JP5187597B2 - 弾性波素子 - Google Patents

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Description

本発明は、弾性波素子に関し、詳しくは、隣接して配置された共振子同士が互いに結合して共振する共振子構造を備えた弾性波素子に関する。
フィルタやデュプレクサについて、アンバランス-バランス変換機能を有する製品が求められている。
ＢＡＷ（bulk acoustic wave；バルク波）共振子が積層された共振子構造を備える積層型ＢＡＷフィルタは、複数の振動モードを利用することで、バランス-アンバランス変換ができる。しかし、帯域近傍の急峻性が良くないという欠点がある。
そのため、積層型ＢＡＷフィルタに、急峻性の確保がしやすい単一の共振モードを用いる単層型ＢＡＷ共振子を接続する構成が、提案されている。具体例として、ラダーフィルタと積層型ＢＡＷフィルタを直列接続した回路構成が提案されている。
例えば、非特許文献１には、積層型ＢＡＷフィルタと単層型ＢＡＷ共振子とを、回路的に接続したフィルタが開示されている。特許文献１には、積層型ＢＡＷフィルタと単層型ＢＡＷ共振子を回路的に接続したフィルタとデュプレクサが開示されている。
特開平１１−８８１１１号公報
K. M. Lakin, C. W. Andrus, J. R. Belsick, K. T. McCarron, and W. H. Thornhill、「Wide Bandwidth Thin Film BAW Filters」、Proceedings 2004 IEEE Ultrasonics Symposium
例えば、ラダーフィルタと積層型ＢＡＷフィルタを直列接続した回路構成を持つフィルタを製造するには、厚さ方向に構造が異なった積層型ＢＡＷフィルタと単層型ＢＡＷ共振子の両方を作製し接続することが必要である。そのため、図１及び図２に示す比較例１のような構成が考えられる。図１は、フィルタの回路図である。図２は、断面構成を模式的に示す構造図である。
図１及び図２に示すように、平衡信号が入力又は出力される端子２ａ，２ｂと、不平衡信号が出力又は入力される端子４の間に、積層型ＢＡＷフィルタ１０ｘと、単層型ＢＡＷ共振子６，７，８とが接続される。積層型ＢＡＷフィルタ１０ｘは、電極１２ａ，１２ｂ；１４ａ，１４ｂ間に圧電体１３，１５が挟まれたＢＡＷ共振子１１ａ，１１ｂ同士が、音響結合層１６を介して互いに結合して共振可能である共振子構造である。単層型ＢＡＷ共振子６，７，８は、電極６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ；８ａ，８ｂ間に圧電体６ｘ，７ｘ，８ｘが挟まれており、単独で共振可能である。
図１及び図２に示した構成は、通常、同一基板上に形成される。その場合、積層型ＢＡＷフィルタ１０ｘと、単層型ＢＡＷ共振子６，７，８の周波数や構造を変えるための追加工程が必要となり、コストアップにつながる。
一方、積層型ＢＡＷフィルタだけを用いてフィルタを実現する場合、図３及び図４に示す比較例２のような構成が考えられる。図３は、フィルタの回路図である。図４は、断面構成を模式的に示す構造図である。
図３及び図４に示すように、端子２ａ，２ｂと端子４の間に、積層型ＢＡＷフィルタ１０ｘ，２０ｘが接続される。積層型ＢＡＷフィルタ２０ｘは、積層型ＢＡＷフィルタ１０ｘと同じ構造であり、電極２２ａ，２２ｂ；２４ａ，２４ｂ間に圧電体２３，２５が挟まれたＢＡＷ共振子２１ａ，２１ｂが、音響結合層２６を介して互いに結合して一体となって共振可能である共振子構造である。
図３及び図４のように構成すると、積層型ＢＡＷフィルタ１０ｘ，２０ｘの各層を同時に形成することにより、工程を少なくすることができる。
しかし、積層型ＢＡＷフィルタ１０ｘ，２０ｘは帯域近傍の急峻性が良くないため、急峻性が劣化する。
本発明は、かかる実情に鑑み、共振子同士が互いに結合して共振可能である共振子構造だけを用いて構成しても、急峻性を改善できる弾性波素子を提供しようとするものである。
本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した弾性波素子を提供する。
弾性波素子は、隣接して配置された複数の共振子を含み、該共振子同士が互いに結合して共振することにより少なくとも２つ以上の振動モードで励振できる、複数の共振子構造を備える。前記共振子構造のうち少なくとも一つは、フィルタ帯域内において一つの振動モードの共振特性が他の振動モードの共振特性よりも強く表れるように電気的に接続されている。
上記構成によれば、フィルタ帯域内において一つの振動モードの共振特性が他の振動モードの共振特性よりも強く表れる共振子構造により、帯域近傍での急峻性を改善できる。例えば、フィルタ帯域内において一つの振動モードの共振特性が他の振動モードの共振特性よりも強く表れる共振子構造を、単一モード共振子として、他の共振子構造による多重モードフィルタに接続することにより、帯域近傍での急峻性を改善できる。
前記共振子構造の前記共振子は、一対の電極膜と該一対の電極膜間に挟まれた圧電薄膜とが積層された圧電薄膜共振子である。前記共振子構造は、前記圧電薄膜共振子同士が、前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜及び前記圧電薄膜が積層された積層方向に、互いに積層された積層型ＢＡＷ素子である。
この場合、積層型ＢＡＷ素子だけで、帯域近傍での急峻性が改善された弾性波素子を構成できる。
