JP3531522B2 - 圧電共振子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発振子、フイルタ
などに使用される高次の振動モ−ドを利用した多層構造
の圧電共振子に関する。
などに使用される高次の振動モ−ドを利用した多層構造
の圧電共振子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の厚み縦振動を用いた圧電共振子と
しては、図１３に示すように、圧電薄膜２１ａの両面に
薄膜電極ｅ１、ｅ２を設けた薄膜圧電体２１と絶縁薄膜
２２とを積層して振動部４０ａを形成した圧電共振子４
０、また、図１４に示すように、絶縁薄膜２２、薄膜圧
電体２１および絶縁薄膜２２をそれぞれ積層して振動部
５０ａを形成した圧電共振子５０などがあった。
しては、図１３に示すように、圧電薄膜２１ａの両面に
薄膜電極ｅ１、ｅ２を設けた薄膜圧電体２１と絶縁薄膜
２２とを積層して振動部４０ａを形成した圧電共振子４
０、また、図１４に示すように、絶縁薄膜２２、薄膜圧
電体２１および絶縁薄膜２２をそれぞれ積層して振動部
５０ａを形成した圧電共振子５０などがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、薄膜圧
電体２１の１層構造よりなる従来の圧電共振子４０、５
０は、厚み縦振動の基本モード或いは２次モードなどの
比較的低い次数の振動モードでしか大きな電気機械結合
係数が得られなかった。そのため、高い共振周波数を得
ようとすると、その共振周波数は振動部４０ａ、５０ａ
の厚みに反比例するので、振動部４０ａ、５０ａの厚み
を薄くする必要がある。例えば、図１３に示す構造の圧
電共振子４０においては、圧電薄膜２１ａに酸化亜鉛
（Ｚｎ０）を用いた場合、６５０ＭＨｚの共振周波数を
得るためには、振動部４０ａの厚みを４．７μｍ程度に
しなけらばならない。そのため、振動部４０ａの機械的
強度が弱くなり、振動部４０ａが壊れやすくなるという
欠点があった。また、従来の圧電共振子４０、５０は、
振動部４０ａ、５０ａの厚みに対して薄膜電極ｅ１、ｅ
２の厚さの割合いが大きくなることによりダンピング増
となり、共振の機械的Ｑが低下するという問題もあっ
た。
電体２１の１層構造よりなる従来の圧電共振子４０、５
０は、厚み縦振動の基本モード或いは２次モードなどの
比較的低い次数の振動モードでしか大きな電気機械結合
係数が得られなかった。そのため、高い共振周波数を得
ようとすると、その共振周波数は振動部４０ａ、５０ａ
の厚みに反比例するので、振動部４０ａ、５０ａの厚み
を薄くする必要がある。例えば、図１３に示す構造の圧
電共振子４０においては、圧電薄膜２１ａに酸化亜鉛
（Ｚｎ０）を用いた場合、６５０ＭＨｚの共振周波数を
得るためには、振動部４０ａの厚みを４．７μｍ程度に
しなけらばならない。そのため、振動部４０ａの機械的
強度が弱くなり、振動部４０ａが壊れやすくなるという
欠点があった。また、従来の圧電共振子４０、５０は、
振動部４０ａ、５０ａの厚みに対して薄膜電極ｅ１、ｅ
２の厚さの割合いが大きくなることによりダンピング増
となり、共振の機械的Ｑが低下するという問題もあっ
た。
【０００４】そこで、本発明は、高次の振動モードを利
用することにより、振動部の機械的強度を保持したま
ま、高い共振周波数を得ることのできる圧電共振子を提
供することを目的とする。
用することにより、振動部の機械的強度を保持したま
ま、高い共振周波数を得ることのできる圧電共振子を提
供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、厚み縦振動を用いた圧電共振子において、複数の薄
膜圧電体と複数の絶縁薄膜とを交互に積層して前記薄膜
圧電体がｎ層（ｎは２以上の自然数）から成る振動部を
構成し、前記薄膜圧電体にはそれぞれ両面に電極を有
し、且つ、ｎ次の振動モードを用いるとともに、前記振
動部の薄膜圧電体の位置と、前記ｎ次の振動モードの節
の位置またはその近傍の位置とが略一致するものであ
る。
は、厚み縦振動を用いた圧電共振子において、複数の薄
膜圧電体と複数の絶縁薄膜とを交互に積層して前記薄膜
圧電体がｎ層（ｎは２以上の自然数）から成る振動部を
構成し、前記薄膜圧電体にはそれぞれ両面に電極を有
し、且つ、ｎ次の振動モードを用いるとともに、前記振
動部の薄膜圧電体の位置と、前記ｎ次の振動モードの節
の位置またはその近傍の位置とが略一致するものであ
る。
【０００６】この発明は、厚み縦振動の１次（基本）共
