弾性表面波共振子、弾性表面波発振器、電子機器
【課題】周波数特性のばらつき、及び水晶基板との熱歪みや経年変化による周波数変動を抑制するとともに、電気機械結合係数を改善した弾性表面波共振子、弾性表面波発振器、電子機器を提供する。
【解決手段】オイラー角を（φ＝０°、１１０°≦θ≦１５０°、８８°≦ψ≦９２°）とした水晶基板３０と、前記水晶基板３０上に配置された複数の電極指１８を有し、励振波を弾性表面波としたＩＤＴ１２と、を有した弾性表面波共振子であって、前記水晶基板３０上には、前記弾性表面波の伝播方向にストライプ状に並んだ複数の溝３２が配置され、前記電極指１８が、前記溝３２の間、または前記溝の内部に配置される。
【解決手段】オイラー角を（φ＝０°、１１０°≦θ≦１５０°、８８°≦ψ≦９２°）とした水晶基板３０と、前記水晶基板３０上に配置された複数の電極指１８を有し、励振波を弾性表面波としたＩＤＴ１２と、を有した弾性表面波共振子であって、前記水晶基板３０上には、前記弾性表面波の伝播方向にストライプ状に並んだ複数の溝３２が配置され、前記電極指１８が、前記溝３２の間、または前記溝の内部に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波共振子、及びこれを用いた弾性表面波発振器、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、移動体通信機器の帯域通過フィルタなどには、弾性表面波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタが広く用いられている。このような従来の弾性表面波フィルタには、表面波共振子フィルタやトランスサーバルフィルタなどがある。
【０００３】
例えば、従来の表面波共振子フィルタのうちの一つに、温度特性の良好なＳＴカット０°Ｘ軸伝播の水晶基板を用い、この水晶基板上にＡｌからなる電極材料によりＩＤＴ（インターディジタルトランスデューサ）や反射器などを形成し、ＩＤＴの励振により生成するレイリー波を用いるようにしたものがある。
【０００４】
また、その他の表面波共振子フィルタとして、ＳＴカット９０°Ｘ軸伝播の水晶基板を用い、この水晶基板にＴａ、Ｗ、Ａｕなどからなる電極材料を用いてＩＤＴや反射器などを形成し、ＩＤＴの励振により生成するＳＨ波を用いるようにしたものがある。
【０００５】
しかし、前者の、ＳＴカット０°Ｘ軸伝播の水晶基板上にＡｌからなる電極を形成した表面波共振子フィルタにおいては、レイリー波が用いられることから、
（１）反射係数が小さく、反射器を用いたデバイス、例えば、表面波共振子フィルタでは、反射器フィンガを多数必要とするため、小型化が妨げられる。
（２）電気機械結合係数が小さいため、ロスが大きい。
というような問題がある。
【０００６】
一方、後者のＳＴカット９０°Ｘ軸伝播の水晶基板上に、ＴａやＷ、Ａｕのように質量負荷の高い金属により電極を形成した表面波共振子フィルタは、ＳＨ波を用いていることから、電気機械結合係数が大きく、かつ、反射係数も大きいことから、装置の小型化を図ることが可能になるという特徴を有している。
【０００７】
しかしながら、ＴａやＷ、Ａｕのように質量負荷の大きい金属によって電極を形成した場合、電極の幅や膜厚のばらつきに伴う中心周波数のばらつきが大きくなって不良率が高くなるという問題点がある。すなわち、電極を形成する材料の質量負荷が大きくなるほど、質量負荷の小さいＡｌに比べて膜厚に対する音速の変化が急になり、質量負荷の小さいＡｌを用いた場合と同じ程度の電極の幅や膜厚のばらつきでも、中心周波数のばらつきが大きくなるという問題点がある。
【０００８】
このような問題点を解決するため、特許文献１においては、ＳＨ波発生用の水晶基板上にＡｌの金属膜で形成するＩＤＴのフィンガの規格化膜厚（Ｈ／λ）を最適化して、これにより電気機械結合係数が大きくてロスが少なく、しかも電極の膜厚が周波数に与える影響が小さくすることが可能な弾性表面波フィルタになると述べている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３３００５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１においても、その膜厚が大きくなると膜厚にばらつきが生じて周波数特性にばらつきが生じ、これにより歩留が低下しコストがかかるといった問題があった。また水晶基板との間の熱歪みや経年変化による周波数変動が顕著になるといった問題があった。さらに電気機械結合係数の改善にも限界があった。
【００１１】
そこで、本発明は上記問題点に着目し、周波数特性のばらつき、及び水晶基板との熱歪みや経年変化による周波数変動を抑制するとともに、電気機械結合係数を改善して信頼性の高い弾性表面波共振子、およびこれを用いた弾性表面波発振器、電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］オイラー角を（φ＝０°、１１０°≦θ≦１５０°、８８°≦ψ≦９２°）とした水晶基板と、前記水晶基板上に配置された複数の電極指を有し、励振波を弾性表面波としたＩＤＴと、を有した弾性表面波共振子であって、前記水晶基板上には、前記弾性表面波の伝播方向にストライプ状に並んだ複数の溝が配置され、前記電極指が、前記溝の間、または前記溝の内部に配置されたことを特徴とする弾性表面波共振子。
【００１３】
