JP4697622B2

JP4697622B2 - Piezoelectric element

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Publication number: JP4697622B2
Application number: JP2001299025A
Authority: JP
Inventors: 和幸大内
Original assignee: 和幸大内
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2002280873A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電振動子や圧電フィルタの様に圧電性基板上に電極を備えた圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電振動子は、一般に図１９に例示するように、水晶や圧電セラミック等の圧電材料からなる圧電性基板２０の表面および裏面上に、矩形状の電極２２を１つずつ形成した構造を持つ。
【０００３】
更に２つの圧電振動子を１つの圧電性基板上に隣接形成し、その２つの圧電振動子を弾性的に結合することによって弾性波の２つの振動モードを利用することが可能となり、２重モードフィルタを構成することができる。また、３つ以上の振動モードを利用すれば多重モードフィルタが構成されることが知られている。
【０００４】
例えば図２１の様に、圧電性基板４１上におけるすべり振動方向をｘ軸方向とすると、圧電性基板４１の表面側でｘ軸と直交するｚ軸方向に、２つの電極である入力電極４３と出力電極４４とを互いに平行に形成することにより、圧電フィルタ４０が構成される。
【０００５】
また、図２１における左右外方向に引出線４５を設けるとともに、両電極４３・４４をともにプラス極とし、更に圧電性基板４２の裏面側には、表面側と同位置に同一形状で、共通電極として入力電極および出力電極を形成するとともにマイナス極とすることにより、フィルタ構成されることが一般的である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１９のような構成の圧電振動子において、低インピーダンス化を図るべく電極を大きくすると、図２０の様に基本周波数よりも高い周波数領域においてスプリアスが発生するという問題があった。
【０００７】
このようなスプリアスが発生するという原因は電極幅ｗを広げたときに生じるもので、電極幅を小さくすればなくなる。又、電極形状を円形、菱形にしたりしてスプリアス除去を試みているが、必ずしも分明ではなく、スプリアス低減効果も未だ十分ではない。
【０００８】
一方、図２１の様な矩形状の電極を用いた圧電フィルタにあっても、例えば図２２の様なスプリアスが発生することが知られている。このスプリアス除去のため、質量効果を利用したいろいろな工夫がなされているが必ずしも分明ではなく、スプリアス低減効果も未だ十分ではない。
【０００９】
かかる不都合に対して本発明者は研究を行った結果、以下の知見を得た。すなわち、電極と圧電性基板によって規定される固有振動を先ず求め、更に、任意の着目次数の固有振動への変換効率を最大とする形状の電極を設けることが、相対的に他の次数の振動エネルギーを小さくするという考えである。
【００１０】
言い換えると、圧電性基板上の電極に電圧を加えることにより生じる振動エネルギー分布はその電極の形状によって一意的に決まるが、この形状を着目次数の固有振動への変換効率が最大となる形状にすることによって、つまり、着目次数の固有振動分布に従って電極形状を施すことによって、他の固有振動の振動エネルギーが相対的に低下しスプリアスの低減効果をより大きなものとすることが可能となるのである。
【００１１】
任意の着目する次数の対称および反対称モードからなる複数のモードへの変換効率をほぼ等しくする形状の電極を設けた場合にあっても、略同様である。
【００１２】
本発明はこのような知見に基づいてなされたもので、上記した従来の提案に比してさらにスプリアスの低減効果を向上することができ、また、基本波のみならず任意の高次モードの振動を用いて使用次数以外の次数の固有振動を抑制し、スプリアスを低減させることのできる圧電素子を提供することを第１の目的としている。
【００１３】
本発明はまた、第１次の対称モードおよび反対称モードのみならず任意の次数の対称モードおよび反対称モードの振動を用いて、着目次数以外の次数のモードの振動を抑制して、スプリアスを低減させることのできる圧電素子を提供することを第２の目的とする。
【００１４】
本発明は更に、３つ以上の対称モードおよび反対称モードの振動を利用し、広帯域のフィルタとして構成することのできる圧電フィルタを提供することを第３の目的とする。
【００１５】
本発明は更にまた、複数の次数のモードおよび反対称モードの振動を利用することにより、明確に分離した複数の共振特性を有する圧電振動子を提供することを第４の目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる圧電素子１０は、図３にその外観形状を例示する如く、水晶あるいは圧電セラミック等の圧電性基板１１上に電極１２を施したものである。そして、前記した電極１２における外周形状の一部または全部を、図１に例示する着目する次数の固有振動モード分布に対応した形状に構成することを特徴とする。
【００１７】
前記した電極１２の外周形状は、図１の様な余弦曲線あるいは図４の様な正弦曲線の一部または全部で構成することができる。そして図３あるいは図６の如く、その余弦または正弦曲線は、長さｄの方向に上下が反転した形状の単位電極１４が、反射を起こさない材料から構成される細幅状の絶縁層１３を介して対称位置に２つ配置された外周形状を有する電極１２が構成されている。
【００１８】
更に、上記した図１あるいは図４の様な次数と振動モードとで特定される振動モード分布を複数求めるとともに、各振動モード分布の和で表される図７の様な振動分布曲線に対応させて電極１２の形状を構成することも可能である。
【００１９】
電極１２の形状を、１つの次数の対称振動モードにおける振動モード分布または複数の次数の対称振動モードにおける各振動モード分布を総和した振動分布と、１つの次数の反対称振動モードにおける振動モード分布または複数の次数の反対称振動モードにおける各振動モード分布を総和した振動分布との和で表される振動分布曲線に対応させて構成する。
【００２０】
複数の次数の対称および反対称振動モードにおける各振動モード分布の総和で表される振動分布曲線に対応させて電極１２の形状を構成することもできる。
【００２１】
この場合における電極１２の形状は、具体的には図１あるいは図４の様な余弦および正弦曲線の少なくとも何れか一方を複数分足し合わせた図７あるいは図１２の様な曲線に対応して表される。
【００２２】
ここで単位電極１４は、圧電性基板１１の表面および裏面上の同一位置に、同一形状のものを配置することが可能である。更に少なくとも表面側にある各隣接する単位電極１４は、互いに異なった極性の電圧が印加される。
【００２３】
一方、本発明にかかる圧電素子１０が圧電フィルタの場合にあっては、圧電性基板１１における波の伝搬方向、例えば図１０における絶縁層１３より上方側の単位電極群の一方を入力電極に、下方側の単位電極群を出力電極として構成する。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、任意の着目次数の弾性波に関して、着目次数の固有振動への変換効率が最大となるように電極構成をすることにより、非着目次数の固有振動の振動エネルギーを相対的に低下させ、これによって着目次数の固有振動に対する他の固有振動の減衰率を可及的に大きくすることができ、スプリアスの少ない圧電素子１０が得られる。
【００２５】
また、３つ以上の対称モードおよび反対称モードの振動を利用し、広帯域のフィルタとして構成することができる。
【００２６】
更に、複数の次数の対称モードおよび反対称モードの振動を利用することにより、明確に分離した複数の共振特性を有する圧電振動子が構成できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる圧電素子１０は、その電極形状を決定するための手順に特徴を有するものであって、基本的な考え方は圧電振動子と圧電フィルタに略共通する。すなわち、圧電振動子にあっては複数の単位電極１４を、プラス極とマイナス極からなる１組の電極として使用する。これに対して圧電フィルタにあっては、プラス極かマイナス極に設定した単位電極１４を更に入力電極と出力電極とに分離し、２組の電極として使用するのである。
【００２８】
より具体的には、着目する次数の対称モードおよび反対称モードにおける振動モード分布の単独あるいはそれらを足し合わせた形状から、目的とする電極１２の外周形状を決定する。
【００２９】
例えば第１次の対称モードにおける振動モード分布は、図１に例示する様な、半周期分の余弦曲線における左右の両端が立ち上がった形状となる。一方、第１次の反対称モードにおける振動モード分布は図４に例示する様な正弦曲線の一部となる。
【００３０】
更に、図１と図４に示す曲線の和を取ると、図７の様に、座標軸のプラス側に伸びる大きな山状の曲線と、マイナス側に伸びる小さな山状の曲線となる。３つ以上の対称および反対称振動モードを利用する場合にあっても同様である。例えば第３次の対称モードと、第２次および第３次の反対称モードにおける振動モード曲線を求めそれらの和をとることによって、図１２の様な曲線が求まる。
【００３１】
そこで、図１の曲線にあっては、図２において破線で示す如く、マイナス方向に反転した曲線を加えることによって、略楕円状の閉じた曲線が構成される。そこでこの閉じた曲線に対応した形状を、本発明における電極１２の基本的な外周形状とする。
【００３２】
更に本発明の圧電素子１０にあっては、図３の如く、圧電性基板１１におけるｚ軸方向に伸びる細帯状の絶縁層１３を設けることにより、その絶縁層１３を中心としてｘ軸方向の上下に伸びる２つの単位電極１４・１４が、圧電性基板１１の表面上に形成される。
【００３３】
そこで、圧電性基板１１の裏面側にも前記した表面側の電極１２と同一構成の単位電極１４を同一位置に形成するとともに、各単位電極１４から図示しない引出線を設ける。更にその引出線を介し、各面における隣接位置および表裏面の対応位置の単位電極１４における極性が、図面上で示すプラスおよびマイナス極となる様に極性を決定することによって、本発明にかかる圧電素子１０の基本的な形状が構成されるのである。
【００３４】
ここで絶縁層１３は、例えば電極材料の酸化物の様な絶縁材料で細幅状に構成されるものであって、圧電性基板１１上に構成された各単位電極１４間で十分な絶縁性を保持可能とするとともに、電極１２と圧電性基板１１によって規定される振動が、ｘ軸方向で反射を起こすことがない材料およびその形状が選択される。
【００３５】
また、圧電素子１０を圧電振動子として利用する場合にあっては、上記した基本構成はそのままで、全ての単位電極１４を１組の電極として使用する。
【００３６】
次に図４に示す曲線にあっても、上記した場合と略同様に、図５において破線で示す反転した曲線を加えることにより、２つの閉じた曲線が描かれる。そこで、圧電性基板１１上にこの曲線に対応した外周形状を持つ電極１２を形成するとともに、ｚ軸方向に貫通して絶縁層１３を設けることにより、図６の様な４つの絶縁された単位電極１４が構成される。
【００３７】
そこで、裏面側の同一位置にも同一構成の単位電極１４を形成するとともに、各単位電極１４に図示しない引出線を設けて図中に示す極性に設定することにより、本発明にかかる圧電素子１０が構成される。
【００３８】
更に図７に示す曲線にあっても、図８の様に反転した曲線を加えることにより、電極１２の外周形状が決定され、更に図９の様に絶縁層１３で大小４つの単位電極１４に分離するとともに、図示しない引出線を設けて各単位電極１４を図示した極性に設定することにより圧電素子１０が構成できる点は同じである。
【００３９】
