JP3904782B2 - 圧電共振子および圧電共振装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電共振子および圧電共振装置に関し、特に3層以上の奇数層の圧電体を有する圧電共振子、並びに圧電共振子を基板またはコンデンサの表面、あるいは基板の内部に設けた圧電共振装置に関する。
【0002】
【従来技術】
従来、圧電共振子は、その機械的振動を阻害することなく有効に利用するため、周りからの影響を受けないように振動許容空間を確保するようにパッケージに収納したり、圧電発振回路の要素である負荷容量としてのコンデンサと一体化してパッケージ内に収納する場合でも、コンデンサとの間には振動を許容するための振動許容空間を設けている。
【0003】
一般に、厚み縦振動モードを用いた圧電共振子は、図6に示すように、圧電基板1の上下に部分的に対向するように帯状の入出力電極2、3が形成された構造を有し、この対向した電極によって厚み縦振動が励振されて厚み縦の基本振動あるいは3次高調波などに基づいて共振特性を発現していた。尚、図6において、(a)は斜視図、(b)は厚み方向断面図、(c)は平面図である。
【0004】
また、圧電共振子とともにコンデンサを内蔵するタイプの典型的な容量内蔵型圧電共振子は、図7に示すように、上記した圧電共振子の下方に、振動許容空間を介してコンデンサを配置したものを、定形のパッケージ4内に収納することにより構成されている。
【0005】
コンデンサは、圧電基板1とほぼ同面積の誘電体基板5の下面に共通電極7を、上面に一対の容量電極8を設けて構成されている。圧電共振子とコンデンサは、半田などの金属導体9にて電気的に並列に接続されている。
【0006】
また、図8に従来の他の容量内蔵型圧電共振子を示すもので、この容量内蔵型圧電共振子では、圧電共振子とコンデンサが、導電性樹脂11により電気的に並列に接続され、スプリアス振動の減衰が図られている。
【0007】
上記したような容量内蔵型圧電共振子は、全体の小型化および薄型化に加えて、圧電共振子自体も、高周波化に伴って薄くすることが要求されている。例えば、30〜60MHzの圧電共振子において、通常の圧電磁器からなる共振素子では3次高調波を用いても100〜200μm程度の厚みになるが、100MHz以上の高周波化を図ろうとすると50〜60μmまで薄くすることが要求され、共振ピークの大きなものを得ようとして基本振動を用いようとすると更にこの3分の1程度まで薄くすることが要求される。
【0008】
また、特に数GHz以上の高周波共振子やフィルターを構成するために、薄膜圧電体を用い、厚み縦共振などのバルク振動を用いた薄膜圧電共振子(BAW共振子)、並びにこれを用いたフィルターでは、例えば、図9に示すように、強度を確保するために適当な強度および厚みを有する基板13上に、圧電体薄膜15を電極膜17で挟持した圧電共振子を直接接合しているが、目的とする高周波に共振周波数を合致させるために、圧電共振子と反対側の基板13表面をエッチングなどのプロセスによって削って厚みを精度よくコントロールしたり、図示しないが、基板と圧電共振子の間に適当なプロセスを用いて振動許容空間を設けることが要求される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図7や図8に示すような容量内蔵型圧電共振子では、コンデンサが圧電共振子の振動を妨げることが無いように、圧電共振子は、コンデンサとの間に振動許容空間を設けて固定する必要があり、小型化および薄型化の妨げとなっていた。
【0010】
また、パッケージなどに収めて回路基板上に実装したり、基板内にキャビティを設けて高さを抑えた形で実装する場合には、パッケージ自体の大きさが実装された回路基板の小型化、低背化に大きな障害となるという問題があった。
【0011】
さらに、共振周波数が100MHz以上の圧電共振子を作製したり、3次高調波を用いないで基本振動により数10MHzの圧電共振子を作製することは、圧電共振子の圧電体が薄くなり、機械的強度が低下するので、図7や図8に示すような構造では作製が困難である。例えば、圧電共振子が薄くなると、コンデンサとの接合時の熱衝撃、パッケージ内への収納時の圧迫、搬送中や使用中の熱的もしくは機械的衝撃などにより破壊される可能性が高くなる。
