(57)【要約】【課題】電極寸法の製造偏差による周波数偏差が小さいＡｌを主成分とした電極を用い、反射特性に優れ製品の小型化を図ることが可能であり、電気機械結合係数が大きく、かつ、温度に対する周波数変動が小さい弾性表面波素子を提供する。【解決手段】水晶基板２の表面の切り出し角および伝搬方向が、オイラー角（０°、１３５〜１８６°、９０±２°）の範囲になるように設定されるとともに、規格化電極膜厚ｈ／λは０．０８２〜０．１５０に設定し、ＳＨ型表面波を励振する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶基板からなる圧電基板と、該圧電基板上に形成されて弾性表面波（ＳＨ波型表面波）を励起、受信、反射、伝搬するためのＡｌを主成分とするＩＤＴ電極とを含む弾性表面波素子において、
前記圧電基板の表面の切り出し角および弾性表面波の伝搬方向の範囲が、オイラー角表示で（０°、１３５〜１８６°、９０±２°）の範囲内であって、
前記ＩＤＴ電極の膜厚ｈをＩＤＴ波長λで規格化した規格化電極膜厚ｈ／λが０．０８２以上であって、かつ、０．１５０以下であることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項２】
前記圧電基板の表面の切り出し角および弾性表面波の伝搬方向の範囲が、オイラー角表示で（０°、１５５〜１８４°、９０±２°）の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波素子。
【請求項３】
前記ＩＤＴ電極のライン幅をＬ、ピッチをＰとしたときＬ／Ｐが０．６１以上０．７６以下であることを特徴とする請求項１または２記載の弾性表面波素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波素子に関し、携帯電話などにおける周波数選別フィルタ、キーレスエントリーシステムなどにおける発振器、および共振子などに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
弾性表面波素子は、電気信号を表面波に変換して信号処理を行う回路素子であり、フィルタ、共振子などとして幅広く用いられている。通常、圧電性のある弾性体基板（圧電基板）上に、ＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：ＩＤＴ）と呼ばれる導電性膜からなる電極を設けることで、電気信号から表面波への変換・逆変換が行われている。
【０００３】
弾性表面波素子に要求される特性としては、温度変化に対する周波数変動が小さいこと（温度特性が良好）、電気機械結合係数が大きいこと、反射器を使用する場合には反射特性が優れていること等がある。
このうち、温度特性は、特に、共振子として用いられている弾性表面波素子に重要であり、電気機械結合係数はフィルタの通過帯域幅や、電圧制御型発振器を構成した場合の周波数可変幅を決定する。また、反射特性は素子のサイズに影響するものである。
【０００４】
温度特性に優れた弾性表面波素子として、ＳＴカットＸ軸伝搬の水晶基板を用い、この水晶基板上にＡｌからなる電極材料によりＩＤＴ電極や反射器などを形成して、レイリー波を用いるようにしたものがある。また、さらに温度特性に優れた弾性表面波素子として、レイリー波の伝搬方向をＳＴカットの面内で回転させた面内回転ＳＴカット水晶基板が知られている。（例えば非特許文献１参照）
【０００５】
また、ＳＴカット９０°Ｘ軸伝搬の水晶基板上に、ＩＤＴ電極や反射器などを形成し、ＳＨ波型表面波を用いるようにしたものがある。ＳＨ波型表面波は、上記レイリー波と比較して温度特性は劣るものの、電気機械結合係数が大きく、反射特性も優れていることから装置の小型化を図ることが可能である。最近では、質量付加の小さいＡｌによりＩＤＴ電極や反射器などを形成することにより、電極の幅、膜厚による中心周波数の変動を小さくし、さらに、電極膜厚を大きくすることによって、反射特性を向上させたものが提案されている。（例えば、特許文献１参照）
