JPH0376044B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、弾性表面波基板の材質、たとえば弾
性表面波の伝搬速度、減衰定数などを非破壊で簡
便に、かつ精度良く測定して評価する装置に関す
るものである。

弾性表面波基板の伝搬速度、減衰定数などを測
定、評価する従来の最も一般的な方法は、弾性表
面波基板上の離れた２個所に金属製の交差指電極
を形成し、一方の交差指電極に電気信号を入力し
て、電気信号を表面波信号に変換し、弾性表面波
基板上を表面波として伝搬させて、他方の交差指
電極で、この表面波信号を捕らえてふたたび電気
信号に再変換し電気信号として出力し、入・出力
電気信号間の伝搬遅延時間、挿入損失などを測定
して、伝搬距離（交差指電極間距離）との関係か
ら、伝搬速度、減衰定数（伝搬損失）などを求め
る方法である。

上記方法において、交差指電極は、通常、金属
真空蒸着法などで弾性表面波基板上に全面付着し
た後、フオトリングラフイ法を用いて、パターン
形成することによつて作製される。この形成方法
によつて作製された交差指電極は、電気信号と表
面波信号の変換結合効率が大きく、入・出力電気
信号間の挿入損失が低いため、伝搬遅延時間や挿
入損失などの測定時の信号変動（リツプル）が小
さく安定なため、高精度な測定が可能である。し
かしながら、（一方、各被測定試料毎に、真空蒸
着法、フオトリソグラフイ法を用いるため、電極
の形成・除去に長時間を要し、また、弾性表面波
基板表面上を汚染する心配があり、弾性表面波基
板を測定評価後、再使用するためには不適当であ
る。

弾性表面波基板の材質を、該基板上に金属電極
を直接形成しないで、簡便に評価する方法として
は、これまで第１図に示したようにガラス板２１
上に形成した交差指電極１，２を圧電体２０に押
しあてるか（たとえば、M.B.Schulz et.al、J.
Appl.Phys.41、2755（1970））、空〓を介して対向
させる（たとえば、M.K.Roy、J.Phys.E：
Scientifics Instrument９．148（1976））方法が知
られている。しかしながら、これらの方法は、交
差指電極が弾性表面波基板上に直接完全に密着し
て形成されていないため、交差指電極を弾性表面
波基板に十分に押しあてても、弾性表面波基板上
に表面波が励振され始めると、静止状態にあるガ
ラス板上の交差指電極は振動状態に対応できず、
弾性表面波基板との接触抵抗が増大したり、もと
もと空〓を介した空間的な漏れ電界のみを利用し
ているに過ぎないため、電気信号と表面波信号の
変換効率は低い。このため、伝搬遅延時間や挿入
損失の測定において、入・出力電気信号間の挿入
損失、出力信号の変動（リツプル）が大きくな
り、測定精度は低くなる。すなわち、上記従来技
術は、弾性表面波の変換結合率が低く、弾性表面
波伝搬速度の高精度評価などには、適用できなか
つた。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解決
し、弾性表面波の評価に要求されるつぎの２つの
技術的課題を同時に解決することにある。

被評価用弾性表面波基板を非破壊で測定する
こと（測定用の入出力電極を被評価用弾性表面
波基板に直接形成する必要がないこと）。

測定用の入出力電極を被評価用弾性表面波基
板に直接形成した場合と同程度の高精度測定を
得ること。

われわれは、弾性表面波基板上に交差指電極を
直接密着して形成することなしに、電気信号と表
面波信号と交換効率を大きくとれ、入・出力電気
信号間の挿入損失が低きできる新たな電気信号−
弾性表面波信号の相互変換結合子を導入すること
が、従来技術の欠点を解決するための技術的なポ
イントであると考えた。すなわち、 われわれは、上記目的を達成するために、弾性
表面波の伝搬速度がほぼ等しい二つの圧電体が空
〓を介して対向し、ある適当な結合長を有すると
き、弾性表面波の結合効率は良好となり、一方の
圧電体上に弾性表面波を進行波として伝搬させる
ことにより、他方の圧電体上に弾性表面波を励振
させ、伝搬させることができるという効果、すな
わち弾性表面波の方向性モード結合効果に注目し
た。実際、この効果は、第２図に示すように、
W.L.Bond et.alによつて、同一材質の圧電体２
２の２個を用いて構成された可変遅延線により、
理論的、実験的に確認されている（Appl.Phys.
Letters14 122（1969））。

