JP2008022227A - 弾性表面波フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】特性劣化が少なく、小型化が可能なランタンガリウム珪酸塩結晶基板を用いた弾性表面波フィルタを提供することを目的とする。
【解決手段】直交系結晶軸（ｘ，ｙ，ｚ）をオイラー角（φ，θ，ψ）によって座標変換を行った後の座標系を（ｘ１，ｘ２，ｘ３）とすると、ｘ３軸に垂直な結晶切断面が基板表面となり、ｘ１軸が弾性表面波の伝搬方向となるランガサイト基板１０が得られる。弾性表面波フィルタ１００には、このようなランガサイト基板１０上に斜め電極指を構成する入力側すだれ状電極１２，１４と、同様に斜め電極指を構成する出力側すだれ状電極１６，１８と、が位相速度の伝搬方向であるｘ１軸に対してパワーフロー角（ＰＦＡ）傾けた群速度の伝搬方向に沿って配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波を利用して所定の信号処理を行う弾性表面波フィルタに関し、特にランタンガリウム珪酸塩結晶基板を用いた弾性表面波フィルタに関する。

弾性表面波フィルタは、高周波回路を有する通信装置、携帯電話機、無線ＬＡＮ等のＩＦフィルタをはじめ各種フィルタに利用されている。弾性表面波フィルタで用いる弾性表面波は、圧電性基板の表面に振動エネルギーが伝搬する波であり、弾性表面波の波長が電磁波の波長に比べて非常に小さいため、フィルタの小型化が可能である。また、弾性表面波は、振動エネルギーが圧電性基板の表面に集中することから基板表面に形成されたすだれ状電極によって容易に励振・受信が可能である。

弾性表面波フィルタに用いられる圧電性基板は、圧電性材料の単結晶から所定のカット角で切り出し、弾性表面波が伝搬する圧電性基板が形成される。圧電性材料として、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、四ほう酸リチウム、ランガサイト系化合物などがある。一般に、圧電性材料の単結晶に対して基板表面をどの角度に設定し、弾性表面波を基板表面のどの方向に伝搬させるかによって、例えば、弾性表面波速度（Ｖｓ）、電気機械結合係数（ｋ²）、遅延時間温度係数（ＴＣＤ）、異方性定数（γ）、パワーフロー角（ＰＦＡ）などの圧電性基板の各特性が変化する。

パワーフロー角とは、すだれ状電極によって弾性表面波が励振されたときに伝搬する位相速度と群速度の方向の違いを表す角度である。異方性を有する基板では弾性表面波の伝搬する伝搬速度（音速）が不均一となるため、例えば音速の大きな方向に伝搬する弾性表面波は音速の小さい方向に伝搬する弾性表面波に引きずられて弾性表面波の位相速度伝搬方向と弾性表面波のエネルギー伝搬方向である群速度伝搬方向とが異なる現象が発生する。

ここで、ランガサイト系化合物は水晶と同じ三方晶系であり電気機械結合係数が水晶よりも大きく、周波数温度安定性に優れ、すだれ状電極を形成するのに適した表面加工が容易である。例えば、ランガサイト系化合物であるランタンガリウム珪酸塩結晶から所定のカット角で切り出された基板は、弾性表面波が伝搬するときに波が拡がらないという性質（異方性定数γ＝−１）を有しており、パワーフロー角も小さく、位相速度伝搬方向と群速度伝搬方向とが同じ方向にそろえ易いことから弾性表面波フィルタの基板として注目されている。

特許文献１には、例えば指定範囲の中間に近い条件において、オイラー角表示で（０°，１３５°，２８°）で切り出されたランガサイト基板は好適な結果が得られることが示されており、γ＝−１、パワーフロー角がほぼ０°付近であることも示されている。

また、近年、弾性表面波の伝搬方向を観察する技術が開発されており、非特許文献１には、レーザヘテロダイン干渉による弾性表面波の可視化に関する技術が示されている。このような技術を用いることにより、パワーフロー角の測定も可能となっている。

特表２０００−５０３１８９号公報 図３ 千葉孝雄，「ヘテロダイン干渉計法による弾性表面波デバイス内の振動分布の光学測定」，電子情報通信学会論文誌，２００３年１２月，C ，Vol.J86-C，No.12，pp. 1302-1308

通信装置の高機能化に伴い、弾性表面波フィルタの小型化とフィルタ特性の向上が望まれている。しかし、斜め電極指を有する弾性表面波フィルタは、電極指の開口を狭くすることで基板を小型化することは可能となるが、フィルタ性能が劣化するという問題があった。

