JP3853252B2 - 弾性表面波素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は弾性表面波を利用した素子に関し、特に弾性表面波素子の温度安定性及び角形特性の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性表面波素子は、携帯電話のバンドパスフィルタやデュプレクサなどとして幅広く用いられている。近年、携帯電話などの高性能化に伴い、弾性表面波素子を用いたフィルタにもさらなる高性能化が求められている。例えば温度変化によってフィルタの通過周波数帯域が移動してしまうため、温度安定性を改善することも一つである。現在、弾性表面波素子用基板材料として主に用いられているタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３、以下ＬＴという）は、広帯域のフィルタ特性を実現するのに有利な、大きな電気機械結合係数を持つ圧電材料であるが、水晶基板などに比べ温度安定性に劣るという欠点を持っている。圧電材料の一般的な傾向として、電気機械結合係数の大きなＬＴやニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３、以下ＬＮという）のような材料は温度安定性に劣り、逆に、温度安定性に優れた水晶などの材料は電気機械結合係数が小さい、という相反的な特性を持つ。そのため、大きな電気機械結合係数と優れた温度安定性を併せ持つ圧電材料を実現することは、長年の課題であった。
【０００３】
これまで、大きな電気機械結合係数と優れた温度安定性を持った材料を実現するために、さまざまな方法が提案されている。例えば、山之内らは、ＬＮあるいはＬＴ基板表面に、逆の温度係数をもつＳｉＯ２膜を成膜した基板を提案している（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｓｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ．， ｖｏｌ．ＳＵ−３１， ｐｐ．５１−５７， １９８４ 他）。また、中村らは、ＬＴ基板表面に波長以下程度の分極反転領域を形成し、その電界短絡効果を利用することによって、温度安定性の向上を実現している（日本国特許第２５１６８１７号）。この他、大西らは、薄い圧電基板と厚い低膨張材料基板とを直接接合によって接合し、圧電基板の温度変化による伸縮を抑制して、温度安定性の向上を実現し（特開平１１−５５０７０号公報, Ｐｒｏｃ． ｏｆＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ， ｐｐ．３３５−３３８， １９９８ 他）、山之内らは、同様の構造を接着剤などを用いて実現している（第２０回超音波シンポジウム １９９９年１１月）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
大きな電気機械結合係数を持ち、かつ温度安定性に優れた弾性表面波素子を実現するため、前節で述べたような多くの方法が提案されているが、山之内らのＬＮあるいはＬＴ基板表面にＳｉＯ２膜を成膜した基板では、ＳｉＯ２膜の膜質を一定に制御することが難しいこと、弾性表面波の伝播損失が大きくなることといった課題があった。大西らの圧電基板に低膨張材基板を接合する方法では、より高い効果を得るためには、圧電基板と低膨張基板の接合面を鏡面とする必要があるが、その結果、接合界面でバルク波の反射が起こり、フィルタ特性の劣化を引き起こすなど課題が残っている。山之内らによって、圧電基板裏面を粗面化した後、接着剤を用いて低膨張材と接合を行う方法が提案されている（特開平２００１−５３５７９号公報）が、界面の接着力の低下に伴い、温度安定性改善効果も低下してしまっている。
【０００５】
中村らの分極反転領域を形成する方法では、温度安定性は従来サンプルより優れたデバイスを実現できる。しかしながら、本発明者による検証の結果、分極反転領域の存在によって、弾性表面波の励振効率が低下してしまうという課題があることが分かった。本発明者は、図１に示す９００ＭＨｚ帯の通過帯域を持つ弾性表面波素子を試作し、その特性を測定した。図１に示すように、圧電基板からなるチップ１上に直列共振器２を４つ、並列共振器３を２つ形成し、これらをラダー型に接続したラダー型弾性表面波素子を試作した。分極反転領域はチップ１の全領域に形成している。つまり、全ての直列共振器２及び並列共振器３の部分に分極反転領域４が形成されている。
【０００６】
図２の実線は、図１に示すフィルタの周波数特性を示す。なお、破線は分極反転領域を持たないフィルタの周波数特性を示している。図示するように、分極反転領域を形成したサンプルのフィルタ特性は通過帯域での損失が大きくなっており、十分なフィルタ特性を得られていない。
【０００７】
このように、従来の分極反転領域４は温度特性を向上させることができるが、弾性表面波の励振効率を悪化させるため、実用に耐える周波数特性を持つフィルタを製造するのが極めて困難であるという問題点がある。
【０００８】
本発明は励振効率が高く、かつ優れたフィルタ特性を持つ弾性表面波素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１に記載のように、圧電基板上に形成された複数の弾性表面波共振器をラダー型に接続した弾性表面波素子において、前記圧電基板は分極反転領域を有し、前記複数の弾性表面波共振器のうちの直列共振器又は並列共振器のいずれか一方が前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする弾性表面波素子である。これにより、全体の励振効率の低下を最小限に抑え、優れたフィルタ特性、具体的には温度特性と通過特性を実現することができる。
【００１０】
上記弾性表面波素子において、例えば、前記複数の弾性表面波共振器のうちの直列共振器の一部が、前記分極反転領域上に形成されている。また、別の例として、前記複数の弾性表面波共振器のうちの全ての直列共振器が、前記分極反転領域上に形成されている。更に別の例として、前記複数の弾性表面波共振器のうちの並列共振器の一部が、前記分極反転領域上に形成されている。更に別の例として、前記複数の弾性表面波共振器のうちの全ての並列共振器が、前記分極反転領域上に形成されている。更に別の例として、前記分極反転領域は複数の直列共振器又は並列共振器のいずれか一方の複数の共振器に共通に形成されている。更に別の例として、前記分極反転領域は複数の直列共振器又は並列共振器のいずれか一方の共振器毎に形成されている。
【００１４】
本発明はまた、請求項８に記載のように、圧電基板上に電極指をインターディジタルに配置して弾性表面波共振器を構成する弾性表面波素子において、前記電極指の周囲に分極反転領域を設け、前記電極指を連結するバスバー及び電極指同士が交差していない電極指部分は、前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする弾性表面波素子である。これにより、全体の励振効率の低下を最小限に抑え、優れたフィルタ特性、具体的には共振特性とフィルタの角形特性の改善を実現することができる。
【００１５】
本発明はまた、請求項９に記載のように、圧電基板上に電極指をインターディジタルに配置して弾性表面波共振器を構成する弾性表面波素子において、前記電極指の周囲に分極反転領域を設け、前記電極指を連結するバスバー並びに電極指同士が交差していない電極指部分及び交差している電極指部分の一部は、前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする弾性表面波素子である。これにより、全体の励振効率の低下を最小限に抑え、優れたフィルタ特性、具体的には共振特性とフィルタの角形特性の改善を実現することができる。
本発明はまた、請求項１０に記載のように、圧電基板上に電極指をインターディジタルに配置して弾性表面波共振器を構成する弾性表面波素子において、前記電極指の周囲に分極反転領域を設け、前記弾性表面波共振器はダミー電極を有し、該ダミー電極は前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする弾性表面波素子である。これにより、全体の励振効率の低下を最小限に抑え、優れたフィルタ特性、具体的には共振特性とフィルタの角形特性の改善を実現することができる。
請求項８から１０のいずれかにおいて、前記弾性表面波素子はラダー型弾性表面波フィルタであって、前記弾性表面波共振器は該ラダー型弾性表面波フィルタを構成する共振器の一部であるように構成することもできる。また、請求項８から１０のいずれかにおいて、前記弾性表面波素子は２重モード型弾性表面波フィルタである構成とすることもできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
図３は、本発明の第１実施形態に係る弾性表面波素子の平面図である。本実施形態の弾性表面波素子は、圧電素子で形成されたチップ１１上に設けられた４つの直列共振器１２1、１２2、１２3、１２4と２つの並列共振器１３1、１３2とを有し、これらの共振器が配線パターン１５を介してラダー型に接続されたラダー型弾性表面波フィルタである。このフィルタはバンドパスフィルタとして機能する。弾性表面波共振器である直列共振器１２１〜１２４や並列共振器、１３１，１３ ２ は、１対のくし形電極と、その両側にそれぞれ設けられた１対の反射電極とを有する。１対の反射電極はグレーティング反射器を構成する。参照番号１６と１７はそれぞれ入力端子及び出力端子を示す。また、参照番号１８と１９はそれぞれ並列共振器１３1、１３2に接続される端子である。図４に、図３示すラダー型弾性表面波フィルタの回路構成を模式的に示す。端子１８と１９はそれぞれグランドに接続されている。