【0012】
一方、図9に示すような数GHz以上で用いられる薄膜圧電共振子、フィルターの場合には、高周波の共振周波数に合致させるために、圧電共振子を接合した基板の厚みをコントロールしたり、基板と圧電共振子の間に振動許容空間を設けたりする必要があり、これらによって高周波化を進めたり、共振周波数を設計通りの値にすることは困難であり、またコスト増大を伴うという問題があった。
【0013】
本発明は、コンデンサや基板との間に、振動許容空間を設けることなく接合できるとともに、高周波化に対応できる圧電共振子、並びにこの圧電共振子を用いた容量内蔵型圧電共振子等の小型化、低背化を実現できる圧電共振装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電共振子は、同一厚みを有する3層以上の奇数層の圧電体を積層するとともに、これらの圧電体間に電極をそれぞれ介装し、かつ最上層圧電体の外表面に最上層電極を形成し、最下層圧電体の外表面に最下層電極を形成してなり、前記圧電体が同一方向に分極されており、前記最上層圧電体及び前記最下層圧電体に、前記最上層圧電体又は前記最下層圧電体に隣設する圧電体に印加される電界と逆位相で半分の大きさの電界が印加されるものである。
また、同一厚みを有する3層以上の奇数層の圧電体を積層するとともに、これらの圧電体間に電極をそれぞれ介装し、かつ最上層圧電体の外表面に最上層電極を形成し、最下層圧電体の外表面に最下層電極を形成してなり、前記最上層圧電体及び前記最下層圧電体と、前記最上層圧電体と前記最下層圧電体との間の圧電体は逆方向に分極されており、かつ、前記最上層圧電体及び前記最下層圧電体に、前記最上層圧電体又は前記最下層圧電体に隣設する圧電体に印加される電界と同一位相で半分の大きさの電界が印加されるものである。
【0015】
このような圧電共振子は、最上層電極および最下層電極にそれぞれ接続される一対の第1端子電極と、最上層電極と最下層電極の間の電極に交互に接続される一対の第2端子電極とを有し、また、隣設する圧電体の振動を逆位相とし、さらに厚み縦振動または厚み滑り振動モードで作動し、上下端の最上層圧電体と最下層圧電体に発生する振動の振幅に対して、最上層圧電体と最下層圧電体の間の圧電体に発生する振動の振幅を2倍として用いられる。
【0016】
このような構成を採用することにより、隣接する上下の圧電体が互いに逆位相で厚み縦振動あるいは厚み滑り振動をし、最上層圧電体と最下層圧電体を除く部分では、最上層圧電体と最下層圧電体に発生する振動の振幅の2倍であるため、最上層電極および最下層電極では振動が相殺され、圧電共振子の表面では振動が発生しない。従って、圧電共振子全体としての振動が内部だけに閉じ込められ、振動許容空間を設けることなく基板やコンデンサと接合しても、内部のバルク振動が影響を受けにくく、これにより、共振周波数および特性は、圧電共振子単独の場合とほとんど変わらなくなる。従って、圧電共振子とコンデンサや基板との間に振動許容空間を設けることなく、接合することができる。
【0017】
また、本発明の圧電共振装置は、上記した圧電共振子を、基板またはコンデンサの表面、あるいは基板の内部に設けたものである。これは、上記したように、圧電共振子とコンデンサや基板との間に振動許容空間を設けることなく接合することができるため、圧電共振子単独として用いる場合よりも、薄型化という点から利点が大きいからである。
【0018】
例えば、容量内蔵型圧電共振子として用いる場合には、コンデンサが圧電共振子に対して支持台として機能し、圧電共振子を補強し、ますます圧電共振子を薄くすることができるのみならず、圧電共振子の表面に振動許容空間を形成することなくコンデンサを接合し、チップ状の素子とすることによって、パッケージに収容することなく基板に表面実装できる。
【0019】
また、薄膜を用いて圧電共振子を作製する場合には、基板に直接接合しても振動特性が影響を受け難いため、エッチングを予定して特別な材質の基板を用いる必要がなく、また、基板厚みの厳密なコントロールの必要がなく、薄膜圧電共振子(BAW共振子)やフィルターを作製できる。
【0020】
