JP2013243570A - 弾性波装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、低挿入損失かつ高周波数領域においても良好な通過帯域外減衰量を有する弾性波装置を提供することを目的とするものである。
【解決手段】2つの信号端子の間に形成された第1の配線と、前記第1の配線に直列に接続され、一端子対弾性波素子からなる直列腕共振器と、前記第1の配線上の接続点と第1の基準電極との間に接続された第2の配線と、前記第2の配線に直列に接続され、一端子対弾性波素子からなる並列腕共振器とを備え、前記第1の基準電極と圧電基板上で電気的に接続されていない第2の基準電極と前記接続点とを接続する第3の配線部を設け、前記第3の配線部に直列に容量素子を接続した弾性波装置。
【選択図】図2

Description

本発明は、主として移動体通信機器等においてフィルタまたはアンテナ共用器として使用される弾性波装置に関するものである。
携帯電話の無線回路に用いられる弾性波装置は小型、低背かつ軽量であることに加え、所望の通過帯域の挿入損失が小さくかつ通過帯域外の減衰量が大きいことが求められる。挿入損失が小さい弾性波装置としては共振器を梯子型に接続した所謂ラダー型フィルタが知られている。
従来のラダー型フィルタを図13(a)、(b)に示す。図13(a)は従来の弾性波装置100の回路図、図13(b)は従来の弾性波装置100の断面模式図である。図13(a)、(b)において、従来の弾性波装置100は、弾性波素子を形成した圧電基板190を、内部に回路を有するセラミック基板105の上に実装し、封止体106で封止したものであり、セラミック基板105の表面には信号端子111、112と基準電位端子183、184を有する。圧電基板190の表面には、2つの信号端子111、112の間に接続される配線161を有し、配線161には、複数の直列腕共振器121、122、123、124、125が直列に接続される。配線161と基準電位端子183の間を接続する配線164を有し、配線164には、並列腕共振器131とインダクタ173が直列に接続される。配線161と基準電位端子184の間を複数の配線165が接続し、個々の配線165には、並列腕共振器132、133、134がそれぞれ直列に接続され、共通接続された後にインダクタ174を介して基準電位端子184に接続される。インダクタ173およびインダクタ174は、セラミック基板105の内部にらせん状の導体を形成して構成している。
このように、従来の弾性波装置100は、並列腕共振器131にインダクタ173を直列に接続することにより、並列腕共振器131とインダクタ173との共振により、通過帯域外に減衰極を形成し、減衰量を確保していた。そして、基準電位端子183、184を複数個設け、並列腕共振器とインダクタと基準電位端子の直列接続を別個に複数個設けることにより、複数個の減衰極を形成し、帯域外の減衰を確保していた。
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1、特許文献2が知られている。
国際公開第2001/005031号 特開2004−7250号公報
しかしながら、前記従来の弾性波装置100では、6GHz以上の高い周波数に亘って広帯域に減衰量を確保するには、インダクタの数を増やすとともにインダクタンスを極めて大きくする必要があるため、弾性波装置100の内部にこのような大きなインダクタを数多く形成することは困難であり、広帯域にわたる減衰量の確保が困難であった。
本発明は、通過帯域外おいて、広帯域にわたって良好な減衰量を確保することのできる弾性波装置を提供するものである。
上記課題を解決するために、本願発明は、2つの信号端子の間に接続され、圧電基板の表面に形成された第1の配線と、前記第1の配線に直列に接続され、一端子対弾性波素子からなる直列腕共振器と、基準電位端子の1つに接続され、前記圧電基板の表面に形成された第1の基準電極と、前記第1の配線上に設けられた接続点と前記第1の基準電極との間に接続された第2の配線と、前記第2の配線に直列に接続され、一端子対弾性波素子からなる並列腕共振器とを備え、基準電位端子の1つに接続され、前記圧電基板の表面において前記第1の基準電極と電気的に直接接続されていない第2の基準電極を設け、前記第2の基準電極と前記接続点とを接続する第3の配線を設け、前記第3の配線に直列に第1の容量素子を接続した構成としたものである。
