JP2005318562A - 音響共振器及びフィルタ - Google Patents

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音響共振器及びフィルタを提供する。
【解決手段】 キャビティ３１の開口部Ｃの面積を、振動部１０の水平断面Ｄの面積以上とする。そして、振動部１０を、支持部２０上において、基板部３０に対する振動部１０の垂直方向の投影形状がキャビティ３１の開口部Ｃ内に収納される位置に配置する。さらに、振動部１０の垂直方向の厚みｔ１と支持部２０の垂直方向の厚みｔ２との合計を、音響共振器１の共振周波数ｆｒの１波長と一致させ（１波長＝ｔ１＋ｔ２）、かつ、振動部１０の厚みｔ１と支持部２０の厚みｔ２とを、異ならせる（ｔ１≠ｔ２）。つまり、振動部１０の厚みｔ１及び支持部２０の厚みｔ２が、共に共振周波数ｆｒの半波長にならないように設計される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、音響共振器及びフィルタに関し、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音響共振器、及び当該音響共振器を用いたフィルタに関する。

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、例えば特開昭６０−６８７１１号公報（特許文献１）で提案されている音響共振器を用いたフィルタが知られている。

以下、図１７Ａ〜図１７Ｄを参照して、従来の音響共振器を説明する。
図１７Ａは、従来の音響共振器５００の基本構造を示した断面図である。音響共振器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。この音響共振器５００は、キャビティ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。この音響共振器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、音響共振器５００の動作説明を、無限平板の厚み縦振動を用いて行う。

図１７Ｂは、従来の音響共振器５００の動作を説明するための概略的な斜視図である。音響共振器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、音響共振器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１７Ａに示したキャビティ５０４は、この圧電体５０１の厚み縦振動を確保するために利用される。

この音響共振器５００の等価回路は、図１７Ｄ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１７Ｃ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）

このようなアドミッタンス周波数特性を有する音響共振器５００をフィルタとして応用した場合、圧電体５０１の共振振動を利用するため、小型で低損失のフィルタを実現することが可能となる。

一方、電極でのエネルギーロスを少なくして、かつ、共振周波数の温度変化に対する安定性を改善させるために、例えば特開２００３−８７０８５号公報（特許文献２）で提案されている音響共振器も存在する。図１８は、特許文献２に開示されている従来の音響共振器の基本構造を説明する断面図である。この従来の音響共振器５１０の構造は、キャビティ５１４が形成された基板５１５上に、支持層５１３が形成されている。支持層５１６の上には下部電極５１３が形成されている。下部電極５１３の上には圧電体５１１が形成されている。圧電体５１１の上には上部電極５１２が形成されている。

上記従来の音響共振器では、支持層５１６の厚みと、圧電体５１１、上部電極５１２及び下部電極５１３からなる振動部の厚みとが同じに設計、すなわち下部電極５１３と支持層５１６との境界面が、ｎ倍波による変位分布の腹の位置に設けられている。このように構成することで、従来の音響共振器は、電極部による振動のロス低減を図っている。
特開昭６０−６８７１１号公報 特開２００３−８７０８５号公報

ところで、音響共振器では、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。振動部は、図１７Ａに示すように、キャビティの周辺部に位置する固定されて振動する領域と、キャビティの開口部に位置する両端が自由端として振動する領域とに分かれる。振動部において振動部の厚みにより決定される振動が主共振振動として励振される。しかし、振動部で励振された周波数ｆ１の振動が、キャビティ周辺部の固定領域で基板に漏れるといった現象が生ずる。この現象は、振動部が固定されているキャビティ周辺部が、実際には完全な固定端となっていないことが原因で発生する。そのため、振動部で発生した横モード振動が固定部を通して基板に伝搬し、振動漏れが生ずる。その結果、漏れた振動が他の振動を励振することで、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、主共振振動（ｆ１）の近くに不要振動が生じることとなる。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、固定部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、キャビティ深さによって決定される振動モードの共振周波数が主共振周波数付近に存在した場合、振動の漏れにより、キャビティ深さによって決定される振動がスプリアスとして振動部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１９Ａに示すようにスプリアスが現れる。このようなスプリアスを有する音響共振器を、図１９Ｂのように並列接続してフィルタを形成すると、図１９Ｃに示すように、通過帯域の部分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。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に示された従来の音響共振器では、支持部から基板への振動漏れによって発生する不要振動、つまりキャビティ深さにより決定する不要振動については考慮されていない。従って、従来の技術では、スプリアスのないアドミッタンス周波数特性を有する音響共振器を実現することはできない。

