JPS635609A

JPS635609A - 表面弾性波装置

Info

Publication number: JPS635609A
Application number: JP14934186A
Authority: JP
Inventors: ビカシュ　シンハ
Original assignee: Schlumberger Overseas SA
Current assignee: Schlumberger Overseas SA
Priority date: 1986-06-25
Filing date: 1986-06-25
Publication date: 1988-01-11

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は表面弾性波（ＳＡＷ）装置に関し、更に詳細に
は、精度を改善したＳＡＷ装置、及び装置内の応力及び
温度の効果を補償する角方位及び伝播方向を有する結晶
に関する。

（従来の技術）共振器及び遅延線のようなＳＡＷ装置は、通信及び他の
分野において、加速度、応力またはひずみ、及び圧力の
ようなパラメータを測定するためのセンサに用いられて
いる。ＳＡＷ装置センサは、−般に、加速度、応力もし
くはひずみ、または圧力を受けると変形させられる薄い
可撓性ダイヤフラムを横切る表面弾性波の伝播を基礎と
している。

上記センサは表面弾性波の特性に対する重大なパラメー
タの効果を測定し、そしてこの測定値を用いて上記重大
なパラメータを准論する０通信及び他の分野においては
、種々の信号処理用に表面弾性波装置が用いられている
。ＳＡＷ装置センサの種々の使用については、米国特許
第４．４１９，６００号ならびに第４．５）２．１９８
号、及び係属中の米国特許出願第４２７，２４０号（１
９８２年９月２９日出願）、第６８７，７１５号ならび
に第６８７．７１６号（いずれも１９８４年１２月３１
日出願）に記載されている。

上記の米国特許及び米国特許出願の内容については本明
細書に参照として記載するが、それらの開示内容のうち
、背景部分、並びにそれらにおいて説明または引用され
ている先行技術の記載に注目されたい、なお、米国特許
第３．７７１．０７２号、第３．７７２．６１８号、第
３．８１８．３８２号、第３．８６６、１５３号、第３
．９９５．２４０号、第４．１０９．１７２号、第４．
１０９．１７３号、第４，２２０，８８８号、第４．２
２４．５４８号、第４．２２４，５４９号及び第４，３
２３，８０９号を参照されたい。

ＳＡＷ装置の望ましい重要な特性の一つはその周波数安
定性である。しかし、周波数安定性は、主として、弾性
波が沿って伝播する面内に種々の形式のバイヤス的状態
または応力分布として現われる環境因子によって悪影響
を受ける可能性がある。例えば、温度で誘発される温度
誘発ひずみ及び加速度で誘発される加速度誘発質量力が
、取付け用支持力とともに、不所望な周波数ドリフトを
生じさせる可能性がある。それで、環境因子に対するＳ
ＡＷ装置の感応性をもっと小さくすることが必要になっ
ており、本発明の重要な特徴はかかる必要性の少なくと
も若干のものを満たそうとするものである。

ＳＡＷ装置における結晶方位及び表面弾性波の伝播方向
の選定は、環境因子が同波数安定性に影響を及ぼすに際
して顕著な効果を有する可能性がある。成る環境因子に
対する望ましい結晶方位及び伝播方向を、例えば、波動
の線形関係を含むシミュレーションを用いることによっ
て推論することができるが、この範喝内にない若干の環
境因子がある。例えば、表面波製伝播に対する温度誘発
効果及び応力誘発効果は、運動の線形方程式に基づいて
解くことはできないと考えられている。ところが、温度
効果及び応力効果は周波数安定性に対して極めて重大な
ものになる可能性がある。

業界に広く用いられていると考えられている一つの形態
として、いわゆるＳＴカット状の水晶板の使用がある。

もう一つの形態として、いわゆるＳＳＴカットの使用が
ある。現在の電気電子学会（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ
　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉ
ｃＥｎｇｉｎｅｅｒｓ　）即ちＩ　ＥＥＥの前身の無線
学会（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｒａｄｉｏ　Ｅｎｇｉｎｅ
ｅｒｓ　）で採用されており、Ｉ　ＥＥＥの会議　録、
１９４９年１２月号、第１３７８〜１３９０頁の「圧電
結晶についての基Ｙ＄　　（５ｔａｎｄａｒｄｓ　　ｏ
ｎ　　Ｒｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　　Ｃｒｙｓｔａｌ
ｓ）　　　。

１９４９：基準４９１ＲＥ１４．ＳＩＪに記載されてい
る基準を用いると、ＳＴカットの特徴としては、角方位
シータ（θ）が４２．７５°、伝播方向ガンマ（ｙ）が
００であり、ＳＳＴカットの特徴としては、角方位が−
４９，２２°、伝播方向Ｔが２３°である。−般に用い
られているＳＴカットＳＡＷ装置は、該装置の平面内の
平面的等方性応力分布のような応力、またはその基体の
撓曲荷重による二輪応力に対しては、少なくとも若干の
適用においては、適切な補償をなさず、金属電極ストラ
イプのアレイによる周期的熱応力分布に対して極めて狭
い帯域巾にわたって補償をなすのみであると考えられて
いる。また、ＳＴカットＳＡＷ装置は、動的熱効果によ
って著しく影響を受けると考えられている。同じではな
いが類似している欠点がＳＳＴカットＳＡＷ装置にもあ
ると考えられている。なお、米国特許第４，４９９，３
９５号を参照されたい。この米国特許においては若干の
他のカットが提案されている。

