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JP7525876B2 - Frequency Filters - Google Patents
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JP7525876B2 - Frequency Filters - Google Patents

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Description

本発明は、携帯電話の基地局等で使用される、高周波電力に対す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。ここで「高周波電力」、及び後述の「高周波電圧」はそれぞれ、電磁波を受信することにより得られる高周波信号及び/又は電磁波を送信する際に用いる高周波信号の電力及び電圧をいう。このような高周波電力及び高周波電圧の周波数は、典型的には50MHz~30GHzの範囲に含まれる。 The present invention relates to a frequency filter that filters the frequency of high-frequency power and is used in mobile phone base stations and the like. Here, "high-frequency power" and "high-frequency voltage" described below refer to the power and voltage of a high-frequency signal obtained by receiving electromagnetic waves and/or the high-frequency signal used when transmitting electromagnetic waves. The frequencies of such high-frequency power and high-frequency voltage are typically within the range of 50 MHz to 30 GHz.

携帯電話サービスでは、携帯電話の端末との間で電波を送受信する基地局が市中に多数設置される。端末と基地局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し、その特定の周波数を有する高周波電力を生成する。 In mobile phone services, many base stations are installed throughout a city to send and receive radio waves to and from mobile phone terminals. In both the terminal and the base station, a specific frequency is extracted from the many frequencies contained in the electromagnetic waves received by the antenna, and high-frequency power having that specific frequency is generated.

端末では従来より、アンテナで受信した多数の周波数を有する電磁波を高周波電力周波数フィルタに通すことにより、特定の周波数を有する高周波電力を抽出している。そのような高周波電力に対する周波数フィルタとして、圧電体薄膜の表面に1対の櫛形電極を噛み合わせるように設けた表面弾性波(Surface Acoustic Wave:SAW)フィルタや、圧電体薄膜の両面に1対の電極を設けたバルク弾性波(Bulk Acoustic Wave:BAW)フィルタが挙げられる(例えば特許文献1を参照)。 Conventionally, in terminals, electromagnetic waves with multiple frequencies received by an antenna are passed through a high-frequency power frequency filter to extract high-frequency power with a specific frequency. Examples of frequency filters for such high-frequency power include a surface acoustic wave (SAW) filter, which has a pair of interdigitated electrodes arranged on the surface of a piezoelectric thin film, and a bulk acoustic wave (BAW) filter, which has a pair of electrodes on both sides of a piezoelectric thin film (see, for example, Patent Document 1).

特開2012-049758号公報JP 2012-049758 A 特開2020-072284号公報JP 2020-072284 A

SAWフィルタやBAWフィルタは、電極間の耐電圧性が低く、基地局で処理することが必要とされる、大電力の高周波電力に対する周波数のフィルタリングを行うことができない。そのため、従来、携帯電話の基地局では空洞共振器を用いて周波数のフィルタリングを行っている。しかしながら、SAWフィルタやBAWフィルタは数mm角程度に小型化することができるのに対して、空洞共振器は数百mm四方という大きさを有し、小型化することが困難である。近年、ビルの影となる場所など、大規模な基地局からの電磁波が届き難い都市部において小型の基地局を設けることが求められているが、そのような小型の基地局において空洞共振器を用いると、基地局の占有空間が大きくなり、設置コストが上昇するという問題が生じる。 SAW filters and BAW filters have low voltage resistance between electrodes and are unable to filter the frequencies of the high-power radio frequency power that needs to be processed at base stations. For this reason, cell phone base stations have traditionally used cavity resonators to filter frequencies. However, while SAW filters and BAW filters can be miniaturized to a few millimeters square, cavity resonators are several hundred millimeters square, making them difficult to miniaturize. In recent years, there has been a demand for installing small base stations in urban areas where electromagnetic waves from large base stations have difficulty reaching, such as places in the shadows of buildings. However, using cavity resonators in such small base stations results in a problem of the base station occupying a large space, which increases installation costs.

本発明が解決しようとする課題は、小型化が可能な、圧電体薄膜を用いた周波数フィルタであって、携帯電話の基地局で取り扱う大電力の高周波電力に対する周波数の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。 The problem that this invention aims to solve is to provide a frequency filter that uses a piezoelectric thin film and can be miniaturized, and that can filter the frequencies of the high-power radio frequency power handled by mobile phone base stations.

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) 第1圧電材料製である圧電層であって分極が所定の一方向を向いている第1層と、第2圧電材料製であって分極の前記第1層に垂直又は平行な方向の成分が前記第1層の分極における前記方向の成分と180°異なる方向を向いている圧電層又は非圧電性の絶縁材料製である非圧電層から成る第2層とを交互に1層ずつ繰り返し、合わせて所定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0.5×(v2/v1)d1≦d2≦2.0×(v2/v1)d1の範囲内にある積層体と、
b) 前記積層体を積層方向に挟むように設けられた1対の電極と
を備える周波数フィルタであって、
該周波数フィルタが10Wの高周波電力に対する耐電力性を有するように前記所定数が設定されている
ことを特徴とする。
The frequency filter according to the present invention, which is made to solve the above problems, comprises:
a) a laminate in which a predetermined number of first layers made of a first piezoelectric material and having a polarization in one predetermined direction and second layers made of a second piezoelectric material and having a component of polarization perpendicular or parallel to the first layer that is 180° different from the component of polarization in the first layer, or a non-piezoelectric layer made of a non-piezoelectric insulating material, are alternately repeated one by one, and a thickness d1 of the first layer and a thickness d2 of the second layer are within the range of 0.5×( v2 / v1 ) d1d2 ≦2.0×(v2/ v1 )d1, where v1 is the sound velocity in the first layer and v2 is the sound velocity in the second layer;
b) a pair of electrodes disposed so as to sandwich the laminate in a lamination direction,
The predetermined number is set so that the frequency filter has a power resistance to 10 W of high-frequency power.

本発明に係る周波数フィルタでは、多数の周波数を含む高周波電力が1対の電極間に入力されると、それらの周波数を含む高周波電力、高周波電圧がそれら電極間に発生する。これにより、積層体を構成する各層のうち1層おきに設けられた各第1層は、圧電効果によって、前記多数の周波数のうち厚さd1及び音速v1により定まる特定の複数の周波数で、周波数毎に同じ位相で振動する。 In the frequency filter according to the present invention, when high frequency power containing many frequencies is input between a pair of electrodes, high frequency power containing those frequencies, a high frequency voltage, is generated between the electrodes. As a result, each of the first layers provided on every other layer of the layers constituting the laminate vibrates with the same phase for each frequency at a specific number of frequencies determined by the thickness d1 and the sound speed v1 among the many frequencies due to the piezoelectric effect.

