JP4569447B2 - 弾性表面波素子片および弾性表面波デバイス - Google Patents

Description

本発明は、すだれ状電極により圧電基板に弾性表面波を励振する弾性表面波素子片に係
り、特に圧電基板として水晶基板を用いた弾性表面波素子片および弾性表面波デバイスに
関する。

弾性表面波フィルタなどの弾性表面波デバイスは、小型で高周波に対応することができ
、製造も容易であるところから、携帯電話機をはじめとして多くの電子機器に用いられて
いる。弾性表面波デバイスは、主な構成要素として、圧電基板の表面にすだれ状電極から
なるＩＤＴ（Interdigital Transducer）を備えた弾性表面波素子片を有する。圧電材料
は、水晶をはじめとしてタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなど種々のものが知られ
ている。中でも、水晶基板を用いた弾性表面波素子片は、周囲温度の変化に対する周波数
変動（周波数温度特性）が比較的小さいため、高性能な電子機器に広く用いられている。
特に、ＳＴカット水晶板と呼ばれる水晶基板は、一次の温度係数が０であって周波数温度
特性が優れているため、高精度な弾性表面波素子片の製造に用いられている。このＳＴカ
ット水晶板からなる弾性表面波素子片は、使用温度範囲が０℃〜７０℃で周波数の変動幅
が約４０ｐｐｍである（非特許文献１）。
日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会編「弾性波素子技術ハンドブック」、オーム社、第１版第１刷、平成３年、第１５５頁、図３・１４

しかし、近年は、電子機器の高精度化に伴いより高精度な弾性表面波デバイス、すなわ
ち高精度な弾性表面波素子片が要求されてきている。このため、従来のＳＴカット水晶板
を用いた弾性表面波素子片では、要求される精度を満足することができなくなってきてい
る。

本発明は、上記の要求に鑑みてなされたもので、ＳＴカット水晶板を用いた弾性表面波
素子片より優れた周波数温度特性が得られるようにすることを目的としている。

水晶基板からなる弾性表面波素子片の周波数温度特性は、水晶基板のカット角に大きく
依存している。しかし、弾性表面波素子片の周波数温度特性は、ＩＤＴを構成しているす
だれ状電極の膜厚、すだれ状電極の電極指の形成ピッチなども微妙に影響する。そこで、
発明者は、詳細を後述するＩＤＴの実効膜厚を変化させるとともに、水晶のカット角を種
々変えた場合における弾性表面波素子片の周波数温度特性を詳細に検討し、ＳＴカット水
晶板より優れた特性を示す水晶のカット角の領域を見出した。

本発明に係る弾性表面波素子片は、上記の知見に基づくものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
第１の形態は、水晶基板に設けたすだれ状電極が前記水晶基板に生成した弾性表面波の波長をλとしたときに、前記すだれ状電極の実効膜厚Ｔが以下の式により定義される弾性表面波素子片であって、
Ｔ＝Ｈ×η÷０．５
η＝Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）
但し、Ｈ：電極指の膜厚、η：ライン占有率、Ｌ：電極指の幅、Ｓ：電極指の間隔
前記実効膜厚Ｔは、４．８％λ以上且つ１４．５８％λ以下であり、前記すだれ状電極は、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金からなり、前記水晶基板のカット角がオイラー角表示で（０°〜±５°，θ，ψ）とした場合に、θとψとは、
（１）１００°≦θ≦１４０°、 ５°≦ψ≦２６°或は−２６°≦ψ≦−５°
（２） ３０°≦θ≦９５°、 ０°≦ψ≦２６°或は−２６°≦ψ≦０°
の組合せのいずれかである、ことを特徴とする弾性表面波素子片。
第２の形態は、第１の形態において、前記θは４０°〜５０°であり、前記ψは０°〜±１０°であることを特徴とする弾性表面波素子片。
第３の形態は、第１又は２の形態において、前記ライン占有率ηは、０．６５よりも大きいことを特徴とする弾性表面波素子片。
第４の形態は、第１乃至３の何れかの一形態に記載の弾性表面波素子片を備えていることを特徴とする弾性表面波デバイス。
適用例１の弾性表面波素子片は、水晶基板に設けたすだれ状電極が前記水晶基板に生成した弾性表面波の波長をλとしたときに、前記すだれ状電極の実効膜厚が４．８％λ以上であって、前記水晶基板のカット角がオイラー角表示で（０°〜±５°，θ，ψ）とした場合に、θとψとは、
（１）１３５°＜θ≦１５０°、±４０°≦ψ≦±５５°
（２）１１３°≦θ≦１２５°、±３５°≦ψ＜±４０°
（３）１００°≦θ≦１４０°、 ±５°≦ψ≦±２６°
（４） ８０°≦θ＜１１３°、±２６°≦ψ≦±４５°
（５） ３０°≦θ≦９５°、 ０°≦ψ≦±２６°
（６） ２０°≦θ≦４０°、 ±７０°≦ψ＜±９０°
の組合せのいずれかである、であることを特徴としている。

