JP4232762B2 - 弾性表面波素子 - Google Patents

Description

本発明は弾性表面波素子に係り、特に広い通過帯域を有する多重モードフィルタに関する。

弾性表面波（ＳＡＷ）素子には、伝送回路において周波数選択素子として用いられるＳＡＷフィルタや、一定の共振周波数を出力するＳＡＷ共振子等がある。そしてＳＡＷフィルタは、例えば携帯電話等の移動通信端末において中間周波数（ＩＦ）フィルタや無線周波数フィルタ等として利用されている。特にＳＡＷフィルタの中でも横多重モードＳＡＷフィルタは、ＩＦフィルタとして広く利用されている。

ところで近年の通信システムはデジタル通信方式を採用しているので、比較的広い通過帯域を有するＩＦフィルタが必要となっていた。図４に従来技術に係るＳＡＷフィルタの概略平面図を示す。図４に示すようなＳＡＷフィルタ１は、２個のＳＡＷ共振子３を弾性表面波の伝搬方向と平行に圧電基板２上に近接して配置した構成である。各ＳＡＷ共振子３はすだれ状電極（ＩＤＴ）４および反射器５等から構成され、前記ＩＤＴ４は、弾性表面波の伝搬方向に沿う複数の給電導体６（６ａ，６ｂ）を有し、中央の給電導体６ａから両側の給電導体６ｂへ向けて電極指７ａが延設されるとともに、両側の給電導体６ｂから中央の給電導体６ａへ向けて電極指７ｂが延設された構成である。この構成により、通過帯域幅を広帯域化するとともに小型化を図っている（例えば特許文献１を参照）。
国際公開第００／６７３７４号

上述したＳＡＷフィルタにおいて、給電導体の幅Ｄとバンド帯域幅とは図５に示す関係がある。この関係は、給電導体の幅Ｄが狭くなればなる程バンド帯域幅が広くなることを示している。したがってフィルタの通過帯域を広帯域にするには、給電導体の幅Ｄを細くする必要がある。

図６に給電導体の幅Ｄと抵抗分との関係を示す。この関係は、給電導体の幅と抵抗分とは反比例の関係が有り、給電導体の幅Ｄを細くすると給電導体に生じる抵抗分が大きくなることを示している。また図７に抵抗分とフィルタロスとの関係を示す。この関係は、給電導体に生じる抵抗分が大きくなるとフィルタの損失が大きくなることを示している。したがってフィルタの通過帯域を広帯域にするために給電導体の幅Ｄを細くすると、給電導体の抵抗損失が大きくなり、ひいてはフィルタの挿入損失が大きくなる結果となる。

また中央部の給電導体は、この給電導体の幅Ｄが狭く、かつ弾性表面波の伝搬方向に沿ってＩＤＴの一端から他端まで引き回すとともに、接続導体を介してこの給電導体と入力端子とを接続させているので、給電導体の抵抗損失はさらに大きくなり、フィルタの挿入損失もさらに大きくなる結果となる。
本発明は、挿入損失の小さく広帯域の通過帯域を備えた弾性表面波素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る弾性表面波素子は、弾性表面波の伝搬方向と平行に並設した一対のすだれ状電極と、これらすだれ状電極の両側に設けた反射器とを有する弾性表面波素子であって、前記各すだれ状電極の一方の電極部を構成する複数の電極指の基端を相互に接続した接続部を共通にするとともに、前記各電極指は、前記接続部と交わる複数の直線部と、これら直線部間に設けた折り曲げ部とからなる、ことを特徴としている。この場合、一方のすだれ状電極に形成された折り曲げ部の折り曲げ方向と、他方のすだれ状電極に形成された折り曲げ部の折り曲げ方向とは、同一方向に折り曲げられた構成にできる。一方のすだれ状電極が入力電極となり、他方のすだれ状電極が出力電極となる。このすだれ状電極は折り曲げ部を備えた構成なので、接続部の抵抗損失を小さくすることができ、弾性表面波素子の挿入損失を小さくすることができる。

また前記すだれ状電極に形成された前記折り曲げ部は、この折り曲げ部の一端側と他端側とでλ／２（λ：前記弾性表面波の波長）ずれ、前記一端側に接続する前記直線部と前記他端側に接続する前記直線部との間にλ／２の間隔を形成したことを特徴としている。これにより入力電極に電気信号を供給すると弾性表面波が励振され、また音響的結合によって出力電極にも弾性表面波が励振される。このときすだれ状電極の電極指に折り曲げ部が設けられているので、折り曲げ部を挟んで１８０°反転した駆動電界を発生させることができる。したがって弾性表面波素子にＳ１モードおよびＡ１モードの弾性表面波を励振することができる。

