JPH0158891B2 - - Google Patents

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JPH0158891B2
JPH0158891B2 JP18479281A JP18479281A JPH0158891B2 JP H0158891 B2 JPH0158891 B2 JP H0158891B2 JP 18479281 A JP18479281 A JP 18479281A JP 18479281 A JP18479281 A JP 18479281A JP H0158891 B2 JPH0158891 B2 JP H0158891B2
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JP
Japan
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electrodes
piezoelectric ceramic
filter
monolithic
thickness
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JP18479281A
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JPS5885613A (ja
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Takeshi Inoe
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46Filters
    • H03H9/54Filters comprising resonators of piezo-electric or electrostrictive material
    • H03H9/56Monolithic crystal filters
    • H03H9/562Monolithic crystal filters comprising a ceramic piezoelectric layer
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/02007Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02062Details relating to the vibration mode
    • H03H9/0207Details relating to the vibration mode the vibration mode being harmonic

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高次厚みたて振動を利用したモノリ
シツク圧電磁器フイルタに係る。
一般に数MHz以上の高い周波数で使用されるモ
ノリシツク圧電磁器フイルタは、振動モードとし
て板面が厚みに対して十分広い薄板の厚み振動が
用いられる。
厚み振動の共振周波数は厚みに反比例するため
高い周波数で使用するためには厚みを薄くする必
要がある。しかし、厚みが100μm以下になると
機械的強度が小さくなるため平行平面研磨が難か
しくなり、また振動子の保持も困難になる。従つ
て、最も音速の大きな厚みたて振動モードを用い
たモノリシツク圧電磁器フイルタでも、使用周波
数が20MHz以上となると板厚が100μm程度かあ
るいはそれ以下の厚みが必要となり、製造が難か
しくなる。また、基本厚みたて振動を用いたモノ
リシツクフイルタは、材料上ポアソン比σ′の値が
1/3より大きな材料に限られるという制約がある。
この条件をみたす材料は、一部のジルコン・チタ
ン酸鉛系圧電磁器材料に限られる。したがつて温
度安定度、エージング特性においてジルコン・チ
タン酸鉛系圧電磁器材料に比べ数段優れているも
のとされているPbTiO3系圧電磁器材料を用いた
基本厚みたて振動モードモノリシツクフイルタは
実現不可能である。
これに対し、同じ板厚で奇数次の高調波を用い
ることにより基本波に比べて奇数倍の高い共振周
波数を得る高次モードモノリシツク圧電磁器フイ
ルタが実用に供されている。
この従来の高次モードモノリシツク圧電磁器フ
イルタの例を第1図に示す。第1図イはモノリシ
ツク圧電磁器フイルタの平面図、ロは正面図であ
り、圧電磁器板10の表裏面にエネルギー閉じ込