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音響共振器及びフィルタ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音響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、本発明の基本的な音響共振器は、次の特徴を有した振動部、基板部及び支持部を備える。振動部は、圧電体、圧電体の上面に設けられた上部電極、及び圧電体の下面に設けられた下部電極で構成される。基板部には、振動部の水平断面面積以上の開口部面積を有する空洞が形成されている。支持部は、振動部と基板部との間に形成される。そして、振動部は、基板部に対する垂直方向の投影形状が空洞の開口部内に収納される位置で支持部上に配置される。

この構造の特徴は、振動部及び支持部が、互いに垂直方向厚みが異なり、かつ、双方の垂直方向厚みの合計が振動周波数の１波長と一致し、かつ、圧電体と下部電極との境界面が振動の腹とならない形状に、それぞれ形成されることである。この構造では、振動周波数の半波長に対する前記支持部の厚みの比が−３０％〜＋２０％であることが望ましい。

また、本発明の応用的な音響共振器は、次の特徴を有した振動部、基板部及び支持部を備える。振動部は、第１の圧電体、第１の圧電体の上面に設けられた上部電極、及び第１の圧電体の下面に設けられた第１の下部電極で構成される。基板部には、振動部の水平断面面積以上の開口部面積を有する空洞が形成されている。支持部は、第２の圧電体、第２の圧電体の下面に設けられた第２の下部電極、及び第２の下部電極の下面に設けられた支持層で構成され、振動部と基板部との間に形成される。そして、振動部は、基板部に対する垂直方向の投影形状が空洞の開口部内に収納される位置で支持部上に配置される。

この構造の特徴は、振動部及び支持部が、互いに垂直方向厚みが異なり、かつ、双方の垂直方向厚みの合計が振動周波数の１波長と一致し、かつ、第１の圧電体と第１の下部電極との境界面が振動の腹とならない形状に、それぞれ形成されることである。この構造では、振動周波数の半波長に対する前記支持部の厚みの比が−４０％〜＋４０％であることが望ましい。

好ましくは、支持部に構成される第２の圧電体及び第２の下部電極は、水平断面面積が空洞の開口部面積以下で形成され、基板部に対する垂直方向の投影形状が空洞の開口部内に収納される位置に配置される。
また、振動部は、絶縁層を介して第１の圧電体の上面に上部電極が引き出し形成されていてもよい。この場合には、振動部及び支持部の厚みは、支持部上に形成される絶縁層の上面及び絶縁層を介して支持部上で引き回される上部電極の配線の上面が、振動の腹とならないように形成されていることが好ましい。

上述した本発明の音響共振器は、単独でフィルタとして機能するが、いずれか２つ以上を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。この共用器は、信号を分波する分波器等と共に通信機器に用いることができる。さらには、上記フィルタは、入力信号を切り替えて出力するスイッチ等と共に通信機器に用いることができる。

以上のように、本発明の音響共振器によれば、全体として１波長モードで振動する振動部及び支持部の厚みを異ならせる。また、振動部及び空洞のサイズ及び位置関係を調整する。これにより、振動部の共振周波数と支持部の共振周波数とを異ならせることができ、横方向への振動の伝播を低減させることができる。よって、振動部の共振周波数と反共振周波数との間にスプリアスが生じないアドミッタンス周波数特性を得ることができる。また、絶縁層を形成する場合でも、振動部の共振周波数と支持部の共振周波数とを異ならせることができ、横方向への振動の伝播を低減させることができる。また、支持部にも圧電体及び下部電極からなる振動部を形成すれば、支持部に漏れた振動も有効に電気エネルギーから機械エネルギーに変換させることができる。

（音響共振器の第１実施例）
図１は、本発明の音響共振器の第１実施例を示す構造断面図である。図１において、音響共振器１は、基板部３０と、基板部３０上に設けられた支持部２０と、支持部２０上に設けられた振動部１０とで構成される。基板部３０は、振動部１０の縦振動を確保するための空洞（キャビティ）３１を有している。支持部２０は、振動部１０を基板部３０に支持させるための支持層である。振動部１０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材料で形成された圧電体１１と、圧電体１１の上面に設けられた上部電極１２と、圧電体１１の下面に設けられた下部電極１３とから構成される。上部電極１２及び下部電極１３は、例えばモリブデンで形成される。この振動部１０は、下部電極１３を下側にして支持部２０上に載置される。

