JP5648908B2 - 振動デバイス、並びに発振器、および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、振動デバイス、並びにこの振動デバイスを実装した発振器、および電子機器に係り、特に周波数温度特性が良好な振動デバイス、並びに発振器、および電子機器に関する。

圧電デバイスの中において特に、弾性表面波（ＳＡＷ：ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ）デバイスでは、ストップバンドの上端モードの共振を利用することで、周波数温度特性が向上することが知られている。

特許文献１には、特定のカット角で切り出された水晶基板上に、ストップバンドの上端モードで励振可能なＩＤＴを形成する際、ＩＤＴの電極指間に溝を設け、この溝の深さＧや、電極指のライン占有率ηを適格に定めるＳＡＷ共振子が開示されている。特許文献１に開示されている条件に従ってＳＡＷ共振子を製造することによれば、良好な周波数温度特性を得ることができ、耐環境特性、およびＱ値の向上を図ることができるという。

また、周波数温度特性の改善技術としては、２つのＳＡＷ共振子を電気的に接続することで、２つの周波数温度特性を合成する技術が知られている。例えば特許文献２に開示されている技術は、２次関数温度特性を持ち、それぞれ頂点温度が異なる２つのＳＡＷ共振子を、いわゆる横結合させることで、結合状態で得られる周波数温度特性カーブを平坦なものとするというものである。また、非特許文献１には、周波数温度特性を改善させるために、２つの１ポートＳＡＷ共振子を連続接続する構成が開示されている。具体的には、各１ポートＳＡＷ共振子に対して並列にインダクタを接続した構成や、当該インダクタを排除した構成（並列コンデンサを備える場合がある）が開示されている。

国際公開第２０１０／０９８１３９号 特開平９−２９８４４６号公報

Ｇ．Ｍａｒｔｉｎ、Ｈ．Ｓｃｈｍｉｄｔ Ｂ．Ｗａｌｌ「ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＳＴＡＢＩＬＩＴＹ ＯＦ ＯＮＥ−ＰＯＲＴ ＳＡＷ ＲＥＳＯＮＡＴＯＲＳ ＡＣＨＩＥＶＥＤ ＷＩＴＨＯＵＴ ＣＯＩＬＳ」、２００７ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、ｐ９２５−９２８

上記のような構成圧電デバイスによれば、確かに、従来のＳＡＷデバイスに比べて周波数温度特性の向上を図ることができると考えられる。しかし、特許文献１に開示されているＳＡＷデバイスは、３次温度特性を示すものの、−４０℃から＋８５℃の範囲において、周波数変動量は±２５ｐｐｍ以内とするものであり、特許文献２、非特許文献１に開示されているＳＡＷデバイスではさらに周波数変動量が大きなものとなる。

本発明は、動作温度範囲内（例えば、−４０℃から＋８５℃）において、従来に比べて周波数温度特性をさらに向上させることのできる振動デバイス、およびこの振動デバイスを搭載した発振器、並びに電子機器を提供することを目的とする。

