JP6447624B2 - 弾性波装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬｉＮｂＯ_３基板を用いており、かつＬｉＮｂＯ_３基板を伝搬する弾性波のうちの板波を用いた弾性波装置に関する。

従来、板波を用いた弾性波装置が種々提案されている。下記の特許文献１に記載の弾性波装置では、ＬｉＮｂＯ_３基板が用いられている。ＬｉＮｂＯ_３基板の片面および反対側の面にＩＤＴ電極が設けられている。そして、片面に設けられたＩＤＴ電極と、反対側の面に設けられたＩＤＴ電極とに、同相の交流電圧を印加する。それによって、板波としてＳＨ波の０次モードを利用することが可能とされている。

下記の特許文献２には、ＬｉＮｂＯ_３からなる圧電薄膜を用いたラム波装置が開示されている。特許文献２においても、ＬｉＮｂＯ_３の両面にＩＤＴ電極が形成されている。また、特許文献２には、圧電薄膜の片面にＩＤＴ電極を、反対側の面にＩＤＴ電極と重なるように金属膜からなる電極を設けた構成も開示されている。特許文献２では、圧電薄膜において、ラム波として、音速が５０００ｍ／秒以上となる高次モードが励振されている。

ＷＯ２０１３／０２１９４８ Ａ１ 特開２０１０−２２０２０４号公報

特許文献１に記載の弾性波装置では、ＩＤＴ電極がＬｉＮｂＯ_３基板の両面に形成されている。従って、ＳＨ波の０次モードの電気機械結合係数を高めることが可能とされている。よって、比帯域幅を広くすることができる。

しかしながら、音速が３０００〜４０００ｍ／秒と低かった。そのため、高周波化を果たすには、波長λを小さくしなければならない。従って、ＩＤＴ電極等の形成が非常に困難となる。

他方、特許文献２に記載の弾性波装置では、５０００ｍ／秒以上の高音速が得られる。従って、高周波化が容易である。しかしながら、特許文献２には、広帯域と高音速とを両立させる構成については述べられていない。

本発明の目的は、高音速と広い比帯域幅とを両立し得る、弾性波装置を提供することにある。

本願の第１の発明に係る弾性波装置は、第１の主面と、該第１の主面とは反対側の第２の主面とを有するＬｉＮｂＯ_３基板と、上記ＬｉＮｂＯ_３基板の上記第１の主面に設けられている第１のＩＤＴ電極と、上記ＬｉＮｂＯ_３基板の上記第２の主面に設けられており、上記第１のＩＤＴ電極と上記ＬｉＮｂＯ_３基板を介して重なり合うように配置されている第２のＩＤＴ電極とを備える。上記第１のＩＤＴ電極と上記第２のＩＤＴ電極とに逆相の交流電圧が印加された場合に、上記ＬｉＮｂＯ_３基板において励振される弾性波はＳＨ波が主体である高次モードの板波である。

第１の発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、上記ＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角（φ，θ，ψ）において、φ＝０±５°、ψ＝０±５°かつθが７２°以上、９７°以下の範囲である。

第１の発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、上記ＬｉＮｂＯ_３基板の厚みが、上記第１，第２のＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、０．０５λ以上、０．５２λ以下である。

第１の発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、上記第１，第２のＩＤＴ電極のデューティが０．１５以上、０．７７以下である。

第１の発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、上記第１，第２のＩＤＴ電極が、ＡｌまたはＡｌを主体とする合金からなる電極膜を有し、該電極膜の膜厚が、上記第１，第２のＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたとき、０．０３５λ以下である。

本願の第２の発明に係る弾性波装置は、第１の主面と、該第１の主面とは反対側の第２の主面とを有するＬｉＮｂＯ_３基板と、上記ＬｉＮｂＯ_３基板の上記第１の主面に設けられているＩＤＴ電極と、上記ＬｉＮｂＯ_３基板の上記第２の主面に設けられており、上記第１の主面側から平面視した場合に、上記ＩＤＴ電極の外縁に囲まれた全領域を占めるように設けられた電極膜とを備え、上記ＩＤＴ電極に交流電圧が印加された場合に、上記ＬｉＮｂＯ_３基板において励振される弾性波が、ＳＨ波が主体である高次モードの板波である。

第２の発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、上記ＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角（φ，θ，ψ）において、φ＝０±５°、ψ＝０±５°かつθが６８°以上、９６°以下の範囲である。

