JP2006345565A

JP2006345565A - 弾性表面波素子

Info

Publication number: JP2006345565A
Application number: JP2006215119A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Shimizu; 康敬清水; Atsuhiro Nishikata; 敦博西方; Shigetaka Toha; 茂孝當波
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2006-12-21

Abstract

【課題】タンタル酸リチウム基板において、従来よりも適切なカット面及び弾性表面波伝搬方向を見出し、これによって高性能の弾性表面波素子を提供する。
【解決手段】タンタル酸リチウムからなる圧電基板については、該圧電基板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を、オイラー角表示で（φ，θ，ψ）及びこれと実質的に等価な範囲とするとき、０°≦φ≦８７°，８０°≦θ≦１２０°，０°≦ψ≦４４°に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ニオブ酸リチウム或いはタンタル酸リチウムを圧電材料とする弾性表面波素子の技術分野に関するものである。

携帯用電話機等の通信機器においては、共振器フィルター、信号処理用遅延線等の回路素子として、弾性表面波素子が広く応用されている。弾性表面波素子は、例えば圧電性を有する基板の表面に簾状の電極や格子状の反射器を形成し、電気信号と弾性表面波の相互の変換を行なうものである。

一般に、弾性表面波素子の圧電基板に於いては、電気機械結合係数が大きいこと、伝搬損失が小さいこと等が要求される。

ところで、近年の通信機器の高周波化に伴って、ギガヘルツ帯で使用可能な弾性表面波素子へのニーズが高まっている。弾性表面波素子の中心周波数ｆ₀は、弾性表面波の伝搬速度Ｖと電極指周期Ｌ（＝波長λ）との関係で、次式によって表わされる。
ｆ₀＝Ｖ／Ｌ

従って、弾性表面波素子の高周波化に対応するには、より高い伝搬速度（位相速度）Ｖが得られる圧電基板を開発する必要がある。これには、ダイヤモンドの様な硬質の基板材料を用いる方法と、所謂漏洩弾性表面波を利用する方法とがある。

特に後者の漏洩弾性表面波は、弾性体の深さ方向にエネルギーを放射しながら表面を伝搬する弾性波であって、使用する弾性体の表面のカット面や弾性表面波伝搬方向を適切に選択することによって、伝搬損失を小さくし、更に、レイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）波よりも高い伝搬速度を実現することが可能である。

この種の漏洩弾性表面波を用いた弾性表面波素子としては、水晶ＬＳＴカット、ニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ_３）の４１°Ｙ−Ｘカット、６４°Ｙ−Ｘカット、及びタンタル酸リチウム（ＬiＴaＯ_３）の３６°Ｙ−Ｘカットが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

又、四硼酸リチウム（Ｌi_２Ｂ_４Ｏ_７）基板においては、速い横波の位相速度を超える漏洩弾性表面波が報告されている（例えば、非特許文献２参照）。この漏洩弾性表面波の位相速度は、縦波の位相速度に近いので縦波型リーキー波と呼ばれている。

更に、任意のカット面を有するニオブ酸リチウム基板を伝搬する漏洩弾性表面波については既に報告されている（例えば、非特許文献３参照）。

近年、ここにきて従来にあっては、タンタル酸リチウム基板およびニオブ酸リチウム基板で得られる位相速度が精々約４４００ｍ／ｓであったものが、約７０００ｍ／ｓを越える位相速度が得られるような従来よりも良好なカット面及び弾性表面波伝搬方向を本願発明者等は見出し、従来よりも高性能な弾性表面波素子を提案している（例えば、非特許文献４参照）。

本発明者等が提案する漏洩弾性表面波は、ニオブ酸リチウム基板及びタンタル酸リチウム基板における漏洩弾性表面波の伝搬特性を、カット面及び弾性表面波伝搬方向を種々に変えることによって理論的に研究した結果によるもので、２つのタイプの漏洩弾性表面波、つまり遅い横波と速い横波との間の位相速度を持つ第１漏洩表面波（ＦｉｒｓｔＬｅａｋｙＷａｖｅ）と、速い横波を越える位相速度を持つ第２漏洩表面波（ＳｅｃｏｎｄＬｅａｋｙＷａｖｅ）を見出したものである。

ここで、本願発明を説明するに先立って、すでに発明者等が提案しているこれら漏洩表面波のうち本願発明との特性面での比較が可能な第２漏洩表面波について簡単に説明すると、まず第１には、タンタル酸リチウムからなる圧電基板上に電極を形成した弾性表面波素子であって、該圧電基板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を、右手系のオイラー角表示で（φ，θ，ψ）及びこれと実質的に等価な範囲とするとき、φを９０°、θを９０°、ψを０°〜１８０°の範囲としたものである。

