JP3969224B2 - 圧電共振子及びそれを用いた圧電フィルタ・デュプレクサ・通信装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板と、前記基板に形成されている、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極および下部電極を厚み方向で対向させて挟む構造の振動部とを有する圧電共振子に関し、例えば、携帯電話、無線ＬＡＮ等の発振器やフィルタ等の素子として用いられる圧電共振子及びそれを用いた圧電フィルタ・デュプレクサ・通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電共振子において、厚み縦振動モードで使用するものにおいては、上下電極の厚み方向で重なる部分、つまり振動部となる電極交差部分の厚み方向視形状が単なる矩形の場合、その交差部分の矩形の対向する２辺間の長さで、Ｓｎ（ｎ＝０，１，２，３……自然数）モード振動の共振周波数が決まるものである。特に、振動部の厚み方向視形状が正方形の場合、その対向する２辺間の長さが同じだから、一方の対向する２辺間の長さできまるＳｎ（ｎ＝０，１，２，３……自然数）モード振動の共振周波数と、他方の対向する２辺間の長さできまるＳｎ（ｎ＝０，１，２，３……自然数）モード振動の共振周波数とは同じになる。
【０００３】
一方、圧電共振子として、上下電極の交差部分の厚み方向視形状が円形のものの場合、振動波長との関係はその直径の大きさに対応づけられるものであって、Ｓｎ（ｎ＝０，１，２，３……自然数）モード振動の共振周波数は、別々のｎの値に対し、各１個きまる。
【０００４】
ところが、圧電共振子として、上下電極の交差部分の厚み方向視形状が長方形の場合、一方の対向する２辺間の長さと他方の対向する２辺間の長さが異なるため、一方の対向する２辺間の長さできまるＳｎモード振動の共振周波数と、他方の対向する２辺間の長さできまるＳｎモード振動の共振周波数とが異なり、全体では数多くの共振周波数のスプリアス振動が発生することになる。
【０００５】
このことから、振動部の厚み方向視形状が長方形の場合、正方形や円形のものと比較してスプリアス振動の影響が大きく作用することが予測されることもあって、従来、一般的に採用されてこなかった。
【０００６】
したがって、従来においては、振動部の形状が単に正方形か、円形となるものが主に採用されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のように振動部の形状が正方形や円形のものの場合、主振動のレスポンスを大きくするためにその振動部の対向する２辺間の長さや径を大きくすると、一般に、共振点と、***振点との間隔が広がっていって、その圧電共振子のＱが低下する傾向がある。つまり、対向電極の重なり部分の厚み方向視形状が円形や正方形である場合には、その寸法が大きくなるほど、Ｑが小さくなり、損失が増える。
【０００８】
例えば、特開２００２−９５７９号公報に開示されているように、振動部の厚み方向視形状が円形または円形を内包する任意の形状であって、その振動部の半径ｒと振動部の厚さｔとの関係がｒ≧２０ｔ／ｎとなっているものの場合、電極寸法が大きくなってしまう。また、Ｑが低下するため、その圧電共振子を用いて作製したフィルタの挿入損失が劣化するという問題がある。この従来の場合の周波数と、位相およびインピーダンスとの関係の一例を図３１に示している。
【０００９】
この場合、スプリアスの影響によるリップルが多数生じているとともに、主振動に接近してスプリアス振動が生じることで主振動との干渉のおそれが高まるなど共振特性として安定性が低いものとなりやすい。
【００１０】
また、電極端部で反射する横モード振動の高調波のうち厚み縦振動の共振周波数帯に出現するモードを抑制するために、例えば特開２０００−３３２５６８号公報に開示されているように、振動部部分の形状を不等辺四角形などに構成するものが提案されている。
【００１１】
しかしながら、このような形状のものの場合、振動部を振動可能に支えるダイヤフラムは、電極に外接する方形よりも大きいことが必要である。そして、電極形状が不規則であるため、例えば、面積の等しい方形の電極に比べて、大きなダイヤフラムが必要となり、小型化が図れないものである。
【００１２】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであって、スプリアス振動の影響をきわめて小さくできる圧電共振子およびそれを用いたフィルタ・デュプレクサ・通信装置の提供を解決課題としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧電共振子は、基板と、前記基板に形成されている、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極及び下部電極を厚み方向で対向させて挟む構造の振動部とを有する圧電共振子において、前記振動部の前記上部電極及び下部電極が対向して重なる部分の形状は、前記厚み方向視で、線対称、または、点対称であり、かつ、短手方向両端および短手方向両端にそれぞれ長さが振動波長の１０倍以下である平行な辺を有する細長形状の長八角形であり、該形状における短手方向長さをｂとし、該形状における長手方向で両端に位置する短手方向に沿った辺の長さをｄとすると、ｄ／ｂ≦０．５を満たし、該形状における長手方向長さは主振動の共振波長の２０倍以上に設定されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る圧電共振子によれば、振動部の前記上部電極及び下部電極が対向して重なる部分の形状は、前記厚み方向視で、線対称、または、点対称であり、かつ、長手方向両端および短手方向両端にそれぞれ長さが振動波長の１０倍以下である平行な辺を有する細長形状の長八角形であることによって、同じ面積を有する長方形のものと比較してその長手方向と交差する方向で発生するスプリアスは細かい振動となるので、それらスプリアスが主振動に対する大きなリップルとして作用しなくなるからインピーダンス特性や位相特性が向上する。また、前記厚み方向視で、線対称、または、点対称であり、かつ、細長形状の長八角形であり、該形状における短手方向長さをｂとし、該形状における長手方向で両端に位置する短手方向に沿った辺の長さをｄとすると、ｄ／ｂ≦０．５を満たすことによって、従来に比して、スプリアスの発生や影響が抑制されるので、位相特性やインピーダンス特性に一層優れた圧電共振子を得ることができる。さらに、前記厚み方向視における長手方向長さを主振動の共振波長の２０倍以上に設定することによって、その長手方向の振動サイズによって発生するスプリアスを一層低減できる。
【００１９】
なお、本発明に係る圧電共振子のように、振動部の厚み方向視形状において、互いに平行な辺の長さが振動波長の１０倍以下であることが好ましいことは、本発明者が行った実験結果からも判明する。すなわち、本発明者は、圧電共振子の振動部の厚み方向視での形状において、平行な辺の長さが振動波長との比の異なる多数種類の試料を用意し、それぞれの試料についてスプリアスがどの程度発生しているかを実験により計測し、図３２に示すような実験データを得た。スプリアスはインピーダンス若しくは位相で評価するが、図３２では位相で評価した。位相で評価する場合、主振動に対する角度差で評価する。つまり、位相の角度差が小さいと、スプリアスは小さくなる。図３２からわかるように、振動部の厚み方向視での形状において、平行な辺の長さが振動波長の１０倍以下の場合、スプリアスの発生が主振動に対して位相角度との関係でいえば、相対的な角度差が１５度以下の小さいものとなっていることが判明した。よって、振動部分の厚み方向視の形状において、平行な辺の長さが振動波長の１０倍以下になると、スプリアスが小さくなる。
【００２０】
本発明に係る圧電共振子によれば、前記振動部の前記上部電極及び下部電極が対向して重なる部分の形状は、前記厚み方向視で、線対称、または、点対称であり、振動部の形状に規則性があるので、スプリアス同士の相殺も生じやすいなどにより、圧電共振子におけるインピーダンス特性や位相特性が一層向上する。
【００２８】
本発明に係る圧電共振子は、好ましくは、前記基板は開口部もしくは凹部を有し、前記開口部もしくは凹部上に前記振動部が形成されている。この場合、ダイヤフラム型に構成される圧電振動子についてスプリアスの低減を図ることができる。
【００２９】
本発明に係る圧電共振子は、好ましくは、前記振動部は、前記上部電極及び下部電極を通して印加される電気信号によって厚み縦振動モードで振動する。この場合、厚み縦振動する構成の圧電振動子についてスプリアスの低減を図ることができる。
【００３０】
本発明に係る圧電フィルタは、本発明に係る圧電共振子を用いている、または、本発明に係る圧電共振子を用いて、ラダー構成にしたことを特徴とする。このように構成された圧電フィルタは、圧電共振子でのスプリアスが低減するので、それによりリップルの発生が低減されたフィルタ特性の優れた圧電フィルタが得られる。
【００３１】
本発明に係るデュプレクサは、本発明に係る圧電共振子または圧電フィルタを用いていることを特徴とする。本発明に係るデュプレクサは、圧電共振子でのスプリアスが低減するので、それによりリップルの発生が低減されたフィルタ特性の優れたデュプレクサが得られる。
【００３２】
本発明に係る通信装置は、本発明に係る圧電共振子または圧電フィルタを用いていることを特徴とする。本発明に係る通信装置は、圧電共振子でのスプリアスが低減するので、特性の優れた通信装置が得られる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００３４】
