JP3835872B2 - 弾性表面波共振子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波共振子、特に共振器型弾性表面波フィルタ等の構成に必要不可欠な弾性表面波共振子のスプリアス抑制設計方式に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、弾性表面波装置は弾性表面波（Surface Acoustic Wave 、以下「ＳＡＷ」という）を励振するためのすだれ状トランスデューサ（Interdigital Transducer 、以下「ＩＤＴ」という）を有し、このＩＤＴを加工することによってＳＡＷ装置にいろいろな特性や機能をもたせることができる。従来、ＳＡＷ装置といえば主にＳＡＷフィルタを指すことが多く、そしてこのＳＡＷフィルタの中では多電極型ＳＡＷフィルタが主として用いられていた。近年、多電極型ＳＡＷフィルタの他に共振器型ＳＡＷフィルタの研究開発も盛んになり、ＳＡＷフィルタといえば必ずしも多電極型ＳＡＷフィルタを意味しなくなってきている。
【０００３】
図２は、従来の一般的なＳＡＷ共振子の平面図である。
このＳＡＷ共振子は、圧電基板１を有している。圧電基板１上には、入力端子２と、出力端子３と、アルミニウム薄膜等からなる複数の電極指を有するＳＡＷ励振用ＩＤＴ４と、該ＩＤＴ４の左右から漏洩したＳＡＷを該ＩＤＴ４に戻すために音響的に反射するアルミニウム薄膜等からなる複数の電極指を有する左側の反射器５_l 及び右側の反射器５_r と、アースのボンディングパッド６とが形成されている。このＳＡＷ共振子は、構造上、入力側と出力側が対称になっているので、入力端子２を出力端子に、出力端子３を入力端子にしてもよい。通常、隣接しているＩＤＴ４の電極指と、反射器５_l ，５_r の電極指のピッチ（即ち、隣接している２本の電極指中心間隔）は、該ＩＤＴ４の電極指のピッチと同じく、励振ＳＡＷの半波長になるように設計される。
一方、ボンディングパッド６もＩＤＴ４と同じ厚みなので、該ＩＤＴ４の膜厚が４０００Å以上あれば、その上に金のボンディングパッドを設ける必要なく、そのままボンディング可能である。反射器５_l ，５_r はＩＤＴ４と同時に形成されるので、該反射器５_l ，５_r の材質（Ａｌ）と膜厚はＩＤＴ４と同じであるが、用途によって不要になる場合もある。同様に、ＩＤＴ４にも使用目的によって多少のバリエーションがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＳＡＷ共振子では、次のような問題があり、これを解決することが困難であった。
反射器５l ，５r がない場合とある場合では、ＳＡＷ共振子の特性が大きく異なってくる。即ち、反射器５l ，５r がない場合では、ＩＤＴ４の左右から漏洩したＳＡＷはそのまま損失となり、ＳＡＷ共振子の伝送損失が大きくなる。逆に、反射器５l ，５r がある場合では、ＩＤＴ４の左右に漏洩したＳＡＷのエネルギーの大部分が該反射器５l ，５r に反射されてＩＤＴ４に戻るため、伝送損失が低いが、反射作用によって特性にスプリアスが発生し、ＳＡＷ共振子の利用範囲を狭めてしまう。
図３（ａ），（ｂ）は従来の課題を説明するための図であって反射器５l ，５r をもたないＳＡＷ共振子の特性図であり、同図（ａ）はインピーダンス特性図、及び同図（ｂ）は挿入損失特性図である。各特性には、測定回路の略図も示されている。
図３（ａ）のインピーダンス特性と図３（ｂ）のスルー状態の挿入損失特性は、一般的なＬＣ共振子のインピーダンス特性と挿入損失特性と同じ振る舞いをするが、反射器５l ，５r がないので、ＩＤＴ４の左右に漏洩するＳＡＷのエネルギーが損失となり、伝送損失を大きくしてしまう。
【０００５】
