JP4182715B2 - 弾性表面波フィルタ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電性基板の表面に入力電極と出力電極とからなるインターデジタル電極と2つの反射器とが形成された弾性表面波フィルタに関する。
【0002】
【従来の技術】
通常この種の弾性表面波フィルタは、その入力電極と出力電極の外周形状がともに矩形状のものが一般的である。また本出願人は、対称モードと反対称モードの振動モード分布を総和したモード和振動分布に基づいて電極形状をアポダイズすることにより、矩形状の電極で発生することが避けられなかったスプリアスが軽減できることを示した(特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平9−298447号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、上記した特許文献1の構成を更に研究した結果、従来は総和する対称および反対称の振動モード分布における最大値を図8(a)の様に両者ともに同一に設定していたが、図1の破線あるいは一点鎖線で例示する如く、着目する次数の最大値を他方より小さくするとともに、その2つのモードの和で表される関数に基づいてインターデジタル電極の交差幅をアポダイズすると、その減少させた割合に応じて、フィルタとしての減衰特性も変化できることを知見した。
【0005】
本発明はかかる知見に基づいてなされたものであって、総和する振動モード分布の最大値のうち、着目する次数のものを他と異ならせることにより、減衰特性を調整可能とした表面弾性波フィルタ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】
本発明にかかる弾性表面波フィルタ10は、図3にその全体的な構成を概略的に示す如く、水晶の様な圧電性基板12の表面に、2つの反射器20・20を対向して形成するとともに、両反射器20・20間に入力電極14と出力電極16とからなるインターデジタル電極18を形成することにより、弾性表面波の導波路22を構成したものである。
【0007】
更に、図4で示すインターデジタル電極18の交差部分で区画される外周形状が、導波路22で規定される横方向の振動モードであって、図1の様に、複数次数の振動モード分布を総和したモード和振動分布の一部または全部に基づいてアポダイズされる様に構成している。
【0008】
本発明にあっては、各次数の振動モード分布における最大値が、図8(a)の様に略同一に相対化されるとともに、着目する1または複数の次数における最大値を、図2(a)あるいは図5(a)に例示する如く他の振動モード分布とは異なった値に設定したのち、図2(b)あるいは図5(b)の様に総和することを特徴とする。
【0009】
上記した総和される振動モード分布は、1次の対称モードS0と、1次の反対称モードA1の2つであって、両者の最大値を互いに異なった値としている。更に、モード和振動分布が図5(b)において斜線で示す様にプラス部分bとマイナス部分cを持つ場合、図7の様に両者は互いに位相を反転して電気信号が供給される。
【0010】
入力電極14と出力電極16は、図3あるいは図6に例示する如く、基本的にはその外周形状が互いに点対称であって、破線により区画して示される導波路22の縦方向に隣接して形成される。またインターデジタル電極18の一部は、図11〜図13に示す如く、導波路22の縦方向に反転して形成することが可能であるし、離間して分割形成してもよい。
【0011】
【発明の効果】
本発明は上記の如く、総和する振動モード分布の最大値のうち、着目する次数のものを他と異ならせることにより、図9あるいは図10に示す如く、減衰特性それ自体を設計変更可能とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる弾性表面波フィルタ10における基本的な構成は従来と略同様であって、図4に例示する如く、水晶や圧電セラミック等の圧電性材料からなる圧電性基板12の表面中央における縦方向に、入力電極14と出力電極16とからなるインターデジタル電極18を形成するとともに、そのインターデジタル電極18を縦方向に挟んで両側に2つの反射器20・20を形成した構成を持つ。
【0013】
各反射器20はグレーティング形式であって、導波路22を横方向に伸びる多数のストリップ電極24・24・・・を、例えば弾性表面波波長λの2分の1のピッチで縦方向に連続的に配置するとともに、図3において破線で区画される導波路22の両側を縦方向に伸びる2本の接続用の電極26・26で、各ストリップ電極24を互いに接続している。
