JP2001094385A - 圧電振動素子とその製造方法および圧電フィルタ - Google Patents
圧電振動素子とその製造方法および圧電フィルタInfo
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Abstract
振動を主振動とする圧電振動素子において、機械的強度
を向上させるために振動伝搬方向素子長さを短くしつつ
Qの低下を抑制し、かつインハーモニック・オーバート
ーンモードが閉じ込められない単一モードが得られる圧
電振動素子とその製造方法および圧電フィルタを提供す
ることを目的とする。 【解決手段】 励振用電極2の振動伝搬方向長さLeと
振動素子部1の厚みHとの比Le/Hを3.0以上3.
7以下とし、かつ励振用電極2の遮断周波数をf0、無
電極部の遮断周波数をfcとした時の周波数低下量(fc
−f0)/fcを0.12以上0.2以下とすることで、
素子端部における振動変位を十分小さくして素子長さを
短くしつつ高いQを実現でき、かつ単一モードが得られ
るという効果を有する。
Description
のX板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素
子とその製造方法および圧電フィルタに関するものであ
る。
た圧電振動素子として、各種電子機器などのクロック源
として用いられる圧電振動子や、通信機器の周波数抽出
用などに用いられる圧電フィルタがある。特に、電気エ
ネルギーと機械エネルギーの変換効率を表す電気機械結
合係数が水晶などと比べて大きいニオブ酸リチウムやタ
ンタル酸リチウムを用いた圧電振動素子は、VCO(電
圧制御発振器)や広帯域の帯域通過フィルターとして利
用される。
域は近年高周波化しており、振動モードとして厚みすべ
り、厚み縦などの厚み振動が用いられ、特に不要振動の
抑圧や素子の保持が容易なエネルギー閉じ込め現象を利
用したものが多い。エネルギー閉じ込め現象とは、ある
特定の圧電材料で厚みすべり振動や厚み縦振動などのあ
る特定の振動モードを用いる場合、圧電振動素子の主面
に部分的に励振用電極を形成すると振動エネルギーが励
振用電極下のみに閉じ込められる現象をいい、ショック
レイ(Shockley)、尾上氏らにより詳細に解析
されている。
振動素子の斜視図と断面図を図10、図11を用いて説
明する。図10、図11に示すように、振動素子部5の
励振用電極6のある部分における遮断周波数をf0と
し、無電極部における遮断周波数をfcとすると、fcよ
りも大きい周波数では振動エネルギーは自由に伝搬し励
振用電極6下においても定在波を作らない。しかし、f
0よりも大きくfcよりも小さい周波数では、励振用電極
6のある部分では振動エネルギーは自由に伝搬するが無
電極部では指数関数的に減衰するので、振動変位も圧電
振動素子の端部に向かうほど小さくなり、結果として振
動エネルギーは励振用電極付近に集中することになる。
場合、素子端部における振動変位の減衰が十分ではな
く、素子端部で起こる反射波などにより不要振動が生
じ、機械的品質係数Qの低下などの悪影響を与える。例
えば、周波数温度特性に関して零温度係数を有するタン
タル酸リチウムのX板を用いた厚みすべり振動子のQを
高くするために、振動伝搬方向素子長さLと素子厚みH
との比L/Hを14以上としている(特公昭63−57
967号公報参照)。
べり振動子の相対変位を振動伝搬方向にわたって計算し
た結果例を図12に示す。以下において、横軸が素子中
央から外周部に向かう距離を表し、縦軸が素子中央での
振動変位を1とした時の相対変位を表した図を相対変位
分布図と呼ぶことにする。先に述べたように、エネルギ
ー閉じ込めを利用すれば、振動は励振用電極下では正弦
波上に分布し、無電極部では指数関数的に減衰するの
で、単一電極を設けた圧電振動素子の相対変位分布は図
