弾性表面波素子及び電子部品
【課題】ＬＳＡＷからなる弾性表面波を利用するためにタンタル酸リチウム製の圧電基板上にＩＤＴ電極を配置した弾性表面波素子において、この弾性表面波素子の周波数帯域が２ＧＨｚ以上もの高周波数帯域であっても伝搬損失を小さく抑える。
【解決手段】４５〜４６°回転Ｙ−Ｘ板からなるタンタル酸リチウムを圧電基板１０として用いると共に、ＩＤＴ電極２の膜厚ｈを７．５％λ〜８％λに設定すると共に、ＩＤＴ電極２における電極指６群について、電極指の幅寸法及び互いに隣接する電極指間の離間寸法に於いて、幅寸法と離間寸法との和で幅寸法を除した値で表されるライン占有率を０．５５〜０．６５に設定する。
【解決手段】４５〜４６°回転Ｙ−Ｘ板からなるタンタル酸リチウムを圧電基板１０として用いると共に、ＩＤＴ電極２の膜厚ｈを７．５％λ〜８％λに設定すると共に、ＩＤＴ電極２における電極指６群について、電極指の幅寸法及び互いに隣接する電極指間の離間寸法に於いて、幅寸法と離間寸法との和で幅寸法を除した値で表されるライン占有率を０．５５〜０．６５に設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＳＡＷ（Ｌｅａｋｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）を利用した弾性表面波素子及びこの弾性表面波素子を備えた電子部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｙ−Ｘタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3：結晶軸のＸ軸周りにある角度だけ回転したＹ軸に対して垂直に切断したタンタル酸リチウム基板上をＸ軸方向に弾性表面波が伝搬する基板）は、弾性表面波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）のうちＬ（Ｌｅａｋｙ）ＳＡＷを利用した弾性表面波素子の代表的な圧電基板として用いられている。この弾性表面波素子は、例えば一対のバスバー及びこれらバスバー間に配置された電極指群を備えたＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極と、このＩＤＴ電極における弾性表面波の伝搬方向両側に形成された反射器とを備えた共振子などとして構成される。
【０００３】
前記圧電基板中をＸ軸方向に伝搬するバルク波（ＢＡＷ：Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）には、図１９に示すように、伝搬速度が比較的遅い横波（３３４９ｍ／ｓ）、この横波よりも伝搬速度が速い横波（４２１４ｍ／ｓ）及び縦波（５５８８ｍ／ｓ）がある。そして、このような圧電基板では、前記速い横波がＳＨ（Ｓｈｅａｒ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）波（変位方向が圧電基板の表面に平行な横波）になると共に圧電基板の表面に集中し、既述のＬＳＡＷとなる。このＬＳＡＷは、完全なＳＨ波ではなく、ＳＶ（Ｓｈｅａｒ Ｖｅｒｔｉｃａｌ）成分も持っている。
【０００４】
この時、ＬＳＡＷが前記圧電基板を伝搬する時には、伝搬損失が生じてしまう。このような伝搬損失が生じる理由の具体的な一例について説明すると、既述のように、このＬＳＡＷはＳＶバルク波（遅い横波）より伝搬速度が速いため、当該ＬＳＡＷにおけるＳＶ成分がＳＶバルク波と結合して、伝搬するに従ってエネルギー損失を生じてしまう。
【０００５】
ここで、後で詳述するように、ＬＳＡＷの伝搬損失について、電極指の対数を無限に設定した場合（無限周期ＩＤＴ）においては既に解析されているが、実際の有限構造の場合においては未だ解析されていない。また、特許文献１〜６では、圧電基板のカット角やＩＤＴ電極の膜厚などについて種々記載されているが、ＬＳＡＷの伝搬損失の詳細な検討はなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１６７９３６
【特許文献２】国際公開２００８−４４０８
【特許文献３】特開２００３−２８３２９８
【特許文献４】特開２００６−８７１４５
【特許文献５】特開２００７−７４７５４
【特許文献６】特開昭６３−２３８７０８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＬＳＡＷからなる弾性表面波を利用するためにタンタル酸リチウム基板上にＩＤＴ電極を配置した弾性表面波素子において、この弾性表面波素子の周波数帯域が２ＧＨｚ以上もの高周波数帯域であっても伝搬損失を小さく抑えることのできる弾性表面波素子及び電子部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の弾性表面波素子は、
２ＧＨｚ以上の周波数のＬＳＡＷからなる弾性表面波を利用した弾性表面波素子において、
結晶軸のＸ軸周りに４５°〜４６°回転したＹ軸に対して垂直に切断したタンタル酸リチウム基板上をＸ軸方向に弾性表面波が伝搬するように構成された圧電基板と、
弾性表面波の伝搬方向に沿って各々伸びると共に互いに平行となるように前記圧電基板上に形成された導電体膜からなる一対のバスバー及び、これらバスバーから対向するバスバーに向かって互いに櫛歯状に交差するように配置された導電膜からなる電極指群を有するＩＤＴ電極と、
弾性表面波の伝搬方向における前記ＩＤＴ電極の一方側及び他方側に各々設けられ、弾性表面波の伝搬方向に沿って各々伸びると共に互いに平行となるように前記圧電基板上に形成された一対の反射器バスバー及び、これら反射器バスバー同士を互いに接続するように各々形成された反射器電極指群を各々有する反射器と、を備え、
前記電極指群の周期長をλとすると、前記電極指群における各々の前記導電体膜の膜厚は、７．５％λ〜８％λであり、
前記電極指の幅寸法及び互いに隣接する電極指間の離間寸法を夫々Ｄ及びＳとすると、幅寸法Ｄと離間寸法Ｓとの和で幅寸法Ｄを除した値で表されるライン占有率は、０．５５〜０．６５であることを特徴とする。
前記ライン占有率は、当該ライン占有率の変動に対する周波数の変動を抑える場合には０．５５〜０．６０に設定されていることが好ましく、一方前記弾性表面波素子における共振周波数と反共振周波数との間の間隔を広げる場合には、０．６０〜０．６５に設定されていることが好ましい。即ち、弾性表面波素子によりバンドパスフィルタを構成する場合には、主要なＩＤＴ電極のライン占有率を０．６０〜０．６５に設定することにより、その通過域を広帯域化することが最も容易となる。
また、本発明の電子部品は、
前記弾性表面波素子を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、２ＧＨｚ以上の周波数のＬＳＡＷからなる弾性表面波を利用した弾性表面波素子において、４５〜４６°回転Ｙ−Ｘ板からなるタンタル酸リチウム基板を圧電基板として用いている。そして、ＩＤＴ電極における電極指群の膜厚を７．５％λ〜８％λ（λ：電極指の周期長）に設定すると共に、ＩＤＴ電極における電極指群について、ライン占有率を０．５５〜０．６５に設定している。そのため、製造ばらつきによる周波数特性のずれを抑制しながら、弾性表面波の伝搬損失を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の弾性表面波素子の一例を示す平面図である。
【図２】前記弾性表面波素子の圧電基板のカット角を示す説明図である。
【図３】前記弾性表面波素子を示す縦断面図である。