オイラー角表示でφ＝０°〜±５°であって、上記のようなθとψとの組合せのカット
角からなる水晶基板を用いた弾性表面波素子片は、０℃〜７０℃の温度範囲における周波
数の変動量を４０ｐｐｍより小さくすることができる。したがって、ＳＴカット水晶板を
用いた弾性表面波素子片より高精度の弾性表面波素子片を得ることができる。

適用例２の弾性表面波素子片は、適用例１において、前記θは４０°〜５０°、前記ψは０°〜±１０°とすることが望ましい。このようなカット角の水晶板（水晶基板）からなる弾性表面波素子片は、０℃〜７０℃の温度範囲における周波数変動量をさらに小さくすることができ、きわめて高精度な弾性表面波素子片が得られる。適用例３の弾性表面波素子片は、適用例１又は２において、前記すだれ状電極は、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金を用いて形成することができる。アルミニウムまたはアルミニウム合金は、加工がしやすいため、弾性表面波素子片の製造を容易にする。

適用例４の弾性表面波デバイスは、適用例１乃至３の何れかの一例に記載の弾性表面波素子片を備えていることを特徴としている。これにより、高精度な弾性表面波デバイスを得ることができる。

本発明に係る弾性表面波素子片および弾性表面波デバイスの好ましい実施形態を、添付
図面に従って詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る弾性表面波素子片を模式的に示した平面図であり、図
２は図１のＡ−Ａ線に沿った一部断面図である。これらの図において、弾性表面波素子片
１０は、圧電基板である矩形状の水晶基板１２からなり、水晶基板１２の表面中央部にＩ
ＤＴ１４が形成してある。また、弾性表面波素子片１０は、一対の反射器１６が設けてあ
る。一対の反射器１６は、ＩＤＴ１４によって水晶基板１２に励振される弾性表面波の伝
播方向に沿って設けられ、ＩＤＴ１４を挟んで配置してある。

弾性表面波素子片１０のＩＤＴ１４は、一対の櫛形電極２２（２２ａ、２２ｂ）からな
る。各櫛型電極２２は、それぞれの一端をバスバー２４（２４ａ、２４ｂ）に接続した複
数の電極指２６ａ、２６ｂを備えている。そして、ＩＤＴ１４は、電極指２６によってす
だれ状に形成してある。すなわち、ＩＤＴ１４は、各櫛型電極２２の櫛歯に相当する電極
指２６が噛み合うように交互に、かつ平行に等間隔で配置してある。そして、ＩＤＴ１４
は、櫛型電極２２ａと櫛型電極２２ｂとの間に信号電圧が印加されて水晶基板１２を励振
し、水晶基板１２に所定周波数の弾性表面波を生成する。この弾性表面波は、電極指２６
に直行した方向に伝播する。

各反射器１６は、両端が相互に連結され、電極指２６と平行に形成した複数の導体スト
リップ２８からなり、格子状をなしている。これらの一対の反射器１６とＩＤＴ１４とは
、実施形態の場合、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とした合金の薄膜から形成
してある。すなわち、ＩＤＴ１４と反射器１６とは、水晶ウエハの表面に蒸着やスパッタ
リングなどによって成膜されたアルミニウムまたはアルミニウム合金の薄膜を、所定の形
状にフォトエッチングすることにより形成される。そして、ＩＤＴ１４は、図示しな接続
パッドに電気的に接続してある。

