JP5198479B2

JP5198479B2 - 弾性波デバイス及び電子部品

Info

Publication number: JP5198479B2
Application number: JP2010001395A
Authority: JP
Inventors: 守夫尾上
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2010-01-06
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2030-01-06
Also published as: US20100171390A1; US8237329B2; JP2010183568A

Description

本発明は、エネルギー閉じ込め現象を利用した弾性波デバイスに係り、特に当該弾性波デバイスを小型化する技術に関する。

携帯端末などの小型高周波通信機の周波数制御や周波数選択に際し、エネルギー閉じ込め型の共振子を用いた発振器やフィルタを採用しているものがある（以下、これらの発振器やフィルタを総称して弾性波デバイスという）。

エネルギー閉じ込め型の弾性波デバイスは、水晶などの圧電体内に厚み振動のエネルギーを閉じ込めることにより発生する共振を利用して必要な周波数応答を得ている。この種の弾性波デバイスで利用される厚み振動は、その圧電体の遮断周波数（カットオフ周波数）の近傍の高周波数側の周波数にて振動することから、例えば板状の圧電体の上面及び下面の中央部に励振用の電極を設け、この電極の質量付加効果によって当該電極を設けた領域の厚み振動の共振周波数を低下させて周辺部の厚み振動の遮断周波数よりも低くすることにより当該電極を設けた領域内への厚み振動エネルギーの閉じ込めを実現している。

ここで圧電体の遮断周波数は圧電体の厚さに反比例することから、エネルギー閉じ込めによって得られる振動（エネルギー閉じ込めモードという）の共振周波数を高周波化するためには圧電体を薄くする必要があり、携帯端末の小型化、多機能化などと相俟って、弾性波デバイスは急速に小型化している。

ところが共振周波数を高くするために圧電体を薄くしていくと、電極もエネルギー閉じ込めに適したものとなるよう薄くする必要があり、電極を薄化すると導電性が足りなくなって弾性波デバイス全体の挿入損失が大きくなってしまうおそれがある。

しかしながら通常、金属などから構成される電極は酸化や腐食などにより経時的に質量が変化するおそれが高く、エネルギー閉じ込めが行われる領域（以下、エネルギー閉じ込め部という）に直接電極を設ける弾性波デバイスでは、電極の質量変化の影響を受けて共振周波数が変化してしまうといった問題がある。

そこでこうした電極質量の経年変化の影響を抑えるため、共振を発生させる領域に電極を設けない各種の弾性波デバイスが提案されている。例えば特許文献１には、板状の圧電体の左右両端に励振用の電極を設け、これら左右両端の領域に挟まれた中央の領域には電極を設けずに共振周波数を決定する領域とし、これら左右両端の領域と中央の領域との間に溝状の切り込みを設けて各領域を弾性的に適度に分離した共振子が記載されている。また特許文献２及び非特許文献１には板状の圧電基板の左右両端の領域に励振用の電極を設け、これらの領域に挟まれた中央の領域には電極を設けず、当該電極を設けていない領域の厚さを両端の領域よりも厚くしてこれらの領域の共振周波数をほぼ同一にして各領域を互いに音響的に結合可能にした圧電振動子が記載されている。

この他、非特許文献２、非特許文献３には板状の圧電体の中央部に無電極で周囲よりも厚く形成されたメサと呼ばれる領域を設け、このメサの周囲に形成された溝内に励振用の電極を形成して、この電極及び当該電極で囲まれたメサ内で発生するエネルギー閉じ込め現象を利用して共振を得るタイプの共振子が記載されている。

これら特許文献１、特許文献２、非特許文献１〜非特許文献３に記載の共振子（圧電振動子）は、電極を設けた励振用の領域とは別に電極を設けていない中央側の領域を設けることにより、電極にて発生する経年変化の影響を当該中央側の領域に及びにくくして共振子や圧電振動子（弾性波デバイス）全体としての経年的な周波数安定性を高めている。

なお特許文献３には、振動子をなす振動波伝播媒質の電極を設けた両端の領域の厚さを薄くする一方、これらの領域に挟まれ電極を設けていない中央の領域の厚さを厚くし、さらにこの中央の領域の長さが所定の条件を満たすように調節することにより、一方側の電極にて励振した複数の高調波の中から所望の高調波振動のみを取り出す技術が記載されている。このように特許文献３に記載の振動子は、電極のない中央の領域を設けている目的が共振周波数の安定化とは異なっている。

特公昭４３−１５５３８号公報：第２頁左欄第１２行目〜第２３行目、第２ａ図特開２０００−９１８７８号公報：請求項１、第００２４段落〜第００２５段落、図４特公昭５０−１９０２４号公報：第１７３頁第２欄第１６行目〜第３０行目、第２図（ｂ）

"IMPROVEMENT OF FREQUENCY DRIFT OF AT-CUT RESONATORS USING AN UNELECTRODED RESONANT REGION", IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition, 2001, p.624, Fig.1(b), Fig.7 "STRAIGHT CRESTED WAVE ANALYSIS OF QUARTZ MEMS RING ELECTRODED MESA RESONATORS", IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM, 2002, P.999, Fig.2 "3-D MODELING OF HIGH-Q QUARTZ RESONATORS FOR VHF-UHF APPLICATIONS", Proceedings of the 2003 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition Jointly with 17th European Frequency and Time Forum, 2003, p.824, Fig.2

