JPS5812418A - 弾性表面波多重モ−ド・フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明社弾性表面波共振器によって構成し１００〜数１
００ＭＨｚ帯に於いて狭帯域通過特性を呈する多重モー
ド・フィルタに関する。

従来から５０ＭＨｚ　以上の帯域通過フィルタとしては
一１１ｔＫＬｃｙイルタ、スパイラル・フィルタ、弾性
表面波フィルタ或社帯域通過フィルタの基本回゛路中の
共振素子又はインダクタンスを弾性表面波共振器に置換
したフィルタ等が使用されている。

しかしながら上述の帯域通過フィルタは以下の如き欠点
を有する。

即ち、ＬＣフィルタは使用する周波数に制限がＴｏシ、
スパイラル・フィルタは大型となるのみならず両者共極
めてＱが低いものである。

一方弾性表面波フィルタ扛比較的広帯域のフィルタであ
るが挿入損失が大きい上温度特性及び安定度に問題があ
るのみならずＴＴＥ　（三重反射エコー）によって通過
帯域にリップルを生じやすいという欠点がある。

又、帯域通過フィルタ基本回路中の共振素子を弾性表面
波共振器に置換したフィルタは比較的低周波数帯（１０
０ＭＨｚ以下）で使用されている所謂水晶フィルタと同
種のものであるが１００ＭＨｚ以上の高周波帯で使用す
る場合に要求される高いＱと狭帯域フィルタ特性を充分
高い安定度にて実現することが極めて困難であった。

本発明は上記の如き従来の帯域通過フィルタの欠点を除
去する為になされた４のであって、従来のフィルタの如
く個別部品の組み合わせによることなく、弾性＊Ｗ＊共
振器による同一周波数の振動が蓼数個隣接した場合それ
ら０間の音響的結合の結果発生する複数種の振動モード
から生ずる異りた共振周波数を利用してフィルタを構成
するととによって高周波帯に於いて高いＱと高い安定［
１有する帯域通過フィルタを提供する仁とを目的とする
。

以下本発明の基礎となり九実験結果及び理論を概説する
と共に、本発明を各種の実施例の図面に基づいて詳細に
説明する。

第１１社本発明に於いて使用する多対のインタディジタ
ル・トランスジ凰−サ電極を有する弾性表面波共振器の
一般的構成を示すものである。

即ち、水晶等の圧電基板１の主表面上に適蟲なライン・
スペース比（通常はｌ：１であることが多い）を以って
配列する電極指２，２．・・・・・・及び２’、２’・
・・・・・を夫々バスバー電極３．４から交互に弧長交
叉する如く配置し、前記バスバー電極３，４に夫々端子
５，６を設けて二端子共振器を形成する。

上記の如き構成を有する弾性表面波共振器の電極間隔２
ｄは使用する圧電基板の弾性表面波伝搬速度がＯ，、波
長がλである場合、共振周波数ｔｆ、とすれば ｙ、＝υ、／λ＝ｕ、／４ａ で決定される。

又電極対数ｆＮとすると、電極長りは Ｌ＝Ｎ・λ で与えられ、共振器のサイズを決定するものである。

更に一社前記電極２，２．・・・・−及び２＃、２１．
・・・・・・の交叉長であって、鋏の励起される幅を決
定すると共に共振器のインピーダンス・レベルに影響を
与えるものである。

上述の如く多対のインタディジタル自トランスジ鼻−サ
電極を有する弾性表面波共振器は急峻なインピーダンス
特性を示すが、これＦ１表面波が前記電極２，２．・・
・・・・及び２’ｓ２’＊・・・・・・　の間で周期的
摂動による反射を生起し、この為表面波の振動エネルギ
が前記電極２，２．・・・・・・、２・。

２′、・・・・・・の間に閉じ込められる仁とにより高
いＱｔ有する共振器を形成するからである。

第２図はその振動の要部を模式的に説明するもので振動
エネルギが前記電極の中央部に集中していることを示す
。

即ち、８Ｔカツトの水晶基１［１にｍｍいるならば、Ｘ
軸方向に表面波管伝搬する弾性表面波共振器となり、誼
共振器に於いては、Ｘ軸及びＺ軸方向の振動変位を夫々
Ｕｘ及びＵｚとすると、両方内典変位の最大値は中央部
にあり、夫々の両端近傍に於いて指数関数的に急減衰す
るので電極周辺部は殆んど振動せず、前述のエネルギ閉
じ込めが生じていることが判る。

