JPH0249565B2 - Hyomendanseihasoshi - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、表面弾性波（SAW）素子に関する。

SAW素子のすだれ状トランスジユーサ（以下、
IDTと略す）のサイズは、本素子の設計作動周波
数が増加するに伴つて減少する。2.45G Hzの如
き高い周波数において作動するように構成された
SAW素子においては、IDTのサイズが小さいこ
とは、この素子を作ることができる精度および容
易度に対して厳しい制約をもたらし、特に素子に
つなぐことができる電力に対し厳しい制約をもた
らす。IDTのフインガの非常に小さな間隔のため
IDTが非常に低い破壊電圧を有することになるた
め、電力の制限が生じるものである。

このような制約は、SAW素子を調和モードで
作動させることにより低減させることができる。
IEEEの1980年超音波シポジウム議事録、322乃至
325頁記載のP.Naraine等の論文「効率のよい高
次の調波モード励起のためのSAWのステツプ型
遅延回線」においては、基本周波数および不要な
調波周波数を抑制して、入力IDTのフインガがス
テツプ状を呈して選択された調波周波数における
遅延回路の作動を容易にするSAWステツプ型遅
延回線について記載されている。このような
SAW素子と結合することができる電力は同じ作
動周波数に関して構成された基本モードのSAW
素子に比して増加するが、この電力は依然として
高い周波数のSAW素子において非常に制約され
る。更に、インピーダンスのマツチングの観点か
ら必要とされるIDTの小さなフインガ長さおよび
入力IDTのフインガのステツプ特性は大きな回折
損失を生じることになる。

従つて、本発明の目的は、特に高い周波数に対
する改良されたSAW素子の提供にある。

本発明の１つの特質によれば、１枚の基板と、
その間の表面弾性波の伝播のためこの基板上に置
かれた２個のトランスジユーサ装置とからなる表
面弾性波素子が提供され、各トランスジユーサ装
置は共通の周波数において作動するため電気的に
直列に結合された複数のすだれ状トランスジユー
サからなつている。

このように、本発明によれば、各トランスジユ
ーサ装置は相互に直列に結合された複数のIDTを
含んでいる。このような１つのトランスジユーサ
装置に与えられる信号電圧は、各IDTの両端には
この電圧の一部しか現われないようにIDTによつ
て分割される。その結果、電圧のブレークダウン
が生じる前にトランスジユーサ装置の両端に加え
ることができる電圧は、電圧のブレークダウンが
生じる前に１つのIDTの両端に加えることができ
る電圧の倍数である。SAW素子と結合できる電
力は加えられる電圧の２乗に比例するため、この
電力は高い周波数での動作のため大きく増加さ
れ、これに対する電圧のブレークダウンは直列に
結合された複数のIDTを提供することにより電力
を決定する制約要因となる。

本発明においては、このSAW素子は前記IDT
が設計された基本周波数より高い調波において作
動させられ、これにより本素子と結合できる電力
のそれ以上の増加を提供する。そして、各トラン
スジユーサ装置はＮ個のすだれ状トランスジユー
サからなり、２つのトランスジユーサ装置の最初
からＮ番目のトランスジユーサはこの２つのトラ
ンスジユーサ装置間のＮ個の表面弾性波の伝播の
ためそれぞれ整合されており、少なくとも１つの
トランスジユーサ装置トランスジユーサは相互に
ずれており、前記の２つのトランスジユーサ装置
間のＮ個の異なる経路長さにおいて前記のＮ個の
表面弾性波を提供し、前記経路の長さは相互に異
つて前記の２つのトランスジユーサ装置間で前記
の共通周波数のＮ番目の調波を伝播させるのであ
る。

SAW素子はこのように前掲の文献において記
載されたものと同様に調波周波数において作動さ
せられ、この場合個々のIDTフインガはステツプ
状ではなくむしろトランスジユーサ装置全体の
IDTは相互に対してオフセツト即ちステツプを生
じる。その結果、回折損失が大幅に減少させられ
る。この回折の効果は、前記のＮ個の表面弾性波
の経路間で基板の前記表面に配置された音響吸収
材を設けることにより更に低減させることがで
き、これにより異なるIDTからの表面弾性波間の
干渉は阻止されるのである。

好ましくはすだれ状トランスジユーサのメタラ
イズ比は、前記の表面弾性波の前記の共通の周波
数のＮ番目の調波の最大振幅を生じるように選択
される。このメタライズ比は、各フインガ間の間
〓巾に対する各IDTのフインガ巾の比率である。
適正なメタライズ比の選択については、IEEE
Trans.Electronic Devices、第ED−16巻、1014
乃至1017頁（1969年12月）記載のH.Engan著論
文「すだれ状トランスジユーサの空間調波による
表面弾性波の励起」において論述されている。こ
のように、例えば、0.5のメタライズ比を５乃至
９番目の調波に対して用い、約0.2の比を３番目
の調波に対して用い、約0.35または0.65の比を７
番目の調波に対して用いることができる。

