(57)【要約】【課題】圧電性基板１０上に入力電極１４と出力電極１５とからなる電極１１を設けた圧電素子１２にあって、圧電性基板１０中に波の伝搬路を積極的に形成するとともに、電極１１の影響を軽減し、入出力電極１４・１５間に生じる波の反射を抑制可能とする。【解決手段】電極１１における外周形状の一部または全部を、着目する次数の振動モード分布またはそれらの和に対応した形状に構成する一方、電極１１の下面側または上面側の少なくとも何れか一方の全面に亘って、絶縁部材からなる絶縁層１３を形成する。【選択図】  図１
2004165745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電性基板（１０）上に所定の電極（１１）を備えた圧電素子であって、
前記電極（１１）における外周形状の一部または全部を、着目する次数の振動モード分布またはそれらの和に対応した形状に構成する一方、
該電極（１１）の下面側または上面側の少なくとも何れか一方の全面に亘って、絶縁部材からなる絶縁層（１３）を形成したことを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記電極（１１）は入力電極（１４）と出力電極（１５）とから構成され、入力電極（１４）を介して励振することにより発生した波が前記圧電性基板（１０）を伝搬して往復する伝搬路に沿い、入力電極（１４）と出力電極（１５）とを所定の間隙（１６）を設けて縦列状態で配設されるとともに、前記絶縁層（１３）は、前記入出力電極（１５）間における間隙（１６）の形成位置に対応して連続的に形成されている請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
前記絶縁層（１３）を構成する絶縁部材は、
前記圧電性基板（１０）上に略同一の膜厚で形成される第１の絶縁部材と、
該第１の絶縁部材上に形成された入出力電極（１４）・（１５）間の間隙（１６）を埋める第２の絶縁部材とから構成される請求項２記載の圧電素子。
【請求項４】
前記第１の絶縁部材と第２の絶縁部材とは、同一の絶縁材料で一体に形成される請求項３記載の圧電素子。
【請求項５】
前記絶縁層（１３）を構成する絶縁部材は、
前記圧電性基板（１０）上に形成された入出力電極（１４）・（１５）間の間隙（１６）を埋める第３の絶縁部材と、
該第３の絶縁部材と入出力電極（１４）・（１５）を覆って略同一膜厚で形成される第４の絶縁部材とから構成され、
前記第３の絶縁部材が、反射を起こし難い絶縁材料で形成される請求項２記載の圧電素子。
【請求項６】
前記第３の絶縁部材は、前記電極（１１）の形成材料の酸化物で構成される請求項５記載の圧電素子。
【請求項７】
前記電極（１１）の膜厚をできるだけ小さく設定する一方、前記第４の絶縁部材の膜厚を、電極（１１）の膜厚より十分に大きく設定している請求項６記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電フィルタの様に圧電性基板上に所定の電極を備えた圧電素子であって、特に電極の外周形状を振動モード分布に対応させて形成したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者は以前、圧電素子を駆動時における圧電性基板とその上に設けた電極で決まる振動分布を求め、その振動分布で特定される形状を電極の外周形状として利用することにより、スプリアスの発生量を減少できることを示した（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２８０８７３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば圧電素子をフィルタ構成とした場合、入力電極を励振することにより発生した波が圧電性基板を伝搬する際に入出力電極間で反射することに起因し、フィルタ特性を悪化させることが指摘されている。
【０００５】
