JP3979073B2 - 圧電共振子、圧電フィルタおよびデュプレクサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電共振子、圧電フィルタおよびデュプレクサに関し、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、それを複数個組み合わせて構成した圧電フィルタなどに関する。
【０００２】
【従来の技術】
厚み縦振動、厚みすべり振動のｎ次モード（ｎは自然数）を利用した圧電共振子は、圧電体などからなる振動部と、該振動部に形成された対向電極とを含む。かかる圧電共振子には、非調和高次モードと呼ばれる多数のスプリアス振動が生じる。このスプリアス振動の影響を抑えることを目的として、対向電極に内包される円の半径をｒとし、対向電極間の振動部の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎの関係を満たすよう振動部および対向電極を形成した圧電振動子が先に提案されている。なお、ｒは大きい程、スプリアス抑制効果が高い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この圧電共振子では、スプリアス振動の影響を充分に小さく抑えるためには電極半径ｒを充分に大きくする必要があり、たとえば圧電体にＺｎＯを用いて共振周波数２ＧＨｚの圧電共振子を作製する場合、振動部の厚さが２μｍ程度であるのに対し、振動部の大きさ（直径）を数１００μｍに形成する必要がある。このように振動部を薄く大きく形成すると、製造の際などに、振動部の変形、破損が問題となる。
【０００４】
また、電極形状は圧電共振子のインピーダンスにも影響する。たとえば、この圧電共振子を用いてフィルタを作製する場合、接続する系とのマッチングから共振子には最適なインピーダンスが存在する。しかし、スプリアス振動の影響を小さくするために電極を大型化すると、共振子のインピーダンスが最適値よりも小さくなってしまう不都合がある。反対に、インピーダンスが最適値となるように電極形状を調整すると、電極の大きさが不充分となり、圧電振動子の特性に対するスプリアス振動の影響が大きくなるという不都合が生じる。
【０００５】
それゆえに、本発明の主たる目的は、製造が容易な比較的小径な圧電共振子を組み合わせることで、スプリアス振動の影響が小さく、適正なインピーダンスを有する圧電共振子を提供することである。
この発明の他の目的は、その圧電共振子を用いた圧電フィルタを提供することである。
この発明のさらに他の目的は、その圧電フィルタを用いたデュプレクサを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる圧電共振子は、基板と、基板に形成され、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極および下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有し、共振子を複数設けた圧電共振子において、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状が円形またはすべての辺が接するように円形を内包可能である多角形であり、共振周波数がわずかに異なる複数個の共振子を直列または並列に接続してなることを特徴とする、圧電共振子である。
本発明にかかる圧電共振子では、共振周波数がわずかに異なる複数の共振子を直列または並列に接続することにより、各共振子の振動部の大きさを必要以上に大きくすることなく、より大型の電極を備えた単体の共振子と同等のスプリアス振動抑制効果を得ることができる。そのため、製造が容易で、振動部の耐衝撃性などを高めることができる。また、上記の複数の共振子を直列または並列に接続することにより、スプリアス振動の影響を小さくしながら、インピーダンスの最適化を図ることができる。
【０００７】
本発明にかかる圧電共振子では、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状における円形の半径をｒとし、上部電極および下部電極の対向する部分の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎ（ただし、ｎは自然数）となるように形成されることが好ましい。
このように本発明にかかる圧電共振子では、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状における円形の半径をｒとし、上部電極および下部電極の対向する部分の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎとなるように上部電極および下部電極などを形成することにより、主振動近傍の周波数にスプリアス振動を集中させることができるので、共振子の特性に対するスプリアス振動の影響をさらに小さく抑えることができる。
【０００８】
また、本発明にかかる圧電共振子では、複数個の共振子はたとえば厚み縦振動または厚みすべり振動のｎ次モードを利用する。
【０００９】
さらに、本発明にかかる圧電共振子では、複数個の共振子の共振周波数の差は±１％以内であることが好ましい。
このように本発明にかかる圧電共振子では、複数個の共振子の共振周波数の差を±１％程度にすることにより、共振点と反共振点とがずれ使用帯域が広がる。
【００１０】
また、本発明にかかる圧電共振子では、複数個の共振子の共振周波数の差は±０．５％以内であることがさらに好ましい。
このように本発明にかかる圧電共振子では、複数個の共振子の共振周波数の差を±０．５％以内にすれば、スプリアス振動の影響をさらに小さく抑えることができる。
【００１１】
さらに、本発明にかかる圧電共振子では、共振周波数がわずかに異なる複数個の共振子を同一振動部上に形成し、それらの共振子を直列または並列に接続してもよい。この場合、同一振動部に複数組の対向する上部電極および下部電極を設け、それらの上部電極および下部電極により励振される振動の周波数をわずかにずらし、それらの上部電極および下部電極を直列または並列に接続してもよい。
【００１２】
また、本発明にかかる圧電共振子では、複数個の共振子間の間隔が振動波の１／２以上であることが好ましい。
このように本発明にかかる圧電共振子では、複数個の共振子間の間隔が振動波の１／２以上である場合には、一方の共振子の機械振動が他方の共振子の振動に影響を与えないので、スプリアスレスポンスの発生など特性劣化がない。また、最小のスペースで並列あるいは直列接続できるので、素子の大型化を防ぐことができる。
【００１３】
さらに、本発明にかかる圧電共振子では、上部電極および下部電極の少なくとも一方の大きさを複数の共振子で互いに異ならせることにより、共振周波数をずらすようにしてもよい。
このように本発明にかかる圧電共振子では、上部電極および下部電極の少なくとも一方の大きさや形状を複数の共振子で互いに異ならせることにより、共振周波数をずらすようにする場合には、パターンを変更するだけで対応できるので、電極形成工程を増やす必要がない。
【００１４】
また、本発明にかかる圧電共振子では、振動部が圧電体と誘電体の多層構造からなり、かつ、圧電体および誘電体のうちの少なくとも１つのものの弾性定数の温度係数が、圧電体および誘電体のうちの他のものの弾性定数の温度係数と逆符号であることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明にかかる圧電共振子では、たとえば、基板は開口部または凹部を有し、開口部または凹部上に振動部が形成される。
【００１６】
