JP4356151B2 - 圧電振動素子とその製造方法および圧電フィルタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はタンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子とその製造方法および圧電フィルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体中を伝わる波であるバルク波を用いた圧電振動素子として、各種電子機器などのクロック源として用いられる圧電振動子や、通信機器の周波数抽出用などに用いられる圧電フィルタがある。特に、電気エネルギーと機械エネルギーの変換効率を表す電気機械結合係数が水晶などと比べて大きいニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムを用いた圧電振動素子は、ＶＣＯ（電圧制御発振器）や広帯域の帯域通過フィルターとして利用される。
【０００３】
これらの圧電振動素子の使用される周波数域は近年高周波化しており、振動モードとして厚みすべり、厚み縦などの厚み振動が用いられ、特に不要振動の抑圧や素子の保持が容易なエネルギー閉じ込め現象を利用したものが多い。エネルギー閉じ込め現象とは、ある特定の圧電材料で厚みすべり振動や厚み縦振動などのある特定の振動モードを用いる場合、圧電振動素子の主面に部分的に励振用電極を形成すると振動エネルギーが励振用電極下のみに閉じ込められる現象をいい、ショックレイ（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ）、尾上氏らにより詳細に解析されている。
【０００４】
以下にエネルギー閉じ込めについて、圧電振動素子の斜視図と断面図を図１０、図１１を用いて説明する。図１０、図１１に示すように、振動素子部５の励振用電極６のある部分における遮断周波数をｆ0とし、無電極部における遮断周波数をｆcとすると、ｆcよりも大きい周波数では振動エネルギーは自由に伝搬し励振用電極６下においても定在波を作らない。しかし、ｆ0よりも大きくｆcよりも小さい周波数では、励振用電極６のある部分では振動エネルギーは自由に伝搬するが無電極部では指数関数的に減衰するので、振動変位も圧電振動素子の端部に向かうほど小さくなり、結果として振動エネルギーは励振用電極付近に集中することになる。
【０００５】
振動伝搬方向の素子長さを十分にとらない場合、素子端部における振動変位の減衰が十分ではなく、素子端部で起こる反射波などにより不要振動が生じ、機械的品質係数Ｑの低下などの悪影響を与える。例えば、周波数温度特性に関して零温度係数を有するタンタル酸リチウムのＸ板を用いた厚みすべり振動子のＱを高くするために、振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを１４以上としている（特公昭６３−５７９６７号公報参照）。
【０００６】
タンタル酸リチウムのＸ板を用いた厚みすべり振動子の相対変位を振動伝搬方向にわたって計算した結果例を図１２に示す。以下において、横軸が素子中央から外周部に向かう距離を表し、縦軸が素子中央での振動変位を１とした時の相対変位を表した図を相対変位分布図と呼ぶことにする。先に述べたように、エネルギー閉じ込めを利用すれば、振動は励振用電極下では正弦波上に分布し、無電極部では指数関数的に減衰するので、単一電極を設けた圧電振動素子の相対変位分布は図１２のように素子中央から遠ざかるにつれて小さくなる。振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈをある値以上に設定することは、図１２から素子端部相対変位をある値以下に設定することと同義であることがわかる。すなわち、素子端部における振動変位を素子中央に比べて十分減衰させれば、反射波や保持の影響をほとんど受けず高いＱを有することができる。
【０００７】
また、エネルギー閉じ込め度合いの指標としてエネルギー閉じ込め量ζなるものがある。ただしζは、Ｌｅ／（２Ｈ）×（（ｆc−ｆ0）／ｆc）1/2で計算される。
【０００８】
図１３に、タンタル酸リチウムのＸ板を用いた厚みすべり振動の周波数スペクトラムを示す。図１３の横軸はエネルギー閉じ込め量ζで、縦軸は（ｆ−ｆ0）／（ｆc−ｆ0）で計算される規格化周波数Ωである。図１３において、ｓ＿０，ｓ＿１，…，は対称モード、ａ＿０，ａ＿１，…，は斜対称モードを表しており、それぞれのモードを示す線の近くには、各モードの相対変位分布図を示してある。図１３の相対変位分布図からわかるように、ａ＿０，ａ＿１，…，などの斜対称モードは素子に対して励振用電極が対称に配置されていれば電気的に励振されないためｓ＿０，ｓ＿１，…，の対称モードだけが電気的に取り出せる。
【０００９】
しかし、圧電振動子の場合ｓ＿０以外の振動はインハーモニック・オーバートーンと呼ばれる不要共振となるため、ｓ＿０モードのみがエネルギー閉じ込め可能となる値にエネルギー閉じ込め量を設定しなければならない。例えば、特開昭５９−１８２６１６号公報では、ｓ＿０モードのみがエネルギー閉じ込め可能となるζは１．２より小さいとし、また周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcは圧電材料のみに依存して０．１であるから、Ｌｅ／Ｈを３．８より小さくすればｓ＿０モードのみの単一モードを実現できるとしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、高周波化に伴い素子厚みなどの素子寸法が小さくなるにつれ、素子加工時に発生する加工歪みやマイクロクラックなどの機械的強度に与える影響が無視できなくなり、振動伝搬方向素子長さのさらなる小型化が望まれていた。しかしＱの低下を抑制するためには振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを大きくとらざるを得ないといった課題があった。
【００１１】
また、エネルギー閉じ込め量を大きくして素子端部における振動変位の減衰を大きくし素子長さを短くするために、例えば電極膜厚を厚くするなどして周波数低下量を大きくすると、素子厚みが厚い場合に設定された振動伝搬方向の励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈの値では、インハーモニック・オーバートーンモードも閉じ込め可能となり単一モードを実現できないといった課題があった。
【００１２】