振波長の半分の長さ（厚み）を有する振動部を、ｎ次
（２次以上）の高次振動モードで励振する。この励振
は、例えば分極方向が同じ場合、隣り合うｎ層の薄膜圧
電体に互いに逆位相の交流電圧を印加して行われる。そ
して、この励振振動は、ｎ層からなる各層の薄膜圧電体
をｎ次の高次振動モードの節の位置に配置して行われ
る。これにより、１次（基本）振動モードまたはｎ次よ
り低次の振動モードは、ｎ層の薄膜圧電体の逆相の機械
的振動の干渉により互いに打ち消されて消滅ないし減衰
し、ｎ次の高次振動モードのみが優勢的に励振される。
振波長の半分の長さ（厚み）を有する振動部を、ｎ次
（２次以上）の高次振動モードで励振する。この励振
は、例えば分極方向が同じ場合、隣り合うｎ層の薄膜圧
電体に互いに逆位相の交流電圧を印加して行われる。そ
して、この励振振動は、ｎ層からなる各層の薄膜圧電体
をｎ次の高次振動モードの節の位置に配置して行われ
る。これにより、１次（基本）振動モードまたはｎ次よ
り低次の振動モードは、ｎ層の薄膜圧電体の逆相の機械
的振動の干渉により互いに打ち消されて消滅ないし減衰
し、ｎ次の高次振動モードのみが優勢的に励振される。
【０００７】また、（振動部の厚さ）＝（共振の次数）
×λ／２であるので、次数の高い共振を使用することが
できれば、振動部の厚さを一定に保ったまま波長λの小
さい高い共振周波数を得ることができる。振動部が薄く
なり過ぎると機械的強度の点で問題となるが、この発明
は、厚さを保持したまま高周波化を図ることができる点
で有利となる。
×λ／２であるので、次数の高い共振を使用することが
できれば、振動部の厚さを一定に保ったまま波長λの小
さい高い共振周波数を得ることができる。振動部が薄く
なり過ぎると機械的強度の点で問題となるが、この発明
は、厚さを保持したまま高周波化を図ることができる点
で有利となる。
【０００８】請求項２に記載の発明は、前記薄膜圧電体
はｎ層（ｎは２以上の自然数）からなり、前記各薄膜圧
電体が、前記振動部の片面から厚さ方向に下式によって
求められる距離ｄだけ離れた部位に位置するものであ
る。
はｎ層（ｎは２以上の自然数）からなり、前記各薄膜圧
電体が、前記振動部の片面から厚さ方向に下式によって
求められる距離ｄだけ離れた部位に位置するものであ
る。
【０００９】ｄ＝ｔ（２ｍ−１）／２ｎ
ただし、ｔ：振動部の厚さ ｍ：自然数 ｍ≦ｎ
この発明は、ｎ層からなる薄膜圧電体がｎ次の振動モー
ドの節に位置して振動し、各薄膜圧電体により与えられ
るｎ次の励振振動が全て同相となって相加わり励振振幅
が大きくなる。また、ｎ次未満の振動は、ｎ層の薄膜圧
電体の振動が互いに逆相となって打ち消し合って消滅な
いし減衰する。
ドの節に位置して振動し、各薄膜圧電体により与えられ
るｎ次の励振振動が全て同相となって相加わり励振振幅
が大きくなる。また、ｎ次未満の振動は、ｎ層の薄膜圧
電体の振動が互いに逆相となって打ち消し合って消滅な
いし減衰する。
【００１０】請求項３に記載の発明は、前記振動部の厚
みが１次の振動モードの共振波長の半分であることを特
徴とするものである。また、請求項４に記載の発明は、
前記薄膜圧電体と絶縁薄膜とは、それらの弾性定数の温
度係数が逆符号である材料から構成されているものであ
る。
みが１次の振動モードの共振波長の半分であることを特
徴とするものである。また、請求項４に記載の発明は、
前記薄膜圧電体と絶縁薄膜とは、それらの弾性定数の温
度係数が逆符号である材料から構成されているものであ
る。
【００１１】この発明は、薄膜圧電体と絶縁薄膜との弾
性定数の温度係数が互いにキャンセルされる。
性定数の温度係数が互いにキャンセルされる。
【００１２】請求項５に記載の発明は、前記薄膜圧電体
は、近隣同士が同方向に分極され、該近隣同士に互いに
逆位相の電圧が印加されるものである。
は、近隣同士が同方向に分極され、該近隣同士に互いに
逆位相の電圧が印加されるものである。
【００１３】この発明においては、薄膜圧電体の近隣同
士に逆位相の電圧を印加することにより、基本振動モー
ドまたは低次の振動モードは、ｎ層からなる薄膜圧電体
の逆相の機械共振振動により互いに打ち消されて消滅な
いし減衰し、ｎ次の高次モードの振動は各層の薄膜圧電
体の振動が同相となって相加わり優勢的に励振される。
士に逆位相の電圧を印加することにより、基本振動モー
ドまたは低次の振動モードは、ｎ層からなる薄膜圧電体
の逆相の機械共振振動により互いに打ち消されて消滅な
いし減衰し、ｎ次の高次モードの振動は各層の薄膜圧電
体の振動が同相となって相加わり優勢的に励振される。
