(57)【要約】      （修正有）【課題】低損失の弾性波装置を提供する。【解決手段】弾性波装置１は、板波Ｓ０モードを利用し、支持基板２と、支持基板上に積層された音響反射層３と、音響反射層上に積層された圧電体４と、圧電体上に設けられたＩＤＴ電極５とを備える。音響反射層において、低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅ及び高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄが積層方向において隣り合っている部分の内少なくとも１つの部分において、弾性波装置の動作周波数における低音響インピーダンス層中を伝搬する横波バルク波の波長の厚み方向の成分で規格化した、低音響インピーダンス層の厚みをＴ１、弾性波装置の動作周波数における高音響インピーダンス層中を伝搬する横波バルク波の波長の厚み方向の成分で規格化した、高音響インピーダンス層の厚みをＴ２としたときに、Ｔ１＋Ｔ２が、０．４０以上、０．６０以下であり、Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）は０．３５以上、０．６５以下である。【選択図】図１
2019140456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板波Ｓ０モードを用いる弾性波装置であって、
支持基板と、
前記支持基板上に直接または間接に積層された音響反射層と、
前記音響反射層上に、直接または間接に積層された圧電体と、
前記圧電体上に直接または間接に設けられたＩＤＴ電極と、
を備え、
前記音響反射層は、
相対的に音響インピーダンスが低い、少なくとも１層の低音響インピーダンス層と、
相対的に音響インピーダンスが高い、少なくとも１層の高音響インピーダンス層と、
を有し、
前記音響反射層において、前記低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層が積層方向において隣り合っている部分の内少なくとも１つの部分において、前記弾性波装置の動作周波数における前記低音響インピーダンス層中を伝搬する横波バルク波の波長の厚み方向の成分で規格化した、前記低音響インピーダンス層の厚みをＴ１とし、前記弾性波装置の動作周波数における前記高音響インピーダンス層中を伝搬する横波バルク波の波長の厚み方向の成分で規格化した、前記高音響インピーダンス層の厚みをＴ２としたときに、Ｔ１＋Ｔ２が、０．４０以上、０．６０以下であり、
Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）が０．３５以上、０．６５以下である、弾性波装置。
【請求項２】
前記弾性波装置が弾性波共振子であり、前記弾性波装置の動作周波数が前記弾性波共振子の共振周波数である、請求項１に記載の弾性波装置。
【請求項３】
前記弾性波装置が帯域通過型弾性波フィルタであり、前記弾性波装置の前記動作周波数が、前記弾性波フィルタの通過帯域の中心周波数である、請求項１に記載の弾性波装置。
【請求項４】
前記低音響インピーダンス層が複数層設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性波装置。
【請求項５】
前記高音響インピーダンス層が複数層設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
【請求項６】
前記複数の低音響インピーダンス層の音響インピーダンスが等しい、請求項４に記載の弾性波装置。
【請求項７】
前記複数の高音響インピーダンス層の音響インピーダンスが等しい、請求項５に記載の弾性波装置。
【請求項８】
前記圧電体がニオブ酸リチウムである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の弾性波装置。
【請求項９】
前記圧電体のオイラー角が、（０°±５°の範囲内、０°〜１５０°、９０°±１０°の範囲内）、（３０°±５°の範囲内、９０°±１０°の範囲内、３５°〜１８０°）または（３０°±５°の範囲内、９０°±１０°の範囲内、０°〜５°）である、請求項８に記載の弾性波装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の弾性波装置を有する弾性波フィルタと、
前記弾性波フィルタに接続されたパワーアンプと、
を備える、高周波フロントエンド回路。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の弾性波装置を有する弾性波フィルタ及び前記弾性波フィルタに接続されているパワーアンプを有する高周波フロントエンド回路と、
ＲＦ信号処理回路と、
を備える、通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板波Ｓ０モードを利用した弾性波装置、並びに該弾性波装置を有する高周波フロントエンド回路及び通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、板波を利用した弾性波装置が種々提案されている。下記の特許文献1に記載の弾性波装置では、支持基板上に、音響反射層を介して圧電体が積層されている。圧電体上にＩＤＴ電極が設けられている。音響反射層は、低音響インピーダンス層と、高音響インピーダンス層とを有する。音響反射層を設けることにより、圧電体を伝搬する板波が少なくとも圧電体内に閉じ込められている。特許文献1に記載の弾性波装置では、上記板波として、Ｓ０モード、Ａ０モード、Ａ１モード、ＳＨ０モード及びＳＨ１モードなどが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２０１７／０６８８２７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者らは、特許文献１に記載の弾性波装置において、共振子の場合には共振周波数もしくは反共振周波数付近に、帯域通過型フィルタの場合には通過帯域近傍に、スプリアスが生じることを見出した。また、音響反射層における反射率が低下し、損失が大きくなることがあることを見出した。
【０００５】
