JP2006108901A - 一方向性弾性表面波変換器及びそれを用いた弾性表面波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】励振電極間にＰＮＲ（Positive and Nagative Reflectivity：正負反射型反射エレメント）を配置した一方向性ＳＡＷ変換器及びそれを用いたＳＡＷデバイスにおいて、優れた群遅延時間偏差及び低リップル化を実現することを目的とする。
【解決手段】ＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器１は、外部端子４に接続されたバスバー２より伸長する正電極指Ｔ１、Ｔ２と接地されたバスバー３より伸長する負電極指Ｔ３、Ｔ４を一対とするスプリット電極１０と、前記バスバー２、３のどちらにも電気的に接続されていない開放型浮き電極Ｏ１、Ｏ２と短絡型浮き電極Ｓ１、Ｓ２からなるＰＮＲ１１から構成されており、ＰＮＲ１１の電極周期をλ１、スプリット電極１０の電極周期をλ２とした時、電極周期偏倚率ｄ＝（λ１−λ２）／λ１を０＜ｄ≦０．０３８の範囲に設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、励振電極間に浮き電極を配置しＳＡＷの励振を一方向にした一方向性弾性表面波変換器及びそれを用いた弾性表面波デバイスに関する。

近年、弾性表面波（以下、ＳＡＷと称す）デバイスは通信分野で広く利用され、高性能、小型、量産性等の優れた特徴を有することから特に携帯電話等に多く用いられる。また、画像等のデータ通信の需要増により、携帯電話に用いられるＩＦフィルタにはより広帯域で低リップル、良好な群遅延時間偏差が要求され、このような厳しい仕様を満たすフィルタとしてはトランスバーサルＳＡＷフィルタが適している。

図５は従来のトランスバーサルＳＡＷフィルタの平面図を示している。圧電基板１０１の主表面上にＳＡＷの伝搬方向に沿って入力用ＩＤＴ電極１０２と出力用ＩＤＴ電極１０３を所定の間隔をあけて配置すると共に、該ＩＤＴ電極１０２、１０３の間に入出力端子間の直達波を遮蔽するためのシールド電極１０４を配置する。前記ＩＤＴ電極１０２、１０３は互いに間挿し合う複数の電極指を有する一対のくし形電極より構成されており、ＩＤＴ電極１０２の一方のくし形電極を入力端子ＩＮに接続すると共に他方のくし形電極は接地し、ＩＤＴ電極１０３の一方のくし形電極を出力端子ＯＵＴに接続すると共に他方のくし形電極を接地している。また、基板端面からの不要な反射波を抑圧するために、圧電基板１０１の長辺方向（ＳＡＷの伝搬方向）の両端に粘着材１０５を塗布している。

しかしながら、図５に示すようなくし形電極を正、負、正と順番に並べた所謂シングル（ソリッド）型のＩＤＴ電極の場合、ＳＡＷは伝搬方向に沿って左右に等しく伝搬するためフィルタの挿入損失が大きくなってしまうという問題があった。

この問題を解決すべく、M.Lewis: Low Loss SAW Devices Employing Single Stage Fabrication, IEEE Ultrason.Symp.Proc., pp.104-108 (1983).及び特許第２０８５０７２号公報、特許第２９８４５２３号公報、特許第３３４５６０９号公報に開示されているＩＤＴ電極内部に浮き電極を配置し、ＳＡＷの励振方向を一方向性としたＳＡＷ変換器（以下、反射バンク型ＳＡＷ変換器と称す）が考えられた。図６は前記反射バンク型ＳＡＷ変換器を示したものである。反射バンク型ＳＡＷ変換器１１２は、外部端子１１５に接続されたバスバー１１３から伸長する正電極指と接地されたバスバー１１４から伸長する負電極指を交互に配置したシングル電極１１６と、前記バスバー１１３、１１４のどちらにも電気的に接続されていない開放型の浮き電極１１７から構成されている。弾性表面波の波長をλとした時、シングル電極１１６の正電極指と負電極指の中心間距離及び浮き電極１１７の隣り合う電極指の中心間距離をそれぞれλ／２としている。そして、浮き電極１１７の位置をシングル電極１１６の中心からλ／２だけ離れた位置からλ／８だけ右側にずらすことにより、図中左側に強くＳＡＷが励振する一方向性ＳＡＷ変換器として動作し挿入損失の劣化を防ぐことができる。

ただし、前述のようにシングル電極１１６をλ／２の周期で配置すると、シングル電極１１６の内部でＳＡＷの反射が重畳してしまうという問題があった。ＳＡＷの反射が重畳すると理想的な一方向性ＳＡＷ変換器としての機能が損なわれ、フィルタの反射帯域の下端周波数、もしくは上端周波数のどちらか一方で強い反射が生じて伝達応答が非対称となってしまい、中心周波数に対し対称な伝達応答が求められるトランスバーサルＳＡＷフィルタにおいて問題となっていた。

