JPH09266431A - 体積超音波トランスジューサ及び弾性表面波装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、表面波を利用した効率の良い超音
波を発生する弾性表面波装置ならびに、バルク波の発生
をなくして厚み系スプリアス振動との結合が無い安定で
信頼正の高い弾性表面波装置を提供する。 【解決手段】 １ポート型ＳＡＷ共振子のＩＤＴが有す
る正負電極指の質量差を１０から５０％としてバルク波
を励振可能としたことを特徴とする。さらにまた、１ポ
ート型および２ポート型ＳＡＷ共振子、さらには前記種
類の共振子型フィルタ、またトランスバーサル型フィル
タの構成要素であるＩＤＴの正負電極指の質量差を７％
以下としてバルク波の発生を防止して性能を改善したこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は通常弾性表面波を励
振するのに用いられるすだれ状電極によって、バルク波
を制御してバルク波を発生する体積超音波トランスジュ
ーサ、およびバルク波の発生を防止して不要なバルクモ
ードスプリアスを防止した弾性表面波装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の体積超音波（バルク波）トランス
ジューサとしては、名古屋大学の米田、服部等による
「櫛型電極を持つ体積超音波トランスジューサ」（電子
情報通信学会、超音波研究会資料ＵＳ７６−５３（１９
７６年））が知られている（体積超音波トランスジュー
サの従来技術）。

【０００３】さらにまた、従来の弾性表面波装置の中
で、周波数の安定化と周波数制御に使われるものとして
は、１ポート型及び２ポート型のＳＡＷ共振子がよく知
られている（米国特許 ４，１４４，５０７）。中でも
基板に水晶ＳＴカットを用いたものは、常温に零温度係
数を有しており精度の良いものである（弾性表面波装置
の従来技術）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし前述の体積超音
波トランスジューサの従来技術においては、前記櫛型電
極、すなわちすだれ状電極から弾性体の表面を伝わって
散逸する表面波エネルギーが多く存在して、効率の良い
トランスジューサ（以下体積超音波トランスジューサと
称す）の製作ができなかった（第一の問題点）。

【０００５】さらにまた弾性表面波装置の従来技術にお
いて、水晶を用いて高Ｑ値を実現したＳＡＷ共振子を製
作すると、不要な共振現象（以下スプリアスと称す）が
発生して歩留まりの低下をもたらす場合があり問題とな
っていた（第二の問題点）。

【０００６】そこで本発明はこのような問題点を解決す
るもので、第１の目的は、半導体洗浄装置に使用可能な
発生効率に優れた、ＶＨＦ，ＵＨＦ帯のバルク波を発生
する体積超音波トランスジューサを提供することであ
り、第２の目的は、スプリアスの無いＳＡＷ共振子を歩
留まり良く生産しコストダウンをはかることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

（１）本発明の体積超音波トランスジューサは、圧電体
平板上に、弾性表面波を励振する少なくとも１個のすだ
れ状電極と、少なくとも１対の反射器とから体積超音波
トランスジューサを構成し、前記すだれ状電極が有する
正極性と負極性の電極指の質量に１０％から５０％の差
を設けて、厚み縦系のバルク波を励振して、前記圧電体
平板の厚み方向に前記バルク波を放射できる様にしたこ
とを特徴とする。

【０００８】（２）本発明の弾性表面波装置は、圧電体
平板上に、弾性表面波を励振する少なくとも１個のすだ
れ状電極と、少なくとも１対の反射器とからなる弾性表
面波装置において、前記すだれ状電極が有する正極性と
負極性の電極指の質量差を７％以下として厚み縦系のバ
ルク波をの発生を防止したことを特徴とする弾性表面波
装置。

【０００９】（３）前記（１）において、前記体積超音
波トランスジューサは少なくとも１つのすだれ状電極と
その両側に少なくとも一対の反射器をもつ１ポート型Ｓ
ＡＷ共振子の構成であることを特徴とする。

