JP2003023337A - 圧電共振子およびフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】優れた共振特性を有する圧電共振子を提供する
こと。 【解決手段】開口２を有する基板３と、該基板上面に前
記開口を覆う形態で設けられた薄膜状のダイヤフラム４
と、前記ダイヤフラム上面に設けられた下部電極５と、
少なくとも前記下部電極上に設けられた少なくとも１層
の圧電膜を含む薄膜層６と、少なくとも前記薄膜層上に
設けられた上部電極７とを有し、前記下部電極と上部電
極とがそれぞれ前記薄膜層を介して上下に交差して重な
る電極部分を振動電極８として持ち、両振動電極におい
て前記薄膜層を含む振動体が構成され、かつ、前記両振
動電極の形状が、長さが異なる隣り合う２辺を有する多
角形形状とされている。

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。この圧電共振子は、フィルタや発振
子などに使用されて、ＶＨＦ帯、ＵＨＦ帯、さらにそれ
以上の超高周波帯において厚み縦振動するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電共振子には、基板の開口を覆う形態
でその上面に薄膜状のダイヤフラムを設け、そのダイヤ
フラム上面に、上下一対の電極間に圧電膜を設けてなる
振動体を設け、両電極に対する電圧の印加で振動体をダ
イヤフラムと共に厚み縦振動させる構造のものがある。

【０００３】このような基本構造を有する圧電共振子に
おいて、特開２０００−３４１０７７号公報には、次の
形態とされたものが開示されている。

【０００４】この公報に開示されている圧電共振子の場
合、縦横からの電極幅同一とされた複数の長尺状電極を
上下において直角に交差させ、交差している上下一対の
振動電極が重なる領域を振動電極としてその振動電極の
サイズを膜厚と同程度としている。この公報によれば、
上記構造としたことで、面内伝播モードがなくなり、無
電極部分との境界における反射定在波の発生が防止さ
れ、不要振動(スプリアス)が抑圧可能といわれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この公報の圧電共振子
の場合、上下における長尺状電極が共に同一の電極幅に
形成されている。したがって、交差する振動電極部分に
おける振動電極の平面視形状は、隣り合う２辺が直交し
かつその長さが等しくおよび対向する２辺が平行でかつ
その長さが等しい四角形つまり正方形となっている。そ
して、その電極幅が１０μｍ以下と小さくされているた
めに、振動電極そのものは１０μｍ平方の小さな正方形
電極となっている。

【０００６】しかしながら、本発明者らがこのような小
さな正方形の振動電極とそれらに介装された圧電膜とか
らなる振動体の共振特性を研究したところ、スプリアス
抑圧が不十分となり所要の共振特性が得られなくなる現
象のあることを見出した。

【０００７】そこで、本発明者らが、この原因を究明す
べく鋭意研究を進めた結果、振動電極の形状を長辺と短
辺とを有する長方形の形状としたところ、比較的満足し
た共振特性が得られることが判明できた。

【０００８】さらに、この場合、長方形形状にしてある
程度の満足した共振周波数とが得られたが、さらに共振
特性を良好にするため、本発明者らが研究を進めた。そ
うしたところ、上記公報の圧電共振子では複数の振動体
が比較的小面積領域内において多数配列されているにも
かかわらず、それらの離間間隔が不定であった。そのた
め、製造過程やその他でそれら振動体同士の離間間隔が
小さくされすぎて、振動体同士が相互干渉してスプリア
ス抑圧に悪影響を及ぼしていることも判明できた。

