JP5168470B2 - 圧電共振子 - Google Patents

Description

本発明は、幅振動を利用した、矩形状の圧電振動部を有する圧電共振子に関するものである。

幅振動を利用した、矩形状の圧電振動部を有する圧電共振子は、圧電振動部の、主に振動する幅方向に沿う辺の中央部にノード点が存在することが分かっている。下記特許文献１には、このノード点近傍に矩形状の支持部を連結し、圧電振動部を支持した構造が開示されている。

図５は、特許文献１に記載の幅振動を利用した圧電共振子を説明するための模式的平面図である。圧電共振子２１は、圧電薄膜とその両面に形成された電極とからなる圧電振動部２３とを有している。この圧電振動部２３は、そのノード点Ｎ近傍に連結された矩形状の支持部２４を介して、基板２２に対してギャップをもたせて浮かせた状態で基板２２に固定されている。

このような圧電振動子２１は、圧電振動部２３の厚みに依存しにくく、或る程度良好な共振特性の得られるものである。
ＷＯ２００７／０８８６９６号公報

前述した幅振動を利用し、矩形状の圧電振動部２３をもつ圧電共振子２１は、前記圧電振動部２３が、そのノード点Ｎ近傍に設けられた矩形状の支持部２４で支持されている。ここで前記支持部２４の幅及び長さ寸法によっては、圧電振動部２３から支持部２４に伝わった振動に振動漏れが発生し、共振特性に劣化が生じることが分かった。

そこで本発明の目的は、幅振動を利用する圧電共振子において、矩形状の支持部の幅及び長さ寸法を規定し、振動漏れによる共振特性の劣化を低減することにある。

上記問題点を解決するために、本発明は以下のような構成をとる。

本発明に係る圧電共振子は、圧電体と前記圧電体を挟んで対向する電極を備える矩形状の圧電振動部が、基板との間にギャップをもたせながら前記圧電振動部の主に変位する幅方向に沿う辺のノード点近傍に連結された矩形状の支持部を介して、前記基板に固定されている幅振動を利用した圧電共振子において、前記支持部の幅寸法ａと前記圧電振動部の幅寸法ｂは、０．０１５≦ａ／ｂ≦０．２００であり、前記圧電振動部の長さ寸法ｄと幅寸法ｂは、ｄ＝１．５ｂであり、前記支持部の長さ寸法ｃは、利用する振動の波長をλとすると、７×１０^-3λ≦ｃ≦１９０×１０^-3λであることを特徴としている。

前記圧電体は、圧電薄膜で構成するのがよい。

本発明は、上記のような支持部寸法をとることにより、支持部からの振動漏れを低減し、共振特性の劣化を防ぐことができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１（ａ）は本発明の実施形態の構成を示す圧電共振子１の模式的平面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。

図２（ａ）及び（ｂ）は、図１（ａ）におけるＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線に沿う各断面図である。

圧電共振子１は、圧電振動部３において幅振動モードを利用して共振特性を得ている。

本実施形態では、基板２上において、平面形状が矩形状の圧電振動部３が構成されている。基板２を構成する材料としては、半導体もしくは絶縁体、例えばＳｉ系半導体やガラスなどが用いられる。圧電振動部３は、圧電体４と、圧電体４の第１の主面としての下面に形成された第１の電極５と、圧電体４の第２の主面としての上面に形成された第２の電極６とを有しており、第１、第２の電極５、６が圧電体４を介して厚み方向に重なり合った部分である。圧電体４は、その分極軸方向が圧電体４の厚み方向とされている。

第１の電極５と、第２の電極６は、圧電体４に交流電圧を印加し、圧電体４を励振させるために設けられている。第１、第２の電極５、６を構成する材料は、例えばＡｌを用いるが、Ａｌに特に限定されず、適宜の導電性材料を用いることができる。このような導電性材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉもしくはこれらの合金、例えばエリンバーやインバーなどが用いられる。

圧電体４は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が用いられている。このような圧電材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）以外に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、などの圧電薄膜が用いられる。また、圧電体４はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス（ＰＺＴ系圧電セラミックス）などの圧電セラミックス、またはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、水晶などの圧電単結晶であってもよい。

圧電振動部３は、基板２に以下の態様で支持されている。圧電体４は、圧電振動部３を越えて、圧電振動部３のノード点Ｎ近傍から長さ方向外側に延ばされている。この圧電振動部３の外側に延ばされている圧電体部分を、支持部４ａ，４ｂとする。支持部４ａ，４ｂは、圧電振動部３と基板２との間にギャップＤを持たせながら圧電振動部３を支持し、支持部４ａ，４ｂに連結された固定部４ｃ，４ｄにおいて基板２に積層された付加膜７を介して基板２に固定されている。付加膜７が設けられていない場合には、固定部４ｃ、４ｄを直接基板２に固定しても良い。

