JP3931880B2 - 弾性表面波フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、ＳＨタイプの表面波を利用した弾性表面波フィルタに関し、より詳細には、縦結合型の弾性表面波（以下、ＳＡＷと略す。）フィルタに関する。

従来、表面波を利用した縦結合型の二重モードＳＡＷフィルタが知られている。この種の縦結合型のＳＡＷフィルタの一例を、図８に示す。

ＳＡＷフィルタ５１は、矩形の圧電基板５２上に、第１，第２のインターデジタルトランスデューサ（以下、ＩＤＴと略す。）５３，５４を配置した構造を有する。ＩＤＴ５３，５４の表面波伝搬方向両側には、反射器５５，５６が形成されている。

ＳＡＷフィルタ５１では、ＩＤＴ５３の一方のくし歯電極５３ａが入力端、他方のＩＤＴ５４の一方のくし歯電極５４ａが出力端とされている。また、ＩＤＴ５３，５４の他方のくし歯電極５３ｂ，５４ｂはアース電位に接続される。

従って、ＩＤＴ５３に入力電圧が印加された場合、表面波が励振され、励振された表面波は電極指の延びる方向と直交する方向に伝搬し、反射器５５，５６間で反射され、定在波となる。この定在波に基づく出力が、ＩＤＴ５４で取り出される。この場合、表面波として、基本モードと、高次モード（反対称モード）とが発生され、従って、ＳＡＷフィルタ５１は、縦結合型の二重モードＳＡＷフィルタとして動作する。

しかしながら、従来の縦結合型ＳＡＷフィルタ５１は、反射器５５，５６を有するため、全体の寸法が大きくなるという問題があった。また、ＳＡＷフィルタ５１では、圧電基板２の電気機械結合係数がさほど大きくないため、狭帯域のフィルタしか構成することができなかった。

上記のような問題を解決するものとして、特開平９−６９７５１号公報には、ＳＨタイプの表面波を利用した端面反射型の縦結合型弾性表面波フィルタが開示されている。この弾性表面波フィルタを、図９に示す。

ＳＡＷフィルタ６１は、矩形の圧電基板６２を用いて構成されている。圧電基板６２は、対向２端面６２ａ，６２ｂを有する。圧電基板６２上には、第１，第２のＩＤＴ６３，６４が形成されている。ＩＤＴ６３，６４は、それぞれ、一対のくし歯電極６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂを有し、また、電極指の対数はほぼ同じとされている。

ＢＧＳ波などのＳＨタイプの表面波を励振し、対向２端面６２ａ，６２ｂ間で反射させるために、くし歯電極６３ａの最外側の電極指は端面６２ａと圧電基板６２の上面６２ｃとの端縁に沿うように形成されている。同様に、くし歯電極６４ｂの最も外側の電極指は、圧電基板６２の端面６２ｂと上面６２ｃとの端縁に沿うように形成されている。第１のＩＤＴ６３の一方のくし歯電極６３ａが入力端、ＩＤＴ６４の一方のくし歯電極６４ａが出力端とされ、くし歯電極６３ｂ，６４ｂはアース電位に接続される。

ＩＤＴ６３に入力電圧を印加すると、表面波が励振され、励振された表面波は電極指の延びる方向と直交する方向に伝搬し、すなわち対向２端面６２ａ，６２ｂ間を結ぶ方向に伝搬する。この表面波が、端面６２ａ，６２ｂで反射され、定在波となり、この定在波に基づく出力がＩＤＴ６４から取り出される。

従って、ＳＨタイプの表面波を利用した端面反射型のＳＡＷフィルタ６１では、反射器を必要としないため、縦結合型二重モードＳＡＷフィルタの小型化を図ることができ、かつ反射器による損失が生じないので、広い帯域特性を有する弾性表面波フィルタを構成することができる。
特開平９−６９７５１号公報

しかしながら、ＳＡＷフィルタ６１では、対向２端面６２ａ，６２ｂ間の距離に依存するスプリアスが、フィルタ特性上フィルタ通過帯域外全般にわたり現れ、特に、通過帯域外の通過帯域近傍の周波数領域に比較的大きなスプリアスが現れるという問題があった。上記ＳＡＷフィルタ５１では、基板材料やＩＤＴ・反射器の材料、膜厚、ＩＤＴや反射器の電極幅、ＩＤＴや反射器の電極本数により使用している反射器の反射率周波数特性が決定されるため、ＳＡＷフィルタの通過帯域外では低く設定することができるため、フィルタ通過帯域のごく近傍以外では実用上問題となるレベルのスプリアスは発生しない。すなわち、このようなスプリアスから生じる問題はＳＡＷフィルタ６１のような端面反射型のＳＡＷフィルタ特有の問題である。

