JP2023123880A - 弾性波装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】Q値が高く、かつ横モードリップルを効果的に抑制可能な弾性波装置を提供する。【解決手段】圧電膜上に設けられたIDT電極は、第1バスバー31及び第2バスバー32と、複数本の第1電極指33及び第2電極指34とを有し、第1電極33と第2電極指34とが弾性波伝搬方向に重なり合っている領域において、中央領域C1と、中央領域C1と第1バスバー31との間に設けられた第1エッジ領域C2と、中央領域C1と第2バスバー32との間に設けられた第2エッジ領域C3とを有する。第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3の音速が、中央領域C1の音速よりも低く、バスバー領域Fの音速は、中央領域C1の音速よりも高い。第1エッジ領域C2と第1バスバー31とで挟まれる第1領域D及び第2エッジ領域C3と第2バスバー32とで挟まれる第2領域Eの一部の音速は、バスバー領域Fの音速よりも低い。【選択図】図3
Description
本発明は、弾性表面波装置や弾性境界波装置などの弾性波装置に関し、より詳細には、高音速材料層、低音速材料層及び、圧電膜が積層された弾性波装置に関する。
従来、圧電基板と、対向する第1及び、第2のバスバーと、複数本の第1及び、第2の電極指とを有する音響波装置が知られている。複数本の電極のそれぞれは、対向するバスバーから隔てられたエッジを有し、各電極のエッジと対向するバスバーとの間にギャップを形成する。下記の特許文献1では、上記ギャップの長さは1音響波長(1λ)以上であると望ましい旨が示されている。また、複数本の電極指のそれぞれは、エッジに隣接しトランスデューサに沿って長手方向に延びるエッジ領域を形成する部分を有する。この構成により、エッジ領域内の音響波の波速度がトランスデューサ中央領域の波速度よりも遅くなり、ギャップ領域内の波速度はトランスデューサ中央領域の速度よりも速い。そして、この音速関係によってピストンモードが得られて、横モードを抑制することができる旨が開示されている。
また、下記の特許文献2に係る弾性波装置は、支持基板上に、高音速膜、低音速膜、圧電膜及びIDT電極がこの順序で積層されている。この構造によって、Q値を高めることができる旨が開示されている。
横モードのリップルを抑えつつ、Q値の高い弾性波装置を得るために上述の弾性波装置(音響波装置)同士を組み合わせた場合、バスバーの領域における弾性波の音速が低音速(中央領域における弾性波の速度よりも低い)から高音速(中央領域における弾性波の速度よりも高い)になる。従って、高音速領域が増加し、横モードリップルを確実に抑制することが困難な場合があった。
そこで、上記課題に鑑み、本発明の目的は、Q値が高く、かつ、横モードリップルを効果的に抑制可能な弾性波装置を提供することにある。
本発明に係る弾性波装置は、圧電膜と、圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも高速のバルク波が伝搬する高音速材料層と、圧電膜を伝搬するバルク波の音速よりも低速のバルク波が伝搬する低音速材料層と、圧電膜上に設けられたIDT電極とを備える。高音速材料層上に、低音速材料層、圧電膜がこの順番に積層されており、IDT電極が、対向し合っている第1及び第2バスバーと、第1バスバーに基端が接続されており、先端が第2バスバーに向かって延ばされている複数本の第1電極指と、第2バスバーに基端が接続されており、先端が第1バスバーに向かって延ばされている複数本の第2電極指とを有する。第1電極指と第2電極指とが弾性波伝搬方向に重なり合っている領域を交差領域とした場合、交差領域が、中央領域と、中央領域と第1バスバーとの間に設けられた第1エッジ領域と、中央領域と第2バスバーとの間に設けられた第2エッジ領域とを有する。第1及び、第2エッジ領域の音速が、中央領域の音速よりも低く、第1バスバーと第2バスバーが設けられているバスバー領域の音速は、中央領域の音速よりも高い。第1エッジ領域と第1バスバーとで挟まれる領域を第1領域とし、第2エッジ領域と第2バスバーとで挟まれる領域を第2領域としたとき、第1領域及び、第2領域の一部の音速は、バスバー領域の音速よりも低い。
本発明によれば、高音速材料層、低音速材料層及び圧電膜が積層されたQ値が高い弾性波装置において、横モードのリップルを抑制可能となる。
以下、本発明を実施した形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示であり、本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
また、実施形態等で参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。加えて、図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
なお、本明細書および特許請求の範囲の記載において、弾性波装置は、いずれの方向が上方または下方とされてもよいが、以下では便宜的に、直交座標系xyzを定義すると共に、xy平面においては、y方向の正側(図1の紙面上側)を上方、y方向の負側(図1の紙面下側)を下方とし、xz平面においては、z方向の正側(図2の紙面上側)を上方、z方向の負側(図2の紙面下側)を下方として、上方、下方、及び、上、下、等の用語を用いるものとする。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置1の電極構造の要部を示す平面図であり、図2は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置1の略図的正面断面図である。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置1の電極構造の要部を示す平面図であり、図2は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置1の略図的正面断面図である。
図1に示すように、圧電膜10は、主面10aを有し、主面10a上には、IDT電極11が設けられている。IDT電極11に交流電圧を印加することにより、弾性波が励振される。IDT電極11の弾性波伝搬方向(x方向)の両側には、反射器12a、及び、反射器12bを含む反射器12が配置されている。反射器12は、弾性波伝播方向(x方向)に直交する方向(y方向)に延び、互いに平行な複数の反射電極指を含んでいる。
