JP2006319887A - 弾性境界波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】重み付けが施されたＩＤＴを有し、電極指先端のギャップ部分による弾性境界波の回折現象に起因する特性の劣化が生じ難い、弾性境界波装置を提供する。
【解決手段】第１の媒質１１と、第２の媒質１２とが積層されており、第１，第２の媒質１１，１２間に、ＩＤＴ１３が配置されており、ＩＤＴ１３に重み付けが施されており、かつ該ＩＤＴ１３が互いに間挿し合う複数本の電極指１３ａ，１３ｂを有し、電極指１３ａまたは１３ｂの先端と、当該電極指と異なる電位に接続されるダミー電極指とがギャップＢを隔てて対向配置されており、ギャップＢの電極指長さ方向に沿う寸法ＧＤが、電極指の周期をλとしたときに、０．０５μｍ〜０．２２λの範囲とされており、かつλが０．２３μｍよりも大きくされている、弾性境界波装置１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば共振子や帯域フィルタなどに用いられる弾性境界波装置に関し、より詳細には、重み付けが施されたＩＤＴを有する弾性境界波装置に関する。

弾性境界波装置では、異なる媒質間の界面にＩＤＴ（インターデジタルトランスデューサ）が配置され、弾性境界波が上記界面を伝搬する。

従って、弾性表面波装置に比べて、弾性境界波装置では複雑なパッケージを必要とせず、構造の簡略化及び低背化を進めることができる。この種の弾性境界波装置の一例は、下記の特許文献１に開示されている。

他方、弾性表面波装置においては、所望の周波数特性を実現するために、ＩＤＴが重み付けを施されていることがある。図４は、下記の特許文献２に記載の弾性表面波装置のＩＤＴ部分を示す模式図平面図である。特許文献２に記載の弾性表面波装置では、ＩＤＴ１０１が用いられている。ＩＤＴ１０１は、弾性表面波伝搬方向に延び、かつ弾性表面波伝搬方向と直交する方向において隔てられたバスバー１０１ａ，１０１ｂを有する。バスバー１０１ａに、複数本の電極指１０２が電気的に接続されている。また、バスバー１０１ａに、複数本の電極指１０３が接続されている。電極指１０２と電極指１０３とは間挿し合うように配置されている。

ＩＤＴ１０１では、交差幅重み付けが施されており、例えば電極指１０２の先端とギャップＡを隔てて対向するようにダミー電極指１０４が配置されている。ダミー電極指１０４は、電極指１０２が接続されているバスバー１０１ａとは反対側のバスバー１０１ｂに連ねられている。この弾性波表面波装置では、弾性表面波の波長をλとしたときに、上記ギャップＡの寸法を０．１λ〜０．２６λの範囲とされている。それによって、電極指先端における弾性表面波の回折を抑制でき、群遅延時間特性の劣化を防止することができるとされている。
特開昭５８−３０２１７号公報 特開昭６０−２６４１１０号公報

従来、弾性表面波装置においては、交差幅重み付けが施されたＩＤＴにおける弾性表面波の回折による群遅延時間特性の悪化等に注意が払われていた。

弾性境界波装置においても、弾性表面波装置の場合と同様に、電極指先端のギャップにおける弾性波の回折による特性の変動が生じると考えられる。しかしながら、弾性表面波装置と弾性境界波装置とでは、弾性波の周囲の状態が全く異なるため、単純に弾性波表面波装置における特許文献２に記載のような数値範囲にギャップ寸法を制御したとしても、直ちに弾性境界波装置において同様の効果が得られるものではない。特に、弾性境界波装置では、電極指の先端のギャップ部分において音響的な不整合が生じ、弾性境界波がバルク波にモード変換するおそれがあった。そのため、ＩＤＴが形成されている平面に対して垂直方向に上記バルク波が伝搬し、それによっても性能が劣化するおそれがあった。

また、高密度の導体を用いて弾性境界波を媒質間の境界に閉じ込めようとした場合には、導体が存在しないギャップ部分においてはエネルギーを閉じ込めることができないので、エネルギー放射の影響が顕著に現れ、弾性境界波装置の性能を大きく損ねるおそれがあった。

本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、重み付けが施されたＩＤＴを用いた弾性境界波装置であって、電極指先端のギャップ部分における弾性境界波の挙動による特性の劣化が生じ難い、弾性境界波装置を提供することにある。

