JPWO2018123775A1 - 弾性表面波装置および弾性表面波フィルタ - Google Patents

Abstract

弾性表面波フィルタ（１００）は、入力端子（５０）と出力端子（５１）の間に設けられる直列腕に配置された直列腕共振部（１０）と、直列腕と接地電位との間に接続された並列腕に設けられた並列腕共振部（２０）とを備えるラダー型の構成を有する。直列腕共振部は、１つ以上の弾性表面波装置により形成される。弾性表面波装置は、圧電性基板と、圧電性基板上に形成されたＩＤＴ電極とを有する弾性表面波共振子により各々が形成され、並列接続された少なくとも第１の共振子群（１０−１）と第２の共振子群（１０−２）とを含む。第１の共振子群は、少なくとも１つの弾性表面波共振子（３２０）を含み、第２の共振子群は、直列接続された、第１の共振子群よりも多くの数の弾性表面波共振子（３３０Ａ，３３０Ｂ）を含む。第１の共振子群に含まれる弾性表面波共振子の共振周波数は、第２の共振子群に含まれる弾性表面波共振子の共振周波数よりも高く設定される。

Description

本発明は、弾性表面波装置に関し、より特定的には、直列腕共振子と並列共振子とを含むラダー型の弾性表面波フィルタに用いられる弾性表面波装置の耐電力性を向上させるための技術に関する。

複数の弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）共振子を直列腕と並列腕とに交互に配置した梯子型（ラダー型）の構成を有する弾性表面波フィルタが知られている。弾性表面波共振子は、概略的には、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）などの圧電単結晶、あるいは圧電セラミックスからなる圧電性基板上に、たとえばアルミニウム、銅、銀、金、チタン、タングステン、白金、クロム、ニッケル、モリブデンの少なくとも一種からなる単体金属、またはこれらを主成分とする合金などの電極材を用いて形成された一対の櫛歯状電極（ＩＤＴ：Inter Digital Transducer）が配置された構成を有している。なお、支持基板上に、圧電膜が積層されている圧電性基板を用いてもよい。

弾性表面波フィルタにおいて、近年、フィルタ本体の小型化とともに、駆動周波数や通過帯域の高周波化、広帯域化、および高出力化が望まれている。高周波化に対応するためには、ＩＤＴ電極の電極指ピッチおよび電極線幅を微細化することが必要となる。一方、高出力化を行なうには、出力信号を従来よりも高電力にすることが必要となる。

ＩＤＴ電極の微細化および高電力化が進められると、高い電力と圧電効果による電気的および機械的なストレスが共振子に発生し、弾性表面波共振子の特性劣化、あるいは電極指の破壊などが生じやすくなる。

このような課題を解決することを目的として、特開２００１−１５６５８８号公報（特許文献１）は、ラダー型の弾性表面波フィルタにおいて、相対的に高い電力が印加される、信号入力端子に最も近い直列腕共振子について、複数の共振子を直列接続させた構成を開示している。

特開２００１−１５６５８８号公報

特開２００１−１５６５８８号公報（特許文献１）のような構成とすることによって、個々のＩＤＴ電極に印加される電力を分散させることができるため、耐電力性を向上させることが可能となる。

一方で、直列分割を行なった共振子について、分割前と同等のインピーダンスを得るためには、個々のＩＤＴ電極の静電容量を分割段数に比例した値とすることが必要となる。たとえば、２段の分割であれば各共振子の容量を２倍とし、３段の分割であれば各共振子の容量を３倍とする必要がある。

また、ＩＤＴ電極の面積は、個々のＩＤＴ電極の静電容量を足し合わせた総容量に比例して増加する。そのため、圧電性基板上におけるＩＤＴ電極の面積は、分割段数の二乗に比例して大きくなってしまう。たとえば、２段分割の場合にはＩＤＴ電極の面積は４倍、３段分割の場合にはＩＤＴ電極の面積は９倍となり、フィルタの小型化の観点からは不利になる。すなわち、共振子の直列分割については、耐電力性の向上とサイズの小型化とがトレードオフの関係になり得る。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、弾性表面波装置において、共振子サイズの過度な増大を抑制しつつ、耐電力性を向上させることである。

