JP4727322B2 - 弾性表面波装置 - Google Patents

Description

本発明は，弾性表面波（ＳＡＷ）装置に関する。特に，ＶＨＦ、ＵＨＦ帯に共振特性を有する弾性表面波共振器（ＳＡＷ共振器）、または共振器を用いた共振器フィルタとして構成される弾性表面波フィルタ（ＳＡＷ共振器フィルタ）に関する。

近年、ＳＡＷデバイスは通信分野で広く利用されている。特にＳＡＷ共振器またはＳＡＷ共振器フィルタ（以下 ＳＡＷ共振器デバイス）は小型化かつ低損失化が可能で携帯電話、自動車のリモートキーレスエントリーなどに多く用いられている。

ＳＡＷ共振器デバイスは、圧電基板上に少なくとも１個のインターデジタルトランスデューサー（ＩＤＴ：Inter Digital Transducer）電極を配置し、一般的にはその両側に設けられる反射器によって構成される。ＳＡＷ共振器デバイスにおいては、ＩＤＴの励振によって圧電基板上を伝搬するＳＡＷを反射器で反射させることにより、エネルギーを反射器間に閉じ込める。その際にＳＡＷの伝搬方向と垂直にエネルギーが分布するモード（以下 横モード）の基本モードが主伝搬モードとなる。これに対して２次以上の高次横モードも存在し、偶数次モードの振動にて励起する電荷はＩＤＴ内で相殺されるが奇数次モードによる電荷は相殺されることがなく、共振器特性にスプリアス応答として現れる。

この高次横モードによるスプリアスは、ＳＡＷ共振器の場合は発振回路における発振周波数飛び現象、ＳＡＷ共振器フィルタにおいては帯域内リップルとして悪影響を及ぼす。高次横モードが発生するのはＳＡＷの励振強度分布１０が矩形状となる為である。

図１に，一対の反射器２ａ，２ｂ間に一つのＩＤＴ１が配置された１ポートＳＡＷ共振器を例に，高次横モードによるスプリアス発生の様子を示す。図中には基本横モード１０ａと３次横モード１０ｂのみを示しているが、ＩＤＴの開口長によっては、５次、７次と高次の横モードが存在する。

高次横モードのスプリアスに対策する為に、図２に示すように，共通電極１ａ，１ｂに接続された複数の櫛形電極１ｃが交差する交差部に交差幅重みづけ包絡線としてＣＯＳ関数を用いての重み付けを施すことでＳＡＷの励振強度分布１０を基本横モード１０ａと一致もしくは近似させ、高次横モードを抑圧するものが知られている（特許文献１乃至３）。

なお、従来例においては、交差幅重みづけ包絡線を弾性表面波の伝搬方向に沿って見た場合、交差幅は徐々に増加するが、ある変化点を境に交差幅は減少に転じる。そしてこの変化点は１つのみである。

また、交差幅重みづけ包絡線は弾性表面波の伝搬方向を軸に鏡面対称となっている。ここで厳密に対称性を調べると、例えばソリッド電極構造においては隣合う電極指間距離分すなわち弾性表面波波長の１／２相当の差は生じるが，ソリッド電極構造に限らず、電極構造に起因した弾性表面波波長の１／２相当の対称性のずれは弾性表面波装置の構造上明らかな事であり、本発明の本質部分では無い為、以後も交差幅重みづけ包絡線を用いた説明をする際には言及しない。
特公平７−２８１９５号公報 特開平９−２７０６６７号公報 特開平７−２２８９８号公報

しかし，図２に示すように櫛形電極１ｃの交差部を交差幅重みづけ包絡線としてＣＯＳ関数で重み付けを行なった場合、ＩＤＴ１の櫛型電極の交差幅の伝搬方向に沿う分布１１が変化するので伝搬方向でのＳＡＷの励振強度分布までも変えてしまうことになる。

特にＳＡＷ共振器フィルタにおいては、伝搬方向に分布するモード（縦モード）を用いてフィルタ特性を実現している為、影響は非常に大きい。

交差幅が一様なＩＤＴ電極（正規型ＩＤＴ電極）ならば所望の特性、例えば帯域幅や所望周波数での減衰量確保などが実現出来るものの横モードによるスプリアスが発生してしまう。そこでＩＤＴ電極にＣＯＳ関数で重み付けを行なうとスプリアスは抑圧出来るものの所望の特性が実現出来なくなってしまうという場合が非常に多い。

