JP2009188484A - 圧電フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】多重モード圧電フィルタの中心周波数近傍の低域側の保証減衰量を改善する手段を得る。
【解決手段】薄肉の振動部６、及びこの振動部６の周縁に沿って形成された厚肉の環状囲繞部７を有する圧電基板５と、振動部６の一方の主面上、つまり平坦側に近接して配置された３つの分割電極１０−１２と、振動部６の他の主面上、つまり圧電基板５の凹陥部側に、全ての分割電極１０−１２と対向して配置された共通電極１４と、この共通電極１４が存在しない他の主面上に配置された非共通電極領域（無電極領域）と、を備えている。共通電極１４は、少なくとも全ての分割電極１０−１２をその内部に含む幅を有し、非共通電極領域（無電極領域）は、共通電極１４を分割電極１０−１２の配列方向へ延長した幅内に位置する他の主面部分と、共通電極１４を分割電極１０−１２の配列方向と直交する方向へ延長した幅内に位置する他の主面部分に形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電フィルタに関し、特に逆メサ構造の圧電基板を用い、中心周波数近傍の低域側の保証減衰量を改善した圧電フィルタに関する。

多重モード圧電フィルタはモノリシック・クリスタルフィルタ（ＭＣＦ）とも称され、圧電基板上に多対の電極を近接配置することにより、電極上に励起される対称モードＳ０、反対称モード（斜対称モード）Ａ０、対称モードＳ１、・・を利用して構成する圧電フィルタである。構造的には小型で堅牢であり、圧電基板に水晶基板を用いると狭帯域、高減衰量特性が容易に得られることから、移動体通信機のＩＦフィルタとして多く用いられてきた。
特許文献１には、中心周波数近傍の保証減衰量を改善した三重モード圧電フィルタが開示されている。
図７は三重モード圧電フィルタの構成を示す概略図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）（ｃ）はそれぞれＱ−Ｑ、Ｓ−Ｓにおける断面図、同図（ｄ）は背面図である。一方の主表面に凹陥部５６を形成した水晶基板５５の他方の主面側（平坦面側）のほぼ中央に、３つの電極（以降、分割電極と称す）６０、６１、６２をＸ軸方向に沿って近接配置すると共に、該電極６０、６１、６２からそれぞれ水晶基板５５の端部に向けてリード電極（引き出し電極）６０ａ、６１ａ、６２ａを延在し、水晶基板５５の厚肉部に設けたパッド電極６０ｂ、６１ｂ、６２ｂにそれぞれ接続する。そして、水晶基板５５の凹陥部５６側には分割電極６０、６１、６２の全てより十分に大きな電極（以降、共通電極と称す）を配設して高周波の三重モード圧電フィルタを構成する。

特許文献１に記載の三重モード圧電フィルタの特徴は、共通電極の形成位置にある。即ち、分割電極６０、６１、６２の配置方向（Ｘ軸方向）と平行な方向の、環状囲繞部５７の二辺の中いずれか一辺に向かって共通電極を延長して形成し、分割電極６０、６１、６２の配置方向と直交する方向に平行な方向の環状囲繞部５７の二辺いずれにも電極を形成しないように共通電極６４を形成する。
水晶基板５５の凹陥部側に以上のような共通電極６４を形成することにより、中心周波数近傍の保証減衰量が全体的に改善されると記載されている。
特開２００６−１０８８２７公報

近年、客先から要求される仕様は、中心周波数ｆ０−９１０ｋＨｚにおける保証減衰量として８０ｄＢ以上、望ましくは８５ｄＢ以上が求められている。
しかしながら、特許文献１に開示されている従来の三重モード圧電フィルタのフィルタ特性は、図８に示すようなものであり、この図８から分かるように特許文献１に示す圧電フィルタでは、中心周波数ｆ０より低域側に９１０ｋＨｚ離れた周波数近傍で、十分な減衰量を得ることができない問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、中心周波数近傍の低域側の保証減衰量を改善した多重モード圧電フィルタを提供することにある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］薄肉の振動部、及び該振動部の周縁に形成した厚肉の環状囲繞部を有する圧電基板と、前記振動部の一方の主面上に近接して配置された複数の分割電極と、前記振動部の他の主面上に全ての前記分割電極と対向して配置された共通電極と、該共通電極が存在しない他の主面上に配置された非共通電極領域と、を備え、前記共通電極は、少なくとも全ての前記分割電極をその内部に含む幅を有し、前記非共通電極領域は、前記共通電極を前記分割電極の配列方向へ延長した幅内に位置する前記他の主面部分と、前記共通電極を前記分割電極の配列方向と直交する方向へ延長した幅内に位置する前記他の主面部分に形成されている圧電フィルタを特徴とする。