【００１４】請求項６に記載の発明においては、前記薄
膜圧電体は、近隣同志が交互に逆分極され、該近隣同士
に同位相の電圧が印加されるものである。
膜圧電体は、近隣同志が交互に逆分極され、該近隣同士
に同位相の電圧が印加されるものである。
【００１５】この発明は、近隣同士が互いに逆分極（配
向）された薄膜圧電体に同相電圧を印加する。基本振動
モードまたは低次の振動モードは、ｎ層からなる薄膜圧
電体の逆相の機械共振振動により互いに打ち消されて消
滅ないし減衰する。ｎ次の高次モードの振動は各層の薄
膜圧電体の振動が同相となって相加わり優勢的に励振さ
れる。
向）された薄膜圧電体に同相電圧を印加する。基本振動
モードまたは低次の振動モードは、ｎ層からなる薄膜圧
電体の逆相の機械共振振動により互いに打ち消されて消
滅ないし減衰する。ｎ次の高次モードの振動は各層の薄
膜圧電体の振動が同相となって相加わり優勢的に励振さ
れる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下に、図１を参照して、本発明
の第１実施例の圧電共振子１０について説明する。１１
はシリコンよりなる支持基板で、中央部に矩形状の孔１
１ａを有している。この支持基板１１と孔１１ａとの上
には、（ｎ＋１）層の酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２
と両面に薄膜電極ｅ１、ｅ２をそれぞれ有するｎ層の薄
膜圧電体１〜ｎとが交互に積層される。そして、内側と
外側には絶縁薄膜１２が形成される。なお、ｎは２以上
の自然数である。
の第１実施例の圧電共振子１０について説明する。１１
はシリコンよりなる支持基板で、中央部に矩形状の孔１
１ａを有している。この支持基板１１と孔１１ａとの上
には、（ｎ＋１）層の酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２
と両面に薄膜電極ｅ１、ｅ２をそれぞれ有するｎ層の薄
膜圧電体１〜ｎとが交互に積層される。そして、内側と
外側には絶縁薄膜１２が形成される。なお、ｎは２以上
の自然数である。
【００１７】この多層構造よりなる圧電共振子１０は、
スパッタリング法、化学気相成長法、蒸着法などの薄膜
形成手段およびフォトエッチング技術を適宜用いて形成
される。即ち、シリコン基板（支持基板１１の親基板）
の上に下層の絶縁薄膜１２を成膜し、更にその上に銅、
アルミニュウム、金／クロムなどの電極薄膜を成膜し、
この電極薄膜をパターニングして下層の薄膜電極ｅ１を
形成する。そして、この薄膜電極ｅ１を含む下層の絶縁
薄膜１２の上に酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン
酸鉛などの圧電材料よりなる圧電薄膜を成膜する。さら
に、この圧電薄膜の上に電極薄膜を成膜し、この電極薄
膜をパターニングして上層の薄膜電極ｅ２を形成する。
そして、中央部で下層の薄膜電極ｅ１と上層の薄膜電極
ｅ２とを圧電薄膜を介在させて重なるように配置して、
薄膜圧電体１を形成する。以下同様に、この薄膜圧電体
１の上に絶縁薄膜１２、その上に薄膜圧電体２を順次積
層して、（ｎ＋１）層の絶縁薄膜１２とｎ層の薄膜圧電
体１〜ｎより成る多層構造の圧電共振子１０を形成す
る。各層の薄膜圧電体１〜ｎは、それらの間に介在する
絶縁薄膜１２により層間絶縁される。ついで、支持体１
１となるシリコン基板の中央部を貫通エッチングして孔
１１ａを形成する。この孔１１ａで、各層の薄膜電極ｅ
１、ｅ２が重なっている部分が振動部１０ａとなる。な
お、図示しないが、各層の薄膜電極ｅ１、ｅ２は外部に
導出される。
スパッタリング法、化学気相成長法、蒸着法などの薄膜
形成手段およびフォトエッチング技術を適宜用いて形成
される。即ち、シリコン基板（支持基板１１の親基板）
の上に下層の絶縁薄膜１２を成膜し、更にその上に銅、
アルミニュウム、金／クロムなどの電極薄膜を成膜し、
この電極薄膜をパターニングして下層の薄膜電極ｅ１を
形成する。そして、この薄膜電極ｅ１を含む下層の絶縁
薄膜１２の上に酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン
酸鉛などの圧電材料よりなる圧電薄膜を成膜する。さら
に、この圧電薄膜の上に電極薄膜を成膜し、この電極薄
膜をパターニングして上層の薄膜電極ｅ２を形成する。
そして、中央部で下層の薄膜電極ｅ１と上層の薄膜電極
ｅ２とを圧電薄膜を介在させて重なるように配置して、
薄膜圧電体１を形成する。以下同様に、この薄膜圧電体
