DE4412964C2 - Resonator - Google Patents
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- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen Resonator gemäß dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1.
Piezoelektrische Resonatoren, die mit einer Schwingung in einer Dehnungs
mode und einer Kontur-Scherungsmode arbeiten, werden im allgemeinen im
Frequenzbereich von einigen 10 kHz bis 2 MHz eingesetzt.
Doch welche der oben genannten Schwingungsmoden man auch einsetzt, die
Knotenpunkte der Schwingung liegen stets nur auf Mittelpunkten der Haupt
flächen des Resonators, und deshalb ist es schwierig, den Resonator in stabi
ler Weise zu halten. Der oben genannte piezoelektrische Resonator wird mit
Federklemmen an den Knotenpunkten gehalten, die sich auf den Mittelpunk
ten seiner Hauptflächen befinden. Da jedoch in dem herkömmlichen piezoe
lektrischen Resonator, der mit einer Dehnungsmode oder einer Kontur
scherungsmode arbeitet, ein plattenförmiger Vibrator eingesetzt wird, kön
nen sich an den Berührungspunkten zwischen dem Resonator und den Fe
derklemmen Spannungen konzentrieren, die zum Bruch des Resonators füh
ren, wenn dieser durch solche Federklemmen gehalten wird.
Außerdem ist es schwierig, eine andere als die oben genannte Befestigungs
struktur zu verwenden und das aus dem piezoelektrischen Resonator aufge
baute Bauelement zu miniaturisieren, da sich die Knotenpunkte der Schwin
gung nur auf den Mittelpunkten der Hauptflächen befinden.
Aus DE 29 39 844 C2 ist ein Resonator der eingangs genannten Art bekannt,
bei dem der Resonanzschwinger ein Querschwinger in der Form einer recht
eckigen Platte ist. Das Seitenverhältnis der längeren Seite zur kürzeren Seite
liegt zwischen 1,25 und 1. Um die Querschwingungen zu ermöglichen, wird
der Resonanzschwinger entweder in der oben beschriebenen Weise an den
Mittelpunkten seiner Hauptflächen oder aber im wesentlichen an den Mittel
punkten seiner kürzeren Seiten eingespannt und gehalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Resonator zu schaffen, dessen Resonanz
schwinger in einer Breiten-Dehnungsmode schwingt und der für den Einsatz
in einem Frequenzbereich von einigen 100 kHz bis 2 MHz oder in einem
größeren Frequenzbereich geeignet ist und eine vereinfachte Befestigungs
struktur aufweisen kann, bei der die Gefahr von Spannungskonzentrationen
vermindert ist und bei der die Möglichkeit einer möglichst weitgehenden
Miniaturisierung der Gesamtabmessungen besteht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Resonanzschwinger mit
einem rechteckigen Grundriß vorgesehen, der zwei kürzere Seiten und zwei
längere Sei
ten aufweist. In diesem Resonanzschwinger liegt das Längenverhältnis b/a der längeren
Seite zur kürzeren Seite mit einer Toleranz von ± 10% bei dem folgenden
Wert:
b/a = n(-1,47σ + 1,88) (1),
wobei a die Länge der kürzeren Seite, b die Länge der längeren Seite, a das
Poisson-Verhältnis des den Vibrator bildenden Materials und n eine ganze
Zahl ist.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung weist der Resonator einen
Tragteil auf, der mit dem oben erwähnten Resonanzschwinger mit rechtecki
gem Grundriß im Bereich des einen Schwingungsknoten bildenden Mittel
punktes wenigstens einer seiner kürzeren Seiten verbunden ist.
Die Breiten-Dehnungsmode, die bei dem Resonator
der Erfindung verwendet wird, ist eine Schwingungsmode eines Resonanzschwingers
mit rechteckigem Grundriß, der sich in einem Schwingungszustand zwi
schen einer Dehnungs-Schwingung und einer Breiten-Schwingung befindet.
Bei der speziellen Ausführungsform der Erfindung wurde für den Anschluß
des Tragteils der Mittelbereich wenigstens einer der kürzeren Seiten ge
wählt, weil ein Resonanzschwinger mit rechteckigem Grundriß in der oben genannten
Breiten-Dehnungsmode nicht nur Schwingungsknoten an den Mittelpunkten
seiner Hauptflächen aufweist, sondern auch an den Mittelpunkten seiner kür
zeren Seiten. Bei dem erfindungsgemäßen Resonator kann somit der Schwin
ger auf einfache Weise gehalten werden, indem das Tragteil im
Mittelbereich wenigstens einer der kürzeren Seiten des Schwingers befestigt
oder an dieser Stelle einstückig mit dem Schwinger verbunden wird. Hierdurch
ist es möglich, die Gesamtabmessungen des Resonators im Vergleich zu her
kömmlichen piezoelektrischen Resonatoren, die mit einer Kontur-Schwin
gung arbeiten und kommerziell im Frequenzbereich von 1 bis 2 MHz einge
setzt wurden, zu verringern.
Durch Wahl eines geeigneten Materials für den Resonanzschwinger ist es somit möglich,
einen Resonator für die Verwendung in einem Frequenzbereich zu schaffen,
in dem bisher kaum geeignete Resonatoren zur Verfügung standen. Wenn der
Resonanzschwinger beispielweise aus piezoelektrischer Keramik besteht, kann ein
Energiefallen-Resonator geschaffen werden, der im Frequenzbereich von 800 kHz
bis 2 MHz und in einem größeren Frequenzbereich wirksam ist.
Gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung wird ein
Resonanzbauelement geschaffen, das mit dem oben genannten Resonator mit
einem in der Breiten-Dehnungsmode schwingenden Resonanzschwinger versehen ist.
Gehäuse-Substrate sind an den Ober- und Unterseiten des Resonators ange
bracht, um diesen zu halten, und in den Gehäuse-Substraten oder zwischen
diesen und dem Resonator sind Mittel zur Bildung von Hohlräumen vorgese
hen, die die Schwingung des schwingenden Teils des Resonators gestatten.