上記構成により、ＩＤＴを薄く形成するので水晶基板に対する熱歪みや周波数の経年変化を軽減するとともに、ＩＤＴの厚さのばらつきを抑制してコストを抑制することができる。さらにＩＤＴの厚みに係らず水晶基板上に大きな段差を形成することができるので、電気機械結合係数を高くすることができ、低損失な弾性表面波共振子となる。
【００１４】
［適用例２］前記弾性表面波の波長をλ、前記溝及び前記電極指により形成された段差をＤとした場合、前記段差Ｄが、
０．０４λ≦Ｄ≦０．１４λ
を満たしたことを特徴とする適用例１に記載の弾性表面波共振子。
段差を上記範囲とすることにより、電気機械結合係数を特に高くすることができるので、低損失な弾性表面波共振子となる。
【００１５】
［適用例３］前記電極指の膜厚をＨとした場合、前記膜厚Ｈが、
０．０１λ≦Ｈ≦０．０６λ
を満たしたことを特徴とする適用例１または２に記載の弾性表面波共振子。
電極指の膜厚を上記範囲とすることにより、弾性表面波共振子の周波数の経時変動を抑制することができる。
【００１６】
［適用例４］適用例１乃至３のいずれか１例に記載の弾性表面波共振子を搭載したことを特徴とする弾性表面波発振器。
上記構成により、低損失で低コストな弾性表面波発振器となる。
【００１７】
［適用例５］適用例１乃至３のいずれか１例に記載の弾性波共振子を搭載したことを特徴とする電子機器。
上記構成により、低損失で低コストな電子機器となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係る弾性表面波（ＳＡＷ）共振子を示し、図１（Ａ）はＳＡＷ共振子の平面図、図１（Ｂ）はＳＡＷ共振子の部分拡大断面図、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）の部分拡大図である。
【図２】本実施形態に係る弾性表面波（ＳＡＷ）発振器を示し、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】エージング試験による周波数の経時変動を示す図である。
【図４】ＳＡＷ共振子に形成された段差を変化させた場合の電気機械結合係数の変化を示す図である。
【図５】第２実施形態の弾性表面波（ＳＡＷ）共振子を示し、図５（Ａ）は平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の部分拡大断面図、図５（Ｃ）は図５（Ｂ）の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１に第１実施形態に係る弾性表面波（ＳＡＷ）共振子を示す。ここで図１（Ａ）はＳＡＷ共振子の平面図であり、図１（Ｂ）はＳＡＷ共振子の部分拡大断面図、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）の部分拡大図である。
【００２０】
第１実施形態のＳＡＷ共振子１０は、水晶基板３０、ＩＤＴ１２、反射器２０等を基本として構成される。本実施形態において、水晶基板３０は、オイラー角（φ＝０°、１１０°≦θ≦１５０°、８８°≦ψ≦９２°）、ＳＴカット９０°Ｘ軸伝播のものを用いている。そして本実施形態は、この水晶基板３０上に弾性表面波であるＳＨ波を励振波として励振するＩＤＴ１２が配設され、その両端にＳＨ波を反射する２つの反射器２０が配設されている。なお、本実施形態の水晶基板３０のオイラー角において、φは、−１°≦φ≦１°の範囲の許容誤差を含む。
【００２１】
ＩＤＴ１２は、複数の電極指１８の基端部をバスバー１６で接続した櫛歯状電極１４ａ、１４ｂを一対有し、一方の櫛歯状電極１４ａ（または１４ｂ）を構成する電極指１８と他方の櫛歯状電極１４ｂ（または１４ａ）を構成する電極指１８とを所定の間隔を空けて交互に配置している。ここで電極指１８は、その長手方向をＸ軸に対して垂直に向け、Ｘ軸方向にストライプ状に並んで配置される。そしてＩＤＴ１２は、印加される交流電圧によりＸ軸から９０°面内回転した方向にＳＨ波を励振する。
【００２２】
反射器２０は、ＩＤＴ１２が励起するＳＨ波の伝播方向から挟み込むように一対設けられている。具体的構成としては、ＩＤＴ１２を構成する電極指１８と平行に設けられる複数の導体ストリップ２２の両端をそれぞれ接続したものである。
【００２３】
なお、水晶基板のＳＡＷ伝搬方向の端面からの反射波を積極的に利用する端面反射型ＳＡＷ共振子や、ＩＤＴの電極指対数を多くすることで、ＩＤＴ自体でＳＡＷの定在波を励起する多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子においては、反射器は必ずしも必要ではない。
【００２４】
このようにして構成されるＩＤＴ１２や反射器２０を構成する電極膜の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）やＡｌを主体とした合金を用いることができる。なお、電極膜材料として合金を用いる場合、主成分となるＡｌ以外の金属は重量比で１０％以下にすればよい。
【００２５】
上記のような基本構成を有するＳＡＷ共振子１０における水晶基板３０は、ＩＤＴ１２の電極指１８間や反射器２０の導体ストリップ２２間に溝３２（電極指間溝）を設けている。
ここで、水晶基板３０に設ける溝３２の深さ（Ｇ）と、電極膜１８の膜厚（Ｈ）との和により基板に形成される段差（Ｄ＝Ｇ＋Ｈ）が定義されるが、その大きさはＳＡＷ共振子１０に発生させるＳＨ波の波長λを基準とした後述の数式１の範囲となる。なお、電極指１８の幅Ｌと溝３２の幅Ｓの割合となるライン占有率η（η＝Ｓ／（Ｌ＋Ｓ））は、周波数特性等を考慮して適宜設計される。
