JPWO2008016075A1 - 周波数可変音響薄膜共振器、フィルタ、及びそれを用いた通信装置 - Google Patents

周波数可変音響薄膜共振器、フィルタ、及びそれを用いた通信装置 Download PDF

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Abstract

第１圧電薄膜１０１と、前記第１圧電薄膜上に形成された、電気信号を印加するための対を成す１次側電極１０３、１０４と、前記第１圧電薄膜中に発生した振動が伝播するように配置された第２圧電薄膜１０２と、前記第２圧電薄膜上に形成された、電気信号を出力するための対を成す２次側電極１０４、１０５と、前記２次側電極間に接続された負荷１０８と、前記負荷の値を制御する制御部１０９とを備えた音響薄膜共振器。前記１次側電極から入力された電気信号が圧電効果により前記２次側電極から出力される音響薄膜共振子が構成され、前記負荷の値を制御することで共振周波数、及び反共振周波数が可変である。共振特性を劣化させることなく、共振周波数、反共振周波数が同時に可変である。

Description

本発明は、スプリアスの発生を抑えることが可能な周波数可変音響薄膜共振器、及びそれを用いたフィルタに関する。
携帯機器等の電子機器に内蔵される部品は、より小型化及び軽量化されることが要求されている。例えば、携帯機器に使用されるフィルタには、小型化が要求されると共に、中心周波数、帯域が可変であることが要求される。これらの要求を満たすフィルタの１つとして、音響薄膜共振器を用いたフィルタが知られている（特許文献１〜２を参照）。
まず、図１７を参照して、特許文献１に記載された従来例の音響薄膜共振器について説明する。
図１７は、音響薄膜共振器の断面構造を示す。この音響薄膜共振器は、圧電体２およびその両面に設けられた半導体層１、３を、上部電極Ｅ２と下部電極Ｅ１とで挟んだ構造を有する。この構造が、基板Ｓの上に音響ミラー層ＡＳを介して支持されている。音響ミラー層ＡＳは、高い音響インピーダンス差を有する組み合わせの材料を用いて構成される。この音響薄膜共振器は、上部電極Ｅ２及び下部電極Ｅ１によって厚さ方向に電界が印加され、厚さ方向の振動を生じる。このとき、音響ミラー層ＡＳにより音波はほぼ１００％反射して、圧電体２と、半導体層１、３と、上部電極Ｅ２と、下部電極Ｅ１とで構成された領域に振動が集中される。
次に、この音響薄膜共振器の周波数を可変とする動作原理を説明する。
電圧を上部電極Ｅ２、及び下部電極Ｅ１へ印加することにより、電荷の拡散により生じる拡散電圧Ｖｄは増幅、または減衰される。そのため、印加される外部電圧により得られる活性層の厚さが変化する。活性層は、縦波に対して半導体層とは異なった振る舞いをするため、活性層の厚さの変化に応じて音響薄膜共振器の共振周波数が変化する。
次に、図１８、図１９Ａ、１９Ｂを参照して、特許文献２に記載された従来例の音響薄膜共振器について説明する。
図１８は、音響薄膜共振器の断面構造を示す。この音響薄膜共振器は、圧電体１３を電極１０と電極１１とで挟み、さらに電極１１の下部に、直流の印加電圧によって誘電率が変化する誘電体１４と、電極１２が形成された構造を有する。誘電体１４と電極１２により可変容量ＣＴが形成される。この音響薄膜共振器は、キャビティ１６が形成された基板１７の上に載置されて使用される。キャビティ１６は、例えば微細加工法を用いて、基板１７の裏面から部分的にエッチングして薄板部１５を形成することによって設けられる。電極１０及び電極１１によって、圧電体１３の厚さ方向に電界が印加され、厚さ方向の振動を生じる。
この音響薄膜共振器の等価回路を、図１９Ａ、１９Ｂに示す。薄膜バルク音響波共振子１８は、容量Ｃ１、インダクタＬ１及び抵抗Ｒ１が直列接続された回路と、この回路に対して並列接続された容量Ｃ０から構成された等価回路で表すことができる。可変容量素子１９は、可変容量ＣＴで構成された等価回路で表すことができる。接続の仕方により、可変容量素子１９が薄膜バルク音響波共振子１８に対して、図１９Ａに示すように直列に接続された構成、あるいは図１９Ｂに示すように並列に接続された構成となる。
図１８における電極１２と電極１１の間に直流電圧を印加して誘電体１４の誘電率を変化させることで、音響薄膜共振器の共振周波数を変化させることができる。
特表２００４−５３４４７３号公報 特開２００５−１０９５７３号公報
特許文献１に記載の音響薄膜共振器は、ＤＣバイアスにより電極サイズを可変とする構造を用いているため、共振器にＤＣを印加して周波数を制御する回路が必要であり、回路構成が複雑になる。また、共振周波数を可変とするために、音響薄膜共振器を構成する材料として圧電体以外の材料が電極間に必要となるので、損失が増加する。
また、特許文献２に記載の音響薄膜共振器では、音響薄膜共振子に直列、或いは並列に可変コンデンサが付加されている。そのため、コンデンサが音響薄膜共振子に直列に接続されている場合には、音響薄膜共振器の共振周波数と反共振周波数の差が小さくなり、フィルタ特性が悪化する。また、コンデンサが音響薄膜共振子に並列に接続されている場合には、コンデンサの損失が音響薄膜共振器の特性に大きく影響する。また、特許文献２の構成では、音響薄膜共振器の共振周波数、反共振周波数を個別に可変とすることは可能であるが、同時に可変とすることはできない。
それ故に、本発明の目的は、音響薄膜共振器の共振特性を劣化させることなく、共振周波数、反共振周波数を同時に可変とすることが可能な音響薄膜共振器及びフィルタを提供することである。
上記目的を達成するために、本発明の周波数可変音響薄膜共振器は、第１圧電薄膜と、前記第１圧電薄膜上に形成された、電気信号を印加するための対を成す１次側電極と、前記第１圧電薄膜中に発生した振動が伝播するように配置された第２圧電薄膜と、前記第２圧電薄膜上に形成された、電気信号を出力するための対を成す２次側電極と、前記２次側電極間に接続された負荷と、前記負荷の値を制御する制御部とを備える。前記１次側電極から入力された電気信号が圧電効果により前記２次側電極から出力される音響薄膜共振子が構成され、前記負荷の値を制御することで共振周波数、及び反共振周波数が可変である。
上記構成の周波数可変音響薄膜共振器によれば、共振周波数と反共振周波数を同時に可変することができる。これにより、低損失、広帯域の周波数可変音響薄膜共振器、及びフィルタ、通信機器を実現することができる。
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る周波数可変音響薄膜共振器を示すブロック図 図１Ｂは、同周波数可変音響薄膜共振器の等価回路図 図２は、本発明の実施の形態１に係る他の周波数可変音響薄膜共振器を示すブロック図 図３は、図２に示す周波数可変音響薄膜共振器における容量変化に対する周波数シフトを説明する図 図４は、図２に示す周波数可変音響薄膜共振器における容量変化に対する周波数変化量を説明する図 図５は、本発明の実施の形態１に係る他の周波数可変音響薄膜共振器を示すブロック図 図６は、本発明の実施の形態１に係る基板を有した周波数可変音響薄膜共振器を示すブロック図 図７Ａは、本発明の実施の形態１に係る他の音響薄膜共振器の表面形状を示す平面図 図７Ｂは、同音響薄膜共振器のＡ−Ａ断面図 図８Ａは、本発明の実施の形態１に係る他の音響薄膜共振器の表面形状を示す平面図 図８Ｂは、同音響薄膜共振器のＢ−Ｂ断面図 図９は、本発明の実施の形態２に係る周波数可変音響薄膜共振器を示すブロック図 図１０は、本発明の実施の形態２に係る他の周波数可変音響薄膜共振器を示すブロック図 図１１は、本発明の実施の形態３に係る周波数可変音響薄膜共振器の特性を示す図 図１２は、本発明の実施の形態４に係るフィルタを示すブロック図 図１３は、図１２に示すフィルタの動作を説明する図 図１４は、本発明の実施の形態５に係るフィルタを示すブロック図 図１５は、本発明の実施の形態６に係る共用器を示すブロック図 図１６は、本発明の実施の形態７に係る通信装置を示すブロック図 図１７は、従来例の周波数可変音響薄膜共振器を示す正面図 図１８は、他の従来例の周波数可変音響薄膜共振器を示す断面図 図１９Ａは、図１８の周波数可変音響薄膜共振器の等価回路を示す図 図１９Ｂは、図１８の周波数可変音響薄膜共振器の他の例の等価回路を示す図
符号の説明
１、３ 半導体層
２、１３ 圧電体
１０、１１、１２ 電極
１４ 誘電体
１５ 薄板部
１６ キャビティ
１７ 基板
１８ 薄膜バルク音響波共振子
１９ 可変容量素子
１００、１１０、１２０、２００、３００、３１０、４００、４１０ 音響薄膜共振子
１０１、１０２、１３１、１４１ 圧電体
１０３、１３２、１４２ 第１電極
