JPWO2007004661A1 - 弾性表面波デバイス - Google Patents

Abstract

課題ＳＨ波型表面波を用いたＳＡＷデバイスのＱ値を改善する手段を得る。解決手段カット角θをＺ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°とした回転Ｙカット水晶基板の結晶軸Ｘの垂直方向（Ｚ’軸方向）沿って、少なくとも１つのＩＤＴ電極を配置すると共に、その両側にグレーティング反射器を配設し、該電極の膜厚Ｈを前記ＩＤＴ電極の電極周期λで基準化して０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、前記ＩＤＴ電極の交差幅をＷとした弾性表面波デバイスにおいて、前記ＩＤＴ電極の電極周期λで基準化した基準化交差幅Ｗ／λを２０≦Ｗ／λ≦５０として弾性表面波デバイスを構成する。

Description

本発明は、弾性表面波デバイス（ＳＡＷデバイス）に関し、特に弾性表面波デバイスのＱ値改善に関する。

近年、弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：以下、ＳＡＷ）デバイスは通信分野で広く利用され、高性能、小型、量産性等の優れた特徴を有することから、特に携帯電話、ＬＡＮ等に多く用いられている。ＳＴカット水晶基板（結晶軸Ｘを回転軸としてＸＺ面（Ｙ面）を結晶軸Ｚより反時計方向に４２．７５°回転した水晶基板）上をＸ軸方向に伝搬するレイリー波（（Ｐ＋ＳＶ）波）を用いて構成するＳＡＷデバイスが広く用いられてきた。ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスの１次温度係数は零であるものの、２次温度係数は約−０．０３４（ｐｐｍ／℃２）と比較的大きいので、広温度範囲の使用では周波数変動量が大きくなるという問題があった。
この問題を解決するものとして、Ｍｅｉｒｉｏｎ Ｌｅｗｉｓ，”Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｋｉｍｍｉｎｇ Ｂｕｌｋ Ｗａｖｅ，ＳＳＢＷ”，ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．，ｐｐ．７４４〜７５２（１９７７）や、特公昭６２−０１６０５０号公報等に開示されたＳＡＷデバイスがある。このＳＡＷデバイスは、図３（ａ）に示すように回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶軸Ｚより反時計方向に−５０°回転（回転後の基板の軸をそれぞれＸ、Ｙ’、Ｚ’軸とする）し、Ｘ軸に対して垂直な方向（Ｚ’軸方向）に伝搬するＳＨ波を利用して構成したＳＨ波型ＳＡＷデバイスである。なお、このカット角θをオイラー角で表示すると（０°，θ＋９０°，９０°）＝（０°，４０°，９０°）と表示できる。図３（ｂ）は、回転Ｙカット水晶基板１１の主表面上にＺ’軸に沿ってＩＤＴ電極１２と、その両側にグレーティング反射器１３ａ、１３ｂとを配置して構成したＳＨ波型ＳＡＷ共振子である。このＳＡＷデバイスは、圧電基板の表面直下を伝搬するＳＨ波型表面波をＩＤＴ電極１２によって励起し、その振動エネルギーを電極（１２、１３ａ、１３ｂ）直下に閉じ込めるものである。ＳＨ波型ＳＡＷデバイスの周波数温度特性は３次曲線を呈し、広温度範囲で良好な周波数温度特性が得られる。
しかし、ＳＨ波型表面波は本質的に基板内部を潜って進んでいく波であるため、ＳＴカット水晶板に励起されるレイリー波のように圧電基板表面に沿って伝搬するＳＡＷデバイスと比較して、グレーティング反射器による弾性表面波の反射効率が悪く、小型で高いＱのＳＨ波型ＳＡＷデバイスを実現することが難しいという問題があった。
この問題を解決すべく、特公平０１−０３４４１１号公報では、図４に示すようにカット角θが−５０°である回転Ｙカット水晶基板１１上を、Ｚ’軸方向に伝搬するＳＨ波型表面波を用いたＳＡＷ共振子が開示されている。ＩＤＴ電極１４を８００対±２００対とし、グレーティング反射器を用いることなく、ＩＤＴ電極１４の電極指からの反射だけでＳＨ波型表面波の振動エネルギーを閉じ込め、高Ｑ化を図った所謂多対ＩＤＴ電極型ＳＡＷ共振子である。
しかし、この多対ＩＤＴ電極型ＳＡＷ共振子は、グレーティング反射器を用いたレイリー波型ＳＡＷ共振子と比較してエネルギー閉じ込め効果が小さく、高いＱ値を得るにはＩＤＴ電極対数が８００対±２００対と非常に多くの対数を必要とするので、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりも基板が大きくなり、ひいてはデバイスサイズが大きくなって、最近の小型化の要求に応えることができないという問題があった。