このように圧電フィルタを構成すると、逆メサ構造の圧電基板の振動部（平坦部分）に近接する領域に電極を付加することに起因する不要振動が抑えられるので、挿入損失が小さくなると共に、中心周波数近傍の低域側における保証減衰量が大幅に改善されるという効果がある。

［適用例２］適用例１に記載の圧電フィルタにおいて、前記分割電極が２つの近接配置された電極からなることを特徴とする。

このように圧電フィルタを構成すると、二重モード圧電フィルタの中心周波数近傍の低域側における保証減衰量が大幅に改善されるという効果がある。

［適用例３］適用例１に記載の圧電フィルタにおいて、前記分割電極が３つの近接配置された電極からなることを特徴とする。

このように圧電フィルタを構成すると、三重モード圧電フィルタの中心周波数近傍の低域側における保証減衰量が大幅に改善されるという効果がある。

［適用例４］適用例１乃至３の何れかに記載の圧電フィルタにおいて、前記分割電極の配列方向が圧電基板のＸ軸に沿って配列されていることを特徴とする。

このように圧電フィルタを構成すると、Ｚ’軸方向に沿って配列して構成した圧電フィタに比べ、多重モード圧電フィルタの帯域幅を広くすることができるという効果がある。

［適用例５］適用例１乃至３の何れかに記載の圧電フィルタにおいて、前記分割電極の配列方向が圧電基板のＺ’軸に沿って配列されていることを特徴とする。

このように圧電フィルタを構成すると、Ｘ軸方向に沿って配列して構成した圧電フィタに比べ、多重モード圧電フィルタの帯域幅を狭くすることができるという効果がある。

［適用例６］適用例１乃至５の何れかに記載の圧電フィルタを複数段縦続接続した圧電フィルタを特徴とする。

このように圧電フィルタを構成すると、減衰傾度を急峻にし、保証減衰量を大きくすることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る三重モード圧電フィルタの実施の形態を示す概略図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）、（ｃ）はそれぞれＱ−Ｑ、Ｒ−Ｒにおける断面図、同図（ｄ）は背面図である。
本実施形態に係る三重モード圧電フィルタ１は、薄肉の振動部６、及びこの振動部６の周縁に沿って形成された厚肉の環状囲繞部７を有する圧電基板５と、振動部６の一方の主面上、つまり平坦側に近接して配置された３つの電極１０、１１、１２（以降、「分割電極」と称す）と、振動部６の他の主面上、つまり圧電基板５の凹陥部側に、全ての分割電極１０、１１、１２と対向して配置された電極１４（以降、「共通電極」と称す）と、この共通電極１４が存在しない他の主面上に配置された非共通電極領域（無電極領域）と、を備えている。
共通電極１４は、少なくとも全ての分割電極１０、１１、１２をその内部に含む幅を有し、非共通電極領域（無電極領域）は、共通電極１４を分割電極１０、１１、１２の配列方向へ延長した幅内に位置する他の主面部分と、共通電極１４を分割電極１０、１１、１２の配列方向と直交する方向へ延長した幅内に位置する前記他の主面部分に形成する。

