JP3194781B2

JP3194781B2 - 弾性表面波装置

Info

Publication number: JP3194781B2
Application number: JP12005692A
Authority: JP
Inventors: 勉永塚; 幸一郎三須; 友則木村; 修三和高
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-04-14
Filing date: 1992-04-14
Publication date: 2001-08-06
Anticipated expiration: 2016-08-06
Also published as: JPH05291867A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、通信や各種電子シス
テムなどに用いられる弾性表面波装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図１３は、例えば特開昭６０−６５３８
１号公報に示された、従来のこの種の弾性表面波装置の
構成を示したものである。図１３において、１は弾性表
面波が伝搬する基板、２は弾性表面波の導波路、３は弾
性表面波を励振あるいは受信するすだれ状電極である。
図１４は、図１３のすだれ状電極３の構成を詳しく示し
たものであり、図１４中の４は電極指である。

【０００３】次に、この従来例の動作について説明す
る。図１３において、左右２つのすだれ状電極３にそれ
ぞれ電気信号を入力することにより、基板１上に弾性表
面波が励振される。この弾性表面波は、基板１上を伝搬
し、導波路２に到達する。弾性表面波は導波路２に入射
した後、導波路２に沿って伝搬する。左右２つのすだれ
状電極３により励振された弾性表面波は、それぞれ、導
波路２を逆方向に伝搬し、ある位置ですれちがう。この
とき非線形作用によって２つの弾性表面波の積の成分が
生じる。導波路２は積分電極として作用し、導波路２の
各々の位置で生じた積の成分は、導波路２全体で加算さ
れ、再び電気信号として導波路２から出力される。導波
路２での加算は、弾性表面波が導波路２を通過するのに
要する時間にわたっての時間積分に対応している。した
がって、出力電気信号は、２つの入力電気信号の畳み込
み積分となり、図１３に示した弾性表面波装置はコンボ
ルバとして動作する。

【０００４】図１４において、弾性表面波は、電極指４
が互いに交差している部分から励振される。この交差部
分では、電極指４は、導波路２側から見て凹形となるよ
うに湾曲させてある。この湾曲形状は、仮に、弾性表面
波が導波路２中を伝搬してきて、導波路２の端部から放
射されるとしたときに、放射された弾性表面波の等位相
点を結んでできる形状に合わせてある。したがって、電
極指４の各点から励振された弾性表面波は、導波路２の
端部に同相で到達する。言い換えれば、すだれ状電極３
から励振された弾性表面波は、導波路２の端部に集束す
るので、弾性表面波を効率よく導波路２に入射できる。

【０００５】一方、電極指４の交差幅は、両端の一部を
除いては、導波路２側から見て徐々に大きくしてあり、
隣り合う電極指４が交差する領域の端部を結んでできる
形状は、点線で示すように、滑らかな曲線にしている。

【０００６】電極指４の上記交差幅は、次のように決定
されている。図１４に示すように、導波路２の延長方向
をＺ軸とし、基板１の表面においてＺ軸と垂直な方向を
Ｘ軸とする。図１５のａ１は、仮に、弾性表面波が導波
路２中を伝搬してきて、導波路２の端部から放射される
としたとき、放射された弾性表面波のＸ軸方向に沿った
振幅分布である。このときのＺ座標は、すだれ状電極３
が設置されている、ある場所に固定してある。弾性表面
波の振幅は、図１５に示すように、中心で大きく両端部
で小さくなる分布をしている。

【０００７】一方、すだれ状電極３では、電極指４が交
差している部分で弾性表面波は一様に受信されるから、
上記と同じＺ座標の位置におけるＸ軸方向に沿った受信
効率は、図１６のａ２に示すように矩形状となる。この
ことは、電極指４が交差している部分で弾性表面波が励
振され、励振振幅のＸ軸方向に沿った分布が、図１６の
ａ２に示すように矩形状となると考えれば分かりやす
い。特開昭６０−６５３８１号公報では、次式