Bondらの実験では、一方の圧電体２２上の一
端に形成された交差指電極に電気信号が印加さ
れ、弾性表面波が励振されて他端に向かつて進行
する。この時、一方の圧電体上に他方の圧電体２
２を一定の空〓を介して平行に配置し、表面波の
進行方向にある長さオーバーラツプさせると、方
向性モード結合効果により弾性表面波エネルギー
の大部分が、一方の圧電体から他方の圧電体に移
り、他方の圧電体に弾性表面波が励振されて他端
に向かつて進行する。他方の圧電体の他端に交差
指電極を形成しておけば、弾性表面波が再び電気
信号に再変換されて電気信号として出力される。
この時の最低結合ロスは約3dBで、最適結合長は
結合長に対し周期的に現われ、遅延時間は結合長
に対し直線的に変化することが確認された。しか
しながら、上記報告は、同一材質の２個の圧電体
間での実験例があり、この効果を弾性表面波基板
の材質評価へ応用することはこれまで考えられて
いなかつた。

第３図に、本発明の要点を概念的に示す。第３
図において１および２は交差指電極、２０は被測
定基板、２３はモード結合部である。測定すべき
弾性表面波基板とほぼ同一の弾性表面波伝搬速度
を有し、あらかじめその表面上に交差指電極１，
２が形成され、表面数が進行すべき方向の長さが
一定とした弾性表面波基板（圧電体）、すなわち
モード結合部２３を２個、同一水平平面上に一定
距離隔てて配置し、測定用治具とする。この測定
用治具上に、一定の空〓を介して、表面波を進行
させるべき方向の長さが、測定用治具の２個の交
差指電極距離より長い測定すべき弾性表面波基板
２０を、表面波の進行方向に対し、平行に重ねて
配置する。この時、弾性表面波結合変換子の表面
波進行方向の長さおよび空〓長は上述した表面波
の方向性モード結合を有効に実現されるようにあ
らかじめ選定しておく。

上述のような準備作業の後、一方の弾性表面波
結合変換子２３の交差指電極１に電気信号を入力
する。入力された電気信号は表面波信号に変換さ
れ、弾性表面波結合変換子表面上を弾性表面波と
して伝搬する。この弾性表面波はモード結合部表
面上を伝搬途上、空〓を介して平行に配置された
被測定弾性表面波基板に方向性モード結合効果に
よつて、エネルギーを移し、被測定弾性表面波基
板上を、表面波信号として進行する。被測定弾性
表面波基板上をしばらく伝搬した表面波は、空〓
を介して配置された他方のモード結合部２３との
間で再び方向性モード結合をなし、エネルギーを
移す。そこで、交差指電極２に電気信号を検出す
る測定器を接続すれば電圧信号として出力でき
る。

この測定システムでは、被測定弾性表面波基板
に弾性表面波を励振する第１のモード結合部、被
測定弾性表面基板から弾性表面波検出する第２の
モード結合部が設けられ、各モード結合部での方
向性モード結合によるエネルギーの移行を利用す
ることが特徴で、従来の、弾性表面波基板上に金
属電極を直接形成しないで、材質を評価する方法
に比べて、入・出力電気信号間の挿入損失を格段
に低減でき、測定時の信号変動（リツプル）が小
さい、高精度な測定が可能となつた。なお、ここ
では、交差指電極が形成された、独立の弾性表面
波結合変換子２３、を２個を、同一水平平面上に
一定距離隔てて配置し使用するとして説明した
が、圧電体（弾性表面波基板）上に２個の交差指
電極を形成し、その中央部分を除去するか、表面
波が直接伝搬しないようにその中央部分を加工し
て実効的に２個の弾性表面波結合変換子２３を得
ても良い。

すなわち、本発明の要点は、交差指電極を有す
る基板を有する基板２３を実効的に２分して構成
して、上記弾性表面波の方向性モード結合効果を
利用した、電気信号−弾性表面波信号の相互変換
結合子を、従来のガラス板上に形成された交差指
電極などの代わりに採用して、弾性表面波の変換
結合効率を高め、非破壊、簡便で、かつ高精度の
評価を可能ならしめた点である。