【００１８】
図３に戻り、参照番号１４1、１４2、１４3はそれぞれ分極反転領域である。分極反転領域１４1、１４2、１４3上に直列共振器１２1〜１２4が図示するように形成されている。例えば、分極反転領域１４1は直列共振器１２1の１対のくし形電極と１対の反射電極との下に一様に形成されている。直列共振器１２2と１２3は、共通の分極反転領域１４2上に形成されている。これに対し、並列共振器１３1と１３2にはチップ１１上、換言すれば圧電基板上に直接形成されている。分極反転領域１４1、１４2、１４3を直列共振器１２1〜１２4にのみ設けた構成により、フィルタ全体の励振効率の低下を最小限に抑え、良好な通過特性が得られ、更に通過帯域の高周波側の立下り特性は温度変動の影響を受け難くなる。分極反転領域１４1と１４3にはそれぞれ直列共振器１２1と１２4が形成されている。また、分極反転領域１４2には、２つの直列共振器１２2と１２3が形成されている。つまり、２つの直列共振器１２2と１２3に対して共通に分極反転領域１４2が設けられている。
【００１９】
図５は、図３に示すＶ−Ｖ線断面図である。直列共振器１２1に対する分極反転領域１４1は、チップ１１の表面、つまり圧電基板の表面に形成されている。チップ１が矢印Ａの方向に分極されている場合、分極反転領域１４1の分極方向は１８０°反対方向の矢印Ｂの方向になる。後述するように、分極反転領域１４1の深さは、直列共振器１２1により励振される弾性表面波の波長（以下、ＳＡＷ波長という）の２倍以下であることが好ましい。
【００２０】
分極反転領域１４1〜１４3は例えば、次のプロセスで形成することができる。例えば、チップ個片に切り出す前の圧電基板上であって分極を反転させない領域、つまり直列共振器１４1〜１４3以外の表面を、３００ｎｍ程度のタンタル（Ｔａ）薄膜で覆う。圧電基板は例えば、４２°回転ＹカットＸ伝搬ＬＴである。次に、２６０°Ｃ、濃度９０％のピロりん酸に圧電基板を２０分間浸す。次にＬＴのキュリー点（約６０５°Ｃ）直下の温度、例えば５９０°Ｃで１〜３時間程アニール処理をする。
【００２１】
このプロセスにより、深さ約１μｍの分極反転領域１４1〜１４3が形成される。この深さは、１．９ＧＨｚ帯フィルタのＳＡＷ波長約２．１μｍの１／２に相当する。分極反転領域を形成すると、その深さに応じてＳＡＷ速度が低下するため、電極指の周期つまりＳＡＷ波長を調整する必要がある。図６にＳＡＷ速度の分極反転深さ依存性の測定結果を示す。図中、横軸は分極反転領域の深さｈをＳＡＷ波長λで正規化した値（ｈ／λ）を示し、縦軸はＳＡＷ速度（ｍ／ｓｅｃ）を示す。また、開放面とは共振器で励振された弾性表面波の伝搬方向の基板表面上に何も形成されていない面を意味し、短絡面とはその基板表面上に電極等の導電性物質が形成されている面を意味している。いずれの状態でも、分極反転領域の深さが深くなるにつれてＳＡＷ速度が減少し、その深さがＳＡＷ波長の２倍を超えるとＳＡＷ速度が減少する度合いは極めて小さくなる。
【００２２】
図６に示すデータを元にＳＡＷ波長を調整することが好ましい。分極反転を利用しない場合のフィルタのＳＡＷ波長は、例えば直列共振器が２．１１μｍ、並列共振器が２．１７μｍであるとすると、分極反転領域１４1〜１４3を用いた実施例のフィルタでは、例えば直列共振器１２1〜１２4の周期は２．０３１μｍ、並列共振器１３1、１３2の周期は２．１２μｍである。ここで、分極反転領域１４1〜１４3を形成していない並列共振器１３1、１３2のＳＡＷ波長まで変更しているのは、分極反転領域１４1〜１４3の存在によって直列共振器１２1〜１２4の励振効率が低下するため、挿入損失の小さいパスバンドを形成するには直列共振器１２1〜１２4と並列共振器１３1、１３2の周波数差を小さくする必要があるためである。以上のような構成にすることによって、パスバンドの高周波側の角型性と周波数温度特性に優れたフィルタを実現している。
【００２３】
図７に、上記のようにして製作したラダー型フィルタの通過特性を示す。フィルタのパスバンドの高周波側の損失が−３．５ｄＢから−４２ｄＢになるのに要する周波数は、分極反転領域無しの従来フィルタが１７ＭＨｚであるのに対し、直列共振器１２1〜１２4を分極反転領域１４1〜１４3上に形成したフィルタでは１２．５ＭＨｚと、より急峻な特性を実現している。このフィルタのパスバンドの高周波側の周波数温度特性は、−３７ｐｐｍ／°Ｃと、分極反転領域の無いフィルタの−４０ｐｐｍ／°Ｃに比べて３ｐｐｍ／°Ｃほど改善した。
【００２４】
（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態に係る弾性表面波素子を示す図である。図中、前述した構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。本実施形態では、４個ある直列共振器１２1〜１２4のうちの２個の直列共振器１２2、１２3に分極反転領域１４2を形成している。つまり、本実施形態は、一部の直列共振器にのみを分極反転領域上に形成した構成である。残りの直列共振器１２1、１２4はチップ１１上に直接形成されている。上記第１実施形態に係る実施例と同様の方法において、濃度９０％のピロりん酸に浸す時間を３０分とすることによって、深さ約１．５μｍの分極反転領域１４2を形成した。分極反転領域１４2を形成した直列共振器１２2、１２3の周期は１．９１８μｍ、分極反転領域を形成しない直列共振器１２1、１２ 4 の周期は２．１１μｍである。
【００２５】
このようにして製作したフィルタの通過特性を図９に示す。図７に示す第１実施形態に係る実施例に比べ分極反転領域１４2が深くなったことによって、励振効率はさらに低下しているが、共振器単体の周波数温度特性は−２０ｐｐｍ／°Ｃと大幅に改善している。その結果、図９に示したフィルタのパスバンドの高周波側の周波数温度特性は、−３０ｐｐｍ／°Ｃと大きく向上した。
【００２６】
（第３実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態に係る弾性表面波素子の平面図である。本実施形態の弾性表面波素子はバンドパスフィルタとして機能し、並列共振器のみを分極反転領域上に形成したことを特徴とする。これにより、フィルタ全体の励振効率の低下を最小限に抑え、良好な通過特性が得られ、しかも通過帯域の低周波側の立上がり特性が温度変化の影響を受け難くなる。
【００２７】
圧電素子で形成されたチップ２１上に設けられた６つの直列共振器２２1〜２２ 6 と３つの並列共振器２３1〜２３3とを有し、これらの共振器が配線パターン２５を介してラダー型に接続された６段構成のラダー型弾性表面波フィルタである。弾性表面波共振器である直列共振器２２１〜２２６や並列共振器２３１〜２３３は、１対のくし形電極と、その両側にそれぞれ設けられた１対の反射電極とを有する。参照番号２６と２７はそれぞれ入力端子及び出力端子を示す。また、参照番号２８、２９、３０はそれぞれ並列共振器２３1、２３2、２３3に接続されるグランド端子である。分極反転領域２４1〜２４3は、前述したプロセスと同様にして形成できる。
【００２８】
本実施形態によるフィルタの通過特性を図１１に示す。並列共振器２３1〜２３3に分極反転領域２４1〜２４3を形成することによって、パスバンドの低周波側の特性が急峻になっている。損失が−５０ｄＢから−４ｄＢになるのに要する周波数は、分極反転領域を形成しないフィルタで３４ＭＨｚであるのに対し、本実施形態では２３．８ＭＨｚと大幅に向上している。このフィルタのパスバンドの低周波側の周波数温度特性は−３５ｐｐｍ／°Ｃと、分極反転領域の無いフィルタの−３８ｐｐｍ／°Ｃに比べて３ｐｐｍ／°Ｃほど改善した。
【００２９】
（第４実施形態）
図１２は、本発明の第４実施形態に係る弾性表面波素子を示す図である。図中、図１０に示す構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。本実施形態は、図１０に示すフィルタの並列共振器２３2を圧電基板のチップ２１上に直接形成し、残りの２つの並列共振器２３1と２３3のみをそれぞれ分極反転領域２４1と２４3上に形成したものである。つまり、図１２に示すフィルタは、一部の並列共振器にのみ分極反転領域を形成した構成を有する。この構成においては、図１０に示す構成に比べフィルタの通過特性の急峻性と温度特性の改善幅は減少するが、励振効率の低下が抑えられるため、パスバンドの広いフィルタを実現できる。
【００３０】
（第５実施形態）
図１３は、本発明の第５実施形態に係る弾性表面波素子を示す図である。図中、前述した構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。本実施形態は、直列共振器の一部及び並列共振器の一部にそれぞれ分極反転領域を形成した構成を有する。図１３に示すフィルタでは、直列共振器２２1〜２２6のうち直列共振器２２4と２２5にのみに分極反転領域２４4を形成し、並列共振器２３1〜２３3のうち並列共振器２３1のみに分極反転領域２４1を形成してある。この構成においても、フィルタの通過特性の急峻性と温度特性の改善幅は減少するが、励振効率の低下が抑えられるため、パスバンドの広いフィルタを実現できる。