上記構成による音響共振器１は、１波長モードで励振されるように設計されると共に、以下の特徴的な構造で設計されている。
基板部３０に形成されるキャビティ３１と振動部１０との間には、以下の関係がある。まず、キャビティ３１の開口部Ｃの面積が、振動部１０の水平断面Ｄの面積以上となることである。そして、振動部１０が、支持部２０上において、基板部３０に対する振動部１０の垂直方向の投影形状がキャビティ３１の開口部Ｃ内に収納される位置に配置されることである。なお、キャビティ３１の形状は、上記関係を満足しつつ厚み縦振動を確保できれば、その形状は自由に設計することができる。図１は、断面形状が台形であるキャビティ３１が基板部３０に形成された例を示したものである。

さらに、振動部１０と支持部２０との間には、以下の関係がある。まず、振動部１０の垂直方向の厚みｔ１と支持部２０の垂直方向の厚みｔ２との合計が、音響共振器１の共振周波数ｆｒの１波長と一致していることである（１波長＝ｔ１＋ｔ２）。そして、振動部１０の厚みｔ１と支持部２０の厚みｔ２とが、異なっていることである（ｔ１≠ｔ２）。つまりこれは、振動部１０の厚みｔ１及び支持部２０の厚みｔ２が、共に共振周波数ｆｒの半波長（図１に示す位置ａ）にならないように設計されることを意味する（半波長≠ｔ１、ｔ２）。すなわち、振動部１０の共振周波数ｆｒｓ＝ｖｓ／（２×ｔ１）及び支持部２０の共振周波数ｆｒｃ＝ｖｃ／（２×ｔ２）がｆｒｓ≠ｆｒｃとなるように、各々の厚みが設定される。なお、ｖｓは振動部１０内の平均音速、ｖｃは支持部２０内の音速である。

次に、この構造により、生じる効果を説明する。
上記従来技術で説明したように、不要振動すなわちスプリアスが生じるのは、振動部を基板部に固定する部材を介して、基板部に振動漏れが生じるためである。本発明の音響共振器１では、従来と同様に、振動部１０と支持部２０とで形成された領域Ａでは、振動部１０で励振された振動が支持部２０に漏れて全体として共振周波数ｆｒの１波長の振動となる。しかし、振動部１０の厚みｔ１と支持部２０の厚みｔ２とが、それぞれ共振周波数ｆｒの半波長とならないように設定される構造により、支持部２０のみで形成された領域Ｂの共振周波数は、領域Ａの共振周波数とは異なる。さらに、振動部１０とキャビティ３１とが、特殊なサイズ及び位置関係にある。その結果、領域Ａにおいて横方向（厚さと垂直な方向）に進む振動の励振が抑制されて領域Ｂには伝搬されず、実質的に領域Ａのみに振動を閉じ込めることができ、共振周波数ｆｒ付近における不要振動の発生を防ぐことができるという効果が得られる。

図２Ａ及び図２Ｂに、音響共振器のアドミタンス周波数特性をシミュレーションした結果の一例を示す。図２Ａは、本実施形態の音響共振器１のアドミタンス周波数特性を示し、図２Ｂは、図１７Ｃに示した従来の音響共振器のアドミタンス周波数特性を示す。図２Ａのように、音響共振器１の特性では、共振周波数と反共振周波数との間にスプリアスが発生しないアドミッタンス曲線が得られる。よって、この音響共振器１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。音響共振器１の特性では、スプリアスが発生して所望のアドミッタンス曲線が得られていない。

振動部１０の厚みｔ１及び支持部２０の厚みｔ２の最適な設定は、次のように考えることができる。図３Ａ〜図３Ｃは、音響共振器１の変位分布と電荷分布とを説明する図である。図３Ａは、共振周波数の半波長（振動が最大となる変位分布の腹）の位置ａが、下部電極１３内に設定された音響共振器１を示した図である。図３Ｂは、共振周波数の半波長の位置ａが、下部電極１３の上面（圧電体１１と下部電極１３との境界面付近）に設定された音響共振器１を示した図である。図３Ｃは、共振周波数の半波長の位置ａが、圧電体１１内に設定された音響共振器１を示した図である。周知のように、振動部１０では、圧電体１１の部分に存在する電荷だけが振動に変換される。このため、図３Ａの音響共振器１では、下部電極１３に分布される電荷が有効電荷とならない。逆に、図３Ｃの音響共振器１では、圧電体１１の部分に存在する電荷は増えても、極性が反対の電荷同士が打ち消し合って有効電荷が少なくなる。よって、図３Ｂに示す構造の音響共振器１が、振動漏れによるエネルギー損失を低減しかつ電荷を有効に振動に変換できる、最も好ましい高Ｑ値及び広帯域な音響共振器となる。

