JP3863712B2 - 弾性表面波共振器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、通信機器等に用いられる弾性表面波装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性表面波装置は、圧電基板上に配置されたすだれ状の電極によって構成されるインターディジタルトランスデューサ（Interdigital Transducer：以下ＩＤＴと略す）によって、電気信号と弾性表面波（Surface Acoustic Wave：以下ＳＡＷと略す）との相互変換を行う素子である。この弾性表面波装置の中でも、特に弾性表面波共振器（以下ＳＡＷ共振器と略す）は、小型、軽量、無調整といった長所があり、通信機器用等の素子として広く利用されている。
【０００３】
図１は従来のＳＡＷ共振器の基本的構成を示す平面図である。圧電基板１０１の表面に、すだれ状に配列された電極指１０２、対向して配置されそれぞれに前記電極子１０２が交互に接続されているバスバー１０４、入出力端子となる１０５および１０６、および、バスバーに接続されている電極指１０２の開放端側で該電極指１０２に対向して配置されるとともに対向するバスバーに接続されて反射器として機能する電極指１０７、で構成されるＩＤＴが形成されている。入出力端子１０５、１０６間に高周波電気信号を印加すると、すだれ状電極で構成された電極指１０２間に生じる電界によって圧電基板１０１表面にＳＡＷが励振される。励振されたＳＡＷのうち、電極指１０２の配置周期Ｐと同じ波長と、矢印１０３と平行な波数ベクトルを持つＳＡＷは、電極指交差部内ですべて位相がそろっているため、最も強く励振される。図１のＳＡＷ共振器では、ＩＤＴの両側からＳＡＷがＩＤＴ外部に漏洩するためエネルギー損失が大きく、共振器のＱ値が低い。
【０００４】
図２は図１の従来例を改良し、Ｑの向上を図ったＳＡＷ共振器の電極構成例である（特開平６−８５６０２および清水洋、鈴木勇次「格段に小形低容量比の高結合ラブ波型弾性表面波共振子電子情報通信学会論文誌 A Vol. J. 75-A No. 3 pp. 458-466 １９９２年３月」。本例は、電極指１０２が交差するＳＡＷが励振される破線で囲って示す菱形の領域１０８（以下励振部と呼称する）において、電極指１０２の交差幅Ｗが、ＩＤＴの中央部で最大となり、両端で０となるような重み付け（アポタイズ）を施すことにより、上記のスプリアス応答を抑圧している。また、励振部１０８がＩＤＴ両側で狭く、かつ、電極指１０２に対向して配置された励振部１０８周辺のグレーティングされた電極指１０７により構成される反射部１０９がＳＡＷを反射するため、ＩＤＴ両側から外部へのＳＡＷの漏洩が少い。したがって、エネルギー損失を小さくすることができ、Ｑ値を向上させることができる。なお、反射部１０９として機能するのは電極指１０７に限らず、電極指１０２のこの領域にある部分も反射部として機能する。すなわち、電極指１０２は励振部として機能する部分と反射部として機能する部分とが、その存在する場所によって異なるものとなっている。
【０００５】
図２の電極構成の共振器では、しかしながら、ＩＤＴの両側部の電極指が平行に向き合った形になっている。そのため、ＩＤＴ両側部の電極指で矢印１０３と平行な波数ベクトルを持つＳＡＷの成分（縦モードの非調和高次モード成分）が反射され、２０１のような波形を持つ定在波が生じる。また、図２の電極構成の共振器では、反射部１０９の領域とバスバー１０４の境界線が平行に向かい合っている。そのため、矢印１０３と垂直な波数ベクトルをもつＳＡＷの成分（横モードの非調和高次モード成分）が反射部１０９とバスバー１０４の境界線で反射され、２０２のような波形をもつ定在波が生じる。これらの定在波は、共振器のインピーダンス特性にスプリアス応答を生じさせる。
【０００６】
図２に示した従来例のＳＡＷ共振器のインピーダンス特性の例を図３に示す。本例のＳＡＷ共振器は、圧電基板に１５度回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム（以下１５°ＹＸ−ＬＮと略す）を用い、上記基板上に蒸着法によりアルミニウムを付着させ、ホトリソグラフィ法およびドライエッチング法によりＩＤＴ電極パターンを形成したものである。本図中の１１２はＳＡＷ共振器の直列共振周波数に相当するピークである。本例のＳＡＷ共振器では、直列共振周波数より低周波側の周波数領域１１３に多数のスプリアス応答が生じている。これらのスプリアス応答は、ＳＡＷ共振器を電圧制御発振器（ＶＣＯ）の発振素子として用いる場合特に問題となる。ＳＡＷ共振器をＶＣＯの発振素子として用いる場合、ＳＡＷ共振器に伸長コイルを接続し、ＳＡＷ共振器の直列共振周波数より低周波側の周波数領域１１３で用いる。ＶＣＯの発振周波数帯域のスプリアス応答は周波数跳びの原因となるため、領域１１３のスプリアス応答は致命的な欠陥となる。
【０００７】
図４は図２の従来例を改良した従来のＳＡＷ共振器の電極構成例である（礒部敦ら「電圧制御発振器用広帯域ＳＡＷ共振器の高Ｑ化」第２０回超音波シンポジウム ｐｐ．６３ １９９９年１１月）。本例は、バスバー１０４の内側を励振部１０８の外周と平行に構成することにより、ＳＡＷの伝搬方向に対して定在波の位相や定在波の生ずる周波数を異なるようにして、スプリアス応答を抑制したものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示した従来のＳＡＷ共振器は、スプリアス応答を強力に抑制しているが、ＶＣＯの発振素子として用いるにはまだ問題がある。図５は図４に示した従来のＳＡＷ共振器のインピーダンス特性の例を示したグラフである。本例のＳＡＷ共振器は、圧電基板に１５°ＹＸ−ＬＮを用い、上記基板状に蒸着法によりアルミニウムを付着させ、ホトリソグラフィ法およびドライエッチング法によりＩＤＴ電極パターンを形成したものである。
【０００９】
本例のＳＡＷ共振器は、直列共振周波数を示すピーク１１２より低い周波数領域で、ほとんどスプリアス応答のない平坦なインピーダンス特性が得られているが、２０７ＭＨｚ付近にリップル１１１が存在する。本例のＳＡＷ共振器をＶＣＯの発振素子として用いると、上記リップル１１１の周波数前後に発振周波数の不連続が生じる。したがって、本例のＳＡＷ共振器はリップル１１１をまたいだ周波数帯のＶＣＯの発振素子としては使用できない。
【００１０】
本発明の目的は、上記インピーダンス特性のリップル発生を抑制し、広帯域なＶＣＯに利用可能なＳＡＷ共振器を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、図５のインピーダンス特性のリップル１１１の発生原因が、図４に示したＳＡＷ共振器の反射部１０９によるＳＡＷの散乱にあると考えた。そこで、この反射部１０９を構成する電極指１０７の配置を、励振部１０８の電極指１０２と相対的にずらす、もしくは反射部１０９の電極指１０７の長さを最適化することによって、リップルの発生を抑制する方法を提案するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図６は本発明の第１の実施例を示す平面図である。本実施例は、励振部１０８の電極指１０２と反射部１０９の電極指１０７がＳＡＷの群速度方向１０３にずれていることを特徴とする。図７は、図６の丸１１０で囲った付近の拡大図である。この例では、励振部１０８の電極指１０２と反射部１０９の電極指１０７のずれ量ｓは、電極指１０２の配置周期Ｐの１／８としてある。また、電極指１０２の交差長は中心が最も長く、両側で最も短くなるようなひし形の重み付けがなされており、バスバー１０４の内周が励振部１０８の外周と平行になるように配置されている。
【００１３】
図６のＳＡＷ共振器のインピーダンス特性の例を図８に示す。本実施例のＳＡＷ共振器は、図５で示したインピーダンス特性を示す従来例のＳＡＷ共振器と同じ製造工程を用いて製作したものであり、圧電基板も従来例と同じ１５°ＹＸ−ＬＮで、アルミニウム電極の膜厚、電極指の配置ピッチも同じである。本実施例では、図５で見られたインピーダンス特性のリップル１１１が十分に除去されており、広い周波数帯域で利用可能なＳＡＷ共振器が得られている。
【００１４】
本実施例では、ずれ量ｓをＰ／８としたが、ｓは必ずしもこの大きさである必要はない。発明者らは、ずれ量ｓがＰ／１６、Ｐ／８、３Ｐ／１６、Ｐ／４および７Ｐ／１６の共振器を試作してインピーダンス特性を評価し、いずれの場合も２０７ＭＨｚ付近のリップル１１１の発生を抑制できることを確認した。
【００１５】
図９は本発明の第２の実施例を示す平面図である。本実施例は、電極指１０２と電極指１０７のずれ量ｓは上記第１の実施例と同じＰ／８であるが、ずらす方向を逆向きにしたものである。本実施例も上記第１の実施例と同等の効果が得られる。
【００１６】
なお、反射部は、前述したように電極指１０７と、電極指１０２とが反射部を構成する電極指として機能するので、反射部の電極指はＰ／２のピッチで配置されていることとなる。このため、例えばずれ量ｓに対して、（数２）で示す関係になるようにずれ量を設定すると同等の効果が得られるものとなる。
【００１７】
【数２】

