JP2002368569A

JP2002368569A - 弾性表面波装置

Info

Publication number: JP2002368569A
Application number: JP2002107088A
Authority: JP
Inventors: Michiaki Takagi; 道明高木
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-01-23
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2002-12-20

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、バルク波の発生をなくして厚み系
スプリアス振動との結合が無い安定で信頼性の高い弾性
表面波装置を提供する。【解決手段】１ポート型および２ポート型ＳＡＷ共振
子、さらには前記種類の共振子型フィルタ、またトラン
スバーサル型フィルタの構成要素であるＩＤＴの正負電
極指の質量差を７％以下としてバルク波の発生を防止し
て性能を改善したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バルク波の発生を
防止して不要なバルクモードスプリアスを防止した弾性
表面波装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の弾性表面波装置の中で、周波数の
安定化と周波数制御に使われるものとしては、１ポート
型及び２ポート型のＳＡＷ共振子がよく知られている
（米国特許４，１４４，５０７）。中でも基板に水晶
ＳＴカットを用いたものは、常温に零温度係数を有して
おり精度の良いものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の弾性表
面波装置の従来技術において、水晶を用いて高Ｑ値を実
現したＳＡＷ共振子を製作すると、不要な共振現象（以
下スプリアスと称す）が発生して歩留まりの低下をもた
らす場合があり問題となっていた。

【０００４】そこで、本発明はこのような問題点を解決
するもので、その目的は、スプリアスの無いＳＡＷ共振
子を歩留まり良く生産しコストダウンをはかることであ
る。

【０００５】

【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、弾性表面波を励振する少な
くとも１個のすだれ状電極と、少なくとも１対の反射器
とからなる弾性表面波装置において、前記すだれ状電極
が有する正極性と負極性の電極指の質量差を７％以下と
し、厚み縦振動のスプリアスを抑圧したことを特徴とす
る。（２）さらに、前記弾性表面波装置が１ポート型ＳＡＷ
共振子であることを特徴とする。（３）さらに、前記弾性表面波装置が２ポート型ＳＡＷ
共振子であることを特徴とする。（４）さらに、前記の圧電体平板が水晶ＳＴカットであ
ることを特徴とする。（５）さらに、前記の圧電体平板が水晶ＬＳＴカットで
あることを特徴とする。（６）さらに、前記の圧電体平板が水晶Ｋカットである
ことを特徴とする。（７）さらに、前記正極性と負極性の電極指について、
弾性表面波の伝搬方向断面の電極指面積の差を７％以下
としたことを特徴とする。

【０００６】

【作用】以下、本発明の弾性表面波装置に関連する技術
である体積超音波トランスジューサと対比しながら、本
発明の弾性表面波装置について説明する。

【０００７】関連技術である体積超音波トランスジュー
サと本発明の弾性表面波装置は同一の理論を根拠として
いるので、まずその動作原理について、ＳＡＷ共振子の
長手方向断面図（図５）を用いてその理論的根拠を以下
に簡単に説明する。長手方向とは、ＳＡＷの伝搬方向を
いう。

【０００８】圧電体平板（５００）の表面（５０５）に
アルミニウム等の金属導体を用いて正極性（５０１）と
負極性（５０２）の電気的極性を有する電極指を多数対
平行に配置してすだれ状電極（以下インターデジタルト
ランスジュサー、略して簡単にＩＤＴと称す）を形成す
る。さらにこのＩＤＴの前記正負電極指の膜厚Ｈ、ある
いは線幅Ｗを異ならしめることを仮定する。さらにまた
前記ＩＤＴの両側に金属導体により反射器を構成する。
しかる後に前記ＩＤＴに交番電圧を印加して前記のＳＡ
Ｗ共振子に共振現象を発生させる（振動変位５０４）。
この状態において、前記ＩＤＴを含む弾性体の領域Ｖに
ついて、次式（１）のエネルギー保存則を適用する。

【０００９】

【数１】

【００１０】ただし、ここでＴは運動エネルギー、Ｕは
位置エネルギー、Ｐはパワーフローベクトルで下式
（２）で表されるもので、単位断面積当たりのエネルギ
ーの流れを表す量である。式（１）の左辺の積分は図５
の体積Ｖの領域での体積積分を、右辺の積分は前記の体
積を囲む閉局面の表面全体Ｓ（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3，Ｓ4の
和）に対する表面積分を表すもので、一般的な数学の公
式として成り立つことが知られている。