【０００８】

【数１】

【０００９】で表面波への変換効率Ｔｐを定義してい
る。ここで、＊印は複素共役を表している。電極指４の
交差幅Ｗを変化させると、（１）式のＴｐは変化し、あ
るＷの値で最大となる。特開昭６０−６５３８１号公報
では、Ｔｐが最大となるＷを、上記Ｚ座標の位置におけ
る電極指４の交差幅として決定している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
弾性表面波装置では、位相分布を考慮して電極指４を湾
曲させて弾性表面波を集束させるとともに、振幅分布も
考慮して変換効率Ｔｐが最大になるように交差幅Ｗを決
定することにより、効率の向上を図っていた。しかしな
がら、従来の弾性表面波装置では、図１５に示したａ１
は中央で凸形状しており、図１６に示したａ２は矩形状
に限定された条件のもとで、変換効率Ｔｐを最大にする
ように交差幅Ｗを決定していたため、必ずしも、電気信
号と弾性表面波との相互交換の大きな効率を得られない
という問題点があった。

【００１１】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたもので、弾性表面波を導波路に効率良
く入射させるようにすることにより、電気信号と弾性表
面波との相互交換効率の高い弾性表面波装置を得ること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る弾
性表面波装置は、弾性表面波が伝搬する基板１上に、弾
性表面波の導波路２と、弾性表面波を励振あるいは受信
するすだれ状電極３とを備え、上記すだれ状電極３を構
成する電極指４の少なくとも一部を、上記導波路側から
見て凹形となるように湾曲させ、かつ、隣り合う上記電
極指４が交差する領域の端部を結んでできる線の形状の
少なくとも一部を、弾性表面波の伝搬方向に沿って複数
の凹凸を有するのこぎり歯状にしたことを特徴とするも
のである。

【００１３】請求項２の発明に係る弾性表面波装置は、
弾性表面波が伝搬する基板１上に、弾性表面波の導波路
２と、弾性表面波を励振あるいは受信するすだれ状電極
３とを備え、上記すだれ状電極３を構成する電極指４の
少なくとも一部を、上記導波路側から見て凹形となるよ
うに湾曲させ、かつ、上記電極指のライン幅を交差幅方
向に対して場所により変化させたことを特徴とするもの
である。

【００１４】請求項３の発明に係る弾性表面波装置は、
少なくとも一部に薄膜を設けた基板１と、弾性表面波の
導波路２と、弾性表面波を励振あるいは受信するすだれ
状電極３とを備え、上記すだれ状電極３を構成する電極
指４の少なくとも一部を、上記導波路側から見て凹形と
なるように湾曲させ、かつ、上記すだれ状電極３を配置
した領域の上記薄膜の厚さを交差幅方向に対して場所に
より変化させたことを特徴とするものである。

【００１５】

【作用】請求項１の発明においては、すだれ状電極３の
電極指４が交差する領域の端部を結んでできる線の境界
線の形状の少なくとも一部を、弾性表面波の伝搬方向に
沿ってのこぎり歯状にしたので、すだれ状電極３から、
交差幅方向に対して中心部で大きく両端部で小さい振幅
をもつ弾性表面波が励振されるため、弾性表面波が導波
路２に効率よく入射し、したがって電気信号と弾性表面
波との相互交換効率が高くなる。

【００１６】請求項２の発明においては、すだれ状電極
３の電極指４のライン幅を交差幅方向に対して場所によ
り変化させたので、すだれ状電極３から、交差幅方向に
対して中心部で大きく両端部で小さい振幅をもつ弾性表
面波が励振されるため、弾性表面波が導波路２に効率よ
く入射し、したがって電気信号と弾性表面波との相互交
換効率が高くなる。

【００１７】請求項３の発明においては、すだれ状電極
３の部分の薄膜の厚さを交差幅方向に対して場所により
変化させたので、すだれ状電極３から、交差幅方向に対
して中心部で大きく両端部で小さい振幅をもつ弾性表面
波が励振されるため、弾性表面波が導波路２に効率よく
入射し、したがって電気信号と弾性表面波との相互交換
効率が高くなる。

