JP2002009579A - 圧電共振子およびそれを用いた圧電フィルタ - Google Patents
圧電共振子およびそれを用いた圧電フィルタInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 インピーダンスが小さく、スプリアス振動の
影響の少ない圧電共振子を得るとともに、圧電共振子の
スプリアス振動の影響によって生じる通過帯域中のリッ
プルが小さく、広い通過帯域を有する圧電フィルタを得
る。 【解決手段】 圧電共振子１０は、基板１２を含む。基
板１２上に、誘電体薄膜１４、１対の電極薄膜１６、圧
電体薄膜１８からなる振動部２０を形成する。この圧電
共振子１０に、厚み縦振動または厚みすべり振動のｎ次
モードを励振する。電極薄膜１６対向部の半径をｒ、振
動部２０の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎの条件
を満足するように設定する。このような圧電共振子１０
をラダー型に接続することにより、圧電フィルタを形成
する。
影響の少ない圧電共振子を得るとともに、圧電共振子の
スプリアス振動の影響によって生じる通過帯域中のリッ
プルが小さく、広い通過帯域を有する圧電フィルタを得
る。 【解決手段】 圧電共振子１０は、基板１２を含む。基
板１２上に、誘電体薄膜１４、１対の電極薄膜１６、圧
電体薄膜１８からなる振動部２０を形成する。この圧電
共振子１０に、厚み縦振動または厚みすべり振動のｎ次
モードを励振する。電極薄膜１６対向部の半径をｒ、振
動部２０の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎの条件
を満足するように設定する。このような圧電共振子１０
をラダー型に接続することにより、圧電フィルタを形成
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は圧電共振子および
それを用いた圧電フィルタに関し、特にたとえば、厚み
縦振動または厚みすべり振動を用いた圧電共振子と、そ
れを複数個組合せて構成した圧電フィルタに関する。
それを用いた圧電フィルタに関し、特にたとえば、厚み
縦振動または厚みすべり振動を用いた圧電共振子と、そ
れを複数個組合せて構成した圧電フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】厚み縦振動基本波を用いた圧電共振子と
して、たとえば図１３（ａ）（ｂ）に示すような圧電共
振子が報告されている（K.NAKAMURA, H.SASAKI, H.SHIM
IZU :Faculty of Engineering, Tohoku University "Zn
O/SiO2-DIAPHRAGM COMPOSITERESONATOR ON A SILICON W
AFER", ELECTRONICS LETTERS 9th July 1981 vol.17No.
14 ）。この圧電共振子１は、誘電体層２として厚さ
２．５μｍのＳｉＯ2 層を使用し、圧電体層３として厚
さ４．５μｍのＺｎＯ層が使用されている。そして、圧
電体層３の両面に、対向する１対の電極層４ａ，４ｂが
形成される。電極層４ａ，４ｂの対向する部分の平面形
状は、３５０μｍ×１４０μｍの長方形である。
して、たとえば図１３（ａ）（ｂ）に示すような圧電共
振子が報告されている（K.NAKAMURA, H.SASAKI, H.SHIM
IZU :Faculty of Engineering, Tohoku University "Zn
O/SiO2-DIAPHRAGM COMPOSITERESONATOR ON A SILICON W
AFER", ELECTRONICS LETTERS 9th July 1981 vol.17No.
14 ）。この圧電共振子１は、誘電体層２として厚さ
２．５μｍのＳｉＯ2 層を使用し、圧電体層３として厚
さ４．５μｍのＺｎＯ層が使用されている。そして、圧
電体層３の両面に、対向する１対の電極層４ａ，４ｂが
形成される。電極層４ａ，４ｂの対向する部分の平面形
状は、３５０μｍ×１４０μｍの長方形である。
【０００３】このような圧電共振子１の共振特性が、図
１４に示されている。図１４において、最も大きいレス
ポンスが厚み縦振動基本波のＳ0 モードと呼ばれる共振
であり、所望する共振（主振動）である。このような主
振動より高周波側に、小さいレスポンスがあり、主振動
に近い順に、Ｓ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 ・・・モードと呼ばれて
いる。これらのモードは、特性上ないほうが好ましい共
振（スプリアス振動）である。これらのスプリアス振動
は、電極径によりその状態が変わり、電極径が大きくな
るほどレスポンスが大きくなり、また主振動に接近して
くるという性質をもっている。そのため、従来において
は、スプリアス振動の影響を避けるため、電極径を十分
小さくし、スプリアス振動を主振動から隔離するととも
に、そのレスポンスも小さくするという対策が採られて
いた。
１４に示されている。図１４において、最も大きいレス
ポンスが厚み縦振動基本波のＳ0 モードと呼ばれる共振
であり、所望する共振（主振動）である。このような主
振動より高周波側に、小さいレスポンスがあり、主振動
に近い順に、Ｓ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 ・・・モードと呼ばれて
いる。これらのモードは、特性上ないほうが好ましい共
振（スプリアス振動）である。これらのスプリアス振動
は、電極径によりその状態が変わり、電極径が大きくな
るほどレスポンスが大きくなり、また主振動に接近して
