(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子音響変換器（１）であって、
１つの圧電層（４）と、
前記圧電層（４）の第１の面（５）に接続された１つの第１の電極（２）と、
前記圧電層（４）の第２の面（６）に接続された１つの第２の電極（３）と、
を備え、
前記圧電層は、前記第１の電極（２）と前記第２の電極（３）との間で１つの空間方向に交流電界が印加された場合に、３つの空間方向での振動を有する１つの３次元振動モードが励起されるように構成されており、
前記３次元振動モードは、前記交流電界に沿った方向において１つの振動成分を有し、また他の２つの空間方向への２つの振動成分を有して、前記圧電層（４）が前記３つの空間方向で振動するようになっており、
前記圧電層（４）は、結晶構造
0006382832.tif 000006
の１つから選択された１つの結晶構造を備え、
結晶構造１及び３では、交流電場がｘ，ｙ，またはｚ方向に印加されており、
結晶構造ｍでは、交流電場がｘまたはｚ方向に印加されており、
結晶構造３ｍでは、交流電場がｙまたはｚ方向に印加されており、
結晶構造
0006382832.tif 000007
では、交流電場がｘまたはｙ方向に印加されており、
結晶構造３２では、交流電場がｘ方向に印加されており、
結晶構造２では、交流電場がｙ方向に印加されており、
結晶構造ｍｍ２，４，
0006382832.tif 000008
４ｍｍ，および６のそれぞれでは、交流電場がｚ方向に印加されており、
結晶構造２２２，２３，および
0006382832.tif 000009
のそれぞれでは、交流電場が斜め方向空間に沿って印加されている、
ことを特徴とする電子音響変換器。
【請求項２】
請求項１に記載の電子音響変換器（１）において、
前記圧電層（４）は、平坦な層であり、孔部（複数）（２２）および／またはスリット（複数）（２３）を有するようにパターニングされていることを特徴とする電子音響変換器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電子音響変換器（１）において、
前記電子音響変換器（１）は、１つの領域を備え、この領域において、前記圧電層（４）での音速が最も大きな方向における当該圧電層（４）の大きさ（Ｔ）が、他の空間方向における当該圧電層（４）の大きさ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ）と少なくとも丁度同程度の大きさとなっていることを特徴とする電子音響変換器。
【請求項４】
請求項３に記載の電子音響変換器（１）において、
前記圧電層（４）の最大の音速の方向における、当該圧電層の大きさ（Ｔ）は、前記電子音響変換器（１）が基本モードで駆動されるように選択されていることを特徴とする電子音響変換器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか1項に記載の電子音響変換器（１）において、
前記圧電層（４）は、複数のブロック（８）を備え、当該ブロックは１つの圧電材料を含んでおり、
前記圧電層（４）での音速が最も大きな方向における前記ブロック（８）の大きさ（Ｔ）が、他の空間方向におけるそれぞれの前記ブロック（８）の大きさ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ）と少なくとも同程度の大きさとなっていることを特徴とする電子音響変換器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子音響変換器（１）において、
前記第１の電極（２）および前記第２の電極（３）の少なくとも１つは、１つの第１の電極パターン（１０）および１つの第２の電極パターン（１１）を備え、
複数の前記ブロック（８）の各々は、前記第１の電極パターン（１０）あるいは前記第２の電極パターン（１１）と接続されていることを特徴とする電子音響変換器。
【請求項７】
請求項６に記載の電子音響変換器（１）において、
前記ブロック（８）ならびに前記第１の電極パターン（１０）および前記第２の電極パターン（１１）は、複数の前記ブロック（８）の２つの隣接するブロック（８）が異なる電極パターン（１０，１１）と接続されるように配設されていることを特徴とする電子音響変換器。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の電子音響変換器（１）において、
複数の前記ブロック（８）の２つのブロック（８）の間には、１つの接続パターン（１７）が配設されており、当該接続パターンは、当該２つのブロック（８）を横方向に互いに接続していることを特徴とする電子音響変換器。
【請求項９】
請求項８に記載の電子音響変換器（１）において、
前記接続パターン（１７）は、誘電性材料を含んでいることを特徴とする電子音響変換器。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか1項に記載の電子音響変換器（１）において、
前記圧電層（４）の１つの領域は、１つの被覆層（１６）によって覆われており、当該被覆層は特異な熱機械的挙動および／またはパッシベーション特性を備えることを特徴とする電子音響変換器。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか1項に記載の電子音響変換器（１）において、
前記圧電層（４）は、空隙部（複数）（９）を備え、当該空隙部は、特異な熱機械的挙動および／または前記圧電層（４）より小さな剛性を有する材料（２４）で充填されていることを特徴とする電子音響変換器。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか1項に記載の電子音響変換器（１）において、
前記圧電層（４）は、１つの音響ミラー上に配設されていることを特徴とする電子音響変換器。
【請求項１３】
請求項1乃至１１のいずれか１項に記載の電子音響変換器（１）において、
前記圧電層（４）は、フリーハンギングで配設されていることを特徴とする電子音響変換器。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか1項に記載の電子音響変換器（１）において、
前記圧電層（４）は、フォノニックバンドギャップ構造を形成することを特徴とする電子音響変換器。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか1項に記載の電子音響変換器（１）において、
前記圧電層（４）は、１つの圧電性材料からなる１つの第１の副層（１８）と、１つの圧電性材料からなる１つの第２の副層（１９）とを備え、
前記音響変換器（１）は、前記第１の副層（１８）と前記第２の副層（１９）との間に配設されている１つの中間層（２０）を備えることを特徴とする電子音響変換器。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか1項に記載の電子音響変換器（１）において、
励起された前記振動モードは、縦方向振動，剪断振動，またはこれら２つの振動の組合せを含むことを特徴とする電子音響変換器。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか1項に記載の電子音響変換器（１）において、
前記圧電層（４）は、その結晶軸がほぼ平行に揃っている結晶子を含むことを特徴とする電子音響変換器。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか1項に記載の電子音響変換器（１）において、
前記圧電層（４）は、準エピタキシャルまたはエピタキシャルであることを特徴とする電子音響変換器。
【請求項１９】
フィルタに用いられる電子音響変換器（１）であって、１つの圧電層（４）、  当該前記圧電層（４）の第１の面（５）に接続された１つの第１の電極（２）、および当該圧電層（４）の第２の面（６）に接続された１つの第２の電極（３）
を有し、
前記圧電層（４）は、前記第１の電極（２）と前記第２の電極（３）との間で１つの空間方向に交流電界が印加された場合に、３つの空間方向での振動を有する１つの３次元振動モードが励起されるように構成されており、
前記３次元振動モードは、前記交流電界に沿った方向において１つの振動成分を有し、また他の２つの空間方向への２つの振動成分を有して、前記圧電層（４）が前記３つの空間方向で振動するようになっており、
前記圧電層（４）は、結晶構造
0006382832.tif 000010
の１つから選択された１つの結晶構造を備え、
結晶構造１及び３では、交流電場がｘ，ｙ，またはｚ方向に印加されており、
結晶構造ｍでは、交流電場がｘまたはｚ方向に印加されており、
結晶構造３ｍでは、交流電場がｙまたはｚ方向に印加されており、
結晶構造
0006382832.tif 000011
では、交流電場がｘまたはｙ方向に印加されており、
結晶構造３２では、交流電場がｘ方向に印加されており、
結晶構造２では、交流電場がｙ方向に印加されており、
結晶構造ｍｍ２，４，
0006382832.tif 000012
４ｍｍ，および６のそれぞれでは、交流電場がｚ方向に印加されており、
結晶構造２２２，２３，および
0006382832.tif 000013
のそれぞれでは、交流電場が斜め方向空間に沿って印加されており、
前記圧電層（４）は、平坦な層であり、孔部（複数）（２２）および／またはスリット（複数）（２３）を有するようにパターニングされていることを特徴とする電子音響変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子音響変換器に関する。この電子音響変換器は、音響表面波（Surface Acoustic Wave＝ＳＡＷ）で動作する変換器または音響体積波（Bulk Acoustic Wave＝ＢＡＷ）で動作するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子音響変換器の結合係数を大きくすることは、この変換器における電気的エネルギーと機械的エネルギーの間の変換の際の損失を低減することと同じことを意味している。大きな結合係数は、この変換器の大きなバンド幅を可能とする。
【０００３】
非特許文献１には、いわゆる「薄板共振器」（“thin plate resonator”）が記載されている。この薄板共振器では薄板の振動が、２つの空間方向で調べられており、それぞれのモードが説明されている。
【０００４】
さらに、非特許文献２においては、どのようにしてこのＡｌＮ層の結合係数を２次元のパターニング（Strukturierung）によって大きくすることができるかが説明されている。このＡｌＮ層は、２次元の振動モードが励起されるようにパターニングされ、ここでこのＡｌＮ層の厚み方向で、交流電界が励起され、この交流電界は、厚み方向の励起の他に、付加的に幅方向の励起ももたらすことになる。これにより電気機械結合係数は、たとえばＦＢＡＲで発生する、純粋な厚み方向の振動と比較して、大きくなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】B. Auldの著書, “Acoustic waves in fields and solids”，Volume II, John Wiley & Sons, New York, London, Sydney, Toronto, 1973, p. 347- 357.
