ラム波型高周波共振子
【課題】高いＱ値を有し、速い位相速度、優れた周波数温度特性を有するラム波型高周波共振子を提供する。
【解決手段】ラム波型高周波共振子１０は、水晶基板２０と、水晶基板２０の主面に第１交差指電極３１と第２交差指電極３２が間挿して構成されるＩＤＴ電極３０と、ＩＤＴ電極３０のラム波の進行方向両側に配設される反射器４０，５０と、を備え、第１交差指電極３１と第２交差指電極３２の交差幅をＷとし、ラム波の波長をλとしたとき、交差幅Ｗが２１λ≦Ｗ≦５４λで表される範囲に設定される。また、水晶基板２０の切り出し角度及び前記ラム波の伝搬方向が、オイラー角表示で（０、θ、０）になるようにＩＤＴ電極３０が形成され、角度θが、３５度≦θ≦４７．２度で表される範囲において、水晶基板２０の厚みｔと、ラム波の波長λとの関係で表される規格化基板厚みｔ／λが、０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５の範囲に設定される。
【解決手段】ラム波型高周波共振子１０は、水晶基板２０と、水晶基板２０の主面に第１交差指電極３１と第２交差指電極３２が間挿して構成されるＩＤＴ電極３０と、ＩＤＴ電極３０のラム波の進行方向両側に配設される反射器４０，５０と、を備え、第１交差指電極３１と第２交差指電極３２の交差幅をＷとし、ラム波の波長をλとしたとき、交差幅Ｗが２１λ≦Ｗ≦５４λで表される範囲に設定される。また、水晶基板２０の切り出し角度及び前記ラム波の伝搬方向が、オイラー角表示で（０、θ、０）になるようにＩＤＴ電極３０が形成され、角度θが、３５度≦θ≦４７．２度で表される範囲において、水晶基板２０の厚みｔと、ラム波の波長λとの関係で表される規格化基板厚みｔ／λが、０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５の範囲に設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラム波型高周波共振子に関する。詳しくは、ラム波型高周波共振子における圧電基板とＩＤＴ電極の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高周波共振子としては、ＳＴカット水晶と呼ばれる水晶基板の表面において、弾性表面波が伝搬するＸ軸方向にＩＤＴ電極が形成されたレイリー波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｗａｖｅ）型弾性表面波共振子、ＳＴカット水晶に対して弾性表面波の伝搬方向を９０度ずらした横波を伝搬するＳＴＷカット水晶を用いるＳＨ波弾性表面波素子や、ＡＴカット水晶を用いたラム波（Ｌａｍｂ ｗａｖｅ）型共振子が代表される。
【０００３】
特に、ラム波型共振子は、位相速度が上述した弾性表面波を用いる共振子よりもはるかに速いこと、電気機械結合係数が大きく励信効率がよいこと、ラム波の伝搬路上の反射器からの反射係数が大きいという特徴を有しており、高周波素子として有力視されている。
【０００４】
例えば、ＡＴカット水晶基板の表面にＩＤＴ電極を形成したラム波型共振子において、この水晶基板の厚みＨと、ラム波の波長λとが、０＜２Ｈ／λ≦１０で表されるラム波型高周波共振子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、ＡＴカット水晶基板上にＩＤＴ電極を形成したラム波型共振子の周波数温度特性の理論解析と、その実験結果が公表されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２５８５９６号公報
【非特許文献１】電子情報通信学会誌、Ｃ Ｖｏｌ．Ｊ８９−Ｃ Ｎｏ．１、３４頁〜３９頁、「ラム波型弾性波素子用基板の温度特性」、中川恭彦
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したＳＴカット水晶を用いたレイリー波型弾性表面波共振子は、弾性表面波素子としては優れた周波数温度特性を示すが、高精度が要求される共振子としては十分とはいえない。また、位相速度の理論値が約３１００ｍ／ｓ程度と遅く、高周波帯域への対応は困難である。
【０００８】
また、ＳＴＷカット水晶を用いたＳＨ波型弾性表面波素子は、周波数温度特性が前述のＳＴカット水晶よりも悪いということが知られている。また、電極材料としてアルミニウムに比べ密度が大きいタンタルやタングステンを用いていることから電気抵抗損が大きくなりＱ値が低くなり励振効率が低下する。さらに、位相速度が低下してしまうというような課題があることが知られている。
【０００９】
また、上述した特許文献１によるラム波型高周波共振子は、水晶基板の厚さを弾性波の波長に対し５波長以下のＡＴカット水晶基板を用いることにより、周波数温度特性が優れ、高周波化に適するとされているが、必ずしもＳＴカット水晶よりも良好であるとはいえず、まだ、満足できるものではない。
【００１０】
また、上述した非特許文献１では、ＩＤＴ電極をダブル型の交差指電極にて構成し、交差指電極の交差幅をラム波の波長λに対して５０λに設定したときの理論値及び実験値により、周波数温度特性が改善されることを提示している。しかしながら、ダブル型の交差指電極を用いる場合、第１交差指電極の電極間ピッチ（波長λに相当）の中に第二交差指電極の２本の電極指が間挿される構造のために交差指電極の幅が（１／８）λとなり、高周波帯域において、交差指電極の幅が一本の電極指が間挿されるシングル型に比べ１／２と極細くなるため製造上の制約が大きくなるという課題を有している。
【００１１】
本発明の目的は、上述した課題を解決することを要旨とし、高いＱ値を有し、速い位相速度と優れた周波数温度特性を有するラム波型高周波共振子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のラム波型高周波共振子は、圧電基板と、該圧電基板の主面に第１交差指電極と第２交差指電極とが間挿されて構成されるＩＤＴ電極と、該ＩＤＴ電極のラム波の進行方向両側に配設される反射器と、を備え、前記第１交差指電極と前記第２交差指電極の交差幅をＷとし、ラム波の波長をλとしたとき、交差幅Ｗが２１λ≦Ｗ≦５４λで表される範囲に設定されていることを特徴とする。