本発明による弾性表面波装置は、圧電性基板と圧電性基板上に形成されたＩＤＴ電極とを有する弾性表面波共振子により各々が形成され、並列接続された少なくとも第１の共振子群と第２の共振子群とを含む。第１の共振子群は、少なくとも１つの弾性表面波共振子を含む。第２の共振子群は、直列接続された、第１の共振子群よりも多くの数の弾性表面波共振子を含む。第１の共振子群に含まれる弾性表面波共振子の共振周波数は、第２の共振子群に含まれる弾性表面波共振子の共振周波数よりも高く設定される。

好ましくは、各弾性表面波共振子は反射器を含む。圧電性基板上において、第１の共振子群に含まれる弾性表面波共振子の反射器の一部は、第２の共振子群に含まれる弾性表面波共振子の反射器と共通化されている。

好ましくは、第１の共振子群の合成容量と、第２の共振子群の合成容量とは等しい。
好ましくは、第１の共振子群の合成容量と、第２の共振子群の合成容量とは異なる。

好ましくは、弾性表面波装置は、第１および第２の共振子群に並列接続された第３の共振子群をさらに含む。第３の共振子群は、直列接続された、第１の共振子群よりも多くの数の弾性表面波共振子を含む。第１の共振子群に含まれる弾性表面波共振子の共振周波数は、第３の共振子群に含まれる弾性表面波共振子の共振周波数よりも高く設定される。

本発明による弾性表面波フィルタは、入力端子と出力端子の間に設けられる直列腕に配置された直列腕共振部と、直列腕と接地電位との間に接続された並列腕に設けられた並列腕共振部とを備えるラダー型の構成を有する。直列腕共振部は、上記のいずれかの弾性表面波装置により形成されている。

好ましくは、弾性表面波フィルタは、直列腕に配置される他の直列腕共振部をさらに備える。直列腕共振部は、直列腕において、他の直列腕共振部よりも入力端子に近い位置に配置される。

本発明によれば、耐電力性を向上させるとともに、共振子サイズの増大を抑制することができる弾性表面波装置を提供することができる。

本実施の形態に従う弾性表面波フィルタを示す回路図である。 比較例の弾性表面波フィルタを示す回路図である。 比較例における直列腕共振部を示す図である。 本実施の形態に従う直列腕共振部を示す図である。 弾性表面波共振子の共振周波数と消費電力との関係を説明するための図である。 本実施の形態に従う直列腕共振部の第１の変形例を示す図である。 他の比較例における直列腕共振部を示す図である。 本実施の形態に従う直列腕共振部の第２の変形例を示す図である。 圧電性基板上の弾性表面波共振子の配置を説明するための図である。 圧電性基板上の弾性表面波共振子の配置の他の例を説明するための図である。 本実施の形態に従う直列腕共振部の第３の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本実施の形態に従う弾性表面波フィルタ１００の一例を示す回路図である。図１を参照して、弾性表面波フィルタ１００は、入力端子５０と出力端子５１との間に設けられる直列腕に直列に接続された直列腕共振部１０〜１３と、直列腕と接地電位との間に接続された並列腕に設けられた並列腕共振部２０〜２３とを備えるラダー型の構成を有する。各共振部は、１つ以上の弾性表面波装置により形成されており、各弾性表面波装置は、１つ以上の弾性表面波共振子により構成された共振子群を含む。弾性表面波共振子は、図９で後述するように、圧電性基板と、圧電性基板上に形成されたＩＤＴ電極とを有している。

並列腕共振部２０は、一方端が入力端子５０に接続され、他方端がインダクタ３０を介して接地電位に接続される。並列腕共振部２１は、一方端が直列腕共振部１０と直列腕共振部１１との間の接続ノードに接続され、他方端がインダクタ３１を介して接地電位に接続される。並列腕共振部２２は、一方端が直列腕共振部１１と直列腕共振部１２との間の接続ノードに接続され、他方端がインダクタ３１を介して接地電位に接続される。並列腕共振部２３は、一方端が直列腕共振部１２と直列腕共振部１３との間の接続ノードに接続され、他方端がインダクタ３１を介して接地電位に接続される。