【００１０】（４）前記（１）において、前記すだれ状
電極が有する正極性と負極性の電極指において、弾性表
面波の伝搬方向の電極指幅寸法の差が１０％から５０％
であることを特徴とする。

【００１１】（５）前記（１）において、前記すだれ状
電極の電極指は、一方が主にアルミニウム金属からな
り、他方は主にアルミニウムとその表面に１０％から５
０％の質量差をもって形成したアルミニウムの陽極酸化
膜からなることを特徴とする。

【００１２】（６）前記（２）において、前記弾性表面
波装置が１ポート型ＳＡＷ共振子であることを特徴とす
る。

【００１３】（７）前記（２）において、前記弾性表面
波装置が２ポート型ＳＡＷ共振子であることを特徴とす
る。

【００１４】（８）前記（２）において、圧電体平板が
水晶ＳＴカットであることを特徴とする。

【００１５】（９）前記（２）において、圧電体平板が
水晶ＬＳＴカットであることを特徴とする。

【００１６】（１０）前記（２）において、圧電体平板
が水晶Ｋカットであることを特徴とする。

【００１７】（１１）前記（２）において、前記正極性
と負極性の電極指について、弾性表面波の伝搬方向断面
の電極指面積の差を７％以下としたことを特徴とする。

【００１８】

【作用】本発明の体積超音波トランスジューサと弾性表
面波装置は同一の理論を根拠としているので、まずその
動作原理について、ＳＡＷ共振子の長手方向断面図（図
５）を用いてその理論的根拠を以下に簡単に説明する。
長手方向とは、ＳＡＷの伝搬方向をいう。

【００１９】圧電体平板（５００）の表面（５０５）に
アルミニウム等の金属導体を用いて正極性（５０１）と
負極性（５０２）の電気的極性を有する電極指を多数対
平行に配置してすだれ状電極（以下インターデジタルト
ランスジュサー、略して簡単にＩＤＴと称す）を形成す
る。さらにこのＩＤＴの前記正負電極指の膜厚Ｈ、ある
いは線幅Ｗを異ならしめることを仮定する。さらにまた
前記ＩＤＴの両側に金属導体により反射器を構成する。
しかる後に前記ＩＤＴに交番電圧を印加して前記のＳＡ
Ｗ共振子に共振現象を発生させる（振動変位５０４）。
この状態において、前記ＩＤＴを含む弾性体の領域Ｖに
ついて、次式（１）のエネルギー保存則を適用する。

【００２０】

【数１】

【００２１】ただし、ここでＴは運動エネルギー、Ｕは
位置エネルギー、Ｐはパワーフローベクトルで下式
（２）で表されるもので、単位断面積当たりのエネルギ
ーの流れを表す量である。式（１）の左辺の積分は図５
の体積Ｖの領域での体積積分を、右辺の積分は前記の体
積を囲む閉局面の表面全体Ｓ（Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3，Ｓ4の
和）に対する表面積分を表すもので、一般的な数学の公
式として成り立つことが知られている。

【００２２】

【数２】

【００２３】ただしここで、Ｔijは応力テンソル、Ｕj,
tは変位ベクトルの時間微分で、粒子速度として知られ
ている。

【００２４】式（１）の右辺の表面積分の値はＩＤＴの
形成された表面Ｓ1と裏面Ｓ3のみが零とならず残存す
る。表面Ｓ2とＳ4に関する積分は、問題としている弾性
表面波装置がＳＡＷ共振子を形成しているため、反射器
（例えば、図１の１０２、１０３）に入射した弾性表面
波は完全に反射されて前記ＩＤＴ領域にもどるため、Ｘ
1軸方向へのエネルギーの流れが原理的に存在しないた
め、前記のパワーフローベクトルはゼロとなる。従っ
て、エネルギーの流れが無いため、前記の積分値はゼロ
である。さらにまた、式（１）の左辺は、前記ＳＡＷ共
振子の振動状態が定状状態である場合を考えて良いか
ら、時間的変化なしとしてゼロとなる。さらに、、表面
（５０５）に作用する応力Ｔ33を近似的に電極指の持つ
慣性質量ｍと振動の表面変位の加速度Ｕj，ttの積で表
し、さらに正弦波の弾性表面波振動変位解を仮定し、弾
性表面波の伝搬方向Ｘ1について一様な厚み縦振動変位
解を仮定して、計算を進めると表面Ｓ1に関する積分値
は、次式（３）となる。式（３）は、ＳＡＷ共振子の構
成をなす体積超音波トランスジューサから厚み縦振動
（バルク波）へのエネルギー変換を表す式である。

