JPWO2006114930A1 - 弾性境界波装置 - Google Patents

Abstract

弾性境界波の振動エネルギーの閉じ込め効率に優れ、電気機械結合係数が大きく、高次モードの影響が生じ難い、弾性境界波装置を提供する。圧電性を有する第１の媒質１１と、非導電物質である第２の媒質１２と、伝搬する遅い横波の音速が、第１，第２の媒質１１，１２を伝搬する遅い横波よりも低音速である第３の媒質１３とが、第１の媒質１１、第３の媒質１３及び第２の媒質１２の順に積層されており、第１の媒質１１と第３の媒質１３との間に配置されたＩＤＴ１４とを備え、ＩＤＴ１４が、密度ρの金属からなる金属層を用いて構成されており、密度ρが３０００〜２１５００ｋｇ／ｍ3の範囲にあり、ＩＤＴ１４の厚みＨ１が、電極指ピッチをλとしたときに、０．００６λ≦Ｈ１≦０．２λであり、第３の媒質１３の厚みＨ２が、Ｈ１＜Ｈ２≦０．７λとされている、弾性境界波装置。

Description

本発明は、異なる媒質間の界面を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置に関し、より詳細には、少なくとも３つの媒質が積層された積層体を用いて構成されている弾性境界波装置に関する。

従来、共振子や帯域フィルタとして、弾性境界波を利用した装置が種々提案されている。弾性表面波を利用した弾性表面波装置に比べて、弾性境界波装置では、弾性境界波が異なる媒質間の界面を伝搬するため、複雑なパッケージ構造を必要としない。従って、構造の簡略化及び低背化を進めることができる。

上記のような弾性境界波装置の一例が、下記の非特許文献１に開示されている。非特許文献１に開示されている弾性境界波装置では、ＳｉＯ₂またはＳｉからなる第１の媒質と、ＺｎＯからなる第３の媒質と、ＳｉＯ₂からなる第２の媒質とが、第１の媒質、第３の媒質及び第２の媒質の順に積層されている積層体が用いられている。そして、第１の媒質と第３の媒質との界面にＩＤＴ（インターデジタル電極）が配置されている。

ここでは、音速が遅いＺｎＯからなる第３の媒質において弾性境界波の振動エネルギーを閉じ込めることにより、弾性境界波が伝搬するように構成されている。なお、ＩＤＴは、Ａｌより構成されている。

他方、下記の特許文献１には、非特許文献１と同様に、第１の媒質、第３の媒質及び第２の媒質をこの順序で積層してなる積層体を用いた弾性境界波が開示されている。特許文献２では、第１の媒質がＬｉＮｂＯ₃、第３の媒質がＳｉＯ₂、第２の媒質がＳｉＮにより構成されている。そして、第１の媒質と第３の媒質との間に、ＡｌからなるＩＤＴが配置されている。
１９８６電子情報通信学会資料，Ｓ８６−３９、第４７頁〜第４頁 ＷＯ９８／５２２７９

非特許文献１及び特許文献１に記載の弾性境界波装置では、ＩＤＴがＡｌを用いて構成されていた。Ａｌを電極材料として用いた場合、Ａｕ、ＡｇまたはＣｕなどのＡｌよりも密度の大きい金属を用いた場合に比べて、横波の音速が速く、弾性境界波の振動エネルギーの閉じ込め効率が低くなりがちであった。

従来、弾性境界波装置においては、電極材料を選択することにより振動エネルギーを閉じ込めることについては考えられておらず、むしろ、横波の音速が遅い第３の媒質により振動エネルギーを閉じ込めることが考えられていた。そのため、振動エネルギーの閉じ込め効率が十分でなく、第１の媒質や第２の媒質の厚みを厚くしなければならなかった。よって、弾性境界波装置の小型化が困難であった。

他方、弾性境界波を伝搬させるのに用いられる上記第１〜第３の媒質に利用される材料の多くは、負の音速温度係数（ＴＣＶ）を有する。他方、ＳｉＯ₂は正のＴＣＶを有する
。従って、ＳｉＯ₂を、負のＴＣＶを有する材料と組み合わせることにより、ＴＣＶを０または０に近い正の値とすることができる。

弾性境界波装置の周波数温度係数ＴＣＦは、ＴＣＶから境界波伝搬路の線膨張係数を差し引いた値となる。そのため、ＳｉＯ₂を用いた場合、他の媒質材料と組み合わせること
により、周波数温度係数ＴＣＦが小さい弾性境界波装置を実現することができる。

ところで、上記非特許文献１や特許文献１に記載されているように、従来のこの種の弾性境界波装置では、ＩＤＴはＡｌを用いて構成されていた。第３の媒質をＳｉＯ₂により構成し、ＡｌからなるＩＤＴを用いた場合、ＩＤＴや反射器においては、周期配列されているＡｌストリップ間にＳｉＯ₂が充填されることになる。ＡｌとＳｉＯ₂との密度差は小さく、両者の間の音響インピーダンス差は小さい。よって、ＩＤＴや反射器を構成するＡｌからなるストリップ１本あたりの弾性境界波の反射量は少なくなる。

電極指であるストリップ１本あたりの反射量が小さくなると、反射器において十分な反射係数を得るには、多数の電極指を必要とする。そのため、従来、反射器が大きくならざるを得ず、ひいては弾性境界波装置の寸法が大きくならざるを得なかった。

また、ＩＤＴにおけるストリップ１本あたりの反射量が小さい場合には、例えば縦結合共振子型弾性境界波フィルタを構成した場合には、フィルタ特性におけるシェープファクタが劣化したり、ＥＷＣ型ＳＰＵＤＴを用いたトランスバーサル型の弾性境界波フィルタを構成した場合には、ＳＰＵＤＴの方向性が劣化するという問題があった。

加えて、第２の媒質／第３の媒質／ＩＤＴ／第１の媒質を積層した構造を有する弾性境界波装置においては、振動エネルギーは第３の媒質とＩＤＴとに閉じ込められて伝搬する。伝搬している境界波の波長に比べて、第３の媒質の厚みが厚い場合には、高次モードが比較的強く励振されることになる。そのため、第３の媒質の厚みは、弾性境界波の１波長以下の寸法とすることが望ましい。

他方、第３の媒質が、例えばスパッタリング法などの堆積法により形成されている場合には、ＩＤＴや反射器を構成するストリップ厚みに比べて、第３の媒質の厚みを十分に厚くすることが困難であった。また、第３の媒質の厚みが薄い場合には、ストリップが設けられている部分とそうでない部分との間の凹凸により、第３の媒質に亀裂が生じるおそれがあった。

本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、第１の媒質、第３の媒質及び第２の媒質をこの順序で積層してなる積層体を用いており、なお、弾性境界波の振動エネルギーを第３の媒質に効果的に閉じ込めることができ、従って、弾性境界波の伝搬損失が小さく、電気機械結合係数が大きく、所望でないスプリアスとなる高次モードの影響が生じ難い、良好な共振特性やフィルタ特性を得ることができ、第３の媒質における亀裂が生じ難い、弾性境界波装置を提供することにある。