12のように素子中央から遠ざかるにつれて小さくな
る。振動伝搬方向素子長さLと素子厚みHとの比L/H
をある値以上に設定することは、図12から素子端部相
対変位をある値以下に設定することと同義であることが
わかる。すなわち、素子端部における振動変位を素子中
央に比べて十分減衰させれば、反射波や保持の影響をほ
とんど受けず高いQを有することができる。
してエネルギー閉じ込め量ζなるものがある。ただしζ
は、Le/(2H)×((fc−f0)/fc)1/2で計算
される。
いた厚みすべり振動の周波数スペクトラムを示す。図1
3の横軸はエネルギー閉じ込め量ζで、縦軸は(f−f
0)/(fc−f0)で計算される規格化周波数Ωであ
る。図13において、s_0,s_1,…,は対称モー
ド、a_0,a_1,…,は斜対称モードを表してお
り、それぞれのモードを示す線の近くには、各モードの
相対変位分布図を示してある。図13の相対変位分布図
からわかるように、a_0,a_1,…,などの斜対称
モードは素子に対して励振用電極が対称に配置されてい
れば電気的に励振されないためs_0,s_1,…,の
対称モードだけが電気的に取り出せる。
動はインハーモニック・オーバートーンと呼ばれる不要
共振となるため、s_0モードのみがエネルギー閉じ込
め可能となる値にエネルギー閉じ込め量を設定しなけれ
ばならない。例えば、特開昭59−182616号公報
では、s_0モードのみがエネルギー閉じ込め可能とな
るζは1.2より小さいとし、また周波数低下量(fc
−f0)/fcは圧電材料のみに依存して0.1であるか
ら、Le/Hを3.8より小さくすればs_0モードの
みの単一モードを実現できるとしている。
X板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子
において、高周波化に伴い素子厚みなどの素子寸法が小
さくなるにつれ、素子加工時に発生する加工歪みやマイ
クロクラックなどの機械的強度に与える影響が無視でき
なくなり、振動伝搬方向素子長さのさらなる小型化が望
まれていた。しかしQの低下を抑制するためには振動伝
搬方向素子長さLと素子厚みHとの比L/Hを大きくと
らざるを得ないといった課題があった。
素子端部における振動変位の減衰を大きくし素子長さを
短くするために、例えば電極膜厚を厚くするなどして周
波数低下量を大きくすると、素子厚みが厚い場合に設定
された振動伝搬方向の励振用電極長さLeと素子厚みH
との比Le/Hの値では、インハーモニック・オーバー
トーンモードも閉じ込め可能となり単一モードを実現で
きないといった課題があった。
X板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子
において、振動伝搬方向の励振用電極長さLeと素子厚
みHとの比Le/Hを3.0以上3.7以下とし、かつ
励振用電極部遮断周波数をf 0、無電極部遮断周波数を
fcとした時の周波数低下量(fc−f0)/fcを0.1
2以上0.2以下とすることで、素子端部における振動
変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ高いQを実
現でき、かつインハーモニック・オーバートーンモード
が閉じ込められない単一モードが得られる圧電振動素子
とその製造方法および圧電フィルタを提供することを目
的とする。
に本発明は、タンタル酸リチウムのX板を用い厚みすべ
り振動を主振動とする圧電振動素子において、振動伝搬
方向の励振用電極長さLeと素子厚みHとの比Le/H
を3.0以上3.7以下とし、かつ励振用電極部遮断周
波数をf0、無電極部遮断周波数をfcとした時の周波数
低下量(fc−f0)/fcを0.12以上0.2以下と
する圧電振動素子である。上記構造をとることで、素子