また、本発明にかかる圧電共振子は、複数の開口部または複数の凹部を有する基板と、開口部または凹部上に形成され、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極および下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有し、共振子を複数設けた、厚み縦振動または厚み滑り振動のｎ次モード（ただし、ｎは自然数）を利用した圧電共振子において、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状が円形またはすべての辺が接するように円形を内包可能である多角形であり、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状における円形の半径をｒとし、上部電極および下部電極の対向する部分の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎとなるように形成され、複数個の共振子の共振周波数の差が±１％となるように異ならせ、さらに複数個の共振子を直列または並列に接続してなることを特徴とする、圧電共振子である。
【００１７】
さらに、本発明にかかる圧電共振子は、開口部または凹部を有する基板と、開口部または凹部上に形成され、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極および下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有し、共振子を複数設けた、厚み縦振動または厚み滑り振動のｎ次モード（ただし、ｎは自然数）を利用した圧電共振子において、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状が円形またはすべての辺が接するように円形を内包可能である多角形であり、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状における円形の半径をｒとし、上部電極および下部電極の対向する部分の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎとなるように形成され、複数個の共振子の共振周波数の差が±１％となるように異ならせ、さらに複数個の共振子を直列または並列に接続してなることを特徴とする、圧電共振子である。
【００１８】
また、本発明にかかる圧電共振子は、開口部または凹部を有する基板と、開口部または凹部上に形成され、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極および下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有し、共振子を設けた、厚み縦振動または厚み滑り振動のｎ次モード（ただし、ｎは自然数）を利用した圧電共振子において、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状が円形またはすべての辺が接するように円形を内包可能である多角形であり、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状における円形の半径をｒとし、上部電極および下部電極の対向する部分の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎとなるように形成され、複数個の共振子の共振周波数の差が±１％となるように異ならせ、さらに複数の共振子を直列または並列に接続してなることを特徴とする、圧電共振子である。
【００１９】
本発明にかかる圧電フィルタは、圧電共振子を複数個組み合わせて構成したラダーフィルタであって、本発明にかかる圧電共振子を少なくとも１つ以上含む、圧電フィルタである。
【００２０】
また、本発明にかかるデュプレクサは、本発明にかかる圧電フィルタが用いられたことを特徴とする、デュプレクサである。
【００２１】
本発明の上述の目的，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発明の実施の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の圧電共振子の一実施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、共振周波数が２ＧＨｚの厚み縦振動の基本波（ｎ＝１）を利用したものである。圧電振動子１０は、基板１２を含む。基板１２は、｛１００｝Ｓｉで形成される。基板１２上には、２つの共振子１３ａ、１３ｂが並列に接続されて形成される。各共振子１３ａ、１３ｂはそれぞれ振動部２０を含む。この振動部２０は、誘電体薄膜１４、電極薄膜１６、圧電体薄膜１８、電極薄膜１６、誘電体薄膜１４を基板１２上にこの順に積層してなるものである。この実施例では、誘電体薄膜１４はＳｉＯ2 で形成され、電極薄膜１６はＡｌで形成され、圧電体薄膜１８はＺｎＯで形成される。各膜の厚みは、ＳｉＯ2 ／Ａｌ／ＺｎＯ／Ａｌ／ＳｉＯ2 ＝０．３／０．１／１．１／０．１／０．３（単位：μｍ）である。なお、基板１２はたとえばパイレックスガラス、石英、ＧａＡｓなどで形成してもよく、誘電体薄膜１４はＳｉＮ、Ａｌ2 Ｏ3 などで形成してもよく、圧電体薄膜１８はＡｌＮ、ＰＺＴなどで形成してもよく、電極薄膜１６はＡｕ、Ａｇなどで形成してもよい。
【００２３】
電極薄膜１６の形状は、半径ｒの円形を内包した正方形状に形成される。この正方形の１辺の長さ２ｒは、１５０μｍに形成される。また、電極薄膜１６の対向部における振動部の厚みｔは、１．９μｍに形成される。したがって、この実施例の振動部２０は、ｒ≧２０ｔ／ｎの条件を満たす。電極薄膜１６は、振動部２０の外側へ引き出される。なお、電極薄膜１６の形状は、円形でもよく、円形を内包する６角形、８角形など上述の条件を満たす円形を内包する多角形にしてもよい。また、上述のｒ≧２０ｔ／ｎの条件は、本発明では必ずしも満たさなければならないことはない。
【００２４】
この実施例の圧電共振子１０は、共振周波数が２ＧＨｚのものである。この実施例では、一方の共振子１３ａの共振周波数と他方の共振子１３ｂの共振周波数とは、４ＭＨｚずらして形成される。このように共振周波数をずらす方法としては、一方の共振子１３ａと他方の共振子１３ｂとで、電極薄膜１６の厚さを変える方法や、共振子１３裏面から電極薄膜１６対向部付近にＡｇなどの金属を蒸着する（蒸着トリミング）方法や、電極薄膜１６の大きさや形状を変える方法などがある。電極薄膜１６の大きさ（面積）や形状を変えて周波数をずらすようにすれば、パターンを変えるだけで対応でき、電極形成工程を増やす必要がない。なお、共振周波数のずれ量は４ＭＨｚに限るものではないが、一方の共振子１３ａの共振周波数に対して他方を±０．５％以内のずれ量とすることが本発明の目的を達成するため望ましい。なお、このずれ量は、本発明では±１．０％以内にしてもよい。このずれ量を１．０％程度にすれば、共振点と反共振点とがずれ使用帯域が広がる。
【００２５】
この実施例の圧電共振子１０は、次のようにして製造される。まず、｛１００｝Ｓｉ基板上に熱酸化、スパッタ、ＣＶＤなどの方法で誘電体薄膜１４としてのＳｉＯ2 が成膜される。その上に蒸着、スパッタなどの方法で下部電極薄膜１６としてＡｌが成膜される。さらにその上に圧電体薄膜１８としてＺｎＯが成膜される。さらにその上に下部電極薄膜１６と対向するようにして上部電極薄膜１６としてＡｌが成膜される。圧電体薄膜１８を構成するＺｎＯは厚み縦振動を用いる場合は厚み方向に分極され、厚みすべり振動を用いる場合には厚みに直交する方向に分極されるが、本実施例では、ＺｎＯを厚み方向に分極して厚み縦振動を利用している。さらに最上層にはスパッタ、ＣＶＤなどの方法で誘電体薄膜１４としてのＳｉＯ2 が成膜される。なお、電極薄膜１６対向部およびその周囲（振動部２０）の下方の基板１２は、異方性エッチング、ＲＩＥ、レーザー加工、サンドブラストなどの方法で除去される。そのため、基板１２は、２つの開口部を有し、２つの開口部の上に、２つの振動部２０、２０が形成されることになる。なお、基板１２には、このような開口部の代わりに凹部が形成されてもよい。
