JP7624731B2

JP7624731B2 - 周波数フィルタ

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Publication number: JP7624731B2
Application number: JP2022007661A
Authority: JP
Inventors: 隆彦柳谷; 航太泉; 真之柴田
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2025-01-31
Anticipated expiration: 2042-01-21
Also published as: JP2023106746A

Description

本発明は、携帯電話の基地局等で使用される、周波数のフィルタリングを行う周波数フィルタに関する。

携帯電話サービスでは、市中に多数設置された基地局と携帯電話の端末との間で電波を送受信する。基地局及び端末のいずれにおいても、アンテナで受信した電磁波に含まれる多数の周波数から特定の周波数を抽出するという、周波数のフィルタリングを行う周波数フィルタが用いられている。

このような周波数フィルタの例として、表面弾性波（Surface Acoustic Wave：SAW）フィルタが知られている（例えば特許文献１参照）。SAWフィルタは、1対の櫛形電極を噛み合わせて成るIDT(Interdigital transducer)を圧電体薄膜の表面に設けたものである。SAWフィルタには、圧電体薄膜の表面に配置した1対のグレーティング反射器で1又は2個のIDTを挟んで成る共振子型と呼ばれるものと、グレーティング反射器は設けずに2個のIDTを設けたトランスバーサル型と呼ばれるものがある。

また、周波数フィルタの他の例として、バルク弾性波（Bulk Acoustic Wave：BAW）フィルタが知られている。BAWフィルタには、1層の圧電体薄膜とそれを挟むように表裏面に設けられた1対の電極から成るもの（ここでは「単位体」と呼ぶ）を1組として、1組の単位体のみから成るものと、単位体を2組を重ねたものから成るものがある。後者はSCF（Stacked Crystal Filter）とも呼ばれ（特許文献２参照）、電磁波を変換した電気信号を一方の組の1対の電極に入力すると、その電気信号に含まれる特定の周波数の電気信号が他方の組の1対の電極から出力される。1組の単位体のみから成るもの、SCFのいずれも、両端に空気を存在させるか又は両端を真空とすることにより、完全反射が生じる自由端となり、両端に反射器を設ける必要はない。空気の代わりに、基板に固定するために反射器層を設けたSMR（Solidly Mounted Resonator）もある。ここまでに述べたBAWフィルタの各例はいずれも、共振子型の周波数フィルタとして機能する。

特開2007-088952号公報国際公開WO2010/079614号公報特開2018-190800号公報

SAWフィルタは櫛形電極の櫛の間の耐電圧性が低く、大電力の高周波電力に対するフィルタリングを行うことができない。一方、BAWフィルタの圧電体薄膜（SCFでは各圧電体薄膜）の厚さはフィルタリングを行う周波数が高いほど薄くする必要があるが、圧電体薄膜の耐圧性は、当然、薄くなると低下する。そのため、BAWフィルタではフィルタリングを行う周波数が高い場合、大電力の高周波電力に対するフィルタリングを行うことが困難になるという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、大電力の高周波電力に対するフィルタリングを行うことができる周波数フィルタを提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る周波数フィルタは、
a) 圧電材料から成り分極が所定の一方向を向いている第１層と、圧電材料から成り分極が前記第１層の分極とは異なる一方向を向いているか又は圧電性を有しない絶縁材料から成る第２層とを交互に1層ずつ繰り返して合わせて複数積層したものであって、前記第１層の厚さd₁と前記第２層の厚さd₂が前記第１層内の音速v₁と前記第２層内の音速v₂を用いて0.7×(v₂/v₁)d₁≦d₂≦1.5×(v₂/v₁)d₁の関係にある第１積層体と、
b) 前記第１積層体を積層方向に挟むように設けられた1対の電極から成る第１電極対と、
c) 圧電材料から成り分極が所定の一方向を向いている第３層と、圧電材料から成り分極が前記第３層の分極とは異なる一方向を向いているか又は圧電性を有しない絶縁材料から成る第４層とを交互に1層ずつ繰り返して合わせて、前記第１層と前記第２層を合わせた数と同数積層したものであって、前記第３層の厚さd₃と前記第４層の厚さd₄が前記第３層内の音速v₃と前記第４層内の音速v₄を用いて0.7×(v₄/v₃)d₃≦d₄≦1.5×(v₄/v₃)d₃の関係にあり、且つ、前記第１層の厚さd₁と前記第３層の厚さd₃が0.7×(v₃/v₁)d₁≦d₃≦1.5×(v₃/v₁)d₁の関係にある第２積層体と、
d) 前記第２積層体を積層方向に挟むように設けられた1対の電極から成る第２電極対と、
を備え、さらに、
e) 一方の面が前記第１電極対の一方の電極と接し他方の面が前記第２電極対の一方の電極と接する絶縁材料から成る基板を備えるか、又は前記第１電極対の一方の電極と前記第２電極対の一方の電極が直接接触している
ことを特徴とする。

なお、第１層及び第３層を構成する圧電材料は同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。また、第２層又は第４層が圧電材料から成る場合には、それらの材料は第１層及び／又は第３層と同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。さらに、第２層及び第４層が共に圧電材料から成る場合には、それらの材料は同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。