本発明は、本願発明者により見出された、これらの新しい問題点を解決するものである。本発明の目的は、板波Ｓ０モードを利用した弾性波装置であって、弾性波装置が共振子の場合には共振周波数もしくは反共振周波数付近、弾性波装置がフィルタの場合には通過帯域付近におけるスプリアスが生じ難く、かつ、低損失の弾性波装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記弾性波装置を有する高周波フロントエンド回路及び通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、板波Ｓ０モードを用いる弾性波装置であって、支持基板と、前記支持基板上に直接または間接に積層された音響反射層と、前記音響反射層上に、直接または間接に積層された圧電体と、前記圧電体上に直接または間接に設けられたＩＤＴ電極と、を備え、前記音響反射層は、相対的に音響インピーダンスが低い、少なくとも１層の低音響インピーダンス層と、相対的に音響インピーダンスが高い、少なくとも１層の高音響インピーダンス層と、を有し、前記音響反射層において、前記低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層が積層方向において隣り合っている部分の内少なくとも１つの部分において、前記弾性波装置の動作周波数における前記低音響インピーダンス層中を伝搬する横波バルク波の波長の厚み方向の成分で規格化した、前記低音響インピーダンス層の厚みをＴ１とし、前記弾性波装置の動作周波数における前記高音響インピーダンス層中を伝搬する横波バルク波の波長の厚み方向の成分で規格化した、前記高音響インピーダンス層の厚みをＴ２としたときに、Ｔ１＋Ｔ２が、０．４０以上、０．６０以下であり、Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）が０．３５以上、０．６５以下である。
【０００７】
本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記弾性波装置が弾性波共振子であり、前記弾性波装置の動作周波数が前記弾性波共振子の共振周波数である。この場合には、共振周波数もしくは反共振周波数付近におけるスプリアスが生じ難い。
【０００８】
また、本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記弾性波装置が帯域通過型弾性波フィルタであり、前記弾性波装置の前記動作周波数が、前記弾性波フィルタの通過帯域の中心周波数である。この場合には、通過帯域内及び通過帯域付近におけるスプリアスが生じ難い。
【０００９】
本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、前記低音響インピーダンス層が複数層設けられている。
【００１０】
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記高音響インピーダンス層が複数層設けられている。
【００１１】
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記複数の低音響インピーダンス層の音響インピーダンスが等しい。この場合には、複数の低音響インピーダンス層を同じ材料を用いて容易に提供することができる。
【００１２】
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記複数の高音響インピーダンス層の音響インピーダンスが等しい。この場合には、複数の高音響インピーダンス層を同じ材料を用いて容易に提供することができる。
【００１３】
本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、前記圧電体がニオブ酸リチウムである。この場合には、Ｓ０モードの電気機械結合係数を大きくすることができる。
【００１４】
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記圧電体のオイラー角が、（０°±５°の範囲内、０°〜１５０°、９０°±１０°の範囲内）、（３０°±５°の範囲内、９０°±１０°の範囲内、３５°〜１８０°）または（３０°±５°の範囲内、９０°±１０°の範囲内、０°〜５°）である。この場合には、板波Ｓ０モードの電気機械結合係数を高めることができ、より一層の低損失化を図ることができる。
【００１５】
本発明に係る高周波フロントエンド回路は、本発明に従って構成された弾性波装置を有する弾性波フィルタと、前記弾性波フィルタに接続されたパワーアンプとを備える。
【００１６】
本発明に係る通信装置は、本発明に従って構成された高周波フロントエンド回路と、ＲＦ信号処理回路と、を備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、板波Ｓ０モードを利用しており、共振子の場合には共振周波数もしくは反共振周波数付近におけるスプリアス、フィルタの場合には通過帯域内及び通過帯域近傍におけるスプリアスが生じ難く、かつ低損失の弾性波装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の要部を示す部分正面断面図、（ｂ）は、この弾性波装置の模式的平面図である。
【図２】（ａ）〜（ｆ）は、板波Ａ０モード、ＳＨ０モード、Ｓ０モード、ＳＨ１モード、Ａ１モード及びＳ１モードの変位方向を説明するための各模式図である。
【図３】実験例１の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。
【図４】実験例１の弾性波装置の位相特性を示す図である。
【図５】実験例１の弾性波装置における弾性波の反射のメカニズムを説明するための模式図である。
【図６】弾性波の厚み方向成分及び主面と平行な方向の成分と、弾性波の伝搬方向との関係を説明するための模式図である。
【図７】実験例２におけるＮｏ．１の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。
【図８】実験例２におけるＮｏ．２の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。
