JP5950363B2

JP5950363B2 - 弾性表面波変換器

Info

Publication number: JP5950363B2
Application number: JP2014190509A
Authority: JP
Inventors: 山之内　和彦; 和彦山之内
Original assignee: ACOUSTIC WAVE DEVICE LABO. CO., LTD.
Current assignee: ACOUSTIC WAVE DEVICE LABO. CO., LTD.
Priority date: 2013-12-28
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2034-09-01
Also published as: JP2015144418A

Description

発明の詳細な説明

本発明は弾性表面波及びラム波型弾性変換器及びこれを用いた電子装置に関するもので、すだれ状電極（インターデジタルトランスジューサ、ＩＤＴ）を２個以上コリニヤに配置した構造のすだれ状電極において、一方を入出力電極、他方に可変インピーダンスを接続し、そのインピーダンスを変化させて、その伝搬速度を変化させることにより、中心周波数を変化させた弾性表面波変換器及びラブ波変換器とこの変換器を用いた電子装置に関するものである。

通常のすだれ状電極を励振受信電極とするトランスバーサル型のフィルタ、すだれ状電極をインピーダンス素子とした弾性表面波共振器を用いた共振器型のフィルタ、すだれ状電極を用いたセンサーデバイスが広く応用されている。しかし、これらのデバイスの動作中心周波数は、すだれ状電極の周期と弾性表面波の伝搬速度で決まるので、応用が制限される。また、弾性波の共振を用いたフィルタ、発振器などでは、中心周波数が変化しない構造のため、応用が制限されている。

一方、動作中心周波数を変える方法、或いは伝搬速度を変化させる方法として、
（１）送受すだれ状電極全体に可変容量を付加して、中心周波数を変化させる方法、或いは弾性表面波の伝搬路上にギャップを介して金属電極を配置し、そのギャップの変化により、伝搬速度を変化せた可変遅延線を得る方法、が提案されている。

これらの方法は、可変周波数範囲が狭いこと、またすだれ状電極の特性が大きく劣化すること、振動子のＱが低下すること、中心周波数はほとんど変化しないことなど難点がある。

（１）門田、他、"基板内Ｃｕ溝電極を用いた広帯域共振子とそのチューナブルフィルタへの応用"、電学誌Ｃ，ｖｏｌ．１３１−Ｃ，ｐ．１１０８−１１１４（２０１１

発明が解決しようとする課題

上記に示した如く、これまでの可変周波数弾性波変換器は、送受電極に直列或いは並列にインピーダンスを変化させることにより動作中心周波数を変化させる方法を用いているため、圧電基板の電気機械結合係数の低下、Ｑ特性の劣化、中心周波数がほとんど変化しないことなどの欠陥がある。

また、所望の中心動作周波数の変化を得るため、大きなインピーダンスの変化が必要である、などの欠陥がある。

発明が解決するための手段

本発明は上述したごとき従来の可変周波数変換器の欠陥を除去すべくなされたものであって、デバイスの製造工程が簡易、かつ簡易な外部回路、或いはギャップを介した短絡電極を付加する簡易な回路を用いることにより、大きな可変周波数範囲を得ることができる。