また、第１層の分極方向と第３層の分極方向は同じ方向であってもよいし、異なる方向であってもよい。また、第２層又は第４層が圧電材料から成る場合には、第２層と第３層の分極方向、又は第４層と第１層の分極方向は、同じ方向であってもよいし、異なる方向であってもよい。さらに、第２層及び第４層が共に圧電材料から成る場合には、第２層と第４層の分極方向は同じ方向であってもよいし、異なる方向であってもよい。

第１層と第２層は合わせて複数層有ればよい。第１層と第２層は少なくとも1層ずつ有ればよいが、第１層と第２層がそれぞれ複数層ずつ有ってもよい。また、第１層と第２層のうちのいずれか一方が他方よりも1層多く有ってもよい。第３層と第４層も、第１層と第２層の場合と同様である。

前記第１電極対の一方の電極と前記第２電極対の一方の電極が直接接触している場合には、それら2つの電極が共通の電位となる（典型的には接地する）ようにすればよい。また、それら2つの電極が一体の（1個の）電極であってもよい。

本発明に係る周波数フィルタは、共振子型として機能するBAWとは異なり、従来存在しなかったトランスバーサル型として機能するBAWである。以下、本発明に係る周波数フィルタの動作を説明する。

本発明に係る周波数フィルタでは、複数の周波数を含む交流電力が第１電極対の2個の電極間に入力されると、第１積層体を構成する各第１層は圧電変換により機械的に振動するが、厚さ方向に伝播する振動の成分（この振動は縦波であっても横波であってもよい）はそれら複数の周波数のうち厚さd₁及び音速v₁（縦波であるか横波であるかによって相違する）により定まる特定の周波数で強くなる。また、第２層が圧電材料から成る場合には、第２層は前記複数の周波数のうち厚さd₂及び音速v₂により定まる特定の周波数で振動が強くなる。ここで、第２層の厚さd₂が(v₂/v₁)d₁又はそれに近い（0.7～1.5倍の）値を有することにより、第１積層体の各第２層は、前記特定の周波数（すなわち、第１層と同じ周波数）で、周波数毎に同じ位相で振動する。一方、第２層が圧電性を有しない絶縁材料から成る場合には、第２層には圧電効果による振動は生じないものの、第１層からの振動を受けて、第２層が第１層と同じ特定の周波数で強く振動する。その結果、第２層が圧電材料、圧電性を有しない絶縁材料のいずれから成る場合にも、第１積層体の全体には、１層あたり半整数となる波数に対応する前記特定の周波数を中心とする特定の周波数範囲内で強い機械的振動が生じる。

こうして第１積層体で生じた前記周波数範囲での強い機械的振動は、基板を経て第２積層体に伝播する。第２積層体では、第１積層体から伝播した機械的振動により第３層及び第４層が励振される。ここで、第３層の厚さd₃が(v₃/v₁)d₁又はそれに近い（0.7～1.5倍の）値を有することにより、第２積層体の各第３層も前記周波数範囲内で振動する。また、各第４層は、圧電材料から成る場合にはその厚さd₄が(v₄/v₃)d₃又はそれに近い（0.7～1.5倍の）値を有することにより第３層と同じ周波数範囲内で振動し、圧電性を有しない絶縁材料から成る場合には第３層からの振動を受けて同じ周波数範囲内で振動する。これにより、第２電極対の間に圧電変換によって交流電力が発生する。この交流電力を電気信号として取り出すことにより、本発明に係る周波数フィルタは、第１電極対に入力された複数の周波数のうち前記周波数範囲内の周波数を有する交流電力を第２電極対から取り出す周波数フィルタとして機能する。

本発明に係る周波数フィルタによれば、入力側である第１電極対の間に第１層及び第２層をそれぞれ複数層有すると共に、出力側である第２電極対の間に第３層及び第４層をそれぞれ複数層有するため、第１電極対の間及び第２電極対の間を、従来の共振器型のBAWよりも厚い圧電体製の部材（第１積層体及び第２積層体）によって電気的に絶縁することができる。そのため、耐電圧性を高くすることができ、フィルタリングを行う周波数範囲が高い場合であっても大電力の高周波電力に対するフィルタリングを行うことが可能となる。

本発明に係る周波数フィルタにおいて、
前記第２層が圧電材料から成り、
前記第１層における分極の該第１層に平行な成分と、前記第２層における分極の該第２層に平行な成分が互いに逆方向を向いており、
及び／又は、
前記第４層が圧電材料から成り、
前記第３層における分極の該第３層に平行な成分と、前記第４層における分極の該第４層に平行な成分が互いに逆方向を向いている
という構成を取ることができる。

このように、第１層と第２層、及び／又は第３層と第４層の間で、分極の各層に平行な成分が違いに逆方向である積層体は、例えばマグネトロンスパッタ法を用いて各層を作製する際に粒子の入射方向を１層おきに異なる方向とすることにより、容易に得ることができる。

