JP2002314363A - 表面弾性波素子 - Google Patents
表面弾性波素子Info
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Abstract
ることを可能とする。 【解決手段】 表面弾性波の波長をλとしたときに、前
記正電極指の幅がおよそλ/8で、該正電極指の中心か
ら電極幅W1が18/80λ≦W1≦20/80λの範囲
にある第1の負電極指の中心までの距離d1が23/8
0λ≦d1≦25/80λとなり、さらに電極幅W2が2
0/80λ≦W2≦26/80λの範囲にある第2の負
電極指と前記正電極指の中心との距離d2 が54/80
λ≦d2≦55/80λとなるように表面弾性波の伝搬
方向に沿って、前記各電極を形成する。
Description
に用いられる表面弾性波素子に関する。
信機器が飛躍的に普及しているが、これら端末に用いら
れるフィルタには低損失、広帯域、小型等の特性が求め
られ、これらの特性を満たすデバイスとして単相一方向
性変換器をもつ伝送型表面弾性波(SAW)フィルタが
実用化されている。単相一方向性フィルタにおいては、
励振波と反射波との位相差が、前方(順方向)には同相
となり2つの波が強め合い、反対方向(逆方向)では2つ
の波が打ち消しあうため前方方向のみに表面弾性波が強
く励振される。これにより、送信電極と受信電極の一方
向性の向きを向かい合わせる事により、理論的には1dB
以下の低損失フィルタを実現する事が可能となる。
非対称な電極構造を用いたEWC-SPUDT、DART−SPUDTが考
案されている。電極構造の非対称性を利用したこれらの
フィルタのほかに、自然一方向性フィルタ(NSPUDT:N
atural Single Phase Unidirecitonal Transduce
r)というものがある。自然一方向性フィルタは、基板
結晶の非対称性を利用し一方向性を実現する。このた
め、正規型インターディジタルトランスジューサ(ID
T)構造と呼ばれる、電極幅及び電極間隔がともにλ/
4となる正負電極指が周期的に複数連続的に配置された
構造の変換器で一方向性が実現できる。
成しても正規型IDTを励振駆動することにより発生す
る弾性表面波はST−X水晶基板上において正規型ID
Tの双方向に伝搬してしまい、一方向性を実現できな
い。つまり、自然一方向性とは、圧電基板表面に正規型
IDTを形成したときに一方向に弾性表面波が強く励振
される基板の特性を示すものである。この自然一方向性
基板を用いる弾性表面波変換器では、基板自体の異方性
を利用しているため送信側変換器と受信側変換器の順方
向を向かい合わせる事が出来ない。送受信電極間で一方
向性を向かい合わせる事ができなければ低損失なフィル
タを作製することは不可能である。
によって自然一方向性の方向を反転させる電極構造とし
て、特開平8−125484号公報において、幅がほぼ
λ/8でλのピッチで配列された正および負の電極指
と、この電極指の間にほぼλ/8のエッジ間隔で配置さ
れた電極幅が3/8λの浮き電極によって構成された表
面弾性波変換器が提案されている。
特性は、基板として用いられる圧電結晶の特性に依存し
ている。この圧電結晶の特性として電気機械結合係数が
大きいということと、周波数温度特性が良好であること
が重要となる。現在、この2つの特性を同時に満足する
結晶としてランガサイトが注目されている。オイラー角
表示で(φ,θ,ψ)とした時に−5°≦φ≦5°,1
35°≦θ≦145°,20°≦ψ≦30°の範囲内に
あるランガサイトは電気機械結合係数が0.3%〜0.
