JPS5945286B2 - 弾性表面波先振器用素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は非圧電性基板上に少なくとも場所的に不均一な
圧電性膜を設けた構造を有する弾性表面波共振器用素子
に関するものである。

従来の弾性表面波共振器用素子の構造を第１図に示した
。

すなわち、弾性表面波の励振・受振を目的としたくし形
電極１１と、励振された弾性表面波を反射させることを
目的とした反射器１２から構成されている。

従来の素子では、ＬｉＮｂＯ３あるいは水晶などの圧電
性単結晶が基板１３として使用されている。

しかし、Ｌ ｉ Ｎ ｂ ０３を用いた素子は、共振周
波数の温度特性が悪いという欠点がある。

温度特性の優れた素子が水晶を用いて得られているが、
そのためには特殊な結晶面、結晶軸方向を選んで予定さ
れた弾性表面波を伝搬させねばならないという欠点があ
った。

さらに、従来の素子では、基板を構成する材料は圧電性
物質でなければならず、基板材料を選択することによつ
て特性の優れた素子を作成する上で大きな欠点である。

本発明は、基板として非圧電性材料を使用して、前述の
問題を解決するとともに、素子の温度特性を容易に制御
できるよう構成したものである。

第２図は、本発明より得られる弾性表面波共振器用素子
の一実施例の構造を示したものである。

弾性表面波共振器用素子２０は、非圧電性基板２５の表
面中央部分に、くし形電極２１、圧電性膜２２、対向電
極２３を順次設けることによりトランスデユーサを作成
し、さらに上記基板２５の表面左右部分に周期的に膜厚
が変化する圧電性膜２４を格子状に設けることにより反
射器を作成したものである。

中央部のトランスデユーサにより励振された弾性表面波
は上記基板２５上を左右の両方向に伝搬する。

右（左）方向に伝搬した波は右（左）側に設けられた反
射器によって反射され、逆方向に伝搬する。

したがって、中央部のトランスデユーサの下で定在波が
発生し、上記素子２０は共振器として機能する。

第３図、第４０図はともに本発明より得られる弾性表面
波共振器用素子の他の実施例の構造を示したものである
。

第３図および第４図にそれぞれ示される素子３０と素子
４０は、ともに上記非圧電性基板２５上の全面に圧電性
膜３２を設けている点が上記素子２０とは異なる。

中央部のトランスデユーサの構成は上記素子２０と同じ
である。

特に上記素子３０は一様な圧電性膜３２上に、さらに格
子状に圧電性膜３４を設けて反射器を構成し、上記素子
４０は一様な圧電性膜３２上に、格子状に溝４４を設け
て反射器を構成したものである。

上記素子３０と上記素子４０が上記素子２０と実質的に
同じ効果を有することは前述の説明から明らかである。

次に、上記弾性表面波共振器用素子２０の特性について
述べる。

上記素子２０の特性のうち、重要なものは、反射器の特
性、および共振周波数の温度特性である。

上記格子状圧電性膜２４の１本当りの反射係数α、すな
わち、入射弾性表面波の振幅に対する反射波の振幅比と
、バルク弾性波変換効率γ、すなわち、入射波の運ぶ全
パワーに対するバルク波の運ぶ全パワー比とを用いて、
反射器の特性を評価することができる。

すなわち、上記反射係数αが大きければ大きいほど、Ｎ
〉１／αで決まる反射器を構成する格子状圧電性膜２４
の本数Ｎの最小値は小さくなり、小形の反射器、したが
って小形の共振器用素子を作ることができる。

また、上記バルク波変換効率γが小さいほど、弾性表面
波エネルギーの損失が小さく、したがってＱ値の大きい
共振器用素子を作ることができる。

上記素子２０において、上記格子状圧電性膜２４の膜厚
をｈ、１本の幅をＡ、各格子の間隔をＬとし、かつｈ／
Ｌが０．１以下のとき、で与えられることが判明した。

ここで、α。とγ。は上記圧電性薄膜２４と上記基板２
５を構成する材料の密度、弾性定数などの物理定数のみ
によって決まる量であり、種々の材料について研究した
結果、材料によって異なるが、α。

