JP4300889B2 - 表面弾性波装置及び表面弾性波装置用基板 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、表面弾性波フィルター、バルク波フィルター、共振子、振動子等に好適に用いられる表面弾性波装置及びこれに用いられる表面弾性波装置用基板に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、表面弾性波装置は、基板の結晶構造の非対称性に起因する圧電性を利用しており、基板に用いられる単結晶圧電材料として、水晶をはじめ、ニオブ酸リチウム(LN)、タンタル酸リチウム(LT)、リチウムテトラボレート(LBO)、ランガサイト等が広く知られている(例えば特許文献1−3参照。)。
【0003】
従来の表面弾性波装置の基板は、このような単結晶から所定の切り出し角で切り出されることにより、形成されている。そして、この基板上に表面弾性波を励振するための櫛歯型電極を形成することにより、表面弾性波装置が製作されている。
【0004】
表面弾性波装置の基板において、要求される特定として、電気機械結合係数(k2)が大きいこと、遅延時間温度係数(TCD)の絶対値が小さいこと、等が挙げられる。さらに、基板自体に吸湿性がないといった基板の化学的安定性や基板の機械的強度も表面弾性波装置の信頼性や寿命に関わる重要な特性である。さらに、基板を構成する元素の価格は、表面弾性波装置の製造コストに反映するため、産業応用を考える上では重要である。
【0005】
【特許文献1】
特開平11−340782号公報(請求項1)
【0006】
【特許文献2】
特開平11−261369号公報(請求項1)
【0007】
【特許文献3】
特開2000−114920号公報(請求項1)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在使用されている上述した単結晶圧電材料には、次のような欠点があった。すなわち、水晶、LBO、ランガサイト等は、TCDがゼロであるという理想的な特性を有する反面、水晶はk2が小さく、LBOは吸湿性があるため化学的に不安定であり、ランガサイトは構成元素の一つであるガリウムが高価なため、結果としてランガサイト基板を用いた表面弾性波装置が高価になってしまうという欠点があった。また、LNやLTは、k2が大きいという特性を有する反面、TCDも大きいという欠点がある。
【0009】
このようにk2が小さい単結晶からなる基板を用いた表面弾性波装置は、該装置の小型化及び広帯域化への対応が困難になり、一方、TCDが大きい単結晶からなる基板を用いた表面弾性波装置は、温度変化に対する特性の変化(帯域周波数の変動)が大きくなる。
【0010】
この発明は、このような技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、遅延時間温度係数(TCD)の絶対値が小さく、且つ化学的に安定な単結晶基板が用られた表面弾性波装置及びこれに用いられる表面弾性波装置用基板を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、組成式がNdCa4O(BO3)3で表される単結晶基板上に、表面弾性波を励振するための電極が設けられた表面弾性波装置であって、前記基板の単結晶からの切り出し角及び表面弾性波伝搬方向をオイラー角表示で(ψ、θ、φ)と表したとき、ψ、θ及びφが、それぞれ、−60°+180°×n1≦ψ≦60°+180°×n1、71°+180°×n2≦θ≦109°+180°×n2、及び、−18°+180°×n3≦φ≦18°+180°×n3(但し、n1、n2及びn3はそれぞれ整数である。)の式を満足していることを特徴としている(請求項1)。
【0012】
本発明において、ψ、θ及びφがそれぞれ上述した所定の式を満足していることにより、遅延時間温度係数(TCD)の絶対値を小さくする(即ち、TCDをゼロに近づける)ことができ、詳述すると、TCDの絶対値を例えば30ppm/℃以下(即ち、TCDを−30〜30ppm/℃の範囲)にすることができる。