そこで、図７に示すようなスプリット電極を用いた一方向性ＳＡＷ変換器が考えられた。一方向性ＳＡＷ変換器１２２は、外部端子１２５に接続されたバスバー１２３から伸長する２本の正電極指と、接地されたバスバー１２４から伸長する２本の負電極指を交互に配置したスプリット電極１２６と、前記バスバー１２３、１２４のどちらにも電気的に接続されていない開放型の浮き電極１２７から構成されている。また、スプリット電極１２６の正電極指と負電極指の中心間距離、及び浮き電極１２７の隣り合う電極指の中心間距離をλ／２としている。そして、浮き電極１２７の位置を隣接するスプリット電極１２６の中心位置からλ／２だけ離れた位置からλ／８だけ右側にずらすことにより、図中左側に強くＳＡＷが励振する一方向性ＳＡＷ変換器として動作し、対称な伝達応答を得ることができる。

ところで、図７に示すスプリット電極１２６の各々の電極指幅は通常λ／８で形成されるが、スプリット電極１２６と浮き電極１２７との間隔Ｇが零に近づくと、近接効果により間隔Ｇに隣接する電極指端のＳＡＷの反射が急激に小さくなり一方向性変換器としての機能が大きく損なわれる。そのため、間隔Ｇは少なくともλ／１６以上の間隔が必要であり、その結果、間隔Ｇに隣接する浮き電極Ｆ１の幅をλ／４以下にする必要がある。しかしながら、浮き電極Ｆ１の幅をλ／４以下としてしまうと、反射効率が劣化してしまい一方向性ＳＡＷ変換器としての機能を十分発揮できないという問題があった。

また、図７における間隔Ｇを１λ以上離して配置すれば浮き電極Ｆ１の幅の制限はなくなるが、減衰傾度が急峻な伝達応答を得るためにはスプリット電極１２６と浮き電極１２７がある程度隣接しなければならない。また、スプリット電極と浮き電極の間隔を１λ以上広くあけてしまうとチップサイズの増大が避けられない。
特許第２０８５０７２号公報 特許第２９８４５２３号公報 特許第３３４５６０９号公報 特願２００４−５２３２２号 特開昭６０−２６３５０５号公報 M.Lewis: Low Loss SAW Devices Employing Single Stage Fabrication, IEEE Ultrason.Symp.Proc., pp.104-108 (1983). M.Takeuchi and K.Yamanouchi: New Type of SAW Reflectors and Resonators Consisting of Reflecting Elements with Positive and Negative Reflection Coefficients, IEEE Trans.Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr.,vol.33, No.4, pp.369-374 (1986).

前記問題を解決すべく、出願人は特願２００４−５２３２２号にてＰＮＲ（Positive and Nagative Reflectivity：正負反射型反射エレメント）型一方向性ＳＡＷ変換器を発明した。これは、図７に示す浮き電極１２７をM.Takeuchi and K.Yamanouchi: New Type of SAW Reflectors and Resonators Consisting of Reflecting Elements with Positive and Negative Reflection Coefficients, IEEE Trans.Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr.,vol.33, No.4, pp.369-374 (1986).及び特開昭６０−２６３５０５号公報にて開示されているＰＮＲ構造で置き換えた構造である。図８は前記ＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器を示しており、外部端子１３４に接続されたバスバー１３２から伸長する正電極指Ｔ１、Ｔ２と、接地されたバスバー１３３から伸長する負電極指Ｔ３、Ｔ４とからなるスプリット電極１３５を第１の基本区間とし、前記バスバー１３２、１３３のどちらにも電気的に接続されていない開放型浮き電極Ｏ１、Ｏ２と短絡型浮き電極Ｓ１、Ｓ２とからなるＰＮＲ１３６を第２の基本区間とした時、前記第１と第２の基本区間を少なくとも１つ含んだ構造である。そして、ＰＮＲ１３６の位置を隣接するスプリット電極１３５の正（負）電極指の中心位置からλ／２だけ離れた位置からλ／８だけ右側にずらす、即ち、図８によれば正電極指Ｔ１、Ｔ２の中心と開放型浮き電極Ｏ１の中心との距離を３λ／８にすることにより図中左側に強くＳＡＷが励振する一方向性ＳＡＷ変換器として動作させている。なお、この時のスプリット電極１３５とＰＮＲ１３６の電極周期は等しくλとしている。

