JP2006165746A - 弾性表面波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】水晶基板を用いたＳＡＷデバイスにおいて、容量比γを小さくし、周波数制御性を高めたＳＡＷデバイスを提供することを目的とする。
【解決手段】圧電基板１は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°にした水晶平板であり、励振する弾性表面波はＳＨ波である。また、ＩＤＴ２及びグレーティング反射器３ａ、３ｂはＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなり、弾性表面波の波長λで基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２に設定する。そして、前記ＩＤＴを構成する電極指のライン占有率ｍｒを電極指幅／（電極指幅＋電極指間スペース）とした時に、前記ライン占有率ｍｒを０．５３≦ｍｒ≦０．６５、又は０．５５≦ｍｒ≦０．６８に設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶基板を用いた弾性表面波デバイスにおいて、容量比を小さくし、周波数制御性を高めた弾性表面波デバイスに関する。

近年、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：以下、ＳＡＷ）デバイスは移動体通信用端末や車載用機器等の部品として幅広く利用され、小型であること、Ｑ値が高いこと、周波数温度特性が優れていること等が強く要求されている。

これらの要求を実現するＳＡＷデバイスとして、ＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷデバイスがある。ＳＴカット水晶基板は結晶Ｘ軸を回転軸としてＸＺ面を結晶Ｚ軸より反時計方向に４２．７５°回転した面（ＸＺ'面）を持つ水晶板のカット名であり、結晶Ｘ軸方向に伝搬するレイリー波と呼ばれる（Ｐ＋ＳＶ）波であるＳＡＷ（以下、ＳＴカット水晶ＳＡＷと称す）を利用する。ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスの用途は、発振素子として用いられるＳＡＷ共振子や、移動体通信端末のＲＦ段とＩＣ間に配置されるＩＦ用フィルタなど幅広く存在する。

ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスが小型でＱ値の高いデバイスを実現できる理由として、ＳＡＷの反射を効率良く利用できる点が挙げられる。以下、図１１に示すＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子を例に説明する。該ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子は、ＳＴカット水晶基板１０１上にそれぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有するくし形電極（以下、ＩＤＴと称す）１０２を配置し、該ＩＤＴ１０２の両側にＳＡＷを反射する為のグレーティング反射器１０３ａ、１０３ｂを配置した構造である。ＳＴカット水晶ＳＡＷは圧電基板の表面に沿って伝搬する波であるので、グレーティング反射器１０３ａ、１０３ｂにより効率良く反射され、ＳＡＷのエネルギーをＩＤＴ１０２内に十分閉じ込めることができるので、小型で且つＱ値の高いデバイスが得られる。

更に、ＳＡＷデバイスを使用する上で重要な要素に周波数温度特性がある。上述のＳＴカット水晶ＳＡＷにおいては、周波数温度特性の１次温度係数が零であり、その特性は２次曲線で表され、頂点温度を使用温度範囲の中心に位置するように調整すると周波数変動量が格段に小さくなるので周波数安定性に優れていることが一般的に知られている。

しかしながら、前記ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスは、１次温度係数は零であるが、２次温度係数は−０．０３４（ｐｐｍ／℃^２）と比較的大きいので、使用温度範囲を拡大すると周波数変動量が極端に大きくなってしまうという問題があった。

前記問題を解決する手法として、Meirion Lewis,“Surface Skimming Bulk Wave,SSBW”, IEEE Ultrasonics Symp. Proc.,pp.744〜752 (1977)及び特公昭６２−０１６０５０号に開示されたＳＡＷデバイスがある。このＳＡＷデバイスは、図１２に示すように回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−５０°回転した付近に設定し、且つ、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対して垂直方向（Ｚ'軸方向）にしたことが特徴である。なお、前述のカット角をオイラー角で表示する場合は（０°，θ＋９０°，９０°）＝（０°，４０°，９０°）となる。このＳＡＷデバイスは、圧電基板の表面直下を伝搬するＳＨ波をＩＤＴによって励起し、その振動エネルギーを電極直下に閉じ込めることを特徴としていて、周波数温度特性が３次曲線となり、使用温度範囲における周波数変動量が極めて少なくなるので良好な周波数温度特性が得られる。

しかしながら、前記ＳＨ波は基本的に基板内部に潜って進んでいく波である為、圧電基板表面に沿って伝搬するＳＴカット水晶ＳＡＷと比較してグレーティング反射器によるＳＡＷの反射効率が悪い。従って、小型で高ＱなＳＡＷデバイスを実現し難いという問題がある。また、前述の先行文献においてもＳＡＷの反射を利用しない遅延線としての応用については開示されているものの、ＳＡＷの反射を利用したデバイスへの応用は提案されておらず、発振素子やフィルタ素子としての実用化は困難であると言われていた。

