JP4607572B2 - 弾性表面波フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、縦結合型弾性表面波フィルタを複数用いた弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）フィルタに関する。

ＳＡＷデバイスは、弾性体表面に伝わるレイリー波を利用したものであり、圧電基板上にＩＤＴ（インターディジタルトランスデューサ）を配置し、電気信号と弾性表面波間の電気−機械相互変換を行って周波数選択（帯域フィルタ）特性を持たせたものであり、さらには反射器を付して高いＱの共振特性を持たせるようにしている。ＳＡＷデバイスの一つであるＳＡＷフィルタは、高機能化、小型化が進められている例えば携帯電話等の電子機器として使用されており、挿入損失（入力電力に対する出力電力の減衰量）が小さく、周波数選択性に優れたフィルタ特性を有しかつ小型化、軽量化されることが要求されている。

ここで縦結合型ＳＡＷフィルタについて簡単に説明する。図１６は縦結合二重モードＳＡＷフィルタと呼ばれる縦結合型ＳＡＷフィルタの模式図であり、当該ＳＡＷフィルタは圧電基板上に入力側のＩＤＴ１１と出力側のＩＤＴ１２、１３とを配置し、これらＩＤＴ群に対して弾性表面波の伝播方向の両側にグレーティング反射器１４、１５を設けて構成されている。

このような構成の縦結合型ＳＡＷフィルタにおいては、ＩＤＴの電極指１０の交差幅Ｗを小さくすれば電極指１０の抵抗が小さくなるので、挿入損失については改善されるが、交差幅Ｗが小さすぎると電極指１０、１０間の容量が小さくなって入力、出力の各インピーダンスを予定とする大きさにできなくなってしまう。そこで例えば特許文献１には、縦結合型ＳＡＷフィルタについて複雑な設計変更をすることなく、その挿入損失を改善する手法が示されている。その手法は、図１６に示す１個の縦結合型ＳＡＷフィルタと対比すると、図１７に示すように前記交差幅をＷの半分の大きさであるＷ’（Ｗ'≒1/2Ｗ）に設定した２個の縦結合型ＳＡＷフィルタ１Ａ、１Ｂを電気的に並列に接続して１つのＳＡＷフィルタとして構成する手法である。このような構成とすれば、前記交差幅が小さくなるので電極指の抵抗も半分になり、挿入損失を低減させることができると共に、電極指間の容量のトータル値は変わらないので、入出力インピーダンス値について図１６に示した縦結合型ＳＡＷフィルタとほぼ同一の値にすることができる。

図１８及び図１９に夫々通過帯域内特性及び通過帯域外特性を表した特性図を示した。同図において、ａは図１６に示した縦結合型ＳＡＷフィルタの特性であり、ｂは図１７に示したＳＡＷフィルタの特性である。この結果から並列構成にした場合の挿入損失が１個の構成と比べて0.5ｄＢ程度低減していることが分かる。このときの設計パラメータは以下の通りである。
圧電基板：36度 Ｙ−Ｘ ＬｉＴaＯ_３
ＩＤＴ周期：1.98μm
反射器ピッチ；1.015μｍ
電極膜厚：175nm
グレーティング反射器本数：８０本
交差幅Ｗ：５０λ
入力側ＩＤＴの電極指本数：１２
出力側ＩＤＴの電極指本数：１９
このように並列構成は挿入損失を低減できる点で有利なものではあるが、その反面、互いの縦結合型ＳＡＷフィルタ同士が重なってしまわないようにある程度の距離をもって離して配置する上、パターン数が２倍に増えるため、２個並べる場合の長さは１個に比べて２倍強になり、その結果最終的な製品であるＳＡＷフィルタチップのサイズが大きくなり、小型化の要求に応えにくいという欠点がある。

