JP6680358B2 - 弾性波装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ピストンモードを利用した弾性波装置に関する。
下記の特許文献１には、ピストンモードを利用した弾性波装置が開示されている。特許文献１の弾性波装置は、圧電基板と、圧電基板上に設けられたＩＤＴ電極を備える。上記ＩＤＴ電極は、電極指の交差領域において、電極指の延びる方向の中央に位置している中央領域と、中央領域の両側に配置されているエッジ領域とを有している。
特許文献１では、このエッジ領域において電極指上に誘電体層が設けられていたり、中央領域において電極指上に誘電体層が設けられていたり、エッジ領域において電極指の線幅が太くされていたり等している。それによって、エッジ領域における音響波の速度が、中央領域に比べて遅くされている。また、特許文献１では、電極指の先端とバスバーとの間のギャップ長が、ＩＤＴ電極内で伝搬される音響波の１波長よりも長い旨が記載されている。
特開２０１１−１０１３５０号公報
しかしながら、特許文献１のような弾性波装置においては、電極指の先端とバスバーとの間のギャップ長が、ＩＤＴ電極内で伝搬される音響波の１波長よりも長いので、高次の横モードによるリップルの発生を十分に抑制できない場合があった。また、高次の横モードによるリップルの発生を抑制しようとすると、主モードにおけるフィルタ特性やロスが劣化することがあった。
本発明の目的は、主モードにおけるフィルタ特性やロスの劣化を抑制しつつ、かつ高次の横モードによるリップルの発生を抑制することができる、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、圧電体と、前記圧電体上に設けられたＩＤＴ電極とを備え、前記ＩＤＴ電極が、対向し合っている第１及び第２のバスバーと、前記第１のバスバーに一端が接続されている複数本の第１の電極指と、前記複数本の第１の電極指と間挿し合っており、かつ前記第２のバスバーに一端が接続されている、複数本の第２の電極指と、を有し、前記第１の電極指と前記第２の電極指とが、弾性波伝搬方向において重なり合っている部分を交差領域とした場合に、前記交差領域が、中央領域と、前記中央領域よりも音速が低くされており、前記中央領域の電極指の延びる方向における両側に設けられた低音速部と、を有し、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、前記第１の電極指の先端と前記第２のバスバーとの間のギャップ長、及び前記第２の電極指の先端と前記第１のバスバーとの間のギャップ長が、０．６２λ以上、０．９８λ以下である。
本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、前記第１の電極指の先端と前記第２のバスバーとの間のギャップ長、及び前記第２の電極指の先端と前記第１のバスバーとの間のギャップ長が、０．７２λ以上、０．９２λ以下である。この場合、主モードにおけるフィルタ特性やロスの劣化をより一層抑制しつつ、かつ高次の横モードによるリップルの発生をより一層効果的に抑制することができる。
本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記圧電体が、回転ＹカットのＬｉＮｂＯ３基板であり、回転角が１１６°以上、１３６°以下の範囲にある。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記電極指が延びる方向における前記交差領域の幅が、１２．５λ以下である。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記第１及び第２の電極指の前記低音速部における厚みが、前記第１及び第２の電極指における前記低音速部以外の部分の厚みより厚くされている。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記低音速部において、前記第１及び第２の電極指上にさらに他の層が積層されている。