なお、この測定システムで得られる遅延時間の
測定値は、被測定弾性表面波基板上に直接交差指
電極を形成して測定した場合の、より正確な遅延
時間の測定値に対し、２個のモード結合部での弾
性表面波の伝搬速度が被測定弾性表面波基板の伝
搬速度から実効的にずれる分だけずれた値となる
ことを覚悟しなければならない。ただし、この値
のずれは、一度校正を取つておけば、正しい値を
知ることができるため、問題とならない。

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。

実施例 第４図及び第５図を用いて説明する。

ニオブ酸リチウムLiNbO₃単結晶１０の128°YX
板（Ｘ軸を回転軸とし、Ｙ面をＺ軸方向に128度
回転した面でＸ軸方向に弾性表面波を伝搬させる
結晶板）の弾性表面波（レーリー波）の伝搬速度
を以下の方法で評価した。

鏡面研磨を施した、厚さ２mm、直径50mmの
LiNbO₃128°YX板上に、電極指幅17μｍ、電極指
間スペース17μｍ、開口長16mm、対数５の正規型
交差指電極２組１，２を、電極間距離25mmとし
て、フオトリソグラフイを用いて作成し（電極材
料Al、電極指部の膜厚0.5μｍ、電極引出し部の膜
厚1.0μｍ）両電極間中央部に、巾0.3mm、深さ0.2
mmの溝３を１mmピツチで10本、ダイアモンドカツ
ターで、表面波の伝搬方向とほぼ垂直（88度）に
形成した。

弾性表面波が到達する結晶板端部は、不要反射
波を打消すべく、細かな凹凸６を形成した。ま
た、結晶板端部の電極引出し部７には表面と段差
９をもうけて、銀ペースでリード線を固定した。
さらに電極引出し部の中央部に、真空吸着用の、
直径1.7mmの穴８をもうけた。第４図にその構成
を上面図で示す。次に、このLiNbO₃単結晶板４
を金属製保持容器１１上に保持し、単結晶板上に
被評価用、鏡面研磨済の、厚さ0.5mm、直径50mm
のLiNbO₃128°YX板１０を配置し、真空ポンプを
用いて吸着した。２枚のLiNbO₃単結晶板は、Al
膜で形成した電極引出し部７を介して接触し、他
の部分では、約1μｍの空〓を介して対向してい
る。第５図に断面図で、その配置を示す。第５図
において、下部LiNbO₃単結晶上の入力電極１で
励張された弾性表面波の有効成分は、出力電極２
に向つて伝搬する。伝搬中、これと平行に対向す
る上部被評価用LiNbO₃単結晶１０上に、適当距
離進行後、そのエネルギーの一部が移行し、残り
は、溝形成部分３で乱反射し、直接出力電極２に
入射することはない。上部被評価用LiNbO₃単結
晶板に移行した、表面波の有効成分は、そのまま
その単結晶上を進行し、溝が形成されておらず、
両単結晶板が対向している部分で、今度は逆に、
上部結晶板より、下部単結晶板にそのエネルギを
移行させ、出力電極２で、表面波から電気信号に
変換され受信される。ここでは入力電極に52MHz
〜63MHzの正弦波を印加し、出力電極における受
信電圧をベクトル電圧計で観測し、その位相一周
波数特性から遅延時間を算出、入出力電極間距離
との比から伝搬速度を評価した。本実施例におけ
る挿入損失は28dBであつた。

ここで、従来技術による測定結果を比較して示
す。実施例と同様な材質、形状の２組の交差指電
極（電極巾17μｍ、交差指間スペース17μｍ、開
口長16mm、対数５）を、25mm隔てて、ガラス板上
にフオトリングラフイを用いて形成し、実施例と
同一のLiNbO₃単結晶板に対し、やはり、同一の
測定方法で、その弾性表面波の伝搬特性を測定し
た。その結果、実施例の測定結果が、挿入損失
28dB±1dB、遅延時間のあばれ±0.5μsであつた
のに対し、従来技術による測定結果は、挿入損失
の最低値40dB、遅延時間のあばれ±3μs以上と、
測定精度が非常に悪かつた。すなわち、本実施例
は、従来技術に対し、挿入損失で10dB以上、遅
延時間のあばれ値で６倍以上改善されていること
が確認された。

