(57)【要約】【課題】  電気機械結合係数の大きな弾性境界波素子が得られるようにする。【解決手段】  弾性境界波素子１０は、ニオブ酸カリウムからなる第１圧電基板１２と、ニオブ酸カリウムからなる第２圧電基板１４とを備えている。ニオブ酸カリウムは、カット角がオイラー角表示で（０°±３０°，０°〜±１８０°，０°±２０°）となっている。第１圧電基板１２と第２圧電基板１４とは、相互に接合してある。第１圧電基板１２の接合面中央部には、ＩＤＴ１６を有する。ＩＤＴ１６は、一対の櫛型電極１８（１８ａ、１８ｂ）からなり、櫛型電極１８の電極指２０（２０ａ、２０ｂ）によってすだれ状に形成してある。ＩＤＴ１６の両側には、反射器２４（２４ａ、２４ｂ）が設けてある。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオブ酸カリウムからなる第１圧電基板と、
前記第１圧電基板に接合したニオブ酸カリウムからなる第２圧電基板と、
前記第１圧電基板と前記第２圧電基板との少なくともいずれか一方に、他方に対面させて形成したすだれ状電極と、
を有することを特徴とする弾性境界波素子。
【請求項２】
請求項１に記載の弾性境界波素子において、
前記第１圧電基板を構成する前記ニオブ酸カリウムと、前記第２圧電基板を構成する前記ニオブ酸カリウムとは、カット角がオイラー角表示で（０°±３０°，０°〜±１８０°，０°±２０°）であることを特徴とする弾性境界波素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合した一対の圧電材料の接合部にすだれ状電極を設けた弾性境界波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
弾性表面波共振器、弾性表面波フィルタなどの弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）デバイスを形成するＳＡＷ素子は、水晶やタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電材料の表面に、すだれ状電極を備えている。すだれ状電極は、圧電材料を励振して弾性表面波を発生する。ＳＡＷ素子に生ずる弾性表面波は、基本的にすだれ状電極の電極指の形成ピッチに依存している。そして、ＳＡＷ素子は、弾性表面波が高周波数になればなるほど、すだれ状電極の電極指の形成ピッチが狭くなる。このため、このようなＳＡＷ素子を備えたＳＡＷデバイスは、塵埃などの微小な異物が付着すると、すだれ状電極が短絡したりする。したがって、ＳＡＷデバイスは、付着した異物によるすだれ状電極の短絡を防止するために、ＳＡＷ素子を外部から隔てる容器を必要とし、ＳＡＷデバイスの小型化の障害になる。
【０００３】
そこで、すだれ状電極を外部に露出させずに弾性波を励振できる弾性境界波素子の開発が進められている（例えば、特許文献１）。この特許文献１に記載の弾性境界波素子は、すだれ状電極を挟み込んで接合した一対の固体材料の少なくとも一方に、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの圧電効果を有する材料（圧電材料）を用いたものである。このような弾性境界波素子は、接合した一対の固体材料の接合部（境界部）に、挟み込んだすだれ状電極によってストンリー波と呼ばれる弾性境界波を励振することができる。このような弾性境界波素子は、すだれ状電極が外部に露出していないため、容器に収容しなくとも塵埃などの異物の付着による短絡を防止することができる。
