JP3404461B2 - 弾性表面波装置及びその基板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、交差指状電極を
圧電基板上に設けた弾性表面波装置と、該弾性表面波装
置用圧電基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】 近年、携帯電話機を始めとして、移動
体通信端末機が急速な普及をみせている。この種の端末
機は、持ち運びの便利さの観点から、特に小形軽量であ
ることが望まれる。端末機の小形軽量化を達成するに
は、そこに使用される電子部品も小形軽量であることが
必要である。このため、端末機の高周波部や中間周波部
のフィルタには、小形軽量化に有利な弾性表面波装置、
すなわち、弾性表面波フィルタが多用されている。弾性
表面波装置は、圧電基板の主面に、弾性表面波を励振
し、受信し、反射し又は伝搬するための交差指状電極を
形成した構造のものである。この弾性表面波装置に使用
される圧電基板としての重要な特性は、弾性表面波の表
面波速度（以下、ＳＡＷ速度と呼ぶことがある）、フィ
ルタとして使用する場合の中心周波数又は共振子として
使用する場合の共振周波数の周波数温度係数（ＴＣ
Ｆ）、及び電気機械結合係数（ｋ²）である。

【０００３】従来、弾性表面波装置において一般に使用
されてきた圧電基板としては、図１の表に示す組成のも
のがある。図１に示す公知の圧電基板は、速いＳＡＷ速
度と大きな電気機械結合係数をもつ１２８ＬＮ、６４Ｌ
Ｎ、３６ＬＴと、比較的遅いＳＡＷ速度と小さな電気機
械結合係数をもつＬＴ１１２、ＳＴ水晶の２つのグルー
プに大別できる。このうち、速いＳＡＷ速度と大きな電
気機械結合係数をもつ圧電基板である１２８ＬＮ、６４
ＬＮ、３６ＬＴは、端末機の高周波部における弾性表面
波フィルタに使用され、比較的遅いＳＡＷ速度と小さな
電気機械結合係数をもつ圧電基板であるＬＴ１１２、Ｓ
Ｔ水晶は、端末機の中間周波部における弾性表面波フィ
ルタに使用される。その理由は、弾性表面波フィルタの
場合には、その中心周波数は、使用する圧電基板のＳＡ
Ｗ速度にほぼ比例し、基板上に形成する交差指状電極の
電極指の幅にほぼ反比例するからである。

【０００４】したがって、高周波回路部で使用されるフ
ィルタを構成するには、ＳＡＷ速度が大きい基板が望ま
れることになる。さらに、端末機の高周波部に使用され
るフィルタには、通過帯域幅が２０ＭＨｚ以上の広帯域
のものが要求されるので、電気機械結合係数が大きいこ
とも必要である。一方、移動体端末機の中間周波数とし
ては、７０ないし３００ＭＨｚの周波数帯が使用され
る。この周波数帯に中心周波数を有するフィルタを弾性
表面波装置により構成する場合に、ＳＡＷ速度の大きい
圧電基板を用いると、基板上に形成する電極指の幅を、
高周波部に使用されるフィルタに比べて、中心周波数低
下量に応じて大幅に増大させる必要があり、弾性表面波
装置そのものが大きくなるという問題がある。したがっ
て、中間周波部用の弾性表面波フィルタには、ＳＡＷ速
度の遅いＬＴ１１２やＳＴ水晶を使用することが一般的
であった。特に、ＳＴ水晶は、一次の周波数温度係数が
ゼロであり、好ましい圧電基板材料である。ＳＴ水晶
は、電気機械結合係数が小さいため、通過帯域の狭いフ
ィルタしか構成できないが、中間周波数フィルタの役割
は、狭い一つのチャンネルの信号のみを通過させること
であるので、電気機械結合係数が小さいことは、従来は
さほど問題にはならなかった。