ここで、交差幅とは、第１交差指電極と前記第２交差指電極とがラム波の進行方向に対して垂直方向に交差する範囲を意味する。
【００１３】
詳しくは後述する実施の形態にて説明するが、この発明によれば、前記第１交差指電極と前記第２交差指電極との交差幅Ｗを２１λ≦Ｗ≦５４λの範囲に設計することにより、上述したＳＴカット水晶を用いたレイリー波型弾性表面波共振子よりも優れた周波数温度特性を備え、高いＱ値を有することから高周波帯域（位相速度が速い領域）に対応可能なラム波型高周波共振子を実現することができる。
【００１４】
また、前記第１交差指電極と前記第２交差指電極とが、それぞれ電極指が１本毎交互に間挿されて構成されていることが好ましい。
なお、このように構成されているＩＤＴ電極は、シングル型電極と呼ばれる。
【００１５】
従って、第１交差指電極（または第２交差指電極）の電極間ピッチ（波長λに相当する）の間に第２交差指電極（または第１交差指電極）それぞれの電極指１本を間挿する構造とすることで、上述した非特許文献１のようなダブル型電極に比べ、電極指の幅を２倍にすることができることから、同じ周波数であれば、幅広の電極指でよいので格段に製造し易いという効果がある。
【００１６】
また、前記圧電基板が水晶基板であることが好ましい。
圧電基板として水晶基板を用い、ラム波を振動モードとすることにより、前述したＳＴカット水晶に比べて高周波帯域への対応性が優れ、ＳＴＷカット水晶に比べて優れた周波数温度特性を有する共振子を実現することができる。
【００１７】
さらに、前記水晶基板の切り出し角度及び前記ラム波の伝搬方向が、オイラー角表示で（０、θ、０）になるように前記水晶基板と前記ＩＤＴ電極とが形成され、前記角度θが、３５度≦θ≦４７．２度で表される範囲において、前記水晶基板の厚みｔと、前記ラム波の波長λとの関係が、０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５で表される範囲に設定されていることが望ましい。
【００１８】
詳しくは後述する実施の形態で説明するが、ラム波型高周波共振子の周波数温度特性、周波数帯域、励振の安定性は、水晶基板の切り出し角度と弾性波の伝搬方向、つまりオイラー角（０、θ、０）における角度θと、基板厚みｔと波長λとの関係で表される規格化基板厚みｔ／λにて律せられる。それぞれを上述したような関係式とすることで、前述した従来技術のＳＴＷカット水晶、ＳＴカット水晶に比べ優れた周波数温度特性と、高周波帯域への対応が可能となり、また、水晶基板の励振の効率を表す電気機械結合係数（Ｋ2）を高めることができるので、励振し易く、安定した周波数特性をもつラム波型高周波共振子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図１２は本実施形態のラム波型高周波共振子の構造及び、特性を示している。なお、以下の説明で参照するラム波型高周波共振子の構造を表す図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る水晶基板２０の切り出し方位が示されている。水晶基板２０は、電気軸と呼ばれるＸ軸、機械軸と呼ばれるＹ軸、光学軸と呼ばれるＺ軸の面で構成される薄板であるが、本実施形態における水晶基板２０の切り出し方位は、厚み方向のＺ軸をＺ’まで角度θだけ回転させた回転Ｙカット水晶であり、図中、長手方向がＸ軸、幅方向がＹ’、厚み方向がＺ’となるように切り出されている（図２も参照する）。そして、Ｘ軸方向にＩＤＴ電極（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）３０が形成されている。従って、ラム波の進行方向はＸ軸方向となる。
【００２１】
続いて、本実施形態によるラム波型高周波共振子１０の構造について説明する。
図２は、本実施形態に係るラム波型高周波共振子を示す斜視図、図３は図２のＡ−Ａ切断面を表す断面図である。図２、図３において、ラム波型高周波共振子１０は、圧電基板としての水晶基板２０の主面に、１対の交差指電極３１，３２とから構成されるＩＤＴ電極３０と、このＩＤＴ電極３０のラム波の進行方向の両側に配設され格子状の電極指５０ａ，５０ｂを有する反射器５０と、同様な電極指構成を有する反射器４０とから構成されている。なお、以降、交差指電極３１を第１交差指電極３１、交差指電極３２を第２交差指電極３２として表す。
【００２２】
なお、図２，３において表すＩＤＴ電極３０及び反射器４０，５０それぞれの電極指の構成数は１例を示したもので、図示した数には限定されない。
【００２３】
ＩＤＴ電極３０の第１交差指電極３１と第２交差指電極３２とは、それぞれ相互にＸ軸方向に並列に間挿されて構成されている。つまり、図２に示すように、第１交差指電極３１の電極指３１ａと電極指３１ｂとの間に第２交差指電極３２の電極指３２ａが間挿され、第２交差指電極３２の電極指３２ａと電極指３２ｂとの間に第１交差指電極３１の電極指３１ｂが間挿されている。このように各電極指が１本毎間挿されているＩＤＴ電極３０をシングル型電極と呼ぶ。
【００２４】
図３において、第１交差指電極３１を構成する櫛歯形状の電極指３１ａの端部から電極指３１ｂまでの間の距離は、ラム波の波長λとし、電極指３１ａ，３１ｂそれぞれの幅をＬｉとする。
【００２５】
また、電極指３１ａの端部と、電極指３１ａ，３１ｂの間に間挿される第２交差指電極３２の電極指３２ａと、の距離（電極間ピッチと称することがある）はＰｉと表す。なお、電極指３２ａの幅もＬｉである。従って、ラム波の波長λはＩＤＴ電極３０の電極間ピッチＰｉの２倍である。
【００２６】
また、反射器５０の電極指５０ａの端部から電極指５０ｂまでの距離を（電極間ピッチと称することがある）Ｐｒとし、電極指５０ａ，５０ｂそれぞれの幅をＬｒとする。
【００２７】
また、第１交差指電極３１と第２交差指電極３２とが、ラム波の進行方向に対して垂直方向な方向、つまり、Ｙ’方向に交差している範囲における交差幅をＷと表している（図２、参照）。この交差幅Ｗの大きさによってラム波型高周波共振子１０のＱ値が変動する。
【００２８】
