(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体平板上に形成された弾性表面波素子が、表面波伝播方向であるＸ軸に直交して平行に配置した電極指群から構成されて、弾性表面波を励振するための、少なくとも１個のすだれ状電極と、前記伝播方向の両側に配置した少なくとも１対の反射器とからなる共振素子あるいはフィルタ素子等からなる弾性表面波装置において、
前記弾性表面波装置は、少なくとも前記の圧電体平板と、前記圧電体平板を収容するための金属あるいはセラミックス等からなる容器と、前記の圧電体平板と容器の構造部材とを固着して固定するための金属バンプあるいは導電性ペースト、接着剤等の接合部材からなり、
前記圧電体平板は、その表面上に前記弾性表面波素子が形成され、表面波伝播方向の寸法をｘ０、表面波伝播方向に直交した方向の寸法をｙ０としたときに、寸法比ｙ０／ｘ０の値が２以上であって、表面波伝播方向ｘにほぼ直交する配置で、前記圧電体平板を前記容器に固定するための少なくとも１ケ所以上の支持領域が、前記圧電体平板の素子形成側の面上、あるいは裏面側に設けられて前記すだれ状電極と対応した領域外で片持ち支持されており、
さらに、前記弾性表面波装置に印加する加速度の方向が、前記圧電体平板の表面に垂直方向とした場合において、前記圧電体平板の表面近傍上の前記すだれ状電極部領域における表面波伝播方向ｘの応力τｘｘと、方向ｘに直交する方向ｙの応力τｙｙの比率ｃ＝τｘｘ／τｙｙが０．００１＜ｃ＜０．２の範囲であり、かつ、前記圧電体平板において前記ｙ方向にそった曲げに対する表面波伝播速度変化がほぼ零であることを特徴とする弾性表面波装置。
【請求項２】
圧電体平板上に形成された弾性表面波素子が、表面波伝播方向であるＸ軸に直交して平行に配置した電極指群から構成されて、弾性表面波を励振するための、少なくとも１個のすだれ状電極と、前記伝播方向の両側に配置した少なくとも１対の反射器とからなる共振素子あるいはフィルタ素子等からなる弾性表面波装置において、
前記弾性表面波装置は、少なくとも前記の圧電体平板と、前記圧電体平板を収容するための金属あるいはセラミックス等からなる容器と、前記の圧電体平板と容器の構造部材とを固着して固定するための金属バンプあるいは導電性ペースト、接着剤等の接合部材からなり、
前記圧電体平板は、その表面上に前記弾性表面波素子が形成され、表面波伝播方向の寸法をｘ０、表面波伝播方向に直交した方向の寸法をｙ０としたときに、寸法比ｙ０／ｘ０の値が０．５以上であって、
前記圧電体平板の弾性表面波素子が形成される側の面において、前記表面波伝播方向ｘにほぼ平行に、前記弾性表面波素子の片側あるいは両側にハーフカットを設けたうえで、前記圧電体平板の支持領域を前記ハーフカットの外側に設けたことを特徴とする請求項１記載の弾性表面波装置。
【請求項３】
前記圧電体平板の弾性表面波素子の前記すだれ状電極の幅寸法ＷＣと弾性表面波の波長λとの比ＷＣＲ＝ＷＣ／λが20以上である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装置。
【請求項４】
前記弾性表面波装置が有する加速度感度係数Γ（１／Ｇ）が１．０×10-9から１．０×10-11の範囲にある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装置。
【請求項５】
前記すだれ状電極の全体が有するトータル反射係数γが１０＞γ＞０．８としたエネルギー閉込型であり、
前記弾性表面波素子が有するすだれ状電極の交差幅がＷＣであり、交差幅領域の角周波数がω０（ｙ）＝ω０、その両側に位置した自由表面の角周波数がω０（ｙ）＝ωｆであって、前記弾性表面波素子が有する横断面振動変位Ｕ（ｙ）と共振角周波数ωの関係を支配する微分方程式が、横分散定数Ａy＝0.04858とする２階微分方程式、
Ａｙω0(ｙ)2Ｕ（ｙ），ｙｙ＋{ω2−ω0(ｙ)2}Ｕ（ｙ）＝０
の解である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装置。
【請求項６】
前記圧電体平板は、水晶回転Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）回りに反時計方向に回転角θ＝３１度から４２度回転し、かつ弾性表面波の伝播方向を、前記電気軸（Ｘ軸）より回転角ψ＝４０度から４６度の範囲で面内回転した回転ＳＴカット水晶板である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装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶あるいはタンタル酸リチウム（LiTaO3），ZnO／ダイヤモンド／Si基板等の圧電体平板上に、レイリー型あるいはリーキー型等の弾性表面波を利用して構成したＳＡＷ共振子およびＳＡＷフィルタ等をつかって構成されるＳＡＷ発振器において、振動環境下で外部から加えられる加速度により発生する位相雑音スペクトルを、大幅に抑圧して耐振動性能を向上した弾性表面波装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電気を有する水晶ＳＴあるいは回転Ｙカット基板（これらは圧電体平板の一例）を用いて構成するＳＡＷ共振子は、その周波数温度特性が零温度係数をもって周波数精度が良いために、各種高速ネットワーク系のデータ伝送用水晶発振器の発振素子として使用されているが、これは前記の発振素子が位相雑音特性に優れてジッタの無い信号が低コストで容易に得られるという長所があるためである。近年、前記のネットワーク系の信号伝送速度がGHz帯にまで高速化して、より高周波数な水晶発振器が求められるに至っている。
