JPWO2008078481A1 - 弾性境界波装置 - Google Patents

Abstract

比較的簡単な構造で高次モードスプリアスを効果的に抑圧することが可能とされている弾性境界波装置を提供する。圧電体２と誘電体３との境界にＩＤＴ電極５が配置されており、圧電体２の上記境界と反対側の面に線熱膨張係数が圧電体２よりも小さい材料からなる低熱膨張率媒質層４が積層されており、前記圧電体２、誘電体３及び低熱膨張率媒質層４における弾性境界波伝搬方向における横波の音速が下記の式（１）を満たし、かつＩＤＴ電極５の波長をλとしたときに、誘電体における横波の音速／λが下記の式（２）を満たす、弾性境界波装置１。誘電体における横波の音速＜圧電体におけるＳＨ波の音速＜低熱膨張率媒質層における横波の音速…式（１）弾性境界波の応答周波数＜誘電体における横波の音速／λ＜高次モードの応答周波数…式（２）

Description

本発明は、例えば共振子や帯域フィルタなどに用いられる弾性境界波装置に関し、より詳細には、圧電体と誘電体との境界を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置に関する。

従来、携帯電話機の帯域フィルタなどにおいて、弾性表面波装置が広く用いられている。例えば、下記の特許文献１には、図１４に略図的に断面構造を示す弾性表面波フィルタが開示されている。

図１４に示す弾性表面波フィルタ５０１では、ＬｉＴａＯ_３からなる圧電体５０２上に、ＩＤＴ電極５０３が形成されている。圧電体５０２のＩＤＴ電極５０３が形成されている面とは反対側の面である裏面にサファイア５０４が接合されている。圧電体５０２の厚みをＴ、利用する弾性表面波の波長をλとしたときに、圧電体の５０２の厚みと弾性表面波の波長λとの比Ｔ／λが１０以上とされている。それによって、圧電体５０２とサファイア５０４との境界面でのバルク波（ＢＡＷ）の反射によるスプリアスを低減することができるとされている。

近年、弾性表面波装置に代えて、圧電体と誘電体との境界を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置が種々提案されている。弾性表面波装置では、圧電体表面に形成されたＩＤＴ電極を励振させるに際し、振動を妨げないための空隙を設ける必要あった。そのため、パッケージ構造が複雑かつ大型にならざるを得なかった。これに対して、弾性境界波装置では、圧電体と誘電体との境界を伝搬する弾性境界波を用いているため、空隙を設ける必要がない。従って、パッケージの簡略化及び小型化を図ることが可能となる。

他方、下記の特許文献２には、吸音媒質／ＳｉＯ_２／ＩＤＴ電極／ＬｉＮｂＯ_３の積層構造を有する弾性境界波装置が開示されている。ここでは、吸音媒質の横波音速が、ＳｉＯ_２の横波音速よりも遅くされている。吸音媒質は、エポキシ樹脂あるいはポーラスなＳｉＯ_２により構成されている。上記吸音媒質を設けることにより、高次モードスプリアスが抑制されると述べられている。

また、下記の特許文献３には、多結晶ケイ素膜／多結晶酸化ケイ素膜／ＩＤＴ／圧電単結晶基板からなる積層構造を有する弾性境界波装置が開示されている。ここでは、多結晶ケイ素膜を形成することにより、ＩＤＴ電極で励振される弾性境界波が多結晶酸化ケイ素膜までの部分に閉じ込められている。また、多結晶ケイ素膜及び多結晶酸化ケイ素膜によりＩＤＴ電極が確実に保護されるとされている。

また、下記の特許文献４には、圧電体と誘電体との境界にＩＤＴ電極が配置されており、ＳＨ型の弾性境界波を利用した弾性境界波装置が開示されている。ここでは、誘電体を伝搬する遅い横波の音速及び圧電体を伝搬する遅い横波の音速よりもＳＨ型境界波の音速を低くするようにＩＤＴ電極の厚みが決定されている。それによって、電気機械結合係数が大きく、伝搬損失及びパワーフロー角が小さく、周波数温度係数ＴＣＦが適度な範囲に調整され得る旨が記載されている。
特開２００４−１８６８６８号公報 ＷＯ ２００５／０６９４８６ Ａ１ ＷＯ ９８／５２２７９ ＷＯ ２００４／０７０９４６ Ａ１

弾性境界波装置においても、利用する弾性境界波よりも高次のモードによるスプリアスを抑圧することが求められる。

特許文献１に記載のように、弾性表面波装置では、圧電体のＩＤＴ電極が形成されている側とは反対側の面にサファイアなどの他の固体を接合し、圧電体の厚みと表面波の波長との比を特定の範囲とすれば、高次モードのスプリアスを低減することが可能である。

特許文献１の段落（００３６）〜（００４２）には、４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３の表面にＩＤＴ電極を形成し、裏面にＲ面カットのサファイア基板を積層した例が開示されている。この構成では、ＬｉＴａＯ_３基板の表面をＳＨ成分が主体の第一漏洩表面波が伝搬する。特許文献１の段落（００３４）によれば、このような構造では、ＬｉＴａＯ_３とサファイヤ基板との境界面でのＢＡＷの反射によるスプリアスが生じるとの記載がある。

