JP3255658B2 - 弾性表面波コンボルバ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、弾性表面波の伝搬方向
に電極幅および周期の異なるすだれ状電極を設けた弾性
表面波変換器を組合せた弾性表面波コンボルバに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電性基板（圧電性薄膜基板を含
む）または電歪性基板上に設けられた正負の電極からな
るすだれ状電極（インタディジタルトランスジューサ）
を有する弾性表面波変換器は、一般には等周期構造の電
極配置となっていた。図５（ａ）は、従来の弾性表面波
変換器を用いた弾性表面波コンボルバを示す平面図、図
５（ｂ）はそのＸ−Ｙ断面図を示す。５１は電気信号を
弾性表面波に変換する第１の弾性表面波変換器、５２は
同様の電気信号を弾性表面波に変換する第２の弾性表面
波変換器、５３は弾性表面波変換器５１，５２で発生さ
れ進んできた弾性表面波を検出してコンボリューション
出力を電気信号として取り出す出力電極である。弾性表
面波変換器５１，５２のすだれ状電極はいずれも等周期
の電極配置構造を有する。すなわち、すだれ状電極の電
極幅をｍ、周期をｐとしたときｐは一定であり、また、
ｍ／ｐはどこをとっても定数（多くは「０．５」）であ
った。

【０００３】このような等周期の電極配置構造を有する
弾性表面波変換器では、発生された弾性表面波は左右両
方向にほぼ同じ振幅で伝搬する。したがって、両方向に
同様の弾性表面波放射特性を有し、いわば両方向性の特
性を有するといえる。また、広帯域の特性を得るため
に、電極対数を少なくしており、そのため弾性表面波の
励振効率も小さいものであった。

【０００４】ところで、図５に示す弾性表面波コンボル
バにおいて、コンボリューション効率を向上させるため
には、弾性表面波変換器５１，５２により励振される弾
性表面波の励振効率を大きくし、かつ中央の出力電極５
３へ向かう弾性表面波の強度 を、外側へ向かう強度より
大きくすればよい。一方、等周期の電極配置構造を有す
る、伝搬方向に対して一方向に強く弾性表面波を放射す
る一方向性の弾性表面波変換器を得る技術として、従来
は、例えば１２０度移相器を用いる方法、９０度移相器
を用いる方法、および等周期で正負電極の間に反射電極
を非対称に配置することにより一方向特性を得る内部反
射型一方向性変換器とする方法などがあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】等周期の電極配置構造
を有する弾性表面波変換器は両方向性の特性を有し、一
方向に強く励振する特性は得られない。さらに広帯域の
特性を得るためには電極対数を小さくしなければなら
ず、ますます励振効率を落とすことになる。したがっ
て、このような弾性表面波変換器を用いて弾性表面波コ
ンボルバを構成してもコンボリューション効率の高いコ
ンボルバが得られない。また、上述の一方向性の弾性表
面波変換器を得る技術では、一方向に強く励振する特性
が得られるが、やはり等周期の電極配置構造を有する弾
性表面波変換器を用いているので、広帯域の特性が得ら
れない。したがって、弾性表面波コンボルバに適用して
も広帯域の特性が得られない。

【０００６】この発明は、上述の従来例における問題点
に鑑み、コンボリューション効率が高くかつ広帯域特性
を有する弾性表面波コンボルバを提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明は、圧電性または電歪性の基板上に、弾性
表面波を励振する第１および第２のすだれ状電極と、こ
れらの弾性表面波を検出してコンボリューション出力を
電気信号として取り出す出力電極とを備えた弾性表面波
コンボルバにおいて、上記第１および第２のすだれ状電
極が所定の厚みを有し、上記第１のすだれ状電極は上記
出力電極に向かって徐々に電極幅および周期が短くなる
正負の電極を交互に配置してなり、上記第２のすだれ状
電極は上記出力電極に向かって徐々に電極幅および周期
が長くなる正負の電極を交互に配置してなり、かつ、上
記第１および第２のすだれ状電極のうち一方がシングル
電極構造を有し、他方がダブル電極構造を有することを
特徴とする。そして、前記すだれ状電極の金属膜の音響
インピーダンスをＺｍ、電極ギャップの音響インピーダ
ンスをＺｇとしたとき、そのＺｍ／Ｚｇが１より小さけ
れば、前記第１のすだれ状電極をシングル電極構造と
し、第２のすだれ状電極をダブル電極構造とすればよ
い。