好ましくは、一つの前記積層型ＢＡＷ素子と、他の前記積層型ＢＡＷ素子の前記共振子とが電気的に接続される。
この場合、積層型ＢＡＷ素子だけで、一つの積層型ＢＡＷ素子による多重モードを用いた積層型ＢＡＷフィルタと、他の積層型ＢＡＷ素子の共振子による積層型ＢＡＷ共振子とを接続した回路を構成し、急峻性を改善できる。
好ましくは、一つの前記積層型ＢＡＷ素子に、他の前記積層型ＢＡＷ素子の前記共振子が直列に縦続接続される。
この場合、直列に縦続接続された他の積層型ＢＡＷ素子の共振子を、一つの積層型ＢＡＷ素子に対して直列共振子として用い、フィルタ帯域の高域側の急峻性を改善できる。
好ましくは、一つの前記積層型ＢＡＷ素子に、他の前記積層型ＢＡＷ素子の前記共振子が並列に接続される。
この場合、他の積層型ＢＡＷ素子の共振子を、一つの積層型ＢＡＷ素子に対して並列共振子として用い、フィルタ帯域の低域側の急峻性を改善できる。
好ましくは、前記積層型ＢＡＷ素子がラダー型に接続されている。
この場合、ラダーフィルタを構成し、フィルタ帯域の低域側と高域側の急峻性を改善できる。
好ましくは、前記積層型ＢＡＷ素子がラティス型に接続されている。
この場合、ラティスフィルタを構成して、減衰量を改善できる。
好ましくは、一つの前記積層型ＢＡＷ素子に対して入力又は出力のいずれか一方に直列に、他方に並列に、他の二つの前記積層型ＢＡＷ素子がそれぞれ接続される。
この場合、フィルタ帯域の低域側と高域側の急峻性を改善できる。
好ましくは、前記積層型ＢＡＷ素子は、少なくとも一つの層の材料及び膜厚が実質的に同一である。
この場合、工程を簡略化できる。
好ましくは、前記積層型ＢＡＷ素子の各層は、一つの層を除いて、それぞれ、材料及び膜厚が実質的に同一である。
この場合、一つの層を除いて、各層を同一工程で同時に形成できる。一つの層についてだけ、膜厚や材料などを調整して周波数を合わせることで、工程を簡略化できる。
好ましくは、前記積層型ＢＡＷ素子のうち一部のみが、少なくとも一つの追加層を含む。前記追加層を含む前記共振子構造の前記追加層以外の各層と他の前記共振子構造の各層とは、それぞれ、材料及び膜厚が実質的に同一である。
この場合、追加層以外の各層は、同一工程で同時に形成できる。追加層を付加するだけで、追加層により周波数を合わせることができ、工程を簡略化できる。
好ましくは、前記積層型ＢＡＷ素子の各層は、それぞれ、材料及び膜厚が実質的に同一である。
この場合、第１及び第２の共振子構造の各層を同一工程で同時に形成でき、工程を簡略化できる。
好ましくは、前記積層型ＢＡＷ素子に含まれる互いに積層された前記圧電薄膜共振子は、２つである。
この場合、２層の圧電薄膜を有する最も層数の少ない積層型ＢＡＷ素子であり、工程を短くすることができる。
好ましくは、前記積層型ＢＡＷ素子の少なくとも一つは、（ａ）一方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち他方の前記圧電薄膜共振子に近い一方の前記電極膜と、他方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち一方の前記圧電薄膜共振子から遠い一方の前記電極膜とが電気的に短絡され、（ｂ）一方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち他方の前記圧電薄膜共振子から遠い他方の前記電極膜と、他方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち一方の前記圧電薄膜共振子に近い他方の前記電極膜とが電気的に短絡されている。
この場合、積層型ＢＡＷ素子の少なくとも一つについて、非対称モードに対応する共振特性を得ることができる。
好ましくは、前記積層型ＢＡＷ素子の少なくとも一つは、（ａ）一方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち他方の前記圧電薄膜共振子から遠い一方の前記電極膜と、他方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち一方の前記圧電薄膜共振子から遠い一方の前記電極膜とが電気的に短絡され、（ｂ）一方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち他方の前記圧電薄膜共振子に近い他方の前記電極膜と、他方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち一方の前記圧電薄膜共振子に近い他方の前記電極膜とが電気的に短絡されている。
この場合、積層型ＢＡＷ素子の少なくとも一つについて、対称モードに対応する共振特性を得ることができる。
好ましくは、上記各構成において、前記共振子構造が、同一の基板上に形成される。
この場合、工程を簡略化できる。
好ましくは、上記各構成において、入力端子と出力端子のいずれか一方がバランス構成であり、他方がアンバランス構成である。
この場合、バランスーアンバランス変換の機能を付加できる。
また、本発明は、上記各構成の弾性波素子が、送信フィルタと受信フィルタのいずれか一方又は両方に含まれるデュプレクサを提供する。
例えば、バランスーアンバランス変換の機能を付加し、かつＢＡＷを用いることで、良好な特性のデュプレクサを提供できる。
本発明によれば、共振子同士が互いに結合して共振可能である共振子構造だけを用いて弾性波素子を構成しても、急峻性を改善できる。
