JP3717034B2 - 弾性表面波素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は弾性表面波素子に関し、特に、圧電多結晶体からなる圧電性基板の表面に櫛形交差電極が形成され、ＢＧＳ波を励振させ、高周波共振子や高周波フィルタなどに用いられる、弾性表面波素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に弾性表面波素子は、圧電性を有する基板（圧電性基板）上に、多数の電極指を有する櫛形の電極対が、電極指が互いに交差するように配置され、その櫛形交差電極に電気信号を供給することにより弾性表面波を励振するものである。弾性表面波では、レイリー波が最も一般的であるが、ＢＧＳ波（Bleustein-Gulyaev-Shimizu waveまたは圧電表面すべり波）やラブ波などの応用も検討されている。
これらの弾性表面波素子は、その共振周波数や電気的または機械的品質係数Ｑ、電気機械結合係数ｋなどの電気的および機械的特性が圧電性基板の材質と櫛形交差電極の構造とによりほぼ決定され、高周波共振子や高周波フィルタとして利用されることが可能である。
ところで、弾性表面波は、文字どおり、エネルギーが基板の表面付近に集中して伝播する弾性波のことである。等方性の基板の表面を伝搬する弾性表面波は、その変位成分が波の進行方向と基板の深さ方向のみであり、横波に相当し波の進行方向に垂直な方向でかつ基板表面に並行な方向の成分のみをもつ表面波（ＳＨ波；horizontally-polarized shear wave ）は存在しない。
ところが、圧電性基板は、異方性であるために、ＳＨ波（擬似的なＳＨ波を含む）をその表面付近にエネルギーを集中させて伝播させることが可能である。この表面波をＢＧＳ波と呼ぶが、ＢＧＳ波は圧電性基板の伝播方向の端面で完全に反射するため、レイリー波を励振する弾性表面波素子のように基板上に反射器（リフレクター）を形成する必要がなく、したがって、ＢＧＳ波は弾性表面波素子の小型化の点でレイリー波より有利である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＢＧＳ波においては、電気機械結合係数ｋが小さい基板を用いた場合、***振周波数でのインピーダンスＺａと共振周波数でのインピーダンスＺｒとの比であるインピーダンス比Ｚａ／Ｚｒが小さく、狭帯域のフィルタを形成した場合、十分なフィルタ特性が得られないという問題があった。一方、電気機械結合係数ｋが大きい基板を用いた場合、インピーダンス比Ｚａ／Ｚｒは大きく、広帯域のフィルタを形成することが可能であるが、耐候性が不良であるという問題があった。
また、弾性表面波素子において、基板の材料種の自由度が高いことが望まれている。
【０００４】
それゆえに、この発明の主たる目的は、***振周波数でのインピーダンスと共振周波数でのインピーダンスとの比であるインピーダンス比が大きく、耐候性がよく、基板の材料種の自由度が高い、弾性表面波素子を提供することである。
【０００５】
この発明にかかる弾性表面波素子は、圧電性基板の表面に櫛型交差電極が形成され、前記櫛型交差電極に電気信号を供給することによりＢＧＳ波の弾性表面波が励振される男性表面波素子において、前記圧電性基板は、圧電多結晶体からなり、かつ前記櫛型交差電極が形成される面に対して垂直な方向に、電気機械結合係数が異なるように組成の異なる圧電磁器材料からなる２層以上を積層して積層体とし、前記積層体を焼結することにより電気機械結合係数が傾斜するように形成され、前記圧電性基板は、櫛型交差電極が形成されている表面近傍の電気機械結合係数の方が、表面から厚み方向へ向かった側の電気機械結合係数よりも低くなるように形成されていることを特徴とする弾性表面波素子である。
また、この発明にかかる弾性表面波素子は、圧電性基板の表面に櫛型電極が形成され、前記櫛型交差電極に電気信号を供給することによりＢＧＳ波の弾性表面波が励振される弾性表面波素子において、 前記圧電性基板は、圧電多結晶体からなり、かつ前記櫛型交差電極が形成されている面に対して垂直な方向に、電気機械結合係数が異なるように組成の異なる圧電材料からなる２層以上を積層して積層体とし、前記積層体を焼結することにより電気機械結合係数が傾斜するように形成され、前記圧電性基板は、櫛型交差電極が形成されている表面近傍の電気機械結合係数の方が、表面近傍から厚み方向へ向かった側の電気機械結合係数よりも高くなるように形成されることを特徴とする弾性表面波素子である。
