JP2000196405A - 圧電共振子およびフィルタ - Google Patents

圧電共振子およびフィルタ

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JP2000196405A JP10366970A JP36697098A JP2000196405A JP 2000196405 A JP2000196405 A JP 2000196405A JP 10366970 A JP10366970 A JP 10366970A JP 36697098 A JP36697098 A JP 36697098A JP 2000196405 A JP2000196405 A JP 2000196405A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】基板の共振インピーダンスへの影響を抑制で
き、基板の形状、作製プロセスに左右されることのない
圧電共振子およびフィルタを提供する。 【解決手段】圧電膜5、7と電極8、9、10とを交互
に積層してなり、厚み縦振動モードで作動する共振素子
3を基板1上に設けた圧電共振子であって、共振素子3
が偶数層の圧電膜5、7を有するとともに、上下隣接す
る圧電膜5、7の振動が逆位相であることを特徴とす
る。ここで、圧電膜5、7の厚みが同一であることが望
ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電共振子および
フィルタに関するものである。
【0002】
【従来技術】従来、圧電薄膜を用いたフィルタは、圧電
薄膜を一対の電極で挟持した共振素子を複数基板上に設
け、この圧電薄膜の振動による共振を利用していた。そ
して、このような薄膜フィルタでは、一般に、高周波で
特性が発現するよう、圧電薄膜に引きずられて振動する
基板の厚みをできるだけ薄くすることが要求されてお
り、このためエッチング等により基板内にキャビティが
設けられていた。
【0003】図8に従来のフィルタを示す。このフィル
タは、基板41と、この基板41上に、下側電極43
と、該下側電極43上に形成された圧電体薄膜45と、
該圧電体薄膜45上に形成された上側電極47とからな
る共振素子49を2つ設けたものである。そして、基板
41における共振素子49の下方部分には、キャビティ
51が設けられていた(USP4,320,365等参
照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記フ
ィルタでは、キャビティ作製プロセスにより、共振素子
49の共振点やフィルタ特性が大きく左右されるという
問題があった。また、このようなキャビティ作製プロセ
スを採用することにより、フィルタの強度低下、特性の
安定性劣化を招くため、フィルタの作製が困難であった
り、作製できるとしても非常に高価なものであった。
【0005】本発明は、共振インピーダンスへの基板に
よる影響を抑制でき、基板の形状、作製プロセスに左右
されることのない圧電共振子およびフィルタを提供する
ことを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の圧電共振子は、
圧電膜と電極とを交互に積層してなり、厚み縦振動モー
ドで作動する共振素子を基板上に設けた圧電共振子であ
って、前記共振素子が偶数層の圧電膜を有するととも
に、上下の隣接する前記圧電膜の振動が逆位相であるこ
とを特徴とする。ここで、圧電膜の厚みが同一であるこ
とが望ましい。
【0007】また、本発明のフィルタは、圧電膜と電極
とを交互に積層してなり、厚み縦振動モードで作動する
共振素子を基板上に複数並設したフィルタであって、前
記共振素子が偶数層の圧電膜を有するとともに、上下の
隣接する前記圧電膜の振動が逆位相であることを特徴と
する。ここで、並設された複数の共振素子の圧電膜が延
設され接続されていることが望ましい。
【0008】
【作用】本発明の圧電共振子では、厚み縦振動モードで
作動する共振素子であって、上下隣接する圧電膜の振動
が逆位相であるため、上下の一対の圧電膜の振動が打ち
消しあい、上下の一対の圧電膜中の振動、歪が、基板等
の保持部による影響を受けにくい圧電共振子を得ること
ができ、このため、共振特性が基板厚みの影響をうけに
くく、基板を薄くしたり、あるいは基板にキャビティを
設ける必要がなく、特性の安定した圧電共振子を安価に
得ることができる。
【0009】即ち、通常用いる圧電膜のバルク振動とし
て厚み縦振動モードがあるが、この厚み縦振動モードは
複数積層した圧電膜(同一方向に分極した)に加える電
界を各々逆方向にすることによって、それぞれの振動は
逆位相になる。このため、上下の一対の圧電膜の界面で
は、共振素子の保持に用いられる基板等による影響を受
けにくい振動モードを作り上げることができるととも
に、上下のそれぞれの圧電膜では、振動並びに歪みが発
生しているために圧電現象によって発現する共振器の特
性が得られる。
【0010】また、本発明では、圧電膜の厚みを同一と
することにより、上下の圧電膜の共振周波数を等しくす
ることができ、上下一対の圧電膜の振動が充分に打ち消
しあい、上下の一対の圧電膜中の振動、歪(共振特性)
