DE4412963A1 - Resonator mit Breiten-Dehnungsmode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Resonator, der mit einer Breiten-Dehnungsmode eines Schwingers in der Form einer rechteckigen Platte arbeitet, insbeson­ dere einen Energiefallen-Resonator, der einen wirksamen Einschluß der Schwingung in der Breiten-Dehnungsmode gestattet.

Es sind piezoelektrische Resonatoren und piezoelektrische Filter entwickelt worden, die in verschiedenen Frequenzbereichen verwendet werden. Es be­ steht jedoch noch Bedarf an praktisch einsetzbaren piezoelektrischen Reso­ natoren, die in effizienter Weise im Frequenzbereich von 1 bis 2 MHz einge­ setzt werden können.

Aus der Praxis sind Resonatoren für diesen Frequenzbereich bekanntge­ worden, die ein piezoelektrisches Element in der Form einer rechteckigen Platte aufweisen und mit einer Umriß-Scherungsmode arbeiten.

Dieser bekannte Resonator muß jedoch aufgrund der Eigenschaften seiner Schwingungsmode mit Federklemmen gehalten werden, wodurch sich uner­ wünscht große Abmessungen für die Einrichtungen zum Halten des Resona­ tors ergeben.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Resonator zu schaffen, der einen kompakten Aufbau aufweist und für Frequenzen im Bereich von 1 bis 2 MHz geeignet ist.

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

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Zunächst soll anhand der Fig. 1 bis 6 der theoretische Hintergrund der Erfindung erläutert werden.

Der Erfinder hat erkannt, daß ein für den oben genannten Frequenzbereich von 1 bis 2 MHz geeigneter piezoelektrischer Resonator geschaffen werden kann, wenn eine Breiten-Dehnungsmode eines Schwingers in der Form einer rechteckigen Platte benutzt wird. Ein solcher Resonator oszilliert in einem Schwingungszustand zwischen der Breitenmoden-Schwingung (Längenexpan­ sion mit Breitenkontraktion) und der Dehnungsmoden-Schwingung (Streckung in Richtung beider Diagonalen) eines Schwingers in der Form ei­ ner rechteckigen Platte, wie er in Fig. 1A im Grundriß und in Fig. 1B in einer Frontansicht gezeigt ist.

Gemäß Fig. 1A und 1B hat der piezoelektrische Resonator 1 einen Reso­ nanzschwinger 2, der in Resonanz in einer Breiten-Dehnungsmode schwingt.

Der Resonanzschwinger 2 umfaßt eine Platte 3 aus piezoelektrischer Kera­ mik, die gleichförmig in Richtung ihrer Dicke polarisiert ist, und Elektroden 4 und 5, die auf beiden Hauptflächen derselben angeordnet sind. In der Brei­ ten-Dehnungsmode bilden die Mittelpunkte der Hauptflächen und die Mittel­ bereiche der kürzeren Kanten des Resonanzschwingers 2 Schwingungskno­ ten. Deshalb sind Tragteile 6 und 7 an die Mittelbereiche der kürzeren Kan­ ten der Platte 3 gekoppelt. Die in dieser Weise an die Schwingungsknoten gekoppelten Tragteile 6 und 7 behindern kaum die Schwingung in der oben genannten Breiten-Dehnungsmode. Leitende Verbindungsteile 8a und 8b sind jeweils auf einer einzigen Hauptfläche der Tragteile 6 und 8 vorgesehen und elektrisch mit den Elektroden 4 und 5 verbunden. Diese Verbindungsteile 8a und 8b sind außerdem elektrisch mit Klemmenelektroden 11 und 12 verbun­ den, die jeweils auf einer einzigen Hauptfläche von Halteteilen 8 und 10 vor­ gesehen sind, die sich an die äußeren seitlichen Ränder der Tragteile 6 und 7 anschließen. Bei diesem piezoelektrischen Resonator sind die Platte 3, die Tragteile 6 und 7 und die Halteteile 9 und 10 in einem Stück ausgebildet.

Hierzu wird eine Keramikplatte so bearbeitet, daß sie die in Fig. 1A gezeigte Grundrißform erhält und somit die Platte 3, die Tragteile 6 und 7 und die Halteteile 8 und 9 bildet.

Wenn das Seitenverhältnis der rechteckigen Platte 3 in einem geeigneten Bereich gewählt wird und ein elektrisches Wechselfeld an die Klemmenelek­ troden 11 und 12 angelegt wird, so wird der Resonanzschwinger 2 kräftig in der Breiten-Dehnungsmode angeregt. Es ist folglich zu erwarten, daß der pie­ zoelektrische Resonator 1 die in Fig. 2 gezeigte Impedanz-Frequenz-Cha­ rakteristik aufweist und die Auslenkungen der Teile des piezoelektrischen Resonators 1 die in Fig. 3 gezeigte Verteilung aufweisen, die durch eine Analyse nach der Finite-Elemente-Methode erhalten wurde.

Bei der praktischen Herstellung des piezoelektrischen Resonators 1 ist es jedoch äußerst schwierig, den Resonanzschwinger 2 in einer korrekten Größe und Form herzustellen.

