JP2004260381A - Ｓｈ波素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬｉＴａＯ_３からなる振動板を用いたＳＨ波素子の温度特性を向上させる。
【解決手段】タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）単結晶のＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して、（ＹＸｌ）２０．７°〜６７．１°にカット（Ｙカット）された振動板１０１を用い、加えて、振動板１０１は、励振されたＳＨ波が、一方の面（主表面）からこれに対向する他方の面（裏面）にかけて、同じ振幅及び同じ位相でＸ軸方向に伝搬することが可能な板厚以下の所定の板厚とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タンタル酸リチウムの単結晶から構成されてＳＨ波を利用するＳＨ波素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、テレビジョンなどの電子機器は、広く普及するとともに機能の進展もめざましい。電子機器においては、多くの高周波部品が使用されるが、例えば、ＳＨ（Ｓｈｅａｒ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）型弾性表面波を応用したＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタなどの素子がある。このＳＨ波を応用した素子として、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）の単結晶からなる振動板を用いたものがある。
【０００３】
タンタル酸リチウム単結晶におけるＳＨ型弾性表面波は、電気機械結合係数が約４．７％と大きいため、ＳＡＷ素子用の基板として、広く実用化されている。特に、回転角３６度付近のＬｉＴａＯ_３回転Ｙ板では、ほとんど減衰のないＳＨ型弾性表面波が得られている（非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｋ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｍ．Ｋａｚｕｍｉ ａｎｄ Ｈ．Ｓｈｉｍｉｚｕ ”ＳＨ−Ｔｙｐｅ ａｎｄ Ｒａｙｌｅｉｇｈ−Ｔｙｐｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｗａｖｅｓ ｏｎ Ｒｏｔａｔｅｄ Ｙ−Ｃｕｔ ＬｉＴａＯ_３”，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎ．Ｓｙｍｐ．，ｐ８１９（１９７７）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在のＬｉＴａＯ_３を振動板として用いたＳＨ型弾性表面波素子では、要求される特性に比較すると、ＬｉＴａＯ_３からなる振動板の遅延時間温度係数（ＴＣＤ）が大きいという問題があった。このため、現在のＬｉＴａＯ_３を用いたＳＨ型弾性表面波素子では、環境の温度変化による周波数特性の変化が、要求される特性を満たしていない。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＬｉＴａＯ_３からなる振動板を用いたＳＨ波素子の温度特性を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＳＨ波素子は、結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するタンタル酸リチウム単結晶から、上記座標系をＸ軸まわりに２０．７°〜６７．１°の範囲で回転させた座標系（Ｘ，Ｙ’，Ｚ’）のＸ軸及びＺ’軸に対して主表面が平行になるようにカットされた所定の板厚の振動板と、この振動板の少なくとも主表面に設けられた電極とを備え、振動板は、励振されて振動板に伝搬するＳＨ波が、主表面からこれに対向する裏面にかけて同じ振幅及び同じ位相で、Ｘ軸方向に伝搬することが可能な板厚以下の所定の厚さに形成されているようにしたものである。
このＳＨ波素子は、振動板の内部をバルク波の０次モードＳＨ波が伝搬している状態となっている。
上記ＳＨ波素子において、振動板は、板厚をＳＨ波の波長で除した値が、０．０６８〜０．２４４であればよい。この範囲であれば、ＴＣＤをほぼ０にすることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態におけるＳＨ波素子の構成例を示す平面図である。図１では、端面反射形の共振子を例にしている。
図１のＳＨ波素子は、まず、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）単結晶のＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して、（ＹＸｌ）２０．７°〜６７．１°にカット（Ｙカット）された振動板１０１を用いるようにしたものである。
【０００８】