また、特公平０１−０３４４１１号公報に開示されているＳＡＷ共振子では、ＩＤＴ電極によって励振されるＳＨ波型表面波の電極周期（波長）をλとしたとき、電極膜厚を２％λ以上、好ましくは４％λ以下とすることによりＱ値を高めることができると記されている。例えば周波数を２００ＭＨｚとした場合、基準化電極膜厚が４％λ付近でＱ値が飽和し、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子と比較してもほぼ同等のＱ値しか得られてない。この原因として、基準化電極膜厚が２％λ以上、４％λ以下の膜厚ではＳＨ波型表面波が圧電基板表面に十分集まらず十分な反射効率が得られないので、Ｑ値が大きくならないものと考えられる。
本願発明者らは先願の特願２００４−１０８６０８号において上記課題を解決するため、Ｙカット水晶基板の回転角θを結晶軸Ｚより反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲とし、結晶軸Ｘに対し９０°±５°方向に伝搬するＳＨ波型表面波を用い、基準化電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲に設定することにより、高Ｑと良好な２次温度係数とが得られたこと示した。
図５は、図３（ｂ）に示したＳＡＷ共振子の水晶基板１１に−５１°回転Ｙカット９０°Ｘ伝搬水晶基板を用い、共振周波数を３１５ＭＨｚ、ＩＤＴ電極１２の対数を１００対、グレーティング反射器１３ａ、１３ｂの本数を各々１００本とし、基準化電極膜厚Ｈ／λを０．０３から０．１５まで変化させたときのＳＡＷ共振子のＱ値を測定した図である。基準化電極膜厚Ｈ／λを０．０３から大きくするに応じてＱ値も急激に増大し、基準化電極膜厚Ｈ／λが０．０６近辺でＱ値は最大値となり、さらに基準化電極膜厚Ｈ／λを大きくするとＱ値は単調に減少することを示している。つまり、基準化電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲に設定することにより、ＳＴカット水晶共振子のＱ値（＝１５０００）を上回る値が得られることを示した。更に、０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定することにより２００００以上もの高いＱ値が得られることが分かる。
また、図６は、図５と同じ定数を用い、ＳＡＷ共振子の基準化電極膜厚Ｈ／λと２次温度係数との関係を示した図である。基準化電極膜厚Ｈ／λを高いＱ値が得られる０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲に設定することにより、ＳＴカット水晶共振子の２次温度係数−０．０３４（ｐｐｍ／℃２）より良好な２次温度係数が得られることを、図６は示している。
また、特願２００４−１０８６０８号によると、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６１．４°＜θ＜−５１．４°に設定すれば、周波数温度特性の頂点温度を実用的な０〜７０℃の間に設定することができることが開示されている。
特願２００４−１０８６０８号に基づいて、１次−２次縦結合二重モードＳＡＷフィルタ（以下、縦ＤＭＳフィルタと称す）を２段縦続接続したフィルタを試作した。縦ＤＭＳフィルタの構成は、図７の平面図に示すように圧電基板２１の主表面上にＺ’軸方向に沿って２つのＩＤＴ電極２２、２３を近接して配置し、その両側にグレーティング反射器２４ａ、２４ｂを配設して構成し、これを第１の縦ＤＭＳフィルタＦ１とする。なお、ＩＤＴ電極２２、２３はそれぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有する一対の櫛形電極により形成される。第１の縦ＤＭＳフィルタＦ１と同様に、ＩＤＴ電極２２’、２３’、グレーティング反射２４’ａ、２４’ｂからなる第２の縦ＤＭＳフィルタＦ２を同一の圧電基板２１上に形成し、それぞれの縦ＤＭＳフィルタＦ１、Ｆ２の基板２１中央寄りの対向するバスバー同士をリード電極にて接続し、２段縦続接続型縦ＤＭＳフィルタを構成した。
カット角θが−５２°の水晶基板上に図７に示した２段縦続接続型縦ＤＭＳフィルタを構成し、中心周波数を３１５ＭＨｚ、ＩＤＴ電極２２、２３（２２’、２３’）の対数をそれぞれ４５対、グレーティング反射器２４ａ、２４ｂ（２４’ａ、２４’ｂ）の本数をそれぞれ１１０本、基準化電極膜厚Ｈ／λを６％とし、交差幅Ｗを１０λ、２０λ（λは電極周期）とした場合のフィルタを試作し、そのフィルタ特性を測定した。図８は測定した通過域特性で、交差幅Ｗを２０λとした場合が実線で、１０λとした場合が破線である。
しかしながら、上記のように基準化膜厚を適切に設定して高Ｑと良好な２次温度係数とが得られ、カット角θを適切に設定して、周波数温度特性が呈する２次曲線の頂点温度が実用的な温度に設定できるというものの、図８に示した縦続接続型縦ＤＭＳフィルタのように、交差幅Ｗの値によりフィルタの挿入損失が大幅に変動する、つまり縦ＤＭＳフィルタを形成するＳＡＷ共振子のＱ値が交差幅Ｗにより変動するという問題があった。