【特許文献１】特表２００３−５１２６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、弾性境界波は、どのような圧電材料を用いても得られるものではない。例えば、ＳＴカット水晶板は、弾性表面波であるレイリー波を利用した弾性表面波素子に広く用いられている。しかし、発明者らの研究によると、ＳＴカット水晶板を用いたのでは弾性境界波を発生させることができない。さらに、発明者等は、G.W.Farnell,“Symmetry Considerations for Elastic Layer Modes Propagating in Anisotropic Piezoelectric Crystals”,IEEE Trans.Sonics Ultrason.,vol.SU-17,NO.4,pp.229~238,1079.（以下、技術文献という）に記載された方法により、運動方程式、圧電方程式等に基づいてＳＴカット水晶板について、弾性境界波を励振させうる境界条件を満足するカット角を求めたところ、ＳＴカット水晶板を特定の角度面内回転させた場合に、弾性境界波を励振できることがわかった。このことは、他の圧電材料についても同様であって、単に弾性表面波を励振させることができる圧電材料を用いたからといって、弾性境界波を励振できるものでなく、詳細に検討しなければ弾性境界波を発生させられないことがわかった。
【０００５】
一方、特許文献１に記載の弾性境界波素子は、すだれ状電極が露出していないため、すだれ状電極の短絡を防ぐことができ、パッケージを用いることなくフィルタなどを形成することができる。しかし、特許文献１に記載の弾性境界波素子は、圧電材料としてニオブ酸リチウムを使用している。ニオブ酸リチウムは、電気機械結合係数が水晶より大きいとはいえ、約２０％であり、決して充分に大きいということができない。このため、フィルタを形成した場合に、広い通過帯域のフィルタとすることが困難となる。
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、電気機械結合係数の大きな弾性境界波素子が得られるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者等は、上記技術文献に記載の方法により運動方程式、圧電方程式等を計算して、各種の圧電材料について弾性境界波が得られる境界条件が存在するか否かを詳細に検討し、検討結果に基づいて、弾性境界波を発生させる実験を行なった。その結果、電気機械結合係数の大きなニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）は、弾性境界波を発生させうる境界条件を満足する圧電材料であることがわかった。
【０００７】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。すなわち、上記の目的を達成するために、本発明に係る弾性境界波素子は、ニオブ酸カリウムからなる第１圧電基板と、前記第１圧電基板に接合したニオブ酸カリウムからなる第２圧電基板と、前記第１圧電基板と前記第２圧電基板との少なくともいずれか一方に、他方に対面させて形成したすだれ状電極と、を有することを特徴としている。
【０００８】
特許文献１に記載されているニオブ酸リチウムは、弾性表面波の場合、電気機械結合係数が２０％で、充分大きいとはいえない。これに対して、ニオブ酸カリウムは、電気機械結合係数が約５０％である。このため、本発明に係るニオブ酸カリウムを用いた弾性境界波素子は、特許文献１に記載の弾性境界波素子に比較してはるかに大きな電気機械結合係数を得ることができる。そして、弾性境界波素子は、電気機械結合係数が大きいとフィルタとして用いた場合に、通過帯域の広いフィルタとすることが知られている。したがって、本発明に係る弾性境界波素子は、通過帯域の広いフィルタとすることができる。
【０００９】
第１圧電基板を構成するニオブ酸カリウムと、第２圧電基板を構成するニオブ酸カリウムとは、オイラー角表示で（０°±３０°，０°〜±１８０°，０°±２０°）のカット角のものを使用することができる。発明者等の研究によると、ニオブ酸カリウムのカット角は、オイラー角を（φ，θ，ψ）としたときに、任意のθについて弾性境界波を発生させ得ることがわかった。したがって、ニオブ酸カリウムは、オイラー角表示で（０°±３０°，０°〜±１８０°，０°±２０°）のカット角のものを用いてよい。