JPS60126907A - 単一応答複合圧電振動素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、単一の周波数帯においてのみ電気的な応答
が得られる複合圧電振動素子に関するものである。

〈従来技術〉 圧電共檄子は小形かつ安定な発振素子あるいはフィルタ
素子として利用され、ＶＨＦＨＦ下の周波数では主とし
て水晶振動子が用いられている。一方、ＵＨＦ帯におい
ては、表面弾性波素子が用いられているが、最近では小
形・高性能化の可能性から、バルク弾性波による複合共
振子が開発されつつある。従来の複合共振子の構造およ
び振動変位分布の一例を第１図に示す。第１図Ａは構造
をあられし、水晶、シリコン等の基板１１上妃励振用電
極１２が形成され、その励振用電極１２上にＺｎＯある
いはＡｔＮなどの正正、性薄膜１３が形成され、その圧
電性薄膜１３上に励振用布１極１４が形成される０励振
用電極１２　、１４にそれぞれ端子１５　、１６が接続
されである。

励振用電極１２　、１４を通して圧電薄膜１３に高周波
電界が印加されると、弾性波が発生し、この弾性波は基
板１１の底面（圧電薄膜１３と反対の面）と圧電薄膜１
３の表面（基板１１と反対の面）との間で反射されて共
振が生じる。その共振周波数および共振特性は基板１１
ならびに圧電薄膜１３の月料、厚さ。

共振モード等に依存するが、特に高い周波数の共振を得
る場合には、圧電薄膜１３の部分に定在波が１個、基板
１１の部分に多数の定在波が分布するような、いわゆる
オーバートーンモードを利用する場合が多い。第１図Ｂ
の曲線！はオーバートーン次数Ｎが７の場合の変位分布
の様子を示す。圧電共振子では一般に多数のオーバート
ーン共振が存在するので、実際に使用する以外のオーバ
ートーン共振はスプリアス応答となる。第１図Ｂの曲線
■、■はそれぞれ曲線ｌの近隣の（Ｎ−１）次および（
Ｎ＋１）次オーバートーンの変位分布を示す。

今、使用オーバートーン次数をＮ、８次オーバートーン
の共振周波数をｆｏとすると、スプリアス周波数ｆｎは
ｎを正の整数としてｆｎ＝ｆｏ　（１±ｎ／Ｎ）で与え
られるから、高次のオーバートーン共振を利用する場合
、主共振付近にスプリアスが存在することとなり、素子
特性劣化の要因となっていた。

〈発明の概要〉 この発明はこれを解決するため、１枚の基板上に複数個
の複合共振素子を設け、これらの複合共振素子は、次数
の異なるオーバートーンｔこおいて同一の共振周波数を
得るように設定し、かつこれらの共振素子を相互接続す
ることにより単一の周波数帯においてのみ応答を得るこ
とを可能としたものである。。

〈実施例〉 第２図は、この発明による単一応答複合振動子の一実施
例であり、基板１１は底面及び上面が平行な平行平板状
をしており、基板１１上に励振用電極１７　、１８が分
離して形成され、これら励振用電極１７゜１８上に共通
の圧電性薄膜１３が形成される。電極１７および１８は
基板１１と圧電性薄膜１３との間において間隔ｔだけ隔
ててあシ、圧電性薄膜１３を介して電極１７および１８
と対向するように圧電性薄膜１３上に励振用電＠Ａ１９
が設けられる。各々の対向領域を２１および２２とする
。電極１７　、１８に端子１５　、１６がそれぞれ接続
される。また、電極の対向部分２１　、２２の一方（第
２図の実施例でｌ１２２の部分）のみを覆うように電極
１９上に付加物質２３が形成される。

端子１５　、１６の間に高周波電圧を印加すると、圧電
性薄膜１３の領域２１および２２の部分に高周波電界が
加わり、各々の領域２１　、２２は厚みモードの複合共
振子として動作する。従って端子１５　、１６間からこ
の振動素子をみるとこれら２個の共振子（領域２１と２
２）が直列接続されたものとなる。領域２１においては
８次オーバートーンの共振周波数が所用の周波数ｆｏに
等しくなるように設定し、さら比領域２２においては、
付加物質２３の厚さを周波数ｆ。における弾性波の半波
長にほぼ等しくすることにより、（Ｎ＋１）次オーバー
トーンの共振周波数をｆ。

