JPH01157109A

JPH01157109A - 弾性表面波共振器

Info

Publication number: JPH01157109A
Application number: JP62314136A
Authority: JP
Inventors: Mitsutaka Hikita; 光孝疋田; Junji Sumioka; 淳司住岡; Toyoji Tabuchi; 田渕　豊治; Kazuhito Kurosawa; 黒沢　和仁; Tsuneo Kinoshita; 常男木下
Original assignee: Hitachi Denshi KK; Hitachi Ltd; Hitachi Communication Systems Inc
Current assignee: Hitachi Denshi KK; Hitachi Ltd; Hitachi Information Technology Co Ltd
Priority date: 1987-12-14
Filing date: 1987-12-14
Publication date: 1989-06-20
Also published as: US5010269A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、弾性表面波を用いた共振器に係り、特に広帯
域な発振回路等に適用するのに好適な弾性表面波共振器
に関する。

〔従来の技術〕

従来の弾性表面波共振器は、アイ・イー・イー・イー　
ウルトラソニック　シンポジウム　プロシーディング　
１９７４年第２６３頁から第２６７頁（ＩＥＥＥＵｌｔ
ｒａｓｏｎｉｃｓ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇｓ、　１９７４．　ｐｐ。

２６３−２６７）において論じられている。ここに記載
されている弾性表面波−開口共振器（Ｏｎｅρｏｒｔｒ
ｅｓｏｎａｔｏｒ）は、一つの弾性表面波励振用トラン
スデユーサの両側に、金属薄膜ストライプ列あるいは基
板への掘り込み（ｇｒｏｏｖｅ）列で形成した反射器を
配置する構成を成していた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、ストライプ列反射器の帯域幅が狭く、
通常比帯域幅は０．０１〜１％程度である。

従って、このような反射器を用いた共振器の帯域幅はさ
らに数分の１程度となるということについては配慮され
ておらず、極めて狭帯域な共振器しか実現することが出
来ないという問題があった。

例えば自動車電話（セルラー無線）のように、８００Ｍ
Ｈｚ帯で２０〜４０ＭＨｚの帯域幅（比帯域幅３〜５％
）程度を確保出来る共振器を実現することは困難であっ
た。

本発明の目的は、広帯域を確保出来る弾性表面波共振器
を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕上記目的は、弾性表面波を伝搬する基板上に。

弾性表面波の伝搬方向に複数個の弾性表面波トランスデ
ユーサを配置し、電気的に直列又は直列と並列との組合
せの関係に接続した弾性表面波共振器において、上記ト
ランスデユーサの列の両端部に配置されたトランスデユ
ーサを、トランスデユーサの内部に反射機能を有する方
向性トランスデユーサで構成したことを特徴とする弾性
表面波共パ振器によって達成される。

〔作　　用〕

一対の弾性表面波トランスデユーサを電気的に直列接続
したものを基本単位とし、弾性表面波の伝搬方向にこれ
を無限回反復すると理想的な等価反射面が周期的に実現
する。従って、反射器が存在しなくても理想的な広帯域
共振器を作ることが出来るが、実際には、共振器の占め
るチップサイズ等を考慮すると有限の反復回数で打ち切
る必要がある。

一方、有限回数で打ち切っても反復回数が十分多いと同
様に等価反射面が存在し、広帯域な共振現象を呈するこ
とが分った。しかし、このような共振器では、有限回数
打ち切りの影響が大きくインピーダンス特性に非常に大
きなリップルが生じ発振回路等に適用することは出来な
い。

反復の両端部のトランスデユーサに導入した内部に反射
手段を含む方向性トランスデユーサにより、この有限回
数打ち切りから生ずるリップルを無くし、発振回路へ適
用可能な広帯域弾性表面波共振器を得ることが出来る。

〔実施例〕

以下具体的な実施例を用いて本発明の詳細な説明する。

第３図に従来形の弾性表面波共振器の代表例を示す。弾
性表面波励振用トランスデユーサの両側に金属薄膜スト
ライプ列あるいは基板への掘り込み（ｇｒｏｏｖｅ）列
等で形成した反射器を配置することにより共振器を構成
する。

