13 und ragen von der Kante 12a aus weiter nach innen. Durch die zweiten und dritten Schlitze 14 und 15 werden Stimmgabelarme 16 und 17 auf beiden Seiten des ersten Schlitzes 13 be­ grenzt.

Resonanzelektroden 18 und 19 sind so auf entgegengesetzten Seiten des Substrats 12 angeordnet, daß sie einander in einem Gebiet um den ersten Schlitz 13 herum gegenüberliegen.

Ähnlich wie in Fig. 2 ist auch in Fig. 1 die Unterseite des Substrats 12 nach unten projiziert, so daß die auf der Unterseite ausgebildeten Elektroden erkennbar sind.

Die Resonanzelektroden 18 und 19 sind elektrisch mit Klemmenelektroden 20a und 20b verbunden, die auf der Seite einer Kante 12b des Substrats 12 ausgebildet sind.

Die oben beschriebenen Merkmale stimmen mit denjenigen des herkömmli­ chen piezoelektrischen Resonators 1 überein. Eine Besonderheit des besch­ riebenen Ausführungsbeispiels besteht darin, daß Stufen 21 und 22 in den äußeren Kanten der Stimmgabelarme 16 und 17 ausgebildet sind. Im einzel­ nen sind die Stimmgabelarme 16 und 17 so aufgebaut, daß ihre auf der Seite der freien Enden von den Stufen 21 und 22 aus gelegenen Teile durch die Bildung der Stufen 21 und 22 schmaler ausgeführt sind. Durch diese Anord­ nung der Stufen 21 und 22 in den äußeren Kanten der Stimmgabelarme 16 und 17 wird bei dem Resonator 11 die Übertragung von Leckschwingungen von den Stimmgabelarmen 16 und 17 auf andere Teile des piezoelektrischen Substrats 12 unterdrückt. Die Ursache dieses Effekts soll anhand der Fig. 4 erläutert werden.

Fig. 4 zeigt in Form einer Grundrißskizze einen Zustand, bei dem die Ver­ teilung der Auslenkungen in einem Teil auf der rechten Seite des Substrats 12 des Resonators 11 nach der Finite-Elemente-Methode analysiert wurde. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird der Stimmgabelarm 17 gemäß der Stimm­ gabelschwingungsmode ausgelenkt. Es zeigt sich jedoch, daß bei diesem Aus­ führungsbeispiel die außerhalb des Stimmgabelarmes 17 gelegenen Teile des Substrats, beispielsweise der Bereich 12c außerhalb des dritten Schlitzes 15 und der Bereich 12d auf der Seite der Kante 12b kaum ausgelenkt werden. Im einzelnen ist zu erkennen, daß ein von der Stufe 22 aus zum freien Ende hin gelegener Teil des Stimmgabelarmes 17 aufgrund der Bildung der Stufe 22 sehr leicht zu Schwingungen angeregt wird. Hieraus folgt, daß die Schwingungsenergie in dem Stimmgabelarm 17 weniger leicht zu anderen Teilen des Substrats entweicht.

Bei dem stimmgabelförmigen piezoelektrischen Resonator 11 wird somit die Übertragung von Leckschwingungen von den Stimmgabelarmen 16 und 17 auf andere Teile des Substrats unterdrückt. Auch wenn ein außerhalb der Stimm­ gabelarme 16 und 17 gelegener Teil des Substrats 12 an einer Schaltungspla­ tine als Halteteil befestigt wird, ergibt sich keine Beeinträchtigung der Schwingung der Stimmgabelarme 16 und 17. Folglich wird die Resonanz­ kennlinie des Resonators 11 nicht beeinträchtigt.

Hinsichtlich der genauen Lage der Stufen 21 und 22, d. h., hinsichtlich der Länge l₁ in Fig. 1, besteht ein weiter Spielraum. Beispielsweise kann die Länge l₁ gleich der Tiefe des Schlitzes 13 sein. Alternativ kann die Länge l₁ jedoch auch größer sein als die Tiefe des Schlitzes 13, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Die günstigste Lage der Stufen 21 und 22 variiert in Abhängigkeit von der Eigenfrequenz des Resonators 11, der Form und Größe der Stimmgabelarme 16 und 17 und dergleichen. Im Einzelfall kann deshalb eine andere Lage der Stufen 21 und 22 als in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen in Be­ tracht kommen.

