JP2002314363A - 表面弾性波素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低損失の伝送型表面弾性波フィルタを構成す
ることを可能とする。 【解決手段】 表面弾性波の波長をλとしたときに、前
記正電極指の幅がおよそλ／８で、該正電極指の中心か
ら電極幅Ｗ1が１８／８０λ≦Ｗ1≦２０／８０λの範囲
にある第１の負電極指の中心までの距離ｄ1が２３／８
０λ≦ｄ1≦２５／８０λとなり、さらに電極幅Ｗ2が２
０／８０λ≦Ｗ2≦２６／８０λの範囲にある第２の負
電極指と前記正電極指の中心との距離ｄ2 が５４／８０
λ≦ｄ2≦５５／８０λとなるように表面弾性波の伝搬
方向に沿って、前記各電極を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動体通信機器等
に用いられる表面弾性波素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯電話・携帯端末等の移動体通
信機器が飛躍的に普及しているが、これら端末に用いら
れるフィルタには低損失、広帯域、小型等の特性が求め
られ、これらの特性を満たすデバイスとして単相一方向
性変換器をもつ伝送型表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタが
実用化されている。単相一方向性フィルタにおいては、
励振波と反射波との位相差が、前方（順方向）には同相
となり2つの波が強め合い、反対方向（逆方向）では2つ
の波が打ち消しあうため前方方向のみに表面弾性波が強
く励振される。これにより、送信電極と受信電極の一方
向性の向きを向かい合わせる事により、理論的には1dB
以下の低損失フィルタを実現する事が可能となる。

【０００３】一方向性変換器を実現する手法としては、
非対称な電極構造を用いたEWC-SPUDT、DART−SPUDTが考
案されている。電極構造の非対称性を利用したこれらの
フィルタのほかに、自然一方向性フィルタ（NSPUDT：Ｎ
atural Ｓingle Ｐhase Ｕnidirecitonal Ｔransduce
r）というものがある。自然一方向性フィルタは、基板
結晶の非対称性を利用し一方向性を実現する。このた
め、正規型インターディジタルトランスジューサ（ＩＤ
Ｔ）構造と呼ばれる、電極幅及び電極間隔がともにλ／
４となる正負電極指が周期的に複数連続的に配置された
構造の変換器で一方向性が実現できる。

【０００４】ＳＴ−Ｘ水晶基板上に、正規型ＩＤＴを形
成しても正規型ＩＤＴを励振駆動することにより発生す
る弾性表面波はＳＴ−Ｘ水晶基板上において正規型ＩＤ
Ｔの双方向に伝搬してしまい、一方向性を実現できな
い。つまり、自然一方向性とは、圧電基板表面に正規型
ＩＤＴを形成したときに一方向に弾性表面波が強く励振
される基板の特性を示すものである。この自然一方向性
基板を用いる弾性表面波変換器では、基板自体の異方性
を利用しているため送信側変換器と受信側変換器の順方
向を向かい合わせる事が出来ない。送受信電極間で一方
向性を向かい合わせる事ができなければ低損失なフィル
タを作製することは不可能である。

【０００５】この問題を解決する手段として、竹内氏ら
によって自然一方向性の方向を反転させる電極構造とし
て、特開平８−１２５４８４号公報において、幅がほぼ
λ／８でλのピッチで配列された正および負の電極指
と、この電極指の間にほぼλ／８のエッジ間隔で配置さ
れた電極幅が３／８λの浮き電極によって構成された表
面弾性波変換器が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】表面弾性波デバイスの
特性は、基板として用いられる圧電結晶の特性に依存し
ている。この圧電結晶の特性として電気機械結合係数が
大きいということと、周波数温度特性が良好であること
が重要となる。現在、この2つの特性を同時に満足する
結晶としてランガサイトが注目されている。オイラー角
表示で（φ，θ，ψ）とした時に−５°≦φ≦５°，１
３５°≦θ≦１４５°，２０°≦ψ≦３０°の範囲内に
あるランガサイトは電気機械結合係数が０．３％〜０．
４%であり、周波数温度特性は2次の依存性を示し、室温
付近に頂点温度が存在する。電気機械結合係数はＳＴ水
晶の約3倍であり、周波数温度特性における2次温度係数
は水晶の2倍程度と非常に良好な特性をもち、低損失な
表面弾性波フィルタへの応用が期待される結晶である。