【0013】
なお、ψ、θ及びφがそれぞれ上述した所定の式を満足している場合には、電気機械結合係数(k2)は、通常、0.01%以上、2.0%以下となる。但し、本発明は、k2の値に限定されるものではない。
【0014】
また、NdCa4O(BO3)3単結晶は、化学的に安定であるという優れた特性を有している。
【0015】
さらに、上記表面弾性波装置において、ψ、θ及びφが、それぞれ、−30°+180°×n1≦ψ≦30°+180°×n1、75°+180°×n2≦θ≦105°+180°×n2、及び、−15°+180°×n3≦φ≦15°+180°×n3(但し、n1、n2及びn3はそれぞれ整数である。)の式を満足していることが望ましい(請求項2)。
【0016】
この場合には、ψ、θ及びφが、それぞれ上述した所定の式を満足していることにより、TCDの絶対値を更に小さくすることができ、詳述すると、TCDの絶対値を例えば20ppm/℃以下(即ち、TCDを−20〜20ppm/℃の範囲)にすることができる。
【0017】
さらに、上記表面弾性波装置において、ψ、θ及びφが、それぞれ、−12°+180°×n1≦ψ≦12°+180°×n1、80°+180°×n2≦θ≦100°+180°×n2、及び、−10°+180°×n3≦φ≦10°+180°×n3(但し、n1、n2及びn3はそれぞれ整数である。)の式を満足していることが望ましい(請求項3)。
【0018】
この場合には、ψ、θ及びφが、それぞれ上述した所定の式を満足していることにより、TCDの絶対値を更に小さくすることができ、詳述すると、TCDの絶対値を例えば10ppm/℃以下(即ち、TCDを−10〜10ppm/℃の範囲)にすることができる。
【0019】
さらに、上記表面弾性波装置において、ψ、θ及びφが、それぞれ、−5°+180°×n1≦ψ≦5°+180°×n1、84°+180°×n2≦θ≦96°+180°×n2、及び、−7+180°×n3≦φ≦7°+180°×n3(但し、n1、n2及びn3はそれぞれ整数である。)の式を満足していることが望ましい(請求項4)。
【0020】
この場合には、ψ、θ及びφが、それぞれ上述した所定の式を満足していることにより、TCDの絶対値を更に小さくすることができ、詳述すると、TCDの絶対値を例えば5ppm/℃以下(即ち、TCDを−5〜5ppm/℃の範囲)にすることができる。
【0021】
また、本発明に係る表面弾性波装置用基板は、上記表面弾性波装置に用いられることを特徴としている(請求項5)。
【0022】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。
【0023】
図1及び図2は、それぞれ、本発明の実施形態に係る表面弾性波装置を説明するための図である。図1に示した表面弾性波装置は共振器型のものであり、図2に示した表面弾性波装置はトランスバーサル型のものである。
【0024】
但し、本発明に係る表面弾性波装置は、図1及び図2に示した装置に限定されるものではなく、基板上に表面弾性波を励振するための電極が設けられた全ての表面弾性波装置に適用可能である。
【0025】
図1において、(D1)は共振器型表面弾性波装置、(1)は基板(詳述すると圧電基板)、(2)は表面弾性波を励振するための電極としての一対の櫛歯型励振電極(Inter Digital Transducer)である。各励振電極(2)は互いに平行な複数個の電極指を有している。
【0026】
図1に示した共振器型表面弾性波装置(D1)においては、前記一対の励振電極(2)がその電極指を相互に噛み合わせた態様にして基板(1)(詳述すると基板(1)の一主面)上に設けられている。なお本発明では、同図の鎖線に示すように、基板(1)上における励振電極(2)の表面弾性波伝搬路の両端に、表面弾性波を反射するための反射器(3)が設けられていても良い。
【0027】