１０４、１３４、１４４ 第２電極
１０５、１３３、１４３ 第３電極
１０６、３０１ａ、４０１ａ 入力端子
１０７、３０１ｂ、４０１ｂ 出力端子
１０８、１２３、３０２、４０２ａ、４０２ｂ 負荷
１０９、１１２、１１４、１２４、２０２、２０４、３０３ 制御部
１１１ 可変容量
１１３ 可変インダクタ
１２１、１３５、１４５ 基板
１２２、１３６、１４６ キャビティ
２０１、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ スイッチ素子
２０３ａ〜２０３ｃ 負荷Ａ〜負荷Ｃ
３０４ インダクタ
４０３ａ 制御部Ａ
４０３ｂ 制御部Ｂ
５０１ 移相器
５０２ 送信フィルタ
５０３ 受信フィルタ
６０１ アンテナ
６０２ 共用器
６０３ 低雑音アンプ
６０４ ベースバンド部
６０５ パワーアンプ
ＡＳ 音響ミラー層
ＣＴ 可変容量
Ｅ２ 上部電極
Ｅ１ 下部電極
Ｓ 基板
本発明の周波数可変音響薄膜共振器は、上記構成を基本として、以下のような種々の態様をとることができる。
すなわち、好ましくは、負荷は可変容量で構成される。前記負荷の可変範囲は、前記音響薄膜共振子の２次側容量の１／１００〜１００倍の範囲内に設定されることが望ましい。より好ましくは１／１０〜１０倍の範囲で可変とする。
また、負荷は可変インダクタでもよい。前記可変インダクタのインピーダンスの可変範囲は、前記音響薄膜共振子の２次側インピーダンスの１／１００〜１００倍の範囲内に設定されることが望ましい。より好ましくは１／１０〜１０倍の範囲で可変とする。
また、負荷はスイッチ素子でもよい。スイッチ素子の場合容易に負荷を無限大〜ゼロに可変することが可能となる。
また、負荷はスイッチ素子と容量、インダクタなどを複数組み合わせたもので構成することも可能である。この場合、負荷をＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで容易に切り替え可能となる。
また、本発明の周波数可変音響薄膜共振器は、前記第１圧電薄膜と前記第２圧電薄膜が積層配置されて、前記第１圧電薄膜と前記第２圧電薄膜の間に、両圧電薄膜に対して共通に第２電極が設けられ、前記第１圧電薄膜の前記第２電極とは反対側の面に第１電極が設けられ、前記第２圧電薄膜の前記第２電極とは反対側の面に第３電極が設けられ、前記第１および第２電極が前記１次側電極として機能し、前記第２および第３電極が前記２次側電極として機能する構成とすることができる。
この構成において好ましくは、前記第１、第２電極及び前記第１圧電薄膜を合わせた膜厚をＰと定義し、前記膜厚Ｐに前記第２圧電薄膜及び前記第３電極を加えた全体膜厚をＴと定義したとき、膜厚比Ｐ／Ｔが、前記第１、第２電極及び前記第１圧電体で構成される共振子の実効結合係数が最大となる場合よりも大きく、前記第２、第３電極及び第２圧電体で構成される共振子の実効結合係数が最大となる場合よりも小さい範囲に設定される。
また、好ましくは、前記第１圧電薄膜及び前記第２圧電薄膜がＡｌＮにより形成され、前記第１〜第３電極がＭｏにより形成され、前記第１、第２電極及び前記第１圧電薄膜を合わせた膜厚をＰと定義し、前記膜厚Ｐに前記第２圧電薄膜及び前記第３電極を加えた全体膜厚をＴと定義したとき、膜厚比Ｐ／Ｔが、０．４〜０．５の範囲に設定される。
また、好ましくは、前記第１圧電薄膜及び前記第２圧電薄膜がＡｌＮにより形成され、前記第１〜第３電極がＭｏにより形成され、前記第１、第２電極及び前記第１圧電薄膜を合わせた膜厚をＰと定義し、前記膜厚Ｐに前記第２圧電薄膜及び前記第３電極を加えた全体膜厚をＴと定義したとき、膜厚比Ｐ／Ｔが、０．５８以下に設定される。
あるいは、前記第１圧電薄膜と前記第２圧電薄膜は一体に形成されている構成とすることができる。その場合、前記１次側電極の一方と前記２次側電極の一方は共通とすることができる。
上述した本発明の音響共振器は、単独でフィルタとして機能するが、いずれか又は組み合わせて接続すれば、様々な周波数特性のフィルタを実現することができる。また、上記フィルタを用いて送信フィルタ、及び受信フィルタを構成し共用器として用いることも可能であり、さらに通信機器に用いることができる。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る周波数可変音響薄膜共振器のブロック図である。図１Ｂはその等価回路図である。
図１Ａにおいて、音響薄膜共振子１００は、積層配置された第１圧電体１０１及び第２圧電体１０２を有する。第１圧電体１０１は第１電極１０３および第２電極１０４に挟まれ、第２圧電体１０２は第２電極１０４および第３電極１０５に挟まれている。第１電極１０３には入力端子１０６が接続され、第２電極１０４はＧＮＤに接続され、第３電極１０５には出力端子１０７が接続される。第３電極１０５にはまた、負荷１０８が接続され、負荷１０８は制御部１０９によりその値を制御される。
図１Ｂに示されるように、音響薄膜共振子１００は、容量Ｃ１、抵抗Ｒ１及びインダクタＬ１が直列接続された回路と、この回路に対して並列接続された容量Ｃ０１及びＣ０２から構成された等価回路で表すことができる。
上記構成では、入力端子１０６から第１電極１０３に電気信号を印加すると、第１圧電体１０１の部分で電気機械変換により厚さ方向縦振動が励振される。励振された振動は第２圧電体１０２に伝搬し、第３電極１０５を介して出力端子１０７から電気信号として出力される。このとき、第１電極１０３と第１圧電体１０１が接する主面と逆の主面、及び第３電極１０５と第２圧電体１０２が接する主面と逆の主面において振動の腹が形成されるような定在波となる振動が利用される。
本実施の形態に係る周波数可変音響薄膜共振器では、負荷１０８が設けられ、それが制御されることによって、以下の特徴を発揮する。
すなわち、負荷１０８の値を変化させることにより、音響薄膜共振子１００中を伝搬する振動に影響が与えられ、共振周波数、反共振周波数が同時にシフトする。これは、次のような動作によるものである。定在波で振動する音響薄膜共振器では、第１圧電体１０１で励振された振動は、第２圧電体１０２に伝搬し、そこで圧電効果により電気信号（電荷）に変換される。変換された電荷は第２電極１０４と第３電極１０５から取り出されることとなるが、本実施の形態では、第２電極１０４が接地となっているため、第３電極１０５から出力される。
負荷１０８の値が無限大に近い状態の場合、第３電極１０５に発生した電荷は負荷１０８に流れることなく、再び第２圧電体１０２で振動に変換される。このときの共振周波数は、負荷１０８が接続されていない場合の共振周波数と等しくなる。
また、負荷１０８の値がゼロに近い状態の場合、第３電極１０５に発生した電荷は負荷１０８に流れ込むこととなる。その結果、第３電極１０５で発生した電荷が負荷１０８に流れる分、音響薄膜共振子１００の動作に影響を与え、共振周波数が変化することとなる。このとき共振周波数は、低周波数側にシフトする。
また、負荷１０８を任意に可変とした場合、第３電極１０５に発生した電荷が負荷１０８に流れる量が変化し、共振周波数を任意に可変とすることが可能となる。このときの共振周波数は、負荷無限大での共振周波数と、負荷がゼロでの共振周波数との間の値となる。
図２に示す周波数可変音響薄膜共振器は、図１Ａと同様の構成の音響薄膜共振子１１０に対し、図１Ａに示した負荷１０８として可変容量１１１を接続し、その容量値を制御部１１２で制御するように構成した実施例である。負荷として可変容量１１１を用いることで、第３電極１０５で発生した電荷は、可変容量１１１と第３電極１０５の間で無効電力として受け渡しされる。そのため、損失を小さくすることができる。
図３は、可変容量１１１の値を変えたときのアドミタンスの周波数特性を示した図である。可変容量１１１の容量値が小さいときは、共振周波数は負荷無限大での共振周波数付近（高周波数側）にあり、容量値を大きくすると、負荷がゼロでの共振周波数付近（低周波数側）にシフトする。
図４は、可変容量１１１の容量値Ｃｖと音響薄膜共振子１１０の出力容量Ｃｒの比Ｃｖ／Ｃｒに対する、共振周波数の変化量を示す。容量比Ｃｖ／Ｃｒが１付近の場合には、負荷変動に対する周波数変化量が大きく、そこから離れた領域では共振周波数変化量は小さい。容量比Ｃｖ／Ｃｒが０．０１〜１００の間で可変容量１１１の容量値Ｃｖを可変とすることで、周波数可変幅は、負荷無限大での共振周波数付近から負荷ゼロでの共振周波数付近まで可変とすることができる。
さらに、容量比Ｃｖ／Ｃｒが０．１〜１０の付近で容量値Ｃｖを可変とすることで、小さな負荷変動に対して、周波数変化量の大きい周波数可変音響薄膜共振器を実現することができる。
