JPH0380709A - 弾性表面波共振子 - 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】 技術分野 本発明は高周波帯で使用される弾性表面波共振子、特に
高速伝搬モードの表面波、いわゆるＳＴＷ　（Ｓｕｒｆ
ａｃｅ　Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　′１ｄａｖｅ　）を利
用した弾性表面波共振子に関する。

背景技術 固体を伝搬する弾性波には、固体の内部を伝搬するバル
ク波と、固体の表面に沿って伝搬する表面波がある。

最近、バルク波に代わって表面波がエレクトロニクスの
分野で注目されている。表面波は、伝搬媒質の表面から
１波長以内の深さに９０％以上のエネルギーを集中して
伝搬する弾性表面波である。

この弾性表面波が注目されている大きな理由は、信号を
伝搬路上の任意の場所から取出すこと（タッピング）が
可能で、外部から伝搬特性を容易に制御できるためであ
る。これに対してバルク波では、−度固体中に入ったも
のは、固体端に達するまで取出すことができない。この
ほか表面波は、バルク波に比べて遅延時間が長いといっ
た利点もある。

従来、高周波用の弾性表面波素子としては、ＳＳ　ＢＷ
　（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓｋｌａｍｉｎｇ　Ｂｕｌｋ　Ｗ
ａｖｅ）あるいはＳ　Ｂ　ＡＷ　（Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｂ
ｕｌｋ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｗａｖｅ）と呼ばれる基板
表面近傍を伝搬するバルク波が用いられてきた。この波
は、三方晶系に属する水晶、ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ
３等ではその存在が以前から知られており、波の主変位
は基板表面に平行なＳＨ波（Ｓｈｅａｒ　Ｈｏｒｌｚｏ
ｎｔａｌ　１（ａｖｅ　）タイプのバルク波である。一
般に、５ＳＢＷはＳ　ＡＷ　（Ｓｕｒｒａｃｅ　Ａｃｏ
ｕｓｔｉｃ　Ｗａｖｅ　）と呼ばれるレイリー波（Ｒａ
ｙｌｅｉｇｈ　ｗａｖｅ　）に比べ高伝搬速度、低遅延
時間温度係数を持つことから、高周波素子用に適した波
と考えられてきた。５ＳＢＷは、伝搬に伴ない波のエネ
ルギーを基板内部に放出するリーキー（漏洩）波でもあ
る。同波は基板表面上に設けられた周期的摂動、例えば
金属ストリップグレーティングやグループ（溝）グレー
ティング構造により、波のエネルギーがトラップされ、
表面を伝搬する弾性波、いわゆるＳ　ＴＶ　（Ｓｕｒｆ
’ａｃｅ　Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｗａｖｅ　）と呼ば
れる波にモード変換される。このようにＳＴＷは、レイ
リー波と同様に遅延線、フィルター共振子等の弾性表面
波素子へ利用されている。

第３図には、Ｔｌａ　Ｌ、　Ｂａｇｗｅｌｌ　ａｎｄ　
Ｒｏｂｅｒｔ　Ｃ，Ｂｒａｙ　Ｏ）　ｒＮＯＶＥＬ　５
ＵＲＦＡＣＥ　ＴＲＡＮＳＶＥＲＳＥ　ＷＡＶＥ　ＲＥ
ＳＯＮＡＴＯＲ３Ｊ　、１９８７年、ＵＬＴＲＡＳＯＮ
ＩＣ８ＳＹＭＰＯ８ＩＵＭ　Ｐｒｏｃｅｅｄｌｎｇｓ　
Ｐ３１９−Ｐ３２４に開示されたＳＴＷを利用した共振
子が示されている。この弾性表面波共振子においては、
基板１として５ＳＢＷの励振効果が大きいカット角の伝
搬方向に切り出された水晶等の圧電基板が用いられてい
る。圧電基板１上に導電材料、例えばアルミニウム（Ａ
ｎ）　）の人力及び出力用の２個のインターディジタル
トランスジューサ（以下ＩＤＴと云う）２，３が形成さ
れている。ＩＤＴは、２個の櫛状電極が対向して、櫛の
歯に相当する多数の平行なストリップ電極が一定の周期
（間隔）を置いて噛み合うように配列されている。また
、圧電基板１上には、多数の平行な／ｌストリップから
なる２個の反射グレーティング４，５がＩＤＴ２．３を
挾むように形成されている。ＩＤＴ２，３の間には、入
力ＩＤＴ２より励振された５ＳＢＷを基板表面にトラッ
プ（捕捉）ＬＳＴＷにモード変換する為の多数の平行な
Ａρストリップからなるエネルギートラップグレーティ
ング６が形成されている。