Die Befestigungsstruktur ist so weit vereinfacht, daß auf einfache Weise ein
einstückiges chipförmiges Resonanzbauelement geschaffen werden kann, in
dem die Gehäuse-Substrate in der oben beschriebenen Weise an der
Ober- und Unterseite des Resonators angebracht werden.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Resonanzschwingers oder
Vibrators in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 einen schematischen Grundriß zur Erläuterung einer
Dehnungsmode;
Fig. 3 einen schematischen Grundriß zur Erläuterung einer
Breiten-Dehnungsmode;
Fig. 4 einen schematischen Grundriß zur Erläuterung einer
Breiten-Mode;
Fig. 5A ein Diagramm der Auslenkungsverteilung in einer Brei
ten-Dehnungsmode, berechnet nach der Finite-Ele
mente-Methode;
Fig. 5B ein Diagramm zur Erläuterung von Koordinaten in
Fig. 5A;
Fig. 6 eine Beziehung zwischen Positionen längs einer Achse
X und Auslenkungsbeträgen in der Auslenkungsvertei
lung nach Fig. 5A;
Fig. 7 eine Beziehung zwischen Poisson-Verhältnissen und
Seitenverhältnissen b/a für die Anregung von Schwin
gungen in der Breiten-Dehnungsmode;
Fig. 8 die Beziehung zwischen den Verhältnissen b/a und
den Beträgen der relativen Auslenkung in der Auslen
kungsverteilung nach Fig. 5A;
Fig. 9 die Beziehung zwischen den Poisson-Verhältnissen
und den Seitenverhältnissen b/a;
Fig. 10A und 10B einen piezoelektrischen Resonator nach dem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung im Grundriß und in
einer Frontansicht;
Fig. 11 eine Auslenkungsverteilung des Resonators nach
Fig. 10A und 10B;
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen
Resonators nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
Fig. 13 einen Grundriß eines piezoelektrischen Resonators
nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 14 einen Grundriß eines piezoelektrischen Resonators
mit dynamischen Dämpfern nach einem vierten Aus
führungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 15 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines chip
förmigen Resonanzbauelements gemäß einem fünften
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 16 eine perspektivische Ansicht des Resonanzbauele
ments;
Fig. 17A und 17B Auslenkungsverteilungen für einen Vibrator mit dem in
Gleichung (1) angegebenen Seitenerhältnis mit n = 2
und für einen mit diesem Vibrator versehenen Resona
tor;
Fig. 18 eine perspektivische Explosionsdarsteilung eines chip
förmigen Resonanzbauelements mit einem Resonator
nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfin
dung;
Fig. 19 eine perspektivische Ansicht einer in dem Resonator
nach Fig. 18 verwendeten Platte aus Piezokeramik;
Fig. 20 eine perspektivische Ansicht des piezoelektrischen
Resonators;
Fig. 21 eine perspektivische Ansicht des Resonanzbauele
ments nach Fig. 18;
Fig. 22 eine perspektivische Ansicht einer Abwandlung des
piezoelektrischen Resonators mit einem Tragteil in
der Form eines rechteckigen Rahmens;
Fig. 23A einen Grundriß eines als piezoelektrischer Filter aus
gebildeten Resonators gemäß einem siebten Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 23b die Grundrißform von Elektroden auf der Unterseite
des Resonators nach Fig. 23A; und
Fig. 24 eine perspektivische Ansicht eines Resonators gemäß
einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 bis 4 sind schematische Grundrißdarstellungen von Schwingungs
zuständen von Vibratoren, zur Illustration einer Dehnungsmode, einer Brei
ten-Dehnungsmode bzw. einer Breiten-Mode. Der Erfinder hat Schwingungs
zustände von Vibratoren in der Form rechteckiger Platten mit rechteckigem
Querschnitt nach der Finite-Elemente-Methode für unterschiedliche Längen
der kürzeren und längeren Seiten berechnet. Wenn das Verhältnis der Länge
b der längeren Seite zu der Länge a der kürzeren Seite 1 beträgt, d. h., wenn
der Vibrator 1 die Form eines Quadrats hat, wird die in Fig. 2 gezeigte Deh
nungsmode stark angeregt. In dieser Mode oszilliert die Umrißform des Vi
brators zwischen dem durch die gestrichelte Linie A angegebenen Umriß und
dem durch die strichpunktierte Linie B angegebenen Umriß. Die Ruhelage
des quadratischen Vibrators ist in durchgezogenen Linien eingezeichnet.
Wenn dagegen das Verhältnis b/a wesentlich größer ist als 1 (b/a » 1), so
wird die in Fig. 4 gezeigte Breiten-Mode stark angeregt, und dieser recht
eckige Vibrator 2 oszilliert zwischen der in Fig. 4 durch die gestrichelte Li
nie A angegebenen Umrißform und der in Fig. 4 durch die strichpunktierte
Linie B angegebenen Umrißform.
Weiterhin hat sich gezeigt, daß die in Fig. 3 gezeigte Breiten-Dehnungsmo
de stark angeregt wird, wenn das Verhältnis b/a größer ist als 1 aber kleiner
als der Wert, bei dem die Breiten-Mode stark angeregt wird.
In der Breiten-Dehnungsmode oszilliert der rechteckige Vibrator 3 mit dem
geeignet gewählten Seitenverhältnis b/a zwischen der in Fig. 3 durch die
strichpunktierte Linie A angegebenen Umrißform und der in Fig. 3 durch
die gestrichelte Linie B angegebenen Umrißform.
