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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung
(surface acoustic wave; SAW), die zur Verringerung von Frequenzschwankungen
bei Temperaturänderungen
ausgelegt ist, indem sie eine in der Ebene gedrehte ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
verwendet, die um die Z'-Achse
gedreht wird, verwendet (im Folgenden als in der Ebene Z'-rotierte ST-Schnitt-Quarzkristallplatte bezeichnet).
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Akustische
Oberflächenwellenvorrichtungen,
bei denen Interdigitalwandler-(IDT; Interdigital Transducer) Elektroden
auf der Hauptoberfläche
einer piezoelektrischen ebenen Platte, die aus einem Quarzkristalllplättchen gebildet
ist, vorgesehen und mehrere Reflektoren an beiden Enden der IDT-Elektroden
angeordnet sind, um mit einer hohen Frequenz stabil zu schwingen
(im Folgenden manchmal auch als SAW-Resonator bezeichnet), sind
bereits bekannt.
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Zu
solchen bekannten Resonatoren zählt
ein ST-Schnitt-SAW-Resonator, in dem eine ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
als eine piezoelektrische ebene Platte dazu dient, die Frequenzschwankungen
bei Temperaturänderungen
zu verringern. Die X-Achsenrichtung der ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
gilt als die Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle.
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6 ist
eine schematische Schnittansicht des Aufbaus eines ST-Schnitt-SAW-Resonators.
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Wie
in 6 dargestellt ist, hat der Resonator 1 eine
ST-Schnitt-Quarzkristallplatte 2 als Substrat, und IDT-Elektroden 3 sind
auf der Hauptoberfläche
des Substrats vorgesehen. Anoden 4 und Katoden 5 sind
vergleichbar mit Zähnen
eines Kamms abwechselnd in den IDT-Elektroden 3 angeordnet,
und eine akustische Oberflächenwelle
wird aufgrund des piezoelektrischen Effekts der Quarzkristallplatte
angeregt, indem ein hochfrequentes elektrisches Feld zwischen den
Anoden 4 und den Katoden 5 angelegt wird.
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Mehrere
Reflektoren 6 sind zu beiden Seiten der IDT-Elektroden 3 zum
Reflektieren der akustischen Oberflächenwelle vorgesehen, und die
Reflexion der von den IDT-Elektroden 3 ausgesendeten akustischen
Oberflächenwelle
erfolgt durch mehrere Kurzschlusselektroden 7, die in den
Reflektoren 6 ausgebildet sind. Die Anoden 4 und
Katoden 5 in den IDT-Elektroden 3 und die Kurzschlusselektroden 7 in den
Reflektoren 6 sind in der X-Achsenrichtung der Kristallplatte 2 angeordnet;
die Reflexion der akustischen Oberflächenwelle in den Kurzschlusselektroden 7 erfolgt
an Positionen der beiden Kanten der Elektroden.
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Beim
so aufgebauten Resonator 1 sind wie aus 6 ersichtlich
Breite und Teilung der Anoden 4 und Katoden 5 in
den IDT-Elektroden 3 als Lt, Pt und Breite und Teilung der Kurzschlusselektroden 7 in den
Reflektoren 6 als Lr, Pr definiert. Die Dicke der Anoden 4 und
Katoden 5 ist als Ht und die Dicke
der Kurzschlusselektroden 7 als Hr definiert.
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7 ist
ein Graph, der den Reflexionskoeffizienten je Kurzschlusselektrode
des Resonators 1 zeigt.
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Wenn
im Resonator 1 der Reflexionskoeffizient einer akustischen
Oberflächenwelle
erhöht
werden kann, ist es möglich,
die Anzahl der Reflektoren 6 zu verringern und den Resonator
selbst zu miniaturisieren. 7 zeigt
den Wert Lt/Pt (=
Lr/Pr der im Folgenden
mit η bezeichnet
wird) auf der horizontalen Achse und den Reflexionskoeffizienten
je Kurzschlusselektrode auf der vertikalen Achse und wie sich der
Reflexionskoeffizient mit dem Wert von Ht/2Pt (≅ Hr/2Pr) ändert.