本発明によれば、主モードにおけるフィルタ特性やロスの劣化を抑制しつつ、かつ高次の横モードによるリップルの発生を抑制することができる、弾性波装置を提供することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置を示す模式的平面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置のＩＤＴ電極部分を拡大して示す模式的平面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う模式的断面図である。 図４は、実験例の弾性波装置において、ギャップ長が０．５λのときのインピーダンス特性を示す図である。 図５は、実験例の弾性波装置において、ギャップ長が０．７λのときのインピーダンス特性を示す図である。 図６は、実験例の弾性波装置において、ギャップ長が１．２λのときのインピーダンス特性を示す図である。 図７は、実験例の弾性波装置において、ギャップ長が０．５λのときのリターンロス特性を示す図である。 図８は、実験例の弾性波装置において、ギャップ長が０．７λのときのリターンロス特性を示す図である。 図９は、実験例の弾性波装置において、ギャップ長が１．２λのときのリターンロス特性を示す図である。 図１０は、実験例の弾性波装置におけるギャップ長とインピーダンス比との関係を示す図である。 図１１は、実験例の弾性波装置におけるギャップ長とリップルの大きさとの関係を示す図である。
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。
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。
図１は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置を示す模式的平面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置のＩＤＴ電極部分を拡大して示す模式的平面図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う模式的断面図である。なお、図示の都合上、図１及び図２においては、図３に示す誘電体膜８を省略している。
図１に示すように、弾性波装置１は、圧電体としての圧電基板２を備える。圧電基板２は、ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３などの圧電単結晶からなる。圧電基板２は、圧電セラミックスからなるものであってもよい。なお、弾性波装置１の圧電体は、支持基板上に、圧電薄膜が設けられたものであってもよい。また、弾性波装置１の圧電体は、支持基板上に形成された積層膜の上に、さらに圧電薄膜を積層したものであってもよい。上記積層膜としては、例えば、圧電薄膜を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波音速が高い高音速膜と、高音速膜上に設けられており、圧電薄膜を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波音速が低い低音速膜との積層膜が挙げられる。なお、このような高音速膜と低音速膜とを有する積層膜を用いる場合は、低音速膜の上に圧電薄膜を積層することができる。
また、圧電基板２は、回転ＹカットのＬｉＮｂＯ３基板からなり、回転角が、１１６°以上、１３６°以下の範囲にあることが好ましい。
圧電基板２上に、ＩＤＴ電極３が設けられている。図１では、ＩＤＴ電極３の形成されている位置のみを模式的に示している。また、ＩＤＴ電極３の弾性波伝搬方向両側には、反射器４，５が設けられている。それによって、１ポート型弾性波共振子が構成されている。すなわち、弾性波装置１は、１ポート型弾性波共振子である。なお、本発明の弾性波装置は、弾性波共振子に限らず、弾性波フィルタなどの他の弾性波装置であってもよい。
ＩＤＴ電極３を構成する金属材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、またはこれらの金属の合金などが挙げられる。ＩＤＴ電極３は、単層の金属膜であってもよいし、２種以上の金属膜が積層された積層金属膜であってもよい。
図３に示すように、ＩＤＴ電極３を覆うように誘電体膜８が設けられている。誘電体膜８は、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくするために設けられている。すなわち、温度補償用の誘電体膜として、誘電体膜８が設けられている。誘電体膜８は、酸化ケイ素や酸窒化ケイ素などの誘電体セラミックスなどからなる。なお、誘電体膜８は、他の機能を果たす層として設けられていてもよい。
以下、弾性波装置１を構成するＩＤＴ電極３の構造について、さらに詳細に説明する。