図４は、ラム波型高周波共振子１０（以降、単にラム波と表すことがある）の交差幅ＷとＱ値との関係についての実験値を表すグラフであり、ＳＴカット水晶を用いたレイリー波型弾性表面波共振子（以降、単にレイリー波とあらわすことがある）との比較を表している。なお、交差幅Ｗは、ラム波の波長λの倍数で表している。
【００２９】
図４において、本実施形態のラム波型高周波共振子１０は、交差幅Ｗが３８λの近傍に極値を有する二次曲線で表される。また、レイリー波では、２０λ近傍まではラム波と同様にＱ値が上昇し、２０λ以上の範囲では、Ｑ値は交差幅Ｗに関係なくほぼ一定となる。ここで、交差幅が２１λ≦Ｗ≦５４λの範囲において、ラム波のＱ値がレイリー波よりも高い領域である。つまり、Ｑ値を大きくすることによりレイリー波よりも励振しやすく、安定した共振周波数が得られることになるとともに、高周波化を可能にすることを表している。
【００３０】
続いて、前述したラム波型高周波共振子１０（図２，３、参照）における位相速度と規格化基板厚みｔ／λ及びオイラー角（０，θ，０）における角度θそれぞれに対する周波数温度偏差（周波数温度変動量）、位相速度、電気機械結合係数Ｋ2の関係についてシミュレーションにより算出した結果について図面を参照して説明する。
【００３１】
図５、図６は、周波数温度変動量とオイラー角（０、θ、０）における角度θの関係、及び周波数温度変動量と水晶基板２０の厚みｔとラム波の波長λの関係（規格化基板厚みｔ／λと表す）を示すグラフである。図５，６において、ＳＴＷカット水晶よりも周波数温度特性がよい角度θの範囲は３５度≦θ≦４７．２度であり、規格化基板厚みｔ／λの範囲は０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５である。
さらに、角度θ及び規格化基板厚みｔ／λと位相速度、周波数温度変動量、電気機械結合係数Ｋ2それぞれの関係について詳しく説明する。
【００３２】
図７に、オイラー角（０、θ、０）における角度θと位相速度との関係を示す。ここで、規格化基板厚みｔ／λを０．２〜２．０まで６段階に設定し、それぞれのｔ／λにおける位相速度をグラフで示している。図７から、規格化基板厚みｔ／λ＝２．０の場合を除いた全ての場合において、角度θが３０度〜５０度の範囲で、５０００ｍ／ｓ以上の位相速度を得ることができることを示している。
【００３３】
また、図８に、規格化基板厚みｔ／λと位相速度との関係を示す。オイラー角（０、θ、０）における角度θを３０度〜５０度まで５段階に設定し、それぞれの角度θにおける位相速度をグラフで示している。図８から、各角度θにおいて位相速度のばらつきは小さく、ｔ／λが０．２〜２の大部分の範囲で５０００ｍ／ｓ以上の位相速度を得ることができることを示している。
【００３４】
次に、オイラー角（０、θ、０）の角度θ、規格化基板厚みｔ／λと、位相速度、周波数温度変動量、電気機械結合係数Ｋ2との関係について説明する。
図９に、オイラー角（０、θ、０）における角度θと位相速度と周波数温度変動量との関係を示す。ここで、規格化基板厚みｔ／λを１．７としている。図９から、周波数温度変動量がＳＴＷカット水晶よりも小さいθの範囲は、３５度≦θ≦４７．２度であり（図６も参照する）、この範囲において位相速度５０００ｍ／ｓ以上が得られることを示している。
【００３５】
図１０にオイラー角（０、θ、０）における角度θと電気機械結合係数Ｋ2と周波数温度変動量との関係を示す。図１０から、周波数温度変動量がＳＴＷカット水晶よりも小さいオイラー角（０、θ、０）における角度θの範囲は、３５度≦θ≦４７．２度であり（図５も参照する）、この範囲において電気機械結合係数Ｋ2は、基準としている０．０２を大きく上回っている。角度θの範囲が３２．５度≦θ≦４７．２度の場合は、電気機械結合係数Ｋ2が０．０３以上となり、角度θの範囲が３４．２度≦θ≦４７．２度の場合は、電気機械結合係数Ｋ2が０．０４以上となり、さらに、角度θの範囲が３６度≦θ≦４７．２度の場合は、電気機械結合係数Ｋ2が０．０５以上となった。
【００３６】
図１１に規格化基板厚みｔ／λと位相速度と周波数温度変動量との関係を示す。図１１から、周波数温度変動量がＳＴＷカット水晶よりも小さいｔ／λの範囲は、０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５であり（図６も参照する）、この範囲において位相速度は大部分の範囲で５０００ｍ／ｓ以上が得られる。この規格化基板厚みｔ／λの範囲では、規格化基板厚みｔ／λが小さいほど位相速度が速くなり、高周波帯域が得られる。つまり、規格化基板厚みｔ／λを調整すれば位相速度を調整することが可能である。
次に、ｔ／λと電気機械結合係数Ｋ2と周波数温度変動量との関係を説明する。
【００３７】
図１２に規格化基板厚みｔ／λと電気機械結合係数Ｋ2と周波数温度変動量との関係を示す。図１２から、周波数温度変動量がＳＴＷカット水晶よりも小さい規格化基板厚みｔ／λの範囲は、０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５であり（図６，１１も参照する）、この範囲において電気機械結合係数Ｋ2は大部分の範囲で０．０２以上が得られる。この規格化基板厚みｔ／λが１に近い範囲では、電気機械結合係数Ｋ2が０．０５以上の高い領域が得られる。
【００３８】
上述した結果から、オイラー角（０、θ、０）における角度θを３５度≦θ≦４７．２度で表す範囲、規格化基板厚みｔ／λを０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５で表す範囲に設計することにより、ＳＴＷカット水晶よりも周波数温度特性が優れ、位相速度５０００ｍ／ｓ以上の速い位相速度を得ることができる。また、電気機械結合係数Ｋ2が、実用上好ましい０．０２以上を確保することができることを示している。
【００３９】
従って、前述した実施形態によれば、第１交差指電極３１と第２交差指電極３２の交差幅Ｗを２１λ≦Ｗ≦５４λの範囲に設計することにより、上述したＳＴカット水晶を用いたレイリー波型弾性表面波共振子よりも優れた周波数温度特性を有するラム波型高周波共振子１０を実現する。また、高いＱ値を有することから高周波帯域（位相速度が速い）に対応し易く、且つ、安定した共振特性を有するラム波型高周波共振子を実現することができる。
