JP2005117641A - 圧電体共振器、それを用いたフィルタ及び共用器 - Google Patents

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Abstract

【課題】 振動漏れによる不要振動を防ぎ、スプリアスの発生を抑制させた圧電体共振器を提供する。
【解決手段】 本発明の圧電体共振器は、キャビティ４が設けられた基板５の上に、下部電極３、圧電体１、スプリアス制御層１６及び上部電極２が順に形成された構造である。スプリアス制御層１６は、スプリアス周波数を制御するための層であり、金属体、誘電体又は圧電体（圧電共振器を形成する圧電体１とは異なる材料である）等で形成される。このスプリアス制御層１６の追加によって、不要振動が原因で生じるスプリアスの周波数変化量を、圧電体共振器の主共振の周波数変化量よりも大きくさせることができる。従って、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間にスプリアスが発生しないアドミタンス周波数特性を持った圧電体共振器を実現させることができる。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、圧電体共振器に関し、より特定的には、スプリアスの発生を抑えることが可能な圧電体共振器、及びこの圧電体共振器を用いたフィルタ、並びにこの圧電体共振器を用いた共用器に関する。
携帯機器等の電子機器に内蔵される部品は、より小型化及び軽量化されることが要求されている。例えば、携帯機器に使用されるフィルタには、小型化が要求されると共に、周波数特性の精密な調整が可能であることが要求される。これらの要求を満たすフィルタの１つとして、圧電体共振器を用いたフィルタが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
以下、図１０Ａ〜図１０Ｄを参照して、従来の圧電体共振器を説明する。
図１０Ａは、従来の圧電体共振器５００の基本構造を示した断面図である。圧電体共振器５００は、圧電体５０１を上部電極５０２と下部電極５０３とで挟んだ構造である。この圧電体共振器５００は、キャビティ（空洞）５０４が形成された基板５０５の上に載置されて使用される。キャビティ５０４は、微細加工法を用いて、基板５０５の裏面から部分的にエッチングすることによって形成可能である。この圧電体共振器５００は、上部電極５０２及び下部電極５０３によって、厚さ方向に電界が印加され、厚さ方向の振動を生じる。次に、圧電体共振器５００の動作説明を、無限平板の厚み縦振動を用いて行う。
図１０Ｂは、従来の圧電体共振器５００の動作を説明するための概略的な斜視図である。圧電体共振器５００は、上部電極５０２と下部電極５０３との間に電界が加えられると、圧電体５０１で電気エネルギーが機械エネルギーに変換される。誘起された機械振動は厚さ方向伸び振動であり、電界と同じ方向に伸び縮みを行う。一般に、圧電体共振器５００は、圧電体５０１の厚さ方向の共振振動を利用し、厚さが半波長に等しくなる周波数の共振で動作する。図１０Ａに示したキャビティ５０４は、この圧電体５０１で生じる厚み縦振動を確保するために利用される。
この圧電体共振器５００の等価回路は、図１０Ｄに示すように、直列共振と並列共振とを合わせ持った等価回路となる。この等価回路は、コンデンサＣ１、インダクタＬ１及び抵抗Ｒ１からなる直列共振部と、直列共振部に並列接続されたコンデンサＣ０とで構成される。この回路構成によって、等価回路のアドミッタンス周波数特性は、図１０Ｃに示すように、共振周波数ｆｒでアドミッタンスが極大となり、反共振周波数ｆａでアドミッタンスが極小となる。ここで、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとは、次の関係にある。
ｆｒ＝１／｛２π√（Ｌ１×Ｃ１）｝
ｆａ＝ｆｒ√（１＋Ｃ１／Ｃ０）
さて、このような圧電体共振器５００をフィルタに応用する場合、インピーダンス整合の観点から、電極寸法をできるだけ大きくすることが必要であることが知られている（例えば、特許文献２を参照）。
特開昭６０−６８７１１号公報 特開昭６０−１４２６０７号公報
しかしながら、電極寸法を増大すると、強度を確保するため必然的に基板との接触面積が大きくなり、スプリアスが励振され易くなる。圧電体共振器では、実際には一部が基板に固定されているため、全体が厚み縦振動の自由振動を行うわけではない。
図１１に示すように、振動部は、一端が固定されて振動する領域Ａと、両端が自由端として振動する領域Ｂとに分かれる。領域Ａでは共振周波数ｆ２の振動が生じ、領域Ｂでは共振周波数ｆ１の振動が生じる（図１１では、領域Ａ、領域Ｂの上記した境界条件での理想的な振動変位分布を示す）。そのため、電極寸法を大きくすると、望まれる厚さ方向伸び振動の基本モード（１／２波長モード、周波数ｆ１）以外に、例えば、領域Ａの振動の影響を受け易くなり、主共振周波数（ｆ１）の近くに不要振動が生じ易くなる。これはつまり、本来圧電体内部で振動の励振に使用されるエネルギーのうちの一部が、振動漏れにより損失として扱われることを意味する。