【００２６】
図３は１辺の長さが１５０μｍの正方形状の電極薄膜１６を備え、振動部２０の積層構造および各層の厚みは上述のものと同様の単独の共振子１３のインピーダンス特性を示すグラフである。この場合、共振−反共振間に多数の非調和高次モードにより生じるスプリアス振動が見られる。
【００２７】
図４は１辺２３０μｍの正方形状の電極薄膜を備え、振動部２０の積層構造および各層の厚みは上述のものと同様の単独の共振子１３のインピーダンス特性を示すグラフである。この場合、共振−反共振間のスプリアス振動の影響は少なくなる。しかし、この圧電共振子は電極サイズの増加に伴い、振動部の形成が困難となり、歩留まりが本実施例よりも悪くなる。また、振動部が変形や破損しやすい。
【００２８】
それに対して、図５は図１に示す本実施例の圧電共振子１０のインピーダンス特性を示すグラフである。図５からわかるように、本実施例の圧電共振子１０では、共振−反共振間のスプリアス振動の影響が図３に示したものに比べて小さくなり、図４に示したものと同様の効果を得ることができる。しかも、並列に接続された共振子１３ａ、１３ｂのそれぞれの振動部２０の大きさは図４に示したものより小さいので、振動部２０、２０の形成が容易となり、変形や破損もしにくい。
【００２９】
図６は本実施例の圧電共振子１０を構成する共振子１３ａ，１３ｂの各々のインピーダンス特性をあわせて示したグラフである。各々のインピーダンス特性の共振−反共振間には非調和高次モードに起因する多数のスプリアス振動があるが、共振−反共振間のインピーダンスカーブには、スプリアス振動の影響で尖っている部分と、滑らかに変化している部分とがある。一方の共振子１３ａの共振周波数と他方の共振子１３ｂの共振周波数とをわずかにずらす（たとえば±０．５％以内）ことで、一方の共振子１３ａのインピーダンスカーブで尖っている部分が他方の共振子１３ｂのインピーダンスカーブの滑らかな部分と合成される。したがって、合成後、スプリアスの影響による尖りの部分が合成前の各々の特性に比べて相対的に小さくなるために、スプリアス振動の影響の小さい圧電共振子１０を得ることができる。また、複数の共振子１３を接続することによりインピーダンスの調整を図ることができ、適正なインピーダンスを有する圧電共振子１０を得ることができる。
【００３０】
図７は本発明にかかる圧電共振子の他の実施例を示す平面図であり、図８はその断面図解図である。図９は図７に示す本実施例の圧電共振子１０の特性を示すグラフである。この圧電共振子１０は、基板１２上の２つの共振子１３、１３が直列に接続されて形成された点のみが図１に示した実施例と相違し、その他の点は同様である。図９からわかるように、図７に示した圧電共振子１０によっても図１に示したものと同様の効果を得ることができる。
【００３１】
図１０および図１１はそれぞれ本発明にかかる圧電共振子のさらに他の実施例を示す平面図である。図１２は図１０または図１１に示す線ＸＩＩ−ＸＩＩにおける断面図解図である。図１０に示す圧電共振子１０は共振周波数がわずかに異なる複数個の共振子１３，１３をダイヤフラムを共通にする同一振動部２０上に形成し、それらの共振子１３，１３を並列に接続したことを特徴とする。また、図１１は本発明にかかる圧電共振子のさらに他の実施例を示す平面図である。この圧電共振子１０は共振周波数がわずかに異なる複数個の共振子１３，１３をダイヤフラムを共通にする同一振動部２０上に形成し、それらの共振子１３，１３を直列に接続したことを特徴とする。これらの圧電共振子１０でも上述と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
さらに、この実施例の圧電共振子１０は、一方の共振子１３ａの振動部２０と、他方の共振子１３ｂの振動部２０との間の間隔ｄが振動波の波長の１／２の長さに形成される。これにより２つの共振子１３ａ，１３ｂの振動が影響し合うことによるスプリアスレスポンスの発生などの特性劣化を防止できる。また、間隔ｄを振動波の１／２とすることで最小のスペースで並列または直列接続することができ、素子の大型化を防ぐことができる。なお、間隔ｄは振動波の１／２以上であればよい。
【００３３】
図１３は、本発明にかかる厚み縦振動を利用した圧電共振子１０の基本波について、そのＺｎＯ膜厚比（ＺｎＯ膜厚／振動部におけるＺｎＯとＳｉＯ2 の合計膜厚）と、共振周波数温度係数（以下、ＴＣＦ：Temperature Coefficient of Frequency）と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、ＳｉＯ2 の弾性係数はプラスであるので、両者を適切な比率で組み合わせることで、ＴＣＦが０、すなわち、温度変化に対して共振周波数が変化しない圧電共振子１０を得ることができる。
【００３４】
たとえば、上述した実施例の圧電振動子１０においては、振動部２０における各層の厚みを調整しＺｎＯの膜厚比を４５％とすることで、図１３に示すとおり、ＴＣＦを０とすることができる。これにより温度に対して安定な周波数特性を有する圧電共振子１０やフィルタを作製できる。本発明にかかる圧電共振子１０を組み合わせたＬ型ラダーフィルタ３０の等価回路図を図１４に示す。図１４に示すＬ型ラダーフィルタ３０において、各々の直列側の圧電共振子が、２個の共振子の並列接続から構成されているが、複数の共振子の直列接続から構成されてもよい。また、各々の並列側の圧電共振子が、複数の共振子の並列接続または直列接続から構成されてもよい。さらに、直列側および並列側の圧電共振子が、ともに、複数の共振子の直列接続または並列接続から構成されてもよい。また、並列側の圧電共振子は、単なる共振子と置き換えられてもよい。
【００３５】
また、本発明の圧電共振子を用いてＴ型、π型ラダーフィルタを構成してもよい。図１５は本発明にかかるＴ型ラダーフィルタの一例を示す等価回路図である。図１５に示すＴ型ラダーフィルタ４０は、３つの圧電共振子１０−１、１０−２および１０−３を含む。３つの圧電共振子１０−１〜３は、それらの一端が互いに接続される。また、１つの圧電共振子１０−１の他端は入力端ＩＮに接続され、他の１つの圧電共振子１０−３の他端は接地され、残りの１つの圧電共振子１０−２の他端は出力端ＯＵＴに接続される。
【００３６】
図１６は本発明にかかるＴ型ラダーフィルタの他の例を示す等価回路図である。図１６に示すＴ型ラダーフィルタ４０では、図１５に示すＴ型ラダーフィルタ４０と比べて、３つの圧電共振子１０−４、１０−５および１０−６のうち入力端ＩＮに接続されている圧電共振子１０−４が、直列に接続された２つの共振子１３−１および１３−２で構成されている。
【００３７】
なお、図１６に示す圧電共振子１０−４としては、たとえば図７または図１１に示す圧電共振子１０が用いられる。
【００３８】
図１６に示すＴ型ラダーフィルタ４０では、図１５に示すＴ型ラダーフィルタ４０と比べて、耐電力性が向上するという効果を奏する。
すなわち、図１５に示すＴ型ラダーフィルタ４０では、入力端ＩＮに２Ｗの電力を投入した場合、入力端子ＩＮに接続されている圧電共振子１０−１の電力分布は、図１７のグラフに示すように、１．９２ＧＨｚ付近で約１．０Ｗと大きい。
それに対して、図１６に示すＴ型ラダーフィルタ４０では、入力端ＩＮに２Ｗの電力を投入した場合、入力端子ＩＮに直列に接続されている圧電共振子１０−４の２つの共振子３０−１および３０−２の電力分布は、図１８のグラフおよび図１９のグラフに示すように、それぞれ１．９２ＧＨｚ付近で約０．５Ｗと小さい。