また前記すだれ状電極の前記接続部を共通にした部分は、前記反射器と電気的に接続していることを特徴としている。これにより弾性表面波素子にＳ１モードおよびＡ１モードの弾性表面波を励振することができる。

以下に、本発明に係る弾性表面波素子の好ましい実施形態について説明する。図１に弾性表面波素子の概略平面図を示す。弾性表面波（ＳＡＷ）素子１０の主な構成は、圧電基板１２上に入力電極１４、出力電極１６および反射器１８を備えたものである。

前記入力電極１４は、一対のすだれ状電極（ＩＤＴ）２０から形成されている。各ＩＤＴ２０は、複数の電極指２２を有し、各電極指２２の基端を接続部２４（２４ａ，２４ｂ）で短絡して形成されている。そして一対のＩＤＴ２０は、各ＩＤＴ２０の電極指２２を交互に噛み合わせることにより形成される。各電極指２２には、ＩＤＴ２０の接続部２４側縁から一定の距離をとるとともに、電極指２２が延びる方向に対して斜めに曲げられた折り曲げ部２６が形成され、その折り曲げ部２６の両端に直線部２８（２８ａ，２８ｂ）が形成されている。ここで直線部２８ｂ同士が噛み合っている交差幅をＷ１とするとともに、直線部２８ａ同士が噛み合っている交差幅をＷ２とする。また直線部２８ｂと直線部２８ａを接続する折り曲げ部２６の長さをＥ１とする。そして折り曲げ部２６は、各電極指２２で同一方向に折り曲げられ、折り曲げられる距離は、ＩＤＴ２０に電気信号を供給することにより圧電基板１２上に励振される弾性表面波の波長λの半分である。したがって各電極指２２における直線部２８ａと直線部２８ｂとの電極指噛み合わせ方向の間隔はλ／２離れている。

前記出力電極１６は、弾性表面波の伝搬方向に対して入力電極１４と平行に形成されている。この出力電極１６は一対のＩＤＴ３０から形成され、各ＩＤＴ３０は、複数の電極指３２の基端を接続部３４（３４ａ，３４ｂ）で短絡して形成されている。各電極指３２には、ＩＤＴ３０の接続部３４側縁から一定の距離をとるとともに、入力電極１４に設けられた折り曲げ部２６の折り曲げ方向と同方向に曲がる折り曲げ部３６が形成されている。ここで直線部３８ａ同士が噛み合っている交差幅をＷ３とするとともに、直線部３８ｂ同士が噛み合っている交差幅をＷ４とする。また直線部３８ａと直線部３８ｂを接続する折り曲げ部３６の長さをＥ２とする。そして折り曲げ部３６は、電極指３２が延びる方向に対して斜めに折り曲げられており、折り曲げられる距離は、圧電基板１２上に励振される弾性表面波の波長λの半分である。この折り曲げ部３６の両端には直線部３８（３８ａ，３８ｂ）が形成され、各電極指３２における直線部３８ａと直線部３８ｂとの電極指噛み合わせ方向の間隔はλ／２離れている。そして入力電極１４および出力電極１６における電極指２２，３２の噛み合わせ方向に沿う各直線部２８，３８が、弾性表面波の伝搬路となる。

そして出力電極１６側に配置される入力電極１４の接続部２４ａと、入力電極１４側に配置される出力電極１６の接続部３４ａとは、共通に形成されている。すなわち入力電極１４と出力電極１６とは、圧電基板１２のカット角に応じて所定の方向に向くとともに平行に形成された３本の接続部２４ｂ，２４ａ（３４ａ），３４ｂを有し、中央の接続部２４ａ（３４ａ）から両側の接続部２４ｂ，３４ｂに向けて複数の電極指２２，３２を延設するとともに、両側の接続部２４ｂ，３４ｂから中央の接続部２４ａ（３４ａ）に向けて複数の電極指２２，３２を延設し、中央の接続部２４ａ（３４ａ）の両側縁から一定距離をおいた位置に折り曲げ部２６，３６を設けた構成である。したがって入力電極１４と出力電極１６とは、中央の接続部２４ａ（３４ａ）を基準として線対称の形状である。ここで入力電極１４に設けられた電極指２２のうち先端側を中央の接続部２４ａ（３４ａ）に向けた電極指２２の先端と、出力電極１６に設けられた電極指３２のうち先端側を中央の接続部３４ａ（２４ａ）に向けた電極指３２の先端との距離（中央部分）をＣとする。すると、このような入力電極１４および出力電極１６では、各直線部２８，３８の交差幅の関係がＷ１＝Ｗ２＝Ｗ３＝Ｗ４を満たす構成になっている。また折り曲げ部２６，３６と前記中央部分の関係は、Ｅ１＝Ｅ２＝Ｃを満たす構成になっている。