一方、本願発明者の知見によれば、この条件において生じるスプリアスはＰ波、ＳＨ波、ＳＶ波が結合して伝搬する高次伝搬モードと捉えることができる。このカット方位のＬｉＴａＯ_３の伝搬方位に伝搬するＳＶ波の音速は、３３５１ｍ／ｓであり、ＳＨ波音速は、４２２７ｍ／ｓである。一方、サファイアの横波音速は６４６３ｍ／ｓである。ＬｉＴａＯ_３におけるＳＨ波の音速より、サファイアにおける横波音速のほうが高音速であるため、ＬｉＴａＯ_３基板の表面と、サファイアとＬｉＴａＯ_３の界面との間にＳＨ成分主体の高次モードスプリアス及びＰ＋ＳＶ成分主体の高次モードスプリアスが発生する。なお、４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板はＳＨ波を強く励振するため、ＳＨ成分主体の高次モードスプリアスが強く発生する。

特許文献１では、ＬｉＴａＯ_３基板の厚みを厚くすることにより、高次モードによるスプリアスを減少させている。

しかしながら、特許文献１のＬｉＴａＯ_３基板が薄い場合の図６の周波数特性とＬｉＴａＯ_３基板の厚い場合の図１０の周波数特性とを比較すると、確かに特許文献１の図６より、特許文献１の図１０の場合のほうがスプリアスは抑制されているが、スプリアスの個数は増えている。すなわち、ＬｉＴａＯ_３基板の厚みを増やすことによりスプリアスとなる高次モードの励振強度は緩和され得るものの、多くの次数の高次モードが閉じ込められることになる。そのため、表面波装置のフィルタ特性は十分には改善されない。

他方、特許文献２では、ＳｉＯ_２上に、横波音速がＳｉＯ_２の横波音速よりも遅い吸音媒質が形成されており、それによって高次モードを抑制することができるとされている。しかしながら、上記吸音媒質として用いられるエポキシ樹脂、ポリイミド、液晶ポリマーなどの樹脂材料の線熱膨張係数は大きい。そのため、弾性境界波伝搬のためのＳｉＯ_２／ＩＤＴ／ＬｉＮｂＯ_３構造の強度が十分でない場合には、吸音媒質の線熱膨張係数の影響により、弾性境界波装置の温度による伸縮が大きくなりがちであった。よって、弾性境界波装置の周波数温度係数ＴＣＦの絶対値が大きくなるという問題があった。

なお、特許文献３に記載の弾性境界波装置では、ＬｉＮｂＯ_３などからなる圧電単結晶基板に、熱膨張係数が小さいＳｉが貼り合わされているので、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。この場合、高音速の材料であるＳｉと、ＬｉＮｂＯ_３との間に、低音速の材料であるＳｉＯ_２を配置することにより、ＳｉＯ_２領域に弾性境界波の主伝搬モードが閉じ込められる。

また、上記特許文献４に記載の弾性境界波装置では、電極として、ＳｉＯ_２と同程度に軽いＡｌではなく、ＡｕなどのＡｌよりも重い金属を用いた場合には、ＳｉＯ_２全体ではなく、圧電基板側に弾性境界波の主モードの振動エネルギーが集中する。従って、弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ^２を大きくすることができる。

しかしながら、特許文献３に記載の弾性境界波装置のように高音速の媒質間に低音速の媒質を挟んだ構造では、低音速の媒質の厚みや膜質により音速が変化し、弾性境界波装置の周波数ばらつきが生じがちであった。したがって、低音速の媒質の厚みや膜質の緻密な品質管理が必要であった。

他方、低音速の媒質の厚みを厚くすることにより、弾性境界波の主モードのエネルギー分布への低音速媒質の厚みによるばらつきの影響を緩和することができる。しかしながら、低音速の媒質の厚みを大きくすると、高次モードスプリアスが生じることとなる。

特許文献２〜４に記載のように、従来の弾性境界波装置では、高次モードスプリアスの抑圧や電気機械結合係数の向上及び周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくする様々な試みがなされてきたが、表面波装置の場合とは異なり、弾性境界波装置では、高次モードスプリアスを十分に抑圧することは実現されていなかった。

本発明の目的は、上述した従来技術の状況に鑑み、比較的簡単な構造で高次モードによるスプリアスを、従来技術のように応答個数を大幅に増やすことなく、応答強度を効果的に抑制することがででき、良好なフィルタ特性や共振特性を得ることを可能とする弾性境界波装置を提供することにある。

本願第１の発明によれば、圧電体と、前記圧電体上に積層された誘電体と、前記圧電体と誘電体との界面に配置されたＩＤＴ電極と、前記圧電体の前記界面とは反対側の面に積層されており、前記圧電体よりも線熱膨張係数が小さい材料からなる低熱膨張率媒質層とを備え、前記圧電体と前記誘電体との境界を伝搬するＳＨ型弾性境界波を利用しており、前記圧電体におけるＳＨ波の音速が下記の式（１）を満たし、かつ前記ＩＤＴ電極の波長をλとしたときに、前記ＳＨ型弾性境界波の応答周波数及び高次モードの応答周波数に対し、誘電体における横波の音速／λが下記の式（２）の範囲を満たしていることを特徴とする、弾性境界波装置。

誘電体における横波の音速＜圧電体におけるＳＨ波の音速＜低熱膨張率媒質層における横波の音速…式（１）
弾性境界波の応答周波数＜誘電体における横波の音速／λ＜高次モードの応答周波数…式（２）
本願の第２の発明によれば、圧電体と、前記圧電体上に積層された誘電体と、前記圧電体と誘電体との界面に配置されたＩＤＴ電極と、前記圧電体の前記ＩＤＴ電極が形成されている側の面と反対側の面に積層されており、前記圧電体よりも線熱膨張係数が小さい材料からなる低熱膨張率媒質層とを備え、前記圧電体と前記誘電体との境界を伝搬するストンリー型弾性境界波を利用しており、前記圧電体におけるＳＶ波の音速が下記の式（３）を満たし、かつ前記ＩＤＴ電極の波長をλとしたときに、前記ストンリー型弾性境界波の応答周波数及び高次モードの応答周波数に対して、誘電体における横波の音速／λが下記の式（４）を満たしていることを特徴とする、弾性境界波装置。