これにより、弾性境界波を確実に発生させることができ、電気機械結合係数の大きな弾性境界波素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る弾性境界波素子の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る弾性境界波素子を模式的に示した説明図である。図１において、弾性境界波素子１０は、第１圧電基板１２と第２圧電基板１４との一対の圧電基板を備えている。第１圧電基板１２と第２圧電基板１４とは、実施形態の場合、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）から構成してあり、相互に接合してある。これらのニオブ酸カリウムは、実施形態の場合、オイラー角表示を（φ，θ，ψ）としたときに、カット角が（０°±３０°，０°〜±１８０°，０°±２０°）となっている。また、実施形態の場合、第１圧電基板１２と第２圧電基板１４とは、同じカット角のニオブ酸カリウムによって形成してある。なお、図１においては、理解を容易にするため、第２圧電基板１４は、２点鎖線からなる仮想線によって示してある。また、第１圧電基板１２と第２圧電基板１４とは、オイラー角θが異なっていてもよい。さらに、第１圧電基板１２と第２圧電基板１４とを同じカット角のニオブ酸カリウムを使用し、一方を他方に対して裏返しにして接合してもよい。
【００１１】
弾性境界波素子１０は、第１圧電基板１２の第２圧電基板１４を接合した接合面（上面）中央部にＩＤＴ（Interdigital Transducer）１６が設けてある。ＩＤＴ１６は、一対の櫛型電極１８（１８ａ、１８ｂ）からなっている。櫛型電極１８は、それぞれが複数の電極指２０（２０ａ、２０ｂ）と、バスバー２２（２２ａ、２２ｂ）とを備えている。電極指２０は、長手方向が弾性境界波の伝播方向に直交しており、一端が対応するバスバー２２に接続してある。そして、ＩＤＴ１６は、一対の櫛型電極１８の各電極指２０が噛み合うように配置してあり、すだれ状に形成してある。
【００１２】
さらに、弾性境界波素子１０は、ＩＤＴ１６の弾性境界波の伝播方向両側に反射器２４（２４ａ、２４ｂ）が設けてある。反射器２４は、櫛型電極１８と同じ導電材によって形成してあり、長手方向を弾性境界波の伝播方向に直交させて、電極指２０と平行に形成した複数の導体ストリップ２６からなっている。なお、反射器２４は、導体ストリップ２６の両端を接続するバスバーを設けてもよい。
【００１３】
さらに、各反射器２４の外側には、電極部３０（３０ａ、３０ｂ）が設けてある。これらの電極部３０は、配線部３２（３２ａ、３２ｂ）を介して対応する櫛型電極１８のバスバー２２に接続してある。電極部３０は、図１に示したように、第２圧電基板１４から露出する位置に形成してあり、図示しないボンディングワイヤなどを介して実装基板の回路に電気的に接続される。すなわち、第２圧電基板１４は、第１圧電基板１２に設けたＩＤＴ１６と一対の反射器２４とを覆い、電極部３０を露出させる大きさに形成してある。
【００１４】
なお、反射器２４とＩＤＴ１６とは、図２に示したように、第１圧電基板１２に形成した溝２８内に形成してあり、上面が第１圧電基板１２の接合面と一致しているか、やや低くなっており、第２圧電基板１４を第１圧電基板１２に接合するのに支障がないようにしてある。
【００１５】
このようになっている実施形態の弾性境界波素子１０は、ＩＤＴ１６の一対の櫛型電極１８ａ、１８ｂ間に所定周波数の電気信号を与えると、第１圧電基板１２、第２圧電基板１４の境界部にストンリー波と呼ばれる弾性境界波が励振される。図３、図４は、実施形態の弾性境界波素子１０のように、２枚のニオブ酸カリウム基板を張り合わせた状態の境界（またはニオブ酸カリウム基板内）を伝播する境界波の伝播特性を、前記した技術文献に記載の方法により運動方程式、圧電方程式等を計算し、境界条件を満足するしたときの伝播速度と電気機械係数とを計算して求めたものである。
【００１６】