上述の特許文献１、特許文献２、非特許文献１〜非特許文献３に記載の各弾性波デバイスは電極の質量の経年変化に基づく共振周波数への影響を抑制するため、共振を得る中央の領域に電極を設けない構造となっている。しかしながらこれらの弾性波デバイスは電極を設けた領域で発生した振動モードと同じモードの振動を用いて共振を発生させるいわゆる複合共振子（複合振動子）型の弾性波デバイスとなっているため、電極の質量変化による振動モードの周波数変化が電極を設けていない領域にて得られる共振周波数に与える影響を完全に除去することはできない。

特に高周波の共振を得るために弾性波デバイスの圧電体を薄くすると、わずかな質量変化であっても質量付加効果の変化率が大きくなってしまうため、電極を設けた領域で励振される振動モードの周波数変化も大きくなり、結果として共振周波数も大きく変化してしまう。このため上述の各特許文献、非特許文献に記載の従来法では共振周波数を十分に安定させることができず、依然として電極質量の経年変化は弾性波デバイスの更なる高周波化、小型化にあたっての大きな障害となっている。

本発明は、このような事情に基づいて行われたものであり、その目的は、小型で経年による周波数変動が少ない弾性波デバイス及びこの弾性波デバイスを用いた電子機器を提供することにある。

本発明に係わる弾性波デバイスは、弾性体材料からなる弾性波導波路に設けられた第１の伝播モード部と、
前記弾性波導波路に設けられ、前記第１の伝播モード部から伝播してきた１次または高次の伝播モードの弾性波である第１の弾性波に含まれる特定の周波数成分によってエネルギー閉じ込めモードの弾性波である第２の弾性波が励振されるエネルギー閉じ込めモード部と、
このエネルギー閉じ込めモード部の周囲の領域に設けられ、前記第２の弾性波より高い周波数の遮断周波数を持つ遮断部と、
前記第１の弾性波の伝播する方向に沿って、前記遮断部を挟んでエネルギー閉じ込めモード部と隣り合う位置に設けられ、当該遮断部を介してリークした前記第２の弾性波を１次または高次の伝播モードの弾性波である第３の弾性波にモード変換して伝播させる第２の伝播モード部と、を備えたことを特徴とする。

ここで前記遮断部は、前記弾性体材料の厚さが前記エネルギー閉じ込めモード部よりも薄くなっていることにより、前記第２の弾性波の周波数よりも高い周波数の遮断周波数を持つように形成するとよい。また、前記弾性波導波路は、前記遮断部の外方の領域の弾性体材料の厚さが当該遮断部よりも厚く形成されていることが好ましい。さらに前記エネルギー閉じ込めモード部は、平板形状や片面凸レンズ形状に形成することが好適であり、前記エネルギー閉じ込めモード部は、平面形状を四角以上の多角形または円形または楕円形に形成するとよい。

また前記弾性波デバイスは各々前記遮断部にて周囲を囲まれた２以上のエネルギー閉じ込めモード部を備え、これらのエネルギー閉じ込めモード部は、各エネルギー閉じ込めモード部内に励振される第２の弾性波が互いに結合可能なように、前記伝播モードの弾性波の伝播方向に互いに隣り合うように設けられていることにより多重モードフィルタとして構成してもよい。

そして前記弾性体材料は、圧電体であり、前記第１の伝播モード部に前記第１の弾性波を励振させる第１の電極を設け、前記第２の伝播モード部に前記第３の弾性波を取り出す第２の電極を設けてもよいし、前記第１の弾性波は第１の伝播モード部にレーザー光を照射することにより励振され、前記第３の弾性波は、レーザー式の振動計により検出されるようにしてもよい。また前記第１の伝播モード部が第２の伝播モード部を共用するように構成してもよい。さらにまた、前記第２の弾性波は、高次のエネルギー閉じ込めモードの弾性波であってもよく、前記エネルギー閉じ込めモード部の表面には、感知対象物を吸着するための吸着層を形成してもよい。
また、本発明に係る電子部品は、上述の各弾性波デバイスを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、１次または高次の伝播モードの弾性波を第１の弾性波として弾性波導波路内に伝播させ、周囲を遮断部で囲まれたエネルギー閉じ込めモード部内にてこの第１の弾性波に含まれる特定の周波数成分からエネルギー閉じ込めモードである第２の弾性波を励振させることにより、エネルギー閉じ込めモード部に電極を設けることなく共振応答を得ることができる。このため、当該部では電極の質量変化による周波数特性の変化が発生しないことから、更なる小型化が容易で、且つ経年による周波数変動の少ない弾性波デバイスを得ることができる。

実施の形態に係る弾性波共振子の外観構成を示す斜視図である。前記弾性波共振子の縦断側面図である。前記弾性波共振子にエネルギー閉じ込めモードの弾性波が励振される様子を示す模式図である。前記弾性波共振子内を１次のＳＨ波が伝播し、エネルギー閉じ込めモードの弾性波が励振される様子を示す模式図である。前記弾性波共振子が示すと予想される周波数特性図である。前記弾性波共振子の製造工程を示す説明図である。エネルギー閉じ込めモード部の断面形状を片面凸レンズ形状とした弾性波共振子の縦断側面図である。圧電体の裏面に凹部を設けた弾性波共振子の縦断側面図である。凹部形状の他の例を示す斜視図である。エネルギー閉じ込めモード部の平面形状の他の例を示す平面図である。前記平面形状のさらに他の例を示す平面図である。前記平面形状のこの他の例を示す平面図である。エネルギー閉じ込めモード部の片側にのみ弾性波導波路を設けた弾性波共振子を示す斜視図である。実施の形態に係る多重モードフィルタの構成例を示す縦断側面図である。高次の厚みすべり振動を利用した弾性波共振子の側面図である。実施の形態に係るマイクロバランスの構成例を示す側面図である。

