JPH0140529B2

JPH0140529B2 -

Info

Publication number: JPH0140529B2
Application number: JP4164281A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shimizu; Hiroshi Watanabe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-03-24
Filing date: 1981-03-24
Publication date: 1989-08-29
Also published as: JPS57157614A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はセラミツクフイルタやセラミツク発振
回路に使用される圧電共振子およびフイルタに関
するもので、特に幅たて振動モードを用いたエネ
ルギー閉じ込め型共振子およびフイルタを提供す
ることを目的とする。

従来、セラミツク共振子には、使用される共振
周波数および比帯域幅などの用途に応じて、各種
の振動モードが利用されている。共振周波数が数
ＭHz以下の場合には、円板あるいは正方形板の輪
郭振動が矩形波の長さ振動など共振子全体が振動
する振動モードが利用されている。一方共振周波
数が数ＭHzから数十ＭHzの場合には、振動エネル
ギーが圧電磁器板の中央部に局部的に集中された
いわゆるエネルギーとじ込め振動モードが利用さ
れている。

第１図は、AMラジオ等の中間周波数増幅回路
用455kHzセラミツクフイルタに用いられている
セラミツク共振子を示す。第１図ａは厚さ方向に
分極された直径約５mmの円板であり、第１図ｂは
厚さ方向に分極された１辺の長さ約4.7mmの正方
形板である。第１図の円板および正方形板共振子
はいずれも中心部分を振動の節とした輪郭振動を
する。したがつて、これらの共振子の支持および
電気端子の取り出しは、該小突起の形成された金
属端子板を振動の節に圧接するか、振動の節に細
いリード線を半田付する方法で行なわれており、
前者では圧接部の電極がはがれたり機械的な振動
により説触不良を起すなど信頼性的に問題があ
り、後者では半田付作業が難しいうえに支持によ
る特性のばらつきが大きいという欠点があつた。

第２図は共振周波数10.7MHzのエネルギーとじ
込め共振子の構造例であり、厚さ約0.2mm辺長約
５mmの正方形板の中央部に直径約1.5mmの円形電
極が対向して形成され、両面の円形電極から基板
端部に外部接続用電極が引出されている。第２図
のエネルギーとじ込め共振子ではリード端子との
接続は振動にほとんど影響を与えることがない基
板の端部で半田付によつて行われるため特性のば
らつきの少ない信頼性の高い共振子が得られる。
しかし、従来のエネルギーとじ込め共振子は厚み
たてモードあるいは厚みすべりモードを利用して
いるため、その共振周波数はセラミツク基板の厚
さによつて定まる。従つて共振周波数を低くしよ
うとすると、基板の厚さが厚くなり、これにほぼ
比例して外形寸法が大きくなつてしまう。このた
めエネルギー閉じ込め共振子の適用周波数は数Ｍ
Hz以上のHF帯およびVHF帯に限られ、数ＭHz以
下の中波帯用のエネルギー閉じ込め共振子の実現
は困難とされてきた。

このような問題を解決するものとして、本発明
者らは、第３図および第４図に示すように共振子
を特願昭55−36960号および特願昭55−36961号で
提案した。第３図、第４図を参照して、先に提案
された共振子は、有限幅の薄い矩形圧電磁器板１
１の長さ方向両端部に全面電極１２，１２′を設
け、中央部にストリツプ状駆動電極１３，１３′
を設けたもので、両端全面電極１２，１２′を介
して、外部リード１４，１４′から駆動電極１３，
１３′へ駆動電力を印加するようにしている。こ
のような構成では、幅たてエネルギーが、両端全
面電極間の中央部に閉じ込められる。

これによつて、数ＭHz以下の中波帯の使用に適
した小形で、良好な特性の共振子が得られるよう
になつた。しかしながら、圧電磁器板が両端で全
面電極となつているので、三端子フイルタや四端
子二重モードフイルタを構成しようとしても、入
出力リード電極の取出しが不可能である。