【非特許文献２】C. Zuo et al.の講演, “Cross-sectional Dilation Mode Resonator with Very High Electromechanical Coupling up to10 % using AlN", Frequency Control Symposium 2012
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、電子音響変換器での結合係数を大きくするためのさらなる可能性を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題は、本願請求項１に記載の発明により解決される。さらなる実施例および有利な実施形態は、その他の請求項に示されている。
【０００８】
本発明では１つの圧電層を有する電子音響変換器が提案され、この圧電層は、１つの空間方向に交流電界が印加された場合に、３つの空間方向での振動を有する振動モードが励起されるように構成されている。
【０００９】
１つまたは２つの空間方向のみでの振動を有する振動モードに対して、３つの空間方向での振動を有する振動モードの結合係数はさらに大きくなる。この場合圧電テンソルの複数の成分が利用されて結合係数に寄与することができる。
【００１０】
この圧電テンソルの１個の要素すなわち縦応力成分または剪断応力成分のみが利用される１次元の振動モードに対して、３つの空間方向での振動を有する振動モードでは、圧電テンソルの少なくとも３個から６個までの要素が利用される。
【００１１】
これらの最大６個の要素はそれぞれ、３個が縦振動に対応し、３個が剪断振動に対応する。この圧電テンソルの出来る限り多くの要素を利用することによって結合係数の増大が達成される。ここで縦振動か剪断振動の励起かは本質的ではない。これはこれらのあらゆる任意の組合せがこの結合係数の増大という目的を満たすからである。
【００１２】
このようにしてその結合係数が大きくされた電子音響変換器は、たとえばシングルフィルタ，デュプレクサ，共鳴器，センサ，共鳴フィルタ，モジュール，バンドストップフィルタ（Bandsperre）またはノッチフィルタ（Notchfilter）に用いることができる。
【００１３】
１つの空間方向に設定された交流電界は、通常は２つの平板電極の間にある交流電界である。この際圧電層はこれらの２つの電極の間に配設されていてよい。ここでこの圧電層は、この圧電層が１つの空間方向にのみ振動する、単純な音響体積波を形成するのでなく、むしろこの圧電層が３つの空間方向に振動する振動モードを励起するように構成されている。
【００１４】
この圧電層は、たとえば以下の材料を含んでよい。酸化亜鉛（ＺｎＯ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム，チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），およびＰＺＴ代替材料。さらにこの圧電層は、これらの圧電材料への添加材およびドーピング材を含んでよく、たとえばＡｌＮはＳｃがドーピングされていてよい。
【００１５】
この圧電層は、平坦な層であり、孔部（複数）および／またはスリット（複数）を有するようにパターニングされている。
【００１６】
ここで驚くべきことは、孔部および／またはスリットのパターニングによって、結合係数が増大されることである。この孔部および／またはスリットのパターニングによって、この圧電層には、３つの空間方向での振動を有する振動モードの励起を可能とするパターンが生成される。
【００１７】
この変換器は、１つの領域を備え、この領域において、圧電層での音速が最も大きな方向におけるこの圧電層の大きさが、他の空間方向におけるこの圧電層の大きさと少なくとも丁度同程度の大きさとなっている。この領域においては、この３つの空間方向での振動を有する振動モードをとりわけ良好に励起することができる。この領域が大きく形成されるほど、この電子音響変換器の結合係数は大きくなるが、これはこの場合にこの３つの空間方向での振動を有する振動モードの成分が大きくなるからである。
【００１８】
この圧電層の１つの縁部領域においては、最大の音速の方向におけるこの圧電層の大きさは、他の空間方向におけるこの圧電層の大きさより小さくともよい。
これによって縁部領域におけるスプリアスモード（複数）の生成を防ぐことができる。これらのスプリアスモードは基本的にこの圧電層の大きさに限界があることによって生じ得るものである。
【００１９】
この圧電層の最大の音速の方向における、この圧電層の大きさは、共鳴器が基本モードで駆動されるように選択されてよい。このためこの圧電層の厚さは、この変換器の共鳴周波数の音響波長の３０〜７０％で選択されてよい。好ましくはこの厚さは、この変換器の共鳴周波数の音響波長の４０〜６０％である。さらにこの共鳴器をオーバーモードで駆動することも考えられる。
【００２０】
音速が最大になる方向は、この圧電層の結晶構造で決定される。この音速が最大になる方向は、たとえば垂直方向であってよく、これは上記の平板電極（複数）に対して直角になっている方向である。この音速が最大になる方向は、しかしながらこれらの電極に対し任意の角度を形成してよい。
【００２１】
本発明による電子音響変換器は、１つの第１の電極および１つの第２の電極を備えてよく、ここで圧電層の上面はこの第１の電極と電気的に接続されており、この圧電層の下面はこの第２の電極と電気的に接続されている。この第１の電極はトップ電極とも呼ばれる。この第２の電極はボトム電極とも呼ばれる。
【００２２】
ここで上記の上面および下面は、それぞれ直にそれぞれの電極に接している。さらに上記の圧電層は、１つの側面を備え、この側面は上記の上面および下面に対し垂直であってよい。この側面は、上記の上面および側面と他の角度を形成してもよい。この側面は、上記の電極（複数）で覆われていない。
【００２３】
これらの第１及び第２の電極は、たとえば以下の金属のおよびこれらの合金の１つを含んでよい。Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｗ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｏｓ，Ｂｉ，Ｈｆ。さらにこれらの第１および第２の電極は、ここで詳細には記載しない遷移金属およびランタノイド，また、遷移金属、特に４，５，６族（以前の記載方法ではＩＶＢ，ＶＢ，ＶＩＢ）の早い方の遷移金属、すなわちＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ（４族），Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ（５族），Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ（６族）との耐腐食性（refraktorische）の炭化物，窒化物，およびホウ化物を含み、およびこれらの任意の混合系を含む。これらの電極は、単一の導電性材料から成っているか、または複数の層の積層体から構成されていてよく、ここで少なくともこれらの層の１つは導電性材料を含んでいる。
【００２４】
上記の圧電層は、圧電材料を含む複数のブロックを備えてよく、ここでこれらのブロックの大きさは、この圧電層における音速が最大である方向において、他の空間方向へのそれぞれのブロックの大きさと少なくとも同程度の大きさとなっている。これらのブロックは、互いに絶縁されていてよい。具体的には２つの隣接するブロックの間には、それぞれ１つのスペースが配設されており、これらの隣接するブロックが接触しないようになっている。以下にさらに詳細に説明されるように、このスペースには接続パターン，真空，空気，または好ましくは特異な熱機械的挙動を有する任意の他の材料が配設されていてよい。