したがって，本発明の目的は，高次横モードのスプリアスを抑圧し、かつ伝搬方向のＳＡＷ励振強度分布を変えない構造を有する弾性表面波装置を提供することにある。

上記本発明の目的を達成する弾性表面波装置の第１の側面は，少なくとも１個のインターデジタルトランスデューサを有する弾性表面波装置であって，前記インターデジタルトランスデューサは，それぞれ共通電極に接続された複数の櫛形電極が交差するように配置され，前記複数の櫛形電極が交差する領域について，弾性表面波の伝搬方向に沿う全域に渉って交差幅が一定の第１の交差領域と，前記第１の交差領域の少なくとも片側に形成され，交差幅が前記弾性表面波の伝搬方向に沿って重みづけされている第２の交差領域を有し，前記第２の交差領域における交差幅重みづけ包絡線は、弾性表面波の伝搬方向において少なくとも２つ以上の変化点を有する。

上記本発明の目的を達成する弾性表面波装置は，上記第１の側面において，
前記第２の交差領域は第1の交差領域の両側に形成され、第２の交差領域における交差幅重みづけ包絡線は，前記第１の交差領域の両側で弾性表面波の伝搬方向と垂直に平行移動した形状とすることができる。

前記第２の交差領域は第1の交差領域の両側に形成され、第２の交差領域における一方の交差幅重みづけ包絡線は，他方の第２の交差領域における交差幅重みづけ包絡線を弾性表面波の伝搬方向と垂直に平行移動かつ伝搬方向にも平行移動した形状とすることができる。

上記本発明の目的を達成する弾性表面波装置は，上記第１の側面において，
前記第２の交差領域は第1の交差領域の両側に形成され、第２の交差領域における交差幅重みづけ包絡線は，前記第１の交差領域の両側で弾性表面波の伝搬方向を軸に鏡面対称の形状とすることができる。

上記本発明の目的を達成する弾性表面波装置は，上記第１の側面において，
前記第２の交差領域は第1の交差領域の両側に形成され、第２の交差領域における交差幅重みづけ包絡線は，前記第１の交差領域の両側で互いに異なる形状とすることができる
上記本発明の目的を達成する弾性表面波装置の第２の側面は
少なくとも１個のインターデジタルトランスデューサを有する弾性表面波装置であって，
前記インターデジタルトランスデューサは，
それぞれ共通電極に接続された複数の櫛形電極が交差するように配置され，
前記複数の櫛形電極が交差する領域について，弾性表面波の伝搬方向に沿う全域に渉って交差幅が一定の第１の交差領域と，前記第１の交差領域の両側に形成され，交差幅が前記弾性表面波の伝搬方向に沿って重みづけされている第２の交差領域を有し，前記第２の交差領域における交差幅重みづけ包絡線は、弾性表面波の伝搬方向において１つのみの変化点を有し、
前記第１の交差領域の両側で弾性表面波の伝搬方向と垂直に平行移動した形状である。

上記本発明の目的を達成する弾性表面波装置は，上記第２の側面において，
前記第２の交差領域における一方の交差幅重みづけ包絡線は，他方の第２の交差領域における交差幅重みづけ包絡線を弾性表面波の伝搬方向に平行移動した形状とすることができる。

上記本発明の目的を達成する弾性表面波装置は，上記において，
前記第２の交差領域における交差幅重みづけ包絡線は，前記弾性表面波の伝搬方向を変数ｘとするとき，周期関数ｆ（ｘ）で表される形状とすることができる。

上記本発明の目的を達成する弾性表面波装置は，上記において，
前記第２の交差領域の大きさが，前記インターデジタルトランスデューサの開口長の５％以上に設定することができる。

上記本発明の目的を達成する弾性表面波装置は，上記において，
前記第２の交差領域における重み付けの交差幅の大きさに関し，最小の重み付け交差幅を，開口長の９５％以下に設定することができる。

