JPS61142811A - 弾性表面波共振子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は弾性表面波を応用した共振子に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

弾性表面波を応用した共振子の構成は、クリントン・シ
ルベスタ−・ハートマンらによって考案（ＵＳＰ、　３
８８６５０４特公昭５６−４６２８９）されている。そ
の基本的構造は、第２図に示すように電気←→弾性表面
波の変換器であるインターディジタル形変換器（２）と
、その両側に配置された格子構造の弾性表面波反射器（
３）（以下グレーティング反射器と呼ぶ）とから成る。

その動作原理はインターディジタル変換器で励振きれた
両側に伝搬する弾性表面波が両側の対向するグレーティ
ング反射器によって反射され、両反射器間で弾性表面波
の共振が生ずる。この表面波エネルギーはインタディジ
タル変換器によって電気エネルギーに再変換きれる。こ
のようにインタディジタル変換器、及びグレーティング
反射器の配置を適当な位置に設計することによって、イ
ンタディジタル変換器端子からみた弾性表面波共振子は
電気的に共振尖鋭度（２）の高い共振回路と等価な動作
が可能である。一般に反射器の反射体（５）は、弾性表
面波の半波長に等しいくり返し周期Ｐで配列された時、
各々の反導体からの弾性表向波の反射波は同位相となっ
て相加される為、最も反射量が大きくなる。また、イン
タディジタル変換器の電極（４）についても一般にはソ
リッド構造電極が使われるので電極間隔は表向波の半波
長に等しく設計される。一方インタディジタル電極と、
グレーティング反射器の反射体との間隔ｄは１弾性表面
波波長をλとした時。

ｄ＝（Ｎ／２±ｌ／８）・λに〃定する。ここでＮは自
然数で復号の正負は１反射体構造によって決まる反射係
数の正負に対応していずれかに決まるものである。いず
れにせよｄはλ／２とはならず、インタディジタル変換
器電極とグレーティング反射器の反射体は等ピッチにな
っていない。

一般に反射体の構造には第３図（ａ）〜（ｃ）に断面図
として示すものが良く知られている。第３図（ａ）はニ
オブ酸リチウム基板（６）の上に薄膜導体（７）で構成
された反射体である。表面波反射発生のメカニズムは基
板表面上を導体膜で被われている部分といない部分での
音響インピーダンスの違いによる反射で反射体１本当り
の反射率は基板の電気−機械結合係数（Ｒ）に比例し％
Ｙ　−Ｚ　ＬｉＮｂ０ａ基板では約１．５チの反射率で
おる。しかしながらＲの小さい基板ではこのような構造
では十分な反射率が得られない為、第３図（ｂ）　（ｃ
）で示す工うに基板（８）表面に溝を堀ったグループ（
９）や基板四の表面に誘電体あるいは金属による幾何学
的段差αυを形成し、段差部の音響的反射を利用する方
法がとられている。

優れた弾性表面波共振子として挙げられる評価項目はい
くつかあるが、代表的なものとしてＱの大きいものが、
発振器あるいは共振子フィルタへの応用などに強く望ま
れている。弾性表面波共振子においてＱは、対向するグ
レーティング反射器間を伝搬中に生ずる損失によって決
定される。その損失には〔１〕基基板体の伝搬損失〔２
〕グレ一テイング反射器外へ漏れ出る弾性表面波による
損失〔３〕グレ一テイング反射器の終端部における弾性
表面波→バルク波モードへのモード変換損などが代表的
なものと考えられる。〔１〕の損失は結晶固有のもので
あり、電極設計によるＱの改善は望めず、これによって
決まるＱをマテリアルＱと呼びＱの上限値とされている
。しかし実際の弾性表面波共振子では［２）（３）によ
る損失が加わり、一般にマテリアルＱを大幅に下回るＱ
の共振子しか実現されてない。〔２〕の損失を減少させ
るには、グレーティング反射器の反射体の本数を増加さ
せることで可能であるが、素子の大きさが大きくなって
しまう。素子の大きさを小さく抑える為には反射体１本
当りの反射率を大きくすることで実現できるが、反射率
の増加に伴い、はぼ２乗で〔３〕のモード変換損失が大
きくなってしまい、Ｑの低下につながりてしまう。

