WO2013073472A1 - チューナブル弾性波装置 - Google Patents

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elastic wave
wave device
tunable
acoustic wave
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門田　道雄
木村　哲也
伊保龍 掘露
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株式会社村田製作所
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/125—Driving means, e.g. electrodes, coils
    • H03H9/145—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks using surface acoustic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
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    • H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H2009/02165—Tuning

Definitions

  • the present invention relates to a tunable elastic wave device using an elastic wave such as a surface acoustic wave, and more particularly to a tunable elastic wave device provided with a configuration capable of changing frequency characteristics using a ferroelectric.
  • band filters used in communication systems it may be required to be able to adjust the pass band.
  • Various band-pass filters that satisfy such requirements, that is, tunable filters have been proposed.
  • Patent Document 1 discloses a tunable filter using a plurality of surface acoustic wave resonators and a variable capacitor.
  • FIG. 15 is a circuit diagram of a tunable filter described in Patent Document 1.
  • a plurality of series arm resonators 104 and 105 are connected in series to a series arm connecting the input end 102 and the output end 103.
  • parallel arm resonators 106 and 107 are connected to a plurality of parallel arms between the series arm and the ground potential, respectively.
  • the series arm resonators 104 and 105 and the parallel arm resonators 106 and 107 are formed by elastic wave resonators.
  • a ladder type filter circuit including the series arm resonators 104 and 105 and the parallel arm resonators 106 and 107 is configured. Furthermore, variable capacitors 108 to 115 are connected to enable adjustment of the pass band. That is, the variable capacitor 108 is connected in parallel to the series arm resonator 104, and the variable capacitor 110 is connected in series to the series arm resonator 104 and the variable capacitor 108. Similarly, a variable capacitor 109 is connected to the series arm resonator 105 in parallel, and a variable capacitor 111 is connected in series.
  • variable capacitor 112 is connected in parallel to the parallel arm resonator 106, and a variable capacitor 114 is connected in series to the parallel arm resonator 106 and the variable capacitor 112.
  • a variable capacitor 113 is connected in parallel to the parallel arm resonator 107, and a variable capacitor 115 is connected in series.
  • the resonance frequency and antiresonance frequency of series arm co-resonators 104 and 105 and parallel arm resonators 106 and 107 can be adjusted by changing the capacitance of a variable capacitor connected in series with each other.
  • a tunable filter is configured.
  • the number of variable capacitors and the number of voltage circuits for controlling the same increase, and the circuit becomes very complicated.
  • An object of the present invention is to provide an easy-to-design tunable elastic wave device that can adjust frequency characteristics using a ferroelectric material and has a small number of components.
  • a tunable elastic wave device includes a ferroelectric and an IDT electrode that is provided in contact with the ferroelectric and that excites the elastic wave. That is, the tunable elastic wave device according to the present invention uses an elastic wave excited by the IDT electrode.
  • a DC voltage application electrode for changing the sound velocity of the elastic wave by applying a DC voltage to the ferroelectric.
  • the IDT electrode also serves as a DC voltage application electrode.
  • the components of the tunable elastic wave device can be further reduced.
  • the DC voltage application electrode is provided separately from the IDT electrode.
  • a DC voltage application electrode may be provided separately from the IDT electrode.
  • the first and second DC voltage application electrodes are configured as the DC voltage application electrodes.
  • a piezoelectric layer laminated on a ferroelectric is further provided.
  • the elastic wave can be excited more effectively.
  • the piezoelectric layer is not necessarily provided in the present invention.
  • the IDT electrode is provided in contact with the piezoelectric layer. In this case, the elastic wave can be excited more effectively.
  • the IDT electrode is provided at an interface between the ferroelectric layer and the piezoelectric layer.
  • the IDT electrode can be effectively protected from the outside, and moisture resistance and the like can be improved.
  • the DC voltage application electrode is provided in the same plane in contact with the ferroelectric layer.
  • the DC voltage application electrode can be formed in the same process in a thin film formation method or the like.
  • the DC voltage applying electrodes are provided so as to face each other with the ferroelectric substance interposed therebetween.
  • a higher DC voltage can be applied by the ferroelectric material, and the frequency adjustment range can be further expanded.
  • the ferroelectric preferably, barium strontium titanate is used as the ferroelectric.
  • the frequency characteristics can be more effectively adjusted by applying a DC voltage.
  • the sound speed of the elastic wave can be changed by applying a DC voltage to the ferroelectric, and thereby the frequency characteristic due to the response of the elastic wave can be adjusted. Therefore, according to the present invention, since the sound speed itself of the elastic wave for obtaining the frequency characteristics can be changed with a simple structure, not only the frequency adjustment can be easily performed, but also the number of parts is small and the design is easy. A filter can be obtained.
  • FIGS. 1A and 1B are a front sectional view and a schematic plan view showing an IDT electrode of a tunable elastic wave device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for measuring the speed of sound of a surface acoustic wave.
  • FIG. 3 shows the applied DC voltage and the acoustic velocity of the surface acoustic wave when the acoustic wave propagates in a direction shifted by 10 ° from the (0-111) direction of the R-plane sapphire substrate in the acoustic wave device of the first embodiment. It is a figure which shows the relationship.
  • FIG. 1A and 1B are a front sectional view and a schematic plan view showing an IDT electrode of a tunable elastic wave device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for measuring the speed of sound of a surface acoustic wave.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the applied DC voltage and the acoustic velocity of the surface acoustic wave when the acoustic wave propagates in the (0-111) direction of the R-plane sapphire substrate in the acoustic wave device of the first embodiment. is there.
  • FIG. 5 shows the applied DC voltage and the acoustic velocity of the surface acoustic wave when the acoustic wave propagates in a direction shifted by 90 ° from the (0-111) direction of the R-plane sapphire substrate in the acoustic wave device of the first embodiment. It is a figure which shows the relationship.