しかし、実際の製品では、下部電極１３へ接続される配線パターンが下部電極１３と同じ厚みで形成されるものと考えられる。すなわち、この配線パターンが形成されている領域Ｂの一部分は、支持部２０と下部電極１３とを合わせた厚みと同じになる。よって、図３Ｂに示すように、共振周波数の半波長の位置ａを下部電極１３の上面に設定してしまうと、配線パターンが形成されている領域Ｂの一部分では、共振周波数が領域Ａと一致してしまい、領域Ａから領域Ｂへの振動漏れが生じる。従って、実用的には、下部電極１３の上面位置を除いた以下に示す範囲内で、共振周波数の半波長の位置ａを設計するのが好ましい。

実用的な音響共振器１の設計例を図４Ａ及び図４Ｂに示す。図４Ａ及び図４Ｂは、圧電体１１に対する電極の厚みが無視できない（電極／圧電体＞０．０１である）場合の、支持部２０の厚みと共振周波数の波長との関係の一例を説明する図である。音響共振器１のＱ値を高くさせるためには、できるだけアドミタンス周波数特性における共振周波数と反共振周波数との差を大きくすることが好ましい。図４Ａは、支持部２０の厚みｔ２の半波長からのズレ量と、共振周波数と反共振周波数の差との関係を示している。図４Ｂは、支持部２０の厚みｔ２の半波長からのズレ量と、所望の周波数帯域のフィルタが実現できるかどうかの結果を示したものである。これらから、半波長に対する厚みｔ２の比が−３０％〜＋２０％である支持部２０では、所望の周波数帯域において不要共振のない特性が得られ、結果フィルタ特性として通過損失１．５ｄＢ以下が実現可能であることが分かった。さらに、半波長に対する厚みｔ２の比が−２０％〜５％の範囲では、通過損失１ｄＢ以下が実現可能であった。

以上のように、本発明の第１実施例の音響共振器１によれば、全体として１波長モードで振動する振動部１０及び支持部２０の厚みを異ならせる。また、振動部１０及びキャビティ３１のサイズ及び位置関係を調整する。これにより、振動部１０の共振周波数と支持部２０の共振周波数とを異ならせることができ、横方向への振動の伝播を低減させることができる。よって、振動部１０の共振周波数と反共振周波数との間にスプリアスが生じないアドミッタンス周波数特性を得ることができる。

なお、本第１実施例では、振動部１０を、圧電体１１、上部電極１２及び下部電極１３によって構成した例を示したが、構成は第１実施例に示したものに限られず、上部電極１２と下部電極１３との間に圧電体１１に加えて誘電体膜１４を形成してもよい（図５）。この場合も、第１実施例で説明したように、厚みｔ２が共振周波数ｆｒの半波長にならないように設計することで同様の効果を得ることができる。また、厚みｔ２が共振周波数ｆｒの半波長にならないように設計する条件を満たすのであれば、誘電体膜１４を形成する場所は、図５に示したように上部電極１２と圧電体１１との間以外にも、下部電極１３と圧電体１１との間、又はその両方の間であってもよい。

（音響共振器の第２実施例）
図６Ａは、本発明の音響共振器の第２実施例を示す構造断面図である。図６Ａにおいて、音響共振器２は、基板部３０と、基板部３０上に設けられた支持部２０と、支持部２０上に設けられた振動部４０とで構成される。図６Ａに示すように、音響共振器２は、上記音響共振器１の振動部１０を振動部４０に代えた構成である。以下、この異なる構成部分を中心に音響共振器２を説明する。

振動部４０は、窒化アルミニウム等の圧電材料で形成された圧電体１１と、圧電体１１の上面に設けられた上部電極１２と、圧電体１１の下面に設けられた下部電極１３とから構成される。圧電体１１と上部電極１２との間には、絶縁層４４が形成されており、上部電極１２の基板部３０上の配線引き回しと下部電極１３の基板部３０上の配線引き回しとを、完全に絶縁させている。このような絶縁層４４の形成は、下部電極１３の劣化を防止するのに役立つ。絶縁層４４には、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化アルミニウム、又は窒化シリコン（ＳｉＮ）等の絶縁材料が用いられる。

