JP2012060420A - 弾性表面波デバイス、電子機器及びセンサー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極大値と極小値とそれらの間に変曲点とを有する曲線の周波数温度特性を有するＳＡＷデバイスにおいて、周波数温度特性を動作温度範囲に関して最適に調整する。
【解決手段】ＳＡＷデバイス１は、オイラー角（−１．５°≦φ≦１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，｜ψ｜≠９０°×ｎ（但し、ｎ＝０，１，２，３））の水晶基板２の主面に、ストップバンド上端モードのレイリー波（波長：λ）を励振するＩＤＴ３と、ＩＤＴの電極指間に凹設した電極指間溝８とを有し、ＩＤＴライン占有率ηと電極指間溝深さＧとが波長λに関して所定の関係を満足することにより、動作温度範囲で極大値と極小値との間に変曲点を有する三次曲線の周波数温度特性を有し、かつ変曲点をＩＤＴライン占有率ηによって動作温度範囲内で所望の温度又は温度域に調整することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波（surface acoustic wave:ＳＡＷ）を利用した共振子、発振器等の弾性表面波デバイス、並びにそれを備えた電子機器及びセンサー装置に関する。

ＳＡＷデバイスは、例えば携帯電話、ハードディスク、パーソナルコンピューター、ＢＳ及びＣＳ放送の受信チューナー、同軸ケーブルまたは光ケーブル中を伝播する高周波信号や光信号の処理機器、広い温度範囲で高周波・高精度クロック（低ジッタ、低位相雑音）を必要とするサーバー・ネットワーク機器、無線通信用機器等の電子機器や、圧力センサー、加速度センサー、回転速度センサー等の各種センサー装置に広く利用されている。これらの機器・装置は、特に最近の情報通信の高速化によるリファレンスクロックの高周波化や装置筐体の小型化に伴い、装置内部での発熱の影響が大きくなっている。そのため、装置内部に搭載される電子デバイスは、動作温度範囲の拡大や高精度化が要求され、例えば屋外に設置される無線基地局のように低温から高温まで温度変化の激しい環境下で長期に亘って安定した動作が必要となっている。

一般にＳＡＷ共振子等のＳＡＷデバイスにおいて、周波数温度特性の変化には、ＳＡＷのストップバンドや使用する水晶基板のカット角、基板上に形成されるＩＤＴ（interdigital transducer:すだれ状トランスデューサ）の形態等が大きい影響を及ぼす。例えば、ＳＡＷの１波長当たり３本の電極指で構成される単位区間を圧電基板上に繰り返し配列したＩＤＴを有し、ＳＡＷのストップバンドの上端モード、下端モードのそれぞれを励起させる反射反転型ＳＡＷ変換器が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この反射反転型ＳＡＷ変換器によりＳＡＷフィルタを構成すれば、通過帯域近傍の高域側阻止域において高減衰量が実現できるとされている。

また、オイラー角（φ，θ，ψ）＝（０°、１２３°、０°）の所謂ＳＴカット水晶基板を用いた反射反転型ＳＡＷ変換器が知られている（例えば、特許文献２を参照）。同特許文献には、ストップバンドの上端の共振を励振させることができ、ストップバンドの下端の共振を用いる場合よりも周波数温度特性が向上すると記載されている。更に、ＳＡＷにおけるストップバンドの上端モードの方が、ストップバンドの下端モードよりも周波数温度特性が良好であると報告されている（例えば、特許文献３〜６を参照）。

特に特許文献３、４には、レイリー波を利用したＳＡＷ装置において良好な周波数温度特性を得るために、水晶基板のカット角を調整すると共に、ＩＤＴ電極の基準化膜厚（Ｈ／λ）を０．１程度まで厚くすることが記載されている。特許文献３に記載のＳＡＷ共振子は、オイラー角（φ，θ，ψ）＝（φ＝０°、０°≦θ≦１８０°、０°＜｜ψ｜＜９０°）の水晶基板上に、ＳＡＷの１波長当たり２本の電極指で構成される単位区間を繰り返し配列したシングル型ＩＤＴ電極を有する。これにより、レイリー波をストップバンドの上限モードで励振させ、それを利用してＳＡＷ共振子の高周波化と良好な周波数温度特性を実現することができる。

特許文献４には、前記シングル型ＩＤＴ電極を有するＳＡＷ装置において、水晶基板をオイラー角（φ，θ，ψ）＝（φ＝０°、１１０°≦θ≦１４０°、３８°≦｜ψ｜≦４４°）に設定し、ＩＤＴ電極の厚みＨ、ＩＤＴ電極における電極指の幅ｄ、ＩＤＴ電極における電極指間のピッチＰ、及びＳＡＷの波長λにより規定される基準化電極膜厚（Ｈ／λ）と基準化電極幅η（＝ｄ／Ｐ）との関係を、
Ｈ／λ≧０．１７９６η^３−０．４３０３η^２＋０．２０７１η＋０．０６８２
に設定することが開示されている。これによって、レイリー波をストップバンドの上限モードで強く励振させることができる。

特許文献５には、オイラー角（φ，θ，ψ）＝（０°，θ，９°＜｜ψ｜＜４６°）、好ましくは（０°，９５°＜θ＜１５５°，３３°＜｜ψ｜＜４６°）の水晶基板上にシングル型ＩＤＴ電極を配置し、基準化電極膜厚（Ｈ／λ）を０．０４５≦Ｈ／λ≦０．０８５としたＳＡＷ素子が開示されている。これによって、レイリー波をストップバンドの上限モードで励振させ、良好な周波数温度特性を実現することができる。

特許文献６には、オイラー角（φ，θ，ψ）＝（０°１２３°，４３．２°）の面内回転ＳＴカット水晶基板上に前記シングル型ＩＤＴ電極を配置し、その基準化電極膜厚（Ｈ／λ）をＨ／λ＝０．０６、所謂６％λとすることによって、レイリー波をストップバンドの上限モードで励振させるＳＡＷ素子が開示されている。更にこのＳＡＷ素子は、ＩＤＴ電極の電極指幅Ｌｔと電極指ピッチＰｔとにより規定される標準化電極幅η（＝Ｌｔ／Ｐｔ）を、０．５≦η≦０．７に設定することによって、常温（２５℃）において最大８３０ｐｐｍの周波数偏差を実現することができる。

他方、ＩＤＴを構成する電極指間及び反射器を構成する導体ストリップ間の水晶基板表面にグルーブ即ち溝を形成したＳＡＷ共振器が知られている（例えば、特許文献７及び非特許文献１を参照）。特許文献７には、ＳＴカットＸ伝搬水晶基板にＩＤＴ及び反射器をアルミ電極で構成し、かつ水晶基板表面のＩＤＴを構成する電極指間及び反射器を構成する導体ストリップ（電極指）間に対応する領域に溝を形成することにより、Ｑ値が高く容量比が低くなり、共振抵抗の低いＳＡＷ共振器を実現できることが開示されている。更に同特許文献には、ＩＤＴの溝と反射器の溝とを同じ深さにした構造、及び反射器の溝をＩＤＴの溝より深くした構造が記載されている。

非特許文献１には、ＳＴカット水晶基板を用いたグループ型ＳＡＷ共振器の特性が記載されている。その周波数温度特性は、ＳＡＷ伝搬基板の電極で覆われていない水晶面に形成した溝の深さにより変化すること、及び、溝が深くなるに従って、上向き凸の２次曲線の頂点温度Ｔｐが低くなっていくことが報告されている。

このように水晶等の圧電基板に溝を形成して実効膜厚を調整することによって周波数を調整する方法は、当業者によく知られている（例えば、特許文献８乃至１１を参照）。特許文献８記載のＳＡＷデバイスは、ＩＤＴを形成した圧電基板の表面を、該圧電基板のエッチングレートがＩＤＴのエッチングレートより大きくなる条件でエッチングし、その周波数を下降させるように微調整する。特許文献９乃至１１においても、同様に圧電基板の表面をその上に形成したＩＤＴをマスクとしてドライエッチングすることにより、ＳＡＷデバイスの周波数を低域側へシフトさせている。

更に、トランスバーサル型ＳＡＷフィルタにおいて、ＩＤＴ電極の電極指間の圧電基板表面をエッチング加工して溝を形成することにより見かけ上伝搬速度を小さくすることが知られている（例えば、特許文献１２を参照）。これによって、ＳＡＷフィルタの基本設計を変更せずに、ＩＤＴ電極の電極指ピッチを小さくでき、チップの小型化を実現することができる。

