JP3724544B2 - 表面波共振子、表面波フィルタ、共用器、通信機装置及び表面波デバイス - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面波共振子やそれを用いた表面波フィルタ及び共用器及び通信機装置に関し、特にランガサイト(La3Ga5SiO14)の単結晶を圧電基板として用いた表面波共振子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、移動体通信機器の帯域通過フィルタ等に表面波共振子が広く用いられている。このような表面波共振子の一つとして、圧電基板上に櫛形電極より成るインターデジタルトランスデューサ(IDT)を形成した構造を有する表面波共振子や表面波フィルタが良く知られている。
【0003】
このような表面波共振子や表面波フィルタの圧電基板として、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、水晶、四硼酸リチウム(Li2B4O7)などの圧電単結晶が用いられる。
【0004】
この表面波共振子や表面波フィルタには、主として電気と機械エネルギーの変換効率を表す電気機械結合係数(K2)ができるだけ大きく、温度による周波数の変動率を示す群遅延時間温度特性(TCD)が小さいことが要求される。
【0005】
上記LiNbO3やLiTaO3を用いた表面波フィルタは、K2が大きいため共振周波数と***振周波数の差が大きく帯域幅が広いというメリットがあったが、水晶に比べてTCDが大きいため温度によって周波数が大きく変動するというデメリットがあった。
【0006】
また、上記水晶を用いた表面波フィルタは、TCDが非常に小さいため温度によって周波数がほとんど変動しないというメリットがあったが、K2が小さいため共振周波数と***振周波数の差が小さく帯域幅が狭いというデメリットがあった。
【0007】
そこで、LiNbO3やLiTaO3よりもTCDが小さく、水晶よりもK2が大きい材料として、Li2B4O7が表面波フィルタや表面波共振子に用いられている。しかし、Li2B4O7は潮解性を有するため取扱いが難しく、しかも単結晶の育成速度が遅いため、生産性に劣る問題点があった。また、Li2B4O7は周波数についての温度特性は良いものの、K2についての温度特性が悪く、温度によって帯域が変化するという問題点があった。
【0008】
近年、上記のような問題点を解決する材料として、La3Ga5SiO14が注目されている。すなわち、La3Ga5SiO14は、Li2B4Oのような潮解性は無く、またLi2B4O7と比べて単結晶の育成速度が速い。そのうえ、LiNbO3やLiTaO3よりもTCDが小さく、水晶よりもK2が大きいという特質を有している。このようなLa3Ga5SiO14単結晶基板の有望なオイラー角・伝搬方向に関する理論解析や実験結果についての報告が数多くなされている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの報告での実測結果等は、La3Ga5SiO14単結晶基板のみで行った結果であって、単結晶基板のみの場合にTCDが最適となるものであり、その他の要素が付加された場合にTCDが最適となるものではない。
【0010】
本発明は、この点を踏まえて、La3Ga5SiO14単結晶を用いた表面波共振子のTCDを良好にすることを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項1に係る表面波共振子は、ランガサイト単結晶からなる圧電基板と、前記圧電基板表面に前記圧電基板表面に形成されたインターデジタルトランスデューサから構成される表面波共振子であって、前記圧電基板のオイラー角(12°,θ,37°)を横軸に取り、前記圧電基板に励起される波長λに対する前記インターデジタルトランスデューサの膜厚Hの割合H/λを縦軸にとって表したとき、A(θ=152°、H/λ=0.005)、B(θ=153.5°、H/λ=0.005)、C(θ=155°、H/λ=0.15)、D(θ=153.5°、H/λ=0.15)で示される各点を結ぶ直線で囲まれた領域の内部または線上にあるものである。
【0012】
これにより、TCDが良好な表面波共振子を得ることができる。
【0013】
請求項2に係る表面波フィルタは、請求項1記載の表面波共振子を用いている。
【0014】
請求項3に係る共用器は、請求項1記載の表面波共振子または請求項2記載の表面波フィルタを用いている。
【0015】
請求項4に係る通信機装置は、請求項1記載の表面波共振子または請求項2記載の表面波フィルタまたは請求項3記載の共用器を用いている。
【0016】
以上のような構成により、周波数変動の小さい表面波デバイスを得ることができる。
【0018】
これにより、TCDが良好な表面波共振子を得ることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
【0020】
図1は本発明の第1の実施形態を示す表面波共振子の斜視図である。