【００３１】
なお、分極反転領域の形成は図１３に示す態様に限定されない。例えば、分極反転領域２４4を直列共振器２２2と２２3に設けても良い。更に、入力側又は出力側の直列共振器２２1又は２２6に設けてもよい。同様に、並列共振器２３1に代えて又はこれに加えて、並列共振器２３2又は２３3に分極反転領域を設ける構成でもよい。
【００３２】
（第６実施形態）
図１４は、本発明の第６実施形態に係る弾性表面波素子を示す図である。また、図１５は、図１４の弾性表面波素子を用いたデュプレクサの全体構成を示す回路図である。圧電基板で形成されるチップ４１上に、送信（Ｔｘ）フィルタ４２と受信（Ｒｘ）フィルタ４３が形成されている。送信フィルタ４２は図３に示す共振器配列を有し、受信フィルタ４３は図１０に示す共振器配列を有する。従って、図１４では、図３及び図１０で用いた参照番号を用いる。Ｔ１とＴ２はデュプレクサの共通端子、２９は位相整合回路である。Ｔ３とＴ４は送信フィルタ４２の出力端子、Ｔ５とＴ６は入力端子である。Ｔ７とＴ８は受信フィルタ４３の入力端子、Ｔ９とＴ１０は出力端子である。
【００３３】
送信フィルタ４２では、直列共振器１２1〜１２4のみが分極反転領域１４1〜１４3上に形成され、並列共振器１３1と１３2は圧電基板上に直接形成されている。これに対し、受信フィルタ４３では、並列共振器２３1〜２３3のみが分極反転領域２４1〜２４3上に形成され、直列共振器２２1〜２２6は圧電基板上に直接形成されている。この構成は、送信フィルタ４２の通過帯域が受信フィルタ４３の通過帯域より低い周波数側に近接して位置している場合に効果的である。送信フィルタ４２の通過特性の立下りと受信フィルタ４３の通過特性の立上がりが近接していると、温度変動によりこれらが重なり合ってしまい、送信フィルタ４２と受信フィルタ４３が干渉してしまう可能性がある。これに対し、本実施形態では、送信フィルタ４２の通過特性の立下り特性と受信フィルタ４３の通過特性の立上り特性の温度安定性が優れているため、上記のような問題が発生するのを抑制することができる。
【００３４】
このような図１４に示す弾性表面波素子を用いて、図１５に示すようなデュプレクサを形成した場合の通過特性を図１６に示す。分極反転領域を形成していないデュプレクサは、送信フィルタと受信フィルタの境界において、通過特性の重なりが大きい。重なりが大きいと、送信帯域の送信信号と受信帯域の受信信号の分離が十分にできない。これに対して、分極反転領域を上記のように形成している本実施形態に係るデュプレクサは、送信フィルタ４２と受信フィルタ４３の境界において、通過特性の重なりが小さい。そのため、送信帯域の送信信号と受信帯域の受信信号を効果的に分離することができる。
【００３５】
なお、分極反転領域は図１４に示す形態に限定されるものではなく、送信フィルタ４２の直列共振器の一部又は受信フィルタ４３の並列共振器の一部に分極反転領域を形成することでもよい。更に、送信フィルタ４２と受信フィルタ４３のそれぞれにおいて、図１３を参照して説明したように、直列共振器と並列共振器の一部に分極反転領域を形成する構成であってもよい。更に、送信フィルタの通過帯域が受信フィルタの通過帯域よりも高い周波数側に位置している場合には、受信フィルタの通過帯域の立下り特性と送信フィルタの通過帯域の立上り特性の温度安定性を向上させることが好ましい。よって、この場合には送信フィルタの並列共振器に反転分極領域を形成し、受信フィルタの直列共振器に反転分極領域を形成する。
【００３６】
（第７実施形態）
図１７は、本発明の第７実施形態による弾性表面波素子（共振器）を示す図である。前述した第１から第６実施形態では、反転分極領域は対応する弾性表面波共振器の１対のくし形電極及び１対の反射電極の下に一様に形成されているのに対し、第７実施形態は弾性表面波共振器の一部に分極反転領域を設けたものである。このように形成された分極反転領域は、弾性表面波を閉じ込めて本来の伝搬方向に伝搬させる作用を持つ。以下、詳細に説明する。
【００３７】
図１７に示す弾性表面波共振器は１対のくし形電極５１と５２、及び１対の反射電極５３と５４を有する。これらの電極は圧電基板上に形成されている。くし形電極５１は複数の電極指５１ａとこれらを連結するバスバー５１ｂとを有する。図１７のバスバー５１ｂは配線パターンと一体的に図示されており幅広に図示されているが、バスバー５１ｂ自体の幅は例えば後述する反射電極のバスバーと同一幅でも良い。同様に、くし形電極５２は、電極指５２ａとバスバー５２ｂとを有する。電極指５１ａと５２ａは交互に（インターディジタルに）配置されている。電極指５１ａと５２ａが交差する部分で、弾性表面波が励振される。反射電極５３は弾性表面波の伝搬方向に位置し、電極指５３ａと２つのバスバー５３ｂ、５３ｃを有する。電極指５３ａはバスバー５３ｂと５３ｃとから交互に延びて、他方のバスバーに接続した構成と考えることができる。同様に、反射電極５４は弾性表面波の他方の伝搬方向に位置し、電極指５４ａと２つのバスバー５４ｂ、５４ｃとを有する。
【００３８】
弾性表面波共振器は２つの分極反転領域５５と５６を有する。分極反転領域５５、５６は電極指５１ａ、５２ａ、５３ａ及び５４ａを挟むように設けられている。分極反転領域５５は、バスバー５１ｂ、５３ｂ、５４ｂの下に形成されている。換言すれば、バスバー５１ｂ、５３ｂ、５４ｂは分極反転領域５５上に形成されている。同様に、分極反転領域５６は、バスバー５２ｂ、５３ｃ、５４ｃの下に形成されている。換言すれば、バスバー５２ｂ、５３ｃ、５４ｃは分極反転領域５６上に形成されている。分極反転領域５５、５６は、その深さをｈとし、ＳＡＷ波長をλとすると、λで正規化した深さｈ／λが１以上であることが好ましい。分極反転領域５５、５６ではＳＡＷ速度が低下する。これにより、電極を越えて斜め方向に伝搬しようとする弾性表面波を、本来の伝搬領域（電極指が形成されている領域）内に効果的に閉じ込めることができる。
【００３９】
図１８に、図１７に示す弾性表面波共振器の通過特性を示す。上記閉じ込め効果により反共振周波数での減衰が大きくなり、バスバー下に分極反転領域を形成しない共振器に比べ、共振器特性を急峻にすることができる。加えて、分極反転領域が全面に形成されていないため、弾性表面波の励振効率は極めて高い。
【００４０】
以上説明した本実施形態に係る弾性表面波共振器は、例えば第１から第６実施形態に適用することができる。つまり、これらの実施形態において、分極反転領域を有する弾性表面波共振器に代えて、第７実施形態に係る弾性表面波共振器を用いることができる。
【００４１】
（第８実施形態）
図１９は、本発明の第８実施形態に係る弾性表面波素子（共振器）を示す図である。図中、図１７に示す構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。本実施形態は第７実施形態を変形したものである。分極反転領域５５Ａと５６Ａはバスバーだけでなく、電極指が交差していない部分以外の電極指部分まで形成されている。具体的には、分極反転領域５５Ａはバスバー５１ｂ、５３ｂ及び５４ｂに加え、電極指５２ａと交差していない電極指５１ａの部分、及びこの部分と同じ側で同一長さの電極指５３ａ、５４ａの部分の下に形成されている。同様に、分極反転領域５６Ａはバスバー５２ｂ、５３ｃ及び５４ｃに加え、電極指５１ａと交差していない電極指５２ａの部分、及びこの部分と同じ側で同一長さの電極指５３ａ、５４ａの部分の下に形成されている。このように形成された分極反転領域５５Ａ、５６Ａも弾性表面波を閉じ込めるように作用する。
【００４２】
このような構成の弾性表面波共振器を用いてラダー型フィルタを製作した。フィルタの構成は、直列共振器を４個、並列共振器を３個ラダー型に接続したものである。４個の直列共振器はそれぞれ図１９に示す構成を有する。分極反転領域５５Ａと５６Ａの形成条件は、前述した第２実施形態と同じであり、深さは約１．５μｍである。このようにして製作したフィルタの通過特性を図２０に示す。分極反転領域５５Ａ、５６Ａを形成していないフィルタに比べ、パスバンドの高周波側の急峻性が向上している。損失が−３．５ｄＢから−４２ｄＢまで減衰するのに要する周波数は、分極反転領域を形成していないフィルタが１５ＭＨｚであるのに対し、本実施形態の分極反転領域５５Ａ，５６Ａを形成したフィルタでは１３ＭＨｚとなっており、２ＭＨｚ向上している。本実施形態では、ラダー型フィルタの直列共振器のバスバー部に分極反転領域を形成して、フィルタのパスバンドの高周波側の急峻性を向上させているが、並列共振器のバスバー部に分極反転領域を形成すると、パスバンドの低周波側の急峻性を向上させることができる。
【００４３】
（第９実施形態）
図２１は、本発明の第９実施形態に係る弾性表面波素子（共振器）を示す図である。図中、図１７及び図１９に示す構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。本実施形態は、図１９に示す分極反転領域５５Ａと５６Ａを更に内側まで延ばし、分極反転領域５５Ｂと５６Ｂとしたものである。交差する電極指部分の一部は、分極反転領域５５Ｂ、５６Ｂ上に形成されている。電極指の残りの部分は圧電基板上に直接形成されている。電極指で励振された弾性表面波（ＳＡＷ）は伝搬速度の違いから、分極反転領域の無い部分に閉じ込められるので、図１８に示す特性と同様の特性が得られる。