【図９】実験例２におけるＮｏ．４の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。
【図１０】実験例２におけるＮｏ．５の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。
【図１１】実験例３における弾性波装置の音響反射層を説明するための正面断面図である。
【図１２】実験例３における、Ｔ１及びＴ２が０．２５であり、Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）＝０．５０の場合の反射率の周波数依存性を示す図である。
【図１３】Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）と、反射率最大値との関係を示す図である。
【図１４】ＬｉＮｂＯ３のオイラー角が（０°，θ，ψ）の場合のオイラー角のθ及びψと、Ｓ０モードの電気機械結合係数ｋ２との関係を示す図である。
【図１５】ＬｉＮｂＯ３のオイラー角が（１０°，θ，ψ）の場合のオイラー角のθ及びψと、Ｓ０モードの電気機械結合係数ｋ２との関係を示す図である。
【図１６】ＬｉＮｂＯ３のオイラー角が（２０°，θ，ψ）の場合のオイラー角のθ及びψと、Ｓ０モードの電気機械結合係数ｋ２との関係を示す図である。
【図１７】ＬｉＮｂＯ３のオイラー角が（３０°，θ，ψ）の場合のオイラー角のθ及びψと、Ｓ０モードの電気機械結合係数ｋ２との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。
【００２１】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の要部を示す部分正面断面図であり、（ｂ）は、この弾性波装置の模式的平面図である。弾性波装置１は、支持基板２を有する。支持基板２上に、音響反射層３が設けられている。音響反射層３は、複数の低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅと、複数の高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄとを有する。低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅの音響インピーダンスは、高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの音響インピーダンスに比べて相対的に低い。
【００２２】
低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅ及び高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの材料については、上記音響インピーダンス関係を満たす限り特に限定されない。例えば、低音響インピーダンス層の材料として、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素などの誘電体材料や絶縁性セラミック材料、合成樹脂、金属などを用いることができる。高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの材料としても、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどの誘電体材料やセラミック材料、半導体材料または金属などを適宜用いることができる。
【００２３】
音響反射層３上に、圧電体４が設けられている。圧電体４は、ＬｉＮｂＯ３からなる。圧電体４は、対向し合う第１の主面４ａ及び第２の主面４ｂを有する。第２の主面４ｂ側から、圧電体４が、音響反射層３に積層されている。第１の主面４ａ上に、ＩＤＴ電極５が設けられている。ＩＤＴ電極５は、互いに間挿し合う複数本の電極指６，７を有する。図１（ａ）では、電極指６と電極指７とが配置されている部分のみが拡大して示されている。
【００２４】
図１（ｂ）に示すように、ＩＤＴ電極５の弾性波伝搬方向両側には、反射器８，９が設けられ、それによって、弾性波装置１では、１ポート型の弾性波共振子が構成されている。
【００２５】
弾性波装置１は、圧電体４を伝搬する板波のＳ０モードを利用している。
【００２６】
ここで板波とは、励振される弾性波の伝搬方向における波長をλｘとしたときに、波長λｘにより規格化された膜厚が１λｘ以下である圧電体において励振される種々の波を総称している。板波を利用するには、圧電体４に板波のエネルギーが集中すればよい。弾性波装置１では、音響反射層３が設けられているため、板波が圧電体４内に閉じ込められ、板波を利用して特性が得られている。
【００２７】
図２（ａ）〜（ｆ）を参照して、板波の各モードを説明する。図２（ａ）〜（ｆ）は圧電体４を正面から視た模式図であり、矢印で変位方向が示されている。なお、図２の右上に示すＵ１方向、Ｕ２方向及びＵ３方向は座標系を示す。Ｕ１方向及びＵ３方向は矢印の向きが正方向であり、Ｕ２方向では、紙表から紙背に向かう方向が正方向である。Ｕ１方向は、板波の伝搬方向である。Ｕ２方向は、圧電体４の第１，第２の主面４ａ，４ｂに平行であり、かつ板波の伝搬方向に垂直な方向である。すなわち、Ｕ２方向はＳＨ方向である。Ｕ３方向は圧電体４の厚み方向である。
【００２８】
図２（ａ）及び（ｆ）に示すように、Ａ０モードとＳ１モードとでは、変位の主成分がＵ３方向である。図２の（ｃ）及び（ｅ）に示すように、Ｓ０モード及びＡ１モードでは、変位の主成分はＵ１方向である。図２（ｂ）及び（ｄ）に示すように、ＳＨ０モード及びＳＨ１モードでは、変位の主成分はＵ２方向の成分である。変位のＵ１方向成分とＵ３方向成分とは互いに結合しながら伝搬する。従って、Ａ０モード及びＳ１モードでは、Ｕ３方向に沿う成分だけでなく、Ｕ１方向に沿う成分も有する。Ｓ０モード及びＡ１モードは、Ｕ１方向に沿う成分だけでなく、Ｕ３方向に沿う成分も有しており、Ｕ２方向の成分は小さい。Ｕ２方向の成分は、その他の方向の変位成分と結合しない。従って、ＳＨ０モード及びＳＨ１モードはＵ１方向に沿う成分とＵ３方向に沿う成分をあまり有していない。
【００２９】
