JP2006074136A - 弾性表面波素子片および弾性表面波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 弾性表面波素子片の電流二乗特性における定数κを小さくする。
【解決手段】 弾性表面波素子片は、櫛型電極からなるすだれ状のＩＤＴを備えている。ＩＤＴは、各櫛型電極の電極指が交互に、かつ平行に等間隔で配置してある。弾性表面波素子片は、電極指の交差幅ｂ内の領域に含まれる電極指の水晶基板への投影面積Ｓが０．０１４ｍｍ^２≦Ｓ≦０．０１９ｍｍ^２となっている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、弾性表面波素子片にかかり、特に水晶結晶を用いた弾性表面波素子片および弾性表面波装置に関する。

水晶振動子を構成する水晶振動片は、ドライブレベル、すなわち水晶振動片を流れる電流レベルによって発振周波数（共振周波数）が変動することが知られている。この水晶振動片のドライブレベル特性は、共振周波数をｆ、周波数の変動量をｄｆ、水晶振動片を流れる電流をＩとした場合、

として表され、電流二乗特性と呼ばれている。数式１に示された定数κは、水晶のカット角、振動モード、水晶および電極の寸法によって決まる固有定数であるとされている（特許文献１）。そして、ＡＴカット水晶の振動片の場合、κ＝０．２×１０^−６［Ａ^−２］程度であるとされている。
特開平１０−１４５１４０号公報 段落番号０００６

上記数式１に示したように、電流二乗特性は、水晶振動片に流れる電流量が同じであっても、定数κの値によって周波数の変動量が異なってくる。そして、周波数の変動量が大きくなると、位相ノイズに影響し、位相ノイズが大きくなる。このため、定数κの大きな水晶振動片を用いた発振器などを使用すると、電子機器間における同期が取れなかったり、通信ができないなどの不具合を生ずる。したがって、電流二乗特性の定数κを可能な限り小さくすることが求められている。

ところで、近年、電子技術の進展に伴ってＧＨｚ帯の周波数を用いた高速通信が行われている。このような高周波数帯においては、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）を利用した水晶からなる弾性表面波素子片を用いたＳＡＷフィルタやＳＡＷ共振子などの弾性表面波装置が多く用いられる。しかし、弾性表面波素子片は、ＡＴカット水晶振動片より周波数特性が悪く、いかに周波数変動を小さくするかが大きな課題の１つになっている。ところが、弾性表面波素子片についての電流二乗特性に対する研究が充分に進んでおらず、数式１のκを小さくするための条件も明らかでない。

本発明は、弾性表面波素子片の電流二乗特性における定数κを小さくすることを目的としている。

本発明者らは、弾性表面波素子片の電流二乗特性について詳細に検討して種々実験を行ったところ、電流二乗特性の定数κが弾性表面波素子片のＩＤＴ（Interdigital Transducer）であるすだれ状電極の面積に依存していることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明に係る弾性表面波素子片は、水晶基板に形成したすだれ状電極を構成する電極指の交差幅内における前記水晶基板への投影面積Ｓが０．０１４ｍｍ^２≦Ｓ≦０．０１９ｍｍ^２であることを特徴としている。このようになっている本発明は、電流二乗特性の定数κを±０．０２×１０^−６［Ａ^−２］以下と、ＡＴカット水晶振動片についてのκの値の１／１０以下にすることができる。したがって、本発明に係る弾性表面波素子片は、ドライブレベルによる周波数の変動量を非常に小さくすることができる。

弾性表面波素子片を形成する水晶基板は、カット角がオイラー角表示で（０°，１１３°〜１３５°，０°）のＳＴカット水晶板を用いることができる。このようなカット角を有する水晶基板は、周波数温度特性が優れており、使用環境の温度変化に対して周波数安定度の良好な弾性表面波素子片とすることができる。また、水晶基板は、カット角がオイラー角表示で（０°，１１３°〜１３５°，±（４０°〜４９°））の面内回転ＳＴカット水晶板を用いることができる。このようなカット角を有する水晶基板は、より一層周波数温度特性を改善することができる。しかも、弾性表面波素子の縦モードスプリアスを非常に小さくすることができる。