本発明は、このような点を解決するためになさ
れるものである。

本発明の目的は、幅たて振動エネルギーの改良
された閉じ込め法を提供し、三端子フイルタや四
端子二重モードフイルタを提供することである。

本発明によれば、所要周波数に応じた幅の矩形
圧電性薄板の長さ方向における中央部のみを分極
し、該分極領域の表裏面上に互いに対向する少な
くとも一対の平行なストリツプ状の駆動電極を該
薄板の長さ方向に延在させて設けるとともに該駆
動電極からの引出し電極を該分極領域の両側の未
分極領域表面に設けたことを特徴とする幅たて振
動を利用したエネルギー閉じ込め型圧電共振子が
得られる。

また、本発明によれば、所要周波数に応じた幅
の矩形圧電性薄板の長さ方向における中央部のみ
を分極し、該分極領域の一方の表面上に少なくと
も一対の平行なストリツプ状の駆動電極を該薄板
の長さ方向に延在させて設けるとともに該駆動電
極からの引出し電極を該分極領域の両側の未分極
領域表面に設けたことを特徴とする幅たて振動を
利用したエネルギー閉じ込め型圧電共振子が得ら
れる。

更に、本発明によれば、所要周波数に応じた幅
の矩形圧電性薄板の長さ方向における中央部のみ
を分極し、該分極領域の表面上に入力側および出
力側の駆動電極として一対の平行なストリツプ状
の駆動電極を該薄板の長さ方向に延在させて設け
るとともに該駆動電極からの引出し電極を該分極
領域の両側の未分極領域表面に設けたことを特徴
とする幅たて振動エネルギー閉じ込め型振動を利
用した単一モード三端子圧電フイルタが得られ
る。

更に本発明によれば、所要周波数に応じた幅を
有するとともに長さ方向における両端部分を未分
極とした矩形圧電性薄板の中央部分に幅たて振動
エネルギー閉じ込め共振子を近接して２個形成す
るとともに、これらの共振子の駆動電極からのリ
ード電極を両端の上記未分極部分に設けて構成さ
れたことを特徴とする多重モード圧電フイルタが
得られる。

この多重モード圧電フイルタにおいて、上記圧
電性薄板は、上記両端末分極部間の部分を全体に
分極されており、該薄板の長さ方向において該分
極部を少なくとも２つに分割する位置における両
面に幅全体にわたる金属箔を設け該金属箔で分離
された面にストリツプ状の駆動電極を設けて上記
共振子を構成する。あるいは、上記の多重モード
圧電フイルタにおいて、上記圧電性薄板は、上記
両端末分極間の部分を該薄板の長さ方向において
少なくとも２つに分割する位置において幅全体に
わたる小領域を残して分極されており、該小領域
で分割された分極領域の各部の両面にストリツプ
状の駆動電極を設けて上記共振子を構成しても良
い。

以下、本発明を図面を参照して詳細に説明す
る。

有限幅の薄い圧電磁器平板を伝わる幅たて振動
は、大抵の圧電材で高域しや断型の分散特性を示
し、そのエネルギー閉じ込め法は、周波数上昇型
となる。すなわち、駆動電極を設けた領域の遮断
周波数を周囲より高くすることによつて、エネル
ギー閉じ込めが実現される。

第５図を参照して、ａに示す厚さ方向に分極さ
れた幅2Hの圧電磁器薄板１を伝わる幅たて振動
の分散曲線は同図ｂの様になる。図中、実線が無
電極の場合、破線が全面電極の場合であり、また
鎖線は磁器板１が未分極の時の分散曲線を示す。
図中に示したたて軸と各曲線の交点Ωｃ、ｃお
よびΩｕは、夫々の場合の幅たて振動の期準化し
や断周波数を表わし、一般にΩｃ＞Ωｕ＞ｃと
なる。