【００２５】

【数３】

【００２６】ここで、Ａ,tは弾性表面波の粒子速度、
Ｂ,tはバルク波である縦波の粒子速度、Ｍは前記ＩＤＴ
の対数、ｍ1は正極性の電極指（５０１）の質量、ｍ2は
負極性の電極指（５０２）の質量、ｊは虚数単位、ωは
角周波数、λは弾性表面波の波長、積分の範囲ｂは電極
指の幅である。但し、図５においては前記の質量差を電
極指の厚みＨで与えた（Ｈ１≠Ｈ２，Ｗ１＝Ｗ２＝
ｂ）。

【００２７】一方表面Ｓ3の積分値は、前記バルク波即
ち厚み縦波の単位時間当たりの伝搬エネルギーを与え
る。これをＰ（ｂulk）と置けば、次式（４）となる。

【００２８】

【数４】

【００２９】以上の式（１），（３），（４）から、正
負電極指に質量アンバランスが存在する場合（ｍ1≠ｍ
2）に発生するバルク波パワーの関係式として、次の式
（５）が得られる。

【００３０】

【数５】

【００３１】前記のバルク波は、圧電体平板（５００）
裏面すなわち底面（５０６）に接触して液体等の媒質５
０３を配置すれば、媒質中に超音波として放射される。
以上が第一の発明に対する作用原理である。

【００３２】次に第二の発明に対する作用原理を説明す
る。圧電体平板が有限の厚みｔを持つ場合には、前述の
理由により質量アンバランスのあるＩＤＴから放射され
る厚み縦のバルク波は、前記の厚みｔで決まる共振周波
数をもつ厚み縦振動を励起する。さらに、前記圧電体平
板のＩＤＴを形成しない裏面（５０６）を接着固定して
使用することが多く（５０６を接着材と想定する）、こ
の場合においては、厚み縦振動のエネルギーは裏面（５
０６）における接着材との摩擦により損失する。従っ
て、ＳＡＷ共振子にとって、ＩＤＴを介して式（５）に
基づき結合した厚み縦振動はスプリアスとなり、ＳＡＷ
共振子のＱ値を低下させることになる。もちろんｍ1と
ｍ2が等しければＰはゼロである。ここで、ｍ１とｍ２
が等しいとは、広義の意味では正負電極指の断面積につ
いて条件Ｗ１×Ｈ１＝Ｗ２×Ｈ２が成り立てば良い。以
上が本発明に関する動作原理の詳細である。

【００３３】

【発明の実施の形態】

（実施例１）以下、本発明の実施の形態を図１から順を
追って説明する。図１は本発明の体積超音波トランスジ
ューサと弾性表面波装置の一実施の形態である１ポート
型ＳＡＷ共振子についてである。図１中の各部位の名称
は、１００は圧電体平板、実線の枠内１０１はすだれ状
電極（以下、ＩＤＴ(Interdigital Transducer）と略
す）、１０２、１０３は反射器、１０４は正極性の電極
指、１０５は負極性の電極指、１０６と１０７はワイヤ
ーボンディングのためのパッドである。前記１００の圧
電体平板は、水晶、タンタル酸リチウム等の圧電性を有
する単結晶およびＺｎＯ等の圧電性薄膜を形成した基板
およびＰＺＴ等からなる。前記の１００上に形成された
１０１からなるＩＤＴおよび１０２，１０３等の反射器
は、アルミニウムおよび金等の導電性を有する金属膜を
蒸着、スパッタ等の手段により薄膜形成した後、フォト
リソグラフィ技術によりパターン形成して作られる。１
０２と１０３の反射器及び１０１のＩＤＴにより全体で
１ポート型のＳＡＷ共振子が形成されている。前記ＩＤ
Ｔと反射器の電極指および導体ストリップ（１０８）は
利用する弾性表面波（レーリー波及びリーキー波等）の
位相進行方向（長手方向Ｘ１）に対して直交して、平行
かつ周期的に多数配置される。