誘電体における横波の音速＜圧電体におけるＳＶ波の音速＜低熱膨張率媒質層における横波の音速…式（３）
弾性境界波の応答周波数＜誘電体における横波の音速／λ＜高次モードの応答周波数…式（４）
なお、本発明（以下、第１，２の発明を総称して本発明ということとする。）において、「誘電体における横波」及び「低熱膨張率媒質層における横波」とは、誘電体及び低熱膨張率媒質が異方性を有しない場合の材料である場合には、Ｓ波である。他方、誘電体及び低熱膨張率媒質は、いずれも異方性を有する材料であってもよい。これらが異方性を有する材料である場合には、第１の発明では、「誘電体における横波」及び「低膨張率媒質層における横波」は、ＳＨ型の横波となる。また、第２の発明では、「誘電体における横波」及び「低熱膨張率媒質層における横波」は、ＳＶ型の横波となる。すなわち、本発明における「横波」とは、異方性を有しない材料における横波だけでなく、異方性を有する材料の場合のＳＨ型の横波やＳＶ型の横波をも含むものとする。

本発明では、好ましくは、上記圧電体の厚みは１λ以上、５０λ以下とされる。なお、圧電体の厚みとは、圧電体と誘電体とを積層した積層方向の寸法をいうものとする。

利用する弾性境界波の振動のエネルギーは、圧電体と誘電体との境界から圧電体の深さ１λまでの範囲に主として分布している。従って、弾性境界波を伝搬させるには、圧電体の厚みは１λ以上とすることが望ましい。圧電体の厚み１λ未満では、弾性境界波のエネルギー分布が低熱膨張率媒質層に至り、圧電体と低膨張率媒質界面接合（接着）の状態や圧電体の厚みばらつきによる周波数ばらつきが大きくなるおそれがある。

弾性境界波装置全体の線熱膨張係数は、圧電体と誘電体と低熱膨張率媒質の厚みの比で決まる。圧電体の厚みが５０λ以下の場合には、圧電体がさほど厚くないため、相対的に弾性境界波装置全体の線膨張係数を小さくすることができ、低熱膨張率媒質層を薄くすることができる。そのため、全体の厚みが小さく、温度特性が良好な弾性境界波装置を提供することができる。

好ましくは、誘電体の前記境界とは反対側の面に吸音層が設けられる。それによって、誘電体の境界と反対側の面に漏洩してきた高次モードスプリアスを吸音層により吸音し、高次モードスプリアスをより一層効果的に抑圧することができる。

また、好ましくは、誘電体の上記境界とは反対側の面に弾性波を散乱する構造が設けられる。この場合には、誘電体の上記境界とは反対側の面に漏洩してきた弾性波が散乱されるので、それによって、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る。この弾性波を散乱する構造については、誘電体の境界とは反対側の面を粗面にしたり、もしくは、該反対側の面に凹凸を形成したりした構造、または誘電体の上記境界とは反対の側の面に無機もしくは有機粒子を付着させた構造等の適宜の構造を用いることができる。

好ましくは、圧電体と低熱膨張率媒質層との間に吸音層が設けられ、その場合には、圧電体の境界とは反対側の面に漏洩してきた高次モードを該吸音層により吸収することができる。従って、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る。

本発明においては、好ましくは、上記圧電体及び誘電体は絶縁材料により形成されている。圧電体及び誘電体が絶縁材料により形成されている場合には、ＩＤＴ電極による電気音響変換特性の劣化が生じ難い。そのため、弾性境界波共振子の場合には、共振特性や反共振抵抗の劣化が生じ難く弾性境界波フィルタの場合には損失の悪化が生じ難い。すなわち、圧電体及び誘電体はＩＤＴ電極に接する媒質である。この媒質が、Ｓｉなどの半導体材料の場合には、媒質を経由して電流が流れることになり、ＩＤＴ電極の電気音響変換性能が劣化する。これに対して、上記圧電体及び誘電体が絶縁性材料からなる場合には、上記のようにＩＤＴ電気音響変換性能の劣化が生じ難い。好ましくは、ＩＤＴ電極のおける異なる電位に接続される電極部分間の抵抗値は１０ｋΩ以上であることがより一層望ましい。
（発明の効果）

第１の発明に係る弾性境界波装置では、圧電体の上記境界とは反対側の面に低熱膨張率媒質層が積層されており、圧電体、誘電体及び低熱膨張率媒質層のそれぞれにおいて、境界波伝搬方向におけるＳＨ型の横波音速が上述した式（１）を満たす関係とされており、かつ誘電体における横波の音速／λが上記式（２）を満たしているため、高次モードによるスプリアスを効果的に低減することができる。この理由は、以下の通りであると考えられる。

すなわち、高次モードは、圧電体における横波の音速が誘電体における横波の音速よりも低く、かつ圧電体におけるＳＨ波の音速が上記低熱膨張率媒質層の横波の音速よりも低い場合に発生し、それ以外の場合には、圧電体から周囲に漏洩することとなる。他方、弾性境界波の音速が、圧電体及び誘電体における横波よりも遅い場合には、弾性境界波は無損失で伝搬され得る。従って、上記式（１）、式（２）を満たしている場合には、弾性境界波が無損失で伝搬し、かつ高次モードを圧電体から周囲に漏洩させ、高次モードによるスプリアスを効果的に低減することができる。