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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
第１の形態の振動デバイスは、３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数が−γ_１でありγ_１＞０である第１の振動子と、前記第１の振動子に接続され、３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数がγ_２でありγ_２＞０である第２の振動子とを備え、前記第１の振動子と前記第２の振動子とは、オイラー角（−１．５°≦φ≦＋１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，４２．７９°≦｜ψ｜４９．７５°）の水晶基板上に設けられ、ストップバンドの上端モードの弾性表面波を励起する弾性表面波共振子であり、前記弾性表面波を励起する励振電極を構成する電極指の間に位置する前記水晶基板の部分にある電極指間の溝を備え、前記第１の振動子の３次関数温度特性の変曲点となる温度と、前記第２の振動子の３次関数温度特性の変曲点となる温度との差の絶対値が１９℃以下であり、０＜｜γ_１｜≦｜２．４γ_２｜の関係を満たすと共に、前記第１の振動子における前記電極指間の溝深さをＧ _１ 、前記第２の振動子における前記電極指間の溝深さをＧ _２ として、Ｇ _１ ＜Ｇ _２ の関係を満たすことを特徴とする振動デバイス。
第２の形態の振動デバイスは、３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数が−γ _１ でありγ _１ ＞０である第１の振動子と、前記第１の振動子に接続され、３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数がγ _２ でありγ _２ ＞０である第２の振動子とを備え、前記第１の振動子の３次関数温度特性の変曲点となる温度と、前記第２の振動子の３次関数温度特性の変曲点となる温度との差の絶対値が１９℃以下であり、０＜｜γ _１ ｜≦｜２．４γ _２ ｜の関係を満たし、前記第１の振動子と前記第２の振動子とが電気的に並列に接続されていることを特徴とする振動デバイス。
第３の形態の振動デバイスは、３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数が−γ _１ でありγ _１ ＞０である第１の振動子と、前記第１の振動子に接続され、３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数がγ _２ でありγ _２ ＞０である第２の振動子とを備え、前記第１の振動子の３次関数温度特性の変曲点となる温度と、前記第２の振動子の３次関数温度特性の変曲点となる温度との差の絶対値が１９℃以下であり、０＜｜γ _１ ｜≦｜２．４γ _２ ｜の関係を満たし、前記第１の振動子と前記第２の振動子とを電気的に直列に接続し、かつ前記第１の振動子と前記第２の振動子のそれぞれに対し、電気的に並列となるようにインダクタを接続していることを特徴とする振動デバイス。
第４の形態の振動デバイスは、第１の形態に記載の振動デバイスであって、前記第１の振動子と前記第２の振動子とを単一の前記水晶基板上に設けたことを特徴とする振動デバイス。
第５の形態の振動デバイスは、第４の形態に記載の振動デバイスであって、前記圧電基板上に段差を備え、前記段差は、前記水晶基板を平面視して前記第１の振動子と前記第２の振動子との間に設けることを特徴とする振動デバイス。
第６の形態の振動デバイスは、第１、第４、第５のいずれか１形態に記載の振動デバイスであって、前記第１の振動子と前記第２の振動子とが電気的に並列に接続されていることを特徴とする振動デバイス。
第７の形態の振動デバイスは、第２または第６の形態に記載の振動デバイスであって、
電気的に並列に接続された前記第１の振動子と前記第２の振動子と電気的に並列となるようにコンデンサを接続したことを特徴とする振動デバイス。
第８の形態の振動デバイスは、第１の形態に記載の振動デバイスであって、前記第１の振動子と前記第２の振動子とが電気的に直列に接続されていることを特徴とする振動デバイス。
第９の形態の振動デバイスは、第８の形態に記載の振動デバイスであって、電気的に直列に接続された前記第１の振動子と前記第２の振動子のそれぞれに対し、電気的に並列となるようにインダクタを接続したことを特徴とする振動デバイス。
第１０の形態の発振器は、第１乃至第９のいずれか１形態に記載の振動デバイスと、発振回路とを有することを特徴とする発振器。
第１１の形態の電子機器は、第１乃至第９のいずれか１形態に記載の振動デバイスを搭載したことを特徴とする電子機器。
第１２の形態の振動デバイスの製造方法は、オイラー角（−１．５°≦φ≦＋１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，４２．７９°≦｜ψ｜４９．７５°）の水晶基板上に３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数がγ_１でありγ_１＞０であり、ストップバンドの上端モードの弾性表面波を励起する弾性表面波共振子であって、前記弾性表面波を励起する励振電極を構成する電極指の間に位置する前記水晶基板の部分にある電極指間の溝を備える第１の振動子を製造する工程と、オイラー角（−１．５°≦φ≦＋１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，４２．７９°≦｜ψ｜４９．７５°）の水晶基板上に３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数が−γ_２でありγ_２＞０であり、ストップバンドの上端モードの弾性表面波を励起する弾性表面波共振子であって、前記弾性表面波を励起する励振電極を構成する電極指の間に位置する前記水晶基板の部分にある電極指間の溝を備える第２の振動子を製造する工程と、製造された第１の振動子群と第２の振動子群の中から、前記３次関数温度特性の変曲点となる温度の差が１９℃以下であり、０＜｜γ_２｜≦｜２．４γ_１｜の関係および、前記第１の振動子における前記電極指間の溝深さをＧ _１ 、前記第２の振動子における前記電極指間の溝深さをＧ _２ として、Ｇ _１ ＜Ｇ _２ の関係を満たす前記第１の振動子と前記第２の振動子の組み合わせを選定する工程と、選定された前記第１の振動子と前記第２の振動子とを接続する工程とを有することを特徴とする振動デバイスの製造方法。

［適用例１］３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数が−γ_１でありγ_１＞０である第１の振動子と、前記第１の振動子に接続され、３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数がγ_２でありγ_２＞０である第２の振動子とを備え、前記第１の振動子と前記第２の振動子との間における変曲点の差が１９℃以下であり、０＜｜γ_１｜≦｜２．４γ_２｜の関係を満たすことを特徴とする振動デバイス。
このような特徴を有する振動デバイスであれば、動作温度範囲内における周波数変動量を従来よりもさらに向上させることができる。

［適用例２］適用例１に記載の振動デバイスであって、前記第１の振動子と前記第２の振動子とは互いに、オイラー角（−１．５°≦φ≦＋１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，４２．７９°≦｜ψ｜４９．７５°）の水晶基板上に設けられ、ストップバンドの上端モードの弾性表面波を励起する弾性表面波共振子であり、前記弾性表面波を励起する励振電極を構成する電極指間に溝を備え、前記第１の振動子における前記電極指間の溝深さをＧ_１、前記第２の振動子における前記電極指間の溝深さをＧ_２とした場合に、Ｇ_１＜Ｇ_２の関係を満たすことを特徴とする振動デバイス。
このような特徴を有する振動デバイスによれば、同じカット角の基板を利用してデバイスを製造することができる。

［適用例３］適用例２に記載の振動デバイスであって、前記第１の振動子と前記第２の振動子とを単一の圧電基板上に設けたことを特徴とする振動デバイス。
このような特徴を有する振動デバイスによれば、１つの素子として周波数変動量が非常に小さいデバイスを製造することができる。