本実施形態の圧電共振子１は、付加膜が圧電体４の第１の主面または第２の主面の両面に形成されているが、圧電体４の第１の主面または第２の主面のどちらか一方に形成されていてもよい。また、付加膜を有していなくてもよい。

付加膜を構成する材料としてはＳｉＯ２やＳｉＮなどの誘電体薄膜や、Ａｌ、Ｃｕ、エリンバー、インバーなどの導電性材料やＺｎＯ、ＡｌＮなどの圧電材料、Ｓｉなどの半導体材料であってもよい。

本実施形態の圧電共振子１は、基板２上に犠牲層、付加膜７、第１の電極５、圧電体４、第２の電極６、付加膜８を順に形成し、最後に犠牲層を除去しギャップＤを形成して製造されている。

ここで、図３を用いて圧電振動部３の振動形態を説明する。圧電振動部３は短辺３ａ、長辺３ｂとを備えた矩形の平面形状を有しており、実線で示す当初の状態から短辺３ａの中央部にあるノード点Ｎを中心に幅方向に沿って変位する。すなわち、破線で示すように幅方向に沿う寸法が大きくなった状態と実線で示すように幅方向に沿う寸法が小さくなった状態を繰り返す。

圧電振動部３及び支持部４ａ、４ｂの外形寸法は、図１（ａ）に示すように圧電振動部３の幅寸法をｂ、長さ寸法をｄ、支持部４ａ、４ｂの幅寸法をａ、長さ寸法をｃ、利用する振動の波長をλとすると、０．０１５≦ａ／ｂ≦０．２００、ｄ＝１．５ｂ、７×１０^-3λ≦ｃ≦１９０×１０^-3λ、となるように構成されている。

図４は、支持部４ａ、４ｂの幅寸法ａと圧電振動部３の幅寸法ｂが０．０１５≦ａ／ｂ≦０．２００、圧電振動部３の長さ寸法ｄがｄ＝１．５ｂにおいて、支持部の長さ寸法ｃを変えた時の、帯域ｄｆ／共振周波数ｆｒの変化をシミュレーションしたグラフである。

図４より明らかなように、支持部４ａ、４ｂの長さ寸法ｃが、１９０×１０^-3λ以下の時に、帯域ｄｆ／共振周波数ｆｒが０．７０％以上と良好な値を示す。支持部の長さ寸法ｃが１９０×１０^-3λを越えた時は、振動漏れの影響から帯域ｄｆ／共振周波数ｆｒが０．７０％を下回ってしまう。

また、支持部の長さ寸法ｃが７×１０^-3λより小さい場合は、本実施形態で示したような構造の圧電共振子を生産できないため、７×１０^-3λ以上とするのがよい。

（ａ）は本発明の実施形態の構成を説明する模式的平面図である。（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図１（ａ）におけるＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線に沿う各断面図である。 圧電振動部の変位形態を説明する模式的平面図である。 支持部長さ寸法を変化させた時の帯域ｄｆ／共振周波数ｆｒ特性である。 従来の圧電共振子の構成を示す模式的平面図である。

符号の説明

１ 圧電共振子
２ 基板
３ 圧電振動部
３ａ 圧電振動部短辺
３ｂ 圧電振動部長辺
４ 圧電体
４ａ、４ｂ 支持部
４ｃ、４ｄ 固定部
５ 第１の電極
６ 第２の電極
７、８付加膜
９、１０ 端子電極
Ｄ ギャップ
Ｎ ノード点
ａ 支持部幅寸法
ｂ 圧電振動部幅寸法
ｃ 支持部長さ寸法
ｄ 圧電振動部長さ寸法

Claims (2)

1. 圧電体と前記圧電体を挟んで対向する電極を備える矩形状の圧電振動部が、前記圧電振動部の主に変位する幅方向に沿う辺のノード点近傍に連結された矩形状の支持部を介して、基板との間にギャップをもたせながら前記基板に固定されている、幅振動を利用した圧電共振子において、
   前記支持部の幅寸法ａと前記圧電振動部の幅寸法ｂは、０．０１５≦ａ／ｂ≦０．２００であり、前記圧電振動部の長さ寸法ｄと幅寸法ｂは、ｄ＝１．５ｂであり、前記支持部の長さ寸法ｃは、利用する振動の波長をλとすると、７×１０^-3λ≦ｃ≦１９０×１０^-3λであることを特徴とする圧電共振子。
2. 前記圧電体が圧電薄膜であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電共振子。

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