【００２６】
図２に本実施形態に係る弾性表面波（ＳＡＷ）発振器を示す。図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。本実施形態に係るＳＡＷ発振器１００は図２に示すように、上述したＳＡＷ共振子１０と、このＳＡＷ共振子１０のＩＤＴ１２に電圧を印加して駆動制御するＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）５０と、これらを収容するパッケージ５６とから成る。なお、図２において、図２（Ａ）はリッドを除いた平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す図である。
【００２７】
実施形態に係るＳＡＷ発振器１００では、ＳＡＷ共振子１０とＩＣ５０とを同一のパッケージ５６に収容し、パッケージ５６の底板５６ａに形成された電極パターン５４ａ〜５４ｇとＳＡＷ共振子１０の櫛歯状電極１４ａ，１４ｂ、およびＩＣ５０のパッド５２ａ〜５２ｆとを金属ワイヤ６０により接続している。そして、ＳＡＷ共振子１０とＩＣ５０とを収容したパッケージ５６のキャビティは、リッド５８により気密に封止している。このような構成とすることで、ＩＤＴ１２（図１参照）とＩＣ５０、及びパッケージ５６の底面に形成された図示しない外部実装電極とを電気的に接続することができる。
【００２８】
また本実施形態のＳＡＷ共振子１０は、携帯電話、ハードディスク、サーバ、コンピューター、有線・無線基地局、車載通信機器等の電子機器に搭載可能である。
本願発明者は、ＳＡＷ共振子に形成される段差の大きさを変化させたときの、電気機械結合係数、周波数の経時変動について調査した。本調査においては、水晶基板として、オイラー角が（φ＝０°、θ＝１２３°、ψ＝９０°）で、ＳＴカット９０°Ｘ軸伝播の水晶基板を用いた。そして調査に用いたＳＡＷ共振子は、水晶基板に溝を形成せずにＩＤＴを形成したＳＡＷ共振子であって、その膜厚を変化させることにより段差の大きさを変化させたもの（タイプ１）、ＩＤＴの膜厚（Ｈ）を０．０１λに固定するとともに水晶基板に溝を形成したＳＡＷ共振子であって、その深さを変化させることにより段差の大きさを変化させたもの（タイプ２）、ＩＤＴの膜厚（Ｈ）を０．０２λに固定するとともに水晶基板に溝を形成したＳＡＷ共振子であって、その深さを変化させることにより段差の大きさを変化させたもの（タイプ３）を用いて調査した。なおいずれのタイプにおいてもＩＤＴの電極指と溝の幅が互いに一致するように設計した（ライン占有率：η＝０．５）。またタイプ２、タイプ３ではＩＤＴの膜厚（Ｈ）と、溝の深さ（Ｇ）の和が段差（Ｄ＝Ｈ＋Ｇ）となる。
【００２９】
図３にエージング試験による周波数の経時変動を示す。エージング試験は、タイプ１のＳＡＷ共振子を１２５℃の雰囲気中に３０００時間放置した場合の、周波数変動量を測定した。すると、タイプ１においてＩＤＴの膜厚（Ｈ）を増加させると周波数の経時変動が大きくなることがわかった。とくに膜厚を０．０６λ以上にすると周波数の経時変動が急激に大きくなることがわかる。
【００３０】
図４にＳＡＷ共振子に形成された段差を変化させた場合の電気機械結合係数の変化を示す。タイプ１においては水晶基板上に形成されたＩＤＴの膜厚（Ｈ）を増加させると電気機械結合係数の値が上昇し、段差がほぼ０．１λとなるところで最大となることがわかる。図３、図４からわかるように、タイプ１においては、膜厚を調整することによる電気機械結合係数の最適化と、膜厚を調整することによる周波数の経時変動を最小にするための最適化と、を同時に行うことはできないことがわかる。
【００３１】
一方、図４に示すようにタイプ２、タイプ３のＳＡＷ共振子においては、電気機械結合係数は段差（Ｇ）を増加させるとともに単調増加するがタイプ１とほぼ同様の値を示している。
そして、段差（Ｄ）が０．０４λのとき、タイプ１はＩＤＴの膜厚（Ｈ）が０．０４λとなるが、このときの電気機械結合係数は０．１９１％となる。一方、タイプ２はＩＤＴの膜厚（Ｈ）が０．０１λ（固定）、溝の深さ（Ｇ）が０．０３λであるが、電気機械結合係数は０．１９５％となる。そしてタイプ３は、ＩＤＴの膜厚（Ｈ）が０．０２λ（固定）、溝の深さ（Ｇ）が０．０２λであるが、電気機械結合係数は０．１９２％となる。よって段差（Ｄ）が０．０４λとなったところで、電気機械結合係数においてタイプ２、タイプ３は、タイプ１より大きくなり、段差をさらに大きくするとその差が広がっていくことが分かる。
【００３２】
本調査において段差（Ｄ）は、０．１４λまで測定しているが、タイプ２、タイプ３においては電気機械結合係数の減少は見られなかった。そしてタイプ２、タイプ３は、それぞれＩＤＴの膜厚（Ｈ）が０．０１λ、０．０２λであり、図３でみると周波数の経時変化が見られない領域に相当する。よって、タイプ２、タイプ３は、周波数の経時変動を抑制しつつ電気機械結合係数を改善可能であることがわかる。したがって本実施形態においては段差（Ｄ）が、
【数１】
を満たすように設計すればよいことがわかる。
【００３３】
また図３の結果はそのままタイプ２、タイプ３のように溝を形成した場合にも当てはまるので、水晶基板に溝を形成した場合であってもＩＤＴの膜厚（Ｈ）を０．０４λ以下にする限り、周波数の経時変動が抑制され、溝の深さを調整することにより電気機械結合係数を改善できる。ところで図３に示す周波数変動量は、実用上１０ｐｐｍ程度までは好適とされる。したがって、上記調査からＩＤＴの膜厚（Ｈ）が、