特開平８-１８１５６６

本発明の課題は上記した従来技術の欠点を除くためになされたものであって、その目的とするところは、小型でかつ挿入損失が小さいＳＡＷフィルタを提供することである。

本発明は、圧電基板上に複数のＩＤＴを設けると共にこれらＩＤＴに対して弾性表面波の伝播方向の両側にグレーティング反射器を配置してなる縦結合型弾性表面波フィルタを用いた弾性表面波フィルタにおいて、
第１の縦結合型弾性表面波フィルタと第２の縦結合型弾性表面波フィルタとを弾性表面波の伝播方向に配置すると共に互いに電気的に並列に接続し、これら縦結合型弾性表面波フィルタのグレーティング反射器同士を共用化し、共用化されたグレーティング反射器の本数をＮ’とし、共用化されていないグレーティング反射器の本数をＮとした時、２≦Ｎ’＜２Ｎであることと、
第１の縦結合型弾性表面波フィルタにより励振された弾性表面波と第２の縦結合型弾性表面波フィルタにより励振された弾性表面波との位相整合がとれるように、第１の縦結合型弾性表面波フィルタの一方側と第２の縦結合型弾性表面波フィルタの一方側との間で共用化されたグレーティング反射器のピッチが、第１の縦結合型弾性表面波フィルタ及び第２の縦結合型弾性表面波フィルタの各他方側に位置する、互に共用化されていないグレーティング反射器のピッチよりも大きいことと、を備えたことを特徴とする。

本発明は、小型化を図るという点では、共用化されたグレーティング反射器の本数をできるだけ減らすことが好ましいが、そうすると後述の実験例からも分かるように特性が劣化する場合があるので、共用化されたグレーティング反射器の本数を設定するにあたっては、周波数特性をグレーティング反射器を共用化する前の特性に近づけるために、当該グレーティング反射器のピッチを設定することが必要である。また縦結合型弾性表面波フィルタの交差幅は、互いに並列接続された各々の弾性表面波フィルタの弾性表面波波長をλとしたとき、８λ以上であることが好ましい。なお共用化されたグレーティング反射器の本数を減らしても、当該グレーティング反射器のピッチを調整することで、共用化されていないグレーティング反射器よりもサイズが大きくなることは理屈の上ではあり得るが、そのような構成は技術として意味のないものであるから、特許請求の範囲では、その点については、つまり共用化されていないグレーティング反射器のサイズについては特定していない。

本発明は、複数の縦結合型ＳＡＷフィルタを電気的に並列に接続しているため、従来のように挿入損失の低減化を実現し、そして隣合う２つの反射器同士を共用化して１個のグレーティング反射器として構成しているため、２つの反射器同士を共用化した分だけ縦結合型ＳＡＷフィルタのサイズを小さくでき、低損失化を維持したまま小型化を図ることができる。またそのサイズを小さくするためにはグレーティング反射器の本数をできるだけ減らすことが好ましいが、その場合にも共用化されたグレーティング反射器に対して両側から入ってくる各ＳＡＷの間で位相整合が取れるようにグレーティング反射器のピッチを調整しているため、特性の劣化を抑えることができる。従って特性の劣化を抑えながらグレーティング反射器の本数を減らすことができるので、例えばＳＡＷフィルタチップの小型化を図ることができ、このチップを用いた電子機器の小型化に寄与する。

図１は本発明に係るＳＡＷフィルタの実施の形態を示す図である。このＳＡＷフィルタは、第１の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ａ及び第２の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ｂを並列に接続して構成されている。第１の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ａは、図示しない圧電基板表面において、入力側ＩＤＴ３におけるＳＡＷの伝播方向の両側に夫々出力側ＩＤＴ４、５が配置され、更にこれらＩＤＴ３、４、５群におけるＳＡＷの伝播方向の両側に夫々グレーティング反射器６、７が配置されている。

入力側ＩＤＴ３は、互いの電極指３０、３０が間挿するように櫛歯電極３１、３２が対向配置され、これら櫛歯電極３１、３２は夫々入力端及びアースに接続されている。また出力側ＩＤＴ４（５）は、互いの電極指４０（５０）、４０（５０）が間挿するように櫛歯電極４１（５１）、４２（５２）が対向配置され、これら櫛歯電極４１（５１）、４２（５２）は、夫々入力端及びアースに接続されている。６０はグレーティング反射器６の反射部（電極指３０，４０，５０に平行に伸びる帯状部分）であり、各々短絡されて同電位になっている。

