JPH047607B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、弾性表面波を表面で伝播させる圧電
基板と、前記の表面上に形成された弾性表面波ト
ランスジユーサとを有する弾性表面波装置であつ
て、前記のトランスジユーサはこのトランスジユ
ーサの軸線に平行な伝播方向に沿つて前記の表面
で弾性表面波を供給したり受けたりするものであ
り、このトランスジユーサは互いに噛合する２つ
の電極組の少くとも１つのインタデイジタルアレ
イを有しており、各電極組は一対の対向した母線
のうちの１つの母線に接続されている弾性表面波
装置に関するものである。

このような弾性表面波装置は、例えばSpringer
−Verlagにより1978年に発行された本
“Acoustic Surface Waves”（A.A.Oliner編集）
の第71頁の“Figure 3.7”に示されているように
フイルタ装置を有することができ、この場合均一
トランスジユーサが、アポダイズされた
（apodized）トランスジユーサに直接結合されて
いる。

この種類の弾性表面波フイルタはコンピユータ
により設計でき、このフイルタは、理想的な条件
の下では、フーリエ合成やコンピユータによる最
適化技術を用いることにより所定の近似範囲内で
所望の通過帯域応答を満足するようになる。従つ
て、トランスジユーサに沿う理想的な変換素子
（ソース）の所要の分布および強度を入れたコン
ピユータプログラムが案出された。アポダイスさ
れたインタデイジタルアレイにおいては、実際に
互いに噛合する２つのインタデイジタル電極組の
各々から１つづつの電極を互いに隣接させて噛合
させ、各電極組を互いに対向する２つの母線のう
ちの対応する１つに連結することにより上述した
変換素子を得ている。変換素子の強さは、端効果
や最も近くに隣接する電極による影響をも変換素
子の変換量（これをしばしばソースの強さと称す
る）に依存して考慮する必要があるも、主として
弾性表面波の伝播方向に対して直角な方向での前
記の噛合部分の長さの関数となる。アポダイズさ
れたトランスジユーサに沿う噛合部分の分布は通
常、インタデイジタルアレイに沿う隣接電極間の
噛合部分の各別の端部に沿つて描いた一対のライ
ンを有する噛合部の飽絡線によつて線図的に表わ
すことができる。

アポダイズは、弾性表面波を供給する（ラウン
チング）トランスジユーサと弾性波を受けるトラ
ンスジユーサとの双方に行なうのがしばしば有利
となる。その理由は、このようにすることによ
り、性能範囲を拡げたり、より一層最適な設計に
したりする設計上の融通性を著しく高める為であ
る。しかし、数波長の幅のアパーチヤを有し、ア
ポダイズされた通常の２つのトランスジユーサを
直線（インライン）形状で直接結合されるように
配置した場合には、装置のアパーチヤ全体よりも
小さい電極噛合部分より成る２つのトランスジユ
ーサにおけるこれら変換素子間の結合効果によ
り、所望の応答特性の設計上の計算をあまりにも
複雑にし理想的な場合でも実際的なものでないよ
うにしてしまう。更に、電極噛合部が短く、広く
離間した変換素子の結合に関連する回折効果によ
り設計上の問題を著しく大きなものとしてしま
う。これらの欠点は前記の本の第71頁の
“Figure 3.8”に示されているようなある形態の
マルチストリツプカツプラを用いることにより解
決しうるが、このようにすることにより基板の面
積が直線（インライン）配置の場合よりも大きく
なり、従つて製造費が増大するおそれがある。

所定の周波数で作動する弾性表面波装置の寸法
を減少させる為に、インタデイジタルトランスジ
ユーサアレイの寸法を減少させることが試みられ
た。アレイの長さは一般に、必要とする帯域幅お
よび周波数阻止特性のような設計上のフアクタに
よつて決定される。しかし、インタデイジタルア
レイの幅を減少させると、種々の欠点を生じる傾
向にある。例えば、有害な回折効果が生じたり、
挿入損失の為に比較的大きな結合率を有する結晶
方位を用いる必要性を生じるおそれがある。

