(57)【要約】【課題】電気機械結合係数Ｋ2が大きくスプリアスが少ないＳＨ型バルク波共振子を提供する。【解決手段】水晶基板のカット面および弾性波伝搬方向をオイラー角表示で（０°，θ，ψ）とするとき、ψが約＋９０度または約−９０度である前記水晶基板に少なくとも一つのＩＤＴ電極を配置してなるＳＨ型バルク波共振子であって、前記ＩＤＴ電極がアルミニウムであって、オイラー角表示の前記角度θが０°≦θ≦９５°または１５１°≦θ≦１８０°であり、前記水晶基板の厚みをｔ、前記弾性波の波長をλとしたとき、規格化基板厚みｔ／λがｔ／λ≦４とする。【選択図】図１
2008288652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶基板のカット面および弾性波伝搬方向をオイラー角表示で（０°，θ，ψ）とするとき、ψが約＋９０度または約−９０度である前記水晶基板に少なくとも一つのＩＤＴ電極を配置してなるＳＨ型バルク波共振子であって、
前記ＩＤＴ電極がアルミニウムであって、
オイラー角表示の前記角度θが０°≦θ≦９５°または１５１°≦θ≦１８０°であり、
前記水晶基板の厚みをｔ、前記弾性波の波長をλとしたとき、規格化基板厚みｔ/λがｔ/λ≦４であることを特徴とするＳＨ型バルク波共振子。
【請求項２】
請求項１に記載のＳＨ型バルク波共振子において、
前記規格化基板厚みｔ/λがｔ/λ≦１．２７５であって、
前記ＩＤＴ電極の膜厚をＨとしたときの規格化電極厚みＨ/λが０．０００１≦Ｈ/λ＜０．０４であって、かつオイラー角表示の前記角度θが次式、
１１６．６６７×（Ｈ/λ）2−２８．８３３×（Ｈ/λ）＋３９．３≦θ≦８０．００×（Ｈ/λ）2−２５．６×（Ｈ/λ）＋４０．１４
を満足することを特徴とするＳＨ型バルク波共振子。
【請求項３】
請求項１に記載のＳＨ型バルク波共振子において、
前記規格化基板厚みｔ/λがｔ/λ＞０、前記ＩＤＴ電極の膜厚をＨとしたときの規格化電極厚みＨ/λが０．０４≦Ｈ/λ≦０．０５であって、かつオイラー角のθが次式、
１１６．６６７×（Ｈ/λ）2−２８．８３３×（Ｈ/λ）＋３９．３≦θ≦８０．００×（Ｈ/λ）2−２５．６×（Ｈ/λ）＋４０．１４
を満足することを特徴とするＳＨ型バルク波共振子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＨ型バルク波を用いたＳＨ型バルク波共振子に関する。
【背景技術】
【０００２】
弾性波デバイスにおいて、レイリー波、漏洩弾性表面波、擬似縦波型漏洩弾性表面波などの表面波とは異なり、基板内部を伝搬するバルク波としてラム波が知られている。ラム波は、ＩＤＴ電極により励振される波長に対し基板厚みを非常に薄くする（伝搬させる波の数波長以下）ことで、伝搬する波が基板の上下面での反射を繰り返して進行する板波である。
特許文献１にはＡＴカット水晶基板を用い、基板の厚さが５波長以下のラム波型高周波共振器が開示されている。ラム波の伝搬可能なモードは、特許文献１の分散曲線にあるように基板厚み方向の波数が共振条件を満たすモードであり、基本波モードに高次モードも含め多数のモードが存在する。存在するモードの位相速度はレイリー波以上であり、縦波以上の位相速度をもったモードも多数存在している。このラム波の位相速度が大きいモードを用いることで、表面波と比べて同じＩＤＴ電極の線幅でも高周波化が可能である。さらに、ラム波では電気機械結合係数Ｋ2がレイリー波などの表面波に比べて大きいという特徴がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２５８５９６号公報（図２参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のラム波を利用した弾性波デバイスでは伝搬可能なモードが多数存在してスプリアスが発生しやすく、異常発振などの問題がある。