【００４０】
また、第１交差指電極３１（または第２交差指電極３２）の電極間ピッチ（波長λに相当する）の間に第２交差指電極３２（または第１交差指電極３１）それぞれの電極指の１本ずつ間挿するシングル型電極構造とすることで、上述した非特許文献１のようなダブル型電極に比べ、電極指の幅を２倍にすることができる。従って、同じ周波数であれば、幅広の電極指でよいので格段に製造し易いという効果がある。
【００４１】
また、本実施形態では、圧電基板として水晶基板２０を用い、水晶基板２０の切り出し角度及び前記ラム波の伝搬方向が、オイラー角表示で（０、θ、０）における角度θを３５度≦θ≦４７．２度で表される範囲とし、規格化基板厚みｔ／λを、０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５で表される範囲に設定している。このようにすることで、前述した従来技術のＳＴＷカット水晶、ＳＴカット水晶に比べ優れた周波数温度特性と、高周波帯域への対応が可能となり、また、水晶基板２０の励振効率を表す電気機械結合係数（Ｋ2）を高めることができるので、励振し易く、安定した周波数特性をもつラム波型高周波共振子１０を提供することができる。
【００４２】
なお、本発明は前述の実施の形態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。
【００４３】
例えば、前述した実施形態では圧電基板として水晶基板を用いているが、水晶基板の他に、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四ほう酸リチウム、ランガサイト、ニオブ酸カリウムを採用できる。また、酸化亜鉛、窒化アルミ、五酸化タンタル等の圧電性薄膜、硫化カドミウム、硫化亜鉛、ガリウム砒素、インジウムアンチモン等の圧電半導体にも応用可能である。
【００４４】
また、前述の実施形態では、ラム波型高周波共振子として１ポート共振子を例示して説明したが、例えば、２ポート共振子またはＩＤＴ電極と反射器とを備えたフィルタであっても構わない。
【００４５】
また、前述の実施形態では、反射器４０，５０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。
【００４６】
従って、本実施形態によれば、規格化基板厚みｔ／λ、オイラー角表示で（０、θ、０）における角度θを上述した範囲に設定した水晶基板を採用し、ＩＤＴ電極の交差幅Ｗを適正範囲に設定することにより、高いＱ値を有し、速い位相速度、優れた周波数温度特性を有するラム波型高周波共振子を提供するができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態に係る水晶基板の切り出し方位を示す説明図。
【図２】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子を示す斜視図。
【図３】図２のＡ−Ａ切断面を表す断面図。
【図４】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子の交差幅ＷとＱ値との関係について表すグラフ。
【図５】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子の周波数温度変動量とオイラー角（０、θ、０）における角度θの関係を示すグラフ。
【図６】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子の周波数温度変動量と規格化基盤厚みｔ／λの関係を示すグラフ。
【図７】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子の位相速度とオイラー角（０、θ、０）における角度θと規格化基板厚みｔ／λとの関係を示すグラフ。
【図８】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子の位相速度とオイラー角（０、θ、０）における角度θと規格化基板厚みｔ／λとの関係を示すグラフ。
【図９】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子のオイラー角（０、θ、０）における角度θと周波数温度変動量及び位相速度の関係を示すグラフ。
【図１０】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子のオイラー角（０、θ、０）における角度θと周波数温度変動量及び電気機械結合係数Ｋ2との関係を示すグラフ。
【図１１】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子の規格化基板厚みｔ／λと周波数温度変動量及び位相速度の関係を示すグラフ。
【図１２】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子の規格化基板厚みｔ／λと周波数温度変動量及び電気機械結合係数Ｋ2との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４８】
１０…ラム波型高周波共振子、２０…圧電基板としての水晶基板、３０…ＩＤＴ電極、３１…第１交差指電極、３２…第２交差指電極、４０，５０…反射器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラム波型高周波共振子に関する。詳しくは、ラム波型高周波共振子における圧電基板とＩＤＴ電極の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高周波共振子としては、ＳＴカット水晶と呼ばれる水晶基板の表面において、弾性表面波が伝搬するＸ軸方向にＩＤＴ電極が形成されたレイリー波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｗａｖｅ）型弾性表面波共振子、ＳＴカット水晶に対して弾性表面波の伝搬方向を９０度ずらした横波を伝搬するＳＴＷカット水晶を用いるＳＨ波弾性表面波素子や、ＡＴカット水晶を用いたラム波（Ｌａｍｂ ｗａｖｅ）型共振子が代表される。
