JP2005223409A - 弾性表面波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 通過帯域外に発生する横モードのスプリアスを低減するとともに、インピーダンスを低減する弾性表面波デバイスを提供する。
【解決手段】 弾性表面波デバイスは、複数の電極指２２を有し、前記複数の電極指２２の一端を短絡させてなるすだれ状電極２０を圧電基板１２上に設けた弾性表面波デバイスにおいて、前記電極指２２に斜めに折り曲げた接続部２４を設けて、前記電極指２２を複数の直線部２６に分割し、前記分割した直線部２６のそれぞれの長さが異なる、ことを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は弾性表面波デバイスに係り、特に所望のフィルタ特性を得る弾性表面波デバイスに関する。

圧電基板の表面や界面に沿って伝搬する弾性表面波を利用したデバイスとして弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：以下、ＳＡＷという）フィルタやＳＡＷ共振子が挙げられる。図６に、これらのデバイスに用いられるＳＡＷチップの概略した平面図を示す。図６（ａ）はＳＡＷフィルタに用いられるＳＡＷチップを示し、同図（ｂ）はＳＡＷ共振子に用いられるＳＡＷチップを示している。ＳＡＷチップ１（ＳＡＷ素子片）は圧電効果を有する材料からなる圧電基板２の表面に、すだれ状電極３（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：以下、ＩＤＴという）と、このＩＤＴ３を挟み込む両側に反射器４とを設けたものが主な構成である。前記ＩＤＴ３は複数の電極指５を有し、この電極指５の一端を短絡して形成されている。そして２つのＩＤＴ３が互いに電極指５を噛み合せることにより、一対のＩＤＴ３が形成される。そしてＳＡＷフィルタを形成する場合、ＩＤＴ３からなる入力電極６と、出力電極７が圧電基板２上に設けられている。

ところでＳＡＷチップ１は電気機械結合係数が小さい圧電基板（例えば水晶基板）を用いるとインピーダンスが高くなるが求められる特性としてはできるだけ低いインピーダンス値が要求されるので、電極指５が互いに噛み合わさる幅（交差幅）ａを広くする必要があるが、前記交差幅ａを広くすると弾性表面波の伝搬方向に直交する横モードの共振が発生し、この横モードの共振によりスプリアスが発生することが知られている。このスプリアスの発生することのないＳＡＷフィルタについて特許文献１に開示されている。この発明は２つの反射器の間に複数のＩＤＴを並列に、かつ反射器の幅の中心線に対して対称に配置したものである。この構成にすることにより、ＩＤＴの交差幅を２次横モードが現れる直前まで長くしても１次横モードによるスプリアスが現れることがなく、ＩＤＴの対数を多くできることと合わせて考えればインピーダンス設計の自由度を大きくできるとしたものである。
特開平３−１１９８１６号公報

しかしながら、従来技術に係るＳＡＷチップの構成では、横モードのスプリアスの発生を抑えるとともに、低インピーダンスにすることはできなかった。

また特許文献１に開示された発明の構成では、３つのＩＤＴを並列に接続した場合、中心線に対して外側にあるＩＤＴが電気的に接続されている。また４つのＩＤＴを並列に接続した場合、中心線に対して対象の位置にある内側の２つのＩＤＴ、および外側の２つのＩＤＴがそれぞれ電気的に接続されている。このときＩＤＴ同士の接続部分が細いと配線抵抗損が大きくなるので、前記接続部分を太くしなければならない。したがってＳＡＷチップの面積が大きくなる問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、通過帯域の外側に発生する横モードのスプリアスを低減するとともに、インピーダンスを低減する弾性表面波デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る弾性表面波デバイスは、複数の電極指を有し、前記複数の電極指の一端を短絡させてなるすだれ状電極を圧電基板上に設けた弾性表面波デバイスにおいて、前記電極指に斜めに折り曲げた接続部を設けて、前記電極指を複数の直線部に分割し、前記分割した直線部のそれぞれの長さが異なる、ことを特徴としている。すだれ状電極に電気信号を印加すると、前記直線部において周期的な機械的ひずみが生じて弾性表面波が励起される。この弾性表面波は直線部に対し垂直方向（電極指の一端を短絡させた方向）に沿って伝搬される。このため各直線部が弾性表面波を伝搬するトラックとなり、各トラックの交差幅はそれぞれ異なる。このトラック交差幅を変えることにより、各トラックにおいて発生するスプリアスの位置を変えることができる。したがって各トラックにおける特性を合成した弾性表面波チップの特性では、スプリアスを低減することができる。また各トラックにおけるトラック交差幅は狭いが、トラックが複数あるので弾性表面波チップ全体のトラック交差幅を広くすることができる。よってインピーダンスを小さくすることができる。