このような不要振動が生じるのは、領域Ａ（共振周波数ｆ２）と領域Ｂ（共振周波数ｆ１）との共振周波数が異なり、かつ、それぞれの共振周波数の差が非常に小さいことが原因で、領域Ａにおいて基板に振動の漏れが生じることにより、スプリアス振動の励振が起こるためである。例えば、領域Ｂで共振振動が行われた場合、領域Ａの固定端（接触点５０１ａ）の影響により領域Ｂの振動が妨げられると共に、領域Ｂが振動することによる領域Ａの振動がスプリアスとして領域Ｂの共振周波数付近に発生する。この生じた不要振動、すなわちスプリアスの周波数が共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間に存在した場合、図１２Ａに示すようにスプリアス１３０が現れる。
このようなスプリアス１３０を有する圧電体共振器を、図１２Ｂのように並列接続してフィルタを形成すると、図１２Ｃに示すように、通過帯域の部分１４０に好ましくない通過特性が現れる。この通過特性は、通信の品質低下を招く。
それ故に、本発明の目的は、振動漏れによる不要振動を防ぎ、スプリアスの発生を抑制させた圧電体共振器、それを用いたフィルタ及び共用器を提供することである。
本発明は、所定の周波数で振動する圧電体共振器に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の圧電体共振器は、圧電体、上部電極、下部電極、スプリアス制御層、及び基板を備える。
上部電極は、圧電体の上面方向に形成される。下部電極は、圧電体の下面方向に形成される。スプリアス制御層は、共振周波数と反共振周波数との間にスプリアスを発生させないために形成される。基板は、圧電体、上部電極、下部電極、及びスプリアス制御層を積層する。なお、上部電極の上面に第２の圧電体を形成し、第２の圧電体の上面に第２の上部電極をさらに形成しても構わない。
スプリアス制御層は、上部電極と圧電体との間、圧電体と下部電極との間、上部電極の上面、下部電極と基板との間、のいずれの位置に設けられてもよい。また、スプリアス制御層の数は、上記位置のいずれか１カ所でもよいし複数カ所であってもよい。スプリアス制御層を複数カ所に設ける場合には、各スプリアス制御層が異なる材料で形成されていることが好ましい。また、スプリアス制御層の厚さは、圧電体の厚さの５分の１以下が好ましい。典型的には、スプリアス制御層は、金属体、誘電体、又は圧電体と異なる材料からなる圧電体で形成されている。
通常、基板には、下部電極で覆われた部分の一部に、基板を貫通しないキャビティ又は基板を貫通したキャビティが形成されている。なお、このキャビティの代わりに、下部電極と基板との間に、高音響インピーダンス層と低音響インピーダンス層とが交互に積層された音響ミラーを設けることもできる。
上述した本発明の圧電体共振器は、単独でフィルタとして機能するが、いずれか又は組み合わせて２つ以上ラダー型に接続すれば、様々な周波数特性のフィルタを実現することができる。また、このフィルタを送信フィルタ及び受信フィルタに用いて移相回路を加えれば、共用器を構成することができる。
上記のように、本発明によれば、スプリアス周波数の変化量を、共振周波数及び反共振周波数の変化量よりも大きく変化させることが可能となる。これにより、共振周波数及び反共振周波数を大きく変化させることなく、スプリアスを共振周波数と反共振周波数との間から除去することができる。従って、共振周波数と反共振周波数との間にスプリアスの無いアドミッタンス曲線が得られる。
本発明では、スプリアスによる影響を受けない圧電体共振器を実現するために、スプリアスの発生自体を抑圧するのではなく、圧電体共振器の共振周波数ｆｒ−反共振周波数ｆａ間以外の周波数でスプリアスが発生するようにアドミタンス周波数特性を制御する。この制御を行うために、本発明の圧電体共振器では、下部電極、圧電体及び上部電極からなる基本構造に、スプリアスが発生する周波数を制御するためのスプリアス制御層を加えることを特徴としている。以下、このスプリアス制御層を加えた本発明の圧電体共振器の構造を説明する。
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る圧電体共振器の構造パターンの一例を示す斜視図である。図１Ｂは、図１ＡにおけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図１Ａ及び図１Ｂにおいて、第１の実施形態に係る圧電体共振器は、キャビティ４が設けられた基板５の上に、下部電極３、圧電体１、スプリアス制御層１６及び上部電極２が順に形成された構造である。上部電極２及び下部電極３は、例えばモリブデン（Ｍｏ）で形成される。圧電体１は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材料で形成される。スプリアス制御層１６は、金属体、誘電体又は圧電体（圧電共振器を形成する圧電体１とは異なる材料である）等であり、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成される。なお、スプリアス制御層１６の材料によっては、圧電体共振器の製造時におけるエッチングストッパとしての使用が可能であり、圧電体共振器の製造プロセスを簡略化できる。キャビティ４は、例えば角錐台型に基板５を上下に貫通するように設けられている。
ここで、第１の実施形態に係る圧電体共振器を説明する前に、圧電体共振器にスプリアス制御層を追加することによってスプリアスの発生周波数が変化する原理を、以下に説明する。