以下、図１、図２を参照しながら本実施の形態に係る弾性波デバイスの一例である弾性波共振子１の構成について説明する。図１の斜視図並びに、図２の縦断側面図（図１に示したＡ-Ａ'の位置における縦断面を示している）に示すように、弾性波共振子１は小片状に加工された弾性体材料である圧電体１０の両端に電極４１、４２、５１、５２を設けて伝播モードの弾性波を伝播させる弾性波導波路とし、この弾性波導波路上の例えば中央部に、エネルギー閉じ込めモードの弾性波を励振させるためのエネルギー閉じ込めモード部２を設けた構成となっている。ここで、図１などには、矩形形状の電極４１、４２、５１、５２を図示しているが、電極形状はこの例に限定されるものではない。実際には矩形形状の電極を採用すると不要振動が多くなるおそれがあるため、不要振動の少ない電極形状とすることが望ましいが、本実施の形態においては便宜上、矩形形状の電極４１、４２、５１、５２を示してある。

圧電体１０は例えばＡＴカットの水晶片であり、図１に示したＡ-Ａ’方向（伝播モードの弾性波が伝播する方向に相当し、以下、長手方向という）の長さが例えば数百μｍ〜数ｍｍ程度、Ａ-Ａ’方向に直交する方向（以下、幅方向という）の長さが例えば長手方向の長さの１／３〜半分程度、厚さ（図２に「ｈ_３」と記してある）が例えば数十μｍ〜数百μｍに加工されている。

図中に示したＡ-Ａ’方向のＡ側の一端に設けられている電極４１、４２は、入力された周波数信号を電気-機械変換して、圧電体１０内に伝播モードの弾性波を励振する役割を果たす。各電極４１、４２は例えば矩形状にパターニングされたアルミニウムやクロムなどの導電性の薄膜であり、互いに対向するように圧電体１０の上面側及び下面側に設けられている。例えば本例では上面側の電極４１が周波数信号の入力端となっており、下面側の電極４２は接地されている。

一方、Ａ’側の他端に設けられた電極５１、５２は、圧電体１０内を伝播してきた弾性波を機械-電気変換し、周波数信号として取り出す役割を果たしている。これら電極５１、５２は既述の電極４１、４２とほぼ同様に構成されており、本例では上面側の電極５１が周波数信号の出力端、下面側の電極５２が接地端となっている。

電極４１に周波数信号を入力すると、圧電体１０内には種々のモードの弾性波が励振されるが、本実施の形態では圧電体１０（弾性波導波路）内を出力側の電極５１、５２へ向けて伝播する伝播モードの弾性波、例えばＳＨ波やラム波のうち、１次または２次以上の高次の弾性波を利用して共振を得る構造となっている。以下、本例では１次のＳＨ波を例に挙げて、その詳細な構成について説明する。

エネルギー閉じ込めモード部２及び遮断部３は、圧電体１０内を伝播してきた１次のＳＨ波の一部をモード変換してエネルギー閉じ込めモードの弾性波を励振する役割を果たす。エネルギー閉じ込めモード部２はエネルギー閉じ込めモードの弾性波が励振される領域であり、遮断部３はこの弾性波をエネルギー閉じ込めモード部２内に閉じ込めておくための領域である。

エネルギー閉じ込めモード部２は、予め設計した共振周波数にてエネルギー閉じ込めモードの弾性波を励振可能な厚さ「ｈ_１」に加工された圧電体１０（弾性波導波路）内の一領域であり、本例では入力側の電極４１、４２と出力側の電極５１、５２との間のほぼ中央位置に設けられている。エネルギー閉じ込めモード部２は、例えば上面側から見た平面形状が正方形となっており、その１辺の長さが例えば数百μｍ程度となるように形成されている。エネルギー閉じ込めモード部２は正方形の対向する２辺が１次のＳＨ波の進行方向と平行になるように（言い替えると、正方形の残る２辺に対して１次のＳＨ波が垂直に入力するように）配置されている。

エネルギー閉じ込めモード部２は、図１、図２に示すように圧電体１０の中央部に形成された凹部１１内に設けられており、当該凹部１１の底面（遮断部３の上面に相当する）から段丘状（メサ状）に突出するように形成されている。この段丘状に突出した領域の上面から圧電体１０の裏面に亘る直方体部分がエネルギー閉じ込めモード部２に相当する。

遮断部３は、上述のエネルギー閉じ込めモード部２を取り囲むように形成された圧電体１０（弾性波導波路）内の一領域であり、エネルギー閉じ込めモード部２と一体となって凹部１１を形成している。遮断部３の上面は、エネルギー閉じ込めモード部２よりも一段低く形成された凹部１１の底面であり、この上面から圧電体１０の裏面に亘る角環形状部分が遮断部３に相当している。

図１に示すようにエネルギー閉じ込めモード部２及び遮断部３が圧電体１０のほぼ中央位置に設けられていることにより、エネルギー閉じ込めモード部２及び遮断部３から見て１次のＳＨ波の伝播方向上流側の圧電体１０の領域が第１の伝播モード部４に相当し、同じく下流側の領域が第２の伝播モード部５に相当している。

