JP5999856B2 - 弾性波素子 - Google Patents

Description

本発明は、弾性波素子と、これを用いた分波器に関するものである。

従来の弾性波素子を図面を用いて説明する。図１２は、従来の弾性波素子の断面模式図である。

図１２にて、従来の弾性波素子１２０において、圧電基板１２１の主表面１２２、及び裏面１２３は水晶結晶軸に対して特定のカット角をもって切り出され、板状に形成されたものである。主表面１２２と裏面１２３には鏡面研磨が施されており、電気的エネルギーを振動エネルギーに変換、及び逆変換するインターディジタル電極１２４、１２５、及び１２６、１２７が設けられている。このような弾性波素子１２０の通過特性を図１３に示す。振幅特性は狭帯域で帯域内特性が平坦でなく、通過帯域が狭い特性となる。なお、この先行技術は特許文献１に記載されている。

また、図１４に示すのは、従来の他の弾性波素子の断面模式図である。

図１４において、従来の弾性波素子１４０は、圧電基板１４１の主表面１４２に入力、及び出力のインターディジタル電極１４３、１４４が設けられている。本構成においては、入力、及び出力のインターディジタル電極１４３、１４４の交差幅は一様であり、振幅特性は、図１５に示すように、狭帯域で帯域内特性が平坦でなく、交差幅重み付けに関して詳しい議論はなされていない。なお、この先行技術は非特許文献１に記載されている。

特開昭５５−４１０６９号公報

IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol.SU-31, No.2, pp.67-76, 1984

従来の弾性表面波素子においては、トランスバーサル型フィルタの振幅特性を有しており、インターディジタル電極の対数を増やすと通過帯域幅が狭くなるという課題があった。また、従来の弾性波素子１２０、１４０においては、バルク波を用いており、波の放射角度が周波数によって変化するため、インターディジタル電極の対数を増やすことにより比較的広帯域な通過特性を実現できるが帯域内特性が平坦でないという課題があった。

そこで本発明は、フィルタの振幅特性における通過帯域幅を広くすることができる弾性波素子を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明の弾性波素子は、入力インターディジタル電極、もしくは出力インターディジタル電極の少なくとも一方に電極指の配列方向においてインターディジタル電極の端から中央部に向けて交差幅が徐々に小さくなる部分を有するように交差幅重み付けを施したことを特徴とする。

上記構成の様に、弾性波素子の入力、もしくは出力のインターディジタル電極に交差幅重み付けを施すことにより、フィルタの振幅特性における通過帯域幅を広くすることができる弾性波素子を提供することができるものである。

これは、電極指の配列方向における入出力インターディジタル電極の中央部から端に向けて信号の送受信強度が弱まるので、入出力インターディジタル電極の端に向かうほど交差幅重み付け係数を大きくすることで、入出力インターディジタル電極の相対的に端に近い電極指で送受信するバルク波の周波数における振幅特性を良化させることができるからである。

本発明の実施の形態１における弾性波素子の断面模式図 インターディジタル電極の説明図 本発明の実施の形態１における弾性波素子の交差幅重み付けを示す図 図３で示した交差幅重み付けを有する弾性波素子の振幅特性図 交差幅重み付けがない場合の弾性波素子の特性説明図 本発明の実施の形態１における弾性波素子の説明のための断面模式図 本発明の実施の形態１における弾性波素子の周波数と圧電基板の厚みの関係図 本発明の実施の形態１における弾性波素子の他の断面模式図 本発明の実施の形態１における弾性波素子の他の断面模式図 本発明の実施の形態１における弾性波素子の他の断面模式図 本発明の実施の形態１の弾性波素子を用いた分波器の構成模式図 従来の弾性波素子の断面模式図 図１２の弾性波素子の振幅特性図 従来の他の弾性波素子の断面模式図 図１４の弾性波素子の振幅特性図

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における弾性波素子について図面を参照しながら説明する。図１は、実施の形態１における弾性波素子１０の断面模式図である。