4%であり、周波数温度特性は2次の依存性を示し、室温
付近に頂点温度が存在する。電気機械結合係数はST水
晶の約3倍であり、周波数温度特性における2次温度係数
は水晶の2倍程度と非常に良好な特性をもち、低損失な
表面弾性波フィルタへの応用が期待される結晶である。
サイト単結晶はNSPUDT特性をもち、この基板を用いて低
損失フィルタを実現するには、送受信電極で一方向性の
向きが対向するような電極構造を構成しなければならな
い。そのために、送信電極に電極幅及び電極間隔がとも
にλ/4となる正負電極指が周期的に複数連続的に配置さ
れた正規型IDTを用いた場合には、受信電極には一方
向性が反転した構造を用いなければならないが、竹内氏
らより提案されている電極構造では、フィルタの低損失
化という要求にこたえることが出来ない。本発明はこの
ような事情に鑑みてなされたものであり、より低損失な
伝送型表面弾性波(SAW)フィルタを構成することを
可能とした、表面弾性波素子を提供することを目的とす
る。
に、請求項1に記載の発明は、自然一方向性を有するよ
うに基板方位及び表面弾性波伝搬方向が選択されたラン
ガサイト単結晶基板表面に形成され、表面弾性波の波長
λの周期内に配設される正電極指と、該正電極指の片側
に配設される第1の負電極指及び第2の負電極指とから
なる表面弾性波変換器を有する表面弾性波素子であっ
て、前記弾性表面波変換器は自然一方向性が反転するよ
うに表面弾性波の伝搬方向に沿って、前記各電極が形成
されていることを特徴とする。
に記載の表面弾性波素子において、前記ランガサイト単
結晶基板は、基板方位及び弾性表面波伝搬方向をオイラ
ー角表示で(φ,θ,ψ)とした時に−5°≦φ≦5
°,135°≦θ≦145°,20°≦ψ≦30°の範
囲内にあること、またはこれと等価な方位であることを
特徴とする。
に記載の表面弾性波素子において、前記表面弾性波変換
器における前記正電極指に対する第1及び第2の負電極
指の位置関係とこれら電極指の幅は、表面弾性波の波長
をλとしたときに、前記正電極指の幅がおよそλ/8
で、該正電極指の中心から電極幅W1が18/80λ≦
W1≦20/80λの範囲にある第1の負電極指の中心
までの距離d1が23/80λ≦d1≦25/80λとな
り、さらに電極幅W2が20/80λ≦W2≦26/80
λの範囲にある第2の負電極指と前記正電極指の中心と
の距離d2 が54/80λ≦d2≦55/80λとなる
ことを特徴とする。
て図面を参照して詳細に説明する。まずランガサイト圧
電基板上に、電極幅及び電極間隔がともにλ/4となる正
負電極指が周期的に複数連続的に配置された、いわゆる
正規型電極(正規型IDT)を形成し、これを励振駆動
したときに、自然一方向性を有する原理について図1を
参照して説明する。図1に正規型電極の模式図を示す。
同図において、この正規型電極は、正電極1および負電
極2からなり、正電極1を構成する正電極指1Aと、こ
の正電極指1Aの左右に配置された負電極2を構成する
負電極指2A及び2Bとの間に電界が発生する。このと
きに、この電界によって励振されることによりランガサ
イト圧電基板に発生した弾性表面波の励振中心は正電極
指1Aのほぼ中心Aとなる。
置されている電極幅λ/4の電極指が表面弾性波の反射
源となる。反射は音響インピーダンスの不連続に起因す
ることから、それぞれの電極指の端部で表面弾性波が反
射する。このように電極指の両端部の2箇所で表面弾性
波が反射するだが、等価的に電極指の中心で反射すると
考えて支障がない。このとき、反射波の位相が変化す
る。この変化量は、圧電基板の種類とその切断面と表面
弾性波の伝搬方向、さらに電極材料とその厚さに依存す
る。例えば圧電基板にSTカットX伝搬水晶、金属材料
としてAlを用いたときには反射波の位相が90°遅れ
る、すなわち位相変化量が90°となる。
表面弾性波伝搬方向をオイラー角表示で(φ,θ,ψ)
とした時に−5°≦φ≦5°,135°≦θ≦145