【０００３】
そこで最近注目されて来たものの１例としては、その周波数温度特性の精度をさらに改善することを目的としたものがあり、前記水晶回転Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）回り反時計方向にθ＝３１度から４２度回転し、かつ弾性表面波の伝播方向を、前記電気軸（Ｘ軸）より回転角ψ＝４０度から４６度の範囲で面内回転した回転ＳＴカット水晶板がある（米国特許公報USP.5895996を参照のこと）。
以上の水晶板のいずれでも、例えば弾性表面波を利用したＳＡＷ共振子を形成することができる。
【０００４】
その構成方法は、例えば金属アルミニウムからなる多数の平行導体の電極指を周期的に配置したＩＤＴを形成し、さらにその両側に一対の反射器として、多数の導体ストリップを平行にかつ周期的に配置する。より詳細には、良く知られたＳＴカット（θ＝３１から４２度で位相伝播方向がＸ軸方位）におけるＳＡＷ共振子の場合には、前記ＩＤＴを構成する際の要点として、正電極と負電極を１対としてＭ対としたときに、ＩＤＴの電極指全体でのトータル反射係数γを次式（１）の通り定義した上で、１０＞γ＞０．８とすれば、振動エネルギーが共振子の中央に集中した、いわゆるエネルギー閉込型ＳＡＷ共振子（参考文献：エネルギー閉じ込め弾性表面波共振子，信学技法ＵＳ８７−３６，ｐｐ９−１６（１９８７．９．））を実現できることが知られている。
【０００５】
【数１】
0003904073.tif 000002
【０００６】
但し、ここでＭは前記ＩＤＴの対数、ｂは電極１本当たりの弾性表面波の反射係数、Ｈは前記導体の膜厚、λは弾性表面波の波長である。
【０００７】
例えば、ＳＴカット水晶板で前記アルミニウム導体で形成されたＩＤＴであれば、ｂ＝０．２５５、Ｈ／λ＝０．０３としてＭ＝８０対とすれば、図１の１ポートＳＡＷ共振子を構成できる。このときの全反射係数は、γ＝２．４４８程度となる。また、前記水晶回転Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）回り反時計方向にθ＝３１度から４２度回転し、かつ弾性表面波の伝播方向を、前記電気軸（Ｘ軸）より回転角ψ＝４０度から４６度の範囲で面内回転した回転ＳＴカット水晶板についても、類似な構成によりいわゆるエネルギー閉込型ＳＡＷ共振子が実現できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の弾性表面波素子が形成された圧電体平板を気密容器にダイアタッチし収容し、回路基板等に実装して使用可能な状態とする段階となると、周波数精度と安定性の観点から留意すべき第１の課題が発生する。
【０００９】
従来の圧電体平板の固定（ダイアタッチ）方法としては、もともとＳＡＷデバイスが周波数精度を問わないフィルタへの応用を主体として商品化されたこともあって、従来の１例である米国特許公報（USP.4472652）においては、前記圧電体平板の裏面を容器に、接着材によって全面密着固定した方法が取られている。
【００１０】
しかしながら、この方法においては、素子の周波数が数１０から１００ｐｐｍと大きくシフトして、経時変化特性精度がネット系基幹に使用される電圧制御型ＳＡＷ発振器（VCSO）の精度仕様（数ppm以下）を満足しない（第１の課題）。
【００１１】
そこで筆者等は、かつて検討し、論文（岩本，高木  他："シリンダ型水晶ＳＡＷ共振子の諸特性"，電気学会主催  第２３回ＥＭシンポジウム，pp.57-62（1994.5））において、圧電体平板を片持ち支持すれば、精度の点で十分良好な特性が得られることを明らかにした（この手段により第１の課題は解決した）。
【００１２】
しかし、ギガビット高速光通信時代にあっては、信号の伝送品質を各段に向上することが求められ（エラーレイト10-12）、前述の周波数精度の静的安定性のみでは、性能上不充分であることが明らかとなって来た。前記時代に水晶ＳＡＷ発器に要求される性能は、低ジッタでありかつ位相雑音性能に優れていることである。前記の位相雑音性能としては、オフセット周波数１から１０kHz以上の範囲において、−120ｄBc以下が求められる（第２の課題）。
【００１３】
さらに厄介なことに、加速度Ａ=１Ｇ（注：１Ｇ（ジイ）は重力の加速度）程度の軽微な振動環境下の試験で明らかとなったことは、例えば図６に見られるように、１ＧHzのＳＡＷ発振器の周波数ｆ０近傍のオフセット周波数ｆｍ（ｆｍは振動周波数ｆｖに等しい）に、−６０ｄBc程度の極めて大きな位相雑音スペクトルPsが発生することである。このPsは、高速データ転送時におけるエラーレイトを著しく増加させるため、その大きさを抜本的に低減（−４０ｄB以上）することが必要である。これが本願の主課題である（第３の課題）。
【００１４】