図１において、弾性波素子１０は、圧電基板１１の主表面１２、及び裏面１３には鏡面研磨が施されており、主表面１２に入力インターディジタル電極１４及び出力インターディジタル電極１５が設けられたトランスバーサル型弾性波フィルタである。入力インターディジタル電極１４から放射されたバルク波１６は裏面１３で反射されて出力インターディジタル電極１５で受信される。

圧電基板１１は、圧電単結晶媒質であり、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）系媒質、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）系媒質、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）系媒質、もしくは水晶基板、または圧電体薄膜である。

入出力インターディジタル電極１４、１５は、一対の櫛形電極が交差するように圧電基板１１上に配置される。図２に示すのは、インターディジタル電極２１の説明図である。なお、本図は、説明のため重み付けはない構成を用いている。圧電基板２２の上に形成されたインターディジタル電極のこれら一対の櫛形電極２３が交差する部分の長さを交差幅２４という。これら入出力インターディジタル電極１４、１５は、金属からなり、例えば、アルミニウム、銅、銀、金、チタン、タングステン、白金、クロム、若しくはモリブデンからなる単体金属、又はこれらを主成分とする合金又はこれらの金属が積層された構成である。

また、本発明の弾性波素子に用いているバルク波は、バルク波の放射角度が周波数によって変わるので、対数が多いほど広帯域化が可能であるという点で、従来の表面波を用いたトランスバーサル型のフィルタと異なる。

図１の弾性波素子１０において、圧電基板１１はカット角が３５．２度の水晶基板を用いており、圧電基板１１の厚みＨは１０．１ｍｍとしている。入力インターディジタル電極１４の対数は４０対であり、出力インターディジタル電極１５の対数は５０対であり、波長は（電極の１周期は）ともに４２．５μｍである。また、入力インターディジタル電極１４と出力インターディジタル電極１５との中央部間距離Ｌは２４．８ｍｍとしている。なお、ここで言う中央部とは、各インターディジタル電極の電極指配列方向（電極指延伸方向に垂直な方向）における中央部である。さらに、出力インターディジタル電極１５には電極指の配列方向において入力インターディジタル電極１４又は／及び出力インターディジタル電極１５の端から中央部に向けて交差幅が段階的に小さくなる部分を有するように交差幅重み付けが施されている。

図３に示すのは、出力インターディジタル電極１５の重み付け係数を示す図である。出力インターディジタル電極１５の両端においては振幅が大きく、中央部付近では振幅が小さくなるような重み付けとしている。さらに、振幅が負の値、すなわち位相が反転するような交差幅重み付けも施している。尚、入力インターディジタル電極１４には交差幅重み付けは施していない。

図４に示すのは、図３で示した重み付け係数を有する弾性波素子の振幅特性図である。横軸は通過特性の中心周波数で規格化しており、縦軸は、振幅の最小値で規格化している。また、図５に示すのは、入出力インターディジタル電極共に交差幅重み付けがない場合の弾性波素子の振幅特性図である。交差幅重み付けがない場合には、図３で示した重み付け係数が電極指の配列方向におけるインターディジタル電極の全ての位置で１．０となる。図３で示した本発明における弾性波素子の通過帯域における振幅特性は平坦であり、図４の振幅特性と比べても広帯域な特性となっている。

このバルク波は、周波数によって放射される角度が異なり、そのため、交差幅重み付けがない場合には、図５で示したように通過帯域の狭い特性となる。一方、図３で示したように、電極指の配列方向における出力インターディジタル電極１５の中央部から端に向けて受信強度が弱まるので、出力インターディジタル電極１５の端に向かうほど交差幅重み付け係数を大きくすることで、出力インターディジタル電極１５の相対的に端に近い電極指で受信するバルク波の周波数における振幅特性を改善することができるからである。

次に、本発明の実施の形態１における弾性波素子の周波数と圧電基板の厚みの関係について述べる。図６に示すのは、本発明の実施の形態１における弾性波素子の周波数と圧電基板の厚みの関係を説明するための断面模式図である。

