JPH05183378A - 弾性表面波素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は長期間、大電力での使用に際しても
弾性表面波反射器、弾性表面波変換器の損傷を防ぎQの
低下、挿入損失の増大、通過帯域の変化などの特性変化
の小さい弾性表面波素子を提供することを目的とする。 【構成】 弾性表面波反射器、弾性表面波変換器の電極
にスカンジウムを０.０１重量％以上５重量％以下含有
させた電極を使用し、エレクトロマイグレーション、ス
トレスマイグレーションの発生を防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は弾性表面波共振子、およ
び弾性表面波フィルタ、特に高周波、大電力を扱う弾性
表面波素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、発信器やフィルタに応用するた
め、弾性表面波素子の研究が盛んに行なわれてきた。特
に最近の移動体通信の発達、高周波化により、弾性表面
波素子の高周波化が必要となってきている。

【０００３】弾性表面波素子の共振子の基本構成は既に
よく知られているように圧電性基板上に弾性表面波を励
振するために櫛形電極（インターデジタルトランスデュ
ーサ）を形成するとともにその両側にストリップ幅λ／
４（λ：弾性表面波の波長）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。

【０００４】インターデジタルトランスデューサで励振
された弾性表面波は圧電性基板上を伝搬するが、両側に
設けられた反射器によりインターデジタルトランスデュ
ーサ側に反射される。１本当たりの反射量は少ないが、
多数のストリップにより、反射が１／２波長間隔で生じ
るため、これらの反射は重畳され、結果として反射量は
ほぼ１となる。

【０００５】こういう状況では圧電性基板上には弾性表
面波の強い定在波が立つこととなる。この現象はちょう
ど水晶振動子の共振現象と同じである。このようにして
反射器の位置、本数を適当に調整することにより水晶振
動子と同様の共振子を実現することが出来る。

【０００６】弾性表面波フィルタの基本構成は良く知ら
れているように圧電性基板上に弾性表面波を励振するた
めに弾性表面波変換器を少なくとも１組以上形成し、片
側の弾性表面波変換器を入力、反対側の弾性表面波変換
器を出力とし、電気信号ー弾性表面波ー電気信号の変換
の周波数特性を利用してフィルタとして利用するもので
ある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところでこのような弾
性表面波素子においては通常電極としてアルミニウムを
使用してきた。これは加工性が良い、密度が小さく軽い
などの点で他の金属と比較して有利であるためである。

【０００８】電極金属としてアルミニウムを使用し、前
述の共振子を作成して耐久性を確認したところ、時間と
ともに共振周波数の変化、Qの低下が確認された。この
共振子の電極を顕微鏡で確認したところ、反射器の電極
が破損していた。また、同様に弾性表面波フィルタを形
成し、耐久性を確認したところ、共振子と同様に、通過
帯域の変化、挿入損失の増加が認められた。これも共振
子と同様に電極の劣化が原因であった。

【０００９】このような現象が起きる理由は、弾性表面
波変換器が電気ー機械系の変換器であることに起因して
いる。電極の劣化はエレクトロマイグレーション、スト
レスマイグレーションによって起きるものと推定され
る。通常の小信号入力の場合は電極に流れる電流や弾性
表面波の機械的変位も小さく電極劣化はおきにくい。し
かし、大信号を入力した場合や、共振子のように１部に
エネルギーが集中する構成になっていたりすると、電極
に流れる電流によりエレクトロマイグレーションがおき
やすくなる。

【００１０】また弾性表面波の機械的変位も大きくな
り、ストレスマイグレーションがおきてくるようにな
る。特に最近は移動体通信、特に携帯電話の小型化のた
めに高周波フィルタとして弾性表面波フィルタを使用す
る場合が多くなっている。しかしこの電話システムの高
周波回路部は８００ー９００MHz帯を使用しており、弾
性表面波変換器の電極幅はおよそ１um程度となる。その
ためエレクトロマイグレーション、ストレスマイグレー
ションがおきやすく、特に大信号が通過する場所のフィ
ルタは体積の大きな誘電体フィルタを使用しているのが
現状である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記のような点に鑑み、
本発明では弾性表面波反射器、弾性表面波変換器の電極
にスカンジウムを０.０１重量％以上５重量％以下含有
させた電極を使用し、エレクトロマイグレーション、ス
トレスマイグレーションの発生を防ぐものであ

