JP2006148622A - 弾性表面波装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 弾性表面波装置の発振周波数としてストップバンドの上限モードを利用し、周波数温度特性が優れ、かつ高周波化が容易な弾性表面波装置を提供する。
【解決手段】 水晶基板１表面にＲａｙｌｅｉｇｈ型弾性表面波を励振させるためのＩＤＴ電極を少なくとも備えた弾性表面波装置２において、水晶基板１の切り出し角度及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で（φ，θ，ψ）とするとき、φ＝０°、０°≦θ≦１８０°、０°＜｜ψ｜＜９０°に設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｒａｙｌｅｉｇｈ型弾性表面波のストップバンドにおける上限モードを利用した弾性表面波装置に関する。

ＳＡＷ共振子またはＳＡＷフィルタに代表される弾性表面波装置は、高周波、小型、量産性などの優れた特徴を有することから、通信分野で広く利用されている。特に、ＳＴカットに代表される水晶基板を用いた弾性表面波装置は、水晶が持つ高い温度安定性を利用し高精度化が図られている。近年、携帯通信機器等の普及発展により、さらに高周波、小型、温度に対して安定である高精度な弾性表面波装置が要求されている。

弾性表面波装置において、高周波化と温度安定化を図るにあたり、相互に相反して影響を与える要因があり、それらを改善するために従来より様々な取り組みがなされている。
ＳＴカット水晶基板を用いた弾性表面波装置の発振周波数は、ＩＤＴ電極のピッチにより決定され、発振周波数を高周波化していくには、ＩＤＴ電極のピッチを小さくする必要がある。このとき、ＩＤＴ電極幅とＩＤＴ電極厚みも、ＩＤＴ電極ピッチに比例して小さく設計される。この結果、ＩＤＴ電極の抵抗値が大きくなり弾性表面波装置のインピーダンスが大きくなる。

この問題を解決するために、ＩＤＴ電極厚みを厚くすることが考えられるが、ＩＤＴ電極を厚くすると発振周波数が大きく降下してしまうことが知られている。ＩＤＴ電極を厚く形成し発振周波数を高周波化するには、ＩＤＴ電極幅をさらに小さくしてＩＤＴ電極を微細化する必要があり、製造工程での歩留まり低下が予想される。さらに、非特許文献１に記載されているように、ＩＤＴ電極を厚くすると周波数温度特性（温度に対する周波数変動特性）における２次温度係数の絶対値が大きくなる。つまり、温度変化に対して周波数変動が大きくなり、水晶基板の持つ温度安定性を損ねてしまう結果となる。

水晶などの圧電基板に設けたＩＤＴ電極により励振されるＲａｙｌｅｉｇｈ型弾性表面波において、ストップバンドと呼ばれる２つの周波数解が計算で得られることが知られており、この２つの周波数解である低い周波数（下限モード）あるいは、高い周波数（上限モード）のどちらか一方が励振に利用されている。弾性表面波の１波長中に２本の電極指を設けたシングル型ＩＤＴ電極をＳＴカット水晶基板に備えた場合、ストップバンドの下限モードで弾性表面波が励振されることが分かっている。ところで、非特許文献１に示すように、下限モードと上限モードを比較すると、上限モードの方が周波数温度特性の２次温度係数の絶対値が小さく、ＩＤＴ電極厚みを増加させたときの２次温度係数の絶対値の変化（「増加量」または「減少量」）も小さい。このことから、上限モードの方が周波数温度特性が良好であるとともに高周波化に適していることがわかるが、ＳＴカット水晶基板のシングル型ＩＤＴ電極では上限モードの弾性表面波を励振できない。
このため、特許文献１において、ストップバンドの上限モードを励振させる手段として、反射反転型ＩＤＴ電極を備えた弾性表面波装置が提案されている。
図７に示すように反射反転型ＩＤＴ電極５１は、圧電基板５０上に電極指を備えた電極５２，５３が噛み合うように配置されて構成されている。この構成によれば、弾性表面波の１波長λ当たり３本の電極指６１，６２，６３を備え、電極指６１，６２と電極指６３とを逆相にて駆動している。