くるという性質をもっている。そのため、従来において
は、スプリアス振動の影響を避けるため、電極径を十分
小さくし、スプリアス振動を主振動から隔離するととも
に、そのレスポンスも小さくするという対策が採られて
いた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電極径
は、スプリアス振動だけでなく、主振動にも影響を及ぼ
す。電極径が小さくなると、電極面積が減少するため、
共振子のインピーダンスが増加し、主振動のレスポンス
が小さくなる。このように、共振子のスプリアス振動と
インピーダンスとはトレードオフの関係にあり、一方を
改善すると他方が悪化するという問題を抱えていた。
は、スプリアス振動だけでなく、主振動にも影響を及ぼ
す。電極径が小さくなると、電極面積が減少するため、
共振子のインピーダンスが増加し、主振動のレスポンス
が小さくなる。このように、共振子のスプリアス振動と
インピーダンスとはトレードオフの関係にあり、一方を
改善すると他方が悪化するという問題を抱えていた。
【０００５】たとえば、この共振子を発振子に利用する
ため、スプリアス振動が十分小さくなるまで電極径を小
さくすると、スプリアス振動がなくなり、発振周波数が
何らかの原因でスプリアス振動のほうに移動する心配は
なくなるが、共振子のインピーダンスの増加により発振
しなくなる。逆に、発振可能なインピーダンスになるま
で電極径を大きくすると、スプリアス振動が主振動に接
近し、そのレスポンスも大きくなるため、何らかの原因
でスプリアス振動のほうで発振することがあり、発振周
波数が不安定になるという問題があった。
ため、スプリアス振動が十分小さくなるまで電極径を小
さくすると、スプリアス振動がなくなり、発振周波数が
何らかの原因でスプリアス振動のほうに移動する心配は
なくなるが、共振子のインピーダンスの増加により発振
しなくなる。逆に、発振可能なインピーダンスになるま
で電極径を大きくすると、スプリアス振動が主振動に接
近し、そのレスポンスも大きくなるため、何らかの原因
でスプリアス振動のほうで発振することがあり、発振周
波数が不安定になるという問題があった。
【０００６】また、このような圧電共振子を組合せたラ
ダー型フィルタでは、インピーダンスとスプリアス振動
とのトレードオフの関係から、スプリアス振動を抑える
ために電極径を小さくすると、共振子のインピーダンス
を十分に下げることができず、また主振動のレスポンス
を大きくすることができないことから、ラダー型フィル
タの特性上、挿入損失が大きくなり、帯域を広くするこ
とができないという問題があった。逆に、電極径を大き
くすると、スプリアス振動が主振動に接近、干渉し、こ
れを組合せたラダー型フィルタでは、通過帯域中に大き
いリップルが生じるという問題があった。
ダー型フィルタでは、インピーダンスとスプリアス振動
とのトレードオフの関係から、スプリアス振動を抑える
ために電極径を小さくすると、共振子のインピーダンス
を十分に下げることができず、また主振動のレスポンス
を大きくすることができないことから、ラダー型フィル
タの特性上、挿入損失が大きくなり、帯域を広くするこ
とができないという問題があった。逆に、電極径を大き
くすると、スプリアス振動が主振動に接近、干渉し、こ
れを組合せたラダー型フィルタでは、通過帯域中に大き
いリップルが生じるという問題があった。
【０００７】それゆえに、この発明の主たる目的は、イ
ンピーダンスが小さく、スプリアス振動の影響の少ない
圧電共振子を提供することである。また、この発明の目
的は、圧電共振子のスプリアス振動の影響によって生じ
る通過帯域中のリップルが小さく、広い通過帯域を有す
る圧電フィルタを提供することである。
ンピーダンスが小さく、スプリアス振動の影響の少ない
圧電共振子を提供することである。また、この発明の目
的は、圧電共振子のスプリアス振動の影響によって生じ
る通過帯域中のリップルが小さく、広い通過帯域を有す
る圧電フィルタを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明は、少なくとも
１層以上の圧電体、もしくは圧電体と誘電体の多層構造
からなる振動部と、振動部に形成される少なくとも１対
の対向する電極とを含む厚み縦振動または厚みすべり振
動のｎ次モードを利用した圧電共振子において、電極対
向部の平面形状が円形または円形を内包する任意の形状
であって、円形の半径をｒ、電極の対向部における振動
部の厚みをｔとしたとき、半径ｒが、ｒ≧２０ｔ／ｎの
範囲にあることを特徴とする、圧電共振子である。この
ような圧電共振子において、機械的品質係数Ｑｍが１０
００以上の圧電共振子の場合、円形の半径ｒが、ｒ≧４
０ｔ／ｎの範囲にあることが好ましい。また、機械的品
質係数Ｑｍが１０００より小さい圧電共振子の場合、円
形の半径ｒが、ｒ≧２０ｔ／ｎの範囲にあることが好ま
しい。これらの圧電共振子において、振動部が圧電体お
よび誘電体の多層構造からなる圧電共振子の場合、圧電
体および誘電体の少なくとも１つの弾性定数の温度係数
が、他の圧電体および誘電体の弾性定数の温度係数と逆
符号であることが好ましい。また、振動部が複数の圧電
体の多層構造からなる圧電共振子の場合、圧電体の少な
くとも１つの弾性定数の温度係数が、他の圧電体の弾性
定数の温度係数と逆符号であることが好ましい。さら
に、この発明は、複数の圧電共振子を組合せた圧電フィ
ルタであって、上述のいずれかの圧電共振子を少なくと
も１つ含む、圧電フィルタである。
１層以上の圧電体、もしくは圧電体と誘電体の多層構造
からなる振動部と、振動部に形成される少なくとも１対
の対向する電極とを含む厚み縦振動または厚みすべり振