各櫛型電極２２ａ、２２ｂのそれぞれの電極指２６ａ、２６ｂは、図２に一部断面図と
して示したように、形成間隔（ピッチ）がｐとなっている。そして、ＩＤＴ１４を形成し
ているすだれ状電極（電極指２６）の実効電極膜厚は、実施形態の場合、ＩＤＴ１４の生
成した弾性表面波の波長をλとしたときに、４．８％λ以上にしてある。ここに、実効膜
厚Ｔは、図２に示したように、電極指２６の膜厚をＨ、ライン占有率をηとしたときに、

と定義される。

なお、電極膜厚Ｈは、弾性表面波の波長λで規格化してあり、波長λに対する％として
表される。また、ライン占有率ηは、電極指２６の幅をＬ、隣接する電極指２６、２６の
間隔（スペース）をＳとした場合、

と表される。

発明者は、実効膜厚Ｔが４．８％λ、７．２％λ、９．６％λ、１４％λのＩＤＴ１４
を形成するとともに、水晶基板１２のカット角を種々変化させて、ＳＴカットより周波数
温度特性の優れているカット角が存在するか否かを、有限要素法（ＦＥＭ）を用いて詳細
に検討した。すなわち、０℃〜７０℃の温度範囲で周波数変動量（変動幅）が４０ｐｐｍ
より小さくなるカット角が存在するか否かを検討した。カット角の検討に際しては、オイ
ラー角を（φ，θ，ψ）とした場合に、φ＝０°に固定し、θを０°〜１８０°まで所定
の角度間隔（実施形態においては２°間隔）で変化させるとともに、角θの変化させた値
ごとにψを所定の角度間隔（実施形態においては２°間隔）で０°〜１８０°まで変化さ
せた。ただし、オイラー角φは、発明者の研究によると、０°±５°の範囲であれば、周
波数変動量が４０ｐｐｍより小さくなるカット角θ、ψの範囲にほとんど影響を与えない
。

図３は、本発明におけるカット角を説明する図である。図３の座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚは、そ
れぞれ水晶結晶の結晶軸を表しており、Ｘ軸が水晶結晶の電気軸、Ｙ軸が水晶結晶の機械
軸、Ｚ軸が水晶結晶の光軸を示す。そして、符号３０がＺ軸に直交したＸＹ平面に平行な
水晶Ｚ板であって、カット角がオイラー角表示で（０°，０°，０°）である。オイラー
角θは、水晶Ｚ板３０を図３のＸ軸まわりに反時計方向に回転させた角度である。このと
きの新たな座標軸をＸ軸、Ｙ´軸、Ｚ´軸とする。また、オイラー角ψは、ＸＹ´面に平
行な水晶板３２をＺ´軸まわりに、すなわちＸＹ´面内で回転させた角度である。

このように、ＸＹ´面内で回転（面内回転）させた水晶板から形成した実施形態の弾性
表面波素子片１０は、水晶基板１２の２辺がＸ´軸とＹ´´軸とに平行であって、弾性表
面波がＸ´軸に沿って伝播する。なお、図３においては、面内回転角ψが時計方向に回転
させた場合を示しているが、水晶結晶の対称性から、反時計方向に回転させてもよい。

図４は、ＩＤＴ１４の実効膜厚Ｔを４．８％λ、７．２％λ、９．６％λ、１４％λと
した弾性表面波素子片１０において、０℃〜７０℃の温度範囲における、周波数変動量（
変動幅）が４０ｐｐｍより小さくなるカット角を精査した結果を示したものである。前記
したように、オイラー角φは０°に固定してθとψとを０°〜１８０°変化させている。
図４の横軸はオイラー角ψを度で示し、縦軸がオイラー角θを度で示している。そして、
図４の四角で囲った領域は、周波数変動量が４０ｐｐｍより小さい新たに見出したカット
角の範囲を示したものである。

領域ａは、水晶基板１２のカット角がオイラー角表示で（０°，１３５°〜１５０°，
±（４０°〜５５°））の範囲である。ただし、θ＝１３５°は含まない。周波数変動量
が４０ｐｐｍより小さいカット角が密のところが黒く塗って示してある。領域ａ内のその
他のところでは、弾性表面波素子片１０の０℃〜７０℃の温度範囲における周波数変動量
を４０ｐｐｍより小さくできるカット角が点在している。