特開２００２−１００９５９号公報（図１３） 信学技報、社団法人電子情報通信学会、ＵＳ９９−２０（１９９９―０６）、ｐ．３７−４２（図４）

しかしながら、反射反転型ＩＤＴ電極は１波長中に３本の電極指を備えており、高周波化に対応するには、通常用いられる弾性表面波の１波長中に２本の電極指を設けたシングル型ＩＤＴ電極に比べ、ＩＤＴ電極幅をさらに微細化する必要があり、高周波化には不向きであり、製造工程での歩留まり低下が予想される。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、弾性表面波装置の発振周波数としてストップバンドの上限モードを利用することにより、周波数温度特性が優れ、また高周波化が容易な弾性表面波装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の弾性表面波装置は水晶基板表面にＲａｙｌｅｉｇｈ型弾性表面波を励振させるためのＩＤＴ電極を少なくとも備え、前記弾性表面波のストップバンドの上限モードを励振させる弾性表面波装置であって、前記水晶基板の切り出し角度及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で（φ，θ，ψ）とするとき、φ＝０°、０°≦θ≦１８０°、０°＜｜ψ｜＜９０°に設定したことを特徴とする。

この構成によれば、弾性表面波の伝搬方向を水晶基板における結晶の対称位置から離れた位置に移動させることができ、弾性表面波の発振周波数としてストップバンドの上限モードを利用することができる。このことから、弾性表面波装置を高周波化する際に、下限モードを利用した時に比べて、ＩＤＴ電極を微細化することを軽減し、弾性表面波装置の高周波化を容易にすることができる。

本発明の弾性表面波装置は、前記ＩＤＴ電極はシングル型ＩＤＴ電極であることを特徴とする。

この構成によれば、ＩＤＴ電極として反射反転型ＩＤＴ電極を用いることなく、上限モードを利用することができる。すなわち、シングル型ＩＤＴ電極は弾性表面波の１波長中に２本の電極指を設ければよく、１波長中に３本の電極指を設ける反射反転型ＩＤＴ電極に比べて製造工程での歩留まり低下を抑えることができ、高周波化が容易となる。

本発明の弾性表面波装置は、前記水晶基板の切り出し角度及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で（φ，θ，ψ）とするとき、φ＝０°、０°≦θ≦１８０°、９°≦｜ψ｜≦４６°に設定したことを特徴とする。

この構成によれば、ＳＴカット水晶基板を用いた場合に比べて、温度に対する周波数変動が小さい弾性表面波装置を提供できる。

本発明の弾性表面波装置は、前記水晶基板の切り出し角度及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で（φ，θ，ψ）とするとき、φ＝０°、９５°≦θ≦１５５°、３３°≦｜ψ｜≦４６°に設定したことを特徴とする。

この構成によれば、面内回転ＳＴカット水晶基板を用いた場合に比べて、温度に対する周波数変動が小さい弾性表面波装置を提供できる。

本発明の電子機器は、上記の弾性表面波装置を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、電子機器は高周波化され、加えて周波数温度特性の優れた弾性表面波装置を備えており、特性の良好な電子機器を提供できる。

以下、本発明の実施形態について図面に従って説明する。まず、水晶基板の切り出し角（カット角）及び弾性表面波伝搬方向を特定するために、オイラー角（φ，θ，ψ）表示について説明する。

図１は、オイラー角について説明するための図である。
水晶の結晶軸はＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）およびＺ軸（光軸）によって定義され、オイラー角（０°，０°，０°）はＺ軸に垂直な水晶板となる。本発明において、Ｚ軸を回転軸としてＸ軸およびＹ軸を回転させる角度φはφ＝０°として固定する。

