JP2010263388A - 弾性表面波素子及び弾性表面波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】周波数を有効かつ十分に可変制御し得るＳＡＷ素子及びＳＡＷデバイスを提供する。
【解決手段】ＳＡＷ素子１は、水晶からなる圧電基板２の主面に、ＳＡＷを励振するためのＩＤＴ３とヒータ電極５ａ，５ｂとを設け、該ヒータ電極をＩＤＴに対してＳＡＷ伝搬方向と直交する向きの両側に配置した。ＳＡＷ素子の動作温度範囲は、圧電基板の周波数温度特性が２次曲線又は３次曲線で表される場合に、その極値を含まないように設定し、該２次曲線又は３次曲線が温度の上昇に関して常に負方向に変化するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電基板上に弾性表面波（ＳＡＷ）を励振するためのＩＤＴ（すだれ状トランスデューサ）を形成した弾性表面波素子、及びこれを用いた弾性表面波デバイスに関する。

従来からＳＡＷデバイスは、携帯電話等の情報通信機器、その他様々な電子機器に広く使用されている。特に通信機器の分野では、優れた周波数温度特性を発揮するＳＡＷデバイスが要求されている。ＳＡＷデバイスの周波数温度特性は、多くの場合、２次曲線や３次曲線で表すことができ、その周波数が極大値又は極小値となる頂点温度を使用温度範囲の中心温度に設定する。この場合、ＳＡＷデバイスの周波数は、中心温度付近では安定しているが、中心温度から離れるほど大きく変動することになる。

そこで、環境温度の変化による周波数の変動を抑制するために、圧電基板の主面に励振電極とヒータ用の抵抗体とを形成し、該抵抗体への印加電流を調整して圧電基板の温度を調整可能にしたＳＡＷ素子が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。ヒータ用の抵抗体は、圧電基板の裏面に形成することができ、それによりＳＡＷ素子の小型化が図られる（例えば、特許文献２，３を参照）。

また、圧電基板の裏面に熱電素子としてペルチェ素子を接合し、表面上のＳＡＷに影響を与えることなく、圧電基板の表面温度を適切に制御するＳＡＷ共振器等のＳＡＷ装置が知られている（例えば、特許文献４を参照）。特許文献４によれば、圧電基板をその裏面の一部のみで支持することにより、圧電基板の周囲から受ける応力を低減させることができる。

特開平５−２１８７９４号公報 特開平１−２６１０１３号公報 実開平４−１３２７３８号公報 特開平８−７９００２号公報

しかしながら、上述した従来のヒータ付きのＳＡＷデバイスは、その実用化に当たって次のような問題がある。圧電基板は、該基板上に設けた抵抗体からなるヒータ電極で直接加熱したとき、その内部には、ヒータ電極付近から離れる向きに温度勾配が生じる。このような不均一な温度分布による熱応力によって圧電基板が変形すると、その内部応力によって周波数が変動してしまう。従って、圧電基板の温度調節による周波数調整は、その温度変化で生じる内部応力による周波数変動をも考慮して行わないと、ＳＡＷデバイスの周波数を安定させることが困難になる。

このようにＳＡＷデバイスの圧電基板をヒータで加熱した場合の周波数温度特性について、本願発明者は以前より次のような解析を行っている。ＳＡＷデバイスをヒータ電極で加熱しない場合の周波数温度特性を、例えば６５℃の使用温度を頂点温度とする２次曲線と仮定すると、図８のように表される。この場合に、圧電基板の温度を６５±１０℃の範囲に制御すれば、ＳＡＷデバイスの周波数は、数ｐｐｍ程度の変動範囲に安定させることができる。ところが、圧電基板の温度をヒータによる加熱で環境温度よりも上昇させると、圧電基板のヒータを配置した部分とＩＤＴを配置した部分との間に温度勾配が生じて、ＩＤＴを設けた部分に応力が作用する。この応力によるＳＡＷデバイスの周波数変動量は、図９に示すように、温度上昇幅Δｔに関して直線的に変化することが分かった。

