(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板方位および表面弾性波伝搬方向が所定の範囲内にある単結晶基板と、前記単結晶基板上に形成され、表面弾性波および電気信号間の変換を行う１つのトランスデューサと、表面弾性波の伝搬方向に沿って、前記トランスデューサの両側に対向配置された２つの反射器とを具備した表面弾性波素子の製造方法であって、
基本表面弾性波の波長をλとし、前記単結晶基板は、基板方位および表面弾性波伝搬方向を、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）としたときに、−５°≦φ≦５°、１３５°≦θ≦１４５°、２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあること、またはこれと等価な方位であるランガサイトとし、このランガサイトの反射特性から規格化された電極膜厚に対する反射位相角２αを求め、前記ランガサイトにおけるモード間結合係数κ１２＝｜κ１２｜λｅｘｐ〔ｊ２α〕から反射時の位相ずれに相当する反射位置のずれδ＝｛α／（２π）｝λを算出するとともに、前記トランスデューサと前記２つの反射器との距離関係が、前記トランスデューサに対してＸ方向のプラス側に位置する反射器との距離をｄ１、前記トランスデューサに対してＸ方向のマイナス側に位置する反射器との距離をｄ２としたとき、ｄ１−ｄ２＝２δとなるように、前記トランスデューサと前記２つの反射器とを配置することを特徴とする表面弾性波素子の製造方法。
【請求項２】
前記単結晶基板の規格化電極膜厚を０．００５〜０．０４の範囲とし、前記反射位置のずれδを０．１λ≦δ≦０．１７λの範囲に設定したことを特徴とする請求項１に記載の表面弾性波素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信機器等に用いられる表面弾性波素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、携帯電話・携帯端末などの移動体通信分野では、表面弾性波（ＳＡＷ）共振子、表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタが用いられている。表面弾性波を利用した表面弾性波共振子の基本構成は、図１０に示すように、電気音響変換を行うインターディジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）１と、その両側に配置された格子構造のグレーディング反射器２ａ，２ｂとからなる。動作原理は、ＩＤＴ１から励振された表面弾性波が両側に伝搬し、両側の対向する反射器２ａ，２ｂによって反射されて共振する。この反射エネルギがＩＤＴ１で電気エネルギに再変換され、共振器として動作する。
【０００３】
この表面弾性波共振子の電極構造パラメータには、ＩＤＴ１のすだれ状電極の対数、左右の反射器２ａ，２ｂの電極指本数、ＩＤＴ１と左右の反射器２ａ，２ｂとの距離、電極指の重なり幅などがある。表面弾性波素子として用いられる代表的な圧電結晶と、その切断方位・伝搬方向は、ＳＴ水晶、Ｘ-112°Ｙ  ＬｉＮｂＯ3等である。これらの基板を用いたときに、共振子として最適な特性を示すＩＤＴ１と反射器２ａ，２ｂ間の距離ｄ１，ｄ２は、左右ともに同じで（等距離）、その値は、反射器２ａ，２ｂが短絡電極のときには、３λ／８＋ｎλ／２、開放電極のときには、λ／８＋ｎλ／２（ｎは「０」および正の整数）である。
【０００４】
表面弾性波共振子の評価基準としては、いくつか挙げられるが、最も重要な特性がＱ値である。一般的に共振器の共振尖鋭度は、次式で定義される。
Ｑ＝ω0・（共振回路に蓄えられる蓄積エネルギ／１秒間に共振回路により失われるエネルギ）
ここで、ω0は共振角周波数である。表面弾性波共振子において、Ｑは、対向する反射器２ａ，２ｂ間を伝搬中に生じる損失によって決定される。Ｑの大きな共振子は、共振周波数が安定しており、損失も少ないという利点がある。その他に、表面弾性波共振子を評価する指標として容量比ｒがある。表面弾性波共振子は、図１１に示すような電気的等価回路で表現される。容量比ｒは、この等価回路の構成要素を用いて、ｒ＝ＣT／Ｃ1で表される。この容量比ｒは、小さな値となることがデバイスとしては望ましく、実効的な電気機械結合係数ｋ2の逆数に比例する。
【０００５】