また、ＳＳＢＷ（Surface Skimming Bulk Wave）と呼ばれるすべり波を励振するＳＡＷ共振器において、回転Ｙカット、カットアングル−４３°乃至−５２°、すべり波伝搬方向をＺ’軸方向（オイラー角（φ，θ，ψ）＝（０°，３８≦θ≦４７，９０°））の水晶基板に、基準化電極膜厚（Ｈ／λ）が２．０≦Ｈ／λ≦４．０％のＩＤＴ電極をアルミで形成することにより、三次曲線の周波数温度特性を実現し得ることが知られている（例えば、特許文献１３を参照）。すべり波（ＳＨ波）はその振動エネルギーを電極直下に閉じ込めて圧電基板の表面直下を伝搬するので、ＳＡＷが基板表面に沿って伝搬するＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスと比較して、反射器によるＳＡＷの反射効率が悪く、小型化及び高いＱ値を実現し難いという問題がある。

この問題を解決するために、オイラー角（φ，θ，ψ）＝（０°，−６４°＜θ＜−４９．３°，８５°≦ψ≦９５°）の回転Ｙカット水晶基板の表面にＩＤＴとグレーティング反射器とを形成し、ＳＨ波を励振するＳＡＷデバイスが提案されている（例えば、特許文献１４を参照）。このＳＡＷデバイスは、ＳＡＷの波長λで基準化される電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２に設定することによって、小型化、高いＱ値及び優れた周波数安定性を実現している。

更に、かかるＳＡＷデバイスにおいて、電極膜厚が厚いことに起因して発生するストレスマイグレーションが原因となってＱ値や周波数安定性が劣化するという問題を解決するために、ＩＤＴの電極指間の水晶基板に溝を形成することが提案されている（例えば、特許文献１５を参照）。この溝の深さをＨｐ、ＩＤＴの金属膜の膜厚をＨｍとしたとき、ＳＡＷの波長λで基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２（ただし、Ｈ＝Ｈｐ＋Ｈｍ）の範囲と設定することにより、金属膜の見掛け上の膜厚を薄くできるので、通電時のストレスマイグレーションによる周波数変動を抑圧し、Ｑ値が高く、周波数安定性の優れたＳＡＷデバイスを実現できる。

ＳＡＷデバイスの量産過程では、水晶基板の表面にエッチングでＩＤＴの電極指を形成する際に、電極指の膜厚が厚いと、それに起因したサイドエッチングによりＩＤＴのライン占有率（ラインスペース比）ηにばらつきを生じ易い。その結果、ＳＡＷデバイスの温度変化による周波数の変動量にばらつきが生じると、製品の信頼性、品質が損なわれる。この問題を解消するために、オイラー角（φ，θ，ψ）＝（０°、９５°≦θ≦１５５°、３３°≦｜ψ｜≦４６°）の面内回転ＳＴカット水晶基板を採用し、ＳＡＷのストップバンドの上限モードを励振させ、ＩＤＴの電極指間の水晶基板表面に電極指間溝を形成したＳＡＷデバイスが知られている（例えば、特許文献１６を参照）。

また、ＳＡＷデバイスの周波数温度特性が動作温度範囲において二次曲線の場合、周波数変動幅の極小化や変曲点を実現することは困難である。そこで、三次曲線の周波数温度特性を得るために、ＬＳＴカットの水晶基板に空隙層と誘電体膜とを介してＩＤＴ電極を形成し、漏洩型ＳＡＷを励振させるようにしたＳＡＷ装置が提案されている（例えば、特許文献１７を参照）。同特許文献には、レイリー波を用いたＳＡＷ装置において、三次曲線で示されるような周波数温度特性を実現するカット角の水晶基板は発見できなかったことが記載されている。

更に、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子等において、その優れた周波数温度特性を劣化させることなくＱ値を高くするために、水晶基板の表面にＩＤＴと反射器とをＳＡＷの位相速度の方向に対してパワーフロー角ＰＦＡ±３°傾斜させた方向に沿って配置した傾斜型ＩＤＴが知られている（例えば、特許文献１８，１９を参照）。この傾斜型ＩＤＴからなるＳＡＷデバイスは、ＳＡＷの位相の進行方向とその振動エネルギーの進行方向とをカバーするようにＩＤＴ及び反射器を配置することによって、ＳＡＷを反射器で効率良く反射できるので、エネルギーの閉じ込めを効率良く行い、Ｑ値をより高めることができる。

特許第３２６６８４６号公報 特開２００２−１００９５９号公報 特開２００６−１４８６２２号公報 特開２００７−２０８８７１号公報 特開２００７−２６７０３３号公報 特開２００７−３００２８７号公報 特公平２−７２０７号（特開昭５７−５４１８号）公報 特開平２−１８９０１１号公報 特開平５−９０８６５号公報 特開平１−２３１４１２号公報 特開昭６１−９２０１１号公報 特開平１０−２７０９７４号公報 特公平１−３４４１１号公報 再公表ＷＯ２００５／０９９０８９Ａ１公報 特開２００６−２０３４０８号公報 特開２００９−２２５４２０号公報 特許第３８５１３３６号公報 特許第３２１６１３７号公報 特開２００５−２０４２７５号公報

グルーブ形ＳＡＷ共振器の製造条件と特性（電子通信学会技術研究報告ＭＷ８２−５９（１９８２））

上述したように、ＳＡＷデバイスの周波数温度特性には多くの要素が関係しており、その改善を図るために様々な工夫が行われている。特に、レイリー波を用いたＳＡＷデバイスは、ＩＤＴを構成する電極指の膜厚を厚くすることが周波数温度特性の向上に寄与すると考えられている。単にＩＤＴの電極膜厚を厚くするだけでは、通電時のストレスマイグレーションや、ＩＤＴ形成時のサイドエッチングに起因したライン占有率の変動による周波数安定性の劣化等の問題が生じる。その対応策としては、水晶基板表面のＩＤＴの電極指間に溝を形成することにより、電極膜厚を薄くしながらその実効膜厚を大きくして周波数の変動を抑制することが有効である。

しかしながら、上述したＳＡＷデバイスは、漏洩型ＳＡＷを励振させる特許文献１３のＳＡＷ装置を除いて、いずれも動作温度範囲における周波数温度特性が二次曲線で示されるので、周波数変動幅を十分に小さくしたり変曲点を実現し得るまでは至っていない。そのため、最近のＳＡＷデバイスに対する動作温度範囲の拡大や高精度化、温度変化の激しい環境下における長期の動作安定性等の要求に十分に対応することができない。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、動作温度範囲において周波数変動量が極めて小さい優れた周波数温度特性を発揮し、温度が大きく変動するような環境下でも安定して動作する優れた耐環境特性を有し、高いＱ値を実現し得る、共振子、発振器等のＳＡＷデバイスを提供することにある。

本願発明者は、上記目的を達成するために、面内回転ＳＴカット水晶基板を採用し、その表面にストップバンドの上端モードでＳＡＷを励振するＩＤＴを形成し、かつＩＤＴを構成する電極指間の水晶基板表面を凹設して溝を形成したＳＡＷ共振子において、ＳＡＷの波長λ、溝の深さＧ、ＩＤＴの電極膜厚Ｈ、その電極指のライン占有率η等のパラメーターと周波数温度特性との関係を検証した。その結果、動作温度範囲において、周波数変動幅の極小化及び変曲点を実現し得る新規なＳＡＷ共振子を案出した。

この新規な実施形態のＳＡＷ共振子（以下、本実施形態のＳＡＷ共振子という）は、その第１の態様において、オイラー角（−１．５°≦φ≦１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，４２．７９°≦｜ψ｜≦４９．５７°）の水晶基板上に設けられ、ストップバンド上端モードのＳＡＷを励振するＩＤＴと、該ＩＤＴを構成する電極指間に位置する水晶基板を窪ませた電極指間溝を有し、
ＳＡＷの波長をλ、電極指間溝の深さをＧとした場合に、０．０１λ≦Ｇの関係を満たし、
かつ、ＩＤＴのライン占有率をηとした場合に、電極指間溝の深さＧとライン占有率ηとが

…（１）、及び

…（２）
の関係を満たすことを特徴とする。

本実施形態のＳＡＷ共振子は、第２の態様において、前記第１の態様に加えて、電極指間溝の深さＧが、０．０１λ≦Ｇ≦０．０６９５λの関係を満たすことを特徴とする。電極指間溝の深さＧをこの範囲に設定することによって、動作温度範囲内（例えば、−４０℃〜＋８５℃）における周波数変動量を小さく抑制でき、かつ電極指間溝の深さに製造上のばらつきが生じても、個々のＳＡＷ共振子間における共振周波数のシフト量を補正可能な範囲に抑えることができる。

