JP4466655B2 - 弾性境界波装置 - Google Patents

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、異なる材料からなる第１，第２の媒質間にＩＤＴが配置されている弾性境界波装置に関する。

弾性境界波装置は、異なる媒質間の界面にＩＤＴ（インターデジタル電極）を配置した構造を有する。弾性境界波装置では、上記異なる媒質を積層してなる積層体内を弾性境界波が伝搬する。従って、弾性境界波装置では、複雑なパッケージ構造を省略することができ、弾性表面波装置と比べて、構造の簡略化及び低背化を進めることができる。

弾性境界波装置において、動作周波数を高くした場合には、ＩＤＴの周期が小さくなる。そのため、ＩＤＴや反射器を構成する電極指の幅が小さくなり、電極指の導体抵抗が増大し、損失が増すことになる。

他方、弾性境界波装置では、上記界面の上下の媒質を伝搬する横波の音速よりも、弾性境界波の音速を低くすることにより、弾性境界波を上下の媒質間に閉じ込め、伝搬損失を低減することができる。

このような閉じ込め効果を高めるには、密度の高い金属によりＩＤＴを形成することが有効である。従来、下記の特許文献１に記載のように、弾性境界波装置のＩＤＴは、Ａｌにより形成されていることが多かった。これに対して、下記の特許文献２に記載の弾性境界波装置では、ＩＤＴ材料としてＡｌの他ＡｕやＡｇが示されている。
特開昭５８−３０２１７号公報 ＤＥ４１３２３０９Ａ１

弾性境界波装置において弾性境界波を励振するＩＤＴの動作周波数Ｆｉは弾性境界波の音速をＶ、ＩＤＴの周期をλｉとした場合、Ｆｉ＝Ｖ／λｉ…（式〔ａ〕）で表わされる。式（ａ）から明らかなように、弾性境界波装置の動作周波数Ｆｉが高くなると、ＩＤＴの周期λｉを短くする必要がある。従って、ＩＤＴや反射器を構成している電極指の幅が細くなり、導体抵抗が大きくなり、損失が増大するという問題があった。特に、密度が大きい導体により電極指を構成した場合、電極指の厚みが薄い条件下では伝搬損失を０に近づけることはできるものの、電極指の厚みが薄くなるので、導体抵抗がさらに大きくなるという問題があった。

また、従来、弾性境界波装置のＩＤＴをＡｕにより形成した場合には、十分大きな電気機械結合係数Ｋ²が得られず、かつ遅延時間温度係数（ＴＣＤ）を十分に小さくすることができなかった。

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、動作周波数を高めた場合であっても、弾性境界波を効果的に閉じ込めることができ、かつ遅延時間温度係数ＴＣＤが十分小さくされている弾性境界波装置を提供することにある。

第１の発明によれば、弾性境界波伝搬方向における遅延時間温度係数が正である第１の媒質と、弾性境界波伝搬方向における遅延時間温度係数が負である第２の媒質と、前記第１，第２の媒質間に配置されており、複数の導体層を積層してなるＩＤＴとを備える弾性境界波装置であって、前記第１，第２の媒質が積層されている方向が前記ＩＤＴの厚み方向であり、該ＩＤＴを厚み方向に２等分した面を境界面とし、該境界面から第１の媒質側に存在する弾性境界波のエネルギーをＥ１、前記境界面から第２の媒質側に存在するエネルギーをＥ２とし、前記ＩＤＴを構成したときの弾性境界波の音速と、前記ＩＤＴを構成する最も密度の大きな導体のみを用いてＩＤＴを構成したときの弾性境界波の音速とが同一となるように、前記最も密度の大きな導体層のみでＩＤＴを構成した条件において弾性境界波のエネルギーが前記境界面から第１の媒質側に存在する弾性境界波のエネルギーをＥ１′、前記境界面から第２の媒質側に存在するエネルギーをＥ２′としたときに、Ｅ１／Ｅ２＜Ｅ１′／Ｅ２′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。

第１の発明のある特定の局面では、前記ＩＤＴが、密度が７０００〜２２０００ｋｇ／ｍ³の範囲にある金属からなる第１の導体層と、密度が１７４０ｋｇ／ｍ³以上、１１０００ｋｇ／ｍ³より小さい金属からなる第２の導体層とを含む積層構造を有し、第１の導体層の密度をρ１、第２の導体層の密度をρ２としたときに、ρ１／ρ２＞１．８とされており、前記ＩＤＴの前記第２の媒質側に配置される導体層が、前記第１の導体層により構成されている。

第１の発明の他の特定の局面では、前記第２の導体層の厚みをＨ、前記ＩＤＴの電極指周期をλとしたときに、０．０３４λ＜Ｈ＜０．５λとされている。

第１の発明のさらに他の特定の局面では、前記ＩＤＴが前記第１の媒質に接する部分及び／または第２の媒質に接する部分に密着層が設けられている。

第２の発明によれば、弾性境界波伝搬方向における遅延時間温度係数が正である第１の媒質と、弾性境界波伝搬方向における遅延時間温度係数が負である第２の媒質と、前記第１，第２の媒質間に配置されたＩＤＴとを備える弾性境界波装置であって、前記ＩＤＴが、密度が７０００〜２２０００ｋｇ／ｍ^３の範囲にある金属からなる第１の導体層と、密度が１７４０ｋｇ／ｍ^３以上、１１０００ｋｇ／ｍ^３より小さい金属からなる第２の導体層とを含む積層構造を有し、第１の導体層の密度をρ１、第２の導体層の密度をρ２としたときに、ρ１／ρ２＞１．８とされており、前記ＩＤＴの前記第２の媒質側に配置される導体層が、前記第１の導体層であり、前記第２の導体層の厚みをＨ、ＩＤＴの電極指ピッチをλとしたときに、０．０３４λ＜Ｈ＜０．５λ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。