【００４４】
（第１０実施形態）
図２２は、本発明の第１０実施形態に係る弾性表面波素子（共振器）を示す図である。図中、図１８、図１９及び図２１に示す構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。図２２に示す１対のくし形電極５１、５２はそれぞれダミー電極５１ｃ、５２ｃを有する。ダミー電極５１ｃ、５２ｃは弾性表面波（ＳＡＷ）を閉じ込めるように作用する。ダミー電極５１ｃはバスバー５１ｂから延び、電極指５２ａの先端に対峙するように形成されている。同様に、ダミー電極５２ｃはバスバー５２ｂから延び、電極指５１ａの先端に対峙するように形成されている。分極反転領域５５Ｃはバスバー５１ｂ、５３ｂ、５４ｂ、ダミー電極５１ｃ及び対応する電極指５３ａ、５４ａの部分の下に位置している。同様に、分極反転領域５６Ｃはバスバー５２ｂ、５３ｃ、５４ｃ、ダミー電極５２ｃ及び対応する電極指５３ａ、５４ａの部分の下に位置している。以上の構成の弾性表面波素子は、図２０の実線で示す通過特性と同等の通過特性を有する。
【００４５】
なお、図２２の構成を変形して、例えば図１７に示すようにバスバー部分のみに分極反転領域を形成する構成や、図１９に示すように隣り合う電極指のうち交差しない電極指部分まで分極反転領域を形成する構成、更には図２１に示すように、交差する電極指部分の一部まで分極反転領域を形成する構成とすることができる。
【００４６】
なお、第７から第１０実施形態の分極反転領域は、くし形電極及び反射電極に及ぶ範囲がそれぞれ異なり、これに応じて角形特性も多少異なる。従って、所望の角形特性（急峻性）が得られるような分極反転領域を選択することができる。
【００４７】
（第１１実施形態）
図２３は、本発明の第１１実施形態に係る弾性表面波素子を示す図である。図示する弾性表面波素子は２重モード型弾性表面波フィルタ（Double Mode SAW Filter:以下、ＤＭＳフィルタという）である。このフィルタは、圧電基板で形成されるチップ６１上に、３対のくし形電極６２〜６４と、２つの反射電極６５、６６を有する。これらの電極６２〜６６は、図示するように一列に配置されている。このフィルタは図２４に示すように接続される。くし形電極６２は入力電極となり、くし形電極６３と６４は出力電極となる。図２４では１出力であるが、出力電極６３と６４からバランス出力（相補出力）を取り出す配線とすることも可能である。電極６２〜６６のバスバーは、分極反転領域６７と６８上に形成されている。このような構成のＤＭＳフィルタもＳＡＷ共振器の場合と同様に、急峻なフィルタ特性を得ることができる。
【００４８】
ＤＭＳフィルタに適用可能な分極反転領域６７、６８は図２３に示すものに限定されず、図１９や図２１を参照して説明したように、電極指が交差しない領域まで、又はこれを越えて電極指が交差する部分の一部まで形成することもできる。また、ＤＭＳフィルタがダミー電極を有する場合には、図２２を参照して説明したように分極反転領域を設けることができる。
【００４９】
図２５の実線で示すフィルタ特性は、図２６に示すように、図２３に示す分極反転領域６７、６８を内側に延長して、電極指の交差部分の一部まで形成した分極反転領域６７Ａ、６８Ａを有するＤＭＳフィルタのものである。なお、破線は分極反転領域が形成されていない従来のＤＭＳフィルタのものである。分極反転領域６７Ａ、６８Ａの形成条件は第２実施形態と同じであり、深さは約１．５μｍである。パスバンドの低周波側及び高周波側の急峻性が向上している。パスバンドの低周波側で損失が−５０ｄＢから−４ｄＢまで変化するのに要する周波数は、分極反転領域を形成していない通常のフィルタが１４ＭＨｚであるのに対し、本実施形態の分極反転領域６７Ａ、６８Ａを形成したＤＭＳフィルタでは１１ＭＨｚとなっており、３ＭＨｚほど向上している。パスバンドの高周波側で損失が−４ｄＢから−５０ｄＢまで変化するのに要する周波数は、分極反転領域を形成していないＤＭＳフィルタが３２ＭＨｚであるのに対し、本実施形態の分極反転領域６７Ａ、６８Ａを形成したＤＭＳフィルタでは２５ＭＨｚとなっており、７ＭＨｚほど向上している。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、励振効率が高くかつ優れた温度特性を持つ弾性表面波素子、及び励振効率が高くかつ優れた周波数特性を持つ弾性表面波素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の弾性表面波素子を示す図である。
【図２】図１に示す従来の弾性表面波素子の通過特性を示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図４】図３に示す弾性表面波素子の回路図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】分極反転領域を形成した弾性表面波共振器の分極反転領域の深さとＳＡＷ速度との関係を示すグラフである。
【図７】第１実施形態に係る弾性表面波素子及び従来例の通過特性を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図９】第２実施形態に係る弾性表面波素子及び従来例の通過特性を示すグラフである。
【図１０】本発明の第３実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図１１】第３実施形態に係る弾性表面波素子及び従来例の通過特性を示すグラフである。
【図１２】本発明の第４実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図１３】本発明の第５実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図１４】本発明の第６実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図１５】図１４の弾性表面波素子を用いたデュプレクサの全体構成を示す回路図である
【図１６】第６実施形態に係る弾性表面波素子及び従来例の通過特性を示すグラフである。
【図１７】本発明の第７実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図１８】第７実施形態に係る弾性表面波素子及び従来例の通過特性を示すグラフである。
【図１９】本発明の第８実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図２０】第８実施形態に係る弾性表面波素子及び従来例の通過特性を示すグラフである。
【図２１】本発明の第９実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図２２】本発明の第１０実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図２３】本発明の第１１実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図２４】図２３に示す弾性表面波素子を用いたＤＭＳフィルタを示す図である。
【図２５】図２６に示すＤＭＳフィルタ及び従来例の通過特性を示すグラフである。
【図２６】本発明の第１０実施形態の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１１ チップ
１２1〜１２4 直列共振器
１３1、１３2 並列共振器
１４1〜１４3 分極反転領域
１５ 配線パターン
１６ 入力端子
１７ 出力端子
１８、１９ グランド端子
２１ チップ
【発明の属する技術分野】
本発明は弾性表面波を利用した素子に関し、特に弾性表面波素子の温度安定性及び角形特性の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性表面波素子は、携帯電話のバンドパスフィルタやデュプレクサなどとして幅広く用いられている。近年、携帯電話などの高性能化に伴い、弾性表面波素子を用いたフィルタにもさらなる高性能化が求められている。例えば温度変化によってフィルタの通過周波数帯域が移動してしまうため、温度安定性を改善することも一つである。現在、弾性表面波素子用基板材料として主に用いられているタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３、以下ＬＴという）は、広帯域のフィルタ特性を実現するのに有利な、大きな電気機械結合係数を持つ圧電材料であるが、水晶基板などに比べ温度安定性に劣るという欠点を持っている。圧電材料の一般的な傾向として、電気機械結合係数の大きなＬＴやニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３、以下ＬＮという）のような材料は温度安定性に劣り、逆に、温度安定性に優れた水晶などの材料は電気機械結合係数が小さい、という相反的な特性を持つ。そのため、大きな電気機械結合係数と優れた温度安定性を併せ持つ圧電材料を実現することは、長年の課題であった。
【０００３】
