(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電基板の平面寸法を大型化することなく、周波数を有効かつ十分に可変制御し得るＳＡＷ素子及びＳＡＷデバイスを提供する。【解決手段】ＳＡＷ素子１は、水晶からなる圧電基板２の主面に、ＳＡＷを励振するためのＩＤＴ３と、ＩＤＴに対してＳＡＷ伝搬方向の両側に配置した反射器５，６と、反射器の少なくとも一部から構成されるヒーター電極１０とを備える。ＳＡＷ素子の動作温度範囲は、圧電基板２の周波数温度特性が２次曲線又は３次曲線で表される場合に、その極値となる温度を含まないように設定し、該２次曲線又は３次曲線が温度の上昇に関して常に正方向に変化するようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、ＳＡＷを励振するためのＩＤＴと、ヒーター電極とを有し、前記ＩＤＴ及び前記ヒーター電極が前記圧電基板の主面に設けられ、前記ヒーター電極が前記ＩＤＴに対してＳＡＷ伝搬方向の少なくとも一方の側に配置され、ＳＡＷ伝搬方向に沿って前記ヒーター電極を設けた領域から前記ＩＤＴの領域に向けて温度が低下する向きに温度勾配を発生させ得るようにしたことを特徴とするＳＡＷ素子。
【請求項２】
前記圧電基板の主面に前記ＩＤＴに対してＳＡＷ伝搬方向の両側に配置した反射器を更に有し、前記ヒーター電極が、前記反射器の少なくとも一部を形成することを特徴とする請求項１記載のＳＡＷ素子。
【請求項３】
前記圧電基板の周波数温度特性が２次曲線又は３次曲線で表される場合に、その極値となる温度を含まないように動作温度範囲が設定され、前記動作温度範囲内で前記２次曲線又は３次曲線が温度の上昇に関して常に正方向に変化することを特徴とする請求項１又は２記載のＳＡＷ素子。
【請求項４】
前記圧電基板が水晶基板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のＳＡＷ素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか記載のＳＡＷ素子と、前記ＳＡＷ素子の前記ヒーター電極への印加電力を制御するための手段とを備えるＳＡＷデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電基板上に弾性表面波（ＳＡＷ）を励振するためのＩＤＴ（すだれ状トランスデューサ）を形成した弾性表面波素子、及びこれを用いた弾性表面波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からＳＡＷデバイスは、携帯電話等の情報通信機器、その他様々な電子機器に広く使用されている。特に通信機器の分野では、優れた周波数温度特性を発揮するＳＡＷデバイスが要求されている。ＳＡＷデバイスの周波数温度特性は、多くの場合、２次曲線や３次曲線で表すことができ、その周波数が極大値又は極小値となる頂点温度を使用温度範囲の中心温度に設定する。この場合、ＳＡＷデバイスの周波数は、中心温度付近では安定しているが、中心温度から離れるほど大きく変動することになる。
【０００３】
そこで、環境温度の変化による周波数の変動を抑制するために、圧電基板の主面に励振電極とヒーター用の抵抗体とを形成し、該抵抗体への印加電流を調整して圧電基板の温度を調整可能にしたＳＡＷ素子が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。ヒーター用の抵抗体は、圧電基板の裏面に形成することができ、それによりＳＡＷ素子の小型化が図られる（例えば、特許文献２，３を参照）。
【０００４】
また、圧電基板の裏面に熱電素子としてペルチェ素子を接合し、表面上のＳＡＷに影響を与えることなく、圧電基板の表面温度を適切に制御するＳＡＷ共振器等のＳＡＷ装置が知られている（例えば、特許文献４を参照）。特許文献４によれば、圧電基板をその裏面の一部のみで支持することにより、圧電基板の周囲から受ける応力を低減させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２１８７９４号公報