言い換えると、振動板１０１は、結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するタンタル酸リチウム単結晶から、前記座標系をＸ軸まわりに２０．７°〜６７．１°の範囲で回転させた座標系（Ｘ，Ｙ’，Ｚ’）のＸ軸及びＺ’軸に対して主表面が平行になるようにカットされたものである。
【０００９】
加えて、振動板１０１は、励振されたＳＨ波が、一方の面（主表面）からこれに対向する他方の面（裏面）にかけて同じ振幅及び同じ位相で、Ｘ軸方向に伝搬することが可能な板厚以下の所定の板厚としたものである。言い換えると、まず、振動板１０１の板厚は、励振されたＳＨ波が、振動板１０１の厚さ方向の全域にわたって、ほぼ同じ振幅及び位相の振動分布をもってＸ軸方向に伝搬することが可能な板厚以下である。加えてこの範囲内で、振動板１０１の板厚は、所定の板厚とされたものである。例えば、振動板１０１は、カット角度が、３６°であり、板厚を７６μｍとしたものである。なお、上記ＳＨ波は、最低次対称モード（０次モード）ＳＨ波である。
【００１０】
ここで、Ｘ−Ｙ面がＬｉＴａＯ_３単結晶の（００１）面であり、Ｙ−Ｚ面がＬｉＴａＯ_３単結晶の（１００）面であり、Ｘ−Ｚ面がＬｉＴａＯ_３単結晶の（０１０）面である。従って、振動板１０１は、Ｘ軸を中心にＸ−Ｚ面を２０．７°〜６７．１°の範囲で回転させたＸ−Ｚ’面を主表面とし、励振されたＳＨ波が、主表面から裏面にかけて同じ振幅及び同じ位相でＸ方向に伝搬することを可能とした板厚より薄い所定の板厚としたＬｉＴａＯ_３単結晶板である。
【００１１】
また、振動板１０１の主表面には、櫛形電極１０２，１０３が設けられ、また、櫛形電極１０２，１０３に接続する電極パッド１０４，１０５が設けられている。櫛形電極１０２，１０３の交差長は、例えば、１．９２ｍｍである。なお、櫛形電極１０２，１０３の対の数は、図１では、５対としたが、これに限るものではなく、７対としても良い。また、電極は、主表面だけでなく、裏面に形成するようにしても良い。電極を両面に形成することで、ＳＨ波をより強く励振させることが可能となる。
【００１２】
これらの電極は、振動板１０１の主表面に、例えば、金やアルミニウムなどの電極材料膜を膜厚０．２μｍ程度に形成し、形成した電極材料膜を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とによりパターニングすることで形成できる。
以上に説明した本実施の形態のＳＨ波素子によれば、波長λ＝３２０μｍのＳＨ波において、振動板１０１の遅延時間温度係数（ＴＣＤ）がほぼ０となる。
【００１３】
なお、本実施の形態におけるＳＨ波素子は、例えば、図２の斜視図に示すように、電極パッド１０４，１０５の外側の振動板１０１の延長部を、容器２０１の台座部２０２の上に固定して用いるようにすればよい。このようなパッケージとすることで、櫛形電極１０２，１０３が形成されている領域の両面が、応力開放の状態となり、ＳＨ波素子として機能させることができる。なお、図２において、θが、上述したカット角を示している。
【００１４】
ここで、振動板として用いるＬｉＴａＯ_３について解析した結果を示す。以下では、図３に示すように所定の角度にＹカットされたＬｉＴａＯ_３単結晶の薄板の中を、「Ｚ’方向の変位成分のみを持ちＸ軸方向に伝搬する０次モードＳＨ波」の伝搬特性について解析した結果を示す。なお、上記薄板の板厚ｈにおいては、両面に電極が形成されているものとする。
【００１５】
以上の条件で、板厚を０とする極限をシミュレートすると、この状態では、板の両面の応力が０であると見なせる。また、側面や裏面における電界も０となる。また、振動変位が、Ｚ’方向には一様と仮定する。
これらの条件下で、ＳＨ波素子に用いるＬｉＴａＯ_３単結晶板（振動板）の、カット角とＴＣＤの関係を求めた結果を図４に示す。
【００１６】
図４より明らかなように、カット角θが、約２０，７°と約６７．１°とにおいて、ＴＣＤ＝０となり、これらの間の角度においては、ＴＣＤが負の値をとっている。これらのことから、カット角θが２０，７°〜６７．１°の範囲で、ＳＨ波素子を構成するＬｉＴａＯ_３単結晶からなる振動板のＴＣＤを０ないしは負にできることが判る。
【００１７】
図４の結果は、ＬｉＴａＯ_３単結晶からなる振動板の厚さを０と近似した場合である。これに対し、ＬｉＴａＯ_３単結晶からなる振動板の厚さを有限とした場合の、板厚ｈ／λとＴＣＤとの関係を図５に示す。図５は、振動板の中を伝搬する対称０次モードのＳＨ波の伝搬特性について解析した結果であり、カット角度θを、３６°とした場合と４１°とした場合の計算結果である。図５から明らかなように、実線で示すカット角度θ＝３６°では、約ｈ／λ＝０．２３６でＴＣＤ＝０となり、点線で示すカット角度θ＝４１°では、約ｈ／λ＝０．２４４でＴＣＤ＝０となる。
【００１８】
従って、ＬｉＴａＯ_３単結晶から成る振動板の板厚ｈ／λが、０．２３〜０．２５で有れば、上記振動板のＴＣＤをほぼ０とすることができるものと考えられる。ここで、ｈ／λ＝０．２３６ということは、励振させて伝搬させるＳＨ波の波長λを３２０μｍとした場合、板厚ｈは約７６μｍに等しくなる。また、ｈ／λ＝０．２４４ということは、励振させて伝搬させるＳＨ波の波長λを３２０μｍとした場合、板厚ｈは約７８μｍに等しくなる。このように、波長に比べて板厚を小さくすることで、ＴＣＤを０とすることが可能となる。