フィルタの回路図である。（比較例１） 断面構成を模式的に示す構造図である。（比較例１） フィルタの回路図である。（比較例２） 断面構成を模式的に示す構造図である。（比較例２） 積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。（実施例１） 積層型ＢＡＷ素子の断面構成を模式的に示す構造図である。（実施例１） 積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。（実施例１） 積層型ＢＡＷ素子の断面構成を模式的に示す構造図である。（実施例１） 非対称モードを励振する接続方法のときの（ａ）インピーダンス特性、（ｂ）変位分布を示すグラフである。（実施例１） 対称モードを励振する接続方法のときの（ａ）インピーダンス特性、（ｂ）変位分布を示すグラフである。（実施例１） 積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。（実施例１） 積層型ＢＡＷ素子の断面構成を模式的に示す構造図である。（実施例１） 積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。（変形例１） 積層型ＢＡＷ素子の断面構成を模式的に示す構造図である。（変形例１） 積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。（変形例２） 積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。（変形例３） 積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。（変形例４） 積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。（変形例５） 積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。（変形例６） 積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。（変形例７） 積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。（変形例８） 積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。（変形例９） 積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。（変形例１０） 積層型ＢＡＷ素子の特性を示すグラフである。（比較例２、実施例１） 平面型ＢＡＷ素子の基本構成図である。（参考例） 平面型ＢＡＷ素子の要部断面図である。（参考例） 平面型ＢＡＷ素子の接続方法を示す説明図である。（参考例）
以下、本発明の実施の形態について、図５〜図２７を参照しながら説明する。
＜実施例１＞ 実施例１のフィルタ（弾性波素子）について、図５〜図１１を参照しながら説明する。
まず、実施例１のフィルタが備える積層型ＢＡＷ素子について、説明する。
図５及び図７は、積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。図６及び図８は、積層型ＢＡＷ素子の断面構成を模式的に示す構造図である。
図５〜図８に示すように、積層型ＢＡＷ素子１０は、第１及び第２の共振子１１ａ，１１ｂと、音響結合層１６とを含む。
第１及び第２の共振子１１ａ，１１ｂは、電極１２ａ，１２ｂ；１４ａ，１４ｂと、電極１２ａ，１２ｂ；１４ａ，１４ｂ間に挟まれた圧電体１３，１５とを含む。第１及び第２の共振子１１ａ，１１ｂは、音響結合層１６を介して、電極１２ａ，１２ｂ；１４ａ，１４ｂ及び圧電体１３，１５が積層された積層方向に、互いに積層されている。電極１２ａ，１２ｂ；１４ａ，１４ｂは金属膜であり、圧電体１３，１５は圧電薄膜である。音響結合層１６は、絶縁材料、例えば樹脂で形成する。
積層型ＢＡＷ素子１０は、共振子１１ａ，１１ｂ同士が互いに結合して共振することにより少なくとも２つ以上の振動モードで励振できる。
図５〜図８に示すように、積層型ＢＡＷ素子１０は、第１及び第２の共振子１１ａ，１１ｂの電極１２ａ，１２ｂ；１４ａ，１４ｂの接続方法によって、非対称モード又は対称モードのいずれか一方を励振することができる。
すなわち、図５及び図６に示す接続方法により、矢印１１ｐ，１１ｑで示すように非対称モードで励振できる。この場合、第１の共振子１１ａの外側電極１２ａと、第２の共振子１１ｂの内側電極１４ｂとは、電気的に短絡される。また、第１の共振子１１ａの内側電極１２ｂと、第２の共振子１１ｂの外側電極１４ａは、電気的に短絡される。例えば、端子２に、第１の共振子１１ａの外側電極１２ａと、第２の共振子１１ｂの内側電極１４ｂとを接続する。また、第１の共振子１１ａの内側電極１２ｂと、第２の共振子１１ｂの外側電極１４ａは、接地する。
一方、図７及び図８に示すように接続すると、矢印１１ｓ，１１ｔで示すように対称モードで励振できる。この場合、第１の共振子１１ａの外側電極１２ａと、第２の共振子１１ｂの外側電極１４ａとは、電気的に短絡される。また、第１の共振子１１ａの内側電極１２ｂと、第２の共振子１１ｂの内側電極１４ｂは、電気的に短絡される。例えば、端子２に、第１の共振子１１ａの外側電極１２ａと、第２の共振子１１ｂの外側電極１４ａとを接続する。また、第１の共振子１１ａの内側電極１２ｂと、第２の共振子１１ｂの内側電極１４ｂとは、接地する。