上記本発明の目的を達成する弾性表面波装置は，上記において，
前記共通電極が前記第２の交差領域における交差幅重みづけ包絡線に対応する形状を成すことができる。

本発明の特徴は，以下に図面に従い説明される発明の実施の形態例から更に明らかになる。

本発明により、横モードスプリアスを抑圧し、かつ正規型電極と同様の特性が実現される。

以下に本発明の実施の形態例を図面に従い説明する。なお，実施の形態例は本発明の説明のためのものであり，本発明の技術的範囲がこれに限定されるものではない。

図３は，本発明の一実施例構成を示す図である。

先に図１，図２で示したように一対の反射電極２ａ，２ｂと，前記反射電極２ａ，２ｂ間にインターデジタルトランスデューサ１が配置された弾性表面波装置であって，反射電極２ａ，２ｂ及びインターデジタルトランスデューサ１は，LiTaO₃、LiNbO₃、Li₂B₄O₇、水晶などの図示しない圧電基板上に形成されている。

そして，特徴として，前記インターデジタルトランスデューサ１は，それぞれ共通電極（バスバー）１ａ，１ｂに接続された複数の櫛形電極１ｃが交差するように配置されて構成される。複数の櫛形電極１ｃの交差する領域について，弾性表面波の伝搬方向（図の矢印方向）に沿う全域に渉って交差幅が一定の第１の交差領域Ａと，前記第１の交差領域Ａの両側に形成され，交差幅が前記弾性表面波の伝搬方向に沿って重みづけされている第２の交差領域Ｂを有している。

かかる構成により，図中の交差領域Ａにおいては正規型ＩＤＴと同様に機能する為，弾性表面波の励振強度分布は矩形となり、基本モード１０の中心近傍に対応する。そして交差領域Ｂ（以下 重み付け交差領域Ｂという）においてはＩＤＴ１のＳＡＷ伝搬と垂直方向外側に向かって励振強度が除々に弱くなるような重み付けをＩＤＴに施してある。その為に交差領域Ａと交差領域Ｂを合わせた弾性表面波の励振強度分布は、基本横モード１０ａに近似した形となる。これにより基本横モード１０ａのみが発生し、高次横モードは抑圧される。

一方，弾性表面波の伝搬方向に沿った交差幅分布１１は，第１の交差領域Ａにより矩形状になり，これに第２の交差領域Ｂによる交差幅１１ａが重畳したパターンとなる。すなわち，第２の交差領域Ｂにおいて，弾性表面波伝搬方向と垂直方向に平行移動した交差幅重みづけ包絡線で重み付けを施す。これにより、交差幅１１ａは，隣接した交差幅では凸凹となるが、凸凹の差は一般的には交差領域Ａの交差幅に対して少ない量であり、交差幅の伝搬方向に沿う分布１１はほぼ矩形に保たれる。

この結果、矢印方向即ち，弾性表面波の伝搬方向での励振強度は正規型ＩＤＴに近似した矩形を維持する。

上記のとおり，本発明により高次横モードによるスプリアスを抑圧し、かつ正規型電極と同様の特性が実現可能となる。

ここで，バスバー１ａ，１ｂにダミー電極を設けるのが一般的であるが，交差領域Ｂにおいて，図４Ａ，図４Ｂに示す実施例のようにダミー電極を設けない場合でも同様に高次横モード抑圧に対する効果が得られる。

図４Ａは，バスバー１ａ，１ｂにダミー電極が存在せず，バスバー１ａ，１ｂ自体が，交差領域Ｂにおける櫛形電極１ｃの交差量の重み付けに対応するベタパターン形状を有するように設定されている。図４Ｂは，バスバー１ａ，１ｂにダミー電極が存在せず，空隙を有するように設定されている例である。

ここで，弾性表面波の伝搬方向に沿う全域に渉って交差幅が一定の第１の交差領域Ａと，この第１の交差領域Ａの両側に形成され，交差幅が前記弾性表面波の伝搬方向に沿って重みづけされている第２の交差領域Ｂとの幅方向の大きさの割合について，弾性表面波装置を帯域フィルタとして用いたときの，この好ましい値について考察する。

図５は，重み付け領域である第２の交差領域Ｂの幅の割合を次式により求めた値と，弾性表面波装置を帯域フィルタとして用いたときの通過帯域内のリップルの大きさとの関係を測定したグラフである。

重み付け領域の幅（％）
＝第２の交差領域Ｂ÷（第１の交差領域Ａ＋第２の交差領域Ｂ）×１００
なお，（第１の交差領域Ａ＋第２の交差領域Ｂ）は，ＩＤＴの開口長に相当する。