【０００５】しかし、近年になって、周波数資源の有効
利用やデジタルデータ通信との適合性などの観点から、
デジタル移動体通信システムが開発され、実用化され
て、急速に普及してきている。このデジタル移動体通信
システムの通過帯域幅は、数百ＫＨｚから数ＭＨｚま
で、というように、非常に広帯域となっている。このよ
うな広帯域の中間周波数フィルタを弾性表面波装置によ
り構成する場合には、ＳＴ水晶基板では実現は困難であ
る。また、移動体端末機を一層小型なものとし、携帯の
利便性を高めようとする場合には、中間周波数用弾性表
面波フィルタの実装面積を小さくする必要があるが、従
来、中間周波数用弾性表面波フィルタに適しているとさ
れるＳＴ水晶やＬＴ１１２は、いずれもＳＡＷ速度が３
０００m/secを越えており、小型化には限界がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】 本発明は、通過帯域
の広域化に有効な高い電気機械結合係数をもち、しか
も、弾性表面波装置の小型化に有効な遅いＳＡＷ速度を
有する弾性表面波装置用圧電基板と、これを用いた広帯
域で小型の弾性表面波装置を提供することを課題とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】 上記課題を解決するた
め、本発明は圧電基板として、点群３２に属し、Ca₃Ga₂
Ge₄O₁₄型結晶構造を有し、その主要成分がSr、La、Ta、
Ga及びＯよりなり、化学式La_3-xSr_xTa_0.5+0.5xGa
_5.5-0.5xO₁₄で表される単結晶であることを特徴とする
圧電基板を使用することを提唱するものである。この場
合において、Srの組成比が０<ｘ≦0.15の範囲であるこ
とが好ましく、0.07<ｘ≦0.08の範囲であることが一層
好ましい。本発明の基本概念によれば、上述の組成を持
つ単結晶を弾性表面波装置の圧電基板として使用するこ
とにより、高い電気機械結合係数を持ち、遅いＳＡＷ速
度の圧電基板を得る可能性を開くことができる。また、
本発明は、上記の圧電基板の一主面に交差指状電極を形
成したものを使用する弾性表面波装置を提供するもので
ある。本発明の好ましい一つの態様によれば、基板の単
結晶からの切り出し角及び弾性表面波伝搬方向をオイラ
ー角表示で（φ、θ、ψ）と表したとき、これら角がφ
＝−2.5°〜2.5°、θ＝６０°〜１２０°、ψ＝−４０
°〜４０°の範囲にある領域１に存在する。本発明の他
の態様によれば、これら角の各々が、φ＝−2.5°〜2.5
°、θ＝１２０°〜１６０°、ψ＝１０°〜５０°の範
囲になる領域２に存在する。本発明のさらに他の態様に
よれば、これら角がφ＝−2.5°〜2.5°、θ＝１２０°
〜１６０°、ψ＝−５０°〜−１０°の範囲になる領域
３、φ＝2.5〜7.5°、θ＝６０°〜１２０°、ψ＝−３
０°〜３０°の範囲になる領域４、φ＝2.5〜7.5°、θ
＝１２０°〜１６０°、ψ＝０°〜５０°の範囲になる
領域５、或いは、φ＝2.5〜7.5°、θ＝１２０°〜１６
０°、ψ＝−４０°〜−１０°の範囲になる領域６、若
しくはφ＝27.5〜32.5°、θ＝１０°〜160°、ψ＝−
４０°〜３０°の範囲になる領域７に存在する。

【０００８】上述の角が領域１内にあると、基板のＳＡ
Ｗ速度が３０００m/sec 以下となり、ＳＴ水晶に比べて
低い値を示し、しかも、基板の電気機械結合係数が、0.
2％以上と十分に大きい値を示すφ、θ、ψの組み合わ
せが存在する。この領域１内においては、φ＝−2.5°
〜2.5°、θ＝８０°〜１１５°、ψ＝−２０°〜２０
°の範囲とすることが好ましい。この好ましい領域で
は、基板のＳＡＷ速度が３０００m/sec 以下となるのに
加えて、基板の電気機械結合係数が 0.3 ％以上と、Ｓ
Ｔ水晶に比べて十分に大きくなることが見いだされた。