次に弾性表面波共振器と電極との関係について説明する
。

従来、弾性表面波共振器について高いＱを得る為圧電基
板中央に対数Ｎの小なる電極を設け、その両側に比較的
多対の反射器を配して振動エネルギをこの反射器内に閉
じ込めようとする試みがなされている。

しかしながら斯る形式の共振器は反射器と励振電極との
音響的結合によって共振特性の乱れや複雑な反射を伴い
、副共振も多いという欠点がある。

従ってこのような弾性表面波共振器を二個弾性表面波の
伝搬方向に沿って並列に隣接配置し、両者の音響的結合
を利用して二重モード・フィルタを構成せんとする麺業
もなされてはいるが、斯るフィルタ社減衰Ｏ垂れが多数
発生する等フィルタ特性上火ｗｈＯ多いものであった。

これに対し本発明に於いて使用する最も単純表所覇正規
型多対インタディジタル争トランスジ、−す電極のみＫ
よＵＳ成する共振器Ｆｉ−共振も少なくインピーダンス
−レベルも低くシラる等の利点はあるが高いＱｔ得んと
すれば極めて多数のｔ極対数１要しそのすイズが長大に
なるという欠点があるとされていた。

然るに本願発明者等は既に％願昭５６−５６７１０に於
いて比較的少数の電極対数Ｎによって高いＱを有する共
振器が得られる仁とを明らかにした。

本発明は上記の共振器を利用してフィルタを構成するも
のであるが、この共振器の特徴を以下に列挙する。

（ａｌｌ　　電極材質はＡｌの場合最良の特性を示し、
副共振が少なく高いＱｔ得られる。

（ｂ）　　電極膜厚Ｈの値を大きく（例えば８Ｔカツト
水晶基板の場合であれば表面波々長λの１．５−以上）
設定すればする程Ｑの最大値も大きく麦るが、副共振レ
ベルも上昇する。

（ｃ）　　共振器のＱは電極対数Ｎが１００〜４００の
間ではＮ０２〜３乗に比例し、４００〜８００でＮに比
例し、更Ｋｌ、００Ｇを越えると漸増する。

（ｄ）　　等価インダクタンスｆｉＮの逆数の２乗には
譬比例し等価容量は八が８００前后で最小、その両側で
は漸増する。一方副共振レベルＦｉＮが４００１で扛小
さく９００を越えると悪化する。

（ｅ）　　交叉長−は緩慢ではあるがＱの最大値を示す
値が存在し、―が大となるに従って等価インダクタンス
は小さくなシは！−の１．５乗に反比例する。

（ｆ）　　共振周液数！、は前述の如くインクディジタ
ル・トランスジ瓢−サ電極間隔２ｄＫよって決るが、電
極膜厚Ｈｌ大きくするとその質量効果によりて低下する
。又、対数Ｎ′を減少しても若干低下する。

から、これを単一の圧電基板上で青畳的に結合すること
によって極めて小型な高周波帯域での使用に好適な帯域
通過フィルタが得られ、しかもその通過帯域幅は前記交
叉長ω、電極膜厚Ｈ等を変化することによりか１にシの
自由度を以って制御しうろことが予測される。

上記の予測に基づいて本願発明者岬の行った基本実験の
結果を詳述し、これを応用１発展させ九実施例も併せて
説明する。

第３図は本発明のフィルタの基本的な構造を示す図であ
りて、基［１１の主表面はポリッシェ研摩を施した上、
誼表面上の２軸方向（表面波の伝播方向と直角の内方）
に２個の多対インタディジタル・トランスジューサ電極
１２及び１３を並列に隣接配置する。

前記両電極１２及び１３の電極対数Ｎ１！及びＮ１ｍは
必ずしも同数である必要はないが単純化の為同数とし、
前記画集振器電極１２．１３に共通の中央バスバー電極
１４をはさむインタディジタルΦトランスジューサ電極
指の交叉しない部分の幅を２１両電極の電極指交叉幅ｔ
７６１とする。