この問題を解決すべく、特公平０１−０３４４１１号では、図１３に示すように回転Ｙカット水晶基板のカット角θを−５０°付近に設定し、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し垂直方向（Ｚ'軸方向）にした圧電基板１１１上に８００±２００対もの多対のＩＤＴ１１２を形成することにより、グレーティング反射器を利用せずＩＤＴ１１２自体の反射だけでＳＡＷエネルギーを閉じ込め高Ｑ化を図った所謂多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子が開示されている。

しかしながら、前記多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子はグレーティング反射器を設けたＳＡＷ共振子と比較して効率的なエネルギー閉じ込め効果が得られず、高いＱ値を得るのに必要なＩＤＴ対数が８００±２００対と非常に多くなってしまうので、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりもデバイスサイズが大きくなってしまい、近年の小型化の要求に応えることができないという問題があった。

また、前記特公平０１−０３４４１１号に開示されているＳＡＷ共振子においては、ＩＤＴにて励振されたＳＡＷの波長をλとした時、電極膜厚を２％λ以上、好ましくは４％λ以下にすることによりＱ値を高めることができるとされており、共振周波数２００ＭＨｚの場合、４％λ付近でＱ値が飽和に達するが、その時のＱ値は２００００程度しか得られずＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子と比較してもほぼ同等のＱ値しか得られない。この原因として、膜厚が２％λ以上４％λ以下の範囲ではＳＡＷが圧電基板表面に十分集まっていないので反射が効率良く利用できないことが考えられる。

そこで、本発明者は特願２００４−３１０４５２号にて、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°、好ましくは−６１．４°＜θ＜−５１．１°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板上に、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴを形成し、該ＩＤＴのＳＡＷの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０としたＳＡＷデバイスを発明した。当該発明によれば、本来、圧電基板内部に潜って進んでいく波を基板表面に集中させてグレーティング反射器等によりＳＡＷの反射を効率良く利用することができるので、従来のＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスと比較して小型でＱ値が高く、且つ周波数温度特性に優れたＳＡＷデバイスが実現できる。
特公昭６２−０１６０５０号 特公平０１−０３４４１１号 特願２００４−３１０４５２号 Meirion Lewis,"Surface Skimming Bulk Wave,SSBW", IEEE Ultrasonics Symp. Proc.,pp.744〜752 (1977)

ところで、ＳＡＷ共振子やＳＡＷフィルタ等のＳＡＷデバイスにおいて、特性を決定する重要なパラメータとして容量比γがある。図１４はＳＡＷ共振子の等価回路を示しており、容量比γはγ＝Ｃ０／Ｃ１で表すことができる。この容量比γが小さいほどＳＡＷ共振子を用いた発振回路においては発振が容易になり発振周波数の可変幅を大きくとれ、ＳＡＷフィルタにおいては実現可能な帯域幅を広げることができる等の利点がある。

前記容量比γは、ＩＤＴの電極ピッチ（電極指幅Ｌ＋電極指間スペースＳ）に対する電極指幅Ｌの占める割合（以下、ライン占有率ｍｒと称す）により大きく変動する場合がある。従って、ＩＤＴのライン占有率ｍｒを適切に選択しないと容量比γが大きくなってしまい所望の特性が得られない虞がある。ところが、特許文献３では容量比γについては言及されておらず、容量比γとライン占有率ｍｒの関係について詳細に検討する必要があった。

また、ＳＡＷデバイスの製造工程において、ライン占有率ｍｒは正確に制御するのが難しく、電極形成の際の製造誤差や測定誤差によりばらつきが生じてしまう。ライン占有率ｍｒがばらついてしまうと、周波数変動が生じ製造歩留まりが劣化する原因となる。従って、周波数制御性に優れたライン占有率ｍｒを適切に選択する必要があるが、特許文献３には周波数制御性についても言及されておらず、ライン占有率ｍｒと周波数制御性の関係についても詳細に検討する必要があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、圧電基板に水晶基板を用いＳＨ波を利用したＳＡＷデバイスにおいて、小型化、高Ｑ化、及び優れた周波数温度特性を実現すると共に、容量比γを小さくし、周波数制御性を高めたＳＡＷデバイスを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係るＳＡＷデバイスの請求項１に記載の発明は、圧電基板と、該圧電基板上に形成されＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴとを備え、励振波をＳＨ波としたＳＡＷデバイスであって、前記圧電基板は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板であり、励振するＳＡＷの波長をλとした時、前記ＩＤＴの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、前記ＩＤＴを構成する電極指のライン占有率ｍｒを電極指幅／（電極指幅＋電極指間スペース）とした時に、前記ライン占有率ｍｒを０．５３≦ｍｒ≦０．６５としたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、圧電基板と、該圧電基板上に形成されＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴとを備え、励振波をＳＨ波としたＳＡＷデバイスであって、前記圧電基板は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板であり、励振するＳＡＷの波長をλとした時、前記ＩＤＴの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、前記ＩＤＴを構成する電極指のライン占有率ｍｒを電極指幅／（電極指幅＋電極指間スペース）とした時に、前記ライン占有率ｍｒを０．５５≦ｍｒ≦０．６８としたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、圧電基板と、該圧電基板上に形成されＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴとを備え、励振波をＳＨ波としたＳＡＷデバイスであって、前記圧電基板は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板であり、励振するＳＡＷの波長をλとした時、前記ＩＤＴの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、前記ＩＤＴを構成する電極指のライン占有率ｍｒを電極指幅／（電極指幅＋電極指間スペース）とした時に、前記ライン占有率ｍｒを０．５５≦ｍｒ≦０．６５としたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記カット角θが−６１．４°＜θ＜−５１．１°の範囲に設定されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記電極膜厚Ｈ／λが０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、前記電極膜厚Ｈ／λが０．０４≦Ｈ／λ≦０．０８の範囲に設定されていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の弾性表面波デバイスを用いることを特徴としたモジュール装置、又は発振回路である。

