JP6307021B2 - 弾性波デバイス - Google Patents

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本発明は、弾性波デバイスに関し、例えばIDTを有する弾性波デバイスに関する。
スマートフォンや携帯電話等の移動体通信に用いられるフィルタやデュプレクサには、圧電基板上にIDT(Interdigital Transducer)を形成した弾性表面波デバイス等の弾性波デバイスが用いられる。IDTを有する弾性波デバイスにおいては、横モードの不要波が問題となる。特許文献1には、アポダイズ型により、横モードの不要波を抑制することが記載されている。特許文献2には、IDTの交差領域のうち中央領域に対しエッジ領域の電極指を幅広とすることで横モードの不要波を抑制することが記載されている。特許文献3には、エッジ領域の電極指に誘電体膜や金属膜を付加することで横モードの不要波を抑制することが記載されている。特許文献4から6には、IDTの交差領域内の電極指の延伸方向の一部に電極指の延伸方向が異なる領域を設けることが記載されている。
特開平7−22898号公報 特開2011−101350号公報 特開2012−186808号公報 特開2006−333024号公報 特開平9−162679号公報 特開2006−203778号公報
特許文献1では、ダミー電極指が多くなるため面積効率が悪くコストアップとなる。特許文献2および3では、横モード不要波の抑制が十分でない、および/または成膜等の付加的な工程を用いることになりコストアップとなる。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、不要波を抑制することを目的とする。
本発明は、圧電基板と、前記圧電基板上に形成され、電極指を有し、弾性波を励振するIDTと、を具備し、異方性係数が正であり、前記IDTの電極指が交差する交差領域は、前記電極指の延伸方向の中央に設けられた中央領域と、前記延伸方向のエッジに設けられたエッジ領域と、を有し、前記中央領域と前記エッジ領域との電極指は連続しており、前記エッジ領域の電極指の幅方向のピッチが前記中央領域の電極指の幅方向のピッチより大きくなるように、前記中央領域の電極指に対し前記エッジ領域の電極指は傾斜しており、前記中央領域の電極指の幅方向と前記圧電基板の結晶軸方向とのなす角度は前記エッジ領域の電極指の幅方向と前記結晶軸方向とのなす角度より小さいことを特徴とする弾性波デバイスである。
上記構成において、前記エッジ領域と前記中央領域との境界は前記エッジ領域の電極指の幅方向に平行である構成とすることができる。
上記構成において、前記中央領域の電極指の幅方向は前記結晶軸方向と平行である構成とすることができる。
上記構成において、前記中央領域の両側に設けられた前記エッジ領域の電極指の幅方向は平行である構成とすることができる。
上記構成において、前記IDTはバスバーを有し、前記バスバーの延伸方向は前記エッジ領域の電極指の幅方向に平行である構成とすることができる。
上記構成において、前記エッジ領域の電極指のデュティ比は前記中央領域の電極指のデュティ比と等しい構成とすることができる。
上記構成において、前記エッジ領域の電極指のデュティ比は前記中央領域の電極指のデュティ比より大きい構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電基板は、回転YカットX伝搬ニオブ酸リチウム基板であり、前記結晶軸方向はX軸方向である構成とすることができる。
上記構成において、前記IDTを覆うように前記圧電基板上に形成された酸化シリコン膜を具備する構成とすることができる。
本発明は、圧電基板と、前記圧電基板上に形成され、電極指を有し、弾性波を励振するIDTと、を具備し、異方性係数が負であり、前記IDTの電極指が交差する交差領域は、前記電極指の延伸方向の中央に設けられた中央領域と、前記中央領域の前記延伸方向の両側に設けられたエッジ領域と、を有し、前記中央領域と前記エッジ領域との電極指は連続しており、前記エッジ領域の電極指の幅方向のピッチが前記中央領域の電極指の幅方向のピッチより小さくなるように、前記中央領域の電極指に対し前記エッジ領域の電極指は傾斜しており、前記中央領域の電極指の幅方向と前記圧電基板の結晶軸方向とのなす角度は前記エッジ領域の電極指の幅方向と前記結晶軸方向とのなす角度より小さく、前記中央領域の両側に設けられた前記エッジ領域の電極指の幅方向は平行であることを特徴とする弾性波デバイスである。
上記構成において、前記エッジ領域と前記中央領域の境界は前記中央領域の電極指の幅方向に平行である構成とすることができる。
上記構成において、前記エッジ領域の電極指のデュティ比は前記中央領域の電極指のデュティ比より小さい構成とすることができる。
上記構成において、前記IDTを含むフィルタを具備する構成とすることができる。
本発明によれば、不要波を抑制することができる。
図1(a)は、配列した電極指の平面図、図1(b)は、波数の平面図、図1(c)は、逆速度を示す図である。 図2(a)および図2(b)は、横モードの不要波を抑制するためのIDT内の音速を示す図である。 図3(a)は、比較例1に係る共振器の平面図、図3(b)は、電極指の拡大図である。 図4(a)は、比較例1における電極指の傾き角度θ1に対する共振周波数を示す図、図4(b)は、角度θ1に対する規格化共振周波数を示す図である。 図5は、比較例2に係る共振器の平面図である。 図6(a)は、比較例2に係る共振器の周波数に対するアドミッタンスYの実成分を示す図、図6(b)は、比較例2に係る共振器を並列に接続したときのS21を示す図である。 図7(a)は、実施例1に係る共振器の平面図、図7(b)は、図7(a)のA−A断面図である。 図8は、実施例1におけるエッジ領域の電極指の拡大図である。 