KR100440385B1 - 압전소자 및 이를 이용한 이동체 통신장치 - Google Patents

압전소자 및 이를 이용한 이동체 통신장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 불필요한 스프리어스(spurious)를 억제해 고주파화가 가능한 압전소자 및 이를 이용한 이동체 통신장치를 제공하는 것으로서, 압전성 재료로 이루어지는 압전기판(11)과, 압전기판(11)의 제1 주면(11a) 및 제2 주면(12a)에 형성된 한쌍의 여진(勵振) 전극(12a) 및 (12b)를 구비하고, 두께 전단 진동을 행하며, 두께 전단 진동의 진동방향과 압전기판(11)의 측벽(11c) 및 (11d)가 비평행이다.

Description

압전소자 및 이를 이용한 이동체 통신장치{Piezoelectric element and mobile communication device using the same}
본 발명은 압전소자 및 이를 구비하는 이동체 통신장치에 관한 것이다.
최근, 정보처리단말의 고속화, 통신의 디지탈화에 의해, 소형이고 고주파인 진동자나 소형이고 광대역인 중간 주파수 필터가 강하게 요망되고 있다. 이들 압전소자에는 종래 에너지 감금형의 압전소자가 이용되고 있는데, 현재 더욱 소형이고 광대역인 것이 요구되고 있다.
에너지 감금형의 압전 필터로는 수정 필터가 가장 폭넓게 이용되어 왔지만, 수정을 이용한 경우에는 재료가 가지는 전기-기계 결합계수가 작으므로 대역이 넓은 필터를 구성하는 것이 곤란하다.
이 때문에, 이들 용도에는 전기-기계 결합계수가 큰 압전 단결정이나 압전 세라믹이 이용된다. 압전 단결정중에서는 진동의 Q가 높고, 온도특성이 뛰어난 X 컷트의 LiTaO3단결정이 가장 많이 이용되고 있다.
LiTaO3단결정은 큰 압전성을 나타내 광대역의 필터에 적합하지만, 불필요 진동이 여진되기 쉽고, 스프리어스(spurious)가 커지기 쉽다. 그래서, 진동 모드로서는 비교적 스프리어스가 작은 두께 전단 진동이 이용된다. 두께 전단 진동은 진동의 변위방향과 진동의 전반(傳搬)방향이 대략 같은 진동이다. LiTaO3단결정에서는 진동의 전반방향과 진동의 변위방향이 수직인 두께 비틀림 진동도 여진되어, 이것도 스프리어스의 원인이 된다. 또한, 이들 진동의 진동소자단면의 반사도 스프리어스의 원인이 된다.
두께 전단 진동이나 두께 비틀림 진동의 단면 반사에 의한 영향을 저감하고, 압전 진동자의 소형화를 꾀하는 하나의 수단으로서, 압전 진동자를 스트립형으로 가공하는 방법이 종래 알려져 있다.
스트립형 진동자의 기판으로서 LiTaO3단결정의 X판을 이용하는 경우, Y축으로부터 -50°±2°방향으로 잘려진 기판이 가장 공진 임피던스가 낮아 이 방향이 진동변위방향으로 되어 있다. 이러한 종래의 LiTaO3압전 진동자의 일예에 대해 평면도를 도8에 도시한다.
도8을 참조하면, 종래의 압전 진동자(1)는 LiTaO3로 이루어지는 압전기판(2)과, 압전기판(2)의 일주면 및 타주면에 형성된 한쌍의 여진전극(3)을 구비한다. 또한, 도8에서는 인출 전극의 도시를 생략하고 있다. 도8에 도시하는 바와같이 종래의 LiTaO3진동자에는 일반적으로 두께 전단 진동의 진동변위방향이 길이방향이 되도록 압전기판을 절단하고, 압전기판(2)의 폭방향의 전폭에 여진전극(3)이 형성되어 있다.
이들 진동자에서는 폭에 관계되는 불필요한 진동을 피하기 위해, 좁은 폭(두께의 몇배 정도)으로 기판을 절단하는 것이 필요해진다. 따라서, 절단방향이 결정의 결을 따라 쪼개지는 방향과 크게 다르면, 기판을 절단할 때에 결을 따라 쪼개지는 방향으로 소자가 깨지기 쉽고, 세분화가 어렵다는 문제가 있었다. 또한, 절단면에 치핑이 생기면, 절단면의 치핑에 기인하는 스프리어스가 발생한다고 하는 문제가 있었다. 따라서, 종래는 고주파로 동작하는 고정밀도의 진동자나 필터를 형성하는 것이 어려웠다.
이때문에, Y축으로부터 -57°방향으로 결을 따라 쪼개지는 압전기판을 이용하는 압전 진동자가 제안되었다(일본국 특개평 6-303090호 공보 참조). LiTaO3단결정의 X판에서는 Y축으로부터 -57°방향으로 결을 따라 쪼개지는 면이 있으므로, 이 결을 따라 쪼개지는 면에 따라 커트함으로써 가공성을 향상시킬 수 있다.
그러나, Y축으로부터 -57°의 방향으로 절단한 압전기판을 이용하는 경우라도, 소자형상 특유의 스프리어스가 발생되기 쉽다는 문제가 있었다.
상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 불필요한 스프리어스를 억제해 고주파화가 가능한 압전소자 및 이를 이용한 이동체 통신장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1은 본 발명의 압전 진동자에 대한 일예를 도시하는 도면,
도2는 본 발명의 압전 진동자에 대한 소자의 폭 W와 두께 H의 비(W/H)를 (a)3.2, (b)3.8 및 (c)4.4로 변화시킨 경우의 어드미턴스와 위상의 주파수 특성을 표시하는 그래프,
도3은 본 발명의 압전 진동자에 대한 제조방법의 일예를 도시하는 도면,
도4는 본 발명의 압전 진동자에 대한 다른 일예를 도시하는 도면,
도5는 본 발명의 압전 필터에 대한 일예를 도시하는 도면,
도6은 본 발명의 이동체 통신장치에 대한 구성의 일예를 도시하는 도면,
도7은 본 발명의 압전소자를 이용한 필터에 대해 (a)일예 및 (b)다른 일예를 도시하는 모식도,
도8은 종래의 압전 진동자에 대한 일예를 도시하는 도면이다.