しかしながら、かかる構成の場合にあっては、図１０の様に、絶縁層１３で区分された例えば下側の２つの単位電極１４をｚ軸方向に反転して配置することもできる。その他、図１１の様に小さい山の単位電極１４を共にｘ軸方向に反転して配置してもよい。要するに、図７で示す曲線で区画される複数の単位電極１４を備えることで足り、単位電極１４ごとに、ｘ軸およびｚ軸に対して対称位置に変更して配置することは可能である。
【００４０】
図１２に示す曲線にあっても、図１３の様に反転した曲線を重ね合わせて電極１２の外周形状を決定し、更に図１４の様にｚ軸上に絶縁層１３を設けることにより１０個の単位電極１４に分離する。
【００４１】
この場合における各単位電極１４の極性は、同一面上におけるｚ軸方向に隣接する単位電極１４の極性を反転させるのに加えて、裏面側の対応位置にある単位電極１４の極性を反転させる様にしている。また図１５の様に、絶縁層１３より下側の単位電極群を、ｚ軸方向に反転することもできる。
【００４２】
更に、着目する次数、あるいは重ね合わされる曲線の数が増加した場合にあっても、上記した場合と略同様にして電極１２の外周形状および各単位電極１４の極性が決定されることは同様である。
【００４３】
【実施例】
圧電性基板１１として図３における縦方向長さｄを８ｍｍ、横方向長さｗを５ｍｍ、厚み方向長さを０．０８ｍｍの矩形薄板状の水晶ＡＴ板を用い、その結晶方向は図３の横方向をｚ軸、縦方向をｘ軸、厚み方向をｙ軸となる様にその方向を設定し、圧電振動子を構成した。
【００４４】
その表面上には、銀（Ａｇ）の薄膜からなる表面電極を、裏面上の同位置に同形状の裏面電極を各々形成している。また、各単位電極１４から図示しない引出線を各々設けるとともに、各引出線に対して異なった極性の電圧を印加するようにしている。
【００４５】
そしてこの例では、圧電性基板１１における設計共振周波数を２０ＭＨｚ付近に設定し、着目次数が基本波の対称モードとしている。更に電極１２の厚みを０．３μｍ、ｚ軸方向の幅ｗを３ｍｍ、電極幅方向と直行するｘ軸方向の最大長さｄを６ｍｍとした。
【００４６】
ここで、圧電性基板１１上に幅が３ｍｍで長さが無限の電極を設けた場合を仮定し、弾性波のモード理論から、この例における固有振動モード分布ψ（ｚ）として、
ψ（ｚ）＝ｃｏｓ（０．９７６３４ｚ）（但しｚは、電極中心位置Ｃを０ｍｍとしたｚ軸方向の位置をｍｍで表示したもの）
を得た。
【００４７】
更に上記した固有振動モード分布ψ（ｚ）をグラフで示したものが図１である。横軸は電極中心Ｃを原点とした電極幅方向の長さをｍｍで表示したものであり、縦軸は最大値を１．０とした相対値で表示したものである。
【００４８】
本発明は、前記した固有振動モード分布を圧電性基板１１の駆動時の振動分布と考え、更にその振動分布に対応した振動エネルギーを圧電性基板１１に対して与えることができる電極構成を採用したことを特徴とする。
【００４９】
そこで本実施例にあっては、電極１２の最大長さｄを６ｍｍに設定しているので、図１における縦座標の０．０から１．０までの長さを３ｍｍとし、更にそれを図２の様に長さｄ方向に反転したものを、図上において斜線で示す絶縁層１３を介して対称位置にもう１つ配置することにより、図３の様な凸状に形成した２つの余弦曲線で周囲が包囲された電極形状に構成している。
【００５０】
ここで絶縁層１３は、例えば電極材料の酸化物の様な絶縁材料で形成され、更にできるだけその幅が狭い帯状に構成されるものである。なお、圧電性基板１１の表面上に構成された単位電極１４間で十分な絶縁性を保持するとともに、電極１２と圧電性基板１１によって規定される振動が、ｘ軸方向で反射を起こすことがない材料およびその幅が適宜に選択され、限定されるものではない。
【００５１】
以上の構成にかかる圧電振動子の周波数特性は、図１６に示す通りとなった。また、図２０には、他の条件を上記した実施形態と略同じにした、図１９の様な電極２２の形状が矩形の場合における周波数特性を比較のために示した。
【００５２】
【他の実施例】
この例においては、圧電性基板１１として図１０における縦方向長さを８ｍｍ、横方向長さを５ｍｍ、厚み方向長さを０．０８ｍｍの矩形薄板状の水晶ＡＴ板を用い、その結晶方向は図１０の横方向をｚ軸、縦方向をｘ軸、厚み方向をｙ軸となる様に設定し、更にその圧電性基板１１上における波の伝搬方向に入力電極と出力電極とを設けることによって圧電フィルタを構成した。
【００５３】
本実施例にあっては、圧電性基板１１におけるすべり振動方向であるｘ軸方向で、絶縁層１３により分離される上下方向に、Ａｇ（銀）の薄膜からなる表面側の入力電極と出力電極を併設するとともに、裏面上の同位置に同形状の裏面側の入力電極と出力電極を各々形成している。
【００５４】
そしてこの例では、圧電性基板１１における設計共振周波数を２０ＭＨｚ付近に設定し、電極１２の厚みを０．３μｍ、ｚ軸方向の最大幅ｗを３ｍｍ、電極幅方向と直行するｘ軸方向の最大長さｄを６ｍｍとした。
【００５５】
ここで、圧電性基板１１上に幅が３ｍｍで長さが無限の電極を設けた場合を仮定し、弾性波のモード理論から、着目次数が基本波の対称モードにおける振動モード分布ψ（ｚ）をグラフで示したものが図１である。横軸は図２に示す電極中心Ｃを原点とした電極幅方向の長さをｍｍで表示したものであり、縦軸は最大値を１．０とした相対値で表示したものである。
【００５６】
同様にして、着目次数が第１次の反対称モードにおける振動モード分布ψ（ｚ）をグラフで示したものが図４であり、図１の対称モードにおける振動モード分布と、図４の反対称モードにおける振動モード分布とを互いに加えるとともに、最大値を１．０に補正した曲線が図７である。かかる曲線から、図１０の様な入力電極および出力電極の形状が決定される。
【００５７】
更にこの様にして形成した圧電フィルタの周波数特性は図１７の様になる。図２１に示す従来例における矩形状の圧電フィルタの周波数特性は図２２となり、図１７の周波数特性と比較して、スプリアスが軽減されることが確かめられた。
【００５８】
次に、図１４に示した他の実施例は、第３次の対称振動モードと、第２次および第３次の反対称振動モードで特定される３つの振動モードにおける各振動モード分布の総和をとった図１２に示す曲線に対応するものである。この構成にかかる圧電素子１０を圧電振動子に実施した場合、図１８の様に、合成した３つの振動モードに対応して３つのピークが発生することが確かめられた。図１５の様な電極形状とし、圧電フィルタとして利用することもできる。
【００５９】
なお上記した実施例は一例であって、他の次数やモードの場合にあっても同様である。また圧電性基板１１の形状あるいは各種特性を適宜変更して実施できる。例えば、圧電性基板１１を円形等に変更することができる。また共振周波数も、２０ＭＨｚ以上の高周波あるいはそれ以下の超音波など、限定されるものではない。
【００６０】
更に電極１２も、表面電極および裏面電極の全周に亘って本発明にかかる形状を実施する他に、裏面電極を圧電性基板１１の裏面全面に設ける一方、表面電極における一部に本発明の構成にかかる外周形状の一部を施すことも可能である。
【００６１】
更に電極１２における幅ｗおよび長さｄの大きさも限定されるものではなく、圧電性基板１１の端まで施すことも可能である。その場合にあっても、上記した方法あるいは他の任意の方法を利用して固有振動分布を求め、その固有振動モード分布曲線に対応した電極構成が施されることは、上記した実施例と略同様である。また、電極１２の厚みも任意に設定できる。
【００６２】
更にまた引出線の配設位置および形状は、圧電性基板１１上における電極１２の形成されていない余白部分に対して細帯状に設ける構成、図示しないホルダ側に設ける構成、電極１２に重畳させる構成、あるいは電極部分を縦断させて設ける構成など、適宜変更して実施することも可能である。
【００６３】
なお、入力電極および出力電極は、圧電性基板１１のすべり方向であるｘ軸方向に併設するのに代えて、従来と略同様にｚ軸方向に併設することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】１次の対称モードにおける固有振動モード分布を示すグラフである。
【図２】図１に示すグラフから、本発明にかかる圧電素子における電極の外周形状を決定する過程を示す説明図である。
【図３】本発明にかかる圧電素子を１次の対称モードに対応させて実施した一例を示す平面図である。
【図４】１次の反対称モードにおける固有振動モード分布を示すグラフである。
【図５】図４に示すグラフから、本発明にかかる圧電素子における電極の外周形状を決定する過程を示す説明図である。
【図６】本発明にかかる圧電素子を１次の反対称モードに対応させて実施した一例を示す平面図である。
【図７】１次の対称モードと反対称モードの和を示す振動モード分布を示すグラフである。
【図８】図７に示すグラフから本発明にかかる圧電素子における電極の外周形状を決定する過程を示す説明図である。
【図９】本発明にかかる圧電素子を１次の対称モードと反対称モードの和に対応させて実施した一例を示す平面図である。
【図１０】図９に示す圧電素子の他の実施例を示す平面図である。
【図１１】図９に示す圧電素子の更に他の実施例を示す平面図である。
【図１２】３つの振動モードの和に対応する振動モード分布を示すグラフである。
【図１３】図１２に示すグラフから本発明にかかる圧電素子における電極の外周形状を決定する過程を示す説明図である。
【図１４】本発明にかかる圧電素子を３つの振動モードの和に対応させて実施した一例を示す平面図である。
【図１５】図１４に示す圧電素子の他の実施例を示す平面図である。
【図１６】図３に示す構成の圧電素子を、圧電振動子に利用した場合における周波数特性を示すグラフである。
【図１７】図１０に示す構成の圧電素子を、圧電フィルタに利用した場合における周波数特性を示すグラフである。
【図１８】図１４に示す構成の圧電素子を、圧電振動子に利用した場合における周波数特性を示すグラフである。
【図１９】従来例の圧電振動子を示す斜視図である。
【図２０】図１９に示す圧電振動子の周波数特性を示すグラフである。
【図２１】従来例の圧電フィルタを示す平面図である。
【図２２】図２１に示す圧電フィルタの周波数特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０圧電素子
１１圧電性基板
１２電極
１３絶縁層
１４単位電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric element having electrodes on a piezoelectric substrate, such as a piezoelectric vibrator and a piezoelectric filter.
[0002]
[Prior art]
The piezoelectric vibrator generally has a structure in which one rectangular electrode 22 is formed on the front and back surfaces of a piezoelectric substrate 20 made of a piezoelectric material such as quartz or piezoelectric ceramic, as illustrated in FIG.
[0003]
Further, two piezoelectric vibrators are formed adjacent to each other on one piezoelectric substrate, and the two piezoelectric vibrators can be elastically coupled to use two vibration modes of the elastic wave. A filter can be configured. In addition, it is known that a multimode filter is configured by using three or more vibration modes.
[0004]
