弾性境界波装置
【課題】高いＱ値を有するとともに、広い周波数範囲に対応することが可能な弾性境界波装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る弾性境界波装置は、ニオブ酸カリウムからなる圧電体層１０１と、圧電体層１０１上にすだれ状に形成される金電極１０３と、圧電体層１０１および金電極１０３上に形成される、二酸化ケイ素を含む誘電体層１０５と、を備え、金電極１０３の厚みをＨｍとし、金電極１０３によって圧電体層１０１と誘電体層１０５の界面に励振される弾性境界波２０の波長をＬとした場合に、Ｈｍ／Ｌを、０．０１５以上とする。
【解決手段】本発明に係る弾性境界波装置は、ニオブ酸カリウムからなる圧電体層１０１と、圧電体層１０１上にすだれ状に形成される金電極１０３と、圧電体層１０１および金電極１０３上に形成される、二酸化ケイ素を含む誘電体層１０５と、を備え、金電極１０３の厚みをＨｍとし、金電極１０３によって圧電体層１０１と誘電体層１０５の界面に励振される弾性境界波２０の波長をＬとした場合に、Ｈｍ／Ｌを、０．０１５以上とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性境界波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
可変フィルタ（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｆｉｌｔｅｒ）の一例として、可変容量によりＬＣフィルタの共振周波数を変化させてフィルタ特性を調整することが可能な、可変容量同調フィルタ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｔｕｎｅｄ Ｆｉｌｔｅｒ）がある。この同調フィルタにおいて、可変容量は、例えば、半導体のバラクタダイオードや、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）キャパシタ等から構成される。また、インダクタンスに関しては、例えば、チップコイル、ストリップライン、ＭＥＭＳスパイラルコイル等で構成される。
【０００３】
しかしながら、チップコイル、ストリップライン、ＭＥＭＳスパイラルコイル等で構成されたインダクタは、一般にＱ値が小さく、フィルタ特性の面では、挿入損失を小さくすることが困難となる。そのため、低消費電力が要求される携帯端末用ＲＦフィルタとして使用することはできない。また、これらのインダクタの大きさは電磁波の波長に依存しているため、所望のインダクタンス値を得るためには、大きな面積を必要としてしまう。
【０００４】
他方、その他のインダクタンスの実現法として、弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）やバルク波を用いた共振器の共振点と反共振点との間の誘導性インピーダンス領域の高Ｑインダクタを用いることも考えられる。
【０００５】
弾性表面波は、媒質表面を伝搬するため、媒質の表面状態の変化に敏感である。したがって、媒質の弾性表面波伝搬面を保護するために、伝搬面に臨む空洞を設けたパッケージによって弾性表面波素子を気密封止する必要があった。このようなパッケージを用いる必要があったために、弾性表面波装置の製造に要するコストは高くならざるを得なかった。また、このようなパッケージの寸法は、弾性表面波素子の寸法よりも大幅に大きくなるため、弾性表面波装置の大きさは、大きくならざるを得なかった。
【０００６】
そこで、工程の簡略化や共振器の小型化を図るために、弾性表面波ではなく弾性境界波を用いた共振器について、検討が行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】特許第３８１５４２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の弾性境界波を用いた共振器の共振点と反共振点の周波数差は、大きいものでも１０％程度しか得られていないため、可変フィルタとしては、十分な周波数範囲に対応することができないという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、高いＱ値を有するとともに、広い周波数範囲に対応することが可能な、新規かつ改良された弾性境界波装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、ニオブ酸カリウムからなる圧電体層と、前記圧電体層上にすだれ状に形成される金電極と、前記圧電体層および前記金電極上に形成される、二酸化ケイ素を含む誘電体層と、を備え、前記金電極の厚みをＨｍとし、前記金電極によって前記圧電体層と前記誘電体層の界面に励振される弾性境界波の波長をＬとした場合に、Ｈｍ／Ｌが０．０１５以上である弾性境界波装置が提供される。
【００１１】
前記Ｈｍ／Ｌは、０．０６以下であってもよく、前記Ｈｍ／Ｌは、０．０４５以下であってもよい。
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、ニオブ酸カリウムからなる圧電体層と、前記圧電体層上にすだれ状に形成される銅電極と、前記圧電体層および前記銅電極上に形成される、二酸化ケイ素を含む誘電体層と、を備え、前記銅電極の厚みをＨｍとし、前記銅電極によって前記圧電体層と前記誘電体層の界面に励振される弾性境界波の波長をＬとした場合に、Ｈｍ／Ｌが０．０４０以上である弾性境界波装置が提供される。
【００１３】
前記Ｈｍ／Ｌは、０．０９０以下であってもよく、前記Ｈｍ／Ｌは、０．０５０以上０．０６０以下であってもよい。
【００１４】
ここで、前記ニオブ酸カリウムは、回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３であり、前記ニオブ酸カリウムの結晶におけるＸ軸周りの回転角θは、−３０°以上３０°以下であってもよく、−２０°以上２０°以下であってもよい。
【００１５】
また、前記ニオブ酸カリウムは、回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３であり、前記弾性境界波の伝搬方向と前記ニオブ酸カリウムの結晶におけるＸ軸とのなす角である伝搬角ψは、−１０°以上１０°以下であってもよく、−５°以上５°以下であってもよい。
【００１６】
本発明に係る弾性境界波装置は、ニオブ酸カリウムからなる圧電体層と二酸化ケイ素を含む誘電体層との界面に配設される金または銅からなる電極の膜厚をＨｍとし、かかる電極により圧電体層と誘電体層との界面に励振される弾性境界波の波長をＬとした場合に、Ｈｍ／Ｌを所定の値以上とすることで、高いＱ値を有するとともに、共振周波数および反共振周波数間の帯域が広帯域である弾性境界波を励振することが可能となる。これにより、高いＱ値を有するとともに、広い周波数範囲に対応することが可能な可変フィルタを実現することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にかかる弾性境界波装置は、高いＱ値を有するとともに、広い周波数範囲に対応することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１９】
本願発明者らは、上記課題を解決するために、弾性境界波装置について鋭意検討を行った結果、弾性境界波装置を構成する圧電体として、弾性表面波、バルク波で大きな電気機械結合係数を示すニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）を用いることに想到した。
【００２０】
続いて、本願発明者らは、所定の金属により形成される電極の両側にニオブ酸カリウムを配置する、ニオブ酸カリウム／電極／ニオブ酸カリウム、という構造を有する弾性境界波装置について、詳細に検討を行った。
【００２１】
しかしながら、上記構造を有する弾性境界波装置では、温度補償が不可能であるという問題に想到したため、本願発明者らは、高いＱ値を有するとともに、広い周波数範囲に対応することが可能であり、かつ、温度補償が可能な弾性境界波装置を実現するために、鋭意研究を行った。その結果、以下に示すような構造を有する弾性境界波装置に想到した。
【００２２】
（第１の実施形態）
以下では、図１〜図７を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置について、詳細に説明する。
【００２３】
＜本実施形態に係る弾性境界波装置１０の構成について＞