図３、図４の横軸は、いずれもカット角がオイラー角表示で（０°，θ，０°）の場合におけるθを度で示している。また、図３の縦軸は、弾性境界波の伝播速度をｍ／ｓで示している。そして、図４の縦軸は、電気機械結合係数Ｋ２である。これらの図に示してあるように、θが９０°のところで、境界波の伝播速度が約２９００ｍ／ｓと最も遅くなり、電気機械結合係数Ｋ２が約０．５５と最大値を示す。また、電気機械結合係数Ｋ２は、θ＝０°、θ＝１８０°のところで約０．２９と最小値を示す。したがって、カット角がオイラー角表示で（０°，θ，０°）のニオブ酸カリウム基板を用いた実施形態の弾性境界波素子１０は、電気機械結合係数が約３０〜５０％の高い値を有する。この結果、実施形態の弾性境界波素子１０は、通過帯域の広いフィルタを形成することができる。しかも、ＩＤＴ１６が第２圧電基板１４に覆われているため、異物の付着によるＩＤＴ１６の短絡を防止することができ、ケースに収容する必要がない。
【００１７】
なお、前記実施形態においては、ＩＤＴが１つの場合について説明したが、ＩＤＴは、弾性境界波の伝播方向に沿って複数設けてもよい。また、前記実施形態においては、ＩＤＴ１６の両側に反射器２４を設けた場合について説明したが、一対のＩＤＴを離間して設け、反射器を省略したいわゆるトランスバーサル形であってもよい。さらに、前記実施形態においては、電極部３０を第１圧電基板１２の上面に形成した場合について説明したが、第１圧電基板と第２圧電基板とを同じ大きさに形成し、電極部を圧電基板の側面に形成してもよいし、圧電基板の下面に形成して表面実装形としてもよい。
【００１８】
図５ないし図７は、カット角がオイラー角表示で（０°，θ，０°）の２枚のニオブ酸カリウム基板を接合した弾性境界波素子の、θの変化に対する弾性境界波の成分の状態を、計算により求めた図である。これらの図において、実線はＰ波（縦波）成分であり、破線がＳＨ波成分、１点鎖線がＳＶ波成分である。そして、図５ないし図７のいずれも、横軸が基板の厚み方向の距離であって、（−）側がＩＤＴを設けた側の基板の境界（接合面）からの距離を境界波の波長λで示し、（＋）がＩＤＴを設けていない側の基板の境界からの距離を示している。また、縦軸は、変位量を示しており、それぞれのカット角における最大の変位を１として規格化してある。
【００１９】
図５（１）はθ＝０°、同図（２）はθ＝２２．５°、同図（３）はθ＝４５°である。また、図６（１）はθ＝６７．５°、同図（２）はθ＝９０°、同図（３）はθ＝１１２．５°である。さらに、図７（１）はθ＝１３５°、同図（２）はθ＝１５７．５°、同図（３）はθ＝１８０°である。これらの図に示されているように、θが０°、１８０°においては、ＳＨ波成分はほとんど現れず、ＳＶ成分が優勢となる。また、θ＝９０°の場合は、Ｐ波成分とＳＶ波成分とはほとんど現れず、ＳＨ波成分のみとなる。
【００２０】
図８は、弾性境界波素子１０を製造する方法の一例を示す工程図である。まず、接合面を研磨、洗浄したニオブ酸カリウムからなる第１圧電基板１２の接合面にフォトレジストを塗布し、固化させてレジスト膜を形成する。次に、フォトマスク（図示せず）を介してレジスト膜を露光したのち、現像液を用いて現像し、図８（１）に示したように、ＩＤＴ１６や反射器２４などに対応したパターンを有するように、レジスト膜３４をパターニングする。
【００２１】
その後、レジスト膜３４をマスクにして第１圧電基板１２をエッチングし、同図（２）に示したように、第１圧電基板１２の接合面に、ＩＤＴ１６や反射器２４などに対応した所定深さの溝２８を形成する。所定深さの溝２８を形成したならば、レジスト膜３４を剥離して除去する。この溝２８を形成する第１圧電基板１２のエッチングは、ウエットエッチングまたはドライエッチングのどちらでもよいが、ドライエッチングの方が寸法精度の高い溝２８を形成することができる。
【００２２】
次に、図８（３）に示したように、第１圧電基板１２の接合面全体にネガ型フォトレジストを塗布して固化させ、レジスト膜３６を形成する。さらに、レジスト膜３６を露光、現像し、図８（４）に示したように、溝２８に対応したパターンがオーバーハング形状になるようにレジスト膜３６をパターニングする。ネガ型フォトレジストは、光（紫外線）の当たった部分が硬化して現像液に不溶となる。そして、フォトマスクを介してレジスト膜３６を露光した場合に、フォトマスクのパターン開口の縁部における露光量が開口中心部より相対的に少なく、フォトレジストの厚み方向において光の強度が次第に弱くなる。このため、ネガ型フォトレジストを露光、現像してパターニングすると、オーバーハング形状にパターニングされる。
