JPH0216613B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は弾性表面波（以下SAWと称する）又
はすべり波（以下SSBW：Surface Skimming
Bulk Waveと称する）共振器によつて構成し、
数10MHz乃至1GHz帯に於いて狭帯域通過特性を
呈する高周波狭帯域多重モード・フイルタに関す
る。

従来50MHz以上の周波数帯に於ける帯域通過フ
イルタとしてはLCフイルタ、スパイラル・フイ
ルタ、SAWフイルタ或は帯域通過フイルタの基
本回路中の共振素子又はインダクタンスをSAW
共振子に置換したものが用いられていた。

しかしながら上述の通過帯域フイルタは夫々以
下に述べる如き欠陥を有するものであつた。

即ち、LC又はスパラル・フイルタはいずれも
Ｑが低いのみならず、特に後者は形状も大型であ
る。

一方、SAWフイルタは帯域が比較的広く、挿
入損失が大なることに加えてTTE（三重反射エコ
ー）の為パスバンド内にリツプルを生じ易いとい
う欠点がある。

又、通過帯域フイルタ基本回路中の共振素子を
SAW共振器に置換したフイルタは一般的な水晶
フイルタと同種のものであるが100MHzを越える
高周波帯で使用する場合、各素子の共振周数及び
それらの差を高精度で得ることが極めて困難とな
るものであつた。

本発明は上述の如き従来の通過帯域フイルタの
欠点を除去する為になされたものであつて、個別
部品の組み合わせに依存することなく、SAW或
はSSBW共振器を単一圧電基板上に近接配置する
ことにより生起する複数個の相異なる振動モード
に対応する異つた共振周波数を利用する多重モー
ド・フイルタに於いて前記複数の振動モードを生
ぜしむるに必要な各共振器間の音響的結合の発生
条件を実験的に解明すると共にこの条件を適用し
た高周波狭帯域多重モード・フイルタを提供する
ことを目的とする。

以下、本発明を前記各共振器間の音響的結合の
条件に関与するパラメータを予想する理論とこれ
に準拠した実験の結果とに基づいて詳細に説明す
る。

従来からSAW共振器の音響的結合を利用した
フイルタについての構想は二，三存在するがこれ
らはいずれも構想の段階に止まつており現実に音
響的結合を生ぜしめる為のSAW共振器電極構造
の条件に言及したものは事実上存在しない。

本願発明者等は上述の音響的結合条件を検討す
るに当つて従来からのSAW共振器或はSSBW共
振器に於ける研究結果を基にして以下の如き技術
的推定を行つた。

先ず説明の繁雑を避ける為二個のSAW共振器
を用いる場合について述べる。即ち、第１図ａ乃
至ｃに示す如く圧電基板１上に二個のSAW共振
器２及び３を並行に近接配置するものとしこれら
両共振器２及び３が励起するSAWが相互に音響
的結合を生じた場合、同図ｂ及びｃに示す如き二
つの振動モード、即ち、一般に対称モード（ｓ―
モード）及び反対称モード（ａ―モード）と呼ば
れる振動モードが発生する。

そこでこのような音響的結合を生ぜしめる条件
を考察する。第２図は単体のSAW共振器の振動
モードを示す図であるが本図に示す如く振動エネ
ルギは前記電極指交叉長ｗを越えて漏出すること
及びその振動の態様は前記ｗの値に依存すること
が知られているので前記ｗが両共振器の間の音響
的結合の程度を決定するパラメータの一であるこ
とは明らかである。

一方、両共振器間に音響的結合が存在するとい
うことは相隣り合う共振器の振動エネルギが相互
に影響し合うことと考えれば両共振器間の間隙を
充分に近接させる必要があることは自明である。

第３図ａ及びｂは前記ｗの大小に基づく振動の
態様と音響的結合の程度との関係を定性的に示し
た図であつて前記共通バスバー６を挾む両共振器
の電極指非交叉長ｇが両共振器の近接の程度を示
すパラメータとなることを示唆するものである。