圧電体共振器に、金属体、誘電体又は圧電体（圧電共振器を形成する圧電体とは異なる材料である）等の付加層、すなわちスプリアス制御層を形成すると、エネルギーの変化及び周波数の変化が生じる。この変化は、圧電体と付加層との弾性定数や密度の違いによって生じる。
今、スプリアス制御層が形成されていない圧電体共振器の共振周波数をｆｒ１と、スプリアス制御層が形成された圧電体共振器の共振周波数をｆｒ２と、運動エネルギーをＫと、ポテンシャルエネルギーをＰとすると、共振周波数の変化とエネルギーとの関係は次式（１）で表すことができる。この式（１）は、Ｍａｓｏｎの等価回路から与えられる共振周波数及びエネルギー変化に基づいて、導出可能である。なお、プライム記号（‘）を付したエネルギーは、スプリアス制御層で発生するエネルギーに相当する。
Figure 2005117641
 この式（１）から、圧電体共振器にスプリアス制御層を付加することにより、以下の効果を得ることができる。
（Ａ）スプリアス制御層を歪み最大点（振動変位分布の節）付近に形成すると、運動エネルギーの増加が無視でき、かつポテンシャルエネルギーが増加するので、共振周波数が大きくなる。
Figure 2005117641
 （Ｂ）スプリアス制御層を振動最大点（振動変位分布の腹）付近に形成すると、ポテンシャルエネルギーの増加が無視でき、かつ運動エネルギーが増加するので、共振周波数が小さくなる。
Figure 2005117641
この効果によって、スプリアス制御層を、領域Ａの歪み最大点付近かつ領域Ｂの振動最大点付近となる位置に形成すれば、スプリアス発生源となる領域Ａでは共振周波数が上昇し、かつ主共振の発生源である領域Ｂでは共振周波数が低下する。これにより、スプリアスの周波数を主共振の共振周波数から離すことができる。また、スプリアス制御層を、領域Ａ及び領域Ｂの両方で振動最大点付近となる位置に形成した場合でも、各領域での振動変位分布の違いから共振周波数の変化量に差が生じることになる。
よって、圧電体共振器に形成するスプリアス制御層の位置によって、スプリアスが発生する周波数を制御することができる。従って、適切な位置にスプリアス制御層を形成すれば、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間にスプリアスが発生しないアドミタンス周波数特性を持った圧電体共振器を実現させることができる。
さて、第１の実施形態に係る圧電体共振器で、上記効果を具体的に説明する。
図２Ａを参照して、圧電体１中の音速とスプリアス制御層１６中の音速とは、圧電体１とスプリアス制御層１６とで弾性定数や密度が違うことから、大きく異なる。また、圧電体１の誘電率は、スプリアス制御層１６の誘電率と異なる。さらに、圧電体１とスプリアス制御層１６とでは、その圧電効果の有無も異なる。
繰り返しになるが、スプリアスは、圧電体共振器が基板５で支持されることにより発生する。スプリアス振動は、キャビティ４の上部において、その両端が自由端である厚み縦振動ｆ１が、支持部（例えば、固定端５ａ）の影響を受けて振動を行うために発生する。図２Ａに示すように、圧電体共振器が支持されている領域Ａと圧電体共振器が支持されていない領域Ｂとに分けて考えた場合、固定端５ａで一端が固定されている領域Ａの共振周波数ｆ２の振動変位分布と、両端が自由端である領域Ｂの共振周波数ｆ１の振動変位分布とは、大きく異なる。図２Ａ中の記号Ｍｎ、Ｓｎ１及びＳｎ２は、いずれも振動変位分布の節となる部分を表している。この節は、振動しない部分であり、歪みが大きくかかっている歪み最大点である。
第１の実施形態に係る圧電体共振器は、上部電極２と下部電極３との間（詳しくは上部電極２と圧電体１との間）にスプリアス制御層１６を形成しているため、この構造は振動の励起に大きな影響を与える構造となっている。領域Ｂの共振周波数ｆ１と領域Ａの共振周波数ｆ２とを比較する。ここでは、共振周波数ｆ１は領域Ｂの厚さが１／２波長となる振動で、共振周波数ｆ２は領域Ａの厚さが３／４波長となる振動である場合を例にとって説明を行う。領域Ａでは、このように下部電極３と基板５との界面が固定端５ａとなって振動を行う。そのため、領域Ｂの共振周波数ｆ１と比べて、領域Ａの共振周波数ｆ２は高周波数の振動となる（図２Ａ）。さらに、振動の節の位置が領域Ａと領域Ｂとで異なるため、領域Ａの共振周波数ｆ２は、追加的に設けられたスプリアス制御層１６の弾性定数、誘電率及び圧電効果の有無の影響を領域Ｂの共振周波数ｆ１よりも多く受け、振動の変位分布が、共振周波数ｆ１の振動変位分布よりも大きく変化するようになる。そのため、スプリアス制御層１６を追加的に設けることで、領域Ｂの振動が受ける支持部（例えば、固定端５ａ）からの影響が、スプリアス制御層１６を追加しない場合に比べてより大きく異なるようになる。このような効果から、スプリアス制御層１６の追加によるスプリアス周波数の変化量は、スプリアス制御層１６の追加による主共振の共振周波数の変化量より大きくなるのである。
また、本発明は、特に、領域Ａにおいて下部電極３が基板５に支持されていることにより発生するスプリアスを、振動変位分布を考慮に入れて、共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａの外となるようスプリアス制御層１６を挿入することで効果を得る。そのため、ここでは、領域Ａの共振周波数ｆ２は３／４波長の振動を例にとって示したが、本発明の効果は、上記３／４波長の共振（ｆ２）に限るものではない。下部電極３が基板５と接していない領域Ｂと下部電極３（あるいは下部電極３の下方で）が基板５に接している領域Ａの変位分布の違いを考慮に入れて、スプリアス制御層１６を挿入することにより、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間にスプリアスが発生しないアドミタンス特性を持った圧電体共振器を実現させることができる。