第２の発明のさらに他の特定の局面では、前記ＩＤＴが第１の媒質に接する部分及び／または第２の媒質に接する部分に密着層が設けられている。

第１，第２の発明（本発明と総称する）のある特定の局面では、前記第１の媒質が、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、水晶、ＰＺＴ、ＬＢＯ、ランガサイト、ランガナイト、及びガラスからなる群から選択された１種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２の媒質が、ＳｉＯ₂、水晶、ＬＢＯ、ランガサイト、ランガナイト、及びガラスからなる群から選択された少なくとも１種により構成されており、かつ第１の媒質の材質とは異なる材料からなる。

本発明のさらに他の特定の局面では、前記第１の導体層を構成している金属が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択された１種であり、前記第２の導体層を構成している金属が、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択した１種の金属である。
本発明に係る弾性境界波装置のさらに別の特定の局面では、前記第１の導体層を構成している金属がＡｕであり、前記第２の導体層を構成している金属がＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択した１種の金属である。

また、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、前記第１の導体層を構成している金属がＣｕであり、前記第２の導体層を構成している金属がＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択した１種の金属である。
また、上記第１の導体層及び第２の導体層を構成している金属が、上記のような１種の金属からなる場合、好ましくは、ＩＤＴの膜厚は０．３λ以下とされる。

本発明に係る弾性境界波装置のさらに別の特定の局面では、前記ＩＤＴと同じ電極材料で構成されており、かつ前記第１，第２の媒質間に配置されている反射器がさらに備えられている。
（発明の効果）

本願の第１の発明では、弾性境界波伝搬方向における遅延時間温度係数ＴＣＤが正である第１の媒質と、ＴＣＤが負である第２の媒質との間に、複数の導体層を用いて形成されたＩＤＴが配置されており、Ｅ１／Ｅ２＜Ｅ１′／Ｅ２′とされているので、弾性境界波のエネルギーが第１の媒質側に比べて第２の媒質側において相対的に高いものの、第２の媒質における遅延時間温度係数ＴＣＤが負であるため、例えば密度の大きな導体層を第２の媒質側に配置することにより、ＴＣＤを十分に小さくすることができる。

すなわち、ＩＤＴが第１，第２の導体層を含む積層構造を有する場合、相対的に密度が大きな金属からなる第１の金属層を第２の媒質側に配置することにより、十分にＴＣＤが小さくされている弾性境界波装置を容易に提供することができる。

第１の発明において、ＩＤＴが、密度が７０００〜２２０００ｋｇ／ｍ³の範囲にある金属からなる第１の導体層と、密度が１７４０ｋｇ／ｍ³以上、１１０００ｋｇ／ｍ³より小さい金属からなる第２の導体層とを含む積層構造を有し、第１の導体層の密度をρ１、第２の導体層の密度をρ２としたときに、ρ１／ρ２＞１．８とされており、ＩＤＴにおいて、第２の媒質側に配置される導体層が第１の導体層により構成されている場合には、密度の大きな導体層が第２の媒質側に配置される。従って、ＴＣＤを効果的に小さくすることができる。

第１の発明において、第２の導体層の厚みＨが０．０３４λ＜Ｈ＜０．５λの場合には、ＴＣＤをより一層小さくすることができる。

上記ＩＤＴは、第１の媒質に接する部分及び／または第２の媒質に接する部分に密着層が設けられている場合には、ＩＤＴと第１及び／または第２の媒質との密着性を効果的に高めることができる。

第２の発明では、ＴＣＤが正である第１の媒質と、負である第２の媒質との間にＩＤＴが配置されており、ＩＤＴが上記第１，第２の導体層を含む積層構造を有し、第１の導体層が第２の媒質側に配置されているため、ＴＣＤを十分に小さくすることが可能となる。しかも、第２の導体層の厚みＨが０．０３４λ＜Ｈ＜０．５λとされているため、ＴＣＤをより一層小さくすることができる。

上記ＩＤＴは、第１の媒質に接する部分及び／または第２の媒質に接する部分に密着層が設けられている場合には、ＩＤＴと第１及び／または第２の媒質との密着性を効果的に高めることができる。

第１の媒質が、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、水晶、ＰＺＴ、ＬＢＯ、ランガサイト、ランガナイト、及びガラスからなる群から選択された１種により構成されている場合には、いずれもＴＣＤが正となる条件が存在し、ＴＣＤが負となる媒質を第２の媒質に適用することにより、弾性境界波装置全体のＴＣＤを小さくすることができる。

第２の媒質が、ＳｉＯ₂、水晶、ＬＢＯ、ランガサイト、ランガナイト、及びガラスからなる群から選択された少なくとも１種により構成されており、かつ媒質の材質とは異なっている材料からなる場合には、いずれもＴＣＤが負となる条件が存在し、ＴＣＤが正となる媒質を第１の媒質に適用することにより、弾性境界波装置全体のＴＣＤを小さくすることができる。本発明により第２の媒質に分布する弾性境界波の振動エネルギーを大きくすることでＴＣＤをより小さくすることができる。