【００２５】
さらに加えて、この圧電層は、さらなるブロック（複数）を備えてよく、同様にこれらのブロックは１つの圧電材料を備え、かつこれらのブロックは上記の構造条件を満たさない。重要なことは、大部分、たとえばこれらの圧電層の全てのブロックの少なくとも７０％が、上記の構造条件を満たすということである。圧電層における音速が最大である方向において、他の空間方向へのそれぞれのブロックの大きさと少なくとも同程度の大きさとなっているこれらのブロックは、３つの全ての空間方向における振動を有する振動モードの励起を可能とする。
【００２６】
上記の電極（複数）は、１つの第１の電極パターンおよび１つの第２の電極パターンを備え、上記のブロックのそれぞれは、この第１の電極パターンまたは第２の電極パターンと接続されている。これに対応して、その一方が上記の第１の電極パターンに接続され、他方が上記の第２の電極パターンに接続されている隣接したブロックには、異なる電位が印加されて、こうしてこれらのブロックは互いに逆向きにカップリングされている。圧電層の異なる領域が逆向きにカップリングされることは、変換器の非線形性を抑制することを可能にする。
【００２７】
これに対応して上記のブロックおよび電極パターンは、２つの隣接するブロックが異なる電極パターンと接続されている。
【００２８】
上記の第１の電極も、また上記の第２の電極も、１つの第１の電極パターンおよび１つの第２の電極パターンを備えてよい。
【００２９】
代替として、この変換器は、第１および第２の電極の一方の電極は、１つの第１の電極パターンおよび１つの第２の電極パターンを備え、かつ他方の電極は、唯１つの連続した電極パターンを備えるように構成されていてよい。
【００３０】
２つのブロックの間には、１つの接続パターンが配設されていてよく、この接続パターンは、これら２つのブロックを横方向に互いに接続している。この横方向は、上記の電極の面法線に対し直角な方向であってよい。この接続パターンは、誘電性材料を含んでよい。
【００３１】
この接続パターンは、１つのブリッジを形成してよく、このブリッジは１つの第１のブロックから横方向に第２のブロックまで延在してよい。これらのブロックの間の上記のスペースは、この接続パターンによって完全に埋め尽くされていなくてよい。
【００３２】
さらに、隣接するブロックは、上記の横方向に直角な第２の横方向においても、上記の接続パターンによって接続されていてよい。
【００３３】
こうして圧電層のパターンが生成され、このパターンでは上記の接続パターンは、横方向に延伸して互いに平行に延在する第１のブリッジ（複数）および、同様にこの第１の接続パターンの第１のブリッジに対して直角に、第２の横方向に延伸して互いに平行に延在する第２のブリッジ（複数）を備える。これらの第１および第２のブリッジは、互いに他の角度で配設されていてもよい。たとえば上記の圧電層およびブリッジは、これらの第１および第２のブリッジが３０°，４５°，または６０°の角度を挟むように配設されていてよい。
【００３４】
この接続パターンの第１のブリッジと第２のブリッジとの交点には、それぞれ１つのブロックが配設されていてよい。これらのブリッジおよびブロックの間には、さらに１つのスペースが空いたまま存在してよい。このスペースは、たとえば真空，空気，または誘電性材料で満たされていてよい。
【００３５】
この誘電性材料は、共鳴器を所望に変化させるというさらなる有利な特性を備える。たとえばこの誘電性材料は、この共鳴器の温度挙動（Temperaturgang）を極小にし得るという特異な熱機械的挙動を有する。この誘電性材料は、小さなまたは負の膨張係数を有する剛性のある、あるいは硬い材料であってよく、これによりこの誘電性材料は、この共鳴器で発生する応力を制御することができ、同様に温度挙動を制御することができる。具体的には、この誘電性材料の膨張係数は、上記の圧電材料の膨張係数より小さくなっていてよい。
【００３６】
さらに、その弾性特性が圧電材料と異なる材料が、たとえば場合によって発生するスプリアスモード（複数）を抑圧し、またはそれらの周波数位置を変化させることに利用されてよい。
【００３７】
上記のブリッジも少なくとも上述の特性のいくつかを有するこのような誘電性材料で実装されていてよい。
【００３８】
２つの互いに横方向にカップリングされたブロックとこれらの間に配設された接続パターンとからなる構造は、これらのブロックの振動の際に、たとえば正に表面波またはラム波を励起し得る。この際これらのブロックは互いに逆方向にカップリングされ得る。この接続パターンは、カップリング係数を追加的に増大することに寄与する。
【００３９】
さらに上記の圧電層の１つの領域は、１つの被覆層によって覆われていてよく、この被覆層は特異な熱機械的挙動および／またはこの圧電層より小さな剛性を有する。
【００４０】
この圧電層がブロック（複数）を備える場合、少なくともこれらのブロックの１つは、特異な熱機械的挙動を有する１つの被覆層によって被覆されていてよい。この被覆層はこのブロックの材料の標準的な熱機械的挙動を補償することができる。これに相応して、全体としてこの電子音響変換器の温度感受性が低減され、すなわちこの構造全体の共鳴周波数および反共鳴周波数の温度係数が数値的にできるかぎる小さく維持される。
【００４１】
この被覆層は、圧電層の締め付け部（Verspannung）として作用し得る。この締め付け部は、変換器の温度挙動に影響を与え、こうして温度補償の作用が可能である。
【００４２】
さらに加えて、この被覆層は、他の目的にも利用することができる。この被覆層は、小さなまたは負の膨張係数を有する剛性のある、あるいは固い材料を含んでよく、これにより発生する締め付けによって、同様にこの変換器の温度挙動を制御することができる。具体的には、この被覆層の膨張係数は、上記の圧電材料の膨張係数より小さくなっていてよい。
【００４３】
さらにこの被覆層は、誘電性材料を含んでよく、この誘電性材料は、上述の誘電性材料の特性のいくつかを備え、変換器の周波数挙動および／または温度挙動を所望に制御する。
【００４４】
この被覆層は、圧電層を環境の影響に対し保護する特性を備えてもよい。たとえばこの被覆層は、パッシベーションとして用いることができる。
【００４５】
上記の圧電層が孔部および／またはスリットによってパターニングされていると、これらの孔部および／またはスリットの側壁は、この被覆層で覆うことができる。この場合においてもこの被覆層はこの圧電層の標準的な熱機械的挙動を補償することができ、こうして電子音響変換器の温度感受性を低減することができる。
【００４６】
この被覆層の特異な熱機械的挙動とは、この被覆層の材料が温度上昇の際に硬化することである。
【００４７】
上記の圧電層は、特異な熱機械的挙動または保護的な特性を備える１つの材料で充填されている空隙部（複数,Ausnehmungen）を備えてよい。この材料はたとえば誘電性材料であってよい。ここでこの誘電性材料は、上述の誘電性材料に関して説明した特性の少なくともいくつかを備えてよい。このようにしてこの誘電性材料は、変換器の周波数挙動および／または温度挙動を制御することができる。
【００４８】
この充填材料は、たとえばＡｌ2Ｏ3，Ｓｉ3Ｎ4，またはＳｉＯ2であってよい。
【００４９】
上記の空隙部は、上記の孔部および／またはスリットであってよく、これらを用いて上記の圧電層がパターニングされていてよい。これらの空隙部は、この圧電層の２つのブロックの間のスペースであってもよい。
【００５０】
上記の空隙部に充填されている材料は、誘電性材料であってよい。この材料の特異な熱機械的挙動のおかげで、電子音響変換器の温度感受性が補償される。
