CN1248412C - 压电振子和使用该压电振子的滤波器 - Google Patents
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Abstract
提供一种压电振子，是压电材料使用氮化铝、以极化方向是向压电板长度方向的厚度滑移振动作为主振动的压电振子，其在主振动共振频率近旁没有因宽度尺寸引起的非所需共振，故有良好的特性。具有振动元件部(1)，振动元件部(1)的宽度W与振动元件部(1)的厚度H的比W/H是2.0以上4.0以下或4.3以上5.7以下、6.2以上7.8以下、8.2以上9.8以下的任一种。
Description
技术领域
本发明涉及压电材料使用氮化铝的压电振子和使用该压电振子的压电滤波器。
背景技术
在使用作为固体中传播的波的体波的压电振动装置中有作为各种电子机器等的时钟脉冲源而使用的压电振子和用于通信机器选频等的压电滤波器。在这些压电振动装置中使用的频率区域近年在高频化。且作为主振动使用厚度滑移振动、厚度纵振动等厚度振动，特别是非所需振动的抑制和装置的保持容易的利用能量抑制现象的多被使用。所说的能量抑制现象是以某种特定的压电材料采用厚度滑移振动和厚度纵振动等某种特定的振动方式时，当在振动元件部主面局部形成激振用电极时振动能量仅在激振用电极下抑制的现象，Shockley、尾上等有详细分析。用图14的振动元件部100的断面来说明能量抑制现象。把有激振动用电极101的部分的截止频率定为f0，把无电极部的截止频率定为f0′时，则大于f0′的频率其振动能量自由传播、即使在激振用电极101下也不作驻波。但比f0大比f0′小的频率则如图14所示，在有激振用电极101的部分振动能量自由传播、在无电极部按指数函数衰减。因此振动变位也越向振动元件部100的端部越变小，结果是振动能量集中在激振用电极101附近。且振动元件部100的端部振动变位足够小、能抑制振动元件部100的端部产生的反射波，所以主振动即厚度纵振动和厚度滑移振动的特性良好。
但即使利用能量抑制现象，抑制由振动元件部的长度和振动元件部的宽度引起的非所需共振的发生也是困难的。因此必须把振动元件部的尺寸制作合适以使在主振动共振频率近旁不存在非所需共振。例如日本专利第1577973号公报在把使用钽酸锂X板的厚度滑移振动作为主振动的带形振子中将振动元件部的宽度W与振动元件部的厚度H的比W/H定在1.35以上3.0以下或3.8以上5.0以下，通过把由宽度尺寸引起的非所需共振频率从主振动共振远离来得到良好的特性。
但在压电材料使用氮化铝、以极化方向是向振动元件部长度方向的厚度滑移振动为主振动的压电振子中，把由振动元件部的宽度尺寸引起的非所需共振从主振动共振频率远离用的合适的设计尺寸不明确。
发明内容
本发明提供一种压电振子，其压电材料使用氮化铝、以极化方向是向振动元件部长度方向的厚度滑移振动的主振动，振动元件部的宽度W与振动元件部的厚度H的比W/H是2.0以上4.0以下或4.3以上5.7以下或6.2以上7.8以下或8.2以上9.8以下中的任一种。
附图说明
图1是本发明实施例1压电振子的立体图；
图2是本发明实施例1压电振子的剖面图；
图3是表示振动元件部的宽度W与振动元件部的厚度H的比W/H与主振动和非所需共振的频率常数的关系的图；
图4A是W/H＝4.2的振子的阻抗频率特性图；
图4B是本发明实施例1W/H＝5.0的振子的阻抗频率特性图；
图5是表示振动元件部的长度L与振动元件部的厚度H的比L/H与机械质量系数的关系的图；
图6是表示激振用电极长度Le与振动元件部的厚度H的比Le/H与机械质量系数的关系的图；
图7是表示本发明实施例2中带形振子的图；
图8是表示本发明实施例3中在振动元件部的宽度方向端部带有锥度构造的振子的图；
图9是本发明实施例4梯子形滤波器的立体图；
图10是本发明实施例5双重方式滤波器的立体图；
图11是本发明实施例5的双重方式滤波器的剖面图；
图12是本发明实施例5的另一双重方式滤波器的剖面图；
图13是安装了本发明实施例6的压电振子的基板的剖面图；
图14是现有的能量抑制型压电振子的剖面图。
具体实施方式
下面边参照附图边说明本发明的实施例。在下面的说明中具有同样结构的则附以相同的符号说明。
(实施例一)
