JP2000323957A - 弾性表面波デバイス - Google Patents
弾性表面波デバイスInfo
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Abstract
のより大きなグレーティングを実現する手段を得る。 【解決手段】 圧電基板に形成した弾性表面波トランス
デューサおいて、励振中心に対して反射中心の空間的位
相が90度ずれているような基板切り出し角度あるいは
電極構造の場合にのみ、そのトランスデューサを電気的
に開放して形成する開放型グレーティングを用いた弾性
表面波デバイスである。
Description
に関し、特にグレーティング反射器(以下、反射器と称
す)の構造を開放型反射器とした弾性表面波デバイスに
関する。
広く利用され、高性能、小型、量産性等の優れた特徴を
有することから特に携帯電話等に多く用いられている。
弾性表面波共振子(以下、SAW共振子と称す)やSA
W共振器型フィルタの反射器として、バスバーにて電気
的に短絡された短絡型反射器が一般に用いられている。
図4(a)はSAW共振子の一例であり、圧電基板11上
に表面波の伝搬方向に沿ってIDT電極12と、その両側
に反射器13、14を配置したものである。そして、IDT
電極12は互いに間挿し合う複数本の電極指を有する一対
の電極より形成され、一方の電極は入力端子INに接続
し、他方の電極は出力端子OUTに接続する。反射器13、1
4はIDT電極12の電極指ピッチとほぼ同じピッチの複
数の電極指を有し、図4(a)に示すように、電極指の
両端でバスバーにて短絡された反射器(短絡型反射器と
いう)と、同図4(b)に示すように、反射器15、16の
電極指の中央でバスバーにて短絡された反射器等があ
る。
周知のように、圧電基板、電極指本数、電極指ピッチ、
電極の膜厚等で決まるストップバンドを形成する。この
とき、反射器を構成する電極指の反射係数が大きいほ
ど、表面波の振動エネルギーを閉じ込めるストップバン
ド幅は広くできる。また、反射係数が大きければより少
ない反射器本数で、表面波の振動エネルギーを閉じ込め
ることができ、SAW共振子の小型化が可能となる。
T水晶板、36°Y−X LiTaO3あるいは64°Y−X LiNbO3等
の圧電基板では、反射器の電極が正規型の場合、短絡型
反射器の方が開放型反射器(電極指がバスバーで短絡さ
れていない反射器)よりも反射係数を大きくできるので
小型化には有利である。この理由は、短絡型反射器にお
いては電気的効果による反射波と機械的効果による反射
波とが同位相で強め合うのに対し、開放型反射器では電
気的効果による反射波の位相が反転し、機械的効果によ
る反射波と相殺し合うので反射係数が小さくなるためで
ある。
反射器の反射係数が常に大きくなるとは限らず、例えば
128°Y−X LiNbO3圧電基板においては開放型グレーティ
ングとした方が短絡型の場合に比べて反射係数が大きく
なることが知られいる。このように、圧電基板によって
は短絡型反射器あるいは開放型反射器のいずれの方がよ
り反射係数を大きくなるか判然としないという問題があ
った。本発明は上記問題を解決するためになされたもの
であって、短絡型反射器と開放型反射器の反射係数を検
討し、より大きな反射係数を有する反射器を実現し、そ
れを用いてSAW共振子やSAWフィルタを小型化する
ことを目的とする。
に本発明に係る弾性表面波デバイスの請求項1記載の発
明は、圧電基板上に弾性表面波トランスデューサとグレ
ーティング反射器とを備えた弾性表面波デバイスであっ
て、励振中心に対して反射中心の空間的位相が90度ず
れるように設定した弾性表面波トランスデューサの構造
を有する開放型グレーティングを前記グレーティング反
射器として用いたことを特徴とする弾性表面波デバイス
である。請求項2記載の発明は、前記開放型グレーティ
ングのバスバーを1周期毎に分割したことを特徴とする
請求項1記載の弾性表面波デバイスである。
形態に基づいて詳細に説明する。図1は本発明に係る反
射器を用いたSAW共振子の構成を示す平面図であっ
て、圧電基板1上に表面波の伝搬方向に沿ってIDT電
極2と、その両側に反射器3、4を配置したものである。
そして、IDT電極2は互いに間挿し合う複数本の電極
指を有する一対の電極より形成され、一方の電極は入力
端子INに接続し、他方の電極は出力端子OUTに接続す
る。反射器3、4はIDT電極2の電極指ピッチとほぼ同
じピッチの複数の電極指を有する開放型反射器である。
射器の電極指を開放した場合と短絡した場合とでいずれ
の方の反射係数が大きくなるかを、モード間結合係数κ
12を用いて詳細に検討してみる。周知のように、モード