【数２】
を満たすように設計することにより、周波数の経過変動を抑制しつつ、電気機械結合係数の改善を図ることができる。
【００３４】
さらに、図４に示すように、ＩＤＴの膜厚が０．０１λのタイプ２と、ＩＤＴの膜厚が０．０２λのタイプ３とを比較すると、電気機械結合係数はタイプ２の方が高いことがわかる。よってＩＤＴの膜厚を薄く形成するほど電気機械結合係数が高くなることがわかる。
【００３５】
図５に第２実施形態の弾性表面波（ＳＡＷ）共振子を示す。図５（Ａ）は平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の部分拡大断面図である。第２実施形態の弾性表面波（ＳＡＷ）共振子７０は、第１実施形態と同様の水晶基板３０を用い、ＩＤＴ（電極指７８、バスバー７６、櫛歯状電極７４ａ，７４ｂ）、反射器８０（導体ストリップ８２）を形成することになるが、ＳＨ波が伝播する方向にストライプ状に形成された溝８４の内部底面に電極指が形成された点で相違する。同様にバスバー７６、反射器８０（導体ストリップ８２）が形成される位置にも溝（不図示）が形成され、バスバー７６、反射器８０（導体ストリップ８２）が溝（不図示）の内部（内部底面）に形成されている。なおＩＤＴ７２及び反射器８０の形状及び向きは、それぞれ第１実施形態のＩＤＴ１２、反射器２０と同様である。よって第２実施形態のＳＡＷ共振子７０の弾性表面波の励振位置は溝８４の内側底面となる。この場合、溝８４の深さ（Ｇ）と電極指７８の膜厚（Ｈ）との差分により段差（Ｄ＝Ｇ−Ｈ）が形成される。さらに溝８４（電極指７８）の幅をＳ、溝８４間距離をＬとした場合のライン占有率η（η＝Ｓ／（Ｌ＋Ｓ））は、ＳＡＷ共振子７０の周波数特性等を考慮して適宜設計される。なお、本実施形態も上述のＳＡＷ共振器１００に適用できる。
【００３６】
一方、弾性表面波は水晶基板の表面を伝播するものであるが、ＩＤＴや反射器を除いた水晶基板３０の表面形状については第１実施形態と第２実施形態との間に相違はなく、ＩＤＴ１２、７２の形成位置が異なるだけであるので、弾性表面波の伝播経路に相違は生じない。したがって第１実施形態および第２実施形態のＩＤＴ１２、７２にそれぞれ同一の交流電圧を印加した場合、各ＳＡＷ共振子で発生する弾性表面波は互いにλ／４の位相差が生じるものの、その特性はほぼ同様である。上述の調査においては、第１実施形態、すなわち電極指１８の間に溝３２が形成された場合について調査している。しかし上述のように第２実施形態、すなわち溝８４の内部底面に電極指７８が形成された場合の特性は、第１実施形態とほぼ同様である。よって、上述の調査の結果はそのまま第２実施形態にも適用できる。したがって第２実施形態においても、段差の大きさ（溝８４の深さＧ、電極指７８の膜厚Ｈ）等を調整することにより、周波数の経時変動を抑制するとともに電気機械結合係数を改善できる。
【００３７】
したがって、いずれの実施形態においても、ＩＤＴ１２、７２を薄く形成するので水晶基板３０に対する熱歪みや周波数の経年変化を軽減するとともに、ＩＤＴ１２、７２の厚さのばらつきを抑制してコストを抑制することができる。さらにＩＤＴ１２、７２の厚みに係らず水晶基板上に大きな段差を形成することができるので、電気機械結合係数を高くすることができ、低損失なＳＡＷ共振子１０、７０となる。またこのＳＡＷ共振子１０、７０を搭載したＳＡＷ発振器１００、電子機器は低損失で低コストなものとなる。
【符号の説明】
【００３８】
１０………ＳＡＷ共振子、１２………ＩＤＴ、１４ａ………櫛歯状電極、１４ｂ………櫛歯状電極、１６………バスバー、１８………電極指、２０………反射器、２２………導体ストリップ、３０………水晶基板、３２………溝、５０………ＩＣ、５２ａ〜５２ｆ………パッド、５６………パッケージ、５４ａ〜５４ｇ………電極パターン、５６ａ………底板、５８………リッド、６０………金属ワイヤ７０………ＳＡＷ共振子、７２………ＩＤＴ、７４ａ………櫛歯状電極、７４ｂ………櫛歯状電極、７６………バスバー、７８………電極指、８０………反射器、８２………導体ストリップ、８４………溝。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波共振子、及びこれを用いた弾性表面波発振器、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、移動体通信機器の帯域通過フィルタなどには、弾性表面波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタが広く用いられている。このような従来の弾性表面波フィルタには、表面波共振子フィルタやトランスサーバルフィルタなどがある。
【０００３】
例えば、従来の表面波共振子フィルタのうちの一つに、温度特性の良好なＳＴカット０°Ｘ軸伝播の水晶基板を用い、この水晶基板上にＡｌからなる電極材料によりＩＤＴ（インターディジタルトランスデューサ）や反射器などを形成し、ＩＤＴの励振により生成するレイリー波を用いるようにしたものがある。
【０００４】
また、その他の表面波共振子フィルタとして、ＳＴカット９０°Ｘ軸伝播の水晶基板を用い、この水晶基板にＴａ、Ｗ、Ａｕなどからなる電極材料を用いてＩＤＴや反射器などを形成し、ＩＤＴの励振により生成するＳＨ波を用いるようにしたものがある。