一方、第2層は、圧電層から成る場合と非圧電層から成る場合のそれぞれにおいて、以下のように振動する。 On the other hand, the second layer vibrates as follows when it is made of a piezoelectric layer and when it is made of a non-piezoelectric layer:

第2層が圧電層から成る場合には、圧電効果によって、前記多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複数の周波数で振動する。ここで、d2が(v2/v1)d1又はそれに近い(0.5~2.0倍の)値を有することにより、各第2層は、前記特定の複数の周波数(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。また、分極の第1層に垂直又は平行な方向の成分が、第1層の分極における前記方向の成分と180°異なる方向を向いていることにより、第1層の振動方向に関して、第2層の振動の位相は第1層と逆位相となる(180°異なる)。その結果、第1層と第2層の振動が相まって、積層体全体には、1層あたり半整数となる複数の波数、及びそれら複数の波数に対応する前記特定の複数の周波数を有する共振が生じる。 When the second layer is made of a piezoelectric layer, it vibrates at a specific number of frequencies determined by the thickness d2 and the sound speed v2 due to the piezoelectric effect. Here, since d2 has a value of ( v2 / v1 ) d1 or a value close to it (0.5 to 2.0 times), each second layer vibrates at the specific number of frequencies (i.e., the same frequency as the first layer) with the same phase for each frequency. Also, since the component of the polarization in a direction perpendicular or parallel to the first layer is oriented in a direction different by 180° from the component of the polarization in the first layer in the said direction, the phase of the vibration of the second layer is in the opposite phase to that of the first layer with respect to the vibration direction of the first layer (180° different). As a result, the vibrations of the first layer and the second layer are combined, and a resonance having a plurality of wave numbers that are half integers per layer and the specific plurality of frequencies corresponding to the plurality of wave numbers occurs in the entire laminate.

第2層が非圧電層から成る場合には、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層と同じ特定の複数の周波数で振動する。d2が(v2/v1)d1又はそれに近い(0.5~2.0倍の)値を有することにより、第1層の周波数を有する振動が第2層における共振条件を満たしている。その結果、第2層が圧電層から成る場合と同様に、積層体全体には、1層あたり半整数となる複数の波数に対応する、前記特定の複数の周波数を有する共振が生じる。 When the second layer is a non-piezoelectric layer, the second layer does not vibrate due to the piezoelectric effect, but receives vibration from the first layer and vibrates at the same specific multiple frequencies as the first layer. When d2 has a value of ( v2 / v1 ) d1 or a value close to it (0.5 to 2.0 times), the vibration having the frequency of the first layer satisfies the resonance condition in the second layer. As a result, similar to the case where the second layer is a piezoelectric layer, resonance having the specific multiple frequencies corresponding to multiple wave numbers that are half integers per layer occurs in the entire laminate.

以上のように、圧電層から成る場合と非圧電層から成る場合のいずれにおいても、多数の周波数を有する高周波電力が入力されると、それら多数の周波数のうち特定の複数の周波数で積層体が共振する。その結果、前記特定の複数の周波数を有する高周波電力のみが増幅されるため、本発明に係る物は高周波電力の周波数フィルタとして機能する。 As described above, whether the laminate is made of piezoelectric layers or non-piezoelectric layers, when high-frequency power having multiple frequencies is input, the laminate resonates at specific frequencies among the multiple frequencies. As a result, only the high-frequency power having the specific frequencies is amplified, so the product according to the present invention functions as a frequency filter for high-frequency power.

本発明では、第1層と第2層を合わせた数(前記所定数)を多くするほど、電極間の絶縁体(圧電体又は圧電性を有しない絶縁体)が厚くなるため、より大きい電力を有する高周波電力に対して周波数のフィルタリングを行うことができる。携帯電話の分野においては、送信される電磁波の出力は、端末では最大で1W程度であるのに対して、基地局では10~100Wである(例えば特許文献2参照)。そこで本発明に係る周波数フィルタでは、電磁波の出力に応じた10W(又はそれ以上)の耐電力性を有するように前記所定数、すなわち第1層と第2層を合わせた層数を設定している。この層数を多くするほど、耐電力性が高くなる。また、フィルタリングされる周波数は、1層あたりの厚さにより定まるため、この層数を多くしても影響がない。 In the present invention, the more the total number of first and second layers (the above-mentioned predetermined number) is, the thicker the insulator (piezoelectric or non-piezoelectric insulator) between the electrodes is, and therefore it is possible to filter frequencies of high-frequency power with higher power. In the field of mobile phones, the output of transmitted electromagnetic waves is a maximum of about 1 W at a terminal, whereas it is 10 to 100 W at a base station (see, for example, Patent Document 2). Therefore, in the frequency filter of the present invention, the above-mentioned predetermined number, i.e., the total number of first and second layers, is set so as to have a power resistance of 10 W (or more) according to the output of the electromagnetic waves. The more this number of layers is, the higher the power resistance is. In addition, since the frequency to be filtered is determined by the thickness of each layer, there is no effect even if the number of layers is increased.

耐電力性は一般に、使用中の劣化を考慮して、所定の電力を一定期間継続的に入力した場合を想定して定められる。本発明の周波数フィルタを携帯電話の基地局向けに使用する場合には、この所定期間は少なくとも3年とする。 Power durability is generally determined by taking into account deterioration during use and assuming that a certain amount of power is continuously input for a certain period of time. When the frequency filter of the present invention is used for a mobile phone base station, this specified period is at least three years.

第2層の材料に前記第2圧電材料を用いる場合には、該第2圧電材料は前記第1圧電材料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。また、第2層の材料に前記非圧電性の絶縁材料を用いる場合には、該絶縁材料は圧電体ではない絶縁性の材料から成る層であってもよいし、圧電性を生じ得る材料ではあるものの分極が第2層内でランダムな方向を向いていることによって第2層全体では圧電性を生じないものであってもよい。 When the second piezoelectric material is used as the material for the second layer, the second piezoelectric material may be the same material as the first piezoelectric material, or may be a different material. When the non-piezoelectric insulating material is used as the material for the second layer, the insulating material may be a layer made of an insulating material that is not a piezoelectric body, or may be a material that can generate piezoelectricity but does not generate piezoelectricity in the entire second layer because the polarization is randomly oriented within the second layer.

前記第2層が非圧電層から成る場合には、圧電層から成る場合とは異なり作製時に第1層211と第2層212の分極の方向の関係を調整する必要がないため、圧電層から成る場合よりも容易に作製することができる。 When the second layer is a non-piezoelectric layer, unlike when it is made of a piezoelectric layer, there is no need to adjust the relationship between the polarization directions of the first layer 211 and the second layer 212 during fabrication, making it easier to fabricate than when it is made of a piezoelectric layer.

本発明に係る周波数フィルタはさらに、前記1対の電極の一方の側に音響ブラッグ反射器を備えることが好ましい。音響ブラッグ反射器は、音響インピーダンスが異なる2種類の層を交互に積層したものである。音響ブラッグ反射器の各層の厚さを、積層体内に生成される振動の周波数を有する音波のブラッグ反射が生じるように定めておくことにより、積層体の振動のエネルギーが外部に漏れることを抑えることができる。 The frequency filter according to the present invention preferably further comprises an acoustic Bragg reflector on one side of the pair of electrodes. The acoustic Bragg reflector is formed by alternately stacking two types of layers with different acoustic impedances. By determining the thickness of each layer of the acoustic Bragg reflector so as to generate Bragg reflection of sound waves having the frequency of the vibration generated within the stack, it is possible to prevent the vibration energy of the stack from leaking to the outside.