（実施形態１）
図１および図２は、本発明に係る圧電共振子の実施形態１を示しており、図１は、圧電共振子の概略を示す縦断側面図、図２は、圧電共振子の概略を示す平面図である。
【００３５】
この圧電共振子１は、例えば共振周波数が１．９５ＧＨｚに近い厚み縦振動の２倍波を利用したものである。なお、基本波、３倍波、４倍波、ｎ倍波（ｎ＝５，６，７，……自然数）でもかまわない。そして、圧電共振子１は、基板２上に、支持膜３、圧電薄膜部４、電極５，６薄膜が積層状態に形成されたものである。
【００３６】
すなわち、圧電共振子１は、図１に示すように、振動空間としての平面視矩形の開口部８を有する基板２と、該基板２の表面に形成された支持膜３と、該支持膜３上に形成された下部電極５と、該下部電極５上に形成された圧電薄膜部４と、該圧電薄膜部４上に形成された上部電極６とから構成されている。
【００３７】
基板２は、例えばシリコン、パイレックス（登録商標）ガラス、石英などの板状体で形成されている。その中央部には、後述する振動部７が振動できるようにするために、基板２に上下に貫通する開口部８を、例えばエッチング、レーザ加工、サンドブラストなどの方法によって基板２を構成する部材が所定形状に除去されて形成されている。なお、本実施形態では、シリコンを基板２として用いる。
【００３８】
そして、支持膜３は、その上に形成された下部電極５、圧電薄膜部４、上部電極６を支持して開口部８において振動可能なダイヤフラムを構成する。詳述すると、この場合、支持膜３は、基板２の表面に開口部８を被覆する状態で形成された酸化シリコン（ＳｉＯ2）の薄膜層３ａと、この薄膜層３ａ上にさらに成膜された酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）の薄膜層３ｂとで構成されている。この支持膜３の材質としては、酸化シリコン以外に例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化アルミニウムなどを用いても良い。特に、支持膜３は、圧縮応力と引張応力という相反する応力を有する２層以上の多層構造であることが好ましい。
【００３９】
この支持膜３上には、まず下部電極５が薄膜として形成されている。この下部電極５は、アルミニウムで形成されている。
【００４０】
この下部電極５および支持膜３上には、酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる圧電薄膜部４が形成されている。なお、圧電薄膜部４としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＰＺＴなどを用いても良い。また、圧電薄膜部４は、少なくとも１層以上の圧電薄膜を含むものであり、圧電体のみで構成されてもよく、あるいは、圧電薄膜を１層以上含み、その圧電薄膜とは別の例えば絶縁膜層などを含む構成でもよい。
【００４１】
その圧電薄膜部４の上面には、下部電極５とは一部が厚み方向で重なり合うよう対向させた状態で上部電極６を薄膜として形成している。この上部電極６も、下部電極５と同様にアルミニウムで形成されている。なお、下部電極５、上部電極６を形成する素材としては、アルミニウムに代えて、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）などを用いても良い。
【００４２】
そして、下部電極５および上部電極６がそれぞれ外部電極に接続された状態で圧電共振子１は封止されている。
【００４３】
下部電極５と上部電極６との厚み方向での重なり部分の形状は、図２に示すように、細長形状の八角形状（長八角形）となっている。すなわち、下部電極５は長方形の短辺の両端の角部を落とした形状を有し、上部電極６も長方形の短い辺の両端の角部を落とした形状を有しており、これらの対向して重なる部分の形状は細長形状の八角形状となっている。上部電極６をこのような形状にすることにより、配線を太くできるので、配線抵抗の低減による共振子のＱの向上、ひいてはフィルタ特性の向上が可能となる。この重なり部分の形状は、細長い長方形の長手方向の両端の一対の隅角部を対応する辺と辺とにわたって斜めに欠いた形状となっている。なお、この重なり部分の厚み方向視の形状は、長手方向での中心を通りかつその長手方向に対し直交する直線を仮想中心線とする線対称図形である。
【００４４】
この重なり部分において、圧電薄膜部４では、下部電極５および上部電極６を通して供給される高周波信号により圧電振動することになる。上部電極５、下部電極６および圧電薄膜部４、及び、その下の絶縁膜３におけるこの圧電振動する部分を以下、振動部７という。
【００４５】
この厚み方向視で細長形状の八角形状を成す振動部７は、図１および図２に示すように、その長手方向長さａが主振動（Ｓ0モード）の振動波長λに対して２０λ以上の長さに設定されている。なお、長手方向と直交するその短手方向長さｂについては主振動の振動波長λに対して５λ以下の長さに設定されていても良いとともに、５λを超える寸法に設定されていても良い。
【００４６】
なお、振動部７の長辺の長さａは、主振動の振動波長λに対して８０λ以上の長さに設定されることが一層好ましい。
【００４７】
なお、その振動部７の長手方向長さａの上限は、主振動の共振波長と圧電共振子１のそのチップサイズに合わせて設定されるものであり、振動部７の短手方向長さｂの下限は、主振動の振動波長λと同程度である。
【００４８】
この厚み方向視で細長形状の八角形状を成す振動部に構成された圧電共振子の具体的な特性について、図４から図８に以下本発明者が行なった実験により得られたデータを示す。
【００４９】
図３に、振動部の寸法の取り方を示している。すなわち、厚み方向視で細長形状の八角形の振動部における長手方向長さをａとし、短手方向長さをｂとし、長手方向に沿って平行な二辺の長さをｃとし、短手方向に沿って平行な二辺の長さをｄとする。なお、平行な二辺の対向するもの同士は同じ長さに設定している。
【００５０】
表１には、図４から図８に示した各試料の振動部の各寸法と、ｄ／ｂの値をそれぞれ示している。この場合、各寸法は、主共振周波数における振動波長との比で示している。
【００５１】
【表１】
この表１で示される試料１は、図４（ａ）にその厚み方向視形状が示され、図４（ｂ）にその計測されたインピーダンス特性及び位相特性が示されている。同様に、試料２は、図５に、試料３は、図６に、試料４は、図７に、試料５は、図８に、それぞれ、各図（ａ）にその厚み方向視形状が示され、各図（ｂ）にその計測されたインピーダンス特性及び位相特性が示されている。
【００５２】
図４から図８に示される試料１から試料５の圧電共振子では、平行な二辺の長さが振動波長の１０倍以下であり、その平行な二辺以外の対向する電極端面間長さが長手方向でも短手方向でも異なること、および、振動部の上部電極及び下部電極が対向して重なる部分の形状において、その電極端面における平行な辺の組が２組以上ある場合、少なくとも１組の平行な辺間の距離、すなわちそれらの辺に対応する電極端面間の距離と、他の平行な辺の組の平行な辺間の距離、すなわちそれらの辺に対応する電極端面間の距離とが異なる。このため、電極端面間において生じる振動によって発生するスプリアスが低減されている。なお、ここで提示した各試料においては、ｄ／ｂの値が０．５以下であるため、これにより、一層スプリアスの発生が抑制されている。
【００５３】
（実施形態２）
次に、本発明に係る圧電共振子を備えるフィルタの一例を実施形態２として、図９、図１０、図１１に基づいて以下に説明する。１個の圧電共振子１を入力−出力端子間に直列接続し、１個の圧電共振子を入力−グランド間に並列接続したＬ型ラダーフィルタ１１を図９ないし図１１に示している。
【００５４】
具体的には、図９に示すように、このラダーフィルタ１１は、１チップ化された構成となっている。すなわち、上記実施形態１と同様シリコンからなる基板１２に振動空間としての開口部１８を形成し、この開口部１８を被覆するように基板１２表面に酸化シリコンからなる支持膜１３を形成している。そして、この支持膜１３上に、下部電極１５を形成し、この下部電極１５及び支持膜１３上に圧電振動体としての酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる圧電薄膜１４を積層状態で形成している。なお、支持膜１３は、基板２の表面に開口部１８を被覆する状態で形成された酸化シリコン（ＳｉＯ2）の薄膜層１３ａと、この薄膜層３ａ上にさらに成膜された酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）からなる薄膜層１３ｂとで構成されている。さらに、圧電薄膜１４の上面には、上部電極１６ａと上部電極１６ｂとが、下部電極１５と一部厚み方向で重なるように形成している。下部電極１５と上部電極１６ａとの厚み方向で重なる部分の厚み方向視形状、および、下部電極１５と上部電極１６ｂとの厚み方向で重なる部分の厚み方向視形状は、それぞれ、長八角形を成すものである。ここで、下部電極１５と上部電極１６ａとが重なる部分で一つの直列圧電共振子１９ａが形成され、下部電極１５と上部電極１６ｂとが重なる部分で一つの並列圧電共振子１９ｂが形成されている。
【００５５】
圧電薄膜部１４を含む下部電極１５と上部電極１６ａとの厚み方向で重なる部分は、下部電極１５および上部電極１６ａを通して供給される高周波信号により圧電振動する振動部１７ａを成すものである。また、圧電薄膜部４を含む下部電極１５と上部電極１６ｂとの厚み方向で重なる部分は、下部電極１５および上部電極１６ｂを通して供給される高周波信号により圧電振動する振動部１７ｂを成すものである。
【００５６】