［適用例４］適用例３に記載の振動デバイスであって、前記圧電基板上に段差を備え、前記段差は、前記圧電基板を平面視して前記第１の振動子と前記第２の振動子との間に設けることを特徴とする振動デバイス。
このような特徴を有する振動デバイスによれば、段差部分にて、第１の振動子と第２の振動子との間を伝播する不要波を抑圧することができる。また、第１の振動子と第２の振動子との間における不要な音響結合を低減することも可能となる。

［適用例５］適用例１乃至適用例４のいずれか１例に記載の振動デバイスであって、前記第１の振動子と前記第２の振動子とが電気的に並列に接続されていることを特徴とする振動デバイス。

［適用例６］適用例５に記載の振動デバイスであって、電気的に並列に接続された前記第１の振動子と前記第２の振動子と電気的に並列となるようにコンデンサを接続したことを特徴とする振動デバイス。
このような特徴を有することによれば、コンデンサの容量により、第１の振動子と第２の振動子との間の結合度を変化させることができる。

［適用例７］適用例１乃至適用例４のいずれか１例に記載の振動デバイスであって、前記第１の振動子と前記第２の振動子とが電気的に直列に接続されていることを特徴とする振動デバイス。

［適用例８］適用例７に記載の振動デバイスであって、電気的に直列に接続された前記第１の振動子と前記第２の振動子のそれぞれに対し、電気的に並列となるようにインダクタを接続したことを特徴とする振動デバイス。
このような特徴を有することによれば、インダクタの値を変化させることで、第１の振動子と第２の振動子との間の結合度を変化させることができる。

［適用例９］適用例１乃至適用例８のいずれか１例に記載の振動デバイスと、発振回路とを有することを特徴とする発振器。
このような特徴を有する発振器によれば、上記構成に基づく効果を得ることができ、広い動作温度範囲内において、高精度な発振を実現することができ、信頼性を向上させることができる。

［適用例１０］適用例１乃至適用例８のいずれか１例に記載の振動デバイスを搭載したことを特徴とする電子機器。
このような特徴を有する電子機器によれば、広い動作温度範囲内において信頼性の高い電子機器を提供することが可能となる。

［適用例１１］３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数がγ１でありγ１＞０である第１の振動子を製造する工程と、３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数が−γ２でありγ２＞０である第２の振動子を製造する工程と、製造された第１の振動子群と第２の振動子群の中から、変曲点の差が１９℃以下であり、０＜｜γ_２｜≦｜２．４γ_１｜の関係を満たす第１の振動子と第２の振動子の組み合わせを選定する工程と、選定された前記第１の振動子と前記第２の振動子とを接続する工程とを有することを特徴とする振動デバイスの製造方法。
このような特徴を有する振動デバイスの製造方法によれば、周波数温度特性が良好となる第１の振動子と第２の振動子を適宜組み合わせることができる。このため、製造後の不良が減少し、歩留まりを向上させることができる。

実施形態に係るＳＡＷデバイスの構成を示す斜視図である。 実施形態に係るＳＡＷデバイスにおける第１の共振子と第２の共振子の溝深さＧ_１，Ｇ_２、電極膜厚Ｈ_１，Ｈ_２、電極指幅Ｌ_１，Ｌ_２、溝幅Ｓ_１，Ｓ_２、および波長λの関係を示す断面図である。 電極膜厚Ｈが０．０２λの場合における溝深さＧと３次温度係数γの関係を示すグラフである。 電極膜厚Ｈが０．０３λの場合における溝深さＧと３次温度係数γの関係を示すグラフである。 電極膜厚Ｈが０．０４λの場合における溝深さＧと３次温度係数γの関係を示すグラフである。 ライン占有率ηと変曲点Ｔｉの関係を示すグラフである。 特定条件下における第１の共振子の周波数温度特性と第２の共振子の周波数温度特性を示すグラフである。 特定条件下における第１の共振子の周波数温度特性と第２の共振子の周波数温度特性とを結合させることで得られる周波数温度特性を示すグラフである。 ２つのＳＡＷ共振子間における変曲点Ｔｉの差分温度と周波数変動量の関係を示すグラフである。 ２つのＳＡＷ共振子間における３次温度係数γの割合と周波数変動量の関係を示すグラフである。 実施形態に係るＳＡＷデバイスの変形例を示す斜視図である。 外付け素子としてコンデンサを設ける場合の回路図である。 外付け素子としてインダクタを設ける場合の回路図である。 実施形態に係る圧電デバイスを搭載した発振器の構成を示す平面図である。

以下、本発明の振動デバイス、発振器、および電子機器に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本実施形態では、振動デバイスの一例として、圧電デバイス、特に弾性表面波デバイス（以下、単にＳＡＷデバイスと称す）を例に挙げて説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る弾性表面波デバイス（以下、単にＳＡＷデバイス１０と称す）は、水晶基板１２と、この水晶基板１２上に形成された２つのＳＡＷ共振子（第１の共振子（第１の振動子）１４、第２の共振子（第２の振動子）１６）を基本として構成される。第１の共振子１４と第２の共振子１６は互いにＩＤＴ１８，２８、反射器２４，３４を基本として構成され、引出電極３８を介して入出力電極４０に接続される。