【００５１】
この電子音響変換器の圧電層は、１つの音響ミラー上に配設されていてよい。この音響ミラーは、積層構造によって生成することができ、ここでこの積層体の異なる層は異なる音響インピーダンスを備える。こうしてこの圧電層から漏れる波は、このミラーによって反射して戻される。
【００５２】
代替として、変換器は１つの基板上に配設されていてよく、たとえばシリコン基板、サファイヤ，ＳｉＣ，スピネル，またはダイヤモンド基板に配設されていてよく，またはフリーハンギング（freihaengend）で配設されていてよい。
【００５３】
圧電層は、フォノニックバンドギャップ構造を形成することができる。フォノニックバンドギャップ構造においては、阻止帯域周波数領域において、２つまたは３つの空間方向へは音響進行波（akustischen Laufwellen）は全く伝播しない。
【００５４】
この圧電層は１つの圧電材料からなる１つの第１の副層および１つの圧電材料からなる１つの第２の副層を備えてよく、電子音響変換器は、この第１の副層と第２の副層との間に配設されている中間層を備えてよい。この中間層は、圧電材料と反対の熱機械的挙動を備えてよく、具体的には１つの特異な熱機械的挙動を備えてよい。このようにしてこの中間層は、この変換器の共鳴周波数および反共鳴周波数の温度係数を出来る限り小さくするように準備される。
【００５５】
この中間層は、上記の第１の電極と上記の圧電層との間、またはこの圧電層と上記の第２の電極との間に配設されてもよい。
【００５６】
この中間層は以下の材料の１つから成っていてよく、または以下の材料の１つを含んでよい。ＳｉＯ2，ＧｅＯ2，ＴｅＯ2，ＢｅＦ2，Ｂ2Ｏ3，またはメタリン酸亜鉛。
【００５７】
変換器の共鳴周波数および反共鳴周波数の温度係数を、大きさ的に出来る限り小さくする他の方法が以下に説明される。この中間層は、圧電層の締め付け部（Verspannung）として作用し得る。この締め付け部は、変換器の温度挙動に影響を与え、こうして温度補償の作用が可能である。
【００５８】
さらに加えて、この中間層は、他の目的にも利用することができる。この中間層は、小さなまたは負の膨張係数を有する剛性のある、あるいは硬い材料を含んでよく、これにより発生する締め付けによって、同様にこの変換器の温度挙動を制御することができる。具体的には、この中間層の膨張係数は、上記の圧電材料の膨張係数より小さくなっていてよい。
【００５９】
さらにこの中間層によって、周波数位置を変化することができ、または場合によって発生するスプリアスモードを制御することができる。
【００６０】
圧電層は、結晶族
0006382832.tif 000002
および６ｍｍの１つから選択することができる１つの結晶構造を備える。
【００６１】
ここでこの結晶構造の定義は、Ｊ．Ｆ．Ｎｙｅ，“Physical Properties of Crystals”による定義である。ここで結晶構造は、結晶軸ａ，ｂ，ｃを有する結晶座標系によって記述される。さらに交流電場は座標軸ｘ，ｙ，ｚで記述される。この定義によれば、
−単斜晶系の結晶族では、結晶学的なｂ軸は、ｙ座標軸に対し平行である。
−正方晶系，三方晶系，および六方晶系の結晶族では、結晶学的なｃ軸は、ｚ座標軸に対して平行であり、結晶学的なａ軸は、ｘ座標軸に対して平行である。
−斜方晶系および立方晶系結晶族では、結晶学的なａ軸は、ｘ座標軸に対して平行であり、結晶学的なｂ軸は、ｙ座標軸に対して平行であり、結晶学的なｃ軸は、ｚ座標軸に対して平行である。
【００６２】
３つの空間方向における振動を有する振動の励起された振動モードは、縦方向振動，剪断振動，またはこれら両者の組合せを含んでよい。
【００６３】
上記の圧電層は結晶子（複数）を含んでよく、これらの結晶軸はほぼ平行に揃っている。有利にはこの層は準エピタキシャルかまたはエピタキシャルである。しかしながら配向決定の測定方法、たとえば電子後方散乱（ＥＢＳＤ），またはＸ線回折（X-ray diffraction，ＸＲＤ）によって、この圧電層の主配向（Vorzugsorientierung）が少なくとも結晶軸に関して確認可能であれば充分である。この圧電層は、アモルファスまたは多結晶あるいはナノ結晶であってはならない。
【００６４】
具体的にはＡｌＮおよびＺｎＯが属する、結晶族６および６ｍｍには、結晶学的なｃ軸に関して上記の結晶子の唯１つの主配向が必要であるが、これはこの軸に関し横方向に等方性であるからであり、すなわちこの材料はその特性がこの軸に関して回転不変であるからである。
【００６５】
以下では、実施形態例とこれに付随する図を参照して、本発明を詳細に説明する。これらの図は、本発明の様々な実施形態例を示すが、これらの表示は概略的であり寸法は正確でない。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】１つの電子音響変換器を示す図である。
【図２】１つの電極を示す図である。
【図３】上記の電極の１つの代替実施形態を示す図である。
【図４】上記の電極のもう１つの代替実施形態を示す図である。
【図５】接続構造を有する１つの圧電層の斜視図である。
【図６】変換器の一部の概略断面図である。
【図７】変換器の１つの代替の実施形態の断面図である。
【図８】１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図９】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図１０】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図１１】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図１２】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図１３】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図１４】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図１５】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図１６】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図１７】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図１８】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図１９】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図２０】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図２１】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図２２】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図２３】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図２４】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図２５】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【図２６】もう１つの実施例による変換器の圧電層の断面図である。
【００６７】
