(57)【要約】【課題】ＳＨ波を利用したＳＡＷデバイスの通電時の周波数シフトを低減する方法を提供する。【解決手段】水晶基板１１は、Ｙカット水晶基板の回転角θを結晶軸Ｚより反時計方向に約−５０°とし、結晶軸Ｘに対し９０°±５°方向（Ｚ’軸方向）に伝搬するＳＨ波型表面波を励起する基板を用いる。そして、水晶基板１１のＺ’軸方向に沿ってアルミニウム、又はアルミニウムを主成分とする合金のＩＤＴ電極１２と、その両側にグレーティング反射器１３ａ、１３ｂとを配置して、ＳＨ波型ＳＡＷ共振子を構成する。また、前記ＩＤＴ電極１２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、ライン占有率ｍｒが、０．４１＜ｍｒ＜０．５３を満足する。【選択図】図７
2008301020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と、該圧電基板上に形成されアルミニウム又はアルミニウムを主成分とする合金からなる櫛形電極とを備え、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、前記櫛形電極の波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、
前記櫛形電極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、ライン占有率ｍｒが、０．４１＜ｍｒ＜０．５３を満足することを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項２】
前記櫛形電極の表面上に陽極酸化膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項３】
前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板の主表面をエッチング処理した後、該圧電基板の主表面に前記櫛形電極を形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項４】
前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板上に櫛形電極を少なくとも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する請求項１乃至３のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
【請求項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沿って櫛形電極を少なくとも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する請求項１乃至３のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
【請求項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する請求項１乃至３のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
【請求項７】
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櫛形電極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する請求項１乃至３のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
【請求項８】
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する請求項１乃至３のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波デバイスに関し、特にＳＨ（Shear Horizontal）波を利用した弾性表面波デバイスであって、通電時の周波数シフトを低減した弾性表面波デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：以下、ＳＡＷと称す）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カット水晶基板は本来、結晶Ｘ軸を回転軸としてＸＺ面を結晶Ｚ軸より−Ｙ軸方向に４２．７５°回転した面（ＸＺ’面）を持つ水晶板のカット名であったが、近年では前記回転角度が４２．７５°の場合だけでなく、４２．７５°未満の場合（例えば前記回転角度が３３°の場合）においても、ＳＴカット水晶基板と称される場合が少なくない。ＳＴカット水晶基板においては、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）を利用するのが一般的である。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。
【０００３】
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１２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櫛形電極（以下、ＩＤＴ電極と称す）１０２を配置し、該ＩＤＴ電極１０２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ＩＤＴ電極１０２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。
【０００４】
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、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。
【０００５】