表面弾性波素子の特性は、用いられる圧電結晶の特性に依存する。圧電結晶の特性として電気機械結合係数が大きいということと、周波数温度特性が良好であることが重要となる。現在、この２つの特性を同時に満足する結晶として、ランガサイトが注目されている。オイラー角表示で（φ、θ、ψ）としたときに、−５°≦φ≦５°、１３５°≦θ≦１４５°、２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあるランガサイトは、電気機械結合係数が０．３％〜０．４％であり、周波数温度特性は、２次の依存性を示し、室温付近に頂点温度が存在する。電気機械結合係数は、ＳＴ水晶の約３倍であり、周波数温度特性における２次温度係数は、水晶の２倍程度と非常に良好な特性をもち、表面弾性波共振子もしくは表面弾性波フィルタへの応用が期待される結晶である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、表面弾性波共振子は、高周波の発信回路や表面弾性波共振子を多段縦続接続したラダー型フィルタなどに応用されている。また、現在、表面弾性波共振子、表面弾性波フィルタは共に、携帯電話・携帯端末などの移動体通信分野で主に用いられている。このようなことから、携帯電話・携帯端末に用いられるデバイスは、小型化、高周波化、低損失化となる傾向がある。ゆえに、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）としたときに、−５°≦φ≦５°、１３５°≦θ≦１４５°、２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあるランガサイトは、電気機械結合係数が大きく、同時に優れた周波数温度特性を示すために、前述した、デバイスの小型化、高周波化、低損失化を実現するには、最適な結晶であると考えられる。
【０００７】
しかしながら、従来からの設計手法と同じように、ランガサイト基板を用いて、ＩＤＴ１とその左右に等間隔で離して配置した反射器２ａ，２ｂとからなる表面弾性波共振子を作成し、その特性を評価したときに、Ｑ値および容量比ｒに関して、その基板材料特性から予測されるような良好な特性が得られないという問題があった。その原因は、ランガサイト基板結晶特有の反射特性にある。
【０００８】
オイラー角表示で（φ、θ、ψ）としたときに、−５°≦φ≦５°、１３５°≦θ≦１４５°、２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあるランガサイトは、電極指によって弾性表面波が反射されるときに、ある大きさで弾性表面波の位相が回転してしまう特性がある。これは、前述した圧電結晶よりも結晶の対称性が低いことに起因する特性である。このときの位相の回転量は、切断方位・伝搬方向と金属電極厚みに依存する。このため、共振子の反射器２ａ，２ｂ間で定在波を励振させるには、表面弾性波の反射時の位相ずれを考慮に入れて、ＩＤＴ１と反射器２ａ，２ｂ間の距離ｄ１，ｄ２を最適化させて位相整合する必要がある。このように、ランガサイト基板を表面弾性波素子に用いる場合、従来の設計思想をそのまま適用しても、ランガサイト基板により得られるはずの良好な特性を得ることができないという問題があった。
【０００９】
この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、基板材料が本来有する優れた特性を生かすことができ、素子の小型化、高周波化、低損失化を実現することができる表面弾性波素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した問題点を解決するために、請求項１記載の発明では、基板方位および表面弾性波伝搬方向が所定の範囲内にある単結晶基板と、前記単結晶基板上に形成され、表面弾性波および電気信号間の変換を行う１つのトランスデューサと、表面弾性波の伝搬方向に沿って、前記トランスデューサの両側に対向配置された２つの反射器とを具備した表面弾性波素子の製造方法であって、基本表面弾性波の波長をλとし、前記単結晶基板は、基板方位および表面弾性波伝搬方向を、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）としたときに、−５°≦φ≦５°、１３５°≦θ≦１４５°、２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあること、またはこれと等価な方位であるランガサイトとし、このランガサイトの反射特性から規格化された電極膜厚に対する反射位相角２αを求め、前記ランガサイトにおけるモード間結合係数κ１２＝｜κ１２｜λｅｘｐ〔ｊ２α〕から反射時の位相ずれに相当する反射位置のずれδ＝｛α／（２π）｝λを算出するとともに、前記トランスデューサと前記２つの反射器との距離関係が、前記トランスデューサに対してＸ方向のプラス側に位置する反射器との距離をｄ１、前記トランスデューサに対してＸ方向のマイナス側に位置する反射器との距離をｄ２としたとき、ｄ１−ｄ２＝２δとなるように、前記トランスデューサと前記２つの反射器とを配置することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２記載の発明では、請求項１記載の表面弾性波素子の製造方法において、前記単結晶基板の規格化電極膜厚を０．００５〜０．０４の範囲の範囲とし、前記反射位置のずれδを０．１λ≦δ≦０．１７λの範囲に設定したことを特徴とする。
【００１４】