これまで、大きな電気機械結合係数と優れた温度安定性を持った材料を実現するために、さまざまな方法が提案されている。例えば、山之内らは、ＬＮあるいはＬＴ基板表面に、逆の温度係数をもつＳｉＯ２膜を成膜した基板を提案している（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｓｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ．， ｖｏｌ．ＳＵ−３１， ｐｐ．５１−５７， １９８４ 他）。また、中村らは、ＬＴ基板表面に波長以下程度の分極反転領域を形成し、その電界短絡効果を利用することによって、温度安定性の向上を実現している（日本国特許第２５１６８１７号）。この他、大西らは、薄い圧電基板と厚い低膨張材料基板とを直接接合によって接合し、圧電基板の温度変化による伸縮を抑制して、温度安定性の向上を実現し（特開平１１−５５０７０号公報, Ｐｒｏｃ． ｏｆＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ， ｐｐ．３３５−３３８， １９９８ 他）、山之内らは、同様の構造を接着剤などを用いて実現している（第２０回超音波シンポジウム １９９９年１１月）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
大きな電気機械結合係数を持ち、かつ温度安定性に優れた弾性表面波素子を実現するため、前節で述べたような多くの方法が提案されているが、山之内らのＬＮあるいはＬＴ基板表面にＳｉＯ２膜を成膜した基板では、ＳｉＯ２膜の膜質を一定に制御することが難しいこと、弾性表面波の伝播損失が大きくなることといった課題があった。大西らの圧電基板に低膨張材基板を接合する方法では、より高い効果を得るためには、圧電基板と低膨張基板の接合面を鏡面とする必要があるが、その結果、接合界面でバルク波の反射が起こり、フィルタ特性の劣化を引き起こすなど課題が残っている。山之内らによって、圧電基板裏面を粗面化した後、接着剤を用いて低膨張材と接合を行う方法が提案されている（特開平２００１−５３５７９号公報）が、界面の接着力の低下に伴い、温度安定性改善効果も低下してしまっている。
【０００５】
中村らの分極反転領域を形成する方法では、温度安定性は従来サンプルより優れたデバイスを実現できる。しかしながら、本発明者による検証の結果、分極反転領域の存在によって、弾性表面波の励振効率が低下してしまうという課題があることが分かった。本発明者は、図１に示す９００ＭＨｚ帯の通過帯域を持つ弾性表面波素子を試作し、その特性を測定した。図１に示すように、圧電基板からなるチップ１上に直列共振器２を４つ、並列共振器３を２つ形成し、これらをラダー型に接続したラダー型弾性表面波素子を試作した。分極反転領域はチップ１の全領域に形成している。つまり、全ての直列共振器２及び並列共振器３の部分に分極反転領域４が形成されている。
【０００６】
図２の実線は、図１に示すフィルタの周波数特性を示す。なお、破線は分極反転領域を持たないフィルタの周波数特性を示している。図示するように、分極反転領域を形成したサンプルのフィルタ特性は通過帯域での損失が大きくなっており、十分なフィルタ特性を得られていない。
【０００７】
このように、従来の分極反転領域４は温度特性を向上させることができるが、弾性表面波の励振効率を悪化させるため、実用に耐える周波数特性を持つフィルタを製造するのが極めて困難であるという問題点がある。
【０００８】
本発明は励振効率が高く、かつ優れたフィルタ特性を持つ弾性表面波素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１に記載のように、圧電基板上に形成された複数の弾性表面波共振器をラダー型に接続した弾性表面波素子において、前記圧電基板は分極反転領域を有し、前記複数の弾性表面波共振器のうちの直列共振器又は並列共振器のいずれか一方が前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする弾性表面波素子である。これにより、全体の励振効率の低下を最小限に抑え、優れたフィルタ特性、具体的には温度特性と通過特性を実現することができる。
【００１０】
上記弾性表面波素子において、例えば、前記複数の弾性表面波共振器のうちの直列共振器の一部が、前記分極反転領域上に形成されている。また、別の例として、前記複数の弾性表面波共振器のうちの全ての直列共振器が、前記分極反転領域上に形成されている。更に別の例として、前記複数の弾性表面波共振器のうちの並列共振器の一部が、前記分極反転領域上に形成されている。更に別の例として、前記複数の弾性表面波共振器のうちの全ての並列共振器が、前記分極反転領域上に形成されている。更に別の例として、前記分極反転領域は複数の直列共振器又は並列共振器のいずれか一方の複数の共振器に共通に形成されている。更に別の例として、前記分極反転領域は複数の直列共振器又は並列共振器のいずれか一方の共振器毎に形成されている。
【００１４】
本発明はまた、請求項８に記載のように、圧電基板上に電極指をインターディジタルに配置して弾性表面波共振器を構成する弾性表面波素子において、前記電極指の周囲に分極反転領域を設け、前記電極指を連結するバスバー及び電極指同士が交差していない電極指部分は、前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする弾性表面波素子である。これにより、全体の励振効率の低下を最小限に抑え、優れたフィルタ特性、具体的には共振特性とフィルタの角形特性の改善を実現することができる。
【００１５】
本発明はまた、請求項９に記載のように、圧電基板上に電極指をインターディジタルに配置して弾性表面波共振器を構成する弾性表面波素子において、前記電極指の周囲に分極反転領域を設け、前記電極指を連結するバスバー並びに電極指同士が交差していない電極指部分及び交差している電極指部分の一部は、前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする弾性表面波素子である。これにより、全体の励振効率の低下を最小限に抑え、優れたフィルタ特性、具体的には共振特性とフィルタの角形特性の改善を実現することができる。
本発明はまた、請求項１０に記載のように、圧電基板上に電極指をインターディジタルに配置して弾性表面波共振器を構成する弾性表面波素子において、前記電極指の周囲に分極反転領域を設け、前記弾性表面波共振器はダミー電極を有し、該ダミー電極は前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする弾性表面波素子である。これにより、全体の励振効率の低下を最小限に抑え、優れたフィルタ特性、具体的には共振特性とフィルタの角形特性の改善を実現することができる。
請求項８から１０のいずれかにおいて、前記弾性表面波素子はラダー型弾性表面波フィルタであって、前記弾性表面波共振器は該ラダー型弾性表面波フィルタを構成する共振器の一部であるように構成することもできる。また、請求項８から１０のいずれかにおいて、前記弾性表面波素子は２重モード型弾性表面波フィルタである構成とすることもできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
図３は、本発明の第１実施形態に係る弾性表面波素子の平面図である。本実施形態の弾性表面波素子は、圧電素子で形成されたチップ１１上に設けられた４つの直列共振器１２1、１２2、１２3、１２4と２つの並列共振器１３1、１３2とを有し、これらの共振器が配線パターン１５を介してラダー型に接続されたラダー型弾性表面波フィルタである。このフィルタはバンドパスフィルタとして機能する。弾性表面波共振器である直列共振器１２１〜１２４や並列共振器、１３１，１３ ２ は、１対のくし形電極と、その両側にそれぞれ設けられた１対の反射電極とを有する。１対の反射電極はグレーティング反射器を構成する。参照番号１６と１７はそれぞれ入力端子及び出力端子を示す。また、参照番号１８と１９はそれぞれ並列共振器１３1、１３2に接続される端子である。図４に、図３示すラダー型弾性表面波フィルタの回路構成を模式的に示す。端子１８と１９はそれぞれグランドに接続されている。
【００１８】
図３に戻り、参照番号１４1、１４2、１４3はそれぞれ分極反転領域である。分極反転領域１４1、１４2、１４3上に直列共振器１２1〜１２4が図示するように形成されている。例えば、分極反転領域１４1は直列共振器１２1の１対のくし形電極と１対の反射電極との下に一様に形成されている。直列共振器１２2と１２3は、共通の分極反転領域１４2上に形成されている。これに対し、並列共振器１３1と１３2にはチップ１１上、換言すれば圧電基板上に直接形成されている。分極反転領域１４1、１４2、１４3を直列共振器１２1〜１２4にのみ設けた構成により、フィルタ全体の励振効率の低下を最小限に抑え、良好な通過特性が得られ、更に通過帯域の高周波側の立下り特性は温度変動の影響を受け難くなる。分極反転領域１４1と１４3にはそれぞれ直列共振器１２1と１２4が形成されている。また、分極反転領域１４2には、２つの直列共振器１２2と１２3が形成されている。つまり、２つの直列共振器１２2と１２3に対して共通に分極反転領域１４2が設けられている。
【００１９】
図５は、図３に示すＶ−Ｖ線断面図である。直列共振器１２1に対する分極反転領域１４1は、チップ１１の表面、つまり圧電基板の表面に形成されている。チップ１が矢印Ａの方向に分極されている場合、分極反転領域１４1の分極方向は１８０°反対方向の矢印Ｂの方向になる。後述するように、分極反転領域１４1の深さは、直列共振器１２1により励振される弾性表面波の波長（以下、ＳＡＷ波長という）の２倍以下であることが好ましい。
