JP3495659B2 - 弾性表面波デバイス用基板および弾性表面波デバイス - Google Patents

弾性表面波デバイス用基板および弾性表面波デバイス

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、弾性表面波(Surf
ace Acoustic Wave:SAW)デバイスに関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】SAWデバイスには、SAW共振器、ト
ランスバーサル型SAWフィルタおよび共振器型SAW
フィルタなどがあり、それぞれ用途に応じて使い分けら
れている。以下、SAWデバイスの1つとしてたとえば
SAWフィルタについて説明する。
【0003】図9は、SAWフィルタの構成を概略的に
示す斜視図である。図9を参照して、SAWフィルタ1
5の基本構造は、圧電基板12と、その圧電基板12の
表面上に形成された表面波の励振用および受信用の1対
の櫛型電極13とを有する4端子構造からなっている。
また、このような電極13を交差指形電極(interdigit
al electrode)といい、この種の変換素子をIDT(in
terdigital transducer)という。
【0004】一般に、励振用の櫛型電極13にインパル
ス電圧を印加すると、図10に示すように圧電効果によ
り隣り合う電極13間に互いに逆位相の歪みが生じSA
Wが励起される。このSAWが圧電基板12の表面を伝
搬し、この表面波による歪みで圧電基板12上に表面電
荷が生じ、受信用の櫛型電極13で電気信号として取出
される。
【0005】従来、このようなSAWフィルタ15など
のSAWデバイスは、図11に示すように圧電基板12
の表面にそれぞれのデバイスに応じた電極を配置した構
造となっている。SAWデバイス15の特性は圧電基板
12の特性に大きく依存し、圧電基板12もまた用途に
応じて使い分けられている。表1に代表的な圧電基板1
2の材質と圧電基板12上を伝搬するSAWの特性とを
示す。
【0006】
【表1】
【0007】表1より、水晶基板では温度特性が小さく
良好であるが、電気−機械結合係数(K2)が小さい。
また、LiNbO3(LN)基板には、従来、128°
Y−XLN基板(オイラー角表示で(0°,38°,
0)LN)などが一般的に用いられている。しかし、従
来のLN基板ではK2は大きいが、遅延時間温度係数(T
emperature Coefficient of Delaytime:TCD)など
の温度特性が悪い。
【0008】このように各基板はそれぞれ長所と短所を
持っており、デバイスの用途に応じて使い分けられてい
る。近年、TVなどの映像機器および携帯電話などの通
信機器の発達に伴い、それらに用いられるSAWデバイ
スにもまた、これまで以上に優れた特性が要求されてい
る。
【0009】なお、表1におけるオイラー角について以
下に図12を用いて説明する。図12を参照して、まず
Z軸を回転軸としてX軸をY軸方向にφだけ回転させた
軸を第1軸とする。次に第1軸を回転軸としてZ軸を反
時計回りにθだけ回転させた軸を第2軸とする。この第
2軸を法線として第1軸を含む面方位でカットし、基板
とする。上記面方位にカットした基板において、第2軸
を回転軸として第1軸を反時計回りにψだけ回転させた
軸を第3軸とし、この第3軸をSAW伝搬方向として利
用する。なお、面上の第3軸と直交する軸を第4軸とす
る。このようにオイラー角(φ,θ,ψ)が規定され
る。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】一般的に圧電基板のK
2が大きいほど帯域幅の広いデバイスが設計しやすいと
されている。また、K2が大きな基板を用いると電極本
数を減らすことが可能であり、SAWデバイスの小型化
に有利である。しかし、従来は、K2は、用いるオイラ
ー角によって大きさに多少の増減はあるものの、本質的
には基板材料固有の値であり、したがって、大きなK2
を有するSAWデバイス用基板を得るためには、基板材
料の開発から行なわなければならないとされてきた。
【0011】そこで、本発明は、SAWデバイスの高性
能化および小型化に有利な大きなK 2を有するSAWデ
バイス用基板を従来材料を用いて得ることを目的とす
る。
【0012】
【課題を解決するための手段】発明者らは、上記目的に
基づいて鋭意検討した結果、オイラー角およびKHを所
定範囲に設定することで、大きなK2が得られることを