さらに、上記したように圧電共振子内に振動を閉じ込めることができるため、、圧電共振子を多層基板に内蔵でき、多層基板内にフィルターを形成できる。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電共振子の基本構造を、圧電体が3層の場合について図1を基に説明する。図1において、(a)は断面図であり、(b)その平面図である。
【0022】
本発明の圧電共振子は、同一厚みを有する3層の圧電体21a、21b、21cが積層され、これらの圧電体21aと圧電体21bとの間に電極23が介装され、圧電体21bと圧電体21cとの間に電極25が介装されている。
【0023】
そして、これらの積層体の上下の最外表面には、最上層電極27と最下層電極28が形成されている。圧電体21a、21b、21cは、厚み方向に同一方向に分極されている。
【0024】
また、圧電体21a、21b、21cは同一厚みであるが、厚みバラツキが0.1%以内であれば、同一厚みとして支障はない。
【0025】
電極23、25、27、28の厚みは同一厚みであることが望ましいが、厚みバラツキが0.1%以内であれば、支障はない。また、電極23および電極25は、必要に応じてエネルギー閉じ込めなどの効果を用いて、望ましい特性が得られるように2次元平面状での形状設計がされている。
【0026】
また、最上層電極27および最下層電極28は、対向する位置に設けられた一対の第1端子電極31a、31bにそれぞれ接続され、最上層電極27と最下層電極28の間の電極23、25は、対向する位置に設けられた一対の第2端子電極33a、33bにそれぞれ接続されている。
【0027】
以上のように構成された圧電共振子では、電極23と最上層電極27の間、および電極25と最下層電極28の間には、電極23と電極25の間に発生する電界とは逆位相で半分(0.476〜0.588倍) の大きさの電界が発生するように、第1端子電極31a、31bおよび第2端子電極33a、33bに印加する電気信号を制御する。
【0028】
このような制御を行うことにより、最上層圧電体21aと最下層圧電体21cの間の圧電体21bに発生する振動の振幅は、上下端の最上層圧電体21aと最下層圧電体21cにそれぞれ発生する振動の振幅に対して逆位相で、しかも2倍となり、最上層圧電体21aと最下層圧電体21cの外側、即ち、最上層電極27、最下層電極28では振動が打ち消され、この3層の圧電体21a、21b、21cの内部だけが振動して外側表面は振動しない圧電共振子を作製できる。
【0029】
尚、圧電体21bの分極方向を、最上層圧電体21aと最下層圧電体21cの分極方向とは逆にし、同一位相の電界を印加しても、各層の振動が逆位相となるため、同様の効果が得られる。
【0030】
また、圧電体が5層以上の場合には、最上層圧電体と最下層圧電体を除いた残りの3層以上の圧電体層で、最上層圧電体、最下層圧電体にそれぞれ発生する振動の振幅に対して2倍となるようにすれば良い。
【0031】
図2は、本発明の圧電共振子を直接回路基板に表面実装した圧電共振装置を示すもので、この圧電共振装置では、図1に示す圧電共振子がチップ状とされ、基板35表面に搭載されている。
【0032】
即ち、基板35表面には、回路パターン37a、37b、39a、39bが設けられており、これらの回路パターン37a、37b、39a、39bに、第1端子電極、第2端子電極がそれぞれハンダ40により接続されている。
【0033】
また、本発明の圧電共振装置では、基板が、図3に示すように、多層基板41であっても良い。即ち、多層基板41表面には表面電極43が4ヵ所形成されており、これらの表面電極43には、第2端子電極33a、33bと、図示しないが第1端子電極がハンダ45により接合されている。
【0034】
また、表面電極43は、ビアホール導体47により、多層基板41内部の内部配線49に接続されており、第1端子電極と接続される表面電極43にも、ビアホール導体47が接続され、多層基板41内部の内部配線49に接続されている。
【0035】
この場合には、多層基板41の表層あるいはそれに近いところにある誘電体層を利用してつくられた内蔵コンデンサと電気的に並列に接続し、容量内蔵型圧電共振子を形成することもできる。
【0036】
図4に、本発明の圧電共振子とコンデンサとを一体化した圧電共振装置(容量内蔵型圧電共振子)を示す。この圧電共振装置は、図1に示した圧電共振子の下面に誘電体層51を介して電極53が形成され、圧電共振子とコンデンサが一体となっている。