間結合係数κ12は、グレーティングの伝搬方向における
単位長さ当たりの反射係数を表している。一般にモード
間結合係数κ12をグレーティングの波数kで規格化して
扱い、κ'12=κ12/kと「’」を付けて表すこが多いので、
本明細書でも規格化したものを用いることにする。グレ
ーティングを電気的に短絡したときのモード間結合係数
κ'12S=κ12S/kと、開放したときのモード間結合係数
κ'12O=κ12O/kとの関係は次式のように表される。 κ'12O=κ'12S−(2α2)/(ωCk) (1) ここで、αは結合係数であり、トランスデューサとして
みた場合、励振の強さを表し、ωは励振時の角周波数、
Cは単位長さ当たりの静電容量である。式(1)に用い
た定数κ12、α、Cは全て弾性表面波のモード結合理論
で用いられるパラメータであり、文献 "Equivalent Cir
cuits for Unidirectional SAW-IDT's Based on the Co
upling-of-Modes Theory"(Nakamura and Hirota, IEEE
Transactions on Ultrasonics, Ferroelectric, and Fr
equency Control, vol. UFFC-43,pp.467-472)で定義し
ているものと同一である。また、式(1)は文献 "Anal
ysis of Metal-Strip SAW Gratings and Transducers"
(D.P.Chen and H.A.Haus, IEEE Transactions on Sonic
s and Ultrasonics, vol. SU-32, pp.395-408)において
式(7.21)に示されているように理論的に導出された式で
ある。モード間結合係数κ12、αは一般に複素数であ
り、それらの位相φ、ψは反射中心、励振中心の空間的
位相を表しており、それぞれ次式のように表される。 κ12=|κ12|ej2 φ (2) α=|α|ej ψ (3) 周知のように、位相φやψは相対的なもので、座標原点
のとり方により変わる。そこで励振中心(正規型では電
極中央)を原点にとれば、ψ=0でα>0となる。さら
に、両方向性トランスデューサに限定して考えれば、反
射中心と励振中心の位相差は|φ−ψ|=|φ|は0°、90
°、180°のいずれかとなるので、式(2)は実数であ
り、正または負の値をとることになる。
条件に分けて考える。 (イ)κ'12Sが正で(2α2)/(ωCk)が小さいとき(0
<(2α2)/(ωCk)<κ'12S) 0<κ'12O<κ'12S となるため、短絡型グレーティングの反射係数のほう
が、開放グレーティングのそれより大きいことが分か
る。従って、SAW共振子を小型化するには、反射器に
短絡型グレーティングを用いた方が良い。 (ロ)κ'12Sが正で(2α2)/(ωCk)が大きいとき(0
<κ'12S<(2α2)/(ωCk)) κ'12O<0<κ'12S となるが、短絡モード間結合係数と開放モード間結合係
数との絶対値の大小関係は定まらない。もし、κ'12S×
2<(2α2)/(ωCk)であれば、|κ'12O |>|κ'12S
|となる。このような関係は36°Y−X LiTaO3などの高結
合係数をもつ圧電基板を用いて、電極膜厚を薄く、且つ
グレーティングのライン占有率(電極指幅とスペース幅
との和に対する電極指幅の比)を70%以上と広くした場
合に生じる。しかし、その絶対値|κ'12O |は|κ'12S |
が最大となるライン幅における|κ' 12S |の値を越える
ことはない。結果として、開放型グレーティングより短
絡グレーティングの方が大きな反射係数が得られること
になり、SAW共振子を小型化するには短絡型グレーテ
ィングの反射器を用いた方が適している。
相がπだけ異なるので、空間的に位置が90°異なる)す
る場合である。このとき式(1)よりκ'12O<κ'12S<
0であり、開放型グレーティングの反射係数の方が短絡
型グレーティングのそれより、絶対値の大きな反射係数
が得られる。従って、SAW共振子を小型化するには開
放型グレーティングの反射器を用いた方が適しているこ
とになる。
場合かを考える。正規型電極と圧電基板との組み合わせ
でκ'12S<0となる例は、「ランガサイトならびにKNbO3
基板上のAl電極によるSAWの反射特性」(喜多他、A-1
1-20、信学会総合大会、98)に開示されている。これに
よると、オイラー角(90°、90°、23°)のランガサイ
ト(La3Ga5SiO14)基板にアルミニウムの0.2%λ以上の
電極膜厚の組み合わせで、κ'12S<0となることが示さ