Wie schematisch in Fig. 4 gezeigt ist, können beispielsweise die beiden kür­ zeren Kanten 3a und 3b der Platte 3 von der gestrichelt eingezeichneten Form um dx = 50 µm abweichen. Eine solche Abweichung kann leicht hervor­ gerufen werden, wenn die Positionen, in denen die beiden Seiten der ur­ sprünglichen rechteckigen Keramikplatte zur Bildung der Tragteile 6 und 7 eingekerbt werden, auf den beiden Seiten der Tragteile 6 und 7 nicht kor­ rekt miteinander ausgerichtet sind.

Es hat sich gezeigt, daß die letztlich erhaltene Impedanz-Frequenz-Charakte­ ristik des piezoelektrischen Resonators 1 beträchtlich gestört ist, wie in Fig. 5 gezeigt ist, wenn die kürzeren Kanten 3a und 3b der Platte 3 aufgrund der oben beschriebenen Fehlausrichtung beim Einkerben von der gewünsch­ ten Form abweichen. In diesem Fall können überaus starke Störschwingun­ gen X in der Nähe des Gegenresonanzpunktes F+Ta der Breiten-Dehnungsmode hervorgerufen werden.

Anhand des Ergebnisses einer Finite-Elemente-Analyse wurde erkannt, daß die Auslenkungen bei der Störschwingung X die in Fig. 6 gezeigte Vertei­ lung aufweisen, wenn die kürzeren Kanten 3a und 3b der Platte 3 in der oben beschriebenen Weise von der Sollform abweichen. Dies bedeutet, daß auf­ grund der Abweichung der kürzeren Kanten 3a und 3b von der Sollform zu­ sätzlich zu der Breiten-Dehnungsmode eine unerwünschte Schwingungsmode angeregt wird, wie in Fig. 6 gezeigt ist, wodurch die Impedanzkurve gestört wird.

Bei dem mit einer Breiten-Dehnungsmode arbeitenden piezoelektrischen Re­ sonator 1 ist es deshalb nicht möglich, gute Resonanz- und Filtereigenschaf­ ten zu erreichen, wenn die Platte 3 nicht mit äußerster Präzision hergestellt wird.

Um die Schwingungs- und Filtereigenschaften zu verbessern, muß deshalb bei dem mit einer Breiten-Dehnungsmode arbeitenden Resonator ein Weg ge­ funden werden, die unerwünschte Mode wirksam zu unterdrücken, ohne daß eine übermäßige Genauigkeit bei der Herstellung des Resonanzschwingers erforderlich ist.

Dies wird erfindungsgemäß durch einen an das Tragteil gekoppelten dynami­ schen Dämpfer erreicht.

Dabei wird das Phänomen der dynamischen Dämpfung ausgenutzt, das bei­ spielsweise in "Vibration Engineering" von Osamu Taniguchl, Corona Publi­ shing Co., Ltd., Seiten 113 bis 116, näher beschrieben wird. Dieses Phäno­ men beruht kurzgefaßt darauf, daß eine unerwünschte Schwingung eines Hauptschwingers durch einen Nebenschwinger unterdrückt wird, wenn der Nebenschwinger mit dem Hauptschwinger gekoppelt ist und die Eigenfre­ quenz des Nebenschwingers geeignet gewählt wird. Der dynamische Dämpfer gemäß der Erfindung entspricht in diesem Zusammenhang dem Neben­ schwinger und ist so angepaßt, daß er nach dem Prinzip der dynamischen Dämpfung eine Schwingung unterdrückt, die von dem Resonanzschwinger durch den Tragteil übertragen wird.

Dieser Tragteil ist bei dem erfindungsgemäßen Resonator an den Schwin­ gungsknoten des in einer Breiten-Dehnungsmode schwingenden Resonanz­ schwingers gekoppelt, so daß an der Ankopplungsstelle des Tragteils nur ei­ ne minimale Auslenkung stattfindet und somit der Übertritt von Schwingun­ gen von dem Resonanzschwinger auf den Tragteil weitgehend unterdrückt wird.

Die Schwingungen, die dennoch auf den Tragteil übertragen werden, werden dann durch den dynamischen Dämpfer wirksam beseitigt.

Wenn der Resonanzschwinger aufgrund von Problemen bei seiner Bearbeitung von der gewünschten Form abweicht, so daß der Tragteil durch eine uner­ wünschte Schwingungsmode ausgelenkt wird, so kann der dynamische Dämpfer auch diese unerwünschte Schwingungsmode unterdrücken. Da die unerwünschte Schwingungsmode in der Nähe der Soll-Frequenz der Breitendehnungsmode angeregt wird, absorbiert der dynamische Dämpfer nicht nur die Schwingung in der Breiten-Dehnungsmode mit der Soll-Frequenz, son­ dern auch die Schwingung in der unerwünschten Mode. Auf diese Weise wer­ den der Austritt von Leckschwingungen der Breiten-Dehnungsmode durch den Tragteil und zugleich die vorgenannte unerwünschte Schwingungsmode durch den dynamischen Dämpfer wirksam unterdrückt.