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Hinsichtlich
des Reflexionskoeffizienten können
Ht/2Pt und Hr/2Pr als nahezu
gleichwertig betrachtet werden, 2Pt und
2Pr haben den nahezu gleichen Wert, so dass
2Pt und 2Pr als λ definiert
werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden deshalb Ht/2Pt und Hr/2Pr nicht unterschieden
und als ein Wert behandelt, d. h. H/λ.
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Wie
aus 7 ersichtlich ist, ist für den Resonator 1 bekannt,
dass der Reflexionskoeffizient mit einem Anstieg von η zunimmt
und dass, je größer H/λ, umso größer der
Anstieg des Reflexionskoeffizienten mit einer Zunahme von η (JP-A-2-260908).
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Beim
Resonator 1 wird die Dicke (H) der Anoden 4, der
Katoden 5 und der Kurzschlusselektroden 7 im allgemeinen
so eingestellt, dass H/λ unter dem
Gesichtspunkt des Erhalts einer objektiven Temperaturkennlinie etwa
0,03 wird. η ist
auf 0,5 eingestellt, so dass eine Beziehung Pt =
2Lt besteht.
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Im
SAW-Resonator wird manchmal eine Quarzkristallplatte, die aus der
in der Ebene um die Z'-Achse gedrehten ST-Schnitt-Quarzkristallplatte geschnitten
ist, verwendet, um die Frequenzänderung
aufgrund einer Temperaturänderung
weiter zu verringern. Allerdings ist die Beziehung zwischenη, H/λ und dem
Reflexionskoeffizienten mit einer solchen in der Ebene Z'-rotierte ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
noch nicht verifiziert worden.
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Als
die Erfinder die in der Ebene Z'-rotierte ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
untersuchten, stellten sie fest, dass sie Eigenschaften hat, die
von denen einer herkömmlichen
ST-Schnitt-Quarzkristallplatte deutlich verschieden waren, und dass
die für
die herkömmliche
ST-Schnitt-Quarzkristallplatte geltenden Regeln, nämlich dass
der Reflexionskoeffizient durch größer werdende η und H/λ zunimmt,
nicht zutreffen. Deshalb ergibt sich das Problem, dass der Reflexionskoeffizient
selbst dann nicht voll erhalten werden kann, wenn die Regeln der
herkömmlichen ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
auf die in der Ebene Z'-rotierte
ST-Schnitt-Quarzkristallplatte angewendet werden, um η und H/λ zu erhöhen.
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Die
US 5,895,996 offenbart eine
SAW-Vorrichtung. Sie nutzt elastische Oberflächenwellen, bei denen der Q-Wert
hoch ist. Die SAW-Vorrichtung wird aus einem piezoelektrischen Kristall
herge stellt, bei dem der Winkel θ 25° bis 45° und der
Winkel ψ 40° bis 47° beträgt. Die
Frequenz-Temperatur-Kennlinie
wird bei einer Temperatur von ca. 20°C mit einem kubischen Polynom
Taylerentwickelt.
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Die
JP 02250412 offenbart eine
SAW-Vorrichtung mit verbessertem Reflexionskoeffizienten. Ein Wert
kleiner als 0,45 für
das Verhältnis
zwischen Elektrodenbreite und Elektrodenteilung soll vorteilhaft
sein.
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Die
vorliegende Erfindung geht das obige Problem an und hat die Aufgabe,
eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung
bereitzustellen, mit der es möglich
ist, den Reflexionskoeffizienten zu erhöhen, wenn die in der Ebene
Z'-rotierte ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
verwendet wird.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf verschiedenen Untersuchungen der
Erfinder und dem Wissen, dass sich die Eigenschaften der ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
in einer um die Z'-Achse
gedrehten Ebene von der Eigenschaften einer herkömmlichen ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
unterscheiden.