【図４】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図５】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図６】前記弾性表面波素子について得られた特性を示す模式図である。
【図７】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図８】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図９】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１０】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１１】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１２】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１３】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１４】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１５】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１６】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１７】前記弾性表面波素子の他の例を示す回路図である。
【図１８】前記弾性表面波素子の他の例を示す平面図である。
【図１９】弾性表面波の伝搬速度を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［弾性表面波素子の概観］
本発明の弾性表面波素子の実施の形態の一例について、図１〜図３を参照して説明する。始めに、弾性表面波素子を以下のように構成した理由について説明する前に、この弾性表面波素子の概観について説明する。弾性表面波素子は、図１に示すように、ＳＡＷ（surface acoustic wave）のうちＬ（Ｌｅａｋｙ）ＳＡＷを利用するように構成されており、この例では複数の共振子１を圧電基板１０上に形成し、電気的にラダー型に相互接続して、ラダー型バンドパスフィルタを構成している。この圧電基板１０は、図２に模式的に示すように、回転Ｙ−Ｘタンタル酸リチウム基板（結晶軸のＸ軸周りに角度θだけ回転したＹ軸に対して垂直に切断したタンタル酸リチウム基板上をＸ軸方向に弾性表面波が伝搬する基板）により構成されている。前記角度θは、４５°〜４６°具体的には４６°となっている。尚、圧電基板１０について、角度θとは反対周りに回転させた場合にも、当該圧電基板１０の表裏を入れ替えた関係になり、同様のＳＡＷ特性となる。
【００１２】
この例では、入力ポート１１と出力ポート１２との間に例えば３つの共振子１が各々直列腕をなすように互いに直列に接続されており、これら共振子１、１間に１つの共振子１が各々並列腕をなすように並列に接続されている。図１中１３は接地ポートであり、４は各々の共振子１、１同士あるいは共振子１と各ポート１１、１２、１３とを電気的に接続する引き回し電極である。尚、図１では、各共振子１については模式的に簡略化して描画している。
【００１３】
各々の共振子１は、ＩＤＴ電極２と、弾性表面波（ＬＳＡＷ）の伝搬方向においてこのＩＤＴ電極２の一方側及び他方側に各々形成された反射器３、３とを備えている。ＩＤＴ電極２は、弾性表面波の伝搬方向に沿って各々伸びると共に互いに平行となるように配置された一対のバスバー５、５と、これらバスバー５、５間において互いに交差するように櫛歯状に形成された複数本の電極指６と、を備えている。この例では、ＩＤＴ電極２は、一対のバスバー５、５のうち一方側のバスバー５から伸びる電極指６と、当該電極指６に隣接して他方側のバスバー５から伸びる電極指６と、が弾性表面波の伝搬方向に沿って交互に配置されて正規型電極をなしている。図１中、７は反射器バスバー、８は反射器電極指である。
【００１４】
そして、各々の電極指６は、図３に示すように、互いに隣接する２本の電極指６、６の各々の幅寸法と、これら電極指６、６間の離間寸法と、からなる周期長λが圧電基板１０上を伝搬する弾性表面波の周波数に対応するように構成されている。具体的には、前記周期長λは、所望の周波数における弾性表面波の波長λと同じ寸法となっている。この実施の形態では、圧電基板１０上において、共振周波数ｆが２ＧＨｚ以上この例では２．４ＧＨｚのＬＳＡＷが伝搬するように、前記周期長λが構成されている。即ち、この圧電基板１０上では、電極指６の配置領域を伝搬するＬＳＡＷの伝搬速度Ｖが例えば３８７７ｍ／ｓとなるので、ｆ＝Ｖ／λとなるように、周期長λが設定されている。具体的には、周期長λは約１．６２μｍとなっている。尚、図３は圧電基板１０を図１のＡ−Ａ線で切断した縦断面図を示しており、圧電基板１０の厚さ寸法については模式的に示している。
【００１５】
ここで、電極指６の幅寸法及び互いに隣接する電極指６、６間の離間寸法を夫々Ｄ及びＳとすると、以下の式（１）に示すように、幅寸法Ｄと離間寸法Ｓとの和で幅寸法Ｄを除した値で表されるライン占有率ｒは、０．５５〜０．６５この例では０．６となっている。
ｒ＝Ｄ÷（Ｄ＋Ｓ） ・・・（１）
具体的な寸法としては、前記幅寸法Ｄ及び離間寸法Ｓは、夫々０．４８６μｍ及び０．３２４μｍとなっている。互いに交差する電極指６、６の数量（電極指６の対数）Ｎは、例えば３００対に設定され、互いに隣接する電極指６、６同士が交差する交差長Ｗは例えば３７．５λとなっている。
【００１６】
また、各々の電極指６は、図３に示すように、導電体膜である例えばアルミニウム（Ａｌ）膜により構成されている。具体的には、各々の共振子１は、圧電基板１０上に例えばアルミニウム膜とレジスト膜とを下側からこの順番で積層し、次いでフォトリソグラフィーやエッチングなどを用いたパターニング法により一体的に形成されている。電極指６の膜厚ｈは、周期長λを用いて表すと、例えば７．５％λ〜８％λこの例では８％λとなっている。このように弾性表面波素子を構成した理由について、以下に詳述する。
【００１７】
［これまでに得られている弾性表面波のエネルギー損失の原因］
ＬＳＡＷは、背景の項にて説明したように、ＳＶ成分を持っているので、既述の圧電基板１０上を伝搬する時、このＳＶ成分がＬＳＡＷとは別のＳＶバルク波と結合して伝搬損失を生じる。従って、ＬＳＡＷのＳＶ成分がちょうどゼロであれば、ＳＶバルク波放射がなくなり、伝搬損失がゼロとなる。このように伝搬損失がゼロとなる条件は、電極指６の膜厚及び幅寸法、圧電基板１０のカット角及び弾性表面波素子の周波数帯域の組み合わせにより決まる。そのため、弾性表面波素子がこの条件を概略満たすように各パラメータを設定することにより、当該弾性表面波素子が低損失となる。具体的には、電極指６の膜厚ｈ及びライン占有率ｒが夫々８％λ及び０．５の場合には、共振子１の共振周波数（ストップバンド下端）において伝搬損失がゼロとなるのは、以下に挙げた技術資料１には４２°Ｙ板である旨記載されている。また、膜厚ｈ及びライン占有率ｒが夫々１０％λ及び０．５の場合には、共振周波数から反共振周波数に亘っての伝搬損失の平均が最小となるのは、技術資料２に依れば、４８°Ｙ板である。
【００１８】