Die Stufen 21 und 22 können hergestellt werden, indem äußere Randberei­ che der Stimmgabelarme 16 und 17 teilweise ausgeschnitten werden, so daß die auf der Seite der freien Enden der Stimmgabelarme 16 und 17 gelegenen Teile schmaler werden. Hinsichtlich des Verfahrens zur Bildung der Stufen 21 und 22 gibt es keine besonderen Beschränkungen. Beispielsweise können die Stufen 21 und 22 einfach hergestellt werden, indem das mit dem ersten Schlitz 13 und den zweiten und dritten Schlitzen 14 und 15 versehene pie­ zoelektrische Substrat 12 erneut mit einem Werkzeug 23 geschnitten wird, das zur Bildung der zweiten und dritten Schlitze 14 und 15 verwendet wur­ de. Durch die Verwendung der ursprünglich zur Bildung der zweiten und dritten Schlitze 14 und 15 dienenden Klinge 23 können somit die Stufen 21 und 22 einfach hergestellt werden, ohne daß hierzu ein neues Gerät benötigt wird.

Nachfolgend soll unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 ein Beispiel erläutert werden, bei dem der in Fig. 1 gezeigte Resonator 11 als knopfförmiges Bau­ element ausgeführt ist.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, ist neben dem Resonator 11 ein Blindsubstrat 24 angeordnet, das aus isolierender Keramik hergestellt ist und die gleiche Dicke aufweist wie das piezoelektrische Substrat 12. In diesem Fall muß das Blindsubstrat 24 in einem gewissen Abstand zu der Kante 12a des piezoelek­ trischen Substrats 12 angeordnet werden, damit die Schwingung der Stimm­ gabelarme 16 und 17 nicht behindert wird. Auf der oberen Oberfläche des Blindsubstrats 24 ist eine Elektrode 24a ausgebildet, damit die Gesamtdicke des Blindsubstrats 24 mit derjenigen des stimmgabelförmigen piezoelektri­ schen Resonators 11 übereinstimmt.

Decksubstrate 27 und 28 werden unter Zwischenfügung von Abstandshaltern 25 und 26 aus einem isolierenden Material an den oberen und unteren Ober­ flächen des Resonators 11 und des Blindsubstrats 24 befestigt.

Die als rechteckige Rahmen ausgebildeten Abstandshalter 25 und 26 können aus isolierenden Folien oder dergleichen hergestellt sein, die jeweils eine Öffnung 25a bzw. 26a aufweisen, damit die Schwingung der Stimmgabelarme 16 und 17 nicht behindert wird. Sie können jedoch auch gebildet werden, indem ein Klebemittel so auf die Decksubstrate 27 und 28 aufgetragen wird, das es die gleiche Grundrißform hat wie die Abstandshalter 25 und 26.

Die Decksubstrate 27 und 28 können aus isolierender Keramik wie etwa Alu­ miniumoxid oder einem steifen Material wie etwa Kunststoff hergestellt sein.

An dem in der oben beschriebenen Weise erhaltenen Schichtkörper werden äußere Elektroden 29a und 29b angebracht, wie in Fig. 7 gezeigt ist, so daß man einen piezoelektrischen Stimmgabel-Resonator in der Form eines knopfförmigen Bauelements 30 erhält. In Fig. 7 sind außerdem weitere äu­ ßere Elektroden 29c und 29d als Blindelektroden vorgesehen, die nicht un­ bedingt benötigt werden.

Fig. 8 zeigt die Impedanz/Frequenz-Kennlinie des oben beschriebenen pie­ zoelektrischen Resonators 11, und Fig. 9 zeigt die entsprechende Kennlinie für den Fall, daß der Resonator 11 in das Bauelement 30 gemäß Fig. 7 in­ tegriert ist. Wie ein Vergleich der Fig. 8 und 9 zeigt, ergibt sich trotz der Befestigung der Decksubstrate 27 und 28 an den außerhalb der Stimmgabel­ arme gelegenen Teilen des piezoelektrischen Resonators 11 kaum eine Ver­ änderung der Resonanzkennlinie.

Zum Vergleich zeigt Fig. 10 die Impedanz/Frequenz-Kennlinie für den Fall, daß der herkömmliche stimmgabelförmige piezoelektrische Resonator 1, der ursprünglich die gleiche Impedanz/Frequenz-Kennlinie wie in Fig. 8 auf­ weist, in ähnlicher Weise unter Verwendung eines Blindsubstrats und unter Verwendung von Abstandshaltern und Decksubstraten in ein knopfförmiges Bauelement integriert wird. Wie ein Vergleich der Fig. 8 und 10 zeigt, er­ gibt sich eine deutliche Beeinträchtigung der Resonanzkennlinie, wenn die außerhalb der Stimmgabelarme gelegenen Teile des piezoelektrischen Sub­ strats des herkömmlichen Resonators fixiert werden.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Re­ sonators 11 sind die Stufen 21 und 22 so angeordnet, daß der Abstand 11 zwischen der Kante 12a und den Stufen 21 und 22 größer ist als die Tiefe des ersten Schlitzes 13. Die Stufen 21 und 22 können jedoch auch an ande­ rer Stelle angeordnet sein. Insbesondere kann der Abstand l₁ mit der Tiefe des ersten Schlitzes 13 übereinstimmen, wie in Fig. 11 gezeigt ist. Im allge­ meinen kann der Abstand l₁ je nach gewünschter Resonanzfrequenz des Re­ sonators 11 und je nach Grundrißform und Größe der Stimmgabelarme 16 und 17 variiert werden.