図６において、弾性波素子６０は、圧電基板６１の主表面６２、及び裏面６３は鏡面研磨が施されており、主表面６２に入力インターディジタル電極６４、出力インターディジタル電極６５が設けられている。入力インターディジタル電極６４から放射されたバルク波６６は裏面６３で反射されて出力インターディジタル電極６５で受信される。ここで、圧電基板６１の厚みをＨとし、入力インターディジタル電極６４、出力インターディジタル電極６５の中央部間の距離をＬとする。また、１波長、すなわち入力インターディジタル電極６４と出力インターディジタル電極６５の１周期をλとする。入力インターディジタル電極６４から放射されるバルク波６６は圧電基板６１の主表面に平行な方向から放射角θの方向に放射されるとする。このとき、放射されたバルク波６６の波長λ’は、λ’＝λｃｏｓθで表される。また、放射角θと圧電基板６１の厚みＨ、入力、及び出力のインターディジタル電極の中央部間の距離Ｌとの関係は、ｔａｎθ＝２Ｈ／Ｌで表される。また、放射されるバルク波６６の周波数ｆは、ｆ0を表面に沿って伝搬するバルク波の中心周波数として、ｆ／ｆ0＝λ／λ’＝１／ｃｏｓθとなる。図７は本発明の実施の形態１における弾性波素子のバルク波周波数ｆ／ｆ0と圧電基板の厚みと電極の中央部間距離の比Ｈ／Ｌの関係図である。図７より、本実施の形態１の弾性波素子は、圧電基板の厚みＨが厚いほど、また、入力インターディジタル電極と出力インターディジタル電極の中央部間の距離Ｌが短いほど、バルク波周波数ｆが高くなる。すなわち、表面波を用いたデバイスではインターディジタル電極の表面波の音速と櫛型電極の間隔（ピッチ）により周波数が決定されるが、このようなバルク波を用いたデバイスでは、圧電基板の厚みＨと入力インターディジタル電極と出力インターディジタル電極の中央部間の距離Ｌとの設定により、周波数の高いバルク波を選択して伝達することができるため、インターディジタル電極の微細化を必要とすることなく、高周波化が可能となる。

また、本計算においては、裏面におけるバルク波の入射角と反射角が同じとして計算しているが、この関係は圧電基板の異方性により変わるもので、入射角と反射角が等しくない場合もある。

以上、説明したように、本発明の弾性波素子は、出力インターディジタル電極に重み付けを施すことにより、広帯域な通過特性を有する弾性波素子を実現でき、さらに、バルク波の裏面での反射を利用することにより、インターディジタル電極の微細化を必要とすることなく、高周波化を実現することができる。

なお、本実施の形態においては、圧電基板１１をカット角３５．２度の水晶基板として説明したが、これに限るものではなく、バルク波の裏面でのモード変換がない、もしくはバルク波の裏面でのモード変換の比較的小さい圧電材料、カット角を用いれば、本発明と同様の効果が得られる。例えば、圧電基板１１として圧電基板としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）系媒質、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）系媒質、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）系媒質、または圧電体薄膜などを用いてもよい。

また、出力インターディジタル電極１５に重み付けを施した構成としたが、これに限るものではなく、入力インターディジタル電極１４、あるいは入力と出力の両方のインターディジタル電極１４、１５に重み付けを施してもよい。重み付け係数に関しても、これに限るものではなく、所望の通過帯域に対して適宜設定されるものであり、インターディジタル電極の相対的に端に近い交差幅重み付け係数が相対的に中央部に近い交差幅重み付け係数よりも大きくなっていればよい。さらに、インターディジタル電極の相対的に中央部に近い電極交差幅に負の交差幅重み付け係数を用いれば、より一層効果が得られるものである。