なお、携帯電話の基地局用という用途を問わず、圧電層である第1層と非圧電性の絶縁材料製である非圧電層から成る第2層を交互に1層ずつ積層した積層体を備える周波数フィルタは、これまで知られていなかった。このように第2層として非圧電層を用いることにより、作製時に第2層に所定の方向で分極が生じるように制御する必要が生じないため、容易に積層体を作製することができる。この場合、耐電力性が、携帯電話の基地局用の周波数フィルタに要求されるものよりも低くとも、他の用途で周波数フィルタとして用いることができる。これらの点を勘案した、本発明に係る周波数フィルタの他の態様のものは、
a) 第1圧電材料製である圧電層であって分極が所定の一方向を向いている第1層と、非圧電性の絶縁材料製である非圧電層から成る第2層とを交互に1層ずつ繰り返し、合わせて所定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0.5×(v2/v1)d1≦d2≦2.0×(v2/v1)d1の範囲内にある積層体と、
b) 前記積層体を積層方向に挟むように設けられた1対の電極と
を備えることを特徴とする。ここで前記所定の1方向は任意の方向とすることができる。
Here, regardless of the application such as a mobile phone base station, a frequency filter having a laminate in which a first layer which is a piezoelectric layer and a second layer which is a non-piezoelectric layer made of a non-piezoelectric insulating material are alternately laminated one by one has not been known so far. By using a non-piezoelectric layer as the second layer in this way, it is not necessary to control the second layer so that polarization occurs in a predetermined direction during fabrication, so that the laminate can be easily fabricated. In this case, even if the power resistance is lower than that required for a frequency filter for a mobile phone base station, the frequency filter can be used for other applications. In consideration of these points, another aspect of the frequency filter according to the present invention is as follows:
a) a laminate in which a predetermined number of piezoelectric layers each made of a first piezoelectric material and having polarization oriented in a predetermined direction and a second layer made of a non-piezoelectric insulating material are alternately repeated one by one, and a thickness d1 of the first layer and a thickness d2 of the second layer are laminated together in a range of 0.5×( v2 / v1 ) d1d2 ≦2.0×(v2/ v1 )d1, where v1 is the sound velocity in the first layer and v2 is the sound velocity in the second layer;
and b) a pair of electrodes disposed so as to sandwich the laminate in a lamination direction. Here, the predetermined direction can be any direction.

本発明により、携帯電話の基地局で取り扱う大電力の高周波電力に対する周波数のフィルタリングを行うことができる、圧電体薄膜を用いた周波数フィルタを得ることができる。 The present invention makes it possible to obtain a frequency filter using a piezoelectric thin film that can filter the frequencies of the high-power radio-frequency power handled by mobile phone base stations.

本発明に係る携帯電話の基地局用の周波数フィルタの第1実施形態を示す概略図。1 is a schematic diagram showing a first embodiment of a frequency filter for a mobile phone base station according to the present invention; 第1実施形態の周波数フィルタにおける第1層及び第2層の分極の方向を示す図。4A and 4B are diagrams showing the directions of polarization of a first layer and a second layer in the frequency filter of the first embodiment. 第1実施形態の周波数フィルタを製造するためのマグネトロンスパッタ装置の一例を示す概略図。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a magnetron sputtering apparatus for manufacturing the frequency filter of the first embodiment. 第1実施形態の周波数フィルタの製造工程を示す概略図。5A to 5C are schematic diagrams illustrating a manufacturing process of the frequency filter according to the first embodiment. 第1実施形態の周波数フィルタの変形例を示す概略図。FIG. 4 is a schematic diagram showing a modification of the frequency filter of the first embodiment. 第1実施形態の周波数フィルタ(石英ガラス製の基板で支持)につき、変換損失を実験及び計算で求めた結果を示すグラフ。5 is a graph showing the results of experiment and calculation of conversion loss for the frequency filter (supported by a substrate made of quartz glass) according to the first embodiment. 第1実施形態の変形例の周波数フィルタにつき、インピーダンスを実験及び計算で求めた結果を示すグラフ。11 is a graph showing the results of impedance obtained by experiment and calculation for a frequency filter according to a modified example of the first embodiment. 図6に示した例とは第1層及び第2層の層数が異なる周波数フィルタ((a)~(c))及び参考例の周波数フィルタ((d))につき、変換損失を実験及び計算で求めた結果を示すグラフ。7 is a graph showing the results of experimental and calculated conversion loss for frequency filters ((a) to (c)) having different numbers of first and second layers from the example shown in FIG. 6 and a reference frequency filter ((d)). 本発明に係る携帯電話の基地局用の周波数フィルタの第2実施形態を示す概略図。FIG. 4 is a schematic diagram showing a second embodiment of a frequency filter for a mobile phone base station according to the present invention;

図1~図9を用いて、本発明に係る携帯電話の基地局用の周波数フィルタ(以下、単に「周波数フィルタ」とする)の実施形態を説明する。 Using Figures 1 to 9, we will explain an embodiment of a frequency filter for a mobile phone base station (hereinafter simply referred to as a "frequency filter") according to the present invention.

(1) 第1実施形態の周波数フィルタ
(1-1) 第1実施形態の周波数フィルタの構成
図1に、第1実施形態の周波数フィルタ10の構成を示す。この周波数フィルタ10は、第1層111と第2層112を交互に1層ずつ繰り返し、合わせて所定数積層した積層体11と、積層体11をその積層方向(図1の上下方向)に挟むように設けられた第1電極121及び第2電極122とを有する。
(1) Frequency Filter of the First Embodiment
(1-1) Configuration of the Frequency Filter of the First Embodiment Fig. 1 shows the configuration of a frequency filter 10 of the first embodiment. This frequency filter 10 has a laminate 11 in which a predetermined number of first layers 111 and second layers 112 are alternately stacked, and a first electrode 121 and a second electrode 122 provided to sandwich the laminate 11 in the stacking direction (the vertical direction in Fig. 1).

第1層111は圧電材料から成る。また、本実施形態では第2層112も圧電材料から成る。第1層111の圧電材料を第1圧電材料と、第2層112の圧電材料を第2圧電材料と、それぞれ呼ぶ。第1圧電材料と第2圧電材料は同じ圧電材料であってもよいし、互いに異なる圧電材料であってもよい。第1圧電材料及び第2圧電材料には、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化アルミニウムにおけるAl(アルミニウム)の一部をSc(スカンジウム)に置換したAlScN(Al1-xScxN、0<x<1)、酸化亜鉛にMgやCaをドープした(Zn, Mg)Oや(Zn, Ca)O、チタン酸鉛(PbTiO3:PTO)、チタン酸鉛におけるTi(チタン)の一部をZr(ジルコニウム)に置換したチタン酸ジルコン酸鉛(PbTi1-xZrxO3:PZT)等、種々の圧電材料を用いることができる。 The first layer 111 is made of a piezoelectric material. In this embodiment, the second layer 112 is also made of a piezoelectric material. The piezoelectric material of the first layer 111 is called the first piezoelectric material, and the piezoelectric material of the second layer 112 is called the second piezoelectric material. The first piezoelectric material and the second piezoelectric material may be the same piezoelectric material or different piezoelectric materials. For the first piezoelectric material and the second piezoelectric material, various piezoelectric materials can be used, such as zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN), AlScN (Al 1-x Sc x N, 0<x<1) in which part of Al (aluminum) in aluminum nitride is replaced with Sc (scandium), (Zn, Mg)O or (Zn, Ca)O in which zinc oxide is doped with Mg or Ca, lead titanate (PbTiO 3 :PTO), and lead zirconate titanate (PbTi 1-x Zr x O 3 :PZT) in which part of Ti (titanium) in lead titanate is replaced with Zr (zirconium).

第1層111及び第2層112はそれぞれ、以下に述べる方向を向いた分極を有する。 The first layer 111 and the second layer 112 each have a polarization oriented in the direction described below.

第1層111の分極P1の方向は第1層111に垂直であってもよく、平行であってもよく、さらには第1層111に対して傾斜して(すなわち平行でも垂直でもない方向を向いて)いてもよい。 The direction of the polarization P1 of the first layer 111 may be perpendicular to the first layer 111, parallel to the first layer 111, or even inclined to the first layer 111 (i.e., pointing in a direction that is neither parallel nor perpendicular).