For example, as shown in FIG. 21, when the sliding vibration direction on the piezoelectric substrate 41 is the x-axis direction, the input electrode 43 that is two electrodes in the z-axis direction orthogonal to the x-axis on the surface side of the piezoelectric substrate 41 and By forming the output electrodes 44 in parallel with each other, the piezoelectric filter 40 is configured.
[0005]
In addition, lead wires 45 are provided in the left and right outer directions in FIG. 21, both electrodes 43 and 44 are both positive poles, and the back side of the piezoelectric substrate 42 has the same shape and the same shape as the front side. In general, a filter is configured by forming an input electrode and an output electrode as a negative electrode.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, in the piezoelectric vibrator having the configuration as shown in FIG. 19, when the electrode is enlarged in order to reduce the impedance, there is a problem that spurious is generated in a frequency region higher than the fundamental frequency as shown in FIG.
[0007]
The cause of the occurrence of such spurious occurs when the electrode width w is widened, and can be eliminated by reducing the electrode width. In addition, attempts have been made to remove spurious by changing the electrode shape to a circle or rhombus, but this is not necessarily clear and the spurious reduction effect is still not sufficient.
[0008]
On the other hand, it is known that spurious as shown in FIG. 22, for example, is generated even in a piezoelectric filter using rectangular electrodes as shown in FIG. In order to remove this spurious, various devices using the mass effect have been made, but it is not necessarily clear and the spurious reduction effect is not yet sufficient.
[0009]
As a result of research on the inconvenience, the present inventor has obtained the following knowledge. That is, it is possible to first obtain the natural vibration defined by the electrode and the piezoelectric substrate, and further to provide an electrode having a shape that maximizes the conversion efficiency to the natural vibration of an arbitrary order of interest. The idea is to reduce energy.
[0010]
In other words, the vibration energy distribution generated by applying a voltage to the electrode on the piezoelectric substrate is uniquely determined by the shape of the electrode, but this shape is the shape that maximizes the conversion efficiency to the natural vibration of the order of interest. In other words, by applying the electrode shape in accordance with the natural vibration distribution of the order of interest, the vibration energy of other natural vibrations can be relatively lowered, and the spurious reduction effect can be further increased.
[0011]
The same applies to the case where electrodes having a shape that makes the conversion efficiencies into a plurality of modes consisting of symmetric and antisymmetric modes of any order of interest substantially equal are provided.
[0012]
The present invention has been made on the basis of such knowledge, and can further improve the spurious reduction effect as compared with the above-described conventional proposals. Moreover, not only the fundamental wave but also any higher-order mode vibration can be achieved. It is a first object of the present invention to provide a piezoelectric element that can suppress natural vibrations of orders other than the used order and reduce spurious.
[0013]
The present invention also suppresses vibrations of modes of orders other than the order of interest using vibrations of symmetric modes and antisymmetric modes of an arbitrary order as well as first-order symmetric modes and antisymmetric modes. It is a second object to provide a piezoelectric element that can be reduced.
[0014]
It is a third object of the present invention to provide a piezoelectric filter that can be configured as a broadband filter using three or more symmetrical mode and antisymmetric mode vibrations.
[0015]
A fourth object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrator having a plurality of clearly separated resonance characteristics by utilizing vibrations of a plurality of modes and antisymmetric modes.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The piezoelectric element 10 according to the present invention is obtained by providing an electrode 12 on a piezoelectric substrate 11 such as crystal or piezoelectric ceramic as illustrated in FIG. A part or all of the outer peripheral shape of the electrode 12 is configured to have a shape corresponding to the natural vibration mode distribution of the order of interest illustrated in FIG.
[0017]
The outer peripheral shape of the electrode 12 can be constituted by a cosine curve as shown in FIG. 1 or a part or all of a sine curve as shown in FIG. As shown in FIG. 3 or FIG. 6, the cosine or sine curve has a narrow insulating layer 13 in which the unit electrode 14 whose shape is inverted in the direction of the length d is made of a material that does not cause reflection. The electrode 12 which has the outer periphery shape arrange | positioned in two symmetrical positions is comprised.
[0018]
Further, a plurality of vibration mode distributions specified by the order and the vibration mode as shown in FIG. 1 or FIG. 4 are obtained, and the vibration distribution curves as shown in FIG. The shape of the electrode 12 can also be configured.