図４（ａ），（ｂ）は従来の課題を説明するための図であって反射器５l ，５r を有するＳＡＷ共振子の特性図であり、同図（ａ）はインピーダンス特性図、及び同図（ｂ）は挿入損失特性図である。
図４（ａ）のインピーダンス特性中の７ａはインピーダンス特性のスプリアスであり、さらに同図（ｂ）の挿入損失特性中の７ｂはその挿入損失特性に現われるスプリアスである。反射器５l ，５r を有しているので、図４（ｂ）に示すスルー状態の伝送損失は、図３（ｂ）に比べて大きく改善される代わりに、中心周波数より高域においてスプリアス７ｂが発生する。
一方、ＳＡＷ共振子を用いてＳＡＷ装置の１つである共振器型ＳＡＷフィルタを構成する場合、スプリアス７ａ，７ｂの存在は一般的に好ましくない。即ち、利用する周波数帯域内にスプリアス７ａ，７ｂが存在すると、挿入損失特性にリップルや吸収帯域が発生し、フィルタ特性に重大な悪影響を与えかねない。従来、これを抑制するためには、ＳＡＷ共振子のＩＤＴ４及び反射器５l ，５r の膜厚を厚くしたり、材料をＡｕのような重金属に変えたりする方法があるが、うまく調整できなければ、スプリアス７ａ，７ｂの悪影響だけでなく、中心周波数の調整問題や、伝送損失の問題等も加わってしまうため、技術的に未だ充分に満足のゆくものが得られなかった。
本発明は、前記従来技術がもっていた課題を解決し、反射器とＩＤＴの設計を工夫することにより、スプリアスの悪影響を抑制し、低損失のＳＡＷ共振子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
図５は、本発明の原理を説明するためのＳＡＷ共振子のＩＤＴと反射器付近の拡大図である。
本発明のＳＡＷ共振子では、複数の電極指を有するＩＤＴ１４を備え、このＩＤＴ１４の両側に複数の電極指を有する反射器１５が設けられている。通常、ＩＤＴ１４のピッチ及び隣接している反射器１５と該ＩＤＴ１４の電極指同士の中心間の距離ｄは、励振ＳＡＷの波長λの半波長（＝λ／２）に等しいように設計される。この場合、スプリアスがある周波数帯域内に発生するが、距離ｄの値を変えるとスプリアスの発生する周波数帯域もこれに従って変わり、距離ｄが半波長増減するごとにスプリアスがもとの周波数帯域に戻る。理論的及び実験的に確認したところ、距離ｄをλ／２から増加させるとスプリアスが周波数の低域に移動し、距離ｄの増加分がλ／２に達するとスプリアスがもとの位置に戻る。そのため、距離ｄの値がスプリアスの発生する周波数帯域を決める重要な要因と言える。以下、断りがない限り、次の条件が常に成立しているとする。
λ／２≦ｄ＜λ
一方、ＳＡＷ共振子の左右の反射器のうちの片側（１５）だけを残しても、スプリアスが従来の周波数帯域に発生するが、レベルは例えばインピーダンス特性内のループの大きさが従来のスプリアスループの半分であることがわかった。そのため、左右の反射器の反射で発生するスプリアスが完全に独立していると言える。
【０００７】
以上のような原理に基づき、本発明のＳＡＷ共振子では、表面を有する圧電基板と、前記圧電基板の前記表面上に設けられる第１の反射器と、前記圧電基板の前記表面上に設けられる第２の反射器と、前記圧電基板の前記表面上であって、前記第１の反射器と前記第２の反射器との間に位置し、前記第１の反射器とは第１の距離をおき、且つ、前記第２の反射器とは前記第１の距離とは異なる第２の距離をおいて設けられるＩＤＴと、前記第１の反射器と隣り合い、前記ＩＤＴと前記２の距離をおいて、前記表面上に設けられる第３の反射器と、前記第２の反射器と隣り合い、前記ＩＤＴと前記第１の距離をおいて、前記表面上に設けられる第４の反射器とを備えている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（参考例）
本発明の参考例であるＳＡＷ共振子の（１）構成、（２）動作、及び（３）利点を説明する。
（１） 構成
図６は、本発明の参考例を示すＳＡＷ共振子の平面図である。