そして、第２には、ニオブ酸リチウムからなる圧電基板上に電極を形成したものにあっては、該圧電基板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を、オイラー角表示で（φ，θ，ψ）及びこれと実質的に等価な範囲とするとき、φを９０°、θを９０°、ψを０°〜１８０°の範囲に設定したものである。

但し、ここで使用するカット面及び弾性表面波伝搬方向を特定するためのオイラー角（φ，θ，ψ）については、図９で示す如く結晶軸をＸ、Ｙ、Ｚとするとき、Ｚ軸を中心としてＸ軸をＹ軸側へ角度φだけ回転させて、これをＡ１軸とし、次にＡ１軸を中心としてＺ軸を反時計回りに角度θだけ回転させ、これをＡ２軸とする。このＡ２軸を法線としてＡ１軸を含む面方位でカットし、基板とする。そして、該面方位にカットした基板において、Ａ２軸を中心としてＡ１軸を反時計回りに角度ψだけ回転させた軸をＡ３軸とし、このＡ３軸を弾性表面波伝搬方向とする。斯る関係をカット面及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角（φ，θ，ψ）と表示している。

図１０及び図１１は、前記第１のタンタル酸リチウム基板の（９０°，９０°，ψ）カットにおいて、表面が電気的開放及び電気的短絡の各場合における第２漏洩表面波の伝搬特性を角度ψの関数として表わしたもので、図１０に示す様に、第２漏洩表面波の位相速度は、表面が開放、短絡の何れの場合にも約６０００ｍ／ｓと、レイリー波の約２倍の高い位相速度を有し、縦波（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）の位相速度に非常に近くなっている。

更に、図１１によれば、電気機械結合係数及び１波長当たりの伝搬損失を表わしている。図示の如く、ψが３１°にて、電気機械結合係数Ｋ^２は最大値２．１４％となっている。又、表面が電気的開放の場合における伝搬損失は、電気的短絡の場合における伝搬損失よりも非常に小さい。そして、表面が開放及び短絡の両場合において、伝搬損失は、ψが１６４°にて略零となっている。

また、一方、前記第２のニオブ酸リチウム基板の（９０°，９０°，ψ）カットにおいて、表面が電気的開放及び電気的短絡の各場合における第２漏洩表面波の伝搬特性を角度ψの関数として表わしたものが図１２及び図１３である。

これらが示す様に、第２漏洩表面波の位相速度は約７０００ｍ／ｓと、極めて高速であり、レイリー波の位相速度の約２倍となり、又その一方で第２漏洩弾性表面波の位相速度は、電気的開放の場合と電気的短絡の場合で異なる変化を示しており、ψが３７°では約５００ｍ／ｓの違いがあり、この結果、大きな機械電気結合係数が得られる。

尚、前述した第２の弾性表面波、及び後述する本願発明においても、弾性表面波素子の特性評価方法としては、従来から知られている一般的な解法（非特許文献５参照。）を採用し、コンピュータシミュレーションによって、位相速度、電気機械結合係数及び伝搬損失を算出した。

そして又、本願発明にあっても、最適なカット面及び弾性表面波伝搬方向については、実際に弾性表面波素子を試作して、その特性を実測したところ、シミュレーション結果と符合する測定値が得られた。これによって、コンピュータシミュレーションの妥当性が裏付けられる。
清水康敬「弾性表面波材料の伝搬物性と利用の現状」電子情報通信学会論文誌ＡＶｏｌ．Ｊ７６−Ａ，２，ｐｐ１２９−１３７，１９９３佐藤隆裕、阿部秀典「四硼酸リチウム基板を伝搬する縦波型リーキー波」学術振１５０委員会第３９回研究会資料（６．６．２３）清水康敬、村上享司「ＬiＮbＯ３基板漏洩弾性表面波の特性と新カット」Ｖｏｌ．Ｊ６９−Ｃ，１０，ｐｐ１３０９−１３１８，１９８６第１５回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウムｐ．１８５（平成６年１１月２９日）Ｊ．Ｊ．Ｃａｍｐｂｅｌｌ，Ｗ．Ｒ．Ｊｏｎｅｓ，"ＡＭｅｔｈｏｄｆｏｒＥｓｔｉｍａｔｉｎｇＯｐｔｉｍａｌＣｒｙｓｔａｌＣｕｔｓａｎｄＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＤｉｒｅｃｔｉｏｎｓｆｏｒＥｘｃｉｔａｔｉｏｎｏｆＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＳｕｒｆａｃｅＷａｖｅｓ"，ＩＥＥＥｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｎＳｏｎｉｃｓａｎｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．ＳＵ−１５，Ｎｏ．４，ｐｐ２０９−２１７，（１９６８）