  • FIG. 5 shows the applied DC voltage and the acoustic velocity of the surface acoustic wave when the acoustic wave propagates in a direction shifted by 90 ° from the (0-111) direction of the R-plane sapphire substrate in the acoustic wave device of the first embodiment. It is a figure which shows the relationship.
  • FIG. 6 shows the applied DC voltage and the acoustic velocity of the surface acoustic wave when the acoustic wave propagates in a direction shifted by 60 ° from the (0-111) direction of the R-plane sapphire substrate in the acoustic wave device of the first embodiment. It is a figure which shows the relationship.
  • FIG. 7 is a front cross-sectional view of a tunable elastic wave device according to a modification of the first embodiment.
  • FIGS. 8A and 8B are front sectional views of a tunable elastic wave device according to the second embodiment of the present invention, and schematic views for explaining the positional relationship between the IDT electrode and the DC voltage application electrode. It is a top view.
  • FIG. 7 is a front cross-sectional view of a tunable elastic wave device according to a modification of the first embodiment.
  • FIGS. 8A and 8B are front sectional views of a tunable elastic wave device according to the second embodiment of the present invention, and schematic views for explaining the position
  • FIG. 9 is a front sectional view of a tunable elastic wave device according to a modification of the second embodiment.
  • FIGS. 10A and 10B are a front sectional view of a tunable elastic wave device according to the third embodiment of the present invention and the positional relationship between the IDT electrode and the first and second DC voltage application electrodes. It is a schematic plan view for demonstrating.
  • FIG. 11 is a front sectional view of a tunable elastic wave device according to a modification of the third embodiment.
  • 12A and 12B are a front sectional view of a tunable elastic wave device according to another modification of the third embodiment, and positions of the IDT electrode and the first and second DC voltage application electrodes. It is a typical top view which shows a relationship.
  • FIG. 10A and 10B are a front sectional view of a tunable elastic wave device according to the third embodiment of the present invention and the positional relationship between the IDT electrode and the first and second DC voltage application electrodes. It is a schematic plan view for
  • FIG. 13 is a front cross-sectional view of a tunable elastic wave device according to still another modification of the third embodiment.
  • FIG. 14 is a front sectional view of a tunable elastic wave device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 15 is a circuit diagram showing a conventional filter device.
  • Fig.1 (a) is front sectional drawing of the tunable elastic wave apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention.
  • the tunable elastic wave device 1 has a substrate 2.
  • the substrate 2 is made of an appropriate piezoelectric material such as LiTaO 3 , LiNbO 3 or quartz, or an insulator such as sapphire or glass.
  • a semiconductor such as Si can also be used.
  • the IDT electrode 3 is formed on the substrate 2.
  • the IDT electrode 3 includes a pair of comb electrodes 3a and 3b.
  • a plurality of electrode fingers 3c are disposed so as to be interleaved with each other.
  • a ferroelectric 4 made of barium strontium titanate is laminated on a substrate 2 so as to cover the IDT electrode 3.
  • the IDT electrode 3 also serves as a DC voltage application electrode.
  • the IDT electrode 3 is made of an appropriate metal material such as Al, Au, Pt, Cu, or an alloy thereof.
  • the IDT electrode 3 may be composed of a laminated metal film formed by laminating a plurality of metal films.
  • a surface acoustic wave is excited by applying an AC voltage between the comb electrodes 3a and 3b. That is, the surface acoustic wave is excited by the piezoelectric effect of the ferroelectric 4 made of barium strontium titanate. And the frequency characteristic based on the response of this surface acoustic wave is utilized.
  • the substrate 2 is made of a piezoelectric material, the surface acoustic wave can be excited using the piezoelectric effect of the substrate 2.
  • a reflector may be added and a resonator may be comprised.
  • a filter device such as a resonator type filter may be configured by providing a plurality of IDT electrodes.
  • the feature of the tunable elastic wave device 1 according to the present invention is that the frequency characteristics can be adjusted by applying a DC voltage between the IDT electrodes 3.
  • the present embodiment utilizes the fact that the sound velocity of the surface acoustic wave excited by the IDT electrode 3 is changed by applying a DC voltage.
  • the inventors of the present application have found that when a DC voltage is applied to the ferroelectric 4, the elastic constant of the ferroelectric 4 changes and is thereby excited. It was found for the first time that the speed of sound of the surface acoustic wave being changed, and the present invention has been achieved.
  • the tunable elastic wave device 1 can change the sound velocity of the excited surface acoustic wave by changing the DC voltage applied to the ferroelectric material 4. Therefore, the frequency characteristic can be adjusted. Moreover, since the sound speed itself of the surface acoustic wave is changed, the degree of freedom in adjusting the frequency characteristics can be increased, and the degree of freedom in designing the tunable surface acoustic wave device 1 can be greatly increased. In addition, the number of parts can be reduced.
  • the tunable elastic wave device 1 was prepared with the following specifications.
  • R plane sapphire substrates with propagation directions ⁇ of 10 °, 0 °, 90 ° and 60 ° with respect to the (0-111) direction were prepared.
  • an IDT electrode 3 made of Al and having an electrode finger crossing width of 30 ⁇ m and a pair of electrode fingers of 200 pairs was formed to a thickness of 100 nm.
  • a ferroelectric 4 made of barium strontium titanate and having a thickness of 800 nm was formed.
  • FIGS. 3 to 6 show the tunable elastic wave devices in which the propagation directions ⁇ of the surface acoustic waves produced as described above are 10 °, 0 °, 90 ° and 60 ° with respect to the (0-111) direction.
  • 3 is a diagram showing the relationship between the speed of sound of a surface acoustic wave and a DC voltage applied to a ferroelectric material 4.
