JPS6367363B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は弾性表面波素子に係り、特に焦電性を
有する圧電結晶板上に励振変換器及び受信変換器
が形成された弾性表面波素子に関する。

弾性表面波素子は圧電板上に励振変換器、受信
変換器等を形成したものであり、励振変換器によ
り電気信号を弾性表面波信号に変換し、又受信変
換器により弾性表面波信号を電気信号に変換す
る。そして、かゝる弾性表面波素子はフイルタ、
遅延線、発振器等に利用されている。

第１図はかゝる弾性表面波素子をフイルタに適
用した弾性表面波フイルタの構成の一例を示すも
ので、同図ａは弾性表面波素子の斜視図、同図ｂ
は弾性表面波フイルタを含む一般的フイルタ回路
を図解的に示した図である。弾性表面波フイルタ
は圧電気現象によつて圧電体を伝播する特定の振
動数の弾性表面波を利用してフイルタ機能を持た
せたもので、図中１１は圧電基板であり、この圧
電基板表面にはフオトエツチング等によりアルミ
ニウム等の導電性薄膜がすだれ状に形成されてい
る。そして、一方のすだれ状薄膜は励振変換器１
２Ｓとして、又他方のすだれ状薄膜は受信変換器
１２Ｒとして機能し、圧電基板１１と各すだれ状
薄膜とで弾性表面波素子が形成されている。い
ま、弾性表面波フイルタ１０の励振変換器１２Ｓ
に接続する入力端子１３inに高周波入力信号fin
が入力されたとする。このとき弾性表面波フイル
タ１０の表面を伝播する弾性表面波Ｗの音速をｕ
とすれば該表面波の波長λは λ＝ｕ／ で表わされる。ただし、は前記高周波入力信号
finのうち波すべき周波数である。

ところで励振変換器１２Ｓ側において、入力電
極Ｓから伸びるすだれ状電極１４とアース電極Ｅ
から伸びるすだれ状電極１４′との間に前記高周
波入力信号が印加されるとこれら電極間に存在す
る圧電体が圧電気現象によつて伸縮し表面層に沿
つて弾性表面波を誘起する。したがつて、前式に
示すように波すべき周波数をとし、又入力電
極Ｓから伸びるすだれ状電極１４の配列ピツチ並
びにアース電極Ｅから伸びるすだれ状電極１４′
の配列ピツチを共にλに等しく設定すれば弾性表
面波フイルタ１０の表面には波長λすなわち周波
数の弾性表面波のみが伝播することになり周波
数なる出力信号が出力端子１３outより得られ、
負荷Ｒに送出される。

以上のように動作する弾性表面波フイルタは高
周波数帯域におけるバンドパスフイルタとして特
に有効に利用できるものであり、又その外形寸法
は高々数mm角と小さく極めて有効である。尚、圧
電基板１１としては水晶を用いることができるが
水晶の電気機械結合係数は小さいため低損失の弾
性表面波フイルタの作成が困難である。そこで一
般には電気機械結合係数の大きなLiNbO₃、
LiTaO₃等が圧電基板に用いられている。しか
し、LiNbO₃、LiTaO₃には後述する焦電性とい
う性質があるため急激な温度変化があると、たと
えば３分乃至１時間程度の間に40℃程度の温度変
化があると弾性表面波フイルタの入力端子または
出力端子に放電による複数個の不要パルスが現わ
れ、該フイルタを用いる機器の誤動作を招来す
る。以上、弾性表面波フイルタについて説明した
が、弾性表面波フイルタに限らず一般に焦電性を
有する圧電結晶板を用いた弾性表面波素子の入出
力端子には、急激な温度変化があると焦電性に基
づく放電のために不要パルスが現われる。尚、こ
こで焦電性とは結晶の温度を変化させた時、該温
度変化に対する結晶の自発分極1P（1Pは温度の関
数）の変化分が結晶表面に現われて結晶上の２点
間に電位差を発生する現象をいう。

急激な温度変化があつたとき焦電性の圧電結晶
板を用いた弾性表面波素子の入力端子に不要パル
スが発生するという現象は次のように説明でき
る。即ち、焦電性によつて生じた電荷が結晶の構
造的不均一のために一様ではなくなり結晶表面上
で強電界を作り、その部分の絶縁破壊電圧を越え
ることによつてせん光性を伴つた放電が起り、そ
の放電によつてパルス性の信号が入出力電極で検
出されたものである。