図２に示したような可変容量１１１を負荷として用いた実施例に代えて、図５に示すように、負荷として可変インダクタ１１３を用いても同様の効果を得ることができる。可変インダクタ１１３は制御部１１４により、音響薄膜共振子１１０の共振、反共振周波数を可変とするようインピーダンス値が制御される。
また、上記の例で示したような、音響薄膜共振子１００、１１０を単体で存在させた例に代えて、図６に示すように、音響薄膜共振子１２０が基板１２１により支持された構成としても、同様の効果を得ることができる。基板１２１には、振動を確保するためのキャビティ１２２が設けられている。第３電極１０５は負荷１２３に接続されており、負荷１２３は制御部１２４により、音響薄膜共振子１２０の共振、反共振周波数を可変とするよう制御される。
さらに、音響薄膜共振子１００の構造は、図１Ａに示した構造以外にも、図７Ａ、７Ｂ、あるいは図８Ａ、８Ｂに示す構造とすることもできる。
図７Ａ、７Ｂは、厚さ方向の振動で横方向に結合する振動を利用する音響薄膜共振子の実施例である。図７Ａは平面図、図７Ｂは図７ＡにおけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。圧電体１３１の一方の面に第１電極１３２および第３電極１３３が設けられ、他方の面に第２電極１３４が設けられて、圧電体１３１が第１電極１３２および第２電極１３４に挟まれた構造と、圧電体１３１が第２電極１３４および第３電極１３３に挟まれた構造が、横方向に並んで配置された構成を有する。この音響薄膜共振子が、基板１３５に形成されたキャビティ１３６上に配置されている。
図８Ａ、８Ｂは、図７Ａ、７Ｂと同様、横方向に結合した音響薄膜共振子であるが、電極を同心形状とした実施例である。図８Ａは平面図、図８Ｂは図８ＡにおけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。圧電体１４１の一方の面には、円形に形成された第１電極１４２の周囲に同心円形状に、環状の第３電極１４３が設けられている。圧電体１４１の他方の面には第２電極１４４が、第１電極１４２および第２電極１４４との間に圧電体１４１を挟むように設けられている。この音響薄膜共振子が、基板１４５に形成されたキャビティ１４６上に配置されている。図８Ａ、８Ｂに示す構造とすることで、図７Ａ、７Ｂに示す構造の音響薄膜共振子と比較して結合度を上げることができ、広帯域、低損失の特性を得ることができる。
また、本実施形態では、負荷として可変容量、可変インダクタの例を示したが、負荷として可変抵抗を用いた場合でも同様の効果が得られる。その場合、第３電極で発生した電荷は負荷により消費される。そのため、音響薄膜共振器の出力容量とインピーダンス整合する条件では、周波数可変音響薄膜共振器のＱ値が低下するなどの原因となるため、それ以外の領域で使用することが望ましい。
（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２に係る周波数可変音響薄膜共振器のブロック図である。本実施の形態が実施の形態１と異なる点は、図１Ａに示した負荷１０８に代えてスイッチ素子２０１が設けられ、スイッチ素子２０１を制御する制御部２０２が設けられている点である。
その他、音響薄膜共振子２００の構造、動作は、実施の形態１の音響薄膜共振子１００と同じであり、同一の要素については同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
上記構成による本実施の形態の周波数可変音響薄膜共振器では、スイッチ素子２０１が設けられることによって、以下の特徴を発揮する。
まず、負荷として開放状態と短絡状態とで動作できるスイッチ素子２０１を用いてＯＮ／ＯＦＦの２値で負荷を可変することで、簡単に周波数可変を実現することができる。
また、図１０に示すように、複数のスイッチ素子２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃと、それに接続された負荷Ａ２０３ａ、負荷Ｂ２０３ｂ、負荷Ｃ２０３ｃを有し、制御部２０４によりスイッチ素子２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃを切り替えて、周波数を可変とすることも可能である。この場合、所望の周波数変化量に対して、各スイッチ素子２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃをＯＮ／ＯＦＦ制御するだけで周波数可変を行うことができ、かつ、制御がＯＮ／ＯＦＦのみで簡便に行えるという効果を有するなど、実用上の効果が大きい。
（実施の形態３）
実施の形態３にかかる周波数可変音響薄膜共振器について、圧電体及び電極の膜厚の変化に対する特性の変化を示す図１１を参照して説明する。本実施の形態における周波数可変音響薄膜共振子は、基本的には図１Ａに示したものと同様の、第１圧電体と第２圧電体が積層配置された構造を有する。
図１１は、実施の形態１で示した周波数可変音響薄膜共振器の構造（図１Ａ）において、電極材料にＭｏを用いて厚みを固定し、圧電材料にＡｌＮを用いて、第１圧電体１０１と第２圧電体１０２の膜厚を変えて計算を行った結果得られた特性を示す。
図１１において、横軸は、第１電極１０３、第２電極１０４および第１圧電体１０１を合わせた膜厚Ｐの、全体膜厚Ｔに対する膜厚比Ｐ／Ｔを示している。全体膜厚Ｔは、膜厚Ｐに第２圧電体１０２及び第３電極１０５の膜厚を加えた膜厚である。図１１の丸印（○）は、周波数シフト量を示す。周波数シフト量とは、図１Ａの構成における負荷１０８の値の単位当たり変化に対して生じる周波数シフトの大きさとして定義される。三角印（△）は第１電極１０３、第２電極１０４、および第１圧電体１０１から見た、共振器の実効結合係数を示している。
第１圧電体１０１の厚みを大きくして膜厚比Ｐ／Ｔを増大させたとき、周波数シフト量は増加する。しかしながら、０．５８付近の膜厚比Ｐ／Ｔを境にその増加率が低下する。一方、実効結合係数は、膜厚比Ｐ／Ｔが０．４〜０．５の範囲で最大値を持ち、０．５を超えて膜厚比Ｐ／Ｔが増えるに従い減少する、という傾向となる。このため、膜厚比Ｐ／Ｔを０．５８よりも大きくしても周波数シフト量の増加は小さく、共振器としての特性が低下するのみとなる。
一方、第１圧電体１０１と第２圧電体１０２の膜厚が同じ時は、上下面を振動の腹として、第２電極１０４の位置に振動の腹となるような振動分布となる。このとき、第１圧電体１０１を厚くしていくと、振動の腹は第１圧電体１０１の中に入り込むような振動分布となる。その結果、圧電体の中で振動による電荷のキャンセルが発生し、入力された電気エネルギーが有効に振動に変換されないといった状況となり、実効結合係数が低下する。また、第１圧電体１０１を薄くすると振動の腹は、第２圧電体１０２の方向に移動するため、圧電体の中での電荷のキャンセルは発生せず実効結合係数は増加する。しかし、さらに第１圧電体１０１を薄くすると、第２圧電体１０２と第３電極１０５が、振動する際の機械的な負荷となるため実効結合係数の低下を招く。
また、周波数シフト量については、第２圧電体１０２で構成される共振子の特性が影響する。第２電極１０４、第２圧電体１０２、および第３電極１０５で構成される共振子の実効結合係数で決まる周波数だけシフトを行うため、膜厚比Ｐ／Ｔを小さくしていくと周波数シフト量は小さくなる。一方、膜厚比Ｐ／Ｔを大きくしていくと周波数シフト量は大きくなるが、特定の値を超えて膜厚比Ｐ／Ｔを大きくすると実効結合係数が飽和して変化量が小さくなる。本実施の形態の場合、膜厚比Ｐ／Ｔが０．５８のときがそれに相当するため、膜厚比Ｐ／Ｔが０．５８よりも小さい範囲となるように構成することが望ましい。それにより、共振器としての特性（実効結合係数）を維持したまま、十分な周波数可変の作用を得ることができる。
つまり、第１、第２電極１０３、１０４、および第１圧電体１０１で構成される共振子の実効結合係数が最大となる場合よりも膜厚比Ｐ／Ｔが大きく、第２、第３電極１０４、１０５、および第２圧電体１０２で構成される共振子の実効結合係数が最大となるよりも膜厚比Ｐ／Ｔが小さい範囲に膜厚を設定することで、実効結合係数が大きく、また、周波数シフト量が大きい周波数可変音響薄膜共振器を実現することができる。
（実施の形態４）
図１２は、実施の形態４に係るフィルタであって、本発明に係る周波数可変音響薄膜共振器を用いた構成の例を示す図である。このフィルタは、音響薄膜共振子をＬ型に接続したラダーフィルタである。音響薄膜共振子３００は、直列共振器として動作するように接続される。すなわち、入力端子３０１ａと出力端子３０１ｂとの間に直列に接続される。周波数可変音響薄膜共振子３１０は、並列共振器として動作するように接続される。すなわち、入力端子３０１ａから出力端子３０１ｂへ向かう経路と接地電位との間に接続される。ここで、音響薄膜共振子３００の共振周波数を音響薄膜共振子３１０の共振周波数よりも高く設定すれば、帯域通過特性を有するラダーフィルタを実現することができる。