Ｘ軸を回転軸としてＹ軸およびＺ軸を反時計方向に角度θだけ回転させたとき、新たに生ずる座標軸を、それぞれＹ´軸およびＺ´軸とする。このＺ´軸を法線としてＸ軸とＹ´軸を含む面方位でカットしたものを、水晶基板１とする。そして、この面方位にカットした水晶基板１において、Ｚ´軸を回転軸としてＸ軸およびＹ´軸を角度ψだけ回転させたとき、新たに生ずる座標軸を、それぞれＸ´軸およびＹ″軸とする。このＸ´軸を弾性表面波装置２の弾性表面波伝搬方向とする。なお、この水晶基板１における角度ψを、面内回転角と呼ぶ。
このように、水晶基板の切り出し角度及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角（φ，θ，ψ）で表示して特定することができる。

次に、弾性表面波のストップバンドにおける上限モードを利用する利点について説明する。
弾性表面波のストップバンドにおける上限モードは下限モードに比べて、周波数温度特性における２次温度係数の絶対値が小さく、ＩＤＴ電極厚みを増加させたときの２次温度係数の絶対値の変化も小さいことは前述した。
これに加えて、発明者らはＩＤＴ電極厚みを増加させたときの発振周波数の変化量が、下限モードに比べ上限モードの方が変化量が小さいことを見出した。

図２に、ＳＴカット水晶基板を用い、ＩＤＴ電極厚みを変化させたときの上限モードと下限モードの周波数変化を示す。
図２において、縦軸は周波数、横軸はＩＤＴ電極厚みＨを波長λ（ここでは１０μｍとした）で除した基準化電極厚みＨ／λとする。上限モードおよび下限モードの周波数はそれぞれのモードにおける、短絡条件の周波数である。
上限モード及び下限モードともに、ＩＤＴ電極厚みＨが厚くなるに従い、周波数は降下傾向にある。また、下限モードに比べて上限モードの方がＩＤＴ電極厚みＨが厚くなった場合に、周波数降下が小さいことが分かる。

このように、弾性表面波のストップバンドにおける上限モードを利用することは、周波数温度特性を改善できるとともに、ＩＤＴ電極の抵抗値（インピーダンス）をＩＤＴ電極の厚みを厚くして改善する際に、周波数降下量が小さく、有効な方法である。
なお、図２における周波数降下の結果はＩＤＴ電極材料としてＡｌを用いた場合である。例えばＡｌよりも比重の大きいＡｕにてＩＤＴ電極を形成したときには、下限モード及び上限モードにおける周波数降下はＡｌに比べて大きく、Ａｌなどの比重の軽い材料でＩＤＴ電極を形成した方が、高周波化を図る上で有効である。
（第１の実施形態）

以下、弾性表面波装置としてＳＡＷ共振子を例に取り本発明の実施形態を説明する。
図３はシングル型ＩＤＴ電極を備えた弾性表面装置としてのＳＡＷ共振子の模式図である。図３（ａ）は、ＳＡＷ共振子の模式平面図、図３（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図である。

ＳＡＷ共振子１０は水晶基板１１の表面に電極指２１，２２を備えるＩＤＴ電極１２と、その両端に設けた反射器１４，１５から構成されている。ＩＤＴ電極１２はそれぞれの電極指２１，２２が噛み合うように配置されている。電極指２１，２２は厚さＨ、電極幅ｄにて形成され、電極指２１と電極指２２の間隔（ピッチ）Ｐは等間隔で連続し形成されている。また、弾性表面波の１波長λ中に２本の電極指２１，２２が設けられている。一般に、このＩＤＴ電極１２による構成のＩＤＴ電極はシングル型ＩＤＴ電極と呼ばれている。ＩＤＴ電極１２はＡｌにて形成され、お互いに逆相となるように駆動される。
また、水晶基板１１は、オイラー角表示で（０°，０°≦θ≦１８０°，０°＜｜ψ｜＜９０°）の範囲となるように水晶から切り出され、矢印Ｅの方向が図１で説明した弾性表面波の伝搬方向であるＸ´軸に合致する。