（発明が解決しようとする問題点）本発明はＳＡＷ装置についての上記従来の問題に鑑みて
なされたものであり、かかる装置に対して従来用いられ
ていたものとは異なる結晶方位及び伝播方向を用いるこ
とにより、ＳＡＷ装置における応力補償及び温度補償に
ついての予期せざる顕著な改善が得られるということを
見出したことによってなされたものである。

（問題点を解決するための手段）本発明の重要な特徴は、本明細書においてＳＴＣカット
（応力及び温度補償カットを表わす）と呼ぶ新規なカッ
トを用いたことにあり、このＳＴＣカットは、かかる装
置に対して従来用いられていたものとは異なる角度的方
位及び伝播方向を特徴とする。ＳＴＣカットを用いた本
発明のＳＡＷ装置においては、従来のＳＴカット装置と
比べて、ＳＡＷ速度が高く、粘性減衰が低く、動的熱効
果が低く、ＳＡＷ伝播の平面内の平面的等方性応力及び
撓曲荷重に基づく二軸応力に対する補償が大きく、また
、電極ストライプのアレイに基づく周期的熱応力分布に
対して広い帯域巾にわたって補償がなされる。本発明の
一実施例においては、ＳＴＣは、前述のＩ　ＥＥＥ標準
の表示法を用いた場合に、伝播方向γ＝　４６．９°で
あり、角力位θ＝４１．８’であることを特徴とする。

本発明の他の重要な特徴は、本発明の実施例について図
面を参照して行なう以下の詳細な説明から明らかになる
。

（実施例）第１図について説明すると、Ｓ’ＡＷ装置１０は、単結
晶（または実質的に単結晶）水晶のような材料の基体１
２を具備している。その一つの平坦面上に、基体１２は
、１対の表面波インタディジタルトランスジューサ１６
及び１８並びに表面波格子リフレクタ２０及び２２を有
す。このＳＡＷ装置は、定在波が設定される２ボート形
ＳＡＷ共振器である。業界に周知のように、類似の構造
をＳＡＷ遅延線として用いることができる。圧力のよう
なパラメータを測定するための感知器の一部としてこの
装置を用いる場合には、基体ニジを、圧力が加えられた
ときに該基体の撓曲を許す支持体に取付け、撓曲の結果
として定在波周波数を変化させるようにすることができ
る。この周波数変化を、印加圧力の尺度として用いるこ
とができる。

或いはまた、基体１２を、例えば、圧力を受けるシリン
ダのような構造体の一体的部分となし、同様の変化を周
波数に生じさせることができる。例示の基体１２は、Ｘ
″Ｚ＃軸の平面内にあってＹ″軸と垂直である頂面を有
す０表面弾性波はＹ′軸に沿って伝播する。この座標系
の意味を第２図で示す。第２図には、単結晶（または実
質的に単結晶）水晶の立方体２４を例示してあり、この
立方体は結晶軸Ｘ、Ｙ及びＺを有す。Ｙ軸は、上記のＩ
　ＥＥＥ基準において定義されている如く、斜軸であり
、Ｙ軸は三角晶軸である。Ｙ軸と垂直である面ＡＢＣＤ
をＸ軸中心に回転させ、Ｙ′軸と垂直である位置ＡＢＥ
Ｆをとらせたとすると、面ＡＢＥＦは回転Ｙカットと呼
ばれ、その「角度的方位」、即ち、Ｙ軸とＹ′軸との間
の角シータ（θ）によって定義される。−般に用いられ
るＳＴカットの場合にはθ＝４２．７５＠であり、ＳＳ
Ｔカットの場合にはθ＝−４９，２２”である。

本発明の重要な特徴として見出だされたＳＴＣカットの
一例においては、θ−４１，８°であり、伝播方向ガン
マ（γ）（第３図について後述する）は４９．６”であ
る。

第３図は、第２図のＹ′軸と垂直の大きな面を有するＳ
ＴＣ基体の平面図である。稜ＡＢ及びＥＦはＸ結晶軸（
斜軸）と平行であり、稜ＡＦ及びＢＥはＺ′軸と平行で
ある。このＺ′軸は、Ｘ軸中心に、Ｘ結晶軸（三角晶軸
）から、角方位角度θだけ回軸させられており、このθ
は、例示のＳＴＣカットの場合、４１．８°である。Ｓ
ＴＣカットに対して本発明の実施例において選定された
伝播方向γは４６．９”である。これは、Ｘ結晶軸とＹ
′軸との間の角度である。Ｙ′軸は、このＳＡＷ装置に
おいて、これに沿って表面弾性波が伝播する方向である
。第１図においては、定在波がトランスジューサ１６と
１８との間で進む方向は方向Ｘ＃である。−般に用いら
れるＳＴカットにおいては、ｒ＝ｏ　’、即ち、表面弾
性波はＸ結晶軸に沿って伝播するのであり、ＳＳＴカッ
トにおいてはＴ＝２３°である。伝播方向Ｘ″を選定し
たら、基体１２を、取付けに都合のよい任意の形状に切
断してもよい。例えば、第３図に示す矩形板１２を切断
して第１図の基体１２を形成することができる。いうま
でもなく、矩形以外の形状を用いることもできる。例え
ば、円板を用いてもよ（、または、ＳＡＷが伝播する面
を、複雑な構造体の一部、例えば円柱としてもよい。第
２図及び第３図に示す基体は回転Ｙカットであり、Ｙ軸
とＹ′軸との間の角度ファイ　（φ）はゼロである（即
ち、Ｙ軸及びＹ軸はＸ軸中心に回転してＹ′及びＺ′の
位置をとり、Ｙ軸とＹ′軸とは一致している）。