<도면의 주요부호에 대한 설명>
10, 10a : 압전 진동자 11, 21, 31 : 압전기판
11a : 제1 주면 11b : 제2 주면
11c, 11d, 31c, 31d : 측벽 12a, 12b : 여진 전극
12ae, 12be, 41e, 42e : 단부 31a : 제1 압전기판
31b : 제2 압전기판 40 : 압전 필터
41 : 입력 필터 42 : 출력 전극
43 : 어스 전극 W : 폭
H : 두께
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 압전소자는 압전기판과 상기 압전기판의 제1 주면 및 상기 제1 주면에 대향하는 제2 주면에서 선택되는 적어도 1개의 주면상에 형성된 한쌍의 전극을 구비하고, 두께 전단 진동을 행하여, 상기 두께 전단 진동의 진동방향과 상기 압전기판의 측벽이 비평행이다. 상기 본 발명의 압전소자에서는 두께 전단 진동(thickness shear vibration)에 거의 영향을 주지않고, 두께 비틀림 진동(thickness twist vibration) 등의 불필요한 진동 발생을 억제할 수 있다. 이때문에, 상기 압전소자에 의하면, 불필요한 스프리어스를 억제할 수 있다.
상기 압전소자에서는 상기 압전기판이 세로길이의 직방체상의 형상을 가지고, 상기 한쌍의 전극의 각각이 상기 적어도 1개의 주면상에서 폭방향의 전폭에 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 구성에 의하면, 소형화가 가능한 스트립형의 압전소자를 얻을 수 있다. 또한, 이 명세서에서, 폭방향이란, 세로길이의 직방체상의 기판의 길이방향에 대해 수직인 방향을 말한다.
상기 압전소자에서는 상기 압전기판이 LiTaO3단결정으로 이루어지고, 상기 한쌍의 전극이 제1 여진전극과 제2 여진전극을 포함하고, 상기 제1 주면상에 상기 제1 여진전극이 형성되어 있고, 상기 제2 주면상에 상기 제2 여진전극이 형성되어 있으며, 상기 측벽이 상기 압전기판의 길이방향의 측벽이고, 상기 제1 여진전극의 단부(端部) 법선 및 상기 제2 여진전극의 단부 법선이 상호 평행하고 또한 상기 길이방향의 측벽과 비평행인 것이 바람직하다. 상기 구성에 의하면, 제조가 용이하고, 스프리어스가 특히 작고, 고주파화가 가능한 압전소자가 얻어진다. 또한, 이 명세서에 있어서, 길이방향의 측벽이란, 제1 주면과 폭방향에 인접하고 있는 주면을 말한다.
상기 압전소자에서는 상기 제1 및 제2 주면이 상기 압전기판의 X면이고, 상기 길이방향의 측벽이 상기 압전기판의 XY면을 X축을 중심으로 시계방향으로 56°∼58°회전시킨면과 평행인 것이 바람직하다. 상기 구성에 의하면, 제조가 특히 용이하고, 스프리어스가 더 작고, 고주파화가 가능한 압전 진동자를 얻을 수 있다. 또한, 이 명세서에 있어서, 「X축을 중심으로 시계방향」 이란, X축의 플러스 방향에서 기판을 본 상태(도1(a)참조)에 있어서의 방향을 말한다. 또한, 이 명세서에 있어서 이용되는 「기판의 X면」 이라는 용어는 기판의 X면에서 몇도 기울어진 면에서 커트된 기판을 균등물로서 포함한다.
상기 압전소자에서 상기 법선의 방향이 상기 압전기판의 YZ면내에서 Y축을 시계방향으로 47°∼56°회전시킨 방향인 것이 바람직하다. 상기 구성에 의하면, 스프리어스가 더욱 작은 압전 진동자를 얻을 수 있다.
상기 압전소자에서 상기 압전기판의 폭W와 두께H가 2.9≤(W/H)≤ 3.1, 또는 3.7≤(W/H)≤3.9의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 상기 구성에 의하면, 주진동의 대역과 스프리어스가 충분히 떨어진 양호한 특성의 압전 진동자를 얻을 수 있다. 기판의 결을 따라 쪼개지는 방향으로 절단된 종래의 소자에서는 소자의 두께와 폭의 비를 1.5∼2.0이라는 좁은 범위내로 설정하지 않으면, 주진동의 대역내에 스프리어스가 발생하여, 양호한 특성을 얻을 수 없다는 문제가 있었다(일본국 특허 제2855208호 참조). 이에 대해, 본 발명의 압전 진동자에서는 가공이 용이한 폭이 넓은 소자라도 양호한 특성을 얻을 수 있다. 또한, 이 명세서에 있어서, 「기판의폭」 이란, 길이방향의 2개의 측벽간의 거리를 말한다. 또한, 「기판의 두께」 란, 제1 주면과 제2 주면간의 거리를 말한다.
상기 압전소자에서는 상기 압전기판이 제1 및 제2 압전기판을 포함하고, 상기 제1 압전기판과 상기 제2 압전기판이 상호 분극방향이 반대방향이 되도록 적층되어도 된다. 상기 구성에 의하면, 통상은 여진되지 않은 2배파(second harmonics)의 두께 전단 진동을 여진할 수 있고, 또한, 고주파에서의 동작이 가능한 압전 진동자를 얻을 수 있다.
