(57)【要約】  付加容量を接続せずとも帯域幅を調整することができ、しかも伝搬損失が十分に小さい弾性表面波装置を得る。  カット角が同じ圧電体４を用いて複数の弾性表面波素子２，３が形成されており、各弾性表面波素子２，３において、少なくとも１つの弾性表面波素子２における弾性表面波の伝搬方位Ｘ１が、他の少なくとも１つの弾性表面波素子３における弾性表面波の伝搬方位Ｘ２と異なっており、かつ弾性表面波素子２，３において、圧電体４の電極形成面とは反対側の面に弾性表面波を圧電体４側に閉じ込める閉じ込め層１２が形成されている、弾性表面波装置１。
2013061926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カット角が同じ圧電体を用いて構成されている、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い弾性表面波を用いた複数の弾性表面波素子を備え、
前記各弾性表面波素子が、前記圧電体と、前記圧電体上に設けられたＩＤＴ電極と、前記圧電体の前記ＩＤＴ電極が設けられている側とは反対側に設けられており、かつ前記弾性表面波を前記圧電体側に閉じ込める閉じ込め層とを有し、
前記複数の弾性表面波素子において、少なくとも一つの弾性表面波素子における弾性表面波の伝搬方位が、他の少なくとも一つの弾性表面波素子における弾性表面波の伝搬方位と異なっている、弾性表面波装置。
【請求項２】
前記複数の弾性表面波素子が、単一の圧電体上に構成されている、請求項１に記載の弾性表面波装置。
【請求項３】
前記少なくとも一つの弾性表面波素子の帯域幅が、前記少なくとも一つの他の弾性表面波素子の帯域幅と異なっている、請求項１または２に記載の弾性表面波装置。
【請求項４】
前記閉じ込め層は、該閉じ込め層を伝搬するバルク波音速が前記弾性表面波の伝搬速度よりも速い誘電体からなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
【請求項５】
前記誘電体が、窒化アルミニウム、窒化ケイ素及び酸化アルミニウム、酸窒化ケイ素、ＤＬＣからなる群から選択された一種の誘電体、もしくは複数の誘電体の混合物、積層物である、請求項４に記載の弾性表面波装置。
【請求項６】
前記弾性表面波は横波であり、前記ＩＤＴ電極の厚みは、前記弾性表面波の音速が前記圧電体を伝搬する遅い横波の音速よりも速くなる厚みとされている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
【請求項７】
前記弾性表面波は縦波であり、前記ＩＤＴ電極の厚みは、前記弾性表面波の音速が前記圧電体を伝搬する縦波バルク波の音速よりも速くなる厚みとされている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
【請求項８】
前記弾性表面波は横波であり、前記ＩＤＴ電極のデューティー比は、前記圧電体を伝搬する遅い横波の音速よりも速くなるデューティー比とされている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
【請求項９】
前記弾性表面波は縦波であり、前記ＩＤＴ電極のデューティー比は、前記圧電体を伝搬する縦波バルク波の音速よりも速くなるデューティー比とされている、請求項１〜５、７のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
【請求項１０】
前記圧電体と、前記閉じ込め層との間に設けられており、バルク波の音速が前記圧電体を伝搬するバルク波の音速及び閉じ込め層を伝搬するバルク波の音速よりも遅い低音速層をさらに備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
【請求項１１】
前記低音速層が、酸化ケイ素からなる、請求項１０に記載の弾性表面波装置。
【請求項１２】
前記閉じ込め層が、音響インピーダンスが相対的に高い第１の材料層と、音響インピーダンスが相対的に低い第２の材料層とが積層されているブラッグ反射器である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
【請求項１３】
前記第１の材料層が、Ｃｕ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｎｉ及びＷからなる群から選択された少なくとも一種からなる、請求項１２に記載の弾性表面波装置。
【請求項１４】
前記第２の材料層が、酸化ケイ素またはポリマーからなる、請求項１２に記載の弾性表面波装置。
【請求項１５】
フィルタまたは共振子である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
【請求項１６】
縦結合型弾性表面波フィルタである、請求項１５に記載の弾性表面波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体を用いた複数の弾性表面波素子を有する弾性表面波装置に関し、特に、弾性表面波として、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い弾性表面波を用いた弾性表面波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、共振子や帯域フィルタに弾性表面波装置が広く用いられている。弾性表面波装置では、利用する表面波の種類によって様々な周波数域の共振子やフィルタを構成することができる。【０００３】
下記の特許文献１には、複数の弾性表面波の中でも漏洩型弾性表面波を用いた弾性表面波装置が開示されている。【０００４】
また、下記の特許文献２には、弾性表面波共振子を用いたラダー型フィルタが開示されている。ここでは、弾性表面波共振子に直列または並列に容量が付加されている。それによって、通過帯域幅を狭くしたりすることができると記載されている。【０００５】