【００２０】
分極反転領域１４1〜１４3は例えば、次のプロセスで形成することができる。例えば、チップ個片に切り出す前の圧電基板上であって分極を反転させない領域、つまり直列共振器１４1〜１４3以外の表面を、３００ｎｍ程度のタンタル（Ｔａ）薄膜で覆う。圧電基板は例えば、４２°回転ＹカットＸ伝搬ＬＴである。次に、２６０°Ｃ、濃度９０％のピロりん酸に圧電基板を２０分間浸す。次にＬＴのキュリー点（約６０５°Ｃ）直下の温度、例えば５９０°Ｃで１〜３時間程アニール処理をする。
【００２１】
このプロセスにより、深さ約１μｍの分極反転領域１４1〜１４3が形成される。この深さは、１．９ＧＨｚ帯フィルタのＳＡＷ波長約２．１μｍの１／２に相当する。分極反転領域を形成すると、その深さに応じてＳＡＷ速度が低下するため、電極指の周期つまりＳＡＷ波長を調整する必要がある。図６にＳＡＷ速度の分極反転深さ依存性の測定結果を示す。図中、横軸は分極反転領域の深さｈをＳＡＷ波長λで正規化した値（ｈ／λ）を示し、縦軸はＳＡＷ速度（ｍ／ｓｅｃ）を示す。また、開放面とは共振器で励振された弾性表面波の伝搬方向の基板表面上に何も形成されていない面を意味し、短絡面とはその基板表面上に電極等の導電性物質が形成されている面を意味している。いずれの状態でも、分極反転領域の深さが深くなるにつれてＳＡＷ速度が減少し、その深さがＳＡＷ波長の２倍を超えるとＳＡＷ速度が減少する度合いは極めて小さくなる。
【００２２】
図６に示すデータを元にＳＡＷ波長を調整することが好ましい。分極反転を利用しない場合のフィルタのＳＡＷ波長は、例えば直列共振器が２．１１μｍ、並列共振器が２．１７μｍであるとすると、分極反転領域１４1〜１４3を用いた実施例のフィルタでは、例えば直列共振器１２1〜１２4の周期は２．０３１μｍ、並列共振器１３1、１３2の周期は２．１２μｍである。ここで、分極反転領域１４1〜１４3を形成していない並列共振器１３1、１３2のＳＡＷ波長まで変更しているのは、分極反転領域１４1〜１４3の存在によって直列共振器１２1〜１２4の励振効率が低下するため、挿入損失の小さいパスバンドを形成するには直列共振器１２1〜１２4と並列共振器１３1、１３2の周波数差を小さくする必要があるためである。以上のような構成にすることによって、パスバンドの高周波側の角型性と周波数温度特性に優れたフィルタを実現している。
【００２３】
図７に、上記のようにして製作したラダー型フィルタの通過特性を示す。フィルタのパスバンドの高周波側の損失が−３．５ｄＢから−４２ｄＢになるのに要する周波数は、分極反転領域無しの従来フィルタが１７ＭＨｚであるのに対し、直列共振器１２1〜１２4を分極反転領域１４1〜１４3上に形成したフィルタでは１２．５ＭＨｚと、より急峻な特性を実現している。このフィルタのパスバンドの高周波側の周波数温度特性は、−３７ｐｐｍ／°Ｃと、分極反転領域の無いフィルタの−４０ｐｐｍ／°Ｃに比べて３ｐｐｍ／°Ｃほど改善した。
【００２４】
（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態に係る弾性表面波素子を示す図である。図中、前述した構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。本実施形態では、４個ある直列共振器１２1〜１２4のうちの２個の直列共振器１２2、１２3に分極反転領域１４2を形成している。つまり、本実施形態は、一部の直列共振器にのみを分極反転領域上に形成した構成である。残りの直列共振器１２1、１２4はチップ１１上に直接形成されている。上記第１実施形態に係る実施例と同様の方法において、濃度９０％のピロりん酸に浸す時間を３０分とすることによって、深さ約１．５μｍの分極反転領域１４2を形成した。分極反転領域１４2を形成した直列共振器１２2、１２3の周期は１．９１８μｍ、分極反転領域を形成しない直列共振器１２1、１２ 4 の周期は２．１１μｍである。
【００２５】
このようにして製作したフィルタの通過特性を図９に示す。図７に示す第１実施形態に係る実施例に比べ分極反転領域１４2が深くなったことによって、励振効率はさらに低下しているが、共振器単体の周波数温度特性は−２０ｐｐｍ／°Ｃと大幅に改善している。その結果、図９に示したフィルタのパスバンドの高周波側の周波数温度特性は、−３０ｐｐｍ／°Ｃと大きく向上した。
【００２６】
（第３実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態に係る弾性表面波素子の平面図である。本実施形態の弾性表面波素子はバンドパスフィルタとして機能し、並列共振器のみを分極反転領域上に形成したことを特徴とする。これにより、フィルタ全体の励振効率の低下を最小限に抑え、良好な通過特性が得られ、しかも通過帯域の低周波側の立上がり特性が温度変化の影響を受け難くなる。
【００２７】
圧電素子で形成されたチップ２１上に設けられた６つの直列共振器２２1〜２２ 6 と３つの並列共振器２３1〜２３3とを有し、これらの共振器が配線パターン２５を介してラダー型に接続された６段構成のラダー型弾性表面波フィルタである。弾性表面波共振器である直列共振器２２１〜２２６や並列共振器２３１〜２３３は、１対のくし形電極と、その両側にそれぞれ設けられた１対の反射電極とを有する。参照番号２６と２７はそれぞれ入力端子及び出力端子を示す。また、参照番号２８、２９、３０はそれぞれ並列共振器２３1、２３2、２３3に接続されるグランド端子である。分極反転領域２４1〜２４3は、前述したプロセスと同様にして形成できる。
【００２８】
本実施形態によるフィルタの通過特性を図１１に示す。並列共振器２３1〜２３3に分極反転領域２４1〜２４3を形成することによって、パスバンドの低周波側の特性が急峻になっている。損失が−５０ｄＢから−４ｄＢになるのに要する周波数は、分極反転領域を形成しないフィルタで３４ＭＨｚであるのに対し、本実施形態では２３．８ＭＨｚと大幅に向上している。このフィルタのパスバンドの低周波側の周波数温度特性は−３５ｐｐｍ／°Ｃと、分極反転領域の無いフィルタの−３８ｐｐｍ／°Ｃに比べて３ｐｐｍ／°Ｃほど改善した。
【００２９】
（第４実施形態）
図１２は、本発明の第４実施形態に係る弾性表面波素子を示す図である。図中、図１０に示す構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。本実施形態は、図１０に示すフィルタの並列共振器２３2を圧電基板のチップ２１上に直接形成し、残りの２つの並列共振器２３1と２３3のみをそれぞれ分極反転領域２４1と２４3上に形成したものである。つまり、図１２に示すフィルタは、一部の並列共振器にのみ分極反転領域を形成した構成を有する。この構成においては、図１０に示す構成に比べフィルタの通過特性の急峻性と温度特性の改善幅は減少するが、励振効率の低下が抑えられるため、パスバンドの広いフィルタを実現できる。
【００３０】
（第５実施形態）
図１３は、本発明の第５実施形態に係る弾性表面波素子を示す図である。図中、前述した構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。本実施形態は、直列共振器の一部及び並列共振器の一部にそれぞれ分極反転領域を形成した構成を有する。図１３に示すフィルタでは、直列共振器２２1〜２２6のうち直列共振器２２4と２２5にのみに分極反転領域２４4を形成し、並列共振器２３1〜２３3のうち並列共振器２３1のみに分極反転領域２４1を形成してある。この構成においても、フィルタの通過特性の急峻性と温度特性の改善幅は減少するが、励振効率の低下が抑えられるため、パスバンドの広いフィルタを実現できる。
【００３１】
なお、分極反転領域の形成は図１３に示す態様に限定されない。例えば、分極反転領域２４4を直列共振器２２2と２２3に設けても良い。更に、入力側又は出力側の直列共振器２２1又は２２6に設けてもよい。同様に、並列共振器２３1に代えて又はこれに加えて、並列共振器２３2又は２３3に分極反転領域を設ける構成でもよい。
【００３２】
（第６実施形態）
図１４は、本発明の第６実施形態に係る弾性表面波素子を示す図である。また、図１５は、図１４の弾性表面波素子を用いたデュプレクサの全体構成を示す回路図である。圧電基板で形成されるチップ４１上に、送信（Ｔｘ）フィルタ４２と受信（Ｒｘ）フィルタ４３が形成されている。送信フィルタ４２は図３に示す共振器配列を有し、受信フィルタ４３は図１０に示す共振器配列を有する。従って、図１４では、図３及び図１０で用いた参照番号を用いる。Ｔ１とＴ２はデュプレクサの共通端子、２９は位相整合回路である。Ｔ３とＴ４は送信フィルタ４２の出力端子、Ｔ５とＴ６は入力端子である。Ｔ７とＴ８は受信フィルタ４３の入力端子、Ｔ９とＴ１０は出力端子である。
【００３３】