前述の特願２００４−５２３２２号によると、ＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器を適用することによりスプリット電極に隣接する浮き電極の幅をλ／４以下と狭くしても高い反射効率が得られるので、製造効率の向上、及びデバイスサイズの小型化に効果があると開示している。

ところで、前記ＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器において、スプリット電極とＰＮＲとでは位相速度が異なっている為、これらを組み合わせて一方向性ＳＡＷ変換器を形成した場合に部分的に位相速度が変化してしまい、通過帯域内のリップル及び群遅延時間偏差が劣化してしまう欠点があった。そこで、本発明では前記ＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器において、通過帯域内のリップルを小さくし、優れた群遅延時間偏差を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る一方向性ＳＡＷ変換器及びそれを用いたＳＡＷ変換器の請求項１に記載の発明は、圧電基板上に配置して弾性表面波素子を構成するための弾性表面波変換器であって、前記弾性表面波変換器は基本区間を複数個連結した構成を備えており、第１の基本区間を第１乃至第４の４つの浮き電極を順番に配置すると共に第１と第３の浮き電極同士或いは第２と第４の浮き電極同士を短絡したものとし、第２の基本区間を正電極指２本と負電極指２本を一対としたスプリット電極を配置したものとした時、前記第１と第２の基本区間を少なくとも１つ含んでおり、前記第１の基本区間の電極周期をλ１、前記第２の基本区間の電極周期をλ２とした時にλ１とλ２とは互いに異なっており、電極周期偏倚率ｄをｄ＝（λ１−λ２）／λ１とした時に０＜ｄ≦０．０３８の範囲に設定することを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、前記一方向性弾性表面波変換器において、電極周期偏倚率ｄを０＜ｄ≦０．０２９の範囲に設定することを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、前記圧電基板に１２８°回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウムを用いることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、前記一方向性弾性表面波変換器を弾性表面波デバイスに用いることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、ＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器において、ＰＮＲとスプリット電極の電極周期を互いに異ならせて、電極周期偏倚率ｄを０＜ｄ≦０．０３８に設定したので、優れた群遅延時間偏差を実現できる。

請求項２に記載の発明によれば、ＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器において、ＰＮＲとスプリット電極の電極周期を互いに異ならせて、電極周期偏倚率ｄを０＜ｄ≦０．０２９に設定したので、優れた群遅延時間偏差と低リップル化を同時に実現できる。

請求項３に記載の発明によれば、圧電基板に１２８°回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウムを用いることにより、フィルタを構成した場合に広帯域な特性を実現できる。

請求項４に記載の発明によれば、前記一方向性ＳＡＷ変換器をＳＡＷデバイスに用いることにより、優れた群遅延時間偏差と低リップル化を実現したＳＡＷデバイスを提供することができる。

以下、本発明を図面に図示した実施の形態例に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係るＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器の一部分を示しており、基本的な電極構造は図８に示す従来構造と同じである。即ち、ＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器１は、外部端子４に接続されたバスバー２より伸長する正電極指Ｔ１、Ｔ２と接地されたバスバー３より伸長する負電極指Ｔ３、Ｔ４から構成されるスプリット電極１０を第１の基本区間とし、前記バスバー２、３のどちらにも電気的に接続されていない開放型浮き電極Ｏ１、Ｏ２と短絡型浮き電極Ｓ１、Ｓ２からなるＰＮＲ１１を第２の基本区間とした時に、前記第１と第２の基本区間を少なくとも１つ含んだ構造となっている。なお、本実施例においては、圧電基板に広帯域な特性が実現できる１２８°回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板を用いている。

本発明の特徴は、ＰＮＲ１１の電極周期λ１とスプリット電極１０の電極周期λ２とを互いに異ならせて一方向性ＳＡＷ変換器を構成したところにある。即ち、スプリット電極とＰＮＲの位相速度が異なっているので、双方の表面波の周波数が同一となるように電極周期を調節すればフィルタ特性を改善できると推測したのである。

ここで、ＰＮＲ１１の電極周期λ１に対する電極周期偏倚率ｄをｄ＝（λ１−λ２）／λ１とし、電極周期偏倚率ｄを変化させた時の通過帯域のリップルの変化を調べた。図２は、電極周期偏倚率ｄと通過帯域内のリップル（ｄＢ）との関係を示している。なお、ｄ＝０は電極周期偏倚率を変えていない従来構造を意味する。同図から、０＜ｄ≦０．０２９において従来構造よりリップルが低くなり、０．０１≦ｄ≦０．０２の範囲において最小値を取ることが分かる。特に、ｄ＝０．０１５とした場合には、リップルは約０．５ｄＢとなり、従来のｄ＝０のリップル１．３ｄＢと比較して０．８ｄＢもリップルが改善されていることが分かる。