【0021】
図1のように、表面波共振子1はLa3Ga5SiO14単結晶を材料とする圧電基板2上に1つのIDT3とその両側に反射器4、4を形成することにより構成されている。
【0022】
インターデジタルトランスデューサ3は、Al、Au等の電極材料により形成されており、一組の櫛形電極3a、3bがそれぞれの櫛歯部分が互いに対向するように配置されることにより構成されている。
【0023】
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図2は本発明の第2の実施形態を示す縦結合型表面波フィルタの斜視図である。
【0024】
図2に示すように、縦結合型表面波フィルタ11はLa3Ga5SiO14単結晶を材料とする圧電基板12上に2つのIDT13、13及びその両側に反射器14、14を形成することにより構成されている。
【0025】
IDT13は、Al、Au等の電極材料により形成されており、一組の櫛形電極13a、13bがそれぞれの櫛歯部分が互いに対向するように配置されることにより構成されている。また、IDT13、13は表面波伝搬方向に一定の間隔を隔てて平行に並べられている。
【0026】
さらに、本発明の第3の実施形態について説明する。図3は本発明の第3の実施形態を示す横結合型表面波フィルタの斜視図である。
【0027】
図3に示すように、横結合型表面波フィルタ21はLa3Ga5SiO14単結晶を材料とする圧電基板22上にIDT23を形成することにより構成されている。
【0028】
IDT23は、Al、Au等の電極材料により形成されており、櫛形電極23a、23c及び23c、23bが、それぞれの櫛歯部分が互いに対向するように配置されることにより構成されている。
【0029】
次に、本発明の第4、第5の実施の形態について説明する。図4は本発明の第4の実施の形態を示す共用器及び本発明の第5の実施形態を示す通信機装置のブロック図である。
【0030】
図4に示すように、通信機装置31は、受信用の表面波フィルタ32と送信用の表面波フィルタ33を有する共用器34のアンテナ端子がアンテナ35に接続され、出力端子が受信回路36に接続され、入力端子が送信回路37に接続されることにより構成されている。このような共用器34の受信用の表面波フィルタ32と送信用の表面波フィルタ33には、第2、第3の実施の形態の表面波フィルタ11、21を用いる
以上のような表面波デバイスの基板として用いるLa3Ga5SiO14のオイラー角によって温度と周波数変動がどのように変化するかを実験した。図5は温度(Temperature)による周波数変動(Frequency shift)の実測値を(■〜◆)で表し、その近似値を線で表したものである。
【0031】
図5から、La3Ga5SiO14単結晶においては、周波数変動がほぼ零となるような温度を頂点温度として曲線を描くことがわかる。また、La3Ga5SiO14単結晶のオイラー角(φ,θ,ψ)のθが大きくなるに連れて、この曲線が高温側に移動することがわかる。
【0032】
次に、オイラー角(φ,θ,ψ)のθを変動させ、それぞれについて周波数変動がほぼ零となるような頂点温度を計測した。図6は頂点温度(Turnover temp. of frequency)を■で示し、その近似値を線で表すことで、オイラー角(φ,θ,ψ)のθ(Cut angle θ at Euler angle (0°,θ,37°))を変動させることでどのように頂点温度が変化するかを示したものである。
【0033】
図6から、La3Ga5SiO14単結晶のオイラー角(φ,θ,ψ)のθが大きくなるに連れて、図5の曲線がθに対応して高温側に移動するのと同様に頂点温度も高温側に移動することがわかる。
【0034】
次に、La3Ga5SiO14単結晶の圧電基板上に形成されるAl電極の膜厚Hによって、温度(Temperature)に対する周波数変動(Frequency shift)の曲線がどのように変化するかを図7に示す。
【0035】
図7中、■はオイラー角(φ,θ,ψ)が(12°、153°、37°)のLa3Ga5SiO14単結晶の圧電基板に膜厚1500ÅのAl電極を付けたものの実測値を示し、●はオイラー角(φ,θ,ψ)が(0°、153°、37°)のLa3Ga5SiO14単結晶の圧電基板に膜厚7500ÅのAl電極を付けたものの実測値を示す。図7から、Al電極の膜厚Hが厚くなるほど、曲線が低温側に移動することがわかる。
【0036】
以上のことから、La3Ga5SiO14単結晶のオイラー角(φ,θ,ψ)のθが大きくなるほど、周波数変動がほぼ零となるような頂点温度は高温側に移動し、Al電極の膜厚Hが厚くなるほど頂点温度は低温側に移動していることが確認できた。
【0037】
表面波共振子や表面波フィルタ等の表面波デバイスは常温で用いられることから、周波数変動がほぼ零となるような頂点温度を20℃〜30℃の間に設定すれば、表面波デバイスの周波数変動を最も小さくすることができる。
【0038】