他方、下記の特許文献３には、非漏洩伝搬型の弾性境界波を用いた弾性境界波装置が開示されている。特許文献３では、同一の圧電単結晶上に複数のＩＤＴが設けられており、ＩＤＴの伝搬方位が他の少なくとも一つのＩＤＴの伝搬方位と異ならされている。それによって、帯域幅を調整することが可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２００３／０８８４８３
【特許文献２】特開平８−６５０８９
【特許文献３】ＷＯ２００５／０６００９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の漏洩型弾性表面波を用いた弾性表面波装置においても、帯域幅や共振特性を調整することが求められている。【０００８】
他方、特許文献２に記載のラダー型フィルタでは、弾性表面波共振子に直列または並列に容量を付加することにより、帯域幅の調整が可能とされている。しかしながら、このような構成では、容量を付加する必要があるため、弾性表面波装置が大型となり、かつコストが高くつくという問題がある。【０００９】
また、特許文献３では、同じ圧電基板上に複数のＩＤＴを形成した構造において、少なくとも一つの弾性境界波素子の伝搬方位が他の弾性境界波素子の伝搬方位と異ならされている。この構造によれば、付加容量を接続することなく、帯域幅を調整することができる。【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載のような漏洩型弾性表面波を用いた弾性表面波装置では、伝搬方位を異ならせると、伝搬損失が大きくなるという問題があった。これは、漏洩型弾性表面波の音速が圧電基板の遅い横波音速よりも速いため、漏洩型弾性表面波のエネルギーが圧電基板側に漏洩することによる。従って、漏洩型弾性表面波を用いた弾性表面波装置においては、複数の弾性表面波素子の伝搬方位を異ならせる方法では、良好なフィルタ特性や共振特性を得ることができなかった。【００１１】
本発明の目的は、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い弾性表面波を用いた弾性表面波装置であって、付加容量を接続せずとも帯域幅を調整することができ、しかも伝搬損失が十分に小さい弾性表面波装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、カット角が同じ圧電体を用いて、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い弾性表面波を用いた複数の弾性表面波素子が構成されている。各弾性表面波素子は、圧電体と、圧電体上に設けられたＩＤＴ電極と、閉じ込め層とを有する。閉じ込め層は、圧電体のＩＤＴ電極が設けられている側とは反対側に設けられており、かつ弾性表面波を圧電体側に閉じ込める。【００１３】
本発明においては、複数の弾性表面波素子においては、少なくとも一つの弾性表面波素子における弾性表面波の伝搬方位が、他の少なくとも一つの弾性表面波素子における弾性表面波の伝搬方位と異なっている。【００１４】
本発明に係る弾性表面波装置のある特定の局面では、複数の弾性表面波素子が単一の圧電体上に構成されている。この場合には、弾性表面波装置の小型化を進めることができる。【００１５】
本発明に係る弾性表面波装置の他の特定の局面では、前記少なくとも一つの弾性表面波素子の帯域幅が、前記少なくとも一つの他の弾性表面波素子の帯域幅と異なっている。【００１６】
本発明に係る弾性表面波装置のさらに他の特定の局面では、前記閉じ込め層は、該閉じ込め層を伝搬するバルク波音速が前記弾性表面波の伝搬速度よりも速い誘電体からなる。この場合には、弾性表面波は閉じ込め層の中をほとんど伝搬しないため、波のエネルギーを表面側に閉じ込めることができる。したがって、伝搬損失を実質的に０とすることができる。【００１７】
このような誘電体としては、好ましくは、窒化アルミニウム、窒化ケイ素及び酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、ＤＬＣ、ダイヤモンド、サファイア、アルミナ、マグネシア、シリコンや、前記弾性表面波の伝搬速度よりも伝搬するバルク波音速が速くなるように、カット角を選択されたリチウムタンタレート、リチウムニオベイトからなる群から選択された一種の誘電体、もしくは複数の誘電体の混合物、積層物を好適に用いることができる。【００１８】
本発明に係る弾性表面波装置のさらに他の特定の局面では、前記弾性表面波は横波であり、前記ＩＤＴ電極の厚みは、前記弾性表面波の音速が前記圧電体を伝搬する遅い横波の音速よりも速くなる厚みとされている。この場合には、非漏洩型の表面波に比べ音速が速いため、ＩＤＴのピッチを大きくすることができ、その結果、高周波化に有利なフィルタを提供することができる。【００１９】
前記弾性表面波は縦波であり、前記ＩＤＴ電極の厚みは、前記弾性表面波の音速が前記圧電体を伝搬する縦波バルク波の音速よりも速くなる厚みとされている。【００２０】
本発明に係る弾性表面波装置のさらに別の特定の局面では、前記弾性表面波は横波であり、前記ＩＤＴ電極のデューティー比は、前記圧電体を伝搬する遅い横波の音速よりも速くなるデューティー比とされている。この場合には、非漏洩型の表面波に比べ音速が速いため、ＩＤＴのピッチを大きくすることができ、その結果、高周波化に有利なフィルタを提供することができる。【００２１】
前記弾性表面波は縦波であり、前記ＩＤＴ電極のデューティー比は、前記圧電体を伝搬する縦波バルク波の音速よりも速くなるデューティー比とされている。【００２２】
本発明に係る弾性表面波装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電体と、前記閉じ込め層との間に設けられており、バルク波の音速が前記圧電体を伝搬するバルク波の音速及び閉じ込め層を伝搬するバルク波の音速よりも遅い低音速層をさらに備える。この場合には、低音速層の形成によっても帯域幅を調整することができる。好ましくは、低音速層は酸化ケイ素からなる。その場合には、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。【００２３】