°,20°≦ψ≦30°の範囲内にある、またはこれと
結晶学的に等価な方位であるランガサイト単結晶を基板
として用い、更に電極材料としてAlを用いて正規型IDT
を形成したときに、電極指によって反射される表面弾性
波の位相変化量は−90+2αとなる。この2αを反射
時の位相ずれと考えたときに、この2αに相当する分だ
け反射中心が電極指の中心からずれたとして反射中心を
定義すると、反射中心のずれδは
のときは左側に反射中心がずれる。
λ/8のときに、正電極指1Aで励振された波と、隣接
する負電極指2A、2Bのそれぞれの反射中心B、Cで
反射された波の点Aでの位相を図1を用いて考える。ま
ず、A→B→Aの経路で反射する波のA点での位相は、
→Aの経路で反射する波のA点での位相は
方向に表面弾性波が強く励振されることになり、一方向
性が実現される。
心と反射中心の距離が、
性を実現することが可能となる。つまり、任意の結晶
に、表面弾性波が励振可能な周期電極構造(IDT)を
形成したときに、その表面弾性波変換器が一方向性を有
するか否かは、励振中心と反射中心の位置が特定できれ
ば断定できる。この励振中心と反射中心の位置はモード
結合理論を用いたときのモード結合パラメータによって
記述される。
κ11、モード間結合係数κ12、励振係数ζ、静電容量C
からなる。ここで、モード間結合係数κ12は
らの反射中心のずれに相当し、そのずれの大きさが(1)
式で表される。また、励振係数ζは
って、反射中心と励振中心の差が(4)式を満たすために
は、モード間結合係数κ12と励振係数ζとの位相の間に
4号公報において提案された一方向性反転電極構造(TCS
-RDT:Tranduction Center Shift type Reversal of Di
rectivity Transducer 構造と呼ぶ)と本発明の実施の形
態に係る表面弾性波素子の電極構造における励振中心と
反射中心の位置について、モード結合理論より解析した
結果を示す。ここで示すランガサイト基板の切断面・伝
搬方向はオイラー角表示で(0°,140°,24°)
である。また、電極材料としてAlを用いている。図3にT
CS-RDT構造を、図4に本発明の実施の形態に係る表面弾
性波素子の電極構造を示す。
極10と、負電極20とからなり、表面弾性波の波長を
λとしたときに、正電極10を構成する正電極指12、
14と、負電極20を構成する負電極指22、24は、
共に電極幅がλ/8であり、正電極指12と負電極指2
4との中心間隔は6λ/8である。また正電極指12と
負電極指24との間に設けられた浮き電極30は、電極
幅が3λ/8であり、正電極指12と浮き電極30との
中心間隔gは3λ/8である。
面弾性波素子に用いられる表面弾性波変換器の電極は、
図4に示すように正電極100と、負電極200とから
なり、表面弾性波の波長をλとしたときに、正電極10
0を構成する正電極指102、104の幅がおよそλ/
8で、1つの正電極指102の片側(図4では右側)に
第1の負電極指202と第2の負電極指204が配設さ
れている。ここで正電極指102の中心から電極幅W1
が18/80λ≦W1≦20/80λの範囲にある負電
極指202の中心までの距離d1が23/80λ≦d1≦
25/80λであり、さらに電極幅W2が20/80λ
≦W2≦26/80λの範囲にある負電極指204と正
電極指102の中心との距離d2 は54/80λ≦d2
≦55/80λである。
形態に係る表面弾性波素子に用いられる表面弾性波変換
器の電極構造における励振係数ζとモード間結合係数κ
12の位相差(α−β)の電極膜厚依存性を示す。この受
信側電極の電極構造パラメータは、第1の正極指の幅が
およそλ/8であり、電極幅W1が20/80λである
第1の負電極指の中心と第1の正電極指の中心との距離
d1 が23/80λである。さらに、電極幅W2が26
/80λである第2の負電極指の中心と第1の正電極指