第２の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ｂについても同様の構成とされているが、一方側のグレーティング反射器７０は、第１の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ａと共用化されている。即ちこの実施の形態のＳＡＷフィルタは、図１８に示した２個の縦結合型ＳＡＷフィルタを並列接続した構成において、隣り合うグレーティング反射器同士を２つの縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ａ及び２Ｂの間で共用する（共有する）構成としたもの、言い換えれば１個のグレーティング反射器７０により置き換えたものである。

このような構成を有するＳＡＷフィルタにおいて、入力側のＩＤＴ３、３に入力信号を印加すると当該ＩＤＴ３、３にＳＡＷ（音響的な波）が発生する。そのＳＡＷは両側に位置する出力側のＩＤＴ４、５に伝播して電気信号に変換されると共にＩＤＴ４、５を抜けてグレーティング反射器６、７に到達し、ここでストライプ状に形成された複数の反射部６０、７０により反射される。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、ＳＡＷフィルタの共用化されたグレーティング反射器７におけるＳＡＷの伝播の様子を模式的に示した模式図である。図２（ａ）で示したように第１の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ａ及び第２の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ｂの各ＩＤＴ５側から共用化されたグレーティング反射器７へと伝播したＳＡＷ１及び２は、当該反射器７の複数の反射部７０によって反射されることで、夫々第１の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ａ内のトラック１及び第２の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ｂ内のトラック２に閉じこめられ、フィルタ特性を実現している。

ところで縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ａ及び２Ｂのグレーティング反射器を単純に共用化しただけでは、後述の実験例からも分かるようにグレーティング反射器７の本数（反射部７０の本数）がある程度多いときにはＳＡＷ１、２は夫々のトラック１、２に閉じこめられるが、反射部７０の本数が少なくなると、図２（ｂ）のようにトラック１で励振しているＳＡＷ１がトラック２に漏洩し、またトラック２で励振しているＳＡＷ２がトラック１に漏洩してしまう。即ち、ＳＡＷ１及びＳＡＷ２の位相整合が取れていないとＳＡＷ１とＳＡＷ２とが互いに干渉し合い、そのことで当該ＳＡＷフィルタの周波数選択性が低下してＳＡＷの通過帯域内にスプリアスが発生したり、ＳＡＷの反射が不充分なことによる挿入損失の増加が起きる懸念がある。この場合には、ＳＡＷ１とＳＡＷ２との位相整合が取れるように、共用化したグレーティング反射器７のピッチ（隣接する反射部７０の中心間距離）を調整することが好ましい。具体的にはグレーティング反射器７の反射部７０の本数とピッチとを種々設定して実験を行い、フィルタ特性が良好な値を見つけるようにすれば、反射部７０の本数が少ないながら良好なフィルタ特性を得ることができる。

図１では、共用化されているグレーティング反射器７の反射部７０の本数が共用化されていないグレーティング反射器６の反射部６０と同じ本数の例を示したが、図３には、共用化されているグレーティング反射器７の反射部７０の本数が共用化されていないグレーティング反射器６の電極指６よりも少ない本数の例を示している。一例を挙げると、入力側のＩＤＴ３の電極指３０の本数及び出力側のＩＤＴ４（５）の電極指４０（５０）の本数は、夫々３０〜６０本及び１５〜４０本であり、また共用化されていないグレーティング反射器６の反射部６０の本数は５０〜１００本であり、共用化されているグレーティング反射器７の反射部７０の本数はそのピッチを調整することにより例えば２〜２００本とすることができる。なおこの数値は本発明を限定するものではない。

上述の実施の形態によれば、第１の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ａ及び第２の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ｂを並列接続するにあたり、隣り合うグレーティング反射器同士を共用化した構成としている。従来では、隣り合う縦結合型ＳＡＷフィルタ同士を重なり合わないように離していたことから、グレーティング反射器の共用化を図ることで小型化できる。この場合、共用化されたグレーティング反射器の本数をＮ’とし、共用化されていないグレーティング反射器の本数をＮとした時、２≦Ｎ’＜２Ｎとしなければ実質的な効果は薄い。