弾性波装置１は、上記板波の各モードの内、図２（ｃ）に示すＳ０モードを利用している。板波Ｓ０モードでは、圧電体４において、変位の主成分が弾性波の伝搬方向に平行な方向であり、かつ圧電体４の厚み方向に節を持たない。弾性波装置１では、圧電体４としてＬｉＮｂＯ３を使用しているので、板波Ｓ０モードは音速が６０００〜７０００ｍ／ｓ付近において励振される。ここで、音速とは、弾性波が励振される周波数と、弾性波の波長の積で表される。弾性波が励振される周波数とは、弾性波装置の動作周波数のことである。また、弾性波の波長とは、弾性波装置において圧電体４の表面に形成されているＩＤＴ電極５の周期で定められる長さである。一つのＩＤＴ電極内で電極指の周期が変化している場合は、そのＩＤＴ電極内の周期の平均をそのＩＤＴで励振される弾性波の波長とする。弾性波装置１で使用されている圧電体４がＬｉＮｂＯ３であり、上記により求められた弾性波が励振される周波数と弾性波の波長の積が、６０００〜７０００ｍ／ｓであれば、その弾性波装置１は板波Ｓ０モードを使用していると認められる。
【００３０】
弾性波装置１では、音響反射層３において、低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅと、高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄとが、厚み方向において交互に積層されている。従って、低音響インピーダンス層３ａ，３ｃまたは３ｅと、高音響インピーダンス層３ｂまたは３ｄとが積層方向において隣り合っている部分が４箇所存在している。
【００３１】
なお、本発明においては、低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層の積層数は特に限定されない。低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層とが積層方向において隣り合っている部分が少なくとも１つ存在すればよい。従って、音響反射層は、１層の低音響インピーダンス層に１層の高音響インピーダンス層が積層されている構造を有するものであってもよい。
【００３２】
本実施形態では、低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅの厚みをＴ１、高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの厚みをＴ２としたときに、Ｔ１＋Ｔ２が０．４０以上、０．６０以下であり、かつＴ１／（Ｔ１＋Ｔ２）が０．３５以上、０．６５以下の範囲にある。弾性波装置１は共振子であるため、共振周波数もしくは反共振周波数付近においてスプリアスが生じ難く、かつ低損失化されている。これを、以下において具体的な実験例に基づき説明する。
【００３３】
なお、厚みＴ１は、弾性波装置１の動作周波数において低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅ内を伝搬する横波バルク波の波長の厚み方向成分で規格化した、低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅの厚みである。厚みＴ２は、弾性波装置１の動作周波数において高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄ内を伝搬する横波バルク波の波長の厚み方向成分で規格化した、高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの厚みである。なお、弾性波装置１の動作周波数としては、弾性波共振子であるため、共振周波数とした。共振周波数に代えて反共振周波数を動作周波数としてもよい。
【００３４】
（実験例１）
弾性波装置１を以下の設計パラメータで作製した。
【００３５】
圧電体４：ＬｉＮｂＯ３
ＬｉＮｂＯ３のオイラー角：（９０°，９０°，４０°）
ＩＤＴ電極５の電極指ピッチで定まる波長＝２．０μｍ
ＩＤＴ電極５は、Ａｌからなり、その膜厚は１００ｎｍ。
デューティ比：０．５０
ＬｉＮｂＯ３からなる圧電体４の厚み：４００ｎｍ
【００３６】
低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅ：ＳｉＯ２からなり、各層とも膜厚は４０３．５ｎｍとした。
高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄ：Ｐｔからなり、各層とも膜厚は１４５．７ｎｍとした。
【００３７】
音響反射層３の積層数は、低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅと、高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの合計５層。
支持基板２の材料：Ｓｉ
【００３８】
上記のようにして構成した弾性波共振子のインピーダンス特性を図３に示す。また位相特性を図４に示す。図３に示すように、共振周波数及び反共振周波数において鋭いピークが表れており、良好なインピーダンス特性が得られている。また、図３及び図４から明らかなように、共振周波数もしくは反共振周波数付近にスプリアスが表れていない。実験例１では、Ｔ１＝０．２５及びＴ２＝０．２５であり、それによって、良好な特性が得られていると考えられる。この理由を以下において説明する。
【００３９】
図５は、音響反射層３における弾性波、すなわち板波の反射のメカニズムを説明するための模式図である。図５では、音響反射層から圧電体に向かう側が横方向となるように弾性波装置１の要部が図示されている。圧電体から音響反射層側に伝搬した弾性波は、図５に示すように、まず高音響インピーダンス層Ａと低音響インピーダンス層Ｂとの界面で反射される。また、この界面を通過した弾性波は、低音響インピーダンス層Ｂと高音響インピーダンス層Ｃとの界面で反射される。さらに、低音響インピーダンス層Ｂと高音響インピーダンス層Ｃの界面を通過した弾性波が、高音響インピーダンス層Ｃと次の低音響インピーダンス層との界面で反射される。これらの反射経路を、それぞれ、図５に示すように、経路Ｚ１、経路Ｚ２及び経路Ｚ３とする。この場合、経路Ｚ１、経路Ｚ２及び経路Ｚ３において、反射されてきた各弾性波の位相が揃うと、反射されてきた弾性波が強め合うことになる。
