JPH09331229A - 弾性表面波素子 - Google Patents
弾性表面波素子Info
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- JPH09331229A JPH09331229A JP5323997A JP5323997A JPH09331229A JP H09331229 A JPH09331229 A JP H09331229A JP 5323997 A JP5323997 A JP 5323997A JP 5323997 A JP5323997 A JP 5323997A JP H09331229 A JPH09331229 A JP H09331229A
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Abstract
ム基板において、従来よりも適切なカット面及び弾性表
面波伝搬方向を見出し、これによって高性能の弾性表面
波素子を提供する。 【構成】 ニオブ酸リチウムからなる圧電基板について
は、該圧電基板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を、
オイラー角表示で(φ,θ,ψ)及びこれと実質的に等価
な範囲とするとき、0°≦φ≦86°,73°≦θ≦1
18°,0°≦ψ≦44°に設定する。
Description
はタンタル酸リチウムを圧電材料とする弾性表面波素子
の技術分野に関するものである。
共振器フィルター、信号処理用遅延線等の回路素子とし
て、弾性表面波素子が広く応用されている。弾性表面波
素子は、例えば圧電性を有する基板の表面に簾状の電極
や格子状の反射器を形成し、電気信号と弾性表面波の相
互の変換を行なうものである。
ては、電気機械結合係数が大きいこと、伝搬損失が小さ
いこと等が要求される。
って、ギガヘルツ帯で使用可能な弾性表面波素子へのニ
ーズが高まっている。弾性表面波素子の中心周波数f0
は、弾性表面波の伝搬速度Vと電極指周期L(=波長λ)
との関係で、次式によって表わされる。
するには、より高い伝搬速度(位相速度)Vが得られる圧
電基板を開発する必要がある。これには、ダイヤモンド
の様な硬質の基板材料を用いる方法と、所謂漏洩弾性表
面波を利用する方法とがある。
さ方向にエネルギーを放射しながら表面を伝搬する弾性
波であって、使用する弾性体の表面のカット面や弾性表
面波伝搬方向を適切に選択することによって、伝搬損失
を小さくし、更に、レイリー(Rayleigh)波よりも高い
伝搬速度を実現することが可能である。
波素子としては、水晶LSTカット、ニオブ酸リチウム
(LiNbO3)の41°Y−Xカット、64°Y−Xカッ
ト、及びタンタル酸リチウム(LiTaO3)の36°Y−
Xカットが知られている(清水康敬「弾性表面波材料の
伝搬物性と利用の現状」電子情報通信学会論文誌A Vo
l.J76-A,2,pp129-137,1993)。
いては、速い横波の位相速度を超える漏洩弾性表面波が
報告されている(佐藤隆裕、阿部秀典「四硼酸リチウム
基板を伝搬する縦波型リーキー波」学術振150委員会第3
9回研究会資料(6.6.23))。この漏洩弾性表面波の位相速
度は、縦波の位相速度に近いので縦波型リーキー波と呼
ばれている。
チウム基板を伝搬する漏洩弾性表面波については既に報
告されている(清水康敬、村上享司「LiNbO3基板漏洩
弾性表面波の特性と新カット」Vol.J69-C,10,pp1309-13
18,1986)。
ル酸リチウム基板およびニオブ酸リチウム基板で得られ
る位相速度が精々約4400m/sであったものが、約
7000m/sを越える位相速度が得られるような従来
よりも良好なカット面及び弾性表面波伝搬方向を本願発
明者等は見出し、従来よりも高性能な弾性表面波素子を
提案している(第15回超音波エレクトロニクスの基礎
と応用に関するシンポジウムp.185(平成6年11
月29日))。
ニオブ酸リチウム基板及びタンタル酸リチウム基板にお
ける漏洩弾性表面波の伝搬特性を、カット面及び弾性表