本発明の目的は、基板材料や、電極の材料、膜厚、電極幅、電極の本数を考慮することなく、対向２端面間の距離に依存するスプリアスを効果的に抑制することができ、従って良好なフィルタ特性を得ることができ、かつ小型に構成し得る、ＳＨタイプの表面波を利用した端面反射型のＳＡＷフィルタを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、端面反射型のＳＨタイプの表面波を利用した縦結合型の弾性表面波フィルタであって、対向２端面を有する圧電基板と、前記圧電基板上に形成されており、かつ電極指が前記端面と平行な方向へ延ばされた第１，第２のＩＤＴとを備え、前記対向２端面間でＳＨタイプの表面波が反射されるように構成されており、前記第１，第２のインターデジタルトランスデューサの電極指の対数の比が１．３：１．０〜１．４：１．０の範囲とすることによって、第１，第２のＩＤＴの周波数特性の減衰極が、対向２端面間の距離により表されるスプリアスの周波数位置と近接されていることを特徴とする。

また、本発明に係る弾性表面波フィルタは、複数段接続されるものであってもよく、その場合、請求項３に記載のように、前記第１，第２のＩＤＴのうち、電極指の対数の大きい側のＩＤＴが入力側もしくは出力側とされており、相対的に電極指の対数が少ない側のＩＤＴが段間接続に用いられることが好ましい。

請求項１に記載の発明によれば、対向２端面間の距離で決定されるスプリアスの現れる位置に、第１，第２のＩＤＴの電極指の対数の比が、１．３：１．０〜１．４：１．０の範囲とされているため、第１，第２のＩＤＴの周波数特性の減衰極と、対向２端面間の距離に起因するスプリアスの位置とが近接されているので、対向２端面間の距離で決定されるスプリアスレベルを効果的に抑制することができ、それによって良好なフィルタ特性を得ることができる。また、本発明に係るＳＡＷフィルタは、ＳＨタイプの表面波を利用した端面反射型のＳＡＷフィルタであるため反射器を必要としない。従って、小型であり、かつ良好なフィルタ特性を有する帯域フィルタを提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施例に係るＢＧＳ波を利用した縦結合型の二重モードＳＡＷフィルタを示す平面図である。ＳＡＷフィルタ１は、矩形の圧電基板２を有する。圧電基板２は、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、水晶などの圧電単結晶もしくはチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスのような圧電セラミックスにより構成することができる。本実施例では、圧電基板２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）により構成されている。

圧電基板２は、対向２端面２ａ，２ｂを有する。端面２ａと端面２ｂとは、互いに平行となるように形成されている。圧電基板２の上面２ｃ上には、第１のＩＤＴ３及び第２のＩＤＴ４が形成されている。ＩＤＴ３は、くし歯電極３ａ，３ｂを、互いに電極指が間挿し合うように配置した構造を有する。同様に、ＩＤＴ４は、くし歯電極４ａ，４ｂを互いの電極指が間挿し合うように配置した構造を有する。ＩＤＴ３，４の電極指は、端面２ａ，２ｂと平行に延ばされている。

ＩＤＴ３の最も外側の電極指は、端面２ａと上面２ｃとの端縁に沿うように形成されている。同様に、ＩＤＴ４の最も外側に位置する電極指も、上面２ｃと端面２ｂとのなす端縁に沿うように形成されている。

くし歯電極３ａには、入力電極５ａが連ねられて形成されており、くし歯電極３ｂには、アース電極５ｂが連ねられて形成されている。同様に、ＩＤＴ４側においては、くし歯電極４ａに連ねられて出力電極６ａが、くし歯電極４ｂに連ねられてアース電極６ｂが形成されている。

上記ＩＤＴ３，４及び電極５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂは、例えばアルミニウムなどの金属材料により構成されている。これらの電極の形成については、フォトリソグラフィ技術などの公知の方法により行うことができる。

本実施例のＳＡＷフィルタ１の特徴は、第１のＩＤＴ３の電極指の対数と第２のＩＤＴ４の電極指の対数との比が、１．３：１とされていることにある。すなわち、ＩＤＴ３の電極指の対数は３０対、ＩＤＴ４の電極指の対数は２３対とされている。このように、第１，第２のＩＤＴの電極指の対数の比を１．３：１とすることにより、対向２端面２ａ，２ｂ間の距離に起因するスプリアスを抑制することができ、良好なフィルタ特性が得られる。これを、具体的な実験例に基づき説明する。