【0014】
インターデジタル電極18を構成する入力電極14および出力電極16は略同一の構成であって、図3に例示する如く、導波路22の縦方向に接近させて互いに点対称位置に配置されている。
【0015】
ここで入力電極14および出力電極16は、それぞれが複数の電極指28・28・・・を持つ1対の櫛形の電極から構成され、その各電極指28を相互に交差させた状態で、導波路22の縦方向に対向配置された形状を持つ電極構成を、本発明にかかる弾性表面波フィルタ10の基本構成とする。
【0016】
そして、入力電極14にあっては電気信号を弾性表面波に変換し、出力電極16にあっては弾性表面波を電気信号に変換するための変換器としての機能を果たすことは従来と略同様である。
【0017】
本発明は上記した構成にあって、特に入力電極14と出力電極16をともに、プラス極とマイナス極からなる1対の電極指28a・28bで構成し、その1対の電極指28a・28bにおける相互の交差幅で規定される電極の外周形状を決定するための手順にその特徴を有する。
【0018】
より具体的には、着目する次数の対称モードおよび反対称モードにおける振動モード分布を2あるいはそれ以上足し合わせた形状から、目的とするインターデジタル電極18の交差幅を決定する。
【0019】
なお、対称モードおよび反対称モードの振動モード分布関数φSi(x)およびφAi(x)は、例えばこの種のモデルにおける公知の波動方程式を、適宜の境界条件を設定して解くことによって算出することができ、
対称モードに対しては、
φSi(x)=Acos(kxs i・x)・e− j (βs i ・z−ωt) ・・・(1)
反対称モードに対しては、
φAi(x)=Bsin(kx ai・x)・e−j(βa i ・z−ωt) ・・・(2)
で表わすことができる。
【0020】
ここで、xは導波路22の幅方向への位置、zは導波路伝搬方向への位置を表わし、ωは共振周波数の角速度、kxs i=(ks 2−βs i 2)1/2、kxa i=(ks 2−βa i 2)1/2、ks=ω/vs、βs i=ω/vs i、βa i=ω/va iであり、vsは周期的摂動構造での音速である。
【0021】
また、vs iは対称モードの、va iは反対称モードの弾性表面波の導波路22中での速度であって、電極の厚み、電極材料および圧電性基板12の種類等の条件から波動方程式を解くことによって得られる速度分散曲線から求めることができる。したがって(1)式および(2)式におけるx方向の伝搬定数(kxs i、kxa i)はモード、次数によって異なる値をとる。
【0022】
上記の様にして、例えば第1次の対称モードS0における振動モード分布を求めると、図8(a)において実線で示す様な、半周期分の余弦曲線における左右の両端が立ち上がった形状となる。また、第1次の反対称モードA1における振動モード分布は、同図において破線で示す様な正弦曲線の一部となる。
【0023】
本発明にあっては、各振動モード分布における最大値を1に相対化したあと更に、図2(a)あるいは図5(a)の如く、着目する次数の振動モード分布の最大値のみを1を下回る値に減少させて足し合わせ、その足し合わせたモード和振動分布に基づいて入力電極14と出力電極16の電極形状を決定することを特徴とする。
【0024】
ここで、図2(a)で例示する様に、着目する振動モード分布が1次の反対称モードA1であり、更にその最大値を0.5に設定した場合にあっては、求めたモード和振動分布は図2(b)で斜線を引いて示す様に、プラス側にのみ伸びる1つの大きな山形状aを示す。
【0025】
この場合にあっては、図4で示す如く、導波路22を挟んで両側にプラス極とマイナス極の接続用電極30・32を1本ずつ設け、各接続用電極30・32から横方向に伸びる電極指28の交差位置で規定される図3で示す電極の外周形状Aが、図2(b)において斜線で示す曲線aと相似した形状となる様に交差幅を決定する。
【0026】
一方、図5(a)で例示する如く、着目する振動モード分布を1次の対称モードS0とし、更にその最大値を0.5に設定した場合にあっては、求めたモード和振動分布は図5(b)において斜線で示す様に、プラス側にのみ伸びる大きな1つの山形状bと、マイナス側に伸びる小さな山形状cとから構成される。
【0027】