そこで本発明では、タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動伝搬方向の励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈを３．０以上３．７以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をｆ0、無電極部遮断周波数をｆcとした時の周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcを０．１２以上０．２以下とすることで、素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ高いＱを実現でき、かつインハーモニック・オーバートーンモードが閉じ込められない単一モードが得られる圧電振動素子とその製造方法および圧電フィルタを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動伝搬方向の励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈを３．０以上３．７以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をｆ0、無電極部遮断周波数をｆcとした時の周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcを０．１２以上０．２以下とする圧電振動素子である。上記構造をとることで、素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ高いＱを実現でき、かつインハーモニック・オーバートーンモードが閉じ込められない単一モードが得られるという効果を有する。
【００１４】
好ましくは、前記圧電振動素子は振動伝搬方向の素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを７．０以上９．４以下とする。高いＱを有しながら、かつ機械的強度にも優れるという効果がある。
【００１５】
また、本発明にかかる圧電振動素子は、タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動素子部分主面片側に一対の入力用電極と出力用電極を設け、もう一方の主面に接地用電極を設け、振動伝搬方向の入力用電極長さＬ１と素子厚みＨとの比Ｌ１／Ｈ、および出力用電極長さＬ２と素子厚みＨとの比Ｌ２／Ｈをそれぞれ０．８以上１．９以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をｆ0、無電極部遮断周波数をｆcとした時の周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcを０．１２以上０．２以下とする２重モードの圧電フィルタである。上記構造をとることで、素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ、低い挿入損失を実現できるという効果がある。
【００１６】
また、本発明にかかる圧電振動素子は、同一圧電基板上に形成されかつ電気的に接続される少なくとも２個以上の圧電振動素子が、請求項１，２，３記載の圧電振動素子のいずれかである圧電フィルタである。同一基板上に形成されるため浮遊容量などの影響を受けにくく、また小型化が可能であるという効果がある。
【００１７】
また、前記圧電振動素子の製造方法は、電極の上に電極と同じ面積の樹脂を塗布することにより周波数低下量を０．１２以上０．２以下とすることを特徴とするものである。樹脂を用いることで、安価に周波数低下量を０．１２以上０．２以下とすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動伝搬方向の励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈを３．０以上３．７以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をｆ0、無電極部遮断周波数をｆcとした時の周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcを０．１２以上０．２以下とすることを特徴とする圧電振動素子であり、素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ高いＱを実現でき、かつインハーモニック・オーバートーンモードが閉じ込められない単一モードが得られるという作用を有する。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、振動伝搬方向の素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを７．０以上９．４以下とすることを特徴とする請求項１記載の圧電振動素子であり、高いＱを有しながら、かつ機械的強度にも優れるという作用を有する。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動素子部分主面片側に一対の入力用電極と出力用電極を設け、もう一方の主面に接地用電極を設け、振動伝搬方向の入力用電極長さＬ１と素子厚みＨとの比Ｌ１／Ｈ、および出力用電極長さＬ２と素子厚みＨとの比Ｌ２／Ｈをそれぞれ０．８以上１．９以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をｆ0、無電極部遮断周波数をｆcとした時の周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcを０．１２以上０．２以下とすることを特徴とする２重モードの圧電フィルタであり、素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ、低い挿入損失を実現できるという作用を有する。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、同一圧電基板上に形成されかつ電気的に接続される少なくとも２個以上の圧電振動素子が、請求項１，２，３記載の圧電振動素子のいずれかであることを特徴とする圧電フィルタであり、同一基板上に形成されるため浮遊容量などの影響を受けにくく、また小型化が可能であるという作用を有する。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、電極の上に電極と同じ面積の樹脂を塗布することにより周波数低下量を０．１２以上０．２以下とすることを特徴とする請求項１，２，３記載の圧電振動素子の製造方法であり、樹脂を用いることで安価に周波数低下量を０．１２以上０．２以下とすることができる作用を有する。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図１〜図９を用いて説明する。図１において、１はタンタル酸リチウムのＸ板からなる振動素子部、２は振動素子部１の表面と裏面に相対向して設けられた励振用電極、３は外部との接続用電極、４は外部引き出し用電極である。
【００２４】
圧電振動素子の用いる周波数が高くなると素子厚みが薄くなるため、機械的強度を向上させるには、素子加工時に素子に与える損傷が少ない加工方法を選択することもさることながら、できるだけ振動伝搬方向素子長さを短くすることが望ましい。素子長さを短くするためには素子端部における振動変位を十分小さくせねばならず、そのためにはエネルギー閉じ込め効果の度合いを上げる必要がある。
【００２５】
エネルギー閉じ込め現象は、励振用電極２部における遮断周波数と無電極部における遮断周波数との差を大きくして周波数低下量を大きくすればその効果が大きくなるため、励振用電極２の膜厚を厚くすると電極膜厚が薄い場合に比べて素子端部における振動変位の減衰が大きくなる。言い換えれば、電極膜厚が厚い場合には、薄い場合の素子長さよりも短い素子長さで、励振用電極２が薄い場合の素子端部相対変位と同等の相対変位を得ることができるわけである。