領域ｂは、水晶基板１２のカット角がオイラー角表示で（０°，１１３°〜１２５°，
±（３５°〜４０°））の範囲である。ただし、ψ＝±４０°は含まない。そして、図４
においては、領域ｂに何も記されていないが、周波数変動量を４０ｐｐｍより小さくでき
るカット角が点在している。領域ｃは、水晶基板１２のカット角がオイラー角表示で（０
°，１１０°〜１４０°，±（５°〜２６°））の範囲である。領域ｄは、水晶基板１２
のカット角がオイラー角表示で（０°，８０°〜１１３°，±（２６°〜４５°））の範
囲である。領域ｅは、水晶基板１２のカット角がオイラー角表示で（０°，３０°〜９５
°，０°〜±２６°）の範囲である。領域ｆは、水晶基板１２のカット角がオイラー角表
示で（０°，２０°〜４０°，±（７０°〜９０°））の範囲である。ただし、ψ＝±９
０°は含まない。

このように領域ａ〜領域ｆに示した水晶のカット角は、いずれも０℃〜７０℃の温度範
囲において、周波数の変動量を４０ｐｐｍより小さくすることができる。したがって、こ
れらの領域のカット角を有する水晶基板１２は、ＳＴカット水晶板より優れた周波数温度
特性を有することがわかった。したがって、オイラー角表示においてφ＝０°であって、
θとψとが上記の領域ａ〜領域ｆの範囲内にある水晶板を用いた弾性表面波素子片１０は
、非常に高精度な弾性表面波素子片とすることができ、高精度な弾性表面波デバイスを得
ることができる。

ところで、一般に弾性表面波（ＳＡＷ）共振子は、共振周波数がストップバンド（ＳＡ
Ｗが高い反射係数で反射される周波数帯域）内となるように構成するが、本発明において
は、共振周波数がストップバンド内であって、かつストップバンド中心よりも高域側（以
下、単にストップバンド高域側という）となるようにＳＡＷ共振子を構成することで、さ
らに周波数温度特性を良好にすることができる。そして、例えば、特開平１１−２１４９
５８号公報公報に開示されている反射反転型弾性表面波変換器を用いてＳＡＷ共振子を構
成すれば、ストップバンド高域側でＳＡＷを強く励振することができ、共振周波数がスト
ップバンド高域側であるＳＡＷ共振子を実現することができる。また、複数の共振周波数
を用いた多重モードＳＡＷフィルタを構成する場合、通過帯域を形成する２つの共振モー
ドのいずれもがストップバンド高域側に共振周波数を有するようにすることが望ましい。

図５は、本発明の実施形態に係る弾性表面波デバイスの一例である弾性表面波共振子の
模式的に示した断面図である。図５において、共振子４０は、弾性表面波素子片１０がパ
ッケージ４２に収容してある。パッケージ４２は、例えばセラミックのグリーンシートを
積層して焼成した箱型のパッケージ本体４４と、パッケージ本体４４の上部開口を気密に
封止した蓋体４６からなっている。蓋体４６は、金属板やガラス板、セラミック板などか
らなっており、シーム溶接などによってパッケージ本体４４の上端面に接合してある。

弾性表面波素子片１０は、パッケージ本体４４が形成する収容空間４８に収容され、接
着剤５０などを介してパッケージ本体４４の底面に固着してある。パッケージ本体４４の
底面には、実装端子５２が設けてある。この実装端子５２には、金やアルミニウムなどの
ボンディングワイヤ５４を介して、弾性表面波素子片１０のＩＤＴ１４を構成している一
対の櫛型電極２２のそれぞれが電気的に接続される。また、実装端子５２は、図示しない
スルーホールなどを介して、パッケージ本体４４の下面に設けた外部端子５６に電気的に
接続してある。外部端子５６は、電子機器のマザーボードに設けた配線パターンのランド
などに接合される。

ところで、図４に示した領域ｅに含まれる領域ｇは、図４からでは優れた周波数温度特
性を示すカット角が存在しているように見えない。しかし、発明者が詳細に検討したとこ
ろ、きわめて周波数温度特性の優れたカット角が存在することがわかった。図６は、領域
ｇに含まれる一例のカット角の水晶基板を用いて形成したときの、弾性表面波素子片１０
の周波数温度特性を計算によって求めたものである。