本発明の請求項１によれば、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板上に、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴを形成し、該ＩＤＴのＳＡＷの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２としたＳＡＷデバイスにおいて、前記ＩＤＴのライン占有率ｍｒを０．５３≦ｍｒ≦０．６５としたので容量比γを小さくすることができる。その結果、小型化、高Ｑ化、及び優れた周波数温度特性を実現できると共に、ＳＡＷフィルタでは実現可能な帯域幅を広げることができ、ＳＡＷ共振子を用いた発振回路では発振が容易になり発振周波数の可変幅を大きくとれる等の効果を奏する。

本発明の請求項２によれば、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板上に、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴを形成し、該ＩＤＴのＳＡＷの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２としたＳＡＷデバイスにおいて、前記ＩＤＴのライン占有率ｍｒを０．５５≦ｍｒ≦０．６８としたので周波数制御性を高めることができる。その結果、ＳＡＷデバイスの製造時にライン占有率ｍｒがばらついたとしても周波数変動量を抑圧できるので、ＳＡＷデバイスの製造難度及び製造コストを低減できる等の効果を奏する。

本発明の請求項３によれば、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板上に、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴを形成し、該ＩＤＴのＳＡＷの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２としたＳＡＷデバイスにおいて、前記ＩＤＴのライン占有率ｍｒを０．５５≦Ｈ／λ≦０．６５としたので、最適な容量比γと周波数制御性の両方を兼ね備えたＳＡＷデバイスを提供することできる。

本発明の請求項４によれば、前記ＳＡＷデバイスにおいてカット角θを−６１．４＜θ＜−５１．１の範囲に設定したので、頂点温度Ｔｐ（℃）を実用的な温度範囲内に設定することができる。

本発明の請求項５、６によれば、前記ＳＡＷデバイスにおいて電極膜厚Ｈ／λを０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０、好ましくは０．０４≦Ｈ／λ≦０．０８の範囲に設定したので、Ｑ値をより高めることができる。

本発明の請求項７によれば、前記ＳＡＷデバイスをモジュール装置、又は発振回路に用いたので、小型で高性能なモジュール装置、又は発振回路を提供することができる。

以下、本発明を図面に図示した実施の形態例に基づいて詳細に説明する。図1（ａ）は本発明に係るＳＡＷ共振子の平面図を示しており、圧電基板１上に正電極指と負電極指とがそれぞれ互いに間挿し合うＩＤＴ２と、該ＩＤＴ２の両側にＳＡＷを反射する為のグレーティング反射器３ａ、３ｂとを配置する。そして、前記ＩＤＴ２の入出力パッド４ａ、４ｂとパッケージ６の入出力用端子とを金属ワイヤ５ａ、５ｂにより電気的に導通し、パッケージ６の開口部を蓋（リッド）で気密封止する。圧電基板１は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−５０°回転した付近に設定し、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対しほぼ垂直方向（９０°±５°）にした水晶平板であって、励振するＳＡＷはＳＨ波である。なお、ＩＤＴ２及びグレーティング反射器３ａ、３ｂの電極材料はＡｌ又はＡｌを主成分とする合金である。また、図１（ｂ）はＩＤＴ２の断面図を示しており、以下に示す実施例においてはＩＤＴ２上を励振するＳＡＷの波長をλとした時に電極膜厚を波長で基準化した値Ｈ／λで表し、ライン占有率ｍｒを電極指幅Ｌ／（電極指幅Ｌ＋電極指間スペースＳ）で表す。

本発明においては、従来の欠点を鑑みて電極膜厚Ｈ／λを従来より大きく設定することで、ＳＡＷを圧電基板表面に集中させて、グレーティング反射器によりＳＡＷの反射を効率良く利用できるようにし、少ないＩＤＴ対数やグレーティング反射器本数でもＳＡＷエネルギーをＩＤＴ内に閉じ込めるようにしてデバイスサイズの小型化を図った。