図１２における音響薄膜共振子３１０は、実施の形態１あるいは実施の形態２で示した音響薄膜共振器と同じ動作を行うものであり、負荷３０２の値を制御部３０３で制御することで、共振及び反共振周波数が可変である。また、図１２の構成では、音響薄膜共振子３１０はインダクタ３０４を介して接地される。この構成とすることで、インダクタ３０４により帯域外での減衰量を維持でき、或いは減衰極の制御などを行うことができるので、使用上の効果は大きい。
次に、図１３を参照して、図１２に示す回路の動作について説明する。図１３の（Ａ）は、音響薄膜共振子３００、及び音響薄膜共振子３１０（と負荷３０２で構成された周波数可変音響薄膜共振器）のアドミタンスの周波数特性を示す図である。特性ａは、音響薄膜共振子３００の特性である。音響薄膜共振子３１０は、負荷３０２の値を可変することでアドミタンスの周波数特性が可変である。特性Ａは、音響薄膜共振子３１０の負荷３０２が重いときの特性である。特性Ｂは、音響薄膜共振子３１０の負荷３０２が軽いときの特性である。
特性Ａと特性Ｂを比較した場合、共振−反共振周波数の間隔はほぼ一定である。図１３の（Ｂ）は、図１３の（Ａ）におけるアドミタンスの周波数特性Ａを有する場合のフィルタの通過特性を示す。図１３の（Ｃ）は、アドミタンスの周波数特性Ｂを有する場合の通過特性を示している。
図１３の（Ａ）及び（Ｂ）を参照すると、音響薄膜共振子３１０の負荷３０２が重い状態では、共振周波数、反共振周波数が低域側にシフトすることが判る。一方、音響薄膜共振子３００のアドミタンスの周波数特性は一定のままである。その結果、図１３の（Ｂ）に示すような広帯域の通過特性を得ることができる。
一方、図１３の（Ａ）及び（Ｃ）を参照すると、音響薄膜共振子３１０の負荷３０２が軽い状態では、共振周波数、反共振周波数が高域側にシフトすることが判る。一方、音響薄膜共振子３００のアドミタンスの周波数特性は一定のままである。その結果、図１３の（Ｃ）に示すような通過帯域幅の狭いバンドパス特性となる。
以上のように負荷３０２を制御することで、通過帯域幅を可変とすることができる。
なお、本実施形態では、Ｌ型構成のフィルタを例示したが、フィルタは、Ｌ型構成のフィルタが多段に接続したフィルタを構成することもできる。
（実施の形態５）
図１４は、実施の形態５に係るフィルタであって、本発明に係る周波数可変音響薄膜共振器を用いた構成の例を示す図である。このフィルタは、周波数可変音響薄膜共振器をＬ型に接続したラダーフィルタである。音響薄膜共振子４００は、直列共振器として動作するように接続される。すなわち、入力端子４０１ａと出力端子４０１ｂとの間に直列に接続される。音響薄膜共振子４１０は、並列共振器として動作するように接続される。すなわち、入力端子４０１ａから出力端子４０１ｂへ向かう経路と接地電位との間に接続される。ここで、音響薄膜共振子４００の共振周波数を音響薄膜共振子４１０の共振周波数よりも高く設定すれば、帯域通過特性を有するラダーフィルタを実現することができる。
図１４における音響薄膜共振子４００、及び４１０は、実施の形態１、あるいは実施の形態２で示した音響薄膜共振器と同様に動作し、負荷４０２ａ、４０２ｂの値を、制御部Ａ４０３ａ、制御部Ｂ４０３ｂで制御することで共振及び反共振周波数が可変である。また、音響薄膜共振子４１０は、インダクタ４０４を介して接地される。この構成とすることで、インダクタ４０４により帯域外での減衰量を維持できる、或いは減衰極の制御などを行うことができ、使用上の効果は大きい。
図１４において、実施の形態４と異なる点は、直列に接続された音響薄膜共振子４００も、実施の形態１及び２で示した音響薄膜共振子と同様に構成される点である。
以上のように構成されたフィルタでは、直列に接続された音響薄膜共振子４００も並列に接続された音響薄膜共振子４１０も共振、反共振周波数が可変である。つまり、負荷４０２ａ、４０２ｂを可変とすることで、帯域幅だけでなく、中心周波数（減衰極と減衰極の中間の周波数）も可変できるなど、使用上の効果は非常に大きい。
なお、本実施の形態では、Ｌ型構成のフィルタを例示して説明を行ったが、その他のＴ型構成やπ型構成のフィルタや、格子型構成のフィルタでも同様の効果を得ることができる。また、Ｌ型構成のフィルタが多段に接続されたフィルタを構成してもよい。
（実施の形態６）
図１５は、実施の形態６にかかる共用器の構成を示すブロック図である。この共用器は、移相器５０１に、送信フィルタ５０２と受信フィルタ５０３が接続された構成を有する。送信フィルタ５０２、受信フィルタ５０３は、実施の形態１及び２に係る周波数可変音響薄膜共振器、或いは実施の形態４及び５に係るフィルタを使用して構成されている。
このように構成することで、周波数可変の共用器を実現することができる。このような周波数可変の共用器では、単一のシステムに対する共用器（フィルタ）として機能するだけでなく、周波数を切り替えて使用することで、複数のシステムに対応した共用器（フィルタ）となり、フィルタ部分の小型化の面で効果が大きい。また、移相器もフィルタの帯域幅、中心周波数制御と一体で制御することにより、低損失な共用器を実現することができる。
なお、本実施の形態では、移相器、送信フィルタ、及び受信フィルタで構成した共用器の例を示したが、他の構成に上記実施の形態の周波数可変音響薄膜共振器あるいはフィルタを使用した場合でも、同様の効果を得ることができることは言うまでも無い。
（実施の形態７）
図１６は、実施の形態７にかかる通信装置の構成を示すブロック図である。この装置は、アンテナ６０１により受信された信号が共用器６０２を介して、低雑音アンプ（ＬＮＡ）６０３に供給され、ＬＮＡ６０３の出力がベースバンド部６０４に入力されるとともに、ベースバンド部６０４から出力された信号が、パワーアンプ（ＰＡ）６０５により増幅された後、共用器６０２を介してアンテナ６０１から発信される構成を有する。共用器６０２は、実施の形態６で示した共用器と同様の構成を有する。このような構成によって、小型、低損失な通信機器を実現することができる。また、各通信システムに応じて周波数を切り替えることで単一のフィルタで複数の通信システムに対応するなど利用上の効果は大きい。
以上の各実施の形態に開示された構成はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施の形態の説明ではなく特許請求の範囲の記載によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の周波数可変音響薄膜共振器及びフィルタは、共振周波数及び反共振周波数が可変であるアドミッタンス周波数特性を得たい用途に適し、携帯電話、無線通信又はワイヤレスのインターネット接続等に利用可能である。
本発明は、スプリアスの発生を抑えることが可能な周波数可変音響薄膜共振器、及びそれを用いたフィルタに関する。
携帯機器等の電子機器に内蔵される部品は、より小型化及び軽量化されることが要求されている。例えば、携帯機器に使用されるフィルタには、小型化が要求されると共に、中心周波数、帯域が可変であることが要求される。これらの要求を満たすフィルタの１つとして、音響薄膜共振器を用いたフィルタが知られている（特許文献１〜２を参照）。
まず、図１７を参照して、特許文献１に記載された従来例の音響薄膜共振器について説明する。
図１７は、音響薄膜共振器の断面構造を示す。この音響薄膜共振器は、圧電体２およびその両面に設けられた半導体層１、３を、上部電極Ｅ２と下部電極Ｅ１とで挟んだ構造を有する。この構造が、基板Ｓの上に音響ミラー層ＡＳを介して支持されている。音響ミラー層ＡＳは、高い音響インピーダンス差を有する組み合わせの材料を用いて構成される。この音響薄膜共振器は、上部電極Ｅ２及び下部電極Ｅ１によって厚さ方向に電界が印加され、厚さ方向の振動を生じる。このとき、音響ミラー層ＡＳにより音波はほぼ１００％反射して、圧電体２と、半導体層１、３と、上部電極Ｅ２と、下部電極Ｅ１とで構成された領域に振動が集中される。
次に、この音響薄膜共振器の周波数を可変とする動作原理を説明する。
電圧を上部電極Ｅ２、及び下部電極Ｅ１へ印加することにより、電荷の拡散により生じる拡散電圧Ｖｄは増幅、または減衰される。そのため、印加される外部電圧により得られる活性層の厚さが変化する。活性層は、縦波に対して半導体層とは異なった振る舞いをするため、活性層の厚さの変化に応じて音響薄膜共振器の共振周波数が変化する。