図２に示すように、ＩＤＴ電極３は、第１及び第２のバスバー６ａ，６ｂと、複数本の第１及び第２の電極指７ａ，７ｂとを有する。第１及び第２のバスバー６ａ，６ｂは、対向し合っている。
第１のバスバー６ａに、複数本の第１の電極指７ａの一端が接続されている。他方、第２のバスバー６ｂに、複数本の第２の電極指７ｂの一端が接続されている。第１及び第２の電極指７ａ，７ｂは、間挿し合っている。
図２に示すように、第１の電極指７ａと第２の電極指７ｂとは、弾性波伝搬方向Ｐから視たときに、部分的に重なり合っている領域を有する。この重なり合っている領域が、交差領域Ｒ１である。
交差領域Ｒ１は、中央領域Ｒ２と、第１及び第２のエッジ領域Ｒ３，Ｒ４とを有する。中央領域Ｒ２は、第１及び第２の電極指７ａ，７ｂが延びる方向において、交差領域Ｒ１の中央に位置している領域である。第１及び第２のエッジ領域Ｒ３，Ｒ４は、第１及び第２の電極指７ａ，７ｂが延びる方向において、中央領域Ｒ２の両側に位置している領域である。
図３に示すように、第１の電極指７ａの厚みは、第１及び第２のエッジ領域Ｒ３，Ｒ４において、中央領域Ｒ２より厚くされている。なお、図示していないが、第２の電極指７ｂの厚みも、第１及び第２のエッジ領域Ｒ３，Ｒ４において、中央領域Ｒ２より厚くされている。このように、第１及び第２のエッジ領域Ｒ３，Ｒ４においては、中央領域Ｒ２よりも電極指の厚みが厚くされており、それによって音速が遅くされている。すなわち、第１及び第２のエッジ領域Ｒ３，Ｒ４の音速Ｖ２は、中央領域Ｒ２の音速Ｖ１より遅くされ、ピストンモードが形成されている。このように、第１及び第２のエッジ領域Ｒ３，Ｒ４は、中央領域Ｒ２より音速が遅い、低音速部である。
また、図２に示すように、第１のエッジ領域Ｒ３の第１及び第２の電極指７ａ，７ｂが延びる方向における外側には、第１のギャップ領域Ｒ５が位置している。第１のギャップ領域Ｒ５は、第１の電極指７ａの先端と、第２のバスバー６ｂとの間の領域である。
同様に、第２のエッジ領域Ｒ４の第１及び第２の電極指７ａ，７ｂが延びる方向における外側には、第２のギャップ領域Ｒ６が位置している。第２のギャップ領域Ｒ６は、第２の電極指７ｂの先端と、第１のバスバー６ａとの間の領域である。
第１及び第２のギャップ領域Ｒ５，Ｒ６には、電極指が設けられていないので、第１及び第２のギャップ領域Ｒ５，Ｒ６の音速Ｖ３は、中央領域Ｒ２の音速Ｖ１より速い。このように、第１及び第２のギャップ領域Ｒ５，Ｒ６は、中央領域Ｒ２より音速が速い、高音速部である。
本実施形態では、第１のギャップ領域Ｒ５において、第１の電極指７ａの先端と第２のバスバー６ｂとの間の距離であるギャップ長Ｌ１が、０．６２λ以上、０．９８λ以下である。また、第２のギャップ領域Ｒ６において、第２の電極指７ｂの先端と第１のバスバー６ａとの間の距離であるギャップ長Ｌ２が、０．６２λ以上、０．９８λ以下である。なお、ＩＤＴ電極３の電極指ピッチで定まる波長をλとするものとする。
このように、本実施形態の特徴は、第１の電極指７ａの先端と第２のバスバー６ｂとの間のギャップ長Ｌ１、及び第２の電極指７ｂの先端と第１のバスバー６ａとの間のギャップ長Ｌ２が、それぞれ、０．６２λ以上、０．９８λ以下であることにある。より具体的に、本実施形態の特徴は、ギャップ長Ｌ１，Ｌ２を上記特定の範囲とすることにより、主モードにおけるフィルタ特性やロスの劣化を抑制しつつ、かつ横モードによるリップルの発生を抑制することにある。このことは、後述する実験例により詳細に説明するものとする。
なお、横モードとは、弾性波装置１で利用するよりも高次の横モードをいうものとする。弾性波装置１では、主モードとして、基本波すなわち１次のモードを利用している。
また、本実施形態では、ギャップ長Ｌ１と、ギャップ長Ｌ２とが等しい。従って、以下、ギャップ長Ｌ１，Ｌ２を総称してギャップ長と称するものとする。
実験例では、以下の要領で、１ポート型弾性波共振子である弾性波装置１を作製し、ギャップ長を変化させて共振子特性を評価した。
圧電基板２：１２６°±１０°回転ＹカットＬｉＮｂＯ３基板（伝搬方向はＸ方向）
ＩＤＴ電極３：Ａｌ／Ｐｔ／ＬＮ
Ｐｔ膜厚：０．０２λ
Ａｌ膜厚：０．０５λ
なお、第１及び第２のエッジ領域においては、Ａｌ膜の上に０．００９λのＰｔ膜をさらに形成した。
デューティー：０．５０
交差幅：１２．５λ
低音速部（第１及び第２のエッジ領域それぞれ）の幅：０．５４１λ
中央領域と低音速部（第１及び第２のエッジ領域）との音速比：０．９７
中央領域と高音速部（第１及び第２のギャップ領域）との音速比：１．０８
異方性係数：０．７４８５