発明の効果

本発明の弾性波変換器は、すだれ状電極変換器（インターデジタルトランスジューサ、ＩＤＴ）を２個以上コリニヤに配置した構造の変換器において、一方を入出力電極、他方をインピーダンス素子を接続し、そのインピーダンスを変化させることにより、すだれ状電極上を伝搬する弾性表面波の速度を変化させることにより、中心周波数を変化させた弾性表面波変換器とこの弾性表面波変換器を用いた電子装置に関するすだれ状電極の伝搬路上にギャップを介して短絡電極を配置し、そのギャップを変化させて伝搬速度を変化させることにより、可変周波数変換器、可変周波数共振器、フィルタ、発振器、センサーなどが得られる。
図７は、基板表面にギャップを介して短絡電極を配置した、基板と短絡電極間の容量の変化或いはすだれ状電極に付加したインピーダンスの変化により弾性表面波の速度を変化をさせる示す図である。挿入したインピーダンスに可変電圧を印加し、その可変電圧によりインピーダンスを変化により、その伝搬速度を変化させる方法であり、この場合は、容量が零付近では、伝搬速度は、ほぼオープンの速度、４０００ｍ／ｓ，容量が大きくなるにつれて、速度が低下し、無限大に近い値では、その速度は、短絡の速度、３９００ｍ／ｓまで低下することを示している。この容量の変化を用いて、すだれ状電極上を伝搬する速度を変化させることができる。
図８は、図１の構造の正規型電極を用いた場合の一方向性変換器を送受に用いた場合の付加インピーダンスの変化による挿入損失の中心周波数の変化を示す図であり、約２．５％の可変幅が得られていることが分かる。
図９は、図１の構造の正規型電極を用いた場合のアドミッタンスの変化に対する共振器の共振周波数の変化を示す図であり、約２．５％の共振周波数の変化が得られていることが分かる。
図１０は、図２の構造の正規型電極を用いた場合のアドミッタンスの変化に対する共振器の共振周波数の変化を示す図であり、約１２％の共振周波数の変化が得られていることが分かる。
図１１は、図３の構造の正規型電極を用いた場合のアドミッタンスの変化に対する共振器の共振周波数の変化を示す図であり、約２．５％の共振周波数の変化が得られていることが分かる。

２個のすだれ状電極をコリニヤに配置し、一方を送受電極に他方を可変インピーダンスに接続した構造の弾性表面波変換器の平面図と断面図である。（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図。中心に送受電極に接続されたすだれ状電極を、両側に可変インピーダンスを接続した反射器をコリニヤに配置した構造の弾性表面波共振器の平面図と断面図である。（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図。中心に送受電極に接続されたすだれ状電極を、両側に短絡電極と可変インピーダンスに接続した電極を交互に配置した反射器をコリニヤに配置した構造の弾性表面波共振器の平面図と断面図である。（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図。すだれ状電極に浮き電極を挿入し、浮き電極上に可変ギャップＧをもつ短絡電極を配置した構造の弾性表面波変換器の断面図と平面図である。（Ａ）断面図、（Ｂ）平面図。送受すだれ状電極の両側に可変ギャップＧをもつ反射型すだれ状電極を配置した構造の弾性表面波変換器の平面図と断面図である。（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図。圧電基板中を伝搬する板波の上下面にすだれ状に２種類のすだれ状電極を配置し、一方を送受電極、他方を可変容量に接続した構造の弾性波変換器の平面図と断面図である。（Ａ）上面の平面図、（Ｂ）断面図（Ｃ）下面の平面図可変容量の変化に対する弾性表面波の伝搬速度の変化を示す図である。図１の構造の一方向性変換器を送受に用いた場合のアドミッタンスの変化に対する挿入損失の中心周波数の変化を示す図である。（ｋ^２＝０．０５５、Ｎ＝４０）図１の構造の正規型電極を用いた場合（ｋ^２＝０．０５５、Ｎ＝１００）のアドミッタンスの変化に対する共振器の共振周波数の変化を示す図である。図２の構造の正規型電極を用いた場合（ｋ^２＝０．３、Ｎ＝５０、Ｎ＝６，Ｎ＝５０）のアドミッタンスの変化に対する共振器の共振周波数の変化を示す図である。図３の構造の正規型電極を用いた場合（ｋ^２＝０．０５５、Ｎ＝１００）のアドミッタンスの変化に対する共振器の共振周波数の変化を示す図である。

［１１］
１…基板、２．…負電極の取り出し電極、，３…第１の正電極の取り出し電極、４…第２の正電極の取り出し電極、５…第１の正電極、６…負電極第、７…第２の正電極、８…電源９…インピーダンス、１０…可変インピーダンス、１１…正電極の取り出し電極、１２…正電極、１３…反射器の取り出し電極、１４…反射器の正電極、２−１…反射器の負の取り出し電極、１５…浮き電極、１６…外部短絡電極、１７…可変ギャップ、１８…外部短絡電極、１９…可変ギャップ、２０…反射取り出し電極，２１…反射正電極、２２…反射負電極、、５２…速度（ｍ／ｓ），５３…可変容量、５４オープンの速度、５５…ショートの速度，
５６…容量の変化に対する共振周波数の変化（大容量から容量零までの変化）