さらに、特許文献１には弾性波の伝搬方向をＸ軸に直角な方向（９０°Ｘ伝播）とした弾性波の記載があるが、ＡＴカット水晶基板に限定しているため、電気機械結合係数Ｋ2が大きくなるような最適設計はされていない。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は電気機械結合係数Ｋ2が大きく、スプリアスが少ないＳＨ型バルク波共振子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は水晶基板のカット面および弾性波伝搬方向をオイラー角表示で（０°，θ，ψ）とするとき、ψが約＋９０度または約−９０度である前記水晶基板に少なくとも一つのＩＤＴ電極を配置してなるＳＨ型バルク波共振子であって、前記ＩＤＴ電極がアルミニウムであって、オイラー角表示の前記角度θが０°≦θ≦９５°または１５１°≦θ≦１８０°であり、前記水晶基板の厚みをｔ、前記弾性波の波長をλとしたとき、規格化基板厚みｔ/λがｔ/λ≦４であることを特徴とする。
【０００６】
オイラー角（０°，θ，ψ）で表される水晶基板上に、弾性波伝搬方向である角度ψが約±９０度であるＩＤＴ電極が配置され、規格化基板厚みｔ/λ≦４とすることでＳＨ型バルク波を励振することができる。また、ψが約±９０度であることで、ψが０度のときに励振される多数のラム波を無くすことができ、スプリアスの発現を抑圧することができる。
そして、θが０°≦θ≦９５°または１５１°≦θ≦１８０°の範囲であることで、表面波より電気機械結合係数Ｋ2が大きく４５００ｍ/ｓまでの位相速度のＳＨ型バルク波を利用することができる。
このように、本発明によれば電気機械結合係数Ｋ2が大きく、スプリアスが少ないＳＨ型バルク波共振子を提供することができる。
【０００７】
本発明では、前記規格化基板厚みｔ/λがｔ/λ≦１．２７５であって、前記ＩＤＴ電極の膜厚をＨとしたときの規格化電極厚みＨ/λが０．０００１≦Ｈ/λ＜０．０４であって、かつオイラー角表示の前記角度θが次式、１１６．６６７×（Ｈ/λ）2−２８．８３３×（Ｈ/λ）＋３９．３≦θ≦８０．００×（Ｈ/λ）2−２５．６×（Ｈ/λ）＋４０．１４、を満足することが望ましい。
【０００８】
この構成によれば、規格化基板厚みｔ/λ≦１．２７５、規格化電極厚みＨ/λが０．０００１≦Ｈ/λ＜０．０４であることで、ＳＴカット水晶基板を用いたレイリー波の電気機械結合係数Ｋ2の０．１より大きい範囲を規定することができる。
そして、オイラー角（０°，θ，９０°）のθが、上記の式の範囲であることで、周波数温度特性の良好な範囲を規定することができる。この周波数温度特性はＳＴカット水晶基板を用いたレイリー波における周波数変動量約１４０ｐｐｍ（−４０℃〜＋９０℃の間）よりも小さい変動量を得ることができる。
【０００９】
本発明では、前記規格化基板厚みｔ/λがｔ/λ＞０、前記ＩＤＴ電極の膜厚をＨとしたときの規格化電極厚みＨ/λが０．０４≦Ｈ/λ≦０．０５であって、かつオイラー角のθが次式、１１６．６６７×（Ｈ/λ）2−２８．８３３×（Ｈ/λ）＋３９．３≦θ≦８０．００×（Ｈ/λ）2−２５．６×（Ｈ/λ）＋４０．１４を満足することが望ましい。
【００１０】
この構成によれば、規格化基板厚みｔ/λ＞０、規格化電極厚みＨ/λが０．０４≦Ｈ/λ≦０．０５であることで、ＳＴカット水晶基板を用いたレイリー波の電気機械結合係数Ｋ2の０．１％より大きい範囲を規定することができる。
そして、オイラー角（０°，θ，９０°）のθが、上記の式の範囲であることで、周波数温度特性の良好な範囲を規定することができる。この周波数温度特性はＳＴカット水晶基板を用いたレイリー波における周波数変動量約１４０ｐｐｍ（−４０℃〜＋９０℃の間）よりも小さい変動量を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
（実施形態）
【００１２】
図１は本実施形態のＳＨ型バルク波共振子の構成を示す構成図であり、図１（ａ）は模式斜視図、図１（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図である。