[0019]
The shape of the electrode 12 is a vibration mode distribution in one order symmetrical vibration mode or a vibration distribution obtained by summing up each vibration mode distribution in a plurality of orders symmetrical vibration mode and a vibration mode distribution in one order antisymmetric vibration mode or Each vibration mode distribution in the antisymmetric vibration modes of a plurality of orders is configured to correspond to a vibration distribution curve expressed by the sum of the vibration distributions.
[0020]
The shape of the electrode 12 can also be configured to correspond to a vibration distribution curve represented by the sum of vibration mode distributions in a plurality of orders of symmetric and antisymmetric vibration modes.
[0021]
Specifically, the shape of the electrode 12 in this case is represented in correspondence with a curve as shown in FIG. 7 or FIG. 12 in which at least one of the cosine and sine curves as shown in FIG. Is done.
[0022]
Here, the unit electrode 14 can be arranged in the same shape at the same position on the front surface and the back surface of the piezoelectric substrate 11. Further, voltages of different polarities are applied to the adjacent unit electrodes 14 at least on the surface side.
[0023]
On the other hand, in the case where the piezoelectric element 10 according to the present invention is a piezoelectric filter, one of the unit electrode groups above the insulating layer 13 in FIG. The lower unit electrode group is configured as an output electrode.
[0024]
【The invention's effect】
According to the present invention, the vibration energy of the natural vibration of the non-target order is relatively reduced by configuring the electrode so that the conversion efficiency to the natural vibration of the target order is maximized with respect to the elastic wave of the arbitrary target order. Accordingly, the attenuation rate of other natural vibrations with respect to the natural vibration of the target order can be increased as much as possible, and the piezoelectric element 10 with less spurious can be obtained.
[0025]
Further, it can be configured as a broadband filter using vibrations of three or more symmetric modes and antisymmetric modes.
[0026]
Furthermore, a piezoelectric vibrator having a plurality of clearly separated resonance characteristics can be configured by utilizing vibrations of a plurality of orders of symmetric mode and antisymmetric mode.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The piezoelectric element 10 according to the present invention is characterized by the procedure for determining the electrode shape, and the basic concept is substantially common to the piezoelectric vibrator and the piezoelectric filter. That is, in the piezoelectric vibrator, the plurality of unit electrodes 14 are used as a set of electrodes including a positive electrode and a negative electrode. On the other hand, in the piezoelectric filter, the unit electrode 14 set to the positive electrode or the negative electrode is further separated into an input electrode and an output electrode and used as two sets of electrodes.
[0028]
More specifically, the outer peripheral shape of the target electrode 12 is determined based on the shape of the vibration mode distribution in the symmetric mode and antisymmetric mode of the order of interest, or a shape obtained by adding them together.
[0029]
For example, the vibration mode distribution in the first-order symmetric mode has a shape in which the left and right ends of the cosine curve corresponding to a half cycle rise as illustrated in FIG. On the other hand, the vibration mode distribution in the first-order antisymmetric mode is a part of a sine curve as illustrated in FIG.
[0030]
Furthermore, when the sum of the curves shown in FIGS. 1 and 4 is taken, a large mountain-shaped curve extending on the plus side of the coordinate axis and a small mountain-shaped curve extending on the minus side are obtained as shown in FIG. The same applies when three or more symmetric and antisymmetric vibration modes are used. For example, by obtaining vibration mode curves in the third-order symmetric mode and the second-order and third-order antisymmetric modes and taking the sum thereof, a curve as shown in FIG. 12 is obtained.
[0031]
Therefore, in the curve of FIG. 1, a substantially elliptical closed curve is formed by adding a curve inverted in the minus direction, as indicated by a broken line in FIG. Therefore, the shape corresponding to the closed curve is the basic outer peripheral shape of the electrode 12 in the present invention.
[0032]
Furthermore, in the piezoelectric element 10 of the present invention, as shown in FIG. 3, by providing a thin band-like insulating layer 13 extending in the z-axis direction on the piezoelectric substrate 11, the vertical direction in the x-axis direction around the insulating layer 13 is provided. Two unit electrodes 14 and 14 are formed on the surface of the piezoelectric substrate 11.
[0033]