動のｎ次モードを利用した圧電共振子において、電極対
向部の平面形状が円形または円形を内包する任意の形状
であって、円形の半径をｒ、電極の対向部における振動
部の厚みをｔとしたとき、半径ｒが、ｒ≧２０ｔ／ｎの
範囲にあることを特徴とする、圧電共振子である。この
ような圧電共振子において、機械的品質係数Ｑｍが１０
００以上の圧電共振子の場合、円形の半径ｒが、ｒ≧４
０ｔ／ｎの範囲にあることが好ましい。また、機械的品
質係数Ｑｍが１０００より小さい圧電共振子の場合、円
形の半径ｒが、ｒ≧２０ｔ／ｎの範囲にあることが好ま
しい。これらの圧電共振子において、振動部が圧電体お
よび誘電体の多層構造からなる圧電共振子の場合、圧電
体および誘電体の少なくとも１つの弾性定数の温度係数
が、他の圧電体および誘電体の弾性定数の温度係数と逆
符号であることが好ましい。また、振動部が複数の圧電
体の多層構造からなる圧電共振子の場合、圧電体の少な
くとも１つの弾性定数の温度係数が、他の圧電体の弾性
定数の温度係数と逆符号であることが好ましい。さら
に、この発明は、複数の圧電共振子を組合せた圧電フィ
ルタであって、上述のいずれかの圧電共振子を少なくと
も１つ含む、圧電フィルタである。
【０００９】圧電体に対向電極を形成した共振子では、
インピーダンスの周波数特性において、円形の電極の半
径をｒ、電極対向部の厚みをｔとしたとき、ｒ／ｔが小
さくなるほど主振動とスプリアス振動とが離れていき、
ｒ／ｔが大きくなるほどスプリアス振動が主振動に接近
することがわかっている。従来は、電極径を小さくする
ことにより、主振動からスプリアス振動を離すようにし
ていたが、この発明では、電極径を十分に大きくするこ
とにより、主振動の近傍にスプリアス振動を集中させる
ことにより、主振動の周波数において確実に共振させよ
うとするものである。電極径を大きくすることにより、
インピーダンスを小さくすることができ、しかも、主振
動の近傍にスプリアス振動が集中するため、主振動の周
波数において確実に共振させることができる。このよう
な効果を得ることができる電極の半径ｒは、電極の対向
部の厚みをｔとし、ｎ次モードの振動を用いる場合、ｒ
≧２０ｔ／ｎの範囲にあることが必要である。なお、電
極径ｒの範囲については、特に圧電共振子の機械的品質
係数Ｑｍが１０００以上の場合には、ｒ≧４０ｔ／ｎで
あり、機械的品質係数Ｑｍが１０００より小さい場合に
は、ｒ≧２０ｔ／ｎである。振動部が圧電体と誘電体の
多層構造または複数の圧電体の多層構造である場合、そ
れらの層の少なくとも１つと他の層との関係において、
弾性定数の温度係数が逆符号であれば、適当な組合せに
より、全体として温度変化による周波数変化をほぼ０に
することができる。したがって、温度変化に対して安定
した共振周波数を有し、かつスプリアス振動による影響
の少ない圧電共振子を得ることができる。複数の圧電共
振子を組合せて圧電フィルタとする場合、この発明の圧
電共振子を用いることにより、スプリアス振動によって
生じる圧電フィルタの通過帯域中のリップルを小さく抑
えることができる。また、圧電共振子のスプリアス振動
を主振動の近傍に集中させることにより、これらが干渉
して、主振動単独の場合より共振周波数と反共振周波数
の差Δｆが大きくなり、通過帯域の広い圧電フィルタを
得ることができる。
インピーダンスの周波数特性において、円形の電極の半
径をｒ、電極対向部の厚みをｔとしたとき、ｒ／ｔが小
さくなるほど主振動とスプリアス振動とが離れていき、
ｒ／ｔが大きくなるほどスプリアス振動が主振動に接近
することがわかっている。従来は、電極径を小さくする
ことにより、主振動からスプリアス振動を離すようにし
ていたが、この発明では、電極径を十分に大きくするこ
とにより、主振動の近傍にスプリアス振動を集中させる
ことにより、主振動の周波数において確実に共振させよ
うとするものである。電極径を大きくすることにより、
インピーダンスを小さくすることができ、しかも、主振
動の近傍にスプリアス振動が集中するため、主振動の周
波数において確実に共振させることができる。このよう
な効果を得ることができる電極の半径ｒは、電極の対向
部の厚みをｔとし、ｎ次モードの振動を用いる場合、ｒ
≧２０ｔ／ｎの範囲にあることが必要である。なお、電
極径ｒの範囲については、特に圧電共振子の機械的品質
係数Ｑｍが１０００以上の場合には、ｒ≧４０ｔ／ｎで
あり、機械的品質係数Ｑｍが１０００より小さい場合に
は、ｒ≧２０ｔ／ｎである。振動部が圧電体と誘電体の
多層構造または複数の圧電体の多層構造である場合、そ
れらの層の少なくとも１つと他の層との関係において、
弾性定数の温度係数が逆符号であれば、適当な組合せに
より、全体として温度変化による周波数変化をほぼ０に
することができる。したがって、温度変化に対して安定
した共振周波数を有し、かつスプリアス振動による影響
の少ない圧電共振子を得ることができる。複数の圧電共
振子を組合せて圧電フィルタとする場合、この発明の圧
電共振子を用いることにより、スプリアス振動によって
生じる圧電フィルタの通過帯域中のリップルを小さく抑
えることができる。また、圧電共振子のスプリアス振動
を主振動の近傍に集中させることにより、これらが干渉
して、主振動単独の場合より共振周波数と反共振周波数
の差Δｆが大きくなり、通過帯域の広い圧電フィルタを
得ることができる。
【００１０】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施の形態
の詳細な説明から一層明らかとなろう。
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施の形態
の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１はこの発明の圧電共振子の一