まず、図１を参照しながら、本実施形態に係る弾性境界波装置１０の構成について、詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る弾性境界波装置１０の構成を模式的に説明するための説明図であり、弾性境界波装置１０を側面からみた側面図となっている。
【００２４】
図１（ａ）に示したように、本実施形態に係る弾性境界波装置１０は、圧電体層１０１と、電極１０３と、誘電体層１０５と、から構成される。
【００２５】
圧電体層１０１は、所定の大きさを有するニオブ酸カリウムからなる基板を用いて形成される。ニオブ酸カリウムは、大きな電気機械結合係数を示すことが知られており、かかる物質を圧電体として利用することで、高いＱ値を有するとともに、広い周波数範囲に対応することが可能な弾性境界波装置１０を形成することが可能となる。
【００２６】
ニオブ酸カリウムからなる基板は、例えば、所定の結晶構造を有するニオブ酸カリウム結晶を用いて形成されることが好ましく、いわゆるＹカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３や、回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３からなる基板を用いることが好ましい。ここで、「回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３」のＸやＹは、それぞれニオブ酸カリウムの結晶軸におけるＸ軸、Ｙ軸を意味し、「Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３」とは、ニオブ酸カリウムの切り出し方向がＹ軸方向であり、励振される弾性境界波の伝搬方向がＸ軸方向であることを表す。また、「回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３」とは、ニオブ酸カリウムのＹ軸に沿った切り出し面（以下、Ｙ板と称する。）が、Ｘ軸周りにθ°回転しており、伝搬方向がＸ軸方向であることを表す。
【００２７】
電極１０３は、ニオブ酸カリウムからなる圧電体層１０１上に、金（Ａｕ）を用いてすだれ状に形成される。かかる電極１０３は、いわゆる「「すだれ状電極（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：ＩＤＴ）」として機能する。かかる電極１０３は、例えば、フォトエッチング法等を利用して、圧電体層１０１上に形成することが可能である。
【００２８】
すだれ状電極を構成する１つ１つの金電極は、「電極指」とも呼ばれる。それぞれの電極指の幅と、相隣接する電極指間の幅の比であるデューティ比は、図１（ａ）に示したように、例えば１：１とすることが可能であり、１：１以外の値にすることも可能である。また、金電極１０３の膜厚は、例えば図１（ｂ）に示したように、圧電体層１０１の上端から電極１０３の上端までの距離として定義され、Ｈｍと表記することとする。
【００２９】
なお、以下では、電極材料として金を用いた場合について説明を行うが、本発明に係る弾性境界波装置の電極は以下の場合に限定されるわけではなく、電極材料として、密度が高く、電気抵抗の小さな金属を使用することが可能である。
【００３０】
誘電体層１０５は、例えば二酸化ケイ素を主成分とする誘電体を用いて形成される。かかる誘電体層１０５は、圧電体層１０１を形成するニオブ酸カリウムの温度係数（Ｔｃｆ）とは逆の性質を有することが好ましい。すなわち、ニオブ酸カリウムは、正の温度係数（Ｔｃｆ）を有する物質であるが、誘電体層１０５は、負の温度係数（Ｔｃｆ）を有することが好ましい。かかる誘電体層１０３を、圧電体層１０１および電極１０３上に形成することで、温度補償が可能な弾性境界波装置１０を形成することが可能である。
【００３１】
なお、誘電体層１０５は、二酸化ケイ素単体から形成されていてもよく、二酸化ケイ素を主成分とする混合物であってもよい。かかる誘電体は、蒸着法やスパッタ法等の様々な成膜方法を用いて、低コストで形成することが可能である。また、このような化合物以外にも、負の温度係数（Ｔｃｆ）を有する化合物であれば、使用することが可能である。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態に係る弾性境界波装置１０は、金からなる電極１０３の両側に圧電体層１０１と誘電体層１０５とがそれぞれ配設された、誘電体層１０５／電極１０３／圧電体層１０１、という構造を有する。
【００３３】
金からなるすだれ状の電極１０３に所定の電圧が印加されると、圧電体層１０１を構成するニオブ酸カリウムの圧電効果により、圧電体層１０１の表面近傍に周期的な歪みが生じ、圧電体層１０１と誘電体層１０５の界面に、波長Ｌの弾性境界波２０が励振される。本実施形態に係る弾性境界波装置１０は、圧電体層１０１と誘電体層１０５の界面を伝搬する弾性境界波２０の共振を利用した共振器として機能する。
【００３４】
本願発明者らは、図１に示した構造を有する弾性境界波装置１０について、有限要素法による２次元解析を行い、電極１０３の膜厚と、圧電体層１０１に用いられている回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３の回転角θ、および、伝搬角ψとについて、詳細に検討を行った。なお、有限要素法による２次元解析において、ニオブ酸カリウムの諸定数は、以下の表１に示した値を使用し、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の諸定数は、以下の表２に示した値を使用した。また、電極に用いた金の諸定数は、以下の表３に示した値を使用した。
【００３５】
なお、以下の表１〜表３において、Ｃ１１〜Ｃ６６は、弾性定数を表し、ｅ３１〜ｅ２４は、圧電定数を表す。また、ε１１〜ε３３は、誘電定数を表し、ρは、密度を表す。ここで、表１に示した各定数は、Ｍ．Ｚｇｏｎｉｋらの論文（Ｍ．Ｚｇｏｎｉｋ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．７４，ｐｐ．１２８７〜１２９７（１９９３））から抜粋した。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
【表３】
【００３９】
＜アドミッタンス特性の電極膜厚依存性について＞
次に、図２および図３を参照しながら、本実施形態に係る弾性境界波装置１０におけるアドミッタンス特性の電極膜厚依存性について、詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と電極膜厚との関係を表すグラフ図であり、図３は、弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と電極膜厚との関係を表すグラフ図である。
【００４０】
図２に示したグラフ図は、図１に示したＳｉＯ２／Ａｕ／Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３構造における弾性境界波装置１０のアドミッタンス特性について、金電極１０３の規格化膜厚を変更しながら解析したものである。図２に示したグラフ図の縦軸は、アドミッタンスＹの絶対値の対数をとったものであり、横軸は、規格化周波数である。ここで、金電極１０３の規格化膜厚とは、金電極１０３の膜厚Ｈｍを、励振される弾性境界波２０の波長Ｌで除したもの（Ｈｍ／Ｌ）であり、規格化周波数とは、周波数ｆに弾性境界波２０の波長Ｌを掛けたもの（ｆ×Ｌ、単位はＨｚ・ｍ）である。
【００４１】
図２に示した各グラフ図において、｜Ｙ｜（アドミッタンスＹの絶対値）が最大となる周波数（ひいては、ｌｏｇ｜Ｙ｜が最大となる周波数）を、共振周波数（ｆｒ）という。また、｜Ｙ｜（アドミッタンスＹの絶対値）が最小となる周波数（ひいては、ｌｏｇ｜Ｙ｜が最小となる周波数）を、反共振周波数（ｆａ）という。共振周波数と反共振周波数との間では、インピーダンスが誘導性となり、この範囲においては、弾性境界波装置１０は、インダクタとして機能する。換言すれば、規格化電極膜厚は、アドミッタンス特性を示したグラフ図において、共振周波数と反共振周波数の双方が共に存在するように設定することが好ましい。そこで、弾性境界波装置１０を可変容量同調フィルタのインダクタンス分として利用することで、共振周波数と反共振周波数との間に位置する周波数帯域で、可変フィルタが実現可能となる。
【００４２】
図２では、規格化膜厚が０．００５〜０．０５０の場合におけるアドミッタンス特性が記載されている。図２より明らかなように、規格化膜厚が０．００５および０．０１０の場合（すなわち、規格化膜厚が０．０１０以下の場合）には、良好な共振特性は示しているが、反共振周波数では、伝搬損失が大きく、良好な特性は得られない。しかしながら、規格化膜厚が０．０１５以上の場合には、共振周波数および反共振周波数とも、良好な特性を示していることがわかる。