なお、直列腕共振部の数、並列腕共振部の数、および各共振子群に含まれる弾性表面波共振子の数は一例であり、フィルタの特性に応じて適宜設計される。

本実施の形態においては、入力端子５０に最も近い直列腕共振部１０については、入力端子５０と直列腕共振部１１との間に並列に接続される第１の共振子群１０−１と、第２の共振子群１０−２とを含む。図１の例では、第１の共振子群１０−１は直列接続された２つの弾性表面波共振子を含んで構成され、第２の共振子群１０−２は直列接続された３つの弾性表面波共振子を含んで構成される。

図２は、比較例の弾性表面波フィルタ１００Ａを示す回路図である。弾性表面波フィルタ１００Ａにおいては、図１における直列腕共振部１０が、直列腕共振部１０Ａに置き換えられた構成となっており、その他の構成は図１と同様である。直列腕共振部１０Ａは、３つの弾性表面波共振子が直列に接続された構成を有している。

図１，２に示すようなラダー型の弾性表面波フィルタは、たとえば携帯電話のような通信装置に用いられる場合がある。近年では、長い受信距離を確保するために送信信号の高出力化が求められており、それに伴って弾性表面波フィルタの耐電力性の向上が必要とされている。

ラダー型の弾性表面波フィルタでは、特に、入力端子５０から入力された信号が最初に印加される直列腕共振部１０，１０Ａに印加される電力が大きくなる傾向にある。そのため、図２の比較例の直列腕共振部１０Ａのように、複数の弾性表面波共振子を直列に接続した直列分割構成とすることによって、個々の共振子（ＩＤＴ電極）で消費される電力を低減し、耐電力性を向上させることが可能である。

しかしながら、共振子を単純に直列分割した場合、同一インピーダンスを確保するためには、分割後の各共振子の静電容量（以下、単に「容量」とも称する。）は分割前の共振子の静電容量の分割数倍とすることが必要となる。たとえば、図３で示すように、分割前の共振子３００の容量がＣである場合、２分割後の合成容量をＣとするためには、分割後の共振子３１０Ａ，３１０Ｂの各容量を２Ｃとすることが必要となる。

一般的に、圧電性基板上の共振子の面積は共振子の容量に比例するため、２つの共振子３１０Ａ，３１０Ｂに分割すると、２倍の容量の共振子が２つとなるため、結果的に分割前の４倍の面積を共振子が占めることになる。そうすると、圧電性基板上のスペースが必要となるため、フィルタ本体の小型化の観点からは不利になる。

本実施の形態においては、図１に示すように、直列腕共振部１０は、並列接続された２つの共振子群１０−１，１０−２を有し、さらに各共振子群の少なくとも１つにおいて直列分割がなされる。このように並列分割を行なうことによって、各共振子群に必要とされる合成容量を低減することで、圧電性基板上で共振子に必要とされる面積の増加を抑制するとともに、各共振子群の直列分割により、各弾性表面波共振子で消費される電力を低減することができる。

このとき、並列分割された各共振子群について同じ数の直列分割を行なうと、結果的には、並列分割しない場合と総容量が同じとなるため、面積の低減に寄与しなくなる。そのため、本実施の形態においては、並列分割した共振子群のうち少なくとも１つの共振子群（「第１の共振子群」とも称する。）については、他の共振子群（「第２の共振子群」とも称する。）よりも直列分割数を少なくすることで、圧電性基板上における面積の増大を抑制している。

具体的には、図４に示すように、分割前の共振子３００の容量がＣである場合に、分割後の一方の共振子群（第１の共振子群）を容量Ｃ／２の１つの共振子３２０とし、他方の共振子群（第２の共振子群）を容量Ｃの２つの共振子３３０Ａ，３３０Ｂの直列接続とする。この場合、各共振子群の合成容量はＣ／２となり、全体の合成容量はＣとなるため、分割前とインピーダンスは変わらない。