本発明に係る周波数フィルタにおいて、さらに、前記第１電極対のうちの前記第２電極対側とは反対の側にある電極、及び／又は前記第２電極対のうちの前記第１電極対側とは反対の側にある電極に接する吸音材を備えるようにしてもよい。これにより、第１積層体及び／又は第２積層体内を伝播する振動がそれら積層体の吸音材を設けた端面において反射することが抑えられる。これにより、第１積層体及び／又は第２積層体内において不要な共振が生じることを抑えることができる。

本発明に係る周波数フィルタリング方法は、
a) 圧電材料から成り分極が所定の一方向を向いている第１層と、圧電材料から成り分極が前記第１層の分極とは異なる一方向を向いているか又は圧電性を有しない絶縁材料から成る第２層とを交互に1層ずつ繰り返して合わせて複数積層したものであって、前記第１層の厚さd₁と前記第２層の厚さd₂が前記第１層内の音速v₁と前記第２層内の音速v₂を用いて0.7×(v₂/v₁)d₁≦d₂≦1.5×(v₂/v₁)d₁の関係にある第１積層体と、
b) 前記第１積層体を積層方向に挟むように設けられた1対の電極から成る第１電極対と、
c) 圧電材料から成り分極が所定の一方向を向いている第３層と、圧電材料から成り分極が前記第３層の分極とは異なる一方向を向いているか又は圧電性を有しない絶縁材料から成る第４層とを交互に1層ずつ繰り返して合わせて複数積層したものであって、前記第３層の厚さd₃と前記第４層の厚さd₄が前記第３層内の音速v₃と前記第４層内の音速v₄を用いて0.7×(v₄/v₃)d₃≦d₄≦1.5×(v₄/v₃)d₃の関係にあり、且つ、前記第１層の厚さd₁と前記第３層の厚さd₃が0.7×(v₃/v₁)d₁≦d₃≦1.5×(v₃/v₁)d₁の関係にある第２積層体と、
d) 前記第２積層体を積層方向に挟むように設けられた1対の電極から成る第２電極対と、
を備え、さらに、
e) 一方の面が前記第１電極対の一方の電極と接し他方の面が前記第２電極対の一方の電極と接する絶縁材料から成る基板を備えるか、又は前記第１電極対の一方の電極と前記第２電極対の一方の電極が直接接触している
周波数フィルタを用い、
複数の周波数を含む交流電力を前記第１電極対の2個の電極間に入力し、該複数の周波数のうちの1つの周波数を有する交流電力を前記第２電極対の2個の電極間で出力することを特徴とする。

なお、本発明に係る周波数フィルタリング方法では、第１層と第２層を合わせた数（入力側の層数）と、第３層と第４層を合わせた数（出力側の層数）は、同じであっても異なっていてもよい。入力側の層数と出力側の層数が異なっている場合には、フィルタリングと同時に、入力した交流電力の電圧を昇圧（入力側の層数よりも出力側の層数の方が多い場合）又は降圧（入力側の層数よりも出力側の層数の方が少ない場合）するトランスとしても機能する（特許文献３参照）。

本発明により、大電力の高周波電力に対するフィルタリングを行うことが可能な周波数フィルタを得ることができる。

本発明に係る周波数フィルタの第１実施形態を示す概略構成図。 Al_1-xSc_xN(0≦x≦0.45)から成る層における層に対する垂線からの分極の傾斜角度と電気機械結合係数の関係を示すグラフ。第１実施形態の周波数フィルタにおける動作を説明するための図。第１実施形態の周波数フィルタの一変形例を示す概略構成図。第１実施形態の周波数フィルタの他の変形例を示す概略構成図。第１実施形態の周波数フィルタのさらに他の変形例を示す概略構成図。本発明に係る周波数フィルタの第２実施形態を示す概略構成図。第１実施形態及び第２実施形態の周波数フィルタにつき、フィルタ特性を計算で求めた結果を示すグラフ。第２実施形態の周波数フィルタにつき、第１積層体及び第２積層体の層数が異なる複数の例のフィルタ特性を計算で求めた結果を示すグラフ。第２実施形態の周波数フィルタにつき、入力側及び出力側に接続したインピーダンスが異なる複数の例のフィルタ特性を計算で求めた結果を示すグラフ。作製した周波数フィルタの第１積層体を含む部分(a)及び第２積層体を含む部分(b)の断面を撮影した電子顕微鏡写真。作製した周波数フィルタの第１積層体につき測定した(0002)面極点図(a)、及びΨ走査曲線を示すグラフ(b)。作製した周波数フィルタの第２積層体につき測定した(0002)面極点図(a)、及びΨ走査曲線を示すグラフ(b)。作製した周波数フィルタにつきフィルタ特性の測定を行った結果(a)、及び得られたフィルタ特性の測定データに対して不要なピーク等を除去する信号処理を行った結果(b)を示すグラフ。本発明に係る周波数フィルタの第３実施形態を示す概略構成図。第１積層体の層数と第２積層体の層数が異なる例を示す概略構成図。

