(57)【要約】  組み合わされた厚み振動モードと幅振動モードを有する圧電共振器のための方法および装置を開示する。圧電共振器は、圧電基板と、圧電基板の第１の表面に結合された第１の電極とを含み得る。圧電共振器は、圧電基板の第２の表面に結合された第２の電極をさらに含んでよく、第１の表面と第２の表面が実質的に平行であり、かつ圧電基板の厚さ次元を画定する。さらに、圧電基板の厚さ次元および幅次元は、電極に励起信号が印加されたときに厚み振動モードと幅振動モードのコヒーレントな組合せから共振が発生するように構成される。
2014531833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、
前記圧電基板の第１の表面に結合された第１の電極と、
前記圧電基板の第２の表面に結合された第２の電極とを備え、前記第１の表面と前記第２の表面が実質的に平行であり、かつ前記圧電基板の厚さ次元を画定し、
さらに、前記圧電基板の前記厚さ次元および幅次元は、前記電極に励起信号が印加されたときに厚み振動モードと幅振動モードのコヒーレントな組合せから共振が発生するように構成される、圧電共振器。
【請求項２】
前記厚さ次元と前記幅次元の比は０．７５〜１．２５の範囲内である、請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項３】
前記厚さ次元と前記幅次元の前記比は１にほぼ等しい、請求項２に記載の圧電共振器。
【請求項４】
前記第１の電極は入力端子であり、前記第２の電極は出力端子またはグランド端子である、請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項５】
前記圧電基板は、幅が前記幅次元の複数倍に拡張され、複数の副共振器を形成し、前記圧電共振器は、
拡張された圧電基板の第１の表面に結合され、拡張された幅次元に沿って等間隔に離間され、各々が実質的に各副共振器上に心合わせされた、複数の第１の電極と、
前記拡張された圧電基板の第２の拡張された表面に結合され、前記拡張された幅次元に沿って等間隔に離間され、各々が実質的に各副共振器上に心合わせされた、複数の第２の電極とをさらに備え、前記第１の拡張された表面と前記第２の拡張された表面が実質的に平行であり、
前記副共振器の各々の前記厚さ次元および前記幅次元は、前記電極の各々に励起信号が印加されたときに厚み振動モードと幅振動モードのコヒーレントな組合せから共振が発生するように構成される、請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項６】
前記複数の第１の電極のうちの互いに隣接しない電極から選択される１組の入力電極、および
前記複数の第２の電極のうちの互いに隣接しない電極から選択される第１の１組のグランド電極を備え、前記１組の入力電極と前記第１の１組のグランド電極が直径方向に互いに向かい合う入力ポートと、
前記複数の第２の電極のうちの互いに隣接しない電極から選択される１組の出力電極、および
前記複数の第１の電極のうちの互いに隣接しない電極から選択される第２の１組のグランド電極を備え、前記１組の出力電極と前記第２の１組のグランド電極が直径方向に互いに向かい合う出力ポートとをさらに備える、請求項５に記載の圧電共振器。
【請求項７】
前記複数の第１の電極から選択される正入力端子および前記複数の第２の電極から選択される第１のグランド端子を備え、前記正入力端子と前記第１のグランド端子が直径方向に互いに向かい合う第１のポートと、
前記複数の第１の電極から選択される負入力端子および前記複数の第２の電極から選択される第２のグランド端子を備え、前記負入力端子と前記第２のグランド端子が直径方向に互いに向かい合う第２のポートと、
前記複数の第１の電極から選択される正出力端子および前記複数の第２の電極から選択される第３のグランド端子を備え、前記正出力端子と前記第３のグランド端子が直径方向に互いに向かい合う第３のポートと、
前記複数の第１の電極から選択される負出力端子および前記複数の第２の電極から選択される第４のグランド端子を備え、前記負出力端子と前記第４のグランド端子が直径方向に互いに向かい合う第４のポートとをさらに備える、請求項５に記載の圧電共振器。
【請求項８】
さらに、互いに隣接する副共振器に印加される前記励起信号が互いに逆の極性を有する、請求項５に記載の圧電共振器。
【請求項９】
直方柱、中空の円筒、または円板のいずれかである、請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項１０】
前記基板は、窒化アルミニウム、ＰＺＴ、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、または酸化亜鉛のいずれかから形成される、請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項１１】
少なくとも１つの半導体ダイに組み込まれる請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項１２】
前記圧電共振器が組み込まれたセットトップボックス、音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、エンターテインメントユニット、ナビゲーションデバイス、通信デバイス、携帯情報端末（ＰＤＡ）、固定位置データユニット、およびコンピュータからなる群から選択される電子デバイスをさらに備える、請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項１３】