又、前記画集振器電極１２．１３によって励起される弾
性表面波のピッチ及び位相は夫々同型かつ同相となるよ
うにする。

斯くの如く構成する共振器を共振させた場合弾性表面波
伝搬方向と直角の方向に二つの振動モードが発生するが
、その一つは第４図（−の如く前記画集振器電極１２及
び１３があたがも１個の共振器として共振するが如く振
動が励起され、その振動モード扛ｚ軸上で前記中央バス
バ゛　　−電極１４に関して対称となる。これを対称モ
ード又は８−モードと名付け、その共振周波数ｔｆｍと
する。

他の振動モードは１二４図（ｂ）に示す如くｚ軸方向で
前記中央バスバー電極１４に対して反対称となるもので
あって、これを反対称モード又はａ−モードと名付け、
骸モードの共振周波数をｆｌとする。

この反対称モードＯ振動はあたか４二つの共振器が各々
独立に存在し、かつ両者が逆位相の関係で２軸方向く二
つＯ波が乗っている如き状態となる。

上記二つの振動モードを考慮して、前記共振器電極１２
を入力側、１３ｔ−出力側、前記中央バスバー電極１４
を接地とし、１ｓｔ入力端子１６４出力端子としてフィ
ルタを構成すればその等価回路は第５図の如く書くこと
ができる。

同図の等価回路に於いてり、、Ｃ，は夫々対称モードの
共振周波数ｆ、Ｏ等価インダクタンス及び等価容量であ
り、Ｌｓｌ、Ｃａ線夫々反対称モードの共振馬改歇ｆ１
に対する等価インダクタンス及び等価容量、ｃｏは前記
入出力端子１５及び１６儒からみた制動容量である。

又、変成器１７が挿入され１ニー１となっているのは対
称モードと反対称モードとが逆相の関係にあることを示
す。又、夫々Ｏ＃ｃＩＩ＆周波数の関係はｆｓ＜ｆａと
なることが判っている。

そζで前記両モードの共振周波数／ｓ及びｆａを利用し
て第５図の等ｆＩＩＩＷＩ＆によりフィルタを構成する
ならば、前記画集振周波数の差はフィルタＯ帯域幅の＃
′！！ソ半幅値を与えるはずである。

以上、２個の弾性表面波共振器管その表面波伝搬方向に
並列に隣接配置し、前記表面波の伝搬方向と直角の方向
に音響的に結合させた場合の振動の一般的挙動について
説明したが、以下２個共ｌ１ｔｔ構成する電極の電極膜
厚Ｈ１前記中央パスバー電極をはさむ電極指の非交叉部
幅ｔと交叉部幅ω等を変化させ九場合に発生する現象に
ついて夾験した結果につき説明を加える。

先ず前記電極指の交叉幅及び非交叉幅の比ｆ／＃を一定
（ｆ／ω＝０．０７　）　、　Ｎ　ｔ−夫々４００゜共
振周波数ｆ、を１９６ＭＨＩとして電極膜厚Ｈを変化さ
せた場合、対称セード及び反対称モード両峰−ドの共振
周波数差７（Δ＝ｆｎｆｓ）がどのように変化するかｔ
−べた。

その結果は第６図に示す如く、弾性表面波々長λで規準
化した電極膜厚Ｈ／λに対してノの変化量は微少である
。

一方、電極膜厚Ｈ／λ會１．５−に固定して前記中央バ
スバー電極１４ｔはさむ電極指の交叉幅ωと非交叉幅ｆ
との比ｔ　／　ａｓ　を変化させると第７図に示す如く
ノは大幅な変化をする仁とが判明した。

即ち前記ｔ／―を変えてやることにより本発明のフイ＾
りはそＯ帯域１ｌＩｔ″一定の自由度を以りて制御しう
ろことが明らかとなりた。

冑、Δはｆ／ωのは輩１．５乗に逆比例する関係にある
ことが確認で１！良。

即ち、前記電極指の非交叉部幅ｆｔ小とすれば広帯域の
、又ｆｆ大とすれば狭帯域のフィルタを設計することが
可能と表るものである。

斯くして２個の弾性表面波共振器を表面波Ｏ伝搬方向と
直角方向に音響的に結合せしむることによタフィルタを
構成しうろこと、そしてこのフィルタの郷価１ｉｉｕｉ
はラチス回路又はヤーマン回路或はその変形としてラダ
ー回路で表現でた。

