JPS62169509A - 複合構造を有するオ−バ−ト−ン発振用圧電共振子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は複合構造を有するオーパート−ｙ発振用の圧電
共振子、殊に５００ＭＨｚ乃至２ＧＨｚ程度の極めて高
い周波数帯に於いて同調回路等を要せずしてオーパート
−ｙ発ｉｔ可能ならしめる複合構造１有するオーバート
ーン発振用圧電共振子に関する。

（従来技術） 本願発明者は既に昭和６０年４月１１日提出示す如く一
般的圧電材料（人工水晶、リチウムタンタレート、リチ
ウムナイオベート或は圧電セラミクス等）を用いた基板
１表面の中央部近傍に適当な形状の励振電極２全付して
核部を振動エネルギ閉じ込め部とすると共に該振動エネ
ルギ閉じ込め部の周辺には遮断周波数ｆ２なる振動エネ
ルギ伝搬部３を、更にその外方圧電基板周縁部適所には
遮断周波数ｆ３なる振動エネルギ吸収部４を設けること
によって第３図に示す各種振動モードの閉じ込め係数ｎ
ａ７．ａ／Ｈに対する振動エネルギ閉じ込め率ｒを示す
曲線から前記励振電極２によって強力に励振し念振動モ
ードについて所望するオーパート−７次数以上のオーバ
ートーン振動の振動エネルギをはマ前記振動エネルギ閉
じ込め部周辺近傍に閉じ込めると共に基本波振動を含む
前記所望のオーパート−７次数より低次のオーバートー
ン振動の振動エネルギを前記エネルギ伝搬部３を介して
漏洩せしめ、更にこれを前記振動エネルギ吸収部で吸収
せしめるよう前記閉じ込め係数の各パラメータを選択す
ることによって格別の発振回路ヲ用いることなく前記所
望の次数のオーバートーン周波数による発振を可能なら
しめた圧電共振子を開示した。

しかしながらこれら発明はいずれも比較的周波数の低い
数十乃至数百ＭＨｚ　　帯に適用可能な共振子について
開示したものであってＧＨｚ帯に適用可能な共振子につ
いては全く言及していなかった。

（発明の目的） 本発明は本願発明者が既に開示したオーバートーン発振
用圧電共振子についての構想を複合材料を利用すること
によりＧＨｚ帯の共振子にまで適用し得るようにするこ
とを・目的とする。

（発明の概要） 上述の目的を達成する為９本発明に係る共振の適所に凹
陥或は孔を設けこれを所要の厚さを有する同一材料の薄
層にて覆うと共に該薄層上に所要の電極を付したＺｎＯ
等の圧電材料を付着し、前記電極部（実質的には圧電材
料付着部）ｔ−ａ断固波数ｆ１なる振動エネルギ閉じ込
め部、その外周縁と前記ブロックの凹陥或は孔との境界
部を遮断周波数ｆ２なる振動エネルギ伝搬部、更に前記
ブーロック゛：鷺−遮断周波数ｆ３なる振動エネルギ吸
収部とし前記各部の遮断周波数の関係’ｔ−ｆ３＜ｆｌ
＜ｆ２とすると共に前記第３図に示した利用する振動モ
ードに於ける振動エネルギ閉じ込め率との関係から前記
閉じ込め係数の各パラメータを適切に選択するものであ
る。

（発明の実施例） 以下１未発明全図面に示した実施例に基づいて詳細に説
明する。

先ず９本発明の理解を助ける為、実施例の説明に先行し
て本発明の原理を簡単に説明する。

説明簡単の為、前記第３図に示す最低次対称（Ｓｏ　）
モードの振動を利用する場合について述べる。Ｓｏモー
ドの振動を強力に励振するには周知の如く圧電基板表面
に単一電極を付せばよい。従って前記第２図の如き構成
の共振子全考える。

このような共振子に於いて例えば５次のオーバートーン
振動のみを発振させようと意図するならば、１次（基本
波）及び３次のオーバートーン振動の振動エネルギの振
動エネルギ閉じ込め率を極力小なるよう、又５次以上の
オーバートーン振動についてのそれ全極力大ならしめる
よう第４図に示す如く閉じ込め係数ｎ　ａ　Ｖ’　ｗ　
／Ｈの各パラメータ全選択する。この例の場合オーバー
トーン次数ｎは５でありＨは所望の周波数が決定すれば
はマ自動的に決まり電極（振動エネルギ閉じ込めｇ）サ
イズａは所望の等価インダクタンスが与えられれば決ま
るので専らプレートバック量Δ、即ち電極模厚によって
閉じ込め係数を変化させることになる。