図９は、図５及び図６のように非対称モードを励振する接続方法のときの特性の一例（共振周波数；１８３５ＭＨｚ）を示すグラフである。図９（ａ）は、インピーダンス特性を示す。図９（ｂ）は、膜厚方向の変位分布を示す。
図１０は、図７及び図８のように対称モードを励振する接続方法のときの特性の一例（共振周波数；１９００ＭＨｚ）を示すグラフである。図１０（ａ）は、インピーダンス特性を示す。図１０（ｂ）は、膜厚方向の変位分布を示す。
図９及び図１０に示すように、非対称モード又は対称モードで励振するように配線を接続すると、積層型ＢＡＷ素子１０に含まれる個々の共振子１１ａ，１１ｂは、他の共振子と結合せず、単独で共振する単層型ＢＡＷ共振子と同じような特性を示すので、積層型ＢＡＷ素子１０の共振子１１ａ，１１ｂを、単層型ＢＡＷ共振子の代わりに用いることができる。そこで、実施例１のフィルタでは、積層型ＢＡＷ素子の共振子を単層型ＢＡＷ共振子の代わりに用いている。
次に、実施例１のフィルタの構成について、図１１及び図１２を参照しながら説明する。図１１は、積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。図１２は、積層型ＢＡＷ素子の断面構成を模式的に示す構造図である。
図１１及び図１２に示すように、第２の積層型ＢＡＷ素子２０によるフィルタに対し、第１の積層型ＢＡＷ素子１０の共振子１１ａ，１１ｂが並列共振子として、グランドに対してシャントに接続される。
詳しくは、平衡信号が入力又は出力される一方の端子２ａは、第１の積層型ＢＡＷ素子１０の第１の共振子１１ａの外側電極１２ａ及び第２の共振子１１ｂの内側電極１４ｂと、第２の積層型ＢＡＷ素子２０の第１の共振子２１ａの外側電極２２ａとに接続されている。平衡信号が入力又は出力される他方の端子２ｂは、第１の積層型ＢＡＷ素子１０の第１の共振子１１ａの内側電極１２ｂ及び第２の共振子１１ｂの外側電極１４ａと、第２の積層型ＢＡＷ素子２０の第１の共振子２１ａの内側電極２２ｂとに接続されている。不平衡信号が出力又は入力される端子４は、第２の積層型ＢＡＷ素子２０の第２の共振子２１ｂの外側電極２４ａに接続されている。第２の積層型ＢＡＷ素子２０の第２の共振子２１ｂの内側電極２４ｂは、接地されている。
第１の積層型ＢＡＷ素子１０は、フィルタ帯域内において一つの振動モードの共振特性が他の振動モードの共振特性よりも強く表れるように配線が接続されている。すなわち、非対称モードで励振できるように配線が接続されている。これにより、第１の積層型ＢＡＷ素子１０の第１及び第２の共振子１１ａ，１１ｂを並列共振子として用い、フィルタ帯域の低域側の急峻性を改善できる。
積層型ＢＡＷ素子は、非対称モードの方が、対称モードよりも共振周波数が低いため、図１１及び図１２に示すように、並列共振子として用いる第１の積層型ＢＡＷ素子１０は、非対称モードを用いるように配線を接続することが望ましい。
第１及び第２の積層型ＢＡＷ素子１０，２０の各層は、同一基板上に同一工程で同時に形成する。第１及び第２の積層型ＢＡＷ素子１０，２０の各層は、それぞれ、材料及び膜厚が実質的に同じになり、部品を小型化できる。
図１２に示すように、第１及び第２の積層型ＢＡＷ素子１０，２０の各層、すなわち、下層下部の電極１２ａと２２ａ、下層の圧電体１３と２３、下層上部の電極１２ｂと２２ｂ、音響結合層１６と２６、上層下部の電極１４ｂと２４ｂ、上層の圧電体１５と２５、上層上部の電極１４ａと２４ａを、それぞれ、同一基板上に同一工程で同時に形成する。
積層型ＢＡＷ素子１０，２０は、少なくとも一つの層の材料及び膜厚が実質的に同一となるように構成することで、工程を簡略化できるので、以下のように構成してもよい。
例えば、積層型ＢＡＷ素子１０，２０の各層が、一つの層を除いて、それぞれ、材料及び膜厚が実質的に同一であるように構成する。この場合、一つの層を除いて、各層を同一工程で同時に形成できる。一つの層についてだけ、膜厚や材料などを調整して周波数を合わせることで、工程を簡略化できる。
あるいは、積層型ＢＡＷ素子１０，２０のいずれか一方のみが、少なくとも一つの追加層を含み、追加層以外の各層の材料及び膜厚が実質的に同一であるように構成する。この場合、追加層以外の各層は、同一工程で同時に形成できる。追加層を付加するだけで、追加層により周波数を合わせることができ、工程を簡略化できる。
例えば、フィルタとして用いる第２の積層型ＢＡＷ素子２０と、共振子として用いる第１の積層型ＢＡＷ素子１０との周波数差を調整するための周波数差調整層を１層追加することよって、積層型ＢＡＷ共振子とフィルタとの周波数差を微調整する。細かい特性調整ができるため、設計自由度が向上する。
積層型ＢＡＷ素子１０，２０は、それぞれ２つの共振子１１ａ，１１ｂ；２１ａ，２１ｂを含み、２層の圧電薄膜１６，２６を有する最も層数の少ない積層型ＢＡＷ素子であるため、工程を短くすることができる。
実施例１のフィルタは、単層型ＢＡＷ共振子が不要となるため、厚さ方向に構造が異なった積層型ＢＡＷフィルタと単層型ＢＡＷ共振子の両方を同時に作製するための追加工程が不要となり、コストダウンできる。
なお、積層型ＢＡＷ素子の入出力のインピーダンスを変えることにより、インピーダンス変換の機能を付加してもよい。
実施例１では、入力端子と出力端子の一方、すなわち端子４がアンバランス構成であり、他方、すなわち端子２ａ，２ｂがバランス構成の場合を例示しているが、バランス-バランス、アンバランス-アンバランスの構成としてもよい。