この場合には、図7に例示する如く、インターデジタル電極18を形成する領域を挟んで両側にプラス極の接続用電極30・30を設ける一方、中央部分を縦断して細帯状のマイナス極の補助電極34を設ける。そして、プラス極の接続用電極30・30から伸びる電極指28aとマイナス極の補助電極34から伸びる電極指28bとの交差位置で決まる図6で示す電極の外周形状B・Cが、図5(b)に示す上記した2つの曲線b・cにおける外周形状に相似する形状となる様に交差幅を決定する。
【0028】
その際、図5(b)に示す大きい曲線bは縦軸のプラス方向に伸び、小さい曲線cはマイナス方向に伸びる。そこで、圧電性基板12上に形成されるインターデジタル電極18にあっても、小さい閉曲線Cに対応する部分に負のアポタイズを施すため、大きい閉曲線Bとは位相が逆転するようにプラス極およびマイナス極を逆に接続している。
【0029】
なお、上記の様に構成したインターデジタル電極18における横方向へは配設位置や方向を変更することはできないが、縦あるいは横方向に電極を分割し、それを縦方向であれば、反転して配置し、移動し或いは配設順序を変更することはできる。要するに、導波路22の縦方向に、モード和振動分布に対応する電極部分が総和として存在すれば、縦方向の位置、方向あるいは順序は関係しない。
【0030】
たとえば、図6を基本形とすれば、図11の様に負のアポタイズ部分C・C’を反転させたり、図12の様に移動させたり、あるいは図13の様に、出力電極16における正のアポタイズ部分B’と、入力電極14における負のアポダイズ部分Cの配設位置を入れ替えることもできる。
【0031】
また図2(b)および図5(b)における破線で示す様に、求めたモード和振動分布を反転したもので閉空間を作り、図14の様にその形状を入力電極14と出力電極16の形状とすることもできる。この場合にあっても、電極の一部を導波路22の縦方向に移動や反転等をさせて配置できることは勿論である。
【0032】
以上の構成により、先ず図4に示す接続用の電極26・26と30・32によって、例えば図3において破線で示す圧電性基板12上における導波路22の幅方向の境界が決まる。ここで、その導波路22内に設けたストリップラインの配列構造部分における弾性表面波の伝搬速度は他よりも小さいため、弾性表面波は導波路22に集中し、更にストリップラインの配列構造部分でモード和振動分布に対応したエネルギーが弾性表面波に供給される。この様にして、インターデジタル電極18の入力電極14により励振されて発生された弾性表面波はその両側に向けて縦方向に伝搬し、反射器20で繰り返し反射させることによって定在波を形成する。
【0033】
なお、インターデジタル電極18が存在しない部分には、例えば図4において破線で示すごとく、何れかの電極に接続され、且つ、他の電位の電極指28とは交差しないダミーの電極38を形成することができる。
【0034】
また、上記した例では2つのモードを足し合わせた例を示したが、3つ以上の対称および反対称振動モードを利用する場合にあっても略同様に、各次数の振動モード分布を求めたのち、最大値に重みをつけてそれらの和をとることによって必要な曲線が求まる。
【0035】
【実施例】
圧電性基板12として、図4における縦方向長さが5mm、横方向長さが2mmのSTカット水晶板を用い、その表面にインターデジタル電極18と反射器20とを形成した。
【0036】
そしてこの例では、インターデジタル電極18により発生される弾性表面波の波長λを10μmとし、電極の膜厚を0.025λ、導波路22の幅を20λに設定した。更に、インターデジタル電極18は入力電極14および出力電極16ともに、プラス極の電極指28aとマイナス極の電極指28bを1組として115対、反射器20は片側を110本とした。
【0037】
ここで図1において示す如く、破線で示す1次の反対称モードA1における最大値を0.5にした場合と、一点鎖線で示す1次の対称モードS0の最大値を0.5にした場合のモード和振動分布をそれぞれ求め、インターデジタル電極18の形状を決定した。
【0038】
図9は、その様にして具体的に構成した弾性表面波フィルタ10における減衰特性を示すものであって、比較のために、足し合わせる2つのモード分布の最大値を略等しくした従来のものにおける減衰特性を実線で示した。
【0039】
かかるグラフから、2つのモード分布S0・A1の重み付けが同等の場合(図中の実線)、中心周波数から高域および低域周波数に向けて略同等な減衰特性を示すのに対し、1次の対称モードS0の重み付けを減少させた場合(図中の一点鎖線)、低域側が急峻になる一方、高域側がなだらかな特性となる。1次の反対称モードA1の重み付けを小さくした場合(図中の破線)は、前記した場合とは逆に、高域側における特性が急峻になる一方、低域側の特性がなだらかになることが確かめられた。