また、本発明に係る弾性表面波装置は、上記に記載の弾性表面波素子片のいずれかを有していることを特徴としている。このような弾性表面波装置は、上記の効果を奏することができる。

本発明に係る弾性表面波素子片および弾性表面波装置の好ましい実施の形態を、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の要部を説明する平面図である。図１において、弾性表面波素子片１０は、圧電体である水晶基板１２から形成してある。水晶基板１２は、実施形態の場合、カット角がオイラー角表示で（０°，１１３°〜１３５°，０°）のＳＴカット水晶板、またはカット角がオイラー角表示で（０°，１１３°〜１３５°，±（４０°〜４９°））となっているいわゆる面内回転ＳＴカット水晶板からなっている。水晶基板１２は、矩形状に形成してあって、その主面の中央部に、ＩＤＴ１４が設けてある。

ＩＤＴ１４は、一対の櫛形電極１６（１６ａ、１６ｂ）からなっていてすだれ状をなし、各櫛型電極１６の櫛歯に相当する電極指１８（１８ａ、１８ｂ）が交互に、かつ平行に等間隔で配置してある。ＩＤＴ１４は、櫛型電極１６ａと櫛型電極１６ｂとの間に信号電圧が印加されることにより、所定周波数の弾性表面波を水晶基板１２の表層部に発生させる。また、弾性表面波素子片１０は、ＩＤＴ１４の両側に反射器２０が設けてある。各反射器２０は、同じように形成してあって、それぞれ複数の導体ストリップ２２を有する。各反射器２０は、複数の導体ストリップ２２の両端が相互に連結されて、格子状をなしている。これらのＩＤＴ１４と一対の反射器２０とは、実施形態の場合、アルミニウムまたはアルミニウム合金（以下、単にアルミニウムという）の薄膜から形成してある。すなわち、ＩＤＴ１４と反射器２０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薄膜を、所定の形状にエッチングすることにより形成される。

発明者らの研究によると、弾性表面波素子片１０の電流二乗特性の定数κは、ＩＤＴ１４の電極の有効な面積に依存していることが明らかになった。すなわち、定数κは、図１の破線２４に示した領域２４内の電極指１８ａ、１８ｂの、水晶基板１２への投影した面積に逆比例していることを見出した。なお、図１に示した符号ａは電極指１８の幅を示し、符号ｂは電極指１８の交差幅を示している。

発明者らは、図２に示した試料Ａ〜Ｃの弾性表面波素子片を作製し、これらの試料Ａ〜Ｃについて詳細な実験を行い、ドライブレベルと共振周波数との関係を求めた。試料Ａは、カット角がオイラー表示で（０°，１１３°〜１３５°，０°）のＳＴカット水晶板からなり、６２０ＭＨｚ帯の共振周波数を有する弾性表面波素子片である。そして、試料Ａは、電極指の対数ｎ＝１２５、電極指の幅ａ＝１．２４μｍ、電極指の交差幅ｂ＝４９．６μmである。試料Ｂは、前記と同様のＳＴカット水晶板からなる共振周波数が１ＧＨｚ帯の弾性表面波素子片であって、ｎ＝１８０、ａ＝０．７６μｍ、Ｂ＝３０．４μｍである。また、試料Ｃは、カット角がオイラー角表示で（０°，１１３°〜１３５°，±（４０°〜４９°））の面内回転ＳＴカット水晶板からなる共振周波数が６４０ＭＨｚ帯の弾性表面波素子片である。そして、試料Ｃは、ｎ＝２５０、ａ＝０．９２μｍ、ｂ＝３６．８μｍである。