即ち、２つの縦結合型ＳＡＷフィルタを並列接続するにあたって、並列接続する前の双方のグレーティング反射器を単純に結合しただけでは、ＳＡＷフィルタ全体の長さは、ＳＡＷフィルタ同士の離間間隔分しか短くならないので、共用化した後の電極指の本数を、共用化する前の電極指の本数の２倍よりも小さくすることが必要である。ここでいう共用化する前のグレーティング反射器の本数とは、結局図１及び図３において共用化されていないグレーティング反射器６の反射部６０の本数ということになる。そして共用化されたグレーティング反射器７の反射部７０ピッチを調整することでその本数を少なく設定するようにすれば、小型化に寄与できる程度が大きい。

図４は、図１の構成を２段縦続接続した構成例であり、このような構成によれば、帯域外減衰量を大きくとることができ、２段接続構成であることから、隣り合うグレーティング反射器同士を共用化する効果はより大きい。また本発明は、縦結合型ＳＡＷフィルタの並列接続数が２個に限定されるものではなく、３個以上の縦結合型ＳＡＷフィルタを並列接続し、互いに隣り合うグレーティング反射器を共用するようにしてもよい。図５は、３個の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを並列接続し、縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ａ及び２Ｂのグレーティング反射器を共用化すると共に縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ｂ及び２Ｃのグレーティング反射器を共用化して各々グレーティング反射器７０として構成したものである。

また複数の縦結合型ＳＡＷフィルタを並列接続することにより、ＩＤＴの電極指間の容量をある値に確保しながら電極指の抵抗を小さくするためにその長さを短くすることができるが、電極指の長さをあまり短くするとＳＡＷの回折損が発生することになる。従って本発明に係るＳＡＷフィルタの交差幅Ｗは、弾性表面波波長が８λ以上となるように調整されることが好ましい。

図１のようにグレーティング反射器を共用化することによりフィルタ特性にどのような影響を及ぼすのか、また共用化したグレーティング反射器の本数を変えることによりフィルタ特性がどのようになるのかを調べるために以下のような実験を行った。

先ずパラメータとして以下のように設定した。
圧電基板：36度 Ｙ−Ｘ ＬｉＴaＯ_３
ＩＤＴ周期（ＩＤＴを構成する一方の櫛歯電極の電極指の間隔）：1.98μm、
反射器のピッチ（電極指のピッチ）：1.015μm
共用化反射器のピッチ：1.015μm、
電極指の膜厚：175nmとした。
交差幅（Ｗ’）：２５λ(λ:弾性表面波波長)
入力側ＩＤＴの電極指の本数：１９本
出力側ＩＤＴの電極指の本数：１２本
反射器の本数：８０本
共用化反射器の本数：Ｎ本
上記ＳＡＷフィルタについて、Ｎを１６０、８０、１４、６と変化させたときの通過帯域内特性と通過帯域外特性とを調べたところ図６〜図１３の結果が得られた。Ｎ＝１６０、８０のときには、グレーティング反射器を共用化する前の構成（図１８）と同じ特性を維持しているが、Ｎ＝１４、６と更に本数を減らしたときには通過帯域低域側にスプリアスが現れた。従ってこのまま本数を減らすと特性に大きな劣化が生じてしまう。従って単純に共用化したグレーティング反射器の本数を減らすことで小型化は可能であるが、その本数が少なくなり過ぎると帯域内にスプリアスが発生したり挿入損失の劣化が起こることが分かるる。これは図３にて記述したように第１の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ａによって励振されたＳＡＷ１が第２の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ｂ側に、また第２の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ｂによって励振されたＳＡＷ２が第１の縦結合型ＳＡＷフィルタ２Ａ側に、夫々共用化したグレーティング反射器７を介して漏れるからであると考えられる。

そこでＳＡＷ１及びＳＡＷ２の位相整合が取れるように、共用化したグレーティング反射器７の反射部７０のピッチを調整し、Ｎ＝６のときのピッチを1.29μｍに調整して通過帯域内特性と通過帯域外特性とを調べたところ、図１４及び１５の結果が得られた。なお前記ピッチ以外のパラメータは変更していない。図１２及び１３と図１４及び１５とを比較して分かるように、グレーティング反射器を共用化する前のピッチ（共用化されていないグレーティング反射器のピッチ）を少し大きくすることにより、ピッチを調整しなかったときに通過低域側に現れていたスプリアスを除去することができる。従ってグレーティング反射器の共用化を図り、その電極指の本数を減らしていくことができることが裏付けられている。