Therefore, the unit electrode 14 having the same configuration as that of the electrode 12 on the front surface side is formed at the same position on the back surface side of the piezoelectric substrate 11, and a lead wire (not shown) is provided from each unit electrode 14. Further, the polarity according to the present invention is determined by determining the polarity so that the polarities in the unit electrode 14 at the adjacent positions on the respective surfaces and the corresponding positions on the front and back surfaces become positive and negative poles shown in the drawing through the lead lines. The basic shape of the element 10 is configured.
[0034]
Here, the insulating layer 13 is formed in a narrow width with an insulating material such as an oxide of an electrode material, for example, and has a sufficient insulating property between the unit electrodes 14 formed on the piezoelectric substrate 11. The material and the shape thereof are selected so that the vibration defined by the electrode 12 and the piezoelectric substrate 11 does not cause reflection in the x-axis direction.
[0035]
Further, when the piezoelectric element 10 is used as a piezoelectric vibrator, all the unit electrodes 14 are used as one set of electrodes without changing the basic configuration described above.
[0036]
Next, even in the curve shown in FIG. 4, two closed curves are drawn by adding the inverted curves shown by the broken lines in FIG. 5 in substantially the same manner as described above. Therefore, by forming an electrode 12 having an outer peripheral shape corresponding to this curve on the piezoelectric substrate 11 and providing an insulating layer 13 penetrating in the z-axis direction, four insulated units as shown in FIG. An electrode 14 is configured.
[0037]
Therefore, the unit electrode 14 having the same configuration is formed at the same position on the back surface side, and a lead wire (not shown) is provided in each unit electrode 14 to set the polarity as shown in the drawing, whereby the piezoelectric element 10 according to the present invention. Is configured.
[0038]
Further, even in the curve shown in FIG. 7, the outer peripheral shape of the electrode 12 is determined by adding the inverted curve as shown in FIG. 8, and further, the insulating layer 13 forms four large and small unit electrodes 14 as shown in FIG. It is the same in that the piezoelectric element 10 can be configured by separating and providing a lead wire (not shown) to set each unit electrode 14 to the polarity shown.
[0039]
However, in the case of such a configuration, as shown in FIG. 10, for example, the lower two unit electrodes 14 divided by the insulating layer 13 can be reversed and arranged in the z-axis direction. In addition, as shown in FIG. 11, both small unit electrodes 14 may be arranged so as to be reversed in the x-axis direction. In short, it is sufficient to provide a plurality of unit electrodes 14 partitioned by the curves shown in FIG. 7, and it is possible to change the unit electrodes 14 to be symmetric with respect to the x axis and the z axis.
[0040]
Even in the curve shown in FIG. 12, the outer peripheral shape of the electrode 12 is determined by superposing the inverted curves as shown in FIG. 13, and 10 pieces are provided by providing the insulating layer 13 on the z-axis as shown in FIG. Are separated into unit electrodes 14.
[0041]
In this case, the polarity of each unit electrode 14 is such that the polarity of the unit electrode 14 at the corresponding position on the back side is reversed in addition to the polarity of the unit electrode 14 adjacent in the z-axis direction on the same plane. I have to. In addition, as shown in FIG. 15, the unit electrode group below the insulating layer 13 can be inverted in the z-axis direction.
[0042]
Further, even when the order of interest or the number of curves to be overlapped increases, the outer peripheral shape of the electrode 12 and the polarity of each unit electrode 14 are determined in substantially the same manner as described above. is there.
[0043]
【Example】
As the piezoelectric substrate 11, a rectangular thin crystal AT plate having a vertical length d of 8 mm, a horizontal length w of 5 mm and a thickness direction length of 0.08 mm in FIG. 3 is used, and the crystal direction thereof is shown in FIG. The directions were set so that the horizontal direction was the z-axis, the vertical direction was the x-axis, and the thickness direction was the y-axis, and a piezoelectric vibrator was configured.
[0044]
On the surface, a surface electrode made of a thin film of silver (Ag) is formed, and a back electrode having the same shape is formed at the same position on the back surface. In addition, a lead wire (not shown) is provided from each unit electrode 14 and a voltage having a different polarity is applied to each lead wire.
[0045]
In this example, the design resonance frequency of the piezoelectric substrate 11 is set to around 20 MHz, and the order of interest is a symmetric mode of the fundamental wave. Furthermore, the thickness of the electrode 12 was 0.3 μm, the width w in the z-axis direction was 3 mm, and the maximum length d in the x-axis direction perpendicular to the electrode width direction was 6 mm.
[0046]
Here, it is assumed that an electrode having a width of 3 mm and an infinite length is provided on the piezoelectric substrate 11, and from the elastic wave mode theory, the natural vibration mode distribution ψ (z) in this example is