図１は、１つの電子音響変換器１を示す。ここでこの電子音響変換器は、音響体積波で動作する変換器である。この変換器１は、１つの第１の電極２および１つの第２の電極３を備える。この第１の電極２と第２の電極３との間には、１つの圧電層４が配設されている。この圧電層４は、上面５および下面６を備え、この下面６は上面５に対して反対側にある。上面５は上記の第１の電極２に接している。下面６は上記の第２の電極３に接している。さらにこの圧電層は、１つの側面７を備え、この側面は上記の上面５および下面６に対して垂直に配設されている。この側面７は上記の電極２，３で覆われていない。
【００６８】
この第１および第２の電極２，３の間に交流電圧が印加されると、これによってこの圧電層４に音響体積波が生成される。
【００６９】
圧電層４は、複数のブロックを備え、これらはそれぞれ１つの圧電材料を含んでいる。これらのブロック８の間には、空隙部（複数）９が存在する。上記の圧電層のこれらの空隙部９には、圧電材料が全く配設されていない。こうしてこれらのブロック８は、互いに絶縁されている。
【００７０】
この圧電層４は、１つの空間方向に交流電界が印加された場合に、３つの空間方向での振動を有する振動モードが励起されるように構成されている。具体的には、第１の電極２には第１の電位が印加されてよく、第２の電極３には第２の電位が印加されてよい。こうしてこの第１の電極２から第２の電極３に向けられた、交流電場が形成される。
【００７１】
この圧電層４のこれらのブロック８は、上記の第１および第２の電極２，３の間に印加される交流電場によって、３つの空間方向における振動を有する振動モードが生成されるように構成されている。ここでこの振動モードは、３次元振動モードである。この振動モードは、上記の交流電場に沿った方向において１つの振動成分を有し、また他の２つの空間方向への２つの振動成分を有する。この際縦方向の波も、また剪断波も励起され得る。
【００７２】
３次元の振動モードの励起によって、変換器１のカップリング係数は、１次元の振動モードに対して大きくなるが、これはこの３次元の振動モードが、１次元の振動モードより、圧電テンソルのより多くの成分を利用しているからである。これは圧電テンソルの構成が、１つの空間方向に１つの交流電界を印加した際に全ての３つの空間方向における励起が行われるようになっている場合に可能である。これはたとえば以下のような結晶構造の圧電材料の場合である。
−結晶構造１及び３では、交流電場がｘ，ｙ，またはｚ方向に印加されている場合。
−結晶構造ｍでは、交流電場がｘまたはｚ方向に印加されている場合。
−結晶構造３ｍでは、交流電場がｙまたはｚ方向に印加されている場合。
−結晶構造
0006382832.tif 000003
では、交流電場がｘまたはｙ方向に印加されている場合。
−結晶構造３２では、交流電場がｘ方向に印加されている場合。
−結晶構造２では、交流電場がｙ方向に印加されている場合。
−結晶構造
0006382832.tif 000004
および６ｍｍのそれぞれでは、交流電場がｚ方向に印加されている場合。
【００７３】
結晶構造３，３ｍ，ｍｍ２，４，４ｍｍ，６，および６ｍｍでは、剪断振動の成分無しに振動を励起することが可能である。
【００７４】
さらにこの交流電場が正確に１つの座標軸に沿って印加されない場合には、他の結晶構造を有する圧電材料に対しても、交流電場を印加することによって３つの空間方向における振動を有する振動モードの励起を行うこともできる。こうしてたとえば１つの交流電場を斜め方向空間に沿って印加することにより、結晶族２２２，２３，および
0006382832.tif 000005
で、全ての３つの空間方向に剪断振動が生成される。この可能性は、上記の圧電材料に対しても存在する。
【００７５】
圧電層４が配向された領域を備える場合には、３つの空間方向における振動を有する振動モードがこの圧電層に対して励起され得る。この配向領域は、この圧電材料の結晶子または粒子の結晶軸がこの領域においてほぼ平行に揃っていることを特徴としている。ここで平行とは数学的に厳密に平行であることでなく、同じ方向に対し数度程度までのずれを含むものである。以上に対応して圧電層４は、アモルファスまたは多結晶あるいはナノ結晶である。
【００７６】
圧電層４はこのようなものでなく、準エピタキシャルまたはエピタキシャルである。３次元の振動モードの励起には、配向決定の１つの方法、たとえば電子後方散乱（ＥＢＳＤ），またはＸ線回折（X-ray diffraction，ＸＲＤ）において、この圧電層４の主配向が少なくとも結晶軸に関して確認可能であれば充分である。
【００７７】
この圧電素子における音速が最大である方向におけるブロック８の大きさは、Ｔで表されている。このブロック８の他の２つの空間方向での大きさは、Ｌ１およびＬ２で表されている。
【００７８】
この圧電素子における音速が最大である方向におけるこのブロック８の大きさは、共鳴器が基本モードで駆動されるように設定されてよい。このためこの圧電層の厚さは、この変換器１の共鳴周波数の音響波長の３０〜７０％であってよい。好ましくはこの厚さは、ブロック８の寸法は、この方向で変換器の共鳴周波数の音響波長の４０〜６０％である。さらにこの共鳴器をオーバーモード（Obermode）で駆動することも考えられる。
【００７９】
図１に示す実施例では、第１および第２の電極２，３の面法線に平行な方向における音速が最大となっている。図１に示す実施例においては、ブロック８の大きさＴは、この圧電層における音速が最大である方向であり、これより上記の第１の電極２の第２の電極３に対する距離に等しい。
【００８０】
他の実施例においては、この圧電層４における音速が最大である方向は、第１および第２の電極２，３の面法線に対して任意の他の角度であってよい。励起可能なモードの音速がどの方向で最大であるかは、印加される交番電界に対する圧電層４あるいはこの圧電層４の粒子または結晶子の配向に依存する。
【００８１】
ブロック８の残りの方向の大きさＬ１，Ｌ２は、最大でこのブロック８の最大音速方向の大きさＴと丁度同じ程度の大きさである。
【００８２】
以上により圧電層４のブロック（複数）８に対し以下のようなアスペクト比を与える構造条件が得られる。Ａ１＝Ｔ／Ｌ１≧１、かつＡ２＝Ｔ／Ｌ２≧１。
【００８３】
これらのアスペクト比Ａ１，Ａ２は、これらのブロック８の音速が最大の方向に沿った大きさの、残りの方向の大きさＬ１，Ｌ２に対する比を与える。等方性のパターンの場合、これらの大きさＬ１，Ｌ２は、それぞれ等しくＬであり、これよりこれらのブロック８に対する構造条件は、唯１つのアスペクト比で与えられ、以下の構造条件を満たさなければならない。
Ａ＝Ｔ／Ｌ≧１。
【００８４】
１ＧＨｚ領域における周波数に対する、すべての空間方向の大きさＴ，Ｌ１，Ｌ２が非常に小さいこれらのブロック８がこの構造条件により与えられる。たとえばこれらのブロック８は、μｍ領域の寸法を有する。このため多くのこれらのブロック８は、電気的に互いに並列に回路接続される。これに対応して、この圧電層４はブロック８のアレイを備える。この際これらのブロック８の全てが上述の構造条件を満たすことは必要ではない。これらのブロック８の大部分、たとえばこれらのブロック８の少なくとも７０％は、上述の構造条件を満たす。
【００８５】
図１は、それぞれ正方形の上面５および下面６を有するこれらのブロック８を示す。基本的にこれらのブロック８の上面５および下面６は、あらゆる任意の形状が可能であり、たとえば矩形，平行四辺形，他の四角形，楕円形，円形，六角形，１２角形，他のｎ角形，および正多角形が可能である。さらにこれらのブロック８の上面５および下面６は、同じ形状を有していてはならない。
【００８６】