次に、図１８、図１９Ａ、１９Ｂを参照して、特許文献２に記載された従来例の音響薄膜共振器について説明する。
図１８は、音響薄膜共振器の断面構造を示す。この音響薄膜共振器は、圧電体１３を電極１０と電極１１とで挟み、さらに電極１１の下部に、直流の印加電圧によって誘電率が変化する誘電体１４と、電極１２が形成された構造を有する。誘電体１４と電極１２により可変容量ＣＴが形成される。この音響薄膜共振器は、キャビティ１６が形成された基板１７の上に載置されて使用される。キャビティ１６は、例えば微細加工法を用いて、基板１７の裏面から部分的にエッチングして薄板部１５を形成することによって設けられる。電極１０及び電極１１によって、圧電体１３の厚さ方向に電界が印加され、厚さ方向の振動を生じる。
この音響薄膜共振器の等価回路を、図１９Ａ、１９Ｂに示す。薄膜バルク音響波共振子１８は、容量Ｃ１、インダクタＬ１及び抵抗Ｒ１が直列接続された回路と、この回路に対して並列接続された容量Ｃ０から構成された等価回路で表すことができる。可変容量素子１９は、可変容量ＣＴで構成された等価回路で表すことができる。接続の仕方により、可変容量素子１９が薄膜バルク音響波共振子１８に対して、図１９Ａに示すように直列に接続された構成、あるいは図１９Ｂに示すように並列に接続された構成となる。
図１８における電極１２と電極１１の間に直流電圧を印加して誘電体１４の誘電率を変化させることで、音響薄膜共振器の共振周波数を変化させることができる。
特表２００４−５３４４７３号公報 特開２００５−１０９５７３号公報
特許文献１に記載の音響薄膜共振器は、ＤＣバイアスにより電極サイズを可変とする構造を用いているため、共振器にＤＣを印加して周波数を制御する回路が必要であり、回路構成が複雑になる。また、共振周波数を可変とするために、音響薄膜共振器を構成する材料として圧電体以外の材料が電極間に必要となるので、損失が増加する。
また、特許文献２に記載の音響薄膜共振器では、音響薄膜共振子に直列、或いは並列に可変コンデンサが付加されている。そのため、コンデンサが音響薄膜共振子に直列に接続されている場合には、音響薄膜共振器の共振周波数と反共振周波数の差が小さくなり、フィルタ特性が悪化する。また、コンデンサが音響薄膜共振子に並列に接続されている場合には、コンデンサの損失が音響薄膜共振器の特性に大きく影響する。また、特許文献２の構成では、音響薄膜共振器の共振周波数、反共振周波数を個別に可変とすることは可能であるが、同時に可変とすることはできない。
それ故に、本発明の目的は、音響薄膜共振器の共振特性を劣化させることなく、共振周波数、反共振周波数を同時に可変とすることが可能な音響薄膜共振器及びフィルタを提供することである。
上記目的を達成するために、本発明の周波数可変音響薄膜共振器は、第１圧電薄膜と、前記第１圧電薄膜上に形成された、電気信号を印加するための対を成す１次側電極と、前記第１圧電薄膜中に発生した振動が伝播するように配置された第２圧電薄膜と、前記第２圧電薄膜上に形成された、電気信号を出力するための対を成す２次側電極と、前記２次側電極間に接続された負荷と、前記負荷の値を制御する制御部とを備える。前記１次側電極から入力された電気信号が圧電効果により前記２次側電極から出力される音響薄膜共振子が構成され、前記負荷の値を制御することで共振周波数、及び反共振周波数が可変である。
上記構成の周波数可変音響薄膜共振器によれば、共振周波数と反共振周波数を同時に可変することができる。これにより、低損失、広帯域の周波数可変音響薄膜共振器、及びフィルタ、通信機器を実現することができる。
本発明の周波数可変音響薄膜共振器は、上記構成を基本として、以下のような種々の態様をとることができる。
すなわち、好ましくは、負荷は可変容量で構成される。前記負荷の可変範囲は、前記音響薄膜共振子の２次側容量の１／１００〜１００倍の範囲内に設定されることが望ましい。より好ましくは１／１０〜１０倍の範囲で可変とする。
また、負荷は可変インダクタでもよい。前記可変インダクタのインピーダンスの可変範囲は、前記音響薄膜共振子の２次側インピーダンスの１／１００〜１００倍の範囲内に設定されることが望ましい。より好ましくは１／１０〜１０倍の範囲で可変とする。
また、負荷はスイッチ素子でもよい。スイッチ素子の場合容易に負荷を無限大〜ゼロに可変することが可能となる。
また、負荷はスイッチ素子と容量、インダクタなどを複数組み合わせたもので構成することも可能である。この場合、負荷をＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで容易に切り替え可能となる。
また、本発明の周波数可変音響薄膜共振器は、前記第１圧電薄膜と前記第２圧電薄膜が積層配置されて、前記第１圧電薄膜と前記第２圧電薄膜の間に、両圧電薄膜に対して共通に第２電極が設けられ、前記第１圧電薄膜の前記第２電極とは反対側の面に第１電極が設けられ、前記第２圧電薄膜の前記第２電極とは反対側の面に第３電極が設けられ、前記第１および第２電極が前記１次側電極として機能し、前記第２および第３電極が前記２次側電極として機能する構成とすることができる。
この構成において好ましくは、前記第１、第２電極及び前記第１圧電薄膜を合わせた膜厚をＰと定義し、前記膜厚Ｐに前記第２圧電薄膜及び前記第３電極を加えた全体膜厚をＴと定義したとき、膜厚比Ｐ／Ｔが、前記第１、第２電極及び前記第１圧電体で構成される共振子の実効結合係数が最大となる場合よりも大きく、前記第２、第３電極及び第２圧電体で構成される共振子の実効結合係数が最大となる場合よりも小さい範囲に設定される。
また、好ましくは、前記第１圧電薄膜及び前記第２圧電薄膜がＡｌＮにより形成され、前記第１〜第３電極がＭｏにより形成され、前記第１、第２電極及び前記第１圧電薄膜を合わせた膜厚をＰと定義し、前記膜厚Ｐに前記第２圧電薄膜及び前記第３電極を加えた全体膜厚をＴと定義したとき、膜厚比Ｐ／Ｔが、０．４〜０．５の範囲に設定される。
また、好ましくは、前記第１圧電薄膜及び前記第２圧電薄膜がＡｌＮにより形成され、前記第１〜第３電極がＭｏにより形成され、前記第１、第２電極及び前記第１圧電薄膜を合わせた膜厚をＰと定義し、前記膜厚Ｐに前記第２圧電薄膜及び前記第３電極を加えた全体膜厚をＴと定義したとき、膜厚比Ｐ／Ｔが、０．５８以下に設定される。
あるいは、前記第１圧電薄膜と前記第２圧電薄膜は一体に形成されている構成とすることができる。その場合、前記１次側電極の一方と前記２次側電極の一方は共通とすることができる。
上述した本発明の音響共振器は、単独でフィルタとして機能するが、いずれか又は組み合わせて接続すれば、様々な周波数特性のフィルタを実現することができる。また、上記フィルタを用いて送信フィルタ、及び受信フィルタを構成し共用器として用いることも可能であり、さらに通信機器に用いることができる。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る周波数可変音響薄膜共振器のブロック図である。図１Ｂはその等価回路図である。
図１Ａにおいて、音響薄膜共振子１００は、積層配置された第１圧電体１０１及び第２圧電体１０２を有する。第１圧電体１０１は第１電極１０３および第２電極１０４に挟まれ、第２圧電体１０２は第２電極１０４および第３電極１０５に挟まれている。第１電極１０３には入力端子１０６が接続され、第２電極１０４はＧＮＤに接続され、第３電極１０５には出力端子１０７が接続される。第３電極１０５にはまた、負荷１０８が接続され、負荷１０８は制御部１０９によりその値を制御される。
図１Ｂに示されるように、音響薄膜共振子１００は、容量Ｃ１、抵抗Ｒ１及びインダクタＬ１が直列接続された回路と、この回路に対して並列接続された容量Ｃ０１及びＣ０２から構成された等価回路で表すことができる。
上記構成では、入力端子１０６から第１電極１０３に電気信号を印加すると、第１圧電体１０１の部分で電気機械変換により厚さ方向縦振動が励振される。励振された振動は第２圧電体１０２に伝搬し、第３電極１０５を介して出力端子１０７から電気信号として出力される。このとき、第１電極１０３と第１圧電体１０１が接する主面と逆の主面、及び第３電極１０５と第２圧電体１０２が接する主面と逆の主面において振動の腹が形成されるような定在波となる振動が利用される。
本実施の形態に係る周波数可変音響薄膜共振器では、負荷１０８が設けられ、それが制御されることによって、以下の特徴を発揮する。
すなわち、負荷１０８の値を変化させることにより、音響薄膜共振子１００中を伝搬する振動に影響が与えられ、共振周波数、反共振周波数が同時にシフトする。これは、次のような動作によるものである。定在波で振動する音響薄膜共振器では、第１圧電体１０１で励振された振動は、第２圧電体１０２に伝搬し、そこで圧電効果により電気信号（電荷）に変換される。変換された電荷は第２電極１０４と第３電極１０５から取り出されることとなるが、本実施の形態では、第２電極１０４が接地となっているため、第３電極１０５から出力される。
