JPH02311007A - 弾性表面波デバイス - Google Patents

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デバイスに係り、特にセルラー無線
に代表される移動通信の送・受信器に応用して好適な弾
性表面波デバイスに関する。

【従来の技術】

従来の弾性表面波フィルタ等は、圧電基板上に電気信号
を弾性表面波に、あるいは弾性表面波を電気信号に変換
する入力、あるいは出力インターデジタルトランスデユ
ーサを配置し、さらに目的により入力間を結び付ける中
間インターデジタルトランスデユーサを導入して構成し
ていた（例えば、アイ・イー・イー・イー、トランザク
ションマイクロウエーヴ　セオリ　チック　ヴオル　エ
ムチーチー３３．第５１０頁から第５１８頁（１９８５
年）　　（Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　　Ｔｒａｎｓ、　Ｍｉｃｒ
ｏｗａｖｅＴｈｅｏｒｙ　Ｔｅｃｈ、、　Ｖｏｌ、ＭＴ
Ｔ−３３、ｐ、５１０−５１８　（１９８５））。

【発明が解決しようとする課題】

上記従来技術では、インターデジタル電極指を構成する
各電極指の幅は、フィルタの中心周波数（通過帯域）で
伝搬可能な弾性表面波の波長をλ。とすると、約波長の
４分の１すなわちλ。／４で形成していた。しかし、λ
。は弾性表面波フィルタの中心周波数の逆数に比例する
。すなわち、周波数が高くなるとλ。は小さくなり、例
えばＩＧＨｚで約５μｍ程度となる。 近年、移動通信、光通信等ではＩＧＨｚ以上の高周波弾
性表面波フィルタの要求が生じている。 しかし、従来技術は、このような高周波弾性表面波フィ
ルタの生産性に関しては配慮がされておらず、ＩＧＨｚ
以上の周波数ではλ。／４電極指の電極幅がサブミクロ
ンとなり、極めて微細なプロセス技術が必要となり生産
性が非常に悪くなる問題がある。 （課題を解決するための手段１ 上記目的は、圧電基板上に従来技術のようにフィルタの
中心周波数で伝搬可能な弾性表面波の波長の約４分の１
の幅で形成される電極指を用いて。 弾性表面波の励振あるいは受信用インターデジタルトラ
ンスデユーサを構成するのではなく、約４分の１．５波
長の幅の電極指を用い、かつ、トランスデユーサ内で正
負の電圧をこれ等の電極指に交互に印加するのではなく
、正負の電圧を印加する電極指（第１および第２電極指
）に電位的には正負の電極指の電位差のほぼ中間電位と
なる電気的には浮いた第３の電極指を導入し、かつ、第
３の電極指同志をトランスデユーサの一周期（３波長）
以上に渡って電気的には同電位となるようにパターン上
で接続することにより達成される。