第３図で、電気端子１．１′間に高周波電圧を加えると
トランスデユーサの左右に向かって弾性表面波が励振さ
れるが、励振された弾性表面波は反射器８−１．８−２
で反射されトランスデユーサに左右から入射する波に変
換される。励振波と反射波の位相が合致する周波数で定
在波が立ち共゛振器となる。

第３図の共振器は一開口共振器と言われ、トランスデユ
ーサで励振される弾性表面波は、共振周波数の近傍では
反射器内に仮想的に生ずる等価反射面まで伝搬し、そこ
で反射してくるかのごとく振舞う。一般に、金属簿膜ス
トライプ列等で形成した反射器は単位ストライプ当りの
反射量が少なく、ストライプを多数用いなければ完全な
反射器にはならない。従って１等価反射面は反射器のか
なり深い位置に生ずる。左右の反射器の等価反射面間の
距離をＬとするとＩ、：２Ｎλｙ　　　　　　　　　　　　（１）で共振
する。ここに、Ｎは整数、λアは共振周波数での波長で
λｙ　＝Ｖ　６　／　ｆ　ｙで与えられる。ｖＩ、は弾
性表面波の音速、ｆｌは共振周波数である。高次の共振
は共振周波数ｆｙ′が以下Ｌχ２　（Ｎ＋１）λｒ’　　　　　　　　（２）で生
じる。一般的な弾性表面波共振器の例として、Ｎ　＝　
１００の場合、（１）、（２）よりとなる。反共振周波
数はｆ、＝　（ｆｒ＋ｆ、’）／２で近似的に与えられ
るとすると、共振器の比帯域幅は以下で与えられる。

Ｙｆｒ弾性表面波共振器のインピーダンス特性の一例を第４図
に示す。式（４）の帯域幅は共振器インピーダンスがイ
ンダクテイヴの領域Ｃｆｙ〜ｆ、）を表わし、このよう
な共振器を第５図に示す電圧制御発振回路（ＶＣ○：　
Ｖｏｌｔａｇｅ　ＣｏｎｔｒｏｌＯｓｃｉｌａｔｏｒ）
の共振器１５として用いると制御電圧によって、原理的
には、共振器インピーダンスがインダクティせの領域を
周波数可変幅とする発振回路が実現出来る。しかし、実
際には全帯域を可変帯域とすることは出来ないためｆ、
〜ｆ、よりかなり狭くなる。

以上説明したように、第３図の反射器形の弾性表面波共
振器では左右の等価反射面間の距離りが非常に大きくな
り、、この間に多数の定在波が存在出来るため式（４）
で与えられる共振器の比帯域幅は非常に狭くなる。現在
知られている弾性表面波共振器では０．０１％〜１．０
％のものしか実現出来ず、自動車電話（セルラー無線）
で要求されるように８００ＭＨｚ帯で２０〜４０ＭＨｚ
の帯域幅（比帯域幅３〜５％）を実現することは出来な
い。

第１図に示す本発明の一実施例の弾性表面波共振器は、
Ｑの高い広帯域な共振器を提供する。以下本発明の詳細
な説明するに当って、理想的な広帯域共振器に関して説
明し、次にそれとの比較によって本共振器を説明する。

第６図に理想的な広帯域弾性表面波共振器の例を示す。

第６図は、第３図の等価反射面に相当する反射面を、基
板の端部をカットし、研磨することにより形成した共振
器を示す。反射面の間隔りを十分狭くすることにより（
トランスデユーサの間隔と一致させることも可）、式（
１）のＮを小さく出来るため、カット端面の導入で理想
的な広帯域弾性表面波共振器が実現出来る。例えばＮ＝
５の場合、式（４）の比帯域幅Δｆ／ｆアは約１０％と
なる。