上記構成による音響共振器２も、上述したように１波長モードで励振されるように設計されると共に、以下の特徴的な構造で設計されている。まず、キャビティ３１の開口部Ｃの面積が、振動部４０の水平断面Ｅの面積以上となることである。そして、振動部４０が、支持部２０上において、基板部３０に対する振動部４０の垂直方向の投影形状がキャビティ３１の開口部Ｃ内に収納される位置に配置されることである。次に、振動部４０の垂直方向の厚みｔ１と支持部２０の垂直方向の厚みｔ２との合計が、音響共振器２の共振周波数ｆｒの１波長と一致していることである。そして、振動部４０の厚みｔ１と、支持部２０の厚みｔ２に上部電極１２及び下部電極１３の引き回し配線と絶縁層４４との厚みｔ３を加えた厚みとが、異なっていることである（ｔ１≠（ｔ２＋ｔ３））。すなわち、絶縁層４４を介して支持部２０上で引き回される上部電極１２の配線の上面が、半波長の位置ａ（振動の腹）にならないように、各々の厚みが形成される。

以上のように、本発明の第２実施例の音響共振器２によれば、絶縁層４４を形成する場合でも、振動部４０の共振周波数と支持部２０の共振周波数とを異ならせることができ、横方向への振動の伝播を低減させることができる。よって、振動部４０の共振周波数と反共振周波数との間にスプリアスが生じないアドミッタンス周波数特性を得ることができる。なお、上部電極１２を積層する位置は図６Ａで示したもの以外にも、図６Ｂで示した位置であってもよい。このようにすれば、上部電極１２の劣化を防止することができる。また、図６Ａで示した上部電極１２の上にさらに絶縁層を設けてもよい。この場合には、この絶縁層の厚みも考慮して設計する必要がある。

（音響共振器の第３実施例）
図７は、本発明の音響共振器の第３実施例を示す構造断面図である。図７において、音響共振器３は、基板部３０と、基板部３０上に設けられた支持部５０と、支持部２０上に設けられた振動部１０とで構成される。図７に示すように、音響共振器３は、上記音響共振器１の支持部２０を支持部５０に代えた構成である。以下、この異なる構成部分を中心に音響共振器３を説明する。

支持部５０は、支持層５１と、支持層５１の上に形成された下部電極５３と、下部電極５３の上に形成された圧電体５２で構成される。圧電体５２は、窒化アルミニウム等の圧電材料で形成される。これはすなわち、支持部５０に振動部１０とは異なる第２の振動部が形成されることを意味する。この場合、振動部１０の下部電極１３は、第２の振動部の上部電極を兼ねる中間電極として機能する。好ましくは、この圧電体５２及び下部電極５３は、水平断面が振動部１０の水平断面と一致するように設計される。このように、音響共振器３では、支持部５０に圧電体５２及び下部電極５３からなる振動部を形成することによって、通常なら支持部５０に漏れて損失となる振動を有効に利用することができる。なお、下部電極５３は、例えばモリブデンで形成される。

上記構成による音響共振器３も、上述したように１波長モードで励振されるように設計されると共に、以下の特徴的な構造で設計されている。まず、キャビティ３１の開口部Ｃの面積が、振動部１０の水平断面Ｄ、又は圧電体５２や下部電極５３の水平断面Ｆの面積以上となることである。そして、基板部３０に対する支持部５０の圧電体５２及び下部電極５３の垂直方向の投影形状、及び基板部３０に対する振動部１０の垂直方向の投影形状が、それぞれキャビティ３１の開口部Ｃ内に収納される位置に配置されることである。次に、振動部１０の垂直方向の厚みｔ１と支持部５０の垂直方向の厚みｔ２との合計が、音響共振器３の共振周波数ｆｒの１波長と一致していることである。そして、振動部１０の厚みｔ１と支持部５０の厚みｔ２とが、異なっていることである。

この振動部１０の厚みｔ１及び支持部５０の厚みｔ２の最適な設定も、上述した音響共振器１の場合と同様に考えることができる。すなわち、支持部５０と下部電極１３との境界面が、半波長の位置ａ（振動の腹）にならないように、各々の厚みが形成される。図８Ａ〜図８Ｃは、音響共振器３の変位分布と電荷分布とを説明する図である。図で分かるように、音響共振器３は、支持部５０を振動可能な構成としているため、変換できる電荷が多くなり特性の劣化が少ない。

また、実用的な音響共振器３の設計例を図９Ａ及び図９Ｂに示す。図９Ａは、支持部５０の厚みｔ２の半波長からのズレ量と、共振周波数と反共振周波数の差との関係を示している。図９Ｂは、支持部５０の厚みｔ２の半波長からのズレ量と、所望の周波数帯域のフィルタが実現できるかどうかの結果を示したものである。これらから、半波長に対する厚みｔ２の比が−４０％〜＋４０％である支持部５０では、所望の周波数帯域において不要共振のない特性が得られ、結果フィルタ特性として通過損失１．５ｄＢ以下が実現可能であることが分かった。さらに、半波長に対する厚みｔ２の比が−３０％〜２０％の範囲では、通過損失１ｄＢ以下が実現可能であった。