一般的にＳＡＷ共振子における最適設計とは、周波数温度特性が優れており、Ｑが高く且つ容量比γの小さいもの、即ちfigure of merit（Ｑ／γ）が大きいことが重要である。ここで、本発明のＳＡＷ共振子の諸特性について調べた。図２は、図１に示すＳＡＷ共振子において、圧電基板１に−５１°回転Ｙカット９０°Ｘ伝搬水晶基板（オイラー角表示では（０°,３９°,９０°））を用い、共振周波数を３１５ＭＨｚ、電極膜厚Ｈ／λを０．０６、ＩＤＴ２の対数を１００対、グレーティング反射器３ａ、３ｂの本数を各々１００本とした場合の共振子の諸特性を表している。また、（ａ）にＱ値、figure of merit、２次温度係数を、（ｂ）に周波数温度特性を実際の試作結果に基づき示している。なお、比較の為に圧電基板のサイズを同じにしたＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子の諸特性を従来品として併記している。

図２より本発明のＳＡＷ共振子と従来のＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子とを比較すると、Ｑ値が１．８倍強、figure of meritが約２倍と大きい値が得られている。また、周波数温度特性については、頂点温度Ｔｐは常温である約＋２５℃が得られ、２次温度係数は従来の約０．６倍程度に小さくなるという非常に優れた効果が確認された。

更に、本発明のＳＡＷ共振子は従来のＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりも良好なＱ値を保ちながら圧電基板のサイズを小型化できる。これは、本発明のＳＡＷ共振子の電極膜厚Ｈ／λの増加に対するＩＤＴ又はグレーティング反射器でのＳＡＷの反射量の増加分が、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子と比較して著しく大きいことに起因する。即ち、本発明のＳＡＷ共振子は電極膜厚Ｈ／λを大きくすることで、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりも少ないＩＤＴ対数又はグレーティング反射器本数で高いＱ値を実現可能である。

図３（ａ）は本発明のＳＡＷ共振子における電極膜厚Ｈ／λとＱ値の関係を示したものであり、共振子設計条件は前述と同等である。同図より、０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲においてＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子のＱ値（＝１５０００）を上回る値が得られることが分かる。更に、０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定することにより２００００以上もの高いＱ値が得られる。

また、特公平０１−０３４４１１号にある多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子と本発明のＳＡＷ共振子のＱ値を比較すると、特公平０１−０３４４１１号で得られているＱ値は共振周波数が２０７．５６１（ＭＨｚ）における値であり、これを本実施例で適用している共振周波数３１５（ＭＨｚ）に換算するとＱ値は１５０００程度となるから、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子とほぼ同等である。また、共振子のサイズを比較すると、特公平０１−０３４４１１号の多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子は８００±２００対もの対数が必要なのに対し、本発明ではＩＤＴとグレーティング反射器の両方で２００対分の大きさで十分であるので格段に小型化できる。従って、電極膜厚を０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定し、グレーティング反射器を設けて効率良くＳＡＷを反射することで、特公平０１−０３４４１１号に開示されている多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子よりも小型で且つＱ値が高いＳＡＷデバイスを実現できる。

また、図３（ｂ）は本発明のＳＡＷ共振子における電極膜厚Ｈ／λと２次温度係数の関係を示しており、共振子設計条件は前述と同等である。同図より、高いＱ値が得られる０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲においてＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子の２次温度係数−０．０３４（ｐｐｍ／℃^２）よりも良好な値が得られることが分かる。

以上より、電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲に設定することで、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイス及び特公平０１−０３４４１１号に開示されているＳＡＷデバイスよりも小型でＱ値が高く、且つ周波数安定性に優れたＳＡＷデバイスを提供できることが確認された。

また、これまでカット角θを−５１°とした場合についてのみ示してきたが、本発明のＳＡＷ共振子においてはカット角θを変えても膜厚依存性は大きく変化せず、−５１°から数度ずれたカット角においても電極膜厚を０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定することで、良好なＱ値と２次温度係数が得られることを確認した。

ところで、ＳＡＷ共振子の周波数温度特性の頂点温度Ｔｐは電極膜厚H／λや圧電基板のカット角θによって変化する。従って、いくら周波数温度特性が優れていても頂点温度Ｔｐが使用温度範囲外となってしまうと周波数安定性は著しく劣化してしまうので、実用的な使用温度範囲において優れた周波数安定性を実現するには、２次温度係数だけでなく頂点温度Ｔｐについても詳細に検討する必要がある。

図４は、上述した種々の試作実験結果に基づき、前記ＳＡＷ共振子において頂点温度Ｔｐ（℃）がＴｐ＝−５０，０，＋７０，＋１２５である時の水晶基板のカット角θと電極膜厚Ｈ／λの関係を算出したシミュレーション結果を示すものであり、各Ｔｐ特性の近似式は以下の通りである。
Ｔｐ＝−５０（℃）：Ｈ／λ≒−1.02586×10⁻⁴×θ³ −1.73238×10⁻²×θ²−0.977607×θ−18.3420
Ｔｐ＝０（℃）：Ｈ／λ≒−9.87591×10⁻⁵×θ³−1.70304×10⁻²×θ²−0.981173×θ−18.7946
Ｔｐ＝＋７０（℃）：Ｈ／λ≒−1.44605×10⁻⁴×θ³−2.50690×10⁻²×θ²−1.45086×θ−27.9464
Ｔｐ＝＋１２５（℃）：Ｈ／λ≒−1.34082×10⁻⁴×θ³−2.34969×10⁻²×θ²−1.37506×θ−26.7895