１の上に絶縁薄膜１２、その上に薄膜圧電体２を順次積
層して、（ｎ＋１）層の絶縁薄膜１２とｎ層の薄膜圧電
体１〜ｎより成る多層構造の圧電共振子１０を形成す
る。各層の薄膜圧電体１〜ｎは、それらの間に介在する
絶縁薄膜１２により層間絶縁される。ついで、支持体１
１となるシリコン基板の中央部を貫通エッチングして孔
１１ａを形成する。この孔１１ａで、各層の薄膜電極ｅ
１、ｅ２が重なっている部分が振動部１０ａとなる。な
お、図示しないが、各層の薄膜電極ｅ１、ｅ２は外部に
導出される。
【００１８】この場合、薄膜圧電体１〜ｎの積層構造の
配列位置は、図２に示すように決定される。即ち、振動
部１０ａをｎ次（ｎは２以上の自然数）の高次モードで
振動させる場合には、薄膜圧電体１〜ｎはｎ層よりな
る。そして、ｎ層よりなる薄膜圧電体１〜ｎは、振動部
１０ａの片面（図１においては、下面）から厚み方向に
距離ｄだけ隔たった部位に位置する。この距離ｄは下式
により与えられ、この距離ｄの位置は、圧電共振子のｎ
次振動の節の位置またはその近傍の位置に相当する。
配列位置は、図２に示すように決定される。即ち、振動
部１０ａをｎ次（ｎは２以上の自然数）の高次モードで
振動させる場合には、薄膜圧電体１〜ｎはｎ層よりな
る。そして、ｎ層よりなる薄膜圧電体１〜ｎは、振動部
１０ａの片面（図１においては、下面）から厚み方向に
距離ｄだけ隔たった部位に位置する。この距離ｄは下式
により与えられ、この距離ｄの位置は、圧電共振子のｎ
次振動の節の位置またはその近傍の位置に相当する。
【００１９】ｄ＝ｔ（２ｍ−１）／２ｎ
ただし、ｔ：振動部１０ａの厚み ｍ：自然数 ｍ
≦ｎ ｎ≧２ この場合、１層目の薄膜圧電体１は、ｍ＝１で、ｄ＝ｔ
／２ｎとなる。また、２層目の薄膜圧電体２は、ｍ＝２
で、ｄ＝３ｔ／２ｎとなる。また、ｎ層目の薄膜圧電体
ｎは、ｍ＝ｎで、ｄ＝ｔ（２ｎ−１）／２ｎとなる。
≦ｎ ｎ≧２ この場合、１層目の薄膜圧電体１は、ｍ＝１で、ｄ＝ｔ
／２ｎとなる。また、２層目の薄膜圧電体２は、ｍ＝２
で、ｄ＝３ｔ／２ｎとなる。また、ｎ層目の薄膜圧電体
ｎは、ｍ＝ｎで、ｄ＝ｔ（２ｎ−１）／２ｎとなる。
【００２０】また、隣り合う薄膜圧電体１〜ｎは、その
圧電材料が酸化亜鉛の場合は、配向軸（Ｃ軸）を厚み方
向に配置し、また、チタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材
料の場合は、分極方向を厚み方向に配置する。
圧電材料が酸化亜鉛の場合は、配向軸（Ｃ軸）を厚み方
向に配置し、また、チタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材
料の場合は、分極方向を厚み方向に配置する。
【００２１】また、薄膜圧電体１〜ｎと絶縁薄膜１１と
は、弾性定数の温度係数が互いに逆特性の材料、例え
ば、ＺｎＯ（−１６１ｐｐｍ/℃）、ＬｉＮｂＯ３（−
１５３ｐｐｍ/℃）、水晶（−１８８ｐｐｍ/℃）と、Ｓ
ｉＯ２（＋２３９ｐｐｍ/℃）、ＡｌＮ（＋１００ｐｐ
ｍ/℃）とのように、正負異なる材料を組み合わせて用
いることが望ましい。そうすることにより圧電共振子の
周波数温度特性が安定する。
は、弾性定数の温度係数が互いに逆特性の材料、例え
ば、ＺｎＯ（−１６１ｐｐｍ/℃）、ＬｉＮｂＯ３（−
１５３ｐｐｍ/℃）、水晶（−１８８ｐｐｍ/℃）と、Ｓ
ｉＯ２（＋２３９ｐｐｍ/℃）、ＡｌＮ（＋１００ｐｐ
ｍ/℃）とのように、正負異なる材料を組み合わせて用
いることが望ましい。そうすることにより圧電共振子の
周波数温度特性が安定する。
【００２２】また、圧電共振子１０を動作させるときに
は、図２に矢印で示すように、隣り合う薄膜圧電体１〜
ｎに互いに逆位相の電圧を加えてｎ次モードで励振す
る。このように、薄膜圧電体１〜ｎを振動の節の部位に
配置し、かつ、隣り合う薄膜圧電体１〜ｎを逆位相で励
振することにより、ｎ次の高次振動モードの電気機械結
合係数を高くして、ｎ次の高次振動モードを強く励振す
ることができる。
は、図２に矢印で示すように、隣り合う薄膜圧電体１〜
ｎに互いに逆位相の電圧を加えてｎ次モードで励振す
る。このように、薄膜圧電体１〜ｎを振動の節の部位に
配置し、かつ、隣り合う薄膜圧電体１〜ｎを逆位相で励
振することにより、ｎ次の高次振動モードの電気機械結
合係数を高くして、ｎ次の高次振動モードを強く励振す
ることができる。
【００２３】図３は圧電基本式から導いた圧電共振子の
シュミレーション波形を示すもので、前記与式〔ｄ＝ｔ
（２ｍ−１）／２ｎ〕により与えられる多層薄膜圧電体