即ち、同図ｂに誇張して描いた如く、前記ｇの
値が一定以上離隔していれば他のパラメータを実
用可能の範囲でいかに変化しても両共振器２及び
３の間には音響的結合は生じないものと推測しう
る。

従つて音響的結合条件を決定するパラメータと
して前記両共振器２及び３の電極指交叉長ｗ及び
共通バスバー６を挾む電極指非交叉長ｇを選べば
よいという結論を得た。

即ち、前記ｗ及びｇをある値以下に選ぶことが
両共振器２及び３の間の音響的結合を生ぜしめる
条件であり、又その結合の強さもｗ及びｇに大き
く存在するはずであつてその条件を満足する如く
二つのSAW共振器を隣接配置することにより音
響的結合が生じその結果対称、反対称の二つのモ
ードの振動が発生するであろうこと前述の通りで
ある。

尚、以上説明した如く構成するSAW二重モー
ド・フイルタは第４図に示す如き等価回路で表現
することが可能であり、La，Caを含むアーム及
びLs，Csを含むアームの共振周波数夫々a及び
sが各々反対称モード（ａ―モード）及び対称モ
ード（ｓ―モード）に対応すると共に常にa＞s
の関係にあつてその周波数差△＝a−sが生じ
る。又、この値の２倍、即ち、2Δがフイルタの
バンド幅にほゞ等しくなる。尚、第５図はフイル
タの減衰特性と前記両周波数a及びsの関係を定
性的に示したものである。

以上の論理的考察を基にして前記ｗ及びｇをパ
ラメータとした場合前記Δがどのように変化す
るかについて実験を行つた結果を以下に説明す
る。

先ず、実験に使用するフイルタの圧電基条とし
て周波数−温度特性の良好なカツト角37゜のSTカ
ツト水晶基板を用いることとし、ポリツシユ加工
を施した主表面上にフオト・エツチングによつて
Al電極を構成した。而してその電極膜厚は励起
する表面波々長の1.5，2.2及び3.0％の３種類と
し、両電極の電極指位相は同一（第１図に示す如
く共通バスバー６に対して上下対称の電極構造）
とした。もつともこれは必ずしも同一である必要
性はないが、この位相をずらした場合いかなる効
果を生ずるかについては後述する。

又、電極指対数Ｎは400，500，600及び800対の
４種類、中心周波数を280MHzとした。

以上の設定条件の下に前記ｗ及びｇを数種選ん
で実験したところ第６図及び第７図に示す如き結
果を得た。

即ち、第６図はｗを固定しｇを変化した場合の
結合の程度を示すものであり第７図は逆にｇを固
定した場合の結果である。

両図からも明らかな如く両共振器間の音響的結
合に与える影響は共通バスバーを挾む電極非交叉
長ｇの方が電極指交叉長ｗよりもはるかに大きい
ことが判明した。

そこで前記ｗ及びｇの両パラメータをその影響
の程度を基に統合したパラメータとして 0.3（ｗ／λ）＋0.7（ｇ／λ）＝Ｄ を考えるとこのパラメータの中心周波数（≒
a）と、前記ａモード及びｓ―モードの二つの
周波数差△との比△／＝Ke^-Dなる実験式
を得る。

上述の実験に於いては比例定数Ｋは2.2×10^-2
となつた。

第８図はこの結果を示したものであるが、現実
のフイルタを設計する場合にはその仕様に応じて
ｗ及びｇの値を適宜選択すればよいことが理解さ
れよう。

尚、前述の如く本実験に於いては上述のｗ及び
ｇの他に電極膜厚、電極指対数を変化した場合に
ついても検討したが、その結果は第８図のカーブ
が夫々ほゞ平行にわずかに移動するのみで前記両
パラメータの変動は音響的結合には重大な影響を
生ぜしめるものではないことが判明したので繁雑
を避ける為詳述を省略する。