さらにこの発生原因について図６を用いて説明を加える。図６中の横軸はオフセット周波数と呼ばれ、ｆｍ=ｆ−ｆ０で定義され、縦軸は信号の電力密度ＰＳＤ(fm)であり、単位はｄBmで表している。また、６００は１ＧHzのＳＡＷ発振器の出力信号が示す電力スペクトルＰ0（ｄBm）、６０１と６０２は、振動によってＳＡＷ共振子の周波数がＦＭ変調されて発生した電力スペクトルＰs(ｄBm)である。電力スペクトル６００と６０１あるいは６０２の差分Ｐs−Ｐ0はＳＳＢ位相雑音電力Ｌ(ｄBc)である。前記のＳＳＢ位相雑音電力Ｌ(ｄBc)と加速度Ａとの関係はすでに文献（Raymond L. Filler："The Acceleration Sensitivity of Quartz Crystal Oscillators", pp.297-305,FCS,Vol 35. No.3 (May 1988)）によって現象論的に明らかにされ次式（２）のように定式化されている。
【００１５】
【数２】
0003904073.tif 000003
【００１６】
ここで、Γは加速度感度係数（１／Ｇ），Ａは加速度（Ｇ），ｆ０は発振周波数(Hz)，ｆｖは振動周波数（Hz）である。さらにまた、加振動時におけＳＡＷ共振子周波数ｆ０の変化率ｄｆ/ｆ0＝（ｆ−ｆ０）／ｆ0  と、Ａとの関係は、
【００１７】
【数３】
0003904073.tif 000004
【００１８】
の簡潔な式（３）により与えられることを付け加える。前記Ｌ（ｄBc）が測定されれば，Γは次式により算出できる。
【００１９】
【数４】
0003904073.tif 000005
【００２０】
式(４)で逆算されるΓは極めて小さな値であって，例えばｆ０＝１．０６GHz，Ａ＝１Ｇ，ｆｖ＝１kHz，L(dBc)=-６０ｄBcの場合には、Γ=１．９×10-9となって極めて小さな値であることがわかる。従って、特に前記Γの小ささゆえに弾性表面波装置の耐振動性能向上（第３の課題）は相当困難な技術課題と言える。
【００２１】
そこで本発明はこのような問題点を解決するもので、その目的とするところは、周波数温度特性が優れかつ材料のＱ値が優れたＳＴおよび回転Ｙカット等の水晶基板を用いて、ＳＡＷ共振子あるいは発振素子用途のＳＡＷフィルタを形成し、さらにこれを用いて加速度１Ｇ程度の航空機、電車、車等の移動体上の振動環境下においても、低ジッタかつ低位相ノイズなクロック信号源を有するＳＡＷ発振器あるいは電圧制御型ＳＡＷ発振器を実現して、ギガビット系の高速有線通信基幹市場に提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の弾性表面波装置は，圧電体平板上に形成された弾性表面波素子が、表面波伝播方向であるｘ軸に直交して平行に配置した電極指群から構成されて弾性表面波を励振するための、少なくとも１個のすだれ状電極と、前記伝播方向の両側に配置した少なくとも１対の反射器とからなる共振素子あるいはフィルタ素子等からなる弾性表面波装置において、前記弾性表面波装置は、少なくとも前記の圧電体平板と、前記圧電体平板を収容するための金属あるいはセラミックス等からなる容器と、前記の圧電体平板と容器の構造部材とを固着して固定するための金属バンプあるいは導電性ペースト、接着剤等の接合部材からなり、前記圧電体平板は、その表面上に前記弾性表面波素子が形成され、表面波伝播方向の寸法をｘ０、表面波伝播方向に直交した方向の寸法をｙ０としたときに、寸法比ｙ０／ｘ０の値が２以上であって、表面波伝播方向ｘにほぼ直交する配置で、前記圧電体平板を前記容器に固定するための少なくとも１ケ所以上の支持領域が、前記圧電体平板の素子形成側の面上、あるいは裏面側に設けられて前記すだれ状電極と対応した領域外で片持ち支持されており、さらに、前記弾性表面波装置に印加する加速度の方向が、前記圧電体平板の表面に垂直方向とした場合において、前記圧電体平板の表面近傍上の前記すだれ状電極部領域における表面波伝播方向ｘの応力τｘｘと、方向ｘに直交する方向ｙの応力τｙｙの比率ｃ＝τｘｘ／τｙｙが０．００１＜ｃ＜０．２の範囲であり、かつ、前記圧電体平板において前記ｙ方向にそった曲げに対する表面波伝播速度変化がほぼ零であることを特徴とする。
【００２４】
（２）本発明の弾性表面波装置は、圧電体平板上に形成された弾性表面波素子が、表面波伝播方向であるＸ軸に直交して平行に配置した電極指群から構成されて、弾性表面波を励振するための、少なくとも１個のすだれ状電極と、前記伝播方向の両側に配置した少なくとも１対の反射器とからなる共振素子あるいはフィルタ素子等からなる弾性表面波装置において、前記弾性表面波装置は、少なくとも前記の圧電体平板と、前記圧電体平板を収容するための金属あるいはセラミックス等からなる容器と、前記の圧電体平板と容器の構造部材とを固着して固定するための金属バンプあるいは導電性ペースト、接着剤等の接合部材からなり、前記圧電体平板は、その表面上に前記弾性表面波素子が形成され、表面波伝播方向の寸法をｘ０、表面波伝播方向に直交した方向の寸法をｙ０としたときに、寸法比ｙ０／ｘ０の値が０．５以上であって、前記圧電体平板の弾性表面波素子が形成される側の面において、前記表面波伝播方向ｘにほぼ平行に、前記弾性表面波素子の片側あるいは両側にハーフカットを設けたうえで、前記圧電体平板の支持領域を前記ハーフカットの外側に設けたことを特徴とする。
【００２５】