【００３４】まず第一の発明として、前述の図１のよう
なすだれ状電極と一対の反射器からなる基本構成（この
構成は１ポート型ＳＡＷ共振子の構成と同一である）を
超音波トランスジューサとして用いる場合について、前
記ＩＤＴの正負電極指の質量差を１０％以上５０％以下
に設定する。このとき、圧電体平板（１００）の低面
（前記導体パターンの形成されていない面）はバルク波
の放射対象である液に接しているものとする（図５参
照）。ここでは、本トランスジューサを液体を用いた洗
浄装置に用いることを想定している。この場合の正負電
極指の質量差と図１の弾性表面波が示すバルク波放射特
性について、図２に示す。図２の特性は前述の作用の欄
で説明した式（５）を用いて計算したものである。同図
横軸は正負電極指の質量差を正負電極指の平均の電極膜
質量に対する比として％単位で表示したもの、縦軸は１
ポート型ＳＡＷ共振子の直列共振抵抗Ｒ1の値を示し
た。２０１の曲線は厚み縦振動子のＱ値が１０００の場
合、また、２０２，２０３は各々厚み縦振動子のＱ値が
１００、１０の場合である。前記の厚み縦振動子が液面
に接触している場合のＱ値を１０００とし、ＳＡＷ共振
子の共振時の電流を１０mAとすれば、バルク波の放射電
力ＰＷは、約ＰＷ＝１００（Ｒ1−１３）（μW）と見な
すことができる。

【００３５】例えば、このときのバルク波発生効率は、
前記の質量差１０％のときは５７％であり、質量差１５
％では７４％、質量差５０％では９５％にもなり極めて
高効率である。図１においては、正負電極指の質量差は
電極指の膜厚に差を付けた例で示した（図５参照）。膜
厚差（質量差）は、例えば陽極酸化等の手段により正負
いずれかの電極指の一方のアルミニウム電極を酸化し
て、他方の電極指質量に対して１０％以上の差を形成す
ることができるし、また、質量差を付ける別の手段とし
ては、正負電極指のＳＡＷ伝搬方向の幅を変える方法が
ある。前記質量差は極端に大きくなるとＳＡＷ共振子自
体の前記Ｒ1を増大させるため、質量差としては５０％
以内が好ましい。

【００３６】本発明においては、１対の反射器を設けて
Ｑ値の高いＳＡＷ共振子を構成していることより、弾性
表面波装置自体の損失が極めて少ない。図２の特性の計
算に際して、共振周波数３００ＭＨｚでＱ＝１５００
０、電極指の膜厚は正極が２８００Åと負極が３０８０
から４２００Åを用いた。