第2層112の分極P2の方向は、その分極P2の第1層111及び第2層112に平行な成分(平行成分)P2//が第1層111の分極P1の平行成分P1//と180°異なる方向となる(図2参照)か、又は、分極P2の第1層111及び第2層112に垂直な成分(垂直成分)P2⊥が第1層111の分極P1の垂直成分P1⊥と180°異なる方向となるようにする。なお、図1及び図2では、分極P1及びP2はいずれも第1層111及び第2層112に対して傾斜している(平行でも垂直でもない)例を示したが、分極P1及び/又はP2が第1層111及び第2層112に対して平行であってもよいし、分極P1及び/又はP2が第1層111及び第2層112に対して垂直であってもよい。 The direction of the polarization P2 of the second layer 112 is such that a component (parallel component) P2 // of the polarization P2 parallel to the first layer 111 and the second layer 112 is in a direction that differs by 180 ° from the parallel component P1 // of the polarization P1 of the first layer 111 (see FIG. 2 ), or a component (vertical component) P2⊥ of the polarization P2 perpendicular to the first layer 111 and the second layer 112 is in a direction that differs by 180° from the vertical component P1⊥ of the polarization P1 of the first layer 111. In addition, although an example in which the polarizations P1 and P2 are both inclined (neither parallel nor perpendicular) to the first layer 111 and the second layer 112 is shown in FIGS. 1 and 2 , the polarizations P1 and/or P2 may be parallel to the first layer 111 and the second layer 112, or the polarizations P1 and/or P2 may be perpendicular to the first layer 111 and the second layer 112.

第2層112の厚さd2は、第1層111の厚さd1の0.5×(v2/v1)倍~2.0×(v2/v1)d1倍の範囲内とする。ここでv1は第1層111内の音速、v2は第2層112内の音速である。第1層111と第2層112が同じ圧電材料から成る場合には、通常はv1=v2となるため、d2はd1の0.5倍~2.0倍とすればよく、典型的には第1層111と第2層112を同じ厚さとすればよい。 The thickness d2 of the second layer 112 is within the range of 0.5×( v2 / v1 ) to 2.0×( v2 / v1 ) d1 times the thickness d1 of the first layer 111. Here, v1 is the sound velocity in the first layer 111, and v2 is the sound velocity in the second layer 112. When the first layer 111 and the second layer 112 are made of the same piezoelectric material, v1 = v2 usually holds, so d2 may be set to 0.5 to 2.0 times d1 , and typically the first layer 111 and the second layer 112 may be set to the same thickness.

第1層111及び第2層112は、上記のように交互に1層ずつ繰り返し、合わせて所定数積層している。この積層数を多くするほど耐電力性が高くなる。そこで、周波数フィルタ10では、携帯電話の基地局で使用する周波数フィルタとしての耐電力性を確保するために、10~100Wの範囲内を上限値とする耐電力性を有するように、第1層111及び第2層112の積層数を定める。そのような耐電力性を満たすことは、シミュレーションや予備実験を行うことで確認することができる。 The first layer 111 and the second layer 112 are alternately stacked one layer at a time as described above, for a total of a predetermined number of layers. The more layers there are, the higher the power resistance. Therefore, in order to ensure the power resistance of the frequency filter 10 as a frequency filter used in mobile phone base stations, the number of layers of the first layer 111 and the second layer 112 is determined so that the frequency filter 10 has a power resistance with an upper limit in the range of 10 to 100 W. Whether such power resistance is satisfied can be confirmed by performing simulations or preliminary experiments.

積層体11の層数は、10W(又はそれ以上)の耐電力性を十分に確保するためには多い方が望ましいが、多過ぎると製造に手間を要するため、これらを勘案して適宜定めればよい。 The number of layers in the laminate 11 is preferably as large as possible to ensure sufficient power resistance of 10 W (or more), but if there are too many layers, manufacturing will be more time-consuming, so the number can be determined appropriately taking these factors into consideration.

第1電極121及び第2電極122は上記1対の電極に相当する。第1電極121及び第2電極122の材料は、導電性を有していれば特に問わない。 The first electrode 121 and the second electrode 122 correspond to the pair of electrodes described above. There is no particular restriction on the material of the first electrode 121 and the second electrode 122 as long as it is conductive.

(1-2) 第1実施形態の周波数フィルタの製造方法
図3及び図4を用いて、第1実施形態の周波数フィルタ10の製造方法を説明する。図3に、周波数フィルタ10を製造するためのマグネトロンスパッタ装置30を示す。マグネトロンスパッタ装置30は、内部が真空ポンプ(図示せず)によって排気される真空容器31を有する。真空容器31内には、マグネトロン電極32と、マグネトロン電極32の上面に対して傾斜した基板ホルダ33とを備える。マグネトロン電極32の上面には、周波数フィルタ10が有する各層の材料となる板状のターゲットTが載置される。マグネトロン電極32にはマッチングボックス341を介して高周波電源34が接続されている。基板ホルダ33は板状の導電体から成り、接地されている。基板ホルダ33の一端には、冷却水により基板ホルダ33の該一端を冷却する冷却機構35が設けられている。
(1-2) Manufacturing Method of Frequency Filter of First Embodiment A manufacturing method of the frequency filter 10 of the first embodiment will be described with reference to Figs. 3 and 4. Fig. 3 shows a magnetron sputtering device 30 for manufacturing the frequency filter 10. The magnetron sputtering device 30 has a vacuum vessel 31, the inside of which is evacuated by a vacuum pump (not shown). A magnetron electrode 32 and a substrate holder 33 inclined with respect to the upper surface of the magnetron electrode 32 are provided inside the vacuum vessel 31. A plate-shaped target T, which is the material of each layer of the frequency filter 10, is placed on the upper surface of the magnetron electrode 32. A high-frequency power source 34 is connected to the magnetron electrode 32 via a matching box 341. The substrate holder 33 is made of a plate-shaped conductor and is grounded. A cooling mechanism 35 is provided at one end of the substrate holder 33 to cool the one end of the substrate holder 33 with cooling water.

第1層111及び/又は第2層112の材料にターゲットと共に気体を用いる場合には、真空容器31に気体導入口(図示せず)を設ける。例えば、AlNやAlScNから成る第1層111及び/又は第2層112を作製する場合には、AlやScのターゲットを用いると共に、作製時に気体導入口から真空容器31内に窒素ガスを導入する。 When using a gas together with a target for the material of the first layer 111 and/or the second layer 112, a gas inlet (not shown) is provided in the vacuum vessel 31. For example, when producing the first layer 111 and/or the second layer 112 made of AlN or AlScN, an Al or Sc target is used, and nitrogen gas is introduced into the vacuum vessel 31 from the gas inlet during production.

周波数フィルタ10を製造する際には、まず、基板ホルダ33に基板Sを取り付け、マグネトロン電極32の上面に金属から成るターゲットTMを載置する。この状態でターゲットTMをスパッタすることにより、基板Sの表面に第1電極121を作製する(図4(a))。 When manufacturing the frequency filter 10, first, the substrate S is attached to the substrate holder 33, and a target TM made of metal is placed on the upper surface of the magnetron electrode 32. In this state, the target TM is sputtered to produce a first electrode 121 on the surface of the substrate S (Figure 4(a)).