ＳＨ型バルク波共振子１０は、矩形状の水晶基板１１にＩＤＴ電極１２と反射器１３が備えられている。水晶基板１１は表裏に主面１４，１５を有し、一方の主面１４にＩＤＴ電極１２と反射器１３が形成されている。ＩＤＴ電極１２は、アルミニウムで形成され、交差指電極１２ａ，１２ｂが交互に挿間されて、それぞれに逆相の電圧が印加されることでＳＨ型バルク波を励振できるように構成されている。そして、ＩＤＴ電極１２を両側から挟むように反射器１３が形成され、ＩＤＴ電極１２から伝播されたＳＨ型バルク波を反射器１３で反射させてＩＤＴ電極１２が形成された水晶基板１１の中央部にエネルギーを閉じ込める役目を果たしている。なお、反射器１３もＩＤＴ電極１２と同様にアルミニウムで形成されている。
【００１３】
ＩＤＴ電極１２における交差指電極１２ａと交差指電極１２ｂ間の距離は等間隔にピッチＰにて形成され、励振されるＳＨ型バルク波の波長λはλ＝２Ｐの関係にある。また、ＩＤＴ電極１２は膜厚Ｈに形成されている。水晶基板１１の厚みｔはＳＨ型バルク波の４波長（４λ）以下の厚みに設定されている。
ここでＳＨ型バルク波とは、変位が弾性波伝搬方向と垂直かつ基板表面に平行な変位を主成分とし、薄い基板内を進行する波である。
【００１４】
次に、水晶基板１１のカット面およびＳＨ型バルク波の伝搬方向を特定するためのオイラー角（φ，θ，ψ）について説明する。
図２はオイラー角について説明する模式図である。図２のように、水晶の結晶軸をＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）、Ｚ軸（光軸）とするとき、Ｚ軸を中心としてＸ軸をＹ軸側へ角度φだけ回転させて、これをＸ'軸とする。次にＸ'軸を中心としてＺ軸を反時計回りに角度θだけ回転させ、これをＺ'軸とする。このＺ'軸を法線としてＸ'軸を含む面方位でカットし、基板とする。そして、この面方位にカットした基板において、Ｚ'軸を中心としてＸ'軸を反時計回りに角度ψだけ回転させた軸をＸ''軸とし、このＸ''軸を弾性表面波伝搬方向とする。このとき、カット面及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角（φ，θ，ψ）と表示する。
【００１５】
本実施形態では、オイラー角（φ，θ，ψ）における角度φが０°、角度ψが約９０°としている。角度ψは９０°に限定されるものではなく、９０°±５°の範囲にあればＳＨ型バルク波共振子を構成できることが発明者により確認されている。
また、角度ψについては＋方向（反時計方向）に回転した場合と−方向（時計方向）に回転した場合とでは、その示す特性は同一であり、それぞれ等価な角度であると言える。
なお、オイラー角（０°，θ，０°）における水晶基板では主にラム波が励振され、オイラー角（０°，θ，９０°）における水晶基板では主にＳＨ型バルク波が励振される。
【００１６】
続いてオイラー角（０°，θ，９０°）における、共振子にて励振される弾性波のモード分布について説明する。
図３および図４はオイラー角（０°，θ，９０°）のラム波、ＳＨ型バルク波のモード分布をシミュレーションしたグラフである。両図ともに、縦軸に弾性波の位相速度、横軸にオイラー角のθを採って表示している。
図３は電気機械結合係数Ｋ2≧０における弾性波の位相速度を示す。この場合、ラム波とＳＨ型バルク波が混在している。
次に、図４に電気機械結合係数Ｋ2＞０における弾性波のモード分布を示す。この場合、グラフに表示されているモードはＳＨ型バルク波だけである。弾性波の伝搬方向をＸ軸に直角な方向とする９０°Ｘ伝播にすることにより、実際にはラム波はＫ2が０であるために励振されず、ＳＨ型バルク波のみが励振されることがわかる。
また、弾性波の伝搬方向を９０°Ｘ伝播にすることにより多数のラム波モードが減り、大幅にスプリアスを抑圧できる。ここで、位相速度が遅い順に０次モード（基本波）の位相速度、１次モードの位相速度、２次モードのそれと高次のモードのそれを示す。
【００１７】