この発明にかかる弾性表面波素子では、圧電性基板は、電気機械結合係数が傾斜するように積層されている。
【０００６】
上述の問題について、その主要因を鋭意研究した結果、波のエネルギーの表面集中度がこれらの問題に関与していることが明らかとなった。ＢＧＳ波は、レイリー波と比べると波の表面集中度が小さいことが知られている。ＢＧＳ波のエネルギーの表面集中度は、圧電性基板の電気機械結合係数ｋと誘電率εによってほぼ決定される。特に圧電性基板の表面に電極がある場合、電気機械結合係数ｋが支配的であり、電気機械結合係数ｋが大きいほどＢＧＳ波のエネルギーの表面集中度が増すことが明らかとなっている。よって、電気機械結合係数ｋが小さい圧電性基板を用いた場合、ＢＧＳ波のエネルギーの表面集中度が低くなり、波のエネルギーは圧電性基板の厚み方向にある程度の幅をもって分布することになる。表面集中度の低下は、圧電性基板内での波の損失要因となる。よって、この損失が前述のインピーダンス比の低下の主原因となると考えられる。
この問題に対し、電気機械結合係数ｋが小さい圧電性基板でも、ＢＧＳ波のエネルギーを表面付近に集中させることができれば、インピーダンス比の低下が抑制できる。そのため、弾性表面波素子において、圧電性基板の厚み方向で、電気機械結合係数ｋが異なる圧電媒体を多層的、あるいは傾斜的に配置させることにより、表面近傍の電気機械結合係数ｋのみを低くし、そこから厚み方向へは電気機械結合係数ｋの高い圧電媒体を配置する構造をとり、ＢＧＳ波のエネルギーを表面付近に集中させ、電気機械結合係数ｋの低い弾性表面波素子でも、インピーダンス比が比較的高い弾性表面波素子を構成できることを見出した。
一方、電気機械結合係数ｋが高い圧電性基板を用いた場合、耐候性、特に耐湿性が悪化し、耐湿試験による周波数の変化が大きくなるという問題がある。この問題は、上述のとおり電気機械結合係数ｋが大きい圧電性基板ではＢＧＳ波の表面集中度が高く、したがって最も湿度や気温による劣化の影響を受けやすい表面付近のみを波が伝播することによる。よって、上述の場合とは反対に、表面付近のみが電気機械結合係数ｋの高い圧電媒体とし、そこから厚み方向へは電気機械結合係数ｋの低い圧電媒体を配置する構造をとることにより、ＢＧＳ波のエネルギーの過度の表面集中を抑制し、耐湿性に優れた電気機械結合係数ｋの高い弾性表面波素子を構成可能であることを見出した。
ところで、このような表面波の表面集中度を制御することにより特性を向上するという観点での発明は全く新しいものであるが、従来技術を用いても類似の構成が可能である。たとえば特開平９−２０８３９９号には、材質の異なる圧電単結晶を積層する構造が示されている。特開平９−２０８３９９号に示されている発明は結晶性、接合性を良好に維持し、弾性表面波装置の特性向上を目的としている。しかしながら、このような圧電単結晶の積層構造により本発明のように表面波の表面集中度を制御する場合、その材料種に制限があり、所望の特性が得られにくいと考えられる。さらに、難加工性、加工コストの増大、接合不良などの問題が懸念される。
したがって、本発明では積層あるいは傾斜的に配置する材料種の自由度が高く、しかもその加工が容易である圧電多結晶体を用いて積層、傾斜構造を構成することにより、本発明の主効果である表面波の表面集中度制御と、それによる特性向上を実現したものである。
【０００７】
この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施例）
本発明の実施例における試料の作製工程および評価工程を図１に示す。以下にその詳細を述べる。
【０００９】
素原料としてＰｂ3 Ｏ4 、ＺｒＯ2 、ＴｉＯ2 、ＭｎＣＯ3 、ＮｉＯ、Ｎｂ2 Ｏ5 を表１の組成式の圧電磁器組成物Ａ、Ｂ、Ｃが得られるようにそれぞれ秤量し、それぞれの混合物をそれぞれ４〜３２時間ボールミルで混合・粉砕した。
【００１０】
【表１】
【００１１】
そして、それぞれの混合物を脱水、乾燥して、８００〜９００℃の温度で２時間仮焼した後、得られた粉末にバインダー、分散剤、消泡剤を３〜１０重量％混合ないし加えて８〜１６時間粉砕してスラリーを作製し、ドクターブレード法にて５０〜１５０μｍの厚みのセラミックシートを成形ないし作製した。
【００１２】
圧電磁器組成物Ａ、ＢおよびＣからなるシートＡ、ＢおよびＣを図２（Ａ）〜図２（Ｆ）に示すそれぞれの条件で重ね圧着し、それぞれの成形体を１１００〜１２５０℃で１〜３時間焼成し、得られた焼成体の片主面に＃８００〜＃８０００の研磨を順に施して鏡面研磨し、表面の第１層の厚みが１０〜１００μｍで、素子の総厚みが３００〜７００μｍの圧電性基板を得た。