例を示す平面図であり、図２はその断面図解図である。
この圧電共振子１０は、たとえば共振周波数が１００Ｍ
Ｈｚ以上の厚み縦振動の基本波（ｎ＝１）を利用したも
のである。圧電共振子１０は、基板１２を含む。基板１
２は、たとえばＳｉ、パイレックス（登録商標）ガラ
ス、石英などで形成される。基板１２上には、誘電体薄
膜１４と、電極薄膜１６を両面に有する圧電体薄膜１８
の多層構造からなる振動部２０が形成される。ここで、
誘電体薄膜１４としては、たとえばＳｉＯ2 などが用い
られるが、その他にも、ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3 などを用い
ることができる。また、電極薄膜１６としては、たとえ
ばＡｌなどが用いられるが、その他にも、Ａｕ，Ａｇ，
Ｃｕなどを用いることができる。さらに、圧電体薄膜１
８としては、たとえばＺｎＯなどが用いられるが、その
他にも、ＡｌＮ，ＰＺＴなどを用いることができる。な
お、対向する電極薄膜１８が形成された振動部２０に対
応する部分においては、エッチング、レーザー加工、サ
ンドブラストなどの方法によって、基板１２が除去さ
れ、振動部２０が振動できるようにしてある。
例を示す平面図であり、図２はその断面図解図である。
この圧電共振子１０は、たとえば共振周波数が１００Ｍ
Ｈｚ以上の厚み縦振動の基本波（ｎ＝１）を利用したも
のである。圧電共振子１０は、基板１２を含む。基板１
２は、たとえばＳｉ、パイレックス（登録商標）ガラ
ス、石英などで形成される。基板１２上には、誘電体薄
膜１４と、電極薄膜１６を両面に有する圧電体薄膜１８
の多層構造からなる振動部２０が形成される。ここで、
誘電体薄膜１４としては、たとえばＳｉＯ2 などが用い
られるが、その他にも、ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3 などを用い
ることができる。また、電極薄膜１６としては、たとえ
ばＡｌなどが用いられるが、その他にも、Ａｕ，Ａｇ，
Ｃｕなどを用いることができる。さらに、圧電体薄膜１
８としては、たとえばＺｎＯなどが用いられるが、その
他にも、ＡｌＮ，ＰＺＴなどを用いることができる。な
お、対向する電極薄膜１８が形成された振動部２０に対
応する部分においては、エッチング、レーザー加工、サ
ンドブラストなどの方法によって、基板１２が除去さ
れ、振動部２０が振動できるようにしてある。
【００１２】電極薄膜１６対向部の形状としては、たと
えば円形となるように形成される。ここでは、振動部２
０の厚みが約２μｍとなるように形成され、電極薄膜１
６の半径が２００μｍとなるように形成される。このよ
うに、振動部２０の厚みをｔ、電極薄膜１６の半径をｒ
としたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎの条件を満たすように形成
される。特に、圧電共振子１０の機械的品質係数Ｑｍが
１０００以上である場合、電極薄膜１６の半径ｒは、ｒ
≧４０ｔ／ｎの範囲になることが好ましい。なお、電極
薄膜１６の形状としては、円形に限らず、図３に示すよ
うな円形を内包する四角形、図４に示すような円形を内
包する六角形、図５に示すような円形を内包する八角形
など、上述の条件を満たす円形を内包する多角形にする
ことができる。対向する２つの電極薄膜１６は、振動部
２０の対向する端部に引き出される。
えば円形となるように形成される。ここでは、振動部２
０の厚みが約２μｍとなるように形成され、電極薄膜１
６の半径が２００μｍとなるように形成される。このよ
うに、振動部２０の厚みをｔ、電極薄膜１６の半径をｒ
としたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎの条件を満たすように形成
される。特に、圧電共振子１０の機械的品質係数Ｑｍが
１０００以上である場合、電極薄膜１６の半径ｒは、ｒ
≧４０ｔ／ｎの範囲になることが好ましい。なお、電極
薄膜１６の形状としては、円形に限らず、図３に示すよ
うな円形を内包する四角形、図４に示すような円形を内
包する六角形、図５に示すような円形を内包する八角形
など、上述の条件を満たす円形を内包する多角形にする
ことができる。対向する２つの電極薄膜１６は、振動部
２０の対向する端部に引き出される。
【００１３】このような圧電共振子１０の共振特性が、
図６に示されている。図６からわかるように、この発明
の圧電共振子１０では、主振動の後方のスプリアス振動
がない共振特性を得ることができる。この圧電共振子１
０の特性を説明するために、主振動（Ｓ0 モード）とス
プリアス振動（Ｓ1 モード〜Ｓ9 モード）の関係を図７
に示した。図７において、横軸は共振周波数を示し、縦
軸は電極薄膜１６の半径ｒと振動部２０の厚みｔとの比
ｒ／ｔを示している。図７において、ある電極半径から
横軸に平行な線を引き、各モードの曲線との交点から横
軸に向けて垂線を下ろしたとき、横軸との交点の値が各
モードの共振周波数を示す。
図６に示されている。図６からわかるように、この発明
の圧電共振子１０では、主振動の後方のスプリアス振動
がない共振特性を得ることができる。この圧電共振子１
０の特性を説明するために、主振動（Ｓ0 モード）とス
プリアス振動（Ｓ1 モード〜Ｓ9 モード）の関係を図７
に示した。図７において、横軸は共振周波数を示し、縦
軸は電極薄膜１６の半径ｒと振動部２０の厚みｔとの比
ｒ／ｔを示している。図７において、ある電極半径から
横軸に平行な線を引き、各モードの曲線との交点から横
軸に向けて垂線を下ろしたとき、横軸との交点の値が各
モードの共振周波数を示す。
【００１４】図７から、電極半径ｒを小さくしていく