【００１８】

【実施例】実施例１．図１は、この発明の実施例１の弾性表面波装置を示す構
成図である。図１において、１は基板、２は導波路、３
はすだれ状電極である。図２は、この発明の実施例１の
すだれ状電極３の構成を示したものであり、図２中の４
は電極指である。

【００１９】次に、この実施例１の動作について説明す
る。図１において、基板１上に設けられた左右のすだれ
状電極３にそれぞれ電気信号を入力し、弾性表面波を励
振させる。上記弾性表面波は導波路２に入射し、導波路
２の各位置で積の成分が生じる。この積の成分を導波路
２にわたって加算することにより、導波路２から畳み込
み積分出力が得られる。以上の動作は、図１３に示した
従来例と同様である。

【００２０】図２において、すだれ状電極３を構成する
電極指４の一部が導波路２側から見て凹形となるように
湾曲している。これは、電極指４から励振された弾性表
面波を同相で導波路２の端部に入射させるためである。
これについては、図１０に示した従来例と同様である。

【００２１】しかし、図２では、従来例と異なり、すだ
れ状電極３を構成する電極指４の交差する部分の領域の
端部を結んでできる線の形状を、点線で示すように、弾
性表面波の伝搬方向に対してのこぎり歯状にしている。
このため、隣接する電極指４を、数本まとめて考える
と、電極指４から励振される弾性表面波の振幅は交差幅
方向、すなわち、Ｘ軸方向に沿って、中央部で大きく両
端部で徐々に小さくなる分布となる。

【００２２】これについて、図３、図４および図５を参
照しながら詳細に説明する。図３は、すだれ状電極３の
一部拡大図である。図４は、各電極指４から励振される
弾性表面波の振幅分布図である。図５は、隣接する数本
の電極指４から励振された弾性表面波が合成されたとき
の振幅分布図である。図４において、記号＃１、＃２、
＃３、・・・を付して示す振幅分布は、図３において、
それぞれ、記号＃１、＃２、＃３、・・・を付して示す
電極指４から励振された弾性表面波の振幅分布に対応し
ている。図４に示した各振幅分布は矩形状である。しか
し、これらを合成して得られる振幅分布は、図５に示す
ように、概略、中央で大きく、両端で小さくなる形状と
なる。

【００２３】ところで、前記（１）式のＴｐは、ａ１と
ａ２が同じ形をしているときに最も大きくなり、Ｔｐが
１となる。すなわち、ｃを任意の定数として、次式が成
り立つとき、最も変換効率Ｔｐが大きくなる。

【００２４】

【数２】

【００２５】また、ａ１とａ２が類似の形状をしている
方が、変換効率Ｔｐは大きくなる。

【００２６】図５の振幅分布は、図１６に示した従来の
矩形状の励振振幅分布に比べ、図１５に示した振幅分布
ａ１により近い形状になっている。したがって、前記
（１）式に示した交換効率Ｔｐを従来に比べて大きくす
ることができ、電気信号と弾性表面波との相互交換効率
の高い弾性表面波装置を得ることができる。

【００２７】実施例２．図６は、この発明の他の実施例（実施例２）を示したも
のであり、すだれ状電極３の構成を示している。図６に
おいて、２から４は図２と同様のものである。なお、こ
の実施例２では、弾性表面波装置の全体構成は実施例１
で示した図１と同様である。

【００２８】図６において、すだれ状電極３を構成する
電極指４の一部を導波路２側から見て凹形となるように
湾曲させている。これは、実施例１と同様である。しか
しながら、図６では、従来と異なり、電極指４のライン
幅が、交差幅方向に対して中央部で太く、両端部で細く
なるように、場所により異ならせている。

【００２９】実施例２の動作は、実施例１と同様である
ので説明を省略する。

【００３０】次に、実施例２の効果について、図７と図
８を参照しながら説明する。図７は、文献「弾性表面波
工学」、柴山幹夫監修、電子通信学会、１９８３年発
行、ｐ．６２から引用したもので、電極指ライン幅と励
振振幅の関係を示す図である。図７において、横軸は、
電極指４のライン幅を電極指４の配列間隔で規格化した
値である。縦軸は、弾性表面波の規格化された励振振幅
を表す。また、Ｎは高調波の次数を表しており、次数Ｎ
が１のときは基本波を表している。