【０００８】

【作用】伝搬方向に電極幅ｍおよび周期ｐが徐々に変化
するシングル電極構造を有する正負電極が数多く配置さ
れ、その電極の膜厚が励振した波が反射を起こす程度に
厚い場合、直接励振による波の位相とその波が電極に反
射して生成した波の位相とが一方の伝搬方向で同じ位相
となり、他方の伝搬方向は逆位相となるようにでき、直
接励振による波の位相とその波が電極に反射して生成し
た波の位相とが同位相となる向きに弾性表面波が強く励
振する一方向性の特性を有する弾性表面波変換器が得ら
れる。さらに、両端の電極幅、電極対数、および電極幅
と周期の変化の割合とをコントロールすることにより広
帯域で高効率な弾性表面波変換器とすることができる。
このような一方向性かつ広帯域な特性を有する弾性表面
波変換器をその方向性を向かい合せ、その間に出力電極
を形成することにより、コンボリューション効率の高い
弾性表面波コンボルバが得られる。しかし、上記のよう
に電極幅および周期が徐々に変化する正負電極を向かい
合わせて配置すると周波数による遅延特性が変化するい
わゆる分散性が出てくる。この分散性をなくすために
は、出力電極の両側の弾性表面波変換器（すだれ状電
極）は、伝搬方向（出力電極へ向かう方向）への幅およ
び周期の変化方向を互いに逆にする必要がある。このよ
うな構成で、第１のすだれ状電極と第２のすだれ状電極
をいずれもシングル電極構造とし、かつ同一工程で製造
するようにすると、どちらか一方のすだれ状電極が出力
電極に対して逆の方向性を持ち、例えば第１のすだれ状
電極の方向性を出力電極に向ければ、第２のすだれ状電
極の方向性は出力電極から離れる 方に向くため、コンボ
リューション効率の向上は期待できない。そこで、本発
明では第２のすだれ状電極にダブル電極構造を持たせて
いる。つまり、電極幅と周期が徐々に変化するシングル
電極構造をダブル電極構造にすることにより直接励振に
よる波の位相とその波が電極に反射して生成した波の位
相とが伝搬方向に対してどちらも同じ位相となり、どち
らの方向にも弾性表面波が励振する両方向性の特性を有
する弾性表面波変換器が得られる。このことにより、第
２のすだれ状電極は両方向性の特性を有するものとな
り、広帯域でコンボリューション効率の比較的高いコン
ボルバが得られる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を用いてこの発明の実施例を説明
する。

【００１０】図１は、本発明の一実施例に係る弾性表面
波コンボルバの平面図である。２は圧電性基板上に配置
された励振側の第１の弾性表面波変換器、３は圧電性基
板上に配置された励振側の第２の弾性表面波変換器であ
る。第１の弾性表面波変換器２は正電極４および負電極
５（第１のすだれ状電極）を有する。第２の弾性表面波
変換器３は正電極６および負電極７（第２のすだれ状電
極）を有する。８は出力電極を示す。正電極４および負
電極５は、出力電極に向かって徐々に電極幅ｍおよび周
期ｐが短くなるように交互に配置してある。この第１の
すだれ状電極はｍ／ｐ＝０．５としたシングル電極であ
る。正電極６および負電極７は、出力電極に向かって徐
々に電極幅ｍおよび周期ｐが長くなるように交互に配置
してある。さらに、第２のすだれ状電極はダブル電極構
造となっており、１本の正電極６は２本の電極６ａ，６
ｂを、１本の負電極７は２本の電極７ａ，７ｂを、それ
ぞれ備えている。この第２のすだれ状電極はｍ／ｐ＝
０．２５とした。言替えれば、第２のすだれ状電極はｍ
／ｐ＝０．８としたシングル電極構造を有するすだれ状
電極の１本１本を２分割してダブル電極構造としたもの
である。なお、圧電性基板１としてはＹカットＺ伝搬の
ニオブ酸リチウムを、電極４，５，６，７としては厚さ
約２０００オングストロームのアルミニウム膜を用い
た。

【００１１】このような電極を用いることにより、第１
のすだれ状電極および第２のすだれ状電極は、どちらも
広帯域性を有しながら出力電極の方向に励振した弾性表
面波を放射することができる。特に、第１のすだれ状電
極は出力電極の方向に弾性表面波を強く放射することが
でき、また、第２のすだれ状電極はダブル電極構造によ
り第１のすだれ状電極と同一の分散性を保ちながら出力
電極方向に弾性表面波を放射できるため、結果として広
帯域性をもったコンボリューション効率の高いコンボル
バが得られる。ダブル電極構造を採ることにより、この
実施例の電極幅はλ／８となるが実用の周波数では問題
なく作製することができる。この場合、ｍ／ｐとして
は、０≦ｍ／ｐ＜０．５も本特許に含まれる。

