JPH02131608A - 弾性表面波共振子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はグレーティング反射器を有する弾性表面波共振
子に関する． 近年，発振器やフィルタ等に使用するための弾性表面波
共振子の開発が盛んに行われている。弾性表面波共振子
の基本構成は例えば特開昭５１−２４４号に記載されて
いるように既に知られている，すなわち圧電性基板上に
弾性表面波を励振するためのインターディジタル電極を
形成するととともに，その両側にストリップ幅λ／４（
λ：弾性表面波波長）の複数本の金属ストリップをλ／
２ピッチで周期的に配列してなるグレーティング反射器
を形成して構成される．インターディジタル電極で励振
された弾性表面波は圧電性基板上を伝搬するが、両側に
設けられたグレーティング反射器により中央方向に反射
される。この反射量はストリップ１本当りではわずかで
あるが、複数本のストリップにより反射がそれぞれ１／
２波長の周期長で生じるため、これらの反射は相加され
ることになり、合成された反射量はほぼ１に近いものに
なる．このとき圧電性基板上には弾性表面波の強い定在
波が立つことになる．この現象は丁度水晶振動子の共振
に対応する．このようにしてグレーテイング反射器の位
置を適出に設定することにより，水晶振動子と同様の共
振子が弾性表面波のモードで実現することができる． ところで、このような弾性表面波共振子においてグレー
ティング反射器の金屈ストリップは加工性が良い等の利
点からアルミニウムが用いられるのが普通であるが、こ
のようなアルミニウム膜でグレーティング反射器を構成
し動作させたところ、時間とともに共振周波数が大幅に
低下し、それと同時に共振抵抗が上昇し，Ｑが低下する
という現象が認められた．またこのとき電子顕微鏡でグ
レーティング反射器を観測したところ（倍率２０００倍
）使用前においては第１図（ａ）の顕微鏡写真でわかる
ように何ら破損されていないアルミニウム膜が長時間使
用後においては第１図（ｂ）の顕微鏡写真で明らかのよ
うに中央部が破損し、ひび割れた状態になっており、こ
れが上記共振周波数およびＱの低下をもたらしているこ
とがわかった．このような現象は従来観測された報告は
ないが，種々検討したところ、次のような弾性表面波共
振子特有の現象によるものであることが明らかとなった
．すなわち弾性表面波共振子では前述のように圧電性基
板上に弾性表面波の大きな定在波が立つ．このためグレ
ーティング反射器のアルミニウム膜にこの弾性表面波エ
ネルギーによる応力が加わる．しかもこの応力は弾性表
面波の周波数に対応した極めて繰り返しの激しい応力で
ある。そこでこの定在波とアルミニウム囚の劣化部分の
関係を調べたところ第２図のような関係があることがわ
かった．すなわち第２図（ａ）の斜線部２ｌがアルミニ
ウム膜の劣化部分であってインターデイジタル電極部分
２２とグレーティング反射器２３の周辺部を除いた図中
斜線部分２４に劣化が見られた．またこれを第２図（ｂ
）の定在波の応力と対応させてみるとインターディジタ
ル電極２２の中央部及び反射ストリップの外側端部２５
が応力の節、反射ストリップの内側端部２６が応力の腹
に対応しており、定在波応力の腹の部分即ち応力の大き
い部分に対応した部分が劣化している事がわかった．こ
のことから前述のアルミニウム股の劣化の原因は定在波
応力によるものであることが確められた．本発明はこの
ような点に鑑みてなされたもので、長時間の使用におい
てもグレーティング反射器の金属ストリップの劣化がな
く共振周波数が低下しない安定な弾性表面波共振子を提
供することを目的とするものである． また，本発明の他の目的はＱが大きく，また長時間の使
用においてＱが低下しない弾性表面波共振子を提供する
ことにある． 本発明は弾性表面波共振子の共振周波数の低下およびＱ