水晶基板１２は、オイラー角表示で（−１．５°≦φ≦＋１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，４２．７９°≦｜ψ｜≦４９．７５°）で表される面内回転ＳＴカット水晶基板を採用している。なお、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。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（＝Ｘ´軸）を回転軸とし、第１の回転後の＋Ｙ軸（＝＋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。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（＝Ｚ´軸）を回転軸とし、第２の回転後の＋Ｘ軸（＝＋Ｘ´軸）から第２の回転後の＋Ｙ軸（＋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（＝Ｘ´軸）に対する第３回転角度ψで表される。

本実施形態においてＩＤＴ１８とＩＤＴ２８は互いに、１つの水晶基板１２上に形成されている。各ＩＤＴ１８，２８は、一対の櫛歯状電極を備える。櫛歯状電極は、複数の電極指２０，３０の基端部をそれぞれバスバー２２，３２で接続して成る。ＩＤＴ１８，２８は、櫛歯状電極における電極指２０，３０同士をかみ合わせるように配置すると共に、隣接する電極指２０，３０間に所定の間隔が設けられるように櫛歯状電極を組み合わせることで構成される。本実施形態では、櫛歯状電極を構成する電極指２０，３０のバスバー２２，３２からの延出方向は、水晶の結晶軸であるＸ軸から傾きを持ったＸ´軸に直交するように設けられる。第１の共振子１４、第２の共振子１６で励起されるＳＡＷは、Ｒａｙｌｅｉｇｈ型のＳＡＷであり、Ｚ´軸とＸ´´軸の両方に振動変位成分を有する。そしてこのようにＳＡＷの伝播方向を水晶の結晶軸であるＸ軸からずらすことで、ストップバンドの上端モードのＳＡＷを励起することが可能となる。また、本願発明者はこのように、水晶基板のカット角をオイラー角表示で（−１．５°≦φ≦＋１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，４２．７９°≦｜ψ｜≦４９．７５°）とした上で、ストップバンドの上端モードを用いることで、ＳＡＷ共振子において３次関数で示すことのできる周波数温度特性を得ることができることを確認した。

反射器２４，３４は、各ＩＤＴ１８，２８をＳＡＷの伝播方向に挟み込むように一対ずつ設けられる。具体的構成としては、ＩＤＴ１８，２８を構成する電極指２０，３０と平行に設けられる複数の導体ストリップ２６，３６の両端をそれぞれ接続したものである。複数の導体ストリップ２６，３６をそれぞれ接続する位置は必ずしも両端である必要はなく、一端のみで接続する形態や、一端と他端との間の何れかの位置で接続する形態などであっても良い。

なお、水晶基板１２のＳＡＷ伝播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無い。

入出力電極４０は、入力ポート（または出力ポート）用と出力ポート（または入力ポート）用に、一対設けられたパターン電極である。
引出電極３８は、２つのＩＤＴ１８，２８と一対の入出力電極４０とを電気的に並列に接続するパターン電極である。本実施形態では、入出力電極４０を介して印加された電圧により２つのＩＤＴ１８，２８にて励起される双方のＳＡＷの位相が、一致または略一致するように、引出電極３８が配される。これらのＩＤＴ１８，２８、反射器２４，３４、入出力電極４０、および引出電極３８等を構成するパターン電極は、アルミニウム（Ａｌ）や、Ａｌを主体とした合金を構成材料として用いることができる。

本実施形態に係るＳＡＷデバイス１０は、ＩＤＴ１８（具体的には櫛歯状電極）を構成する複数の電極指２０の間、およびＩＤＴ２８を構成する複数の電極指３０の間に溝を設けている。溝深さＧはＳＡＷデバイスの３次温度係数γに影響を及ぼし、一般的には、３次温度係数の値（絶対値）が小さいほど、周波数温度特性が良好となることが知られている。

図２は、図１に示した本実施形態に係るＳＡＷデバイス１０におけるＩＤＴ１８を構成する電極指２０と、ＩＤＴ２８を構成する電極指３０の部分断面拡大図である。図２中λは、ＩＤＴ１８、およびＩＤＴ２８におけるＳＡＷの波長を示す。また、Ｌ_１は電極指２０の幅、Ｌ_２は電極指３０の幅を示し、Ｓ_１は隣接する電極指２０間に形成される溝の幅、Ｓ_２は隣接する電極指３０間に形成される溝の幅を示す。さらに、Ｇ_１はＩＤＴ２０における溝深さ、Ｇ_２はＩＤＴ３０における溝深さを示し、Ｈ_１はＩＤＴ２０における電極膜厚、Ｈ_２はＩＤＴ３０における電極膜厚を示す。なお、以下に示すライン占有率η（η_１，η_２）とは、電極指の幅Ｌ（Ｌ_１，Ｌ_２），を電極指間のピッチλ／２（＝Ｌ_１＋Ｓ_１またはＬ_２＋Ｓ_２）で除して得られる値である。

