JP4450173B2

JP4450173B2 - 圧電振動子

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Publication number: JP4450173B2
Application number: JP2004022487A
Authority: JP
Inventors: 康孝三枝; 力桜井
Original assignee: River Eletec Corp
Current assignee: River Eletec Corp
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: JP2005217818A

Description

本発明は、通信機器やコンピュータ等の発振回路やフィルタ回路、あるいは超音波センサ等に用いられる高周波用の圧電振動子に関するものである。

従来の圧電振動子は、圧電基板の厚み方向に伝播するバルク弾性波を利用したものと、圧電基板の表面に沿って伝播する表面弾性波を利用したものがある。前記バルク弾性波を利用したものとしては、厚みすべり水晶振動子がある。この厚みすべり水晶振動子の振動周波数は、圧電基板（水晶板）の厚みで決定される。このため、例えばＡＴカット水晶振動子を２００ＭＨｚ以上の振動周波数で動作させるためには、厚みを１０μｍ以下にしなければならない。したがって、その薄型化や平坦度を上げるために難易度の高い加工技術を必要としていた。

他方の弾性表面波を用いた振動子としては、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイスがある。このＳＡＷデバイスは、弾性体表面に伝わるレイリー波を利用したもので、圧電基板上に励振電極（一対の櫛歯状電極）を配置し、電気信号と表面波間の電気機械相互変換を行って周波数選択性を持たせたり、反射器を付して共振特性を持たせたりしている。このような弾性表面波は、圧電基板の表層面に発生する縦波あるいは横波を利用したものであり、その周波数は速度に比例し、波長に反比例する特性を有している。このため、周波数を高めるためには、電極の周期を微細にしなければならないといった問題がある。

上記バルク弾性波や弾性表面波とは別に板波の存在が知られている。この板波は、振動方向が圧電基板の板面に沿っており、かつ進行方向に対して垂直な振幅成分を有している。このような板波に分類されるものの中にはラム波が存在する。このラム波は波長に比較して５波長以下の厚さの板中を斜め約４５°方向に伝播する弾性波であり、前記ＳＡＷに比べて位相速度が速いので共振器の周波数を容易に高くすることができる。

前記ラム波を利用した高周波共振器は、現在製品化されていないが、実現可能なものが特許文献１に示されている。この高周波共振器は、図１４に示すように、上述したＳＡＷデバイスと同様に、圧電基板２上に励振電極（ＩＤＴ電極４，５）を配置した構造となっているが、前記圧電基板２の厚さＨと、ＩＤＴ電極４，５が励起するラム波の波長λが、０＜（２Ｈ／λ）≦１０の関係式を実質的に満足するように構成されている。また、前記ＩＤＴ電極４，５を挟んだ両側に反射器６，７を設け、励起したラム波を共振させるようになっている。
特開２００３−２５８５９６号公報

上記ラム波を利用した共振器によれば、従来のバルク弾性波や弾性表面波による共振器では実現が困難であった高い周波数での動作や素子の小型化が可能である。しかしながら、前記高周波共振器における櫛歯状電極及び反射器は、従来のＳＡＷデバイスと同様に圧電基板の表面にのみ設けられ、裏面側は平坦な板面となっている。このため、圧電基板の厚み方向に対して４５°の傾斜角で伝播するラム波を有効に活用あるいは制御するといった工夫はされていない。

そこで、本発明の目的は、従来のバルク弾性波や弾性表面波では実現が困難な高い周波数で動作することができると共に、圧電基板内を伝播するラム波の伝播特性あるいは共振特性を制御可能とする圧電振動子を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の圧電振動子は、基板内部をラム波が伝播するように形成された圧電基板と、前記ラム波を励起させる励振電極とを備え、前記励振電極が圧電基板の表裏両面に設けられると共に、これら励振電極が圧電基板を挟んで略対応する位置に設けられ、対称振動モードでは略対応する励振電極の極性が表面と裏面とで同極であることを特徴とする。

この発明によれば、圧電基板の表裏両面に励振電極を配置することによって、圧電基板の表面と裏面の両方からラム波が励起されるので、高い発振周波数でＱ値の高い振動モードを得ることができる。また、対称振動モードでは略対応する励振電極の極性を表面と裏面とで同極とすることで、ラム波の振動を強めることができる。

また、本発明の圧電振動子は、基板内部をラム波が伝播するように形成された圧電基板と、前記ラム波を励起させる励振電極とを備え、前記励振電極が圧電基板の表裏両面に設けられると共に、これら励振電極が圧電基板を挟んで略対応する位置に設けられ、反対称振動モードでは略対応する励振電極の極性が表面と裏面とで異極であることを特徴とする。