に一致させる。スプリアス周波数はｎを正の整数として
、領域２１ではｆｏ（１±ｎ　／　Ｎ　）、領域２２に
おいてはｆｏ　（１±ｎ／Ｎ＋１）とそれぞれなり、互
いに異なってくるから端子１５　、１６からみると共振
子２１゜２２は直列であるため、これらに共通の周波数
、即ち共振周波数ｆｏ付近においてのみ応答の得られる
共振子となる。領域２１と２２との間隔ｔば、両者の間
で弾性的な結合が生じないよう十分能しておく必要があ
るが、そのための間隔は周波数にほぼ逆比例し、ＵＨＦ
帯では数１００μｍ離せば十分である。

付加物質２３の厚さは、必ずしも周波数ｆｏにおける弾
性波の半波長に等しくなくてもよく、半波長の整数倍と
しても良い。すなわちｍを正の整数として、付加物質２
３の厚さをｆｏにおける弾性波の半波長のｍ倍にすると
、領域２２においては（Ｎ＋ｍ　）次オーバートーンの
共振周波数はｆｏに一致し、一方スグリアス周波数はｆ
ｏ（１士ｎ／（Ｎ＋ｍ月となるから、端子１５　、１６
からは周波数ｆｏ付近のみの応答をとシ出すことができ
る。

付加物質２３は、５１０２あるいはＡＬ２０ｓ等の非圧
電性材料を真空蒸着、スパッタリングなどの方法で形成
しても良いが、また圧電性薄膜を用いても良くミその場
合第２図の実施例とは多少異なった構成とすることもで
きる０即ち、第３図は圧電性薄膜を付加物質に用いた場
合の一実施例であり、付加物質として圧電性薄膜２４を
領域２２士の圧電性薄膜２４上に形成する。その圧電性
薄膜２４上に電極２５を形成し、この電極２５を基板１
１上の電極１８とは同電位となるよう接続する。さらに
圧電性薄膜１３゜２４とはそのＣ軸方位を一致させる。

領域２１では、第２図の領域２１と同様にＮ次オーツ（
−トーンにて共振周波数ｆｏを得る。−実領域２２では
、圧電性薄膜１３と２４とに加わる電界の方向は互いに
逆向きとなりかつＣ軸方位を一致させているから、この
領域２２では圧電性薄膜１３と２４とで位相の反転した
弾性波が励起される。従って圧電性薄膜２４の厚さを周
波数ｆｏにおける弾性波のほぼ半波長ｒすれば第２図の
実施例について説明したと同様にして単一周波数帯にお
いてのみ応答を得ることができる。

以上の説明から明らかなように１．この発明による単一
応答複合圧電振動素子の原理は、１枚の基板上に複数個
の厚みモードの複合圧電共振子を形成して、相異なる次
数のオーツ（−トーンにおいて同一の共振周波数が得ら
れるように設定し、それらを相互に接続することにある
。従って素子の構成としては、基板、圧電性薄膜、付加
物質等を含めた共振子の実効厚さが、所用の周波数にお
ける弾性波の波長をλ０として、λＯ／２の整数倍だけ
相互に異なる複数個の共振子を形成できるものであれば
良い。

第４図〜第６図はこの発明の他の実施例である。

第４図の例では、厚さがλ０／２の整数倍の付加物質２
６を基板１１の圧電性薄膜１３を付着した面と反対側の
面上に設けたものであり、その動作は第２図の場合と同
様である。第５図の例では、２個の共振子のいずれにも
付加物質２７を設け、その厚さに領域２１と２２とでλ
ｏ／２の整数倍の段差を付けである。さらに第６図の例
では付加物質を用いず、一方の共振子、即ち領域２２に
おいて基板１１の厚さをエツチングなどの方法により基
板１１の底面に凹所２８を形成して、λｏ／２の整数倍
だけ領域２１の基板１１よシも薄くしである。

以上の実施例はいずれも圧電性薄膜を基板の片面にのみ
形成した場合について示したが、この発明は基板の両面
に圧電性薄膜を形成した場合にも適用できることは明ら
かであり、また励振用の圧電性薄膜を多層状としたもの
にも適用できる。