と、つまり縦軸から引いた直線を下方に移動すると、ス
プリアス振動が主振動から離れていき、電極半径が十分
に小さくなると、各スプリアス振動を示す曲線との交点
をもたなくなる、すなわち、スプリアス振動が発生しな
くなることがわかる。従来は、この性質を利用して、電
極半径を小さくすることで、スプリアス振動を隔離もし
くは抑制していた。
と、つまり縦軸から引いた直線を下方に移動すると、ス
プリアス振動が主振動から離れていき、電極半径が十分
に小さくなると、各スプリアス振動を示す曲線との交点
をもたなくなる、すなわち、スプリアス振動が発生しな
くなることがわかる。従来は、この性質を利用して、電
極半径を小さくすることで、スプリアス振動を隔離もし
くは抑制していた。
【００１５】一方、電極半径ｒを大きくしていくと、つ
まり縦軸から引いた直線を上方に移動すると、スプリア
ス振動が主振動に接近してくる。この性質を利用して、
電極半径ｒを十分に大きくし、主振動近傍にスプリアス
振動を集中させたものが、この発明の圧電共振子１０で
ある。この場合、電極半径ｒの大きさが不十分である
と、従来の圧電共振子と同様に、主振動後方にスプリア
ス振動が発生、あるいは主振動にスプリアス振動が重な
り歪んだ共振特性となる。有限要素法解析および実験に
より、ｒ／ｔは２０／ｎ以上で主振動近傍にスプリアス
振動が集中し、図６に示すような良好な特性が得られる
ことがわかった。特に、共振子の機械的品質係数Ｑｍが
１０００以上の場合、ｒ／ｔは４０／ｎ以上であるとき
に、良好な特性が得られることがわかった。良好な特性
を得るためには、ｒ／ｔはより大きいほうが好ましい。
また、電極径が大きいほど圧電共振子１０のインピーダ
ンスを下げることができるため、この発明の圧電共振子
では、インピーダンスの低下とスプリアス振動の影響低
減を両立することができる。
まり縦軸から引いた直線を上方に移動すると、スプリア
ス振動が主振動に接近してくる。この性質を利用して、
電極半径ｒを十分に大きくし、主振動近傍にスプリアス
振動を集中させたものが、この発明の圧電共振子１０で
ある。この場合、電極半径ｒの大きさが不十分である
と、従来の圧電共振子と同様に、主振動後方にスプリア
ス振動が発生、あるいは主振動にスプリアス振動が重な
り歪んだ共振特性となる。有限要素法解析および実験に
より、ｒ／ｔは２０／ｎ以上で主振動近傍にスプリアス
振動が集中し、図６に示すような良好な特性が得られる
ことがわかった。特に、共振子の機械的品質係数Ｑｍが
１０００以上の場合、ｒ／ｔは４０／ｎ以上であるとき
に、良好な特性が得られることがわかった。良好な特性
を得るためには、ｒ／ｔはより大きいほうが好ましい。
また、電極径が大きいほど圧電共振子１０のインピーダ
ンスを下げることができるため、この発明の圧電共振子
では、インピーダンスの低下とスプリアス振動の影響低
減を両立することができる。
【００１６】また、主振動近傍にスプリアス振動を集中
させることにより、これらが干渉し、図８に示すよう
に、主振動単独の場合よりも、共振周波数と反共振周波
数との差Δｆが大きくなるという効果もある。このよう
な性質により、電極半径の小さい主振動単独で振動して
いる圧電共振子を用いてラダー型フィルタを構成する場
合に比べて、この発明の圧電共振子１０を用いた場合の
ほうが、通過帯域の広いフィルタを構成することができ
るという特徴がある。
させることにより、これらが干渉し、図８に示すよう
に、主振動単独の場合よりも、共振周波数と反共振周波
数との差Δｆが大きくなるという効果もある。このよう
な性質により、電極半径の小さい主振動単独で振動して
いる圧電共振子を用いてラダー型フィルタを構成する場
合に比べて、この発明の圧電共振子１０を用いた場合の
ほうが、通過帯域の広いフィルタを構成することができ
るという特徴がある。
【００１７】図１および図２に示す構造と同じ圧電共振
子１０について、機械的品質係数Ｑｍを５００とし、電
極半径ｒを１１５μｍに変えて測定した共振特性が、図
９に示されている。なお、圧電共振子１０のＱｍ値は、
振動部２０を構成する薄膜の材料や構成比率を変えるこ
とにより、コントロールすることができる。この圧電共
振子１０では、Ｑｍ値が１０００以上の圧電共振子に比
べて、電極半径ｒが小さくても、スプリアス振動の影響
を小さくすることができる。
子１０について、機械的品質係数Ｑｍを５００とし、電
極半径ｒを１１５μｍに変えて測定した共振特性が、図
９に示されている。なお、圧電共振子１０のＱｍ値は、
振動部２０を構成する薄膜の材料や構成比率を変えるこ
とにより、コントロールすることができる。この圧電共
振子１０では、Ｑｍ値が１０００以上の圧電共振子に比
べて、電極半径ｒが小さくても、スプリアス振動の影響
を小さくすることができる。
【００１８】電極半径ｒを小さくしていくと、スプリア
ス振動は主振動から離れていく傾向にある。したがっ
て、電極半径が小さくなると、共振部と反共振部との間
にリップルが生じやすくなる。一方、共振子のＱｍ値が
小さくなると、機械的振動における損失が大きくなり、
レスポンスとしては小さくなっていく。そこで、共振子
のＱｍ値を小さくし、スプリアス振動のレスポンスを小
さくすることで、リップルの影響を低減することがで
き、小さい電極半径でスプリアス振動の影響を小さくで
きるという効果を得ることができる。有限要素法解析お
よび実験により、Ｑｍ値が１０００より小さい場合、ｒ
／ｔは２０／ｎ以上で主振動近傍にスプリアス振動が集
中し、図９に示すように、良好な特性が得られることが
わかった。したがって、Ｑｍ値を低くすることは、特に
小型の圧電共振子が要求される場合に有用である。
ス振動は主振動から離れていく傾向にある。したがっ
て、電極半径が小さくなると、共振部と反共振部との間