前記反射器１８は、各ＩＤＴ２０，３０を形成する電極指２２，３２の噛み合わせ方向における入力電極１４と出力電極１６との両側に形成され、複数の電極指４０を備えた構成である。そして入力電極１４と出力電極１６との共通の接続部、すなわち中央の接続部２４ａ（３４ａ）は、その両端が延設されて反射器１８と電気的に接続している。この反射器１８は、電気的に接地される。

このようなＳＡＷ素子１０は次のようにして作製される。まず圧電ウエハ上にＩＤＴ２０，３０や反射器１８等の電極を形成する金属、例えばアルミニウム系の金属等をスパッタ等の成膜法により成膜する。次にこの金属膜上にフォトレジストを塗布する。そしてフォトマスクやレチクルに描画された電極パターンをフォトレジスト上に露光装置を用いて転写した後、フォトレジストを現像する。この後、電極パターン形成部分以外の部分のフォトレジストを除去する。そして残したフォトレジストをマスクとして金属膜をエッチングし、電極パターン形成部分以外の部分の前記金属膜を除去する。この後、マスクとして使用したフォトレジストを除去すれば圧電ウエハ上に前記電極が形成され、ダイシングして各チップに切断するとＳＡＷ素子１０が作製される。

そして上述したＳＡＷ素子１０の入力電極１４に電気信号を供給すると、圧電基板１２の圧電効果によって入力電極１４の各直線部２８に周期的な機械的ひずみが生じ、電極指２２の噛み合わせ方向に伝搬する弾性表面波が励起される。そしてこの音響的結合によって出力電極１６に電極指３２の噛み合わせ方向に伝搬する弾性表面波が励起され、圧電効果によって出力電極１６から電気信号が出力される。このときＳＡＷ素子１０に励振される弾性表面波は、図２に示すようなＳ１モード（１次対称モード）とＡ１モード（１次斜対称モード）とが励起される。詳しくは、入力電極１４および出力電極１６の各直線部２８，３８において、励振電界が、外側に位置する直線部２８ｂ、３８ｂと内側に位置する直線部２８ａ，３８ａとで逆向きに発生する。なお図２では、励振電界は矢印で示され、外側に位置する直線部２８ｂ、３８ｂにおいて左向きに発生し、内側に位置する直線部２８ａ，３８ａにおいて右向きに発生した形態を示している。この相互に１８０°反転する駆動電界によって、Ｓ１モードおよびＡ１モードの振動変位が発生する。そしてＳ１モードおよびＡ１モードは、入力電極１４および出力電極１６における各折り曲げ部２６，３６において変位量が略零となっており、これによりＳ１モードとＡ１モードとの効率的な励振が可能となる。

このようにして得られたＳＡＷ素子１０は、図３に示す特性が得られる。この図３は折り曲げ部の長さおよび前記中央部分と、バンド帯域幅および損失との関係を示している。ここで図３の横軸は、折り曲げ部２６，３６の長さＥ１，Ｅ２と、前記中央部分の長さＣを示しており、弾性表面波の波長λで規格化している。また縦軸はバンド帯域幅と損失を示している。そして図３の上側に示すグラフはバンド帯域幅を示し、下側に示すグラフは損失を示している。図３からＥ１、Ｅ２およびＣを小さくするとバンド帯域幅は広くなるが、損失はほとんど変わらないことがわかる。なお従来技術に係るＳＡＷ素子では、本実施形態に係るＳＡＷ素子１０に比べて損失が大きくなる。また従来技術に係るＳＡＷ素子ではバンド帯域幅が５００ｐｐｍ程度であり、本実施形態に係るＳＡＷ素子１０のバンド帯域幅に比べて狭くなっている。

