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発明の名称 弾性表面波デバイス
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−13682(P2007−13682A)
公開日 平成19年1月18日(2007.1.18)
出願番号 特願2005−192662(P2005−192662)
出願日 平成17年6月30日(2005.6.30)
代理人
発明者 森田 孝夫 / 大脇 卓弥
要約 課題
水晶基板を用いたSAWデバイスにおいて、共振点より低域側に生じるスプリアスを抑圧することを目的とする。

解決手段
圧電基板1上に、IDT2とその両側にグレーティング反射器3a、3bを配置する。前記圧電基板1は、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−64.0°<θ<−49.3°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶X軸に対し90°±5°にした水晶平板であり、波長で基準化した電極膜厚H/λを0.04<H/λ<0.12に設定している。そして、IDT2のSAWの伝搬方向の全長をLとしたとき、IDTの左端を基準位置として、基準位置から0.25Lまでの範囲、又は0.75LからLまでの範囲のどちらか一方、又は両方の範囲に配置された電極指に重み付けを施す。
特許請求の範囲
【請求項1】
圧電基板と、該圧電基板の主面上に形成したIDTとその両側に反射器とを備え、励振波をSH波とした弾性表面波デバイスであって、
前記圧電基板は、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−64.0°<θ<−49.3°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶X軸に対し90°±5°とした水晶平板であり、
励振する弾性表面波の波長をλとしたとき、前記IDTの波長で基準化した電極膜厚H/λを0.04<H/λ<0.12とし、前記IDTの電極指に重み付けを施すことを特徴とした弾性表面波デバイス。
【請求項2】
前記IDTのSAWの伝搬方向の全長をLとしたとき、IDTの左端を基準位置として、基準位置から0.25Lまでの範囲、又は0.75LからLまでの範囲のどちらか一方、又は両方の範囲に配置された電極指に重み付けを施す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。
【請求項3】
前記IDT及び前記反射器は、Al又は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又は2に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項4】
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乃至3のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。

発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、水晶基板を用いた弾性表面波デバイスにおいて、共振点より低域側に生じる縦高次モードのスプリアスを抑圧することを目的とした弾性表面波デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、弾性表面波(Surface Acoustic Wave:以下、SAW)デバイスは移動体通信用端末や車載用機器等の部品として幅広く利用され、小型であること、Q値が高いこと、周波数温度特性が優れていること等が強く要求されている。
【0003】
これらの要求を実現するSAWデバイスとして、STカット水晶基板を用いたSAWデバイスがある。STカット水晶基板は結晶X軸を回転軸としてXZ面を結晶Z軸より反時計方向に42.75°回転した面(XZ'面)を持つ水晶板のカット名であり、結晶X軸方向に伝搬するレイリー波と呼ばれる(P+SV)波であるSAW(以下、STカット水晶SAWと称す)を利用する。STカット水晶SAWデバイスの用途は、発振素子として用いられるSAW共振子や、移動体通信端末のRF段とIC間に配置されるIF用フィルタなど幅広く存在する。
【0004】
STカット水晶SAWデバイスが小型でQ値の高いデバイスを実現できる理由として、SAWの反射を効率良く利用できる点が挙げられる。図4に示すSTカット水晶SAW共振子を例に説明すると、STカット水晶SAW共振子は、STカット水晶基板101上にそれぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有するくし形電極(以下、IDTと称す)102を配置し、該IDT102の両側にSAWを反射する為のグレーティング反射器103a、103bを配置した構造である。STカット水晶SAWは圧電基板の表面に沿って伝搬する波であるので、グレーティング反射器103a、103bにより効率良く反射され、SAWのエネルギーをIDT102の内部に十分閉じ込めることができるので、小型で且つQ値の高いデバイスが得られる。
【0005】
更に、SAWデバイスを使用する上で重要な要素に周波数温度特性がある。上述のSTカット水晶SAWにおいては、周波数温度特性の1次温度係数が零であり、その特性は2次曲線で表され、頂点温度を使用温度範囲の中心に位置するように調整すると周波数変動量が格段に小さくなるので周波数安定性に優れていることが一般的に知られている。