次に被評価用LiNbO₃単結晶板として、Li／Li
＋Nb＝49.0（モル比）の融液より育成した単結晶
より切り出された128°YX単結板を複数枚用いた。
本評価方法で、弾性表面波の伝搬速度を評価した
後、各単結晶板上に直接電極パターンを形成し、
弾性表面波速度を測定し、両者の対応関係を調べ
た。第６図に、対応関係の測定結果を示す。第６
図において、黒丸は両測定法による測定値であ
る。第６図から、本発明の簡易評価方法は、通常
の電極パターン形成法とまつたく同一の測定値を
得ることは出来ないものの、両測定法による測定
値は一対一に対応しており、かつ１ｍ／ｓ（約±
0.25％）の測定値が分離可能なほど、高精度であ
ることがわかる。

すなわち本実施例によれば、きわめて短時間
に、被評価用基板に加工したり、また損傷するこ
と無く従来の長時間を要する電極パターンを直接
形成する方法とほぼ同程度の高精度の弾性表面波
の特性の測定結果を得ることが出来、きわめて有
効である。

発明の効果 本発明によれば、弾性表面波素子要の基板材料
の弾性表面波特性を、非破壊、簡便かつ高精度で
評価することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のガラス板による弾性表面波特
性の評価方法を示す断面図、第２図は、従来のモ
ード結合形弾性表面波励振方法を示す断面図、第
３図は、本発明の基本概念を説明するための断面
図、第４図、第５図は本発明の一実施例を示す上
面図および断面図、第６図は本発明による測定値
と従来の精密な測定法による測定値とを比較した
グラフである。 １……入力用交差指電極、２……出力用交差指
電極、３……溝、４……LiNbO₃単結晶板、５…
…オリフラガイド、６……不要反射波抑制加工部
分、７……電極引出し部、８……真空吸着用穴、
９……リード線接続部、１０……被評価用
LiNbO₃単結晶板、１１……真空吸着用金属製保
持容器、２０……被評価用弾性表面波基板、２１
……ガラス板、２２……LiNbO₃単結晶角柱、２
３……弾性表面波変換結合子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧電基板上に電気信号−弾性表面波信号変換
   のための電極を設けた第１及び第２のモード結合
   部であつて、評価すべき弾性表面波基板と上記第
   １及び第２のモード結合部の圧電基板は弾性表面
   波の伝搬速度がほぼ等しく、上記弾性表面波基板
   と上記第１及び第２のモード結合部との間に弾性
   表面波の方向性モード結合を生ぜしめるため、上
   記弾性表面波基板と上記第１のモード結合部、上
   記弾性表面波基板と上記第２のモード結合部をそ
   れぞれ空〓を介してほぼ平行に配置し、かつ上記
   方向性モード結合により上記第１のモード結合部
   から上記弾性表面波基板に励振された弾性表面波
   が再び方向性モード結合により上記第２のモード
   結合部に励振されるように上記第２のモード結合
   部を弾性表面波の進行方向に、かつ上記第１のモ
   ード結合部から上記第２のモード結合部に直接弾
   性表面波が伝搬しないように配置したものと、上
   記第１のモード結合部で励振され、上記方向性モ
   ード結合により上記弾性表面波基板を伝搬した弾
   性表面波が上記第２のモード結合部で弾性表面波
   信号−電気信号変換されることにより得られる電
   気信号を検出するための手段とを有することを特
   徴とする弾性表面波基板の材質評価装置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の弾性表面波基
   板の材質評価装置において、前記第１及び第２の
   モード結合部の圧電基板はLiNbO₃である弾性表
   面波基板の材質評価装置。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の弾性表面波基
   板の材質評価装置において、前記第１のモード結
   合部から前記第２のモード結合部に直接弾性表面
   波が伝搬しないように配置するために、前記圧電
   基板は前記第１及び第２のモード結合部の間に溝
   が形成されている弾性表面波基板の材質評価装
   置。 ４ 特許請求の範囲第１項に記載の弾性表面波基
   板の材質評価装置において、前記第１のモード結
   合部から前記第２のモード結合部に直接弾性表面
   波が伝搬しないように配置するために、前記第１
   及び第２のモード結合部の電極がそれぞれ別の圧
   電基板上に形成されている弾性表面波基板の材質
   評価装置。