【００１８】
例えば、Ｐ／８とした場合と、ずれ量を５Ｐ／８とした場合とは同等の効果が得られる。同様に、ずれ量がＰ／１６と９Ｐ／１６の場合と、３Ｐ／１６と１１Ｐ／１６の場合、およびＰ／４と３Ｐ／４の場合はそれぞれ同等の効果が得られる。ただし、実際問題としては、隣の電極子を飛越した位置までずらすことは構造を複雑にするだけであるので、図６で説明したと同様に、たかだか７Ｐ／１６程度の範囲で最適値を探すのが良い。
【００１９】
図１０は本発明の第３の実施例を示す平面図である。本実施例は、電極指１０２の交差部の外周とバスバー１０４の内周の距離を最適化することにより、ＳＡＷが励振部外で散乱されないようにしたものである。図１１は図１０の丸１１０付近の拡大図である。
【００２０】
図１３を用いて、電極指１０２の交差部の外周と、バスバー１０４の内周の距離の最適条件を説明する。発明者らは、励振部の電極指の先端６０１で励振され、矢印６０２の方向に伝搬するＳＡＷが、バスバー１０４に到達するまでに反射部１０９として機能する電極指の何本により散乱されるかという点に着目した。上記のＳＡＷが散乱される電極指の本数を変えたＳＡＷ共振器を試作して比較検討した結果、１０本以上で上記インピーダンス特性のリップル１１１が生じることを見いだした。この本数はバスバー１０４の内周と電極指１０２の交差部の電極指までの距離ｌと、バスバーの内周とＳＡＷの伝搬方向のなす角θ、および電極の配置周期Ｐの関数となる。上記条件をｌ、θおよびＰを用いた関係式で表現すると、
【００２１】
図１３から分かるように、（数３−１）が成立する。
【数３−１】