にリップルが生じやすくなる。一方、共振子のＱｍ値が
小さくなると、機械的振動における損失が大きくなり、
レスポンスとしては小さくなっていく。そこで、共振子
のＱｍ値を小さくし、スプリアス振動のレスポンスを小
さくすることで、リップルの影響を低減することがで
き、小さい電極半径でスプリアス振動の影響を小さくで
きるという効果を得ることができる。有限要素法解析お
よび実験により、Ｑｍ値が１０００より小さい場合、ｒ
／ｔは２０／ｎ以上で主振動近傍にスプリアス振動が集
中し、図９に示すように、良好な特性が得られることが
わかった。したがって、Ｑｍ値を低くすることは、特に
小型の圧電共振子が要求される場合に有用である。
【００１９】また、図１および図２に示す圧電共振子に
おいて、振動部２０の構成を圧電体ＺｎＯと誘電体Ｓｉ
Ｏ2 をそれぞれ１層とし、計２層の構造として、振動部
２０全体の厚みを約２μｍ、膜厚比（ＳｉＯ2 膜厚／Ｚ
ｎＯ膜厚）を０．５３とすると、共振子の共振周波数温
度係数（ＴＣＦ：Temperature Coefficient of Frequen
cy）が０の共振子を得ることができる。つまり、温度変
化に対して、共振周波数が変化しない圧電共振子を得る
ことができる。
おいて、振動部２０の構成を圧電体ＺｎＯと誘電体Ｓｉ
Ｏ2 をそれぞれ１層とし、計２層の構造として、振動部
２０全体の厚みを約２μｍ、膜厚比（ＳｉＯ2 膜厚／Ｚ
ｎＯ膜厚）を０．５３とすると、共振子の共振周波数温
度係数（ＴＣＦ：Temperature Coefficient of Frequen
cy）が０の共振子を得ることができる。つまり、温度変
化に対して、共振周波数が変化しない圧電共振子を得る
ことができる。
【００２０】図１０は、ＺｎＯとＳｉＯ2 の２層からな
る厚み縦振動共振子の基本波、２倍波について、その膜
厚比とＴＣＦの関係を示したものである。ＺｎＯの弾性
定数の温度係数がマイナスであるのに対して、ＳｉＯ2
の弾性定数の温度係数はプラスである。したがって、両
者を適当な比率で組合せることにより、図１０に示すよ
うに、ＴＣＦが０である圧電共振子を得ることができ
る。
る厚み縦振動共振子の基本波、２倍波について、その膜
厚比とＴＣＦの関係を示したものである。ＺｎＯの弾性
定数の温度係数がマイナスであるのに対して、ＳｉＯ2
の弾性定数の温度係数はプラスである。したがって、両
者を適当な比率で組合せることにより、図１０に示すよ
うに、ＴＣＦが０である圧電共振子を得ることができ
る。
【００２１】さらに、図１１に示すように、この発明の
圧電共振子１０を用いて、ラダー型フィルタ３０を形成
することができる。この場合、電極半径が１５０μｍの
素子と、２００μｍの素子が準備され、直列側に１５０
μｍの圧電共振子１０ａが用いられ、並列側に２００μ
ｍの圧電共振子１０ｂが用いられる。このとき、直列側
共振子１０ａの共振周波数と並列側共振子１０ｂの反共
振周波数とが一致するように、各共振子の厚み構成が微
調整される。この回路はバンドパスフィルタとなり、図
１２に示すような通過特性を得ることができる。
圧電共振子１０を用いて、ラダー型フィルタ３０を形成
することができる。この場合、電極半径が１５０μｍの
素子と、２００μｍの素子が準備され、直列側に１５０
μｍの圧電共振子１０ａが用いられ、並列側に２００μ
ｍの圧電共振子１０ｂが用いられる。このとき、直列側
共振子１０ａの共振周波数と並列側共振子１０ｂの反共
振周波数とが一致するように、各共振子の厚み構成が微
調整される。この回路はバンドパスフィルタとなり、図
１２に示すような通過特性を得ることができる。
【００２２】このようなバンドパスフィルタ３０におい
て、従来の圧電共振子を用いた場合、並列側共振子の主
振動より高周波側に発生するスプリアス振動により、フ
ィルタの通過帯域中に大きいリップルが生じる。それに
対して、この発明の圧電共振子１０を用いることによ
り、通過帯域中のリップルを小さく抑えることができ
る。また、共振子のΔｆが従来の圧電共振子より広がる
ため、通過帯域幅の広いフィルタを得ることができる。
て、従来の圧電共振子を用いた場合、並列側共振子の主
振動より高周波側に発生するスプリアス振動により、フ
ィルタの通過帯域中に大きいリップルが生じる。それに
対して、この発明の圧電共振子１０を用いることによ
り、通過帯域中のリップルを小さく抑えることができ
る。また、共振子のΔｆが従来の圧電共振子より広がる
ため、通過帯域幅の広いフィルタを得ることができる。
【００２３】
【発明の効果】この発明によれば、インピーダンスが小
さく、スプリアス振動の影響の少ない圧電共振子を得る
ことができる。また、共振子のＱｍ値を下げることによ
り、より小さい電極半径でスプリアス抑制効果を有する
圧電共振子を得ることができ、小型で低スプリアスの圧
電共振子を得ることができる。さらに、振動部を構成す
る圧電体と誘電体の弾性定数の温度係数を互いに逆符号
とし、適切な膜厚比で組合せることにより、ＴＣＦを０
にすることが可能となる。そのため、温度変化に対して
安定した共振周波数を有し、かつスプリアス振動の低減
された圧電共振子を得ることができる。また、この発明
の圧電共振子を用いることにより、圧電共振子のスプリ
アス振動の影響により通過帯域内に生じるリップルが小
さく、しかも、共振子のΔｆが大きいことにより、より
広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを得ることが
できる。
さく、スプリアス振動の影響の少ない圧電共振子を得る
ことができる。また、共振子のＱｍ値を下げることによ
り、より小さい電極半径でスプリアス抑制効果を有する
圧電共振子を得ることができ、小型で低スプリアスの圧