【００４０】
ここで、低音響インピーダンス層Ｂを伝搬する弾性波の波長をλａとし、高音響インピーダンス層Ｃを伝搬する弾性波の波長をλｂとする。また、低音響インピーダンス層Ｂの厚みをＴａ、高音響インピーダンス層Ｃの厚みをＴｂとする。
【００４１】
経路Ｚ１とＺ３、経路Ｚ１とＺ２、経路Ｚ２とＺ３で反射した弾性波とが強めあう最適な条件は、弾性波の波長λで規格化した低音響インピーダンス層の厚みＴａ／λａ、並びに弾性波の波長λで規格した高音響インピーダンス層の厚みＴｂ／λｂが、それぞれ、０．２５であることが知られている。
【００４２】
なお、低音響インピーダンス層または高音響インピーダンス層中を伝搬する弾性波の波長λは、λ＝ｆ／ｖで表される。ここで、ｆは周波数であり、ｖは各層中を伝搬する弾性波の位相速度である。従って、伝搬する弾性波の波長λは周波数に依存し、従って反射率は周波数によって変化する。すなわち、上記条件は、ある周波数において、反射率が最も高くなる条件を示している。音響反射層３の反射率は周波数依存性を持ち、ＵＳ特許願２００４／０１４０８６９に記載されているように、ある中心周波数を中心に一定の周波数範囲において反射率が高くなる。このとき、低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層の波長規格化厚みの合計が、その中心周波数に対応し、低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層の波長規格化厚みが等しい場合に中心周波数における反射率が高くなる。
【００４３】
音響反射層３上に圧電体４及びＩＤＴ電極５が設けられている構造では、ＩＤＴ電極５で励振され、圧電体４の厚み方向にバルク波として伝搬する弾性波が、音響反射層３で反射される。それによって、弾性波が圧電体４内に閉じ込められる。圧電体４の厚み方向にバルク波として伝搬する弾性波の伝搬方向は、バルク波音速と周波数で決まる波数ベクトルで表される。ＩＤＴ電極５によりこの弾性波が励振されるため、上記バルク波は、圧電体４の第１，第２の主面４ａ，４ｂに平行な波数成分を有し、その大きさはＩＤＴ電極５の電極指ピッチで定まる波長で決まる。
【００４４】
図６は、弾性波の厚み方向成分Ｃ及び圧電体４の第１，第２の主面４ａ，４ｂと平行な方向の成分Ｂと、弾性波の伝搬方向Ａとの関係を示す図である。図６中の円は、媒質中を伝搬する弾性波の波数の大きさを表している。矢印Ｂは、圧電体４の第１，第２の主面４ａ，４ｂと平行な方向に伝搬する成分であり、上記のようにその大きさはＩＤＴ電極５の電極指ピッチで定まる波長λで決まる。起点Ｏから、矢印Ｂの先端を紙面の下方向に延ばした線と図中の円とが交わる点に向かう方向が、弾性波の伝搬方向Ａを表す。起点Ｏから、その交点を紙面の左方向に延ばした線と厚み方向の軸が交わる点に向かう方向が矢印Ｃで示す方向であり、矢印Ｃの長さは、圧電体４の厚み方向に伝搬する波数成分を示す。従って、図６に示すように、バルク波の内、圧電体４の厚み方向の波数成分を求め、この波数成分から、波長の圧電体の厚み方向成分を求めることができる。
【００４５】
ＩＤＴ電極５の電極指ピッチにより規定される弾性波の伝搬方向における波長をλｘとし、周波数をｆ、媒質中を伝搬するバルク波の伝搬速度をｖ、媒質中を伝搬するバルク波の波長の圧電体４の厚み方向成分をλｚとする。媒質が等方体である場合、λｚは以下の式（１）により表される。
【００４６】
【数１】
2019140456.tif 000003
【００４７】
音響反射層３を用いて弾性波を圧電体４内に閉じ込める構造では、上記のようにして求められた媒質中を伝搬する横波の厚み方向成分λｚを基準に各媒質の厚みを設定すればよい。
【００４８】
バルク波としては、縦波と横波とが存在し、それぞれは異なる位相速度で伝搬する。従って、波長の厚み方向成分は、縦波及び横波のそれぞれに対応した２種類が存在する。
【００４９】
弾性波装置１では、縦波及び横波の内、媒質の厚み、すなわち低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅ及び高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの厚みを、横波の波長の厚み方向成分を基準として規格化した。この理由は以下の通りである。
【００５０】
横波は、圧電体４の第１，第２の主面４ａ，４ｂに平行な変位成分を有するＳＨ波と、ＳＨ波と垂直な変位成分を有するＳＶ波に分解することができる。１つの媒質中において、縦波、ＳＶ波及びＳＨ波の３つの成分は互いに独立に伝搬する。ＳＨ波が媒質間の境界面に入射する際には、ＳＨ波として反射または透過する。一方、縦波とＳＶ波が媒質間の境界面に入射する際には、互いにモード変換を起こしながら反射もしくは透過する。このとき、横波の厚み方向成分の波長を基準に、各媒質層の厚みを設定すれば、横波成分すなわちＳＶ波及びＳＨ波は、支持基板２の方向に伝搬する場合弱め合い、圧電体４の第１，第２の主面４ａ，４ｂの方向に伝搬する場合には強め合う位相関係となる。従って、支持基板２方向への漏洩を小さく抑えることができる。
【００５１】
他方、縦波成分は、上記のような位相関係を示さないが、各媒質間の境界において、縦波とＳＶ波との間でのモード変換が生じる。ＳＶ波にモード変換された成分は上記の位相関係となるため、支持基板２の方向に伝搬する場合は弱め合い、圧電体４の方向に伝搬する場合は強めあう関係となる。従って、境界で反射または透過する際に、モード変換を繰り返すことにより、ＩＤＴ電極５から縦波として放射されたバルク波は、最終的にＩＤＴ電極５方向へ戻されることになる。
【００５２】
弾性波装置１では、板波Ｓ０モードを用いている。Ｓ０モードでは、Ｕ１成分が最大であり、Ｕ３成分を有するが、Ｕ２成分は小さい。すなわち、ＳＨ波成分があまり存在せず、縦波成分とＳＶ波成分とが主体である。従って、音響反射層３の各層の境界面で、モード変換を起こしながら反射と透過を繰り返す。そして、最終的にＩＤＴ電極５の近傍に弾性波が集中し、圧電体４内に閉じ込められることになる。
【００５３】
なお、例えばＳＨ０モードの板波では、Ｕ２方向成分が主体であるため、ＳＨ波が主体となるため、音響反射層３の各層の境界面におけるモード変換は生じない。