同様に、第２の発明においても、圧電体、誘電体及び低熱膨張率媒質層の境界波伝搬方向におけるＳＶ型の横波の音速の関係が、式（３）を満たし、かつ誘電体における横波の音速／λが式（４）を満たしているため、ストンリー型弾性境界波を利用し、かつ該ストンリー型弾性境界波の高次モードを効果的に抑圧することができる。

よって、第１，２の発明によれば、圧電体と誘電体とを積層し、圧電体の境界とは反対側の面に前記低熱膨張率媒質層を積層した比較的簡単な構造を用いて、高次モードによるスプリアスを効果的に抑圧することができ、良好な共振特性やフィルタ特性を得ることを可能とする弾性境界波装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置の模式的正面断面図である。 図２は、第１の実施形態の弾性境界波装置におけるＳＨ型弾性境界波のエネルギー分布を模式的に示す図である。 図３は、スプリアスの原因となる高次モードのエネルギー分布を模式的に示す図である。 図４は、本発明の第２の実施形態に係る弾性境界波装置の模式的正面断面図である。 図５は、比較例として用意した弾性境界波装置の模式的正面断面図である。 図６は、図５に示した比較例の弾性境界波装置のインピーダンス特性を示す図である。 図７は、第２の実施形態の弾性境界波装置のインピーダンス特性を示す図である。 図８は、比較例及び第２の実施形態の弾性境界波装置におけるＳＨ型境界波のエネルギー分布を模式的に示す図である。 図９は、比較例の弾性境界波装置における高次モードのエネルギー分布を示す図である。 図１０は、比較例の弾性境界波装置における高次モードのエネルギー分布を示す図である。 図１１は、第２の実施形態の弾性境界波装置における高次モードのエネルギー分布を示す図である。 図１２は、第２の実施形態の弾性境界波装置における高次モードのエネルギー分布を示す図である。 図１３は、第２の実施形態の弾性境界波装置の変形例を示す模式的正面断面図である。 図１４は、従来の弾性表面波装置の一例を示す模式的正面断面図である。

符号の説明

１…弾性境界波装置
２…圧電体
３…誘電体
４…低熱膨張率媒質層
５…ＩＤＴ電極
６…吸音層
７…吸音層
１１…弾性境界波装置

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。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置の模式的正面断面図である。

弾性境界波装置１は、圧電体２と、圧電体２上に積層された誘電体３と、圧電体２の誘電体３と反対側の面に積層された低熱膨張率媒質層４と、圧電体２と誘電体３との境界に設けられたＩＤＴ電極５とを備える。本実施形態の弾性境界波装置１は、圧電体２と誘電体３との境界とを伝搬するＳＨ型弾性境界波を利用した弾性境界波装置である。

上記圧電体２としては、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３または水晶などの適宜の圧電単結晶を用いることができる。

上記誘電体３としては、ＳｉＯ_２などの適宜の無機誘電体材料や、適宜の有機誘電体材料を用いることができる。

低熱膨張率媒質層４は、線膨張係数が圧電体２よりも小さい材料からなる。このような材料としては、Ｓｉ、サファイア、ＳｉＮなどを挙げることができる。

本実施形態の特徴は、弾性境界波伝搬方向における圧電体２におけるＳＨ波の音速が下記の式（１）を満たしており、かつＩＤＴ電極５の波長をλとしたときに、誘電体における横波の音速／λと、弾性境界波の応答周波数と、弾性境界波高次モードの応答周波数との関係が下記の式（２）を満たしていることにある。

誘電体における横波の音速＜圧電体におけるＳＨ波の音速＜低熱膨張率媒質層における横波の音速…式（１）
弾性境界波の応答周波数＜誘電体における横波の音速／λ＜高次モードの応答周波数…式（２）
なお、「誘電体における横波」及び「低熱膨張率媒質層における横波」とは、これらの材料が異方性を有しない場合は、Ｓ波であり、異方性を有する場合には、ＳＨ型の横波であり、「誘電体における横波の音速」及び「低熱膨張率媒質層における横波の音速」とは、上記Ｓ波及びＳＨ型の横波の双方を含むものとする。

また、弾性境界波伝搬方向におけるＳＨ波、ＳＶ波、Ｓ波、Ｐ波等の音速は、材料によって一意的に定まる値である。弾性境界波装置において圧電体、誘電体または低熱膨張率媒質層として用いる材料の音速の代表的な値を後述する表１に示す。

式（２）において、誘電体の横波音速／λ＜高次モードの応答周波数である条件は、高次モードがカットオフされる条件であり、この条件を満たさない場合には、高次モードを抑圧することはできない。

また、本実施形態では、誘電体層３の圧電体２と誘電体３との境界とは反対側の面３ａに凹凸が付与されている。この凹凸は、面３ａ側に伝搬してきた弾性境界波の高次モードを散乱させ、それによって、高次モードスプリアスの共振特性やフィルタ特性への影響をより一層小さくするために設けられている。

なお、高次モードを散乱するための構造については、上記凹凸の他、表面３ａを粗面とする方法、表面３ａに有機もしくは無機粒子を付着させた構造などの様々な構造を用いることができる。