以上のように、第１の実施形態によれば、圧電体１及びスプリアス制御層１６の厚みを適当に選ぶことにより、不要振動に起因するスプリアス１３が共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間に発生しないアドミタンス周波数特性（図２Ｂ）を有する圧電体共振器を実現することができる。また、このような圧電体共振器を用いてフィルタを構成すれば、滑らかな通過特性曲線（図２Ｃ）を有するフィルタを構成することができる。
また、上記第１の実施形態のように、圧電体１と上部電極２との間にスプリアス制御層１６を形成すれば、圧電体１と上部電極２との接着強度が悪く信頼性に欠けるという従来の問題を解消させることができる。よって、圧電体共振器の信頼性が向上する。
なお、圧電体共振器に追加するスプリアス制御層の数、位置、種類及び厚み等は、上記実施例に限定されるものではなく、所望する目的や効果に応じて自由に設定することができる（第２の実施形態で例示）。また、上記第１の実施形態では、スプリアス周波数が反共振周波数ｆａ以上になるようにスプリアス制御層を形成する場合を説明したが、スプリアス周波数が共振周波数ｆｒ以下の周波数になるようにスプリアス制御層を形成しても構わない。
また、一般に圧電体１の共振周波数の温度係数は大きい。そこで、ＳｉＯ２等で形成されたスプリアス制御層１６を設ければ、圧電体１の弾性定数の温度特性を補償することができ、圧電体共振器の共振周波数の温度に対する変化を小さくすることができる。その結果、共振周波数の温度特性を改善することができ、温度補償をも効率的に行うことができるようになる。
さらに、スプリアス制御層１６の厚さをｔ１とし、圧電体１の厚さをｔ２としたとき、その厚さ比ｔ１／ｔ２は、１／５以下が好ましい。スプリアス制御層１６の厚さをこのように選ぶことで、アドミタンス周波数特性を低下させることなくスプリアス周波数の制御効果を得ることができる。
基本的には、スプリアス制御層１６には、圧電体１の材料の機械的品質係数よりも高い機械的品質係数を持つ誘電体材料を用いることが好ましい。このように構成することで、共振器としてのＱ値が高くなり、フィルタを構成した場合により急峻なスカート特性を得ることができる。
しかし、スプリアス制御層の追加の仕方によっては、スプリアスを共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間以外に移動させても、発生するスプリアス１３のＱ値が高い場合が起こり得る（図３Ａ）。この場合、Ｑ値が高い圧電体共振器でフィルタを構成したとしても、通過帯域外で通過特性が悪化する部分１４が生じてしまい、所望する減衰量を確保することが困難となる恐れがある（図３Ｂ）。
このような場合には、スプリアス制御層に、圧電体１の材料の機械的品質係数よりも低い機械的品質係数を有する材料を選ぶことにより、スプリアス１３自体の振動を抑制することができる（図２Ｃを参照）。
（第２の実施形態）
この第２の実施形態では、上記第１の実施形態で説明した圧電体共振器の他の構造パターンを説明する。なお、この第２の実施形態で説明する構造パターンもほんの一例であり、これ以外にも種々の構造パターンが考えられる。
（１）下部電極３と基板５との間及び上部電極２と圧電体１との間に、それぞれスプリアス制御層６及び１６を設ける構造（図４Ａ）
この構造によれば、スプリアスを共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間以外で発生させるという効果を維持させたままで、圧電体共振器と基板５との接着強度を高めることができる。よって、圧電体共振器の信頼性が向上する。なお、スプリアス制御層６とスプリアス制御層１６とは、同一の材料でも異なる材料であってもよい。
（２）圧電体１と下部電極３との間にスプリアス制御層１６を設ける構造（図４Ｂ）
この構造によれば、スプリアス制御層１６を圧電体１と上部電極２との間に設ける場合に比べて、節Ｓｎ２とスプリアス制御層１６との距離（図４Ｂ）が、節Ｓｎ１とスプリアス制御層１６との距離（図２Ａ）よりも短くできる。そのため、この圧電体共振器は、第１の実施形態に係る圧電体共振器と比べて、スプリアス周波数制御効果がより大きくなる。また、圧電体１と下部電極３との間にスプリアス制御層１６を形成すれば、圧電体１と下部電極３との接着強度が悪く信頼性に欠けるという従来の問題を解消させることができる。よって、圧電体共振器の信頼性が向上する。
（３）下部電極３と基板５との間及び圧電体１と下部電極３との間に、それぞれスプリアス制御層６及び１６を設ける構造（図４Ｃ）
この構造によれば、スプリアスを共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間以外で発生させるという効果を維持させたままで、圧電体共振器と基板５との接着強度を高めることができる。よって、圧電体共振器の信頼性が向上する。なお、スプリアス制御層６とスプリアス制御層１６とは、同一の材料でも異なる材料であってもよい。