【0037】
そして、上記図3と同様に、多層基板41表面に形成された表面電極43に、第2端子電極33a、33bと、図示しないが第1端子電極がハンダ45により接合され、また、コンデンサの電極53も、表面電極43にハンダ45により接合されている。
【0038】
コンデンサの上側の電極は圧電共振子の最下層電極28と共用され、この最下層電極28と、誘電体層51を介して対向して形成された電極53により静電容量を形成する。
【0039】
第1端子電極、第2端子電極33a、33bが接続された表面電極43は、そのまま多層基板41表面を引き回され、コンデンサの電極53が接続された表面電極43は、ビアホール導体47を介して多層基板41内部の内部配線49に接続されている。尚、コンデンサの電極53が接続される表面電極43を引き回して回路を構成しても良い。
【0040】
以上のように構成された図2、3、4の圧電共振装置では、上記したように、電極23と最上層電極27の間、および電極25と最下層電極28の間に、電極23と電極25の間に発生する電界とは逆位相で半分(0.476〜0.588倍) の大きさの電界が発生するように、第1端子電極31a、31bおよび第2端子電極33a、33bに印加する電気信号を制御することにより、圧電共振子の外側表面は振動しないため、圧電共振子と基板35、多層基板41またはコンデンサの誘電体層51とを、隙間無く密着して形成しても、圧電共振子の特性に影響を与えることがない。
【0041】
また、逆に、このように振動許容空間を設けることなく密着して形成することにより、圧電共振子全体が基板35、多層基板41またはコンデンサの誘電体層51によって支えられており、高周波化などに伴う圧電共振子の薄膜化が進んでも機械的熱的衝撃に耐える構造となり、さらに、圧電共振子を基本波によって作動させることせ容易となり、高周波化が可能となる。
【0042】
また、上記の如く、シート成形技術あるいは薄膜技術によって薄い圧電層を積層することができるため、基本波を用いても100MHzから数GHzぐらいまでの高周波化に対応した圧電共振子を作製できる。
【0043】
さらに、図4に示すように、圧電共振子の強度および信頼性が、コンデンサと一体化することによって確保されていることから、パッケージに収容することなく、セラミック積層コンデンサと同様に第1端子電極31a、31b、第2端子電極をハンダ45を介して多層基板41に直接実装できる。さらにまた、図3に示すような圧電共振装置において、コンデンサを多層基板41内に内蔵し、これをビアホール導体を用いて、圧電共振子と接続することも可能となる。
【0044】
本発明の圧電共振子は、積層コンデンサや多層ICパッケージと同様にシート成形技術によって積層し、同時焼成することによって一体化することが可能である。又、CVD、PVDやスパッタなどの薄膜技術によっても可能である。
【0045】
図5に、本発明の圧電共振子を多層基板の中に埋め込んだ圧電共振装置(内蔵回路モジュール)を示す。
【0046】
この圧電共振装置では、分極処理によって圧電特性を発現する圧電体61a、61b、61cと、誘電体層63、絶縁層65を積層して多層基板67が構成されている。圧電体61aと圧電体61bとの間に電極73が介装され、圧電体61bと圧電体61cとの間に電極75が介装されている。
【0047】
そして、圧電体61aの外表面には最上層電極77が形成され、圧電体61cと誘電体63の間には圧電共振子として最下層となる最下層電極78が形成され、圧電体61a、61b、61cは、厚み方向に同一方向に分極されている。
【0048】
また、最下層電極78は、コンデンサの上側電極と共用されており、この最下層電極78の下方には、誘電体層63を介して電極81が形成されている。即ち、電極81は、誘電体層63と絶縁層65との間に形成されている。
【0049】
また、電極73および電極75は、対向する位置に設けられた一対のビアホール導体83を介して、誘電体層63と絶縁層65間の内部配線85に接続され、最上層電極77および最下層電極78は、図示しないが、対向する位置に設けられた一対のビアホール導体を介して、誘電体層63と絶縁層65間の内部配線に接続されている。尚、この例では、ビアホール導体83が端子電極と同様の役割をすることになる。