【０００７】オイラー角表示で前記範囲内にあるランガ
サイト単結晶はNSPUDT特性をもち、この基板を用いて低
損失フィルタを実現するには、送受信電極で一方向性の
向きが対向するような電極構造を構成しなければならな
い。そのために、送信電極に電極幅及び電極間隔がとも
にλ/4となる正負電極指が周期的に複数連続的に配置さ
れた正規型ＩＤＴを用いた場合には、受信電極には一方
向性が反転した構造を用いなければならないが、竹内氏
らより提案されている電極構造では、フィルタの低損失
化という要求にこたえることが出来ない。本発明はこの
ような事情に鑑みてなされたものであり、より低損失な
伝送型表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタを構成することを
可能とした、表面弾性波素子を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、自然一方向性を有するよ
うに基板方位及び表面弾性波伝搬方向が選択されたラン
ガサイト単結晶基板表面に形成され、表面弾性波の波長
λの周期内に配設される正電極指と、該正電極指の片側
に配設される第１の負電極指及び第２の負電極指とから
なる表面弾性波変換器を有する表面弾性波素子であっ
て、前記弾性表面波変換器は自然一方向性が反転するよ
うに表面弾性波の伝搬方向に沿って、前記各電極が形成
されていることを特徴とする。

【０００９】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の表面弾性波素子において、前記ランガサイト単
結晶基板は、基板方位及び弾性表面波伝搬方向をオイラ
ー角表示で（φ，θ，ψ）とした時に−５°≦φ≦５
°，１３５°≦θ≦１４５°，２０°≦ψ≦３０°の範
囲内にあること、またはこれと等価な方位であることを
特徴とする。

【００１０】また、請求項３に記載の発明は、請求項２
に記載の表面弾性波素子において、前記表面弾性波変換
器における前記正電極指に対する第１及び第２の負電極
指の位置関係とこれら電極指の幅は、表面弾性波の波長
をλとしたときに、前記正電極指の幅がおよそλ／８
で、該正電極指の中心から電極幅Ｗ1が１８／８０λ≦
Ｗ1≦２０／８０λの範囲にある第１の負電極指の中心
までの距離ｄ1が２３／８０λ≦ｄ1≦２５／８０λとな
り、さらに電極幅Ｗ2が２０／８０λ≦Ｗ2≦２６／８０
λの範囲にある第２の負電極指と前記正電極指の中心と
の距離ｄ2 が５４／８０λ≦ｄ2≦５５／８０λとなる
ことを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。まずランガサイト圧
電基板上に、電極幅及び電極間隔がともにλ/4となる正
負電極指が周期的に複数連続的に配置された、いわゆる
正規型電極（正規型ＩＤＴ）を形成し、これを励振駆動
したときに、自然一方向性を有する原理について図１を
参照して説明する。図1に正規型電極の模式図を示す。
同図において、この正規型電極は、正電極１および負電
極２からなり、正電極１を構成する正電極指1Ａと、こ
の正電極指1Ａの左右に配置された負電極２を構成する
負電極指２Ａ及び２Ｂとの間に電界が発生する。このと
きに、この電界によって励振されることによりランガサ
イト圧電基板に発生した弾性表面波の励振中心は正電極
指１Ａのほぼ中心Ａとなる。

【００１２】また、この電極構造において、周期的に配
置されている電極幅λ／４の電極指が表面弾性波の反射
源となる。反射は音響インピーダンスの不連続に起因す
ることから、それぞれの電極指の端部で表面弾性波が反
射する。このように電極指の両端部の2箇所で表面弾性
波が反射するだが、等価的に電極指の中心で反射すると
考えて支障がない。このとき、反射波の位相が変化す
る。この変化量は、圧電基板の種類とその切断面と表面
弾性波の伝搬方向、さらに電極材料とその厚さに依存す
る。例えば圧電基板にＳＴカットＸ伝搬水晶、金属材料
としてAlを用いたときには反射波の位相が９０°遅れ
る、すなわち位相変化量が９０°となる。

【００１３】これに対して圧電結晶として基板方位及び
表面弾性波伝搬方向をオイラー角表示で（φ，θ，ψ）
とした時に−５°≦φ≦５°，１３５°≦θ≦１４５
°，２０°≦ψ≦３０°の範囲内にある、またはこれと
結晶学的に等価な方位であるランガサイト単結晶を基板
として用い、更に電極材料としてAlを用いて正規型IDT
を形成したときに、電極指によって反射される表面弾性
波の位相変化量は−９０＋２αとなる。この２αを反射
時の位相ずれと考えたときに、この２αに相当する分だ
け反射中心が電極指の中心からずれたとして反射中心を
定義すると、反射中心のずれδは