図４から、頂点温度Ｔｐ（℃）を実用的な範囲である−５０≦Ｔｐ≦＋１２５に設定するには、Ｔｐ＝−５０℃及びＴｐ＝＋１２５℃の曲線に囲まれた領域、即ち、−1.34082×10⁻⁴×θ³−2.34969×10⁻²×θ²−1.37506×θ−26.7895＜Ｈ／λ＜−1.02586×10⁻⁴×θ³ −1.73238×10⁻²×θ²−0.977607×θ−18.3420となるようにカット角θ及び電極膜厚Ｈ／λを設定すれば良いことが分かる。なお、この時の電極膜厚Ｈ／λの範囲は、従来のＳＴカット水晶デバイスより優れた特性が得られる０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、カット角θの範囲は図４の点Ａから点Ｂに示す範囲の−６４．０＜θ＜−４９．３とすることを前提としている。

更に、より最適な条件について検討すると、頂点温度Ｔｐ（℃）はより実用的な使用温度範囲である０≦Ｔｐ≦＋７０に設定するのが望ましい。Ｔｐ（℃）を前述の範囲に設定するには、図４に示すＴｐ＝０℃及びＴｐ＝＋７０℃の曲線に囲まれた領域、即ち、−1.44605×10⁻⁴×θ³−2.50690×10⁻²×θ²−1.45086×θ−27.9464＜Ｈ／λ＜−9.87591×10⁻⁵×θ³−1.70304×10⁻²×θ²−0.981173×θ−18.7946となるようにカット角θ及び電極膜厚Ｈ／λを設定すれば良い。また、電極膜厚Ｈ／λはＱ値が２００００以上得られる０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲にするのが望ましく、電極膜厚を前述の範囲とし、頂点温度Ｔｐ（℃）を０≦Ｔｐ≦＋７０の範囲内に設定するには、カット角θを図４の点Ｃから点Ｄに示す範囲の−６１．４＜θ＜−５１．１に設定すれば良い。

以上、詳細に検討した結果、カット角θが−６４．０°＜θ＜−４９．３°、好ましくは−６１．４°＜θ＜−５１．１°の範囲にある回転Ｙカット水晶基板を用い、ＳＡＷの伝搬方向がＸ軸に対してほぼ垂直方向として励振されるＳＨ波を用い、ＩＤＴやグレーティング反射器の電極材料をＡｌまたはＡｌを主とした合金にて構成し、その電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０とすることで、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスよりＱ値が大きく優れた温度特性が得られると共に、頂点温度Ｔpを実用的な使用温度範囲内に設定できることが確認された。

次に、前記ＳＡＷ共振子のライン占有率ｍｒと容量比γの関係について検討した。前述のように、容量比γは小さいほどデバイスの高性能化が可能となるが、この容量比γはＩＤＴのライン占有率ｍｒの値により変動する。従って、最適な容量比γが得られるようにＩＤＴのライン占有率ｍｒを選択する必要がある。

図５（ａ）は前記ＳＡＷ共振子のライン占有率ｍｒと容量比γとの関係を示している。同図は実験値であり、実験では水晶基板のカット角θを−５２．０°とし、電極膜厚Ｈ／λを０．０４から０．０８まで０．０１刻みで変化させ、ＩＤＴのライン占有率ｍｒを０．４から０．８まで０．１刻みで変化させた。なお、この時のグレーティング反射器のライン占有率はＩＤＴと同様に変化させている。同図より容量比γはライン占有率ｍｒに対して下に凸の２次曲線的な傾向を示すことが分かる。

また、図５（ｂ）は各電極膜厚Ｈ／λの条件において容量比γが最小となるライン占有率ｍｒの値を示しており、電極膜厚Ｈ／λを０．０４≦Ｈ／λ≦０．０８とした時に、ライン占有率ｍｒを０．５８≦ｍｒ≦０．６０に設定することにより容量比γがほぼ最小値となることが確認された。なお、図５（ａ）の曲線から実際にはライン占有率ｍｒを０．５３≦ｍｒ≦０．６５の範囲に設定すれば充分に容量比γを小さくすることが可能である。

以上より、本発明のＳＡＷデバイスにおいてＩＤＴのライン占有率ｍｒを０．５３≦ｍｒ≦０．６５とすることにより、小型で高いＱ値と優れた周波数温度特性を実現できると共に、容量比γを小さくできることが確認された。