상기 압전소자에서는 상기 길이방향의 측벽이 레이저 조사에 의해 결을 따라 쪼개지는 면인 것이 바람직하다. 상기 구성에 의하면, 치핑의 발생이나 결을 따라 쪼개지는 면의 표면 거칠기의 증대를 방지할 수 있으므로, 소자 특성이 양호한 압전 진동자를 얻을 수 있다.
상기 압전소자에서는 상기 압전기판이 LiTaO3단결정으로 이루어지고, 상기 한쌍의 전극이 입력전극과 출력전극을 포함하고, 상기 압전기판의 제1 주면상에 상기 입력전극 및 상기 출력전극이 형성되며, 상기 제2 주면상에 형성된 어스 전극을 더 구비하고, 상기 측벽이 상기 압전기판의 길이방향의 측벽이고, 상기 입력전극의 단부 법선 및 상기 출력전극의 단부 법선이 상호 평행하고 또한 상기 길이방향의 측벽과 비평행인 것이 바람직하다. 상기 구성에 의하면, 제조가 용이하고, 스프리어스가 특히 작고, 고주파화가 가능한 압전 필터를 얻을 수 있다.
상기 압전소자에서는 상기 제1 및 제2 주면이 상기 압전기판의 X면이고, 상기 압전기판의 측벽이 상기 압전기판의 XY면을 X축을 중심으로 시계방향으로 56°∼58°회전시킨면과 평행인 것이 바람직하다. 상기 구성에 의하면, 제조가 특히 용이하고, 스프리어스가 더욱 작고, 고주파화가 가능한 압전 필터를 얻을 수 있다. 상기 압전소자에서는 상기 법선 방향이 상기 압전기판의 YZ면내에서 Y축을 시계방향으로 47°∼56°회전시킨 방향인 것이 바람직하다. 상기 구성에 의하면, 스프리어스가 더욱 작은 압전 필터를 얻을 수 있다.
상기 압전소자에서는 상기 압전기판의 폭 W와 두께 H가 2.9≤(W/H)≤3.1, 또는 3.7≤(W/H)≤3.9의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
상기 구성에 의하면, 양호한 특성의 압전 필터를 얻을 수 있다.
상기 압전소자에서는 상기 압전기판이 제1 및 제2 압전기판을 포함하고, 상기 제1 압전기판과 상기 제2 압전기판이 상호 분극방향이 반대방향이 되도록 적층되어 있어도 된다. 상기 구성에 의하면, 또한 고주파에서의 동작이 가능한 압전 필터를 얻을 수 있다.
상기 압전소자에서는 상기 길이방향의 측벽이 레이저 조사에 의해 결을 따라 쪼개지는 면인 것이 바람직하다. 상기 구성에 의하면, 치핑의 발생이나 결을 따라 쪼개지는 면의 표면 거칠기의 증대를 방지할 수 있으므로, 소자특성이 양호한 압전 필터를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 이동체 통신장치는 상기 본 발명의 압전소자를 포함한다. 본 발명의 압전소자를 포함하는 이동체 통신장치에 의하면, 기준 주파수나 동작이 안정된 이동체 통신장치가 얻어진다. 본 발명의 압전 진동자는 스프리어스에 의해 주파수가 맞지않는 영향을 받지않고, 대역외에서의 신호의 감쇠량이 커 삽입손실이작다. 따라서, 본 발명의 압전 필터를 포함하는 이동체 통신장치에 의하면, 신호의 선별특성이 높은 이동체 통신장치를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 관해 도면을 참조하면서 설명한다.
(실시형태1)
실시형태1에서는 본 발명의 압전소자로서, 압전 진동자의 일예에 관해 설명한다. 실시형태1의 압전 진동자(10)에 대해 제1 주면측의 평면도를 도1(a)에, 제2 주면측의 평면도를 도1(b)에, 소자의 길이 방향 중앙부의 단면도를 도1(c)에 각각 도시한다. 또한, 도1(a) 및 (c)에는 압전기판(11)의 결정축의 방향도 표시하고 있다.
도1을 참조하면, 압전 진동자(10)는 압전기판(11)과, 압전기판(11)상에 형성된 한쌍의 여진 전극(12a) 및 (12b)를 구비한다. 여진전극(12a) 및 (12b)에는 각각 인출 전극(13a) 및 (13b)이 접속되어 있다. 또한, 인출전극은 도3에 도시하는 바와같이 압전 기판(11)의 폭방향의 전폭에 형성되어도 된다.
여진전극(12a) 및 (12b)의 재료는 특별한 한정은 없지만, 예를들면, 크롬과 금의 적층막을 이용할 수 있다. 여진 전극(12a) 및 (12b)는 증착법 등의 진공 성막법에 의해 형성할 수 있다. 여진 전극(12a)은 압전 기판(11)의 제1 주면(11a) 상에 형성되어 있다. 여진 전극(12b)은 제1 주면(11a)에 대향하는 제2 주면(11b)상에 형성되어 있다. 여진 전극(12a)과 여진전극(12b)은 압전 기판(11)을 개재하여 대략 같은 크기로 대략 대칭으로 형성되어 있다. 즉, 여진 전극(12a)은 여진 전극(12b)에 대향하는 위치에 형성되어 있다. 압전 진동자(10)에서는 여진 전극(12a) 및(12b)에 교류전압을 인가함으로써, 두께 전단 진동이 여진된다.
압전 기판(11)은 세로 길이의 직방체상의 형상을 가진다. 압전기판(11)은 LiTaO3단결정의 X면에서 커트된 기판, 즉 X판(X판으로부터 몇 도 기울어진 면에서 커트된 것을 포함한다. 이하의 실시형태에서 동일하다.)이다. 그리고, 압전기판(11)의 제1 주면(11a) 및 제2 주면(11b)은 각각 X 커트면과 - X 커트면이다.