Somit ist es möglich, ein piezoelektrisches Resonanzelement mit einem Energiefallen-Resonator zu schaffen, der mit einer Breiten-Dehnungsmode arbeitet und ausgezeichnete Resonanz- und Filtereigenschaften aufweist und besonders für den Frequenzbereich von 1 bis 2 MHz geeignet ist, für den bis­ her kaum geeignete Resonatoren verfügbar waren.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist der piezoelektri­ sche Resonator mit einem Tragteil in der Form eines rechteckigen Rahmens mit einer Öffnung integriert. Das heißt, der piezoelektrische Resonator weist ein Tragteil in der Form eines rechteckigen Rahmens auf, und der eigentli­ che Resonator ist in der Öffnung dieses rechteckigen Rahmens angeordnet und bildet mit dem Tragteil ein einstückiges Bauelement.

Bei dieser Bauform kann auf einfache Weise ein chipförmiges piezoelektri­ sches Resonanzelement hergestellt werden, indem Gehäuse-Substrate auf der Ober- und Unterseite des einstückigen Bauelements angebracht werden, so daß sie den eigentlichen piezoelektrischen Resonator innerhalb des als rechteckiger Rahmen ausgebildeten Tragteils einschließen. Außerdem weist der in dem rechteckigen Rahmen eingeschlossene piezoelektrische Resona­ tor aufgrund der einstückigen Bauweise keine Verbindungsstellen an seinen Seiten auf, so daß die Dichtungs- und Einschlußeigenschaften wesentlich ver­ bessert werden können, wenn aus diesem piezoelektrischen Resonator ein Bauelement hergestellt wird.

Gemäß einem weiteren speziellen Merkmal der Erfindung wird ein chipför­ miges piezoelektrisches Resonanzbauelement geschaffen, bei dem Gehäuse- Substrate in der Weise sandwichartig auf der Ober- und Unterseite des Reso­ nators angeordnet sind, daß Hohlräume geschaffen werden, die die Schwin­ gung in der Breiten-Dehnungsmode gestatten. Bei einem solchen chipförmi­ gen Bauelement kann auf einer Seite des piezoelektrischen Resonators ein Abstandshalter angeordnet sein, um den schwingenden Teil gegenüber der Umgehung abzuschließen, oder der Resonator kann in ein Tragteil in der Form eines rechteckigen Rahmens integriert sein, wie oben beschrieben wurde.

Zur Herstellung des in ein Tragteil in der Form eines rechteckigen Rahmens integrierten piezoelektrischen Resonators kann ein rechteckiges plattenför­ miges Bauteil mit einer Platte aus Metall oder einem Siliciumkristall und einem darauf angebrachten dünnen piezoelektrischen Film oder eine recht­ eckige Platte aus piezoelektrischer Keramik mit Hilfe eines Laserstrahls oder durch Ätzen bearbeitet werden, um die gewünschte Struktur zu erhalten. Auf diese Weise läßt sich der Resonator durch ein relativ einfaches Herstellungs­ verfahren erhalten.

Als Material für den piezoelektrischen Resonanzschwinger können auch an­ dere Materialien als Piezokeramik verwendet werden, beispielsweise ein pie­ zoelektrischer Einkristall wie Quarz, LiTaO₃ oder LiNbO₃.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1A und 1B einen Grundriß und eine Frontansicht eines piezoelek­ trischen Resonators, der eine (nicht zum Stand der Technik gehörende) Vorform des erfindungsgemäßen Resonators darstellt;

Fig. 2 eine theoretische Impedanz-Frequenz-Kurve für den Resonator nach Fig. 1A und 1B;

Fig. 3 das Ergebnis einer Finite-Elemente-Analyse der Schwingungsauslenkungen in dem Resonator nach Fig. 1A und 1B;

Fig. 4 eine Darstellung der durch Bearbeitungsungenauigkeiten bedingten Abweichung des piezoelektrischen Re­ sonators nach Fig. 1A und 1B von der gewünschten Sollform;

Fig. 5 die Impedanz-Frequenz-Kurve eines Resonators mit der in Fig. 4 gezeigten Form;

Fig. 6 das Ergebnis einer Finite-Elemente-Analyse der Aus­ lenkungen in dem piezoelektrischen Resonator mit der in Fig. 4 gezeigten Form;

Fig. 7A und 7B einen Grundriß und eine Frontansicht eines piezoelek­ trischen Resonators gemäß einem ersten Ausführungs­ beispiel der Erfindung;

Fig. 8 eine theoretische Impedanz-Frequenz-Kurve für den Resonator nach dem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 9 die nach der Finite-Elemente-Methode berechnete Verteilung der Schwingungsauslenkungen in dem Re­ sonator nach dem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 10 die Impedanz-Frequenz-Kurve eines zu Vergleichs­ zwecken hergestellten Resonators nach Fig. 1A und 1B;

Fig. 11 die Impedanz-Frequenz-Kurve einer Probe eines Reso­ nators nach dem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 12 einen Grundriß eines Resonators nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 13 eine Explosionsdarstellung des Resonators nach dem ersten Ausführungsbeispiel in der Form eines chipför­ migen Bauelements;

Fig. 14 eine Explosionsdarstellung eines Resonators nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Form eines chipförmigen Bauelements;

Fig. 15 eine perspektivische Ansicht eines Körpers aus piezoe­ lektrischer Keramik, der in dem Resonator nach Fig. 14 verwendet wird;

Fig. 16 eine perspektivische Ansicht des Resonators;

Fig. 17 eines perspektivische Ansicht des fertigen Bauele­ ments gemäß Fig. 14;

Fig. 18 eine perspektivische Ansicht eines Resonators nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 19A und 19B einen als piezoelektrisches Filter dienenden Resona­ tor gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Er­ findung in einer Draufsicht und in einer schemati­ schen Draufsicht zur Illustration der Formen von unte­ ren Elektroden.