また、本発明における弾性波素子は図８に示すような構成としてもよい。図８は本発明における弾性波素子の他の構成を示す断面模式図である。図８に示すように、弾性波素子８０は、圧電基板１１の主表面１２上であって、入力インターディジタル電極１４と出力インターディジタル電極１５との間に、吸音材８１を配置することにより、スプリアスの要因となる弾性表面波８２を抑圧することができる。これにより、特性に優れた弾性波素子を実現することができる。また、吸音材８１を配置する構成の他に、図９に示すような弾性波素子９０としてもよい。すなわち、入出力インターディジタル電極１４、１５の間の伝搬路部分９１の基板表面を伝搬路部分９１以外の基板表面よりも荒らすことにより粗面として直達波８２を分散させてもよい。また、図１０に示すような弾性波素子１００としてもよい。すなわち、入出力インターディジタル電極１４、１５の間の伝搬路部分１０１の基板表面に溝を形成しても直達波８２の分散効果が得られる。

また、本実施の形態１の弾性波素子をフィルタに適用し、このフィルタと、フィルタに接続された半導体集積回路素子（図示せず）と、半導体集積回路素子（図示せず）に接続されたスピーカ等の再生部とを備えた電子機器に適用しても良い。このように、本実施の形態１の弾性波素子を電子機器に適用することで、電子機器の通信品質を良化することができるのである。

また、本発明においては、図１１に示すように、分波器１１０を構成することも可能である。図１１において、分派器１１０は、圧電基板１１１と、圧電基板１１１上に形成された入力インターディジタル電極１１２と、圧電基板１１１上に形成されると共にそれぞれ入力インターディジタル電極１１２からその中央部間距離が異なる出力インターディジタル電極１１３、１１４、１１５とにより構成される。なお、ここで言う中央部とは、各インターディジタル電極の電極指配列方向（電極指延伸方向に垂直な方向）における中央部である。本発明における弾性波素子においては、入力インターディジタル電極１１２と出力インターディジタル電極１１３、１１４、１１５との距離により、フィルタ特性における周波数が決定される。そのため、入力インターディジタル電極１１２に入力された信号は、出力インターディジタル電極１１３、１１４、１１５から、それぞれ周波数が異なるｆ１、ｆ２、ｆ３の信号が出力される。このように、複数の出力インターディジタル電極を入力インターディジタル電極からそれぞれ中央部間距離が異なるように配置することにより、信号周波数を分離することができ、分波器１１０を構成することができる。

なお、入力インターディジタル電極１１２、あるいは出力インターディジタル電極１１３、１１４、１１５の少なくとも一つに重み付けが施されていてもよい。これにより、分波器における帯域特性を平坦にすることができる。

また、本実施の形態においては、出力インターディジタル電極を３つとして説明したが、これに限るものではない。また、圧電基板１１１上に入力インターディジタル電極を複数設けると共に出力インターディジタル電極を１つ設け、複数の入力インターディジタル電極を出力インターディジタル電極からそれぞれ中央部間距離が異なるように配置しても良い。この場合には、本弾性波素子は合波器として動作する。

また、上記重み付けは、交差幅重み付けとして説明したが、他の重み付けを本発明に適用させることも可能である。一例として、例えば、入力インターディジタル電極、もしくは出力インターディジタル電極の少なくとも一方には、間引き重み付けが施されており、電極指の配列方向においてインターディジタル電極の端から中央部に向けて間引き重み付け係数が相対的に小さくなる部分を有する構成であっても良い。尚、ここでいう間引き重み付けとは、一般的な意味での間引き重み付けであり、交差する電極指を間引くことで信号の送受信強度を弱める手法の一つである。また、ここでいう間引き重み付け係数が相対的に小さいとは、間引かれた電極指の本数が相対的に多いということで、即ち、所定領域において間引かれていない電極指の本数に対して間引かれた電極指の本数の割合が大きいことである。即ち、入出力インターディジタル電極の少なくともいずれか一方の電極において、相対的に中央部に近い領域における間引かれた電極指の本数の割合を相対的に端に近い領域における間引かれた電極指の本数の割合より大きくすることで、入出力インターディジタル電極の相対的に端に近い電極指で送受信するバルク波の周波数における振幅特性を良化させることができ、フィルタの振幅特性における通過帯域幅を広くすることができる。