ＳＡＷフィルタ１として、対向２端面２ａ，２ｂ間の距離が２．７５ｍｍであるＰＺＴよりなる圧電基板２上に、電極指の幅を１２．９４μｍ、電極指間ピッチを２５．８８μｍとし、それぞれ、電極指の対数が３０対の第１のＩＤＴ３及び２３対の第２のＩＤＴ４を形成したものを用意した。このＳＡＷフィルタ１のフィルタ特性を図３に実線で示す。なお、図３における破線は、実線の特性を、縦軸のスケールを１０倍、横軸のスケールを５倍に拡大したものである。

比較のために、図９に示したＳＡＷフィルタ６１をＩＤＴの対数を除いては、上記と同様の仕様で作製した。なお、ＳＡＷフィルタ６１においては、第１のＩＤＴ６３の電極指の対数を２６．５対、第２のＩＤＴ６４の対数を２６．５対とし、第１，第２のＩＤＴ６３，６４の電極指の対数の比は１：１とした。
このＳＡＷフィルタ６１のフィルタ特性を図１０に実線で示す。なお、図１０の破線は、実線の特性を、縦軸のスケールを１０倍、横軸のスケールを５倍に拡大したものである。

図３と図１０に示した特性を比較すれば明らかなように、図１０に示したフィルタ特性では、通過帯域外に、特に、通過帯域よりも低周波数側において、矢印Ａ１〜矢印Ａ５で示す比較的大きなスプリアスが現れている。これに対して、図３に示すフィルタ特性では、上記スプリアスに対応する位置におけるスプリアスレベルがかなり小さくなっていることがわかる。すなわち、上記スプリアスのうち、図１０における最も大きなスプリアスＡ１のレベル（以下、スプリアスピークレベルとする。）は、１２．１ｄＢであるのに対し、図３に示す本実施例のＳＡＷフィルタ１の特性では、スプリアスピークレベルは２４．６ｄＢとされ、ＳＡＷフィルタ６１に比べて、スプリアスピークレベルを１４．５ｄＢ抑圧し得ることがわかる。

上記のように、本実施例のＳＡＷフィルタ１においてスプリアスを抑制し得るのは、以下の利用によると考えられる。端面反射型の縦結合型ＳＡＷフィルタでは、対向２端面間の距離は、ＳＨタイプの表面波の波長をλ、第１，第２のＩＤＴの電極指の対数を、それぞれ、Ｎ1，Ｎ2 、ＩＤＴ間の距離をｒとしたときに、対向２端面間の距離Ｒは、
Ｒ＝λ×（Ｎ1 ＋Ｎ2 ）＋ｒ
で表される。

従って、対向２端面間の距離Ｒに依存するスプリアスの応答は、（Ｎ1 ＋Ｎ2）に依存することがわかる。その結果、従来のＳＡＷフィルタ６１では、フィルタ特性で使用するメインレスポンスを２Ｎ次とした場合、図４に示すように、破線Ａで示す２Ｎ±（４ｎ−２）（ｎ＝１，２，・・・）次のレスポンスは電極の極性の対称性から発生しないが、それ以外の次数ではスプリアスが発生する。そのうち、実線Ｂで示す周波数スペクトラムの減衰極あるいはスペクトラムの減衰量の大きい点に相当するスプリアスは抑制されるが、実線Ｃで示す上記２端面間の距離Ｒで決定される２Ｎ±（２ｎ＋１）（ｎ＝１，２，・・・）次のレスポンスが、ＩＤＴスペクトラムの減衰が少ないところに生じるため、このレスポンスがフィルタ特性のスプリアスとして現れることになる。

これに対して、本実施例のＳＡＷフィルタ１では、図５に示すように、端面間の距離で決定されるスプリアスが、実線Ｂで示すように減衰極に一致するか、実線Ｂ´で示すように減衰量が大きい点に相当するので、ごくわずかなスプリアスレスポンスしかフィルタ特性に現れない。

図５から明らかなように、本実施例では、端面間の距離Ｒで決定されるスプリアスの現れる位置に、入力側ＩＤＴ３または出力側ＩＤＴ４の周波数特性上の減衰極が近接されている。従って、ＩＤＴ３または４の減衰極に端面間の距離Ｒで決定されるスプリアスが近接するため、端面間の距離Ｒで決定されるスプリアスのレベルを抑圧することが可能とされている。

