(57)【要約】【課題】  圧電薄膜共振子において上部電極、下部電極間に発生する縦伝搬モードとは別に発生する横伝搬モードによる不要共振を抑制し、主モードの共振特性近傍に発生するスパイクを低減する。【解決手段】  圧電薄膜共振子は、第１の面及び第２の面を有する圧電薄膜と、第１の面上に導電性部材より形成される第１の電極と、第２の面上に導電性部材より形成される第２の電極からなる振動部が形成される。第１の電極又は第２の電極、又はそれらの双方に、少なくとも１つの連続した不規則な線形状のスリットを形成する。前記スリットは始点と終点が一致していなく、且つ始点と終点が同時に電極の外周部に達していなく、且つ途中でそれ自身と交わる点を有さない。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面及び第２の面を有する圧電薄膜と、前記第１の面上に形成された第１の電極と、前記第２の面上に形成された第２の電極とを含み、前記第１の電極は前記第２の電極と前記圧電薄膜を介して重なり合っている部分を有する圧電薄膜共振子であって、
前記第１の電極及び前記第２の電極の重なり合っている部分のうち少なくとも一方の電極の面内において、１つの不規則な形状のスリット部を有し、前記スリットは独立した１つの始点及び終点を有する１本の連続した線形状であり、途中でそれ自身と交わる箇所を有さなく、且つ前記始点および前記終点の双方が共に電極の端面に達していないことを特徴とする圧電薄膜共振子。
【請求項２】
請求項１記載の圧電薄膜共振子であって、前記スリットの形状は、
前記スリットが形成されている電極の外周部の任意の点と、前記任意の点における仮想垂線が前記スリットと交わる点との間で得られる第１の距離群が各々異なり、
且つ前記スリット上の任意の点と、前記任意の点における仮想垂線が前記スリットと再び交わる点との間で得られる第２の距離群が各々異なり
且つ前記第１の距離群と前記第２の距離群が各々異なる様に形成されていることを特徴とする圧電薄膜共振子。
【請求項３】
第１の面及び第２の面を有する圧電薄膜と、前記第１の面上に形成された第１の電極と、前記第２の面上に形成された第２の電極とを含み、前記第１の電極は前記第２の電極と前記圧電薄膜を介して重なり合っている部分を有する圧電薄膜共振子であって、
前記第１の電極及び前記第２の電極の重なり合っている部分のうち少なくとも一方の電極の面内において、複数の不規則な形状のスリット部を有し、前記それぞれのスリットは独立した１つの始点及び終点を有する１本の連続した線形状であり、途中でそれ自身と交わる箇所を有さなく、且つ前記始点および前記終点の双方が共に電極の端面に達していなく、前記複数のスリットが存在する前記電極面は前記複数のスリットによって囲まれる独立した面を有さないことを特徴とする圧電薄膜共振子。
【請求項４】
請求項３記載の圧電薄膜共振子であって、前記複数のスリットの形状は、
前記複数のスリットが形成されている電極の外周部の任意の点と、前記任意の点における仮想垂線が前記複数のスリットと交わる点との間で得られる第１の距離群が各々異なり、
且つ各前記スリット上の任意の点と、前記任意の点における仮想垂線が前記スリットと再び交わる点及び、それ以外のスリットと交わる点との間で得られる第２の距離群が各々異なり
且つ前記第１の距離群と前記第２の距離群が各々異なる様に形成されていることを特徴とする圧電薄膜共振子。
【請求項５】
前記第１の電極及び前記第２の電極の重なり合っている部分の少なくとも一方が円形であることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の圧電薄膜共振子。
【請求項６】
前記第１の電極及び前記第２の電極の重なり合っている部分の少なくとも一方が楕円形であることを特徴とする請求項１、２，３又は４記載の圧電薄膜共振子。
【請求項７】
