JPH0140529B2 - - Google Patents

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JPH0140529B2
JPH0140529B2 JP4164281A JP4164281A JPH0140529B2 JP H0140529 B2 JPH0140529 B2 JP H0140529B2 JP 4164281 A JP4164281 A JP 4164281A JP 4164281 A JP4164281 A JP 4164281A JP H0140529 B2 JPH0140529 B2 JP H0140529B2
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Hiroshi Watanabe
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/177Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator of the energy-trap type
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/125Driving means, e.g. electrodes, coils
    • H03H9/13Driving means, e.g. electrodes, coils for networks consisting of piezoelectric or electrostrictive materials
    • H03H9/132Driving means, e.g. electrodes, coils for networks consisting of piezoelectric or electrostrictive materials characterized by a particular shape
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46Filters
    • H03H9/54Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/56Monolithic crystal filters
    • H03H9/562Monolithic crystal filters comprising a ceramic piezoelectric layer

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  • Acoustics & Sound (AREA)
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  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

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 (1)

  1. 【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。
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