Ｑの高い弾性表面波共振子を得るには、反射率が為くか
つモード変換損の少ないグレーティング反射器が必要で
あった。このようなグレーティング反射器構造としてア
ール・シー・エム・リ−（Ｒ−Ｃ，Ｍ、Ｌｉ　）らはＥ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ（１９７７５ｅ
ｐｔ、　１５ｔｈ　Ｖｏｗ、　ｌ　３　、Ａｌ　９　）
のｐｐ、３８０−３８１に、グレーティング反射器の終
端部を、徐々に反射率が大きくなるようなテーバ状の深
さを有するグループ樗造を提案している。一般に弾性表
面波の半波長より短いピッチの周期の表面振動では１弾
性表面波から放射バルク波へのモード変換は生じない。

しかしながらこの周期が定常ではないグレーティング反
射器終端部付近では放射バルク波の相殺が生じない為モ
ード変換が生ずる。そこでモード変換が生ずるグレーテ
ィング反射器終端部ではグループを浅くシ、反射率を抑
え、放射バルク波の生じないグレーティング反射器内部
ではグループを十分深くして反射率を上げたものである
。この方法によりＱが２倍になったとしている。しかし
ながら、テーパー状のグループを形成するには、製造グ
ロヤスが複雑になり量産性は極めて悪い。

〔発明の目的〕

この発明は上述の欠点を改曳したもので、従来一般に行
なわれている弾性表面波共振子の製造プロセスと何ら変
わることなく１反射体本数が少なくすなわち小形でＱの
高−弾性表面波共振子を得ることを目的とする。

〔発明の概要〕

この発明は、グレーティング反射器の反射体及びインタ
ディジタル変換器の電極を同一材料、同一構造で形成し
、反射体及び電極の周期は全て弾性表面波波長のはぼ１
／２となるように配列し。

反射体と電極の間隔も弾性表面波波長の１／２とした弾
性表面波共振子を提供するものである。

〔釦明の効果〕

本発明によれば従来から行なわれてきた弾性表面波共振
子の製造プロセスを何ら変更することなく、グレーティ
ング反射器の反射体一本当りの反射率を大きくしても、
放射バルク波へのモード変換損によるＱの劣化が生じな
い弾性表面波共振子が実現できる。このことは従来高Ｑ
の弾性表面波共振子はグレーティング反射器の反射体本
数が多い構造すなわち素子サイズの大きいものでだけ実
現きれたが、小形でかつ高Ｑの弾性表面波共振子が可能
となる。

更に自由表面の境界条件ではエネルギーの一部がバルク
波として放射されるリーキー表面波を利用した弾性表面
波共振子では表面の電極及び反射体による摂動効果によ
りエネルギーが表面にトラップされた状態で伝搬する為
、本発明によればＱの大幅な向上が実現できる。

〔発明の実施例〕

本発明の実施例を第１図を参照にして詳細に説明する。

圧電基板（１）として、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７単結晶の＜１１
０＞面を選んだ。この面上を弾性表面波（以下ＳＭとい
う）が２軸方向に伝搬するように、インタディジタル変
換器（２；及びグレーティング反射器（３）を第１図に
示すように配置した。インターディジタル変換器及びグ
レーティング反射器はいずれも、アルミニウム薄膜（膜
厚６０００Ｋ＞で形成している。形成法はＬｌ　２Ｂ４
０７基板はアルミニウムのエツチング液に対しエツチン
グされる為、リフトオフ法により形成している。この為
、電極、反射体の端部は急峻な形状をしている。グレー
ティング反射器の反射体は２８，０μｍ周期（ｐｇ＝２
８．０μｍ）で線幅約１４μｍとし、インタディジタル
変換器の電極周期は２７．６６μｍ　（ｐｔ＝２７．６
６μｍ）で線幅約１４μｍとしている。またインタディ
ジタル変換器の電極指とグレーティング反射器の反射体
との間隔は２８．０μｍ　（ｄ＝２８．Ｏｔｔｍ　）と
している。インタディジタル変換器の電極本数は６０本
１両グレーティング反射器内の反射体本数は１５０本と
しである。また電極交差幅は０．７鴎である。