前記問題を解決する手法として、Meirion Lewis,“Surface Skimming Bulk Waves, 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１３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電極によって励起し、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。
【０００６】
しかし、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１４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ＩＤＴ電極１１２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ＩＤＴ電極１１２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。
【０００７】
しかし、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電極の対数が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号公報に開示されているＳＡＷ共振子においては、ＩＤＴ電極にて励振された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。
【０００８】
そこで、ＷＯ２００５／０９９０８９にて開示されているように、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−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、アルミニウム、又はアルミニウムを主成分とする合金からなるＩＤＴ電極を形成し、該ＩＤＴ電極の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デバイスが発明された。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。
【特許文献１】特公昭６２−０１６０５０号公報
【特許文献２】特公平０１−０３４４１１号公報
【特許文献３】ＷＯ２００５／０９９０８９
【特許文献４】特開２００６−１６５７４６公報
【非特許文献１】Meirion Lewis,“Surface Skimming Bulk Waves,SSBW”,IEEE Ultrasonics Symp.Proc.,pp.744〜752(1977)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、ＳＡＷ共振子や、ＳＡＷフィルタなどのＳＡＷデバイスにおいて、重要な特性の１つとして、通電時における周波数シフト特性がある。通電時における周波数シフトは、ＳＡＷデバイスに形成された電極に長時間電流を流して電極を励振させると、電極を形成している金属材料の粒子が移動するなどの原因により共振周波数が変動することに起因して発生する。
しかしながら、上述した従来の特許文献においては、ＳＡＷデバイスの特性を決定する各種のパラメータと通電時の周波数シフト特性との関係について検討されておらず、通電時の周波数シフトを低減する方法について記載されていない。
本発明は、上述したような問題を解決するためになされたものであって、ＳＨ波を利用したＳＡＷデバイスの通電時の周波数シフトを低減する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明に係るＳＡＷデバイスは、圧電基板と、該圧電基板上に形成されアルミニウム又はアルミニウムを主成分とする合金からなるＩＤＴ電極とを備え、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電極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電極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、ライン占有率ｍｒが、０．４１＜ｍｒ＜０．５３を満足するものであることを特徴としている。
このような本発明のＳＡＷデバイスによれば、ライン占有率ｍｒを、０．４１＜ｍｒ＜０．５３の範囲に収めることにより、従来のＳＡＷデバイスと比べて通電時の周波数シフトが小さくなる特性が得られ、ＳＡＷデバイスの通電時の経年変化による周波数変動を低減できることから、ＳＡＷデバイスの性能を向上させる上で大きな効果を発揮する。
【００１１】
また、本発明に係るＳＡＷデバイスは、前記ＩＤＴ電極の表面上に陽極酸化膜を形成したことを特徴としている。
このような本発明のＳＡＷデバイスによれば、ＳＡＷデバイスを形成する電極の表面上に陽極酸化膜を形成することにより、ＳＡＷデバイスの信頼性を向上させる上で大きな効果を発揮する。
また、本発明に係るＳＡＷデバイスは、前記圧電基板の主表面をエッチング処理した後、該圧電基板の主表面に前記櫛形電極を形成したことを特徴としている。
このような本発明のＳＡＷデバイスによれば、圧電基板の主表面に所定の厚みのエッチングを施すことによって圧電基板の結晶面を主表面上に露出させた後、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とした合金からなる電極を形成したので、アルミニウム膜またはアルミニウム合金膜の結晶性が高まり、通電によるアルミニウム粒子の移動が抑圧される。よって、ＳＡＷデバイスの周波数変動などの経時変化が低減され、本発明におけるライン占有率を所定の範囲に収めることとあわせて、ＳＡＷデバイスの周波数シフトをさらに低減することが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係るＳＡＷデバイスは、前記圧電基板上にＩＤＴ電極を少なくとも１個配置した１ポートのＳＡＷ共振子であることを特徴としている。
このような本発明のＳＡＷデバイスによれば、１ポートのＳＡＷ共振子に本発明を適用させることにより、小型でＱ値が高く、通電時の周波数シフト特性が向上したＳＡＷデバイスを実現することができる。