  • the acoustic lens 51 is disposed above the device X where the surface acoustic wave is excited.
  • a transducer 52 made of a ZnO film is connected to the acoustic lens 51.
  • the converter 52 has a function of transmitting and receiving ultrasonic waves.
  • the lower surface of the acoustic lens 51 has a concave shape, and the concave portion is opposed to the device X with a gap. Water 53 is disposed in this gap. In this state, ultrasonic waves are emitted from the transducer 52 to the device X side as shown in the figure.
  • the bulk wave emitted from the converter 52 reaches the device X through the path C1, is converted into a surface acoustic wave by the device X, propagates through the device X as a surface wave, and then passes through the path C2 to the acoustic lens 51.
  • Return. Utilizing interference and time difference between the bulk wave returning from the path C2 from the path C1 through the device X and the bulk wave reflected by the device X through the path C3 and returned through the path C3. The sound velocity of the surface acoustic wave on the device X can be measured.
  • the sound velocity of the surface acoustic wave changes greatly by applying a DC voltage.
  • the DC voltage is between 0 and 20V
  • the speed of sound is the same or slightly higher than when no DC voltage is applied, but when the DC voltage exceeds 20V, the sound speed of the surface acoustic wave decreases with increasing DC voltage.
  • the tunable elastic wave device 1 of the present embodiment the sound velocity of the surface acoustic wave can be changed by changing the DC voltage. Therefore, the frequency characteristic can be changed.
  • the tunable surface acoustic wave device 1 can greatly increase the degree of design freedom when adjusting the frequency.
  • FIG. 7 is a front cross-sectional view showing a tunable elastic wave device 1A according to a modification of the first embodiment.
  • the IDT electrode 3 is formed on the upper surface of the ferroelectric body 4.
  • the IDT electrode 3 may be formed on the upper surface of the ferroelectric 4. Even in this case, if the ferroelectric 4 is thin, the surface acoustic wave can be excited with sufficient strength.
  • a ferroelectric material such as BST itself exhibits a piezoelectric effect, a surface acoustic wave propagates in the vicinity of the upper surface of the ferroelectric 4 and a response due to the surface acoustic wave can be used.
  • FIG. 8A is a front sectional view of the tunable elastic wave device 11 according to the second embodiment of the present invention.
  • the first DC voltage application electrode 5 is formed on the upper surface of the ferroelectric 4.
  • the second embodiment is the same as the tunable elastic wave device of the first embodiment. Therefore, the same reference numerals are assigned to the same parts, and the description of the first embodiment is incorporated.
  • the first DC voltage application electrode 5 has a rectangular planar shape.
  • the outer shape of the first DC voltage application electrode 5 positioned on the IDT electrode 3 is indicated by a one-dot chain line.
  • the first DC voltage application electrode 5 is opposed to the IDT electrode 3 serving also as the second DC voltage application electrode in the thickness direction of the ferroelectric 4 with the ferroelectric material 4 interposed therebetween.
  • a surface acoustic wave is excited by applying an AC voltage between the comb electrodes 3a and 3b. That is, surface acoustic waves are excited by the piezoelectric effect of the ferroelectric 4 made of barium strontium titanate, or when the substrate 2 is made of a piezoelectric, due to the piezoelectric effect of the piezoelectric and the ferroelectric 4.
  • the frequency characteristics can be adjusted by applying a DC voltage between the first DC voltage application electrode 5 and the IDT electrode 3 also serving as the second DC voltage application electrode.
  • the comb electrodes 3a and 3b of the IDT electrode 3 also serve as the first and second DC voltage application electrodes.
  • the first DC voltage application electrode 5 and the comb electrodes 3a or 3b of the IDT electrode 3 constitute a second DC voltage application electrode.
  • FIG. 9 is a front sectional view showing a tunable filter device 11A according to a modification of the tunable filter device 11 of the second embodiment.
  • the first DC voltage application electrode 5 is formed at the interface between the substrate 2 and the ferroelectric 4
  • the IDT electrode 3 is formed on the upper surface of the ferroelectric 4.
  • the IDT electrode 3 may be formed on the upper surface of the ferroelectric 4.
  • a surface acoustic wave near the upper surface of the ferroelectric 4 propagates, and the response by this surface acoustic wave can be used.
  • FIG. 10A is a front sectional view of a tunable elastic wave device 21 according to a third embodiment of the present invention.
  • the IDT electrode 3 is formed on the upper surface of the ferroelectric 4.
  • the first and second DC voltage application electrodes 5A and 5B are formed on the lower surface of the ferroelectric body 4. Except for this electrode structure, the third embodiment is the same as the first embodiment. Therefore, the same reference numerals are assigned to the same parts, and the description of the first embodiment is incorporated.
  • the first and second DC voltage application electrodes 5 A and 5 B are formed on the lower surface of the ferroelectric 4, that is, the interface between the ferroelectric 4 and the substrate 2. In other words, the first and second DC voltage application electrodes 5A and 5B are located in the same plane. Therefore, the first and second DC voltage applying electrodes 5A and 5B can be efficiently formed by the same process, for example, by a thin film forming method.
  • FIG. 10B is a schematic plan view showing the positional relationship between the IDT electrode 3 and the DC voltage application electrodes 5A and 5B located below.
  • the first and second DC voltage application electrodes 5 ⁇ / b> A and 5 ⁇ / b> B are disposed on both sides of the surface acoustic wave propagation direction of the IDT electrode 3.
  • the first and second DC voltage application electrodes 5A and 5B have a rectangular shape with a long length in the extending direction of the electrode finger 3c.
  • the lengths of the first and second DC voltage application electrodes 5A and 5B along the direction in which the electrode finger 3c extends are such that the IDT electrode 3 intersects between the first and second DC voltage application electrodes 5A and 5B. May be selected so as to be included.