このため、例えば環境温度が２５℃の状態で圧電基板の温度をヒータによる加熱で６５℃まで上昇させたとき、ＳＡＷデバイスの周波数温度特性は２次曲線となる。図１０は、このような２次曲線からなるＳＡＷデバイスの周波数温度特性を２５℃〜１００℃の範囲で示しており、具体的には、図８の２次曲線から図９の周波数変動量を、２５℃の位置で交差させて差し引いたものである。その結果、温度変化に対する周波数変動量が大きくなり、周波数を安定させることが困難になる。

また、特許文献４記載のＳＡＷ装置も、圧電基板の温度分布が不均一になり易いという問題がある。圧電基板をその裏面の一部のみで支持すると、たとえ圧電基板の裏面全体に熱電素子を接合して加熱しても、その熱の一部が圧電基板の支持部から直接支持台に逃げるからである。

更に本願発明者は、ＳＡＷデバイスの圧電基板上に設けたヒータにより発生する温度分布及び熱応力による内部応力を解析し、それらがＳＡＷデバイスの周波数に及ぼす影響について検討した。この検討結果から、圧電基板上においてＩＤＴ及びヒータ電極を適切に配置することによって、ＳＡＷデバイスの周波数をヒータ電極への印加電力により可変制御可能であることを見出した。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、その目的は、周波数を有効かつ十分に可変制御し得るＳＡＷ素子及びＳＡＷデバイスを提供することにある。

本発明のＳＡＷ素子は、上記目的を達成するために、例えば良好かつ安定性に優れた温度特性の水晶基板からなる圧電基板の主面に、ＳＡＷを励振するためのＩＤＴとヒータ電極とを設け、該ヒータ電極をＩＤＴに対してＳＡＷ伝搬方向と直交する向きの少なくとも一方の側に配置したことを特徴とする。

このようにヒータ電極を配置することによって、ＩＤＴを直接加熱せずにＩＤＴの周辺部を加熱することができ、それにより圧電基板にヒータ電極を設けた領域とＩＤＴを設けた領域との間に積極的に温度勾配を発生させ、その熱応力によって、ヒータ電極を設けた領域に圧縮応力を、ＩＤＴを設けた領域に引張応力を作用させることができる。この引張応力がＳＡＷ伝搬方向に作用して、ＳＡＷ素子の周波数を変化させる。その結果、圧電基板の温度変化による周波数変化に、熱応力による周波数変化が加わることによって、ＳＡＷ素子の周波数変動幅を従来よりも大きく拡大することができる。更に、ヒータ電極への印加電力を制御してヒータ電極の加熱温度を調整することによって、ＩＤＴを設けた領域に作用する引張応力を変化させ、ＳＡＷ素子の周波数変動量を制御することができる。

或る実施例では、ＳＡＷ素子の動作温度範囲が、圧電基板の周波数温度特性が２次曲線又は３次曲線で表される場合に、その極値となる温度を含まないように設定され、かつ該動作温度範囲内で前記２次曲線又は３次曲線が温度の上昇に関して常に負方向に変化するようにする。このようにＳＡＷ素子の動作温度範囲を設定すると、圧電基板の周波数温度特性を２次曲線と仮定した場合に、２次曲線はその極値となる温度から離れるほど傾き即ち変化率が大きくかつより線形に近くなるから、ＳＡＷ素子の周波数変動量及び周波数変動幅をより大きくし、かつ周波数変化を線形的により高精度に制御することができる。これは、圧電基板の周波数温度特性が３次曲線で表される場合にも、同様である。