３次温度係数γと溝深さＧとの関係は、オイラー角表示で第３回転角度を示すψについて、｜４２°〜４５°｜の範囲で、周波数温度特性が最も良好となる角度を適宜選択してシミュレーションを実施することで、図３から図５に示すようなグラフを得ることができる。なお、図３から図５において横軸は、弾性表面波の波長λに対する溝深さＧの割合を示し、縦軸は、３次温度係数γの値を示す。また、図３は励振電極を構成する電極の膜厚（電極膜厚Ｈ）を０．０２λとした場合の例を示すグラフである。また、図４は励振電極を構成する電極の膜厚（電極膜厚Ｈ）を０．０３λとした場合の例を示すグラフである。また、図５は励振電極を構成する電極の膜厚（電極膜厚Ｈ）を０．０４λとした場合の例を示すグラフである。

電極膜厚Ｈを０．０２λとした図３によれば、溝深さＧが０．０１λである点付近において、３次温度係数の正負が逆転していることを読み取ることができる。

また、電極膜厚Ｈを０．０３λとした図４によれば、溝深さＧが０．０１５λである点付近において、３次温度係数の正負が逆転していることを読み取ることができる。

さらに、電極膜厚Ｈを０．０４λとした図５によれば、溝深さＧが０．０１３λである点付近において、３次温度係数の正負が逆転していることを読み取ることができる。

また、図３から図５に示すシミュレーションによれば、溝深さＧが０．０１λ〜０．０５λの範囲においてはいずれも、３次温度係数γが、−０．１（１０^−１０／℃^３）〜＋０．１（１０^−１０／℃^３）の範囲内であることを読み取ることができる。さらに、図３から図５によれば、３次温度係数が負の値となる場合には、３次温度係数が正の値となる場合に比べ、溝深さＧが浅くなるということを読み取ることができる。

なお、図３から図５に示すグラフを得るためのシミュレーションは、ＩＤＴにおける電極指の対数が２１０対、反射器の導体ストリップが９７本（片側当たり）のＳＡＷ共振子をモデルとして行った。

また、電極指の対数、導体ストリップの本数を共通とし、電極膜厚を０．０２λ、溝深さＧを０．０５λとしたＳＡＷ共振子をモデルとして、ライン占有率ηと、変曲点Ｔｉとの関係のシミュレーションを実施した結果、図６に示すようなグラフを得ることができた。図６によれば、ライン占有率ηの変動に応じて変曲点Ｔｉの値が、対数関数的に変化することを読み取ることができる。さらに、変曲点Ｔｉの変動は、ライン占有率ηが０．６３未満である場合には急激な変化を示し、０．６３以上では、穏やかな変化を示すことも読み取ることができる。なお、溝深さＧが０．０５λ以外の場合でも、ライン占有率ηにより変曲点Ｔｉを変えることができる。

これらの結果より、第１の共振子１４と第２の共振子１６との間において、ＩＤＴ１８，２８を構成する電極指２０，３０間の溝深さＧを異ならせることにより、３次温度係数の符号を互いに逆にし、周波数温度特性を示す３次曲線を逆転させることができる。
また、周波数温度特性を示す３次曲線から読み取ることのできる変曲点については、ライン占有率ηを調整することで制御することができる。

よって、第１の共振子１４における周波数温度特性と、第２の共振子１６における周波数温度特性の３次温度係数の符号の正負を互いに逆の関係とし、これを結合させることによれば、フラットな、すなわち周波数変動量の少ない周波数温度特性を得ることができる。ここで、第１の共振子１４における３次温度係数を−γ_１、第２の共振子１６における３次温度係数をγ_２とし、γ_１、γ_２はそれぞれ、γ_１＞０かつγ_２＞０の要件を満たすものとする。図３から図５に示すグラフからも読み取れるように、第１の共振子１４における３次温度係数が負の値であり、第２の共振子３４における３次温度係数が正の値である場合、第１の共振子１４における溝深さＧ_１と第２の共振子１６における溝深さＧ_２との関係は、Ｇ_１＜Ｇ_２の関係を満たすこととなる。

図７に示すグラフは、オイラー角表示で（０°、１２３°、４３．６°）のカット角の水晶基板１２を用いたＳＡＷデバイス１０における第１の共振子１４と第２の共振子１６の周波数温度特性を示すものである。図７に示す例の場合、第１の共振子１４におけるＩＤＴ１８の電極膜厚Ｈ_１は０．０３λ、溝深さＧ_１は０．０１０λ、ライン占有率η_１は０．６９である（図中実線）。一方、第２の共振子１６におけるＩＤＴ２８の電極膜厚Ｈ_２は０．０２λ、溝深さＧ_２は０．０４５λ、ライン占有率η_２は０．０６４である（図中破線）。なお、溝深さＧ_１，Ｇ_２と電極膜厚Ｈ_１，Ｈ_２、および波長λの関係、並びにライン占有率η_１，η_２を求めるために必要とされる電極指幅Ｌ_１，Ｌ_２並びに溝幅Ｓ_１，Ｓ_２の関係については、図２に示す。