圧電共振器において発振信号を生成するための方法であって、
圧電素子を介して電気信号を受け取るステップと、
前記圧電素子の厚さ次元において第１の振動モードを確立するステップと、
前記圧電素子の幅次元において第２の振動モードを確立するステップと、
前記第１の振動モードと前記第２の振動モードをコヒーレントに組み合わせて、単一チップ複数周波数機能を実現しつつ電気機械結合係数（ｋｔ２）を幅のみの振動モードの場合よりも大きくする共振振動を発生させるステップとを含む、方法。
【請求項１４】
前記圧電共振器は、前記圧電共振器が組み込まれるセットトップボックス、音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、エンターテインメントユニット、ナビゲーションデバイス、通信デバイス、携帯情報端末（ＰＤＡ）、固定位置データユニット、およびコンピュータからなる群から選択される電子デバイスに取り付けられる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
圧電共振器において発振信号を生成するための方法であって、
圧電素子を介して電気信号を受け取るためのステップと、
前記圧電素子の厚さ次元において第１の振動モードを確立するためのステップと、
前記圧電素子の幅次元において第２の振動モードを確立するためのステップと、
前記第１の振動モードと前記第２の振動モードをコヒーレントに組み合わせて、単一チップ複数周波数機能を実現しつつ電気機械結合係数（ｋｔ２）を幅のみの振動モードの場合よりも大きくする共振振動を発生させるためのステップとを含む、方法。
【請求項１６】
圧電素子を介して電気信号を受け取るための手段と、
幅方向において第１の振動モードを確立するための手段と、
厚み方向において第２の振動モードを確立するための手段と、
前記第１の振動モードと前記第２の振動モードを組み合わせて、電気機械結合係数（ｋｔ２）を幅のみの振動モードの場合よりも大きくする共振振動を発生させるための手段とを備える、圧電共振器。
【請求項１７】
縦方向の共振と、
横方向の共振とを含み、前記縦方向の前記共振と前記横方向の前記共振が組み合わされて電気信号を生成する、圧電共振器。
【請求項１８】
前記縦方向の共振の周波数は厚さ次元に基づき、前記横方向の共振の周波数は幅次元に基づく、請求項１７に記載の圧電共振器。
【請求項１９】
前記厚さ次元と前記幅次元の比は１にほぼ等しい、請求項１８に記載の圧電共振器。
【請求項２０】
電気機械結合の有効係数は、前記縦方向の共振の電気機械結合と前記横方向の共振の電気機械結合の和に基づく、請求項１７に記載の圧電共振器。
【請求項２１】
頂部電極と底部電極とをさらに備え、それによって電流が前記縦方向に流れる、請求項１７に記載の圧電共振器。
【請求項２２】
複数の頂部電極と底部電極とをさらに備え、それによって電流が前記縦方向に流れる、請求項１７に記載の圧電共振器。
【請求項２３】
前記幅次元を変更することによって前記電気信号の周波数を変更することができる、請求項１７に記載の圧電共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示される実施形態は、圧電共振器に関し、より詳細には、厚み振動モードと幅振動モードを組み合わせて電気機械結合を向上させる圧電共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電共振器は、広範囲の周波数用途にわたって発振器およびフィルタのような様々な構成要素において使用され得る。これらの共振器は、振動の周波数がクロック周波数に正比例する集積回路においてクロック信号を生成する際に使用されてもよい。
【０００３】
圧電共振器は、共振器がどのように構成されるかに応じて、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気エネルギーを再び機械的エネルギーに変換することのできる固体トランスデューサと見なされてよい。機械的エネルギーは、共振器の圧電材料内の振動として具現される。
【０００４】
図１Ａおよび図１Ｂは、従来型の圧電共振器における様々な共振モードを示す。様々な共振モードは、振動を生じさせる圧電材料の形状に対して定義されてよい。図１Ａでは、圧電共振器１００は、上面に結合された第１の電極１０５と、下面に結合された第２の電極１１０とを有する圧電基板１１５を含んでもよい。電極１０５および１１０に電気励起信号を印加すると、圧電基板１１５内に電界１２０を誘起することができる。電界１２０は、振動の周波数が圧電基板の幅（Ｗ）に依存する幅振動モード１２５を生じさせることができる。幅振動モードは、「ｄ３１」振動と呼ばれることもあり、この場合、ｄ３１は圧電基板１１５の幅次元（すなわち、図１Ａに示すような横次元）に比例する圧電係数である。
【０００５】
図１Ｂに示すように、同じ電界１２０が圧電基板１１５内で厚み振動モード１３０を生じさせることもできる。ここで、振動の周波数は圧電基板の厚さ（Ｔ）に依存し得る。厚み振動モードは、「ｄ３３」振動と呼ばれることもあり、この場合、ｄ３３は圧電基板１１５の厚さ次元（すなわち、図１Ｂに示すような縦次元）に比例する圧電係数である。