しかしながら、これら技術資料１、２の解析は、電極指６の本数が無限（無限周期ＩＤＴ）の場合について成されたものであり、弾性表面波の伝搬方向に端部のない理想的な共振子について得られた結果である。一方、現実の共振子１は、電極指６の本数が有限の構造であるために、既述のＳＶバルク波損失以外の損失を考慮する必要がある。そこで、本発明では、以下に説明するように、ＳＶバルク波損失以外の損失を検討すると共に、ＬＳＡＷにおける損失ができるだけ小さくなる条件を解析した。
【００１９】
［ＳＶバルク波損失以外の損失について］
図４は、以下に示す共振子について、実測により求めた機械損失量を１／Ｑ（Ｑ：共振のＱ値）として表示した特性を示している。図４における横軸は、２つの横波のうち伝搬速度の速い横波の伝搬速度（４２１４ｍ／ｓ）で考えたブラッグ周波数（約２１０７ＭＨｚ）即ち速い横波のカットオフ周波数で規格化した周波数となっている。図４では、電極指の抵抗によるオーミック損失は除いてあり、機械的（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）損失１／Ｑｍのみを示している。尚、「損失」とは、単位時間に失われるエネルギーの（全体に対する）割合であり、単位は無次元となっている。
（測定に用いた共振子）
圧電基板：４８°Ｙ−Ｘタンタル酸リチウム
周期長λ：２μｍ
電極指の対数Ｎ：２５０対
反射器電極指：各々５０本
共振子の膜厚：９．５３％λ
【００２０】
図４に「実験値」として示した実線が実測値であり、共振子の共振点（共振周波数）において損失が最小となり、この共振点から反共振点（反共振周波数）に近づくにつれて損失が増加している。
【００２１】
また、圧電基板のカット角、共振子の膜厚、ＩＤＴ電極のライン占有率、ＩＤＴ電極におけるバスバー間の寸法（開口長）、電極指の対数Ｎなどの実験パラメータが異なる様々な１ポート共振子を実際に作製し、これら共振子の共振特性を高周波プローバー及びネットワークアナライザを用いて測定すると共に、この測定結果に基づいて損失を表す実験式を算出した。具体的には、前記測定により共振特性（反射特性で見れば共振円）が得られるので、これを集中定数等価回路（Ｌ（インダクタンス）、Ｃ（コンデンサ）、Ｒ（抵抗）で構成した単純回路）にフィッティング処理して定数を決定する。この時、機械損失を表す直列共振腕の抵抗ＲＭは周波数に依存して変化するとして決定し、１／Ｑｍ＝ＲＭ（ω）／ωＬとして損失の周波数特性を得る。
【００２２】
オーミック損失は、回路全体の直列抵抗ＲＥにより表現され、分離される。従って、１／Ｑｍとして得られた機械損失とは、何らかの理由で波動が漏れた結果起こる損失であり、次に分類される。
（１）基板の中へのバルク波放射
（２）伝搬方向について反射器で閉じこめられず漏れ出てしまうＳＡＷ
（３）横方向（開口長方向）への漏れ
（４）電極が持つ粘性により失われるエネルギー損失
【００２３】
今回のケースでは、（２）は十分な反射量と反射器長とを有するため、着目した共振特性付近では損失がほとんど生じない。（３）は十分な大きさの開口長でのデータに着目し、影響が少ない状態で議論する。（４）は影響が顕著になる絶対周波数以下である。このように、この実験では、機械損失について（１）が主因となる条件に着目している。そして、以上の結果に基づいて、実験式について、前記実験パラメータを変化させた時の損失を評価できるように構成した。即ち、ＳＨ−ＢＡＷ損失をシミュレーションにより把握するためには、数百に及ぶ電極指を表現しての解析が必要になるため、解析規模が大きく困難である。一方、このように実験結果を基にした近似式であれば、自由にパラメータを設定して評価できる。
【００２４】
ここで、図４には、「伝搬損失（ＳＶ−ＢＡＷ）」として、技術資料１、２と同様の手法により理論的に決定したＳＶ−ＢＡＷによる伝搬損失を示しており、また「伝搬損失（ＳＨ−ＢＡＷ）、その他」として、前記実験式による損失を示している。また、「伝搬損失合計」として、これら２つの損失の和（ＳＶ＋ＳＨ）を示している。この損失の合計は、図４に「実験値」として示した結果と極めて良く合致しており、従って第１の損失である「無限周期構造におけるＳＶ−ＢＡＷの損失」以外の部分について、第２の損失を示す実験式によって良好に補完できていることを示している。
【００２５】
以上をまとめると、ＬＳＡＷにおける伝搬損失は、第１の損失及び第２の損失により構成され、第１の損失は理論値であるＳＶ−ＢＡＷ損失である。また、第２の損失は、実験式により求められた値であり、主にＳＨ−ＢＡＷによることが分かった。従って、（１）の損失は、ＳＶ−ＢＡＷとＳＨ−ＢＡＷとの混合であるが、ＳＶ−ＢＡＷは理想的な無限周期構造の理論解析により求められるので、実験結果からこれを差し引くことで、有限構造に由来するＳＨ−ＢＡＷの損失を取り出しモデル化（近似式化）することができる。
【００２６】
ここで、フィルタやデュープレクサなどの共振デバイスを構成する時には、特に共振点と反共振点との間の領域における伝搬損失が小さいことが好ましい。そこで、当該領域における伝搬損失について検討する。ＳＶ−ＢＡＷについては、図４から分かるように共振点と反共振点との間でちょうど損失がゼロとなっており、従って既述の測定に用いた共振子は、ＳＶ−ＢＡＷに関しては最適な条件になっていると言える。
【００２７】
一方、ＳＨ−ＢＡＷについては、共振子が有限な構造であるため、既述の速い横波のカットオフ周波数（規格化周波数：１）以下でも損失が発生し、共振点からカットオフ周波数に近づくにつれて増大している。実験で得られた損失において、反共振点における損失が共振点における損失よりも大きかったのは、このＳＨ−ＢＡＷ損失が主たる要因となっている。
【００２８】
図５は、このＳＨ−ＢＡＷ損失について、共振子の膜厚ｈの依存性を確認した結果を示している。図５は、膜厚ｈを７％λ、８％λ、９％λ及び１０％λに各々設定した時のＳＨ−ＢＡＷ損失を示しており、各々の損失を示す線種と同じ線種で各条件における共振点及び反共振点を示している。この結果から、反共振点におけるＳＨ−ＢＡＷ損失は、膜厚が増加するにつれて大きくなっていることが分かる。この理由としては、カットオフに近い周波数では、膜厚ｈが厚くなる程ＳＡＷとＢＡＷとの結合が大きくなり、従ってＳＡＷからＢＡＷへの変換及び放射が増えるためと考えられる。
【００２９】
しかし、２ＧＨｚ以上もの高周波数帯域で共振子を使用する場合には、共振子の膜厚ｈが小さすぎると、共振点を中心にオーミックロスが増加するため、７％λ（λ＝２μｍの場合には１４０ｎｍ）以上であることが望まれる。そこで、本発明では、損失ができるだけ小さくなる条件（パラメータ）を求めるにあたって、膜厚ｈの下限を７％λに設定した。この時、オーミック損失については、波長比膜厚が同じ条件であっても、周波数帯（または周期長λ）に伴って変化するので、最適化する対象には加えなかった。尚、図６は、以上説明した損失の周波数依存性を模式的に示している。
【００３０】
［各パラメータの最適化］
続いて、損失ができるだけ小さくなるように膜厚ｈ、カット角及びライン占有率ｒの最適値を算出した結果について説明する。図７〜図１０は、ライン占有率ｒを各々０．５に設定した場合において、共振点（ｆｒ）及び反共振点（ｆａ）の夫々の損失の膜厚ｈ依存性を示している。図７は、カット角が４４°の場合についての結果を示しており、図８は４５°の場合の結果を示している。また、図９及び図１０は、カット角が夫々４６°及び４７°の場合の結果を示している。また、図７〜図１０の各々の横軸には、膜厚ｈに代えて、波長比膜厚（ｈ／λ）を用いている。このシミュレーションでは、電極指の対数Ｎ及び開口長は夫々３００対及び３７．５λとした。
【００３１】