【0040】
更に、上記の様にした場合と略同様にしてモード和振動分布であるK1*S0+K2*A1を求める際、1次の対称モードS0における最大値K1を「1」とし、1次の反対称モードA1における最大値K2を、「0.95〜0.3」まで変更した場合の減衰特性が図10である。かかる実施例から、低域側の減衰量が、重み付けの割合が減少するほどなだらかになることが認められた。
【0041】
高域側の減衰特性の特徴としては、中心周波数から離れた位置に減衰量の特に大きい箇所が発生するとともに、その箇所の発生位置が重み付けの量が増加するにつれて高域側に移動することが確かめられた。
【図面の簡単な説明】
【図1】着目する次数の最大値を変更した一例を示すモード和振動分布である。
【図2】1次の反対称モードの最大値を半分にした場合におけるグラフであって、(a)は振動モード分布を、(b)はモード和振動分布を各々示す。
【図3】図2に示すモード和振動分布に基づいて電極構成した場合における入出力電極の形状を概略的に示す説明図である。
【図4】図3に示す電極の構成を具体的に示した弾性表面波フィルタの一例を示す、一部を破断した平面図である。
【図5】1次の対称モードの最大値を半分にした場合におけるグラフであって、(a)は振動モード分布を、(b)はモード和振動分布を各々示す。
【図6】図5に示すモード和振動分布に基づいて電極構成した場合における入出力電極の形状を概略的に示す説明図である。
【図7】図6に示す電極の構成を具体的に示した弾性表面波フィルタの一例を示す、一部を破断した平面図である。
【図8】各振動モードの最大値を同一にした場合におけるグラフであって、(a)は振動モード分布を、(b)はモード和振動分布を各々示す。
【図9】足し合わせるモードが1次の対称モードと1次の反対称モードの2つの場合にあって、一方の重みを各々半分にした際の減衰特性の変化を示す。
【図10】足し合わせるモードが2つの場合にあって、反対称モードの重みのみを0.95から0.3まで変更した際の減衰特性の変化を示す。
【図11】図6に示すインターデジタル電極の一部を反転した構成例を示す概略図である。
【図12】図6に示すインターデジタル電極の一部を移動した構成例を示す概略図である。
【図13】図6に示すインターデジタル電極における一部の順序を変更した構成例を示す概略図である。
【図14】図3に示すインターデジタル電極の他の構成例を示す概略図である。
【符号の説明】
10 弾性表面波フィルタ
12 圧電性基板
14 入力電極
16 出力電極
18 インターデジタル電極
20 反射器
22 導波路
24 ストリップ電極
26 接続用電極
28 電極指
30 プラス極の接続用電極
32 マイナス極の接続用電極
34 補助電極
38 ダミー電極
Claims (5)
- 圧電性基板(12)の表面に、2つの反射器(20)・(20)を対向して形成するとともに、両反射器(20)・(20)間に入力電極(14)と出力電極(16)とからなるインターデジタル電極(18)を形成することにより、弾性表面波の導波路(22)を構成した弾性表面波フィルタにおいて、
前記インターデジタル電極(18)の交差部分で区画される外周形状が、
前記導波路(22)で規定される横方向の振動モードであって、1次の対称モードS0と1次の反対称モードA1の振動モード分布を総和したモード和振動分布の一部または全部に基づいてアポダイズされるものであり、更に
前記1次の振動モード分布が、最大値を略同一に相対化されるとともに、着目する対称モードまたは反対称モードの最大値を、他の振動モード分布とは異なった値に設定したのちに総和されることを特徴とする弾性表面波フィルタ。 - 前記モード和振動分布はプラス部分とマイナス部分があって、
両者は互いに位相を反転して電気信号が供給される請求項1記載の弾性表面波フィルタ。 - 前記入力電極(14)と出力電極(16)は、その外周形状が互いに点対称であって、前記導波路(22)の縦方向に隣接して形成される請求項1記載の弾性表面波フィルタ。
- 前記インターデジタル電極(18)の一部は、前記導波路(22)の縦方向に反転して形成される請求項1記載の弾性表面波フィルタ。
- 前記インターデジタル電極(18)の一部は、前記導波路(22)の縦方向に離間して分割形成される請求項1記載の弾性表面波フィルタ。
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