岡、斯る形式のフィルタの特性はＷ、８図に示す如くな
シ、中心周波数ｆｏは前記ｆ、に、低域−カットオ７周
波数ｆ、は前記ｆＳに相応し、高域側カットオフ周波数
ｆ＋１はｆ。と前記Δと量を挿入すれば減衰極を有する
フィルタとすることが可能となる。

然して前記適当な容量は個別部品による必要はなく、基
板１１の適所にインクディジタル電極型のパターンにて
容易に作ることが可能であるから極めて好都合であゐ。

以上フィルタを構成する電極１２．１３の振動が同相の
場合についてのみ説明したが、これら両者の振動が逆相
となっているフィルタを作シたい場合に祉第９図に示す
如く圧電基板２１０上に電極パターンを中央バスパー電
極に関して対称となるようにすれはよい。

以上、本発明のフィルタの基本的構成について説明した
が、この基本的構成を基礎として更に以下の如く変形９
発展させることが考えられる。

即ち、第１０図（示す如く本発明の基本的構造たる二つ
の共振器の組を一つのセンシランとして、これを多数電
気的に縦輯接続することによって大きな保証減衰量を得
ることができる。

これを実行する方法としては前記基本構造たる１セクシ
璽ンを多数製作し外部で電気的に接続してもよいが、一
枚の基板３１上に所要数のセンシラン３２，３３．・・
・・−を適宜配置するよう製作すると共に各セラフ１フ
間の電気的接続もパターン３６で同時に作成するのが最
も効率的であろう。

斯くすることによって高次の減衰階級を有するフィルタ
管構成することができる。

又、高次の＃衰階級を有するフィルタの他の構成法とし
て第１１図に示す如く圧電基板４１の表面波伝搬方向に
並列に多数の共振器電極４２．４３．・・・・・・　　
管並べ６鳥の間で音響的結合を生ぜしめ検数の振動モー
ド（本図の場合は４モード）の共振を作りこれ１利用し
てもよい。

斯、。如き多重−Ｔ：　−ｙ−７４ｖｐｔ＊５ｌＥｅ。

接続すれば前記第１Ｏ図に示した偶数次のみならず奇数
次の減衰階級を有するフィルタを構成することも可能で
ある。

以上説明した如き多セクシ１ン・フィルタの設計は一般
に動作パラメータ法を適用し、無極チヱビシェフ特性よ
り等価変換全行い各共振器の等価定数に置換してゆく方
法を用いる。又多セクシ璽ンのフィルタに対し減衰極を
挿入したい場合には任意のセクタ曹ン間に容量を接続す
ればよく、その為には前述の如くインタディジタル電極
状の容量を基板上にパターンで作成できるから個別部品
の接続等は不要である。

回、圧電基板の材料としては温度特性、緑部変化の点で
優れ、バラツキの少ない８Ｔカツト水晶基板が現状では
最適であろう。本発明のフィルタは本質的に高周波帯革
で使用する狭帯埴フィルタである為、長期的安定性及び
環境条件に対する高い安定性が要求されるからである。

しかしながら本発明の原理はすべての圧電材料、又はガ
ラス等に圧電物質を付着した基板等にも適用可能である
ことは言うまでもない。

又、以上の説明に於いては弾性表面波を用いることにつ
いてのみ説明してきたが必ずしもこれに限定する必要は
なく例えば基板表面直下を伝搬するすペシ波、ラブ波、
８８Ｂ−Ｗ、ＳＨ波或はブルースタインーグーリエー清
水波等に関しても全く同様に適用可能である。

即ち、インタディジタル・トランスジ、−サ電極を有す
る共振器は上記６波をも励起することが既に立証されて
お夛、電極下の振動エネルギを閉じ込めることができる
と共に多重子−ドＯ振動を発生する条件が存在するから
である。