Ein piezoelektrischer Energiefallen-Resonator 21 nach einer ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung ist in Fig. 7A im Grundriß und in Fig. 7B in einer Frontansicht gezeigt.

Der Resonator 21 besitzt einen im wesentlichen rechteckigen Resonanz­ schwinger 22. Dieser weist eine piezoelektrische keramische Platte 23 auf, die in Richtung ihrer Dicke gleichförmig polarisiert ist, sowie Elektroden 24 und 25, die auf beiden Hauptflächen der Platte 23 ausgebildet sind. An die Elektroden 24 und 25 wird eine Wechselspannung angelegt, um den Reso­ nanzschwinger 22 zu heftigen Schwingungen in einer Breiten-Dehnungsmode anzuregen.

Die Schwingungsknoten der Schwingung in der Breiten-Dehnungsmode lie­ gen in der Mitte der rechteckigen Platte 23 und an den Mittelbereichen ih­ rer beiden kürzeren Kanten 23a und 23b. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind deshalb Tragteile 26 und 27 an die Mittelabschnitte der kürzen Kanten 23a und 23b der Platte 23 gekoppelt. Darüber hinaus sind dynamische Dämp­ fer 28 und 29 an die jeweiligen anderen Enden der Tragteile 26 und 27 ge­ koppelt. Die dynamischen Dämpfer 28 und 29 sind so angeordnet, daß sie schwingende Teile in der Form länglicher Stäbe bilden, die sich an den freien Enden der Tragteile 26 und 27 rechtwinklig zu deren Längsrichtung erstrecken. Diese dynamischen Dämpfer 28 und 29 haben dieselbe Resonanz­ frequenz wie die Leckschwingung, die durch die Tragteile 26 und 27 übertra­ gen wird.

Verbindungsteile 30 und 31 sind jeweils mit einem Ende an die Außenseite des dynamischen Dämpfers 28 bzw. 29 gekoppelt, während Halteteile 32 und 33, an denen der Resonator 21 gehalten werden kann, an die äußeren Enden der Verbindungsteile 30 und 31 gekoppelt sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Tragteile 26 und 27, die dynami­ schen Dämpfer 28 und 29, die Verbindungsteile 30 und 31 und die Halteteile 32 und 33 in einem Stück miteinander ausgebildet. Hierzu wird eine Platte aus piezoelektrischer Keramik so bearbeitet, daß sie die in Fig. 7A gezeigte Grundrißform erhält und so die oben genannten Teile bildet. Die entgegenge­ setzten längeren Kanten dieser piezoelektrischen Platte, die zunächst eine im wesentlichen rechteckige Form besitzt, werden durch geeignete Bearbei­ tung ausgeklinkt, um die Tragteile 26 und 27 und die Verbindungsteile 30 und 31 zu bilden, und die dynamischen Dämpfer 28 und 29 werden mit Hilfe eines Schneiders, beispielsweise eines Diamantschneiders, auf die vorge­ schriebene Länge geschnitten.

Alternativ können die Tragteile 26 und 27, die dynamischen Dämpfer 28 und 29, die Verbindungsteile 30 und 31 und die Halteteile 32 und 33, die sich an die Außenseiten der Platte 23 anschließen, auch getrennt voneinander herge­ stellt und dann durch Klebemittel oder dergleichen zusammengefügt werden.

Auf je einer Hauptfläche der Halteteile 32 und 33 ist eine Klemmenelektrode 34 bzw. 35 ausgebildet. Um die Klemmenelektroden 34 und 35 elektrisch mit den Elektroden 24 und 25 zu verbinden, sind leitfähige Verbindungs­ bahnen 36 und 37 so angeordnet, daß sie sich jeweils über eine Hauptfläche oder Tragteile 26 und 27, der dynamischen Dämpfer 28 und 29 und der Ver­ bindungsteile 30 und 31 erstrecken.

Bei dem Resonator 21 nach diesem Ausführungsbeispiel wird eine Wechsel­ spannung an die Klemmenelektroden 34 und 35 angelegt, um eine heftige Schwingung in einer Breiten-Dehnungsmode in dem Resonanzschwinger 22 anzuregen. Die Schwingungsknoten dieser Schwingung liegen in der Mitte sowie in dem Mittelbereich der kürzen Kanten 23a und 23b der piezoelektri­ schen Platte 23. Da die Tragteile 26 und 27 an die Mittelabschnitte der kür­ zen Kanten 23a und 23b gekoppelt sind, wird kaum eine Leckschwingung auf die Tragteile 26 und 27 übertragen, wenn die Platte 23 korrekt in der vorge­ sehenen rechteckigen Sollform gearbeitet ist. Somit bleibt die Resonanzener­ gie zuverlässig zwischen den Tragteilen 26 und 27 eingeschlossen.

Wie jedoch in Fig. 7A gezeigt ist, können die Nuten, die die Tragteile 26 und 27 begrenzen, von den korrekten Positionen abweichen, so daß auch die Form der piezokeramischen Platte 23 von der rechteckigen Sollform ab­ weicht. In diesem Fall ergibt sich eine Übertragung von Leckschwingungse­ nergie auf die Tragteile 26 und 27, ähnlich wie bei dem in Fig. 1A und 1B gezeigten Resonator.