【０００３】
特に、ラム波型共振子は、位相速度が上述した弾性表面波を用いる共振子よりもはるかに速いこと、電気機械結合係数が大きく励信効率がよいこと、ラム波の伝搬路上の反射器からの反射係数が大きいという特徴を有しており、高周波素子として有力視されている。
【０００４】
例えば、ＡＴカット水晶基板の表面にＩＤＴ電極を形成したラム波型共振子において、この水晶基板の厚みＨと、ラム波の波長λとが、０＜２Ｈ／λ≦１０で表されるラム波型高周波共振子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、ＡＴカット水晶基板上にＩＤＴ電極を形成したラム波型共振子の周波数温度特性の理論解析と、その実験結果が公表されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２５８５９６号公報
【非特許文献１】電子情報通信学会誌、Ｃ Ｖｏｌ．Ｊ８９−Ｃ Ｎｏ．１、３４頁〜３９頁、「ラム波型弾性波素子用基板の温度特性」、中川恭彦
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したＳＴカット水晶を用いたレイリー波型弾性表面波共振子は、弾性表面波素子としては優れた周波数温度特性を示すが、高精度が要求される共振子としては十分とはいえない。また、位相速度の理論値が約３１００ｍ／ｓ程度と遅く、高周波帯域への対応は困難である。
【０００８】
また、ＳＴＷカット水晶を用いたＳＨ波型弾性表面波素子は、周波数温度特性が前述のＳＴカット水晶よりも悪いということが知られている。また、電極材料としてアルミニウムに比べ密度が大きいタンタルやタングステンを用いていることから電気抵抗損が大きくなりＱ値が低くなり励振効率が低下する。さらに、位相速度が低下してしまうというような課題があることが知られている。
【０００９】
また、上述した特許文献１によるラム波型高周波共振子は、水晶基板の厚さを弾性波の波長に対し５波長以下のＡＴカット水晶基板を用いることにより、周波数温度特性が優れ、高周波化に適するとされているが、必ずしもＳＴカット水晶よりも良好であるとはいえず、まだ、満足できるものではない。
【００１０】
また、上述した非特許文献１では、ＩＤＴ電極をダブル型の交差指電極にて構成し、交差指電極の交差幅をラム波の波長λに対して５０λに設定したときの理論値及び実験値により、周波数温度特性が改善されることを提示している。しかしながら、ダブル型の交差指電極を用いる場合、第１交差指電極の電極間ピッチ（波長λに相当）の中に第二交差指電極の２本の電極指が間挿される構造のために交差指電極の幅が（１／８）λとなり、高周波帯域において、交差指電極の幅が一本の電極指が間挿されるシングル型に比べ１／２と極細くなるため製造上の制約が大きくなるという課題を有している。
【００１１】
本発明の目的は、上述した課題を解決することを要旨とし、高いＱ値を有し、速い位相速度と優れた周波数温度特性を有するラム波型高周波共振子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のラム波型高周波共振子は、圧電基板と、該圧電基板の主面に第１交差指電極と第２交差指電極とが間挿されて構成されるＩＤＴ電極と、該ＩＤＴ電極のラム波の進行方向両側に配設される反射器と、を備え、前記第１交差指電極と前記第２交差指電極の交差幅をＷとし、ラム波の波長をλとしたとき、交差幅Ｗが２１λ≦Ｗ≦５４λで表される範囲に設定されていることを特徴とする。
ここで、交差幅とは、第１交差指電極と前記第２交差指電極とがラム波の進行方向に対して垂直方向に交差する範囲を意味する。
【００１３】
詳しくは後述する実施の形態にて説明するが、この発明によれば、前記第１交差指電極と前記第２交差指電極との交差幅Ｗを２１λ≦Ｗ≦５４λの範囲に設計することにより、上述したＳＴカット水晶を用いたレイリー波型弾性表面波共振子よりも優れた周波数温度特性を備え、高いＱ値を有することから高周波帯域（位相速度が速い領域）に対応可能なラム波型高周波共振子を実現することができる。
【００１４】
また、前記第１交差指電極と前記第２交差指電極とが、それぞれ電極指が１本毎交互に間挿されて構成されていることが好ましい。
なお、このように構成されているＩＤＴ電極は、シングル型電極と呼ばれる。
【００１５】
従って、第１交差指電極（または第２交差指電極）の電極間ピッチ（波長λに相当する）の間に第２交差指電極（または第１交差指電極）それぞれの電極指１本を間挿する構造とすることで、上述した非特許文献１のようなダブル型電極に比べ、電極指の幅を２倍にすることができることから、同じ周波数であれば、幅広の電極指でよいので格段に製造し易いという効果がある。
【００１６】
また、前記圧電基板が水晶基板であることが好ましい。
圧電基板として水晶基板を用い、ラム波を振動モードとすることにより、前述したＳＴカット水晶に比べて高周波帯域への対応性が優れ、ＳＴＷカット水晶に比べて優れた周波数温度特性を有する共振子を実現することができる。
【００１７】
さらに、前記水晶基板の切り出し角度及び前記ラム波の伝搬方向が、オイラー角表示で（０、θ、０）になるように前記水晶基板と前記ＩＤＴ電極とが形成され、前記角度θが、３５度≦θ≦４７．２度で表される範囲において、前記水晶基板の厚みｔと、前記ラム波の波長λとの関係が、０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５で表される範囲に設定されていることが望ましい。
【００１８】