【数１】 となる。δが正のときには電極指の中心から右側に、負
のときは左側に反射中心がずれる。

【００１４】反射中心と電極指の中心のずれの大きさが
λ／８のときに、正電極指１Ａで励振された波と、隣接
する負電極指２Ａ、２Ｂのそれぞれの反射中心Ｂ、Ｃで
反射された波の点Ａでの位相を図１を用いて考える。ま
ず、Ａ→Ｂ→Ａの経路で反射する波のＡ点での位相は、

【数２】 となり、励振波と同位相である。これに対して、Ａ→Ｃ
→Ａの経路で反射する波のＡ点での位相は

【数３】 となり、励振波と逆位相である。このために、図１の右
方向に表面弾性波が強く励振されることになり、一方向
性が実現される。

【００１５】以上のことから、図２に示すように励振中
心と反射中心の距離が、

【数４】 となったときに、励振中心から反射中心の向きに一方向
性を実現することが可能となる。つまり、任意の結晶
に、表面弾性波が励振可能な周期電極構造（ＩＤＴ）を
形成したときに、その表面弾性波変換器が一方向性を有
するか否かは、励振中心と反射中心の位置が特定できれ
ば断定できる。この励振中心と反射中心の位置はモード
結合理論を用いたときのモード結合パラメータによって
記述される。

【００１６】モード結合パラメータは自己結合係数
κ₁₁、モード間結合係数κ₁₂、励振係数ζ、静電容量C
からなる。ここで、モード間結合係数κ₁₂は

【数５】 と表現され、モード間結合係数κ₁₂の位相分が基準面か
らの反射中心のずれに相当し、そのずれの大きさが(1)
式で表される。また、励振係数ζは

【数６】 となり、基準面から

【数７】 だけ、離れたところに励振中心があると考えてよい。よ
って、反射中心と励振中心の差が(4)式を満たすために
は、モード間結合係数κ₁₂と励振係数ζとの位相の間に

【数８】 という関係があればよい。

【００１７】ここで、竹内氏より特開平８−１２５４８
４号公報において提案された一方向性反転電極構造(TCS
-RDT：Tranduction Center Shift type Reversal of Di
rectivity Transducer 構造と呼ぶ)と本発明の実施の形
態に係る表面弾性波素子の電極構造における励振中心と
反射中心の位置について、モード結合理論より解析した
結果を示す。ここで示すランガサイト基板の切断面・伝
搬方向はオイラー角表示で（０°，１４０°，２４°）
である。また、電極材料としてAlを用いている。図3にT
CS-RDT構造を、図４に本発明の実施の形態に係る表面弾
性波素子の電極構造を示す。

【００１８】図３においてTCS-RDT構造の電極は、正電
極１０と、負電極２０とからなり、表面弾性波の波長を
λとしたときに、正電極１０を構成する正電極指１２、
１４と、負電極２０を構成する負電極指２２、２４は、
共に電極幅がλ／８であり、正電極指１２と負電極指２
４との中心間隔は６λ／８である。また正電極指１２と
負電極指２４との間に設けられた浮き電極３０は、電極
幅が３λ／８であり、正電極指１２と浮き電極３０との
中心間隔ｇは３λ／８である。

【００１９】これに対し、本発明の実施の形態に係る表
面弾性波素子に用いられる表面弾性波変換器の電極は、
図４に示すように正電極１００と、負電極２００とから
なり、表面弾性波の波長をλとしたときに、正電極１０
０を構成する正電極指１０２、１０４の幅がおよそλ／
８で、１つの正電極指１０２の片側（図４では右側）に
第１の負電極指２０２と第２の負電極指２０４が配設さ
れている。ここで正電極指１０２の中心から電極幅Ｗ1
が１８／８０λ≦Ｗ1≦２０／８０λの範囲にある負電
極指２０２の中心までの距離ｄ1が２３／８０λ≦ｄ1≦
２５／８０λであり、さらに電極幅Ｗ2が２０／８０λ
≦Ｗ2≦２６／８０λの範囲にある負電極指２０４と正
電極指１０２の中心との距離ｄ2 は５４／８０λ≦ｄ2
≦５５／８０λである。

【００２０】図５に、TCS-RDT構造及び本発明の実施の
形態に係る表面弾性波素子に用いられる表面弾性波変換
器の電極構造における励振係数ζとモード間結合係数κ
₁₂の位相差（α−β）の電極膜厚依存性を示す。この受
信側電極の電極構造パラメータは、第１の正極指の幅が
およそλ／８であり、電極幅Ｗ１が２０／８０λである
第１の負電極指の中心と第１の正電極指の中心との距離
ｄ1 が２３／８０λである。さらに、電極幅Ｗ２が２６
／８０λである第２の負電極指の中心と第１の正電極指
の中心との距離ｄ2 が５４／８０λとなる。