そのため、図１６に示すＴ型ラダーフィルタ４０では、図１５に示すＴ型ラダーフィルタ４０と比べて、印加される電力が少なくなるので、耐電力性が向上するという効果を奏する。
【００３９】
図２０は本発明にかかるデュプレクサの一例を示すブロック図である。図２０に示すデュプレクサ５０は、送信機用フィルタおよび受信機用フィルタを含む。送信機用フィルタには、圧電フィルタとして上述のＴ型ラダーフィルタ４０が用いられる。また、受信機用フィルタにも、圧電フィルタとして上述のＴ型ラダーフィルタ４０が用いられる。
【００４０】
なお、上述の各実施例では１つの基板１２上に２つの共振子１３、１３を形成したが、さらに多数の共振子１３を形成してそれらを並列または直列に接続してもよい。また、１つの基板１２上に共振子１３を１つだけ形成したものを複数、ワイヤーボンディングなどの手段で直列または並列に接続して、１つの圧電共振子１０としてもよい。また、複数対の電極薄膜１６、１６を同一振動部２０上に厚み方向に積層し、それらの電極薄膜１６を直列または並列に接続して圧電共振子１０としてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、製造が容易で耐久性の良い比較的小さい電極を備えた共振子を複数個、共振周波数をわずかにずらして直列または並列に接続することで、より大型の電極を備えた単体の共振子と同等のスプリアス振動抑制効果を有する圧電共振子を得ることができる。
また、共振周波数をわずかにずらした共振子を複数、直列または並列に接続することにより、スプリアス特性を改善しつつ、インピーダンスを調整できる。すなわち、本発明によれば、スプリアス振動の影響が極めて小さく、適正なインピーダンスを持つ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および振動体の弾性定数の温度係数を互いに逆符号とし、これを適切な膜厚比で組み合わせることにより、ＴＣＦを０にすることが可能である。これにより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抑制された圧電共振子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる圧電共振子の一実施例を示す平面図解図である。
【図２】図１に示す圧電共振子の断面図解図である。
【図３】１辺１５０μｍの正方形状の電極薄膜を備える単独の共振子のインピーダンス特性を示すグラフである。
【図４】１辺２３０μｍの正方形状の電極薄膜を備える単独の共振子のインピーダンス特性を示すグラフである。
【図５】図１に示す圧電共振子のインピーダンス特性を示すグラフである。
【図６】本発明にかかる圧電共振子の基板上に形成された２個の共振子の各々のインピーダンス特性をあわせて示すグラフである。
【図７】本発明にかかる圧電共振子の他の実施例を示す平面図解図である。
【図８】図７に示す圧電共振子の断面図解図である。
【図９】図８に示す圧電共振子のインピーダンス特性を示すグラフである。
【図１０】本発明にかかる圧電共振子のさらに他の実施例を示す平面図である。
【図１１】本発明にかかる圧電共振子のさらに他の実施例を示す平面図である。
【図１２】図１０または図１１に示す線ＸＩＩ−ＸＩＩにおける断面図解図である。
【図１３】本発明にかかる圧電共振子の基本波について、そのＺｎＯ膜厚比とＴＣＦとの関係を示したグラフである。
【図１４】本発明にかかる圧電共振子を組み合わせたラダー型フィルタの一例を示す等価回路図である。
【図１５】本発明にかかるＴ型ラダーフィルタの一例を示す等価回路図である。
【図１６】本発明にかかるＴ型ラダーフィルタの他の例を示す等価回路図である。
【図１７】図１５に示すＴ型ラダーフィルタの入力端子ＩＮに接続されている圧電共振子１０−１にかかる電力の配分を示すグラフである。
【図１８】図１６に示すＴ型ラダーフィルタの入力端子ＩＮに接続されている圧電共振子１０−４の共振子１３−１にかかる電力の配分を示すグラフである。
【図１９】図１６に示すＴ型ラダーフィルタの入力端子ＩＮに接続されている圧電共振子１０−４の共振子１３−２にかかる電力の配分を示すグラフである。
【図２０】本発明にかかるデュプレクサの一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０、１０−１〜６ 圧電共振子
１２ 基板
１３、１３−１、１３−２ 共振子
１４ 誘電体薄膜
１６ 電極薄膜
１８ 圧電体薄膜
２０ 振動部
３０ フィルタ
４０ Ｔ型ラダーフィルタ
５０ デュプレクサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電共振子、圧電フィルタおよびデュプレクサに関し、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、それを複数個組み合わせて構成した圧電フィルタなどに関する。
【０００２】
【従来の技術】
厚み縦振動、厚みすべり振動のｎ次モード（ｎは自然数）を利用した圧電共振子は、圧電体などからなる振動部と、該振動部に形成された対向電極とを含む。かかる圧電共振子には、非調和高次モードと呼ばれる多数のスプリアス振動が生じる。このスプリアス振動の影響を抑えることを目的として、対向電極に内包される円の半径をｒとし、対向電極間の振動部の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎの関係を満たすよう振動部および対向電極を形成した圧電振動子が先に提案されている。なお、ｒは大きい程、スプリアス抑制効果が高い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この圧電共振子では、スプリアス振動の影響を充分に小さく抑えるためには電極半径ｒを充分に大きくする必要があり、たとえば圧電体にＺｎＯを用いて共振周波数２ＧＨｚの圧電共振子を作製する場合、振動部の厚さが２μｍ程度であるのに対し、振動部の大きさ（直径）を数１００μｍに形成する必要がある。このように振動部を薄く大きく形成すると、製造の際などに、振動部の変形、破損が問題となる。
【０００４】
また、電極形状は圧電共振子のインピーダンスにも影響する。たとえば、この圧電共振子を用いてフィルタを作製する場合、接続する系とのマッチングから共振子には最適なインピーダンスが存在する。しかし、スプリアス振動の影響を小さくするために電極を大型化すると、共振子のインピーダンスが最適値よりも小さくなってしまう不都合がある。反対に、インピーダンスが最適値となるように電極形状を調整すると、電極の大きさが不充分となり、圧電振動子の特性に対するスプリアス振動の影響が大きくなるという不都合が生じる。
【０００５】
それゆえに、本発明の主たる目的は、製造が容易な比較的小径な圧電共振子を組み合わせることで、スプリアス振動の影響が小さく、適正なインピーダンスを有する圧電共振子を提供することである。
この発明の他の目的は、その圧電共振子を用いた圧電フィルタを提供することである。
この発明のさらに他の目的は、その圧電フィルタを用いたデュプレクサを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる圧電共振子は、基板と、基板に形成され、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極および下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有し、共振子を複数設けた圧電共振子において、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状が円形またはすべての辺が接するように円形を内包可能である多角形であり、共振周波数がわずかに異なる複数個の共振子を直列または並列に接続してなることを特徴とする、圧電共振子である。