実施例１のフィルタをデュプレクサの送信又は受信用のフィルタに用いると、ＢＡＷでアンバランス-バランス変換機能を備えた良好な特性のデュプレクサを提供することができる。共振子として用いる積層型ＢＡＷ素子の共振子が、送信フィルタと受信フィルタのインピーダンス整合素子の機能を兼ねていてもよい。
以下、実施例１の変形例１〜１０について、図１３〜図２２を参照しながら説明する。
＜変形例１＞ 変形例１について、図１３及び図１４を参照しながら説明する。図１３は、積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。図１４は、積層型ＢＡＷ素子の断面構成を模式的に示す構造図である。
変形例１は、実施例１と略同様に構成される。以下では、実施例１と同じ構成部分には同じ符号を用い、相違点を中心に説明する。
図１３及び図１４に示すように、第１の積層型ＢＡＷ素子１０に、第２の積層型ＢＡＷ素子２０が直列に接続されている。第２の積層型ＢＡＷ素子２０の共振子２１ａ，２１ｂは、第１の積層型ＢＡＷ素子１０によるフィルタに対し、直列共振子として接続されている。すなわち、第１の積層型ＢＡＷ素子１０によるフィルタに、第２の積層型ＢＡＷ素子２０の共振子２１ａ，２１ｂが直列に縦続接続されている。
積層型ＢＡＷ素子は、非対称モードの方が、対称モードよりも共振周波数が低いので、図１３及び図１４に示すように、直列共振子として用いる第２の積層型ＢＡＷ素子２０は、対称モードを用いるように配線が接続されることが望ましい。
図１３及び図１４の構成を用いることで、フィルタ帯域の高域側の急峻性を改善できる。
＜変形例２＞ 変形例２について、図１５を参照しながら説明する。図１５は、積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。
図１５に示すように、第１の積層型ＢＡＷ素子１０の後段に、第２の積層型ＢＡＷ素子２０が並列に接続されている。第２の積層型ＢＡＷ素子２０の共振子２１ａ，２１ｂは、第１の積層型ＢＡＷ素子１０によるフィルタに対し、並列共振子として用いる。
図１５のように構成すると、積層型ＢＡＷ素子によるフィルタの前段に、並列共振子として積層型ＢＡＷ素子が接続されている実施例１と同様に、フィルタ帯域の低域側の急峻性を改善できる。
＜変形例３＞ 変形例３について、図１６を参照しながら説明する。図１６は、積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。
図１６に示すように、第１の積層型ＢＡＷ素子１０の前段に、第２及び第３の積層型ＢＡＷ素子２０，３０が直列に接続されている。第２及び第３の積層型ＢＡＷ素子２０，３０の共振子２１ａ，２１ｂ；３１ａ，３１ｂは、第１の積層型ＢＡＷ素子１０のフィルタに対し、直列共振子として接続されている。
図１６のように構成すると、積層型ＢＡＷ素子によるフィルタの後段に、積層型ＢＡＷ素子が直列に接続されている変形例１と同様に、フィルタ帯域の高域側の急峻性を改善できる。
＜変形例４＞ 変形例４について、図１７を参照しながら説明する。図１７は、積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。
図１７に示すように、第１の積層型ＢＡＷ素子１０の後段に第２の積層型ＢＡＷ素子２０が直列に接続され、第１の積層型ＢＡＷ素子１０の前段に第３の積層型ＢＡＷ素子３０が並列に接続されている。第２の積層型ＢＡＷ素子２０の共振子２１ａ，２１ｂは、第１の積層型ＢＡＷ素子１０によるフィルタに対し、直列共振子として接続されている。第３の積層型ＢＡＷ素子３０の共振子３１ａ，３１ｂは、第１の積層型ＢＡＷ素子１０によるフィルタに対し、並列共振子として接続されている。
図１７のように、第１の積層型ＢＡＷ素子１０の入力と出力の一方には直列に、他方には並列に、それぞれ積層型ＢＡＷ素子２０，３０を接続するように構成すると、フィルタ帯域の低域と高域の両方の急峻性を改善できる。
＜変形例５＞ 変形例５について、図１８を参照しながら説明する。図１８は、積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。
図１８に示すように、第１の積層型ＢＡＷ素子１０の後段に、第２及び第３の積層型ＢＡＷ素子２０，３０がラダー型に接続されている。すなわち、第１の積層型ＢＡＷ素子１０によるフィルタに対し、第２の積層型ＢＡＷ素子２０の共振子２１ａ，２１ｂが直列共振子として接続され、第３の積層型ＢＡＷ素子３０の共振子３１ａ，３１ｂが並列共振子として接続されている。
図１８のように構成すると、フィルタ帯域の低域と高域の両方の急峻性を改善できる。
＜変形例６＞ 変形例６について、図１９を参照しながら説明する。図１９は、積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。
図１９に示すように、第１の積層型ＢＡＷ素子１０の後段に、第２乃至第４の積層型ＢＡＷ素子２０，３０，４０がラダー型に接続されている。すなわち、第１の積層型ＢＡＷ素子１０によるフィルタに対し、第２及び第３の積層型ＢＡＷ素子２０，３０の共振子２１ａ，２１ｂ；３１ａ，３１ｂが直列共振子として接続され、第４の積層型ＢＡＷ素子４０の共振子４１ａ，４１ｂが並列共振子として接続されている。
図１９のように構成すると、フィルタ帯域の低域と高域の両方の急峻性を改善できる。
＜変形例７＞ 変形例７について、図２０を参照しながら説明する。図２０は、積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。