送信フィルタ４２では、直列共振器１２1〜１２4のみが分極反転領域１４1〜１４3上に形成され、並列共振器１３1と１３2は圧電基板上に直接形成されている。これに対し、受信フィルタ４３では、並列共振器２３1〜２３3のみが分極反転領域２４1〜２４3上に形成され、直列共振器２２1〜２２6は圧電基板上に直接形成されている。この構成は、送信フィルタ４２の通過帯域が受信フィルタ４３の通過帯域より低い周波数側に近接して位置している場合に効果的である。送信フィルタ４２の通過特性の立下りと受信フィルタ４３の通過特性の立上がりが近接していると、温度変動によりこれらが重なり合ってしまい、送信フィルタ４２と受信フィルタ４３が干渉してしまう可能性がある。これに対し、本実施形態では、送信フィルタ４２の通過特性の立下り特性と受信フィルタ４３の通過特性の立上り特性の温度安定性が優れているため、上記のような問題が発生するのを抑制することができる。
【００３４】
このような図１４に示す弾性表面波素子を用いて、図１５に示すようなデュプレクサを形成した場合の通過特性を図１６に示す。分極反転領域を形成していないデュプレクサは、送信フィルタと受信フィルタの境界において、通過特性の重なりが大きい。重なりが大きいと、送信帯域の送信信号と受信帯域の受信信号の分離が十分にできない。これに対して、分極反転領域を上記のように形成している本実施形態に係るデュプレクサは、送信フィルタ４２と受信フィルタ４３の境界において、通過特性の重なりが小さい。そのため、送信帯域の送信信号と受信帯域の受信信号を効果的に分離することができる。
【００３５】
なお、分極反転領域は図１４に示す形態に限定されるものではなく、送信フィルタ４２の直列共振器の一部又は受信フィルタ４３の並列共振器の一部に分極反転領域を形成することでもよい。更に、送信フィルタ４２と受信フィルタ４３のそれぞれにおいて、図１３を参照して説明したように、直列共振器と並列共振器の一部に分極反転領域を形成する構成であってもよい。更に、送信フィルタの通過帯域が受信フィルタの通過帯域よりも高い周波数側に位置している場合には、受信フィルタの通過帯域の立下り特性と送信フィルタの通過帯域の立上り特性の温度安定性を向上させることが好ましい。よって、この場合には送信フィルタの並列共振器に反転分極領域を形成し、受信フィルタの直列共振器に反転分極領域を形成する。
【００３６】
（第７実施形態）
図１７は、本発明の第７実施形態による弾性表面波素子（共振器）を示す図である。前述した第１から第６実施形態では、反転分極領域は対応する弾性表面波共振器の１対のくし形電極及び１対の反射電極の下に一様に形成されているのに対し、第７実施形態は弾性表面波共振器の一部に分極反転領域を設けたものである。このように形成された分極反転領域は、弾性表面波を閉じ込めて本来の伝搬方向に伝搬させる作用を持つ。以下、詳細に説明する。
【００３７】
図１７に示す弾性表面波共振器は１対のくし形電極５１と５２、及び１対の反射電極５３と５４を有する。これらの電極は圧電基板上に形成されている。くし形電極５１は複数の電極指５１ａとこれらを連結するバスバー５１ｂとを有する。図１７のバスバー５１ｂは配線パターンと一体的に図示されており幅広に図示されているが、バスバー５１ｂ自体の幅は例えば後述する反射電極のバスバーと同一幅でも良い。同様に、くし形電極５２は、電極指５２ａとバスバー５２ｂとを有する。電極指５１ａと５２ａは交互に（インターディジタルに）配置されている。電極指５１ａと５２ａが交差する部分で、弾性表面波が励振される。反射電極５３は弾性表面波の伝搬方向に位置し、電極指５３ａと２つのバスバー５３ｂ、５３ｃを有する。電極指５３ａはバスバー５３ｂと５３ｃとから交互に延びて、他方のバスバーに接続した構成と考えることができる。同様に、反射電極５４は弾性表面波の他方の伝搬方向に位置し、電極指５４ａと２つのバスバー５４ｂ、５４ｃとを有する。
【００３８】
弾性表面波共振器は２つの分極反転領域５５と５６を有する。分極反転領域５５、５６は電極指５１ａ、５２ａ、５３ａ及び５４ａを挟むように設けられている。分極反転領域５５は、バスバー５１ｂ、５３ｂ、５４ｂの下に形成されている。換言すれば、バスバー５１ｂ、５３ｂ、５４ｂは分極反転領域５５上に形成されている。同様に、分極反転領域５６は、バスバー５２ｂ、５３ｃ、５４ｃの下に形成されている。換言すれば、バスバー５２ｂ、５３ｃ、５４ｃは分極反転領域５６上に形成されている。分極反転領域５５、５６は、その深さをｈとし、ＳＡＷ波長をλとすると、λで正規化した深さｈ／λが１以上であることが好ましい。分極反転領域５５、５６ではＳＡＷ速度が低下する。これにより、電極を越えて斜め方向に伝搬しようとする弾性表面波を、本来の伝搬領域（電極指が形成されている領域）内に効果的に閉じ込めることができる。
【００３９】
図１８に、図１７に示す弾性表面波共振器の通過特性を示す。上記閉じ込め効果により反共振周波数での減衰が大きくなり、バスバー下に分極反転領域を形成しない共振器に比べ、共振器特性を急峻にすることができる。加えて、分極反転領域が全面に形成されていないため、弾性表面波の励振効率は極めて高い。
【００４０】
以上説明した本実施形態に係る弾性表面波共振器は、例えば第１から第６実施形態に適用することができる。つまり、これらの実施形態において、分極反転領域を有する弾性表面波共振器に代えて、第７実施形態に係る弾性表面波共振器を用いることができる。
【００４１】
（第８実施形態）
図１９は、本発明の第８実施形態に係る弾性表面波素子（共振器）を示す図である。図中、図１７に示す構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。本実施形態は第７実施形態を変形したものである。分極反転領域５５Ａと５６Ａはバスバーだけでなく、電極指が交差していない部分以外の電極指部分まで形成されている。具体的には、分極反転領域５５Ａはバスバー５１ｂ、５３ｂ及び５４ｂに加え、電極指５２ａと交差していない電極指５１ａの部分、及びこの部分と同じ側で同一長さの電極指５３ａ、５４ａの部分の下に形成されている。同様に、分極反転領域５６Ａはバスバー５２ｂ、５３ｃ及び５４ｃに加え、電極指５１ａと交差していない電極指５２ａの部分、及びこの部分と同じ側で同一長さの電極指５３ａ、５４ａの部分の下に形成されている。このように形成された分極反転領域５５Ａ、５６Ａも弾性表面波を閉じ込めるように作用する。
【００４２】
このような構成の弾性表面波共振器を用いてラダー型フィルタを製作した。フィルタの構成は、直列共振器を４個、並列共振器を３個ラダー型に接続したものである。４個の直列共振器はそれぞれ図１９に示す構成を有する。分極反転領域５５Ａと５６Ａの形成条件は、前述した第２実施形態と同じであり、深さは約１．５μｍである。このようにして製作したフィルタの通過特性を図２０に示す。分極反転領域５５Ａ、５６Ａを形成していないフィルタに比べ、パスバンドの高周波側の急峻性が向上している。損失が−３．５ｄＢから−４２ｄＢまで減衰するのに要する周波数は、分極反転領域を形成していないフィルタが１５ＭＨｚであるのに対し、本実施形態の分極反転領域５５Ａ，５６Ａを形成したフィルタでは１３ＭＨｚとなっており、２ＭＨｚ向上している。本実施形態では、ラダー型フィルタの直列共振器のバスバー部に分極反転領域を形成して、フィルタのパスバンドの高周波側の急峻性を向上させているが、並列共振器のバスバー部に分極反転領域を形成すると、パスバンドの低周波側の急峻性を向上させることができる。
【００４３】
（第９実施形態）
図２１は、本発明の第９実施形態に係る弾性表面波素子（共振器）を示す図である。図中、図１７及び図１９に示す構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。本実施形態は、図１９に示す分極反転領域５５Ａと５６Ａを更に内側まで延ばし、分極反転領域５５Ｂと５６Ｂとしたものである。交差する電極指部分の一部は、分極反転領域５５Ｂ、５６Ｂ上に形成されている。電極指の残りの部分は圧電基板上に直接形成されている。電極指で励振された弾性表面波（ＳＡＷ）は伝搬速度の違いから、分極反転領域の無い部分に閉じ込められるので、図１８に示す特性と同様の特性が得られる。
【００４４】
（第１０実施形態）
図２２は、本発明の第１０実施形態に係る弾性表面波素子（共振器）を示す図である。図中、図１８、図１９及び図２１に示す構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。図２２に示す１対のくし形電極５１、５２はそれぞれダミー電極５１ｃ、５２ｃを有する。ダミー電極５１ｃ、５２ｃは弾性表面波（ＳＡＷ）を閉じ込めるように作用する。ダミー電極５１ｃはバスバー５１ｂから延び、電極指５２ａの先端に対峙するように形成されている。同様に、ダミー電極５２ｃはバスバー５２ｂから延び、電極指５１ａの先端に対峙するように形成されている。分極反転領域５５Ｃはバスバー５１ｂ、５３ｂ、５４ｂ、ダミー電極５１ｃ及び対応する電極指５３ａ、５４ａの部分の下に位置している。同様に、分極反転領域５６Ｃはバスバー５２ｂ、５３ｃ、５４ｃ、ダミー電極５２ｃ及び対応する電極指５３ａ、５４ａの部分の下に位置している。以上の構成の弾性表面波素子は、図２０の実線で示す通過特性と同等の通過特性を有する。
【００４５】
なお、図２２の構成を変形して、例えば図１７に示すようにバスバー部分のみに分極反転領域を形成する構成や、図１９に示すように隣り合う電極指のうち交差しない電極指部分まで分極反転領域を形成する構成、更には図２１に示すように、交差する電極指部分の一部まで分極反転領域を形成する構成とすることができる。
【００４６】
なお、第７から第１０実施形態の分極反転領域は、くし形電極及び反射電極に及ぶ範囲がそれぞれ異なり、これに応じて角形特性も多少異なる。従って、所望の角形特性（急峻性）が得られるような分極反転領域を選択することができる。