然し乍ら、本発明者等は、これら第２弾性表面波には、更に高い位相速度であって、且つ伝搬損失の少なく、然も大きな電気機械結合係数が得られる最適なカット面及び弾性表面波伝搬方向が存在する可能性があるものと、鋭意研究の結果、これを発明したものである。

本発明の目的は、ニオブ酸リチウム基板及びタンタル酸リチウム基板において、これまでよりもより適切なカット面及び弾性表面波伝搬方向を見出し、これによって高性能の弾性表面波素子を提供することである。

本発明における第１の弾性表面波素子は、ニオブ酸リチウムからなる圧電基板上に電極を形成したものであって、該圧電基板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を、右手系のオイラー角表示で（φ，θ，ψ）及びこれと実質的に等価な範囲とするとき、０°≦φ≦８６°，７３°≦θ≦１１８°，０°≦ψ≦４４°に設定し、更には９５°≦φ≦１８０°，７３°≦θ≦１１８°，０°≦ψ≦４４°に設定する。

更に、前記オイラー角表示で０°≦φ≦８３°，８３°≦θ≦１０５°，０°≦ψ≦３８°に設定し、具体的には、９８°≦φ１８０°，８３°≦θ≦１０５°，０°≦ψ≦３８°に設定する。

本発明に係る第２の弾性表面波素子は、タンタル酸リチウムからなる圧電基板上に電極を形成したものであって、該圧電基板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を、オイラー角表示で（φ，θ，ψ）及びこれと実質的に等価な範囲とするとき、０°≦φ≦８７°，８０°≦θ≦１２０°，０°≦ψ≦４４°に設定したことを特徴とする。

より具体的には、前記圧電基板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を、９１°≦φ≦１８０°，８０°≦θ≦１２９°，０°≦ψ≦４４°に設定する。

更に、前記オイラー角表示で、０°≦φ≦８５°，８７°≦θ≦１１４°，０°≦ψ≦３６°としたことであり、より具体的には、９３°≦φ≦１８０°，８７°≦θ≦１１４°，０°≦ψ≦３６°に設定したことにある。

本発明によれば、ニオブ酸リチウム基板及びタンタル酸リチウム基板においてカット面及び弾性表面波伝搬方向が適切に設定されて、高い位相速度と大きな電気機械結合係数を保持したままで、伝搬損失を十分に低減させることができる。

以下、本発明の一実施形態につき、図面に沿って詳述する。

ニオブ酸リチウム基板における第１漏洩弾性表面波図１は及び図２は、ＬｉＮｂＯ_３基板（φ，θ，３７°）カットにおいて、φが８２°及び９０°夫々の場合において、θを変化させたときの第２漏洩弾性表面波の伝搬特性である。

図１は、θに対する位相速度及び電気機械結合係数Ｋ^２を、図２は、θに対する伝搬損失を示している。

これら図によれば、φをパラメータとして９０°から８２°へと変化させると、伝搬特性は連続的に変化し推移するものの、更にφが８２°を下回ると第２漏洩弾性表面波は存在しなくなる。これは、本願発明が利用せんとする第２漏洩弾性表面波とは異なったモードに変化するためであり、コンピュータシミュレーション上では、解が存在しないとして現れる。

従って、図２から、ψを３７°とした場合にあっては、φが８２°とした場合、θの広い範囲でもっとも伝搬損失を低減させることが可能であり、とりわけθが９２°付近にあっては最も伝搬損失が小さくなることが分かる。

即ち、伝搬損失として、０．０５ｄＢ／λ以下の条件を満たすものとしては、θは、７３°以上１１８°以下とすることが好ましいことが分かる。更に、好適なものとしては、０．０２ｄＢ／λ以下の条件とする場合としては、θは、８３°以上１０５°以下とすることが好ましいことが分かる。

斯る伝搬特性を考慮して、θを９２°、ψを３７°として、即ちＬｉＮｂＯ_３基板（φ，９２°，３７°）カットにおいて、φを変化させた場合の伝搬損失特性を示したのが図３である。同図によれば、φを７０°から１１０°まで変化させると、約８０°以下と約１００°以上においては損失はないものの、約８０°以上約１００°以下ではφが９１°で最大値となるような伝搬損失を示すことが分かる。

