(57)【要約】【課題】圧電基板にニオブ酸リチウムを用いた一方向性ＳＡＷ変換器及びそれを用いたＳＡＷデバイスにおいて、電極膜厚を薄くしても高い方向性と低いelectrical Qを両立した一方向性変換器及びそれを用いたＳＡＷデバイスを提供することを目的とする。【解決手段】一方向性ＳＡＷ変換器は、励起される弾性表面波の波長λに相当する幅を有した基本区間を複数個連結した構成を備えており、幅Ｗ１を有する第１の電極指と幅Ｗ２を有する第２の電極指と幅Ｗ３を有する第３の電極指とを備え、幅Ｗ２及び幅Ｗ３をほぼ０．１２５λ、ｄ１−ｄ２間距離をほぼ０．３７５λ、ｄ２−ｄ３間距離をほぼ０．２５０λとする。そして、電極膜厚Ｈ／λをＨ／λ≦０．０２とした時に、前記第１の電極指の幅Ｗ１をＷ１≦０．２０λとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオブ酸リチウム基板上に配置して弾性表面波素子を構成するための弾性表面波変換器であって、
前記弾性表面波変換器は、励起される弾性表面波の波長λに相当する幅を有した基本区間を複数個連結した構成を備えており、
前記基本区間は、幅Ｗ１を有する第１の電極指と幅Ｗ２を有する第２の電極指と幅Ｗ３を有する第３の電極指とを備え、前記幅Ｗ２及び幅Ｗ３がほぼ０．１２５λであり、前記第１の電極指と前記第２の電極指の中心間距離がほぼ０．３７５λ、前記第２の電極指と前記第３の電極指の中心間距離がほぼ０．２５０λであり、
電極膜厚Ｈ／λをＨ／λ≦０．０２とした時に、前記第１の電極指の幅Ｗ１をＷ１≦０．２０λとすることを特徴とした一方向性弾性表面波変換器。
【請求項２】
前記一方向性弾性表面波変換器において、電極膜厚Ｈ／λをＨ／λ≦０．０２とした時に、前記第１の電極指の幅Ｗ１をＷ１＝０．１２５λとすることを特徴とした請求項１に記載の一方向性弾性表面波変換器。
【請求項３】
前記一方向性弾性表面波変換器において、電極膜厚Ｈ／λをＨ／λ≦０．０１とした時に、前記第１の電極指の幅Ｗ１をＷ１≦０．２５λとすることを特徴とした請求項１に記載の一方向性弾性表面波変換器。
【請求項４】
前記ニオブ酸リチウム基板は、１２８°回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板であることを特徴とした請求項１乃至３のいずれかに記載の一方向性弾性表面波変換器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の一方向性弾性表面波変換器を用いることを特徴とした弾性表面波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３本の電極指からなる電極指対を基本区間とした一方向性弾性表面波変換器及びそれを用いた弾性表面波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、弾性表面波（以下、ＳＡＷと称す）フィルタは移動体通信分野で広く利用され、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に多く用いられる。また、ＩＦ用のＳＡＷフィルタは、携帯電話のみならずＥＴＣ車載器やＴＶ用部品としても用いられ広帯域な特性が必要とされている。このような広帯域な仕様を満たすＩＦ用フィルタとしてはトランスバーサル型ＳＡＷフィルタが最も適している。
【０００３】