端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短く
しつつ高いQを実現でき、かつインハーモニック・オー
バートーンモードが閉じ込められない単一モードが得ら
れるという効果を有する。
方向の素子長さLと素子厚みHとの比L/Hを7.0以
上9.4以下とする。高いQを有しながら、かつ機械的
強度にも優れるという効果がある。
ンタル酸リチウムのX板を用い厚みすべり振動を主振動
とする圧電振動素子において、振動素子部分主面片側に
一対の入力用電極と出力用電極を設け、もう一方の主面
に接地用電極を設け、振動伝搬方向の入力用電極長さL
1と素子厚みHとの比L1/H、および出力用電極長さ
L2と素子厚みHとの比L2/Hをそれぞれ0.8以上
1.9以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をf0、
無電極部遮断周波数をfcとした時の周波数低下量(fc
−f0)/fcを0.12以上0.2以下とする2重モー
ドの圧電フィルタである。上記構造をとることで、素子
端部における振動変位を十分小さくして素子長さを短く
しつつ、低い挿入損失を実現できるという効果がある。
一圧電基板上に形成されかつ電気的に接続される少なく
とも2個以上の圧電振動素子が、請求項1,2,3記載
の圧電振動素子のいずれかである圧電フィルタである。
同一基板上に形成されるため浮遊容量などの影響を受け
にくく、また小型化が可能であるという効果がある。
極の上に電極と同じ面積の樹脂を塗布することにより周
波数低下量を0.12以上0.2以下とすることを特徴
とするものである。樹脂を用いることで、安価に周波数
低下量を0.12以上0.2以下とすることができる。
は、タンタル酸リチウムのX板を用い厚みすべり振動を
主振動とする圧電振動素子において、振動伝搬方向の励
振用電極長さLeと素子厚みHとの比Le/Hを3.0
以上3.7以下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をf
0、無電極部遮断周波数をfcとした時の周波数低下量
(fc−f0)/fcを0.12以上0.2以下とするこ
とを特徴とする圧電振動素子であり、素子端部における
振動変位を十分小さくして素子長さを短くしつつ高いQ
を実現でき、かつインハーモニック・オーバートーンモ
ードが閉じ込められない単一モードが得られるという作
用を有する。
素子長さLと素子厚みHとの比L/Hを7.0以上9.
4以下とすることを特徴とする請求項1記載の圧電振動
素子であり、高いQを有しながら、かつ機械的強度にも
優れるという作用を有する。
ウムのX板を用い厚みすべり振動を主振動とする圧電振
動素子において、振動素子部分主面片側に一対の入力用
電極と出力用電極を設け、もう一方の主面に接地用電極
を設け、振動伝搬方向の入力用電極長さL1と素子厚み
Hとの比L1/H、および出力用電極長さL2と素子厚
みHとの比L2/Hをそれぞれ0.8以上1.9以下と
し、かつ励振用電極部遮断周波数をf0、無電極部遮断
周波数をfcとした時の周波数低下量(fc−f0)/fc
を0.12以上0.2以下とすることを特徴とする2重
モードの圧電フィルタであり、素子端部における振動変
位を十分小さくして素子長さを短くしつつ、低い挿入損
失を実現できるという作用を有する。
に形成されかつ電気的に接続される少なくとも2個以上
の圧電振動素子が、請求項1,2,3記載の圧電振動素
子のいずれかであることを特徴とする圧電フィルタであ
り、同一基板上に形成されるため浮遊容量などの影響を
受けにくく、また小型化が可能であるという作用を有す
る。
と同じ面積の樹脂を塗布することにより周波数低下量を
0.12以上0.2以下とすることを特徴とする請求項
1,2,3記載の圧電振動素子の製造方法であり、樹脂
を用いることで安価に周波数低下量を0.12以上0.