Bei dem Resonator 21 werden diese Leckschwingungen jedoch aufgrund der dynamischen Dämpfung durch die Wirkung der dynamischen Dämpfer 28 und 29 wirksam unterdrückt. Aus diesem Grund gelangt die Schwingung kaum an die Verbindungsteile 30 und 31 und die Halteteile 32 und 33, die sich außerhalb der dynamischen Dämpfer 28 und 29 befinden. Somit ist es möglich, auch in diesem Fall die Resonanzenergie zuverlässig in dem Bereich zwischen den dynamischen Dämpfern 28 und 29 einzuschließen.

Fig. 8 und 9 zeigen die Impedanz-Frequenz-Kurve und die mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode analysierte Auslenkungsverteilung für den Resona­ tor 21 nach diesem Ausführungsbeispiel, bei dem die kürzeren Kanten 23a und 23b der Platte 23 eine Maßabweichung dx von 50 µm aufweisen, wie in Fig. 7A gezeigt ist.

Wie deutlich aus Fig. 8 und 9 hervorgeht, wird durch die Wirkung der dy­ namischen Dämpfer 28 und 29 die Resonanzenergie zuverlässig in dem Be­ reich zwischen diesen Dämpfern eingeschlossen, so daß keine Störung (Auf­ spaltung) der Resonanzkurve auftritt.

Die in Fig. 8 und 9 gezeigten Ergebnisse basieren auf einer Simulation nach der Finite-Elemente-Methode. Die Richtigkeit dieser Ergebnisse wird nunmehr durch ein konkretes Versuchsbeispiel belegt.

Um den Effekt der dynamischen Dämpfer 28 und 29 zu bestätigen, wurde aus einer piezoelektrischen Blei-Titanat-Zirkonat-Keramik eine Probe eines piezoelektrischen Resonators 21 hergestellt, bei dem die rechteckige Platte 23 die Abmessungen von 2,0 x 2,8 mm hatte. Die Tragteile 26 und 27 hatten eine Breite von 0,6 mm und eine Länge von 0,8 mm, und die dynamischen Dämpfer 28 und 29 hatten eine Gesamtlänge von 0,9 mm und eine Breite von 0,6 mm. Für diese Probe wurde die Impedanz-Frequenz-Kurve aufgenommen. Zum Vergleich wurde ein Vergleichsbeispiel des piezoelektrischen Resona­ tors nach Fig. 1A und 1B ähnlich wie oben hergestellt, mit der Ausnah­ me, daß keine dynamischen Dämpfer 28 und 29 vorgesehen wurden, und die Impedanz-Frequenz-Kurve wurde auch für dieses Vergleichsbeispiel aufge­ nommen.

Fig. 10 und 11 zeigen die Impedanz-Frequenz-Kurven für das Vergleichsbeispiel und für die erfindungsgemäße Probe.

In Fig. 10 ist deutlich eine Aufspaltung der Resonanzkurve zu erkennen, die durch Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung verursacht wurde, während in Fig. 11 bei der Resonanzkurve für die erfindungsgemäße Probe keine solche Aufspaltung zu beobachten ist.

Fig. 12 zeigt einen piezoelektrischen Energiefallen-Resonator 41 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ähnlich wie bei dem er­ sten Ausführungsbeispiel besitzt dieser Resonator 41 einen Resonanzschwin­ ger 42 in der Form einer rechteckigen Platte. Zwei Resonanzelektroden 42b und 42c sind auf der Oberseite der den Resonanzschwinger bildenden pie­ zoelektrischen Platte 42a längs deren längeren Kanten ausgebildet. Die Platte 42a ist in Richtung des Pfeiles P von der Resonanzelektrode 42b zu der Reso­ nanzelektrode 42c polarisiert.

Wenn eine Wechselspannung an die Resonanzelektroden 42b und 42c ange­ legt wird, schwingt deshalb der Resonanzschwinger 42 in einer Breiten-Deh­ nungsmode. In diesem Fall wird der Resonanzschwinger 42 parallel zu dem angelegten elektrischen Feld ausgelenkt, d. h., der Resonator 41 arbeitet mit dem longitudinalen piezoelektrischen Effekt.

Auch bei dem Resonator 41 nach diesem Ausführungsbeispiel sind Tragteile 46 und 47 an Knotenpunkte der Schwingung des Resonanzschwingers 42 ge­ koppelt, und Halteteile 48 und 49 sind an die äußeren Enden der Tragteile 46 und 47 gekoppelt. In Fig. 12 bezeichnen die Bezugszeichen 44a und 45a leitende Verbindungsbahnen, und die Bezugszeichen 50 und 51 bezeichnen Klemmenelektroden.

Wie das Beispiel nach Fig. 12 zeigt, ist die Erfindung nicht auf Resonatoren beschränkt, die mit dem transversalen piezoelektrischen Effekt arbeiten.

Fig. 13 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines chipförmigen piezoelektrischen Resonanz-Bauelements, das auf der Basis des in Fig. 7A und 7B gezeigten piezoelektrischen Resonators 21 nach dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel hergestellt wurde.