  • the intersecting region is a region where a plurality of electrode fingers 3c overlap in the surface acoustic wave propagation direction.
  • the elastic constant of the ferroelectric 4 in the intersecting region where the surface acoustic wave is excited, the elastic constant of the ferroelectric 4 can be reliably changed by applying a DC voltage, and the sound velocity of the surface acoustic wave can be reliably changed.
  • planar shape of the first and second DC voltage application electrodes 5A and 5B is particularly limited as long as a DC voltage can be effectively applied to the ferroelectric 4 located on the intersecting region. It is not limited.
  • the first and second DC voltage application electrodes 5A and 5B are formed at different height positions from the IDT electrode 3, but as indicated by broken lines in FIG.
  • the first and second DC voltage application electrodes 5A and 5B may be formed in the same plane as the IDT electrode 3. That is, the first and second DC voltage application electrodes 5A and 5B indicated by broken lines are formed on the upper surface of the ferroelectric 4.
  • FIG. 11 is a front sectional view showing a tunable surface acoustic wave device 21A according to a modification of the tunable elastic wave device 21 according to the third embodiment.
  • the IDT electrode 3 is formed at the interface between the substrate 2 and the ferroelectric 4, and the first and second DC voltage application electrodes 5 A and 5 B are formed on the upper surface of the ferroelectric 4. ing.
  • the formation positions of the IDT electrode 3 and the first and second DC voltage application electrodes 5A and 5B may be reversed from those in the third embodiment.
  • FIG. 12A is a schematic diagram showing the positional relationship between the IDT electrode 3 and the first and second DC voltage application electrodes 5A and 5B in a tunable elastic wave device 31 according to another modification of the third embodiment.
  • the first and second DC voltage applying electrodes 5A and 5B may be disposed on both sides of the electrode finger 3c in the length direction with the IDT electrode 3 interposed therebetween.
  • FIG. 13 is a schematic front sectional view showing a tunable elastic wave device 31A according to still another modified example of the third embodiment.
  • the first and second DC voltage application electrodes 5 ⁇ / b> A and 5 ⁇ / b> B are formed on the interface between the substrate 2 and the ferroelectric 4, and the IDT electrode 3 is formed on the upper surface of the ferroelectric 4.
  • the IDT electrode 3 may be disposed at the interface between the substrate 2 and the ferroelectric 4, contrary to FIG. 12.
  • FIG. 13 only the first DC voltage application electrode 5 A is shown, but the first and second DC voltage application electrodes are formed on the upper surface of the ferroelectric 4.
  • FIG. 14 is a front sectional view showing a tunable elastic wave device 41 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • a plate-like ferroelectric 4 is used in the tunable elastic wave device 41.
  • the ferroelectric 4 is made of barium strontium titanate, as in the first embodiment.
  • An IDT electrode 3 is formed on the upper surface of the ferroelectric 4, and a first DC voltage application electrode 5 is formed on the lower surface.