2以下とすることができる作用を有する。
図9を用いて説明する。図1において、1はタンタル酸
リチウムのX板からなる振動素子部、2は振動素子部1
の表面と裏面に相対向して設けられた励振用電極、3は
外部との接続用電極、4は外部引き出し用電極である。
素子厚みが薄くなるため、機械的強度を向上させるに
は、素子加工時に素子に与える損傷が少ない加工方法を
選択することもさることながら、できるだけ振動伝搬方
向素子長さを短くすることが望ましい。素子長さを短く
するためには素子端部における振動変位を十分小さくせ
ねばならず、そのためにはエネルギー閉じ込め効果の度
合いを上げる必要がある。
部における遮断周波数と無電極部における遮断周波数と
の差を大きくして周波数低下量を大きくすればその効果
が大きくなるため、励振用電極2の膜厚を厚くすると電
極膜厚が薄い場合に比べて素子端部における振動変位の
減衰が大きくなる。言い換えれば、電極膜厚が厚い場合
には、薄い場合の素子長さよりも短い素子長さで、励振
用電極2が薄い場合の素子端部相対変位と同等の相対変
位を得ることができるわけである。
比L/Hがどのくらいであれば機械的強度上問題がない
かということについては、厚み50μmの素子を両端支
持で実装し落下試験を行った結果である図2から考察す
る。図2の横軸は振動伝搬方向素子長さLと素子厚みH
との比L/H、縦軸は落下試験前後での周波数変化率で
ある。図2から分かるように、L/Hが9.5〜10程
度よりも大きくなると落下時に素子に加わった衝撃など
でクラックなどが伸展したり素子が割れるなどして周波
数変化率が大きくなり、そのばらつきも大きくなる。よ
って、用いる周波数が高くなり素子厚みが薄くなる場合
には素子加工時のマイクロクラックなどの影響が大きく
なることから、L/Hは9.4以下に設定することが望
ましい。
であればQの低下はほとんど見られないことが実験的に
確かめられているので、素子厚みが50μmで一定とし
電極膜厚を変化させるなどして周波数低下量を変化させ
た時に、素子端部相対変位が0.005となる振動伝搬
方向素子長さLと素子厚みHとの比L/Hを計算すると
図3のようになる。図3より、L/Hが9.4以下とな
るためには周波数低下量は0.12以上でなければなら
ないことがわかる。
きくしすぎると厚みすべり振動そのものを阻害するロス
成分となり、共振インピーダンスを増加させる傾向にあ
るため、ここでは共振インピーダンスが安定して100
Ω以下となる周波数低下量を実験的に求め、その上限を
0.2とする。周波数低下量が0.2の時に素子端部相
対変位が0.005となるL/Hは、図3より7.0で
あることが分かる。
厚みすべり振動子の周波数低下量を、素子厚みが200
μm、100μm、50μmの場合についてそれぞれ計
算したものを図4に示す。ただし、素子主面両側にそれ
ぞれ形成する電極材料は金としその膜厚は250Åから
10000Åとしている。
μmと比較的厚い場合には周波数低下量は約0.1で一
定である。しかし、素子厚みが薄くなるにつれ、電極膜
厚が厚いときの周波数低下量は0.1よりも大きくな
り、素子厚みが50μmで電極膜厚が3000Åの時の
周波数低下量はもはや0.14となっている。これは、
素子厚みが薄い場合、周波数低下量に占める電極の質量
効果割合が大きくなるためである。図13に示した周波
数スペクトラムは、素子厚みや電極膜厚によらずほぼ同
じ結果となり、対称モードのみに着目してs_0モード
のみの単一モードを実現できるエネルギー閉じ込め量の
値は約0.65以下である。よって、エネルギー閉じ込
め量が0.65以下となる条件と図4より、単一モード
を実現するための振動伝搬方向励振用電極長さLeと素
子厚みHとの比Le/Hの最大値が計算でき、その結果
は図5のようになる。
μmと比較的厚い場合には単一モードを実現できるLe
/Hの最大値は約4でほぼ一定であるが、素子厚みが薄
くなり、かつ電極膜厚が厚い場合には4よりも小さくな
り、例えば素子厚みが50μmで電極膜厚が3000Å
の時に単一モードを実現できるLe/Hの最大値は約
3.6となる。
合には素子の機械的強度の観点から振動伝搬方向素子長
さLと素子厚みHとの比L/Hを小さくするのが望まし
く、L/Hを10以下とするためには周波数低下量を
0.12以上とすればよく、かつ安定して共振インピー
ダンスが100Ω以下となるためには周波数低下量を
0.2以下とすればよいことを既に述べた。
0.1でほぼ一定と見てよいが、素子厚みが薄い場合に
は0.1よりも大きくなる。ここでは、用いる周波数が
高く素子厚みが50μm以下などの薄い場合を考慮して
いるので、素子厚みが50μmで周波数低下量が0.1
2以上0.2以下という値を電極材料が金である時の電
極膜厚に換算するとおよそ1500Å以上10000Å
以下となる。よって、周波数低下量が0.12以上0.