【０００５】
しかし、前者の、ＳＴカット０°Ｘ軸伝播の水晶基板上にＡｌからなる電極を形成した表面波共振子フィルタにおいては、レイリー波が用いられることから、
（１）反射係数が小さく、反射器を用いたデバイス、例えば、表面波共振子フィルタでは、反射器フィンガを多数必要とするため、小型化が妨げられる。
（２）電気機械結合係数が小さいため、ロスが大きい。
というような問題がある。
【０００６】
一方、後者のＳＴカット９０°Ｘ軸伝播の水晶基板上に、ＴａやＷ、Ａｕのように質量負荷の高い金属により電極を形成した表面波共振子フィルタは、ＳＨ波を用いていることから、電気機械結合係数が大きく、かつ、反射係数も大きいことから、装置の小型化を図ることが可能になるという特徴を有している。
【０００７】
しかしながら、ＴａやＷ、Ａｕのように質量負荷の大きい金属によって電極を形成した場合、電極の幅や膜厚のばらつきに伴う中心周波数のばらつきが大きくなって不良率が高くなるという問題点がある。すなわち、電極を形成する材料の質量負荷が大きくなるほど、質量負荷の小さいＡｌに比べて膜厚に対する音速の変化が急になり、質量負荷の小さいＡｌを用いた場合と同じ程度の電極の幅や膜厚のばらつきでも、中心周波数のばらつきが大きくなるという問題点がある。
【０００８】
このような問題点を解決するため、特許文献１においては、ＳＨ波発生用の水晶基板上にＡｌの金属膜で形成するＩＤＴのフィンガの規格化膜厚（Ｈ／λ）を最適化して、これにより電気機械結合係数が大きくてロスが少なく、しかも電極の膜厚が周波数に与える影響が小さくすることが可能な弾性表面波フィルタになると述べている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３３００５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１においても、その膜厚が大きくなると膜厚にばらつきが生じて周波数特性にばらつきが生じ、これにより歩留が低下しコストがかかるといった問題があった。また水晶基板との間の熱歪みや経年変化による周波数変動が顕著になるといった問題があった。さらに電気機械結合係数の改善にも限界があった。
【００１１】
そこで、本発明は上記問題点に着目し、周波数特性のばらつき、及び水晶基板との熱歪みや経年変化による周波数変動を抑制するとともに、電気機械結合係数を改善して信頼性の高い弾性表面波共振子、およびこれを用いた弾性表面波発振器、電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］オイラー角を（φ＝０°、１１０°≦θ≦１５０°、８８°≦ψ≦９２°）とした水晶基板と、前記水晶基板上に配置された複数の電極指を有し、励振波を弾性表面波としたＩＤＴと、を有した弾性表面波共振子であって、前記水晶基板上には、前記弾性表面波の伝播方向にストライプ状に並んだ複数の溝が配置され、前記電極指が、前記溝の間、または前記溝の内部に配置されたことを特徴とする弾性表面波共振子。
【００１３】
上記構成により、ＩＤＴを薄く形成するので水晶基板に対する熱歪みや周波数の経年変化を軽減するとともに、ＩＤＴの厚さのばらつきを抑制してコストを抑制することができる。さらにＩＤＴの厚みに係らず水晶基板上に大きな段差を形成することができるので、電気機械結合係数を高くすることができ、低損失な弾性表面波共振子となる。
【００１４】
［適用例２］前記弾性表面波の波長をλ、前記溝及び前記電極指により形成された段差をＤとした場合、前記段差Ｄが、
０．０４λ≦Ｄ≦０．１４λ
を満たしたことを特徴とする適用例１に記載の弾性表面波共振子。
段差を上記範囲とすることにより、電気機械結合係数を特に高くすることができるので、低損失な弾性表面波共振子となる。
【００１５】
［適用例３］前記電極指の膜厚をＨとした場合、前記膜厚Ｈが、
０．０１λ≦Ｈ≦０．０６λ
を満たしたことを特徴とする適用例１または２に記載の弾性表面波共振子。
電極指の膜厚を上記範囲とすることにより、弾性表面波共振子の周波数の経時変動を抑制することができる。
【００１６】
［適用例４］適用例１乃至３のいずれか１例に記載の弾性表面波共振子を搭載したことを特徴とする弾性表面波発振器。
上記構成により、低損失で低コストな弾性表面波発振器となる。
【００１７】
［適用例５］適用例１乃至３のいずれか１例に記載の弾性波共振子を搭載したことを特徴とする電子機器。
上記構成により、低損失で低コストな電子機器となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係る弾性表面波（ＳＡＷ）共振子を示し、図１（Ａ）はＳＡＷ共振子の平面図、図１（Ｂ）はＳＡＷ共振子の部分拡大断面図、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）の部分拡大図である。
【図２】本実施形態に係る弾性表面波（ＳＡＷ）発振器を示し、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】エージング試験による周波数の経時変動を示す図である。
【図４】ＳＡＷ共振子に形成された段差を変化させた場合の電気機械結合係数の変化を示す図である。