図２０に示すように、第１の積層型ＢＡＷ素子１０の前段に、第２乃至第５の積層型ＢＡＷ素子２０，３０，４０，５０がラティス型に接続されている。直列腕の第２及び第５の積層型ＢＡＷ素子２０，５０は対称モードで励振され、格子腕の第３及び第４の積層型ＢＡＷ素子３０，４０は非対称モードで励振されるように、配線が接続されている。
図２０のように構成を用いることで、フィルタの減衰量を改善できる。
＜変形例８＞ 変形例８について、図２１を参照しながら説明する。図２１は、積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。
図２１に示すように、第１乃至第４の積層型ＢＡＷ素子１０，２０，３０，４０がラダー型に接続されている。直列腕の第１及び第２の積層型ＢＡＷ素子１０，２０は対称モードで励振され、並列腕の第３及び第４の積層型ＢＡＷ素子３０，４０は非対称モードで励振されるように、配線が接続されている。
図２１のように構成すると、第１乃至第４の積層型ＢＡＷ素子１０，２０，３０，４０を共振子として用い、単層型ＢＡＷ共振子で構成される回路を積層型ＢＡＷ素子だけを用いて実現することが可能である。
＜変形例９＞ 変形例９について、図２２を参照しながら説明する。図２２は、積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。
図２２に示すように、第１乃至第４の積層型ＢＡＷ素子１０，２０，３０，４０がラダー型に接続され、バランス型ラダーフィルタが構成されている。直列腕の第１及び第４の積層型ＢＡＷ素子１０，４０は対称モードで励振され、並列腕の第２及び第３の積層型ＢＡＷ素子２０，３０は非対称モードで励振されるように、配線が接続されている。
図２２のように構成すると、第１乃至第４の積層型ＢＡＷ素子１０，２０，３０，４０を共振子として用い、単層型ＢＡＷ共振子で構成される回路を積層型ＢＡＷ素子だけを用いて実現することが可能である。
＜変形例１０＞ 変形例１０について、図２３を参照しながら説明する。図２３は、積層型ＢＡＷ素子の接続方法を示す回路図である。
図２３に示すように、第１乃至第４の積層型ＢＡＷ素子１０，２０，３０，４０がラティス型に接続されている。直列腕の第１及び第４の積層型ＢＡＷ素子１０，４０は対称モードで励振され、格子腕の第２及び第３の積層型ＢＡＷ素子２０，３０は非対称モードで励振されるように、配線が接続されている。
図２３のように構成すると、第１乃至第４の積層型ＢＡＷ素子１０，２０，３０，４０を共振子として用い、単層型ＢＡＷ共振子で構成される回路を積層型ＢＡＷ素子だけを用いて実現することも可能である。
＜作製例＞ 図１１及び図１２のように構成した実施例１のフィルタと、図３及び図４のように構成した比較例２のフィルタとを作製した。
それぞれの積層型ＢＡＷ素子の膜構成は、次の表１の通りである。
Figure 0005187597
 いずれのフィルタの作製例も、２つの積層型ＢＡＷ素子を含むが、フィルタを構成する２つの積層型ＢＡＷ素子は、同一工程で同時に形成するため、共通の膜厚である。２つの積層型ＢＡＷ素子間で膜厚を変えると、設計自由度は向上するが、工程数が増えるので、作製例では採用していない。
図２４は、作製例のフィルタの通過伝送特性（Ｓ２１）を示すグラフである。実線は、実施例１のフィルタの作製例である。破線は、比較例２のフィルタの作製例である。
図２４から、実施例１のフィルタは、積層型ＢＡＷ素子を２段縦続接続した比較例２のフィルタと比べると、フィルタ帯域の低域側の急峻性が大幅に改善していることが分かる。
＜参考例＞ 参考例のフィルタ（弾性波素子）について、図２５〜図２７を参照しながら説明する。
まず、参考例のフィルタが備える平面型ＢＡＷ素子について、説明する。
図２５は、平面型ＢＡＷ素子の基本構成を示す構成図である。図２５に示すように、基板１０１上に設けた支持構造部１０２により、中空空間１０４を介してダイヤフラム１０３が支持され、ダイヤフラム１０３上に圧電薄膜１０６が配置されている。圧電薄膜１０６の両主面には、それぞれ圧電薄膜１０６を介して対向するように、第１電極対の複数の電極指１０５ａ，１０７ａと、第２の電極対の複数の電極指１０５ｂ，１０７ｂとが、間隔を設けて交互に配置されている。
例えば、第１電極対の電極指１０５ａ，１０７ａは入力端子に接続され、第２電極対の電極指１０５ｂ，１０７ｂは出力端子に接続され、第１電極対の電極指１０５ａ，１０７ａと圧電薄膜１０６とで形成される一つの共振子で発生した振動が、隣接する第２電極対の電極指１０５ｂ，１０７ｂと圧電薄膜１０６とで形成される他の共振子に伝搬され、電気信号を出力するようになっている。
図２６は、参考例のフィルタが備える平面型ＢＡＷ素子１１０の基本構成を示す要部断面図である。図２６では、１周期の基本単位を含む部分を図示しているが、実際には、複数周期を繰り返す構成になっている。
図２６に示すように、圧電薄膜１１４の両主面１１４ａ，１１４ｂに、一つの共振子を形成する第１電極対１２０の第１電極指１２４及び第２電極指１２２と、他の共振子を形成する第２電極対１３０の第３電極指１３４及び第４電極指１３２とが、間隔を設けて交互に配置されている。
圧電薄膜１１４の一方の主面（上面）１１４ａ上には、隣接する第１電極指１２４と第３電極指１３４との間に、質量付加のための絶縁膜１１６が配置されている。