従って、ＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器において、ＰＮＲの電極周期λ１とスプリット電極の電極周期λ２とを互いに異ならせ、電極周期偏倚率ｄを０＜ｄ≦０．０２９に設定することにより、従来構造よりもリップルが小さくなることが判明した。

図３は、図１に示すＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器を用いたトランスバーサル型ＳＡＷフィルタにおいて電極周期偏倚率ｄをｄ＝０．０１５とした時の通過特性を示している。実線はｄ＝０．０１５とした時の特性、点線は比較の為のｄ＝０とした時の従来構造の特性である。なお、圧電基板は１２８°回転ＹカットＸ伝搬ＬＮ基板を用い、中心周波数を４０（ＭＨｚ）としている。同図に示すように、ｄ＝０．０１５とした方がリップルが小さく、通過帯域が平坦となっているのが分かる。

次に、電極周期偏倚率ｄを変化させた時の通過帯域の群遅延時間偏差について調べた。図４は、電極周期偏倚率ｄと群遅延時間偏差（ｎｓ）との関係を示している。なお、ｄ＝０は電極周期偏倚率を変えていない従来構造を意味する。同図から、０＜ｄ≦０．０３８の範囲において従来構造より群遅延時間偏差が小さくなり、０．０１≦ｄ≦０．０３の範囲内で最小値を取ることが分かる。特に、ｄ＝０．０２とした場合に群遅延時間偏差は９６（ｎｓ）と最小値を取り、ｄ＝０とした従来構造と比較して約２０（ｎｓ）も群遅延時間偏差が改善されていることが分かる。

以上から、ＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器において、ＰＮＲの電極周期λ１とスプリット電極の電極周期λ２とを互いに異ならせ、電極周期偏倚率ｄを０＜ｄ≦０．０３８に設定することにより、従来構造よりも群遅延時間偏差が小さくなることが判明した。また、電極周期偏倚率ｄを０＜ｄ≦０．０２９に設定すれば、リップル及び群遅延時間偏差の両方を同時に低減できる。

これまで圧電基板に１２８°回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウムを用いた例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、圧電基板に水晶、タンタル酸リチウム、四硼酸リチウム、ランガサイト等に用いた場合にも適用できることは言うまでもない。また、本発明の一方向性ＳＡＷ変換器をトランスバーサルＳＡＷフィルタ以外のフィルタ形式にも適用できることは言うまでもない。

本発明に係るＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器を説明する図である。 電極周期偏倚率ｄに対するリップルの変化を示した図である。 本発明に係るＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器と従来構造の通過特性の比較を説明する図である。 電極周期偏倚率ｄに対する群遅延時間偏差の変化を示した図である。 従来のトランスバーサルＳＡＷフィルタを説明する図である。 従来の反射バンク型一方向性ＳＡＷ変換器を説明する図である。 従来の励振電極にスプリット電極を用いた反射バンク型一方向性ＳＡＷ変換器を説明する図である。 従来のＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器を説明する図である。

符号の説明

１：ＰＮＲ型一方向性ＳＡＷ変換器
２、３：バスバー
４：外部端子
１０：スプリット電極
１１：ＰＮＲ
Ｔ１、Ｔ２：正電極指
Ｔ３、Ｔ４：負電極指
Ｏ１、Ｏ２：開放型浮き電極
Ｓ１、Ｓ２：短絡型浮き電極

Claims (4)

1. 圧電基板上に配置して弾性表面波素子を構成するための弾性表面波変換器であって、
   前記弾性表面波変換器は基本区間を複数個連結した構成を備えており、第１の基本区間を第１乃至第４の４つの浮き電極を順番に配置すると共に第１と第３の浮き電極同士或いは第２と第４の浮き電極同士を短絡したものとし、第２の基本区間を正電極指２本と負電極指２本を一対としたスプリット電極を配置したものとした時、前記第１と第２の基本区間を少なくとも１つ含んでおり、
   前記第１の基本区間の電極周期をλ１、前記第２の基本区間の電極周期をλ２とした時にλ１とλ２とは互いに異なっており、電極周期偏倚率ｄをｄ＝（λ１−λ２）／λ１とした時に０＜ｄ≦０．０３８の範囲に設定することを特徴とした一方向性弾性表面波変換器。
2. 前記一方向性弾性表面波変換器において、電極周期偏倚率ｄを０＜ｄ≦０．０２９の範囲に設定することを特徴とした請求項１に記載の一方向性弾性表面波変換器。
3. 前記圧電基板に１２８°回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウムを用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載の一方向性弾性表面波変換器。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の一方向性弾性表面波変換器を用いた弾性表面波デバイス。
   

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