JP3818195B2 - 表面弾性波素子 - Google Patents

Description

【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：Ｎatural Ｓingle Ｐhase Ｕnidirecitonal Ｔransducer）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（ＩＤＴ）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を形成して弾性表面波を発生させても、波は正規型ＩＤＴの双方向に伝播してしまい、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表面弾性波変換器では、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の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°，１３５°≦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。
しかしながら、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応えることができない。
【０００８】
また、一般に、表面弾性波素子に用いる圧電結晶基板上に形成する電極の材料としては、Ａｌを使用する。この場合に、既述したように、水晶を圧電結晶基板とする場合には、電極材料としてＡｌを使用しても表面弾性波は、表面弾性波変換器の双方向に伝搬するが、ランガサイトを圧電結晶基板として使用し、電極材料としてＡｌを使用すると、励振波と反射波との間で位相ずれが生じ、一方向性が生じる。
【０００９】
このために、自然一方向性（NSPUDT特性）を有するランガサイトを圧電結晶基板として使用し、この電結晶基板上に表面弾性波の伝搬方向の方向性を送信側と受信側とで対向させるように電極設計をするには、送信側の電極と受信側の電極とで異なった構造にする必要がある。この場合に電極の方向性を自然一方向性方向から反対方向にする反転電極の構造が複雑となり、ＳＡＷフィルタの設計は複雑になる。
また、電極の弾性波に対する反射係数が小さく、方向性の反転が不足するという問題が有った。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、電極設計の容易化及び自由度の向上を図ったランガサイトを圧電結晶基板とした表面弾性波素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【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、ランガサイト単結晶基板表面に形成される正電極に接続される正電極指と負電極に接続される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、前記表面弾性波変換器は励振波を発生する送信側変換器と、この励振波を受信する受信側変換器からなり、前記各変換器は自然一方向性が消滅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おり、前記表面弾波変換器の電極材料をＷにし、該表面弾性波変換器における電極の膜厚をＨ、表面弾性波の波長をλとしたときに、０．０３＜Ｈ／λ＜０．０５であることを特徴とする。
【００１２】
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、前記送信側変換器は、前記送信側変換器は、表面弾性波の伝搬方向に前記正電極指のうち隣接する第１、第２の正電極指と、該第２の正電極指の片側に隣接する第１の負電極指とを有し、前記第１、第２の正電極指及び前記第１の負電極指の位置関係と各電極指の幅は、表面弾性波の波長をλとしたときに、前記第１の正電極指の幅Ｗ1が１３λ／４８≦Ｗ1≦１６λ／４８、前記第２の正電極指の幅Ｗ2が、Ｗ2＝λ／８、前記第１の負電極指の幅Ｗ3は、Ｗ3＝λ／８であり、前記第１の正電極指と第２の正電極指との間の空隙ｄ1が３λ／４８≦ｄ1≦６λ／４８、第２の正電極指と第１の負電極指との空隙ｄ2がｄ2＝λ／８、第１の負電極指と次に隣接する正電極指との空隙ｄ3が８λ／４８≦ｄ 3 ≦１４λ／４８であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の表面弾性波素子において、前記受信側変換器は、表面弾性波の伝搬方向に第４、第５の正電極指と、該第４の正電極指と第５の正電極指との間に位置する第２の負電極指とを有し、前記第４、第５の正電極指及び前記第２の負電極指の位置関係と各電極指の幅は、前記第４の正電極指の幅Ｗ4が１３λ／４８≦Ｗ4≦１６λ／４８、前記第５の正電極指の幅Ｗ5がＷ5＝λ／８、前記第２の負電極指の幅Ｗ6は、Ｗ6＝λ／８であり、前記第４の正電極指と前記第２の負電極指との空隙ｄ4が３λ／４８≦ｄ4≦６λ／４８、前記第２の負電極指と第５の正電極指との空隙ｄ5がｄ5＝λ／８、前記第５の正電極指と次に隣接する正電極指との空隙ｄ6が８λ／４８≦ｄ 6 ≦１４λ／４８であることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の表面弾性波素子において、前記送信側変換器を受信側変換器とし、前記受信側変換器を送信側変換器とすることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、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。
【００１７】
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。
【００１８】
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のだが、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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の反射中心B、正電極指１Ａの端部Cで反射された波の点Ａでの位相を図１を用いて考えると、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、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。
【００２３】
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。
【００２４】
しかし、αの値で表現される一方向性を考慮したＳＡＷフィルタの設計は困難とされている。本発明では、表面弾性波素子における反射波の位相ずれαが、α＝０°となるように電極材料と、その電極の膜厚及び電極のピッチとを適切に選択することにより、ランガサイトを圧電結晶基板とする表面弾性波素子の自然一方向性を消滅させる。これにより、ランガサイトを圧電結晶基板として、正規型ＩＤＴを基板上に形成した表面弾性波素子では、表面弾性波の伝搬方向が双方向性となるので、ＳＡＷデバイスの要求特性に応じて、電極の配置、形状を複雑化させる必要がなく、電極設計の容易化が図れる。
【００２５】