＝０．５±０．３゜γ。

−６±４であることが分った。以上述べたことから、Ａ
／Ｌ＝０．５のとき上記反射係数αの最大値が得られる
こと、Ａ／Ｌ＜０．２５およびＡ／Ｌ＞０．７５のとき
、上記αはその最大値の約０．７倍以下となり、共振器
用素子を作成する上で実用に適さないこきが分る。

また、ｈ／Ｌ＜０．００２のとき、上記αはｏ、ｏｏｉ
以下となり、反射器の本数Ｎが１０００以上となり、実
用的な共振器用素子が作成できないことが分る。

さらに、ｈ／Ｌ＞０．１のとき、バルク弾性波の発生に
よるパワーの散逸が２〜１０％以上となり、大きなＱ値
を有する弾性表面波共振器用素子を作ることができない
ことが分る。

これまで説明したのは、第２図に示した弾性表面波共振
器用素子２０についてであるが、第３図に示した素子３
０についても、圧電性膜の格子状部分３４の膜厚変化を
ｈ、１本の幅をＡ、周期をＬとすると上で述べた素子２
０の説明と同じである。

また、第４図に示した素子４０についても、圧電性膜に
設けられた格子状の溝の深さをｈ、幅をＡ、周期をＬと
すれば素子２０と同じ説明が成立する。

以上述べたことから明らかな様に、非圧電性基板上に、
周期的に膜厚の変化する格子状圧電性膜を設け、その周
期をＬ、１本の格子の幅をＡ、膜厚変化をｈとするとき
、Ａ／Ｌ＝０．２５〜０．７５゜ｈ／Ｌ＝０．００２〜
０．１に設定することにより、小形で大きなＱ値を有す
る弾性表面波共振器用素子を作成することができること
が分る。

上記圧電性基板がガラスであり、上記圧電性膜がＣ軸配
向酸化亜鉛である上記素子２０、上記素子３０および素
子４０について、さらに詳しく検討した結果、素子２０
においては、αｏ＝０．８゜γ。

＝１０であり、上記酸化亜鉛の一様な膜厚部分の膜厚ｄ
が０．５Ｌより大きいとき、素子３０と素子４０はとも
にα。

＝０．２．γ。＝２を示すことが分った。

また、上記酸化亜鉛膜のＣ軸が上記基板面に対して１０
度以内の傾きを有する場合、α。

。γ０の値はＣ軸配向の場合と実質的に変らないことが
分った。

これまで述べてきたことから明らかなように、ガラス基
板上に上記酸化亜鉛膜を設けた素子２０、素子３０およ
び素子４０は、小形でＱ値の大きい弾性表面波共振器用
素子を提供し得ることが分った。

また、圧電性膜として酸化亜鉛膜のかわりに、ＣｄＳ膜
を用いた素子も、実質的に同じ効果を示すことが分った
。

次に、弾性表面波共振器用素子の重要な特性の一つであ
る共振周波数の温度特性について述べる。

第２図に示した素子２０において、共振周波数ｆ、およ
びその温度特性（１／ｆ）（ｄｆ／ｄＴ）は次の式で与
えられる。

ここで、ＡとＬは前に説明したものである。

βは非圧電性基板２５の熱膨張係数であり、■、は予定
された弾性表面波が上記基板２５上を伝搬するときの速
度、ｖ２は圧電性膜２４で被覆された部分を伝搬すると
きの速度であり、圧電性膜２４の膜厚に依在する量であ
る。

よって、共振周波数ｆは上記膜厚により変化し、膜厚の
調整により容易に予定されたｆを得ることができる。

また、熱膨張係数βを打消すように、弾性表面波の速度
の温度変化率、および反射器の形状因子Ａ／Ｌを選ぶこ
とにより、予定の共振周波数ｆを有し、かつその温度特
性が実質的に零である弾性表面波共振器用素子を作るこ
と、さらに、前述の３つの量によって共振周波数の温度
特性を自由にコントロールすることができる。

また、ＶｌとＶ２の定義を変更することにより、第３図
に示した構造を有する素子３０、あるいは第４図に示し
た素子４０を使用しても、同じ効果を持つ素子を作るこ
とができることが容易に分る。