トランスジユーサ装置のどちらか一方または両
方のIDTは、相互にずれており前記の異なる経路
長を提供するものである。

本発明については、図面に関して以下の記述を
照合すれば更によく理解されよう。

第１図において、公知の形態の遅延回路発振器
は、その出力が出力ターミナル２と結合され、
SAW素子３介して増巾器の入力側と結合される
増巾器１を含んでいる。SAW素子３は、例えば
ST方向裁断水晶である基板６上に２つのIDT４
および５を有する。このIDT４および５は相互に
整合され、公知の方法で離間されて矢印７で示さ
れる如くIDT４からIDT５に対して表面弾性波を
伝播する。IDT４および５の間隔は、SAW素子
により与えられる遅延量を決定し、この遅延量は
IDTの帯域フイルタ作用と関連して、発振器の発
振周波数を決定する。各IDT４，５の各々のフイ
ンガのピツチは発振周波数における表面弾性波の
波長λに等しくなるように選定される。各IDTの
フインガ数はIDTの帯域巾を決定し、またIDTの
口径Ａはインピーダンスのマツチングの考慮に従
つて決定される。

第１図に示された形態の高い周波数の発振器の
場合には、諸元λおよびＡは非常に小さくなる。
例えば、マクロウエーブ無線周波数中継器におけ
る局部発振器として使用される2.45G Hzの発振
器の場合は、λ1.3μmおよびＡは約50乃至
100μmとなる。λの値が小さければ、ホトリトグ
ラフイ技術を用いてIDTのパターンの正確な決定
を非常に困難にし、小さな値の口径Ａは大きな回
折損失を招来する。更に、IDTのフインガの小さ
な断面寸法はフインガにおける重大な電力損失を
もたらす結果となる。更に、空間の損壊が生じる
前に各IDTのフインガ間に与えることができる最
大の電界は非常に制約され（隣接するフインガ間
の空間において約３ボルト／μm）、その結果
SAW素子と結合することができる最大電力は非
常に小さくなる。

このような短所の少なくともいくつかを低減さ
せるために、既に触れたP.Naraine等の論文にお
いては、第１図のIDT４と対応する入力IDTが第
２図に示された形態のものでよいSAWステツプ
型の遅延回線について記述されている。このよう
なトランスジユーサにおいては、フインガはその
長さに沿つてずれており、口径Ａにわたる複数の
ステツプを形成する。第２図は、５つのステツプ
部分９，１０，１１，１２および１３を形成する
ためその長さに沿つてずれているフインガを有す
るIDT８を示し、この各ずれはIDTが設計された
波長λの五分の一となる。もし第２図のIDT８が
第１図に示された形態の従来の非ステツプ型IDT
と共に使用され同じ波長λに対して設計されるな
らば、波長λと対応する周波数の僅かに５番目の
調波しかトランスジユーサ間に伝播されず、基本
周波数および他の調波は抑制される。他の奇数番
目の調波は各フインガに対する他の対応する数の
ステツプおよびこれらステツプのずれを用いて同
様に伝播することができる。この論文に説明され
るように、偶数番目の調波は、Kerbel型の３つ
のフインガ出力IDTとの関連において３つのフイ
ンガのステツプを描く入力IDTを用いて伝播する
ことができるのである。

このように、IDTが設計される基本周波数の高
調波がSAW素子内を伝播することができ、これ
らのIDTの諸元λおよびＡを大きくして前述の短
所のいくつかを低減することができる。しかし、
これが果された場合でさえ、SAW素子と結合す
ることができる電力は依然として電圧のブレーク
ダウンの観点から制約される。更に、ステツプ型
IDTの依然として小さな口径Ａおよびフインガの
伝播すべき高調波の次数と同数のステツプへの分
割の結果、回折損失の問題は残ることになる。

第３図は、本発明の一実施例によるSAW素子
の第１図におけるIDT４および５とそれぞれ対応
するトランスジユーサ装置１４と１５を概略示し
ている。第２図との対比を容易にするため、第３
図はまたその表面弾性波波長がλである基本周波
数の５番目の高調波を伝播するためのSAW素子
に関するものである。

第３図に示されるように、トランスジユーサ装
置１４と１５の各々は、相互に電気的に直列に結
合された５つの個々のIDTを含む。このため、例
えば、トランスジユーサ装置１４はその間に共通
の金属トラツク２１，２２，２３および２４を提
供することにより相互に電気的に直列に結合され
る５つのIDT１６，１７，１８，１９および２０
を含む。別の金属トラツク２５および２６はトラ
ンスジユーサ装置１４に対する結合を提供する。