ここで、Nは矢印６０２の方向に伝搬するＳＡＷが、バスバー１０４に到達するまでに散乱に寄与する反射部１０９として機能する電極指の数である。ここで（数３−１）を変形すると、（数３−２）が得られる。
【数３−２】

上述したように、１０本以上で上記インピーダンス特性のリップル１１１が生じることを見いだしたのであるから、N ＜１０であることは明らかである、したがって（数３−３）が得られる。
【数３−３】

【００２２】
となる。本実施例は、（数３）においてｌ＝０とした場合に相当する。ここで、（数３）においてｌ＝０とした場合には、配置周期Ｐ（ただしＰ≠０）あるいはバスバーの内周とＳＡＷの伝搬方向のなす角θの如何にかかわらず、（数３）は成立する。しかし、ＳＡＷ共振器の構造として、例えば、θ≧９０°はあり得ず、Ｐおよびθは、他の制約によって決まる妥当な値を選ぶべきことは言うまでもない。
【００２３】
図１０に示すＳＡＷ共振器のインピーダンス特性の例を図１２に示す。図１２を参照して明らかなように、図５で問題にした２０７ＭＨｚ付近に存在したリップル１１１は表れていない。本実施例のＳＡＷ共振器も、図５で示したインピーダンス特性を示す従来例のＳＡＷ共振器と同等の製造工程を用いて製作したものであり、圧電基板およびアルミニウム電極の膜厚、電極指の配置ピッチも同じである。図５で見られたインピーダンス特性のリップル１１１が完全に除去されており、広い周波数帯域で利用可能なＳＡＷ共振器が得られている。
【００２４】
図１４は本発明の第４の実施例を示す平面図である。本実施例は、励振部１０８の電極指１０２の交差幅Ｗの重み付けを、余弦関数型にしたものである。すなわち、励振部１０８の中心から図の水平方向への距離ｘにおける交差幅Ｗが（数４）と表現されるものとした例である。、
【００２５】
【数４】

【００２６】
図１５は本発明の第５の実施例を示す平面図である。本実施例は、励振部１０８の電極指１０２の交差幅Ｗの重み付けを、余弦関数の２乗型にしたものである。すなわち、励振部の中心から図の水平方向への距離ｘにおける、交差幅Ｗが（数５）と表現されるものとした例である。
【００２７】
【数５】

【００２８】
図１６は本発明の第６の実施例を示す平面図である。本実施例は、励振部１０８の電極指１０２の交差幅Ｗの重み付けを、円形の外周をもつ様にしたものである。すなわち、励振部の中心から図の水平方向への距離ｘにおける、交差幅Ｗが（数６）と表現されるものとした例である。
【００２９】
【数６】