第６図のカット端面共振器のインピーダンス特性の一例
を第７図に示す、ｆＹ−ｆ、の間隔が非常に広くとれる
のが特徴である。

しかし、カット端面共振器は、カット端面の加工精度等
に問題がある。特に高周波１例えば８００ＭＨｚ帯の自
動車電話（セルラー無線）では弾性表面波の波長が約５
岬程度となるため、この周波数帯の共振器へ適用するこ
とは事実上不可能である。

次に、カット端面共振器とほぼ同等のインピーダンス特
性を持つ仮想的な共振器を考える。第８図にその例を示
す。第８図は、一対のトランスデユーサを電気的に直列
接続したものを基本単位とし、これを無限回（仮想的に
無限回）反復したものである。

反復の基本単位長の半分をＬとする。第８図では、反復
されたトランスデユーサ間の中心線に向かって、左右か
ら常に等振幅の弾性表面波が入射する。また、左から入
射した弾性表面は右側へ通過し、等振幅の弾性表面波が
同時に右から入射し左側へ通過するため、あたかも左か
ら入射した弾性表面波はトランスデユーサ間の中心線で
全反射し再び左側へ戻り、右から入射した弾性表面波は
同様に中心線で再び全反射し右側へ戻るかのどと＜＊測
される。したがって、中心線にそって等価反射面を設け
た幅りの共振器、すなわち幅りのカット端面共振器とほ
ぼ同等のインピーダンス特性を持つ。

インピーダンス特性例は第７図に示すものとほぼ同等で
ある。しかし、実際に第８図に示す反復形の共振器を構
成するため、無限回反復することは不可能であり、有限
回数の反復で打ち切る必要がある。第９図に有限回数打
ち切り反復形共振器の例を示す。有限回数で打ち切ると
、左右の端部トランスデユーサでは反復による周期性が
乱れるため、共振器のインピーダンス特性に非常に大き
な影響が生じる。

影響の程度は、反復数、反復の基本単位長（２Ｌ）等に
より若干異なるが、一般的には、第１０図に示すように
インピーダンス特性に大きなリップルがのる現象を示す
。インピーダンス特性にリップルがのると、このような
共振器を第５図に示す電圧制御発振回路（■Ｃ○）の共
振器として用いる場合、制御電圧により発振周波数を変
化させても制御電圧に対する発振周波数の変化の線形性
（ｌｉｎｅａｒｉｔｙ）が非常に悪く、場合によっては
発振周波数が不連続に変化するいわゆる飛び越し現象を
伴ない、実際の回路に適用することは出来ない。

第１０図のリップルの原因は、第８図では反復により等
側皮射面が長さしごとに常に形成されるのに対して、第
９図の有限回反復形では、左右の端部近傍では反復によ
る周期性が乱れることにより等側皮射面があいまいにな
るためである。また、両端部のトランスデユーサでは左
右に励振される弾性表面波は反射することなく共振器の
外へ放射されるため等側皮射面が形成されないことによ
る。

インピーダンス特性にのるリップルを防ぐためには、共
振器の端部から左右へ放射される弾性表面波の量を低減
することが必要と思われる。左右への放射を防ぐため、
第６図同様両端部にカット端面を形成することが考えら
れる。カット端面の導入により左右へ放射される弾性表
面波は完全反射するため、第６図同様理想的な弾性表面
波共振器を得ることが出来る。しかし、カット端面ば前
述のように加工精度の問題を考えると８００ＭＨｚ帯の
自動車電話（セルラー無線）等の共振器としては用いる
ことは出来ない。８００ＭＨｚ帯では弾性表面波の波長
が５−程度となるため精度±１％でカット端面を形成し
ても±０．０５．の加工精度が要求され実質的に不可能
である。

次に、同様に左右への弾性表面波の放射を防ぐ手段とし
て、第１１図に示すように、共振器の両側に金属薄膜ス
トライプ列あるいは基板への掘り込み列等で形成した反
射器を配置することが考えられる。端部のトランスデユ
ーサから放射される弾性表面波は反射器により反射され
再びトランスデユーサに戻ってくるため外部へ放射する
量は低減する。