ここで背景技術において説明したように、従来のエネルギー閉じ込め型の共振子は、電極の質量付加効果を利用して電極を設けた領域においてエネルギー閉じ込めを実現していた。これに対して本実施の形態に係るエネルギー閉じ込めモード部２及び遮断部３では、例えば図２に示すようにエネルギー閉じ込めモード部２の厚さ「ｈ_１」の方が遮断部３の厚さ「ｈ_２」よりも厚くなるように各領域を形成することにより、エネルギー閉じ込めモード部２における厚み振動の共振周波数を遮断部３での遮断周波数よりも低くしてエネルギー閉じ込めモード部２内におけるエネルギー閉じ込めを実現している点に大きな特徴を有している。

図１、図２などの各図においてはエネルギー閉じ込めモード部２が凹部１１の底面から段丘状に突出している様子を分かり易くするために、エネルギー閉じ込めモード部２、遮断部３の大きさを誇張して記載してあるが、例えば共振周波数がおよそ１００ＭＨｚの弾性波共振子１においては、エネルギー閉じ込めモード部２や遮断部３の領域における圧電体１０の厚さ「ｈ_１、ｈ_２」は十数μｍ程度、またエネルギー閉じ込めモード部２と遮断部３との厚さの差、即ち段丘状に突出した部分の高さは例えば十数ｎｍ程度と極めて小型のデバイスとなっている。またギガヘルツといったさらに高周波の共振周波数では、エネルギー閉じ込めモード部２や遮断部３の厚さ「ｈ_１、ｈ_２」や段丘の高さはさらに小さくなる。

エネルギー閉じ込めモード部２や遮断部３のサイズを決定する設計方法の一例を説明すると、図３に示すように各々厚さ「ｈ_１、ｈ_２」のエネルギー閉じ込めモード部２、遮断部３に波長がｎ／２（ｎは整数）の厚み振動波の定在波が立ったとすると、エネルギー閉じ込めモード部２における遮断周波数「ω_１」とその厚さ「ｈ_１」との関係は下記（１）式で表され、エネルギー閉じ込めモード部２内に形成される定在波の角周波数「ω」とその波数との関係は下記（２）式で表すことができる。

ｖ_ｐは厚み方向に伝播する平面波の速度である。

βは圧電材料や伝播モードによって定まる定数である。

また、遮断部３における遮断角周波数「ω_２」とその厚さ「ｈ_２」との関係は下記（３）式で表され、遮断部３内に形成される定在波の角周波数「ω」とその波数との関係は下記（４）式で表すことができる。

ｊは虚数である。

このとき図３に模式的に示すように、エネルギー閉じ込めモード部２内にエネルギー閉じ込めモードであるＳ_０モード（対称モード）の厚み振動波が励振されると、その共振角周波数ω_Ｒはω_１＜ω_Ｒ＜ω_２の範囲にある。このときエネルギー閉じ込めモード部２内と遮断部３内に夫々励振される厚み振動波の変位ｕを表す近似式を立て、その変位及び当該変位のｘ_１方向の傾きがエネルギー閉じ込めモード部２と遮断部３との境界において連続的であるとの条件を満たすとすると、上記（２）式、（４）式にて特定される波数ｋ_１、ｋ_２には下記（５）式の関係が成り立つ。

Ｌは長手方向（Ａ-Ａ’方向）におけるエネルギー閉じ込めモード部２の長さである。
以上より、（１）式〜（４）式において、（５）式の条件を満たす定在波の角周波数「ω」が共振角周波数「ω_Ｒ」に相当することとなる。

以上に説明した関係から圧電体１０を構成する圧電材料を選択し、弾性波共振子１の共振角周波数「ω_Ｒ」を設定して、この共振角周波数を得られるエネルギー閉じ込めモード部２の厚さ「ｈ_１」や長さ「Ｌ」、遮断部３の厚さ「ｈ_２」を（１）式〜（５）式より例えばトライアルアンドエラーによって求めることにより、エネルギー閉じ込めモード部２や遮断部３のサイズを決定することができる。なお、上述の設計法はエネルギー閉じ込めモード部２や遮断部３のサイズの求め方の一例を概略的に示したものであり、本実施の形態に係る弾性波共振子１は当該法により設計されたものに限定されるものではない。例えばシミュレータなどを用いて、設計上の共振角周波数「ω_Ｒ」にてエネルギー閉じ込めモードの共振を得られる条件を探索し、エネルギー閉じ込めモード部２や遮断部３のサイズを決定してもよいことは勿論である。またこのとき有限要素法などの任意形状の周波数特性が計算できる構造シミュレータを利用すれば簡単に設計できる。

以上に説明したように、本実施の形態に係る弾性波共振子１においてエネルギー閉じ込めモードの共振を得るためのエネルギー閉じ込めモード部２や遮断部３は極めて小型で薄く構成することができる。

以上に説明した構成を備えた弾性波共振子１の作用について説明すると、今、入力側の電極４１に周波数信号を入力すると当該周波数信号は圧電体１０にて電気-機械変換されて種々のモードの弾性波を励振し、これらの中には圧電体１０内を伝播する例えば１次のＳＨ波が含まれている。