図７のように示される第１の共振子１４の周波数温度特性と第２の共振子１６の周波数温度特性を合成すると、周波数温度特性は、図８に示すようなものとなる。すなわち、−４０℃〜＋８５℃までの温度帯域における周波数変動量が、わずか２．５ｐｐｍ程度となる。よって、本実施形態に係るＳＡＷデバイス１０は、従来のＳＡＷデバイスに比べ、周波数温度特性を飛躍的に向上させることができると言える。

ところで、本実施形態に係るＳＡＷデバイス１０では、第１の共振子１４の周波数温度特性と、第２の共振子１６の周波数温度特性を合成することで、ＳＡＷデバイス１０としての周波数温度特性を得ることとなる。このため、第１の共振子１４の周波数温度特性と第２の共振子１６の周波数温度特性とを示す傾き、すなわち３次温度係数が等しい場合であっても、両者の変曲点がずれた場合には周波数温度特性が悪化してしまう可能性がある。よって、２つのＳＡＷ共振子間における変曲点Ｔｉの差分温度の許容範囲について検討する。

図９に示すグラフは、図８（図７）の周波数温度特性を示す第１の共振子１４と第２の共振子１６における変曲点Ｔｉのずれ量（変曲点の差分温度）と、変曲点Ｔｉのずれによって生ずる周波数変動量の多寡を示すものである。図９によれば、変曲点Ｔｉの差分温度が１９℃以内であれば、ＳＡＷデバイスとしての周波数温度特性の周波数変動量は、１０ｐｐｍ以内とすることができることが判る。つまり、変曲点Ｔｉの差分温度が１９℃以内であれば、３次温度係数が著しく大きいような場合であっても、従来技術よりもさらに周波数温度特性を向上させるといった本願の課題を解決することができる。

また、当然に、第１の共振子１４の３次温度係数−γ_１と第２の共振子１６の３次温度係数γ_２の絶対値が異なる場合には、３次曲線として示される周波数温度特性の合成時における打ち消しに偏りが生じ、ＳＡＷデバイス１０としての周波数温度特性は悪化することとなる。よって、２つのＳＡＷ共振子間における３次温度係数γの関係についての許容範囲について検討する。

図１０は、第１の共振子１４の３次温度係数−γ_１と、第２の共振子１６の３次温度係数γ_２との比率と、周波数変動量の関係を示すグラフである。図１０からはまず、γ_１＝γ_２の場合、すなわちγ_１／γ_２＝１の場合、周波数変動量が０ｐｐｍとなることが判る。また、図１０からは、γ_１／γ_２＞０、およびγ_１／γ_２≦２．４の範囲、すなわち０＜｜γ_１｜≦｜２．４γ_２｜の範囲であれば、合成された周波数温度特性における周波数変動量が、１０ｐｐｍ以内となることを読み取ることができる。

このような構成のＳＡＷデバイス１０であれば、−４０℃から＋８５℃といった動作温度範囲内における周波数変動量を１０ｐｐｍ以内に抑えることができ、従来に比べて周波数温度特性を飛躍的に向上させることができる。

なお、図１に示す形態では、単一の水晶基板１２を平面視した際に、第１の共振子１４と第２の共振子１６との間に段差を設けることで、第１の共振子１４と第２の共振子１６との間における溝深さＧ（Ｇ_１、Ｇ_２）に差をつけるように示した。このような構成とした場合、段差部分にて、第１の共振子１４と第２の共振子１６との間を伝播する不要波を抑圧することができる。また、当該段差部分は、第１の共振子１４と第２の共振子１６との間における不要な音響結合を低減するといった効果も奏することとなる。

しかしながら水晶基板１２に段差を設ける構成は必須要素ではなく、本実施形態に係るＳＡＷデバイス１０は、図１１に示すように、水晶基板１２をフラットとした上で、電極形成部をエッチングすることで溝深さＧに変化を与えるようにしても良い。なお、このような構成とした場合、２つの共振子間に生ずる段差は、引出電極３８に位置させると良い。

また、上記実施形態に係るＳＡＷデバイス１０は、単一の水晶基板１２上に第１の共振子１４と第２の共振子１６の双方を形成する構成としていた。しかしながら、本発明に係る圧電デバイスは、第１の共振子と第２の共振子とを異なる基板により形成し、これらを電気的に接続する形態としても良い。このような構成とした場合であっても同様な効果を得ることができるからである。

具体的には、設計上の３次温度係数が−γ_１となる第１の共振子を製造する工程と、設計上の３次温度係数がγ_２となる第２の共振子を製造する工程とを有する。なお、第１の共振子の製造ラインと、第２の共振子の製造ラインとは、同一ラインであっても個別ラインであっても良い。