本発明は以上説明した如く構成するので１００〜数１０
０ＭＨｇの高周波帯に於いて使用するに適した高いＱと
高い安定度を有するフィルタを極めて小型かつ安価に提
供することができ、しかもその通過帯域幅はかな夕の自
由度を以って設計することが可能である為例えば高周波
化している無線通信機等の中間ｒ波設をそれＫｒ１Ｊ連
する局部発振器等を含めて除去しうる４のであシ、各種
電子機器の小型化に著しい効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のフィルタに使用する多対インタディジ
タル・トランス、ジューサ電極を設けた弾性表ｍ披共振
器の構成を示す図、１１ｇ２図はその振動のエネルギ分
布を示す図、第３図は本発明のフィルタの基本構成を示
す図、第４図（ｍｌ及び（ｂｌは夫々本発明のフィルタ
の二つの振動モード、即ち対称モード（＄−モード）及
び反対称モード（Ａ−モード）ｔ−示す図、第５図は本
発明のフィルタの等価回路を示す図、ｗ４６図及び１ｌ
Ｇ７図は夫々ミーモードと６−モードとの周波数差Δが
電極膜厚Ｈ及び電極指の交叉Ｓωと非交叉幅ｔの比によ
っていかに変化するか音調ルタの特性を示す図、［９図
は二つの共振器の振動【逆相とする為の電極パターンを
示す図、第１Ｏ図は本発明のフィルタの基本構成たる二
重モード・フィルタ管電気的に縦続接続したフィルタの
構成を示す図、第１１図は弾性表面波共振器管多数結合
して成る多重モード・フィルタの実施例を示す図である
。 １．１１，２１．３１及び４１は圧電基板、２゜１２．
１３，２２，２３，３２，３３，３４，３５，４２゜４
３．４４及び４５社多対インタディジタル−トランスジ
瓢−サ電極、ｆ及びωは夫々隣接するバスバー電極をは
さむ電極ルの非交叉幅及び交叉幅を示す。 特許出願人　　東洋過信機株式会社

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）多対のインタディジタル・トランスジューナ電極
   を備え同一〇共振周波数を有する２個の正規蓋弾性ｌ！
   ！面波共振器の電極を圧電基板上で弾性表面波伝搬方向
   に沿りて並列に隣接配置することによって前記弾性表面
   波伝搬方向と直角方向に青畳的結合を生ぜしめ、この結
   合によって前記弾性表面波伝搬方向と直角方向に生ずる
   対称モード及び反対称モードの二つの振動モードのつく
   る共振周波数の差が通過帯域幅の＃１ソ半幅となるよう
   構成したことを特徴とする弾性表面波二重モード・フィ
   ルタ。
2. （２）　　特許請求の範囲（１）記載の弾性表面波二重
   モード・フィルタを単位セクシ璽ンとして、これを多数
   個従続接続することによって保証減衰量を確保すること
   ｔ−特徴とする弾性懺面波多セクシ曹ン二重モード・フ
   ィルタ。
3. （３）多対のインタディジタル・トランスジューサ電極
   を備え同一の共振周波数を有する多数個の正規型弾性表
   面波共振器の電極を圧電基板上で弾性表面波の伝搬方向
   に沿って並列に隣接配置することＫよって前記弾性表面
   波伝搬方向と直角方向に青畳的結合を生ぜしめ、この結
   合によりて前記弾性表面波伝搬方向と直角方向に生ずる
   多数の異つた振動モードの共振周波数を利用してフィル
   タを構成すると共にその保証減衰ｌ１確保することｔ４
   Ｉ像とする弾性表面波多重モード・フィルタ。
4. （４）　　特許請求の範囲（３）記載の多重モード・フ
   ィルタ會単位セクタ嘗ンとしてこれ１複数個縦続接続す
   みことによって保証減衰量を確保することｔ４Ｉ徴とす
   る弾性表間波多セクシ嘗ン多重モード・フィルタ。
5. （５）前記共振器ｔＳ成する電極の相隣接するノ（スパ
   ー電極をはさむ前記多対のインタディジタル・トランス
   ジューサ電極の電極指の交叉幅と非交叉幅との比を変化
   させることによってフイルタの通過帯域幅を制御すると
   とを特徴とする特許請求の範囲１．２，３又Ｆｉ４記載
   の弾性表面波多重モード・フィルタ。