図７〜図１０に示すように、共振点の損失及び反共振点の損失のいずれについても、波長比膜厚が０．０５程度から大きく（厚く）なるにつれて減少し、その後０．１０に近づくにつれて増大する曲線となっている。そして、共振点及び反共振点での損失が最も小さくなる時の波長比膜厚は、カット角が４４°の場合（図７）には、７％よりも小さく（薄く）なっている。従って、２ＧＨｚ以上もの高周波数帯域で共振子を使用する場合の最適なカット角は、４５°以上である（４４°は適していない）ことが分かる。
【００３２】
一方、カット角が４５°（図８）及び４６°（図９）の場合には、共振点及び反共振点での損失が最小となる時の波長比膜厚は、０．０７５〜０．０８（７．５％〜８％）の範囲となっており、この範囲は２ＧＨｚ以上の高周波数帯域でオーミック損失の影響が少ない領域である。カット角が４７°の場合（図１０）には、図７〜図９と比べて共振点及び反共振点での損失が増大していた。従って、ライン占有率ｒが０．５の場合には、カット角及び波長比膜厚の最適値は、夫々４５°〜４６°及び７．５％〜８％であることが分かった。
ライン占有率ｒが０．６の場合について、同様にカット角及び波長比膜厚を夫々変えて計算したところ、図１１〜図１４に示すように、カット角及び波長比膜厚の夫々の最適値は、夫々４５°〜４６°及び７．５％〜８％となった。
【００３３】
次に、ライン占有率ｒの最適値について検討した。２ＧＨｚ以上もの高周波数帯域のＬＳＡＷを利用した弾性表面波素子では、電極指の幅寸法や互いに隣接する電極指間の離間寸法などが極めて小さくなり、従って当該弾性表面波素子を製造しにくくなると共に、製造時の寸法ばらつきによって周波数特性のずれが起こりやすい。そこで、周波数特性に対するライン占有率ｒの依存性が小さいことが望ましい。即ち、弾性表面波素子を製造した時に、製造ばらつきにより変動する程度の寸法誤差では、周波数特性はほとんど変わらないことが好ましい。そこで、以下のように、実験式を用いて同様にライン占有率ｒと共振点及び反共振点との相関関係について考察した。
【００３４】
図１５は、４５°Ｙ−Ｘタンタル酸リチウム基板を用いると共に膜厚ｈを７．５％λとした時について、共振点及び反共振点に対するライン占有率ｒの依存性を示している。図１５から分かるように、共振点は、ライン占有率ｒが０．５程度から０．７程度の領域において変化が小さい。従って、ライン占有率ｒは、この領域の値を取ることが好ましいと言える。尚、他の条件については前述の条件と同様である。
【００３５】
ここで、図１６は、共振子の容量比とライン占有率ｒとの相関関係を示したグラフを示している。この「容量比」とは、共振子を等価回路で見た時に、この共振子の元々の静電容量Ｃ０に対する当該共振子の圧電性を示す容量値Ｃ１の比率であり、小さい程共振点と反共振点との間が離間して広帯域のフィルタとなり、大きい程狭帯域のフィルタとなる。そして、弾性表面波素子では、非常に広帯域のフィルタを要求されることが多いため、前記容量比は、できるだけ小さいことが好ましい。従って、図１６において容量比ができるだけ小さい値を取り、且つ図１５において共振点の周波数の変動幅ができるだけ小さくなる時のライン占有率ｒは、０．５５〜０．６５となる。このライン占有率ｒの最適範囲は、カット角が４５°〜４６°の領域及び膜厚ｈが７．５％λ〜８％λの領域ではほとんど変化しない。また、電極指の対数及び開口長が極端に小さくなければ、即ち電極指の対数及び開口長について夫々１００対程度以上及び１２λ程度以上であれば、損失の量については変化するかもしれないが、以上説明した最適な条件はほとんど影響を受けない。
【００３６】
更に、目的とする特性（仕様）に応じてライン占有率ｒを設定することにより、夫々の仕様に特化した最適な特性が得られる。具体的には、ライン占有率ｒの変動に対して周波数変動が小さい特性を得るためには、ライン占有率ｒを０．５５〜０．６０に設定することが好ましい。一方、容量比が小さく共振点と反共振点との間の間隔ができるだけ広い弾性表面波素子としての性能を重視する場合には、ライン占有率ｒを０．６０〜０．６５に設定することが好ましい。即ち、前記弾性表面波素子として、通過域及び阻止域を備えたフィルタを構成する時に、通過域を広くして広帯域のバンドパスフィルタを得る場合には、ライン占有率ｒを０．６０〜０．６５に設定することが好ましい。また、ライン占有率ｒを０．６０〜０、６５に設定して広帯域な弾性表面波素子を構成する場合には、当該弾性表面波素子を電圧制御発振器（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）に適用することにより、このＶＣＯにおける周波数の可変幅の広帯域化が図られる。このようなＶＣＯの一例を図１７に示すと、このＶＣＯは、コンデンサ２０、インダクタ２１、抵抗２２、トランジスタ２３及びダイオード２４を組み合わせたコルピッツ回路を用いた構成を採っており、トランジスタ２３のベース端子と入力端子２５との間には既述の共振子１が介在している。図１７中２６はトランジスタ２３を駆動するために電圧が印加されるポートであり、２７は出力ポートである。
【００３７】
上述の実施の形態によれば、２ＧＨｚ以上の周波数のＬＳＡＷからなる弾性表面波を利用した弾性表面波素子において、４５〜４６°回転Ｙ−Ｘ板からなるタンタル酸リチウム基板を圧電基板１０として用いている。そして、ＩＤＴ電極２の膜厚ｈを７．５％λ〜８％λに設定すると共に、ＩＤＴ電極２における電極指６群について、ライン占有率ｒを０．５５〜０．６５に設定している。そのため、製造ばらつきによる周波数特性のずれを抑制しながら、ＬＳＡＷにおける伝搬損失を小さく抑えることができる。また、弾性表面波素子の容量比を既述のように小さく設定できるので、共振点と反共振点との間を大きく離間させて広帯域のフィルタを構成できる。
【００３８】
従来、全ての機械的損失の周波数特性を総合的に検討すると共にライン占有率ｒまで含めて最適条件を特定した解析は行われて来なかった。しかし、本発明では、以上詳述したように、ＳＶ−ＢＡＷに加えてＳＨ−ＢＡＷの損失についても検討すると共に、ＳＨ−ＢＡＷの損失を表す実験式を作成し、この実験式に基づいて圧電基板１０のカット角、膜厚ｈ及びライン占有率ｒを最適化している。従って、有限構造を採る現実の共振子などの弾性表面波素子について、現実に即した最適な条件を得ることができる。また、従来では例えば伝搬速度、電極指反射率等を調整するためのパラメータでしかなかったライン占有率ｒについて、損失ができるだけ小さくなる範囲に設定すると共に、製造ばらつきに基づく共振点の変動が抑えられ、且つ広帯域のフィルタとなるように値を合わせ込んでいる。従って、既述のように損失の抑えられた弾性表面波素子を得ることができる。
そのため、以上説明した弾性表面波素子は、当該弾性波表面素子を備えた電子部品に好適に用いられる。
【００３９】
以上説明した弾性表面波素子としては、共振子１を利用したラダー型フィルタを例に挙げたが、図１８に示すように、縦共振器型フィルタであっても良い。図１８では、圧電基板１０上に複数例えば３つのＩＤＴ電極２を弾性表面波の伝搬方向に沿って並べると共に、当該伝搬方向におけるこれらＩＤＴ電極２の並びの一方側及び他方側に各々反射器３を配置した例を示している。また、電極指６の膜厚ｈについて、例えば７．５％λ〜８％λに設定したが、バスバー５の膜厚については当該電極指６は別個に設定しても良い。
【００４０】
技術文献１：Ken-ya Hashimoto et al, "Optimum Leaky-SAW Cut of LiTaO3 for Minimised Insertion Loss Devices," Proc. 1997 IEEE Ultrason. Symp., pp.245-254.