図2に示したトランスバーサル型表面弾性波(D2)においては、上と同じく、一対の励振電極(2)がその電極指を相互に噛み合わせた態様にして基板(1)(詳述すると基板(1)の一主面)上に設けられている。さらに、この一対の励振電極(2)に隣接して、表面弾性波(5)を受信するための一対の櫛歯型受信電極(2')がその電極指を相互に噛み合わせた態様にして設けられている。
【0028】
なお、図1及び図2において、(4)は励振電極(2)に印加するための高周波信号源である。
【0029】
励振電極(2)及び受信電極(2')は、いずれも、導電性材料から形成されている。この導電性材料としては、例えば、アルミニウム、チタン、金、プラチナ等の金属やこれらの合金が好適に用いられる。
【0030】
本発明において、励振電極(2)、受信電極(2')及び反射器(3)を形成方法としては、特に限定されるものではなく、様々な公知の形成方法を適用することができる。例えば、基板(1)上に電極となる金属膜を真空蒸着法やスパッタリング法により形成したのち、リフトオフ法及び/又はエッチング法により電極を形成することができる。
【0031】
基板(1)は、組成式がNdCa4O(BO3)3で表される単結晶から所定の切り出し角で切り出されることにより、形成されたものである。
【0032】
この単結晶圧電材料の構成元素であるNd(ネオジム)及びCa(カルシウム)において、Ndは希土類元素に属するものであり、Caはアルカリ土類金属元素に属するものであるから、この圧電材料は、希土類・アルカリ土類金属・オキシボレート系単結晶からなる圧電材料の一種であると言える。
【0033】
この単結晶圧電材料は、NdとCaが化学量論数比で1:4に厳密に設定されているものをはじめ、Nd以外の希土類元素(即ち、Sc、Y、La、Ce、Pr、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)から選択された1種又は2種以上の元素を不純物として含有したものであっても良い。この場合において、選択された元素は、固溶元素として含有されていても良く、例えば、Ndと置換される置換型固溶元素として、あるいは侵入型固溶元素として含有されていても良い。
【0034】
また同じく、この単結晶圧電材料は、Ca以外のアルカリ土類金属元素(即ち、Be、Mg、Sr、Ba、Ra)から選択された1種又は2種以上の元素を不純物として含有したものであっても良い。この場合において、選択された元素は、固溶元素として含有されていても良く、例えば、Caと置換される置換型固溶元素として、あるいは侵入型固溶元素として含有されていても良い。
【0035】
また同じく、この単結晶圧電材料は、希土類元素及びアルカリ土類金属元素以外の元素を不純物として含有したものであっても良い。
【0036】
もとより、この単結晶圧電材料は、製造上不可避の不純物を含有したものであっても良いことは言うまでもない。
【0037】
この単結晶圧電材料の育成方法については、特に限定されるものではなく、各種チョクラルスキー(Cz)法をはじめ、ブリッジマン法、フローティング・ゾーン法(浮遊帯域溶融法)等の様々な育成方法を適用可能であるが、特にCz法により育成することが望ましい。すなわち、Cz法によれば、大口径で高品質の単結晶を育成することができる上、当該単結晶の育成を高速に且つ容易に行うことができるからである。
【0038】
また、特に、この単結晶圧電材料は、Y軸方向に育成されることが、当該単結晶の切り出し角決定作業を容易に行えるようになる点等で、望ましい。なお、この単結晶圧電材料がCz法により育成される場合には、単結晶の引き上げ方向がその育成方向となる。
【0039】
この単結晶圧電材料は、単斜晶系に属するものであり、その空間群はmである。
【0040】
図3は、オイラー角(ψ、θ、φ)と直交座標軸(X、Y、Z)との関係を示した図である。同図において、aは表面弾性波の伝搬方向、cは基板(1)に垂直な方向、bはa及びcと右手直交する方向である。また、Z軸をNdCa4O(BO3)3単結晶の<001>、Y軸を同単結晶の<010>、X軸をY軸及びZ軸と右手直交する方向とぞれぞれ定義する。X軸、Y軸及びZ軸と、a軸、b軸、及びc軸との関係は、オイラー角表示(ψ、θ、φ)で表すことができる。