本発明に係る弾性表面波装置のさらに別の特定の局面では、前記閉じ込め層が、音響インピーダンスが相対的に高い第１の材料層と、音響インピーダンスが相対的に低い第２の材料層とが積層されているブラッグ反射器である。この場合には、伝搬損失を小さくすることができる。【００２４】
上記第１の材料層としては、好ましくは、Ｃｕ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｎｉ及びＷからなる群から選択された少なくとも一種からなる。この場合には、第１の材料層の音響インピーダンスを効果的に高めることができる。従って、第１，第２の材料層の音響インピーダンスの差を大きくすることができ、弾性表面波の反射効率を高めることができる。【００２５】
好ましくは、第２の材料層は、酸化ケイ素またはポリマーからなる。この場合には、第２の材料層の音響インピーダンスを十分に小さくすることができる。従って、第１，第２の材料層の音響インピーダンスの差を十分に大きくすることができる。よって、弾性表面波の反射効率を高めることができる。【００２６】
本発明に係る弾性表面波装置は、複数の弾性表面波素子を有する様々な弾性表面波装置に適用することができるが、好ましくはフィルタまたは共振子である。フィルタまたは共振子である場合、本発明に従って、帯域幅を容易に調整でき、しかも伝搬損失の小さいフィルタまたは共振子の提供することができる。好ましくは、本発明に従って、縦結合型弾性表面波フィルタが構成される。従って、帯域幅の調整が容易であり、伝搬損失の少ない縦結合型弾性表面波フィルタを提供することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る弾性表面波装置によれば、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い弾性表面波を用いているにもかかわらず、各弾性表面波素子が上記閉じ込め層を有するため、弾性表面波の伝搬損失を十分に小さくすることができる。従って、少なくとも一つの弾性表面波素子における弾性表面波の伝搬方位を、他の少なくとも一つの弾性表面波素子における弾性表面波の伝搬方位と異ならせることにより、伝搬損失を悪化させることなく、帯域幅を調整することが可能となる。【００２８】
加えて、帯域幅の調整に、付加容量を必要としないため、弾性表面波装置の大型化を招くこともない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波装置の模式的平面図及び部分切欠正面断面図である。
【図２】図２は、オイラー角（０°，０°〜１８０°，０°〜１８０°）のＬｉＴａＯ３からなる圧電体上にＩＤＴ電極を形成してなる弾性表面波素子における弾性表面波の音速と、オイラー角のθ及びψとの関係を示す図である。
【図３】図３は、オイラー角（１５°，０°〜１８０°，０°〜１８０°）のＬｉＴａＯ３からなる圧電体上にＩＤＴ電極を形成してなる弾性表面波素子における弾性表面波の音速と、オイラー角のθ及びψとの関係を示す図である。
【図４】図４は、オイラー角（３０°，０°〜１８０°，０°〜１８０°）のＬｉＴａＯ３からなる圧電体上にＩＤＴ電極を形成してなる弾性表面波素子における弾性表面波の音速と、オイラー角のθ及びψとの関係を示す図である。
【図５】図５は、オイラー角（０°，０°〜１８０°，０°〜１８０°）のＬｉＴａＯ３からなる圧電体上にＩＤＴ電極を形成してなる弾性表面波素子における弾性表面波の帯域幅と、オイラー角のθ及びψとの関係を示す図である。
【図６】図６は、オイラー角（１５°，０°〜１８０°，０°〜１８０°）のＬｉＴａＯ３からなる圧電体上にＩＤＴ電極を形成してなる弾性表面波素子における弾性表面波の帯域幅と、オイラー角のθ及びψとの関係を示す図である。
【図７】図７は、オイラー角（３０°，０°〜１８０°，０°〜１８０°）のＬｉＴａＯ３からなる圧電体上にＩＤＴ電極を形成してなる弾性表面波素子における弾性表面波の帯域幅と、オイラー角のθ及びψとの関係を示す図である。
【図８】図８は、オイラー角（０°，０°〜１８０°，０°〜１８０°）のＬｉＮｂＯ３からなる圧電体上にＩＤＴ電極を形成してなる弾性表面波素子における弾性表面波の音速と、オイラー角のθ及びψとの関係を示す図である。
【図９】図９は、オイラー角（１５°，０°〜１８０°，０°〜１８０°）のＬｉＮｂＯ３からなる圧電体上にＩＤＴ電極を形成してなる弾性表面波素子における弾性表面波の音速と、オイラー角のθ及びψとの関係を示す図である。
【図１０】図１０は、オイラー角（３０°，０°〜１８０°，０°〜１８０°）のＬｉＮｂＯ３からなる圧電体上にＩＤＴ電極を形成してなる弾性表面波素子における弾性表面波の音速と、オイラー角のθ及びψとの関係を示す図である。
【図１１】図１１は、オイラー角（０°，０°〜１８０°，０°〜１８０°）のＬｉＮｂＯ３３からなる圧電体上にＩＤＴ電極を形成してなる弾性表面波素子における弾性表面波の帯域幅と、オイラー角のθ及びψとの関係を示す図である。
【図１２】図１２は、オイラー角（１５°，０°〜１８０°，０°〜１８０°）のＬｉＮｂＯ３からなる圧電体上にＩＤＴ電極を形成してなる弾性表面波素子における弾性表面波の帯域幅と、オイラー角のθ及びψとの関係を示す図である。
【図１３】図１３は、オイラー角（３０°，０°〜１８０°，０°〜１８０°）のＬｉＮｂＯ３からなる圧電体上にＩＤＴ電極を形成してなる弾性表面波素子における弾性表面波の帯域幅と、オイラー角のθ及びψとの関係を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の第２の実施形態に係る弾性表面波装置を説明するための模式的正面断面図である。
【図１５】図１５は、図１４に示した低音速膜を備えた弾性表面波装置におけるＳｉＯ２の膜厚とＴＣＶとの関係を示す図である。