【００３１】図７から分かるように、励振振幅は、電極
指４のライン幅に依存して変化する。特に、基本波で
は、電極指４のライン幅を太くするにしたがって、励振
振幅は大きくなる。したがって、図６に示した実施例２
では、電極指４のライン幅を、交差幅方向に対し中央部
で太く、両端部で細くなるように、場所により異ならせ
ているので、励振される弾性表面波の振幅は、図８に示
すように、交差幅方向に対し中央部で大きく両端部で小
さくなる分布となる。

【００３２】図８の励振振幅分布は、図１６に示した従
来の矩形状の励振振幅分布に比べ、図１５に示した振幅
分布ａ１により近い形状になっている。したがって、
（１）式に示した変換効率Ｔｐを従来に比べて大きくす
ることができ、電気信号と弾性表面波との相互交換効率
の高い弾性表面波装置を得ることができる。

【００３３】この発明では、上述した基本波を用いる構
成に限らず高調波を用いてもよい。この場合、図８から
分かるように、電極指４のライン幅の変化が小さくて
も、弾性表面波の励振振幅を大きく変化することができ
る。したがって、電極指４のライン幅をわずかに変化さ
せるだけで、図１５に近い形状の振幅分布が得られる。
また、高調波の次数とライン幅の関係によっては、電極
指４のライン幅が小さいほうが、励振振幅が大きくなる
場合もある。この場合は、ライン幅を中央部で狭く両端
部で広くすれば同様の効果が得られる。

【００３４】さらに、図７においては、電極指４のライ
ン幅を、交差幅方向に徐々に変化させた場合を示してい
るが、本発明はこれに限らず、ライン幅を階段状に変化
させてもよく、この場合も同様の効果が得られる。

【００３５】実施例３．図９は、この発明の実施例３の弾性表面波装置の構成図
である。図９において、１から３は、図１に示した実施
例１と同様のものであり、５は薄膜である。図９におい
て、基板１上に、上記基板１と異なる材料または異なる
組成からなる薄膜５を形成している。図１０は、この発
明の実施例３のすだれ状電極３の構成を示したものであ
る。図１０において、４は図２と同様の電極指である。
図１１は、図１０にＡＡａで示した線に沿って基板１を
切断し、これを横から見たときの断面図を示したもので
ある。図１０および図１１において、Ｗは電極指４の交
差している部分を示している。図１１において、薄膜５
の厚さを、交差部の中央部で厚く両端部で薄くなるよう
に、場所により異ならせている。

【００３６】実施例３の動作は、実施例１および実施例
２と同様である。

【００３７】次に、実施例３の効果について、図１２を
参照しながら説明する。図１２は、文献「弾性表面波工
学」、柴山幹夫監修、電子通信学会、１９８３年発行、
ｐ．７３から引用したものであり、すだれ状電極３にお
ける薄膜５の厚さｈに対する電気機械結合係数の変化を
示したものである。ただし、図中の横軸は、ｋｈで表し
ている。ここで、ｋは弾性表面波の波数である。また、
図１２では、基板１はＳｉとし、薄膜５はＺｎＯとした
場合の、弾性表面波の高次モードであるセザワ波に対す
る電気機械結合係数が示されている。電気機械結合係数
が大きいほど弾性表面波の励振振幅は大きくなるので、
図１２において、縦軸の電気機械結合係数は、励振され
る弾性表面波の振幅に対応していると考えられる。

【００３８】図１２から分かるように、薄膜５の厚さに
より電気機械結合係数は変化し、ｋｈが１から２の範囲
では、薄膜５の厚さを厚くするほど電気機械結合係数は
大きくなる。したがって、図１１において、薄膜５の厚
さをｋｈが１から２の範囲で変化させれば、励振される
弾性表面波の振幅を、交差幅方向に対し中央部で大きく
両端部で小さくできる。したがって、この時の振幅分布
は図８に示したものと同様になる。以上より、実施例３
においても、上述した実施例１および実施例２と同様の
理由により、（１）式に示した交換効率Ｔｐを従来に比
べて大きくすることができ、電気信号と弾性表面波との
相互交換効率の高い弾性表面波装置を得ることができる
効果がある。