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−７８４６号公報
【非特許文献１】第２３回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム  第３７７〜３７８頁、「面内回転３３°Ｙカット水晶におけるＳＡＷ共振子の温度特性」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来のレイリー波を用いた弾性表面波素子においては、反射特性が悪く、十分な反射量を得るために多くの反射器の本数を必要とするため小型化に不利になる。また、電気機械結合係数が約０．１４％と小さいことが知られており、フィルタを構成した場合には通過帯域幅が非常に狭いものに限定されるという問題を有していた。
【０００８】
さらに、非特許文献１によれば、面内回転ＳＴカット水晶基板の２次温度係数は−１．４×１０-8［１／℃2］であり、使用温度範囲−４０℃〜＋９０℃では、頂点温度がその温度範囲の中心にあったとしても周波数の変動量は約６０ｐｐｍである。これは弾性表面波素子としては優れた周波数温度特性であるが、高精度が要求される共振子としては十分とはいえない。
【０００９】
また、上記従来のＳＨ波型表面波を用いた弾性表面波素子においては、電気機械結合係数の値が、電極膜厚を大きくするに従い減少するといった問題があり、優れた反射特性と大きな電気機械結合係数を同時に実現することが困難であった。さらに、その温度特性は上記レイリー波よりも劣るという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、電極寸法の製造偏差による周波数変動が小さいＡｌを主成分とした電極を用い、反射特性に優れ製品の小型化を図ることが可能で、電気機械結合係数が大きく、かつ、温度に対する周波数変動が小さい弾性表面波素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の弾性表面波素子は、水晶基板からなる圧電基板と、該圧電基板上に形成されて弾性表面波（ＳＨ波型表面波）を励起、受信、反射、伝搬するためのＡｌを主成分とするＩＤＴ電極とを含む弾性表面波素子において、前記圧電基板の表面の切り出し角および弾性表面波の伝搬方向の範囲が、オイラー角表示で（０°、１３５〜１８６°、９０±２°）の範囲内であって、前記ＩＤＴ電極の膜厚ｈをＩＤＴ波長λで規格化した規格化電極膜厚ｈ／λが０．０８２以上であって、かつ、０．１５０以下であることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、ＳＨ波型表面波を発生させることが可能で、大きな電気機械結合係数を保持したまま、優れた反射特性が得られ、反射器の本数を大幅に減らして弾性表面波素子の小型化を図ることが可能となる。さらに、規格化電極膜厚ｈ／λが０．０８２〜０．１５０に限定されているため、良好な温度特性を有する弾性表面波素子を容易に設計することができる。
また、Ａｌを主成分とした電極材料を用いているため、電極寸法の製造偏差による周波数変動が小さく、信頼性の高い弾性表面波素子が得られる。
【００１３】
本発明の弾性表面波素子は、前記圧電基板の表面の切り出し角および弾性表面波の伝搬方向の範囲が、オイラー角表示で（０°、１５５〜１８４°、９０±２°）の範囲内であっても良い。
上記構成によれば、電気機械結合係数が大きく、反射特性の優れたＳＨ波型表面波を用いて、極めて良好な温度特性を得ることができる。
【００１４】
本発明の弾性表面波素子は、前記ＩＤＴ電極のライン幅をＬ、ピッチをＰとしたときＬ／Ｐが０．６１以上０．７６以下であっても良い。
上記構成によれば、電極寸法の製造偏差による周波数偏差が極めて小さく、特に信頼性の高い弾性表面波素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【実施例】
【００１６】
図１（ａ）は、本発明の実施例に係る弾性表面波素子１の概略構成を示す斜視図、図１（ｂ）は図１(a)のＡ―Ａ線で切断した断面図である。
【００１７】