振動部１７ａ、振動部１７ｂの厚み方向視形状長八角形の長手方向の長さは、主共振周波数の波長λの２０倍以上に設定され、該長八角形の短手方向の長さは、主共振周波数の波長λの５倍以下に設定されている。
【００５７】
このラダーフィルタ１１は、上記のように構成されていることにより、各圧電共振子１９ａ，１９ｂで発生するスプリアスが低減するため、フィルタ特性のリップルが低減することになり、特性が向上する。
【００５８】
（参考例１）
次に、本発明に係る圧電共振子の実施形態１とは異なる別の形態について、図１、図１２および図１３に基づいて説明する。なお、図１については、この参考例１における圧電共振子の縦断側面図として、実施形態１と同様の構造が示されている。したがって、構成として実施形態１と相違する振動部７の厚み方向視での形状等について以下に説明し、実施形態１と同様の構造については説明を省略する。
【００５９】
図１２に示すように、圧電共振子１の振動部７は、その厚み方向視で、二等辺三角形状となっている。そして、この場合、その振動部７の等辺のそれぞれの長さは主共振周波数の波長の６６．２倍に設定され、底辺の長さは４０．９倍に設定されている。
【００６０】
この圧電共振子１のインピーダンス特性及び位相特性を図１３にグラフとして示している。この圧電共振子１の場合、厚み方向視での振動部の形状が二等辺三角形となっていることにより、その等辺同士の対向する辺間距離が先端側ほど短くなるものとなっているから、振動部を構成するその等辺に相当する電極端面間距離が辺に沿って異なるものとなっており、それによって、図１３に示すように、振動部７の形状に規則性があるので、スプリアス同士の相殺も生じやすくなるなどにより、圧電共振子におけるインピーダンス特性や位相特性が向上する。
【００６１】
（参考例２）
次に、本発明に係る圧電共振子の実施形態１とは異なる別の形態について、図１、図１４および図１５に基づいて説明する。なお、図１については、この参考例２における圧電共振子の縦断側面図として、実施形態１と同様の構造が示されている。したがって、構成として実施形態１と相違する振動部７の厚み方向視での形状等について以下に説明し、実施形態１と同様の構造については説明を省略する。
【００６２】
図１４に示すように、圧電共振子１の振動部７は、その厚み方向視で、ひし形となっている。そして、この場合、平行な２組の辺のその長さＬが振動波長の１０倍以下となっている。
【００６３】
この圧電共振子のインピーダンス特性及び位相特性を図１５にグラフとして示している。このように、厚み方向視ひし形状の振動部に構成されているとともに、その対向する辺同士が平行な対向する辺のその長さＬが振動波長の１０倍以下となっているから、規則性のある形態のなかにおいてスプリアスを互いに相殺させ合うことなどにより低減させ易いものとなっており、図１５に示すように、リップルがほとんど生じない良好な特性が得られる。
【００６４】
（参考例３）
次に、本発明に係る圧電共振子の実施形態１とは異なる別の形態について、図１、図１６および図１７に基づいて説明する。なお、図１については、この参考例３における圧電共振子の縦断側面図として、実施形態１と同様の構造が示されている。したがって、構成として実施形態１と相違する振動部７の厚み方向視での形状等について以下に説明し、実施形態１と同様の構造については説明を省略する。
【００６５】
図１６に示すように、圧電共振子１の振動部７は、その厚み方向視で、四組の隣り合う辺同士が凹角となり、４組の隣り合う辺同士が凸角となる線対称の形状に構成された八角形形状となっている。
【００６６】
この圧電共振子のインピーダンス特性及び位相特性を図１７にグラフとして示している。このように、厚み方向視での振動部７の形状が対向する辺間の距離、それらの辺に対応する電極端面間の距離が辺に沿った方向で変わるとともに、線対称図形となっているから、規則性のある形態のなかにおいてスプリアスを互いに相殺させ合うことなどにより低減させ易いものとなっており、図１７に示すように、リップルがほとんど生じない良好な特性が得られる。
【００６７】
（参考例４）
次に、本発明に係る圧電共振子の実施形態１とは異なる別の形態について、図１、図１８および図１９に基づいて説明する。なお、図１については、この参考例４における圧電共振子の縦断側面図として、実施形態１と同様の構造が示されている。したがって、構成として実施形態１と相違する振動部７の厚み方向視での形状について以下に説明し、実施形態１と同様の構造については説明を省略する。
【００６８】
図１８に示すように、圧電共振子１の振動部７は、その厚み方向視で、線対称図形である七角形形状となっている。
【００６９】
この圧電共振子１のインピーダンス特性及び位相特性を図１９にグラフとして示している。この圧電共振子１の場合、厚み方向視での振動部７の形状が線対称図形である七角形となっていることにより、対向する辺同士において平行なものはなく、したがって、その辺同士の対向する辺間距離が辺に沿った方向で変わるものとなっているから、振動部を構成するそれらの辺に対応する電極端面間距離が辺に沿った位置によって異なるものとなっており、かつ線対称であることによって、振動部７の形状に規則性があるので、スプリアス同士の相殺も生じやすくなるなどにより、図１９に示すように、圧電共振子におけるインピーダンス特性や位相特性が向上する。
【００７０】
（参考例５）
次に、本発明に係る圧電共振子の実施形態１とは異なる別の形態について、図１、図２０および図２１に基づいて説明する。なお、図１については、この参考例５における圧電共振子の縦断側面図として、実施形態１と同様の構造が示されている。したがって、構成として実施形態１と相違する振動部７の厚み方向視での形状について以下に説明し、実施形態１と同様の構造については説明を省略する。
【００７１】
図２０に示すように、圧電共振子１の振動部７は、その厚み方向視で、線対称図形である台形形状となっている。そして、この場合、台形の一組の平行な辺の長さ、この場合短い方の辺の長さＬが振動波長の１０倍以下に設定してある。
【００７２】
この圧電共振子のインピーダンス特性及び位相特性を図２１にグラフとして示している。このように、厚み方向視線対称の台形形状の振動部７に構成されているとともに、その対向する辺同士が平行な対向する辺のその長さＬが振動波長の１０倍以下となっているから、規則性のある形態のなかにおいてスプリアスを互いに相殺させ合うことなどにより低減させ易いものとなっており、図２１に示すように、リップルがほとんど生じない良好な特性が得られる。
【００７３】
（実施形態３）
次に、本発明に係るデュプレクサについて説明する。図２２に示されるようなデュプレクサ２０は、アンテナ端子２１、受信側端子２２および送信側端子２３が設けられている。デュプレクサ２０は、受信側端子２２および送信側端子２３と、アンテナ端子２１との間に所要周波数帯域の通過のみ許す本発明に係る圧電共振子、または本発明に係る圧電フィルタを回路素子として備える構成となっている。本発明に係る圧電共振子またはこの圧電共振子により構成される圧電フィルタを回路素子として構成されることにより、このデュプレクサ２０の送信や受信での特性や性能が高められる。
【００７４】
（実施形態４）
例えば携帯電話端末装置や、ＬＡＮ装置などの各種の通信装置として用いられる本発明に係る通信装置について説明する。図２３に、その通信装置の簡易なブロック図を示している。
【００７５】
通信装置２４は、図２３に示すように、本体に備えられる受信回路２５と、送信回路２６と、アンテナ２７とを備えている。また、アンテナ２７と、送信回路２６および受信回路２５とは、上記実施形態８で説明したようなデュプレクサ２０を介して信号伝送がなされる。したがって、このデュプレクサ２０に回路素子として備えられる本発明に係る圧電共振子、または該圧電共振子により構成される本発明に係る圧電フィルタによって、この通信装置は、送信や受信での特性や性能が高められる。
【００７６】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、例えば下記に示すように種々な応用や変形が考えられる。
【００７７】
（１）上記実施の形態では、圧電共振子の共振周波数が１．９５ＧＨｚに近いものを示したが、１．９５ＧＨｚより高い任意の共振周波数の圧電共振子や１．９５ＧＨｚより低い任意の共振周波数の圧電共振子に対しても本願発明はもちろん適用できる。
【００７８】
（２）上記実施形態２では、圧電フィルタとして、Ｌ型ラダーフィルタを示したが、例えば、図２４（ａ）に示すように、２つの直列圧電共振子と、２つの並列圧電共振子とを接続して構成されたπ型ラダーフィルタ、図２４（ｂ）に示すように、並列圧電共振子を出力端子とグランド端子とに接続して構成されるＬ型ラダーフィルタ、図２４（ｃ）に示すように、２つの直列圧電共振子と、１つの並列圧電共振子とを接続して構成されたＴ型ラダーフィルタなど、各種圧電フィルタに本発明に係る圧電共振子を採用できる。また、上記実施形態２では、フィルタを単一素子として構成できるよう、２つの圧電共振子を並設する状態で形成したものを示したが、３つ以上の圧電共振子を単一素子として構成しても良いとともに、その配置も一定方向に沿って並設されるものに限定されない。
【００７９】
（３）上記実施の形態では、振動部の厚み方向視での形状を細長状の八角形のものを示したが、本発明に係る圧電共振子における振動部７の厚み方向視の形状としては、図２５〜図２８などに開示されたものでも良い。
【００８０】