Bei diesem chipförmigen Bauelement sind Schutz-Substrate 104 und 105 un­ ter Zwischenfügung von rahmenförmigen Abstandshaltern 102 und 103 an den Ober- und Unterseiten einer Resonanzplatte 101 angebracht.

Die Resonanzplatte 101 wird hergestellt, indem Distanzplatten 106 und 107 mit einem Klebemittel seitlich an den zuvor beschriebenen Resonator 21 an­ geklebt werden. Die Distanzplatten 106 und 107 haben jeweils auf der Innen­ seite eine Ausnehmung 106a bzw. 107a, die einen Hohlraum bildet, der die Schwingung der schwingenden Teile des Resonators 21, d. h., des Resonanz­ schwingers 22 und der dynamischen Dämpfer 28 und 29 gestattet. Die Distanzplatten 106 und 107 bestehen beispielsweise aus isolierender Keramik wie Aluminiumoxid oder aus Kunstharz und haben im wesentlichen dieselbe Dicke wie der Resonator 21. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Distanz­ platten 106 und 107 mit Hilfe eines isolierenden Klebers an die Halteteile 32 und 33 des Resonators 21 angeklebt. Der Resonanzschwinger 22 und die dy­ namischen Dämpfer 28 und 29 des Resonators 21 sind somit in einer Öff­ nung in der Form eines rechteckigen Rahmens untergebracht, der durch die Distanzplatten 106 und 107 und die Halteteile 32 und 33 gebildet wird. Das Bezugszeichen 108 in Fig. 13 bezeichnet eine Blindelektrode.

Die Abstandschalter 102 und 103, die durch rechteckige rahmenförmige Kle­ befilme gebildet werden, dienen zum Zusammenfügen der Resonanzplatte 101 mit den Schutz-Substraten 104 und 105. Diese Abstandshalter 102 und 103 haben jeweilige Öffnungen 102a und 103a, durch die Hohlräume über und unter dem Resonator 21 gebildet werden, die die Schwingung der schwingenden Teile des Resonators 21 gestatten.

Alternativ können die Abstandshalter 102 und 103 fortgelassen werden, und ein Klebemittel kann in Form eines rechteckigen Rahmens auf die Unterseite des Schutz-Substrats 104 und die Oberseite des Schutz-Substrats 105 aufge­ bracht werden, um die obengenannten Hohlräume zu schaffen, die die Schwingung ermöglichen.

Es ist möglich, ein chipförmiges piezoelektrisches Resonanz-Bauelement herzustellen, indem die Resonanzplatte 101, die Abstandshalter 102 und 103 und die Schutz-Substrate 104 und 105 in der in Fig. 13 gezeigten Weise übereinandergestapelt werden und äußere Elektroden an zwei seitlichen Oberflächen des so erhaltenen Laminats angebracht werden. Äußerlich ähnelt das so erhaltene chipförmige Bauelement dem in Fig. 17 gezeigten, das spä­ ter beschrieben wird.

Bei dem oben beschriebenen Bauelement ist der Resonator 21 durch einen isolierenden Kleber mit den Distanzplatten 106 und 107 verklebt. Wenn an den in Fig. 13 durch Pfeile A gezeigten Klebestellen ein Klebefehler auftritt, so ist die Dichtung beeinträchtigt. In diesem Fall werden bestimmte Eigen­ schaften des Bauelements, beispielsweise die Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit verschlechtert.

Ein Ausführungsbeispiel, bei dem dieses Problem der geringeren Wider­ standsfähigkeit gegen Feuchtigkeit vermieden wird, wird nachfolgend an­ hand der Fig. 14 bis 17 erläutert. Fig. 14 Ist eine perspektivische Ex­ plosionsdarstellung entsprechend Fig. 13 und zeigt ein Bauelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Bauelement wird anstelle des piezoelektrischen Resonators 21 und der Distanzplatten 106 und 107 nach Fig. 13 ein piezoelektrischer Resonator 111 in der Form eines rechteckigen Rahmens verwendet. Andere Komponenten, d. h., die Ab­ standshalter 102 und 103 und die Schutz-Substrate 104 und 105 sind denen in Fig. 13 ähnlich, so daß auf eine nochmalige Beschreibung verzichtet wird.

Der Resonator 111 wird durch eine einzige Platte 112 aus piezoelektrischer Keramik gebildet, die perspektivisch in Fig. 15 gezeigt ist. Diese piezokera­ mische Platte 112 wird dadurch erhalten, daß man eine ursprünglich recht­ eckige Platte aus piezoelektrischer Keramik durch mechanische Bearbeitung, Ätzen oder mittels eines Laserstrahls in die in Fig. 15 gezeigte Form bringt. In dieser Platte 112 sind ein Tragteil 113 in der Form eines rechteckigen Rahmens mit einer Öffnung 113a, ein Platten-Teil 114, das den Resonanz­ schwinger bildet, und Platten-Teile 115 und 116, die die dynamischen Dämpfer bilden, in einem Stück ausgebildet. Elektroden werden ähnlich wie bei dem Resonator 21 auf der Platte 112 angeordnet, so daß man den in Fig. 16 gezeigten piezoelektrischen Resonator 111 erhält.

Der Resonator 111 hat somit einen solchen Aufbau, daß der Resonator 21 und die Distanzplatten 106 und 107 nach Fig. 13 zu einem einzigen Bauteil inte­ griert sind. Die dynamischen Dämpfer und die Elektroden des Resonators 111 sind deshalb mit denselben Bezugszeichen wie bei dem Resonator 21 be­ zeichnet.