が、基板等の保持部による影響をさらに受けにくい圧電
共振子を得ることができる。
【0011】さらに、本発明のフィルタでは、上下の隣
接する一対の圧電膜の振動が逆位相であるため、上記し
たように、基板がインピーダンス特性に与える影響を抑
制して圧電膜のみによる共振ピークに同等な良好な特性
を得ることができ、このため、フィルタ特性が基板の厚
みに左右されず、基板を薄くしたり、あるいは基板にキ
ャビティを設ける必要がなく、安価に、かつ特性を安定
化できる。
【0012】さらにまた、並設された複数の共振素子の
圧電膜を延設し接続することにより、圧電膜を共有する
ことができ、作製が容易となる。
【0013】
【発明の実施の形態】図1および図2は、本発明の圧電
共振子を示すもので、この圧電共振子は、基板1上に共
振素子3を設けて構成されている。この共振素子3は、
2層の圧電膜5、7と電極8、9、10とを交互に積層
して形成されている。
【0014】電極8、9、10には、それぞれ電極取出
部8a、9a、10aが形成されており、その端面は圧
電膜5、7の端面に露出している。
【0015】そして、圧電膜5、7は、図3に示すよう
に、同一方向に分極されており(図3中の矢印)、電極
8、電極10と、電極9とに印加される電圧は極性が逆
とされ、圧電膜5と圧電膜7は、振動が逆位相とされて
いる。
【0016】また、圧電膜5を挟持する一対の電極8、
9間の距離L1 、つまり圧電膜5の厚みと、圧電膜7を
挟持する一対の電極9、10間の距離L2 つまり圧電膜
7の厚みが同一とされている。
【0017】尚、圧電膜5、7は通常の薄膜作製、積層
技術によって可能であり、電極8、9、10も同様に作
製できる。フィルタ特性を発現させるために電極パター
ンを形成する必要があるが、スパッタリング、エッチン
グ等の技術を組み合わせることによって可能となる。
【0018】以上のように構成された圧電共振子では、
圧電膜5、7は同一方向に分極されており、電極取出部
8a、電極取出部10aと、電極取出部9aとは異なる
極性の電圧が印加されているため、圧電膜5と圧電膜7
の振動が逆位相となり、上下の圧電膜5、7の振動が打
ち消しあう。このため、共振特性が基板1の厚みによる
影響を受けにくくなり、つまり、基板1の厚さが共振モ
ード、周波数に影響を与えることを抑制でき、基板1を
薄くしたり、あるいは基板1にキャビティを設ける必要
がなく、特性の安定した圧電共振子を安価に得ることが
できる。
【0019】また、圧電膜5、7の厚みを同一とするこ
とにより、上下の一対の圧電膜5、7の共振特性を等し
くすることができ、基板1による影響をさらに受けにく
くすることができる。
【0020】尚、圧電膜5、7の膜厚が異なれば共振周
波数が異なることになるため、逆位相の同じ大きさを持
った振動が得られなくなるが、この場合には、電極8、
9、10の厚みを微調整して共振周波数を合致させるこ
とができる。
【0021】また、圧電膜を偶数層積層することによ
り、厚み縦振動による振動は接合界面でキャンセルされ
るが、基板に接している側の圧電膜の振動が基板との界
面に若干残る場合がある。この場合には、圧電膜に印加
する電圧比を変えて調整することができる。電圧比の制
御は、圧電共振子の共振インピーダンス、あるいはフィ
ルタの通過帯域での損失を測定しながら、最小になるよ
うに調整することにより実現できる。
【0022】また、上記図1では、2層の圧電膜5、7
を有する共振素子3を具備する圧電共振子について説明
したが、4層以上の偶数層の圧電膜を有する場合であっ
ても、上記と同様な作用効果を得ることができる。
【0023】本発明者等は、本発明の圧電共振子と、従
来の圧電共振子について、共振周波数に対するインピー
ダンス特性の解析を行った。解析の条件は、SiO2
板を用い、圧電膜としてZnOを用いた。そして、本発
明の圧電共振子では、同一方向に分極された2層の圧電
膜に逆位相で同じ大きさの電場を印加して解析し、従来
の圧電共振子では、本発明の圧電膜2層分の厚みを有す
る圧電膜に電場を印加して解析した。
【0024】この結果を図4および図5に記載した。こ
れらの図4および図5から、従来の圧電共振子では、基
板の影響による基本波(f1 )、2倍波(f2 )の共振
ピークが大きくなり、共振素子本来のピークである3倍
目(fR )の共振ピークが殆ど消失しているのに対し
て、本発明の圧電共振子では、共振素子本来のピークで
ある3倍目(fR )の共振ピークが突出しており、基板
の影響による基本波(f1 )、2倍波(f2 )の共振ピ
ークが小さいことが判る。
【0025】これにより、本発明の圧電共振子では、共
振特性が基板による影響を受けにくいことが理解でき、
基板を薄くしたり、あるいは基板にキャビティを設ける
必要がなく、特性の安定した圧電共振子を安価に得るこ
とができることが判る。
【0026】図5は、本発明のフィルタを示すもので、
このフィルタは、共振素子を2個有している。
【0027】即ち、フィルタは、図6(b)に示すよう
に、基板11上に2個の共振素子13a、13bを所定
間隔をおいて並設して構成されており、共振素子13a
は、圧電膜15、17と電極18a、19、20aとを