【００４３】
図３は、図２に示した各共振周波数および反共振周波数と、共振周波数および反共振周波数から算出される帯域幅とを示したグラフ図である。ここで、帯域幅は、（ｆａ−ｆｒ）／ｆｒにより算出される値である。図３に示したグラフ図の左側の縦軸は、規格化周波数であり、右側の縦軸は、帯域幅をパーセント表示したものである。また、図３に示したグラフ図の横軸は、金電極１０３の規格化膜厚Ｈｍ／Ｌである。
【００４４】
図３を参照すると、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは、双方とも金電極１０３の膜厚の増加とともに減少することがわかる。また、可変フィルタの可変幅に関係する帯域幅は、金電極の規格化膜厚が０．０２５のときに最大（約２３．５％）となることがわかる。
【００４５】
また、金電極の規格化膜厚が０．０１５〜０．０６０の範囲では、２０％以上の帯域幅が得られ、金電極の規格化膜厚が０．０１５〜０．０４５の範囲では、２２％以上の帯域幅が得られることがわかる。このように、本実施形態に係る弾性境界波装置１０では、金電極１０３の規格化膜厚を変更することで、２０％以上という広い周波数範囲に対応することが可能な可変フィルタを実現することができる。
【００４６】
＜アドミッタンス特性の回転角依存性について＞
続いて、図４および図５を参照しながら、本実施形態に係る弾性境界波装置１０におけるアドミッタンス特性の回転角依存性について、詳細に説明する。図４は、本実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの回転角との関係を表すグラフ図であり、図５は、本実施形態における弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの回転角との関係を表すグラフ図である。
【００４７】
図４に示したグラフ図は、図１に示したＳｉＯ２／Ａｕ／回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３構造における弾性境界波装置１０のアドミッタンス特性について、Ｘ軸周りの回転角θを変更しながら解析したものである。図４に示したグラフ図の縦軸は、アドミッタンスＹの絶対値の対数をとったものであり、横軸は、規格化周波数である。
【００４８】
図４に示したグラフ図は、圧電体層１０１として用いた回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３について、Ｘ軸周りの回転角θを、−８５°〜＋９０°まで変化させた場合のアドミッタンス特性を示している。ここで、金電極の規格化膜厚は、帯域幅が最大となる０．０２５とした。この場合においても、回転角θは、アドミッタンス特性を示したグラフ図において、共振周波数と反共振周波数の双方が共に存在するように設定することが好ましい。
【００４９】
図４を参照すると、回転角θが−７５°以下の場合、および、回転角θが７５°以上の場合には、良好な共振特性は示しているが、反共振周波数では、損失が大きく、良好な特性は得られない。他方、回転角θが−７０°以上＋７０°以下の場合には、共振周波数および反共振周波数とも、良好な特性を示していることがわかる。
【００５０】
図５は、図４に示した各共振周波数および反共振周波数と、共振周波数および反共振周波数から算出される帯域幅とを示したグラフ図である。ここで、帯域幅は、（ｆａ−ｆｒ）／ｆｒにより算出される値である。図５に示したグラフ図の左側の縦軸は、規格化周波数であり、右側の縦軸は、帯域幅をパーセント表示したものである。また、図５に示したグラフ図の横軸は、回転角θである。
【００５１】
図５を参照すると、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは、双方とも回転角θが０°の場合を中心として、ほぼ左右対称の形状を有していることがわかる。また、可変フィルタの可変幅に関係する帯域幅は、回転角θが０°のときに最大（約２３．５％）となることがわかる。
【００５２】
また、回転角θが−３０°〜＋３０°の範囲では、２０％以上の帯域幅が得られ、回転角θが−２０°〜＋２０°の範囲では、２２％以上の帯域幅が得られることがわかる。このように、本実施形態に係る弾性境界波装置１０では、回転角θを変更することで、２０％以上という広い周波数範囲に対応することが可能な可変フィルタを実現することができる。
【００５３】
＜アドミッタンス特性の伝搬角依存性について＞
続いて、図６および図７を参照しながら、本実施形態に係る弾性境界波装置１０におけるアドミッタンス特性の伝播角依存性について、詳細に説明する。図６は、本実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの伝搬角との関係を表すグラフ図であり、図７は、本実施形態における弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの伝搬角との関係を表すグラフ図である。
【００５４】
図６に示したグラフ図は、図１に示したＳｉＯ２／Ａｕ／Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３構造における弾性境界波装置１０のアドミッタンス特性について、伝搬角ψを変更しながら解析したものである。図６に示したグラフ図の縦軸は、アドミッタンスＹの絶対値の対数をとったものであり、横軸は、規格化周波数である。
【００５５】
図６に示したグラフ図は、圧電体層１０１として用いたＹカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３について、弾性境界波２０の伝搬方向とＸ軸とのなす角度である伝搬角ψを、−８５°〜＋９０°まで変化させた場合のアドミッタンス特性を示している。ここで、金電極の規格化膜厚は、帯域幅が最大となる０．０２５とした。この場合においても、伝搬角ψは、アドミッタンス特性を示したグラフ図において、共振周波数と反共振周波数の双方が共に存在するように設定することが好ましい。
【００５６】
図６を参照すると、伝搬角ψが−５５°以下の場合、および、回転角θが５５°以上の場合には、良好な共振特性は示しているが、反共振周波数では、損失が大きく、良好な特性は得られない。他方、伝搬角ψが−５０°以上＋５０°以下の場合には、共振周波数および反共振周波数とも、良好な特性を示していることがわかる。
【００５７】
図７は、図６に示した各共振周波数および反共振周波数と、共振周波数および反共振周波数から算出される帯域幅とを示したグラフ図である。ここで、帯域幅は、（ｆａ−ｆｒ）／ｆｒにより算出される値である。図７に示したグラフ図の左側の縦軸は、規格化周波数であり、右側の縦軸は、帯域幅をパーセント表示したものである。また、図７に示したグラフ図の横軸は、伝搬角ψである。
【００５８】
図５を参照すると、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは、双方とも伝搬角ψが０°の場合を中心として、ほぼ左右対称の形状を有していることがわかる。また、可変フィルタの可変幅に関係する帯域幅は、伝搬角ψが０°のときに最大（約２３．５％）となることがわかる。
【００５９】
また、伝搬角ψが−１０°〜＋１０°の範囲では、２０％以上の帯域幅が得られ、伝搬角ψが−５°〜＋５°の範囲では、２２％以上の帯域幅が得られることがわかる。このように、本実施形態に係る弾性境界波装置１０では、伝搬角ψを変更することで、２０％以上という広い周波数範囲に対応することが可能な可変フィルタを実現することができる。
【００６０】
なお、回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３を用いた場合にも、上記と同様の結果が得られることはいうまでもない。
【００６１】
（第２の実施形態）
続いて、誘電体層／銅電極／圧電体層という構造を有する、本発明の第２の実施形態に係る弾性境界波装置について、詳細に説明する。
【００６２】
＜本実施形態に係る弾性境界波装置の構成について＞
本実施形態に係る弾性境界波装置の構造は、第１の実施形態に係る弾性境界波装置１０の電極１０３を金ではなく銅（Ｃｕ）を用いて形成する以外は、第１の実施形態に係る弾性境界波装置１０と同様の構成を有するため、詳細な説明は省略する。
【００６３】