【００２１】この結果から、TCS-RDT構造では規格化電
極膜厚Ｈ／λ（Ｈは電極膜厚）が０から０．０５の間
で、（α−β）の大きさが、０°付近から−３０°の間
で推移し、式（８）から明らかなように一方向性を最適
化する角度である−４５°まで達しない。これに対し、
本発明の実施の形態に係る電極構造を用いることによ
り、規格化膜厚が約０．０１から０．０５の間のときに
位相差（α−β）の値が、一方向性を最適化する−４５
°となることが判る。

【００２２】また、図６に本発明の実施の形態に係る表
面弾性波素子電極構造と、TCS-RDT構造における規格化
励振係数ζ・λ／２√（ω・Ｃ）の電極膜厚依存性を示
す。本発明の実施の形態に係る表面弾性波素子の電極構
造は、TCS-RDT構造と比較して規格化励振係数の大きさ
が約１０％増加する。励振係数は電気音響変換の変換効
率に相当するために、大きな値が得られるほど低損失な
デバイスの作製が可能となる。

【００２３】本発明の実施の形態に係る表面弾性波素子
の電極構造に対して励振中心と反射中心の位置について
の電極膜厚依存性を図７に示す。図７において上部には
図４に示した表面弾性波素子の電極構造の平面図が、下
部のグラフ中には表面弾性波の伝搬方向の位置関係を明
確にするために上記表面弾性波素子の電極構造の断面図
を平面図に対応させて示している。また、これらの図に
おいて、反射中心は○で、励振中心は×で示してある。
同図に示すように、本発明の実施の形態に係る表面弾性
波素子の電極構造において、反射中心は励振中心に対し
て左側に存在し、両者の距離の差はおよそλ/8となるた
めに一方向性の向きは紙面左側となり、自然一方向性の
向きに対して一方向性が反転することが判る。

【００２４】次に、本発明の実施の形態に係る表面弾性
波素子に用いられる表面弾性波変換器の電極構造を用い
て構成した伝送型表面弾性波フィルタを2種類試作し、
その特性を評価した結果を示す。用いたランガサイト基
板の切断面・伝搬方向はオイラー角表示で（０°，１４
０°，２５°）である。また、電極材料として、Alを用
いた。供試品としての第１の伝送型表面弾性波フィルタ
（フィルタ＃１と記す。）の構成を図８に示す。同図に
おいて、ランガサイト基板３００上には表面弾性波の伝
搬方向（＋Ｘ方向）に沿って、送信電極としての正規型
ＩＤＴ３１０と、受信電極としてのＩＤＴ３２０とが設
けられている。正規型ＩＤＴ３１０は、正電極３１２と
負電極３１４からなり、電極幅及び電極間隔がともにλ
／４となる正電極指３１３と負電極指３１５が周期的に
複数連続的に配置されるように形成され、NPUDT特性を
利用して一方向性を実現している。

【００２５】また、受信電極としてのＩＤＴ３２０は本
発明の実施の形態に係る表面弾性波素子の電極構造を用
いており、正電極３２２及び負電極３２４からなる。こ
の受信側電極の電極構造パラメータは、正電極指３２３
の幅がおよそλ/8で、この正電極指３２３の中心から、
電極幅Ｗ1が２０／８０λである第１の負電極指３２５
の中心までの距離ｄ1が２３／８０λである。さらに、
電極幅Ｗ2が２６／８０λである第２の負電極指３２４
の中心と第１の正電極指３２３の中心との距離ｄ2が５
４／８０λである。

【００２６】一方、供試品としての第２の伝送型表面弾
性波フィルタ（フィルタ＃２と記す。）は、送信電極に
は前記第１の伝送型表面弾性波フィルタと同じ正規型Ｉ
ＤＴを用い、受信電極には図３に示したTCS-RDT構造の
ＩＤＴを用いた。両フィルタは、図８に示されるように
送受信電極の一方向性が対向するように配置されてい
る。またランガサイト基板３００の両端には、端部での
弾性表面波の反射を吸収するためのダンパー剤３４０が
塗布されている。フィルタ＃１、２の電極指の周期長λ
は、３２．１５μｍで電極Al膜厚は５０００Åである。
送受信電極には間引き重み付けを施している。