このとき，重み付け領域である第２の交差領域Ｂの幅の割合を５％以上とするとき，過帯域内のリップルの大きさを３ｄＢ以下に抑えることができる。

これらから，本発明に従う弾性表面波装置が帯域フィルタの求められる特性を得るために，重み付け領域の幅（％）をＩＤＴの開口長の５％以上とすればよいことが理解できる。

また，第２の交差領域Ｂにおける重み付けの変化パターンと弾性表面波装置を帯域通過フィルタとするときの特性について考察する。

図６は，第２の交差領域Ｂにおける交差幅重みづけ包絡線が第１の交差領域の両側で弾性表面波の伝搬方向を軸に鏡面対称となっており、第２の交差領域Ｂにおいて存在する重み付けにより最小ピークと最大ピークが生じる例を示している。このとき，最小ピークＰ１と最大ピークＰ２間の最小交差幅の大きさを，最小ピークＰ１の開口長に対する割合（％）で表すことができる。交差幅分布の各ピーク間の最小交差幅は、最大交差幅の９５％以下であることが妥当である。これは９５％よりも最小交差幅が大きい場合は、高次横モード抑圧の為の重み付けの効果がほとんどない為である。

図７は、ピーク間の最小交差幅を変化させて、フィルタの通過帯域内リップルを測定した結果である。この結果から、ピーク間の最小交差幅を９５％以下にすれば、高次横モードを抑圧する効果が現れ、通過帯域内のリップルを指数関数的に減少できることがわかる。

ここで，上記実施例において，第２の交差領域Ｂにおける重み付けの変化パターンとして，図３に示すＳＩＮ曲線に沿って変化する例を示した。しかし，本発明の適用は，かかる実施例に限定されるものではない。

すなわち，図８Ａ，８Ｂに本発明の実施例（その１，その２）として第２の交差領域Ｂにおける種々の重み付けの例を，それらを包絡線パターンとして示す。

図８Ａにおいて，（ａ）は交差幅重みづけ包絡線がＣＯＳ（またはＳＩＮ）の周期関数ｆ（ｘ）であり，図３に示した実施例と同様である。

（ｂ）は三角波の周期関数である。（ｃ）は１，０値が交番する周期関数である。（ｄ）はＩＤＴ全体でなく，一部に重み付けが形成される例である。（ｅ）は異なる関数の組み合わせの例である。（ｆ）は複数の周期でなく，１周期以下の例であり，変化点が１つだけとなるが，従来構造のように交差幅重みづけ包絡線が弾性表面波の伝搬方向を軸に鏡面対称となっていないので、伝搬方向に沿った交差幅の分布がほぼ矩形をなす例である。

さらに，図８Ｂにおいて，（ｇ）は（ｆ）のパターンと一部は重み付けをなくした領域を有するパターン例である。（ｈ）は第２の交差領域Ｂにおける交差幅重み付け包絡線が互いに異なる例である。

（ｉ）は第２の交差領域Ｂにおける一方の交差幅重み付け包絡線が他方の交差幅重み付け包絡線を伝搬方向と垂直に平行移動かつ伝搬方向にも任意に平行移動した例である。（ｈ），（ｉ）いずれの場合も交差幅の分布がほぼ矩形をなす為、同様の効果が得られる。

（ｊ）は，第２の交差領域を第１の交差領域の片側のみに形成した実施例である。第１の交差領域の両側に，第２の交差領域を形成する場合に較べ，効果は低減するが，図２に示した従来の正規型の構成に比し，良好な効果を得ることができる。

このような，重み付けのいずれの場合も本発明の要件を有するものであり，本発明の効果が得られる。

図９ＡにLi₂B₄O₇基板にて試作した３ＩＤＴ型共振器フィルタと１ポート共振子をカスケード接続したデバイスの特性を示す。図９Ｂは図９Ａの帯域内の拡大図である。図において，点線が正規型ＩＤＴでの実測特性、実線が本発明を適用した場合の実測特性である。

重み付けはＣＯＳ関数を用いており、３ＩＤＴ型共振器フィルタ、１ポート共振子ともにＩＤＴ対数が１００対以上と十分に多い為、図６に示されるような重み付けがＩＤＴ上下で鏡面対称となっている。スプリアスが抑圧出来、かつ正規型ＩＤＴの場合と同等の帯域幅及び帯域外減衰特性が実現出来ている。

