JP4356773B2 - 弾性表面波デバイスとこれを用いたモジュール装置又は発振回路 - Google Patents

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、デバイスサイズを小型にし、Ｑ値を高め、周波数温度特性を改善し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、周波数安定性が優れていること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１３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１４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の反射を利用する手段は提案されておらず実用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１５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。
特公昭６２−０１６０５０号公報 特公平０１−０３４４１１号公報 Meirion Lewis, "Surface Skimming Bulk Wave, SSBW", IEEE Ultrasonics Symp. Proc., pp.744〜752 (1977)

解決しようとする問題点は、圧電基板にＳＴカット水晶基板を用いると周波数温度特性の２次温度係数が−０．０３４（ｐｐｍ／℃²）と大きいので実用上の周波数変動量が極端に大きくなってしまう点であり、また特公平０１−０３４４１１号に開示されているＳＡＷデバイスの構造では、ＩＤＴの対数を非常に多くしなければならないのでデバイスサイズが大型になってしまう点である。

上記課題を解決するために本発明に係るＳＡＷデバイスの適用例１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波とした弾性表面波デバイスであって、前記圧電基板は、そのカット角θを結晶Ｘ軸を回転軸とした結晶Ｚ軸の回転角度とし、結晶＋Ｚ軸から結晶＋Ｙ軸側へ回転させる方向を前記カット角θが負となる回転方向として、−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°とした水晶平板からなる回転Ｙカット水晶基板であり、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電極指幅／（電極指幅＋電極指間のスペース）をライン占有率ｍｒとした時に、カット角θ及び電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒの関係が、−８．０４４８９×１０^-5×θ³−１．４０９８１×１０^-2×θ²−０．８２５０３８×θ−１６．０７３７＜Ｈ／λ×ｍｒ＜−６．１５５１７×１０^-5×θ³−１．０３９４３×１０^-2×θ²−０．５８６５６４×θ−１１．００５２を満足していることを特徴とした。
本発明の適用例１のＳＡＷデバイスは、カット角θが−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲にある回転Ｙカット水晶基板を用い、ＳＡＷの伝搬方向が結晶Ｘ軸に対して９０°±５°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、波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０.０４＜Ｈ／λ＜０.１２とすることで、本来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できるようにしたので、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスと比較して小型でＱ値が高く、且つ周波数安定性が優れたＳＡＷデバイスを提供することができる。
また、電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒとカット角θの条件を満足することにより、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。

適用例２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波とした弾性表面波デバイスであって、前記圧電基板は、そのカット角θを結晶Ｘ軸を回転軸とした結晶Ｚ軸の回転角度とし、結晶＋Ｚ軸から結晶＋Ｙ軸側へ回転させる方向を前記カット角θが負となる回転方向として、−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°とした水晶平板からなる回転Ｙカット水晶基板であり、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０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０とし、前記ＩＤＴを構成する電極指の電極指幅／（電極指幅＋電極指間のスペース）をライン占有率ｍｒとした時に、カット角θ及び電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒの関係が、−８．６７６３２×１０^-5×θ³−１．５０４１４×１０^-2×θ²−０．８７０５１４×θ−１６．７６７８＜Ｈ／λ×ｍｒ＜−５．９２５５４×１０^-5×θ³−１．０２１８３×１０^-2×θ²−０．５８８７０４×θ−１１．２７６８を満足していることを特徴とした。
本発明の適用例２のＳＡＷデバイスは、カット角θが−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の伝搬方向が結晶Ｘ軸に対して９０°±５°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、波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０とすることで、本来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できるようにしたので、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスと比較して小型でＱ値が高く、且つ周波数安定性が優れたＳＡＷデバイスを提供することができる。
また、電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒとカット角θの条件を満足することにより、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。

適用例３の発明は、前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板上にＩＤＴを少なくとも１個配置した１ポートの弾性表面波共振子であることを特徴とした。