【００２６】
振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈがどのくらいであれば機械的強度上問題がないかということについては、厚み５０μｍの素子を両端支持で実装し落下試験を行った結果である図２から考察する。図２の横軸は振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈ、縦軸は落下試験前後での周波数変化率である。図２から分かるように、Ｌ／Ｈが９．５〜１０程度よりも大きくなると落下時に素子に加わった衝撃などでクラックなどが伸展したり素子が割れるなどして周波数変化率が大きくなり、そのばらつきも大きくなる。よって、用いる周波数が高くなり素子厚みが薄くなる場合には素子加工時のマイクロクラックなどの影響が大きくなることから、Ｌ／Ｈは９．４以下に設定することが望ましい。
【００２７】
一方、素子端部相対変位が０．００５以下であればＱの低下はほとんど見られないことが実験的に確かめられているので、素子厚みが５０μｍで一定とし電極膜厚を変化させるなどして周波数低下量を変化させた時に、素子端部相対変位が０．００５となる振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを計算すると図３のようになる。図３より、Ｌ／Ｈが９．４以下となるためには周波数低下量は０．１２以上でなければならないことがわかる。
【００２８】
しかし、質量効果により周波数低下量を大きくしすぎると厚みすべり振動そのものを阻害するロス成分となり、共振インピーダンスを増加させる傾向にあるため、ここでは共振インピーダンスが安定して１００Ω以下となる周波数低下量を実験的に求め、その上限を０．２とする。周波数低下量が０．２の時に素子端部相対変位が０．００５となるＬ／Ｈは、図３より７．０であることが分かる。
【００２９】
次に、タンタル酸リチウムのＸ板を用いた厚みすべり振動子の周波数低下量を、素子厚みが２００μｍ、１００μｍ、５０μｍの場合についてそれぞれ計算したものを図４に示す。ただし、素子主面両側にそれぞれ形成する電極材料は金としその膜厚は２５０Åから１００００Åとしている。
【００３０】
図４から分かるように、素子厚みが２００μｍと比較的厚い場合には周波数低下量は約０．１で一定である。しかし、素子厚みが薄くなるにつれ、電極膜厚が厚いときの周波数低下量は０．１よりも大きくなり、素子厚みが５０μｍで電極膜厚が３０００Åの時の周波数低下量はもはや０．１４となっている。これは、素子厚みが薄い場合、周波数低下量に占める電極の質量効果割合が大きくなるためである。図１３に示した周波数スペクトラムは、素子厚みや電極膜厚によらずほぼ同じ結果となり、対称モードのみに着目してｓ＿０モードのみの単一モードを実現できるエネルギー閉じ込め量の値は約０．６５以下である。よって、エネルギー閉じ込め量が０．６５以下となる条件と図４より、単一モードを実現するための振動伝搬方向励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈの最大値が計算でき、その結果は図５のようになる。
【００３１】
図５から分かるように、素子厚みが２００μｍと比較的厚い場合には単一モードを実現できるＬｅ／Ｈの最大値は約４でほぼ一定であるが、素子厚みが薄くなり、かつ電極膜厚が厚い場合には４よりも小さくなり、例えば素子厚みが５０μｍで電極膜厚が３０００Åの時に単一モードを実現できるＬｅ／Ｈの最大値は約３．６となる。
【００３２】
用いる周波数が高くなり素子厚みが薄い場合には素子の機械的強度の観点から振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを小さくするのが望ましく、Ｌ／Ｈを１０以下とするためには周波数低下量を０．１２以上とすればよく、かつ安定して共振インピーダンスが１００Ω以下となるためには周波数低下量を０．２以下とすればよいことを既に述べた。
【００３３】
周波数低下量は、素子厚みが厚い時には約０．１でほぼ一定と見てよいが、素子厚みが薄い場合には０．１よりも大きくなる。ここでは、用いる周波数が高く素子厚みが５０μｍ以下などの薄い場合を考慮しているので、素子厚みが５０μｍで周波数低下量が０．１２以上０．２以下という値を電極材料が金である時の電極膜厚に換算するとおよそ１５００Å以上１００００Å以下となる。よって、周波数低下量が０．１２以上０．２以下である時に単一モードを実現できる振動伝搬方向励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈの最大値は、図５の電極膜厚１５００Å以上１００００Å以下の範囲に着目すればよく、Ｌｅ／Ｈが３．０以上３．７以下で単一モードを実現できることがわかる。
【００３４】
ここで、金電極の膜厚を１００００Åなど厚く形成することはコスト高となりプロセス時間も長くなることから、例えばフォトリソグラフィなどで電極パターンを形成した後にレジストを除去せず残すことで、レジストの質量効果により所望の周波数低下量を安価に得ることができる。
【００３５】
以上のように、周波数低下量を０．１２以上０．２以下とすることでエネルギー閉じ込め効果を増大させ、素子長さを短くしつつ高いＱを有することができ、振動伝搬方向励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈを３．０以上３．７以下とすることで不要共振であるインハーモニック・オーバートーンを閉じ込めない単一モードを実現できる。また、高いＱを得るためのＬ／Ｈは最低でも９．４あれば十分である。
【００３６】
次に、一枚のタンタル酸リチウムＸ板に複数の圧電振動子を配置し、それらの振動を結合させることで多重モードの圧電フィルタを実現する方法を考察する。このようなフィルタはＭＣＦ（モノリシッククリスタルフィルタ）とも呼ばれ、図１３に示したａ＿０モードやｓ＿１モードなどのインハーモニック・オーバートーンを積極的に利用したものである。ここでは、ｓ＿０モードとａ＿０モードの二つのモードを用いた２重モードの圧電フィルタ（２電極対型ＭＣＦ）の場合を述べる。
【００３７】
２重モードの圧電フィルタの構造は、図６のようにタンタル酸リチウムＸ板７の主面片側に数十μｍ〜数百μｍ程度の微小な間隔を空けて一対の入力用電極８と出力用電極９を設け、もう一方の主面に接地用電極１０を設けるもので、対称モードであるｓ＿０モードと斜対称モードであるａ＿０モードを生じさせ、帯域通過フィルタを実現するものである。図６における接地用電極１０は一つしかないが、図７のように入力用電極８と出力用電極９にそれぞれ相対向して接地用電極１０を設けても構わない。
【００３８】
２重モードの圧電フィルタでは、ａ＿０モードは閉じ込められるがｓ＿１モードは閉じ込められないエネルギー閉じ込め量に設定する必要がある。図１３の周波数スペクトラムより、ａ＿０モードが閉じ込められｓ＿１モードが閉じ込められないエネルギー閉じ込め量は０．３３以上０．６５以下となることがわかる。周波数低下量は、圧電振動子の場合と同じくエネルギー閉じ込め効果を増大させ、素子長さを短くしつつＱの低下を抑制するために０．１２以上０．２以下とするため、圧電振動子の場合にａ＿０モードが閉じ込められｓ＿１モードが閉じ込められない条件は、励振用電極長さＬｅと素子厚みＨの比Ｌｅ／Ｈが１．５以上３．７以下となる。