負荷１０８の値が無限大に近い状態の場合、第３電極１０５に発生した電荷は負荷１０８に流れることなく、再び第２圧電体１０２で振動に変換される。このときの共振周波数は、負荷１０８が接続されていない場合の共振周波数と等しくなる。
また、負荷１０８の値がゼロに近い状態の場合、第３電極１０５に発生した電荷は負荷１０８に流れ込むこととなる。その結果、第３電極１０５で発生した電荷が負荷１０８に流れる分、音響薄膜共振子１００の動作に影響を与え、共振周波数が変化することとなる。このとき共振周波数は、低周波数側にシフトする。
また、負荷１０８を任意に可変とした場合、第３電極１０５に発生した電荷が負荷１０８に流れる量が変化し、共振周波数を任意に可変とすることが可能となる。このときの共振周波数は、負荷無限大での共振周波数と、負荷がゼロでの共振周波数との間の値となる。
図２に示す周波数可変音響薄膜共振器は、図１Ａと同様の構成の音響薄膜共振子１１０に対し、図１Ａに示した負荷１０８として可変容量１１１を接続し、その容量値を制御部１１２で制御するように構成した実施例である。負荷として可変容量１１１を用いることで、第３電極１０５で発生した電荷は、可変容量１１１と第３電極１０５の間で無効電力として受け渡しされる。そのため、損失を小さくすることができる。
図３は、可変容量１１１の値を変えたときのアドミタンスの周波数特性を示した図である。可変容量１１１の容量値が小さいときは、共振周波数は負荷無限大での共振周波数付近（高周波数側）にあり、容量値を大きくすると、負荷がゼロでの共振周波数付近（低周波数側）にシフトする。
図４は、可変容量１１１の容量値Ｃｖと音響薄膜共振子１１０の出力容量Ｃｒの比Ｃｖ／Ｃｒに対する、共振周波数の変化量を示す。容量比Ｃｖ／Ｃｒが１付近の場合には、負荷変動に対する周波数変化量が大きく、そこから離れた領域では共振周波数変化量は小さい。容量比Ｃｖ／Ｃｒが０．０１〜１００の間で可変容量１１１の容量値Ｃｖを可変とすることで、周波数可変幅は、負荷無限大での共振周波数付近から負荷ゼロでの共振周波数付近まで可変とすることができる。
さらに、容量比Ｃｖ／Ｃｒが０．１〜１０の付近で容量値Ｃｖを可変とすることで、小さな負荷変動に対して、周波数変化量の大きい周波数可変音響薄膜共振器を実現することができる。
図２に示したような可変容量１１１を負荷として用いた実施例に代えて、図５に示すように、負荷として可変インダクタ１１３を用いても同様の効果を得ることができる。可変インダクタ１１３は制御部１１４により、音響薄膜共振子１１０の共振、反共振周波数を可変とするようインピーダンス値が制御される。
また、上記の例で示したような、音響薄膜共振子１００、１１０を単体で存在させた例に代えて、図６に示すように、音響薄膜共振子１２０が基板１２１により支持された構成としても、同様の効果を得ることができる。基板１２１には、振動を確保するためのキャビティ１２２が設けられている。第３電極１０５は負荷１２３に接続されており、負荷１２３は制御部１２４により、音響薄膜共振子１２０の共振、反共振周波数を可変とするよう制御される。
さらに、音響薄膜共振子１００の構造は、図１Ａに示した構造以外にも、図７Ａ、７Ｂ、あるいは図８Ａ、８Ｂに示す構造とすることもできる。
図７Ａ、７Ｂは、厚さ方向の振動で横方向に結合する振動を利用する音響薄膜共振子の実施例である。図７Ａは平面図、図７Ｂは図７ＡにおけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。圧電体１３１の一方の面に第１電極１３２および第３電極１３３が設けられ、他方の面に第２電極１３４が設けられて、圧電体１３１が第１電極１３２および第２電極１３４に挟まれた構造と、圧電体１３１が第２電極１３４および第３電極１３３に挟まれた構造が、横方向に並んで配置された構成を有する。この音響薄膜共振子が、基板１３５に形成されたキャビティ１３６上に配置されている。
図８Ａ、８Ｂは、図７Ａ、７Ｂと同様、横方向に結合した音響薄膜共振子であるが、電極を同心形状とした実施例である。図８Ａは平面図、図８Ｂは図８ＡにおけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。圧電体１４１の一方の面には、円形に形成された第１電極１４２の周囲に同心円形状に、環状の第３電極１４３が設けられている。圧電体１４１の他方の面には第２電極１４４が、第１電極１４２および第２電極１４４との間に圧電体１４１を挟むように設けられている。この音響薄膜共振子が、基板１４５に形成されたキャビティ１４６上に配置されている。図８Ａ、８Ｂに示す構造とすることで、図７Ａ、７Ｂに示す構造の音響薄膜共振子と比較して結合度を上げることができ、広帯域、低損失の特性を得ることができる。
また、本実施形態では、負荷として可変容量、可変インダクタの例を示したが、負荷として可変抵抗を用いた場合でも同様の効果が得られる。その場合、第３電極で発生した電荷は負荷により消費される。そのため、音響薄膜共振器の出力容量とインピーダンス整合する条件では、周波数可変音響薄膜共振器のＱ値が低下するなどの原因となるため、それ以外の領域で使用することが望ましい。
（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２に係る周波数可変音響薄膜共振器のブロック図である。本実施の形態が実施の形態１と異なる点は、図１Ａに示した負荷１０８に代えてスイッチ素子２０１が設けられ、スイッチ素子２０１を制御する制御部２０２が設けられている点である。
その他、音響薄膜共振子２００の構造、動作は、実施の形態１の音響薄膜共振子１００と同じであり、同一の要素については同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
上記構成による本実施の形態の周波数可変音響薄膜共振器では、スイッチ素子２０１が設けられることによって、以下の特徴を発揮する。
まず、負荷として開放状態と短絡状態とで動作できるスイッチ素子２０１を用いてＯＮ／ＯＦＦの２値で負荷を可変することで、簡単に周波数可変を実現することができる。
また、図１０に示すように、複数のスイッチ素子２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃと、それに接続された負荷Ａ２０３ａ、負荷Ｂ２０３ｂ、負荷Ｃ２０３ｃを有し、制御部２０４によりスイッチ素子２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃを切り替えて、周波数を可変とすることも可能である。この場合、所望の周波数変化量に対して、各スイッチ素子２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃをＯＮ／ＯＦＦ制御するだけで周波数可変を行うことができ、かつ、制御がＯＮ／ＯＦＦのみで簡便に行えるという効果を有するなど、実用上の効果が大きい。
（実施の形態３）
実施の形態３にかかる周波数可変音響薄膜共振器について、圧電体及び電極の膜厚の変化に対する特性の変化を示す図１１を参照して説明する。本実施の形態における周波数可変音響薄膜共振子は、基本的には図１Ａに示したものと同様の、第１圧電体と第２圧電体が積層配置された構造を有する。
図１１は、実施の形態１で示した周波数可変音響薄膜共振器の構造（図１Ａ）において、電極材料にＭｏを用いて厚みを固定し、圧電材料にＡｌＮを用いて、第１圧電体１０１と第２圧電体１０２の膜厚を変えて計算を行った結果得られた特性を示す。
図１１において、横軸は、第１電極１０３、第２電極１０４および第１圧電体１０１を合わせた膜厚Ｐの、全体膜厚Ｔに対する膜厚比Ｐ／Ｔを示している。全体膜厚Ｔは、膜厚Ｐに第２圧電体１０２及び第３電極１０５の膜厚を加えた膜厚である。図１１の丸印（○）は、周波数シフト量を示す。周波数シフト量とは、図１Ａの構成における負荷１０８の値の単位当たり変化に対して生じる周波数シフトの大きさとして定義される。三角印（△）は第１電極１０３、第２電極１０４、および第１圧電体１０１から見た、共振器の実効結合係数を示している。
第１圧電体１０１の厚みを大きくして膜厚比Ｐ／Ｔを増大させたとき、周波数シフト量は増加する。しかしながら、０．５８付近の膜厚比Ｐ／Ｔを境にその増加率が低下する。一方、実効結合係数は、膜厚比Ｐ／Ｔが０．４〜０．５の範囲で最大値を持ち、０．５を超えて膜厚比Ｐ／Ｔが増えるに従い減少する、という傾向となる。このため、膜厚比Ｐ／Ｔを０．５８よりも大きくしても周波数シフト量の増加は小さく、共振器としての特性が低下するのみとなる。
