(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
四硼酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）単結晶基板表面にすだれ状電極を備え、弾性表面波を利用して信号処理を行う弾性表面波装置であって、
四硼酸リチウム単結晶の直交系結晶軸から成る座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）をオイラー角（λ，μ，θ）によって座標変換した座標系（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）を仮想したとき、Ｘ３軸に垂直な結晶切断面が基板表面であり、かつＸ１軸が弾性表面波の伝搬方向である弾性表面波装置において、
異方性定数γが略−１となるように、（４４°≦λ≦４６°または１３４°≦λ≦１３６°）かつ（８９°≦μ≦９１°）かつ（θの値が略７５．８°または略１０４．２°）であることを特徴とする弾性表面波装置。
【請求項２】
請求項１に記載の弾性表面波装置であって、
前記すだれ状電極は、複数の斜め電極指対による開口を有し広帯域の弾性表面波を励振する入力側すだれ状電極と、複数の斜め電極指対による開口を有し入力側すだれ状電極によって励振された広帯域の弾性表面波を検出する出力側すだれ状電極と、を備え、
前記弾性表面波装置は広帯域の通過帯域を有する弾性表面波フィルタであることを特徴とする弾性表面波フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波を利用して所定の信号処理を行う弾性表面波装置に関し、特に、四硼酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）単結晶基板を用いた弾性表面波装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性表面波装置の製造過程においては、圧電性材料の単結晶を切断し研磨することで、弾性表面波が伝搬する圧電性基板表面が形成される。そして、圧電性材料の単結晶に対して基板表面をどの角度に設定し、かつ弾性表面波を基板表面におけるどの方向に伝搬させるかによって、例えば、遅延時間温度係数や電気機械結合係数等の弾性表面波装置の各特性が変化する。
【０００３】
ここで、圧電性材料の１つである四硼酸リチウムは、弾性表面波装置に用いたときの遅延時間温度係数及び電気機械結合係数の性能が水晶等の他の圧電性材料と比較して割と優れているので、弾性表面波装置の圧電性基板の材料として用いられている。従来の四硼酸リチウム単結晶基板を用いた弾性表面波装置においては、大きい値の電気機械結合係数及び小さい絶対値の遅延時間温度係数を得るために、四硼酸リチウム単結晶の結晶軸に対する基板表面及び弾性表面波の伝搬方向がオイラー角表示で（４５°，９０°，９０°）に設定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の四硼酸リチウム単結晶基板を用いた弾性表面波装置においては、異方性定数γの値が約０．６となる。この場合は、すだれ状電極の開口から励振された弾性表面波は、基板表面を平面波として伝搬せず、回折によって波の広がりが大きくなるため、弾性表面波装置の特性が劣化してしまう。すだれ状電極の開口長を十分に長くすれば回折による波の広がりを低減させることはできるが、その場合は弾性表面波装置のサイズが大きくなってしまう。特に、斜め電極指対による開口を有するすだれ状電極を備えた広帯域弾性表面波フィルタにおいては、所定周波数の弾性表面波が励振される開口の長さ（有効開口長）を十分に確保することが、平行電極指対のすだれ状電極の開口長を確保する場合と比較して困難となるため、回折の影響によるフィルタ特性の劣化を抑えることが困難となる。以上のように、従来の四硼酸リチウム単結晶基板を用いた弾性表面波装置においては、回折の影響による特性劣化の抑制と装置の小型化との両立が困難であるという課題があった。