本願発明者らは、図１に示した構造を有する、本実施形態に係る弾性境界波装置について、有限要素法による２次元解析を行い、銅電極の膜厚と、圧電体層に用いられている回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３の回転角θ、および、伝搬角ψとについて、詳細に検討を行った。なお、有限要素法による２次元解析において、ニオブ酸カリウムの諸定数は、上記表１に示した値を使用し、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の諸定数は、上記表２に示した値を使用した。また、電極に用いた銅の諸定数は、以下の表４に示した値を使用した。
【００６４】
【表４】
【００６５】
＜アドミッタンス特性の電極膜厚依存性について＞
次に、図８および図９を参照しながら、本実施形態に係る弾性境界波装置におけるアドミッタンス特性の電極膜厚依存性について、詳細に説明する。図８は、本実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と電極膜厚との関係を表すグラフ図であり、図９は、弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と電極膜厚との関係を表すグラフ図である。
【００６６】
図８に示したグラフ図は、図１に示したような構造を有する、ＳｉＯ２／Ｃｕ／Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３構造における弾性境界波装置のアドミッタンス特性について、銅電極の規格化膜厚を変更しながら解析したものである。図８に示したグラフ図の縦軸は、アドミッタンスＹの絶対値の対数をとったものであり、横軸は、規格化周波数である。
【００６７】
図８では、規格化膜厚が０．０００〜０．１１０の場合におけるアドミッタンス特性が記載されている。図８より明らかなように、規格化膜厚が０．０３０以下の場合）には、良好な共振特性は示しているが、反共振周波数では、伝搬損失が大きく、良好な特性は得られない。しかしながら、規格化膜厚が０．０４０以上の場合には、共振周波数および反共振周波数とも、良好な特性を示していることがわかる。
【００６８】
図９は、図８に示した各共振周波数および反共振周波数と、共振周波数および反共振周波数から算出される帯域幅とを示したグラフ図である。ここで、帯域幅は、（ｆａ−ｆｒ）／ｆｒにより算出される値である。図９に示したグラフ図の左側の縦軸は、規格化周波数であり、右側の縦軸は、帯域幅をパーセント表示したものである。また、図９に示したグラフ図の横軸は、銅電極の規格化膜厚Ｈｍ／Ｌである。
【００６９】
図９を参照すると、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは、双方とも銅電極の膜厚の増加とともに減少することがわかる。また、可変フィルタの可変幅に関係する帯域幅は、銅電極の規格化膜厚が０．０５０のときに最大（約２１．９％）となることがわかる。
【００７０】
また、銅電極の規格化膜厚が０．０４０〜０．０９０の範囲では、２０％以上の帯域幅が得られ、銅電極の規格化膜厚が０．０５０〜０．０６０の範囲では、２１．５％以上の帯域幅が得られることがわかる。このように、本実施形態に係る弾性境界波装置では、銅電極の規格化膜厚を変更することで、２０％以上という広い周波数範囲に対応することが可能な可変フィルタを実現することができる。
【００７１】
また、本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置１０と同様に、回転Ｙカット−Ｘ伝搬ニオブ酸カリウムの回転角θおよび伝搬角ψについて検討を行い、第１の実施形態に係る弾性境界波装置１０と同様の結果を得ることができた。
【００７２】
以上説明したように、本発明の各実施形態に係る弾性境界波装置によれば、ニオブ酸カリウムからなる圧電体層と二酸化ケイ素を含む誘電体層との界面に配設される金または銅からなる電極の膜厚をＨｍとし、かかる電極により圧電体層と誘電体層との界面に励振される弾性境界波の波長をＬとした場合に、Ｈｍ／Ｌを所定の値以上とすることで、高いＱ値を有するとともに、共振周波数および反共振周波数間の帯域が広帯域である弾性境界波を励振することが可能となる。これにより、高いＱ値を有するとともに、広い周波数範囲に対応することが可能な可変フィルタを実現することができる。
【００７３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置を模式的に説明するための説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と電極膜厚との関係を表すグラフ図である。
【図３】同実施形態における弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と電極膜厚との関係を表すグラフ図である。
【図４】同実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの回転角との関係を表すグラフ図である。
【図５】同実施形態における弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの回転角との関係を表すグラフ図である。
【図６】同実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの伝搬角との関係を表すグラフ図である。
【図７】同実施形態における弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの伝搬角との関係を表すグラフ図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と電極膜厚との関係を表すグラフ図である。
【図９】同実施形態における弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と電極膜厚との関係を表すグラフ図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 弾性境界波装置
２０ 弾性境界波
１０１ 圧電体層
１０３ 電極
１０５ 誘電体層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性境界波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
可変フィルタ（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｆｉｌｔｅｒ）の一例として、可変容量によりＬＣフィルタの共振周波数を変化させてフィルタ特性を調整することが可能な、可変容量同調フィルタ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｔｕｎｅｄ Ｆｉｌｔｅｒ）がある。この同調フィルタにおいて、可変容量は、例えば、半導体のバラクタダイオードや、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）キャパシタ等から構成される。また、インダクタンスに関しては、例えば、チップコイル、ストリップライン、ＭＥＭＳスパイラルコイル等で構成される。
【０００３】
しかしながら、チップコイル、ストリップライン、ＭＥＭＳスパイラルコイル等で構成されたインダクタは、一般にＱ値が小さく、フィルタ特性の面では、挿入損失を小さくすることが困難となる。そのため、低消費電力が要求される携帯端末用ＲＦフィルタとして使用することはできない。また、これらのインダクタの大きさは電磁波の波長に依存しているため、所望のインダクタンス値を得るためには、大きな面積を必要としてしまう。
【０００４】
他方、その他のインダクタンスの実現法として、弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）やバルク波を用いた共振器の共振点と反共振点との間の誘導性インピーダンス領域の高Ｑインダクタを用いることも考えられる。
【０００５】
弾性表面波は、媒質表面を伝搬するため、媒質の表面状態の変化に敏感である。したがって、媒質の弾性表面波伝搬面を保護するために、伝搬面に臨む空洞を設けたパッケージによって弾性表面波素子を気密封止する必要があった。このようなパッケージを用いる必要があったために、弾性表面波装置の製造に要するコストは高くならざるを得なかった。また、このようなパッケージの寸法は、弾性表面波素子の寸法よりも大幅に大きくなるため、弾性表面波装置の大きさは、大きくならざるを得なかった。
【０００６】