別の実施例では、圧電基板の裏面に、これを平面視したときに少なくともヒータ電極を含まない領域に、ＳＡＷ素子を外部の支持基板等に固定支持するための突出部が一体に形成されている。この突出部でＳＡＷ素子を接着剤等により固定した場合、圧電基板はヒータ電極の領域のみが加熱され、他の領域は比較的低温で均一な温度に維持されるから、ヒータ電極の領域とＩＤＴの領域との間に、より大きな温度差をより確実に生じさせることができる。その結果、ヒータ電極への同じ印加電力でＳＡＷ素子の周波数変動量をより大きくでき、かつその周波数変動幅をより大きくすることができる。

本発明の別の側面によれば、上述した本発明のＳＡＷ素子と、該ＳＡＷ素子のヒータ電極への印加電力制御手段とを備えるＳＡＷデバイスが提供される。印加電力制御手段によってヒータ電極への印加電力を制御でき、それによりヒータ電極の加熱温度を調整して、ＩＤＴを設けた領域に作用する引張応力を変化させることができるので、周波数可変制御のＳＡＷデバイスを実現することができる。

或る実施例のＳＡＷデバイスは、ＳＡＷ素子が圧電基板の裏面全面で接着剤により固定されることにより、該裏面から多くの熱が逃げるので、圧電基板のヒータ電極を設けた領域とＩＤＴを設けた領域間の温度差を大きくし、大きい引張応力がＩＤＴの領域に作用するようにできる。

この場合に接着剤が高熱伝導性を有すると、圧電基板の裏面から逃げる熱がより多くなるので、ヒータ電極の領域とＩＤＴの領域間の温度差がより大きくなる。その結果、より大きい引張応力がＩＤＴの領域に作用し、印加電力に対する周波数変動量が略線形にかつやや急峻に変化するので、好都合である。

別の実施例のＳＡＷデバイスは、ＳＡＷ素子の裏面に、これを平面視したときに少なくともヒータ電極を含まない領域に、例えばペルチェ素子である吸熱手段が配置され、該吸熱手段を介して固定支持される。これにより、圧電基板はヒータ電極の領域のみが加熱され、他の領域は比較的低温で均一な温度に維持されるので、ヒータ電極の領域とＩＤＴの領域との間には、より大きな温度差がより確実に発生する。その結果、ヒータ電極への同じ印加電力でＳＡＷ素子の周波数変動量をより大きくし、かつその周波数変動幅をより大きくすることができる。

本発明によるＳＡＷ素子の実施例を示す平面図。 ヒータ電極により加熱した圧電基板表面の温度分布図。 ヒータ電極により加熱した圧電基板表面の応力分布図。 ヒータ電極への印加電力に対する周波数変動量の変化を示す線図。 ヒータ電極への印加電力に対する周波数変動量の変化を示す線図。 ＳＡＷデバイスの変形例を示す側面図。 （Ａ）図は図１のＳＡＷ素子の変形例を示す側面図、（Ｂ）図はその端面図。 ヒータ電極で加熱しないＳＡＷデバイスの周波数温度特性を示す線図。 ヒータ電極で加熱したＳＡＷデバイスの温度上昇に対する周波数変動量を示す線図。 ヒータ電極で加熱したＳＡＷデバイスの周波数温度特性を示す線図。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。添付図面において、同一又は類似の構成要素は同一又は類似の参照符号を付して説明する。

図１は、本発明のＳＡＷデバイスに使用するＳＡＷ素子の実施例を示している。本実施例のＳＡＷ素子１は、水晶からなる矩形平板の圧電基板２を有する。圧電基板２の主面には、その略中央に交差指電極対からなるＳＡＷ励振用のＩＤＴ３が形成されている。ＩＤＴ３の一方の前記交差指電極は、取出電極３ａから外部の電源端子に接続され、他方の前記交差指電極は、取出電極３ｂから外部の接地端子に接続される。ＩＤＴ３のＳＡＷ伝搬方向の両側には、それぞれ反射器４，４が配置されている。