2以下である時に単一モードを実現できる振動伝搬方向
励振用電極長さLeと素子厚みHとの比Le/Hの最大
値は、図5の電極膜厚1500Å以上10000Å以下
の範囲に着目すればよく、Le/Hが3.0以上3.7
以下で単一モードを実現できることがわかる。
厚く形成することはコスト高となりプロセス時間も長く
なることから、例えばフォトリソグラフィなどで電極パ
ターンを形成した後にレジストを除去せず残すことで、
レジストの質量効果により所望の周波数低下量を安価に
得ることができる。
上0.2以下とすることでエネルギー閉じ込め効果を増
大させ、素子長さを短くしつつ高いQを有することがで
き、振動伝搬方向励振用電極長さLeと素子厚みHとの
比Le/Hを3.0以上3.7以下とすることで不要共
振であるインハーモニック・オーバートーンを閉じ込め
ない単一モードを実現できる。また、高いQを得るため
のL/Hは最低でも9.4あれば十分である。
数の圧電振動子を配置し、それらの振動を結合させるこ
とで多重モードの圧電フィルタを実現する方法を考察す
る。このようなフィルタはMCF(モノリシッククリス
タルフィルタ)とも呼ばれ、図13に示したa_0モー
ドやs_1モードなどのインハーモニック・オーバート
ーンを積極的に利用したものである。ここでは、s_0
モードとa_0モードの二つのモードを用いた2重モー
ドの圧電フィルタ(2電極対型MCF)の場合を述べ
る。
のようにタンタル酸リチウムX板7の主面片側に数十μ
m〜数百μm程度の微小な間隔を空けて一対の入力用電
極8と出力用電極9を設け、もう一方の主面に接地用電
極10を設けるもので、対称モードであるs_0モード
と斜対称モードであるa_0モードを生じさせ、帯域通
過フィルタを実現するものである。図6における接地用
電極10は一つしかないが、図7のように入力用電極8
と出力用電極9にそれぞれ相対向して接地用電極10を
設けても構わない。
ードは閉じ込められるがs_1モードは閉じ込められな
いエネルギー閉じ込め量に設定する必要がある。図13
の周波数スペクトラムより、a_0モードが閉じ込めら
れs_1モードが閉じ込められないエネルギー閉じ込め
量は0.33以上0.65以下となることがわかる。周
波数低下量は、圧電振動子の場合と同じくエネルギー閉
じ込め効果を増大させ、素子長さを短くしつつQの低下
を抑制するために0.12以上0.2以下とするため、
圧電振動子の場合にa_0モードが閉じ込められs_1
モードが閉じ込められない条件は、励振用電極長さLe
と素子厚みHの比Le/Hが1.5以上3.7以下とな
る。
電極長さL1と出力用電極長さL2を等しい長さとし、
入力用電極と出力用電極の間の微小な間隔はL1,L2
に比べ無視できるほど小さいので、a_0モードが閉じ
込められs_1モードが閉じ込められないためのL1/
HとL2/HはLe/(2H)にほぼ等しくなる。すな
わち、L1/HとL2/Hを0.8以上1.9以下とし
周波数低下量を0.12以上0.2以下とすることで、
不要共振を閉じ込めることなく素子端部における振動変
位を十分小さくして素子長さを短くしつつ、低い挿入損
失を実現できる。
圧電フィルタなど他の多重モードの圧電フィルタの場合
においても同様に、用いるモードの中で最も周波数の高
いモードよりも一つ高次のモードを閉じ込めないように
エネルギー閉じ込め量を設定することで、電極設計値を
求めることは容易なことである。
て、図8、図9を用いて説明する。
ムのX板を用いた厚みすべり振動を主振動とする圧電振
動子であり、11は振動素子部、12は振動素子部11
の表面と裏面に相対向して設けられた励振用電極、13
は外部との接続用電極、14は外部引き出し用電極、1
5は導電性材料からなる樹脂、16は実装基板、17は
外部端子である。素子厚みHは50μmであるため共振
周波数は約40MHzである。また、励振用電極材料に
は金を用いその膜厚は表裏ともそれぞれ2500Å、振
動伝搬方向励振用電極長さLeは180μm、振動伝搬
方向素子長さLは460μmである。
ー閉じ込め効果が大きく素子端部における振動変位の減
衰が大きいため、L/Hが9.2と小型化でき機械的強
度にも優れ、かつ高いQを有することができる。また、
励振用電極長さLeと素子厚みHとの比Le/Hは3.