そこで、工程の簡略化や共振器の小型化を図るために、弾性表面波ではなく弾性境界波を用いた共振器について、検討が行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】特許第３８１５４２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の弾性境界波を用いた共振器の共振点と反共振点の周波数差は、大きいものでも１０％程度しか得られていないため、可変フィルタとしては、十分な周波数範囲に対応することができないという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、高いＱ値を有するとともに、広い周波数範囲に対応することが可能な、新規かつ改良された弾性境界波装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、ニオブ酸カリウムからなる圧電体層と、前記圧電体層上にすだれ状に形成される金電極と、前記圧電体層および前記金電極上に形成される、二酸化ケイ素を含む誘電体層と、を備え、前記金電極の厚みをＨｍとし、前記金電極によって前記圧電体層と前記誘電体層の界面に励振される弾性境界波の波長をＬとした場合に、Ｈｍ／Ｌが０．０１５以上である弾性境界波装置が提供される。
【００１１】
前記Ｈｍ／Ｌは、０．０６以下であってもよく、前記Ｈｍ／Ｌは、０．０４５以下であってもよい。
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、ニオブ酸カリウムからなる圧電体層と、前記圧電体層上にすだれ状に形成される銅電極と、前記圧電体層および前記銅電極上に形成される、二酸化ケイ素を含む誘電体層と、を備え、前記銅電極の厚みをＨｍとし、前記銅電極によって前記圧電体層と前記誘電体層の界面に励振される弾性境界波の波長をＬとした場合に、Ｈｍ／Ｌが０．０４０以上である弾性境界波装置が提供される。
【００１３】
前記Ｈｍ／Ｌは、０．０９０以下であってもよく、前記Ｈｍ／Ｌは、０．０５０以上０．０６０以下であってもよい。
【００１４】
ここで、前記ニオブ酸カリウムは、回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３であり、前記ニオブ酸カリウムの結晶におけるＸ軸周りの回転角θは、−３０°以上３０°以下であってもよく、−２０°以上２０°以下であってもよい。
【００１５】
また、前記ニオブ酸カリウムは、回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３であり、前記弾性境界波の伝搬方向と前記ニオブ酸カリウムの結晶におけるＸ軸とのなす角である伝搬角ψは、−１０°以上１０°以下であってもよく、−５°以上５°以下であってもよい。
【００１６】
本発明に係る弾性境界波装置は、ニオブ酸カリウムからなる圧電体層と二酸化ケイ素を含む誘電体層との界面に配設される金または銅からなる電極の膜厚をＨｍとし、かかる電極により圧電体層と誘電体層との界面に励振される弾性境界波の波長をＬとした場合に、Ｈｍ／Ｌを所定の値以上とすることで、高いＱ値を有するとともに、共振周波数および反共振周波数間の帯域が広帯域である弾性境界波を励振することが可能となる。これにより、高いＱ値を有するとともに、広い周波数範囲に対応することが可能な可変フィルタを実現することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にかかる弾性境界波装置は、高いＱ値を有するとともに、広い周波数範囲に対応することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１９】
本願発明者らは、上記課題を解決するために、弾性境界波装置について鋭意検討を行った結果、弾性境界波装置を構成する圧電体として、弾性表面波、バルク波で大きな電気機械結合係数を示すニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）を用いることに想到した。
【００２０】
続いて、本願発明者らは、所定の金属により形成される電極の両側にニオブ酸カリウムを配置する、ニオブ酸カリウム／電極／ニオブ酸カリウム、という構造を有する弾性境界波装置について、詳細に検討を行った。
【００２１】
しかしながら、上記構造を有する弾性境界波装置では、温度補償が不可能であるという問題に想到したため、本願発明者らは、高いＱ値を有するとともに、広い周波数範囲に対応することが可能であり、かつ、温度補償が可能な弾性境界波装置を実現するために、鋭意研究を行った。その結果、以下に示すような構造を有する弾性境界波装置に想到した。
【００２２】
（第１の実施形態）
以下では、図１〜図７を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置について、詳細に説明する。
【００２３】
＜本実施形態に係る弾性境界波装置１０の構成について＞
まず、図１を参照しながら、本実施形態に係る弾性境界波装置１０の構成について、詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る弾性境界波装置１０の構成を模式的に説明するための説明図であり、弾性境界波装置１０を側面からみた側面図となっている。
【００２４】
図１（ａ）に示したように、本実施形態に係る弾性境界波装置１０は、圧電体層１０１と、電極１０３と、誘電体層１０５と、から構成される。
【００２５】
圧電体層１０１は、所定の大きさを有するニオブ酸カリウムからなる基板を用いて形成される。ニオブ酸カリウムは、大きな電気機械結合係数を示すことが知られており、かかる物質を圧電体として利用することで、高いＱ値を有するとともに、広い周波数範囲に対応することが可能な弾性境界波装置１０を形成することが可能となる。
【００２６】
ニオブ酸カリウムからなる基板は、例えば、所定の結晶構造を有するニオブ酸カリウム結晶を用いて形成されることが好ましく、いわゆるＹカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３や、回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３からなる基板を用いることが好ましい。ここで、「回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３」のＸやＹは、それぞれニオブ酸カリウムの結晶軸におけるＸ軸、Ｙ軸を意味し、「Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３」とは、ニオブ酸カリウムの切り出し方向がＹ軸方向であり、励振される弾性境界波の伝搬方向がＸ軸方向であることを表す。また、「回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３」とは、ニオブ酸カリウムのＹ軸に沿った切り出し面（以下、Ｙ板と称する。）が、Ｘ軸周りにθ°回転しており、伝搬方向がＸ軸方向であることを表す。
【００２７】
電極１０３は、ニオブ酸カリウムからなる圧電体層１０１上に、金（Ａｕ）を用いてすだれ状に形成される。かかる電極１０３は、いわゆる「「すだれ状電極（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：ＩＤＴ）」として機能する。かかる電極１０３は、例えば、フォトエッチング法等を利用して、圧電体層１０１上に形成することが可能である。
【００２８】
すだれ状電極を構成する１つ１つの金電極は、「電極指」とも呼ばれる。それぞれの電極指の幅と、相隣接する電極指間の幅の比であるデューティ比は、図１（ａ）に示したように、例えば１：１とすることが可能であり、１：１以外の値にすることも可能である。また、金電極１０３の膜厚は、例えば図１（ｂ）に示したように、圧電体層１０１の上端から電極１０３の上端までの距離として定義され、Ｈｍと表記することとする。
【００２９】
なお、以下では、電極材料として金を用いた場合について説明を行うが、本発明に係る弾性境界波装置の電極は以下の場合に限定されるわけではなく、電極材料として、密度が高く、電気抵抗の小さな金属を使用することが可能である。
【００３０】
誘電体層１０５は、例えば二酸化ケイ素を主成分とする誘電体を用いて形成される。かかる誘電体層１０５は、圧電体層１０１を形成するニオブ酸カリウムの温度係数（Ｔｃｆ）とは逆の性質を有することが好ましい。すなわち、ニオブ酸カリウムは、正の温度係数（Ｔｃｆ）を有する物質であるが、誘電体層１０５は、負の温度係数（Ｔｃｆ）を有することが好ましい。かかる誘電体層１０３を、圧電体層１０１および電極１０３上に形成することで、温度補償が可能な弾性境界波装置１０を形成することが可能である。