面波伝搬方向を種々に変えることによって理論的に研究
した結果によるもので、2つのタイプの漏洩弾性表面
波、つまり遅い横波と速い横波との間の位相速度を持つ
第1漏洩表面波(First Leaky Wave)と、速い横波を越
える位相速度を持つ第2漏洩表面波(Second Leaky Wav
e)を見出したものである。
すでに発明者等が提案しているこれら漏洩表面波のうち
本願発明との特性面での比較が可能な第2漏洩表面波に
ついて簡単に説明すると、まず第1には、タンタル酸リ
チウムからなる圧電基板上に電極を形成した弾性表面波
素子であって、該圧電基板のカット面及び弾性表面波伝
搬方向を、右手系のオイラー角表示で(φ,θ,ψ)及び
これと実質的に等価な範囲とするとき、φを90°、θ
を90°、ψを0°〜180°の範囲としたものであ
る。
なる圧電基板上に電極を形成したものにあっては、該圧
電基板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を、オイラー
角表示で(φ,θ,ψ)及びこれと実質的に等価な範囲と
するとき、φを90°、θを90°、ψを0°〜180
°の範囲に設定したものである。
面波伝搬方向を特定するためのオイラー角(φ,θ,ψ)
については、図9で示す如く結晶軸をX、Y、Zとする
とき、Z軸を中心としてX軸をY軸側へ角度φだけ回転
させて、これをA1軸とし、次にA1軸を中心としてZ
軸を反時計回りに角度θだけ回転させ、これをA2軸と
する。このA2軸を法線としてA1軸を含む面方位でカ
ットし、基板とする。そして、該面方位にカットした基
板において、A2軸を中心としてA1軸を反時計回りに
角度ψだけ回転させた軸をA3軸とし、このA3軸を弾
性表面波伝搬方向とする。斯る関係をカット面及び弾性
表面波伝搬方向をオイラー角(φ,θ,ψ)と表示してい
る。
酸リチウム基板の(90°,90°,ψ)カットにおい
て、表面が電気的開放及び電気的短絡の各場合における
第2漏洩表面波の伝搬特性を角度ψの関数として表わし
たもので、図10に示す様に、第2漏洩表面波の位相速
度は、表面が開放、短絡の何れの場合にも約6000m
/sと、レイリー波の約2倍の高い位相速度を有し、縦
波(Longitudinal)の位相速度に非常に近くなってい
る。
及び1波長当たりの伝搬損失を表わしている。図示の如
く、ψが31°にて、電気機械結合係数K2は最大値2.
14%となっている。又、表面が電気的開放の場合にお
ける伝搬損失は、電気的短絡の場合における伝搬損失よ
りも非常に小さい。そして、表面が開放及び短絡の両場
合において、伝搬損失は、ψが164°にて略零となっ
ている。
基板の(90°,90°,ψ)カットにおいて、表面が電
気的開放及び電気的短絡の各場合における第2漏洩表面
波の伝搬特性を角度ψの関数として表わしたものが図1
2及び図13である。
速度は約7000m/sと、極めて高速であり、レイリ
ー波の位相速度の約2倍となり、又その一方で第2漏洩
弾性表面波の位相速度は、電気的開放の場合と電気的短
絡の場合で異なる変化を示しており、ψが37°では約
500m/sの違いがあり、この結果、大きな機械電気
結合係数が得られる。
述する本願発明においても、弾性表面波素子の特性評価
方法としては、従来から知られている一般的な解法(例
えば、J.J.Campbell, W.R.Jones,”A Method for Estim
ating Optimal Crystal Cutsand Propagation Directio
ns for Excitation of Piezoelectric Surface Wave
s”, IEEE transaction on Sonics and Ultrasonics, v
ol.SU-15, No.4, pp209-217,(1968)参照)を採用し、コ
ンピュータシミュレーションによって、位相速度、 電
気機械結合係数及び伝搬損失を算出した。
ット面及び弾性表面波伝搬方向については、実際に弾性
表面波素子を試作して、その特性を実測したところ、シ
ミュレーション結果と符合する測定値が得られた。これ