め電極11,11′及び12,12′が設けられて
いる。このフイルタの動作原理は周知の如く圧電
反作用と電極の質量効果により振動エネルギーが
電極11,11′間及び12,12′間に閉じ込め
られるため、この部分は共振子として動作し電極
11,11′,12,12′の中間の部分は弾性的
な結合部分となり、フイルタが構成できるわけで
ある。しかし、n次の高次モードに関して容量比
はn2に比例して増大する。振動子の容量比をγと
したとき、共振周波数と反共振周波数との間隔と
共振周波数との比は約1/2γになる。したがつ
て、従来の第1図に示したような高次モードモノ
リシツク圧電磁器フイルタではまず第1に容量比
の増大のためフイルタの通過帯域幅が狭すぎて実
用に適しない場合があつた。
第2に、高次モードを利用したモノリシツクフ
イルタでは、低周波側の基本共振周波数がスプリ
アスとなり、このスプリアスは、使用する高次モ
ードに比べてはるかに小容量比であるため一層強
勢に励振され、この基本共振によるスプリアスを
抑圧することは不可能であつた。また、第3に、
従来の第1図に示した圧電磁器板10の表面に露
出した電極11,11′,12,12′を設けた構
造のフイルタでは、電極形成後の平行平面研磨に
よる周波数調整は不可能である。このため、周波
数調整はもつぱら蒸着装置を利用した電極の膜厚
制御による方法がとられており、周波数調整に係
る製造コストは非常に大きかつた。
一方、特開昭55−18189号公報において、相対
向する二つのエネルギー閉じ込め電極が圧電磁器
内部にある構造を有するセラミツクフイルタが提
案されている。この内部電極を有するフイルタ
は、電極が圧電磁器内部にあつても圧電磁器の極
めて大きな圧電反作用のために良好なエネルギー
閉じ込め特性を有する。
しかしながら、この構造のフイルタでは平行平
面研磨による周波数調整は可能であるが、第1図
に示した従来の高次モードフイルタの場合と同様
に、高次モードを利用する場合、スプリアスとな
る基本共振を抑圧することは不可能であり、また
使用する高次モードにおいて小容量比を実現する
ことも不可能であるという欠点を有する。さらに
基本厚みたて振動モードを用いる場合においても
結局振動部分を薄くしなければ高周波化が実現で
きず、最初に述べた種々の欠点は全く解決されな
い。
これに対し、本発明は前述の従来形高次モード
モノリジツク圧電磁器フイルターの欠点をすべて
解決し、周波数調整が可能でしかも、従来より高
い周波数で使用可能なモノリジツク圧電磁器フイ
ルタを提供することを目的としている。
本発明のモノリシツク圧電磁器フイルタは厚み
方向に一様に分極処理された圧電磁器板の内部あ
るいは内部及び表面に互いに平行でかつ圧電磁器
板の厚み方向に互いに重なりあう複数の電極から
なる電極群が複数組形成された構造となつてい
る。また入力及び出力端子と接続している2つの
電極群を構成している電極数はそれぞれ3以上で
しかも互いに等しい。さらに入力及び出力端子と
接続しているそれぞれの電極群において電極は一
層おきにすべて一方の電極端子に接続し、残りは
すべて他方の電極端子に接続している。
以上に述べた構造について図面に従つて説明す
る。
電極群が2組のモノリシツク圧電磁器フイルタ
の例を第2図及び第3図に示す。第2図は、フイ
ルタの積層構造を示す分解図である。圧電磁器粉
末と有機物からなるシート20上にエネルギー閉
じ込め電極21,21′,22,22′が厚み方向
に互いに重なり合うように設けられ、これらと接
続してリード電極23,23′,24,24′が設
けられている。これらのシートを厚み方向に一体
化し、焼成した構造のモノリシツク圧電磁器フイ
ルタの断面図が第3図である。
第3図において、20′は前記シート20が一
体化、焼成された圧電磁器板であり、リード電極
23,23′,24,24′からそれぞれ電気端子
25,25′,26,26′がとり出される。この
とき分極処理は、矢印に示したように板厚方向に
一様にほどこされる。この場合、圧電磁器は本質
的に高結合材料であるから圧電反作用が非常に強
く、従つて電極部の遮断周波数が無電極部に比べ
てかなり低くなり、第3図のように最も外側にあ
る電極の表面を薄い磁器層で覆つたとしてもエネ
ルギー閉じ込めに何ら障害を与えることはない。
このように、内部電極を有する構造を用いること
により所望の周波数に調整するためには単に表面
の磁器層を研磨するだけで良く、あらかじめ設け
られた電気端子25,25′,26,26′より正