ψ (z) = cos (0.97634z) (where z is the position in the z-axis direction expressed in mm, where the electrode center position C is 0 mm)
Got.
[0047]
Further, FIG. 1 is a graph showing the natural vibration mode distribution ψ (z) described above. The horizontal axis indicates the length in the electrode width direction with the electrode center C as the origin in mm, and the vertical axis indicates the relative value with the maximum value being 1.0.
[0048]
The present invention considers the above-described natural vibration mode distribution as a vibration distribution when the piezoelectric substrate 11 is driven, and further employs an electrode configuration that can give the piezoelectric substrate 11 vibration energy corresponding to the vibration distribution. It is characterized by that.
[0049]
Therefore, in this embodiment, the maximum length d of the electrode 12 is set to 6 mm. Therefore, the length from 0.0 to 1.0 on the ordinate in FIG. 1 is set to 3 mm. Two cosines formed in a convex shape as shown in FIG. 3 by arranging another one inverted in the length d direction as shown in FIG. The electrode shape is surrounded by a curve.
[0050]
Here, the insulating layer 13 is formed of an insulating material such as an oxide of an electrode material, for example, and is configured in a strip shape having a width as narrow as possible. In addition, while maintaining sufficient insulation between the unit electrodes 14 formed on the surface of the piezoelectric substrate 11, vibrations defined by the electrodes 12 and the piezoelectric substrate 11 may cause reflection in the x-axis direction. The material and the width thereof are appropriately selected and are not limited.
[0051]
The frequency characteristics of the piezoelectric vibrator according to the above configuration are as shown in FIG. FIG. 20 shows, for comparison, frequency characteristics when the electrode 22 has a rectangular shape as shown in FIG. 19 in which the other conditions are substantially the same as those of the above-described embodiment.
[0052]
[Other embodiments]
In this example, as the piezoelectric substrate 11, a rectangular thin crystal AT plate having a vertical length of 8 mm, a horizontal length of 5 mm, and a thickness direction length of 0.08 mm in FIG. 10 is used, and its crystal direction is By setting the horizontal direction in FIG. 10 to be the z-axis, the vertical direction to be the x-axis, and the thickness direction to be the y-axis, and further providing an input electrode and an output electrode in the wave propagation direction on the piezoelectric substrate 11 A piezoelectric filter was constructed.
[0053]
In this example, the input and output electrodes on the surface side made of a thin film of Ag (silver) in the vertical direction separated by the insulating layer 13 in the x-axis direction that is the sliding vibration direction in the piezoelectric substrate 11. And an input electrode and an output electrode on the back surface side having the same shape are formed at the same position on the back surface.
[0054]
In this example, the design resonance frequency of the piezoelectric substrate 11 is set to about 20 MHz, the thickness of the electrode 12 is 0.3 μm, the maximum width w in the z-axis direction is 3 mm, and the maximum in the x-axis direction orthogonal to the electrode width direction. The length d was 6 mm.
[0055]
Here, it is assumed that an electrode having a width of 3 mm and an infinite length is provided on the piezoelectric substrate 11, and based on the elastic wave mode theory, the vibration mode distribution ψ (z) in the symmetric mode of the fundamental wave of interest. FIG. 1 is a graph showing the above. The horizontal axis represents the length in the electrode width direction with the electrode center C shown in FIG. 2 as the origin in mm, and the vertical axis represents the relative value with the maximum value being 1.0.
[0056]
Similarly, FIG. 4 is a graph showing the vibration mode distribution ψ (z) in the antisymmetric mode of the first order of interest, and the vibration mode distribution in the symmetric mode of FIG. 1 and the antisymmetric of FIG. FIG. 7 shows a curve in which the vibration mode distribution in the mode is added to each other and the maximum value is corrected to 1.0. From these curves, the shapes of the input electrode and the output electrode as shown in FIG. 10 are determined.
[0057]
Further, the frequency characteristics of the piezoelectric filter formed in this way are as shown in FIG. The frequency characteristics of the rectangular piezoelectric filter in the conventional example shown in FIG. 21 are as shown in FIG. 22, and it has been confirmed that spurious is reduced compared to the frequency characteristics of FIG.
[0058]
Next, another embodiment shown in FIG. 14 is the sum of each vibration mode distribution in the third vibration mode and the three vibration modes specified by the second and third antisymmetric vibration modes. This corresponds to the curve shown in FIG. When the piezoelectric element 10 according to this configuration is implemented in a piezoelectric vibrator, it has been confirmed that three peaks are generated corresponding to the combined three vibration modes as shown in FIG. The electrode shape as shown in FIG. 15 can be used as a piezoelectric filter.
[0059]