【０００９】したがって、本発明は、振動電極の平面視
形状を長方形とすることで優れた共振特性を有する圧電
共振子を提供することを共通の解決すべき課題としてい
る。

【００１０】本発明はまた、さらに振動体同士の相互干
渉を無くしてスプリアス抑圧を十分に達成できるように
することを他の解決すべき課題としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明第１の圧電共振子
は、開口を有する基板と、該基板上面に前記開口を覆う
形態で設けられた薄膜状のダイヤフラムと、前記ダイヤ
フラム上面に設けられた下部電極と、少なくとも前記下
部電極上に設けられた少なくとも１層の圧電膜を含む薄
膜層と、少なくとも前記薄膜層上に設けられた上部電極
とを有し、前記下部電極と上部電極とがそれぞれ前記薄
膜層を介して上下に交差して重なる電極部分を振動電極
として持ち、両振動電極において前記薄膜層を含む振動
体が構成され、かつ、前記両振動電極の形状が、長さが
異なる隣り合う２辺を有する多角形形状とされているこ
とを特徴とする。

【００１２】本発明第１は、好ましくは、両振動電極の
形状が、長方形である、ここで、基板、基板の開口、ダ
イヤフラム、振動体の構成材料およびその形状は、実施
形態に限定されるものではない。また、ダイヤフラムを
構成する薄膜の種類、その数は、実施形態に限定される
ものではない。さらに、両振動電極間の薄膜は少なくと
も圧電膜を含むが、誘電膜をこれに付加したものも含
む。また、その層数も１層以上であればよく、その層数
に限定されない。圧電共振子の振動モードは基本モード
に限定されるものではない。

【００１３】本発明第１によると、次のような作用効果
を達成できる。この作用効果の説明に先立ち、振動電極
の形状による共振周波数について説明する。すなわち、
圧電共振子においては、振動電極の寸法(形状)によっ
て、主振動(Ｓ０モード)やそれ以外のモードでの共振周
波数が決まる。例えば、参考文献として１９９０年１月
３０日丸善株式会社発行による「驚異のチタバリ」(高
木豊、田中哲郎監修)２１３頁〜２１５頁参照。

【００１４】本発明者らは、このような圧電共振子の共
振周波数が振動電極の形状により前記モードにおける共
振周波数が決まることに着目して本発明を完成させた。
以下に図１(ａ)(ｂ)を参照して従来例と比較して本発明
の特徴とその作用効果を説明する。

【００１５】図１(ａ)は、従来例の振動電極としてｘｙ
直交二次元座標に一辺の長さがａの正方形電極が配置さ
れている状態を示す。図１(ｂ)は、同じく本発明第１の
振動電極としてｘｙ直交二次元座標に長辺の長さがｂで
短辺の長さがａの長方形電極が配置されている状態を示
す。

【００１６】図１(ａ)の正方形電極の場合、ｘ方向とｙ
方向それぞれの辺の長さが等しいから、Ｓ０モードだけ
でなく、すべてのモードにおける振動が互いに強めあっ
てしまう。その結果、周波数帯域がＧＨｚ帯以下になる
と、スプリアス抑圧が不十分となり所要の共振特性が得
られなくなる。

【００１７】図１(ｂ)の長方形電極の場合、短辺の長さ
ａで決まる共振周波数と長辺の長さｂで決まる共振周波
数とが異なる。そのため、長方形電極の場合、Ｓ０モー
ドでは、共振周波数はほぼ同じで強めあうが、Ｓ０モー
ド以外ではスプリアス周波数がそれぞれ異なるため弱め
あうことになる。

【００１８】したがって、本発明第１の圧電共振子の場
合、両振動電極の形状を、長方形のように、長さが異な
る隣り合う２辺を有する多角形形状としたから、上述し
たように、スプリアスが弱くなって共振特性に優れた圧
電共振子を得ることができる。

【００１９】以上の結果を、図１(ｃ)(ｄ)に示す。図１
(ｃ)(ｄ)は、横軸を周波数、左縦軸をインピーダンス、
右縦軸を位相にとる特性図であり、本発明者らにより確
認されたものである。図中、太い特性線は、インピーダ
ンス、細い特性線は位相を示す。図１(ｃ)は従来例によ
る特性を示し、図１(ｄ)は本発明による特性を示してい
る。図１(ｃ)から明らかであるように、従来例のように
振動電極が正方形の場合、スプリアスの位相が約０度で
ありスプリアスが大きい。これに対して図１(ｄ)から明
らかであるように、本発明のように振動電極を長さが異
なる隣り合う２辺を有する多角形形状例えば長方形とし
た場合、スプリアスの位相が約−２０度であり、従来例
よりも約２０度低くなってスプリアスが十分に小さく抑
圧されたものとなっている。