（３）前記（１）または（２）において、前記圧電体平板の弾性表面波素子の前記すだれ状電極の幅寸法ＷＣと弾性表面波の波長λと比ＷＣＲ＝ＷＣ／λが２０以上であることを特徴とする。
【００２６】
（４）前記（１）または（２）において、前記弾性表面波装置が有する周波数対加速度感度係数Γ（１／Ｇ）が１．０×10-9から１．０×10-11の範囲にあることを特徴とする。
【００２７】
（５）前記（１）または（２）において、前記すだれ状電極の全体が有するトータル反射係数γが１０＞γ＞０．８としたエネルギー閉込型であり、前記弾性表面波素子が有するすだれ状電極の交差幅がＷＣであり、交差幅領域の角周波数がω0(ｙ)＝ωm、その両側に位置した自由表面の角周波数がω0(ｙ)＝ωfであって、前記弾性表面波素子が有する横断面振動変位Ｕ（ｙ）と共振角周波数ωの関係を支配する微分方程式が、横分散定数Ａy＝0.04858とする２階微分方程式、
Ａｙω0(ｙ)2Ｕ（ｙ），ｙｙ＋{ω2−ω0(ｙ)2}Ｕ（ｙ）＝０
の解であることを特徴とする。
【００２８】
（６）前記（１）または（２）において、前記圧電体平板は、水晶回転Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）回りに反時計方向に回転角θ＝３１度から４２度回転し、かつ弾性表面波の伝播方向を、前記電気軸（Ｘ軸）より回転角ψ＝４０から４６度の範囲で面内回転した回転ＳＴカット水晶板であることを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明に関して、具体的な実施例を説明する前に、１ポート型のＳＡＷ共振子の場合である図１と図３を使って、若干理論的な解説を行ない、本発明の理解を助けることにする。
【００３０】
水晶からなる圧電体材料から圧電体平板１００を切り出して、その表面を鏡面研磨した後、レイリー型あるはリーキー型弾性表面波の位相伝搬方向ｘ(方向ｘはａ−ｂ線分方向と一致する)に対して直交して、例えば金属アルミニウムからなる多数の平行導体の電極指を周期的に配置したすだれ状電極（以下略してＩＤＴ（Inter Digital Transducer）と称す）を形成し(図３の３０４、さらには、その両側に一対の反射器を多数の導体ストリップを平行にかつ周期的に配置して構成し(図３の３０３と３０５)、前述の式（１）の条件によるエネルギー閉じ込め型の１ポートＳＡＷ共振子の一方式（詳細は米国特許公報USP.4472652参照のこと）を形成する（図３の３０２）。この素子設計方式を採用することにより、前述の第２の課題(Ｑ値向上)が解決でき、共振先鋭度で表示されるＱ値が１ＧHzの周波数において７０００から１万程度の大きなものが得られるため、高速光通信時代に必要な位相雑音特性に優れたＳＡＷ発振器が実現できる。なぜなら位相雑音特性は、Ｑ値に大きく依存する次式によるからである（文献：D.B.  Leeson；"A  Simple Model of Feedback Oscillator Noise Spectrum", Proc.of the IEEE, Proc.of the IEEE,vol.54,no.2,pp.329-330,February 1966）。
【００３１】
【数５】
0003904073.tif 000006
【００３２】
ここで、ωmは離調角周波数，Ｋはボルツマン定数，Ｔは絶対温度，Ｆは能動素子の雑音係数，Ｐ0は発振器の出力信号電力，ω0は発振器の角周波数，Ｑはほぼ前記のＳＡＷ共振子のＱ値である。
【００３３】
さらに、本発明の弾性表面波装置における発明が解決しようとする第3の課題（耐振動性能の向上）を解決するに当たっては、以下に述べる横モードに関する理論と後述の非線型理論を用いて、前述の式（１）の条件で表されるエネルギ−閉じ込め型の弾性表面波素子における、主要因１）いわゆる横モードとよばれるモードの振動変位Ｕ(y)とその共振周波数ｆに与える影響度および、主要因２）振動による基板の変形が発生する応力が直接表面波の伝播速度に与える影響度の２つの主要因に分解して算出し、素子の耐振動感度特性を解析し定量化した。
【００３４】
すなわち、本素子の周波数がｆ＝ｆ0（１+S）で与えられるから、外的振動による素子の周波数変化率＝（有限の幅方向曲げによる横固有モード周波数の変化分ｄS）＋（無限の幅Ｗｃを有する素子の伝播速度の変化分ｄｆ0／ｆ0＝ｄＶ0／Ｖ0）とみなした。
【００３５】
まず前記横モードとは、ＳＡＷ共振子の幅方向（例えばレイリー型弾性表面波の位相伝搬方向ｘに直交するｙ方向のこと）のＩＤＴの開口幅に依存して存在する固有振動モードであり、前記幅方向の長さとはＩＤＴのもつ電極指交差幅Ｗｃを指すことが一般的である。この電極指交差幅Ｗｃとは、正極性と負極性の電極指が相互に重なる配置となる幅方向の寸法のことである。
【００３６】
次に、前記のＳＡＷ共振子の幅方向（ｙ軸とする）について、ＳＡＷ共振子の振動変位Ｕ(Ｙ)を簡便に計算するための方法として、つぎの横モードを支配する微分方程式をもちいる。この方程式を記述すると式（６）となる。
【００３７】
【数６】
0003904073.tif 000007
【００３８】