このＳＡＷ共振子は、従来の図２と同様に、圧電基板１１を有し、この圧電基板１１上に、入力端子１２と、出力端子１３と、複数の電極指を有する励振用ＩＤＴ１４と、ＳＡＷをＩＤＴ１４に反射するための複数の電極指を有する一方の側である左側の第１の反射器１５l 及び他方の側である右側の第２の反射器１５r と、アースのボンディングパッド１６とが形成されている。入力端子１２及び出力端子１３は、ＩＤＴ１４に接続されているが、構造上、入力端子１２を出力端子に、出力端子１３を入力端子にしてもよい。ＩＤＴ１４、左側の第１の反射器１５l 、及び右側の第２の反射器１５r は、ボンディングパッド１６で囲まれており、これらのＩＤＴ１４、反射器１５l ，１５r 及びボンディングパッド１６が、例えば膜厚が４０００Å以上のＡｌ等の薄膜で形成されている。
本参考例のＳＷＡ共振子の構成は、基本的には従来のものと同じであるが、従来と異なる点は、左側の反射器１５l とＩＤＴ１４との距離ｄl と、右側の反射器１５r とＩＤＴ１４との距離ｄr とが、異なる値に設定されていることである。前述したように、各反射器１５l ，１５r の反射で発生するスプリアスは互いに独立しているので、例えば、左側の距離ｄl をλ／２＋λ／８とし、右側の距離ｄr を従来と同一の距離に設定する。
【００１１】
（２） 動作
例えば、数ＭＨｚ以上の高周波信号が入力端子１２（または出力端子１３）に入力されると、この入力端子１２と電気的に接続するＩＤＴ１４の電極指に高周波電圧がかかる。高周波電圧がかかると、隣接する出力端子１３（または入力端子１２）と電気的に接続するＩＤＴ１４の電極指に、誘導的に高周波電圧が発生するが、位相的に遅れているため、入力端子１２及び出力端子１３間に電位差が生じる結果になる。これにより、ＩＤＴ１４の電極指下の圧電基板１１の表面が歪み、入力された高周波信号と同じ周波数のＳＡＷが励振する。励振したＳＡＷは、ＩＤＴ１４の左右に伝搬し、該ＩＤＴ１４の外側に向かって行くが、左右の反射器１５_l ，１５_r に達すると、ここで反射が起こり、ＩＤＴ１４の両側から反射されたＳＡＷが該ＩＤＴ１４の中心に向かうようになる。
この結果、両反射器１５_l ，１５_r 間の領域にＳＡＷの定在波が発生し、入力端子１２側の電極指と出力端子１３側の電極指の結合が一層強くなり、該出力端子１３からある帯域の高周波信号が出力される。ここでは、反射器１５_l ，１５_r からの反射波があるので、スプリアスの発生は避けられないが、次のような利点がある。
【００１２】
（３） 利点
例えば、距離ｄl とｄr が等しい場合、左側の反射器１５l のスプリアスと右側の反射器１５r のスプリアスが同じ周波数帯域に発生するので、そのレベルが加算されて１個の大きなスプリアスになる。ところが、本参考例では左側の距離ｄl と右側の距離ｄr が異なるため、左側反射器１５l のスプリアスと右側反射器１５r のスプリアスの発生する周波数の帯域が異なり、この結果、それらのレベルが加算されずに２個の独立したスプリアスになる。この状態を図７（ａ），（ｂ）に示す。
図７（ａ），（ｂ）は図６のＳＡＷ共振子の特性図であり、同図（ａ）はインピーダンス特性図、及び同図（ｂ）は挿入損失特性図である。図７（ａ）中の１７al，１７arは、インピーダンス特性に現われるスプリアスである。また、図７（ｂ）中の１７bl，１７brは、挿入損失特性に現われるスプリアスである。
図６のような反射器１５l ，１５r の配置で従来発生する１個の大きなスプリアスが、図７（ａ），（ｂ）に示すような２個の小さいスプリアス１７al，１７ar，１７bl，１７brに分散される。距離ｄl とｄr を前記のようにうまく調整することにより、スプリアス１７al，１７ar，１７bl，１７brの発生する周波数帯域を不要な周波数帯域に導き出すことができ、その上、該スプリアス１７al，１７ar，１７bl，１７brのレベルを低く抑えることができる。