【0041】
上記実施形態の表面弾性波装置(D1)(D2)の基板(1)は、NdCa4O(BO3)3単結晶から所定の切り出し角で切り出されて、その表面(カット面)が研磨加工されることにより、製作される。そして、この基板(1)上に所定の電極(2)が形成されることにより、上記表面弾性波装置(D1)(D2)が得られる。
【0042】
而して、本発明では、基板(1)のNdCa4O(BO3)3単結晶からの切り出し角及び表面弾性波伝搬方向をオイラー角表示で(ψ、θ、φ)と表したとき、ψ、θ及びφが、それぞれ、次の式(i)、(ii)及び(iii)を満足している必要がある。但し、(i)、(ii)及び(iii)式において、n1、n2及びn3はそれぞれ整数である。
【0043】
−60°+180°×n1≦ψ≦60°+180°×n1 …(i)
71°+180°×n2≦θ≦109°+180°×n2 …(ii)
−18°+180°×n3≦φ≦18°+180°×n3 …(iii)
【0044】
ここで、NdCa4O(BO3)3単結晶では、同単結晶の結晶構造の対称性に起因して、互いに等価なオイラー角の組合せが存在している。そこで、本発明では、互いに等価なオイラー角の組合せを包含させるために、上記(i)、(ii)及び(iii)式においてn1、n2及びn3を用いた。
【0045】
例えば、上記(i)、(ii)及び(iii)式において、n1、n2及びn3がいずれも0である場合には、これらの式は、それぞれ、−60°≦ψ≦60°、71°≦θ≦109°、−18°≦φ≦18°となる。また、n1、n2及びn3がいずれも1である場合には、これらの式は、それぞれ、120°≦ψ≦240°、251°≦θ≦289°、162°≦φ≦198°となる。
【0046】
ψ、θ及びφが、それぞれ、上記(i)、(ii)及び(iii)式を満足している場合には、TCDの絶対値を小さくすることができ、詳述すると、TCDの絶対値を例えば30ppm/℃以下にすることができる。
【0047】
さらに、ψ、θ及びφが、それぞれ、次の式(i')、(ii')及び(iii')を満足していることが望ましい。
【0048】
−30°+180°×n1≦ψ≦30°+180°×n1 …(i')
75°+180°×n2≦θ≦105°+180°×n2 …(ii')
−15°+180°×n3≦φ≦15°+180°×n3 …(iii')
【0049】
この場合には、TCDの絶対値を更に小さくすることができ、詳述すると、TCDの絶対値を例えば20ppm/℃以下にすることができる。
【0050】
さらに、ψ、θ及びφが、それぞれ、次の式(i'')、(ii'')及び(iii'')を満足していることが望ましい。
【0051】
−12°+180°×n1≦ψ≦12°+180°×n1 …(i'')
80°+180°×n2≦θ≦100°+180°×n2 …(ii'')
−10°+180°×n3≦φ≦10°+180°×n3 …(iii'')
【0052】
この場合には、TCDの絶対値を更に小さくすることができ、詳述すると、TCDの絶対値を例えば10ppm/℃以下にすることができる。
【0053】
さらに、ψ、θ及びφが、それぞれ、次の式(i''')、(ii''')及び(iii''')を満足していることが望ましい。
【0054】
−5°+180°×n1≦ψ≦5°+180°×n1 …(i''')
84°+180°×n2≦θ≦96°+180°×n2 …(ii''')
−7+180°×n3≦φ≦7°+180°×n3 …(iii''')
【0055】
この場合には、TCDの絶対値を更に小さくすることができ、詳述すると、TCDの絶対値を例えば5ppm/℃以下にすることができる。
【0056】
以上で、この発明の好ましい幾つかの実施形態について説明したが、この発明は上記実施形態に示したものに限定されるものではなく、様々に設定変更可能であることは言うまでもない。
【0057】
【実施例】
次に、本発明の具体的実施例について説明する。
【0058】