以上のように、本発明の第３実施例の音響共振器３によれば、支持部５０に振動部を形成しているので、上記第１の実施形態の効果に加えて、支持部５０に漏れた振動も有効に電気エネルギーから機械エネルギーに変換させることができる。なお、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す音響共振器４及び４’のように、この音響共振器３に対して上記第２の実施形態で説明した絶縁層５４を同様に設けることができる。

（音響共振器の第４実施例）
図１１は、本発明の音響共振器の第４実施例を示す構造断面図である。図１１において、音響共振器５は、基板部３０と、基板部３０上に設けられた支持部６０と、支持部６０上に設けられた振動部１０とで構成される。図１１に示すように、音響共振器５は、上記音響共振器３の支持部５０を支持部６０に代えた構成である。以下、この異なる構成部分を中心に音響共振器５を説明する。

支持部６０は、支持層５１と、支持層５１の上に形成された下部電極６３と、下部電極６３の上に形成された圧電体６２で構成される。音響共振器３と音響共振器５との違いは、圧電体及び下部電極の長さである。音響共振器５の圧電体６２及び下部電極６３は、キャビティ３１の開口部Ｃよりも大きく形成される。

上記構成による音響共振器５も、上述したように１波長モードで励振されるように設計されると共に、以下の特徴的な構造で設計されている。まず、キャビティ３１の開口部Ｃの面積が、振動部１０の水平断面Ｄの面積以上となることである。そして、振動部１０が、支持部２０上において、基板部３０に対する垂直方向の投影形状がキャビティ３１の開口部Ｃ内に収納される位置に配置されることである。次に、振動部１０の垂直方向の厚みｔ１と支持部６０の垂直方向の厚みｔ２との合計が、音響共振器５の共振周波数ｆｒの１波長と一致していることである。そして、振動部１０の厚みｔ１と支持部６０の厚みｔ２とが、異なっていることである。すなわち、支持部６０と下部電極１３との境界面が、半波長の位置ａ（振動の腹）にならないように、各々の厚みが形成される。

以上のように、本発明の第４実施例の音響共振器５によれば、支持部６０に形成する圧電体６２及び下部電極６３でも振動部１０を支持するので、上記第３の実施形態の効果に加えて、支持部６０の強度に関する信頼性が向上する。なお、この音響共振器５においても、図１０Ａ及び図１０Ｂと同様に絶縁層を設けることができる。また、圧電体６２及び下部電極６３で十分に強度が保たれるのであれば、支持層５１を省略することも可能である。

上述した第１実施例の音響共振器１〜第４実施例の音響共振器５は、１つ又は複数組み合わせることでフィルタとなり得る。以下、複数組み合わせた場合のフィルタ及びこのフィルタを用いた装置について説明する。

（音響共振器を用いたフィルタの第１実施例）
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の音響共振器を用いたフィルタの第１実施例を示す図である。図１２Ａに示すフィルタ７は、本発明の第１実施例の音響共振器１及び／又は第２実施例の音響共振器２をＬ型に接続した１段のラダーフィルタである。第１の音響共振器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の音響共振器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。ここで、第１の音響共振器７１の共振周波数を第２の音響共振器７２の共振周波数よりも高く設定すれば、帯域通過特性を有するラダーフィルタを実現することができる。好ましくは、第１の音響共振器７１の共振周波数と第２の音響共振器７２の反共振周波数とを、実質上一致又は近傍に設定することにより、より通過帯域の平坦性に優れるラダーフィルタを実現することができる。

なお、上記第１実施例では、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１２Ａのように１段構成であっても、図１２Ｂ等のように多段構成であってもよい。

（音響共振器を用いたフィルタの第２実施例）
図１３は、本発明の音響共振器を用いたフィルタの第２実施例を示す図である。図１３に示すフィルタ８は、本発明の第３実施例の音響共振器３及び／又は第４実施例の音響共振器４によるスタック型のフィルタである。音響共振器８１は、入力端子８３と出力端子８４との間に直列に接続される。音響共振器８１の中間電極は、接地面に接続される。このように、スプリアスのない音響共振器８１を使用すれば、通過帯域の平坦性に優れるスタック型フィルタを実現することができる。