このような構成としたことで、通過帯域外おいて、広帯域にわたって良好な減衰量を確保することのできる弾性波装置を得ることができるという優れた効果を有する。
(a)本発明の実施の形態1の弾性波装置の回路図、(b)同弾性波装置の断面模式図 同弾性波装置のパターン図 同弾性波装置の特性図 同弾性波装置の特性図 本発明の実施の形態1の他の弾性波装置の回路図 同弾性波装置の特性図 本発明の実施の形態2の弾性波装置の回路図 同弾性波装置のパターン図 同弾性波装置の特性図 同弾性波装置の特性図 本発明の実施の形態3の弾性波装置の回路図 同弾性波装置の特性図 (a)従来の弾性波装置の回路図、(b)同弾性波装置の断面模式図
以下、本発明の実施の形態における弾性波装置について図面を参照して説明する。
(実施の形態1)
図1(a)は本発明の実施の形態1における弾性波装置101の回路図、図1(b)は弾性波装置101の断面模式図、図2は弾性波装置101のパターン図である。図1(a)、(b)、図2において、弾性波装置101は、圧電基板90の表面に、励振空間13を介して弾性波素子を封止する封止体14を有し、この封止体14の表面に信号端子11、12と基準電位端子81、82を有する。信号端子11と信号端子12は、それぞれ、弾性波装置101の入力端子と出力端子、または、出力端子と入力端子として用いられる。基準電位端子81、82はグランド端子として用いられ、2つの基準電位端子81、82は電気的に直接には接続されていない。圧電基板90上には、第1の配線61と第2の配線62と第3の配線63と第1の基準電極64と第2の基準電極65とを有する。第1の配線61は、信号端子11と信号端子12との間を接続する配線である。第1の配線61上には、一端子対弾性波素子からなる直列腕共振器21、22、23、24、25を直列に接続する。第2の配線62は、第1の配線61の上の接続点91、92、93、94と第1の基準電極64とを接続する複数の配線である。各第2の配線62上には、それぞれ、一端子対弾性波素子からなる並列腕共振器31、32、33、34が直列に接続される。直列腕共振器21、22、23、24、25および並列腕共振器31、32、33、34は、それぞれ、圧電基板90上に形成された一端子対弾性波素子であり、一対の反射器の間に挟まれた1個のIDT(Inter Digital Transduser)からなる。第3の配線63は、第1の配線61の上の接続点91、92、93、94と第2の基準電極65とを接続する複数の配線である。第3の配線63上には、それぞれ、櫛型電極からなる容量素子41、42、43、44を直列に接続する。ここで、容量素子41、42、43、44は、各々の容量の合計が2.05pFになるように設計している。第1の基準電極64は、封止体14を貫通する導体からなるインダクタ71を経由して基準電位端子81に接続される。第2の基準電極65は、封止体14を貫通する導体からなるインダクタ72を経由して基準電位端子82に接続される。第1の基準電極64と第2の基準電極65は、それぞれ、圧電基板90の互いに対向する端辺に配置し、互いに電気的に直接には接続しない。インダクタ71およびインダクタ72のインダクタンスは、0.10nH程度である。
以上のように構成された弾性波装置101は、直列腕共振器21、22、23、24、25と並列腕共振器31、32、33、34によりラダー型フィルタを構成し、704MHz〜716MHzの送信帯域と734MHz〜746MHzの受信帯域を有するBand17の無線通信装置における共用器の送信フィルタとして設計したものであり、内蔵する圧電基板90と同等レベルの占有面積を有する極めて小型で低背のウエハレベル構造を実現したものである。
本発明の実施の形態1における弾性波装置101の電気特性を図3、図4に示す。図3、図4において、横軸は周波数、縦軸は減衰量であり、本発明の実施の形態1における弾性波装置101の電気特性Aを実線で示し、比較例の電気特性Eを破線で示す。図4において、通過帯域Sは送信帯域である704MHz〜716MHzであり、734MHz〜746MHzの受信帯域Tは、通過帯域Sの高域側の帯域外にある。