見出した。すなわち、本発明においては、オイラー角表
示で(18〜30°,80〜100°,35〜75°)
となるLNをガラス表面に形成し、(18〜30°,8
0〜100°,35〜75°)LN/ガラス構造基板と
することによって上記目的を達成する。
【0013】上記(18〜30°,80〜100°,3
5〜75°)LN/ガラス構造基板において、さらに好
ましくは、KHパラメータを2.8≦KH≦3.8とす
ることによって、さらに大きなK2を得ることができ
る。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基づいて説明する。
【0015】(装置の構成)図1は、本発明に基づく実
施の形態におけるSAWデバイスの構成を示す概略断面
図である。図1を参照して、SAWデバイス5は、ガラ
ス基板1と、圧電基板2と、電極3とを有している。圧
電基板2は、ガラス基板1上に形成され、かつLNより
なっている。また圧電基板2上にはデバイスに応じた配
置を有する電極3が形成されている。なお、ガラス基板
1と圧電基板2とから構成される部分をSAWデバイス
用基板6というものとする。
【0016】(装置の製造方法)このようなSAWデバ
イス5は、ガラス基板1の表面に圧電基板2としてLN
基板を接合、あるいはガラス基板1の表面に圧電基板2
としてLN薄膜を形成した後に、LN基板またはLN薄
膜の上に電極3を成膜・パターニングすることにより得
ることができる。
【0017】(装置の各部の材質)ガラス基板1の材質
としては、たとえば石英ガラス、アルミノケイ酸ガラ
ス、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、鉛ケイ酸ガ
ラスなどが使用可能である。またLN基板2と組合せる
基板はガラス基板に限定されず、LNよりも音速の遅い
材料で、かつ、LNのTCDおよびTCV(音速の温度
係数)と異符号の特性を持つ材料であればよい。
【0018】また、圧電基板2の材質は、LNのみから
なるものであってもよく、また一部にLNを含むもので
あってもよい。電極3の材質としては、たとえばアルミ
ニウムなどが使用可能だが、これに限定されるものでは
ない。
【0019】(K2の値に関する検証)また、図1に示
すように、圧電基板2の厚みをHとし、電極3のピッチ
をλとし、Kを2π/λとする。以下、圧電基板2に含
まれるLNのオイラー角、および、KとHとの積である
KHに注目しつつ、説明する。
【0020】図2に(30°,90°,60°)LN/
ガラス構造基板におけるK2の計算結果を示す。計算
は、KHをパラメータとしてCampbell and Jonesの方法
により行なった。図2より、K2の値はLNのKHの値
に依存することがわかる。また、KHが3.3のときに
2が最大値になることがわかる。
【0021】そこで、方位を表すオイラー角のパラメー
タ(φ,θ,ψ)のうち、φを0°、10°、20°、
30°の4通りとり、それぞれについて、θ、ψをそれ
ぞれ0°から180°まで変化させ、上記同様の計算に
よって各方位(φ,θ,ψ)におけるK2を最大とする
KHを求め、そのKHを用いてK2の最大値を求めた。
その計算結果を図3〜図6に示す。図3は、φを0°に
固定して、θ、ψを変化させたものである。図4は、φ
を10°に固定して、θ、ψを変化させたものである。
図5は、φを20°に固定して、θ、ψを変化させたも
のである。図6は、φを30°に固定して、θ、ψを変
化させたものである。これらの図面においては、各方位
におけるK2の最大値を等高線で表示している。等高線
に付された数字はその方位におけるK2の最大値を意味
する。
【0022】ただし、本発明の目的は、従来基板である
(0°,38°,0°)LN基板よりも大きなK2を有
するSAWデバイス用基板を得ることにあるため、従来
基板におけるK2の値である5.2%よりも小さなK2
か得られない方位については、評価する意義が乏しい。
したがって、K2の最大値が5%未満の方位については
図3〜図6においても表示を省略している。すなわち、
図3〜図6において、等高線の描かれていない部分は、
2の最大値が5%未満の方位である。
【0023】計算結果によれば、LNのオイラー角が、
図5に示す(20°,80〜90°,50〜70°)の
範囲、および、図6に示す(30°,80〜100°,
35〜75°)の範囲では、K2の最大値は8%を超え
る大きな値となることがわかる。その中でも特に、(3