本実施形態の弾性境界波装置１では、上記低熱膨張率媒質層４が設けられており、かつ前述した式（１）及び式（２）を満たしている高次モードによるスプリアスを小さくすることができる。

低熱膨張率媒質層４は、圧電体２の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する。従って、弾性境界波装置１では、温度変化による変形が小さくなり、温度特性を改善することができる。このような線膨張係数が小さい材料は、圧電体の膨張を抑制し得るだけの固さを有することが求められる。そのため、低熱膨張率媒質層４を構成する材料としては、前述したＳｉ、サファイアまたはＳｉＮなどのように、ＳＨ型やストンリー型の横波の音速が速い材料を用いることが望ましい。

図２は、上記弾性境界波装置１の厚み方向位置を縦軸とした場合の弾性境界波のエネルギー分布を模式的に示す図である。図２の横軸は、右側にいくにつれて弾性境界波の振動エネルギーが高いことを示す。図２から明らかなように、利用するＳＨ型の弾性境界波のエネルギー分布は、圧電体２と誘電体３との境界において最も大きくなり、境界から離れるに従って急激に減衰する。そして、弾性境界波のエネルギー分布は低熱膨張率媒質層４にはほとんど至っていない。よって、弾性境界波が圧電体２と誘電体３の境界を中心として良好に伝搬され得る。

他方、図３は、抑圧されるべき高次モードのエネルギー分布を模式的に示す図であり、矢印Ａで示す高次モードＡ、矢印Ｂで示す高次モードＢの双方が圧電体２以内において大きなエネルギー分布を有し、圧電体２内にほぼ閉じこもって伝搬することがわかる。このように高次モードＡ，Ｂが圧電体２内にほぼ閉じこもって伝搬する条件とは、高次モードの音速が、誘電体３における横波音速及び低熱膨張率媒質層４における横波音速よりも遅いことである。

特許文献１に記載のような弾性表面波装置では、ＩＤＴ電極上に誘電体が存在せず、圧電体５０２の上面の空間の音速は無限大と近似される。従って、圧電体と圧電体上の空間との間の境界、すなわち圧電体表面にほぼ閉じこもって高次モードが伝搬することとなる。

これに対して、弾性境界波装置１では、ＩＤＴ電極５上に誘電体３が配置されている。ここで、ＳＨ成分主体の弾性境界波装置の場合、圧電体２におけるＳＨ波の音速と誘電体３における横波の音速とが、利用する弾性境界波よりも速ければ、弾性境界波は漏洩せずに無損失で伝搬することができる。一方、弾性境界波の音速よりも、圧電体２におけるＳＨ波や縦波の音速が速いので、通常、圧電体２に閉じこもって圧電体２の横波と縦波が結合しながら主成分となって伝搬する高次モードは、弾性境界波よりも高音速となる。

そこで、本実施形態では、誘電体における横波の音速が、圧電体２におけるＳＨ波の音速及び低熱膨張率媒質層４における横波音速よりも低速とされている。すなわち、式（１）の関係を満たすように圧電体２、誘電体３及び低熱膨張率媒質層４が構成されている。加えて、誘電体３における横波音速が、弾性境界波の音速と高次モードの音速との間とされているので、すなわち、式（２）を満たしているので、利用するＳＨ型の弾性境界波が無損失で伝搬し、スプリアスとなる高次モードは、誘電体３側に漏洩する漏洩波として減衰させることが可能とされている。

よって、本実施形態によれば、上記高次モードによるスプリアスを小さくすることができ、良好な共振特性やフィルタ特性を得ることができる。

なお、弾性境界波には、ＳＨ成分とするＳＨ型の弾性境界波と、Ｐ＋ＳＶ成分を主体とするストンリー波、すなわちＰ＋ＳＶ型弾性境界波が存在する。ＳＨ型弾性境界波やストンリー波は、それぞれ、ＳＨ成分のみあるいは、Ｐ＋ＳＶ成分のみで伝搬することもあるが、異方性結晶であるＬｉＴａＯ_３やＬｉＮｂＯ_３などの圧電単結晶を圧電体として用いた場合には、圧電体の多くの基板方位において、Ｐ成分、ＳＨ成分及びＳＶ成分の３成分が結合して伝搬するのが普通である。

例えば、圧電体２としてＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３を、誘電体３としてＳｉＯ_２を、低熱膨張率媒質層として多結晶Ｓｉを、ＩＤＴ電極５として十分な厚みのＡｕ膜を用いて弾性境界波装置１を構成した場合を考えてみる。この場合には、ＳＨ型の弾性境界波が圧電体２と誘電体３との境界を伝搬することとなるが、垂直横波ＳＶ波の音速は３３５１ｍ／秒であり、ＳｉＯ_２における横波音速３７５７ｍ／秒よりも低速である。従って、高次モードのＳＶ波成分のエネルギーを誘電体３側に漏洩させ、高次モードを分散させることができる。しかしながら、主成分であるＳＨ波の音速４２２７ｍ／秒は、ＳｉＯ_２における横波音速よりも高速であるため、高次モードのＳＨ波成分のエネルギーが漏洩しずらくなり、十分に減衰させることは難しい。

ＳＨ型の弾性境界波が伝搬する条件では、ＳＨ成分を主体とする高次モードが強く励振される。従って、ＳＨ成分を主体とする高次モードを漏洩波として減衰させることが望ましい。よって、ＳＨ型の弾性境界波を用いた場合には、圧電体における横波をＳＨ波とし、ストンリー型弾性境界波を用いた場合には上記横波をＳＶ波とする必要がある。