以下、本発明を図面に示した実施例に基づいて詳細に説明する。
実施例の１は、図１のように、圧電・電歪物質基板１の表面或いは圧電薄膜基板にすだれ状電極を配置して弾性表面波を励振或いは伝搬してきた弾性表面波を受信する弾性表面波変換器において、基本動作周波数での波長をλとして、基板１の表面に、正電極５と負電極６との電極間距離がほぼλ／２でその幅がほぼλ／４の電極、正電極５と負電極６が、導体薄膜３、２に結線され，取り出し電極３、２は、入出力端子に接続され、一方の電極幅がλ／４、その電極間距離がλ／２の正電極７と負電極６が取り出し電極４、２に接続され、この取り出し電極４、２は、可変インピーダンス素子に接続されたすだれ状弾性表面波変換器、及びすだれ状弾性表面波共振器とこれらの変換器及び共振器を用いた電子装置が実施例の１である。なお、送受電極に接続された電極とインピーダンスに接続された電極間の距離を（Ｎλ＋λ／４）（Ｎ：整数）とした一方向性すだれ状電極も本特許に含まれる。
実施例の２は、図２のように、圧電・電歪物質基板１の表面或いは圧電薄膜基板にすだれ状電極を配置して弾性表面波を励振或いは伝搬してきた弾性表面波を受信する弾性表面波変換器において、基本動作周波数での波長をλとして、基板１の表面に、電極幅がλ／４、その電極間距離がλ／２の正電極１２と負電極６が、取り出し導体薄膜１１、２に結線され，取り出し電極１１，２は、入出力端子に接続され、一方、この電極の両側に、反射電極として、その電極幅がλ／４、その電極間距離がλ／２の負電極２−１と正電極１４が電極間距離がほぼλ／２で配置され、負電極６と正電極１４が取り出し電極２−１、１３に接続され、取り出し電極２−１，１３は、可変インピーダンス素子に接続されたすだれ状弾性表面波共振器及び取り出し電極２−１が可変容量を通して負電極に接続された弾性表面波共振器とこれらの共振器を用いた電子装置が実施例の２である。
実施例の３は、図３のように、圧電・電歪物質基板１の表面或いは圧電薄膜基板にすだれ状電極を配置して弾性表面波を励振或いは伝搬してきた弾性表面波を受信する弾性表面波変換器において、基本動作周波数での波長をλとして、基板１の表面に、その電極幅がλ／４、その電極間距離がλ／２の正電極１２と負電極６が、取り出し導体薄膜１１、２に結線され，取り出し電極１１，２は、入出力端子に接続され、
一方、この電極の両側に反射電極を配置した構造であり、反射電極は、その電極幅がλ／４、その電極間距離がλ／２の短絡電極６に接続されたすだれ状電極とその電極幅がλ／４、その電極間距離がλ／２の負電極６と正電極１４の電極間距離がが取り出し電極２、１３に接続され、取り出し電極２，１３は、可変インピーダンス素子１０に接続された電極とが交互に配置されたすだれ状弾性表面波共振器及び取り出し電極２が可変容量を通して負電極に接続された弾性表面波共振器とこれらの変換器を用いた電子装置が実施例の３である。