図9は、比較例3に係る共振器の平面図である。 図10(a)および図10(b)は、比較例3におけるエッジ領域の電極指の拡大図である。 図11は、比較例4に係る共振器の平面図である。 図12(a)および図12(b)は、実施例1および比較例4に係る共振器の通過特性を示す図である。 図13(a)および図13(b)は、それぞれ実施例1の変形例1および2に係る共振器の平面図である。 図14(a)および図14(b)は、実施例1、実施例1の変形例1および比較例4に係る共振器の通過特性を示す図である。 図15は、比較例5に係る共振器の平面図である。 図16(a)および図16(b)は、実施例1の変形例1および比較例5に係る共振器の通過特性を示す図である。 図17(a)および図17(b)は、実施例1および実施例1の変形例1に係る共振器の平面図である。 図18(a)および図18(b)は、実施例1および実施例1の変形例1に係る別の共振器の平面図である。 図19(a)および図19(b)は、それぞれ実施例2および実施例2の変形例1に係る共振器の平面図である。 図20(a)および図20(b)は、それぞれ実施例2の変形例2および3に係る共振器の平面図である。 図21は、実施例3に係るフィルタの回路図である。 図22(a)および図22(b)は、それぞれ実施例3および比較例6におけるフィルタチップの平面図である。 図23(a)は、フィルタチップを多層基板に実装した断面図、図23(b)は、フィルタチップを多層基板に実装する斜視図である。 図24(a)は、実施例3および比較例6における通過特性を示す図、図24(b)は、群遅延を示す図である。 図25(a)および図25(b)は、それぞれ実施例4および比較例7のフィルタチップの平面図である。 図26は、実施例4および比較例7における通過特性を示す図である。 図27(a)から図27(c)は、実施例3のフィルタに含まれる共振器の例を示す平面図(その1)である。 図28(a)から図28(c)は、実施例3のフィルタに含まれる共振器の例を示す平面図(その2)である。
まず、異方性係数について説明する。図1(a)は、配列した電極指の平面図、図1(b)は、波数の平面図、図1(c)は、逆速度を示す図である。図1(a)から図1(c)におけるX方向およびY方向は、異方性係数を説明するための方向であり、圧電基板のX軸方向およびY軸方向とは必ずしも対応しない。
図1(a)に示すように、圧電基板上に電極指12がX方向に配列している。X方向に直交する方向をY方向とする。弾性波はX方向に伝搬する。図1(b)に示すように、X方向の弾性波の波数をβ、Y方向の弾性波の波数をβとする。X方向からY方向に角度θの方向の弾性波の波数βθが角度θに対して放物線近似できるとすると、波数βθは異方性係数γを用い次式で表される。
Figure 0006307021
図1(c)は、X方向の弾性波の位相速度vの逆速度1/vに対するY方向の弾性波の位相速度vの逆速度1/vを示す図である。異方性係数γが正のときの逆速度面70は、原点からみて凸型となる。このため、γ>0のときを凸型ともいう。異方性係数γが負のとき逆速度面72は原点からみて凹型となる。このため、γ<0のときを凹型ともいう。
異方性係数γは圧電基板18の材料、電極指12の材料および膜厚により定める。例えば、圧電基板18として回転YカットX伝搬ニオブ酸リチウム基板を用いると異方性係数γは正となる。圧電基板18として回転YカットX伝搬タンタル酸リチウム基板を用いると異方性係数γは負となる。回転YカットX伝搬タンタル酸リチウム基板を用い、電極指を重い材料とし、膜厚を大きくすると異方性係数γが正となることもある。例えば圧電基板を42°回転YカットX伝搬タンタル酸リチウム基板とし、電極指の材料を銅とし、膜厚を大きくすると異方性係数γは正となる。
次に、横モードの不要波を抑制する方法を説明する。図2(a)および図2(b)は、横モードの不要波を抑制するためのIDT内の音速を示す図である。図2(a)および図2(b)は、それぞれ異方性係数γが正および負の場合に対応する。図2(a)および図2(b)の左図に示すように、IDT10は、2つの櫛型電極16を備えている。櫛型電極16は電極指12とバスバー14を有する。複数の電極指12がバスバー14に接続されている。電極指12が交差する領域が交差領域36である。交差領域36は中央領域30およびエッジ領域32を有する。交差領域36とバスバー14との間がギャップ領域34である。
図2(a)の右図に示すように、異方性係数γが正のとき、交差領域36に比べギャップ領域34の音速を早くする。これにより、弾性波が交差領域36内に閉じ込められる。エッジ領域32の音速を中央領域30より遅くする。これにより、横モードによる不要波を抑制できる。図2(b)の右図に示すように、異方性係数γが負のとき、交差領域36に比べギャップ領域34の音速を遅くする。これにより、弾性波が交差領域36内に閉じ込められる。エッジ領域32の音速を中央領域30より早くする。これにより、横モードによる不要波を抑制できる。なお、図2(a)および図(b)内の電極指12およびバスバー14に、誘電体膜または金属膜が被覆されるなどにより音速が調整されることもあるが、これらは省略している。
中央領域30とエッジ領域32との音速を異ならせるため、電極指12を傾ける方法について説明する。図3(a)は、比較例1に係る共振器の平面図、図3(b)は、電極指の拡大図である。図3(a)および図3(b)に示すように、横モードの不要波の影響を排除するため比較例1はアポダイズ型の共振器である。IDT10は、電極指12とバスバー14を有する櫛型電極16を備える。IDT10の両側に反射器20が設けられている。圧電基板および電極の材料等は後述する実施例1における実験と同じである。IDT10の対数は55対、開口長(交差領域の長さ)は35λ、アポダイズはArcCos型である。電極指12のギャップを破線で示す。バスバー14の延伸方向をA方向とする。比較例1では、A方向は圧電基板のX軸方向である。弾性波の主モードはほぼA方向に伝搬する。図3(a)のように、電極指12の幅方向(すなわち電極指12の延伸方向に直交する方向)は、A方向に直交する方向に対し角度θ1傾いている。これは、図3(b)のように、電極指12の幅方向が、A方向に直交する方向に対しθ1傾いていることに対応する。電極指12に直交する方向(すなわち電極指12の幅方向)をB方向とする。