第６図は、同図中ａ，ｂに示したように磁器板
１の板面に設けた電極２の幅と板幅とのLH₁／Ｈ
によるしや断周波数の変化を示す。ここで、破線
は図中のｂに示した幅３次モード抑圧のために２
本の電極を設けた場合の曲線である。図示のよう
に、寸法比H₁／Ｈを小さくすれば、幅たて振動
のしや断周波数は上昇し、未分極時のしや断周波
数Ωｕよりも高くなる。

従つて、第７図のように両端側を未分極とした
圧電磁器板１の中央の分極部分の両面にストリツ
プ状の駆動電極２を磁器板の長さ方向に延在する
ように設け、その電極２の幅2H₁を小さくすれ
ば、中央部における幅たて振動しや断周波数が周
辺部のそれよりも高くなり、幅たて振動の周波数
上昇型エネルギー閉じ込めが実現される。なお、
３，４は、引出し用のリード電極で、５はリード
線である。

周波数上昇型エネルギー閉じ込めに対する寸法
比H₁／Ｈの効果を実験的に調べるため、第８図
の中のａに示すように幅全体に電極を施こした場
合と、ｂに示すように部分電極にした場合のアミ
ドタンス特性を測定した。第８図の曲線はその結
果を示す。これを見るとH₁／Ｈ＝１としたａの
場合には、エネルギー閉じ込め条件が満足されな
いため共振付近に複数のスプリアスが生じている
が、これに対して部分電極としたｂの場合には、
明らかに閉じ込めが実現されており、これらのス
プリアスが抑圧されていない共振特性が得られて
いる。

以上は、圧電横効果幅たて振動の場合について
述べたが、次に分極方向と駆動電界の方向を共に
振動方向に運んだいわゆる圧電縦効果幅たて振動
の場合の共振子について述べる。この場合の構造
を第９図に示す。第７図の実施例の場合と同様
に、圧電板１の長さ方向両端部を未分極とし、中
央分極領域の一面に一対のストリツプ状駆動電極
２を長さ方向に並行させて設けたもので、第９図
ａのように、電極２の幅H₁と電極間隔ｄを板幅
2Hに対して小さく選び、中央の駆動電極部分に
おける幅たて振動のしや断周波数が周辺の未分極
部分のそれよりも上昇するようにしている。この
構成により、周波数上昇型のエネルギー閉じ込め
が実現され、第８図と同様のきれいな共振特性が
得られる。

第９図ｂは、幅３次モード振動における圧電板
１の応力分布（第９図ｃで応力零の位置の中間に
電極を設けて、幅３次モードを抑制するために駆
動電極２間に、浮遊電極３を介在させた例であ
る。

なお、圧電たて効果利用の第９図の場合には、
低電板１の両面に同一形状の駆動電極を設けるの
が望しいが、板厚が充分薄い場合には、片面だけ
で十分である。

次に単一モード３端子フイルタについて説明す
る。

まず、圧電横効果利用の場合には、第１０図ａ
のように、第７図ａにおける共振子の構造におい
て、圧電板１の上面の駆動電極２を分割して入力
および出力用電極１１，１２および２１とし、さ
らに、下面の駆動電極は同図ｂのようにそのまま
として、共通電極３１とする。各電極１１，１
２，２１，３１からリード電極１３，２２，３２
を介してリード端子１０，２０および３０を図の
ように未分極部分に付することにより、３端子単
一モードフイルタが構成される。なお、第１０図
ａの電極構造では、一般に幅２次モード（WE2）
及び幅３次モード（WE3）が励振されスプリア
スとなるが、電極１１と１２の中心を幅３次モー
ドの応力分布（第１０図ｄで応力零となる位置
に、また電極２１の中心を幅２次モードの応力分
布（第１０図ｅ）で応力零となる位置に一致させ
てやれば、幅２次モード（WE2）および幅３次
モード（WE3）のスプリアス応答を抑圧できる。
この単一モードフイルタは、結合容量を用いずに
多段に連続接続することができる。今、この単一
モードフイルタ２個F₁、F₂を第１１図のように
縦続接続した場合のフイルタ特性を第１２図に示
す。ここでは、圧電磁器板１に全長l₀が15mm、板
幅2Hが1.02mmの東北金属(株)製NEPEC−６磁器板
を用い。最駆動電極の長さ2lを3.8mmに設定した。
図から明らかなように、幅２次モード（WE2）
および幅３次モード（WE3）のスプリアスはほ
ぼ十分な程度に抑圧されている。