（４）下部電極３と基板５との間、上部電極２と圧電体１との間、及び圧電体１と下部電極３との間に、それぞれスプリアス制御層６及び１６を設ける構造（図４Ｄ）
この構造によれば、圧電体１の上下に設けられた２層のスプリアス制御層１６によってスプリアスの励振に大きな影響を与える。よって、スプリアスを共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間以外で発生させるという効果を容易に得ることができる。
形成される３つのスプリアス制御層６及び１６は、同一の材料でも異なる材料であってもよい。特に、２つのスプリアス制御層１６に圧電材料を用いると、上部電極２と下部電極３との間には圧電体のみが存在することになるため、アドミタンス周波数特性を低下させずに、スプリアス周波数を制御することができるという効果が得られる。スプリアス制御層に機械的品質係数が大きい金属体を使用すれば、Ｑ値が高い圧電体共振器を得ることができる。
（５）上部電極２の上面及び圧電体１と下部電極３との間に、それぞれスプリアス制御層６及び１６を設ける構造（図４Ｅ）
この構造によれば、スプリアス制御層６で上部電極２の表面を保護するという効果がある。なお、スプリアス制御層６とスプリアス制御層１６とは、同一の材料でも異なる材料であってもよい。
（６）上部電極２及び上部のスプリアス制御層１６の面積が、圧電体１、下部電極３及び下部のスプリアス制御層６及び１６の面積と異なる構造（図４Ｆ）
この構造によれば、圧電体１が上部電極２の周端部よりもさらに水平方向外側に延びて形成されている。圧電体１のうち、この水平方向外側に延びて形成された部分は振動しないため、上部電極２の周端部は、振動が束縛されて自由端にならない。その結果、基板５が圧電体共振器を支持する部分の縦振動によるスプリアスはさらに低減される。また、水平方向に伝播する振動も、圧電体１の水平方向外側に延びて形成された部分により反射が阻害される。その結果、水平方向に伝播する振動によるスプリアスも低減される。なお、この図４Ｆの圧電体共振器によるスプリアス周波数の制御効果については、上記図４Ｄの圧電体共振器による効果と同様である。
（７）キャビティ４の形状が異なる構造（図４Ｇ、図４Ｈ）
この構造のように、基板５に設けられるキャビティ４は、断面形状が方形であってもよい（図４Ｇ）。また、これまでの説明では、キャビティ４は、基板５の上下を貫通するように設けられていたが、キャビティ４を貫通させないで基板５の表面だけに設けてもよい（図４Ｈ）。このようなキャビティであっても、圧電体共振器の自由振動を確保することができる。
（８）圧電体１、上部電極２、下部電極３及びスプリアス制御層６及び１６が、基板５と同面積である構造（図４Ｉ〜図４Ｋ）
図４Ａ〜図４Ｈまでは、圧電体１、上部電極２、下部電極３及びスプリアス制御層６及び１６の面積が、基板５の面積と異なっていた。しかし、圧電体１、上部電極２、下部電極３及びスプリアス制御層６及び１６の面積を、基板５の面積と同じにしても上述した有効な効果を奏することができる。
なお、圧電体１と下部電極３との間にスプリアス制御層１６を形成する構造の圧電体共振器は、縦方向振動によって発生するスプリアスだけでなく、横方向振動によって発生するスプリアスをも制御することができる。
（第３の実施形態）
図５Ａは、本発明の第３の実施形態に係る圧電体共振器の構造パターンの一例を示す断面図である。図５Ａにおいて、第３の実施形態に係る圧電体共振器は、キャビティ４が設けられた基板５の上に、下部電極３、スプリアス制御層１６、圧電体１、上部電極２、追加圧電体５１及び追加電極５２が順に形成された構造である。上部電極２、下部電極３及び追加電極５２は、例えばモリブデン（Ｍｏ）で形成される。圧電体１及び追加圧電体５１は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材料で形成される。スプリアス制御層１６は、金属体、誘電体又は圧電体（圧電共振器を形成する圧電体１とは異なる材料である）等であり、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成される。なお、スプリアス制御層１６の材料によっては、圧電体共振器の製造時におけるエッチングストッパとしての使用が可能であり、圧電体共振器の製造プロセスを簡略化できる。キャビティ４は、例えば角錐台型に基板５を上下に貫通するように設けられている。
この第３の実施形態に係る圧電体共振器では、追加電極５２、追加圧電体５１及び上部電極２によって、第１の振動部１０１が構成される。また、上部電極２、圧電体１、スプリアス制御層１６及び下部電極３によって、第２の振動部１０２が構成される。この構造によって、追加電極５２と上部電極２との間に入力された電気エネルギーは、第１の振動部１０１で機械エネルギーに変換され、第２の振動部１０２に伝搬される。そして、第２の振動部１０２では、伝搬される機械エネルギーが再び電気エネルギーに変換され、上部電極２と下部電極３とから取り出される。また、この構造において上記第１の実施形態で述べたようにスプリアス制御層１６を設けることにより、スプリアス周波数の変化量を圧電体共振器の主共振の共振周波数の変化量よりも大きくさせることができる。