れている。即ち、図5(上記文献の図1(a))の反射率
(Reflectivity)は絶対値表示であり、図中のshortで
示す反射率特性が横軸(hは電極の厚さ、pは周期)のα
で示す0.2%λあたりで0となり、上に折れ曲がっている
ことから分かる。反射器の電極膜厚を0とし、電気的効
果のみがある場合、反射率係数は正となることを考慮す
ると、0.2%λ以下の非常に薄い電極膜厚では、必ず正の
電気的効果による短絡反射器の反射係数が優勢であり、
0.2%λ付近を境にその符号が逆転し、0.2%λ以上では負
となっている。
イン占有率50%のアルミニウムの正規型IDT電極を設
けると、2次以上の項を省略して次式で近似できる。 κ'12S =0.00611−0.166h/λ (4) これより、h/λ>0.0368でκ'12S<0であり、|κ'12O |
>|κ'12S |となることが保証される。同じくライン占
有率50%において、ほぼ(2α2)/(ωCk)=0.001234で
あるので、式(1)と式(4)により、 κ'12O =−0.00623−0.166h/λ (5) が得られる。式(4)と式(5)により与えられるκ'
12Sとκ'12Oの絶対値を図2に示す。横軸は規準化電極
膜(h/λ)であり、実線が短絡型|κ'12S |、破線が開
放型|κ'12O |である。これより0<h/λ<0.0368におい
ても|κ'12O |>|κ'12S |となることが分かる。つま
り、図2より、全ての規準化電極膜(h/λ)においても
開放型反射器の反射係数が短絡型反射器の反射係数より
大きいことが明らかである。このように、開放型反射器
の反射係数(開放モード間結合係数)が短絡型反射器の
反射係数(短絡モード間結合係数)より大きい場合に
は、開放型反射器を用いた方がSAW共振子の小型化に
適している。
を説明したが、先に提案した反射反転型電極を用いれば
基板材料にかかわらずκ'12S<0を実現することができ
る。反射反転型電極に関しては、先行する特許出願(特
願平10−023918号)にて詳細に説明しているので、簡単
に説明する。反射反転型IDT電極は、図6(a)に示
すように、幅員W1の第1の電極指17と、図中右方に間
隙g1をおいて幅員W2の第2の電極指18と、図中右
方に間隙g2をおいて幅員W3の第3の電極指19と、電
極指117と19の両側の(g3)/2のスペースから成る
単位区間、即ち一波長λ当たり3本の電極指で構成され
る単位区間を圧電基板上に繰り返し配列したものであ
る。さらに、第1の電極指17の幅員W1と第3の電極指
19の幅員W3とをW1=W3とし、第1の電極指17と第
2の電極指18との間隙g1と、第2の電極指18と第3の
電極指19との間隙g2とをg1=g2とする。そして、
電極指17と19とを電極指18と逆相にて駆動する。
断面図であり、くし形電極に高周波電圧を印加してID
T電極を駆動した場合のある瞬間の表面電位を示したも
のである。電位は第2の電極指18に対して左右対称であ
り、励振中心は第2の電極指18の中央となることが分か
る。次のように、一波長λ当たりの電極指を3本とした
IDT電極の単位区間当たりの反射係数Γ1(反射ベク
トル)を求める。図7(a)に示すようにIDT電極の
任意の1区間、即ち、電極指17〜19の各両端の6つのエ
ッジ面E1〜E6からの短絡条件における反射ベクトル
E1〜E6(Ei(i=1〜6)はエッジ面を示すと同時
にそのエッジからの反射ベクトルも示すものとする)を
求めてみると、図7(b)に示すように6つの反射ベク
トルE1〜E6が求まる。この場合、正規型IDT電極
がその励振中心である電極指の中央を規準とするよう
に、図7(a)に示す第2の電極指18の中央を反射の基
準とし、その位置での反射係数を図示している。これら
反射ベクトルE1〜E6の合成ベクトルは、図7(b)
に示すように反射ベクトルГ1となる。
ことに対応)反射ベクトルГ1は、正規型IDT電極の
反射ベクトル(電極指の中央において、−π/2)とは
異なり、π/2の位相を示している。従って、両者の位
相はπだけ異なることなる。反射係数の位相回転は波の
往復が寄与するため、その位相の半分だけ反射面が移動
したことに相当する。すなわち正規型と比べて反射中心
がλ/4だけ異なることになる。Г1とκ'12Sとは、Г
1=−j2πκ'12Sにより換算でき、Г1の位相がπだ
け異なるということは、κ'12Sの符号が逆転するという
ことである。
る基板であっても、以上説明した反射反転型電極を用い
ることによりκ'12S<0となる。反射反転電極構造を用
いてトランスデューサ及び反射器を構成し、フィルタ等
を実現する場合、開放型の反射反転電極グレーティング