図４に模式的に示すように、この１次のＳＨ波は図中のｘ_１方向（長手方向、Ａ-Ａ’方向）に伝播する伝播モードの弾性波であり、入力側の電極４１、４２にて励振された１次のＳＨ波（以下、第１の弾性波という）は、第１の伝播モード部４内を長手方向へ伝播していく。この第１の弾性波は、やがて遮断部３及びエネルギー閉じ込めモード部２が形成された凹部１１に到達するが、第１の弾性波の大部分は凹部１１の側壁面にて反射されてしまう。

しかし、凹部１１の側壁面にて反射されなかった一部の第１の弾性波は、遮断部３を通過してエネルギー閉じ込めモード部２に到達する。このとき、エネルギー閉じ込めモード部２に到達した第１の弾性波に、当該エネルギー閉じ込めモード部２内でエネルギー閉じ込めモードの弾性波を励振可能な周波数成分が含まれている場合には、第１の弾性波はエネルギー閉じ込めモード部２内でエネルギー閉じ込めモードの弾性波（以下、第２の弾性波という）にモード変換され、図３及び図４に模式的に示す共振が発生する。

エネルギー閉じ込めモード部２内に励振された第２の弾性波に対して、エネルギー閉じ込めモード部２の周囲に形成されている遮断部３は当該第２の弾性波よりも高い周波数の遮断周波数を持っているので、第２の弾性波が持つエネルギーはエネルギー閉じ込めモード部２内に閉じ込められた状態となる。しかし、この遮断部３では第２の弾性波の振動エネルギーは矩形関数的にオン／オフのオフの状態となるわけではなく、図３、図４に示すように指数関数的に減衰する。

このため、第２の弾性波の一部の振動エネルギーは遮断部３を介して外側の領域にリークし、新たな伝播モードの弾性波に変換される。そして、伝播モード（例えば１次のＳＨ波）に変換されたこの新たな弾性波（以下、第３の弾性波という）が第２の伝播モード部５を伝播し、出力側の電極５１、５２へと到達する。この結果、出力側の電極５１、５２では、機械-電気変換により入力された周波数に対応する周波数信号が取り出される。

ここで共振によりエネルギー閉じ込めモード部２内に励振される第２の弾性波は、大きな振動エネルギーを持っているので、遮断部３にて指数関数的に減衰するといっても第３の弾性波は第１の弾性波と比較して大きな振動エネルギーを持っている。このため、本実施の形態に係る弾性波共振子１は、図５に示すように共振周波数「ｆ_Ｒ」にてアドミタンスが最大となる周波数特性示すものと予想され、この周波数特性を利用して周波数制御や周波数選択を行うことができる。

次に本実施の形態に係る弾性波共振子１の製作方法の一例について図６を参照しながら説明しておくと、初めに圧電体１０の表面にレジスト６０を塗布し（図６（ａ））、当該レジスト６０を凹部１１の平面形状に合わせてパターニングする（図６（ｂ））。そして、圧電体１０の表面を例えばドライエッチングなどの異方性エッチングを利用して、例えばエネルギー閉じ込めモード部２の上面に相当する高さ位置まで削って凹部１１を形成する（図６（ｃ））。

次いで再び圧電体１０の上面側にレジスト６０を塗布し（図６（ｄ））、段丘状に突出させるエネルギー閉じ込めモード部２の周辺領域を角環形状にパターニングして遮断部３を形成する領域を露出させる（図６（ｅ））。そして再びドライエッチングなどにより露出した部分を削り、エネルギー閉じ込めモード部２と遮断部３とを形成する（図６（ｆ））。そして、例えばリフトオフなどの手法により電極４１、４２、５１、５２を形成し、既述の構成を備えた弾性波共振子１を得る。

本実施の形態に係る弾性波共振子１によれば以下の効果がある。１次または高次の伝播モードの第１の弾性波を圧電体１０内に伝播させ、周囲を遮断部３で囲まれたエネルギー閉じ込めモード部２内にてこの第１の弾性波に含まれる特定の周波数成分からエネルギー閉じ込めモードである第２の弾性波を励振させることにより、エネルギー閉じ込めモード部に電極を設けることなく共振応答を得ることができる。このため、当該部では電極の質量変化による周波数特性の変化が発生しないことから、更なる小型化が容易で、且つ経年による周波数変動の少ない弾性波デバイスを得ることができる。

ここで弾性波共振子１には周波数信号の入力側、出力側に各々電極４１、４２、５１、５２が設けられているが、これらの電極４１、４２、５１、５２が酸化、あるいは腐食してその質量が変化したとしても、圧電体１０内に励振される第１の弾性波（１次または高次の伝播モードの弾性波）は殆ど影響を受けない。そして、共振が発生するエネルギー閉じ込めモード部２及び遮断部３は電極４１、４２、５１、５２から全く独立して設けられており、これらの質量変化の影響を受けないので共振周波数が経年的に変化することなく安定した周波数特性を示す。

エネルギー閉じ込めモード部２の断面形状は図２や図３などに示したように矩形形状に形成する場合に限定されず、例えば図７の弾性波共振子１ａに示すようにエネルギー閉じ込めモード部２を片面凸レンズ（プラノコンベックス）形状としてもよい。図３に示したように例えばＳ_０モードのエネルギー閉じ込めモードは釣鐘型の変位分布を呈するので、エネルギー閉じ込めモード部２をこの変位分布に合わせた形状とすることにより、効率的にエネルギー閉じ込めモードの弾性波（第２の弾性波）を励振することができる。この場合には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）の撮像素子を形成する要領で片面凸レンズ形状を形成するとよい。また、エネルギー閉じ込めモード部２は片面凸レンズ形状に限らず、両面凸レンズ（バイコンベックス）形状としてもよいことは勿論である。