また、本発明に係るＳＡＷデバイスは、前記圧電基板のＳＡＷの伝搬方向に沿ってＩＤＴ電極を少なくとも２個配置した２ポートのＳＡＷ共振子であることを特徴としている。
このような本発明のＳＡＷデバイスによれば、２ポートのＳＡＷ共振子に本発明を適用させることにより、小型でＱ値が高く、通電時の周波数シフト特性が向上したＳＡＷデバイスを実現することができる。
また、本発明に係るＳＡＷデバイスは、前記圧電基板のＳＡＷの伝搬方向に対して複数個のＳＡＷ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ている。
このような本発明のＳＡＷデバイスによれば、横結合型多重モードフィルタに本発明を適用させることにより、小型で低損失な、通電時の周波数シフト特性が向上したＳＡＷデバイスを実現することができる。
【００１３】
また、本発明に係るＳＡＷデバイスは、前記圧電基板のＳＡＷの伝搬方向に沿って複数個のＩＤＴ電極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ている。
このような本発明のＳＡＷデバイスによれば、縦結合型多重モードフィルタに本発明を適用させることにより、小型で低損失な、通電時の周波数シフト特性が向上したＳＡＷデバイスを実現することができる。
また、本発明に係るＳＡＷデバイスは、前記圧電基板上に複数個のＳＡＷ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ている。
このような本発明のＳＡＷデバイスによれば、ラダー型弾性表面波フィルタに本発明を適用させることにより、小型で低損失な、通電時の周波数シフト特性が向上したＳＡＷデバイスを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
本発明を説明する前に本発明の前提となる特許文献３の弾性表面波デバイスについて説明する。
この場合の弾性表面波デバイスは、図１（ａ）に示すように、Ｙカット水晶基板の回転角θを結晶軸Ｚより反時計方向に約−５０°とし、結晶軸Ｘに対し９０°±５°方向に伝搬するＳＨ波型ＳＡＷである。また、図１（ｂ）は、ＳＨ波型ＳＡＷ共振子の構成を示す図であって、水晶基板１の主面上にＺ’軸方向に沿ってＩＤＴ電極２を配置すると共に、該ＩＤＴ電極２の両側にグレーティング反射器３ａ、３ｂを配設してＳＨ波型ＳＡＷ共振子を構成する。ＩＤＴ電極２は互いに間挿し合う複数の電極指を有する一対の櫛形電極より構成され、それぞれの櫛形電極よりリード電極を伸ばす。ＩＤＴ電極２、グレーティング反射器３ａ、３ｂの電極材料はアルミニウム、又はアルミニウムを主成分とする合金とし、ＩＤＴ電極２、グレーティング反射器３ａ、３ｂの電極膜厚ＨをＳＨ波型表面波の波長λで基準化したＨ／λを基準化電極膜厚とし、ＩＤＴ電極２を構成する電極指幅をＬ、電極指幅Ｌと電極指間のスペースＳとの和を（Ｌ＋Ｓ）としたとき、Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）をライン占有率ｍｒとし、特に記述しないときは、ｍｒ＝０．６０を用いる。
【００１５】
図１（ｂ）においては、電極膜厚Ｈ／λを、従来の値より大きく設定することで、ＳＨ波型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ＳＨ波型表面波の反射を効率良く利用できるようにし、少ないＩＤＴ電極対数やグレーティング反射器本数でもＳＨ波型表面波エネルギーをＩＤＴ電極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。
図２は、図１（ｂ）に示したＳＨ波型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、ＩＤＴ電極２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本として構成したＳＨ波型ＳＡＷ共振子の周波数温度特性（実線）を示した図である。また、比較の為に、圧電基板の大きさを同一にしたＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子の周波数温度特性を破線で示し、重ね書きした。
【００１６】
図３は、特許文献３のＳＨ波型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、特許文献２にある多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子と本発明のＳＨ波型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、特許文献２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ＳＨ波型ＳＡＷを反射することで、特許文献２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。
【００１７】
次に、図４は、図１（ｂ）に示したＳＨ波型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。図４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た。
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、及び特許文献２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分かった。
なお、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、図１（ｂ）に示した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。
【００１８】