交互に積層して構成され、共振素子13bは、圧電膜1
5、17と電極18b、19、20bとを交互に積層し
て構成され、並設された2個の共振素子13a、13b
の圧電膜15、17が延設され接続されている。圧電膜
15、17は同一方向に分極され、共振素子13a、1
3bは厚み縦振動モードで作動するものである。
【0028】電極18、19、20には電極取出部2
3、24、25が形成されている。即ち、電極18aと
電極18bの電極取出部23a、23bは対向する側面
に露出しており、また電極19の電極取出部24は、電
極取出部23a、23bの端面が露出する側面とは異な
る側面に露出しており、さらに電極20aと電極20b
の取出電極25a、25bは対向する側面に露出してい
る。尚、電極取出部23a、23b、24、25a、2
5bについてはこれに限定されるものではない。
【0029】このフィルタでは、電極取出部23a、2
5aと、電極取出部24に異なる極性の電圧を印加し、
電極取出部23bと電極取出部25bから出力電圧が取
り出されて使用される。
【0030】このようなフィルタは、例えば、基板11
上に電極18aと電極18bを平行に形成し、これらの
電極18a、18bを被覆するように圧電膜15を形成
し、この圧電膜15の表面に電極19(グランド電極)
を形成し、この電極19上に圧電膜17を形成し、この
圧電膜17上に、電極20a、20bを形成することに
より作製することができる。
【0031】電極18、19、20の平面上の配置に
は、バルクの厚み縦フィルタにおいて偶モード、奇モー
ドを利用して通過帯域設計を行ったり、リップル消去、
移動の為に行うのと同様な構造設計が施される。ここに
おいて電極18、19、20の形状は、主たる偶モー
ド、奇モードの共振周波数調整、これ以外に発生するリ
ップルを遠ざける、あるいは消去する為の種々の設計手
法で作製される。
【0032】以上のように構成されたフィルタでは、圧
電膜15、17は同一方向に分極されており、例えば、
電極取出部23a、25aと、電極取出部24に異なる
極性の電圧が印加されているため、圧電膜15と圧電膜
17の振動が逆位相となり、上下の一対の圧電膜15、
17の振動が打ち消しあい、基板11による影響を受け
にくくなる。
【0033】尚、上記例では、共振素子13a、13b
を2個有するフィルタについて説明したが、図7に示す
ように、共振素子33a、33b、33c、33dを4
個有するフィルタであっても上記例と同様な効果を有す
る。
【0034】
【発明の効果】本発明では、上下隣接する圧電膜の振動
が逆位相であるため、上下の圧電膜の振動が打ち消しあ
い、基板による共振インピーダンスへの影響を抑制で
き、良好な共振特性を得ることができる。このため、共
振特性が基板の厚みに左右されず、基板を薄くしたり、
あるいは基板にキャビティを設ける必要がなく、特性の
安定した圧電共振子を安価に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧電共振子を示す斜視図である。
【図2】図1のA−A線に沿った断面図である。
【図3】図1の圧電共振子の電圧印加方法を示す説明図
である。
【図4】本発明の圧電共振子のインピーダンス特性を示
す図である。
【図5】従来の圧電共振子のインピーダンス特性を示す
図である。
【図6】本発明のフィルタを示すもので、(a)は一部
断面斜視図、(b)は平面図である。
【図7】圧電共振子を4個有するフィルタを示す平面図
である。
【図8】従来のフィルタを示すもので、(a)は(c)
のB−B線に沿った断面図、(b)は(a)の平面図、
(c)は全体の平面図である。
【符号の説明】
1、11・・・基板 3、13・・・共振素子 5、7、15、17・・・圧電膜 8、9、10、18、19、20・・・電極

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧電膜と電極とを交互に積層してなり、厚
    み縦振動モードで作動する共振素子を基板上に設けた圧
    電共振子であって、前記共振素子が偶数層の圧電膜を有
    するとともに、上下の隣接する前記圧電膜の振動が逆位
    相であることを特徴とする圧電共振子。
  2. 【請求項2】圧電膜の厚みが同一であることを特徴とす
    る請求項1記載の圧電共振子。
  3. 【請求項3】圧電膜と電極とを交互に積層してなり、厚
    み縦振動モードで作動する共振素子を基板上に複数並設
    したフィルタであって、前記共振素子が偶数層の圧電膜
    を有するとともに、上下の隣接する前記圧電膜の振動が
    逆位相であることを特徴とするフィルタ。
  4. 【請求項4】並設された複数の共振素子の圧電膜が延設
    され接続されていることを特徴とする請求項3記載のフ
    ィルタ。
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JP2006157830A (ja) * 2004-12-01 2006-06-15 Sony Corp 微小共振器、周波数フィルタ及び通信装置
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