Der aus einer einzigen piezokeramischen Platte hergestellte Resonator 111 gemäß Fig. 14 ist unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit, da er keine Klebe­ stellen in den Bereichen seitlich des Resonanzschwingers und der dynami­ schen Dämpfer besitzt.

Fig. 17 ist eine perspektivische Ansicht eines chipförmigen piezoelektri­ schen Resonanz-Bauelements 120, das durch Übereinanderschichten der in Fig. 14 gezeigten Komponenten, d. h., des Resonators 111, der Abstandshal­ ter 102 und 103 und der Schutz-Substrate 104 und 105 gebildet wird. Dieses Bauelement 120 besitzt äußere Elektroden 122 und 123, die zwei entgegen­ gesetzte Stirnflächen des durch Zusammenfügen der oben genannten Bauteile erhaltenen Laminats 121 bedecken. Somit kann das Bauelement 120 ähn­ lich wie andere chipförmige elektronische Bauelemente durch Oberflächen­ montage auf einer gedruckten Schaltungsplatine oder dergleichen angebracht werden.

Fig. 18 zeigt eine Abwandlung des zuvor beschriebenen Resonators 111. Der in Fig. 18 gezeigte piezoelektrische Resonator 131 besitzt ein Tragfell 132 in der Form eines rechteckigen Rahmens und einen Resonanzschwinger 133, der in einem Stück mit dem Tragteil 132 ausgebildet ist. Der Resonanz­ schwinger 133 ist ähnlich wie bei dem in Fig. 12 gezeigten Resonator 41 ausgebildet. Gleiche Teile sind deshalb mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 12 bezeichnet.

Auch bei dem Resonator 131 kann das Eindringen von Feuchtigkeit in das aus diesem Resonator hergestellte chipförmige Bauelement wirksam verhindert werden, da das rahmenförmige Tragteil 132 in einem Stück mit dem Reso­ nanzschwinger 133 ausgebildet ist.

Bei jedem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele ist in dem piezoe­ lektrischen Resonator ein einziger Resonanzschwinger vorgesehen, der mit einer Breiten-Dehnungsmode arbeitet. Die Erfindung ist jedoch auch auf einen piezoelektrischen Resonator anwendbar, der mit mehreren in der Breiten-Dehnungsmode schwingenden Resonanzschwingern versehen ist. Fig. 19A zeigt einen Grundriß eines solchen piezoelektrischen Resonators 141, und Fig. 19B zeigt die Umrisse von Elektroden, die sich auf der Unter­ seite der piezokeramischen Platte des Resonators 141 nach Fig. 19A befin­ den.

Der Resonator 141, der als Zweimoden-Filter ausgebildet ist, besitzt erste und zweite Resonanzschwinger 142 und 143, die in der Breiten-Dehnungs­ mode schwingen. Die Resonanzschwinger 142 und 143 sind als rechteckige Platten aus piezoelektrischer Keramik ausgebildet, die einheitlich in Rich­ tung ihrer Dicke polarisiert sind. Auf einer Hauptfläche der Platten 142 und 143 sind Elektroden 142a und 143a ausgebildet, die als Resonanzelektroden dienen, und auf der Unterseite dieser Platten sind Elektroden 142b und 143b vorgesehen, die als Erdungselektroden dienen.

Die Resonanzschwinger 142 und 143 werden jeweils zu einer Schwingung in der Breiten-Dehnungsmode angeregt und sind an Schwingungsknoten dieser Schwingung durch ein Verbindungsteil 144 miteinander verbunden. Auf der Unterseite sind die Elektroden 142b und 143b durch eine auf der unteren Oberfläche des Verbindungsteils 144 angebrachte leitende Verbindungsbahn elektrisch miteinander verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, ein piezoe­ lektrisches Zweimoden-Filter zu bilden, das symmetrische und asymmetri­ sche Moden verwendet, indem die Elektroden 142a und 143a als Eingangs- und Ausgangselektroden und die unteren Elektroden 142b und 143b als Er­ dungselektroden geschaltet werden.

Das wesentliche Merkmal dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß zwei Resonanzschwinger 142 und 143 vorgesehen sind. Im übrigen ist die Anordnung ähnlich wie bei dem Resonator 21. Insbesondere sind auch hier dynamische Dämpfer 145 und 146 vorgesehen, die durch außen an den er­ sten und zweiten Resonanzschwingern 142 und 143 angebrachte schwin­ gungsübertragende Teile zu Resonanz in einer Biegemode angeregt werden und die mit ihren äußeren Enden über Verbindungsstäbe mit einem Tragteil 147 in der Form eines rechteckigen Rahmens gekoppelt sind. Somit liegen die beiden Resonanzschwinger 142 und 143 und die übrigen schwingenden Teile in einer Öffnung 147a des rahmenförmigen Tragteils 147. Die Reso­ nanzschwinger 142 und 143 und die übrigen in der Öffnung 147a liegenden Teile sind in einem Stück mit dem Tragteil 147 ausgebildet und werden durch mechanische Bearbeitung oder Ätzen aus einer einzigen Platte aus pie­ zoelektrischer Keramik hergestellt.