また、圧電薄膜１１４の両方の主面１１４ａ，１１４ｂ全体に、第２の絶縁膜１１８ａ，１１８ｂが配置されている。すなわち、一方の主面１１４ａにおいて、第２の絶縁膜１１８ａは、第１電極指１２４及び第３電極指１３４と絶縁膜１１６とを覆う。他方の主面１１４ｂにおいて、第２の絶縁膜１１８ｂは、第２電極指１２２及び第４電極指１３２を覆う。第２の絶縁膜１１８ａ，１１８ｂは、いずれか一方のみを形成してもよい。また、第２の絶縁膜１１８ａ，１１８ｂの両方を形成しない構成としてもよい。第２の絶縁膜１１８ａ，１１８ｂは、第１電極指１２４と第３電極指１３４との間に配置される絶縁膜１１６と同一材質であっても異なる材質であってもよい。
第２の絶縁膜１１８ａ，１１８ｂは、素子完成後にエッチングすることにより、素子の周波数調整を行うことが可能である。また、第２の絶縁膜１１８ａ，１１８ｂは、電極指１２２，１２４，１３２，１３４の酸化や腐食を防ぐ効果もある。
絶縁膜１１６を介して交互に配置された電極指１２４，１３４間の中心間距離Ｗａ＋Ｗｍ、Ｗｆ＋Ｗｍは、圧電薄膜１１４の厚さＴの２倍よりも大きい。好ましくは、各電極指１２２，１２４，１３２，１３４の幅Ｗｍは、圧電薄膜１１４の厚さＴの２倍よりも大きい。これにより、複数の振動モードが発生するようにする。
なお、隣接する電極指１２４，１３４間の間隔、すなわち無電極部の幅Ｗａ，Ｗｆは、同じであっても、異なってもよい。
例えば、第１電極指１２４及び第２電極指１２２を入力端子に接続し、第３電極指１３４及び第４電極指１３２を出力端子に接続すると、２重モードフィルタとして動作する。この場合、平衡入出力フィルタとしても使用でき、いずれかの電極指１２４，１２２，１３４，１３２を接地して不平衡端子として、バランス型フィルタとしても使用できる。
平面型ＢＡＷ素子は、積層型ＢＡＷ素子と同様に接続することができる。基本的な原理は、モノリシック・クリスタル・フィルタ（ＭＣＦ）や２重モードＳＡＷフィルタについても、同じである。
図２７は、平面型ＢＡＷ素子の接続方法を示す説明図である。図２７（ａ）に示すように、２つの共振子１１１ａ，１１１ｂが同一の圧電薄膜１１１上に形成されている場合、共振子１１１ａ，１１１ｂが十分に離れて形成されていると、それらは独立の共振子として動作する。２つの共振子１１１ａ，１１１ｂを互いに近づけて配置すると、隣接する共振子１１１ａ，１１１ｂ同士が互いに結合し、対称モードと非対称モードの振動が発生する。
図２７（ｂ）には、２つの共振子１１１ａ，１１１ｂが結合した結果生じる対称モードを利用する場合の平面型ＢＡＷ素子の１周期分の基本単位１１１ｓを模式的に示している。図２７（ｃ）には、２つの共振子１１１ａ，１１１ｂが結合した結果生じる非対称モードを利用する場合の平面型ＢＡＷ素子の１周期分の基本単位１１１ｔを示している。
平面型ＢＡＷ素子は、図２７（ｂ）又は（ｃ）のように接続し、対称モード又は非対称モードで励振すると、積層型ＢＡＷ素子の場合と同様に、単層型ＢＡＷ共振子の代わりに用いることができる。
そこで、参考例のフィルタでは、積層型ＢＡＷ素子の代わりに平面型ＢＡＷ素子を用い、図１１、図１３、図１５〜図２３の回路図のように配線を接続し、実施例１と同様に構成する。これによって、平面型ＢＡＷ素子だけでフィルタを構成し、帯域近傍での急峻性を改善できる。
また、参考例で用いる平面型ＢＡＷ素子は、同一基板上に形成し、工程を簡略化できる。
参考例のフィルタは、デュプレクサの送信又は受信用のフィルタに用いることができる。この場合、ＢＡＷでアンバランス-バランス変換機能を備えた良好な特性のデュプレクサを提供することができる。共振子として用いる平面型ＢＡＷ素子の共振子が、送信フィルタと受信フィルタのインピーダンス整合素子の機能を兼ねていてもよい。
＜まとめ＞ 以上に説明したように、共振子同士が互いに結合して共振可能である共振子構造だけを用いてフィルタを構成すると、帯域近傍の急峻性を改善できる。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。
共振子同士が互いに結合して共振する多重モードを用いる共振子構造のフィルタでは、圧電薄膜を用いたＢＡＷに限らず、フィルタ波形を構成する振動モードの一部を励振させる配線接続方法が存在し得る。したがって、本発明は、ＢＡＷに限らず、弾性表面波フィルタ、弾性境界波フィルタ、圧電セラミックスを用いたバルク振動子、圧電単結晶を用いたバルク振動子などの共振子構造を用い、上述した実施の形態と同様の回路構成にすることで、フィルタやデュプレクサなどの弾性波素子を実現可能である。
２，２ａ，２ｂ 端子
４，４ａ，４ｂ 端子
１０ 積層型ＢＡＷ素子
１１ａ，１１ｂ 共振子
１２ａ，１２ｂ 電極
１３ 圧電体
１４ａ，１４ｂ 電極
１５ 圧電体
１６ 音響結合層
２０ 積層型ＢＡＷ素子
２１ａ，２１ｂ 共振子
２２ａ，２２ｂ 電極
２３ 圧電体
２４ａ，２４ｂ 電極
２５ 圧電体
２６ 音響結合層
３０ 積層型ＢＡＷ素子
３１ａ，３１ｂ 共振子
４０ 積層型ＢＡＷ素子
４１ａ，４１ｂ 共振子
１１０ 平面型ＢＡＷ素子
１１１ 圧電薄膜
１１１ａ，１１１ｂ 共振子
１１４ 圧電薄膜
１１４ａ，１１４ｂ 主面
１２０ 電極対
１２２ 電極指
１２４ 電極指
１３０ 電極対
１３２ 電極指
１３４ 電極指

Claims (17)

  1. 隣接して配置された複数の共振子を含み、該共振子同士が互いに結合して共振することにより少なくとも２つ以上の振動モードで励振できる、複数の共振子構造を備え、
    前記共振子構造のうち少なくとも一つは、フィルタ帯域内において一つの振動モードの共振特性が他の振動モードの共振特性よりも強く表れるように電気的に接続され、