【００１１】

【数２】

【００１２】ただしここで、Ｔijは応力テンソル、Ｕj,
tは変位ベクトルの時間微分で、粒子速度として知られ
ている。

【００１３】式（１）の右辺の表面積分の値はＩＤＴの
形成された表面Ｓ1と裏面Ｓ3のみが零とならず残存す
る。表面Ｓ2とＳ4に関する積分は、問題としている弾性
表面波装置がＳＡＷ共振子を形成しているため、反射器
（例えば、図１の１０２、１０３）に入射した弾性表面
波は完全に反射されて前記ＩＤＴ領域にもどるため、Ｘ
1軸方向へのエネルギーの流れが原理的に存在しないた
め、前記のパワーフローベクトルはゼロとなる。従っ
て、エネルギーの流れが無いため、前記の積分値はゼロ
である。さらにまた、式（１）の左辺は、前記ＳＡＷ共
振子の振動状態が定状状態である場合を考えて良いか
ら、時間的変化なしとしてゼロとなる。さらに、表面
（５０５）に作用する応力Ｔ33を近似的に電極指の持つ
慣性質量ｍと振動の表面変位の加速度Ｕj，ttの積で表
し、さらに正弦波の弾性表面波振動変位解を仮定し、弾
性表面波の伝搬方向Ｘ1について一様な厚み縦振動変位
解を仮定して、計算を進めると表面Ｓ1に関する積分値
は、次式（３）となる。式（３）は、ＳＡＷ共振子の構
成をなす体積超音波トランスジューサから厚み縦振動
（バルク波）へのエネルギー変換を表す式である。

【００１４】

【数３】

【００１５】ここで、Ａ,tは弾性表面波の粒子速度、
Ｂ,tはバルク波である縦波の粒子速度、Ｍは前記ＩＤＴ
の対数、ｍ1は正極性の電極指（５０１）の質量、ｍ2は
負極性の電極指（５０２）の質量、ｊは虚数単位、ωは
角周波数、λは弾性表面波の波長、積分の範囲ｂは電極
指の幅である。但し、図５においては前記の質量差を電
極指の厚みＨで与えた（Ｈ１≠Ｈ２，Ｗ１＝Ｗ２＝
ｂ）。

【００１６】一方表面Ｓ3の積分値は、前記バルク波即
ち厚み縦波の単位時間当たりの伝搬エネルギーを与え
る。これをＰ（ｂulk）と置けば、次式（４）となる。

【００１７】

【数４】

【００１８】以上の式（１），（３），（４）から、正
負電極指に質量アンバランスが存在する場合（ｍ1≠ｍ
2）に発生するバルク波パワーの関係式として、次の式
（５）が得られる。

【００１９】

【数５】

【００２０】前記のバルク波は、圧電体平板（５００）
裏面すなわち底面（５０６）に接触して液体等の媒質５
０３を配置すれば、媒質中に超音波として放射される。
以上が関連技術である体積超音波トランスジューサに対
する作用原理である。

【００２１】次に、本発明の弾性表面波装置に対する作
用原理を説明する。圧電体平板が有限の厚みｔを持つ場
合には、前述の理由により質量アンバランスのあるＩＤ
Ｔから放射される厚み縦のバルク波は、前記の厚みｔで
決まる共振周波数をもつ厚み縦振動を励起する。さら
に、前記圧電体平板のＩＤＴを形成しない裏面（５０
６）を接着固定して使用することが多く（５０６を接着
材と想定する）、この場合においては、厚み縦振動のエ
ネルギーは裏面（５０６）における接着材との摩擦によ
り損失する。従って、ＳＡＷ共振子にとって、ＩＤＴを
介して式（５）に基づき結合した厚み縦振動はスプリア
スとなり、ＳＡＷ共振子のＱ値を低下させることにな
る。もちろんｍ1とｍ2が等しければＰはゼロである。こ
こで、ｍ１とｍ２が等しいとは、広義の意味では正負電
極指の断面積について条件Ｗ１×Ｈ１＝Ｗ２×Ｈ２が成
り立てば良い。以上が本発明に関する動作原理の詳細で
ある。

【００２２】

【発明の実施の形態】（関連技術の例）以下、関連技術
である体積超音波トランスジューサの例について、図１
から順を追って説明する。図１は関連技術の体積超音波
トランスジューサと本発明の弾性表面波装置の一実施の
形態である１ポート型ＳＡＷ共振子についてである。図
１中の各部位の名称は、１００は圧電体平板、実線の枠
内１０１はすだれ状電極（以下、ＩＤＴ(Interdigital
Transducer）と略す）、１０２、１０３は反射器、１
０４は正極性の電極指、１０５は負極性の電極指、１０
６と１０７はワイヤーボンディングのためのパッドであ
る。前記１００の圧電体平板は、水晶、タンタル酸リチ
ウム等の圧電性を有する単結晶およびＺｎＯ等の圧電性
薄膜を形成した基板およびＰＺＴ等からなる。前記の１
００上に形成された１０１からなるＩＤＴおよび１０
２，１０３等の反射器は、アルミニウムおよび金等の導
電性を有する金属膜を蒸着、スパッタ等の手段により薄
膜形成した後、フォトリソグラフィ技術によりパターン
形成して作られる。１０２と１０３の反射器及び１０１
のＩＤＴにより全体で１ポート型のＳＡＷ共振子が形成
されている。前記ＩＤＴと反射器の電極指および導体ス
トリップ（１０８）は利用する弾性表面波（レーリー波
及びリーキー波等）の位相進行方向（長手方向Ｘ１）に
対して直交して、平行かつ周期的に多数配置される。