第７図は圧電性薄膜を３層とした場合の実施例で基板１
１土に圧電性薄膜１３　、３１　、３２を、緩衝層３３
゜３４を順次介在させて順次形成する。最上の圧電性薄
膜３２に共通の電極１９を形成し、領域２２０基板１１
の底面にλＯ／２の整数倍の厚さの付加物質２６を形成
する。この実施例においては、圧電性薄膜１３゜３１　
、３２のＣ軸配向方位は、図中に記号Ｃを付した矢印で
示すように交互に反転させておき、また各層の厚さは等
しくしておく。緩衝層３３は、圧電性薄膜３１を形成す
る際に圧電性薄膜１３の配向方位の影響を受けないでＣ
軸の反転を実現するために設けるもので、圧電性薄膜１
３　、３１に比べて十分薄い金属または絶縁体膜で形成
する緩衝層３４についても緩衝層３３と同様である。

第７図において、電極１７　、１９との対向領域２１で
は、圧電性薄膜１３　、３１　、３２内には同一方向の
電界が印加されるのに対し、Ｃ軸は交互に反転している
から各圧電性薄膜において交互に反転した応力が生じる
。従って弾性波の半波長が圧電性ａｈの厚さに一致する
ような周波数ｆ。においで弾性波が強く励振されるから
、基板１１の厚さを周波数ｆｏＫて共振するように設定
しておけば領域２１の全体は、周波数ｆａにおいて共振
し、そのときのオーバートーン次数をＮとする。電極１
８　、１９が対向した領域２２においても同様にして、
ｍを正の整数として（Ｎ十ｍ　）次オーバートーンにて
、領域２１と同一の周波数ｆｏで共振する。一方他の次
数のオーバートーンについては領域２１と２２とで共振
周波数が異なるから第７図の構成により単一応答特性を
実現できる。この実施例のように、Ｃ軸が交互に反転し
た圧電性薄膜を層状に重ねる構成は単層膜に比べ並列容
量を小さくできるがらＧＨｚ帯のようにきわめて高い周
波数帯において有効である。また第７図において伺加物
質２６を設ける代シに、領域２１と領域２２とで圧電性
薄膜の暦数を異ならせた構成としても良い。

この発明による単一応答圧電振動素子は共振子に限らず
、モノリシックフィルタ（いわゆるＭＣＦ）を構成する
ことも可能である。第８図は第４図の実施例をもとにＭ
ＣＦを構成した実施例で端子１５゜１６はそれぞれグラ
ンドに接続された端子３６　、３７とそれぞれ組とされ
る。この実施例においては電極１９は端子３６　、３７
と同電位になるようグランドに接続し、端子対１５　、
３６を入力（または出力）端、端子対１６　、３７を出
力（または入力）端とする。領域２１は８次オーバート
ーン、領域２２は（Ｎ＋１）次以上のオーバートーンに
おいて共振周波数がｆｏとなり、また領域２１　、２２
の間隔ｔは両者が弾性的に結合するよう近接させる。各
領域２１　、２２はそれぞれエネルギ閉じ込め振動子と
して動］乍するが、両者が弾性的に結合するととにより
ｆｏを中心周波数とするＭＣＦとして動作し、かつこの
弾性的な結合は両領域２１　、２２に共通な振動周波数
でしか行われないため他のオーバートーンにおける応答
は現われない。

以上この発明の各種実施例を説明したが、この発明にお
いては以下に説明するように周波数温度係数の小さい単
一応答複合圧電振動素子を実現することも容易である。

ＺｎＯ、ＡｔＮ等の圧電性薄膜は周波数温度係数値が負
であるのに対し、回転Ｙカット水晶板では横波の周波数
温度係数が正の値となるような基板切断方位の存在する
ことが知られており、その係数値は０〜＋９５　ｐＨ）
ｍ　／　℃の範囲内で任意のものが得られるので、回転
Ｙカット水晶板を基板とすれば零温度係数振動子が得ら
れる。

例えば第３図の実施例においては、基板１１に回転Ｙカ
ット水晶板を用い、圧電性薄膜１３のＣ軸配向方位を基
板１１の板面に対して平行な成分を持つような、いわゆ
る斜め配向として厚みすべりモードの複合共振子を形成
する。領域２１は領域２２に比べて圧電性薄膜の体積に
対し、基板１１の占める割合が大きいので、基板１１の
水晶板の切断方位を適当に選べば領域、２１の共振周波
数温度係数を正の値表し、領域２２のそれを負の値とす
ることができ、両者が打ち消し合って、端子１５　、１
６間からみると零温度係数共振子となる。