第２の発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、上記ＬｉＮｂＯ_３基板の厚みが、上記ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、０．０５λ以上、０．１８λ以下である。

第２の発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、上記ＩＤＴ電極のデューティが０．１以上、０．６８以下である。

第２の発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、上記ＩＤＴ電極が、ＡｌまたはＡｌを主体とする合金からなる電極膜を有し、該電極膜の膜厚が、上記ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたとき、０．０２２λ以下である。

本願の第１，第２の発明によれば、ＳＨ波が主体である高次モードの板波を利用しているため、高音速化を図ることができる。しかも、本発明によれば広い比帯域幅を得ることが可能となる。従って、板波を利用した弾性波装置において、高音速と広い比帯域幅とを両立することができる。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図であり、図１（ｂ）はその電極構造を示す模式的平面図である。 図２（ａ）〜図２（ｆ）は順に、Ｓ_０モード、Ｓ_１モード、Ａ_０モード、Ａ_１モード、ＳＨ_０モード、ＳＨ_１モードを説明するための模式図である。 図３は、第１の実施形態の弾性波装置において、オイラー角のθと、ＳＨ波の１次モードの音速との関係を示す図である。 図４は、第１の実施形態の弾性波装置において、オイラー角のθと比帯域幅との関係を示す図である。 図５は、第１の実施形態の弾性波装置において、ＬｉＮｂＯ_３基板の厚み（×λ）と、比帯域幅との関係を示す図である。 図６は、第１の実施形態の弾性波装置において、ＩＤＴ電極のデューティと、比帯域幅との関係を示す図である。 図７は、第１の実施形態の弾性波装置において、ＩＤＴ電極を構成しているＡｌ膜の膜厚（×λ）と、比帯域幅との関係を示す図である。 図８は、本発明の第２の実施形態に係る弾性波装置の略図的正面断面図である。 図９は、第２の実施形態の弾性波装置において、オイラー角のθと、ＳＨ波の１次モードの音速との関係を示す図である。 図１０は、第２の実施形態の弾性波装置において、オイラー角のθと比帯域幅との関係を示す図である。 図１１は、第２の実施形態の弾性波装置において、ＬｉＮｂＯ_３基板の厚み（×λ）と、比帯域幅との関係を示す図である。 図１２は、第２の実施形態の弾性波装置において、ＩＤＴ電極のデューティと、比帯域幅との関係を示す図である。 図１３は、第２の実施形態の弾性波装置において、ＩＤＴ電極を構成しているＡｌ膜の膜厚（×λ）と、比帯域幅との関係を示す図である。

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。なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図及び電極構造を示す模式的平面図である。

弾性波装置１は、ＬｉＮｂＯ_３基板２を有する。ＬｉＮｂＯ_３基板２のオイラー角を以下、（φ，θ，ψ）で表す。オイラー角は（０±５°，θ，０±５°）の範囲内であることが好ましい。この範囲内であれば、板波としてのＳＨ波を効率よく励振し得る。ＬｉＮｂＯ_３基板２は、第１の主面２ａと、第１の主面２ａとは反対側の第２の主面２ｂとを有する。

第１の主面２ａ上に、第１のＩＤＴ電極３が形成されている。図１（ｂ）は第１のＩＤＴ電極３の電極構造を示す。第１のＩＤＴ電極３は、複数本の電極指３ａと、複数本の電極指３ｂとを有する。複数本の電極指３ａと複数本の電極指３ｂとは間挿し合っている。

第２の主面２ｂ上に、第２のＩＤＴ電極４が形成されている。第２のＩＤＴ電極４は、平面視した場合、第１のＩＤＴ電極３と同じ形状とされている。第１のＩＤＴ電極３の電極指３ａ，３ｂと、第２のＩＤＴ電極４の電極指４ａ，４ｂとが、ＬｉＮｂＯ_３基板２を介して重なり合っている。もっとも、ＩＤＴ電極３とＩＤＴ電極４とは逆相の交流電圧を印加して駆動される。

ＩＤＴ電極３，４は、本実施形態ではＡｌからなる。もっとも、Ａｌを主体とする合金を用いてもよい。ここで、主体とは、ＩＤＴ電極３，４において、５０重量％以上がＡｌからなることを意味する。また、他の金属との積層構造であってもよい。