ところで、ライン占有率ｍｒは製造誤差等が生じるので正確に制御するのが難しい。ライン占有率ｍｒがばらつくと周波数変動が生じるので、製造歩留まりが劣化してしまう問題がある。従って、ライン占有率ｍｒがばらついても周波数変動量の少ない、即ち周波数制御性に優れたライン占有率ｍｒを選択することが望ましい。以下、ライン占有率ｍｒと周波数制御性について検討した。

図６（ａ）は前記ＳＡＷ共振子のライン占有率ｍｒと共振周波数ｆの関係を示している。同図は実験値であり、水晶基板のカット角θを−５２．０°とし、電極膜厚Ｈ／λを０．０４から０．０８まで０．０１刻みで変化させ、ＩＤＴのライン占有率ｍｒを０．４から０．８まで０．１刻みで変化させている。なお、この時のグレーティング反射器のライン占有率はＩＤＴと同様に変化させている。図６（ａ）より、共振周波数ｆはライン占有率ｍｒに対して下に凸の２次曲線的な傾向を示すことが分かる。

また、図６（ｂ）は各電極膜厚Ｈ／λの条件において共振周波数ｆの極小値をとるライン占有率ｍｒの値を示しており、電極膜厚Ｈ／λを０．０４≦Ｈ／λ≦０．０８とした時に、０．６０≦ｍｒ≦０．６３のライン占有率ｍｒの範囲において共振周波数ｆの極小値が存在することが確認された。なお、図６（ａ）の曲線から実際にはライン占有率ｍｒを０．５５≦ｍｒ≦０．６８の範囲内に設定すれば周波数変動量を抑圧でき、ライン占有率ｍｒがばらついても共振周波数ｆは然程変動しないので周波数制御性に優れたＳＡＷデバイスを提供することができる。

以上から、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°、好ましくは−６１．４°＜θ＜−５１．１°とした水晶基板を用いて、ＳＡＷの伝搬方向をＸ軸に対して垂直方向とし、励振されるＳＡＷは基板表面付近を伝搬するＳＨ波であるＳＡＷデバイスを構成し、そのＩＤＴはＡｌまたはＡｌを主とする合金からなり、ＳＡＷの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０、又は０．０４≦Ｈ／λ≦０．０８とすることにより高いＱ値と良好な周波数温度特性が得られ、更に、ライン占有率ｍｒを０．５３≦ｍｒ≦０．６５の範囲に設定することにより容量比γを小さくでき、ライン占有率ｍｒを０．５５≦ｍｒ≦０．６８の範囲に設定することにより優れた周波数制御性が得られることが確認された。

また、容量比γを小さくできるライン占有率ｍｒの範囲０．５３≦ｍｒ≦０．６５と、優れた周波数制御性が得られるライン占有率ｍｒの範囲０．５５≦ｍｒ≦０．６８とが重複する範囲、０．５５≦ｍｒ≦０．６５にライン占有率ｍｒを設定すれば、最適な容量比γと優れた周波数制御性を両方兼ね備えたＳＡＷデバイスを実現できる。

なお、ＳＡＷデバイスを実際に製造する上でライン占有率ｍｒは正確に一致させることが困難であり、製造誤差や測定誤差を考慮すると±０．０５程度のばらつきが生じてしまうことが考えられるが、本発明のＳＡＷデバイスにおいてはこの程度のばらつきであれば上述と同等の効果が得られる。

これまで、図１に示すような１ポートのＳＡＷ共振子についてのみ言及してきたが、それ以外のＳＡＷデバイスにおいても本発明を適用できる。以下、種々のＳＡＷデバイスの構造について説明する。

図７は圧電基板３１上にＳＡＷの伝搬方向に沿ってＩＤＴ３２、３３を配置し、その両側にグレーティング反射器３４ａ、３４ｂを配置した２ポートＳＡＷ共振子を示しており、１ポートＳＡＷ共振子と同じく高いＱ値を実現できる。

図８は、共振子フィルタの１つの方式としてＳＡＷ共振子の音響結合を利用した２重モードＳＡＷ（ＤＭＳ）フィルタを示しており、（ａ）は圧電基板４１上にＳＡＷ共振子４２を伝搬方向に対して平行に近接配置した横結合型ＤＭＳフィルタ、（ｂ）は圧電基板５１上にＩＤＴ５２からなるＳＡＷ共振子をＳＡＷの伝搬方向に沿って配置した２ポートの縦結合型ＤＭＳフィルタである。前記横結合型ＤＭＳフィルタは伝搬方向に対し垂直方向の音響結合を利用し、前記縦結合型ＤＭＳフィルタは伝搬方向に対し水平方向の音響結合を利用している。これらＤＭＳフィルタは平坦な通過帯域と良好な帯域外抑圧度が得られる特徴がある。なお、前記縦結合型ＤＭＳフィルタは、通過域近傍を高減衰にするためにＳＡＷ共振子を接続する場合がある。また、更に高次のモードを利用した多重モードＳＡＷフィルタや、伝搬方向に対し垂直方向と水平方向の双方で音響結合させた多重モードＳＡＷフィルタにも応用できる。