また前記すだれ状電極を弾性表面波の伝搬方向に沿って複数直列に設け、１つの前記すだれ状電極を入力電極とし、他の前記すだれ状電極を出力電極としたことを特徴としている。圧電基板上に入力電極と出力電極を設けた弾性表面波フィルタとしたので、各トラックのフィルタ特性において通過帯域の外側にスプリアスを発生させることができ、かつ各トラックでスプリアスの発生位置を変えることができる。したがって、各トラックのフィルタ特性を合成したＳＡＷチップのフィルタ特性では、通過帯域の外側のスプリアスを低減することができる。

また弾性表面波の伝搬方向に沿うとともに、前記すだれ状電極を挟み込む両側に反射器を設け、前記反射器の電極指に斜めに折り曲げた接続部を設けて、前記電極指を長さの異なる複数の直線部に分割し、前記直線部は隣接する前記すだれ状電極の前記直線部と同じ長さである、ことを特徴としている。これにより接続部を有するすだれ状電極の形状に合わせて、各トラックの両端を反射器で挟み込むことができるので、各トラックにおいて定在波を生じさせることができる。よって低損失の弾性表面波チップが得られる。

以下に、本発明に係る弾性表面波デバイスの好ましい実施の形態について説明する。図１に本実施の形態に係る弾性表面波チップの平面図を示す。なお図１では弾性表面波チップ（弾性表面波素子片）の主な構成部分のみ記載している。弾性表面波（ＳＡＷ）チップ１０の主な構成は、圧電効果を生じる材料からなる圧電基板１２上に、入力電極１４、出力電極１６および反射器１８を設けたものである。

前記入力電極１４および出力電極１６はすだれ状電極２０（ＩＤＴ２０）から構成されている。ＩＤＴ２０は複数の電極指２２を有し、この電極指２２の一端を短絡して形成されている。そして２つのＩＤＴ２０が電極指２２を交互に噛み合せることにより、一対のＩＤＴ２０が形成される。前記電極指２２は電極指２２の噛み合せ方向に対して斜めに折り曲げられる接続部２４を有し、この接続部２４によって複数に分割された直線部２６を形成した構成である。なお各電極指２２に設けられる接続部２４は、電極指２２を短絡する電極に沿うように設けられ、接続部２４の長さは短いほうが好ましい。また１つの電極指２２に複数の接続部２４を設ける場合、折り曲げられる方向を交互にして接続部２４を設ければよい。すなわち図１において、図面上側の接続部２４ａは右側に折り曲げられ、下側の接続部２４ｂは左側に折り曲げられて、左右交互に折り曲げられている。折り曲げる方向を交互にするとＳＡＷチップ１０の外形が大きくなることはない。なお接続部２４を一方向にのみ折り曲げてもよいが、この場合は接続部２４を交互に折り曲げる場合に比べてＳＡＷチップの外形が大きくなる。

また前記直線部２６ａ，２６ｂ，２６ｃのそれぞれの長さは異なっており、この直線部２６ａ，２６ｂ，２６ｃが設けられる順番は任意である。すなわち図１では、図面上段の直線部が一番長く、中段が中間の長さであり、下段が一番短くなっているがこれに限定されることはなく、例えば上段の直線部を中間の長さにし、中段を一番短くし、下段を一番長くしてもよい。そして接続部２４により分割された直線部２６同士、すなわち直線部２６ａと直線部２６ｂ、直線部２６ｂと直線部２６ｃの横方向（電極指２２の噛み合せ方向）の間隔Ｌ１は３λ／８≦Ｌ１≦５λ／８の条件を満たす距離だけ離れている。ここでλは、入力電極１４に電気信号を印加したときに、圧電基板１２に励起される弾性表面波の波長である。なお図１ではＬ１＝λ／２として記載している。そして直線部２６の長さは、所望のフィルタ特性を得るよう設定されている。