その結果、固定部の影響に基づくスプリアスを、共振周波数ｆｒから反共振周波数ｆａまで以外の周波数で発生させることができる。従って、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間にスプリアスのないアドミッタンス曲線が得られる。このような圧電体共振器を用いてフィルタを構成すると通過特性曲線は滑らかなものとなる。
なお、図５Ｂ〜図５Ｅは、第３の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンの一例を示した図である。
（第４の実施形態）
図６Ａは、本発明の第４の実施形態に係る圧電体共振器の構造パターンの一例を示す断面図である。図６Ａにおいて、第４の実施形態に係る圧電体共振器は、基板５の上に音響ミラー６０、下部電極３、スプリアス制御層１６、圧電体１、上部電極２が順に形成された構造である。上部電極２及び下部電極３は、例えばモリブデン（Ｍｏ）で形成される。圧電体１は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材料で形成される。スプリアス制御層１６は、金属体、誘電体又は圧電体（圧電共振器を形成する圧電体１とは異なる材料である）等であり、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成される。なお、スプリアス制御層１６の材料によっては、圧電体共振器の製造時におけるエッチングストッパとしての使用が可能であり、圧電体共振器の製造プロセスを簡略化できる。
音響ミラー６０は、上述したキャビティ４と同様の役割を果たすものであり、振動部１０の共振振動を振動部１０内に閉じ込める。この音響ミラー６０は、少なくとも異なる音響インピーダンスを有する２種類の層、この例では低音響インピーダンス層６１と高音響インピーダンス層６２とを、交互に積層することによって構成される。低音響インピーダンス層６１及び高音響インピーダンス層６２の厚さは、それぞれに対応した音響波長の１／４の厚さである。下部電極３の下には、低音響インピーダンス層６１が配置される。この構成により、圧電体共振器をλ／２モードで共振させることができる。また、この構造において上記第１の実施形態で述べたようにスプリアス制御層１６を設けることにより、スプリアス周波数の変化量を圧電体共振器の主共振の共振周波数の変化量よりも大きくさせることができる。
その結果、固定部の影響に基づくスプリアスを、共振周波数ｆｒから反共振周波数ｆａまで以外の周波数で発生させることができる。従って、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間にスプリアスのないアドミッタンス曲線が得られる。このような圧電体共振器を用いてフィルタを構成すると通過特性曲線は滑らかなものとなる。
なお、図６Ｂ〜図６Ｄは、第４の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンの一例を示した図である。
なお、上記第４の実施形態で用いられるスプリアス制御層には、圧電体１、上部電極２及び下部電極３に比べて、厚さ以外の方向の音響インピーダンスが小さい材料で形成されるのが好ましい。厚さ方向の音響インピーダンスと厚さ以外の方向（例えば、径方向）の音響インピーダンスとの差を利用することで、横効果振動によるスプリアス振動を、共振周波数から反共振周波数までの間以外で発生させることが可能となる。その他の振動についても、音響インピーダンスの差を利用することで同様の効果を得ることができる。
また、上記第４の実施形態では、λ／２モードで共振させる圧電体共振器の例を示したが、λ／４モードで共振させる圧電体共振器であっても同様の効果を得ることができる。
（第５の実施形態）
この第５の実施形態では、上記第２の実施形態の図４Ｄに示される圧電体共振器の効果的な構造について説明する。
図７Ａは、本発明の第５の実施形態に係る圧電体共振器の構造パターンの一例を示す断面図である。図７Ｂは、図７Ａの丸で囲まれた部分を拡大した図である。図７Ａにおいて、第５の実施形態に係る圧電体共振器は、３つのスプリアス制御層６、１６及び２６の厚さが全て異なる構造である。この厚さの違いによって、振動の変位分布は、図７Ｂのように変化する。これは、上部電極２、圧電体１及びスプリアス制御層６の音速がそれぞれ異なるため、変位分布の傾きが材料毎に異なるからである。なお、この例では、スプリアス制御層６、１６及び２６が、圧電体１よりも弾性定数（ヤング率）が小さい材料で形成されている場合を示している。この変位分布を利用することにより、固定部の影響に基づくスプリアスを、共振周波数ｆｒから反共振周波数ｆａまで以外の周波数で発生させることができる。
ここで、スプリアス制御層６、１６及び２６は、金属体、誘電体又は圧電体（圧電共振器を形成する圧電体とは異なる材料である）等が考えられる。スプリアス制御層６、１６及び２６の材料の弾性定数、密度（さらには、誘電率や圧電効果）を、振動部の材料の弾性定数、密度（さらには、誘電率や圧電効果）と異ならせることにより、双方の弾性定数の差（さらには、誘電率の差や圧電効果の差）を利用して、スプリアスを共振周波数ｆｒから反共振周波数ｆａまで以外の周波数で発生させることができる。
なお、スプリアス制御層６、１６及び２６は、異なる材料で構成されてもよい。この場合、領域Ａにおける振動の節の位置と領域Ｂにおける振動の腹の位置とが、より一致するように、スプリアス制御層６、１６及び２６の厚さ及び材料を選択することにより、より大きな効果を得ることが可能となる。