Die letztgenannte Schwingungsmode ist Breiten-Dehnungsmode genannt
worden, weil sie offensichtlich eine Schwingungsmode zwischen den bekann
ten Dehnungs- und Breiten-Moden ist. Auf der Grundlage dieser Erkenntnis
se hat der Erfinder einen piezoelektrischen Resonator mit einer piezoelek
trischen Membran hergestellt, bei der das Verhältnis b/a einen bestimmten
Wert hat. Fig. 1 zeigt einen in dieser Weise hergestellten piezoelektrischen
Resonator 5. Dieser Resonator 5 umfaßt eine Platte 6 aus piezoelektrischer
Keramik mit einem rechteckigen Grundriß, bei dem die kürzeren- Seiten die
Länge a und die längeren Seiten die Länge b haben, und Elektroden 7 und 8,
die die Hauptflächen der Platte 6 vollständig bedecken. Die piezokeramische
Platte 6 ist einheitlich in Richtung ihrer Dicke polarisiert, wie durch den
Pfeil P angegeben wird.
Bei dem oben beschriebenen Resonator 5 wurde das Verhältnis b/a variiert,
um die oben genannte Breiten-Dehnungsmode anzuregen. Dabei hat sich ge
zeigt, daß die Breiten-Dehnungsmode am stärksten angeregt wurde, wenn
die Gleichung b/a = -1,47σ + 1,88 erfüllt war. Fig. 5A zeigt die Auslenkungs
verteilung im Resonator 5 für diesen Fall, die mit Hilfe der
Finite-Elemente-Methode analysiert wurde.
Für diese nach der Finite-Elemente-Methode analysierten Auslenkungsvertei
lung wurden die Auslenkungszustände der jeweiligen Teile in dem in Fig.
5B gezeigten Koordinatensystem mit dem Ursprung O am Mittelpunkt einer
Hauptfläche des Resonators 5 und mit den x- und y-Achsen mit der in Fig.
5B gezeigten Orientierung gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 gezeigt.
Es ist zu erkennen, daß die Beträge der Auslenkungen am Ursprung O und an
einem Punkt X₁ in Fig. 5B, d. h., im Mittelbereich jeder kürzeren Seite am
kleinsten war, während die stärkste Auslenkung in einer mittleren Position
zwischen diesen Minima auftrat. Dies bedeutet, daß Schwingungsknoten in
der Mitte jeder Hauptfläche und in den Mittelbereichen der kürzeren Seiten
des in der Breiten-Dehnungsmode schwingenden Resonators 5 liegen. Somit
ist es möglich, den Resonator 5 ohne Behinderung der Schwingung in der
Breiten-Dehnungsmode zu halten, indem er in der Mitte jeder Hauptfläche
oder durch andere Tragteile an den Mittelbereichen seiner kürzeren Seiten
gehalten wird.
Es hat weiterhin gezeigt, daß eine ähnliche Breiten-Dehnungsmode mit
Schwingungsknoten in den Mittelbereichen der kürzeren Seiten auch dann
angeregt wird, wenn das oben genannte Verhältnis b/a ein ganzzahliges Viel
faches des Wertes -1,47σ + 1,88 ist. Dies wird nunmehr unter Bezugnahme
auf Fig. 17A und 17B erläutert. Fig. 17A zeigt die Auslenkungsverteilung
in einem Vibrator mit einem durch die Gleichung (1) gegebenen Verhältnis
b/a für n = 2, die nach der Finite-Elemente-Methode analysiert wurde. Aus
dieser Darstellung geht hervor, daß auch in diesem Fall eine ähnliche
Schwingung in einer Breiten-Dehnungsmode angeregt wird.
Fig. 17B zeigt die Auslenkungsverteilung in einem Resonator der den Vibra
tor mit dem Seitenverhältnis b/a mit n = 2 und an die Mittelbereiche der
kürzeren Seiten des Vibrators gekoppelte Tragteile sowie außen an den Trag
teilen angebrachte Halteteile aufweist. In Fig. 17B ist deutlich zu erkennen,
daß der zwischen den Tragteilen angeordnete Vibrator in einer Breiten-Deh
nungsmode angeregt wird und praktisch keine Auslenkung auf die Tragteile
übertragen wird.
Weiterhin hat sich bestätigt, daß das oben genannte Verhältnis b/a zu dem
Poisson-Verhältnis des piezoelektrischen Resonators 5 in Beziehung steht.
Das Poisson-Verhältnis des Vibrators wurde variiert, und die Verhältnisse
b/a, bei denen die oben genannte Breiten-Dehnungsmode angeregt werden
konnte, wurden gegen das Poisson-Verhältnis aufgetragen. Die Ergebnisse
sind in Fig. 7 gezeigt. Es ist zu erkennen, daß die Breiten-Dehnungsmode
zuverlässig angeregt werden kann, wenn das Verhältnis b/a gemäß der For
mel:
b/a = n(-1,47σ + 1,88) (2)
gewählt wird, wobei n eine ganze Zahl ist. Die oben genannte Formel ist die
Gleichung der in Fig. 7 erkennbaren Geraden.
Weiterhin wurde erkannt, daß eine Breiten-Dehnungsmode nicht nur dann
stark angeregt wird, wenn das Verhältnis b/a die Gleichung (1) exakt erfüllt,
sondern auch dann, wenn dieses Verhältnis geringfügig von dem Wert nach
der Gleichung (1) abweicht. Um dies festzustellen, wurde eine Platte aus Pie
zokeramik mit einem Poisson-Verhältnis von 0,324 verwendet, und das Ver
hältnis b/a wurde variiert, und es wurde festgestellt, bei welchen Verhältnis
sen die Breiten-Dehnungsmode auftrat. Hierzu wurde die relative Auslenkung
D(X₁)/D(c) des Punktes X₁ in Fig. 5B in Bezug auf den Punkt C (siehe Fig.
5B), an dem die Auslenkung in der Breiten-Dehnungsmode maximal ist, ge
messen, wobei D(X₁) die Auslenkung am Punkt X₁ und D(C) die Auslenkung
am Punkt C angibt. Die Ergebnisse sind in Fig. 8 gezeigt.
