(57)【要約】【課題】  高速なＳＨタイプの表面波を利用しても優れたＱ値を発揮することができる新規な弾性表面波デバイスの提供。【解決手段】ＳＨタイプの表面波を励振可能な圧電基板上にその表面波を励振すべくＩＤＴ電極を備えた弾性表面波デバイスにおいて、上記ＩＤＴ電極の電極指の交差幅Ｗを、２０λ〜１４０λの範囲にする。これによって、ＳＴＷのようなＳＨタイプの表面波を利用しても性能悪化を招くスプリアスを励起することなく、優れたＱ値を発揮できる。【選択図】        図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＨタイプの表面波を励振可能な圧電基板上にその表面波を励振するＩＤＴ電極を備えた弾性表面波デバイスにおいて、
上記ＩＤＴ電極の電極指の交差幅Ｗが、２０λ〜１４０λの範囲にあることを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項２】
ＳＨタイプの表面波を励振可能な圧電基板上にその表面波を励振するＩＤＴ電極を備えた弾性表面波デバイスにおいて、
上記ＩＤＴ電極の電極指の交差幅Ｗが、４０λ〜１２０λの範囲にあることを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項３】
ＳＨタイプの表面波を励振可能な圧電基板上にその表面波を励振するＩＤＴ電極を備えた弾性表面波デバイスにおいて、
上記ＩＤＴ電極の電極指の交差幅Ｗが、６０λ〜１００λの範囲にあることを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の弾性表面波デバイスにおいて、
上記圧電基板が水晶基板からなると共に、上記ＳＨタイプの表面波がＳＴＷであることを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の弾性表面波デバイスにおいて、
上記ＩＤＴ電極の電極指の膜厚Ｈを、波長λの２％以上とすることを特徴とする弾性表面波デバイス。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の弾性表面波デバイスを用いたことを特徴とするＳＡＷ共振子。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の弾性表面波デバイスを用いたことを特徴とするバンドパスフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話等の移動体通信のバンドパスフィルタや基準クロックの共振子等として幅広い応用が検討されている弾性表面波デバイス及びこれを用いたバンドパスフィルタ等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
係る従来の弾性表面波デバイスは、例えば、図８に示すように、圧電性の弾性体基板（圧電基板）１０上に、導電性膜からなる少なくとも一対の櫛型電極を交差させたＩＤＴ（Inter Digital Transducer）電極２０を備える共に、その両側に同じく導電性膜からなる梯子型の反射器電極３０，３０をそれぞれ備えた構成をしている。
そして、その中央のＩＤＴ電極２０に電気信号を加えると、圧電基板１０の表面上で電気信号から弾性表面波（Surface Acoustic Wave：以下、適宜ＳＡＷと略す）への変換・逆変換が行われる。反射器電極３０，３０は、圧電基板１０の表面上で発生した弾性表面波を反射させ、共振させるものである。これを利用して共振子や、バンドパスフィルタ等を構成することが可能となっている。
【０００３】
このような弾性表面波デバイスから発生する弾性表面波としては、基板１０表面と垂直な変位と表面波伝搬方向の変位を主成分とするレイリー波（Rayleigh Wave）や、エネルギーを基板内部へ放射しながら伝搬する漏洩弾性表面波（Leaky Wave）が代表的なものであるが、その他にＳＨ（横波）タイプの弾性表面波があることが知られている。
このＳＨタイプの弾性表面波は、レイリー波等と異なり、ＩＤＴ電極２０等により表面波伝搬方向と垂直かつ基板１０表面に平行な変位成分のエネルギーを基板表面に閉じ込めた波動モードであり、レイリー波等と比べて音速（伝搬速度）が大きいことから、弾性表面波デバイスの高周波化には不可欠ものとなっている。
【０００４】
すなわち、この弾性表面波デバイスの中心周波数ｆは、
ｆ＝ｖ／λ（但し、ｖは弾性表面波の伝搬速度、λは波長）