ここで、ωは角周波数、ω0（Ｙ）は該当する領域の素子角周波数、Ａｙは幅方向ｙの剛性の程度を示す横分散定数、Ｕ（Ｙ）はｙ方向の弾性表面波変位の振幅、Ｙは弾性表面波の波長λで規格化したＹ座標である（Ｙ=ｙ／λ）。また、ω0（Ｙ）は座標Ｙにおける電極の半周期長Ｐをもちいて、角周波数ω0（Ｙ）＝２πＶｓ／（２Ｐ（Ｙ）） で定義される量であり、周波数ポテンシャル関数と呼ぶことにする。さらには、前記弾性表面波素子が有するすだれ状電極の交差幅がＷＣであり、交差幅領域の角周波数がω0(ｙ)＝ωm、その両側に位置した自由表面の角周波数がω0(ｙ)＝ωfであって、前述の式（６）は横モード群の周波数ｆiを計算するための基本式である。また、前記横分散定数Ａｙについては、ＳＴカットＸ伝播であれば0.033、前記水晶回転Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）回り反時計方向にθ＝３１度から４２度回転し、かつ弾性表面波の伝播方向を、前記電気軸（Ｘ軸）より回転角ψ＝４０度から４６度の範囲で面内回転した回転ＳＴカット水晶板については、計算の結果、Ａｙ＝0.04858であればよいことがわかった(詳細な手法は、高木；"水晶基板における表面波異方性定数の解析"日本学術振興会第１５０委員会第６２回研究会資料(平成１１年５月１３日)参照のこと)。
【００３９】
つぎに、本発明に必要となるもう一つの理論的根拠を紹介する。
【００４０】
圧電体平板の変形状態において発生する素子形成側表面近傍の応力τｘｘおよびτｙｙと、弾性表面波素子の有する共振周波数との関係を説明する。この関係は"微小変形が加わった弾性体における線型方程式のための摂動理論"(参考文献：H.F.Tiersten："Perturbation theory for linear electroelastic equations for small fields superposed on a bias",Journal of the Acoustical Society of America,Vol.64,no.3,pp. 832-837(1978))として理論化されており、主要な部分を抜き出して極めて簡単に説明すると次式（７）の関係となる。圧電体平板のもつ非変形状態における弾性定数をＣｉｊ、変形状態での応力をτｘｘおよびτｙｙ、微小変形状態における弾性定数をＤｉｊとすれば、
【００４１】
【数７】
0003904073.tif 000008
【００４２】
である。ただし、式（７）において、主として応力τ11＝τｘｘ，τ22＝τｙｙが存在するという前提で考える。弾性表面波素子の周波数ｆは、非変形状態ではｆ（Ｃij）＝ｆ０、微小変形状態ではｆ（Ｄij）となる。前記応力は図８のように加速度Ａに比例するから、式（７）から周波数の加速度微分ｄｆ／ｄAは、次式の物理量Ｄij、τij、Ａ、Γで関係ずけられるように記述される。
【００４３】
【数８】
0003904073.tif 000009
【００４４】
ここで、Γは加速度感度係数である。従ってｄＡをＡと置きなおして、
【００４５】
【数９】
0003904073.tif 000010
【００４６】
となって、前述の式（３）と同一記述が得られる。τｘｘおよびτｙｙが零であれば、Ｄij＝Ｃijとなって、ｄｆ＝ｆ（Ｄij）−ｆ（Ｃij）＝０となり周波数変化は起きない。
【００４７】
以上を用いて、後述の具体的実施例である耐振動性能を向上した弾性表面波装置を発明したので、これらを順に説明する。
【００４８】
（実施例）
以下、本発明の実施の形態を図１から順を追って説明する。図１は本発明のＳＴカットあるいは前述の面内回転した回転ＳＴカット、さらには回転Ｙカット、基板等を圧電体平板として使用して、レイリー型、リーキー型の弾性表面波を利用した弾性表面波共振素子（以下略して本素子と称す）を、圧電体平板上に形成した際の電極パターンを図示した一実施例である。
【００４９】
図１中の各部位の名称は、線分ａ−ｂは本素子に利用する弾性表面波の伝播方向であるｘ軸であり、１０８は前記ｘ軸に直交するｙ軸である。破線で囲まれた１０９及び１１０は反射器であり、アルミニウム金属膜からフォトリソ技術によって形成した導体ストリップ群によって、摂動効果により弾性表面波を反射する役目を果たす。破線で囲まれた１１1は、正負の電極指対（１０２）等からなるすだれ状電極すなはちＩＤＴである（以下略してＩＤＴと称する）。前記ＩＤＴ（１１1）の電極指群１０２等を縦に接続して電気信号を供給する１０５は、給電導体（ブスバー）と呼ばれる本素子に印加する電気信号の入出力端子である。前記の給電導体１０５と、セラミックスあるいは金属とガラス材料等からなる容器１０４のパッド１０６間は、Ａｕあるいはアルミニウムのワイヤーボンド線にて接続する。本素子は圧電体平板１００の表面に弾性表面波の伝播方向をｘ軸に向けて形成されており、これと直交してｙ軸方向に引き出された給電導体の部位（１０５）の裏面片側端部領域において、容器１０４の基台部と圧電体平板は固着材１０３により接着固定されている(片持ち支持状態である)。前記の固着材１０３としては、Ｓｉ系あるいはエポキシ系の接着材さらにはＡｇ入りの接着材でもよい。あるいはまた、ＡｕとＡｕによる圧着、ＡｕＳｎ合金による溶融接合、または１０４の基台がＳｉ等であれば直接接合等であってもよい。
前述のように支持された本素子は、さらにＮ2等を充填されて機密封止され実用に供される。
【００５０】