このような一対のＩＤＴ２０の側方、すなわち電極指２２の噛み合せ方向の一方に上述したＩＤＴ２０と同構成の一対のＩＤＴ２０が設けられ、一方のＩＤＴが入力電極１４となり、他方のＩＤＴが出力電極１６となっている。このようなＳＡＷチップ１０はパッケージ内に搭載されて、ＳＡＷデバイスが形成されている。そして、このＳＡＷチップ１０を搭載したＳＡＷデバイスは、ＳＡＷフィルタとなる。

この入力電極１４と出力電極１６とを挟み込む両側の位置に反射器１８が設けられている。この反射器１８は複数の電極指３０を有し、この電極指３０の両端を短絡させた構成である。反射器１８を構成する電極指３０は、ＩＤＴ２０に設けられた電極指２２に沿って形成されている。そして反射器１８を構成する電極指３０は、電極指３０の噛み合せ方向に対して斜めに折り曲げられる接続部３２を有し、接続部３２によって複数に分割された直線部３４を形成した構成である。この接続部３２はＩＤＴ２０に設けられた接続部２４の延長線上に有り、反射器１８を構成する直線部３４のそれぞれの長さは異なっている。そして接続部３２の長さは、ＩＤＴ２０に設けられた接続部２４と同様に短いほうが好ましい。また接続部３２を折り曲げる方向は、ＩＤＴ２０に設けられた接続部２４の折り曲げ方向と同じ方向に折り曲げればよい。

この接続部３２により分割された直線部３４同士、すなわち直線部３４ａと直線部３４ｂ、直線部３４ｂと直線部３４ｃの横方向（電極指３０の噛み合せ方向）の間隔Ｌ２は３λ／８≦Ｌ２≦５λ／８の条件を満たす距離だけ離れている。なお図１ではＬ２＝λ／２として記載している。またＩＤＴ２０の直線部２６とそれぞれ隣り合う反射器１８の直線部３４の長さは同一である。したがって、ＩＤＴ２０の直線部２６ａと反射器１８の直線部３４ａ、ＩＤＴ２０の直線部２６ｂと反射器１８の直線部３４ｂ、ＩＤＴ２０の直線部２６ｃと反射器１８の直線部３４ｃの長さはそれぞれ同一となる。

そして上述したＳＡＷチップ１０の入力電極１４に電気信号を印加すると、圧電基板１２の圧電効果によって各直線部２６に周期的な機械的ひずみが生じ、弾性表面波が励起される。この弾性表面波は電極指２２の噛み合せ方向に沿って圧電基板１２表面を伝搬し、出力電極１６に達すると電気信号に変換される。ここで弾性表面波が伝搬される領域をトラックと定義し、このトラックは各直線部２６，３４において形成される。また各トラックにおいて、直線部２６同士が対向している幅をトラック交差幅Ｗと定義する。そして図１において、直線部２６ａに対応する弾性表面波の伝搬領域をトラック１とし、トラック１の交差幅をＷ１とする。同様に直線部２６ｂに対応する領域をトラック２とし、交差幅をＷ２とする。また直線部２６ｃに対応する領域をトラック３とし、交差幅をＷ３とする。

図２にトラック交差幅Ｗを全て同じに構成したＳＡＷフィルタの平面図を示す。トラック交差幅Ｗが全て同じ場合、トラック交差幅Ｗは接続部が設けられていない従来技術に係るＳＡＷチップに比べて、１つのトラックにおけるトラック交差幅を小さくすることができるので、スプリアスをフィルタ特性の通過帯域から外側へ遠ざけることが確認されている。しかしフィルタ特性の通過帯域から外側へ遠ざけることができても、外側にスプリアスが発生している場合がある。フィルタの特性は減衰量の小さい通過帯域と、減衰量の大きい減衰域を有することが要求されるので、前記減衰域にスプリアスが発生することは好ましくない。このスプリアスは、トラック１、トラック２およびトラック３においてそれぞれ発生するスプリアスが合成されて、減衰域に大きく発生する。そこでトラック１ないし３で発生するスプリアスの位置をそれぞれ変えれば、減衰域にスプリアスが大きく発生することはない。このスプリアスの位置を変えるには、トラック交差幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の長さをそれぞれ変えればよい。