の関係であることが知られているため、そのデバイスの高周波化を達成する（中心周波数ｆを高くする）には、波長λを小さく、つまり波長λの長さを決定する電極指間のピッチを小さくすれば良いが、製造装置の限界により制限されるため、伝搬速度ｖが大きな弾性表面波を利用することで効果的に目的を達成できるからである。
【０００５】
そして、このように伝搬速度の大きいＳＨタイプの表面波としては、例えば、以下の特許文献１等に示すように、回転Ｙ板である水晶ＳＴカット基板の＋９０゜Ｘ伝搬の横波型の漏洩弾性表面波や、非特許文献１に記載されている純粋な横波表面弾性波であるＢＧＳ波（Bleustein-Gulyaev-Shimizu wave）、ラブ波、あるいは非特許文献２に記載されている水晶基板で励振されるＳＴＷ（Surface Transverse Wave：伝搬速度５１００ｍ／ｓ）等が良く知られている。
【特許文献１】特開昭６１−７３４０９号公報
【非特許文献１】中村僖良ら、“横波（ＳＨ型）弾性表面波の研究とその通信用デバイスへの応用”、[online]、[平成１５年８月１８日検索]、インターネット＜http://www.ecei.tohoku.ac.jp/~nakamura/shsaw.html＞
【非特許文献２】平成７年日本学術振興会産学協同研究支援事業実施報告書第１３２〜１３７頁「High Performance GHz Range Surface Transverse Wave Resonant Devices.Applications to Low Noise Microwave Oscillators and Communication System」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のようにレイリー波や漏洩弾性表面波を利用する設計（構造）で、そのまま高速なＳＨタイプの表面波を利用すると、いわゆる挿入損失や共振の鋭さ等の性能を表すＱ値が大幅に下がってしまい、弾性表面波デバイスとして十分な特性が発揮できないといった問題がある。
【０００７】
そこで、本発明はこのような課題を有効に解決するために案出されたものであり、その主な目的は、ＳＴＷ等の高速なＳＨタイプの表面波を利用しても優れたＱ値を発揮することができる新規な弾性表面波デバイス及びこれを用いたバンドパスフィルタやＳＡＷ共振子等を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
〔発明１〕
上記課題を解決するために発明１の弾性表面波デバイスは、  
ＳＨタイプの表面波を励振可能な圧電基板上にその表面波を励振するＩＤＴ電極を備えた弾性表面波デバイスにおいて、上記ＩＤＴ電極の電極指の交差幅Ｗが、２０λ〜１４０λの範囲にあることを特徴とするものである。
【０００９】
〔発明２〕
発明２の弾性表面波デバイスは、
ＳＨタイプの表面波を励振可能な圧電基板上にその表面波を励振するＩＤＴ電極を備えた弾性表面波デバイスにおいて、上記ＩＤＴ電極の電極指の交差幅Ｗが、４０λ〜１２０λの範囲にあることを特徴とするものである。
【００１０】
〔発明３〕
発明３の弾性表面波デバイスは、
ＳＨタイプの表面波を励振可能な圧電基板上にその表面波を励振するＩＤＴ電極を備えた弾性表面波デバイスにおいて、上記ＩＤＴ電極の電極指の交差幅Ｗが、６０λ〜１００λの範囲にあることを特徴とするものである。
【００１１】
〔発明４〕
発明４の弾性表面波デバイスは、
発明１〜３のいずれかに記載の弾性表面波デバイスにおいて、上記圧電基板が水晶基板からなると共に、上記ＳＨタイプの表面波がＳＴＷであることを特徴とするものである。
〔発明５〕
発明５の弾性表面波デバイスは、
発明１〜４のいずれかに記載の弾性表面波デバイスにおいて、上記ＩＤＴ電極の電極指の膜厚Ｈを、波長λの２％以上とすることを特徴とするものである。
【００１２】
〔発明６〕
発明６のＳＡＷ共振子は、
発明１〜５のいずれかに記載の弾性表面波デバイスを用いたことを特徴とするものである。
〔発明７〕
発明７のバンドパスフィルタは、
発明１〜５のいずれかに記載の弾性表面波デバイスを用いたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
〔発明１〕
発明１の弾性表面波デバイスによれば、ＩＤＴ電極の電極指の交差幅Ｗを２０λ〜１４０λの範囲としたため、ＳＴＷ等の高速なＳＨタイプの表面波を利用しても優れたＱ値を発揮することができる。