ところで、特許文献３のＳＨ波型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、図１（ｂ）に示したＳＨ波型ＳＡＷ共振子においてカット角θを−５０．５°としたときの電極膜厚Ｈ／λと頂点温度Ｔｐの関係を示している。図５（ａ）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。
【００１９】
また、図５（ｂ）は、図１（ｂ）に示した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。図５（ｂ）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）
【００２０】
このように、特許文献３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電極やグレーティング反射器の電極材料をアルミニウム、またはアルミニウム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値として２００００以上が得られる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℃）に設定するためには、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。
【００２１】
図６は、前記ＳＨ波型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。
【００２２】
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電極やグレーティング反射器の電極材料をアルミニウム、またはアルミニウム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。
【００２３】
ところで、上述した特許文献３においてはＳＡＷデバイスの特性を決定する各種のパラメータと通電時の周波数シフト特性との関係については検討されておらず、通電時の周波数シフトを低減する方法について記載されていない。
そこで、本願発明者らは、鋭意検討を行った結果、通電時の周波数シフトの低減を図る方法を見出した。以下、本実施形態のＳＡＷデバイスについて詳細に説明する。
図７は、本発明の実施形態に係るＳＨ波型ＳＡＷ共振子の構成を示す図である。
水晶基板１１は、Ｙカット水晶基板の回転角θを結晶軸Ｚより反時計方向に約−５０°とし、結晶軸Ｘに対し９０°±５°方向（Ｚ’軸方向）に伝搬するＳＨ波型ＳＡＷを励起する基板を用いる。そして、水晶基板１１のＺ’軸方向に沿ってアルミニウム、又はアルミニウムを主成分とする合金のＩＤＴ電極１２と、その両側にグレーティング反射器１３ａ、１３ｂとを配置して、ＳＨ波型ＳＡＷ共振子を構成する。ＩＤＴ電極１２は、互いに間挿し合う複数の電極指を有する一対の櫛形電極より形成され、それぞれの櫛形電極よりリード電極を伸ばして二端子とする。
なお、水晶基板１１のカット角θ、電極材料、ＩＤＴ電極の基準化電極膜厚Ｈ／λ（λ
はＳＨ波型ＳＡＷの波長）等は前述した特許文献３に基づくものとする。
【００２４】
本願発明者らは、ＳＡＷデバイスの通電時の周波数シフトの大きな原因が、ＳＡＷデバイスに形成したＩＤＴ電極に長時間電流を流し、ＩＤＴ電極を励振した際に、アルミニウムの成分である粒子が移動して周波数変動を起こすことであると考えられていることから、ＳＡＷデバイスを構成するＩＤＴ電極のライン占有率の値について着目した。前述したように、ライン占有率とは、ＩＤＴ電極１２を構成する電極指幅をＬとし、電極指幅Ｌと電極指間のスペースＳとの和を（Ｌ＋Ｓ）としたとき、Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）により求めたものである。そこで、図７に示した性能のＳＡＷ共振子について、ライン占有率ｍｒを変化させた際の周波数シフトΔＦの特性を測定した。
図８は、その代表的なサンプルのライン占有率ｍｒを変化させた際の周波数シフトΔＦ特性のグラフ図を示す。また、図８のグラフ図は、ＳＡＷ共振子に、＋５ｄＢｍのレベルで周波数４３３．９２ＭＨｚの測定周波数信号を通電した際の特性であり、周囲温度２５℃の環境で２４時間放置した後の周波数シフトを測定したものである。前述した特願２００４−３１０４５２においては、ＳＡＷデバイスの評価を周波数３１５ＭＨｚで行っているが、ライン占有率を変化させた際の周波数シフト特性の測定に当たっては、測定周波数信号をより高周波として厳しい条件での周波数シフト特性を測定した。図８のグラフ図に示すように、ライン占有率ｍｒを０．４１＜ｍｒ＜０．５３の範囲とすると、周波数シフトΔＦは２．１８ｐｐｍ以内となり、先行技術において説明したように、ｍｒを０．６と設定した場合の周波数シフトΔＦがおおよそ０．５７ｐｐｍで有ることに比べ、格段に周波数シフト特性が改善されることを見出した。また、好ましくは、ライン占有率ｍｒを０．４７＜ｍｒ＜０．５の範囲とすれば、周波数シフトΔＦは、１ｐｐｍ以内となることが分かる。
【００２５】
次に、図８に示したグラフ図において、ライン占有率ｍｒを０．５３以上とすると、周波数シフト特性の傾斜が大きくなり、周波数シフトΔＦが増加しているが、これは、次のような理由によるものと推測される。ＳＡＷ共振子を構成しているＩＤＴ電極は、電極材料であるアルミニウムの粒子の膜が積み重なって出来ている。このＩＤＴ電極に通電による励振や機械的変移が加わると、ＩＤＴ電極の密度の具合や局所的な応力によりアルミニウムの粒子が移動して共振周波数が変化する。この応力は、ＩＤＴ電極の＋電極指と−電極指とが互いに逆方向に励振されることにより生ずるもので、電極指のエッジの部分がもっとも大きくなることが知られている。そこで、ライン占有率が大きくて電極指が太くなっていると、電極指間のスペースが狭くなり、従って、電極指に加わる応力が増加し、通電時の周波数シフトも大きくなると考えられる。
次に、図８に示したグラフ図において、通電時の周波数シフト特性の測定は、ＳＡＷ共振子に、＋５ｄＢｍのレベルの測定周波数信号を２４時間通電した後に行ったが、これは、例えば、ＳＡＷ共振子を微弱電波を利用したキーレスエントリシステムに使用した場合に当てはめると、キーレスエントリシステムにおけるＳＡＷ共振子の励振レベルは、＋５ｄＢｍより一桁以上小さいレベルであり、また動作時間も１回当たり数ｍｓｅｃ程度であることを考えると、５年以上のエージング特性を測定した場合と同等の評価試験である。