本発明のＳＴＣカットを基礎とするＳＡＷ装置と従来の
ＳＴカットを用いたＳＡＷ装置との間の若干の顕著な差
異を第１図に示す（表は、実際のＳＡＷ装置を並べて試
験したものではなく、模型実験した推定値に基づくもの
である）。以下、これについて詳細に説明する。

第１表ＳＴＣカット及びＳＴカットの伝播特性方位　　　φ＝
　０　、　Ｏ＝４１．８０″１　φ＝０．０＝４２．７
５　＠伝播方向　γ＝４６．８９°（ＳＴＣカット）γ
＝０°（ＳＴカプト）速度　　　　　　３２８８．６６
　ｍ／ｓ　　　　３１５８　ｍ／ｓパワー流れ角　　−
６，５０゜ターンオーバ温度　２３℃　　　　　２３℃τ　Δ　ｌ第１表に示すように、本発明のＳＴＣカットに基づく装
置のＳＡＷ速度は従来のＳＴカットに対するものよりも
高く、このことは、中んずく、より高い周波数を得るこ
とができ、且つ、付随する物質減衰が低くなるというこ
とを意味する。パワー流れ角はもはや伝播方向と一致し
ないが、これについては必要に応じて説明することがで
きる。

インクディジタルトランスジューサと水晶基体との間の
結合の尺度である電気機械的結合係数は若干低くなるが
、エネルギーの適切な伝達のためにはなお十分である０
本発明のＳＴＣカットの場合には、粘性減衰が著しく低
減し、性能上の利益が得られる。重要なこととして、動
的熱効果は、ＳＴＣカットに対しては、従来のＳＴカッ
トに対するよりも著しく低い。応力補償については、Ｓ
ＴＣカットは、装置の平面（表面弾性波の伝播の平面）
内の平面的等方性応力分布に対して、及び基体の撓曲荷
重に基づく二軸応力に対して補償をなすが、従来のＳＴ
カットはかかる補償を有意的程度までは与えないものと
考えられている。金属電極ストライプのアレイ　（イン
クディジタルトランスジューサ）に基づく周期的熱応力
分布に対する補償については、ＳＴＣカットは、従来の
ＳＴカットの場合よりも、著しく広い帯域巾にわたって
補償をなす。

背景については、水晶ＳＡＷ共振器の過渡的熱応答が中
間期間周波数安定性に対する重要な寄与的因子であると
考えられている。水晶共振器を、そのターンオーバ温度
付近で作動するように（最大の周波数安定性を得るため
に）炉処理した場合でも、小さな熱的過渡現象、過渡偏
倚及び循環現象は完全には回避されない。その結果とし
て水晶基体に生ずる一時的温度勾配のために不所望な周
波数偏倚が生じ、これは高精度ＳＡＷ装置の性能を制限
する可能性がある。ＳＡＷ共振器は、雇々、矩形または
円形の基体上に作られる。これら基体は種々の形式の外
囲器に詰め込まれて真空封止される。この外囲器は装置
の熱伝達特性にかなりの影響を及ぼす。伝播方向と平行
及び垂直の温度勾配を有する直立した山のある表面波の
相互作用は、ＳＡＷ共振器における過渡的周波数偏倚の
２つの主たる原因であると考えられている。伝播方向と
平行な温度勾配がＳＡＷ装置の中心の回りで対称である
と、基体及び表面波伝播方向と垂直な温度勾配は熱的過
渡現象の支配的原因となる可能性がある。

上述した熱的過渡現象のほかに、インクディジタルトラ
ンスジューサはまた熱的効果に寄与する可能性がある。

ＳＡＷ共振器は、−般に、装置の端部に反射用溝または
金属ストライプのプレイによって形成された共振空洞内
の表面弾性波の発生及び／又は検出のために１つまたは
２つのインタディジタルトランスジューサを用いている
。インタディジタルトランスジューサは、通例はアルミ
ニウム類であるストライプの周期的アレイを有しており
、該ストライプの熱膨脹係数は水晶の熱膨脹係数と異な
っている。従って、この複合構造体の温度が変化すると
、水晶基板内に熱応力分布が生ずる可能性がある。そし
て、その結果、ＳＡＷ周波数に不所望の偏移が生ずる可
能性がある。

ＳＡＷ装置面の電極付き部分は、温度循環作用の下で、
装置特性のヒステリシス及び非反復性に対して、被覆な
し面よりも多く寄与すると考えられている。このことが
生ずるのは主として、基体結晶（例えば水晶）が、温度
で誘発される変形または外部的印加荷重による変形の下
では、多結晶電極（代表的には金属製）よりも弾性が大
きいからであると考えられている。また、薄い電極膜を
水晶のような基体上に沈着させると、この膜内の固有の
応力のために、上記基体のバイアス的変形状態が生じ、
そのために共振器周波数に変化が生ずる可能性があると
考えられている。また、上記膜内の固有応力及び隣接の
基体上の上記バイアス的状態の弛緩が遅く、これが、共
振器特性の長期ドリフト（または時効）に対する主な寄
与的因子となる可能性がある。しかし、基体のバイアス
的変形状態は、周期的電極フィンガ内の固有応力、また
は、電極と基体との間にあるような熱膨張係数゛の差異
に基づく熱応力により、類似の応力分布を有するという
ことが見出されている。従っｔ、インタディジタルトラ
ンスジューサまたは反射用ストライプの電極パターンに
よって生ずる基体内の周期的応力分布に対して実際上無
感応である方位及び伝播方向を探索することが重要なこ
とである。

