JPH02203609A - 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１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１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ィング反射器の位置を適
当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属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
とがわがった。

このような現象は従来ｌｌ！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膜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）の斜視部２１がアルミニウム膜の劣
化部分であってインターディジタル電極部分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２
４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膜の劣化の原因は定在波応力による
ものであることが確かめられた。

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ィ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、その結果に基づいてなされたもの
で、上記金属ストリップを銅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（ＬｉＴａＯａ　）ニオブ酸リチウム（Ｌｘ
ＮｂＯ，）などの圧電性基板３１上に入力電気信号を上
記圧電性基板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−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１ｉ３２は入力端子ＩＮに供
給される入力電気信号を圧電性基板３１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ィング反射器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の多数の金属ストリップをλ／２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で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
は前記グレーティング反射器３２の金属ストリップは銅
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
。銅の含有量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％程度鋼や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
とこれらはもはや不純物とは言えなくなる。実用上は全
体のｌＯ％以下程度の共振子の性能上並びに加工上望ま
しいものと思われる。

このようにして銅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ィ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２１１Ｉｗ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Ｌ
ｉＴａ０ａを用い１弾性表面波の伝搬方向をＹ軸より１
１２°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ｐ７Ａ指から構成し、またグレーティン
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およびグ
レーティング反射器３３　、３４のストリップ線幅はい
ずれも９．０−とし、同様にストリップ相互の間隔も９
　、　ＯｐｎＩとした。さらにインターディジタル電極
２とグレーティング反射器３３．３４の端部間隔は２２
．５７ｚｍとし、またこれらの開口長はそれぞれ０．７
ｍａ＋　とじた。グレーティング反射器３３　、３４は
アルミニウムに銅を４％混入して厚さ１．３ＩＪＩＭで
ＬｉＴａ０．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を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図において曲線４１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４２はグレーティング反射器をアルミニ
ウムに銅を４％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１０００
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
物として銅を混入した本発明では−０，０１７％であり
、共振周波数の低下は約１７３に抑えることができる。

なお、アルミニウムに銅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銅を混入したア
ルミニウムとの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図の曲線４２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ィ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、第５図に示すように
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。但し同図（ａ）は使用前
、同図（ｂ）は２０００時間動作後の状態を示している
。

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５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
あられれる。

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ｎ＋Ｗ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０．５ｄ
程度以下でアルミニウム反射器ストリップに劣化が観測
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１反射器ストリップの劣化の原因が表面波応力
によるものであることから、共振子表面の応力の大きさ
が１０’　（ＮｅｉＩｔｏｎ／　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
ルミニウム膜において、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１２０００であるのに対し、アルミニウムに銅４％を
混入したものでは共振抵抗１４オームでＱは約２０００
０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％程度のバラツキはあるが、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
はど安定な発振器を構成することができ、またＱの大き
い共振子はど侵入損失の少いフィルタを構成すること力
（できるので、本発明の弾性表面波共振子はががる点が
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る弾
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ＬｉＴ
ａ０．を用いた場合について説明したが、水晶ＬｉＮｂ
０．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６さらにまたアルミニウムに混
入する不純物は銅だけでなく、シリコン、　Ｎｉ、　Ｃ
ｒ、　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膜
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着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
行なうことができる。

【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
示す顕微鏡写真、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
した図、第５図（ａ）および（ｂ）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 に対する共振周波数の変化を示す図である。 ３１・・・圧電性基板、 ３Ｚ・・・インターディジタル電極、 ３３゜ ３５・・・グレーティング反射器。

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示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、銅を不純物と
   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。