次に、マグネトロン電極32の上面に、第1層111の材料となるターゲットT1を載置する。この状態で冷却機構35により基板ホルダ33の一端を冷却しつつ、ターゲットT1をスパッタすることにより、基板Sの表面に第1層111を1層作製する(図4(b))。その際、基板ホルダ33がマグネトロン電極32の上面に対して傾斜していること、及び基板ホルダ33の一端が冷却機構35で冷却されていることによって基板Sの面内に温度勾配が生じることにより、第1層111の分極P1は第1層111に対して傾斜する。 Next, a target T1, which is the material of the first layer 111, is placed on the upper surface of the magnetron electrode 32. In this state, the target T1 is sputtered while one end of the substrate holder 33 is cooled by the cooling mechanism 35, thereby forming a first layer 111 on the surface of the substrate S (FIG. 4(b)). At this time, since the substrate holder 33 is inclined with respect to the upper surface of the magnetron electrode 32 and one end of the substrate holder 33 is cooled by the cooling mechanism 35, a temperature gradient is generated within the surface of the substrate S, and therefore the polarization P1 of the first layer 111 is inclined with respect to the first layer 111.

次に、基板Sを一旦基板ホルダ33から取り外し、基板Sをその法線を軸として180°回転させたうえで基板ホルダ33に再度取り付ける(図4(c))。それと共に、マグネトロン電極32の上面に、第2層112の材料となるターゲットT2を載置する。この状態で冷却機構35により基板ホルダ33の一端を冷却しつつ、ターゲットT2をスパッタすることにより、第1層111の表面に第2層112を1層作製する(図4(d))。その際、上記のように基板Sを回転させたこと、並びに第1層111の作製時と同様に基板ホルダ33が傾斜していること及び基板ホルダ33の一端が冷却機構35で冷却されていることにより、第2層112の分極P2は第2層112に対して傾斜した方向を向き、且つ、第2層112に平行な分極P2の成分が第1層111の分極P1とは逆方向となる。 Next, the substrate S is temporarily removed from the substrate holder 33, rotated 180° around its normal axis, and then reattached to the substrate holder 33 (FIG. 4(c)). At the same time, a target T2, which is the material of the second layer 112, is placed on the upper surface of the magnetron electrode 32. In this state, the target T2 is sputtered while cooling one end of the substrate holder 33 with the cooling mechanism 35, to produce one layer of the second layer 112 on the surface of the first layer 111 (FIG. 4(d)). At this time, because the substrate S is rotated as described above, the substrate holder 33 is inclined as in the production of the first layer 111, and one end of the substrate holder 33 is cooled by the cooling mechanism 35, the polarization P2 of the second layer 112 is oriented in a direction inclined with respect to the second layer 112, and the component of the polarization P2 parallel to the second layer 112 is in the opposite direction to the polarization P1 of the first layer 111.

その後、最初の第1層111と同じ方法によって第2層112の上に次の第1層111を作製し、その第1層111の上に最初の第2層112と同じ方法によって次の第2層112を作製する、という操作を繰り返し行う。これにより、第1層111及び第2層112を所定数ずつ作製する(図4(e))。 Then, the next first layer 111 is fabricated on the second layer 112 by the same method as the first first layer 111, and the next second layer 112 is fabricated on the first layer 111 by the same method as the first second layer 112. This operation is repeated. In this way, a predetermined number of first layers 111 and second layers 112 are fabricated (Figure 4(e)).

最後に、マグネトロン電極32の上面に金属から成るターゲットTMを載置し、この状態でターゲットTMをスパッタすることにより、基板S上の第1層111及び第2層112のうち最後に作製した層の上に第2電極122を作製する(図4(f))。その後、必要に応じて基板Sを除去する(基板Sを残したままでもよい)ことにより、周波数フィルタ10が完成する。 Finally, a target TM made of metal is placed on the upper surface of the magnetron electrode 32, and the target TM is sputtered in this state to produce a second electrode 122 on the last of the first layer 111 and second layer 112 on the substrate S (FIG. 4(f)). Thereafter, the substrate S is removed as necessary (substrate S may be left in place), thereby completing the frequency filter 10.

(1-3) 第1実施形態の周波数フィルタの動作
第1実施形態の周波数フィルタ10は、第1電極121と第2電極122の間に多数の周波数を含む高周波電力が入力されると、それら多数の周波数を含み、その高周波電力の大きさに応じた大きさの高周波電圧がそれら電極間に発生する。これにより、積層体11に含まれる各第1層111及び各第2層112にもそれぞれ、それら多数の周波数を含む高周波電圧が厚さ方向に印加される(なお、各層に印加される電圧の総和が第1電極121と第2電極122の間の電圧に相当する)。
(1-3) Operation of the Frequency Filter of the First Embodiment In the frequency filter 10 of the first embodiment, when high frequency power including a large number of frequencies is input between the first electrode 121 and the second electrode 122, a high frequency voltage including the large number of frequencies and having a magnitude corresponding to the magnitude of the high frequency power is generated between the electrodes. As a result, the high frequency voltage including the large number of frequencies is also applied in the thickness direction to each of the first layers 111 and each of the second layers 112 included in the laminate 11 (the sum of the voltages applied to each layer corresponds to the voltage between the first electrode 121 and the second electrode 122).

すると、各第1層111は、圧電効果によって、前記多数の周波数のうち第1層111の厚さd1及び音速v1により定まる特定の複数の周波数で、周波数毎に同じ位相で振動する。その際、各第1層111の分極P1が同じ方向を向いていることにより、各第1層111は同じ方向に振動する。一方、各第2層112は圧電効果によって、第2層112の厚さd2及び音速v2により定まる特定の複数の周波数で振動する。振動の位相は、第2層112の分極P2の平行成分P2//の方向(第2方向)が第1層111の分極P1の平行成分P1//の方向(第1方向)と180°異なることにより、第2層112は第1層111とは逆位相で振動する。さらに、d2がd1の0.5×(v2/v1)倍~2.0×(v2/v1)d1倍の範囲内にあることにより、第1層111と第2層は同じ特定の複数の周波数で振動して共振状態となる。これら特定の複数の周波数は、1層あたり半整数となる複数の波数にそれぞれ対応する。 Then, each first layer 111 vibrates at a plurality of specific frequencies determined by the thickness d1 and sound speed v1 of the first layer 111 among the many frequencies, with the same phase for each frequency, due to the piezoelectric effect. At this time, since the polarization P1 of each first layer 111 faces the same direction, each first layer 111 vibrates in the same direction. On the other hand, each second layer 112 vibrates at a plurality of specific frequencies determined by the thickness d2 and sound speed v2 of the second layer 112, due to the piezoelectric effect. The phase of vibration of the second layer 112 is opposite to that of the first layer 111, since the direction (second direction) of the parallel component P2 // of the polarization P2 of the second layer 112 is 180° different from the direction (first direction) of the parallel component P1 // of the polarization P1 of the first layer 111. Furthermore, since d2 is within the range of 0.5×( v2 / v1 ) to 2.0×( v2 / v1 ) d1 times d1, the first layer 111 and the second layer vibrate at the same specific multiple frequencies and enter into a resonant state. These specific multiple frequencies correspond to multiple wave numbers that are half integers per layer.

このような共振状態が形成される結果、前記特定の複数の周波数を有する高周波電力のみが増幅される。そのため、第1実施形態に係る物は周波数フィルタとして機能する。 As a result of the formation of such a resonant state, only the high-frequency power having the specific multiple frequencies is amplified. Therefore, the device according to the first embodiment functions as a frequency filter.

第1実施形態の周波数フィルタ10は、10~100Wの範囲内の所定の電力に関する耐電力性を有するように、第1層111及び第2層112の積層数が定められているため、そのような電力に対応する出力を有する携帯電話の基地局で使用することができる。 The frequency filter 10 of the first embodiment has the number of layers of the first layer 111 and the second layer 112 determined so that it has power resistance for a specified power in the range of 10 to 100 W, and therefore can be used in mobile phone base stations with an output that corresponds to such power.