その結晶が６ｍｍの結晶族に属する圧電層４に対しては、正方形，正六角形，正１２角形は、これらの上面５および下面６のとりわけ有利な形状である。この場合、圧電テンソルの対称特性をとりわけ良好に利用することができる。
【００８７】
これら上面５および下面６の形状の適切な選択により、他のスプリアス振動モードの励起可能性を制御することができ、この際基本モードのカップリング係数は実質的に変化されない。これに対応して、これらのブロック８の適合した成形によって、場合によってはスプリアスなサブモードを抑圧することができる。
【００８８】
ブロック８は、厳密に９０°のエッジを有していてはならず、むしろ凸状あるいは凹状のエッジを有してよい。これに対応して、このブロック８は、厚くなるようになっていても先細りとなるようになっていてもよい。ここで重要なことは、エッジの形状でなく、むしろ上述のアスペクト比である。
【００８９】
図１に示す実施例においては、
第１の電極２および第２の電極３は、それぞれ連続した平坦な形状を有する。
【００９０】
図２は、電極２，３の１つの代替の構成を示す。ここでは第１または第２の電極が電極２，３であってよい。
【００９１】
図２に示す電極２，３は、第１の電極パターン１０および第２の電極パターン１１を備える。第１の電極パターン１０および第２の電極パターン１１は、空間的に互いに分離されている。
【００９２】
これらの第１および第２の電極パターン１０，１１は、それぞれ櫛形状に構成されている。これらの第１および第２の電極パターン１０，１１は、それぞれ１つの外側の帯状体１２を備え、この外側の帯状体は、第１の空間方向に延伸している。ここでこの第１の空間方向は、それぞれの電極パターン１０，１１の面法線に対し直角である。さらに、これらの第１および第２の電極パターン１０，１１は、フィンガ形状の帯状体（複数）１３を備え、これらは上記の外側の帯状体１２から開始してそれぞれ他の電極パターン１０，１１に向かって延伸している。ここでこれらのフィンガ形状の帯状体１３は、それぞれの外側の帯状体１２に対し直角となっている。これらのフィンガ形状の帯状体１３は、対向する電極パターン１０，１１とは接続されていない。
【００９３】
これら２つの電極パターン１０，１１のフィンガ形状の帯状体１３は、互いに噛み合っている。これらの外側の帯状体１２およびフィンガ形状の帯状体１３は、それぞれ複数の、１列に配設されたブロック８を互いに接続している。ここでこれらのブロック８および電極パターン１０，１１は、１つの方向で隣接するブロック８が交互に第１および第２の電極パターン１０，１１と接続されている。
【００９４】
以上により、２つの電極パターン１０，１１を有するこれらの電極２，３が、隣接するブロック８を異なる電極パターン１０，１１に接続することを可能とする。ここでこれら２つの電極パターン１０，１１に異なる電位が印加されると、隣接するブロック８は逆方向にカップリングされる。このようにして変換器１の非線形性を抑圧することができる。
【００９５】
たとえば変換器１の第１の電極２は、図１に示すように、連続した平面形状を有し、この電極２に１つの基準電位が印加される。この基準電位は、たとえばグラウンド電位であってよい。さらに第２の電極３は、図２に示すような構成を有してよく、この際第１および第２の電極パターン１０，１１には異なる電位が印加されていてよい。
【００９６】
代替としてこの第１の電極２も、また第２の電極３も、１つの第１の電極パターン１０および１つの第２の電極パターン１１を備えてよい。この場合においても、隣接するブロック８は、互いに逆方向にカップリング可能であり、こうして変換器１の非線形性を相殺することができる。
【００９７】
図３，４は、電極２，３のさらなる実施形態を示す。これらの図３および４に示す電極は、穴開き格子パターン（Lochgitterstruktur）を有する。この穴開き格子パターンは、閉じた領域１４および開口部１５を備える。この電極２，３の実施形態は、第１の電極２にも、また第２の電極３にも可能である。図１〜４に示す電極２，３の実施形態は、第１および第２の電極２，３として任意に組み合わせることができる。
【００９８】
図５は、圧電層４のもう１つの実施例を示す。ここではこの圧電層４は、接続パターン１７を備える。この接続パターン１７は、２つの隣接するブロック８の間に配設されており、これら２つのブロックを横方向に互いに接続している。この横方向とは、これらのブロック８の上面５および下面６の法線に対し直角な方向である。
【００９９】
この横方向にカップリングされたブロック８およびこの接続パターン１７からなる構成は、表面はまたはラム波を生成することができる。２つの直ぐ隣に隣接するブロック８が逆方向にカップリングされ、この接続パターン１７によって横方向に互いに接続されると、これらによってブロック８において励起された音響体積波は、さらにこれら２つのブロック８および接続パターン１７からなる構造を表面波のように移動する。
【０１００】
この接続パターン１７は、誘電性材料を含むか、またはこのような１つの誘電性材料から成っていてよい。
【０１０１】
図５に示す接続パターン１７を有する圧電層４の実施形態は、図３および４に示す穴開き格子パターンを有する電極２，３の実施形態と、とりわけ有利に組み合わせることができる。ここでこれらの電極２，３は、この穴開き格子パターンの開口部１５がそれぞれこの圧電層４の空隙部９の上になるように配置されてよく、これらの空隙部にはブロック８も、また接続パターン１７も配設されていない。この接続パターン１７上にはそれぞれ、これらの電極２，３の閉じた領域１４が戴置される。この場合この接続パターン１７は、電極２，３の大きな機械的剛性として機能するが、これはこの接続パターン１７が大きな戴置面積を供給するからである。さらにこの接続パターン１７は、製造方法を簡単にするが、これはこれらの電極２，３を直にこの接続パターン１７上に取り付けることができるからである。
【０１０２】
ブロック８の間の空隙部９は、上述の実施形態のいずれにおいても、誘電性材料で充填されていてよい。これによってこれらのブロック８は、同様に横方向にカップリングされ得る。既に図５に示す接続パターン１７を参照して説明したように、ブロック８の横方向のカップリングは、逆方向にカップリングされたブロック８の間で表面波のような波が励起されることをもたらすことになる。
【０１０３】
ブロック８の間の空隙部９を充填する誘電性材料は、特異な熱機械的挙動を有してよい。たとえばこの特異な熱機械的挙動のおかげで、この誘電性材料は加熱の際に硬化する。これによりこの誘電性材料の特異な熱機械的挙動は、ブロック８の通常の標準的な熱機械的挙動を補償する。上記のブロック８の間の空隙部９に配設されているこの誘電性材料は、変換器１の共鳴周波数および反共鳴周波数の温度係数の大きさを出来る限り小さく維持することを可能とする。
【０１０４】
さらにこのブロック８の間の空隙部９に配設されているこの誘電性材料は、誘電性材料に対する上述の特性の少なくともいくつかを有し、変換器の周波数挙動および／または温度挙動を所望に制御することを可能とする。
【０１０５】
このブロック８の間の空隙部に配設されているこの誘電性材料は、圧電層を外部環境の影響に対し保護する特性を有してもよい。たとえばこの誘電性材料は、パッシベーションとして用いることができる。
【０１０６】
特異な熱機械的特性を有する誘電性材料で上記の空隙部９を充填する代替として、または追加的に、ブロック８は、特異な熱機械的挙動を有する材料を含む被覆層で被覆されていてよい。またこのような被覆層も、ブロック８の別機械的挙動を補償し、変換器１の共鳴周波数および反共鳴周波数の温度係数の大きさを出来る限り小さく維持することを可能とする。
【０１０７】
さらにこの被覆層は、誘電性材料を含んでよく、この誘電性材料は、上述の誘電性材料の特性のいくつかを備え、変換器の周波数挙動および／または温度挙動を所望に制御する。