本発明において、第１，第２の導体層を構成する金属は特に限定されないが、例えば、第１の導体層を構成している金属が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｗ、Ｔａ及びＣｒ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択された１種であり、第２の導体層を構成している金属が、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｇ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択した１種の金属である場合には、汎用されているこれらの金属を用いて第１，第２の導体層を容易に形成することができる。
なお、第１の導体層を構成している金属がＡｕである場合には、第２の導体層を構成している金属がＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｇ並びにこれらを主体とする合金からなる群からなる１種の金属である場合、周波数温度係数ＴＣＤの絶対値が１０ｐｐｍ／℃以下のように小さい、良好な特性を容易に実現することができる。
他方、第１の導体層を構成している金属がＣｕである場合には、第２の導体層を構成している金属として、Ａｌ、Ｍｇ及びＴｉ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択した１種の金属を用いることにより、ρ１／ρ２＞１．８とすることができ、それによって、ＴＣＤの絶対値を小さくすることができ、好ましい。
第１の導体層が上記のようにＡｕやＣｕで構成されている場合、好ましくは、ＩＤＴの膜厚は０．３λ以下とされ、その場合には、ＴＣＤの絶対値を１０ｐｐｍ／℃以下とすることが容易となる。

本発明において、ＩＤＴと同じ電極材料で構成されており、かつ第１，第２の媒質間に配置されている反射器がさらに備えられている場合には、本発明に従って、反射器を有する弾性境界波共振子や弾性境界波共振子フィルタなどを容易に形成することができる。

本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置を模式的に示す平面断面図。 本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置を模式的に示す正面断面図。 本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の電極構造を示す模式的部分拡大正面断面図及び他の実施形態に係る弾性境界波装置の電極構造の模式的部分拡大正面断面図。 図１に示した弾性境界波装置において、Ａｕからなる第１の導体層１６第２の媒質側に配置し、その厚みを固定し、第１の媒質側に配置されたＡｌ圧を変化させた場合の弾性境界波の音速Ｖｍの変化を示す図。 図１に示した弾性境界波装置において、Ａｕからなる第１の導体層１６第２の媒質側に配置し、その厚みを固定し、第１の媒質側に配置されたＡｌ圧を変化させた場合の弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ²の変化を示す図。 図１に示した弾性境界波装置において、Ａｕからなる第１の導体層１６第２の媒質側に配置し、その厚みを固定し、第１の媒質側に配置されたＡｌ圧を変化させた場合の弾性境界波の遅延時間温度係数ＴＣＤの変化を示す図。 図１に示した弾性境界波装置において、Ａｌからなる第１の導体層１６第２の媒質側に配置し、その厚みを固定し、第１の媒質側に配置されたＡｕ圧を変化させた場合の弾性境界波の音速Ｖｍの変化を示す図。 図１に示した弾性境界波装置において、Ａｌからなる第１の導体層１６第２の媒質側に配置し、その厚みを固定し、第１の媒質側に配置されたＡｕ圧を変化させた場合の弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ²の変化を示す図。 図１に示した弾性境界波装置において、Ａｌからなる第１の導体層１６第２の媒質側に配置し、その厚みを固定し、第１の媒質側に配置されたＡｕ圧を変化させた場合の弾性境界波の遅延時間温度係数ＴＣＤの変化を示す図。 ＩＤＴがＡｕのみからなる場合比較のための弾性境界波装置における弾性境界波の変位分布を模式的に示す図。 Ａｌからなる第１の導体層が第１の媒質であるＬｉＮｂＯ₃側に、第２の導体層ＡｕがＳｉＯ₂側に配置された実施形態の弾性境界波装置における弾性境界波の変位分布を示す図。 第１の導体層がＡｌ、第２の導体層が０．０５λの厚みのＡｕからなる場合に、Ａｌの膜厚を変化させた場合のＴＣＤの変化を示す図。 第１の導体層がＣｕ、第２の導体層が０．０５λの厚みのＣｕからなる場合に、Ｃｕの膜厚を変化させた場合のＴＣＤの変化を示す図。 第１の導体層がＡｇ、第２の導体層が０．０５λの厚みのＡｇかさなる場合に、Ａｇの膜厚を変化させた場合のＴＣＤの変化を示す図。 第１の導体層がＡｌからなり、第２の導体層が厚み０．１λのＣｕからなる場合に、Ａｌの規格化膜厚を変化させた場合のＴＣＤの変化を示す図。 第１の導体層がＴｉからなり、第２の導体層が厚み０．１λのＣｕからなる場合に、Ｔｉの規格化膜厚を変化させた場合のＴＣＤの変化を示す図。

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…電極指
１４，１５…反射器
１６…第１の導体層
１７…第２の導体層

なお、本明細書において媒質や電極材料として用いられる材料の密度、結晶のオイラー角及び結晶軸の詳細は以下の通りである。

密度
ＳｉＯ₂の密度は２２１０ｋｇ／ｍ³、横波の音響特性インピーダンスは８．３×１０⁶ｋｇ・ｓ／ｍ²であり、Ａｌの密度は２６９９ｋｇ／ｍ³、横波の音響特性インピーダンスは８．４×１０⁶ｋｇ・ｓ／ｍ²であり、Ｃｕの密度は８９３９ｋｇ／ｍ³、横波の音響特性インピーダンスは２１．４×１０⁶ｋｇ・ｓ／ｍ²であり、Ａｇの密度は１０５００ｋｇ／ｍ³、横波の音響特性インピーダンスは１８．６×１０⁶ｋｇ・ｓ／ｍ²であり、Ａｕの密度は１９３００ｋｇ／ｍ³、横波の音響特性インピーダンスは２４．０×１０⁶ｋｇ・ｓ／ｍ²である。