【０００６】
ｋｔ２によって示される電気機械結合係数はエネルギー変換の効率を表し、したがって、電気機械結合係数が大きいことは、機械的エネルギーがより効率的に電気エネルギーに変換されることを示す。
【０００７】
実際には、厚み振動モードは、大きい電気機械結合係数ｋｔ２を示す傾向があるので、一般に圧電共振器において利用される。しかし、厚みのみの振動モードを利用する共振器は、幅のみの振動モードを有する共振器の利点である、レイアウト設計によって共振周波数を定める際の自由度をＴによって実現できない欠点を有する。レイアウト設計が、製造後に変更できない製造前プロセスであることに留意されたい。言い換えれば、１つの生産ランのみを実行することによって、幅振動モードでは単一のウエハに対して複数の動作周波数を実現することができるが、厚み振動モード共振器は１つの周波数しか実現できない。
【０００８】
一方、窒化アルミニウムから作られた基板を有する幅振動モード圧電共振器は、厚み振動モード共振器に関連する値のほぼ３分の１である電気機械結合係数を有する。このことは、幅振動モード共振器の効率が低い場合があることを意味する。しかし、幅は、複数の振動共振器を結合してマルチフィンガ共振器を形成することによって、製造前設計プロセス中に容易に変更可能にすることができる。この複数のフィンガは、互いに隣接して配置され、フィンガの各縁部によって機械的に結合され、それによって、複数のフィンガを含む構造全体が単一の本体として振動する。複数のフィンガは、電気的に並列接続されてよく、それによって、構造全体が単一の共振器と電気的に同等になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
現在、幅振動モードと厚み振動モードの両方の正の属性を利用できる圧電共振器はない。したがって、幅振動モードの利点と厚み振動モードの利点を組み合わせて効率を改善し、しかも単一チップ（すなわち、単一生産）複数周波数機能を維持することのできる圧電共振器が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
開示される実施形態は、組み合わされた厚み振動モードと幅振動モードを有する圧電共振器に関する。
【００１１】
一実施形態は、圧電基板と、圧電基板の第１の表面に結合された第１の電極とを含み得る圧電共振器を備えてよい。圧電共振器は、圧電基板の第２の表面に結合された第２の電極をさらに含んでよく、第１の表面と第２の表面は、実質的に平行であり、圧電基板の厚さ次元を画定し、さらに、圧電基板の厚さ次元および幅次元は、各電極に励起信号が印加されたときに厚み振動モードと幅振動モードのコヒーレントな組合せから共振が発生するように構成される。
【００１２】
別の実施形態は、圧電共振器において発振信号を生成するための方法を含んでよい。この方法は、圧電素子を介して電気信号を受け取ることと、圧電素子の厚さ次元において第１の振動モードを確立することとを含んでよい。この方法は、圧電素子の幅次元において第２の振動モードを確立することと、第１の振動モードと第２の振動モードをコヒーレントに組み合わせて、単一チップ複数周波数機能を実現しつつ電気機械結合係数（ｋｔ２）を幅のみの振動モードの場合よりも大きくする共振振動を発生させることとをさらに含んでよい。
【００１３】
別の実施形態は、縦方向に共振を有し、かつ横方向に共振を有する圧電共振器を含んでもよい。縦方向の共振と横方向の共振を組み合わせて電気信号を生成することができる。
【００１４】
添付の図面は、実施形態の説明を助けるために提示され、実施形態の限定ではなく実施形態の説明のためのみに提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】振動モードを示す従来の圧電共振器の図である。
【図１Ｂ】振動モードを示す従来の圧電共振器の図である。
【図２】組み合わされた幅振動モードと厚み振動モードを有する例示的な単一の圧電共振器の図である。
【図３】組み合わされた幅振動モードと厚み振動モードを有する例示的なマルチフィンガ圧電共振器を示す図である。
【図４】中空の円板形を有する例示的な圧電共振器を示す図である。
【図５】円筒形を有する例示的な圧電共振器を示す図である。
【図６】電気機械結合ｋｔ２と厚さ幅比（Ｔ／Ｗ）との関係のプロットを示す図である。
【図７】圧電共振器が遠隔ユニットに組み込まれる実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施形態の態様は、以下の説明およびそのような実施形態を対象とする関連する図面において、開示される。本発明の範囲から逸脱することなく代替的な実施形態を考案することができる。さらに、関連する詳細を不明瞭にしないように、実施形態において用いられ適用されるよく知られている要素は、詳細に説明されず、または省略される。
【００１７】