【００１３】
そして、それぞれの圧電性基板の両主面に櫛形の分極用電極をＡｇ蒸着電極で形成し、分極方向が圧電性基板の表面と平行な方向となるように圧電性基板に分極処理を施した。分極は、６０〜１２０℃のオイル中で２．０〜４．０ｋＶ／ｍｍの電界を３０〜６０分印加して行った。その後、Ａｇ蒸着電極をエッチング液で除去し、分極済みの圧電性基板を得た。
【００１４】
それから、従来と同様の工程で、上述の圧電性基板の片主面にスパッタ蒸着法によりＡｌ電極膜を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることによって、櫛形交差電極を形成した。この場合、櫛形交差電極は、上述の櫛形の分極用電極を形成した方向とは垂直方向に形成した。そして、圧電性基板を所望の大きさにカットすることにより、図２（Ａ）〜図２（Ｆ）に示す各構造からなる圧電性基板ごとに、図３に示す弾性表面波素子（試料）を得た。
【００１５】
それぞれの弾性表面波素子を端子付き治具に固定し、弾性表面波素子と端子とをワイヤーで結合し、インピーダンスアナライザでその特性を評価した。評価した項目は、***振点と共振点のインピーダンス比Ｚａ／Ｚｒ、ＢＧＳ波の電気機械結合係数ｋBGS 、機械的品質係数ＱｍBGS 、および湿中放置前後の共振周波数のシフト量Δｆｒ／ｆｒである。その結果を表２にまとめた。
【００１６】
【表２】
【００１７】
表２において、試料Ａ−１は図２（Ａ）に示す多層構造からなる圧電性基板を有する試料であり、試料Ａ−２は図２（Ｂ）に示す傾斜構造からなる圧電性基板を有する試料であり、試料Ａ−３は図２（Ｃ）に示す単層構造からなる圧電性基板を有する試料であり、試料Ｃ−１は図２（Ｄ）に示す多層構造からなる圧電性基板を有する試料であり、試料Ｃ−２は図２（Ｅ）に示す傾斜構造からなる圧電性基板を有する試料であり、試料Ｃ−３は図２（Ｆ）に示す単層構造からなる圧電性基板を有する試料であり、＊印を付した試料Ａ−３、Ｃ−３は比較例であり、本発明の範囲外である。なお、図４および図５に示すグラフにおいても、同様である。
また、表２において、Δｆｒ／ｆｒ（％）は、雰囲気温度６０℃、湿度９５％Ｒ．Ｈ．の恒温恒湿槽に試料を放置した耐湿試験１０００時間後の共振周波数ｆｒの変化率である。
【００１８】
さらに、これとは別に、それぞれの弾性表面波素子（試料）についてＢＧＳ波のエネルギーの表面付近の分布を有限要素法（ＦＥＭ）によるシュミレーションにより求めた。その結果を図４および図５に示す。
【００１９】
表２において試料Ａ−１、Ａ−２およびＡ−３を比較した場合、どの試料も電気機械結合係数ｋBGS は２０％程度と非常に低いにもかかわらず、比較例の試料Ａ−３と比較して、本発明にかかる試料Ａ−１およびＡ−２では、インピーダンス比Ｚａ／Ｚｒが４５ｄＢ以上であり、良好なフィルタを形成することが可能なインピーダンス比Ｚａ／Ｚｒを確保できることがわかる。
【００２０】
また、図４に示すシュミレーション結果より、本発明にかかる試料Ａ−１およびＡ−２では、比較例の試料Ａ−３と比較して、ＢＧＳ波のエネルギーが表面付近に集中していることがわかる。これは弾性表面波素子において、圧電性基板の厚み方向で、電気機械結合係数ｋが異なる圧電媒体を多層的、あるいは傾斜的に配置させることにより表面近傍の電気機械結合係数ｋのみを低くし、そこから厚み方向へは電気機械結合係数ｋの高い圧電媒体を配置する構造をとることにより、ＢＧＳ波のエネルギーを表面付近に集中させることができることを示している。したがって、電気機械結合係数ｋの低い弾性表面波素子でも、波の表面集中度の低下による圧電性基板内での波の損失を抑制でき、インピーダンス比の低下の小さい弾性表面波素子を構成できる。
【００２１】
次に、表２において試料Ｃ−１、Ｃ−２およびＣ−３を比較した場合、どの試料も電気機械結合係数ｋBGS は４６．５％以上と非常に高いにもかかわらず、比較例の試料Ｃ−３と比較して、本発明にかかる試料Ｃ−１およびＣ−２では、耐湿試験１０００時間後の共振周波数のシフト量が半分以下に低下させ得ることがわかる。
【００２２】
また、図４のシュミレーション結果より、本発明にかかる試料Ｃ−１およびＣ−２では、比較例の試料Ｃ−３と比較して、ＢＧＳ波のエネルギーの過度の表面集中を抑制できていることがわかる。
【００２３】