A方向のIDT10のピッチPTaを一定でθ1を変化させた場合と、B方向のIDTピッチPTbを一定でθ1を変化させた場合とで、共振周波数を共振器を作成して測定した。図4(a)は、比較例1における電極指の傾き角度θ1に対する共振周波数を示す図、図4(b)は、角度θ1に対する規格化共振周波数を示す図である。黒丸はA方向のピッチPTaが一定のときの実験結果、白丸はB方向のピッチPTbが一定のときの実験結果である。図4(a)に示すように、B方向のピッチPTbを一定にした場合、共振周波数frはほとんど変化しない。A方向のピッチPTaを一定にした場合、共振周波数frは高くなる。図3(b)のように、A方向のピッチPTaを一定としてθ1を大きくするとB方向のピッチPTbは小さくなる。これにより、共振周波数frが高くなるものと考えられる。
図4(b)は、共振周波数frをθ1=0のときの共振周波数fr0で規格化したfr/fr0を角度θ1に対し示した図である。黒丸は、A方向のピッチPTaが一定のときの実験結果、実線は、近似線である。点線は、A方向のピッチPTaが一定とし角度θ1を変えたときのB方向のピッチPTbから予想するfr/fr0である。図4(b)に示すように、実験結果(実線)とピッチPTbからの予想(点線)はほぼ一致する。以上から、ほぼ弾性波の伝搬方向であるA方向の電極指12のピッチPTaを一定にし、電極指12を傾けると、B方向の電極指のピッチPTbが小さくなる。これにより、共振周波数が高くなる。A方向の等価的な音速は、共振周波数に対応しており、共振周波数が高くなると音速は等価的に早くなる。以上のように、電極指12を傾けることにより音速を等価的に変更することができる。ここで、図4(b)の実線と点線とに僅かにズレが生じているのは図1で説明した通りIDTに対して弾性表面波が斜めに伝播するため(すなわち、β≠βθ)である。前述の通り基板材料と電極材料の組合せが変わると異方性係数(γ)が異なるためこのズレ量も変わる。そのため材料の組合せを変えた場合は、傾きθと共振周波数の関係を新たに取得することになる。
次に、電極指12の延伸方向とSHモードの不要波について検討する。図5は、比較例2に係る共振器の平面図である。図5に示すように、比較例2はアポダイズ型の共振器である。圧電基板および電極の材料等は後述する実施例1における実験と同じである。IDT10の対数は55対、開口長は35λ、アポダイズはArcCos型である。バスバー14の延伸方向であるA方向は圧電基板18のX軸方向から角度θ2傾いている。電極指12の延伸方向は、A方向に対し直交する方向に対しθ1傾いている。θ1を5°とし、θ2を−5°から7.5°まで変更し実験した。
図6(a)は、比較例2に係る共振器の周波数に対するアドミッタンスYの実成分を示す図、図6(b)は、比較例2に係る共振器を並列に接続したときのS21を示す図である。945MHz近傍のピークはSHモードによる不要波である。図6(a)および図6(b)に示すように、θ1=0°およびθ2=0°では、ほとんどSHモードによる不要波は生じない。θ2=0°でθ1=5°とすると、SH不要波が発生する。θ1=5°でθ2=−5°とするとSHモードの不要波はさらに大きくなる。θ2=5°とすると、SHモードの不要波はθ1=0°およびθ2=0°とほぼ同じ程度に抑制できる。このように、θ1とθ2とはほぼ同じであるときにSHモードの不要波が抑制される。θ1=θ2となるのは、電極指12の延伸方向がX軸方向に直交するときである。このように、SHモードの不要波は、電極指12の幅方向(B方向)とX軸方向とのなす角度が小さくなると小さくなる。
以上を踏まえ、横モードの不要波およびSHモードの不要波を抑制する実施例について説明する。
実施例1は、異方性係数γが正の例である。図7(a)は、実施例1に係る共振器の平面図、図7(b)は、図7(a)のA−A断面図である。図7(a)に示すように、IDT10は、対向する櫛型電極16を有している。櫛型電極16は、それぞれ複数の電極指12およびバスバー14を有する。バスバー14間には、電極指12が交差する交差領域36および交差領域36とバスバー14との間のギャップ領域34が設けられている。交差領域36には、中央領域30およびエッジ領域32が設けられている。中央領域30は、交差領域36の電極指12の延伸方向の中央に設けられ、エッジ領域32は、中央領域30の両側に設けられている。中央領域30とエッジ領域32の電極指12は連続している。IDT10は、圧電基板上に形成され弾性波を励振する。
X軸方向は圧電基板の上面に平行である。中央領域30の電極指12の延伸方向および延伸方向に直交する方向(すなわち電極指12の幅方向)をそれぞれ方向41および40とする。エッジ領域32の電極指12の延伸方向および延伸方向に直交する方向をそれぞれ方向43および42とする。ギャップ領域34の電極指12の延伸方向および延伸方向に直交する方向をそれぞれ方向45および44とする。バスバー14の延伸方向を方向46、交差領域36とギャップ領域34の境界の延伸方向を方向47、および中央領域30とエッジ領域32との境界の延伸方向を方向48とする。中央領域30の電極指12の延伸方向41とエッジ領域32の電極指12の延伸方向43とのなす角度は角度θ1である。方向40と42とのなす角度も角度θ1となる。バスバー14の延伸方向46とX軸方向とのなす角度は角度θ2である。方向47および48は方向46と平行である。主モードの弾性波の伝搬方向はほぼ方向46である。ギャップ領域34の電極指12の延伸方向45は方向41と平行である。中央領域30の電極指12の幅方向40は、ほぼX軸方向である。