すなわち、図２５（ａ）に示すものは、振動部７の形状が横長の六角形状となっているものであって、その平行な対向する辺の長さが振動波長λの１０倍以下となっている。図２５（ｂ）に示すものは、振動部７の形状が横長の楕円となっているものであって、その長手方向長さＬが少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。図２５（ｃ）に示すものは、振動部７の形状が半円となっているものであって、その長手方向長さＬが少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。図２５（ｄ）に示すものは、その形状が鋭角２等辺三角形となっているものであって、その長手方向長さＬ（この場合短辺とそれに対する頂点までの距離Ｌ）が少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。図２５（ｅ）に示すものは、その形状が各４辺が階段状となっている菱形となっているものであって、その平行な対向する辺の長さが振動波長λの１０倍以下となっているとともに、その長さ方向長さＬが少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。これら、図２５にそれぞれ示す振動部の厚み方向視形状は、所定幅方向での中心を通りかつその所定幅方向に対し直交する直線を仮想中心線とする線対称図形である。
【００８１】
また、図２６（ａ）に示すものは、その形状が横長の十六角形となっているものであって、その平行な対向する辺の長さが振動波長λの１０倍以下となっているとともに、その長手方向長さＬが少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。図２６（ｂ）に示すものは、その形状が細長の七角形となっているものであって、線対称図形となっているとともに、その長手方向長さＬが少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。図２６（ｃ）に示すものは、その形状が細長の八角形の４辺が凸曲線を描くものであって、その平行な対向する辺の長さが振動波長λの１０倍以下となっているとともに、その長手方向長さＬが少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。図２６（ｄ）に示すものは、その形状が細長の八角形の４辺が凹曲線を描くものであって、その平行な対向する辺の長さが振動波長λの１０倍以下となっているとともに、その長手方向長さＬが少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。これら、図２６にそれぞれ示す振動部の厚み方向視形状は、所定幅方向での中心を通りかつその所定幅方向に対し直交する直線を仮想中心線とする左右対称図形である。
【００８２】
また、図２７（ａ）に示すものは、その形状がその長手方向長さＬ１と短手方向長さＬ２との比が１１：３となる菱形であって、その平行な対向する辺の長さが振動波長λの１０倍以下となっている。図２７（ｂ）に示すものは、その形状がその長手方向長さＬ１と短手方向長さＬ２との比が６：１となる菱形であって、その平行な対向する辺の長さが振動波長λの１０倍以下となっている。。図２７（ｃ）に示すものは、その形状が頂角３０°を成す台形となっているものであって、その上辺の長さＬが振動波長λの１０倍以下となっている。図２７にそれぞれ示す振動部の厚み方向視形状は、所定幅方向での中心を通りかつその所定幅方向に対し直交する直線を仮想中心線とする線対称図形である。
【００８３】
また、図２８（ａ）に示すものは、その形状が正方形の各辺から内側に鈍角二等辺三角形を切り欠いているものであって、その長手方向長さＬ（この場合正方形での対角線長さＬ）が少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。図２８（ｂ）に示すものは、その形状が長方形の各辺から内側に鈍角二等辺三角形を切り欠いているものであって、その長手方向長さＬ（この場合長方形での対角線長さＬ）が少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。これら、図２８にそれぞれ示す振動部の厚み方向視形状は、所定幅方向での中心を通りかつその所定幅方向に対し直交する直線を仮想中心線とする線対称図形である。
（４）上記実施形態では、上部電極と外部電極とをつなぐリードが、振動部の長手方向に沿った状態で上部電極につながるように形成されたものを示したが、図２９（ａ），（ｂ）に示すように、振動部７の上部電極６の長手方向に対して交差する角度方向に沿ってリード２８を延出する状態でそのリード２８と上部電極６とをつなぐようにしても良い。ここで、図２９（ａ）は、前記長手方向に対して３０°の角度となる方向にリード１７が沿う場合を示し、図２９（ｂ）は、前記長手方向に対して４５°の角度となる方向にリード２８が沿う場合を示す。このようにリードの沿う方向を振動部の長手方向に対して交差する方向となっているから、素子全体における振動部の長手方向での必要寸法を小さくできることになって、素子として小型化を図ることができる。
【００８４】
（５）上記各実施形態では、基板に上下に貫通する開口部を形成して振動部をその開口部に設けるものを示したが、本発明は、例えば、図３０に示すように、基板３２の上面側に有底の空洞部を成す凹部３８を形成して、その凹部３８を覆うように下部電極３５を絶縁層３３を介して設け、下部電極３５上に成膜した圧電薄膜３４上に上部電極３６を形成しすることで圧電共振子３１を構成しても良い。
【００８５】
【発明の効果】
本発明に係る第１ないし第３の圧電共振子によれば、スプリアスが主振動に対する大きなリップルとして作用しなくなるから、インピーダンス特性や位相特性が向上し、共振特性として優れた圧電共振子が得られる。圧電共振子をフィルタとして使用した場合、圧電振動子のスプリアス振動の影響により通過帯域内に生じるリップルが小さいものとなるので、例えばバンドパスフィルタとして信号の選別性能で優れたものが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１，参考例１〜５に係る圧電共振子の要部を示す縦断面図
【図２】 本発明の実施形態１に係る圧電共振子を示す平面図
【図３】 本発明の実施形態１に係る圧電共振子の振動部（厚み方向視八角形）を示す平面図
【図４】 本発明の実施形態１に係る圧電共振子の試料１の振動部を示す平面図（ａ）と、その共振特性を示すグラフ（ｂ）
【図５】 本発明の実施形態１に係る圧電共振子の試料２の振動部を示す平面図（ａ）と、その共振特性を示すグラフ（ｂ）
【図６】 本発明の実施形態１に係る圧電共振子の試料３の振動部を示す平面図（ａ）と、その共振特性を示すグラフ（ｂ）
【図７】 本発明の実施形態１に係る圧電共振子の試料４の振動部を示す平面図（ａ）と、その共振特性を示すグラフ（ｂ）
【図８】 本発明の実施形態１に係る圧電共振子の試料５の振動部を示す平面図（ａ）と、その共振特性を示すグラフ（ｂ）
【図９】 本発明の実施形態２に係る圧電フィルタを示す平面図
【図１０】 図９におけるＡ−Ａ線断面図（ａ）、および図９におけるＢ−Ｂ線断面図（ｂ）
【図１１】 図９の圧電フィルタを示す回路図
【図１２】 本発明の参考例１に係る圧電共振子の振動部の形状を示す平面図
【図１３】 図１２に示される圧電共振子の共振特性を示すグラフ
【図１４】 本発明の参考例２に係る圧電共振子の振動部の形状を示す平面図
【図１５】 図１４に示される圧電共振子の共振特性を示すグラフ
【図１６】 本発明の参考例３に係る圧電共振子の振動部の形状を示す平面図
【図１７】 図１６に示される圧電共振子の共振特性を示すグラフ
【図１８】 本発明の参考例４に係る圧電共振子の振動部の形状を示す平面図
【図１９】 図１８に示される圧電共振子の共振特性を示すグラフ
【図２０】 本発明の参考例５に係る圧電共振子の振動部の形状を示す平面図
【図２１】 図２０に示される圧電共振子の共振特性を示すグラフ
【図２２】 本発明に係るデュプレクサの概略を示す説明図
【図２３】 本発明に係る通信装置の概略を示す説明図
【図２４】 本発明に係るラダー構成の圧電フィルタの変形例を示す回路図
【図２５】 本発明の別の参考例の圧電共振子における振動部の厚み方向視の形状を示す平面図
【図２６】 本発明の別の参考例の圧電共振子における振動部の厚み方向視の形状を示す平面図
【図２７】 本発明の別の参考例の圧電共振子における振動部の厚み方向視の形状を示す平面図
【図２８】 本発明の別の参考例の圧電共振子における振動部の厚み方向視の形状を示す平面図
【図２９】 振動部とリードとを示す平面図
【図３０】 本発明の別の実施の形態の圧電共振子の縦断面図
【図３１】 従来の圧電共振子の共振特性を示すグラフ
【図３２】 圧電共振子の振動部の厚み方向視形状の対向する平行な辺の長さと振動波長との比と、スプリアスの発生状況との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１ 圧電共振子
２ 基板
３ 支持膜
４ 圧電薄膜部（薄膜部）
５ 下部電極
６ 上部電極
８ 開口部
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板と、前記基板に形成されている、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極および下部電極を厚み方向で対向させて挟む構造の振動部とを有する圧電共振子に関し、例えば、携帯電話、無線ＬＡＮ等の発振器やフィルタ等の素子として用いられる圧電共振子及びそれを用いた圧電フィルタ・デュプレクサ・通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電共振子において、厚み縦振動モードで使用するものにおいては、上下電極の厚み方向で重なる部分、つまり振動部となる電極交差部分の厚み方向視形状が単なる矩形の場合、その交差部分の矩形の対向する２辺間の長さで、Ｓｎ（ｎ＝０，１，２，３……自然数）モード振動の共振周波数が決まるものである。特に、振動部の厚み方向視形状が正方形の場合、その対向する２辺間の長さが同じだから、一方の対向する２辺間の長さできまるＳｎ（ｎ＝０，１，２，３……自然数）モード振動の共振周波数と、他方の対向する２辺間の長さできまるＳｎ（ｎ＝０，１，２，３……自然数）モード振動の共振周波数とは同じになる。