図４は従来のトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの構成を示す図であって、圧電基板１１の主表面上にＳＡＷの伝搬方向に沿って入力用のＩＤＴ電極１２と出力用のＩＤＴ電極１３を所定の間隔をあけて配置すると共に、ＩＤＴ電極１２、１３の間に入出力端子間の直達波を遮蔽するためのシールド電極１４を配置する。前記ＩＤＴ電極１２、１３はそれぞれ互いに間挿し合う複数の電極指を有する一対のくし形電極より構成されており、ＩＤＴ電極１２の一方のくし形電極を入力端子ＩＮに接続すると共に他方のくし形電極は接地する。そして、ＩＤＴ電極１３の一方のくし形電極を出力端子ＯＵＴに接続すると共に他方のくし形電極は接地する。なお、圧電基板１１の長辺方向（ＳＡＷの伝搬方向）の両端に吸音材１５を塗布して端面からの反射波を抑圧することが一般的に行われる。
【０００４】
ところで、図４に示すようなくし形電極を正、負、正と順番に並べた所謂正規型ＩＤＴ電極を配置したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタの場合、ＳＡＷは伝搬方向に沿って左右に等しく伝搬するためフィルタの挿入損失が大きくなってしまうという問題があった。
【０００５】
この問題を解決すべく、ＳＡＷの励振に方向性を持たせた所謂一方向性電極が用いられる。一方向性電極として電極幅の異なる複数の電極指を組み合わせた単相一方向性変換器（Single Phase Uni-Directional Transducer：ＳＰＵＤＴ）がよく知られている。前記ＳＰＵＤＴの代表的な例として、T.Kodama, H.Kawabata, Y.Yasuhara and H.Sato:Design of Low-loss SAW Filters Employing Distributed Acoustic Reflection Transducers, IEEE Ultrason.Symp.Proc., pp.59-64 (1986).にて提案されたＤＡＲＴ（Distributed Acoustic Reflection Transducer）と呼ばれる構造がある。このＤＡＲＴの基本的な構造は、図５に示すように電極指２１、２２、２３の３本からなる電極指対を基本区間λとしこれを複数回反復して配置することによりＩＤＴ電極を構成している。また、各電極指の幅をＷ１＝０．３７５λ、Ｗ２＝Ｗ３＝０．１２５λとし、基本区間の左端を原点０とした時、各電極指の中心位置をｄ１＝０．２５０λ、ｄ２＝０．６２５λ、ｄ３＝０．８７５λとしている。
【０００６】
上述のＤＡＲＴに代表される一方向性ＳＡＷ変換器は基本区間において幅の異なる電極指を配置することで容易に一方向性を実現できる。ただし、より低損失な特性を得る為には方向性が高まる位相条件と高い反射効率を両立させる必要がある。ここで、反射中心の位相を∠Ｒ、励振中心の位相を∠Ｔとした時、方向性が高まる位相条件とは、∠Ｒ−∠Ｔ＋ｎπ＝π／４（ｎ＝０、１、２・・・）である。例えば、図５に示すＤＡＲＴ構造の場合、反射中心の位置はｄ１、励振中心の位置はｄ２であると考えられ、反射中心の位相∠Ｒは∠Ｒ＝（０．２５０λ／λ）×２π＝π／２、また、励振中心の位相∠Ｔは∠Ｔ＝（０．６２５λ／λ）×２π＝５π／４となる。従って、π／２−５π／４＋π＝π／４となり、方向性が高まる位相条件を満足していることになる。もう一つの必須条件である高い反射効率を得る為には、高い反射が見込める電極材料と圧電基板を最適に組み合わせたり、電極膜厚を厚くする方法が有効である。
【０００７】