압전기판(11)의 길이방향 L의 측벽(11c) 및 측벽(11c)에 대향하는 길이 방향 L의 측벽(11d)은 LiTaO3단결정의 결을 따라 쪼개지는 면과 대략 평행인 면이다. 측벽(11c) 및 측벽(11d)은 압전 기판(11)(LiTaO3의 X판)의 XY면을 X축을 중심으로 시계방향으로 56°∼58°(57°± 1°) 회전시킨 면과 평행인 것이 바람직하다. 즉, 측벽(11c)과 압전기판(11)의 Y축이 이루는 각 α은 56°∼58°인 것이 바람직하다. 또한, LiTaO3단결정의 결을 따라 쪼개지는 면은 Y축으로부터 대략 -57°인 면인데, ±1°정도의 밀림이면 절단시의 치핑을 충분히 작게 할 수 있다(이하의 실시형태에 있어서도 동일하다). 또한, 측벽(11c) 및 측벽(11d)는 레이저 조사에 의해 결을 따라 쪼개진 면인 것이 바람직하다.
압전기판(11)의 크기에 대해 특별한 한정은 없지만, 예를들면, 길이가 2.0mm, 폭이 0.15mm, 두께가 50㎛이다. 두께가 50㎛인 압전기판(11)을 이용함으로써, 공진 주파수가 40MHz 정도인 압전 진동자를 얻을 수 있다.
또한, 압전기판(11)으로서, 다른 압전성 재료로 이루어지는 기판, 예를들면,LiNbO3, KNbO3, 란가사이트(Langasite : La3Ga5SiO14)계의 재료, 란가나이트(Langanite : La3Ga5.5Nb0.5O14)계의 재료, 또는 란가테이트(Langatate : La3Ga5.5Ta0.5O14)계의 재료로 이루어지는 기판을 이용해도 된다(이하의 실시형태에 있어서 동일하다). 또한, 압전기판(11)으로서, 제1 및 제2 주면이 대략 정방형인 기판을 이용해도 된다(이하의 실시형태에서 동일하다).
여진 전극(12a)의 단부(12ae)의 법선 방향 A와, 여진 전극(12b)의 단부(12be)의 법선 방향 B는 대략 평행이다. 즉, 여진 전극(12a)과 여진 전극(12b)은 방향 A의 방향에 대향하고 있다.
방향 A 및 B는 LiTaO3단결정의 결을 따라 쪼개지는 면과 비평행인 방향이다. 즉, 여진전극(12a) 및 (12b)의 대향방향은 측벽(11c) 및 측벽(11d)와 비평행인 방향이다. 이러한 구성의 압전 진동자(10)에서는 진동방향이 방향 A와 평행한 두께 전단 진동이 여진된다. 즉, 압전 진동자(10)에서는 두께 전단 진동의 진동방향과 측벽(11c) 및 (11d)가 비평행이다.
방향 A 및 B는 압전 기판(11)의 YZ면내에서 Y축을 시계방향으로 47°∼56°(바람직하게는 48°∼52°) 회전시킨 방향인 것이 바람직하다. 즉, 방향 A 및 B와, 압전기판(11)의 Y축이 이루는 각도 β는 47°∼56°인 것이 바람직하다. 방향 A와 압전기판(11)의 측벽(11c)가 이루는 각 γ은 0°<γ≤ 10° (바람직하게는 5°≤γ≤ 9°)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
종래의 LiTaO3진동자에서는 압전 기판의 폭을 100㎛ 전후로 절단하고자 하면, 단면에 현저한 치핑이 발생하거나, 소자 자체에 균열이 생기므로, 제작이 곤란하다는 문제가 있었다. 또한, 소자를 제작할 수 있는 경우라도, 단면의 표면 거칠기가 진동자의 특성에 악영향을 주기 때문에, 30MHz 이상으로 동작하는 진동자의 제작은 곤란했다.
그러나, 본 발명의 압전 진동자(10)에서는 결정의 결을 따라 쪼개지는 방향에 맞추어 압전 기판(11)을 절단하고 있으므로, 기판의 분할을 정확하게 행할 수 있고, 또한, 단면의 표면 거칠기를 극소화할 수 있다. 이때문에, 본 발명의 압전 진동자(10)에 의하면, 소자의 고주파화가 용이해져, 제조 수율도 향상된다.
또한, 압전 진동자(10)에서 여진 전극(12a)과 여진 전극(12b)의 겹쳐지는 부분은 두께 전단 진동의 진동방향(방향 A)에 있어서는 거의 일정하게 되어 있지만, 두께 비틀림 진동의 진동방향(즉 방향 A와 수직인 방향)에 대해서는 각도를 가진다. 이때문에, 두께 비틀림 진동에서는 대칭성이 무너지고, 불필요한 두께 비틀림 진동은 대폭 억제된다. 또한, 압전기판의 측벽에서 반사된 불필요한 진동은 소자의 단부를 도전성 페이스트 등으로 지지함으로써 흡수할 수 있다. 이와같이, 본 발명에 의하면, 불필요한 진동을 여진하지 않고, 불필요한 스프리어스를 억제할 수 있는 압전 진동자를 얻을 수 있다.
다음에, 압전 기판(11)의 폭 W 및 두께 H(도1 참조)에 대해 설명한다. 압전 기판(11)의 폭 W 및 두께 H와 스프리어스간에는 상관이 있다. 압전기판(11)의 폭 W와 H의 비(W/H)를 변화시켰을 때의 어드미턴스 Y (S) 및 위상의 주파수 특성에 대해 측정한 결과를 도2에 도시한다. 구체적으로는 (W/H)= 3.2의 경우를 도2(a)에,(W/H)=3.8의 경우를 도2 (B)에, (W/H)= 4.4의 경우를 도2(C)에 도시한다.