【図１６】図１６は、図１４に示した低音速膜を備えた弾性表面波装置におけるＳｉＯ２の膜厚と帯域幅との関係を示す図である。
【図１７】図１７は、ＩＤＴ電極の膜厚と、共振点及び反共振点における表面波の音速との関係を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の第３の実施形態に係る弾性表面波装置を説明するための模式的正面断面図である。
【図１９】図１９は、本発明が適用される弾性表面波装置としてのラダー型フィルタの回路図である。
【図２０】図２０（ａ）及び（ｂ）は、本発明が適用されるフィルタの他の例を示す略図的回路図である。
【図２１】図２１は、本発明が適用される弾性表面波装置のさらに他の例を説明するための略図的回路図である。
【図２２】図２２は、本発明が適用される弾性表面波装置の一例としての縦結合型フィルタの電極構造を示す模式的平面図である。
【図２３】図２３は、比較例１における漏洩伝搬型弾性表面波のエネルギー集中度の伝搬方位ψに対する依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００３１】
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波装置を示す模式的平面図及びその要部を示す正面断面図である。
【００３２】
図１（ａ）に示すように、弾性表面波装置１では、複数の弾性表面波素子としての第１，第２の弾性表面波素子２，３を構成するための電極構造が形成されている。すなわち、第１の弾性表面波素子２を形成するために、ＩＤＴ電極６と、ＩＤＴ電極６の両側に配置された反射器７，８が形成されている。同様に、第２の弾性表面波素子３を形成するために、ＩＤＴ電極９と、ＩＤＴ電極９の両側に配置された反射器１０，１１とが形成されている。第１，第２の弾性表面波素子２，３は、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速いＳＨ型弾性表面波を利用するものである。
【００３３】
第１の弾性表面波素子２における弾性表面波の伝搬方位と第２の弾性表面波素子３における弾性表面波の伝搬方位とは図示のように異なっている。すなわち、第１の弾性表面波素子２における弾性表面波の伝搬方位をＸ１としたとき、第２の弾性表面波素子３における弾性表面波の伝搬方位Ｘ２は、伝搬方位Ｘ１に対してβの角度をなしている。本実施形態の弾性表面波装置１では、第１の弾性表面波素子２の弾性表面波の伝搬方位Ｘ１に対し、第２の弾性表面波素子３の弾性表面波の伝搬方位Ｘ２が異なっているため、後述するように帯域幅を調整することが可能とされる。
【００３４】
図１（ｂ）は、ＩＤＴ電極６が形成されている部分の模式的正面断面図である。図１（ｂ）で示すように、ＩＤＴ電極６は、圧電体４上に形成されている。本実施形態では、圧電体４は、ＬｉＴａＯ３からなる。また、ＩＤＴ電極６は、Ａｌからなる。もっとも、圧電体４は、ＬｉＮｂＯ３などの他の圧電体により形成されていてもよい。ＩＤＴ電極６についてもＡｌ以外のＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒまたはこれらを主体とする合金により形成されていてもよい。さらに、ＩＤＴ電極６は、複数の金属層を積層してなる積層金属膜により形成されていてもよい。
【００３５】
本実施形態の特徴は、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い弾性表面波を用いた弾性表面波装置１において、１）上記のように弾性表面波の伝搬方位Ｘ１と弾性表面波の伝搬方位Ｘ２とが異なっていること、並びに２）閉じ込め層１２が設けられていることにある。
【００３６】
図１（ｂ）に示すように、閉じ込め層１２は、圧電体４の下面に積層されている。すなわち、圧電体４のＩＤＴ電極６が形成されている側とは反対側の面に閉じ込め層１２が積層されている。閉じ込め層１２は、閉じ込め層１２を伝搬するバルク波の音速が圧電体４を伝搬する弾性波音速よりも速い材料からなる。本実施形態では、閉じ込め層１２は窒化ケイ素からなり、バルク波の音速は５９５０ｍ／秒である。これに対し、ＬｉＴａＯ３におけるＳＨ型の弾性表面波音速は、オイラー角や電極の厚みなどによっても異なるが、３２００〜４３００ｍ／秒程度である。
【００３７】
周知のように、固体内を伝搬するバルク波には、縦波すなわちＰ波と、横波とが存在する。固体に異方性がある場合には、横波として、ＳＨ波とＳＶ波の２種類が伝搬する。これらのうち、もっとも低音速の横波が、遅い横波となり、高音速の横波が、速い横波である。なお、ＳＨ波とＳＶ波のいずれが遅い横波となるかは、固体の異方性によって異なる。回転ＹカットＸ伝搬付近のＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３では、バルク波のうちＳＶ波が遅い横波、ＳＨ波が速い横波となる。
【００３８】
ここで、本明細書中記載のバルク波について定義する。圧電体上を伝搬する弾性波が漏洩波やラブ波の様なＳＨ成分を主体とする弾性波である場合は、圧電体など、異方性のある媒質のバルク波とはＳＨバルク波を示し、等方体の場合のバルク波とは横波バルク波を示す。圧電体上を伝搬する弾性波が、レイリー波の様なＳＶ波とＰ波が結合した弾性波である場合は、異方性のある媒質のバルク波とはＳＶバルク波を示し、等方体の場合のバルク波とは横波バルク波を示す。一方、圧電体上を伝搬する弾性波が縦波成分主体の弾性波である場合は、圧電体のバルク波及び閉じ込め層のバルク波とは縦波バルク波を示す。
【００３９】