更に本実施形態のＳＡＷ共振子は、第３の態様において、前記第１又は第２の態様に加えて、ＩＤＴの電極膜厚をＨとした場合に、０＜Ｈ≦０．０３５λの関係を満たすことを特徴とする。これにより、動作温度範囲内で良好な周波数温度特性が実現され、電極膜厚を大きくしたときに生じ得る耐環境特性の劣化が予め防止される。

また、本実施形態のＳＡＷ共振子は、第４の態様において、前記第３の態様に加えて、ライン占有率ηが、

…（３）
の関係を満たすことを特徴とする。これにより、周波数温度特性の二次温度係数を小さく抑制することができる。

更にまた、本実施形態のＳＡＷ共振子は、第５の態様において、前記第３又は第４の態様に加えて、電極指間溝の深さＧと電極膜厚Ｈとの和が、０．０４０７λ≦Ｇ＋Ｈの関係を満たすことを特徴とする。これにより、電極指間に溝を設けずにストップバンドの下端モードの共振を用いた従来の場合よりも高いＱ値が得られる。

図１は、本実施形態のＳＡＷ共振子の典型例を示している。図１（Ａ）に示すように、本実施形態のＳＡＷ共振子１は、矩形の水晶基板２と、該水晶基板の主面にそれぞれ形成されたＩＤＴ３と１対の反射器４，４とを有する。

水晶基板２には、オイラー角（−１．５°≦φ≦１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，４２．７９°≦｜ψ｜≦４９．５７°）で表される面内回転ＳＴカット水晶基板を使用する。ここで、オイラー角について説明する。オイラー角（０°，０°，０°）で表される基板は、Ｚ軸に垂直な主面を有するＺカット基板となる。ここで、オイラー角（φ，θ，ψ）のφはＺカット基板の第１の回転に関するものであり、Ｚ軸を回転軸とし、＋Ｘ軸から＋Ｙ軸側へ回転する方向を正の回転角度とした第１回転角度である。オイラー角のθはＺカット基板の第１の回転後に行う第２の回転に関するものであり、第１の回転後のＸ軸を回転軸とし、第１の回転後の＋Ｙ軸から＋Ｚ軸へ回転する方向を正の回転角度とした第２の回転角度である。圧電基板のカット面は、第１回転角度φと第２回転角度θとで決定される。オイラー角のψはＺカット基板の第２の回転後に行う第３の回転に関するものであり、第２の回転後のＺ軸を回転軸とし、第２の回転後の+Ｘ軸から第２の回転後の+Ｙ軸側へ回転する方向を正の回転角度とした第３回転角度である。ＳＡＷの伝搬方向は、第２の回転後のＸ軸に対する第３回転角度ψで表される。

面内回転ＳＴカット水晶基板は、図２に示すように、水晶の直交する３つの結晶軸、即ち電気軸、機械軸及び光学軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸で表したとき、Ｙ軸に垂直なＸＺ面５ａを、Ｘ軸を回転軸として＋Ｚ軸から−Ｙ軸方向に角度θ´（°）回転させた、座標軸（Ｘ，Ｙ´，Ｚ´）のＹ´軸に垂直なＸＺ´面を有するウエーハ５から切り出される。水晶基板２は、更にＹ´軸を回転軸として＋Ｘ軸から＋Ｚ´軸方向を正として角度＋ψ（又は−ψ）（°）回転させた新たな座標軸（Ｘ´，Ｙ´，Ｚ”）に沿ってウエーハ５から切り出して個片化される。このとき、水晶基板２はその長辺（又は短辺）をＸ´軸方向又はＺ”軸方向のいずれに沿って配置してもよい。尚、角度θ´とオイラー角におけるθとは、θ´＝θ−９０°の関係にある。

ＩＤＴ３は、それぞれ複数の電極指６ａ、６ｂからなり、かつそれらの基端部をバスバー７ａ，７ｂで接続した１対の櫛歯状電極３ａ，３ｂを有する。各電極指６ａ、６ｂは、その延長方向が前記ＩＤＴにより励振されるＳＡＷの伝搬方向Ｘ´と直交する向きに配置されている。一方の櫛歯状電極３ａの電極指６ａと他方の櫛歯状電極３ｂの電極指６ｂとは、交互にかつ所定の間隔を開けて一定のピッチで配列されている。図１（Ｂ）に示すように、電極指６ａ、６ｂ間に露出する水晶基板２の表面には、該表面をエッチング等で削除することによって、それぞれ一定深さの電極指間溝８が凹設されている。

１対の反射器４，４は、ＳＡＷの伝搬方向Ｘ´に沿ってＩＤＴ３の外側に該ＩＤＴを両側から挟むように配置されている。各反射器４は、それぞれＳＡＷの伝搬方向Ｘ´に一定のピッチで配列された複数の導体ストリップ４ａ，４ａを有する。前記各導体ストリップは、ＩＤＴ３の前記各電極指と同様に、その延長方向がＳＡＷの伝搬方向Ｘ´と直交する向きに配置されている。図１（Ｂ）に示すように、導体ストリップ４ａ，４ａ間に露出する水晶基板２の表面には、該表面をエッチング等で削除することによって、それぞれ一定深さの導体ストリップ間溝９が凹設されている。

本実施形態において、電極指６ａ、６ｂ及び導体ストリップ４ａ，４ａは、例えばＡｌやＡｌを主体とする合金を用いた金属膜で同じ膜厚Ｈに形成され、総称して電極指ということができる。電極指間溝８と導体ストリップ間溝９とは、同じ深さＧに形成される。ＩＤＴ３の最も外側の電極指６ａ（又は６ｂ）とそれに隣り合う反射器４，４の前記導体ストリップとの間も、同様に水晶基板表面を削除して、前記導体ストリップ間溝と同じ深さの溝が凹設されている。

このように構成したＳＡＷ共振子１は、水晶基板２のＸ´軸方向及びＹ´軸方向の両方に振動変位成分を有するＲａｙｌｅｉｇｈ型（レイリー型）のＳＡＷを励起する。上述したオイラー角の水晶基板２は、ＳＡＷの伝播方向が水晶の結晶軸であるＸ軸からずれているので、ストップバンド上端モードのＳＡＷを励起することが可能である。

尚、上述した水晶基板２のオイラー角（φ，θ，ψ）は、次のようにして選択した。一般にＳＡＷ共振子の周波数温度特性は、次式で表される。
Δｆ＝α×（Ｔ−Ｔ0）＋β×（Ｔ−Ｔ0）^２
ここで、Δｆは温度Ｔと頂点温度Ｔ0間の周波数変化量（ｐｐｍ）、αは１次温度係数（ｐｐｍ／℃）、βは２次温度係数（ｐｐｍ／℃２）、Ｔは温度、Ｔ0は周波数が最大となる温度（頂点温度）である。２次温度係数βの絶対値を最小に、好ましくは０．０１（ｐｐｍ／℃^２）以下に、より好ましくは略零になるように設定して、周波数温度特性が三次曲線を示すようにすれば、広い動作温度範囲でも周波数変動量を小さくして高い周波数安定性が得られる。

先ず、水晶基板２のオイラー角を（０°，１２３°，ψ）とし、β＝±０．０１（ｐｐｍ／℃^２）となるライン占有率ηが得られるときのオイラー角ψと電極指間溝の深さＧとの関係をシミュレーションした。ここで、オイラー角ψは、二次温度係数βの絶対値が０．０１（ｐｐｍ／℃^２）となるように適宜選択した。その結果、上記条件下で二次温度係数βを−０．０１≦β≦＋０．０１にし得るオイラー角ψの範囲を４３°＜ψ＜４５°と定めることができた。

尚、ＩＤＴ３のライン占有率ηは、図１（Ｃ）に示すように、電極指幅Ｌを電極指ピッチλ／２（＝Ｌ＋Ｓ）で除した値である。また、図１（Ｄ）は、ＩＤＴ３の電極指６ａ、６ｂ及び電極指間溝８をフォトリソグラフィ技法とエッチング技法とにより製造したときに形成されるであろう台形状の断面において、ＩＤＴ３のライン占有率ηを特定する方法を説明するためのものである。この場合、ライン占有率ηは、電極指間溝８の底部から該電極指間溝の深さＧと電極膜厚Ｈとの合計値（Ｇ＋Ｈ）の１／２となる高さにおいて測定した電極指幅Ｌと電極指間溝幅Ｓとに基づいて算出する。