図7(b)に示すように、圧電基板18上に金属膜28が形成されている。金属膜28は、電極指12およびバスバー14を含む。金属膜28を覆うように誘電体膜22が形成されている。圧電基板18は、例えばYカットX伝搬ニオブ酸リチウム基板である。金属膜28は例えば銅膜である。誘電体膜22は例えば酸化シリコン膜である。誘電体膜22は、温度特性を改善するための膜である。
図8は、実施例1におけるエッジ領域の電極指の拡大図である。図8に示すように、実施例1では、エッジ領域32とギャップ領域34との境界の延伸方向47とエッジ領域32と中央領域30の境界の延伸方向48は平行である。これにより、主モードの弾性波の伝搬方向はほぼ方向47および48となる。中央領域30における電極指12の幅方向40のピッチPT1に対し、エッジ領域32における電極指12の幅方向42のピッチPT2は大きい。これにより、エッジ領域32における共振周波数は中央領域30における共振周波数より低くなる。よって、エッジ領域32の音速は中央領域30の音速より等価的に遅くなる。中央領域30における方向40の電極指12の幅をL1、電極指12の間の距離をS1とする。エッジ領域32における方向47および48の電極指12の幅をL2、電極指12の間の距離をS2とする。幅L1とL2とは等しく、距離S1とS2とは等しい。よってデュティ比L1/(L1+S1)とL2/(L2+S2)は等しい。
図9は、比較例3に係る共振器の平面図である。図9に示すように、中央領域30の電極指12の延伸方向41とエッジ領域32の電極指12の延伸方向43とは角度θ1傾いている。バスバー14の延伸方向46はX軸方向と平行である。方向40、47、48は、方向46と平行であり、弾性波はほぼ方向46に伝搬する。
図10(a)および図10(b)は、比較例3におけるエッジ領域の電極指の拡大図である。図10(a)および図10(b)に示すように、比較例3では、中央領域30における電極指12の幅方向40のピッチPT1に対し、エッジ領域32における電極指12の幅方向42のピッチPT2は小さい。これは、実施例1では、図8のように、方向47および48をエッジ領域32の電極指12の幅方向42と平行とし、中央領域30の電極指12の幅方向40を方向42に対し傾けているのに対し、比較例3では、図10(a)および図10(b)のように方向47および48を中央領域30の電極指12の幅方向40と平行とし、エッジ領域32の電極指12の幅方向42を方向40に対し傾けているためである。
図10(a)では、デュティ比L2/(L2+S2)はL1/(L1+S1)より大きい。図10(b)では、デュティ比L2/(L2+S2)はL1/(L1+S1)と等しい。図8および図10(b)のように、エッジ領域32と中央領域30とのデュティ比が等しいと、後述する図11のような正規型の共振器の設計を流用して共振器を設計し易い。一方、エッジ領域32と中央領域30とのデュティ比が異なると、デュティ比が一定の正規型の共振器の設計を流用できないため設計が難しくなる。
図8と図10(a)を比較すると、図8では、個々の電極指12のエッジ領域32と中央領域30の境界49と、エッジ領域32と中央領域30の境界の方向48が一致している。このため、境界49付近の音速を明確に定義できる。一方、図10(a)では、境界49と方向48が平行でないため、境界49付近で異なる音速が混在する。エッジ領域32とギャップ領域34の境界においても同様である。音速が明確に定義できれば、伝搬モードの制御をスカラーポテンシャル法等を用い行なえる。よって、弾性波デバイスの設計が容易になる。異なる音速が混在すると、伝搬モードの制御が複雑になり、弾性波デバイスの設計が複雑になる。
実施例1に係る共振器について、共振特性を実測した。実験の条件は以下である。なお、作製した共振器は、後述する図17(a)のようにIDTの両側に共振器を備えている。
圧電基板18:127.86°回転YカットX伝搬LiNbO基板
金属膜28:材料 銅 膜厚 0.06λ
誘電体膜22:材料 酸化シリコン 膜厚 0.27λ
IDT対数:100対
反射器本数:20本
IDTλ:3.84μm
IDT交差領域36幅W30:76.8μm
IDTデュティ比:50%
反射器デュティ比:50%
エッジ領域32幅W32:0.6λ
ギャップ領域34幅W34:2.5λ
角度θ1:8.5°
角度θ2:8.5°
なお、λは、主モードの弾性波の波長であり、IDTλに相当する。交差領域36の幅W36、エッジ領域32の幅W32およびギャップ領域34の幅W34は、図7(a)のように、方向46から48に直交する方向で規定している。
図11は、比較例4に係る共振器の平面図である。比較例4においては、電極指12の幅方向40、42および44、バスバー14の延伸方向46、境界の延伸方向47および48は、全て平行である。θ1およびθ2は0°である。その他の構成は、実施例1と同じであり説明を省略する。
図12(a)および図12(b)は、実施例1および比較例4に係る共振器の通過特性を示す図である。図12(a)および図12(b)は、共振器をラダーフィルタのそれぞれ直列共振器および並列共振器として接続したときの通過特性(S21の絶対値の2乗の対数のマグニチュード表示)である。図12(a)に示すように、比較例4では、矢印のように、ラダーフィルタの通過帯域に相当する周波数に低次の横モードの不要波による応答がある。この応答の大きさは、2dBから5dBである。一方、実施例1では、横モードに起因する不要波が抑制されている。図12(b)に示すように、比較例4では、ラダーフィルタの通過帯域に相当する周波数に高次の横モードの不要波による応答がある。実施例1では、横モードの不要波は抑制されている。実施例1で横モードの不要波が抑制されるのは、実施例1では、エッジ領域32の音速が中央領域30の音速に比べ、約1.5%小さいためである。上記シミュレーションの条件においてシミュレーションしたところ、Yカット回転が120°から140°の範囲において、レイリー波の結合係数が高く、レイリー波が主要な弾性表面波となる。また、SHモードのリーキー波は結合係数が低く不要波となる。