【０００３】
一方、圧電共振子として、上下電極の交差部分の厚み方向視形状が円形のものの場合、振動波長との関係はその直径の大きさに対応づけられるものであって、Ｓｎ（ｎ＝０，１，２，３……自然数）モード振動の共振周波数は、別々のｎの値に対し、各１個きまる。
【０００４】
ところが、圧電共振子として、上下電極の交差部分の厚み方向視形状が長方形の場合、一方の対向する２辺間の長さと他方の対向する２辺間の長さが異なるため、一方の対向する２辺間の長さできまるＳｎモード振動の共振周波数と、他方の対向する２辺間の長さできまるＳｎモード振動の共振周波数とが異なり、全体では数多くの共振周波数のスプリアス振動が発生することになる。
【０００５】
このことから、振動部の厚み方向視形状が長方形の場合、正方形や円形のものと比較してスプリアス振動の影響が大きく作用することが予測されることもあって、従来、一般的に採用されてこなかった。
【０００６】
したがって、従来においては、振動部の形状が単に正方形か、円形となるものが主に採用されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のように振動部の形状が正方形や円形のものの場合、主振動のレスポンスを大きくするためにその振動部の対向する２辺間の長さや径を大きくすると、一般に、共振点と、***振点との間隔が広がっていって、その圧電共振子のＱが低下する傾向がある。つまり、対向電極の重なり部分の厚み方向視形状が円形や正方形である場合には、その寸法が大きくなるほど、Ｑが小さくなり、損失が増える。
【０００８】
例えば、特開２００２−９５７９号公報に開示されているように、振動部の厚み方向視形状が円形または円形を内包する任意の形状であって、その振動部の半径ｒと振動部の厚さｔとの関係がｒ≧２０ｔ／ｎとなっているものの場合、電極寸法が大きくなってしまう。また、Ｑが低下するため、その圧電共振子を用いて作製したフィルタの挿入損失が劣化するという問題がある。この従来の場合の周波数と、位相およびインピーダンスとの関係の一例を図３１に示している。
【０００９】
この場合、スプリアスの影響によるリップルが多数生じているとともに、主振動に接近してスプリアス振動が生じることで主振動との干渉のおそれが高まるなど共振特性として安定性が低いものとなりやすい。
【００１０】
また、電極端部で反射する横モード振動の高調波のうち厚み縦振動の共振周波数帯に出現するモードを抑制するために、例えば特開２０００−３３２５６８号公報に開示されているように、振動部部分の形状を不等辺四角形などに構成するものが提案されている。
【００１１】
しかしながら、このような形状のものの場合、振動部を振動可能に支えるダイヤフラムは、電極に外接する方形よりも大きいことが必要である。そして、電極形状が不規則であるため、例えば、面積の等しい方形の電極に比べて、大きなダイヤフラムが必要となり、小型化が図れないものである。
【００１２】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであって、スプリアス振動の影響をきわめて小さくできる圧電共振子およびそれを用いたフィルタ・デュプレクサ・通信装置の提供を解決課題としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧電共振子は、基板と、前記基板に形成されている、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極及び下部電極を厚み方向で対向させて挟む構造の振動部とを有する圧電共振子において、前記振動部の前記上部電極及び下部電極が対向して重なる部分の形状は、前記厚み方向視で、線対称、または、点対称であり、かつ、短手方向両端および短手方向両端にそれぞれ長さが振動波長の１０倍以下である平行な辺を有する細長形状の長八角形であり、該形状における短手方向長さをｂとし、該形状における長手方向で両端に位置する短手方向に沿った辺の長さをｄとすると、ｄ／ｂ≦０．５を満たし、該形状における長手方向長さは主振動の共振波長の２０倍以上に設定されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る圧電共振子によれば、振動部の前記上部電極及び下部電極が対向して重なる部分の形状は、前記厚み方向視で、線対称、または、点対称であり、かつ、長手方向両端および短手方向両端にそれぞれ長さが振動波長の１０倍以下である平行な辺を有する細長形状の長八角形であることによって、同じ面積を有する長方形のものと比較してその長手方向と交差する方向で発生するスプリアスは細かい振動となるので、それらスプリアスが主振動に対する大きなリップルとして作用しなくなるからインピーダンス特性や位相特性が向上する。また、前記厚み方向視で、線対称、または、点対称であり、かつ、細長形状の長八角形であり、該形状における短手方向長さをｂとし、該形状における長手方向で両端に位置する短手方向に沿った辺の長さをｄとすると、ｄ／ｂ≦０．５を満たすことによって、従来に比して、スプリアスの発生や影響が抑制されるので、位相特性やインピーダンス特性に一層優れた圧電共振子を得ることができる。さらに、前記厚み方向視における長手方向長さを主振動の共振波長の２０倍以上に設定することによって、その長手方向の振動サイズによって発生するスプリアスを一層低減できる。
【００１９】
なお、本発明に係る圧電共振子のように、振動部の厚み方向視形状において、互いに平行な辺の長さが振動波長の１０倍以下であることが好ましいことは、本発明者が行った実験結果からも判明する。すなわち、本発明者は、圧電共振子の振動部の厚み方向視での形状において、平行な辺の長さが振動波長との比の異なる多数種類の試料を用意し、それぞれの試料についてスプリアスがどの程度発生しているかを実験により計測し、図３２に示すような実験データを得た。スプリアスはインピーダンス若しくは位相で評価するが、図３２では位相で評価した。位相で評価する場合、主振動に対する角度差で評価する。つまり、位相の角度差が小さいと、スプリアスは小さくなる。図３２からわかるように、振動部の厚み方向視での形状において、平行な辺の長さが振動波長の１０倍以下の場合、スプリアスの発生が主振動に対して位相角度との関係でいえば、相対的な角度差が１５度以下の小さいものとなっていることが判明した。よって、振動部分の厚み方向視の形状において、平行な辺の長さが振動波長の１０倍以下になると、スプリアスが小さくなる。
【００２０】
本発明に係る圧電共振子によれば、前記振動部の前記上部電極及び下部電極が対向して重なる部分の形状は、前記厚み方向視で、線対称、または、点対称であり、振動部の形状に規則性があるので、スプリアス同士の相殺も生じやすいなどにより、圧電共振子におけるインピーダンス特性や位相特性が一層向上する。
【００２８】
本発明に係る圧電共振子は、好ましくは、前記基板は開口部もしくは凹部を有し、前記開口部もしくは凹部上に前記振動部が形成されている。この場合、ダイヤフラム型に構成される圧電振動子についてスプリアスの低減を図ることができる。
【００２９】
本発明に係る圧電共振子は、好ましくは、前記振動部は、前記上部電極及び下部電極を通して印加される電気信号によって厚み縦振動モードで振動する。この場合、厚み縦振動する構成の圧電振動子についてスプリアスの低減を図ることができる。
【００３０】
本発明に係る圧電フィルタは、本発明に係る圧電共振子を用いている、または、本発明に係る圧電共振子を用いて、ラダー構成にしたことを特徴とする。このように構成された圧電フィルタは、圧電共振子でのスプリアスが低減するので、それによりリップルの発生が低減されたフィルタ特性の優れた圧電フィルタが得られる。
【００３１】
本発明に係るデュプレクサは、本発明に係る圧電共振子または圧電フィルタを用いていることを特徴とする。本発明に係るデュプレクサは、圧電共振子でのスプリアスが低減するので、それによりリップルの発生が低減されたフィルタ特性の優れたデュプレクサが得られる。
【００３２】
本発明に係る通信装置は、本発明に係る圧電共振子または圧電フィルタを用いていることを特徴とする。本発明に係る通信装置は、圧電共振子でのスプリアスが低減するので、特性の優れた通信装置が得られる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００３４】
（実施形態１）
図１および図２は、本発明に係る圧電共振子の実施形態１を示しており、図１は、圧電共振子の概略を示す縦断側面図、図２は、圧電共振子の概略を示す平面図である。
【００３５】
この圧電共振子１は、例えば共振周波数が１．９５ＧＨｚに近い厚み縦振動の２倍波を利用したものである。なお、基本波、３倍波、４倍波、ｎ倍波（ｎ＝５，６，７，……自然数）でもかまわない。そして、圧電共振子１は、基板２上に、支持膜３、圧電薄膜部４、電極５，６薄膜が積層状態に形成されたものである。
【００３６】
すなわち、圧電共振子１は、図１に示すように、振動空間としての平面視矩形の開口部８を有する基板２と、該基板２の表面に形成された支持膜３と、該支持膜３上に形成された下部電極５と、該下部電極５上に形成された圧電薄膜部４と、該圧電薄膜部４上に形成された上部電極６とから構成されている。