次に、水晶基板２をカット角及びＳＡＷ伝搬方向をオイラー角表示で（０，θ，ψ）とし、電極指間溝の深さＧを０．０４λ、電極指の膜厚Ｈを０．０２λ、ライン占有率ηを上記（３）式に従って０．６３８３として、オイラー角θに関する二次温度係数βの変化をシミュレーションした。ここで、オイラー角ψは上述した４３°＜ψ＜４５°の範囲内で、角度θの設定角度に基づいて二次温度係数βの絶対値を最小とするように適宜選択した。その結果、オイラー角θが１１７°≦θ≦１４２°の範囲内にあれば、電極指の膜厚Ｈ、電極指間溝の深さＧ、及びライン占有率ηを変化させても、二次温度係数βの絶対値が０．０１（ｐｐｍ／℃^２）の範囲内にあることを確認した。

次に、水晶基板２をオイラー角表示で（φ，１２３°，４３．７７°）とし、電極指間溝の深さＧを０．０４λ、電極指の膜厚Ｈを０．０２λ、ライン占有率ηを０．６５として、オイラー角φに関する二次温度係数βの変化をシミュレーションした。その結果、オイラー角φが−１．５°≦φ≦＋１．５°の範囲内にあれば、二次温度係数βの絶対値が０．０１（ｐｐｍ／℃^２）の範囲内にあることを確認した。

更に、動作温度範囲（−４０℃〜＋８５℃）における周波数変動量が最小となる非常に望ましいオイラー角θとψとの関係をシミュレーションにより求めた。この場合も、電極指間溝の深さＧ及び電極指の膜厚Ｈは、それぞれＧ＝０．０４λ、Ｈ＝０．０２λとした。その結果、オイラー角ψは、上述したオイラー角θの範囲でその増加と共に三次曲線を描くように増加した。この関係は、次式で近似することができる。

これにより、オイラー角ψは、オイラー角θの下限値θ＝１１７°においてψ＝４２．７９°となり、上限値θ＝１４２°においてψ＝４９．５７°となる。従って、オイラー角ψは、１１７°≦θ≦１４２°の範囲で、４２．７９°≦ψ≦４９．５７°に設定することができる。

このように水晶基板２のオイラー角を設定することによって、本実施形態のＳＡＷ共振子１は、２次温度係数βの絶対値が０．０１（ｐｐｍ／℃^２）以下の優れた周波数温度特性を実現することができる。

本実施形態のＳＡＷ共振子１について、以下の条件で周波数温度特性をシミュレーションした。
−本実施形態のＳＡＷ共振子１の基本データ
Ｈ：０．０２λ
Ｇ：変化
ＩＤＴライン占有率η：０．６
反射器ライン占有率ηr：０．８
オイラー角：（０°，１２３°，４３．５°）
ＩＤＴ対数：１２０
電極指交差幅：４０λ（λ＝１０μｍ）
反射器本数（片側あたり）：６０
電極指の傾斜角度：なし

このシミュレーション結果を図３に示す。同図から分かるように、周波数温度特性は動作温度範囲（−４０〜＋８５℃）において略３次曲線を示しており、周波数変動幅を２０ｐｐｍ以内という極めて小さな変動量に抑圧することできた。

図３の周波数温度特性を示すＳＡＷ共振子１について、周波数、等価回路定数、及び静特性をまとめると、以下の表１になる。

ここで、Ｆは周波数、ＱはＱ値、γは容量比、ＣＩはＣＩ（クリスタルインピーダンス：Crystal Impedance）値、Ｍは性能指数（フィギュアオブメリット：Figure of Merit）である。

ＳＡＷ共振子１は、ＩＤＴ３のストップバンド上端の周波数ｆt2と、反射器４のストップバンド下端の周波数ｆr1及びストップバンド上端の周波数ｆr2とが、ｆr1＜ｆt2＜ｆr2の関係を満たすように設定するのが好ましい。図４は、周波数に関するＩＤＴ３及び反射器４のＳＡＷ反射特性を示している。同図のように、周波数ｆt2を周波数ｆr1と周波数ｆr2との間に設定すると、周波数ｆt2において反射器４の反射係数がＩＤＴ３の反射係数よりも大きくなる。その結果、ＩＤＴ３から励振されたストップバンド上端モードのＳＡＷは、反射器４からＩＤＴ３側により高い反射係数で反射されることになる。従って、ＳＡＷの振動エネルギーを効率良く閉じ込めることができ、低損失なＳＡＷ共振子１を実現できる。

また、ＳＡＷ共振子１のＱ値について、電極指６ａ、６ｂの高さ即ち膜厚Ｈと電極指間溝８の深さＧとにより形成される段差の大きさ（Ｇ＋Ｈ）との関係をシミュレーションにより検証した。比較のため、電極指間に溝を設けずかつストップバンド上端モードの共振を用いる従来のＳＡＷ共振子について、以下の条件でＱ値と電極指の高さ即ち膜厚との関係をシミュレーションした。

−従来のＳＡＷ共振子の基本データ
Ｈ：変化
Ｇ：ゼロ（無し）
ＩＤＴライン占有率η：０．４
反射器ライン占有率ηr：０．３
オイラー角（０°，１２３°，４３．５°）
ＩＤＴ対数：１２０
電極指交差幅：４０λ（λ＝１０μｍ）
反射器本数（片側あたり）：６０
電極指の傾斜角度：なし

このシミュレーション結果を図５に示す。同図において、太線は本実施形態のＳＡＷ共振子１を、細線は従来のＳＡＷ共振子を示している。同図から分かるように、本実施形態のＳＡＷ共振子１は、段差（Ｇ＋Ｈ）が０．０４０７λ（４．０７％λ）以上の領域において、従来のＳＡＷ共振子よりも高いＱ値を得ることができる。

ところが、本実施形態のＳＡＷ共振子は、個体間で周波数温度特性にばらつきを生じる場合があることが判明した。上述したように本実施形態では、ＳＡＷの波長λ、電極指間溝の深さＧ、ＩＤＴのライン占有率η、及び電極指膜厚Ｈをパラメーターとして、三次曲線の優れた周波数温度特性を実現している。そこで、本願発明者らは、これらパラメーターの製造誤差が周波数温度特性のばらつきに影響しているのではないかと考え、それらの関係を検証した。

ＳＡＷデバイスを量産する場合、一般にＩＤＴの電極指は電極膜のフォトエッチングにより形成されるが、その線幅Ｌは通常０．５％程度の製造誤差が想定される。この場合、ＩＤＴライン占有率ηにも、同程度の製造ばらつきが生じると考えられる。このような仮定に基づいて、図１のＳＡＷ共振子１において、電極指膜厚Ｈ＝２％λ、溝深さＧ＝３．５％λとし、ＩＤＴライン占有率をη＝０．６３（＝６３％）の場合と、それから±０．００５（＝±０．５％）ずれた場合とについて、それぞれシミュレーションにより周波数温度特性を算出した。図６は、その結果を示している。

いずれの場合も、周波数温度特性が、使用温度範囲において極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する三次曲線で表されている。η＝０．６３（実線）の場合、使用温度範囲（−４０℃〜＋８５℃）において周波数変動量が±５ｐｐｍ以内であり、変曲点の位置即ち変曲点温度が使用温度範囲の概ね中心にあって左右に略回転対称をなす、非常に優れた周波数温度特性を示した。これに対し、η＝０．６２５（細かい破線）及び０．６３５（大きい破線）の場合、周波数温度特性は、使用温度範囲で周波数変動量が±５ｐｐｍ以上に大きくなり、変曲点温度が低温側又は高温側に大きくずれて左右に非回転対称となって劣化していることが分かる。

次に、本願発明者らは、周波数温度特性における変曲点温度の変化がその周波数変動量に及ぼす影響を検証した。図７は、図６のη＝０．６３の場合について、変曲点温度の変化量と周波数変動量の偏差との関係を示している。同図から、変曲点温度が変化すると、周波数変動量偏差が大きくなり、周波数温度特性に影響があることが分かる。

更に本願発明者らは、電極指膜厚Ｈに関する電極指間溝の深さＧの変化が、ＩＤＴライン占有率ηの変動（±０．００５）により生じる変曲点温度の変化量、即ち周波数温度特性に及ぼす影響を検証した。尚、本明細書中、このＩＤＴライン占有率ηの変動により生じる変曲点温度の変化量を、周波数温度特性への影響を示す指標として変曲点感度と称することとする。

先ず、図１のＳＡＷ共振子１において、水晶基板２のオイラー角を（０°，１２３°，ψ）とし、電極指膜厚Ｈを１％λに固定し、電極指間溝深さＧを２％λ〜７％λの範囲で１％λ毎に変化させた場合に、周波数温度特性の二次温度係数βが０．０１以下となるＩＤＴライン占有率ηと、そのη値の±０．００５の変動による変曲点感度との関係をシミュレーションにより算出した。図８にその結果を示す。同図から分かるように、いずれの場合も、ηが大きくなるに連れて、変曲点感度が小さくなり、周波数温度特性への影響が低下している。