第５図は本発明より得られる上記非圧電性基板の一実施
例の特性を示したものである。

第５図はガラスからなる非圧電性基板のアルカリ金属酸
化物の含有量と、速度温度変化率（１／Ｖ）（ｄＶ／ｄ
Ｔ）の関係を示す。

ガラス材料としてアルカリ金属酸化物以外に、ＳｉＯ２
を６５モル係前後含み、他にＢ２Ｏ３やＡｔ２０３など
を含む組成のものについての結果を代表させて示してい
る。

図から明らかなように、アルカリ金属酸化物を含まない
ガラスの場合、（１／ｖ）（ｄＶ／ｄＴ）の値は＋８０
×１０−６／℃と大きく、アルカリ金属酸化物の量が多
くなるに従って、温度変化率は減少し、約３モル係で零
となる。

さらに増量すると、温度変化率は負になり、２０モル係
で（１／ＶＸｄＶ／ｄＴ）が−８０ＸＩＯ’／’Ｃとな
る。

これまでに述べたこと、およびガラス材料の熱膨張係数
が１０ｘｌＯ−６／’Ｃ前後であることから明らかなよ
うに、アルカリ金属酸化物の含有量が２０モル係以下で
あるガラス材料を基板として使用することにより、＋７
０〜−９０ Ｘ １０−６／℃の範囲内で共振周波数の
温度特性を自由にコントロールすることができ、さらに
共振周波数の温度特性が零である弾性表面波共振器用素
子も作成できる。

この効果は、ガラス材料がＳｉＯ２を主成分とするもの
であれば同じであることが認められた。

さらに、Ｓ ｔ ０２を主成分とし、アルカリ金属酸化
物を２０モル係以下含むガラスは、入手、加工がともに
容易であり、安価であるという大きな利点を有する。

第６図は上記非圧電性基板の他の実施例の特性を示した
ものである。

予定された弾性表面波が伝搬する面を酸化シリコン層で
被覆したシリコンからなる基板において、上記弾性表面
波の波長に対する上記酸化シリコン層の膜厚比と、速度
の温度変化率（１／Ｖ）（ｄｖ／ｄＴ）の関係を示す。

上基弾性表面波を、シリコン単結晶の（０１１）面 １
００軸方向に伝搬させた場合についての結果を代表させ
て示した。

図から明らかなように、酸化シリコン膜の膜厚カ零ノ場
合、（１／ＶＸｄＶ／ｄＴ）の値は−２０Ｘ １０−６
／’Ｃであり、膜厚比を増すと、温度変化率も増加し、
膜厚比が約０．０８のとき零となる。

さらに膜厚比を増加させるさ、温度変化率は正で単調に
増加し、膜厚比が０．６以上で飽和し、（１／Ｖ）（ｄ
Ｖ／ｄＴ）が＋８０Ｘ １０−’／℃となる。

これから明らかなように、酸化シリコン膜で被覆された
（０１１）面、「１００」軸伝搬シリコン単結晶を基板
として用いることにより、共振周波数の温度特性を自由
にコントロールすることができ、さらに温度特性が実質
的に零である共振器用素子を作ることができる。

この結果は、他の結晶面、結晶軸を有するシリコン単結
晶を用いても、またシリコン多結晶を用いても、同じで
あることが分った。

さらに、シリコンを基板材料として用いることは、よく
発達した集積回路技術をそのまま利用できるという大き
な利点を有する。

上記の実施例では、弾性表面波の反射を目的とした反射
器の構成要素である格子状圧電性膜の膜厚変化は、たと
えば第２図の素子２０に示したように、階段状の急なも
のである。

しかし、第７図に示すように、格子状圧電性膜２４の膜
厚変化がゆるやかなもので反射器を構成しても、その結
果は同じであることが認められた。

また、上記実施例の反射器は、いずれも非圧電性基板上
に周期的に膜厚が変化する格子状圧電性膜のみを設けて
構成されているが、第８図に示すように、格子状圧電性
膜２４の表面に薄い金属膜２６を設けてもよい。