次に、各トラックにおける交差幅Ｗ１〜３の設定方法について説明する。トラック１ないし３のフィルタ特性を合成することにより、ＳＡＷチップ１０のフィルタ特性が得られる。したがって、トラック１ないし３のそれぞれにおいて通過帯域が同じで、減衰域に生じるスプリアスの位置が異なるフィルタ特性にすればよい。これはトラック交差幅Ｗを変えたときの通過帯域の中心周波数のずれ量、およびトラック交差幅Ｗを変えたときのスプリアスが生じる位置（周波数）の関係を予め実験的に調べておき、これらの関係に基づいて設定すればよい。図３にトラック交差幅Ｗと中心周波数のずれ量、およびスプリアスが生じる位置との関係の説明図である。なお図３の横軸はλで規格化したトラック交差幅を示し、縦軸は通過帯域の中心周波数およびスプリアスが生じる位置を周波数で表したものである。また図３の上側に示すグラフはスプリアスが生じる位置を表したものであり、下側に示すグラフは中心周波数のずれ量を表したものである。なお図３ではトラック交差幅Ｗが６．７λのときの中心周波数を基準とし、スプリアスが生じる位置は中心周波数からどれだけずれているかを表している。図３よりトラック交差幅Ｗが変化しても、中心周波数のずれ量はあまり変わらないことがわかる。これに対し、スプリアスが生じる位置は中心周波数のずれ量に比べて大きく変わることがわかる。

そして図３のトラック交差幅Ｗとスプリアスが生じる位置との関係から、トラック１ないし３の各フィルタ特性を予測し、スプリアスの発生する位置が重ならないよう各トラックにおいてトラック交差幅Ｗを設定すればよい。また各トラックにおいてトラック交差幅Ｗを変えると、通過帯域の中心周波数が変化してしまう。このため各トラックにおいて伝搬される弾性表面波の波長を変更することにより、通過帯域の中心周波数を合わせればよい。

例えば通過帯域の中心周波数を４００ＭＨｚとし、３つのトラックからなるＳＡＷチップ１０の場合、図３から各トラックで生じるスプリアスが重ならないようトラック交差幅を６．７λ、５．４λ、４．９λに設定する。またトラック交差幅Ｗを６．７λに設定すると弾性表面波の伝搬速度は３１３０ｍ／ｓとなり、通過帯域の中心周波数を４００ＭＨｚにするには、弾性表面波の波長λ１が７．８２５μｍとなる。また上記と同様に、トラック交差幅Ｗを５．４λに設定すると弾性表面波の伝搬速度は３１３２．７４ｍ／ｓとなり、弾性表面波の波長λ２は７．８３２μｍとなる。さらにトラック交差幅Ｗを４．９λに設定すると弾性表面波の伝搬速度は３１３４．４０ｍ／ｓとなり、弾性表面波の波長λ３は７．８３６μｍとなる。そして各トラックにおいて、上記のトラック交差幅Ｗと弾性表面波の波長を満たすようにしてＳＡＷチップ１０を形成すればよい。なお弾性表面波の波長を変えるには、例えば電極指の間隔を変えればよい。

図４に上記のように設定して形成したＳＡＷチップ１０のフィルタ特性を示す。図４の横軸は通過帯域の中心周波数からのずれ量を示し、縦軸は減衰量を示す。なお図４（ａ）はトラック交差幅Ｗを６．７λおよび５．４λとしたときのフィルタ特性を示し、同図（ｂ）はトラック交差幅Ｗを５．４λおよび４．９λとしたときのフィルタ特性を示し、同図（ｃ）はトラック交差幅Ｗを６．７λ、５．４λおよび４．９λとして形成したＳＡＷチップ１０のフィルタ特性を示している。図４（ａ）より、トラック交差幅Ｗが６．７λのときにスプリアスはΔＦ＝７．５ＭＨｚ付近に発生し、トラック交差幅Ｗが５．４λのときにスプリアスはΔＦ＝１１ＭＨｚ付近に発生している。また図４（ｂ）より、トラック交差幅Ｗが４．９λのときにスプリアスはΔＦ＝１２ＭＨｚ付近に発生している。したがって、トラック交差幅Ｗを短くするとスプリアスが発生する位置は通過帯域から外側へ遠ざかり、各トラックで発生するスプリアスの位置が重なっていないことがわかる。そして図４（ｃ）より、各トラックで発生するスプリアスの位置が重なっていないために、このＳＡＷチップ１０のフィルタ特性は減衰量の大きい減衰域であることがわかり、従来技術に係るＳＡＷチップのように大きなスプリアスは発生していないことがわかる。