人力ＩＤＴ２からの５ＳＢＷはエネルギートラップグレ
ーティングにてモード変換されＳＴＷとなり、このＳＴ
Ｗは、反射グレーティング４．５の間で多重反射され定
在波を発生する。この定在波エネルギーは、出力ＩＤＴ
３を通して外部回路に取り出される。このように、いわ
ゆるキャビティ型共振子が構成されている。

この種の共振子のグレーティングは、複雑なエツチング
プロセスを必要とするグループグレーティングを避け、
ＩＤＴと同一の導電材料からなるストリップグレーティ
ングが用いられている。また、人出力ＩＤＴ２．３の各
導電ストリップの周期をＬＴ　　（以下、ＩＤＴ周期り
、Ｔという）、反射グレーティング４．５の各導電スト
リップの周期をＬＲ（以下、反射グレーティング周期Ｌ
Ｒという）、エネルギートラップグレーティングの各導
電ストリップの周期をＬＥ　　（以下、エネルギートラ
ップグレーティング周期ＬＥという）とすると、ＬＴ−
ＬＲ。

ＬＥ／ＬＲ＜１ に設計されている。これは、エネルギートラップグレー
ティングの共振周波数を、反射グレーティングの形成す
るストップバンドＳＢの下端に位置させ、エネルギート
ラップグレーティング内でのコヒーレントな反射を最小
化させる目的がある。

次に、かかる共振子の動作について説明する。

第４図は圧電基板上に設けた導電ストリップグレーティ
ングの分散特性を示すブリリアンダイアグラムである。

同図の横軸は、グレーティング内を伝搬する波の伝搬定
数の実部を、縦軸は波の角周波数を表わす。同図は、反
射グレーティングとして利用される集中波頭域における
ストップバンドβ−π／Ｐ（Ｐニゲレーティング周期）
付近を拡大したものである。

一般に、圧電基板表面を連続導電膜で被覆した場合、導
電膜中を伝わる横波速度が基板のそれより小さいと、Ｓ
Ｈ波的な表面波、つまりラヴ波（Ｌｏｖｅ　ｗａｖｅ　
）が発生する〇第４図に示すように、さらにこの導電膜
層にエツチングなどの手段でグレーティングを形成する
と、分散特性上にストップバンドＳ　Ｂ　（ＳｔｏｐＢ
ａｎｄ）が出現すると同時に、ストップバンドＳＢ下側
に５ＳＢＷからモード変換されたＳＴＷが出現する。

ストップバンドＳＢ内ではブラッグの条件β−ｍπ／Ｐ
（ｍ：整数）が満され表面波は反射される。

この時、表面波反射の最大は、第４図のストップバンド
ＳＢ中央に位置する。ストップバンドＳＢ上端（００以
上）では、波は、バルク波となり、伝搬中、基板内部に
エネルギーを放射し減衰していく。一方、ω０以下の角
周波数においては、波は基板表面にエネルギーを集中し
た表面波となっている。

第４図から明らかなように、ＳＴＷの発生位置は、スト
ップバンドＳＢ下側にある。この発生位置はエネルギー
トラップグレーティング周期Ｌεを変更することでシフ
トできる。

ＳＴＷを利用した共振子では、反射グレーティング内に
閉じ込められている波に対しては、反射を抑え、基板表
面への５ＳＢＷのトラップに対しては大きなトラップ効
率を有するように、エネルギートラップグレーティング
周期ＬＥを設計しなければならない。以上の理由から、
ストップバンドＳＢ下端付近にＳＴＷの発生位置が一致
するように、ＬＥ／ＬＲ（＜１）を設定し、一方、入出
力ＩＤＴ周期ＬＴと反射グレーティング周期ＬＲは、同
一周期で設計されている。