前記スリットが前記第１の電極及び前記第２の電極の双方に形成されており、前記スリットの形状は前記圧電薄膜の厚みに対する仮想中心平面に対して対称形であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の圧電薄膜共振子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電薄膜共振子に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体通信用端末、またはブルートゥースモジュールに用いられるフィルタを構成するデバイスとして音響共振を利用した圧電薄膜共振子は非常に小型で有用である。このデバイスは圧電薄膜中のバルク縦音波を利用する。最も単純な構成は圧電薄膜を２つの独立した金属電極で挟んだ構造となっており、この構造のものを支持部材により空中に浮かした状態で動作させる。
【０００３】
２つの電極に対して電圧を印加すると２つの電極間に電界が発生し、圧電薄膜は電気的エネルギーの一部を音波という形の機械的エネルギーに変換するデバイスとなる。材料中を伝わる音波のある所定の位相速度に対する機械的共振周波数は、デバイス中を縦に伝わる音波の半波長がデバイスの全厚さに等しくなる周波数となり、このデバイスは共振子としての作用を持つ。
【０００４】
前記デバイスの基本振動モードにおいて、音波は圧縮波、剪断波、或いはラム波等の電極面に対して直角に伝搬されるバルク縦音波とは異なる他の振動モードが存在する。これらのモードは電極面で平行に移動し、振動空洞壁又は電極層の端部で反射する音波に変換される。これらのモードの基本的周波数は基本となるバルク縦音波の縦振動モード（以降基本縦振動モードと呼ぶ）よりかなり低いが、これらのモードの高調波が基本縦振動モードの周波数帯域中に出現する場合がある。
【０００５】
圧電薄膜の厚さをｔ０、幅をＷ、基本縦振動モードの音波の速度をＣＬ、横伝搬モードの音波の速度をＣＴとすると、基本縦振動モードの周波数はＣＬ／（２ｔ０）となる。一方横伝搬モード高調波によるスパイクを生じさせる周波数はＮを自然数としてＣＴＮ／（２Ｗ）を中心とした周波数となる。従って何れかのＮに対しＷ／Ｎがｔ０（ＣＴ／ＣＬ）とほぼ等しい場合、基本縦振動モードによる共振周波数範囲において横伝搬モードにより１つ以上のスパイクを生じさせることとなる。スパイクの大きさはＮ、及び同じ共振周波数で横伝搬モードを発生させてしまう可能性のある振動部の外周上の点の数により定まる、ここで振動部の外周とは圧電薄膜の第１の面及び第２の面に対してつけられた２つの電極が重なり合っている部分を指す。一般的に、所定の寄生横伝搬モードに対する結合係数はＮと共に減じ、同じ共振周波数もつ点の数と共に増す。
【０００６】
振動部の外周上のある点が他の外周上のある点と同じ横伝搬モードの経路長を持つ場合、この横伝搬モードは縮退していることとなり、この横伝搬モードにより発生するスパイクの振幅は大きくなる。従って、振動部の外周上のある点が振動部の外周上の他の点と異なる横伝搬モードを有し、さらに対応する経路長が圧電薄膜共振子の物理寸法と比較して大きい場合にはこのスパイクの振幅を大幅に低減できる。
【０００７】
上述したことを実現するために、電極の形状において対向する辺が互いに平行ではない不規則な多角形形状を有する圧電薄膜共振子が特許文献１に開示されている。この発明に基づく圧電薄膜共振子の斜視図を従来例として図１４に示す。
【０００８】
基板上に空隙６を設けた誘電体膜１が形成され、以降、順に下部電極２、圧電体薄膜３、上部電極４が形成される。空隙６上に形成される下部電極２と上部電極４が圧電体薄膜３を介して重なり合った部分がこの共振子の振動部５となる。振動部５における下部電極２及び上部電極４は不規則な多角形形状をなしている。
【０００９】
振動部５の電極外周上のある１つの点を出た音波は対向する外周面で反射し音波が出た同じ点に戻ってくることは無い、又さらにその音波は不規則な反射を繰り返し、その経路は振動部５の電極の寸法よりもかなり長くなる。さらに前述の点と異なる点から出た音波は前述の経路と異なるため横伝搬モード同志の縮退も大幅に軽減される。この結果、対応するスパイクは従来技術によるデバイスで得られるものよりも幅が広くなる。従って寄生横伝搬モードスペクトルは個別の鋭いピークから、より多数の幅の広いピークに変換され、使用周波数範囲において圧電共振素子の特性を妨害し得るようなスパイクが無くなる。
【００１０】