したがって、La3Ga5SiO14単結晶のオイラー角(φ,θ,ψ)のθの大きさによる頂点温度の高温側への移動に合わせて、Al電極の膜厚Hを決定すれば、頂点温度を20℃〜30℃の間に設定することができる。
【0039】
そこで、La3Ga5SiO14単結晶の特性が最も良いオイラー角(φ,θ,ψ)が(12°,152°〜155°,37°)の範囲において、頂点温度が20℃〜30℃となるAl電極の膜厚Hの値を実験により算出した。
【0040】
その結果、オイラー角(12°,152°,37°)でH/λ=0.005で頂点温度が20℃になることがわかった。また、オイラー角(12°,153.5°,37°)でH/λ=0.005で頂点温度が30℃になることがわかった。
【0041】
さらに、オイラー角(12°,153.5°,37°)でH/λ=0.15で頂点温度が20℃になり、オイラー角(12°,155°,37°)でH/λ=0.15で頂点温度が30℃になることがわかった。
【0042】
このような頂点温度が20℃〜30℃の範囲に設定されるオイラー角とH/λの範囲を表したところ図8のようになった。すなわち、A[オイラー角 (12°,152°,37°)、H/λ=0.005]、B[オイラー角( 12°,153.5°,37°)、H/λ=0.005]、C[オイラー角(12°,153.5°,37°)、H/λ=0.15]、D[オイラー角(12°,155°,37°)、H/λ=0.15]で示される各点を結ぶ直線で囲まれた領域の内部および線上にあるものは頂点温度が20℃〜30℃の範囲にあるものであり、周波数変動の小さい範囲となる。
【0043】
なお、オイラー角(φ,θ,ψ)のψは表面波の伝搬方向を示すが、この伝搬方向については、IDTの製造誤差によって、37°±2°の誤差が生じるものである。
【0044】
また、本発明の第1〜第3の実施の形態では、オイラー角(φ,θ,ψ)のφに関しては12°の場合を用いて説明したが、これから±1°の範囲であればほぼ同等の値が得られることが判明している。したがって、φ=11°、13°の場合でも、φ=12°の場合と同様の効果が得られるものである。
【0045】
さらに、本発明の第1〜第3の実施の形態では、表面波共振子や縦結合型表面波フィルタ、横結合型表面波フィルタを例に挙げて説明したがこれに限るものではなく、例えば、複数組のインターデジタルトランスデューサを有するトランスバーサル型表面波フィルタや表面波共振子を梯子状に配置したラダー型フィルタ等でもよく、どのような構造の表面波デバイスであっても同様の効果が得られる。
【0046】
また、本発明の第1〜第3の実施の形態では、反射器を有する表面波デバイスについて説明したが、これに限るものではなく、反射器の無い表面波デバイスにも適用できるものである。
【0047】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、La3Ga5SiO14圧電基板のオイラー角と電極の膜厚を最適化することにより周波数変動が小さい表面波デバイスが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態を説明するための表面波共振子の斜視図である。
【図2】第2の実施形態を説明するための縦結合型表面波フィルタの斜視図である。
【図3】第3の実施形態を説明するための縦結合型表面波フィルタの斜視図である。
【図4】第4、第5の実施形態を説明するための通信機装置のブロック図である。
【図5】オイラー角に関する温度と周波数変動の関係を示す特性図である。
【図6】オイラー角と頂点温度の関係を示す特性図である。
【図7】電極膜厚に関する温度と周波数変動の関係を示す特性図である。
【図8】本発明を説明するための電極膜厚とオイラー角の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
1 表面波共振子
2 圧電基板
3 インターデジタルトランスデューサ
3a、3b 櫛形電極
Claims (4)
- ランガサイト単結晶からなる圧電基板と、前記圧電基板表面に形成されたインターデジタルトランスデューサから構成される表面波共振子であって、
前記圧電基板のオイラー角(12°,θ,37°)を横軸に取り、前記圧電基板に励起される波長λに対する前記インターデジタルトランスデューサの膜厚Hの割合H/λを縦軸にとって表したとき、
A(θ=152°、H/λ=0.005)
B(θ=153.5°、H/λ=0.005)
C(θ=155°、H/λ=0.15)
D(θ=153.5°、H/λ=0.15)
で示される各点を結ぶ直線で囲まれた領域の内部または線上にあることを特徴とする表面波共振子。 - 請求項1記載の表面波共振子を用いたことを特徴とする表面波フィルタ。
- 請求項1記載の表面波共振子または請求項2記載の表面波フィルタを用いたことを特徴とする共用器。
- 請求項1記載の表面波共振子または請求項2記載の表面波フィルタまたは請求項4記載の共用器を用いたことを特徴とする通信機装置。
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