【００３９】
２重モードの圧電フィルタにおいて入力用電極長さＬ１と出力用電極長さＬ２を等しい長さとし、入力用電極と出力用電極の間の微小な間隔はＬ１，Ｌ２に比べ無視できるほど小さいので、ａ＿０モードが閉じ込められｓ＿１モードが閉じ込められないためのＬ１／ＨとＬ２／ＨはＬｅ／（２Ｈ）にほぼ等しくなる。すなわち、Ｌ１／ＨとＬ２／Ｈを０．８以上１．９以下とし周波数低下量を０．１２以上０．２以下とすることで、不要共振を閉じ込めることなく素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ、低い挿入損失を実現できる。
【００４０】
３重モードの圧電フィルタや４重モードの圧電フィルタなど他の多重モードの圧電フィルタの場合においても同様に、用いるモードの中で最も周波数の高いモードよりも一つ高次のモードを閉じ込めないようにエネルギー閉じ込め量を設定することで、電極設計値を求めることは容易なことである。
【００４１】
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図８、図９を用いて説明する。
【００４２】
（実施の形態１）
図８はタンタル酸リチウムのＸ板を用いた厚みすべり振動を主振動とする圧電振動子であり、１１は振動素子部、１２は振動素子部１１の表面と裏面に相対向して設けられた励振用電極、１３は外部との接続用電極、１４は外部引き出し用電極、１５は導電性材料からなる樹脂、１６は実装基板、１７は外部端子である。素子厚みＨは５０μｍであるため共振周波数は約４０ＭＨｚである。また、励振用電極材料には金を用いその膜厚は表裏ともそれぞれ２５００Å、振動伝搬方向励振用電極長さＬｅは１８０μｍ、振動伝搬方向素子長さＬは４６０μｍである。
【００４３】
周波数低下量は約０．１３でありエネルギー閉じ込め効果が大きく素子端部における振動変位の減衰が大きいため、Ｌ／Ｈが９．２と小型化でき機械的強度にも優れ、かつ高いＱを有することができる。また、励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈは３．６であるので、不要共振となるインハーモニック・オーバートーンを閉じ込めることのない単一モードが得られ、発振周波数のジャンプなどを起こしにくい安定した特性を得ることができる。
【００４４】
（実施の形態２）
図９はタンタル酸リチウムのＸ板を用いた厚みすべり振動を主振動とする２重モードの圧電フィルタであり、１８は振動素子部、１９は入力用電極、２０は出力用電極、２１は接地用電極、２２は入力用電極１９と出力用電極２０をそれぞれ外部端子と導通をとるための金属細線、２３は導電性材料からなる樹脂、２４は実装基板、２５は入出力用端子、２６は接地用端子である。素子厚みＨは２５μｍであるためフィルタの中心周波数は約８０ＭＨｚである。また、入出力用電極１９，２０および接地用電極２１の材料には金を用いその膜厚はすべて１０００Å、入力用電極長さＬ１と出力用電極長さＬ２はともに４６μｍ、振動伝搬方向素子長さＬは２３０μｍである。
【００４５】
周波数低下量は約０．１３とエネルギー閉じ込め効果が大きく素子端部振動変位の減衰が大きいため、Ｌ／Ｈが９．２と小型化でき機械的強度にも優れ、かつ高いＱを有し低挿入損失が実現できる。また、入力用電極長さＬ１および出力用電極長さＬ２と素子厚みＨとのそれぞれの比Ｌ１／Ｈ，Ｌ２／Ｈはどちらも約１．８となっているので、中心周波数よりも高域側で不要通過域のない良好なフィルタ特性が得られる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動伝搬方向の励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈを３．０以上３．７以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をｆ0、無電極部遮断周波数をｆcとした時の周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcを０．１２以上０．２以下とすることで、素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ高いＱを実現でき、かつインハーモニック・オーバートーンモードが閉じ込められない単一モードが得られるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電振動素子の一実施の形態を示す斜視図
【図２】振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを変化させたときの落下試験前後での周波数変化率を表す図
【図３】周波数低下量を変化させたときの素子端部相対変位が０．００５となる振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを表す図
【図４】金電極の膜厚と周波数低下量の関係を表す図
【図５】金電極の膜厚と単一モードを得るための振動伝搬方向励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈの最大値の関係を表す図
【図６】２重モード圧電フィルタの断面図
【図７】バランス型２重モード圧電フィルタの断面図
【図８】本発明の圧電振動素子の一実施の形態を示す斜視図
【図９】本発明の圧電振動素子の一実施の形態を示す斜視図
【図１０】従来の圧電振動素子の斜視図
【図１１】エネルギー閉じ込め型圧電振動素子を示す断面図
【図１２】相対変位分布図
【図１３】タンタル酸リチウムのＸ板を用いたエネルギー閉じ込め型厚みすべり振動の周波数スペクトラムを示す図
【符号の説明】
１ 振動素子部
２ 励振用電極
３ 外部接続用電極
４ 外部引き出し用電極
７ 振動素子部
８ 入力用電極
９ 出力用電極
１０ 接地用電極
１１ 振動素子部
１２ 励振用電極
１３ 外部接続用電極
１４ 外部引き出し用電極
１５ 導電性樹脂
１６ 実装基板
１７ 外部端子
１８ 振動素子部
１９ 入力用電極
２０ 出力用電極
２１ 接地用電極
２２ 金属細線
２３ 導電性樹脂
２４ 実装基板
２５ 入出力用端子
２６ 接地用端子
【発明の属する技術分野】
本発明はタンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子とその製造方法および圧電フィルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体中を伝わる波であるバルク波を用いた圧電振動素子として、各種電子機器などのクロック源として用いられる圧電振動子や、通信機器の周波数抽出用などに用いられる圧電フィルタがある。特に、電気エネルギーと機械エネルギーの変換効率を表す電気機械結合係数が水晶などと比べて大きいニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムを用いた圧電振動素子は、ＶＣＯ（電圧制御発振器）や広帯域の帯域通過フィルターとして利用される。
【０００３】