図３は、本発明が適用される表面弾性波素子において、複数の電極材料についてＨ／λと位相ずれαとの関係をシミュレーションした結果を示す特性図である。
以下に、そのシミュレーションの手法について説明する。
【００２６】
正規型ＩＤＴの電気端子を短絡、開放した場合に対応するグレーティング反射器のストップバンドの上下限の周波数と基板表面での電位定在波分布、および電極一対あたりの静電容量Ｃsからモード結合方程式中の諸定数を求めることができる。ハイブリッド有限要素法用いて、これらの計算に必要なすべての諸量を計算した。
【００２７】
以上のシミュレーションにより図３に示すように、電極材料としてＴａを使用したときには、Ｈ／λ＝０．０３７５付近でα＝０°となり、また電極材料としてＷを使用したときには、Ｈ／λ＝０．０３２５付近でα＝０°となり、ランガサイトを圧電結晶基板とする表面弾性波素子の自然一方向性を消滅させることができる。更に、電極材料としてＡｌを使用したときには位相ずれは収束せず、ランガサイトを圧電結晶基板とする表面弾性波素子の自然一方向性を消滅させることができないことが判る。
【００２８】
したがって、電極材料としてＴａを選択したときには、０．０３５＜Ｈ／λ＜０．０４の範囲で、また、電極材料としてＷを選択したときには、０．０３＜Ｈ／λ＜０．０５の範囲で電極の配置を決定するのが好ましい。
【００２９】
本実施形態に係る表面弾性波素子は、ランガサイト単結晶基板表面に形成される正電極に接続される正電極指と負電極に接続される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、前記表面弾性波変換器は励振波を発生する送信側変換器と、この励振波を受信する受信側変換器からなり、 前記各変換器は自然一方向性が消滅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おり、前記表面弾波変換器の電極材料をＷにしたことを特徴としている。
【００３０】
本実施形態に係る表面弾性波素子に用いられる送信側の表面弾性波変換器は、図４に示すように、正電極１０と、負電極２０とからなり、表面弾性波の伝搬方向に隣接する第１、第２の正電極指１２、１４と、該第２の正電極指１４の片側に隣接する第１の負電極指２２とを有している。
【００３１】
第１、第２の正電極指１２、１４及び第１の負電極指２２の位置関係と各電極指の幅は、表面弾性波の波長をλとしたときに、第１の正電極指１２の幅Ｗ1が１３λ／４８≦Ｗ1≦１６λ／４８、第２の正電極指１４の幅Ｗ2が、Ｗ2＝λ／８、第１の負電極指２２の幅Ｗ3は、Ｗ3＝λ／８であり、第１の正電極指１２と第２の正電極指１４との間の空隙ｄ1が３λ／４８≦ｄ1≦６λ／４８、第２の正電極指１４と第１の負電極指２２との空隙ｄ2がｄ2＝λ／８、第１の負電極指２２と次に隣接する正電極指１６との空隙ｄ3が８λ／４８≦ｄ 3 ≦１４λ／４８である。
【００３２】
また、本実施形態に係る表面弾性波素子に用いられる受信側の表面弾性波変換器は、図５に示すように、正電極１００と、負電極２００とからなり、表面弾性波の伝搬方向に第４、第５の正電極指１０２、１０４と、該第４の正電極指１０２と第５の正電極指１０４との間に位置する第２の負電極指２０２とを有している。
【００３３】
第４、第５の正電極指１０２、１０４及び第２の負電極指２０２の位置関係と各電極指の幅は、第４の正電極指１０２の幅Ｗ4が１３λ／４８≦Ｗ4≦１６λ／４８、第５の正電極指１０４の幅Ｗ5がＷ5＝λ／８、第２の負電極指２０２の幅Ｗ6は、Ｗ6＝λ／８であり、第４の正電極指１０２と第２の負電極指２０２との空隙ｄ4が３λ／４８≦ｄ4≦６λ／４８、第２の負電極指２０２と第５の正電極指１０４との空隙ｄ5がｄ5＝λ／８、第５の正電極指１０４と次に隣接する正電極指１０６との空隙ｄ6が８λ／４８≦ｄ 6 ≦１４λ／４８である。
【００３４】
次に、図４及び図５に示した本発明の実施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作製した伝送型表面弾性波フィルタの構成を図６に示す。同図において、ランガサイト単結晶基板３００上には表面弾性波の伝搬方向に沿って、送信側変換器（送信電極に相当）としての正規型ＩＤＴ３１０と、受信側変換器（受信電極に相当）としての正規型ＩＤＴ３２０とがシールド電極３３０を介して設けられている。このシールド電極３３０は直達波を低減する機能を有している。
【００３５】
正規型ＩＤＴ３１０は、正電極３１２と負電極３１４からなり、各電極幅及び電極間隔は図４に示した通りであり、図４に示した電極構造が周期的に複数連続的に配置されるように形成され、NSPUDT特性を利用して一方向性を実現している。
また、受信電極としてのＩＤＴ３２０は、正電極３２０と負電極３２４からなり、各電極幅及び電極間隔は図５に示した通りであり、図５に示した電極構造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。図６において、ランガサイト基板３００の端部には吸音材が塗布されており、不要な表面弾性波を吸収する機能を有している。
【００３６】
上記構成からなる伝送型表面弾性波フィルタの周波数特性を図７に示す。図７から明らかなように、本発明が適用されるタングステン（Ｗ）を電極材料として用いて作製した伝送型表面弾性波フィルタは、低挿入損失であり、通過帯域が広いという特徴を有している。
なお、図４に示した表面弾性波素子における送信側変換器を受信側変換器とし、図５に示した表面弾性波素子における受信側変換器を送信側変換器として使用してもよい。このように構成しても、上述した本発明の実施形態により得られるのと同様の効果が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、ランガサイト単結晶基板表面に形成される正電極指と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、電極材料としてＷを用いて前記表面波弾性変換器は自然一方向性が消滅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るので、ランガサイトを圧電結晶基板とした表面弾性波素子における電極設計の容易化及び自由度の向上が図れる。
【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】 本発明の実施形態に係る表面弾性波素子において、複数の電極材料についてＨ／λと位相ずれαとの関係をシミュレーションした結果を示す特性図。
【図４】 本発明の実施形態に係る表面弾性波素子に用いられる送信側の表面弾性波変換器の電極構造を示す説明図。
【図５】 本発明の実施形態に係る表面弾性波素子に用いられる受信側の表面弾性波変換器の電極構造を示す説明図。
【図６】 本発明の実施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作製した伝送型表面弾性波フィルタの構成を示す説明図。
【図７】 図６に示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、３１０、３２２…正電極
２、２０、２００、３１４、３２４…負電極
１Ａ、１２、１４、１６、１０２、１０４、１０６…正電極指
２Ａ、２Ｂ、２２、２０２…負電極指
３００…ランガサイト基板
３１０…送信側変換器
３２０…受信側変換器
３３０…シールド電極
３４０…吸音材