すなわち、後に詳述するように、本発明者らは、ＳＴＷ等の高速なＳＨタイプの弾性表面波を利用するに際して、レイリー波や通常の漏洩弾性表面波を利用する際に用いる交差幅のままでＩＤＴ電極を設計すると、挿入損失や共振の鋭さ等の性能を表すＱ値が著しく小さくなることを観測した。
【００１４】
また、この現象は、ＳＨタイプの弾性表面波の場合、ＩＤＴ電極の電極指の交差幅方向のエネルギー閉じ込め状態がレイリー波や通常の漏洩弾性表面波等と大きく異なり、ＩＤＴ電極側部からの弾性波の放射が大きく影響しているものと考えられ、そのＩＤＴ電極の交差幅に大きく影響してくることを突き止めた。
そして、ＩＤＴ電極の電極指の交差幅Ｗを従来よりもはるかに大きく、具体的には２０λ以上にすれば、優れたＱ値を得られることが分かった。
【００１５】
また、このＱ値は交差幅Ｗの大きさに比例して高くなり、この交差幅Ｗがある一定の値を越えると電極指の抵抗損が大きくなってＱ値は低下し、１４０λを越えると、Ｑ値は従来の設計と変わらない程度まで低下してしまうことも分かった。
さらに、後の実施形態の欄で図４を参照して詳述するが、従来のレイリー波や通常の漏洩弾性表面波等では、交差幅Ｗを大きくすると、横モードスプリアスが通過帯域内に発生し、フィルタ等の性能を著しく悪化させてしまうが、本発明に係るＳＨタイプの弾性表面波の場合では、交差幅Ｗの大きさにかかわらずこのような横モードスプリアスが殆ど生じないことも分かった。
【００１６】
従って、本発明１に示すように、ＩＤＴ電極の電極指の交差幅Ｗを２０λ〜１４０λの範囲に設計すれば、ＳＴＷ等のＳＨタイプの弾性表面波を用いても性能悪化を招くスプリアスが生じることなく優れたＱ値を発揮することが可能となる。
この結果、例えば、本発明の弾性表面波デバイスからバンドパスフィルタ等を構成すれば、挿入損失が低くて帯域外の減衰量が大きく、かつ通過帯域内にスプリアスのない高性能なフィルタを容易に提供することが可能となり、また、同様に本発明の弾性表面波デバイスからＳＡＷ共振子等を構成すれば、Ｑ値が大きく高安定で、かつ、これを発振器に用いた場合、スプリアスによる異常発振のない高品質なＳＡＷ発振器を容易に提供することが可能となる。
【００１７】
〔発明２〕
発明２の弾性表面波デバイスによれば、ＩＤＴ電極の電極指の交差幅Ｗを４０λ〜１２０λの範囲としたため、優れたＱ値をより確実に発揮することができる。
すなわち、前述したように、ＩＤＴ電極の電極指の交差幅Ｗを、少なくとも２０λ以上で１４０λ以下の範囲にすれば、ＳＴＷ等のＳＨタイプの弾性表面波を利用してもＱ値の低下を防止することができるが、後述するように、そのＱ値の最大値は約８０λ付近であってこれより離れる程その値が小さくなる。
【００１８】
従って、本発明のようにその交差幅Ｗを４０λ〜１２０λに限定すれば、より優れたＱ値を確実に発揮することができる。
〔発明３〕
発明３の弾性表面波デバイスによれば、ＩＤＴ電極の電極指の交差幅Ｗをさらにピークを中心とした６０λ〜１００λの範囲に限定したため、同様な理由により、優れたＱ値をより確実に発揮することができる。
【００１９】
〔発明４〕
発明４の弾性表面波デバイスによれば、上記圧電基板として水晶基板を用いると共に、ＳＨタイプの弾性表面波として高速なＳＴＷを用いたため、Ｑ値の向上と共に、高周波化を容易に達成することができる。
すなわち、前述したように弾性表面波デバイスの中心周波数ｆは、ｆ＝ｖ／λの関係であることが知られているため、そのデバイスの高周波化を達成するには、製造装置の限界により制限される波長λを小さくするだけでは困難であり、伝搬速度ｖの大きい弾性表面波を利用することで効果的に目的を達成することができる。
【００２０】
そして、ＳＨタイプの高速なＳＴＷを発生する水晶基板を用いればその目的を容易に達成することができ、かつ、そのＳＴＷは、オイラー角（０，１２５〜１３５，９０）の範囲でカットした水晶基板を用いることで容易に発生することができる。
〔発明５〕
上述したように、ＩＤＴ電極の電極指の交差幅Ｗを２０λ〜１４０λの範囲に設計すれば、優れたＱ値を発揮できるが、後述するように、このＱ値の向上効果はＩＤＴ電極の電極指の膜厚Ｈを波長λの２％以上にすることで明確に現れ、しかもその膜厚Ｈが大きくなるほどより顕著となることが分かった。
【００２１】
従って、発明５のように、上記ＩＤＴ電極の電極指の厚さＨを波長λの２％以上とすれば、より顕著なＱ値向上効果を得ることができる。
〔発明６〕