  • the substrate 2 is not used in the tunable elastic wave device 41 of the present embodiment.
  • the ferroelectric 4 itself has a piezoelectric effect. Therefore, in the tunable elastic wave device 41, the surface acoustic wave can be excited in the ferroelectric 4 by exciting the IDT electrode 3.
  • the sound velocity of the surface acoustic wave can be changed by applying a DC voltage between the IDT electrode 3 and the first DC voltage application electrode 5. Therefore, similarly to the first and second embodiments, it is possible to easily adjust the frequency characteristics based on the response by the surface acoustic wave.
  • the tunable elastic wave device 41 can be reduced in size, particularly reduced in height.
  • the IDT electrode 3 may also serve as the DC voltage application electrode 5. In this case, the DC voltage application electrode 5 may not be formed.
  • a surface acoustic wave is used as the elastic wave.
  • a boundary acoustic wave may be used.
  • a medium layer may be further stacked on the ferroelectric 4 in the first embodiment so as to excite the boundary acoustic wave.
  • barium strontium titanate is used as the ferroelectric, but other ferroelectrics such as Pb (Ti, Zr) O 3 , PbTiO 3 , BiTaO 3, etc. may be used.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
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Abstract

　弾性波による応答を利用しており、周波数調整が容易であり、かつ設計の自由度を高め得るチューナブル弾性波装置を提供する。　強誘電体４と、強誘電体４に接するように設けられており、弾性波を励振するためのＩＤＴ電極３とを備え、強誘電体４に直流電圧を印加するために該強誘電体４に接するように設けられており、直流電圧の印加により弾性波の音速を変化させる第１，第２の直流電圧印加用電極５をさらに備える、チューナブル弾性波装置１。

Description

チューナブル弾性波装置
　本発明は、弾性表面波などの弾性波を利用したチューナブル弾性波装置に関し、より詳細には、強誘電体を用いて周波数特性を変化させ得る構成が備えられたチューナブル弾性波装置に関する。
　通信システムに用いられる帯域フィルタにおいて、通過帯域を調整し得ることが求められることがある。このような要求を満たす帯域フィルタ、すなわちチューナブルフィルタが種々提案されている。
　例えば下記の特許文献１には、複数の弾性表面波共振子と可変コンデンサとを用いたチューナブルフィルタが開示されている。図１５は、特許文献１に記載のチューナブルフィルタの回路図である。
　チューナブルフィルタ１０１では、入力端１０２と出力端１０３との間を結ぶ直列腕に、複数の直列腕共振子１０４，１０５が互いに直列に接続されている。また、直列腕とグラウンド電位との間の複数の並列腕において、それぞれ、並列腕共振子１０６，１０７が接続されている。直列腕共振子１０４，１０５及び並列腕共振子１０６，１０７は、弾性波共振子により形成されている。
　すなわち、上記直列腕共振子１０４，１０５及び並列腕共振子１０６，１０７を有するラダー型フィルタ回路が構成されている。さらに、通過帯域を調整することを可能とするために、可変コンデンサ１０８～１１５が接続されている。すなわち、直列腕共振子１０４に並列に、可変コンデンサ１０８が接続されており、該直列腕共振子１０４及び可変コンデンサ１０８に直列に可変コンデンサ１１０が接続されている。同様に、直列腕共振子１０５にも、並列に可変コンデンサ１０９が接続されており、直列に可変コンデンサ１１１が接続されている。
　並列腕においても、並列腕共振子１０６に並列に可変コンデンサ１１２が接続されており、並列腕共振子１０６及び可変コンデンサ１１２に直列に可変コンデンサ１１４が接続されている。同様に、並列腕共振子１０７に並列に可変コンデンサ１１３が接続されており、直列に可変コンデンサ１１５が接続されている。
特開２００５－２１７８５２号公報
　特許文献１では、直列腕共共振子１０４、１０５および並列腕共振子１０６、１０７の共振周波数と反共振周波数を、それぞれに直並列に接続されている可変コンデンサの容量を変えることにより周波数調整可能なチューナブルフィルタが構成されている。しかしながら、このような構成では、可変コンデンサの数およびそれを制御する電圧回路の数が多くなってしまい、回路が非常に煩雑になる、という問題があった。
　本発明の目的は、強誘電体を用いて周波数特性を調整することができ、しかも部品点数の少ない、設計の容易なチューナブル弾性波装置を提供することにある。
　本発明に係るチューナブル弾性波装置は、強誘電体と、強誘電体に接するように設けられておりかつ弾性波を励振するためのＩＤＴ電極とを備える。すなわち、本発明に係るチューナブル弾性波装置は、ＩＤＴ電極により励振される弾性波を利用するものである。本発明では、強誘電体への直流電圧の印加により上記弾性波の音速を変化させるための直流電圧印加用電極がさらに備えられている。
　本発明に係るチューナブル弾性波装置のある特定の局面では、前記ＩＤＴ電極が、直流電圧印加用電極を兼ねている。この場合には、チューナブル弾性波装置の構成要素をより一層少なくすることができる。
　本発明のチューナブル弾性波装置の他の特定の局面では、前記ＩＤＴ電極と別個に、前記直流電圧印加用電極が設けられている。このように、ＩＤＴ電極とは別に直流電圧印加用電極を設けてもよく、その場合には、直流電圧印加用電極として、第１及び第２の直流電圧印加用電極が構成される。
　本発明に係るチューナブル弾性波装置の他の特定の局面では、強誘電体に積層されている圧電体層がさらに備えられている。この場合には、弾性波をより一層効果的に励振することができる。もっとも、強誘電体自体は圧電効果を発揮するため、本発明においては、圧電体層は必ずしも設けられずともよい。
　本発明に係るチューナブル弾性波装置のさらに他の特定の局面では、ＩＤＴ電極が圧電体層に接するように設けられている。この場合には、弾性波をより効果的に励振することができる。
