JPH066172A

JPH066172A - 表面弾性波デバイス

Info

Publication number: JPH066172A
Application number: JP4187687A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Yanagida; 博明柳田; Kazuyasu Hikita; 和康疋田; Takuzo Suetsugu; 琢三末次; Hiroyuki Iizuka; 博之飯塚; Kenzo Nakamura; 賢蔵中村
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1992-06-22
Filing date: 1992-06-22
Publication date: 1994-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な構造で、表面弾性波素子の使用する周
波数を外部回路により極めて精密に制御し、又はチュー
ニングする。【構成】表面弾性波デバイスは、表面に少なくとも一
対の櫛形電極１１，１２が形成された表面弾性波素子１
０と、この表面弾性波素子１０の背面に接着され前記櫛
形電極１１，１２の歯の間隔を変える方向に伸縮する圧
電素子２０とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＩＤＴ（Interdigital T
randucer）型共振子、反射器付き共振子、表面弾性波フ
ィルタ等の通信デバイス、或いは表面弾性波型のセンサ
に適する表面弾性波デバイスに関する。更に詳しくは共
振周波数、中心周波数等の使用する周波数を制御或いは
チューニング可能な表面弾性波デバイスに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】表面弾性波を利用した代表的なデバイス
には、通信用の共振子、フィルタ及びそれらと回路成分
を組合せたデバイスがある。従来、四ほう酸リチウムを
圧電媒質とする表面弾性波素子を通信回路に応用した
り、利用したりする利点は、その周波数が他の圧電媒
質、例えばタンタル酸リチウムと比較して使用温度や使
用時間に影響されずに安定しているために、外部からの
調整がほとんど不必要である点にある。そのため、四ほ
う酸リチウムの表面弾性波素子は特に周波数を制御して
用いるような通信用デバイスに好適である。

【０００３】表面弾性波素子の使用周波数は、基本的に
はその圧電媒質の表面の音速と、表面に形成される一対
の櫛形電極の歯の間隔で決定される。そのため、製造時
に表面弾性波素子に所望の使用周波数を付与するには、
所定の電極パターンを正確に形成することが必要であ
る。所望の使用周波数を付与するその他の技術として、
例えば表面波デバイスの周波数調整法が提案されている
（特開平２−３０１２１０）。この方法では、表面弾性
波素子の圧電媒質である圧電基板の表面にアルミニウム
等の金属で櫛形電極及び反射器を構成し、櫛形電極、反
射器及び圧電基板の上面にＳｉＮの膜をつけ、このＳｉ
Ｎの膜厚を変えることにより使用する周波数を制御して
いる。

【０００４】しかしながら最近、更に高度な利用のため
に、チューニングにより表面弾性波素子の使用する周波
数を一定に保持したり、或いは精密に変化させて利用し
たいという多くのニーズが生じている。図９に示すよう
に、表面弾性波を用いた共振器１はＬＣ成分による等価
回路２で表わせるので、原理的には共振周波数をシフト
させるためには、共振回路を構成している誘導成分Ｌも
しくは容量成分Ｃを変更してやればよい。例えば図１０
に示すように、典型的なトランジスタのコルピッツ発振
回路３では、印加電圧で静電容量Ｃを変化させることが
できるバリキャップダイオード４を表面弾性波共振子５
に直列に接続して、このバリキャップダイオード４に印
加する電圧を制御することによって共振周波数をシフト
させることができる。６は周波数制御電圧の入力端子、
７はその出力端子である。

【０００５】外部回路により使用する周波数を制御でき
る代表的な表面弾性波デバイスとして、電圧制御形共振
器（以下、ＶＣＯ (Voltage Controlled Oscilator)と
いう）がある。このデバイスは表面弾性波を用いた共振
器や誘電体共振器を他のＬＣ回路と組合せることにより
それらを構成する共振回路の共振周波数を電圧で制御す
るものである。この周波数制御のために、「自動周波数
制御方式」（特開昭６１−６７３１９）、「変調回路」
（特開昭６１−１６１００６）等が開示されている。前
者の方式は復調器におけるＡＦＣ(Automatic Frequency
Control)方式において、周波数弁別手段の後段に直流
バイアス手段を設けることにより、ＶＣＯの発振周波数
が正常に達するまでの時間応答を速くしている。後者の
変調回路は発振周波数制御電圧をＦＥＴ(Field Effect
Transistor)を介して帰還し、変調信号とともにＶＣＯ
に加えて制御することにより、外部から制御電圧を加え
なくても内部で変調感度を調整できるようにしている。