によって、コンピュータシミュレーションの妥当性が裏
付けられる。
は、これら第2弾性表面波には、更に高い位相速度であ
って、且つ伝搬損失の少なく、然も大きな電気機械結合
係数が得られる最適なカット面及び弾性表面波伝搬方向
が存在する可能性があるものと、鋭意研究の結果、これ
を発明したものである。
びタンタル酸リチウム基板において、これまでよりもよ
り適切なカット面及び弾性表面波伝搬方向を見出し、こ
れによって高性能の弾性表面波素子を提供することであ
る。
性表面波素子は、ニオブ酸リチウムからなる圧電基板上
に電極を形成したものであって、該圧電基板のカット面
及び弾性表面波伝搬方向を、右手系のオイラー角表示で
(φ,θ,ψ)及びこれと実質的に等価な範囲とすると
き、0°≦φ≦86°,73°≦θ≦118°,0°≦
ψ≦44°に設定し、更には95°≦φ≦180°,7
3°≦θ≦118°,0°≦ψ≦44°に設定する。
3°,83°≦θ≦105°,0°≦ψ≦38°に設定
し、具体的には、98°≦φ180°,83°≦θ≦1
05°,0°≦ψ≦38°に設定する。
ンタル酸リチウムからなる圧電基板上に電極を形成した
ものであって、該圧電基板のカット面及び弾性表面波伝
搬方向を、オイラー角表示で(φ,θ,ψ)及びこれと実
質的に等価な範囲とするとき、0°≦φ≦87°,80
°≦θ≦120°,0°≦ψ≦44°に設定したことを
特徴とする。
及び弾性表面波伝搬方向を、91°≦φ≦180°,8
0°≦θ≦129°,0°≦ψ≦44°に設定する。
85°,87°≦θ≦114°,0°≦ψ≦36°とし
たことであり、より具体的には、93°≦φ≦180
°,87°≦θ≦114°,0°≦ψ≦36°に設定し
たことにある。
き、図面に沿って詳述する。
性表面波図1は及び図2は、LiNbO3基板(φ,
θ,37°)カットにおいて、φが82°及び90°夫
々の場合において、θを変化させたときの第2漏洩弾性
表面波の伝搬特性である。
結合係数K2を、図2は、θに対する伝搬損失を示して
いる。
90°から82°へと変化させると、伝搬特性は連続的
に変化し推移するものの、更にφが82°を下回ると第
2漏洩弾性表面波は存在しなくなる。これは、本願発明
が利用せんとする第2漏洩弾性表面波とは異なったモー
ドに変化するためであり、コンピュータシミュレーショ
ン上では、解が存在しないとして現れる。
にあっては、φが82°とした場合、θの広い範囲でも
っとも伝搬損失を低減させることが可能であり、とりわ
けθが92°付近にあっては最も伝搬損失が小さくなる
ことが分かる。
以下の条件を満たすものとしては、θは、73°以上1
18°以下とすることが好ましいことが分かる。更に、
好適なものとしては、0.02dB/λ以下の条件とす
る場合としては、θは、83°以上105°以下とする
ことが好ましいことが分かる。
を37°として、即ちLiNbO3基板(φ,92°,
37°)カットにおいて、φを変化させた場合の伝搬損
失特性を示したのが図3である。同図によれば、φを7
0°から110°まで変化させると、約80°以下と約
100°以上においては損失はないものの、約80°以
上約100°以下ではφが91°で最大値となるような
伝搬損失を示すことが分かる。
5dB/λ以下の条件を満たすものとしては、φは、8
6°以下または96°以上とすることが好ましいことが
分かる。更に、好適なものとしては、0.02dB/λ
以下の条件とする場合としては、φは、83°以下また
は98°以上とすることが好ましいことが分かる。
基板(82°,92°,ψ)カットにおいて、ψを変化
させた場合の伝搬損失特性を示したのが図4である。同
図によれば、伝搬損失はψを30°から60°まで変化
させるにつれて、ψが約35°となる近傍から単調に増
加することが分かる。
5dB/λ以下となる条件を満たすものとしては、ψ
は、44°以下とすることが好ましいく、更に、好適な
伝搬損失が0.02dB/λ以下となる場合としては、
ψは、38°以下とすることが好ましい。 <タンタル酸リチウム基板における第2漏洩弾性表面波
>図5は、LiTaO3基板(85°,θ,31°)カ