「例示的な」という語は、「例、実例、または具体例としての役割を果たすこと」を意味するように本明細書において用いられている。「例示的な」として本明細書で説明する任意の実施形態は、必ずしも他の実施形態よりも好ましいか、または有利であると解釈されるべきではない。同様に、「実施形態」という用語は、すべての実施形態が、論じられた特徴、利点または動作モードを含むことを必要としない。本明細書で用いられる用語は、具体的な実施形態について説明することのみを目的とするものであり、本発明を限定することは意図されない。本明細書で用いられる、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、別段文脈から明らかではない限り、複数形も含むことが意図される。さらに、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、および／または「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語が本明細書で使用されるときは、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を明示するが、１つもしくは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除しないことが理解されよう。
【００１８】
さらに、多くの実施形態が、たとえばコンピューティングデバイスの要素によって実施すべき、一連のアクションに関して記載される。本明細書で説明する様々なアクションは、特定の回路（たとえば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））によって実行され得るか、あるいは１つまたは複数のプロセッサによって実行されるプログラム命令によって実行され得るか、あるいは両方の組合せによって実行され得ることが認識されよう。さらに、本明細書で説明するこれらの一連のアクションは、実行時に、関連するプロセッサに本明細書で説明する機能を実行させるコンピュータ命令の対応するセットを記憶した、任意の形式のコンピュータ可読記憶媒体内で全体として具現化されるものと見なすことができる。したがって、本発明の様々な態様は、請求する主題の範囲内にすべて入ることが企図されているいくつかの異なる形式で具現化され得る。さらに、本明細書で説明する実施形態ごとに、任意のそのような実施形態の対応する形式について、本明細書では、たとえば、記載のアクションを実行する「ように構成された論理」として説明することがある。
【００１９】
本明細書において提示する各実施形態では、共通の励起信号を使用する組み合わされた幅振動モードと厚み振動モードを有する圧電共振器について説明する。本明細書で使用する、横振動モードとも呼ばれる幅振動モードは、印加される電界に垂直な振動の次元として定義されてよい。縦振動モードとも呼ばれる厚み振動モードは、印加される電界に平行な振動の次元として定義されてよい。幅と厚さの両方における振動から生成される電気エネルギーを利用して、効率を向上させ電気機械結合を最大にしてよい。実験によって、以下でより詳細に説明するように、厚さ幅比（Ｔ／Ｗ）が約１である（すなわち、幅が厚さにほぼ等しい）と、効率が向上することがわかっている。圧電共振器は、公知の技術を使用して製造され、少なくとも１つの半導体ダイにおいて具現されてよい。
【００２０】
図２は、組み合わされた幅振動モードと厚み振動モードを有する例示的な単一の圧電共振器２００の図である。圧電共振器２００は、どちらも圧電基板２１０の各側に結合することのできる第１の電極２０５および第２の電極２１５を有してよい。しかし、いくつかの実施形態では、製造された電極２０５、２１５を使用せずに電気信号を圧電基板に直接印加してよい。
【００２１】
圧電基板２１０は通常、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、または圧電特性を有する任意の他の適切な材料を使用して形成されてよい。幅厚さ比（Ｔ／Ｗ）は、０．７５〜１．２５の範囲内であってよく、たとえば１であってよい。Ｔ／Ｗが１に等しいとき、厚さの範囲と幅の範囲は同じであってよく、圧電基板２１０は方形の断面を有する。Ｔ／Ｗ  ＝  １であるとき、組み合わされた振動周波数は各次元に反比例する。すなわち、Ｔ  ＝  Ｗ  ＝  λ／２であり、この場合、λは共振振動の波長に相当する。周波数はｆ  ＝  ｖ／λによって求められてよく、ｖは、圧電基板２１０内の振動波の伝搬速度である。伝搬速度ｖは、圧電基板２１０内を伝わる波の音響速度である。
【００２２】
電極２０５および２１５に電気励起信号を印加すると、圧電基板２１０内に電界２２５を形成することができる。電界２２５は、圧電基板２１０を励起し、幅（Ｗ）範囲において振動を誘起し（すなわち、幅振動モード２２０Ｗを励起する）、厚さ（Ｔ）範囲において振動を誘起する（すなわち、厚み振動モード２２０Ｔを励起する）。この２つの振動モードは、同時に生じ、圧電基板２１０内でコヒーレントに組み合わさることができ、したがって、幅のみの振動モード成分よりも効率的な組み合わされた振動モードを生成する。２つの振動モードは、電気信号に変換し直すことのできる機械的エネルギーを生じさせる。
【００２３】
２つの振動モードのコヒーレントな組合せによって、幅のみの振動モードの場合よりも有効電気機械結合ｋｔ２（ｋｔ２は機械的エネルギーと電気エネルギーの比である）を向上させることができる。したがって、この技術は、圧電薄膜厚さを調整することによって横方向に振動する（幅振動モード）共振器のｋｔ２を最適化し、それによって、高いｋｔ２と単一チップ複数周波数機能の両方を同時に単一デバイス技術において実現することができる方法を提供する。Ｔ／Ｗ比は、この目標を実現するうえで厳密に１に等しくする必要はなく、ｋｔ２が向上するように１に近くすべきであることを諒解されたい。
【００２４】