【作用】

第１および第２の電極指に加えられた正負の電圧により
圧電基板の内部に生ずる電気力線は、一部第１および第
２の電極指間を直接走るが、大部分は中間の電気的には
浮いた第３の電極指を介して走る。 上記電気力線と結合する弾性表面波の周波数は以下とな
る。上記第１および第２の電極指の中心線間隔をＬとす
ると、弾性表面波が励振される周波数は、Ｌが伝搬可能
な弾性表面波の波長のｎ＋０．５倍（ｎ＝ｏ、１．２・
・・・・・）を満足する周波数である。すなわち、ｎ＝
１の場合を考えると、Ｌ＝１．５λ。どなる。電極指幅
はＬの約４分の１のため、前述のように約４分の１．５
波長幅の電極指を用いても約４分の１波長幅の電極指を
用いたトランスデユーサと同様に弾性表面波が励振出来
ることが分る。 また、本発明は、電気的に浮いた第３の電極指同志をト
ランスデユーサの一周期以上に渡って電気的に接続して
いるため、後述するように、浮き電極によるバルク波等
への変換に伴う損失は非常に少く、変換部率の良いトラ
ンスデユーサが実現出来る。 このような従来のトランスデユーサでは第３図（、）に
示すように、正負の電圧が交互に加わるように構成した
電ｈ１でへり弾性表面波を励振あるいは受信する。すな
わち、各電極指の電位と弾性表面波の関係は、第３図（
ｂ）に断面図を示す的にも、山谷に対応し正負あるいは
負正の電圧が印加される。第３図（ｂ）から分るように
、一般に従来のトランスデユーサでは、電極指幅は、波
長の約４分の１で構成する。 弾性表面波の音速は圧電基板によって異なるが、一般に
４．ＯＯＯ〜５，０００ｍ／ｓである。したがって、約
Ｉ　Ｇ　Ｈｚ帯ではトランスデユーサの電極指幅は１．
０〜１．２５μｍとなる。 最近の移動通信あるいは光通信では、ＩＧＨｚ前後の周
波数を用いる場合が多いが、近い将来この周波数帯は、
はぼ全て使い切りさらに高い周波数へ移行すると考えら
れている。 弾性表面波デバイスは移動通信では小形化にはなくては
ならないデバイスであり、また光通信ではタイミング抽
出等の高性能デバイスとして不可欠と考えられている。 一方、高い周波数への移行に伴い、弾性表面波デバイス
を形成するためのプロセスには非常に微細な加工技術が
必要となる。 例えば、２ＧＨｚ帯の弾性表面波デバイスでは、０．５
〜０．６μｍの微細加工技術が必要であり、これは現在
の加工技術では生産性を考慮するとほぼ限界に近い、さ
らに高い周波数では、歩留り良くデバイスを形成するこ
とは非常に困難と考えられる。 本発明は、以上のようなプロセス上から生ずる生産性の
劣化を緩和し、プロセスに負担をかけずに従来の弾性表
面波デバイスと同等の性能を与える弾性表面トランスデ
ユーサ等の弾性表面波デバイスを提供することを目的と
する。