図3、図4における比較例は、図13(a)、(b)に示した従来の弾性波装置100において、直列腕共振器121、122、123、124、125と並列腕共振器131、132、133、134のそれぞれを本発明の実施の形態1における弾性波装置101の直列腕共振器21、22、23、24、25と並列腕共振器31、32、33、34のそれぞれと同じ設計にして構成した704MHz〜716MHzの送信帯域を有するBand17の送信フィルタである。
図3より、本発明の実施の形態1における弾性波装置101の電気特性Aは、比較例の電気特性Eと比較して、1.3GHzより高い周波数領域において本発明の減衰特性が格段に優れていることがわかる。
比較例の減衰特性は、1.2GHz付近の減衰極E1と3GHz付近の減衰極E2が形成されているが、減衰極E1、E2間の幅が比較的狭く、3GHz付近からより高い周波数に行くに従って急激に減衰量が悪化している。
本発明の実施の形態1の弾性波装置101は、並列腕共振器31、32、33、34のそれぞれの静電容量の総和とインダクタ71による直列共振による2.3GHz近辺の減衰極A1が比較的広帯域かつ高減衰である。また図3より確認できるように高周波数領域(2.3GHz〜8.5GHz)において、良好な減衰特性が得られていることが判る。
図4からは、本発明の実施の形態1の弾性波装置101の電気特性Aは、比較例の電気特性Eと比べて、通過帯域Sの高域側近傍の減衰量を良好に確保することができ、特に734MHz〜746MHzの受信帯域Tの減衰特性が優れていることがわかる。
以上のように、本発明の実施の形態1の弾性波装置101は、容量素子41、42、43、44とインダクタ72を直列接続することでLCの直列共振によるなだらかな減衰極をGHz以上の高周波領域に形成することができるため、広帯域にわたって良好な減衰特性を得ることができた。
すなわち、容量素子41、42、43、44の各々の容量の合計を2.05pFとし、インダクタ72のインダクタンスを0.10nHとしたことにより、減衰極A1を11GHz近辺に形成することができ、非常に高い周波数領域まで良好な減衰特性を得ることができた。そして、容量素子41、42、43、44の容量値の合計とインダクタ72のインダクタンスを適切に設定することにより、減衰極の位置を調整することができる。
そして、本発明の実施の形態1の弾性波装置101は、容量素子41、42、43、44を圧電基板90上に形成し、圧電基板90上から基準電位端子81、82までを接続する導体レベルの非常に小さなインダクタンスでもって広帯域にわたる良好な減衰特性を得ることができるため、別途、インダクタを形成するための多層セラミック基板のような大掛かりな構造を必要とせずに、減衰特性の良好な弾性波装置を実現できるものであり、弾性波装置の小型化を実現できるものである。特に、ウエハレベルのように、セラミック基板等を有さない極めて小型の弾性波装置において良好な減衰特性を可能にする。
さらに、本発明の実施の形態1の弾性波装置101は、複数の並列腕共振器31、32、33、34を電気的に共通接続してインダクタ71を介して基準電位端子81に接続したことで、通過帯域の高域側近傍の減衰量を良好に確保することができ、特に734MHz〜746MHzの受信帯域の減衰量を良好にすることができた。
さらに、本発明の実施の形態1の弾性波装置101は、基準電位端子81と基準電位端子82を電気的に直接に接続しない構成にしたことで、容量素子41、42、43、44をローパスフィルタとして機能させることができるとともに、第1の基準電極64から第2の基準電極65への信号の回り込みを防止することができるため、減衰量を効果的に確保することができた。
また、本発明の実施の形態1の弾性波装置101の構成は、回路的に見ると容量素子41は並列腕共振器31と実質的に並列接続されており、並列腕共振器31の反共振周波数を低周波側にシフトさせる作用を有するため、並列腕共振器31の共振周波数と反共振周波数の周波数差が実質的に小さくなる。同様に容量素子42は並列腕共振器32と並列接続されており、容量素子43は並列腕共振器33と並列接続されており、容量素子44は並列腕共振器34と並列接続されており、各々の共振器の共振周波数と反共振周波数の周波数差が実質的に小さくなる。したがって、より狭帯域のフィルタを作成することが可能であり、通過帯域が704MHz〜716MHzであるBand17の送信フィルタのように通過帯域幅/中心周波数で定義される比帯域が1.69%と比較的狭い帯域幅のフィルタを作成した場合、通過帯域近傍の減衰特性の良好なフィルタ特性が得られる。
