DE4412964C2 - Resonator - Google Patents

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.