弾性波装置1は、図2に示すように、高音速材料層としての高音速支持基板13と、低音速材料層14と、タンタル酸リチウムからなる圧電膜10とを有する。高音速支持基板13上に、低音速材料層14、圧電膜10がこの順番に積層されている。言い換えるならば、高音速支持基板13の上に低音速材料層14が積層され、低音速材料層14の上に圧電膜10が積層されている。そして、圧電膜10上にIDT電極11及び、反射器12(12a,12b)が設けられている。これによって1ポート型弾性波共振子が構成されている。
ここで、高音速材料層を構成している高音速材料とは、伝搬するバルク波の音速が、圧電膜10を伝搬する弾性波の音速よりも高速である材料である。低音速材料層14を構成している低音速材料とは、伝搬するバルク波の音速が、圧電膜10を伝搬するバルク波の音速よりも低速である材料をいう。
高音速支持基板13としては例えば、サファイア、水晶、炭化ケイ素、シリコンを用いることができ、低音速材料としては、酸化ケイ素もしくは酸窒化ケイ素などの無機絶縁物材料や、樹脂材料などを用いることができる。
もっとも、高音速材料及び低音速材料としては、前述した音速関係を満たす限り、適宜
の材料の組み合わせを用いることができる。
の材料の組み合わせを用いることができる。
上述のような、高音速支持基板13上に低音速材料層14及び圧電膜10が積層されている積層型基板では、弾性波のエネルギーを、圧電膜10内に効果的に閉じ込めることができる。
圧電膜10は、ニオブ酸リチウムなどのタンタル酸リチウム以外の圧電単結晶や、適宜の圧電セラミックスからなっていてもよい。
加えて、IDT電極11は、複数の金属層が積層された積層金属膜からなる。この金属としては、例えば、Al,W、Mo、Ta、Hf、Cu、Pt、Ti、Au、Ag、Ni、Zn、Cr、或いは、それらを主成分とする合金が挙げられる。なお、IDT電極11は、単数の金属層から構成されてもよい。
IDT電極11は、対向し合っている第1バスバー31、及び、第2バスバー32を有する。加えて、IDT電極11は、複数の第1電極指33と、複数の第2電極指34を有する。複数の第1電極指33は、基端が第1バスバー31に接続され、先端が第2バスバー32に向かって延ばされている。複数の第2電極指34は、基端が第2バスバー32に接続され、先端が第1バスバー31に向かって延ばされている。
第1電極指33及び、第2電極指34は、太幅部を有する。ここで、太幅部とは、電極指の延びる方向に直交する方向(弾性波伝播方向)に沿う寸法を幅方向の寸法とした場合、電極指の延びる方向中央に比べて、幅方向の寸法が大きい部分を指すものとする。そして、第1電極指33及び、第2電極指34が有する太幅部を便宜的に、電極指太幅部と称する。その場合、第1電極指33及び、第2電極指34において、電極指太幅部38b、38cは電極指の先端側に位置しており、電極指太幅部38a、38dは電極指の基端側に位置している。
そして、第1電極指33における先端側の電極指太幅部38bと、対向する第2バスバー32との間には、電極指が延びる方向に沿って長辺を有する部材、ここでは、第2バスバー32に接続されていない矩形状の浮き電極100aが設けられている。同様に、第2電極指34における先端側の電極指太幅部38cと、対向する第1バスバー31との間にも、第1バスバー31に接続されていない矩形状の浮き電極100bが設けられている。
ここで、図3(a)は、図1の一部を拡大し、各領域の音速関係を示す部分切欠き拡大平面図である。第1電極指33と第2電極指34とが弾性波伝搬方向において重なり合っている領域である交差領域Cは、中央領域C1と、中央領域C1と第1バスバー31との間に設けられた第1エッジ領域C2と、中央領域C1と第2バスバー32との間に設けられた第2エッジ領域C3とを有する。また、第1エッジ領域C2と第1バスバー31とで挟まれた領域を第1領域D、第2エッジ領域C3と第2バスバー32とで挟まれた領域を第2領域Eとする。
なお、図3(a)における各領域を伝搬する弾性波の速度(音速)Vは、図3の右側(+x方向)にいくほど高速であることを意味する。
本実施形態に係る弾性波装置1では、第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3の音速V2が、中央領域C1の音速V1に比べて低い。また、バスバーが設けられているバスバー領域Fの音速V4は、中央領域C1の音速V1に比べて高い。即ち、中央領域C1の電極指の延びる方向に沿った両外側にそれぞれ、低音速領域であるエッジ領域と、高音速領域であるバスバー領域とがこの順序で設けられている。これらの関係によってピストンモードを形成し、横モードのリップルを抑圧することができる。
さらに、第1領域D及び、第2領域Eのうち、浮き電極101が設けられていない領域、具体的には、浮き電極と太幅部とで挟まれた領域及び、浮き電極とバスバーとで挟まれた領域の音速V31が、バスバー領域Fの音速V4より高速である一方で、浮き電極101が設けられている領域の音速V32は、バスバー領域Fの音速V4と比べて低速である。この音速関係によって、より効果的なピストンモードを形成している。
図4は、比較例の構造を有する弾性波装置2における、各領域の音速関係を示す部分切欠き拡大平面図である。比較例に係る弾性波装置2は、第1領域D及び第2領域Eにおいて部材が設けられていない点が、実施形態1に係る弾性波装置1と異なる。
そして、音速関係に注目すると、比較例の弾性波装置2では、第1領域D及び、第2領域Eにおける全ての音速が、バスバー領域Fの音速V4より高速である。一方、本実施形態に係る弾性波装置1では、第1領域D及び、第2領域Eにおいて、その一部の領域の音速V32がバスバー領域Fの音速V4よりも低速である。換言するならば、従来の高音速領域における一部の領域の音速を低めている。特に、この形態においては、従来の高音速領域の一部の音速が中央領域C1の音速と同等にまで低められており、中央領域C1よりも音速が高くない。
なお、第1領域D或いは、第2領域Eの全ての音速がバスバー領域の音速V4よりも低められる必要はない。あくまでも、第1領域D及び、第2領域Eの一部の領域の音速が、バスバー領域の音速V4よりも低速であればよい。より正確には、第1領域Dの一部と、第2領域Eの一部との少なくとも一方の領域の音速が、バスバー領域の音速V4よりも低速であればよい。