【００１２】る。

【００１３】

【作用】弾性表面波素子の電極にスカンジウムを０.０
１重量％以上５重量％以下含有させたアルミニウムを電
極として使用することにより、長期間、大電力の使用に
おいても弾性表面波素子の劣化を押えるものである。

【００１４】

【実施例】（実施例１）以下、本発明の実施例を図面を
参照して詳細に説明する。図１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。

【００１５】この弾性表面波共振子はタンタル酸リチウ
ムなどの圧電性基板１１上に電気端子１２より入力され
る電気信号を弾性表面波に変換する弾性表面波変換器と
してインターデジタルトランスジューサ１３を形成す
る。このインターデジタルトランスデューサ１３の両側
に弾性表面波をインターデジタルトランスデューサに反
射するため弾性表面波反射器１４をグレーティング反射
器の構成で形成する。

【００１６】このグレーティング反射器はストリップ幅
λ／４の多数の金属ストリップをλ／２の間隔で配列し
たもので、反射器を構成する各金属ストリップからの反
射が同相で重畳されるようになっている。このような構
成の弾性表面波共振子において、弾性表面波変換器、弾
性表面波反射器の電極をスカンジウムを不純物として含
有したアルミニウムによって形成されている。

【００１７】圧電性基板として、３６°YカットX伝搬の
LiTaO3を使用し、インターデジタルトランスデューサ１
３は２０対の電極指で構成し、弾性表面波反射器１４は
１００本のストリップで構成した。電極としてスカンジ
ウムを０.２％混入させたアルミニウムを使用した。同
様の構成で電極の効果を確かめるために電極に純粋なア
ルミニウムを用いたものも作成、比較した。この弾性表
面波共振子に１０mWの電力を印化し、１０００時間放置
したところ、共振周波数は図２のような特性で変化して
いった。

【００１８】図２より、電極に純粋なアルミニウムを使
用した場合に比較してスカンジウムを混入させた場合の
方が耐久性が優れていることが顕著にわかる。この理由
は正確には解明されてはいないが、アルミニウムの結晶
粒界に不純物であるスカンジウムが析出し、これが核と
なって金属疲労による劣化を防いでいるものと考えられ
る。このように長期間の使用に耐えうる、つまり特性の
変化の少ない弾性表面波共振子を得ることが出来る。

【００１９】スカンジウムの添加量による効果を確認す
るために上記の構成でスカンジウムの添加量を０.０１
重量％から５重量％まで変化させたものを種々作成して
その効果を確認したが、効果の大小はあるもののこの範
囲で耐久性の向上が確認された。またスカンジウムの添
加量が０.０１重量％から５重量％までのうち特にスカ
ンジウムの添加量が０.０５重量％から０.３重量％まで
のものが耐久性向上の効果が顕著であった。

【００２０】同様な構成で電極にスカンジウムの含有率
が０.０１重量％以下のアルミニウムを使用したものを
作成して試験を行なったが電極に純粋なアルミニウムを
用いたものと比較して有意性は見られなかった。逆に電
極にスカンジウムの含有率が５重量％以上のアルミニウ
ムを使用したものを作成して試験を行なったが電極に純
粋なアルミニウムを用いたものと比較して電極抵抗の増
大によると思われる特性悪化、作成プロセス時の問題が
あり、実用に耐え得るものではなかった。

【００２１】（実施例２）次に、図３のような構成で９
００MHzのフィルタを構成した。電極は低挿入損失化す
るために４入力（２１）、５出力（２２）の多電極構成
とし、圧電性基板２３として３６°YカットX伝搬のタン
タル酸リチウムを使用した。それぞれの入力、出力の弾
性表面波変換器は２０対のインターデジタルトランスデ
ューサーで構成した。