【図５】第２実施形態の弾性表面波（ＳＡＷ）共振子を示し、図５（Ａ）は平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の部分拡大断面図、図５（Ｃ）は図５（Ｂ）の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１に第１実施形態に係る弾性表面波（ＳＡＷ）共振子を示す。ここで図１（Ａ）はＳＡＷ共振子の平面図であり、図１（Ｂ）はＳＡＷ共振子の部分拡大断面図、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）の部分拡大図である。
【００２０】
第１実施形態のＳＡＷ共振子１０は、水晶基板３０、ＩＤＴ１２、反射器２０等を基本として構成される。本実施形態において、水晶基板３０は、オイラー角（φ＝０°、１１０°≦θ≦１５０°、８８°≦ψ≦９２°）、ＳＴカット９０°Ｘ軸伝播のものを用いている。そして本実施形態は、この水晶基板３０上に弾性表面波であるＳＨ波を励振波として励振するＩＤＴ１２が配設され、その両端にＳＨ波を反射する２つの反射器２０が配設されている。なお、本実施形態の水晶基板３０のオイラー角において、φは、−１°≦φ≦１°の範囲の許容誤差を含む。
【００２１】
ＩＤＴ１２は、複数の電極指１８の基端部をバスバー１６で接続した櫛歯状電極１４ａ、１４ｂを一対有し、一方の櫛歯状電極１４ａ（または１４ｂ）を構成する電極指１８と他方の櫛歯状電極１４ｂ（または１４ａ）を構成する電極指１８とを所定の間隔を空けて交互に配置している。ここで電極指１８は、その長手方向をＸ軸に対して垂直に向け、Ｘ軸方向にストライプ状に並んで配置される。そしてＩＤＴ１２は、印加される交流電圧によりＸ軸から９０°面内回転した方向にＳＨ波を励振する。
【００２２】
反射器２０は、ＩＤＴ１２が励起するＳＨ波の伝播方向から挟み込むように一対設けられている。具体的構成としては、ＩＤＴ１２を構成する電極指１８と平行に設けられる複数の導体ストリップ２２の両端をそれぞれ接続したものである。
【００２３】
なお、水晶基板のＳＡＷ伝搬方向の端面からの反射波を積極的に利用する端面反射型ＳＡＷ共振子や、ＩＤＴの電極指対数を多くすることで、ＩＤＴ自体でＳＡＷの定在波を励起する多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子においては、反射器は必ずしも必要ではない。
【００２４】
このようにして構成されるＩＤＴ１２や反射器２０を構成する電極膜の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）やＡｌを主体とした合金を用いることができる。なお、電極膜材料として合金を用いる場合、主成分となるＡｌ以外の金属は重量比で１０％以下にすればよい。
【００２５】
上記のような基本構成を有するＳＡＷ共振子１０における水晶基板３０は、ＩＤＴ１２の電極指１８間や反射器２０の導体ストリップ２２間に溝３２（電極指間溝）を設けている。
ここで、水晶基板３０に設ける溝３２の深さ（Ｇ）と、電極膜１８の膜厚（Ｈ）との和により基板に形成される段差（Ｄ＝Ｇ＋Ｈ）が定義されるが、その大きさはＳＡＷ共振子１０に発生させるＳＨ波の波長λを基準とした後述の数式１の範囲となる。なお、電極指１８の幅Ｌと溝３２の幅Ｓの割合となるライン占有率η（η＝Ｓ／（Ｌ＋Ｓ））は、周波数特性等を考慮して適宜設計される。
【００２６】
図２に本実施形態に係る弾性表面波（ＳＡＷ）発振器を示す。図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。本実施形態に係るＳＡＷ発振器１００は図２に示すように、上述したＳＡＷ共振子１０と、このＳＡＷ共振子１０のＩＤＴ１２に電圧を印加して駆動制御するＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）５０と、これらを収容するパッケージ５６とから成る。なお、図２において、図２（Ａ）はリッドを除いた平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す図である。
【００２７】
実施形態に係るＳＡＷ発振器１００では、ＳＡＷ共振子１０とＩＣ５０とを同一のパッケージ５６に収容し、パッケージ５６の底板５６ａに形成された電極パターン５４ａ〜５４ｇとＳＡＷ共振子１０の櫛歯状電極１４ａ，１４ｂ、およびＩＣ５０のパッド５２ａ〜５２ｆとを金属ワイヤ６０により接続している。そして、ＳＡＷ共振子１０とＩＣ５０とを収容したパッケージ５６のキャビティは、リッド５８により気密に封止している。このような構成とすることで、ＩＤＴ１２（図１参照）とＩＣ５０、及びパッケージ５６の底面に形成された図示しない外部実装電極とを電気的に接続することができる。
【００２８】
また本実施形態のＳＡＷ共振子１０は、携帯電話、ハードディスク、サーバ、コンピューター、有線・無線基地局、車載通信機器等の電子機器に搭載可能である。
本願発明者は、ＳＡＷ共振子に形成される段差の大きさを変化させたときの、電気機械結合係数、周波数の経時変動について調査した。本調査においては、水晶基板として、オイラー角が（φ＝０°、θ＝１２３°、ψ＝９０°）で、ＳＴカット９０°Ｘ軸伝播の水晶基板を用いた。そして調査に用いたＳＡＷ共振子は、水晶基板に溝を形成せずにＩＤＴを形成したＳＡＷ共振子であって、その膜厚を変化させることにより段差の大きさを変化させたもの（タイプ１）、ＩＤＴの膜厚（Ｈ）を０．０１λに固定するとともに水晶基板に溝を形成したＳＡＷ共振子であって、その深さを変化させることにより段差の大きさを変化させたもの（タイプ２）、ＩＤＴの膜厚（Ｈ）を０．０２λに固定するとともに水晶基板に溝を形成したＳＡＷ共振子であって、その深さを変化させることにより段差の大きさを変化させたもの（タイプ３）を用いて調査した。なおいずれのタイプにおいてもＩＤＴの電極指と溝の幅が互いに一致するように設計した（ライン占有率：η＝０．５）。またタイプ２、タイプ３ではＩＤＴの膜厚（Ｈ）と、溝の深さ（Ｇ）の和が段差（Ｄ＝Ｈ＋Ｇ）となる。