この発明によれば、反対称振動モードでは略対応する励振電極の極性を表面と裏面とで異極とすることで、ラム波の振動を強めることができる。

また、前記励振電極または反射器を圧電基板の表裏両面に複数配設することによって、ラム波の伝播効率を高め、よりＱ値の高い高周波振動を得ることが可能である。

また、前記圧電基板の表面と裏面に配設される励振電極または反射器の位置がラム波の進行方向に適合するように設定することによって、励起したラム波を効率よく伝播させることができる。

また、圧電基板の表面と裏面に設けられた励振電極に印加する電圧の極性を切り替えることで、ラム波の振動を強めたり、弱めたり、さらには必要に応じて発振器の振動の停止や再開を適宜行えるように制御することが可能となる。

また、前記励振電極と反射器の配設数や組み合わせを任意に行うことができるので、発振特性を目的に応じて調整することができる。

本発明の圧電振動子によれば、ラム波を伝播させる圧電基板の表裏両面に励振電極を配設したことで、発生したラム波を高効率で圧電基板内を伝播させることができ、Ｑ値の高い高周波振動を得ることができる。また、対称振動モードでは略対応する励振電極の極性を表面と裏面とで同極とし、反対称振動モードでは略対応する励振電極の極性を表面と裏面とで異極とすることで、ラム波の振動を強めることができる。

以下に、添付図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。図１は本発明の圧電振動子の第１実施形態を示す概略斜視図、図２は前記圧電振動子の表面側の平面図、図３は前記圧電振動子の裏面側の平面図、図４は前記圧電振動子の断面図である。

本実施形態の圧電振動子１１は、図１に示すように、薄板状の圧電基板１２と、この圧電基板１２の表面１２ａと裏両１２ｂに形成される励振電極１３，２３，３３と、この励振電極によって励起させたラム波を共振させるための反射器１６，１７とで構成されている。

本実施形態では、前記圧電基板１２にＡＴカットの水晶板を使用した。発生するラム波の周波数は、ラム波の波長λと周波数f及びラム波の位相速度vとの関係によって、次式で決められる。

本実施形態では、波長λ＝１０μｍに設定するため、前記水晶板の厚みＨ＝２０μｍとした。また、前記圧電基板１２の大きさは、前記励振電極や反射器のサイズや配設数に応じて設定される。なお、前記圧電基板１２は、ＡＴカットの水晶板以外でもラム波に対して圧電性が発生するカット角ならどのような部材でも使用可能である。

前記圧電基板１２の表面１２ａに形成される励振電極１３は、図２に示すように、櫛歯状のＩＤＴ（Interdigital Transducer）電極１４，１５を対にして構成される。前記ＩＤＴ電極１４，１５は、圧電基板１２の長手方向に沿って延びるベース電極部１４ａ，１５ａと、このベース電極部１４ａ，１５ａの一側面から延びる複数の電極指１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ及び１５ｂ，１５ｃとを備えている。このように、励振電極１３は、一方のベース電極部１４ａから延びる電極指１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと、他方のベース電極部１５ａから延びる電極指１５ｂ，１５ｃとが非接触状態で交差するようにして配置される。図４に示すように、前記ＩＤＴ電極１４の電極指１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ及びＩＤＴ電極１５の電極指１５ｂ，１５ｃの電極指間距離（ピッチ）は、励振させるラム波の波長λに合わせて設定される。また、隣接する電極指のピッチは、前記波長λに対してλ／２程度である。この励振電極１３は、ＩＤＴ電極１４，１５それぞれに極性の異なる電圧を印加することによって、隣接する電極指間に交番電界が発生し、ラム波が圧電基板１２内に励起される。

前記励振電極１３は、図２に示されるように、圧電基板１２の表面１２ａの中央部に設けられ、この励振電極１３を挟んだ両側には反射器１６，１７が設けられる。前記反射器１６，１７は、導電性の良好な金や銅などによるフォトリソ技術を用いて形成され、前記励振電極１３を構成する電極指と平行に配設される長方形状の反射部１６ａ，１７ａを複数備えている。この反射部１６ａ，１７ａは、前記電極指と概ね同じ長さ及び幅に形成されている。また、反射部１６ａ，１７ａ間のピッチ幅も前記電極指と同じに設定されている。このような構成からなる反射器１６，１７を設けることで、前記励振電極１３で励起させたラム波を共振させて大きな振動モードを得ることができる。

図３は、前記圧電基板１２の裏面１２ｂ側の構成を示したものである。この裏面１２ｂには、２つの励振電極２３，３３が設けられる。これらの励振電極２３，３３は、前記表面１２ａに設けた励振電極１３と同様に複数の電極指を有するＩＤＴ電極２４，２５とＩＤＴ電極３４，３５とで構成され、各電極指の長さ、幅及びピッチも同様に設定されている。前記励振電極２３，３３は、表面１２ａに設けた励振電極１３を中心に約４５度の角度で投影される位置に設けられる。