これらの圧電振動素子の使用される周波数域は近年高周波化しており、振動モードとして厚みすべり、厚み縦などの厚み振動が用いられ、特に不要振動の抑圧や素子の保持が容易なエネルギー閉じ込め現象を利用したものが多い。エネルギー閉じ込め現象とは、ある特定の圧電材料で厚みすべり振動や厚み縦振動などのある特定の振動モードを用いる場合、圧電振動素子の主面に部分的に励振用電極を形成すると振動エネルギーが励振用電極下のみに閉じ込められる現象をいい、ショックレイ（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ）、尾上氏らにより詳細に解析されている。
【０００４】
以下にエネルギー閉じ込めについて、圧電振動素子の斜視図と断面図を図１０、図１１を用いて説明する。図１０、図１１に示すように、振動素子部５の励振用電極６のある部分における遮断周波数をｆ0とし、無電極部における遮断周波数をｆcとすると、ｆcよりも大きい周波数では振動エネルギーは自由に伝搬し励振用電極６下においても定在波を作らない。しかし、ｆ0よりも大きくｆcよりも小さい周波数では、励振用電極６のある部分では振動エネルギーは自由に伝搬するが無電極部では指数関数的に減衰するので、振動変位も圧電振動素子の端部に向かうほど小さくなり、結果として振動エネルギーは励振用電極付近に集中することになる。
【０００５】
振動伝搬方向の素子長さを十分にとらない場合、素子端部における振動変位の減衰が十分ではなく、素子端部で起こる反射波などにより不要振動が生じ、機械的品質係数Ｑの低下などの悪影響を与える。例えば、周波数温度特性に関して零温度係数を有するタンタル酸リチウムのＸ板を用いた厚みすべり振動子のＱを高くするために、振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを１４以上としている（特公昭６３−５７９６７号公報参照）。
【０００６】
タンタル酸リチウムのＸ板を用いた厚みすべり振動子の相対変位を振動伝搬方向にわたって計算した結果例を図１２に示す。以下において、横軸が素子中央から外周部に向かう距離を表し、縦軸が素子中央での振動変位を１とした時の相対変位を表した図を相対変位分布図と呼ぶことにする。先に述べたように、エネルギー閉じ込めを利用すれば、振動は励振用電極下では正弦波上に分布し、無電極部では指数関数的に減衰するので、単一電極を設けた圧電振動素子の相対変位分布は図１２のように素子中央から遠ざかるにつれて小さくなる。振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈをある値以上に設定することは、図１２から素子端部相対変位をある値以下に設定することと同義であることがわかる。すなわち、素子端部における振動変位を素子中央に比べて十分減衰させれば、反射波や保持の影響をほとんど受けず高いＱを有することができる。
【０００７】
また、エネルギー閉じ込め度合いの指標としてエネルギー閉じ込め量ζなるものがある。ただしζは、Ｌｅ／（２Ｈ）×（（ｆc−ｆ0）／ｆc）1/2で計算される。
【０００８】
図１３に、タンタル酸リチウムのＸ板を用いた厚みすべり振動の周波数スペクトラムを示す。図１３の横軸はエネルギー閉じ込め量ζで、縦軸は（ｆ−ｆ0）／（ｆc−ｆ0）で計算される規格化周波数Ωである。図１３において、ｓ＿０，ｓ＿１，…，は対称モード、ａ＿０，ａ＿１，…，は斜対称モードを表しており、それぞれのモードを示す線の近くには、各モードの相対変位分布図を示してある。図１３の相対変位分布図からわかるように、ａ＿０，ａ＿１，…，などの斜対称モードは素子に対して励振用電極が対称に配置されていれば電気的に励振されないためｓ＿０，ｓ＿１，…，の対称モードだけが電気的に取り出せる。
【０００９】
しかし、圧電振動子の場合ｓ＿０以外の振動はインハーモニック・オーバートーンと呼ばれる不要共振となるため、ｓ＿０モードのみがエネルギー閉じ込め可能となる値にエネルギー閉じ込め量を設定しなければならない。例えば、特開昭５９−１８２６１６号公報では、ｓ＿０モードのみがエネルギー閉じ込め可能となるζは１．２より小さいとし、また周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcは圧電材料のみに依存して０．１であるから、Ｌｅ／Ｈを３．８より小さくすればｓ＿０モードのみの単一モードを実現できるとしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、高周波化に伴い素子厚みなどの素子寸法が小さくなるにつれ、素子加工時に発生する加工歪みやマイクロクラックなどの機械的強度に与える影響が無視できなくなり、振動伝搬方向素子長さのさらなる小型化が望まれていた。しかしＱの低下を抑制するためには振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを大きくとらざるを得ないといった課題があった。
【００１１】
また、エネルギー閉じ込め量を大きくして素子端部における振動変位の減衰を大きくし素子長さを短くするために、例えば電極膜厚を厚くするなどして周波数低下量を大きくすると、素子厚みが厚い場合に設定された振動伝搬方向の励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈの値では、インハーモニック・オーバートーンモードも閉じ込め可能となり単一モードを実現できないといった課題があった。
【００１２】
そこで本発明では、タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動伝搬方向の励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈを３．０以上３．７以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をｆ0、無電極部遮断周波数をｆcとした時の周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcを０．１２以上０．２以下とすることで、素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ高いＱを実現でき、かつインハーモニック・オーバートーンモードが閉じ込められない単一モードが得られる圧電振動素子とその製造方法および圧電フィルタを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動伝搬方向の励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈを３．０以上３．７以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をｆ0、無電極部遮断周波数をｆcとした時の周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcを０．１２以上０．２以下とする圧電振動素子である。上記構造をとることで、素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ高いＱを実現でき、かつインハーモニック・オーバートーンモードが閉じ込められない単一モードが得られるという効果を有する。
【００１４】
好ましくは、前記圧電振動素子は振動伝搬方向の素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを７．０以上９．４以下とする。高いＱを有しながら、かつ機械的強度にも優れるという効果がある。