水晶結晶は三方晶系に属し、Ｚ軸（光学軸）、Ｙ軸（機械軸）、Ｘ軸（電気軸）が互いに直交し、Ｚ軸は３回対称軸、Ｘ軸は２回対称軸である。Ｙ軸に垂直な水晶基板をＹ板と称し、Ｙ板をＸ軸の回りにθ°回転させた水晶基板の１つがＡＴカット水晶基板であり、θは３５°１５′程度である。この際、回転によりＺ軸はＺ’軸、Ｙ軸はＹ’軸に変わり、Ｘ軸は変わらないのでそのままである。圧電基板５として水晶基板を用いる場合、例えば厚さ約８０μｍのＡＴカット水晶基板の一方の主表面の中央部を、フォトリソグラフィ技法とウエットエッチング手法とを用いて凹陥せしめ、この凹陥部、即ち薄肉の振動部６を所望の厚さ、例えば１０〜３０μｍ程度の薄板状とすると共に、薄肉の振動部６の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部７を振動部６と一体的に形成して、振動部６の機械的強度を増した水晶基板５を形成する。
ＡＴカット水晶基板をウエットエッチングする場合、結晶の異方性のため、各結晶軸のエッチング速度が異なり、図１（ｂ）の断面図に示すようにＰ１−Ｐ２、Ｐ４−Ｐ５の面は、圧電基板５の裏面（平坦面）に対して、垂直ではなく傾斜を有している。更にＰ２−Ｐ３面も裏面（平坦面）に対し平行ではなく、所定の傾斜を有しているので、振動部６としてはＰ３−Ｐ４面の平坦部を用いるのが一般的である。また、周知のように、ＡＴカット水晶基板の周波数ｆは、厚さｔの逆数に比例し、比例定数をｋとするとｆ＝ｋ／ｔで表される。

真空蒸着装置、あるいはスパッタリング装置を用いて、圧電基板５の裏面側である平坦面で、表面側のＰ３−Ｐ４面に相当する領域の中央部に、図１（ｄ）に示すように、分割電極１０、１１、１２をＸ軸方向に沿って近接配置する。分割電極１０、１１、１２のそれぞれから圧電基板５の端部に向けてリード電極（引き出し電極）１０ａ、１１ａ、１２ａを延在し、圧電基板５の端部の環状囲繞部７に設けたパッド電極１０ｂ、１１ｂ、１２ｂとそれぞれ接続する。そして、圧電基板５の表面である凹陥部側においては、Ｚ’軸方向ではＰ３−Ｐ４面の範囲と、Ｘ軸方向では環状囲繞部７の図中の上下側壁７ｘ１、７ｘ２の下部からそれぞれ少し離して中央部寄りの範囲と、の重なる領域に、共通電極１４を配置する。
共通電極１４から環状囲繞部の２つの隅に形成したパッド電極１４ｂ１、１４ｂ２までリード電極１４ａ１、１４ａ２を延在して、三重モード圧電フィルタ１を構成する。パッド電極１１ｂ、１４ｂ１及び１４ｂ２を接地し、パッド電極１０ｂ、１２ｂの一方を入力電極とし、他方を出力電極として、パッド電極１０ｂ、１２ｂの各々に適当なインピーダンスを接続することにより三重モード圧電フィルタとして機能する。

図２は、本実施形態の三重モード圧電フィルタ１のフィルタ特性を示す図である。図２に示す三重モード圧電フィルタ１は、中心周波数を１２１．５ＭＨｚに設定し、図１に示す圧電基板５の外形寸法を１．７×１．７ｍｍ、共通電極１４の外形寸法をＸ軸方向１ｍｍ、Ｚ’軸方向０．６ｍｍとし、共通電極の電極材料に銀（Ａｇ）を用い、その膜厚を１５０ｎｍ（１５００Å）とし、分割電極１０、１１、１２の電極材料にアルミニウム（Ａｌ）を用い、その膜厚を３３０ｎｍ（３３００Å）とした場合の特性図である。
そして、このような本実施形態の三重モード圧電フィルタ１を３０個製作し、その諸特性を測定した結果、中心周波数における挿入損失は平均で２．６４ｄＢ、標準偏差σは０．３８であった。
図７に示した従来の三重モード圧電フィルタを３０個の製作し、その諸特性を測定した結果、中心周波数における挿入損失は平均で３．３ｄＢ、標準偏差σは０．４１であった。挿入損失の平均値、標準偏差σとも本実施形態の三重モード圧電フィルタの方が優れていた。
特に、従来の三重モード圧電フィルタでは中心周波数近傍の低域側の保証減衰量が６６ｄＢ程度であるのに対し、本実施形態の三重モード圧電フィルタでは、図２から明らかなように、中心周波数近傍の低域側の保証減衰量は９０ｄＢ程度であり２０数ｄＢ以上と大幅に改善されることがわかった。
以上の説明では、圧電基板のＸ軸方向に沿って３の電極を近接配置した場合を説明したが、Ｚ’軸方向に沿って３つの電極を近接配置して三重モード圧電フィルタを構成してもよい。この場合、伝搬方向の圧電定数のためモード間の結合係数が小さくなり、フィルタの帯域幅が狭まるので、より狭帯域なフィルタ特性を実現するのに好適である。