一方で、分割後の総容量は５Ｃ／２となるため、圧電性基板上における共振子の面積は分割前の２．５倍となる。このように、並列分割と直列分割を併用し、並列接続された共振子群の少なくとも１つの直列分割数を、他の共振子群の直列分割数よりも少なくすることで、分割前のインピーダンス（合成容量）を維持しつつ、図３のような直列分割のみの場合（４倍）に比べて、共振子に必要とされる圧電性基板上の面積を低減することができる。

ただし、図４のように直列分割数を少なくした第１の共振子群については、印加される電力が小さくなる一方で、圧電性基板上の面積も小さくなってしまうため、当該共振部の耐電力性としては、少ない直列分割数の共振子群（第１の共振子群）に依存することになる。そこで、本実施の形態においては、直列分割数の少ない共振子群（第１の共振子群）に含まれる弾性表面波共振子の共振周波数を、直列分割数の多い共振子群（第２の共振子群）に含まれる弾性表面波共振子の共振周波数よりも高くなるように設定する。

図５は、弾性表面波共振子の共振周波数と消費電力との関係を説明するための図である。図５においては、横軸に周波数が示され、縦軸に弾性表面波共振子の単位面積あたりの消費電力が示される。図５中において、曲線ＬＮ１は弾性表面波共振子の共振周波数を、たとえばｆ０とした場合の消費電力を示す曲線であり、曲線ＬＮ２は弾性表面波共振子の共振周波数をｆ０よりも高い共振周波数（ｆ０＋５ＭＨｚ）に設定した場合の消費電力を示している。図５からわかるように、たとえば１９１０ＭＨｚの周波数の電力を弾性表面波共振子に投入した場合に、投入電力の周波数において、共振周波数を高くした場合の消費電力が、共振周波数が低い場合の消費電力よりも小さくなっている。

このような特性から、直列分割数の少ない共振子群（第１の共振子群）に含まれる弾性表面波共振子の共振周波数を、直列分割数の多い共振子群（第２の共振子群）に含まれる弾性表面波共振子の共振周波数よりも高くすることによって、同じ面積の共振子でも消費電力を低減することができる。これにより、直列分割数の少ない共振子群（第１の共振子群）の耐電力性を向上させることができる。

なお、弾性表面波共振子の共振周波数を高くするためには、ＩＤＴ電極のデューティを小さくする（すなわち、線幅を小さくする）か、あるいは、電極指間隔（ピッチ）を狭くすることで実現することができる。

（変形例１）
図６は、本実施の形態の第１の変形例を示す図である。上記の図４の例においては、並列分割した各共振子群の合成容量を等しく設定した例を示したが、並列分割した各共振子群の合成容量は必ずしも等しくなくてもよい。図６の変形例においては、分割後の一方の共振子群（共振子３４０）の容量がＣ／３に設定され、他方の共振子群（共振子３５０Ａ，３５０Ｂ）の合成容量が２Ｃ／３に設定された例が示されている。

この場合、全体の合成容量はＣとなり、分割前とインピーダンスは変化しないが、総容量については９Ｃ／３（＝３Ｃ）となるので、圧電性基板上における共振子の面積は分割前の３倍となる。上記の図４の等分割の場合と比べると、圧電性基板上の共振子面積は大きくなるが、分割しない場合（４倍）に比べると面積は小さくできる。等分割の場合よりも面積が大きくなるため、耐電力性に関しては等分割の場合に比べて向上する。

このように、並列分割後の各共振子群の合成容量の比率を調整することによって、フィルタサイズと耐電力性のバランスを所望の値に調整することができる。

（変形例２）
変形例２においては、直列分割の段数を３段にした場合の例について説明する。図７は、容量Ｃの共振子３００を、３段の共振子３６０Ａ，３６０Ｂ，３６０Ｃに直列分割をした比較例を示す図である。この場合、分割前と同じインピーダンスとするためには、各共振子３６０Ａ，３６０Ｂ，３６０Ｃの容量を３Ｃとすることが必要となる。分割する直列段数を３段に増やすことで、２段分割の場合よりも分割後の各共振子における消費電力を低減できるので、耐電力性を向上できる。しかしながら、分割後の総容量は９Ｃとなるため、圧電性基板上で必要となる面積が９倍となってしまう。