詳しくは後述する実施の形態で説明するが、ラム波型高周波共振子の周波数温度特性、周波数帯域、励振の安定性は、水晶基板の切り出し角度と弾性波の伝搬方向、つまりオイラー角（０、θ、０）における角度θと、基板厚みｔと波長λとの関係で表される規格化基板厚みｔ／λにて律せられる。それぞれを上述したような関係式とすることで、前述した従来技術のＳＴＷカット水晶、ＳＴカット水晶に比べ優れた周波数温度特性と、高周波帯域への対応が可能となり、また、水晶基板の励振の効率を表す電気機械結合係数（Ｋ2）を高めることができるので、励振し易く、安定した周波数特性をもつラム波型高周波共振子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図１２は本実施形態のラム波型高周波共振子の構造及び、特性を示している。なお、以下の説明で参照するラム波型高周波共振子の構造を表す図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る水晶基板２０の切り出し方位が示されている。水晶基板２０は、電気軸と呼ばれるＸ軸、機械軸と呼ばれるＹ軸、光学軸と呼ばれるＺ軸の面で構成される薄板であるが、本実施形態における水晶基板２０の切り出し方位は、厚み方向のＺ軸をＺ’まで角度θだけ回転させた回転Ｙカット水晶であり、図中、長手方向がＸ軸、幅方向がＹ’、厚み方向がＺ’となるように切り出されている（図２も参照する）。そして、Ｘ軸方向にＩＤＴ電極（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）３０が形成されている。従って、ラム波の進行方向はＸ軸方向となる。
【００２１】
続いて、本実施形態によるラム波型高周波共振子１０の構造について説明する。
図２は、本実施形態に係るラム波型高周波共振子を示す斜視図、図３は図２のＡ−Ａ切断面を表す断面図である。図２、図３において、ラム波型高周波共振子１０は、圧電基板としての水晶基板２０の主面に、１対の交差指電極３１，３２とから構成されるＩＤＴ電極３０と、このＩＤＴ電極３０のラム波の進行方向の両側に配設され格子状の電極指５０ａ，５０ｂを有する反射器５０と、同様な電極指構成を有する反射器４０とから構成されている。なお、以降、交差指電極３１を第１交差指電極３１、交差指電極３２を第２交差指電極３２として表す。
【００２２】
なお、図２，３において表すＩＤＴ電極３０及び反射器４０，５０それぞれの電極指の構成数は１例を示したもので、図示した数には限定されない。
【００２３】
ＩＤＴ電極３０の第１交差指電極３１と第２交差指電極３２とは、それぞれ相互にＸ軸方向に並列に間挿されて構成されている。つまり、図２に示すように、第１交差指電極３１の電極指３１ａと電極指３１ｂとの間に第２交差指電極３２の電極指３２ａが間挿され、第２交差指電極３２の電極指３２ａと電極指３２ｂとの間に第１交差指電極３１の電極指３１ｂが間挿されている。このように各電極指が１本毎間挿されているＩＤＴ電極３０をシングル型電極と呼ぶ。
【００２４】
図３において、第１交差指電極３１を構成する櫛歯形状の電極指３１ａの端部から電極指３１ｂまでの間の距離は、ラム波の波長λとし、電極指３１ａ，３１ｂそれぞれの幅をＬｉとする。
【００２５】
また、電極指３１ａの端部と、電極指３１ａ，３１ｂの間に間挿される第２交差指電極３２の電極指３２ａと、の距離（電極間ピッチと称することがある）はＰｉと表す。なお、電極指３２ａの幅もＬｉである。従って、ラム波の波長λはＩＤＴ電極３０の電極間ピッチＰｉの２倍である。
【００２６】
また、反射器５０の電極指５０ａの端部から電極指５０ｂまでの距離を（電極間ピッチと称することがある）Ｐｒとし、電極指５０ａ，５０ｂそれぞれの幅をＬｒとする。
【００２７】
また、第１交差指電極３１と第２交差指電極３２とが、ラム波の進行方向に対して垂直方向な方向、つまり、Ｙ’方向に交差している範囲における交差幅をＷと表している（図２、参照）。この交差幅Ｗの大きさによってラム波型高周波共振子１０のＱ値が変動する。
【００２８】
図４は、ラム波型高周波共振子１０（以降、単にラム波と表すことがある）の交差幅ＷとＱ値との関係についての実験値を表すグラフであり、ＳＴカット水晶を用いたレイリー波型弾性表面波共振子（以降、単にレイリー波とあらわすことがある）との比較を表している。なお、交差幅Ｗは、ラム波の波長λの倍数で表している。
【００２９】
図４において、本実施形態のラム波型高周波共振子１０は、交差幅Ｗが３８λの近傍に極値を有する二次曲線で表される。また、レイリー波では、２０λ近傍まではラム波と同様にＱ値が上昇し、２０λ以上の範囲では、Ｑ値は交差幅Ｗに関係なくほぼ一定となる。ここで、交差幅が２１λ≦Ｗ≦５４λの範囲において、ラム波のＱ値がレイリー波よりも高い領域である。つまり、Ｑ値を大きくすることによりレイリー波よりも励振しやすく、安定した共振周波数が得られることになるとともに、高周波化を可能にすることを表している。
【００３０】
続いて、前述したラム波型高周波共振子１０（図２，３、参照）における位相速度と規格化基板厚みｔ／λ及びオイラー角（０，θ，０）における角度θそれぞれに対する周波数温度偏差（周波数温度変動量）、位相速度、電気機械結合係数Ｋ2の関係についてシミュレーションにより算出した結果について図面を参照して説明する。
【００３１】
図５、図６は、周波数温度変動量とオイラー角（０、θ、０）における角度θの関係、及び周波数温度変動量と水晶基板２０の厚みｔとラム波の波長λの関係（規格化基板厚みｔ／λと表す）を示すグラフである。図５，６において、ＳＴＷカット水晶よりも周波数温度特性がよい角度θの範囲は３５度≦θ≦４７．２度であり、規格化基板厚みｔ／λの範囲は０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５である。
さらに、角度θ及び規格化基板厚みｔ／λと位相速度、周波数温度変動量、電気機械結合係数Ｋ2それぞれの関係について詳しく説明する。
【００３２】
図７に、オイラー角（０、θ、０）における角度θと位相速度との関係を示す。ここで、規格化基板厚みｔ／λを０．２〜２．０まで６段階に設定し、それぞれのｔ／λにおける位相速度をグラフで示している。図７から、規格化基板厚みｔ／λ＝２．０の場合を除いた全ての場合において、角度θが３０度〜５０度の範囲で、５０００ｍ／ｓ以上の位相速度を得ることができることを示している。
【００３３】
また、図８に、規格化基板厚みｔ／λと位相速度との関係を示す。オイラー角（０、θ、０）における角度θを３０度〜５０度まで５段階に設定し、それぞれの角度θにおける位相速度をグラフで示している。図８から、各角度θにおいて位相速度のばらつきは小さく、ｔ／λが０．２〜２の大部分の範囲で５０００ｍ／ｓ以上の位相速度を得ることができることを示している。
【００３４】