    前記共振子構造の前記共振子は、
    一対の電極膜と該一対の電極膜間に挟まれた圧電薄膜とが積層された圧電薄膜共振子であり、
    前記共振子構造は、
    前記圧電薄膜共振子同士が、前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜及び前記圧電薄膜が積層された積層方向に、互いに積層された積層型ＢＡＷ素子であることを特徴とすることを特徴とする、弾性波素子。
  2. 一つの前記積層型ＢＡＷ素子と、他の前記積層型ＢＡＷ素子の前記共振子とが電気的に接続されたことを特徴とする、請求項１に記載の弾性波素子。
  3. 一つの前記積層型ＢＡＷ素子に、他の前記積層型ＢＡＷ素子の前記共振子が直列に縦続接続されたことを特徴とする、請求項２に記載の弾性波素子。
  4. 一つの前記積層型ＢＡＷ素子に、他の前記積層型ＢＡＷ素子の前記共振子が並列に接続されたことを特徴とする、請求項２に記載の弾性波素子。
  5. 前記積層型ＢＡＷ素子がラダー型に接続されたことを特徴とする、請求項３又は４に記載の弾性波素子。
  6. 前記積層型ＢＡＷ素子がラティス型に接続されたことを特徴とする、請求項３又は４に記載の弾性波素子。
  7. 一つの前記積層型ＢＡＷ素子に対して入力又は出力のいずれか一方に直列に、他方に並列に、他の二つの前記積層型ＢＡＷ素子がそれぞれ接続されたことを特徴とする、請求項３又は４に記載の弾性波素子。
  8. 前記積層型ＢＡＷ素子は、少なくとも一つの層の材料及び膜厚が実質的に同一であることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一つに記載の弾性波素子。
  9. 前記積層型ＢＡＷ素子の各層は、一つの層を除いて、それぞれ、材料及び膜厚が実質的に同一であることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一つに記載の弾性波素子。
  10. 前記積層型ＢＡＷ素子のうち一部のみが、少なくとも一つの追加層を含み、
    前記追加層を含む前記共振子構造の前記追加層以外の各層と他の前記共振子構造の各層とは、それぞれ、材料及び膜厚が実質的に同一であることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一つに記載の弾性波素子。
  11. 前記積層型ＢＡＷ素子の各層は、それぞれ、材料及び膜厚が実質的に同一であることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一つに記載の弾性波素子。
  12. 前記積層型ＢＡＷ素子に含まれる互いに積層された前記圧電薄膜共振子は、２つであることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の弾性波素子。
  13. 前記積層型ＢＡＷ素子のうち少なくとも一つは、
    一方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち他方の前記圧電薄膜共振子に近い一方の前記電極膜と、他方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち一方の前記圧電薄膜共振子から遠い一方の前記電極膜とが電気的に短絡され、
    一方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち他方の前記圧電薄膜共振子から遠い他方の前記電極膜と、他方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち一方の前記圧電薄膜共振子に近い他方の前記電極膜とが電気的に短絡されたことを特徴とする、請求項１２に記載の弾性波素子。
  14. 前記積層型ＢＡＷ素子のうち少なくとも一つは、
    一方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち他方の前記圧電薄膜共振子から遠い一方の前記電極膜と、他方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち一方の前記圧電薄膜共振子から遠い一方の前記電極膜とが電気的に短絡され、
    一方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち他方の前記圧電薄膜共振子に近い他方の前記電極膜と、他方の前記圧電薄膜共振子の前記一対の電極膜のうち一方の前記圧電薄膜共振子に近い他方の前記電極膜とが電気的に短絡されたことを特徴とする、請求項１２に記載の弾性波素子。
  15. 前記共振子構造が同一の基板上に形成されたことを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれか一つに記載の弾性波素子。
  16. 入力端子と出力端子のいずれか一方がバランス構成であり、他方がアンバランス構成であることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれか一つに記載の弾性波素子。
  17. 請求項１乃至１６のいずれか一つに記載の弾性波素子が、送信フィルタと受信フィルタのいずれか一方又は両方に含まれることを特徴とする、デュプレクサ。
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