これらの弾性表面波素子における領域２４内の電極指１８の水晶基板１２への投影面積Ｓは、

である。したがって、試料Ａの投影面積Ｓは、約０．０１５ｍｍ^２、試料Ｂの投影面積Ｓは約０．００８ｍ^２、試料Ｃの投影面積Ｓは約０．０１７ｍ^２である。そして、これらの試料Ａ〜Ｃについて、ドライブレベルである弾性表面波素子片に流す電流量Ｉを０．１ｍＡ〜１．５ｍＡまで０．１ｍＡずつ変えて共振周波数ｆを繰り返し測定した。さらに、共振周波数ｆの測定結果から、Ｉ^２と（ｄｆ／ｆ）との関係を求めた。ただしｄｆは周波数変動量である。

そして、電流Ｉ^２と（ｄｆ／ｆ）との関係から、電流二乗特性のκを算出した。求められたκは、図２に示したように、試料Ａについては、κ＝０．０１８×１０^−６［Ａ^−２］とκ＝０．０１４×１０^−６［Ａ^−２］、試料Ｂについては、κ＝０．０８８×１０^−６［Ａ^−２］とκ＝０．０４３×１０^−６［Ａ^−２］、試料Ｃについては、κ＝−０．００８×１０^−６［Ａ^−２］とκ＝−０．００３×１０^−６［Ａ^−２］が得られた。そこで、投影面積Ｓと定数κとの関係を求めると、図３に示したような関係が得られた。

図３から明らかなように、弾性表面波素子片１０の場合、図１に示された領域２４内の電極指１８の水晶基板１２への投影面積Ｓを０．０１４〜０．０１９ｍｍ^２とすることにより、κ＝±０．０２×１０^−６［Ａ^−２］と、ＡＴカット水晶振動片の１／１０以下にすることができる。したがって、領域２４内の電極指１８の水晶基板１２への投影面積Ｓを０．０１４〜０．０１９ｍｍ^２とした弾性表面波素子片１０は、ドライブレベルによる周波数変化を非常に小さくすることができ、高精度なＳＡＷ共振子などの弾性表面波装置を得ることができる。

なお、水晶基板１２は、カット角がオイラー角表示で（０°，１１３°〜１３５°，０°）のＳＴカット水晶板を用いると、周波数温度特性の優れた弾性表面波素子を得ることができ、使用環境の温度変化に対して周波数安定度の良好な弾性表面波素子片とすることができる。さらに、水晶基板１２として、カット角がオイラー角表示で（０°，１１３°〜１３５°，±（４０°〜４９°））の面内回転ＳＴカット水晶板を用いることにより、より一層周波数温度特性の優れた弾性表面波素子片とすることができる。また、弾性表面波素子の縦モードスプリアスを非常に小さくすることができる。

実施の形態に係る弾性表面波素子片の要部を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る試料の説明図である。 実施の形態に係る試料の電極指の投影面積と定数κとの関係を示す図である。

符号の説明

１０………弾性表面波素子片、１２………水晶基板、１４………ＩＤＴ、１６ａ、１６ｂ………櫛型電極、１８ａ、１８ｂ………電極指、ａ………電極指の幅、ｂ………交差幅。

Claims (4)

1. 水晶基板に形成したすだれ状電極を構成する電極指の交差幅内における前記水晶基板への投影面積Ｓが０．０１４ｍｍ^２≦Ｓ≦０．０１９ｍｍ^２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、
   前記水晶基板は、カット角がオイラー角表示で（０°，１１３°〜１３５°，０°）のＳＴカット水晶板であることを特徴とする弾性表面波素子片。
3. 請求項１に記載の弾性表面波素子片において、
   前記水晶基板は、カット角がオイラー角表示で（０°，１１３°〜１３５°，±（４０°〜４９°））の面内回転ＳＴカット水晶板であることを特徴とする弾性表面波素子片。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の弾性表面波素子片を有することを特徴とする弾性表面波装置。

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