本発明によれば、第１の媒質と、前記第１の媒質に積層された第２の媒質と、前記第１，第２の媒質の境界に配置されたＩＤＴとを備え、前記ＩＤＴが重み付けを施されており、該ＩＤＴが、互いに間挿し合う複数本の電極指を有し、各電極指の先端には、ギャップを隔てて異なる電位に接続されるダミー電極指が配置されており、前記ギャップの電極指長さ方向寸法をＧＤとし、前記ＩＤＴの電極指の周期をλとしたときに、λ＞０．２３μｍかつＧＤが０．０５μｍ〜０．２２λとされていることを特徴とする弾性境界波装置が提供される。

本発明に係る弾性境界波装置のある特定の局面では、前記第１，第２の媒質のうち少なくとも一方が等方体により構成されている。

本発明に係る弾性境界波装置の他の特定の局面では、前記第１の媒質及び第２の媒質を伝搬する遅い横波の音速のうち、低音速の横波よりも、前記弾性境界波の音速が遅くされている。

本発明に係る弾性境界波装置のさらに他の特定の局面では、前記ＩＤＴが、密度が２６９９Ｋｇ／ｃｍ³よりも大きな金属からなる少なくとも１層の金属層を有する。

本発明に係る弾性境界波装置では、所望とする周波数特性を得るためにＩＤＴが重み付けを施されており、しかも該ＩＤＴの電極指の周期をλとしたときに、ＩＤＴの電極指先端に配置されたギャップの電極指長さ方向に沿うＧＤが、０．０５μｍ以上、０．２２λ以下とされており、λが０．２３μｍよりも大きいため、異なる電位に接続される電極指間の絶縁抵抗が高められ、共振特性やフィルタ特性を改善することが可能となる。これは、ＩＤＴにおいて電気信号が弾性境界波に変換された後に、電極指先端における弾性境界波の回折やバルク波へのモード変換が生じ難くなり、それによって共振特性の改善やフィルタ特性の改善を図ることができることによると考えられる。

従って、本発明によれば重み付けが施されたＩＤＴを用いて所望とする周波数特性を実現でき、しかも、弾性境界波の電極指先端のギャップにおける回折やモード変換による特性の劣化が生じ難い、弾性境界波装置を提供することが可能となる。

また、媒質が単結晶基板のように弾性境界波の伝搬に関し、異方性を有する材料の場合には、結晶方位を適切に選ぶことにより第１，第２の媒質の境界部に振動エネルギーが集中する。これに対して、媒質の少なくとも一方が等方体である場合、等方体では、このような振動エネルギーの集中効果は得られない。そのため、電極指先端のギャップにおいて、音響的な若干の不連続が存在した場合でも、弾性境界波がバルク波にモード変換した場合、等方体側へのバルク波の放射が起こりやすい。従って、弾性境界波共振子では、反共振抵抗が低くなり、弾性境界波フィルタでは挿入損失が劣化する原因となるおそれがある。ところが、本発明では、媒質の一方が等方体であっても、上記電極指先端のギャップが上記特定の寸法とされているため、このような特性の劣化を抑制できるので、少なくとも媒質の一方が等方体の弾性境界波装置において、特性をより効果的に改善することができる。

また、第１，第２の媒質を伝搬する遅い横波のうちの低音速の横波よりも弾性境界波の音速が遅い場合には、弾性境界波を第１，第２の媒質間に効果的に閉じ込めることができ、それによって、低損失の弾性境界波装置を提供することができる。

ＩＤＴが、密度が２６９９Ｋｇ／ｍ³よりも大きい金属からなる金属層を有する場合には、密度が２６９０Ｋｇ／ｍ³よりも密度の大きい金属を用いた金属層において、弾性境界波が効果的に閉じ込められるので、弾性境界波装置の損失を効果的に低減することができる。

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。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の平面断面図及び模式的正面断面図であり、図２は、そのＩＤＴの要部を拡大して示す模式的部分切欠平面図である。