また、本明細書中の漏洩波、非漏洩波について定義する。圧電体を伝搬する表面波において、漏洩伝搬型弾性表面波となるか、あるいは非漏洩伝搬型弾性表面波となるかは表面波の音速と圧電体のバルク波音速の関係で決定される。圧電体上を伝搬する波が横波、すなわちＳＨ成分を主体とする弾性表面波やＳＶ成分を主成分とする弾性表面波などである場合、弾性表面波の音速が、圧電体の遅い横波音速よりも速い伝搬速度となる場合には、漏洩伝搬型弾性表面波となる。なお、圧電体の遅い横波音速よりも表面波の音速が遅い場合には、非漏洩伝搬型弾性表面波となる。圧電体上を伝搬する波が縦波の場合、弾性表面波の音速が、圧電体の縦波バルク波音速よりも速い伝搬速度となる場合には、漏洩伝搬型弾性表面波となり、圧電体の縦波バルク波音速よりも表面波の音速が遅い場合には、非漏洩伝搬型弾性表面波となる。なお、回転ＹカットにおけるＬｉＴａＯ３の遅い横波は、３３６７ｍ/秒であり、ＬｉＮｂＯ３の遅い横波は、４０３１ｍ/秒である。
【００４０】
前述したように特許文献３では、非漏洩伝搬型弾性境界波を用いた弾性境界波装置おいて、ＩＤＴにより励振される非漏洩伝搬型弾性境界波の伝搬方位を、他のＩＤＴにより励振される非漏洩伝搬型弾性境界波の伝搬方位と異ならせることにより、帯域幅を調整することが可能とされている。しかしながら、漏洩伝搬型弾性表面波を用いた場合、伝搬方位を変更すると、伝搬損失が大きくなるという問題があった。
【００４１】
これに対して、本実施形態の弾性表面波装置１では、上記閉じ込め層１２が設けられているため、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い弾性表面波、すなわち漏洩伝搬型弾性表面波が圧電体４内に閉じ込められる。そのため、伝搬損失をほぼ０とすることができる。これを、以下、実施例１と比較例１とを対比することにより明らかにする。
【００４２】
実施例１として、以下の弾性表面波装置を作成した。
【００４３】
実施例１の仕様
Ａｌ（０．０８）／ＬＴ（０．５）／ＳｉＮ（２．０）    ＬＴのオイラー角（φ、θ、ψ）＝（０〜３０,０〜１８０,０〜１８０）
電極及び圧電体の膜厚の単位は波長〔λ〕  波長は２μｍ。
閉じ込め層あり
【００４４】
比較例１の仕様
Ａｌ（０．０８）／ＬＴ（２００）    ＬＴのオイラー角（φ、θ、ψ）＝（０，１２８．５，−１５〜１５）
電極及び圧電体の膜厚の単位は波長〔λ〕  波長は２μｍ。
閉じ込め層なし
【００４５】
上記実施例１及び比較例１において、伝搬方位を変化させて、伝搬損失を測定した。その結果、オイラー角（０°，θ，ψ）のＬｉＴａＯ３を用いた場合、θを０°，１５°，３０°，４５°，６０°，７５°，９０°，１０５°，１２０°，１３５°，１５０°，１６５°及び１８０°、ψを０°，３０°，６０°，９０°，１２０°，１５０°及び１８０°とそれぞれ変化させたとしても、漏洩伝搬型弾性表面波のエネルギー集中度は１００％であり、漏洩は認められなかった。ＬｉＴａＯ３のオイラー角のφを１５°または３０°とし、同様にθ及びψを変化させた場合においても、実施例１では、エネルギー集中度は１００％より漏洩は認められなかった。
【００４６】
これに対して、比較例１では、図２３に示すように、オイラー角（０°，１２８．５°，ψ）のＬｉＴａＯ３において、伝搬方位ψを変化させたところ、漏洩伝搬型弾性表面波のエネルギー集中度がψによって大きく変化した。
【００４７】
図２３から明らかなように、伝搬方位が変化した場合、比較例１では伝搬損失が伝搬方位によって大きくなることがわかる。これ対して、実施例１では、伝搬方位が変化したとしても、伝搬損失はほぼ０である。
【００４８】
上記のように、本実施形態の弾性表面波装置１では、閉じ込め層１２を設けたことにより、伝搬方位の如何に関わらず弾性表面波の伝搬損失をほぼ０とすることができる。すなわち、閉じ込め層が十分な厚みであれば、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い主伝搬モードは伝搬損失０となり、非漏洩の弾性表面波となるが、閉じ込め層が薄い場合でも漏洩の抑制効果が得られ、主伝搬モードは伝搬損失の小さい漏洩伝搬型弾性表面波とすることができる。
【００４９】
また、本実施形態では、上記のように、第１の弾性表面波素子２における弾性表面波の伝搬方位Ｘ１と、第２の弾性表面波素子３の弾性表面波の伝搬方位Ｘ２とが異なっている。それによって、伝搬方位の異ならせ方を調整することにより帯域幅を調整することができる。これを、図２〜図４を参照して説明する。
【００５０】
図２〜図４は、圧電体として、オイラー角（φ，θ，ψ）のＬｉＴａＯ３におけるオイラー角のφを０°、１５°、３０°とし、θを０°〜１８０°、ψを０°〜１８０°の間で変化させた場合の弾性表面波の音速の変化を示す図である。ここでは、ＬｉＴａＯ３からなる圧電体４の膜厚は０．５λ、窒化ケイ素からなる閉じ込め層１２の膜厚は２．０λ、Ａｌからなる電極の膜厚は０．０８λとした。また、ＩＤＴの電極指ピッチで定まる波長λは、λ＝２μｍとした。上記オイラー角のψが上記伝搬方位に相当する。
【００５１】
なお、図２〜図４における記号Ａ１〜Ａ６は、それぞれ下記の表１に示す音速範囲であることを示す。
【００５２】
【表１】
2013061926.tif 000003
【００５３】
また、図５〜図７は、上記弾性表面波装置１の比帯域のオイラー角依存性を示す図である。この比帯域は、共振子の反共振点と共振点の周波数差を比帯域としてシミュレーションした結果を示す。
【００５４】
また、図５〜図７における記号Ｂ１〜Ｂ１１は、帯域幅がそれぞれ以下記の表２の範囲であることを示す。
【００５５】
【表２】
2013061926.tif 000004
【００５６】
なお、上記ＬｉＴａＯ３に代えて、ＬｉＮｂＯ３を用い、実施例１と同様に、オイラー角（φ，θ，ψ）を変化させ、弾性表面波の音速の変化及び帯域幅の変化を求めた。結果を図８〜図１０及び図１１〜図１３に示す。図８〜図１０は、弾性表面波の音速の変化を示し、図１１〜図１３は帯域幅の変化を示す。
【００５７】
なお、図８〜図１０における記号Ｃ１〜Ｃ５は、それぞれ下記の表３に示す音速範囲であることを示す。
【００５８】
【表３】
2013061926.tif 000005
【００５９】