【００２３】まず関連技術として、前述の図１のような
すだれ状電極と一対の反射器からなる基本構成（この構
成は１ポート型ＳＡＷ共振子の構成と同一である）を超
音波トランスジューサとして用いる場合について、前記
ＩＤＴの正負電極指の質量差を１０％以上５０％以下に
設定する。このとき、圧電体平板（１００）の底面（前
記導体パターンの形成されていない面）はバルク波の放
射対象である液に接しているものとする（図５参照）。
ここでは、本トランスジューサを液体を用いた洗浄装置
に用いることを想定している。この場合の正負電極指の
質量差と図１の弾性表面波が示すバルク波放射特性につ
いて、図２に示す。図２の特性は前述の作用の欄で説明
した式（５）を用いて計算したものである。同図横軸は
正負電極指の質量差を正負電極指の平均の電極膜質量に
対する比として％単位で表示したもの、縦軸は１ポート
型ＳＡＷ共振子の直列共振抵抗Ｒ1の値を示した。２０
１の曲線は厚み縦振動子のＱ値が１０００の場合、ま
た、２０２，２０３は各々厚み縦振動子のＱ値が１０
０、１０の場合である。前記の厚み縦振動子が液面に接
触している場合のＱ値を１０００とし、ＳＡＷ共振子の
共振時の電流を１０mAとすれば、バルク波の放射電力Ｐ
Ｗは、約ＰＷ＝１００（Ｒ1−１３）（μW）と見なすこ
とができる。

【００２４】例えば、このときのバルク波発生効率は、
前記の質量差１０％のときは５７％であり、質量差１５
％では７４％、質量差５０％では９５％にもなり極めて
高効率である。図１においては、正負電極指の質量差は
電極指の膜厚に差を付けた例で示した（図５参照）。膜
厚差（質量差）は、例えば陽極酸化等の手段により正負
いずれかの電極指の一方のアルミニウム電極を酸化し
て、他方の電極指質量に対して１０％以上の差を形成す
ることができるし、また、質量差を付ける別の手段とし
ては、正負電極指のＳＡＷ伝搬方向の幅を変える方法が
ある。前記質量差は極端に大きくなるとＳＡＷ共振子自
体の前記Ｒ1を増大させるため、質量差としては５０％
以内が好ましい。

【００２５】この関連技術においては、１対の反射器を
設けてＱ値の高いＳＡＷ共振子を構成していることよ
り、弾性表面波装置自体の損失が極めて少ない。図２の
特性の計算に際して、共振周波数３００ＭＨｚでＱ＝１
５０００、電極指の膜厚は正極が２８００Åと負極が３
０８０から４２００Åを用いた。

【００２６】（実施例）つぎに、本発明の弾性表面波装
置、すなわちＳＡＷ共振子のスプリアス対策の例につき
説明する。バルク波の放射特性図２において、正負電極
の質量差を０から７％の範囲とすれば、逆に厚み縦系の
バルク波がほとんど発生しないことがわかる。このこと
は図２中の、通常圧電体平板の底面を接着固定した場合
に実現すると思われるＱ＝１００の場合に対して、曲線
２０２に見られる通り、この範囲すなわち０から７％の
質量差においてＲ1の変化が１Ω以下と極めて小さいこ
とからわかる。この理由は、表面にＳＡＷ共振子の電極
パターンを形成した前記圧電体平板が、厚みに依存する
共振周波数を多数有して、さらにそれらの内のいずれか
の共振周波数がＳＡＷ共振子の周波数と一致しても、前
記ＩＤＴを介して（式（５））、ＳＡＷ共振子と厚み系
の振動がほとんど結合せず、前記の縦振動はスプリアス
とならないことを意味する。従って、このときにはＳＡ
Ｗ共振子からのエネルギーの散逸が無く、小さな共振抵
抗値が実現できる。この場合の実施の形態としては、前
記図１においてＩＤＴの正負電極指の質量差を７％以下
に精密加工する。さらに前記圧電体平板の底部を接着材
で固定すれば容易に厚み縦振動のＱ値を１００以下にす
ることができる。

