JPH09107264A - チャネル波局部閉じ込め型圧電振動子およびフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電基板の外周部に他の物体が直接触れても
特性に変化が無く、その結果従来の圧電デバイスが必ず
必要としていた振動子周辺の空隙を不要とすることによ
って大幅なる小型化、高信頼性を備えた圧電振動子を提
供する。 【解決手段】 二枚の圧電基板を張り合わせその境界面
付近に、櫛形電極を配したこと、上記二枚の圧電基板と
して、同一材料を結晶軸を一致させて貼り合わせたこ
と、上記櫛形電極として、上記圧電基板の伝播速度のよ
り遅い導電材料を使用したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、局部閉じ込め型圧
電振動子およびフィルタに関し、詳しくは、機械的な振
動を利用した圧電振動子の周囲に必須とされる物理的な
空隙を不要とし、従来に比し大幅な小型化を可能とする
新しいタイプの圧電振動子に関する。

【０００２】

【従来技術】圧電振動子は、数kHz から数GHz の周波数
範囲に於いて、その他の電子部品に比して、共振先鋭度
（Ｑ値）の素晴らしさ、および、その体積が小さいこと
から、携帯無線機をはじめ、一般電子応用装置に広く用
いられている電子部品である。この数kHz から数GHz と
言う５桁にも亘る広い周波数範囲は、一つの振動モード
では、達成できず、実際には、周波数の低い方から、輪
郭振動モード、厚味振動モード、表面波振動モードが使
用され、それぞれ対応した圧電振動子が実用化されてい
る。これらの、いずれの振動モードに於いても、圧電基
板の表面の一部の振動変位がある有限値を持っており、
この部分が他の媒体に接触する事は、圧電振動子の本来
の特性を劣化させるために、常に空隙を確保できる様な
構造となっていることは、根本的常識である。図10に、
その最も典型的な従来の圧電デバイスの例を示す。図10
(a) は、音叉型水晶振動子の正面図、(b) は側部断面図
であって、図11(a) (b) が、厚味すべり水晶振動子の場
合、図12(a) (b) が、リチューム・ナイオベート表面波
振動子の場合である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、いずれの場合
も、使用されている圧電基板の体積に比べて、ハウジン
グ又はケースを含む圧電デバイス全体の体積が遥かに、
大きいことがわかる。しかしながら、従来の圧電振動子
では、上述した様に圧電基板の周囲に空隙を設ける必要
があり、この空隙を確保する為に保持器が不可欠であ
る。従って、チップ抵抗、チップ・コンデンサー、チッ
プ・コイル等の他の一般電子部品に比べて、小型化が遅
れているのが現状である。また、半導体ICのベアーチッ
プを複数搭載することによって更なる小型化を図る時、
即ち、ＭＣＭ（Multi-chip-module)構造を採用する場合
に、あるいは、半導体ＩＣが形成さたシリコン基板上に
搭載しようとすると、余分な空隙を含んだ圧電デバイス
の体積が、これら半導体ICチップの体積に比べて格段に
大きいため、ここに圧電振動子を混載する上で大きな阻
害要因となっていた。本発明は、上記問題点を解決する
ために成されたものであって、圧電基板の外周部に他の
物体が直接触れても特性に変化が無く、その結果従来の
圧電デバイスが必ず必要としていた振動子周辺の空隙を
不要とすることによって大幅なる小型化、高信頼性を備
えた圧電振動子を提供することを目的とするものであ
る。

【０００４】

【課題を解決する為の手段】上記目的を達成する為、請
求項１の発明は、二枚の圧電基板を張り合わせその境界
面付近に、櫛形電極を配したことを特徴とする。請求項
２の発明は、上記二枚の圧電基板として、同一材料を結
晶軸を一致させて貼り合わせたことを特徴とする。請求
項３の発明は、上記櫛形電極として、上記圧電基板の伝
播速度のより遅い導電材料を使用したことを特徴とす
る。請求項４の発明は、上記櫛形電極と共に、上記圧電
基板より伝播速度のより遅い誘電材料を配したことを特
徴とする。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に示した
形態例により詳細に説明する。まず、この発明の原理を
説明する。本発明は、以下の二つの手段を具備すること
が必要である。 1.二枚の圧電板の境界面の付近に、機械振動を閉じ込め
る手段。 2.その境界面に閉じ込められた機械振動を圧電性を介し
て電気端子との相互作用を可能とする手段。 まず、図１を用いて、二枚の圧電基板１、２の境界面３
の付近の面状領域の近傍に機械振動を閉じ込める手段に
ついて説明する。なお、圧電基板は、同時に電磁波も閉
じこもるが、これは、準静的に扱い得るから、機械振動
のみ考えればよいことは、周知の通りである。圧電媒質
中を伝播する超音波の波動には、一つの縦波と二つの横
波の合計三つの波がある。一方、有限寸法の媒質では、
これら三つの波動の組み合わせによって定在波共振現象
を生じ、これを利用したものが圧電振動子のような機械
振動子である。