Weiterhin sind bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Resona­ tors 11 die beiden Resonanzelektroden 18 und 19 auf den beiden Hauptflä­ chen des piezoelektrischen Substrats 12 in einem Gebiet in der Nähe des in­ nersten Teils des ersten Schlitzes 13 angeordnet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Elektrodenanordnung beschränkt. Beispielsweise zeigt Fig. 12 einen stimmgabelförmigen piezoelektrischen Resonator 41, bei dem eine erste Resonanzelektrode 44 um den ersten Schlitz 43 herum und weitere Resonanzelektroden 48 und 49 im Bereich der äußeren Kanten der Stimm­ gabelarme 46 und 47 auf der oberen Oberfläche des Substrats 42 ausgebildet sind und Resonanzelektroden 50, 51 und 52 so auf der Unterseite des Sub­ strats 42 angeordnet sind, daß sie den Resonanzelektroden 44, 48 und 49 auf der Oberseite gegenüberliegen. Die Stufen 21 und 22 sind in den äußeren Kanten der Stimmgabelarme 46 und 47 ausgebildet, so daß ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel auch bei dem Resonator 41 eine Beeinträch­ tigung der Resonanzkennlinie vermieden wird.

Der in Fig. 12 gezeigte Resonator 41 kann ebenso wie bei dem in Fig. 6 und 7 gezeigten Beispiel als chipförmiges oder knopfförmiges Bauelement ausgeführt sein, er kann jedoch auch als Bauelement in Form eines Kunst­ stoff-Formteils mit Anschlußklemmen ausgeführt sein. In diesem Fall werden Anschlußklemmen 61, 62, 63 in der in Fig. 13 gezeigten Weise kontaktiert, und es wird eine Hülle aus Kunststoff angebracht, die in Fig. 13 durch eine strichpunktierte Linie A dargestellt ist.

In ähnlicher Weise kann auch der in Fig. 1 gezeigte Resonator 11 als Baue­ lement in Form eines Kunststoff-Formteils mit Anschlußklemmen ausgeführt sein.

Claims (6)

1. Stimmgabelförmiger piezoelektrischer Resonator mit

• - einem piezoelektrischen Substrat (12; 42) mit einem von einer Kante (12a) einwärts verlaufenden ersten Schlitz (13; 43), einem zweiten und einem dritten Schlitz (14, 15), die auf entgegengesetzten Seiten des ersten Schlitzes (13; 43) in bestimmtem Abstand zu dem ersten Schlitz (13; 43) von der Kante (12a) des Substrats aus einwärts verlaufen und eine größere Länge als der erste Schlitz besitzen, und mit Stimmgabelarmen (16; 46 und 17; 47), die jeweils durch einen Abschnitt des Substrats zwischen dem ersten Schlitz (13; 43) und einem der zweiten und dritten Schlitze (14, 15) gebildet werden, und
• - wenigstens zwei Resonanzelektroden (18, 19; 44, 50), die auf entgegen­ gesetzten Seiten des Substrats einander gegenüberliegend in einem den er­ sten Schlitz (13; 43) umgebenden Gebiet angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß Stufen (21, 22) in den äußeren Kanten der Stimmgabelarme (16, 17; 46, 47) ausgebildet sind.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Stufen (21, 22) aus zum freien Ende des Stimmgabelarmes (16, 17; 46, 47) hin gelegenen Teile des Stimmgabelarmes schmaler sind als die übrigen Teile.

3. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Re­ sonanzelektroden (18, 19) in der Nähe des innersten Teils des Schlitzes (13) angeordnet sind.

4. Resonator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Klemmenelektroden (20a, 20b), die längs einer der mit dem Schlitz versehenden Kante (12a) ge­ genüberliegenden Kante (12b) des Substrats angeordnet und jeweils elek­ trisch mit einer der Resonanzelektroden (18, 19) verbunden sind.

5. Resonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine der Resonanzelektroden eine um den ersten Schlitz (43) herum und längs der inneren Kanten der Stimmgabelarme (46, 47) ausgebil­ dete erste Teilelektrode (44) und eine längs der äußeren Kanten der Stimm­ gabelarme ausgebildete zweite Teilelektrode (48, 49) aufweist, und daß die andere Resonanzelektrode (50, 51, 52) so auf der entgegengesetzten Oberflä­ che des Substrats (42) angeordnet ist, daß sie den ersten und zweiten Teile­ lektroden (44, 48, 49) gegenüberliegt.