図１～図１６を用いて、本発明に係る周波数フィルタの実施形態を示す。

(1) 第１実施形態
図１に示す第１実施形態の周波数フィルタ１０は、第１積層体１１と、第１電極対１２と、第２積層体１３と、第２電極対１４と、基板１５とを備える。

第１積層体１１は、圧電材料から成る第１層１１１と、圧電材料から成る第２層１１２を、基板１５側から第１層１１１、第２層１１２、第１層１１１、第２層１１２の順に交互に複数（4つ）積層したものである。第１層１１１は、層に対して傾斜した（層に対して平行でも垂直でもない）方向の分極P₁=(p_x, p_y)を有する。ここでp_xは層に平行な方向に関する分極P₁の成分、p_yは層に垂直な方向に関する分極P₁の成分を示す。第２層１１２が有する分極P₂は、層に対して傾斜し、層に平行な方向に関する成分が-p_x（すなわち第１層１１１とは逆方向）であって層に平行な方向の成分がp_y（すなわち第１層１１１と同方向）である（P₂=(-p_x, p_y)）。

第１層１１１及び第２層１１２の圧電材料には、本実施形態ではいずれもウルツ鉱構造を有するAl_1-xSc_xN(0≦x≦0.45)を用いる。なお、xが0.45を超えると、非圧電体となるAl_1-xSc_xNの代わりに、ZnO等の他のウルツ鉱構造を有する圧電材料を用いてもよい。ウルツ鉱構造を有する圧電材料は、例えばマグネトロンスパッタ法を用いて圧電材料の粒子を基板の表面に対して傾斜した方向から入射させて堆積させることにより、層に対して傾斜した分極を有する圧電体層を容易に作製することができるという利点を有する。この方法を用いて第１積層体１１を作製する際には、基板をそれに垂直な軸を中心に180°回転させたうえで圧電材料の粒子を堆積させるという操作を繰り返し行えばよい。

なお、第１層１１１及び第２層１１２の圧電材料にAl_1-xSc_xNを用いる場合には、分極P₁及びP₂の向きは、第１層１１１及び第２層１１２に対する垂線から27°～43°傾斜した方向とすることが好ましい。このような方向に傾斜させることにより、電気機械結合係数のうちk'₁₅ ²の値を大きくすることができ（図２参照）、後述のように第１積層体１１内に生成される横波の強度を高くすることができる。

第１層１１１及び第２層１１２は本実施形態ではいずれも同じ厚さとするが、両者の厚さは多少異なっていてもよい。具体的には、第１層１１１の厚さd₁と第２層１１２の厚さd₂が第１層１１１内の音速v₁と第２層１１２内の音速v₂を用いて0.7×(v₂/v₁)d₁≦d₂≦1.5×(v₂/v₁)d₁の関係にあるように、第１層１１１の厚さd₁と第２層１１２の厚さd₂を定めればよい。本実施形態のように第１層１１１と第２層１１２が同じ圧電材料から成る場合にはv₁=v₂であるため0.7d₁≦d₂≦1.5d₁の関係を満たせばよい。第１層１１１と第２層１１２が異なる圧電材料から成る場合には、圧電材料毎に音速を求めたうえで上記の関係から第１層１１１の厚さd₁と第２層１１２の厚さd₂を定めればよい。

第１電極対１２は、第１積層体１１を積層方向に挟むように設けられた1対の電極１２１，１２２から成る。

第２積層体１３は、圧電材料から成る第３層１３１と、圧電材料から成る第４層１３２を、基板１５側から第３層１３１、第４層１３２、第３層１３１、第４層１３２の順に交互に複数（4つ）積層したものである。本実施形態では、第２積層体１３は第１積層体１１と同じ構成とした。すなわち、第３層１３１と第４層１３２の材料にはいずれも同じ圧電材料であるAl_1-xSc_xN(0≦x≦1)を用い、第３層１３１の分極はP₁=(p_x, p_y)、第４層１３２の分極はP₂=(-p_x, p_y)とした。また、第３層１３１と第４層１３２は同じ厚さとした。第２積層体１３においても第１積層体１１と同様に変形した構成を取ることができる。また、第１積層体１１と第２積層体１３のいずれか一方のみを変形した構成としたり、第１積層体１１と第２積層体１３を互いに異なる変形をした構成とすることもできる。

第２電極対１４は、第２積層体１３を積層方向に挟むように設けられた1対の電極１４１，１４２から成る。

基板１５は、絶縁材料から成る板材であり、一方の面が第１電極対１２の一方の電極１２２と接し他方の面が第２電極対１４の一方の電極１４１と接している。基板１５には、例えば、水晶製の板材を用いることができる。水晶は、音響インピーダンスがAl_1-xSc_xNの音響インピーダンスに近いため、特に第１積層体１１及び第２積層体１３がAl_1-xSc_xN製である場合に基板１５の材料として好適に用いることができる。基板１５の厚さは特に限定されないが、後述のように第１積層体１１で発生する振動が第２積層体１３に伝達する際に減衰し過ぎない程度の厚さとする。