本発明に係る弾性表面波デバイスは、カット角θをＺ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°とした回転Ｙカット水晶基板の結晶軸Ｘの垂直方向（Ｚ’軸方向）に沿って、少なくとも１つのＩＤＴ電極を配置すると共に、その両側にグレーティング反射器を配設し、該電極の膜厚Ｈを前記ＩＤＴ電極の電極周期λで基準化して０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、前記ＩＤＴ電極の交差幅をＷとした弾性表面波デバイスにおいて、前記ＩＤＴ電極の電極周期λで基準化した基準化交差幅Ｗ／λを２０≦Ｗ／λ≦５０として弾性表面波デバイスを構成したことを特徴とする。
また、前記ＩＤＴ電極及び前記グレーティング反射器はＡｌ、またはＡｌを主成分とする合金から形成されていることを特徴とする。
また、前述の弾性表面波デバイスを発振器やモジュールに用いたことを特徴とする。

本発明に係る弾性表面波デバイスの一例としてのＳＨ波型ＳＡＷ共振子の構造を示した概略平面図。 ＳＨ波型ＳＡＷ共振子の、基準化交差幅Ｗ／λとＱ値との関係を示すグラフ。 （ａ）はＳＨ波型表面波を励起する切断角度、（ｂ）はＳＨ波型ＳＡＷ共振子の電極パターンを示す平面図。 多対ＩＤＴ電極型ＳＡＷ共振子の構成を示す平面図。 ＳＨ波型ＳＡＷ共振子の基準化電極膜厚Ｈ／λとＱ値との関係を示すグラフ。 ＳＨ波型ＳＡＷ共振子の基準化電極膜厚Ｈ／λと二次温度係数との関係を示すグラフ。 ２段縦続接続型縦縦ＤＭＳフィルタの構成を示す平面図。 交差幅を１０λ、２０λとしたときの２段縦続接続型縦縦ＤＭＳフィルタのそれぞれの通過域特性を示すグラフ。