本発明者は更にこの問題を研究した結果、電極の形成位置に対応して絶縁層を設けると、その絶縁層の質量効果によって圧電性基板中に波の伝搬路が形成され、入出力電極の界面における反射に及ぼす影響が軽減できることを知見した。
【０００６】
本発明はかかる知見に基づいてなされたものであって、その第１の目的は、絶縁部材を電極に対応させて設けることにより、圧電性基板中に波の伝搬路を積極的に形成するとともに反射の少ない圧電素子を形成することにある。
【０００７】
本発明の第２の目的は、絶縁部材の構成により電極の影響を軽減し、入出力電極間に生じる波の反射を抑制することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明を実施する圧電素子１２は、図１にその全体的な構成を概略的に示すごとく、水晶の様な圧電性基板１０上に所定形状の電極１１を備えたものである。
【０００９】
ここで、電極１１における外周形状の一部または全部を、着目する次数の振動モード分布またはそれらの和に対応した形状に構成している。更に、電極１１の下面側または上面側の少なくとも何れか一方の全面に亘って、絶縁部材からなる絶縁層１３を形成したことを特徴とする。
【００１０】
電極１１は入力電極１４と出力電極１５とから構成されて圧電フィルタが構成され、入力電極１４に電圧を印加して圧電性基板１０を励振することにより発生した波が圧電性基板１０を伝搬して往復する、例えば図１におけるｘ軸方向の伝搬路に沿い、入力電極１４と出力電極１５とを所定の間隙１６を設けて縦列状態で配設される。
【００１１】
また絶縁層１３は、入出力電極１４・１５間における間隙１６の形成位置に対応させて、電極１１の部分から連続的に形成される様に構成している。
【００１２】
ここで絶縁層１３を構成する絶縁部材は、図１の様に、圧電性基板１０上に略同一の膜厚で形成される第１の絶縁部材と、その第１の絶縁部材上に形成された入出力電極１４・１５間の間隙１６を埋める第２の絶縁部材とから構成することが出来る。
【００１３】
この場合、第１の絶縁部材と第２の絶縁部材とは、別の絶縁材料で構成することも可能であるが、同一の絶縁材料で一体に形成することもできる。
【００１４】
また絶縁層１３を構成する絶縁部材は、図２に例示する如く、圧電性基板１０上に形成された入出力電極１４・１５間の間隙１６を埋める第３の絶縁部材と、その第３の絶縁部材と入出力電極１４・１５の全体を覆って略同一膜厚で形成される第４の絶縁部材とから構成することもできる。
【００１５】
この場合、第３の絶縁部材を反射を起こし難い絶縁材料で形成することが必要であるが、電極１１の形成材料の酸化物で構成することが好ましい。更に電極１１の膜厚をできるだけ小さく設定する一方、第４の絶縁部材の膜厚を、電極１１の膜厚より十分に大きく設定することが可能である。
【００１６】
【発明の効果】
本発明にかかる圧電素子は、上記の如く絶縁部材を電極に対応させて設けることにより、圧電性基板中における波の伝搬路が積極的に形成されるとともに、電極の影響を軽減し、入出力電極間に生じる波の反射を抑制可能とする。
【００１７】
【実施例】
以下本発明にかかる圧電素子１２を、図１および図２に例示する圧電フィルタに基づいて説明するが、他の圧電素子についても略同様に実施できることは勿論である。また、以下で言及していない構成については、従来の圧電素子と略同様の構成なので、その詳細な説明は省略している。
【００１８】
圧電フィルタは、矩形薄板状に形成した水晶やセラミックスの様な圧電性基板１０上に、入力電極１４と出力電極１５とを縦列して形成した電極１１を配設している。
【００１９】
電極１１は、アルミニューム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）の様な導電性の薄膜で形成され、圧電性基板１０の表面上には表面電極を、裏面上の同位置に同形状の裏面電極を各々形成している。また、入力電極１４および出力電極１５を構成する各単位電極から図示しない引出線を各々設けるとともに、各引出線に対して所定の極性を付与することは従来と略同様である。