The above-described embodiment is an example, and the same applies to other orders and modes. In addition, the shape or various characteristics of the piezoelectric substrate 11 can be changed as appropriate. For example, the piezoelectric substrate 11 can be changed to a circle or the like. Also, the resonance frequency is not limited to a high frequency of 20 MHz or higher or an ultrasonic wave of lower frequency.
[0060]
Further, the electrode 12 also has the shape according to the present invention over the entire circumference of the surface electrode and the back electrode, and the back electrode is provided on the entire back surface of the piezoelectric substrate 11, while the surface electrode has a portion of the present invention. It is also possible to apply a part of the outer peripheral shape according to the configuration.
[0061]
Further, the width w and the length d of the electrode 12 are not limited, and it can be applied up to the end of the piezoelectric substrate 11. Even in such a case, the natural vibration distribution is obtained by using the above-described method or any other method, and the electrode configuration corresponding to the natural vibration mode distribution curve is applied. It is the same. Moreover, the thickness of the electrode 12 can also be set arbitrarily.
[0062]
Furthermore, the arrangement position and shape of the leader line are configured to be provided in a narrow strip shape on a blank portion where the electrode 12 is not formed on the piezoelectric substrate 11, a configuration provided on the holder side (not shown), and a configuration superimposed on the electrode 12. Alternatively, the present invention can be implemented with appropriate modifications such as a configuration in which the electrode portion is provided in a longitudinal manner.
[0063]
Note that the input electrode and the output electrode can be provided in the z-axis direction as in the prior art, instead of being provided in the x-axis direction, which is the sliding direction of the piezoelectric substrate 11.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a natural vibration mode distribution in a first-order symmetric mode.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a process of determining an outer peripheral shape of an electrode in a piezoelectric element according to the present invention from the graph shown in FIG.
FIG. 3 is a plan view showing an example in which the piezoelectric element according to the present invention is implemented corresponding to a first-order symmetry mode.
FIG. 4 is a graph showing a natural vibration mode distribution in a first-order antisymmetric mode.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a process of determining an outer peripheral shape of an electrode in the piezoelectric element according to the present invention from the graph shown in FIG.
FIG. 6 is a plan view showing an example in which the piezoelectric element according to the present invention is implemented corresponding to a first-order antisymmetric mode.
FIG. 7 is a graph showing a vibration mode distribution indicating the sum of a first-order symmetric mode and an anti-symmetric mode.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a process of determining an outer peripheral shape of an electrode in the piezoelectric element according to the present invention from the graph shown in FIG.
FIG. 9 is a plan view showing an example in which the piezoelectric element according to the present invention is implemented corresponding to the sum of the first-order symmetric mode and the anti-symmetric mode.
10 is a plan view showing another embodiment of the piezoelectric element shown in FIG.
11 is a plan view showing still another embodiment of the piezoelectric element shown in FIG. 9. FIG.
FIG. 12 is a graph showing a vibration mode distribution corresponding to the sum of three vibration modes.
13 is an explanatory diagram showing a process of determining the outer peripheral shape of the electrode in the piezoelectric element according to the present invention from the graph shown in FIG.
FIG. 14 is a plan view showing an example in which the piezoelectric element according to the present invention is implemented corresponding to the sum of three vibration modes.
15 is a plan view showing another embodiment of the piezoelectric element shown in FIG.
16 is a graph showing frequency characteristics when the piezoelectric element having the configuration shown in FIG. 3 is used in a piezoelectric vibrator.
17 is a graph showing frequency characteristics when the piezoelectric element having the configuration shown in FIG. 10 is used in a piezoelectric filter.
18 is a graph showing frequency characteristics when the piezoelectric element having the configuration shown in FIG. 14 is used in a piezoelectric vibrator.
FIG. 19 is a perspective view showing a conventional piezoelectric vibrator.
20 is a graph showing frequency characteristics of the piezoelectric vibrator shown in FIG.
FIG. 21 is a plan view showing a conventional piezoelectric filter.
22 is a graph showing frequency characteristics of the piezoelectric filter shown in FIG. 21. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piezoelectric element 11 Piezoelectric substrate 12 Electrode 13 Insulating layer 14 Unit electrode