図２に示すような圧電共振器２００は、フィンガ共振器であり、第１の電極２０５は入力として働いてよく、第２の電極２１５は出力電極またはグランドとして働いてよい。たとえば、第２の電極２１５が接地される場合、共振器は、２端子デバイスである１ポート共振器である。第２の電極が出力である場合、共振器は、４端子デバイスである２ポート共振器である。
【００２５】
一実施形態によれば、圧電共振器２００は、圧電素子を介して電気信号を受け取るための手段（２０５、２１５）と、幅方向において第１の振動モードを確立するための手段（２１０）と、厚み方向において第２の振動モードを確立するための手段（２１０）と、第１の振動モードと第２の振動モードを組み合わせて、電気機械結合係数（ｋｔ２）を幅のみの振動モードの場合よりも大きくする共振振動を発生させるための手段（２１０）とを含んでよい。
【００２６】
したがって、別の実施形態は、縦方向に共振を有し、かつ横方向に共振を有する圧電共振器２００を含んでもよい。縦方向の共振と横方向の共振を圧電基板２１０内で組み合わせて電気信号を生成することができる。
【００２７】
図３は、組み合わされた幅振動モードと厚み振動モードを有する例示的なマルチフィンガ圧電共振器３００を示す図である。圧電共振器３００は、拡張された圧電基板３１０を含む。第１の１組の電極３０５Ａ〜３０５Ｄは、拡張された圧電基板３１０の第１の側に結合され、第２の１組の電極３１５Ａ〜３１５Ｄは、拡張された圧電基板３１０の第２の側に結合される。第２の側は、第１の側の反対側であり、ならびに／あるいは第１の側に平行であってよい。
【００２８】
マルチフィンガ圧電共振器３００は、整数（Ｎ）個の副共振器を含む。各副共振器は、幅次元がＷであり、厚さ次元がＴであってよい。比Ｔ／Ｗは、０．７５〜１．２５の範囲内であってよく、たとえば、１に等しくてよい。したがって、圧電基板３１０の幅次元の全範囲は約ＮｘＷである。互いに向かい合う数対の電極（たとえば、３０５Ａ、３１５Ａ）が各副共振器の両側に配置されている。両方の電極３０５、３１５の組は、拡張された圧電基板３１０に沿って幅次元に等間隔に離間され、Ｗに比例するピッチ値だけ分離されてよい。
【００２９】
マルチフィンガ圧電共振器３００は、マルチポート共振器であってよい。各ポートは、２つの端子を含んでよい。一般に、２つの端子の一方は、通常接地されるが、必ずしもそうである必要はない。一例では、共振器３００が２ポート電極構成を利用してよく、電極３０５Ａおよび３０５Ｃが入力端子を形成することができ、一方、３１５Ｂおよび３１５Ｄは出力端子を形成することができる。残りの電極は、グランド端子を形成し、入力ポートと出力ポートの両方によって共有されてよい。入力端子とグランド端子（２つの端子）は入力ポートを形成する。出力端子とグランド端子は出力ポートを形成する。
【００３０】
別の例では、マルチフィンガ圧電共振器３００は、差分入力および差分出力をサポートするのに使用することができる４ポート電極構成を利用してよい。グランド端子は、４つの端子によって共有され、４つのポート、すなわち、ポート１：入力＋およびグランド、ポート２：入力−およびグランド、ポート３：出力＋およびグランド、ポート４：出力−およびグランドを形成することができる。
【００３１】
互いに隣接する副共振器は一般に、互いに対して位相が外れた状態で振動するので、電界線はそれぞれに異なる共振器に対して交番パターンを有する。この整相構成は、マルチフィンガ圧電共振器全体の均等なインピーダンスを設計するのを可能にする。ｋｔ２は、Ｗ／Ｔ比を調整することによって改善されるが、いくつかの電極が入力信号専用であり、他の電極が出力信号専用であり、いくつかの他の電極がグランド専用である複数フィンガ構成にはほとんど無関係である場合がある。たとえば、電極３０５Ａおよび３１５Ｂは、入力信号を受け取る電極として指定され、電極３０５Ｃおよび３１５Ｄは、出力信号を供給する電極として指定され、３１５Ａ、３０５Ｂ、３１５Ｃ、および３０５Ｄはグランドに接続されてよい。互いに隣接する副共振器に関連する信号は、互いに逆の極性を有するので、図３に示すように、電界線の方向は互いに隣接する副共振器において互いに逆である。それぞれに異なる電極構成は、副共振器同士の間に様々な結合を生じさせることができる。副共振器同士を結合すると、共振器全体の全体的なｋｔ２の均等性を向上させることもできる。
【００３２】
図４は、中空の円板形を有する例示的な圧電共振器４００を示す図である。この実施形態では、圧電共振器４００は、中空の円板である圧電基板４１０を含んでよい。（圧電基板上の円形の電極によって形成される）円形の副共振器の各々の幅はＷであってよく、したがって、固体部分の全体的な厚さは約ＮｘＷであり、この場合、Ｎは副共振器の数である（たとえば、図４において副共振器の数Ｎは２である）。円板の厚さは、図４を見るとわかるようにＴである。第１の１組の電極４０５は、圧電基板の第１の側に結合されてよい。第２の１組の電極４１５は、第１の側に平行な第２の側に結合されてよい。圧電共振器２００の長さ次元は基本的に、図４に示す実施形態において「円形に変えられる（ｗｒａｐｐｅｄ  ｉｎｔｏ  ａ  ｃｉｒｃｌｅ）」ので、圧電共振器４００の動作は、図２に示す圧電共振器２００と同様である。幅次元と厚さ次元は、比Ｔ／Ｗが０．７５〜１．２５の範囲内であってよく、たとえば１に等しくてよいという点で基本的に同じである。
【００３３】