図９は、共振子フィルタの別の方式として、圧電基板６１上に複数の１ポートＳＡＷ共振子６２を直列、並列、直列と梯子（ラダー）状に配置してフィルタを構成したラダー型ＳＡＷフィルタを示している。ラダー型ＳＡＷフィルタは前記ＤＭＳフィルタと比較して通過域近傍の減衰傾度が急峻なフィルタ特性が得られる。

図１０は、トランスバーサルＳＡＷフィルタを示しており、（ａ）は圧電基板７１上にＳＡＷの伝搬方向に沿って入力用ＩＤＴ７２と出力用ＩＤＴ７３を所定の間隙をあけて配置したトランスバーサルＳＡＷフィルタである。なお、前記ＩＤＴ７２、７３は双方向にＳＡＷを伝搬させる。また、入出力端子間の直達波の影響を防ぐためにシールド電極７４を設けたり、基板端面からの不要な反射波を抑圧するために圧電基板７１の両端に吸音材７５を塗布する場合がある。トランスバーサルＳＡＷフィルタは、振幅特性と位相特性を別々に設計可能であり、帯域外抑圧度が高いためＩＦ用フィルタとして多用されている。

前記トランスバーサルＳＡＷフィルタにおいて、ＳＡＷは伝搬方向に沿って左右に等しく伝搬するためフィルタの挿入損失が大きくなってしまうという問題がある。この問題を解決する手法として、図１０（ｂ）に示すように電極指配列や電極指幅を変化させることによりＳＡＷの励振及び反射に重み付けを施してＳＡＷの励振を一方向性にした所謂単相一方向性電極（Single Phase Uni-Directional Transducer：ＳＰＵＤＴ）８２、８３を配置したトランスバーサルＳＡＷフィルタがある。ＳＡＷの励振が一方向性となるので低損失なフィルタ特性が得られる。また、他の構造として、ＩＤＴの励振電極間にグレーティング反射器を配置した所謂反射バンク型トランスバーサルＳＡＷフィルタ等がある。

以上の種々のＳＡＷデバイスにおいて、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４.．０°＜θ＜−４９．３°、好ましくは−６１．４°＜θ＜−５１．１°とした水晶基板を用いて、ＳＡＷの伝搬方向をＸ軸に対して垂直方向とし、励振されるＳＡＷは基板表面付近を伝搬するＳＨ波であるＳＡＷデバイスを構成し、そのＩＤＴはＡｌまたはＡｌを主とする合金からなり、ＳＡＷの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０とすることにより高いＱ値と良好な周波数温度特性が得られ、更に、ＩＤＴのライン占有率ｍｒを０．５３≦ｍｒ≦０．６５の範囲に設定することにより容量比γを小さくでき、ライン占有率ｍｒを０．５５≦ｍｒ≦０．６８の範囲に設定することにより優れた周波数制御性が得られることは明らかである。

また、上述のＳＡＷデバイスにおいて、ＩＤＴやグレーティング反射器上にＳｉＯ_２等の保護膜やＡｌを陽極酸化した保護膜等を形成したり、Ａｌ電極の上部あるいは下部に密着層あるいは耐電力向上等の目的で別の金属薄膜を形成した場合においても、本発明と同様の効果を得られることは明らかである。また、センサ装置やモジュール装置、発振回路等に本発明のＳＡＷデバイスが適用できることは言うまでもない。また、電圧制御ＳＡＷ発振器（ＶＣＳＯ）等に本発明のＳＡＷデバイスを用いれば、容量比γを小さくできるので周波数可変幅を大きくとれる。

また、本発明のＳＡＷデバイスは、図１に示すようなＳＡＷチップとパッケージをワイヤボンディングした構造以外でも良く、ＳＡＷチップの電極パッドとパッケージの端子とを金属バンプで接続したフリップチップボンディング（ＦＣＢ）構造や、配線基板上にＳＡＷチップをフリップチップボンディングしＳＡＷチップの周囲を樹脂封止したＣＳＰ（Chip Size Package）構造、或いは、ＳＡＷチップ上に金属膜や樹脂層を形成することによりパッケージや配線基板を不要としたＷＬＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）構造等にしても良い。更には、水晶デバイスを水晶又はガラス基板で挟んで積層封止したＡＱＰ（All Quartz Package）構造としても良い。前記ＡＱＰ構造は、水晶又はガラス基板で挟んだだけの構造であるのでパッケージが不要で薄型化が可能であり、低融点ガラス封止や直接接合とすれば接着剤によるアウトガスが少なくなりエージング特性に優れた効果を奏する。