【０００６】その定在波の発生のし方により、輪郭振
動、厚味振動等の様に、波動が媒体全体に存在するバル
ク波振動と、振動エネルギーが媒体の表面に、集中する
表面波振動とがある。表面波は、バルク波と違い、一様
な圧電基板の表面に振動エネルギーが集中するものであ
るが、本発明は、この表面波を利用した振動子を二枚対
向して張り付けることにより、圧電基板の内部の二枚の
圧電基板を張り付けた境界面に、振動エネルギーを閉じ
込めるものである。二つの媒質の境界面に、エネルギー
を集中させて伝播する境界波は、地震学分野では既に認
識されており、ストンリー波と呼ばれる境界波が存在す
る。この境界波は、伝播方向の変位と深さ方向の変位を
持った振動形態であるが、任意の媒質の組み合わせに対
しては、この境界波は存在しない。

【０００７】本発明は、この境界面として平面を採用す
る。この境界面に振動エネルギーを集中させるには、ホ
イヘンスの原理より、この境界面の面状領域の波動の伝
播速度を周囲より遅くすればよく、そのためには、境界
面に、この圧電基板より伝播速度の遅い材質４を、図２
の様に配すればよい。伝播速度の遅い材料の一例として
は、金属Auなどがあり、これを利用することができる。
この様な面状領域に振動エネルギーを集中できる他の理
由を説明をする。即ち、表面波振動に於いて、図３(a)
の様に二層構造を持った基板において、上層５の横波の
伝播速度が基板２の横波の伝播速度より遅い場合には、
ラブ波が存在することは、周知である。ラブ波は、表面
６で変位の深さ方向の微分成分が表面６に垂直である。
即ち、応力が零と言う条件を満足する為には、変位が一
番大きい表面で、図３(b) の点Ａの様に変位の深さ方向
の微分成分が垂直となっている。これらの現象を踏まえ
て、図４(a) の様に、表面６で、二つのラブ波波動を重
ね合わせる。この場合、図４(b) に示すように、表面６
即ち、二つのラブ波の張り合わせ境界面では、Ａ点に示
すように、変位も力も連続と成っている。従って、これ
らを二つ張り合わせても特性が保存されると考えられ
る。その結果、図４(b) の様に、二枚の圧電基板に挟ま
れた伝播速度の遅い面状領域付近に振動エネルギーが集
中する。以上のように、伝播速度の遅い面状領域があれ
ば、その領域付近に振動エネルギーが集中することが説
明できる。本発明では、この伝播速度の遅い面状領域を
つくるために、必ずしも図２の様に一様の材質で構成す
る必要はない。図５の様に長さＬの周期構造の材質４に
よって、伝播速度の遅い領域を周期的に配した構造で
も、同様に摂動効果によって、この面状領域の伝播速度
を遅くすることができ、従って、この面状領域付近に振
動エネルギーを集中させることができる。

【０００８】以上で伝播速度の遅い周期構造の領域を配
すれば面状領域に振動エネルギーを集中できることを示
した。更に付け加えると、本発明において利用する局在
波圧電振動子の基板は圧電性を持っているので、スチフ
ネス負荷効果、質量負荷効果、電界短絡効果により、波
動の伝播速度が変化することは、表面波波動等の場合と
同じである。従って、使用される圧電材料や切断方位、
および電極材質や周期構造を含めた電極の形状パラメー
ターにより、これらの伝播速度は変化する。

【０００９】次に、第二の手段について説明する。図５
の様な、周期構造の電極により、面状領域付近に集中し
た振動エネルギーを圧電基板の圧電性により、電気的エ
ネルギーとして取り出せることを説明する。この為に
は、従来技術で作られた同一設計の表面波振動子を、た
だ単に張り合わせただけでは、本発明を実現できない。
本発明では、図６の様に、一様な圧電板の中に、周期構
造の電極が配置された場合を仮定すると、電気力線の分
布は、連続関数であって図中の矢印線の様になる。ま
た、仮想的な境界面３を考える。圧電材料は誘電材料と
しても異方性であるので、その異方性の程度に応じてこ
の電気力線の分布も図中の境界面３に対して上下左右に
対称ではないが、大局的には、ほぼ対称であると考えら
れる。この電気力線により、圧電性を介して、超音波の
振動が発生する。あるいは逆に、超音波の波動により、
電気変位が生じ、電気端子を短絡すると電流が流れる。