なお、上記異方性係数とは、逆速度面が楕円近似で表される場合の１＋Γの値であり、下記式（１）で表される。
ｋｘ ２＋（１＋Γ）ｋｙ ２＝ｋ０ ２ ・・・（１）
ここで、ｋｘ ２は波数ベクトルの縦方向成分であり、ｋｙ ２は波数ベクトルの横方向成分であり、ｋ０ ２は主伝搬方向への音響波の波数である。縦方向ｘにおける主伝搬方向は、電極指の配置により規定されるものであり、電極指の延びる方向に直交している。
また、実験例の弾性波装置では、誘電体膜としてＳｉＯ２膜が用いられている。実験例の弾性波装置では、ＬｉＮｂＯ３基板を伝搬するレイリー波を利用している。
図４〜図６は、実験例の弾性波装置において、ギャップ長をそれぞれ０．５λ、０．７λ及び１．２λとしたときのインピーダンス特性を示す図である。また、図７〜図９は、実験例の弾性波装置において、ギャップ長をそれぞれ０．５λ、０．７λ及び１．２λとしたときのリターンロス特性を示す図である。
図４に示すように、ギャップ長が０．５λと小さい場合、主モードにおいてインピーダンス特性が劣化していることがわかる。他方、図５及び図６に示すように、ギャップ長が０．７λ及び１．２λと大きくなるにつれ、主モードにおいて良好なインピーダンス特性が得られていることがわかる。
また、図９に示すように、ギャップ長が１．２λと大きい場合、高次の横モードによるリップルが発生していることがわかる。理論上では、ピストンモードは、条件を最適化することによって、全ての次数の横モードによるリップルを完全に抑圧することができる。しかしながら、実際は、次数の高い横モードを抑圧することが困難である。図９に示した特性においても、特に、９次及び１１次の横モードによるリップルが大きく発生し、デバイス特性に悪影響を及ぼすおそれがある。他方、図７及び図８に示すようにギャップ長が、０．７λ及び０．５λと小さくなるにつれ、高次の横モードによるリップルが抑制されていることがわかる。特に、ギャップ長が１．２λのときにデバイス特性への悪影響が懸念された９次及び１１次の横モードによるリップルが効果的に抑制されていることがわかる。
図１０は、実験例の弾性波装置におけるギャップ長とインピーダンス比との関係を示す図である。また、図１１は、実験例の弾性波装置におけるギャップ長とリップルの大きさとの関係を示す図である。
例えば、弾性波装置を用いてフィルタを構成する場合に、この弾性波装置が利用する弾性波の主モードにおけるインピーダンス比が大きいほどフィルタのロスがよい。そして、弾性波装置が利用する弾性波の主モードのインピーダンス比が６５ｄＢ未満の場合には、フィルタとしてのロスが劣化してしまい、フィルタの機能を十分に発揮できないことが本願発明者の検討によりわかっている。一方、弾性波装置が利用する弾性波の主モードのインピーダンス比が６５ｄＢ以上の場合には、フィルタの機能を十分に発揮できることが本願発明者の検討によりわかっている。
これをもとに図１０をみると、ギャップ長が０．６２λ以上のとき、６５ｄＢ以上の良好なインピーダンス特性が得られていることがわかる。したがって、ギャップ長が０．６２λ以上のときには、弾性波装置が利用する弾性波の主モードのインピーダンス比が６５ｄＢ以上となり、フィルタの機能を十分に発揮できる。
さらに、ギャップ長が０．７２λ以上のとき、より一層良好なインピーダンス特性が得られ、かつ製造バラツキ等によりギャップ長が変動した場合においてもより一層安定したインピーダンス比が得られていることがわかる。
また、高次の横モードによるリップルの大きさに対しては、リップルの大きさが０．２５ｄＢより大きい場合には、フィルタの機能を十分に発揮できず、リップルの大きさが０．２０ｄＢ以下であれば、フィルタの機能を十分に発揮できることが本願発明者の検討によりわかっている。図１１より、ギャップ長が０．９８λ以下のとき、デバイス特性により悪影響を与えるおそれのある１１次の横モードによるリップルを０．２５ｄＢ以下に抑制することができることがわかり、ギャップ長が０．９２λ以下のとき、９次及び１１次の横モードによるリップルを０．２０ｄＢ以下に抑制できていることがわかる。したがって、ギャップ長が０．９２λ以下のときは、より一層効果的に抑制できていることがわかる。
このように、本発明においては、電極指の先端とバスバーとの間のギャップ長を、０．６２λ以上、０．９８λ以下とすることにより、主モードにおけるインピーダンス比の劣化を抑制することができ、かつ高次の横モードによるリップルの発生を抑制することができる。