図13(a)および図13(b)は、それぞれ実施例1の変形例1および2に係る共振器の平面図である。図13(a)に示すように、実施例1の変形例1では、エッジ領域32の電極指12の幅が中央領域30より大きくなっている。その他の構成は、実施例1と同じであり、説明を省略する。実施例1の変形例1では、エッジ領域32の電極指12が太いため、エッジ領域32における音速を実施例1より遅くできる。
図13(b)に示すように、実施例1の変形例2では、ギャップ領域34の電極指12の幅方向44が方向46から48と平行である。このように、方向44は任意である。実施例1のギャップ領域34の音速は実施例1の変形例2より早い。このため、弾性波を交差領域36に閉じ込めるという観点では、実施例1の変形例2より実施例1が好ましい。
実施例1の変形例1について、通過特性を実測した。エッジ領域32のデュティ比を60%とした。その他の実験条件は実施例1と同じである。図14(a)および図14(b)は、実施例1、実施例1の変形例1および比較例4に係る共振器の通過特性を示す図である。図14(a)および図14(b)は、共振器をラダーフィルタのそれぞれ直列共振器および並列共振器として接続したときの通過特性である。図14(a)および図14(b)に示すように、実施例1の変形例1では、実施例1に比べ横モードの不要波が抑制される。これは、実施例1の変形例1では、実施例1に比べエッジ領域32の音速が遅いためである。
図15は、比較例5に係る共振器の平面図である。図15に示すように、比較例5においては、θ1が5°であり、θ2が0°である。このため、方向46から48は、X軸方向に平行である。エッジ領域32における電極指12の幅方向42はX軸方向と平行である。中央領域30における電極指12の幅方向40は、X軸方向に対し、θ1傾いている。その他の構成は、実施例1の変形例1と同じであり、説明を省略する。比較例5について通過特性を実測した。角度θ2が0°であること以外の実験条件は実施例1の変形例1と同じである。
図16(a)および図16(b)は、実施例1の変形例1および比較例5に係る共振器の通過特性を示す図である。図16(a)および図16(b)は、共振器をラダーフィルタのそれぞれ直列共振器および並列共振器として接続したときの通過特性の拡大図である。矢印はSHモードの不要波である。図16(a)に示すように、比較例5では、SHモードの不要波の大きさが1.5dBであるのに対し、実施例1の変形例1では、0.4dBである。図16(b)に示すように、比較例5では、SHモードの不要波の大きさが0.6dBであるのに対し、実施例1の変形例1では、0.23dBである。このように、実施例1の変形例1では、比較例5に比べ横モードの不要波が抑制される。これは、実施例1の変形例1では、比較例5に比べ、中央領域30の電極指12の幅方向がX軸方向に近いためである。
図17(a)および図17(b)は、実施例1および実施例1の変形例1に係る共振器の平面図である。図17(a)および図17(b)に示すように、実施例1および実施例1の変形例1に係る共振器は、IDT10の両側に反射器20を備えてもよい。反射器20では、IDT10と同様に、エッジ領域32における電極指が中央領域30に比べθ1傾斜している。反射器20は、短絡グレーティングであり、反射器20の電極指の両端はバスバーに接続されている。その他の構成は、それぞれ図7(a)および図13(a)と同じであり説明を省略する。
図18(a)および図18(b)は、実施例1および実施例1の変形例1に係る別の共振器の平面図である。図18(a)および図18(b)に示すように、反射器20の電極指は互い違いにギャップ領域34で開放している。その他の構成はそれぞれ図17(a)および図17(b)と同じであり説明を省略する。
実施例1およびその変形例によれば、異方性係数γが正である場合には、図8のように、エッジ領域32の電極指12の幅方向42のピッチPT2が中央領域30の電極指12の幅方向40のピッチPT1より大きくなるように、中央領域30の電極指12に対しエッジ領域32の電極指12を傾斜させる。これにより、図4(a)のように、エッジ領域32の音速が中央領域30より遅くなる。よって、図2(a)および図12(a)および図12(b)のように、横モードの不要波を抑制できる。
中央領域30の電極指12の幅方向40を任意とすると、SHモードの不要波が増加する。弾性波デバイスの特性に主に影響するのは中央領域30であるため、エッジ領域32における不要波より中央領域30における不要波を抑制した方が全体の不要波を抑制できる。そこで、中央領域30の電極指12の幅方向40と圧電基板18のX軸方向とのなす角度をエッジ領域32の電極指12の幅方向42とX軸方向とのなす角度より小さくする。これにより、図6(a)、図6(b)、図16(a)および図16(b)のように、SHモードの不要波を抑制できる。また、中央領域30の電極指12の幅方向40をほぼX軸方向と平行とする。これにより、SHモードの不要波をより抑制できる。
図8のように、エッジ領域32のピッチPT2を中央領域30のピッチPT1より大きくしようとすると、エッジ領域32と中央領域30との境界の方向48はエッジ領域32の電極指12の幅方向42に平行となる。