従って、ストンリー型弾性境界波を用いた場合には、圧電体におけるＳＶ波の音速が下記の式（３）を満たしており、ＩＤＴ電極の波長をλとしたときに、ストンリー型弾性境界波の応答周波数と、該弾性境界波の高次モードの応答周波数と、誘電体における横波の音速とが下記の式（４）を満たす範囲とすることが必要である。

誘電体における横波の音速＜圧電体におけるＳＶ波の音速＜低熱膨張率媒質層における横波の音速…式（３）
弾性境界波の応答周波数＜誘電体における横波の音速／λ＜高次モードの応答周波数…式（４）
なお、上記式（３）及び（４）における横波とは、誘電体及び低熱膨張率媒質層が異方性を有しない材料である場合にはＳ波であり、異方性を有する材料の場合には、ＳＶ波となる。すなわち、上記「横波」はＳ波である横波の他、異方性を有する材料である場合には、ＳＶ波をも含むものとする。

なお、好ましくは、上記誘電体３及び圧電体２はこの実施形態にように絶縁性材料からなることが好ましい。誘電体３及び圧電体２が半導体からなる場合には、ＩＤＴ電極５からの電流がこれらに流れ、ＩＤＴ電極５における電気音響変換性能が低下するおそれがある。これに対して、誘電体３及び圧電体２が絶縁性材料からなる場合には、ＩＤＴ電極５における電気音響変換性能の劣化が生じ難い。従って、弾性境界波装置の電気的特性、例えば共振抵抗、もしくは反共振抵抗、あるいは挿入損失などの劣化が生じ難い。より好ましくは、上記ＩＤＴ電極５の異なる電位に接続される電極間部分の抵抗値は１０ｋΩ以上であることが望ましい。

図４は、本発明の第２の実施形態の弾性境界波装置１１の模式的正面断面図であり、図５は、比較のために用意した比較例の弾性表面波装置２１の模式的正面断面図である。

上記弾性境界波装置１１，２１について、具体的な実験例を説明しつつ、本実施形態の弾性境界波装置１１の構造及び効果を明らかにする。

図４に示すように、弾性境界波装置１１は、弾性境界波装置１と同様に、圧電体２と誘電体３と、圧電体２の誘電体３との境界波と反対側の面に積層された低熱膨張率媒質層４とを備える。そして、圧電体２と誘電体３との境界にはＩＤＴ電極５が形成されている。さらに、本実施形態では、誘電体３の上記境界とは反対側の面３ａ上に吸音層６が積層されている。

本実施形態においても、弾性境界波装置１１は、前述した式（１）及び式（２）を満たすように構成されているため、弾性境界波の高次モードが誘電体３側に漏洩され、高次モードによるスプリアスが小さくされている。他方、利用するＳＨ型またはストンリー型の弾性境界波は、ほぼ無損失で上記境界付近を伝搬するため、良好な共振特性やフィルタ特性を得ることが可能とされている。

加えて、本実施形態では、上記吸音層６が設けられているため、誘電体層３の表面３ａ側に伝搬してきた高次モードが吸音層６で吸収され、それによって、高次モードスプリアスをより小さくすることが可能とされている。上記吸音層６としては、高次モードを吸収し得る材料であれば特に限定されず、例えば合成樹脂などの適宜の有機材料、多孔質シリカ、多孔質アルミナ、多孔質酸化チタン、多孔質ガラス、多孔質マグネシア（ＭｇＯ）、多孔質アルミニウムなどの多孔質無機材料を挙げることができる。上記合成樹脂としては、例えば、ポリイミド、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂などを挙げることができる。

また、吸音層６の厚みは、伝搬してきた高次モードを吸収し得る限り特に限定されないが、高次モードを確実に吸収するには、１．０λ以上の厚みとすることが望ましい。吸音層６の厚みが厚すぎると、弾性境界波装置１１の厚みが厚くなりすぎ、好ましくない。従って、吸音層６の厚みは２００μｍ以下とすることが好ましい。

次に、上記吸音層６を有する弾性境界波装置１１において、高次モードが効果的に抑圧され得ることを具体的な実験例に基づき説明する。

以下の仕様で弾性境界波装置１１を作成した。

圧電体２：１５°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ_３、厚さ４λ
誘電体３：ＳｉＯ_２、厚さ５λ、表面３ａに凹凸を有する。

低熱膨張率媒質層４：多結晶Ｓｉ、厚さ５０λ
吸音層６：ポリイミド、厚さ３λ
ＩＤＴ電極：Ａｕ、厚さ０．０５λ、デュティー＝０．６
比較のために、図５に示す弾性境界波装置２１を作成した。弾性境界波装置２１では、圧電体２２と誘電体２３との界面にＩＤＴ電極２５が形成されている。もっとも、誘電体２３の圧電体２２と誘電体２３との境界とは反対側の面２３ａに低熱膨張率媒質層２４が積層されている。また、圧電体２２の上記境界とは反対側の面２２ａ上に吸音層２６が積層されている。製造に際しては、圧電体上にＩＤＴ電極２５を形成し、ＩＤＴ電極を覆うように誘電体膜を形成した。しかる後、誘電体膜をＣＭＰにより研磨し、研磨された誘電体層表面と低熱膨張率媒質層２４の表面を活性化処理し、貼り合わせた。

比較例の弾性境界波２１の仕様は以下の通りとした。

圧電体２２：１５°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ_３、厚さ１２５λ
圧電体２２のＩＤＴ電極２５が形成されている側とは反対側の面に凹凸を設けた。