次に、オイラー角（０、θ、０）の角度θ、規格化基板厚みｔ／λと、位相速度、周波数温度変動量、電気機械結合係数Ｋ2との関係について説明する。
図９に、オイラー角（０、θ、０）における角度θと位相速度と周波数温度変動量との関係を示す。ここで、規格化基板厚みｔ／λを１．７としている。図９から、周波数温度変動量がＳＴＷカット水晶よりも小さいθの範囲は、３５度≦θ≦４７．２度であり（図６も参照する）、この範囲において位相速度５０００ｍ／ｓ以上が得られることを示している。
【００３５】
図１０にオイラー角（０、θ、０）における角度θと電気機械結合係数Ｋ2と周波数温度変動量との関係を示す。図１０から、周波数温度変動量がＳＴＷカット水晶よりも小さいオイラー角（０、θ、０）における角度θの範囲は、３５度≦θ≦４７．２度であり（図５も参照する）、この範囲において電気機械結合係数Ｋ2は、基準としている０．０２を大きく上回っている。角度θの範囲が３２．５度≦θ≦４７．２度の場合は、電気機械結合係数Ｋ2が０．０３以上となり、角度θの範囲が３４．２度≦θ≦４７．２度の場合は、電気機械結合係数Ｋ2が０．０４以上となり、さらに、角度θの範囲が３６度≦θ≦４７．２度の場合は、電気機械結合係数Ｋ2が０．０５以上となった。
【００３６】
図１１に規格化基板厚みｔ／λと位相速度と周波数温度変動量との関係を示す。図１１から、周波数温度変動量がＳＴＷカット水晶よりも小さいｔ／λの範囲は、０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５であり（図６も参照する）、この範囲において位相速度は大部分の範囲で５０００ｍ／ｓ以上が得られる。この規格化基板厚みｔ／λの範囲では、規格化基板厚みｔ／λが小さいほど位相速度が速くなり、高周波帯域が得られる。つまり、規格化基板厚みｔ／λを調整すれば位相速度を調整することが可能である。
次に、ｔ／λと電気機械結合係数Ｋ2と周波数温度変動量との関係を説明する。
【００３７】
図１２に規格化基板厚みｔ／λと電気機械結合係数Ｋ2と周波数温度変動量との関係を示す。図１２から、周波数温度変動量がＳＴＷカット水晶よりも小さい規格化基板厚みｔ／λの範囲は、０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５であり（図６，１１も参照する）、この範囲において電気機械結合係数Ｋ2は大部分の範囲で０．０２以上が得られる。この規格化基板厚みｔ／λが１に近い範囲では、電気機械結合係数Ｋ2が０．０５以上の高い領域が得られる。
【００３８】
上述した結果から、オイラー角（０、θ、０）における角度θを３５度≦θ≦４７．２度で表す範囲、規格化基板厚みｔ／λを０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５で表す範囲に設計することにより、ＳＴＷカット水晶よりも周波数温度特性が優れ、位相速度５０００ｍ／ｓ以上の速い位相速度を得ることができる。また、電気機械結合係数Ｋ2が、実用上好ましい０．０２以上を確保することができることを示している。
【００３９】
従って、前述した実施形態によれば、第１交差指電極３１と第２交差指電極３２の交差幅Ｗを２１λ≦Ｗ≦５４λの範囲に設計することにより、上述したＳＴカット水晶を用いたレイリー波型弾性表面波共振子よりも優れた周波数温度特性を有するラム波型高周波共振子１０を実現する。また、高いＱ値を有することから高周波帯域（位相速度が速い）に対応し易く、且つ、安定した共振特性を有するラム波型高周波共振子を実現することができる。
【００４０】
また、第１交差指電極３１（または第２交差指電極３２）の電極間ピッチ（波長λに相当する）の間に第２交差指電極３２（または第１交差指電極３１）それぞれの電極指の１本ずつ間挿するシングル型電極構造とすることで、上述した非特許文献１のようなダブル型電極に比べ、電極指の幅を２倍にすることができる。従って、同じ周波数であれば、幅広の電極指でよいので格段に製造し易いという効果がある。
【００４１】
また、本実施形態では、圧電基板として水晶基板２０を用い、水晶基板２０の切り出し角度及び前記ラム波の伝搬方向が、オイラー角表示で（０、θ、０）における角度θを３５度≦θ≦４７．２度で表される範囲とし、規格化基板厚みｔ／λを、０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５で表される範囲に設定している。このようにすることで、前述した従来技術のＳＴＷカット水晶、ＳＴカット水晶に比べ優れた周波数温度特性と、高周波帯域への対応が可能となり、また、水晶基板２０の励振効率を表す電気機械結合係数（Ｋ2）を高めることができるので、励振し易く、安定した周波数特性をもつラム波型高周波共振子１０を提供することができる。
【００４２】
なお、本発明は前述の実施の形態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。
【００４３】
例えば、前述した実施形態では圧電基板として水晶基板を用いているが、水晶基板の他に、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四ほう酸リチウム、ランガサイト、ニオブ酸カリウムを採用できる。また、酸化亜鉛、窒化アルミ、五酸化タンタル等の圧電性薄膜、硫化カドミウム、硫化亜鉛、ガリウム砒素、インジウムアンチモン等の圧電半導体にも応用可能である。
【００４４】
また、前述の実施形態では、ラム波型高周波共振子として１ポート共振子を例示して説明したが、例えば、２ポート共振子またはＩＤＴ電極と反射器とを備えたフィルタであっても構わない。
【００４５】
また、前述の実施形態では、反射器４０，５０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。
【００４６】
従って、本実施形態によれば、規格化基板厚みｔ／λ、オイラー角表示で（０、θ、０）における角度θを上述した範囲に設定した水晶基板を採用し、ＩＤＴ電極の交差幅Ｗを適正範囲に設定することにより、高いＱ値を有し、速い位相速度、優れた周波数温度特性を有するラム波型高周波共振子を提供するができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態に係る水晶基板の切り出し方位を示す説明図。