【００２０】本発明第２の圧電共振子は、開口を有する
基板と、該基板上面に前記開口を覆う形態で設けられた
薄膜状のダイヤフラムと、前記ダイヤフラム上面に設け
られた下部電極と、少なくとも前記下部電極上に設けら
れた少なくとも１層の圧電膜を含む薄膜層と、少なくと
も前記薄膜層上に設けられた上部電極とを有し、前記下
部電極と上部電極とがそれぞれ前記薄膜層を介して上下
に交差して重なる電極部分を振動電極として持ち、両振
動電極において前記薄膜層を含む振動体が構成され、か
つ、前記両振動電極の形状が、対向する辺間の距離が不
連続に変化する２辺を有する多角形とされていることを
特徴とする。

【００２１】本発明第２による場合も、本発明第１と同
様に、両振動電極の形状が、対向する辺間の距離が不連
続に変化する２辺を有する多角形とされているから、Ｓ
０モードでは、共振周波数はほぼ同じで強めあうが、Ｓ
０モード以外ではスプリアス周波数がそれぞれ異なるた
め弱めあうことにより、優れた共振特性を有する圧電共
振子を得ることができる。

【００２２】本発明第１および第２は、好ましくは、前
記下部電極および上部電極における少なくとも一方の電
極が、複数の長尺状電極からなるとともに、各長尺状電
極は、他方の電極との間で複数に重なる領域の電極部分
を前記振動電極として有する。

【００２３】こうした場合、多数の優れた共振特性を有
する振動体を得ることができる。

【００２４】本発明第１および第２は、好ましくは、少
なくとも振動電極が、互いに対して、λ／２(λは振動
波長)以上平行に離間されている。

【００２５】こうした場合、各振動体は、互いに相互干
渉することなく良好な共振特性を保持できる。

【００２６】本発明のフィルタは、前記圧電共振子の複
数を備え、それらの圧電共振子における電極同士をフィ
ルタ回路の構成に接続してなることを特徴とする。

【００２７】本発明のフィルタによると、スプリアスが
抑制された圧電共振子で構成されているから、優れたフ
ィルタ特性を有するものとなる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図面に示す
実施の形態に基づいて説明する。

【００２９】図２および図３は、本発明の実施形態に係
り、図２は、圧電共振子の要部断面図、図３は、図２の
圧電共振子における電極の平面図である。

【００３０】これらの図を参照して、この圧電共振子１
は、厚み縦振動型であって、開口２を有する基板３を備
える。基板３上面に前記開口２を覆う形態で薄膜状のダ
イヤフラム４が設けられている。ダイヤフラム４上面に
下部電極５が設けられている。下部電極５上に少なくと
も１層の圧電膜を含む薄膜層６が設けられている。薄膜
層６上に上部電極７が設けられている。

【００３１】下部電極５と上部電極７は、それぞれ、薄
膜層６を介して上下に交差して重なる電極部分を振動電
極８として持つ。振動電極８は、容易な理解のため、図
３でハッチングが付されている。

【００３２】上下一対の振動電極８と薄膜層６とで振動
体９が構成されている。

【００３３】そして、本実施の形態は、両振動電極８の
形状が、長さが異なる隣り合う２辺８ａ，８ｂを有する
多角形形状として長方形とされていることを特徴とす
る。

【００３４】振動体９は、それを構成する振動電極８が
長方形形状とされていることで、図１を参照して説明し
たように、優れた共振特性を発揮することができるよう
になる。

【００３５】ここで、上部電極７は、基部電極７１と、
この基部電極７１から複数この例では３つに分岐した長
尺状電極７２，７３，７４からなるとともに、各長尺状
電極７２，７３，７４は、他方の電極として下部電極５
との間で複数に重なる領域の電極部分を一方の振動電極
８として有する。下部電極５においても、長尺状電極７
２，７３，７４と重なる領域の電極部分を他方の振動電
極８として有する。