誘電体２３：ＳｉＯ_２、厚さ４λ、
低熱膨張率媒質層２４：多結晶Ｓｉ、厚さ１０λ
吸音層２６：ポリイミド
ＩＤＴ電極２５：Ａｕ、厚さ０．０５λ、デュティー＝０．６
なお、上記実施形態の弾性境界波装置１１及び比較例の弾性境界波装置２１では、ＩＤＴ電極５，２５は、１ポート型弾性境界波共振子を構成するように形成した。

上記のようにして作成した実施形態の弾性境界波装置１１のインピーダンス特性を図７に、比較例の弾性境界波装置２１のインピーダンス特性を図６に示す。図６から明らかなように、比較例の弾性境界波装置では、高次モードによる大きなスプリアスが発生している。すなわち、比較例の弾性境界波装置２１では、圧電体２２の厚みが十分に厚く、かつ圧電体２２の表面２２ａに凹凸を設け、さらに吸音層２６を積層しているが、高次モードによるスプリアスはかなり大きいことがわかる。

これに対して、図７から明らかなように、実施形態の弾性境界波装置１１では、高次モードによるスプリアスがほとんど現れていない。

図８は、実施形態や比較例の弾性境界波装置２１におけるＳＨ型境界波のエネルギー分布を示す模式図である。図８における縦軸は弾性境界波装置２１の厚み方向位置を示し、０．０の部分が圧電体２２と誘電体２３との境界を示す。また、横軸はエネルギー（規格化された値）を示す。このエネルギーの規格化された値とは、最も大きなエネルギーを１．０として規格化した値である。

図８から明らかなように、ＩＤＴ電極が設けられている圧電体２２と誘電体２３との境界部分に振動が集中していることがわかる。また、この部分において最も大きな変位が得られ、圧電体２２と誘電体２３とでエバネセントに振動が減衰しているので、非漏洩型、すなわち伝搬損失が０である振動モードであることがわかる。なお、図８において、Ｕ１は弾性境界波のＰ成分、Ｕ２はＳＨ成分、Ｕ３はＳＶ成分を示している。

図９及び図１０は、上記比較例の弾性境界波装置２１における高次モードスプリアスエネルギー分布を示す模式図である。図９及び図１０においても、Ｕ１は高次モードのＰ成分、Ｕ２はＳＨ成分、Ｕ３はＳＶ成分をそれぞれ表している。高次モードの振動は、誘電体２３に集中していることがわかる。また、誘電体層２３内において最も大きな変位がみられ、圧電体２２と低熱膨張率媒質層２４とでは、エバネセントに減衰しており、非漏洩型の振動モードであることがわかる。従って、圧電体の厚みを１２５λと厚くしたとしても、また圧電体２２の表面に凹凸を付与し、さらに吸音層２６を形成したとしても、高次モードを減衰させることが困難であることがわかる。

他方、図１１及び図１２は、上記実施形態の弾性境界波装置における高次モードスプリアスのエネルギー分布を示すものである。なお、主モードであるＳＨ型境界波のエネルギー分布は、比較例について示した図８と同一となる。

図１１及び図１２においても、Ｕ１は、Ｐ成分、Ｕ２は、ＳＨ成分、Ｕ３は、ＳＶ成分を示す。

図１１及び図１２から明らかなように、圧電体２には高次モードの振動が集中せず、誘電体３側に漏洩していることがわかる。従って、漏洩型の振動モードであることがわかる。そのため、上記実施形態では、誘電体３の上記境界とは反対側の面側に高次モードが漏洩し、しかも誘電体３の表面３ａに凹凸が設けられているので、該高次モードが散乱され、さらに吸音層６により吸音されるため、高次モードによるスプリアスを効果的に抑圧することが可能とされている。

なお、下記の表１は、上記実施形態の弾性境界波装置１１及び比較例の弾性境界波装置２１を構成した各媒質の横波音速を示す。

上記比較例の弾性境界波装置１１では、誘電体であるＳｉＯ_２の横波音速、すなわちＳ波の音速３７５７ｍ／秒よりも、周波数応答の周波数×λの値が大きくなると、高次モードスプリアスが発生している。また、上記実施形態の弾性境界波装置１１では、ＬｉＮｂＯ_３の遅い横波音速、すなわちＳＶ波の音速である４０３１ｍ／秒よりも、周波数応答の周波数×λの値が大きくなると、高次モードスプリアスがわずかであるが発生している。

このように、高次モードスプリアスの発生周波数は、ＩＤＴ電極が発生している媒質の音速により制約される。従って、上記実施形態のように、圧電体２の横波音速よりも誘電体３の横波音速を遅くすることにより、高次モードスプリアスは誘電体３の音速よりも大きな周波数×λから生じるため、高次モードスプリアスを漏洩波とすることができる。なお、第２の実施形態の弾性境界波装置１１では、ＳＨ型境界波を用いた例について示したが、第１の実施形態と同様に、ストンリー型の弾性境界波を用いてもよい。

上記のように、本発明の弾性境界波装置では、（必要に応じて設けられる吸音層）／誘電体層／ＩＤＴ電極／圧電体／低熱膨張率媒質層の積層構造を用いることにより、すなわち比較的簡単な積層構造を用いることにより、高次モードによるスプリアスを効果的に抑圧することができ、かつ上記低熱膨張率媒質層の積層により温度変化による特性の変化も抑制することができる。従って、本発明の弾性境界波共振子を用いて発振回路を形成して場合には、異常発振の可能性を著しく小さくすることができる。また、本発明の弾性境界波装置を用いて帯域フィルタを構成した場合には、高次モードスプリアスによる影響が生じ難いため、良好なフィルタ特性を得ることができる。