　本発明に係るチューナブル弾性波装置の別の特定の局面では、前記ＩＤＴ電極が、前記強誘電体層と前記圧電体層との界面に設けられている。この場合には、ＩＤＴ電極を外部から効果的に保護することができ、耐湿性等を高めることができる。
　本発明に係るチューナブル弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記直流電圧印加用電極が、強誘電体層に接している同一平面内に設けられている。この場合には、直流電圧印加用電極を、薄膜形成法などにおいて同一工程において形成することができる。
　本発明に係るチューナブル弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記直流電圧印加用電極が、前記強誘電体を挟んで対向するように設けられている。この場合には、強誘電体により一層高い直流電圧を印加し、周波数調整範囲をより一層広げることができる。
　本発明に係るチューナブル弾性波装置では、好ましくは、上記強誘電体としてバリウムストロンチウムチタネートが用いられる。この場合には、直流電圧の印加により、周波数特性をより一層効果的に調整することができる。
　本願発明に係るチューナブル弾性波装置では、強誘電体に直流電圧を印加することにより弾性波の音速を変化させることができ、それによって、弾性波の応答による周波数特性を調整することができる。従って、本発明によれば、簡易な構造で周波数特性を得るための弾性波の音速自体を変化させ得るため、周波数調整を容易に行なうことができるだけでなく、部品点数の少ない、設計の容易なフィルタを得ることが可能となる。
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るチューナブル弾性波装置の正面断面図及びＩＤＴ電極を示す模式的平面図である。 図２は、弾性表面波の音速測定方法を説明するための模式的断面図である。 図３は、第１の実施形態の弾性波装置において、Ｒ面サファイヤ基板の（０－１１１）方向から１０°ずれた方向に弾性波が伝搬する場合の印加直流電圧と弾性表面波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、Ｒ面サファイヤ基板の（０－１１１）方向に弾性波が伝搬する場合の印加直流電圧と弾性表面波の音速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、Ｒ面サファイヤ基板の（０－１１１）方向から９０°ずれた方向に弾性波が伝搬する場合の印加直流電圧と弾性表面波の音速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、Ｒ面サファイヤ基板の（０－１１１）方向から６０°ずれた方向に弾性波が伝搬する場合の印加直流電圧と弾性表面波の音速との関係を示す図である。 図７は、第１の実施形態の変形例に係るチューナブル弾性波装置の正面断面図である。 図８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係るチューナブル弾性波装置の正面断面図及びＩＤＴ電極と直流電圧印加用電極との位置関係を説明するための模式的平面図である。 図９は、第２の実施形態の変形例に係るチューナブル弾性波装置の正面断面図である。 図１０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係るチューナブル弾性波装置の正面断面図及びＩＤＴ電極と第１，第２の直流電圧印加用電極との位置関係を説明するための模式的平面図である。 図１１は、第３の実施形態の変形例に係るチューナブル弾性波装置の正面断面図である。 図１２（ａ）及び（ｂ）は、第３の実施形態の他の変形例に係るチューナブル弾性波装置の正面断面図及びＩＤＴ電極と第１，第２の直流電圧印加用電極との位置関係を示す模式的平面図である。 図１３は、第３の実施形態のさらに他の変形例に係るチューナブル弾性波装置の正面断面図である。 図１４は、第４の実施形態に係るチューナブル弾性波装置の正面断面図である。 図１５は、従来のフィルタ装置を示す回路図である。
　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。
　図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るチューナブル弾性波装置の正面断面図である。チューナブル弾性波装置１は、基板２を有する。基板２は、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、水晶などの適宜の圧電体や、サファイヤ、ガラスなどの絶縁体からなる。また、Ｓｉなどの半導体を用いることもできる。
　基板２上にＩＤＴ電極３が形成されている。ＩＤＴ電極３は、一対のくし歯電極３ａ，３ｂを有する。ＩＤＴ電極３では、複数本の電極指３ｃが互いに間挿し合うように配置されている。
　図１（ａ）に示すように、ＩＤＴ電極３を覆うように、基板２上にバリウムストロンチウムチタネートからなる強誘電体４が積層されている。本実施形態では、ＩＤＴ電極３が直流電圧印加用電極を兼ねている。
　ＩＤＴ電極３は、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕまたはこれらの合金等の適宜の金属材料からなる。ＩＤＴ電極３は、複数の金属膜を積層してなる積層金属膜により構成されていてもよい。
　本実施形態のチューナブル弾性波装置１では、くし歯電極３ａ，３ｂ間に交流電圧を印加することにより、弾性表面波が励振される。すなわち、バリウムストロンチウムチタネートからなる強誘電体４の圧電効果により、弾性表面波が励振される。そして、この弾性表面波の応答に基づく周波数特性が利用される。基板２が圧電体からなる場合には、基板２による圧電効果も利用して、弾性表面波が励振され得る。
　なお、図１（ｂ）では、ＩＤＴ電極３を示したが、チューナブル弾性波装置１の用途に応じて、ＩＤＴ電極３に加えて、反射器を追加し共振子を構成してもよい。あるいは、複数のＩＤＴ電極を設け共振子型フィルタなどのフィルタ装置を構成してもよい。
　そして、本発明におけるチューナブル弾性波装置１の特徴は、ＩＤＴ電極３間に直流電圧を印加することにより、周波数特性を調整し得ることにある。
　強誘電体４は、直流電圧が印加されると、比誘電率εが変化することが従来より知られていた。前述した特許文献１では、この比誘電率の変化、すなわち静電容量の変化を利用している。
　これに対して、本実施形態は、直流電圧の印加により、ＩＤＴ電極３により励振されている弾性表面波の音速が変化することを利用している。本願発明者らは、強誘電体４を用いた弾性波装置について種々検討した結果、上記強誘電体４に直流電圧を印加した場合、強誘電体４の弾性定数が変化し、それによって励振されている弾性表面波の音速が変化することを初めて見出し、本発明をなすに至ったものである。
　チューナブル弾性波装置１では、強誘電体４に印加される直流電圧を変化させることにより、励振されている弾性表面波の音速を変化させることができる。従って、周波数特性を調整することができる。しかも、弾性表面波の音速自体を変化させるものであるため、周波数特性の調整の自由度を高めることができ、チューナブル弾性波装置１の設計の自由度を大幅に高めることができる。また、部品点数を少なくすることができる。
　ここで、上記強誘電体４に直流電圧を印加した際に弾性表面波の音速が変化することを、図２～図６を参照してより具体的に説明する。
　上記チューナブル弾性波装置１を、以下の仕様で用意した。