実施例の４は、図４のように、圧電・電歪物質基板１の表面或いは圧電薄膜基板にすだれ状電極を配置して弾性表面波を励振或いは伝搬してきた弾性表面波を受信する弾性表面波変換器において、基本動作周波数での波長をλとして、基板１の表面に、その電極幅がλ／４、その電極間距離がλ／２の正電極５と負電６が、取り出し導体薄膜３と２に結線され，取り出し電極２と３は、入出力端子に接続され、一方、その電極幅がλ／４、その電極間距離がλ／２の負電極６と浮き電極１５が配置され、浮き電極１５と負電極６の表面に、、図３のように、ギャップＧをもつ電極１６を配置し、このギャップを変化させた構造のすだれ状変換器と共振器及びこれらの変換器を用いた電子装置が実施例の４である。また、浮電極１６を幅方向に分割した構造、浮き電極１６が無い構造も本特許に含まれる。
実施例の５は、図５のように、圧電・電歪物質基板１の表面或いは圧電薄膜基板にすだれ状電極を配置して弾性表面波を励振或いは伝搬してきた弾性表面波を受信する弾性表面波変換器において、基本動作周波数での波長をλとして、基板１の表面に、その電極幅がλ／４、その電極間距離がλ／２の正電極５と負電極６が、取り出し導体薄膜３と２に結線され，取り出し電極３、２は、入出力端子に接続され、一方、この電極の両側に、反射電極として、その電極幅がλ／４、その電極間距離がλ／２の負電極２２と正電極２１が配置され、この反射電極の表面に、図５のように、ギャップＧをもつ電極１８を配置し、このギャップを変化させた構造の弾性表面波共振器及びこれらの共振器を用いた電子装置が実施例の５である。また、浮き電極１８を幅方向に分割した構造、浮き電極１８が無い構造も本特許に含まれる。
実施例の６は、図６のように、圧電板、圧電薄膜中を伝搬するラム波、ＳＨ波を用いた変換器において、基板の上下面に、その電極幅がλ／４、その電極間距離がλ／２の正電極５と負電極６が送受受信電極に接続され、一方その電極幅がλ／４、その電極間距離がλ／２の正電極７と負電極６が可変インピーダンス素子（可変容量など）に接続した構造の弾性波変換器と共振器、及びこれらの変換器を用いた電子装置が実施例の６である。
実施例の７は、特許請求の範囲、第１項、第２項、第３項、第４項、第５項，第６項、にお、いて、上記の電極及び金属膜としてＡｌ，Ｃｕ，Ｍｏ、Ａｕ，Ａｇ，Ｗ，Ｔｉ、或いはこれらの合金、また上記の電極上に誘電体膜を付着させた基板として、ＳｉＯ_２，ＳｉＯ，ＺｎＯ，ＬｉＮｂＯ_３，Ｔａ_２Ｏ_５，ＰＺＴ，ガラスの薄膜を付着させた構造のすだれ状電極弾性表面波変換器と共振器及びこれを用いた電子装置が実施例の７である。
上記のすだれ状電極の幅は、λ／４を基準としたが、その電極幅は、λ／１６からλ／２の範囲、電極間距離は、λ／６からλ／２の範囲、またはダブル電極とした構造、一方向性電極とした構造も本特許に含まれる。また、上記のすだれ状電極は、幅方向に一様、或いは軸方向に一様であるとしたが、すだれ状電極を幅方向に重み付けした構造、軸方向に重み付けした構造の変換器、或いは板波電極の幅、或いは軸方向に重み付けした構造の変換器も本特許に含まれる。また、交互に配置された、送受電極とインピーダンスに接続された電極、及びギャップをもつ電極の対数は、１対の場合としたが、対数は１から３０まで間の対数も本特許に含まれる。