【００１５】
また、本発明にかかる圧電振動素子は、タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動素子部分主面片側に一対の入力用電極と出力用電極を設け、もう一方の主面に接地用電極を設け、振動伝搬方向の入力用電極長さＬ１と素子厚みＨとの比Ｌ１／Ｈ、および出力用電極長さＬ２と素子厚みＨとの比Ｌ２／Ｈをそれぞれ０．８以上１．９以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をｆ0、無電極部遮断周波数をｆcとした時の周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcを０．１２以上０．２以下とする２重モードの圧電フィルタである。上記構造をとることで、素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ、低い挿入損失を実現できるという効果がある。
【００１６】
また、本発明にかかる圧電振動素子は、同一圧電基板上に形成されかつ電気的に接続される少なくとも２個以上の圧電振動素子が、請求項１，２，３記載の圧電振動素子のいずれかである圧電フィルタである。同一基板上に形成されるため浮遊容量などの影響を受けにくく、また小型化が可能であるという効果がある。
【００１７】
また、前記圧電振動素子の製造方法は、電極の上に電極と同じ面積の樹脂を塗布することにより周波数低下量を０．１２以上０．２以下とすることを特徴とするものである。樹脂を用いることで、安価に周波数低下量を０．１２以上０．２以下とすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動伝搬方向の励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈを３．０以上３．７以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をｆ0、無電極部遮断周波数をｆcとした時の周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcを０．１２以上０．２以下とすることを特徴とする圧電振動素子であり、素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ高いＱを実現でき、かつインハーモニック・オーバートーンモードが閉じ込められない単一モードが得られるという作用を有する。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、振動伝搬方向の素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを７．０以上９．４以下とすることを特徴とする請求項１記載の圧電振動素子であり、高いＱを有しながら、かつ機械的強度にも優れるという作用を有する。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動素子部分主面片側に一対の入力用電極と出力用電極を設け、もう一方の主面に接地用電極を設け、振動伝搬方向の入力用電極長さＬ１と素子厚みＨとの比Ｌ１／Ｈ、および出力用電極長さＬ２と素子厚みＨとの比Ｌ２／Ｈをそれぞれ０．８以上１．９以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をｆ0、無電極部遮断周波数をｆcとした時の周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcを０．１２以上０．２以下とすることを特徴とする２重モードの圧電フィルタであり、素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ、低い挿入損失を実現できるという作用を有する。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、同一圧電基板上に形成されかつ電気的に接続される少なくとも２個以上の圧電振動素子が、請求項１，２，３記載の圧電振動素子のいずれかであることを特徴とする圧電フィルタであり、同一基板上に形成されるため浮遊容量などの影響を受けにくく、また小型化が可能であるという作用を有する。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、電極の上に電極と同じ面積の樹脂を塗布することにより周波数低下量を０．１２以上０．２以下とすることを特徴とする請求項１，２，３記載の圧電振動素子の製造方法であり、樹脂を用いることで安価に周波数低下量を０．１２以上０．２以下とすることができる作用を有する。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図１〜図９を用いて説明する。図１において、１はタンタル酸リチウムのＸ板からなる振動素子部、２は振動素子部１の表面と裏面に相対向して設けられた励振用電極、３は外部との接続用電極、４は外部引き出し用電極である。
【００２４】
圧電振動素子の用いる周波数が高くなると素子厚みが薄くなるため、機械的強度を向上させるには、素子加工時に素子に与える損傷が少ない加工方法を選択することもさることながら、できるだけ振動伝搬方向素子長さを短くすることが望ましい。素子長さを短くするためには素子端部における振動変位を十分小さくせねばならず、そのためにはエネルギー閉じ込め効果の度合いを上げる必要がある。
【００２５】
エネルギー閉じ込め現象は、励振用電極２部における遮断周波数と無電極部における遮断周波数との差を大きくして周波数低下量を大きくすればその効果が大きくなるため、励振用電極２の膜厚を厚くすると電極膜厚が薄い場合に比べて素子端部における振動変位の減衰が大きくなる。言い換えれば、電極膜厚が厚い場合には、薄い場合の素子長さよりも短い素子長さで、励振用電極２が薄い場合の素子端部相対変位と同等の相対変位を得ることができるわけである。
【００２６】
振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈがどのくらいであれば機械的強度上問題がないかということについては、厚み５０μｍの素子を両端支持で実装し落下試験を行った結果である図２から考察する。図２の横軸は振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈ、縦軸は落下試験前後での周波数変化率である。図２から分かるように、Ｌ／Ｈが９．５〜１０程度よりも大きくなると落下時に素子に加わった衝撃などでクラックなどが伸展したり素子が割れるなどして周波数変化率が大きくなり、そのばらつきも大きくなる。よって、用いる周波数が高くなり素子厚みが薄くなる場合には素子加工時のマイクロクラックなどの影響が大きくなることから、Ｌ／Ｈは９．４以下に設定することが望ましい。
【００２７】