このような音速関係を有するようにIDT電極11を構成することで、図4と比較して、本実施形態における高音速領域が減少する。そして、ピストンモードがより効果的に発生し、横モードのリップルを抑制することができる。
本実施形態では、ピストンモードを利用しており、第1領域D及び、第2領域Eの一部の領域の音速が、バスバー領域Fの音速よりも低いため、高音速領域が減少し、横モードリップルを効果的に抑制することができる。これを具体的なシミュレーション結果に基づき説明する。
まず、シミュレーションを行った際のIDT電極11の電極パラメータについて説明する。
共振子の波長は、図3(a)に示すIDT電極11を構成する複数の第1電極指33または第2電極指34の繰り返し周期である波長λで規定される。また、一対の櫛歯状の第1電極指33及び第2電極指34の交叉幅Lは、弾性波伝搬方向から見た場合において、第1電極指33と第2電極指34とが重複する電極指長さである。図3(b)は、図3(a)のA-A線断面図である。複数の第1電極指33、第2電極指34のピッチpは、波長λの1/2であり、第1電極指33及び、第2電極指34のライン幅をw1とし、隣り合う第1電極指33と第2電極指34との間のスペース幅をw2とする場合、(w1+w2)で定義される。また、各共振子の電極デューティーは、複数の第1電極指33及び第2電極指34のライン幅占有率であり、複数の第1電極指33及び第2電極指34のライン幅とスペース幅との加算値に対する当該ライン幅の割合であり、w1/(w1+w2)で定義される。
また、特に実施の形態1に係る弾性波装置1を構成する共振子の電極パラメータにおいて、波長λは1.5μm、対数Nは380、電極デューティーRは0.45である。
図5は、弾性波装置1において、第1領域D及び、第2領域Eにおける浮き電極101の有無による、リターンロス特性及び、インピーダンス特性を示す図である。図5において、実線は、浮き電極が配置されている場合を示しており、破線は浮き電極が配置されていない場合を示している。
図5(a)から明らかなように、浮き電極101がある場合、浮き電極101が無い場合と比較してリターンロス値が良好であることが分かる。特に、リターンロスのワースト値が-4.5dBから、-1.5dB程度まで改善されている。一般的に、弾性波装置を構成する共振子のリターンロスのワースト値が改善されると、弾性波装置におけるリップルも低減される。従って、浮き電極101を設ければ、リターンロスのワースト値が改善され、横モードのリップルを効果的に抑圧できる。なお、ここでの浮き電極101は、弾性表面波の波長をλとしたときに、電極指が延びる方向(y方向)における大きさが1λである。
また、図5(b)から明らかなように、インピーダンス特性においても、浮き電極101がある場合は、浮き電極101が無い場合と比較して良好であり、リップルが抑えられていることが分かる。
そこで、上記の結果を踏まえ、弾性波装置1において、図6に示す浮き電極101の電極指が延びる方向における大きさα、及び、電極指太幅部の電極指が延びる方向における大きさβを種々変更し、リターンロス特性を評価した。結果を図7、図8に示す。
図7において、実線は、α=0.75λの場合のリターンロスを示しており、破線は、α=0.5λ、一点鎖線はα=1λの場合のリターンロス特性及び、インピーダンス特性を示している。図7(a)より浮き電極101の電極指が伸びる方向における大きさαが0.5λでは、リターンロスのワースト値が-4.0dB程度と大きいのに対し、0.75λ及び1λではリターンロスのワースト値がそれぞれ-2.6dB、-1.6dB程度と小さいことが分かる。また、図7(b)から明らかなように、浮き電極101の電極指が伸びる方向における大きさαが0.5λの場合に比べて、0.75λ及び1λの場合ではインピーダンス特性が良好なことが分かる。従って、浮き電極101の電極指が伸びる方向における大きさαが0.75λ以上では、横モードのリップルを効果的に抑圧することができる。なお、浮き電極101の電極指が伸びる方向における大きさαは3λ以下としてもよい。この場合、生産性が向上しやすくなる。
また、図8において、一点鎖線はβ=0.2λ、破線はβ=0.4λ、実線はβ=0.5λ、二点鎖線はβ=0.6λのリターンロス特性及び、インピーダンス特性を示す図である。図8(a)から明らかなように、βが0.2λの場合にはリターンロスのワースト値が-2.0dB程度である一方、βが0.4λ、0.5λ、0.6λの場合はリターンロスのワースト値が-1.2dB~-1.7dB程度に抑えられている。また、図8(b)でも、βが0.2λの場合に比べて、βが0.4λ、0.5λ、0.6λの場合ではインピーダンス特性が良好なことが分かる。したがって、電極指太幅部の電極指が伸びる方向における大きさβが0.4λ≦β≦0.6λの場合、横モードのリップルを効果的に抑圧することができる。
(第1の実施形態の変形例)
図9は、第1の実施形態の弾性波装置1の変形例1の電極構造と各領域の音速を示す部分切欠き平面図である。変形例1に係る弾性波装置1では、浮き電極101が太幅部を有すること及び、浮き電極101の領域と中央領域C1との音速関係を除いては、第1の実施形態の弾性波装置1と同様に構成されている。
図9は、第1の実施形態の弾性波装置1の変形例1の電極構造と各領域の音速を示す部分切欠き平面図である。変形例1に係る弾性波装置1では、浮き電極101が太幅部を有すること及び、浮き電極101の領域と中央領域C1との音速関係を除いては、第1の実施形態の弾性波装置1と同様に構成されている。
変形例1に係る浮き電極101は、電極指の延びる方向と直交する方向を幅方向とした場合、少なくとも2つの異なった幅方向の寸法を有する。より詳細には、浮き電極101に太幅部を設けており、複数の幅方向の寸法のうち、幅方向の寸法が最も大きい部分を第1太幅部36と称する。その場合、浮き電極101は、第1太幅部36と第1太幅部36でない部分とで、少なくとも2つの異なった幅方向の寸法を有する。
変形例1に係る弾性波装置1における各領域の音速は、図9(b)に示す通りとなる。
