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日本音響学会誌 67 巻 10 号（2011），pp. 494–495

連載企画—音響学の温故知新—

弾性表面波デバイス*門 田 道 雄（（株）村田製作所）∗∗
43.38.Rh

1. ま え が き

圧力監視用等に使用されている。

話等に欠かせないデバイスとして確固たる地位を

Bleustein-Gulyaev-Shimizu（BGS）波（1969,
上記 3 名）は Shear Horizontal（SH）成分のみを持つ。SH 波の素子端面での完全反射を利用すれ確立している。代表的な SAW デバイスについてばグレーティング反射器の不要な小形な共振子を振り返る。

。40◦ YX · LT の SH 波実現出来る（1979, 清水）

弾性表面波（SAW）を用いた電子部品は携帯電

2. SAW デバイス
2.1 テレビ用フィルタ
1885 年レイリー卿により SAW を代表するレイリー波が理論的に発見された。1964, 5 年の E.K.
Sitting，R.M. White，山之内らによるインターディジタル型電極（IDT）の発明やそれに続く 1971〜
75 年 A.J. Devries によるテレビ（TV）映像中間周波増幅回路（VIF）用トランスバーサル型 SAWフィルタの報告以来，多くの研究機関，企業により圧電セラミック（PZT）(1955, B. Jaﬀe)，LiNbO3（LN），LiTaO3（LT）の単結晶（1945, B.T. Mathisにより育成），ZnO 薄膜 (1965, S. Wanuga) とガラスの組み合わせ等の TV 用 SAW フィルタの開発が始まり，1980 年頃から実用化された。ZnO 膜のフィルタの実用化では他社が撤退する中，筆者は 11 年間製造現場でねばり，世界で唯一その実用化に成功した。

2.2 SAW 共振子
VTR が普及し始めた 1980 年代の TV は映像と音声の入力端子を持たないため TV の 1 チャンネル（ch）か 2 ch で VTR を使用する方式が採用された。
この共振子には温度特性の良好な ST · X 水晶（人工水晶：1845, C.E. Shafhautl，ST カット：1970,M.B. Schulz）や X112◦ Y · LT 上の（1977, 平野）
レイリー波が使用された。現在，300〜900 MHzの水晶 SAW 共振子が車のドアのキーやタイヤの∗∗∗Surface acoustic wave devices.
Michio Kadota (Kadota Laboratory, Murata Mfg.
Co., Ltd., Yasu, 520–2393) e-mail: kadota@murata.
co.jpを用いた端面反射型共振子は 1984 年実用化されたが，低コストの PZT を用いた BGS 波共振子の実用化には高電圧での横方向への分極が困難など幾つかの大きな課題があった。1991 年筆者らはそれらを解決し PZT を用いた超小形（水晶の 1/50の素子サイズ）な 40〜60 MHz の BGS 波端面反射型共振子を TV や VTR の VIF 回路の補助トラップ用に開発・実用化したが，実用化までには耐湿特性改善等に多くの時間を要した。

2.3 IF フィルタ
2 重モード SAW（DMS）横結合型（1975, 清水）及び縦結合型（1986, 田中）共振子フィルタはバル
ク波水晶基板の多重モードフィルタ（1962, 中沢）を SAW に応用したものである。コードレス電話，GPS，ETC，携帯電話等用の IF フィルタは，周波数が低く，トランスバーサル型 SAW に比べ小形なDMS フィルタを用いてもサイズが非常に大きかった。DMS フィルタは低挿入損失であるが，帯域は基板の結合係数に依存するため広帯域化が困難であり，また超小形化を可能にする端面反射型 DMSはスプリアスが大きく実現困難とされていた。しかし，筆者らは 2000 年 IDT の対数比の最適化や表面にゲル状樹脂塗布等によるスプリアスの低減，大きな結合係数を持つ PZT 基板の開発等により15%の超広帯域が要求される ETC 向 40 MHzIF用を BGS 波端面反射縦結合型 DMS で実現した。
トランスバーサル型 SAW に比べ 1/5 に小形化されたパッケージサイズ，7 dB 良好な挿入損失を実現した。市場占有率は 100%を実現している。携帯電話の中帯域 IF には ST · X 水晶のレイリー波

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弾性表面波デバイスのトランスバーサル型 SAW や 36–42◦ YX · LT のズは 29 × 14 × 4〜13 × 11 × 3.6 mm3 と大きく，小漏洩 SAW（LSAW）（LSAW の発見：1969, T.C.