また、前記一方向性ＳＡＷ変換器を用いてフィルタを形成した場合、図６（ａ）に示すように電源側インピーダンスＲＳと負荷インピーダンスＲＬとを整合させる為にＳＡＷフィルタの入出力側に整合回路ＭＣ１、ＭＣ２が取り付けられる。整合回路ＭＣ１、ＭＣ２においてはＱ値の低い安価なインダクタを使用されることが多く、ＳＡＷフィルタと整合回路ＭＣ１、ＭＣ２との感度は低いほうが好ましい。図６（ｂ）はＳＡＷフィルタのＩＤＴ電極の等価回路図を示したものであるが、ＳＡＷフィルタと整合回路ＭＣ１、ＭＣ２との感度を低下させるには、ＩＤＴ電極のelectrical Q＝（Ｂａ＋ωＣｔ）／Ｇaを下げる必要がある。このelectrical Qについては、B.Abott and C.S.Hartmann:An Efficient Evaluation of the Electrostatic Fields in IDTs with Periodic Electrode Sequences,IEEE Ultrason.Symp.Proc.,pp157-160(1993).に詳しく説明されている。electrical Qを低くした一方向性ＳＡＷ変換器を実現できれば、Ｑ値の低い安価なインダクタンスで整合回路を形成しても、低損失なフィルタ特性が得られるという利点がある。
【０００８】
上述のelectrical Qについて図５を用いて説明すると、基本区間において上部バスバー２４と下部バスバー２５とを電気的に開放した時の共振周波数と、電気的に短絡した時の共振周波数との差が大きいほどelectrical Qは低下する。即ち、電極が形成されていない領域のＳＡＷの周波数を基準とした時に、電気的に開放状態にある共振周波数の低下量をκ１１'oとし、電極的に短絡状態にある共振周波数の低下量をκ１１'ｓとすれば、｜κ１１'s−κ１１'o|が大きいほどelectrical Qが低下し、外部整合回路との感度を下げることができることが知られている。
【０００９】
以上のように、優れた一方向性ＳＡＷ変換器を実現するためには、高い方向性と低いelectricalQが両立する構造を見出すことが必要となる。
【００１０】
ところで、上述のようにＥＴＣ車載器やＴＶ用部品として用いられるトランスバーサル型ＳＡＷフィルタにおいては広帯域な特性が求められている。具体的な仕様としては、ＥＴＣ車載器用ＩＦフィルタでは、中心周波数４０（ＭＨｚ）、通過帯域幅４（ＭＨｚ）以上が要求されており、中心周波数と通過帯域幅の比である比帯域幅は１０％以上が必要となる。また、ＴＶ用ＩＦフィルタにおいては中心周波数５７（ＭＨｚ）、通過帯域幅５（ＭＨｚ）以上が要求されており、比帯域幅は８．８％以上が必要となる。
【００１１】
このような広帯域な仕様を満足するためには、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）等の電気機械結合係数ｋ２の高い圧電基板を用いる必要がある。例えば、ＥＴＣ車載器用トランスバーサルＳＡＷフィルタにおいて圧電基板をＬＮとし電極材料をＡｌとした場合、十分な一方向性を得る為には電極膜厚Ｈ／λを０．０２以上、即ち、２μｍ以上の電極膜厚が必要となる。
【００１２】
しかしながら、電極膜厚を０．０２以上とした場合、膜厚が非常に厚いので電極形状を精度良く形成するには成膜工程やエッチング工程に要する時間が長くなり作業効率が著しく悪くなってしまう。従って、量産性を考えた場合、電極膜厚Ｈ／λを０．０２以下に薄くすることが望ましいが、膜厚を薄くすると十分な方向性が得られないのでフィルタ特性が劣化してしまうという問題が生じる。
【特許文献１】特許第３０７３１８５号
【非特許文献１】T.Kodama, H.Kawabata, Y.Yasuhara and H.Sato: Design of Low-loss SAW Filters Employing Distributed Acoustic ReflectionTransducers, IEEE Ultrason.Symp.Proc., pp.59-64 (1986).