【０１０８】
この被覆層は、圧電層を環境の影響に対し保護する特性を備えてもよい。たとえばこの被覆層は、パッシベーションとして用いることができる。
【０１０９】
図６は、変換器１の一部の概略断面図を示す。図６には、第１および第２の電極２，３が示されている。この第１の電極２と第２の電極３との間には、圧電層４が配設されている。この圧電層４は、圧電性材料を含む１つの第１の副層１８と、同様に圧電性材料を含む１つの第２の副層１９とを備える。
【０１１０】
さらに変換器１は、１つの中間層２０を備える。この中間層２０は、上記の圧電層４の第１の副層１８と第２の副層１９との間に配設されている。代替としてこの中間層２０は、これらの電極２，３の１つと、上記の圧電層４との間に配設されていてもよい。この中間層２０は、特異な熱的特性を有してよい。これによりこの中間層は、圧電層４の熱的特性が相殺されるように働き、かつ変換器１の周波数特性が様々な温度に渡って出来る限り安定に維持され得るように働く。以上によりこの中間層２０は、変換器１の共鳴周波数および反共鳴周波数の温度係数の大きさを出来る限り小さく維持することを可能とする。
【０１１１】
この中間層２０が特異な熱機械的挙動を有する場合、この中間層は温度補償に利用されえる。この場合、この中間層２０は、以下の材料の１つから成っていてよく、または以下の材料の１つを含んでよい。ＳｉＯ2，ＧｅＯ2，ＴｅＯ2，ＢｅＦ2，Ｂ2Ｏ3，またはメタリン酸亜鉛。
【０１１２】
図７は、変換器１の１つの代替の実施形態の断面図を示す。ここでこの変換器１は、２つの温度補償層２０を備える。さらに圧電層４は、上記の第１の副層１８，上記の第２の副層１９，および１つの第３の副層２１を備える。２つの電極２，３の間には、この圧電層４の副層１８，１９，２１が交互に配設され、かつおよび温度補償層（複数）２０が配設されている。
【０１１３】
ここに示したこれらの実施例においては、ブロック８は常に規則的に配設されている。しかしながらこれらのブロック８は、部分的または全体が不規則に配列されることも可能である。これらのブロック８の配設は、変動的に行われてよく、または完全にランダムに行われてよい。
【０１１４】
さらにブロック（複数）８は異なるサイズのものが１つの変換器１において互いに組み合わされてよい。これらのブロック８の厚さがその上面５の法線の方向に同じであり、かつこのブロック８の幅、すなわちこの上面５に対して直角な空間方向のこれらのブロックの大きさが異なる場合、これによりこの変換器１のスプリアスモードが目立たなくするようにすることができる。
【０１１５】
変換器１は、複数の層からなる１つの積層体上に配設されていてよく、ここでこれらの層は、その音響インピーダンスが異なっている。具体的にはこれらの層はＳＭＲタイプのミラー（ＳＭＲ＝Solidly Mounted Resonator）を形成してよい。異なる音響インピーダンスのこれらの層は、圧電層４から漏れる波をこの圧電層に反射して戻す。
【０１１６】
代替として、この変換器は、たとえばシリコン，サファイヤ，ＳｉＣまたはスピネル等の基板材料上に配設されていてよい。さらにこの変換器１は、フリーハンギングで配設されていてもよい。
【０１１７】
ここで説明する全ての実施例においては、ブロック８は、フォノニックバンドギャップ構造を形成することができる。これに対応して、阻止帯域周波数領域において、２つまたは３つの空間方向へは音響進行波（akustischen Laufwellen）は全く伝播しない。
【０１１８】
もう１つの実施例によれば、圧電層４は、孔部２２およびスリット２３によってパターニングされてよい。たとえばこの孔部２２および／またはスリット２３によってパターニングされている圧電層は、図８〜２６に示されている。これらの図においてはそれぞれ、変換器１の圧電層４の断面が示されており、ここでこれらの断面は、圧電層４の上面５に対し平行になっている。
【０１１９】
図８は、１つの圧電層４の１つの断面を示し、この圧電層は、ランダムに配設された孔部（複数）２２およびスリット（複数）２３によってパターニングされている。
【０１２０】
これらの孔部２２のいくつかの側壁は、１つの被覆層１６によって覆われており、この被覆層は特異な熱機械的挙動を有する。この被覆層１６は、圧電層４の標準的な熱機械的挙動を補償する。スリット２３の側壁もこの被覆層１６で覆われてもよい。
【０１２１】
さらにこの被覆層は、誘電性材料を含んでよく、この誘電性材料は、上述の誘電性材料の特性のいくつかを備え、変換器の周波数挙動および／または温度挙動を所望に制御する。
【０１２２】
この被覆層は、圧電層を環境の影響に対し保護する特性を備えてもよい。たとえばこの被覆層は、パッシベーションとして用いることができる。
【０１２３】
さらに上記の孔部２２のいくつか、および上記のスリット２３のいくつかは、特異な熱機械的挙動を有する１つの誘電性材料２４によって充填されている。このために、特異な熱機械的挙動を有するいかなる材料が用いられてよい。
【０１２４】
さらにこの充填材料は、誘電性材料を含んでよく、この誘電性材料は、上述の誘電性材料の特性のいくつかを備え、変換器の周波数挙動および／または温度挙動を所望に制御する。
【０１２５】
この充填材料は、圧電層を環境の影響に対し保護する特性を備えてもよい。たとえばこの充填材料は、パッシベーションとして用いることができる。
【０１２６】
図１の実施例においては、上記の誘電性材料２４は、さらにブロック８の間の空隙部９を充填してよい。代替としてこれらのブロック８は、上記の被覆層１６によって覆われていてよい。
【０１２７】
図９および１０に示す圧電層４は、図１のブロック８の相互のずらしによって得られる。これに対応してこの圧電層４は、ここではもはや互いに絶縁されたブロックを備えておらず、むしろ繋がったパターンとなっている。驚くべきことに、この繋がったパターンは、連続した圧電層に対して、同様に大きなカップリング係数を有している。図１に示すブロック８を参照して説明したように、この繋がったパターンにおいても、３つの空間方向における振動を有する振動モードが励起される。
【０１２８】
この驚くべきかつ予想外の結果は、独立したブロック８を備える圧電パターンを考察することで理解される。図８および９に示す圧電層４は、重なり合ったあるいは連結されたブロック１０８からなるパターンとして考えることができる。これらのブロック１０８の連結あるいは重なりは、これらの結合されたあるいは重なったブロック１０８における３次元の振動モードがもはや完全に形成され得ない、すなわち全部が形成され得ないことをもたらすことになり、しかしながらこの繋がったブロック１０８の部分がなおこの３次元の振動モードに寄与することをもたらすことになる。これよりこの場合は、この電気機械カップリングの増大の効果は、図１に示す実施例より小さいが、なおかなりの大きさである。
【０１２９】
上記の孔部２２およびスリット２３は、圧電層４が大部分で上述のアスペクト比Ａ≧１の構造条件を満たすよう配置され、かつその大きさが設定される。以上によりさらに３次元の振動モードの励起が可能となっている。
【０１３０】
上記で説明したブロック（複数）８の実施形態は、この図９および１０に示す連結されたあるいは重なったブロック１０８を有するこの繋がったパターンに対しても可能である。さらにこれらの実施形態は、孔部２２およびスリット２３によってパターニングされた圧電層４に対しても可能である。
【０１３１】
たとえば以上のように構成された圧電層４を、図２に示すような第１および第２の電極パターン１０，１１を有する電極２，３と組み合わせることが可能である。このようにして圧電層４の異なる領域が互いに逆向きにカップリングされることも可能である。