中央領域C1の音速はV1、第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3の音速はV2、バスバー領域Fの音速はV4とする。第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3とバスバー領域Fとの間の第1領域D及び、第2領域Eには、複数の異なった音速があり、第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3と浮き電極101との間の領域の音速をV31、浮き電極の第1太幅部36の領域の音速をV32、浮き電極の第1太幅部36でない領域の音速をV33、浮き電極101とバスバー領域Fとの間の領域の音速をV34とする。その場合、音速V1、V2,V31~V34、V4には、V34≒V31>V4>V1≒V33>V32>V2の関係がある。
このとき、浮き電極の第1太幅部36の音速V32がバスバー領域Fの音速V4及び、中央領域C1の音速V1よりも低速になるため、浮き電極の第1太幅部36の領域は低音速領域となる。従って、高音速領域が更に減少することで、第1の実施形態と比較して、横モードのリップルを更に抑制することができる。
また、図9(b)で示すように、第1領域D(図3参照)において、第1電極指33の先端が第2バスバー32に向かって延びる延長線47上に電極指の延びる方向に伸びた部材(ここでは浮き電極)が位置している。同様にして、第2領域E(図3参照)において、第2電極指34の先端が第1バスバー31に向かって延びる延長線48上に電極指の延びる方向に伸びた部材(ここでは浮き電極)が位置している。なお、電極指の延びる方向に伸びた部材は、延長線47または、延長線48の少なくとも一方の線上にあればよい。また、延長線上に部材が位置する場合には、部材が延長線の上のみに位置する場合だけではなく、部材の少なくとも一部が延長線と平面視して重なるように位置する場合も含まれるものとする。
このとき、浮き電極101は、電極指が伸びる方向において電極指と直線上に整列して配置されるため、延長線47、48上に浮き電極101が位置しない場合と比較して、製造が容易である。
図10では、弾性波装置1において、浮き電極の第1太幅部36の有無によるリターンロス特性及び、インピーダンス特性をシミュレーションにて評価した結果を示す。なお、図10(a)に示すリターンロスの値は、リターンロスが最も悪化している部分の値(ワースト値)を示す。
図10において、実線は、浮き電極101に第1太幅部36がある場合のリターンロスを示しており、破線は、浮き電極101に第1太幅部36がない場合のリターンロスを示している。図10(a)から明らかなように、浮き電極101に第1太幅部36がない場合、リターンロスのワースト値は-1.66dBである一方で、浮き電極101に第1太幅部36がある場合、ワースト値は-1.39dBと改善されていることが分かる。また、図10(b)より、浮き電極に第1太幅部36がある場合、インピーダンス特性も良好であることが分かる。従って、浮き電極101に第1太幅部36を設けると、横モードのリップルを効果的に抑圧し得ることが分かる。なお、ここでの浮き電極101の第1太幅部36は、電極指が伸びる方向(y方向)における大きさγが0.5λである。
(第1の実施形態に係る弾性波装置の変形例2)
図11は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置1の変形例2の電極構造を示す部分切欠き平面図である。変形例2の電極構造では、第1領域D及び、第2領域Eにおいて、弾性波伝播方向に沿って長辺を有する矩形状の浮き電極101が形成されている。
図11は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置1の変形例2の電極構造を示す部分切欠き平面図である。変形例2の電極構造では、第1領域D及び、第2領域Eにおいて、弾性波伝播方向に沿って長辺を有する矩形状の浮き電極101が形成されている。
本構造においても、第1領域D及び、第2領域Eの一部の音速が、バスバー領域Fの音速よりも低い。より詳細には、第1領域D及び、第2領域Eのうち浮き電極101が形成されている領域の音速が、バスバー領域Fの音速よりも低い。従って、第1の実施形態の場合と同様に、横モードのリップルを抑圧することができる。
(第2の実施形態)
図12は、本発明の第2の実施形態に係る弾性波装置3の電極構造と各領域の音速を示す部分切欠き平面図である。第2の実施形態の弾性波装置3では、第1領域D及び、第2領域Eにおける電極の構造及び、第1領域D及び、第2領域Eの音速が、図3に示した音速関係と異なることを除いては、第1の実施形態の弾性波装置1と同様に構成されている。
図12は、本発明の第2の実施形態に係る弾性波装置3の電極構造と各領域の音速を示す部分切欠き平面図である。第2の実施形態の弾性波装置3では、第1領域D及び、第2領域Eにおける電極の構造及び、第1領域D及び、第2領域Eの音速が、図3に示した音速関係と異なることを除いては、第1の実施形態の弾性波装置1と同様に構成されている。
第2の実施形態に係る弾性波装置3のIDT電極11は、第1領域D及び、第2領域Eにおいて、電極指の延びる方向(y方向)に延びた部材、ここではダミー電極指102を有する。ダミー電極指102は弾性波伝播方向(x方向)に沿って設けられ、ダミー電極指102の先端は電極指の先端側の電極指太幅部38と対向しており、ダミー電極指102の基端は第1バスバー31或いは、第2バスバー32に接続されている。
また、第2の実施形態の弾性波装置3における各領域の音速関係は、図12に示す通りとなる。
中央領域C1の音速はV1、第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3の音速はV2、バスバー領域Fの音速はV4とする。第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3とバスバー領域Fとの間の領域には、音速が異なる第1領域D及び第2領域Eがあり、第1エッジ領域C2とダミー電極指102の先端との間の領域の音速をV31、ダミー電極指102の領域の音速をV32とする。その場合、音速V1、V2,V31、V32、V4には、V31>V4>V1≒V32>V2の関係がある。特に、V4>V32であることから第1領域D及び、第2領域Eの一部の音速が、バスバー領域Fの音速よりも低いことが分かる。