本発明のある広い局面によれば、圧電性を有する第１の媒質と、非導電物質である第２の媒質と、伝搬する遅い横波の音速が、前記第１，第２の媒質を伝搬する遅い横波よりも低音速である第３の媒質とが、第１の媒質、第３の媒質及び第２の媒質の順に積層されている積層体と、前記第１の媒質と第３の媒質との間に配置されたＩＤＴとを備える弾性境界波装置であって、前記ＩＤＴが、密度ρの金属からなる金属層を用いて構成されており、密度ρが３０００〜２１５００ｋｇ／ｍ³の範囲にあり、前記ＩＤＴの厚みＨ１が、ＩＤＴの電極指ピッチをλとしたときに、０．００６λ≦Ｈ１≦０．２λの範囲にあり、前記第３の媒質の厚みＨ２がＨ１＜Ｈ２≦０．７λの範囲にあることを特徴とする弾性境界波装置が提供される。

本発明に係る弾性境界波装置のある特定の局面では、前記第３の媒質の厚みＨ２が、Ｈ１＜Ｈ２＜０．５λの範囲とされている。

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３の媒質が、ＳｉＯ₂また
はＳｉＯ₂を主成分とする材料を用いて構成されている。

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の媒質がＬｉＮｂＯ₃からなり、第１の媒質のオイラー角〔φ，θ，ψ〕のφ、θ及びψが、−２５°＜φ＜２５°、９２°＜θ＜１１４°及び−６０°＜ψ＜６０°の範囲内とされている。

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の媒質がＬｉＮｂＯ₃からなり、第１の媒質のオイラー角〔φ，θ，ψ〕のφ、θ及びψが、−２５°＜φ＜２５°、９２°＜θ＜１１４°及び６０°＜ψ＜１２０°の範囲内とされている。

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の媒質がＬｉＮｂＯ₃からなり、第１の媒質のオイラー角〔φ，θ，ψ〕のφ、θ及びψが、−３２°＜φ
＜３２°、１５°＜θ＜４１°及び−３５°＜ψ＜３５°の範囲内されている。

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ＩＤＴを構成している金属が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｗ及びＴａからなる群から選択された金属あるいは該金属を主成分とする合金により構成されている。

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が、相対的に密度が高い第１の金属層と、相対的に密度が低い第２の金属層とが交互に積層されている構造を有する。

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の金属層が、前記第１の媒質側に配置されている。

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の媒質及び／または第２の媒質が、複数の媒質層を積層してなる積層体により構成されている。

本発明に係る弾性境界波装置では、圧電性を有する第１の媒質と、非導電物質である第２の媒質と、第１，第２の媒質よりも伝搬する遅い横波の音速が低音速である第３の媒質とが第１の媒質、第３の媒質及び第２の媒質の順に積層されている積層体と、第１の媒質と第３の媒質との間に配置されたＩＤＴとを備える。そして、ＩＤＴが３０００〜２１５００ｋｇ／ｍ³の範囲内の密度ρの金属を用いて構成されているので、弾性境界波の伝搬損失を低減することができ、弾性境界波装置における損失を低減することができる。

また、ＩＤＴの厚みＨ１が０．００６λ≦Ｈ１≦０．２λの範囲にあるため、弾性境界波の電気機械結合係数が十分な大きさとされる。また、ＳＨ型境界波とＰ＋ＳＶ型境界波の音速を離間させることができるため、ＳＨ型境界波を主モードとして利用する場合には、ＳＨ型境界波に対して不要モードとなるＰ＋ＳＶ型境界波によるスプリアスを抑制することができる。さらに、第３の媒質の厚みＨ２が、Ｈ１＜Ｈ２≦０．７λの範囲とされているので、ＳＨ型境界波の高次モードスプリアスを低減することができる。

従って、本発明によれば、低損失であり、電気機械結合係数Ｋ²が大きく、従って、小型化、特に低背化を進めることができ、さらに共振特性やフィルタ特性の良好な弾性境界波装置を提供することが可能となる。

Ｈ１＜Ｈ２＜０．５λとされている場合には、ＳＨ型境界波の高次モードスプリアスをより効果的に抑圧することができ、より一層良好な共振特性やフィルタ特性を得ることができる。

第３の媒質が、ＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂を主成分とする材料からなる場合には、ＳｉＯ₂が正のＴＣＶを有する。他方、弾性境界波装置の媒質を構成するのに用いられる材料の多くは負のＴＣＶを有する。従って、第３の媒質がＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂を主成分とする材料からなる場合には、周波数温度係数ＴＣＦが小さい、温度特性に優れた弾性境界波装置を提供することができる。

第１の媒質がＬｉＮｂＯ₃からなり、第１の媒質のオイラー角のφ、θ及びψが、−２５°＜φ＜２５°、９２°＜θ＜１１４°かつ−６０°＜ψ＜６０°の範囲にある場合には、Ｐ＋ＳＶ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²を十分に小さくすることができ、それによってＳＨ型境界波を利用して良好な共振特性やフィルタ特性を得ることが可能となる。

第１の媒質がＬｉＮｂＯ₃からなり、第１の媒質のオイラー角のφ、θ及びψが、−２５°＜φ＜２５°、９２°＜θ＜１１４°及び６０°＜ψ＜１２０°の範囲にある場合には、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²を十分に小さくすることができ、それによってＰ＋ＳＶ型境界波を利用して良好な共振特性やフィルタ特性を得ることが可能となる。

第２の金属層の少なくとも１層にＡｌを用いた場合には、Ａｌは導体抵抗が小さいため電極指による導体抵抗損失をより効果的に低減することができる。

第１の媒質がＬｉＮｂＯ₃からなり、第１の媒質のオイラー角のφ、θ及びψが、−３２°＜φ＜３２°、１５°＜θ＜４１°及び−３５°＜ψ＜３５°の範囲にある場合には、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²を十分に小さくすることができ、それによってＰ＋ＳＶ型境界波を利用して良好な共振特性やフィルタ特性を得ることが可能となる。

ＩＤＴを構成している金属が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｗ及びＴａからなる群から選択された金属あるいは該金属を主成分とする合金からなる場合には、Ａｌに比べて密度が大きい金属であるため、弾性境界波の伝搬損失が小さく、低損失の弾性境界波装置を提供することができる。

ＩＤＴは、単一の金属層により構成されていてもよいが、相対的に密度が高い第１の金属層と、相対的に密度が低い第２の金属層とを積層した構造を有していてもよく、第１の金属層と第２の金属層とが交互に積層されている場合には、弾性境界波の伝搬損失が小さくされた上で電極指に厚みを持たせることができるため、電極指による導体抵抗損失を低減することができる。

第１の金属層が第１の媒質側に配置されている場合には、相対的に密度が高い第１の金属層が低音速の第１の媒質側に配置されているため、弾性境界波のエネルギーが第１の媒質側により多く分布するため、第１の媒質が圧電体である場合には電気機械結合係数Ｋ²を大きくすることができる。