一方、第１圧電体１０１と第２圧電体１０２の膜厚が同じ時は、上下面を振動の腹として、第２電極１０４の位置に振動の腹となるような振動分布となる。このとき、第１圧電体１０１を厚くしていくと、振動の腹は第１圧電体１０１の中に入り込むような振動分布となる。その結果、圧電体の中で振動による電荷のキャンセルが発生し、入力された電気エネルギーが有効に振動に変換されないといった状況となり、実効結合係数が低下する。また、第１圧電体１０１を薄くすると振動の腹は、第２圧電体１０２の方向に移動するため、圧電体の中での電荷のキャンセルは発生せず実効結合係数は増加する。しかし、さらに第１圧電体１０１を薄くすると、第２圧電体１０２と第３電極１０５が、振動する際の機械的な負荷となるため実効結合係数の低下を招く。
また、周波数シフト量については、第２圧電体１０２で構成される共振子の特性が影響する。第２電極１０４、第２圧電体１０２、および第３電極１０５で構成される共振子の実効結合係数で決まる周波数だけシフトを行うため、膜厚比Ｐ／Ｔを小さくしていくと周波数シフト量は小さくなる。一方、膜厚比Ｐ／Ｔを大きくしていくと周波数シフト量は大きくなるが、特定の値を超えて膜厚比Ｐ／Ｔを大きくすると実効結合係数が飽和して変化量が小さくなる。本実施の形態の場合、膜厚比Ｐ／Ｔが０．５８のときがそれに相当するため、膜厚比Ｐ／Ｔが０．５８よりも小さい範囲となるように構成することが望ましい。それにより、共振器としての特性（実効結合係数）を維持したまま、十分な周波数可変の作用を得ることができる。
つまり、第１、第２電極１０３、１０４、および第１圧電体１０１で構成される共振子の実効結合係数が最大となる場合よりも膜厚比Ｐ／Ｔが大きく、第２、第３電極１０４、１０５、および第２圧電体１０２で構成される共振子の実効結合係数が最大となるよりも膜厚比Ｐ／Ｔが小さい範囲に膜厚を設定することで、実効結合係数が大きく、また、周波数シフト量が大きい周波数可変音響薄膜共振器を実現することができる。
（実施の形態４）
図１２は、実施の形態４に係るフィルタであって、本発明に係る周波数可変音響薄膜共振器を用いた構成の例を示す図である。このフィルタは、音響薄膜共振子をＬ型に接続したラダーフィルタである。音響薄膜共振子３００は、直列共振器として動作するように接続される。すなわち、入力端子３０１ａと出力端子３０１ｂとの間に直列に接続される。周波数可変音響薄膜共振子３１０は、並列共振器として動作するように接続される。すなわち、入力端子３０１ａから出力端子３０１ｂへ向かう経路と接地電位との間に接続される。ここで、音響薄膜共振子３００の共振周波数を音響薄膜共振子３１０の共振周波数よりも高く設定すれば、帯域通過特性を有するラダーフィルタを実現することができる。
図１２における音響薄膜共振子３１０は、実施の形態１あるいは実施の形態２で示した音響薄膜共振器と同じ動作を行うものであり、負荷３０２の値を制御部３０３で制御することで、共振及び反共振周波数が可変である。また、図１２の構成では、音響薄膜共振子３１０はインダクタ３０４を介して接地される。この構成とすることで、インダクタ３０４により帯域外での減衰量を維持でき、或いは減衰極の制御などを行うことができるので、使用上の効果は大きい。
次に、図１３を参照して、図１２に示す回路の動作について説明する。図１３の（Ａ）は、音響薄膜共振子３００、及び音響薄膜共振子３１０（と負荷３０２で構成された周波数可変音響薄膜共振器）のアドミタンスの周波数特性を示す図である。特性ａは、音響薄膜共振子３００の特性である。音響薄膜共振子３１０は、負荷３０２の値を可変することでアドミタンスの周波数特性が可変である。特性Ａは、音響薄膜共振子３１０の負荷３０２が重いときの特性である。特性Ｂは、音響薄膜共振子３１０の負荷３０２が軽いときの特性である。
特性Ａと特性Ｂを比較した場合、共振−反共振周波数の間隔はほぼ一定である。図１３の（Ｂ）は、図１３の（Ａ）におけるアドミタンスの周波数特性Ａを有する場合のフィルタの通過特性を示す。図１３の（Ｃ）は、アドミタンスの周波数特性Ｂを有する場合の通過特性を示している。
図１３の（Ａ）及び（Ｂ）を参照すると、音響薄膜共振子３１０の負荷３０２が重い状態では、共振周波数、反共振周波数が低域側にシフトすることが判る。一方、音響薄膜共振子３００のアドミタンスの周波数特性は一定のままである。その結果、図１３の（Ｂ）に示すような広帯域の通過特性を得ることができる。
一方、図１３の（Ａ）及び（Ｃ）を参照すると、音響薄膜共振子３１０の負荷３０２が軽い状態では、共振周波数、反共振周波数が高域側にシフトすることが判る。一方、音響薄膜共振子３００のアドミタンスの周波数特性は一定のままである。その結果、図１３の（Ｃ）に示すような通過帯域幅の狭いバンドパス特性となる。
以上のように負荷３０２を制御することで、通過帯域幅を可変とすることができる。
なお、本実施形態では、Ｌ型構成のフィルタを例示したが、フィルタは、Ｌ型構成のフィルタが多段に接続したフィルタを構成することもできる。
（実施の形態５）
図１４は、実施の形態５に係るフィルタであって、本発明に係る周波数可変音響薄膜共振器を用いた構成の例を示す図である。このフィルタは、周波数可変音響薄膜共振器をＬ型に接続したラダーフィルタである。音響薄膜共振子４００は、直列共振器として動作するように接続される。すなわち、入力端子４０１ａと出力端子４０１ｂとの間に直列に接続される。音響薄膜共振子４１０は、並列共振器として動作するように接続される。すなわち、入力端子４０１ａから出力端子４０１ｂへ向かう経路と接地電位との間に接続される。ここで、音響薄膜共振子４００の共振周波数を音響薄膜共振子４１０の共振周波数よりも高く設定すれば、帯域通過特性を有するラダーフィルタを実現することができる。
図１４における音響薄膜共振子４００、及び４１０は、実施の形態１、あるいは実施の形態２で示した音響薄膜共振器と同様に動作し、負荷４０２ａ、４０２ｂの値を、制御部Ａ４０３ａ、制御部Ｂ４０３ｂで制御することで共振及び反共振周波数が可変である。また、音響薄膜共振子４１０は、インダクタ４０４を介して接地される。この構成とすることで、インダクタ４０４により帯域外での減衰量を維持できる、或いは減衰極の制御などを行うことができ、使用上の効果は大きい。
図１４において、実施の形態４と異なる点は、直列に接続された音響薄膜共振子４００も、実施の形態１及び２で示した音響薄膜共振子と同様に構成される点である。
以上のように構成されたフィルタでは、直列に接続された音響薄膜共振子４００も並列に接続された音響薄膜共振子４１０も共振、反共振周波数が可変である。つまり、負荷４０２ａ、４０２ｂを可変とすることで、帯域幅だけでなく、中心周波数（減衰極と減衰極の中間の周波数）も可変できるなど、使用上の効果は非常に大きい。
なお、本実施の形態では、Ｌ型構成のフィルタを例示して説明を行ったが、その他のＴ型構成やπ型構成のフィルタや、格子型構成のフィルタでも同様の効果を得ることができる。また、Ｌ型構成のフィルタが多段に接続されたフィルタを構成してもよい。
（実施の形態６）
図１５は、実施の形態６にかかる共用器の構成を示すブロック図である。この共用器は、移相器５０１に、送信フィルタ５０２と受信フィルタ５０３が接続された構成を有する。送信フィルタ５０２、受信フィルタ５０３は、実施の形態１及び２に係る周波数可変音響薄膜共振器、或いは実施の形態４及び５に係るフィルタを使用して構成されている。
このように構成することで、周波数可変の共用器を実現することができる。このような周波数可変の共用器では、単一のシステムに対する共用器（フィルタ）として機能するだけでなく、周波数を切り替えて使用することで、複数のシステムに対応した共用器（フィルタ）となり、フィルタ部分の小型化の面で効果が大きい。また、移相器もフィルタの帯域幅、中心周波数制御と一体で制御することにより、低損失な共用器を実現することができる。
なお、本実施の形態では、移相器、送信フィルタ、及び受信フィルタで構成した共用器の例を示したが、他の構成に上記実施の形態の周波数可変音響薄膜共振器あるいはフィルタを使用した場合でも、同様の効果を得ることができることは言うまでも無い。
（実施の形態７）
図１６は、実施の形態７にかかる通信装置の構成を示すブロック図である。この装置は、アンテナ６０１により受信された信号が共用器６０２を介して、低雑音アンプ（ＬＮＡ）６０３に供給され、ＬＮＡ６０３の出力がベースバンド部６０４に入力されるとともに、ベースバンド部６０４から出力された信号が、パワーアンプ（ＰＡ）６０５により増幅された後、共用器６０２を介してアンテナ６０１から発信される構成を有する。共用器６０２は、実施の形態６で示した共用器と同様の構成を有する。このような構成によって、小型、低損失な通信機器を実現することができる。また、各通信システムに応じて周波数を切り替えることで単一のフィルタで複数の通信システムに対応するなど利用上の効果は大きい。