従って、同図から伝搬損失として、０．０５ｄＢ／λ以下の条件を満たすものとしては、φは、８６°以下または９６°以上とすることが好ましいことが分かる。更に、好適なものとしては、０．０２ｄＢ／λ以下の条件とする場合としては、φは、８３°以下または９８°以上とすることが好ましいことが分かる。

以上の特性を考慮して、次にＬｉＮｂＯ_３基板（８２°，９２°，ψ）カットにおいて、ψを変化させた場合の伝搬損失特性を示したのが図４である。同図によれば、伝搬損失はψを３０°から６０°まで変化させるにつれて、ψが約３５°となる近傍から単調に増加することが分かる。

従って、同図によれば、伝搬損失が０．０５ｄＢ／λ以下となる条件を満たすものとしては、ψは、４４°以下とすることが好ましいく、更に、好適な伝搬損失が０．０２ｄＢ／λ以下となる場合としては、ψは、３８°以下とすることが好ましい。

＜タンタル酸リチウム基板における第２漏洩弾性表面波＞
図５は、ＬｉＴａＯ_３基板（８５°，θ，３１°）カットにおいて、θを変化させた場合の伝搬損失特性を示したものである。同図によれば、伝搬損失は、θが６０°から９０°近辺にまで増加するにつれて漸次減少し、９０°以上１１０°以下では伝搬損失がゼロを示している。そして、１１０°以上では損失の増加傾向を示している。同図にはφをパラメータとして変化させた場合の伝搬損失の変化を示しており、ニオブ酸リチウムと同様に連続的に変化していることが分かる。

従って、同図によれば、伝搬損失が０．００５ｄＢ／λ以下となる条件としては、θが８０°以上１２０°以下とするのが好ましく、より好ましい０．００２ｄＢ／λ以下のなる条件としては、θが８７°以上１１４°以下の範囲に設定することが好ましい。

斯様な伝搬特性を考慮して、θを９１°、ψを３１°として、即ちＬｉＴａＯ３基板（φ，９１°，３１°）カットにおいて、φを８０°から１００°まで変化させたものが図６である。同図によれば、φが約８３°以上約９５°以下の範囲では、約８９°で最大となる伝搬損失特性を呈することが分かる。

従って、伝搬損失として、０．００５ｄＢ／λ以下の条件を満たすには、φは、８７°以下または９１°以上とすることが好ましいことが分かる。更に、好適な０．００２ｄＢ／λ以下の条件とする場合としては、φは、８５°以下または９３°以上とすることが好ましい。

斯る特性を考慮し、次にＬｉＴａＯ_３基板（８５°，９１°，ψ）カットにおいて、ψを２０°から６０°まで変化させた場合の伝搬損失特性を示したのが図７である。同図は、伝搬損失がψが約３０°近傍から単調に増加することを示しており、伝搬損失が０．００５ｄＢ／λ以下となる条件を満たすものとしては、ψは、４４°以下とすることが好ましく、更に、好適な伝搬損失が０．００２ｄＢ／λ以下となる場合としては、ψは、３６°以下とすることが好ましい。

本願発明と、前述した本発明者等が提案した第２漏洩表面波とを比較したのが表１である。同表には、本願発明のＬｉＮｂＯ_３の伝搬特性の代表値として、（８２°，９２°，３７°）カットにおける特性と、すでに提案した（９０°，９０°，３７°）カットの特性を示している。これに示すように、位相速度及び電気機械結合係数の値は、殆ど同程度であるものの、伝搬損失は本願発明では２０分の１と小さくなっている。また同表には、ＴＣＤ（遅延特性の温度特性）及びＰＦＡ（パワーフロー角）についても併せて示しているが、いずれも本願発明は同程度の値であり、他の特性を劣化させることなく、伝搬損失を低減することができていることが分かる。

因みに、図８は、同表に示したＴＣＤ及びＰＦＡについてのθとの関係を示したものであり、ＴＣＤに関しては、θが８５°近傍で、極小値（約６８ｐｐｍ／℃）を持ち、ＰＦＡにあっては、θが６０°から７５°近傍まで、ほぼゼロの値を保ち、約７５°以上では、ゆるやかに増加傾向を示す。