本発明に係るＳＡＷフィルタの一実施の形態を示す構成図である。 本発明に係るＳＡＷフィルタの共用化反射器周辺におけるＳＡＷの伝播の例を示す説明図である。 本発明に係るＳＡＷフィルタの他の実施の形態を示す構成図である。 上記実施の形態の変形例を示す構成図である。 本発明に係るＳＡＷフィルタの更に他の実施の形態を示す構成図である。 本発明に係るＳＡＷフィルタの通過帯域内特性を示したグラフである。 本発明に係るＳＡＷフィルタの通過帯域外特性を示したグラフである。 本発明に係るＳＡＷフィルタの通過帯域内特性を示したグラフである。 本発明に係るＳＡＷフィルタの通過帯域外特性を示したグラフである。 本発明に係るＳＡＷフィルタの通過帯域内特性を示したグラフである。 本発明に係るＳＡＷフィルタの通過帯域外特性を示したグラフである。 本発明に係るＳＡＷフィルタの通過帯域内特性を示したグラフである。 本発明に係るＳＡＷフィルタの通過帯域外特性を示したグラフである。 本発明に係るＳＡＷフィルタの通過帯域内特性を示したグラフである。 本発明に係るＳＡＷフィルタの通過帯域外特性を示したグラフである。 縦結合型ＳＡＷフィルタを示す構成図である。 ２個の縦結合型ＳＡＷフィルタを並列接続してなるＳＡＷフィルタを示す構成図である。 縦結合型ＳＡＷフィルタの通過帯域内特性と２個の縦結合型ＳＡＷフィルタを並列接続してなるＳＡＷフィルタの通過帯域内特性とを示したグラフである。 縦結合型ＳＡＷフィルタの通過帯域外特性と２個の縦結合型ＳＡＷフィルタを並列接続してなるＳＡＷフィルタの通過帯域外特性とを示したグラフである。

符号の説明

２Ａ 第１の縦結合型ＳＡＷフィルタ
２Ｂ 第２の縦結合型ＳＡＷフィルタ
３、４、５ ＩＤＴ
３１、３２、 櫛歯電極
４１、４２、 櫛歯電極
５１、５２ 櫛歯電極
３０、４０、５０ 電極指
６ グレーティング反射器
７ 共用化されたグレーティング反射器
６０、７０ 反射部

Claims (2)

1. 圧電基板上に複数のＩＤＴを設けると共にこれらＩＤＴに対して弾性表面波の伝播方向の両側にグレーティング反射器を配置してなる縦結合型弾性表面波フィルタを用いた弾性表面波フィルタにおいて、
   第１の縦結合型弾性表面波フィルタと第２の縦結合型弾性表面波フィルタとを弾性表面波の伝播方向に配置すると共に互いに電気的に並列に接続し、これら縦結合型弾性表面波フィルタのグレーティング反射器同士を共用化し、共用化されたグレーティング反射器の本数をＮ’とし、共用化されていないグレーティング反射器の本数をＮとした時、２≦Ｎ’＜２Ｎであることと、
   第１の縦結合型弾性表面波フィルタにより励振された弾性表面波と第２の縦結合型弾性表面波フィルタにより励振された弾性表面波との位相整合がとれるように、第１の縦結合型弾性表面波フィルタの一方側と第２の縦結合型弾性表面波フィルタの一方側との間で共用化されたグレーティング反射器のピッチが、第１の縦結合型弾性表面波フィルタ及び第２の縦結合型弾性表面波フィルタの各他方側に位置する、互に共用化されていないグレーティング反射器のピッチよりも大きいことと、を備えたことを特徴とする弾性表面波フィルタ。
2. 縦結合型弾性表面波フィルタの交差幅は、互いに並列接続された各々の弾性表面波フィルタの弾性表面波波長をλとしたとき、８λ以上であることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波フィルタ。

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