弾性表面波トランスジユーサはしばしば、セル
フコリメーテイング方向、すなわちこの方向に対
して傾いたいずれの方向に対する速度よりも速度
が最小となる当該方向に沿うようにできるだけ近
づけて弾性表面波を向けるように、異方性圧電結
晶上に配置される為、回折された弾性表面波が前
記のセルフコリメーテイング方向からそれた場合
には、この弾性波は速く伝播される傾向にあり、
この弾性表面波エネルギーの少くとも一部分が所
望方向に戻る。このようなセルフコリメーテイン
グ方向はしばしば低結合率と関連する。

アレイを幅狭にした場合に特に挿入損失を減少
せしめたり、結合率を高めたりするような何等か
の理由で、セルフコリメーテイング効果を減少さ
せるか無くなすようにした方向を用いた場合に
は、最も離れてアレイを通る弾性表面波の部分に
対する回折効果は、アレイの端部付近で噛合素子
を短くし、これにより装置の応答特性を設計上の
応答特性から著しくずらしたアポダイズ構造にお
いて特に許容しえないものとなる。

従つて、インタデイジタルアレイの幅がこれら
の条件に応じて減少させられると、回折の結果と
して軸線方向からその両側のいずれかにわずかに
それた弾性表面波は、表面におけるロードの変化
の為に母線の対の外側縁より成る伝播の不連続性
により反射されて戻され、多重モードで導波され
た表面波としてトランスジユーサに沿つて伝播す
る傾向にある。この多重モード波の各モードは、
軸線方向に対し直角に設定された平面波頭を有し
て伝播する弾性表面波の部分の軸線方向伝播速度
よりもそれぞれ速い位相速度および遅い群速度を
有する。多重モードの影響の為に、トランスジユ
ーサの測定特性は、アレイの幅が数波長、例えば
12λc〜7λcの範囲に減少すると設計上の特性から
ますますずれるようになる。

本発明の目的は、前述した欠点のいくつか或い
はすべてを改善しうるコンパクトな構造の弾性表
面波装置を提供せんとするにある。

本発明は、弾性表面波を表面で伝播させる圧電
基板と、前記の表面上に形成された弾性表面波ト
ランスジユーサとを有する弾性表面波装置であつ
て、前記のトランスジユーサはこのトランスジユ
ーサの軸線に平行な伝播方向に沿つて前記の表面
で弾性表面波を供給したり受けたりするものであ
り、このトランスジユーサは互いに噛合する２つ
の電極組の少くとも１つのインタデイジタルアレ
イを有しており、各電極組は一対の対向した母線
のうちの１つの母線に接続されている弾性表面波
装置において、弾性表面波伝播方向に対して直角
な方向で測つた、母線の前記の対の外側縁間の全
幅を、トランスジユーサの弾性表面波通過帯域の
中心周波数fcにおける波長λc、圧電基板材料特性
および電極分布に関連して、インタデイジタルア
レイが当該アレイの中心伝播軸線に対し対称的な
単一の弾性表面波導波エネルギーモード（以後対
称導波伝播モードと称する）のみを伝播し且つ変
換する弾性表面波導波管として作用するように決
定したことを特徴とする。

本発明は、アレイの幅を前記の多重モードのア
レイの幅よりも更に減少させることにより、主と
して導波管モードで作動するばかりではなく、実
際に単一の対称導波伝播モードのみを維持するイ
ンタデイジタルアレイを対向する一対の母線間に
構成することができ、従つてアレイの末端におけ
る小さな変換素子（ソース）からの回折問題を解
決でき、且つ所望に応じ、長く幅狭なアレイによ
つて、回折効果による妨害をほとんど伴なうこと
なく比較的小さな帯域幅を得ることができるよう
にした重みづけアレイを構成しうるという認識を
基に成したものである。

ニオブ酸リチウム上の伝播方位を、ＹカツトＺ
伝播構造または、124゜，128゜或いは131゜回転Ｙカ
ツトＸ伝播構造のようなある方位とした場合に
は、インタデイジタルアレイを中心伝播軸線に対
して充分対称的にしてこの軸線に対して対称的な
単一の対称導波伝播モードのみを変換しうるよう
にすれば、インタデイジタルアレイの全幅を5λc
よりも大きくならないように大きくすることがで
きるも、この幅は3.5λcよりも大きくしない方が
好ましい。しかし、単一の対称導波伝播モードに
対する最適幅は特に結合率に依存し、結合率を高
くすると一般に幅を狭くしうる。インタデイジタ
ルアレイは所望に応じアポダイズすることができ
る。