また、図１１〜図１３における記号Ｄ１〜Ｄ６は、帯域幅がそれぞれ以下の表４の範囲であることを示す。
【００６０】
【表４】
2013061926.tif 000006
【００６１】
図２〜図１３から明らかなように、ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３は異方性があるため、伝搬方位ψを変更することにより、共振子の帯域幅を変化させ得ることがわかる。
【００６２】
しかも、本実施形態の弾性表面波装置１では、上記閉じ込め層１２が設けられているため、伝搬方位を変化させたとしても、伝搬損失はほぼ０となる。よって、本実施形態の弾性表面波装置１によれば、付加容量を接続することなく、帯域幅を調整することができる。すなわち、バルク波より速い弾性波であっても、前述した特許文献３の弾性境界波装置の場合と同様に、複数の弾性波素子間において伝搬方位を異ならせることにより、フィルタの帯域幅を調整することができる。また、伝搬方位を変更しても伝搬損失がほぼ０のため、設計時のレイアウトの自由度があがる。
【００６３】
なお、上記実施形態では、閉じ込め層１２は、窒化ケイ素により形成されていたが、他の高音速材料により閉じ込め層１２を形成してもよい。このような閉じ込め層１２を形成する材料としては、圧電体を伝搬する弾性波の音速よりもバルク波の音速が速い適宜の材料を用いることができる。このような材料としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどを好適に用いることができる。窒化アルミニウムの横波バルク波の音速は６０１６ｍ／秒であり、酸化アルミニウムの横波バルク波の音速は６０７３ｍ／秒である。この他に、炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜、ダイヤモンド、サファイア、アルミナ、マグネシア、シリコンや、前記弾性表面波の伝搬速度よりも伝搬するバルク波音速が速くなるように、カット角を選択されたリチウムタンタレート、リチウムニオベイト等の材料を用いた場合でも、同様の効果が得られる。また、上記のとおり、圧電体４を伝搬する弾性波の音速よりもバルク波が速い限り、伝搬方位を変更したとしても弾性表面波の伝搬損失はほぼ０である。
【００６４】
また、好ましくは、閉じ込め層１２は熱伝導率が高いことが望ましい。それによって、放熱性を高めることができ、デバイスに電力を投入した時の信頼性を高めることができる。圧電単結晶のＬｉＴａＯ３の熱伝導率は２．９３Ｗ／ｍ・Ｋ、ＬｉＮｂＯ３の熱伝導率は４．６Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、窒化アルミニウムの熱伝導率は１７０Ｗ／ｍ・Ｋであり、酸化アルミニウムの熱伝導率は２９Ｗ／ｍ・Ｋであり、窒化ケイ素の熱伝導率は２５．４Ｗ／ｍ・Ｋである。従って、これらの熱伝導性に優れた窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたは窒化ケイ素により閉じ込め層１２を形成することが望ましい。熱伝導率を高める上では、窒化アルミニウムを用いることがより望ましい。
【００６５】
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る弾性表面波装置を説明するための模式的正面断面図である。第２の実施形態では、圧電体４と閉じ込め層１２との間に低音速膜２２が積層されている。その他の構造は第１の実施形態と同様であるため、第２の実施形態の弾性表面波装置２１の説明において、第１の実施形態の説明を援用することとする。
【００６６】
低音速膜とは、圧電体４を伝搬するバルク波よりも、該低音速膜中のバルク波の音速が低速となる膜を言うものとする。したがって、低音速膜２２は、バルク波の音速が、圧電体４を伝搬するバルク波の音速及び閉じ込め層１２を伝搬するバルク波の音速よりも遅い材料からなる。本実施形態では、伝搬する弾性波がＳＨ型表面波であり、バルク波の音速である横波音速が３７５７ｍ／秒である酸化ケイ素により低音速膜２２が形成されている。なお、圧電体４がＬｉＴａＯ３の場合、バルク波は速い横波であるＳＨバルク波であり、その音速は４２１２ｍ／秒となる。また、閉じ込め層１２が窒化ケイ素の場合、バルク波は横波であり、その音速は５９５０ｍ／秒となる。もっとも、低音速膜２２は、酸化ケイ素に限らず、酸窒化ケイ素、酸化タンタル、ガラス、酸化ケイ素を主体とする混合物などを用いてもよい。
【００６７】
低音速膜２２を用いることにより、それによっても帯域幅を調整することができる。図１６は、第２の実施形態の弾性表面波装置２１において、上記低音速膜２２としての酸化ケイ素の膜厚を変化させた場合の帯域幅の変化を示す図である。なお膜厚（％）は、ＩＤＴの電極指ピッチで定まる波長に対する割合で示している。
【００６８】
図１６において酸化ケイ素膜厚が０％とは、低音速膜２２を有しない上記第１の実施形態の場合の結果に相当する。図１６から明らかなように、酸化ケイ素膜の膜厚を変化させることにより、帯域幅を変化させ得ることがわかる。特に、酸化ケイ素膜厚を０％より厚く、波長の８２％以下の範囲とした場合には、低音速膜を設けなかった場合よりも帯域幅を広げ得ることがわかる。さらに、酸化ケイ素膜の膜厚を波長の８２％より厚くすると酸化ケイ素膜を設けなかった場合よりも帯域幅を狭くし得ることもわかる。
【００６９】
なお、図１６は、酸化ケイ素膜を低音速膜２２として用いた場合の結果を示すが、他の前述した材料からなる低音速膜を用いた場合においても、同様に帯域幅を調整することができる。
【００７０】
さらに、低音速膜２２が酸化ケイ素膜からなる場合、そのＴＣＦは正の値である。他方、圧電体４のＴＣＦは負の値である。従って、酸化ケイ素膜からなる低音速膜２２を積層することにより、温度特性を改善することができる。図１５は、酸化ケイ素膜の膜厚を変化させた場合の共振周波数及び反共振周波数における音速の周波数温度特性であるＴＣＶの変化を示す図である。図１５から明らかなように、酸化ケイ素膜の膜厚を変化させることにより、温度特性が変化することがわかる。特に、酸化ケイ素膜の膜厚を波長の２０〜１５０％の範囲とした場合、共振周波数のＴＣＶを±１０ｐｐｍ／℃の範囲内、反共振周波数のＴＣＶを±３０ｐｐｍ／℃の範囲内とし得ることがわかる。