【図２】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子を示す斜視図。
【図３】図２のＡ−Ａ切断面を表す断面図。
【図４】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子の交差幅ＷとＱ値との関係について表すグラフ。
【図５】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子の周波数温度変動量とオイラー角（０、θ、０）における角度θの関係を示すグラフ。
【図６】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子の周波数温度変動量と規格化基盤厚みｔ／λの関係を示すグラフ。
【図７】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子の位相速度とオイラー角（０、θ、０）における角度θと規格化基板厚みｔ／λとの関係を示すグラフ。
【図８】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子の位相速度とオイラー角（０、θ、０）における角度θと規格化基板厚みｔ／λとの関係を示すグラフ。
【図９】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子のオイラー角（０、θ、０）における角度θと周波数温度変動量及び位相速度の関係を示すグラフ。
【図１０】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子のオイラー角（０、θ、０）における角度θと周波数温度変動量及び電気機械結合係数Ｋ2との関係を示すグラフ。
【図１１】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子の規格化基板厚みｔ／λと周波数温度変動量及び位相速度の関係を示すグラフ。
【図１２】本発明の実施形態に係るラム波型高周波共振子の規格化基板厚みｔ／λと周波数温度変動量及び電気機械結合係数Ｋ2との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４８】
１０…ラム波型高周波共振子、２０…圧電基板としての水晶基板、３０…ＩＤＴ電極、３１…第１交差指電極、３２…第２交差指電極、４０，５０…反射器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、該圧電基板の主面に第１交差指電極と第２交差指電極とが間挿されて構成されるＩＤＴ電極と、該ＩＤＴ電極のラム波の進行方向両側に配設される反射器と、を備え、
前記第１交差指電極と前記第２交差指電極の交差幅をＷとし、ラム波の波長をλとしたとき、交差幅Ｗが２１λ≦Ｗ≦５４λで表される範囲に設定されていることを特徴とするラム波型高周波共振子。
【請求項２】
請求項１に記載のラム波型高周波共振子において、
前記第１交差指電極と前記第２交差指電極とが、それぞれの電極指が１本毎交互に間挿されて構成されていることを特徴とするラム波型高周波共振子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のラム波型高周波共振子において、
前記圧電基板が水晶基板であることを特徴とするラム波型高周波共振子。
【請求項４】
請求項３に記載のラム波型高周波共振子において、
前記水晶基板の切り出し角度及び前記ラム波の伝搬方向が、オイラー角表示で（０、θ、０）になるように前記水晶基板と前記ＩＤＴ電極とが形成され、
前記角度θが、３５度≦θ≦４７．２度で表される範囲において、前記水晶基板の厚みｔと、前記ラム波の波長λとの関係が、０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５で表される範囲に設定されていることを特徴とするラム波型高周波共振子。
【請求項１】
圧電基板と、該圧電基板の主面に第１交差指電極と第２交差指電極とが間挿されて構成されるＩＤＴ電極と、該ＩＤＴ電極のラム波の進行方向両側に配設される反射器と、を備え、
前記第１交差指電極と前記第２交差指電極の交差幅をＷとし、ラム波の波長をλとしたとき、交差幅Ｗが２１λ≦Ｗ≦５４λで表される範囲に設定されていることを特徴とするラム波型高周波共振子。
【請求項２】
請求項１に記載のラム波型高周波共振子において、
前記第１交差指電極と前記第２交差指電極とが、それぞれの電極指が１本毎交互に間挿されて構成されていることを特徴とするラム波型高周波共振子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のラム波型高周波共振子において、
前記圧電基板が水晶基板であることを特徴とするラム波型高周波共振子。
【請求項４】
請求項３に記載のラム波型高周波共振子において、
前記水晶基板の切り出し角度及び前記ラム波の伝搬方向が、オイラー角表示で（０、θ、０）になるように前記水晶基板と前記ＩＤＴ電極とが形成され、
前記角度θが、３５度≦θ≦４７．２度で表される範囲において、前記水晶基板の厚みｔと、前記ラム波の波長λとの関係が、０．１７６≦ｔ／λ≦１．９２５で表される範囲に設定されていることを特徴とするラム波型高周波共振子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−５４１６３（Ｐ２００８−５４１６３Ａ）
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３０１８８（Ｐ２００６−２３０１８８）
【出願日】平成１８年８月２８日（２００６．８．２８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２８日（２００６．８．２８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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