【００３１】
なお、誘電体層１０５は、二酸化ケイ素単体から形成されていてもよく、二酸化ケイ素を主成分とする混合物であってもよい。かかる誘電体は、蒸着法やスパッタ法等の様々な成膜方法を用いて、低コストで形成することが可能である。また、このような化合物以外にも、負の温度係数（Ｔｃｆ）を有する化合物であれば、使用することが可能である。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態に係る弾性境界波装置１０は、金からなる電極１０３の両側に圧電体層１０１と誘電体層１０５とがそれぞれ配設された、誘電体層１０５／電極１０３／圧電体層１０１、という構造を有する。
【００３３】
金からなるすだれ状の電極１０３に所定の電圧が印加されると、圧電体層１０１を構成するニオブ酸カリウムの圧電効果により、圧電体層１０１の表面近傍に周期的な歪みが生じ、圧電体層１０１と誘電体層１０５の界面に、波長Ｌの弾性境界波２０が励振される。本実施形態に係る弾性境界波装置１０は、圧電体層１０１と誘電体層１０５の界面を伝搬する弾性境界波２０の共振を利用した共振器として機能する。
【００３４】
本願発明者らは、図１に示した構造を有する弾性境界波装置１０について、有限要素法による２次元解析を行い、電極１０３の膜厚と、圧電体層１０１に用いられている回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３の回転角θ、および、伝搬角ψとについて、詳細に検討を行った。なお、有限要素法による２次元解析において、ニオブ酸カリウムの諸定数は、以下の表１に示した値を使用し、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の諸定数は、以下の表２に示した値を使用した。また、電極に用いた金の諸定数は、以下の表３に示した値を使用した。
【００３５】
なお、以下の表１〜表３において、Ｃ１１〜Ｃ６６は、弾性定数を表し、ｅ３１〜ｅ２４は、圧電定数を表す。また、ε１１〜ε３３は、誘電定数を表し、ρは、密度を表す。ここで、表１に示した各定数は、Ｍ．Ｚｇｏｎｉｋらの論文（Ｍ．Ｚｇｏｎｉｋ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．７４，ｐｐ．１２８７〜１２９７（１９９３））から抜粋した。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
【表３】
【００３９】
＜アドミッタンス特性の電極膜厚依存性について＞
次に、図２および図３を参照しながら、本実施形態に係る弾性境界波装置１０におけるアドミッタンス特性の電極膜厚依存性について、詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と電極膜厚との関係を表すグラフ図であり、図３は、弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と電極膜厚との関係を表すグラフ図である。
【００４０】
図２に示したグラフ図は、図１に示したＳｉＯ２／Ａｕ／Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３構造における弾性境界波装置１０のアドミッタンス特性について、金電極１０３の規格化膜厚を変更しながら解析したものである。図２に示したグラフ図の縦軸は、アドミッタンスＹの絶対値の対数をとったものであり、横軸は、規格化周波数である。ここで、金電極１０３の規格化膜厚とは、金電極１０３の膜厚Ｈｍを、励振される弾性境界波２０の波長Ｌで除したもの（Ｈｍ／Ｌ）であり、規格化周波数とは、周波数ｆに弾性境界波２０の波長Ｌを掛けたもの（ｆ×Ｌ、単位はＨｚ・ｍ）である。
【００４１】
図２に示した各グラフ図において、｜Ｙ｜（アドミッタンスＹの絶対値）が最大となる周波数（ひいては、ｌｏｇ｜Ｙ｜が最大となる周波数）を、共振周波数（ｆｒ）という。また、｜Ｙ｜（アドミッタンスＹの絶対値）が最小となる周波数（ひいては、ｌｏｇ｜Ｙ｜が最小となる周波数）を、反共振周波数（ｆａ）という。共振周波数と反共振周波数との間では、インピーダンスが誘導性となり、この範囲においては、弾性境界波装置１０は、インダクタとして機能する。換言すれば、規格化電極膜厚は、アドミッタンス特性を示したグラフ図において、共振周波数と反共振周波数の双方が共に存在するように設定することが好ましい。そこで、弾性境界波装置１０を可変容量同調フィルタのインダクタンス分として利用することで、共振周波数と反共振周波数との間に位置する周波数帯域で、可変フィルタが実現可能となる。
【００４２】
図２では、規格化膜厚が０．００５〜０．０５０の場合におけるアドミッタンス特性が記載されている。図２より明らかなように、規格化膜厚が０．００５および０．０１０の場合（すなわち、規格化膜厚が０．０１０以下の場合）には、良好な共振特性は示しているが、反共振周波数では、伝搬損失が大きく、良好な特性は得られない。しかしながら、規格化膜厚が０．０１５以上の場合には、共振周波数および反共振周波数とも、良好な特性を示していることがわかる。
【００４３】
図３は、図２に示した各共振周波数および反共振周波数と、共振周波数および反共振周波数から算出される帯域幅とを示したグラフ図である。ここで、帯域幅は、（ｆａ−ｆｒ）／ｆｒにより算出される値である。図３に示したグラフ図の左側の縦軸は、規格化周波数であり、右側の縦軸は、帯域幅をパーセント表示したものである。また、図３に示したグラフ図の横軸は、金電極１０３の規格化膜厚Ｈｍ／Ｌである。
【００４４】
図３を参照すると、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは、双方とも金電極１０３の膜厚の増加とともに減少することがわかる。また、可変フィルタの可変幅に関係する帯域幅は、金電極の規格化膜厚が０．０２５のときに最大（約２３．５％）となることがわかる。
【００４５】
また、金電極の規格化膜厚が０．０１５〜０．０６０の範囲では、２０％以上の帯域幅が得られ、金電極の規格化膜厚が０．０１５〜０．０４５の範囲では、２２％以上の帯域幅が得られることがわかる。このように、本実施形態に係る弾性境界波装置１０では、金電極１０３の規格化膜厚を変更することで、２０％以上という広い周波数範囲に対応することが可能な可変フィルタを実現することができる。
【００４６】
＜アドミッタンス特性の回転角依存性について＞
続いて、図４および図５を参照しながら、本実施形態に係る弾性境界波装置１０におけるアドミッタンス特性の回転角依存性について、詳細に説明する。図４は、本実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの回転角との関係を表すグラフ図であり、図５は、本実施形態における弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの回転角との関係を表すグラフ図である。
【００４７】
図４に示したグラフ図は、図１に示したＳｉＯ２／Ａｕ／回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３構造における弾性境界波装置１０のアドミッタンス特性について、Ｘ軸周りの回転角θを変更しながら解析したものである。図４に示したグラフ図の縦軸は、アドミッタンスＹの絶対値の対数をとったものであり、横軸は、規格化周波数である。
【００４８】
図４に示したグラフ図は、圧電体層１０１として用いた回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３について、Ｘ軸周りの回転角θを、−８５°〜＋９０°まで変化させた場合のアドミッタンス特性を示している。ここで、金電極の規格化膜厚は、帯域幅が最大となる０．０２５とした。この場合においても、回転角θは、アドミッタンス特性を示したグラフ図において、共振周波数と反共振周波数の双方が共に存在するように設定することが好ましい。
【００４９】
図４を参照すると、回転角θが−７５°以下の場合、および、回転角θが７５°以上の場合には、良好な共振特性は示しているが、反共振周波数では、損失が大きく、良好な特性は得られない。他方、回転角θが−７０°以上＋７０°以下の場合には、共振周波数および反共振周波数とも、良好な特性を示していることがわかる。
【００５０】
図５は、図４に示した各共振周波数および反共振周波数と、共振周波数および反共振周波数から算出される帯域幅とを示したグラフ図である。ここで、帯域幅は、（ｆａ−ｆｒ）／ｆｒにより算出される値である。図５に示したグラフ図の左側の縦軸は、規格化周波数であり、右側の縦軸は、帯域幅をパーセント表示したものである。また、図５に示したグラフ図の横軸は、回転角θである。