以上の設計値で試作したＳＡＷ共幾子は、共振陶波数６
１．２３ＭＨｚ　１共振抵抗３０Ω、Ｑ＝１４５００が
得られた。比較の為に試作した従来形ＳＡＷ共振子すな
わち、インタディジタル変換器の電極周期及びグレーテ
ィング反射器の反射体周期は２８．０繍、かつ両線幅を
約１４師とし、インタディジタ　　１ル変候器の電極と
グレーティング反射器の反射体との間隔を１０．５μｍ
とし、他は全て前述と同じとしたものに比べ、Ｑは３倍
向上している。Ｑの向上の要因を第４図を用いて説明す
る。従来例の電極及び反射体の配置では、インタディジ
タル変換器とグレーティング反射器との間隔がその両側
のインタディジタル変換器内部及びグレーティング反射
器内部での電極及び反射体周期（ｌ／２波長）と大幅に
ずれており、第４図（ａ）に示すようにＳＡＷ変位に対
する相対位置が変わっている為、この部分での放射バル
ク波へのモード変換が避けられない。一方路４図（ｂ）
に示す本発明の構成では、従来放射バルク波のモード変
換が生ずるインターディジタル変換器とグレーティング
反射器との境界部も、同一周期となっている為、非放射
のバルク波として存在することになり放射バルク波とし
てのエネルギー損失は発生せず、再び弾性表面波に変換
され反射されることになる。

すなわち本発明によれば、従来生じていたイン１　タデ
ィジタル変換器とグレーティング反射器の境界部での放
射バルク波へのモード変換による損失が大幅に減少する
為、Ｑの向上につながっているものと考えられる。なお
、インタディジタル変換器の電極周期はグレーティング
反射器の反射体と完全に同一では良好な共振を生じない
場合がある。

この場合、インタディジタル変換器の電極周期をせいぜ
い５チ以下の範囲で変化させることにより特性の向上が
はかれる。この変化量は、インタディジタル変換器の電
極１本当りのＳＡＷ反射率及び電極本数等によって決ま
る。本実施例ではインタディジタル変換器の電極絢期は
グレーティング反射器反射体周期の０．９８８倍とした
。

前述のように、電極及び反射体の１本当りの反射率が増
加するに従いその約２乗でバルク波へのモード変換損は
上昇する為１本発明の効果は電極及び反射体の反射率が
大きくなるに従い顕著になる。

次に本発明の効果を、電極及び反射体１本当りの反射率
を変えた場合について実験結果を示す。

第５図は１本実施例として用いたＬｉ２Ｂ４Ｏ７基板の
＜１１０＞面を２軸方向に伝搬するＳＡＷのアルミニウ
ム膜による電極及び反射体の１本当りの反射率をアルミ
ニウム膜厚に対して求めた結果である。この結果からア
ルミニウム膜厚によって反射率が自由に変えられること
がわかる。次にアルミニウム膜厚を５００Ｘから５ｏｏ
ｏＸまで変えて、本発明による電極配置のものと従来配
置のもののＳＡＷ共振子を試作しそのＱの変化を実測し
た。第６図に横軸に電極及び反射体の反射率、縦軸に各
々の電極配置の場合のＱを示す。この図かられかるよう
に破線で示す従来の一極配置のものでは反射率が２〜３
チを越えると、バルクモードへのモード変換損失が急激
したことによると思われるΩの低下が観測される。一方
１本発明による電極配置のものでは、反射率が２％を越
えても、前述のようにバルク変換損の増加が少ない為、
Ｑの劣化ははとんど見られない。