第５図に従来の共振子構造における反射グレーティング
の反射係数１ｒｌとＩＤＴの放射コンダクタンスＧｍと
を示す。反射係数ＩＦ１のピーク周波数ｆＲと放射コン
ダクタンスＧａのピーク周波数ｆＴとは一致せずｆＴ＜
ｆＲの関係が成り立っている。

なお、ここで反射係数及び放射コンダクタンスと呼んで
いるのはＳＴＷに対してである。

以上、従来の共振子では、ＩＤＴ周期り、と反射グレー
ティング周期ＬＲとが等しいため、ＩＤＴの放射コンダ
クタンスのピーク周波数ｆＴと反射グレーティングの反
射係数のピーク周波数ｆＲは離れていた。このことは、
ＩＤＴ−反射グレーティング間での表面波のエネルギー
変換効率の低下を引き起こし、共振子特性の劣化を招い
ていた。

第６図に従来の共振子の特性例を示す。挿入損失ＩＬは
大きく、共振尖鋭度Ｑ及び共振ピークとセカンドピーク
とのレベル差、いわゆるスプリアスレンポンスＳ　Ｒ（
Ｓｐｕｒｉｏｕｓ　Ｒｅ５ｐｏｎｓｅ　）も小さい等の
欠点があった。また、同素子構造で低損失・高Ｑの共振
子を得るには、ＩＤＴ対数あるいは反射グレーティング
の導電ストリップの本数を増やさなければならず、小型
化の制約となっていた。

発明の概要 ［発明の目的コ 本発明の目的は、上記の従来装置の欠点を除去し、ＩＤ
Ｔ、反射グレーティング及びエネルギートラップグレー
ティングを同一膜厚の導電材料で形成し、各パターン寸
法を独立に設定することにより、小型で高性能な弾性表
面波共振子を提供することにある。

［発明の構成］ 本発明の弾性表面波共振子は、圧電基板と、圧電基板上
に形成され各々が多数の平行な導電ストリップからなる
２個の反射グレーティングと、反射グレーティングの間
に形成され各々が多数の平行な導電ストリップからなる
２個のＩＤＴと、ＩＤＴの間に形成され各々が多数の平
行な導電ストリップからなるエネルギートラップグレー
ティングとを備えた弾性表面波共振子であって、ＩＤＴ
周期（ＬＴ）と反射グレーティング周期（ＬＲ）との比
（ＬＴ　／ＬＲ）及びエネルギートラップグレーティン
グ周期（ＬＥ　）と反射グレーティング周期（ＬＲ）と
の比（Ｌε／ＬＲ）を１未満に設定したことを特徴とす
る。

［発明の作用］ かかる構成により、放射コンダクタンスＧａのピーク周
波数ｆ７と反射係数１ｒ１のピーク周波数ｆＲとの値は
接近し、ＩＤＴと反射グレーティングとのエネルギー結
合が強くなり、また、エネルギートラップグレーティン
グによって５ＳＢＷからモード変換されるＳＴＷの周波
数ｆＥもｆＲの値へ接近する。この作用により、５ＳＢ
Ｗからモード変換されたＳＴＷと反射グレーティングと
の結合がより強められる。

実施例 以下、この発明の実施例を図に基づいて説明する。

第１図（ａ）は本発明の弾性表面波共振子のエネルギー
トラップグレーティング近傍における断面図である。こ
の弾性表面波共振子は、圧電基板１と、圧電基板１上に
形成され各々が多数の平行な導電ストリップ４からなる
２個の反射グレーティングＲＧと、反射グレーティング
ＲＧの間に形成され各々が多数の平行な導電ストリップ
２からなる２個のＩＤＴと、ＩＤＴの間に形成され各々
が多数の平行な導電ストリップ６からなるエネルギート
ラップグレーティングＥＴＧとからなり、エネルギート
ラップグレーティング周期Ｌεと反射グレーティング周
期ＬＲの比ＬＥ／ＬＲ及び■ＤＴ周期ＬＴと反射グレー
ティング周期ＬＲの比ＬＴ／ＬＲを共に１より小さく設
定している。よって、この弾性表面波共振子においては
、ＩＤＴの放射コンダクタンスのピーク周波数と反射グ
レーティングの反射係数のピーク周波数とを接近させ、
さらにＳＴＷの発生周波数をストップバンドＳＢ下端付
近にシフトさせている。この構造により、ＩＤＴ−反射
グレーティング間での表面波エネルギーの変換効率は、
大きく増大する。