【００３７】（実施例２）つぎに第二の発明として、前
述の作用に示した動作原理の他の応用例として、ＳＡＷ
共振子のスプリアス対策に用いる例につき説明する。バ
ルク波の放射特性図２において、正負電極の質量差を０
から７％の範囲とすれば、逆に厚み縦系のバルク波がほ
とんど発生しないことがわかる。このことは図２中の、
通常圧電体平板の底面を接着固定した場合に実現すると
思われるＱ＝１００の場合に対して、曲線２０２見られ
る通り、この範囲すなわち０から７％の質量差において
Ｒ1の変化が１Ω以下と極めて小さいことからわかる。
この理由は、表面にＳＡＷ共振子の電極パターンを形成
した前記圧電体平板が、厚みに依存する共振周波数を多
数有して、さらにそれらの内のいずれかの共振周波数が
ＳＡＷ共振子の周波数と一致しても、前記ＩＤＴを介し
て（式（５））、ＳＡＷ共振子と厚み系の振動がほとん
ど結合せず、前記の縦振動はスプリアスとならないこと
を意味する。従って、このときにはＳＡＷ共振子からの
エネルギーの散逸が無く、小さな共振抵抗値が実現でき
る。この場合の実施の形態としては、前記図１において
ＩＤＴの正負電極指の質量差を７％以下に精密加工す
る。さらに前記圧電体平板の底部を接着材で固定すれば
容易に厚み縦振動のＱ値を１００以下にすることができ
る。図３には、前記ＩＤＴの正負電極指の質量差を７％
以下とした場合と、１３％とした場合の、前記図１の１
ポート型ＳＡＷ共振子の直列共振抵抗Ｒ1分布の実測値
を示す。ちなみに、共振子の周波数は３００ＭＨｚであ
る。白丸が質量差を７％以下としたときであり、黒丸は
１３％の差がある場合である。明らかに、両者に特性の
優劣があることがわかる。このようにＳＡＷ共振子の直
列共振抵抗Ｒ1が増加する原因については図６に示し
た。図中の特性曲線は、ＳＡＷ共振子のインピーダンス
Ｚ（ω）である。ＳＡＷ共振子の前記Ｒ1は、ほぼＺ
（ω）の最小点すなわち、主共振部の値に対応する。曲
線６００は前記電極指の質量差が７％の場合であり、厚
み縦振動に起因したスプリアスによる主共振部の劣化は
まだ認められない。一方特性６０１は、前記電極指の質
量差が１０％の場合であり、前記スプリアスの結合によ
る主共振部のＲ1の増加が顕著に認められるに至ってい
る。この主共振部のＲ1の増加は、ＳＡＷ共振子の振動
エネルギーがスプリアスである厚み縦振動にリークした
結果であることはすでに説明した通りである。

【００３８】次に、図４に第二の発明の他の実施形態で
ある２ポート型ＳＡＷ共振子の例につき説明する。図中
の２００は圧電体平板、２０９，２１０は反射器、実線
の枠内２１１，２１２はＩＤＴ、２０５、２０６，２０
７，２０８はワイヤーボンデング用電極パッドである。
図２において、２０９と２１０の反射器及び、２１１と
２１２のＩＴＤで２ポートＳＡＷ共振子を構成してい
る。これらに用いられるＩＤＴの正負電極指の質量差を
７％以下とする。

【００３９】さらにまた、前述の第二の発明の実施形態
に述べた中の圧電体平板については、ことに高Ｑ値が実
現でき周波数安定性に優れた水晶を用いたＳＡＷ共振子
において、３１から４７度回転Ｙ板のＳＴカット、１６
から１８度の回転Ｚ板のＬＳＴカット、さらに、約９．
６度回転Ｙ板のＫカットに本発明を適用するとＱ値が高
く周波数安定度が一層優れたＳＡＷ共振子が得られる。

【００４０】本発明の弾性表面波装置においては、複数
のＩＤＴと一対の反射器からなる２ポートＳＡＷ共振子
でも、さらには、ＩＤＴが２個だけ使用したトランスバ
ーサル型ＳＡＷフィルタを弾性表面波装置の構成要素と
しても良い。

【００４１】さらにまた、前述の説明に際して正極性と
負極性の電極指の役割を交換しても良いことはもちろん
であることを付け加える。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたように第一の本発明によれ
ば、１ポート型のＳＡＷ共振子が有するＩＤＴの正負電
極指の質量差を１０から５０％とすることにより、数１
０ＭＨｚから数１００ＭＨｚの超音波トランスジューサ
の機能をはたす体積超音波トランスジューサの損失を低
減できるために、バルク波発生効率を高めることが容易
に実現でき、各種の微細な素子の洗浄装置等への応用が
可能となる。