Es ist zu erkennen, daß die relative Auslenkung innerhalb eines Bereichs von
± 10% bleibt, wenn das Verhältnis b/a bei der Poisson-Zahl von σ = 0,324 im
Bereich von 1,26 bis 1,54 liegt. Es wurden dann mehrere Proben des in Fig.
1 gezeigten plezoelektrischen Resonators 5 hergestellt, bei denen die Ver
hältnisse b/a innerhalb des Bereichs von ± 10% um den Optimalwert streu
ten, und Tragteile wurden an den Mittelbereichen der kürzeren Seiten ange
bracht, und es wurden dann die Resonanzeigenschaften dieser Proben ge
messen. Dabei hat sich bestätigt, daß die Schwingung in der Breiten-Deh
nungsmode wirksam eingeschlossen bleibt, wenn die relative Auslenkung in
nerhalb des oben genannten Bereichs von 10% liegt.
Es ist somit möglich, einen günstigen Schwingungszustand in der oben ge
nannten Breiten-Dehnungsmode zu erreichen, indem das Verhältnis b/a mit
einer Toleranz von ±10% gemäß der Gleichung (1) gewählt wird.
In Fig. 9 gibt der Bereich zwischen der gestrichelten Linie und der strich
punktierten Linie für unterschiedliche Poisson-Verhältnisse den Bereich der
Seitenverhältnisse b/a an, innerhalb dessen besonders günstige Ergebnisse
erzielt werden.
Fig. 10A und 10B zeigen einen Grundriß und eine Frontansicht eines pie
zoelektrischen Resonators 11 mit einem in der Breiten-Dehnungsmode
schwingenden Vibrator gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin
dung, der auf der Grundlage der obigen Erkenntnisse hergestellt wurde. Der
Resonator 11 besitzt als Vibrator einen piezoelektrischen Resonanzschwinger
12 in der Form einer rechteckigen Platte mit rechteckigem Querschnitt. Der
Resonanzschwinger 12 weist eine Platte 13 aus piezoelektrischer Keramik
mit rechteckigem Grundriß auf, die gleichförmig in Richtung ihrer Dicke po
larisiert ist, und ist auf beiden Hauptflächen mit Resonanzelektroden 14 und
15 versehen, die sich jeweils über die gesamte Oberfläche der Platte 13 er
strecken. Tragteile 16 und 17 sind in den Mittelbereichen an die kürzeren
Seiten des Resonanzschwingers 12 angeschlossen, die den Schwingungskno
ten in der angeregten Breiten-Dehnungsmode entsprechen. An den äußeren
Enden der Tragteile 16 und 17 ist jeweils ein Halteteil 18 bzw. 19 ange
bracht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Tragteile 16 und 17 und die Halte
teile 18 und 19 in einem Stück mit der Platte 13 ausgebildet. Bei der Her
stellung wird eine ursprünglich rechteckige piezokeramische Platte so bear
beitet, daß sie die in Fig. 10A und 10B gezeigte Form erhält. Alternativ
können die Tragteile 16 und 17 und die Halteteile 18 und 19 auch getrennt
von dem Resonanzschwinger 12 hergestellt und dann durch ein geeignetes
Verfahren, beispielsweise durch Klebung, damit verbunden werden.
Die Resonanzelektroden 14 und 15 sind über leitende Verbindungsbahnen
14a und 15a, die jeweils auf einer Oberfläche des Tragteils 16 bzw. 17 ausge
bildet sind, mit auf je einer Hauptfläche der Halteteile 18 und 19 angebrach
ten Klemmenelektroden 20 und 21 verbunden.
Durch Anlegen einer Wechselspannung an die Klemmenelektroden 20 und
21 wird der Resonanzschwinger 12 zu Schwingungen in der Breiten-Deh
nungsmode angeregt. Bei dieser Schwingung werden die Mittelbereiche der
kürzeren Seiten des Resonanzschwingers 12 kaum ausgelenkt, da sie die
Schwingungsknoten bilden. Die Schwingung in der Breiten-Dehnungsmode
wird deshalb kaum auf die Tragteile 16 und 17 übertragen. Auf diese Weise ist
es möglich, die Schwingung wirksam zwischen den Tragteilen 16 und 17
einzuschließen.
Es hat sich als möglich erwiesen, mit diesem Ausführungsbeispiel einen
Energiefallen-Resonator zu schaffen, der für einen Frequenzbereich von 800 kHz
bis 2 MHz geeignet ist, da der Resonanzschwinger 12 eine Resonanzfre
quenz von 800 kHz aufweist, wenn seine Abmessungen 2,5×3,5 mm betra
gen, während die Resonanzfrequenz 2 MHz beträgt, wenn die Abmessungen
1,0×1,4 mm sind.
Selbstverständlich ändern sich die oben genannten Resonanzfrequenzen und
damit der nutzbare Frequenzbereich, wenn für den Resonanzschwinger 12
ein anderes Material verwendet wird. Somit ist es möglich, piezoelektrische
Energiefallen-Resonatoren zu schaffen, die in verschiedenen Frequenzberei
chen eingesetzt werden können, indem der Resonanzschwinger 12 aus un
terschiedlichen piezoelektrischen Materialien hergestellt wird.
Fig. 12 zeigt einen Energiefallen-Resonator 5 gemäß einem zweiten Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Metall
klemmen 22 und 23, die als Tragteile dienen, an Elektroden 7 und 8 angelö
tet, die den auf beiden Hauptflächen des Resonators 5 nach Fig. 1 ausgebil
deten Elektroden entsprechen. Das Seitenverhältnis b/a des piezoelektri
schen Resonators 5 ist wieder so gewählt, daß die Breiten-Dehnungsmode
stark angeregt wird. Auch hier bilden deshalb die Mittelabschnitte der kürze
ren Seiten seiner Hauptflächen Schwingungsknoten, und die Metallklemmen
22 und 23 sind in der Nähe dieser Schwingungsknoten angelötet. Auch in
diesem Fall wird deshalb die Schwingung in der Breiten-Dehnungsmode
durch die als Tragteile dienenden Metallklemmen 22 und 23 kaum behin
dert.