圧電基板２主面には、ＩＤＴ３に対してＳＡＷ伝搬方向と直交する向き即ちその交差長方向の両側に、それぞれヒータ電極５ａ，５ｂが形成されている。ヒータ電極５ａ，５ｂは、圧電基板２の前記ＳＡＷ伝搬方向の一方の端部に沿って設けられた配線６を介して直列に接続されている。圧電基板２の前記ＳＡＷ伝搬方向の他方の端部付近には、ヒータ電極５ａ，５ｂの各端部に接続された入出力電極６ａ，６ｂが配置されている。入力電極６ａは、前記ヒータ電極への印加電力を制御する外部の手段に接続され、出力電極６ｂは外部の接地端子に接続される。前記ヒータ電極は比較的細幅の配線からなり、前記ＩＤＴ及び反射器の電極膜を形成する際にそれと同時に、フォトエッチングにより所望のパターンに形成される。

本発明のＳＡＷデバイスは、図１のＳＡＷ素子１を適当なパッケージに搭載することにより構成される。更に前記ＳＡＷデバイスは、ＳＡＷ素子１の取出電極３ａに接続されてＩＤＴ３への印加電圧を供給するための電源端子と、入出力電極６ａ，６ｂに接続されてヒータ電極５ａ，５ｂへの印加電力を制御するための印加電力制御手段とを備える。ＳＡＷ素子１は、その裏面全面が適当な接着剤により前記パッケージのマウント部に接着されて固定支持される。

ＳＡＷ素子１を裏面全面で適当な接着剤により接着固定した状態で、前記印加電力制御手段からヒータ電極５ａ，５ｂに所定の電力を印加して加熱した場合に、圧電基板１の表面に発生する温度分布を解析した。この解析結果を図２に示す。同図に示すように、圧電基板２のＳＡＷ伝搬方向と平行な両側辺に沿って前記ヒータ電極を設けた領域Ａ１，Ａ２が、１４２℃以上の高温となった。これに対し、両領域Ａ１，Ａ２間のＩＤＴ３を設けた中央領域Ｂは、概ね均一で６４℃以下の比較的低温となった。このように本実施例では、圧電基板２の交差長方向に両側辺領域から中央領域に向けて温度が急激に低下する不均一な温度分布が発生する。

更に、上述したようにヒータ電極５ａ，５ｂでＳＡＷ素子１を加熱した場合に、圧電基板１の表面に発生する応力分布を解析した。この解析結果を図３に示す。同図において、正値は引張応力を、負値は圧縮応力を示すが、その数値は応力の大きさを段階的に表した指標であって、応力の大きさそのものを数値で表したものではない。

同図から、図２の温度分布に対応して、高温に加熱されたヒータ電極５ａ，５ｂの領域には圧縮応力が発生し、比較的低温のＩＤＴ３の領域には引張応力が発生している。図２の温度分布と同様に、その熱応力による内部応力が、圧電基板２の交差長方向にヒータ電極５ａ，５ｂの領域からＩＤＴ３の領域に向けて急激に変化していることが分かる。注目すべき点は、ＩＤＴ３の領域に発生する引張応力が、温度分布と同様に概ね一様なことである。

また、ヒータ電極５ａ，５ｂへの印加する直流電流を変化させ、印加電力に対するＳＡＷ素子１の周波数変動量ΔＦを測定した。この測定結果を図４に示す。同図において、ΔＦ１は、比較的熱伝導率の低い接着剤を用いてＳＡＷ素子１を接着固定した場合であり、印加電力に対して周波数変動量が略線形に変化している。これは、前記ヒータ電極による圧電基板２の温度上昇でＳＡＷ伝搬方向に発生した引張応力に比例して、周波数が低下することを示している。このように前記ヒータ電極への印加電力を調整制御することによって、ＳＡＷ素子１の周波数を数１００ppm〜数１０００ppmもの広い変動幅をもって可変制御することができる。

