JP6335492B2 - 弾性波素子 - Google Patents

Description

本発明は、弾性波素子に関し、例えばＩＤＴを有する弾性波素子に関する。

移動体通信機器に用いられるフィルタやデュープレクサには、弾性波素子が用いられる。このような弾性波素子として、弾性表面波素子、弾性境界波素子またはラブ波素子が用いられる。これらの弾性波素子は、圧電基板上に形成されたＩＤＴ（Interdigital Transducer）を有する。特許文献１から７にはＩＤＴが励振した弾性波を端面で反射する端面反射型の弾性波素子が記載されている。

特開平７−２６３９９８号公報 特開２０００−５９１７５号公報 特開２００１−３３９２７１号公報 特開２００１−９４３７４号公報 特開２００１−３３９２７１号公報 特開２００２−３６８５７６号公報 特開２００７−２０２３４号公報

端面反射型の弾性波素子は、ＩＤＴが励振した弾性波を反射器を用い反射する弾性波素子に比べ、反射器が不要であり、小型化が可能となる。また、ＩＤＴと反射器との間で発生するバルク波を制御することで、低損失化が可能になる。

しかしながら、端面反射型の弾性波素子においては、最も端面側の電極指の幅を、その他の電極指の幅の１／２とする。電極指の幅は弾性波を励振させる信号の周波数が高くなると細くなる。このように細い電極指を形成するため、安価で容易な弾性波素子の製造が困難となる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、安価で容易な製造を可能とすることを目的とする。

本発明は、圧電基板と、
前記圧電基板上に形成されたＩＤＴと、前記ＩＤＴの弾性波の伝搬方向の少なくとも１つの端部に形成された前記圧電基板の端面と、具備し、前記ＩＤＴの最も端面側の電極指の内側端と前記端面との距離は、前記ＩＤＴが励振する弾性波の波長をλ、前記ＩＤＴのメタライゼーションレシオをＤとしたとき、７λ／１６＋Ｄ×λ／４以上かつ３λ／４＋Ｄ×λ／４以下であり、前記最も端面側の電極指の幅はＤ×λ／２より大きいことを特徴とする弾性波素子である。

本発明は、圧電基板と、前記圧電基板上に形成され、一対のくし型電極を有し、前記一対のくし型電極の一方の電極指と前記一対のくし型電極の他方の電極指とは互い違いに設けられたＩＤＴと、前記ＩＤＴの弾性波の伝搬方向の少なくとも１つの端部に形成された前記圧電基板の端面と、を具備し、前記ＩＤＴの最も端面側の電極指の内側端と前記端面との距離は、前記ＩＤＴが励振する弾性波の波長をλ、前記ＩＤＴのメタライゼーションレシオをＤとしたとき、３．５λ／１６＋Ｄ×λ／４以下であり、かつ、前記ＩＤＴの最も端面側の電極指の幅はＤ×λ／２より大きいことを特徴とする弾性波素子である。

上記構成において、前記端面は、前記圧電基板に形成された溝の側面である構成とすることができる。

上記構成において、前記ＩＤＴの最も端面側の電極指の前記端面側の側面と前記端面とは同一面である構成とすることができる。

上記構成において、前記ＩＤＴの最も端面側の電極指の前記端面側の側面と前記端面とは離間している構成とすることができる。

上記構成において、前記圧電基板は、３６°以上かつ４８°以下ＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウム基板である構成とすることができる。

本発明によれば、安価で容易な製造を可能となる。

図１は、比較例１に係る弾性波素子の平面図である。 図２（ａ）は比較例２に係る弾性波素子の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図３は、比較例２および比較例３に係る弾性波素子における周波数に対する共振子のＱ値を示す図である。 図４（ａ）は実施例１に係る弾性波素子の平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図５は、比較例２および実施例１に係る弾性波素子の周波数に対する共振子のＱ値を示す図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、端面の位置を変化させた場合の弾性波素子の平面図である。 図７は、実施例１における距離Ｌ２に対するバルク放射量を示す図である。 図８（ａ）は、実施例２に係る弾性波素子の平面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図９（ａ）は、実施例３に係る弾性波素子の平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１０（ａ）は、実施例４に係る弾性波素子の平面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