電気機械結合係数ｋが高い圧電性基板を用いた場合、耐候性、特に耐湿性が悪化し、耐湿試験による周波数の変化が大きくなるという問題は、上述のとおり電気機械結合係数ｋが大きい圧電性基板ではＢＧＳ波の表面集中度が高く、したがって最も湿度や気温による劣化の影響を受けやすい表面付近のみを波が伝播することによる。よって、上述のように、表面付近のみが電気機械結合係数ｋの高い圧電媒体とし、そこから厚み方向へは電気機械結合係数ｋの低い圧電媒体を配置する構造をとることにより、ＢＧＳ波のエネルギーの過度の表面集中を抑制し、耐湿性の優れた、電気機械結合係数ｋの高い弾性表面波素子を構成できる。
【００２４】
なお、本実施例においては、圧電磁器組成物の組成および電気的、機械的な特性の異なる組成物を２層以上重ねた成形体を焼成することにより得られる多層構造、あるいは傾斜構造の圧電性基板が用いられる。この場合、各層の各々の圧電磁器組成物がその界面近傍で、その一部が熱拡散しているような多層構造、あるいは疑似的な傾斜構造を有していると考えられる。つまり、本発明は組成あるいは電気的、機械的な特性の異なる圧電媒体よりなる多層構造、あるいは傾斜構造の圧電性基板を有する弾性表面波素子を構成することにより、弾性表面波のエネルギーの表面集中度を制御する技術を提供し、弾性表面波素子の特性を改善するものである。
【００２６】
なお、本発明と類似の積層構造を有する弾性表面波素子が、特開平９−２０８３９９号以外に特開平９−３１２５４６号、特開平１０−１０７５８１号、特開平１０−１３５７７３号などにも開示されているが、特開平９−２０８３９９号、特開平９−３１２５４６号、特開平１０−１０７５８１号では単結晶基板が用いられ、単結晶の結晶性（格子欠陥、クラック）を改善する効果を狙ったものであり、それらの構成、効果とも本発明とは全く異なることは明白である。また、特開平１０−１３５７７３号では櫛形電極のストレスマイグレーション耐性を向上させるものであり、その構成も非圧電性単結晶を含み本発明にかかる弾性表面波素子とは全く異なり、効果も本発明の弾性表面波のエネルギーの表面集中度の制御とは全く異なっていることは明白である。
【００２７】
【発明の効果】
この発明によれば、ＢＧＳ波を励振させる弾性表面波素子において、その圧電性基板が圧電多結晶体からなり、しかも櫛形交差電極が形成される面に対して垂直な方向に、電気的特性および機械的特性が異なるようにたとえば傾斜するように２層以上積層された弾性表面波素子を構成し、弾性表面波のエネルギーの表面集中度を制御することにより、波の表面集中度に起因する問題、つまり、電気機械結合係数ｋが小さい圧電性基板を用いた場合、弾性表面波のエネルギーの表面集中度が低くなり、インピーダンス比が低下するという問題や電気機械結合係数ｋが高い圧電性基板を用いた場合、弾性表面波のエネルギーが過度に表面集中することにより、耐湿性が悪化するという問題を解決することができる。さらに、この発明のように上記の多層構造や傾斜構造を特に磁器からなる圧電性基板を用いて構成することにより、比較的容易に、しかも低コストにて所望の弾性表面波素子を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における試料の作製工程および評価工程を示す図である。
【図２】本発明の実施例における試料の圧電性基板の構造を示す図解図である。
【図３】本発明の実施例における試料を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施例における試料についてＢＧＳ波のエネルギーの表面付近の分布を有限要素法（ＦＥＭ）によるシュミレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例における他の試料についてＢＧＳ波のエネルギーの表面付近の分布を有限要素法（ＦＥＭ）によるシュミレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ 圧電磁器組成物Ａからなるシート
Ｂ 圧電磁器組成物Ｂからなるシート
Ｃ 圧電磁器組成物Ｃからなるシート
【発明の属する技術分野】
この発明は弾性表面波素子に関し、特に、圧電多結晶体からなる圧電性基板の表面に櫛形交差電極が形成され、ＢＧＳ波を励振させ、高周波共振子や高周波フィルタなどに用いられる、弾性表面波素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に弾性表面波素子は、圧電性を有する基板（圧電性基板）上に、多数の電極指を有する櫛形の電極対が、電極指が互いに交差するように配置され、その櫛形交差電極に電気信号を供給することにより弾性表面波を励振するものである。弾性表面波では、レイリー波が最も一般的であるが、ＢＧＳ波（Bleustein-Gulyaev-Shimizu waveまたは圧電表面すべり波）やラブ波などの応用も検討されている。