適用例４の発明は、前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板の弾性表面波の伝搬方向に沿ってＩＤＴを少なくとも２個配置した２ポートの弾性表面波共振子であることを特徴とした。
適用例５の発明は、前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板の弾性表面波の伝搬方向に対して複数個の弾性表面波共振子を平行に近接配置した横結合型多重モードフィルタであることを特徴とした。

適用例６の発明は、前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板の弾性表面波の伝搬方向に沿って複数個のＩＤＴからなる２ポートの弾性表面波共振子を配置した縦結合型多重モードフィルタであることを特徴とした。

適用例７の発明は、前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板上に複数個の弾性表面波共振子を梯子状に接続したラダー型弾性表面波フィルタあることを特徴とした。
適用例８の発明は、前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板上に弾性表面波を双方向に伝搬させるＩＤＴを所定の間隔を空けて複数個配置したトランスバーサルＳＡＷフィルタであることを特徴とした。
適用例９の発明は、前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板上に弾性表面波を一方向に伝搬させるＩＤＴを少なくとも１つ配置したトランスバーサルＳＡＷフィルタであることを特徴とした。
適用例１０の発明は、前記弾性表面波デバイスは、弾性表面波センサであることを特徴とした。
適用例３乃至１０の種々の方式のＳＡＷデバイスを用いれば、小型でＱ値が高く、且つ周波数安定性が優れたＳＡＷデバイスを提供することができる。

適用例１１の発明は、前記弾性表面波デバイスは、ＩＤＴの両側にグレーティング反射器を有することを特徴とした。
適用例１１のＳＡＷデバイスは、ＩＤＴの両側にグレーティング反射器を配置してＳＡＷのエネルギーを前記ＩＤＴ内に十分閉じ込めることができるので、小型でＱ値が高いＳＡＷデバイスを提供することができる。

適用例１２の発明は、少なくともＩＤＴ上に保護膜を設けたことを特徴とする。
適用例１３の発明は、前記保護膜がＳｉＯ₂であることを特徴とする。
適用例１４の発明は、前記保護膜がＡｌを陽極酸化したものであることを特徴とする。
本発明は、適用例１２乃至１４に記載のＳＡＷデバイスのように、保護膜を設けた場合でも適用が可能である。

適用例１５の発明は、適用例１乃至１４のいずれかに記載のＳＡＷデバイスを用いたモジュール装置、又は発振回路であることを特徴とする。
適用例１５に記載のモジュール装置、又は発振回路は、本発明のＳＡＷデバイスを用いている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、図１４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、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、本実施例においては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、ＩＤＴ２を構成する電極指の電極指幅Ｌ／（電極指幅Ｌ＋電極指間のスペースＳ）をライン占有率ｍｒとした時にｍｒ＝０．６０としている。

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、即ち性能指数（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。図２（ａ）にＱ値、性能指数、２次温度係数を、図２（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。また、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た。

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、性能指数が約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は約＋２５℃が得られ、温度による周波数変動量は従来の約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）に変換するとＱ値は１５０００程度となり、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。

次に、図４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、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。
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。

ところで、本発明のＳＡＷ共振子は、非常に広い温度範囲では３次的な温度特性となるが、特定の狭い温度範囲では２次特性と見なすことができ、その頂点温度Ｔｐは電極膜厚やカット角によって変化する。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（−５０℃〜＋１２５℃）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５（ａ）は、本発明のＳＡＷ共振子においてカット角θを−５０．５°とした時の電極膜厚Ｈ／λと頂点温度Ｔｐの関係を示している。同図から明らかなように、電極膜厚Ｈ／λを大きくすると頂点温度Ｔｐは下がり、電極膜厚Ｈ／λと頂点温度Ｔｐの関係は次の近似式で表わされる。
Ｔｐ（Ｈ／λ）＝−４１８２５×（Ｈ／λ）²＋２８５５．４×（Ｈ／λ）−２６．４２ ・・・（１）
また、−５０°近傍のカット角においても切片を除けばおおよそ（１）式が適用できる。
また、図５（ｂ）は、本発明のＳＡＷ共振子において電極膜厚Ｈ／λを０．０６とした時のカット角θと頂点温度Ｔｐの関係を示している。同図から明らかなように、カット角θの絶対値を小さくすると頂点温度Ｔｐは下がり、カット角θと頂点温度Ｔｐの関係は次の近似式で表わされる。
Ｔｐ（θ）＝−４３．５３７２×θ−２１９７．１４ ・・・（２）
式（１）及び式（２）から電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とした時に頂点温度Ｔｐを実用的な使用温度範囲（−５０〜＋１２５℃）に設定するには、カット角θを−５９．９°≦θ≦−４８．９°の範囲に設定すれば良いことが分かる。