インタデイジタルアレイの導波効果の為に、所
望に応じ、弾性表面波伝播方向がこの伝播に対す
るセルフコリメーテイング方向に沿つて位置しな
いように配向した結晶表面を有する異方性圧電結
晶を用いうるようになる。

本発明による装置を用いると、単一の対称導波
伝播モードのみを維持し、アポダイズされたイン
タデイジタルトランスジユーサにおける弾性表面
波エネルギーは、噛合部が極めて短い場合でも、
少くとも電極噛合部から最初にわずかに離れた後
には隣接電極の噛合部の噛合量にかかわらずトラ
ンスジユーサのアパーチヤの全体に亘つて分布さ
れる傾向にある。

従つて、単一の対称導波伝播モードの２つのト
ランスジユーサを有する弾性表面波装置であつ
て、これらトランスジユーサが同一の伝播軸線に
沿つて配置されており、これらトランスジユーサ
がそれぞれ弾性表面波を供給および受けるもので
あるとした本発明による弾性表面波の一例におい
ては、双方のトランスジユーサをアポダイズする
のが好ましい。基板は、カツトのＹ回転が約124゜
〜128゜の範囲内にあり、バルク波の不所望な影響
を最適に減少せしめうるようにしたＹ回転Ｘ伝播
ニオブ酸リチウムとするのが好ましい。このよう
にすることにより、双方のトランスジユーサをア
ポダイズする設計上の利益を得ることができ、基
板材料をわずかにでき、従つて製造費を廉価にし
うる極めてコンパクトなフイルタを製造しうる。

図面につき本発明を説明する。

第１図に示す帯域通過フイルタの形態の本発明
の一例の弾性表面波装置は、弾性表面波を表面で
伝播させる圧電基板１と、トランスジユーサ装置
とを具え、トランスジユーサ装置は弾性表面波を
前記の表面で伝播トラツク１１に供給する為のア
ポダイズされた（apodized）入力トランスジユ
ーサ２と、伝播トラツク１１に沿つて伝播する弾
性表面波エネルギーを電気信号に変換する為の均
一な出力トランスジユーサ３とを有している。入
力トランスジユーサおよび出力トランスジユーサ
は双方共インタデイジタル型とし、電気入力信号
はトランスジユーサ２の２組の電極間に与えら
れ、電気出力信号はトランスジユーサ３の２組の
電極にまたがつて取出される。トランスジユーサ
２および３のインタデイジタル電極の噛合部分の
飽絡線をライン８および９でそれぞれ示す。イン
タデイジタルトランスジユーサ２および３は双方
向性である為、それぞれ他方のトランスジユーサ
と連通する端部から離れる方向に供給される不所
望な表面波エネルギーは、トランスジユーサ２の
端部と縁部６との間およびトランスジユーサ３の
端部と縁部７との間で表面に被着した、且つイン
タデイジタルアレイの活性領域を除いて不所望な
弾性表面波エネルギーが伝播しうる表面の部分に
被着した減衰材料により少くとも部分的に吸収さ
れる。上述した点までの弾性表面波装置は、前述
した本“Acoustic Surface Waves”（A.A.
Cliner氏編集）の第71頁における“Figure 3.7”
に示され、説明されている装置に相当する。

本発明によれば、インタデイジタルトランスジ
ユーサアレイ２および３の各々の全幅、すなわち
弾性表面波伝播方向に対し直角方向に測つた母線
（バスバー）、例えば第２図に部分的に示すトラン
スジユーサ２の母線１４および１５の対応する対
の外側縁間の幅を、通過帯域の中心周波数fcにお
ける波長λcと電極分布とに関連して決定し、ト
ランスジユーサアレイ２および３の各々がこのア
レイの中心伝播軸線（第２図に２０で示す）に対
して対称的な単一のエネルギーモードのみを伝播
し且つ変換する弾性表面波導波管として機能する
ようにする必要がある。