6であるので、不要共振となるインハーモニック・オー
バートーンを閉じ込めることのない単一モードが得ら
れ、発振周波数のジャンプなどを起こしにくい安定した
特性を得ることができる。
ムのX板を用いた厚みすべり振動を主振動とする2重モ
ードの圧電フィルタであり、18は振動素子部、19は
入力用電極、20は出力用電極、21は接地用電極、2
2は入力用電極19と出力用電極20をそれぞれ外部端
子と導通をとるための金属細線、23は導電性材料から
なる樹脂、24は実装基板、25は入出力用端子、26
は接地用端子である。素子厚みHは25μmであるため
フィルタの中心周波数は約80MHzである。また、入
出力用電極19,20および接地用電極21の材料には
金を用いその膜厚はすべて1000Å、入力用電極長さ
L1と出力用電極長さL2はともに46μm、振動伝搬
方向素子長さLは230μmである。
じ込め効果が大きく素子端部振動変位の減衰が大きいた
め、L/Hが9.2と小型化でき機械的強度にも優れ、
かつ高いQを有し低挿入損失が実現できる。また、入力
用電極長さL1および出力用電極長さL2と素子厚みH
とのそれぞれの比L1/H,L2/Hはどちらも約1.
8となっているので、中心周波数よりも高域側で不要通
過域のない良好なフィルタ特性が得られる。
酸リチウムのX板を用い厚みすべり振動を主振動とする
圧電振動素子において、振動伝搬方向の励振用電極長さ
Leと素子厚みHとの比Le/Hを3.0以上3.7以
下とし、かつ励振用電極部遮断周波数をf0、無電極部
遮断周波数をfcとした時の周波数低下量(fc−f0)
/fcを0.12以上0.2以下とすることで、素子端
部における振動変位を十分小さくして素子長さを短くし
つつ高いQを実現でき、かつインハーモニック・オーバ
ートーンモードが閉じ込められない単一モードが得られ
るという有利な効果が得られる。
視図
/Hを変化させたときの落下試験前後での周波数変化率
を表す図
変位が0.005となる振動伝搬方向素子長さLと素子
厚みHとの比L/Hを表す図
搬方向励振用電極長さLeと素子厚みHとの比Le/H
の最大値の関係を表す図
視図
視図
面図
ー閉じ込め型厚みすべり振動の周波数スペクトラムを示
す図
Claims (5)
- 【請求項1】 タンタル酸リチウムのX板を用い厚みす
べり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動伝
搬方向の励振用電極長さLeと素子厚みHとの比Le/
Hを3.0以上3.7以下とし、かつ励振用電極部遮断
周波数をf0、無電極部遮断周波数をfcとした時の周波
数低下量(fc−f0)/fcを0.12以上0.2以下
とした圧電振動素子。 - 【請求項2】 振動伝搬方向の素子長さLと素子厚みH
との比L/Hを7.0以上9.4以下とした請求項1に
記載の圧電振動素子。 - 【請求項3】 タンタル酸リチウムのX板を用い厚みす
べり振動を主振動とする圧電振動素子において、振動素
子部分の主面片側に一対の入力用電極と出力用電極を設
け、もう一方の主面に接地用電極を設け、振動伝搬方向
の入力用電極長さL1と素子厚みHとの比L1/H、お
よび出力用電極長さL2と素子厚みHとの比L2/Hを
それぞれ0.8以上1.9以下とし、かつ励振用電極部
遮断周波数をf0、無電極部遮断周波数をfcとした時の
周波数低下量(fc−f0)/fcを0.12以上0.2
以下とした圧電フィルタ。 - 【請求項4】 同一圧電基板上に形成されかつ電気的に
接続される少なくとも2個以上の圧電振動素子が請求項
1,2,3のいずれか1つに記載の圧電振動素子である
圧電フィルタ。 - 【請求項5】 電極の上に電極と同じ面積の樹脂を塗布
し周波数低下量を0.12以上0.2以下とする請求項
1,2,3のいずれか1つに記載の圧電振動素子の製造
方法。
Priority Applications (1)
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