第１の媒質及び／または第２の媒質が、複数の媒質層を積層してなる積層体により構成されている場合には、例えば圧縮応力膜と引張応力膜を積層した場合には、これらの応力を相互作用させることにより全体の応力を緩和することができる。また、音速の異なる膜を境界波の振動エネルギーが分布する範囲で積層する場合にはいずれかの膜厚をイオンビーム等でエッチングして周波数を調整することができる。また、λに対して十分に小さい膜厚で複数の膜を積層した場合には、それらの膜の中間的な音速の膜を得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の平面断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の正面断面図である。 図３は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＡｕからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の音速Ｖｍとの関係を示す図である。 図４は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＡｇからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の音速Ｖｍとの関係を示す図である。 図５は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＣｕからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の音速Ｖｍとの関係を示す図である。 図６は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＡｌからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の音速Ｖｍとの関係を示す図である。 図７は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＡｕからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ²（％）との関係を示す図である。 図８は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＡｇからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ²（％）との関係を示す図である。 図９は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＣｕからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ²（％）との関係を示す図である。 図１０は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＡｌからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ²（％）との関係を示す図である。 図１１は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＡｕからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の伝搬損失αｍ（ｄＢ／λ）との関係を示す図である。 図１２は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＡｇからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の伝搬損失αｍ（ｄＢ／λ）との関係を示す図である。 図１３は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＣｕからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の伝搬損失αｍ（ｄＢ／λ）との関係を示す図である。 図１４は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＡｌからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の伝搬損失αｍ（ｄＢ／λ）との関係を示す図である。 図１５は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＡｕからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の周波数温度係数ＴＣＦｍ（ｐｐｍ／℃）との関係を示す図である。 図１６は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＡｇからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の周波数温度係数ＴＣＦｍ（ｐｐｍ／℃）との関係を示す図である。 図１７は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＣｕからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の周波数温度係数ＴＣＦｍ（ｐｐｍ／℃）との関係を示す図である。 図１８は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴを含む電極がＡｌからなる場合の電極の厚みと弾性境界波の周波数温度係数ＴＣＦｍ（ｐｐｍ／℃）との関係を示す図である。 図１９は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造におけるＩＤＴがＡｌからなる場合の、ＳｉＯ₂の厚みと、ＳＨ型弾性境界波の基本モード（ＳＨ０）及び高次モードとの関係を示す図である。 図２０は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造におけるＩＤＴがＡｕからなる場合の、ＳｉＯ₂の厚みと、ＳＨ型弾性境界波の基本モード（ＳＨ０）及び高次モードとの関係を示す図である。 図２１は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＬｉＮｂＯ₃のオイラー角のθと、弾性境界波の音速Ｖｍ（ｍ／秒）との関係を示す図である。 図２２は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＬｉＮｂＯ₃のオイラー角のθと、弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ²（％）との関係を示す図である。 図２３は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＬｉＮｂＯ₃のオイラー角のθと、弾性境界波の伝搬損失αｍ（ｄＢ／λ）との関係を示す図である。 図２４は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＬｉＮｂＯ₃のオイラー角のθと、弾性境界波の周波数温度係数ＴＣＦｍ（ｐｐｍ／℃）との関係を示す図である。 図２５は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＬｉＮｂＯ₃のオイラー角のψと、弾性境界波の音速Ｖｍ（ｍ／秒）との関係を示す図である。 図２６は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＬｉＮｂＯ₃のオイラー角のψと、弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ²（％）との関係を示す図である。 図２７は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＬｉＮｂＯ₃のオイラー角のψと、弾性境界波の伝搬損失αｍ（ｄＢ／λ）との関係を示す図である。 図２８は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＬｉＮｂＯ₃のオイラー角のψと、弾性境界波の周波数温度係数ＴＣＦｍ（ｐｐｍ／℃）との関係を示す図である。 図２９は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＬｉＮｂＯ₃のオイラー角のφと、弾性境界波の音速Ｖｍ（ｍ／秒）との関係を示す図である。 図３０は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＬｉＮｂＯ₃のオイラー角のφと、弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ²（％）との関係を示す図である。 図３１は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＬｉＮｂＯ₃のオイラー角のφと、弾性境界波の伝搬損失αｍ（ｄＢ／λ）との関係を示す図である。 図３１は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＬｉＮｂＯ₃のオイラー角のφと、弾性境界波の周波数温度係数ＴＣＦｍ（ｐｐｍ／℃）との関係を示す図である。 図３３は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴがＡｕからなり、ＬｉＮｂＯ₃基板のオイラー角が（０°，３０°，ψ）である場合のψと、弾性境界波の音速Ｖｍ（ｍ／秒）との関係を示す図である。 図３４は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴがＡｕからなり、ＬｉＮｂＯ₃基板のオイラー角が（０°，３０°，ψ）である場合のψと、弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ²（％）との関係を示す図である。 図３５は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴがＡｕからなり、ＬｉＮｂＯ₃基板のオイラー角が（０°，３０°，ψ）である場合のψと、弾性境界波の伝搬損失αｍ（ｄＢ／λ）との関係を示す図である。 図３６は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴがＡｕからなり、ＬｉＮｂＯ₃基板のオイラー角が（０°，３０°，ψ）である場合のψと、弾性境界波の周波数温度係数ＴＣＦｍ（ｐｐｍ／℃）との関係を示す図である。 図３７は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴがＡｕからなり、ＬｉＮｂＯ₃基板のオイラー角が（φ，３０°，０°）である場合のφと、弾性境界波の音速Ｖｍ（ｍ／秒）との関係を示す図である。 図３８は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴがＡｕからなり、ＬｉＮｂＯ₃基板のオイラー角が（φ，３０°，０°）である場合のφと、弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ²（％）との関係を示す図である。 図３９は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴがＡｕからなり、ＬｉＮｂＯ₃基板のオイラー角が（φ，３０°，０°）である場合のφと、弾性境界波の伝搬損失αｍ（ｄＢ／λ）との関係を示す図である。 図４０は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＩＤＴがＡｕからなり、ＬｉＮｂＯ₃基板のオイラー角が（φ，３０°，０°）である場合のφと、弾性境界波の周波数温度係数ＴＣＦｍ（ｐｐｍ／℃）との関係を示す図である。 図４１は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波共振子において、ＳｉＮとＳｉＯ₂の厚みが、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂＝３０００ｎｍ／５００ｎｍの割合とされている場合の共振特性を示す図である。 図４２は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波共振子において、ＳｉＮとＳｉＯ₂の厚みが、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂＝３０００ｎｍ／２００ｎｍの割合とされている場合の共振特性を示す図である。 図４３は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波共振子において、ＳｉＮとＳｉＯ₂の厚みが、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂＝３０００ｎｍ／１００ｎｍの割合とされている場合の共振特性を示す図である。 図４４は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波共振子において、ＳｉＮとＳｉＯ₂の厚みが、ＰＳｉ／ＳｉＯ₂＝３０００ｎｍ／５００ｎｍの割合とされている場合の共振特性を示す図である。 図４５は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波共振子において、ＳｉＮとＳｉＯ₂の厚みが、ＰＳｉ／ＳｉＯ₂＝３０００ｎｍ／２００ｎｍの割合とされている場合の共振特性を示す図である。 図４６は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波共振子において、ＳｉＮとＳｉＯ₂の厚みが、ＰＳｉ／ＳｉＯ₂＝３０００ｎｍ／１００ｎｍの割合とされている場合の共振特性を示す図である。 図４７は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＳｉＯ₂膜の厚みを変化させた場合の周波数温度係数ＴＣＦ（ｐｐｍ／℃）の変化を示す図である。 図４８は、ＰＳｉ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＳｉＯ₂膜の厚みを変化させた場合の周波数温度係数ＴＣＦ（ｐｐｍ／℃）の変化を示す図である。 図４９は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／１５°ＹカットＸ伝搬ＬｉＮｂＯ₃基板において、ＩＤＴがＡｌからなり、ＳｉＯ₂の厚みが０．５λ、ＩＤＴの厚みが０．０５λである場合のＳＨ型弾性境界波、Ｐ波成分及びＳＶ波成分の変位分布を示す図である。 図５０は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／１５°ＹカットＸ伝搬ＬｉＮｂＯ₃基板において、ＩＤＴがＡｌからなり、ＳｉＯ₂の厚みが０．５λ、ＩＤＴの厚みが０．１０λである場合のＳＨ型弾性境界波、Ｐ波成分及びＳＶ波成分の変位分布を示す図である。 図５１は、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／１５°ＹカットＸ伝搬ＬｉＮｂＯ₃基板において、ＩＤＴがＡｕからなり、ＳｉＯ₂の厚みが０．５λ、ＩＤＴの厚みが０．０５λである場合のＳＨ型弾性境界波、Ｐ波成分及びＳＶ波成分の変位分布を示す図である。