【００２９】
図３にエージング試験による周波数の経時変動を示す。エージング試験は、タイプ１のＳＡＷ共振子を１２５℃の雰囲気中に３０００時間放置した場合の、周波数変動量を測定した。すると、タイプ１においてＩＤＴの膜厚（Ｈ）を増加させると周波数の経時変動が大きくなることがわかった。とくに膜厚を０．０６λ以上にすると周波数の経時変動が急激に大きくなることがわかる。
【００３０】
図４にＳＡＷ共振子に形成された段差を変化させた場合の電気機械結合係数の変化を示す。タイプ１においては水晶基板上に形成されたＩＤＴの膜厚（Ｈ）を増加させると電気機械結合係数の値が上昇し、段差がほぼ０．１λとなるところで最大となることがわかる。図３、図４からわかるように、タイプ１においては、膜厚を調整することによる電気機械結合係数の最適化と、膜厚を調整することによる周波数の経時変動を最小にするための最適化と、を同時に行うことはできないことがわかる。
【００３１】
一方、図４に示すようにタイプ２、タイプ３のＳＡＷ共振子においては、電気機械結合係数は段差（Ｇ）を増加させるとともに単調増加するがタイプ１とほぼ同様の値を示している。
そして、段差（Ｄ）が０．０４λのとき、タイプ１はＩＤＴの膜厚（Ｈ）が０．０４λとなるが、このときの電気機械結合係数は０．１９１％となる。一方、タイプ２はＩＤＴの膜厚（Ｈ）が０．０１λ（固定）、溝の深さ（Ｇ）が０．０３λであるが、電気機械結合係数は０．１９５％となる。そしてタイプ３は、ＩＤＴの膜厚（Ｈ）が０．０２λ（固定）、溝の深さ（Ｇ）が０．０２λであるが、電気機械結合係数は０．１９２％となる。よって段差（Ｄ）が０．０４λとなったところで、電気機械結合係数においてタイプ２、タイプ３は、タイプ１より大きくなり、段差をさらに大きくするとその差が広がっていくことが分かる。
【００３２】
本調査において段差（Ｄ）は、０．１４λまで測定しているが、タイプ２、タイプ３においては電気機械結合係数の減少は見られなかった。そしてタイプ２、タイプ３は、それぞれＩＤＴの膜厚（Ｈ）が０．０１λ、０．０２λであり、図３でみると周波数の経時変化が見られない領域に相当する。よって、タイプ２、タイプ３は、周波数の経時変動を抑制しつつ電気機械結合係数を改善可能であることがわかる。したがって本実施形態においては段差（Ｄ）が、
【数１】
を満たすように設計すればよいことがわかる。
【００３３】
また図３の結果はそのままタイプ２、タイプ３のように溝を形成した場合にも当てはまるので、水晶基板に溝を形成した場合であってもＩＤＴの膜厚（Ｈ）を０．０４λ以下にする限り、周波数の経時変動が抑制され、溝の深さを調整することにより電気機械結合係数を改善できる。ところで図３に示す周波数変動量は、実用上１０ｐｐｍ程度までは好適とされる。したがって、上記調査からＩＤＴの膜厚（Ｈ）が、
【数２】
を満たすように設計することにより、周波数の経過変動を抑制しつつ、電気機械結合係数の改善を図ることができる。
【００３４】
さらに、図４に示すように、ＩＤＴの膜厚が０．０１λのタイプ２と、ＩＤＴの膜厚が０．０２λのタイプ３とを比較すると、電気機械結合係数はタイプ２の方が高いことがわかる。よってＩＤＴの膜厚を薄く形成するほど電気機械結合係数が高くなることがわかる。
【００３５】
図５に第２実施形態の弾性表面波（ＳＡＷ）共振子を示す。図５（Ａ）は平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の部分拡大断面図である。第２実施形態の弾性表面波（ＳＡＷ）共振子７０は、第１実施形態と同様の水晶基板３０を用い、ＩＤＴ（電極指７８、バスバー７６、櫛歯状電極７４ａ，７４ｂ）、反射器８０（導体ストリップ８２）を形成することになるが、ＳＨ波が伝播する方向にストライプ状に形成された溝８４の内部底面に電極指が形成された点で相違する。同様にバスバー７６、反射器８０（導体ストリップ８２）が形成される位置にも溝（不図示）が形成され、バスバー７６、反射器８０（導体ストリップ８２）が溝（不図示）の内部（内部底面）に形成されている。なおＩＤＴ７２及び反射器８０の形状及び向きは、それぞれ第１実施形態のＩＤＴ１２、反射器２０と同様である。よって第２実施形態のＳＡＷ共振子７０の弾性表面波の励振位置は溝８４の内側底面となる。この場合、溝８４の深さ（Ｇ）と電極指７８の膜厚（Ｈ）との差分により段差（Ｄ＝Ｇ−Ｈ）が形成される。さらに溝８４（電極指７８）の幅をＳ、溝８４間距離をＬとした場合のライン占有率η（η＝Ｓ／（Ｌ＋Ｓ））は、ＳＡＷ共振子７０の周波数特性等を考慮して適宜設計される。なお、本実施形態も上述のＳＡＷ共振器１００に適用できる。
【００３６】