【実施例】

第１図に本発明による弾性表面波デバイスの一構成法を
示すが、基本的には従来の弾性表面波フィルタ等と同様
に、励振用の入力トランスデューサと受信用の出力トラ
ンスデューサより成る。また、外部から見た電気的な特
性は従来の弾性表面波デバイスとまったく同様である。 従来構成と異なるのは各トランスデユーサの電極の構成
法にあり以下詳しく説明する。 の波長の約４分の１．５倍の幅で形成される。また、同
様に、波長の約４分の１．５倍の幅の電位的には正負の
電圧のほぼ中間電位となる浮き電極唱ζす負の電圧が加
えられる電圧指間に存在する。 正負の電圧を加える電圧指と電気的に浮いた電極指の間
のスペースは、各電極指幅と同様に波長の約４分の１．
５倍に設定する。 正負の電圧を加える電極指の中心線間の間隔をＬとする
と、第２図と上記説明から分るようにＬは弾性表面波の
波長の約１．５倍となる。後で詳しく説明するように、
浮いた電極指同志は電気的には互に接続しておくことが
好ましい。 次に、第２図の構成で、第３図（ａ）、（ｂ）と同様に
弾性表面波を励振出来ることを説明する。 第２図の一区間■、を考える。正の電圧を加えられた電
極指からは、負の電圧を加えられた電極指へ向かって電
気力線が走るが、正の電極指から負の電極指へ向かって
直接走る電気力線は極めて少ない。第２図に示す弾性表
面波の振動界分布は、Ｌの間隔内で約１．５波長相当分
振動する。また、この区間内で上記の直接走る電気力線
は、正負電極指の位置の相対関係で定まる一定方向を向
いてΦ いるため、基板の圧電効果を介して上記弾性表面波の振
動界分布と結合する量は極めて少ない。したがって、正
負電極指間を直接走る電気力線自体が少なく、さらに、
電気力線と弾性表面波との結合も小さいため、直接走る
電気力線による弾性表面波の励振は無視出来る。 一方、正の電極指から一端中間の浮き電極指まで走り、
さらに浮き電極指から負の電極指へと走る電気力線゛が
存在する。この電気力線は、第２図から分るように、正
の電極指と浮き電極指の間では、ちょうど第３図（ｂ）
に示す正から負の電極指へ走る電気力線と同様に弾性表
面波の振動界分布の周期と同期した電気力線となる。浮
き電極指から負の電極指へ走る電気力線も同様に弾性表
面波の振動界分布の周期と同期している。したがって、
正の電極指から一端中間の浮き電極指へ走り、浮き電極
指から負の電極指へ走る電気力線は、基板の圧電効果を
介して弾性表面波と強く結合する。 この結合の度合いは、従来の第３図に示す約４分の１波
長幅の電極指を用いた場合とほぼ同等の強さであること
を確認している。 以上説明したのが本発明の基本構成である。すなわち１
弾性表面波デバイスの中心周波数で伝搬可能な弾性表面
波の波長の約４分の１．５倍の幅の電極指を用い、さら
に正負の電圧を加える電極指の間に、同様に波長の約４
分の１．５倍の幅の電気的に浮いた電極指を導入するこ
とにより、従来の波長の約４分の１倍の幅の電極指を用
いた構成とほぼ同等の機能を有しながら、かつ、電極形
成に伴うプロセス上の負担を約１．５倍緩和出来るもの
である。 次に１本発明を具体的なトランスデユーサを用いてさら
に詳しく説明する。第４図に本発明によるトランスデユ
ーサの種々の構成を示す。第４図（ａ）は第１図および
第２図で説明した本発明を導入したトランスデユーサの
構成を示し、最も理想的な形態である。 電気的に浮いた電極指は、第４図（ａ）のように電気的
に互に接続されていることが好ましい。 このことは、第２図で説明した弾性表面波の励振に関し
ては、大きな相違点はない。しかし、励振された弾性表
面波は左右へ伝搬するが、伝搬に伴い電気的に浮いた電
極指の影響で弾性表面波からバルク波への変換あるいは
散乱等が発生し損失が増加する。実験的に種々検討した
結果、この損失の増加は、電気的に浮いた電極指同志を
第４図（ａ）のように、電気的に互に接続することによ
って大幅に改善出来ることが分った。この原因は以下の
ように考えられる。 一般に、圧電基板を伝搬する弾性表面波は、伝搬路表面