第４図は本発明によつてトランスジユーサ２お
よび３中を伝播する対称的な単一伝播モードの弾
性表面波ビームの振幅特性をし、弾性表面波の振
幅ａを、124゜Y回転Ｘ伝播ニオブ酸リチウムの3λ
トランスジユーサに対し波長（λ）で測定したト
ランスジユーサの軸線２０からの横方向距離Ｚに
対してプロツトした。振幅は金属化領域２２内
で、すなわち母線を含むインタデイジタルトラン
スジユーサパターンの縁（境界）内でトランスジ
ユーサの軸線２０を中心として余弦的に変化し、
この領域を越えると指数関数的に降下する傾向に
ある。

この振幅特性は、電極の噛合部分の量を変える
ことにより行なういかなる変換素子（トランスジ
ユーサ素子）の重みづけにも依存しない。その理
由は、本発明によるトランスジユーサにおいて
は、この１つの（対称的な）モードのみしか伝播
しない為である。しかし、アポダイズすることに
より有効な重みづけを行なうことができる。その
理由は、極性が反転する電極の破断部の位置（ト
ランスジユーサ軸線２０に対するＺ方向の位置）
が導波モードに対する結合の強さを決定する為で
ある。ｉ番目の変換素子（ソース）の重みは、通
常幅広アパーチヤのトランスジユーサにおけるよ
うにZiに比例させずに、sin（kZi）／ｋに一次比
例させる。ここにｋは結晶パラメータであり、Zi
は電極の破断部と中心線（軸線２０）との間の距
離である。弾性表面波ビームの形状はその全体に
亘つて導波部の幅のみに依存し重みづけには依存
せずに周波数に応じて極めてわずかに変化すると
いうことを除いて、この形状は一定である為、フ
イルタの周波数応答は本質的に２つのトランスジ
ユーサの周波数応答の積となり、所定の特性を満
足させるのに必要とする重みを決定するのに通常
の合成法を用いることができる。前述したソース
の強さの補正はトランスジユーサ電極パターンの
最終的な幾何学的決定に容易に適用できる。パラ
メータｋは主として結晶方位および導波部の幅の
関数であり、周波数に応じて極めて徐々に変化す
るだけであり、殆んど一定とみなすことができ
る。

第１図のトランスジユーサアレイ２はその一部
を第２図において拡大して示してあり、このトラ
ンスジユーサアレイ２はアポダイズされた、２つ
の電極組のインタデイジタルアレイを有してお
り、各電極組の電極は、互いに対向する母線１
４，１５の対のうちの１つの対応する母線に連結
されており、これら母線１４，１５は接続端子１
８，１９（第１図）をそれぞれ有している。母線
１４は信号源に接続されており、容量性のブレー
クスルーを最小にする為に、母線１５を信号接地
する。しかし、各別の電極組および対応する母線
は所望に応じ信号電圧源により逆相に駆動するこ
とができる。しかし、この場合には、接地された
他の導電材料パターンを、直接の電気的ブレーク
スルーを減少させるスクリーンとして母線に隣接
して設ける必要がある。２つのトランスジユーサ
２および３間には、通常金属化より形成した接地
スクリーン５を設け、表面波の導波を助ける為
に、この接地スクリーンも単一の対称導波伝播モ
ードを維持するのに適した幅とする。

アポダイズされたインタデイジタルアレイ２の
２つの電極組の各組を構成する電極は、Proc.
IEEE Ultrasonics Symposium（1972年10月）で
用いられた文献“Applications of double
electrodes in acoustic surface wave device
design”（T.W.Bristol等著）に記載されているよ
うに、二重電極を有し、電極からの反射の悪影響
を減少させるようにするのが適している。他方の
電極組の電極の噛合部分によつて占められていな
い所定の電極組の電極間の空間には、“Applied
Physics Lettres”，1st December，1971，
Vol.19，Number 11の第456〜459頁に記載され
ているように、前記の所定の電極組と同じ母線に
連結された二重の擬似電極２１を充填する。

トランスジユーサ２の連通端１３を欧州特許出
願第83200508号に記載されているように配置し、
信号駆動端電極の外側縁すなわち母線における不
所望な縁部変換素子（縁部ソース）が弾性表面波
をアレイの伝播軸線２０から離れる方向に沿つて
供給したり受けたりするようにする。