実際、弾性表面波素子基板を−30℃から50℃の
間で急冷又は急熱すると放電によるせん光が観測
され、又温度変化の勾配（時間的温度変化の割
合）を10℃／分乃至１℃／分として温度を変化さ
せるとパルスの発生回数は勾配が急であればある
程多いことが認められた。

第２図はかゝるせん光の発生を説明するもの
で、同図ａ，ｂは共に写真乾板上に記録したせん
光発生状態図で、ａは温度サイクル１周期の間に
おける、ｂは温度サイクル３周期の間におけるせ
ん光発生状態図である。尚、第１図と同一部分に
は同一符号を付しその詳細な説明は省略する。

図中、２１は写真乾板上に白く写つた放電部分
を示すもので、温度サイクル１周期の間では弾性
表面波素子の辺縁部で放電によるせん光が発生
し、３周期後には弾性表面素子の全面で放電によ
るせん光が発生している。

このように焦電性により放電が生じれば、パル
ス性の不要信号が入出力電極で生じ機器の誤動作
を引起こす。

このため、本発明者はかかる放電を防止するこ
とができる弾性表面波素子を既に提案している。
以下、この既提案の弾性表面波素子について説明
する。

第３図は放電発生を説明する説明図、第４図は
第３図の等価回路図であり、図中、３１は焦電性
を有する圧電結晶基板、３２，３３は単位面積を
有する電極、３４，３５はリード線、３６は基板
上の水分、ゴミ等の汚れである。

今、圧電結晶板３１の単位面積当りに生じる自
発分極の大きさをPsとすると、該単位面積から
流れ出す焦電流ipは(1)式によつて表わされる。

ip＝dPs／dt＝dPs／dT・dT／dt (1) 周囲状況が理想的な誘導体で囲まれている場合
にはこの成分は電気変位Ｄの変化として蓄えられ
るが、実際には結晶面上の汚れや水分によつて
除々に放電されると考えられる。第４図は第３図
の等価回路図であり、r_Lは水分、汚れ等による抵
抗、Cxは沿面放電経路の容量、Cdは電極３２，
３３間の結晶の静電容量である。

(1)式中dPs／dTはLiNbO₃の場合、０℃〜400℃間 では一定であり、単位面積当り−４×10^-5（ｑ／
m²）／℃である。従つて、(1)式より温度変化が急
激な程、換言すればdT／dtが大きい程、焦電流ipが 大きくなり、電極３２，３３間の電位差V_Lが大
きくなる。そして、この電位差V_Lが沿面放電電
位Vc（Cxの耐圧電圧に相当する）を越えるとCx
が絶縁破壊を起して急激な放電が起る。以下、こ
の事情を第４図の等価回路を用いて解析する。

等価回路より明らかなように過渡的な電圧V_L
（ｔ）は次式の微分方程式の解として得られる。

（Cd＋Cx）・dV_L／dt＋V_L／r_L＝dPs／dt＝ip (2) ここで、dPs／dtは次式で表わせる。

dPs／dt＝dPs／dT・dT／dt＝Pc・dT／dt (3) 尚、Pcは焦電性定数で、キユーリ点より離れ
た温度において一定値となる。

一般式に(2)式を解くとその解は複雑になるか
ら、以後温度変化が直線的な場合、即ち dT／dt＝α（一定） (4) の場合を考える。従つて、Toを基準温度、α
（℃／sec）を時間公配とすればｔ秒後の温度Ｔは Ｔ＝αt＋To (5) で表現できる。

(3)、(4)式を(2)式へ代入すると （Cd＋Cx）・dV_L／dt＋V_L／r_L＝Pc・α (6) となる。

初期条件V_L（ｏ）＝ｏを考慮して(6)式を解けば、 V_L（ｔ）＝Pc・α・r_L ｛１―exp（−ｔ／（Cd＋Cx）r_L）｝ (7) となる。

尚、特別な場合として、汚れがなく完全な結晶
の場合即ちr_L→∞の理想的な場合にはV_L（ｔ）は
次の微分方程式 （Cd＋Cx）・dV_L／dt＝Pc・α (8) の解として得られ、V_L（ｏ）＝ｏなる初期条件の
もとで、 V_L＝Pc・α・ｔ／（Cd＋Cx） (9) となる。これは理想的な系では焦電気成分が静電
変位成分としてCdおよびCxに蓄えられることを
意味しており、静電気学の教えることに他ならな
い。