【００１３】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態であるＳＡＷ共振子の（１）構成、（２）動作、及び（３）利点を説明する。
（１） 構成
図１は、本発明の第１の実施形態を示すＳＡＷ共振子の平面図であり、参考例を示す図６中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
この第１の実施形態のＳＡＷ共振子は、基本的には参考例と同じであるが、該参考例をさらに発展させ、図６のＩＤＴ１４の一方の側である左側の反射器１５l を分割（例えば、２等分した２個の第１、第３の反射器１５l1，１５l2）すると共に、他方の側である右側の反射器１５r を分割（例えば、２等分した２個の第２、第４の反射器１５r1，１５r2）し、各部のＩＤＴ１４との距離を次のようにそれぞれ異なる値に設定している。
左側の２等分された反射器１５l1，１５l2とＩＤＴ１４との距離をｄl1，ｄl2とし、右側の２等分された反射器１５r1，１５r2とＩＤＴ１４との距離をｄr1，ｄr2とする。そして例えば、距離ｄl1をλ／２＋（２／８）λ、距離ｄl2をλ／２＋（３／８）λ、距離ｄr1を従来と同一のλ／２、及び距離ｄr2をλ／２＋λ／８にそれぞれ設定している。
【００１４】
（２） 動作
本実施形態のＳＡＷ共振子の動作原理は、参考例の動作原理とほぼ同じなので、説明を簡略化する。高周波信号が入力端子１２に入力されると、ＩＤＴ１４でＳＡＷが励振し、この励振したＳＡＷがＩＤＴ１４の左右に伝搬し、該ＩＤＴ１４までの距離ｄl1，ｄl2，ｄr1，ｄr2が異なった４つの反射器１５l1，１５l2，１５r1，１５r2に反射されてＩＤＴ１４に戻る。これにより、従来の反射器を有するＳＡＷ共振器と同じように定在波が発生し、出力端子１３から通過帯域の信号が強く出力される。反射器１５l1，１５l2，１５r1，１５r2があるため、漏洩ＳＡＷエネルギーはほとんどなく、その出力信号レベルは従来のものと同じであるが、次のような利点を有している。
【００１５】
（３） 利点
本実施形態では、ＩＤＴ１４の両側から漏洩したＳＡＷエネルギーはそれぞれの反射器１５l1，１５l2，１５r1，１５r2に反射されて該ＩＤＴ１４に戻るが、それぞれの反射器１５l1，１５l2，１５r1，１５r2とＩＤＴ１４との距離ｄl1，ｄl2，ｄr1，ｄr2が異なるので、４つの反射波が生じる。漏洩したＳＡＷエネルギーがＩＤＴ１４に戻ることで、損失の面において本実施形態のＳＡＷ共振子は従来のＳＡＷ共振子と比べて同じである。また、各反射波は１つのスプリアスを発生させるので、本実施形態のＳＡＷ共振子の特性には４つのスプリアスがある。
図８（ａ），（ｂ）は図１のＳＡＷ共振子の特性図を示すもので、同図（ａ）はインピーダンス特性図、及び同図（ｂ）は挿入損失特性図である。図８（ａ）中の１８al1 ，１８al2，１８ar1 ，１８ar2 は、反射器１５l1，１５l2，１５r1，１５r2のインピーダンス特性によるスプリアスである。また、図８（ｂ）中の１８bl1 ，１８bl2 ，１８br1 ，１８br2 は、反射器１５l1，１５l2，１５r1，１５r2による挿入損失特性のスプリアスである。
反射器１５r1によるスプリアス１８ar1 または１８br1 の周波数帯域は、従来のＳＡＷ共振子のスプリアスの周波数帯域で、反射器１５r2，１５l1，１５l2によるスプリアス１８ar2 ，１８al1 ，１８al2 または１８br2 ，１８bl1 ，１８bl2 の周波数帯域は、従来のスプリアスの周波数帯域より低域に移動する。
このように反射器１５l1，１５l2，１５r1，１５r2を分割すると、スプリアス１８al1 ，１８al2 ，１８ar1 ，１８ar2 ，１８bl1 ，１８bl2 ，１８br1 ，１８br2 も分散し、その数は分割された反射器１５l1，１５l2，１５r1，１５r2の数と同じになるが、大きさがその分だけ小さくなる。