エッジ領域32は中央領域30の両側に設けられ、中央領域30の両側に設けられたエッジ領域32の電極指12の幅方向42は平行である。これにより、両側のエッジ領域32の音速をほぼ同じにできる。よって、両側のエッジ領域32の音速が異なる非対称構造にともなう2次歪を抑制できる。エッジ領域32の幅方向42のX軸方向からの傾きが大きくなるとエッジ領域32におけるSHモードによる不要波が大きくなる。例えば、両側のエッジ領域32の電極指12を同じ側に傾斜させる(例えば図7(a)において、上下のエッジ領域32の電極指12を両方とも右側に傾斜させる)と、この不要波が大きくなる。両側のエッジ領域32幅方向42を互いに平行とすることで、このエッジ領域32における不要波の影響を抑制できる。
バスバー14の延伸方向48はエッジ領域32の電極指12の幅方向42に平行であることが好ましい。これにより、ギャップ領域34の幅を一定にできる。
図7(a)および図8のように、エッジ領域32の電極指12のデュティ比は中央領域30の電極指12のデュティ比と等しいことが好ましい。これにより、弾性波デバイスの設計を容易にできる。
図13(a)のように、エッジ領域32の電極指12のデュティ比は中央領域30の電極指12のデュティ比より大きいことが好ましい。これにより、図14(a)および図14(b)のように、横モードの不要波をより抑制できる。
実施例1およびその変形例では、圧電基板18の結晶軸方向としてX軸方向を例に説明した。電極指12の幅方向が結晶軸方向から傾くと不要波は生成されやすくなる。よって、中央領域30の電極指12の幅方向40と圧電基板18の結晶軸方向とのなす角度をエッジ領域32の電極指12の幅方向42と結晶軸方向とのなす角度より小さくすればよい。
圧電基板18が回転YカットX伝搬ニオブ酸リチウム基板のとき、電極指12の幅方向がX軸方向から傾くと不要波が生成されやすい。よって、このような圧電基板18では、中央領域30の電極指12の幅方向40をエッジ領域32の電極指12の幅方向42よりX軸方向に近くする。
中央領域30が主に弾性波デバイスの特性に寄与するため、中央領域30の幅W30がエッジ領域32の幅W32より大きいことが好ましい。幅W30は幅W32の2倍以上が好ましく、10倍以上が好ましい。
実施例2は、異方性係数γが負の例である。図19(a)および図19(b)は、それぞれ実施例2および実施例2の変形例1に係る共振器の平面図である。図19(a)に示すように、中央領域30の電極指12の幅方向40は、方向46から48と平行である。これにより、図10(b)のように、エッジ領域32の電極指12のピッチPT2は、中央領域30のピッチPT1より小さくなる。エッジ領域32の音速は中央領域30より早くなる。よって、横モードの不要波を抑制できる。その他の構成は実施例1と同じであり説明を省略する。
図19(b)に示すように、中央領域30の電極指12のデュティ比をエッジ領域32より大きくする。これにより、中央領域30の音速をより遅くできる。よって、横モードの不要波を抑制できる。ギャップ領域34の電極指12を太くする。これにより、ギャップ領域34の音速を遅くできる。よって、弾性波を交差領域36により閉じ込めることができる。その他の構成は実施例2と同じであり説明を省略する。
図20(a)および図20(b)は、それぞれ実施例2の変形例2および3に係る共振器の平面図である。図20(a)に示すように、ギャップ領域34の電極指12の幅方向44は、中央領域30の電極指12の幅方向40と平行である。これにより、ギャップ領域34の音速を遅くできる。よって、弾性波を交差領域36により閉じ込めることができる。その他の構成は実施例2と同じであり説明を省略する。
図20(b)に示すように、ギャップ領域34にダミー電極指17が形成されている。これにより、ギャップ領域34の音速を遅くできる。よって、弾性波を交差領域36により閉じ込めることができる。その他の構成は実施例2の変形例1と同じであり説明を省略する。
実施例2およびその変形例によれば、エッジ領域32の電極指12の幅方向42のピッチが中央領域30の電極指12の幅方向40のピッチより小さくなるように、中央領域30の電極指12に対しエッジ領域の電極指12は傾斜している。これにより、エッジ領域32の音速が中央領域30より早くなる。よって、図2(b)のように、横モードの不要波を抑制できる。中央領域30の電極指12の幅方向40と圧電基板18のX軸方向とのなす角度をエッジ領域32の電極指12の幅方向42とX軸方向とのなす角度より小さい。これにより、SH波を抑制できる。中央領域30の両側に設けられたエッジ領域32の電極指12の幅方向42は平行である。これにより、不要波を抑制できる。
図10(b)のように、エッジ領域32のピッチP2を中央領域30のピッチP1より小さくしようとすると、エッジ領域32と中央領域30の延伸方向48は中央領域30の電極指12の幅方向40と平行となる。
図19(b)のように、エッジ領域32の電極指12のデュティ比を中央領域30の電極指12のデュティ比より小さくする。これにより、横モードの不要波をより抑制できる。
実施例1,2およびその変形例では、圧電基板18としてYカットX伝搬ニオブ酸リチウム基板を例に説明したが、圧電基板18は、YカットX伝搬タンタル酸リチウム基板でもよい。YカットX伝搬タンタル酸リチウム基板の異方性係数γは負のため、実施例2およびその変形例を用いることが好ましい。圧電基板18はがYカットX伝搬タンタル酸リチウム基板であっても、金属膜28が重く弾性波デバイスの異方性係数γが正のときは、実施例1およびその変形例を用いることが好ましい。
実施例3は、実施例1から2およびその変形例に係る共振器を有するフィルタを作製した例である。図21は、実施例3に係るフィルタの回路図である。図21に示すように、実施例3に係るフィルタは、ラダー型フィルタである。入力端子Tinと出力端子Toutとの間に直列共振器S1からS4が直列に接続されている。入力端子Tinと出力端子Toutとの間に並列共振器P1からP3が並列に接続されている。