このように、ＳＡＷ素子１０の入力電極１４と出力電極１６とに折り曲げ部２６，３６を設けたので、圧電基板１２上に励振される弾性表面波に反転構造を作ることができる。これにより１次の弾性表面波（Ｓ１モード、Ａ１モード）が励振される横結合多重モードフィルタを形成することができる。またこの構造は、電極指２２，３２に折り曲げ部２６，３６を設けたこと以外は、基本波の弾性表面波（Ｓ０モード、Ａ０モード）を励振する横結合多重モードフィルタの構造と同様の構成である。したがって１次の弾性表面波（Ｓ１モード、Ａ１モード）を励振するために、本実施形態に係るＳＡＷ素子１０は、従来技術に係るＳＡＷ素子のように入力電極と出力電極とを構成する各ＩＤＴの中央部に給電導体を設ける必要がないので、この給電導体に生じていた抵抗分だけ損失を防ぐことができ、従来技術に係るＳＡＷ素子に比べてフィルタの挿入損失を小さくすることができる。

なお本実施形態に係るＳＡＷ素子１０と従来技術に係るＳＡＷ素子とのフィルタの挿入損失を比較すると、本実施形態に係るＳＡＷ素子１０の挿入損失は３ｄＢ程度であり、従来技術に係るＳＡＷ素子の挿入損失は５ｄＢ程度であった。この場合、ＩＤＴの対数や反射器の電極指の本数、これらの電極の幅、長さおよび高さ等を同一にして、出力される共振周波数を同じに設定している。この結果より本実施形態に係るＳＡＷ素子１０は、抵抗損失が小さくなったのでフィルタの挿入損失も小さくなったことがわかる。また本実施形態に係るＳＡＷ素子１０は、入力電極１４および出力電極１６のそれぞれの中央部に接続部が設けられていないので、ＳＡＷ素子１０における接続部全体の幅は、従来技術に係るＳＡＷ素子の給電導体全体の幅に比べて細くなっている。したがって図５に示す関係より、本実施形態に係るＳＡＷ素子１０は通過帯域のバンド幅を広くすることができる。すなわち本実施形態に係るＳＡＷ素子１０は、フィルタの挿入損失が小さく、かつ広い通過帯域を備えることができる。

また通常、通過帯域幅の広いフィルタには、電気機械結合係数の大きな圧電基板が用いられる。しかし本実施形態に係るＳＡＷ素子１０は、電気機械結合係数が比較的に小さい圧電基板、例えば水晶等を用いても、広い通過帯域のフィルタを得ることができる。

上述した実施形態では、入力電極と出力電極との各電極指に１つの折り曲げ部を設けて２つの直線部を形成した形態で説明したが、この形態に限定されることはない。すなわち各電極指に複数の折り曲げ部を設けて複数の直線部を形成することもできる。これによりさらに高次の弾性表面波を利用するＳＡＷ素子を形成することができる。

本実施形態に係る弾性表面波素子の概略平面図である。 本実施形態に係る弾性表面波素子と弾性表面波との説明図である。 折り曲げ部の長さおよび中央部分と、バンド帯域幅および損失との関係を示す図である。 従来技術に係る弾性表面波フィルタの概略平面図である。 給電導体の幅Ｄとバンド帯域幅との関係を示す図である。 給電導体の幅Ｄと抵抗分との関係を示す図である。 抵抗分とフィルタロスとの関係を示す図である。

符号の説明

１０………弾性表面波（ＳＡＷ）素子、１４………入力電極、１６………出力電極、１８………反射器、２０，３０………すだれ状電極（ＩＤＴ）、２２，３２………電極指、２４，３４………接続部、２６，３６………折り曲げ部、２８，３８………直線部。

Claims (2)

1. 弾性表面波の伝搬方向と平行に並設した一対のすだれ状電極と、これらすだれ状電極の両側に設けた反射器とを有する弾性表面波素子であって、
   前記各すだれ状電極の一方の電極部を構成する複数の電極指の基端を相互に接続した接続部を共通にするとともに、
   前記各電極指は、前記接続部と交わる複数の直線部と、これら直線部間に設けた折り曲げ部とからなり、
   前記すだれ状電極に形成された前記折り曲げ部は、この折り曲げ部の一端側と他端側とでλ／２（λ：前記弾性表面波の波長）ずれ、前記一端側に接続する前記直線部と前記他端側に接続する前記直線部との間にλ／２の間隔を形成した、
   ことを特徴とする弾性表面波素子。
2. 前記すだれ状電極の前記接続部を共通にした部分は、前記反射器と電気的に接続していることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。

Images