また第２図の実施例においては、伺加物質２３の周波数
温度係数値の正負に応じて、その値が負の場合には上述
の例と同様に領域２１の温度係数を正。

領域２２の温度係数を負となるように設定し、一方付加
物質２３の温度係数値が正の場合には領域２１の温度係
数を負、領域２２の温度係数を正となるように設定でき
るから、全体としてみると零温度係数の共振子が得られ
る。他の実施例についても同様にして、回転Ｙカット水
晶板を基板１１とした厚みすべりモード複合共振子を形
成することにより、零温度係数の単一応答複合振動素子
が得られる。

周波数温度係数が正の値となる弾性振動モードとしては
、回転Ｙカット水晶板のほかに、タンタル酸リチウム（
ＬｉＴａ０３）回転Ｙ板における横波が知られているの
で、基板１１に回転Ｙカッ）　ＬｉＴａ０３を用いた場
合でも、上述の回転Ｙカット水晶板を用いた場合と同様
にして零温度係数の単一応答複合振動素子を実現するこ
とができる。

以上では、１枚の基板上に２個の共振子を形成する場合
について説明しだが、３個以上の複合共振子を形成する
ような場合においても、そのうちの少なくとも２個が相
１なる次数のオーバートーンにおいて、同一の共振周波
数を有するようにすれば単一応答を実現できることは明
らかである。

〈効　果〉 以−ヒ説明したように、この発明による単一応答複合圧
電振動素子は簡単な構成如より、単一の周波数帯におい
てのみ応答が得られ、かつ周波数温度特性の小さいもの
を実現できるから、スプリアスがなく安定なＵＨＦ帯振
動子あるいはフィルタに利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の複合共振子の構造ならびにその動作状態
における振動変位分布をあられす図、第２図はこの発明
による単一応答複合圧電振動素子の一実施例を示す図、
第３図、第４図、第５図。 第６図および第７図はそれぞれこの発明の他の実施例を
示す図、第８図はこの発明による単一応答複合圧電振動
素子を用いたモノリンツクフィルタの構成例を示す図で
ある。 １１・・基板、１３　、２４　、３１　、３２・・・圧
電性薄膜、１７　、１８　、１９・・電極、２３　、２
６　、２７・・付加物質、３３　、３４・・・緩衝層。 ７Ｉ７１　図 〃２　図 ７３　図 オ　４　図 １２２ オ　５　図 ＩＰ６　図 ２１　ｕ オ　７　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （０１枚の平行平板状基板の少くとも片面に少くとも一
   層の圧電性薄膜が形成され、その圧電性薄膜を部分的に
   弾性波を励振するだめの電極が複数組設けられて少なく
   とも２個の厚みモード複合共振子が形成され、これら厚
   みモード複合共振子形成部分は少くともその二つについ
   てその厚さが使用の周波数における弾性波の波長を単位
   として、％の整数倍だけ異ならされて相異なる次数のオ
   ーバートーンにて同一の共振周波数を有する少なくとも
   ２個の厚みモード複合共振子とされ、これら厚みモード
   複合共振子か相互に接続されてなる単一応答複合圧電振
   動素子。 （２）上記相異なる次数のオーバートーンにおいて同一
   の共振周波数を有する少なくとも２個の厚みモード複合
   共振子は、相互に弾性的に結合しないよう十分間隔−を
   おいて配置され、これら複合共振子は電気的に直列に接
   続されて１対の電気端子に接続されている特許請求の範
   囲第１項記載の単一応答複合圧電振動素子。 （３）上記相異なる次数のオーイ＜−トーンにおいて同
   一の共振周波数を有する少なくとも２個の厚みモード複
   合共振子が相互に弾性的に結合するように近接して配置
   され、その厚みモード複合共振子の１個が入力側とされ
   、別の１個が出方側としたモノリシックフィルタとされ
   ていル特許請求の範囲第１項記載の単一応答複合圧電振
   動素子。 （４）上記基板は正の周波数温度係数を有する回転Ｙカ
   ットの水晶またはタンタル酸リチウム板よりなシ、上記
   相異なる次数のオーバートーンにおいて同一の共振周波
   数を有する少なくとも２個の厚みモード複合共振子の周
   波数温度係数値は互いに異符号とされて、温度変動に対
   して周波数変動の少ないものとされた特許請求の範囲第
   １〜第３項の何れかに記載の単一応答複合圧電振動素子
   。