技術文献２：Natalya Naumenko and Benjamin Abbotto, "Optimized Cut of LiTaO3 for Resonator Filters with Improved Performance" Proc. 2002 IEEE Ultrason. Symp., pp.385-390
【符号の説明】
【００４１】
ｈ 膜厚
ｒ ライン占有率
１ 共振子
２ ＩＤＴ電極
６ 電極指
１０ 圧電基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＳＡＷ（Ｌｅａｋｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）を利用した弾性表面波素子及びこの弾性表面波素子を備えた電子部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｙ−Ｘタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3：結晶軸のＸ軸周りにある角度だけ回転したＹ軸に対して垂直に切断したタンタル酸リチウム基板上をＸ軸方向に弾性表面波が伝搬する基板）は、弾性表面波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）のうちＬ（Ｌｅａｋｙ）ＳＡＷを利用した弾性表面波素子の代表的な圧電基板として用いられている。この弾性表面波素子は、例えば一対のバスバー及びこれらバスバー間に配置された電極指群を備えたＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極と、このＩＤＴ電極における弾性表面波の伝搬方向両側に形成された反射器とを備えた共振子などとして構成される。
【０００３】
前記圧電基板中をＸ軸方向に伝搬するバルク波（ＢＡＷ：Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）には、図１９に示すように、伝搬速度が比較的遅い横波（３３４９ｍ／ｓ）、この横波よりも伝搬速度が速い横波（４２１４ｍ／ｓ）及び縦波（５５８８ｍ／ｓ）がある。そして、このような圧電基板では、前記速い横波がＳＨ（Ｓｈｅａｒ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）波（変位方向が圧電基板の表面に平行な横波）になると共に圧電基板の表面に集中し、既述のＬＳＡＷとなる。このＬＳＡＷは、完全なＳＨ波ではなく、ＳＶ（Ｓｈｅａｒ Ｖｅｒｔｉｃａｌ）成分も持っている。
【０００４】
この時、ＬＳＡＷが前記圧電基板を伝搬する時には、伝搬損失が生じてしまう。このような伝搬損失が生じる理由の具体的な一例について説明すると、既述のように、このＬＳＡＷはＳＶバルク波（遅い横波）より伝搬速度が速いため、当該ＬＳＡＷにおけるＳＶ成分がＳＶバルク波と結合して、伝搬するに従ってエネルギー損失を生じてしまう。
【０００５】
ここで、後で詳述するように、ＬＳＡＷの伝搬損失について、電極指の対数を無限に設定した場合（無限周期ＩＤＴ）においては既に解析されているが、実際の有限構造の場合においては未だ解析されていない。また、特許文献１〜６では、圧電基板のカット角やＩＤＴ電極の膜厚などについて種々記載されているが、ＬＳＡＷの伝搬損失の詳細な検討はなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１６７９３６
【特許文献２】国際公開２００８−４４０８
【特許文献３】特開２００３−２８３２９８
【特許文献４】特開２００６−８７１４５
【特許文献５】特開２００７−７４７５４
【特許文献６】特開昭６３−２３８７０８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＬＳＡＷからなる弾性表面波を利用するためにタンタル酸リチウム基板上にＩＤＴ電極を配置した弾性表面波素子において、この弾性表面波素子の周波数帯域が２ＧＨｚ以上もの高周波数帯域であっても伝搬損失を小さく抑えることのできる弾性表面波素子及び電子部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の弾性表面波素子は、
２ＧＨｚ以上の周波数のＬＳＡＷからなる弾性表面波を利用した弾性表面波素子において、
結晶軸のＸ軸周りに４５°〜４６°回転したＹ軸に対して垂直に切断したタンタル酸リチウム基板上をＸ軸方向に弾性表面波が伝搬するように構成された圧電基板と、
弾性表面波の伝搬方向に沿って各々伸びると共に互いに平行となるように前記圧電基板上に形成された導電体膜からなる一対のバスバー及び、これらバスバーから対向するバスバーに向かって互いに櫛歯状に交差するように配置された導電膜からなる電極指群を有するＩＤＴ電極と、
弾性表面波の伝搬方向における前記ＩＤＴ電極の一方側及び他方側に各々設けられ、弾性表面波の伝搬方向に沿って各々伸びると共に互いに平行となるように前記圧電基板上に形成された一対の反射器バスバー及び、これら反射器バスバー同士を互いに接続するように各々形成された反射器電極指群を各々有する反射器と、を備え、
前記電極指群の周期長をλとすると、前記電極指群における各々の前記導電体膜の膜厚は、７．５％λ〜８％λであり、
前記電極指の幅寸法及び互いに隣接する電極指間の離間寸法を夫々Ｄ及びＳとすると、幅寸法Ｄと離間寸法Ｓとの和で幅寸法Ｄを除した値で表されるライン占有率は、０．５５〜０．６５であることを特徴とする。
前記ライン占有率は、当該ライン占有率の変動に対する周波数の変動を抑える場合には０．５５〜０．６０に設定されていることが好ましく、一方前記弾性表面波素子における共振周波数と反共振周波数との間の間隔を広げる場合には、０．６０〜０．６５に設定されていることが好ましい。即ち、弾性表面波素子によりバンドパスフィルタを構成する場合には、主要なＩＤＴ電極のライン占有率を０．６０〜０．６５に設定することにより、その通過域を広帯域化することが最も容易となる。
また、本発明の電子部品は、
前記弾性表面波素子を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、２ＧＨｚ以上の周波数のＬＳＡＷからなる弾性表面波を利用した弾性表面波素子において、４５〜４６°回転Ｙ−Ｘ板からなるタンタル酸リチウム基板を圧電基板として用いている。そして、ＩＤＴ電極における電極指群の膜厚を７．５％λ〜８％λ（λ：電極指の周期長）に設定すると共に、ＩＤＴ電極における電極指群について、ライン占有率を０．５５〜０．６５に設定している。そのため、製造ばらつきによる周波数特性のずれを抑制しながら、弾性表面波の伝搬損失を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の弾性表面波素子の一例を示す平面図である。
【図２】前記弾性表面波素子の圧電基板のカット角を示す説明図である。
【図３】前記弾性表面波素子を示す縦断面図である。
【図４】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図５】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図６】前記弾性表面波素子について得られた特性を示す模式図である。
【図７】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図８】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図９】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１０】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１１】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１２】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１３】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１４】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１５】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１６】前記弾性表面波素子について得られた特性図である。
【図１７】前記弾性表面波素子の他の例を示す回路図である。
【図１８】前記弾性表面波素子の他の例を示す平面図である。