ットにおいて、θを変化させた場合の伝搬損失特性を示
したものである。同図によれば、伝搬損失は、θが60
°から90°近辺にまで増加するにつれて漸次減少し、
90°以上110°以下では伝搬損失がゼロを示してい
る。そして、110°以上では損失の増加傾向を示して
いる。同図にはφをパラメータとして変化させた場合の
伝搬損失の変化を示しており、ニオブ酸リチウムと同様
に連続的に変化していることが分かる。
05dB/λ以下となる条件としては、θが80°以上
120°以下とするのが好ましく、より好ましい0.0
02dB/λ以下のなる条件としては、θが87°以上
114°以下の範囲に設定することが好ましい。
ψを31°として、即ちLiTaO3基板(φ,91
°,31°)カットにおいて、φを80°から100°
まで変化させたものが図6である。同図によれば、φが
約83°以上約95°以下の範囲では、約89°で最大
となる伝搬損失特性を呈することが分かる。
/λ以下の条件を満たすには、φは、87°以下または
91°以上とすることが好ましいことが分かる。更に、
好適な0.002dB/λ以下の条件とする場合として
は、φは、85°以下または93°以上とすることが好
ましい。
(85°,91°,ψ)カットにおいて、ψを20°か
ら60°まで変化させた場合の伝搬損失特性を示したの
が図7である。同図は、伝搬損失がψが約30°近傍か
ら単調に増加することを示しており、伝搬損失が0.0
05dB/λ以下となる条件を満たすものとしては、ψ
は、44°以下とすることが好ましく、更に、好適な伝
搬損失が0.002dB/λ以下となる場合としては、
ψは、36°以下とすることが好ましい。
た第2漏洩表面波とを比較したのが表1である。同表に
は、本願発明のLiNbO3の伝搬特性の代表値とし
て、(82°,92°,37°)カットにおける特性
と、すでに提案した(90°,90°,37°)カット
の特性を示している。これに示すように、位相速度及び
電気機械結合係数の値は、殆ど同程度であるものの、伝
搬損失は本願発明では20分の1と小さくなっている。
また同表には、TCD(遅延特性の温度特性)及びPF
A(パワーフロー角)についても併せて示しているが、
いずれも本願発明は同程度の値であり、他の特性を劣化
させることなく、伝搬損失を低減することができている
ことが分かる。
PFAについてのθとの関係を示したものであり、TC
Dに関しては、θが85°近傍で、極小値(約68ppm
/℃)を持ち、PFAにあっては、θが60°から75
°近傍まで、ほぼゼロの値を保ち、約75°以上では、
ゆるやかに増加傾向を示す。
ータシミュレーションによるものであるが、本実施例で
採用した前述の特性評価手法に、例えば弾性表面波素子
のモデル化に伴う多少の誤差があったとしても、その誤
差は図1乃至図8のグラフの横軸方向には殆ど発生しな
いと考えられる。然も、本発明に係る第2漏洩表面波と
従来のレイリー波とを比較する上では、両者に同じ大き
さの誤差が含まれるから、上述の比較結果に影響はない
と言える。
ム基板及びタンタル酸リチウム基板における第2漏洩表
面波を理論的に研究した結果、これらの基板について夫
々、最適なカット面及び弾性表面波伝搬方向を見出し、
これによって、伝搬損失が小さく且つ高い周波数帯域に
対応可能な弾性表面波素子を完成した。
子に於いては、ニオブ酸リチウム基板のカット面及び弾
性表面波伝搬方向を、オイラー角表示で(φ,θ,ψ)及
びこれと実質的に等価な範囲とするとき、0°≦φ≦8
6°,73°≦θ≦118°,0°≦ψ≦44°に設定
することにより、又95°≦φ≦180°,73°≦θ
≦118°,0°≦ψ≦44°に設定することにより、
従来と比べ、位相速度や電気機械結合係数を劣化させる
ことなく、伝搬損失を0.05dB/λ以下とすること
ができ、さらに0°≦φ≦83°,83°≦θ≦105
°,0°≦ψ≦38°に設定することにより、又98°
≦φ≦180°,83°≦θ≦105°,0°≦ψ≦3
8°に設定することにより、従来と比べ、位相速度や電
気機械結合係数を劣化させることなく、伝搬損失を0.