图1、图2分别是本发明实施例1压电振子的立体图和剖面图，压电材料使用氮化铝、以极化方向是向振动元件部1长度方向的厚度滑移振动作为主振动。在振动元件部1主面的表面和背面设有相对置设置的激振用电极2，外部引出用电极4把激振用电极2和与外部连接用的电极3连接。
上述结构的压电振子通过能量抑制现象使振动能量集中在激振用电极2下、越向振动元件部1的长度方向端部振动变位越衰减。但即使利用能量抑制现象，抑制由振动元件部1的宽度等尺寸引起的非所需共振的发生也是困难的，所以必须把振动元件部1的尺寸制作合适以使在主振动共振频率近旁不存在非所需共振。
图3表示了压电材料使用氮化铝、以极化方向是向振动元件部1长度方向的厚度滑移振动作为主振动的压电振子的振动元件部1的宽度W(以下称为宽度W)变化时，其主振动共振频率、主振动反共振频率及非所需共振的共振频率画成曲线的频率图。频率图横轴为振动元件部1的宽度W与振动元件部1的厚度H(以下称为厚度H)的比W/H，纵轴为频率常数、其是主振动和非所需共振的共振频率与厚度H的积。制作多个厚度H一定、宽度W变化的振子，通过测量主振动和非所需共振的共振频率、把结果绘制在该座标上而得到图3。
主振动即滑移振动的共振频率与振动元件部1的厚度H成反比，所以与W/H无关、大致是固定的。本实施例结构的厚度滑移振动的频率常数如图3中的实线所示是约2860。这是作为压电元件材料的氮化铝固有的数值。图3中用点划线表示的主振动反共振的频率常数是约2883，它也与W/H无关、大致是固定的。但图3中用虚线表示的宽度弯曲振动等非所需共振当宽度尺寸变化时其共振频率变化。因此例如W/H在4.2附近时主振动与非所需共振的频率常数成为非常近的值，主振动的共振频率与非所需共振的共振频率变得非常近。当主振动与非所需共振的共振频率接近而用于振荡回路时，有时就引起频率跳动等不稳定现象。
因此在主振动共振附近、具体说就是在频率常数2840以上2880以下不存在非所需共振的话就成为特性良好的压电振子。在图3中以用四边围起来的区域表示，在主振动共振近旁非所需共振不能存在的频率常数范围内非所需共振不存在时的W/H值是2.0以上4.0以下或4.3以上5.7以下或6.2以上7.8以下或8.2以上9.8以下。
作为例子把振动元件部1的厚度H是0.1mm、宽度W是0.42mm、0.50mm时的阻抗频率特性分别表示在图4A、图4B。如图4A所示，W是0.42mm时，即W/H是4.2的压电振子其非所需共振存在于主振动共振附近。而如图4B所示，W是0.5mm时，即W/H是5.0的压电振子在主振动共振附近没有非所需共振，所以呈良好的特性。
这样在压电材料使用氮化铝、以极化方向是向振动元件部1长度方向的厚度滑移振动作为主振动的压电振子中，只要把振动元件部1的宽度W与厚度H的比W/H定在2.0以上4.0以下或4.3以上5.7以下或6.2以上7.8以下或8.2以上9.8以下中的任一种就能得到良好特性的压电振子。
而振动元件部1的长度L(以下称为长度L)不够长时，振动元件部1长度方向端部的振动变位不足够小，所以产生反射波。因此主振动共振的机械质量系数降低。
下面把分析振动元件部1的长度L与机械质量系数关系的结果表示在图5。其中，振动元件部1的厚度H与主振动共振频率成反比，所以为了能对使用长度L与机械质量系数关系与使用的频带无关地进行处理，图5的横轴把长度L用厚度H标准化。如从图5可知，当长度L与厚度H的比L/H小于13时机械质量系数急剧变小。因此只要把L/H值定在13以上、使振动元件部1长度方向端部的振动变位充分衰减、并抑制反射波就能防止主振动共振机械质量系数的降低。
下面考察激振用电极2的长度Le与振动元件部1的厚度H的比Le/H。图6表示了激振用电极2的长度Le与机械质量系数关系的调查结果。其中，与图5的情况一样，图6的横轴用振动元件部1的厚度H标准化了。如从图6可知，当Le/H值小于3时机械质量系数急剧变小。这是因为在加工振动元件部1时产生的振动元件部1表面上的加工变质层和微细裂纹等使机械质量系数降低的因素，当激振用电极2的面积变小时相对地其影响程度变大了。若激振用电极2过大，则为了充分衰减振动元件部1在长度方向端部的振动变位就必须增加振动元件部1的长度L，因此制约了振动元件部1长度的小型化。为此把激振用电极2的长度Le与振动元件部1的厚度H的比Le/H的上限设定为比振动元件部1的长度L与振动元件部1的厚度H的比L/H的最佳值下限13小的12。由上述，激振用电极2的长度Le与振动元件部1的厚度H的比Le/H的最合适值是3以上12以下。