まず、反射器を有する弾性波素子を比較例１として説明する。図１は、比較例１に係る弾性波素子の平面図である。図１に示すように、比較例１に係る弾性波素子１１０において、圧電基板１０上にＩＤＴ１１および反射器２２が形成されている。ＩＤＴ１１は、くし型電極１５ａおよび１５ｂを有している。反射器２２は、ＩＤＴ１１が励振した弾性波の伝搬方向の両側に設けられておりＩＤＴ１１が励振した弾性波を反射する。反射器２２は、例えば２０本以上の電極指を有するグレーティング反射器である。比較例１においては、反射器２２のスペースのため、小型化が難しい。また、ＩＤＴ１１と反射器２２との間においてバルク波が放射される。

次に、端面反射型の弾性波素子を比較例２として説明する。図２（ａ）は比較例２に係る弾性波素子の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、弾性波素子１１２おいては、圧電基板１０上にＩＤＴ１１が形成されている。ＩＤＴ１１は、対向する２つのくし型電極１５ａおよび１５ｂを有している。くし型電極１５ａは、電極指１２、１２ａおよびバスバー１４を有している。くし型電極１５ｂは、電極指１２およびバスバー１４を有している。圧電基板１０に端面２０が形成されている。最も端面２０側の電極指が電極指１２ａである。電極指１２の周期は、電極指１２が励振する弾性波の波長λに対応する。電極指１２の幅Ｗ１２はλ／４、電極指１２ａの幅Ｗ１２ａはλ／８である。

電極指１２は、弾性波を励振する。弾性波は、電極指１２が配列する方向に伝搬する。伝搬した弾性波は端面２０において反射する。このとき、幅Ｗ１２ａをλ／８とすることにより、端面２０で効率よく弾性波を反射できる。

比較例２においては、比較例１に比べ、反射器２２が不要となる。このため、弾性波素子の小型化が可能となる。また、ＩＤＴ１１と反射器２２との間におけるバルク波放射を抑制し、損失を向上できる。

しかしながら、例えば、周波数が２ＧＨｚの信号を取り扱う場合、λは２μｍ程度となる。よって、幅Ｗ１２ａは０．２５μｍとなる。周波数が１ＧＨｚの場合は、λは４μｍであり、幅Ｗ１２ａは０．５μｍとなる。このように、幅Ｗ１２ａが小さいと、電極指１２ａの形成工程が高価かつ複雑となる。

次に、電極指１２ａを削除した比較例３について説明する。特許文献１に電極指１２ａを削除することが記載されている。そこで、電極指１２ａを削除した比較例３に係る弾性波素子を考えた。電極指１２ａを形成しなければ、電極指１２より細いパターンがなくなり、電極指の形成工程が安価かつ容易となる。

圧電基板１０として４２°ＹカットＬｉＴｉＯ_３基板を用い、比較例２及び比較例３に係る弾性波素子のＱ値を計算した。

図３は、比較例２および比較例３に係る弾性波素子における周波数に対する共振子のＱ値を示す図である。実線は比較例２、破線は比較例３を示す。ｆｒは共振周波数、ｆａは***振周波数を示す。図３に示すように、比較例３は比較例２に比べＱ値が低く、特に、***振周波数以下においてＱ値が低い。このように、電極指１２ａを設けない場合、Ｑ値が低下することがわかった。

以下に、Ｑ値等の性能が劣化せず、安価かつ容易な製造が可能となる弾性波素子の実施例について説明する。

図４（ａ）は実施例１に係る弾性波素子の平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、弾性波素子１００において、圧電基板１０上にＩＤＴ１１が形成されている。圧電基板１０は、例えばＬｉＴａＯ_３基板またはＬｉＮｂＯ_３基板である。ＩＤＴ１１は、主にＳＨ振動を成分とする弾性波を励振する。ＩＤＴ１１は、例えばＡｌまたはＣｕを主成分とする金属膜である。ＩＤＴ１１はくし型電極１５ａおよび１５ｂを有している。くし型電極１５ａは、複数の電極指１２とバスバー１４を有している。複数の電極指１２は、電極指１２が励振する弾性波の伝搬方向に配列しており、弾性波の伝搬方向に直交する方向に延伸している。くし型電極１５ｂは、複数の電極指１２、電極指１６およびバスバー１４を有している。複数の電極指１２および１６は、電極指１２が励振する弾性波の伝搬方向に配列しており、弾性波の伝搬方向に直交する方向に延伸している。高周波信号用のフィルタでは、くし型電極１５ａと１５ｂとの電極指１２は互い違いに設けられている。また、電極指１２の対数を省略して図示している。