の中心との距離d2 が54/80λとなる。
極膜厚H/λ(Hは電極膜厚)が0から0.05の間
で、(α−β)の大きさが、0°付近から−30°の間
で推移し、式(8)から明らかなように一方向性を最適
化する角度である−45°まで達しない。これに対し、
本発明の実施の形態に係る電極構造を用いることによ
り、規格化膜厚が約0.01から0.05の間のときに
位相差(α−β)の値が、一方向性を最適化する−45
°となることが判る。
面弾性波素子電極構造と、TCS-RDT構造における規格化
励振係数ζ・λ/2√(ω・C)の電極膜厚依存性を示
す。本発明の実施の形態に係る表面弾性波素子の電極構
造は、TCS-RDT構造と比較して規格化励振係数の大きさ
が約10%増加する。励振係数は電気音響変換の変換効
率に相当するために、大きな値が得られるほど低損失な
デバイスの作製が可能となる。
の電極構造に対して励振中心と反射中心の位置について
の電極膜厚依存性を図7に示す。図7において上部には
図4に示した表面弾性波素子の電極構造の平面図が、下
部のグラフ中には表面弾性波の伝搬方向の位置関係を明
確にするために上記表面弾性波素子の電極構造の断面図
を平面図に対応させて示している。また、これらの図に
おいて、反射中心は○で、励振中心は×で示してある。
同図に示すように、本発明の実施の形態に係る表面弾性
波素子の電極構造において、反射中心は励振中心に対し
て左側に存在し、両者の距離の差はおよそλ/8となるた
めに一方向性の向きは紙面左側となり、自然一方向性の
向きに対して一方向性が反転することが判る。
波素子に用いられる表面弾性波変換器の電極構造を用い
て構成した伝送型表面弾性波フィルタを2種類試作し、
その特性を評価した結果を示す。用いたランガサイト基
板の切断面・伝搬方向はオイラー角表示で(0°,14
0°,25°)である。また、電極材料として、Alを用
いた。供試品としての第1の伝送型表面弾性波フィルタ
(フィルタ#1と記す。)の構成を図8に示す。同図に
おいて、ランガサイト基板300上には表面弾性波の伝
搬方向(+X方向)に沿って、送信電極としての正規型
IDT310と、受信電極としてのIDT320とが設
けられている。正規型IDT310は、正電極312と
負電極314からなり、電極幅及び電極間隔がともにλ
/4となる正電極指313と負電極指315が周期的に
複数連続的に配置されるように形成され、NPUDT特性を
利用して一方向性を実現している。
発明の実施の形態に係る表面弾性波素子の電極構造を用
いており、正電極322及び負電極324からなる。こ
の受信側電極の電極構造パラメータは、正電極指323
の幅がおよそλ/8で、この正電極指323の中心から、
電極幅W1が20/80λである第1の負電極指325
の中心までの距離d1が23/80λである。さらに、
電極幅W2が26/80λである第2の負電極指324
の中心と第1の正電極指323の中心との距離d2が5
4/80λである。
性波フィルタ(フィルタ#2と記す。)は、送信電極に
は前記第1の伝送型表面弾性波フィルタと同じ正規型I
DTを用い、受信電極には図3に示したTCS-RDT構造の
IDTを用いた。両フィルタは、図8に示されるように
送受信電極の一方向性が対向するように配置されてい
る。またランガサイト基板300の両端には、端部での
弾性表面波の反射を吸収するためのダンパー剤340が
塗布されている。フィルタ#1、2の電極指の周期長λ
は、32.15μmで電極Al膜厚は5000Åである。
送受信電極には間引き重み付けを施している。
性の測定結果を図9に示す。図9から本発明フィルタの
通過帯域最小挿入損失、帯域内リップル、帯域内遅延リ
ップルともに改善されていることが判る。具体的には表
1に示すように、通過帯域最小挿入損失はフィルタ#1
が−7.8dBであるのに対して、フィルタ#2は−
9.0dBであり、帯域内リップルはフィルタ#1が
0.21dBであるのに対して、フィルタ#2では0.