IDT１６乃至２０は全て相互に類似のものであ
り、その各々は第１図に示された同様に公知の形
態のもので基本周波数において作動するように構
成されている。IDTのフインガ間の間〓巾に対す
るフインガの巾の比率である各IDTのメタライズ
比は第３図に示される如く0.5になるように選択
されるが、この比率においては５番目の高調波表
面弾性波の振幅が最大となる。IDT１６乃至２０
の各々は第３図に示される如き口径Ａを有する。

５番目の高調波の伝播を容易にしかつ基本周波
数および他の高調波を抑制するため、トランスジ
ユーサ装置１４の個々のIDT１６乃至２０は相互
に対してλ／５だけ、即ち第３図に示される如く
５番目の高調波における表面弾性波の１つの波長
だけずれる。このように、この５つのIDT１６乃
至２０は、これと整合されたトランスジユーサ装
置１５の対応する５つのIDTと共に、トランスジ
ユーサ装置間の表面弾性波の伝播のための５つの
異なる経路を規定する。これらの経路の連続する
ものの長さは値λ／５だけ異なるため、基本周波
数の５番目の高調波のみがトランスジユーサ装置
１４と１５間において有効に伝播させられるので
ある。

トランスジユーサ装置１４，１５の各々は、各
IDTが加えられた全電圧の僅かに五分の一しか受
けないように加えた電圧が個々のIDT１６乃至２
０の両端に等しく分割されるため、電圧のブレー
クダウンが生じる前に第２図のトランスジユーサ
８により耐えることができる付加電圧の５倍に耐
えることができることが判るであろう。SAW素
子に結合することができる電力が付加電圧の２乗
に比例するため、電圧のブレークダウンが唯一の
制限要因であるものとすれば、第３図のトランス
ジユーサ装置は、第２図のトランスジユーサ８に
より結合することができる電力の25倍を結合で
き、また第１図のトランスジユーサ４により結合
することができる電力の625倍を結合できるので
ある。

更に、トランスジユーサ装置１４の各IDT１６
乃至２０の口径Ａが第２図のトランスジユーサ８
全体の口径Ａと同じ大きさであり、かつ個々の
IDT１６乃至２０のフインガがステツプ状を呈さ
ないため、第３図のSAW素子における回折損失
は第２図のIDTを使用する素子のそれよりも遥か
に小さなものである。

回折の影響は、５つの表面弾性波の経路間に音
響吸収材を提供することにより第３図のSAW素
子において更に低減させることができる。第３図
はトランスジユーサ装置１４の金属トラツク２１
乃至２６に重合する音響吸収材料２７およびこれ
もまた整合されたトラツク間で長手方向に延在す
るトランスジユーサ装置１５の対応するトラツク
の位置を点線で示している。この音響吸収材料２
７は、例えば、基板の表面上に付着でき、かつト
ランスジユーサ装置１５の対応するIDTである
IDT１６乃至２０の面域およびその間の表面弾性
波伝播面域から選択的に除去することができるサ
ーメツトまたは紫外線により硬化するプラスチツ
ク材料でよい。

更に他の事例として、2.45G Hzの５番目の高
調波において作動する490M Hzの基本周波数に
対する第３図に示された形態のトランスジユーサ
装置を有するST軸裁断水晶基板を用いたSAW素
子は各々が300対のフインガを有し諸元がλ＝
6.44μmおよびＡ＝264μmである５つのIDT１６
乃至２０を有することができ、連続するIDTは値
λ／５＝1.288μmだけずれており、トランスジユ
ーサ装置１４に対して約50Ωの全インピーダンス
を提供する。トランスジユーサ装置１５はトラン
スジユーサ装置１４と類似するが、比較的少ない
対のフインガ、例えば150対のフインガを有し、
トランスジユーサ装置１４，１５の中心間空間が
約300λまたは1930μmである。IDTのフインガお
よび金属トラツク２１乃至２６は基板表面上に付
着された銅でドープしたアルミニウムでよく、金
属トラツク従つて対応する音響吸収材２７は約
100乃至200μmの巾となる。遅延回線の全体サイ
ズおよびこれにより基板の表面上に形成された帯
域フイルタは４×３mm以下となる。このような
SAW素子は、無線周波数中継器として使用する
ためノイズの少ない周波数が安定したマイクロウ
エーブ発生器を提供する第１図に示された方法に
おいて有効に使用することができる。