一方特許文献２において、水晶板の第１の面に独立した２つの入力用電極部及び出力用電極部を設け、第２の面に入力電極及び出力電極の双方に対して少なくとも一部が水晶板を介して重なり合う部分を持つ共通電極が形成された形状のものが開示されており、この場合の水晶板は圧電体として動作し、圧電共振器フィルタということができる。この特許文献には入力電極、出力電極、或いは共通電極の外周部に重み付加部若しくは重み軽減部を設けて非調和オーバートーンモードのエネルギー分布を崩し、スプリアス特性を改善する方法が示されている。特に重み軽減部に付いては前記電極の外周部に切り欠きを設ける方法が請求項に記載されているが、この切り欠きに関する全ての実施例は電極上において直線形状であり、またデバイスの平面図において、Ｘ方向の中心軸又はＹ方向の中心軸に対して対称形状で示されている。このような切り欠きでは横伝搬モード共振によるスパイクの発生を抑制できるものではない。
【特許文献１】特開２０００−３３２５６８
【特許文献２】特開平１０−９８３５１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
最も簡単な電極形状である矩形状の電極は有効面積を大きく取れるため電極自体の抵抗を小さくすることができる。しかしながらこの場合横伝搬モードによる不要共振スパイクを抑制することができない。このような横伝搬モードによる不要共振を抑制するために背景に述べたような不規則多角形形状を用いると、電極の有効面積が小さくなり電極の抵抗が増加するという問題点があった。
【００１２】
また圧電薄膜共振子を構成する上で共振及び反共振のＱが最も良好となる構成である円形電極は強い横伝搬モードを生じるため用いることができないという問題があった。そこでこの発明は、上述したような問題点を解決し簡単な方法でもって、良好なＱを維持しつつ横伝搬モード共振による不要共振スパイクを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記問題点を解決するために請求項１に係る発明は、第１の面及び第２の面を有する圧電薄膜と、前記第１の面上に形成された第１の電極と、前記第２の面上に形成された第２の電極とを含み、前記第１の電極は前記第２の電極と前記圧電薄膜を介して重なり合っている部分を有する圧電薄膜共振子であって、前記第１の電極及び前記第２の電極の重なり合っている部分のうち少なくとも一方の電極の面内において、１つの不規則な形状のスリット部を有し、前記スリットは独立した１つの始点及び終点を有する１本の連続した線形状であり、途中でそれ自身と交わる箇所を有さなく、且つ前記始点および前記終点の双方が共に電極の端面に達していないことを特徴とする圧電薄膜共振子を提供する。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の圧電薄膜共振子であって、前記スリットの形状は、前記スリットが形成されている電極の外周部の任意の点と、前記任意の点における仮想垂線が前記スリットと交わる点との間で得られる第１の距離群が各々異なり、且つ前記スリット上の任意の点と、前記任意の点における仮想垂線が前記スリットと再び交わる点との間で得られる第２の距離群が各々異なり
且つ前記第１の距離群と前記第２の距離群が各々異なる様に形成されていることを特徴とする圧電薄膜共振子を提供する。
【００１５】
請求項３に係る発明は、第１の面及び第２の面を有する圧電薄膜と、前記第１の面上に形成された第１の電極と、前記第２の面上に形成された第２の電極とを含み、前記第１の電極は前記第２の電極と前記圧電薄膜を介して重なり合っている部分を有する圧電薄膜共振子であって、前記第１の電極及び前記第２の電極の重なり合っている部分のうち少なくとも一方の電極の面内において、複数の不規則な形状のスリット部を有し、前記それぞれのスリットは独立した１つの始点及び終点を有する１本の連続した線形状であり、途中でそれ自身と交わる箇所を有さなく、且つ前記始点および前記終点の双方が共に電極の端面に達していなく、前記複数のスリットが存在する前記電極面は前記複数のスリットによって囲まれる独立した面を有さないことを特徴とする圧電薄膜共振子を提供する。
【００１６】