次に、図８と同じ条件で、電極指膜厚Ｈを１．５％λに固定し、同様に溝深さＧを２％λ〜７％λの範囲で１％λ毎に変化させた場合に、周波数温度特性の二次温度係数βが０．０１以下となるＩＤＴライン占有率ηと、そのη値の±０．００５の変動による変曲点感度との関係をシミュレーションにより算出した。図９にその結果を示す。同図から、いずれの場合も、ηが大きくなるに連れて、変曲点感度が小さくなり、周波数温度特性への影響が低下していることが分かる。

また、図１０は、図８のシミュレーション結果について、ＩＤＴライン占有率ηに関する変曲点温度の変化をプロットしたものである。同図は、ηが大きくなるほど、変曲点温度の変化率が大きくなることを示している。

一般に厚み滑り振動モードのＡＴカット水晶振動子は、周波数温度特性の変曲点が水晶基板のカット角によってのみ決定され、他のパラメーターによっては変化しないことが良く知られている。これに対し、ＳＡＷデバイスは、水晶基板のカット角以外のパラメーターが周波数温度特性及び変曲点温度にどのような影響を及ぼすのか、明らかになっていない。

そこで、本願発明者らは、更に本実施形態のＳＡＷ共振子１について、ＩＤＴライン占有率η、ＩＤＴ３の電極膜厚Ｈ、電極指間溝深さＧ及びＩＤＴライン占有率η、並びにそれらの関係が周波数温度特性及び変曲点感度に及ぼす影響を検証した。その結果、良好な周波数温度特性を維持しながら、ＩＤＴライン占有率によって周波数温度特性の変曲点温度を動作温度範囲内で最適に調整可能な場合があることを見出した。本願発明者らは、これらの知見に基づいて本発明を想到したものである。

本発明のＳＡＷデバイスは、或る側面において、オイラー角（−１．５°≦φ≦１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，｜ψ｜≠９０°×ｎ（但し、ｎ＝０，１，２，３））の水晶基板と、
該水晶基板の主面に設けられた複数の電極指からなり、ストップバンド上端モードのレイリー波を励振するＩＤＴとを有し、
周波数温度特性が極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する曲線で表され、変曲点の温度が所望の動作温度範囲内にあるようにＩＤＴのライン占有率によって調整可能であることを特徴とする。

これにより、周波数温度特性は、その変曲点をＩＤＴライン占有率ηによって動作温度範囲内で所望の温度又は温度域に制御し、周波数変動量をより小さくするように改善することができる。従って、要求されるＳＡＷデバイスの動作温度範囲に関して、常に最良の周波数温度特性を得ることができる。

また、本発明のＳＡＷデバイスは、別の側面において、オイラー角（−１．５°≦φ≦１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，｜ψ｜≠９０°×ｎ（但し、ｎ＝０，１，２，３））の水晶基板と、
該水晶基板の主面に設けられた複数の電極指からなり、ストップバンド上端モードのレイリー波を励振するＩＤＴと、
該ＩＤＴの隣り合う電極指間の圧電基板の表面に凹設した電極指間溝とを有し、
レイリー波の波長λと電極指間溝の深さＧとが、０．０１λ≦Ｇ≦０．０７λの関係を満足し、
ＩＤＴのライン占有率ηと電極指間溝の深さＧとが、

及び、

の関係を満足し、
周波数温度特性が極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する曲線で表され、変曲点の温度が所望の動作温度範囲の中心温度Ｔc から±３０℃の範囲にあるようにＩＤＴのライン占有率によって調整可能であることを特徴とする。

このように電極指間溝深さＧと電極指膜厚ＨとＩＤＴライン占有率ηとの関係を規定することにより得られる良好な周波数温度特性は、その変曲点をＩＤＴライン占有率ηにより変化させて、所望の動作温度範囲に対してその中心温度Ｔc ±３０℃の範囲に入るように調整し、周波数変動量を小さく抑制することができる。ＳＡＷデバイスの周波数温度特性は、基本的に使用する水晶基板のカット角により決定されるが、変曲点温度を変化させることによってより最適に改善することができる。

或る実施例では、このように電極指間溝を有するＳＡＷデバイスにおいて、ＩＤＴのライン占有率ηが、
ａ(Ｔc−30)^６＋ｂ(Ｔc−30)^５＋ｃ(Ｔc−30)^４＋ｄ(Ｔc−30)^３＋ｅ(Ｔc−30)^２＋ｆ(Ｔc−30)＋0.606≦η≦ａ(Ｔc＋30)^６＋ｂ(Ｔc＋30)^５＋ｃ(Ｔc＋30)^４＋ｄ(Ｔc＋30)^３＋ｅ(Ｔc＋30)^２＋ｆ(Ｔc＋30)＋0.606、
（但し、ａ＝−2.60×10^−１２、ｂ＝4.84×10^−１０、ｃ＝−2.13×10^−８、ｄ＝1.98×10^−７、ｅ＝1.42×10^−５、ｆ＝1.48×10^−４）
を満足することによって、変曲点温度が確実に動作温度範囲の中心温度Ｔc ±３０℃の範囲に入るように、周波数温度特性を制御することができる。

別の実施例では、水晶基板のオイラー角ψが、４２．７９°≦｜ψ｜≦４９．５７°の範囲内にあり、それによって広い動作温度範囲内で周波数変動量が極めて小さい優れた周波数温度特性が得られる。

また、別の実施例では、ＩＤＴのライン占有率ηが、

を満足することにより、周波数温度特性の二次温度係数をより小さく抑制できるので、周波数変動量をより小さくしかつより優れた三次曲線の周波数温度特性が得られる。

更に別の実施例では、電極指間溝の深さＧと電極指の膜厚Ｈとの和が、０．０４０７λ≦Ｇ＋Ｈを満足することが好ましい。これにより、ストップバンド上端モードの共振を用いる本発明は、ＩＤＴの電極指間に溝を設けずにストップバンド下端モードの共振を用いる従来のＳＡＷ共振子よりも高いＱ値が得られる。

また、或る実施例では、それぞれに水晶基板の主面に設けられた複数の導体ストリップからなり、かつＳＡＷの伝播方向に沿ってＩＤＴを挟むようにその両側に配置した一対の反射器と、該反射器の隣り合う導体ストリップ間の水晶基板の表面に凹設した導体ストリップ間溝とを更に有し、電極指及び導体ストリップに直交する第１の方向と水晶基板の電機軸とのなす角度が水晶基板のオイラー角ψであり、ＩＤＴ及び反射器の少なくとも一部が、第１の方向と角度δをもって交差する第２の方向に配置され、角度δが水晶基板のパワーフロー角±１°の範囲内に設定されることにより、更にＱ値の向上を図ることができる。

また、別の実施例では、ＩＤＴを駆動するための発振回路を更に有することにより、広い動作温度範囲で周波数変動量が極めて小さく、ＣＩ値が低く、かつ発振安定性に優れたＳＡＷ発振器を得ることができる。

本発明の別の側面によれば、上述した本発明のＳＡＷデバイスを備えることにより、広い動作温度範囲で安定して良好な性能を発揮しかつ信頼性の高い電子機器、センサー装置が提供される。

（Ａ）図は本実施形態のＳＡＷ共振子の構成を示す平面図、（Ｂ）図はその部分拡大縦断面図、（Ｃ）図は（Ｂ）図の部分拡大図、（Ｄ）図はフォトリソグラフィ及びエッチング技術により形成される電極指間溝の形状を示す（Ｃ）図と同様の部分拡大断面図。 本実施形態の水晶基板を模式的に示す説明図。 本実施形態の周波数温度特性を示す線図。 本実施形態のＩＤＴ及び反射器のＳＡＷ反射特性を示す線図。 本実施形態の電極指間の段差とＱ値との関係を示す線図。 本実施形態のＩＤＴライン占有率ηの変動による周波数温度特性のばらつきを示す線図。 本実施形態の周波数温度特性における変曲点温度の変化量と周波数変動量の偏差との関係を示す線図。 本実施形態において、電極指膜厚Ｈ＝１％λ、電極指間溝深さＧ＝２％λ〜７％λの場合に二次温度係数β≦０．０１となるＩＤＴライン占有率ηと変曲点感度との関係を示す線図。 本実施形態において、電極指膜厚Ｈ＝１．５％λ、電極指間溝深さＧ＝２％λ〜７％λの場合に二次温度係数β≦０．０１となるＩＤＴライン占有率ηと変曲点感度との関係を示す線図。 図８の場合にＩＤＴライン占有率ηと変曲点温度との関係を示す線図。 本発明によるＳＡＷ共振子の実施例におけるＩＤＴライン占有率ηと変曲点温度との関係を示す線図。 電極指間溝を有しないＳＡＷ共振子におけるＩＤＴライン占有率ηと変曲点温度との関係を示す線図。 本実施例において変曲点温度に関するＩＤＴライン占有率ηの変化を近似曲線で示す線図。 本実施例において変曲点温度と周波数変動量偏差との関係を示す線図。 （Ａ）図〜（Ｃ）図はそれぞれ表２の３つの異なる変曲点温度の範囲に対応する周波数温度特性の変化を示す線図。 （Ａ）、（Ｂ）図は、それぞれ異なる構造の傾斜型ＩＤＴを有する本発明の第２実施例のＳＡＷ共振子を示す平面図。 （Ａ）図は本発明によるＳＡＷ発振器を示す平面図、（Ｂ）図はそのＢ−Ｂ線における縦断面図。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。尚、添付図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の参照符号を付して示す。