ここで、低周波帯のＳＨ型バルク波共振子を考えた場合、位相速度が遅いほどＩＤＴ電極の交差指電極幅を小さくすることができ、共振子の小型化が可能である。また、一般的に、ＳＴカット水晶基板を用いたレイリー波の反射器の反射係数に比べ、ＳＨ波を用いた場合の反射係数は大きく、反射器の導体本数を減らすことができ、４５００ｍ/ｓまでの位相速度においても十分に共振子の小型化を達成できる。
図４から基本波の位相速度が４５００ｍ/ｓ以下となるのは０°≦θ≦９５°、１５１°≦θ≦１８０°の範囲である。
【００１８】
図５はＳＨ型バルク波の規格化基板厚みに対する位相速度変化を示すグラフである。このグラフは縦軸に位相速度、横軸に規格化基板厚みを採って表示している。なお、水晶基板の厚みをｔ、ＳＨ型バルク波の波長をλとしたとき、水晶基板の厚みをＳＨ型バルク波の波長で除した値を規格化基板厚みｔ/λとする。
図５において、位相速度が遅い順に０次モード（基本波）の位相速度、１次モードの位相速度、２次モードのそれと高次のモードのそれを示す。図５から、水晶基板の厚みｔを厚くするとＳＨ型バルク波の高次モードが基本波に接近し密集状態となる。このことから、スプリアスとなる高次モードが基本波に隣接しないように規格化基板厚みｔ/λ≦４が望ましい。
また、基本波では水晶基板の厚みｔを変化させても位相速度がほとんど変化しないため、水晶基板加工での厚みばらつきに対する周波数変化が非常に少なく、周波数の合わせこみが容易で、製造歩留りが向上できる。
【００１９】
図６はθ＝３９°としたＳＨ型バルク波の基本波における規格化基板厚みｔ/λに対する電気機械結合係数Ｋ2の変化を示すグラフである。なお、ＩＤＴ電極の膜厚をＨとしたとき、ＩＤＴ電極の膜厚をＳＨ型バルク波の波長で除した値を規格化電極厚みＨ/λとし、Ｈ/λ＝０．０００１、０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５、のそれぞれについて示している。
このグラフより、電気機械結合係数Ｋ2がＳＴカット水晶基板を用いレイリー波を利用した場合の電気機械結合係数Ｋ2（０．１％）より大きくなるのは、規格化電極厚みＨ/λが０．０００１≦Ｈ/λ＜０．０４の範囲で規格化基板厚みｔ/λはｔ/λ≦１．２７５である。また、もう一つの範囲として、電気機械結合係数Ｋ2が０．１％より大きくなるのは、規格化電極厚みＨ/λが０．０４≦Ｈ/λ≦０．０５の範囲で規格化基板厚みｔ/λはｔ/λ＞０である。
【００２０】
図７はＳＨ型バルク波の基本波における規格化基板厚みｔ/λ＝０．４としたときの規格化電極厚みＨ/λ＝０．０００１、０．０２、０．０５のときの、オイラー角（０，θ，９０°）に対する周波数変動量（−４０℃〜＋９０℃間）を示すグラフである。
このグラフから、ＳＴカット水晶基板を用いレイリー波を利用した場合の周波数変動量（１４０ｐｐｍ）より小さくなるθの範囲が存在することがわかる。また、規格化電極厚みＨ/λを大きくするとその範囲はθが小さくなる方へシフトする。
【００２１】
図８は本実施形態のＳＨ型バルク波共振子が−４０℃〜＋９０℃間において、周波数変動量が１４０ｐｐｍより小さくなるオイラー角（０°，θ，９０°）と規格化電極厚みＨ/λの範囲を示すグラフである。このグラフではｔ/λ＝０．４とし、Ｈ/λ≦０．０５の範囲について表示している。
このグラフの斜線で示した範囲が、−４０℃〜＋９０℃間において周波数変動量が１４０ｐｐｍより小さくなるθと規格化電極厚みＨ/λの範囲である。
上記の範囲となるオイラー角のθを規格化電極厚みＨ/λを用いて表すと式（１）のように表すことができる。
１１６．６６７×（Ｈ/λ）2−２８．８３３×（Ｈ/λ）＋３９．３≦θ≦８０．００×（Ｈ/λ）2−２５．６×（Ｈ/λ）＋４０．１４・・・式（１）
【００２２】
次に、上記の範囲（図８の斜線で示した範囲）における温度変化による周波数変動量、および電気機械結合係数Ｋ2について説明する。
図９は規格化基板厚みｔ/λに対する周波数変動量の変化の一例を示すグラフである。ここで周波数変動量は−４０℃〜＋９０℃間の変動量であり、グラフに表示した水準は、図８の黒丸印で示した水準である。