本発明にかかる圧電共振子では、共振周波数がわずかに異なる複数の共振子を直列または並列に接続することにより、各共振子の振動部の大きさを必要以上に大きくすることなく、より大型の電極を備えた単体の共振子と同等のスプリアス振動抑制効果を得ることができる。そのため、製造が容易で、振動部の耐衝撃性などを高めることができる。また、上記の複数の共振子を直列または並列に接続することにより、スプリアス振動の影響を小さくしながら、インピーダンスの最適化を図ることができる。
【０００７】
本発明にかかる圧電共振子では、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状における円形の半径をｒとし、上部電極および下部電極の対向する部分の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎ（ただし、ｎは自然数）となるように形成されることが好ましい。
このように本発明にかかる圧電共振子では、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状における円形の半径をｒとし、上部電極および下部電極の対向する部分の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎとなるように上部電極および下部電極などを形成することにより、主振動近傍の周波数にスプリアス振動を集中させることができるので、共振子の特性に対するスプリアス振動の影響をさらに小さく抑えることができる。
【０００８】
また、本発明にかかる圧電共振子では、複数個の共振子はたとえば厚み縦振動または厚みすべり振動のｎ次モードを利用する。
【０００９】
さらに、本発明にかかる圧電共振子では、複数個の共振子の共振周波数の差は±１％以内であることが好ましい。
このように本発明にかかる圧電共振子では、複数個の共振子の共振周波数の差を±１％程度にすることにより、共振点と反共振点とがずれ使用帯域が広がる。
【００１０】
また、本発明にかかる圧電共振子では、複数個の共振子の共振周波数の差は±０．５％以内であることがさらに好ましい。
このように本発明にかかる圧電共振子では、複数個の共振子の共振周波数の差を±０．５％以内にすれば、スプリアス振動の影響をさらに小さく抑えることができる。
【００１１】
さらに、本発明にかかる圧電共振子では、共振周波数がわずかに異なる複数個の共振子を同一振動部上に形成し、それらの共振子を直列または並列に接続してもよい。この場合、同一振動部に複数組の対向する上部電極および下部電極を設け、それらの上部電極および下部電極により励振される振動の周波数をわずかにずらし、それらの上部電極および下部電極を直列または並列に接続してもよい。
【００１２】
また、本発明にかかる圧電共振子では、複数個の共振子間の間隔が振動波の１／２以上であることが好ましい。
このように本発明にかかる圧電共振子では、複数個の共振子間の間隔が振動波の１／２以上である場合には、一方の共振子の機械振動が他方の共振子の振動に影響を与えないので、スプリアスレスポンスの発生など特性劣化がない。また、最小のスペースで並列あるいは直列接続できるので、素子の大型化を防ぐことができる。
【００１３】
さらに、本発明にかかる圧電共振子では、上部電極および下部電極の少なくとも一方の大きさを複数の共振子で互いに異ならせることにより、共振周波数をずらすようにしてもよい。
このように本発明にかかる圧電共振子では、上部電極および下部電極の少なくとも一方の大きさや形状を複数の共振子で互いに異ならせることにより、共振周波数をずらすようにする場合には、パターンを変更するだけで対応できるので、電極形成工程を増やす必要がない。
【００１４】
また、本発明にかかる圧電共振子では、振動部が圧電体と誘電体の多層構造からなり、かつ、圧電体および誘電体のうちの少なくとも１つのものの弾性定数の温度係数が、圧電体および誘電体のうちの他のものの弾性定数の温度係数と逆符号であることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明にかかる圧電共振子では、たとえば、基板は開口部または凹部を有し、開口部または凹部上に振動部が形成される。
【００１６】
また、本発明にかかる圧電共振子は、複数の開口部または複数の凹部を有する基板と、開口部または凹部上に形成され、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極および下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有し、共振子を複数設けた、厚み縦振動または厚み滑り振動のｎ次モード（ただし、ｎは自然数）を利用した圧電共振子において、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状が円形またはすべての辺が接するように円形を内包可能である多角形であり、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状における円形の半径をｒとし、上部電極および下部電極の対向する部分の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎとなるように形成され、複数個の共振子の共振周波数の差が±１％となるように異ならせ、さらに複数個の共振子を直列または並列に接続してなることを特徴とする、圧電共振子である。
【００１７】
さらに、本発明にかかる圧電共振子は、開口部または凹部を有する基板と、開口部または凹部上に形成され、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極および下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有し、共振子を複数設けた、厚み縦振動または厚み滑り振動のｎ次モード（ただし、ｎは自然数）を利用した圧電共振子において、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状が円形またはすべての辺が接するように円形を内包可能である多角形であり、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状における円形の半径をｒとし、上部電極および下部電極の対向する部分の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎとなるように形成され、複数個の共振子の共振周波数の差が±１％となるように異ならせ、さらに複数個の共振子を直列または並列に接続してなることを特徴とする、圧電共振子である。
【００１８】
また、本発明にかかる圧電共振子は、開口部または凹部を有する基板と、開口部または凹部上に形成され、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極および下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有し、共振子を設けた、厚み縦振動または厚み滑り振動のｎ次モード（ただし、ｎは自然数）を利用した圧電共振子において、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状が円形またはすべての辺が接するように円形を内包可能である多角形であり、上部電極および下部電極の対向する部分の平面形状における円形の半径をｒとし、上部電極および下部電極の対向する部分の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎとなるように形成され、複数個の共振子の共振周波数の差が±１％となるように異ならせ、さらに複数の共振子を直列または並列に接続してなることを特徴とする、圧電共振子である。