【００７１】
なお、低音速膜として、周波数温度係数ＴＣＦが正の値である窒化ケイ素などや負の値であってもその絶対値が圧電体４を構成している圧電単結晶のＴＣＦの絶対値よりも小さい材料を用いた場合も、同様に周波数温度特性を改善することができる。
【００７２】
次に、本発明に係る弾性表面波装置の電極の厚みによる影響について説明する。
【００７３】
弾性表面波素子では、電極膜厚を変更すると、伝搬する表面波の音速は変化する。図１７は、第１の実施形態の弾性表面波装置１の第１の弾性表面波素子２と同様に構成されている弾性表面波素子における電極膜厚と圧電体上に励振されたＳＨ型の表面波の音速との関係を示す図である。ここでは、ＬｉＴａＯ３のオイラー角は、（０°，１２８．５°，０°）とした。また、ＬｉＴａＯ３からなる圧電体４の厚みは０．５λ、閉じ込め層１２の厚みは２．０λとした。λ＝２．０μｍとした。
【００７４】
このような構造においてＡｌからなるＩＤＴ電極の膜厚を０．０１λ〜０．３λの範囲で変化させた。
【００７５】
図１７から明らかなように、上記構造において、電極膜厚が変化すると、共振周波数及び反共振周波数における音速が変化している。すなわち、電極膜厚が厚くなるにつれ、共振周波数及び反共振周波数が低下していくこととなる。そして、圧電体４を伝搬する遅い横波音速が３３３８ｍ／秒であるため、電極膜厚は１５％以下の領域で、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い弾性表面波となることがわかる。
【００７６】
上記のように、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い弾性表面波を利用するには、電極膜厚を、圧電体４を伝搬する遅い横波音速よりも表面波の音速が速くなる厚みとすればよい。もっとも、この電極膜厚については、用いる材料によっても異なるが、図１７に示したように、使用する圧電体材料及び電極材料に応じ、遅い横波音速よりも速くなるように弾性表面波の音速を調整すればよい。
【００７７】
周知のように、弾性表面波装置では、ＩＤＴ電極のデューティー比を変化させることによっても、弾性表面波の音速を変化させることができる。すなわち、圧電体４を伝搬する遅い横波音速よりも表面波の音速が速くなるデューティー比とすることにより、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い弾性表面波を利用することができる。
【００７８】
なお、上記第２の実施形態では、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い弾性表面波として横波を用いたが、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い弾性表面波として縦波を用いてもよい。その場合には、前記ＩＤＴ電極の厚みは、前記弾性表面波の音速が前記圧電体を伝搬する縦波バルク波の音速よりも速くなる厚みとすることが望ましい。また、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い弾性表面波として縦波を用いた場合、好ましくは、前記ＩＤＴ電極のデューティー比は、前記圧電体を伝搬する縦波バルク波の音速よりも速くなるデューティー比とされていることが好ましい。上記のように好ましいＩＤＴ電極の厚み及び／またはデューティー比とすることにより、上記実施形態と同様に、圧電体を伝搬するバルク波よりも音速の速い弾性表面波を確実に利用することができる。特に、非漏洩型の表面波に比べ弾性表面波の音速を確実に高め得るため、ＩＤＴのピッチを大きくすることができる。よって、高周波化に有利なフィルタを提供することができる。
【００７９】
図１８は、本発明の第３の実施形態に係る弾性表面波装置を説明するための模式的正面断面図である。弾性表面波装置３１では、圧電体４の下面に、閉じ込め層３２が積層されている。
【００８０】
閉じ込め層３２は、音響インピーダンスが相対的に高い第１の材料層３２ａ〜３２ｃと、音響インピーダンスが相対的に低い第２の材料層３２ｄ〜３２ｆとを積層した構造を有する。より具体的には、第１の材料層３２ａ〜３２ｃと、第２の材料層３２ｄ〜３２ｆが交互に積層されている。また、圧電体４に接するように第１の材料層３２ａが積層されている。
【００８１】
また、上記第１の材料層３２ａ〜３２ｃ及び第２の材料層３２ｄ〜３２ｆは、厚みが１／４波長とされている。従って、閉じ込め層３２は、ブラッグ反射器を構成している。
【００８２】
上記第１の材料層を構成する材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｗなどを挙げることができる。また、第２の材料層を構成する材料としては、酸化ケイ素、または様々なポリマーなどを挙げることができる。
【００８３】
上記第１，第２の材料層３２ａ〜３２ｆの積層は、スパッタリング、蒸着または印刷等の適宜の方法により行い得る。
【００８４】
弾性表面波装置３１では、上記閉じ込め層３２がブラッグ反射器からなるため、圧電体４から伝搬してきた弾性表面波を反射させることができる。従って、伝搬方位を変化させた場合であっても、伝搬損失をほぼ０とすることができる。このように、本発明における閉じ込め層としては、前述したように、圧電体を伝搬するバルク波の音速よりも速いバルク波の音速が伝搬する材料からなるものに限られず、ブラッグ反射器であってもよい。
【００８５】