の低下が応力によるグレーテイング反射器の劣化に起因
することから、グレーティング反射器の金属ストリップ
材料について検討し、その結果に基いてなされたもので
，上記金属ストリップをシリコンを不純物として含有し
たアルミニウムで形成し，共振抵抗を低下させしめたも
のである。しかしてこのような金属材料にてグレーティ
ング反射器を形成した本発明の弾性表面波共振子による
と、長時間の使用においても、共振周波数の低下および
Ｑの低下のない安定な特性を得ることができる． 以下本発明を図面を参照して詳細に説明する．第３図は
本発明の一実施例による弾性表面波共振子を示すもので
ある．この弾性表面波共振子は例えばタンタル酸リチウ
ム（ＬｘＴａＯｉ）ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯｉ　
）などの圧電性基板３１上に入力電気信号を上記圧電基
板３１上を伝搬する弾性表面波に変換するためのトラン
スジューサ、例えば一対の櫛歯状電極３２ａ，　３２ｂ
を互いにかみ合わせてなるインターディジタル電極３２
が形成されている。このインターディジタル電極３２は
入力端子ＩＮに供給される入力電気信号を圧電性基板３
１の表面を伝搬する弾性表面波に変換する．またこのイ
ンターディジタル電極３２の両側の圧電性基板３１上に
はそれぞれ前記インターディジタル電極２で励振された
弾性表面波を反射するためのグレーテイング反射器３３
．　３４が形成されている。このグレーティング反射器
３３．　３４はストリップ幅λ／４の多数の金屈ストリ
ップをλｌ２ピッチの周期で配列したもので、各金属ス
トリップで反射した反射波がすべて同相が相加されるよ
うになっている．またこれら金属ストリップは端部が互
いに電気的に短絡されている． このような構成の弾性表面波共振子において，本発明で
は前記グレーテイング反射器３２の金属ストリップはト
リコンを不純物として含有したアルミニウムで構成され
ている．シリコンの含有社は特に制限はないが、純粋な
アルミニウムといえども０．０１％程度シリコンが含ま
れていることを考えるとそれ以上であり、また５０％以
上になるところはもはや不純物とは言えなくなる．実用
上は全体の１０％以下程度が共振子の性能上並びに加工
上望ましいものと思われる． このようにしてシリコンを不純物として含有したアルミ
ニウムで構成したグレーテイング反射器を有する本発明
の弾性表面波共振子によると次のような顕著な効果が認
められた． 第４図は上記本発明の弾性表面波共振子を下記のような
条件で設計し，温度が６５℃の雰囲気中で２＋ｍＷの励
振電力で動作させたときの，時間経過に対する共振子の
共振周波数変化率を示したものである．すなわち弾性表
面波共振子の設計条件は圧電性基板としてＸカットＬｉ
ＴａＯ，を用い、弾性表面波の伝搬方向をＹ軸より１１
２°傾いた方向に設定した．インターディジタル電極２
は１１対の電極指から構成し、またグレーテイング反射
器３３．　３４はそれぞれ２００本のストリップから構
成した。またインターディジタル電極３２およびクレー
テイング反射器３３．　３４のストリップ線幅はいずれ
も９．０一とし、同様にストリップ相互の間隔は９．０
．とじた．さらにインターデイジタル電極２とグレーテ
ィング反射器３３，　３４の端部間隔は２２．５−とし
、またこれらの開口長はそれぞれ０．７ｍｍとした。グ
レーティング反射器３３．３４はアルミニウムにシリコ
ンを２％混入して厚さ１．３．でＬｉＴａＯ．基板上に
蒸着し製作した．また本発明の弾性表面波共振子と比較
するためにグレーティング反射器３３．　３４は純粋な
アルミニウム膜で形成したものを同様に製作した。

第４図はおいて曲線４ｌはグレーティング反射器を上記
純粋なアルミニウム膜で形成した場合の共振子の特性を