なお、第１，２の実施形態では、圧電体２に低熱膨張率媒質層４が直接積層されていたが、図１３に示すように、両者の間にさらに吸音層７を積層してもよい。吸音層７を配置した場合には、低熱膨張率媒質層４からの応力を圧電体２に伝えるために、吸音層７は薄くされることが望ましく、あるいは固い材料で構成されることが望ましい。従って、吸音層７としては、エポシキ樹脂のように、ヤング率が数ＧＰａ以下の樹脂材料により構成する場合には、その厚みは数λ以下とすることが望ましい。また、ＳＯＧ（スピンオングラス）のように硬質な材料であって、ＳｉＯ_２に比べて密度が低い材料により吸音層７を形成してもよい。さらに、吸音層７としては、圧電体２と低熱膨張率媒質層４との界面に金属を拡散させ、界面部の結晶構造を破壊した構造により形成されてもよい。

なお、上記圧電体２は、他の適宜の材料、例えば、ＺｎＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＰＺＴ、ＡｌＮ、ＬｉＴａＯ_３、ＫＮにより形成してもよい。また、上記誘電体３は、他の適宜の材料、例えば、Ｓｉガラス、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＤＬＣ、ＺｎＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＰＺＴ、ＡｌＮ、ＬｉＴａＯ_３、ＫＮにより形成してもよい。

また、低熱膨張率媒質層４を構成する材料についても、上述した多結晶Ｓｉに限らず、多結晶Ｓｉ、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、サファイア、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などの適宜の材料により形成され得る。

さらに、低熱膨張率媒質層４は、圧電体２に貼り付けられて接合されてもよく、低熱膨張率媒質層を構成する材料を、適宜の方法で成膜することにより形成してもよい。このような成膜法としては、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着、塗工法などを挙げることができる。

さらに、本発明の弾性境界波装置では、（必要に応じて設けられる吸音層）／誘電体／ＩＤＴ電極／圧電体／低熱膨張率媒質層の積層構造のさらに外側に、保護層を形成してもよい。保護層の形成により、弾性境界波装置の強度を高めたり、腐食性ガスの浸入を防止したりすることができる。このような保護層を構成する材料としては、特に限定されず、ポリイミドやエポキシ樹脂などの合成樹脂、酸化チタン、窒化アルミニウムもしくは酸化アルミニウムなどの無機材料などの絶縁性材料を挙げることができる。また、上記保護層は、Ａｕ、ＡｌまたはＷなどの金属膜によりに形成されてもよい。

さらに本発明の弾性境界波装置は、上記保護層を設けたりして、または保護層を設けずに、他のパッケージに封入してもよい。

Claims (7)

1. 圧電体と、
   前記圧電体上に積層された誘電体と、
   前記圧電体と誘電体との界面に配置されたＩＤＴ電極と、
   前記圧電体の前記界面とは反対側の面に積層されており、前記圧電体よりも線熱膨張係数が小さい材料からなる低熱膨張率媒質層とを備え、前記圧電体と前記誘電体との境界を伝搬するＳＨ型弾性境界波を利用しており、
   前記圧電体におけるＳＨ波の音速が下記の式（１）を満たし、かつ前記ＩＤＴ電極の波長をλとしたときに、前記ＳＨ型弾性境界波の応答周波数及び高次モードの応答周波数に対し、誘電体における横波の音速／λが下記の式（２）の範囲を満たしていることを特徴とする、弾性境界波装置。
   誘電体における横波の音速＜圧電体におけるＳＨ波の音速＜低熱膨張率媒質層における横波の音速…式（１）
   弾性境界波の応答周波数＜誘電体における横波の音速／λ＜高次モードの応答周波数…式（２）
2. 圧電体と、
   前記圧電体上に積層された誘電体と、
   前記圧電体と誘電体との界面に配置されたＩＤＴ電極と、
   前記圧電体の前記ＩＤＴ電極が形成されている側の面と反対側の面に積層されており、前記圧電体よりも線熱膨張係数が小さい材料からなる低熱膨張率媒質層とを備え、前記圧電体と前記誘電体との境界を伝搬するストンリー型弾性境界波を利用しており、
   前記圧電体におけるＳＶ波の音速が下記の式（３）を満たし、かつ前記ＩＤＴ電極の波長をλとしたときに、前記ストンリー型弾性境界波の応答周波数及び高次モードの応答周波数に対して、誘電体における横波の音速／λが下記の式（４）を満たしていることを特徴とする、弾性境界波装置。
   誘電体における横波の音速＜圧電体におけるＳＶ波の音速＜低熱膨張率媒質層における横波の音速…式（３）
   弾性境界波の応答周波数＜誘電体における横波の音速／λ＜高次モードの応答周波数…式（４）
3. 前記圧電体の厚みが１λ以上、５０λ以下の範囲とされている請求項１または２に記載の弾性境界波装置。
4. 前記誘電体層の前記境界とは反対側の面に、吸音層が積層されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
5. 前記誘電体の前記境界とは反対側の面に該反対側の面に伝搬してきた弾性波を散乱する構造が設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
6. 前記圧電体と、前記低熱膨張率媒質層との間に設けられた吸音層をさらに備える、請求項１〜５にいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
7. 前記圧電体及び誘電体が絶縁材料により形成されていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の弾性境界波装置。

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