図１において、水晶基板２の主表面上には、ＩＤＴ電極３および反射器電極４ａ、４ｂが形成されている。なお、ＰはＩＤＴ電極３のピッチ、λはＩＤＴ波長、ｈはＩＤＴ電極３の厚み、ＬはＩＤＴ電極３のライン幅であり、ＩＤＴ波長λは、ＩＤＴ電極３のピッチＰの２倍となる。
ここで、この水晶基板２は、その表面の切り出し角および弾性表面波の伝搬方向が、オイラー角（０°、１３５〜１８６°、９０±２°）の範囲になるように設定される。
【００１８】
ＩＤＴ電極３は、Ａｌを主成分としており、水晶基板２上に、ＳＨ波型表面波を励振するもので、規格化電極膜厚ｈ／λは０．０８２〜０．１５０に設定される。なお、規格化電極膜厚ｈ／λは、電極膜厚ｈをＩＤＴ波長λで規格化したものである。また、ピッチＰに対するライン幅の占める割合をライン含有率ｔ（＝Ｌ／Ｐ）と表し、ｔは０．６１〜０．７６の範囲に設定されている。反射器電極３a、３ｂは、水晶基板１の表面上で発生したＳＨ波型表面波を反射させ、共振させる機能を有する。
【００１９】
これにより、この弾性表面波素子１は、大きな電気機械結合係数を保持したままで、優れた反射特性を得ることができる。この点については後に詳述する。
ここで、水晶基板の切り出し角および弾性表面波の伝搬方向を示すオイラー角表示（φ、θ、ψ）について図２を用いて説明する。
【００２０】
図２に示すように、水晶の結晶軸は、電気軸（Ｘ軸）、機械軸（Ｙ軸）、光軸（Ｚ軸）によって定義される。Ｚ軸を中心に反時計方向を正として回転した第一回転角φと、回転後のＸ´軸を中心に反時計方向を正として回転した第二回転角θで切断面Ｍを表示し、回転後のＺ´軸を中心に反時計方向を正として回転した第三回転角ψを基板面内の表面波伝搬方向とした場合に、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）と表す。
このオイラー角で表される切り出し角や表面波の伝播方向によって、弾性表面波素子の様々な特性が変化することは広く知られている。
【００２１】
図３は、オイラー角（０°、θ＝１２７〜１８４°、９０°）の水晶基板に、Ａｌからなる電極を形成し、ＳＨ波型表面波を励振させた場合に、周波数温度係数ＴＣＦ（以下、適宜ＴＣＦ：temperature coefficient frequency）が０となる回転角θと規格化電極膜厚ｈ／λの関係を示す図である。なお、ＴＣＦは以下の式で表され、一般に室温付近の温度に対する周波数変化割合の傾きであり、Ｔは温度、ｆは周波数を示す。
ＴＣＦ＝ｆ-1（∂ｆ／∂Ｔ）[ppm/℃]
以下、ＴＣＦは、常温における温度に対する周波数変化割合を表す。
図３に示すように、回転角θを大きくするに従って規格化電極膜厚ｈ／λを大きく設定することにより、ＴＣＦを０とすることが可能であり、良好な温度特性が得られることがわかる。また、回転角θを１３５°以上とすれば、規格化電極膜厚ｈ／λは０．０８以上と十分大きく設定できることから反射特性は極めて優れたものになる。
【００２２】
しかしながら、従来技術では、ＳＨ波型表面波の電気機械結合係数は、規格化電極膜厚ｈ／λを大きく設定するに従い減少することが知られており、大きな電気機械結合係数と優れた反射特性を同時に実現することは困難であると考えられていた。
【００２３】
次に、本実施形態によるＳＨ波型表面波を用いた共振子の電気機械結合係数と規格化電極膜厚ｈ／λ、回転角θとの関係について説明する。
図４は、本実施形態の弾性表面波素子において、θ＝１４０〜１８０°とした場合の、電気機械結合係数と規格化電極膜厚ｈ／λとの関係を示す図である。
図４に示すように、電気機械結合係数は規格化電極膜厚ｈ／λにより大きく変動しており、規格化電極膜厚ｈ／λを大きく設定するに従って減少していることがわかる。しかし、発明者が回転角θを変えて詳細に検討を行った結果、規格化電極膜厚ｈ／λに対する電気機械結合係数の変化は、回転角θによって大きく異なることを見出した。例えば、回転角θが１４０°の場合には、規格化電極膜厚ｈ／λ＝０．０７で電気機械結合係数は最大となり、その値は０．０４８であるのに対し、回転角θが１７０°の場合には規格化電極膜厚ｈ／λ＝０．１０で最大となり、その値は０．０５３である。