電共振子を得ることができる。さらに、振動部を構成す
る圧電体と誘電体の弾性定数の温度係数を互いに逆符号
とし、適切な膜厚比で組合せることにより、ＴＣＦを０
にすることが可能となる。そのため、温度変化に対して
安定した共振周波数を有し、かつスプリアス振動の低減
された圧電共振子を得ることができる。また、この発明
の圧電共振子を用いることにより、圧電共振子のスプリ
アス振動の影響により通過帯域内に生じるリップルが小
さく、しかも、共振子のΔｆが大きいことにより、より
広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを得ることが
できる。
【図１】この発明の圧電共振子の一例を示す平面図であ
る。
る。
【図２】図１に示す圧電共振子の断面図解図である。
【図３】この発明の圧電共振子の他の例を示す平面図で
ある。
ある。
【図４】この発明の圧電共振子のさらに他の例を示す平
面図である。
面図である。
【図５】この発明の圧電共振子の別の例を示す平面図で
ある。
ある。
【図６】図１に示す圧電共振子の共振特性を示す特性図
である。
である。
【図７】圧電共振子の主振動とスプリアス振動との関係
を示す特性図である。
を示す特性図である。
【図８】この発明の圧電共振子の共振特性と主振動単独
を用いた圧電共振子の共振特性を示す特性図である。
を用いた圧電共振子の共振特性を示す特性図である。
【図９】機械的品質係数Ｑｍを５００にしたときの圧電
共振子の共振特性を示す特性図である。
共振子の共振特性を示す特性図である。
【図１０】ＺｎＯとＳｉＯ2 の２層からなる圧電共振子
の基本波および２倍波について、膜厚比とＴＣＦとの関
係を示す図である。
の基本波および２倍波について、膜厚比とＴＣＦとの関
係を示す図である。
【図１１】この発明の圧電共振子を組合せたラダー型フ
ィルタを示す等価回路図である。
ィルタを示す等価回路図である。
【図１２】図１１に示すラダー型フィルタの通過特性を
示す特性図である。
示す特性図である。
【図１３】（ａ）（ｂ）は従来の圧電共振子の一例を示
す図解図である。
す図解図である。
【図１４】図１３に示す従来の圧電共振子の共振特性を
示す特性図である。
示す特性図である。
１０ 圧電共振子 １２ 基板 １４ 誘電体薄膜 １６ 電極薄膜 １８ 圧電体薄膜 ２０ 振動部 ３０ ラダー型フィルタ
フロントページの続き (72)発明者 塚井 紀充 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 Ｆターム(参考） 5J108 AA01 AA04 AA07 BB04 BB07 DD01 DD02 DD06 FF02 FF04
Claims (6)
- 【請求項１】 少なくとも１層以上の圧電体、もしくは
圧電体と誘電体の多層構造からなる振動部、および前記
振動部に形成される少なくとも１対の対向する電極を含
む厚み縦振動または厚みすべり振動のｎ次モードを利用
した圧電共振子において、 前記電極対向部の平面形状が円形または円形を内包する
任意の形状であって、前記円形の半径をｒ、前記電極の
対向部における前記振動部の厚みをｔとしたとき、前記
半径ｒが、ｒ≧２０ｔ／ｎの範囲にあることを特徴とす
る、圧電共振子。 - 【請求項２】 機械的品質係数Ｑｍが１０００以上の圧
電共振子であって、前記円形の半径ｒが、ｒ≧４０ｔ／
ｎの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の圧
電共振子。 - 【請求項３】 機械的品質係数Ｑｍが１０００より小さ
い圧電共振子であって、前記円形の半径ｒが、ｒ≧２０
ｔ／ｎの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載
の圧電共振子。 - 【請求項４】 前記振動部は圧電体および誘電体の多層
構造からなる圧電共振子であって、前記圧電体および前
記誘電体の少なくとも１つの弾性定数の温度係数が、他
の圧電体および誘電体の弾性定数の温度係数と逆符号で
あることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいず
れかに記載の圧電共振子。 - 【請求項５】 前記振動部は複数の圧電体の多層構造か
らなる圧電共振子であって、前記圧電体の少なくとも１
つの弾性定数の温度係数が、他の圧電体の弾性定数の温
度係数と逆符号であることを特徴とする、請求項１ない
し請求項３のいずれかに記載の圧電共振子。 - 【請求項６】 複数の圧電共振子を組合せた圧電フィル
タであって、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載
の圧電共振子を少なくとも１つ含む、圧電フィルタ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000189125A JP3498682B2 (ja) | 2000-06-23 | 2000-06-23 | 圧電共振子およびそれを用いた圧電フィルタ |
| EP01114466A EP1170862B1 (en) | 2000-06-23 | 2001-06-15 | Piezoelectric resonator and piezoelectric filter using the same |
| KR10-2001-0036047A KR100430366B1 (ko) | 2000-06-23 | 2001-06-23 | 압전 공진기와 이를 이용한 압전 필터 |