本発明によるＳＡＷデバイスの第１実施例であるＳＡＷ共振子は、その基本的な構成が図１に示すＳＡＷ共振子１と同一であるので、同図を用いて説明する。即ち、本実施例のＳＡＷ共振子１は、矩形の水晶基板２と、該水晶基板の主面にそれぞれ形成したＩＤＴ３と１対の反射器４，４とを有する。水晶基板２は、オイラー角（−１．５°≦φ≦１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，ψ）の水晶基板を使用する。ここで、オイラー角ψは、｜ψ｜≠９０°×ｎ、（ｎ＝０，１，２，３）を満足するように設定する。

ＩＤＴ３は、それぞれ複数の電極指６ａ、６ｂからなり、かつそれらの基端部をバスバー７ａ，７ｂで接続した１対の櫛歯状電極３ａ，３ｂを有する。各電極指６ａ、６ｂは、その延長方向が前記ＩＤＴにより励振されるＳＡＷの伝搬方向と直交する向きに配置されている。一方の櫛歯状電極３ａの電極指６ａと他方の櫛歯状電極３ｂの電極指６ｂとは、交互にかつ所定の間隔を開けて一定のピッチで配列されている。電極指６ａ、６ｂ間に露出する水晶基板２の表面には、該表面をエッチング等で削除することによって、それぞれ一定深さの電極指間溝８が凹設されている。

１対の反射器４，４は、ＳＡＷの伝搬方向に沿ってＩＤＴ３の外側に該ＩＤＴを両側から挟むように配置されている。各反射器４は、それぞれＳＡＷの伝搬方向に一定のピッチで配列された複数の導体ストリップ（電極指）４ａ，４ａを有する。前記各導体ストリップは、その延長方向がＳＡＷの伝搬方向と直交する向きに配置されている。導体ストリップ４ａ，４ａ間に露出する水晶基板２の表面には、該表面をエッチング等で削除することにより一定深さの導体ストリップ間溝９が凹設されている。

前記電極指及び導体ストリップは、例えばＡｌやＡｌを主体とする合金を用いた金属膜で同じ膜厚Ｈに形成される。前記電極指間溝及び導体ストリップ間溝は、同じ深さＧに形成される。各反射器４，４の最も内側の前記導体ストリップとそれに所定の間隔を置いて配置したＩＤＴ３の最も外側の電極指６ａ（又は６ｂ）との間も、同様に水晶基板表面を削除して、前記電極指間溝と同じ深さの溝が凹設されている。

このように構成することによって、ＳＡＷ共振子１は、水晶基板２のＸ´軸方向及びＹ´軸方向の両方に振動変位成分を有するＲａｙｌｅｉｇｈ型（レイリー型）のＳＡＷを励起する。上述したオイラー角の水晶基板２を用いることによって、ＳＡＷの伝播方向が水晶の結晶軸であるＸ軸からずれているので、ストップバンド上端モードのＳＡＷを励起することができる。

ＳＡＷ共振子１は、動作温度範囲に極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する曲線（例えば、三次曲線）で表される周波数温度特性を有する。本実施例では、動作温度範囲の中心温度Ｔc を目標温度とし、中心温度Ｔc から一定の許容温度域、例えば±３０℃の範囲を目標温度範囲とする。例えば、動作温度範囲を−４０℃〜＋８５℃とした場合、その中心温度はＴc ＝（−４０＋８５）／２＝２２．５℃となる。従って、前記目標温度範囲は、上限温度ＴH ＝２２．５℃＋３０℃＝５２．５℃と、下限温度ＴL ＝２２．５℃−３０℃＝−７．５℃とにより画定される。

本実施例では、周波数温度特性の変曲点の温度が少なくとも前記目標温度範囲に入るように、ＩＤＴ３のライン占有率ηが設定される。ＳＡＷ共振子１について、水晶基板２のオイラー角を（０°，１２３°，ψ）とし、ＩＤＴ３の電極指膜厚Ｈを０．０２λ（２％λ）、電極指間溝の深さＧを０．０５λ（５％λ）とした場合に、ＩＤＴライン占有率ηと周波数温度特性の変曲点温度との関係を、η＝０．６〜０．８の範囲でシミュレーションにより算出した。その結果を図１１に示す。

図１１から分かるように、本実施例は、動作温度範囲内でＩＤＴライン占有率ηによって変曲点温度が変化する。上述した上限温度ＴH ＝５２．５℃を超える領域では、ＩＤＴライン占有率ηに関して変曲点温度の変化が緩やかであり、下限温度ＴL ＝−７．５℃を超えない領域では、ＩＤＴライン占有率ηに関して変曲点温度の変化が急峻である。これに対し、下限温度ＴL ＝−７．５℃〜上限温度ＴH ＝５２．５℃の前記目標温度範囲は、変曲点温度の変化がＩＤＴライン占有率ηによって比較的精度良く制御可能な傾きを有する。

比較のために、ＩＤＴの電極指膜厚を、図１１の実効膜厚０．０７λ（７％λ）に匹敵する０．０８λ（８％λ）とし、かつ電極指間溝を有しない点を除いて、図１１の場合と同じ水晶共振子について、同様にＩＤＴライン占有率ηと周波数温度特性の変曲点温度との関係を、η＝０．６〜０．８の範囲でシミュレーションにより算出した。その結果を図１２に示す。同図から、この比較例では、変曲点温度がＩＤＴライン占有率ηに関して概ね一定で、ほとんど変化しないことが分かる。

図１１のシミュレーション結果から、変曲点温度に対するＩＤＴライン占有率ηの値を近似的に数式化することができる。この近似式は、変曲点温度をｘ、ＩＤＴライン占有率ηをｙとした場合、次のように表される。
ｙ＝ａｘ^６＋ｂｘ^５＋ｃｘ^４＋ｄｘ^３＋ｅｘ^２＋ｆｘ＋0.606
（但し、ａ＝−2.60×10^−１２、ｂ＝4.84×10^−１０、ｃ＝−2.13×10^−８、ｄ＝1.98×10^−７、ｅ＝1.42×10^−５、ｆ＝1.48×10^−４） …（４）
上記式（４）は、変曲点温度を横軸ｘとし、ＩＤＴライン占有率ηを縦軸ｙとして、図１３の近似曲線で表される。

式（４）において、ｘに動作温度範囲の中心温度Ｔc を代入すると、変曲点温度を中心温度Ｔc に対応するＩＤＴライン占有率ηが得られる。中心温度Ｔc に関する前記許容温度域を±ｔ（°）とすると、式（４）のｘに（Ｔc ＋ｔ）を代入することによって、目標温度範囲の上限温度ＴH に対応するＩＤＴライン占有率ηが得られる。また、式（４）のｘに（Ｔc −ｔ）を代入すると、目標温度範囲の下限温度ＴL に対応するＩＤＴライン占有率ηが得られる。尚、本実施例では、許容温度域を上限側と下限側とで同一に設定したが、上限側と下限側とで異なる値を設定することもできる。

図１１のように、許容温度域ｔ＝３０°とした場合、目標温度範囲の上限温度はＴH ＝Ｔc ＋３０（°）、下限温度はＴL ＝Ｔc −３０（°）である。この場合、目標温度範囲に対応するＩＤＴライン占有率ηの範囲は、上記式（４）から次の関係式（５）により決定される。
ａ(Ｔc−30)^６＋ｂ(Ｔc−30)^５＋ｃ(Ｔc−30)^４＋ｄ(Ｔc−30)^３＋ｅ(Ｔc−30)^２＋ｆ(Ｔc−30)＋0.606≦η≦ａ(Ｔc＋30)^６＋ｂ(Ｔc＋30)^５＋ｃ(Ｔc＋30)^４＋ｄ(Ｔc＋30)^３＋ｅ(Ｔc＋30)^２＋ｆ(Ｔc＋30)＋0.606 …（５）
ここで、各係数ａ〜ｆは式（４）の同一である。