オイラー角
本明細書において、基板の切断面と、境界波の鉄板方向を表現するオイラー角（φ，θ，ψ）は、文献「弾性波素子技術ハンドブック」（日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会、第１版第１刷、平成３年１１月３０日発行、５４９頁）記載の右手系オイラー角を用いた。すなわち、ＬＮの結晶軸としてＸ、Ｙ、Ｚに対し、Ｚ軸を軸としてＸ軸を反時計廻りにφ回転しＸａ軸を得る。次に、Ｘａ軸を軸としてＺ軸を反時計廻りにθ回転しＺ´軸を得る。Ｘａ軸を含み、Ｚ´軸を法線とする面を基板の切断面とした。そして、Ｚ´軸を軸としてＸａ軸を反時計廻りにψ回転した軸Ｘ´方向を境界波の伝搬方向とした。

結晶軸
また、オイラー角の初期値として与えるＬｉＮｂＯ₃の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚは、Ｚ軸をｃ軸と平行とし、Ｘ軸を等価な３方向のａ軸のうち任意の一つと平行とし、Ｙ軸はＸ軸とＺ軸を含む面の法線方向とする。

等価なオイラー角
なお、本発明におけるＬｉＮｂＯ₃のオイラー角（φ，θ，ψ）は結晶学的に等価であればよい。例えば、文献（日本音響学会誌３６巻３号、１９８０年、１４０〜１４５頁）によれば、ＬｉＮｂＯ₃は三方晶系３ｍ点群に属する結晶であるので、〔４〕式が成り立つ。

Ｆ（φ，θ，ψ）＝Ｆ（６０°−φ，−θ，ψ）
＝Ｆ（６０°＋φ，−θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，１８０°＋θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，θ，１８０°＋ψ） 〔４〕
ここで、Ｆは、電気機械結合係数ｋ_s ²、伝搬損失、ＴＣＦ、ＰＦＡ、ナチュラル一方向性などの任意の境界波特性である。ＰＦＡのナチュラル一方向性は、例えば伝搬方向を正負反転してみた場合、符号は変わるものの絶対量は等しいので実用上等価であると考える。なお、この文献は表面波に関するものであるが、境界波に関しても結晶の対称性は同様に扱える。

例えば、オイラー角（３０°，θ，ψ）の境界波伝搬特性は、オイラー角（９０°，１８０°−θ，１８０°−ψ）の境界波伝搬特性と等価である。また、例えば、オイラー角（３０°，９０°，４５°）の境界波伝搬特性は、表に示すオイラー角の境界波伝搬特性と等価である。

また、本発明において計算に用いた導体の材料定数は多結晶体の値であるが、エピタキシャル膜などの結晶体においても、膜自体の結晶方位依存性より基板の結晶方位依存性が境界波特性に対して支配的であるので、〔４〕式により、実用上問題ない程度に同等の境界波伝搬特性が得られる。

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及び図２は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置を模式的に示す平面断面図及び正面断面図である。

弾性境界波装置１０は、第１の媒質１１と、第２の媒質１２とを積層した積層体を用いて構成されている。第１の媒質１１は、本実施形態では、圧電体としての１５°ＹカットＸ伝搬（オイラー角で（０°，１０５°，０°））のＬｉＮｂＯ₃板により構成されている。

第２の媒質１２は、本実施形態では、非導電物質としてのＳｉＯ₂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及び反射器１４，１５が配置されている。ＩＤＴ１３は、複数本の電極指１３ａと複数本の電極指１３ｂとが互いに間挿し合うように配置されている構造を有する。複数本の電極指１３ａが、一方のバスバーに、複数本の電極指１３ｂが他方のバスバーに電気的に接続されている。

ＩＤＴ１３及び反射器１４，１５は、本実施形態では、密度が相対的に大きいＡｕからなる第１の導体層と、密度が相対的に低いＡｌからなる第２の導体層とを含む積層構造を有する。

図３は、上記電極指１３ａ，１３ｂの横断面構造を説明するための模式的拡大断面図である。電極指１３ａ，１３ｂは、第１，第２の導体層１６，１７を積層した構造を有する。第１の導体層１６がＡｕからなり、非導電物質からなる第２の媒質１２側に配置されており、第２の導体層１７が、Ａｌからなり、圧電体としての第１の媒質１１側に配置されている。

なお、反射器１４，１５も、ＩＤＴ１３と同じ電極構造を有する。すなわち、反射器１４，１５もまた、第１，第２の導体層１６，１７を積層した構造を有する。

本実施形態の弾性境界波装置１０では、第１，第２の媒質１１，１２が上記のように形成されており、ＩＤＴ１３及び反射器１４，１５が上記電極構造を有し、ＩＤＴ１３を厚み方向に２等分した面を境界面としたとき、該境界面から第１の媒質１１側に存在する弾性境界波のエネルギーをＥ１、境界面から第２の媒質側に存在する弾性境界波のエネルギーをＥ２とし、上記ＩＤＴ１３を構成したときの弾性境界波の音速と、ＩＤＴ１３を構成する最も密度の大きな導体層である第１の導体層を構成するＡｕのみを用いてＩＤＴ１３を構成したときの弾性境界波の音速とが同一となるように、単一の導体としてのＡｕでＩＤＴを構成した条件において、弾性境界波のエネルギーが上記境界面から第１の媒質側に存在する弾性境界波のエネルギーをＥ１′、境界面から第２の媒質１２側に存在するエネルギーをＥ２′としたときに、Ｅ１／Ｅ２＜Ｅ１′／Ｅ２′とされている。それによって、弾性境界波装置１０では、装置全体のＴＣＤを小さくすることができる。これを、具体的に説明する。