また、斜め電極指を用いた弾性表面波フィルタでは、周波数の弁別特性を向上させるために斜め電極指の電極対数を増やすことで対応しているが、従来の弾性表面波フィルタでは電極対数を増やすと電極指の開口を広くする必要があり、フィルタの小型化が困難であった。

そこで、本発明は、上記問題を解決するランタンガリウム珪酸塩結晶基板（以下、ランガサイト基板という。）及び弾性表面波フィルタを提供することを目的とする。

本発明者は特許文献１に示されているオイラー角で切り出したランガサイト基板を用いて弾性表面波フィルタを作製し、さらに、特許文献１に示されているパワーフロー角のずれを補正して非特許文献１に示されているレーザヘテロダイン干渉計法により弾性表面波を観察したところ、特許文献１に示されているオイラー角では特性が悪化することを発見した。

また、斜め電極指を有する弾性表面波フィルタにおいて、所定の周波数の弾性表面波が励振される開口長を平行電極指の開口長に比べて狭くすることができない原因としてパワーフロー角が正確に求められていないためであると本発明者は認識した。

上記見知に基づき、本発明に係る弾性表面波フィルタは、ランタンガリウム珪酸塩結晶の結晶軸（ｘ，ｙ，ｚ）に対してオイラー角（φ，θ，ψ）で切り出された基板の座標軸（ｘ１，ｘ２，ｘ３）を定めたとき、ｘ１軸は弾性表面波の位相速度伝搬方向とし、ｘ２軸はｘ１軸に垂直であり、かつｘ３軸は基板に垂直であるランタンガリウム珪酸塩結晶基板の表面にすだれ状電極を備える弾性表面波フィルタであって、φ＝０±２．５°，θ＝１３８．５±２．５°，ψ＝２６．５±２．５°としたことを特徴とする。

また、本発明に係る弾性表面波フィルタにおいて、パワーフロー角は、傾きを−０．９５、切片を２５．２８±１．００°とするψの一次関数で与えられる値とし、弾性表面波の位相速度伝搬方向からパワーフロー角だけ傾けた前記基板に、すだれ状電極が放射状に形成された斜め電極指を配置したことを特徴とする。

さらに、本発明に係る弾性表面波フィルタにおいて、斜め電極指は、すだれ状電極により前記基板を励振して弾性表面波を発生する入力側電極指と、入力側電極指によって発生された弾性表面波をすだれ状電極により検出する出力側電極指と、を有し、入力側電極指の電極ピッチと出力側電極指の電極ピッチとが等しい部分を直線で結んだ方向が、位相速度伝搬方向に対してパワーフロー角で傾けた方向と同一方向となる斜め電極指であることを特徴とする。

本発明を用いると弾性表面波フィルタの小型化が実現できるという効果がある。さらに、パワーフロー角により斜め電極指の方向をエネルギーの伝搬方向と合わせることで、入力側電極指からのエネルギーを出力側電極指が効率よく受け取ることが可能となるため、弾性表面波フィルタの振幅応答や群遅延応答などの特性が改善される。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、本実施形態の弾性表面波フィルタ１００の構成の概略を示す立体図と、ランガサイト基板１０の切り出し角度を示す座標軸と、が示されている。最初に、単結晶に対するランガサイト基板及び弾性表面波の伝搬方向をオイラー角（φ，θ，ψ）を用いた表示方法について示す。

材料ごとに決められている単結晶の直交系結晶軸（ｘ，ｙ，ｚ）を基準とし、ｚ軸を中心にしてｘ軸とｙ軸をφだけ矢印で示すように反時計回りに回転させる。次に、φ回転後のｘ軸を中心にｙ軸とｚ軸をθだけ反時計回りに回転させ、最後にθ回転後のｚ軸を中心にｘ軸とｙ軸をψだけ反時計回りに回転させる。

このように、直交系結晶軸（ｘ，ｙ，ｚ）をオイラー角（φ，θ，ψ）によって座標変換を行った後の座標系を（ｘ１，ｘ２，ｘ３）とすると、ｘ３軸に垂直な結晶切断面が基板表面となり、ｘ１軸が弾性表面波の伝搬方向となるランガサイト基板１０が得られる。