本実施形態では、ＩＤＴ電極３とＩＤＴ電極４とに逆相の交流電圧を印加することにより、板波として、ＳＨ波の１次モードを効果的に励振することができ、これを利用している。なお、このＳＨ波の１次モードは、ＳＨ波が主体である高次モードの板波に相当する。

なお、本明細書において、ＳＨ波が主体である高次モードとは、ＳＨ波の１次モード、ＳＨ波の１次モードよりも高次のモードをいうものとする。すなわち、ＳＨ波の基本波であるＳＨ波の０次モードよりも高次のモードの板波を、ＳＨ波が主体である高次モードの板波とする。「ＳＨ波が主体である」と表現しているのは、励振される板波が、ＳＨ波以外の成分をも含むためである。もっとも、「主体である」は、励振される上記モードにおいて、振動エネルギーの５０％以上がＳＨ波成分であることを意味する。

なお、板波は、変位成分に応じてラム波（弾性波伝搬方向、および圧電体厚み方向の成分が主）とＳＨ波（ＳＨ成分が主）に分類される。更に、ラム波は対称モード（Ｓモード）と反対称モード（Ａモード）に分類される。圧電体厚みの半分のラインで折り返したとき、変位が重なるものを対称モード、変位が反対方向のものを反対称モードとしている。下付きの数値は厚み方向の節の数を示している。ここで、Ａ_１モードラム波とは、１次反対称モードラム波である。図２に、これらラム波のＳモードとＡモード、およびＳＨ波の伝搬モードの様子を示す。図２の（ａ）〜図２（ｄ）においては矢印の向きが、図２（ｅ）、図２（ｆ）においては紙面厚み方向が、それぞれ弾性波の変位方向を示す。図２（ｅ）のＳＨ波の０次モードが、ＳＨ波の基本波であり、本実施形態では、図２（ｆ）のＳＨ波の１次モードを利用している。

図３は、上記ＬｉＮｂＯ_３基板２のオイラー角の（０°，θ，０°）において、オイラー角のθを変化させた場合のＳＨ波の１次モードの音速の変化を示す図である。ここでは、電極指ピッチで定まる波長をλとしたとき、ＬｉＮｂＯ_３基板の厚みを０．１λとした。また、ＩＤＴ電極の膜厚は０．０１λとし、デューティは０．３とした。

図３から明らかなように、オイラー角のθが４０°〜１６０°の範囲で、１７５００ｍ／秒以上の高音速が実現されることがわかる。

図４は、上記と同様にして構成した弾性波装置１におけるオイラー角のθと、比帯域幅との関係を示す図である。ここで、比帯域幅とは、弾性表面波共振子を構成した場合の反共振周波数と共振周波数との周波数差の共振周波数に対する割合をいうものとする。

図４から明らかなように、オイラー角のθが、７２°以上、９７°以下であれば、比帯域幅は０．１７以上、すなわち１７％以上であることがわかる。現在の弾性波装置では、比帯域幅は最大でも１７％程度である。よって、上記のようにオイラー角のθを７２°以上、９７°以下とすることにより、広帯域化を実現し得ることがわかる。

より好ましくは、オイラー角のθは７９°以上、９１°以下であり、その場合には、比帯域幅を２０％以上とすることができる。

図５は、上記ＬｉＮｂＯ_３基板２の厚み（×λ）と、比帯域幅との関係を示す図である。なお、ここでは、オイラー角は（０°，８３°，０°）とした。ＩＤＴ電極は膜厚を０．０１λ、デューティを０．３とした。

図５から明らかなように、ＬｉＮｂＯ_３基板２の厚みが０．０５λ以上、０．５２λ以下であれば、比帯域幅を０．１７以上、すなわち１７％以上とし得ることがわかる。より好ましくは、ＬｉＮｂＯ_３基板２の厚みを０．０７λ以上、０．１７λ以下とすることが好ましい。その場合には、比帯域幅を２０％以上とし得ることがわかる。

図６は、ＩＤＴ電極のデューティと比帯域幅との関係を示す図である。ここでは、ＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角は（０°，８３°，０°）とし、厚みは０．１λとした。ＩＤＴ電極はＡｌ膜からなり、厚みは０．０１λとした。

図６から明らかなように、デューティが０．１５以上、０．７７以下であることが好ましい。それによって、比帯域幅を確実に０．１７以上、すなわち１７％以上とし得ることがわかる。