図３に模式的に示すように、Ａｌからなる第２の導体層１７を圧電体である第１の媒質１１側に、Ａｕからなる第１の導体層１６を、第２の媒質であるＳｉＯ₂側に配置し、導体層の厚みと、弾性境界波の音速、電気機械結合係数Ｋ²及び遅延時間温度係数ＴＣＤとの関係を求めた。なお、条件は、以下の通りである。

積層構造：ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃
ＬｉＮｂＯ₃については、１５°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ₃基板を用いた。
ＩＤＴ：第１の導体層１６を構成しているＡｕの厚みは０．０５λまたは可変とした。Ａｌからなる第２の導体層１７の厚みは０．１λまたは可変とした。
第１，第２の媒質１１，１２の厚みは無限大とした。

なお、これらを求めるにあたっては、文献「A method for estimating optimal cuts and propagation directions for
excitation and propagation directions for excitation of piezoelectric surface
waves 」（J.J.Campbell and W.R.Jones,IEEE Trans. Sonics and Ultrason.,
Vol.SU-15(1968)pp,209-217)に基づいて、求めた。この場合、開放境界の場合には、第１の媒質１１と、第２の媒質との境界、第１の媒質１１とＩＤＴ１３との境界、ＩＤＴ１３と第２の媒質１２との境界における変位、電位、電束、密度の法線成分及び上下方向応力が連続であるとし、第１の媒質１１と第２の媒質１２の厚みを無限大とし、ＩＤＴなどを構成している導体の比誘電率を１として、音速を求めた。また、短絡境界の場合には、第２の媒質とＩＤＴとの境界、ＩＤＴと第１の媒質との境界における電位が０として、音速を求めた。また、電気機械結合係数Ｋ²は、下記の式（１）により求めた。なお、式（１）においてＶｆは開放境界における音速である。
Ｋ²＝２×│Ｖｆ−Ｖ│／Ｖｆ …式（１）

遅延時間温度係数ＴＣＤは、２０℃、２５℃及び３０℃における位相速度Ｖに基づき、下記の式（２）により求めた。
ＴＣＤ＝（Ｖ〔２０℃〕−Ｖ〔３０℃〕）／Ｖ〔２５℃〕／１０＋αｓ
…式（２）

但し、式（２）において、αｓは境界波伝搬方向における第１の媒質１１の線膨張係数である。

図４〜図６は、第１の導体層１６、すなわち、Ａｕの厚みを０．０５λに固定し、第２の導体層１７を構成しているＡｌの厚みを変化させた場合のＡｌ厚（λ）と、音速、電気機械結合係数Ｋ²及び遅延時間温度係数ＴＣＤとの関係を示し、図７〜図９は、第２の導体層１７を構成しているＡｌの厚みを０．１λに固定し、第１の導体層１６を構成しているＡｕ厚を変化させた場合のＡｕ厚（λ）と、弾性境界波の音速、電気機械結合係数Ｋ²及び遅延時間温度係数ＴＣＤとの関係を示す。

図４〜図６において、Ａｌ厚＝０が、Ａｕのみからなる電極を用いた場合の特性に相当する。図６から明らかなように、Ａｌからなる第２の導体層１７を、ＬｉＮｂＯ₃からなる第１の媒質１１と、Ａｕからなる第１の導体層１６との間に配置することにより、すなわち、Ａｌの厚みを０よりも大きくすることにより、遅延時間温度係数ＴＣＤを調整し得ることがわかる。

言い換えれば、ＩＤＴ１３の厚み方向を２等分した面を境界面としたときに、第１の媒質１１側に存在する弾性境界波のエネルギーをＥ１、第２の媒質１２側に存在するエネルギーをＥ２とし、上記ＩＤＴ１３を構成したときの弾性境界波の音速と、ＩＤＴ１３を構成する最も密度の大きな導体層である第１の導体層を構成するＡｕのみを用いてＩＤＴ１３を構成したときの弾性境界波の音速とが同一となるように、単一の導体としてのＡｕでＩＤＴを構成した条件において、弾性境界波のエネルギーが上記境界面から第１の媒質側に存在する弾性境界波のエネルギーをＥ１′、境界面から第２の媒質１２側に存在するエネルギーをＥ２′としたときに、Ｅ１／Ｅ２＜Ｅ１′／Ｅ２′とされており、それによって、遅延時間温度係数ＴＣＤを小さくすることができることがわかる。

より具体的には、Ａｌからなる第２の導体層１７の厚みをＨとしたときに、０．０３４λ＜Ｈでは、ＴＣＤが±２０ｐｐｍ／℃の範囲となり好ましいことがわかる。より好ましくは、０．０６４λ＜Ｈ＜０．２λとすることにより、ＴＣＤを±１０ｐｐｍ／℃範囲にでき、さらに好ましくは、０．０８３λ＜Ｈ＜０．１４４λとすることにより、±５ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができ、特に、０．１１８λ付近とすることにより、ＴＣＤをほぼ０とすることができる。