示し、また曲線４３はグレーティング反射器をアルミニ
ウムにシリコンを２％混入した上記本発明の共振子の特
性を示している．この図から明らかなようにグレーティ
ング反射器を純粋なアルミニウム膜で形成したものは時
間とともに大幅に共振周波数の低下が認められるのに対
し、本発明の弾性表面波共振子によると、共振周波数の
低下が大幅に減少されていることがわかる．すなわち１
０００時間経過後では純粋なアルミニウムを使用した場
合共振周波数の変化率は−０．０４５％であるのに対し
、不純物としてシリコンを混入した本発明では−０．０
１７％であり、共振周波数の低下は約１／３に抑えるこ
とができる。なお，アルミニウムにシリコンを混入した
上記本発明の弾性表面波共振子においても上記のように
共振周波数の若干の低下が見られたが、その原因が弾性
表面波の定在波応力による反射器ストリップの劣化によ
るものであるかどうか検討するために純粋なアルミニウ
ムとシリコンを混入したアルミニウムの２種の共振子を
非動作状態で放置し、各時間経過後における共振周波数
の変化をとったところ、いずれも第４図の曲ｆｉ４３と
ほぼ等しい特性が得られた。

このことから本発明の共振子における上記共振周波数の
低下は定在波応力によるグレーテイング反射器の劣化に
よるものではなく、他の原因によるものであることがわ
かった．つまり本発明の弾性表面波共振子においては弾
性表面波の定在波応力によってはグレーティング反射器
の劣化はほとんど起こらないということが明らかになっ
た．事実，本発明による弾性表面波共振子のグレーティ
ング反射器を顕微鏡で観察したところ、長時間動作させ
た後でもストリップ膜にはほとんど劣化していないこと
が認められた。

第５図はアルミニウムに不純物としてシリコンを混入し
、電力を印加しないで１００時間放置したときの写真で
あるが、電力を印加した場合もほとんど変化はなかった
．なお、図中のストリップ収の下辺部に横方向の白線状
部がみられるがこれはシリコンの残液であって、ＷＩＦ
Ｍ破損部ではない．このシリコンの残渣は必要に応じエ
ッチング等で除去することができる． また第６図は表面波励振レベルを変化させたときの共振
周波数変化率を表わすもので、曲線６１〜６４に示すよ
うに純粋なアルミニウムで反射器を構成したものにおい
ては励振レベルを上げると共振周波数が大きく変化する
のに対し，本発明によると曲線６５に示すように励振レ
ベルの変化に対しても共振周波数はほとんど変化しない
ことがわかる．特に純粋なアルミニウムの反射器ストリ
ップでは励振レベルが大きいほど劣化が大きく共振周波
数の変化が大きくなるのに対し、本発明では励振レベル
が大きくても共振周波数が変化しないことから、本発明
の共振子は励振レベルが高い状態で使用されるほど、そ
の効果が顕著にあらわれる．このように純粋なアルミニ
ウムの反射器ストリップの劣化は励振レベルの大きさに
よって変化するが、一般に励振レベルが何謙り以上のと
きにその劣化が問題になり、それに対して本発明が有効
であるか明確に述べることは難しい．何故なら本実験例
では励振レベルが０．５ｍＶ程度以下でアルミニウム反
射器ストリップに劣化がｗ４３ｌ！Ｉされたが、基板材
料、共振周波数、電極形状などが変化すると必ずしもこ
の励振レベルが対応しなくなる．しかしながら、反射器
ストリップの劣化の原因が表面波応力によるものである
から、共振子表面の応力の大きさ１　０’　（Ｎｅｗｔ
ｏｎ　／　ｍ”　）程度以上のとき反射器ストリップの
劣化が問題となると考えられ、本発明ではこのような応
力が加わっても反射器ストリップの劣化がなく有効であ
る．このように不純物を混入したアルミニウム股におい
て，その劣化が純粋なアルミニウムよりも少ない理由は
正確には解明されていないが、アルミニウムの結晶粒界
に不純物が析出し、これが核となってバウンダリーが出