これらの弾性表面波素子は、その共振周波数や電気的または機械的品質係数Ｑ、電気機械結合係数ｋなどの電気的および機械的特性が圧電性基板の材質と櫛形交差電極の構造とによりほぼ決定され、高周波共振子や高周波フィルタとして利用されることが可能である。
ところで、弾性表面波は、文字どおり、エネルギーが基板の表面付近に集中して伝播する弾性波のことである。等方性の基板の表面を伝搬する弾性表面波は、その変位成分が波の進行方向と基板の深さ方向のみであり、横波に相当し波の進行方向に垂直な方向でかつ基板表面に並行な方向の成分のみをもつ表面波（ＳＨ波；horizontally-polarized shear wave ）は存在しない。
ところが、圧電性基板は、異方性であるために、ＳＨ波（擬似的なＳＨ波を含む）をその表面付近にエネルギーを集中させて伝播させることが可能である。この表面波をＢＧＳ波と呼ぶが、ＢＧＳ波は圧電性基板の伝播方向の端面で完全に反射するため、レイリー波を励振する弾性表面波素子のように基板上に反射器（リフレクター）を形成する必要がなく、したがって、ＢＧＳ波は弾性表面波素子の小型化の点でレイリー波より有利である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＢＧＳ波においては、電気機械結合係数ｋが小さい基板を用いた場合、***振周波数でのインピーダンスＺａと共振周波数でのインピーダンスＺｒとの比であるインピーダンス比Ｚａ／Ｚｒが小さく、狭帯域のフィルタを形成した場合、十分なフィルタ特性が得られないという問題があった。一方、電気機械結合係数ｋが大きい基板を用いた場合、インピーダンス比Ｚａ／Ｚｒは大きく、広帯域のフィルタを形成することが可能であるが、耐候性が不良であるという問題があった。
また、弾性表面波素子において、基板の材料種の自由度が高いことが望まれている。
【０００４】
それゆえに、この発明の主たる目的は、***振周波数でのインピーダンスと共振周波数でのインピーダンスとの比であるインピーダンス比が大きく、耐候性がよく、基板の材料種の自由度が高い、弾性表面波素子を提供することである。
【０００５】
この発明にかかる弾性表面波素子は、圧電性基板の表面に櫛型交差電極が形成され、前記櫛型交差電極に電気信号を供給することによりＢＧＳ波の弾性表面波が励振される男性表面波素子において、前記圧電性基板は、圧電多結晶体からなり、かつ前記櫛型交差電極が形成される面に対して垂直な方向に、電気機械結合係数が異なるように組成の異なる圧電磁器材料からなる２層以上を積層して積層体とし、前記積層体を焼結することにより電気機械結合係数が傾斜するように形成され、前記圧電性基板は、櫛型交差電極が形成されている表面近傍の電気機械結合係数の方が、表面から厚み方向へ向かった側の電気機械結合係数よりも低くなるように形成されていることを特徴とする弾性表面波素子である。
また、この発明にかかる弾性表面波素子は、圧電性基板の表面に櫛型電極が形成され、前記櫛型交差電極に電気信号を供給することによりＢＧＳ波の弾性表面波が励振される弾性表面波素子において、 前記圧電性基板は、圧電多結晶体からなり、かつ前記櫛型交差電極が形成されている面に対して垂直な方向に、電気機械結合係数が異なるように組成の異なる圧電材料からなる２層以上を積層して積層体とし、前記積層体を焼結することにより電気機械結合係数が傾斜するように形成され、前記圧電性基板は、櫛型交差電極が形成されている表面近傍の電気機械結合係数の方が、表面近傍から厚み方向へ向かった側の電気機械結合係数よりも高くなるように形成されることを特徴とする弾性表面波素子である。
この発明にかかる弾性表面波素子では、圧電性基板は、電気機械結合係数が傾斜するように積層されている。
【０００６】
上述の問題について、その主要因を鋭意研究した結果、波のエネルギーの表面集中度がこれらの問題に関与していることが明らかとなった。ＢＧＳ波は、レイリー波と比べると波の表面集中度が小さいことが知られている。ＢＧＳ波のエネルギーの表面集中度は、圧電性基板の電気機械結合係数ｋと誘電率εによってほぼ決定される。特に圧電性基板の表面に電極がある場合、電気機械結合係数ｋが支配的であり、電気機械結合係数ｋが大きいほどＢＧＳ波のエネルギーの表面集中度が増すことが明らかとなっている。よって、電気機械結合係数ｋが小さい圧電性基板を用いた場合、ＢＧＳ波のエネルギーの表面集中度が低くなり、波のエネルギーは圧電性基板の厚み方向にある程度の幅をもって分布することになる。表面集中度の低下は、圧電性基板内での波の損失要因となる。よって、この損失が前述のインピーダンス比の低下の主原因となると考えられる。
