JPH0134411B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般にSSBW（Surface Skimming
Bulk Wave）等と呼ばれている圧電基板の表面
直下を伝搬する波動（斯る種類の波動の総称を本
発明の明細書に於いてはすべり波と称する）をイ
ンタデイジタル・トランスジユーサ電極によつて
励起せしめ、その振動エネルギを前記電極直下に
閉じ込めるタイプの共振器に関する。

従来、安定した高周波を得るには殆んどの場合
水晶薄板の厚みすべり振動を利用していたが、そ
の最高周波数は水晶基板の厚さに依存する為基本
波で40MHz程度が限界であつて更に高い周波数を
得るには通常基本波周波のオーバートーン振動を
利用していた。しかしながらオーバートーン次数
は９次程度までが使用しうる限界であり、該次数
が高くなると所謂容量比γが該次数の自乗に比例
して悪化し且つインピーダンスも上昇するので回
路とのマツチングが困難となる等の問題を生ずる
ものであつた。

上述の如き問題を解決する一手段として最近、
インタデイジタル・トランスジユーサ電極によつ
て弾性表面波を発生させ、これを利用する共振器
の研究と実用化が盛んであるが、これは数十Ｍ乃
至1GHz程度までの高周波を基本波周波にて励振
しうるものである。

しかしながら弾性表面波共振器は励振された波
動が圧電基板表面を伝搬する為、基板表面の汚染
或はエージングによる表面状態の変化の影響を強
くうけるという欠陥があるのみならず周波数−温
度特性についても需要者を充分満足させるもので
はなく、更に優れた特性が要求されている。

本発明は以上説明した如き既存の共振器の持つ
欠陥或は問題点を除去する為になされたものであ
つて、弾性表面波共振器と同等の高い周波数を基
本波にて励振でき、且つその振動が圧電基板の表
面直下を伝搬するすべり波を利用して数十Ｍ乃至
1GHz程度の周波数帯での使用に適した表面汚染
に強くエージング特性、温度特性に優れ、且つス
プリアスの極めて少ない共振器を提供することを
目的とする。

以下、本発明をこれをなすに至つた理論的考察
と実験結果とに基づいて詳細に説明する。

圧電基板表面直下を伝搬するすべり波の存在及
び多対のインタデイジタル・トランスジユーサ電
極によつてこの波を励起しうることは従前より知
られていたが、これを共振器に応用する試みにつ
いては殆んど研究がなされていなかつた。その理
由は弾性表面波共振器からの類推によつてすべり
波々長の１％以下の膜厚のインタデイジタル・ト
ランスジユーサ電極を設けたすべり波共振器は発
振条件を満足することが困難であつた上、発振し
てもそのＱが極めて低くとうてい実用に耐えるも
のではなかつたからである。

一方、本発明の発明者等は既に出願した弾性表
面波共振器に関する一連の特許出願、特願昭56−
56710等に於いて水晶基板表面に極めて膜厚の大
なる（表面波々長の1.5％以上）インタデイジタ
ル・トランスジユーサ電極を設けることによつて
少数の電極指対数によつて充分大なるＱを有しか
つ副共振の少ない小型の共振器を得ることができ
ることを示し、その理由は表面波に対する電極指
膜厚の反射効果、質量付加効果による表面波振動
エネルギの閉じ込め効果の強調及び電極指断面積
の増大による等価抵抗の減少によるものであろう
と推論した。

この推論をすべり波に援用して、すべり波を励
起するインタデイジタル・トランスジユーサ電極
膜厚を著しく大きくするならば圧電基板表面が振
動しないすべり波に対しては前記反射効果は考え
にくいが、質量付加効果及び等価抵抗減少の効果
を期待し得るであろう。

本発明は以上の如き推定に基づいてなされたも
のであり、電極膜厚を一定以上厚くした場合に実
用性のある充分に高いＱを得ることが確認され
た。

以下本発明の基礎となつた実験結果について詳
細に説明する。

第１図は本実験に使用したすべり波共振器の構
成を示す図である。

先ず圧電基板１としては温度特性を考慮して水
晶の回転Ｙカツト、切断角をＸ軸に関して反時計
廻りに−43°〜−52°の範囲のものを使用した。こ
の切断角を有する水晶基板を用いるならばすべり
波伝搬速度は同じ回転Ｙカツト水晶基板の弾性表
面波伝搬速度に比してわずか数％高速であるにす
ぎないが温度−周波数特性は三次曲線となり極め
て温度特性の良好なものとなる。