但し、これらのパラメータを変化することによ
つて前記比例定数Ｋの値は幾分の変動を示すこと
はいうまでもなく、例えば電極膜厚が0.5〜４％
（対表面波々長λ比）、電極指対数400〜800対の範
囲でＫの値は1.5×10^-2〜３×10^-2の範囲にある
という結果を得たことを述べるに止める。

次に前記両共振子の音響的結合を生ぜしめる前
記両パラメータｗ及びｇの限界値について検討し
た結果第９図に示す如き結果を得た。

即ち、前記ｗ及びｇを変化させたフイルタにつ
きインピーダンス特性から結合の有無を判定する
に前記ｇの限界は6λ程度、ｗは20λ程度であるこ
とが判つた。

現実のフイルタを構成する場合はその仕様にも
よるがｗの値が5λ以下では共振器のＱが極めて
低く実用は困難と思われる。一方、ｗの値が20λ
近傍となると振動エネルギが前記電極指交叉範囲
にほゞ完全に閉じ込められｇの値を製造可能な限
界まで狭くしても結合が微弱で極端に狭帯域のフ
イルタとなりやはり実用性に欠ける。

従つて、以上の実験結果からSAW多重モー
ド・フイルタを構成するには前記ｗの値を20λ以
下、ｇの値は6λ以下望ましくは3λ以下とする必
要があるという結論を得た。

以上の結論を換言するならば、斯るタイプのフ
イルタの帯域幅は0.3（ｗ／λ）＋0.7（ｇ／λ）＝Ｄ
に依存する、即ちｇの値はｗの値に対しても約
2.5倍も音響的結合に影響を与えしかもｇの値は
従来常識では考えられない程小さな値に設定する
ことによつて初めてフイルタとして機能すること
が明らかとなつた。

例えば狭帯域フイルタとはその比帯域幅が10^-4
乃至10^-3を想定するものであるから中心周波数
280MHz、帯域幅280KHzのフイルタに於いてはｗ
を10λとすればｇの値は約10μmとなり前記共通
バスバー６の幅は高々5μmしかとれないことにな
る。

これは共振器のインタデイジタル・トランスジ
ユーサ電極指一本の幅員（約2.8μm）の２倍弱で
あつて従来考えられていたオーミク・ロスを考慮
する必要のない共通バスバーとは全く異なる極め
て細いものとする必要のあることを意味する。こ
れはSAW多重モード・フイルタをフイルタとし
て機能せしめる必須要件となる以上、この共通バ
スバーを後述する如きオーミツク・ロスを最少に
押えＱの低下を防止する方策を講ずる必要を生ぜ
しめるものである。

さて再び前述の実験条件について付言するに、
上記実験に於いては圧電基板としてカツト角37゜
のSTカツト水晶を用いたがこれは周知の如く電
極付着による水晶の周波数−温度特性の頂点温度
のずれを補償する為に選択したものである。

しかしながら前述した如く電極膜厚の値は音響
的結合にはあまり重大な影響を及ぼさないので使
用しうる水晶基板としては回転Ｙカツト系であつ
てカツト角30゜乃至43゜程度の範囲にあると考えて
よい。因みにカツト角30゜は電極膜厚のスプリア
ス等を生じない限界５〜６％（対表波々長比）の
場合頂点温度を常温に合わせる角度であり、同
43゜は無電極時のSTカツト頂点温度を常温とする
カツト角である。

尚、上述した水晶基板のカツト角は現在知られ
ているものの内最良の周波数−温度特性を示すも
のであるが現実のフイルタを製造する場合必ずし
もこれにのみ限定する必要はなく製品のスペツク
によつては他のカツトの水晶を用いてもよい。

以上、SAW共振器を用いた多重モード・フイ
ルタについてのみ説明してきたが、本発明は
SSBW共振器を用いた多重モード・フイルタにも
そのまま適用しうるものである。