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…第３の媒質
１４…ＩＤＴ
１４ａ，１４ｂ…電極指
１５，１６…反射器

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、本明細書において、オイラー角、結晶軸及び等価なオイラー角の意味は以下の通りとする。

オイラー角
本明細書において、基板の切断面と境界波の伝搬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１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１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、文献７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１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。

図１は、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平面断面図であり、図２は、弾性境界波装置の正面断面図である。

本実施形態の弾性境界波装置１０では、圧電性を有する第１の媒質１１上に第３の媒質１３及び、第２の媒質１２がこの順序で積層されている。そして、第１の媒質１１と第３の媒質１３との界面に、ＩＤＴ１４及び反射器１５，１６が配置されている。すなわち、第１，第３の媒質１１，１３間の界面に電極が配置されている。

ＩＤＴ１４は、複数本の電極指１４ａと複数の電極指１４ｂ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１４ａは、１方のバスバーに電気的に接続されており、複数本の電極指１４ｂが他方のバスバーに電気的に接続されている。なお、本実施形態では、ＩＤＴ１４には、交叉幅重み付が施されている。

他方、反射器１５，１６は、ＩＤＴ１４における電極指１４ａ，１４ｂが延びる方向と直交する方向の外側、すなわち、弾性境界波伝搬方向両側に配置されている。ＩＤＴ１５，１６は、弾性境界波伝搬方向と直交する方向に延びる複数本の電極指の両端を短絡した構造を有する。なお、ここでは両端が短絡された反射器を例示したが、両端が開放端となったＯＰＥＮ反射器を利用してもよい。

弾性境界波装置１０では、利用する遅い横波の音速が相対的に遅い第３の媒質１３が、音速が相対的に速い第１，第２の媒質１１，１２により挟持されている。従って、弾性境界波の振動エネルギーが、相対的に音速が遅い第３の媒質１３に閉じ込められ、伝搬され得る。すなわち、第２，第３の媒質１２，１３間の界面と、第１，第３の媒質１１，１３間の界面との間に、弾性境界波の振動エネルギーが閉じ込められることにより、弾性境界波が上記電極指１４ａ，１４ｂと直交する方向であって、ＩＤＴ１４が形成されている面の面方向に伝搬される。

本実施形態では、第１の媒質１１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からなる。第２の媒質１２は、非導電物質としてのＳｉＮからなる。また、第３の媒質１３はＳｉＯ₂からなる。

ＩＤＴ１４及び反射器１５，１６はＡｌよりも密度が大きい金属を用いて構成されている。すなわち、ＩＤＴ１４は、密度ρが３０００〜２１５００ｋｇ／ｍ³の範囲にある金属を用いて構成されている。また、ＩＤＴ１４の厚みＨ１が、ＩＤＴ１４の電極指ピッチをλとしたときに、０．００６λ≦Ｈ１≦０．２λの範囲とされており、第３の媒質１３の厚みＨ２が、Ｈ１＜Ｈ２≦０．７λの範囲とされている。従って、低損失であり、小型化を進めることができ、弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ²が大きく、高次モードスプリアスの影響が生じ難い、良好な特性を有する弾性境界波装置１０を構成することができる。これを、具体的な実験例に基づき説明する。

まず、弾性境界波装置においてＩＤＴを構成する電極材料として従来から、慣用されているＡｌと、Ａｌよりも密度が大きい金属であるＣｕ、ＡｇまたはＡｕを用いた場合の電極の厚みと、弾性境界波の音速、電気機械結合係数Ｋ²、伝搬損失αｍ及び周波数温度係数ＴＣＦとの関係を求めた。結果を図３〜図１８に示す。

なお、図３図〜１８の結果を求めるに際しては、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／１５°ＹカットＸ伝搬ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、第３の媒質であるＳｉＯ₂の厚みを０．５λとし、第１，第２の媒質の厚みは無限大とした。また、図３〜図１８においては、Ｕ２はＳＨを主成分とする弾性境界波の結果を示し、Ｕ３はＰ＋ＳＶ成分を主体とする弾性境界波の結果を示す。

オイラー角（０°，１０５°，０°）、すなわち１５°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ₃基板では、ＳＶ＋Ｐ型弾性境界波と圧電性との結合が弱いため、ＳＶ＋Ｐ型境界波はほとんど励振されず、ＳＨ波型境界波が弾性境界波として利用される主モードとなる。

なお、上記図３〜図１８についての結果は、「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) に開示されている手法に基づいて計算された値である。

なお、開放境界の場合には、第２の媒質１２と、第３の媒質１３との境界、第３の媒質１３とＩＤＴ１４との境界、ＩＤＴ１４と第１の媒質１１との境界の各境界における変位、電位、電束密度の法線成分、上下方向の応力が連続であり、第２の媒質１２と第１の媒質１１の厚みを無限とし、導体であるＩＤＴ電極１４の比誘電率を１として上記音速及び伝搬損失を求めた。また、短絡境界の場合には、第３の媒質１３とＩＤＴ１４との境界及びＩＤＴ１４と第１の媒質１１との境界における電位が０として上記音速及び伝搬損失を求めた。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）においてはＶｆは開放境界における音速を示し、Ｖは短絡境界における音速を示す。
Ｋ²＝２×｜Ｖｆ−Ｖ｜／Ｖｆ…式（１）

他方、周波数温度係数ＴＣＦは、２０℃、２５℃、及び３０℃における位相速度Ｖに基づいて下記の式（２）により求めた。
ＴＣＦ＝（Ｖ〔３０℃〕−Ｖ〔２０℃〕）／Ｖ〔２５℃〕／１０℃−αｓ
…式（２）

なお、αｓは弾性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。

また、任意のオイラー角〔φ，θ，ψ〕におけるパワーフロー角ＰＦＡは、ψ−０．５°、ψ、ψ＋０．５°における位相速度Ｖにより下記の式（３）を用いて求めた。
ＰＦＡ＝ｔａｎ^-1｛Ｖ〔ψ〕^-1×（Ｖ〔ψ＋０.５°〕−Ｖ〔ψ−０.５°〕）｝…式（３）