【0006】
しかしながら、前記STカット水晶SAWデバイスは、1次温度係数は零であるが、2次温度係数は−0.034(ppm/℃)と比較的大きいので、使用温度範囲を拡大すると周波数変動量が極端に大きくなってしまうという問題があった。
【0007】
前記問題を解決する手法として、Meirion Lewis,“Surface Skimming Bulk Wave,SSBW”, IEEE Ultrasonics Symp. Proc.,pp.744〜752 (1977)及び特公昭62−016050号公報に開示されたSAWデバイスがある。このSAWデバイスは、図5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Z軸より反時計方向に−50°回転した付近に設定し、且つ、SAWの伝搬方向を結晶X軸に対して垂直方向(Z'軸方向)にしたことが特徴である。なお、前述のカット角をオイラー角で表示する場合は(0°,θ+90°,90°)=(0°,40°,90°)となる。このSAWデバイスは、圧電基板の表面直下を伝搬するSH波をIDTによって励起し、その振動エネルギーを電極直下に閉じ込めることを特徴としていて、周波数温度特性が3次曲線となり、使用温度範囲における周波数変動量が極めて少なくなるので良好な周波数温度特性が得られる。
【0008】
しかしながら、前記SH波は基本的に基板内部に潜って進んでいく波であるため、圧電基板表面に沿って伝搬するSTカット水晶SAWと比較してグレーティング反射器によるSAWの反射効率が悪い。従って、小型で高QなSAWデバイスを実現し難いという問題がある。また、前述の先行文献においてもSAWの反射を利用しない遅延線としての応用については開示されているものの、SAWの反射を利用したデバイスへの応用は提案されておらず、発振素子やフィルタ素子としての実用化は困難であると言われていた。
【0009】
この問題を解決すべく、特公平01−034411号公報では、図6に示すように回転Yカット水晶基板のカット角θを−50°付近に設定し、SAWの伝搬方向を結晶X軸に対し垂直方向(Z'軸方向)にした圧電基板111上に800±200対もの多対のIDT112を形成することにより、グレーティング反射器を利用せずIDT112自体の反射だけでSAWエネルギーを閉じ込め高Q化を図った所謂多対IDT型SAW共振子が開示されている。
【0010】
しかしながら、前記多対IDT型SAW共振子はグレーティング反射器を設けたSAW共振子と比較して効率的なエネルギー閉じ込め効果が得られず、高いQ値を得るのに必要なIDT対数が800±200対と非常に多くなってしまうので、STカット水晶SAW共振子よりもデバイスサイズが大きくなってしまい、近年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。
【0011】
また、前記特公平01−034411号に開示されているSAW共振子においては、IDTにて励振されたSAWの波長をλとした時、電極膜厚を2%λ以上、好ましくは4%λ以下にすることによりQ値を高めることができるとされており、共振周波数200MHzの場合、4%λ付近でQ値が飽和に達するが、その時のQ値は20000程度しか得られずSTカット水晶SAW共振子と比較してもほぼ同等のQ値しか得られない。この原因として、膜厚が2%λ以上4%λ以下の範囲ではSAWが圧電基板表面に十分集まっていないので反射が効率良く利用できないことが考えられる。
【0012】
そこで、本発明者は特願2004−310452号にて、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−64.0°<θ<−49.3°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶X軸に対し90°±5°とした水晶平板上に、Al又はAlを主成分とする合金からなるIDTを形成し、該IDTのSAWの波長で基準化した電極膜厚H/λを0.04<H/λ<0.12としたSAWデバイスを発明した。当該発明によれば、本来、圧電基板内部に潜って進んでいく波を基板表面に集中させてグレーティング反射器等によりSAWの反射を効率良く利用することができるので、従来のSTカット水晶SAWデバイスと比較して小型でQ値が高く、且つ周波数温度特性に優れたSAWデバイスが実現できる。
【0013】
図7は特願2004−310452号に開示したSAW共振子における電極膜厚H/λとQ値の関係を示している。なお、圧電基板には−51°回転Yカット90°X伝搬水晶基板(オイラー角表示では(0°,39°,90°))を用い、共振周波数を315MHz、IDTの対数を100対、グレーティング反射器の本数を各々100本とした。従来のSTカット水晶SAW共振子では、共振周波数315MHzとしたときのQ値は高々15000程度であったが、当該発明のSAW共振子では、0.04<H/λ<0.12の範囲においてSTカット水晶SAW共振子よりも高いQ値を得ることができる。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。
【0014】
また、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。
【特許文献1】特公昭62−016050号
【特許文献2】特公平01−034411号
【特許文献3】特願2004−310452号