このような構成のＳＡＷ共振子１０において、ＩＤＴ電極１２で励振され外部に向かって伝搬する弾性表面波を、反射器１４，１５により反射させ、ＩＤＴ電極１２と反射器１４，１５の部分に表面波エネルギーを閉じ込め、損失の少ない共振特性を得ている。

従来より知られたＳＴカット水晶基板はオイラー角表示で、例えば（０°，１２３°，０°）があり、この基板を用いてシングル型ＩＤＴ電極でＳＡＷ共振子を構成した場合、弾性表面波が励振されるのはストップバンドにおける下限モードである。
ストップバンドの上限モード、下限モードが励振されるかどうかは、それぞれのモードの周波数での短絡条件と開放条件における周波数の差により決まり、周波数差があれば、そのモードは励振されることが分かっている。

表１は、シングル型ＩＤＴ電極を用いたＳＴカット水晶基板および本発明に係るカット角の水晶基板において、上限モードでの短絡条件と開放条件における周波数の差を示す表である。
この表１では、弾性表面波の波長λ＝１０μｍとし、電極指の幅ｄを電極指のピッチＰで除した基準化電極幅（ｄ／Ｐ）、及び電極指の厚さＨを波長λで除した基準化電極厚み（Ｈ／λ）の条件を変えて示している。また、上限モードにおける短絡条件の周波数をｆｕｓ、上限モードにおける開放条件の周波数をｆｕｏとし、その差を絶対値で示している。

表１において、条件ＡはＳＴカット水晶基板を用い、ｄ／Ｐ＝０．５，Ｈ／λ＝０．０３の場合であり、上限モードにおける短絡条件の周波数と開放条件の周波数の差は０となっている。また、条件ＢはＳＴカット水晶基板を用い、ｄ／Ｐ＝０．７，Ｈ／λ＝０．１０の場合であり、上限モードにおける短絡条件の周波数と開放条件の周波数の差は０となっている。
このように、ＳＴカット水晶基板を用いた場合には、ＩＤＴ電極における電極指の寸法が変わってもストップバンドの上限モードでは弾性表面波を励振できないことが分かる。

次に、本発明に係るカット角であるオイラー角（０°，１２３°，４１°）の水晶基板を例にとり説明する。
条件Ｃでは本発明に係るカット角の水晶基板を用い、ｄ／Ｐ＝０．５，Ｈ／λ＝０．０３の場合であり、上限モードにおける短絡条件の周波数と開放条件の周波数の差は０．００１５ＭＨｚとなっている。
また、同様に条件Ｄでは本発明に係るカット角の水晶基板を用い、ｄ／Ｐ＝０．７，Ｈ／λ＝０．１０の場合であり、上限モードにおける短絡条件の周波数と開放条件の周波数の差は０．１６６７ＭＨｚとなっている。
このように、本発明に係る水晶基板を用いた場合には、ストップバンドの上限モードで弾性表面波を励振できることが分かる。このことは、水晶の結晶における対称性をカット角をずらし非対称とすることで、上限モードの弾性表面波を励振可能としている。

次に、ストップバンドの上限モードを利用し、本実施形態のカット角の水晶基板を用いた場合の温度に対する周波数変動について説明する。
図４は、本実施形態におけるＳＡＷ共振子の温度に対する周波数変動量を示すグラフである。なお、周波数変動量＝周波数偏差の最大値−周波数偏差の最小値であり、周波数偏差＝（各温度における周波数−２５℃における周波数）／２５℃における周波数である。
条件として、温度範囲を−４０℃〜９０℃、シングル型ＩＤＴ電極における基準化電極幅ｄ／Ｐ＝０．７、基準化電極厚みＨ／λ＝０．１０としている。そして、水晶基板のカット角をφ＝０°に固定し、θ＝０°〜１８０°間で面内回転角ψ＝０°〜９０°を変化させたときに周波数変動量が最適値（最小値）となる周波数変動量を黒丸印で示している。また、そのときの面内回転角ψを三角印で示している。例えば、φ＝０°，θ＝４０°のとき、ψ＝０°〜９０°間で変化させた場合の、周波数変動量の最小値はおよそ８０ｐｐｍであり、そのときの面内回転角ψはおよそ１２°である。
なお、ψは水晶結晶の対称性から、プラス及びマイナスのどちら側の角度を用いても結果は同じであり、実施可能である。また、オイラー角による表記にこだわらず、結晶学的に等価なカット角の水晶基板を用いても良い。