圧電縦効果利用の場合には、第１３図に示すよ
うに、圧電磁器板１の中央の分極部分に第９図ｂ
と同様に３本の電極を設け、その中央の電極を共
通接地電極３１、その両側の電極を夫々入力電極
１１と出力電極２１とし、リード電極１３，２２
および３２を図示のように未分極部分に付するこ
とにより、３端子フイルタが構成される。この場
合、一般には幅２次モードと幅３次モードが励振
されスプリアスとなるが、図示のように接地電極
３１と入力電極１１とのギヤツプ、および接地電
極３１と出力電極２１とのギヤツプの中心を、
夫々幅３次モードおよび幅２次モードの応力（そ
れぞれの応力分布を第１３図ｂ，ｃに示す。）が
零となる位置に一致させれば、これらのスプリア
スを容易に抑圧することができ、第１２図に示し
た圧電横効果利用の場合の特性と同様に良好な特
性のフイルタが実現される。

次に、本発明により、４端子の二重モードフイ
ルタを構成した場合の実施例を示す。

第１４図ａ，ｂを参照し、一枚の長い圧電磁器
板１の両端と中央部を未分極とし、長さ方向に間
隔をおいて２つの分極領域１０２を形成する。各
分極領域１０２の上面にストリツプ上駆動電極１
１０，２１０を長さ方向に延在配置し、下面に対
向電極３１０，３１０を設ける。こうして、各電
極１１０，２１０，３１０からは、それぞれ両端
の未分領域１０３，１０３へリード電極１３０，
２２０，３２０が設けられ、リード端子１００，
２００，３００へそれぞれ接続される。こうし
て、一枚の圧電磁器枚１の上に、第７図ａ同様の
エネルギー閉じ込め型幅たてモードの共振子が２
つ構成されたことになる。両共振子は、中央の未
分極領域１０１で弾性的に結合されており、これ
により、両共振子は二重モードフイルタとして動
作する。

第１５図ａ，ｂの実施例は、分極端１０２に構
成する駆動電極を第７図ｂのように分割型電極１
１１，１２１，２１１，２２１として、幅３次モ
ード抑圧型の共振子を利用した場合の二重モード
フイルタである。

第１６図ａ，ｂは、第１４図における中央未分
極領域１０１によるエネルギー閉じ込めの代り
に、分極領域に全面電極４００を施したもので、
この全面電極部４００で、両共振子間の弾性結合
を実現し、二重モードフイルタを構成している。

第１７図ａ，ｂは、第１５図ａ，ｂの中央未分
極部分１０１の弾性結部の代りに、分極領域に全
面電極４００を施したものである。

圧電磁器板に、前述のNEPC−６磁器を用いて
試作した。第１７図の構成の二重モードフイルタ
の特性を、第１８図に示す。フイルタ単体を２個
縦続接続した第１２図の特性に近い特性が実現さ
れている。

圧電縦効果を利用した二重モードフイルタも、
第９図ａ，ｂの共振子を２つ、第１４〜１７図と
同様に、一枚の圧電磁器板１上に形成し、中央未
分極領域あるいは中央全面電極部で弾性結合させ
て構成され得る。この場合の実施例を第１９〜２
２図に示す。第１９図、第２０図は、第１４図、
第１５図と同様、両共振子の弾性結合部を未分極
部１０１としたもので、第１９図のものは、幅３
次モード抑圧を行なわない第９図ａの共振子を採
用した場合で、第２０図は幅３次モード抑圧を行
う第９図ｂの共振子を用いる場合の構成である。
第２１図および第２２図はそれぞれ第１９図およ
び第２０図の未分極部１０１に代えて、分極領域
に幅全面に電極を施し、これを両共振子の弾性結
合部とした場合の実施例で、記号は第１４〜１７
図のものと同様とした。なお、３５０は第９図ｂ
の３に対応する浮遊電極である。