図３は、本実施形態に係る二重モード圧電フィルタの実施の形態を示す概略図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＲ−Ｒにおける断面図、同図（ｃ）は背面図である。なお、圧電基板５は、図１に示した圧電基板と同様な構造であるので、同じ符号を付して説明は省略する。
本実施形態の二重モード圧電フィルタ２は、薄肉の振動部６、及びこの振動部６の周縁に形成した厚肉の環状囲繞部７を有する圧電基板５の振動部６の一方の主面上、つまり平坦側の主面上に近接して配置された２つの電極（分割電極）１５、１６と、振動部６の他の主面上、つまり圧電基板５の凹陥部側に、分割電極１５、１６と対向して配置された電極（共通電極）１７と、この共通電極１７が存在しない非共通電極領域（無電極領域）と、を備えている。共通電極１７は、少なくとも全ての分割電極１５、１６をその内部に含む幅を有し、非共通電極領域（無電極領域）は、共通電極１７を分割電極１５、１６の配列方向へ延長した幅内に位置する他の主面部分と、共通電極１７を分割電極１５、１６の配列方向と直交する方向へ延長した幅内に位置する他の主面部分に形成する。

図３（ｃ）に示すように、結晶の異方性により生じる傾斜面、つまり環状囲繞部７の側壁７ｚ２に連なるＰ７−Ｐ８面に相当する領域を避けるよう、裏面側の平坦面に分割電極１５、１６をＺ’軸方向に沿って近接配置し、この分割電極１５、１６のそれぞれから圧電基板５の端部に向けてリード電極（引き出し電極）１５ａ、１６ａを延在し、圧電基板５の端部の環状囲繞部７に設けたパッド電極１５ｂ、１６ｂとそれぞれ接続する。そして、圧電基板５の表面である凹陥部側においては、結晶の異方性により生じる傾斜面Ｐ７−Ｐ８をできるだけ避けるよう、平坦面に共通電極１７を配置し、この共通電極１７と環状囲繞部７の２つの隅に形成したパッド電極１７ｂ１、１７ｂ２とをそれぞれ接続して、二重モード圧電フィルタ２を構成する。パッド電極１７ｂ１及び１７ｂ２を接地し、パッド電極１５ｂ、１６ｂの一方を入力電極とし、他方を出力電極として、パッド電極１５ｂ、１６ｂの各々に適当なインピーダンスを接続することにより二重モード圧電フィルタとして機能する。

図４は、中心周波数ｆ０を４５ＭＨｚに設定した本実施形態の二重モード圧電フィルタ２のフィルタ特性である。
図４から明らかなように、中心周波数近傍の低域側、特にｆ０−９１０ｋＨｚの保証減衰量は８５ｄＢ程度である。図９は従来の設計に基づいて製作された二重モード圧電フィルタのフィルタ特性であり、ｆ０−９１０ｋＨｚの保証減衰量は７０ｄＢ程度である。図４と図９に示すフィルタ特性を比較すれば、本実施形態の二重モード圧電フィルタ２の中心周波数近傍の低域側の保証減衰量が大幅に改善されていることは明らかである。