を用いた方が大きな反射係数を得ることができる。
反転型電極構造を用いてSAW共振子を構成した本発明
の他の実施例を示す平面図であって、圧電基板1の主面
上に表面波の伝搬方向にに沿って上述した反射反転型電
極構造のIDT電極5とその両側に反射反転型電極構造
の反射器6、7を配置して構成したものである。本明細書
では図3(a)の反射器6、7の構造を開放型と称してい
る。また、図3(b)は開放型グレーティング6、7の
バスバーを1周期毎に分割した例であり、同図(a)と
同様な効果がある。
ので、短絡型グレーティングに比べて反射係数のより大
きな開放型グレーティング電極が可能となり、該開放型
グレーティングをSAWデバイスに適用する事により、
該デバイスを小型にする、またはストップバンドが広が
ることにより小型化や広帯域化とすることが可能となっ
た。従って、このデバイスを携帯電話等に用いれば従来
のものより小型化することができるという優れた効果を
奏す。
子の構成を示す平面図である。
Alグレーティング電極を設けた場合の電極一本当たり
の反射量を、規準化電極膜(h/λ)に対して図示した図
で、実線が短絡型、破線が開放型の場合である。
示す平面図であって、反射反転型のIDT電極と反射器
を用いて構成したSAW共振子で、(b)はバスバーを
1周期毎に分割してある。
SAW共振子の構成を示す平面図である。
ィングを設けた場合の規準化膜厚と反射率の関係を表す
図である。
平面図、(b)はその電極上の表面電位を示した断面図
である。
個のエッジ面(E1〜E6)を示す断面図、(b)は前記6
個のエッジ面における反射ベクトルE1〜E6とその合
成ベクトルΓ1を示す。
Claims (2)
- 【請求項1】 圧電基板上に弾性表面波トランスデュー
サとグレーティング反射器とを備えた弾性表面波デバイ
スであって、励振中心に対して反射中心の空間的位相が
90度ずれるように設定した弾性表面波トランスデュー
サの構造を有する開放型グレーティングを前記グレーテ
ィング反射器として用いたことを特徴とする弾性表面波
デバイス。 - 【請求項2】 前記開放型グレーティングのバスバーを
1周期毎に分割したことを特徴とする請求項1記載の弾
性表面波デバイス。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11128913A JP2000323957A (ja) | 1999-05-10 | 1999-05-10 | 弾性表面波デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11128913A JP2000323957A (ja) | 1999-05-10 | 1999-05-10 | 弾性表面波デバイス |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000323957A true JP2000323957A (ja) | 2000-11-24 |
JP2000323957A5 JP2000323957A5 (ja) | 2006-06-22 |
Family
ID=14996474
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11128913A Withdrawn JP2000323957A (ja) | 1999-05-10 | 1999-05-10 | 弾性表面波デバイス |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000323957A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018123882A1 (ja) * | 2016-12-26 | 2018-07-05 | 株式会社村田製作所 | 弾性波装置 |
-
1999
- 1999-05-10 JP JP11128913A patent/JP2000323957A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018123882A1 (ja) * | 2016-12-26 | 2018-07-05 | 株式会社村田製作所 | 弾性波装置 |
US11018650B2 (en) | 2016-12-26 | 2021-05-25 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Acoustic wave device |
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