つぎに図２は、本発明の他の実施例を示す平面図である。図中の各部位の名称は、２００は圧電体平板、２点鎖線で囲まれた枠内２０１は圧電体表面上に形成された共振子型の縦２重モードＳＡＷフィルタ素子、破線の枠内２０２と２０３で囲まれた中の複数の円形領域は低背(数um程度)の固着材部位、２０４は容器、２０５、２０８は容器に形成されたパッド部、２０６と２０９はＡｕあるいはＡｌ等からなるワイヤーボンディング線とか導体からなるビームリード線である。２０７と２１０は前述の給電導体部位、２１１は圧電体平板をエッチングあるいはハーフカットして形成された切断部位である。前記の固着材部位は、圧電体平板２００の切断部位２１１の外側端部にあって、本素子２０１が形成された面の裏面側に形成されている(この場合の支持状態は両持ち支持状態である)。前記の給電導体部位２０７及び２１０は切断部位２１１の内側に配置してある。
【００５１】
つぎに、本発明の実施例である図１，図２によって、加速度１Ｇ以下程度の振動環境下にあって、実施例を用いたＳＡＷ発振器の位相雑音特性が著しく改善されるメカニズムを図３から図１０を用いて説明する。
【００５２】
まず、図３を用いて図１の実施例について説明する。図３において、３００は圧電体平板、３０１は低背（数um前後程度）な固着材部領域であって容器の基台に固着されている。３０２は弾性表面波素子(本素子)、３０３と３０５の破線枠内は本素子の反射器、３０４の破線枠内はＩＤＴ、ａ−ｂ線分方向は本素子のｘ軸方向、ａ−ｂに直交して素子形成面内にある方向はｙ軸であり、３０６は外乱となる振動加速度が存在しない状態におけるｙ軸断面形状、３１０は同様に振動加速度が存在しない状態におけるｘ軸断面形状である。以上の状態において、図３の紙面に垂直方向（３０８および３１２の方向）に加速度をもつ振動外乱が印加された場合においては、片持ち支持状態にある圧電体平板のｘ０、ｙ０寸法比ｙ０／ｘ０を適切に選択すれば、最大変位を有する基底の固有振動が長手ｙ０依存する屈曲振動となり、前記ＩＤＴ領域のｙ軸回り曲率ｙθ＝ｄＶz／ｄｘを著しく小さくすることができる。さらに詳しく説明すると、図３の３０７が前記振動外乱が印加された状態における、ｙ軸断面の変形状態であり、３１１がｘ軸断面変形状態である。３０７においては、加速度は３０８方向に印加され、共振時に大きな最大変形Ｖz（ｙ）３０９が発生する。この状態において本素子のＩＤＴ領域表面近傍において、応力τｙｙが発生する。表面近傍の応力を問題にする理由は、本素子が表面にエネルギーが集中する弾性表面波を利用していることによる。応力τｙｙはx軸回りの回り曲率θｘ＝ｄＶz／ｄｙと圧電体平板の弾性定数Ｃ22によって、ほぼτｙｙ＝Ｃ22・θｘで与えられる。一方、前記振動外乱が印加された状態における、ｘ軸断面の変形状態３１１においては、加速度は３１２方向に印加され、共振時には著しく小きな最大変形Ｖz（ｘ）３１３が発生する。この状態において本素子のＩＤＴ領域表面近傍に、応力τｘｘが発生する。応力τｘｘはｙ軸回りの回り曲率θｙ＝ｄＶz／ｄｘと圧電体平板の弾性定数Ｃ11によって、ほぼτｘｘ＝Ｃ１１・θｙで与えられる。
【００５３】
本発明の場合にあっては、τｘｘ＜＜τｙｙが成り立つ様に、前記圧電体平板の寸法比ｙ０／ｘ０が設定されている。図８にこの特性の一例を表示した。図８の横軸は外部から本発明の弾性表面波装置に印加される加速度の大きさ、縦軸は前述の表面近傍の応力τｘｘ、τｙｙの大きさの相対値を表示したものである。同図においては、圧電体平板の寸法比ｙ０／ｘ０の値としては、一例として２を選択した。またｙ０／ｘ０の値は２以上であってもよい。この場合においては、本素子が形成された圧電体平板に外部から振動が加えられると、長手方向ｙにそって曲げ振動が発生する。この状況下での発生応力は、直線８０１のτｙｙに対して、８０２のτｘｘの大きさの比ｃ＝τｘｘ／τｙｙが0.03程度となっている。ｃと前記寸法比ｙ０／ｘ０の関係は圧電体平板支持構造と異方性結晶方位に関係して決定され複雑であるため個々の場合による。本発明においては、後述のように前記ｃが０．００１＜ｃ＜０．２の範囲にあれば従来の耐振動性能において十分な効果が期待できる。
【００５４】
つぎに、本発明の実施例である図２に関しても振動環境下の状態を図４を用いて説明する。図４において、４００は圧電体平板、４０１と４０２は低背（数um前後程度）な複数の固着材部位からなる領域であって容器の基台に固着されている。４１７は弾性表面波素子(本素子)、４１７の破線枠内は本素子の反射器４１０と４１２、４１１の破線枠内はＩＤＴ、ａ−ｂ線分方向は本素子のｘ軸方向、ａ−ｂに直交して素子形成面内にある方向はｙ軸であり、４０３は外乱となる振動加速度が存在しない状態におけるｙ軸断面形状、４０７は同様に振動加速度が存在しない状態におけるｘ軸断面形状である。以上の状態において、図４の紙面に垂直方向（４０６および４０９の方向）に加速度をもつ振動外乱が印加された場合においては、片持ち支持状態にある圧電体平板のｘ０、ｙ０寸法比ｙ０／ｘ０を適切に選択すれば、前記ＩＤＴ領域のｙ軸回り曲率θｙ＝ｄＶz／ｄｘを著しく小さくすることができる。すなはち、図４の４０５が前記振動外乱が印加された状態における、ｙ軸断面の変形状態であり、４０８がｘ軸断面変形状態である。４０４のハーフカットの切断部位は、本素子が存在する領域Ａにおける、振動環境下での応力発生を緩和するために設けられている。４０５においては、加速度は４０６方向に印加され、共振時に大きな最大変形Ｖz（ｙ）４１６が発生する。