【００３７】
基板２は、例えばシリコン、パイレックス（登録商標）ガラス、石英などの板状体で形成されている。その中央部には、後述する振動部７が振動できるようにするために、基板２に上下に貫通する開口部８を、例えばエッチング、レーザ加工、サンドブラストなどの方法によって基板２を構成する部材が所定形状に除去されて形成されている。なお、本実施形態では、シリコンを基板２として用いる。
【００３８】
そして、支持膜３は、その上に形成された下部電極５、圧電薄膜部４、上部電極６を支持して開口部８において振動可能なダイヤフラムを構成する。詳述すると、この場合、支持膜３は、基板２の表面に開口部８を被覆する状態で形成された酸化シリコン（ＳｉＯ2）の薄膜層３ａと、この薄膜層３ａ上にさらに成膜された酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）の薄膜層３ｂとで構成されている。この支持膜３の材質としては、酸化シリコン以外に例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化アルミニウムなどを用いても良い。特に、支持膜３は、圧縮応力と引張応力という相反する応力を有する２層以上の多層構造であることが好ましい。
【００３９】
この支持膜３上には、まず下部電極５が薄膜として形成されている。この下部電極５は、アルミニウムで形成されている。
【００４０】
この下部電極５および支持膜３上には、酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる圧電薄膜部４が形成されている。なお、圧電薄膜部４としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＰＺＴなどを用いても良い。また、圧電薄膜部４は、少なくとも１層以上の圧電薄膜を含むものであり、圧電体のみで構成されてもよく、あるいは、圧電薄膜を１層以上含み、その圧電薄膜とは別の例えば絶縁膜層などを含む構成でもよい。
【００４１】
その圧電薄膜部４の上面には、下部電極５とは一部が厚み方向で重なり合うよう対向させた状態で上部電極６を薄膜として形成している。この上部電極６も、下部電極５と同様にアルミニウムで形成されている。なお、下部電極５、上部電極６を形成する素材としては、アルミニウムに代えて、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）などを用いても良い。
【００４２】
そして、下部電極５および上部電極６がそれぞれ外部電極に接続された状態で圧電共振子１は封止されている。
【００４３】
下部電極５と上部電極６との厚み方向での重なり部分の形状は、図２に示すように、細長形状の八角形状（長八角形）となっている。すなわち、下部電極５は長方形の短辺の両端の角部を落とした形状を有し、上部電極６も長方形の短い辺の両端の角部を落とした形状を有しており、これらの対向して重なる部分の形状は細長形状の八角形状となっている。上部電極６をこのような形状にすることにより、配線を太くできるので、配線抵抗の低減による共振子のＱの向上、ひいてはフィルタ特性の向上が可能となる。この重なり部分の形状は、細長い長方形の長手方向の両端の一対の隅角部を対応する辺と辺とにわたって斜めに欠いた形状となっている。なお、この重なり部分の厚み方向視の形状は、長手方向での中心を通りかつその長手方向に対し直交する直線を仮想中心線とする線対称図形である。
【００４４】
この重なり部分において、圧電薄膜部４では、下部電極５および上部電極６を通して供給される高周波信号により圧電振動することになる。上部電極５、下部電極６および圧電薄膜部４、及び、その下の絶縁膜３におけるこの圧電振動する部分を以下、振動部７という。
【００４５】
この厚み方向視で細長形状の八角形状を成す振動部７は、図１および図２に示すように、その長手方向長さａが主振動（Ｓ0モード）の振動波長λに対して２０λ以上の長さに設定されている。なお、長手方向と直交するその短手方向長さｂについては主振動の振動波長λに対して５λ以下の長さに設定されていても良いとともに、５λを超える寸法に設定されていても良い。
【００４６】
なお、振動部７の長辺の長さａは、主振動の振動波長λに対して８０λ以上の長さに設定されることが一層好ましい。
【００４７】
なお、その振動部７の長手方向長さａの上限は、主振動の共振波長と圧電共振子１のそのチップサイズに合わせて設定されるものであり、振動部７の短手方向長さｂの下限は、主振動の振動波長λと同程度である。
【００４８】
この厚み方向視で細長形状の八角形状を成す振動部に構成された圧電共振子の具体的な特性について、図４から図８に以下本発明者が行なった実験により得られたデータを示す。
【００４９】
図３に、振動部の寸法の取り方を示している。すなわち、厚み方向視で細長形状の八角形の振動部における長手方向長さをａとし、短手方向長さをｂとし、長手方向に沿って平行な二辺の長さをｃとし、短手方向に沿って平行な二辺の長さをｄとする。なお、平行な二辺の対向するもの同士は同じ長さに設定している。
【００５０】
表１には、図４から図８に示した各試料の振動部の各寸法と、ｄ／ｂの値をそれぞれ示している。この場合、各寸法は、主共振周波数における振動波長との比で示している。
【００５１】
【表１】
【００５２】
図４から図８に示される試料１から試料５の圧電共振子では、平行な二辺の長さが振動波長の１０倍以下であり、その平行な二辺以外の対向する電極端面間長さが長手方向でも短手方向でも異なること、および、振動部の上部電極及び下部電極が対向して重なる部分の形状において、その電極端面における平行な辺の組が２組以上ある場合、少なくとも１組の平行な辺間の距離、すなわちそれらの辺に対応する電極端面間の距離と、他の平行な辺の組の平行な辺間の距離、すなわちそれらの辺に対応する電極端面間の距離とが異なる。このため、電極端面間において生じる振動によって発生するスプリアスが低減されている。なお、ここで提示した各試料においては、ｄ／ｂの値が０．５以下であるため、これにより、一層スプリアスの発生が抑制されている。
【００５３】
（実施形態２）
次に、本発明に係る圧電共振子を備えるフィルタの一例を実施形態２として、図９、図１０、図１１に基づいて以下に説明する。１個の圧電共振子１を入力−出力端子間に直列接続し、１個の圧電共振子を入力−グランド間に並列接続したＬ型ラダーフィルタ１１を図９ないし図１１に示している。
【００５４】
具体的には、図９に示すように、このラダーフィルタ１１は、１チップ化された構成となっている。すなわち、上記実施形態１と同様シリコンからなる基板１２に振動空間としての開口部１８を形成し、この開口部１８を被覆するように基板１２表面に酸化シリコンからなる支持膜１３を形成している。そして、この支持膜１３上に、下部電極１５を形成し、この下部電極１５及び支持膜１３上に圧電振動体としての酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる圧電薄膜１４を積層状態で形成している。なお、支持膜１３は、基板２の表面に開口部１８を被覆する状態で形成された酸化シリコン（ＳｉＯ2）の薄膜層１３ａと、この薄膜層３ａ上にさらに成膜された酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）からなる薄膜層１３ｂとで構成されている。さらに、圧電薄膜１４の上面には、上部電極１６ａと上部電極１６ｂとが、下部電極１５と一部厚み方向で重なるように形成している。下部電極１５と上部電極１６ａとの厚み方向で重なる部分の厚み方向視形状、および、下部電極１５と上部電極１６ｂとの厚み方向で重なる部分の厚み方向視形状は、それぞれ、長八角形を成すものである。ここで、下部電極１５と上部電極１６ａとが重なる部分で一つの直列圧電共振子１９ａが形成され、下部電極１５と上部電極１６ｂとが重なる部分で一つの並列圧電共振子１９ｂが形成されている。
【００５５】
圧電薄膜部１４を含む下部電極１５と上部電極１６ａとの厚み方向で重なる部分は、下部電極１５および上部電極１６ａを通して供給される高周波信号により圧電振動する振動部１７ａを成すものである。また、圧電薄膜部４を含む下部電極１５と上部電極１６ｂとの厚み方向で重なる部分は、下部電極１５および上部電極１６ｂを通して供給される高周波信号により圧電振動する振動部１７ｂを成すものである。
【００５６】
振動部１７ａ、振動部１７ｂの厚み方向視形状長八角形の長手方向の長さは、主共振周波数の波長λの２０倍以上に設定され、該長八角形の短手方向の長さは、主共振周波数の波長λの５倍以下に設定されている。
【００５７】
このラダーフィルタ１１は、上記のように構成されていることにより、各圧電共振子１９ａ，１９ｂで発生するスプリアスが低減するため、フィルタ特性のリップルが低減することになり、特性が向上する。
【００５８】
（参考例１）
次に、本発明に係る圧電共振子の実施形態１とは異なる別の形態について、図１、図１２および図１３に基づいて説明する。なお、図１については、この参考例１における圧電共振子の縦断側面図として、実施形態１と同様の構造が示されている。したがって、構成として実施形態１と相違する振動部７の厚み方向視での形状等について以下に説明し、実施形態１と同様の構造については説明を省略する。
【００５９】
図１２に示すように、圧電共振子１の振動部７は、その厚み方向視で、二等辺三角形状となっている。そして、この場合、その振動部７の等辺のそれぞれの長さは主共振周波数の波長の６６．２倍に設定され、底辺の長さは４０．９倍に設定されている。
【００６０】