図４は前記圧電振動子１１の断面構造を示したものである。図に示すように、圧電基板１２の表面１２ａの略中央部に設けた励振電極１３を中心にして、約４５度の傾斜方向に励振電極２３，３３が設けられ、さらに、この励振電極２３，３３から約４５度の方向に反射器１６，１７が配設されている。

前記構成の圧電振動子１１において、対向するＩＤＴ電極１４，２４，３４とＩＤＴ電極１５，２５，３５間に正と負の電圧を印加すると、圧電基板１２の表面１２ａと裏面１２ｂの両面から前記励振電極１３，２３，３３を中心としてラム波が励起される。ラム波は前述したように、圧電基板１２の厚み方向に対して約４５度の方向に伝播するため、励振電極あるいは反射器を前記ラム波の進行方向に対向して設けることで、励起させたラム波を図中の破線で示すような方向に減衰させることなく反射及び伝搬させることができる。このため、高い周波数での振動モードを得ることができると共に、Ｑ値の高いラム波の振動を得ることができる。

次に、前記励振電極の配列構成例とＱ値との関係について、有限要素法（ＦＥＭ）解析結果を基に説明する。図５は、代表的な３通りの励振電極の配列構成例を示したものである。（ａ）は従来例にも示されているように、圧電基板１２の片面にのみ励振電極を配列した片面電極構造であり、（ｂ）は圧電基板１２の表裏両面に励振電極を配列し、表と裏で対向する電極の極性を同相とした両面対称電極構造であり、（ｃ）は圧電基板１２の表裏両面に励振電極を配列し、表と裏で対向する電極の極性を逆相とした両面反対称電極構造である。前記いずれの構成例も励振電極の配列あるいは印加する電圧の極性が相違するだけで、圧電基板１２のサイズやＩＤＴ電極及び電極指のピッチは共通とし、λ＝２０μｍ、圧電基板厚みを２λ＝４０μｍとした。

図６は、前記構成のサンプルに対して、周波数を掃引させたときのものである。（ａ）の片面電極構造における３２２．５ＭＨｚの共振点のアドミッタンスは、（ｃ）の反対称電極にて同相となり、３２２．２ＭＨｚに（ａ）の共振よりも鋭く現れる。また（ｂ）の対称電極では逆相となり、３２２．２ＭＨｚに（ａ）の共振よりも大きく減衰して現れている。

以上の解析結果から従来の（ａ）の片面電極構造の共振特性に対し、両面反対称電極構造の（ｃ）は共振を鋭くする方向の共振特性となり、反対に（ｂ）の両面対称電極構造は共振を減衰させる方向の共振特性を示すことが確認できた。

本発明の圧電振動子は、励振電極または反射器を圧電基板の表裏両面に配設しているため、Ｑ値の改善効果が高いことが特徴であるが、それ以外に励振電極と反射器との組み合わせや印加する電圧を制御することで、様々な付加機能を持たせることが可能となった。例えば、図５（ｃ）に示したように、表面と裏面とで対応するＩＤＴ電極間の極性が同相となるように設定した場合は、図５（ａ）の片面電極の場合に比べ、ラム波の励振が相互に高められてＱ値の高い高周波振動モードを備えた圧電振動子が実現できる。一方、図５（ｂ）に示したように、表面と裏面とで対応するＩＤＴ電極間の極性が逆相となるように設定した場合は、ラム波の励振が抑えられ、振動の減衰や一時停止といった制御を行うことが可能である。

なお、図７に示すように、ラム波を伝播する圧電基板の中には、表面と裏面とで振動による撓み変形がミラー対称となる対称振動モードと、この対称振動モードの表面と裏面の振動位相が略１８０度ずれた反対称振動モードとが存在する。また、上述したように、圧電基板の表面と裏面に配設する励振電極は、同相と逆相とに設定することができる。このため、励振電極の極性と圧電基板の振動モードの組み合わせは、図７に示したように、（ａ）対称振動モードの圧電基板で励振電極を同相、（ｂ）対称振動モードの圧電基板で励振電極を逆相、（ｃ）反対称振動モードの圧電基板で励振電極を同相、（ｄ）反対称振動モードの圧電基板で励振電極を逆相とした４通りのパターンが可能である。この組み合わせの中で、対称振動モード、反対称振動モード供に励振電極が同相（ａ），（ｃ）である場合にラム波の振動を強め合い、励振電極が逆相（ｂ），（ｄ）である場合にラム波の振動を弱め合うといった効果が得られる。

上記図１乃至図４に示した構造のラム波型の圧電振動子１１以外にも励振電極と反射器の組み合わせによって、様々な機能を実現することが可能である。図８乃至図１２に主な構成例を示す。