第３図と同じ番号で類似の部分を示す第４図は
トランスジユーサ装置１４と１５の代替的な構成
を示し、同図では両方のトランスジユーサ装置の
IDTは相互に対して値λ／10だけ、または５番目
の高調波における表面弾性波の１つの波長の半分
だけ順次ずれており、IDT１６乃至２０からの表
面弾性波に対する異なる経路長を提供する。この
経路の差を別にして、第４図の構成は第３図の構
成と同じものであり、この構成は同じ方法で作動
するため、これについてこれ以上の説明は不必要
である。

前述の実施態様は基本周波数の５番目の高調波
の伝播に関するものであつたが、他の高調波も同
様に伝播でき、奇数番目の高調波は各トランスジ
ユーサ装置におけるIDTの数Ｎを変更することに
より伝播させて高調波の次数Ｎと整合し、その結
果IDTのずれを変化させ、また必要に応じて、
IDTのメタライズ比を変更し、また偶数番目の高
調波は、入力トランスジユーサ装置について前の
述べたようにずれている複数の直列結合された３
つのフインガのIDTおよび出力トランスジユーサ
装置については複数の直列結合のKerbel型の３
つのフインガ出力IDTを用いて伝播させるもので
ある。

更に、本発明の原理はまた基本周波数モードで
作動するSAW素子に対しても応用することがで
きるため、本発明は高調波モードにおいて作動す
るSAW素子に限定されるものではない。このた
め、このような素子は、各々が相互にずれていな
い複数のIDTからなる入出力トランスジユーサ装
置を設けて、本発明の原理に従つて第１図に示さ
れる如き単列型IDTのみの提供により可能である
よりも大きな電力を素子に結合することを可能に
するものである。

従つて、本発明の本文に述べた実施態様につい
ては、頭書の特許請求の範囲から逸脱することな
く多くの変更、修正および応用が可能であり、特
許請求の範囲は本発明の適用が許される全ての同
等技術の恩恵を得るように文字通り解釈されるべ
きものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、遅延回線の提供のためSAW素子を
使用する公知の遅延回線発振器を示す図。第２図
は、公知のステツプ型すだれ状トランスジユーサ
（IDT）の形態を示す図。第３図および第４図は、
本発明の２つの実施態様によるSAW素子のIDT
を示す図。 １４，１５…トランスジユーサ装置、１６〜２
０…IDT、２１〜２６…金属トラツク、２７…音
響吸収材料。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板と、該基板の表面上に配置され、間で表
   面弾性波の伝播を行なう２つのトランスジユーサ
   装置とを具備し、該トランスジユーサ装置の各々
   が、共通周波数で作動する、直列に電気的に接続
   された複数のすだれ状トランスジユーサを備えて
   いる表面弾性波素子において、 該トランスジユーサ装置１４，１５の各々が、
   Ｎ個のすだれ状トランスジユーサを具備し、 ２つの該トランスジユーサ装置１４，１５の間
   にＮ個の表面弾性波を伝播させるように、２つの
   該トランスジユーサ装置の１番目乃至Ｎ番目のト
   ランスジユーサ１６〜２０がそれぞれ相互に整合
   しており、 少なくとも一方のトランスジユーサ装置１４の
   トランスジユーサ１６〜２０が、相互にずれてい
   て、２つの該トランスジユーサ装置１４，１５間
   で上記Ｎ個の表面弾性波にＮ個の異なる経路長を
   与え、 該経路長が、２つの該トランスジユーサ装置１
   ４，１５の間に上記共通周波数のＮ番目の高調波
   を伝播させるように相互に異なること を特徴とする表面弾性波素子。 ２ 前記すだれ状トランスジユーサ１６〜２０の
   メタライズ比が前記表面弾性波の前記の共通の周
   波数のＮ番目の高調波の最大振幅を生じるように
   選択されることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の表面弾性波素子。 ３ 前記Ｎ個の表面弾性波の経路間に基板６の前
   記表面上に配置された音響吸収材２７を含むこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項
   記載の表面弾性波素子。 ４ 前記トランスジユーサ装置１４の一方だけの
   Ｎ個のトランスジユーサ１６〜２０が、前記共通
   の周波数における表面弾性波の値１／Ｎだけ相互
   にずれており、前記の異なる経路長さを提供する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１〜３項のい
   づれか１つの項に記載の表面弾性波素子。 ５ 前記トランスジユーサ装置１４，１５の双方
   のトランスジユーサ１６〜２０が相互にずれてお
   り、前記の異なる経路長さを提供することを特徴
   とする特許請求の範囲第１〜３項のいづれか１つ
   の項に記載の表面弾性波素子。 ６ 前記トランスジユーサ装置１４，１５の各々
   のトランスジユーサ１６〜２０が前記のＮ番目の
   高調波における表面弾性波の１つの波長の半分だ
   け相互にずれており、前記のＮ個の異なる経路長
   さを提供することを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項記載の表面弾性波素子。