【非特許文献２】B.Abott and C.S.Hartmann:An Efficient Evaluation of the Electrostatic Fields in IDTs with Periodic Electrode Sequences,IEEE Ultrason.Symp.Proc.,pp157-160(1993).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
圧電基板にニオブ酸リチウムを用いた一方向性ＳＡＷ変換器及びそれを用いたＳＡＷデバイスにおいて、電極膜厚Ｈ／λを０．０２以上に厚くすると、製造工程の作業効率が著しく悪くなってしまうという問題がある。本発明ではこの問題を解決する為に、電極膜厚Ｈ／λを０．０２以下としても、高い方向性と低いelectrical Qを両立した一方向性変換器及びそれを用いたＳＡＷデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために本発明に係る一方向性ＳＡＷ変換器及びそれを用いたＳＡＷデバイスの請求項１記載の発明は、ニオブ酸リチウム基板上に配置してＳＡＷ素子を構成するためのＳＡＷ変換器であって、前記ＳＡＷ変換器は、励起されるＳＡＷの波長λに相当する幅を有した基本区間を複数個連結した構成を備えており、前記基本区間は、幅Ｗ１を有する第１の電極指と幅Ｗ２を有する第２の電極指と幅Ｗ３を有する第３の電極指とを備え、前記幅Ｗ２及び幅Ｗ３がほぼ０．１２５λであり、前記第１の電極指と前記第２の電極指の中心間距離がほぼ０．３７５λ、前記第２の電極指と前記第３の電極指の中心間距離がほぼ０．２５０λであり、電極膜厚Ｈ／λをＨ／λ≦０．０２とした時に、前記第１の電極指の幅Ｗ１をＷ１≦０．２０λとすることを特徴としている。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記一方向性弾性表面波変換器において、電極膜厚Ｈ／λをＨ／λ≦０．０２とした時に、前記第１の電極指の幅Ｗ１をＷ１＝０．１２５λとすることを特徴としている。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記一方向性ＳＡＷ変換器において、電極膜厚Ｈ／λをＨ／λ≦０．０１とした時に、前記第１の電極指の幅Ｗ１をＷ１≦０．２５λとすることを特徴としている。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記ニオブ酸リチウム基板は、１２８°回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板であることを特徴としている。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、前記一方向性弾性表面波変換器を用いた弾性表面波デバイスであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１乃至５に記載の発明によれば、圧電基板にニオブ酸リチウムを用いた一方向性ＳＡＷ変換器及びそれを用いたＳＡＷデバイスにおいて、電極膜厚Ｈ／λを０．０２以下としても高い方向性と低いelectrical Qが得られ、製造時において各工程に要する作業時間を大幅に短縮でき、また、外部整合回路のＱ値に関わらず低損失で広帯域な特性を有する一方向性ＳＡＷ変換器及びそれを用いたＳＡＷデバイスを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】
【００２０】
以下、本発明を図面に図示した実施の形態例に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る一方向性ＳＡＷ変換器を示す図であって、一方向性ＳＡＷ変換器は、圧電基板上に励起されるＳＡＷの波長λに相当する幅を有した基本区間を複数個連結した構成を備えており、１つの基本区間において幅Ｗ１を有する電極指１と幅Ｗ２を有する電極指２と幅Ｗ３を有する電極指３をそれぞれｄ１、ｄ２、ｄ３の位置に配置した構造となっている。なお、Ｗ２＝Ｗ３＝０．１２５λとし、ｄ１−ｄ２間距離を０．３７５λ、ｄ２−ｄ３間距離を０．２５０λとしている。そして、電極指１を反射電極、電極指２、３を励振電極として機能させＳＡＷの励振に方向性を付けている。本実施例では、圧電基板に１２８°回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム（以下、１２８°ＬＮと称す）を用い、電極をＡｌ又はＡｌを主成分とする合金から形成している。
【００２１】