図５は、円筒形を有する例示的な圧電共振器５００を示す図である。この実施形態では、圧電共振器５００は、中実の円筒である圧電基板５１０を含んでよい。円筒の厚さはＴであり、円筒の幅は、Ｗであり、図５に示すように円形の表面の半径でもある。第１の電極５０５は、円板として形作られてよく、圧電基板５１０の第１の円形側に結合されてよい。第２の電極５１５も円板として形作られてよく、圧電基板５１０の、第１の円形側に平行な第２の円形側に結合されてよい。この場合、頂部（底部）円形面の半径（Ｗ）が横振動の周波数を決定する。厚さ（Ｔ）は縦振動の周波数を決定する。幅次元と厚さ次元は、比Ｔ／Ｗが０．７５〜１．２５の範囲内であり、たとえば１に等しくなり得るように構成されてよい。Ｔ／Ｗ比が１にほぼ等しいとき、上記で図２に示す実施形態の説明において説明したように有効電気機械結合ｋｔ２を向上させることができる。
【００３４】
図６は、電気機械結合ｋｔ２と厚さ幅比（Ｔ／Ｗ）との例示的な関係のプロットを示す。図６は、最大電気機械結合ｋｔ２がＴ／Ｗ＝１であるときに生じ得ることを予測するシミュレーションの結果を示す。この場合、幅振動モードと厚み振動モードをコヒーレントに組み合わせて図６に示すピークを生成することができる。しかし、Ｔ／Ｗ比が０．７５〜１．２５の範囲内であるときに電気機械結合ｋｔ２を向上させることができる。
【００３５】
図７は、本開示の実施形態が利用され得る、ある例示的なワイヤレス通信システム７００を示す図である。説明のために、図７は、３つの遠隔ユニット７２０、７３０、および７５０ならびに２つの基地局７４０を示す。従来のワイヤレス通信システムは、より多くの遠隔ユニットおよび基地局を有し得ることに留意されたい。遠隔ユニット７２０、７３０および７５０は、上述のような本開示の実施形態であり得る、圧電共振器７２５Ａ、７２５Ｂ、および７２５Ｃを含んでよい。図７は、基地局７４０から遠隔ユニット７２０、７３０、および７５０への順方向リンク信号７８０、ならびに、遠隔ユニット７２０、７３０、および７５０から基地局７４０への逆方向リンク信号７９０をさらに示している。
【００３６】
図７では、ワイヤレスローカルループシステムにおいて、遠隔ユニット７２０は携帯電話として示され、遠隔ユニット７３０はポータブルコンピュータとして示され、遠隔ユニット７５０は定位置遠隔ユニットとして示されている。たとえば、遠隔ユニットは、携帯電話、手持ち式パーソナル通信システム（ＰＣＳ）ユニット、携帯情報端末のような携帯用データユニット、ＧＰＳ対応デバイス、ナビゲーションデバイス、セットトップボックス、音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、エンターテインメントユニット、メータ読取り機器などの固定位置データユニット、またはデータもしくはコンピュータ命令の記憶もしくは取り出しを行う任意の他のデバイス、またはそれらの任意の組合せであってもよい。図７は、本開示における教示による遠隔ユニットを示しているが、本開示は、これらの例示的な示されたユニットに限定されない。本開示の実施形態は、試験および特性評価のための、メモリおよびオンチップ回路を含む能動的な集積回路を含む、任意のデバイスにおいて適切に利用され得る。本開示の実施形態は、試験および特性評価のための、メモリおよびオンチップ回路を含む能動的な集積回路を含む、任意のデバイスにおいて適切に利用され得る。本明細書において説明する圧電共振器は、たとえばクロック、局部発振器、共振器フィルタ、共振センサ、デュプレクサなどの周波数源のような様々な用途に使用されてよい。
【００３７】
上記の開示されたデバイスおよび方法は、コンピュータ可読媒体に記憶することが可能なＧＤＳＩＩおよびＧＥＲＢＥＲのコンピュータファイル内に設計および構成され得る。次いでこれらのファイルは、これらのファイルに基づいてデバイスを製造する製造担当者に与えられる。得られる製品は半導体ウエハであり、このウエハは次いで、半導体ダイに切断され、半導体チップにパッケージングされる。次いで、このチップが、上で説明されたデバイスで利用される。
【００３８】
情報および信号は、多種多様な技術および技法のいずれかを使用して表すことができることを当業者は諒解されよう。たとえば、上記の説明全体にわたって言及され得るデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁界または磁性粒子、光場または光学粒子、あるいはそれらの任意の組合せによって表され得る。
【００３９】
上記の開示は例示的な実施形態を示すが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書において様々な変更および改変がなされ得ることに留意されたい。本明細書で説明した実施形態による方法クレームの機能、ステップおよび／またはアクションは、特定の順序で実行されなくてもよい。さらに、実施形態の要素は、単数形で説明または請求されていることがあるが、単数形に限定することが明示的に述べられていない限り、複数形が企図される。
【符号の説明】
【００４０】
２００  圧電共振器
２０５  第１の電極
２１０  圧電基板
２１５  第２の電極
２２０Ｗ  幅振動モード
２２０Ｔ  厚み振動モード
２２５  電界
３００  圧電共振器
３０５Ａ〜３０５Ｄ  電極
３１０  拡張された圧電基板
３１５Ａ〜３１５Ｄ  電極
４００  圧電共振器
４０５  電極
４１０  圧電基板
４１５  電極