この圧電共振子１のインピーダンス特性及び位相特性を図１３にグラフとして示している。この圧電共振子１の場合、厚み方向視での振動部の形状が二等辺三角形となっていることにより、その等辺同士の対向する辺間距離が先端側ほど短くなるものとなっているから、振動部を構成するその等辺に相当する電極端面間距離が辺に沿って異なるものとなっており、それによって、図１３に示すように、振動部７の形状に規則性があるので、スプリアス同士の相殺も生じやすくなるなどにより、圧電共振子におけるインピーダンス特性や位相特性が向上する。
【００６１】
（参考例２）
次に、本発明に係る圧電共振子の実施形態１とは異なる別の形態について、図１、図１４および図１５に基づいて説明する。なお、図１については、この参考例２における圧電共振子の縦断側面図として、実施形態１と同様の構造が示されている。したがって、構成として実施形態１と相違する振動部７の厚み方向視での形状等について以下に説明し、実施形態１と同様の構造については説明を省略する。
【００６２】
図１４に示すように、圧電共振子１の振動部７は、その厚み方向視で、ひし形となっている。そして、この場合、平行な２組の辺のその長さＬが振動波長の１０倍以下となっている。
【００６３】
この圧電共振子のインピーダンス特性及び位相特性を図１５にグラフとして示している。このように、厚み方向視ひし形状の振動部に構成されているとともに、その対向する辺同士が平行な対向する辺のその長さＬが振動波長の１０倍以下となっているから、規則性のある形態のなかにおいてスプリアスを互いに相殺させ合うことなどにより低減させ易いものとなっており、図１５に示すように、リップルがほとんど生じない良好な特性が得られる。
【００６４】
（参考例３）
次に、本発明に係る圧電共振子の実施形態１とは異なる別の形態について、図１、図１６および図１７に基づいて説明する。なお、図１については、この参考例３における圧電共振子の縦断側面図として、実施形態１と同様の構造が示されている。したがって、構成として実施形態１と相違する振動部７の厚み方向視での形状等について以下に説明し、実施形態１と同様の構造については説明を省略する。
【００６５】
図１６に示すように、圧電共振子１の振動部７は、その厚み方向視で、四組の隣り合う辺同士が凹角となり、４組の隣り合う辺同士が凸角となる線対称の形状に構成された八角形形状となっている。
【００６６】
この圧電共振子のインピーダンス特性及び位相特性を図１７にグラフとして示している。このように、厚み方向視での振動部７の形状が対向する辺間の距離、それらの辺に対応する電極端面間の距離が辺に沿った方向で変わるとともに、線対称図形となっているから、規則性のある形態のなかにおいてスプリアスを互いに相殺させ合うことなどにより低減させ易いものとなっており、図１７に示すように、リップルがほとんど生じない良好な特性が得られる。
【００６７】
（参考例４）
次に、本発明に係る圧電共振子の実施形態１とは異なる別の形態について、図１、図１８および図１９に基づいて説明する。なお、図１については、この参考例４における圧電共振子の縦断側面図として、実施形態１と同様の構造が示されている。したがって、構成として実施形態１と相違する振動部７の厚み方向視での形状について以下に説明し、実施形態１と同様の構造については説明を省略する。
【００６８】
図１８に示すように、圧電共振子１の振動部７は、その厚み方向視で、線対称図形である七角形形状となっている。
【００６９】
この圧電共振子１のインピーダンス特性及び位相特性を図１９にグラフとして示している。この圧電共振子１の場合、厚み方向視での振動部７の形状が線対称図形である七角形となっていることにより、対向する辺同士において平行なものはなく、したがって、その辺同士の対向する辺間距離が辺に沿った方向で変わるものとなっているから、振動部を構成するそれらの辺に対応する電極端面間距離が辺に沿った位置によって異なるものとなっており、かつ線対称であることによって、振動部７の形状に規則性があるので、スプリアス同士の相殺も生じやすくなるなどにより、図１９に示すように、圧電共振子におけるインピーダンス特性や位相特性が向上する。
【００７０】
（参考例５）
次に、本発明に係る圧電共振子の実施形態１とは異なる別の形態について、図１、図２０および図２１に基づいて説明する。なお、図１については、この参考例５における圧電共振子の縦断側面図として、実施形態１と同様の構造が示されている。したがって、構成として実施形態１と相違する振動部７の厚み方向視での形状について以下に説明し、実施形態１と同様の構造については説明を省略する。
【００７１】
図２０に示すように、圧電共振子１の振動部７は、その厚み方向視で、線対称図形である台形形状となっている。そして、この場合、台形の一組の平行な辺の長さ、この場合短い方の辺の長さＬが振動波長の１０倍以下に設定してある。
【００７２】
この圧電共振子のインピーダンス特性及び位相特性を図２１にグラフとして示している。このように、厚み方向視線対称の台形形状の振動部７に構成されているとともに、その対向する辺同士が平行な対向する辺のその長さＬが振動波長の１０倍以下となっているから、規則性のある形態のなかにおいてスプリアスを互いに相殺させ合うことなどにより低減させ易いものとなっており、図２１に示すように、リップルがほとんど生じない良好な特性が得られる。
【００７３】
（実施形態３）
次に、本発明に係るデュプレクサについて説明する。図２２に示されるようなデュプレクサ２０は、アンテナ端子２１、受信側端子２２および送信側端子２３が設けられている。デュプレクサ２０は、受信側端子２２および送信側端子２３と、アンテナ端子２１との間に所要周波数帯域の通過のみ許す本発明に係る圧電共振子、または本発明に係る圧電フィルタを回路素子として備える構成となっている。本発明に係る圧電共振子またはこの圧電共振子により構成される圧電フィルタを回路素子として構成されることにより、このデュプレクサ２０の送信や受信での特性や性能が高められる。
【００７４】
（実施形態４）
例えば携帯電話端末装置や、ＬＡＮ装置などの各種の通信装置として用いられる本発明に係る通信装置について説明する。図２３に、その通信装置の簡易なブロック図を示している。
【００７５】
通信装置２４は、図２３に示すように、本体に備えられる受信回路２５と、送信回路２６と、アンテナ２７とを備えている。また、アンテナ２７と、送信回路２６および受信回路２５とは、上記実施形態８で説明したようなデュプレクサ２０を介して信号伝送がなされる。したがって、このデュプレクサ２０に回路素子として備えられる本発明に係る圧電共振子、または該圧電共振子により構成される本発明に係る圧電フィルタによって、この通信装置は、送信や受信での特性や性能が高められる。
【００７６】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、例えば下記に示すように種々な応用や変形が考えられる。
【００７７】
（１）上記実施の形態では、圧電共振子の共振周波数が１．９５ＧＨｚに近いものを示したが、１．９５ＧＨｚより高い任意の共振周波数の圧電共振子や１．９５ＧＨｚより低い任意の共振周波数の圧電共振子に対しても本願発明はもちろん適用できる。
【００７８】
（２）上記実施形態２では、圧電フィルタとして、Ｌ型ラダーフィルタを示したが、例えば、図２４（ａ）に示すように、２つの直列圧電共振子と、２つの並列圧電共振子とを接続して構成されたπ型ラダーフィルタ、図２４（ｂ）に示すように、並列圧電共振子を出力端子とグランド端子とに接続して構成されるＬ型ラダーフィルタ、図２４（ｃ）に示すように、２つの直列圧電共振子と、１つの並列圧電共振子とを接続して構成されたＴ型ラダーフィルタなど、各種圧電フィルタに本発明に係る圧電共振子を採用できる。また、上記実施形態２では、フィルタを単一素子として構成できるよう、２つの圧電共振子を並設する状態で形成したものを示したが、３つ以上の圧電共振子を単一素子として構成しても良いとともに、その配置も一定方向に沿って並設されるものに限定されない。
【００７９】
（３）上記実施の形態では、振動部の厚み方向視での形状を細長状の八角形のものを示したが、本発明に係る圧電共振子における振動部７の厚み方向視の形状としては、図２５〜図２８などに開示されたものでも良い。
【００８０】
すなわち、図２５（ａ）に示すものは、振動部７の形状が横長の六角形状となっているものであって、その平行な対向する辺の長さが振動波長λの１０倍以下となっている。図２５（ｂ）に示すものは、振動部７の形状が横長の楕円となっているものであって、その長手方向長さＬが少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。図２５（ｃ）に示すものは、振動部７の形状が半円となっているものであって、その長手方向長さＬが少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。図２５（ｄ）に示すものは、その形状が鋭角２等辺三角形となっているものであって、その長手方向長さＬ（この場合短辺とそれに対する頂点までの距離Ｌ）が少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。図２５（ｅ）に示すものは、その形状が各４辺が階段状となっている菱形となっているものであって、その平行な対向する辺の長さが振動波長λの１０倍以下となっているとともに、その長さ方向長さＬが少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。これら、図２５にそれぞれ示す振動部の厚み方向視形状は、所定幅方向での中心を通りかつその所定幅方向に対し直交する直線を仮想中心線とする線対称図形である。