かかる応力分布に対して実質的に無感応である方位は、
ＳＡＷ装置の周波数安定性に対する電極応力の弛緩の効
果を低減させることにより、高精度ＳＡＷ装置の時効特
性を改善することができる。

周波数安定性、特に中間期間安定性に対する他の重要な
因子は加速度応力である。ＳＡＷ装置は、加速度で誘発
される周波数偏移を生じさせる可能性のある高い衝撃及
び振動のある環境内で使用される可能性がある。外部的
に加えられる加速度基があると、取付は用支持体からの
反作用と一緒に、ＳＡＷ装置基体全体にわたって分布質
量力が生ずる可能性がある。従って、ＳＡＷ装置の加速
度感応性は、該装置の加速度方向及び結晶方位によるだ
けでなく、更に取付は用支持体の設計によっても影響を
受ける。−般に、ＳＡＷ装置に対しては、任意の方向に
おいて加速度に対する最大の無感応性を有することが望
ましい、この目的が達せられない場合には、板状基体と
垂直な方向の加速度に対するＳＡＷ装置の加速度感応性
を格段に低減させる結晶方向及び伝播方向を選定するこ
とが一般に重要である。即ち、薄い板は、法線加速度基
にさらされるときに大きな撓曲的変形を最も受は易いか
らである。

周波数安定性に対する更に他の重要な因子は接着及び取
付けの応力である。−般に、ＳＡＷ装置は、表面弾性波
の伝播媒体として薄い板状構造体を用いている。結晶（
板状）基体を外囲器に接着する方法及びこれをホルダに
取付ける方法はいろいろとある。各形状により、ＳＡＷ
装置の付近に異なる応力分布が生ずる可能性がある。し
かし、板の厚さにわたるどの応力分布も、伸縮的（対称
的）及び撓曲的（非対称的）変形として表わすことがで
きる。従って、これら２つの形式の応力分布に対して補
償される全ての結晶方位及び表面弾性波の伝播方向は、
かかる環境的因子に対する装置性能の感応性を大巾に低
減させることができる。

ここに詳細に説明する本発明のＳＴＣカットを用いるＳ
ＡＷ装置の形態の一例としては薄い円板の形式がある。

この装置は、例えば、全水晶部の外囲器を有す。即ち、
この外囲器は同じ結晶方位の他の円板で真空封止されて
いる。接着剤は、例えば、水晶の熱膨張係数とほぼ同じ
熱膨張係数の透過性またと失透性のガラスフリフトであ
る。接着層は、例えば、上記円板の周縁に沿う円形リン
グの形状である。この扁平バンク形の外囲器は、例えば
、上記円板の雨露出面上にリング状支持部を有す、この
取付は法は、使用されている結晶方位が、上記円板の撓
曲的変形から生ずる二輪応力に対して適当に補償される
ならば、上記円板の面に対して主として垂直に働く加速
度に対するＳＡＷ装置（または遅延線）の感応性をかな
り低減させることができる。

本発明の一実施例であるＳＴＣカットＳＡＷ装置の若干
の特性を示すために、かかる装置の模型実験によって計
算的結果を得た。これについて次に説明する。この計算
的結果について次に説明する実施例ＳＡＷ装置は回転Ｙ
カット水晶基体（θ＝　４１．８°）である。

第４図は、結晶の斜軸から測った度単位の伝播方向γの
関数としてのＳＡＷ速度をｍ　／　ｓ単位で示すもので
あり、第５図は、伝播方向Ｔからのずれの度単位のパワ
ー流れ角度を、この同じ伝播方向の関数として示すもの
であり、第６図は、水晶基体上の極度に薄い導電膜によ
る速度の変化（これは水晶における表面波の電気機械的
結合の尺度である）を、これも上記と同じ伝播方向の関
数として示すものである。第４図に示すように、速度は
斜軸と垂直の伝播方向において最高である。中んずく、
次の理由のために、即ち、高い速度は低い物質減衰を意
味するので、及び、第５図が、斜軸に対する９０″の伝
播に対して０°の良好なパワー流れ角度を示しているの
で、高い速度が望ましいが、第６図は、９０’付近の伝
播方向は、かかる伝播角度に対する電気機械的結合が余
りに低いので、実用的でないということを示唆している
。

第４図はまた、４５°付近の伝播方向が、速度が過度に
高く且つ曲線が余り急峻ではないので、望ましいという
ことを示唆している。このことは、伝播方向の高度の正
確性は極めて重要なことではないということ、即ち、４
５°付近の伝播方向を有するＳＡＷ装置は、伝播方向に
おける製造誤差に対する感応性が、例えば６０°付近の
伝播方向を有する装置よりも低いということを意味する
。

即ち、上記６０＠付近においては、第４図の曲線は極め
て急峻になっている。第５図は、４５°伝播方向の付近
に対して示されるパワー流れ方向がＳＡＷ装置の設計に
取り入れ可能であるということを示唆しており、第６図
は、４５°付近の伝播方向に対する電気機械的結合が、
その理由が適切であるならば、満足すべきものであると
いうことを示唆している。