【図１９】弾性表面波の伝搬速度を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［弾性表面波素子の概観］
本発明の弾性表面波素子の実施の形態の一例について、図１〜図３を参照して説明する。始めに、弾性表面波素子を以下のように構成した理由について説明する前に、この弾性表面波素子の概観について説明する。弾性表面波素子は、図１に示すように、ＳＡＷ（surface acoustic wave）のうちＬ（Ｌｅａｋｙ）ＳＡＷを利用するように構成されており、この例では複数の共振子１を圧電基板１０上に形成し、電気的にラダー型に相互接続して、ラダー型バンドパスフィルタを構成している。この圧電基板１０は、図２に模式的に示すように、回転Ｙ−Ｘタンタル酸リチウム基板（結晶軸のＸ軸周りに角度θだけ回転したＹ軸に対して垂直に切断したタンタル酸リチウム基板上をＸ軸方向に弾性表面波が伝搬する基板）により構成されている。前記角度θは、４５°〜４６°具体的には４６°となっている。尚、圧電基板１０について、角度θとは反対周りに回転させた場合にも、当該圧電基板１０の表裏を入れ替えた関係になり、同様のＳＡＷ特性となる。
【００１２】
この例では、入力ポート１１と出力ポート１２との間に例えば３つの共振子１が各々直列腕をなすように互いに直列に接続されており、これら共振子１、１間に１つの共振子１が各々並列腕をなすように並列に接続されている。図１中１３は接地ポートであり、４は各々の共振子１、１同士あるいは共振子１と各ポート１１、１２、１３とを電気的に接続する引き回し電極である。尚、図１では、各共振子１については模式的に簡略化して描画している。
【００１３】
各々の共振子１は、ＩＤＴ電極２と、弾性表面波（ＬＳＡＷ）の伝搬方向においてこのＩＤＴ電極２の一方側及び他方側に各々形成された反射器３、３とを備えている。ＩＤＴ電極２は、弾性表面波の伝搬方向に沿って各々伸びると共に互いに平行となるように配置された一対のバスバー５、５と、これらバスバー５、５間において互いに交差するように櫛歯状に形成された複数本の電極指６と、を備えている。この例では、ＩＤＴ電極２は、一対のバスバー５、５のうち一方側のバスバー５から伸びる電極指６と、当該電極指６に隣接して他方側のバスバー５から伸びる電極指６と、が弾性表面波の伝搬方向に沿って交互に配置されて正規型電極をなしている。図１中、７は反射器バスバー、８は反射器電極指である。
【００１４】
そして、各々の電極指６は、図３に示すように、互いに隣接する２本の電極指６、６の各々の幅寸法と、これら電極指６、６間の離間寸法と、からなる周期長λが圧電基板１０上を伝搬する弾性表面波の周波数に対応するように構成されている。具体的には、前記周期長λは、所望の周波数における弾性表面波の波長λと同じ寸法となっている。この実施の形態では、圧電基板１０上において、共振周波数ｆが２ＧＨｚ以上この例では２．４ＧＨｚのＬＳＡＷが伝搬するように、前記周期長λが構成されている。即ち、この圧電基板１０上では、電極指６の配置領域を伝搬するＬＳＡＷの伝搬速度Ｖが例えば３８７７ｍ／ｓとなるので、ｆ＝Ｖ／λとなるように、周期長λが設定されている。具体的には、周期長λは約１．６２μｍとなっている。尚、図３は圧電基板１０を図１のＡ−Ａ線で切断した縦断面図を示しており、圧電基板１０の厚さ寸法については模式的に示している。
【００１５】
ここで、電極指６の幅寸法及び互いに隣接する電極指６、６間の離間寸法を夫々Ｄ及びＳとすると、以下の式（１）に示すように、幅寸法Ｄと離間寸法Ｓとの和で幅寸法Ｄを除した値で表されるライン占有率ｒは、０．５５〜０．６５この例では０．６となっている。
ｒ＝Ｄ÷（Ｄ＋Ｓ） ・・・（１）
具体的な寸法としては、前記幅寸法Ｄ及び離間寸法Ｓは、夫々０．４８６μｍ及び０．３２４μｍとなっている。互いに交差する電極指６、６の数量（電極指６の対数）Ｎは、例えば３００対に設定され、互いに隣接する電極指６、６同士が交差する交差長Ｗは例えば３７．５λとなっている。
【００１６】
また、各々の電極指６は、図３に示すように、導電体膜である例えばアルミニウム（Ａｌ）膜により構成されている。具体的には、各々の共振子１は、圧電基板１０上に例えばアルミニウム膜とレジスト膜とを下側からこの順番で積層し、次いでフォトリソグラフィーやエッチングなどを用いたパターニング法により一体的に形成されている。電極指６の膜厚ｈは、周期長λを用いて表すと、例えば７．５％λ〜８％λこの例では８％λとなっている。このように弾性表面波素子を構成した理由について、以下に詳述する。
【００１７】
［これまでに得られている弾性表面波のエネルギー損失の原因］
ＬＳＡＷは、背景の項にて説明したように、ＳＶ成分を持っているので、既述の圧電基板１０上を伝搬する時、このＳＶ成分がＬＳＡＷとは別のＳＶバルク波と結合して伝搬損失を生じる。従って、ＬＳＡＷのＳＶ成分がちょうどゼロであれば、ＳＶバルク波放射がなくなり、伝搬損失がゼロとなる。このように伝搬損失がゼロとなる条件は、電極指６の膜厚及び幅寸法、圧電基板１０のカット角及び弾性表面波素子の周波数帯域の組み合わせにより決まる。そのため、弾性表面波素子がこの条件を概略満たすように各パラメータを設定することにより、当該弾性表面波素子が低損失となる。具体的には、電極指６の膜厚ｈ及びライン占有率ｒが夫々８％λ及び０．５の場合には、共振子１の共振周波数（ストップバンド下端）において伝搬損失がゼロとなるのは、以下に挙げた技術資料１には４２°Ｙ板である旨記載されている。また、膜厚ｈ及びライン占有率ｒが夫々１０％λ及び０．５の場合には、共振周波数から反共振周波数に亘っての伝搬損失の平均が最小となるのは、技術資料２に依れば、４８°Ｙ板である。
【００１８】
しかしながら、これら技術資料１、２の解析は、電極指６の本数が無限（無限周期ＩＤＴ）の場合について成されたものであり、弾性表面波の伝搬方向に端部のない理想的な共振子について得られた結果である。一方、現実の共振子１は、電極指６の本数が有限の構造であるために、既述のＳＶバルク波損失以外の損失を考慮する必要がある。そこで、本発明では、以下に説明するように、ＳＶバルク波損失以外の損失を検討すると共に、ＬＳＡＷにおける損失ができるだけ小さくなる条件を解析した。
【００１９】
［ＳＶバルク波損失以外の損失について］
図４は、以下に示す共振子について、実測により求めた機械損失量を１／Ｑ（Ｑ：共振のＱ値）として表示した特性を示している。図４における横軸は、２つの横波のうち伝搬速度の速い横波の伝搬速度（４２１４ｍ／ｓ）で考えたブラッグ周波数（約２１０７ＭＨｚ）即ち速い横波のカットオフ周波数で規格化した周波数となっている。図４では、電極指の抵抗によるオーミック損失は除いてあり、機械的（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）損失１／Ｑｍのみを示している。尚、「損失」とは、単位時間に失われるエネルギーの（全体に対する）割合であり、単位は無次元となっている。
（測定に用いた共振子）
圧電基板：４８°Ｙ−Ｘタンタル酸リチウム
周期長λ：２μｍ
電極指の対数Ｎ：２５０対
反射器電極指：各々５０本
共振子の膜厚：９．５３％λ
【００２０】
図４に「実験値」として示した実線が実測値であり、共振子の共振点（共振周波数）において損失が最小となり、この共振点から反共振点（反共振周波数）に近づくにつれて損失が増加している。
【００２１】
また、圧電基板のカット角、共振子の膜厚、ＩＤＴ電極のライン占有率、ＩＤＴ電極におけるバスバー間の寸法（開口長）、電極指の対数Ｎなどの実験パラメータが異なる様々な１ポート共振子を実際に作製し、これら共振子の共振特性を高周波プローバー及びネットワークアナライザを用いて測定すると共に、この測定結果に基づいて損失を表す実験式を算出した。具体的には、前記測定により共振特性（反射特性で見れば共振円）が得られるので、これを集中定数等価回路（Ｌ（インダクタンス）、Ｃ（コンデンサ）、Ｒ（抵抗）で構成した単純回路）にフィッティング処理して定数を決定する。この時、機械損失を表す直列共振腕の抵抗ＲＭは周波数に依存して変化するとして決定し、１／Ｑｍ＝ＲＭ（ω）／ωＬとして損失の周波数特性を得る。
【００２２】
オーミック損失は、回路全体の直列抵抗ＲＥにより表現され、分離される。従って、１／Ｑｍとして得られた機械損失とは、何らかの理由で波動が漏れた結果起こる損失であり、次に分類される。
（１）基板の中へのバルク波放射
（２）伝搬方向について反射器で閉じこめられず漏れ出てしまうＳＡＷ
（３）横方向（開口長方向）への漏れ
（４）電極が持つ粘性により失われるエネルギー損失
【００２３】