図７は、ＡｌからなるＩＤＴ電極の膜厚（λ）と、比帯域幅との関係を示す図である。ここでも、ＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角は（０°，８３°，０°）、厚みは０．１λとし、ＩＤＴ電極のデューティは０．３とした。

図７から明らかなように、Ａｌの膜厚が０．０３５λ以下であることが好ましく、その場合には比帯域幅を０．１７以上、すなわち１７％以上とし得ることがわかる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。弾性波装置１１は、ＬｉＮｂＯ_３基板２を有する。ＬｉＮｂＯ_３基板２の第１の主面２ａ上に、ＩＤＴ電極３が形成されている。ＩＤＴ電極３は、第１の実施形態のＩＤＴ電極３と同様に、複数本の電極指３ａと複数本の電極指３ｂとを有する。そして、ＩＤＴ電極３はＡｌからなる。

他方、第２の実施形態では、ＬｉＮｂＯ_３基板２の第２の主面２ｂには、Ａｌからなる電極膜１４が設けられている。電極膜１４は、第１の主面２ａ側から平面視した場合、第１のＩＤＴ電極３の電極指交差部の外縁を含む形状とされている。電極膜１４は、浮き電極として用いられる。

ＩＤＴ電極３及び電極膜１４は、Ａｌに代えて、Ａｌを主体とする合金により形成されていてもよい。また、他の金属との積層構造であってもよい。さらに、電極膜１４は、Ｔｉ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｒなどの金属、もしくはＺｎＯやＩＴＯなどの導電性化合物膜であってもよい。

第２の実施形態の弾性波装置１１では、第１のＩＤＴ電極３に交流電圧を印加すると、ＳＨ波を主体とする高次モードの板波を励振することができる。本実施形態においても、ＳＨ波が主体である高次モードを利用することにより、高音速かつ広帯域を図ることができる。

図９は、上記ＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角の（０°，θ，０°）において、オイラー角のθを変化させた場合のＳＨ波の１次モードの音速の変化を示す図である。ここでは、電極指ピッチで定まる波長をλとしたとき、ＬｉＮｂＯ_３基板２の厚みを０．１λとした。また、ＩＤＴ電極３の膜厚は０．０１λとし、デューティは０．３とした。電極膜１４の膜厚は０．０１λとした。図９から明らかなように、オイラー角のθが５０°〜１１０°の範囲で、２００００ｍ／秒以上の高音速が実現されることがわかる。

図１０は、上記と同様にして構成した弾性波装置１１におけるオイラー角のθと、比帯域幅との関係を示す図である。ここで、比帯域幅とは、弾性表面波共振子を構成した場合の、反共振周波数と共振周波数との周波数差の共振周波数に対する割合をいうものとする。

図１０から明らかなように、オイラー角のθが、６８°以上、９６°以下であれば、比帯域幅は０．１７以上、すなわち１７％以上であることがわかる。なお、φ＝０±５°及びψ＝０±５°の範囲においても、同様の効果が得られる。よって、上記のようにオイラー角のθを６８°以上、９６°以下とすることにより、広帯域化を実現し得ることがわかる。より好ましくは、オイラー角のθは７２°以上、９２°以下であり、その場合には、比帯域幅を２０％以上とすることができる。

図１１は、上記ＬｉＮｂＯ_３基板２の厚み（×λ）と、比帯域幅との関係を示す図である。なお、ここでは、オイラー角は（０°，８３°，０°）とした。ＩＤＴ電極３の膜厚を０．０１λ、デューティを０．３とした。電極膜１４の膜厚は０．０１λとした。

図１１から明らかなように、ＬｉＮｂＯ_３基板２の厚みが０．０５λ以上、０．１８λ以下であれば、比帯域幅を０．１７以上、すなわち１７％以上とし得ることがわかる。より好ましくは、ＬｉＮｂＯ_３基板２の厚みを０．０７λ以上、０．１６λ以下が好ましい。その場合には、比帯域幅を２０％以上とし得ることがわかる。

図１２は、ＩＤＴ電極のデューティと比帯域幅との関係を示す図である。ここでは、ＬｉＮｂＯ_３基板２のオイラー角は（０°，８３°，０°）とし、厚みは０．１λとした。ＩＤＴ電極はＡｌ膜からなり、厚みは０．０１λとした。電極膜１４の膜厚は０．０１λとした。