第２図に示すように二重電極を用いたインタデ
イジタルアレイを形成するに当つては、二重電極
の繰返し周期をλ／４とし、各電極の幅をλ／８
とする。しかし、本例のアレイ２は弾性表面波が
これに沿つて単一の対称導波伝播モードで伝播す
るような幅で形成する。このようなモードは導波
理論に応じて、外側縁で或いはその付近で反射し
た同期交差弾性表面波頭の重畳により形成され
る。従つて導波される弾性表面波モードは、幅広
のアレイにおける通常の表面波伝播速度よりも大
きな位相速度でアレイに沿つて伝播するも、この
弾性表面波エネルギーは自由伝播速度よりも遅い
このモードの群速度でアレイに沿つて伝播する。
従つて、電極の寸法および間隔は位相速度に対応
させる必要があり、噛合する二重電極の対によつ
て形成される変換素子（ソース）の変換量はイン
パルス−タイムドメインにおいて、導波モードの
群速度に対するこれらの噛合部の位置に関連させ
る必要がある。

一部分を第３図に拡大して示す均一トランスジ
ユーサ３も互いに対向する母線３１，３２間で第
２図に示すトランスジユーサ２と同様に連結され
た二重電極３４，３５を用いて形成し、母線３
１，３２の内方傾斜部分３１′，３１″，３２′，
３２″の付近におけるアレイの端部には擬似電極
を設ける。

トランスジユーサ３の連通端部３６はトランス
ジユーサ２の端部１３に類似するように形成し、
不所望な端部変換素子（端部ソース）の影響を減
少させるようにする。対向母線３１，３２の外側
縁（境界）間のアレイ３の全幅はトランスジユー
サ２の場合のように、弾性表面波がこれに沿つて
単一の対称導波モードで伝播するような幅とす
る。

第１図に示すように、飽絡線８によつて示す表
面波供給用のアレイ２のアポダイゼーシヨンは各
端部で主ローブおよび副半ローブの形態となる。
この例は本発明による装置の特定例に関するもの
であり、所望に応じ他の形態のアポダイゼーシヨ
ンパターンを用いることができ、実際には、アレ
イがその中心伝播軸線に対して対称的な単一の対
称導波伝播モードを伝播したり変換したりすれ
ば、他の形態の重みづけを用いたり、重みづけを
全く行なわないようにすることができる。

単一の対称導波伝播モードは実際には母線の外
側縁を越えてわずかに延在する為、減衰媒体１０
を装置の伝播表面に被着するに当つて、各トラン
スジユーサの両側に充分な領域が被着されないま
ま残るようにする必要がある。

双方のアレイの端部１３，３６は接地されてい
る為、スクリーン５を省略し、２つのトランスジ
ユーサを互いに隣接させることができる。

第５図は、トランスジユーサ２および４３双方
をアポダイズするとともに一直線上に配置した本
発明の他の例を示す。アポダイゼーシヨンパター
ン８および９′は同じように示してあるが、これ
らは所定の特性に対する最適な設計が得られるよ
うに互いに異ならせることができ、一般には異な
らせる。

上述したいずれの例のインタデイジタル電極も
写真食刻（フオトリソグラフ）処理により通常の
ようにして圧電基板上に形成できる。基板はＹカ
ツトＺ伝播或いは124゜〜131゜Y回転Ｘ伝播ニオブ
酸リチウムとし、この上に、母線の外側縁間の幅
が3λc〜3.5λcの範囲にあるトランスジユーサアレ
イを配置するのが有利であるということを実験に
より確かめた。例えば周知のパルス走行時間検査
装置を用いることができる。一実施例では、全幅
を3.2λcとし、母線間の電極アレイの幅を1.8λcと
した。アレイを伝播軸線に対して対称的とした場
合には、全幅を約5λcまで大きくすることができ
る。結合係数の大きな基板、例えば41°Y回転Ｘ
伝播ニオブ酸リチウムを用いる場合には、この結
合係数に応じてアレイの全幅を減少させ、単一の
対称導波伝播モードで作動するようにする必要が
ある。