図６の横軸は、℃で示した温度、縦軸が２５℃における周波数を基準にした周波数変動
量であって、周波数変動量をｐｐｍで示した。また、周波数温度特性を求めるために使用
した水晶基板のカット角は、オイラー角表示で（０°，４２．８５°，０．５４°）であ
る。そして，ＩＤＴ１４の電極をアルミニウムによって形成した。電極の膜厚Ｈは９．６
３％λ、ＩＤＴ１４のライン占有率ηは０．７５７である。したがって、ＩＤＴ１４の実
効膜厚Ｔは、約１４．５８％λである。

図６に示されているように、オイラー角表示で（０°，４２．８５°，０．５４°）の
カット角を有する水晶基板からなる弾性表面波素子片１０は、０℃〜７０℃の温度範囲に
おいて温度変化に対する周波数変動が４次曲線を示す。そして、２５℃における周波数を
基準とした場合に、マイナス側に最大で約０．０２ｐｐｍ、プラス側に最大で約０．０１
ｐｐｍの周波数変動量を示した。すなわち、図４の領域ｇには、０℃〜７０℃の温度範囲
において、周波数変動量（変動幅）が約０．０３ｐｐｍというきわめて周波数温度特性の
優れたカット角が存在していることが明らかになった。

なお、図４の領域ａ〜ｇ内で優れた周波数温度特性を有するカット角として具体的に図
示していない部分においても、実効膜厚が４．８％λ以上の条件下において、電極膜厚Ｈ
とライン占有率ηとを適宜に設定することにより、従来よりも優れた周波数温度特性が得
られる。その際、ライン占有率ηを０．６５よりも大きくする方が周波数温度特性が良好
である。

なお、前記実施形態は、本発明の一態様であって、上記実施形態に限定されるものでは
ない。例えば、前記実施形態においては、ＩＤＴ１４をアルミニウムまたはアルミニウム
合金で形成した場合について説明したが、ＩＤＴ１４はタングステンや銅、金、銀などの
導電性の金属、またはこれらの金属を主成分とする合金によって形成してもよい。また、
前記実施形態においては、共振型の弾性表面波素子片１０について説明したが、トランス
バーサル型の弾性表面波素子片であってもよいし、複数のＩＤＴを有していてもよい。

実施の形態に係る弾性表面波素子片を模式的に示した平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った一部断面図である。 水晶のカット角を説明する図である。 ＳＴカット水晶板より優れた周波数温度特性が得られる水晶のカット角の範囲を示す図である。 実施の形態に係る弾性表面波デバイスの模式的に示した断面図である。 図４の領域ｇに含まれる一例のカット角の水晶基板からなる弾性表面波素子片の周波数温度特性を示す図である。

符号の説明

１０………弾性表面波素子片、１２………水晶基板、１４………すだれ状電極（ＩＤＴ
）、１６………反射器、２２ａ、２２ｂ………櫛型電極、２６ａ、２６ｂ………電極指、
４０………弾性表面波デバイス（共振子）、Ｈ………電極膜厚、Ｌ………電極指の幅、Ｓ
………電極指の間隔。

Claims (4)

1. 水晶基板に設けたすだれ状電極が前記水晶基板に生成した弾性表面波の波長をλとしたときに、前記すだれ状電極の実効膜厚Ｔが以下の式により定義される弾性表面波素子片であって、
   Ｔ＝Ｈ×η÷０．５
   η＝Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）
   但し、Ｈ：電極指の膜厚、η：ライン占有率、Ｌ：電極指の幅、Ｓ：電極指の間隔
   前記実効膜厚Ｔは、４．８％λ以上且つ１４．５８％λ以下であり、
   前記すだれ状電極は、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金からなり、
   前記水晶基板のカット角がオイラー角表示で（０°〜±５°，θ，ψ）とした場合に、θとψとは、
   （１）１００°≦θ≦１４０°、 ５°≦ψ≦２６°或は−２６°≦ψ≦−５°
   （２） ３０°≦θ≦９５°、 ０°≦ψ≦２６°或は−２６°≦ψ≦０°
   の組合せのいずれかである、
   ことを特徴とする弾性表面波素子片。
2. 請求項１に記載の弾性表面波素子片において、
   前記θは４０°〜５０°であり、前記ψは０°〜±１０°であることを特徴とする弾性表面波素子片。
3. 請求項１または２に記載の弾性表面波素子片において、
   前記ライン占有率ηは、０．６５よりも大きいことを特徴とする弾性表面波素子片。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の弾性表面波素子片を備えていることを特徴とする
   弾性表面波デバイス。

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