このように、入力側ＩＤＴ３または出力側ＩＤＴ４の減衰極と、端面間の距離Ｒで決定されるスプリアスの現れる位置とを近接させるには、図５に示すように、入力側ＩＤＴ３の周波数特性と出力側ＩＤＴ４の周波数特性とをずらせることが必要であり、本実施例では、ＩＤＴ３とＩＤＴ４の電極指の対数の比を上記のように１．３：１とすることにより果たされている。

言い換えれば、第１，第２のＩＤＴ３，４を有する構成において、第１，第２のＩＤＴ３，４の電極指の対数を異ならせ、それぞれの周波数特性を異ならせれば、第１，第２のＩＤＴ３，４の周波数特性上に現れる減衰極をずらせることが可能となる。従って、これらの減衰極を、端面間の距離Ｒで決定されるスプリアスの現れる位置に近接させるように、好ましくは、一致させるように、第１，第２のＩＤＴ３，４の電極指の対数を設定することにより、端面間の距離Ｒで決定されるスプリアスを効果的に抑圧することができる。

上記の結果を基に、第１，第２のＩＤＴ３，４の電極指の対数の比Ｎ1 ／Ｎ2を種々異ならせ、帯域外スプリアスレベルがどの程度抑圧されるかを測定した。結果を図６に示す。図６の横軸は、第１，第２のＩＤＴ３，４の電極指の対数の比Ｎ1 ／Ｎ2 を示し、縦軸は帯域外スプリアスのスプリアスピークレベルを示す。

図６から明らかなように、第１，第２のＩＤＴ３，４の電極指の対数の比を、１．２：１〜１．７：１とすれば、第１，第２のＩＤＴの電極指の対数を等しくした場合に比べてスプリアスピークレベルを１０ｄＢ以上抑圧し得ることがわかる。従って、ＳＡＷフィルタ１においては、第１，第２のＩＤＴ３，４の電極指の対数の比を、上記のように１．２：１〜１．７：１の範囲とすることにより、帯域外スプリアス、特に通過帯域よりも低域側に現れる端面間の距離Ｒに起因するスプリアスを効果的に抑圧し得ることがわかる。

また、ＳＡＷフィルタ１においては、第１のＩＤＴ３及び第２のＩＤＴ４の一方を入力側ＩＤＴ、他方のＩＤＴを出力側ＩＤＴ４としたが、ＩＤＴ３，４は、何れを入力側及び出力側としてもよい。さらに、本願発明者の実験によれば、ＳＡＷフィルタ１を他のＳＡＷフィルタと接続し複数段構成とする場合には、電極指の対数が多いＩＤＴ３側を入力側または出力側ＩＤＴとし、電極指の対数の少ない第２のＩＤＴ４側を段間接続に用いることにより、良好なフィルタ特性の得られることが確かめられた。これは、インピーダンスマッチングが良好となることによると考えられる。

本発明に係るＳＡＷフィルタは、ＳＡＷフィルタ１のように、それぞれ、１個の第１のＩＤＴ３及び１個の第２のＩＤＴ４を有するものに限定されず、第１，第２のＩＤＴ３，４は、少なくとも一方が複数配置されていてもよい。
図２は、第１のＩＤＴが１個、第２のＩＤＴが２個設けられている実施例を示す平面図である。

図２に示すＳＡＷフィルタ１１では、圧電基板２と同様に構成された圧電基板１２の上面１２ｃ上に、第１のＩＤＴ１３が形成されている。ＩＤＴ１３の両側には、第２のＩＤＴ１４，１５が形成されている。

ＩＤＴ１３は、互いの電極指が間挿し合うように配置されたくし歯電極１３ａ，１３ｂを有する。くし歯電極１３ａに連ねられて入力電極１６ａが形成されており、くし歯電極１３ｂに連ねられてアース電極１６ｂが形成されている。ＩＤＴ１４，１５は、それぞれ、くし歯電極１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂを有する。くし歯電極１４ａ，１５ａに連ねられて、それぞれ、出力電極１７ａ，１８ａが形成されている。また、くし歯電極１４ｂ，１５ｂに連ねられて、それぞれ、アース電極１７ｂ，１８ｂが形成されている。

なお、ＩＤＴ１４，１５の最も外側の電極指、すなわち端面１２ａ，１２ｂに最も近い電極指は、端面１２ａまたは１２ｂと上面１２ｃとのなす端縁に沿うように形成されている。