また、本発明の実施の形態1の弾性波装置101は、第1の基準電極64と第2の基準電極65を、それぞれ、圧電基板90の互いに対向する端辺に配置し、互いに電気的に直接には接続しないように構成することで、電磁界結合や、グランド配線を介した信号の伝達を抑制でき、良好な減衰特性が得られる。圧電基板90の表面上以外の部分であれば基準電位端子81と基準電位端子82が電気的に接続されていても本発明の効果を有するが、基準電位端子81と基準電位端子82が電気的に接続しない構成がより効果が大きい。
なお、本発明の実施の形態1における弾性波装置101は、704MHz〜716MHzの送信帯域を有するBand17の無線通信装置における送信フィルタであるが、本願発明は、他の通過帯域を有する高周波フィルタに適用してもよく、高周波フィルタを備えたデュプレクサのような装置に適用しても同様に効果を有し、1つの圧電基板の上に受信フィルタとともに設置する送信フィルタに適用しても良く、受信フィルタに適用しても良い。
しかし、本願発明は、使用しようとする周波数帯域から大きく離れた周波数帯域における不要信号を広帯域に渡って抑制することができるため、特に、送信フィルタとして使用することにより、他の周波数帯域を使用する無線通信機器に対する妨害信号を抑制することができるという効果を有する。
また、本発明の弾性波装置101では、全ての並列腕共振器に対して並列接続された容量素子を設けたが、少なくとも1つの並列腕共振器に対して並列接続された容量素子を有せば本願発明の効果を有する。しかし、十分な減衰量を確保するためには、できるだけ多くの並列腕共振器に容量素子を並列接続することが好ましく、全ての並列腕共振器に並列接続された容量素子を設けることがより好ましい。
また、本発明の実施の形態1の弾性波装置101では、インダクタ71およびインダクタ72は、封止体14を貫通する導体により構成したが、封止体14の中にスパイラル状やミアンダ状の配線を設けて使用しても良いものであり、屈曲部を有する導体により構成しても良い。
また、本発明の実施の形態1の弾性波装置101では、全ての並列腕共振器31、32、33、34を1つの基準電極64に接続して第1の基準電位端子81に接続したが、並列腕共振器に接続する基準電極を複数に分けても良い。
図5は、本発明の実施の形態1の他の弾性波装置102の回路図であり、図1、図2で示した本発明の実施の形態1における弾性波装置101と同じ構成要素については同一番号を付しており、その説明は省略する。図5に示す実施の形態1の他の弾性波装置102が、本発明の実施の形態1の弾性波装置101と異なる点は、並列腕共振器31、32、33、34に接続される基準電極とインダクタと基準電位端子を2つに分けたことである。すなわち、並列腕共振器31は、基準電極66とインダクタ73を介して基準電位端子83に接続し、並列腕共振器32、33、34は、基準電極67とインダクタ74を介して基準電位端子84に接続したものである。
図5に示す実施の形態1の他の弾性波装置102の電気特性を図6に示す。
図6において、横軸は周波数、縦軸は減衰量であり、本発明の実施の形態1における他の弾性波装置102の電気特性Bを一点破線で示し、比較例の電気特性Eを破線で示し、本発明の実施の形態1における弾性波装置101の電気特性Aを実線で示す。
図6において、通過帯域Sである送信帯域は704MHz〜716MHzであり、通過帯域外である受信帯域Tは734MHz〜746MHzである。
このような構成とすることで、実施の形態1の他の弾性波装置102は通過帯域低域側の減衰特性を改善することができた。
(実施の形態2)
図7は本発明の実施の形態2における弾性波装置103を示す回路図、図8は同弾性波装置103のパターン図であり、図1、図2で示した本発明の実施の形態1における弾性波装置101と同じ構成要素については同一番号を付しており、その説明は省略する。