Claims

In a piezoelectric element having an electrode on a piezoelectric substrate,
A part or all of the outer peripheral shape of the electrode is configured to have a shape corresponding to the vibration mode distribution of the order of interest or the sum thereof.

The piezoelectric element according to claim 1, wherein the outer peripheral shape of the electrode is a vibration mode distribution that is a part or all of a cosine or sine curve.

The shape of the electrode is configured to correspond to the vibration mode distribution that is the cosine or sine curve or the sum thereof, and the shape of the electrode inverted in the height direction is arranged at a symmetrical position via the insulating layer The piezoelectric element according to claim 2, wherein an outer peripheral shape including a plurality of unit electrodes is configured.

The piezoelectric element according to claim 3, wherein the insulating layer is made of an insulating material that does not cause reflection.

The piezoelectric element according to claim 4, wherein the electrodes have the same shape at the same position on the front and back surfaces of the piezoelectric substrate.

The piezoelectric element is a piezoelectric vibrator,
The piezoelectric element according to claim 3, wherein voltages having different polarities are applied to each adjacent unit electrode.

The piezoelectric element is a piezoelectric filter,
6. The piezoelectric element according to claim 3, wherein each adjacent unit electrode includes an input electrode and an output electrode, and each unit electrode is set to have a different polarity.

The piezoelectric element according to claim 7, wherein the input electrode and the output electrode are provided side by side in a wave propagation direction on the piezoelectric substrate.

A piezoelectric element having electrodes on a piezoelectric substrate,
A piezoelectric element characterized in that a plurality of vibration mode distributions specified by an order and a vibration mode are obtained, and the shape of the electrode is configured to correspond to a vibration distribution curve represented by the sum of the vibration mode distributions.

The shape of the electrode is
10. The piezoelectric element according to claim 9, wherein the piezoelectric element is configured to correspond to a vibration distribution curve obtained by summing up the vibration mode distributions in a plurality of orders of symmetric or antisymmetric vibration modes.

The shape of the electrode is
A vibration distribution obtained by summing up vibration mode distributions in a single-order symmetrical vibration mode or a plurality of vibration mode distributions in multiple-order symmetrical vibration modes;
A vibration mode distribution in one-order antisymmetric vibration mode or a vibration distribution curve represented by the sum of the vibration mode distributions of the vibration mode distributions in a plurality of orders of anti-symmetric vibration modes. The piezoelectric element according to claim 9.

The piezoelectric element according to claim 10 or 11, wherein the shape of the electrode is represented in correspondence with a vibration distribution curve as a sum total of a plurality of vibration mode distributions which are a cosine curve and a sine curve.

The vibration distribution curve as the sum is a shape inverted in the height direction of the electrode shape configured corresponding to the vibration distribution curve, and is arranged at a symmetrical position via an insulating layer, and includes a plurality of unit electrodes. The piezoelectric element according to claim 12, wherein an outer peripheral shape is configured.

The piezoelectric element according to claim 13, wherein the insulating layer is made of an insulating material that does not cause reflection.

15. The piezoelectric element according to claim 13, wherein the adjacent unit electrodes are set to have different polarities from each other.

The electrodes are arranged in the same position on the front and back surfaces of the piezoelectric substrate, and the same shape is disposed.
The piezoelectric element according to claim 15, wherein unit electrodes at corresponding positions are set to have different polarities.

The piezoelectric element is a piezoelectric filter,
The piezoelectric element according to claim 13, wherein the electrode includes an input electrode and an output electrode.

A piezoelectric element having electrodes on a piezoelectric substrate,
The shape of the electrode is
A piezoelectric element characterized by being configured to correspond to a curve represented by a sum total of at least one of a cosine curve and a sine curve having different shapes.

The electrode is composed of a plurality of unit electrodes,
19. The piezoelectric element according to claim 18, wherein a positive electrode and a negative electrode are simultaneously formed on the same surface of the piezoelectric substrate.

The unit electrodes are arranged in the same position on the front and back surfaces of the piezoelectric substrate, and the same shape is disposed.
20. The piezoelectric element according to claim 19, wherein unit electrodes at corresponding positions are set to have different polarities.

The piezoelectric element is a piezoelectric filter,
The piezoelectric element according to claim 20, wherein the electrode includes an input electrode and an output electrode.

The piezoelectric element according to claim 21, wherein the input electrode and the output electrode are provided side by side in a wave propagation direction.