以上、幅たて振動の周波数上昇型エネルギー閉
じ込めを利用した本発明の共振子およびフイルタ
について、圧電材としてジルコチタン酸鉛素を用
いた場合の実施例を示したが、BaTiO₃、
PbTiO₃、等の圧電磁器材を用いても、実現でき
ることは言う迄もない。

以上、本発明により、小形でリード端子の取付
や支持が容易でかつ特性の良好な中波帯用共振子
の提供が可能となつた。また、本発明者らは先に
特願昭55−36960号、および特願昭55−36961号に
おいて、圧電板の両端周辺部を全面電極とする幅
たて振動共振子の構成方法を提案したが、その方
法では周辺部に入出力のリード電極を引き出せな
いために、単一モード３端子フイルタや二重モー
ドフイルタを構成することが困難であつた。本発
明の周辺部を未分極とする構成法を用いることに
よつて、このようなリード電極の引き出しが容易
にできるようになり、良好な特性を持つ単一モー
ド３端子フイルタや二重モードフイルタが得られ
るようになつた。本発明の共振子およびフイルタ
は、中波帯用のセラミツク共振子およびセラミツ
クフイルとして有用であり、産業上に与える効果
は極めて顕著であると言える。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは、455kHzセラミツクフイルタ
に使用されている従来の異なつたセラミツク共振
子の斜視図、第２図は、従来のエネルギー閉じ込
め型10.7MHz用セラミツク共振子の斜視図、第３
図は先願の特願昭55−36960号で提案した幅たて
振動を利用した圧電共振子を示す図で、ａ図は断
面図、ｂ図は上面図、ｃ図は下面図、第４図は先
願の特願昭55−36961号で提案した幅たて振動を
利用した圧電共振子を示す図で、ａ図は断面図、
ｂ図は上面図、ｃ図は下面図である。第５〜２２
図は本発明を説明するための図で、第５図ａは横
効果型幅たて振動用圧電板の斜視図、ｂは分散特
性を示す。第６図は、駆動電極幅H₁／Ｈによる
しや断周波数の変化を示す図である。第７図は、
本発明による横効果型幅たて振動を利用した圧電
共振子の実施例でａ図は幅３次モードを抑圧しな
い場合で、ｂ図は幅３次モードを抑圧する場合で
ある。第８図は、図中ａ，ｂに示す構成寸法の共
振子のアドミツタンス特性を示す図である。第９
図は、本発明による縦効果型幅たて振動を利用し
た圧電共振子の構成を示す図、ａは幅３次モード
を抑圧しない場合で、ｂは抑圧する場合である。
第１０図は、本発明による横効果型幅たて振動を
利用した単一モードの３端子フイルタの構成図
で、ａ，ｂ，ｃは、それぞれ上面図、下面図、断
面図で、ｄ，ｅは幅３次モードおよび幅２次モー
ドそれぞれの応力分布を示す図である。第１１図
は、第１０図の単一モード３端子フイルタを２個
縦続接続したフイルタの構成を示す図で、第１２
図はそのフイルタ特性を示す。第１３図は縦効果
利用の幅たて振動を利用した単端子フイルタの構
成を示す図で、ａ図は平面図、ｂ図は幅３次モー
ドの応力分布、ｃ図は幅２次モードの応力分布を
示す図である。第１４〜１７図は、横効果型幅た
て振動を利用した二重モードフイルタの実施例を
示す図で、第１４図および第１５図は両共振子間
の弾性結合を中央未分布極部によつて行なう場合
の例で、それぞれ幅３次ードを抑圧しない場合と
抑圧する場合の実施例で、上面図ａと下面図ｂを
示す。第１６図および第１７図は、それぞれ第１
４図および第１５図の中央未分極部に代えて分極
部への幅全面電極部で弾性結合を行う場合の実施
施例で、ａ図は上面図、ｂ図は下面図である。第
１８図は、第１７図の構成の二重モードフイルタ
のフイルタ特性を示す図である。、第１９〜２２
図は、無効果型幅たて振動を利用した二重モード
フイルタの４つの実施例をそれぞれ示す図であ
る。図において、符号は、１……圧電板、２，１
１，１２，２１，３１，１１０，１１１，１２
１，２１０，２１１，２２１，３１０……駆動電
極、３，３５０……浮遊電極、４，１３，２２，
３２，１３０，２２０，３２０……リード電極、
５，１０，２０，３０，１００，２００，３００
……リード端子、４００……幅全体に付した中央
電極である。