Claims

圧電・電歪物質基板（１）の表面或いは圧電薄膜基板にすだれ状電極を配置して弾性表面波を励振或いは伝搬してきた弾性表面波を受信する弾性表面波変換器であって、
基本動作周波数での波長をλとして、基板（１）の表面に、前記すだれ状電極を構成する正電極（５）および正電極（７）と負電極（６）とが、電極間距離がλ/2でその幅がλ/4で配置され、正電極（５）が取り出し電極（３）に、正電極（７）が取り出し電極（４）に、負電極（６）が取り出し電極（２）に結線され、取り出し電極（３）、（２）は入出力端子に接続され、取り出し電極（４）は可変インピーダンス素子に接続されていることを
特徴とする弾性表面波変換器。
圧電・電歪物質基板（１）の表面或いは圧電薄膜基板にすだれ状電極を配置して弾性表面波を励振或いは伝搬してきた弾性表面波を受信する弾性表面波変換器であって、
基本動作周波数での波長をλとして、基板（１）の表面に、第１のすだれ状電極を構成する正電極（１２）と負電極（６）とが、電極幅がλ/4、電極間距離がλ/2で配置され、正電極（１２）が取り出し電極（１１）に、負電極（６）が取り出し電極（２）に結線され、取り出し電極（１１）、（２）は入出力端子に接続され、
一方、前記第１のすだれ状電極の両側に、反射電極として、負電極（６）と正電極（１４）とが、電極幅がλ/4、電極間距離がλ/2で配置され、負電極（６）が取り出し電極（２−１）に、正電極（１４）が取り出し電極（１３）に接続され、取り出し電極（１３）は可変インピーダンス素子に接続された第２のすだれ状電極を有していることを
特徴とする弾性表面波変換器。
圧電・電歪物質基板（１）の表面或いは圧電薄膜基板にすだれ状電極を配置して弾性表面波を励振或いは伝搬してきた弾性表面波を受信する弾性表面波変換器であって、
基本動作周波数での波長をλとして、基板（１）の表面に、第１のすだれ状電極を構成する正電極（１２）と負電極（６）とが、電極幅がλ/4、電極間距離がλ/2で配置され、正電極（１２）が取り出し電極（１１）に、負電極（６）が取り出し電極（２）に結線され、取り出し電極（１１）、（２）は、入出力端子に接続され、
一方、前記第１のすだれ状電極の両側に、反射電極として、負電極（６）が、電極幅がλ/4、電極間距離がλ/2で配置されて、取り出し電極（２）に接続された第２のすだれ状電極と、負電極（６）と正電極（１４）とが、電極幅がλ/4、電極間距離がλ/2で配置され、負電極（６）が取り出し電極（２）に、正電極（１４）が取り出し電極（１３）に接続され、取り出し電極（１３）は可変インピーダンス素子（１０）に接続された第３のすだれ状電極とが交互に配置されていることを
特徴とする弾性表面波変換器。
圧電・電歪物質基板（１）の表面或いは圧電薄膜基板にすだれ状電極を配置して弾性表面波を励振或いは伝搬してきた弾性表面波を受信する弾性表面波変換器であって、
基本動作周波数での波長をλとして、基板（１）の表面に、前記すだれ状電極を構成する正電極５および浮き電極（１５）と負電極（６）とが、電極幅がλ/4、電極間距離がλ/2で配置され、正電極（５）が取り出し電極（３）に、負電極（６）が取り出し電極（２）に結線され、取り出し電極（２）と（３）は入出力端子に接続され、
一方、浮き電極（１５）と負電極（６）との表面に、ギャップ（G）をあけて電極（１６）が配置され、このギャップ（G）を変化可能に構成されていることを
特徴とする弾性表面波変換器。
圧電・電歪物質基板（１）の表面或いは圧電薄膜基板にすだれ状電極を配置して弾性表面波を励振或いは伝搬してきた弾性表面波を受信する弾性表面波変換器であって、
基本動作周波数での波長をλとして、基板（１）の表面に、第１のすだれ状電極を構成する正電極（５）と負電極（６）とが、電極幅がλ/4、電極間距離がλ/2で配置され、正電極（５）が取り出し電極（３）に、負電極（６）が取り出し電極（２）に結線され、取り出し電極（３）、（２）は入出力端子に接続され、
一方、前記第１のすだれ状電極の両側に、反射電極として、負電極（２２）と正電極（２１）とが、電極幅がλ/4、電極間距離がλ/2で配置された第２のすだれ状電極を有し、前記第２のすだれ状電極の表面に、ギャップ（G）をあけて電極（１８）が配置され、このギャップ（G）を変化可能に構成されていることを
特徴とする弾性表面波変換器。
圧電板または圧電薄膜中を伝搬するラム波、SH波を用いた弾性表面波変換器であって、
前記圧電板または圧電薄膜の上下面に、正電極（５）および正電極（７）と負電極（６）とが、電極幅がλ/4、電極間距離がλ/2で配置され、正電極（５）が取り出し電極（３）に、正電極（７）が取り出し電極（４）に、負電極（６）が取り出し電極（２）に結線され、取り出し電極（３），（２）は送受電極に接続され、取り出し電極（４）は可変インピーダンス素子に接続されていることを
特徴とする弾性表面波変換器。
各正電極、各負電極および各取り出し電極は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ａｕ，Ａｇ，Ｗ，Ｔｉ，或いはこれらの合金から成り、
前記基板は、各正電極、各負電極および各取り出し電極上に誘電体膜としてＳｉＯ_２，ＳｉＯ，ＺｎＯ，ＬｉＮｂＯ_３，Ｔａ_２Ｏ_５，ＰＺＴ，またはガラスの薄膜を付着させた構造から成ることを
特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の弾性表面波変換器。