斯くすることによって１次（基本Ｉ！Ｌ）及び３次のオ
ーバートーン振動の振動エネルギは前記振動エネルギ閉
じ込め部２から前記振動エネルギ伝搬部３に大量に漏洩
し前記振動エネルギ吸収部４で熱に変換されて消耗する
のでこれら振動に関する等価抵抗は極めて大きくなる。

一方、前記振動エネルギ閉じ込め部２に閉じ込められｆ
ｌ：、５次以上のオーバートーン振動に関する等価抵抗
は高次のもの種火なることは周知であるから結局５次オ
ーバートーン振動が最も発振容易となるというものであ
る。

尚、その他の振動モード、例えば最低次非対称（ａｏ）
モードの振動を利用する場合にはこのモードの振動全強
力に励振し得る２分割電極を、Ｓ１モード振動全利用せ
んとするなら３分割電極を用いればよい。

さて、上述した原理を本発明に係る複合構造を有するオ
ーバートーン発振用圧電共振子に適用する場合には、第
１図に示す如くシリコ／・ブロック５の一表面にボロン
（Ｂ）　ｔ−ドープし、核部に向ってその対面から所要
直径エツチングして凹陥部６を形成する。

斯くすることによって精密に制御し得ると共にエツチン
グ不能のＢドープ層の厚さ分だけ薄層部７が平滑に残存
するので該部に下部ｔａ及びそのリード８を先ず蒸着し
次いでＺｎ０９ｉ所要厚さスパッタリングの手法を用い
て付着し。

更にその上に上部電極及びそのリード１０を蒸着し、前
記電極８及び１０にて覆われた部分を遮断周波数ｆ１な
る振動エネルギ閉じ込め部。

その外周に広がる前記薄層部７を遮断周波数ｆ２なる振
動エネルギ伝搬部、更にその外周の前記シリコ／・ブロ
ックの非エツチング部５．５を遮断周波数ｆ３なる振動
エネルギ吸収部とすれば自動的にｆ３＞ｆｌ＞ｆ２が成
立するからｆｌとｆ２の比率、ｆ２の絶対値及び前記１
極８，１０の直径を適宜操作すればこれらは夫々前記閉
じ込め係数の各パラメータたるプレートバック量Δ、基
板々厚Ｈ及び！極すイズａに対応するから所望のオーバ
ートーン次数でのみ発振可能なオーバートーン発振用圧
電共振子を得ることができる。

而して前記薄層部７及びスパッタリングによるＺ　ｎ　
０層は極めて薄い、従って基本波場動の周波数の高いも
のが製造可能であることは周知である故その更に３倍、
５倍或は７倍という高置ａ発振が格別の２例えばＬＣ同
調回路を要しない発振回路にて可能となるものである。

伺１本発明に係る共振子は必ずしも・／リコン・ブロッ
クの使用に限定される必然性はない。

部に機械加工或はエツチングによって所要直径さまでラ
ッピングした上で上下ｔｆｆ１８．１０及びその間にサ
ンドイッチするＺｎＯ等の圧電材料９全配置するよう構
成してもよい。

或は軍６図に示す如く金属ブロック１４の中央に孔を設
けその一面に同一金属基板１５をシーム溶接した上でこ
れ全所望の厚さまでラッピングすることによって振動媒
体を構成してもよい。断る構造の振動媒体を使用する場
合には下部！極は当該振動媒体金利用し得るから前記薄
層化した金属基板１５上に直接圧電材料９をスパッタリ
ングの手法を用いて付着し、更に前記薄層金属基板１５
表面上に於いて前記圧電材料９に付す上部電極のリード
パターン配線部にのみ絶縁膜１６を付着した上でリード
パターンを配置すればよい。

以上９本発明に係る共振子として可能な構造につき実施
例を以って説明したが本発明は必ずしも以上の実施例に
のみ限定される必然性はなく２本発明の基本原理を逸脱
しない限り共振子構成上の微細な変更が可能なことはい
うまでもない。

又、使用し得る圧電材料としてはＺｎＯの他人ＩＮ或は
ＣｄＳが利用可能でありその付着法も必ずしもスパッリ
、リングによる必要はない。

もっともスパッタリングによる付着法が圧電層金量も薄
層化し得るので極めて高い周波数全得んとする本発明の
趣旨には合致するであろうがこの場合には結晶の成長方
向が縦方向となるのが一般的であるので振動モードが厚
み縦振動に制限されることも周知であろう。