　（０－１１１）方向に対し、伝搬方位ψが１０°、０°、９０°及び６０°のＲ面サファイヤ基板を用意した。上記サファイヤ基板上にＡｌからなり電極指交差幅が３０μｍ、電極指の対数が２００対であるＩＤＴ電極３を１００ｎｍの厚みに形成した。そして、バリウムストロンチウムチタネートからなり、厚みが８００ｎｍの強誘電体４を形成した。
　図３～図６は、上記のようにして作製した弾性表面波の伝搬方位ψが（０－１１１）方向に対し、１０°、０°、９０°及び６０°の各チューナブル弾性波装置の弾性表面波の音速と、強誘電体４に印加した直流電圧との関係を示す図である。
　なお、弾性表面波の音速は、図２に模式的に示す方法に従って行なった。この方法は、ＩＥＥＥ　ＴＲＡＮＳＥＣＴＩＯＮＳ　ＯＮ　ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ，　ＦＥＲＲＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ，　ＡＮＤ　ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ　ＣＯＮＴＲＯＬ，　ｖｏｌ．４５，ＮＯ．２，ＭＡＲＣＨ　１９９８の第４２１ページ～第４３０ページに「Ａ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｌｉｎｅ－Ｆｏｃｕｓ－Ｂｅａｍ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ　Ｓｙｓｔｅｍ」に記載の方法である。
　図２に示すように、弾性表面波が励振されるデバイスＸの上方に音響レンズ５１を配置する。音響レンズ５１には、ＺｎＯ膜からなる変換器５２が連結されている。変換器５２は、超音波を送信しかつ受信する機能を有する。音響レンズ５１の下面は凹状の形状を有し、この凹状部分がデバイスＸに隙間を隔てて対向されている。この隙間に水５３を配置する。この状態で図示のように変換器５２から超音波をデバイスＸ側に発する。変換器５２から発せられたバルク波は経路Ｃ１を通ってデバイスＸに達し、デバイスＸで弾性表面波に変換され、表面波としてデバイスＸを伝搬した後、経路Ｃ２を通って、音響レンズ５１に戻る。この経路Ｃ１からデバイスＸを伝って経路Ｃ２から戻ってきたバルク波と、経路Ｃ３を通ってデバイスＸで反射して経路Ｃ３を通って戻ってきたバルク波との、干渉や時間差を利用して、デバイスＸ上の弾性表面波の音速を計測することができる。
　図３～図６から明らかなように、直流電圧を印加することにより、弾性表面波の音速が大きく変化することがわかる。直流電圧が０～２０Ｖの間では、直流電圧を印加しない場合と同等か若干音速が高められていくものの、直流電圧が２０Ｖを超えると、弾性表面波の音速が直流電圧の上昇にともなって低くなる。従って、本実施形態のチューナブル弾性波装置１では、上記直流電圧を変化させることにより、弾性表面波の音速を変化させることができる。よって、周波数特性を変化させることができる。しかも、弾性表面波の音速自体を変化させるものであるため、チューナブル弾性波装置１では、周波数調整に際しての設計の自由度を大幅に高めることができる。
　図７は、第１の実施形態の変形例に係るチューナブル弾性波装置１Ａを示す正面断面図である。本変形例のチューナブル弾性波装置１Ａでは、ＩＤＴ電極３が強誘電体４の上面に形成されている。このように、ＩＤＴ電極３は強誘電体４の上面に形成されていてもよい。この場合においても、強誘電体４の厚みが薄ければ、弾性表面波を十分な強度で励振させることができる。加えて、ＢＳＴなどの強誘電体自体が圧電効果を発現するため、強誘電体４の上面近傍を弾性表面波が伝搬し、この弾性表面波による応答を利用することができる。
　図８（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係るチューナブル弾性波装置１１の正面断面図である。本実施形態では、強誘電体４の上面に第１の直流電圧印加用電極５が形成されている。その他の点については、第２の実施形態は第１の実施形態のチューナブル弾性波装置と同様である。従って、同一部分については同一の参照番号を付することにより、第１の実施形態の説明を援用することとする。
　上記第１の直流電圧印加用電極５は矩形の平面形状を有する。図８（ｂ）に、ＩＤＴ電極３上に位置している第１の直流電圧印加用電極５の外形を一点鎖線で示すこととする。強誘電体４を挟んで第１の直流電圧印加用電極５は、第２の直流電圧印加用電極を兼ねるＩＤＴ電極３と強誘電体４の厚み方向に対向している。
　本実施形態においても、くし歯電極３ａ，３ｂ間に交流電圧を印加することにより、弾性表面波が励振される。すなわち、バリウムストロンチウムチタネートからなる強誘電体４の圧電効果、あるいは基板２が圧電体からなる場合、該圧電体及び強誘電体４の圧電効果により、弾性表面波が励振される。本実施形態では、第１の直流電圧印加用電極５と、第２の直流電圧印加用電極を兼ねるＩＤＴ電極３との間に直流電圧を印加することにより、周波数特性を調整し得る。
　すなわち、第１の実施形態では、ＩＤＴ電極３のくし歯電極３ａ，３ｂが、第１，第２の直流電圧印加用電極を兼ねていた。これに対して、本実施形態では、第１の直流電圧印加用電極５と、ＩＤＴ電極３のくし歯電極３ａまたは３ｂが第２の直流電圧印加用電極を構成している。それによって、強誘電体４の厚み方向において、確実に直流電界を印加することができ、周波数特性を調整することができる。
　本実施形態のように、ＩＤＴ電極３に加えて、第１の直流電圧印加用電極５をさらに設けてもよい。図９は、第２の実施形態のチューナブルフィルタ装置１１の変形例に係るチューナブルフィルタ装置１１Ａを示す正面断面図である。本変形例では、第１の直流電圧印加用電極５が基板２と強誘電体４との界面に形成されており、ＩＤＴ電極３が強誘電体４の上面に形成されている。このように、ＩＤＴ電極３は強誘電体４の上面に形成されてもよい。この場合には、図７に示した変形例のチューナブル弾性波装置１Ａと同様に、強誘電体４の上面近傍弾性表面波が伝搬し、この弾性表面波による応答を利用することができる。
　図１０（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係るチューナブル弾性波装置２１の正面断面図である。本実施形態では、ＩＤＴ電極３が、強誘電体４の上面に形成されている。そして、第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂが、強誘電体４の下面に形成されている。この電極構造を除いては、第３の実施形態は、第１の実施形態と同様である。従って、同一部分については同一の参照番号を付することにより、第１の実施形態の説明を援用することとする。
　第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂは、強誘電体４の下面、すなわち強誘電体４と基板２との界面に形成されている。言い換えれば、第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂは同一平面内に位置している。従って、例えば薄膜形成法などにより第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂを同一プロセスにより効率良く形成することができる。