【００１９】
本発明にかかる圧電フィルタは、圧電共振子を複数個組み合わせて構成したラダーフィルタであって、本発明にかかる圧電共振子を少なくとも１つ以上含む、圧電フィルタである。
【００２０】
また、本発明にかかるデュプレクサは、本発明にかかる圧電フィルタが用いられたことを特徴とする、デュプレクサである。
【００２１】
本発明の上述の目的，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発明の実施の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の圧電共振子の一実施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、共振周波数が２ＧＨｚの厚み縦振動の基本波（ｎ＝１）を利用したものである。圧電振動子１０は、基板１２を含む。基板１２は、｛１００｝Ｓｉで形成される。基板１２上には、２つの共振子１３ａ、１３ｂが並列に接続されて形成される。各共振子１３ａ、１３ｂはそれぞれ振動部２０を含む。この振動部２０は、誘電体薄膜１４、電極薄膜１６、圧電体薄膜１８、電極薄膜１６、誘電体薄膜１４を基板１２上にこの順に積層してなるものである。この実施例では、誘電体薄膜１４はＳｉＯ2 で形成され、電極薄膜１６はＡｌで形成され、圧電体薄膜１８はＺｎＯで形成される。各膜の厚みは、ＳｉＯ2 ／Ａｌ／ＺｎＯ／Ａｌ／ＳｉＯ2 ＝０．３／０．１／１．１／０．１／０．３（単位：μｍ）である。なお、基板１２はたとえばパイレックスガラス、石英、ＧａＡｓなどで形成してもよく、誘電体薄膜１４はＳｉＮ、Ａｌ2 Ｏ3 などで形成してもよく、圧電体薄膜１８はＡｌＮ、ＰＺＴなどで形成してもよく、電極薄膜１６はＡｕ、Ａｇなどで形成してもよい。
【００２３】
電極薄膜１６の形状は、半径ｒの円形を内包した正方形状に形成される。この正方形の１辺の長さ２ｒは、１５０μｍに形成される。また、電極薄膜１６の対向部における振動部の厚みｔは、１．９μｍに形成される。したがって、この実施例の振動部２０は、ｒ≧２０ｔ／ｎの条件を満たす。電極薄膜１６は、振動部２０の外側へ引き出される。なお、電極薄膜１６の形状は、円形でもよく、円形を内包する６角形、８角形など上述の条件を満たす円形を内包する多角形にしてもよい。また、上述のｒ≧２０ｔ／ｎの条件は、本発明では必ずしも満たさなければならないことはない。
【００２４】
この実施例の圧電共振子１０は、共振周波数が２ＧＨｚのものである。この実施例では、一方の共振子１３ａの共振周波数と他方の共振子１３ｂの共振周波数とは、４ＭＨｚずらして形成される。このように共振周波数をずらす方法としては、一方の共振子１３ａと他方の共振子１３ｂとで、電極薄膜１６の厚さを変える方法や、共振子１３裏面から電極薄膜１６対向部付近にＡｇなどの金属を蒸着する（蒸着トリミング）方法や、電極薄膜１６の大きさや形状を変える方法などがある。電極薄膜１６の大きさ（面積）や形状を変えて周波数をずらすようにすれば、パターンを変えるだけで対応でき、電極形成工程を増やす必要がない。なお、共振周波数のずれ量は４ＭＨｚに限るものではないが、一方の共振子１３ａの共振周波数に対して他方を±０．５％以内のずれ量とすることが本発明の目的を達成するため望ましい。なお、このずれ量は、本発明では±１．０％以内にしてもよい。このずれ量を１．０％程度にすれば、共振点と反共振点とがずれ使用帯域が広がる。
【００２５】
この実施例の圧電共振子１０は、次のようにして製造される。まず、｛１００｝Ｓｉ基板上に熱酸化、スパッタ、ＣＶＤなどの方法で誘電体薄膜１４としてのＳｉＯ2 が成膜される。その上に蒸着、スパッタなどの方法で下部電極薄膜１６としてＡｌが成膜される。さらにその上に圧電体薄膜１８としてＺｎＯが成膜される。さらにその上に下部電極薄膜１６と対向するようにして上部電極薄膜１６としてＡｌが成膜される。圧電体薄膜１８を構成するＺｎＯは厚み縦振動を用いる場合は厚み方向に分極され、厚みすべり振動を用いる場合には厚みに直交する方向に分極されるが、本実施例では、ＺｎＯを厚み方向に分極して厚み縦振動を利用している。さらに最上層にはスパッタ、ＣＶＤなどの方法で誘電体薄膜１４としてのＳｉＯ2 が成膜される。なお、電極薄膜１６対向部およびその周囲（振動部２０）の下方の基板１２は、異方性エッチング、ＲＩＥ、レーザー加工、サンドブラストなどの方法で除去される。そのため、基板１２は、２つの開口部を有し、２つの開口部の上に、２つの振動部２０、２０が形成されることになる。なお、基板１２には、このような開口部の代わりに凹部が形成されてもよい。
【００２６】
図３は１辺の長さが１５０μｍの正方形状の電極薄膜１６を備え、振動部２０の積層構造および各層の厚みは上述のものと同様の単独の共振子１３のインピーダンス特性を示すグラフである。この場合、共振−反共振間に多数の非調和高次モードにより生じるスプリアス振動が見られる。
【００２７】
図４は１辺２３０μｍの正方形状の電極薄膜を備え、振動部２０の積層構造および各層の厚みは上述のものと同様の単独の共振子１３のインピーダンス特性を示すグラフである。この場合、共振−反共振間のスプリアス振動の影響は少なくなる。しかし、この圧電共振子は電極サイズの増加に伴い、振動部の形成が困難となり、歩留まりが本実施例よりも悪くなる。また、振動部が変形や破損しやすい。
【００２８】
それに対して、図５は図１に示す本実施例の圧電共振子１０のインピーダンス特性を示すグラフである。図５からわかるように、本実施例の圧電共振子１０では、共振−反共振間のスプリアス振動の影響が図３に示したものに比べて小さくなり、図４に示したものと同様の効果を得ることができる。しかも、並列に接続された共振子１３ａ、１３ｂのそれぞれの振動部２０の大きさは図４に示したものより小さいので、振動部２０、２０の形成が容易となり、変形や破損もしにくい。
【００２９】
図６は本実施例の圧電共振子１０を構成する共振子１３ａ，１３ｂの各々のインピーダンス特性をあわせて示したグラフである。各々のインピーダンス特性の共振−反共振間には非調和高次モードに起因する多数のスプリアス振動があるが、共振−反共振間のインピーダンスカーブには、スプリアス振動の影響で尖っている部分と、滑らかに変化している部分とがある。一方の共振子１３ａの共振周波数と他方の共振子１３ｂの共振周波数とをわずかにずらす（たとえば±０．５％以内）ことで、一方の共振子１３ａのインピーダンスカーブで尖っている部分が他方の共振子１３ｂのインピーダンスカーブの滑らかな部分と合成される。したがって、合成後、スプリアスの影響による尖りの部分が合成前の各々の特性に比べて相対的に小さくなるために、スプリアス振動の影響の小さい圧電共振子１０を得ることができる。また、複数の共振子１３を接続することによりインピーダンスの調整を図ることができ、適正なインピーダンスを有する圧電共振子１０を得ることができる。
【００３０】
図７は本発明にかかる圧電共振子の他の実施例を示す平面図であり、図８はその断面図解図である。図９は図７に示す本実施例の圧電共振子１０の特性を示すグラフである。この圧電共振子１０は、基板１２上の２つの共振子１３、１３が直列に接続されて形成された点のみが図１に示した実施例と相違し、その他の点は同様である。図９からわかるように、図７に示した圧電共振子１０によっても図１に示したものと同様の効果を得ることができる。
【００３１】