次に、図３を参照しつつ、第１実施形態の周波数フィルタ１０の動作を説明する。

フィルタリングの対象となる、複数の周波数を含む交流電力信号は、第１電極対１２の電極１２１と電極１２２間に入力する。すると、第１積層体１１を構成する各第１層１１１及び各第２層１１２は、圧電変換により機械的に振動する。その際、第１層１１１の分極P₁と第２層１１２の分極P₂の、それらの層に平行な成分が互いに逆方向であることにより、第１層１１１と第２層１１２はそれらの層に平行且つ互いに逆位相（180°異なる位相）で振動する。その結果、第１積層体１１内には、厚さ方向（第１層１１１及び第２層１１２に垂直な方向）に伝播する横波の振動が生じる（図３参照）。この横波の振動は、入力した交流電力が有する複数の周波数のうち、第１層１１１及び第２層１１２の厚さ並びに音速（それらの層の材料に依存する）で定まる特定の周波数を中心とした特定の周波数範囲内にある振動周波数（前記特定の周波数と同じであってもよいし、該特定の周波数からずれていてもよい）で強く生じる。

このように第１積層体１１内で強く生じた前記振動周波数での横波の振動は、基板１５を介して第２積層体１３に伝播する。第２積層体１３内では、各第３層１３１及び各第４層１３２が基板１５から伝播した横波の振動により励振される。これにより、第２電極対１４の電極１４１と電極１４２の間に、圧電変換によって前記振動周波数を有する交流電力が発生する。この交流電力を第２電極対１４から取り出すことにより、前記振動周波数の交流電力信号が取り出される。

以上のように、第１実施形態の周波数フィルタ１０は、第１電極対１２に入力された複数の周波数を含む交流電力信号のうち、前記特定の周波数範囲内にある周波数（前記振動周波数）の交流電力信号が第２電極対１４から出力される周波数フィルタとして動作する。

なお、ここでは第１電極対１２を入力側、第２電極対１４を出力側として説明したが、第２電極対１４を入力側、第１電極対１２を出力側とした場合にも上記と同様に動作する。

第１実施形態の周波数フィルタ１０では第１層１１１及び第２層１１２に、それらの層に対して傾斜した分極を有する圧電体層を用いたが、その代わりに、図４に示すように第１層１１１及び第２層１１２に垂直な分極Pを有する圧電体層を用いてもよい。この場合、第１層１１１と第２層１１２では分極Pが互いに逆方向となるようにする。あるいは、第１層１１１と第２層１１２のいずれか一方の層を該層に垂直な分極Pを有する圧電体層とし、他方の層を前記一方の層における分極Pとは逆方向の垂直成分を有し該他方の層に対して傾斜した圧電体層を用いてもよい。いずれの場合にも、第１積層体１１内には縦波の振動が生成される。これらと同様の構成を第３層１３１及び第４層１３２に適用してもよい（図４参照）。

あるいは、図５に示すように、第１層１１１及び第２層１１２に、それらの層に平行な分極Pを有する圧電体層を用いてもよい。この場合にも、第１層１１１と第２層１１２では分極Pが互いに逆方向となるようにする。あるいは、第１層１１１と第２層１１２のいずれか一方の層を該層に平行な分極Pを有する圧電体層とし、他方の層を前記一方の層における分極Pとは逆方向の平行成分を有し該他方の層に対して傾斜した圧電体層を用いてもよい。いずれの場合にも、第１積層体１１内には上記第１実施形態と同様に横波の振動が生成される。これらと同様の構成を第３層１３１及び第４層１３２に適用してもよい（図５参照）。

さらに他の変形例として、第１実施形態の周波数フィルタ１０において基板１５を設ける代わりに、図６に示すように、第１積層体１１と第２積層体１３の間に、第１電極対１２の一方の電極（第１実施形態における電極１２２に相当）と第２電極対１４の一方の電極（同・電極１４１に相当）を兼ねる電極１５１を設けてもよい。この場合、第１積層体１１で生じた振動は、電極１５１を介して第２積層体１３に伝播する。このような電極１５１は、第１層１１１～第４層が図４や図５に示すような分極や、その他の分極を有する場合にも適用することができる。

(2) 第２実施形態
次に、第２実施形態の周波数フィルタ２０について説明する。この第２実施形態の周波数フィルタ２０は、図７に示すように、第１実施形態の周波数フィルタ１０にさらに、第１吸音材２１及び第２吸音材２２を設けたものである。第１吸音材２１は、第１電極対１２のうちの第２電極対１４側とは反対の側にある電極１２１に接するように設けられている。第２吸音材２２は、第２電極対１４のうちの第１電極対１２側とは反対の側にある電極１４２に接するように設けられている。第１吸音材２１及び第２吸音材２２にはいずれも、第１層１１１と同じ音響インピーダンスを有する材料から成るものであって、端面に凹凸を形成したものを用いた。このような凹凸を有する端面において音波が散乱されることにより吸音される。

なお、第１吸音材２１と第２吸音材２２の双方を設ける代わりに、第１吸音材２１と第２吸音材２２のうちのいずれか一方のみを設けてもよい。また、第１吸音材２１及び／又は第２吸音材２２と、上述した第１実施形態の各変形例の構成を組み合わせてもよい。