請求項４に係る発明は、請求項３記載の圧電薄膜共振子であって、前記複数のスリットの形状は、前記複数のスリットが形成されている電極の外周部の任意の点と、前記任意の点における仮想垂線が前記複数のスリットと交わる点との間で得られる第１の距離群が各々異なり、且つ各前記スリット上の任意の点と、前記任意の点における仮想垂線が前記スリットと再び交わる点及び、それ以外のスリットと交わる点との間で得られる第２の距離群が各々異なり且つ前記第１の距離群と前記第２の距離群が各々異なる様に形成されていることを特徴とする圧電薄膜共振子を提供する。
【００１７】
請求項５に係る発明は、前記第１の電極及び前記第２の電極の重なり合っている部分の少なくとも一方が円形であることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の圧電薄膜共振子を提供する。
【００１８】
請求項６に係る発明は、前記第１の電極及び前記第２の電極の重なり合っている部分の少なくとも一方が楕円形であることを特徴とする請求項１、２，３又は４記載の圧電薄膜共振子。
【００１９】
請求項７に係る発明は、前記スリットが前記第１の電極及び前記第２の電極の双方に形成されており、前記スリットの形状は前記圧電薄膜の厚みに対する仮想中心平面に対して対称形であることを特徴とする請求項１〜６に記載の圧電薄膜共振子。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば矩形の電極を用いた場合でも不要横伝搬モード共振によるスパイクを低減できる。さらに圧電薄膜共振子を作製する上で最良の形態と考えられる円形の電極を用いても不要横伝搬モード共振を低減した共振器が作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
【実施例】
【００２２】
図１、図２はこの発明の第１の実施例である。図１（ａ）に圧電薄膜共振子の斜視図、図１（ｂ）にその中央断面図、図２にその平面図を示す。本来は誘電体薄膜１の下に基板が存在するがこの図では作図を省略している。
【００２３】
誘電体膜１は基板上に空隙６を形成するための犠牲層を形成した後、犠牲層表面と基板表面を連続して覆うように形成する。犠牲層は図示していないが、下部電極２、圧電体薄膜３、上部電極４の層を形成後除去されて空隙６を形成する。
【００２４】
誘電体膜１上の層は図１（ａ）に示すように、下部電極２、圧電体薄膜３、上部電極４の順で形成される。空隙６上に形成される下部電極２と上部電極４が圧電体薄膜３を介して重なり合った部分がこの共振子の振動部５となる。スリット７は振動部５における上部電極４に形成された電極の除去部分である。
【００２５】
図２において５はこの共振子の振動部であり、上部電極４が圧電体薄膜３を介して下部電極２と重なっている部分である。振動部５ａが示す領域にある上部電極４に対してスリット７ａをフォトエッチング若しくはレーザー加工により形成する。スリット７ａは圧電体薄膜まで達するものでその部分で電極が完全に切断されているものであってもよいし、上部電極４の厚みの半分以上の深さを有する凹部であってもよい。
【００２６】
振動部５の上部電極４の端部のある１点から励振された横伝搬モード音波は、スリット７ａにより反射されるが、スリット７ａが電極の端部と平行ではないために上部電極４の同じ端部の点には戻らず異なった点に達する。さらに音波はこの点で反射され、上部電極４上の端部の異なる点若しくはスリット７ａの前回の反射点とは異なる点に達し、以降同様の反射を繰り返す。スリット７ａをレーザーにより加工する場合は、その長さ、幅、又は深さを変化させることにより基本縦振動モードによる共振周波数を微調整できる。
【００２７】
上記により振動部の電極の外周上の各点が外周上の他の何れの点とも異なる横伝搬モードを持つ。また、同様に対応する横伝搬モードの経路長は、不規則な形状のスリットと電極の端部により不規則な反射が繰り返されて、振動部の物理寸法と比較して大きくなるので横伝搬モードによる不要スパイクを大幅に低減できる。
【００２８】
図３は実施例１の変形例で、スリット７ｂの始点若しくは終点の何れか一方が電極の端部に達しているものを示している。
【００２９】