しかし、一般には結晶表面にわずかな汚れ等が
あり、r_Lを無視することが出来ないから以後(7)式
に従つて説明する。

(7)式において（ｔ／（Cd＋Cx）r_L）を独立変
数としてV_Lの変化を図示すると第５図のように
なる。今r_L＝r_L0V_Lnax＝Pc・α・r_L0とし、沿面放
電電位Vcを Vc＝0.393・V_Lnax＝0.393・Pc・α・r_L0 (10) とすればｔ／（Cd＋Cx）r_L0＝0.5の時に沿面放電
が生じる。尚、第５図において実線は沿線放電が
生じないとした場合のV_Lであり、Vc＝
0.393V_Lnaxで沿面放電が生じるものとすれば（Cd
＋Cx）への充放電が繰り返えされてV_Lは図中一
点鎖線の如く変化する。

以上から沿面放電経路が不変であり、従つて沿
面放電電位Vcが0.393Pc・α・r_L0と一定であるも
のとすれば、抵抗r_Lを積極的に小さくすることに
よりV_Lを常に沿面放電電位Vc以下にすることが
でき、沿面放電の発生を防止することができると
いえる。即ち、抵抗r_Lの値を何等かの方法でr_L1
（＜r_L0）とし、しかも｜Pc・α・r_L1｜＜｜Vc｜
を満足するようにすればV_Lは第５図中２点鎖線
のように変化してVcを越えることがなく沿面放
電が生じることはない。しかし｜Pc・α・r_L1｜
＜｜Vc｜を満足するような状態を作り出すのは
理想であつて、簡単には実現することはできな
い。たとえば、圧電結晶基板の表面全体を導体を
覆う形にすると目的は達成するが弾性表面波素子
として利用することができない。

ところが実際にはある限られた温度範囲での時
間的変化に耐えられゝば｜Sc・α・r_L1｜＞｜Vc
｜であつてもさしつかえない場合が殆どである。
というのは、以下の理由による。

今、仮りに温度変化開始10分後（to＝10）に60
℃の変化があつたものとすれば（α＝0.1℃／
sec）、時間to後の電圧V_L（to）（このV_L（to）はα
＝0.1℃／sec、r_L＝r_L1として(7)式から求めること
ができる）が沿面放電電位Vcより小さければ、｜
Pc・α・r_L1｜＞｜Vc｜となる抵抗r_L1でも沿面放
電は生じないからである。

従つて、既提案の弾性表面波素子においては、
励振変換器及び受信変換器を含む領域を、沿面放
電を発生せしめない程度の高さの抵抗値を有する
抵抗膜で覆い、その他の領域表面を、前記抵抗膜
の抵抗値より低い抵抗値を有し、金属或いは抵抗
体からなる電気的導体層にて覆うことによりr_Lを
小さくして温度変化に起因する焦電性電圧結晶基
板上に生じる放電を抑圧している。

第６図は該既提案の弾性表面波素子の斜視図で
あり、第１図を同一部分には同一符号を付し、そ
の詳細な説明は省略する。

４１は焦電性の圧電結晶板であり、励振変換器
１２Ｓ及び受信変換器１２Ｒを除き結晶表面には
電気的導体層４２が蒸着等により均一に形成され
ている。又、励振変換器１２ｓ及び受信変換器１
２Ｒの全面にはクロムCr、ニツケルクロムNiCr
或はタングステンＷ等の抵抗膜４３が同様に蒸着
等により均一に形成されている。

第７図は既提案の弾性表面波素子の別の実施例
斜視図であり、第６図と同一部分には同一符号を
付している。第６図と異なる点は抵抗膜４３を励
振変換器１２Ｓと受信変換器１２Ｒ間にも存在さ
せた点である。尚、電気的導体層４２に替えて低
抵抗の抵抗膜を付着してもよく、又圧電結晶板４
１の全結晶表面に抵抗膜４３を付着してもよい。

第８図は更に別の既提案に係る弾性表面波素子
の実施例断面図、全結晶表面に抵抗膜４３を付着
後、底面及び側面に電気的導体層４２を付着した
ものである。

放電現象の解析は結晶板のある特定の２点間
（第３図）について行つたものであるが、実際に
は結晶の不完全性のためには放電は結晶板のいた
るところで生じていると考えられる。従つて、定
量的に放電現象を解明することが困難であるので
実験的に抵抗r_Lを少なくすることによる効果を検
討した。