また、電極膜厚Ｈ／λとカット角θの双方を考慮する場合、頂点温度Ｔｐは式（１）及び式（２）から次の近似式で表わされる。
Ｔｐ（Ｈ／λ，θ）＝Ｔｐ（Ｈ／λ）＋Ｔｐ（θ）＝−４１８２５×（Ｈ／λ）²＋２８５５．４×（Ｈ／λ）−４３．５３７２×θ−２２２３．５６ ・・・（３）
式（３）より、頂点温度Ｔｐを使用温度範囲（−５０〜＋１２５℃）に設定するには、次式で表される範囲に電極膜厚Ｈ／λ及びカット角θを設定すれば良い。
０．９６１３≦−１８．４９８×（Ｈ／λ）²＋１．２６２９×（Ｈ／λ）−０．０１９２５５×θ≦１．０３８７ ・・・（４）
このように、本発明ではカット角θが−５９．９°≦θ≦−４８．９°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とすることで、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスより小型で、且つＱ値が大きく、且つ周波数安定性の優れているＳＡＷデバイスを実現できる。

ここで、より最適な条件について検討すると、電極膜厚Ｈ／λは図３よりＱ値が２００００以上得られる０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定するのが好ましい。また、頂点温度Ｔｐをより実用的な使用温度範囲（０°〜＋７０℃）に設定する為には、カット角θは−５５．７°≦θ≦−５０．２°の範囲に設定するのが好ましく、更には、式（３）より得られる次式の範囲にカット角θ及び電極膜厚Ｈ／λを設定するのが好ましい。
０．９８４５≦−１８．５１８×（Ｈ／λ）²＋１．２６４３×（Ｈ／λ）−０．０１９２７７×θ≦１．０１５５ ・・・（５）
以上では、図５（ａ）のカット角θを−５０．５°とした時の電極膜厚Ｈ／λと頂点温度Ｔｐの関係、及び図５（ｂ）の電極膜厚Ｈ／λを０．０６とした時のカット角θと頂点温度Ｔｐの関係から、頂点温度Ｔｐが実用的な使用温度範囲に入るような電極膜厚Ｈ／λとカット角θの関係式を導き出したが、更にカット角θの範囲を広げて実験を行ったところ、より詳細な条件を見出すことができたので以下説明する。

図６は、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の関係を示しており、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６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。また、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６の点Ａから点Ｂに示す範囲の−６４．０＜θ＜−４９．３とする必要がある。

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６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６（ａ）の点Ｃから点Ｄに示す範囲の−６１．４＜θ＜−５１．１に設定する必要がある。

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を見出した。

ところで、これまでＩＤＴのライン占有率ｍｒを０．６０と固定した時の例について説明してきたが、以下ではライン占有率を変数に含めた場合のＴｐ特性について検討した。
図７は、電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒと頂点温度Ｔｐの関係を示している。なお、縦軸は頂点温度Ｔｐ（℃）を、横軸は電極膜厚とライン占有率との積Ｈ／λ×ｍｒを示しており、この時の水晶基板のカット角θは−５１．５°としている。同図に示すように、電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒの値を大きくする程、頂点温度Ｔｐは下がることが分かる。