同様に図４は実施例１の変形例で、スリット７ｃは不規則な多角形形状をなしている。この場合、多角形の任意の頂点は角部ではなく丸みを帯びた頂点でもよいし、任意の頂点から隣接する頂点に向かう線分は曲線であってもよい。
【００３０】
図５は第２の実施例であり、振動部５が示す領域に２本の独立したスリット７ｄ及び７ｅが形成されている。効果としては実施例１と同様である。尚この図ではスリット７ｄ、７ｅの２本を作図したがさらに多数のスリットが存在してもよい。
【００３１】
図６は第２の実施例の変形例で、振動部５が示す領域に２本の互いに交わる点を１つ有するスリット７ｆ及び７ｇが形成されている。
【００３２】
同様に図７は第２の実施例の変形例で、振動部５が示す領域に３本のスリット７ｈ、７ｉ、７ｊが形成されている。７ｉは７ｈとの交点を持ち、７ｊも７ｈとの交点を有する。これらそれぞれのスリットは直線形状であるが、全体として不規則な形状をなし、効果として実施例１と同様である。
【００３３】
図８は第３の実施例であり、振動部５ａにおいて電極は円形をなしている。この場合基本縦振動モードを用いる圧電薄膜共振子は共振、反共振ともにＱが最大となる理想状態となるが、スリットを形成せず単に円形電極とした場合には横伝搬モードが非常に強く励振される。”Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ  Ｇａｌｌｅｒｙ”共振器はこれらのモードを利用したものである。この円形電極に対しスリット７ｋを設けることにより図２を用いて説明した実施例と同様な効果が生じ、横伝搬モードが抑制され理想的な基本縦振動モードを利用した圧電薄膜共振子が実現できる。
【００３４】
図９は第４の実施例であり、振動部５ｂにおいて下部電極２は上部電極４よりも大きく形成されている。このような形態では、製造時に生じる電極の位置ずれにより振動部５ｃにおいて電極の重なり部分が部分的に欠損するという不具合が防止され特性の安定化が図られる。尚、ここでは円形の電極を例としてあげたが、電極形状は矩形、多角形、楕円形等であってもよい。
【００３５】
図１０は第５の実施例であり、振動部５ｃにおいて電極は楕円形をなしており、スリット７ｌが設けられている。この場合電極を矩形として電極の有効面積を大きく取り電極の抵抗を減らす効果と、電極を円形として基本縦振動モードにおける共振および反共振のＱを最大化した効果との中間の効果を得ることができる。
【００３６】
図１１は第６の実施例であり、振動部５ｄにおいて、圧電体薄膜３を挟んで対向する下部電極２及び上部電極４にそれぞれスリット７ｍ及び７ｎが形成されており、スリット７ｍ及び７ｎは圧電体薄膜の厚み方向における仮想中心平面に対して対称な形状をなしている。この形態によれば、上部電極４にスリット７ｍ、下部電極２に対してスリット７ｎが設けられているため、上下面双方で横伝搬モードが抑制され、スパイクの発生がより効果的に抑えられると共にスリット７ｍ及び７ｎは圧電体薄膜の厚み方向における仮想中心平面に対して対称な形状をなしているため、基本縦振動モードを乱す要因が小さくなり主モードによる特性が良好に保たれる。
【００３７】
図１２（ａ）、（ｂ）は第７の実施例であり、圧電薄膜共振子の振動部５ｅ付近を拡大図示したものである。図１２（ａ）において、電極４の振動部５ｅの外周部の任意の点と、前記任意の点における仮想垂線上８ａ、８ｂ、８ｃ、及び８ｄで認知されるスリット７ｏとの交点の距離が全て異なる距離となるようにスリット７ｏが構成されている。尚、作図上８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの４垂線で距離を示したが、これらの距離は電極４の振動部５ｅの外周部の任意の点において決定されるものであり、距離が決定される位置は無限に存在する。これらの距離全てが異なることが理想的であるが、９０％以上の確率でこれらの距離が異なっていることが望ましい。
【００３８】
同様に、図１２（ｂ）において、スリット７ｏにおける任意の点と、前記任意の点における仮想垂線上９ａ、９ｂ、及び９ｃで認知されるスリット７ｏ自身との交点の距離が全て異なる距離となるようにスリット７ｏが構成されている。尚、作図上９ａ、９ｂ、９ｃの３垂線で距離を示したが、これらの距離はスリット７ｏ上の任意の点において決定されるものであり、距離が決定される位置は無限に存在する。これらの距離全てが異なり、且つ図１２（ａ）を用いて説明したスリット７ｏと電極４の外周部との距離とも異なることが理想的であるが、９０％以上の確率でこれらの距離が異なっていることが望ましい。