一方向性ＳＡＷ変換器においては、前述の通り高い方向性と低いelectrical Qを両立させることが重要であり、圧電基板に１２８°ＬＮを用いる場合は製造工程の作業効率の問題から電極膜厚Ｈ／λを０．０２以下に抑える必要がある。このような条件を満足できる電極構造を見出す為には電極幅Ｗ１〜Ｗ３と電極位置ｄ１〜ｄ３を最適化する必要がある。そこで、本実施例では反射電極の幅Ｗ１を変化させた時の方向性及びelectrical Qについてシミュレーションを行った。なお、シミュレーションは、K.Hashimoto and M.Yamaguchi: Free So-ftware Products for Simulation and Design of Surface Acoustic Wave and Surface Transverse Wave Devices, Freq. Contr. Symp. Proc., pp.300-307 (1996).に示されているＦＥＭ解析ツール「Multi」を用いた。また、１２８°ＬＮの材料定数にはKovacsの定数を使用し、Ａｌの材料定数にはそのソフトウエアに内蔵されている定数をそのまま用いた。
【００２２】
まず、電極膜厚Ｈ／λを０．０２以下とした時の反射電極幅Ｗ１とelectrical Qの関係について調べた。図２に反射電極幅Ｗ１とelectrical Qの関係を示す。同図の横軸は波長λで基準化した反射電極の幅Ｗ１（λ）を示しており、縦軸は圧電基板上の電極が形成されていない領域のＳＡＷの周波数を基準として、上部バスバー４と下部バスバー５とを電気的に開放した時の共振周波数の低下量をκ１１'oとし、電極的に短絡にした時の共振周波数の低下量をκ１１'sとした時のκ１１'oとκ１１'sとの差、即ち、｜κ１１'s−κ１１'o｜を示している。この｜κ１１'s−κ１１'o｜が大きくなるほどelectrical Qが低くなることを表している。同図より電極膜厚Ｈ／λを０．０２以下とした場合において、点Ａに示す従来の反射電極幅Ｗ１＝０．３７５λより電極幅を小さくすることにより｜κ１１'s−κ１１'o|が大きくなる、即ち、electrical Qが低下することが確認された。
【００２３】
次に、電極膜厚Ｈ／λを０．０２以下とした時の反射電極幅Ｗ１と方向性の関係について調べた。図３に反射電極幅W１と方向性Dの関係を示す。同図の横軸は波長λで基準化した反射電極の幅Ｗ１（λ）を示しており、縦軸は図１に示す一方向性ＳＡＷ変換器の基本区間１λ当たりの方向性の強度１０ｌｏｇ１０Ｄ（ｄＢ）を示している。同図より、点Ｂに示す従来の反射電極幅Ｗ１＝０．３７５λより方向性が高まる条件は、Ｈ／λ＝０．０２とした場合は０．０５λ≦Ｗ１≦０．２０λの範囲に、Ｈ／λ＝０．０１とした場合は０．０５λ≦Ｗ１≦０．２５λの範囲に設定すれば良いことが分かり、双方ともＷ１＝０．１２５λとした時が最も方向性が高まる。なお、反射電極幅Ｗ１を０．３７５λ以上としても方向性が高まるが、隣接する電極指との間隔が狭くなってしまうので製造上好ましくない。
【００２４】
以上から、電極膜厚Ｈ／λを０．０２以下に薄くした場合において低いelectrical Qと高い方向性を実現するには、Ｈ／λ≦０．０２の条件においてはＷ１≦０．２０λとすれば良く、Ｈ／λ≦０．０１の条件においてはＷ１≦０．２５λとすれば良い。このように反射電極幅を設定することで、製造時において各工程に要する時間を大幅に短縮することができ、外部整合回路のＱ値に関わらず低損失で広帯域なフィルタ特性を有した一方向性変換器及びそれを用いたＳＡＷデバイスを実現することができる。
【００２５】
これまで、Ｗ２＝Ｗ３＝０．１２５λ、ｄ１＝０．２５０λ、ｄ２＝０．６２５λ、ｄ３＝０．８７５λと固定した場合についてのみ説明してきたが、大幅に電極幅や電極位置が変わらなければ上述と同様な効果が得られるのは明らかである。具体的には、Ｗ２＝Ｗ３＝０．１２５λ±０．０２５λ、ｄ１−ｄ２間距離を０．３７５λ±０．０２５λ、ｄ２−ｄ３間距離を０．２５０λ±０．０２５λとしても良い。また、圧電基板を１２８°のカット角以外のニオブ酸リチウム基板としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る一方向性ＳＡＷ変換器を説明する図である。
【図２】本発明に係る一方向性ＳＡＷ変換器の反射電極幅Ｗ１とelectrical Qとの関係を示す。
【図３】本発明に係る一方向性ＳＡＷ変換器の反射電極幅Ｗ１と方向性の強度Dとの関係を示す。
【図４】従来の正規型ＩＤＴ電極を配置したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタを示す。
【図５】従来の一方向性ＳＡＷ変換器（ＤＡＲＴ）を示す。
【図６】（ａ）はＳＡＷフィルタに外部整合回路を取り付けた時の簡略図であり、（ｂ）はＩＤＴ電極の等価回路図である。
【符号の説明】
【００２７】
１：電極指
２：電極指
３：電極指
４：上部バスバー
５：下部バスバー
Ｗ１〜Ｗ３：電極幅
ｄ１〜ｄ３：電極位置 
【図１】
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【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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