【０００６】一方、圧電材料は所定の周波数で動作する
セラミックフィルタやセラミック共振子のみならず、電
圧を印加することによって、変位、振動、応力等の物理
的、機械的な効果を生じる圧電素子として用いられる。
特に、微小な距離を制御したり、或いは強い力を生じる
アクチュエータとして最近その応用が盛んに研究されて
いる。この種の圧電アクチュエータの用途は機械的な変
位や位置の制御に関するものが大半であるけれども、圧
電セラミックスの作用を通信デバイスの制御に利用する
技術として、例えば周波数可変共振回路が提案されてい
る（特開平１−１１４０２）。この共振回路では圧電ア
クチュエータへの印加電圧を制御して、共振回路を構成
する素子の大きさを変化させ、Ｑの高いマイクロ波共振
器の共振周波数を高速にかつ電気的に変えることができ
る。しかし、マイクロ波共振器とは動作原理の異なる表
面弾性波素子に関して、このような圧電アクチュエータ
によって外部回路からフィルタや共振器等の通信用デバ
イスの周波数を制御した例は見当らない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した特開昭６１−
６７３１９号公報及び特開昭６１−１６１００６号公報
に記載された表面弾性波素子を用いたＶＣＯでは、共振
周波数を制御するために、バリキャップダイオードに印
加するためのバイアス電圧と周波数制御電圧信号が重畳
されて増幅回路に印加されるために制御回路が複雑にな
り、更に周波数制御電圧信号をバイアス電圧から分離す
るのが難しい問題点があった。またそのようなバイアス
電圧印加方式では、共振周波数を精密に制御することが
難しい不具合があった。

【０００８】本発明の目的は、簡単な構造で、表面弾性
波素子の使用する周波数を極めて精密に制御し得る表面
弾性波デバイスを提供することにある。本発明の別の目
的は、従来のＶＣＯと組合せることにより、複雑な制御
を要さずに表面弾性波素子の共振周波数を調整し得る表
面弾性波デバイスを提供することにある。本発明の更に
別の目的は、外部回路により使用周波数を独立に制御或
いはチューニングし得る表面弾性波デバイスを提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の構成を図１に基づいて説明する。本発明の表
面弾性波デバイスは、表面に少なくとも一対の櫛形電極
１１，１２が形成された表面弾性波素子１０と、この表
面弾性波素子１０の背面に接着され前記櫛形電極１１，
１２の歯の間隔を変える方向に伸縮する圧電素子２０と
を備えたものである。この表面弾性波素子１０として
は、ＩＤＴ型共振子、反射器付き共振子、表面弾性波フ
ィルタ等の他に、表面弾性波型のセンサを構成するもの
が挙げられる。この表面弾性波素子１０は水晶、タンタ
ル酸リチウム、ニオブ酸チリウム又は四ほう酸リチウム
からなる圧電単結晶を圧電媒質とする。またこの圧電素
子２０としては、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミ
ックスが挙げられる。

【００１０】

【作用】図８（ａ）に示すように、圧電素子２０は平板
状又は柱状の圧電材料の両面全体に一対の電極２１，２
２を形成しかつ分極処理して作られる。図８（ｂ）に示
すようにこの圧電素子２０にその自発分極の向きｐと同
一方向（順方向）Ａに電圧（電界）を印加した場合に
は、圧電素子２０は電界の印加方向Ａに伸び、それに直
交する方向に縮む。このとき電極２１の面は縮み、その
圧縮方向に応力を受けることになる。反対に、図８
（ｃ）に示すように、圧電素子２０に抗電界よりも小さ
くかつ分極方向ｐと逆方向Ｂの電圧（電界）を印加した
場合には、圧電素子２０は電界の印加方向Ｂに縮み、そ
れに直交する方向に伸びる。このとき電極２１の面では
伸び、その伸張方向に引張り応力を受けることになる。
図８（ｂ）及び（ｃ）において、破線は変形前の圧電素
子を示す。表面弾性波素子の共振周波数は、櫛形電極の
歯の間隔などの機械的な寸法及び弾性波素子の材料自体
の音速などによって決定されることが知られている。こ
のため表面弾性波素子の背面に接着した圧電素子に電圧
を印加して、表面弾性波素子に応力もしくは張力を付与
すると、第一に表面弾性波素子の櫛形電極の寸法が変化
して、共振周波数が調整される。また第二に表面弾性波
素子を構成している圧電単結晶又は強誘電単結晶の弾性
体としての物性に影響が及んで共振周波数が調整され
る。