図22(a)および図22(b)は、それぞれ実施例3および比較例6におけるフィルタチップの平面図である。図22(a)および図22(b)に示すように、フィルタチップ50において、圧電基板18上に直列共振器S1からS4および並列共振器P1からP3が形成されている。共振器S1からS4およびP1からP3間は配線24により電気的に接続されている。配線24に接続されるバンプ26が形成されている。バンプ26は、入力端子Tin、出力端子Toutおよびグランド端子に対応する。
実施例3および比較例6とも圧電基板18は127.86°回転YカットX伝搬LiNbO基板であり、共振器の金属膜28の材料は銅、誘電体膜22の材料は酸化シリコンである。異方性係数γは正である。
実施例3の各条件は以下である。
中央領域30デュティ比:50%
エッジ領域32デュティ比:60%
エッジ領域32幅W32:1.4λ
ギャップ領域34幅W34:2.5λ
角度θ1:5°
角度θ2:5°
比較例6の各条件は以下である。
IDTデュティ比:50%
ギャップ領域34幅W34:0.5μm、2λの長さのダミー電極あり
角度θ1:0°
角度θ2:0°
実施例3および比較例6とも、各共振器のその他の条件を最適化している。
このように、実施例3および比較例6とも、中央領域30の電極指12の幅方向40がX軸方向である。実施例3では、エッジ領域32の電極指12のピッチが中央領域30より大きくなるように、電極指12が傾斜している。比較例6では、エッジ領域32および中央領域で電極指12の延伸方向は同じである。
図23(a)は、フィルタチップを多層基板に実装した断面図、図23(b)は、フィルタチップを多層基板に実装する斜視図である。多層基板60は、セラミック層60aおよび60bを有する。セラミック層60a上、セラミック層60aと60bとの間、およびセラミック層60b下に、それぞれ金属層62aから62cが形成されている。金属層62aは、バンプが接合するパッドを含む。金属層62bは配線を含む。金属層62cはフットパッドを含む。セラミック層60aおよび60bを貫通する貫通電極64aおよび64bが形成されている。図23(b)に示すように、フィルタチップ50は、金バンプ52を介して金属層62aに接合される。金属層62aは、貫通電極64a、金属層62bおよび貫通電極64bを介し金属層62cに電気的に接続される。
図24(a)は、実施例3および比較例6における通過特性を示す図、図24(b)は、群遅延を示す図である。図24(a)および図24(b)に示すように、比較例6では、フィルタの通過帯域内に矢印で示す不要波の応答が観測される。実施例3では、不要波が抑制される。
このように、実施例1、実施例2およびその変形例に係る共振器をフィルタに用いることにより、通過帯域内の不要波を抑制でき、通過帯域内の特性を平坦にできる。
実施例4は、実施例1から2およびその変形例に係る共振器を有するフィルタを作製した別の例である。図25(a)および図25(b)は、それぞれ実施例4および比較例7のフィルタチップの平面図である。図25(a)および図25(b)に示すように、フィルタチップ50において、圧電基板18上に直列共振器S1からS4および並列共振器P1からP3が形成されている。共振器S1からS4およびP1からP3間は配線24により電気的に接続されている。実施例4の各条件は実施例3と同じである。比較例7は、θ2を0°とした以外は実施例4と同じである。実施例4および比較例7とも、各共振器のその他の条件を最適化している。
このように、実施例4では、中央領域30の電極指12の幅方向40がX軸方向であるのに対し、比較例7では、エッジ領域32の電極指12の幅方向42がX軸方向であり、中央領域30の電極指12の幅方向40はX軸方向からθ2=5°傾いている。
図26は、実施例4および比較例7の通過特性を示す図である。図26に示すように、比較例7では、通過帯域内に0.5dBから2dBの不要波の応答がある。実施例4では、不要波が抑制されている。
実施例3および4のように、エッジ領域32の電極指12の幅方向42のピッチが中央領域30の電極指12の幅方向42のピッチより大きくなるように、中央領域30の電極指12に対しエッジ領域32の電極指12を傾斜させる。中央領域30の電極指12の幅方向40がエッジ領域32の電極指12の幅方向42よりX軸方向に近くなるようにする。これにより、図24(a)、図24(b)および図26のように不要波を抑制できる。
実施例3および4では、フィルタの全ての共振器を実施例1の変形例1としたが、フィルタは、実施例1、2およびその変形例の少なくとも1つを含めばよい。図27(a)から図28(c)は、実施例3のフィルタに含まれる共振器の例を示す平面図である。図27(a)に示すように、フィルタの一部の共振器は、バスバー14の延伸方向がX軸方向であり、電極指12の延伸方向がバスバー14の延伸方向に直交するアボダイズ型共振器でもよい。図27(b)に示すように、フィルタの一部の共振器は、バスバー14の延伸方向がX軸方向であり、電極指12の延伸方向がバスバー14の延伸方向に直交する方向から傾斜したアボダイズ型共振器でもよい。図27(c)に示すように、フィルタの一部の共振器は、バスバー14の延伸方向がX軸方向から傾斜し、電極指12の延伸方向がバスバー14の延伸方向に直交する方向から傾斜したアボダイズ型共振器でもよい。
図28(a)に示すように、フィルタの一部の共振器は、バスバー14の延伸方向がX軸方向であり、電極指12の延伸方向がバスバー14の延伸方向に直交する型共振器でもよい。図28(b)に示すように、フィルタの一部の共振器は、バスバー14の延伸方向がX軸方向であり、エッジ領域32の電極指12の延伸方向が中央領域30から傾斜した共振器でもよい。図28(c)に示すように、フィルタの一部の共振器は、バスバー14の延伸方向がX軸方向から傾斜し、エッジ領域32の電極指12の延伸方向が中央領域30から傾斜した共振器でもよい。