58dBである。また帯域内遅延リップルはフィルタ#
1が67.3n secであるのに対して、フィルタ#2で
は80.0n secである。
ば、自然一方向性を有するように基板方位及び表面弾性
波伝搬方向が選択されたランガサイト単結晶基板表面に
形成され、表面弾性波の波長λの周期内に配設される正
電極指と、該正電極指の片側に配設される第1の負電極
指及び第2の負電極指とからなる表面弾性波変換器を有
する表面弾性波素子であって、前記弾性表面波変換器は
自然一方向性が反転するように表面弾性波の伝搬方向に
沿って、前記各電極を形成するようにしたので、電極構
造を特定するためのパラメータ、すなわち前記第1、第
2の正電極指及び第1、第2の負電極指の幅、前記第1
の正電極指と第1、第2の負電極指との中心間距離を適
切に選択することにより、低損失の伝送型表面弾性波フ
ィルタを構成することが可能となる。
現するための励振中心と反射中心の位置関係を示す説明
図。
用いられるIDTの電極構造を示す平面図。
(α−β)の電極膜厚依存性を示す特性図。
図。
用いられるIDTにおける励振中心と反射中心の位置の
電極膜厚依存性を示す特性図。
の構成を示す平面図。
と、TCS-RDT 構造のIDTを受信電極とした伝送型表面
弾性波フィルタの周波数特性を示す特性図
Claims (3)
- 【請求項1】 自然一方向性を有するように基板方位及
び表面弾性波伝搬方向が選択されたランガサイト単結晶
基板表面に形成され、表面弾性波の波長λの周期内に配
設される正電極指と、該正電極指の片側に配設される第
1の負電極指及び第2の負電極指とからなる表面弾性波
変換器を有する表面弾性波素子であって、 前記弾性表面波変換器は自然一方向性が反転するように
表面弾性波の伝搬方向に沿って、前記各電極が形成され
ていることを特徴とする表面弾性波素子。 - 【請求項2】 前記ランガサイト単結晶基板は、基板方
位及び弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で(φ,
θ,ψ)とした時に−5°≦φ≦5°,135°≦θ≦
145°,20°≦ψ≦30°の範囲内にあること、ま
たはこれと等価な方位であることを特徴とする請求項1
に記載の表面弾性波素子。 - 【請求項3】 前記表面弾性波変換器における前記正電
極指に対する第1及び第2の負電極指の位置関係とこれ
ら電極指の幅は、表面弾性波の波長をλとしたときに、
前記正電極指の幅がおよそλ/8で、該正電極指の中心
から電極幅W1が18/80λ≦W1≦20/80λの範
囲にある第1の負電極指の中心までの距離d1が23/
80λ≦d1≦25/80λとなり、さらに電極幅W2が
20/80λ≦W2≦26/80λの範囲にある第2の
負電極指と前記正電極指の中心との距離d2 が54/8
0λ≦d2≦55/80λとなることを特徴とする請求
項2に記載の表面弾性波素子。
Priority Applications (6)
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---|---|---|---|
JP2000166702A JP2002314363A (ja) | 2000-06-02 | 2000-06-02 | 表面弾性波素子 |
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PCT/JP2000/007616 WO2001035528A1 (fr) | 1999-11-11 | 2000-10-31 | Dispositif a ondes acoustiques de surface |
AU79630/00A AU7963000A (en) | 1999-11-11 | 2000-10-31 | Surface acoustic wave device |
DE60016964T DE60016964T2 (de) | 1999-11-11 | 2000-10-31 | Akustische oberflächenwellenanordnung |
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Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2019131530A1 (ja) * | 2017-12-27 | 2019-07-04 | 株式会社村田製作所 | 弾性波フィルタ |
-
2000
- 2000-06-02 JP JP2000166702A patent/JP2002314363A/ja active Pending
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