なお、スタック型フィルタは、図１３のように１段構成であっても、多段構成であってもよい。また、第１実施例の音響共振器１及び／又は第２実施例の音響共振器２を組み合わせた構成でも同様の効果を得ることができる。

（音響共振器を用いた装置の第１実施例）
図１４は、本発明の音響共振器を用いた装置の第１実施例を示す図である。図１４に示す装置９ａは、図１２Ｂのフィルタを用いた共用器である。この装置９ａは、複数の音響共振器で構成されるＴｘフィルタ（送信フィルタ）９１と、複数の音響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、最適な周波数配置を有するフィルタであるので、低損失等の特性の優れた共用器を得ることができる。なお、フィルタの数やフィルタを構成する音響共振器の段数等は、図１４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。

（音響共振器を用いた装置の第２実施例）
図１５は、本発明の音響共振器を用いた装置の第２実施例を示す図である。図１５に示す装置９ｂは、図１４の共用器を用いた通信機器である。この装置９ｂは、アンテナ１０１と、２つの周波数信号を分離するために用いられる分波器１０２と、２つの共用器１０３及び１０４とで構成される。共用器１０３又は共用器１０４のいずれかが、図１４で示した共用器となる。このように、低損失等の特性の優れた共用器を用いれば、低損失な通信機器を実現することができる。

（音響共振器を用いた装置の第３実施例）
図１６は、本発明の音響共振器を用いた装置の第３実施例を示す図である。図１６に示す装置９ｃは、図１２Ａや図１２Ｂや図１３のフィルタを用いた通信機器である。この装置９ｃは、２つのアンテナ１１１及び１１２と、２つの周波数信号を切り替えるためのスイッチ１１３と、２つのフィルタ１１４及び１１５とで構成される。図１６の通信機器が図１５の通信機器と異なる点は、分波器１０２の代わりにスイッチ１１３を、共用器１０３及び１０４の代わりにフィルタ１１４及び１１５を用いている点である。このように構成しても、低損失な通信機器を実現することができる。

本発明の音響共振器及びフィルタは、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、特にスプリアスを抑えたアドミッタンス周波数特性を得たい場合等に適している。

本発明の音響共振器の第１実施例を示す構造断面図 本実施形態の音響共振器のアドミタンス周波数特性を示す図 図１７Ｃに示した従来の音響共振器のアドミタンス周波数特性を示す図 第１実施例の音響共振器の変位分布と電荷分布とを説明する図 第１実施例の音響共振器の変位分布と電荷分布とを説明する図 第１実施例の音響共振器の変位分布と電荷分布とを説明する図 第１実施例の音響共振器における、支持部の厚みと共振周波数の波長との関係の一例を説明する図 第１実施例の音響共振器における、支持部の厚みと共振周波数の波長との関係の一例を説明する図 本発明の音響共振器の第１実施例の応用例を示す構造断面図 本発明の音響共振器の第２実施例を示す構造断面図 本発明の音響共振器の第２実施例の応用例を示す構造断面図 本発明の音響共振器の第３実施例を示す構造断面図 第３実施例の音響共振器の変位分布と電荷分布とを説明する図 第３実施例の音響共振器の変位分布と電荷分布とを説明する図 第３実施例の音響共振器の変位分布と電荷分布とを説明する図 第３実施例の音響共振器における、支持部の厚みと共振周波数の波長との関係の一例を説明する図 第３実施例の音響共振器における、支持部の厚みと共振周波数の波長との関係の一例を説明する図 本発明の音響共振器の第３実施例の応用例を示す構造断面図 本発明の音響共振器の第３実施例の応用例を示す構造断面図 本発明の音響共振器の第４実施例を示す構造断面図 本発明の音響共振器を用いたフィルタの第１実施例を示す図 本発明の音響共振器を用いたフィルタの第１実施例を示す図 本発明の音響共振器を用いたフィルタの第２実施例を示す図 本発明の音響共振器を用いた装置の第１実施例を示す図 本発明の音響共振器を用いた装置の第２実施例を示す図 本発明の音響共振器を用いた装置の第３実施例を示す図 従来の音響共振器を説明するための図 従来の音響共振器を説明するための図 従来の音響共振器を説明するための図 従来の音響共振器を説明するための図 従来の他の音響共振器を説明するための図 従来の音響共振器に生じる問題を説明するための図 従来の音響共振器に生じる問題を説明するための図 従来の音響共振器に生じる問題を説明するための図