さらに、この金属膜２６を互いに連結して電気的に短絡
してもよい。

また、非圧電性基板２５上に薄い金属膜を設け、その上
に格子状圧電性膜を形成してもよい。

さらにその上に上記金属膜２６を設けてもよい。

また、上記実施例のトランスデユーサは、いずれも非圧
電基板２５上に、くし形電極２１、圧電性膜２２、対向
電極２３を順次設けて作成されていた。

しかし、第９図に示すように対向電極を除いたもの、第
１０図に示すようにくし形電極と対向電極の位置を逆に
したもの、第１１図に示すようにくし形電極２１の間の
圧電性膜を除いたものは、いずれも実質的に同じ効果を
示すことが認められた。

また、上記実施例では反射器を構成する部分の周期的膜
厚変化を別にすれば、圧電性膜の膜厚は一様であるが、
第１２図に示すように、トランスデユーサを構成する部
分の圧電性膜２２の膜厚と、反射器を構成する部分の圧
電性膜２４の膜厚とが異なる場合でもよい。

上記実施例は非圧電性基板表面の中央部に一つのトラン
スデユーサを設けたものであるが、本発明による素子を
使用すれば、第１３図に示すように、基板表面の両端に
反射器２７を設け、中央部分に励振用を受振用のトラン
スデユーサを別々に設けた弾性表面波共振器用素子も可
能である。

上記実施例はいずれも基板表面の両端に反射器を設けた
エネルギーとじ込め形の共振器用素子であるが、その他
、第１４図に示すように基板表面の中央部分に反射器２
７を設け、両端にそれぞれトランスデユーサ２８を設け
た狭帯域フィルタも可能である。

上記実施例から明らかなように、本発明は圧電性膜で被
覆された非圧電性基板を使用する素子であるため、共振
周波数の温度特性に優れ、かつそれ全自由にコントロー
ルでき、また共振周波数の調整も容易である弾性表面波
共振器用素子を提供するこ吉ができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の弾性表面波共振器用素子を示す斜視図、
第２図〜第４図および第７図〜第１２図はそれぞれ本発
明の実施例における弾性表面波共振器用素子の断面図、
第５図と第６図は同素子によって得られる特性図、第１
３図および第１４図はそれぞれ本発明の更に他の実施例
の平面図である。 ２１・・・・・・くし型電極、２２，２４，３２，３４
・・・・・・圧電性膜、２３・・・・・・対向電極、２
５・・・・・・非圧電性基板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 非圧電性基板上に設けられた圧電性材料層にくし形
   電極を設けてトランスデユーサを構成するとともに、前
   記非圧電性基板上に周期的に膜厚が変化する格子状の圧
   電性材料層を設けて反射器を構成した弾性表面波共振器
   用素子。 ２ 格子状の圧電性材料層の各格子の幅をＡ、膜厚の変
   化をｈ、各格子の間隔をＬとするとき、Ａ／Ｌ＝０．２
   ５〜０．７５、ｈ／Ｌ＝０．００２〜０．１としたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の弾性表面波
   共振器用素子。 ３ 圧電性材料層が酸化亜鉛膜であることを特徴とする
   特許請求の範囲第２項に記載の弾性表面波共振器用素子
   。 ４ 酸化亜鉛膜のＣ軸が非圧電性基板面に対して垂直ま
   たは１０度以下の傾きを持つことを特徴とする特許請求
   の範囲第３項に記載の弾性表面波共振器用素子。 ５ 圧電性材料層がＣｄＳ膜であることを特徴とする特
   許請求の範囲第２項に記載の弾性表面波共振器用素子。 ６ 非圧電性基板がガラスであることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項に記載の弾性表面波共振器用素子。 ７ ガラス基板が少なくともアルカリ金属酸化物をＯ〜
   ２０モル係（ただしＯを除く）含み、Ｓ １０２を主成
   分とするガラスであることを特徴とする特許請求の範囲
   第６項に記載の弾性表面波共振器用素子。 ８ 非圧電性基板が少なくとも酸化シリコン膜で表面を
   被覆されたシリコンであり、かつ前記酸化シリコン膜で
   被覆された面に圧電性材料層を設けることを特徴とする
   特許請求の範囲第２項に記載の弾性表面波振器用素子。