この問題に対し、電気機械結合係数ｋが小さい圧電性基板でも、ＢＧＳ波のエネルギーを表面付近に集中させることができれば、インピーダンス比の低下が抑制できる。そのため、弾性表面波素子において、圧電性基板の厚み方向で、電気機械結合係数ｋが異なる圧電媒体を多層的、あるいは傾斜的に配置させることにより、表面近傍の電気機械結合係数ｋのみを低くし、そこから厚み方向へは電気機械結合係数ｋの高い圧電媒体を配置する構造をとり、ＢＧＳ波のエネルギーを表面付近に集中させ、電気機械結合係数ｋの低い弾性表面波素子でも、インピーダンス比が比較的高い弾性表面波素子を構成できることを見出した。
一方、電気機械結合係数ｋが高い圧電性基板を用いた場合、耐候性、特に耐湿性が悪化し、耐湿試験による周波数の変化が大きくなるという問題がある。この問題は、上述のとおり電気機械結合係数ｋが大きい圧電性基板ではＢＧＳ波の表面集中度が高く、したがって最も湿度や気温による劣化の影響を受けやすい表面付近のみを波が伝播することによる。よって、上述の場合とは反対に、表面付近のみが電気機械結合係数ｋの高い圧電媒体とし、そこから厚み方向へは電気機械結合係数ｋの低い圧電媒体を配置する構造をとることにより、ＢＧＳ波のエネルギーの過度の表面集中を抑制し、耐湿性に優れた電気機械結合係数ｋの高い弾性表面波素子を構成可能であることを見出した。
ところで、このような表面波の表面集中度を制御することにより特性を向上するという観点での発明は全く新しいものであるが、従来技術を用いても類似の構成が可能である。たとえば特開平９−２０８３９９号には、材質の異なる圧電単結晶を積層する構造が示されている。特開平９−２０８３９９号に示されている発明は結晶性、接合性を良好に維持し、弾性表面波装置の特性向上を目的としている。しかしながら、このような圧電単結晶の積層構造により本発明のように表面波の表面集中度を制御する場合、その材料種に制限があり、所望の特性が得られにくいと考えられる。さらに、難加工性、加工コストの増大、接合不良などの問題が懸念される。
したがって、本発明では積層あるいは傾斜的に配置する材料種の自由度が高く、しかもその加工が容易である圧電多結晶体を用いて積層、傾斜構造を構成することにより、本発明の主効果である表面波の表面集中度制御と、それによる特性向上を実現したものである。
【０００７】
この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施例）
本発明の実施例における試料の作製工程および評価工程を図１に示す。以下にその詳細を述べる。
【０００９】
素原料としてＰｂ3 Ｏ4 、ＺｒＯ2 、ＴｉＯ2 、ＭｎＣＯ3 、ＮｉＯ、Ｎｂ2 Ｏ5 を表１の組成式の圧電磁器組成物Ａ、Ｂ、Ｃが得られるようにそれぞれ秤量し、それぞれの混合物をそれぞれ４〜３２時間ボールミルで混合・粉砕した。
【００１０】
【表１】
そして、それぞれの混合物を脱水、乾燥して、８００〜９００℃の温度で２時間仮焼した後、得られた粉末にバインダー、分散剤、消泡剤を３〜１０重量％混合ないし加えて８〜１６時間粉砕してスラリーを作製し、ドクターブレード法にて５０〜１５０μｍの厚みのセラミックシートを成形ないし作製した。
【００１２】
圧電磁器組成物Ａ、ＢおよびＣからなるシートＡ、ＢおよびＣを図２（Ａ）〜図２（Ｆ）に示すそれぞれの条件で重ね圧着し、それぞれの成形体を１１００〜１２５０℃で１〜３時間焼成し、得られた焼成体の片主面に＃８００〜＃８０００の研磨を順に施して鏡面研磨し、表面の第１層の厚みが１０〜１００μｍで、素子の総厚みが３００〜７００μｍの圧電性基板を得た。
【００１３】
そして、それぞれの圧電性基板の両主面に櫛形の分極用電極をＡｇ蒸着電極で形成し、分極方向が圧電性基板の表面と平行な方向となるように圧電性基板に分極処理を施した。分極は、６０〜１２０℃のオイル中で２．０〜４．０ｋＶ／ｍｍの電界を３０〜６０分印加して行った。その後、Ａｇ蒸着電極をエッチング液で除去し、分極済みの圧電性基板を得た。
【００１４】
それから、従来と同様の工程で、上述の圧電性基板の片主面にスパッタ蒸着法によりＡｌ電極膜を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることによって、櫛形交差電極を形成した。この場合、櫛形交差電極は、上述の櫛形の分極用電極を形成した方向とは垂直方向に形成した。そして、圧電性基板を所望の大きさにカットすることにより、図２（Ａ）〜図２（Ｆ）に示す各構造からなる圧電性基板ごとに、図３に示す弾性表面波素子（試料）を得た。