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、四硼酸リチウム単結晶基板を用いた弾性表面波装置において、弾性表面波の回折の影響による特性劣化を抑え、かつ装置の小型化を実現できる弾性表面波装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の参考例に係る弾性表面波装置は、四硼酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）単結晶基板表面にすだれ状電極を備え、弾性表面波を利用して信号処理を行う弾性表面波装置であって、四硼酸リチウム単結晶の直交系結晶軸から成る座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）をオイラー角（λ，μ，θ）によって座標変換した座標系（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）を仮想したとき、Ｘ３軸に垂直な結晶切断面が基板表面であり、かつＸ１軸が弾性表面波の伝搬方向である弾性表面波装置において、（４４°≦λ≦４６°または１３４°≦λ≦１３６°）かつ（８９°≦μ≦９１°）かつ（７５°≦θ＜８０°または１００°＜θ≦１０５°）であることを特徴とする。
【０００７】
このように、オイラー角（λ，μ，θ）の範囲を、（４４°≦λ≦４６°または１３４°≦λ≦１３６°）かつ（８９°≦μ≦９１°）かつ（７５°≦θ＜８０°または１００°＜θ≦１０５°）に設定することで、異方性定数γの値を回折による波の広がりが最小となる−１に近づけることができ、回折による波の広がりを抑えることができる。したがって、弾性表面波装置の特性劣化を抑え、かつ装置の小型化を実現できる。
【０００８】
本発明の参考例に係る弾性表面波装置は、異方性定数γが−１．５≦γ≦−０．５となるように、（４４°≦λ≦４６°または１３４°≦λ≦１３６°）かつ（８９°≦μ≦９１°）かつ（７５°≦θ≦７７°または１０３°≦θ≦１０５°）であることを特徴とする。第１の本発明に係る弾性表面波装置は、異方性定数γが略−１となるように、（４４°≦λ≦４６°または１３４°≦λ≦１３６°）かつ（８９°≦μ≦９１°）かつ（θの値が略７５．８°または略１０４．２°）であることを特徴とする。
【０００９】
このように、オイラー角（λ，μ，θ）の範囲を、（４４°≦λ≦４６°または１３４°≦λ≦１３６°）かつ（８９°≦μ≦９１°）かつ（７５°≦θ≦７７°または１０３°≦θ≦１０５°）に設定することで、異方性定数γの値を回折による波の広がりが最小となる−１にさらに近づけることができる。したがって、弾性表面波装置の特性劣化をさらに改善し、かつ装置をさらに小型化することができる。
【００１０】
第２の本発明に係る弾性表面波フィルタは、第１の本発明に記載の装置であって、前記すだれ状電極は、複数の斜め電極指対による開口を有し広帯域の弾性表面波を励振する入力側すだれ状電極と、複数の斜め電極指対による開口を有し入力側すだれ状電極によって励振された広帯域の弾性表面波を検出する出力側すだれ状電極と、を備え、前記弾性表面波装置は広帯域の通過帯域を有する弾性表面波フィルタであることを特徴とする。
【００１１】
このように、広帯域の通過帯域を有する弾性表面波フィルタにおいて、有効開口長が短い場合でも、回折の影響によるフィルタ特性の劣化を抑え設計値通りのフィルタ特性を得ると同時にフィルタの小型化を実現できる。さらに、バルク波によるスプリアス成分も改善することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１３】
まず単結晶に対する圧電性基板表面及び弾性表面波の伝搬方向をオイラー角（λ，μ，θ）を用いて表示する方法について図１を用いて説明する。ここで、直交系結晶軸であるＸ、Ｙ、Ｚ軸については材料ごとにその方向が予め決められている。まずＺ軸を中心にＸ、Ｙ軸をλだけ半時計回りに回転させ、次にλ回転後のＸ軸を中心にＹ、Ｚ軸をμだけ半時計回りに回転させ、最後にμ回転後のＺ軸を中心にＸ、Ｙ軸をθだけ半時計回りに回転させる。ここで、図１に示すように、座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）をオイラー角（λ，μ，θ）によって上記の座標変換を行った後の座標系を（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）とすると、Ｘ３軸に垂直な結晶切断面が基板表面であり、Ｘ１軸が弾性表面波の伝搬方向である。
【００１４】