を蒸着等により薄い金属薄膜でコートした場合と、コー
トしない場合で、弾性表面波のエネルギの基板表面への
集中の度合いが異なる。基板表面を金属薄膜でコートし
たほうがエネルギの集中度は良い。このことは、基板表
面を金属薄膜でコートしたほうが、基板表面の擾乱に対
して、弾性表面波からバルク波等への変換も少ないこと
を意味している。同様のことが第４図（ａ）に関しても
言える。電気的に浮いた電極指が他の電極指とはまった
く独立に存在する場合には１弾性表面波の伝搬に対して
は、この電極指の存在は、弾性表面波のエネルギを基板
表面へ集中させる効果はほとんどない。したがって、基
板表面に電極指が存在することによる表面の擾乱の影響
が大きく、弾性表面波は伝搬に伴ってバルク波等へ変換
され損失が増加する。 一方、第４図（ａ）のように、電気的に浮いた電極指を
互に電気的に接続すると、弾性表面波の励振に関しては
前述のように大きな相違点はない。 しかし、励振された弾性表面波の伝搬を考えると、電気
的に浮いた電極指を互に電気的に接続することにより１
弾性表面波の伝搬路すなわち基板表面を金属薄膜でコー
トした状態と非常に近い状態が実現出来る。したがって
、基板表面に電極指が存在することによる表面の擾乱の
影響により、弾性表面波からバルク波等へ変換される量
は非常に小さく押えられる。すなわち、変換に伴う損失
は非常に少ない。 以上が第４図（ａ）のように、電気的に浮いた電極指を
互に電気的に接続する理由である。しがし、現実には、
全ての浮いた電極指を電気的に接続することは、デバイ
ス作成時の歩留り等を考慮すると必ずしも得策ではない
。実験的に種々検討した結果、第４図（ｂ）および（Ｑ
）のように、浮いた電極指を数本ずつ部分的に接続して
も同様の効果が得られることが分った。第４図（ｃ）に
示すように、最低２本の浮いた電極指同志を互に接続す
ることによっても、第４図（ａ）と損失特性はあまり変
らない結果が得られている。 弾性表面波デバイス特にフィルタでは、フィルタとして
の周波数特性を作るためトランスデユーサに重み付けを
導入する。−例として、本構成の電極指によるトランス
デユーサに重み付けとして、先にアイ・イー・イー・イ
ー　トランザクションマイグロウエーヴ　セオリ　アン
ド　テクニークり、３３巻、第５１０頁から第５１８頁
。 １９８５年（Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔ
ｈｅｏｒｙＴｅｃｈ、、　Ｖｏｌ、ＭＴＴ−３３，ｐｐ
、５１０−５１８゜１９８５）に発表した新位相重み付
け （Ｎｅｗ　Ｐｈａｓｅ　Ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ）を導入す
る場合に関して説明する。 第５図に、本構成の電極指によるトランスデユーサに新
位相重み付けを導入したトランスデユーサを示す。ここ
で大切なことは、一般にトランスデユーサに重み付けを
導入すると第５図に示すように、弾性表面波の励振には
直接関係しない一様な電極あるいはそれに準する部分が
生じてくる。 トランスデユーサには圧電基板を介して、基板の裏面と
の間に電気的な容量が存在する。この容量は、特に高周
波の弾性表面波デバイスでは、特性上非常に悪い影響を
与える。この対地容量の影響を最小限に押えるため、第
５図に示すように１面積の大きい一様電極部分はトラン
スデユーサのアース側に形成するのが好ましい。すなわ
ち、第５図のように形成することにより、一様電極部分
の持つ対地容量の影響をなくし、高周波でも対地容量の
影響を最小限に押えたデバイスが可能である。 また、本電極指構成によるトランスデユーサは、第６図
に示すよ臼の文献に発表した影像インピーダンス接続（
Ｉ　ｗａｇｅ　Ｉ　ｍｐｅｄａｕｃｅＣｏｎｎｅｃｔｉ
ｏｎ　）　Ｌｌたトランスデユーサを用いた低損失弾性
表面波フィルタの影像インピーダンス接続トランスデユ
ーサにも適用可能であり、また、入出力トランスデュー