更に、本実施例のＳＡＷ共振子１が、極大値と極小値との間に変曲点を有する三次曲線で表される周波数温度特性を有する場合に、変曲点温度の変化が周波数温度特性に及ぼす影響を検証した。水晶基板２のオイラー角を（０°，１２３°，ψ）とし、ＩＤＴ３の電極指膜厚Ｈを０．０２λ（２％λ）、電極指間溝の深さＧを０．０２λ（２％λ）、ＩＤＴライン占有率ηを０．６９とした場合に、変曲点温度を−７１℃〜＋１１９℃の範囲で１０℃置きに変化させ、周波数温度特性をシミュレーションにより算出した。

得られたシミュレーション結果から、各周波数温度特性についてそれぞれ変曲点温度Ｆｐと周波数変動量の偏差Δｆ（ｐｐｍ）とを計算した。この計算結果は次の表２に示すとおりである。

図１４は、上記表２に示す変曲点温度と周波数変動量の偏差との関係を示している。同図において、周波数変動量偏差は、目標温度範囲（−７．５℃〜５２．５℃）内で安定して約１５〜１７ｐｐｍの低い値を示している。これに対し、目標温度範囲の上限及び下限温度を幾分超えると、周波数変動量偏差が急峻に増大する向きに変化している。

図１５（Ａ）〜（Ｃ）は、図１４の各変曲点温度に対応する周波数温度特性の変化をそれぞれ示している。図１５（Ａ）は、表２において変曲点温度が−７１℃〜−２６℃の範囲にある周波数温度特性である。図１５（Ｂ）は、同じく表２において変曲点温度が−１１℃〜＋５４℃の範囲にある周波数温度特性、図１５（Ｃ）は、変曲点温度が＋６９℃〜＋１１９℃の範囲にある周波数温度特性である。図１５（Ａ）、（Ｃ）に示すように、変曲点温度が目標温度範囲から外れると、周波数温度特性は大きく劣化する。

図１５（Ｂ）は、いずれの場合も、周波数変動量が２０ｐｐｍ以内であり、良好な周波数温度特性を示している。図１５（Ｂ）の変曲点温度の範囲は、前記目標温度範囲の上限ＴH＝５２．５℃及び下限ＴL＝−７．５℃よりも幾分広い。このことから、前記目標温度即ち動作温度範囲の中心温度に対して設定した前記許容温度域（±３０℃）よりも少し広い範囲まで、前記目標温度範囲を拡大しても、周波数変動量を小さく制御し得ることが分かる。

これらの結果から、目標温度範囲、即ち目標温度、上限温度及び下限温度は、変曲点温度に関する周波数変動量偏差の変化量から最適に決定することが好ましい。特に、変曲点温度を動作温度範囲の中心温度に設定することによって、周波数温度特性が左右で回転対称となり、周波数変動量を最小にできるので、最良の周波数温度特性が得られる。

本実施例によれば、極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する三次曲線で表される良好な周波数温度特性を有し、その変曲点温度を目標温度範囲内にあるようにＩＤＴライン占有率ηによって調整可能なＳＡＷ共振子が得られる。このとき、目標温度範囲を変曲点温度と周波数変動量偏差との関係から最適に選択することによって、変曲点温度を変化させても周波数温度特性を劣化させる虞がない。従って、基本的に使用する水晶基板のカット角によって決定される周波数温度特性を、要求される動作温度特性や製造ばらつき等に対応して、ＩＤＴライン占有率ηにより最適に制御することができる。

本実施例のＳＡＷ共振子についても、本実施形態のＳＡＷ共振子と同様に、ＩＤＴ３のライン占有率ηが更に、

を満足するように設定することが好ましい。これにより、周波数温度特性の二次温度係数をより小さく抑制できるので、周波数変動量をより小さくし、より優れた三次曲線の周波数温度特性が得られる。

本実施例のＳＡＷ共振子は更に、同じく本実施形態のＳＡＷ共振子と同様に、電極指間溝８の深さＧと電極指６ａ，６ｂの膜厚Ｈとの和が、０．０４０７λ≦Ｇ＋Ｈを満足するように設定することが好ましい。これにより、ストップバンド上端モードの共振を用いる本実施例では、ＩＤＴの電極指間に溝を設けずにストップバンド下端モードの共振を用いる従来のＳＡＷ共振子よりも高いＱ値が得られる。

図１６（Ａ）、（Ｂ）は、傾斜型ＩＤＴを有する本発明によるＳＡＷ共振子の第２実施例をそれぞれ示している。図１６（Ａ）のＳＡＷ共振子２１_１は、第１実施例と同様にオイラー角（−１．５°≦φ≦１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，４２．７９°≦｜ψ｜≦４９．５７°）で表される水晶基板２２_１の主面に、傾斜型ＩＤＴ２３_１と１対の反射器２４_１，２４_１とを有する。水晶基板２２_１は、その長手方向が、ＩＤＴ２３_１により励振されるＳＡＷの位相速度の伝搬方向であるＸ’軸に対してエネルギーの伝搬方向であるパワーフロー角（ＰＦＡ）δ°だけ傾けた向きに沿って配向されている。

ＩＤＴ２３_１は、それぞれ複数の電極指２５ａ_１，２５ｂ_１からなりかつそれらの基端部をバスバー２６ａ_１，２６ｂ_１で接続した１対の櫛歯状電極２３ａ_１，２３ｂ_１を有する。１対の反射器２４_１，２４_１は、ＳＡＷの伝搬方向に沿ってＩＤＴ２３_１の両側に該ＩＤＴを挟むように配置され、それぞれＳＡＷの伝搬方向に配列された複数の導体ストリップ２４ａ_１，２４ａ_１を有する。電極指２５ａ_１、２５ｂ_１及び導体ストリップ２４ａ_１は、その延長方向がパワーフロー角（ＰＦＡ）δ°だけ傾いたＸ’軸に直交する向きに配置されている。

水晶基板２２_１の電極指２５ａ_１、２５ｂ_１間に露出する表面には、第１実施例と同様に電極指間溝が凹設されている。導体ストリップ２４ａ_１，２４ａ_１間の水晶基板２２_１の表面にも、同様に導体ストリップ間溝が凹設されている。

このようにＩＤＴ及び反射器の少なくとも一部が、Ｘ’軸方向とパワーフロー角δをもって交差する方向に配置されることによって、ＳＡＷデバイス２１_１は第１実施例と同様の作用効果を奏すると共に、Ｑ値を更に高めることができる。これにより、より低損失なＳＡＷ共振子が実現される。

図１６（Ｂ）のＳＡＷ共振子２１_２は、図１６（Ａ）とは異なる構成の傾斜型ＩＤＴ２３_２と１対の反射器２４_２，２４_２とを水晶基板２２_２の主面に有する。水晶基板２２_２は、その長手方向が、ＩＤＴ２３_２により励振されるＳＡＷの位相速度の伝搬方向であるＸ’軸に沿って配向されている。

ＩＤＴ２３_２は、それぞれ複数の電極指２５ａ_２，２５ｂ_２からなりかつそれらの基端部をバスバー２６ａ_２，２６ｂ_２で接続した１対の櫛歯状電極２３ａ_２，２３ｂ_２を有する。１対の反射器２４_２，２４_２は、ＳＡＷの伝搬方向に沿ってＩＤＴ２３_２の両側に該ＩＤＴを挟むように配置され、それぞれＳＡＷの伝搬方向に配列された複数の導体ストリップ２４ａ_２，２４ａ_２を有する。電極指２５ａ_２、２５ｂ_２及び導体ストリップ２４ａ_２は、その延長方向がＸ’軸に直交する向きに配置されると共に、バスバー２６ａ_２，２６ｂ_２が、Ｘ’軸からパワーフロー角（ＰＦＡ）δ°だけ傾けた向きに配向されている。

水晶基板２２_２の電極指２５ａ_２、２５ｂ_２間に露出する表面には、第１実施例と同様に電極指間溝が凹設されている。導体ストリップ２４ａ_２，２４ａ_２間の水晶基板２２_２の表面にも、同様に導体ストリップ間溝が凹設されている。