また、ＩＤＴやグレーティング材料としては、質量が軽
く、エツチング加工が容易で基板材料よりも遅い横波速
度を持つ導電材料を選ぶ必要がある。ここで、ＩＤＴ周
期ＬＴ、エネルギートラップグレーティング周期Ｌε及
び反射グレーティング周期ＬＲは各々を構成するストリ
ップの一つ置きのものの間を１周期としている。これは
、ＩＤＴの２個の対向櫛状電極、すなわちストリップ電
極が一定の間隔を置いて噛み合うように配列されて、第
１図（ｂ）に示すごとく表面波のほぼ１波長に対応する
からである。

更に、比Ｌ　ｙ　／　Ｌ　Ｒ及びＬＥ／ＬＲを共に１よ
り小さく設定すればＩＤＴ周期ＬＴとエネルギートラッ
プグレーティング周期Ｌεとを同一とすることもできる
。このようにすれば、製造上同一周期のストリップ部分
が増えるので設計が容易になる。この場合、共振子のピ
ーク周波数の温度変化量が素子の動作温度範囲内で最少
となるように、回転Ｙカット水晶基板１の切り出し角θ
を決める。

水晶基板の結晶軸とカット面法線Ｎとの角度関係は第３
図に示すごとくである。

次に、本発明の作用について説明する。

本来、同一導電材料、同一膜厚、同一ストリップパター
ン周期で共振子を構成した場合には、５ＳＢＷのモード
変換によって出現するＳＴＷの周波数をｆＥ、反射係数
１ｒ１のピーク周波数をｆＲ１放射コンダクタンスＧａ
のピーク周波数をｆＴとすると、 ｆＥ＜ｆ７＜ｆＲ の関係にある。この時、ＩＤＴ周期ＬＴと反射グレーテ
ィング周期ＬＲとの比Ｌ　Ｔ　／　Ｌ　Ｒを１から徐々
に小さくしていくと、ｆＴとｆＲの値は接近し、次第に
ＩＤＴと反射グレーティングとのエネルギー結合が強く
なっていく。また、同様にエネルギートラップグレーテ
ィング周期ＬＥと反射グレーティング周期ＬＲとの比Ｌ
Ｅ／ＬＲを１から徐々に小さくしていくと、エネルギー
トラップグレーティングによって５ＳＢＷからモード変
換されるＳＴＷの周波数ｆＥも、ストップバンドＳＢ下
端付近にシフトアップし、ｆＥとｆＲの値は接近する。

この２つの効果により、５ＳＢＷからモード変換された
ＳＴＷと反射グレーティングとの結合がより強められ、
結果として共振子の挿入損失は減少し、Ｑ及びスプリア
スレスポンスの値は向上する。

第２図はかかる実施例の共振子の特性を示すグラフであ
る。第６図に示した従来の共振子の特性と比較すると、
挿入損失、Ｑ１スプリアスレスポンスの全てにおいて改
善されている。図中、共振ピークとセカンドピークＳＰ
との間に、挿入損失の極大点Ｃが存在するが、この点と
反射グレーティングのストップバンドＳＢの低周波端が
一致するようにＬＴ／ＬＲを定めると、さらにスプリア
スレスポンスＳＲの改善された共振子が実現できる。

この方法は、同一の導電材料でグレーティングのストリ
ップパターンを形成するため、製造工程が簡略化され、
と任意の共振子仕様に対しては、パターン寸法（ＬＥ、
ＬＴ、ＬＲの寸広）のみの変更で対応できる利点を持っ
ている。なお圧電基板のカットアングル又は、導電材料
の膜厚を変更し、共振子の温度特性、例えば、零度温度
係数を示す温度や共振周波数を変化させた場合にも、本
発明は適用できる。