図８は、並列数を２とし、一方の共振子群を２段に直列分割した共振子３７０Ａ，３７０Ｂで構成し、他方の共振子群を３段に直列分割した共振子３８０Ａ，３８０Ｂ，３８０Ｃで構成した例を示す図である。

図８においては、並列分割後の各共振子群の合成容量は、それぞれＣ／２に等分割されている。そのため、共振子３７０Ａ，３７０Ｂの各々の容量はＣに設定され、共振子３８０Ａ，３８０Ｂ，３８０Ｃの各々の容量は２Ｃ／３に設定される。これによって、総容量は１３Ｃ／２となるので、圧電性基板上の弾性表面波共振子の面積は分割前の６．５倍となる。そのため、図７の直列分割の場合（９倍）と比べて、面積を低減することができる。

なお、この場合においても、図５で説明したように、直列分割段数の小さい共振子３７０Ａ，３７０Ｂの共振周波数を、共振子３８０Ａ，３８０Ｂ，３８０Ｃよりも大きく設定し、共振子３７０Ａ，３７０Ｂの消費電力を低減することによって耐電力性を確保する。

ここで、この変形例２の場合の、圧電性基板上の弾性表面波共振子の配置について図９を用いて説明する。

図９の左図（ａ）は、図７で説明したような、弾性表面波共振子を３段に直列分割した場合の弾性表面波共振子の配置図である。また、図９の右図（ｂ）は、図８で説明したような、２段に直列分割した共振子群２１０と３段に直列分割した共振子群２１５とに並列分割した場合の弾性表面波共振子の配置図である。

左図（ａ）の直列腕共振部１０Ａにおいては、圧電性基板２００Ａ上に３つのＩＤＴ電極が直列に接続された構成となっており、各ＩＤＴ電極の両端には、反射器２２０が設けられている。左図（ａ）においては、各ＩＤＴ電極による容量は３Ｃである。

これを、右図（ｂ）のように並列分割した場合には、２段の共振子群２１０の各ＩＤＴ電極による容量はＣであるので、ＩＤＴ電極全体の幅が左図（ａ）の場合の１／３となる。また、３段の共振子群２１５の各ＩＤＴ電極による容量は３Ｃ／２であるので、ＩＤＴ電極全体の幅が左図（ａ）の場合の１／２となる。なお、各ＩＤＴ電極の両端には反射器２２０が必要となるため、左図（ａ）の場合に対する右図（ｂ）の場合の面積比は、単純に（６．５）／９とはならず、図９の場合においては、並列分割後の右図（ｂ）の場合の面積は、直列分割のみの左図（ａ）の場合の面積のおよそ８０％となる。

図１０は、図９よりもさらに面積を低減させるための弾性表面波共振子の配置を示す図である。図１０においては、圧電性基板２００Ｂ上において、２段の共振子群２１０の反射器の一部を、３段の共振子群２１５の反射器の一部と共用させることによって、全体の面積を低減している。図１０の場合においては、右図（ｂ）の場合の面積は、左図（ａ）の場合の面積のおよそ７６％となる。

このように、分割数を増やすとＩＤＴ電極自体の面積は小さくなるが、一方で反射器の数が増えるために、その反射器のための面積が必要となる。したがって、分割数を増やし過ぎると、かえって圧電性基板上に必要となる面積が増加する可能性があるので注意が必要である。

（変形例３）
上記の実施の形態においては、いずれも並列分割数を２とした場合について示したが、並列分割数は３以上とすることも可能である。図１１は、本実施の形態に従う直列腕共振子の第３の変形例を示す図である。

図１１の直列腕共振部においては、１つの共振子３９０を含む共振子群（第１の共振子群）と、２段に直列接続された共振子３９２Ａ，３９２Ｂを含む共振子群（第２の共振子群）と、２段に直列接続された共振子３９４Ａ，３９４Ｂを含む共振子群（第３の共振子群）とが並列に接続されている。

図１１の例においては、各共振子群の合成容量はＣ／３に等分されている。第１の共振子群に含まれる共振子３９０の容量はＣ／３であり、第２の共振子群に含まれる共振子３９２Ａ，３９２Ｂの各々の容量は２Ｃ／３であり、第３の共振子群に含まれる共振子３９４Ａ，３９４Ｂの各々の容量は２Ｃ／３である。そのため、全体の総容量は３倍となり、圧電性基板上の弾性表面波共振子の面積は分割前の３倍となる。