製造された第１の共振子群と第２の共振子群は、各々変曲点Ｔｉと３次温度係数γが計測される。その後、変曲点Ｔｉと３次温度係数γが計測された第１の共振子群と第２の共振子群の中から、２つの共振子における変曲点Ｔｉの差が１９℃以下であり、第１の共振子における３次温度係数−γ_１と第２の共振子における３次温度係数γ_２との関係が、０＜｜γ_１｜≦｜２．４γ_２｜の関係を満たす組み合わせを選択する。ここで、選択される２つの共振子は、変曲点Ｔｉの差が０に近似し、第１の共振子の３次温度係数−γ_１と第２の共振子の３次温度係数γ_２との絶対値が近似する関係となることが望ましい。

第１の共振子と第２の共振子を選択した後、入出力電極に対し、２つの共振子が並列な関係となるように電気的に接続する。
このような方法で圧電デバイスを構成することによれば、単一基板上に２つの共振子を構成する場合に比べ、変曲点Ｔｉの差、および３次温度係数γの関係が最適となるように組み合わせることが可能となり、歩留まりを向上させることができる。

また、上記実施形態では、基板として、水晶基板１２を採用する旨記載した。しかしながら、本発明に係る圧電デバイスは、３次温度係数を得ることのできる構成であれば、基板の構成素材を水晶とする必要は無い。例えば、ＳＡＷを励起することのできるタンタル酸リチウムや、ニオブ酸リチウム等としても良い。

また、上記実施形態では、第１の振動子、第２の振動子共にＳＡＷ共振子として説明した。しかしながら、本発明に係る振動デバイスは、周波数温度特性が３次曲線を示す振動子であって、第１の振動子における３次温度係数−γ_１と第２の振動子における３次温度係数γ_２とが０＜｜γ_１｜≦｜２．４γ_２｜の関係を満たせば、その形態を特に問うものでは無い。例えば、第１の振動子が、３次温度係数−γ_１のＡＴカット振動子であり、第２の振動子が３次温度係数γ_２のＳＡＷ共振子であっても良い。

また、本発明に係る振動デバイスは、図１２に示すように、コンデンサを設けても良い。このような構成とする場合、第１の振動子１４ａと第２の振動子１６ａ、およびコンデンサ７０は、入力（出力）端子と出力（入力）端子に対して並列となるように接続すると良い。このような構成とすることで、コンデンサ７０の容量により、第１の振動子１４ａと第２の振動子１６ａの結合度を変化させることができる。

また、上記実施形態に係る振動デバイスは、いずれも第１の振動子（第１の共振子１４）と第２の振動子（第２の共振子１６）を電気的に並列となるように接続する旨説明した。しかしながら本発明に係る振動デバイスは、図１３に示すように、入力（出力）端子と出力（入力）端子に対して直列接続となるように第１の振動子１４ａと第２の振動子１６ａを配置しても良い。さらにこのような接続形態を採った場合には、同図に示すように、第１の振動子１４ａと第２の振動子１６ａのそれぞれに対して並列となるようにインダクタ７２を設けるようにしても良い。インダクタ７２を接続することによれば、インダクタ７２の値を変化させることで、第１の振動子１４ａと第２の振動子１６ａの結合度を変化させることができるからである。

次に、本発明に係るＳＡＷ発振器について、図１４を参照して説明する。本発明に係るＳＡＷ発振器は図１４に示すように、上述したＳＡＷデバイス１０と、このＳＡＷデバイス１０に形成された第１の共振子１４、第２の共振子１６を構成するＩＤＴ１８，２８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とを備える。

実施形態に係るＳＡＷ発振器１００では、ＳＡＷデバイス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デバイス１０に形成された入出力電極４０、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デバイス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（不図示）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、ＩＤＴ１８，２８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。

また、本発明に係るＳＡＷ共振子は、携帯電話やハードディスク、サーバコンピュータ、および有線・無線基地におけるクロック源として用いることができ、本発明に係る電子機器は、これらの携帯電話やハードディスク等に、上述したＳＡＷ共振子を搭載したものをいう。

上記実施形態では、振動デバイスとして特に、弾性表面波を励起する圧電デバイスを例に挙げ、従来技術に比して周波数温度特性の向上が図れる旨を説明した。しかしながら本願の思想は圧電以外の駆動方式による振動デバイスにも適用することができる。例えば、クーロン力による静電駆動による振動子や、シリコン半導体を用いたＭＥＭＳ振動子等であっても、３次関数温度特性を備え、３次温度係数の符号が互いに逆となる２つの振動子であれば、本発明を適用することができる。

１０………ＳＡＷデバイス、１２………水晶基板、１４………第１の共振子、１６………第２の共振子、１８………ＩＤＴ、２０………電極指、２２………バスバー、２４………反射器、２６………導体ストリップ、２８………ＩＤＴ、３０………電極指、３２………バスバー、３４………反射器、３６………導体ストリップ、３８………引出電極、４０………入出力電極。

Claims (12)