【００３９】
図１３は第７の実施例の変形例であり、図１２（ａ）、（ｂ）と同じ構造のものにスリット７ｐが追加されたものである。スリット７ｏにおける任意の点と、前記任意の点における仮想垂線上１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃで認知されるスリット７ｐとの交点の距離が全て異なる距離となるようにスリット７ｏ及びスリット７ｐが構成されている。尚、作図上１０ａ、１０ｂ、１０ｃの３垂線で距離を示したが、これらの距離はスリット７ｏ上の任意の点において決定されるものであり、距離が決定される位置は無限に存在する。これらの距離全てが異なり、且つ図１２（ａ）を用いて説明したスリット７ｏと電極４の外周部との距離群とも異なり、且つ図１２（ａ）を用いて説明したスリット７ｏと電極４の外周部との距離と同様な方法で得られるスリット７ｐと電極４の外周部との距離群とも異なり、且つ図１２（ｂ）を用いて説明したスリット７ｏとそれ自身との距離とも異なり、且つ図１２（ｂ）を用いて説明したスリット７ｏとそれ自身との距離と同様な方法で得られるスリット７ｐとそれ自身との距離とも異なることが理想であるが、９０％以上の確率でこれらの距離が異なっていることが望ましい。
【００４０】
尚、図１２（ａ），（ｂ）及び図１３において振動部５ｆの電極４は円形である例を示したが、この電極は矩形、多角形、楕円形であってもよい。またスリット７ｏ及びスリット７ｐは不規則な曲線形状で示したが部分的に直線部を有するスリットでもよい。また図１３においてはスリットが２本である例を示したが、３本以上のスリットを有してもよく、この場合も電極外周上の任意の点における垂線上で認知される電極外周とスリットとの距離群、各スリット上の任意の点の垂線上で認知されるスリットそれ自身と再び交わる点との距離群、及び各スリット上の任意の点の垂線上で認知される他のスリットとの距離群が極力異なっていることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】（ａ）本発明の圧電薄膜共振子を示す斜視図である。（ｂ）本発明の圧電薄膜共振子の中央断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例を説明する説明図である。
【図３】本発明の第１の実施例の変形例を説明する説明図である。
【図４】本発明の第１の実施例の変形例を説明する説明図である。
【図５】本発明の第２の実施例を説明する説明図である。
【図６】本発明の第２の実施例の変形例を説明する説明図である。
【図７】本発明の第２の実施例の変形例を説明する説明図である。
【図８】本発明の第３の実施例を説明する説明図である。
【図９】本発明の第４の実施例を説明する説明図である。
【図１０】本発明の第５の実施例を説明する説明図である。
【図１１】本発明の第６の実施例を説明する説明図である。
【図１２】（ａ）本発明の第７の実施例を説明する説明図である。（ｂ）本発明の第７の実施例を説明する説明図である。
【図１３】本発明の第７の実施例の変形例を説明する説明図である。
【図１４】従来の横伝搬モード抑制圧電薄膜共振子を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    誘電体薄膜
２    下部電極
３    圧電体薄膜
４    上部電極
５、５ａ〜５ｅ    振動部
６    空隙部
７ａ〜７ｐ    スリット
８ａ〜８ｄ    振動部における上部電極４の外周の任意の点における垂線
９ａ〜９ｃ    スリット上の任意の点における垂線
１０ａ〜１０ｄ    スリット上の任意の点における垂線
【図１】
2006180290.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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