【０００９】上述の角度が領域２にある場合も、基板の
ＳＡＷ速度が３０００m/sec 以下とＳＴ水晶に比べて低
い値を示し、しかも、基板の電気機械結合係数が、0.2
％以上と十分に大きい値を示す。領域２では、φ＝−2.
5°〜2.5°、θ＝１３０°〜１５０°、ψ＝１５°〜３
０°の範囲とすることが好ましい。この好ましい領域で
は、基板のＳＡＷ速度が３０００m/sec 以下となるのに
加えて、基板の電気機械結合係数が 0.3 ％以上と、Ｓ
Ｔ水晶に比べて十分に大きくなる。領域３においても同
様な結果が得られる。領域３では、領域２の場合と同様
の理由により、φ＝−2.5°〜2.5°、θ＝１３０°〜１
５０°、ψ＝−３０°〜−１５°の範囲とすることが好
ましい。領域４から領域７までにおいても、前述した領
域と同様の効果が得られる。さらに、領域７において
は、φ＝２７，５°〜３２，５°、θ＝１２０°〜１４
０°、ψ＝５°〜１５°の範囲、或いは、φ＝２７，５
°〜３２，５°、θ＝４０°〜６０°、ψ＝５°〜１５
°の範囲とすることが好ましい。これらの好ましい領域
では、電気機械結合係数が0.5％以上とＳＴ水晶に比べ
て非常に大きい値を示す。以上のように、本発明によれ
ば、基板の電気機械結合係数を大きくすることができ、
広帯域の弾性表面波装置を実現することが可能になる。
また、基板のＳＡＷ速度を遅くできるので、弾性表面波
装置の小型化が可能になる。なお、化学式La_3-xSr_xTa
_0.5+0.5xGa_5.5-0.5xO₁₄の単結晶は三方晶であるため、
結晶の対称性から、互いに等価なオイラー角の組み合わ
せが存在する。本発明においては、以下の実施例に示す
角度以外に、これと結晶学的に等価な角度に対しても同
様な効果を得ることができる。等価な角度の組み合わせ
の例としては、例えば、領域１における角φ、θ、ψに
ついての０°、９０°、２０°の組み合わせは、０°、
９０°、−２０°の組み合わせ、あるいは６０°、９０
°、±２０°の組み合わせ及び１２０°、９０°、±２
０°の組み合わせと等価である。さらに、領域１に含ま
れるこの０°、９０°、２０°の組み合わせは、２４０
°、９０°±２０°の組み合わせ、及び、３６０°、９
０°、±２０°の組み合わせと等価である。また、領域
３に含まれる３０°、９０°、０°の組み合わせは、９
０°、９０°、０°の組み合わせ等価である。したがっ
て、本発明は、このような結晶の対称性に基づく等価な
範囲を含むものである。なお、La_3-xSr_xTa_0.5+0.5xGa
_5.5-0.5xO₁₄の単結晶は酸素欠陥を有するものであって
もよく、不可避的不純物、例えば、Al、Zr、Fe、Ce、N
d、La、Pt、Ca等を含んでもよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】 以下、本発明の実施の一形態を
図を参照して説明する。図２は、本発明が適用される弾
性表面波装置の一例を示すもので、圧電基板１には一つ
の主面に一対の交差指状電極２が設けられている。電極
の形状、数及び配置は、公知のどのような形態でもよ
い。本発明による圧電基板１は、化学式La_3-xSr_xTa
_0.5+0.5xGa_5.5-0.5xO₁₄で表され、点群３２に属する単
結晶材料により構成される。この単結晶材料は、酸素欠
陥を有するものであってもよく、例えば、Ａｌ、Ｚｒ、
Ｆｅ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｌａ、Ｐｔ、Ｃａ等の不可避的不純
物を含んでいてもよい。図２において、ｘ軸、ｙ軸、ｚ
軸は互いに直交する軸であり、ｘ軸とｙ軸は基板１の面
内にあり、ｘ軸は弾性表面波の伝搬方向を規定する。ｚ
軸は基板１の面に対して直角であり、単結晶基板の切り
出し角、すなわちカット面を規定する。これらｘ軸、ｙ
軸、ｚ軸と単結晶の結晶軸Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸との関係
は、オイラー角表示（φ、θ、ψ）で表すことができ
る。