５００  圧電共振器
５０５  第１の電極
５１０  圧電基板
５１５  第２の電極
７００  ワイヤレス通信システム
７２０、７３０、７５０  遠隔ユニット
７２５Ａ、７２５Ｂ、７２５Ｃ  圧電共振器
７４０  基地局
７８０  順方向リンク信号
７９０  逆方向リンク信号
ｋｔ２  電気機械結合係数
Ｔ  厚さ
Ｗ  半径
【図１Ａ】
2014531833.tif 000003
【図１Ｂ】
2014531833.tif 000004
【図２】
2014531833.tif 000005
【図３】
2014531833.tif 000006
【図４】
2014531833.tif 000007
【図５】
2014531833.tif 000008
【図６】
2014531833.tif 000009
【図７】
2014531833.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成25年11月27日(2013.11.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、
前記圧電基板の第１の表面に結合された第１の電極と、
前記圧電基板の第２の表面に結合された第２の電極とを備え、前記第１の表面と前記第２の表面が実質的に平行であり、かつ前記圧電基板の厚さ次元を画定し、
さらに、前記圧電基板の前記厚さ次元および幅次元は、前記電極に励起信号が印加されたときに前記圧電基板内で生成される厚み振動モードと幅振動モードのコヒーレントな組合せから共振が発生するように画定され、前記厚さ次元と前記幅次元の比が０．７５〜１．２５の範囲内である、圧電共振器。
【請求項２】
前記厚さ次元と前記幅次元の前記比は１にほぼ等しい、請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項３】
前記厚さ次元と前記幅次元の前記比が１にほぼ等しいときに、前記厚み振動モードと前記幅振動モードの前記コヒーレントな組合せから発生した前記共振はｖ／λに等しい周波数を有し、この場合、ｖは、前記共振が前記圧電基板内を伝搬する音響速度であり、λは、前記共振の波長である、請求項２に記載の圧電共振器。
【請求項４】
前記第１の電極は入力端子であり、前記第２の電極は出力端子またはグランド端子である、請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項５】
前記圧電基板は、幅が前記幅次元の複数倍に拡張され、複数の副共振器を形成し、前記圧電共振器は、
拡張された圧電基板の第１の表面に結合され、拡張された幅次元に沿って等間隔に離間され、各々が実質的に各副共振器上に心合わせされた、複数の第１の電極と、
前記拡張された圧電基板の第２の拡張された表面に結合され、前記拡張された幅次元に沿って等間隔に離間され、各々が実質的に各副共振器上に心合わせされた、複数の第２の電極とをさらに備え、前記第１の拡張された表面と前記第２の拡張された表面が実質的に平行であり、
前記副共振器の各々の前記厚さ次元および前記幅次元は、前記電極の各々に励起信号が印加されたときに前記圧電基板内で生成される厚み振動モードと幅振動モードのコヒーレントな組合せから共振が発生するように画定され、前記各副共振器の前記厚さ次元と前記幅次元の比が０．７５〜１．２５の範囲内である、請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項６】
前記複数の第１の電極のうちの互いに隣接しない電極から選択される１組の入力電極、および
前記複数の第２の電極のうちの互いに隣接しない電極から選択される第１の１組のグランド電極を備え、前記１組の入力電極と前記第１の１組のグランド電極が直径方向に互いに向かい合う入力ポートと、
前記複数の第２の電極のうちの互いに隣接しない電極から選択される１組の出力電極、および
前記複数の第１の電極のうちの互いに隣接しない電極から選択される第２の１組のグランド電極を備え、前記１組の出力電極と前記第２の１組のグランド電極が直径方向に互いに向かい合う出力ポートとをさらに備える、請求項５に記載の圧電共振器。
【請求項７】
前記複数の第１の電極から選択される正入力端子および前記複数の第２の電極から選択される第１のグランド端子を備え、前記正入力端子と前記第１のグランド端子が直径方向に互いに向かい合う第１のポートと、
前記複数の第１の電極から選択される負入力端子および前記複数の第２の電極から選択される第２のグランド端子を備え、前記負入力端子と前記第２のグランド端子が直径方向に互いに向かい合う第２のポートと、
前記複数の第１の電極から選択される正出力端子および前記複数の第２の電極から選択される第３のグランド端子を備え、前記正出力端子と前記第３のグランド端子が直径方向に互いに向かい合う第３のポートと、
前記複数の第１の電極から選択される負出力端子および前記複数の第２の電極から選択される第４のグランド端子を備え、前記負出力端子と前記第４のグランド端子が直径方向に互いに向かい合う第４のポートとをさらに備える、請求項５に記載の圧電共振器。
【請求項８】
さらに、互いに隣接する副共振器に印加される前記励起信号が互いに逆の極性を有する、請求項５に記載の圧電共振器。
【請求項９】
直方柱、中空の円筒、または円板のいずれかである、請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項１０】