本発明の実施の形態2おける弾性波装置103が、本発明の実施の形態1における弾性波装置101と異なる点は、並列腕共振器31、32、33、34に並列に容量素子45、46、47、48を接続するとともに、第3の配線63に接続した容量素子41、42、43、44の替わりに、第3の配線63に静電容量の異なる容量素子51、52、53、54を接続したことである。
なお、本発明の実施の形態2の弾性波装置103における、直列腕共振器21、22、23、24、25と、並列腕共振器31、32、33、34の各設計数値は、本発明の実施の形態1の弾性波装置101のものと同じ構成のものである。
そして、実施の形態2の弾性波装置103における容量素子51の容量と容量素子45の容量の合計を実施の形態1の弾性波装置101における容量素子41の容量と等しく設計し、実施の形態2の弾性波装置103における容量素子52の容量と容量素子46の容量の合計を実施の形態1の弾性波装置101における容量素子42の容量と等しく設計し、実施の形態2の弾性波装置103における容量素子53の容量と容量素子47の容量の合計を実施の形態1の弾性波装置101における容量素子43の容量と等しく設計し、実施の形態2の弾性波装置103における容量素子54の容量と容量素子48の容量の合計を実施の形態1の弾性波装置101における容量素子44の容量と等しく設計した。
本発明の実施の形態2においては、例えば並列腕共振器31を例に説明すると、回路的に見て容量素子51と容量素子45は、ともに並列腕共振器31に並列接続されており、容量素子51と容量素子45の容量の合計を一定にした条件下で、容量素子51の容量と容量素子45の容量の比率を適宜設定することにより、通過帯域幅などの特性に影響を与えることなく、高周波領域の減衰特性が改善できる。他の並列腕共振器32、33、34についても同様に機能するため、実施の形態1と同じ通過帯域特性を保った状態で、減衰特性を改善でき、減衰特性の設計自由度が向上する。
次に、本発明の実施の形態2における弾性波装置103の電気特性を図9、図10に示す。
図9、図10において、横軸は周波数、縦軸は減衰量であり、本発明の実施の形態2における弾性波装置103の電気特性Cを実線で示し、本発明の実施の形態1における弾性波装置101の電気特性Aを二点破線で示し、実施の形態1で説明した比較例の電気特性Eを破線で示す。図9、図10において、通過帯域Sは送信帯域である704MHz〜716MHzであり、734MHz〜746MHzの受信帯域Tは、通過帯域Sの高域側の帯域外にある。
図9および図10に示すように、本発明の実施の形態2の弾性波装置103の電気特性Cは、1.4GHz〜3.7GHzの領域で2つの減衰極C1、C2を有し、実施の形態1の弾性波装置101の電気特性Aと異なる位置に2つの減衰極を設けることができた。このように本発明の実施の形態2の弾性波装置103は、通過帯域特性に影響を与えることなく減衰極を追加するとともに所望の周波数に設定することが可能になり、良好な減衰特性を実現できる。
なお、本発明の実施の形態2における弾性波装置103では、全ての並列腕共振器に回路的に見て2つの容量素子が接続された例を示したが、全ての並列腕共振器に2つの容量素子が接続する必要はなく、並列腕共振器と容量素子が回路的に並列接続となっていない並列腕共振器や並列腕共振器に1つの容量素子が接続される並列腕共振器を有してもよい。
(実施の形態3)
図11は本発明の実施の形態3における弾性波装置104を示す回路図であり、図7、図8で示した本発明の実施の形態2における弾性波装置103と同じ構成要素については同一番号を付しており、その説明は省略する。
本発明の実施の形態3における弾性波装置104が、本発明の実施の形態2における弾性波装置103と異なる点は、直列腕共振器21、22、23、24、25の中で、信号端子11に最も近い直列腕共振器21に並列に容量素子49を設けるとともに、信号端子12に最も近い直列腕共振器25に並列に容量素子50を設けたことである。
なお、本発明の実施の形態3の弾性波装置104における、直列腕共振器21、22、23、24、25と、並列腕共振器31、32、33、34と、容量素子51、52、53、54、45、46、47、48の各設計数値は、本発明の実施の形態2の弾性波装置103におけるものと同じである。