【００２７】フィルタ＃１及びフィルタ＃２の周波数特
性の測定結果を図９に示す。図９から本発明フィルタの
通過帯域最小挿入損失、帯域内リップル、帯域内遅延リ
ップルともに改善されていることが判る。具体的には表
１に示すように、通過帯域最小挿入損失はフィルタ＃１
が−７．８ｄＢであるのに対して、フィルタ＃２は−
９．０ｄＢであり、帯域内リップルはフィルタ＃１が
０．２１ｄＢであるのに対して、フィルタ＃２では０．
５８ｄＢである。また帯域内遅延リップルはフィルタ＃
１が６７．３n secであるのに対して、フィルタ＃２で
は８０．０n secである。

【表１】

【００２８】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、自然一方向性を有するように基板方位及び表面弾性
波伝搬方向が選択されたランガサイト単結晶基板表面に
形成され、表面弾性波の波長λの周期内に配設される正
電極指と、該正電極指の片側に配設される第１の負電極
指及び第２の負電極指とからなる表面弾性波変換器を有
する表面弾性波素子であって、前記弾性表面波変換器は
自然一方向性が反転するように表面弾性波の伝搬方向に
沿って、前記各電極を形成するようにしたので、電極構
造を特定するためのパラメータ、すなわち前記第１、第
２の正電極指及び第１、第２の負電極指の幅、前記第１
の正電極指と第１、第２の負電極指との中心間距離を適
切に選択することにより、低損失の伝送型表面弾性波フ
ィルタを構成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 正規型ＩＤＴの電極構造を示す平面図。

【図２】 図１に示す正規型ＩＤＴにより一方向性を実
現するための励振中心と反射中心の位置関係を示す説明
図。

【図３】 従来のTCS-RDT 構造のＩＤＴを示す平面図。

【図４】 本発明の実施の形態に係る表面弾性波素子に
用いられるＩＤＴの電極構造を示す平面図。

【図５】 励振係数ζとモード間結合係数κ₁₂の位相差
（α−β）の電極膜厚依存性を示す特性図。

【図６】 規格化励振係数の電極膜厚依存性を示す特性
図。

【図７】 本発明の実施の形態に係る表面弾性波素子に
用いられるＩＤＴにおける励振中心と反射中心の位置の
電極膜厚依存性を示す特性図。

【図８】 本発明を適用した伝送型表面弾性波フィルタ
の構成を示す平面図。

【図９】 本発明を適用した伝送型表面弾性波フィルタ
と、TCS-RDT 構造のＩＤＴを受信電極とした伝送型表面
弾性波フィルタの周波数特性を示す特性図

【符号の説明】

１、 １０、１００ 正電極 １Ａ 、１２、１４、１０２、１０４ 正電極指 ２、２０、２００ 負電極 ２Ａ、２Ｂ、２２、２４、２０２，２０４ 負電極指

フロントページの続き (72)発明者 豊後 明裕 埼玉県秩父郡横瀬町大字横瀬2270番地 三 菱マテリアル株式会社総合研究所情報エレ クトロニクス研究所内 Ｆターム(参考） 5J097 AA01 AA15 BB11 CC15 DD04 DD05 DD28 FF01 GG01 GG05 KK05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自然一方向性を有するように基板方位及
   び表面弾性波伝搬方向が選択されたランガサイト単結晶
   基板表面に形成され、表面弾性波の波長λの周期内に配
   設される正電極指と、該正電極指の片側に配設される第
   １の負電極指及び第２の負電極指とからなる表面弾性波
   変換器を有する表面弾性波素子であって、 前記弾性表面波変換器は自然一方向性が反転するように
   表面弾性波の伝搬方向に沿って、前記各電極が形成され
   ていることを特徴とする表面弾性波素子。
2. 【請求項２】 前記ランガサイト単結晶基板は、基板方
   位及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で（φ，
   θ，ψ）とした時に−５°≦φ≦５°，１３５°≦θ≦
   １４５°，２０°≦ψ≦３０°の範囲内にあること、ま
   たはこれと等価な方位であることを特徴とする請求項１
   に記載の表面弾性波素子。
3. 【請求項３】 前記表面弾性波変換器における前記正電
   極指に対する第１及び第２の負電極指の位置関係とこれ
   ら電極指の幅は、表面弾性波の波長をλとしたときに、
   前記正電極指の幅がおよそλ／８で、該正電極指の中心
   から電極幅Ｗ1が１８／８０λ≦Ｗ1≦２０／８０λの範
   囲にある第１の負電極指の中心までの距離ｄ1が２３／
   ８０λ≦ｄ1≦２５／８０λとなり、さらに電極幅Ｗ2が
   ２０／８０λ≦Ｗ2≦２６／８０λの範囲にある第２の
   負電極指と前記正電極指の中心との距離ｄ2 が５４／８
   ０λ≦ｄ2≦５５／８０λとなることを特徴とする請求
   項２に記載の表面弾性波素子。