SSBWは周知の如く圧電基板表面直下を伝播す
る波動であり、例えば回転Ｙカツト系水晶のカツ
ト角マイナス50゜近傍のものを用いその主表面に
インタデイジタル・トランスジユーサ電極を付着
すると共に波の伝播方向をZ′方向とすることによ
り励起しうる。

而してその振動エネルギ閉じ込めの態様、特に
インタデイジタル・トランスジユーサ電極指交叉
長方向のエネルギ分布はSAW共振子のそれと全
く同一といつても過言でないこと前述した本願発
明者等の特許出願明細書中に開示した通りであ
る。

従つてその共振子を上述の実験の結果から導び
かれた結論通りに配置すれば同様に結合を生じる
であろうことは全く疑う余地がない。最後に本発
明に係るSAW或はSSBW二重モード・フイルタ
を実用化するに際しての問題点につき説明する。

本発明に係るフイルタを構成する共振器として
はそのＱを高める為多対のインタデイジタル・ト
ランスジユーサ電極を用いる所謂多対型共振器に
ついてのみ説明してきたが、共振器のＱ向上の為
には共振器の両側に反射器を配置した所謂反射器
型共振器を用いることも考慮すべきである。

この型式の共振器は少数のインタデイジタル・
トランスジユーサ電極を以つてしても充分高いＱ
が得られるので前述の共通バスバーが短かくなり
オーミツク・ロスを低減し得るのみならず特性イ
ンピーダンスを任意に設計することが可能となる
ので本発明のフイルタを構成する上では前記多対
型共振器を使用するよりむしろ優れていると考え
られる。

即ち、第１０図に示す如く共振器２及び３の両
側に反射器７及び８を配置しインタデイジタル・
トランスジユーサ電極指本数を多対型のそれの数
分の一とした場合にもインタデイジタル・トラン
スジユーサ電極２及び３の電極指本数及び反射器
７及び８の電極本数の合計を等しくした多対型共
振器に比して同等以上のＱを得ることができる。

この場合前記反射器７及び８の電極のピツチを
前記インタデイジタル・トランスジユーサ電極の
それよりわずか（数百分の一）小さく設計するこ
とによつて励起した波動を効率よく反射すること
ができ一層効果的である。このような構成をとる
反射器型共振器を用いたフイルタに於いて前記共
通バスバー６は前述の如く5μm程度の幅員しかと
れないのでこれに直接ボンデイング・ワイヤを付
着することは事実上不可能である。そこで前記共
通バスバー６を前記反射器７及び８と一体化し、
反射器のバスバーを介して接地するよう構成すれ
ばよい。

斯くすることによつて前記共通バスバー６のオ
ーミツクなロスを低減し、以つてフイルタのロス
を小さくすることができる。

尚、前述の二個の共振器２及び３のインタデイ
ジタル・トランスジユーサ電極指の位相は必ずし
も同位相である必要はなく、これを故意に所要量
だけずらすことによつて減衰極の位置を制御する
ことができる。

以上、本発明を現実のフイルタに適用する場合
の基本的な構成例にいて説明したが、この基本的
構成をベースにして更に以下の如く変形、発展さ
せることが可能である。

第１１図は前述の二重モード・フイルタを電気
的に多段縦続接続した多セクシヨン二重モード・
フイルタの電極パターンを示す図である。

即ち、二重モード・フイルタ９及び１０の両側
に夫々反射器１１，１２及び１３，１４を単一の
水晶基板１上に形成し、各電極及び反射器を一体
連続のパターンで接続したものである。