の配置位置は、このシュミレーション波形の節の位置に
近似する。波形（１）は従来の圧電共振子の場合で、薄
膜圧電体１が一層よりなる１次（基本）振動モードを示
す。波形（２）〜（５）は本発明の場合で、隣り合う薄
膜圧電体１〜ｎに逆相電圧を印加した２次〜５次の高次
振動モードを示す。これらの場合、振動部の厚みは、１
次（基本）振動モードの共振波長の半分（λ／２）に合
わせる。
シュミレーション波形を示すもので、前記与式〔ｄ＝ｔ
（２ｍ−１）／２ｎ〕により与えられる多層薄膜圧電体
の配置位置は、このシュミレーション波形の節の位置に
近似する。波形（１）は従来の圧電共振子の場合で、薄
膜圧電体１が一層よりなる１次（基本）振動モードを示
す。波形（２）〜（５）は本発明の場合で、隣り合う薄
膜圧電体１〜ｎに逆相電圧を印加した２次〜５次の高次
振動モードを示す。これらの場合、振動部の厚みは、１
次（基本）振動モードの共振波長の半分（λ／２）に合
わせる。
【００２４】図４は、前記与式により配置された図２に
示す薄膜圧電体１〜ｎ（５）の位置と図３に示すシュミ
レーションにより与えられた節の位置とこれらの位置の
差の絶対値とを示すもので、前記与式により与えられる
薄膜圧電体１〜ｎ（５）の位置とシュミレーションによ
り与えられる節の位置とが微小の差で一致していること
がわかる。
示す薄膜圧電体１〜ｎ（５）の位置と図３に示すシュミ
レーションにより与えられた節の位置とこれらの位置の
差の絶対値とを示すもので、前記与式により与えられる
薄膜圧電体１〜ｎ（５）の位置とシュミレーションによ
り与えられる節の位置とが微小の差で一致していること
がわかる。
【００２５】つぎに、図５を参照して、第２実施例の圧
電共振子２０について説明する。この圧電共振子２０の
振動部２０ａは、絶縁薄膜と薄膜圧電体とを交互に積層
して形成した２層の薄膜圧電体１ａ、２ａと３層の絶縁
薄膜１３とよりなる。薄膜圧電体１ａ、２ａとしてＺｎ
Ｏを用い、絶縁薄膜１２としてＳｉＯ2 を用いている。
２層の薄膜圧電体１ａ、２ａのＺｎＯは、厚み方向に配
向軸を有している。
電共振子２０について説明する。この圧電共振子２０の
振動部２０ａは、絶縁薄膜と薄膜圧電体とを交互に積層
して形成した２層の薄膜圧電体１ａ、２ａと３層の絶縁
薄膜１３とよりなる。薄膜圧電体１ａ、２ａとしてＺｎ
Ｏを用い、絶縁薄膜１２としてＳｉＯ2 を用いている。
２層の薄膜圧電体１ａ、２ａのＺｎＯは、厚み方向に配
向軸を有している。
【００２６】振動部２０ａの厚みは１０μｍである。薄
膜圧電体１ａ、２ａの厚みはそれぞれ３μｍである。各
絶縁薄膜１３の厚みは４／３μｍである。１層目の薄膜
圧電体１ａは、与式〔ｄ＝ｔ（２ｍ−１）／２ｎ〕によ
り、下面から１０／４（＝２．５）μｍの部位に位置
し、２層目の薄膜圧電体２は、下面から３０／４（＝
７．５）μｍの部位に位置している。
膜圧電体１ａ、２ａの厚みはそれぞれ３μｍである。各
絶縁薄膜１３の厚みは４／３μｍである。１層目の薄膜
圧電体１ａは、与式〔ｄ＝ｔ（２ｍ−１）／２ｎ〕によ
り、下面から１０／４（＝２．５）μｍの部位に位置
し、２層目の薄膜圧電体２は、下面から３０／４（＝
７．５）μｍの部位に位置している。
【００２７】このような構成の圧電共振子２０におい
て、薄膜圧電体１ａ、２ａに矢印で示すように同方向
（同相）の電界を加えると図１０に示すように、２５０
ＭＨｚ付近に基本（１次）振動モードによる共振が現れ
る。この場合、２次振動モードの周波数は、薄膜圧電体
１ａと２ａとに互いに逆相の機械的振動が発生するた
め、これらの振動が互いに打ち消し合って、２次振動モ
ードの周波数領域にはレスポンスは生じない。
て、薄膜圧電体１ａ、２ａに矢印で示すように同方向
（同相）の電界を加えると図１０に示すように、２５０
ＭＨｚ付近に基本（１次）振動モードによる共振が現れ
る。この場合、２次振動モードの周波数は、薄膜圧電体
１ａと２ａとに互いに逆相の機械的振動が発生するた
め、これらの振動が互いに打ち消し合って、２次振動モ
ードの周波数領域にはレスポンスは生じない。
【００２８】つぎに、図５に示す圧電共振子２０と同じ
構造の圧電共振子２０において、図６に矢印で示すよう
に、隣り合う薄膜圧電体１ａと２ａとに互いに逆方向の
電界を加えると、図１１に示すような共振特性が得られ
る。これによると、５８０ＭＨｚ付近に２次振動モード
による共振が現れている。この共振は、２次振動モード
において薄膜圧電体１ａと２ａとの機械振動が同相とな
って互いに強め合うからである。この場合、１次振動モ
ードによるレスポンスは、互いにキャンセルされて消失