Claims (4)

1. ランガサイト単結晶基板表面に形成される正電極に接続される正電極指と負電極に接続される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、前記表面弾性波変換器は励振波を発生する送信側変換器と、この励振波を受信する受信側変換器からなり、
   前記各変換器は自然一方向性が消滅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おり、前記表面弾波変換器の電極材料をＷにし、
   該表面弾性波変換器における電極の膜厚をＨ、表面弾性波の波長をλとしたときに、０．０３＜Ｈ／λ＜０．０５であることを特徴とする表面弾性波素子。
2. 前記送信側変換器は、表面弾性波の伝搬方向に前記正電極指のうち隣接する第１、第２の正電極指と、該第２の正電極指の片側に隣接する第１の負電極指とを有し、
   前記第１、第２の正電極指及び前記第１の負電極指の位置関係と各電極指の幅は、表面弾性波の波長をλとしたときに、前記第１の正電極指の幅Ｗ1が１３λ／４８≦Ｗ1≦１６λ／４８、前記第２の正電極指の幅Ｗ2が、Ｗ2＝λ／８、前記第１の負電極指の幅Ｗ3は、Ｗ3＝λ／８であり、前記第１の正電極指と第２の正電極指との間の空隙ｄ1が３λ／４８≦ｄ1≦６λ／４８、第２の正電極指と第１の負電極指との空隙ｄ2がｄ2＝λ／８、第１の負電極指と次に隣接する正電極指との空隙ｄ3が８λ／４８≦ｄ 3 ≦１４λ／４８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. 前記受信側変換器は、表面弾性波の伝搬方向に第４、第５の正電極指と、該第４の正電極指と第５の正電極指との間に位置する第２の負電極指とを有し、
   前記第４、第５の正電極指及び前記第２の負電極指の位置関係と各電極指の幅は、前記第４の正電極指の幅Ｗ4が１３λ／４８≦Ｗ4≦１６λ／４８、前記第５の正電極指の幅Ｗ5がＷ5＝λ／８、前記第２の負電極指の幅Ｗ6は、Ｗ6＝λ／８であり、前記第４の正電極指と前記第２の負電極指との空隙ｄ4が３λ／４８≦ｄ4≦６λ／４８、前記第２の負電極指と第５の正電極指との空隙ｄ5がｄ5＝λ／８、前記第５の正電極指と次に隣接する正電極指との空隙ｄ6が８λ／４８≦ｄ 6 ≦１４λ／４８であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の表面弾性波素子。
4. 前記送信側変換器を受信側変換器とし、前記受信側変換器を送信側変換器とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面弾性波素子。

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