図１２から明らかなように、デューティが０．１以上、０．６８以下であることが好ましい。それによって、比帯域幅を確実に０．１７以上、すなわち１７％以上とし得ることがわかる。

図１３は、ＡｌからなるＩＤＴ電極３の膜厚（λ）と、比帯域幅との関係を示す図である。ここでも、ＬｉＮｂＯ_３基板２のオイラー角は（０°，８３°，０°）、厚みは０．１λとした。ＩＤＴ電極３のデューティは０．３とした。

図１３から明らかなように、Ａｌの膜厚が０．０２２λ以下であることが好ましく、その場合には比帯域幅を０．１７以上、すなわち１７％以上とし得ることがわかる。

上記第１，第２の実施形態では、弾性表面波共振子について説明したが、本発明の弾性波装置は、弾性表面波共振子に限定されない。本発明は、複数のＩＤＴ電極を有する弾性表面波フィルタや様々な弾性波装置に広く適用することができる。従って、ＩＤＴ電極の数は特に限定されない。

なお、オイラー角（φ，θ，ψ）は、結晶学的に等価な方位であってもよい。

１…弾性波装置
２…ＬｉＮｂＯ_３基板
２ａ…第１の主面
２ｂ…第２の主面
３…第１のＩＤＴ電極
３ａ，３ｂ…電極指
４…第２のＩＤＴ電極
４ａ，４ｂ…電極指
１１…弾性波装置
１４…電極膜

Claims (6)

1. 第１の主面と、該第１の主面とは反対側の第２の主面とを有するＬｉＮｂＯ_３基板と、
   前記ＬｉＮｂＯ_３基板の前記第１の主面に設けられている第１のＩＤＴ電極と、
   前記ＬｉＮｂＯ_３基板の前記第２の主面に設けられており、前記第１のＩＤＴ電極と前記ＬｉＮｂＯ_３基板を介して重なり合うように配置されており、前記第１のＩＤＴ電極とは逆相の交流電圧で駆動される第２のＩＤＴ電極とを備え、
   前記ＬｉＮｂＯ _３ 基板のオイラー角（φ，θ，ψ）において、φ＝０±５°、ψ＝０±５°かつθが７２°以上、９７°以下の範囲にあり、
   前記ＬｉＮｂＯ _３ 基板の厚みが、前記第１，第２のＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、０．０５λ以上、０．５２λ以下であり、
   前記第１のＩＤＴ電極と前記第２のＩＤＴ電極とに逆相の交流電圧が印加された場合に、前記ＬｉＮｂＯ_３基板において励振される弾性波は、ＳＨ波が主体である高次モードの板波である、弾性波装置。
2. 前記第１，第２のＩＤＴ電極のデューティが０．１５以上、０．７７以下である、請求項１に記載の弾性波装置。
3. 前記第１，第２のＩＤＴ電極が、ＡｌまたはＡｌを主体とする合金からなる電極膜を有し、該電極膜の膜厚が、前記第１，第２のＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたとき、０．０３５λ以下である、請求項１または２に記載の弾性波装置。
4. 第１の主面と、該第１の主面とは反対側の第２の主面とを有するＬｉＮｂＯ_３基板と、
   前記ＬｉＮｂＯ_３基板の前記第１の主面に設けられているＩＤＴ電極と、
   前記ＬｉＮｂＯ_３基板の前記第２の主面に設けられており、前記第１の主面側から平面視した場合に、前記ＩＤＴ電極の外縁に囲まれた全領域を占めるように設けられた電極膜とを備え、
   前記ＬｉＮｂＯ _３ 基板のオイラー角（φ，θ，ψ）において、φ＝０±５°、ψ＝０±５°かつθが６８°以上、９６°以下の範囲にあり、
   前記ＬｉＮｂＯ _３ 基板の厚みが、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、０．０５λ以上、０．１８λ以下であり、
   前記ＩＤＴ電極に交流電圧が印加された場合に、前記ＬｉＮｂＯ_３基板において励振される弾性波は、ＳＨ波が主体である高次モードの板波である、弾性波装置。
5. 前記ＩＤＴ電極のデューティが０．１以上、０．６８以下である、請求項４に記載の弾性波装置。
6. 前記ＩＤＴ電極が、ＡｌまたはＡｌを主体とする合金からなる電極膜を有し、該電極膜の膜厚が、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長をλとしたとき、０．０２２λ以下である、請求項４または５に記載の弾性波装置。

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