上記実施例では、２ポ一ト型弾性表面波共振子の場合に
ついて説明したが、同共振子を縦続接続あるいは並列接
続して構成した狭帯域フィルターに対しても適用でき、
上記実施例と同様の効果を奏する。

発明の効果 以上のように、本発明によれば、圧％ＪＪ板と、圧電基
板上に形成され各々が多数の平行な導電ストリップから
なる２個の反射グレーティングと、反射グレーティング
の間に形成され各々が多数の平行な導電ストリップから
なる２個のＩＤＴと、ＩＤＴの間に形成され各々が多数
の平行な導電ストリップからなるエネルギートラップグ
レーティングとを備えた弾性表面波共振子であって、Ｉ
ＤＴ周期（ＬＴ）と、反射グレーティング周期（ＬＲ）
との比（ＬＴ／ＬＲ）を１未満に設定し、さらにエネル
ギートラップグレーティング周期（ＬＥ）と反射グレー
ティング周期（Ｌ　Ｒ−）との比（ＬＥ　／ＬＲ）を１
未満に設定したので、５ＳＢＷからモード変換されるＳ
ＴＷと反射グレーティングが形成する共振器とのエネル
ギー結合が強まり、低損失で高Ｑ１高スプリアスレスポ
ンスの共振子が提供できる。また、ＩＤＴと反射グレー
ティング間のエネルギー変換効率が増加することにより
、従来よりＩＤＴ対数あるいは反射グレーティングの導
電ストリップの本数が少ない構成で共振子が実現でき、
小型で安価な素子が供給可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による弾性表面波共振子を示す断面図、
第２図は本発明の実施例による弾性表面波共振子の特性
を示すグラフ、第３図は従来のＳＴＷを利用した弾性表
面波共振子の概略斜視図、第４図は導電ストリップグレ
ーティングの分散特性を示すグラフ、第５図は第３図に
示した弾性表面波共振子のＩＤＴの放射コンダクタンス
Ｇａ及び反射グレーティングの反射係数ＩＦ１の周波数
特性を示すグラフ、第６図は従来の弾性表面波共振子の
特性例を示すグラフである。 １・・・・・・圧電基板 ２・・・・・・人力ＩＤＴ ３・・・・・・出力ＩＤＴ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電基板と、前記圧電基板上に形成され各々が多
   数の平行な導電ストリップからなる２個の反射グレーテ
   ィングと、前記反射グレーティングの間に形成され各々
   が多数の平行な導電ストリップからなる２個のインター
   ディジタルトランスジューサと、前記インターディジタ
   ルトランスジューサの間に形成され各々が多数の平行な
   導電ストリップからなるエネルギートラップグレーティ
   ングとを備えた弾性表面波共振子であって、前記インタ
   ーディジタルトランスジューサの各導電ストリップの周
   期（Ｌ＿Ｔ）と前記反射グレーティングの各導電ストリ
   ップの周期（Ｌ＿Ｒ）との比（Ｌ＿Ｔ／Ｌ＿Ｒ）及び前
   記エネルギートラップグレーティングの各導電ストリッ
   プの周期（Ｌ＿Ｅ）と前記反射グレーティングの各導電
   ストリップの周期（Ｌ＿Ｒ）との比（Ｌ＿Ｅ／Ｌ＿Ｒ）
   を１未満に設定したことを特徴とする弾性表面波共振子
   。
2. （２）前記圧電基板は回転Ｙカット水晶板であり、表面
   波の伝搬方向を前記回転Ｙカット水晶板のＸ軸に垂直な
   方向となるように、前記反射グレーティングと前記イン
   ターディジタルトランスジューサと前記エネルギートラ
   ップグレーティングとを配置し、更に前記インターディ
   ジタルトランスジューサの各導電ストリップの周期（Ｌ
   ＿Ｔ）と前記エネルギートラップグレーティングの各導
   電ストリップの周期（Ｌ＿Ｅ）とを略同一としたことを
   特徴とする請求項１記載の弾性表面波共振子。