このような音速関係を有するようにIDT電極11を構成することで、第1領域D及び、第2領域Eの一部の音速が、バスバー領域の音速よりも低く、第2の実施形態の弾性波装置3においても、第1の実施形態と同様に、横モードのリップルを抑制することができる。
図13は、弾性波装置3において、第1領域D及び、第2領域Eにおけるダミー電極指102の有無によるリターンロス特性及び、インピーダンス特性を示す図である。図13において、実線は、ダミー電極が配置されている場合を示しており、破線はダミー電極が配置されていない場合を示している。
図13(a)から明らかなように、ダミー電極指102がある場合、ダミー電極指102が無い場合と比較してリターンロスのワースト値が-4.7dBから、-1.2dB程度まで改善されている。また、図13(b)より、ダミー電極指102がある場合、インピーダンス特性も良好であることが分かる。すなわち、ダミー電極指102を設ければ、横モードのリップルを効果的に抑圧できることが分かる。なお、ここでのダミー電極指102は、弾性表面波の波長をλとしたときに、電極指が延びる方向(y方向)における大きさが1λである。
上記の結果を踏まえ、弾性波装置2において、図14に示す、ダミー電極指102の電極指が伸びる方向(y方向)における大きさδ、及び、電極指の電極指太幅部38における、電極指が伸びる方向における長さεを種々変更し、リターンロス特性及び、インピーダンス特性を評価した。結果を図15、図16に示す。
まず、図15では、ダミー電極指102の電極指が伸びる方向における大きさδについて、細かい破線はδ=0.25λ、実線はδ=0.5λ、粗い破線はδ=1λ、一点鎖線はδ=1.5λ、二点鎖線はδ=2λの場合を示している。図15(a)より大きさがδ=0.25λのときは、リターンロスがー1.33dBであるのに対し、大きさがδ=0.5λ、1λ、1.5λ、2λのときは、リターンロスがー1.0dB程度に改善されていることが分かる。また、図15(b)を参照しても、大きさがδ=0.5λ、1λ、1.5λ、2λのとき、良好である。従って、ダミー電極指102の伸びる方向における大きさδが0.5λ以上とすれば、更に横モードのリップルを効果的に抑圧できる。なお、ダミー電極指102の伸びる方向における大きさδは3λ以下としてもよい。この場合、生産性が向上しやすくなる。
図16において、一点鎖線はε=0.2λ、実線はε=0.5λ、破線はε=0.6λの場合のインピーダンス特性及び、リターンロス特性を示している。図16(a)から明らかなように、電極指の電極指太幅部38における大きさεが0.2λの場合に比べ、ε=0.5λ、0.6λの場合、リターンロスのワースト値が明らかに抑えられていることが分かる。また、図16(b)を参照すると、インピーダンス特性においても、特に2640hz付近におけるリップルが、ε=0.5λ、0.6λの場合、良好であることがわかる。従って、電極指の電極指太幅部38における大きさεが0.5λ以上の場合、横モードのリップルを更に抑制できる。なお、電極指の電極指太幅部38における、電極指が伸びる方向における長さεは2λ以下としてもよい。この場合、生産性が向上しやすくなる。
(第2の実施形態の変形例)
図17は、第2の実施形態の弾性波装置3の変形例1の電極構造と各領域の音速を示す部分切欠き平面図である。変形例1に係る弾性波装置3では、ダミー電極指102が太幅部を有していること及び、ダミー電極指102と中央領域C1との音速関係を除いては、第2の実施形態の弾性波装置3と同様に構成されている。
図17は、第2の実施形態の弾性波装置3の変形例1の電極構造と各領域の音速を示す部分切欠き平面図である。変形例1に係る弾性波装置3では、ダミー電極指102が太幅部を有していること及び、ダミー電極指102と中央領域C1との音速関係を除いては、第2の実施形態の弾性波装置3と同様に構成されている。
変形例1に係る弾性波装置1のダミー電極指102は、電極指の延びる方向と直交する方向を幅方向とした場合、少なくとも2つの異なった幅方向の寸法を有する。詳細には、ダミー電極指102における基端の幅方向の寸法より、先端の幅方向の寸法が大きくされている。そして、ダミー電極指102における幅方向の寸法が最も大きい太幅部を第2太幅部37と称する。
続いて、変形例1に係る弾性波装置3における各領域の音速は、図17(b)に示す通りとなる。
中央領域C1の音速はV1、第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3の音速はV2、バスバー領域Fの音速はV4とする。第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3とバスバー領域Fとの間の第1領域Dには、複数の音速が異なった領域があり、第1エッジ領域C2とダミー電極指の第2太幅部37との間の領域の音速をV31、ダミー電極指の第2太幅部37の領域の音速をV32、ダミー電極指の第2太幅部で37ない領域の音速をV33とする。その場合、音速V1、V2,V31~V33、V4には、V31>V4>V1≒V33>V32>V2の関係がある。
このとき、ダミー電極指の第2太幅部37の音速V32がバスバー領域Fの音速V4及び、中央領域C1の音速V1よりも低速になるため、ダミー電極指の第2太幅部37の音速は低音速領域となる。従って、高音速領域が減少することで、横モードのリップルを更に抑制することができる。
図18では、弾性波装置3において、ダミー電極指の第2太幅部37の有無によるリターンロス特性及び、インピーダンス特性をシミュレーションにて評価した結果を示す。なお、図18(a)に示すリターンロスの値は、リターンロスが最も悪化している部分の値(ワースト値)を示す。
図18中、実線は、ダミー電極指102に第2太幅部37がある場合のリターンロスを示しており、破線は、ダミー電極指102に第2太幅部37がない場合のリターンロスを示している。図18(a)から明らかなように、ダミー電極指に第2太幅部37がない場合、リターンロスのワースト値は-1.18dBである一方で、ダミー電極指に第2太幅部37がある場合、ワースト値は-0.93dBと改善されていることが分かる。
また、図18(b)から明らかなように、インピーダンス特性においても、特に2600MHz付近において、ダミー電極指102に第2太幅部37がある場合、第2太幅部がない場合に比べて良好であることから、横モードのリップルを効果的に抑圧し得ることが分かる。