図１０および図１１はそれぞれ本発明にかかる圧電共振子のさらに他の実施例を示す平面図である。図１２は図１０または図１１に示す線ＸＩＩ−ＸＩＩにおける断面図解図である。図１０に示す圧電共振子１０は共振周波数がわずかに異なる複数個の共振子１３，１３をダイヤフラムを共通にする同一振動部２０上に形成し、それらの共振子１３，１３を並列に接続したことを特徴とする。また、図１１は本発明にかかる圧電共振子のさらに他の実施例を示す平面図である。この圧電共振子１０は共振周波数がわずかに異なる複数個の共振子１３，１３をダイヤフラムを共通にする同一振動部２０上に形成し、それらの共振子１３，１３を直列に接続したことを特徴とする。これらの圧電共振子１０でも上述と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
さらに、この実施例の圧電共振子１０は、一方の共振子１３ａの振動部２０と、他方の共振子１３ｂの振動部２０との間の間隔ｄが振動波の波長の１／２の長さに形成される。これにより２つの共振子１３ａ，１３ｂの振動が影響し合うことによるスプリアスレスポンスの発生などの特性劣化を防止できる。また、間隔ｄを振動波の１／２とすることで最小のスペースで並列または直列接続することができ、素子の大型化を防ぐことができる。なお、間隔ｄは振動波の１／２以上であればよい。
【００３３】
図１３は、本発明にかかる厚み縦振動を利用した圧電共振子１０の基本波について、そのＺｎＯ膜厚比（ＺｎＯ膜厚／振動部におけるＺｎＯとＳｉＯ2 の合計膜厚）と、共振周波数温度係数（以下、ＴＣＦ：Temperature Coefficient of Frequency）と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、ＳｉＯ2 の弾性係数はプラスであるので、両者を適切な比率で組み合わせることで、ＴＣＦが０、すなわち、温度変化に対して共振周波数が変化しない圧電共振子１０を得ることができる。
【００３４】
たとえば、上述した実施例の圧電振動子１０においては、振動部２０における各層の厚みを調整しＺｎＯの膜厚比を４５％とすることで、図１３に示すとおり、ＴＣＦを０とすることができる。これにより温度に対して安定な周波数特性を有する圧電共振子１０やフィルタを作製できる。本発明にかかる圧電共振子１０を組み合わせたＬ型ラダーフィルタ３０の等価回路図を図１４に示す。図１４に示すＬ型ラダーフィルタ３０において、各々の直列側の圧電共振子が、２個の共振子の並列接続から構成されているが、複数の共振子の直列接続から構成されてもよい。また、各々の並列側の圧電共振子が、複数の共振子の並列接続または直列接続から構成されてもよい。さらに、直列側および並列側の圧電共振子が、ともに、複数の共振子の直列接続または並列接続から構成されてもよい。また、並列側の圧電共振子は、単なる共振子と置き換えられてもよい。
【００３５】
また、本発明の圧電共振子を用いてＴ型、π型ラダーフィルタを構成してもよい。図１５は本発明にかかるＴ型ラダーフィルタの一例を示す等価回路図である。図１５に示すＴ型ラダーフィルタ４０は、３つの圧電共振子１０−１、１０−２および１０−３を含む。３つの圧電共振子１０−１〜３は、それらの一端が互いに接続される。また、１つの圧電共振子１０−１の他端は入力端ＩＮに接続され、他の１つの圧電共振子１０−３の他端は接地され、残りの１つの圧電共振子１０−２の他端は出力端ＯＵＴに接続される。
【００３６】
図１６は本発明にかかるＴ型ラダーフィルタの他の例を示す等価回路図である。図１６に示すＴ型ラダーフィルタ４０では、図１５に示すＴ型ラダーフィルタ４０と比べて、３つの圧電共振子１０−４、１０−５および１０−６のうち入力端ＩＮに接続されている圧電共振子１０−４が、直列に接続された２つの共振子１３−１および１３−２で構成されている。
【００３７】
なお、図１６に示す圧電共振子１０−４としては、たとえば図７または図１１に示す圧電共振子１０が用いられる。
【００３８】
図１６に示すＴ型ラダーフィルタ４０では、図１５に示すＴ型ラダーフィルタ４０と比べて、耐電力性が向上するという効果を奏する。
すなわち、図１５に示すＴ型ラダーフィルタ４０では、入力端ＩＮに２Ｗの電力を投入した場合、入力端子ＩＮに接続されている圧電共振子１０−１の電力分布は、図１７のグラフに示すように、１．９２ＧＨｚ付近で約１．０Ｗと大きい。
それに対して、図１６に示すＴ型ラダーフィルタ４０では、入力端ＩＮに２Ｗの電力を投入した場合、入力端子ＩＮに直列に接続されている圧電共振子１０−４の２つの共振子３０−１および３０−２の電力分布は、図１８のグラフおよび図１９のグラフに示すように、それぞれ１．９２ＧＨｚ付近で約０．５Ｗと小さい。
そのため、図１６に示すＴ型ラダーフィルタ４０では、図１５に示すＴ型ラダーフィルタ４０と比べて、印加される電力が少なくなるので、耐電力性が向上するという効果を奏する。
【００３９】
図２０は本発明にかかるデュプレクサの一例を示すブロック図である。図２０に示すデュプレクサ５０は、送信機用フィルタおよび受信機用フィルタを含む。送信機用フィルタには、圧電フィルタとして上述のＴ型ラダーフィルタ４０が用いられる。また、受信機用フィルタにも、圧電フィルタとして上述のＴ型ラダーフィルタ４０が用いられる。
【００４０】
なお、上述の各実施例では１つの基板１２上に２つの共振子１３、１３を形成したが、さらに多数の共振子１３を形成してそれらを並列または直列に接続してもよい。また、１つの基板１２上に共振子１３を１つだけ形成したものを複数、ワイヤーボンディングなどの手段で直列または並列に接続して、１つの圧電共振子１０としてもよい。また、複数対の電極薄膜１６、１６を同一振動部２０上に厚み方向に積層し、それらの電極薄膜１６を直列または並列に接続して圧電共振子１０としてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、製造が容易で耐久性の良い比較的小さい電極を備えた共振子を複数個、共振周波数をわずかにずらして直列または並列に接続することで、より大型の電極を備えた単体の共振子と同等のスプリアス振動抑制効果を有する圧電共振子を得ることができる。
また、共振周波数をわずかにずらした共振子を複数、直列または並列に接続することにより、スプリアス特性を改善しつつ、インピーダンスを調整できる。すなわち、本発明によれば、スプリアス振動の影響が極めて小さく、適正なインピーダンスを持つ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および振動体の弾性定数の温度係数を互いに逆符号とし、これを適切な膜厚比で組み合わせることにより、ＴＣＦを０にすることが可能である。これにより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抑制された圧電共振子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる圧電共振子の一実施例を示す平面図解図である。
【図２】図１に示す圧電共振子の断面図解図である。
【図３】１辺１５０μｍの正方形状の電極薄膜を備える単独の共振子のインピーダンス特性を示すグラフである。
【図４】１辺２３０μｍの正方形状の電極薄膜を備える単独の共振子のインピーダンス特性を示すグラフである。
【図５】図１に示す圧電共振子のインピーダンス特性を示すグラフである。
【図６】本発明にかかる圧電共振子の基板上に形成された２個の共振子の各々のインピーダンス特性をあわせて示すグラフである。
【図７】本発明にかかる圧電共振子の他の実施例を示す平面図解図である。
【図８】図７に示す圧電共振子の断面図解図である。
【図９】図８に示す圧電共振子のインピーダンス特性を示すグラフである。
【図１０】本発明にかかる圧電共振子のさらに他の実施例を示す平面図である。
【図１１】本発明にかかる圧電共振子のさらに他の実施例を示す平面図である。
【図１２】図１０または図１１に示す線ＸＩＩ−ＸＩＩにおける断面図解図である。
【図１３】本発明にかかる圧電共振子の基本波について、そのＺｎＯ膜厚比とＴＣＦとの関係を示したグラフである。