【0050】
以上のように構成された圧電共振装置でも、上記と同様な制御を行うことにより、同様な効果を得ることができるとともに、圧電共振子を基板内に内蔵することができるため、よりコンパクトにモジュールを構成できる。
【0051】
尚、圧電体はチタン酸鉛を主成分とし、コンデンサの誘電体層は、チタン酸バリウム主成分等の通常の誘電体を用いるが、誘電体層としては、圧電体と同じ材料を分極処理することなく用いても良い。コンデンサ機能を優先する場合は前者、同時焼成などの製造工程を優先する場合は後者が好ましい。
【0052】
【発明の効果】
以上のように、本発明の圧電共振子では、内部だけが振動して周辺輪郭は振動しない圧電共振子を得ることができ、このため、圧電共振子を振動許容空間を設けることなく他の基板やコンデンサに接合することができ、圧電共振子を高周波化に対応して薄型化しても破損することがない。また、チップ化した単体として、またコンデンサと一体化した圧電共振装置として表面実装でき、圧電共振子を収容するパッケージを必要としないため小型化を推進でき、さらに、モジュールを構成するための多層基板内に内蔵することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧電共振子の基本構造を示すもので、(a)は断面図、(b)平面図である。
【図2】圧電共振子を基板上に実装した圧電共振装置を示す斜視図である。
【図3】圧電共振子を多層基板上に実装した圧電共振装置を示す断面図である。
【図4】圧電共振子とコンデンサを接合した圧電共振装置を、多層基板上に実装した状態を示す断面図である。
【図5】圧電共振子を多層基板内に内蔵した圧電共振装置を示す断面図である。
【図6】従来の圧電共振子を示すもので、(a)は斜視図、(b)は断面図、(c)は平面図である。
【図7】従来のパッケージに内蔵した容量内蔵型圧電共振子の断面図である。
【図8】従来のパッケージに内蔵した他の容量内蔵型圧電共振子の断面図である。
【図9】従来の薄膜圧電共振子の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
21a、21b、21c、61a、61b、61c・・・圧電体
23、25、73、75・・・電極
27、77・・・最上層電極
28、78・・・最下層電極
31a、31b・・・第1端子電極
33a、33b・・・第2端子電極
35、41、67・・・基板
Claims (5)
- 同一厚みを有する3層以上の奇数層の圧電体を積層するとともに、これらの圧電体間に電極をそれぞれ介装し、かつ最上層圧電体の外表面に最上層電極を形成し、最下層圧電体の外表面に最下層電極を形成してなり、前記圧電体が同一方向に分極されており、前記最上層圧電体及び前記最下層圧電体に、前記最上層圧電体又は前記最下層圧電体に隣設する圧電体に印加される電界と逆位相で半分の大きさの電界が印加されることを特徴とする圧電共振子。
- 同一厚みを有する3層以上の奇数層の圧電体を積層するとともに、これらの圧電体間に電極をそれぞれ介装し、かつ最上層圧電体の外表面に最上層電極を形成し、最下層圧電体の外表面に最下層電極を形成してなり、前記最上層圧電体及び前記最下層圧電体と、前記最上層圧電体と前記最下層圧電体との間の圧電体は逆方向に分極されており、かつ、前記最上層圧電体及び前記最下層圧電体に、前記最上層圧電体又は前記最下層圧電体に隣設する圧電体に印加される電界と同一位相で半分の大きさの電界が印加されることを特徴とする圧電共振子。
- 前記最上層電極および前記最下層電極にそれぞれ接続される一対の第1端子電極と、前記最上層電極と前記最下層電極の間の前記電極に交互に接続される一対の第2端子電極とを有することを特徴とする請求項1又は2記載の圧電共振子。
- 厚み縦振動または厚み滑り振動モードで作動することを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれかに記載の圧電共振子。
- 請求項1乃至4のうちいずれかに記載の圧電共振子が、基板またはコンデンサの表面、あるいは前記基板の内部に設けられていることを特徴とする圧電共振装置。
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