尚、図１乃至図８に示す特性は、コンピュータシミュレーションによるものであるが、本実施例で採用した前述の特性評価手法に、例えば弾性表面波素子のモデル化に伴う多少の誤差があったとしても、その誤差は図１乃至図８のグラフの横軸方向には殆ど発生しないと考えられる。然も、本発明に係る第２漏洩表面波と従来のレイリー波とを比較する上では、両者に同じ大きさの誤差が含まれるから、上述の比較結果に影響はないと言える。

上述の如く、本発明では、ニオブ酸リチウム基板及びタンタル酸リチウム基板における第２漏洩表面波を理論的に研究した結果、これらの基板について夫々、最適なカット面及び弾性表面波伝搬方向を見出し、これによって、伝搬損失が小さく且つ高い周波数帯域に対応可能な弾性表面波素子を完成した。

このように、本発明の第１の弾性表面波素子に於いては、ニオブ酸リチウム基板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を、オイラー角表示で（φ，θ，ψ）及びこれと実質的に等価な範囲とするとき、０°≦φ≦８６°，７３°≦θ≦１１８°，０°≦ψ≦４４°に設定することにより、又９５°≦φ≦１８０°，７３°≦θ≦１１８°，０°≦ψ≦４４°に設定することにより、従来と比べ、位相速度や電気機械結合係数を劣化させることなく、伝搬損失を０．０５ｄＢ／λ以下とすることができ、さらに０°≦φ≦８３°，８３°≦θ≦１０５°，０°≦ψ≦３８°に設定することにより、又９８°≦φ≦１８０°，８３°≦θ≦１０５°，０°≦ψ≦３８°に設定することにより、従来と比べ、位相速度や電気機械結合係数を劣化させることなく、伝搬損失を０．０２ｄＢ／λ以下とすることができる。

上記第２の弾性表面波素子に於いては、タンタル酸リチウム基板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を、オイラー角表示で（φ，θ，ψ）及びこれと実質的に等価な範囲とするとき、０°≦φ≦８７°，８０°≦θ≦１２０°，０°≦ψ≦４４°に設定することにより、又９１°≦φ≦１８０°，８０°≦θ≦１２０°，０°≦ψ≦４４°に設定することにより、従来と比べ、位相速度や電気機械結合係数を劣化させることなく、伝搬損失を０．００５ｄＢ／λ以下とすることができ、さらに０°≦φ≦８５°，８７°≦θ≦１１４°，０°≦ψ≦３６°に設定することにより、又９３°≦φ≦１８０°，８７°≦θ≦１１４°，０°≦ψ≦３６°に設定することにより、従来と比べ、位相速度や電気機械結合係数を劣化させることなく、伝搬損失を０．００２ｄＢ／λ以下とすることができる。

上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

（φ，θ，３７°）カットのニオブ酸リチウム基板を有する弾性表面波素子の位相速度及び電気機械結合係数についての特性を表わす特性図である。（φ，θ，３７°）カットのニオブ酸リチウム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のθ依存性を示す特性図である。（φ，９２°，３７°）カットのニオブ酸リチウム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のφ依存性を示す特性図である。（８２°，９２°，ψ）カットのニオブ酸リチウム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のψ依存性を示す特性図である。（８５°，θ，３１°）カットのタンタル酸リチウム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のθ依存性を示す特性図である。（φ，９１°，３１°）カットのタンタル酸リチウム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のφ依存性を示す特性図である。（８５°，９１°，ψ）カットのタンタル酸リチウム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のψ依存性を示す特性図である。ＰＦＡ及びＴＣＤのθに対する依存性を示す特性図である。オイラー角表示を説明する図である。（９０°，９０°，ψ）カットのタンタル酸リチウム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のψ依存性を示す特性図である。同上の電気機械結合係数及び伝搬損失についての特性を表す特性図である。（９０°，９０°，ψ）カットのニオブ酸リチウム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のψ依存性を示す特性図である。同上の電気機械結合係数及び伝搬損失についての特性を示す特性図である。

Claims

タンタル酸リチウムからなる圧電基板上に、弾性表面波を伝搬させるための電極を形成した弾性表面波素子に於いて、該圧電基板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を、オイラー角表示で（φ，θ，ψ）及びこれと実質的に等価な範囲とするとき、これらφ、θ及びψを夫々、
０°≦φ≦８７°、又は、９１°≦φ≦１８０°
８０°≦θ≦１２０°
０°≦ψ≦４４°
の範囲に設定したことを特徴とする弾性表面波素子。
前記圧電基板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を、
０°≦φ≦８５°、又は、９３°≦φ≦１８０°
８７°≦θ≦１１４°
０°≦ψ≦３６°
の範囲に設定したことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。