NdCa4O(BO3)3単結晶を高周波誘導加熱型Cz法により育成した。用いたるつぼはイリジウム(Ir)製の円筒形のものである。用いた原料は純度99.99%の炭酸カルシウム(CaCO3)、酸化ネオジム(Nd2O3)、純度99.95%の酸化ホウ素(B2O3)であり、これらを8:1:3のモル比で混合し、1100℃で24時間焼結したものを前記るつぼに充填した。イリジウム製のるつぼは約800℃以上の高温では酸素と反応し、揮発するため、アルゴンガス雰囲気中で育成を行った。以下にその育成条件を示す。
【0059】
・シード結晶…NdCa4O(BO3)3結晶
・引き上げ方向…Y軸
・育成温度…約1480℃
・結晶回転速度…20rpm
・引き上げ速度…2.0mm/h
【0060】
こうして育成されたロッド状の単結晶は、クラックが生じておらず高品質なものであった。また、この単結晶は、その組成式においてNdとCaを化学量論数比(Nd:Ca)で1:4の割合で含有しているものである。
【0061】
次いで、図1に示した共振器型表面弾性波装置(D1)を製作するべく、上記ロッド状の単結晶から基板(1)を様々な切り出し角で切り出して、多数の基板(1)を得た。次いで、基板(1)の表面(カット面)を鏡面加工したのち、該基板(1)上に一対の櫛歯型励振電極(2)を公知の方法により形成することにより、TCD測定用の表面弾性波装置を製作した。これらの表面弾性波装置を試料とした。
【0062】
この際に適用した励振電極(2)の形成方法について簡単に述べると、次のとおりである。すなわち、基板(1)の表面に電極となるアルミニウム膜を真空蒸着法により形成したのち、アルミニウム膜をエッチングすることにより励振電極(2)を形成した。なお、この励振電極(2)において、電極指間隔は9μm、電極指幅は9μm、電極指対数は20である。
【0063】
次いで、この試料(表面弾性波装置)の表面弾性波の伝搬速度(VS)及びTCDを測定した。この結果を表1〜3及び図1〜3に示す。但し、表1〜3において、試料番号「1−6」、「2−5」及び「3−5」の試料は、互いに同一の試料であり、説明の便宜上、試料番号を変えて示している。
【0064】
【表1】
【0065】
【表2】
【0066】
【表3】
【0067】
なお、図4は表1におけるψとTCDとの関係についてグラフで表したもの、図5は表2におけるθとTCDとの関係についてグラフで表したもの、及び、図6は表3におけるφとTCDとの関係についてグラフで表したものである。
【0068】
表1〜3におけるψ、θ及びφは、それぞれ、上記(i)、(ii)及び(iii)式においてn1、n2及びn3がいずれも0である場合における値である。n1、n2及びn3がそれぞれ0以外の整数(例えば1)である場合も、表1〜3と同様の結果が得られる。
【0069】
表1〜3及び図4〜6に示すように、ψ、θ及びφがぞれぞれ所定の範囲に設定されている場合には、TCDの絶対値が小さくなることを確認し得た。なお、この場合において、k2はいずれも0.07%以上であった。
【0070】
<TCD及びVSの測定方法>
表1〜3におけるTCDの値(但し、25℃における値)は、次式(iv)により算出した。
【0071】
TCD=α−(1/VS)(∂VS/∂T) …(iv)
【0072】
上記(iv)式において、VSは表面弾性波の伝搬速度(音速)、Tは温度であり、右辺の第1項であるαは表面弾性波伝搬方向の熱膨張係数である。また、同右辺の第2項をβをすると、βは次式(v)で算出される。
【0073】
β=(1/VS(25℃))[(VS(35℃)−VS(15℃))/20] …(v)
【0074】
上記(v)式において、VS(25℃)、VS(35℃)及びVS(15℃)は、それぞれ25℃、35℃及び15℃における表面弾性波の伝搬速度である。
【0075】
TCDの測定に用いた中心周波数f0は約92MHzである。
【0076】
VSの値は次式(vi)により算出した。
【0077】
VS=f0×λ …(vi)
【0078】
上記(vi)式において、λは波長(電極指幅の4倍)である。ここで、VSの測定は、インピーダンスアナライザを用い、アドミタンスの実部(コンダクタンス)Gとその虚部(サセプタンス)Bの周波数特性(放射アドミタンス特性)を測定することにより、行った。