第７図は、ＳＡＷ装置における格別の重要な特性、即ち
、温度で誘発される周波数偏移を伝播方向の関数として
示すものである。本発明の完成途上で見出され、そして
第７図に示しである模型実験した計算的結果によれば、
温度誘発周波数偏移は、０°の伝播方向及び４５°を若
干越える伝播方向の付近においてゼロとなっている（そ
して、この曲線は９０″点に関して対称である）。これ
ら２つの伝播方向の間では、４５°を若干越える伝播方
向の方が、中んずく、この方向が高いＳＡＷ速度を与え
るので、好ましい。第７図は、２３℃の基準値からの１
℃の温度変化に基づ＜　ＳＴＣカットＳＡＷ共振器周波
数の、模型実験及び計算した分数的変化を示すものであ
る。

第８図について説明すると、図示の曲線は、２３℃の基
準温度における遅延のゼロ温度係数に対する方位及び伝
播方向の軌跡を示すものである。

上記曲線上の各点は、回転Ｙカット水晶基体に対する角
方位及び遅延のゼロー次係数があるＳＡＷ装置に対する
伝播方向に対応している。本発明のＹカット及び従来の
ＳＴカットに対する軌跡を、矢印でそれぞれ示しである
。

外部的に加えられる力によるＳＴＣカットの平面内の平
面的応力分布についての模型実験した効果を第９３図な
いし第９Ｃ図に示してあり、これから、かかる平面的応
力の等方性分布は周波数変化を誘発することはないとい
う結論が導き出される。第９ａ図は、頂面にＳＡＷ遅延
線（または共振器）を有する薄い円形板の断面図であり
、第９ｂ図は上記円板の頂面図である。図示のＳＡＷ装
置は本発明のＳＴＣカットを用いており、第９ａ図及び
第９ｂ図に示す座標系は第２図及び第３図において用い
たものと同じである。第９Ｃ図は外部的に加えられる力
Ｆによる力・周波数効果を示すものであり、この力は、
第９ｂ図に示すように、方位角度プサイ　（甲）におい
て上記ＳＡＷ装置円板に対して働く１対の直径方向力Ｆ
からなっている。第９Ｃ図の上記模型実験及び計算した
結果から解るように、曲線の下の面積はゼロになり、こ
の方位に対する平均の力・周波数係数はゼロである。

ＳＡＷ共振器は、−般に、第１０２図ないし第１０ｂ図
に示すように、装置の端部にある反射用溝または金属ス
トライプのアレイによって形成される共振空洞内の表面
弾性波の発生及び検出のために、１つまたは２つのイン
タディジタルトランスジューサを用いている。インタデ
ィジタルトランスジューサは金属ストライプ（通例、ア
ルミニウム製）の周期的アレイを有しており、この金属
ストライプは、屡々、電極フィンガと呼ばれ、その熱膨
張係数は水晶の熱膨張係数と異なっている。

従って、このＳＡＷ装置の複合構造体の温度が変化する
と、その水晶基体上に熱応力分布が生ずる可能性があり
、その結果、−般に、ＳＡＷ装置周波数の偏移が生ずる
可能性がある。ＳＴカットＳＡＷ装置の場合に基体上の
電極の周期的アレイに付随する模型実験したバイアス的
応力を第１０Ｃ図に示す。図では、垂直軸はＳＡＷ伝播
の方向に沿う応力成分の尺度であり、水平軸は、ＳＡＷ
伝播方向に沿う距離をミクロン単位で示すものである。

本例においては、波長は約１０ミクロンである。第１０
Ｃ図から解るように、上記応力成分は、水晶の被覆なし
部分、即ち、電極フィンガ相互の間の部分に対しては、
水晶の電極付き部分、即ち、電極フィンガの下にある部
分に対するよりも、格段に小さい。第１０ｃ図に示す如
き状態は、インタディジタルトランスジューサまたは反
射用金属ストライブの電極パターンから生ずる水晶基体
内の周期的応力分布に対して可及的無感応性である方位
及び伝播方向を探索するうえにおいて重要である。かか
る周期的応力分布に対する感応性の小さいＳＡＷ装置は
、時効特性を改善することが期待される。即ち、周波数
安定性に対する電極応力の弛緩の効果が、本発明以前に
知られていたカントにおけるよりも小さいからである。

回転角θ＝４１．８”を有する基体上のアルミニウム電
極ストライブの無限アレイに基づ＜ＳＡＷ装置内の模型
実験した熱応力誘導周波数偏移を、斜軸から測った伝播
方向γの関数として第一１１図に示す。表面波の伝播方
向は、かかる波の発生及び検出のために用いられるイン
クディジタルトランスジューサ内の金属ストライブの長
さと常に垂直であると考えられる。第１１図のグラフは
、図示の特性を有するＳＡＷ装置の共振（同期）周波数
に対するものである。γ＝　４６．９°のＳＴＣカット
に対しては、熱応力誘導周波数偏移は第１０図に示す状
態に対してはゼロであるということが解る。

事実、この模型実験ＳＡＷ装置は、回転角（角方位）θ
と伝播方向γとのい（つかの組合せにおける基本共振周
波数においてゼロの熱応力誘発周波数偏移を有す。これ
を、特定の模型実験ＳＡＷ装置に対して第１１図に示す
０図において、各曲線は、熱応力誘発周波数偏移が基本
共振周波数においてゼロである軌跡からなっている。

本発明のＳＴＣカットは、第１３図に示すように、ゼロ
周波数偏移に対する模型実験した温度及び応力補傷をな
す。第１３図は、ＳＴＣカットに最も関係ある第８図及
び第１２図の各部分を組み合わせ、これを拡大目盛りで
示すものである。図から解るように、４１．８０３°の
角方位θ及び４６、８８６°の伝播方向Ｔに対して、ゼ
ロ温度周波数偏移及びゼロ熱応力周波数偏移に対するそ
れぞれの軌跡の交点がある。第１３図の模型実験結果は
、ＳＴＣカットに対しては、ＳＡＷ装皺は、金属ストラ
イプの無限アレイから生ずる周期的熱応力に対して実質
的に無感応となるということを示している。