도2(B)에 도시하는 바와같이, (W/H)의 값이 3.7∼3.9인 영역에서는 스프리어스는 주진동의 대역내에 없고, 저주파측과 고주파측에 조금 존재하는 정도로, 양호한 특성의 압전 진동자가 얻어졌다. 그러나, 기판의 폭이 증가하면, 도2(C)에 도시하는 바와같이, 고주파측에서 접근해 가는 스프리어스가 대역내에 들어가 특성이 악화된다. 또한, 기판의 폭을 작게 하면, 도2 (a)에 도시하는 바와같이, 저주파측에 존재하는 스프리어스가 대역내에 접근하고, 스프리어스가 대역내에 도달하면 특성이 악화된다.
또한, 기판의 폭을 작게 하여 (W/H)의 값을 3.7보다 작게 하면, 대역내에 들어간 스프리어스가 고주파측으로 서서히 이동하고, 대역내에서 나가는 (W/H)의 값이 존재했다. 그(W/H)의 값은 2.9∼3.1의 범위내였다. 이로부터 다시 기판의 폭이 좁아지면( (W/H)의 값이 작아진다.), 저주파측의 스프리어스가 다시 대역내에 들어가 특성이 저하한다. 또한, (W/H)가 2이하인 영역에서 소자를 제작하면, 고주파 소자(두께가 얇다)의 제작이 곤란하다. 반대로, (W/H)의 비가 3. 9보다 큰 영역에서는 저주파측의 스프리어스와 고주파측의 스프리어스의 거리가 대역폭 이하로 접근하고, 스프리어스가 대역내에 들어가지 않는 영역이 존재하지 않았다. 상기 결과를 고려하여, 고주파측의 스프리어스와 저주파측의 스프리어스가 대역내에 들어가지 않는 범위에서 소자를 제작함으로써, 특성이 보다 높은 소자가 얻어진다. 구체적으로는 압전기판(11)의 폭 W와 두께 H가 2.9≤(W/H)≤ 3.1, 또는 3.7≤(W/H)≤ 3.9의 관계를 만족하는 소자를 제작함으로써, 폭에 기인하는 스프리어스와 주진동의 대역이 충분히 떨어진 양호한 특성의 압전소자를 얻을 수 있다(이하의 실시형태의 압전 진동자나 압전 필터에 있어서도 동일하다).
이하에, 실시형태1에 도시한 압전 진동자(10)의 제조방법에 대해, 일예를 설명한다. 각 공정의 평면도를 도3(a)∼(c)에 도시한다. 또한, 도3 (a)∼(c)의 선 X-X’에 있어서의 단면도를 각각 도3(d)∼(f)에 도시한다.
우선, 도3(a) 및 (d)에 도시하는 바와같이, 압전 기판(11)이 되는 두께 50㎛의 압전기판(21)을, 대향하는 주면이 대략 평행이 되도록 형성한다. 통상, 압전 기판(21)의 사이즈는 기판 두께에 따라 결정된다. 압전 기판(21)의 두께가 50㎛정도인 경우는 수율을 고려하여 기판의 사이즈를 2인치 이하로 하는 것이 바람직하다. 두께가 50㎛정도인 얇은 기판이라도, 기판 사이즈를 2 인치 이하로 함으로써 취급이 용이해진다.
다음에, 도3(B) 및 (E)에 도시하는 바와같이, 압전기판(21)의 일주면상 및 타주면상에 여진전극(12a) 및 (12b)로 이루어지는 금속막(22)을 형성한다. 또한, 도3에서는 인출선이 소자의 폭방향의 전폭에 형성되는 경우를 나타낸다.
마지막에 도3(C) 및 (F)에 도시하는 바와같이, 압전기판(21)의 결을 따라 쪼개지는 면과 평행인 방향(도면중의 점선 방향)으로 압전기판(21)을 절단함으로써, 압전 진동자가 얻어진다.
또한, 도3(C)의 공정에서 압전기판(21)의 절단을 레이저 커팅에 의해 행하는 것이 바람직하다. 레이저 커팅의 수법을 이용함으로써, 다이싱층이나 다이아몬드 커터를 이용한 절단과는 달리, 절단면의 치핑이나 절단면의 표면 거칠기의 증대를방지할 수 있다. 또한, 레이저에 의한 가열 및 가열부 근방의 가스 냉각을 행함으로써, 선택적으로 응력을 결을 따라 쪼개지는 방향으로 성장시키는 레이저 커팅을 행해도 된다. 이 방법에서는 베어내고 남는 것이 없고, 치핑도 적으므로, 압전기판의 낭비를 감할 수 있다. 기판의 결을 따라 쪼개지는 방향과 기판의 분할방향이 일치하는 본 발명의 압전소자에서는 레이저 커팅을 이용한 분할이 특히 적합하다.
(실시형태2)
실시형태2에서는 본 발명의 압전 진동자에 대해 다른 일예를 설명한다. 또한, 실시형태2의 압전 진동자(10a)는 실시형태1에서 설명한 압전 진동자(10)와는 기판만이 다르기 때문에, 중복되는 설명은 생략한다.
실시형태2의 압전 진동자(10a)에 대해 제1 주면측의 평면도를 도4(a)에, 제2 주면측의 평면도를 도4(b)에, 압전 진동자 중앙부의 단면도를 4(c)에 각각 도시한다. 또한, 도4(a)에는 제1 압전기판(31a) 및 압전기판(31b)의 결정축의 방향을 나타낸다.
도4를 참조하면, 압전 진동자(10a)는 압전기판(31)과, 압전기판(31)의 제1 주면에 형성된 여진 전극(12a)과, 제1 주면에 대향하는 제2 주면에 형성된 여진 전극(12b)을 구비한다. 여진 전극(12a) 및 (12b)에는 각각 인출 전극(13a) 및 (13b)가 접속되어 있다. 또한, 도4에서는 방향 A가 압전기판(31a)의 YZ면내에서 Y축을 시계방향으로 50°회전시킨 방향인 경우를 나타내고 있다.