一方、弾性表面波は水晶基板の表面を伝播するものであるが、ＩＤＴや反射器を除いた水晶基板３０の表面形状については第１実施形態と第２実施形態との間に相違はなく、ＩＤＴ１２、７２の形成位置が異なるだけであるので、弾性表面波の伝播経路に相違は生じない。したがって第１実施形態および第２実施形態のＩＤＴ１２、７２にそれぞれ同一の交流電圧を印加した場合、各ＳＡＷ共振子で発生する弾性表面波は互いにλ／４の位相差が生じるものの、その特性はほぼ同様である。上述の調査においては、第１実施形態、すなわち電極指１８の間に溝３２が形成された場合について調査している。しかし上述のように第２実施形態、すなわち溝８４の内部底面に電極指７８が形成された場合の特性は、第１実施形態とほぼ同様である。よって、上述の調査の結果はそのまま第２実施形態にも適用できる。したがって第２実施形態においても、段差の大きさ（溝８４の深さＧ、電極指７８の膜厚Ｈ）等を調整することにより、周波数の経時変動を抑制するとともに電気機械結合係数を改善できる。
【００３７】
したがって、いずれの実施形態においても、ＩＤＴ１２、７２を薄く形成するので水晶基板３０に対する熱歪みや周波数の経年変化を軽減するとともに、ＩＤＴ１２、７２の厚さのばらつきを抑制してコストを抑制することができる。さらにＩＤＴ１２、７２の厚みに係らず水晶基板上に大きな段差を形成することができるので、電気機械結合係数を高くすることができ、低損失なＳＡＷ共振子１０、７０となる。またこのＳＡＷ共振子１０、７０を搭載したＳＡＷ発振器１００、電子機器は低損失で低コストなものとなる。
【符号の説明】
【００３８】
１０………ＳＡＷ共振子、１２………ＩＤＴ、１４ａ………櫛歯状電極、１４ｂ………櫛歯状電極、１６………バスバー、１８………電極指、２０………反射器、２２………導体ストリップ、３０………水晶基板、３２………溝、５０………ＩＣ、５２ａ〜５２ｆ………パッド、５６………パッケージ、５４ａ〜５４ｇ………電極パターン、５６ａ………底板、５８………リッド、６０………金属ワイヤ７０………ＳＡＷ共振子、７２………ＩＤＴ、７４ａ………櫛歯状電極、７４ｂ………櫛歯状電極、７６………バスバー、７８………電極指、８０………反射器、８２………導体ストリップ、８４………溝。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オイラー角を（φ＝０°、１１０°≦θ≦１５０°、８８°≦ψ≦９２°）とした水晶基板と、
前記水晶基板上に配置された複数の電極指を有し、励振波を弾性表面波としたＩＤＴと、
を有した弾性表面波共振子であって、
前記水晶基板上には、前記弾性表面波の伝播方向にストライプ状に並んだ複数の溝が配置され、
前記電極指が、
前記溝の間、または前記溝の内部に配置されたことを特徴とする弾性表面波共振子。
【請求項２】
前記弾性表面波の波長をλ、前記溝及び前記電極指により形成された段差をＤとした場合、前記段差Ｄが、
０．０４λ≦Ｄ≦０．１４λ
を満たしたことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波共振子。
【請求項３】
前記電極指の膜厚をＨとした場合、前記膜厚Ｈが、
０．０１λ≦Ｈ≦０．０６λ
を満たしたことを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波共振子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の弾性表面波共振子を搭載したことを特徴とする弾性表面波発振器。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の弾性波共振子を搭載したことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
オイラー角を（φ＝０°、１１０°≦θ≦１５０°、８８°≦ψ≦９２°）とした水晶基板と、
前記水晶基板上に配置された複数の電極指を有し、励振波を弾性表面波としたＩＤＴと、
を有した弾性表面波共振子であって、
前記水晶基板上には、前記弾性表面波の伝播方向にストライプ状に並んだ複数の溝が配置され、
前記電極指が、
前記溝の間、または前記溝の内部に配置されたことを特徴とする弾性表面波共振子。
【請求項２】
前記弾性表面波の波長をλ、前記溝及び前記電極指により形成された段差をＤとした場合、前記段差Ｄが、
０．０４λ≦Ｄ≦０．１４λ
を満たしたことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波共振子。
【請求項３】
前記電極指の膜厚をＨとした場合、前記膜厚Ｈが、
０．０１λ≦Ｈ≦０．０６λ
を満たしたことを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波共振子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の弾性表面波共振子を搭載したことを特徴とする弾性表面波発振器。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の弾性波共振子を搭載したことを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−４９８１８（Ｐ２０１２−４９８１８Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８９８６４（Ｐ２０１０−１８９８６４）
【出願日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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