【００１１】本発明による弾性表面波装置用の圧電基板
１は、その切り出し角をオイラー角表示で表したとき、
角φ、θ、ψが、前述の領域１、２、３、４、５、６、
７のいずれか、或いは、それと等価な領域に存在する。

【００１２】

【実施例】 化学式La_3-xSr_xTa_0.5+0.5xGa_5.5-0.5xO₁₄
で表され、点群３２に属する単結晶材料により弾性表面
波装置用圧電基板１を作成する。単結晶の育成は、高周
波加熱によるＣＺ法、すなわち回転引き上げ法により行
った。原料の配合比及び育成条件を適切に選択すること
により、単結晶中に含まれるSrの組成比が異なる単結晶
を引き上げることができる。Srの組成比は、島津製作所
製ICPS-8000型誘導結合プラズマ発光分光分析装置を用
いて、よく知られたＩＣＰ発光分光分析法による分析で
把握した。LaにSrを置換していく方法では、Srの組成比
が0.15より大きくなった場合には、何らかの原因で良好
な単結晶を得ることができなかった。Srの組成比が0.05
以下の場合には、Srを添加する効果が薄れる。比較的大
型で結晶性が良好な単結晶のうち、Sr の組成比が 0.07
5のものについて、その結晶から基板を切り出し、弾性表
面波装置用基板とした。

【００１３】次に、この単結晶から切り出した圧電基板
１の表面に、図２に示す入出力用交差指状電極２を形成
して、試験用弾性表面波装置とした。交差指状電極２の
形成にあたっては、Ａｌ膜を蒸着し、フォトエッチング
法により形状加工した。弾性表面波波長λに相当する電
極指の周期は６０μｍ、対の数は２０対、交差幅は６０
λ（３６００μｍ）、膜厚は0.3 μｍであった。図２に
おいて、ｘ軸は弾性表面波の伝搬方向、ｙ軸は基板の面
内で弾性表面波伝搬方向と直交する方向、ｚ軸は基板表
面と直交する方向である。基板の切り出し角と弾性表面
波伝搬方向を変えて、複数の弾性表面波装置を作成し
た。各々の弾性表面波装置におけるＳＡＷ速度と電気機
械結合係数を図３、図４及び図５に示す。また、図３の
データに基づきＳＡＷ速度と電気機械結合係数を２次元
的に表した図表を図６及び図７に、図４のデータに基づ
きＳＡＷ速度と電気機械結合係数を２次元的に表した図
表を図８、図９に、図５のデータに基づきＳＡＷ速度と
電気機械結合係数を２次元的に表した図表を図１０、図
１１にそれぞれ示す。ＳＡＷ速度は、前述した交差指状
電極構成でのフィルタ特性の中心周波数の測定値に、弾
性表面波波長を掛けることにより求めた。電気機械結合
係数は、前述した入出力用交差指状電極のうちの一方、
例えば入力用の、二端子アドミッタンスを測定し、この
アドミッタンスの実部（コンダクタンス）と虚部（サセ
プタンス）とから、スミスの等価回路による方法により
求めた。この方法については、例えば、刊行物「表面波
デバイスとその応用」（電子材料工業会編、日刊工業新
聞社刊、昭和５３年）の、Ｉ．基礎編、４．１．２表面
波の実効的電気機械結合係数、の章に詳述されている。
以上の特性については、装置の周囲温度を２５℃に保っ
て測定した。図３及び図６、図７から明らかなように、
角φが０°の場合に、角θが６０°から１２０°の範囲
にあり、角ψが−４０°から４０°の範囲において、電
気機械結合係数が0.2 ％以上になり、ＳＡＷ速度が３０
００m/sec 以下になる。角θが８０°から１１５°の範
囲にあり、角ψが−２０°から２０°の範囲にある場合
には、電気機械結合係数が0.3 ％以上となる。角φが０
±2.5°の場合も同様な効果を得ることができる。同様
に、角φが０°の場合に、角θが１２０°から１６０°
の範囲で、角ψが１０°から５０°若しくは−５０°か
ら−１０°の範囲で、電気機械結合係数が0.2 ％以上に
なり、ＳＡＷ速度が３０００m/sec 以下になる。角θが
１３０°から１５０°の範囲にあり、角ψが１５°から
３０°の場合には、電気機械結合係数が0.4％以上にな
る。角φが０±2.5°の場合も同様な効果を得ることが
できる。図４及び図８、図９から明らかなように、角φ
が５°の場合に、角θが６０°から１２０°の範囲にあ
り、角ψが−３０°から３０°の範囲において、電気機
械結合係数が0.2％以上になり、ＳＡＷ速度が３０００m
/sec 以下になる。角φが５±2.5°の場合にも、同様な
効果を得ることができる。同様に、角φが５°の場合
に、角θが１２０°から１６０°の範囲で、角ψが０°
から５０°若しくは−４０°から−１０°の範囲で、電
気機械結合係数が0.2 ％以上になり、ＳＡＷ速度が３０
００m/sec 以下になる。角φが５±2.5°の場合も同様
な効果を得ることができる。図５及び図１０、図１１か
ら明らかなように、角φが３０°の場合に、角θが１０
°から１６０°の範囲にあり、角ψが−４０°から３０
°の範囲において、電気機械結合係数が0.2％以上にな
り、かつ、ＳＡＷ速度が３０００m/sec 以下になる。角
φが３０±2.5°の場合にも、同様な効果を得ることが
できる。角θが１２０°から１４０°若しくは４０°か
ら６０°の範囲にあり、角ψが５°から１５°の場合に
は、電気機械結合係数を0.4％以上にすることもでき
る。角φが３０±2.5°の場合も同様な効果を得ること
ができる。