しかし、実際にこのような共振器のインピーダンス特性
を評価したところ、第１２図に示すようにリップルの周
期は小さくなるが、リップルは消えず、かつ、その振幅
も反射器の存在しない第９図の場合とあまり変らないこ
とが分った。これは、第１１図に示す構成では、端部の
トランスデユーサから放射される弾性表面波は左右の反
射器の等側皮射面まで進み、そこで反射してくるかのご
とく振舞うため位相の回転量が非常に大きくなるからで
ある（第１１図でＬ’＞＞Ｌ）。一方、他のトランスデ
ユーサでは、等側皮射面がトランスデユーサの非常に近
くに存在するため反射に伴う位相回転量は非常に少ない
。従って、端部のトランスデユーサと他のトランスデユ
ーサでは、位相の変化を比較すると非常に狭い周波数範
囲で互に同相から逆相へ変化し、再び同相、さらに逆相
へと繰り返し変化することになる。これがインピーダン
ス特性のリップルとなって表われる。

本発明は、広帯域電圧制御発振器に適用可能な弾性表面
波共振器であり、そのインピーダンス特性にはリップル
は非常に少なく、かつ、カット端面共振器のように特に
高い加工精度を要求されることもない。

本発明の一実施例を第１図に示す。前述の如く、第１１
図に示す両側に反射器を配置する構成では。

反射器の等側皮射面が反射器の内部のかなり深い位置に
形成されるため、弾性表面波が等側皮射面に達し、再び
反射してくるまでの位相の変化に問題がある。従って、
この位相の変化を最少にし、かつ反射が十分大きくなる
構成が必要である。

第１図の構成は、−この要求を満足するものである。す
なわち、トランスデユーサの横に反射器を配置するので
はなく、トランスデユーサの内部に反射機能を埋め込む
ことにより、トランスデユーサそのものに単方向性を持
たせる。このようなトランスデユーサは第１３図に例を
示すように金属薄膜ストライプ列、基板への掘り込み（
ｇｒｏｏｖｅ）列、誘電体薄膜のグレーティング列又は
イオン打ち込みのグレーティング列等をトランスデユー
サの励振電極指の間に形成するものである。励振電極指
と反射列の間隔を適当に設定することにより、第１３図
に示すように、ある方向へ励振される弾性表面波は励振
電極指で励振される直接波と反射列で反射される反射波
との位相が同相となり互に強め合う。また、逆方向へ励
振される弾性表面波は、励振電極指で励振される直接波
と同じく反射列で反射される反射波との位相は逆相とな
り互に弱め合う。従って、第１３図の構成はトランスデ
ユーサ単体である方向のみに弾性表面波を励振する単方
向性トランスデユーサとなる。

第１３図に示すトランスデユーサの構成は、具体的には
、励振電極指間に金属ストライプより成る反射列等を導
入し、かつ、その反射列の中心をトランスデユーサの中
心から８分の３波長分右側へずらしたものである。この
ような構成では、各励振電極指から励振される弾性表面
波のうち、右側へ伝搬する波は励振電極指の左側の反射
列から反射してくる波と逆相になる。また、左側へ伝搬
する波は、励振電極指の右側の反射列から反射してくる
波と同相になる。

トランスデユーサの内部には励振電極指と反射列が交互
に存在するため、右側へ伝搬する波は各反射列から反射
してくる逆相の反射波によって弱められ、結果的に′は
トランスデユーサの右端から漏れる波は非常に小さくな
る。一方、左側へ伝搬する波は、各反射列から反射して
くる同相の反射波によって増大し、結果的にトランスデ
ユーサの左端から大きな弾性表面波が放射される。

第１３図の単方向性トランスデユーサを、有限回反復形
共振器の両端部トランスデユーサとして用いたのが第１
図に示す本発明の共振器構成である。

この様な共振器では、共振器の内部には反復により等価
反射面が形成される。また、共振器の両端部近傍では、
周期性が乱れることにより等価反射面があいまいになる
が、第１３図に示す単方向性トランスデユーサを両端部
トランスデユーサとして導入することにより、この乱れ
を極めて小さくすることができ、そのため第１図の共振
器は無限回反復形弁振器の周波数特性に非常に近い特性
が得られる。