(1-4) 第1実施形態の周波数フィルタの変形例
図5に、第1実施形態の変形例である周波数フィルタ10Aを示す。この周波数フィルタ10Aは、第1実施形態の周波数フィルタ10における第1電極121の積層体11とは反対側の面に音響ブラッグ反射器13を設けたものである。音響ブラッグ反射器13は、音響インピーダンスが異なる2種類の層131、132を交互に積層したものである。各層131、132の厚さは、積層体11の振動の周波数を有する音波のブラッグ反射が生じるように、それら各層131、132の材料に応じて定める。このような音響ブラッグ反射器13を設けることにより、積層体11の振動のエネルギーが外部に漏れることを抑えることができる。
(1-4) Modification of the Frequency Filter of the First Embodiment FIG. 5 shows a frequency filter 10A which is a modification of the first embodiment. This frequency filter 10A is provided with an acoustic Bragg reflector 13 on the surface of the first electrode 121 opposite to the laminate 11 in the frequency filter 10 of the first embodiment. The acoustic Bragg reflector 13 is formed by alternately laminating two types of layers 131 and 132 having different acoustic impedances. The thickness of each layer 131 and 132 is determined according to the material of each layer 131 and 132 so that Bragg reflection of sound waves having the frequency of the vibration of the laminate 11 occurs. By providing such an acoustic Bragg reflector 13, it is possible to suppress the energy of the vibration of the laminate 11 from leaking to the outside.

(1-5) 第1実施形態の周波数フィルタに関する実験及び計算結果
次に、第1実施形態の周波数フィルタについて行った実験及び計算の結果を説明する。実験では、第1実施形態の周波数フィルタ10を石英ガラス製の基板で支持したもの、及び変形例の周波数フィルタ10A(すなわち、音響ブラッグ反射器13を設けたもの)を作製した。作製した周波数フィルタ10、10Aでは、積層体11には第1層111と第2層112をそれぞれ6層ずつ、合計12層積層したものを用いた。第1層111及び第2層112の材料にはいずれも、Sc0.43Al0.57N(ScAlN、x=0.43)を用いた。第1層111の厚さd1及び第2層112の厚さd2はいずれも、目標値を5μmとして作製したが、得られた積層体11の全体の厚さの測定値が52μmであることから、実際のd1及びd2は平均値で約4.3(52/12)μmである。なお、計算ではd1及びd2の値を5μmとした。これらd1及びd2の実験での目標値及び計算で用いた値である「5μm」は、400MHzを中心とする周波数領域で周波数フィルタ10Aが機能するように定めた。音響ブラッグ反射器13は、周波数が400MHzである音波のブラッグ反射が生じるように作製した。
(1-5) Experimental and Calculation Results for the Frequency Filter of the First Embodiment Next, the results of the experiment and calculation performed on the frequency filter of the first embodiment will be described. In the experiment, the frequency filter 10 of the first embodiment supported by a substrate made of quartz glass and the frequency filter 10A of the modified example (i.e., the frequency filter 10 provided with the acoustic Bragg reflector 13) were fabricated. In the fabricated frequency filters 10 and 10A, the laminate 11 was made of 6 first layers 111 and 6 second layers 112, totaling 12 layers. The material of both the first layer 111 and the second layer 112 was Sc 0.43 Al 0.57 N (ScAlN, x=0.43). The thickness d 1 of the first layer 111 and the thickness d 2 of the second layer 112 were both fabricated with a target value of 5 μm, but since the measured value of the total thickness of the obtained laminate 11 was 52 μm, the actual d 1 and d 2 were about 4.3 (52/12) μm on average. In the calculation, the values of d1 and d2 were set to 5 μm. The target value of d1 and d2 in the experiment and the value used in the calculation, "5 μm," were set so that the frequency filter 10A functions in a frequency range centered on 400 MHz. The acoustic Bragg reflector 13 was fabricated so as to generate Bragg reflection of a sound wave with a frequency of 400 MHz.

作製した周波数フィルタ10に対して以下の実験を行った。第1電極121と第2電極122の間に高周波電界を印加した。この高周波電界は、積層体11において逆圧電効果により機械的振動に変換される。機械的振動は石英ガラス製の基板の底面で反射され、積層体11において圧電効果により高周波電圧に変換される。本実験ではこの高周波電圧を測定し、得られた高周波電圧に基づいて挿入損失を求めた。そのうえで、得られた挿入損失から石英ガラス製の基板内で生じる機械的損失を差し引くことにより、圧電効果による電気機械変換の効率である変換損失を求めた。併せて、等価回路モデルによって実験と同じ構造を構築し、理論的変換損失を計算で求めた。これら実験及び計算の結果を図6に示す。これら実験及び計算結果は、400MHz(0.4GHz)付近を含む多数の周波数において変換損失が低下しており、周波数フィルタとして機能していることを意味している。 The following experiment was performed on the fabricated frequency filter 10. A high-frequency electric field was applied between the first electrode 121 and the second electrode 122. This high-frequency electric field was converted into mechanical vibration by the inverse piezoelectric effect in the laminate 11. The mechanical vibration was reflected by the bottom surface of the quartz glass substrate and converted into a high-frequency voltage by the piezoelectric effect in the laminate 11. In this experiment, this high-frequency voltage was measured, and the insertion loss was calculated based on the obtained high-frequency voltage. Then, the mechanical loss occurring in the quartz glass substrate was subtracted from the obtained insertion loss to calculate the conversion loss, which is the efficiency of electromechanical conversion due to the piezoelectric effect. In addition, the same structure as in the experiment was constructed using an equivalent circuit model, and the theoretical conversion loss was calculated. The results of these experiments and calculations are shown in Figure 6. These experimental and calculation results indicate that the conversion loss is reduced at many frequencies, including around 400 MHz (0.4 GHz), meaning that the filter functions as a frequency filter.

図7に、作製した周波数フィルタ10Aについて(電気的な)インピーダンスを測定した結果を、計算結果と合わせて示す。実験値、計算値共に、400MHz付近の周波数において、200Ωを超えるインピーダンスが得られており、周波数フィルタ10Aが十分な耐電力性を有する。 Figure 7 shows the results of measuring the (electrical) impedance of the fabricated frequency filter 10A, along with the calculation results. Both the experimental and calculated values show an impedance of over 200 Ω at frequencies around 400 MHz, demonstrating that the frequency filter 10A has sufficient power resistance.

なお、ここでは実験の簡略化のために周波数を400MHzという比較的小さい値としたが、第1層111及び第2層112の厚さをより薄くし、それに応じて第1層111及び第2層112の層数を多くすることにより、携帯電話の基地局で使用される、より高い周波数帯(例えば3.5GHz帯や4.5GHz帯)においても使用することができる周波数フィルタを得ることができる。 In this case, the frequency was set to a relatively small value of 400 MHz to simplify the experiment, but by making the thicknesses of the first layer 111 and the second layer 112 thinner and increasing the number of layers of the first layer 111 and the second layer 112 accordingly, it is possible to obtain a frequency filter that can be used in higher frequency bands (e.g., 3.5 GHz band or 4.5 GHz band) used in mobile phone base stations.