回転Ｙ板Ｘ伝搬のＬｉＮｂＯ₃における縦波、速い横波及び遅い横波の音速は、それぞれ、６５４７、４７５２及び４０３１ｍ／秒である。ＳｉＯ₂の縦波及び遅い横波の音速は、それぞれ、５９６０及び３７５７ｍ／秒である。ＳｉＮの縦波及び遅い横波の音速は、それぞれ、１０６４２及び５９７３ｍ／秒である。

図３〜図６及び図１１〜図１４から、いずれの金属からなる電極を用いた場合においてもＳＨ型弾性境界波の音速が、縦波、速い横波及び遅い横波のうち最も遅い波である４０３１ｍ／秒以下の音速である膜厚において、ＳＨ型境界波の伝搬損失αｍは０となっていることがわかる。

Ａｌは相対的に密度ρが小さいため、弾性境界波の音速は４０３１ｍ／秒以下となり、伝搬損失αｍを０とするための電極膜厚は厚くならざるを得ないことがわかる。他方、Ａｌよりも密度の大きい導体であるＣｕ、ＡｇまたはＡｕを用いた場合には、Ａｌよりも薄い膜厚のＩＤＴを用いて、伝搬損失αｍを０とし得ることがわかる。図３〜図６によれば電極密度が大きいほどその金属における伝搬損失αｍ＝０となる膜厚領域において、ＳＨ型境界波の音速とＰ＋ＳＶ型境界波の音速を離間できる条件が存在することが分かる。これに対し、Ａｌではその条件が存在しないことが分かる。

電極厚みが厚くなると、ＩＤＴ１４や反射器１５，１６の電極指の存在する部分と、存在しない部分との高さが大きく異なることとなる。そのため、ＩＤＴ１４や反射器１５，１６が形成されている部分上に、スパッタリングや蒸着などにより、第３の媒質１３や第２の媒質１２を形成すると、カバレッジが十分でなくなり、第３の媒質１３や第２の媒質１２に亀裂が生じるおそれがあった。また、成膜時間が長くなるため、第３の媒質１３及び第２の媒質１２の形成コストが高くなりがちである。

これに対して、上記のように、Ａｌよりも密度の大きな金属であるＣｕ、ＡｇまたはＡｕを用いた場合、電極厚みを薄くすることができるので、上記のような問題を回避することができる。また、図３〜図６によれば、電極密度が大きいほど、伝搬損失αｍが０である領域においてＳＨ型境界波の音速とＰ＋ＳＶ型境界波の音速を離間する条件が存在するのに対し、Ａｌではその条件が存在しないことがわかる。従って、ＳＨ型境界波を主モードとして利用する場合、Ａｌよりも密度の大きい金属を用いてその膜厚を０．００６λ〜０．２λの範囲にすることにより不要モードとなるＰ＋ＳＶ型境界波によるスプリアスを抑制することができる。

また、図７〜図１０から明らかなように、相対的に密度が大きい導体を用いた場合に、より大きな電気機械結合係数Ｋ²を得ることができることがわかる。密度が大きい導体を用いて構成されたＩＤＴ１４では、導体自体が非常に低音速であるため、ＩＤＴ１４付近に振動エネルギーが集中する。さらに、第１の媒質１１を圧電体により構成し、ＩＤＴ１４を圧電体に接するように形成した場合、圧電体に分布するエネルギーも増加し、より一層大きな電気機械結合係数Ｋ²を得ることができる。

なお、伝搬角により電気機械結合係数Ｋ²を調整する設計方法が従来より知られているが、大きな電気機械結合係数Ｋ²が得られると、電気機械結合係数Ｋ²の調整範囲が拡がり、設計の自由度をより一層高めることができる。

また、電極として、Ｐｔを用いた場合には、Ａｕを用いた場合とほぼ同等の結果が得られた。もっとも、Ｐｔを用いた場合、Ａｕを用いた場合に比べて密度が若干高くなるため、ＩＤＴ１４付近への振動エネルギーがより強く集中する傾向があった。

また、図４９〜図５１は、ＩＤＴ１４が、０．０５λの厚みのＡｌ、０．１０λの厚みのＡｌ及び０．０５λの厚みのＡｕからなる場合のＳＨ型弾性境界波の変位分布を示す図である。図４９から明らかなように、０．０５λの厚みのＡｌによりＩＤＴ１４が構成されている場合には、第１の媒質であるＬｉＮｂＯ₃側に振動エネルギーが放射しており、媒質間の境界部への弾性境界波の閉じ込めが十分でないことがわかる。また、図５０から明らかなように、０．１０λの厚みのＡｌによりＩＤＴ１４が構成されている場合には、振動エネルギーの放射が抑制されているが、第１の媒質１１を構成しているＬｉＮｂＯ₃側へは、図示はされていないが５λ以上、第２の媒質であるＳｉＮ側へは１．２λ程度の厚みの範囲で、振動エネルギーが分布している。従って、第１，第２の媒質の厚みを厚くしなければならないことがわかる。

これに対して、図５１に示すように、０．０５λの厚みのＡｕによりＩＤＴ１４が構成されている場合、厚みが０．０５λと薄いにもかかわらず、振動エネルギーはＬｉＮｂＯ₃側には０．９λ、ＳｉＮ側には０．９λの厚みの部分にだけ分布しているにすぎない。すなわち、境界波の振動エネルギーの閉じ込め効率が高いことがわかる。また、Ａｌよりも密度ρが大きいＡｕによりＩＤＴ１４が形成されている場合、第２の媒質であるＳｉＮ及び第１の媒質であるＬｉＮｂＯ₃のいずれをも薄くすることができるので、弾性境界波装置の低背化及び低コスト化を果たすことができる。

なお、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。

ＳｉＯ₂とＡｌの密度差及び音響特性インピーダンス差が小さいので、第３の媒質１３がＳｉＯ₂により、ＩＤＴ１４がＡｌにより構成されている場合には、ストリップの反射係数は小さい。従って、反射器１５，１６において十分な反射係数を得るには、多数のストリップ本数が必要となり、素子サイズが大型化し、好ましくない。また、ＩＤＴ１４のストリップ反射量が小さい場合には、縦結合共振子型フィルタでは、シェープファクタが劣化したり、ＥＷＣ型ＳＰＵＤＴを用いたトランスバーサル型フィルタでは、ＳＰＵＤＴの方向性が劣化するため、好ましくない。

これに対して、ＳｉＯ₂とＡｕとの密度差及び音響特性インピーダンス差は十分に大きい。従って、ＳｉＯ₂からなる第３の媒質１３と、ＡｕからなるＩＤＴ１４を形成した場合、ＩＤＴ１４におけるストリップの反射係数は十分な大きさとされ得る。また、反射器１５，１６についても、少ないストリップ本数で十分な反射係数を得られることになり、シェープファクタに優れた縦結合共振子型フィルタを形成することができ、かつ方向性の大きなＳＰＵＤＴを形成することが可能となる。

上記実施形態の弾性境界波装置１０においては、第３の媒質１３が一定の厚みを有し、その上下に、第２の媒質１２−第３の媒質１３間の界面及び第３の媒質１３−第１の媒質１１間の界面が形成されているので、第３の媒質１３の厚みが厚くなると、両界面間に閉じ込められて伝搬する高次モードが発生する。