作为具体的实施例可举出如下的压电振子：振动元件部1的厚度H是200μm的压电振子其共振频率是约14MHz，若振动元件部1的宽度W是1mm则W/H是5.0，所以在主振动共振近旁没有振动元件部的宽度尺寸引起的非所需共振、可得到稳定的特性。且只要振动元件部1的长度是3mm则L/H是15、在13以上，激振用电极2的长度Le是1mm则Le/H是5、在3以上，所以都抑制机械质量系数的降低。
(实施例二)
图7是实施例二的带形压电振子的立体图。作为把压电振子小型化的方法一般知道有制成带状结构的方法。如图7所示，所说带状结构是振动元件部1的剖面是矩形、激振用电极2在振动元件部1的整个宽度上形成、不进行宽度方向能量抑制的结构。如图1的结构中，当激振用电极2在振动元件部1的主面内相对宽度方向不在对称的位置上时，有时产生因结构的非对称性引起的非所需共振而使特性恶化。因此在对压电材料使用氮化铝、以极化方向是向振动元件部1长度方向的厚度滑移振动为主振动的压电振子适用带状结构时，能抑制因激振用电极2的位置偏移等产生的非所需共振的发生。而且压电振子自身小型化。
(实施例三)
图8是实施例三的带形压电振子的立体图，在振动元件部1的宽度方向端部带有锥度。如实施例二所示，在带状结构中振动元件部1的剖面是矩形，但根据制作工序有时振动元件部1的剖面不是完善的矩形而是梯形或平行四边形等成为在元件端面带有锥度的结构。利用能量抑制现象，振动元件部1长度方向端部的振动变位充分衰减，所以即使在振动元件部1的长度方向端部带有锥度、最佳的设计值也几乎不变化。但在振动元件部1的宽度方向端部带有锥度时，即振动元件部1的主面与振动元件部1的宽度方向侧面所成的角度从90°偏离得多时，则由振动元件部1的宽度尺寸引起的非所需共振的振动形态发生变化，产生其共振频率变化或发生新的非所需共振等的不好影响。但振动元件部1的主面与振动元件部1的宽度方向侧面所成的角度是90°±10°，即80°以上100°以下时，振动元件部1的宽度方向剖面大致可看作矩形，所以之前的最佳设计值能原封不动地适用。
作为具体的实施例可举出如下的压电振子：
振动元件部1的厚度H是100μm
振动元件部1的主面上侧宽度W是350μm
振动元件部1的长度L是2mm
激振用电极2的长度Le是1mm
该振子W/H是3.5，L/H是20，Le/H是10。振动元件部1的宽度方向端部带有锥度、振动元件部1的宽度方向剖面不是矩形而是梯形。但振动元件部1的主面上侧与振动元件部1的宽度方向侧面所成的角度是95°，在90°以上100°以下的范围内。因此是上述设计值时能得到在主振动共振近旁没有非所需共振，机械质量系数也大的良好特性。
(实施例四)
图9是实施例四的梯子形滤波器的立体图。输出用外部端子13上用导电性树脂15连接了压电振子11A、11B。输入用外部端子12上用导电性树脂15连接了压电振子11A、接地用外部端子14上用导电性树脂15连接了压电振子11B。安装基板16支承它们。
通过组合多个振子可制作仅使特定频带的信号通过的带通滤波器。这种滤波器作为振子的特性在共振频率和反共振频率间若存在非所需共振时则作为滤波器特性在通过区域内存在波动，没有良好的特性。且当构成滤波器的各个振子其机械质量系数小时有时滤波器的插入损失变大。但把实施例1～3中所述的振子组合时，各个振子是没有非所需共振的稳定特性，所以通过区域内没有波动，且由于振子的机械质量系数大所以能得到滤波器插入损失也小的良好的滤波器特性。
作为具体的实施例可举出如下的滤波器：
用于滤波器的压电振子11A、11B都是振动元件部的厚度H是100μm，振动元件部的宽度W是350μm，振动元件部的长度L是2mm，激振用电极的长度Le是1mm，所以W/H是3.5，L/H是20，Le/H是10。这样在各个振子的主振动共振近旁没有非所需共振，所以通过区域内没有波动，且由于振子的机械质量系数也大，所以能得到滤波器插入损失也小的有良好特性的滤波器。
(实施例五)
图10是实施例五双重方式滤波器的立体图，在振动元件部1的一侧主面上设有输入用电极8和输出用电极9，在另一侧主面上设有接地用电极10。