電極指１６は、最も端面２０に近い電極指である。電極指１６は、比較例２におけるくし型電極１５ａの電極指１２ａをくし型電極１５ｂと接続し、電極指１２ａと隣接する電極指１２とを同電位とする。さらに、くし型電極１５ｂの電極指１２と１２ｂとの間に、電極指１２ａと電極指１２と同電位の金属層１３を設ける。これにより、端面２０において比較例２と同程度に弾性波が反射される。弾性波の損失を抑制するため、端面２０は、圧電基板１０の上面に対しほぼ９０°であることが好ましい。

電極指１２、金属層１３および電極指１２ａの弾性波の伝搬方向の幅をそれぞれＷ１２，Ｗ１３およびＷ１２ａとする。電極指１２のメタライゼーションレシオをＤとする。メタライゼーションレシオＤは、弾性波の伝搬方向における電極指１２の割合を示す指標であり、Ｄ＝（Ｗ１２／（λ／２））＝（Ｗ１２×２）／λである。例えばＤ＝０．５のとき、電極指１２の幅と電極指１２間のスペースの幅とが等しい。

Ｗ１２＝Ｄ×λ／２、Ｗ１３＝（１−Ｄ）×λ／２、Ｗ１２ａ＝Ｄ×λ／４となる。電極指１６の内側から端面２０までの距離をＬ１とする。電極指１６の外側の側面と端面２０とが同一面の場合、電極指１６の幅Ｗ１６と距離Ｌ１とはほぼ等しい。よって、距離Ｌ１＝Ｗ１２＋Ｗ１３＋Ｗ１２ａ＝λ／２＋Ｄ×λ／４となる。この距離Ｌ１を基準距離Ｌ０とする。すなわち、Ｌ０＝λ／２＋Ｄ×λ／４である。

有限要素法を用い、比較例２および実施例１に係る弾性波素子のＱ値をシミュレーションした。シミュレーションにおいては、圧電基板１０を４２°ＹカットＬｉＴａＯ_３基板、ＩＤＴ１１をＡｌ膜、λ＝２μｍ、Ｄ＝０．５、およびＬ１＝５λ／８とした。

図５は、比較例２および実施例１に係る弾性波素子の周波数に対する共振子のＱ値を示す図である。実線は実施例１、破線は比較例２を示す。図５に示すように、実施例１のＱ値は比較例２と同等かそれ以上である。特に、共振周波数ｆｒと***振周波数ｆａとの間の周波数において、実施例１は比較例２よりＱ値が大きい。

次に、端面２０の位置を変化させた。図６（ａ）および図６（ｂ）は、端面２０の位置を変化させた場合の弾性波素子の平面図である。図６（ａ）に示すように、電極指１６の内側端から端面２０までの距離Ｌ１は、基準距離Ｌ０より短い。このとき、距離Ｌ１を基準距離Ｌ０から引いた距離Ｌ２＝Ｌ１−Ｌ０は負となる。図６（ｂ）に示すように、電極指１６の内側端から端面２０までの距離Ｌ１は、基準距離Ｌ０より長い。距離Ｌ１を基準距離Ｌ０から引いた距離Ｌ２＝Ｌ０−Ｌ１は正となる。

図７は、実施例１における距離Ｌ２を０．５λ／１６ずつ変化させた場合における端面２０からのバルク放射量をシミュレーションした結果を示す図である。バルク放射量が多いほど損失が大きいことを示している。シミュレーションにおいては、圧電基板１０を４２°ＹカットＬｉＴａＯ_３基板、ＩＤＴ１１をＡｌ膜、λ＝２μｍ、およびＤ＝０．５、Ｌ１＝５λ／８とした。

ドットは計算結果を示し、実線はドットをつなぐ線である。比較のため、端面２０を用いず、反射器を有する弾性波素子を比較例１とした。破線は比較例１のシミュレーション結果を示している。バルク放射量は任意単位で示している。

図７に示すように、距離Ｌ２が−０．５λ／１６から２λ／１６のとき、バルク放射量が底になる。距離Ｌ２が−０．５λ／１６より小さくなるとバルク放射量は急激に大きくなる。距離Ｌ２が２λ／１６より大きくなるとバルク放射量は緩やかに大きくなる。距離Ｌ２が−１λ／１６から４λ／１６のとき、バルク放射量が反射器を有する比較例１より小さくなる。また、距離Ｌ２を−１λ／１６以上かつ４λ／１６以下としたときの中心のＬ２は、１．５λ／１６となる。

電極指１２のメタライゼーションレシオＤを考慮すると、基準距離Ｌ０はＬ０＝λ／２＋Ｄ×λ／４である。したがって、電極指１６の内側端から端面２０までの距離Ｌ１＝Ｌ０＋Ｌ２の好ましい範囲は、λ／２＋Ｄ×λ／４−１λ／１６＝７λ／１６＋Ｄ×λ／４以上かつλ／２＋Ｄ×λ／４＋４λ／１６＝３λ／４＋Ｄ×λ／４以下となる。