図４において、ΔＦ２は、比較的熱伝導率の高い接着剤を用いてＳＡＷ素子１を接着固定した場合であり、印加電力に対して周波数変動量が略線形にかつΔＦ１よりもやや急峻に変化している。これは、圧電基板２の裏面からより多くの熱がマウント部側に逃げた結果、比較的温度変化の少ないヒータ電極５ａ，５ｂの領域と、ΔＦ１の場合よりも温度が低下したＩＤＴ３の領域との温度差が大きくなり、より大きい引張応力がＩＤＴ３の領域に作用するようになったからである。このように、ＳＡＷ素子１を固定したときに圧電基板から逃げる熱量を増やして、前記ヒータ電極の領域とＩＤＴの領域間の温度差をより大きくすることによって、前記ヒータ電極への同じ印加電力でＳＡＷ素子１の周波数変動量をより大きくでき、かつその周波数変動幅をより大きくすることができる。

更に、圧電基板２の周波数温度特性の頂点温度を常温即ち２５℃よりも大幅に低い温度に設定した場合に、前記ヒータ電極への印加電力に対して周波数変動量がどのように変化するかを解析した。この解析結果を図５に示す。同図に示すように、ヒータ電極への同じ印加電力に対して、周波数変動量ΔＦが略２倍に増加している。

圧電基板２の周波数温度特性を２次曲線で表されると仮定した場合、ＳＡＷ素子１の動作温度範囲を、その頂点温度に対して常に負方向に変化する側にかつ頂点温度よりも大きく離れた領域に設定する。例えば、この２次曲線の２次の係数が負の場合、その頂点温度よりも高い側に動作温度範囲を設定する。逆に２次曲線の２次の係数が正の場合には、その頂点温度よりも低い側に動作温度範囲を設定する。２次曲線の周波数温度特性は、その極値をとる温度から離れるほど、その傾き即ち変化率が大きくかつより線形に近くなる。従って、ＳＡＷ素子１の周波数変動量及び周波数変動幅をより大きくでき、かつ周波数変化をより高精度に制御することができる。

これは、圧電基板２の周波数温度特性が３次曲線で表されると考えられる場合も、同様である。この場合、ＳＡＷ素子１の動作温度範囲は、３次曲線の極値を含まないようにかつ該３次曲線が温度の上昇に関して常に負方向に変化するように設定する。これによって、同様にＳＡＷ素子１の周波数変動量及び周波数変動幅をより大きくできるだけでなく、周波数変化をより高精度に制御することができる。

図６は、本発明のＳＡＷデバイスの変形例を示している。上述したように、圧電基板２の前記ヒータ電極の領域とＩＤＴの領域間の温度差をより大きくすると、前記ヒータ電極への同じ印加電力でＳＡＷ素子１の周波数変動量をより大きくでき、かつその周波数変動幅をより大きくすることができる。そのために、本実施例は、ＳＡＷ素子１が、圧電基板２の裏面に設けられたペルチェ素子７を介してマウント部８に固定支持されている。

ペルチェ素子７は、少なくともヒータ電極５ａ，５ｂの領域を含まないように、寸法及び形状を決定しかつ配置される。これによって圧電基板２は、前記ヒータ電極の領域のみが加熱され、他の領域は比較的低温でかつ均一な温度に維持される。従って、前記ヒータ電極の領域とＩＤＴの領域との間に、より確実にかつより大きな温度差を生じさせることができる。更に、特に前記ＩＤＴの領域がより均一な温度に維持され、前記ヒータ電極の加熱による引張応力がより均一に作用することによって、前記ヒータ電極への印加電力による周波数変化を、より安定して制御することができる。

別の実施例では、ペルチェ素子７以外の吸熱手段を用いることによって、同様の作用効果を得ることができる。このような吸熱手段として、例えば、従来から熱交換器や冷却装置に使用されている吸熱板やヒートシンクが考えられる。