作为如实施例四的梯子形滤波器以外的滤波器有，在一片振动元件部1上构成多个压电振子，并结合它们的振动来制作带通滤波器的多重方式滤波器。
这种滤波器也被称为MCF(单晶滤波器)，a_0方式或S_1方式等非谐泛音被积极利用。这里叙述使用S_0方式和a_0方式这两种方式的双重方式滤波器。
图11表示了双重方式滤波器振动元件部1的长度方向剖面图。如图11所示，双重方式滤波器具有在振动元件部1的一侧主面上隔开微小间隔地设置了一对输入用电极8和输出用电极9，在另一侧主面上设置接地用电极10的结构。通过该结构产生对称方式的S_0方式和斜对称方式的a_0方式，实现带通滤波器。
图11的接地用电极10只有一个，但如图12所示，分别与输入用电极8和输出用电极9相对置地设置接地用电极10也可以。
双重方式滤波器也与梯子形滤波器一样，把振动元件部1的宽度W与厚度H的比W/H定在所用振动方式的共振附近不存在由振动元件部1的宽度尺寸引起的非所需共振的W/H的范围内，这样可得到通过区域内没有波动的有良好特性的滤波器。
作为具体的实施例可举出如下的滤波器：振动元件部1的厚度H是10μm，所以滤波器的中心频率是约280MHz。振动元件部1的宽度W是65μm时W/H是6.5，由振动元件部1的宽度尺寸引起的非所需共振在所用振动方式的共振附近不存在，所以能得到通过区域内没有波动的良好的滤波器特性。
(实施例六)
图13是安装了实施例六中的压电振子的基板的剖面图，振动元件部1的表面和背面上相对置地设置激振用电极2，振动元件部1的表面形成有氧化硅膜17、背面形成有氮化硅膜18，设置在安装基板16上的外部端子19和激振用电极2用导电性树脂15连接。
上述用于压电振子和压电滤波器的压电材料氮化铝其厚度是约2μm、非常薄。但在氮化铝压电板的表面或背面或表背两面上作为保护膜而形成氧化硅膜或氮化硅膜时，除电特性的时效变化变小外机械强度也增加，因此可提高长期可靠性。
这种结构无论是实施例1～3的压电振子还是实施例4、5的压电滤波器都能适用。
产业上利用的可能性
在压电材料使用氮化铝、以极化方向是向振动元件部长度方向的厚度滑移振动为主振动的压电振子中，通过把振动元件部的宽度W与振动元件部的厚度H的比W/H定为2.0以上4.0以下或4.3以上5.7以下或6.2以上7.8以下或8.2以上9.8中以下的任一种，使在主振动共振频率近旁没有因振动元件部宽度尺寸引起的非所需共振，因此有良好的特性。
Claims (8)
1.一种压电振子，其中，具有把氮化铝作为压电材料的振动元件部，以极化方向是向所述振动元件部长度方向的厚度滑移振动为主振动，所述振动元件部的宽度W与所述振动元件部的厚度H的比W/H是2.0以上4.0以下或4.3以上5.7以下或6.2以上7.8以下或8.2以上9.8以下的任一种。
2.如权利要求1所述的压电振子，其中，所述振动元件部的长度L与所述振动元件部的厚度H的比L/H是13以上。
3.如权利要求1所述的压电振子，其中，所述振动元件部的主面上还具备一对激振用电极，所述激振用电极的长度Le与所述振动元件部的厚度H的比Le/H在3以上12以下。
4.如权利要求1所述的压电振子，其中，还具有设在所述振动元件部的主面的整个宽度上的一对激振用电极，所述振动元件部的剖面是矩形。
5.如权利要求1所述的压电振子，其中，所述振动元件部的主面与所述振动元件部宽度方向的侧面所成的角度在80°以上100°以下。
6.如权利要求1所述的压电振子，其中，所述振动元件部的至少一侧主面上还具有覆盖膜，所述膜由氧化硅膜和氮化硅膜的任一种构成。
7.一种梯子形滤波器，其中，至少具有两个权利要求1所述的压电振子。
8.一种双重方式滤波器，其中，具有把氮化铝作为压电材料的振动元件部，以极化方向是向所述振动元件部长度方向的厚度滑移振动作为主振动，所述振动元件部的宽度W与所述振动元件部的厚度H的比W/H是2.0以上4.0以下或4.3以上5.7以下或6.2以上7.8以下或8.2以上9.8以下中的任一种，所述振动元件部的一个主面上具有一对输入用电极和输出用电极、所述振动元件部的另一个主面上具有接地用电极。
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