本発明の実施の形態3における弾性波装置104の電気特性を図12に示す。図12において、横軸は周波数、縦軸は減衰量であり、本発明の実施の形態2における弾性波装置103の電気特性Dを実線で示し、本発明の実施の形態1における弾性波装置101の電気特性Aを一点破線で示し、本発明の実施の形態1で説明した比較例の電気特性Eを破線で示す。図12において、通過帯域Sは送信帯域である704MHz〜716MHzであり、734MHz〜746MHzの受信帯域Tは、通過帯域Sの高域側の帯域外にある。
図12に示すように、本発明の実施の形態2における弾性波装置103の電気特性Dは、本発明の実施の形態1における弾性波装置101の電気特性Aに近い特性を有する領域もあるが、通過帯域Sの高域部において挿入損失をより低減することができた。
以上のように、本発明の実施の形態3における弾性波装置104は、信号端子11、12に最も近い直列腕共振器21、25に並列接続された容量素子49、50を設けることで、狭帯域なフィルタを形成した際のインピーダンスマッチングがよくなり、インピーダンスミスマッチによる損失が小さくなり、低損失な弾性波装置が得られる。
なお、実施の形態1、実施の形態2および実施の形態3の弾性波装置に用いられる容量素子は必ずしも櫛電極により構成形成される必要はなく、2枚の平行平板で誘電体を挟むように形成されてもよい。
また、実施の形態1、実施の形態2および実施の形態3の弾性波装置に用いられる弾性波素子は弾性表面波、境界波、バルク波の内、いずれかを用いたものでもよい。
本発明に係る弾性波装置は、低挿入損失かつ高周波数領域においても良好な通過帯域外減衰量を有するという優れた効果を奏するものであり、主として移動体通信機器にフィルタやアンテナ共用器として用いられる弾性波装置において有用となるものである。
11、12 信号端子
21、22、23、24、25 直列腕共振器
31、32、33、34 並列腕共振器
41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54 容量素子
61 第1の配線
62 第2の配線
63 第3の配線
64 第1の基準電極
65 第2の基準電極
71、72、73、74 インダクタ
81、82、83、84 基準電位端子
90 圧電基板
91、92、93、94 接続点
101、102、103、104 弾性波装置

Claims (6)

  1. 2つの信号端子の間に接続され、圧電基板の表面に形成された第1の配線と、
    前記第1の配線に直列に接続され、一端子対弾性波素子からなる直列腕共振器と、
    基準電位端子の1つに接続され、前記圧電基板の表面に形成された第1の基準電極と、
    前記第1の配線上に設けられた接続点と前記第1の基準電極との間に接続された第2の配線と、
    前記第2の配線に直列に接続され、一端子対弾性波素子からなる並列腕共振器とを備え、
    基準電位端子の1つに接続され、前記圧電基板の表面において前記第1の基準電極と電気的に直接接続されていない第2の基準電極を設け、
    前記第2の基準電極と前記接続点とを接続する第3の配線を設け、
    前記第3の配線に直列に第1の容量素子を接続した弾性波装置。
  2. 前記第1の基準電極を前記圧電基板の表面の第1の端辺の側に形成し、
    前記第2の基準電極を前記圧電基板の表面の第1の端辺と対向する第2の端辺の側に形成した請求項1記載の弾性波装置。
  3. 前記第1の基準電極と前記第2の基準電極とを、同一の基準電位端子に接続した請求項1または2に記載の弾性波装置。
  4. 前記並列腕共振器に並列に第2の容量素子を接続した請求項1乃至3記載の弾性波装置。
  5. 前記直列腕共振器を複数個備え、前記複数の直列腕共振器のうち、他の直列腕共振器を介さずに前記信号端子の一方に接続された直列腕共振器に、第3の容量素子が並列接続されていることを特徴とする請求項1乃至4記載の弾性波装置。
  6. 前記弾性波装置の占有面積は前記圧電基板の占有面積とほぼ等しい請求項1記載の弾性波装置。
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