ないし減衰する。
構造の圧電共振子２０において、図６に矢印で示すよう
に、隣り合う薄膜圧電体１ａと２ａとに互いに逆方向の
電界を加えると、図１１に示すような共振特性が得られ
る。これによると、５８０ＭＨｚ付近に２次振動モード
による共振が現れている。この共振は、２次振動モード
において薄膜圧電体１ａと２ａとの機械振動が同相とな
って互いに強め合うからである。この場合、１次振動モ
ードによるレスポンスは、互いにキャンセルされて消失
ないし減衰する。
【００２９】なお、上記の５８０ＭＨｚの２次振動モー
ドが２５０ＭＨｚの基本（１次）振動モードの２倍にな
っていないのは、ＺｎＯ（６４００ｍ／ｓ）とＳｉＯ２
（６０００ｍ／ｓ）の音速が若干異なることと、多層構
造のためと考えられる。
ドが２５０ＭＨｚの基本（１次）振動モードの２倍にな
っていないのは、ＺｎＯ（６４００ｍ／ｓ）とＳｉＯ２
（６０００ｍ／ｓ）の音速が若干異なることと、多層構
造のためと考えられる。
【００３０】次に、図５の場合において、図１０に示す
ように、２次振動モードが打ち消しあう態様について図
７を参照して説明する。この図７は説明の便宜上、振動
部２０ａ（薄膜圧電体１ａ、２ａなど）を横向けにした
形状にしている。そして、この図７は薄膜圧電体１ａと
２ａとに同相電圧を印加した場合である。この同相電圧
の印加により薄膜圧電体１ａで発生した振動は、実線矢
印で示す励振コサインカーブに乗って薄膜圧電体２ａの
方向に伝搬する。また、薄膜圧電体２ａで発生した振動
は、破線矢印で示す励振コサインカーブに乗って薄膜圧
電体１ａの方向に伝搬する。これらの２つの伝搬する励
振コサイカーブの振動は、伝搬先において互いに逆位相
で干渉することになり、振動部２０ａの厚み方向のいず
れの位置においても加算された励振振幅は、直線ｂで示
すように、一定でゼロとなる。しかし、この場合、１次
振動モードは強制的に励振される。
ように、２次振動モードが打ち消しあう態様について図
７を参照して説明する。この図７は説明の便宜上、振動
部２０ａ（薄膜圧電体１ａ、２ａなど）を横向けにした
形状にしている。そして、この図７は薄膜圧電体１ａと
２ａとに同相電圧を印加した場合である。この同相電圧
の印加により薄膜圧電体１ａで発生した振動は、実線矢
印で示す励振コサインカーブに乗って薄膜圧電体２ａの
方向に伝搬する。また、薄膜圧電体２ａで発生した振動
は、破線矢印で示す励振コサインカーブに乗って薄膜圧
電体１ａの方向に伝搬する。これらの２つの伝搬する励
振コサイカーブの振動は、伝搬先において互いに逆位相
で干渉することになり、振動部２０ａの厚み方向のいず
れの位置においても加算された励振振幅は、直線ｂで示
すように、一定でゼロとなる。しかし、この場合、１次
振動モードは強制的に励振される。
【００３１】また、図８は薄膜圧電体１ａと２ａとに逆
相電圧を印加して、２次振動モードを強く励振した場合
である。薄膜圧電体１ａで発生した振動は、実線矢印で
示す励振コサインカーブに乗って薄膜圧電体２ａの方向
に伝搬する。また、薄膜圧電体２ａで発生した振動は、
破線矢印で示す励振コサインカーブに乗って薄膜圧電体
１ａの方向に伝搬する。これらの２つの伝搬する励振コ
サインカーブの振動は、伝搬先において互いに同相で干
渉することになり、圧電共振子の厚み方向のいずれの位
置においても振動振幅は、コサインカーブｃで示すよう
に、加算されて倍になる。したがって、薄膜圧電体１
ａ、２ａに逆相電圧を印加すると、図１１に示すよう
に、２次モードの振動が強く励振される。しかし、この
場合、１次振動モードは相殺して減衰する。
相電圧を印加して、２次振動モードを強く励振した場合
である。薄膜圧電体１ａで発生した振動は、実線矢印で
示す励振コサインカーブに乗って薄膜圧電体２ａの方向
に伝搬する。また、薄膜圧電体２ａで発生した振動は、
破線矢印で示す励振コサインカーブに乗って薄膜圧電体
１ａの方向に伝搬する。これらの２つの伝搬する励振コ
サインカーブの振動は、伝搬先において互いに同相で干
渉することになり、圧電共振子の厚み方向のいずれの位
置においても振動振幅は、コサインカーブｃで示すよう
に、加算されて倍になる。したがって、薄膜圧電体１
ａ、２ａに逆相電圧を印加すると、図１１に示すよう
に、２次モードの振動が強く励振される。しかし、この
場合、１次振動モードは相殺して減衰する。
【００３２】つぎに、図９を参照して、第３実施例の圧
電共振子３０について説明する。この圧電共振子３０の
振動部３０ａは、絶縁薄膜と薄膜圧電体とをそれぞれ交
互に積層して形成した３層の薄膜圧電体１ｂ〜３ｂと４
