JP2002084162A - 弾性表面波装置 - Google Patents
弾性表面波装置Info
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Abstract
面波共振器を実現する。 【解決手段】 電極指交差幅で重み付けされたIDT電
極が圧電基板上に形成され、バスバーの内周をIDT電
極で励振される弾性表面波の群速度の方向と非平行に設
置した弾性表面波共振器において、反射器の電極指と励
振部の電極指を弾性表面波の群速度方向にずらすか、励
振部の外周とバスバーの内周の距離をある長さ以下に制
限する。
Description
られる弾性表面波装置に関する。
れたすだれ状の電極によって構成されるインターディジ
タルトランスデューサ(Interdigital Transducer:以
下IDTと略す)によって、電気信号と弾性表面波(Su
rface Acoustic Wave:以下SAWと略す)との相互変
換を行う素子である。この弾性表面波装置の中でも、特
に弾性表面波共振器(以下SAW共振器と略す)は、小
型、軽量、無調整といった長所があり、通信機器用等の
素子として広く利用されている。
示す平面図である。圧電基板101の表面に、すだれ状
に配列された電極指102、対向して配置されそれぞれ
に前記電極子102が交互に接続されているバスバー1
04、入出力端子となる105および106、および、
バスバーに接続されている電極指102の開放端側で該
電極指102に対向して配置されるとともに対向するバ
スバーに接続されて反射器として機能する電極指10
7、で構成されるIDTが形成されている。入出力端子
105、106間に高周波電気信号を印加すると、すだ
れ状電極で構成された電極指102間に生じる電界によ
って圧電基板101表面にSAWが励振される。励振さ
れたSAWのうち、電極指102の配置周期Pと同じ波
長と、矢印103と平行な波数ベクトルを持つSAW
は、電極指交差部内ですべて位相がそろっているため、
最も強く励振される。図1のSAW共振器では、IDT
の両側からSAWがIDT外部に漏洩するためエネルギ
ー損失が大きく、共振器のQ値が低い。
図ったSAW共振器の電極構成例である(特開平6−8
5602および清水洋、鈴木勇次「格段に小形低容量比
の高結合ラブ波型弾性表面波共振子電子情報通信学会論
文誌 A Vol. J. 75-A No. 3pp. 458-466 1992年3
月)。本例は、電極指102が交差するSAWが励振さ
れる破線で囲って示す菱形の領域108(以下励振部と
呼称する)において、電極指102の交差幅Wが、ID
Tの中央部で最大となり、両端で0となるような重み付
け(アポタイズ)を施すことにより、上記のスプリアス
応答を抑圧している。また、励振部108がIDT両側
で狭く、かつ、電極指102に対向して配置された励振
部108周辺のグレーティングされた電極指107によ
り構成され反射器として機能する反射器109がSAW
を反射するため、IDT両側から外部へのSAWの漏洩
が少い。したがって、エネルギー損失を小さくすること
ができ、Q値を向上させることができる。なお、反射器
109として機能するのは電極指107に限らず、電極
指102のこの領域にある部分も反射器として機能す
る。すなわち、電極子102は励振部として機能する部
分と反射器として機能する部分とが、その存在する場所
によって異なるものとなっている。
ら、IDTの両側部の電極指が平行に向き合った形にな
っている。そのため、IDT両側部の電極指で矢印10
3と平行な波数ベクトルを持つSAWの成分(縦モード
の非調和高次モード成分)が反射され、201のような
波形を持つ定在波が生じる。また、図2の電極構成の共
振器では、反射器109の領域とバスバー104の境界
線が平行に向かい合っている。そのため、矢印103と
垂直な波数ベクトルをもつSAWの成分(横モードの非
調和高次モード成分)が反射器109とバスバー104
の境界線で反射され、202のような波形をもつ定在波
が生じる。これらの定在波は、共振器のインピーダンス