図８は、圧電基板５２の表面の中央部に励振電極５３が配置され、この励振電極５３を挟んだ両側に反射器５６が配置され、裏面側には全面に反射器５６が配置された第２実施形態の圧電振動子５１である。この圧電振動子５１においては、表面に設けられた励振電極５３を中心に励起させたラム波を表面及び裏面に設けた反射器５６によって共振させることができる。

図９に示す第３実施形態の圧電振動子６１は、圧電基板６２の表面と裏面の中央部に励振電極６３を配設し、前記両励振電極６３を挟んで反射器６６を設けた構成になっている。このため、圧電基板６２の表面と裏面の両方で共振信号を取り出すことができる。さらに、表裏両面に電極が配置されていることから、対称あるいは反対称モードの励振による共振の増幅または減衰を選択することができる。

図１０に示す第４実施形態の圧電振動子７１は、圧電基板７２の表面の中央部に励振電極７３を配置し、その両側に反射器７６を配置し、圧電基板７２の裏面側を全て励振電極７３にした構成となっている。この構成の場合は、励振電極７３の占有率が多いため、対称・反対称の選択で強い共振特性あるいは大きな減衰特性が得られる。

図１１に示す第５実施形態の圧電振動子８１は、圧電基板８２の表面及び裏面の全面に励振電極８３を設けたもので、第４実施例と同様な共振特性を得ることができる。

図１２に示す第６実施形態の圧電振動子９１は、表面を全て励振電極９３で構成し、裏面を全て反射器９６で構成したものである。この実施形態の圧電振動子９１は、上記図８に示した圧電振動子５１よりも大きな共振信号を得ることができると共に、励振電極５３の配線が圧電基板９２の表面のみで済むといった利点がある。

上記第２乃至第６実施形態の圧電振動子５１，６１，７１，８１，９１は、いずれも比較的容易なプロセスを用いて１００ＭＨｚ以上の共振器として使用することができる。また、上記第３乃至第５実施形態の圧電振動子６１，７１，８１については、表面と裏面に励振電極を設けることにより、ラム波励振時に対応する電極の位相を同相または逆相に選択することができ、ラム波の振動を強める方向あるいは減衰・停止する方向に作用させるといった制御も可能である。

なお、本発明の圧電振動子の共振を強める形でバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を構成すると、フィルタ特性において、図１３に示すような急峻な周波数選択性への応用も考えられる。

本発明に係る第１実施形態の圧電振動子の斜視図である。上記圧電振動子の表面側の平面図である。上記圧電振動子の裏面側の平面図である。図１の圧電振動子をＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面図である。代表的な三例の励振電極構造を示す断面図である。上記図５に示した三例の励振電極構造を備えた圧電振動子のＦＥＭ解析結果を示す特性図である。圧電基板が備える振動モードと励振電極の組み合わせ例を示す説明図である。第２実施形態の圧電振動子の断面図である。第３実施形態の圧電振動子の断面図である。第４実施形態の圧電振動子の断面図である。第５実施形態の圧電振動子の断面図である。第６実施形態の圧電振動子の断面図である。本発明の圧電振動子をバンドパスフィルタに応用した場合の通過特性を示すグラフである。従来の高周波共振器の斜視図である。

符号の説明

１１圧電振動子
１２圧電基板
１３，２３，３３励振電極
１４ＩＤＴ電極
１５ＩＤＴ電極
１６反射器
１７反射器

Claims

基板内部をラム波が伝播するように形成された圧電基板と、前記ラム波を励起させる励振電極とを備え、前記励振電極が圧電基板の表裏両面に設けられると共に、これら励振電極が圧電基板を挟んで略対応する位置に設けられ、対称振動モードでは略対応する励振電極の極性が表面と裏面とで同極であることを特徴とする圧電振動子。
基板内部をラム波が伝播するように形成された圧電基板と、前記ラム波を励起させる励振電極とを備え、前記励振電極が圧電基板の表裏両面に設けられると共に、これら励振電極が圧電基板を挟んで略対応する位置に設けられ、反対称振動モードでは略対応する励振電極の極性が表面と裏面とで異極であることを特徴とする圧電振動子。
前記励振電極は、櫛歯状に形成された一対のＩＤＴ電極を、一方のＩＤＴ電極の櫛歯の間に他方のＩＤＴ電極の櫛歯を差し込むようにして形成される請求項１又は２記載の圧電振動子。
前記励振電極が圧電基板の表裏両面に複数配置される請求項１又は２記載の圧電振動子。
前記励振電極の配置は、圧電基板の表面と、内部を伝播するラム波の進行方向とが成す角度に対応している請求項１又は２記載の圧電振動子。