JP2006148622A - 弾性表面波装置および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【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
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。
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。
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。
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。
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)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
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。
(第3の実施形態)
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。
(第4の実施形態)
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。
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)
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。
Claims (5)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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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