一方、素子端部相対変位が０．００５以下であればＱの低下はほとんど見られないことが実験的に確かめられているので、素子厚みが５０μｍで一定とし電極膜厚を変化させるなどして周波数低下量を変化させた時に、素子端部相対変位が０．００５となる振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを計算すると図３のようになる。図３より、Ｌ／Ｈが９．４以下となるためには周波数低下量は０．１２以上でなければならないことがわかる。
【００２８】
しかし、質量効果により周波数低下量を大きくしすぎると厚みすべり振動そのものを阻害するロス成分となり、共振インピーダンスを増加させる傾向にあるため、ここでは共振インピーダンスが安定して１００Ω以下となる周波数低下量を実験的に求め、その上限を０．２とする。周波数低下量が０．２の時に素子端部相対変位が０．００５となるＬ／Ｈは、図３より７．０であることが分かる。
【００２９】
次に、タンタル酸リチウムのＸ板を用いた厚みすべり振動子の周波数低下量を、素子厚みが２００μｍ、１００μｍ、５０μｍの場合についてそれぞれ計算したものを図４に示す。ただし、素子主面両側にそれぞれ形成する電極材料は金としその膜厚は２５０Åから１００００Åとしている。
【００３０】
図４から分かるように、素子厚みが２００μｍと比較的厚い場合には周波数低下量は約０．１で一定である。しかし、素子厚みが薄くなるにつれ、電極膜厚が厚いときの周波数低下量は０．１よりも大きくなり、素子厚みが５０μｍで電極膜厚が３０００Åの時の周波数低下量はもはや０．１４となっている。これは、素子厚みが薄い場合、周波数低下量に占める電極の質量効果割合が大きくなるためである。図１３に示した周波数スペクトラムは、素子厚みや電極膜厚によらずほぼ同じ結果となり、対称モードのみに着目してｓ＿０モードのみの単一モードを実現できるエネルギー閉じ込め量の値は約０．６５以下である。よって、エネルギー閉じ込め量が０．６５以下となる条件と図４より、単一モードを実現するための振動伝搬方向励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈの最大値が計算でき、その結果は図５のようになる。
【００３１】
図５から分かるように、素子厚みが２００μｍと比較的厚い場合には単一モードを実現できるＬｅ／Ｈの最大値は約４でほぼ一定であるが、素子厚みが薄くなり、かつ電極膜厚が厚い場合には４よりも小さくなり、例えば素子厚みが５０μｍで電極膜厚が３０００Åの時に単一モードを実現できるＬｅ／Ｈの最大値は約３．６となる。
【００３２】
用いる周波数が高くなり素子厚みが薄い場合には素子の機械的強度の観点から振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを小さくするのが望ましく、Ｌ／Ｈを１０以下とするためには周波数低下量を０．１２以上とすればよく、かつ安定して共振インピーダンスが１００Ω以下となるためには周波数低下量を０．２以下とすればよいことを既に述べた。
【００３３】
周波数低下量は、素子厚みが厚い時には約０．１でほぼ一定と見てよいが、素子厚みが薄い場合には０．１よりも大きくなる。ここでは、用いる周波数が高く素子厚みが５０μｍ以下などの薄い場合を考慮しているので、素子厚みが５０μｍで周波数低下量が０．１２以上０．２以下という値を電極材料が金である時の電極膜厚に換算するとおよそ１５００Å以上１００００Å以下となる。よって、周波数低下量が０．１２以上０．２以下である時に単一モードを実現できる振動伝搬方向励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈの最大値は、図５の電極膜厚１５００Å以上１００００Å以下の範囲に着目すればよく、Ｌｅ／Ｈが３．０以上３．７以下で単一モードを実現できることがわかる。
【００３４】
ここで、金電極の膜厚を１００００Åなど厚く形成することはコスト高となりプロセス時間も長くなることから、例えばフォトリソグラフィなどで電極パターンを形成した後にレジストを除去せず残すことで、レジストの質量効果により所望の周波数低下量を安価に得ることができる。
【００３５】
以上のように、周波数低下量を０．１２以上０．２以下とすることでエネルギー閉じ込め効果を増大させ、素子長さを短くしつつ高いＱを有することができ、振動伝搬方向励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈを３．０以上３．７以下とすることで不要共振であるインハーモニック・オーバートーンを閉じ込めない単一モードを実現できる。また、高いＱを得るためのＬ／Ｈは最低でも９．４あれば十分である。
【００３６】
次に、一枚のタンタル酸リチウムＸ板に複数の圧電振動子を配置し、それらの振動を結合させることで多重モードの圧電フィルタを実現する方法を考察する。このようなフィルタはＭＣＦ（モノリシッククリスタルフィルタ）とも呼ばれ、図１３に示したａ＿０モードやｓ＿１モードなどのインハーモニック・オーバートーンを積極的に利用したものである。ここでは、ｓ＿０モードとａ＿０モードの二つのモードを用いた２重モードの圧電フィルタ（２電極対型ＭＣＦ）の場合を述べる。
【００３７】
２重モードの圧電フィルタの構造は、図６のようにタンタル酸リチウムＸ板７の主面片側に数十μｍ〜数百μｍ程度の微小な間隔を空けて一対の入力用電極８と出力用電極９を設け、もう一方の主面に接地用電極１０を設けるもので、対称モードであるｓ＿０モードと斜対称モードであるａ＿０モードを生じさせ、帯域通過フィルタを実現するものである。図６における接地用電極１０は一つしかないが、図７のように入力用電極８と出力用電極９にそれぞれ相対向して接地用電極１０を設けても構わない。
【００３８】
２重モードの圧電フィルタでは、ａ＿０モードは閉じ込められるがｓ＿１モードは閉じ込められないエネルギー閉じ込め量に設定する必要がある。図１３の周波数スペクトラムより、ａ＿０モードが閉じ込められｓ＿１モードが閉じ込められないエネルギー閉じ込め量は０．３３以上０．６５以下となることがわかる。周波数低下量は、圧電振動子の場合と同じくエネルギー閉じ込め効果を増大させ、素子長さを短くしつつＱの低下を抑制するために０．１２以上０．２以下とするため、圧電振動子の場合にａ＿０モードが閉じ込められｓ＿１モードが閉じ込められない条件は、励振用電極長さＬｅと素子厚みＨの比Ｌｅ／Ｈが１．５以上３．７以下となる。
【００３９】
２重モードの圧電フィルタにおいて入力用電極長さＬ１と出力用電極長さＬ２を等しい長さとし、入力用電極と出力用電極の間の微小な間隔はＬ１，Ｌ２に比べ無視できるほど小さいので、ａ＿０モードが閉じ込められｓ＿１モードが閉じ込められないためのＬ１／ＨとＬ２／ＨはＬｅ／（２Ｈ）にほぼ等しくなる。すなわち、Ｌ１／ＨとＬ２／Ｈを０．８以上１．９以下とし周波数低下量を０．１２以上０．２以下とすることで、不要共振を閉じ込めることなく素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ、低い挿入損失を実現できる。
【００４０】
３重モードの圧電フィルタや４重モードの圧電フィルタなど他の多重モードの圧電フィルタの場合においても同様に、用いるモードの中で最も周波数の高いモードよりも一つ高次のモードを閉じ込めないようにエネルギー閉じ込め量を設定することで、電極設計値を求めることは容易なことである。
【００４１】
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図８、図９を用いて説明する。