弾性境界波装置１０は、ＬｉＮｂＯ₃からなる第１の媒質１１と、第１の媒質１１上に積層されており、ＳｉＯ₂からなる第２の媒質１２とを積層した積層体を有する。

第２の媒質１２はＳｉＯ₂からなるので、弾性境界波の伝搬に関し、等方性の材料により構成されている。

第１，第２の媒質１１，１２間の界面に、ＩＤＴ１３と、反射器１４，１５とが形成されている。

本実施形態では、ＩＤＴ１３及び反射器１４，１５を有する１ポート型の弾性境界波共振子が構成されている。

ＩＤＴ１３及び反射器１４，１５は、複数の金属層を積層することにより、構成されており、本実施形態では、Ａｕからなる金属層の上下にＮｉＣｒからなる金属層が積層されている。ＮｉＣｒ層は、ＩＤＴ１３及び反射器１４，１５の第１，第２の媒質１１，１２への密着性を高めるための密着層として形成されている。Ａｕからなる金属層は、その密度が１９３００Ｋｇ／ｍ³であり、Ａｌの密度である２６９９Ｋｇ／ｍ³よりも大きい。

ＩＤＴ１３は、図示のように、所定の距離を隔てて配置されている第１，第２のバスバー１３ａ，１３ｂを有する。バスバー１３ａから、複数本の電極指１６がバスバー１３ｂ側に向って延ばされている。他方、バスバー１３ｂからは、バスバー１３ａ側に向って複数本の電極指１７が延ばされている。電極指１６の先端と、対向するように、バスバー１３ｂからバスバー１３ａ側に延びるダミー電極指１８が設けられている。同様に、バスバー１３ａからバスバー１３ｂ側に延び、かつ電極指１７の先端と対向するように、ダミー電極指１９が設けられている。

ＩＤＴ１３では、交差幅が弾性境界波伝搬方向に沿って変化する部分を有ように、交差幅重み付けが施されている。この交差幅重み付けは、所望とするフィルタ特性を得るために、施されている。

他方、反射器１４，１５は、複数本の電極指を両端で短絡した構造を有する。なお、ここでは、両端を短絡した反射器を示したが両端が開放されているオープン反射器を用いてもよい。

弾性境界波装置１０では、弾性境界波はＩＤＴ１３の電極指１６，１７の延びる方向と直交する方向であって、第１，第２の媒質１１，１２間の境界面に平行な方向に伝搬する。

本実施形態の特徴は、上記電極指１６の先端とダミー電極指１８との間のギャップＢの電極指１６の延びる方向の寸法ＧＤが、ＩＤＴ１３の電極指の周期をλとしたときに、０．０５μｍ以上、０．２２λ以下とされており、かつλが０．２３μｍよりも大きくされていることにある。なお、電極指１７とダミー電極指１９との間のギャップの寸法ＧＤも、上記ギャップの寸法ＧＤと同様の条件を満たすように構成されている。

本実施形態の弾性境界波装置では、λ＞０．２３μｍかつＧＤが０．０５μｍ〜０．２２λの範囲とされているため、後述するように、電極指１６，１７の先端における弾性境界波の回折による損失を抑制できる。それによって、反共振抵抗が増大され、良好な共振特性が得られる。これを具体的実験例に基づき説明する。

以下の条件で、弾性境界波装置１０を作製した。

第１の媒質であるＬｉＮｂＯ₃の厚みを３７０μｍ、第２の媒質１２であるＳｉＯ₂の厚みを６μｍとした。ＩＤＴ１３及び反１４，１５の電極構造では、ＮｉＣｒ／Ａｕ／ＮｉＣｒ＝１０ｎｍ／１５０ｎｍ／１０ｎｍとした。

ＩＤＴ１３の電極指の対数は５０対とし、交差幅は３０λ、開口幅は３０．４λとした。ＩＤＴ１３の弾性境界波伝搬方向中央における交差幅を３０λ、両端の交差幅１５λとなるように交差幅重み付けを施した。反射器１４，１５のそれぞれの電極指の本数は、５１本とした。

電極指１６，１７の幅は０．８μｍ、弾性境界波伝搬方向において隣り合う電極指間のスペースの弾性境界波伝搬方向沿う寸法は０．８μｍとし、電極指配置ピッチは１．６μｍとした。ＩＤＴ及び反射器１４，１５の周期λは３．２μｍとした。