上述のように、高音速材料層、低音速材料層14及び、圧電膜10が積層された弾性波装置1において、ダミー電極指102を形成することで、高音速領域を減らし、横モードのリップルを抑圧できることが分かる。また、ダミー電極指102、ダミー電極指の第2太幅部37の有無や、大きさを設定することで更に横モードのリップルを抑圧できることが示された。
(第2の実施形態に係る弾性波装置の変形例2~4)
図19(a)~(c)は、本発明の第2の実施形態に係る弾性波装置1の変形例2~4の電極構造を示す部分切欠き平面図である。
図19(a)~(c)は、本発明の第2の実施形態に係る弾性波装置1の変形例2~4の電極構造を示す部分切欠き平面図である。
まず、図19(a)は、本発明の第2の実施形態に係る弾性波装置1の変形例2の電極構造を示す部分切欠き平面図である。第1領域Dにのみ、電極指が伸びる方向に伸びた部材として、ここでは、ダミー電極指102が形成されている。
次に、図19(b)は、本発明の第2の実施形態に係る弾性波装置1の変形例3の電極構造を示す部分切欠き平面図である。第1領域D及び、第2領域Eにおいて、ダミー電極指102が、弾性波伝播方向に連続的でなく、断続的に形成されている。より詳細には、第1領域D及び、第2領域Eにおける、各電極指と該電極指に対向するバスバーとの間の全てにおいてダミー電極指102が形成される必要はなく、一部においてダミー電極指102が形成されている。
続いて、図19(c)は、本発明の第2の実施形態に係る弾性波装置1の変形例4の電極構造を示す部分切欠き平面図である。第1領域D及び、第2領域Eにおいて、弾性波伝播方向に沿って長辺を有する矩形状のダミー電極指102が形成されている。
上述の図19(a)~(c)に係る構造においても、第1領域D、第2領域Eの一部の音速が、バスバー領域Fの音速よりも低い。従って、第1及び第2の実施形態の場合と同様に、横モードのリップルを抑圧することができる。
なお、図19に示した変形例2~4に関して、第1領域D或いは第2領域Eに形成された部材は矩形状のダミー電極指102であるが、これは例示的なものであり、浮き電極101等の構成に置換または組み合わせが可能である、また、形状についても矩形に限定されず、正方形、円形等の形状であってもよい。
(実施形態3)
図20は、第3の実施形態に係る弾性波装置4の正面断面図である。弾性波装置4は、
支持基板13A上に、高音速材料層13B、低音速材料層14及びタンタル酸リチウムからなる圧電膜10が積層されている。高音速材料層13Bが設けられているため、支持基板13Aは高音速材料以外の材料で形成されていてもよい。もっとも、支持基板13Aは、高音速材料からなるものであってもよい。
図20は、第3の実施形態に係る弾性波装置4の正面断面図である。弾性波装置4は、
支持基板13A上に、高音速材料層13B、低音速材料層14及びタンタル酸リチウムからなる圧電膜10が積層されている。高音速材料層13Bが設けられているため、支持基板13Aは高音速材料以外の材料で形成されていてもよい。もっとも、支持基板13Aは、高音速材料からなるものであってもよい。
本形態に係る弾性波装置4は、高音速材料膜としての高音速材料層が、図2に示した高音速材料層とは異なることを除いては、同様に構成されている。詳細には、図2においては高音速材料層が高音速支持基板13であり、図20においては、高音速材料層13Bが、それを支持している支持基板13Aをさらに備えるという点のみが異なる。従って、本質的に、第1領域D及び第2領域Eの音速の一部がバスバー領域Fの音速よりも低速であることには変わりがないため、第3の実施形態の弾性波装置4においても、横モードリップルを抑制することができる。
高音速支持基板13の材料は、例えばシリコンである。なお、支持基板7の材料は、シリコンに限定されず、サファイア、リチウムタンタレート、リチウムニオベイト、若しくは水晶等の圧電体、アルミナ、マグネシア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト等の各種セラミック、若しくは、ガラス等の誘電体、又は、窒化ガリウム等の半導体及び樹脂基板等であってもよい。
なお、図2や図20に示した高音速材料層、低音速材料層14、圧電膜10を含む積層型基板を用いる場合、圧電膜10の厚みは、弾性波表面波の波長をλとした場合、3.5λ以下であることが好ましい。仮に、タンタル酸リチウムの膜厚が3.5λより厚くなると、Q特性が劣化することが上述の特許文献1より知られている。従って、Q特性を高めるためには、タンタル酸リチウムの膜厚は、3.5λ以下であることが望ましい。
なお、上述した高音速材料としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化シリコン、DLC膜を用いることができる。
また、上記低音速材料としては、酸化ケイ素もしくは酸窒化ケイ素などの無機絶縁物材
料や、樹脂材料などを用いることができる。
料や、樹脂材料などを用いることができる。
もっとも、高音速材料及び低音速材料としては、前述した音速関係を満たす限り、適宜
の材料の組み合わせを用いることができる。
の材料の組み合わせを用いることができる。
支持基板としては、サファイア、リチウムタンタレート、リチュウムニオベイト、水晶等の圧電体、アルミナ、マグネシア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト等の各種セラミック、ガラス等の誘電体またはシリコン、窒化ガリウム等の半導体及び樹脂基板等を用いることができる。
(第4の実施形態)
図21では、第4の実施形態に係る弾性波装置5の要部を示す部分切欠き平面図である。第4の実施形態に係る弾性波装置5では、第1電極指33及び第2電極指34の太幅部の有無を除いては、第1の実施形態の弾性波装置1と同様に構成されている。
図21では、第4の実施形態に係る弾性波装置5の要部を示す部分切欠き平面図である。第4の実施形態に係る弾性波装置5では、第1電極指33及び第2電極指34の太幅部の有無を除いては、第1の実施形態の弾性波装置1と同様に構成されている。
第4の実施形態に係る弾性波装置5の電極指21においては、上述の通り、実施形態1のような電極指太幅部38は有さない。但し、図21(a)で示すように、第1電極指33及び第2電極指34の第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3に位置している部分において、質量付加膜としての誘電体膜15が積層されている。それによって第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3における音速が中央領域C1よりも低められている。