前記基板は、窒化アルミニウム、ＰＺＴ、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、または酸化亜鉛のいずれかから形成される、請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項１１】
少なくとも１つの半導体ダイに組み込まれる請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項１２】
前記圧電共振器が組み込まれたセットトップボックス、音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、エンターテインメントユニット、ナビゲーションデバイス、通信デバイス、携帯情報端末（ＰＤＡ）、固定位置データユニット、およびコンピュータからなる群から選択される電子デバイスをさらに備える、請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項１３】
圧電共振器において発振信号を生成するための方法であって、
圧電基板を介して電気信号を受け取るステップと、
前記圧電基板の厚さ次元において第１の振動モードを確立するステップと、
前記圧電基板の幅次元において第２の振動モードを確立するステップと、
前記圧電基板内で前記第１の振動モードと前記第２の振動モードをコヒーレントに組み合わせて共振振動を発生させるステップとを含み、前記圧電基板の前記厚さ次元と前記幅次元の比が０．７５〜１．２５の範囲内であり、したがって、前記コヒーレントに組み合わされた振動モードから発生する前記共振振動が、単一チップ複数周波数機能を実現しつつ電気機械結合係数（ｋｔ２）を幅のみの振動モードの場合よりも大きくする、方法。
【請求項１４】
前記圧電共振器は、前記圧電共振器が組み込まれるセットトップボックス、音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、エンターテインメントユニット、ナビゲーションデバイス、通信デバイス、携帯情報端末（ＰＤＡ）、固定位置データユニット、およびコンピュータからなる群から選択される電子デバイスに取り付けられる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
圧電共振器において発振信号を生成するための方法であって、
圧電基板を介して電気信号を受け取るためのステップと、
前記圧電基板の厚さ次元において第１の振動モードを確立するためのステップと、
前記圧電基板の幅次元において第２の振動モードを確立するためのステップと、
前記圧電基板内で前記第１の振動モードと前記第２の振動モードをコヒーレントに組み合わせて共振振動を発生させるためのステップとを含み、前記圧電基板の前記厚さ次元と前記幅次元の比が０．７５〜１．２５の範囲内であり、したがって、前記コヒーレントに組み合わされた振動モードから発生する前記共振振動が、単一チップ複数周波数機能を実現しつつ電気機械結合係数（ｋｔ２）を幅のみの振動モードの場合よりも大きくする、方法。
【請求項１６】
圧電基板を介して電気信号を受け取るための手段と、
前記圧電基板の幅次元において第１の振動モードを確立するための手段と、
前記圧電基板の厚さ次元において第２の振動モードを確立するための手段と、
前記圧電基板内で前記第１の振動モードと前記第２の振動モードを組み合わせて、共振振動を発生させるための手段とを含み、前記圧電基板の前記厚さ次元と前記幅次元の比が０．７５〜１．２５の範囲内であり、したがって、コヒーレントに組み合わされた前記振動モードから発生する前記共振振動が、電気機械結合係数（ｋｔ２）を幅のみの振動モードの場合よりも大きくする、圧電共振器。
【請求項１７】
厚さ次元および幅次元を有し、縦方向において共振振動を発生させ、かつ横方向において共振振動を発生させるように構成された圧電基板を備え、前記縦方向の前記共振振動と前記横方向の前記共振振動が組み合わされて、前記組み合わされた共振振動から変換された電気信号が生成され、前記圧電基板の前記厚さ次元と前記幅次元の比が０．７５〜１．２５の範囲内である、圧電共振器。
【請求項１８】
前記縦方向の前記共振振動は、前記圧電基板の前記厚さ次元に基づく周波数を有し、前記横方向の前記共振振動は、前記圧電基板の前記幅次元に基づく周波数を有する、請求項１７に記載の圧電共振器。
【請求項１９】
前記厚さ次元と前記幅次元の前記比は１にほぼ等しい、請求項１８に記載の圧電共振器。
【請求項２０】
電気機械結合の有効係数は、前記縦方向の前記共振振動の電気機械結合と前記横方向の前記共振振動の電気機械結合の和に基づく、請求項１７に記載の圧電共振器。
【請求項２１】
頂部電極と底部電極とをさらに備え、それによって電流が前記縦方向に流れる、請求項１７に記載の圧電共振器。
【請求項２２】
複数の頂部電極と複数の底部電極とをさらに備え、それによって電流が前記縦方向に流れる、請求項１７に記載の圧電共振器。
【請求項２３】
前記圧電基板の幅次元を変更することによって前記電気信号の周波数を変更することができる、請求項１７に記載の圧電共振器。
【国際調査報告】
2014531833.tif 000011
2014531833.tif 000012
2014531833.tif 000013
2014531833.tif 000014
2014531833.tif 000015