【００１１】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。本発明はこ
の実施例に限られるものではない。＜実施例１＞図１及び図２に示すように、この例では表
面弾性波素子１０は共振子である。この表面弾性波素子
１０は、たて約５ｍｍ、よこ約１０ｍｍ、厚さ約０．５
ｍｍの四ほう酸リチウム単結晶板を圧電媒質とする。素
子１０は単結晶の（１１０）面を表面とし、この面にフ
ォトリソグラフ法によりそれぞれ１０μｍのライン幅と
ライン間隔を有するアルミニウムからなる一対の正規形
の櫛形電極１１，１２と一対の反射器１３，１４を設け
ることにより作製される。この共振子は８５ＭＨｚの共
振周波数を有し、図３に示すような共振特性を有する。

【００１２】この表面弾性波素子１０の背面全体には、
たて約１０ｍｍ、よこ約５０ｍｍ、厚さ約０．２ｍｍの
圧電素子２０が、その長手方向を素子１０の表面弾性波
の伝播方向（００１方向）に一致させて接着される。こ
の薄板の圧電素子２０はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸
鉛）系の分極処理された圧電セラミック基板であって、
その両面全体に一対の銀焼付け電極２１，２２が設けら
れる（図２の拡大断面図を参照）。即乾性樹脂からなる
接着剤２３により、表面弾性波素子１０の背面が圧電素
子２０の接地側の電極２１に接着される。

【００１３】表面弾性波素子１０の櫛形電極１１，１２
には一対のリード線２４，２５がワイヤボンディングに
より、また圧電素子２０の端子電極２１ａ，２２ａには
一対のリード線２６，２７がはんだ付けにより、それぞ
れ接続される。リード線が接続された圧電素子付き表面
弾性波素子はアルミナ基板３０の表面に取付けられる。
具体的には、アルミナ基板３０の表面に設けた凸部３１
に圧電素子２０の背面が点接着される。

【００１４】このように構成された表面弾性波デバイス
の共振周波数、挿入損失、Ｑ値等の共振特性を圧電素子
２０への印加電圧を変えて測定した。なお、印加電圧を
変えている間、デバイスを恒温槽に設置し温度を一定に
保った。予め、リード線２４，２５の端子２４ａ，２５
ａにネットワークアナライザ３２を接続し、リード線２
６，２７の端子２６ａ，２７ａに電圧を変化して供給し
得る直流電源回路３３を接続した。最初に温度０℃で、
圧電素子に電圧を印加しない状態でアナライザ３２より
周波数が約８５ＭＨｚ〜８６ＭＨｚの信号をこの範囲で
掃引しながら櫛形電極１１，１２に印加して、約８５．
５１ＭＨｚの共振周波数を得た。次いで圧電素子への印
加電圧を５０Ｖに増大し、同様にして約８５．５０ＭＨ
ｚの共振周波数を得た。更に圧電素子への印加電圧を１
００Ｖに増大し、同様にして約８５．４９５ＭＨｚの共
振周波数を得た。これらの結果を図４に示す。図より共
振周波数は圧電素子への印加電圧の増加とともにほぼ直
線的に減少していることが判った。

【００１５】続いて、恒温槽の温度を２５℃，４０℃，
７５℃に順次変え、それぞれの温度条件で圧電素子への
印加電圧を０Ｖから５０Ｖ，１００Ｖ，２００Ｖに変化
させた。その結果を図４に示す。４０℃の温度条件での
共振周波数が最も高く、２５℃及び７５℃の温度条件で
の共振周波数がこれに続いた。いずれの条件でも共振周
波数は圧電素子への印加電圧の増加とともにほぼ直線的
に減少していた。これにより、本発明の表面弾性波デバ
イスは圧電素子への印加電圧を変えればその共振周波数
を制御又はチューニングできることが明かとなった。

【００１６】電磁波の影響をなくすために、通常この種
の表面弾性波デバイスはシールドボックスに収められる
ので、上記試験を行った表面弾性波デバイスに対しても
同様に、アルミナ基板３０の背面に金属製のシールド板
４０を接着し、その上から金属製のシールド蓋４２を被
せて密封した。このとき、上記デバイスのリード線２
４，２５及び２６，２７はシールド板４０の貫通孔を通
してハーメチックシールした。この状態で、前述した試
験を繰返し行ったところ、同じ結果が得られた。これに
より表面弾性波デバイスのシールド工程を経てもその共
振特性が変化しないことが判った。