なお、上述の誘電体膜15は、第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3において、弾性波伝搬方向から見て、第1及び第2電極指の上方(電極指の圧電膜側の面とは反対側の面)に積層されていてもよいし、下方(電極指と圧電膜との間)に積層されていてもよい。また、誘電体膜15が図21(b)に示すように、IDT電極11を覆うように設けられていてもよい。この場合、IDT電極11を保護することができ、かつ周波数調整を行なうことができる。すなわち、誘電体膜15の厚みや材料を調整することにより、周波数を調整することができる。
上記の実施形態4においても、第1及び第2電極指33,34の第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3に位置している部分において、誘電体膜15が積層されていることにより、第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3の音速が低音速になる。その上、第1の実施形態と同様に、第1領域D及び、第2領域Eの一部の音速が、バスバー領域Fの音速よりも低いことで、横モードのリップルを抑圧することができる。
(その他の変形例など)
上述に記載の実施形態においては、第1電極指33及び第2電極指34の全てが、先端側及び基端側に電極指太幅部38を有している。しかし、電極指太幅部38が位置する第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3の音速が低音速になるならば、第1電極指33及び第2電極指34のうち、一方のみに電極指太幅部38が設けられていてもよい。また、電極指太幅部38の数についても、1つの電極指において1つの電極指太幅部38のみが先端或いは、基端に設けられていてもよいし、すべての電極指に必ずしも電極指太幅部38を設ける必要はない。
上述に記載の実施形態においては、第1電極指33及び第2電極指34の全てが、先端側及び基端側に電極指太幅部38を有している。しかし、電極指太幅部38が位置する第1エッジ領域C2及び第2エッジ領域C3の音速が低音速になるならば、第1電極指33及び第2電極指34のうち、一方のみに電極指太幅部38が設けられていてもよい。また、電極指太幅部38の数についても、1つの電極指において1つの電極指太幅部38のみが先端或いは、基端に設けられていてもよいし、すべての電極指に必ずしも電極指太幅部38を設ける必要はない。
また、浮き電極101が有する第1太幅部36においても、そのすべての浮き電極101が第1太幅部36を有する必要はない。第1領域D及び、第2領域Eの一部の音速が、バスバー領域Fの音速よりも低くなるならば、一部の浮き電極のみが第1太幅部36を有する構成であってもよい。同様にして、ダミー電極指102が有する第2太幅部37においても、一部のダミー電極指102のみが第2太幅部37を有する構成であってもよいことを確認しておく。
第1~第4の実施形態では、1ポート型弾性波共振子につき説明したが、本発明においては、IDT電極が上記構造を有する限り、弾性波フィルタなどの他の電極構造を有する弾性波装置であってもよい。
また、上記実施の形態及び変形例では、弾性表面波装置を有する弾性波装置を例示したが、上記実施の形態及び変形例における弾性表面波とは、圧電体の表面、もしくは、複数の材料の界面に伝搬する弾性波を含み、IDT電極を用いて構成される様々な種類の弾性波を指す。弾性表面波には、例えば、ラブ波、リーキー波、レイリー波、疑似SAW、板波も含まれる。
1…弾性波装置
10…圧電膜
10a…圧電膜の一主面
11…IDT電極
12,12a,12b…反射器
13…高音速支持基板
13A…支持基板
13B…高音速材料層
14…低音速材料層
31…第1バスバー
32…第2バスバー
33…第1電極指
34…第2電極指
36…第1太幅部
37…第2太幅部
38…電極指太幅部
47、48…延長線
60…弾性波伝播方向
61…電極指の延びる方向
62…電極指の延びる方向と直交する方向
63…幅方向
100…部材
101…浮き電極
102…ダミー電極指
103…質量付加膜
10…圧電膜
10a…圧電膜の一主面
11…IDT電極
12,12a,12b…反射器
13…高音速支持基板
13A…支持基板
13B…高音速材料層
14…低音速材料層
31…第1バスバー
32…第2バスバー
33…第1電極指
34…第2電極指
36…第1太幅部
37…第2太幅部
38…電極指太幅部
47、48…延長線
60…弾性波伝播方向
61…電極指の延びる方向
62…電極指の延びる方向と直交する方向
63…幅方向
100…部材
101…浮き電極
102…ダミー電極指
103…質量付加膜
Claims (18)
- 圧電膜と、
前記圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも高速のバルク波が伝搬する高音速材料層と、
前記圧電膜を伝搬するバルク波の音速よりも低速のバルク波が伝搬する低音速材料層と、
前記圧電膜上に設けられたIDT電極とを備え、
前記高音速材料層上に、前記低音速材料層、前記圧電膜がこの順番に積層されており、
前記IDT電極が、対向し合っている第1バスバー及び第2バスバーと、前記第1バスバーに基端が接続されており、先端が前記第2バスバーに向かって延ばされている複数本の第1電極指と、前記第2バスバーに基端が接続されており、先端が前記第1バスバーに向かって延ばされている複数本の第2電極指とを有し、
前記第1電極指と前記第2電極指とが弾性波伝搬方向に重なり合っている領域を交差領域とした場合、前記交差領域が、中央領域と、前記中央領域と前記第1バスバーとの間に設けられた第1エッジ領域と、前記中央領域と前記第2バスバーとの間に設けられた第2エッジ領域とを有し、
前記第1エッジ領域の音速、及び、前記第2エッジ領域の音速が、前記中央領域の音速よりも低く、
前記第1バスバーと、前記第2バスバーとが設けられている領域をバスバー領域としたとき、前記バスバー領域の音速は、前記中央領域の音速よりも高く、