層の絶縁薄膜１４とよりなる。薄膜圧電体１ｂ〜３ｂの
圧電薄膜としてＺｎＯを用い、絶縁薄膜１４としてＳｉ
Ｏ2 を用いている。３層の薄膜圧電体１ｂ〜３ｂの圧電
薄膜（ＺｎＯ）は、厚み方向に配向軸を有している。
電共振子３０について説明する。この圧電共振子３０の
振動部３０ａは、絶縁薄膜と薄膜圧電体とをそれぞれ交
互に積層して形成した３層の薄膜圧電体１ｂ〜３ｂと４
層の絶縁薄膜１４とよりなる。薄膜圧電体１ｂ〜３ｂの
圧電薄膜としてＺｎＯを用い、絶縁薄膜１４としてＳｉ
Ｏ2 を用いている。３層の薄膜圧電体１ｂ〜３ｂの圧電
薄膜（ＺｎＯ）は、厚み方向に配向軸を有している。
【００３３】振動部３０ａの厚みは１０μｍである。薄
膜圧電体１ｂ〜３ｂの厚みはそれぞれ２μｍである。各
絶縁薄膜１４の厚みは１μｍである。１層目の薄膜圧電
体１ｂは、与式〔ｄ＝ｔ（２ｍ−１）／２ｎ〕により、
下面から１０／６μｍの部位に位置し、２層目の薄膜圧
電体２ｂは、下面から３０／６μｍの部位に位置し、３
層目の薄膜圧電体３ｂは、下面から５０／６μｍの部位
に位置している。
膜圧電体１ｂ〜３ｂの厚みはそれぞれ２μｍである。各
絶縁薄膜１４の厚みは１μｍである。１層目の薄膜圧電
体１ｂは、与式〔ｄ＝ｔ（２ｍ−１）／２ｎ〕により、
下面から１０／６μｍの部位に位置し、２層目の薄膜圧
電体２ｂは、下面から３０／６μｍの部位に位置し、３
層目の薄膜圧電体３ｂは、下面から５０／６μｍの部位
に位置している。
【００３４】このような構成の圧電共振子３０におい
て、隣り合う薄膜圧電体１ｂ〜３ｂに矢印で示すように
互いに逆相の電界を加えると図１２に示すように、６５
０ＭＨｚ付近に３次振動モードによる共振が現れる。こ
の３次モードで共振が強く現れるのは、薄膜圧電体１ｂ
〜３ｂが３次モードの厚み振動の節を含む部位に配置さ
れているため、この３次モードで薄膜圧電体１ｂ〜３ｂ
の機械振動が全て同相となって互いに強め合うからであ
る。そして、この３次モードで、電気機械結合係数が大
きくなり、電気エネルギーが機械振動エネルギーに最も
効率よく変換される。この場合、１次振動モードおよび
２次振動モードは打ち消し合って消滅ないし減衰する。
て、隣り合う薄膜圧電体１ｂ〜３ｂに矢印で示すように
互いに逆相の電界を加えると図１２に示すように、６５
０ＭＨｚ付近に３次振動モードによる共振が現れる。こ
の３次モードで共振が強く現れるのは、薄膜圧電体１ｂ
〜３ｂが３次モードの厚み振動の節を含む部位に配置さ
れているため、この３次モードで薄膜圧電体１ｂ〜３ｂ
の機械振動が全て同相となって互いに強め合うからであ
る。そして、この３次モードで、電気機械結合係数が大
きくなり、電気エネルギーが機械振動エネルギーに最も
効率よく変換される。この場合、１次振動モードおよび
２次振動モードは打ち消し合って消滅ないし減衰する。
【００３５】なお、上記１次振動モードの周波数と２次
振動モードおよび３次振動モードの周波数との間に偶
数、奇数の倍数関係が成立しないのは、ＺｎＯとＳｉＯ
２の複合構造、それらの膜圧比、音速が異なるためと考
えらえる。
振動モードおよび３次振動モードの周波数との間に偶
数、奇数の倍数関係が成立しないのは、ＺｎＯとＳｉＯ
２の複合構造、それらの膜圧比、音速が異なるためと考
えらえる。
【００３６】
【発明の効果】請求項１に記載の発明は、振動部の厚さ
を薄くすることなく、振動部の機械的強度を保持して、
高次の振動モードである高い共振周波数を得ることがで
きる。
を薄くすることなく、振動部の機械的強度を保持して、
高次の振動モードである高い共振周波数を得ることがで
きる。
【００３７】請求項２に記載の発明は、ｎ層からなる薄
膜圧電体のｎ次の励振振動が加算されるので、ｎ次の励
振振幅が大きくなり、電気機械結合係数も大きくなっ
て、尖鋭な共振曲線が得られる。
膜圧電体のｎ次の励振振動が加算されるので、ｎ次の励
振振幅が大きくなり、電気機械結合係数も大きくなっ
て、尖鋭な共振曲線が得られる。
【００３８】請求項３に記載の発明は、前記振動部の厚
みが１次の振動モードの共振波長の半分であることを特
徴とするものである。また、請求項４に記載の発明は、
振動部を構成する薄膜圧電体と絶縁薄膜との弾性定数の
温度係数が互いにキャンセルされるので、周波数温度特
性が安定する。
みが１次の振動モードの共振波長の半分であることを特
徴とするものである。また、請求項４に記載の発明は、
振動部を構成する薄膜圧電体と絶縁薄膜との弾性定数の
温度係数が互いにキャンセルされるので、周波数温度特
性が安定する。