この発明では、基板方位および表面弾性波伝搬方向が所定の範囲内にある単結晶基板上に、表面弾性波および電気信号間の変換を行う１つのトランスデューサを形成し、表面弾性波の伝搬方向に沿って、２つの反射器を、前記トランスデューサの両側に、異なる距離で対向配置して非対称とする。トランスデューサと共振器との距離を適切な値にすることで、共振特性が最適となり、基板材料が本来有する優れた特性を生かすことが可能となり、素子の小型化、高周波化、低損失化を実現することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
Ａ．発明の原理
表面弾性波共振子の周波数特性の解析には、モード結合理論を適用することが可能である。モード結合理論においては、自己結合係数κ11、モード間結合係数κ12、励振係数ζ、静電容量Ｃの４つのパラメータが分かれば、表面弾性波デバイスの特性が解析可能となる。これらモード結合パラメータは、基板結晶の切断方位・伝搬方向、電極構造、電極厚みに依存する。
【００１６】
圧電結晶上に形成された電極指によって反射される表面弾性波の反射係数は、モード間結合係数κ12を用いて、
ｒ＋＝−ｊκ12*λ＝κ12*λexp〔−π/2〕
ｒ−＝−ｊκ12λ＝κ12λexp〔−π/2〕    …………（１）
で表される。ｒ＋とｒ−とは、それぞれ＋Ｘ方向と−Ｘ方向とを見たときの反射係数である。
【００１７】
λ／４幅のグレーディングによって反射器を構成したときに、結晶の対称性が高いＳＴ水晶、Ｘ-112°Ｙ  ＬｉＮｂＯ3等においては、モード間結合係数 κ12は、実数となるため、
ｒ＋＝ｒ−＝κ12λexp〔−π/2〕
となる。
【００１８】
しかしながら、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）としたときに、−５°≦φ≦５°、１３５°≦θ≦１４５°、２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあるランガサイトにおいては、κ12が複素数となり、
κ12＝｜κ12｜λexp〔ｊ２α〕        ………………（２）
と表され、この２αが反射時の位相ずれに相当する。そこで、数式（２）を数式（１）に代入すると、
ｒ＋＝｜κ12｜λexp〔−ｊ２α−π/2〕
ｒ−＝｜κ12｜λexp〔＋ｊ２α−π/2〕    …………（３）
となり、結晶の＋Ｘ方向に存在する電極指によって表面弾性波が反射されるときには（ｒ＋に対応）、反射により位相が２αだけ遅れ、結晶の−Ｘ方向に存在する電極指によって表面弾性波が反射されるときには（ｒ−に対応）、反射により位相が２αだけ進む。つまり、いずれの場合においても、反射位置が電極指の中心から＋Ｘ方向にδ＝{α／（２π）}λだけずれたとみなすことができる。このため、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）としたときに、−５°≦φ≦５°、１３５°≦θ≦１４５°、２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあるランガサイト基板を用いて表面弾性波共振子を構成する場合には、ＩＤＴと両側の反射器との距離を次のプロセスで決定する。
【００１９】
Ｂ．実施形態の構成
まず、ＩＤＴとその両側に等距離ｄだけ離れて反射器を配置する。次に、図１に示すように、＋Ｘ側（右側）に存在する反射器の位置を、反射時の位相ずれが相殺するように、δ＝{α／（２π）}λだけ−Ｘ方向にずらす（ＩＤＴに近づける）。逆に、−Ｘ側（左側）に存在する反射器の位置は、図２に示すように、反射時の位相ずれが相殺するように、δ＝{α／（２π）}λだけ＋Ｘ方向にずらせばよい（ＩＤＴから遠ざける）。ここで、図３は、本発明の実施形態による表面弾性波共振子の構成を示す概念図である。すなわち、上述したように、ランガサイト基板５上に形成されたＩＤＴ１０の右側に存在する反射器２０ｂの位置を、反射時の位相ずれが相殺するように、δ＝{α／（２π）}λだけＩＤＴ１０に近づけ、左側に存在する反射器２０ａの位置を、δ＝{α／（２π）}λだけＩＤＴ１０から遠ざけるように配置すればよい。このとき、ＩＤＴ１０とその両側に配置した反射器２０ａ，２０ｂとの距離の差は、ｄ１−ｄ２＝２δとなる。
【００２０】
Ｃ．表面弾性波素子の特性
次に、オイラー角表示で（０゜，１４０゜，２５゜）となるランガサイト基板の反射特性の規格化電極膜厚依存性を、図４および図５に示す。図４は、規格化された電極膜厚に対する反射位相角を示す概念図である。この図から、表面弾性波共振子として有効な電極膜厚（Ｈ：アルミニウム電極の膜厚）である、０．００５から０．０４までの間のαの値は、４０°から６０°の間で変化する。したがって、δ＝（α／３６０°）λを用いると、α≒４０°のときδ≒０．１λ、α≒６０°のときδ≒０．１７λとなる。また、図５は、規格化された電極膜厚に対する反射率の絶対値を示す概念図である。この図から、膜厚が大きいほど、反射率が大きくなることが分かる。Ｑ値は、反射器２０ａ，２０ｂの反射率に依存し、反射率が大きくなると、Ｑ値が向上することが分かる。