図8に、第1層111及び第2層112を合わせた層数が(a)8層、(b)4層、(c)2層である場合について、変換損失を実験及び計算で求めた結果をグラフで示す。各層の厚さは、図6及び図7に実験及び計算結果を示した12層の場合と同じ(実験については目標値)である。参考のために、第1層111が1層のみであって第2層112がない(本発明には含まれない)場合についても同様の実験及び計算を行った(図8(a))。第1層111及び第2層112を合わせた層数が少なくなるほど、変換効率が極小になるグラフ中の位置は少なくなるが、いずれも、横軸が400MHz前後である位置には極小値が存在しており、400MHz前後の周波数で動作することがわかる。但し、層数を少なくすると、耐電力性は低下する。そのため、耐電力性とコスト(層数が多くなるほど増加する)と勘案して、第1層111及び第2層112を合わせた層数を定めるとよい。 Figure 8 shows the results of experimental and calculated conversion loss when the total number of layers, the first layer 111 and the second layer 112, is (a) 8 layers, (b) 4 layers, and (c) 2 layers. The thickness of each layer is the same as that of the 12-layer case shown in Figures 6 and 7 (target value for the experiment). For reference, similar experiments and calculations were also performed for the case where there is only one first layer 111 and no second layer 112 (not included in the present invention) (Figure 8(a)). The fewer the total number of layers, the fewer the positions in the graph where the conversion efficiency is minimal, but in all cases, the minimum value exists at a position where the horizontal axis is around 400 MHz, and it can be seen that the device operates at a frequency of around 400 MHz. However, reducing the number of layers reduces the power durability. Therefore, it is advisable to determine the total number of layers, including the first layer 111 and the second layer 112, taking into consideration power durability and cost (which increases as the number of layers increases).

(2) 第2実施形態の周波数フィルタ
図9に、第2実施形態の周波数フィルタ20の構成を示す。この周波数フィルタ20は、第1層211と第2層212を交互に1層ずつ繰り返し、合わせて所定数積層した積層体21と、積層体21をその積層方向に挟むように設けられた第1電極221及び第2電極222とを有する。これら各構成要素のうち、第1電極221及び第2電極222はそれぞれ、第1実施形態の周波数フィルタ10における第1電極121及び第2電極122と同様である。
(2) Frequency Filter of Second Embodiment Fig. 9 shows the configuration of a frequency filter 20 of the second embodiment. This frequency filter 20 has a laminate 21 in which a predetermined number of first layers 211 and second layers 212 are alternately repeated, and a first electrode 221 and a second electrode 222 provided to sandwich the laminate 21 in the lamination direction. Of these components, the first electrode 221 and the second electrode 222 are similar to the first electrode 121 and the second electrode 122 in the frequency filter 10 of the first embodiment, respectively.

第2実施形態では、第2層212には、非圧電性の絶縁材料製である非圧電層を用いる。そのような非圧電性の絶縁材料として、典型的にはSiO2等、圧電性を有しない誘電体が挙げられる。その他に、圧電性を生じ得る材料ではあるものの分極が第2層212内でランダムな方向を向いていることにより、全体では圧電性を生じないものを第2層212の材料として用いてもよい。 In the second embodiment, a non-piezoelectric layer made of a non-piezoelectric insulating material is used for the second layer 212. Typical examples of such non-piezoelectric insulating materials include dielectrics that do not have piezoelectricity, such as SiO2 . Alternatively, the second layer 212 may be made of a material that can produce piezoelectricity but does not produce piezoelectricity as a whole because the polarization is randomly oriented within the second layer 212.

第1層211には圧電体から成るものを用いる。第1層211の分極方向は、各第1層211が同じ方向でありさえすれば、任意である。従って、第1層211の分極方向は、第1層211に垂直であってもよいし、第1層211に平行であってもよく、さらには第1層211に対して傾斜していて(垂直でも平行でもなくて)もよい。 The first layer 211 is made of a piezoelectric material. The polarization direction of the first layer 211 is arbitrary as long as each first layer 211 is in the same direction. Therefore, the polarization direction of the first layer 211 may be perpendicular to the first layer 211, parallel to the first layer 211, or even inclined to the first layer 211 (neither perpendicular nor parallel).

なお、図9に示した例では積層体21中の各層のうち第1電極221に最も近い層を第1層(圧電層)211としたが、この層を第2層(非圧電層)212とした(従って積層体21の全体では、図9に示した例における第1層211と第2層212と入れ替えた)構成を取ってもよい。 In the example shown in FIG. 9, the layer closest to the first electrode 221 in the laminate 21 is the first layer (piezoelectric layer) 211, but this layer may be the second layer (non-piezoelectric layer) 212 (so that the first layer 211 and the second layer 212 in the example shown in FIG. 9 are interchanged for the entire laminate 21).

第2層212の厚さd2は、第1実施形態の場合と同様に、第1層211の厚さd1の0.5×(v2/v1)倍~2.0×(v2/v1)d1倍の範囲内とする。 The thickness d2 of the second layer 212 is set within the range of 0.5×( v2 /v1) to 2.0×( v2 / v1 ) d1 times the thickness d1 of the first layer 211, as in the first embodiment.

第1層111及び第2層112の層数は、第1実施形態の場合と同様に、携帯電話の基地局で使用する周波数フィルタとしての耐電力性を確保するために、10~100Wの範囲内を上限値とする耐電力性を有するように定める。 The number of layers in the first layer 111 and the second layer 112 is set to have an upper limit of power resistance within the range of 10 to 100 W to ensure the power resistance required for a frequency filter used in a mobile phone base station, as in the first embodiment.

第2実施形態の周波数フィルタ20は、基本的には第1実施形態の周波数フィルタ10と同様の方法で作製することができる。但し、図9に示すように第1層211の分極P1の方向が第1層211に垂直である場合には、基板をマグネトロン電極の上面に対して傾斜させたり基板の面内に温度勾配を形成する必要はなく、基板をマグネトロン電極の上面に平行に配置したうえで第1層211及び第2層212をスパッタ法で作製すればよい。 The frequency filter 20 of the second embodiment can be basically manufactured in the same manner as the frequency filter 10 of the first embodiment. However, when the direction of the polarization P1 of the first layer 211 is perpendicular to the first layer 211 as shown in Fig. 9, it is not necessary to tilt the substrate with respect to the upper surface of the magnetron electrode or to form a temperature gradient within the surface of the substrate, and it is sufficient to arrange the substrate parallel to the upper surface of the magnetron electrode and then manufacture the first layer 211 and the second layer 212 by sputtering.

第2実施形態の周波数フィルタ20は、第1電極221と第2電極222の間に多数の周波数を含む高周波電力が入力されると、それらの周波数を含みその高周波電力の大きさに応じた大きさの高周波電圧がそれら電極間に発生する。これにより、各第1層211は、圧電効果によって、前記多数の周波数のうち第1層211の厚さd1及び音速v1により定まる特定の複数の周波数で、周波数毎に同じ位相で振動する。一方、第2層212には圧電効果による振動は生じないものの、第1層211からの振動を受けて、第2層212は第1層211と同じ特定の複数の周波数で振動する。ここで第2層212の厚さd2が、第1層211の厚さd1と同じであるか、又はd1に近い0.5×(v2/v1)倍~2.0×(v2/v1)d1倍の範囲内にあることにより、第1層211の周波数を有する振動が第2層212における共振条件を満たしている。その結果、積層体21全体には、1層あたり半整数となる複数の波数に対応する、前記特定の複数の周波数を有する共振が生じる。これにより、第2実施形態に係る物は当該周波数に関する周波数フィルタとして動作する。 In the frequency filter 20 of the second embodiment, when high-frequency power including a large number of frequencies is input between the first electrode 221 and the second electrode 222, a high-frequency voltage including the frequencies and having a magnitude corresponding to the magnitude of the high-frequency power is generated between the electrodes. As a result, each first layer 211 vibrates at a plurality of specific frequencies among the plurality of frequencies, determined by the thickness d 1 of the first layer 211 and the sound speed v 1 , with the same phase for each frequency, due to the piezoelectric effect. On the other hand, although no vibration due to the piezoelectric effect occurs in the second layer 212, the second layer 212 vibrates at the same plurality of specific frequencies as the first layer 211 upon receiving vibration from the first layer 211. Here, the thickness d 2 of the second layer 212 is the same as the thickness d 1 of the first layer 211 or is within a range of 0.5×(v 2 /v 1 ) times to 2.0×(v 2 /v 1 ) times d 1 times close to d 1 , so that the vibration having the frequency of the first layer 211 satisfies the resonance condition in the second layer 212. As a result, resonance having the specific multiple frequencies corresponding to multiple wave numbers that are half integers per layer occurs throughout the laminate 21. This allows the product according to the second embodiment to function as a frequency filter for the frequencies.