【００３９】実施例３では、一例として、基板１と薄膜
５をそれぞれＳｉ、ＺｎＯとしたときについて説明した
が、基板１と薄膜５の材料または組成の組み合わせは種
々考えられる。弾性表面波が励振されるものであれば、
どのような組み合わせを用いてもよい。また、弾性表面
波としてセザワ波以外のモードを用いても構わない。こ
れらの組み合わせによっては、薄膜５の厚さが薄いほう
が励振振幅が大きくなる場合もあり、この場合は、薄膜
５の厚さを中央部で薄く両端部で厚くすればよい。ま
た、図９および図１１においては薄膜５が一層の場合を
示しているが、本発明はこれに限らず、薄膜５が二層以
上ある多層構造に適用してもよい。さらに、図１１にお
いては、薄膜５の厚さを、交差幅方向に徐々に変化させ
た場合を示しているが、本発明はこれに限らず、厚さを
階段状に変化させてもよく、この場合も同様の効果が得
られる。

【００４０】また、図９では、一例として、すだれ状電
極３や導波路２を薄膜５の上に形成した場合を示した
が、本発明はこれに限らず、すだれ状電極３や導波路２
を、基板１と薄膜５の間に形成してもよい。また、薄膜
５を基板１表面の全体に設ける必要はなく、導波路２を
基板１上の薄膜５のない部分に直接に形成してもよい。

【００４１】以上の実施例１から実施例３においては、
すだれ状電極３の電極指４を円弧状に湾曲させた場合を
示したが、本発明はこれに限らず、電極指４の円弧状の
形状を、多角形状の形状で近似してもよく、さらに、電
極指４の円弧状の形状を、階段状の形状で近似してもよ
い。また、以上の実施例では、すだれ状電極３の電極指
４をシングル電極で示しているが、本発明はこれに限ら
ず、電極指４にダブル電極やその他の電極を用いても構
わない。また、以上の実施例では、電極指４の配列間隔
は場所によらず一定として示しているが、本発明はこれ
に限らず、電極指４の配列間隔を場所により変化させた
構造の電極、いわゆるチャープ電極を用いてもよい。さ
らに、以上の実施例では、導波路２の形状が直線状であ
る場合を示しているが、導波路２がＵ字形などに湾曲し
ている形状であってもよいし、２つの導波路２を用い
た、いわゆるデュアル形であってもよい。

【００４２】さらに、以上の実施例１から実施例３にお
いては、この発明に係る弾性表面波装置を、コンボルバ
として動作させた場合について説明したが、この発明
は、導波路を使用した、いかなる弾性表面波装置へも適
用できるものであり、この発明を用いれば、実施例１か
ら実施例３において説明したように、弾性表面波をすだ
れ状電極３から導波路へ効率よく導波できる効果や、導
波路から放射した弾性表面波をすだれ状電極３で効率よ
く受信できる効果が得られる。

【００４３】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、すだれ状電極
の電極指が交差する領域の端部を結んでできる線の境界
線の形状の少なくとも一部を、弾性表面波の伝搬方向に
沿って複数の凹凸を有するのこぎり歯状にしたので、す
だれ状電極から、交差幅方向に対して中心部で大きく両
端部で小さい振幅をもつ弾性表面波が励振されるため、
弾性表面波が導波路に効率よく入射し、したがって電気
信号と弾性表面波との相互交換効率の高い弾性表面波装
置が得られる効果がある。また、伝搬方向の重み付けを
任意に選べる上、さらに、「複数の凹凸を有するのこぎ
り歯状の形状」を所要のものとすることにより、交差幅
方向に所要の分布を与えることができるようになる。