【００５４】
音響反射層３に用いられる低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅ及び高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄを構成する材料は、上記音響インピーダンス関係を満たす限り特に限定されないが、代表的な材料の密度、縦波の音速及び音響インピーダンス、並びに横波の音速及び音響インピーダンスを下記の表１に示す。
【００５５】
【表１】
2019140456.tif 000004
【００５６】
表１に示した音響インピーダンスの差が大きい材料の組み合わせを選択し、それぞれの横波音速の値に従って、上述した式により求めた、波長の圧電体４の厚み方向成分を基準に、各層の厚みを設定すれば、弾性波を圧電体４に効果的に閉じ込めることができる。
【００５７】
上記実験例１ではこのように考え、音響反射層３における低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅ及び高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの厚みを設定した。すなわち、低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅの材料であるＳｉＯ２中を伝搬する横波バルク波の音速は３７６８ｍ／秒であり、高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの材料であるＰｔ中を伝搬する横波バルク波の音速は１６７８ｍ／秒である。式（１）における周波数ｆは、３０００ＭＨｚとし、ＩＤＴ電極５の電極指ピッチで定まる波長は２．０μｍであるため、ＳｉＯ２中及びＰｔ中を伝搬する横波バルク波の波長の圧電体４の厚み方向成分は以下の通りとなる。
【００５８】
ＳｉＯ２：λｚｔ＝｛（（３０００ＭＨｚ）／（３７６８ｍ／ｓ））２−（１／（２．０μｍ））２｝（−１／２）＝１．６１４１μｍ
Ｐｔ：λｚｔ＝｛（（３０００ＭＨｚ）／（１６７８ｍ／ｓ））２−（１／（２．０μｍ））２｝（−１／２）＝０．５８２８μｍ
【００５９】
実験例１の弾性波装置１では、上記のようにして求められた波長の圧電体４の厚み方向成分を０．２５倍することにより、各低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅ及び高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの厚みを設定した。
【００６０】
（実験例２）
次に、音響反射層３における低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅ及び高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの厚みを変化させたこと以外は、実験例１と同様にして、弾性波装置１を作製し、そのインピーダンス特性を評価した。低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅ及び高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの厚みを、横波の圧電体４の厚み方向の波長で規格化した規格化厚みＴ１，Ｔ２を等しくした。また規格化厚みＴ１，Ｔ２を０．１５０以上、０．３５０以下の範囲内で下記の表２のＮｏ．１〜５で示すように変化させた。共振周波数が約３０００ＭＨｚであるため、式（１）において、横波の圧電体４の厚み方向の波長を算出する際の周波数ｆは、３０００ＭＨｚとした。
【００６１】
【表２】
2019140456.tif 000005
【００６２】
表２のＮｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．４及びＮｏ．５で作製した弾性波装置のインピーダンス特性を、図７〜図１０にそれぞれ示す。
【００６３】
図７は、Ｎｏ．１のインピーダンス特性を示している。図７に示すように、共振周波数の低域側に矢印Ｓ１で示す大きなスプリアスが表れている。上記規格化厚みＴ１，Ｔ２が、０．２０より小さいＮｏ．１では、このような低域側の大きなスプリアスが表れていた。これは、音響反射層３における低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅ及び高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの厚みが薄いため、音響反射層３の反射率が高周波数側において高く、共振周波数以下の周波数帯において反射率が低くなっていることによると考えられる。
【００６４】
他方、図８は、Ｎｏ．２のインピーダンス特性を示し、図９は、Ｎｏ．４のインピーダンス特性を示しているが、図８及び図９に示すように、規格化厚みＴ１，Ｔ２が０．２０及び０．３０の場合にはスプリアスは存在しない。また、図１０は、Ｎｏ．５のインピーダンス特性を示しているが、図１０に示すように、規格化厚みＴ１，Ｔ２が、０．３２５の場合、反共振周波数よりも高域側に矢印Ｓ２で示すスプリアスが表れている。また、位相特性（図示せず）においても、反共振周波数よりも少し高い周波数側において浮きが認められた。
【００６５】
なお、図３、図４は、表２のＮｏ．３の条件の特性を示している。したがって、表２のＮｏ．２の条件とＮｏ．４の間の条件であれば、スプリアスのない良好な特性が得られていることがわかる。
【００６６】
ここで、隣り合う低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層の規格化厚みの合計であるＴ１＋Ｔ２は、反射率が高くなっている周波数帯域の中心周波数に大きく影響を与える。すなわち、Ｔ１＋Ｔ２が小さければ反射率が高くなっている中心周波数が高くなり、Ｔ１＋Ｔ２が大きければ反射率が高くなっている中心周波数は低くなる。
【００６７】