図１に示す弾性表面波フィルタ１００には、このようなランガサイト基板１０上に斜め電極指を構成する入力側すだれ状電極１２，１４と、同様に斜め電極指を構成する出力側すだれ状電極１６，１８と、が位相速度の伝搬方向であるｘ１軸に対してパワーフロー角（ＰＦＡ）傾けた群速度の伝搬方向に沿って配置されている。

弾性表面波フィルタ１００に入力される信号は、入力側すだれ状電極１２に入力され、出力側すだれ状電極１６から出力される。また、入力側すだれ状電極１４及び出力側すだれ状電極１８は接地されている。なお、入力側すだれ状電極１２，１４と出力側すだれ状電極１６，１８が対向する部分（以下、開口という）から所定帯域幅を持つ弾性表面波が励振され、出力側すだれ状電極１６，１８の開口において弾性表面波が検出される。

図２は、弾性表面波フィルタ１００の電極形状を示した平面図である。図２（Ａ）には本発明を理解するうえで参考となる変形前の電極指の電極形状を示し、図２（Ｂ）には本発明の特徴の一つであるパワーフロー角（ＰＦＡ）で傾けた変形後の電極形状を示している。また、入力側すだれ状電極１２，１４の電極ピッチがｄである部分と、出力側すだれ状電極１６，１８の電極ピッチが同じくｄである部分を結ぶ直線が斜め電極指の配置方向を示している。

一般的に、パワーフロー角が０°であれば位相速度の伝搬方向とエネルギーの伝搬する群速度の伝搬方向とが一致するため問題は発生しない。しかし、パワーフロー角が発生する場合において、図２（Ａ）に示すように、パワーフロー角を考慮せずに斜め電極指を配置すると、図２（Ａ）の見かけの開口長が図２（Ｂ）の開口長より狭くなり、弾性表面波の一部が検出できなくなることから、パワーフロー角を正確に把握することが必要となる。

例えばオイラー角（０°，１３８．５°，２６．７°）で切り出されたランガサイト基板では、パワーフロー角の公称値は−０．７３°である。そこで、図２（Ｂ）に示した斜め電極指となるようにパワーフロー角だけ傾けて弾性表面波フィルタを作製した。なお、パワーフロー角を−０．７３°とした理由は後述する。

図３には、上述した弾性表面波フィルタ１００をパッケージングした弾性表面波デバイス２００の平面図が示されている。なお、図１に示した斜め電極指と同じ入力側すだれ状電極１２，１４と、出力側すだれ状電極１６，１８には同じ符号を用いた。図１では省略したが、入力側すだれ状電極１２，１４と出力側すだれ状電極１６，１８との間には、接地されたシールド電極２０が設けられている。弾性表面波フィルタ１００のパラメータは、例えば入力側すだれ状電極指対数を１４０とし、出力側すだれ状電極対数を９０とした。

図４には、特許文献１に示されているオイラー角（０°，１３８．５°，２３°〜２９°）における従来例と本実施形態（本実施例）とで計算した音速の結果が示されている。また、図５には、従来例と、図３に示した弾性波表面デバイスを使用し、本実施例によって求めたパワーフロー角の結果とが示されている。

最初に、ランガサイト基板の材料定数により音速を計算し、次に、求めた音速の値に基づいてパワーフロー角を計算した。また、オイラー角ψを変化させた五つの弾性表面波デバイスを作製し、それらの特性を測定して図５の×印としてプロットした。

プロットしたデータに基づいて、パワーフロー角を算出するオイラー角ψの一次関数を近似式として求めたところ、ＰＦＡ＝−０．９５ψ＋２５．２８±１．００という近似式を得た。この近似式を用いて、例えば、オイラー角（０°，１３８．５°，２６．７°）としたときのＰＦＡを求めると、ほぼ０°（−０．０８６°±１．００°）となる。

図６には、従来の配置角度で作製した弾性表面波フィルタ（従来例）と、本実施形態における弾性表面波フィルタ（本実施例）との周波数特性が示されている。従来の配置角度は、例えばオイラー角（０°，１３８．５°，２６．７°）でパワーフロー角を−０．７３°とした。また、本実施形態に係る配置角度は、パワーフロー角は同様とし、本実施形態の計算によって得られた値によりオイラー角を（０°，１３８．５°，２８．０°）とした。

その他のパラメータは、例えば入力側すだれ状電極指対数は５００、出力側すだれ状電極対数は３００、開口長を４０λ、チップサイズは通常より狭い幅（約０．４ｍｍ）とし、長さは通常の長さ（約１０ｍｍ）とした。このようにすだれ状電極対を多くして意図的に開口長を短くしたのは、弾性表面波フィルタの特性を急襲とすることで測定の感度を高めるためである。さらに、このような試験を行うことにより小型化も同様に確認できる。