【００１２】なお本発明は、いわゆるチャープ型のすだ
れ状電極における広帯域という特性を保ちながら圧電性
基板上に配置された電極における反射を積極的に利用し
て弾性表面波変換器に方向性をもたせることを初めて見
出し、この特性を活かして広い帯域幅を持ち、かつ高い
コンボリューション効率を有する弾性表面波コンボルバ
を構成したものである。この場合、電極はある程度の厚
みを有する必要がある。電極の厚さをＨ、弾性表面波の
波長をλとすると、０．０１≦Ｈ／λ≦０．１０程度と
するのが好ましい。

【００１３】次に、Ｚｍを電極メタルの音響インピーダ
ンスとし、Ｚｇを電極ギャップの音響インピーダンスと
したとき、伝搬方向に向かって電極幅と周期が徐々に変
化するシングル電極構造を有する弾性表面波変換器、い
わゆるシングル電極構造を有するチャープ電極の弾性表
面波の放射方向性がＺｍ／Ｚｇによって定まることを示
す。ここでＺｍ／Ｚｇの値は、電極材料、電極膜厚、電
極幅および基板材料により定まるものである。

【００１４】図２は、Ａｌからなる電極の厚さを２００
０オングストロームとしＺｍ／Ｚｇ＝０．９８としたと
きの等価回路解析によるシングル電極構造を有するチャ
ープ型電極の方向性を説明するための周波数特性および
電極の配置を示す図である。図２（ｂ）のように、一対
の正負電極を有するすだれ状電極（図ではＩＤＴと略称
してある）２４に向かって、正負電極の配置の密度が徐
々に高くなるようなダウンチャープのすだれ状電極２３
を隣接させた構成では、図２（ａ）の実線２１に示すよ
うな周波数特性となる。逆に、図２（ｃ）のように、一
対の正負電極を有するすだれ状電極２６に向かって、正
負電極の配置の密度が徐々に粗くなるようなアップチャ
ープのすだれ状電極２５を隣接させた構成では、図２
（ａ）の破線２２に示すような周波数特性となる。周波
数特性としては実線２１のほうが破線２２より良好であ
る。したがって、すだれ状電極２３は矢印２３Ｄに示す
方向性を有し、すだれ状電極２５は矢印２５Ｄに示す方
向性を有することがわかる。

【００１５】図３は、Ａｌからなる電極の厚さを２００
０オングストロームとしＺｍ／Ｚｇ＝１．００としたと
きの等価回路解析によるシングル電極構造を有するチャ
ープ型電極の方向性を説明するための周波数特性および
電極の配置を示す図である。図３（ｂ）のように、一対
の正負電極を有するすだれ状電極３４に向かって、正負
電極の配置の密度が徐々に高くなるようなダウンチャー
プのすだれ状電極３３を隣接させた構成では、図３
（ａ）の実線３１に示すような周波数特性となる。ま
た、図３（ｃ）のように、一対の正負電極を有するすだ
れ状電極３６に向かって、正負電極の配置の密度が徐々
に粗くなるようなアップチャープのすだれ状電極３５を
隣接させた構成でも、同じく図３（ａ）の実線３１に示
す周波数特性となる。したがって、すだれ状電極３３お
よびすだれ状電極３５はともに方向性を有しないことが
わかる。

【００１６】図４は、Ａｌからなる電極の厚さを２００
０オングストロームとしＺｍ／Ｚｇ＝１．０２としたと
きの等価回路解析によるシングル電極構造を有するチャ
ープ型電極の方向性を説明するための周波数特性および
電極の配置を示す図である。図４（ｂ）のように、一対
の正負電極を有するすだれ状電極４４に向かって、正負
電極の配置の密度が徐々に高くなるようなダウンチャー
プのすだれ状電極４３を隣接させた構成では、図４
（ａ）の実線４１に示すような周波数特性となる。逆
に、図４（ｃ）のように、一対の正負電極を有するすだ
れ状電極４６に向かって、正負電極の配置の密度が徐々
に粗くなるようなアップチャープのすだれ状電極４５を
隣接させた構成では、図４（ａ）の破線４２に示すよう
な周波数特性となる。周波数特性としては破線４２のほ
うが実線４１より良好である。したがって、すだれ状電
極４３は矢印４３Ｄに示す方向性を有し、すだれ状電極
４５は矢印４５Ｄに示す方向性を有することがわかる。