図７の条件Ｎｏ．１の場合には、Ｔ１＋Ｔ２が小さいため、反射率が高くなっている周波数帯が高周波側にある。これにより、共振周波数の低周波側の反射率が低下したため、スプリアスが生じたと考えられる。一方、図１０の条件Ｎｏ．５の場合には、Ｔ１＋Ｔ２が大きいため、反射率が高くなっている周波数帯が低周波側にある。これにより、反共振周波数の高周波側の反射率が低下したため、スプリアスが生じたと考えられる。すなわち、低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅの規格化厚みＴ１と、高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの規格化厚みＴ２の合計が、０．４０以上、０．６０以下の範囲内であれば、スプリアスが少ない良好な特性を得ることができる。
【００６８】
上記実験例１及び実験例２においては、複数の低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅの厚み及び複数の高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの厚みは全て等しく設計したが、上記の範囲内で異ならせてもよい。
【００６９】
さらに、複数の低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅの音響インピーダンスは等しくなくともよい。もっとも、複数の低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅの音響インピーダンスは等しいことが好ましく、その場合には、同じ材料を用いて複数の低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅを容易に作製することができる。複数の高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの音響インピーダンスは異なっていてもよいが、等しいことが同様に好ましい。
【００７０】
また、弾性波装置１では、圧電体４の厚みは０．２λとしたが、これに限定されず、必要な特性に応じて、好ましくは、１．０λ以下の範囲内で圧電体４の厚みを設定すればよい。
【００７１】
ＩＤＴ電極５の材料も、Ａｌに限らず、様々な金属もしくは合金を用いることができる。また、複数の金属膜が積層された構造を有していてもよく、また密着層や導電補助層が積層されていてもよい。ＩＤＴ電極５は、圧電体４上に直接形成されていてもよく、圧電体４上に形成された誘電体膜上に形成されるなど、間接に形成されていてもよい。ＩＤＴ電極５における各電極層の厚みについても、板波Ｓ０モードを利用する限り、必要とする特性に応じて適宜選択すればよい。
【００７２】
また、音響反射層３と圧電体４との界面、あるいは音響反射層３中の低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅと高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの界面に密着層としてＴｉ膜などが形成されていてもよい。すなわち、圧電体４は、音響反射層３に直接積層されていてもよく、間接に積層されていてもよい。
【００７３】
（実験例３）
実験例３では、図１１に示す音響反射層２３を前提とした。図１１に示すように、音響反射層２３において最上層及び最上層に半無限厚みのＳｉＯ２層２３Ａ，２３Ｂを配した。このＳｉＯ２層２３ＡとＳｉＯ２層２３Ｂとの間に、３層の高音響インピーダンス層２３ｂ，２３ｄ，２３ｆと、２層の低音響インピーダンス層２３ｃ，２３ｅを交互に積層した。低音響インピーダンス層２３ｃ，２３ｅはＳｉＯ２からなり、上記式（１）により求められる弾性波の基板厚み方向成分の波長により規格化した厚みをＴ１とした。高音響インピーダンス層２３ｂ，２３ｄ，２３ｆはＰｔからなり、その規格化厚みをＴ２とした。
【００７４】
下記の表３に示すように、低音響インピーダンス層２３ｃ，２３ｅの規格化厚みＴ１及び高音響インピーダンス層２３ｂ，２３ｄ，２３ｆの規格化厚みＴ２を合計で０．５０とし、低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層の厚みを異ならせて、Ｎｏ．１１〜１９の弾性波装置を作製した。
【００７５】
【表３】
2019140456.tif 000006
【００７６】
なお、上記規格化厚みＴ１，Ｔ２の決定に際し、ＩＤＴ電極５の電極指ピッチで定められる弾性波の圧電体４の第１，第２の主面４ａ，４ｂと平行な方向の波長は２．０μｍとした。このとき、半無限厚みの最上層のＳｉＯ２層から入力された弾性波の振幅と、反射されて、最上層のＳｉＯ２層中を伝搬する弾性波の振幅の比を反射率とし、この反射率の周波数依存性を求めた。
【００７７】
Ｔ１及びＴ２が０．２５、前述した表２のＴ１／（Ｔ１＋Ｔ２）＝０．５０の場合の反射率の周波数依存性を図１２に示す。図１２の特性は、ＵＳ特許願２００４／０１４０８６９に記載された手法を、本願の構造に適用するように一部変更して求めた。本願の構造では音響反射層内を伝搬する弾性波の波数の厚み方向成分は、式（１）で求められるλｚを用いて、２π／λｚで表される。ＵＳ特許願２００４／０１４０８６９において厚み方向の波数を表しているのは、音響反射層の各層内での位相回転を表しているＵＳ特許願２００４／０１４０８６９中の式（２）におけるω／ｖｉの部分である。したがって、この部分を２π／λｚに置き換え、それ以外の部分はＵＳ特許願２００４／０１４０８６９に記載された方法を用いることにより図１２の特性を求めた。なお、式（１）で用いられるバルク波音速ｖは横波バルク波の値を用い、伝搬方向の波長λｘは２．０μｍとした。
【００７８】
図１２から明らかなように、約３ＧＨｚにおいて反射率が最大となっている。３ＧＨｚを中心としてある程度の周波数範囲において、反射率がほぼ１となり、弾性波が効果的に圧電体４に閉じ込められていることがわかる。
【００７９】