【００２６】
以上、本発明の実施形態について説明した。なお、ＩＤＴ電極の電極材料は、前述したアルミニウムやそれを主成分とした合金のほか、金、銀、銅、タングステン、タンタルなど、またはそれらを主成分とした合金を用いることも可能であるが、材料費が安く、成膜やエッチング加工が容易であるアルミニウムやそれを主成分とした合金を用いるのが最も好ましい。
また、ＩＤＴ電極やグレーティング反射器の表面上にアルミナのような陽極酸化膜や、ＳｉＯ2等の保護膜を施したり、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りした場合においても、本発明を適用することにより、同様の効果を得られることは明らかである。
また、水晶基板の主表面を所定の厚さでエッチングした後、ＩＤＴ電極を形成したＳＡＷデバイスが実用化されているが、この手法を採用したＳＡＷデバイスであっても本発明を適用することにより、同様の効果を得ることができる。ＩＤＴ電極を形成するアルミニウム膜の結晶の結晶粒界が双晶粒界であると、隣り合う結晶粒同士が双晶の関係にあり、粒界エネルギーが小さくなることが知られており、その目的のため、例えば水晶基板の主表面を所定の厚さでエッチングした後、ＩＤＴ電極を形成する。従って、そのような状態のＩＤＴ電極に長期間の振動が加えられてもアルミニウム膜を構成する粒子は移動しにくく、長期間、ＳＡＷデバイスを通電しても共振周波数は、経時変化しにくい。そこで、この手法を採用することにより、本発明におけるライン占有率を所定の範囲に収めることとあわせて、ＳＡＷデバイスの通電時の周波数シフトをさらに低減することが可能となる。
【００２７】
次に、これまで、図７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は水晶基板２１上にＳＡＷの伝搬方向に沿ってＩＤＴ電極２２、２３を配置し、その両側にグレーティング反射器２４ａ、２４ｂを配置した２ポートＳＨ波型ＳＡＷ共振子を示しており、１ポートＳＨ波型ＳＡＷ共振子と同じく高いＱ値を実現できる。
図１０は、ＳＡＷ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、図１０（ａ）は、水晶基板３１上にＳＡＷ共振子３２を伝搬方向に対して平行に近接配置した横結合型ＤＭＳフィルタであり、図１０（ｂ）は水晶基板４１上にＩＤＴ電極４２からなるＳＨ波型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。
【００２８】
図１１は、ＳＡＷ共振子フィルタの別の方式として、水晶基板５１上に複数の１ポートＳＡＷ共振子５２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。
以上、本発明に係るＳＡＷデバイスについて具体的な実施形態を説明したが、ライン占有率ｍｒを、０．４１＜ｍｒ＜０．５３の範囲に収めることにより、従来のＳＡＷデバイスと比べて格段と優れた通電時の周波数シフト特性が得られ、ＳＡＷデバイスを使用する上で大きな効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（ａ）は先行技術のＳＨ波型ＳＡＷ共振子の基板のカット角θと電極の配置を示す図、（ｂ）は先行技術のＳＨ波型ＳＡＷ共振子の構成を示す図である。
【図２】先行技術のＳＨ波型ＳＡＷ共振子の周波数温度特性と、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子の周波数温度特性とを重ね書きした図である。
【図３】先行技術のＳＨ波型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。
【図４】先行技術のＳＨ波型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。
【図５】（ａ）は先行技術のＳＨ波型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。
【図６】ＳＨ波型ＳＡＷ共振子の頂点温度Ｔｐ（℃）がＴｐ＝−５０，０，＋７０，＋１２５であるときのカット角θと電極膜厚Ｈ／λの関係を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係るＳＨ波型ＳＡＷ共振子の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係るＳＨ波型ＳＡＷ共振子の通電時の周波数シフト特性を示す図である。
【図９】２ポートＳＨ波型ＳＡＷ共振子の構成を示す図である。
【図１０】（ａ）は横結合型ＤＭＳフィルタの構成を示す図、（ｂ）は縦結合型ＤＭＳフィルタの構成を示す図である。
【図１１】ラダー型ＳＡＷフィルタの構成を示す図である。
【図１２】従来のＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子の構成を示す図である。
【図１３】（ａ）（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。
【図１４】従来の多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１、１１、２１、３１、４１、５１…水晶基板、２、１２、２２、２３、４２…ＩＤＴ電極、３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ、２４ａ、２４ｂ…グレーティング反射器、３２…ＳＡＷ共振子、５２…１ポートＳＡＷ共振子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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