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Die
akustische Oberflächenwellenvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist nämlich so
aufgebaut, dass sie ein oder mehrere Paare IDT-Elektroden hat, um
eine Rayleigh-Welle anzuregen, die auf der Hauptoberfläche der
in der Ebene Z'-rotierten
ST-Schnitt-Quarzkristallplatte angeordnet und bei einem Euler-Winkel
(0, 113 bis 135, ± (40
bis 49)) vorhanden sind und bei der entweder eines oder beide der
Verhältnisse
Lt/Pt der Breite
Lt der IDT-Elektroden zur Teilung Pt der IDT-Elektroden
und Lr/Pr der Breite
Lr des Reflektors zur Teilung Pr der
Reflektoren kleiner als 0,5 ist bzw. sind.
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Es
ist wünschenswert,
dass entweder eines oder beide der Verhältnisse Lt/Pt und Lr/Pr 0,32 ± 0,1 beträgt bzw.
betragen, und es ist weiter wünschenswert,
dass bei der Dicke der IDT-Elektroden bezeichnet als Ht und
bei der Dicke der Reflektoren bezeichnet als Hr entweder
eines oder beide der Verhältnisse Ht/2Pt und Hr/2Pr 0,06 ± 0,01
ist bzw. sind.
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Wenn
also die in der Ebene Z'-rotierte ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
bei der akustischen Oberflächenwellenvorrichtung
verwendet wird, unterscheidet sie sich von einer akustischen Oberflächenwellenvorrichtung,
bei der eine herkömmliche ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
verwendet wird, da Lt/Pt in
den IDT-Elektroden kleiner und dadurch der Reflexionskoeffizient
verbessert wird.
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Genauer
gesagt ist es wünschenswert,
dass Lt/Pt kleiner
ist als der Wert von Lt/Pt (0,5),
der allgemein für
eine herkömmliche
akustische Oberflächenwellenvorrichtung
mit einer herkömmlichen ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
gilt. Wenn Lt/Pt kleiner als
0,5 eingestellt ist, ermöglicht
dies eine Verbesserung des Reflexionskoeffizienten und die Miniaturisierung
der Vorrichtung selbst.
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Wenn
Lr/Pr der neben
den IDT-Elektroden angeordneten Reflektoren wie Lt/Pt ebenfalls auf unter 0,5 eingestellt wird,
ermöglicht
dies eine weitere Verbesserung des Reflexionskoeffizienten und fördert die
Miniaturisierung der Vorrichtung selbst. Wenn also sowohl Lt/Pt als auch Lr/Pr auf unter 0,5 eingestellt
werden, kann der Reflexionskoeffizient erheblich verbessert werden,
aber selbst dann, wenn nur ein Verhältnis von Lt/Pt und Lr/Pr auf unter 0,5 eingestellt wird, ergibt
sich eine Verbesserung des Reflexionskoeffizienten.
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Wenn
entsprechend den Untersuchungen der Erfinder entweder eines oder
beide der Verhältnisse
Lt/Pt und Lr/Pr auf 0,32 ± 0,1 und
entweder eines oder beide der Verhältnisse Ht/2Pt und Hr/2Pr auf 0,06 ± 0,01 eingestellt wird bzw.
werden, ist eine weitere Verbesserung des Reflexionskoeffizienten
möglich
und die Miniaturisierung der Vorrichtung selbst wird erzielt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden detailliert unter Bezugnahme
auf die nachstehenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine Vorderansicht einer Ausführungsform
der SAW-Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung von 1.
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3 ist
ein Diagramm zur Veranschaulichung der in der Ebene Z'-rotierten ST-Schnittquarzkristallplatte.
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4 sind
Graphen zum Vergleich des Reflexionskoeffizienten der SAW-Vorrichtung
dieser Ausführungsform
und desjenigen einer herkömmlichen
SAW-Vorrichtung.
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5 zeigt
die Beziehung des Reflexionskoeffizienten zu H/λ bei der SAW-Vorrichtung der
vorliegenden Ausführungsform,
wobei 5(1) eine Tabelle der Berechnungsergebnisse
und 5(2) ein Graph auf Basis der Berechnungsergebnisse
von 5(1) ist.