【００２７】図３には、前記ＩＤＴの正負電極指の質量
差を７％以下とした場合と、１３％とした場合の、前記
図１の１ポート型ＳＡＷ共振子の直列共振抵抗Ｒ1分布
の実測値を示す。ちなみに、共振子の周波数は３００Ｍ
Ｈｚである。白丸が質量差を７％以下としたときであ
り、黒丸は１３％の差がある場合である。明らかに、両
者に特性の優劣があることがわかる。このようにＳＡＷ
共振子の直列共振抵抗Ｒ1が増加する原因については図
６に示した。図中の特性曲線は、ＳＡＷ共振子のインピ
ーダンスＺ（ω）である。ＳＡＷ共振子の前記Ｒ1は、
ほぼＺ（ω）の最小点すなわち、主共振部の値に対応す
る。曲線６００は前記電極指の質量差が７％の場合であ
り、厚み縦振動に起因したスプリアスによる主共振部の
劣化はまだ認められない。

【００２８】一方特性６０１は、前記電極指の質量差が
１０％の場合であり、前記スプリアスの結合による主共
振部のＲ1の増加が顕著に認められるに至っている。こ
の主共振部のＲ1の増加は、ＳＡＷ共振子の振動エネル
ギーがスプリアスである厚み縦振動にリークした結果で
あることはすでに説明した通りである。次に、図４に本
発明の他の実施形態である２ポート型ＳＡＷ共振子の例
につき説明する。図中の２００は圧電体平板、２０９，
２１０は反射器、実線の枠内２１１，２１２はＩＤＴ、
２０５、２０６，２０７，２０８はワイヤーボンデング
用電極パッドである。図４において、２０９と２１０の
反射器及び、２１１と２１２のＩＤＴで２ポートＳＡＷ
共振子を構成している。これらに用いられるＩＤＴの正
負電極指の質量差を７％以下とする。

【００２９】さらにまた、前述の本発明の実施形態に述
べた中の圧電体平板については、ことに高Ｑ値が実現で
き周波数安定性に優れた水晶を用いたＳＡＷ共振子にお
いて、３１から４７度回転Ｙ板のＳＴカット、１６から
１８度の回転Ｚ板のＬＳＴカット、さらに、約９．６度
回転Ｙ板のＫカットに本発明を適用するとＱ値が高く周
波数安定度が一層優れたＳＡＷ共振子が得られる。

【００３０】本発明の弾性表面波装置においては、複数
のＩＤＴと一対の反射器からなる２ポートＳＡＷ共振子
でも、さらには、ＩＤＴが２個だけ使用したトランスバ
ーサル型ＳＡＷフィルタを弾性表面波装置の構成要素と
しても良い。

【００３１】さらにまた、前述の説明に際して正極性と
負極性の電極指の役割を交換しても良いことはもちろん
であることを付け加える。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、１
ポート型および２ポート型ＳＡＷ共振子、さらには前記
種類の共振子型フィルタ、またトランスバーサル型フィ
ルタにおいて、これらに使用する水晶等の圧電体平板上
のＩＤＴの正負電極指の質量差を７％以下に形成するこ
とにより、バルク波の発生を防止して、スプリアスの発
生がなく等価抵抗の小さく安定な弾性表面波装置が得ら
れる。特にＱ値が１万から４万と大きな１ポート型およ
び２ポート型ＳＡＷ共振子において、著しい歩留まりの
向上によりコストダウンが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】関連技術である体積超音波トランスジューサ
及び本発明である弾性表面波装置の一実施例を示す平面
図。

【図２】本発明の実施例と関連技術の例が示す特性
図。

【図３】本発明の実施例が示す特性図。

【図４】本発明の他の実施例を示す平面図。

【図５】本発明と関連技術の動作原理説明図。

【図６】本発明の他の実施例が示す他の特性図。

【符号の説明】

１００圧電体平板１０１ＩＤＴ１０２反射器１０３反射器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体平板上に、弾性表面波を励振する
少なくとも１個のすだれ状電極と、少なくとも１対の反
射器とからなる弾性表面波装置において、前記すだれ状
電極が有する正極性と負極性の電極指の質量差を７％以
下とし、厚み縦振動のスプリアスを抑圧したことを特徴
とする弾性表面波装置。
【請求項２】前記弾性表面波装置が１ポート型ＳＡＷ
共振子であることを特徴とする請求項１記載の弾性表面
装置。
【請求項３】前記弾性表面波装置が２ポート型ＳＡＷ
共振子であることを特徴とする請求項１記載の弾性表面
装置。
【請求項４】前記の圧電体平板が水晶ＳＴカットであ
る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５】前記の圧電体平板が水晶ＬＳＴカットで
ある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６】前記の圧電体平板が水晶Ｋカットである
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７】前記正極性と負極性の電極指について、
弾性表面波の伝搬方向断面の電極指面積の差を７％以下
としたことを特徴とする請求項１記載の弾性表面波装
置。