【００５１】
図５を参照すると、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは、双方とも回転角θが０°の場合を中心として、ほぼ左右対称の形状を有していることがわかる。また、可変フィルタの可変幅に関係する帯域幅は、回転角θが０°のときに最大（約２３．５％）となることがわかる。
【００５２】
また、回転角θが−３０°〜＋３０°の範囲では、２０％以上の帯域幅が得られ、回転角θが−２０°〜＋２０°の範囲では、２２％以上の帯域幅が得られることがわかる。このように、本実施形態に係る弾性境界波装置１０では、回転角θを変更することで、２０％以上という広い周波数範囲に対応することが可能な可変フィルタを実現することができる。
【００５３】
＜アドミッタンス特性の伝搬角依存性について＞
続いて、図６および図７を参照しながら、本実施形態に係る弾性境界波装置１０におけるアドミッタンス特性の伝播角依存性について、詳細に説明する。図６は、本実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの伝搬角との関係を表すグラフ図であり、図７は、本実施形態における弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの伝搬角との関係を表すグラフ図である。
【００５４】
図６に示したグラフ図は、図１に示したＳｉＯ２／Ａｕ／Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３構造における弾性境界波装置１０のアドミッタンス特性について、伝搬角ψを変更しながら解析したものである。図６に示したグラフ図の縦軸は、アドミッタンスＹの絶対値の対数をとったものであり、横軸は、規格化周波数である。
【００５５】
図６に示したグラフ図は、圧電体層１０１として用いたＹカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３について、弾性境界波２０の伝搬方向とＸ軸とのなす角度である伝搬角ψを、−８５°〜＋９０°まで変化させた場合のアドミッタンス特性を示している。ここで、金電極の規格化膜厚は、帯域幅が最大となる０．０２５とした。この場合においても、伝搬角ψは、アドミッタンス特性を示したグラフ図において、共振周波数と反共振周波数の双方が共に存在するように設定することが好ましい。
【００５６】
図６を参照すると、伝搬角ψが−５５°以下の場合、および、回転角θが５５°以上の場合には、良好な共振特性は示しているが、反共振周波数では、損失が大きく、良好な特性は得られない。他方、伝搬角ψが−５０°以上＋５０°以下の場合には、共振周波数および反共振周波数とも、良好な特性を示していることがわかる。
【００５７】
図７は、図６に示した各共振周波数および反共振周波数と、共振周波数および反共振周波数から算出される帯域幅とを示したグラフ図である。ここで、帯域幅は、（ｆａ−ｆｒ）／ｆｒにより算出される値である。図７に示したグラフ図の左側の縦軸は、規格化周波数であり、右側の縦軸は、帯域幅をパーセント表示したものである。また、図７に示したグラフ図の横軸は、伝搬角ψである。
【００５８】
図５を参照すると、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは、双方とも伝搬角ψが０°の場合を中心として、ほぼ左右対称の形状を有していることがわかる。また、可変フィルタの可変幅に関係する帯域幅は、伝搬角ψが０°のときに最大（約２３．５％）となることがわかる。
【００５９】
また、伝搬角ψが−１０°〜＋１０°の範囲では、２０％以上の帯域幅が得られ、伝搬角ψが−５°〜＋５°の範囲では、２２％以上の帯域幅が得られることがわかる。このように、本実施形態に係る弾性境界波装置１０では、伝搬角ψを変更することで、２０％以上という広い周波数範囲に対応することが可能な可変フィルタを実現することができる。
【００６０】
なお、回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３を用いた場合にも、上記と同様の結果が得られることはいうまでもない。
【００６１】
（第２の実施形態）
続いて、誘電体層／銅電極／圧電体層という構造を有する、本発明の第２の実施形態に係る弾性境界波装置について、詳細に説明する。
【００６２】
＜本実施形態に係る弾性境界波装置の構成について＞
本実施形態に係る弾性境界波装置の構造は、第１の実施形態に係る弾性境界波装置１０の電極１０３を金ではなく銅（Ｃｕ）を用いて形成する以外は、第１の実施形態に係る弾性境界波装置１０と同様の構成を有するため、詳細な説明は省略する。
【００６３】
本願発明者らは、図１に示した構造を有する、本実施形態に係る弾性境界波装置について、有限要素法による２次元解析を行い、銅電極の膜厚と、圧電体層に用いられている回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３の回転角θ、および、伝搬角ψとについて、詳細に検討を行った。なお、有限要素法による２次元解析において、ニオブ酸カリウムの諸定数は、上記表１に示した値を使用し、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の諸定数は、上記表２に示した値を使用した。また、電極に用いた銅の諸定数は、以下の表４に示した値を使用した。
【００６４】
【表４】
【００６５】
＜アドミッタンス特性の電極膜厚依存性について＞
次に、図８および図９を参照しながら、本実施形態に係る弾性境界波装置におけるアドミッタンス特性の電極膜厚依存性について、詳細に説明する。図８は、本実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と電極膜厚との関係を表すグラフ図であり、図９は、弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と電極膜厚との関係を表すグラフ図である。
【００６６】
図８に示したグラフ図は、図１に示したような構造を有する、ＳｉＯ２／Ｃｕ／Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３構造における弾性境界波装置のアドミッタンス特性について、銅電極の規格化膜厚を変更しながら解析したものである。図８に示したグラフ図の縦軸は、アドミッタンスＹの絶対値の対数をとったものであり、横軸は、規格化周波数である。
【００６７】
図８では、規格化膜厚が０．０００〜０．１１０の場合におけるアドミッタンス特性が記載されている。図８より明らかなように、規格化膜厚が０．０３０以下の場合）には、良好な共振特性は示しているが、反共振周波数では、伝搬損失が大きく、良好な特性は得られない。しかしながら、規格化膜厚が０．０４０以上の場合には、共振周波数および反共振周波数とも、良好な特性を示していることがわかる。
【００６８】
図９は、図８に示した各共振周波数および反共振周波数と、共振周波数および反共振周波数から算出される帯域幅とを示したグラフ図である。ここで、帯域幅は、（ｆａ−ｆｒ）／ｆｒにより算出される値である。図９に示したグラフ図の左側の縦軸は、規格化周波数であり、右側の縦軸は、帯域幅をパーセント表示したものである。また、図９に示したグラフ図の横軸は、銅電極の規格化膜厚Ｈｍ／Ｌである。
【００６９】
図９を参照すると、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａは、双方とも銅電極の膜厚の増加とともに減少することがわかる。また、可変フィルタの可変幅に関係する帯域幅は、銅電極の規格化膜厚が０．０５０のときに最大（約２１．９％）となることがわかる。
【００７０】
また、銅電極の規格化膜厚が０．０４０〜０．０９０の範囲では、２０％以上の帯域幅が得られ、銅電極の規格化膜厚が０．０５０〜０．０６０の範囲では、２１．５％以上の帯域幅が得られることがわかる。このように、本実施形態に係る弾性境界波装置では、銅電極の規格化膜厚を変更することで、２０％以上という広い周波数範囲に対応することが可能な可変フィルタを実現することができる。
【００７１】
また、本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置１０と同様に、回転Ｙカット−Ｘ伝搬ニオブ酸カリウムの回転角θおよび伝搬角ψについて検討を行い、第１の実施形態に係る弾性境界波装置１０と同様の結果を得ることができた。