【００２０】
ここで本実施例にあっては、圧電性基板１０として図１における縦方向長さｄを８ｍｍ、横方向長さｗを５ｍｍ、厚み方向長さを０．０８ｍｍの矩形薄板状の水晶ＡＴ板を用いることにより設計共振周波数を２０ＭＨｚ付近に設定している。また圧電性基板１０の結晶方向は、横方向をｚ軸、縦方向をｘ軸、厚み方向をｙ軸となる様にその方向を設定している。また電極１１として、５００Åの膜厚のアルミニューム（Ａｌ）を使用した場合における例に基づいて以下の説明を行うが、使用する部材あるいは寸法は適宜変更して実施できることは勿論である。
【００２１】
ところで圧電フィルタにあっては、入力電極１４を励振することにより圧電性基板１０に発生した波は、主としてｘ軸方向に伝搬するとともに反射しながら往復する。そこで出力電極１５は、入力電極１４と同一の構成とするが、ｘ軸方向に点対称状態で縦列させ且つ互いに所定の間隙１６を設けて配設している。
【００２２】
ここで本発明にかかる圧電素子１２における第１の特徴は、圧電性基板１０上に形成される電極１１の外周形状を決定するための手順にある。すなわち、着目する次数の対称モードおよび反対称モードにおける振動モード分布の単独あるいはそれらを足し合わせた形状から、目的とする電極１１の外周形状を決定するのである。
【００２３】
例えば第１次の対称モードＳ０に着目した場合にあっては、圧電性基板１０上に幅が３ｍｍで長さが無限の電極を設けた場合を仮定し、弾性波のモード理論から、この例における振動モード分布ψ（ｚ）として、
ψ（ｚ）＝ｃｏｓ（０．９７６３４ｚ）（但しｚは、電極中心位置を０ｍｍとしたｚ軸方向の位置をｍｍで表示したもの）
が得られる。
【００２４】
そこで、横軸は電極中心Ｃを原点とした電極幅方向の長さをｍｍで表示し、縦軸は最大値を１．０とした相対値で表示した場合、上記した振動モード分布ψ（ｚ）は図３の様に表わされる。
【００２５】
すなわち、第１次の対称モードＳ０おける振動モード分布は、半周期分の余弦曲線における左右の両端が立ち上がった形状となる。同様にして、第１次の反対称モードＡ１における振動モード分布は図５に例示する様な正弦曲線の一部となる。
【００２６】
更に、図３と図５に示す曲線の和を取ったあと最大値を１に正規化すると、図７の様に、座標軸のプラス側に伸びる大きな山状の曲線と、マイナス側に伸びる小さな山状の曲線となる。３つ以上の対称および反対称振動モードを利用する場合にあっても同様である。
【００２７】
そこで、図４の様な１つの山状の曲線のみからなる場合にあっては、実線で示す曲線とｚ軸で囲まれる閉曲線、あるいは破線で示すｘ軸方向に反転した形状を加えた形状からなる閉曲線を、入力電極１４の基本的な外周形状とする。
【００２８】
また図６の様に、ｘ軸の正方向に伸びる山状の曲線と、負方向に伸びる山状の曲線からなる場合にあっては、ｚ軸で囲まれる正負２つの閉曲線、あるい破線で示すｘ軸方向に反転した形状を加えた閉曲線を入力電極１４の外周形状とする。すなわち、入力電極１４は２つの単位電極から構成されるとともに励振方向が反転される様に、両者を互いに異なった極性に設定する。
【００２９】
上記した様な電極形状にすることにより、振動モード分布を圧電性基板１０の駆動時の振動分布と考え、更にその振動分布に対応した振動エネルギーを圧電性基板１０に対して与えることができる電極構成を採用したのである。
【００３０】
本発明の第２の特徴は、上記した入力電極１４により励起された波が圧電性基板１０を伝搬して出力電極１５から取り出される際、入力電極１４と出力電極１５間に形成した間隙１６で波の反射が起こらない様にするための構成にある。
【００３１】
より具体的には、図１に例示する如く、入力電極１４と出力電極１５を圧電性基板１０上へ形成する前に、入出力電極１４・１５および間隙１６部分に対応して絶縁層１３を先ず形成することにより、電極１１から絶縁層１３を介し圧電性基板１０に対して信号の入出力を行うものである。