【００２２】ここでも電極の違いによる効果を確認する
ために、０.２％のスカンジウムを混入させたものを電
極として使用した場合と、純粋なアルミニウムを電極と
して使用した場合の２種類を作成し、この弾性表面波フ
ィルタに２Wの電力を印化し、挿入損失の時間変化を測
定したところ、図４のような時間変化を示した。

【００２３】図４を見ると明らかなように、純粋なアル
ミニウムを電極として使用した場合には挿入損失の劣化
が激しく破壊されているが、スカンジウムを混入させた
場合はほとんど劣化なく十分使用に耐えることがわか
る。この原因も前述したように高い電力が印化されたこ
とによるエレクトロマイグレーション、印加された電力
に比例して大きな変位が電極に加わったためによるスト
レスマイグレーションによるものであり、スカンジウム
を混入させた電極を使用した場合はアルミニウムの結晶
粒界に不純物であるスカンジウムが析出し、これが核と
なって金属疲労による劣化を防いでいるものと考えられ
る。

【００２４】スカンジウムの添加量による効果を確認す
るために上記の構成でスカンジウムの添加量を０.０１
重量％から５重量％まで変化させたものを種々作成して
その効果を確認したが、効果の大小はあるもののこの範
囲で耐久性の向上が確認された。またスカンジウムの添
加量が０.０１重量％から５重量％までのうち特にスカ
ンジウムの添加量が０.０５重量％から０.３重量％まで
のものが耐久性向上の効果が顕著であった。

【００２５】同様な構成で電極にスカンジウムの含有率
が０.０１重量％以下のアルミニウムを使用したものを
作成して試験を行なったが電極に純粋なアルミニウムを
用いたものと比較して有意性は見られなかった。逆に電
極にスカンジウムの含有率が５重量％以上のアルミニウ
ムを使用したものを作成して試験を行なったが電極に純
粋なアルミニウムを用いたものと比較して電極抵抗の増
大によると思われる特性悪化、作成プロセス時の問題が
あり、実用に耐え得るものではなかった。

【００２６】これらの実施例では圧電性基板として３６
°YカットX伝搬のLiTaO3を使用したがその他のカット角
のLiTaO3や他の圧電性基板、例えばLiNbO3などでも同様
の効果が得られることは明らかである。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば長期間、大電力での使用
に際しても弾性表面波反射器、弾性表面波変換器の損傷
を防ぎQの低下、挿入損失の増大、通過帯域の変化など
の特性変化の小さい弾性表面波素子を形成することが出
来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における弾性表面波共振
子の構成図

【図２】同実施例における共振周波数の時間変化を示す
図

【図３】本発明の第２の実施例における弾性表面波フィ
ルタの構成図

【図４】同実施例における挿入損失の時間変化を示す図

【符号の説明】

１１、２３ 圧電性基板 １２ 電気端子 １３ インターデジタルトランスデューサ １４ 弾性表面波反射器 ２１ 入力端子 ２２ 出力端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関 俊一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電性基板と、前記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弾性表面波変換器を備え、前記
   弾性表面波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複数の金属ストリップを
   周期的に配列して構成される弾性表面波反射器を備え、
   前記弾性表面波変換器と前記弾性表面波反射器をスカン
   ジウムを０.０１重量％以上５重量％以下含有させたア
   ルミニウムで構成することを特徴とする弾性表面波素
   子。
2. 【請求項２】 アルミニウム中のスカンジウムの含有量
   を特に０.０５重量％から０.３重量％としたことを特徴
   とする請求項１記載の弾性表面波素子。
3. 【請求項３】 圧電性基板と、前記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弾性表面波変換器を少なくとも
   １組備え、電気信号が前記弾性表面波変換器間を弾性表
   面波として伝搬するような構造を持ったフィルタにおい
   て前記弾性表面波変換器をスカンジウムを０.０５重量
   ％以上５重量％以下含有させたアルミニウムで構成する
   ことを特徴とする弾性表面波素子。
4. 【請求項４】 アルミニウム中のスカンジウムの含有量
   を特に０.０５重量％から０.３重量％としたことを特徴
   とする請求項３記載の弾性表面波素子。