前述したように、オイラー角（０°，１０５°，０°）のＬｉＮｂＯ₃基板では、ＳＶ＋Ｐ型境界波はほとんど励振せず、ＳＨ型境界波が主モードとなり、スプリアス応答となる高次モードも、ＳＨ型成分が主体の高次モードが強く励振される。従って、ＳＨ型の高次モードの抑制が重要である。上記３種類の媒質１１〜１３を積層してなる積層体を用いた弾性境界波装置では、第３の媒質１３を薄くすると、第３の媒質１３の上下の界面間に閉じ込められて伝搬する高次モードをカットオフすることができ、該高次モードを抑圧することができる。

図１９及び図２０は、ＩＤＴがそれぞれ、Ａｌ及びＡｕからなる場合の高次モードとＳｉＯ₂層の厚みとの関係を示す。なお、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃積層構造において、ＬｉＮｂＯ₃のオイラー角は（０°，１０５°，０°）とし、ＩＤＴの膜厚は０．０５λとした。

図１９から明らかなように、ＡｌからなるＩＤＴを用いた場合、ＳｉＯ₂の厚みが０．９λ以下では、ＳＨ型境界波高次モードスプリアスがカットオフされることになる。他方、ＡｕからなるＩＤＴを用いた場合には、図２０に示すように、ＳｉＯ₂の厚みが０．７λ以下であれば、ＳＨ型境界波の高次モードをカットオフし得ることがわかる。従って、密度が大きいＡｕにより電極を形成した場合、高次モードをカットし得るＳｉＯ₂、すなわち、第３の媒質１３の厚みをより薄くすることができ、弾性境界波装置の小型化を図り得ることがわかる。

これは、密度の大きい導体を用いた場合は、第３の媒質１３及びＩＤＴ１４付近への振動エネルギーが集中しやすくなり、高次モードが生じやすく、第３の媒質１３の厚みを薄くすることが望ましいことによる。また、図２０から明らかなように、第３の媒質１３を薄くした場合、主モードであるＳＨ０と、例えばＳＨ１で示される高次モードの音速が離れるため、主モードと高次モードとの応答周波数を離すことができ、望ましい。

図２０から明らかなように、Ａｕ、すなわちＡｌよりも密度の大きな金属を用いてＩＤＴ１４を形成した場合には、第３の媒質１３の厚みを０．７λ以下とすれば、高次モードをカットオフすることができる。もっとも、製造ばらつきに対応したり、広い周波数帯域で高次モードをカットオフするには、第３の媒質１３の厚みを０．５λ以下とすることがより望ましい。

なお、上記のように、ＳＨ型境界波が主モードである場合について説明したが、Ｐ＋ＳＶ型境界波が主モードとなる場合には、Ｐ＋ＳＶ型の高次モードが強く励振されることになる。従って、Ｐ＋ＳＶ型の高次モードを抑制することが必要である。Ｐ＋ＳＶ型の高次モードも、ＳＨ型境界波の高次モードの場合と同様に、第３の媒質１３の厚みを薄くすることにより抑制することができ、かつ高次モードの応答周波数と主モードの応答周波数を同様に遠ざけることが可能となる。

Ｐ＋ＳＶ型境界波の場合においても、第３の媒質１３の厚みを０．７λ以下とすることにより主モードと高次モードの応答周波数を十分に離すことができ、より好ましくは、０．５λ以下とすることが望ましい。

なお、Ｐ＋ＳＶ型境界波が主モードとなる条件は、例えば１２０°ＹカットＸ伝搬、オイラー角（０°，３０°，０°）のＬｉＮｂＯ₃基板を用いることにより容易に得ることができる。

図２１〜図２４は、第１の媒質１１であるＬｉＮｂＯ₃のオイラー角（０°，θ，０°）のθと、弾性境界波の音速、電気機械結合係数Ｋ²、伝搬損失、及び周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す各図である。なお、図２１〜図２４において、Ｕ２はＳＨ成分を主体とする境界波の結果であり、Ｕ３はＰ＋ＳＶ成分を主体とする境界波の結果である。なお、これらの結果を求めた条件は以下の通りである。

積層構造の詳細：ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ₃。すなわち、第１の媒質１１がＬｉＮｂＯ₃、第２の媒質１２がＳｉＮ、第３の媒質１３がＳｉＯ₂である。

ここで、第２の媒質１２のＳｉＮの厚みを無限大、第１の媒質１１の厚みを無限大とし、第３の媒質１３であるＳｉＯ₂の厚みは０．５λとし、ＩＤＴ１４はＡｕからなり、その厚みは０．０７λとした。

図２１〜図２４から明らかなように、オイラー角のθが１１４°近傍において、Ｐ＋ＳＶ型境界波によるスプリアスが小さく、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が大きくなる条件が存在することがわかる。

すなわち、好ましくは、オイラー角のθが９２°＞θ＞１１４°の範囲では、Ｐ＋ＳＶ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が１％以下となり、より好ましくは、オイラー角のθが９６°＞θ＞１１１°の範囲では、Ｐ＋ＳＶ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が０．５％以下となることがわかる。さらに好ましくは、１００°＞θ＞１０８°の範囲では、Ｐ＋ＳＶ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が０．１％以下となり、さらに、θ＝１０４°において、Ｐ＋ＳＶ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が０となり最適であり、かつＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が１４％と大きくなることがわかる。

図２５〜図２８は、図２１〜図２４と同様にして求められたオイラー角（０°，１０４°，ψ）のψと、弾性境界波の音速、電気機械結合係数Ｋ²、伝搬損失及び周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す各図である。

オイラー角のψは、弾性境界波の基板上の伝搬方向を表している。

図２５〜図２８より、オイラー角のψを０°〜６０°の範囲とすることにより、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数を０．１〜１７．８％の範囲で調整し得ることがわかる。この付近において、スプリアスとなるＰ＋ＳＶ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²は、ψ＝０°でほぼ０％であり、ψ＝３０°で０．４％、ψ＝４０°で０．７％、ψ＝５０°で１．４％と小さいことがわかる。

ψが６０°より大きいと、Ｐ＋ＳＶ型の電気機械結合係数Ｋ²は２．６％以上となり、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²は０．１％以下と小さくなる。従って、Ｐ＋ＳＶ型境界波を主モードとして利用し得ることがわかる。

図２９〜図３２は、図２１〜図２４として同様にして求められた、但しオイラー角（φ，１０４°，０°）のφと、弾性境界波の音速、電気機械結合係数Ｋ²、伝搬損失及び周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す各図である。

図２９〜図３２と、結晶の対称性により、好ましくは、オイラー角−２５°＞φ＞２５°及び９５°＞φ＞１４５°の範囲において、Ｐ＋ＳＶ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が１％以下となり、より好ましくは、オイラー角のφが−１９°＞φ＞１９°及び１０１°＞φ＞１３９°の範囲において、Ｐ＋ＳＶ型の境界波の電気機械結合係数Ｋ²が０．５％以下となり、さらに好ましくは、φが−８°＞φ＞８°及び１１２°＞φ＞１２８°の範囲において、Ｐ＋ＳＶ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が０．１％以下となり、オイラー角のφ＝０°及びφ＝１２０°において、Ｐ＋ＳＶ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²がほぼ０％となり、最適でありかつＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²は１６．７％以上と大きくなることがわかる。