また凹部１１は、図８の弾性波共振子１ｂに示すように、圧電体１０の裏面側に形成してもよく、また凹部１１は、図９の弾性波共振子１ｃに示すように、エネルギー閉じ込めモード部２及び遮断部３が設けられている領域の圧電体１０の裏面側全体を横断するように形成してもよい。

エネルギー閉じ込めモード部２の平面形状も正方形や長方形などの四角形に限定されるものではなく図１０の弾性波共振子１ｄのように五角形以上の多角形や、円形（図１１の弾性波共振子１ｅ）、楕円形（図１２の弾性波共振子１ｆ）であってもよい。多角形の場合には、既述の四角形や六角形などのように、エネルギー閉じ込めモード部２を上面側から見て１８０°回転させた場合にも各辺が同じ配置となるような場合がエネルギー閉じ込めモードの弾性波を励振する効率がよい。ただし、エネルギー閉じ込めモード部２の平面形状を三角形などの奇数の辺を有する多角形とする場合を除外するものでもない。またこれらの場合に、例えば図１１、図１２の弾性波共振子１ｅ、１ｆに示すように、電極４１、４２、５１、５２の平面形状を円弧状に形成し、平面形状が円形、楕円形に形成されたエネルギー閉じ込めモード部２対して１次または高次の伝播モードの弾性波（第１の弾性波）がほぼ垂直に入射されるように構成してもよい。

また図１等に示した実施の形態では、エネルギー閉じ込めモード部２及び遮断部３を挟んで第１の伝播モード部４、第２の伝播モード部５を形成し、各々の伝播部４、５の両端に入力用、出力用の電極４１、４２、５１、５２を設けた例を示したが、第１の伝播モード部４にて第２の伝播モード部を共用する構成としてもよい。この場合には、図１３に示す弾性波共振子１ｇの如く、第１の伝播モード部４側の上面、下面に設けられた一方側の電極４１を周波数信号の入力用の電極４１とし、他方側の電極４２を周波数信号の出力用の電極４２とするとよく、弾性波共振子１ｇをさらに小型化することができる。

図１４には、上述の原理により発振したエネルギー閉じ込めモードの弾性波を利用して多重モードフィルタ７を構成した例を示している。エネルギー閉じ込めモード部２においては、周囲を遮断部３で囲まれた複数個、例えば３個のエネルギー閉じ込めモード部２ａ、２ｂ、２ｃを長手方向に互いに隣り合うように設けると共に、各エネルギー閉じ込めモード部２ａ、２ｂ、２ｃ内で励振されるエネルギー閉じ込めモード（第２の弾性波）がモード結合を生じる程度の距離にこれらのエネルギー閉じ込めモード部２ａ、２ｂ、２ｃの間隔が調整されている。この結果、エネルギー閉じ込めモード部２ａ、２ｂ、２ｃ内に励振される結合モード（例えば対称モードと反対称モード）の共振周波数差を利用して帯域フィルタを構成することができる。多重モードフィルタ７上に設けるエネルギー閉じ込めモード部２の数は３個の場合に限られず、例えば２個であってもよい。

また図１等に示した弾性波共振子１は周波数信号の入出力用の電極４１、４２、５１、５２を備えた例を示したが、本発明に係る弾性波デバイスは必ずしもこれらの電極４１、４２、５１、５２を備えていなくてもよい。例えば挿し込み式のカートリッジに電極部を設け、電極部を備えていない本発明に係る弾性波デバイス（例えば図１に示した弾性波共子１から電極４１、４２、５１、５２を取り去ったもの）をこのカートリッジに接続することにより、発振回路などを構成する場合も本発明の技術的範囲に含まれている。

また第１の伝播モード部４及び第２の伝播モード部５は遮断部３よりも厚く形成される場合に限定されない。例えば遮断部３の厚さ「ｈ_２」に形成された圧電体１０に段丘状に突出したエネルギー閉じ込めモード部２を設けてもよい。この場合には、例えば閉じ込めモード部２の周囲に遮断部３に相当する間隔を空けて電極４１、４２、５１、５２を設けることにより、入力側の電極４１、４２で励振された１次または高次の伝播モードの弾性波（第１の弾性波）を、遮断部３を介してエネルギー閉じ込めモード部２に伝播させ、これによりエネルギー閉じ込めモードの弾性波（第２の弾性波）を励振させることができる。そして、このエネルギー閉じ込めモード部２から遮断部３を介してリークし、再び伝播モードに変換された弾性波（第３の弾性波）を出力側の電極で５１、５２にて周波数信号として取り出すことにより、上述の実施の形態と同様の作用、効果を得ることができる。本例の場合には、電極４１、４２を設けた領域が第１の伝播モード部に相当し、電極５１、５２を設けた領域が第２の伝播モード部に相当する。

以上に説明した各弾性波共振子１、１ａ〜１ｇは例えば周知のコルピッツ回路内に組み込まれることにより、発振器として利用され、また多重モードフィルタ７はそれ単体で帯域フィルタのような電子部品として利用される。
また圧電体１０の圧電材料は水晶に限定されるものではなく、例えばタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ランガサイト等であってもよく、第１の弾性波として利用される伝播モードの弾性波も、１次のＳＨ波に限らず、２次以上の高調波であってもよく、またＳＨ波以外のラム波等であってもよい。