因みに前記切断角を35°〜42°の範囲に選べば温
度特性は劣化するがすべり波伝搬速度は前記弾性
表面波伝搬速度の約1.6倍となる。

さて上記の如き水晶基板１上にAlを用いてＺ
軸方向にバスバー電極２，３を設け、両者から交
互に多数のインタデイジタル電極指４，４……及
び５，５，……を交叉する如く延長する。これは
周知の如く蒸着したAlに対しマスクを介してフ
オト・エツチングにより形成するものである。又
前記インタデイジタル・トランスジユーサ電極指
４又は５の各々とこれに隣接する無電極部との合
計幅はすべり波々長λの半分となるようにし、両
者の幅比は製造の容易さから１：１に構成するの
が一般的である。

更に前記インタデイジタル電極指４，４，……
及び５，５，……のオーバーラツプ幅を交叉長ｗ
と称し、この値を変化することによつて共振器の
諸特性を制御することができる。

以上の如き形状のインタデイジタル・トランス
ジユーサ電極は少なくとも弾性表面波共振器を構
成する上では表面波反射用すだれ状金属或は溝又
は孔を備えた共振器に比して構成単純で製造性が
良好な上不要な副共振や他との音響的結合が少な
く優れた特性を有するものであるが、すべり波共
振器に於いても同様の効果があると考えられる。

以上の如きインタデイジタル・トランスジユー
サ電極を設けた共振器を用いて行つた実験結果に
ついて説明するに、先ず電極対数Ｎを800対、前
記交叉長ｗをすべり波々長λで規準化したｗ／λ
の値を10に固定し、Al電極の膜厚ｈ／λを変化
させた場合の共振器の挙動を第２図ａの等価回路
を仮定してアドミタンス・チヤートを用いて検討
した結果第２図ｂ〜ｅを得た。本チヤートから明
らかな如く電極膜厚ｈ／λがほゞ２％以下の場
合、本すべり波共振器の特性はチヤート上誘導性
領域が存在せずハートレー又はコルピツツ型水晶
発振回路に挿入しても発振し得ないことが判明し
た。

さてそこで各種電極膜厚を有するすべり波共振
器についてそのＱと副共振レベルを調べた結果を
第３図に示す。

本図に於いて電極膜厚ｈ／λが増大するに従い
Ｑ及び副共振レベルも増大し、ｈ／λが４％近傍
に於いてＱは飽和し、副共振レベルは急増する如
く見える。

一方、電極膜厚ｈ／λを固定した上で電極対数
Ｎを変化させた場合、Ｑ、副共振レベル及びγが
いかに変化するかを調べた結果を第４図に示す。

本図から明らかな如く電極対数Ｎが多い程Ｑは
増加するが、γ及び副共振レベルも800対前後を
境に増大する傾向を示す。

従つて共振器としての望ましい構成としては、
要求される仕様にもよるが一般的には水晶基板を
使用する限り電極対数Ｎが800±200、電極膜厚
ｈ／λは0.025乃至0.03程度であることが判る。

又、副共振レベルは電極対数Ｎに対しては電極
膜厚ｈ／λの減少に従つてわずかに平行移動的に
減少し一方γは電極膜厚ｈ／λの減少に従つてわ
ずかに平行移動的に増大する傾向が見られたが図
面の繁雑を避ける為省略した。

尚、更に電気交叉長ｗ／λについて調べた結果
を第５図に示す。本図から明らかな如く交叉長
ｗ／λにも最適値がある如く見え、その範囲は概
ね８乃至15の間に存し、交叉長ｗ／λを変化させ
ることによつて得られるＱ又はγの変化は電極膜
厚ｈ／λ或は電極対数Ｎを変化することによる共
振器特性の変化に比べればわずかでありその重要
性は二次的であるといえる。

以上説明した実験の結果は共振器を空気中で共
振させたものであるが弾性表面波共振器にあつて
は真空中に於いて共振する共振器のＱは空気中の
それに比べて15乃至30％改善されることが知られ
ている。この知見をすべり波共振器に援用した結
果弾性表面波共振器の場合程の効果はなかつたが
約５％程度のＱの向上がみられた。