（圧電体共振器を用いたフィルタの一例）
図８Ａは、本発明の圧電体共振器を用いたフィルタ７の一例を示す図である。図８Ａに示すフィルタ７は、圧電体共振器をＬ型に接続した１段のラダーフィルタである。第１の圧電体共振器７１は、直列共振器として動作するように接続される。すなわち、入力端子７３と出力端子７４との間に直列に接続される。第２の圧電体共振器７２は、並列共振器として動作するように接続される。すなわち、入力端子７３から出力端子７４へ向かう経路と接地面との間に接続される。第１の圧電体共振器７１及び第２の圧電体共振器７２は、上述したようにスプリアス周波数が最適に制御されているので、周波数特性の優れたフィルタ７を容易に実現することができる。
なお、上記説明ではＬ型構成のラダーフィルタを例示して説明を行ったが、その他のＴ型構成やπ型構成のラダーフィルタや、格子型構成のラダーフィルタでも同様の効果を得ることができる。また、ラダーフィルタは、図８Ｂのように多段構成であってもよい。また、ラティス型にフィルタを構成してもよい。
（圧電体共振器を用いた共用器の一例）
図９は、図８Ｂの多段ラダーフィルタを用いた共用器９である。この共用器９は、複数の圧電体共振器で構成されるＴｘフィルタ（送信フィルタ）９１と、複数の圧電体共振器で構成されるＲｘフィルタ（受信フィルタ）９２と、２つの伝送線路で構成される移相回路９３とからなる。Ｔｘフィルタ９１及びＲｘフィルタ９２は、スプリアス周波数が最適に制御された圧電体共振器から構成されているので、周波数特性の優れた共用器９を容易に実現することができる。なお、フィルタの数やフィルタを構成する圧電体共振器の段数等は、図９に例示したものに限られず自由に設計することが可能である。
本発明の圧電体共振器、それを用いたフィルタ及び共用器は、携帯電話、無線通信又はワイヤレスのインターネット接続等に利用可能であり、特にスプリアスが発生する周波数を制御したい場合等に適している。
本発明の第１の実施形態に係る圧電体共振器の斜視図 図１Ａの圧電体共振器の構造パターンを示す図 図１Ａの圧電体共振器の動作を説明するための図 図１Ａの圧電体共振器の動作を説明するための図 図１Ａの圧電体共振器の動作を説明するための図 機械的品質係数の小さいスプリアス制御層を用いる場合の利点を説明するための図 機械的品質係数の小さいスプリアス制御層を用いる場合の利点を説明するための図 本発明の第２の実施形態に係る圧電体共振器の構造パターンを例示する図 本発明の第２の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第２の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第２の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第２の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第２の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第２の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第２の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第２の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第２の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第２の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第３の実施形態に係る圧電体共振器の構造パターンを例示する図 本発明の第３の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第３の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第３の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第３の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第４の実施形態に係る圧電体共振器の構造パターンを例示する図 本発明の第４の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第４の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第４の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の第５の実施形態に係る圧電体共振器の構造パターンを例示する図 本発明の第５の実施形態に係る圧電体共振器の他の構造パターンを例示する図 本発明の圧電体共振器を用いたフィルタの一例を示す図 本発明の圧電体共振器を用いたフィルタの一例を示す図 本発明の圧電体共振器を用いた共用器の一例を示す図 従来の圧電体共振器を説明するための図 従来の圧電体共振器を説明するための図 従来の圧電体共振器を説明するための図 従来の圧電体共振器を説明するための図 従来の圧電体共振器に生じる問題点を説明するための図 従来の圧電体共振器に生じる問題点を説明するための図 従来の圧電体共振器に生じる問題点を説明するための図 従来の圧電体共振器に生じる問題点を説明するための図