発明６によれば、Ｑ値が大きく高安定で、かつスプリアスによる異常発振のない高品質なＳＡＷ共振子を容易に提供することが可能となる。
【００２２】
〔発明７〕
発明７によれば、挿入損失が低くて帯域外の減衰量が大きく、かつ通過帯域内にスプリアスのない高性能なバンドパスフィルタを容易に提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面を参照しながら詳述する。
図１は本発明に係る弾性表面波デバイス１００の実施の一形態を示す平面図、図２は、そのＡ−Ａ断面図である。
図示するように、この弾性表面波デバイス１００は、水晶基板からなる矩形状の圧電基板１０の上面中央部分にＡｌ等の導電性薄膜からなるＩＤＴ電極２０が備えられていると共に、そのＩＤＴ電極２０の両側に、同じくＡｌ等の導電性薄膜からなる梯子状をした反射器電極３０，３０がそれぞれ備えられた構造となっている。
【００２４】
また、このＩＤＴ電極２０は、少なくとも一対の櫛形の電極体２１，２１を互いに交差（噛み合う）するように配置したものであり、このＩＤＴ電極２０に交流電圧が印加されると、圧電効果により隣り合う電極指２１ａ、２１ａ間の基板１０表面に互いに逆位相の歪みが周期的に発生して波長λの表面波が励振されるようになっている。
ここで、これら各電極体２１，２１は、互いに平行に延びる複数の電極指２１ａ、２１ａ、２１ａの端部をバスパー２１ｂで連結した櫛形形状となっており、本実施の形態でいうその交差幅Ｗとは、図示するようにそれぞれの電極体２１，２１の電極指２１ａ、２１ａのかみ合い長さをいう。また、波長λとは、図示するように隣接する電極指２１ａ、２１ａ間のピッチＰの２倍（λ＝２Ｐ）をいい、高さＨとは、これらＩＤＴ電極２０、反射器電極３０，３０の厚さ方向の高さをいう。
【００２５】
また、この矩形状の圧電基板１０を構成する水晶基板は、ＳＴＷが励振されるようにその表面の切り出し角及び伝搬方向がオイラー角（０，１２５〜１３５，９０）の範囲になるように設定される。図３はこの水晶基板の切り出し方位を示す図であり、Ｚ軸を中心に反時計方向を正として回転した第一回転角φと、回転後のＸ軸を中心に反時計方向を正として回転した第二回転角θで切断面Ｍを表示し、回転後のＺ軸を中心に反時計方向を正として回転した第三回転角ψを基板面内の表面伝搬方向とした場合に、オイラー角表示で（φ、θ、ψ）と表す。
【００２６】
次に、図４（ａ）〜（ｃ）は、レイリー波を用いた従来の１ポート型ＳＡＷ共振子の周波数−インピーダンス特性を示したものであり、同図（ａ）は、ＩＤＴ電極２０の波長をλとしたとき、交差幅Ｗを波長λの２０倍としたときの周波数−インピーダンス特性を、また、同図（ｂ）は同じくＷ＝４０λとしたときの周波数−インピーダンス特性を、さらに同図（ｃ）は同じくＷ＝６０λとしたときの周波数−インピーダンス特性をそれぞれ示したものである。
【００２７】
図示するように、Ｗ＝２０λのときの周波数−インピーダンス特性は、３８５ＭＨｚ付近で主モードである共振点αと反共振点βが励起すると共に、それよりも高い周波数帯域である３８６ＭＨｚ付近で横モードスプリアスａが励起する（同図（ａ））。
そして、同図（ｂ）に示すように、このスプリアスａは、交差幅Ｗが４０λになると主モード側に接近する。横モードスプリアスａに加えて高次の横モードスプリアスｂが励起する。さらに、同図（ｃ）に示すように、横モードスプリアスａ、ｂに加えて、横モードスプリアスｃも励起し、交差幅Ｗが６０λになるとスプリアスａが主モードの周波数域にまで達することが分かる。
【００２８】
これは、交差幅Ｗ方向に定在波が生じ、交差幅Ｗが大きくなるほど基本モード、１次モード、２次モード等の高次横モードに基づくスプリアスが励起し、更に、これらの高次横モードスプリアスは主モードへと接近するためである。
このため、レイリー波を用いて交差幅Ｗの大きいＳＡＷ共振子を構成した場合には、これを発振器に用いると異常発振の原因となり、また、バンドパスフィルタを構成した場合には通過帯域内にスプリアスが発生する等といった不都合が発生する。
【００２９】
これに対し、本発明に係るＳＨタイプの高速なＳＴＷを用いた場合は、図５及び図６に示すように交差幅Ｗを大きくしてもレイリー波のような横モードスプリアスが励起しないため、その交差幅Ｗは自由に設計できることが分かる。
また、ここで着目したいのはＳＴＷを用いた場合のＱ値が交差幅Ｗに大きく依存していることである。すなわち、図５（ａ）〜（ｃ）は交差幅Ｗをそれぞれ２０λ、４０λ、６０λに、また、図６（ａ）、（ｂ）は交差幅Ｗをそれぞれ８０λ、１００λと変化させたものであり、共振の鋭さに大きな差があることが分かる。