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6 ist
eine schematische Schnittansicht des Aufbaus eines ST-Schnitt-SAW-Resonators.
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7 sind
Graphen des Reflexionskoeffizienten pro Kurzschlusselektrode eines ST-Schnitt-SAW-Resonators.
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1 ist
eine Vorderansicht einer Ausführungsform
einer akustischen Oberflächenwellen-(SAW)
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung und 2 ist eine schematische Schnittansicht
entlang der Linie A-A in 1.
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Wie
aus den Zeichnungen ersichtlich ist, ist bei der SAW-Vorrichtung 10,
die ein SAW-Resonator wird, die in der Ebene Z'-rotierte ST-Schnitt-Quarzkristallplatte 12 als
Grundsubstrat ausgeführt.
Dann wird eine IDT-Elektrode 14 im mittleren Bereich der Oberfläche der
Kristallplatte 12 angeordnet. Die IDT-Elektrode 14 weist
ein Paar Anodenelektroden 16 und Katodenelektroden 18 auf,
die jeweils aus Kammzähnen
bestehen, und die IDT-Elektrode 14 ist so aufgebaut, dass
die Kammzähne
der Anode und Katode abwechselnd und parallel zueinander angeordnet
sind. Eine akusti sche Oberflächenwelle
wird aufgrund des piezoelektrischen Effekts der Kristallplatte 12 angeregt,
indem ein hochfrequentes elektrisches Feld zwischen den auf diese
Weise angeordneten zwei Elektroden 16 und 18 angelegt
wird.
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Mehrere
Reflektoren 20 sind zu beiden Seiten der IDT-Elektroden 14 auf
der Hauptoberfläche der
Kristallplatte 12 vorgesehen. Die Reflektoren 20 haben
die Form mehrerer, paralleler, kurzgeschlossener Elektroden 22 mit
einer gegeben Breite, und die Reflexion einer Rayleigh-Welle in
der von den IDT-Elektroden 14 erzeugten akustischen Oberflächenwelle
erfolgt durch die mehreren Kurzschlusselektroden 22.
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Die
Anodenelektroden 16 und die Katodenelektroden 18 in
den IDT-Elektroden 14 sowie die Kurzschlusselektroden 22 in
den Reflektoren 20 sind in der X'-Achsenrichtung auf der Kristallplatte 12 angeordnet;
die Reflexion der von den Kurzschlusselektroden 22 verursachten
Rayleigh-Welle erfolgt an Positionen der beiden Kanten der Elektroden.
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In
der SAW-Vorrichtung 10 mit der in der Ebene Z'-rotierten ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
als Kristallplatte 12 sind wie aus 2 ersichtlich
Breite und Teilung der Anodenelektroden 16 und Katodenelektroden 18 in
der IDT-Elektrode 14 als Lt bzw.
Pt und Breite und Teilung der Kurzschlusselektroden 22 als
Lr bzw. Pr definiert.
Die Dicke der Anodenelektroden 16 und der Katodenelektroden 18 ist
als Ht und die Dicke der Kurzschlusselektroden 22 als
Hr definiert.
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3 stellt
ein Diagramm der für
die SAW-Vorrichtung 10 verwendeten Kristallplatte 12 dar.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, sind die Kristallachsen des
Quarz als die elektrischen Achse (X-Achse), mechanische Achse (Y-Achse)
und optische Achse (Z-Achse) definiert. Eine Quarzkristallplatte,
die als ST-Schnitt bezeichnet wird, wird entlang neuer Koordinatenachsen
(X', Y', Z') einer Quarzkristallplatte 26 abgeschnitten,
die durch Rotieren einer Quarzkristallplatte 24 mit einem
Euler-Winkel (ϕ, θ, ψ) = (0,
0, 0) um θ =
113 bis 135° um
die elektrische Achse (X-Achse) erhalten werden. Ein piezoelektrisches
Substrat, das durch weiteres Rotieren der Quarzkristallplatte um ψ = ± (40 bis
49)° um die
Z'-Achse der Quarzkristallplatte 26 hergestellt wird,
so dass die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle
die Richtung der durch diesen Winkel ψ definierten X'-Achse wird, wird
hierin als "in der
Ebene Z'-rotierte
ST-Schnitt-Quarzkristallplatte" bezeichnet
und dient als die Kristallplatte 12. Es ist bekannt, dass
eine solche Kristallplatte 12 auf Temperaturänderungen
mit extrem kleinen Frequenzänderungen
reagiert.