今回のケースでは、（２）は十分な反射量と反射器長とを有するため、着目した共振特性付近では損失がほとんど生じない。（３）は十分な大きさの開口長でのデータに着目し、影響が少ない状態で議論する。（４）は影響が顕著になる絶対周波数以下である。このように、この実験では、機械損失について（１）が主因となる条件に着目している。そして、以上の結果に基づいて、実験式について、前記実験パラメータを変化させた時の損失を評価できるように構成した。即ち、ＳＨ−ＢＡＷ損失をシミュレーションにより把握するためには、数百に及ぶ電極指を表現しての解析が必要になるため、解析規模が大きく困難である。一方、このように実験結果を基にした近似式であれば、自由にパラメータを設定して評価できる。
【００２４】
ここで、図４には、「伝搬損失（ＳＶ−ＢＡＷ）」として、技術資料１、２と同様の手法により理論的に決定したＳＶ−ＢＡＷによる伝搬損失を示しており、また「伝搬損失（ＳＨ−ＢＡＷ）、その他」として、前記実験式による損失を示している。また、「伝搬損失合計」として、これら２つの損失の和（ＳＶ＋ＳＨ）を示している。この損失の合計は、図４に「実験値」として示した結果と極めて良く合致しており、従って第１の損失である「無限周期構造におけるＳＶ−ＢＡＷの損失」以外の部分について、第２の損失を示す実験式によって良好に補完できていることを示している。
【００２５】
以上をまとめると、ＬＳＡＷにおける伝搬損失は、第１の損失及び第２の損失により構成され、第１の損失は理論値であるＳＶ−ＢＡＷ損失である。また、第２の損失は、実験式により求められた値であり、主にＳＨ−ＢＡＷによることが分かった。従って、（１）の損失は、ＳＶ−ＢＡＷとＳＨ−ＢＡＷとの混合であるが、ＳＶ−ＢＡＷは理想的な無限周期構造の理論解析により求められるので、実験結果からこれを差し引くことで、有限構造に由来するＳＨ−ＢＡＷの損失を取り出しモデル化（近似式化）することができる。
【００２６】
ここで、フィルタやデュープレクサなどの共振デバイスを構成する時には、特に共振点と反共振点との間の領域における伝搬損失が小さいことが好ましい。そこで、当該領域における伝搬損失について検討する。ＳＶ−ＢＡＷについては、図４から分かるように共振点と反共振点との間でちょうど損失がゼロとなっており、従って既述の測定に用いた共振子は、ＳＶ−ＢＡＷに関しては最適な条件になっていると言える。
【００２７】
一方、ＳＨ−ＢＡＷについては、共振子が有限な構造であるため、既述の速い横波のカットオフ周波数（規格化周波数：１）以下でも損失が発生し、共振点からカットオフ周波数に近づくにつれて増大している。実験で得られた損失において、反共振点における損失が共振点における損失よりも大きかったのは、このＳＨ−ＢＡＷ損失が主たる要因となっている。
【００２８】
図５は、このＳＨ−ＢＡＷ損失について、共振子の膜厚ｈの依存性を確認した結果を示している。図５は、膜厚ｈを７％λ、８％λ、９％λ及び１０％λに各々設定した時のＳＨ−ＢＡＷ損失を示しており、各々の損失を示す線種と同じ線種で各条件における共振点及び反共振点を示している。この結果から、反共振点におけるＳＨ−ＢＡＷ損失は、膜厚が増加するにつれて大きくなっていることが分かる。この理由としては、カットオフに近い周波数では、膜厚ｈが厚くなる程ＳＡＷとＢＡＷとの結合が大きくなり、従ってＳＡＷからＢＡＷへの変換及び放射が増えるためと考えられる。
【００２９】
しかし、２ＧＨｚ以上もの高周波数帯域で共振子を使用する場合には、共振子の膜厚ｈが小さすぎると、共振点を中心にオーミックロスが増加するため、７％λ（λ＝２μｍの場合には１４０ｎｍ）以上であることが望まれる。そこで、本発明では、損失ができるだけ小さくなる条件（パラメータ）を求めるにあたって、膜厚ｈの下限を７％λに設定した。この時、オーミック損失については、波長比膜厚が同じ条件であっても、周波数帯（または周期長λ）に伴って変化するので、最適化する対象には加えなかった。尚、図６は、以上説明した損失の周波数依存性を模式的に示している。
【００３０】
［各パラメータの最適化］
続いて、損失ができるだけ小さくなるように膜厚ｈ、カット角及びライン占有率ｒの最適値を算出した結果について説明する。図７〜図１０は、ライン占有率ｒを各々０．５に設定した場合において、共振点（ｆｒ）及び反共振点（ｆａ）の夫々の損失の膜厚ｈ依存性を示している。図７は、カット角が４４°の場合についての結果を示しており、図８は４５°の場合の結果を示している。また、図９及び図１０は、カット角が夫々４６°及び４７°の場合の結果を示している。また、図７〜図１０の各々の横軸には、膜厚ｈに代えて、波長比膜厚（ｈ／λ）を用いている。このシミュレーションでは、電極指の対数Ｎ及び開口長は夫々３００対及び３７．５λとした。
【００３１】
図７〜図１０に示すように、共振点の損失及び反共振点の損失のいずれについても、波長比膜厚が０．０５程度から大きく（厚く）なるにつれて減少し、その後０．１０に近づくにつれて増大する曲線となっている。そして、共振点及び反共振点での損失が最も小さくなる時の波長比膜厚は、カット角が４４°の場合（図７）には、７％よりも小さく（薄く）なっている。従って、２ＧＨｚ以上もの高周波数帯域で共振子を使用する場合の最適なカット角は、４５°以上である（４４°は適していない）ことが分かる。
【００３２】
一方、カット角が４５°（図８）及び４６°（図９）の場合には、共振点及び反共振点での損失が最小となる時の波長比膜厚は、０．０７５〜０．０８（７．５％〜８％）の範囲となっており、この範囲は２ＧＨｚ以上の高周波数帯域でオーミック損失の影響が少ない領域である。カット角が４７°の場合（図１０）には、図７〜図９と比べて共振点及び反共振点での損失が増大していた。従って、ライン占有率ｒが０．５の場合には、カット角及び波長比膜厚の最適値は、夫々４５°〜４６°及び７．５％〜８％であることが分かった。
ライン占有率ｒが０．６の場合について、同様にカット角及び波長比膜厚を夫々変えて計算したところ、図１１〜図１４に示すように、カット角及び波長比膜厚の夫々の最適値は、夫々４５°〜４６°及び７．５％〜８％となった。
【００３３】
次に、ライン占有率ｒの最適値について検討した。２ＧＨｚ以上もの高周波数帯域のＬＳＡＷを利用した弾性表面波素子では、電極指の幅寸法や互いに隣接する電極指間の離間寸法などが極めて小さくなり、従って当該弾性表面波素子を製造しにくくなると共に、製造時の寸法ばらつきによって周波数特性のずれが起こりやすい。そこで、周波数特性に対するライン占有率ｒの依存性が小さいことが望ましい。即ち、弾性表面波素子を製造した時に、製造ばらつきにより変動する程度の寸法誤差では、周波数特性はほとんど変わらないことが好ましい。そこで、以下のように、実験式を用いて同様にライン占有率ｒと共振点及び反共振点との相関関係について考察した。
【００３４】
図１５は、４５°Ｙ−Ｘタンタル酸リチウム基板を用いると共に膜厚ｈを７．５％λとした時について、共振点及び反共振点に対するライン占有率ｒの依存性を示している。図１５から分かるように、共振点は、ライン占有率ｒが０．５程度から０．７程度の領域において変化が小さい。従って、ライン占有率ｒは、この領域の値を取ることが好ましいと言える。尚、他の条件については前述の条件と同様である。
【００３５】
ここで、図１６は、共振子の容量比とライン占有率ｒとの相関関係を示したグラフを示している。この「容量比」とは、共振子を等価回路で見た時に、この共振子の元々の静電容量Ｃ０に対する当該共振子の圧電性を示す容量値Ｃ１の比率であり、小さい程共振点と反共振点との間が離間して広帯域のフィルタとなり、大きい程狭帯域のフィルタとなる。そして、弾性表面波素子では、非常に広帯域のフィルタを要求されることが多いため、前記容量比は、できるだけ小さいことが好ましい。従って、図１６において容量比ができるだけ小さい値を取り、且つ図１５において共振点の周波数の変動幅ができるだけ小さくなる時のライン占有率ｒは、０．５５〜０．６５となる。このライン占有率ｒの最適範囲は、カット角が４５°〜４６°の領域及び膜厚ｈが７．５％λ〜８％λの領域ではほとんど変化しない。また、電極指の対数及び開口長が極端に小さくなければ、即ち電極指の対数及び開口長について夫々１００対程度以上及び１２λ程度以上であれば、損失の量については変化するかもしれないが、以上説明した最適な条件はほとんど影響を受けない。
【００３６】