本発明の弾性表面波装置は、複数の弾性表面波素子を有する。この場合、第１の実施形態のように、好ましくは、１つの圧電体４上に、複数の弾性表面波素子２，３が形成されていることが望ましい。それによって弾性表面波装置１を１チップ化することができる。もっとも、本発明においては、複数の弾性表面波素子は、別々の圧電体上に構成されていてもよい。その場合においても、各弾性表面波素子において、圧電体の下面に閉じ込め層を積層すればよい。
【００８６】
また、本発明の弾性表面波装置は、複数の弾性表面波素子を備えるものである。このような複数の弾性表面波素子を用いた回路構成及び弾性表面波装置の用途については、特に限定されるものではない。図１９〜図２２を参照して、本発明の弾性表面波装置の応用例を説明する。
【００８７】
図１９は、ラダー型フィルタ４０の回路図を示す。ラダー型フィルタ４０では、複数の直列腕共振子Ｓ１，Ｓ２と、複数の並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３とがラダー型回路を構成している。この直列腕共振子Ｓ１，Ｓ２及び並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３をそれぞれ弾性表面波素子により構成するに際し、本発明に従って、各弾性表面波共振子を構成すればよい。この場合においても、前述したように、弾性表面波の伝搬方位を異ならせることにより、各共振子の帯域幅を容易に調整することができる。また、このような帯域幅調整により、設計の自由度が向上し、ラダー型フィルタ４０におけるフィルタとしての帯域を確保しつつ、通過帯域近傍における急峻性を高めることもできる。
【００８８】
伝搬方位により電気機械結合係数ｋ２を変化させて、帯域幅を調整する構造を用い、弾性表面波装置の高性能化を図る手段は、上記ラダー型フィルタ４０における通過帯域近傍における急峻性を高めるだけでなく、様々な構成に用いることができる。例えば、図２０（ａ）に示すように、Ｒｘフィルタ４１及びＴｘフィルタ４２が１つのチップに構成されている２入力及び２出力タイプの２つの帯域を有するフィルタチップにも適用することができる。図２０（ａ）において、例えばＲｘフィルタ４１の低周波側における急峻性を高めたり、Ｔｘフィルタ４２の通過帯域高域側における急峻性を高めたり、上記と同様の手段を用いることができる。また、図２０（ｂ）に示すように、１入力２出力タイプの２つの帯域を有するフィルタにも同様に上記手段を用いることができる。図２０（ｂ）に示すフィルタでは、Ｒｘフィルタ４３とＴｘフィルタ４４の入力が共通接続されている。
【００８９】
また、弾性表面波フィルタを複数個並列または直列に接続した構成において、一方の弾性表面波フィルタの通過帯域の高域側または低域側と、他方の弾性表面波フィルタの通過帯域の低域側または高域側とが接するように設計すれば、広い帯域のフィルタを構成することができる。この場合、通過帯域端は、３ｄＢの減衰量の部分で接することが望ましい。このような設計において、本発明に従って伝搬方位が変えられた複数の弾性表面波フィルタを用い、一方の弾性表面波フィルタを広帯域、一方の弾性表面波フィルタを狭帯域とすれば、通過帯域の高周波側または低周波側のいずれか一方において急峻性を高めることができる。すなわち、図２１に示すように、第１の弾性表面波フィルタ４５と第２の弾性表面波フィルタ４６とが並列に接続されている構成としてもよい。このような構成においても、本発明に従って、伝搬方位を調整することにより容易に広帯域のフィルタ特性を設計することができる。
【００９０】
本発明に係る弾性表面波装置により、縦結合型フィルタが構成されていてもよい。図２２は、縦結合型フィルタを構成した場合の電極構造を示す模式的平面図である。
【００９１】
図２２に示すように、縦結合型フィルタ５１では、弾性表面波の伝搬方向に沿って３個のＩＤＴ５２〜５４が配置されている。ＩＤＴ５２〜５４が配置されている領域の表面波伝搬方向両側に反射器５５，５６が配置されている。中央のＩＤＴ５３が、入力端子に接続されており、ＩＤＴ５２，５４の各一端が共通接続されて出力端子に接続されている。すなわち、縦結合型フィルタ５１は、３ＩＤＴ型の縦結合型弾性表面波フィルタである。
【００９２】
このような縦結合共振子型の弾性表面波フィルタにも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１…弾性表面波装置
２…第１の弾性表面波素子
３…第２の弾性表面波素子
４…圧電体
６…ＩＤＴ電極
７，８…反射器
９…ＩＤＴ電極
１０，１１…反射器
１２…閉じ込め層
２１…弾性表面波装置
２２…低音速膜
３１…弾性表面波装置
３２…閉じ込め層
３２ａ〜３２ｃ…第１の材料層
３２ｄ〜３２ｆ…第２の材料層
４０…ラダー型フィルタ
４１…Ｒｘフィルタ
４２…Ｔｘフィルタ
４３…Ｒｘフィルタ
４４…Ｔｘフィルタ
４５…第１の弾性表面波フィルタ
４６…第２の弾性表面波フィルタ
５１…縦結合型フィルタ
５２〜５４…ＩＤＴ
５５，５６…反射器
Ｐ１〜Ｐ３…並列腕共振子
Ｓ１，Ｓ２…直列腕共振子
【図１】
2013061926.tif 000007
【図２】
2013061926.tif 000008
【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】
2013061926.tif 000013
【図８】
2013061926.tif 000014
【図９】
2013061926.tif 000015
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2013061926.tif 000019
【図１４】
2013061926.tif 000020
【図１５】
2013061926.tif 000021
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
2013061926.tif 000029
【国際調査報告】
2013061926.tif 000030
2013061926.tif 000031
2013061926.tif 000032
2013061926.tif 000033