　図１０（ｂ）は、上記ＩＤＴ電極３と下方に位置している直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂとの位置関係を示す模式的平面図である。本実施形態では、第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５ＢはＩＤＴ電極３の弾性表面波伝搬方位両側に配置されている。そして、第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂは、電極指３ｃの延びる方向の長さが長い矩形の形状を有している。この電極指３ｃが延びる方向に沿う第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂの長さは、第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂ間にＩＤＴ電極３の交差領域が含まれるように選択されればよい。なお、交差領域とは、複数本の電極指３ｃが弾性表面波伝搬方向において重なり合っている領域である。
　本実施形態では、弾性表面波が励振される交差領域において、強誘電体４の弾性定数を直流電圧の印加により確実に変化させ、弾性表面波の音速を確実に変化させることができる。
　なお、上記のように、交差領域上に位置している強誘電体４に直流電圧を効果的に印加し得る限り、第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂの平面形状は特に限定されるものではない。
　なお、本実施形態では、第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂは、ＩＤＴ電極３とは異なる高さ位置に形成されていたが、図１０（ａ）に破線で示すように、第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂを、ＩＤＴ電極３と同じ平面内に形成してもよい。すなわち、破線で示す第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂは、強誘電体４の上面に形成されている。
　図１１は、第３の実施形態に係るチューナブル弾性波装置２１の変形例に係るチューナブル弾性表面波装置２１Ａを示す正面断面図である。本変形例では、ＩＤＴ電極３が、基板２と強誘電体４との界面に形成されており、第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂが強誘電体４の上面に形成されている。このように、ＩＤＴ電極３と、第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂの形成位置を第３の実施形態の場合とは逆としてもよい。
　図１２（ａ）は、第３の実施形態の他の変形例に係るチューナブル弾性波装置３１におけるＩＤＴ電極３と第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂの位置関係を示す模式的平面図である。図１２に示すように、第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂは、ＩＤＴ電極３を挟んで、ただし電極指３ｃの長さ方向両側に配置されていてもよい。
　また、図１３は、第３の実施形態のさらに他の変形例に係るチューナブル弾性波装置３１Ａを示す模式的正面断面図である。図１２では、第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂが基板２と強誘電体４との界面に形成されており、ＩＤＴ電極３が強誘電体４の上面に形成されていた。これに対して、図１３に示すように、図１２とは逆に、ＩＤＴ電極３を基板２と強誘電体４との界面に配置してもよい。また、図１３では、第１の直流電圧印加用電極５Ａのみが示されているが、第１，第２の直流電圧印加用電極は、強誘電体４の上面に形成される。
　図１１～図１３に示した各実施形態または変形例においても、例えば図１１に破線で示すように、図１０（ａ）において破線で示した第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂのように、ＩＤＴ電極３と同じ平面内に第１，第２の直流電圧印加用電極５Ａ，５Ｂを形成してもよい。
　図１４は、本発明の第４の実施形態に係るチューナブル弾性波装置４１を示す正面断面図である。チューナブル弾性波装置４１では、板状の強誘電体４が用いられている。強誘電体４は、第１の実施形態と同様に、バリウムストロンチウムチタネートからなる。強誘電体４の上面にＩＤＴ電極３が形成されており、下面に第１の直流電圧印加用電極５が形成されている。
　本実施形態のチューナブル弾性波装置４１では、基板２は用いられていない。前述したように、強誘電体４自身が圧電効果を有する。従って、チューナブル弾性波装置４１では、ＩＤＴ電極３を励振することにより強誘電体４において弾性表面波を励振することができる。そして、この弾性表面波の音速を、ＩＤＴ電極３と第１の直流電圧印加用電極５との間に直流電圧を印加することにより変化させることができる。よって、第１，第２の実施形態と同様に、弾性表面波による応答に基づく周波数特性を容易に調整することができる。本実施形態では、基板２を必要としないため、チューナブル弾性波装置４１では小型化、特に低背化を進めることができる。また、ＩＤＴ電極３が直流電圧印加用電極５を兼ねていてもよい。この場合、直流電圧印加用電極５は形成されずともよい。
　上述した各実施形態では、弾性波として弾性表面波を利用したが、弾性表面波に限らず弾性境界波を利用してもよい。その場合には、例えば第１の実施形態において強誘電体４上にさらに媒質層を積層し、弾性境界波が励振されるように形成すればよい。
　また、上述してきた実施形態では、強誘電体としてバリウムストロンチウムチタネートを用いたが、他の強誘電体、例えばＰｂ（Ｔｉ,Ｚｒ）Ｏ３、ＰｂＴｉＯ３、ＢｉＴａＯ３などを用いてもよい。
　１，１Ａ…チューナブル弾性波装置
　２…圧電基板
　３…ＩＤＴ電極
　３ａ，３ｂ…くし歯電極
　３ｃ…電極指
　４…強誘電体
　５，５Ａ，５Ｂ…直流電圧印加用電極
　１１，１１Ａ，２１，２１Ａ，３１，３１Ａ，４１…チューナブル弾性波装置
　５１…音響レンズ
　５２…変換器
　５３…水

Claims (9)

  1. 　強誘電体と、
    　前記強誘電体に接するように設けられており、かつ弾性波を励振するためのＩＤＴ電極と、
    　前記強誘電体に直流電圧を印加することにより前記弾性波の音速を変化させる直流電圧印加用電極とを備える、チューナブル弾性波装置。
  2. 　前記ＩＤＴ電極が、前記直流電圧印加用電極を兼ねている、請求項１に記載のチューナブル弾性波装置。
  3. 　前記直流電圧印加用電極が前記ＩＤＴ電極とは別個に設けられており、前記直流電圧印加用電極が第１及び第２の直流電圧印加用電極を有する、請求項１に記載のチューナブル弾性波装置。
  4. 　前記強誘電体に積層されている圧電体層をさらに備える、請求項１または２に記載のチューナブル弾性波装置。
  5. 　前記ＩＤＴ電極が、前記圧電体層に接するように設けられている、請求項３に記載のチューナブル弾性波装置。
  6. 　前記ＩＤＴ電極が、前記強誘電体層と前記圧電体層との界面に設けられている、請求項３または４に記載のチューナブル弾性波装置。
  7. 　前記直流電圧印加用電極が、強誘電体層に接している同一平面内に設けられている、請求項１～５のいずれか１項に記載のチューナブル弾性波装置。
  8. 　前記直流電圧印加用電極が、前記強誘電体を挟んで対向するように設けられている、請求項１～５のいずれか１項に記載のチューナブル弾性波装置。
  9. 　前記強誘電体が、バリウムストロンチウムチタネートである、請求項１～７のいずれか１項に記載のチューナブル弾性波装置。
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