このほか、弾性波導波路を構成する弾性体材料は水晶などの圧電体を採用する場合に限定されず、例えば耐食性を備えた金属材料であるチタンやステンレスなどの非圧電体を採用する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。この場合には第１の伝播モード部４に例えばレーザー光をパルス照射したり、光強度変調されたレーザー光を照射したりすることなどにより当該第１の伝播モード部４に例えば１次または高次の伝播モードの弾性波からなる第１の弾性波を励振することができる。また上述のように弾性波導波路を非圧電体材料にて構成した場合には、エネルギー閉じ込めモード部２からリークして第２の伝播モード部５を伝播する第３の弾性波は、当該第２の伝播モード部５に例えばレーザー光を照射するドップラー式の振動計などにより検出することができる。これらレーザー光の照射方法は、特定の手法に限定されないが、例えば光ファイバーを介して行ってもよい。また、これらレーザー光による第１の弾性波の励振、レーザー式の振動計による第３の弾性波の検出は、弾性波導波路を構成する弾性体材料が圧電体である場合にも適用できる。

さらにまた本発明の弾性波共振子１にて利用可能なエネルギー閉じ込めモードは、図３に例示したように弾性波共振子１の厚み方向の変位が長手方向の分布を持つ厚み縦振動のエネルギー閉じ込めモードを利用する場合に限られない。例えば弾性波共振子１の長手方向に変位を持つ厚みすべり振動や、幅方向に変位を持つ厚みねじれ振動のエネルギー閉じ込めモードを利用してもよい。例えば図１５は、厚みすべり振動のエネルギー閉じ込めモードを利用した弾性波共振子１ｈを模式的に示した例であるが、この図に示すようにエネルギー閉じ込めモードの次数についても最低次数のモード（図１５の例では基本モード）を利用する場合に限られず、より高次のエネルギー閉じ込めモードを利用してもよい。特に既述のレーザー光照射など、励振電極を用いない遠隔励振を採用する場合には、奇数次モード（基本モード、３次モード、…）に限られず、偶数次モード（２次モード、…）のエネルギー閉じ込めモードを励振させることも可能であり、これら偶数次モードもより高次の第２の弾性波に含まれる。

高次のエネルギー閉じ込めモードを励振可能なエネルギー閉じ込めモード部２を設計する手法については、エネルギー閉じ込めモード部２や遮断部３の厚さ「ｈ_１、ｈ_２」や当該部２の長さ「Ｌ」、材料の選択やその結晶方向などを適宜変化させながらシミュレーションを行い、目的とする次数のエネルギー閉じ込めモードが励振される条件を探索する場合などが考えられる。

ところで励振用の電極４１、４２、５１、５２を用いる場合には、圧電体１０と電極４１、４２、５１、５２との電気-機械結合係数はエネルギー閉じ込めモードの次数の２乗に逆比例して減少するため、高次のエネルギー閉じ込めモードを利用する上での障害となる。これに対して遠隔励振を利用すれば、電気-機械結合係数の減少といった問題を排除して高次のエネルギー閉じ込めモードを利用することができるという利点がある。
また厚みすべり振動を利用する場合、エネルギー閉じ込めモード部２の厚さ「ｈ_１」は、エネルギー閉じ込めモードの次数が高くなるほど厚くなるので、例えば最低次数のモードを利用する場合に比べて弾性波共振子１の製作や取り扱いが容易になる。さらにこのようにエネルギー閉じ込めモード部２を厚くできることにより、エネルギー閉じ込めモード部２の体積Ｖと、上下両面の表面積Ｓとの比「Ｖ／Ｓ」を大きく取ることができる。例えば経年劣化しやすい非圧電体材料にて弾性波導波路を構成した場合などであっても「Ｖ／Ｓ」の値を大きくすることによって経年劣化による体積変化などに伴うエネルギー閉じ込めモードの共振周波数の変化を抑制することができる。これらに加えて、遠隔励振を利用すると、圧電体１０に電極４１、４２、５１、５２を設ける際の加工時の熱ひずみや電極４１、４２、５１、５２自体の経年劣化も避けることができる。また本発明の弾性波共振子で利用可能な高次のエネルギー閉じ込めモードは、図１５に例示した厚みすべり振動の例に限られず、厚み縦振動や厚みねじれ振動における高次のエネルギー閉じ込めモードを利用してもよいことは勿論である。

次に図１６に、本実施の形態の弾性波導波路１００（圧電体でもよいし非圧電体でもよい）を用いてマイクロバランス８を構成した例を示す。マイクロバランスは、水晶振動子への感知対象物の吸着に起因する固有振動数の変化を検出して感知対象物の吸着量を特定するＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）などが知られているが、本例に係るマイクロバランス８は、エネルギー閉じ込めモードの共振周波数の変化を利用して感知対象物の吸着量を特定する。図１６に示したマイクロバランス８は、例えば図２に示した弾性波共振子１と同様に、エネルギー閉じ込めモード部２の段丘状の突出部分が凹部１１内に設けられている。これにより、当該突出部分とは反対側の面には、第１の伝播モード部４から第２の伝播モード部５にかけて凹凸のない平坦な面が形成される。