次に、図８は頂点温度Ｔｐ（℃）がＴｐ＝−５０，０，＋７０，＋１２５である時の水晶基板のカット角θと電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒの関係を示している。なお、各Ｔｐ特性の近似式は以下の通りである。
Ｔｐ＝−５０（℃）：Ｈ／λ×ｍｒ≒−６．１５５１７×１０^-5×θ³−１．０３９４３×１０^-2×θ²−０．５８６５６４×θ−１１．００５２
Ｔｐ＝０（℃）：Ｈ／λ×ｍｒ≒−５．９２５５４×１０^-5×θ³−１．０２１８３×１０^-2×θ²−０．５８８７０４×θ−１１．２７６８
Ｔｐ＝＋７０（℃）：Ｈ／λ×ｍｒ≒−８．６７６３２×１０^-5×θ³−１．５０４１４×１０^-2×θ²−０．８７０５１４×θ−１６．７６７８
Ｔｐ＝＋１２５（℃）：Ｈ／λ×ｍｒ≒−８．０４４８９×１０^-5×θ³−１．４０９８１×１０^-2×θ²−０．８２５０３８×θ−１６．０７３７

図８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、−８．０４４８９×１０^-5×θ³−１．４０９８１×１０^-2×θ²−０．８２５０３８×θ−１６．０７３７＜Ｈ／λ×ｍｒ＜−６．１５５１７×１０^-5×θ³−１．０３９４３×１０^-2×θ²−０．５８６５６４×θ−１１．００５２となるようにカット角θ及び電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒを設定すれば良いことが分かる。また、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−６４．０＜θ＜−４９．３とする必要がある。

また、頂点温度Ｔｐ（℃）をより実用的な使用温度範囲である０≦Ｔｐ≦＋７０に設定するには、図８に示すＴｐ＝０℃及びＴｐ＝＋７０℃の曲線に囲まれた領域、即ち、−８．６７６３２×１０^-5×θ³−１．５０４１４×１０^-2×θ²−０．８７０５１４×θ−１６．７６７８＜Ｈ／λ×ｍｒ＜−５．９２５５４×１０^-5×θ³−１．０２１８３×１０^-2×θ²−０．５８８７０４×θ−１１．２７６８となるようにカット角θ及び電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒを設定すれば良い。また、この時の電極膜厚Ｈ／λはＱ値が２００００以上得られる０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０とするのが望ましく、電極膜厚を前述の範囲とし、且つ、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は−６１．４＜θ＜−５１．１とするのが望ましい。

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９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１０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１１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１２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１２（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、圧電基板に回転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−６４．０°＜θ＜−４９．３°、好ましくは−６１．４°＜θ＜−５１．１°の範囲に設定し、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°した水晶平板を用い、電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定すれば、本発明と同様な効果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ＳｉＯ₂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値及び性能指数及び２次温度係数の比較を示す図、（ｂ）は周波数温度特性の比較を示す図である。 本発明に係るＳＡＷ共振子の電極膜厚Ｈ／λとＱ値との関係を示す図である。 本発明に係るＳＡＷ共振子の電極膜厚Ｈ／λと２次温度係数との関係を示す図である。 （ａ）は本発明に係るＳＡＷ共振子の電極膜厚Ｈ／λと頂点温度Ｔｐの関係を示す図、（ｂ）はカット角θと頂点温度Ｔｐの関係を示す図である。 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の関係を示す図である。 本発明に係るＳＡＷ共振子の電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒと頂点温度Ｔｐの関係を示す図である。 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と電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒの関係を示す図である。 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）は横結合型ＤＭＳフィルタを示す図、（ｂ）は縦結合型ＤＭＳフィルタを示す図である。 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）は双方向にＳＡＷを励振させるＩＤＴを配置したトランスバーサルＳＡＷフィルタを示す図、（ｂ）は一方向にＳＡＷを励振させるＩＤＴを配置したトランスバーサルＳＡＷフィルタを示す図である。 従来のＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子を説明する図である。 （ａ）及び（ｂ）は−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。