第１図の共振器のインピーダンスの周波数特性例を第２
図に示す。この特性は、第７図に示すカット端面共振器
のインピーダンスの周波数特性と非常に類似しており、
また、第１０図に示す有限回反復形共振器のインピーダ
ンスの周波数特性及び第１２図に示す有限回反復形で両
端に反射器を導入した共振器のインピーダンスの周波数
特性に比ベリップルはほとんどないことが分る。

第２図の周波数特性例では、共振周波数ｆ、の非常に下
側と反共振周波数ｆ、の近傍に若干リップルが残ってお
り、第１図の共振器構成が第６図のカット端面共振器は
ど理想的な共振器ではないことを意味している。しかし
、実際に第１図に示す弾性表面波共振器を、例えば、第
５図に示す電圧制御発振器（ＶＣＯ）の共振器１５とし
て用いる場合、発振周波数は共振器の共振周波数ｆ、の
近傍であり、ｆｙの非常に下側にリップルが存在しても
発振器には影響は与えない。

一般的な電圧制御発振器の構成法では、発振周波数は用
いる共振器の共振周波数の近傍で、かつ、発振周波数の
可変幅は共振器の共振周波数と反共振周波数の間隔の数
十％程度となる。従って、反共振周波数ｆ、の近傍のリ
ップルも共振周波数ｆ１の下側のリップル同様実際の応
用では問題にならない。

以上説明したように、本発明は、例えば８００ＭＨｚ帯
自動車電話（セルラー無線）用電圧制御発振器（ＶＣＯ
）等に適用出来る広帯域弾性表面波共振器を実現するも
のである。第１図に示すように、反復により広帯域な共
振器インピーダンスを確保し、さらに左右の端部トラン
スデユーサとして内部に反射機能を有する単方向性トラ
ンスデユーサを導入することにより、実用上最も問題と
なるインピーダンスの周波数特性に生じるリップルをな
くしたものである。

第１４図に本発明の他の実施例を示す。第１４図の構成
は第１図同様反復により等価反射面を形成し、共振器の
左右端部トランスデユーサとして内部に反射機能を有す
る単方向性トランスデユーサを導入する点はまったく同
一であるが、共振器を構成する各トランスデユーサの実
効対数（すなわち励振電極指の数）に共振器の中央部分
では多数対、両側では小数対となるテーパを導入したも
のである。

具体的に、第１４図では、左右両端部トランスデユーサ
の実効対数は３対、その内側のトランスデユーサでは４
対、さらに内側では５対である。このようにトランスデ
ユーサの実効対数にテーパを導入すると、反復により等
価反射面を確保しつつ、共振器の中央部分で励振される
弾性表面波の振幅を大きく、両側で励振される弾性表面
波の振幅を小さく出来るため、振動のエネルギを共振器
の中央部分に閉じ込め、さらにＱの高い共振器が実現出
来る。また、両端部トランスデユーサとしては、内部に
反射列を有する単方向性トランスデユーサを用いている
ため、そのインピーダンスの周波数特性にはリップルが
非常に少ない極めて理想的な共振器となる。

以上説明してきたように、本発明の実施例としては第１
図に基本形を示すように、反復の基本単位として一対の
直列接続したトランスデユーサを用いた。しかし、本共
振器の基本は周期性による等価反射面の形成と両端部の
単方向性トランスデユーサである。従って、必ずしも第
１図に示す直列接続した一対のトランスデユーサを基本
単位とする必要はなく、トランスデユーサの直列接続と
並列接続の組合せ等でも同様の共振器が得られることは
自明である。

〔発明の効果〕

例えば自動車電話（セルラー無線）等の無線機端末の小
形、軽量、高性能化のため、そのキーとなる電圧制御発
振器（ＶＣＯ）部に弾性表面波共振器を導入した場合、
従来の共振器では帯域幅が狭く、０．０１〜１．０％程
度の可変幅しか確保出来なかった。本発明によれば、例
えば８００ＭＨ７帯で必要な帯域幅２０〜４０ＭＩ（ｚ
（比帯域幅３〜５％）を確保出来た。また、共振器を構
成している各トランスデユーサの対数にテーパを導入す
ることにより、さらに高Ｑ化が図れるため発振器として
の性能が向上した。