なお、Ａｌ厚の上限は、フォトリソグラフィー法による場合、アスペクト比を考慮した限界値から０．５λ程度である。

また、図９から明らかなように、Ａｕからなる第１の導体層１６の厚みを変化させたとしても、ＴＣＤはさほど変化しないことがわかる。

図１０は、Ａｕ厚＝０．０５λ、Ａｌ厚＝０の場合の弾性境界波（Ｕ１＝縦波成分、Ｕ２＝ＳＨ波成分、Ｕ３＝ＳＶ波成分、なおＵ１〜Ｕ３は弾性境界波を構成する部分波成分である。）の変位分布を模式的に示す図であり、図１１は、Ａｕ厚＝０．０５λ、Ａｌ厚＝０．１λとした場合の弾性境界波装置の弾性境界波（Ｕ１＝縦波成分、Ｕ２＝ＳＨ波成分、Ｕ３＝ＳＶ波成分、なおＵ１〜Ｕ３は弾性境界波を構成する部分波成分である。）の変位分布を示す図である。図１０において、第１の媒質１１の密度は４６４０ｋｇ／ｍ³、第２の媒質１２の密度は２２１０ｋｇ／ｍ³である。図１０では、ＩＤＴは複数の導体を積層した構造を有せず、単一の導体により構成されている。ここで、弾性境界波のエネルギーは、振幅をＵ、ＩＤＴの密度をρとしたときに、ρＵ²に比例する。従って、Ｅ１
′／Ｅ２′は約１．１となる。他方、図１１から、Ｅ１／Ｅ２を求めると、Ｅ１／Ｅ２は約０．５となる。すなわち、上記実施形態では、Ｅ１／Ｅ２＜Ｅ１′／Ｅ２′とされていることがわかる。

図１１から明らかなように、第２の媒質１２側に、Ａｕからなる密度の大きな第１の導体層１６が配置されているので、振動エネルギーの分布中心は、第２の媒質１２側に存在することがわかる。そのため、圧電体からなる第１の媒質１１が、正のＴＣＤを有し、ＳｉＯ₂は、負のＴＣＤにより強く打ち消すことができ、弾性境界波装置全体のＴＣＤを効果的に小さくし得ることがわかる。

なお、本発明は、上述した弾性境界波共振子としての弾性境界波装置１０に限定されず、様々な構造の共振子やフィルタにも適用することができる。すなわち、例えばラダー型フィルタ、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または弾性境界波光フィルタなどの様々な弾性境界波を用いたフィルタやスイッチ等にも広く用いることができる。

また、電極材料については、ＡｕやＡｌに限らず、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｗ、Ｔａなどの他の導電性材料を用いてもよく、またこれらの導電性材料を主体とする合金を用いてもよい。

もっとも、ＩＤＴを第１の導体層と第２の導体層とを含む積層構造を有するように構成する場合、第１の導体層の密度は、Ａｕのように７０００〜２２０００ｋｇ／ｍ³の範囲にある相対的に密度が高い金属を用いて構成され、第２の導体層は、Ａｌのように、密度が１７４０ｋｇ／ｍ³以上、１１０００ｋｇ／ｍ³より小さい、相対的に低密度の金属により構成される。このような第１，第２の導体層を構成している金属の密度の要件、並びに第１，第２の導体層の密度比ρ１／ρ２＞１．８の要件を満たす限り、第１，第２の導体層を有する積層構造における各導体層を構成する金属は限定されるものではない。
このような第１，第２の導体層を構成している金属としては、例えば第１の導体層を構成している金属として、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｗ、Ｔａ及びＣｒ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択された１種と、第２の導体層を構成している金属として、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｇ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択した１種の金属を用いた組み合わせが挙げられる。

また、上記のような条件を満たす組み合わせとして、第１の導体層を構成している金属がＡｕからなる場合には、第２の導体層を構成している金属として、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｇ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択した１種の金属を用いる組み合わせが挙げられる。さらに、第１の導体層を構成している金属がＣｕである場合には、第２の導体層を構成している金属として、Ａｌ、Ｍｇ及びＴｉ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択した１種の金属を用いる組み合わせが挙げられる。第１の導体層を構成している金属がＡｕである上記の組み合わせの場合、及び第１の導体層を構成している金属がＣｕである場合の上記の組み合わせにおいては、好ましくは、ＩＤＴの膜厚が０．３λ以下とされ、それによって、ＴＣＤの絶対値を１０ｐｐｍ／℃以下と小さくすることができる。

図１２〜図１４は、第１，第２の導体層の構成が以下のように設定されていることを除いては、図４〜図６に示した結果を得た場合の弾性境界波装置と同様にして弾性境界波装置を作製した場合のＩＤＴを構成している第２の導体層の膜厚によるＴＣＤの変化を示す図である。
すなわち、図１２〜図１４では、第１の導体層が膜厚０．０５λのＡｕからなり、第２の導体層がＡｌからなり、該Ａｌの規格化膜厚を変化させた場合のＴＣＤの変化を示す。
他方、図１３及び図１４は、それぞれ、上層の第２の導体層をＣｕ及びＡｇにより形成した場合に、Ｃｕ膜及びＡｇ膜の膜厚を変化させた場合のＴＣＤの変化を示す図である。図１３及び図１４においても、Ａｕからなる第１の導体層の膜厚は０．０５λである。

また、図１２〜図１４において、縦方向に延びる一点鎖線は、第２の導体層を構成しているＡｌ膜、Ｃｕ膜及びＡｇ膜がそれぞれ０．２５λの厚みの位置を示し、この場合、第１，第２の導体層の合計膜厚は０．３λとなる。
図１２〜図１４から明らかなように、ＩＤＴの膜厚が０．３λ以下の場合には、第２の導体層を構成している金属が、Ａｌから、Ｃｕ、Ａｇと順に密度が大きくなるに従って、ＴＣＤの絶対値が１０ｐｐｍ／℃以下の範囲となる領域、すなわち第２の導体層の膜厚範囲が減少していることがわかる。この現象が生じるのは、第１，第２の導体層の密度比によるものであり、Ａｕ／Ａｇの密度比は１．８３である。