第１４ａ図及び第１４ｂ図は、従来のＳＴカッ）ＳＡＷ
装置と本発明のＳＴＣカットＳＡＷ装置とにおける模型
実験した熱応力誘発周波数偏倚を比較して示すものであ
り、図の曲線は、波長対周波数の比の関数としてプロッ
トしである。基本共振周波数において、この波長対周波
数の比は、従来のＳＴカットに対しては約２である。結
晶共振器の適用の大部分ではないにしても多（のものは
、。

共振周波数におけるだけではなしに成る帯域巾にわたっ
て熱応力に対して無感応であることを必要とする。第１
４ａ図及び第１４ｂ図から解るように、本発明のＳＴＣ
カットＳＡＷ装置は、従来のＳＴカットの場合よりも広
い帯域巾にわたって格段に低減した熱応力誘発周波数偏
移を示す。垂直軸の単位について見ると、従来のＳＴカ
ットに対する第１４ａ図のグラフは約２７単位の範囲に
わたって延びており、これに対して、本発明のＳＴＣカ
ットに対するグラフは４単位未満の範囲にわたって延び
、従来のＳＴカットに比べて、格段に広い帯域巾を与え
、従って格段の作動上の利点を提供する。

第１５ａ図及び第１５ｂ図は従来のＳＴカットと本発明
のＳＴＣカットとを熱的過渡応答について比較するもの
である。図の熱的過渡応答曲線は、ｌ　ｍｍの基体厚さ
に対するものであり、そして、装置の外面が、［１−ｅ
ｘｐ（−βｔ）〕］で与えられる指数関数的温度上昇に
さらされるときのものである。第１５ａ図及び第１５ｂ
図の各々における曲線１．２及び３は３つの異なる共振
周波数に対するものである。第１５ａ図及び第１５ｂ図
の模型実験結果は、本発明のＳＴＣカットは、熱的過渡
現象の大きさが従来のＳＴカットよりも約１８％低く、
従って熱的過渡応答の著しい改善をもたらしているとい
うことを示している。上記の指数関数的温度上昇を表示
する図において、変数ｔは時間であり、温度上昇は、Ｓ
ＡＷが沿って伝播するＳＡＷ装置の外面の温度上昇であ
る。第１５ａ１ｍ及び第１５ｂ図に示しである定数βは
、曲線を実際の測定値に合うように調整することによっ
て得たものである。

第１６図は、矩形板がその１対の後に沿う−様な曲げモ
ーメントを受けている状態を示すものであり、第１７図
及び第１８図は、ＳＴカット装置（第１７図）及びＳＴ
Ｃカット装置（第１８図）における曲げモーメント誘発
周波数偏移を比較するためのものである。第１７図及び
第１８図における時間遅延（Δτ／τ）　ＥＭＡＸの分
数的変化は、単に、曲げに基づ（最大撓曲表面ひずみＥ
□８の単位変化当りの周波数の分数的変化のの質量であ
る。小さな正方形を接続している曲線はＳＡＷの伝播方
向と平行な撓曲バイアス的応力に関するものであり、小
さな円を接続している曲線は上記伝播方向と垂直な撓曲
バイアス的応力に関するものであり、そして、第１７図
における第３の曲線は遅延の一次温度係数の重ね合わせ
である。第１７図及び第１８図から解るように、ＳＴカ
ット（伝播方向γは０″である）における撓曲荷重によ
る二軸応力に対する補償は殆んど無いかまたは全（無い
が、ＳＴＣカット（伝播方向γは４６．９”である）に
対する補償はある。上述の時間遅延の分数的変化（Δτ
／τ）は、問題とするＳＡＷ装置を用いている共振器の
周波数の分数的変化（Δｆ／ｆ）の質量であり、そして
、伝播方向γに沿う２つの観察点間の通過時間に関係し
ている。この観察点は空間的に固定している。量Ｅ　ｔ
ｅａ工は最大撓曲ひずみであり、これは薄い板（第１６
図）を曲げる際に現われ、無次元の量である。時間遅延
の分数的変化を正規化するのが通例である。

ＳＴＣカットＳＡＷ装置は、高安定ＳＡＷ共振器及び他
のＳＡＷ装置用に、特に、約２３℃のターンオーバ温度
中心に温度制御した環境内で用いることができる。同じ
基体上でＳＡＷ温度計伝播方向で用いると、ＳＴＣカッ
トＳＡＷ装置は、広い温度範囲にわたる坑内（検層）周
波数計数用の極めて安定な高周波数基準源を提供するこ
とができる。ＳＴＣカットに対する基体方位に対する５
ＡＷｉ度計伝播方向は斜軸から約３４．９°の角度にあ
る。この方位は、２３℃において１℃当り約２１ｐｐｍ
の周波数の大きな一次温度係数を示す。