【００４２】
（実施の形態１）
図８はタンタル酸リチウムのＸ板を用いた厚みすべり振動を主振動とする圧電振動子であり、１１は振動素子部、１２は振動素子部１１の表面と裏面に相対向して設けられた励振用電極、１３は外部との接続用電極、１４は外部引き出し用電極、１５は導電性材料からなる樹脂、１６は実装基板、１７は外部端子である。素子厚みＨは５０μｍであるため共振周波数は約４０ＭＨｚである。また、励振用電極材料には金を用いその膜厚は表裏ともそれぞれ２５００Å、振動伝搬方向励振用電極長さＬｅは１８０μｍ、振動伝搬方向素子長さＬは４６０μｍである。
【００４３】
周波数低下量は約０．１３でありエネルギー閉じ込め効果が大きく素子端部における振動変位の減衰が大きいため、Ｌ／Ｈが９．２と小型化でき機械的強度にも優れ、かつ高いＱを有することができる。また、励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈは３．６であるので、不要共振となるインハーモニック・オーバートーンを閉じ込めることのない単一モードが得られ、発振周波数のジャンプなどを起こしにくい安定した特性を得ることができる。
【００４４】
（実施の形態２）
図９はタンタル酸リチウムのＸ板を用いた厚みすべり振動を主振動とする２重モードの圧電フィルタであり、１８は振動素子部、１９は入力用電極、２０は出力用電極、２１は接地用電極、２２は入力用電極１９と出力用電極２０をそれぞれ外部端子と導通をとるための金属細線、２３は導電性材料からなる樹脂、２４は実装基板、２５は入出力用端子、２６は接地用端子である。素子厚みＨは２５μｍであるためフィルタの中心周波数は約８０ＭＨｚである。また、入出力用電極１９，２０および接地用電極２１の材料には金を用いその膜厚はすべて１０００Å、入力用電極長さＬ１と出力用電極長さＬ２はともに４６μｍ、振動伝搬方向素子長さＬは２３０μｍである。
【００４５】
周波数低下量は約０．１３とエネルギー閉じ込め効果が大きく素子端部振動変位の減衰が大きいため、Ｌ／Ｈが９．２と小型化でき機械的強度にも優れ、かつ高いＱを有し低挿入損失が実現できる。また、入力用電極長さＬ１および出力用電極長さＬ２と素子厚みＨとのそれぞれの比Ｌ１／Ｈ，Ｌ２／Ｈはどちらも約１．８となっているので、中心周波数よりも高域側で不要通過域のない良好なフィルタ特性が得られる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動伝搬方向の励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈを３．０以上３．７以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をｆ0、無電極部遮断周波数をｆcとした時の周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcを０．１２以上０．２以下とすることで、素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ高いＱを実現でき、かつインハーモニック・オーバートーンモードが閉じ込められない単一モードが得られるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電振動素子の一実施の形態を示す斜視図
【図２】振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを変化させたときの落下試験前後での周波数変化率を表す図
【図３】周波数低下量を変化させたときの素子端部相対変位が０．００５となる振動伝搬方向素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを表す図
【図４】金電極の膜厚と周波数低下量の関係を表す図
【図５】金電極の膜厚と単一モードを得るための振動伝搬方向励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈの最大値の関係を表す図
【図６】２重モード圧電フィルタの断面図
【図７】バランス型２重モード圧電フィルタの断面図
【図８】本発明の圧電振動素子の一実施の形態を示す斜視図
【図９】本発明の圧電振動素子の一実施の形態を示す斜視図
【図１０】従来の圧電振動素子の斜視図
【図１１】エネルギー閉じ込め型圧電振動素子を示す断面図
【図１２】相対変位分布図
【図１３】タンタル酸リチウムのＸ板を用いたエネルギー閉じ込め型厚みすべり振動の周波数スペクトラムを示す図
【符号の説明】
１ 振動素子部
２ 励振用電極
３ 外部接続用電極
４ 外部引き出し用電極
７ 振動素子部
８ 入力用電極
９ 出力用電極
１０ 接地用電極
１１ 振動素子部
１２ 励振用電極
１３ 外部接続用電極
１４ 外部引き出し用電極
１５ 導電性樹脂
１６ 実装基板
１７ 外部端子
１８ 振動素子部
１９ 入力用電極
２０ 出力用電極
２１ 接地用電極
２２ 金属細線
２３ 導電性樹脂
２４ 実装基板
２５ 入出力用端子
２６ 接地用端子
Claims (5)
- タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動伝搬方向の励振用電極長さＬｅと素子厚みＨとの比Ｌｅ／Ｈを３．０以上３．７以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をｆ0、無電極部遮断周波数をｆcとした時の周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcを０．１２以上０．２以下とした圧電振動素子。
- 振動伝搬方向の素子長さＬと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを７．０以上９．４以下とした請求項１に記載の圧電振動素子。
- タンタル酸リチウムのＸ板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動素子部分の主面片側に一対の入力用電極と出力用電極を設け、もう一方の主面に接地用電極を設け、振動伝搬方向の入力用電極長さＬ１と素子厚みＨとの比Ｌ１／Ｈ、および出力用電極長さＬ２と素子厚みＨとの比Ｌ２／Ｈをそれぞれ０．８以上１．９以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をｆ0、無電極部遮断周波数をｆcとした時の周波数低下量（ｆc−ｆ0）／ｆcを０．１２以上０．２以下とした圧電フィルタ。
- 同一圧電基板上に形成されかつ電気的に接続される少なくとも２個以上の圧電振動素子が請求項１，２，３のいずれか１つに記載の圧電振動素子である圧電フィルタ。
- 電極の上に電極と同じ面積の樹脂を塗布し周波数低下量を０．１２以上０．２以下とする請求項１，２，３のいずれか１つに記載の圧電振動素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26560199A JP4356151B2 (ja) | 1999-09-20 | 1999-09-20 | 圧電振動素子とその製造方法および圧電フィルタ |
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