압전기판(31)은 상호 분극방향이 반대방향이 되도록 적층된 제1 압전기판(31a) 및 제2 압전기판(31b)을 포함한다. 구체적으로는 예를들면, 제1 압전기판(31a)의 Y축 및 Z축이 각각 제2 압전기판(31b)의 Y축 및 Z축에 대해 반대 방향이 되도록 적층하면 된다. 제1 압전기판(31a)과 제2 압전기판(31b)은 직접 접합되어 있다. 본 발명의 압전 진동자에서는 압전기판(31)을 이용함으로써, 압전기판(11)을 이용한 경우에 비교해 공진 주파수를 대략 2배로 할 수 있다.
제1 압전기판(31a) 및 제2 압전기판(31b)은 LiTaO3단결정의 X판이다. 그리고, 압전기판(31)의 주면중, 잘라내는 면인 측벽(31c) 및 측벽(31c)에 대향하는 측벽(31d)은 LiTaO3단결정의 결을 따라 쪼개지는 면과 대략 평행인 면이다. 측벽(31c)과 압전기판(31a)의 Y축이 이루는 각 α, 방향 A와 압전기판(31a)의 Y축이 이루는 각 β, 측벽(31c)과 방향 A가 이루는 각 γ에 대해서는 실시형태1에서 설명한 것과 동일하므로 중복하는 설명은 생략한다.
압전기판(31)의 크기에 대해서는 특별히 한정은 없지만, 예를들면, 길이가 2.0mm, 폭이 0.10mm, 두께가 50㎛이다. 두께가 50㎛인 압전기판(31)을 이용함으로써, 공진 주파수가 80MHz정도인 압전 진동자를 얻을 수 있다. 또한, 측벽(31c) 및 측벽(31d)는 레이저 조사에 의해 결을 따라 쪼개지는 면인 것이 바람직하다.
종래의 압전소자에서는 단면의 표면 거칠기가 진동자의 특성에 영향을 주고, 30MHz 정도의 진동자의 제작이 한계였던데 대해, 압전 진동자(1Oa)에서는 종래의 2배 이상의 고주파화가 가능하다. 또한, 압전 진동자(10a)에서는 스프리어스의 문제에 관해서도 실시형태1과 마찬가지로 해결할 수 있다. 따라서, 압전 진동자(1Oa)에 의하면, 불필요한 스프리어스를 억제해 고주파화가 가능한 압전 진동자를 얻을 수있다.
압전 진동자(10a)는 압전기판(11) 대신에 압전 기판(31)을 이용하는 것을 제거하고, 실시형태1에서 설명한 방법과 같은 방법으로 제조할 수 있다. 압전기판(31)은 제1 압전기판(31a)과 제2 압전기판(31b)을 직접 접합함으로써 형성할 수 있다. 구체적으로는, 예를들면, 가열한 황산-과산화수소 혼합액에 2장의 기판을 침지함으로써 기판표면을 친수화 처리한 후, 양쪽 기판을 밀착시켜 가열 처리하면 된다(일본국 특개평 7-206600호 공보 참조). 그리고, 그 후, 도3에서 설명한 바와같이 압전기판상에 금속막을 형성하고, 결을 따라 쪼개지는 면에 평행으로 압전기판을 분할하면 된다.
(실시형태3)
실시형태3에서는 본 발명의 압전 필터에 대해, 이중 모드 압전 필터의 일예를 설명한다. 또한, 실시형태1의 압전 진동자(10)와 같은 부분에 대해서는, 같은 부호를 붙여 중복하는 설명을 생략한다.
실시형태3의 압전 필터(40)에 대해, 제1 주면측의 평면도를 도5(a)에, 제2 주면측의 평면도를 도5(b)에 도시한다. 또한, 도5(a)에는 압전기판(11)의 결정축의 방향도 나타내고 있다.
도5를 참조하면, 실시형태3의 압전 필터(40)는 압전기판(11)과, 압전기판(11)의 제1 주면(11a)에 형성된 입력전극(41) 및 출력전극(42)과, 제1 주면에 대향하는 제2 주면(11b)에 형성된 어스 전극(43)을 구비한다. 어스 전극(43)은 제2 주면(11b)상이고, 입력전극(41) 및 출력전극(42)에 대응하는 위치에 형성되어 있다. 압전 필터(40)는 일정한 대역의 주파수를 통과시키는 밴드패스필터로서 기능한다. 또한, 어스 전극은 도5(C)의 어스 전극(43a)과 같은 형상이어도 된다. 또한, 어스 전극은 제2 주면(11b) 상의 전면에 형성되어도 된다.
압전기판(11)은 실시형태l에서 설명한 것과 동일하고, LiTaO3단결정의 X판이다. 그리고, 압전기판(11)의 제1 주면(11a) 및 제2 주면(11b)은 각각 X커트면과 -X커트면이다. 또한, 압전기판(11)의 주면중, 잘라내는 면인 측벽(11c) 및 측벽(11c)에 대향하는 측벽(11d)은 LiTaO3단결정의 결을 따라 쪼개지는 면과 대략 평행한 면이다. 구체적으로는 예를들면, 측벽(11c) 및 측벽(11d)은 압전기판(11)(LiTaO3의 X판)의 결을 따라 쪼개지는 면인 것이 바람직하다. 즉, 측벽(11c) 및 (11d)는 압전기판(11)의 XY면을 X축을 중심으로 시계방향으로 56°∼58°(57°- 1°∼57°+ 1°) 회전시킨 면과 평행인 것이 바람직하다.
또한, 상기 압전필터(40)에 있어서, 실시형태2와 같이, 압전기판(11) 대신에 2장의 압전기판을 상호 분극방향이 반대방향이 되도록 적층한 압전기판(31)을 이용해도 된다.