この構成は、米国特許第４．４８９．２８９号及びｒ１
９８１超音波学シンポジューム会議録Ｊ　　（１８９１
Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｐｒｃｅ
ｅｄｉｎｇｓ　）　　（４Ｅ　Ｅ　Ｅカタログ８１ＣＨ
１６８９−９、第１３５〜１３８頁）において提案され
ているものであるＭＨｚ範囲内で広い温度範囲にわたる
マイクロプロセッサ制御式の安定な周波数源に類似の設
定に用いることができる。上記の米国特許第４，４８９
，２８９号に提案されている方法は、ここに説明する本
発明のＳＴＣカットに基づくものではなく、「直交通路
」構成及びＳＴカット方位に基づ（ものである。ターン
オーバ温度から十分に遠くで、ＳＴＣカットに基づ＜Ｓ
ＡＷ装置を温度測定のための安定な装置として用いるこ
とができる。

要約すると、本発明の一つの主要なり様は、上述のＩ　
ＥＥＥ基準を用いて測った４６．９”の伝播方向γ及び
約４１．８°の角度的方位θを有する回転Ｙカット水晶
ＳＡＷ装置である。本発明の他の実施例としては、例え
ば製造上の裕度を得るために、上記の諸角度Ｔ及びθに
近似しておってこれからの逸脱が１６．２°、３＠及び
４″のものがある０本発明の他の態様としては、上述し
たように、熱応力ゼロ周波数偏移に対応するＴ及びθの
軌跡を示している第１２図の軌跡の群から選択した軌跡
によって決定される伝播方向Ｔ及び角度的方位θを有す
る回転Ｙカット水晶５ＡＷｉ置がある。即ち、従来のＳ
Ｔカット及びＳＳＴカットは第１２図に示す軌跡によっ
て表わされてはいない。

本発明の他の態様としては、Ｔ及びθが、第８図にＳＴ
Ｃカットと表示しである曲線上の軌跡の群から選択した
軌跡によって決定されている、または少なくとも角度Ｔ
及びθがこのような軌跡にほぼ対応しているＳＡＷ装置
がある。本発明の更に他の態様は、上掲の第１表におい
てＳＴＣカット装置と識別されるＳＴカット装置に対す
る１つまたはそれ以上の利点を得るようにγ及びθを選
択することに関するものである。いうまでもなく、特許
請求の範囲の記載の如き本発明の範囲内で種々の変更が
可能であり、本発明は上述の実施例に限定されるもので
はない。