02dB/λ以下とすることができる。
ンタル酸リチウム基板のカット面及び弾性表面波伝搬方
向を、オイラー角表示で(φ,θ,ψ)及びこれと実質的
に等価な範囲とするとき、0°≦φ≦87°,80°≦
θ≦120°,0°≦ψ≦44°に設定することによ
り、又91°≦φ≦180°,80°≦θ≦120°,
0°≦ψ≦44°に設定することにより、従来と比べ、
位相速度や電気機械結合係数を劣化させることなく、伝
搬損失を0.005dB/λ以下とすることができ、さ
らに0°≦φ≦85°,87°≦θ≦114°,0°≦
ψ≦36°に設定することにより、又93°≦φ≦18
0°,87°≦θ≦114°,0°≦ψ≦36°に設定
することにより、従来と比べ、位相速度や電気機械結合
係数を劣化させることなく、伝搬損失を0.002dB
/λ以下とすることができる。
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。
及びタンタル酸リチウム基板においてカット面及び弾性
表面波伝搬方向が適切に設定されて、高い位相速度と大
きな電気機械結合係数を保持したままで、伝搬損失を十
分に低減させることができる。
板を有する弾性表面波素子の位相速度及び電気機械結合
係数についての特性を表わす特性図である。
板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のθ依存性を示す
特性図である。
ム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のφ依存性を
示す特性図である。
ム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のψ依存性を
示す特性図である。
ウム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のθ依存性
を示す特性図である。
ウム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のφ依存性
を示す特性図である。
ウム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のψ依存性
を示す特性図である。
性図である。
リチウム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のψ依
存性を示す特性図である。
ての特性を表す特性図である。
チウム基板を有する弾性表面波素子の伝搬損失のψ依存
性を示す特性図である。
ての特性を示す特性図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 ニオブ酸リチウムからなる圧電基板上
に、弾性表面波を伝搬させるための電極を形成した弾性
表面波素子に於いて、該圧電基板のカット面及び弾性表
面波伝搬方向を、オイラー角表示で(φ,θ,ψ)及びこ
れと実質的に等価な範囲とするとき、これらφ、θ及び
ψを夫々、 0°≦φ≦86° 73°≦θ≦118° 0°≦ψ≦44° の範囲に設定したことを特徴とする弾性表面波素子。 - 【請求項2】 前記圧電基板のカット面及び弾性表面波
伝搬方向を、 95°≦φ≦180° 73°≦θ≦118° 0°≦ψ≦44° の範囲に設定したことを特徴とする請求項1に記載の弾
性表面波素子。 - 【請求項3】 ニオブ酸リチウムからなる圧電基板上
に、弾性表面波を伝搬させるための電極を形成した弾性
表面波素子に於いて、該圧電基板のカット面及び弾性表
面波伝搬方向を、オイラー角表示で(φ,θ,ψ)及びこ
れと実質的に等価な範囲とするとき、これらφ、θ及び
ψを夫々、 0°≦φ≦83° 83°≦θ≦105° 0°≦ψ≦38° の範囲に設定したことを特徴とする弾性表面波素子。 - 【請求項4】 前記圧電基板のカット面及び弾性表面波
伝搬方向を、 98°≦φ≦180° 83°≦θ≦105° 0°≦ψ≦38° の範囲に設定したことを特徴とする請求項3に記載の弾
性表面波素子。 - 【請求項5】 タンタル酸リチウムからなる圧電基板上
に、弾性表面波を伝搬させるための電極を形成した弾性
表面波素子に於いて、該圧電基板のカット面及び弾性表
面波伝搬方向を、オイラー角表示で(φ,θ,ψ)及びこ
れと実質的に等価な範囲とするとき、これらφ、θ及び
ψを夫々、 0°≦φ≦87° 80°≦θ≦120° 0°≦ψ≦44° の範囲に設定したことを特徴とする弾性表面波素子。 - 【請求項6】 前記圧電基板のカット面及び弾性表面波
伝搬方向を、 91°≦φ≦180° 80°≦θ≦120° 0°≦ψ≦44° の範囲に設定したことを特徴とする請求項5に記載の弾
性表面波素子。 - 【請求項7】 タンタル酸リチウムからなる圧電基板上
に、弾性表面波を伝搬させるための電極を形成した弾性
表面波素子に於いて、該圧電基板のカット面及び弾性表
面波伝搬方向を、オイラー角表示で(φ,θ,ψ)及びこ
れと実質的に等価な範囲とするとき、これらφ、θ及び
ψを夫々、 0°≦φ≦85° 87°≦θ≦114° 0°≦ψ≦36° の範囲に設定したことを特徴とする弾性表面波素子。 - 【請求項8】 前記圧電基板のカット面及び弾性表面波
伝搬方向を、 93°≦φ≦180° 87°≦θ≦114° 0°≦ψ≦36° の範囲に設定したことを特徴とする請求項7に記載の弾
性表面波素子。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5323997A JPH09331229A (ja) | 1996-03-08 | 1997-03-07 | 弾性表面波素子 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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JP5180896 | 1996-03-08 | ||
JP5323997A JPH09331229A (ja) | 1996-03-08 | 1997-03-07 | 弾性表面波素子 |
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---|---|---|---|
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09331229A true JPH09331229A (ja) | 1997-12-22 |
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Family Applications (1)
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JP5323997A Pending JPH09331229A (ja) | 1996-03-08 | 1997-03-07 | 弾性表面波素子 |
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---|---|
JP (1) | JPH09331229A (ja) |
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