図２は、本発明の実施形態に係る弾性表面波装置の構成の概略を示す平面図であり、本発明を広帯域の通過帯域を有する弾性表面波フィルタに適用した図である。四硼酸リチウム単結晶基板１０上に、複数の斜め電極指対を有し信号が入力される入力側すだれ状電極１２、１４と、複数の斜め電極指対を有し信号が出力される出力側すだれ状電極１６、１８が、Ｘ１軸と角度α（角度αはパワーフロー角）を成すＸ４軸に関して所定の距離を隔てて備えられている。図示はしていないが、信号は入力側すだれ状電極１２に入力され、出力側すだれ状電極１６から出力される。また、入力側すだれ状電極１４及び出力側すだれ状電極１８は接地されている。入力側すだれ状電極１２、１４及び出力側すだれ状電極１６、１８は、Ｘ２座標値が大きくなるにつれて電極指の幅及び隣り合った電極指の間隔（図２におけるｄの値で、以下、電極指ピッチとする）が増加するように形成されている。そして、入力側すだれ状電極１２、１４の電極指ピッチがｄである部分を結ぶ直線と出力側すだれ状電極１６、１８の電極指ピッチがｄである部分を結ぶ直線とが同一直線上にあり、かつその直線が弾性表面波のエネルギー伝搬方向であるＸ４軸方向と略平行となるように、入力側すだれ状電極１２、１４及び出力側すだれ状電極１６、１８が配置されている。ここで、入力側すだれ状電極１２、１４同士がＸ４軸から見て対向する部分（以下、開口とする）から帯域幅を持つ弾性表面波が励振され、出力側すだれ状電極１６、１８の開口において、この帯域幅を持つ弾性表面波が検出される。これによって、広帯域フィルタ特性を得ることができる。そして、弾性表面波の励振帯域におけるある周波数ｆ０に着目すると、周波数ｆ０の弾性表面波は、周波数ｆ０及び伝搬速度から求まる電極指ピッチの開口位置から最も強く励振され、この位置を中心としたある程度の長さの開口から励振される（以下、この長さを有効開口長とする）。
【００１５】
ここで、オイラー角（λ，μ，θ）の値を、λ＝４５°，μ＝９０°に固定してθを変化させたときの異方性定数γの値を、シミュレーションにより求めた結果を図３に示す。異方性定数γの値については、γ＝−１のときが回折による波の広がりが最小となり、γの値が−１から離れるほど回折による波の広がりが大きくなる。従来のθ＝９０°においては、図３に示すように異方性定数γの値が略０．６であるので、回折によって波の広がりが大きくなる。この回折による波の広がりは有効開口長が短いほど顕著となる。
【００１６】
図４は、オイラー角（λ，μ，θ）の値を、λ＝４５°，μ＝９０°，θ＝９０°に設定した従来のフィルタ特性を実験により測定した結果を示す図である。このように、異方性定数γの値が略０．６のときは、回折の影響によりフィルタ特性が劣化している（図４（ａ）のＡの部分参照）。さらに、バルク波によるスプリアス成分も増大している（図４（ｂ）のＢの部分参照）。
【００１７】
図５は、オイラー角（λ，μ，θ）の値を、λ＝４５°，μ＝９０°，θ＝８０°に設定した場合のフィルタ特性を実験により測定した結果を示す図である。このとき、図３に示すように異方性定数γの値は略０．１５であり、図４と比較してフィルタ特性の劣化は改善されているものの（図５（ａ）のＡの部分参照）、これより改善されていることが望ましい。すなわち異方性定数γの値がさらに−１に近づくように、θ＜８０°または１００°＜θであることが好ましい。なお、θ＝８０°に設定した図５の例においては、図４と比較して回折による劣化だけでなくバルク波によるスプリアス成分も改善されている（図５（ｂ）のＢの部分参照）。
【００１８】
図６は、オイラー角（λ，μ，θ）の値を、λ＝４５°，μ＝９０°に固定してθを変化させたときの電気機械結合係数Ｋ２の値を、シミュレーションにより求めた結果を示す図である。θ＝７５°（１０５°）のときは図６に示すように電気機械結合係数Ｋ２が略０．１２％であり、電気機械結合係数Ｋ２がさらに小さくなるとフィルタの挿入損失が非常に大きくなるため、７５°≦θ（θ≦１０５°）であることが好ましい。
【００１９】
本実施形態においては以上の結果を考慮して、四硼酸リチウム単結晶に対する基板表面及び弾性表面波の伝搬方向を決定するためのオイラー角（λ，μ，θ）の値が、（λ＝４５°）かつ（μ＝９０°）かつ（７５°≦θ＜８０°または１００°＜θ≦１０５°）に設定されている。ただし、λ，μの値については±１°程度の誤差は許容することができる。そして、四硼酸リチウム単結晶はＺ軸回りに関して９０°ごとに対称性を持つので、λ＝４５°の他にλ＝１３５°に設定してもよい。オイラー角（λ，μ，θ）の値を上記のように設定することで、異方性定数γの値を−１に近づけることができ、有効開口長が短い場合でも回折による波の広がりを抑えることができる。したがって、フィルタ特性の劣化を抑え設計値通りのフィルタ特性を得ると同時にフィルタの小型化を実現できる。