そしてこの平坦な面のエネルギー閉じ込めモード部２に相当する領域には、感知対象物８２を吸着するための吸着層８１が設けられている。例えば血液あるいは血清中の特定の抗原などを感知対象物８２として感知する場合には、吸着層８１には当該感知対象物８２と選択的に反応して結合する抗体などが用いられる。そしてこの吸着層８１に感知対象物８２が吸着すると、質量付加効果によってエネルギー閉じ込めモード部２の厚さが、振動しやすさの観点から見かけ上増大し、その結果、当該エネルギー閉じ込めモード部２の遮断周波数が低下することになる。この遮断周波数の低下にバランスしてエネルギー閉じ込めモードの共振周波数も低下するので、当該共振周波数の低下量と、感知対象物８２の吸着量との対応関係に基づいて吸着層８１に吸着した感知対象物８２の量を特定することができる。

図１６に示したマイクロバランス８の例において、例えばレーザー光などによる遠隔励振を利用すると、弾性波導波路１００の表面に励振用の電極４１、４２、５１、５２を設ける必要がないことから、腐食性のガスや液体の計測も可能となる。また電極４１、４２、５１、５２を設けない場合には、凹凸のない平坦な面に吸着層８１を設けることができるので、例えばマイクロ流路内を流れる試料を計測する場合などにおいても流路の圧力損失を増大させにくく、流路設計に際して高い自由度を確保できる。さらに吸着層８１の設けられている面が平坦であると、当該面の洗浄も容易となり、マイクロバランス８の繰り返し使用にも適している。このとき例えば当該マイクロバランス８の凹部１１側の面を、水などが入り込まない水密の封じ切り構造としておくことにより、洗浄時の取り扱いがさらに容易となる。
以上図１６を用いてマイクロバランス８の構成例を説明したが、例えばエネルギー閉じ込めモード部２の突出部分側に吸着層８１を設けたり、図７、図８などに示した他の弾性波共振子１ａ、１ｂと同様に構成されたマイクロバランス８を用いたりするなどしてもよく、また弾性波導波路１００を圧電体１０にて構成し、電極４１、４２、５１、５２を設けて励振を行ってもよいことは勿論である。

１、１ａ〜１ｈ
弾性波共振子
１０圧電体
１１凹部
２、２ａ〜２ｃ
エネルギー閉じ込めモード部
３遮断部
４第１の伝播モード部
４１、４２電極
５第２の伝播モード部
５１、５２電極
６０レジスト
７多重モードフィルタ
８マイクロバランス

Claims

弾性体材料からなる弾性波導波路に設けられた第１の伝播モード部と、
前記弾性波導波路に設けられ、前記第１の伝播モード部から伝播してきた１次または高次の伝播モードの弾性波である第１の弾性波に含まれる特定の周波数成分によってエネルギー閉じ込めモードの弾性波である第２の弾性波が励振されるエネルギー閉じ込めモード部と、
このエネルギー閉じ込めモード部の周囲の領域に設けられ、前記第２の弾性波より高い周波数の遮断周波数を持つ遮断部と、
前記第１の弾性波の伝播する方向に沿って、前記遮断部を挟んでエネルギー閉じ込めモード部と隣り合う位置に設けられ、当該遮断部を介してリークした前記第２の弾性波を１次または高次の伝播モードの弾性波である第３の弾性波にモード変換して伝播させる第２の伝播モード部と、を備えたことを特徴とする弾性波デバイス。
前記遮断部は、前記弾性体材料の厚さが前記エネルギー閉じ込めモード部よりも薄くなっていることにより、前記第２の弾性波の周波数よりも高い周波数の遮断周波数を持つように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性波デバイス。
前記弾性波導波路は、前記遮断部の外方の領域の弾性体材料の厚さが当該遮断部よりも厚く形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性波デバイス。
前記エネルギー閉じ込めモード部は、平板形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の弾性波デバイス。
前記エネルギー閉じ込めモード部は、片面凸レンズ形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の弾性波デバイス。
前記エネルギー閉じ込めモード部は、平面形状が四角以上の多角形または円形または楕円形に形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の弾性波デバイス。
前記弾性波デバイスは各々前記遮断部にて周囲を囲まれた２以上のエネルギー閉じ込めモード部を備え、これらのエネルギー閉じ込めモード部は、各エネルギー閉じ込めモード部内に励振される第２の弾性波が互いに結合可能なように、前記伝播モードの弾性波の伝播方向に互いに隣り合うように設けられていることにより多重モードフィルタを構成していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の弾性波デバイス。
前記弾性体材料は、圧電体であり、前記第１の弾性波を励振させる第１の電極を前記第１の伝播モード部に設け、前記第３の弾性波を取り出す第２の電極を前記第２の伝播モード部に設けたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一つに記載の弾性波デバイス。
前記第１の弾性波は第１の伝播モード部にレーザー光を照射することにより励振され、前記第３の弾性波は、レーザー式の振動計により検出されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一つに記載の弾性波デバイス。
前記第１の伝播モード部は第２の伝播モード部を共用していることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一つに記載の弾性波デバイス。
前記第２の弾性波は、高次のエネルギー閉じ込めモードの弾性波であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の弾性波デバイス。
前記エネルギー閉じ込めモード部の表面には、感知対象物を吸着するための吸着層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の弾性波デバイス。
請求項１ないし１２のいずれか一つに記載の弾性波デバイスを備えたことを特徴とする電子部品。