本実施例のＳＡＷ共振子２１_２も、このようにＩＤＴ及び反射器の少なくとも一部が、Ｘ’軸方向とパワーフロー角δをもって交差する方向に配置されることによって、良好な周波数温度特性及び高いＱ値を実現する作用効果を奏すると共に、Ｑ値を更に高めることができる。これにより、より低損失なＳＡＷ共振子が実現される。

本発明は、上述した本発明のＳＡＷ共振子と発振回路とを組み合わせて構成される発振器にも適用することができる。図１７（Ａ）、（Ｂ）は、そのような本発明によるＳＡＷデバイスの第２実施例であるＳＡＷ発振器の典型例の構成を示している。本実施例のＳＡＷ発振器３１は、本発明によるＳＡＷ共振子３２と、該ＳＡＷ共振子を駆動制御する発振回路としてＩＣ（integrated circuit）３３と、これらを収容するパッケージ３４とを備える。ＳＡＷ共振子３２及びＩＣ３３は、パッケージ３４の底板３４ａ上に表面実装されている。

ＳＡＷ共振子３２は、第１実施例のＳＡＷ共振子１１と同様の構成を有し、第１実施例と同じオイラー角で表示される水晶基板３５と、その表面に形成された１対の櫛歯状電極３６ａ，３６ｂからなるＩＤＴと１対の反射器３７，３７とを有する。ＩＣ３３の上面には、電極パッド３８ａ〜３８ｆが設けられている。パッケージ３４の底板３４ａ上には、電極パターン３９ａ〜３９ｇが形成されている。ＳＡＷ共振子３２の櫛歯状電極３６ａ，３６ｂ及びＩＣ３３の電極パッド３８ａ〜３８ｆは、それぞれボンディングワイヤ４０，４１により対応する電極パターン３９ａ〜３９ｇと電気的に接続されている。このようにＳＡＷ共振子３２及びＩＣ３３を搭載したパッケージ３４は、その上部に接合されたリッド４２により気密に封止されている。

本実施例のＳＡＷ発振器３１は、本発明のＳＡＷ共振子を備えることによって、広い動作温度範囲で周波数変動量が極めて小さい優れた周波数温度特性を有すると共に、高いＱ値を有するので、安定した発振動作が可能であり、更に低インピーダンス化による消費電力の低減を実現することができる。その結果、近年の情報通信の高速化に基づく高周波化及び高精度化の要求に対応し、低温から高温まで温度が大きく変動するような環境下でも長期に安定して動作する優れた耐環境特性を備えたＳＡＷ発振器が得られる。

本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、第１実施例のＳＡＷ共振子は、ＩＤＴの両側に反射器を有する構成としたが、本発明は、反射器を有しない構成のＳＡＷ共振子についても同様に適用することができる。ＩＤＴの電極構造についても、上記実施例以外に、公知の様々な構成を採用することができる。

また、本発明は、上述したＳＡＷ共振子、ＳＡＷ発振器以外のＳＡＷデバイスにも適用することができる。更に本発明のＳＡＷデバイスは、例えば携帯電話、ハードディスク、パーソナルコンピューター、ＢＳ及びＣＳ放送用の受信チューナー、同軸ケーブルや光ケーブル中を伝搬する高周波信号や光信号用の各種処理装置、広い温度範囲で高周波・高精度クロック（低ジッタ、低伍相雑音）を必要とするサーバー・ネットワーク機器、無線通信用機器等の様々な電子機器、各種モジュール装置や、圧力センサー、加速度センサー、回転速度センサー等の各種センサー装置にも広く適用することができる。

１，２１_１，２１_２，３２…ＳＡＷ共振子、２，２２_１，２２_２，３５…水晶基板、３，２３_１，２３_２…ＩＤＴ、３ａ，３ｂ，２３ａ_１，２３ｂ_１，２３ａ_２，２３ｂ_２，３６ａ，３６ｂ…櫛歯状電極、４，２４_１，２４_２，３７…反射器、４ａ，４ａ，２４ａ_１，２４ａ_２…導体ストリップ、５…ウエーハ、５ａ…面、６ａ，６ｂ，２５ａ_１，２５ｂ_１，２５ａ_２，２５ｂ_２…電極指、７ａ，７ｂ，２６ａ_１，２６ｂ_１，２６ａ_２，２６ｂ_２…バスバー、８…電極指間溝、９…導体ストリップ間溝、３１…ＳＡＷ発振器、３３…ＩＣ、３４…パッケージ、３４ａ…底板、３８ａ〜３８ｆ…電極パッド、３９ａ〜３９ｇ…電極パターン、４０，４１…ボンディングワイヤ、４２…リッド。

Claims (10)

1. オイラー角（−１．５°≦φ≦１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，｜ψ｜≠９０°×ｎ（但し、ｎ＝０，１，２，３））の水晶基板と、
   前記水晶基板の主面に設けられた複数の電極指からなり、ストップバンド上端モードのレイリー波を励振するＩＤＴとを有し、
   周波数温度特性が極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する曲線で表され、前記変曲点の温度が所望の動作温度範囲内にあるように前記ＩＤＴのライン占有率によって調整可能であることを特徴とする弾性表面波デバイス。
2. オイラー角（−１．５°≦φ≦１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，｜ψ｜≠９０°×ｎ（但し、ｎ＝０，１，２，３））の水晶基板と、
   前記水晶基板の主面に設けられた複数の電極指からなり、ストップバンド上端モードのレイリー波を励振するＩＤＴと、
   前記ＩＤＴの隣り合う前記電極指間の前記水晶基板の表面に凹設した電極指間溝とを有し、
   前記レイリー波の波長λと前記電極指間溝の深さＧとが、０．０１λ≦Ｇ≦０．０７λの関係を満足し、
   前記ＩＤＴのライン占有率ηと前記電極指間溝の深さＧとが、
   

   

   及び、
   

   

   の関係を満足し、
   周波数温度特性が極大値と、極小値と、それらの間に変曲点とを有する曲線で表され、前記変曲点の温度が所望の動作温度範囲の中心温度Ｔc から±３０℃の範囲にあるように前記ＩＤＴのライン占有率によって調整可能であることを特徴とする弾性表面波デバイス。
3. 前記ＩＤＴのライン占有率ηが、
   ａ(Ｔc−30)^６＋ｂ(Ｔc−30)^５＋ｃ(Ｔc−30)^４＋ｄ(Ｔc−30)^３＋ｅ(Ｔc−30)^２＋ｆ(Ｔc−30)＋0.606≦η≦ａ(Ｔc＋30)^６＋ｂ(Ｔc＋30)^５＋ｃ(Ｔc＋30)^４＋ｄ(Ｔc＋30)^３＋ｅ(Ｔc＋30)^２＋ｆ(Ｔc＋30)＋0.606、
   （但し、ａ＝−2.60×10^−１２、ｂ＝4.84×10^−１０、ｃ＝−2.13×10^−８、ｄ＝1.98×10^−７、ｅ＝1.42×10^−５、ｆ＝1.48×10^−４）
   を満足することを特徴とする請求項２記載の弾性表面波デバイス。
4. 前記水晶基板のオイラー角ψが、４２．７９°≦｜ψ｜≦４９．５７°の範囲内にあることを特徴とする請求項２又は３記載の弾性表面波デバイス。
5. 前記ＩＤＴのライン占有率ηが、
   

   

   を満足することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか記載の弾性表面波デバイス。
6. 前記電極指間溝の深さＧと前記電極指の膜厚Ｈとの和が、０．０４０７λ≦Ｇ＋Ｈを満足することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか記載の弾性表面波デバイス。
7. それぞれに前記水晶基板の主面に設けられた複数の導体ストリップからなり、かつＳＡＷの伝播方向に沿ってＩＤＴを挟むようにその両側に配置した一対の反射器と、
   前記反射器の隣り合う導体ストリップ間の前記水晶基板の表面に凹設した導体ストリップ間溝とを更に有し、
   前記電極指及び前記導体ストリップに直交する第１の方向と前記水晶基板の電気軸とのなす角度が前記水晶基板のオイラー角ψであり、
   前記ＩＤＴ及び前記反射器の少なくとも一部が、前記第１の方向と角度δをもって交差する第２の方向に配置され、
   前記角度δが前記水晶基板のパワーフロー角±１°の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか記載の弾性表面波デバイス。
8. 前記ＩＤＴを駆動するためのＩＣを更に有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の弾性表面波デバイス。
9. 請求項１乃至８のいずれか記載の弾性表面波デバイスを備えることを特徴とする電子機器。
10. 請求項１乃至８のいずれか記載の弾性表面波デバイスを備えることを特徴とするセンサー装置。

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