Fig. 13 zeigt einen piezoelektrischen Energiefallen-Resonator 31 gemäß
einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Resonator 31 besitzt
ähnlich wie der Resonator nach dem ersten Ausführungsbeispiel einen pie
zoelektrischen Resonanzschwinger 32 mit rechteckigem Grundriß. Zwei Re
sonanzelektroden 32b und 32c sind längs den längeren Seiten auf der oberen
Oberfläche einer den Resonanzschwinger oder Vibrator bildenden piezoelek
trischen Platte 32a angeordnet. Die Platte 32a ist in Richtung des Pfeiles P in
Fig. 13, d. h., in der Richtung von der Resonanzelektrode 32b zu der Reso
nanzelektrode 32c polarisiert. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel liegt das
Seitenverhältnis b/a des Resonanzschwingers 32 innerhalb eines Bereichs
von ± 10% in der Nähe des Punktes gemäß der Gleichung (1).
Wenn eine Wechselspannung an die Resonanzelektroden 32b und 32c ange
legt wird, oszilliert der Resonanzschwinger 32 in einer Breiten-Dehnungsmo
de. In diesem Fall wird der Resonanzschwinger 32 parallel zu dem angeleg
ten elektrischen Feld ausgelenkt, d. h., der Resonator 31 benutzt den longitu
dinalen piezoelektrischen Effekt.
Tragteile 36 und 37 sind an den Schwingungsknoten der Schwingung in der
Breiten-Dehnungsmode mit dem Resonanzschwinger 32 verbunden, und Hal
teteile 38 und 39 sind an den äußeren Enden der Tragteile 36 und 37 ange
bracht. Weiterhin zeigt Fig. 13 Klemmenelektroden 40 und 41 sowie leiten
de Verbindungsbahnen 34a und 35a, die die Klemmenelektroden mit den
Resonanzelektroden verbinden.
Wie das Beispiel nach Fig. 13 zeigt, ist die Erfindung nicht auf piezoelektri
sche Resonatoren beschränkt, die auf dem transversalen piezoelektrischen
Effekt beruhen.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist wesentlich, daß der
als rechteckige Platte ausgebildete Vibrator ein Seitenverhältnis b/a aufweist,
das in einem bestimmten Bereich gewählt ist, so daß die Schwingung in der
Breiten-Dehnungsmode angeregt werden kann, und daß Tragteile an die Mit
telbereiche der kürzeren Seiten angeschlossen sind, die der Position von
Schwingungsknoten der Breiten-Dehnungsmode entsprechen. Der Vibrator
muß jedoch nicht notwendigerweise aus einem piezoelektrischen Material
bestehen, sondern kann auch aus einem anderen Material hergestellt sein.
Zusätzlich können außerhalb der mit dem Vibrator verbundenen Tragteile dy
namische Dämpfer angebracht werden, um Leckschwingungen durch dyna
mische Dämpfung zu kompensieren. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in
Fig. 14 gezeigt.
Der in Fig. 14 gezeigte piezoelektrische Resonator 42 entspricht einer Ab
wandlung des piezoelektrischen Resonators 11 nach dem ersten Ausfüh
rungsbeispiel, das in Fig. 10A und 10B gezeigt ist.
An den äußeren Enden der Tragteile 16 und 17 ist hier jeweils ein dynami
scher Dämpfer 43 bzw. 44 angebracht. Verbindungsteile 45 und 46 sind an
die Mittelbereiche der äußeren Seitenflächen der dynamischen Dämpfer 43
und 44 angeschlossen und sind ihrerseits an ihren äußeren Enden mit den
Halteteilen 18 und 19 verbunden. Die dynamischen Dämpfer 43 und 44 sind
somit im Bereich der Tragteile in die in Fig. 10A und 10B gezeigte Struk
tur eingefügt. Die dynamischen Dämpfer 43 und 44 sind so ausgelegt, daß sie
durch das bekannte Phänomen der dynamischen Dämpfung Leckschwingun
gen unterdrücken, die über die Tragteile übertragen werden.
Fig. 15 und 16 zeigen eine Explosionsdarstellung und eine perspektivi
sche Ansicht eines chipförmiges Resonanzbauelements gemäß einem fünften
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der
in Fig. 10A und 10B gezeigte piezoelektrische Resonator 11 verwendet.
Abstandshalter 51 und 52, die die gleiche Dicke besitzen wie der piezoelek
trische Resonator 11, sind seitlich an den piezoelektrischen Resonator 11
angeklebt, so daß eine Resonanzplatte 53 gebildet wird.
Die Abstandshalter 51 und 52 haben einen im wesentlichen U-förmigen
Grundriß und sind an ihren beiden Enden mit den Halteteilen 18 und 19 des
Resonators 11 verbunden.
Diese Abstandshalter 51 und 52 können aus irgendeinem isolierenden Mate
rial, beispielsweise aus isolierender Keramik wie Aluminiumoxid oder aus
Kunstharz bestehen.
Auf der Ober- und Unterseite der Resonanzplatte 53 sind rahmenförmige Ab
standselemente 54 und 55 angebracht, und obere und untere Gehäuse-Sub
strate 56 und 57 sind mit Hilfe eines isolierenden Klebers auf die Abstandse
lemente 54 und 55 aufgeklebt, so daß ein chipförmiges Gehäuse gebildet
wird.
Durch die Abstandselemente 54 und 55 wird ein Hohlraum geschaffen, der
die Schwingung der schwingenden Teile des piezoelektrischen Resonators
11, d. h., des Resonanzschwingers 12 ermöglicht. Hierzu sind Öffnungen 54a
und 55a in den Abstandselementen 54 und 55 und die Dicke der Abstandse
lemente 54 und 55 entsprechend dimensioniert.