【００４４】請求項２の発明によれば、すだれ状電極の
電極指のライン幅を交差幅方向に対して場所により変化
させたので、すだれ状電極から、交差幅方向に対して中
心部で大きく両端部で小さい振幅をもつ弾性表面波が励
振されるため、弾性表面波が導波路に効率よく入射し、
したがって電気信号と弾性表面波との相互交換効率の高
い弾性表面波装置が得られる効果がある。

【００４５】請求項３の発明によれば、すだれ状電極を
配置した領域の薄膜の厚さを交差幅方向に対して場所に
より変化させたので、すだれ状電極から、交差幅方向に
対して中心部で大きく両端部で小さい振幅をもつ弾性表
面波が励振されるため、弾性表面波が導波路に効率よく
入射し、したがって電気信号と弾性表面波との相互交換
効率の高い弾性表面波装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１の弾性表面波装置の構成図
である。

【図２】上記実施例１のすだれ状電極の構成図である。

【図３】上記実施例１のすだれ状電極の一部拡大図であ
る。

【図４】上記実施例１のすだれ状電極における各電極指
から励振される弾性表面波の振幅分布図である。

【図５】上記実施例１のすだれ状電極において隣接する
数本の電極指から励振された弾性表面波が構成されたと
きの振幅分布図である。

【図６】この発明の実施例２の弾性表面波装置の構成図
である。

【図７】上記実施例２の効果を説明するための電極指ラ
イン幅と励振振幅の関係を示す図である。

【図８】上記実施例２の効果を説明するための励振振幅
分布図である。

【図９】この発明の実施例３の弾性表面波装置の構成図
である。

【図１０】上記実施例３のすだれ状電極の構成図であ
る。

【図１１】図１０にＡＡａで示した線に沿って基板を切
断し、これを横から見たときの断面図である。

【図１２】上記実施例３の効果を説明するためのすだれ
状電極における薄膜の厚さに対する電気機械結合係数の
変化を示す図である。

【図１３】従来の弾性表面波装置の構成図である。

【図１４】上記従来例のすだれ状電極の構成図である。

【図１５】上記従来例の動作を説明するための励振振幅
分布図である。

【図１６】上記従来例の動作を説明するための受信効率
を示す図である。

【符号の説明】

１基板２導波路３すだれ状電極４電極指５薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者和高修三鎌倉市大船五丁目１番１号三菱電機株式会社電子システム研究所内 (56)参考文献特開昭60−65381（ＪＰ，Ａ) 電子通信学会技術研究報告Ｖｏｌ. 77，Ｎｏ．171（ＵＳ77−49），1977年 11月21日，ｐ．25〜32 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03H 9/145

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性表面波が伝搬する基板上に、弾性表
面波の導波路と、弾性表面波を励振あるいは受信するす
だれ状電極とを設けてなる弾性表面波装置において、上
記すだれ状電極を構成する電極指の少なくとも一部を、
上記導波路側から見て凹形となるように湾曲させ、か
つ、隣り合う上記電極指が交差する領域の端部を結んで
できる線の形状の少なくとも一部を、弾性表面波の伝搬
方向に沿って複数の凹凸を有するのこぎり歯状にしたこ
とを特徴とする弾性表面波装置。
【請求項２】弾性表面波が伝搬する基板上に、弾性表
面波の導波路と、弾性表面波を励振あるいは受信するす
だれ状電極とを設けてなる弾性表面波装置において、上
記すだれ状電極を構成する電極指の少なくとも一部を、
上記導波路側から見て凹形となるように湾曲させ、か
つ、上記電極指のライン幅を交差幅方向に対して場所に
より変化させたことを特徴とする弾性表面波装置。
【請求項３】少なくとも一部に薄膜を設けた基板と、
弾性表面波の導波路と、弾性表面波を励振あるいは受信
するすだれ状電極とを備えた弾性表面波装置において、
上記すだれ状電極を構成する電極指の少なくとも一部
を、上記導波路側から見て凹形となるように湾曲させ、
かつ、上記すだれ状電極を配置した領域の上記薄膜の厚
さを交差幅方向に対して場所により変化させたことを特
徴とする弾性表面波装置。