【００４７】
（第１１実施形態）
図２３は、本発明の第１１実施形態に係る弾性表面波素子を示す図である。図示する弾性表面波素子は２重モード型弾性表面波フィルタ（Double Mode SAW Filter:以下、ＤＭＳフィルタという）である。このフィルタは、圧電基板で形成されるチップ６１上に、３対のくし形電極６２〜６４と、２つの反射電極６５、６６を有する。これらの電極６２〜６６は、図示するように一列に配置されている。このフィルタは図２４に示すように接続される。くし形電極６２は入力電極となり、くし形電極６３と６４は出力電極となる。図２４では１出力であるが、出力電極６３と６４からバランス出力（相補出力）を取り出す配線とすることも可能である。電極６２〜６６のバスバーは、分極反転領域６７と６８上に形成されている。このような構成のＤＭＳフィルタもＳＡＷ共振器の場合と同様に、急峻なフィルタ特性を得ることができる。
【００４８】
ＤＭＳフィルタに適用可能な分極反転領域６７、６８は図２３に示すものに限定されず、図１９や図２１を参照して説明したように、電極指が交差しない領域まで、又はこれを越えて電極指が交差する部分の一部まで形成することもできる。また、ＤＭＳフィルタがダミー電極を有する場合には、図２２を参照して説明したように分極反転領域を設けることができる。
【００４９】
図２５の実線で示すフィルタ特性は、図２６に示すように、図２３に示す分極反転領域６７、６８を内側に延長して、電極指の交差部分の一部まで形成した分極反転領域６７Ａ、６８Ａを有するＤＭＳフィルタのものである。なお、破線は分極反転領域が形成されていない従来のＤＭＳフィルタのものである。分極反転領域６７Ａ、６８Ａの形成条件は第２実施形態と同じであり、深さは約１．５μｍである。パスバンドの低周波側及び高周波側の急峻性が向上している。パスバンドの低周波側で損失が−５０ｄＢから−４ｄＢまで変化するのに要する周波数は、分極反転領域を形成していない通常のフィルタが１４ＭＨｚであるのに対し、本実施形態の分極反転領域６７Ａ、６８Ａを形成したＤＭＳフィルタでは１１ＭＨｚとなっており、３ＭＨｚほど向上している。パスバンドの高周波側で損失が−４ｄＢから−５０ｄＢまで変化するのに要する周波数は、分極反転領域を形成していないＤＭＳフィルタが３２ＭＨｚであるのに対し、本実施形態の分極反転領域６７Ａ、６８Ａを形成したＤＭＳフィルタでは２５ＭＨｚとなっており、７ＭＨｚほど向上している。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、励振効率が高くかつ優れた温度特性を持つ弾性表面波素子、及び励振効率が高くかつ優れた周波数特性を持つ弾性表面波素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の弾性表面波素子を示す図である。
【図２】図１に示す従来の弾性表面波素子の通過特性を示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図４】図３に示す弾性表面波素子の回路図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】分極反転領域を形成した弾性表面波共振器の分極反転領域の深さとＳＡＷ速度との関係を示すグラフである。
【図７】第１実施形態に係る弾性表面波素子及び従来例の通過特性を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図９】第２実施形態に係る弾性表面波素子及び従来例の通過特性を示すグラフである。
【図１０】本発明の第３実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図１１】第３実施形態に係る弾性表面波素子及び従来例の通過特性を示すグラフである。
【図１２】本発明の第４実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図１３】本発明の第５実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図１４】本発明の第６実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図１５】図１４の弾性表面波素子を用いたデュプレクサの全体構成を示す回路図である
【図１６】第６実施形態に係る弾性表面波素子及び従来例の通過特性を示すグラフである。
【図１７】本発明の第７実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図１８】第７実施形態に係る弾性表面波素子及び従来例の通過特性を示すグラフである。
【図１９】本発明の第８実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図２０】第８実施形態に係る弾性表面波素子及び従来例の通過特性を示すグラフである。
【図２１】本発明の第９実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図２２】本発明の第１０実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図２３】本発明の第１１実施形態にかかる弾性表面波素子の平面図である。
【図２４】図２３に示す弾性表面波素子を用いたＤＭＳフィルタを示す図である。
【図２５】図２６に示すＤＭＳフィルタ及び従来例の通過特性を示すグラフである。
【図２６】本発明の第１０実施形態の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１１ チップ
１２1〜１２4 直列共振器
１３1、１３2 並列共振器
１４1〜１４3 分極反転領域
１５ 配線パターン
１６ 入力端子
１７ 出力端子
１８、１９ グランド端子
２１ チップ
Claims (12)
- 圧電基板上に形成された複数の弾性表面波共振器をラダー型に接続した弾性表面波素子において、前記圧電基板は分極反転領域を有し、前記複数の弾性表面波共振器のうちの直列共振器又は並列共振器のいずれか一方が前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする弾性表面波素子。
- 前記複数の弾性表面波共振器のうちの直列共振器の一部が、前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波素子。
- 前記複数の弾性表面波共振器のうちの全ての直列共振器が、前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波素子。
- 前記複数の弾性表面波共振器のうちの並列共振器の一部が、前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波素子。
- 前記複数の弾性表面波共振器のうちの全ての並列共振器が、前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波素子。
- 前記分極反転領域は複数の直列共振器又は並列共振器のいずれか一方の複数の共振器に共通に形成されていることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波素子。
- 前記分極反転領域は複数の直列共振器又は並列共振器のいずれか一方の共振器毎に形成されていることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波素子。
- 圧電基板上に電極指をインターディジタルに配置して弾性表面波共振器を構成する弾性表面波素子において、前記電極指の周囲に分極反転領域を設け、前記電極指を連結するバスバー及び電極指同士が交差していない電極指部分は、前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする弾性表面波素子。
- 圧電基板上に電極指をインターディジタルに配置して弾性表面波共振器を構成する弾性表面波素子において、前記電極指の周囲に分極反転領域を設け、前記電極指を連結するバスバー並びに電極指同士が交差していない電極指部分及び交差している電極指部分の一部は、前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする弾性表面波素子。
- 圧電基板上に電極指をインターディジタルに配置して弾性表面波共振器を構成する弾性表面波素子において、前記電極指の周囲に分極反転領域を設け、前記弾性表面波共振器はダミー電極を有し、該ダミー電極は前記分極反転領域上に形成されていることを特徴とする弾性表面波素子。
- 前記弾性表面波素子はラダー型弾性表面波フィルタであって、前記弾性表面波共振器は該ラダー型弾性表面波フィルタを構成する共振器の一部であることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項記載の弾性表面波素子。
- 前記弾性表面波素子は２重モード型弾性表面波フィルタであることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項記載の弾性表面波素子。
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