【特許文献２】特開平１−２６１０１３号公報
【特許文献３】実開平４−１３２７３８号公報
【特許文献４】特開平８−７９００２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来のヒーター付きのＳＡＷデバイスは、その実用化に当たって次のような問題がある。圧電基板は、該基板上に設けた抵抗体からなるヒーター電極で直接加熱したとき、その内部には、ヒーター電極付近から離れる向きに温度勾配が生じる。このような不均一な温度分布による熱応力によって圧電基板が変形すると、その内部応力によって周波数が変動してしまう。従って、圧電基板の温度調節によるＳＡＷデバイスの周波数調整は、その温度変化により生じる内部応力の影響をも考慮しなければならない。
【０００７】
このようにＳＡＷデバイスの圧電基板をヒーターで加熱した場合の周波数温度特性について、本願発明者は以前より次のような解析を行っている。ＳＡＷデバイスをヒーター電極で加熱しない場合の周波数温度特性を、例えば６５℃の使用温度を頂点温度とする２次曲線と仮定すると、図４のような２次曲線で表される。この場合に、圧電基板の温度を６５±１０℃の範囲に制御すれば、ＳＡＷデバイスの周波数は、数ｐｐｍ程度の変動範囲に安定させることができる。ところが、圧電基板の温度をヒーターによる加熱で環境温度よりも上昇させると、圧電基板のヒーターを配置した部分とＩＤＴを配置した部分との間に温度勾配が生じて、ＩＤＴを設けた部分に応力が発生する。この熱応力に起因したＳＡＷデバイスの周波数変動量は、図５に示すように、温度の上昇に伴って直線的に低下することが分かった。
【０００８】
このように、例えば環境温度が２５℃の状態で圧電基板の温度をヒーターによる加熱で６５℃まで上昇させたとき、ＳＡＷデバイスの周波数温度特性は、図６に実線で示すような２次曲線となる。この２次曲線は、図４の２次曲線から図５の線形的な周波数変動量を、２５℃の位置で交差させて差し引いたものである。その結果、温度変化に対する周波数変動量が大きくなり、周波数を安定させることが困難になる。
【０００９】
また、特許文献４記載のＳＡＷ装置も、圧電基板の温度分布が不均一になり易いという問題がある。圧電基板をその裏面の一部のみで支持すると、たとえ圧電基板の裏面全体に熱電素子を接合して加熱しても、その熱の一部が圧電基板の支持部から直接支持台に逃げるからである。
【００１０】
更に本願発明者は、ＳＡＷデバイスの圧電基板上に設けたヒーターにより発生する温度分布及び熱応力による内部応力を解析し、それらがＳＡＷデバイスの周波数に及ぼす影響について検討した。この検討結果から、ＳＡＷデバイスの周波数は、圧電基板上においてＩＤＴ及びヒーター電極を適切に配置することによって、ヒーター電極への印加電力により積極的に可変制御可能であることを見出した。
【００１１】
他方、トランスバーサル型のＳＡＷデバイスは、ＩＤＴとＩＤＴ間のＳＡＷ伝搬路上に空いたスペースがあって、圧電基板の寸法及び形状を変えることなくヒーター電極を形成できるのに対し、圧電基板上にＩＤＴと反射器とを有する共振子型のＳＡＷデバイスには、そのような空いたスペースが無い。そのため、圧電基板の主面にヒーター電極を形成しようとすると、圧電基板の平面寸法を大きくして新たなスペースを確保しなければならない。その結果、最近の電子機器の小型化に伴うＳＡＷデバイスの小型化の要求に対応できないという問題が生じる。
【００１２】
本発明は、上記知見に基づきかつ上記問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、圧電基板の平面寸法を大型化することなく、周波数を有効かつ十分に可変制御し得るＳＡＷ素子及びＳＡＷデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のＳＡＷ素子は、上記目的を達成するために、例えば良好かつ安定性に優れた温度特性の水晶基板からなる圧電基板の主面に、ＳＡＷを励振するためのＩＤＴとヒーター電極とが設けられ、ヒーター電極がＩＤＴに対してＳＡＷ伝搬方向の少なくとも一方の側に配置され、ＳＡＷ伝搬方向に沿ってヒーター電極の領域からＩＤＴの領域に向けて温度が低下する向きに温度勾配を発生させ得るようにしたことを特徴とする。