【００３０】
次に、図７は、ＳＴＷを用いた１ポート型ＳＡＷ共振子の交差幅ＷとＱ値との関係を２種類の電極膜厚（Ｈ／λ＝０．０２、０．０３）毎に示したものである。
図示するように、ＳＴＷのようなＳＨタイプの表面波においては、交差幅Ｗ方向のエネルギー閉じ込め状態がレイリー波や漏洩弾性表面波と大きく異なり、ＩＤＴ電極２０側部からの弾性波の放射が大きく影響しているものと考えられ、そのＱ値は交差幅Ｗによって大きく変化していることが分かる。
【００３１】
通常、レイリー波を利用する場合には、図４に示したように交差幅Ｗを２０λ以下に設計する必要があるが、ＳＴＷのようなＳＨタイプの表面波ではＩＤＴ電極２０側部からの弾性波の放射が大きく、エネルギーが十分に閉じ込められないため、交差幅Ｗの設計は最小でも２０λ以上、好ましくは４０λ以上であることが分かる。
一方、図示するように、このＱ値は、一定の長さまで、すなわち８０λ付近までは交差幅Ｗに比例して大きくなるが、８０λをピークに徐々に低下することが分かった。これは、交差幅Ｗが８０λを越えると反対に電極指２１ａの抵抗損の影響が支配的になってくるものと考えられる。
【００３２】
そして、その交差幅Ｗが１２０λを越えると電極指２１ａの抵抗損の影響が極めて大きくなってＱ値が著しく低下してしまうため、その交差幅Ｗの設計は最大でも１２０λ以下、好ましくは１００λ以下であることが分かる。
また、この交差幅ＷとＱ値との関係は、いずれの電極膜厚Ｈでも、同じように約８０λ付近をピークとして変化することも分かったが、この変化はＩＤＴ電極の電極指の膜厚Ｈを少なくとも波長λの２％（０．０２）以上にすることで明確に現れ、しかもその膜厚Ｈはこれよりも大きいほどより顕著となることが分かった。
【００３３】
従って、本発明に規定するように、ＳＴＷのようなＳＨタイプの表面波を利用する場合には、ＩＤＴ電極２０の電極指２１ａの交差幅Ｗを２０λ〜１４０λ、より好ましくは４０λ〜１２０λ、さらに好ましくは６０λ〜１００λの範囲に設計すれば、性能悪化を招くスプリアスが励起しないことは勿論、優れたＱ値を発揮することができる。また、交差幅の設計自由度が大きく、電極指２１ａの静電容量の調整範囲が広くなるため、回路側の終端インピーダンスと整合がとりやすく、外部マッチング素子が不要となるなど、都合が良い。
【００３４】
この結果、挿入損失が極めて少ない高品質なバンドパスフィルタや高い安定性を有するＳＡＷ共振子を容易に提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本実施の形態では、圧電基板１０として水晶基板を用いてＳＴＷを励振する例で説明したが、ＳＨタイプの弾性表面波を励振するものであれば、この圧電基板１０が水晶基板に限定されるものでなく、例えば、弾性表面波デバイスに広く利用されているタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）基板等も用いることができる。
また、バンドパスフィルタやＳＡＷ共振子に限らず、弾性表面波を応用したデバイスであれば他のデバイスも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る弾性表面波デバイスの実施の一形態を示す平面図である。
【図２】図１中Ａ−Ａ線断面図である。
【図３】弾性表面波デバイスの水晶基板の切り出し方位を示す図である。
【図４】レイリー波を用いた時の周波数−インピーダンス特性を示すグラフ図である。
【図５】ＳＴＷを用いた時の周波数−インピーダンス特性を示すグラフ図である。
【図６】ＳＴＷを用いた時の周波数−インピーダンス特性を示すグラフ図である。
【図７】ＩＤＴ電極の交差幅とＱ値との関係を示すグラフ図である。
【図８】従来の弾性表面波デバイスの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…圧電基板、２０…ＩＤＴ電極、２１…電極体、２１ａ…電極指、２１ｂ…バスパー、３０…反射器電極、１００…弾性表面波デバイス
【図１】
2005065159.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005065159.tif 000009
【図８】
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