図６に示すように本実施形態におけるパワーフロー角では、従来のパワーフロー角のものに比べて通過周波数３７５ＭＨｚ〜３８５ＭＨｚにおける挿入損失が約５ｄＢ改善している。このことから、パワーフロー角が−０．７３°となるカット角が従来と異なることが確かめられた。

図７には、従来の配置角度で作製した弾性表面波フィルタ（従来例）と、本実施形態における弾性表面波フィルタ（本実施例）との群遅延応答が示されている。図に示す群遅延応答では通過周波数帯域３７５ＭＨｚ〜３７８ＭＨｚにおける特性と、３８２ＭＨｚ〜３８５ＭＨｚにおける特性が改善され、同帯域内のリップルが減少するという効果が得られた。

以上、上述したように、本実施形態においてパワーフロー角を修正することにより見かけの開口長を狭めることが防止される。また、本実施形態において入力側すだれ状電極１２，１４の開口から弾性表面波が励振され、出力側すだれ状電極１６，１８の開口において、周波数特性を低下させることなく弾性表面波が検出可能となる。このようなことから、本実施形態において弾性表面波フィルタの小型化が可能となる。

なお、本実施形態において、オイラー角（０°，１３８．５°，２６．７°）におけるパワーフロー角をほぼ０°としたが、この値に限定するものではなく、望ましくは、オイラー角（φ＝０±２．５°，θ＝１３８．５±２．５°，ψ＝２６．５±２．５°）においてＰＦＡ＝−０．９５ψ＋２５．２８±１．００とすることである。

本発明の実施形態に係る弾性表面波フィルタとの構成の概略を示す立体図とランガサイト基板の切り出し角度を示す座標軸を示す構成図である。 本発明の実施形態に係る弾性表面波フィルタの電極の配置を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る弾性表面波デバイスの平面図である。 オイラー角（０°，１３８．５°，２３°〜２９°）における従来例と、本実施形態で計算した音速の計算結果を示した特性図である。 オイラー角（０°，１３８．５°，２３°〜２９°）における従来例と、実験により求めたパワーフロー角と近似式を示した特性図である。 本発明の実施形態に係る弾性表面波フィルタの挿入損失特性を示した特性図である。 本発明の実施形態に係る弾性表面波フィルタの群遅延応答特性を示した特性図である。

符号の説明

１０ ランガサイト基板、１２，１４ 入力側すだれ状電極、１６，１８ 出力側すだれ状電極、２０ シールド電極、１００ 弾性表面波フィルタ、２００ 弾性表面波デバイス。

Claims (3)

1. ランタンガリウム珪酸塩結晶の結晶軸（ｘ，ｙ，ｚ）に対してオイラー角（φ，θ，ψ）で切り出された基板の座標軸（ｘ１，ｘ２，ｘ３）を定めたとき、ｘ１軸は弾性表面波の位相速度伝搬方向とし、ｘ２軸はｘ１軸に垂直であり、かつｘ３軸は基板に垂直であるランタンガリウム珪酸塩結晶基板の表面にすだれ状電極を備える弾性表面波フィルタであって、
   φ＝０±２．５°，θ＝１３８．５±２．５°，ψ＝２６．５±２．５°としたことを特徴とする弾性表面波フィルタ。
2. 請求項１に記載の弾性表面波フィルタにおいて、
   パワーフロー角は、傾きを−０．９５、切片を２５．２８±１．００°とするψの一次関数で与えられる値とし、弾性表面波の位相速度伝搬方向からパワーフロー角だけ傾けた前記基板に、すだれ状電極が放射状に形成された斜め電極指を配置したことを特徴とする弾性表面波フィルタ。
3. 請求項２に記載の弾性表面波フィルタにおいて、
   斜め電極指は、
   すだれ状電極により前記基板を励振して弾性表面波を発生する入力側電極指と、
   入力側電極指によって発生された弾性表面波をすだれ状電極により検出する出力側電極指と、
   を有し、入力側電極指の電極ピッチと出力側電極指の電極ピッチとが等しい部分を直線で結んだ方向が、位相速度伝搬方向に対してパワーフロー角で傾けた方向と同一方向となる斜め電極指であることを特徴とする弾性表面波フィルタ。

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