【００３６】また、前記長尺状電極７２，７３，７４
は、振動体相互の干渉を無くすように互いに平行にλ／
２離間されている。

【００３７】なお、前記離間は、少なくとも振動電極の
ところでλ／２離間しているとよい。

【００３８】以上の構成を有する本実施の形態の圧電共
振子は、振動電極８の形状が、長方形の形状を有するか
ら、上述したようにスプリアスが弱められ優れた共振特
性を有するものとなる。

【００３９】また、長尺状電極７２，７３，７４の配置
が、下部電極５に対して位置ずれしても、振動電極８の
面積が変化しないから、その位置ずれで圧電共振子１の
共振特性に影響しない。

【００４０】さらに、ダイヤフラム４の比較的狭い面積
上に複数の振動体９を配置できるから小型化を図れる。

【００４１】さらに、長尺状電極７２，７３，７４が互
いに対してλ／２以上離間されているから、それぞれの
共振特性に影響するような相互干渉がなくなる。

【００４２】さらに、長尺状電極７２，７３，７４は互
いに共通に接続されているから、全体としてスプリアス
がなく、また、各振動体９がそれぞれ並列接続されるこ
とにより共振抵抗が小さくなるから、発振子として使用
するときは、共振抵抗によるエネルギロスの低減がで
き、良好な素子を得ることができ、フィルタとして使用
するときは、外部回路とのインピーダンス整合を良好に
することができる。

【００４３】上記構造の圧電共振子１においては、基板
３の表面にダイヤフラム４となるＳｉＯ₂薄膜を形成す
る。基板３の裏面に対してアルカリ液を用いて異方性エ
ッチングして開口２を形成する。また、基板３表面のＳ
ｉＯ₂薄膜よりなるダイヤフラム４上にリフトオフ蒸着
により下部電極５を形成する。また、下部電極５および
ダイヤフラム４上に少なくともＺｎＯ薄膜を含む薄膜層
６をスパッタリング法やその他の成膜技術を用いて形成
するとともに、この薄膜層６上にリフトオフ蒸着により
上部電極７を形成する。以上により、圧電共振子１の製
造が完了する。なお、圧電共振子１の上記製造は単なる
一例にすぎない。

【００４４】本発明は、上述の実施形態に限定されるも
のではなく、種々な応用や変形が考えられる。 (１)本発明の圧電共振子は、図４で示すように、上部電
極７の長尺状電極７２，７３，７４を、少なくともいず
れか１つの電極幅を他のそれより長くして、振動電極の
面積を異なるようにしてもよい。図４の場合、長尺状電
極７４が最小の面積、長尺状電極７３が最大の面積、長
尺状電極７２が中間の面積を有するものとしている。図
４の圧電共振子の場合、上述した作用効果に加えて、振
動電極８の面積がそれぞれ僅かずつ異なるから、スプリ
アス振動をさらに抑制することができる。 (２)本発明の圧電共振子は、図５で示すように、上部電
極７の複数の長尺状電極７２，７３，７４それぞれを電
極幅同一で順次に短くしてもよい。これによっても振動
電極８の面積を異なるようにしてもよい。図５の圧電共
振子の場合、上述した作用効果に加えて、振動電極８の
面積がそれぞれ僅かずつ異なるから、スプリアス振動を
さらに抑制することができる。 (３) 本発明の圧電共振子は、図６で示すように、上部
電極７の複数の長尺状電極７２，７３，７４それぞれ
と、これら長尺状電極７２，７３，７４それぞれに対し
て連結電極７５を介して接続されかつ対向する長尺状電
極７６，７７，７８を設ける。そして、電極幅同一でも
って、これら長尺状電極７２，７３，７４と長尺状電極
７６，７７，７８とを、順次または不同に短くしてもよ
い。これによっても振動電極８の面積を異なるようにし
てもよい。図６の圧電共振子の場合、上述した作用効果
に加えて、図５よりもダイヤフラム４上の同一面積上に
おける振動体個数の増加でさらなる小型化を図れるとと
もに、振動電極８の面積がそれぞれ僅かずつ異なるか
ら、スプリアス振動をさらに抑制することができる。 (４)本発明の圧電共振子は、図７で示すように、電極幅
や長さを変えて、上部電極７の複数の長尺状電極７２，
７３，７４それぞれの面積を変えてもよい。図７の圧電
共振子の場合、上述した作用効果に加えて、振動電極８
の面積がそれぞれ異なるから、スプリアス振動をさらに
抑制することができる。 (５) 本発明の圧電共振子は、図８で示すように、電極
幅や長さが異なる上部電極７の複数の長尺状電極７２，
７３，７４それぞれと、これら長尺状電極７６，７７，
７８とを対称に設ける。これによっても振動電極の面積
を異なるようにしてもよい。図８の圧電共振子の場合、
上述した作用効果に加えて、振動電極８の面積がそれぞ
れ異なるから、スプリアス振動をさらに抑制することが
できる。 (６) 本発明の圧電共振子は、図９で示すように、下部
電極５を共通電極５１と、これに共通に接続されて複数
に分岐した長尺状電極５２，５３，５４，５５とし、上
部電極７の各長尺状電極７２，７３，７４それぞれと交
差させてもよい。図９の構成を備えた圧電共振子１で
は、長尺状電極７２，７３，７４と長尺状電極５２，５
３，５４，５５の配置が、互いに位置ずれしても、その
位置ずれで圧電共振子１の共振特性に影響しない。