【0079】
【発明の効果】
上述の次第で、本発明によれば、NdCa4O(BO3)3単結晶基板上に表面弾性波を励振するための電極が設けられた表面弾性波装置であって、基板の単結晶からの切り出し角及び表面弾性波伝搬方向をオイラー角表示で(ψ、θ、φ)と表したとき、ψ、θ及びφがそれぞれ所定の式を満足しているので、TCDの絶対値が小さいという優れた特性を有するとともに、化学的に安定な単結晶基板が用いられた表面弾性波装置を提供することができる。
【0080】
また、本発明によれば、上記表面弾性波装置に好適に用いられる表面弾性波装置用基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る表面弾性波装置(共振器型表面弾性波装置)を示す平面図である。
【図2】本発明のもう一つの実施形態に係る表面弾性波装置(トランスバーサル型表面弾性波装置)を示す平面図である。
【図3】オイラー角(ψ、θ、φ)と直交座標軸(X、Y、Z)との関係を示した図である。
【図4】ψと遅延時間温度係数TCDとの関係を示す図(グラフ)である。
【図5】θと遅延時間温度係数TCDとの関係を示す図(グラフ)である。
【図6】φと遅延時間温度係数TCDとの関係を示す図(グラフ)である。
【符号の説明】
D1、D2…表面弾性波装置
1…基板
2…櫛歯型励振電極
3…反射器
4…高周波信号源
Claims (5)
- 組成式がNdCa4O(BO3)3で表される単結晶基板上に、表面弾性波を励振するための電極が設けられた表面弾性波装置であって、
前記基板の単結晶からの切り出し角及び表面弾性波伝搬方向をオイラー角表示で(ψ、θ、φ)と表したとき、ψ、θ及びφが、それぞれ、
−60°+180°×n1≦ψ≦60°+180°×n1、
71°+180°×n2≦θ≦109°+180°×n2、
−18°+180°×n3≦φ≦18°+180°×n3
(但し、n1、n2及びn3はそれぞれ整数である。)
の式を満足していることを特徴とする表面弾性波装置。 - ψ、θ及びφが、それぞれ、
−30°+180°×n1≦ψ≦30°+180°×n1、
75°+180°×n2≦θ≦105°+180°×n2、
−15°+180°×n3≦φ≦15°+180°×n3
(但し、n1、n2及びn3はそれぞれ整数である。)
の式を満足している請求項1記載の表面弾性波装置。 - ψ、θ及びφが、それぞれ、
−12°+180°×n1≦ψ≦12°+180°×n1、
80°+180°×n2≦θ≦100°+180°×n2、
−10°+180°×n3≦φ≦10°+180°×n3
(但し、n1、n2及びn3はそれぞれ整数である。)
の式を満足している請求項1記載の表面弾性波装置。 - ψ、θ及びφが、それぞれ、
−5°+180°×n1≦ψ≦5°+180°×n1、
84°+180°×n2≦θ≦96°+180°×n2、
−7+180°×n3≦φ≦7°+180°×n3
(但し、n1、n2及びn3はそれぞれ整数である。)
の式を満足している請求項1記載の表面弾性波装置。 - 請求項1〜4のいずれか1項記載の表面弾性波装置に用いられることを特徴とする表面弾性波装置用基板。
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---|---|---|---|
JP2003166429A JP4300889B2 (ja) | 2003-06-11 | 2003-06-11 | 表面弾性波装置及び表面弾性波装置用基板 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2003166429A JP4300889B2 (ja) | 2003-06-11 | 2003-06-11 | 表面弾性波装置及び表面弾性波装置用基板 |
Publications (2)
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