なお、ＴＣＤの絶対値が１０ｐｐｍ／℃よりも小さい範囲は、一般にＴＣＤが非常に良好な範囲ということができる。従って、１０ｐｐｍ／℃よりもＴＣＤの絶対値が大きいものは必ずしも使用できないわけではなく、要求仕様によっては、上記範囲から外れた特性のものも使用することができる。すなわち、ＴＣＤの絶対値が１０ｐｐｍ／℃以下とは、好ましい数値範囲を示すものである。
図１５及び図１６は、第１の導体層を膜厚０．１λのＣｕとし、第２の導体層をＡｌまたはＴｉとし、Ａｌ膜またはＴｉ膜の膜厚を変化させた場合のＴＣＤの変化を示す図である。
なお、図１５及び図１６の縦方向に延びる一点鎖線は、第２の導体層の膜厚が０．２λの位置を示し、この場合第１，第２の導体層の膜厚の合計は０．３λとなる。

なお、第１の導体層がＣｕである場合に、その厚みを０．１λとしたのは、Ｃｕの密度は８．９３であり、Ａｕの密度＝１９．３の約１／２であることによる。すなわち、弾性境界波では、電極の重さにより、エネルギー集中度の分布が決定されるので、第１の導体層へのエネルギー集中度を、図１２〜図１４の場合と同等とするために、図１５及び図１６では、Ｃｕの規格化膜厚を０．１λとした。
図１５及び図１６から明らかなように、ＩＤＴの膜厚が０．５λ以下や０．３λ以下の場合、第１の導体層がＣｕからなる場合においても、第２の導体層を構成している金属の密度が大きくなるにつれ、ＴＣＤの良好な範囲の得られる領域が減少していることがわかる。この現象が生じるのは、第１の導体層の密度と第２の導体層との密度比ρ１／ρ２によるものであり、Ｃｕ／Ｔｉの密度比は、１．９８であり、ρ１／ρ２＞１．８の条件を満たしている。

さらに、密着性や耐電力性を高めるために、Ｔｉ、Ｃｒ、ＮｉＣｒ、Ｎｉ、ＺｎＯなどの薄層を第１，第２の導体層に積層してもよい。この場合、上記薄層は、第１または第２の導体層と第１または第２の媒質層の間、あるいは第１，第２の導体層間のいずれに配置してもよい。特に、ＩＤＴが、第１の媒質に接している部分及び／または第２の媒質に接している部分に上記薄層が密着層として設けられている場合には、ＩＤＴの第１及び／または第２の媒質への密着性を効果的に高めることができる。上記薄層は、密着性や拡散防止効果があればよいので、薄層の膜厚は１〜３０ｎｍとされる。

また、本発明において、第１，第２の導体層以外に第３の導体層を含む１以上の導体層をさらに積層してもよい。この場合、第３の導体層は、第１，第２の導体層のいずれかと同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。従って、例えば、Ａｌ／Ａｕ／Ａｌからなる電極構造を用いてもよく、その場合には、電気機械結合係数Ｋ²をＡｕの存在により中程度に大きくでき、遅延時間温度係数ＴＣＤをある程度小さくでき、かつ電極指の導体抵抗が小さい弾性境界波装置を得ることができる。

また、第１，第２の媒質１１，１２が積層されていたが、さらに１以上の他の媒質が積層されていてもよい。また、第１，第２の媒質１１，１２に他の媒質を積層する場合、第１，第２の媒質間に第３の媒質を配置してもよく、その場合には、相対的に密度も重い電極材料からなる第１の導体層をＳｉＯ₂などからなるＴＣＤが負の媒質側に配置すれば装置全体のＴＣＤを小さくすることができる。

また、本発明においては、上記第２の媒質の形成に先立ち、逆スパッタ、イオンビームミリング、反応性イオンエッチング、ウェットエッチングなどの様々な方法でＩＤＴを調整して周波数調整を行うことができる。さらに、第２の媒質／第３の媒質／ＩＤＴ／第１の媒質の積層構造を利用する場合には、第３の媒質の厚みを、上記イオンビームミリングやエッチングなどにより調整することにより、あるいはスパッタリングもしくは蒸着などの堆積法により追加成膜することにより、周波数調整を行うことも可能である。

なお、第１，第２の媒質は様々な材料で構成され得る。このような材料としては、Ｓｉ、ガラス、ＳｉＯ₂、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｔａ₂Ｏ₅、ＰＺＴ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮ（ニオブ酸カリウム）などが挙げられる。特に、第１の媒質１１として、圧電体を用いる場合には、上記ＬｉＮｂ₂Ｏ₃以外に、上記のようなＺｎＯ、Ｔａ₂Ｏ₅、ＰＺＴ、ＬｉＴａＯ₃などの様々な圧電材料を用いることができる。

また、第２の媒質１２として、誘電体を用いる場合そのような誘電体としては、ＳｉＯ₂に限らず、ガラス、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃などを用いることができる。好ましくは、前述したように、圧電体は通常、正のＴＣＤを示すため、ＴＣＤを小さくするには、負のＴＣＤを有する誘電体を第２の媒質１２の材料として用いることが望ましい。このような負のＴＣＤを有する誘電体としては、ＳｉＯ₂の他、水晶、ＬＢＯ（四ホウ酸リチウム）、ランガサイト、ランガナイト、ガラスなどを挙げることができる。