サにも同様に適用可能である。 本電極構成によるトランスデユーサを第６図のフィルタ
構成に適用し、文献で示したのと同様のシミュレーショ
ン法により、１．５０Ａｚ帯でシミュレートした結果を
第７図に示す。シミュレーションの結果は、文献で揚げ
ている約４分の１波長幅の電極指を用いたトランスデユ
ーサによるフィルタの周波数特性とほぼ同等の特性が得
られ、本電極指構成法が極めて有効であることが確かめ
られた６ 次に、用いる圧電基板のカット角に依存し、伝搬する弾
性表面波のモードが異なることにより、第４図（ａ）の
電気的に浮いた電極指を互に接続することが、単に損失
特性のみならず弾性表面波の励振の効率に大きく影響す
る場合があり、その点に関して説明する。 例として、リチウムナイオベート（Ｌ　Ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ
３）圧電基板を考察すると、一般にテレビの中間周波数
用弾性表面波フィルタとして用いられるＬｉＮｂ０．の
力７ト角は１２８°回転ＹカットＸ伝搬である。この弾
性表面波は、レーリー弾性表面波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ　
Ｓ　ｕｒｆａｃｅ　Ｗａｖｅ）と呼ばれ。 ＬｉＮｂ０．で存在出来るバルク波すなわち、一つの縦
波と二つの横波のどれよりも音速が遅い。一方、ＬｉＮ
ｂ○、では、結晶のカット角を変えると、例えば、ジャ
ーナル　オヴ　アプライド　フィジックス、４３巻、第
８５６頁から第８６２頁。 １９７２年（Ｊ　、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｖｏｌ
、４３　。 １９７２）に発表例があるように回転角により種々のモ
ードの弾性表面波が伝搬可能である１文献によると、４
１°と６４１回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３では、
漏洩弾性表面波（Ｌ　ｅａｋｙＳｌｌｒｆａｃｅ　Ｗａ
ｖｅ）と呼ばれる波が伝搬可能である。 この弾性表面波の特徴は、音速がレーリー弾性表面波と
異なり、ＬｉＮｂ０．を伝搬するバルク波のうち最も遅
いバルク波すなわち遅い横波よりも速いことである。ま
た、一般にこのような弾性表面波は電気機械結合係数非
常に大きく、非常に効率良く電気信号から弾性振動へ変
換出来る。さらに、レーリー弾性表面波よりも温度に対
する特性も良く、最近の通信用弾性表面波デバイスに向
いた圧電基板として非常に注目されているものである。 しかし、文献でも述べられているように、この漏洩弾性
表面波は、圧電基板表面を金属薄膜でコートした場合と
しない場合で弾性表面波の振動の界分布が極端に異なる
。レーリー弾性表面波と比較して、第８図で詳しく説明
する。 ニーが牛受信される。入力トランスデューサから出力ト
ランスデューサに至る伝搬路では、伝搬に伴う損失は原
理的にはない。一方、第８図（ｂ）。 （ｃ）は漏洩弾性表面波の伝搬の様子を表わしている。 すなわち、入力トランスデューサで励振された漏洩弾性
表面波は出力トランスデューサへ向かって伝搬するが、
両トランスデユーサの間の伝搬路が金属薄膜でコートさ
れていない場合は、第８図（ｂ）に示すように、漏洩弾
性表面波はほとんどバルク波に近い伝搬形態をなし、エ
ネルギの大部分を基板の内部へ放射してしまう。基板表
面が金属導膜でコートされている場合は、第８図（ｃ）
に示すように、基板の内部へのエネルギの放射は非常に
小さく、伝搬に伴う損失もレーリー弾性表面波と同程度
小さい。したがって、漏洩弾非常に近い条件で形成する
。 以上の説明から、漏洩弾性表面波が伝搬可能な基板で、
本発明の電極指構成のトランスデユーサを形成する場合
は、第４図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す電気的に浮い
た電極指を互に電気的に接続することによって、基板表
面を金属薄膜でコートした構成と近い状態を作り出すこ
と有効であることが分る。