【００３２】
この場合における絶縁層１３は、任意の絶縁材料を使用し、均一な厚さに薄膜状に形成される。なお入出力電極１４・１５間の間隙１６は、そのまま空隙として残すことも可能であるし、絶縁層１３を形成したものと同一あるいは異なった絶縁材料で充填することもできる。
【００３３】
また前記した場合と逆に、図２に例示する如く、絶縁層１３を電極１１の上面に設けることもできる。その場合は、電極１１の厚さを例えば５００Å程度のできるだけ薄く形成するとともに、入出力電極１４・１５間の間隙１６を反射の起こし難い絶縁材料で充填したあと、電極１１と間隙１６の全体を、電極厚さより十分に厚い例えば０．７５μｍ程度の絶縁層１３で覆うものである。
【００３４】
なお、間隙１６を埋める絶縁材料と、絶縁層１３を形成するための絶縁材料とを互いに異ならせることは可能であるが、絶縁材料として電極材料の酸化物（例えば、アルミニュームの場合は酸化アルミニューム）を使用することにより、両者を蒸着の様な所定の方法で一度に形成することは可能である。
【００３５】
更に上記した実施例にあっては、絶縁層１３を設ける範囲を電極１１と間隙１６の形成部分に限定したがそれに限らず、ｘ軸方向に圧電性基板１０の端部にまで延長することも可能である。
【００３６】
また上記した実施例は一例であって、他の次数やモードの場合にあっても同様である。また圧電性基板１０の形状あるいは各種特性を適宜変更して実施できる。例えば、圧電性基板１０を円形等に変更することができる。また共振周波数も、２０ＭＨｚ以上の高周波あるいはそれ以下など限定されるものではない。
【００３７】
更に電極１１も、表面電極および裏面電極を同一構成で極性のみが異なる様に形成することが可能であるが、その他、表面電極と裏面電極における絶縁層１３の重畳位置を異ならせた構造のもので形成したり、裏面電極を共通電極として入出力電極間の間隙１６と絶縁層１３を無くしたものとしたり、圧電性基板１０の裏面全面に設けることもできる。
【００３８】
更にまた、電極１１における幅ｗおよび長さｄの大きさも限定されるものではなく、圧電性基板１０の端まで施すことも可能である。その場合にあっても、上記した方法あるいは他の任意の方法を利用して振動分布を求め、その振動モード分布曲線に対応した電極構成および絶縁層１３の形成がなされることは、上記した実施例と略同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる圧電素子を圧電フィルタに実施した一例を示す説明図であって、（ａ）は正面図を、（ｂ）は中央縦断面図を、（ｃ）は中央横断面図を各々示す。
【図２】本発明にかかる圧電素子を圧電フィルタに実施した他の一例を示す説明図であって、（ａ）は正面図を、（ｂ）は中央縦断面図を、（ｃ）は中央横断面図を各々示す。
【図３】１次の対称モードにおける固有振動モード分布を示すグラフである。
【図４】図３に示すグラフから、本発明にかかる圧電素子における電極の外周形状を決定する過程を示す説明図である。
【図５】１次の反対称モードにおける固有振動モード分布を示すグラフである。
【図６】図５に示すグラフから、本発明にかかる圧電素子における電極の外周形状を決定する過程を示す説明図である。
【図７】１次の対称モードと反対称モードの和を示す振動モード分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  圧電性基板
１１  電極
１２  圧電素子
１３  絶縁層
１４  入力電極
１５  出力電極
１６  間隙
【図１】
2004165745.tif 000003
【図２】
2004165745.tif 000004
【図３】
2004165745.tif 000005
【図４】
2004165745.tif 000006
【図５】
2004165745.tif 000007
【図６】
2004165745.tif 000008
【図７】
2004165745.tif 000009