実施例図３と同様に、この状態において本素子のＩＤＴ領域表面近傍において、応力τｙｙが発生する。表面近傍の応力を問題にする理由は、本素子が表面にエネルギーが集中する弾性表面波を利用していることによる。応力τｙｙ（４１３）はx軸回りの回り曲率θｘ＝ｄＶz／ｄｙと圧電体平板の弾性定数Ｃ22によって、ほぼτｙｙ＝Ｃ22・θｘで与えられる。一方、前記振動外乱が印加された状態における、ｘ軸断面の変形状態４０８においては、加速度は４０９方向に印加され、共振時には著しく小さな最大変形Ｖz（ｘ）４１５が発生する。この状態において本素子のＩＤＴ領域表面近傍に、応力τｘｘ（４１４）が発生する。応力τｘｘはｙ軸回りの回り曲率ｙθ＝ｄＶz／ｄｘと圧電体平板の弾性定数Ｃ11によって、ほぼτｘｘ＝Ｃ１１・θｙで与えられる。
【００５５】
本発明の図２の場合にあっては、τｘｘ＜＜τｙｙが成り立つ様に、前記圧電体平板の寸法比ｙ０／ｘ０が設定されている。ただし、４０４のハーフカットが存在することから圧電体平板の寸法比ｙ０／ｘ０の値としては、およそ０．５以上であればよいとおもわれる。
【００５６】
寸法比ｙ０／ｘ０が１．２において、加速度と前記応力との関係は、すでに説明し図８と同様な関係となる。この場合にも、τｙｙに対するτｘｘの大きさの比ｃ＝τｘｘ／τｙｙが０．０３程度となっている。本実施例においても、前記ｃが０．００１＜ｃ＜０．２の範囲にあれば従来の耐振動性能において十分な効果が期待できる。
【００５７】
最後に、前述の実施例図１と図２が振動環境下において、いかにして耐振動性能が向上できたかについての理由および結果を、図５、図６、図７、図９,図１０を用いて説明する。
【００５８】
すでに、本素子への加振によって発生する非線型効果は,主要因１）いわゆる横モードとよばれるモードの振動変位Ｕ(y)とその共振周波数ｆに与える影響度（周波数ｆ＝ｆ0（１+S）におけるＳへの影響）および、主要因２）振動による基板の変形が発生する応力が直接表面波の伝播速度に与える影響度（周波数がｆ＝ｆ0（１+S）におけるｆ0への影響）の２つの主要因に分解できることを述べた。
【００５９】
そこでまず最初に、主要因１）に関して解析する。本発明においては、τｘｘ＜＜τｙｙの条件が成り立つから、τｙｙの効果が支配的となる。そこでτｙｙによる周波数変化ｄｆ／ｆ0＝ｄSを計算した結果を図５に示す。この計算にはすでに説明した式（６）を用いた。式（６）において、横剛性定数Ａyは、式（８）中の弾性定数Ｄyyに対応するため、Ｄyyの加速度による変化率をＡyの変化率とみなして計算したものが、図５の特性である。図５中の縦軸は式（３）あるいは式（９）の共振周波数の変化率である。図中５０１は本素子の電極指交差幅比ＷＣＲを４０λ（λは弾性表面波の波長）の場合であり、５０２はＷＣＲ=２０λの場合である。いずれの場合においても、横剛性定数の変化率∂Ｄyy／Ｃyy＝τｙｙ／Ｃyyが５％=50000ppmの大きに及んでも周波数変化率は４〜１３ppm程度となっている。すなはち規格化して、（ｄｆ／ｆ０）／（∂Ｄyy／Ｃｙｙ）＝（約５ppm）／（50000ppm）となって、約１０００倍以上の圧縮がなされる。通例、１Ｇ加振時の周波数変化率と弾性定数の変化率の関係はｄｆ／ｆ０〜ｄＣ／Ｃ＝10-8〜10-10であるから、事実上の影響度は無視できる。ただし、これが成り立つための条件は、ｃ＝τｘｘ／τｙｙの大小に関係し以下のようである。応力τｘｘに対応する弾性定数Dxxは直接、本素子に使用する弾性表面波の速度に係わるから、ｄｆ／ｆ０〜ｄＣ／Ｃ＝10-8〜10-10の関係である。従って、前述の約１０００倍以上の圧縮に対応して、比ｃ＝τｘｘ／τｙｙが0.001から増加するにつれて、本素子の周波数変化はτｘｘの影響が支配的となる。圧電体平板の寸法比ｙ０／ｘ０〜１かつ容器への固定方法が全面接着のような場合にはτｘｘ〜τｙｙとなり、ｃ＝１であり従来の状態である。固定条件に制約を加えてｃ＝０．２程度とすれば、前記の加速度感度係数Γは、従来より１／５に減じて、耐振動性能の改善が得られる。図６の位相雑音とΓの関係は、すでに式(２)，(３)，(４)の説明時点で述べた。
【００６０】
つぎに、前述の主要因２）振動による圧電体平板におけるｘ軸あるいはｙ軸方向の曲げ変形が発生する応力τｘｘあるいはτｙｙが直接表面波の伝播速度に与える影響度（周波数がｆ＝ｆ0（１+S）におけるｄｆ＝ｄｆ0への影響）についての解析結果を図９と図１０を使用して述べる。
【００６１】
今回解析した前記圧電体平板は、水晶回転Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）回りに反時計方向に回転角θ＝３１度から４２度回転し、かつ弾性表面波の伝播方向を、前記電気軸（Ｘ軸）よりψ＝0度から５０度の範囲で面内回転したθ回転Ｙカットψ伝播の水晶板である。
【００６２】
まず最初に、図９に弾性表面波の伝播方向であるｘ軸にそって１Ｇの力(加速度)で曲げた場合の、弾性表面波速度変化（ｄＶ／Ｖ）ｘすなわちｘ軸方向に関する加速度感度係数Γｘを計算したものである。図中、横軸は面内回転角ψ（度）である。曲線９００は回転角θが３１度の場合であり、曲線９０１はθが４２度の場合である。Γｘはおおむね２×10-10程度であり、ゼロの値はとらないことがわかる。本発明においては、応力τｘｘをゼロに近ずけることにより、前記Γｘを零とする考えである。