そして、図１１の例においても、直列分割数の小さい共振子３９０の共振周波数を、第２および第３の共振子群に含まれる共振子３９２Ａ，３９２Ｂ，３９４Ａ，３９４Ｂに比べて高く設定する。これにより、直列分割数の小さい共振子３９０の耐電力性を確保する。

なお、図１１においては、第２の共振子群と第３の共振子群とを同じ直列段数および同じ容量としたが、第２の共振子群と第３の共振子群とで共振子の構成を異なるようにしてもよい。

このように、並列分割数および直列分割数と、共振子の共振周波数とを適宜調整することによって、共振子サイズおよび耐電力性についての所望の仕様を実現することが可能となる。

なお、上記の実施の形態および変形例については、矛盾が生じない条件のもとで適宜組み合わせてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０，１０Ａ，１１，１２，１３ 直列腕共振部、１０−１，１０−２，２１０，２１５ 共振子群、２０，２１，２２，２３ 並列腕共振部、３０，３１ インダクタ、５０ 入力端子、５１ 出力端子、１００，１００Ａ 弾性表面波フィルタ、２００Ａ，２００Ｂ 圧電性基板、２２０ 反射器、３００，３１０Ａ，３１０Ｂ，３２０，３３０Ａ，３３０Ｂ，３４０，３５０Ａ，３５０Ｂ，３６０Ａ，３６０Ｂ，３６０Ｃ，３７０Ａ，３７０Ｂ，３８０Ａ，３８０Ｂ，３８０Ｃ，３９０，３９２Ａ，３９２Ｂ，３９４Ａ，３９４Ｂ 共振子。

Claims (7)

1. 圧電性基板と、前記圧電性基板上に形成されたＩＤＴ（Inter Digital Transducer）電極とを有する弾性表面波共振子により各々が形成されており、並列接続された少なくとも第１の共振子群と第２の共振子群とを備え、
   前記第１の共振子群は、少なくとも１つの弾性表面波共振子を含み、
   前記第２の共振子群は、直列接続された、前記第１の共振子群よりも多くの数の弾性表面波共振子を含み、
   前記第１の共振子群に含まれる弾性表面波共振子の共振周波数は、前記第２の共振子群に含まれる弾性表面波共振子の共振周波数よりも高く設定される、弾性表面波装置。
2. 各弾性表面波共振子は、反射器を含み、
   前記圧電性基板上において、前記第１の共振子群に含まれる弾性表面波共振子の反射器の一部は、前記第２の共振子群に含まれる弾性表面波共振子の反射器と共通化されている、請求項１に記載の弾性表面波装置。
3. 前記第１の共振子群の合成容量と、前記第２の共振子群の合成容量とは等しい、請求項１または２に記載の弾性表面波装置。
4. 前記第１の共振子群の合成容量と、前記第２の共振子群の合成容量とは異なる、請求項１または２に記載の弾性表面波装置。
5. 前記第１および第２の共振子群に並列接続された第３の共振子群をさらに備え、
   前記第３の共振子群は、直列接続された、前記第１の共振子群よりも多くの数の弾性表面波共振子を含み、
   前記第１の共振子群に含まれる弾性表面波共振子の共振周波数は、前記第３の共振子群に含まれる弾性表面波共振子の共振周波数よりも高く設定される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性表面波装置。
6. 入力端子と出力端子の間に設けられる直列腕に配置された直列腕共振部と、前記直列腕と接地電位との間に接続された並列腕に設けられた並列腕共振部とを備えるラダー型の弾性表面波フィルタであって、
   前記直列腕共振部は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性表面波装置により形成されている、弾性表面波フィルタ。
7. 前記直列腕に配置される他の直列腕共振部をさらに備え、
   前記直列腕共振部は、前記直列腕において、前記他の直列腕共振部よりも前記入力端子に近い位置に配置される、請求項６に記載の弾性表面波フィルタ。

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