図１は本発明に係る弾性表面波デバイスの一例としてのＳＨ波型ＳＡＷ共振子（以下、ＳＡＷ共振子と称す）の実施の形態を示す平面図であって、圧電基板１の主表面上にＳＨ波型表面波の伝搬方向（Ｚ’軸方向）に沿ってＩＤＴ電極２を配置すると共に、その両側にグレーティング反射器３ａ、３ｂを配設してＳＡＷ共振子を構成する。なお、ＩＤＴ電極２は互いに間挿し合う複数の電極指を有する一対の櫛形電極より形成される。
圧電基板１は回転Ｙカット水晶基板を用い、カット角θを結晶軸Ｚより反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°とし、結晶軸Ｘに対し垂直方向（Ｚ’軸方向）に伝搬するＳＨ波を利用する。ＳＡＷ共振子が呈する周波数温度特性の頂点温度Ｔｐ（℃）を０℃≦Ｔｐ≦＋７０℃の範囲とするには、カット角θを−６１．４°＜θ＜−５１．１°に設定する必要がある。また、電極の材料としてはアルミニウム、あるいはアルミニウムを主とする合金を用い、電極周期λで基準化した基準化電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０に設定することによりＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスよりＱ値が高いＳＡＷデバイスが得られる。
図１に示すようにＩＤＴ電極２の交差幅ＷをＩＤＴ電極２の電極周期λ（励起されるＳＨ波型表面波の波長）で基準化したＷ／λをパラメータとして、ＳＡＷ共振子を試作し、そのＱ値を測定した。カット角θが−５２°の水晶基板上に図１に示したＳＡＷ共振子を構成し、周波数を６２０ＭＨｚ、ＩＤＴ電極２の対数を１００対、グレーティング反射器３ａ、３ｂの本数をそれぞれ１２０本、基準化電極膜厚Ｈ／λを６％、ＩＤＴ電極２やグレーティング反射器３ａ、３ｂのライン占有率ｍｒ（電極指幅／（電極指幅＋電極指間のスペース））を６０％とし、基準化交差幅Ｗ／λをパラメータとした。
図２は横軸に基準化交差幅Ｗ／λ、縦軸をＱ値とし、基準化交差幅Ｗ／λを変化させたときのＳＡＷ共振子のＱ値の変動を示す図である。図２から明らかなように基準化交差幅Ｗ／λが小さいと、ＩＤＴ電極から水晶基板へＳＨ型表面波の振動エネルギーが漏れ、Ｑ値は劣化する。逆に基準化交差幅Ｗ／λが大きいと、高次横モードの主モードへの近接や、ＩＤＴ電極のオーミックロスによりＱ値は劣化する。高いＱ値を得るには、基準化交差幅Ｗ／λを２０≦Ｗ／λ≦５０とすればよいことが判明した。この共振子を縦ＤＭＳフィルタに用いれば、低損失なフィルタ特性を得ことができる。
以上ではＳＨ型ＳＡＷ共振子について基準化交差幅Ｗ／λとＱ値との関係を説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、１次−２次縦モード、１次−３次縦モードを利用した二重モードＳＡＷフィルタ、縦多重モードを利用した縦結合多重モードＳＡＷフィルタ、横多重モードを利用した横結合多重モードＳＡＷフィルタにも適用できることは説明するまでもない。
また、本発明に係るＳＡＷデバイスによれば、電極周期（波長）λで基準化した基準化交差幅Ｗ／λを２０≦Ｗ／λ≦５０の範囲内に設定したので、ＳＡＷデバイスのＱ値が最大になるという利点がある。
また、コストも安価で容易に入手できるＡｌあるいはＡｌを主とする合金を電極に用いることにより、実用性のあるＳＡＷデバイスを構成することができるという利点がある。
また、Ｑ値の高いＳＡＷデバイスを用いてモジュールや発振器を構成するので、例えばフィルタとして用いれば挿入損失の小さな、発振器として用いれば発振周波数の安定な発振器が構成できるという利点がある。
以上説明したように、本発明によれば、音叉型振動片に特定の角度で切り出されたＧａＰＯ４基板を用いることにより、安定した周波数温度特性を備えた音叉型振動片を得ることができ、複雑なモード結合を用いたり、あるいは複数個の振動片を用いたりせずに安定した周波数温度特性を備える小型な音叉型振動片を容易に提供することが可能となる。

Claims (3)

1. カット角θをＺ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°とした回転Ｙカット水晶基板の結晶軸Ｘの垂直方向（Ｚ’軸方向）に沿って、少なくとも１つのＩＤＴ電極を配置すると共に、その両側にグレーティング反射器を配設し、該電極の膜厚Ｈを前記ＩＤＴ電極の電極周期λで基準化して０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、前記ＩＤＴ電極の交差幅をＷとした弾性表面波デバイスにおいて、
   前記ＩＤＴ電極の電極周期λで基準化した基準化交差幅Ｗ／λを２０≦Ｗ／λ≦５０としたことを特徴とする弾性表面波デバイス。
2. 前記ＩＤＴ電極及び前記グレーティング反射器はＡｌ、またはＡｌを主成分とする合金から形成されていることを特徴とした請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
3. 前記弾性表面波デバイスを発振器やモジュールに用いたことを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波デバイス。

Images