本発明においては、第１，第２の媒質を積層した積層体あるいはさらに第３の媒質を含む積層体の外側に強度を高めるため、あるいは腐食性ガスの侵入を防止するために保護層を形成してもよい。保護層としては、特に限定されず、ポリイミド、エポキシ樹脂、酸化チタン、窒化アルミもしくは酸化アルミなどの無機絶縁材料、Ａｕ、ＡｌもしくはＷなどの金属など様々な材料からなるものを用いることができる。また、上記保護層を形成した上で、あるいは保護層を形成せずに、弾性境界波装置をパッケージに封入してもよい。

Claims (13)

1. 弾性境界波伝搬方向における遅延時間温度係数が正である第１の媒質と、弾性境界波伝搬方向における遅延時間温度係数が負である第２の媒質と、前記第１，第２の媒質間に配置されており、複数の導体層を積層してなるＩＤＴとを備える弾性境界波装置であって、
   前記第１，第２の媒質が積層されている方向が前記ＩＤＴの厚み方向であり、該ＩＤＴを厚み方向に２等分した面を境界面とし、該境界面から第１の媒質側に存在する弾性境界波のエネルギーをＥ１、前記境界面から第２の媒質側に存在するエネルギーをＥ２とし、
   前記ＩＤＴを構成したときの弾性境界波の音速と、前記ＩＤＴを構成する最も密度の大きな導体のみを用いてＩＤＴを構成したときの弾性境界波の音速とが同一となるように、前記最も密度の大きな導体層のみで単一の金属でＩＤＴを構成した条件において弾性境界波のエネルギーが前記境界面から第１の媒質側に存在する弾性境界波のエネルギーをＥ１′、前記境界面から第２の媒質側に存在するエネルギーをＥ２′としたときに、Ｅ１／Ｅ２＜Ｅ１′／Ｅ２′とされていることを特徴とする、弾性境界波装置。
2. 前記ＩＤＴが、密度が７０００〜２２０００ｋｇ／ｍ³の範囲にある金属からなる第１の導体層と、密度が１７４０ｋｇ／ｍ³以上、１１０００ｋｇ／ｍ³より小さい金属からなる第２の導体層とを含む積層構造を有し、
   第１の導体層の密度をρ１、第２の導体層の密度をρ２としたときに、ρ１／ρ２＞１．８とされており、
   前記ＩＤＴの前記第２の媒質側に配置される導体層が、前記第１の導体層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２の導体層の厚みをＨ、前記ＩＤＴの電極指周期をλとしたときに、０．０３４λ＜Ｈ＜０．５λとされている、請求項２に記載の弾性境界波装置。
4. 前記ＩＤＴが前記第１の媒質に接する部分及び／または第２の媒質に接する部分に密着層が設けられていることを特徴とする、請求項２または３に記載の弾性境界波装置。
5. 弾性境界波伝搬方向における遅延時間温度係数が正である第１の媒質と、弾性境界波伝搬方向における遅延時間温度係数が負である第２の媒質と、前記第１，第２の媒質間に配置されたＩＤＴとを備える弾性境界波装置であって、
   前記ＩＤＴが、密度が７０００〜２２０００ｋｇ／ｍ^３の範囲にある金属からなる第１の導体層と、密度が１７４０ｋｇ／ｍ^３以上、１１０００ｋｇ／ｍ^３より小さい金属からなる第２の導体層とを含む積層構造を有し、
   第１の導体層の密度をρ１、第２の導体層の密度をρ２としたときに、ρ１／ρ２＞１．８とされており、
   前記ＩＤＴの前記第２の媒質側に配置される導体層が、前記第１の導体層であり、
   前記第２の導体層の厚みをＨ、ＩＤＴの電極指周期をλとしたときに、０．０３４λ＜Ｈ＜０．５λとされていることを特徴とする、弾性境界波装置。
6. 前記ＩＤＴが前記第１の媒質に接する部分及び／または第２の媒質に接する部分に密着層が設けられていることを特徴とする、請求項５に記載の弾性境界波装置。
7. 前記第１の媒質が、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、水晶、ＰＺＴ、ＬＢＯ、ランガサイト、ランガナイト、及びガラスからなる群から選択された１種により構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
8. 前記第２の媒質が、ＳｉＯ₂、水晶、ＬＢＯ、ランガサイト、ランガナイト、及びガラスからなる群から選択された少なくとも１種により構成されており、かつ第１の媒質の材質とは異なる材料からなる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
9. 前記第１の導体層を構成している金属が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択された１種であり、
   前記第２の導体層を構成している金属が、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｇ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択した１種の金属である、請求項２〜６のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
10. 前記第１の導体層を構成している金属がＡｕであり、前記第２の導体層を構成している金属がＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｇ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択した１種の金属である、請求項２〜９のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
11. 前記第１の導体層を構成している金属がＣｕであり、前記第２の導体層を構成している金属がＡｌ、Ｍｇ及びＴｉ並びにこれらを主体とする合金からなる群から選択した１種の金属である、請求項２〜９のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
12. 前記ＩＤＴの膜厚が０．３λ以下とされていること特徴とする請求項１０もしくは請求項１１に記載の弾性境界波装置。
13. 前記ＩＤＴと同じ電極材料で構成されており、かつ前記第１，第２の媒質間に配置されている反射器をさらに備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。

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