【００１４】
このようにヒーター電極を配置することによって、ＩＤＴを直接加熱せずにＩＤＴの周辺部を加熱することができ、それにより圧電基板にヒーター電極を設けた領域とＩＤＴを設けた領域との間に積極的に温度勾配を発生させ、その熱応力によって、ヒーター電極を設けた領域が熱膨張し、ＩＤＴを設けた領域に圧縮応力を作用させることができる。この圧縮応力がＳＡＷ伝搬方向に作用することによって、ＳＡＷ素子の周波数を変化させる。圧電基板の温度変化による周波数変化に、熱応力による周波数変化が加わることによって、ＳＡＷ素子の周波数変動幅が従来よりも大きく拡大する。更に、ヒーター電極への印加電力を制御してヒーター電極の加熱温度を調整することによって、ＩＤＴを設けた領域に作用する圧縮応力を変化させ、ＳＡＷ素子の周波数変動量を制御することができる。
【００１５】
或る実施例では、ＳＡＷ素子が圧電基板の主面にＩＤＴに対してＳＡＷ伝搬方向の両側に配置した反射器を更に有し、ヒーター電極が反射器の少なくとも一部を形成することにより、圧電基板の平面寸法を大きくすることなく、周波数を可変化しかつ周波数変動量を制御可能にすることができる。
【００１６】
別の実施例では、ＳＡＷ素子の動作温度範囲が、圧電基板の周波数温度特性が２次曲線又は３次曲線で表される場合に、その極値となる温度を含まないように設定され、かつ該動作温度範囲内で前記２次曲線又は３次曲線が温度の上昇に関して常に正方向に変化するようにする。このようにＳＡＷ素子の動作温度範囲を設定すると、圧電基板の周波数温度特性を２次曲線と仮定した場合に、２次曲線はその極値となる温度から離れるほど傾き即ち変化率が大きくかつより線形に近くなるから、ＳＡＷ素子の周波数変動量及び周波数変動幅をより大きくし、かつ周波数変化を線形的により高精度に制御することができる。これは、圧電基板の周波数温度特性が３次曲線で表される場合にも、同様である。
【００１７】
本発明の別の側面によれば、上述した本発明のＳＡＷ素子と、該ＳＡＷ素子のヒーター電極への印加電力を制御するための手段とを備えるＳＡＷデバイスが提供される。この印加電力制御手段によってヒーター電極への印加電力を制御し、それによりヒーター電極の加熱温度を調整して、ＩＤＴを設けた領域に作用する圧縮応力を変化させることができるので、周波数可変制御のＳＡＷデバイスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明によるＳＡＷデバイスの第１実施例を示す平面図。
【図２】ヒーター電極への印加電力に対する周波数変動量の変化を示す線図。
【図３】本発明によるＳＡＷデバイスの第２実施例を示す平面図。
【図４】ヒーター電極で加熱しないＳＡＷデバイスの周波数温度特性を示す線図。
【図５】ヒーター電極で加熱したＳＡＷデバイスの温度上昇に対する周波数変動量を示す線図。
【図６】ヒーター電極で加熱したＳＡＷデバイスの周波数温度特性を示す線図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。添付図面において、同一又は類似の構成要素は同一又は類似の参照符号を付して説明する。
【００２０】
図１は、本発明によるＳＡＷデバイスの第１実施例を示している。本実施例のＳＡＷデバイスは、共振子として使用されるＳＡＷ素子１を備える。ＳＡＷ素子１は、水晶からなる矩形平板の圧電基板２を有する。圧電基板２の主面には、中央に１組の交差指電極３ａ，３ｂからなるＩＤＴ３が配置されている。更に圧電基板２の主面には、ＳＡＷ伝搬方向に沿ってＩＤＴ３を挟むようにその両側に各１つの反射器５、６が配置されている。反射器５、６は、それぞれＳＡＷ伝搬方向に直交する向きに延長しかつ互いに等間隔で平行に配置された複数の反射体ストリップ７、８を有する。
【００２１】