以上のように、切り出し角度（カット角）及び弾性表面波伝搬方向を（０°，０°≦θ≦１８０°，０°＜｜ψ｜＜９０°）とした水晶基板において、弾性表面波の伝搬方向を水晶基板における結晶の対称位置から離れた位置に移動させることができ、シングル型ＩＤＴ電極を用いて弾性表面波のストップバンドの上限モードを励振させることができる。このことから、ストップバンドの下限モードを利用することに比べて、周波数温度特性が良好であり、さらに、ＩＤＴ電極を微細化することを軽減し、弾性表面波装置の高周波化を容易にすることができる。
また、シングル型ＩＤＴ電極を利用することができるので、反射反転型ＩＤＴ電極に比べ、製造工程での歩留まり低下を抑えることができ、より高周波化が容易となる。
（第２の実施形態）

また、図３で示したＳＡＷ共振子の水晶基板１１の切り出し角度及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角（０°、０°≦θ≦１８０°、９°≦｜ψ｜≦４６°）の範囲に設定することができる。
このとき、図４に示すように、温度範囲を−４０℃〜９０℃とした場合、周波数変動量は最大で約１２７ｐｐｍになる。ＳＴカット水晶基板の２次温度係数は一般に−３．４×１０^-8（１／℃²）であり、温度範囲を−４０℃〜９０℃とした場合、周波数変動量は約１４４ｐｐｍである。

このように、弾性表面波装置の水晶基板１１の切り出し角度及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角（０°、０°≦θ≦１８０°、９°≦｜ψ｜≦４６°）の範囲に設定することにより、ＳＴカット水晶基板を用いた場合より、周波数変動量を小さくすることができる。
（第３の実施形態）

さらに、図３で示したＳＡＷ共振子の水晶基板１１の切り出し角度及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角（０°、９５°≦θ≦１５５°、３３°≦｜ψ｜≦４６°）の範囲に設定することができる。
このとき、図４に示すように、温度範囲を−４０℃〜９０℃とした場合、周波数変動量は最大で約５９ｐｐｍになる。また、面内回転ＳＴカット水晶基板では、文献「Temperature Stability of Surface Acoustic Wave Resonators on In-Plane Rotated 33° Y-Cut Quartz」JJAP、Vol.４２（２００３）pp．３１３６−３１３８によれば、オイラー角（０°、１２３°、４３．４°）の場合、ストップバンドの下限モードの２次温度係数は−１．４×１０^-8（１／℃²）であり、温度範囲を−４０℃〜９０℃としたとき、周波数変動量は約５９ｐｐｍである。

このように、ＳＡＷ共振子の水晶基板１１の切り出し角度及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角（０°、９５°≦θ≦１５５°、３３°≦｜ψ｜≦４６°）の範囲に設定することにより、面内回転ＳＴカット水晶基板を用いた場合より、周波数変動量を小さくすることができる。
（第４の実施形態）

図５は、本発明に係る弾性表面波装置としてのＳＡＷ共振子をパッケージした実施形態の部分断面図である。
セラミックなどで形成された収容容器３６には、前述の実施形態にて示したＳＡＷ共振子３１が固着され収容されている。ＳＡＷ共振子３１表面にはＩＤＴ電極３２が形成され、またＩＤＴ電極に接続される接続パッド３３が形成されている。
ＳＡＷ共振子３１の接続パッド３３は、収容容器３６に形成された接続端子３５とＡｕなどのワイヤ３４により電気的接続がなされている。そして、蓋体３７により、収容容器３６内部を真空あるいは不活性ガス雰囲気に保持して封止され、パッケージされたＳＡＷ共振子３０として構成される。