弾性表面波共振器はチップサイズが誘電体共振器に比べ
約１００分の１程度のため、弾性表面波共振器を用いる
ことにより発振器全体の小形化が達成出来、無線機端末
の小形、軽量化にも寄与が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の弾性表面波共振器の構成を
示す説明図、第２図は第１図の共振器の周波数特性図、
第３図は従来の反射器形弾性表面波共振器の構成を示す
説明図、第４図は第３図の共振器の周波数特性図、第５
図は電圧制御発振器の回路図、第６図はカット端面弾性
表面波共振器の概念を示す斜視図、第７図は第６図の共
振器の周波数特性図、第８図は無限回反復形弁性表面波
共振器の構成を示す説明図、第９図は有限回反復形弁性
表面波共振器の構成を示す説明図、第１０図は第９図の
共振器の周波数特性図、第１１図は第９図の共振器の両
側に反射器を導入した共振器の構成を示す説明図、第１
２図は第１１図の共振器の周波数特性図、第１３図は内
部に反射機能を有する方向性トランスデユーサの構成を
示す説明図、第１４図は本発明の他の実施例の弾性表面
波共振器の構成を示す説明図である。１．１′、２０．２１・・・電気端子２−１．２−２．２−３．３−１．３−２．３−３．４
−１．４−２．４−３．５−１．５−２．５−３．９．
１０．２３．２４．２５−１．２５−２．２５−３．２
５−４．２５−５．２６−１．２６−２．２６−３．２
６−４．２６−５．２７−１．２７−２．２７−３．２
７−４．２７−５．２８−１．２８−２．２８−３．２
８−４．２８−５．２９−１．２９−２．２９−３．３
０−１　、３０−２．３ｏ−３，３１−１，３１−２，
３１−３，３２−１，３２−２，３２−３，３３−１，
３３−２，３３−３，３４−１，３４−２，３４−３，
３５−１，３５−２，３５−３゜３６−１．３６−２．
３６−３．４０−１．４ｏ−２，４０−３，４１−１，
４１−２，４１−３，４２−１，４２−２，４２−３，
４３−１，４３−２，４３−３・・・トランスデユーサ
の励振電極指群６．７・・・配線パターン　８−１．８
−２・・・反射器１１．１２．１３・・・電気端子　１
４・・・トランジスタ１５・・・弾性表面波共振器　１
６・・・可変容量素子１７・・・バッファアンプ１８−１．１８−２．１８−３．１８−４．１８−５・
・・抵抗１９−１．１９−２．１９−３．１９−４．１
９−５．１９−６．１９−７・・・コンデンサ２２・・・圧電性基板　　　　３７・・・電気端子３８
．３９・・・単方向性トランスデユーサの励振電極指群

Claims

【特許請求の範囲】

１．弾性表面波を伝搬する基板上に、弾性表面波の伝搬
方向に複数個の弾性表面波トランスデューサを配置し、
電気的に直列又は直列と並列との組合せの関係に接続し
た弾性表面波共振器において、上記トランスデューサの
列の両端部に配置されたトランスデューサを、トランス
デューサの内部に反射機能を有する方向性トランスデュ
ーサで構成したことを特徴とする弾性表面波共振器。
２．上記方向性トランスデューサの反射機能は、金属ス
トライプ列、基板に掘り込まれたグループ列、誘電体薄
膜のグレーティング列又はイオン打ち込みのグレーティ
ング列若しくはこれらの組合せで構成されていることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の弾性表面波共振
器。
３．上記複数個のトランスデューサは、その中央部分に
配置されたトランスデューサの励振電極指の対数より、
その両端部分に配置されたトランスデューサの励振電極
指の対数が少ないことを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の弾性表面波共振器。