ラダー型フィルタにおける直列共振器および並列共振器の個数は任意に設定できる。また、フィルタとしてラダー型フィルタを例に説明したが多重モード型フィルタでもよい。さらに、実施例1から2およびその変形例を含むフィルタをデュプレクサの送信フィルタおよび受信フィルタの少なくとも一方に用いてもよい。さらに、実施例1から2およびその変形例を含むフィルタを通信モジュールに用いてもよい。
圧電基板18上に誘電体膜22が形成されたレイリータイプの弾性波デバイスを例に説明したが、保護膜以外の誘電体膜22が形成されていないリーキータイプの弾性波デバイスでもよい。誘電体膜22は1層でもよいし多層でもよい。誘電体膜が1層の弾性波デバイスには、例えばリーキータイプの弾性表面波デバイス、ラブ波デバイス、弾性境界波デバイス等が含まれる。誘電体膜22が多層の弾性波デバイスには、例えばリーキータイプの弾性表面波デバイス、レイリータイプの弾性表面波デバイス、ラブ波デバイス、弾性境界波デバイス等が含まれる。
タンタル酸リチウム基板をサファイア基板に貼り付けた弾性波デバイス、または圧電基板の表面または裏面に酸化シリコン膜等の誘電体膜を被覆した弾性波デバイスは温度特性に優れる。しかしながら、新たなバルク波および/または横モードによる不要波が生じやすい。よって、これらの弾性波デバイスに実施例1から4およびその変形例を適用することが好ましい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10 IDT
12 電極指
14 バスバー
16 櫛型電極
17 ダミー電極指
18 圧電基板
22 誘電体膜
28 金属膜
30 中央領域
32 エッジ領域
34 ギャップ領域
36 交差領域
40−48 方向

Claims (13)

  1. 圧電基板と、
    前記圧電基板上に形成され、電極指を有し、弾性波を励振するIDTと、
    を具備し、
    異方性係数が正であり、
    前記IDTの電極指が交差する交差領域は、前記電極指の延伸方向の中央に設けられた中央領域と、前記延伸方向のエッジに設けられたエッジ領域と、を有し、
    前記中央領域と前記エッジ領域との電極指は連続しており、
    前記エッジ領域の電極指の幅方向のピッチが前記中央領域の電極指の幅方向のピッチより大きくなるように、前記中央領域の電極指に対し前記エッジ領域の電極指は傾斜しており、
    前記中央領域の電極指の幅方向と前記圧電基板の結晶軸方向とのなす角度は前記エッジ領域の電極指の幅方向と前記結晶軸方向とのなす角度より小さいことを特徴とする弾性波デバイス。
  2. 前記エッジ領域と前記中央領域との境界は前記エッジ領域の電極指の幅方向に平行であることを特徴とする請求項1に記載の弾性波デバイス。
  3. 前記中央領域の電極指の幅方向は前記結晶軸方向と平行であ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。
  4. 前記中央領域の両側に設けられた前記エッジ領域の電極指の幅方向は平行であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
  5. 前記IDTはバスバーを有し、前記バスバーの延伸方向は前記エッジ領域の電極指の幅方向に平行であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
  6. 前記エッジ領域の電極指のデュティ比は前記中央領域の電極指のデュティ比と等しいことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
  7. 前記エッジ領域の電極指のデュティ比は前記中央領域の電極指のデュティ比より大きいことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
  8. 前記圧電基板は、回転YカットX伝搬ニオブ酸リチウム基板であり、前記結晶軸方向はX軸方向であることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
  9. 前記IDTを覆うように前記圧電基板上に形成された酸化シリコン膜を具備することを特徴とする請求項8に記載の弾性波デバイス。
  10. 圧電基板と、
    前記圧電基板上に形成され、電極指を有し、弾性波を励振するIDTと、
    を具備し、
    異方性係数が負であり、
    前記IDTの電極指が交差する交差領域は、前記電極指の延伸方向の中央に設けられた中央領域と、前記中央領域の前記延伸方向の両側に設けられたエッジ領域と、を有し、
    前記中央領域と前記エッジ領域との電極指は連続しており、
    前記エッジ領域の電極指の幅方向のピッチが前記中央領域の電極指の幅方向のピッチより小さくなるように、前記中央領域の電極指に対し前記エッジ領域の電極指は傾斜しており、
    前記中央領域の電極指の幅方向と前記圧電基板の結晶軸方向とのなす角度は前記エッジ領域の電極指の幅方向と前記結晶軸方向とのなす角度より小さく、
    前記中央領域の両側に設けられた前記エッジ領域の電極指の幅方向は平行であることを特徴とする弾性波デバイス。
  11. 前記エッジ領域と前記中央領域の境界は前記中央領域の電極指の幅方向に平行であることを特徴とする請求項10に記載の弾性波デバイス。
  12. 前記エッジ領域の電極指のデュティ比は前記中央領域の電極指のデュティ比より小さいことを特徴とする請求項10または11に記載の弾性波デバイス。
  13. 前記IDTを含むフィルタを具備することを特徴とする請求項1から12のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
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