図５は、図１に示した本実施形態の三重モード圧電フィルタを２段縦続接続した圧電フィルタの構成を示す図で、電極配列と接続の状態が分かり易いように裏面からみた図である。入出力ＩＮ、ＯＵＴに適当なインピーダンスを接続することにより、圧電フィルタとして機能する。
図６は、図３に示した本実施形態の二重モード圧電フィルタを２段縦続接続した圧電フィルタの構成を示す図で、電極配列と接続の状態が分かり易いように裏面からみた図である。入出力ＩＮ、ＯＵＴに適当なインピーダンスを接続することにより、圧電フィルタとして機能する。
図５及び図６に示したように多重モード圧電フィルタを縦続接続して圧電フィルタを構成するのは、急峻な減衰傾度と、高保証減衰量が要求される場合である。
図５、６では２段縦続接続した圧電フィルタの構成例を示したが、多重モード圧電フィルタの縦続接続段数は３段、４段、５段と複数段であってもよく、更に高減衰量で、急峻なフィルタが実現できる。

なお、これまで説明した本実施形態では、水晶の圧電基板を用いた場合を例に挙げて説明したが、他の材料の圧電基板、例えばランガサイト、四硼酸リチウム、ベルリナイト、圧電セラミックス等の圧電材料を用いた圧電基板にも適用できる。
また、逆メサ構造の圧電基板の製造方法として、ウエットエッチングの例を説明したが、ドライエッチングを用いると異方性によるエッチング速度の違いが無く、所望に近い形状の圧電基板を得ることができる。

本発明に係る三重モード圧電フィルタの構造を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）、（ｃ）は断面図、（ｄ）は背面図。 本発明の三重モード圧電フィルタのフィルタ特性を示す図。 本発明に係る二重モード圧電フィルタの構造を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は背面図。 本発明の二重モード圧電フィルタのフィルタ特性を示す図。 縦続接続型圧電フィルタの構成を示す図。 縦続接続型圧電フィルタの構成を示す図。 従来の三重モード圧電フィルタの構造を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）、（ｃ）は断面図、（ｄ）は背面図。 従来の三重モード圧電フィルタのフィルタ特性を示す図。 従来の二重モード圧電フィルタのフィルタ特性を示す図。

符号の説明

１ 三重モード圧電フィルタ、２ 二重モード圧電フィルタ、３、４ 縦続接続型圧電フィルタ、５ 圧電基板、６ 振動部、７ 環状囲繞部、７ｘ１、７ｘ２、７ｚ２ 環状囲繞部の側壁、１０、１１、１２、１４、１５、１６、１７ 電極、１０ａ、１１ａ、１２ａ、１４ａ１、１４ａ２、１５ａ、１６ａ リード電極（引き出し電極）、１０ｂ、１１ｂ、１２ｂ、１４ｂ１、１４ｂ２、１５ｂ、１６ｂ、１７ｂ１、１７ｂ２ パッド電極、Ｐ１、Ｐ５ 圧電基板の角、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ７、Ｐ８ エッチング面の境界

Claims (6)

1. 薄肉の振動部、及び該振動部の周縁に形成した厚肉の環状囲繞部を有する圧電基板と、前記振動部の一方の主面上に近接して配置された複数の分割電極と、前記振動部の他の主面上に全ての前記分割電極と対向して配置された共通電極と、該共通電極が存在しない他の主面上に配置された非共通電極領域と、を備え、
   前記共通電極は、少なくとも全ての前記分割電極をその内部に含む幅を有し、
   前記非共通電極領域は、前記共通電極を前記分割電極の配列方向へ延長した幅内に位置する前記他の主面部分と、前記共通電極を前記分割電極の配列方向と直交する方向へ延長した幅内に位置する前記他の主面部分に形成されていることを特徴とする圧電フィルタ。
2. 前記分割電極が２つの近接配置された電極からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電フィルタ。
3. 前記分割電極が３つの近接配置された電極からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電フィルタ。
4. 前記分割電極の配列方向が圧電基板のＸ軸に沿って配列されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の圧電フィルタ。
5. 前記分割電極の配列方向が圧電基板のＺ’軸に沿って配列されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の圧電フィルタ。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の圧電フィルタを複数段縦続接続したことを特徴とする圧電フィルタ。

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