0°,90°,60°)とした場合には、K2の最大値
は8.7%という大きな値になる。
【0024】図7に(0〜30°,90°,60°)の
範囲で同様の計算を行なった結果を示す。図7より、φ
が0〜30°の範囲内でK2の最大値は連続的に変化し
ていることがわかる。したがって、図3〜図6に示すよ
うに計算したφ=0°,10°,20°,30°以外の
φについてのK2の最大値も、連続性から数値が予想で
きる。また、上記の(30°,90°,60°)に限ら
ず(略30°,略90°,略60°)であっても、K2
の値は8.7%に近い大きな値を得ることができるとい
える。
【0025】図7より、18°≦φの範囲では、K2
最大値は8.0%を超えることがわかる。したがって、
オイラー角表示で(18〜30°,80〜100°,3
5〜75°)であることが好ましい。
【0026】さらに図7によれば、24°≦φの範囲で
は、K2の最大値は8.5%を超える大きな値となる。
一方、図6より、φ=30°の条件下では、88°≦θ
≦92°,55°≦ψ≦65°においてK2の最大値は
最も大きくなっている。したがって、オイラー角表示で
(24〜30°,88〜92°,55〜65°)である
ことがより好ましい。
【0027】また、図8に、2.3≦KH≦4.5の範
囲で計算した、(30°,90°,60°)LNを用い
た場合のK2の値を示す。図8より、2.4≦KH≦
4.3の範囲では8%を超えるK2の値を示すことがわ
かる。その中でも特に、2.8≦KH≦3.8の範囲で
は、K2の値は8.5%を超える値となる。
【0028】なお、計算はLNの結晶性の対称性から0
°≦φ≦30°,0°≦θ≦180°,0°≦ψ≦18
0°の範囲のみ計算している。また、計算に用いたガラ
スの定数は、一般的に電子材料用として用いられている
ガラスの定数である。表2に計算に用いたガラスの定数
を示す。
【0029】
【表2】
【0030】以上より、大きなK2が得られることが明
らかとなったオイラー角の範囲のLNを圧電基板2に用
いること、または、大きなK2が得られることが明らか
となったKHの範囲に含まれるように圧電基板2の膜厚
や電極3のピッチを定めることによって、従来より大き
なK2の値を有するSAWデバイス用基板を得ることが
できる。また、これらのオイラー角の範囲とKHの範囲
とを同時に満たすように設計すれば、K2の値はより大
きくなり、好ましい。
【0031】なお、今回開示した上記実施の形態はすべ
ての点で例示であって制限的なものではない。本発明の
範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって
示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での
すべての変更を含むものである。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に基づく弾
性表面波デバイスでは、オイラー角表示で(18〜30
°,80〜100°,35〜75°)であるLNを用
い、KHが2.3以上、4.5以下となるように圧電基
板2の膜厚と電極3のピッチを定めたため、従来のSA
Wデバイス用基板より大きなK2の値を有するSAWデ
バイス用基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態におけるSAWデバイス
の構成を示す概略断面図である。
【図2】 (30°,90°,60°)LN/ガラス構
造基板のK2のKH依存性を示すグラフである。
【図3】 K2が最大となるKHにおける(0°,θ,
ψ)LN/ガラス構造基板のK2の計算結果を示すグラ
フである。
【図4】 K2が最大となるKHにおける(10°,
θ,ψ)LN/ガラス構造基板のK2の計算結果を示す
グラフである。
【図5】 K2が最大となるKHにおける(20°,
θ,ψ)LN/ガラス構造基板のK2の計算結果を示す
グラフである。
【図6】 K2が最大となるKHにおける(30°,
θ,ψ)LN/ガラス構造基板のK2の計算結果を示す
グラフである。
【図7】 K2が最大となるKHにおける(φ,90
°,60°)LN/ガラス構造基板のK2の計算結果を
示すグラフである。
【図8】 2.3≦KH≦4.5における(30°,9
0°,60°)LN/ガラス構造基板のK2のKH依存
性を示すグラフである。
【図9】 一般的なSAWフィルタの構成を示す斜視図
である。
【図10】 図9に示すSAWフィルタの動作を説明す
るための図である。