特性にスプリアス応答を生じさせる。
ピーダンス特性の例を図3に示す。本例のSAW共振器
は、圧電基板に15度回転YカットX伝搬ニオブ酸リチ
ウム(以下15°YX−LNと略す)を用い、上記基板
上に蒸着法によりアルミニウムを付着させ、ホトリソグ
ラフィ法およびドライエッチング法によりIDT電極パ
ターンを形成したものである。本図中の112はSAW
共振器の直列共振周波数に相当するピークである。本例
のSAW共振器では、直列共振周波数より低周波側の周
波数領域113に多数のスプリアス応答が生じている。
これらのスプリアス応答は、SAW共振器を電圧制御発
振器(VCO)の発振素子として用いる場合特に問題と
なる。SAW共振器をVCOの発振素子として用いる場
合、SAW共振器に伸長コイルを接続し、SAW共振器
の直列共振周波数より低周波側の周波数領域113で用
いる。VCOの発振周波数帯域のスプリアス応答は周波
数跳びの原因となるため、領域113のスプリアス応答
は致命的な欠陥となる。
W共振器の電極構成例である(礒部敦ら「電圧制御発振
器用広帯域SAW共振器の高Q化」第20回超音波シン
ポジウム pp.63 1999年11月)。本例は、
バスバー104の内側を励振部108の外周と平行に構
成することにより、SAWの伝搬方向に対して定在波の
位相や定在波の生ずる周波数を異なるようにして、スプ
リアス応答を抑制したものである。
AW共振器は、スプリアス応答を強力に抑制している
が、VCOの発振素子として用いるにはまだ問題があ
る。図5は図4に示した従来のSAW共振器のインピー
ダンス特性の例を示したグラフである。本例のSAW共
振器は、圧電基板に15°YX−LNを用い、上記基板
状に蒸着法によりアルミニウムを付着させ、ホトリソグ
ラフィ法およびドライエッチング法によりIDT電極パ
ターンを形成したものである。
示すピーク112より低い周波数領域で、ほとんどスプ
リアス応答のない平坦なインピーダンス特性が得られて
いるが、207MHz付近にリップル111が存在す
る。本例のSAW共振器をVCOの発振素子として用い
ると、上記リップル111の周波数前後に発振周波数の
不連続が生じる。したがって、本例のSAW共振器はリ
ップル111をまたいだ周波数帯のVCOの発振素子と
しては使用できない。
のリップル発生を抑制し、広帯域なVCOに利用可能な
SAW共振器を提供することである。
ピーダンス特性のリップル111の発生原因が、図4に
示したSAW共振器の反射器109によるSAWの散乱
にあると考えた。そこで、この反射器109を構成する
電極指107の配置を、励振部108の電極指102と
相対的にずらす、もしくは反射器109の電極指107
の長さを最適化することによって、リップルの発生を抑
制する方法を提案するものである。
す平面図である。本実施例は、励振部108の電極指1
02と反射器109の電極指107がSAWの群速度方
向103にずれていることを特徴とする。図7は、図6
の丸110で囲った付近の拡大図である。この例では、
励振部108の電極指102と反射器109の電極指1
07のずれ量sは、電極指102の配置周期Pの1/8
としてある。また、電極指102の交差長は中心が最も
長く、両側で最も短くなるようなひし形の重み付けがな
されており、バスバー104の内周が励振部108の外
周と平行になるように配置されている。
の例を図8に示す。本実施例のSAW共振器は、図5で
示したインピーダンス特性を示す従来例のSAW共振器
と同じ製造工程を用いて製作したものであり、圧電基板
も従来例と同じ15°YX−LNで、アルミニウム電極
の膜厚、電極指の配置ピッチも同じである。本実施例で
は、図5で見られたインピーダンス特性のリップル11
1が十分に除去されており、広い周波数帯域で利用可能
なSAW共振器が得られている。
が、sは必ずしもこの大きさである必要はない。発明者
らは、ずれ量sがP/16、P/8、3P/16、P/
4および7P/16の共振器を試作してインピーダンス
特性を評価し、いずれの場合も207MHz付近のリッ
プル111の発生を抑制できることを確認した。
である。本実施例は、電極指102と電極指107のず