【００１６】
（第２の実施形態）
従来のＳＡＷ共振子や上記実施形態のＳＡＷ共振子は、水晶共振子やセラミック共振子等と同様に、図９に示すような集中定数等価回路図で表すことができる。
この等価回路は、直列に接続したインダクタＬ、キャパシタｃ1 及び抵抗ｒと、これと並列に接続したキャパシタＣ0 とで構成されている。このようなＳＡＷ共振子は、共振周波数と反共振周波数をもっており、これを用いたＳＡＷ装置である帯域フィルタを構成する理論は古くから知られているので、これについての詳細な説明は省略するが、参考例である図６のＳＡＷ共振子を用いた帯域フィルタの構成例を図１０に示す。
図１０は、本発明の第２の実施形態を示す４段はしご型フィルタの構成図である。
この４段はしご型フィルタは、図６のＳＡＷ共振子を用いて構成したもので、２個の直列腕共振子２２，２４と、３個の並列腕共振子２１，２３，２５とで構成されている。
図１１（ａ），（ｂ）は従来のＳＡＷ共振子を用いて構成したはしご型フィルタと図１０のはしご型フィルタの特性図を示すもので、同図（ａ）は従来のＳＡＷ共振子を用いて構成したはしご型フィルタの挿入損失特性図、及び同図（ｂ）は図１０のはしご型フィルタの挿入損失特性図である。
【００１７】
従来、ＳＡＷ共振子を用いてはしご型フィルタを構成するとき、直列腕共振子の共振周波数と並列腕共振子の反共振周波数がなるべく一致するように調整する必要がある。例えば、このような条件が満たされれば、はしご型フィルタの挿入損失特性は図１１（ａ）のような特性になる。この図１１（ａ）中の３１は通過帯域、３２はスプリアスを示す。従来のはしご型フィルタでは、挿入損失の低い周波数帯域が通過帯域３１になり、これ以外が禁止帯域になる。また、従来の反射器を有するＳＡＷ共振子を用いてはしご型フィルタを構成すると、スプリアス３２も発生する。図１１（ａ）から明らかなように、直列腕ＳＡＷ共振子が１個の大きいスプリアスをもっているので、はしご型フィルタも１個の大きいスプリアス３２をもつことになる。
これに対し、参考例のＳＡＷ共振子を用いて図１０のようなはしご型フィルタを構成すれば、その挿入損失特性が図１１（ｂ）のようになる。このはしご型フィルタでは、直列腕共振子２２，２４が２個の小さいスプリアスをもっているので、該はしご型フィルタも２個の小さいスプリアス４１（ここで、２個のスプリアスを１つの名称にまとめる）をもつことになる。このような参考例のＳＡＷ共振子を用いることによって、従来のＳＡＷ共振子で構成されたはしご型フィルタの悪影響の強い１個のスプリアス３２を、２個の悪影響の弱いスプリアス４１に分散させ、さらに各反射器１５l ，１５r の配置の調整で、それぞれのスプリアスを不要な周波数帯域に導き出すことができる。
【００１８】
（第３の実施形態）
本願発明の第３の実施形態では、第１の実施形態を示す図１のＳＡＷ共振子を用いて図１０のようなはしご型フィルタを構成している。
図１２は、第１の実施形態を示す図１のＳＡＷ共振子を用いて構成した本発明の第３の実施形態のはしご型フィルタの挿入損失特性図である。
図１２に示すように、直列腕共振子（図１０の２２，２４に相当）が４個の小さいスプリアスをもっているので、本実施形態のはしご型フィルタも４個の小さいスプリアス５１（ここで４個のスプリアスを１つの名称にまとめる）をもつことになる。また、各スプリアス５１の大きさも、従来のＳＡＷ共振子を用いたはしご型フィルタの１／４になり、さらに参考例のＳＡＷ共振子を用いた第２の実施形態のはしご型フィルタの１／２になる。このように、スプリアス５１を分散させると、スプリアスの悪影響がさらに低下し、フィルタ特性がより向上する。
【００１９】