上記の特性において、反射率のピーク値が高いほど、弾性波装置１における損失は小さくなっていると考えられる。そこで、表３の各Ｎｏ．の弾性波装置において、反射率の周波数依存性を求め、Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）と反射率最大値との関係を求めた。この関係を図１３に示す。図１３から明らかなように、反射率の最大値は、Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）が０．５０付近で最大となる。これは、低音響インピーダンス層２３ｃ，２３ｅ及び高音響インピーダンス層２３ｂ，２３ｄ，２３ｆの規格厚みが、０．２５すなわちＴ１／（Ｔ１＋Ｔ２）＝０．５０の場合、反射率が最も高くなるためである。そして、Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）は０．５０から離れていくと、反射率が徐々に低くなり、損失が大きくなる。Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）が、０．３５以上、０．６５以下の範囲内であれば、反射率が十分に高く、支持基板２に漏洩する弾性波が少なくなるため、弾性波装置１の損失を小さくし得ることがわかる。
【００８０】
以上より、板波Ｓ０モードを用いる弾性波装置において、隣り合う低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層の規格化厚みの合計（Ｔ１＋Ｔ２）が、０．４０以上、０．６０以下であり、Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）が０．３５以上、０．６５以下であれば、スプリアスが少なくなり、損失を小さくし得る。
【００８１】
圧電体４はＬｉＮｂＯ３に限定されない。板波のＳ０モードを励振可能な圧電体であればよい。従って、ＬｉＴａＯ３、ＡｌＮ、ＺｎＯまたはＳｃなどをドープされたＡｌＮなどであってもよい。
【００８２】
また、ＬｉＮｂＯ３を用いた場合、そのオイラー角（φ，θ，ψ）を変化させたときのＳ０モードの電気機械結合係数ｋ２の変化を図１４〜図１７に示す。図１４〜１７の中で、電気機械結合係数ｋ２が大きい領域が望ましいが、中でもｋ２が０．０４以上となる領域がＳ０モードを強く励振させることができて望ましい。その中でも、オイラー角が（０°±５°の範囲内、０°〜１５０°、９０°±１０°の範囲内）、（３０°±５°の範囲内、９０°±１０°の範囲内、３５°〜１８０°）、または（３０°±５°の範囲内、９０°±１０°の範囲内、０°〜５°）であれば、電気機械結合係数ｋ２が０．０４以上となり、Ｓ０モードを強く励振させることができるだけでなく、結晶の対称性が良好であるため、他のモードが励振され難く好ましい。
【００８３】
なお、ＬｉＴａＯ３の結晶構造は、ＬｉＮｂＯ３と同様に三方晶系３ｍ点群である。そのため、各特性のオイラー角依存性はＬｉＮｂＯ３とＬｉＴａＯ３とで類似しているので、ＬｉＴａＯ３を用いた場合においても、上記と同様のオイラー角範囲が好ましいと考えられる。
【００８４】
なお、本発明におけるＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３のオイラー角（φ，θ，ψ）は、結晶学的に等価であればよい。例えば、文献（日本音響学会誌３６巻３号、１９８０年、１４０〜１４５頁）によれば、ＬＴ、ＬＮは、三方晶系３ｍ点群に属する結晶であるので以下の式が成り立つ。
【００８５】
Ｆ（φ，θ，ψ）＝Ｆ（６０°＋φ，−θ，ψ）
＝Ｆ（６０°−φ，−θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，１８０°＋θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，θ，１８０°＋ψ）
【００８６】
ここで、Ｆは電気機械結合係数、伝搬損失、ＴＣＦ、パワーフロー角、ナチュラル一方向性などの任意の弾性波の特性である。よって、実験例１に示したオイラー角（９０°，９０°，４０°）は、（３０°，９０°，１４０°）と等価となる。
【００８７】
また、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＳｃＡｌＮなどを圧電体に用いる場合は、Ｓ０モードが強く励振される方位として、ｃ軸配向面や、ｃ軸が弾性波の伝搬方向に平行である方位が知られており、これらの方位が用いられる。なお、ＡｌＮを圧電体として用いる場合は、Ｓ０モードは音速が８０００〜１００００ｍ／ｓ付近において励振される。圧電体がＡｌＮである場合には、前に述べた方法により求めた音速が８０００〜１００００ｍ／ｓ付近であれば、Ｓ０モードを使用していると認められる。
【００８８】
また上記実施形態では、１ポート型弾性波共振子につき説明したが、本発明は、弾性波共振子を有する通過帯域型の弾性波フィルタであってもよい。その場合には、上記弾性波装置の動作周波数としては、弾性波フィルタの通過帯域の中心周波数を用いればよい。
【符号の説明】
【００８９】
１…弾性波装置
２…支持基板
３…音響反射層
３ａ，３ｃ，３ｅ…低音響インピーダンス層
３ｂ，３ｄ…高音響インピーダンス層
４…圧電体
４ａ，４ｂ…第１，第２の主面
５…ＩＤＴ電極
６，７…電極指
８，９…反射器
２３…音響反射層
２３ｂ，２３ｄ，２３ｆ…高音響インピーダンス層
２３ｃ，２３ｅ…低音響インピーダンス層
２３Ａ，２３Ｂ…ＳｉＯ２層
Ａ…高音響インピーダンス層
Ｂ…低音響インピーダンス層
Ｃ…高音響インピーダンス層
Ｚ１〜Ｚ３…経路
【図１】
2019140456.tif 000007
【図２】
2019140456.tif 000008
【図３】
2019140456.tif 000009
【図４】
2019140456.tif 000010
【図５】
2019140456.tif 000011
【図６】
2019140456.tif 000012
【図７】
2019140456.tif 000013
【図８】
2019140456.tif 000014
【図９】
2019140456.tif 000015
【図１０】
2019140456.tif 000016
【図１１】
2019140456.tif 000017
【図１２】
2019140456.tif 000018
【図１３】
2019140456.tif 000019
【図１４】
2019140456.tif 000020
【図１５】
2019140456.tif 000021
【図１６】
2019140456.tif 000022
【図１７】
2019140456.tif 000023