また、図２１〜図２４から、θ＝３０°近傍において、ＳＨ型境界波によるスプリアスが小さく、Ｐ＋ＳＶ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²の大きな条件が存在することがわかる。

オイラー角のθが１５°＞θ＞４１°の場合、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が１％以下となり、２１°＞θ＞３８°の範囲では、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が０．５％以下となり、より望ましいことがわかる。

さらに、２６°＞θ＞３４°の範囲では、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が０．１％以下となり、より一層望ましく、またオイラー角θ＝３０°において、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²がほぼ０％となり最適であり、かつＰ＋ＳＶ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が４％以上と大きくなることがわかる。

図３３〜図３６は、図２１〜図２４と同様にして求められた、オイラー角（０°，３０°，ψ）のψと、弾性境界波の音速、Ｋ²、伝搬損失及び周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す各図である。

図３３〜図３６及び結晶の対称性により、オイラー角のψが−３５°＞ψ＞３５°の範囲では、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が１％以下となり、−２０°＞ψ＞２０°では、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が０．５％以下となりより好ましいことがわかる。また、−８°＞ψ＞８°の範囲では、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が０．１％以下となり、より一層望ましく、ψ＝０°の場合には、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²がほぼ０％となり、最適であり、かつＰ＋ＳＶ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が４．４％以上と大きくなることがわかる。

なお、オイラー角（０°，３０°，０°）付近で、Ｐ＋ＳＶ型境界波を利用する場合、伝搬角ψを３５°以上とすると、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が大きくなり、スプリアス応答となる。しかしながら、スプリアス応答が商品設計面で許容される場合において、上記ＳＨ型境界波を主モードとした場合と同様に、伝搬角ψにより電気機械結合係数Ｋ²を調整すればよい。

図３７〜図４０は、図２１〜図２４の場合と同様にして求められた、但しオイラー角（φ，３０°，０°）のφと、弾性境界波の音速、電気機械結合係数Ｋ²、伝搬損失及び周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す各図である。

図３７〜図４０と、結晶の対称性により、オイラー角のφが−３２°＞φ＞３２°及び８８°＞φ＞１５２°の範囲では、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が１％以下となり、−２１°＞φ＞２１°及び９５°＞φ＞１４５°の範囲では、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²が０．５％以下となり好ましいことがわかる。さらに、−９°＞φ＞９°及び１１１°＞φ＞１２９°の範囲では、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²は０．１％以下となりより好ましく、オイラー角のφがφ＝０°及びφ＝１２０°では、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²がほぼ０％となり最適であり、かつＰ＋ＳＶ型境界波の電気機械結合係数Ｋ²は３．９％以上と大きくなることがわかる。

ＩＤＴ電極に関しては、相対的に密度の高い第１の金属層と、相対的に密度の低い第２の金属層を交互に積層してもよく、金属の密度が３０００〜２１５００ｋｇ／ｍ³である金属層を少なくとも１層用いて形成しておれば、上記金属層にＡｌ層を付加してＩＤＴを形成してもよい。

図４１〜図４６は、上記実施形態の弾性境界波装置１０の共振特性を実際に測定した結果を示し、図４７及び図４８は、周波数温度特性を測定した結果を示す各図である。

なお、図４１〜図４６及び図４７，図４８に示した結果を得た弾性境界波装置の詳細は以下の通りである。

第１の媒質１１：ＬｉＮｂＯ₃、厚さ３７０μｍ。

第３の媒質１３：ＳｉＯ₂、厚さ１００ｎｍ、２００ｎｍまたは５００ｎｍ。

第２の媒質１２：ＳｉＮもしくはポリＳｉ（ＰＳｉ）により形成した。厚さは３．０μｍとした。

ＩＤＴ１４：Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｎｉの５層の金属層を積層した構造を有し、Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｎｉの厚みはそれぞれ、１００／１０／１０／４５／１０ｎｍとした。

ＩＤＴ１４の電極指の対数は６０対、反射器１５，１６の電極指の本数は５１本とした。また、ＩＤＴ１４における交差幅は３０λ、開口幅は３０．４λとし、中央部の交差幅は３０λ、弾性境界波伝搬方向両端部の交差幅は１５λとなるように交差幅重み付けを施した。

ＩＤＴ１４と反射器１５，１６との間の電極指中心間距離は１．６μｍとし、ＩＤＴ１４及び反射器１５，１６における電極指ピッチは０．８μｍとした。また、電極指のライン幅を０．４μｍ、電極指間のスペースの境界波伝搬方向の幅方向寸法は０．４μｍとした。

図４１〜図４３及び図４７は第２の媒質１２がＳｉＮの場合の結果を、図４４〜図４６及び図４８は第２の媒質１２がＰＳｉの場合の結果を示す。

図４１〜図４６から明らかなように、ＳｉＯ₂の厚みとＳｉＮの厚みを変化させた場合、ＳｉＯ₂の厚みとポリＳｉ（ＰＳｉ）の厚みを変化させた場合のいずれにおいても、良好な共振特性の得られることがわかる。

また、図４７及び図４８から明らかなように、ＳｉＯ₂膜の膜厚を変化させることにより、共振周波数及び反共振周波数の温度特性ＴＣＦを調整し得ることがわかる。特に、ＳｉＯ₂膜の膜厚を厚くすることにより、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができ、好ましいことがわかる。

なお、本発明は、図１に示した電極構造を有する弾性境界波共振子に限定されず、他の電極構造を有する弾性境界波共振子にも適用することができる。また、共振子に限定されず、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、弾性境界波光フィルタなどの弾性境界波を利用して構成され得る様々なフィルタ装置にも適用することができ、さらに弾性境界波光スイッチなどのスイッチング素子にも適用することが可能である。

また、電極材料は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕに限らず、Ａｌよりも密度ρが大きな他の金属、例えばＮｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｗ、Ｔａなどを用いてもよい。さらに、媒質との密着性や耐電力性を高めるために、ＴｉやＣｒ、ＮｉＣｒまたはＮｉなどの密着性に優れた薄い金属層を媒質側に積層してもよく、あるいはＩＤＴ１４などの電極を多層構造とし、電極を構成している金属層間に上記のような薄い密着層を形成してもよい。

また、１ＧＨｚを超える周波数帯で密度の大きな導体を用いてＩＤＴ１４を形成した場合には、ＩＤＴを構成する導体の厚みが薄くなりすぎ、電極指ストリップの抵抗が大きくなるおそれがある。この場合には、密度の小さい導体と密度の高い導体、例えばＡｌとＡｕとを積層することなどにより、第２の媒質／第３の媒質／積層金属膜からなるＩＤＴ／第１の媒質とした構造とすることにより、電極の低抵抗化を図ることができる。

さらに、密度の大きな金属によるＩＤＴ近傍への振動エネルギーの集中効果が得られるため、それによって電気機械結合係数を大きくすることもでき、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

第２の媒質及び第３の媒質を形成するに先立ち、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により、ＩＤＴの膜厚を調整し、それによって周波数調整を行ってもよい。

さらに、第３の媒質の厚みを、ミリングやエッチングなどにより薄くしたり、スパッタリングや蒸着などの堆積法を用いて追加成膜して厚くしてもよく、それによって周波数を調整してもよい。

第１〜第３の媒質１１〜１３は、前述した材料に限らず、Ｓｉ、ガラス、ＳｉＯ₂、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｔａ₂Ｏ₅、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｎ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＫＮなどの様々な絶縁性材料、圧電性材料により構成され得る。