上記したように，本発明により、横モードスプリアスを抑圧し、かつ正規型電極と同様の特性を実現出来る。これにより，設計自由度が高く、優れた特性のＳＡＷ共振器およびＳＡＷ共振器フィルタの設計が可能となる。

１ポートＳＡＷ共振器を例を示す図である。 高次横モードのスプリアスに対策する為の従来構成を示す図である。 本発明の一実施例構成を示す図である。 バスバー１ａ，１ｂ自体が，交差領域Ｂにおける櫛形電極１ｃの交差量の重み付けに対応するベタパターン形状を有するように設定されている例を示す図である。 バスバー１ａ，１ｂにダミー電極が存在せず，空隙を有するように設定されている例を示す図である。 重み付け領域である第２の交差領域Ｂの幅の割合を次式により求めた値と，弾性表面波装置を帯域フィルタとして用いたときの通過帯域内のリップルの大きさとの関係を測定したグラフである。 第２の交差領域Ｂにおいて存在する重み付けにより生じる最小ピークと最大ピークが生じる例を示す図である。 ピーク間の最小交差幅を変化させて、フィルタの通過帯域内リップルを測定した結果を示すである。 本発明の実施例として第２の交差領域Ｂにおける種々の重み付けの変化パターンの例（その１）を示す図である。 本発明の実施例として第２の交差領域Ｂにおける種々の重み付けの変化パターンの例（その２）を示す図である。 Li₂B₄O₇基板にて試作した３ＩＤＴ型共振器フィルタと１ポート共振子をカスケード接続したデバイスの特性を示す図である。 図９Ａの帯域内の拡大図である。

符号の説明

１ ＩＤＴ（インターデジタルトランスデューサ）
１ａ，１ｂ バスバー
１ｃ 櫛形電極
２ａ，２ｂ 反射器
１０ ＳＡＷの励振強度分布
１０ａ 基本横モード
１０ｂ ３次横モード
１１ 櫛型電極の交差幅の伝搬方向に沿う分布

Claims (7)

1. 少なくとも１個のインターデジタルトランスデューサを有する弾性表面波装置であって、
   前記インターデジタルトランスデューサは、
   それぞれ共通電極に接続された複数の櫛形電極が交差するように配置され、
   前記複数の櫛形電極が交差する領域について、弾性表面波の伝搬方向に沿う全域に渉って交差幅が一定の第１の交差領域と、前記第１の交差領域の両側に形成され、交差幅が前記弾性表面波の伝搬方向に沿って重みづけされている第２の交差領域を有し、前記第２の交差領域における交差幅重みづけ包絡線は、弾性表面波の伝搬方向において１つのみの変化点を有し、
   前記第１の交差領域の両側で弾性表面波の伝搬方向と垂直に平行移動した形状であることを特徴とする弾性表面波装置。
2. 請求項１において、
   前記第２の交差領域における一方の交差幅重みづけ包絡線は、他方の第２の交差領域における交差幅重みづけ包絡線を弾性表面波の伝搬方向に平行移動した形状であることを特徴とする弾性表面波装置。
3. 請求項１において、
   前記第２の交差領域は第１の交差領域の両側に形成され、第２の交差領域における一方の交差幅重みづけ包絡線は、他方の第２の交差領域における交差幅重みづけ包絡線を弾性表面波の伝搬方向と垂直に平行移動かつ伝搬方向にも平行移動した形状であることを特徴とする弾性表面波装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記第２の交差領域における交差幅重みづけ包絡線は、前記弾性表面波の伝搬方向を変数ｘとするとき、周期関数ｆ（ｘ）で表される形状をなしていることを特徴とする弾性表面波装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記第２の交差領域の大きさが、前記インターデジタルトランスデューサの開口長の５％以上に設定されていることを特徴とする弾性表面波装置。
6. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記第２の交差領域における重み付けの交差幅の大きさに関し、最小の重み付け交差幅を、開口長の９５％以下に設定されていることを特徴とする弾性表面波装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記共通電極が前記第２の交差領域における交差幅重みづけ包絡線に対応する形状をなしていることを特徴とする弾性表面波装置。

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