【００１５】
それぞれの弾性表面波素子を端子付き治具に固定し、弾性表面波素子と端子とをワイヤーで結合し、インピーダンスアナライザでその特性を評価した。評価した項目は、***振点と共振点のインピーダンス比Ｚａ／Ｚｒ、ＢＧＳ波の電気機械結合係数ｋBGS 、機械的品質係数ＱｍBGS 、および湿中放置前後の共振周波数のシフト量Δｆｒ／ｆｒである。その結果を表２にまとめた。
【００１６】
【表２】
表２において、試料Ａ−１は図２（Ａ）に示す多層構造からなる圧電性基板を有する試料であり、試料Ａ−２は図２（Ｂ）に示す傾斜構造からなる圧電性基板を有する試料であり、試料Ａ−３は図２（Ｃ）に示す単層構造からなる圧電性基板を有する試料であり、試料Ｃ−１は図２（Ｄ）に示す多層構造からなる圧電性基板を有する試料であり、試料Ｃ−２は図２（Ｅ）に示す傾斜構造からなる圧電性基板を有する試料であり、試料Ｃ−３は図２（Ｆ）に示す単層構造からなる圧電性基板を有する試料であり、＊印を付した試料Ａ−３、Ｃ−３は比較例であり、本発明の範囲外である。なお、図４および図５に示すグラフにおいても、同様である。
また、表２において、Δｆｒ／ｆｒ（％）は、雰囲気温度６０℃、湿度９５％Ｒ．Ｈ．の恒温恒湿槽に試料を放置した耐湿試験１０００時間後の共振周波数ｆｒの変化率である。
【００１８】
さらに、これとは別に、それぞれの弾性表面波素子（試料）についてＢＧＳ波のエネルギーの表面付近の分布を有限要素法（ＦＥＭ）によるシュミレーションにより求めた。その結果を図４および図５に示す。
【００１９】
表２において試料Ａ−１、Ａ−２およびＡ−３を比較した場合、どの試料も電気機械結合係数ｋBGS は２０％程度と非常に低いにもかかわらず、比較例の試料Ａ−３と比較して、本発明にかかる試料Ａ−１およびＡ−２では、インピーダンス比Ｚａ／Ｚｒが４５ｄＢ以上であり、良好なフィルタを形成することが可能なインピーダンス比Ｚａ／Ｚｒを確保できることがわかる。
【００２０】
また、図４に示すシュミレーション結果より、本発明にかかる試料Ａ−１およびＡ−２では、比較例の試料Ａ−３と比較して、ＢＧＳ波のエネルギーが表面付近に集中していることがわかる。これは弾性表面波素子において、圧電性基板の厚み方向で、電気機械結合係数ｋが異なる圧電媒体を多層的、あるいは傾斜的に配置させることにより表面近傍の電気機械結合係数ｋのみを低くし、そこから厚み方向へは電気機械結合係数ｋの高い圧電媒体を配置する構造をとることにより、ＢＧＳ波のエネルギーを表面付近に集中させることができることを示している。したがって、電気機械結合係数ｋの低い弾性表面波素子でも、波の表面集中度の低下による圧電性基板内での波の損失を抑制でき、インピーダンス比の低下の小さい弾性表面波素子を構成できる。
【００２１】
次に、表２において試料Ｃ−１、Ｃ−２およびＣ−３を比較した場合、どの試料も電気機械結合係数ｋBGS は４６．５％以上と非常に高いにもかかわらず、比較例の試料Ｃ−３と比較して、本発明にかかる試料Ｃ−１およびＣ−２では、耐湿試験１０００時間後の共振周波数のシフト量が半分以下に低下させ得ることがわかる。
【００２２】
また、図４のシュミレーション結果より、本発明にかかる試料Ｃ−１およびＣ−２では、比較例の試料Ｃ−３と比較して、ＢＧＳ波のエネルギーの過度の表面集中を抑制できていることがわかる。
【００２３】
電気機械結合係数ｋが高い圧電性基板を用いた場合、耐候性、特に耐湿性が悪化し、耐湿試験による周波数の変化が大きくなるという問題は、上述のとおり電気機械結合係数ｋが大きい圧電性基板ではＢＧＳ波の表面集中度が高く、したがって最も湿度や気温による劣化の影響を受けやすい表面付近のみを波が伝播することによる。よって、上述のように、表面付近のみが電気機械結合係数ｋの高い圧電媒体とし、そこから厚み方向へは電気機械結合係数ｋの低い圧電媒体を配置する構造をとることにより、ＢＧＳ波のエネルギーの過度の表面集中を抑制し、耐湿性の優れた、電気機械結合係数ｋの高い弾性表面波素子を構成できる。
【００２４】
なお、本実施例においては、圧電磁器組成物の組成および電気的、機械的な特性の異なる組成物を２層以上重ねた成形体を焼成することにより得られる多層構造、あるいは傾斜構造の圧電性基板が用いられる。この場合、各層の各々の圧電磁器組成物がその界面近傍で、その一部が熱拡散しているような多層構造、あるいは疑似的な傾斜構造を有していると考えられる。つまり、本発明は組成あるいは電気的、機械的な特性の異なる圧電媒体よりなる多層構造、あるいは傾斜構造の圧電性基板を有する弾性表面波素子を構成することにより、弾性表面波のエネルギーの表面集中度を制御する技術を提供し、弾性表面波素子の特性を改善するものである。