【００４３】また第二の本発明によれば、１ポート型お
よび２ポート型ＳＡＷ共振子、さらには前記種類の共振
子型フィルタ、またトランスバーサル型フィルタにおい
て、これらに使用する水晶等の圧電体平板上のＩＤＴの
正負電極指の質量差を７％以下に形成することにより、
バルク波の発生を防止して、スプリアスの発生がなく等
価抵抗の小さく安定な弾性表面波装置が得られる。特に
Ｑ値が１万から４万と大きな１ポート型および２ポート
型ＳＡＷ共振子において、著しい歩留まりの向上により
コストダウンが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の体積超音波トランスジューサ及び弾
性表面波装置の一実施例を示す平面図。

【図２】 本発明の実施例が示す特性図。

【図３】 本発明の他の実施例が示す特性図。

【図４】 本発明の他の実施例を示す平面図。

【図５】 本発明の動作原理説明図。

【図６】 本発明の他の実施例が示す他の特性図。

【符号の説明】

１００ 圧電体平板 １０１ ＩＤＴ １０２ 反射器 １０３ 反射器

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体平板上に、少なくとも１個のすだ
   れ状電極と、少なくとも１対の反射器とから体積超音波
   トランスジューサを構成し、 前記すだれ状電極が有する正極性と負極性の電極指の質
   量に１０％から５０％の差を設けて、厚み縦系のバルク
   波を励振して、前記圧電体平板の厚み方向に前記バルク
   波を放射できる様にしたことを特徴とする体積超音波ト
   ランスジューサ。
2. 【請求項２】 圧電体平板上に、弾性表面波を励振する
   少なくとも１個のすだれ状電極と、少なくとも１対の反
   射器とからなる弾性表面波装置において、 前記すだれ状電極が有する正極性と負極性の電極指の質
   量差を７％以下として厚み縦系のバルク波の発生を防止
   したことを特徴とする弾性表面波装置。
3. 【請求項３】 前記体積超音波トランスジューサが少な
   くとも１個のすだれ状電極と、その両側に少なくとも１
   対の反射器とからなる１ポート型ＳＡＷ共振子の構成で
   あることを特徴とする請求項１記載の体積超音波トラン
   スジューサ。
4. 【請求項４】 前記すだれ状電極が有する正極性と負極
   性の電極指において、弾性表面波の伝搬方向の電極指幅
   寸法の差が１０％から５０％であることを特徴とする請
   求項１記載の体積超音波トランスジューサ。
5. 【請求項５】 前記すだれ状電極の電極指は、一方が主
   にアルミニウム金属からなり、他方は主にアルミニウム
   とその表面に１０％から５０％の質量差をもって形成し
   たアルミニウムの陽極酸化膜からなることを特徴とする
   請求項１記載の体積超音波トランスジューサ。
6. 【請求項６】 前記弾性表面波装置が１ポート型ＳＡＷ
   共振子であることを特徴とする請求項２記載の弾性表面
   装置。
7. 【請求項７】 前記弾性表面波装置が２ポート型ＳＡＷ
   共振子であることを特徴とする請求項２記載の弾性表面
   装置。
8. 【請求項８】 前記の圧電体平板が水晶ＳＴカットであ
   ることを特徴とする請求項２記載の弾性表面波装置。
9. 【請求項９】 前記の圧電体平板が水晶ＬＳＴカットで
   あることを特徴とする請求項２記載の弾性表面波装置。
10. 【請求項１０】 前記の圧電体平板が水晶Ｋカットであ
    ることを特徴とする請求項２記載の弾性表面波装置。
11. 【請求項１１】 前記正極性と負極性の電極指につい
    て、弾性表面波の伝搬方向断面の電極指面積の差を７％
    以下としたことを特徴とする請求項２記載の弾性表面波
    装置。