前記第1エッジ領域と前記第1バスバーとで挟まれる領域を第1領域とし、前記第2エッジ領域と前記第2バスバーとで挟まれる領域を第2領域としたとき、前記第1領域及び、第2領域の一部の音速は、前記バスバー領域の音速よりも低い、弾性波装置。 - 支持基板と、
タンタル酸リチウム或いは、ニオブ酸リチウムからなる圧電膜と、
窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化シリコン、及び、DLC膜、からなる群から選択された少なくとも1種の材料からなる高音速材料層と、
酸化ケイ素からなる低音速材料層と、
前記圧電膜上に設けられたIDT電極とを備え、
前記支持基板上に、前記高音速材料層、前記低音速材料層、前記圧電膜がこの順番に積層されており、
前記IDT電極が、対向し合っている第1バスバー及び第2バスバーと、前記第1バスバーに基端が接続されており、先端が前記第2バスバーに向かって延ばされている複数本の第1電極指と、前記第2バスバーに基端が接続されており、先端が前記第1バスバーに向かって延ばされている複数本の第2電極指とを有し、
前記第1電極指と前記第2電極指とが弾性波伝搬方向に重なり合っている領域を交差領域とした場合、前記交差領域が、中央領域と、前記中央領域と前記第1バスバーとの間に設けられた第1エッジ領域と、前記中央領域と前記第2バスバーとの間に設けられた第2エッジ領域とを有し、
前記第1エッジ領域の音速、及び、前記第2エッジ領域の音速が、前記中央領域の音速よりも低く、
前記バスバーが設けられている領域をバスバー領域としたとき、前記バスバー領域の音速は、前記中央領域の音速よりも高く、
前記第1エッジ領域と前記第1バスバーとで挟まれる領域を第1領域とし、前記第2エッジ領域と前記第2バスバーとで挟まれる領域を第2領域としたとき、
前記第1領域及び、第2領域の一部の音速は、前記バスバー領域の音速よりも低い、弾性波装置。 - タンタル酸リチウム或いは、ニオブ酸リチウムからなる圧電膜と、
サファイア、水晶、炭化ケイ素、及び、シリコン、からなる群から選択された少なくとも1種の材料からなる高音速支持基板と、
酸化ケイ素からなる低音速材料層と、
前記圧電膜上に設けられたIDT電極とを備え、
前記高音速材料層上に、前記低音速材料層、前記圧電膜がこの順番に積層されており、
前記IDT電極が、対向し合っている第1及び第2バスバーと、前記第1バスバーに基端が接続されており、先端が前記第2バスバーに向かって延ばされている複数本の第1電極指と、前記第2バスバーに基端が接続されており、先端が前記第1バスバーに向かって延ばされている複数本の第2電極指とを有し、
前記第1電極指と前記第2電極指とが弾性波伝搬方向に重なり合っている領域を交差領域とした場合、前記交差領域が、中央領域と、前記中央領域と前記第1バスバーとの間に設けられた第1エッジ領域と、前記中央領域と前記第2バスバーとの間に設けられた第2エッジ領域とを有し、
前記第1及び、前記第2エッジ領域の音速が、前記中央領域の音速よりも低く、
前記バスバーが設けられているバスバー領域の音速は、前記中央領域の音速よりも高く、
前記第1エッジ領域と前記第1バスバーとで挟まれる領域を第1領域とし、前記第2エッジ領域と前記第2バスバーとで挟まれる領域を第2領域としたとき、
前記第1領域及び、第2領域の一部の音速は、前記バスバー領域の音速よりも低い、弾性波装置。 - 前記第1電極指、及び、前記第2電極指の延びる方向と直交する方向を幅方向とした場合、前記第1電極指、及び、前記第2電極指の少なくとも一方において、前記第1電極指、及び、前記第2電極指の延びる方向中央に比べて幅方向の寸法が大きくされている電極指太幅部が、前記第1及び、前記第2エッジ領域の少なくとも一方に設けられている、請求項1~3のいずれか1項に記載の弾性波装置。
- 前記第1領域及び、第2領域の少なくとも一方に、部材が配置された、請求項1~4のいずれか1項に記載の弾性波装置。
- 前記部材は、前記第1電極指及び前記第2電極指の延びる方向に延びている、請求項5に記載の弾性波装置。
- 前記部材が前記第1バスバー、及び、第2バスバーに接続されていない浮き電極である、請求項5または6に記載の弾性波装置。
- 前記浮き電極において、前記第1電極指及び前記第2電極指の延びる方向の大きさが、0.75λ以上である、請求項7に記載の弾性波装置。
- 前記第1電極指、及び、前記第2電極指における前記電極指太幅部において、前記電極指の延びる方向の大きさが、0.4λ以上かつ、0.6λ以下である、請求項7または8に記載の弾性波装置。
- 前記第1電極指、及び、前記第2電極指の延びる方向と直交する方向を幅方向とした場合、前記浮き電極において、相対的に幅方向の寸法が大きくされている第1太幅部が設けられている、請求項7~9のいずれか1項に記載の弾性波装置。
- 前記部材が、前記第1バスバー、或いは、第2バスバーに基端が接続されたダミー電極指である、請求項5または6に記載の弾性波装置。
- 前記ダミー電極指において、前記第1電極指及び前記第2電極指の延びる方向の大きさが、0.5λ以上である、請求項11に記載の弾性波装置。
- 前記第1電極指、及び、前記第2電極指における前記電極指太幅部において、前記電極指の延びる方向の大きさが、0.5λ以上である、請求項11または12に記載の弾性波装置。
- 前記第1電極指、及び、前記第2電極指の延びる方向と直交する方向を幅方向とした場合、前記ダミー電極指において、前記第1或いは、前記第2バスバーに接続されている前記基端に比べて幅方向寸法が大きくされている第2太幅部が設けられている、請求項11~13のいずれか1項に記載の弾性波装置。
- 前記高音速材料層が、高音速支持基板である、請求項1に記載の弾性波装置。
- 前記高音速材料層を支持している支持基板をさらに備える、請求項1に記載の弾性波装置。
- 前記第1エッジ領域、及び、前記第2エッジ領域の少なくとも一部において、前記第1電極指、及び、前記第2電極指上に質量付加膜が設けられている、請求項1~16のいずれか1項に記載の弾性波装置。
- 前記第1領域或いは前記第2領域において、
前記第1電極指及び前記第2電極指の延びる方向に伸びた部材は、前記第1電極指、及び、前記第2電極指の前記先端が、前記第1バスバー、或いは、第2バスバーに向かって前記第1電極指及び前記第2電極指の延びる延長線上に位置している、請求項1~17のいずれか1項に記載の弾性波装置。
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