【００２３】
その後、図８（５）に示したように、レジスト膜３６を設けた第１圧電基板１２の全面に、アルミニウムなどの導電性を有する金属３８をスパッタリングや真空蒸着などによって堆積し、溝２８に金属３８を充填する。このとき、レジスト膜３６は、オーバーハング形状となっているため、図８（５）に示されているように、側面に金属３８が付着するのを防止することができる。溝２８を金属３８によって充填したならば、図８（６）に示したように、レジスト膜３６を剥離して除去する。レジスト膜３６は、側面に金属３８が付着していないため、容易に剥離することができる。これにより、第１圧電基板１２にＩＤＴ１６や反射器２４、電極部３０などが形成される。
【００２４】
その後、図８（７）に示したように、第１圧電基板１２の接合面に、接合面を研磨、洗浄したニオブ酸カリウムからなる第２圧電基板１４を接合する。これにより、弾性境界波素子１０が形成される。
【００２５】
第１圧電基板１２と第２圧電基板１４との接合は、例えば、第１圧電基板１２と第２圧電基板１４との接合面に薄い金属膜を形成し、両者を圧接した状態で金属膜を溶着させる金属接合によって行なうことができる。また、両者の接合面をイオンビームやプラズマを照射して活性化し、または両者の接合面を親水化処理し、両者を直接接合してもよい。なお、溝２８への金属３８の充填は、第１圧電基板１２と第２圧電基板１４との接合の障害とならないように、金属３８の上面が第１圧電基板１２の接合面と同じ高さになるか、やや低くなるようにする。また、金属３８の上面が第１圧電基板１２の接合面より高くなる場合、あるいは高くなるおそれがある場合、第１圧電基板１２の接合面を研磨してから第２圧電基板１４を接合するとよい。また、前記実施形態においては、第１圧電基板１２に溝２８を形成するためのレジスト膜と、溝２８に金属３８を充填するためのレジスト膜とを別々に形成した場合について説明したが、オーバーハング形状のパターンを有するレジスト膜を形成し、このレジスト膜を用いてドライエッチングにより溝２８を形成し、その後、同じレジスト膜を用いて溝２８に金属３８を充填するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態に係る弾性境界波素子を模式的に示した説明図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った一部断面図である。
【図３】２枚のニオブ酸カリウム基板からなる弾性境界波素子のθと境界波の伝播速度との関係を示す図である。
【図４】２枚のニオブ酸カリウム基板からなる弾性境界波素子のθと電気機械結合係数との関係を示す図である。
【図５】２枚のニオブ酸カリウム基板を接合した弾性境界波素子の、θの変化に対する弾性境界波の成分の状態を示す図である。
【図６】２枚のニオブ酸カリウム基板を接合した弾性境界波素子の、θの変化に対する弾性境界波の成分の状態を示す図である。
【図７】２枚のニオブ酸カリウム基板を接合した弾性境界波素子の、θの変化に対する弾性境界波の成分の状態を示す図である。
【図８】弾性境界波素子を製造する方法の一例を示す工程図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０………弾性境界波素子、１２………第１圧電基板、１４………第２圧電基板、１６………ＩＤＴ、１８ａ、１８ｂ………櫛型電極、２０ａ、２０ｂ………電極指、２４ａ、２４ｂ………反射器。
【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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