以上のように、実施例１によれば、図４（ａ）および図４（ｂ）のように、ＩＤＴの最も端面２０側の電極指１２ａは、隣接する電極指１２と同電位であり、電極指１２ａと隣接する電極指１２との間に同電位である金属層１３が設けられている。このように、電極指１２ａ、１２および金属層１３により幅の広い電極指１６が形成される。よって、電極指の加工が容易となり、安価かつ容易な製造が可能となる。

電極指１６をＩＤＴの最も端面２０側の電極指とすれば、図７のように、電極指１６の内側端と端面との距離Ｌ１を、７λ／１６＋Ｄ×λ／４以上かつ３λ／４＋Ｄ×λ／４以下とする。これにより、バルク放射量を比較例１（反射器を用いた弾性波素子）以下とすることができる。すなわち、損失を比較例１以下とすることができる。よって、性能を向上させかつ安価で容易な製造が可能となる。距離Ｌ１は、７．５λ／１６＋Ｄ×λ／４以上が好ましく、８λ／１６＋Ｄ×λ／４以上がより好ましい。距離Ｌ１は、１１．５λ／１６＋Ｄ×λ／４以下が好ましく、１１λ／１６＋Ｄ×λ／４以下がより好ましい。

図８（ａ）は、実施例２に係る弾性波素子の平面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、弾性波素子１０２において、電極指１６の端面側の側面と端面２０とは離間していてもよい。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例２によれば、実施例１と同様に、距離Ｌ１を、７λ／１６＋Ｄ×λ／４以上かつ３λ／４＋Ｄ×λ／４以下とする。これにより、図７と同様に、バルク放射量を比較例１より小さくできる。よって、損失を抑制できる。また、電極指１６の幅Ｗ１６を電極指１２の幅Ｗ１２＝Ｄ×λ／２より広くする。これにより、弾性波素子の安価で容易な製造が可能となる。

実施例１のように、電極指１６の端面側の側面と端面２０とは同一面でもよいし、実施例２のように、電極指１６の端面側の側面と端面２０とは離間してもよい。

図９（ａ）は、実施例３に係る弾性波素子の平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、弾性波素子１０４において、電極指１２ａの幅Ｗ１２ａが、比較例１の電極指１２ａの幅Ｄ×λ／４より大きくなっている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

図７のシミュレーション結果は、基準を比較例１とした場合もなりたつ。すなわち、電極指１２ａの内側の側面から端面２０の距離Ｌ４を、基準距離Ｌ０＝Ｄ×λ／４としたとき、Ｌ４＝Ｌ０＋Ｌ３とする。このとき、距離Ｌ３に図７の距離Ｌ２の範囲を適用し、距離Ｌ３を−１λ／１６以上かつ４λ／１６以下とする。これによりバルク放射量を抑制できる。

電極指１２ａの幅Ｗ１２ａがＤ×λ／４以下となると、電極指１２ａの加工が比較例１より難しくなる。よって、幅Ｗ１２ａは、Ｄ×λ／４より大きいことが好ましい。さらに、幅Ｗ１２ａは、電極指１２の幅Ｗ１２＝Ｄ×λ／２以上であることが好ましい。

実施例３によれば、電極指１２ａの内側端と端面２０との距離Ｌ４は、λ／４＋Ｄ×λ／４以下であり、かつ、電極指１２ａの幅はＤ×λ／４より大きい。これにより、バルク放射量を比較例３以下とすることができる。また、電極指１２ａの幅を大きくできるため、性能を向上させかつ安価で容易な製造が可能となる。距離Ｌ４は、３．５λ／１６＋Ｄ×λ／４以下が好ましく、３λ／１６＋Ｄ×λ／４以下がより好ましい。幅Ｗ１２ａは、５Ｄ×λ／１６以上が好ましく、Ｄ×λ／２以上がより好ましい。

図１０（ａ）は、実施例４に係る弾性波素子の平面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、弾性波素子１０６において、圧電基板１０に溝１８が形成されている。溝１８は、電極指１６に沿って形成されている。溝１８は、例えばドライエッチング法を用い形成される。溝１８の側面を端面２０として用いることができる。端面２０が弾性波を反射するため、溝１８の深さはλ以上であることが好ましく、２λ以上がより好ましい。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例４によれば、端面２０は、圧電基板１０に形成された溝１８の側面である。これにより、端面２０を容易に形成することができる。また、１つの圧電基板１０上に複数の弾性波素子を形成できる。溝１８の形成にドライエッチング法を用いることにより、位置精度よく端面２０を形成できる。