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Die
Untersuchung der Erfinder hat erbracht, dass der Reflexionskoeffizient
bei der SAW-Vorrichtung 10 mit einer solchen in der Ebene
Z'-rotierten ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
als Kristallplatte 12 verschieden ist von dem der SAW-Vorrichtung,
die die herkömmliche
ST-Schnitt-Quarzkristallplatte verwendet.
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4 ist
ein Graph zum Vergleichen des Reflexionskoeffizienten der SAW-Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit dem einer herkömmlichen
SAW-Vorrichtung. In 4 ist der Wert von Lt/Pt (= Lr/Pr; im Folgenden
als η angegeben) über der horizontalen
Achse aufgetragen und der Reflexionskoeffizient je Kurzschlusselektrode
ist auf der vertikalen Achse aufgetragen.
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Einzelheiten
der Kristallplatte 12 der SAW-Vorrichtung dieser Ausführungsform
sind: θ = 133°, ψ = 43,4° und H/λ = 0,035.
Die Einzelheiten der ST-Schnitt-Quarzkristallplatte der herkömmlichen SAW-Vorrichtung sind
dagegen: θ =
133°, ψ = 0° und H/λ = 0,03.
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Das
Bezugszeichen 28 in 4 kennzeichnet
die Kennlinie der SAW-Vorrichtung der vorliegenden so ausgebildeten
Ausführungsform,
und die Kennlinie der herkömmlichen
SAW-Vorrichtung ist mit 30 gekennzeichnet. Die Kennlinie
der herkömmlichen
SAW-Vorrichtung zeigt eine Tendenz, wonach der Reflexionskoeffizient
mit ansteigendem η größer wird.
Im Gegensatz dazu ist bei der Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform
ein solches Phänomen,
nämlich
dass der Reflexionskoeffizient mit ansteigendem η größer wird, nicht bestätigt worden; statt
dessen nimmt der Reflexionskoeffizient ein Maximum bei einem Wert
von η im
Bereich von 0,3 an und ist bei Werten von η, die größer oder kleiner als dieser
Wert sind, niedriger.
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5 zeigt
die Beziehung zwischen dem Reflexionskoeffizienten und H/λ in der SAW-Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung. 5(1) ist eine Tabelle der
Berechnungsergebnisse und 5(2) ein
Graph auf Basis der Berechnungsergebnisse von 5(1).
Die η-Werte
der in dieser 5(1) aufgeführten Daten
ergeben sich aus der Tatsache, dass der optimale Wert aus dem Mittel
der den Reflexionskoeffizienten maximierenden η-Werte bei jedem H/λ-Wert 0,32
ist. Ferner sind die Elektroden in der SAW-Vorrichtung noch mehr
mikroverfeinert, um eine hohe Resonanzfrequenz zu erhalten, wodurch
Fehle bezüglich
der Elektrodenbreite bedingt durch Fertigungsstreuung zunimmt. Wenn
z. B. die Schallgeschwindigkeit mit 3250 m/sec, die Teilung Pt in einem Schwingungsfrequenzbereich um ca.
1 GHz mit ca. 1,625 μm
angenommen wird und die Fertigungsstreuung der Elektrodenbreite
zu diesem Zeitpunkt ca. ± 0,6 μm beträgt, ist
derzeitig der Fertigungsfehler etwa ± 0,1, wenn er auf η umgerechnet
wird.
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Demzufolge
wurde festgestellt, dass der Reflexionskoeffizient das Maximum annimmt,
wenn η der
Kristallplatte 12 im Bereich von 0,32 ± 0,1 liegt.