【図１４】本発明にかかる圧電共振子を組み合わせたラダー型フィルタの一例を示す等価回路図である。
【図１５】本発明にかかるＴ型ラダーフィルタの一例を示す等価回路図である。
【図１６】本発明にかかるＴ型ラダーフィルタの他の例を示す等価回路図である。
【図１７】図１５に示すＴ型ラダーフィルタの入力端子ＩＮに接続されている圧電共振子１０−１にかかる電力の配分を示すグラフである。
【図１８】図１６に示すＴ型ラダーフィルタの入力端子ＩＮに接続されている圧電共振子１０−４の共振子１３−１にかかる電力の配分を示すグラフである。
【図１９】図１６に示すＴ型ラダーフィルタの入力端子ＩＮに接続されている圧電共振子１０−４の共振子１３−２にかかる電力の配分を示すグラフである。
【図２０】本発明にかかるデュプレクサの一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０、１０−１〜６ 圧電共振子
１２ 基板
１３、１３−１、１３−２ 共振子
１４ 誘電体薄膜
１６ 電極薄膜
１８ 圧電体薄膜
２０ 振動部
３０ フィルタ
４０ Ｔ型ラダーフィルタ
５０ デュプレクサ
Claims (15)
- 基板と、前記基板に形成され、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極および下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有し、共振子を複数設けた圧電共振子において、
前記上部電極および前記下部電極の対向する部分の平面形状が円形またはすべての辺が接するように円形を内包可能である多角形であり、
共振周波数がわずかに異なる複数個の前記共振子を直列または並列に接続してなることを特徴とする、圧電共振子。 - 前記上部電極および前記下部電極の対向する部分の平面形状における前記円形の半径をｒとし、前記上部電極および前記下部電極の対向する部分の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎ（ただし、ｎは自然数）となるように形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の圧電共振子。
- 前記複数個の共振子は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ことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の圧電共振子。
- 前記複数個の共振子の共振周波数の差は±１％以内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。
- 前記複数個の共振子の共振周波数の差は±０．５％以内であることを特徴とする、請求項４に記載の圧電共振子。
- 共振周波数がわずかに異なる前記複数個の共振子を同一振動部上に形成し、それらの共振子を直列または並列に接続したことを特徴とする、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。
- 前記複数個の共振子間の間隔が振動波の１／２以上であることを特徴とする、請求項６に記載の圧電共振子。
- 前記上部電極および前記下部電極の少なくとも一方の大きさを前記複数の共振子で互いに異ならせることにより、共振周波数をずらすことを特徴とする、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の圧電共振子。
- 前記振動部が圧電体と誘電体の多層構造からなり、かつ、前記圧電体および誘電体のうちの少なくとも１つのものの弾性定数の温度係数が、前記圧電体および誘電体のうちの他のもの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８のいずれかに記載の圧電共振子。
- 前記基板は開口部または凹部を有し、前記開口部または前記凹部上に前記振動部が形成されたことを特徴とする、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の圧電共振子。
- 複数の開口部または複数の凹部を有する基板と、前記開口部または前記凹部上に形成され、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極および下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有し、共振子を複数設けた、厚み縦振動または厚み滑り振動のｎ次モード（ただし、ｎは自然数）を利用した圧電共振子において、
前記上部電極および前記下部電極の対向する部分の平面形状が円形またはすべての辺が接するように円形を内包可能である多角形であり、
前記上部電極および前記下部電極の対向する部分の平面形状における前記円形の半径をｒとし、前記上部電極および前記下部電極の対向する部分の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎとなるように形成され、
複数個の前記共振子の共振周波数の差が±１％となるように異ならせ、さらに
前記複数個の前記共振子を直列または並列に接続してなることを特徴とする、圧電共振子。 - 開口部または凹部を有する基板と、前記開口部または前記凹部上に形成され、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極および下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有し、共振子を複数設けた、厚み縦振動または厚み滑り振動のｎ次モード（ただし、ｎは自然数）を利用した圧電共振子において、
前記上部電極および前記下部電極の対向する部分の平面形状が円形またはすべての辺が接するように円形を内包可能である多角形であり、
前記上部電極および前記下部電極の対向する部分の平面形状における前記円形の半径をｒとし、前記上部電極および前記下部電極の対向する部分の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎとなるように形成され、
複数個の前記共振子の共振周波数の差が±１％となるように異ならせ、さらに
前記複数個の前記共振子を直列または並列に接続してなることを特徴とする、圧電共振子。 - 開口部または凹部を有する基板と、前記開口部または前記凹部上に形成され、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極および下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有し、共振子を設けた、厚み縦振動または厚み滑り振動のｎ次モード（ただし、ｎは自然数）を利用した圧電共振子において、
前記上部電極および前記下部電極の対向する部分の平面形状が円形またはすべての辺が接するように円形を内包可能である多角形であり、
前記上部電極および前記下部電極の対向する部分の平面形状における前記円形の半径をｒとし、前記上部電極および前記下部電極の対向する部分の厚みをｔとしたとき、ｒ≧２０ｔ／ｎとなるように形成され、
複数個の前記共振子の共振周波数の差が±１％となるように異ならせ、さらに
複数の前記共振子を直列または並列に接続してなることを特徴とする、圧電共振子。 - 圧電共振子を複数個組み合わせて構成したラダーフィルタであって、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の圧電共振子を少なくとも１つ以上含む、圧電フィルタ。
- 請求項１４に記載の圧電フィルタが用いられたことを特徴とする、デュプレクサ。
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