【発明の効果】

本発明は、以上説明したように、従来の弾性表面波デバ
イスでは、波長の約４分の１倍の幅を持った電極指を用
いて構成しており、高周波化に伴いプロセス上の負担が
極端に増加するのに対して、本発明によれば、電極指幅
は、波長の約４分の１．５倍で同様の機能を実現出来、
プロセス上の負担を大幅に緩和出来るものである。 また、本発明を導入したトランスデユーサには、従来の
トランスデユーサ同様に重み付けをすることも可能であ
り、例えばフィルタ等では、従来の構造がそのまま適用
可能である。 本発明の実施例では、特に弾性表面波フィルタを例に取
って説明したが、弾性表面波デバイスとしては、フィル
タ以外にも信号処理デバイス、光と弾性表面波との相互
作用を利用したデバイス等積々のデバイスが考えられる
が、本発明がこれ等のデバイスにも同様に適用可能であ
ることは自明のことである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例、第２図は本発明の実施例の断
面図、第３図（ａ）及び（ｂ）は従来例、第４図（ａ）
、（ｂ）及び（ｃ）は本発明の実施例の拡張形、第５図
は本発明の実施例に重み付けを導入したもの、第６図は
本発明を用いた弾性表面波フィルタ例、第７図は第６図
のフィルタの周波数特性のシミュレーション結果例、第
８図（ａ）。 （ｂ）及び、（ｃ）は弾性表面波の伝搬状態を表わす説
明図。 １・・・圧電基板、５，９．１６・・・トランスデユー
サの電気端子、２，３，４，６，７，８・・・本発明を
用いたトランスデユーサの電極指、 １４．１５・・・従来トランスデユーサの電極指、１１
．１２．１３・・・本発明を用いたトランスデユーサの
電極指の断面、１７．１８・・・従来トランスデユーサ
の電極指の断面、１９・・・入力トランスデューサ、２
０．２１・・・影像インピーダンス接続トランスデユー
サ、２２・・・出方トランスデユーサ、２３・・・入力
電気端子、２４・・・出方電気端子、２５・・・入力ト
ランスデューサ、２６・・・出力トランスデューサ、１
０．２７・・・弾性表面波、２８・・・放射バルク波、
２９・・・基板表面コート用金属薄膜。 第１図 番２図 第３図 （ａ、） 第４回 （α）　　　　　　　　　　　　　　　　（Ｏ）Ｃｂ） 第Ｓ図 ！６１ｆｆｌ　　　１．。 ｄ 第７０ １４θ０　　　　　　　　　　１５（１０周；反数（Ｍ
ｔｈ） ＣｃＬ）へつ７ （Ｃ）ベシー

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．弾性表面波を伝搬する基板上に形成され、デバイス
   の中心周波数で伝搬可能な弾性表面波の波長の約４分の
   １．５倍の幅の電極指複数を、弾性表面波の伝搬方向に
   沿って同様に波長の約４分の１．５倍のスペースを介し
   て配置し、電極指の１本おきに電気的に外部回路と独立
   していることを特徴とする弾性表面波デバイス。
2. ２．請求項１に記載の弾性表面波デバイスにおいて、前
   記外部回路と電気的に独立した電極指の両隣の電極指を
   、交互に独立した２つの共通電極へ接続し、共通電極の
   一方をアースへ、他方を入力または出力電気端子とした
   ことを特徴とする弾性表面波デバイス。
3. ３．請求項１若しくは２に記載の弾性表面波デバイスに
   おいて、前記外部回路と電気的に独立した電極指を、弾
   性表面波の伝搬方向に沿って少なくとも弾性表面波の３
   波長以上に渡って互に同電位となるように接続したこと
   を特徴とする弾性表面波デバイス。
4. ４．請求項２若しくは３に記載の弾性表面波デバイスに
   おいて、一様電極部分を、アース電極側の電極指の一部
   として構成するように重み付けしたことを特徴とする弾
   性表面デバイス。
5. ５．請求項２，３若しくは４に記載の弾性表面波デバイ
   スを、電気・音響変換を行う入力トランスデューサ、音
   響・電気変換を行う第１の中間トランスデューサ、電気
   ・音響変換を行う、第１の中間トランスデューサと電気
   的に結び付いた第２の中間トランスデューサおよび音響
   ・電気変換を行う出力トランスデューサを有する弾性表
   面波デバイスの少なくともひと組のトランスデューサに
   導入したことを特徴とする弾性表面波デバイス。
6. ６．請求項１から５のいずれかに記載の弾性表面波デバ
   イスを、圧電基板内を伝搬する遅い横波より速い音速で
   伝搬する漏洩弾性表面波が存在するカット角で切断した
   圧電基板上に形成したことを特徴とする弾性表面波デバ
   イス。