更に第１２図に示す如く複数個の共振器１５，
１５，…及びこれらの両側に付した反射器１６，
１６，…及び１７，１７，…を多段近接配置した
ものである。

斯くの如く構成したフイルタはその変位分布の
音響的結合により発生する各モードの共振周波数
によつて高次の減衰傾度と高い保証減衰量とを実
現しうるものであり、前述の二重モード・フイル
タ或はこれを多段接続したフイルタが偶数次の減
衰傾度のみを得るのに対し奇数次のそれを実現す
ることも可能となる。

以上説明した多セクシヨン・フイルタを設計す
る場合には、例えば動作パラメータ法を適用し、
無極チエビシエフ特性より等価変換を行い各共振
器の等価定数に置換してゆく方法を用いればよ
い。

本発明は以上説明した如く構成するので数10M
Hz乃至1GHzの高周波帯に於いて使用するのに適
した高いＱと安定度とを有する狭帯域フイルタを
極めて小型かつ安価に提供することができ、しか
もその通過帯域幅はかなりの自由度を以つて設計
することが可能となるから、高周波化の傾向の著
しい移動無線機等の中間波段をこれに付随する
局部発振等を含めて除去しうるものであり、これ
ら機器の小型軽量化、低価格化に著しい効果を発
揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ乃至ｃは夫々本発明の弾性表面波二重
モード・フイルタの基本的電極構造及びこれによ
つて発生する共振の二つのパターンを示す図、第
２図は本発明のフイルタの基本構成要素たる弾性
表面波共振器の表面波変位の状態を説明する図、
第３図ａ及びｂは夫々第１図に示す二つの振動モ
ードと共振器のパラメータｗ及びｇとの関係を説
明する図、第４図はその等価回路図、第５図は前
述の二つの振動モードの共振周波数とフイルタの
減衰特性との関係を示す図、第６図及び第７図は
夫々共振器のパラメータとして電極指交叉長ｗを
固定した場合及び電極指非交叉長ｇを固定した場
合のｇ及びｗが音響的結合に及ぼす影響を測定し
た実験データを示す図、第８図は前記両データを
統合した実験データを示す図、第９図は前記両パ
ラメータｇ及びｗを変化した場合、現実に音響的
結合が生じたか否かの実験データを示す図、第１
０図乃至第１２図は夫々本発明を適用したフイル
タの構成例を示す図である。 １……圧電基板、２，３，９，１０及び１５，
１５，……インタデイジタル・トランスジユーサ
電極、４及び５……電極指、６……共通バスバ
ー、ｗ……電極指交叉長、ｇ……電極指非交叉
長。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水晶圧電基板上に夫々が同一共振周波数で振
   動する複数個のインタデイジタル・トランスジユ
   ーサ電極をこれらが励起する弾性表面波の伝播方
   向と直交する方向に相互に並行近接して配置し、
   前記各インタデイジタル・トランスジユーサ電極
   によつて励起した弾性表面波の伝播方向と直交す
   る方向に生起する波動の音響的な結合に起因する
   複数の相異なる振動モードの共振周波数を利用し
   た弾性表面波多重モード・フイルタに於いて、前
   記各インタデイジタル・トランスジユーサ電極の
   電極指交叉長ｗと、前記各インタデイジタル・ト
   ランスジユーサ電極の隣接部に於ける共通のバス
   バーを挾んだ電極指非交叉長ｇとが夫々ｗ≦
   20λ，ｇ≦6λ、望ましくはｇ≦3λ（但しλは励起
   した弾性表面波々長）であることを特徴とする高
   周波狭帯域多重モード・フイルタ。 ２ 前記インタデイジタル・トランスジユーサ電
   極が励起する波がSSBW（Surface Skimming
   Bulk Wave）であることを特徴とする特許請求
   の範囲１記載の高周波狭帯域多重モード・フイル
   タ。 ３ 特許請求の範囲１又は２記載の多重モード・
   フイルタを単位セクシヨンとしてこれを多数個縦
   続接続することにより減衰傾度及び保証減衰量を
   確保したことを特徴とする高周波狭帯域多セクシ
   ヨンの多重モード・フイルタ。