れ量sは上記第1の実施例と同じP/8であるが、ずら
す方向を逆向きにしたものである。本実施例も上記第1
の実施例と同等の効果が得られる。
07とは電極子102とが反射器を構成する電極指とし
て機能するので、反射器の電極指はP/2のピッチで配
置されていることとなる。このため、例えばずれ量sに
対して、(数2)で示す関係になるようにずれ量を設定
すると同等の効果が得られるものとなる。
P/8とした場合とは同等の効果が得られる。同様に、
ずれ量がP/16と9P/16の場合と、3P/16と
11P/16の場合、およびP/4と3P/4の場合は
それぞれ同等の効果が得られる。ただし、実際問題とし
ては、隣の電極子を飛越した位置までずらすことは構造
を複雑にするだけであるので、図6で説明したと同様
に、たかだか7P/16程度の範囲で最適値を探すのが
良い。
図である。本実施例は、電極指102の交差部の外周と
バスバー104の内周の距離を最適化することにより、
SAWが励振部外で散乱されないようにしたものであ
る。図11は図10の丸110付近の拡大図である。
外周と、バスバー104の内周の距離の最適条件を説明
する。発明者らは、励振部の電極指の先端601で励振
され、矢印602の方向に伝搬するSAWが、バスバー
104に到達するまでに反射器109として機能する電
極指107の何本により散乱されるかという点に着目し
た。上記のSAWが散乱される電極指107の本数を変
えたSAW共振器を試作して比較検討した結果、10本
以上で上記インピーダンス特性のリップル111が生じ
ることを見いだした。この本数はバスバー104の内周
と電極指102の交差部の電極指までの距離lと、バス
バーの内周とSAWの伝搬方向のなす角θ、および電極
の配置周期Pの関数となる。上記条件をl、θおよびP
を用いた関係式で表現すると、
=0とした場合に相当する。ここで、(数3)において
l=0とした場合には、配置周期P(ただしP≠0)あ
るいはバスバーの内周とSAWの伝搬方向のなす角θの
如何にかかわらず、(数3)は成立する。しかし、SA
W共振器の構造として、例えば、θ≧90°はあり得
ず、Pおよびθは、他の制約によって決まる妥当な値を
選ぶべきことは言うまでもない。
ス特性の例を図12に示す。図12を参照して明らかな
ように、図5で問題にした207MHz付近に存在した
リップル111は表れていない。本実施例のSAW共振
器も、図5で示したインピーダンス特性を示す従来例の
SAW共振器と同等の製造工程を用いて製作したもので
あり、圧電基板およびアルミニウム電極の膜厚、電極指
の配置ピッチも同じである。図5で見られたインピーダ
ンス特性のリップル111が完全に除去されており、広
い周波数帯域で利用可能なSAW共振器が得られてい
る。
図である。本実施例は、励振部108の電極指102の
交差幅Wの重み付けを、余弦関数型にしたものである。
すなわち、励振部108の中心から図の水平方向への距
離xにおける交差幅Wが(数4)と表現されるものとし
た例である。、
図である。本実施例は、励振部108の電極指102の
交差幅Wの重み付けを、余弦関数の2乗型にしたもので
ある。すなわち、励振部の中心から図の水平方向への距
離xにおける、交差幅Wが(数5)と表現されるものと
した例である。
図である。本実施例は、励振部108の電極指102の
交差幅Wの重み付けを、円形の外周をもつ様にしたもの
である。すなわち、励振部の中心から図の水平方向への
距離xにおける、交差幅Wが(数6)と表現されるもの
とした例である。
5)および(数6)の関数型だけでなく、そのほかの交
差幅の重み付け型に対しても有効である。例えば、(数
4)および(数5)の余弦関数を、逆余弦関数に置き換
えたものでも効果が得られる。
て弾性表面波共振器に適用した場合に付いて述べたが、
本発明は上記実施例に限定されるものではない。例え
ば、弾性表面波フィルタ、コンボルバ等、すだれ状電極
を用いた弾性表面波素子に本発明を適用することによ
り、同様の効果を得ることができる。また、上記各実施
例においては、圧電基板にニオブ酸リチウムを用いた