そして、実験結果によれば60℃／hour程度の
温度勾配ではσ／ｈ＝10¹²Ω以下の抵抗膜４３
（但しσ及びｈはそれぞれ抵抗膜４３の比抵抗及
び膜厚である）をつけ、又12℃／min程度の温度
勾配ではσ／ｈ＝10″Ω以下の抵抗膜をつけ、こ
れ以上の急冷急熱状態ではσ／ｈ＝10¹⁰Ω以下の
抵抗膜を被着せしめれば放電が著しく抑圧され
た。

しかしながら、この既提案の弾性表面波素子に
おいては抵抗膜４３のσ／ｈをいくら小さくして
も放電が完全に消滅せず、依然として残留してお
り、機器の誤動作の原因になつている。

従つて、本発明は放電を完全に除去することが
できる弾性表面波素子を提供することを目的と
し、この目的は焦電性を有する圧電結晶板上に励
振変換器及び受信変換器が形成されてなる弾性表
面波素子において、表面をケミカルポリツシユさ
れ、該表面を除く面と該面に生じたクラツク内壁
面をエツチング溶液によりエツチングされた圧電
結晶板と、前記圧電結晶板の表面に形成された励
振変換器と、前記励振変換器に対応して該圧電結
晶板表面に設けられた受信変換器と、前記励振変
換器及び受信変換器の領域を覆い、かつ圧電結晶
板上に沿面放電を発生せしめない程度の高さの抵
抗値を有する抵抗膜と、前記励振変換器及び受信
変換器の領域を除く領域を覆い、かつ前記抵抗膜
より低い抵抗値と有する電気的導体層と、を有す
ることを特徴とする弾性表面波素子を提供するこ
とにより達成される。

以下、本発明の実施例を図面に従つて詳細に説
明する。

まず、第６図乃至第８図の弾性表面波素子にお
いて放電が完全に消滅しない理由を検討する。

第６図に示す弾性表面波素子に関し、放電の発
生箇所を検討すると圧電結晶基板４１の裏面にお
いて放電が発生していることが観測された。これ
は次の理由によるものである。

LiNbO₃結晶、LiTaO₃結晶等はチヨコラルス
キー法と呼ばれる引上げ法により得られるが、引
上げ時の固液界面の温度分布の不均一さによつて
結晶中にはデイスロケーシヨン層や不純物層とい
つた不完全結晶部分が存在する。このような状態
で自発分極の向きをそろえるための分極処理がな
されても完全な単分域構造とはならず、微視的局
所的には不完全な分域部分が存在していると考え
られる。この不完全結晶部分が放電の電源になつ
ていると考えられるので大小を問わず全ての結晶
表面で放電の可能性がある。

圧電結晶基板４１はこれらの圧電結晶を表面波
励振に適した切断角度で切断し整形することによ
つて得られているが機械的研摩だけ用いたものは
その面上に加工層と呼ばれる無数のクラツク（割
れ目）が入つていることが知られている。通常、
励振変換器１２Ｓ、受信変換器１２Ｒが形成され
る面（以後表面という）は最終的にケミカルポリ
ツシユにより平滑に研摩されるためクラツクは残
存せず、微視的にも加工層のないなだらかな面と
なつている。しかるに、各変換器１２Ｓ，１２Ｒ
が形成されていない面（裏面及び側面）はバルク
波を乱反射させるために粗面に形成されており、
大小のクラツクが無数に存在している。このため
クロム等の電気的導体層を被着しても該電気的導
体層が裏面に存在する非常に細いクラツク内に浸
透して該クラツクを覆うことができず、急激な温
度変化があると焦電性によりクラツク内で局所的
な放電が生じるのである。

第９図は電気的導体層を被着した後における弾
性表面波素子の要部断面拡大図で、第６図と同一
部分には同一符号を付している。図中、５１ａ〜
５１ｃはクラツクであり、クラツク内壁には電気
的導体層４２が被着されておらず、このため前述
の如く、該クラツク５１ａ〜５１ｃ内で局所的な
放電が生じる。

従つて、クラツクの孔径を大きくなだらかな面
にしてやれば電気的導体層にてクラツクの内壁面
をも覆うことができ、前述の理由で放電が完全に
消滅することが推測される。