【００３０】
さらに、本発明は、上記（数４）、（数５）および（数６）の関数型だけでなく、そのほかの交差幅の重み付け型に対しても有効である。例えば、（数４）および（数５）の余弦関数を、逆余弦関数に置き換えたものでも効果が得られる。
【００３１】
以上、本発明弾性表面波素子の実施例として弾性表面波共振器に適用した場合に付いて述べたが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例えば、弾性表面波フィルタ、コンボルバ等、すだれ状電極を用いた弾性表面波素子に本発明を適用することにより、同様の効果を得ることができる。また、上記各実施例においては、圧電基板にニオブ酸リチウムを用いたが、例えば、タンタル酸リチウム、水晶、ニオブ酸カリウム、ランガサイトなどを用いてもよく、その場合にも同様の効果が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によりＳＡＷ共振器のインピーダンス特性にリップルが現れることを抑制できる。このことにより、ＳＡＷ共振器を広帯域で使用可能なＶＣＯの発振素子として用いることが可能となる。また、本発明は電極の形状の変更のみであるので、製造工程を複雑化することがなく、さらに素子面積増大も伴わないため、小型で量産性に優れ、低価格で高性能な弾性表面波装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の弾性表面波共振器の電極構成を示した平面図。
【図２】従来の弾性表面波共振器の電極構成を示した平面図。
【図３】図２の弾性表面波共振器のインピーダンス特性を示したグラフ。
【図４】従来の弾性表面波共振器の電極構成を示した平面図。
【図５】図４の弾性表面波共振器のインピーダンス特性を示したグラフ。
【図６】本発明の第１の実施例を示した平面図。
【図７】図６の１１０部を拡大した説明図。
【図８】図６の弾性表面波共振器のインピーダンス特性を示したグラフ。
【図９】本発明の第２の実施例を示した平面図。
【図１０】本発明の第３の実施例を示した平面図。
【図１１】図１０の符号１１０の部分を拡大した説明図。
【図１２】図１０の弾性表面波共振器のインピーダンス特性を示したグラフ。
【図１３】本発明の弾性表面波装置において、反射器の電極指が満たすべき条件を説明する説明図。
【図１４】本発明の第４の実施例を示した平面図。
【図１５】本発明の第５の実施例を示した平面図。
【図１６】本発明の第６の実施例を示した平面図。
【符号の説明】
１０１…圧電基板、１０２…電極指、１０３…ＳＡＷの群速度方向を示す矢印、１０４…バスバー、１０５…入力端子、１０６…出力端子、１０７…反射器の電極指、１０８…励振部、１０９…反射部、１１０…拡大する部分を示す円、１１１…反射部の散乱によるインピーダンス特性のリップル、１１２…共振器の直列共振周波数に相当するインピーダンス特性のピーク、１１３…直列共振周波数以下の周波数領域、２０１…横モードの不要定在波の波形、２０２…縦モードの不要定在波の波形、６０１…ＳＡＷが励振される点を示す説明、６０２…６０１で励振されたＳＡＷが伝搬する方向を説明する矢印。

Claims (6)

1. 圧電性基板と、上記圧電性基板の平面上に形成され、第１と第２のバスバーと、該第１のバスバーに接続された第１の複数の電極指と、該第２のバスバーに接続された第２の複数の電極指とを有するすだれ状電極とを備え、上記すだれ状電極の上記第１、第２の複数の電極指が交互に配置された交差部を有し、上記第１、第２のバスバーと、上記第１、第２の複数の電極指のグレーティングとの間の各境界線は、上記すだれ状電極から励振される弾性表面波の群速度方向と非平行であり、バスバーの内周と電極指のグレーティングの電極指までの距離ｌ、電極の配置周期Ｐ、および、バスバーの内周（バスバーの内周は微分可能である）とＳＡＷの伝搬方向のなす角θの関係が（数１）を満足するものとされ、
   

   

   共振周波数より低い周波数のリップルを抑制したことを特徴とする弾性表面波共振器。
2. 請求項１に記載の弾性表面波素子において、上記交差部は、アポタイズ法により重み付けされていることを特徴とする弾性表面波共振器。
3. 請求項２に記載の弾性表面波素子において、上記交差部の包絡線の形状は菱形であり、上記各境界線は対応する包絡線とそれぞれバスバーの内周と電極指のグレーティングの電極指までの距離ｌだけ離れて平行であることを特徴とする弾性表面波共振器。
4. 請求項２に記載の弾性表面波素子において、上記交差部の包絡線の形状は円弧であり、上記各境界線は対応する包絡線とそれぞれバスバーの内周と電極指のグレーティングの電極指までの距離ｌだけ離れた円弧であることを特徴とする弾性表面波共振器。
5. 請求項２に記載の弾性表面波素子において、上記交差部の包絡線の形状は余弦関数曲線であり、上記各境界線は対応する包絡線とそれぞれバスバーの内周と電極指のグレーティングの電極指までの距離ｌだけ離れた余弦関数曲線であることを特徴とする弾性表面波共振器。
6. 請求項１に記載の弾性表面波素子において、上記圧電性基板がニオブ酸リチウムで形成されていることを特徴とする弾性表面波共振器。

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