ＩＤＴ３は、一方の交差指電極３ａが、前記ＳＡＷデバイスの電源端子９に接続される電源電極としてのバスバー４ａに接続され、他方の交差指電極３ｂは、接地電極でもあるバスバー４ｂに接続されている。各反射器５，６は、それぞれに全ての反射体ストリップ７，８が直列に接続されて、圧電基板２を加熱するためのヒーター電極を構成している。両反射器５，６は、共通のヒーター電源電極１０と、ＩＤＴ３と共通の接地電極４ｂとの間に並列に接続されている。
【００２２】
前記ＳＡＷデバイスは、外部から前記ヒーター電極へ電力を印加しかつ制御するための印加電力制御手段１１を備えており、ヒーター電源電極１０と接続されている。印加電力制御手段１１からヒーター電源電極１０と接地電極４ｂとの間に所定の直流電流を印加すると、各反射器５、６がそれぞれヒーター電極として発熱し、ＩＤＴ３の両側で圧電基板２の温度を上昇させる。前記ヒーター電極の温度は、前記印加電力制御手段により印加電力を制御することによって調整される。
【００２３】
ＳＡＷ素子１は、圧電基板２の裏面全面が適当な接着剤により前記パッケージのマウント部に接着されて固定支持される。この状態で、各反射器５、６に所定の電力を印加して加熱すると、圧電基板２は、前記反射器を設けた領域が高温となるのに対し、その間のＩＤＴ３を設けた中央領域は、基板裏面から前記接着剤を介して熱が前記マウント部へ逃げるので、比較的低温となる。このように圧電基板２には、ＳＡＷ伝搬方向に沿ってその両側から中央領域に向けて温度が急激に低下する不均一な温度分布が発生する。
【００２４】
この温度分布に対応して、圧電基板２は、高温に加熱された反射器５、６の領域が熱膨張する。そのため、比較的低温のＩＤＴ３の領域は、左右両反射器５、６の領域から該領域の膨張による応力を受けて、圧縮応力が発生する。この結果、圧電基板２には、熱応力による内部応力がＳＡＷ伝搬方向に反射器５、６の領域からＩＤＴ３の領域に向けて急激に変化する不均一な応力分布が発生する。
【００２５】
反射器５、６即ちヒーター電極へ印加する直流電流を変化させ、印加電力に対するＳＡＷ素子１の周波数変動量ΔＦを測定した。この測定結果を図２に示す。同図に示すように、周波数変動量ΔＦは、印加電力に対して略線形に正方向に増加するように変化している。これは、前記ヒーター電極による圧電基板２の温度上昇で発生した圧縮応力に比例して、周波数が上昇することを示している。このように前記ヒーター電極への印加電力を調整制御することによって、ＳＡＷ素子１の周波数を数１００ppm〜数１０００ppmもの広い変動幅をもって可変制御することができる。
【００２６】
圧電基板２のＩＤＴ３を設けた中央領域の温度は、圧電基板裏面から前記マウント部への熱伝導率が高いほど、より多くの熱がマウント部側に逃げるので、より均一かつ低温になる。その結果、反射器５、６の領域とＩＤＴ３の領域との温度差がより大きくなるので、ＩＤＴ３の領域に作用する圧縮応力は、より大きくかつ一様に作用する。これによって、前記ヒーター電極への同じ印加電力でＳＡＷ素子１の周波数変動量をより大きくし、かつその周波数変動幅をより大きくすることができる。
【００２７】
圧電基板裏面から前記マウント部への熱伝導率は、圧電基板２を前記マウント部に接着する接着剤をより高熱伝導性のものにすることによって、高くすることができる。また、これは、圧電基板２をその裏面と前記マウント部との間にペルチェ素子等の吸熱手段を介在させることによっても可能である。その場合、前記吸熱手段は、少なくとも反射器５、６の領域を含まないように寸法及び形状を決定しかつ配置するのが好ましい。更に、圧電基板２の、少なくとも反射器５、６の領域を除く領域の板厚を厚く形成しかつ該板厚部分で前記マウント部に接着することによっても、圧電基板から前記マウント部への熱伝導率を高めることができる。
【００２８】
ＳＡＷ素子１の動作温度範囲は、圧電基板２の周波数温度特性を２次曲線で表されると仮定した場合、その頂点温度に対して常に正方向に変化する側にかつ頂点温度よりも大きく離れた領域に設定する。例えば、この２次曲線の２次の係数が負の場合、その頂点温度よりも低い側に動作温度範囲を設定する。逆に２次曲線の２次の係数が正の場合には、その頂点温度よりも高い側に動作温度範囲を設定する。２次曲線の周波数温度特性は、その極値をとる温度から離れるほど、その傾き即ち変化率が大きくかつより線形に近くなる。従って、ＳＡＷ素子１の周波数変動量及び周波数変動幅をより大きくでき、かつ周波数変化をより高精度に制御することができる。