【００１９】
これらの板厚は、本実施の形態におけるＳＨ波素子の振動板の内部をバルク波の０次モードＳＨ波が伝搬している状態となっている。
これに対し、振動板の板厚を厚くし、振動板を伝搬する音波が主表面から裏面にかけて同じ振幅及び位相でなくなってくると、ＴＣＤは、＋側にシフトし、振動板がある程度以上に厚くなると、振動板のＴＣＤが０になる条件は発現しなくなる。
【００２０】
上述したＴＣＤが０になる板厚の範囲は、振動板のカット角によって変化する。カット角が２２°〜６６°の範囲では、図６に示すように、ｈ／λが０．０６８〜０．２４４の範囲で、ＴＣＤが０となる板厚ｈが得られることが、発明者らの解析結果より判明している。図６は、ＴＣＤが０となる板厚とカット角との関係を示している。なお、実使用の段階では、ＴＣＤが０より１０ｐｐｍ程度ずれていても問題ない場合が多く、このような場合、ｈ／λは０．４５程度までとしても良い。
【００２１】
なお、本発明は、上述した端面反射形の共振子に限るものではなく、他のＳＨ波素子に適用可能であることはいうまでもない。例えば、図７に示すような、ＳＨ波を利用したフィルタに適用することも可能である。図７に示すフィルタは、振動板７０１の主表面に、所定の間隔で２つのＩＤＴ（インターデジタルトランスデューサ）７０２，７０３を配置したものである。また、ＩＤＴ７０２，７０３の間に、電極膜７０４を設けたものである。
【００２２】
ＩＤＴ７０２，７０３は、金属からなる櫛状の対向する２つの電極部を備えたものであり、一方が入力となり他方が出力となる。また、電極膜７０４により、振動板７０１の主表面における電界が短絡され、温度特性を向上させることが可能となる。
【００２３】
ここで、振動板７０１は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）単結晶のＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して、（ＹＸｌ）２０．７°〜６７．１°にカット（Ｙカット）された所定の板厚の単結晶板である。また、この板厚は、励振されたＳＨ波が、振動板７０１の厚さ方向の全域にわたって、ほぼ同じ振幅及び位相の振動分布をもってＸ軸方向に伝搬することが可能な板厚以下とされたものである。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、タンタル酸リチウム単結晶のＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して、（ＹＸｌ）２０．７°〜６７．１°にカットされた振動板の板厚を、この振動板に伝搬するＳＨ波が、主表面からこれに対向する裏面にかけて同じ振幅及び同じ位相で伝搬することが可能な板厚以下の所定の厚さにした。
この結果、本発明によれば、上記振動板のＴＣＤをほぼ０とすることが可能となり、ＬｉＴａＯ_３からなる振動板を用いたＳＨ波素子の温度特性を向上させることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるＳＨ波素子の構成例を示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるＳＨ波素子の構成例を示す斜視図である。
【図３】ＹカットＬｉＴａＯ_３単結晶板を伝搬するＳＨ波の状態を模式的に示した斜視図である。
【図４】ＳＨ波素子に用いるＬｉＴａＯ_３単結晶板（振動板）の、カット角とＴＣＤの関係を示す特性図である。
【図５】ＬｉＴａＯ_３単結晶からなる振動板の厚さを有限とした場合の、板厚ｈ／λとＴＣＤとの関係を示す特性図である。
【図６】ＬｉＴａＯ_３単結晶からなる振動板のＹカットのカット角度とＴＣＤが０となる板厚との関係を示した相関図である。
【図７】本発明の他の実施の形態におけるＳＨ波フィルターの構成例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０１…振動板、１０２，１０３…櫛形電極、１０４，１０５…電極パッド。

Claims (2)

1. 結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するタンタル酸リチウム単結晶から、前記座標系をＸ軸まわりに２０．７°〜６７．１°の範囲で回転させた座標系（Ｘ，Ｙ’，Ｚ’）のＸ軸及びＺ’軸に対して主表面が平行になるようにカットされた所定の板厚の振動板と、
   この振動板の少なくとも主表面に設けられた電極と
   を備え、
   前記所定の板厚は、励振されて前記振動板に伝搬するＳＨ波が、前記主表面からこれに対向する裏面にかけて同じ振幅及び同じ位相で、Ｘ軸方向に伝搬することが可能な厚さ以下である
   ことを特徴とするＳＨ波素子。
2. 請求項１記載のＳＨ波素子において、
   前記振動板は、
   板厚を前記ＳＨ波の波長で除した値が、０．０６８〜０．２４４である
   ことを特徴とするＳＨ波素子。

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