【００４５】ダイヤフラム４の比較的狭い面積上に多数
の振動体を配置できるからその小型化を図れる。さら
に、各長尺状電極それぞれが互いに対してλ／２以上離
間されているから、それぞれの共振特性に影響するよう
な相互干渉がなくなるなど、前記(１)〜(５)の作用効果
を有する。 (７)本発明の圧電共振子は、図１０や図１１で示すよう
に、上部電極７の長尺状電極７２，７３，７４と下部電
極５の長尺状電極５２，５４，５５との交差領域で形成
される振動電極８の形状が、対向する辺間の距離が不連
続に変化する２辺８ｃ，８ｄを有する多角形としての四
角形とされていてもよい。この場合も、図１で述べたと
同様の理由により、Ｓ０モードでは、共振周波数はほぼ
同じで強めあうが、Ｓ０モード以外ではスプリアス周波
数がそれぞれ異なるため弱めあうことにより、優れた共
振特性を有する圧電共振子を得ることができる。なお、
この場合も、各長尺状電極それぞれは互いに対してλ／
２以上離間されていて、それぞれの共振特性に影響する
ような相互干渉がなくなるようにされている。 (８)本発明の圧電共振子は、図１２で示すように、基板
上に複数設け、これら基板上の各圧電共振子どうしをそ
れぞれの電極を適宜に接続することで、周囲の温度変化
に対する動作特性を安定させられたフィルタを完成する
ことができる。図１２(ａ)は、π型フィルタ、図１２
(ｂ)は、Ｌ型フィルタ、図１２(ｃ)は、Ｔ型フィルタと
されている。 (９)本発明の圧電共振子は、携帯電話や無線ＬＡＮやそ
の他、あらゆる各種電子通信機器に搭載することで、当
該電子通信機器の電子通信動作に使用する場合、周囲の
温度変化に対する動作特性を安定させることができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
開口を有する基板と、該基板上面に前記開口を覆う形態
で設けられた薄膜状のダイヤフラムと、前記ダイヤフラ
ム上面に設けられた振動体とを備え、前記振動体が、上
下に対向する一対の振動電極間に少なくとも一層の圧電
膜を介装してなる厚み縦振動型の圧電共振子であって、
前記両振動電極の形状が、長さが異なる隣り合う２辺を
有する多角形形状とされているから、スプリアスを抑圧
した優れた共振特性を有する圧電共振子を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電共振子の説明に供するもので(ａ)
は従来の圧電共振子における振動電極の平面図、(ｂ)は
本発明の圧電共振子における振動電極の平面図、(ｃ)は
従来の圧電共振子の特性を示す図、(ｄ)は本発明の圧電
共振子の特性を示す図

