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弾性表面波フィルタの開発と実用化

 弾性表面波(SAW)フィルタは、従来のLCフィルタに比べ、小形・軽量・無調整という特徴を有しているため、民生・通信分野の電子機器への広い適用が望まれていた。しかしながら、SAWフィルタの実用化のためには、低損失化、高周波化、高性能化、低コスト化等の多くの基本的課題を解決する必要があった。

 山之内和彦氏、佐藤弘明氏、児玉利一氏は、上記課題に対し、設計理論から製造技術にわたる広範な分野で多くの解決方法を提案し、これによりSAWフィルタを広く実用化することに貢献した。

 三氏らは、まずSAWフィルタ応用範囲を飛躍的に拡大するための設計理論の研究に取り組み、所望の周波数特性を厳密に実現するための設計手法を開発した。具体的には、SAWを励振する、すだれ状電極部での電界もれ効果や、回折効果、電気的再励起効果等のさまざまな2次効果を考慮した上で周波数特性の解析を高速に計算できる方法を見い出した。その解析手法を用いてSAWフィルタの周波数特性を最適合成することにより、厳密な振幅・位相特性を得ることに世界で初めて成功した。この成果は、テレビ用中間周波フィルタや、放送機用残留側波帯フィルタ、計測器用フィルタ等の、厳密な周波数特性が要求される中間周波段のSAWフィルタの設計に広く活用されている。

 また、低損失化の問題については、複雑な外部位相器を必要とせず、簡単な整合回路のみで広帯域な低損失フィルタが実現できる反射器内蔵型の新しい原理の一方向性トランスデューサを発明した。このトランスデューサを、モード結合方程式を用いて解析し、基本的な動作機構を解明すると共に、第1次近似による周波数合成理論を確立した。その結果、広帯域にわたって不要反射が40dB以上抑圧された、挿入損6dB以下の低損失フィルタを実現することに成功した。この技術は、移動通信機器の高周波段フィルタや、データ通信用フィルタの性能向上に大きく貢献している。

 更に、SAWフィルタの高周波化の問題にも取り組み、まず、膜厚が30nmと非常に薄く、かつバルクの電気抵抗に近いアルミニウム金属薄膜を作製し、4GHzで一方向性電極からなる挿入損が6dBのフィルタを開発した。また、電子ビーム直接露光を用いた微細加工技術を駆使して、SAWデバイスに最適のリフトオフ法と酸素プラズマ灰化により、85nmのすだれ状電極を作製し、10GHz帯で挿入損が20dBのコヒーレントSAWの送受に成功した。高周波化に重要な電極幅を従来の約2倍とする、陽極酸化Al2O3誘電体膜で各電極間を分離したすだれ状電極を開発した。これらは、これからのSAWデバイスの超高周波化技術に道を開くものである。

 以上のように、三氏は、SAWフィルタ実用化の際の大きな課題であった、低損失化、高周波化、高性能化に関する先端的研究を行い、独創的かつ有用な解決方法を提案することにより、SAWフィルタの適用範囲を大幅に拡大することに成功し、その結果、多くの電子機器の小形・高性能化に貢献した。

 この技術に対して、電子情報通信学会は、1995年、山之内和彦氏、佐藤弘明氏、児玉利一氏に業績賞を贈った。


文献

[1] K.Yamanouchi and K..Shibayama、Elastic Surface Wave Excitation, Using Parallel-Line electrodes above Piezoelectric Plates、1967年、Jour. Acoust. Society of America, Vol.41, No.1, p.222, Jan.(1967)
[2] K.Yamanouchi and K.Shibayama、Propagation and Amplification of Rayleigh Waves and Piezoelectric Leaky Surface Waves in LiNbO3、1972年、J. Appl. Phys, Vol.43, p.856, March(1972)
[3] K.Shibayama, K.Yamanouchi, H.Sato and T.Meguro、Optimum Cut of Rotated Y-cut LiNbO3 Crystal Used as the Substrate of Acoustic Surface Wave Filters、1976年、Proceedings of IEEE, Vol.64, No.5, p.595, May(1976)
[4] K.Yamanouchi, K.Iwahashi and K.Shibayama、Piezoelectric Boundary Waves along the Interface between SiO2 and LiTaO3、1978年、IEEE Trans. on Sonics & Ultrason., Vol.SU-26, p.384,Nov. (1978)
[5] K.Yamanouchi and H.Furuyashiki、New Low-Loss SAW Filters Using Internal Floating Electrodes Reflection Types of Single-Phase Unidirectional Transducer、1984年、Electron. Lett., 22, Vol.20, No.4, p.989, Nov.(1984)
[6] K.Yamanouchi, Y.Chou and T.Meguro、SHF-Range Surface Acoustic Wave interdigital Transducers Using Electron Beam Exposure、1988年、1988 IEEE Ultrason. Symp. Proc.p.115
[7] K.Yamanouchi and Y.Sato、Theoretical and Experimental Results of Unidirectional Interdigital Transducers Using Grating SAW Substrates and Zero TCF Ladder Type Filters at 2GHz-Range、2005年、2005 IEEE Ultrason. Symp. Proceedings, Vol.2, pp.1335-1338
[8] K.Yamanouchi, Y. Sato, H.Isono and D.Kawasaki、5-10GHz surface acoustic resonators and low-loss wide band filters using submicron fabrication technology、2006年、Proc. of SPIS, Micromachining and Microfabrication process Technology XI, Vol.6190, pp.1-5, 2006-1
[9] K.Yamanouchi and Y.Sato、Piezoelectric acoustic boundary waves in the structure of multiplayer thin films/electrode/piezoelectric substrate、2008年、JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 103, 114104,pp.114105-1~114105-5, (2008)

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