【００１０】図６の電気力線は、周知のクロスフィール
ド成分とインフィールド成分に分けられる。そして、Ｘ
軸方向の変位から引き起こされる歪みは、一様の圧電基
板が境界面３の上下で材質が連続であるので、この歪み
も連続となる。更に、圧電性で引き起こされる発生電荷
も境界面の上下で連続になる。即ち、図６の様な一様の
圧電板の中に周期構造の電極が配された場合に引き起こ
される電気力線の分布は、クロスフィールド成分とイン
フィールド成分の両方とも、Ｘ軸方向の変位から引き起
こされる歪みとは辻褄の合う場であることが分かる。同
様にＹ軸方向の変位から引き起こされる歪みと、図６の
様な一様の圧電板の中に周期構造の電極が配された場合
に引き起こされる電気力線の分布は、クロスフィールド
成分とインフィールド成分の両方とも、辻褄の合う場で
あることが分かる。以上、表面波振動子の場合に存在す
るラブ波とレイレー波に相当する波動、あるいは、これ
に似ている波動、およびこれらの組み合わせの波動に対
応して、これに似た波動が、本発明の場合にも、二枚の
境界面領域付近に存在し、櫛形電極で励振可能であるこ
とを説明した。

【００１１】実際の本発明の圧電振動子は、二枚の圧電
基板を張り合わせて、上記の圧電板の特性を得る。な
お、本発明は、結晶軸をそろえた同一材料の二枚の圧電
基板を用いる方法が、電気機械結合係数を一番大きくす
る上で有効である。二枚の圧電基板を張り合わせる場合
であっても、軸を合わせて張り合わせない場合には、一
般には、電気機械結合係数は小さくなるが、周波数温度
特性が良くなることが期待できる。更に、二枚の圧電基
板を互いに別な圧電基板で構成することは、この場合の
振動姿態が境界面を挟んで両側に対称性がないので、そ
の非対称性分だけ電気機械結合係数が劣化してしまう
が、この場合も、周波数温度特性の改善が期待できる。

【００１２】次に、図７を用いて、境界面領域での二次
元方向での振動エネルギーの閉込め方法について説明す
る。図７は、境界面領域の櫛形電極を含む面で切断した
平面図である。櫛形電極は点線で示した領域７に配置さ
れている。この部分に伝播速度の遅い電極が配されてい
るので、前述の張り合わせ境界面領域に振動エネルギー
が集中したのと同様の理由で、伝播速度の速い領域７の
外側では、振動エネルギーが反射され、ここには集中し
ないで、領域７付近にのみ集中する。以上説明したよう
に、本発明は、二枚の圧電板を平面上の境界面で張り合
わせ、周期構造を持つ電極で圧電性を介して、機械振動
を電気端子から取り出すものであるから、表面波振動子
にならって、共振器結合型のフィルターやトランスバー
サル型のフィルターが実現できる。

【００１３】次に、図８を用いて、本発明の具体的実施
例の構造を試作工程順に説明する。圧電基板として、水
晶ST板を二枚準備し, その表面をλ/50 程度まで平坦に
研磨する。この内一枚を、図８(a) の様に水晶板をエッ
チングして幅5 μm 、深さ200nm の溝を付ける。この溝
に金Auを埋める為に、全面にスパッターにて金Auを積層
し、金Au薄膜をエッチングして、図８(b) の様に形成す
る。この段階で、反応性プラズマエッチングを行い、周
波数調整を行う。この時エッチャントを変えながら、水
晶基板と金Au膜の両方を段差なく平行にエッチングする
必要がある。

【００１４】次に、もう一枚の圧電基板をλ/50 程度ま
で研磨した面同士が張り合わされるようにして、張り合
わせる。この張り合わせは、２段階で行う。第一段階
は、常温、常圧にて、二枚の圧電基板に5kg/cm２ の圧
力を掛けて張り合わせる。この段階の接合のメカニズム
は、水素結合と言われている。次に、これを450 ℃で,
１時間加熱する。この段階の接合は、水の取れたイオン
結合と言われており、非常に強固な接合であり、接合面
から剥がれることはない。以上で、本発明の局在波モー
ド圧電振動子が完成する。実測によれば、特性は、Ｑ値
が1000であった。また、外周部を振動損失の大きいゴム
状物質で押さえつけた場合のＱ値の劣化は認められなか
ったので、圧電基板の外周部に振動エネルギーが漏れ出
ていないことになる。一方、この様に圧電基板の外周を
束縛すると、従来の圧電振動子では、大幅なＱ値の劣化
があるのに対し、本発明による振動子は格段の改善効果
が確認できた。