【００１４】

【発明の効果】以上により明らかなように、単結晶から
の切り出し角及び弾性表面波伝搬方向が上述した本発明
の範囲にあれば、電気機械結合係数が十分に大きく、Ｓ
ＡＷ速度が遅い弾性表面波装置が得られる。したがっ
て、本発明によれば、弾性表面波装置の広帯域化及び小
型化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】弾性表面波装置に使用される従来の圧電基板と
その特性を示す表である。

【図２】本発明が適用される弾性表面波装置の一実施例
を示す斜視図である。

【図３】本発明の実施例による弾性表面波装置用の圧電
基板の特性を示す表である。

【図４】本発明の他の実施例による弾性表面波装置用の
圧電基板の特性を示す表である。

【図５】本発明のさらに他の実施例による弾性表面波装
置用の圧電基板の特性を示す表である。

【図６】図３に示す実施例の圧電基板におけるＳＡＷ速
度を角θと角ψの関係で示す図表である。

【図７】図３に示す実施例の圧電基板における電気機械
結合係数を角θと角ψの関係で示す図表である。

【図８】図４に示す実施例の圧電基板におけるＳＡＷ速
度を角θと角ψの関係で示す図表である。

【図９】図４に示す実施例の圧電基板における電気機械
結合係数を角θと角ψの関係で示す図表である。

【図１０】図５に示す実施例の圧電基板におけるＳＡＷ
速度を角θと角ψの関係で示す図表である。

【図１１】図５に示す実施例の圧電基板における電気機
械結合係数を角θと角ψの関係で示す図表である。

フロントページの続き (72)発明者 守越 広樹 東京都中央区日本橋１丁目13番１号 テ ィーディーケイ株式会社内 (72)発明者 川嵜 克己 東京都中央区日本橋１丁目13番１号 テ ィーディーケイ株式会社内 (72)発明者 内田 清志 東京都中央区日本橋１丁目13番１号 テ ィーディーケイ株式会社内 (56)参考文献 特開2000−138557（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−261369（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−171696（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−284982（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−321570（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−260999（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03H 9/25 H03H 9/17 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＣＡ（ＳＴＮ)