なお、本発明は上記参考例や実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。
例えば、上記参考例や実施形態では、左右の反射器１５l ，１５r とＩＤＴ１４との距離ｄl ，ｄr を異なった値にしたり、左右の反射器１５l1，１５l2，１５r1，１５r2をそれぞれ２等分割し、得られた４つの反射器１５l1，１５l2，１５r1，１５r2をＩＤＴ１４からすべて異なった値の距離ｄl1，ｄl2，ｄr1，ｄr2に配置したりしているが、これらの反射器の分割の仕方や配置の仕方は図示のものに限定されず、種々の変形が可能である。また、これらのＳＡＷ共振子を用いて構成したＳＡＷ装置は、図１０のような４段はしご型フィルタに限定されず、他の構成の装置であってもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、ＩＤＴの左右に第１、第３の反射器と第２、第４の反射器とを設け、ＩＤＴと第１、第４の反射器との距離と、ＩＤＴと第２、第３の反射器との距離と、を異ならせたので、従来の１個のスプリアスを、４つの小さなスプリアスに分散させることができる。そのため、スプリアスの発生する周波数帯域を不要な周波数帯域に導き出すことができ、しかもスプリアスのレベルを低く抑えることができる。従って、スプリアスの悪影響を抑制し、低損失のＳＡＷ共振子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態を示すＳＡＷ共振子の平面図である。
【図２】 従来のＳＡＷ共振子の平面図である。
【図３】 反射器をもたないＳＡＷ共振子の特性図である。
【図４】 反射器を有するＳＡＷ共振子の特性図である。
【図５】 本発明の原理を説明するためのＳＡＷ共振子のＩＤＴと反射器付近の拡大図である。
【図６】 本発明の参考例を示すＳＡＷ共振子の平面図である。
【図７】 図６のＳＡＷ共振子の特性図である。
【図８】 図１のＳＡＷ共振子の特性図である。
【図９】 ＳＡＷ共振子の集中定数等価回路図である。
【図１０】 本発明の第２の実施形態を示す４段はしご型フィルタの構成図である。
【図１１】 従来と図１０のはしご型フィルタの特性図である。
【図１２】 図１のＳＡＷ共振子を用いて構成した本発明の第３の実施形態のはしご型フィルタの挿入損失特性図である。
【符号の説明】
１１ 圧電基板
１２ 入力端子
１３ 出力端子
１４ ＩＤＴ
１５ 反射器
１５l ，１５l1，１５l2 左側反射器
１５r ，１５r1，１５r2 右側反射器
２１，２３，２５ 並列腕共振子
２２，２４ 直列腕共振子

Claims (3)

1. 表面を有する圧電基板と、
   前記圧電基板の前記表面上に設けられる第１の反射器と、
   前記圧電基板の前記表面上に設けられる第２の反射器と、
   前記圧電基板の前記表面上であって、前記第１の反射器と前記第２の反射器との間に位置し、前記第１の反射器とは第１の距離をおき、且つ、前記第２の反射器とは前記第１の距離とは異なる第２の距離をおいて設けられるトランスデューサと、
   前記第１の反射器と隣り合い、前記トランスデューサと前記２の距離をおいて、前記表面上に設けられる第３の反射器と、
   前記第２の反射器と隣り合い、前記トランスデューサと前記第１の距離をおいて、前記表面上に設けられる第４の反射器とを備えたことを特徴とする弾性表面波共振子。
2. 前記圧電基板の前記表面の外縁部に設けられる接地されたボンディングパッドを備えたことを特徴とする請求項１記載の弾性表面波共振子。
3. 前記第１及び第２の距離は、それぞれ、λ /2 以上λ未満（λは弾性表面波波長）の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波共振子。

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