また、周波数フィルタ20は、第1層211及び第2層212は、上記のように交互に1層ずつ繰り返し、合わせて所定数積層していることにより、携帯電話の基地局で使用する周波数フィルタとしての耐電力性が確保される。 Furthermore, the frequency filter 20 has the first layer 211 and the second layer 212 stacked alternately one layer at a time as described above, totaling a predetermined number of layers, thereby ensuring the power resistance required for a frequency filter used in a mobile phone base station.

第2実施形態の周波数フィルタ20は、第1実施形態の周波数フィルタ10とは異なり第1層211と第2層212の分極の方向の関係を調整する必要がないため、図4で示したような特殊な製造方法を用いることなく、より容易に製造することができる。一方、第1実施形態の周波数フィルタ10は、第1層111のみならず第2層112も圧電体であることにより、第2層112も振動の発生源となるため、第2実施形態の周波数フィルタ20よりも強い出力信号を得ることができる。 Unlike the frequency filter 10 of the first embodiment, the frequency filter 20 of the second embodiment does not require adjustment of the relationship between the polarization directions of the first layer 211 and the second layer 212, and can therefore be manufactured more easily without using a special manufacturing method such as that shown in FIG. 4. On the other hand, in the frequency filter 10 of the first embodiment, since not only the first layer 111 but also the second layer 112 are piezoelectric, the second layer 112 also becomes a source of vibration, and therefore it is possible to obtain a stronger output signal than the frequency filter 20 of the second embodiment.

なお、第2実施形態の周波数フィルタ20を携帯電話の基地局以外の用途で使用してもよい。その場合、用途によって(例えば携帯電話の端末用の場合)は、10Wの高周波電力に対する耐電力性は要しない。 The frequency filter 20 of the second embodiment may be used for purposes other than a mobile phone base station. In that case, depending on the purpose (for example, for a mobile phone terminal), power resistance to 10 W of high-frequency power is not required.

(3) その他
以上、第1実施形態の周波数フィルタ10、その変形例の周波数フィルタ10A、及び第2実施形態の周波数フィルタ20について説明したが、本発明はこれら3つの例には限定されず、種々の変形が可能である。例えば、第2実施形態の周波数フィルタ20に、第1実施形態の変形例の周波数フィルタ10Aと同様に音響ブラッグ反射器を設けることができる。
(3) Others Although the frequency filter 10 of the first embodiment, the frequency filter 10A of the modified example thereof, and the frequency filter 20 of the second embodiment have been described above, the present invention is not limited to these three examples, and various modifications are possible. For example, the frequency filter 20 of the second embodiment can be provided with an acoustic Bragg reflector, similar to the frequency filter 10A of the modified example of the first embodiment.

10、10A、20…周波数フィルタ
11、21…積層体
111、211…第1層
112、212…第2層
121、221…第1電極
122、222…第2電極
13…音響ブラッグ反射器
131、132…音響ブラッグ反射器を構成する層
30…マグネトロンスパッタ装置
31…真空容器
32…マグネトロン電極
33…基板ホルダ
34…高周波電源
341…マッチングボックス
35…冷却機構
10, 10A, 20...frequency filter 11, 21...laminated body 111, 211...first layer 112, 212...second layer 121, 221...first electrode 122, 222...second electrode 13...acoustic Bragg reflector 131, 132...layer constituting acoustic Bragg reflector 30...magnetron sputtering apparatus 31...vacuum vessel 32...magnetron electrode 33...substrate holder 34...high frequency power supply 341...matching box 35...cooling mechanism

Claims (4)

a) 第1圧電材料製である圧電層であって分極が所定の一方向を向いている第1層と、第2圧電材料製であって分極の前記第1層に垂直又は平行な方向の成分が前記第1層の分極における前記方向の成分と180°異なる方向を向いている圧電層又は非圧電性の絶縁材料製である非圧電層から成る第2層とを交互に1層ずつ繰り返し、合わせて所定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0.5×(v2/v1)d1≦d2≦2.0×(v2/v1)d1の範囲内にある積層体と、
b) 前記積層体を積層方向に挟むように設けられた1対の電極と
を備える周波数フィルタであって、
該周波数フィルタが10Wの高周波電力に対する耐電力性を有するように前記所定数が設定されている
ことを特徴とする周波数フィルタ。
a) a laminate in which a predetermined number of first layers made of a first piezoelectric material and having a polarization in one predetermined direction and second layers made of a second piezoelectric material and having a component of polarization perpendicular or parallel to the first layer that is 180° different from the component of polarization in the first layer, or a non-piezoelectric layer made of a non-piezoelectric insulating material, are alternately repeated one by one, and a thickness d1 of the first layer and a thickness d2 of the second layer are within the range of 0.5×( v2 / v1 ) d1d2 ≦2.0×(v2/ v1 )d1, where v1 is the sound velocity in the first layer and v2 is the sound velocity in the second layer;
b) a pair of electrodes disposed so as to sandwich the laminate in a lamination direction,
The predetermined number is set so that the frequency filter has a power resistance to 10 W of high-frequency power.
前記第2層が前記非圧電層から成ることを特徴とする請求項1に記載の周波数フィルタ。 The frequency filter of claim 1, characterized in that the second layer is made of the non-piezoelectric layer. さらに、前記1対の電極の一方の側に音響ブラッグ反射器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。 The frequency filter according to claim 1 or 2, further comprising an acoustic Bragg reflector on one side of the pair of electrodes. a) 第1圧電材料製である圧電層であって分極が所定の一方向を向いている第1層と、非圧電性の絶縁材料製である非圧電層から成る第2層とを交互に1層ずつ繰り返し、合わせて所定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0.5×(v2/v1)d1≦d2≦2.0×(v2/v1)d1の範囲内にある積層体と、
b) 前記積層体を積層方向に挟むように設けられた1対の電極と
を備えることを特徴とする周波数フィルタ。
a) a laminate in which a predetermined number of piezoelectric layers each made of a first piezoelectric material and having polarization oriented in a predetermined direction and a second layer made of a non-piezoelectric insulating material are alternately repeated one by one, and a thickness d1 of the first layer and a thickness d2 of the second layer are laminated together in a range of 0.5×( v2 / v1 ) d1d2 ≦2.0×(v2/ v1 )d1, where v1 is the sound velocity in the first layer and v2 is the sound velocity in the second layer;
b) A frequency filter comprising a pair of electrodes arranged to sandwich the laminate in the lamination direction.
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