Claims

【特許請求の範囲】１所要周波数に応じた幅の矩形圧電性薄板の長
さ方向における中央部のみを分極し、該分極領域
の表裏面上に互いに対向する少なくとも一対の平
行なストリツプ状の駆動電極を該薄板の長さ方向
に延在させて設けるとともに該駆動電極からの引
出し電極を該分極領域の両側の未分極領域表面に
設けたことを特徴とする幅たて振動を利用したエ
ネルギー閉じ込め型圧電共振子。２所要周波数に応じた幅の矩形圧電性薄板の長
さ方向における中央部のみを分極し、該分極領域
の一方の表面上に少なくとも一対の平行なストリ
ツプ状の駆動電極を該薄板の長さ方向に延在させ
て設けるとともに該駆動電極からの引出し電極を
該分極領域の両側の未分極領域表面に設けたこと
を特徴とする幅たて振動を利用したエネルギー閉
じ込め型圧電共振子。３所要周波数に応じた幅の矩形圧電性薄板の長
さ方向における中央部のみを分極し、該分極領域
の表面上に入力側および出力側の駆動電極として
一対の平行なストリツプ状の駆動電極を該薄板の
長さ方向に延在させて設けるとともに該駆動電極
からの引出し電極を該分極領域の両側の未分極領
域表面に設けたことを特徴とする幅たて振動エネ
ルギー閉じ込め型振動を利用した単一モード三端
子圧電フイルタ。４特許請求の範囲第３項に記載した単一モード
三端子圧電フイルタを複数個縦続接続して構成し
たことを特徴する圧電フイルタ。５所要周波数に応じた幅の矩形圧電性薄板の長
さ方向における中央部のみを分極し、該分極領域
の表面上に幅たて振動エネルギー閉じ込め共振子
を近接して２個形成するとともに、各々の共振子
駆動電極からの引出し電極を該分極領域の両側の
未分極領域表面に設けたことを特徴とする幅たて
振動エネルギー閉じ込め型振動を利用した多重モ
ード圧電フイルタ。６特許請求の範囲第５項の多重モード圧電フイ
ルタにおいて、上記圧電性薄板の上記中央分極領
域を長さ方向において２つに分割する位置におけ
る両面に幅全体にわたる金属箔を設け該金属箔両
側の分極領域にそれぞれストリツプ状の駆動電極
を設けて上記２つの共振子を構成したことを特徴
とする多重モード圧電フイルタ。７所要周波数に応じた幅の矩形圧電性薄板の長
さ方向における両端部と中央の幅方向にわたる小
領域を残して分極し、該中央小領域の両側の分極
領域のそれぞれの両面にストリツプ状の駆動電極
を設けて２つの幅たて振動エネルギー閉じ込め共
振子を構成するとともに、各々の共振子駆動電極
からの引出し電極を上記両端の未分極領域表面に
設けたことを特徴とする幅たて振動エネルギー閉
じ込め型振動を利用した多重モード圧電フイル
タ。