本実施形態におけるＳＡＷ共振子は、高周波化に伴ないＩＤＴ電極３２の厚みは薄く形成されているが、前述したように周波数変動、あるいは周波数温度特性の２次温度係数の大きな変動を伴なわずにＩＤＴ電極厚みを厚く形成できるため、ワイヤボンディングが可能な厚さに調整できる。このことで、電気的接続の信頼性を向上させることが可能である。
このように、パッケージされたＳＡＷ共振子３０は、ストップバンドの上限モードを利用し、周波数温度特性が優れ、高周波化が容易なＳＡＷ共振子３０を提供できる。
（第５の実施形態）

図６は、本発明に係る電子機器の構成を示す構成図である。
携帯電話またはナビゲーションシステムなどの電子機器４０に、本発明に係る弾性表面波装置４１として高周波化されたＳＡＷ共振子が備えられている。
ＳＡＷ共振子は周波数温度特性に優れ、高周波化されているため、電子機器として特性の優れた電子機器を得ることができる。

以上、弾性表面波装置として、ＳＡＷ共振子の例を用いて説明したが、共振子型弾性表面波フィルタではストップバンド端における共振を利用してＳＡＷフィルタを構成しているため、同様の手法を用いてＳＡＷフィルタを構成することができる。そして、このように構成されたＳＡＷフィルタはストップバンドの上限モードを利用して、周波数温度特性が優れ、高周波化が容易なＳＡＷフィルタを得ることができる。

オイラー角について説明するための図。 ＳＴカット水晶基板を用いＩＤＴ電極厚みを変化させたときの上限モードと下限モードの周波数変化を示すグラフ。 本実施形態のＳＡＷ共振子の構成を示す図であり、（ａ）はＳＡＷ共振子の模式平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図。 本実施形態のＳＡＷ共振子の周波数変動量および基板切り出し角度θおよびψを示すグラフ。 パッケージされたＳＡＷ共振子を示す部分断面図。 電子機器の構成を示す構成図。 従来の反射反転型ＩＤＴ電極を示す図であり、（ａ）は模式平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図。

符号の説明

１０…弾性表面波装置としてのＳＡＷ共振子、１１…水晶基板、１２…ＩＤＴ電極、２１，２２…電極指、３０…パッケージされたＳＡＷ共振子、４０…電子機器、λ…弾性表面波の波長、Ｈ…ＩＤＴ電極の厚み、ｄ…ＩＤＴ電極の幅、Ｐ…ＩＤＴ電極のピッチ。

Claims (5)

1. 水晶基板表面にＲａｙｌｅｉｇｈ型弾性表面波を励振させるためのＩＤＴ電極を少なくとも備え、前記弾性表面波のストップバンドの上限モードを励振させる弾性表面波装置であって、
   前記水晶基板の切り出し角度及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で（φ，θ，ψ）とするとき、φ＝０°、０°≦θ≦１８０°、０°＜｜ψ｜＜９０°に設定したことを特徴とする弾性表面波装置。
2. 請求項１に記載の弾性表面波装置において、前記ＩＤＴ電極はシングル型ＩＤＴ電極であることを特徴とする弾性表面波装置。
3. 請求項１または２に記載の弾性表面波装置において、前記水晶基板の切り出し角度及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で（φ，θ，ψ）とするとき、φ＝０°、０°≦θ≦１８０°、９°≦｜ψ｜≦４６°に設定したことを特徴とする弾性表面波装置。
4. 請求項１または２に記載の弾性表面波装置において、前記水晶基板の切り出し角度及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で（φ，θ，ψ）とするとき、φ＝０°、９５°≦θ≦１５５°、３３°≦｜ψ｜≦４６°に設定したことを特徴とする弾性表面波装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の弾性表面波装置を備えたことを特徴とする電子機器。
   

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