上述した弾性表面波装置は、実際に例えばテレ
ビジヨン受像機の中間周波フイルタの製造に適用
でき、双方のトランスジユーサが適切にアポダイ
ズされ、装置が124°〜131゜Y回転Ｘ伝播ニオブ酸
リチウム上に形成した第５図の直線（インライ
ン）形態にするのが好ましい。このような装置の
挿入損失は通常の幅広のアパーチヤの弾性表面波
フイルタの挿入損失よりも大きくなる傾向にある
が、トランスジユーサのインピーダンスが大きく
なり、これにより本発明の装置を、幅広アパーチ
ヤの装置にしばしば用いられている直列接続の整
合抵抗を必要とすることなく回路内に直接接続す
ることができるようになり、従つて全体の挿入損
失はこれら双方の場合同じような値となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例の弾性表面波フイルタを
示す線図、第２図は本発明によるアポダイズした
トランスジユーサアレイの一部を示す平面図、第
３図は本発明による均一トランスジユーサアレイ
の一部を示す平面図、第４図はトランスジユーサ
の軸線を横切る振幅特性を示す線図、第５図は本
発明の他の例を示す線図である。 １……圧電基板、２……入力トランスジユー
サ、３……出力トランスジユーサ、５……スクリ
ーン、８，９……被覆体、１１……伝播トラツ
ク、２１……擬似電極、２２……金属化領域、２
４，２５，３４，３５……二重電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 弾性表面波を表面で伝播させる圧電基板と、
   前記の表面上に形成された弾性表面波トランスジ
   ユーサとを有する弾性表面波装置であつて、前記
   のトランスジユーサはこのトランスジユーサの軸
   線に平行な伝播方向に沿つて前記の表面で弾性表
   面波を供給したり受けたりするものであり、この
   トランスジユーサは互いに噛合する２つの電極組
   の少くとも１つのインタデイジタルアレイを有し
   ており、各電極組は一対の対向した母線のうちの
   １つの母線に接続されている弾性表面波装置にお
   いて、弾性表面波伝播方向に対して直角な方向で
   測つた、母線の前記の対の外側縁間の全幅を、ト
   ランスジユーサの弾性表面波通過帯域の中心周波
   数fcにおける波長λc、圧電基板材料特性および電
   極分布に関連して、インタデイジタルアレイが当
   該アレイの中心伝播軸線に対し対称的な単一の弾
   性表面波導波エネルギーモードのみを伝播し且つ
   変換する弾性表面波導波管として作用するように
   決定したことを特徴とする弾性表面波装置。 ２ 基板をＹカツトＺ伝播或いは124゜〜131゜回転
   ＹカツトＸ伝播ニオブ酸リチウムとした特許請求
   の範囲第１項に記載の弾性表面波装置において、
   インタデイジタルアレイの前記の全幅を3λc〜
   3.5λcの範囲内としたことを特徴とする弾性表面
   波装置。 ３ 基板をＹカツトＺ伝播或いは124゜〜131゜回転
   ＹカツトＸ伝播ニオブ酸リチウムとした特許請求
   の範囲第１項に記載の弾性表面波装置において、
   前記のインタデイジタルアレイをその中心伝播軸
   線に対して対称的とし、前記のアレイの全幅を
   5λc以下としたことを特徴とする弾性表面波装
   置。 ４ 特許請求の範囲第１〜３項のいずれか一項に
   記載の弾性表面波装置において、圧電基板を、前
   記の伝播方向が弾性表面波の伝播に対するセルフ
   コリメーテイング方向に沿つて位置しないように
   配向した異方性結晶としたことを特徴とする弾性
   表面波装置。 ５ 特許請求の範囲第１〜４項のいずれか一項に
   記載の弾性表面波装置において、１つの前記のイ
   ンタデイジタルアレイをアポダイズされたアレイ
   としたことを特徴とする弾性表面波装置。 ６ 第１および第２のトランスジユーサを有し、
   これらの双方が前記の単一の弾性表面波導波エネ
   ルギーモードで作動し、これらトランスジユーサ
   が弾性表面波エネルギーをそれぞれ供給しおよび
   受けるようにし、これらトランスジユーサを直線
   状に配置した特許請求の範囲第５項に記載の弾性
   表面波装置において、前記のトランスジユーサの
   双方をアボダイズしたことを特徴とする弾性表面
   波装置。