【非特許文献1】Meirion Lewis,“Surface Skimming Bulk Wave,SSBW”, IEEE Ultrasonics Symp. Proc.,pp.744〜752 (1977)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
ところで、上述の特許文献3のSAWデバイスにおいて共振点より低域側にスプリアスが生じる問題があった。図8は特許文献3に開示されたSAW共振子の共振特性を示している。なお、設計条件は図7の場合と同じであり、電極膜厚H/λは0.06としている。同図に示すように、共振点の低域側にスプリアスが生じているのが分かる。このスプリアスは縦3次モードのスプリアスであり、スプリアスレベルが大きいと発振回路で異常発振を生じさせる原因となる。
【0016】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、特許文献3に開示されたSAWデバイスにおいて、共振点より低域側に生じるスプリアスを抑圧することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
上記課題を解決するために本発明に係るSAWデバイスの請求項1に記載の発明は、圧電基板と、該圧電基板の主面上に形成したIDTとその両側に反射器とを備え、励振波をSH波とした弾性表面波デバイスであって、前記圧電基板は、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−64.0°<θ<−49.3°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶X軸に対し90°±5°とした水晶平板であり、励振する弾性表面波の波長をλとしたとき、前記IDTの波長で基準化した電極膜厚H/λを0.04<H/λ<0.12とし、前記IDTの電極指に重み付けを施すことを特徴としている。請求項2に記載の発明は、前記IDTのSAWの伝搬方向の全長をLとしたとき、IDTの左端を基準位置として、基準位置から0.25Lまでの範囲、又は0.75LからLまでの範囲のどちらか一方、又は両方の範囲に配置された電極指に重み付けを施すことを特徴としている。請求項3に記載の発明は、前記IDT及び前記反射器は、Al又は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ている。請求項4に記載の発明は、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している。
【発明の効果】
【0018】
本発明の請求項1乃至3の発明によれば、カット角θが−64.0°<θ<−49.3°の範囲にある回転Yカット水晶基板を用い、SAWの伝搬方向が結晶X軸に対して90°±5°として励振されるSH波を用い、IDT及びグレーティング反射器の電極材料をAlまたはAlを主とした合金にて構成し、波長で基準化した電極膜厚H/λを0.04<H/λ<0.12とし、前記IDTのSAWの伝搬方向の全長をLとしたとき、IDTの左端を基準位置として、基準位置から0.25Lまでの範囲、又は0.75LからLまでの範囲のどちらか一方、又は両方の範囲に配置された電極指に重み付けを施すことにより、共振点より低域側に生じるスプリアスを抑圧することができる。また、本発明の請求項4によれば、前記SAWデバイスをモジュール装置や発振回路等に用いれば、異常発振が生じるのを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
以下、本発明を図面に図示した実施の形態例に基づいて詳細に説明する。図1(a)は本発明に係るSAW共振子の平面図を示しており、圧電基板1上に正電極指と負電極指とがそれぞれ互いに間挿し合うIDT2と、該IDT2の両側にSAWを反射する為のグレーティング反射器3a、3bとを配置する。そして、前記IDT2の入出力パッド4a、4bとパッケージ6の入出力用端子とを金属ワイヤ5a、5bにより電気的に導通し、パッケージ6の開口部を蓋(リッド)で気密封止する。圧電基板1は、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−64.0°<θ<−49.3°に設定し、SAWの伝搬方向を結晶X軸に対しほぼ垂直方向(90°±5°)にした水晶平板であって、励振するSAWはSH波である。なお、IDT2及びグレーティング反射器3a、3bの電極材料はAl又はAlを主成分とする合金とし、IDT2の電極対数を100対、グレーティング反射器3a、3bの電極本数を各々100本としている。また、図1(b)はIDT2の断面図を示しており、本実施例においてはIDT2上を励振するSAWの波長をλとした時に電極膜厚を波長で基準化した値H/λで表し、IDT2を構成する電極指の電極指幅L/(電極指幅L+電極指間のスペースS)をライン占有率mrとした時にmr=0.60としている。
【0020】
本発明では、IDTの電極指に重み付けを施すことにより、共振点より低域側に生じるスプリアスの抑圧を図った。図2(a)は、前記SAW共振子のIDT2の左側半分の拡大図を示しており、IDTの全長をLとしたとき、IDTの左端を基準位置0として、基準位置0から0.25Lまでの範囲に配置されている電極指A〜Dの4本の極性を反転させて重み付けを施している。また、図2(b)は、前記SAW共振子のIDT2の右側半分の拡大図を示しており、IDTの全長をLとしたとき、0.75LからLまでの範囲に配置されている電極指E〜Gの4本の極性を反転させて重み付けを施している。即ち、本発明ではIDTの対数100対のうち8対分の電極指に重み付けを施している。