但し本発明は厚み滑り及び厚みねじれ振動モードを利用
することも差しつがえないことを付記する。

（発明の効果） 本発明は以上説明した如く構成するものであるから比較
的簡拳な既に確立せられた材料加工技術を利用して従来
実現が困難視されていた数百ＭＨｚから２ＧＨｚ　程度
の高い周波数にて、しかも格別の発振回路を要せずして
発振可能な複合構造を有するオーバートーン発振用圧電
共振子を実現し得るものであるから、近年高周波化の著
しい各種電子機器の周波数源に適用する上で著しい効果
を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｔ及び（ｂｌは夫々本発明に係る複合構造を
有するオーバートーン発振用圧電共振子の構造の一実施
例を示す断面図及び平面図、第２図及び第３図は夫々本
発明に適用すべき原理を説明する共振子の基本構成断面
図及び利用すべき振動のモードによる周波数スペクトラ
ムの相違を示す因、第４閣は本発明に適用すべき原理を
更に詳細に説明する為の図であってエネルギ閉じ込め係
数ｎａｐΔ／Ｈの諸パラメータ選択手法の一例を示す図
、８ｇ５図及び第６図は本発明の他の実施例を示す断面
図である。 ５．１１及び１４・・・・・・・・・振動媒体ブロック
。 ７．１２及び１５・・・・・・・・・薄層部。 ８．１０・・・・・・・・・励振電極。 ９・・・・・・・・・圧電材料。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）振動媒体ブロックの適所に適当な面積を有する当
   該媒体と実質的に同一材料の薄層部を設け、該薄層部中
   央部近傍に励振電極を含む圧電材料を付着することによ
   って、前記圧電材料付着部を遮断周波数ｆ＿１なる振動
   エネルギ閉じ込め部、該振動エネルギ閉じ込め部と前記
   振動媒体ブロック部との間の薄層部を遮断周波数ｆ＿２
   なる振動エネルギ伝搬部、更に前記振動媒体ブロック部
   を遮断周波数ｆ＿３なる前記振動エネルギ伝搬部を介し
   て伝搬した振動エネルギの振動エネルギ吸収部とすべく
   前記各部遮断周波数の関係をｆ＿３＞ｆ＿１＞ｆ＿２と
   すると共に前記圧電材料に付着する励振電極の形状を選
   択して対称或非対称モードの振動を励起せしめ当該選択
   した振動モードに於いてその閉じ込め係数ｎａ√Δ／Ｈ
   （但しｎは所望のオーバートーン次数、ａは前記エネル
   ギ閉じ込め部のサイズ、Δはプレートバック量、Ｈは前
   記振動エネルギ伝搬部の厚さ）の諸パラメータを選択し
   て所望のオーバートーン次数以上のオーバートーン振動
   の振動エネルギをほゞ前記振動エネルギ閉じ込め部周辺
   近傍に閉じ込めると共に基本波振動を含む 前記所望の次数のオーバートーン振動より低次のオーバ
   ートーン振動の振動エネルギを前記振動エネルギ伝搬部
   を介して漏洩せしめ、更に前記振動エネルギ吸収部にて
   消耗せしめることによって前記所望のオーバートーン振
   動による発振を前記所望のオーバートーン振動より低次
   のオーバートーン振動によるそれよりも容易ならしめた
   ことを特徴とする複合構造を有するオーバートーン発振
   用圧電共振子。
2. （２）前記振動媒体ブロックがシリコンであることを特
   徴とする特許請求の範囲（１）記載の複合構造を有する
   オーバートーン発振用圧電共振子。
3. （３）前記振動媒体ブロックが水晶で又はガラスであり
   、該ブロック適所に設けた孔に水晶又はガラス基板を接
   着剤を用いて貼着し、前記基板を所要の厚さとなる如く
   研摩したものであることを特徴とする特許請求の範囲（
   １）記載の複合構造を有するオーバートーン発振用圧電
   共振子。
4. （４）前記振動媒体ブロックが金属材料であり、該ブロ
   ック適所に設けた孔に同一金属基板を溶接し、前記基板
   を所望の厚さとなる如く研摩したものであることを特徴
   とする特許請求の範囲（１）記載の複合構造を有するオ
   ーバートーン発振用圧電振動子。
5. （５）前記圧電材料がＺｎＯ、ＡｌＮ或はＣｄＳのいず
   れかであることを特徴とする特許請求の範囲（１）乃至
   （４）記載の複合構造を有するオーバートーン発振用圧
   電共振子。