第２実施形態の周波数フィルタ２０によれば、第１吸音材２１及び／又は第２吸音材２２を備えることにより、第１積層体１１及び／又は第２積層体１３内を伝播する振動が、それら積層体の吸音材を設けた端面において反射することが抑えられる。これにより、第１積層体１１及び／又は第２積層体１３内において不要な共振が生じることを抑えることができる。

(3) 第１実施形態及び第２実施形態の周波数フィルタに関する計算及び実験例
まず、第１実施形態の周波数フィルタ１０及び第２実施形態の周波数フィルタ２０（いずれも、第１積層体１１及び第２積層体の層数は4つずつ）につき、フィルタ特性を計算で求めた。フィルタ特性は、周波数毎の挿入損失の値で示される。この計算では、第１実施形態及び第２実施形態共に、第１層１１１、第２層１１２、第３層１３１及び第４層１３２のいずれも、Al_1-xSc_xN（x=0.4）から成るものを用い、厚さを3.8μm、電気機械結合係数k'152を12％（層に垂直な方向からの分極の傾斜角が43°の場合に相当）とした。第１層１１１～第４層１３２の横波の音速v1～v4はいずれも3795m/sである。第２実施形態では、実際に第１吸音材２１及び第２吸音材２２を設ける代わりに、信号処理によって端面での反射の影響を除去することにより、擬似的にに第１吸音材２１及び第２吸音材２２が存在する状態を再現した。

フィルタ特性の計算結果を図８に示す。第１実施形態では数十～200MHzの周波数幅を有する緩やかなピークの中にスパイク状のピークが多数見られる。このスパイク状のピークは、第１実施形態の周波数フィルタ１０中の第１積層体１１及び第２積層体１３内で生じている不要な共振に起因している。それに対して第２実施形態では、緩やかなピークのみが見られ、スパイク状のピークは見られない。これは、第２実施形態の周波数フィルタ２０では第１吸音材２１及び第２吸音材２２が存在することによって不要な共振が抑えられていることによる。一方、第１実施形態は第２実施形態よりも挿入損失が小さく（図８のグラフでは上側にあり）、信号の損失が抑えられる。

第２実施形態の周波数フィルタ２０につき、第１積層体１１の層数（第１層１１１と第２層１１２の層数の和）及び第２積層体１３の層数（第３層１３１と第４層１３２の層数の和）の双方を2,3及び4とした場合についてそれぞれ、フィルタ特性を計算した。ここで層数が3の場合には、第１層１１１及び第３層の層数を2、第２層１１２及び第４層１３２の層数を1とした。計算結果を図９に示す。なお、層数が4の場合は図８中の第２実施形態の計算結果と同じである。第１積層体１１及び第２積層体１３の層数が多いほど、通過帯域が狭くなると共に、挿入損失が小さくなり信号の損失が抑えられる。

第２実施形態の周波数フィルタ２０（第１積層体１１及び第２積層体の層数は4つずつ）につき、インピーダンス整合を調整することによってフィルタ特性が変化することを計算で確認した。ここでは、周波数フィルタ２０の入力側及び出力側にそれぞれR=50Ωの電気抵抗を挿入した場合と、入力側及び出力側にそれぞれR=50Ωの電気抵抗及びL=16nHのインダクタンスを挿入した場合についてフィルタ特性を計算した。計算結果を図１０に示す。R=50Ωの電気抵抗のみを挿入した場合よりもR=50Ωの電気抵抗及びL=16nHのインダクタンスを挿入した場合の方が挿入損失が小さくなっており、インピーダンス整合を調整することによって挿入損失が改善されることが確認された。

次に、第１実施形態の周波数フィルタ１０（第１積層体１１及び第２積層体の層数は4つずつ）を作製した結果を説明する。基板１５には、水晶製であって表裏両面がz軸に垂直な面である板材を用いた。

作製方法は以下の通りである。まず、基板１５の両面に金属材を蒸着することにより、電極１２２及び１４１を作製した。次に、マグネトロンスパッタ装置の基板ホルダに、電極１２２側をスパッタターゲット側に向けて基板１５を装着した。そのうえで、AlとScの合金から成るスパッタターゲットをスパッタすることにより生成される粒子を窒素ガス雰囲気下で基板１５に対して傾斜した方向から電極１２２の表面に入射させることにより、第１層１１１を1つ形成した。続いて、基板１５をそれに垂直な軸で180°回転させたうえで、上記と同様の方法で第１層１１１の表面に粒子を入射させることにより、第２層１１２を1つ形成した。この操作をさらに2回行うことにより、第１積層体１１を作製した。

次に電極１４１をスパッタターゲット側に向けるように基板１５を装着し直し、上記と同様の方法で電極１４１の表面に粒子を入射させることにより、第３層１３１を1つ形成した。続いて、基板１５をそれに垂直な軸で180°回転させたうえで、上記と同様の方法で第３層１３１の表面に粒子を入射させることにより、第４層１３２を1つ形成した。この操作をさらに2回行うことにより、第２積層体１３を作製した。最後に、第１積層体１１の基板１５とは反対側の表面、及び第２積層体１３の基板１５とは反対側の表面にそれぞれ金属材を蒸着することにより、電極１２１及び１４２を作製した。