1. ３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数が−γ_１でありγ_１＞０である第１の振動子と、
   前記第１の振動子に接続され、３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数がγ_２でありγ_２＞０である第２の振動子とを備え、
   前記第１の振動子と前記第２の振動子とは、オイラー角（−１．５°≦φ≦＋１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，４２．７９°≦｜ψ｜４９．７５°）の水晶基板上に設けられ、ストップバンドの上端モードの弾性表面波を励起する弾性表面波共振子であり、
   前記弾性表面波を励起する励振電極を構成する電極指の間に位置する前記水晶基板の部分にある電極指間の溝を備え、
   前記第１の振動子の３次関数温度特性の変曲点となる温度と、前記第２の振動子の３次関数温度特性の変曲点となる温度との差の絶対値が１９℃以下であり、
   ０＜｜γ_１｜≦｜２．４γ_２｜
   の関係を満たすと共に、
   前記第１の振動子における前記電極指間の溝深さをＧ _１ 、前記第２の振動子における前記電極指間の溝深さをＧ _２ として、
   Ｇ _１ ＜Ｇ _２
   の関係を満たすことを特徴とする振動デバイス。
2. ３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数が−γ_１でありγ_１＞０である第１の振動子と、
   前記第１の振動子に接続され、３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数がγ_２でありγ_２＞０である第２の振動子とを備え、
   前記第１の振動子の３次関数温度特性の変曲点となる温度と、前記第２の振動子の３次関数温度特性の変曲点となる温度との差の絶対値が１９℃以下であり、
   ０＜｜γ_１｜≦｜２．４γ_２｜
   の関係を満たし、
   前記第１の振動子と前記第２の振動子とが電気的に並列に接続されていることを特徴とする振動デバイス。
3. ３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数が−γ_１でありγ_１＞０である第１の振動子と、
   前記第１の振動子に接続され、３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数がγ_２でありγ_２＞０である第２の振動子とを備え、
   前記第１の振動子の３次関数温度特性の変曲点となる温度と、前記第２の振動子の３次関数温度特性の変曲点となる温度との差の絶対値が１９℃以下であり、
   ０＜｜γ_１｜≦｜２．４γ_２｜
   の関係を満たし、
   前記第１の振動子と前記第２の振動子とを電気的に直列に接続し、かつ前記第１の振動子と前記第２の振動子のそれぞれに対し、電気的に並列となるようにインダクタを接続していることを特徴とする振動デバイス。
4. 請求項１に記載の振動デバイスであって、
   前記第１の振動子と前記第２の振動子とを単一の前記水晶基板上に設けたことを特徴とする振動デバイス。
5. 請求項４に記載の振動デバイスであって、
   前記圧電基板上に段差を備え、
   前記段差は、前記水晶基板を平面視して前記第１の振動子と前記第２の振動子との間に設けることを特徴とする振動デバイス。
6. 請求項１、請求項４、請求項５のいずれか１項に記載の振動デバイスであって、
   前記第１の振動子と前記第２の振動子とが電気的に並列に接続されていることを特徴とする振動デバイス。
7. 請求項２または請求項６に記載の振動デバイスであって、
   電気的に並列に接続された前記第１の振動子と前記第２の振動子と電気的に並列となるようにコンデンサを接続したことを特徴とする振動デバイス。
8. 請求項１に記載の振動デバイスであって、
   前記第１の振動子と前記第２の振動子とが電気的に直列に接続されていることを特徴とする振動デバイス。
9. 請求項８に記載の振動デバイスであって、
   電気的に直列に接続された前記第１の振動子と前記第２の振動子のそれぞれに対し、電気的に並列となるようにインダクタを接続したことを特徴とする振動デバイス。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の振動デバイスと、
    発振回路とを有することを特徴とする発振器。
11. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の振動デバイスを搭載したことを特徴とする電子機器。
12. オイラー角（−１．５°≦φ≦＋１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，４２．７９°≦｜ψ｜４９．７５°）の水晶基板上に３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数がγ_１でありγ_１＞０であり、ストップバンドの上端モードの弾性表面波を励起する弾性表面波共振子であって、前記弾性表面波を励起する励振電極を構成する電極指の間に位置する前記水晶基板の部分にある電極指間の溝を備える第１の振動子を製造する工程と、
    オイラー角（−１．５°≦φ≦＋１．５°，１１７°≦θ≦１４２°，４２．７９°≦｜ψ｜４９．７５°）の水晶基板上に３次関数温度特性を備え前記３次関数温度特性における３次温度係数が−γ_２でありγ_２＞０であり、ストップバンドの上端モードの弾性表面波を励起する弾性表面波共振子であって、前記弾性表面波を励起する励振電極を構成する電極指の間に位置する前記水晶基板の部分にある電極指間の溝を備える第２の振動子を製造する工程と、
    製造された第１の振動子群と第２の振動子群の中から、前記３次関数温度特性の変曲点となる温度の差が１９℃以下であり、
    ０＜｜γ_２｜≦｜２．４γ_１｜
    の関係および、
    前記第１の振動子における前記電極指間の溝深さをＧ _１ 、前記第２の振動子における前記電極指間の溝深さをＧ _２ として、
    Ｇ _１ ＜Ｇ _２
    の関係を満たす前記第１の振動子と前記第２の振動子の組み合わせを選定する工程と、
    選定された前記第１の振動子と前記第２の振動子とを接続する工程とを有することを特徴とする振動デバイスの製造方法。

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