が、例えば、タンタル酸リチウム、水晶、ニオブ酸カリ
ウム、ランガサイトなどを用いてもよく、その場合にも
同様の効果が得られる。
ンス特性にリップルが現れることを抑制できる。このこ
とにより、SAW共振器を広帯域で使用可能なVCOの
発振素子として用いることが可能となる。また、本発明
は電極の形状の変更のみであるので、製造工程を複雑化
することがなく、さらに素子面積増大も伴わないため、
小型で量産性に優れ、低価格で高性能な弾性表面波装置
を提供できる。
面図。
面図。
を示したグラフ。
面図。
を示したグラフ。
を示したグラフ。
図。
特性を示したグラフ。
電極指が満たすべき条件を説明する説明図。
群速度方向を示す矢印、104…バスバー、105…入
力端子、106…出力端子、107…反射器の電極指、
108…励振部、109…反射器、110…拡大する部
分を示す円、111…反射器の散乱によるインピーダン
ス特性のリップル、112…共振器の直列共振周波数に
相当するインピーダンス特性のピーク、113…直列共
振周波数以下の周波数領域、201…横モードの不要定
在波の波形、202…縦モードの不要定在波の波形、6
01…SAWが励振される点を示す説明、602…60
1で励振されたSAWが伝搬する方向を説明する矢印。
Claims (7)
- 【請求項1】圧電性基板と、上記圧電性基板の平面上に
形成された第1と第2のバスバーと、それぞれのバスバ
ーに接続され且つ互いに入り組んだ第1、第2の複数の
電極指とを有するすだれ状電極とを備え、上記すだれ状
電極の上記第1、第2の複数の電極指が交互に配置され
た交差部を有し、上記第1、第2のバスバーと、上記第
1、第2の複数の電極指のグレーティングとの間の各境
界線は、上記すだれ状電極から励振される弾性表面波の
群速度方向と非平行であり、上記交差部の電極指の中心
線が交差部以外の電極指の中心線と一致せず、前記中心
線間の距離が上記交差部の電極指の周期の16分の1倍
以上16分の7倍以下となるように構成されたことを特
徴とする弾性表面波装置。 - 【請求項2】圧電性基板と、上記圧電性基板の平面上に
形成され、第1と第2のバスバーと、該第1のバスバー
に接続された第1の複数の電極指と、該第2のバスバー
に接続された第2の複数の電極指とを有するすだれ状電
極とを備え、上記すだれ状電極の上記第1、第2の複数
の電極指が交互に配置された交差部を有し、上記第1、
第2のバスバーと、上記第1、第2の複数の電極指のグ
レーティングとの間の各境界線は、上記すだれ状電極か
ら励振される弾性表面波の群速度方向と非平行であり、
上記交差部の電極指の先端から、該電極指と垂直に引い
た線が、上記第1、第2のバスバーと、上記第1、第2
の複数の電極指のグレーティングとの間の各境界線と交
差するまでの回数が下記(数1)を満足するものとされ
たことを特徴とする弾性表面波装置。 【数1】 ここでlはバスバーの内周と電極指のグレーティングの
電極指までの距離、θはバスバーの内周とSAWの伝搬
方向のなす角、Pは電極の配置周期である。 - 【請求項3】請求項1または請求項2に記載の弾性表面
波素子において、上記交差部は、アポタイズ法により重
み付けされていることを特徴とする弾性表面波素子。 - 【請求項4】請求項3に記載の弾性表面波素子におい
て、上記交差部の包絡線の形状は菱形であり、上記各境
界線は対応する包絡線とそれぞれ平行であることを特徴
とする弾性表面波素子。 - 【請求項5】請求項3に記載の弾性表面波素子におい
て、上記交差部の包絡線の形状は円弧であり、上記各境
界線は対応する包絡線とそれぞれ平行であることを特徴
とする弾性表面波素子。 - 【請求項6】請求項3に記載の弾性表面波素子におい
て、上記交差部の包絡線の形状は余弦関数曲線であり、
上記各境界線は対応する包絡線とそれぞれ平行であるこ
とを特徴とする弾性表面波素子。 - 【請求項7】請求項1または請求項2に記載の弾性表面
波素子において、上記圧電性基板がニオブ酸リチウムで
形成されていることを特徴とする弾性表面波素子。
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