図７（Ａ）（Ｂ）は、図１のＳＡＷ素子の変形例を示している。本実施例のＳＡＷ素子１は、圧電基板２がその裏面に一体に形成された突出部９を有する。突出部９は、圧電基板２のＳＡＷ伝搬方向の全長に亘ってかつ少なくともヒータ電極５ａ，５ｂの領域を含まないように、一定の厚さで形成される。ＳＡＷ素子１は、突出部９の下面全面で適当な接着剤１０によって、前記パッケージのマウント部８に固定支持される。

これによって圧電基板２は、図６の場合と同様に、前記ヒータ電極の領域のみが加熱され、他の領域は比較的低温でかつ均一な温度に維持される。従って、図６のような別個の吸熱手段を用いることなく、前記ヒータ電極の領域とＩＤＴの領域との間に、より確実にかつより大きな温度差を生じさせ、同様に前記ヒータ電極への同じ印加電力でＳＡＷ素子１の周波数変動量をより大きくでき、かつその周波数変動幅をより大きくすることができる。

本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、ヒータ電極は、ＩＤＴに対してＳＡＷ伝搬方向と直交する向きの一方の側のみに配置しても、同様の作用効果が得られる。また本発明は、反射器を有しないＳＡＷ素子及びＳＡＷデバイスについても、同様に適用することができる。更に上記実施例のＳＡＷデバイスは一端子対共振子であるが、二端子対共振子やトランスバーサル型フィルタ等、他の構造を有するＳＡＷデバイスについても、本発明を同様に適用することができる。また、ＳＡＷ素子の圧電基板には、水晶以外に、リチウムタンタレート、リチウムナイオベート、四硼酸リチウム等の公知の様々な圧電材料を用いることができる。

１…ＳＡＷ素子、２…圧電基板、３…ＩＤＴ、３ａ，３ｂ…取出電極、４…反射器、５ａ，５ｂ…ヒータ電極、６…配線、６ａ，６ｂ…入出力電極、７…ペルチェ素子、８…マウント部、９…突出部、１０…接着剤。

Claims (8)

1. 圧電基板と、ＳＡＷを励振するためのＩＤＴと、ヒータ電極とを有し、前記ＩＤＴ及び前記ヒータ電極が前記圧電基板の主面に設けられ、前記ヒータ電極が前記ＩＤＴに対してＳＡＷ伝搬方向と直交する向きの少なくとも一方の側に配置されていることを特徴とするＳＡＷ素子。
2. 前記圧電基板の周波数温度特性が２次曲線又は３次曲線で表される場合に、その極値となる温度を含まないように動作温度範囲が設定され、かつ前記動作温度範囲内で前記２次曲線又は３次曲線が温度の上昇に関して常に負方向に変化することを特徴とする請求項１記載のＳＡＷ素子。
3. 前記ＳＡＷ素子を固定支持するために、前記圧電基板がその裏面に、これを平面視したときに少なくとも前記ヒータ電極を含まない領域に一体に形成された突出部を有することを特徴とする請求項１又は２記載のＳＡＷ素子。
4. 前記圧電基板が水晶基板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のＳＡＷ素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか記載のＳＡＷ素子と、前記ＳＡＷ素子の前記ヒータ電極への印加電力を制御するための手段とを備えるＳＡＷデバイス。
6. 前記ＳＡＷ素子が前記圧電基板の裏面全面で接着剤によって固定されていることを特徴とする請求項５記載のＳＡＷデバイス。
7. 前記接着剤が高熱伝導性を有することを特徴とする請求項６記載のＳＡＷデバイス。
8. 前記ＳＡＷ素子の裏面に、これを平面視したときに少なくとも前記ヒータ電極を含まない領域に配置された吸熱手段を有し、前記吸熱手段を介して固定支持されていることを特徴とする請求項５記載のＳＡＷデバイス。

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