同様の実験をＬｉＴａＯ３、水晶を基板とした場合もＱ
の絶対値は基板の個有損に応じて異なるが傾向は第６図
と同様の結果が得られた。

第６図実線、破線いずれも反射率が小さい時Ｑが小さい
値をとるがこれは、反射体本数が１５０本と少ない為で
グレーティング反射器外へＳＡＷが漏れ出ることによる
Ｑの低下である。

反射率の増加にともないＱは増加するが破線に示す従来
パターンでは、反射率２．５％でＱ”：８０００の最大
値をとυ、それ以上では、前述のバルク波モード変換損
によりＱは低下し、前述の６０００１のアルミニウム膜
厚の時２反射率は３．５チでＱ＝５０００となる。

一方本発明による実線では反射体の反射率の増加に対し
前述のようにバルク波モード変換損の増加が少ないので
％Ｑは向上し反射率３チ以上ではグレーティング反射器
外へ漏れ出すＳＡＷは完全に無視できる為Ｑは一定値と
なる。前述のようにａｏｏｏＸのアルミニウム膜厚、す
なわち反射率３．５％ではＱは第６図に示すように３倍
の改善がある。また第６図かられかるように反射率が１
％を越える範囲で本発明の効果がある。

一方グレーティング反射器の反射体本数を十分多くした
時、反射率が小ざい時でもグレーティング反射器外へ漏
れ出すＳＡＷの損失は無視できるのＱの低下は防げる。

反射率とバルクモード変換損失を使って、グレーティン
グ反射器の反射体本数を無限大としてシミュレーシ菅ン
計算して求めた結果が第７図に示したものである。実線
は本発明破線は従来パターンのものである。この結果で
も反射率１％以上において本発明の効果が顕著となるこ
とがわかる。これは一般に反射体の反射率が１％を越え
る付近でバルク波モードへの変換損が基板個有の伝搬損
を越えるからである。

〔発明の他の実施例〕

（１７実施例ではインタディジタル変換器及びグレーテ
ィング反射器の電極、反射体の構造がアルミニウム薄膜
から構成されていたが、これに限定されることなく　Ａ
ｌにＣｕ＋Ｓｉなどの不純物を微量ドープした組成のも
の、Ａｕ　’Ｐ　ＴｉとＡｕ、ＣｒとＡｕなどの二層構
造のものなど導電体材料からできたものであれば本発明
の効果は適用される。また第８図に示すように金属膜の
上に誘電体膜を形成したもの、＠９図に示すように金属
膜をマスクとして基板にグループを堀ったもの、第１０
図のように金属膜の上に誘電体層を設は表面にグループ
を形成したものなどにも本発明を適当することにより、
効果が考えられる。

（２）他の実施例として、基板がＬｉＮｂＯ３などＲ２
の大きい基板では、反射体の金属膜を薄くしても反射率
はＲ２／πとなりＲ２＞０．０３のものでは反射率が１
％を越える為バルクモード変換を小さくすることは不可
能であった。この為、　ＬｉＮｂ０ａでは従来グループ
ではＱ＞３万の共振子が実現されていたが金属反射体で
は、どの報告でもＱ＞８０００のものは報告されてない
。本発明に述べたような電極、反射体配置にすることに
より、グループ構造ＳＡＷ共撮子に匹敵するＳＡＷ共振
子が極めてシンプルなプロセスで実現できる。