実施例２および実施例３においても、端面２０を圧電基板１０に形成された溝１８の側面とすることができる。

実施例１から４において、圧電基板１０として、４２°ＹカットＬｉＴａＯ_３基板を例に説明したが、他のカット面の基板であってもよい。また、他の材料の圧電基板でもよい。回転ＹカットＬｉＴａＯ_３基板の場合、特に、損失低下が抑制される。Ｙカット角は、例えば、３６°以上かつ４８°以下の場合、図７とほぼ同じシミュレーション結果となる。Ｙカット角は、例えば３８°以上かつ４６°以下とすることができる。

また、圧電基板として、−３０°から９０°回転ＹカットＬｉＮｂＯ_３基板を用いることもできる。特に、４１°回転ＹカットＬｉＮｂＯ_３基板および６４°回転ＹカットＬｉＮｂＯ_３基板は、電気機械結合係数が大きく、伝送損失が小さい。このような圧電基板を用いても図７とほぼ同じシミュレーション結果となる。また、ＩＤＴ１１を形成する金属および膜厚は、図７のシミュレーション結果にはほとんど影響しない。

メタライゼーションレシオＤは、０．３以上が好ましく、０．４以上がより好ましい。電極指幅が細くなると共振器の耐電圧性が低くなるからである。また、Ｄは、０．７以下が好ましく、０．６以下がより好ましい。電極指の間隔が狭くなると静電気が発生しやすくなり、共振器が静電破壊する可能性が高くなるからである。

周波数が１ＧＨｚ以上の高周波信号用にフィルタの場合、実施例１から４の弾性波素子を用いることが好ましい。特に周波数が１．７ＧＨｚ以上の場合、実施例１から４の弾性波素子を用いることが好ましい。また、電極指の加工性の観点から周波数は５ＧＨｚ以下が好ましい。

実施例１から４において、端面２０がＩＤＴ１１の弾性波の伝搬方向の２つの端部に形成された例を説明したが、端面２０は、ＩＤＴ１１の弾性波の伝搬方向の少なくとも１つの端部に形成されていればよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 圧電基板
１１ ＩＤＴ
１２、１２ａ、１６ 電極指
１３ 金属層
１４ バスバー
１５ａ、１５ｂ くし型電極
１８ 溝
２０ 端面

Claims (6)

1. 圧電基板と、
   前記圧電基板上に形成されたＩＤＴと、
   前記ＩＤＴの弾性波の伝搬方向の少なくとも１つの端部に形成された前記圧電基板の端面と、
   を具備し、
   前記ＩＤＴの最も端面側の電極指の内側端と前記端面との距離は、前記ＩＤＴが励振する弾性波の波長をλ、前記ＩＤＴのメタライゼーションレシオをＤとしたとき、７λ／１６＋Ｄ×λ／４以上かつ３λ／４＋Ｄ×λ／４以下であり、
   前記最も端面側の電極指の幅はＤ×λ／２より大きいことを特徴とする弾性波素子。
2. 圧電基板と、
   前記圧電基板上に形成され、一対のくし型電極を有し、前記一対のくし型電極の一方の電極指と前記一対のくし型電極の他方の電極指とは互い違いに設けられたＩＤＴと、
   前記ＩＤＴの弾性波の伝搬方向の少なくとも１つの端部に形成された前記圧電基板の端面と、
   を具備し、
   前記ＩＤＴの最も端面側の電極指の内側端と前記端面との距離は、前記ＩＤＴが励振する弾性波の波長をλ、前記ＩＤＴのメタライゼーションレシオをＤとしたとき、３．５λ／１６＋Ｄ×λ／４以下であり、かつ、前記ＩＤＴの最も端面側の電極指の幅はＤ×λ／２より大きいことを特徴とする弾性波素子。
3. 前記端面は、前記圧電基板に形成された溝の側面であることを特徴とする請求項１または２記載の弾性波素子。
4. 前記ＩＤＴの最も端面側の電極指の前記端面側の側面と前記端面とは同一面であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の弾性波素子。
5. 前記ＩＤＴの最も端面側の電極指の前記端面側の側面と前記端面とは離間していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の弾性波素子。
6. 前記圧電基板は、３６°以上かつ４８°以下ＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウム基板であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の弾性波素子。

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