【００２１】
Ｄ．実験例
上述したランガサイト基板（０°，１４０°，２５°）５を用いて、表面弾性波共振子を作成し、ＩＤＴ１０と反射器２０ａ，２０ｂ間の距離と共振特性とを実測した。表面弾性波共振子の電極構造パラメータは、ＩＤＴ１０における対数を５０．５対（Ｌ＝５０．５λ）、ＩＤＴ１０の電極指周期λ＝１４．４μｍ、ＩＤＴ１０の電極指幅ｗｉ＝３．６μｍ、ＩＤＴ１０の両側に配置した反射器２０ａ，２０ｂの電極指本数３００本（Ｌｒ１＝Ｌｒ２＝１５０λ）、反射器２０ａ，２０ｂの電極指周期ｐ＝λ／２＝７．２μｍ、反射器２０ａ，２０ｂの電極指幅ｗｒ＝３．６μｍ、ＩＤＴ１０の電極指交差幅Ｗ＝５０λ、Ａｌ電極の膜厚Ｈ＝１５００Åである。ＩＤＴ１０とその右側に配置した反射器２０ｂとの距離ｄ２＝ｄ−δ、ＩＤＴ１０とその左側に配置した反射器２０ａとの距離ｄ１＝ｄ＋δとする。δは、反射率の位相角に対応した反射位置のずれに相当する。実験では、上記ｄ＝７／８λとし、δの値が０，０．１λ，０．１４λ，０．２λとなる４つの共振子を作成し、共振特性を調べた。共振特性としては、共振Ｑ、容量比ｒを評価した。
【００２２】
ここで、図６は、インピーダンス特性によるＱ値および容量比ｒを定義する特性図である。共振Ｑ、容量比ｒの値は、共振子のインピーダンス特性から図６で定義される周波数点を用いて、
Ｑ＝ｆs／（ｆ1−ｆ2）
および
ｒ＝ｆp／（２（ｆp／ｆs−１））
で与えられる。
【００２３】
ここで、実験的にパラメータを変えて作成した４つの表面弾性波共振子のＱ値と容量比ｒを図７に示す。図７において、４つの表面弾性波共振子のなかで、Ｑ値が最大、容量比ｒが最小となるのは、δ＝０．１４λの表面弾性波共振子である。これら４つの表面弾性波共振子の規格化電極膜厚Ｈ／λの値は、約０．０１であり、このときの反射位相角αの値は、０．８６radian（４９．２７°）である。したがって、δ＝（α／２π）λを用いてδを計算すると、δ＝０．１３７λとなり、δ＝０．１４λ付近で共振特性が最適となる実験結果を裏付けるものである。
【００２４】
ここで、図８は、本実施形態による設計方式による表面弾性波共振子（ランガサイト使用）のコンダクタンスおよびサセプタンスを示す特性図であり、図９は、従来の設計方式による表面弾性波共振子（ランガサイト使用）のコンダクタンスおよびサセプタンスを示す特性図である。図において、各々、δ＝０．１４λとδ＝０のときの、１ポート共振子のアドミタンス特性が示されている。図８に示すように、反射器２０ａ，２０ｂの位置を０．１４λだけシフトすることにより、図９に示す従来技術による設計方式に比べて、共振特性が改善されることが分かる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板方位および表面弾性波伝搬方向が所定の範囲内にある単結晶基板上に、表面弾性波および電気信号間の変換を行う１つのトランスデューサを形成し、表面弾性波の伝搬方向に沿って、２つの反射器を、前記トランスデューサの両側に、異なる距離で対向配置して非対称とするようにしたので、トランスデューサと両側の共振器とのそれぞれの距離を適切な値にすることで、共振特性が最適となり、基板材料が本来有する優れた特性を生かすことができ、素子の小型化、高周波化、低損失化を実現することができるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の設計原理として、ＩＤＴとその右側に位置する反射器間との最適距離の関係を説明するための概念図である。
【図２】  本発明の設計原理として、ＩＤＴとその左側に位置する反射器間との最適距離の関係を説明するための概念図である。
【図３】  本発明の設計原理を適用して形成したランガサイト基板を用いた表面弾性波共振子の構成を示す概念図である。
【図４】  規格化された電極膜厚に対する反射位相角を示す概念図である。
【図５】  規格化された電極膜厚に対する反射率の絶対値を示す概念図である。
【図６】  インピーダンス特性によるＱ値および容量比ｒを定義する特性図である。
【図７】  実験的に作成した４つの表面弾性波共振子のＱ値と容量比ｒを示す表図である。
【図８】  本実施形態による表面弾性波共振子（ランガサイト）のコンダクタンスおよびサセプタンスを示す特性図である。
【図９】  従来の設計方式による表面弾性波共振子（ランガサイト）のコンダクタンスおよびサセプタンスを示す特性図である。
【図１０】  従来からの設計方式による表面弾性波共振子の基本構成を示す概念図である。
【図１１】  電従来からの設計方式による表面弾性波共振子の気的等価回路を示す回路図である。
【符号の説明】
５  ランガサイト基板（単結晶基板）
１０  ＩＤＴ（トランスデューサ）
２０ａ，２０ｂ  反射器
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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