本発明にかかる弾性波素子は、広帯域な通過特性を実現するという特徴を有し、携帯電話等の電子機器に適用可能である。

１０ 弾性波素子
１１ 圧電基板
１２ 圧電基板の主表面
１３ 圧電基板の裏面
１４ 入力インターディジタル電極
１５ 出力インターディジタル電極
１６ 入力インターディジタル電極より放射されるバルク波

Claims (15)

1. 圧電基板と、
   前記圧電基板の主表面上に設けられた入力インターディジタル電極と、
   前記圧電基板の主表面上に設けられた出力インターディジタル電極と
   を備えた弾性波素子であって、
   前記入力インターディジタル電極及び前記出力インターディジタル電極の少なくとも一方には、交差幅重み付けが施され、
   前記入力インターディジタル電極から放射されたバルク波が前記圧電基板の裏面で反射されて前記出力インターディジタル電極で受信され、
   前記交差幅重み付けは、前記入力インターディジタル電極が前記バルク波を送信する送信強度又は前記出力インターディジタル電極が前記バルク波を受信する受信強度が、電極指の配列方向において前記少なくとも一方のインターディジタル電極の中央部から両端に向けて弱まる傾向に対応して、前記両端から前記中央部に向けて重み付け係数が小さくなるように設定され、
   前記重み付け係数は、前記中央部に前記バルク波の位相が反転する負の値を有する弾性波素子。
2. 前記交差幅重み付けは、前記出力インターディジタル電極に対して施される請求項１に記載の弾性波素子。
3. 前記圧電基板はＬｉＮｂＯ₃基板又はＬｉＴａＯ₃基板である請求項１に記載の弾性波素子。
4. 前記圧電基板の主表面及び裏面は鏡面研磨されている請求項１に記載の弾性波素子。
5. 前記圧電基板の主表面上において、前記入力インターディジタル電極と前記出力インターディジタル電極との間には吸音材が配置される請求項１に記載の弾性波素子。
6. 前記圧電基板の主表面上において、前記入力インターディジタル電極と前記出力インターディジタル電極との間には溝が形成される請求項１に記載の弾性波素子。
7. 前記圧電基板の主表面において、前記入力インターディジタル電極と前記出力インターディジタル電極との間の部分は他の部分と比較して粗面である請求項１に記載の弾性波素子。
8. 前記入力インターディジタル電極から放射されるバルク波の周波数が、前記圧電基板の厚みによって決定される請求項１に記載の弾性波素子。
9. 前記入力インターディジタル電極から放射されるバルク波の周波数が、前記入力インターディジタル電極の前記中央部及び前記出力インターディジタル電極の前記中央部間の距離によって決定される請求項１に記載の弾性波素子。
10. 前記入力インターディジタル電極から放射されるバルク波の周波数が、前記圧電基板の厚みと、前記入力インターディジタル電極の前記中央部及び前記出力インターディジタル電極の前記中央部間の距離との双方によって決定される請求項１に記載の弾性波素子。
11. 前記裏面における前記バルク波の入射角と反射角とが異なる請求項１に記載の弾性波素子。
12. 前記入射角と前記反射角との差異は前記圧電基板の異方性に基づく請求項１１に記載の弾性波素子。
13. 前記交差幅重み付けは、前記少なくとも一方のインターディジタル電極の、前記電極指の配列方向における両端から中央部に向けて交差幅が段階的に小さくなるように施される請求項１の弾性波素子。
14. 前記交差幅重み付けの結果、前記弾性波素子の通過帯域における振幅特性が、前記バルク波の周波数の変化に対して平坦となる請求項１の弾性波素子。
15. 前記圧電基板の裏面でバルク波が反射されるときにモード変換が生じない請求項１の弾性波素子。

Images