【００７２】
以上説明したように、本発明の各実施形態に係る弾性境界波装置によれば、ニオブ酸カリウムからなる圧電体層と二酸化ケイ素を含む誘電体層との界面に配設される金または銅からなる電極の膜厚をＨｍとし、かかる電極により圧電体層と誘電体層との界面に励振される弾性境界波の波長をＬとした場合に、Ｈｍ／Ｌを所定の値以上とすることで、高いＱ値を有するとともに、共振周波数および反共振周波数間の帯域が広帯域である弾性境界波を励振することが可能となる。これにより、高いＱ値を有するとともに、広い周波数範囲に対応することが可能な可変フィルタを実現することができる。
【００７３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置を模式的に説明するための説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と電極膜厚との関係を表すグラフ図である。
【図３】同実施形態における弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と電極膜厚との関係を表すグラフ図である。
【図４】同実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの回転角との関係を表すグラフ図である。
【図５】同実施形態における弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの回転角との関係を表すグラフ図である。
【図６】同実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの伝搬角との関係を表すグラフ図である。
【図７】同実施形態における弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と、ニオブ酸カリウムのＸ軸からの伝搬角との関係を表すグラフ図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る弾性境界波装置のアドミッタンス特性と電極膜厚との関係を表すグラフ図である。
【図９】同実施形態における弾性境界波装置の共振周波数、反共振周波数および帯域幅と電極膜厚との関係を表すグラフ図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 弾性境界波装置
２０ 弾性境界波
１０１ 圧電体層
１０３ 電極
１０５ 誘電体層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオブ酸カリウムからなる圧電体層と、
前記圧電体層上にすだれ状に形成される金電極と、
前記圧電体層および前記金電極上に形成される、二酸化ケイ素を含む誘電体層と、
を備え、
前記金電極の厚みをＨｍとし、前記金電極によって前記圧電体層と前記誘電体層の界面に励振される弾性境界波の波長をＬとした場合に、Ｈｍ／Ｌが０．０１５以上である
ことを特徴とする、弾性境界波装置。
【請求項２】
前記Ｈｍ／Ｌは、０．０６０以下である
ことを特徴とする、請求項１に記載の弾性境界波装置。
【請求項３】
前記Ｈｍ／Ｌは、０．０４５以下である
ことを特徴とする、請求項１に記載の弾性境界波装置。
【請求項４】
ニオブ酸カリウムからなる圧電体層と、
前記圧電体層上にすだれ状に形成される銅電極と、
前記圧電体層および前記銅電極上に形成される、二酸化ケイ素を含む誘電体層と、
を備え、
前記銅電極の厚みをＨｍとし、前記銅電極によって前記圧電体層と前記誘電体層の界面に励振される弾性境界波の波長をＬとした場合に、Ｈｍ／Ｌが０．０４０以上である
ことを特徴とする、弾性境界波装置。
【請求項５】
前記Ｈｍ／Ｌは、０．０９０以下である
ことを特徴とする、請求項４に記載の弾性境界波装置。
【請求項６】
前記Ｈｍ／Ｌは、０．０５０以上０．０６０以下である
ことを特徴とする、請求項４に記載の弾性境界波装置。
【請求項７】
前記ニオブ酸カリウムは、回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３であり、
前記ニオブ酸カリウムの結晶におけるＸ軸周りの回転角θは、−３０°以上３０°以下である
ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の弾性境界波装置。
【請求項８】
前記回転角θは、−２０°以上２０°以下である
ことを特徴とする、請求項７に記載の弾性境界波装置。
【請求項９】
前記ニオブ酸カリウムは、回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３であり、
前記弾性境界波の伝搬方向と前記ニオブ酸カリウムの結晶におけるＸ軸とのなす角である伝搬角ψは、−１０°以上１０°以下である
ことを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の弾性境界波装置。
【請求項１０】
前記伝搬角ψは、−５°以上５°以下である
ことを特徴とする、請求項９に記載の弾性境界波装置。
【請求項１】
ニオブ酸カリウムからなる圧電体層と、
前記圧電体層上にすだれ状に形成される金電極と、
前記圧電体層および前記金電極上に形成される、二酸化ケイ素を含む誘電体層と、
を備え、
前記金電極の厚みをＨｍとし、前記金電極によって前記圧電体層と前記誘電体層の界面に励振される弾性境界波の波長をＬとした場合に、Ｈｍ／Ｌが０．０１５以上である
ことを特徴とする、弾性境界波装置。
【請求項２】
前記Ｈｍ／Ｌは、０．０６０以下である
ことを特徴とする、請求項１に記載の弾性境界波装置。
【請求項３】
前記Ｈｍ／Ｌは、０．０４５以下である
ことを特徴とする、請求項１に記載の弾性境界波装置。
【請求項４】
ニオブ酸カリウムからなる圧電体層と、
前記圧電体層上にすだれ状に形成される銅電極と、
前記圧電体層および前記銅電極上に形成される、二酸化ケイ素を含む誘電体層と、
を備え、
前記銅電極の厚みをＨｍとし、前記銅電極によって前記圧電体層と前記誘電体層の界面に励振される弾性境界波の波長をＬとした場合に、Ｈｍ／Ｌが０．０４０以上である
ことを特徴とする、弾性境界波装置。
【請求項５】
前記Ｈｍ／Ｌは、０．０９０以下である
ことを特徴とする、請求項４に記載の弾性境界波装置。
【請求項６】
前記Ｈｍ／Ｌは、０．０５０以上０．０６０以下である
ことを特徴とする、請求項４に記載の弾性境界波装置。
【請求項７】
前記ニオブ酸カリウムは、回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３であり、
前記ニオブ酸カリウムの結晶におけるＸ軸周りの回転角θは、−３０°以上３０°以下である
ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の弾性境界波装置。
【請求項８】
前記回転角θは、−２０°以上２０°以下である
ことを特徴とする、請求項７に記載の弾性境界波装置。
【請求項９】
前記ニオブ酸カリウムは、回転Ｙカット−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３であり、
前記弾性境界波の伝搬方向と前記ニオブ酸カリウムの結晶におけるＸ軸とのなす角である伝搬角ψは、−１０°以上１０°以下である
ことを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の弾性境界波装置。
【請求項１０】
前記伝搬角ψは、−５°以上５°以下である
ことを特徴とする、請求項９に記載の弾性境界波装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−８８７３０（Ｐ２００９−８８７３０Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５２９２５（Ｐ２００７−２５２９２５）
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】ＳＡＭＳＵＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ ４４２−７４２（ＫＲ）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】ＳＡＭＳＵＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ ４４２−７４２（ＫＲ）
【Ｆターム（参考）】
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