また、本発明においては、電極指の先端とバスバーとの間のギャップ長を０．７２λ以上、０．９２λ以下とすることが好ましい。この場合、主モードにおけるインピーダンス比の劣化をより一層効果的に抑制し、かつ高次の横モードによるリップルの発生をより一層確実に抑制することができる。
このような効果が得られる理由については、以下のように説明することができる。
各共振モードの振幅は、高音速部であるギャップ領域において、バスバーに向かって指数関数的に減衰する。この際、高音速部であるギャップ領域におけるギャップ長が短すぎると、振幅がバスバーで十分に減衰されず、バスバー外に漏洩することとなる。その結果、デバイスのロスが生じることとなる。
また、主モードと高次の横モードでは、次数が高いほどバスバー方向への振幅の広がりが大きい。そのため、ロスが発生するギャップ長は、高次の横モードに対しては相対的に大きく、主モードに対しては相対的に小さい。従って、ギャップ長を適切に設定することにより、主モードのロスを抑制しつつ、高次の横モードによるリップルを抑制することができる。
さらに、本発明においては、交差領域の電極指が延びる方向における交差幅が、１２．５λ以下であることが好ましい。この場合、高次の横モードにおけるリップルの影響は交差幅が狭い方が大きくなるため、本願発明の効果がより一層発揮される。
なお、上記実施形態においては、第１及び第２のエッジ領域における電極指の厚みを厚くすることにより、音速Ｖ２を遅くしピストンモードを形成していたが、音速Ｖ２を遅くする方法については特に限定されない。
低音速部（第１及び第２のエッジ領域）の音速Ｖ２を遅くする他の方法としては、例えば、第１及び第２のエッジ領域における電極指の幅を、中央領域における電極指の幅より広くする方法や、低音速部（第１及び第２のエッジ領域）において電極指上に他の層を設ける方法が挙げられる。上記他の層としては、例えば、金属膜や誘電体膜などを用いることができる。
１…弾性波装置
２…圧電基板
３…ＩＤＴ電極
４，５…反射器
６ａ，６ｂ…第１，第２のバスバー
７ａ，７ｂ…第１，第２の電極指
８…誘電体膜
Ｌ１，Ｌ２…ギャップ長
Ｐ…弾性波伝搬方向
Ｒ１…交差領域
Ｒ２…中央領域
Ｒ３，Ｒ４…第１，第２のエッジ領域
Ｒ５，Ｒ６…第１，第２のギャップ領域

Claims (5)

  1. 圧電体と、
    前記圧電体上に設けられたＩＤＴ電極とを備え、
    前記ＩＤＴ電極が、
    対向し合っている第１及び第２のバスバーと、
    前記第１のバスバーに一端が接続されている複数本の第１の電極指と、
    前記複数本の第１の電極指と間挿し合っており、かつ前記第２のバスバーに一端が接続されている、複数本の第２の電極指と、
    を有し、
    前記圧電体が、回転ＹカットのＬｉＮｂＯ ３ 基板であり、回転角が１１６°以上、１３６°以下の範囲にあり、
    前記第１の電極指と前記第２の電極指とが、弾性波伝搬方向において重なり合っている部分を交差領域とした場合に、
    前記交差領域が、
    中央領域と、
    前記中央領域よりも音速が低くされており、前記中央領域の電極指の延びる方向における両側に設けられた低音速部と、
    を有し、
    前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、前記第１の電極指の先端と前記第２のバスバーとの間のギャップ長、及び前記第２の電極指の先端と前記第１のバスバーとの間のギャップ長が、０．６２λ以上、０．９８λ以下である、弾性波装置。
  2. 前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、前記第１の電極指の先端と前記第２のバスバーとの間のギャップ長、及び前記第２の電極指の先端と前記第１のバスバーとの間のギャップ長が、０．７２λ以上、０．９２λ以下である、請求項１に記載の弾性波装置。
  3. 前記電極指が延びる方向における前記交差領域の幅が、１２．５λ以下である、請求項１又は２に記載の弾性波装置。
  4. 前記第１及び第２の電極指の前記低音速部における厚みが、前記第１及び第２の電極指における前記低音速部以外の部分の厚みより厚くされている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  5. 前記低音速部において、前記第１及び第２の電極指上にさらに他の層が積層されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
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