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Aus
dem Obigen folgt, dass dann, wenn bei der SAW-Vorrichtung 10,
die die in der Ebene Z'-rotierte
ST-Schnitt-Quarzkristallplatte als Kristallplatte 12 verwendet
wird, die Elektrodenbreiten und die Teilungen der IDT-Elektroden 14 und
der Reflektoren 20 oder einer dieser Parameter in dem Bereich
eingestellt werden, in dem η 0,32 ± 0,1 beträgt, eine
Verbesserung des Reflexionskoeffizienten, eine Verringerung der
Elektrodenanzahl bei den Kurzschlusselektroden 22 und die
Miniaturisierung der SAW-Vorrichtung 10 möglich sind.
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4 zeigt,
dass ein Bereich von η,
der den Reflexionskoeffizienten maximiert, in der SAW-Vorrichtung 10 dieser
Ausführungsform
vorhanden ist, aber aus 5 ist ersichtlich, dass der
Reflexionskoeffizient nicht nur hinsichtlich der η-Werte,
sondern auch der Schwankung der H/λ-Werte verbessert wird.
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In 5 ist
für die
Kristallplatte 12 der SAW-Vorrichtung der vorliegenden
Ausführungsform mit θ = 123° und ψ = 43° der Reflexionskoeffizient
für jeden
von sieben H/λ-Werten
im Bereich von 0,02 bis 0,08 dargestellt. Wie aus 5(2) ersichtlich
ist, ist der Reflexionskoeffizient maximiert, wenn H/λ 0,06 beträgt, wobei
der Reflexionskoeffizient in dem Fall, in dem H/λ von diesem Wert abweicht, abnimmt.
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Des
Weiteren ist aus 5 klar ersichtlich, dass der
Reflexionskoeffizient bei H/λ =
0,06 auf seinem Maximum liegt, selbst wenn die H/λ-Werte, die den
Reflexionskoeffizienten bei η =
0,2; 0,3 und 0,4 maximieren, auf ihren Mittelwert berechnet verwendet
werden. Aus 5(2) wird weiter klar,
dass eine Abnahme des Reflexionskoeffizienten in dem Bereich, in
dem H/λ größer als
0,06 ± 0,01
ist, groß ist, deshalb
ist H/λ =
0,06 ± 0,01
auch der optimale Wert.
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Es
wurde bestätigt,
dass der Reflexionskoeffizient außerdem bei einem Anstieg von
H/λ bei
der SAW-Vorrichtung mit einer herkömmlichen ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
zunimmt, aber wie der Graph von 5(2) zeigt
wurde durch die Untersuchung der Erfinder nachgewiesen, dass die
Reflexionskennlinien der SAW-Vorrichtung mit der in der Ebene Z'-rotierten ST-Schnittquarzkristallplatte
deutlich verschieden von denen einer herkömmlichen ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
sind, obwohl die herkömmliche
ST-Schnitt-Quarzkristallplatte in einer Ebene liegt, die einfach
rotiert wird.
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Die
Ergebnisse der Graphen von 5 machen
also deutlich, dass dann, wenn die Elektrodendicke der IDT-Elektroden 14 und
der Reflektoren 20 oder eine dieser Dicken in dem Bereich
eingestellt wird, in dem H/λ =
0,06 ± 0,01
bei der SAW-Vorrichtung 10, die die in der Ebene Z'-rotierte ST-Schnitt-Quarzkristallplatte
als Kristallplatte 12 verwendet, eine Verbesserung des
Reflexionskoeffizienten, eine Verringerung der Elektrodenanzahl
bei den Kurzschlusselektroden 22 und die Miniaturisierung
der SAW-Vorrichtung 10 möglich sind.
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Wenn
die Auslegung mit dem oben genannten η-Wert, der den Reflexionskoeffizienten
maximiert, (0,32 ± 0,1)
zusätzlich
zum optimalen Bereich des oben genannten H/λ-Wertes übereinstimmt, kann der Reflexionskoeffizient
weiter erhöht
werden.