【図11】 従来の技術に基づくSAWデバイスの構成
を概略的に示す断面図である。
【図12】 オイラー角を説明するための図である。
【符号の説明】
1 ガラス基板、2 圧電基板(LiNbO3)、3,
13 電極、5,15SAWデバイス、6 SAWデバ
イス用基板、12 圧電基板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−326553(JP,A) 特開 平8−288788(JP,A) N.F.Foster,THE DE POSITION AND PIEZO −ELECTRIC CHARACTE RISTICS OF SPUTTER ED LITHIUMNIOBATE S,JOURNAL OF APPLI ED PHYSICS,1969年,VO L.40,P.420 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03H 9/25 H01L 41/09 H01L 41/18 H03H 9/145

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成
    されたLiNbO3を含む圧電基板とを備え、前記Li
    NbO3がオイラー角表示で(18〜30°,80〜1
    00°,35〜75°)であることを特徴とする、弾性
    表面波デバイス用基板。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の弾性表面波デバイス用
    基板と、前記圧電基板上に形成された電極とを備え、前
    記電極のピッチをλとし、前記圧電基板の厚みをHと
    し、Kを2π/λとしたとき、KとHとの積が2.3以
    上、4.5以下であることを特徴とする、 弾性表面波デバイス。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の弾性表面波デバイス用
    基板と、前記圧電基板上に形成された電極とを備え、前
    記電極のピッチをλとし、前記圧電基板の厚みをHと
    し、Kを2π/λとしたとき、KとHとの積が2.8以
    上、3.8以下であることを特徴とする、 弾性表面波デバイス。
  4. 【請求項4】 ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成
    されたLiNbO 3 を含む圧電基板とを備え、前記Li
    NbO 3 がオイラー角表示で(24〜30°,88〜9
    2°,55〜65°)であることを特徴とする、弾性表
    面波デバイス用基板。
  5. 【請求項5】 請求項4に記載の弾性表面波デバイス用
    基板と、前記圧電基板上に形成された電極とを備え、前
    記電極のピッチをλとし、前記圧電基板の厚みをHと
    し、Kを2π/λとしたとき、KとHとの積が2.3以
    上、4.5以下であることを特徴とする、 弾性表面波デバイス。
  6. 【請求項6】 請求項4に記載の弾性表面波デバイス用
    基板と、前記圧電基板上に形成された電極とを備え、前
    記電極のピッチをλとし、前記圧電基板の厚みをHと
    し、Kを2π/λとしたとき、KとHとの積が2.8以
    上、3.8以下であることを特徴とする、 弾性表面波デバイス。
  7. 【請求項7】 ガラス基板と、前記ガラス基板上に形成
    されたLiNbO 3 を含む圧電基板とを備え、前記Li
    NbO 3 がオイラー角表示で(30°,90°,60
    °)であることを特徴とする、弾性表面波デバイス用基
    板。
  8. 【請求項8】 請求項7に記載の弾性表面波デバイス用
    基板と、前記圧電基板上に形成された電極とを備え、前
    記電極のピッチをλとし、前記圧電基板の厚みをHと
    し、Kを2π/λとしたとき、KとHとの積が2.3以
    上、4.5以下であることを特徴とする、 弾性表面波デバイス。
  9. 【請求項9】 請求項7に記載の弾性表面波デバイス用
    基板と、前記圧電基板上に形成された電極とを備え、前
    記電極のピッチをλとし、前記圧電基板の厚みをHと
    し、Kを2π/λとしたとき、KとHとの積が2.8以
    上、3.8以下であることを特徴とする、 弾性表面波デバイス。
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