【図２】本発明の実施形態に係る圧電共振子の断面図

【図３】図２の圧電共振子の平面図

【図４】本発明の他の実施形態に係る圧電共振子の平面
図

【図５】本発明のさらに他の実施形態に係る圧電共振子
の平面図

【図６】本発明のさらに他の実施形態に係る圧電共振子
の平面図

【図７】本発明のさらに他の実施形態に係る圧電共振子
の平面図

【図８】本発明のさらに他の実施形態に係る圧電共振子
の平面図

【図９】本発明のさらに他の実施形態に係る圧電共振子
の平面図

【図１０】本発明のさらに他の実施形態に係る圧電共振
子の平面図

【図１１】本発明のさらに他の実施形態に係る圧電共振
子の平面図

【図１２】本発明の実施形態に係る圧電共振子を用いた
フィルタの各回路図

【符号の説明】

１ 圧電共振子 ３ 基板 ４ ダイヤフラム ５ 下部電極 ６ 薄膜層 ７ 上部電極 ８ 振動電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤 義彦 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 (72)発明者 竹内 雅樹 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 (72)発明者 吉野 幸夫 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 (72)発明者 河村 秀樹 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 CC04 CC11 DD01 DD06 EE03 EE07 FF02 FF04 JJ01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】開口を有する基板と、該基板上面に前記開
   口を覆う形態で設けられた薄膜状のダイヤフラムと、前
   記ダイヤフラム上面に設けられた下部電極と、少なくと
   も前記下部電極上に設けられた少なくとも１層の圧電膜
   を含む薄膜層と、少なくとも前記薄膜層上に設けられた
   上部電極とを有し、 前記下部電極と上部電極とがそれぞれ前記薄膜層を介し
   て上下に交差して重なる電極部分を振動電極として持
   ち、両振動電極において前記薄膜層を含む振動体が構成
   され、かつ、前記両振動電極の形状が、長さが異なる隣
   り合う２辺を有する多角形形状とされている、ことを特
   徴とする圧電共振子。
2. 【請求項２】請求項１に記載の圧電共振子において、 両振動電極の形状が、長方形である、ことを特徴とする
   圧電共振子。
3. 【請求項３】開口を有する基板と、該基板上面に前記開
   口を覆う形態で設けられた薄膜状のダイヤフラムと、前
   記ダイヤフラム上面に設けられた下部電極と、少なくと
   も前記下部電極上に設けられた少なくとも１層の圧電膜
   を含む薄膜層と、少なくとも前記薄膜層上に設けられた
   上部電極とを有し、 前記下部電極と上部電極とがそれぞれ前記薄膜層を介し
   て上下に交差して重なる電極部分を振動電極として持
   ち、両振動電極において前記薄膜層を含む振動体が構成
   され、かつ、前記両振動電極の形状が、対向する辺間の
   距離が不連続に変化する２辺を有する多角形とされてい
   る、ことを特徴とする圧電共振子。
4. 【請求項４】請求項１ないし３いずれかに記載の圧電共
   振子において、 前記下部電極および上部電極における少なくとも一方の
   電極が、複数の長尺状電極からなるとともに、各長尺状
   電極は、他方の電極との間で複数に重なる領域の電極部
   分を前記振動電極として有する、ことを特徴とする圧電
   共振子。
5. 【請求項５】請求項１ないし４いずれかに記載の圧電共
   振子において、 少なくとも振動電極が、互いに対して、λ／２(λは振
   動波長)以上平行に離間されている、ことを特徴とする
   圧電共振子。
6. 【請求項６】請求項１ないし５いずれかに記載の圧電共
   振子の複数を備え、それらの圧電共振子における電極同
   士をフィルタ回路の構成に接続してなる、ことを特徴と
   するフィルタ。