【０１３２】
ここに示す圧電層４は、様々な音響インピーダンスを有する１つの積層体上に，またはたとえば１つのシリコンの基板上に配設されてよく、またはフリーハンギングで配設されてよい。さらに図６および７に示すように、この圧電層４の中に１つ以上の温度補償層２０が挿入されてよい。
【０１３３】
この圧電層４における孔部（複数）２２の配設は、規則的であってはならない。変動的な規則に従って配設することも、また純粋にランダムに行うことも可能である。これらの孔部２２は、圧電層４における異なる横方向の大きさを有する領域が生成するように配設されてもよい。これによって圧電層４のスプリアスモードが目立たなくなるようにされ得る。圧電素子の４のエッジは、図８および９においては、それぞれ直線上に形成されている。しかしながらこのエッジ形状は、必須ではない。むしろ凸状または凹状のエッジも可能である。さらに加えてどのような他のエッジ形状も可能である。
【０１３４】
連結されたあるいは重なったブロック１０８の間の空隙部９は、全部または部分的に１つ以上の材料で充填されてよい。これらの材料は、パターニングされていなくてよく、たとえば完全な充填としてまたは側壁被覆として塗布されてよく、またはそれ自体１つのパターン、たとえば小さな孔部を有してよい。これらの材料の少なくとも１つは、特異な熱機械的挙動を備えてよく、またこのようにして圧電層４の標準的な熱機械的挙動の補償に寄与することができる。このようにして、この変換器の共鳴周波数および反共鳴周波数の温度係数の大きさが小さく維持され得る。
【０１３５】
さらにこの充填材料は、誘電性材料を含んでよく、この誘電性材料は、上述の誘電性材料の特性のいくつかを備え、変換器の周波数挙動および／または温度挙動を所望に制御する。
【０１３６】
この充填材料は、圧電層を環境の影響に対し保護する特性を備えてもよい。たとえばこの充填材料は、パッシベーションとして用いることができる。
【０１３７】
連結されたあるいは重なったブロック１０８を有する圧電層４もまた、フォノニックバンドギャップ構造を形成することができる。
【０１３８】
図１０〜２６は、圧電層４のさらなる実施形態を示す。驚くべきことは、このような圧電層４にも、連続的な圧電層に対してカップリング係数の増大が起こることである。すなわち連続した圧電層において、孔部２２および／またはスリット２３が生成されると、これによってこの層のカップリング係数が増大する。
【０１３９】
図１を参照して示したような、ブロック８は全く認識されてはならず、むしろ孔部２２および／またはスリット２３のみがこの圧電層４に存在している。
【０１４０】
このことは圧電層４の領域が、なお上記のアスペクト比の構造条件を満たしていることを示している。これらの孔部２２およびスリット２３は、材料に対し十分に横方向の大きさを与え、３つの空間方向における振動を有する振動モードの励起を可能とする。
【０１４１】
これらの実施例に適合したアスペクト比Ａの定義を以下に説明する。ここで横方向の大きさＬは、２つの隣接する孔部２２の最短の接続線を表す。Ｔはさらにこの圧電層４の、最大の音速方向の大きさを与える。ここでたとえばこの圧電層４の大きさは、上記の上面５の法線の方向でのものである。ここでも構造条件は、Ａ＝Ｔ／Ｌ≧１となる。カップリン係数の増大をもたらす、３つの空間方向における振動を有する振動モードを励起することを可能とするため、圧電層４は、この構造条件を少なくともいくつかの領域で満たさなければならない。
【０１４２】
孔部２２および／またはスリット２３を有する、この圧電層４の実施形態は、技術的に最も容易に実現できるのでとりわけ有利である。具体的にはまず連続した圧電層４が形成され、これが続いて孔部２２および／またはスリット２３を生成することによってパターニングされる。
【０１４３】
孔部２２の形状は円形，楕円形，任意の多角形，および不規則であってよい。これらの孔部２２の正確な形状は、上述の効果には関係がない。むしろ重要なことは、上記のアスペクト比に対する構造条件が、この圧電層４の大部分、たとえばこの圧電層４の少なくとも７０％において満たされているということである。さらにこれらの孔部２２は、上記の下面６の法線の方向で同じ断面を備えていてはならないということである。これらの孔部２２は、むしろ先細りまたは広くなるようになっていてよい。
【０１４４】
圧電層４の上述の実施例は、孔部２２および／またはスリット２３を有してパターニングされている圧電層４に対しても適用することができる。詳細にはこれらの孔部２２および／またはスリット２３は、この圧電層４がフォノニックバンドギャップ構造を形成するように配設されてよい。
【０１４５】
これらの孔部２２および／またはスリット２３は、上述のように、１つ以上の材料を用いて充填されていてよい。具体的にはこの材料は、圧電層４の熱機械的特性を相殺する、特異な熱機械的挙動を有する材料であってよい。これらの孔部２２および／またはスリット２３は、しかしながら充填されていなくともよく、これよりこれらの孔部２２および／またはスリットには真空または空気が存在している。
【０１４６】
さらにこの充填材料は、誘電性材料を含んでよく、この誘電性材料は、上述の誘電性材料の特性のいくつかを備え、変換器の周波数挙動および／または温度挙動を所望に制御する。
【０１４７】
この充填材料は、圧電層を環境の影響に対し保護する特性を備えてもよい。たとえばこの充填材料は、パッシベーションとして用いることができる。
【０１４８】
これらのおける孔部２２および／またはスリット２３の配設は、規則的である必要はない。この配設は規則的であってよく、部分的に規則的または不規則的であってよい。不規則な配設は、規則的な配設を変動することから、完全にランダムな配設までを含む。
【０１４９】
さらに異なる大きさの孔部２２を互いに組み合わされてよい。具体的には層厚が一定の場合には、これらの孔部２２の横方向の寸法が変化されてよい。これにより、スプリアスモードが目立たなくなるので、変換器１の特性が改善される。
【０１５０】
異なる孔部形状が互いに組み合わされてよい。
【０１５１】
さらに図７および８に示すように、１つ以上の温度補償層２０が圧電層４の中に挿入されてよい。これらの温度補償層２０は、圧電層４と上記の電極層２，３の１つまたは両方との間に配設されてよい。
【符号の説明】
【０１５２】
１  ：  変換器
２  ：  第１の電極
３  ：  第２の電極
４  ：  圧電層
５  ：  上面
６  ：  下面
７  ：  側面
８  ：  ブロック
９  ：  空隙部
１０  ：  第１の電極パターン
１１  ：  第２の電極パターン
１２  ：  外側の帯状体
１３  ：  フィンガ形状の帯状体
１４  ：  閉じた領域
１５  ：  開口部
１６  ：  被覆層
１７  ：  接続パターン
１８  ：  第１の副層
１９  ：  第２の副層
２０  ：  中間層
２１  ：  第３の副層
２２  ：  孔部
２３  ：  スリット
２４  ：  誘電性材料
１０８  ：  重なったあるいは連結されたブロック
Ｔ      ：  音速が最大の方向における大きさ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ  ：  他の空間方向における大きさ
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【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】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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