Die Abstandselemente 54 und 55 können aus isolierenden Harzfilmen, bei
spielsweise Polyethylenterephtalat-Filmen bestehen oder durch blattförmige
Klebefolien oder andere isolierenden Materialen gebildet werden.
Die Gehäuse-Substrate 56 und 57 können aus einem geeigneten syntheti
schen Material bestehen, beispielsweise aus isolierender Keramik wie Alumi
niumoxid, oder aus Kunstharz. Durch die Gehäuse-Substrate 56 und 57 wird
die Resonanzplatte 53 unter Zwischenfügung der Abstandselemente 54 und
55 gehalten, so daß insgesamt ein integriertes, chipförmiges Resonanzbauele
ment 60 geschaffen wird, wie in Fig. 16 gezeigt ist.
An diesem Resonanzbauelement 60 sind an beiden Stirnflächen eines durch
die Gehäuse-Substrate 56 und 57 und die Resonanzplatte 53 gebildeten Lami
nats 61 äußere Elektroden 62 und 63 angebracht. Die äußeren Elektroden
62 und 63 werden hergestellt, indem ein leitfähiges Material durch Plattie
ren, Vakuumbedampfung oder Sputtern aufgebracht wird.
Die äußeren Elektroden 62 und 63 sind vorzugsweise nicht nur auf den bei
den Stirnflächen des Laminats 61 aufgebracht, sondern erstrecken sich auch
auf die Ober- und Unterseiten des Laminats, wie in Fig. 16 gezeigt ist. Hier
durch wird die elektrische Verbindung mit einem Leiterbahnenmuster auf ei
ner gedruckten Schaltungsplatine oder dergleichen erleichtert, wenn das
Resonanzbauelement 60 auf einer solchen Schaltungsplatine montiert wird.
Um die Herstellung der äußeren Elektroden 62 und 63 auf den Ober- und
Unterseiten des Laminats 61 zu vereinfachen, werden bei diesem Ausfüh
rungsbeispiel Elektroden 56a und 56b vorab auf dem Gehäuse-Substrat 56 an
gebracht, wie in Fig. 15 gezeigt ist. Ein weiteres (nicht gezeigtes) Elektro
denpaar ist auf der Unterseite des Gehäuse-Substrats 57 angebracht.
Die Elektroden 56a und 56b müssen jedoch nicht notwendigerweise vorab
auf den Gehäuse-Substraten angebracht werden. Es ist auch möglich, nach
der Bildung des Laminats 61 ein Elektrodenmaterial für die äußeren Elektro
den so auf den Stirnflächen anzubringen, daß es sich auf die Oberseite und
die Unterseite des Laminats erstreckt, um die Elektroden 56a und 56b zu
bilden.
Während bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Abstandselemente
54 und 55 gesondert hergestellt werden, ist es auch möglich, konkave Berei
che mit einer den Öffnungen 54a und 55a der Abstandselemente 54 und 55
entsprechenden Grundrißform in der Unterseite des Gehäuse-Substrats 56
und der Oberseite des Gehäuse-Substrats 57 auszubilden, um die Hohlräume
zu schaffen, die die Schwingung der schwingenden Teile des Resonators 11
ermöglichen. In diesem Fall kann die Tiefe der konkaven Bereiche geeignet
gewählt werden, so daß die Abstandselemente 54 und 55 entfallen können.
Wahlweise kann auch ein isolierendes Klebemittel so auf der Unterseite des
Gehäuse-Substrats 56 und der Oberseite des Gehäuse-Substrats 57 aufge
bracht werden, daß es eine als rechteckiger Rahmen geformte isolierende
Klebeschicht mit geeigneter Dicke bildet, die anstelle der Abstandselemente
54 und 55 die Hohlräume für die Schwingung des Resonanzschwingers 12
des Resonators 11 schafft. Diese Klebeschichten dienen dann einerseits zur
Bildung der Hohlräume und andererseits zum Fixieren der Gehäuse-Substrate
56 und 57.
Während bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 15 und 16 der in Fig.
10A und 10B gezeigte piezoelektrische Resonator 11 verwendet wird, kön
nen ähnliche chipförmige Resonanzbauelemente auch unter Verwendung an
derer Resonatoren hergestellt werden, die gemäß Anspruch 1 mit einer Brei
ten-Dehnungsmode arbeiten. Beispielsweise kann der in Fig. 13 gezeigte
piezoelektrische Resonator 31 verwendet werden.
Bei dem in Fig. 16 gezeigten Resonanzbauelement 60 ist der piezoelektri
sche Resonator 11 durch ein isolierendes Klebemittel mit den Abstandshal
tern 51 und 52 verklebt (siehe Fig. 15). Wenn an den in Fig. 15 durch
Pfeile A bezeichnete Klebestellen Klebefehler auftreten, werden die Dich
tungseigenschaften beeinträchtigt, so daß das Resonanzbauelement 60 feuch
tigkeitsempfindlicher wird.
Ein Ausführungsbeispiel, bei dem dieses Problem der Feuchtigkeitsempfind
lichkelt vermieden wird, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 18
bis 21 beschrieben. Fig. 18 ist eine Explosionsdarstellung entsprechend
Fig. 15 zur Illustration eines chipförmigen Resonanzbauelements gemäß
einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungs
beispiel wird ein piezoelektrischer Resonator 11 in der Form eines recht
eckigen Rahmens anstelle des piezoelektrischen Resonators 11 und der Ab
standshalter 51 und 52 in Fig. 15 verwendet. Die übrigen Einzelheiten, d. h.,
die Abstandselemente 54 und 55 und die Schutz-Substrate oder Gehäuse-Sub
strate 56 und 57 sind ähnlich ausgebildet wie in Fig. 15.