このグラフから図８の斜線範囲内のθとＨ/λの条件で、ＳＴカット水晶基板を用いレイリー波を利用した場合に対して、周波数変動量が約１００ｐｐｍ〜７６ｐｐｍと小さく、温度特性が良好であることがわかる。
【００２３】
図１０は規格化基板厚みｔ/λ＝０．４とし、規格化電極厚みＨ/λ＝０．０００１、０．０２、０．０５のときのオイラー角（０°，θ，９０°）に対する電気機械結合係数Ｋ2の変化を示すグラフである。
このグラフより、規格化電極厚みＨ/λ＝０．０００１、０．０２、０．０５のそれぞれがＳＴカット水晶基板を用いレイリー波を利用した場合の電気機械結合係数Ｋ2（０．１％）より十分大きいことがわかる。
【００２４】
以上、本実施形態のＳＨ型バルク波共振子は、オイラー角（０°，θ，ψ）で表される水晶基板上に、弾性波伝搬方向である角度ψが約９０度であるＩＤＴ電極が配置され、規格化基板厚みｔ/λ≦４とすることでＳＨ型バルク波を励振することができる。このとき、ψが約９０度であることで、ψが０度のときに励振される多数のラム波モードを無くすことができ、スプリアスの発現を抑圧することができる。
そして、θが０°≦θ≦９５°または１５１°≦θ≦１８０°であることで、表面波より電気機械結合係数Ｋ2が大きく４５００ｍ/ｓまでの位相速度のＳＨ型バルク波を利用することができる。
このように、本発明によれば電気機械結合係数Ｋ2が大きく、スプリアスが少ないＳＨ型バルク波共振子を提供することができる。
また、規格化基板厚みｔ/λ≦１．２７５、規格化電極厚みＨ/λが０．０００１≦Ｈ/λ＜０．０４であることで、ＳＴカット水晶基板を用いたレイリー波の電気機械結合係数Ｋ2の０．１％より大きい範囲を規定することができる。
同様に、規格化基板厚みｔ/λ＞０、規格化電極厚みＨ/λが０．０４≦Ｈ/λ≦０．０５であることで、ＳＴカット水晶基板を用いたレイリー波の電気機械結合係数Ｋ2の０．１より大きい範囲を規定することができる。
そして、オイラー角（０°，θ，９０°）のθが、前述の式（１）の範囲であることで、周波数温度特性の良好な範囲を規定することができる。この周波数温度特性はＳＴカット水晶基板を用いたレイリー波における周波数変動量約１４０ｐｐｍ（−４０℃〜＋９０℃の間）よりも小さい変動量を得ることができる。
【００２５】
なお、本発明のＳＨ型バルク波共振子は、発振器、フィルタなどの弾性波デバイスとして利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施形態のＳＨ型バルク波共振子の構成を示す構成図であり、（ａ）は模式斜視図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図。
【図２】オイラー角について説明する模式図。
【図３】オイラー角（０°，θ，９０°）のラム波、ＳＨ型バルク波のモード分布をシミュレーションしたグラフ。
【図４】オイラー角（０°，θ，９０°）のラム波、ＳＨ型バルク波のモード分布をシミュレーションしたグラフ。
【図５】ＳＨ型バルク波の規格化基板厚みに対する位相速度変化を示すグラフ。
【図６】ＳＨ型バルク波の基本波における規格化基板厚みに対する電気機械結合係数の変化を示すグラフ。
【図７】規格化電極厚みに対応するオイラー角のθと周波数変動量を示すグラフ。
【図８】周波数変動量が１４０ｐｐｍより小さくなるθと規格化電極厚みＨ/λの範囲を示すグラフ。
【図９】規格化基板厚みｔ/λに対する周波数変動量の変化を示すグラフ。
【図１０】規格化電極厚みＨ/λ＝０．０００１、０．０２、０．０５のときのオイラー角のθに対する電気機械結合係数Ｋ2の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２７】
１０…ＳＨ型バルク波共振子、１１…水晶基板、１２…ＩＤＴ電極、１２ａ，１２ｂ…交差指電極、１３…反射器、Ｈ…ＩＤＴ電極の膜厚、Ｐ…ピッチ、ｔ…水晶基板の厚み、λ…波長。
【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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