【００２４】
そこで、本願発明者は、規格化電極膜厚ｈ／λを大きく設定し、反射特性を向上させた場合においても、回転角θを変化させることで電気機械結合係数の減少を抑え、さらには、ＴＣＦが０となる条件を満たす可能性があると考えた。
【００２５】
図５は、本実施形態の弾性表面波素子において、図３に示したように、ＴＣＦが０になるよう回転角θに応じて規格化電極膜厚を設定した場合の、回転角θと電気機械結合係数との関係を示す図である。
図５中、破線は、電気機械結合係数が０．４２を示す線である。図５に示すように、回転角θを１３５〜１８６°の範囲にすることによって、従来のように規格化電極膜厚を大きく設定することによって生じる電気機械結合係数の減少を極力抑え、レイリー波の３倍の０．０４２以上の電気機械結合係数を得ることができる。さらに、規格化電極膜厚は十分に大きく設定されているため、反射特性は優れたものになる。
【００２６】
また、図３より、規格化電極膜厚を０．８２〜０．１５０の範囲に特定することで、上記した回転角θの範囲でＴＣＦが０となることから、温度に対する周波数変動の小さい弾性表面波素子を容易に設計できることがわかる。また、Ａｌを主成分とした電極材料を用いているため、電極寸法の製造偏差による周波数変動が小さく、信頼性の高い弾性表面波素子が得られる。
【００２７】
次に、本実施形態のＳＨ波型表面波を用いた共振子の温度特性について図面を参照して説明する。
図６は、温度と共振周波数との関係を示す図である。図６において、横軸には、温度（単位：℃）、縦軸には、温度２５℃のときの周波数を中心周波数とした場合の周波数偏差（単位：ｐｐｍ）が表されている。ここで、本実施形態によるθ＝１４０．６°、１６７．８°のＳＨ波型表面波を用いた共振子と、従来技術の面内回転ＳＴカット水晶基板からなる共振子の−４０℃〜＋９０℃までの範囲の周波数偏差を比較する。
図６から、−４０℃〜＋９０℃の温度範囲において、本実施形態によるＳＨ波型表面波を用いた共振子の周波数変動量が、従来技術の面内回転ＳＴカット水晶基板の周波数変動量である６０ｐｐｍよりも小さくなる回転角θが存在することが確認された。
【００２８】
図７は、本実施形態のＳＨ波型表面波を用いた共振子の使用温度範囲−４０°〜＋９０℃における周波数変動量と回転角θとの関係を示す図である。
図７中、破線は、周波数変動量が６０ｐｐｍを示す線である。図７によれば、回転角θにより周波数変動量は変化し、回転角θを１５５〜１８４°の範囲に設定することで、周波数変動量を面内回転ＳＴカット水晶基板の６０ｐｐｍよりも小さくすることが可能で、極めて温度特性に優れた弾性表面波素子を実現できることがわかる。
【００２９】
次に、本実施形態の弾性表面波素子のライン含有率と中心周波数の関係について説明する。
図８は、本発明の実施例に係る弾性表面波素子のライン含有率ｔの値を０．３〜０．９の範囲で変化させた場合の中心周波数の変化を示す図である。
図８に示すように、ライン含有率ｔの値が約０．６８を頂点として下向きの弧を描いている。したがって、ライン含有率ｔが約０．６８のとき、何らかの要因でＩＤＴ電極のライン幅の寸法が前後にずれた場合、もっとも周波数変動が小さくなることがわかる。なお、この特性は、本実施形態におけるオイラー角の範囲において同様の傾向を示していることが図８より明らかである。
【００３０】
図９は、ライン幅Ｌの寸法がピッチＰに対し±１％のバラツキを生じた場合のライン含有率ｔと周波数偏差量を示す図である。
図９に示すように、ライン含有率ｔが約０．６８のとき、周波数偏差量はもっとも小さくなることわかる。また、ライン含有率ｔを０．６１〜０．７６の範囲に設定することにより、周波数偏差量を±０．１５％以下に小さくできるため、周波数調整の工程への負担を大幅に軽減し、製造コストを下げることができる。
このように、ライン含有率ｔを限定することにより、本実施例の弾性表面波素子は、電極寸法の製造偏差による周波数偏差が極めて小さくなり、信頼性が特に高いものになる。
【００３１】