このように、電極指２２，３０に接続部２４，３２を設けて複数のトラックに分割したので、各トラックにおけるトラック交差幅Ｗが狭くなり、横モードによるスプリアスを通過帯域から遠ざけることができる。そして各トラックのトラック交差幅Ｗを変えることにより、各トラックにおける通過帯域の外側に生じるスプリアスの出現位置を変えることができる。よって各トラックのフィルタ特性を合成したＳＡＷチップ１０のフィルタ特性では、通過帯域の外側、すなわち減衰域に発生するスプリアスを低減することができる。

また各トラックにおけるトラック交差幅Ｗは狭いが、トラックが複数あるのでＳＡＷチップ１０全体のトラック交差幅を広くすることができる。よってインピーダンスを小さくすることができる。
また各トラックにおける通過帯域の周波数を合わせるときは、例えば電極指２２の間隔を調整することになるが、この調整する量は上述したようにごく僅かな量なので、容易に通過帯域の周波数をあわせることができる。

なお上述した実施の形態ではトラックの数を３つとして説明したが、これに限定されることはなく、トラックの数を２つとしても、４つ以上としてもよい。
また上述した実施の形態のＳＡＷチップ１０は縦結合２重モードフィルタとした共振子フィルタであるが、これに限定されることはなく、電極指に接続部と、長さの異なる複数の直線部とを設けた構成の共振子フィルタやトランスバーサルフィルタであればよい。

また上述した実施の形態ではＳＡＷフィルタとして説明したが、電極指に接続部と、長さの異なる複数の直線部とを設けた構成のＳＡＷ共振子であってもよい。図５にＳＡＷ共振子を構成するＳＡＷチップの平面図を示す。このＳＡＷチップ４０は一対のＩＤＴ４２を有し、このＩＤＴ４２を挟み込む両側に反射器４４を設けた構成である。そしてＩＤＴ４２および反射器４４の電極指４６，４８に、上述した実施の形態と同様の接続部５０，５２と直線部５４，５６を設けた構成である。このような構成にすると、共振周波数の近傍からスプリアスを遠ざけることができ、スプリアスの影響を受けることがない。なおＳＡＷ共振子の構成によっては、ＳＡＷチップ４０に反射器４４を設けない構成としてもよい。さらに上述したＳＡＷ共振子に発振回路を搭載し、ＳＡＷチップと発振回路を電気的に接続して、ＳＡＷ発振器としてもよい。
また上述したＳＡＷチップを、共振周波数の変化から物質の質量を検出する質量センサや、外部から加わった加速度や衝撃の大きさを検知する加速度センサ等のＳＡＷデバイスに用いることもできる。

本実施の形態に係る弾性表面波チップの平面図である。 トラック交差幅Ｗを全て同じに構成した弾性表面波フィルタの平面図である。 トラック交差幅と中心周波数のずれ量、およびスプリアスが生じる位置との関係の説明図である。 弾性表面波チップのフィルタ特性である。 弾性表面波共振子を構成する弾性表面波チップの平面図である。 従来技術に係る弾性表面波チップの概略した平面図である。

符号の説明

１０………弾性表面波（ＳＡＷ）チップ、１２………圧電基板、１８………反射器、２０………すだれ状電極（ＩＤＴ）、２２，３０………電極指、２４，３２………接続部、２６，３４………直線部、４０………ＳＡＷチップ。

Claims (4)

1. 複数の電極指を有し、前記複数の電極指の一端を短絡させてなるすだれ状電極を圧電基板上に設けた弾性表面波デバイスにおいて、
   前記電極指に斜めに折り曲げた接続部を設けて、前記電極指を複数の直線部に分割し、
   前記分割した直線部のそれぞれの長さが異なる、
   ことを特徴とする弾性表面波デバイス。
2. 前記すだれ状電極を弾性表面波の伝搬方向に沿って複数直列に設け、１つの前記すだれ状電極を入力電極とし、他の前記すだれ状電極を出力電極としたことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
3. 弾性表面波の伝搬方向に沿うとともに、前記すだれ状電極を挟み込む両側に反射器を設け、
   前記反射器の電極指に斜めに折り曲げた接続部を設けて、前記電極指を長さの異なる複数の直線部に分割し、
   前記直線部は隣接する前記すだれ状電極の前記直線部と同じ長さである、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波デバイス。
4. 前記圧電基板は、パッケージに搭載されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
   
   

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