上記のような条件で作製された弾性境界波装置１０の上記ギャップＢの寸法ＧＤを種々変化させ、種々の弾性境界波装置１０を作製した。このようにして得られた複数種の弾性境界波装置におけるギャップの寸法ＧＤと、共振抵抗│Ｚｒ│、反共振抵抗│Ｚａ│及び反共振抵抗と共振抵抗との差の絶対値│Ｚａ−Ｚｒ│の変化を図３に示す。

図３から明らかなように、ギャップの寸法ＧＤを０．５λから０．２５λに狭めることにより、反共振抵抗は６３．９ｄＢから６６．３ｄＢに増大し、反共振抵抗が改善されていることがわかる。さらに、ギャップの寸法ＧＤを０．１８８λとした場合には、反共振抵抗は６７．４ｄＢとさらに改善され、０．１２５λとさらに狭くした場合には６８．２ｄＢとより一層改善され、０．６３λとさらに細くした場合には、６９．２ｄＢと反共振抵抗をより一層大きくし得ることがわかる。上記のように、ギャップの寸法ＧＤを小さくするほど特性は改善するが、放電や短絡を考慮して０．０５μｍ以上であることが望ましい。

ギャップの寸法ＧＤを狭くした場合、電極指１６，１７と、ダミー電極指１８，１９との間の距離は短くなる。従って、異なる極性の電極部分間の絶縁抵抗の増加により反共振抵抗が増大したものではないことがわかる。

上記反共振抵抗の改善効果は、反共振抵抗の改善は、電気信号がＩＤＴ１３で弾性境界波に変換された後において、弾性境界波の電極指１７，１８の先端のギャップ部分における回折が抑制され、加えて弾性境界波からバルク波へのモード変換が起こり難くなったためと考えられる。

また、一方の媒質１２が弾性境界波の伝搬に関して等方体であるＳｉＯ₂により構成されているので、本実施形態によれば、上記ギャップの寸法ＧＤを狭めたことにより、反共振抵抗をより一層効果的に改善することが可能とされている。すなわち、弾性境界波の伝搬に関し、異方性を有する単結晶基板からなる媒質を用いた場合には、境界に振動エネルギーが集中する。これに対して、等方体では、境界部に振動エネルギーを集中させる効果が得られない。従って、上記ギャップ部における音響的不連続により、弾性境界波がバルク波に容易にモード変換しがちである。

本実施形態では、等方体ではＳｉＯ₂を用いた場合であっても、上記弾性境界波のバルク波へのモード変換が抑制される。従って、等方体を用いているにもかかわらず、共振特性を効果的に改善することが可能となる。なお、共振子では、反共振抵抗の劣化が抑制されるが、弾性境界波フィルタの場合には挿入損失の劣化をより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態の弾性境界波装置では、電極であるＩＤＴ１３が、密度が２６９９Ｋｇ／ｃｍ³よりも大きなＡｕからなり、従って、特開２００３−１７１０４１に開示されているように、Ａｌよりも密度の大きな金属層を有するため、弾性境界波のエネルギーが境界部に効果的に閉じ込められる。従って、高密度の金属層が存在しない上記ギャップＢにおいては、弾性境界波は閉じ込められないので、減衰し、反共振抵抗は劣化するおそれがある。しかしながら、本実施形態では、上記ギャップＢの寸法ＧＤが小さくされているので、Ａｕのような高密度の導体を用いた場合においても、反共振抵抗の劣化を効果的に抑制することができるので、高密度金属を用いた弾性境界波装置において、本発明の効果をより一層期待することができる。

なお、高密度の金属とは、上記のように密度が２６９９Ｋｇ／ｃｍ³よりも大きな金属、すなわちＡｕよりも大きな金属をいうものとする。このような金属としては、Ａｕに限らず、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｗ、Ｔａなどを挙げることができる。なお、本発明において、電極を構成する金属層は、好ましくは上記のように高密度の金属からなることが望ましいが、上記高密度金属よりも密度の小さい金属、例えばＡｌにより形成されていてもよい。

また、ＩＤＴは、単一の金属層により構成されていてもよく、上記実施形態のように複数の金属層を積層した構造を有していてもよい。

複数の金属層を積層した構造では、上記のように、少なくとも１つの金属層が、上記高密度の金属により構成されていることが望ましい。また、積層される金属層としては、Ｔｉ、Ｃｒ、ＮｉＣｒ、Ｎｉなどの媒質に対する密着性や耐電力性を高めるための金属層を用いてもよい。