【００３９】請求項５に記載の発明は、同方向に分極
（配向）された近隣同士の薄膜圧電体に互いに逆位相の
交流電圧を印加して、高次振動モードを励振することが
できるので、基本振動モードを用いる場合に比べて、振
動部の機械的強度を向上させることができる。
（配向）された近隣同士の薄膜圧電体に互いに逆位相の
交流電圧を印加して、高次振動モードを励振することが
できるので、基本振動モードを用いる場合に比べて、振
動部の機械的強度を向上させることができる。
【００４０】請求項６に記載の発明は、互いに逆分極
（配向）された近隣同士の薄膜圧電体に同相の交流電圧
を印加して、高次振動モードを励振することができるの
で、基本振動モードを用いる場合に比べて、振動部の機
械的強度を向上させることができる。
（配向）された近隣同士の薄膜圧電体に同相の交流電圧
を印加して、高次振動モードを励振することができるの
で、基本振動モードを用いる場合に比べて、振動部の機
械的強度を向上させることができる。
【図１】 本発明の第１実施例に係る圧電共振子の縦断
面形態図
面形態図
【図２】 図１に示す圧電共振子の振動部の縦断面拡大
形態図
形態図
【図３】 多層構造の圧電共振子の節の位置と薄膜圧電
体の配置位置との関係を示す図
体の配置位置との関係を示す図
【図４】 本発明の与式による多層薄膜圧電体の配置位
置とシュミレーションによる圧電共振子の節の位置との
関係を示す図
置とシュミレーションによる圧電共振子の節の位置との
関係を示す図
【図５】 本発明の第２実施例に係る圧電共振子の２層
構造の薄膜圧電体に同方向電界を印加した場合の振動部
の縦断面形態図
構造の薄膜圧電体に同方向電界を印加した場合の振動部
の縦断面形態図
【図６】 同じく、図５に示す２層構造の薄膜圧電体に
互いに逆方向電界を印加した場合の振動部の縦断面形態
図
互いに逆方向電界を印加した場合の振動部の縦断面形態
図
【図７】 ２層構造の薄膜圧電体に同相電圧を印加した
場合の変位の態様を示す図
場合の変位の態様を示す図
【図８】 同じく、２層構造の薄膜圧電体に互いに逆相
電圧を印加した場合の変位の態様を示す図
電圧を印加した場合の変位の態様を示す図
【図９】 本発明の第３実施例に係る圧電共振子の３層
構造の薄膜圧電体の近隣同士に逆方向電界を印加した場
合の振動部の縦断面形態図
構造の薄膜圧電体の近隣同士に逆方向電界を印加した場
合の振動部の縦断面形態図
【図１０】図５に示す圧電共振子の位相特性図
【図１１】図６に示す圧電共振子の位相特性図
【図１２】図９に示す圧電共振子の位相特性図
【図１３】従来の圧電共振子の形態図
【図１４】従来の他の圧電共振子の形態図
１〜ｎ、１ａ、２ａ、１ｂ〜３ｂ 薄膜圧電体
ｅ１、ｅ２ 薄膜電極
１０、２０、３０ 圧電共振子
１０ａ、２０ａ、３０ａ 振動部
１１ 支持基板
１１ａ 孔
１２〜１４ 絶縁薄膜
Claims (6)
- 【請求項１】厚み縦振動を用いた圧電共振子において、
複数の薄膜圧電体と複数の絶縁薄膜とを交互に積層して
前記薄膜圧電体がｎ層（ｎは２以上の自然数）から成る
振動部を構成し、前記薄膜圧電体にはそれぞれ両面に電
極を有し、且つ、ｎ次の振動モードを用いるとともに、 前記振動部の薄膜圧電体の位置と、前記ｎ次の振動モー
ドの節の位置またはその近傍の位置とが略一致すること
を特徴とする圧電共振子。 - 【請求項２】前記各薄膜圧電体が、前記振動部の片面か
ら厚さ方向に下式によって求められる距離ｄだけ離れた
部位に位置することを特徴とする請求項１に記載の圧電
共振子。 ｄ＝ｔ（２ｍ−１）／２ ただし、ｔ：振動部の厚さ ｍ：自然数 ｍ≦ｎ - 【請求項３】前記振動部の厚みが１次の振動モードの共
振波長の半分であることを特徴とする請求項１又は２に
記載の圧電共振子。 - 【請求項４】前記薄膜圧電体と絶縁薄膜とは、それらの
弾性定数の温度係数が逆符号である材料から構成されて
いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項
に記載の圧電共振子。 - 【請求項５】前記薄膜圧電体は、近隣同士が同方向に分
極され、該近隣同士に互いに逆位相の電圧が印加される
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧電共振子。 - 【請求項６】前記薄膜圧電体は、近隣同志が交互に逆分
極され、該近隣同士に同位相の電圧が印加される請求項
１ないし５のいずれか１項に記載の圧電共振子。
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