更に、目的とする特性（仕様）に応じてライン占有率ｒを設定することにより、夫々の仕様に特化した最適な特性が得られる。具体的には、ライン占有率ｒの変動に対して周波数変動が小さい特性を得るためには、ライン占有率ｒを０．５５〜０．６０に設定することが好ましい。一方、容量比が小さく共振点と反共振点との間の間隔ができるだけ広い弾性表面波素子としての性能を重視する場合には、ライン占有率ｒを０．６０〜０．６５に設定することが好ましい。即ち、前記弾性表面波素子として、通過域及び阻止域を備えたフィルタを構成する時に、通過域を広くして広帯域のバンドパスフィルタを得る場合には、ライン占有率ｒを０．６０〜０．６５に設定することが好ましい。また、ライン占有率ｒを０．６０〜０、６５に設定して広帯域な弾性表面波素子を構成する場合には、当該弾性表面波素子を電圧制御発振器（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）に適用することにより、このＶＣＯにおける周波数の可変幅の広帯域化が図られる。このようなＶＣＯの一例を図１７に示すと、このＶＣＯは、コンデンサ２０、インダクタ２１、抵抗２２、トランジスタ２３及びダイオード２４を組み合わせたコルピッツ回路を用いた構成を採っており、トランジスタ２３のベース端子と入力端子２５との間には既述の共振子１が介在している。図１７中２６はトランジスタ２３を駆動するために電圧が印加されるポートであり、２７は出力ポートである。
【００３７】
上述の実施の形態によれば、２ＧＨｚ以上の周波数のＬＳＡＷからなる弾性表面波を利用した弾性表面波素子において、４５〜４６°回転Ｙ−Ｘ板からなるタンタル酸リチウム基板を圧電基板１０として用いている。そして、ＩＤＴ電極２の膜厚ｈを７．５％λ〜８％λに設定すると共に、ＩＤＴ電極２における電極指６群について、ライン占有率ｒを０．５５〜０．６５に設定している。そのため、製造ばらつきによる周波数特性のずれを抑制しながら、ＬＳＡＷにおける伝搬損失を小さく抑えることができる。また、弾性表面波素子の容量比を既述のように小さく設定できるので、共振点と反共振点との間を大きく離間させて広帯域のフィルタを構成できる。
【００３８】
従来、全ての機械的損失の周波数特性を総合的に検討すると共にライン占有率ｒまで含めて最適条件を特定した解析は行われて来なかった。しかし、本発明では、以上詳述したように、ＳＶ−ＢＡＷに加えてＳＨ−ＢＡＷの損失についても検討すると共に、ＳＨ−ＢＡＷの損失を表す実験式を作成し、この実験式に基づいて圧電基板１０のカット角、膜厚ｈ及びライン占有率ｒを最適化している。従って、有限構造を採る現実の共振子などの弾性表面波素子について、現実に即した最適な条件を得ることができる。また、従来では例えば伝搬速度、電極指反射率等を調整するためのパラメータでしかなかったライン占有率ｒについて、損失ができるだけ小さくなる範囲に設定すると共に、製造ばらつきに基づく共振点の変動が抑えられ、且つ広帯域のフィルタとなるように値を合わせ込んでいる。従って、既述のように損失の抑えられた弾性表面波素子を得ることができる。
そのため、以上説明した弾性表面波素子は、当該弾性波表面素子を備えた電子部品に好適に用いられる。
【００３９】
以上説明した弾性表面波素子としては、共振子１を利用したラダー型フィルタを例に挙げたが、図１８に示すように、縦共振器型フィルタであっても良い。図１８では、圧電基板１０上に複数例えば３つのＩＤＴ電極２を弾性表面波の伝搬方向に沿って並べると共に、当該伝搬方向におけるこれらＩＤＴ電極２の並びの一方側及び他方側に各々反射器３を配置した例を示している。また、電極指６の膜厚ｈについて、例えば７．５％λ〜８％λに設定したが、バスバー５の膜厚については当該電極指６は別個に設定しても良い。
【００４０】
技術文献１：Ken-ya Hashimoto et al, "Optimum Leaky-SAW Cut of LiTaO3 for Minimised Insertion Loss Devices," Proc. 1997 IEEE Ultrason. Symp., pp.245-254.
技術文献２：Natalya Naumenko and Benjamin Abbotto, "Optimized Cut of LiTaO3 for Resonator Filters with Improved Performance" Proc. 2002 IEEE Ultrason. Symp., pp.385-390
【符号の説明】
【００４１】
ｈ 膜厚
ｒ ライン占有率
１ 共振子
２ ＩＤＴ電極
６ 電極指
１０ 圧電基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２ＧＨｚ以上の周波数のＬＳＡＷからなる弾性表面波を利用した弾性表面波素子において、
結晶軸のＸ軸周りに４５°〜４６°回転したＹ軸に対して垂直に切断したタンタル酸リチウム基板上をＸ軸方向に弾性表面波が伝搬するように構成された圧電基板と、
弾性表面波の伝搬方向に沿って各々伸びると共に互いに平行となるように前記圧電基板上に形成された導電体膜からなる一対のバスバー及び、これらバスバーから対向するバスバーに向かって互いに櫛歯状に交差するように配置された導電膜からなる電極指群を有するＩＤＴ電極と、
弾性表面波の伝搬方向における前記ＩＤＴ電極の一方側及び他方側に各々設けられ、弾性表面波の伝搬方向に沿って各々伸びると共に互いに平行となるように前記圧電基板上に形成された一対の反射器バスバー及び、これら反射器バスバー同士を互いに接続するように各々形成された反射器電極指群を各々有する反射器と、を備え、
前記電極指群の周期長をλとすると、前記電極指群における各々の前記導電体膜の膜厚は、７．５％λ〜８％λであり、
前記電極指の幅寸法及び互いに隣接する電極指間の離間寸法を夫々Ｄ及びＳとすると、幅寸法Ｄと離間寸法Ｓとの和で幅寸法Ｄを除した値で表されるライン占有率は、０．５５〜０．６５であることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項２】
前記ライン占有率は、当該ライン占有率の変動に対する周波数の変動を抑えるために、０．５５〜０．６０に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項３】
前記ライン占有率は、前記弾性表面波素子における共振周波数と反共振周波数との間の間隔を広げるために、０．６０〜０．６５に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の弾性表面波素子を備えたことを特徴とする電子部品。
【請求項１】
２ＧＨｚ以上の周波数のＬＳＡＷからなる弾性表面波を利用した弾性表面波素子において、
結晶軸のＸ軸周りに４５°〜４６°回転したＹ軸に対して垂直に切断したタンタル酸リチウム基板上をＸ軸方向に弾性表面波が伝搬するように構成された圧電基板と、
弾性表面波の伝搬方向に沿って各々伸びると共に互いに平行となるように前記圧電基板上に形成された導電体膜からなる一対のバスバー及び、これらバスバーから対向するバスバーに向かって互いに櫛歯状に交差するように配置された導電膜からなる電極指群を有するＩＤＴ電極と、
弾性表面波の伝搬方向における前記ＩＤＴ電極の一方側及び他方側に各々設けられ、弾性表面波の伝搬方向に沿って各々伸びると共に互いに平行となるように前記圧電基板上に形成された一対の反射器バスバー及び、これら反射器バスバー同士を互いに接続するように各々形成された反射器電極指群を各々有する反射器と、を備え、
前記電極指群の周期長をλとすると、前記電極指群における各々の前記導電体膜の膜厚は、７．５％λ〜８％λであり、
前記電極指の幅寸法及び互いに隣接する電極指間の離間寸法を夫々Ｄ及びＳとすると、幅寸法Ｄと離間寸法Ｓとの和で幅寸法Ｄを除した値で表されるライン占有率は、０．５５〜０．６５であることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項２】
前記ライン占有率は、当該ライン占有率の変動に対する周波数の変動を抑えるために、０．５５〜０．６０に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項３】
前記ライン占有率は、前記弾性表面波素子における共振周波数と反共振周波数との間の間隔を広げるために、０．６０〜０．６５に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の弾性表面波素子を備えたことを特徴とする電子部品。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１３−１０２４１８（Ｐ２０１３−１０２４１８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１７３０１１（Ｐ２０１２−１７３０１１）
【出願日】平成２４年８月３日（２０１２．８．３）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月３日（２０１２．８．３）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
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