そこで、本発明においては圧電結晶板たとえば
LiNbO₃、LiTaO₃結晶板の表面をケミカルポリ
ツシユして平滑に研摩し、しかも裏面を粗面化し
た後に、該結晶板の少なくとも裏面をフツ化アン
モニウム（NH₄F）水溶液とフツ化水素（HF）
の混合液、あるいは硝酸（HNO₃）水溶液とHF
の混合液等のエツチング液に10分乃至30分浸漬し
てエツチングを施して加工層を除去し、ついで各
変換器１２Ｓ，１２Ｒを表面に形成し、しかる後
蒸着により電気的導体層４２及び抵抗膜４３を被
着して、第６図乃至第８図に示す弾性表面波素子
を得た。尚、エツチング処理に際して、予め表面
にレジストたとえばAu―Crの蒸着薄膜を被着し、
これにより表面を保護し、しかる後結晶板全体を
エツチング液に浸漬して加工層を除去するように
してもよい。

上記エツチングによりクラツクの孔径は大きく
なり、電気的導体層４２あるいは抵抗膜４３をし
てクラツクの内壁面をカバーせしめることができ
た。そして、実験によれば60℃／hourの温度勾
配に対しσ／ｈ＝10¹²Ω以下の、12℃／minの温
度勾配に対してはσ／ｈ＝10¹¹Ω以下の、それ以
上の急冷急熱状態ではσ／ｈ＝10¹⁰Ω以下の抵抗
膜４３をそれぞれ被着することにより放電を完全
に除去することができた。

第１０図はエツチング後に蒸着により電気的導
体層を被着した場合における本発明に係る弾性表
面波素子の要部拡大図で、第９図と同一部分には
同一符号を付している。第１０図から明らかなよ
うにクラツク５１ａ〜５１ｃの孔径は第９図のも
のに比らべ大きくなつており、その内壁に電気的
導体層４２が被着している。

以上詳細に説明したように、本発明は、圧電結
晶板の表面を除く面と、これらの面に生じたクラ
ツク内壁面をエツチング溶液によりエツチングし
ているのでクラツクが大きくなり、このため圧電
結晶板に被着せしめる電気的導体層がクラツク内
にまで侵入して内壁面に被着される。そして、、
励振変換器及び受信変換器の領域を覆う抵抗膜は
圧電結晶板上に沿面放電を発生せしめない程度の
高さの抵抗値を有しており、また励振変換器及び
受信変換器の領域を除く領域を覆う電気的導体層
は前記抵抗膜の抵抗値より低い抵抗値を有してい
るので、弾性表面波素子のどの面においても温度
の急変による焦電性に基づく放電が発生せず、こ
のため弾性表面波素子から雑音が発生しない。し
たがつて、これを使用する機器が従来のように誤
動作するようなことがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は弾性表面波フイルタの一例を示す説明
図で、同図ａは概略斜視図、同図ｂは弾性表面波
フイルタを含む一般的なフイルタ回路を図解的に
示した図、第２図はせん光の発生を説明する説明
図で、同図ａ，ｂは写真乾板上に記録したせん光
発生状態図、第３図は放電発生を説明する説明
図、第４図は第３図の等価回路図、第５図は焦電
性の圧電基板上の２点間の電位差V_L―時間特性
図、第６図、第７図及び第８図は既提案の弾性表
面波素子の斜視図又は断面図、第９図は既提案の
弾性表面波素子の要部断面拡大図、第１０図は本
発明に係る弾性表面波素子の要部断面拡大図であ
る。 １１…圧電基板、１２ｓ…励振変換器、１２Ｒ
…受信変換器、１４，１４′…すだれ状電極、２
１…写真乾板上の放電部分、３１…焦電性を有す
る圧電結晶基板、３２，３３…電極、３４，３５
…リード線、３６…汚れ、４１…圧電結晶板、４
２…電気的導体層、４３…抵抗膜、５１ａ〜５１
ｃ…クラツク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 焦電性を有する圧電結晶板上に励振変換器及
   び受信変換器が形成されてなる弾性表面波素子に
   おいて、 表面をケミカルポリツシユされ、該表面を除く
   面と該面に生じたクラツク内壁面をエツチング溶
   液によりエツチングされた圧電結晶板と、 前記圧電結晶板の表面に形成された励振変換器
   と、 前記励振変換器に対応して該圧電結晶板表面に
   設けられた受信変換器と、 前記励振変換器及び受信変換器の領域を覆い、
   かつ圧電結晶板上に沿面放電を発生せしめない程
   度の高さの抵抗値を有する抵抗膜と、 前記励振変換器及び受信変換器の領域を除く領
   域を覆い、かつ前記抵抗膜の抵抗値より低い抵抗
   値を有する電気的導体層と、 を有することを特徴とする弾性表面波素子。 ２ 励振変換器及び受信変換器に挾まれた圧電結
   晶板表面部分を抵抗膜にて覆つたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の弾性表面波素子。