【００６３】
つぎに、図１０は弾性表面波の伝播方向に直交した幅方向であるｙ軸にそって１Ｇの力(加速度)で曲げた場合の、弾性表面波速度変化（ｄＶ／Ｖ）ｙすなわち加速度感度係数Γｙを計算したものである。図中、横軸は面内回転角ψ（度）である。曲線１０００は回転角θが３１度の場合であり、曲線１００１はθが４２度の場合である。Γｙは、面内回転角ψ＝０から５０度範囲においておおむね−５×10-11から１×10-11程度に変化しており、特に面内回転角ψ＝４０〜４６度範囲において、Γｙは１×10-11以下のゼロ値をとっていることがわかる。本発明はこのθ＝３１度から４２度範囲の回転ＳＴカット板において、電気軸からの面内回転角ψ＝４０〜４６度範囲の方向に伝播するレイリー波を利用する。以上から、前記のθとψの範囲の組み合わせであれば、応力τｙｙの影響度が全く無くなり、τｘｘのみが支配的となることがわかった。
【００６４】
つぎに、以上の解析をもとに試作した図１と図２の実施例の特性測定結果について述べる。図７は、本発明の実施例図１の前記Γの測定結果７０１と従来例７００の比較結果である。図７中、横軸は加速度振動の周波数ｆｖをＳＡＷ発振器のオフセット周波数ｆｍとおいて、ｆｖに対するΓの値をプロットしたものである。前記の比ｃ＝τｘｘ／τｙｙが従来の１．０であれば、Γ（1）＝1×10-9，本発明のｃ＝０．０１であれば、Γ（0.01）＝1×10-11の良好な耐振動性能が得られる。ことに、Γ（0.01）＝1×10-11であれば、ｆｖ＝１ｋHz，f0=１ＧHz、加速度１Ｇの場合に、ＳＡＷ発振器のＳＳＢ位相雑音電力は、−１０６ｄBcとなって良好な特性となる。Γ（0.2）＝２×10-10の場合には、−８０ｄBcとなって使用限界水準である。さらに、ｃ＝0.001であれば、Γ（0.001）＝1×10-12の理想状態が実現できる可能性がある。従って、前記ｃが０．００１＜ｃ＜０．２の範囲にあれば従来の耐振動性能において十分な効果が期待できる。
【００６５】
以上のとおり、本発明は水晶ＳＴカットとか回転Ｙカットからなる基板からなる圧電体平板を使用して説明したが、LiTaO3とかZnO／ダイヤモンド／Si等の薄膜基板でもよい。弾性表面波の種類としては、レーリー波、リーキー波、さらにはラム波の場合であつても、本発明が有効であることを付け加える。
【００６６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、例えば水晶回転Ｙ板に発生する速度約３１００ｍ／ｓのレイリー型弾性表面波を利用し、少なくとも圧電体平板と圧電体平板を収容するための金属あるいはセラミックス等からなる容器と、圧電体平板と容器の構造部材とを固着して固定するための金属バンプあるいは導電性ペースト等の接合部材からなり、圧電体平板上に弾性表面波素子が形成され、表面波伝播方向ｘにほぼ直交する配置で、前記圧電体平板を前記容器に固定するための少なくとも１ケ所以上の支持領域が、前記圧電体平板の素子形成側の面上、あるいは裏面側に設けられ、さらに弾性表面波装置に印加する加速度の方向が、圧電体平板の表面に垂直方向とした場合において、
本発明は電気軸回り回転角θを３１度から４２度範囲の水晶Y板における、面内回転角ψを電気軸から４０〜４６度範囲方向ｘに伝播する水晶θ度回転Ｙカットψ伝播のレイリー型弾性表面波を使用して、方向ｘに直交する方向ｙの応力τｙｙによる耐振感度をゼロとし、さらにまた、前記圧電体平板の表面近傍上の前記すだれ状電極領域における表面波伝播方向ｘの応力τｘｘと、前記方向ｙの応力τｙｙの比率ｃ＝τｘｘ／τｙｙが０．００１＜ｃ＜０．２の範囲であるとすることによって、耐振動性能を著しく向上した弾性表面波装置が得られ、今後ますます増大すると考えられる航空機あるいは車載等の移動体への搭載用途のギガビット高速有線通信市場にもちいられるＳＡＷ発振器の位相雑音特性を改善して、データエラーの無い高品質な通信状態が確保できるため今後多大な効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の弾性表面波装置の一実施例が示す平面図。
【図２】  本発明の弾性表面波装置の他の一実施例が示す平面図。
【図３】  本発明の図１の実施例の動作状態を解説するための解説図。
【図４】  本発明の図２の実施例の動作状態を解説するための解説図。
【図５】  本発明の弾性表面波装置が示す周波数変化特性図。
【図６】  本発明の弾性表面波装置を使用したＳＡＷ発振器が示す位相雑音電力特性図。
【図７】  本発明の図１および図２の弾性表面波装置が示す加速度感度係数の周波数特性図。
【図８】  加速度対表面近傍の応力特性図。
【図９】  本発明の実施例における加速度による周波数変化率特性(ｘ軸方向)
【図１０】本発明の実施例における加速度による周波数変化率特性(ｙ軸方向)
【符号の説明】
１００  圧電体平板
１０１  弾性表面波素子
１０３  固着部材
１０４  容器
１０５  給電導体
１０６  パッド
１０７  ワイヤーボンディング線
【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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