図１１に、作製した周波数フィルタ１０の断面の電子顕微鏡写真を示す。図１１(a)では第１積層体１１側を拡大し、(b)では第２積層体１３側を拡大している。なお、図１１(a)では、図１に示した模式図とは上下を反転している。これらの電子顕微鏡写真から、第１積層体１１、第２積層体１３共に、交互にジグザグ状に配向した4つの層を有することがわかる。各層の分極は、電子顕微鏡写真の右欄外に矢印で示した方向を向いている。

図１２(a)に、作製した周波数フィルタ１０の第１積層体１１につき測定した(0002)面極点図を、図１２(b)にΨ走査曲線を、それぞれ示す。これらの図においてΨは基板１５に垂直な線に対する角度（傾斜角）、φは方位角を示している。Ψ走査曲線は(a)中の直線に沿ってΨを変化させながらＸ線回折の強度を得たものである。これらの図より、分極方向（Al_1-xSc_xN結晶のz軸と同じ方向）は第１層１１１では傾斜角が平均で32.2°であって、第２層１１２では傾斜角が平均で26.8°であって方位角が第１層１１１の分極とはほぼ180°異なる。同様に、第２積層体１３に関して、図１３(a)に示した(0002)面極点図及び図１３(b)に示したΨ走査曲線より、分極方向は第３層１３１では傾斜角が平均で24.6°であって、第４層１３２では傾斜角が平均で22.3°であって方位角が第３層１３１の分極とはほぼ180°異なる。

作製した周波数フィルタ１０につき、ネットワークアナライザを用いてフィルタ特性を測定した。その結果を図１４(a)に示す。この測定結果と計算結果（図８）を対比すると、測定結果では300MHz以下の周波数領域において誘導損失が計算結果よりも小さくなっている。これは、横波の他に縦波の振動が生じていることによると考えられる。また、この測定結果では計算結果と同様に、積層体の端面での反射によるスパイク状のピークが見られる。

そこで、得られた測定データに対して高速フーリエ変換をしたうえで逆高速フーリエ変換をするという信号処理を行った。その結果を図１４(b)に示す。このような信号処理により、縦波の影響及び積層体の端面での反射による影響を除去することができることが確認された。

(4) 第３実施形態
ここまでに示した各実施形態では、第１積層体及び第２積層体を構成する全ての層が圧電体材料から成るもの（圧電層）であったが、１層おきに圧電性を有しない絶縁材料から成る層（非圧電層）を設けた、すなわち圧電層と非圧電層を交互に積層した第１積層体及び／又は第２積層体を用いてもよい。図１５に例示する周波数フィルタ３０では、第１積層体３１は第１層（圧電層）１１１と第２層（非圧電層）３１３を交互に積層した構成を有し、第２積層体３３は第３層（圧電層）１３１と第４層（非圧電層）３３３を交互に積層した構成を有する。なお、圧電層の分極の方向は図示したものには限定されない。また、第１層１１１と第２層３１３の積層順や、第３層１３１と第４層３３３の積層順は、図示したものと逆であってもよい。さらに、第１積層体３１及び第２積層体３３の層数も図示したものには限定されず、2層、3層、あるいは5層以上であってもよい。第１積層体３１及び第２積層体３３以外の構成は、第１実施形態の周波数フィルタ１０と同様であり、第１及び第２実施形態と同様の変形が可能である。

(5) その他
ここまでに示した各実施形態では、第１積層体と第２積層体が同数の層を有するが、第１積層体と第２積層体が互いに異なる層数を有している場合にも、周波数フィルタとして機能する。但しその場合には、第１電極対及び第２電極対のいずれかに交流電気信号を導入すると、他方から出力される交流電気信号は入力時とは異なる電圧を有する。これは、そのような構造を有する周波数フィルタが、特許文献３に記載のようにトランスとして機能することによる。例えば、図１６に示すように、第１積層体４１の層数が2（第１層１１１と第２層１１２が1つずつ）、第２積層体４３の層数が第１積層体４１の層数よりも多い4（第３層１３１と第４層１３２が1つずつ）である場合、第１電極対１２の電極１２１と電極１２２の間に交流電気信号を入力すると、第２電極対１４の電極１４１と電極１４２の間に、入力した交流電気信号よりも高い電圧を有し周波数がフィルタリングされた交流電気信号が出力される。同じ構成を有する場合に第２電極対１４の電極１４１と電極１４２の間に交流電気信号を入力すると、第１電極対１２の電極１２１と電極１２２の間に、入力した交流電気信号よりも低い電圧を有し周波数がフィルタリングされた交流電気信号が出力される。なお、図１６に示した構成は一例であって、第１～第３実施形態の場合と同様に、層数、分極の方向、非圧電層の有無、基板１５の有無等の変形が可能である。