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 (15)

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、そのカット角θを結晶Ｘ軸を回転軸とした結晶Ｚ軸の回転角度とし、結晶＋Ｚ軸から結晶＋Ｙ軸側へ回転させる方向を前記カット角θが負となる回転方向として、−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°とした水晶平板からなる回転Ｙカット水晶基板であり、
   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電極指幅／（電極指幅＋電極指間のスペース）をライン占有率ｍｒとした時に、カット角θ及び電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒの関係が、−８．０４４８９×１０^-5×θ³−１．４０９８１×１０^-2×θ²−０．８２５０３８×θ−１６．０７３７＜Ｈ／λ×ｍｒ＜−６．１５５１７×１０^-5×θ³−１．０３９４３×１０^-2×θ²−０．５８６５６４×θ−１１．００５２を満足してい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、そのカット角θを結晶Ｘ軸を回転軸とした結晶Ｚ軸の回転角度とし、結晶＋Ｚ軸から結晶＋Ｙ軸側へ回転させる方向を前記カット角θが負となる回転方向として、−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°とした水晶平板からなる回転Ｙカット水晶基板であり、
   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０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０とし、
   前記ＩＤＴを構成する電極指の電極指幅／（電極指幅＋電極指間のスペース）をライン占有率ｍｒとした時に、カット角θ及び電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒの関係が、−８．６７６３２×１０^-5×θ³−１．５０４１４×１０^-2×θ²−０．８７０５１４×θ−１６．７６７８＜Ｈ／λ×ｍｒ＜−５．９２５５４×１０^-5×θ³−１．０２１８３×１０^-2×θ²−０．５８８７０４×θ−１１．２７６８を満足していることを特徴とした弾性表面波デバイス。
3. 前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板上にＩＤＴを少なくとも１個配置した１ポートの弾性表面波共振子であることを特徴とした請求項１乃至２のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
4. 前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板の弾性表面波の伝搬方向に沿ってＩＤＴを少なくとも２個配置した２ポートの弾性表面波共振子であることを特徴とした請求項１乃至２のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
5. 前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板の弾性表面波の伝搬方向に対して複数個の弾性表面波共振子を平行に近接配置した横結合型多重モードフィルタであることを特徴とした請求項１乃至２のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
6. 前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板の弾性表面波の伝搬方向に沿って複数個のＩＤＴからなる２ポートの弾性表面波共振子を配置した縦結合型多重モードフィルタであることを特徴とした請求項１乃至２のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
7. 前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板上に複数個の弾性表面波共振子を梯子状に接続したラダー型弾性表面波フィルタあることを特徴とした請求項１乃至２のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
8. 前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板上に弾性表面波を双方向に伝搬させるＩＤＴを所定の間隔を空けて複数個配置したトランスバーサルＳＡＷフィルタであることを特徴とした請求項１乃至２のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
9. 前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板上に弾性表面波を一方向に伝搬させるＩＤＴを少なくとも１つ配置したトランスバーサルＳＡＷフィルタであることを特徴とした請求項１乃至２のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
10. 前記弾性表面波デバイスは、弾性表面波センサであることを特徴とした請求項１乃至２のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
11. 前記弾性表面波デバイスは、ＩＤＴの両側にグレーティング反射器を有することを特徴とした請求項１乃至１０のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
12. 少なくともＩＤＴ上に保護膜を設けたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
13. 前記保護膜がＳｉＯ₂であることを特徴とする請求項１２に記載の弾性表面波デバイス。
14. 前記保護膜がＡｌを陽極酸化したものであることを特徴とする請求項１２に記載の弾性表面波デバイス。
15. 請求項１乃至１４のいずれかに記載の弾性表面波デバイスを用いたモジュール装置、又は発振回路。

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