Der Resonator 111 wird durch eine Platte 112 aus piezoelektrischer Keramik
gebildet, die in Fig. 19 perspektivisch gezeigt ist. Zur Herstellung der Platte
112 wird eine einzelne rechteckige Platte aus piezoelektrischer Keramik bei
spielsweise durch Ätzen mit einem Laserstrahl oder durch mechanische Be
arbeitung in die in Fig. 19 gezeigte Form gebracht. In dieser Platte 112 sind
ein rechteckiger rahmenförmiger Halteteil 113 mit einer Öffnung 113a und
ein den Resonanzschwinger bildender plattenförmiger Teil 114 in einem
Stück ausgebildet. Elektroden sind ähnlich wie bei dem plezoelektrischen
Resonator 11 auf der Platte 112 angebracht, um den in Fig. 20 gezeigten
piezoelektrischen Resonator 111 zu bilden.
Der Resonator 111 entspricht somit einer Struktur, bei der der in Fig. 15
gezeigte Resonator 111 und die Abstandshalter 51 und 52 zu einem ein
stückigen Bauteil integriert sind.
Dies hat den Vorteil, daß die in Fig. 15 mit A bezeichneten Klebestellen ver
mieden werden und somit das Resonanzbauelement wirksam gegen Feuchtig
keit geschützt ist.
Fig. 21 ist eine perspektivische Ansicht des chipförmigen Resonanzbauele
ments 120, das durch Übereinanderstapeln des Resonators 111, der Ab
standselemente 54 und 55 und der Schutz-Substrate 56 und 57 nach Fig.
18 gebildet wird. Äußere Elektroden 122 und 123 sind so angebracht, daß
sie die beiden Stirnflächen des so erhaltenen Laminats 121 sowie die angren
zenden Bereiche der Hauptflächen des Resonanzbauelements bedecken. So
mit kann das Resonanzbauelement 120 ähnlich wie andere chipförmige elek
tronische Bauelemente durch Oberflächenmontage auf einer gedruckten
Schaltungsplatine oder dergleichen angebracht werden.
Fig. 22 zeigt eine Abwandlung des zuvor beschriebenen Resonators 111. Der
in Fig. 22 gezeigte Resonator 131 besitzt einen Halteteil 132 in der Form
eines rechteckigen Rahmens und einen Resonanzschwinger 133, der in
einem Stück mit dem Halteteil 132 ausgebildet ist. Der Resonanzschwinger
133 ist ähnlich ausgebildet wie bei dem in Fig. 13 gezeigten Resonator 31,
so daß bezüglich der Einzelheiten auf die dortige Beschreibung verwiesen
werden kann.
Auch wenn der Resonator 131 zur Bildung eines chipförmigen Resonanzbaue
lements verwendet wird, läßt sich aufgrund der einstückigen Bauweise des
Resonators ein wirksamer Feuchtigkeltsschutz erreichen.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen weist der piezoelektri
sche Resonator jeweils nur einen einzigen für Schwingungen in der Breiten-Deh
nungsmode ausgebildeten Resonanzschwinger auf. Die Erfindung ist je
doch auch auf Resonatoren mit mehreren Resonanzschwingern anwendbar.
Ein solches Ausführungsbeispiel wird nunmehr unter Bezugnahme auf Fig.
23A und 23B beschrieben. Fig. 23A zeigt einen Grundriß eines solchen ple
zoelektrischen Resonators 141, und Fig. 23B zeigt die Form und Anordnung
von Elektroden auf der Unterseite dieses Resonators.
Der Resonator 141 ist als piezoelektrischer Zweimoden-Filter ausgebildet
und besitzt erste und zweite piezoelektrische Resonanzschwinger 142 und
143, die zu Schwingungen in der Breiten-Dehnungsmode fähig sind. Die Re
sonanzschwinger 142 und 143 werden jeweils durch eine rechteckige Platte
aus piezoelektrischer Keramik gebildet, die in Richtung ihrer Dicke einheit
lich polarisiert ist. Elektroden 142a und 143a sind auf einer Hauptfläche der
Resonanzschwinger ausgebildet und dienen als Resonanzelektroden, und auf
der Unterseite sind Elektroden 142b und 143d angebracht, die als Erdungs
elektroden dienen.
Die ersten und zweiten Resonanzschwinger 142 und 143 werden jeweils in
der Breiten-Dehnungsmode angeregt und sind im Bereich ihrer Schwin
gungsknoten durch einen Verbindungsteil 144 miteinander verbunden. Die
Elektroden 142b und 143b auf der Unterseite sind durch eine auf der Unter
seite des Verbindungsteils 144 ausgebildete Leiterbahn elektrisch miteinan
der verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, einen piezoelektrischen Zwei
moden-Filter zu bilden, der mit symmetrischen und asymmetrischen Moden
arbeitet, indem die Elektroden 142a und 143a als Eingangs- und Ausgangse
lektroden und die unteren Elektroden 142b und 143b als Erdungselektroden
geschaltet werden.
Der Aufbau dieses Resonators entspricht weitgehend dem Resonator 11 nach
dem ersten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, daß zwei piezoelek
trische Resonanzschwinger 142 und 143 vorgesehen sind. Die Außenseiten
dieser Resonanzschwinger 142 und 143 sind durch jeweilige Tragteile mit
einem rahmenförmigen Halteteil 147 verbunden. Die Resonanzschwinger 142
und 143 liegen somit in einer Öffnung 147a des Tragteils 147. Die Resonanz
schwinger sind in einem Stück mit dem Tragteil 147 ausgebildet. Der Reso
nator wird hergestellt, indem eine einzelne Platte aus piezoelektrischer Ke
ramik durch mechanische Bearbeitung oder Ätzung in die in Fig. 23A und
23B gezeigte Form gebracht wird.
Fig. 24 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Resonators
201 gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieser piezoe
lektrische Resonator 201 arbeitet ähnlich wie der Resonator 11 nach Fig.