また、各媒質は、複数の媒質層を積層した構造であってもよい。なお、本発明においては、ＩＤＴ１４は第３の媒質よりも大幅に低音速であることが望ましい。

ＩＤＴ１４と接している第３の媒質１３または第１の媒質１１が圧電性を有する場合には、弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ²を大きくすることができ、望ましい。

第１の媒質１１／ＩＤＴ／圧電体の外側に、弾性境界波装置の強度を高めるために、腐食系ガスなどが侵入しないための保護層を形成してもよい。場合によっては、弾性境界波装置をパッケージに封入してもよい。上記保護層としては、特に限定されず、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂などの合成樹脂からなる保護層を用いてもよく、酸化チタンもしくは窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムなどの絶縁性無機材料により保護層を形成してもよく、Ａｕ、ＡｌまたはＷなどの金属により保護層を形成してもよい。

本発明のある広い局面によれば、圧電性を有する第１の媒質と、非導電物質である第２の媒質と、伝搬する遅い横波の音速が、前記第１，第２の媒質を伝搬する遅い横波よりも低音速である第３の媒質とが、第１の媒質、第３の媒質及び第２の媒質の順に積層されている積層体と、前記第１の媒質と第３の媒質との間に配置されたＩＤＴとを備える弾性境界波装置であって、前記ＩＤＴが、密度ρの金属からなる金属層を用いて構成されており、密度ρが４５０７〜２１５００ｋｇ／ｍ^３の範囲にあり、前記ＩＤＴの厚みＨ１が、ＩＤＴの電極指ピッチをλとしたときに、０．００６λ≦Ｈ１≦０．２λの範囲にあり、前記第３の媒質の厚みＨ２がＨ１＜Ｈ２≦０．７λの範囲にあることを特徴とする弾性境界波装置が提供される。

【００２６】
【発明の効果】
本発明に係る弾性境界波装置では、圧電性を有する第１の媒質と、非導電物質である第２の媒質と、第１，第２の媒質よりも伝搬する遅い横波の音速が低音速である第３の媒質とが第１の媒質、第３の媒質及び第２の媒質の順に積層されている積層体と、第１の媒質と第３の媒質との間に配置されたＩＤＴとを備える。そして、ＩＤＴが４５０７〜２１５００ｋｇ／ｍ^３の範囲内の密度ρの金属を用いて構成されているので、弾性境界波の伝搬損失を低減することができ、弾性境界波装置における損失を低減することができる。

ＩＤＴ１４及び反射器１５，１６はＡｌよりも密度が大きい金属を用いて構成されている。すなわち、ＩＤＴ１４は、密度ρが４５０７〜２１５００ｋｇ／ｍ^３の範囲にある金属を用いて構成されている。また、ＩＤＴ１４の厚みＨ１が、ＩＤＴ１４の電極指ピッチをλとしたときに、０．００６λ≦Ｈ１≦０．２λの範囲とされており、第３の媒質１３の厚みＨ２が、Ｈ１＜Ｈ２≦０．７λの範囲とされている。従って、低損失であり、小型化を進めることができ、弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ^２が大きく、高次モードスプリアスの影響が生じ難い、良好な特性を有する弾性境界波装置１０を構成することができる。これを、具体的な実験例に基づき説明する。

ＩＤＴ電極に関しては、相対的に密度の高い第１の金属層と、相対的に密度の低い第２の金属層を交互に積層してもよく、金属の密度が４５０７〜２１５００ｋｇ／ｍ^３である金属層を少なくとも１層用いて形成しておれば、上記金属層にＡｌ層を付加してＩＤＴを形成してもよい。

また、電極材料は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕに限らず、Ａｌよりも密度ρが大きな他の金属、例えばＮｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｗ、Ｔａなどを用いてもよい。なお、Ｎｉの密度は８８４５ｋｇ／ｍ ^３ 、Ｔｉの密度は４５０７ｋｇ／ｍ ^３ 、Ｆｅの密度は７８７４ｋｇ／ｍ ^３ 、Ｗの密度は１９２６５ｋｇ／ｍ ^３ であり、Ｔａの密度は１６６７８ｋｇ／ｍ ^３ である。従って、Ｔｉの密度である密度４５０７ｋｇ／ｍ ^３ 以上の密度の金属を用いることができる。さらに、媒質との密着性や耐電力性を高めるために、ＴｉやＣｒ、ＮｉＣｒまたはＮｉなどの密着性に優れた薄い金属層を媒質側に積層してもよく、あるいはＩＤＴ１４などの電極を多層構造とし、電極を構成している金属層間に上記のような薄い密着層を形成してもよい。

Claims (10)

1. 圧電性を有する第１の媒質と、
   非導電物質である第２の媒質と、
   伝搬する遅い横波の音速が、前記第１，第２の媒質を伝搬する遅い横波よりも低音速である第３の媒質とが、第１の媒質、第３の媒質及び第２の媒質の順に積層されている積層体と、
   前記第１の媒質と第３の媒質との間に配置されたＩＤＴとを備える弾性境界波装置であって、
   前記ＩＤＴが、密度ρの金属からなる金属層を用いて構成されており、密度ρが３０００〜２１５００ｋｇ／ｍ³の範囲にあり、
   前記ＩＤＴの厚みＨ１が、ＩＤＴの電極指ピッチをλとしたときに、０．００６λ≦Ｈ１≦０．２λの範囲にあり、前記第３の媒質の厚みＨ２がＨ１＜Ｈ２≦０．７λの範囲にあることを特徴とする弾性境界波装置。
2. 前記第３の媒質の厚みＨ２が、Ｈ１＜Ｈ２＜０．５λの範囲とされている、請求項１に記載の弾性境界波装置。
3. 前記第３の媒質が、ＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂を主成分とする材料からなる、請求項１または２に記載の弾性境界波装置。
4. 前記第１の媒質がＬｉＮｂＯ₃からなり、第１の媒質のオイラー角〔φ，θ，ψ〕のφ、θ及びψが、−２５°＜φ＜２５°、９２°＜θ＜１１４°及び−６０°＜ψ＜６０°の範囲にあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
5. 前記第１の媒質がＬｉＮｂＯ₃からなり、第１の媒質のオイラー角〔φ，θ，ψ〕のφ、θ及びψが、−２５°＜φ＜２５°、９２°＜θ＜１１４°及び６０°＜ψ＜１２０°の範囲にあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
6. 前記第１の媒質がＬｉＮｂＯ₃からなり、第１の媒質のオイラー角〔φ，θ，ψ〕のφ、θ及びψが、−３２°＜φ＜３２°、１５°＜θ＜４１°及び−３５°＜ψ＜３５°の範囲にあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
7. 前記ＩＤＴを構成している金属が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｗ及びＴａからなる群から選択された金属あるいは該金属を主成分とする合金である、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ＩＤＴが、相対的に密度が高い第１の金属層と、相対的に密度が低い第２の金属層とが交互に積層されている構造を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
9. 前記第１の金属層が、前記第１の媒質側に配置されている、請求項８に記載の弾性境界波装置。
10. 前記第１の媒質及び／または第２の媒質が、複数の媒質層を積層してなる積層体により構成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。

Images