形化の要求が強かった。1998 年頃から SAW を用

Lim, 36◦ YX ·LT：1977, 中村，42◦ YX ·LT：1999,橋本）の縦結合 DMS を用いて 1990 年代前半から実用化されてきた。しかし BGS 波端面反射を用いた横結合型 DMS フィルタは実現されていなかった。横結合する PZT 材料の開発により，筆者らにより 1998 年，52 MHz 米コードレス電話や欧州 25 MHz カーラジオ向小形 IF 用に実用化されいたラダー型デュプレクサが主に検討されたが（ラダー型は古くから知られており，PZT バルク波では 1959, D.R. Curran, SAW では 1974, S.C.C.

Tseng の報告），周波数の混雑や省エネの観点から温度変化に対し周波数変動の少ないことや挿入損失の劣化がないことが要求される。基板と反対のプラスの温度係数を持つ SiO2 膜を成膜することにた。帯域が狭く良好な温度特性と低損失が要求さより温度特性が改善される（LN, LT のレイリー

れる 70〜400 MHz PDC や GSM 方式携帯電話等

波：1974, 5, T.E. Parker, LT の LSAW：1977,の IF 用には温度特性の良好な ST · X 水晶上のレ岩橋）。しかし，大きな反射係数を得るために厚イリー波を用いた横結合 DMS フィルタが 1991 年

い Al 電極が用いられたラダー型フィルタでは単頃から実用化されていたが，反射器のサイズが大に Al 電極/基板上に SiO2 を成膜するだけでは良◦きく小形の要求が強かった。Ta 電極を ST90 X·

好な特性が得られず，筆者らは平坦化 SiO2 /高密水晶基板上に形成した SH 型ラブ波 likeLSAW は度電極/圧電基板を採用した。周波数変動の少な従来の 35 倍の大きな反射係数を持つ。そのためグいことが要求される米 PCS 用には圧電基板としレーティング反射器の本数を 1/35 にした超小形て 36–48◦ YX · LT の減衰のない LSAW を，挿入（パッケージサイズは従来の 1/5）縦結合型 DMS

損失の劣化の少ないことが望ましく広帯域な W-フィルタが 130〜360 MHz の携帯電話 IF フィル

CDMA 用には結合係数の大きな YX · LN のラブ波 (1960, A.E. Love) を用いた。YX · LN に高密度電極を形成することにより LSAW は減衰のないラブ波（1986, 清水）に変換される。当初オリンピックのメダル順に Au, Ag, Cu を検討したが信頼性試験の結果から最終的に Cu 電極を採用した。SiO2 膜の表面平坦化は Q 向上のため，Cu

タ用に筆者らにより 1999 年開発されたが，Ta 電極による音速ばらつきが Al 電極の 30 倍あり，辞表片手に実用化に取り組み，Ta 膜厚 ∓0.14 nm の制御を可能にし，2001 年その実用化に成功した。

2.4 RF フィルタ
携帯電話等の RF フィルタは一般に IF フィル
タに比べて周波数が高いためサイズは IF フィル
タに比べ小さい。必要とされる帯域に適した 40–70◦ YX · LN（1972, 山之内）や 36–42◦ YX · LTの LSAW，ZnO 膜/サファイアのセザワ波（1935,妹沢）を用いたトランスバーサル型多電極構造，縦結合 DMS 等からなる RF フィルタが 1980 年後半から実用化された。従来の RF フィルタは，素子表面に空洞を必要としたため，小形化に限界があった。低音速媒体が高音速媒体ではさまれた

SiO2 /Au 電極/YX · LN 基板構造の SH 型境界波にて GSM 用 Rx 用 RF フィルタを 2005 年に実用化した。外装が不要なので超小形であるが，細かい周波数調整は境界波固有の今後の課題である

2.5 デュプレクサ
自動車電話，携帯電話の初期の頃は，誘電体から成るデュプレクサが使用されていた。そのサイ電極はラブ波化と適度な反射係数を得るためである。SiO2 成膜時の Cu の拡散防止や耐電力対策には苦労したが 2003 年実用化に成功した。サイズ
は 2.5 × 2.0 × 0.48 mm3 と非常に小形である。

3. 結び

SAW デバイスの歴史について述べた。紙面の都合上 1969 年 Smith の IDT の等価回路（1948,Mason の等価回路から発展）などを記せなかった。
文献[ 1 ] 門田道雄, “実用化された弾性表面波デバイスと今後の動向,” 信学会誌, 91, 41–48 (2008).
[ 2 ] 柴山乾夫監修, 電子通信学会編, 弾性表面波工学（コ.
ロナ社, 東京, 1983）[ 3 ] 日本学術振興会弾性波素子技術第 150 委員会編, 弾性波素子技術ハンドブック（オーム社, 東京, 1991）.
[ 4 ] 日本学術振興会弾性波素子技術第 150 委員会編, 弾性波デバイス技術（オーム社, 東京, 2004）.