【００２０】
回折による波の広がりをさらに低減し、フィルタ特性の劣化をさらに改善するには、異方性定数γの範囲が、−１．５≦γ≦−０．５であることがさらに好ましい。ここで、電気機械結合係数Ｋ２の性能も考慮して、オイラー角（λ，μ，θ）の値を、（λ＝４５°またはλ＝１３５°）かつ（μ＝９０°）かつ（７５°≦θ≦７７°または１０３°≦θ≦１０５°）に設定するのがさらに好ましい。
【００２１】
図７は、オイラー角（λ，μ，θ）の値を、λ＝４５°，μ＝９０°，θ＝７５．８°に設定した本実施形態のフィルタ特性を実験により測定した結果を示す図である。このとき、異方性定数γの値は図３に示すように略−１となり、回折による波の広がりを最小にし、フィルタ特性の劣化を最小にすることができる（図７（ａ）のＡの部分参照）。このように、回折による波の広がりを最小にし、フィルタ特性の劣化を最小にするためには、θの値を略７５．８°（または略１０４．２°）に設定するのがさらに好ましい。また、θ＝７５．８°に設定した図７の例においても、図４と比較してバルク波によるスプリアス成分が改善されている（図７（ｂ）のＢの部分参照）。
【００２２】
なお、オイラー角（λ，μ，θ）の値を、（λ＝４５°）かつ（μ＝９０°）かつ（７５°≦θ＜８０°または１００°＜θ≦１０５°）に設定すると、図８に示すようにパワーフロー角αは０°ではなくなる（例えばθ＝７５．８°のときは略−３．５°）。図８は、オイラー角（λ，μ，θ）の値を、λ＝４５°，μ＝９０°に固定してθを変化させたときのパワーフロー角αの値を、シミュレーションにより求めた結果を示す図である。本実施形態では、図２に示すように、入力側すだれ状電極１２、１４の電極指ピッチがｄである部分を結ぶ直線と出力側すだれ状電極１６、１８の電極指ピッチがｄである部分を結ぶ直線とが同一直線上にあり、かつその直線が弾性表面波のエネルギー伝搬方向であるＸ４軸方向と略平行となるように、入力側すだれ状電極１２、１４及び出力側すだれ状電極１６、１８が配置されている。この配置によってパワーフロー角αの発生に起因したフィルタの挿入損失の低下を抑えている。
【００２３】
本実施形態においては、広帯域の通過帯域を有する弾性表面波フィルタの場合について説明したが、本発明は、例えば遅延線、共振器等の他の弾性表面波装置においても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  単結晶に対する圧電性基板表面及び弾性表面波の伝搬方向をオイラー角（λ，μ，θ）を用いて表示する方法について説明する図である。
【図２】  本発明の実施形態に係る弾性表面波装置の構成の概略を示す平面図である。
【図３】  オイラー角（λ，μ，θ）の値を、λ＝４５°，μ＝９０°に固定してθを変化させたときの異方性定数γの値を、シミュレーションにより求めた結果を示す図である。
【図４】  オイラー角（λ，μ，θ）の値を、λ＝４５°，μ＝９０°，θ＝９０°に設定した従来のフィルタ特性を実験により測定した結果を示す図である。
【図５】  オイラー角（λ，μ，θ）の値を、λ＝４５°，μ＝９０°，θ＝８０°に設定した場合のフィルタ特性を実験により測定した結果を示す図である。
【図６】  オイラー角（λ，μ，θ）の値を、λ＝４５°，μ＝９０°に固定してθを変化させたときの電気機械結合係数Ｋ２の値を、シミュレーションにより求めた結果を示す図である。
【図７】  オイラー角（λ，μ，θ）の値を、λ＝４５°，μ＝９０°，θ＝７５．８°に設定した本実施形態のフィルタ特性を実験により測定した結果を示す図である。
【図８】  オイラー角（λ，μ，θ）の値を、λ＝４５°，μ＝９０°に固定してθを変化させたときのパワーフロー角αの値を、シミュレーションにより求めた結果を示す図である。
【符号の説明】
１０  四硼酸リチウム単結晶基板、１２，１４  入力側すだれ状電極、１６，１８  出力側すだれ状電極。
【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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