以上の各実施の形態に開示された構成はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施の形態の説明ではなく特許請求の範囲の記載によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の周波数可変音響薄膜共振器及びフィルタは、共振周波数及び反共振周波数が可変であるアドミッタンス周波数特性を得たい用途に適し、携帯電話、無線通信又はワイヤレスのインターネット接続等に利用可能である。
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る周波数可変音響薄膜共振器を示すブロック図 図１Ｂは、同周波数可変音響薄膜共振器の等価回路図 図２は、本発明の実施の形態１に係る他の周波数可変音響薄膜共振器を示すブロック図 図３は、図２に示す周波数可変音響薄膜共振器における容量変化に対する周波数シフトを説明する図 図４は、図２に示す周波数可変音響薄膜共振器における容量変化に対する周波数変化量を説明する図 図５は、本発明の実施の形態１に係る他の周波数可変音響薄膜共振器を示すブロック図 図６は、本発明の実施の形態１に係る基板を有した周波数可変音響薄膜共振器を示すブロック図 図７Ａは、本発明の実施の形態１に係る他の音響薄膜共振器の表面形状を示す平面図 図７Ｂは、同音響薄膜共振器のＡ−Ａ断面図 図８Ａは、本発明の実施の形態１に係る他の音響薄膜共振器の表面形状を示す平面図 図８Ｂは、同音響薄膜共振器のＢ−Ｂ断面図 図９は、本発明の実施の形態２に係る周波数可変音響薄膜共振器を示すブロック図 図１０は、本発明の実施の形態２に係る他の周波数可変音響薄膜共振器を示すブロック図 図１１は、本発明の実施の形態３に係る周波数可変音響薄膜共振器の特性を示す図 図１２は、本発明の実施の形態４に係るフィルタを示すブロック図 図１３は、図１２に示すフィルタの動作を説明する図 図１４は、本発明の実施の形態５に係るフィルタを示すブロック図 図１５は、本発明の実施の形態６に係る共用器を示すブロック図 図１６は、本発明の実施の形態７に係る通信装置を示すブロック図 図１７は、従来例の周波数可変音響薄膜共振器を示す正面図 図１８は、他の従来例の周波数可変音響薄膜共振器を示す断面図 図１９Ａは、図１８の周波数可変音響薄膜共振器の等価回路を示す図 図１９Ｂは、図１８の周波数可変音響薄膜共振器の他の例の等価回路を示す図
符号の説明
１、３ 半導体層
２、１３ 圧電体
１０、１１、１２ 電極
１４ 誘電体
１５ 薄板部
１６ キャビティ
１７ 基板
１８ 薄膜バルク音響波共振子
１９ 可変容量素子
１００、１１０、１２０、２００、３００、３１０、４００、４１０ 音響薄膜共振子
１０１、１０２、１３１、１４１ 圧電体
１０３、１３２、１４２ 第１電極
１０４、１３４、１４４ 第２電極
１０５、１３３、１４３ 第３電極
１０６、３０１ａ、４０１ａ 入力端子
１０７、３０１ｂ、４０１ｂ 出力端子
１０８、１２３、３０２、４０２ａ、４０２ｂ 負荷
１０９、１１２、１１４、１２４、２０２、２０４、３０３ 制御部
１１１ 可変容量
１１３ 可変インダクタ
１２１、１３５、１４５ 基板
１２２、１３６、１４６ キャビティ
２０１、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ スイッチ素子
２０３ａ〜２０３ｃ 負荷Ａ〜負荷Ｃ
３０４ インダクタ
４０３ａ 制御部Ａ
４０３ｂ 制御部Ｂ
５０１ 移相器
５０２ 送信フィルタ
５０３ 受信フィルタ
６０１ アンテナ
６０２ 共用器
６０３ 低雑音アンプ
６０４ ベースバンド部
６０５ パワーアンプ
ＡＳ 音響ミラー層
ＣＴ 可変容量
Ｅ２ 上部電極
Ｅ１ 下部電極
Ｓ 基板

Claims (18)

  1. 第１圧電薄膜と、
    前記第１圧電薄膜上に形成された、電気信号を印加するための対を成す１次側電極と、
    前記第１圧電薄膜中に発生した振動が伝播するように配置された第２圧電薄膜と、
    前記第２圧電薄膜上に形成された、電気信号を出力するための対を成す２次側電極と、
    前記２次側電極間に接続された負荷と、
    前記負荷の値を制御する制御部とを備え、
    前記１次側電極から入力された電気信号が圧電効果により前記２次側電極から出力される音響薄膜共振子が構成され、
    前記負荷の値を制御することで共振周波数、及び反共振周波数が可変であることを特徴とする周波数可変音響薄膜共振器。
  2. 前記負荷は、可変容量である請求項１に記載の周波数可変音響薄膜共振器。
  3. 前記負荷の可変範囲は、前記音響薄膜共振子の２次側容量の１／１００〜１００倍の範囲内に設定された請求項２に記載の周波数可変音響薄膜共振器。
  4. 前記負荷の可変範囲は、前記音響薄膜共振子の２次側容量の１／１０〜１０倍の範囲内に設定された請求項３に記載の周波数可変音響薄膜共振器。
  5. 前記負荷は、可変インダクタである請求項１に記載の周波数可変音響薄膜共振器。
  6. 前記可変インダクタのインピーダンスの可変範囲は、前記音響薄膜共振子の２次側インピーダンスの１／１００〜１００倍の範囲内に設定された請求項５に記載の周波数可変音響薄膜共振器。
  7. 前記可変インダクタのインピーダンスの可変範囲は、前記音響薄膜共振子の２次側インピーダンスの１／１０〜１０倍の範囲内に設定された請求項６に記載の周波数可変音響薄膜共振器。
  8. 前記負荷は、スイッチ素子により負荷無限大と負荷ゼロを切り替える構成を有する請求項１に記載の周波数可変音響薄膜共振器。
  9. 前記負荷は、複数のスイッチ素子と、前記スイッチ素子により接続と遮断が切換えられる複数の負荷により構成され、前記スイッチ素子を切り替えることにより負荷の値が可変である請求項１に記載の周波数可変音響薄膜共振器。
  10. 前記第１圧電薄膜と前記第２圧電薄膜が積層配置されて、
    前記第１圧電薄膜と前記第２圧電薄膜の間に、両圧電薄膜に対して共通に第２電極が設けられ、
    前記第１圧電薄膜の前記第２電極とは反対側の面に第１電極が設けられ、
    前記第２圧電薄膜の前記第２電極とは反対側の面に第３電極が設けられ、
    前記第１および第２電極が前記１次側電極として機能し、
    前記第２および第３電極が前記２次側電極として機能する請求項１に記載の周波数可変音響薄膜共振器。
  11. 前記第１、第２電極及び前記第１圧電薄膜を合わせた膜厚をＰと定義し、前記膜厚Ｐに前記第２圧電薄膜及び前記第３電極を加えた全体膜厚をＴと定義したとき、膜厚比Ｐ／Ｔが、前記第１、第２電極及び前記第１圧電体で構成される共振子の実効結合係数が最大となる場合よりも大きく、前記第２、第３電極及び第２圧電体で構成される共振子の実効結合係数が最大となる場合よりも小さい範囲に設定された請求項１０に記載の周波数可変音響薄膜共振器。
  12. 前記第１圧電薄膜及び前記第２圧電薄膜がＡｌＮにより形成され、
    前記第１〜第３電極がＭｏにより形成され、
    前記第１、第２電極及び前記第１圧電薄膜を合わせた膜厚をＰと定義し、前記膜厚Ｐに前記第２圧電薄膜及び前記第３電極を加えた全体膜厚をＴと定義したとき、膜厚比Ｐ／Ｔが、０．４〜０．５の範囲に設定された請求項１０に記載の周波数可変音響薄膜共振器。
  13. 前記第１圧電薄膜及び前記第２圧電薄膜がＡｌＮにより形成され、
    前記第１〜第３電極がＭｏにより形成され、
    前記第１、第２電極及び前記第１圧電薄膜を合わせた膜厚をＰと定義し、前記膜厚Ｐに前記第２圧電薄膜及び前記第３電極を加えた全体膜厚をＴと定義したとき、膜厚比Ｐ／Ｔが、０．５８以下に設定された請求項１０に記載の周波数可変音響薄膜共振器。
  14. 前記第１圧電薄膜と前記第２圧電薄膜は一体に形成されている請求項１に記載の周波数可変音響薄膜共振器。
  15. 前記１次側電極の一方と前記２次側電極の一方は共通である請求項１４に記載の周波数可変音響薄膜共振器。
  16. 請求項１〜１５のいずれかに記載の周波数可変音響薄膜共振器を、単独又は組み合わせて構成されたフィルタ。
  17. 請求項１６に記載のフィルタを備えた共用器。
  18. 請求項１７に記載の共用器を備えた通信装置。
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