符号の説明
１、５１、５０１ 圧電体
２、３、５２、５０２、５０３ 電極
４、５０４ キャビティ
５、５０５ 基板
６、１６、２６ スプリアス制御層
７、９１、９２ フィルタ
９ 共用器
１０、１０１、１０２ 振動部
１３、１４、１３０、１４０ スプリアス
６０ 音響ミラー
６１、６２ 音響インピーダンス層
７１、７２、５００ 圧電体共振器
９３ 移相回路

Claims (19)

  1. 所定の周波数で振動する圧電体共振器であって、
    圧電体と、
    前記圧電体の上面方向に形成される上部電極と、
    前記圧電体の下面方向に形成される下部電極と、
    共振周波数と反共振周波数との間にスプリアスを発生させないために形成されるスプリアス制御層と、
    前記圧電体、前記上部電極、前記下部電極、及び前記スプリアス制御層を積層する基板とを備える、圧電体共振器。
  2. 前記スプリアス制御層は、前記上部電極と前記圧電体との間に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の圧電体共振器。
  3. 前記スプリアス制御層は、前記圧電体と前記下部電極との間に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の圧電体共振器。
  4. 前記スプリアス制御層は、前記上部電極の上面に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の圧電体共振器。
  5. 前記スプリアス制御層は、前記下部電極と前記基板との間に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の圧電体共振器。
  6. 前記スプリアス制御層は、前記上部電極と前記圧電体との間、及び前記圧電体と前記下部電極との間に、それぞれ設けられることを特徴とする、請求項１に記載の圧電体共振器。
  7. 前記スプリアス制御層は、前記圧電体と前記下部電極との間、及び前記下部電極と前記基板との間に、それぞれ設けられることを特徴とする、請求項１に記載の圧電体共振器。
  8. 前記上部電極と前記圧電体との間に設けられるスプリアス制御層は、前記圧電体と前記下部電極との間に設けられるスプリアス制御層と異なる材料で形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の圧電体共振器。
  9. 前記圧電体と前記下部電極との間に設けられるスプリアス制御層は、前記下部電極と前記基板との間に設けられるスプリアス制御層と異なる材料で形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の圧電体共振器。
  10. 前記上部電極の上面に形成される第２の圧電体と、
    前記第２の圧電体の上面に形成される第２の上部電極とをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の圧電体共振器。
  11. 前記スプリアス制御層の厚さは、前記圧電体の厚さの５分の１以下に設定されることを特徴とする、請求項１に記載の圧電体共振器。
  12. 前記スプリアス制御層が、金属体で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電体共振器。
  13. 前記スプリアス制御層が、誘電体で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電体共振器。
  14. 前記スプリアス制御層が、前記圧電体とは異なる材料からなる圧電体で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電体共振器。
  15. 前記基板には、前記下部電極で覆われた部分の一部に、基板を貫通しないキャビティが形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電体共振器。
  16. 前記基板には、前記下部電極で覆われた部分の一部に、基板を貫通したキャビティが形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電体共振器。
  17. 前記下部電極と基板との間に、高音響インピーダンス層と低音響インピーダンス層とが交互に積層された音響ミラーが設けられることを特徴とする、請求項１に記載の圧電体共振器。
  18. 請求項１〜１７に記載の音響共振器を、いずれか又は組み合わせて２つ以上ラダー型に接続して構成された、フィルタ。
  19. 請求項１〜１７に記載の音響共振器を、いずれか又は組み合わせて２つ以上ラダー型に接続して構成された送信フィルタと、
    請求項１〜１７に記載の音響共振器を、いずれか又は組み合わせて２つ以上ラダー型に接続して構成された受信フィルタと、
    前記送信フィルタと前記受信フィルタを接続する移相回路とを備える、共用器。

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