【００２６】
なお、本発明と類似の積層構造を有する弾性表面波素子が、特開平９−２０８３９９号以外に特開平９−３１２５４６号、特開平１０−１０７５８１号、特開平１０−１３５７７３号などにも開示されているが、特開平９−２０８３９９号、特開平９−３１２５４６号、特開平１０−１０７５８１号では単結晶基板が用いられ、単結晶の結晶性（格子欠陥、クラック）を改善する効果を狙ったものであり、それらの構成、効果とも本発明とは全く異なることは明白である。また、特開平１０−１３５７７３号では櫛形電極のストレスマイグレーション耐性を向上させるものであり、その構成も非圧電性単結晶を含み本発明にかかる弾性表面波素子とは全く異なり、効果も本発明の弾性表面波のエネルギーの表面集中度の制御とは全く異なっていることは明白である。
【００２７】
【発明の効果】
この発明によれば、ＢＧＳ波を励振させる弾性表面波素子において、その圧電性基板が圧電多結晶体からなり、しかも櫛形交差電極が形成される面に対して垂直な方向に、電気的特性および機械的特性が異なるようにたとえば傾斜するように２層以上積層された弾性表面波素子を構成し、弾性表面波のエネルギーの表面集中度を制御することにより、波の表面集中度に起因する問題、つまり、電気機械結合係数ｋが小さい圧電性基板を用いた場合、弾性表面波のエネルギーの表面集中度が低くなり、インピーダンス比が低下するという問題や電気機械結合係数ｋが高い圧電性基板を用いた場合、弾性表面波のエネルギーが過度に表面集中することにより、耐湿性が悪化するという問題を解決することができる。さらに、この発明のように上記の多層構造や傾斜構造を特に磁器からなる圧電性基板を用いて構成することにより、比較的容易に、しかも低コストにて所望の弾性表面波素子を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における試料の作製工程および評価工程を示す図である。
【図２】本発明の実施例における試料の圧電性基板の構造を示す図解図である。
【図３】本発明の実施例における試料を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施例における試料についてＢＧＳ波のエネルギーの表面付近の分布を有限要素法（ＦＥＭ）によるシュミレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例における他の試料についてＢＧＳ波のエネルギーの表面付近の分布を有限要素法（ＦＥＭ）によるシュミレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ 圧電磁器組成物Ａからなるシート
Ｂ 圧電磁器組成物Ｂからなるシート
Ｃ 圧電磁器組成物Ｃからなるシート
Claims (2)
- 圧電性基板の表面に櫛型交差電極が形成され、前記櫛型交差電極に電気信号を供給することによりＢＳＧ波の弾性表面波が励振される弾性表面波素子において、
前記圧電性基板は、圧電多結晶体からなり、かつ前記櫛型交差電極が形成される面に対して垂直な方向に、電気機械結合係数が異なるように組成の異なる圧電磁器材料からなる２層以上を積層して積層体とし、前記積層体を焼結することにより電気機械結合係数が傾斜するように形成され、前記圧電性基板は、櫛型交差電極が形成されている表面近傍の電気機械結合係数の方が、表面から厚み方向へ向かった側の電気機械結合係数よりも低くなるように形成されていることを特徴とする弾性表面波素子。 - 圧電性基板の表面に櫛型電極が形成され、前記櫛型交差電極に電気信号を供給することによりＢＳＧ波の弾性表面波が励振される弾性表面波素子において、
前記圧電性基板は、圧電多結晶体からなり、かつ前記櫛型交差電極が形成されている面に対して垂直な方向に、電気機械結合係数が異なるように組成の異なる圧電材料からなる２層以上を積層して積層体とし、前記積層体を焼結することにより電気機械結合係数が傾斜するように形成され、前記圧電性基板は、櫛型交差電極が形成されている表面近傍の電気機械結合係数の方が、表面近傍から厚み方向へ向かった側の電気機械結合係数よりも高くなるように形成されることを特徴とする弾性表面波素子。
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