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 点群３２に属し、Ca₃Ga₂Ge₄O₁₄型結晶構
   造を有し、その主要な成分がSr、La、Ta、Ga及びＯより
   なり、化学式La_3-xSr_xTa_0.5+0.5xGa_5.5-0.5xO₁₄で表さ
   れる単結晶であり、Srの組成比が０＜ｘ≦0.15の範囲で
   あることを特徴とする弾性表面波装置用基板。
2. 【請求項２】 請求項１に記載した弾性表面波装置用基
   板であって、Srの組成比が0.07＜ｘ≦0.08の範囲である
   ことを特徴とする弾性表面波装置用基板。
3. 【請求項３】 一方の主面に交差指状電極を設けた圧電
   基板を有し、前記圧電基板が請求項１または請求項２の
   いずれかに記載されたものであることを特徴とする弾性
   表面波装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載した弾性表面波装置であ
   って、 前記基板の単結晶からの切り出し角及び弾性表面波伝搬
   方向をオイラー角表示で（φ、θ、ψ）と表したとき、
   これら角が下記領域１ 領域１ φ＝−2.5°〜2.5° θ＝６０°〜１２０° ψ＝−４０°〜４０° 又は、上記領域１と結晶学的に等価な領域に存在するこ
   とを特徴とする弾性表面波装置。
5. 【請求項５】 請求項３に記載した弾性表面波装置であ
   って、 前記基板の単結晶からの切り出し角及び弾性表面波伝搬
   方向をオイラー角表示で（φ、θ、ψ）と表したとき、
   これら角が下記領域２ 領域２ φ＝−2.5°〜2.5° θ＝１２０°〜１６０° ψ＝１０°〜５０° 又は、上記領域２と結晶学的に等価な領域に存在するこ
   とを特徴とする弾性表面波装置。
6. 【請求項６】 請求項３に記載した弾性表面波装置であ
   って、 前記基板の単結晶からの切り出し角及び弾性表面波伝搬
   方向をオイラー角表示で（φ、θ、ψ）と表したとき、
   これら角が下記領域３ 領域３ φ＝−2.5°〜2.5° θ＝１２０°〜１６０° ψ＝−５０°〜−１０° 又は、上記領域３と結晶学的に等価な領域に存在するこ
   とを特徴とする弾性表面波装置。
7. 【請求項７】 請求項３に記載した弾性表面波装置であ
   って、 前記基板の単結晶からの切り出し角及び弾性表面波伝搬
   方向をオイラー角表示で（φ、θ、ψ）と表したとき、
   これら角が下記領域４ 領域４ φ＝2.5〜7.5° θ＝６０°〜１２０° ψ＝−３０°〜３０° 又は、上記領域４と結晶学的に等価な領域に存在するこ
   とを特徴とする弾性表面波装置。
8. 【請求項８】 請求項３に記載した弾性表面波装置であ
   って、 前記基板の単結晶からの切り出し角及び弾性表面波伝搬
   方向をオイラー角表示で（φ、θ、ψ）と表したとき、
   これら角が下記領域５ 領域５ φ＝2.5〜7.5° θ＝１２０°〜１６０° ψ＝０°〜５０° 又は、上記領域５と結晶学的に等価な領域に存在するこ
   とを特徴とする弾性表面波装置。
9. 【請求項９】 請求項３に記載した弾性表面波装置であ
   って、 前記基板の単結晶からの切り出し角及び弾性表面波伝搬
   方向をオイラー角表示で（φ、θ、ψ）と表したとき、
   これら角が下記領域６ 領域６ φ＝2.5〜7.5° θ＝１２０°〜１６０° ψ＝−４０°〜−１０° 又は、上記領域６と結晶学的に等価な領域に存在するこ
   とを特徴とする弾性表面波装置。
10. 【請求項１０】 請求項３に記載した弾性表面波装置で
    あって、 前記基板の単結晶からの切り出し角及び弾性表面波伝搬
    方向をオイラー角表示で（φ、θ、ψ）と表したとき、
    これら角が下記領域７ 領域７ φ＝27.5〜32.5° θ＝１０°〜１６０° ψ＝−４０°〜３０° 又は、上記領域７と結晶学的に等価な領域に存在するこ
    とを特徴とする弾性表面波装置。