本発明に係るＳＡＷ共振子を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＩＤＴの断面図である。 本発明に係るＳＡＷ共振子と従来品の比較を示したものであり、（ａ）はＱ値及びFigure of merit及び２次温度係数の比較、（ｂ）は周波数温度特性の比較である。 本発明に係るＳＡＷ共振子の電極膜厚Ｈ／λとＱ値との関係を（ａ）に、電極膜厚Ｈ／λと２次温度係数の関係を（ｂ）に示す。 本発明に係るＳＡＷ共振子の頂点温度Ｔｐ（℃）がＴｐ＝−５０，０，＋７０，＋１２５である時のカット角θと電極膜厚Ｈ／λの関係を示す。 本発明に係るＳＡＷ共振子の電極膜厚Ｈ／λを変化させた時のライン占有率ｍｒと容量比γの関係を（ａ）に、各電極膜厚Ｈ／λの条件において容量比γが最小となるライン占有率ｍｒの値を（ｂ）に示す。 本発明に係るＳＡＷ共振子の電極膜厚Ｈ／λを変化させた時のライン占有率ｍｒと共振周波数ｆの関係を（ａ）に、各電極膜厚Ｈ／λの条件において共振周波数ｆの極小値をとるライン占有率ｍｒの値を（ｂ）に示す。 本発明に係る２ポートＳＡＷ共振子を説明する図である。 本発明に係るＤＭＳフィルタを説明する図であり、（ａ）に横結合型ＤＭＳフィルタ、（ｂ）に縦結合型ＤＭＳフィルタを示す。 本発明に係るラダー型ＳＡＷフィルタを説明する図である。 本発明に係るトランスバーサルＳＡＷフィルタを説明する図であり、（ａ）に双方向にＳＡＷを励振させるＩＤＴを配置したトランスバーサルＳＡＷフィルタ、（ｂ）に一方向にＳＡＷを励振させるＩＤＴを配置したトランスバーサルＳＡＷフィルタを示す。 従来のＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子を説明する図である。 −５０°回転Ｙカット９０°Ｘ伝搬水晶基板を説明する図である。 従来の多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子を説明する図である。 ＳＡＷ共振子の等価回路図を示す。

符号の説明

１ 圧電基板
２ ＩＤＴ
３ａ、３ｂ グレーティング反射器
４ａ、４ｂ 入出力用パッド
５ａ、５ｂ 金属ワイヤ
６ パッケージ
３１ 圧電基板
３２、３３ ＩＤＴ
３４ａ、３４ｂ グレーティング反射器
４１ 圧電基板
４２ ＳＡＷ共振子
５１ 圧電基板
５２ ＩＤＴ
６１ 圧電基板
６２ １ポートＳＡＷ共振子
７１ 圧電基板
７２ 入力用ＩＤＴ
７３ 出力用ＩＤＴ
７４ シールド電極
７５ 吸音材
８２、８３ 一方向性電極

Claims (7)

1. 圧電基板と、該圧電基板上に形成されＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴとを備え、励振波をＳＨ波とした弾性表面波デバイスであって、
   前記圧電基板は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板であり、
   励振する弾性表面波の波長をλとした時、前記ＩＤＴの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、
   前記ＩＤＴを構成する電極指のライン占有率ｍｒを電極指幅／（電極指幅＋電極指間スペース）とした時に、前記ライン占有率ｍｒを０．５３≦ｍｒ≦０．６５とすることを特徴とした弾性表面波デバイス。
2. 圧電基板と、該圧電基板上に形成されＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴとを備え、励振波をＳＨ波とした弾性表面波デバイスであって、
   前記圧電基板は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板であり、
   励振する弾性表面波の波長をλとした時、前記ＩＤＴの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、
   前記ＩＤＴを構成する電極指のライン占有率ｍｒを電極指幅／（電極指幅＋電極指間スペース）とした時に、前記ライン占有率ｍｒを０．５５≦ｍｒ≦０．６８とすることを特徴とした弾性表面波デバイス。
3. 圧電基板と、該圧電基板上に形成されＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴとを備え、励振波をＳＨ波とした弾性表面波デバイスであって、
   前記圧電基板は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板であり、
   励振する弾性表面波の波長をλとした時、前記ＩＤＴの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、
   前記ＩＤＴを構成する電極指のライン占有率ｍｒを電極指幅／（電極指幅＋電極指間スペース）とした時に、前記ライン占有率ｍｒを０．５５≦ｍｒ≦０．６５とすることを特徴とした弾性表面波デバイス。
4. 前記カット角θが−６１．４°＜θ＜−５１．１°の範囲に設定されていることを特徴とした請求項１乃至３のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
5. 前記電極膜厚Ｈ／λが０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定されていることを特徴とした請求項１乃至４のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
6. 前記電極膜厚Ｈ／λが０．０４≦Ｈ／λ≦０．０８の範囲に設定されていることを特徴とした請求項１乃至５のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の弾性表面波デバイスを用いることを特徴としたモジュール装置、又は発振回路。
   

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