입력전극(41), 출력전극(42) 및 어스 전극(43)은 여진 전극(12a)과 동일한 재료를 이용하여 형성할 수 있다. 입력전극(41)과 출력전극(42)은 동일한 크기로 대향하도록 형성되어 있다. 입력전극(41)의 단부(41e)의 법선 방향과 출력전극(42)의 단부(42e)의 법선 방향은 대략 평행이다. 입력전극(41)의 단부(41e)의 법선 방향, 즉 입력전극(41)과 출력전극(42)의 대향방향C는 압전기판(11)의 결을 따라 쪼개지는 면에 대해 비평행인 방향이다. 즉, 대향방향 C는 측벽(11c) 및 측벽(11d)와 비평행인 방향이다.
대향방향C는 압전기판(11)의 YZ면내에서 Y축을 시계방향으로 47°∼56°(바람직하게는 48°∼52°) 회전시킨 방향인 것이 바람직하다. 즉, 대향방향 C와 측벽(11c)가 이루는 각 γ은 0°<γ≤ 10°(바람직하게는 5°≤ γ≤ 9°)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
압전기판(11)으로서 Y축으로부터 -57°의 방향으로 결을 따라 쪼갠 길이 2.5mm, 폭 0.15mm, 두께 50㎛의 기판을 이용하여, 대향방향C와 압전기판(11)의 Y축이 이루는 각도 β가 47°인 전극을 이용함으로써, 중심 주파수가 40MHz 정도인 밴드패스필터를 얻을 수 있다.
본 발명의 압전 필터(40)에서는 결정의 결을 따라 쪼개지는 방향에 맞추어 압전기판(11)을 절단하므로, 분할을 보다 정확하게 행할 수 있음과 동시에, 절단면의 표면 거칠기가 극소화된다. 따라서, 압전 필터(40)에 의하면, 제조가 용이함과 동시에, 삽입 손실이 적고, 고주파화가 용이한 압전 필터를 얻을 수 있다.
또한, 압전 필터(40)에서는 전극의 겹쳐지는 부분은 두께 전단 진동의 진동방향에 있어서 거의 일정하게 되어 있지만, 두께 비틀림 진동의 진동방향에 대해서는 각도를 가진다. 이때문에, 두께 전단 진동의 대칭성이 무너져, 불필요한 두께 비틀림 진동이 대폭 억제된다. 또한, 압전기판의 측벽에서 반사된 불필요 진동은 소자의 단부를 도전성 페이스트 등으로 지지함으로써 흡수할 수 있다. 이와같이, 본 발명에 의하면, 스프리어스에 기인하는 불필요한 통과대역을 형성하기 어렵고,대역외에서의 신호의 감쇠량이 큰 압전 필터가 얻어진다.
상기 실시형태3의 압전 필터(40)는 도3에서 설명한 방법과 동일한 방법에 의해 제조할 수 있다.
또한, 실시형태1에서 설명한 바와같이, 압전기판(11)의 폭 W와 두께 H가 2.9≤(W/H)≤ 3.1, 또는 3.7≤(W/H)≤ 3.9의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 폭에 기인하는 스프리어스와 주진동의 대역이 충분히 떨어진 양호한 특성의 압전 필터를 얻을 수 있다.
(실시형태4)
실시형태4에서는 본 발명의 이동체 통신장치에 대해 일예를 설명한다.
실시형태4의 이동체 통신장치에 대해 수신회로의 구성도를 도6에 도시한다. 도6을 참조하면, 실시형태4의 이동체 통신장치는 안테나(51)와, Rx 필터(52)와, 믹서(53)와, 1차 IF 필터(54)와, 믹서(55)와, 2차 IF 필터(56)와, 앰프(57)를 구비한다. 이 수신회로에서는 안테나(51)로 수신한 무선신호(Rx)를 Rx 필터(52), 믹서(53), 1차 IF 필터(54), 믹서(55), 2차 IF 필터(56) 및 앰프(57)를 통하여 교류신호로 변환한다.
본 발명의 이동체 통신장치에서는 1차 IF 필터(54)가 실시형태3에서 설명한 압전 필터이다. 1차 IF 필터(54)에, 본 발명의 압전 필터를 이용함으로써, 소형이고 주파수 선택도가 높은(누화나 혼선이 적은) 이동체 통신장치를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 압전 진동자를 복수개 이용함으로써, 사다리형 필터 또는 격자형 필터를 형성해도 된다. 또한, 본 발명의 다중 모드 진동자를 다수개 이용하여 필터를 형성해도 된다. 일예로서, 사다리형 필터(70)를 도7(a)에, 격자형 필터(75)를 도7(B)에 도시한다.
사다리형 필터(70)는 직렬 및 병렬로 접속된 압전 진동자(71∼73)를 구비한다. 압전 진동자(71∼73)의 각각은 본 발명의 압전 진동자이고, 상호 조금 다른 공진 주파수를 가진다. 격자형 필터(75)는 직렬 및 병렬로 접속된 압전 진동자(76) 및 (77)을 구비한다. 압전 진동자(76) 및 (77)은 본 발명의 압전 진동자이고, 상호 조금 다른 공진 주파수를 가진다. 상기 구성의 압전 필터에 의하면, 압전 기판의 폭에 기인하는 스프리어스와 주진동의 대역이 충분히 떨어진 양호한 특성의 압전 필터를 얻을 수 있다.
또한, 실시형태1 또는 2에 기재한 압전 진동자를 특정 주파수를 선택하는 필터로서 이동체 통신장치에 이용함으로써, 동작 주파수가 높고 소형이고 고속인 이동체 통신장치를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 예를 들어 설명했는데, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상에 근거하여 다른 실시형태에 적용할 수 있다.