【００１５】図９を用いて、その他の実施例を説明す
る。図９(a) は、共振器結合型のフィルタを例示してお
り、境界面領域の櫛形電極を含む面で切断した平面図で
ある。伝播速度を遅くする手段を講じた二組の櫛形電極
を配した部分８、９の間に、伝播速度を遅くする手段を
講じない部分１０が配されている。これにより、二組の
櫛形電極領域に閉じ込められた振動エネルギーが部分１
０で結合し、フィルタを構成する。この場合、電極が二
組であるため、最低次の対称モードと最低次の非対称モ
ードが強勢に励振され、フィルタが構成されることは、
表面波フィルタと同じである。図９(b) は、トランスバ
ーサル型のフィルタをしており、同じく、境界面領域の
櫛形電極を含む面で切断した平面図である。二組の入出
力の櫛形11、12、としては、正規型を例示しているが、
アポダイズ型、間引き型、等の手法は表面波フィルタの
場合と同様に採用できる。

【００１６】

【発明の効果】本発明は以上説明したように、圧電基板
の内部に振動エネルギーを閉じ込めることにより圧電基
板の外周部のどこの面も機械的に振動していないため
に、空隙を必要とせずに構成することができるから、以
下の効果を発揮する。 1.従来の圧電振動子が必ず必要としていた対パッケージ
間の空隙を不要としたため、一般チップ部品の様に、格
段の小型化が可能となった。 2.MCM （Multi-chip-module)構造や、圧電振動子を半導
体IC基板上に搭載可能となった。 3.機械的構造が簡単になったので、耐振動特性、耐衝撃
特性が増し、極めて高信頼性が達成できる様になった。 よって、従来の圧電振動子と全く使い勝手の違う、使い
やすい圧電振動子を提供するものである。格段の小型化
と高信頼化に、貢献するものである。

【００１７】

【図面の簡単な説明】

【００１８】

【図１】本発明の原理を説明する為の断面図。

【００１９】

【図２】本発明の原理を説明する為の断面図。

【００２０】

【図３】（ａ）及び（ｂ）は従来のラブ波振動子の概念
図。

【００２１】

【図４】（ａ）及び（ｂ）は本発明におけるエネルギー
集中の概念図。

【００２２】

【図５】本発明の周期構造の概念図。

【００２３】

【図６】本発明の電極での電気力線分布の概念図。

【００２４】

【図７】本発明の振動エネルギーの二次元方向の閉込め
方法の説明図。

【００２５】

【図８】（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は本発明の具体的一実
施例の断面図。

【００２６】

【図９】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施例の平面
図。

【００２７】

【図１０】従来技術の圧電振動子の内部構造図であり、
(a) が音叉型水晶振動子の正面断面図、（ｂ）が側部断
面図。

【００２８】

【図１１】従来の厚味すべり水晶振動子の内部構造図で
あり、(a) が正面断面図、（ｂ）が側部断面図。

【００２９】

【図１２】従来のリチューム・ナイオベート表面波振動
子の内部構造図であり、(a) が平面図、（ｂ）が縦断面
図。

【００３０】

【符号の説明】

1・・・圧電板, 2・・・圧電板, 3・・・境界面, 4・・・伝播速度の遅い材質, 5・・・上層, 6・・・表面, 7・・・領域, 8,9・・・櫛形電極を配された部分, 10,11・・・櫛形電極, 12・・ケース, 13・・ベース, 14・・圧電基板, 15・・サポート,

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二枚の圧電基板を張り合わせその境界面
   付近に、櫛形電極を配したことを特徴とするチャネル波
   局部閉じ込め型圧電振動子およびフィルタ。
2. 【請求項２】 上記二枚の圧電基板として、同一材料を
   結晶軸を一致させて貼り合わせたことを特徴とする請求
   項１記載のチャネル波局部閉じ込め型圧電振動子および
   フィルタ。
3. 【請求項３】 上記櫛形電極として、上記圧電基板の伝
   播速度のより遅い導電材料を使用したことを特徴とする
   請求項１又は２記載のチャネル波局部閉じ込め型圧電振
   動子およびフィルタ。
4. 【請求項４】 上記櫛形電極と共に、上記圧電基板より
   伝播速度のより遅い誘電材料を配したことを特徴とする
   請求項１、２、３記載のチャネル波局部閉じ込め型圧電
   振動子およびフィルタ。