| US09/888,815 US6556103B2 (en) | 2000-06-23 | 2001-06-25 | Piezoelectric resonator with electrode radius related to resonator thickness and vibration mode, and filter using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000189125A JP3498682B2 (ja) | 2000-06-23 | 2000-06-23 | 圧電共振子およびそれを用いた圧電フィルタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002009579A true JP2002009579A (ja) | 2002-01-11 |
| JP3498682B2 JP3498682B2 (ja) | 2004-02-16 |
Family
ID=18688791
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000189125A Expired - Lifetime JP3498682B2 (ja) | 2000-06-23 | 2000-06-23 | 圧電共振子およびそれを用いた圧電フィルタ |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3498682B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6888424B2 (en) | 2001-07-03 | 2005-05-03 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric resonator, filter, and electronic communication device |
| US6914368B2 (en) | 2002-01-08 | 2005-07-05 | Murata Manufacturing Co., Ltd | Piezoelectric resonator, and piezoelectric filter, duplexer, and communication apparatus, all including same |
| JP2006180290A (ja) * | 2004-12-22 | 2006-07-06 | Murata Mfg Co Ltd | 圧電薄膜共振子 |
| US7380320B2 (en) * | 2001-08-27 | 2008-06-03 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric device and method of manufacturing the device |
| JP2008182512A (ja) * | 2007-01-25 | 2008-08-07 | Seiko Epson Corp | バルク音響振動子の製造方法及びバルク音響振動子 |
| CN110785930A (zh) * | 2017-07-05 | 2020-02-11 | 株式会社村田制作所 | 谐振器以及谐振装置 |
-
2000
- 2000-06-23 JP JP2000189125A patent/JP3498682B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6888424B2 (en) | 2001-07-03 | 2005-05-03 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric resonator, filter, and electronic communication device |
| US7380320B2 (en) * | 2001-08-27 | 2008-06-03 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric device and method of manufacturing the device |
| US6914368B2 (en) | 2002-01-08 | 2005-07-05 | Murata Manufacturing Co., Ltd | Piezoelectric resonator, and piezoelectric filter, duplexer, and communication apparatus, all including same |
| JP2006180290A (ja) * | 2004-12-22 | 2006-07-06 | Murata Mfg Co Ltd | 圧電薄膜共振子 |
| JP4572679B2 (ja) * | 2004-12-22 | 2010-11-04 | 株式会社村田製作所 | 圧電薄膜共振子 |
| JP2008182512A (ja) * | 2007-01-25 | 2008-08-07 | Seiko Epson Corp | バルク音響振動子の製造方法及びバルク音響振動子 |
| CN110785930A (zh) * | 2017-07-05 | 2020-02-11 | 株式会社村田制作所 | 谐振器以及谐振装置 |
| CN110785930B (zh) * | 2017-07-05 | 2023-09-01 | 株式会社村田制作所 | 谐振器以及谐振装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3498682B2 (ja) | 2004-02-16 |
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