（３）更に他の実施例として、ＬｉＴａ０ａ　３６’　
ＹカットＸ伝搬や水晶３５°Ｙカツトｚ′伝搬などの擬
似表面波では一般にわずかずつ基板内部にバルク波を放
射しながら表面を伝搬する為見かけ上極めて伝搬損失が
大きい。しかしながらこれら表面波は表面に金属や誘電
体の薄膜を形成することによりエネルギーを表面に集中
させ、バルク波を非放射とできる。この為、十分な膜厚
のアルミニウムなどの金属膜でインタディジタル変換器
、グレーティング・反射器を構成したＳＡＷ共幾子では
、インタディジタル変換器内及びクレーティング反射器
内では伝搬損失が小ざい。しかしながら、これらの隣接
部では従来のパターン配置では、モード分布が大きく異
なる為、バルク波の放射モードが存在することとなりＱ
の高い共振子は望めなかった。

本発明のパターンによればインタディジタル変換器、グ
レーティング反射器ともにモード分布が一様となる為、
エネルギーは先金に表面に集中した状態で共振を生じる
こととなり、　ＳＡＷ共振子の高Ｑ化がはかれる。

（４）他の実施例として、いわゆる２ボート形ＳＡＷ共
振子への適用がわる。ＳＡＷ共振子には実施例で説明し
たいわゆるｌボート形共振子の変形例として対向する１
組のグレーティング反射器の間に複数のインターディジ
タル変換器が設けられたものが知られている。

本発明の主旨はＳＡＷの定住波が存在する部分は全て±
５チ以内の精度でＳＡＷの１／２波長の周期で同構造の
電極、反射体を設けることでｂるから、この主旨を２ボ
ート形ＳＡＷ共振子に適用すると、！１１図のようにな
る。すなわちグレーティング反射器（３）、インタディ
ジタル変換器（２；の隣接間隔ｄは全て±５チ以内の精
度でＳＡＷの１／２波長とすること、複数のインタディ
ジタル変換器が隣接している場合はその電極間隔も±５
チ以内の精度でＳＡＷの１／２波長とし、インタディジ
タル変換器がある間隔を保って設けられている場合は、
その間に外側に設けられたものと同構造で、所定の反射
体本数からなるグレーティング反射器α９を設け、前記
インタディジタル変換器の電極と反射体との間隔ｄ′も
±５％の精度でＳＡＷの１／２波長とする。このように
することによりＳ＃が定在波として存在しているすべて
の部分で放射バルク波へのモード変換損失を低減できＱ
の大幅な向上が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＳＡＷ共撫子の上面図と断面図、第２
図は、従来のＳＡＷ共撮子の上面図、′Ｍ３図はグレー
ティング反射器の代表的構造の断面図、第４図は放射バ
ルク波発生の説明図、第５図はＬｉ　２Ｂ４０７基板上
アルミニウム膜による反射体の膜厚と反射率の関係図、
第６図は従来例と本発明によるＱの向上の実欺結果を示
す図、第７図は同シミュレーション結果の図、第８図、
第９図および第１θ図はそれぞれ電極１反射体の構造の
変形例の断面図、第１１図は２ボート形ＳＡＷ共振子へ
の本発明の応用例である。 ｌ・・・基板、２・・・インタディジタル変換器、３・
・・グレーティング反換器、４・・・電極指、５・・・
反射体 第１図 第２図 第４図 第５図 フルミニラムＡわＷ（Ａ） 第６図 θ　ｆ　２　ヨ　４Ｓ Ｉ碑（外） 第７図 ￥Ｌ＠キ（η） 第８図 第９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 複数のグレーティング反射器と、その間に少なくとも１
   個のインターディジタル変換器と、その間に少なくとも
   １個のインターディジタル変換器とからなる弾性表面波
   共振子において、 最も外側にある１組のグレーティング反射器の間にある
   全てのグレーティング反射器の反射体及びインタディジ
   タル変換器の電極は前記グレーティング反射器の反射体
   と同一構造でかつ、くり返し周期も±５％の精度以内で
   等しくおき、 前記反射体及び電極の１本当りの反射率を１％以上とす
   ることを特徴とする弾性表面波共振子。