예를들면, 본 실시 형태에서는 특정한 방향으로 특정한 폭으로 절단된 스트립형의 압전소자에 대해 설명했는데, 이들은 일예이고, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 스프리어스의 억제효과를 얻기 위해서는 두께 전단 진동의 진동방향과, 압전기판의 측벽이 비평행이면 된다. 진동방향은 이용할 압전기판과 그 커트각에 따라 결정되므로, 이에 따라 전극의 형성방향을 바꾸면, 두께 전단 진동을 여진하는모든 압전소자에 있어서, 상기 실시형태의 압전소자와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와같이, 본 발명의 압전소자에 의하면, 종래의 압전소자에 비해 한층 스프리어스가 적고, 고주파화가 가능한 압전 디바이스를 얻을 수 있다. 본 발명에 의하면, 이동체 통신장치나 정보기기 등에 적합한 압전소자를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 압전 진동자를 이용한 이동체 통신장치에 의하면, 동작 주파수가 높고, 소형이며 고속인 이동체 통신장치를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 압전 필터는 스프리어스에 의해 주파수가 맞지않는 영향을 받지않고, 대역외 감쇠량이 커 삽입손실이 작다. 이때문에, 본 발명의 압전 필터를 이용한 이동체 통신장치에 의하면, 신호의 선별특성이 보다 높은 이동체 통신장치를 얻을 수 있다.

Claims (15)

  1. 제1 주면 및 이에 대향하는 제2 주면, 그리고 상기 제1 주면과 상기 제2 주면을 연결하는 측벽을 갖는 압전기판과, 상기 압전기판의 제1 주면 및 상기 제1 주면에 대향하는 제2 주면에서 선택되는 적어도 1개의 주면상에 형성된 한쌍의 전극을 구비하고,
    상기 한쌍의 전극은 두께 전단 진동을 여진하며,
    상기 두께 전단 진동의 진동방향과 상기 압전기판의 측벽이 비평행이고,
    상기 압전기판이 LiTaO3단결정으로 이루어지고,
    상기 한쌍의 전극이 제1 여진전극과 제2 여진전극을 포함하며,
    상기 제1 주면상에 상기 제1 여진 전극이 형성되어 있고,
    상기 제2 주면상에 상기 제2 여진 전극이 형성되어 있고,
    상기 측벽이 상기 압전기판의 길이방향의 측벽이고,
    상기 제1 여진전극의 단부 법선 및 상기 제2 여진전극의 단부 법선이 상호 평행하고 또한 상기 길이방향의 측벽과 비평행인 것을 특징으로 하는 압전소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압전기판이 세로길이의 직방체상의 형상을 가지고,
    상기 한쌍의 전극의 각각이 상기 적어도 1개의 주면상에서 폭방향의 전폭에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전소자.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 주면이 상기 압전기판의 X면이고,
    상기 길이방향의 측벽이 상기 압전기판의 XY면을 X축을 중심으로 시계방향으로 56°∼58°회전시킨 면과 평행인 것을 특징으로 하는 압전소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 법선의 방향이 상기 압전기판의 YZ면내에서 Y축을 시계방향으로 47°∼56°회전시킨 방향인 것을 특징으로 하는 압전소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 압전기판의 폭 W와 두께 H가 2.9≤(W/H)≤3.1, 또는 3.7≤(W/H)≤3.9의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 압전소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 압전기판이 제1 및 제2 압전기판을 포함하고,
    상기 제1 압전기판과 상기 제2 압전기판이 상호 분극방향이 반대방향이 되도록 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 압전소자.
  8. 제6항에 있어서, 상기 길이방향의 측벽이 레이저 조사에 의해 결을 따라 쪼개지는 면인 것을 특징으로 하는 압전소자.
  9. 제2항에 있어서, 상기 압전기판이 LiTaO3단결정으로 이루어지고, 상기 한쌍의 전극이 입력전극과 출력전극을 포함하고,
    상기 압전기판의 제1 주면상에 상기 입력전극 및 상기 출력전극이 형성되며,
    상기 제2 주면상에 형성된 어스 전극을 더 구비하고,
    상기 측벽이 상기 압전기판의 길이방향의 측벽이고,
    상기 입력전극의 단부 법선 및 상기 출력전극의 단부 법선이 상호 평행하고 또한 상기 길이방향의 측벽과 비평행인 것을 특징으로 하는 압전소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 주면이 상기 압전기판의 X면이고,
    상기 압전기판의 측벽이 상기 압전기판의 XY면을 X축을 중심으로 시계방향으로 56°∼58°회전시킨면과 평행인 것을 특징으로 하는 압전소자.
  11. 제10항에 있어서, 상기 법선 방향이 상기 압전기판의 YZ면내에서 Y축을 시계방향으로 47°∼56°회전시킨 방향인 것을 특징으로 하는 압전소자.
  12. 제11항에 있어서, 상기 압전기판의 폭 W와 두께 H가 2.9≤(W/H)≤3.1, 또는 3.7≤(W/H)≤3.9의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 압전소자.
  13. 제12항에 있어서, 상기 압전기판이 제1 및 제2 압전기판을 포함하고,
    상기 제1 압전기판과 상기 제2 압전기판이 상호 분극방향이 반대방향이 되도록 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 압전소자.
  14. 제12항에 있어서, 상기 길이방향의 측벽이 레이저 조사에 의해 결을 따라 쪼개지는 면인 것을 특징으로 하는 압전소자.
  15. 수신한 무선신호를 교류신호로 변환하는 수신회로를 구비하는 이동체 통신장치에 있어서,
    상기 수신회로는, 안테나 및 상기 안테나에서 수신한 상기 무선신호에 기초하는 신호가 통과하는 1차 IF 필터를 포함하며,
    상기 1차 IF 필터는 청구항 1에 기재된 압전소자인 것을 특징으로 하는 이동체 통신장치.
KR10-2000-0067755A 1999-11-15 2000-11-15 압전소자 및 이를 이용한 이동체 통신장치 KR100440385B1 (ko)

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