ここまでに述べた複数の実施形態及びそれらの変形例の他にも、本発明の主旨の範囲内で種々の変形が可能である。

１０、２０、３０…周波数フィルタ
１１、３１、４１…第１積層体
１１１…第１層
１１２…第２層
１２…第１電極対
１２１、１２２…第１電極対の電極
１３、３３、４２…第２積層体
１３１…第３層
１３２…第４層
１４…第２電極対
１４１、１４２…第２電極対の電極
１５…基板
１５１…第１電極対の一方の電極と第２電極対の一方の電極を兼ねる電極
２１…第１吸音材
２２…第２吸音材
３１３…第２層（非圧電層）
３３３…第４層（非圧電層）

Claims

a) 圧電材料から成り分極が所定の一方向を向いている第１層と、圧電材料から成り分極が前記第１層の分極とは異なる一方向を向いているか又は圧電性を有しない絶縁材料から成る第２層とを交互に1層ずつ繰り返して合わせて複数積層したものであって、前記第１層の厚さd₁と前記第２層の厚さd₂が前記第１層内の音速v₁と前記第２層内の音速v₂を用いて0.7×(v₂/v₁)d₁≦d₂≦1.5×(v₂/v₁)d₁の関係にある第１積層体と、
b) 前記第１積層体を積層方向に挟むように設けられた1対の電極から成る第１電極対と、
c) 圧電材料から成り分極が所定の一方向を向いている第３層と、圧電材料から成り分極が前記第３層の分極とは異なる一方向を向いているか又は圧電性を有しない絶縁材料から成る第４層とを交互に1層ずつ繰り返して合わせて、前記第１層と前記第２層を合わせた数と同数積層したものであって、前記第３層の厚さd₃と前記第４層の厚さd₄が前記第３層内の音速v₃と前記第４層内の音速v₄を用いて0.7×(v₄/v₃)d₃≦d₄≦1.5×(v₄/v₃)d₃の関係にあり、且つ、前記第１層の厚さd₁と前記第３層の厚さd₃が0.7×(v₃/v₁)d₁≦d₃≦1.5×(v₃/v₁)d₁の関係にある第２積層体と、
d) 前記第２積層体を積層方向に挟むように設けられた1対の電極から成る第２電極対と、
を備え、さらに、
e) 一方の面が前記第１電極対の一方の電極と接し他方の面が前記第２電極対の一方の電極と接する絶縁材料から成る基板を備えるか、又は前記第１電極対の一方の電極と前記第２電極対の一方の電極が直接接触している
ことを特徴とする周波数フィルタ。
前記第２層が圧電材料から成り、
前記第１層における分極の該第１層に平行な成分と、前記第２層における分極の該第２層に平行な成分が互いに逆方向を向いており、
及び／又は、
前記第４層が圧電材料から成り、
前記第３層における分極の該第３層に平行な成分と、前記第４層における分極の該第４層に平行な成分が互いに逆方向を向いている
ことを特徴とする請求項１に記載の周波数フィルタ。
さらに、前記第１電極対のうちの前記第２電極対側とは反対の側にある電極、及び／又は前記第２電極対のうちの前記第１電極対側とは反対の側にある電極に接する吸音材を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の周波数フィルタ。
a) 圧電材料から成り分極が所定の一方向を向いている第１層と、圧電材料から成り分極が前記第１層の分極とは異なる一方向を向いているか又は圧電性を有しない絶縁材料から成る第２層とを交互に1層ずつ繰り返して合わせて複数積層したものであって、前記第１層の厚さd₁と前記第２層の厚さd₂が前記第１層内の音速v₁と前記第２層内の音速v₂を用いて0.7×(v₂/v₁)d₁≦d₂≦1.5×(v₂/v₁)d₁の関係にある第１積層体と、
b) 前記第１積層体を積層方向に挟むように設けられた1対の電極から成る第１電極対と、
c) 圧電材料から成り分極が所定の一方向を向いている第３層と、圧電材料から成り分極が前記第３層の分極とは異なる一方向を向いているか又は圧電性を有しない絶縁材料から成る第４層とを交互に1層ずつ繰り返して合わせて複数積層したものであって、前記第３層の厚さd₃と前記第４層の厚さd₄が前記第３層内の音速v₃と前記第４層内の音速v₄を用いて0.7×(v₄/v₃)d₃≦d₄≦1.5×(v₄/v₃)d₃の関係にあり、且つ、前記第１層の厚さd₁と前記第３層の厚さd₃が0.7×(v₃/v₁)d₁≦d₃≦1.5×(v₃/v₁)d₁の関係にある第２積層体と、
d) 前記第２積層体を積層方向に挟むように設けられた1対の電極から成る第２電極対と、
を備え、さらに、
e) 一方の面が前記第１電極対の一方の電極と接し他方の面が前記第２電極対の一方の電極と接する絶縁材料から成る基板を備えるか、又は前記第１電極対の一方の電極と前記第２電極対の一方の電極が直接接触している
周波数フィルタを用い、
複数の周波数を含む交流電力を前記第１電極対の2個の電極間に入力し、該複数の周波数のうちの1つの周波数を有する交流電力を前記第２電極対の2個の電極間で出力することを特徴とする周波数フィルタリング方法。