以上説明したように本発明によれば、規格化電極膜厚に対する電気機械結合係数の変化が、回転角θによって大きく異なることを見出したことによって、大きな電気機械結合係数を保持しながら、優れた反射特性を実現し、反射器の本数を大幅に減らし、製品全体の小型化を図ることが可能となる。
また、規格化電極膜厚が０．０８２〜０．１５０に限定されているため、良好な温度特性を有する弾性表面波素子を容易に設計することができる。さらに、回転角θを限定することで、極めて優れた温度特性を実現することができる。
また、Ａｌを主成分とした電極材料を用いているため、電極膜厚が周波数に与える影響が小さく、ライン含有率ｔを限定することにより、製造偏差による周波数偏差が極めて小さく、特に信頼性の高い弾性表面波素子が得られる。
【００３２】
なお、本発明は前述の実施例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。例えば、前述の実施例では、反射器２５，２６を備えているが、これらの反射器を備えない端面反射型の構成とすることができる。
また、本発明の実施例では、１ポート表面波共振器を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく２ポート表面波共振器、多対ＩＤＴ電極型表面波共振器などでもよい。また、上記ＳＨ波型表面波を用いた共振子型フィルタやトランスバーサル型フィルタについても適用できることは云うまでもない。
【００３３】
また、本発明の弾性表面波素子は、電極寸法の製造偏差による周波数偏差が小さく、反射特性に優れ素子の小型化を図ることが可能であり、電気機械結合係数が大きく、かつ、温度に対する周波数偏差が小さいことから、携帯電話などにおける周波数選別フィルタ、キーレスエントリーシステムにおける発振器、および共振子などの用途に広く用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施例に係る弾性表面波素子の概略構成を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。
【図２】本発明の実施例に係る弾性表面波素子の水晶基板の切り出し方位を示す図である。
【図３】本発明の実施例に係る弾性表面波素子の周波数温度係数ＴＣＦが０となる回転角θと規格化電極膜厚ｈ／λの関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例に係る弾性表面波素子の水晶基板にＡｌからなる電極を形成した場合の、規格化電極膜厚ｈ／λと電気機械結合係数の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例に係る弾性表面波素子の周波数温度係数ＴＣＦが０となるよう規格化電極膜厚ｈ／λを設定した場合の回転角θと電気機械結合係数の関係を示す図である。
【図６】本発明の実施例に係る弾性表面波素子の温度特性を示す図である。
【図７】本発明の実施例に係る弾性表面波素子の使用温度範囲−４０°〜＋９０℃における周波数変動量と回転角θとの関係を示す図である。
【図８】本発明の実施例に係る弾性表面波素子のライン含有率ｔと中心周波数の関係を示す図である。
【図９】本発明の実施例に係る弾性表面波素子のライン含有率ｔと周波数偏差量の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…弾性表面波素子、２…水晶基板、３…ＩＤＴ電極、４ａ、４ｂ…反射器。
【図１】
2006229423.tif 000003
【図２】
2006229423.tif 000004
【図３】
2006229423.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006229423.tif 000007
【図６】
2006229423.tif 000008
【図７】
2006229423.tif 000009
【図８】
2006229423.tif 000010
【図９】
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