符号の説明

１〜５、７１、７２、８１、５００、５１０ 音響共振器
７、８、９１、９２、１１４、１１５ フィルタ９ａ、１０３、１０４ 共用器
９ｂ、９ｃ 通信機器
１０、４０ 振動部
１１、５２、６２、５０１、５１１ 圧電体
１２、５０２、５１２ 上部電極
１３、５３、６３、５０３、５１３ 下部電極
１４ 誘電体膜
２０、５０、６０ 支持部
３０、５０５、５１５ 基板部（基板）
３１、５０４、５１４ キャビティ
４４、５４ 絶縁層
５１、５１６ 支持層
９３ 移相回路
１０１、１１１、１１２ アンテナ
１０２ 分波器
１１３ スイッチ

Claims (11)

1. 所定の周波数で振動する音響共振器であって、
   圧電体、圧電体の上面に設けられた上部電極、及び圧電体の下面に設けられた下部電極で構成される振動部と、
   前記振動部の水平断面面積以上の開口部面積を有する空洞が形成された基板部と、
   前記振動部と前記基板部との間に形成された支持部とを備え、
   前記振動部は、前記基板部に対する垂直方向の投影形状が前記空洞の開口部内に収納される位置で前記支持部上に配置され、
   前記振動部及び前記支持部は、互いに垂直方向厚みが異なり、かつ、双方の垂直方向厚みの合計が振動周波数の１波長と一致し、かつ、前記圧電体と前記下部電極との境界面が振動の腹とならない形状に、それぞれ形成されていることを特徴とする、音響共振器。
2. 振動周波数の半波長に対する前記支持部の厚みの比が−３０％〜＋２０％であることを特徴とする、請求項１に記載の音響共振器。
3. 前記振動部は、絶縁層を介して前記圧電体の上面に前記上部電極が引き出し形成されており、前記振動部及び前記支持部の厚みは、前記支持部上に形成される前記絶縁層の上面及び前記絶縁層を介して前記支持部上で引き回される前記上部電極の配線の上面が、振動の腹とならないように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の音響共振器。
4. 所定の周波数で振動する音響共振器であって、
   第１の圧電体、第１の圧電体の上面に設けられた上部電極、及び第１の圧電体の下面に設けられた第１の下部電極で構成される振動部と、
   前記振動部の水平断面面積以上の開口部面積を有する空洞が形成された基板部と、
   第２の圧電体、第２の圧電体の下面に設けられた第２の下部電極、及び第２の下部電極の下面に設けられた支持層で構成され、前記振動部と前記基板部との間に形成された支持部とを備え、
   前記振動部は、前記基板部に対する垂直方向の投影形状が前記空洞の開口部内に収納される位置で前記支持部上に配置され、
   前記振動部及び前記支持部は、互いに垂直方向厚みが異なり、かつ、双方の垂直方向厚みの合計が振動周波数の１波長と一致し、かつ、前記第１の圧電体と前記第１の下部電極との境界面が振動の腹とならない形状に、それぞれ形成されていることを特徴とする、音響共振器。
5. 振動周波数の半波長に対する前記支持部の厚みの比が−４０％〜＋４０％であることを特徴とする、請求項４に記載の音響共振器。
6. 前記支持部に構成される第２の圧電体及び第２の下部電極は、水平断面面積が前記空洞の開口部面積以下で形成され、前記基板部に対する垂直方向の投影形状が前記空洞の開口部内に収納される位置に配置されることを特徴とする、請求項４に記載の音響共振器。
7. 前記振動部は、絶縁層を介して前記第１の圧電体の上面に前記上部電極が引き出し形成されており、前記振動部及び前記支持部の厚みは、前記支持部上に形成される前記絶縁層の上面及び前記絶縁層を介して前記支持部上で引き回される前記上部電極の配線の上面が、振動の腹とならないように形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の音響共振器。
8. 請求項１又は請求項４に記載の音響共振器を、いずれか２つ以上をラダー型に接続して構成された、フィルタ。
9. 請求項１又は請求項４に記載の音響共振器を、いずれか２つ以上を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又は請求項４に記載の音響共振器を、いずれか２つ以上を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。
10. 請求項９に記載の第１の共用器と、
    請求項９に記載の第２の共用器と、
    前記第１の共用器及び第２の共用器に信号を分波する分波器とを備える、通信機器。
11. 請求項１又は請求項４に記載の音響共振器を、いずれか２つ以上をラダー型に接続して構成された第１のフィルタと、
    請求項１又は請求項４に記載の音響共振器を、いずれか２つ以上をラダー型に接続して構成された第２のフィルタと、
    入力信号を切り替えて前記第１のフィルタ又は第２のフィルタに出力するスイッチとを備える、通信機器。
    

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