10A und 10B mit dem transversalen piezoelektrischen Effekt. Der Resonanz
schwinger 203, der durch eine rechteckige Platte 202 aus piezoelektrischer
Keramik gebildet wird, unterscheidet sich jedoch von demjenigen des Reso
nators 11. Die Platte 202 ist parallel zu ihren Hauptflächen polarisiert, wie
durch einen Pfeil in Fig. 24 angegeben wird. Resonanzelektroden 204 und
205 sind auf der oberen Oberfläche der Platte 202 längs der kürzeren Seiten
202a und 202b derselben ausgebildet. Im übrigen entspricht der Aufbau im
wesentlichen demjenigen des Resonators 11.
Da die Platte 202 in der die Resonanzelektroden 204 und 205 verbindenden
Richtung polarisiert ist, wird sie durch den transversalen piezoelektrischen
Effekt zu Schwingungen in der Breiten-Dehnungsmode angeregt, wenn eine
Wechselspannung an die Resonanzelektroden 204 und 205 angelegt wird.
Auch hier entspricht das Seitenverhältnis b/a der Platte 202 der im Zusam
menhang mit Fig. 10A und 10B erläuterten Bemessungsregel. Somit läßt
sich auch dieser Resonator zu Schwingungen in der Breiten-Dehnungsmode
anregen, und er kann durch Halteteile 206 und 207 problemlos mechanisch
gehalten werden.
Während in den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Vibrator jeweils
aus piezoelektrischer Keramik besteht, kann auch irgendein anderes Material
mit piezoelektrischen Eigenschaften verwendet werden, beispielsweise ein
piezoelektrischer Einkristall aus Quarz, LiTaO₃ LiNbO₃ oder ein piezoelektri
sches Polymer. Wahlweise kann auch eine Halbleiterplatte oder Metallplatte
verwendet werden, die selbst keine piezoelektrischen Eigenschaften besitzt
und auf der eine Schicht aus piezoelektrischem Material ausgebildet ist.
Obgleich Fig. 23 einen piezoelektrischen Zweimoden-Filter zeigt, kann die
Erfindung auch auf einen piezoelektrischen Einmoden-Filter angewandt wer
den.
Während weiterhin in der obigen Beschreibung davon ausgegangen wird, daß
der Vibrator in der Grundschwingung (ersten Harmonischen) der Breiten-Deh
nungsmode oszilliert, lassen sich die vorteilhaften Effekte der Erfindung
auch erreichen, wenn eine ungradzahlige Harmonische, beispielsweise die
dritte Harmonische (zweite Oberschwingung) oder die fünfte Harmonische
(vierte Oberschwingung) verwendet wird.
Claims (16)
1. Resonator mit einem Resonanzschwinger (5; 12; 32; 114; 133; 142; 143;
203) rechteckförmigen Querschnitts mit einer längeren Seite b und einer
kürzeren Seite a, der im wesentlichen in der Mitte seiner Hauptflächen oder
im wesentlichen im Mittelbereich wenigstens einer der kürzeren Seiten ge
halten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Seitenverhältnis b/a mit einer
Toleranz von ±10% der folgenden Gleichung genügt:
b/a = n (-1,47σ + 1,88),wobei σ das Poisson-Verhältnis des den Resonanzschwinger bildenden Mate
rials und n eine ganze Zahl ist.
2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanz
schwinger ein piezoelektrischer Resonanzschwinger ist.
3. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanz
schwinger eine in Richtung ihrer Dicke polarisierte Platte (6; 13; 142, 143)
ist, auf deren beiden Hauptflächen Elektroden (7, 8; 14, 15; 142a, 143a,
142b, 143b) ausgebildet sind.
4. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ei
nen Halteteil (18, 19; 38, 39; 113; 132; 147), der mit der dem Resonator
entgegengesetzten Seite des Tragteils (16, 17; 36, 37) verbunden ist.
5. Resonator nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine auf dem Halte
teil ausgebildete Klemmenelektrode (20, 21; 40, 41), die elektrisch mit ei
ner Elektrode der den Resonator bildenden Platte aus piezoelektrischer Ke
ramik verbunden ist.
6. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Tragteile (16, 17; 36, 37) auf entgegengesetzten Seiten des Resona
tors angeordnet sind.
7. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanz
schwinger eine Platte (32a; 133; 203) aus piezoelektrischer Keramik auf
weist, die in einer Richtung senkrecht zu ihrer Dicke polarisiert ist, und daß
erste und zweite Elektroden (32b, 32c; 204, 205) in Abstand zueinander auf
einer Hauptfläche dieser Platte angeordnet sind.
8. Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halteteil
(38, 39; 132; 206, 207) mit der dem Resonator entgegengesetzten Seite des
Tragteils verbunden ist.
9. Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halte
teil eine Klemmenelektrode (40, 41) ausgebildet ist, die elektrisch mit einer
Elektrode auf dem Resonator verbunden ist.
10. Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Tragteile
(36, 37) auf entgegengesetzten Seiten des Resonators angeordnet sind.
11. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf zwei ent
gegengesetzten Seiten des Resonators je ein Tragteil (16, 17; 36, 37) und ein
Halteteil (18, 19; 38, 39) angeordnet ist.
12. Resonator nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch zwei Abstandshalter
(51, 52), die an den Halteteilen befestigt sind und zusammen mit diesen
einen rechteckigen Rahmen bilden, der den Resonator umgibt.
13. Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab
standshalter und die Halteteile durch ein einstückiges Bauteil (113; 132) ge
bildet werden.
14. Resonator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß erste und
zweite Schutz-Substrate (56 und 57) derart auf der Oberseite und der Unter
seite des Resonators und der Abstandshalter angebracht sind, daß ein Hohl
raum gebildet wird, der die Schwingung der schwingenden Teile des Resona
tors gestattet.
15. Resonator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohl
raum durch Abstandselemente (54, 55) in der Form rechteckiger Rahmen
gebildet wird, die zwischen den Halteteilen und Abstandshaltern einerseits
und den Schutz-Substraten andererseits angeordnet sind.
16. Resonator nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß er
als chipförmiges Bauelement ausgebildet ist.
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