【００２９】
これは、圧電基板２の周波数温度特性が３次曲線で表されると考えられる場合も、同様である。この場合、ＳＡＷ素子１の動作温度範囲は、３次曲線の極値を含まないようにかつ該３次曲線が温度の上昇に関して常に正方向に変化するように設定する。これによって、同様にＳＡＷ素子１の周波数変動量及び周波数変動幅をより大きくできるだけでなく、周波数変化をより高精度に制御することができる。
【００３０】
図３は、本発明によるＳＡＷデバイスの第２実施例を示しており、共振子として使用されるＳＡＷ素子２１を備える。ＳＡＷ素子２１は、水晶からなる矩形平板の圧電基板２を有し、その主面には、中央に１組の交差指電極３ａ，３ｂからなるＩＤＴ３が配置され、かつＳＡＷ伝搬方向に沿ってＩＤＴ３の両側に各１つの反射器５、６が配置されている。反射器５、６は、それぞれＳＡＷ伝搬方向に直交する向きに延長しかつ互いに等間隔で平行に配置された複数の反射体ストリップ２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂを有する。
【００３１】
本実施例の反射器５，６は、ＩＤＴ３に近接する側の複数の反射体ストリップ２２ａ，２３ａがそれぞれバスバーにより互いに接続され、かつ他の反射体ストリップ２２ｂ，２３ｂから電気的に独立するように構成されている。ＩＤＴ３から離れた他の反射体ストリップ２２ｂ，２３ｂは、反射器５，６毎にそれぞれ直列に接続されて、ＩＤＴ３の両側で圧電基板２を加熱するためのヒーター電極を構成している。前記各ヒーター電極は、第１実施例と同様に、共通のヒーター電源電極１０と、ＩＤＴ３と共通の接地電極４ｂとの間に並列に接続されている。
【００３２】
ヒーター電源電極１０は、外部から前記ヒーター電極へ電力を印加しかつ制御するための印加電力制御手段１１に接続されている。第１実施例と同様に、印加電力制御手段１１からヒーター電源電極１０と接地電極４ｂとの間に直流電流を制御して印加することによって、前記ヒーター電極が発熱してＩＤＴ３の両側で圧電基板２の温度を上昇させる。その結果、圧電基板２には、ＳＡＷ伝搬方向に沿って前記ヒーター電極の領域からＩＤＴ３の領域に向けて、温度が急激に低下する不均一な温度分布が発生し、それに対応した応力分布が発生する。これにより、本実施例においても、ＳＡＷ素子１の周波数を数１００ppm〜数１０００ppmもの広い変動幅をもって可変制御することができる。
【００３３】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、上記実施例では、ＩＤＴ３の接地側のバスバー４ｂを、前記ヒーター電極の接地電極から独立した別個の電極として形成し、かつ接地せずに平衡終端として用いることができる。また、反射器は、上記実施例以外の様々なパターンに形成することができる。更に上記実施例のＳＡＷデバイスは一端子対共振子であるが、二端子対共振子や、ＩＤＴに対してＳＡＷ伝搬方向の両側に反射器を有する他の様々な構造のＳＡＷデバイスについても、本発明を同様に適用することができる。また、ＳＡＷ素子の圧電基板には、水晶以外に、リチウムタンタレート、リチウムナイオベート、四硼酸リチウム等の公知の様々な圧電材料を用いることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１，２１…ＳＡＷ素子、２…圧電基板、３…ＩＤＴ、３ａ，３ｂ…取出電極、４ａ…バスバー、４ｂ…バスバー、接地電極、５，６…反射器、７，８，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ…反射体ストリップ、９…電源端子、１０…ヒーター電源電極、１１…印加電力制御手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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