【００１７】以上のような各種の条件でのシングル電極
構造を有するチャープ型電極の方向性を調査した結果、
シングル電極構造を有するチャープ型電極においては、
Ｚｍ／Ｚｇ＜１のときは正負電極の配置密度が粗から密
になる向きの方向性を有し、Ｚｍ／Ｚｇ＝１のときは方
向性を有さず、Ｚｍ／Ｚｇ＞１のときは正負電極の配置
密度が密から粗になる向きの方向性を有することが分か
った。したがって、このような電極の方向性を考慮して
コンボルバを構成すれば広帯域特性を保ちながらコンボ
リューション効率の高い弾性表面波コンボルバができ
る。本来は、いずれのすだれ状電極も一方向で出力電極
方向に弾性表面波の放射方向が向いているものが最良で
ある。しかし、分散性をなくす点から、出力電極の両側
にダウンチャープ型電極とアップチャープ型電極とを配
置しなければならず、両方とも出力電極に向かう方向性
をもたせるためには、ダウンチャープ型電極ではシング
ル電極構造を有しＺｍ／Ｚｇ＜１であるものを、アップ
チャープ型電極ではシングル電極構造を有しＺｍ／Ｚｇ
＞１となるようにすればよいが、そのためには電極材
料、電極膜厚、電極幅および基板材料等を選ばなければ
ない。 その場合には、他方のすだれ状電極は両方向性を
有するようにするとよい。つまり、一方のすだれ状電極
は出力電極に向かう方向性を有し、他方のすだれ状電極
は両方向性を有するようにすればよい。チャープ型電極
で両方向性をもたせるためには電極構造をダブル電極と
するだけでよく、Ｚｍ／Ｚｇに影響しないためシングル
電極構造を有するもう一方の（方向性が逆の）チャープ
型電極をそのままダブル電極にすることにより、シング
ル電極構造を有するチャープ型電極の分散性を保ちつ
つ、両方向性の特性を持たせ、出力電極の方向にも弾性
表面波を励振させることができる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧電性または電歪性の基板上に厚みを有する１対のすだ
れ状電極を設け、かつそれらのすだれ状電極の間に出力
電極を設けた弾性表面波コンボルバにおいて、すだれ状
電極の広帯域性を保ちつつ方向性を考慮して、一方をシ
ングル電極構造として出力電極に向かう方向性を持た
せ、他方のシングル電極構造のままでは出力電極に向か
う方向と逆の方向性を持つこととなるすだれ状電極はダ
ブル電極構造として方向性をなくしている。これによっ
て、コンボリューション効率が高くかつ広帯域特性を有
する弾性表面波コンボルバが得られる。また、一方のす
だれ状電極のみ方向性を考慮すればよく、設計および製
造が簡便である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る弾性表面波コンボル
バの平面図

【図２】 Ｚｍ／Ｚｇ＝０．９８のチャープ型電極の方
向性を説明するための周波数特性および電極の配置を示
す図

【図３】 Ｚｍ／Ｚｇ＝１．００のチャープ型電極の方
向性を説明するための周波数特性および電極の配置を示
す図

【図４】 Ｚｍ／Ｚｇ＝１．０２のチャープ型電極の方
向性を説明するための周波数特性および電極の配置を示
す図

【図５】 従来の弾性表面波変換器を用いたフィルタの
平面図および断面図

【符号の説明】

２，５１…第１の弾性表面波変換器、３，５２…第２の
弾性表面波変換器、４…正電極、５…負電極、６…ダブ
ル電極構造の正電極、７…ダブル電極構造の負電極、
８，５３…出力電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 俊治 埼玉県上尾市中妻５丁目30番３号オーク ヒルズ202号

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電性または電歪性の基板上に、弾性表
   面波を励振する第１および第２のすだれ状電極と、これ
   らの弾性表面波を検出してコンボリューション出力を電
   気信号として取り出す出力電極とを備えた弾性表面波コ
   ンボルバにおいて、 上記第１および第２のすだれ状電極が所定の厚みを有
   し、 上記第１のすだれ状電極は上記出力電極に向かって徐々
   に電極幅および周期が短くなる正負の電極を交互に配置
   してなり、 上記第２のすだれ状電極は上記出力電極に向かって徐々
   に電極幅および周期が長くなる正負の電極を交互に配置
   してなり、 上記第１のすだれ状電極がシングル電極構造を、第２の
   すだれ状電極がダブル電極構造を有し、かつ上記すだれ
   状電極の金属膜の音響インピーダンスをＺｍ、電極ギャ
   ップの音響インピーダンスをＺｇとしたとき、上記第１
   のすだれ状電極のＺｍ／Ｚｇが１より小さいことを特徴
   とする弾性表面波コンボルバ。