来、これが金属疲労による劣化を防いでいるものと考え
られる． このように本発明によると、長時間の使用においても共
振周波数の変化の少ない弾性表面波共振子を得ることが
できる． 一方本発明の弾性表面波共振子によるとさらに次のよう
な新しい有効な効果が得られることがわかった。すなわ
ちグレーティング反射器を純粋なアルミニウム膜で構成
した弾性表面波共振子では共振抵抗が２４オームでＱは
約１　２０００であるのに対し、アルミニウムにシリコ
ンを２％を混入したものでは共振抵抗１７オームでＱは
約１７０００のものが得られた．これは多数試作したサ
ンプルの平均値であり，いずれも約２０％程度のバラッ
キはあるが，純粋なアルミニウムでグレーティング反射
器を構成した場合に比べて顕著なＱの増大が認められる
．前述のように弾性表面波共振子は発振器やフィルタに
適用されるが、Ｑの大きい共振子ほど安定な発振器を構
成することができ、またＱの大きい共振子ほど挿入損失
の少いフィルタを構成することができるので、本発明の
弾性表面波共振子はかかる点からも極めて有効である． 以上のように本発明によると安定かつ特性の良好な弾性
表面波共振子を得ることができる．なお，前記実施例で
は圧電性基板としてＸカットＬｉＴａＯ，を用いた場合
について説明したが、水晶、ＬＪｂＯ３等の圧電性基板
に対しても同様に適用でき有効である．また本発明はグ
レーティング反射器を有する弾性表面波共振子すべてに
適用でき，前記実施例のパターンに限定されるものでは
ない。

さらにまたアルミニウムに混入する不純物はシリコンだ
けでなく、銅、Ｎｉ，　Ｃｒ．　Ｍｇ等を一緒に混入す
ることも有効であると思われる． またこれら不純物の混入したアルミニウム膜を形成する
のに予め不純物を適当な重量混入させたアルミニウムを
ターゲットにし、スパッタ蒸着、ヒータ加熱あるいは電
子ビームによる蒸若を行なえば純粋アルミニウム膜での
弾性表面波共振子の製造プロセスと全く同一の工程で行
うことができる１

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は純粋なアルミニウム反射器
ストリップの使用前および長時間動作後の表面の状態を
示すｍｔｌ！Ｉｘｉ写真、第２図（ａ）および（ｂ）は
グレーティング反射器ストリップの劣化部分および弾性
表面波の定在波の応力分布を示す図、第３図は本発明の
弾性表面波共振子の一実施例を示す図、第４図は本発明
の実施例に依る共振子の動作時間に対する共振周波数の
変化を示す図，第５図は本発明による反射器ストリップ
の顕微鏡写真、第６図は表面波励振レベルの変化に対す
る共振波数の変化を示す図である． ３Ｉ・・・圧電性基板、 ３２・・・インターディジタル電極、 ３３．　３４・・・グレーティング反射器．代理人　弁
理士　則　近　憲　佑 同　　　　竹　花　再久男 第 図 ３２ｂ 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電性基板と、 この圧電性基板上に設けられた入力電気信号を前記圧電
   性基板上を伝搬する弾性表面波に変換するための１組の
   弾性表面波用変換器と、 この変換器に対向して前記圧電性基板上に設けられた前
   記弾性表面波を反射するための複数の金属ストリップを
   周期的に配列してなる反射器とを備え、 前記反射器を構成する金属ストリップは、シリコンを不
   純物として含有したアルミニウムで構成し、共振抵抗を
   低下させしめたことを特徴とする弾性表面波共振子。
2. （２）前記弾性表面波用変換器は、前記反射器の金属ス
   トリップと同一材料で形成されたインターディジタル電
   極であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   弾性表面波共振子。