【0021】
図3は、前記SAW共振子の共振特性を示している。なお、この時のカット角θを−52°、電極膜厚H/λを0.06、共振周波数を315MHzとしている。また、比較のために電極指に重み付けを施していない従来のSAW共振子の共振特性を点線に示している。同図に示すように、本発明品は従来品と比較して主モードの特性を然程劣化させずに共振点より低域側に生じる縦3次モードのスプリアスレベルが抑圧されていることが分かる。また、同時に共振特性の高域側のスプリアスレベルも抑圧されているのが分かる。
【0022】
以上説明した通り、本発明に係るSAWデバイスは、特許文献3に記載の回転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−64.0°<θ<−49.3°に設定し、SAWの伝搬方向を結晶X軸に対しほぼ垂直方向(90°±5°)にした水晶平板を用い、波長で基準化した電極膜厚H/λを0.04<H/λ<0.12の範囲に設定したSAWデバイスにおいて、前記IDTのSAWの伝搬方向の全長をLとしたとき、IDTの左端を基準位置として、基準位置から0.25Lまでの範囲と0.75LからLまでの範囲に配置された電極指に重み付けを施すことにより、共振点より低域側に生じる縦3次モードのスプリアスを抑圧できることが確認された。
【0023】
ここで、IDTの中心部分(0.25Lから0.75Lまでの範囲)に配置した電極指を間引いてしまうと、共振点より低域側に生じる縦3次モードのスプリアスは抑圧できるものの、主モードのQ値が劣化してしまうので好ましくない。
【0024】
また、実施例ではIDTの左端の基準位置から0.25Lまでの範囲と0.75LからLまでの範囲の両方の電極指に重み付けを施したが、どちらか一方の範囲の電極指にのみ重み付けを施しても良い。重み付けの方法に関しては、電極の極性を反転させるだけでなく、電極指を間引いたり、電極指の交差幅を変化させたり、電極指の幅を他より大きくする等の方法を用いても良い。
【0025】
また、特許文献3に記載されているように、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、電極膜厚H/λを0.05<H/λ<0.10に設定すれば、著しく高いQ値を得ることができる。また、ライン占有率mrは0.60に固定したが、これ以外のライン占有率としても良い。電極材料についても実施例ではAl又はAlを主成分とする合金としたが、それ以外のTa、W、Au、Ag等の金属又はそれらを主成分とする合金としても良い。
【0026】
デバイス構造に関しては、図1に示すような1ポートのSAW共振子以外に、2ポートSAW共振子、SAW共振子の音響結合を利用した2重モードSAW(DMS)フィルタ、SAW共振子を直列腕と並列腕に梯子状に配置したラダー型SAWフィルタ、入力用IDTと出力用IDTを所定の間隙をあけて配置したトランスバーサル型SAWフィルタ等のSAWデバイスに適用しても良い。
【0027】
また、上述のSAWデバイスにおいて、IDTやグレーティング反射器上にSiO等の保護膜やAlを陽極酸化した保護膜等を形成したり、Al電極の上部あるいは下部に密着層あるいは耐電力向上等の目的で別の金属薄膜を形成した場合においても、本発明と同様の効果を得られることは明らかである。また、センサ装置やモジュール装置、発振回路等に本発明のSAWデバイスを用いれば、異常発振を防止できる。
【0028】
また、本発明のSAWデバイスは、図1に示すようなSAWチップとパッケージをワイヤボンディングした構造以外でも良く、SAWチップの電極パッドとパッケージの端子とを金属バンプで接続したフリップチップボンディング(FCB)構造や、配線基板上にSAWチップをフリップチップボンディングしSAWチップの周囲を樹脂封止したCSP(Chip Size Package)構造、或いは、SAWチップ上に金属膜や樹脂層を形成することによりパッケージや配線基板を不要としたWLCSP(Wafer Level Chip Size Package)構造等にしても良い。更には、水晶デバイスを水晶又はガラス基板で挟んで積層封止したAQP(All Quartz Package)構造としても良い。前記AQP構造は、水晶又はガラス基板で挟んだだけの構造であるのでパッケージが不要で薄型化が可能であり、低融点ガラス封止や直接接合とすれば接着剤によるアウトガスが少なくなりエージング特性に優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】本発明に係るSAWデバイスを説明する図であり、平面図を(a)に、IDTの断面図を(b)に示す。
【図2】本発明に係るSAWデバイスのIDTの左側半分の拡大図を(a)に、右側半分の拡大図を(b)に示す。
【図3】本発明に係るSAWデバイスと従来品の共振特性の比較を示す。
【図4】従来のSTカット水晶SAW共振子を説明する図である。
【図5】−50°回転Yカット90°X伝搬水晶基板を説明する図である。
【図6】従来の多対IDT型SAW共振子を説明する図である。
【図7】特願2004−310452号に開示されたSAW共振子の電極膜厚H/λとQ値の関係を示す。
【図8】特願2004−310452号に開示されたSAW共振子の共振特性を示す。
【符号の説明】
【0030】
1 圧電基板
2 IDT
3a、3b グレーティング反射器
4a、4b 入出力用パッド
5a、5b 金属ワイヤ
6 パッケージ





 

 


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