【００８１】
また、図２６（ａ）に示すものは、その形状が横長の十六角形となっているものであって、その平行な対向する辺の長さが振動波長λの１０倍以下となっているとともに、その長手方向長さＬが少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。図２６（ｂ）に示すものは、その形状が細長の七角形となっているものであって、線対称図形となっているとともに、その長手方向長さＬが少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。図２６（ｃ）に示すものは、その形状が細長の八角形の４辺が凸曲線を描くものであって、その平行な対向する辺の長さが振動波長λの１０倍以下となっているとともに、その長手方向長さＬが少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。図２６（ｄ）に示すものは、その形状が細長の八角形の４辺が凹曲線を描くものであって、その平行な対向する辺の長さが振動波長λの１０倍以下となっているとともに、その長手方向長さＬが少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。これら、図２６にそれぞれ示す振動部の厚み方向視形状は、所定幅方向での中心を通りかつその所定幅方向に対し直交する直線を仮想中心線とする左右対称図形である。
【００８２】
また、図２７（ａ）に示すものは、その形状がその長手方向長さＬ１と短手方向長さＬ２との比が１１：３となる菱形であって、その平行な対向する辺の長さが振動波長λの１０倍以下となっている。図２７（ｂ）に示すものは、その形状がその長手方向長さＬ１と短手方向長さＬ２との比が６：１となる菱形であって、その平行な対向する辺の長さが振動波長λの１０倍以下となっている。。図２７（ｃ）に示すものは、その形状が頂角３０°を成す台形となっているものであって、その上辺の長さＬが振動波長λの１０倍以下となっている。図２７にそれぞれ示す振動部の厚み方向視形状は、所定幅方向での中心を通りかつその所定幅方向に対し直交する直線を仮想中心線とする線対称図形である。
【００８３】
また、図２８（ａ）に示すものは、その形状が正方形の各辺から内側に鈍角二等辺三角形を切り欠いているものであって、その長手方向長さＬ（この場合正方形での対角線長さＬ）が少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。図２８（ｂ）に示すものは、その形状が長方形の各辺から内側に鈍角二等辺三角形を切り欠いているものであって、その長手方向長さＬ（この場合長方形での対角線長さＬ）が少なくとも振動波長λの２０倍以上となっている。これら、図２８にそれぞれ示す振動部の厚み方向視形状は、所定幅方向での中心を通りかつその所定幅方向に対し直交する直線を仮想中心線とする線対称図形である。
（４）上記実施形態では、上部電極と外部電極とをつなぐリードが、振動部の長手方向に沿った状態で上部電極につながるように形成されたものを示したが、図２９（ａ），（ｂ）に示すように、振動部７の上部電極６の長手方向に対して交差する角度方向に沿ってリード２８を延出する状態でそのリード２８と上部電極６とをつなぐようにしても良い。ここで、図２９（ａ）は、前記長手方向に対して３０°の角度となる方向にリード１７が沿う場合を示し、図２９（ｂ）は、前記長手方向に対して４５°の角度となる方向にリード２８が沿う場合を示す。このようにリードの沿う方向を振動部の長手方向に対して交差する方向となっているから、素子全体における振動部の長手方向での必要寸法を小さくできることになって、素子として小型化を図ることができる。
【００８４】
（５）上記各実施形態では、基板に上下に貫通する開口部を形成して振動部をその開口部に設けるものを示したが、本発明は、例えば、図３０に示すように、基板３２の上面側に有底の空洞部を成す凹部３８を形成して、その凹部３８を覆うように下部電極３５を絶縁層３３を介して設け、下部電極３５上に成膜した圧電薄膜３４上に上部電極３６を形成しすることで圧電共振子３１を構成しても良い。
【００８５】
【発明の効果】
本発明に係る第１ないし第３の圧電共振子によれば、スプリアスが主振動に対する大きなリップルとして作用しなくなるから、インピーダンス特性や位相特性が向上し、共振特性として優れた圧電共振子が得られる。圧電共振子をフィルタとして使用した場合、圧電振動子のスプリアス振動の影響により通過帯域内に生じるリップルが小さいものとなるので、例えばバンドパスフィルタとして信号の選別性能で優れたものが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１，参考例１〜５に係る圧電共振子の要部を示す縦断面図
【図２】 本発明の実施形態１に係る圧電共振子を示す平面図
【図３】 本発明の実施形態１に係る圧電共振子の振動部（厚み方向視八角形）を示す平面図
【図４】 本発明の実施形態１に係る圧電共振子の試料１の振動部を示す平面図（ａ）と、その共振特性を示すグラフ（ｂ）
【図５】 本発明の実施形態１に係る圧電共振子の試料２の振動部を示す平面図（ａ）と、その共振特性を示すグラフ（ｂ）
【図６】 本発明の実施形態１に係る圧電共振子の試料３の振動部を示す平面図（ａ）と、その共振特性を示すグラフ（ｂ）
【図７】 本発明の実施形態１に係る圧電共振子の試料４の振動部を示す平面図（ａ）と、その共振特性を示すグラフ（ｂ）
【図８】 本発明の実施形態１に係る圧電共振子の試料５の振動部を示す平面図（ａ）と、その共振特性を示すグラフ（ｂ）
【図９】 本発明の実施形態２に係る圧電フィルタを示す平面図
【図１０】 図９におけるＡ−Ａ線断面図（ａ）、および図９におけるＢ−Ｂ線断面図（ｂ）
【図１１】 図９の圧電フィルタを示す回路図
【図１２】 本発明の参考例１に係る圧電共振子の振動部の形状を示す平面図
【図１３】 図１２に示される圧電共振子の共振特性を示すグラフ
【図１４】 本発明の参考例２に係る圧電共振子の振動部の形状を示す平面図
【図１５】 図１４に示される圧電共振子の共振特性を示すグラフ
【図１６】 本発明の参考例３に係る圧電共振子の振動部の形状を示す平面図
【図１７】 図１６に示される圧電共振子の共振特性を示すグラフ
【図１８】 本発明の参考例４に係る圧電共振子の振動部の形状を示す平面図
【図１９】 図１８に示される圧電共振子の共振特性を示すグラフ
【図２０】 本発明の参考例５に係る圧電共振子の振動部の形状を示す平面図
【図２１】 図２０に示される圧電共振子の共振特性を示すグラフ
【図２２】 本発明に係るデュプレクサの概略を示す説明図
【図２３】 本発明に係る通信装置の概略を示す説明図
【図２４】 本発明に係るラダー構成の圧電フィルタの変形例を示す回路図
【図２５】 本発明の別の参考例の圧電共振子における振動部の厚み方向視の形状を示す平面図
【図２６】 本発明の別の参考例の圧電共振子における振動部の厚み方向視の形状を示す平面図
【図２７】 本発明の別の参考例の圧電共振子における振動部の厚み方向視の形状を示す平面図
【図２８】 本発明の別の参考例の圧電共振子における振動部の厚み方向視の形状を示す平面図
【図２９】 振動部とリードとを示す平面図
【図３０】 本発明の別の実施の形態の圧電共振子の縦断面図
【図３１】 従来の圧電共振子の共振特性を示すグラフ
【図３２】 圧電共振子の振動部の厚み方向視形状の対向する平行な辺の長さと振動波長との比と、スプリアスの発生状況との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１ 圧電共振子
２ 基板
３ 支持膜
４ 圧電薄膜部（薄膜部）
５ 下部電極
６ 上部電極
８ 開口部
Claims (7)
- 基板と、前記基板に形成されている、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極及び下部電極を厚み方向で対向させて挟む構造の振動部とを有する圧電共振子において、
前記振動部の前記上部電極及び下部電極が対向して重なる部分の形状は、前記厚み方向視で、線対称、または、点対称であり、かつ、長手方向両端および短手方向両端にそれぞれ長さが振動波長の１０倍以下である平行な辺を有する細長形状の長八角形であり、
該形状における短手方向長さをｂとし、該形状における長手方向で両端に位置する短手方向に沿った辺の長さをｄとすると、ｄ／ｂ≦０．５を満たし、
該形状における長手方向長さは主振動の共振波長の２０倍以上に設定されていることを特徴とする、圧電共振子。 - 請求項１に記載の圧電共振子において、
前記基板は開口部もしくは凹部を有し、前記開口部もしくは凹部上に前記振動部が形成されていることを特徴とする、圧電共振子。 - 請求項１または２のいずれかに記載の圧電共振子において、
前記振動部は、前記上部電極及び下部電極を通して印加される電気信号によって厚み縦振動モードで振動することを特徴する、圧電共振子。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電共振子を用いていることを特徴とする、圧電フィルタ。
- 請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電共振子を用いて、ラダー構成にしたことを特徴とする、圧電フィルタ。
- 請求項１ないし５のいずれかに記載の圧電共振子または圧電フィルタを用いたことを特徴とするデュプレクサ。
- 請求項１ないし５のいずれかに記載の圧電共振子または圧電フィルタを用いたことを特徴とする、通信装置。
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