Wahlweise kann anstelle von piezoelektrischer Keramik auch ein anderes pie­ zoelektrisches Material verwendet werden, beispielsweise ein piezoelektri­ scher Einkristall aus LiTaO₃, LiNbO₃ oder dergleichen oder ein Polymer, das piezoelektrische Eigenschaften besitzt.

Weiterhin kann der Resonanzschwinger oder Resonator auch durch ein Ver­ bundmaterial gebildet werden, bei dem eine piezoelektrische Schicht auf ei­ ner Metallplatte oder einer nicht-piezoelektrischen Halbleiterplatte ange­ bracht ist.

Ein Resonanzschwinger in der Form einer Platte mit rechteckigem Grundriß mit einer kürzeren Seite a und einer längeren Seite b, läßt sich besonders gut zu Schwingungen in einer Breiten-Dehnungsmode anregen, wenn dem das Seitenverhältnis b/a mit einer Toleranz von +10% der folgenden Glei­ chung genügt:

b/a = n(-1,74 σ + 1,88),

wobei σ das Poisson-Verhältnis des den Vibrator bildenden Materials und n eine ganze Zahl ist.

Claims (16)

1. Resonator mit:

• - einem zu Schwingungen in einer Breiten-Dehnungsmode fähigen Reso­ nanzschwinger (22; 42; 142, 143) in der Form einer rechteckigen Platte,
• - einem Tragteil (26, 27), das im Bereich eines Schwingungsknotens mit dem Resonanzschwinger verbunden ist, und
• - einem an anderer Stelle mit dem Tragteil verbunden dynamischen Dämpfer (28, 29; 145, 146).

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanz­ schwinger (22; 42; 142, 143) durch eine Platte (23; 114) aus piezoelektri­ scher Keramik oder einem piezoelektrischen Kristall gebildet wird.

3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Verbin­ dungsteil (30, 31), das mit einem Ende mit der dem Tragteil (26, 27) entge­ gengesetzten Seite des dynamischen Dämpfers (28, 29) verbunden ist und dessen anderes Ende mit einem Halteteil (32, 33; 48, 49; 113; 147) verbun­ den ist.

4. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanz­ schwinger (22; 42; 142, 143), der Tragteil (26, 27), der dynamische Dämp­ fer (28, 29; 145, 146), der Verbindungsteil (30, 31) und der Halteteil (32, 33; 48, 49; 113; 147) in einem Stück ausgebildet sind.

5. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanz­ schwinger, der Tragteil, der dynamische Dämpfer, der Verbindungsteil und der Halteteil getrennte Bauteile sind, die durch Kleben miteinander verbun­ den sind.

6. Resonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Elektroden (24, 25; 42b, 42c; 142a, 142b, 143a, 143b) an dem Resonanzschwinger (22).

7. Resonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß je ein Tragteil (26, 27), ein dynamischer Dämpfer (28, 29; 145, 146), ein Verbindungsteil (30, 31) und ein Halteteil (32, 33; 48, 49; 113; 147) auf jeder Seite des Resonanzschwingers (22; 42; 142, 143) angeordnet ist.

8. Resonator nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Klemmenelektroden (34, 35; 50, 51), die jeweils auf einer Hauptfläche der beiden Halteteile (32, 33; 48, 49) ausgebildet sind.

9. Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmen­ elektroden (34, 35; 50, 51) elektrisch mit wenigstens zwei Elektroden (24, 25; 42b, 42c) an dem Resonanzschwinger (22; 42) verbunden sind.

10. Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanz­ schwinger (22) einen longitudinalen piezoelektrischen Effekt aufweist und in Richtung seiner Dicke polarisiert ist, und daß die Elektroden (24, 25) auf beiden Hauptflächen des Resonanzschwingers angeordnet sind.

11. Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanz­ schwinger (42) eine in einer zu ihrer Dicke senkrechten Richtung polarisierte piezoelektrische Platte ist und daß erste und zweite Elektroden (42b, 42c) in einem vorgegebenen Abstand zueinander auf derselben Hauptfläche des Resonanzschwingers angeordnet sind.

12. Resonator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Klemmenelektroden (50, 51) auf einer Hauptfläche der beiden auf entgegengesetzten Seiten angeordneten Halteteile (48, 49) angeordnet und elektrisch mit den ersten und zweiten Elektroden (42b, 42c) verbunden sind.

13. Resonator nach einem der Ansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet durch er­ ste und zweite Distanzplatten (106, 107), die seitlich an die Halteteile (33, 34) angeklebt sind und einen rechteckigen Hohlraum bilden, der den Reso­ nanzschwinger (22) und die dynamischen Dämpfer (28, 29) aufnimmt.

14. Resonator nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Distanzplatten und die Halteteile durch ein einstückiges Teil (113; 147) gebildet werden, das die Form eines rechteckigen Rahmens aufweist.

15. Resonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch jeweils unter Zwischenfügung eines Abstandshalters (102, 103) zur Bil­ dung eines Hohlraums für die schwingenden Teile auf den beiden Hauptflä­ chen des Resonators angebrachte Schutz-Substrate (104, 105), die zusam­ men mit dem Resonator ein chipförmiges Bauelement (120) bilden.

16. Resonator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ standshalter (102, 103) jeweils die Form eines rechteckigen Rahmens auf­ weisen.