ＳＡＷフィルタ１１は、ＢＧＳ波を利用した端面反射型の縦結合二重モードＳＡＷフィルタとして動作するように構成されている。また、本実施例のＳＡＷフィルタ１１では、第１のＩＤＴ１３の電極指の対数Ｎ1 が７、出力側ＩＤＴである第２のＩＤＴ１４，１５の電極指の対数Ｎ2 が、何れも５とされている。すなわち、第１，第２のＩＤＴの電極指の対数の比は、７：５とされている。

上記ＳＡＷフィルタ１１のフィルタ特性を、図７に実線で示す。図７の破線は、実線の特性を縦軸のスケールを１０倍、横軸のスケールを５倍に拡大したものである。

図７の実線で示すように、ＳＡＷフィルタ１１においても、通過帯域よりも低域側のスプリアスが抑制され、スプリアスピークレベルは、１８ｄＢとされていることがわかる。なお、特に図示はしないが、ＳＡＷフィルタ１１において、中央のＩＤＴ１５，１６の電極指の対数をＩＤＴ１４と等しく７対とした場合には、スプリアスピークレベルは１０ｄＢであった。従って、ＳＡＷフィルタ１１において、電極指の対数の比を上記のように７：５とすることにより、３個のＩＤＴの電極指の対数が全て等しい相当のＳＡＷフィルタに比べてスプリアスピークレベルを８ｄＢ抑圧し得ることがわかる。

なお、上述した第１，第２の実施例のＳＡＷフィルタ１，１１では、ＳＨタイプの表面波として、ＢＧＳ波を利用したものを説明したが、ＢＧＳ波以外に、ラブ波、漏洩弾性表面波などの他のＳＨタイプの表面波を用いてもよい。

本発明の第１の実施例に係るＳＡＷフィルタを示す平面図。 本発明の第２の実施例に係るＳＡＷフィルタを示す平面図。 第１の実施例のＳＡＷフィルタのフィルタ特性を示す図。 従来の端面反射型の縦結合型ＳＡＷフィルタにおけるＩＤＴの周波数特性と、端面間の距離に起因するスプリアスの現れる位置との関係を説明するための図。 第１の実施例のＳＡＷフィルタにおける第１，第２のＩＤＴの周波数特性と、端面間の距離に起因するスプリアスの現れる位置との関係を説明するための図。 第１の実施例のＳＡＷフィルタにおける第１，第２のＩＤＴの電極指の対数の比と、スプリアスピークレベルとの関係を示す図。 第２のＳＡＷフィルタのフィルタ特性を示す図。 従来の縦結合型ＳＡＷフィルタの一例を示す斜視図。 従来の端面反射型の縦結合型ＳＡＷフィルタを示す斜視図。 図９に示した縦結合型ＳＡＷフィルタのフィルタ特性を示す図。

符号の説明

１…ＳＡＷフィルタ
２…圧電基板
２ａ，２ｂ…端面
２ｃ…上面
３…第１のＩＤＴ
４…第２のＩＤＴ
１１…ＳＡＷフィルタ
１２…圧電基板
１２ａ，１２ｂ…端面
１３…第１のＩＤＴ
１４…第２のＩＤＴ

Claims (3)

1. 端面反射型のＳＨタイプの表面波を利用した縦結合型の弾性表面波フィルタであって、
   対向２端面を有する圧電基板と、
   前記圧電基板上に形成されており、かつ電極指が前記端面と平行な方向へ延ばされた第１，第２のインターデジタルトランスデューサとを備え、
   前記対向２端面間でＳＨタイプの表面波が反射されるように構成されており、
   前記第１，第２のインターデジタルトランスデューサの電極指の対数の比が１．３：１．０〜１．４：１．０の範囲とすることによって、
   第１，第２のインターデジタルトランスデューサの周波数特性の減衰極が、対向２端面間の距離により表されるスプリアスの周波数位置と近接されていることを特徴とする、弾性表面波フィルタ。
2. 前記第１，第２のインターデジタルトランスデューサのうち少なくとも一方が複数設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の弾性表面波フィルタ。
3. 前記第１，第２のインターデジタルトランスデューサのうち、電極指の対数の大きい側のインターデジタルトランスデューサが入力側もしくは出力側とされており、相対的に電極指の対数が少ない側のインターデジタルトランスデューサが段間接続に用いられる、請求項１または２に記載の弾性表面波フィルタ。

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