すなわち、密着性や耐電力性を高めるために、これらの材料からなる金属層を、媒質とＩＤＴを構成している他の金属層の間、ＩＤＴを構成している他の金属層間に配置してもよい。

さらに、ＩＤＴにおける金属層の積層数は、上記実施形態のように３層構造のものに限定されるものではなく、２層以上の適宜の積層数とされ得る。また、積層構造を用いる場合、例えばＡｌ／Ａｕ／Ａｌの積層構造のように、電気機械結合係数が中程度に大きく、周波数温度係数ＴＣＦが中程度に小さく、電極指の抵抗が小さい境界波伝搬構造を実現することができる。すなわち、金属層の種類及び積層数をコントロールすることにより、弾性境界波伝搬路の特性を種々変更することができる。

また、上記実施形態では、第１の媒質１１と第２の媒質１２とが積層されていたが、媒質の積層数は３層以上であってもよい。

媒質を構成する材料についても特に限定されず、Ｓｉ、ガラス、ＳｉＯ₂、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｔａ₂Ｏ₅、ＰＺＴ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃またはＫＮなどの適宜の圧電性セラミックス、絶縁性セラミックス、圧電単結晶、絶縁性単結晶などの様々な材料を用いることができる。

上記実施形態では、弾性境界波共振子としての弾性境界波装置１０を説明したが、本発明は、共振子に限定されず、ラダー型フィルタ、縦結合共振器型フィルタ、横結合共振器型フィルタ、トランスバーサル型フィルタ、弾性境界波光スイッチ、弾性境界波光フィルタなど、重み付けが施されたＩＤＴを用いた様々な弾性境界波装置に適用することができる。また、重み付けが施されたＩＤＴとは、例えば「弾性波素子技術バンドブック」（オーム社１９５頁、１９９１）に記載された直列重み付けＩＤＴなどの、弾性境界波が伝搬するＩＤＴのグレーティング領域中に、ストリップ先端ギャップのような交差幅方向にギャップを持つ構造も含むものとする。

また、直列重み付けＩＤＴで、隣接している電極指間を短絡するための横方向短絡線もまたは音響的な不連続を形成するため、上記ギャップと同様に細くすることが望ましい。

（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る弾性境界波装置の模式的平面断面図及び模式図正面断面図。 本発明の一実施形態の弾性境界波装置におけるＩＤＴの先端のギャップの寸法を説明するための部分切欠平面断面図。 本発明の一実施形態の弾性境界波装置において、ギャップの寸法ＧＤを種々変化させた場合の共振抵抗、反共振抵抗及び反共振抵抗と共振抵抗との差の変化を示す図。 従来の弾性境界波装置の電極構造の一例を示す模式的平面図。

符号の説明

１０…弾性境界波装置
１１…第１の媒質
１２…第２の媒質
１３…ＩＤＴ
１３ａ，１３ｂ…バスバー
１４，１５…反射器
１６，１７…電極指
１８，１９…ダミー電極指
Ｂ…ギャップ

Claims (4)

1. 第１の媒質と、
   前記第１の媒質に積層された第２の媒質と、
   前記第１，第２の媒質の境界に配置されたＩＤＴとを備え、
   前記ＩＤＴが重み付けを施されており、該ＩＤＴが、互いに間挿し合う複数本の電極指を有し、各電極指の先端には、ギャップを隔てて異なる電位に接続されるダミー電極指が配置されており、前記ギャップの電極指長さ方向寸法をＧＤとし、前記ＩＤＴの電極指の周期をλとしたときに、λ＞０．２３μｍかつＧＤが０．０５μｍ〜０．２２λとされていることを特徴とする弾性境界波装置。
2. 前記第１，第２の媒質のうち少なくとも一方が等方体により構成されている、請求項１に記載の弾性境界波装置。
3. 前記第１の媒質及び第２の媒質を伝搬する遅い横波の音速のうち、低音速の横波よりも、前記弾性境界波の音速が遅くされている、請求項１または２に記載の弾性境界波装置。
4. 前記ＩＤＴが、密度が２６９９Ｋｇ／ｃｍ³よりも大きな金属からなる少なくとも１層の金属層を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
   

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