以上の実験結果からすべり波共振器に於いても
共振器の特性を左右する最も重要な構成要素はそ
の電極膜厚ｈ／λであり、他の要素、例えば電極
対数Ｎは電極膜厚ｈ／λとは殆んど無関係にγ或
は副共振のレベルから一定の値に帰着せざるを得
ず、又前記交叉長ｗ／λも共振器特性に影響を与
えるその最適値が存在するがその効果は二次的な
ものであることが明らかとなつた。

以上本発明の共振器に関する実験の結果につい
て説明したが、電極材料としてAl以外の例えば
Au、Ag、Cr又はNi等について言及していなか
つたのでこれらについて簡単に説明する。

前述の電極の質量効果が振動エネルギ閉じ込め
効果を強調するものであるとすればAlよりはる
かに密度の大きな金属材料によつて電極を構成
し、その膜厚をAlの密度との割合いに比例して
薄くしても同様の効果がありそうに思われたが
Au、Cr及びNiについて実験した結果は全く予想
に反するものであつてＱは上昇せずスプリアスも
多くなるという結果を得た。

この理由は目下のところ不明であるが、弾性表
面波共振器の場合にも同様の結果がより顕著に現
出していることからして、水晶基板直下を伝搬す
るすべり波も水晶基板と電極との境界近傍に於い
て両者の音響インピーダンスの差に起因する摂動
の影響を受けると同時に前記両インピーダンスの
差が大きすぎることがすべり波の伝搬及び振動エ
ネルギの閉じ込め効果を悪化させる方向に働いて
いるものと考えざるを得ない。

従つて現状に於いては基板の水晶と音響インピ
ーダンスが近似するAlを電極材料として用いる
のが最も良い。

本発明は以上説明した如く構成するので極めて
温度特性良好にしてスプリアスが殆んどなく表面
汚染及びエージングに対し鈍感でありしかも1G
Hz程度までの高周波を基本波にて発振する共振器
を安価に得ることが可能となる為、近年益々使用
周波数帯が高くなつている電子機器の要求に容易
に応ずることができ、しかもこれら機器の小型
化、高安定化に著しい効果を発揮するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のすべり波共振器の電極構成を
示す図、第２図ａは第１図のすべり波共振器の等
価回路、同図ｂ乃至ｅは夫々電極膜厚をすべり
波々長の0.9％、1.4％、2.1％及び3.0％の場合の
アドミタンス・チヤートの図、第３図はすべり波
共振器の電極指対数を固定した場合、電極膜厚の
変化に対するＱ及び副共振レベルの変動の実験結
果を示す図、第４図は各電極膜厚に対し電極指対
数を変化した場合のＱ、γ及び副共振レベルの変
動の実験結果を示す図、第５図は電極指交叉長の
変化に対するＱ及びγの変動を示す実験結果の図
である。 １……水晶基板、４，５……インタデイジタ
ル・トランスジユーサ電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ すべり波を伝搬せしめる水晶基板の主表面上
   に多対のインタデイジタル・トランスジユーサ電
   極を設けて該電極に印加された電気エネルギをす
   べり波に変換するすべり波共振器に於て、前記水
   晶基板を回転Ｙカツト、カツトアングル−43°乃
   至−52°℃、すべり波伝搬方向をZ′軸方向とする
   と共に、前記水晶基板上に設ける多対のインタデ
   イジタル・トランスジユーサ電極をAlにて構成
   し且つその膜厚を伝搬するすべり波々長の2.0％
   以上4.0％以下とすることによつてすべり波の振
   動エネルギの前記電極直下への閉じ込め効率を向
   上したことを特徴とするすべり波共振器。 ２ 前記インタデイジタル・トランスジユーサ電
   極の電極対数を800±200とすることにより共振器
   の容量比と副共振レベルを低レベルに保ちつつ高
   いＱを得ることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のすべり波共振器。 ３ 前記インタデイジタル・トランスジユーサ電
   極の電極指交叉長を前記電極によつて励起される
   すべり波々長の８乃至15倍とすることにより共振
   器の容量比を低レベルに保ちつつ高いＱを得るこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１又は２項記載
   のすべり波共振器。