【図面の簡単な説明】

第１図は２ボート形ＳＡＷ共振器の形式のＳＡＷ装置の
斜視図、第２図は、水晶のような結晶の立方体、及び角
方位を定義するために本明細書において用いる関係のＩ
　ＥＥＥ基準表記法を示すための斜視図、第３図は、第
２図の立方体を裁断し、及び伝播方向を定義するために
本明細書において用いる関係のＩ　ＥＥＥ基準表記法を
示すための平面図、第４図は回転Ｙカット（θ＝４１．
８’）基体上のＳＡＷの速度を伝播方向Ｔの関数として
示すグラフ、第５図はパワー流れ角度を伝播方向γの関
数として示すグラフ、第６図は水晶基体上の極度に薄い
導電膜に基づく表面波の速度変化を伝播方向γの関数と
して示すグラフ、第７図はＳＡＷ共振器の周波数の温度
誘発分数的変化を伝播方向Ｔの関数として示すグラフ、
第８図は２３℃において遅延のゼロー次温度関数を有す
る表面弾性波の方位及び伝播方向の軌跡を示すグラフ、
第９ａ図はＳＡＷ遅延線（または共振器）を上に有する
薄い円形板の縦断面図、第９ｂ図は方位角！で働く１対
の直径方向力を受けている第９ａ図の円板の平面図、第
９Ｃ図はＳＴＣカット水晶基体（θ＝　４１．８°、ｒ
　＝　４６．９°）に対する力・周波数効果を示すグラ
フ、第１０ａ図は２ボート形ＳＡＷ共振器の平面図、第
１０ｂ図は電極の周期的アレイを示す第１０ａ図の共振
器の一部縦断面図、第１０ｃ図は第１０ａ図の共振器の
交互の被覆なし領域及び被覆付き領域における周期的応
力分布を示すグラフ、第１１図は回転Ｙカット基ｉ＜θ
＝４１．８’）上のＳＡＷ共振器内の熱応力誘発周波数
偏移を伝播方向Ｔの関数として示すグラフ、第１２図は
共振周波数において熱応力補償を示す方位及び伝播方向
の軌跡を示すグラフ、第１３図はＳＴＣカット基体の特
徴をなす角方位及び伝播方向の付近における温度及び応
力補償軌跡を示すグラフ、第１４ａ図は熱応力誘発周波
数偏移をＳＴカット使用のＳＡＷ装置に対する波長対周
波数の比の関数として示すグラフ、第１４ｂ図はＳＴＣ
カット使用のＳＡＷ装置に対する第１４ａ図と同様のグ
ラフ、第１５ａ図は、ＳＴカットに近いカット上のＳＡ
Ｗ共振器の外面が指数関数的温度上昇にさらされるとき
の該共振器の熱的過渡応答を示すグラフ、第１５ｂ図は
ＳＴＣカットに対する第１５ａ図と同様のグラフ、第１
６図は１対の平行稜に沿う曲げモーメントを受ける矩形
状基体の斜視図、第１７図はＳＴカット基体の伝播方向
と平行及び垂直の単位最大表面ひずみ当りの時間遅延の
分数的変化を示すグラフ、第１８図はＳＴＣカットに対
する第１７図と同様のグラフである。１２・・・・・・基体１６．１８・・・・・・表面波インタディジタルトラン
スジューサ２０．２２・・・・・・表面波格子リフレクタｘ、ｘ” Ｆｉｇ　　　３ｉｇ４伝柵方向γ（屓）水晶における衷面凍の＠気風載の精舎伝播方向　γ（度〕７　　（＃）Ｆｉｇ　　　７ θ　　（度）Ｆｉｇ　　　８Ｆｉｇ　　　９−ａ２゜Ｆｉｇ　　　９−ｂ力・周″；尺奴′ｔ−灯する乃イ汀角曲線や　（度）Ｆ！ｇ　　　９−ｃ２ホートＳＡＷ共痕器墨イ木土の電柵の周ＷＩ的アレイＦｉｇ　　　１０−ｂ周翻的構濾内のバイアス庄瓦刀Ｆｉｇ　　　１０−ｃ７　（度）熱元刀ピロ周；反数偏移の軌跡 θ　（度）温度及び肥刀桶イ冨の肇凡跡 θ　（度）Ｆｉｇ　　　１３熱応力誘発聞返ｆ１．偏移ＳＴ−カット（とぞ活２ λ／２Ｆｉｇ　　　　１４−ａ熟庇刀誘発周し反奴偏イ多５ＴＣ−フットビュー熔）Ｆｉｇ　　　　１４−ｂ熱衝Ｖの下でのＳＡＷ只振器円の然的過渡現象ＳＴ−カ
ットルナ１　　　　ｔ（秒）熟謝りの下でのＳＡＷ只撮醋円の然印過渡現豫５ＴＣ−
刀・ント几イナづ　　　　　　　　ｔ　　（秒）曾ミ亀　　　　
　　　　　　　　Ｆｉｇ　　　　　１５−ｂ、／゛Ｆｉｇ　　　１６イ云Ｊａ方、向と平行及び１１頁の撓曲バイアス８つ、
に刀イ云９番方向７（濱）Ｆｉｇ　　　　１７伝柵方句と平行力び垂直の撓曲ノ蒋アスわ元力几例　　
　伝播方向　７（度）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）応力補償のため及び温度補償のためにいずれも選
定された伝播方向ガンマ及び角方位シータを有する表面
弾性波装置。
（２）更に、約４６．９°の伝播方向ガンマ及び約４１
．８°の角方位シータを有する回転Ｙカット水晶表面弾
性波装置を具備する特許請求の範囲第１項記載の表面弾
性波装置。
（３）更に、第１２回軌跡の群から選択された軌跡によ
って決定される伝播方向ガンマ及び角方位シータ有する
回転Ｙカット水晶表面弾性波装置を具備する特許請求の
範囲第１項記載の表面弾性波装置。
（４）更に、第８図にＳＴＣカットを表示する曲線上の
軌跡の群から選択された軌跡によって決定される伝播方
向ガンマ及び角方位シータを有する表面弾性波装置を具
備する特許請求の範囲第１項記載の表面弾性波装置。
（５）−６．５°±４°のパワー流れ角度を有する特許
請求の範囲第１項記載の表面弾性波装置。
（６）表面弾性波装置に沿って伝播する面を有し、且つ
上記面内の平面的等方性応力分布を補償するように選定
された伝播方向ガンマ及び角方位シータを有する基体を
具備する特許請求の範囲第１項記載の表面弾性波装置。
（７）ＳＴカット装置に対する帯域帯と比べて大きい帯
域巾にわたる異種材料の電極ストライプのアレイに基づ
く周期的熱応力分布を補償するように選定された伝播方
向ガンマ及び角方位シータを有する特許請求の範囲第１
項または第６項記載の表面弾性波装置。
（８）基体の撓曲荷重に基づく二軸応力を補償するよう
に選定された伝播方向ガンマ及び角方位シータを有する
特許請求の範囲第１項または第７項記載の表面弾性波装
置。
（９）ＳＴカット装置の表面弾性波速度よりも実質的に
高い表面弾性波速度を有する特許請求の範囲第１項また
は第８項記載の表面弾性波装置。
（１０）ＳＴカット装置の粘性減衰よりも実質的に低い
粘性減衰を有する特許請求の範囲第１項または第８項記
載の表面弾性波装置。
（１１）表面弾性波が沿って伝播する回転Ｙカット水晶
基体を具備する特許請求の範囲第１項記載の表面弾性波
装置。
（１２）水晶が実質的に単結晶である特許請求の範囲第
１１項記載の表面弾性波装置。
（１３）水晶基体が、主面と該基体の上記面上の電極の
アレイを具備する少なくとも１つのトランスジューサを
有しており、上記主面に沿う表面弾性波の伝播方向ガン
マ及び上記主面の角方位シータは、ＳＳＴカット表面弾
性波装置に対する応力補償及び温度補償よりも実質的に
良好な応力補償及び温度補償をなすように選定されてい
る特許請求の範囲第１１項記載の表面弾性波装置。
（１４）伝播方向ガンマが約４６．９°であり、角方位
シータが約４１．８°である特許請求の範囲第１３項記
載の表面弾性波装置。
（１５）ガンマ及びシータが記載の値の±１°の範囲内
である特許請求の範囲第２項、第３項または第１４項記
載の表面弾性波装置。
（１６）ガンマ及びシータが記載の値の±２°の範囲内
である特許請求の範囲第２項、第３項または第１４項記
載の表面弾性波装置。
（１７）ガンマ及びシータが記載の値の±３０の範囲内
である特許請求の範囲第２項、第３項または第１４項記
載の表面弾性波装置。
（１８）ガンマ及びシータが記載の値の±４°の範囲内
である特許請求の範囲第２項、第３項または第１４項記
載の表面弾性波装置。