【００１７】＜実施例２＞図５に示すように、この例で
は表面弾性波素子５０は表面弾性波フィルタである。図
５において、図１と同一符号は同一構成部品を示す。こ
の例では表面弾性波素子５０の構成が実施例１と異な
る。即ち、表面弾性波素子５０は、たて約５ｍｍ、よこ
約５ｍｍ、厚さ約０．２ｍｍの四ほう酸リチウム単結晶
板を圧電媒質とする。素子５０は単結晶の（１１０）面
を表面とし、この面にフォトリソグラフ法によりそれぞ
れ１０μｍのライン幅とライン間隔を有するアルミニウ
ムからなる二対の正規形の櫛形電極５１，５２及び５
３，５４を設けることにより作製される。このフィルタ
は、図６に示すようなフィルタ特性を有する。この表面
弾性波素子５０の背面には実施例１と同じ圧電素子２０
が実施例１と同様に接着される。この素子５０の櫛形電
極５１，５２には一対のリード線６４，６５が、櫛形電
極５３，５４には一対のリード線６６，６７がそれぞれ
ワイヤボンディングにより接続される。本実施例のリー
ド線が接続された圧電素子付き表面弾性波素子は、実施
例１と同様にアルミナ基板３０の表面に取付けられる。

【００１８】このように構成された表面弾性波デバイス
の中心周波数、挿入損失等のフィルタ特性を圧電素子２
０への印加電圧を実施例１と同様に変えて測定した。な
お、実施例１と同様に印加電圧を変えている間、デバイ
スを恒温槽に設置し温度を一定に保った。その結果を図
７に示す。図よりフィルタ特性の中心周波数は圧電素子
への印加電圧の増加とともにほぼ直線的に減少し、この
圧電素子への印加電圧を変えればその中心周波数を制御
又はチューニングできることが明かとなった。

【００１９】実施例１と同様に上記試験を行った表面弾
性波デバイスを金属製のシールド板４０とシールド蓋４
２とにより密封し、この状態で実施例１と同様に試験を
繰返し行ったところ、同じ結果が得られた。これにより
表面弾性波デバイスのシールド工程でそのフィルタ特性
が変化しないことが判った。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、反
射器付き共振子、表面弾性波フィルタ等の表面弾性波素
子に別の圧電素子を接着し、この圧電素子への印加電圧
を変えて表面弾性波素子を動作させることにより、簡単
な構造で、その表面弾性波素子の共振周波数や中心周波
数等の使用する周波数を外部回路により可変に制御し、
又はチューニングすることができる。特に圧電素子はそ
の印加電圧に応じてその表面が微細に伸縮するため、表
面弾性波素子の使用する周波数を極めて精密に制御する
ことができる。また本発明を従来のＶＣＯと組合せるこ
とにより、複雑な制御を要さずに表面弾性波素子の共振
周波数を調整することができる利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の表面弾性波デバイスの斜視図。

【図２】その正面図。

【図３】その表面弾性波素子の共振特性図。

【図４】その表面弾性波デバイスの共振周波数が圧電素
子への印加電圧により調整される状況を示す図。

【図５】別の実施例の表面弾性波デバイスの斜視図。

【図６】その表面弾性波デバイスのフィルタ特性図。

【図７】その表面弾性波デバイスの中心周波数が圧電素
子への印加電圧により調整される状況を示す図。

【図８】圧電素子の分極方向に対する電界の印加方向の
違いによる圧電素子の伸縮状況を示す図。

【図９】表面弾性波共振子の回路図とその等価回路図。

【図１０】バリキャップダイオードにより共振周波数を
シフトさせるコルピッツ発振回路図。

【符号の説明】

１０，５０表面弾性波素子１１，１２，５１〜５４櫛形電極２０圧電素子

フロントページの続き (72)発明者末次琢三埼玉県秩父郡横瀬町大字横瀬2270番地三菱マテリアル株式会社セラミックス研究所内 (72)発明者飯塚博之埼玉県秩父郡横瀬町大字横瀬2270番地三菱マテリアル株式会社セラミックス研究所内 (72)発明者中村賢蔵埼玉県秩父郡横瀬町大字横瀬2270番地三菱マテリアル株式会社セラミックス研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に少なくとも一対の櫛形電極(11,1
2,51,52,53,54)が形成された表面弾性波素子(10,50)
と、前記表面弾性波素子の背面に接着され前記櫛形電極の歯
の間隔を変える方向に伸縮する圧電素子(20)とを備えた
表面弾性波デバイス。
【請求項２】表面弾性波素子(10)が共振子である請求
項１記載の表面弾性波デバイス。
【請求項３】表面弾性波素子(50)がフィルタである請
求項１記載の表面弾性波デバイス。
【請求項４】表面弾性波素子(10,50)が水晶、タンタ
ル酸リチウム、ニオブ酸チリウム及び四ほう酸リチウム
からなる群より選ばれた圧電単結晶からなる請求項１記
載の表面弾性波デバイス。
【請求項５】圧電素子(20)がチタン酸ジルコン酸鉛系
の圧電セラミックスである請求項１記載の表面弾性波デ
バイス。