確な周波数を知ることができる。また、平行平面
研磨は最も磁器表面に近い電極が、磁器表面に露
出するまで行うことができる。
次に入力側及び出力側電極群と電気端子との接
続は第3図に示すように該電極群内において一層
おきに配置された2枚の電極21は一方の電気端
子25に接続され、やはり一層おきに配置された
残りの2枚の電極21′は他方の電気端子25′に
接続されている。さらに電極22,22′と電気
端子26,26′との接続も上記と同様に配線さ
れる。このような配線を行なうと厚み方向に一様
に分極された圧電磁器板の厚み方向の電荷分布か
ら、厚み方向に電極を介して隣り合い、しかも電
極にはさまれている圧電磁器層に互いに逆向きの
振動変位があらわれ、特定の高次モード(第3図
の場合は3次モード)だけ強勢に励振できる長所
がある。即ち、特定の高次モードだけ強勢に励振
できるということは、使用する特定の高次モード
において小容量比が実現できるわけであり、スプ
リアスとなる基本モードに対しては電荷が打ち消
されることで抑圧可能である。これは従来の高次
モードを用いたモノリシツク圧電磁器フイルタの
諸欠点を一掃するものである。
また入出力端子に接続される電極の数はそれぞ
れ等しくなければならない。電極数が異なると入
力側電極部で励振された振動モードが出力側電極
部において十分共振しない。さらに2枚以上の高
次モードを励振させるためには上記電極の数はそ
れぞれ3以上が必要である。
本発明のモノリシツク圧電磁器フイルタの他の
例として、第4図に示すように圧電磁器板の上下
面に分極用電極を施し、直流高電界を加えて分極
し、その後そのまま分極用電極の一部27,2
7′,28,28′をエネルギー閉じ込め電極とし
て残した構造も考えられる。さらに急峻な周波数
選択度を実現させるためには、第5図に示すよう
に圧電磁器板の長手方向の入力側と出力側電極群
の中間にエネルギー閉じ込め電極群を1以上形成
しそれぞれの電極群内の電極をすべて短絡するこ
とにより容易に可能となる。
第5図に示した構造を用いると、入出力の電極
部分はもちろん、短絡した中間部分の電極にも振
動エネルギーが閉じ込められ、これらの部分は共
振子として働く。これら共振子は弾性的な結合部
分(電極のない部分)を介して縦続に配置されて
いるわけであるから、信号が入力されて出力され
る間に多くの共振子を通過しなければならないた
めに周波数選択度特性が向上するわけである。入
力側と出力側電極群の中間に形成された各電極群
を構成している電極の数は入力側、出力側電極群
の電極の数と同一であることが最適であるが、電
極数が少ない場合でも前述した共振子としての機
能は保持できる。
なお、第3図の構造では、3次の厚みたて振動
モードだけが強勢に励振されるが、第2図におい
て電極が施されているセラミツクシートの積層枚
数について、2次の場合は3枚、4次の場合は5
枚、一般のn次の場合はn+1枚と積層枚数を変
えてやることにより、他の高次モードも強勢に励
振することができ、しかも基本共振によるスプリ
アスを抑圧できることは言うまでもない。
次に、本発明の実施例として、第2図、第3図
に示した構造の3次厚みたて振動を用いた中心周
波数が27MHzの移動無線用モノリシツクフイルタ
について述べる。
試作にあたりセラミツク積層コンデンサの製造
技術を用いた。まず、圧電磁器粉末と有機バイン
ダー及び有機溶媒を含む泥〓をつくり、キヤステ
イング法により製膜し生シートした。この生シー
トにエネルギー閉じ込め電極及びリード電極を印
刷した。ついでこれらの生シートを所定の大きさ
に切断し積層圧着して積層体を作製した。この積
層体の焼成後の断面図は第3図に示すとおりであ
る。さらに所定の位置に銀電極ペーストを塗布し
焼付け、電気端子とした。この後圧電磁器板を一
様に分極した。ここで圧電材料としては厚みたて
結合係数kt=0.45のPbTiO3系圧電磁器を用い、
焼成後の板厚は320μm、厚み方向で隣接するエ
ネルギー閉じ込め電極の間隔はほぼ等間隔で73μ
m、モノリシツクフイルタの外形寸法は6.4×8.4
mmである。つぎに、表面の磁器層を研磨すること
によつて周波数調整を行ない、板厚が261μmの
ときフイルタの中心周波数が27MHzとなつた。こ
のときのフイルタの動作減衰量特性を第6図に示
す。3dB比帯域幅3.2%が得られており、また基
本厚みたて振動によるスプリアス付近の動作減衰
量は20dB程度に抑えられている。一方、第1図
に示した従来の3次厚みたて振動を用いたモノリ
シツク圧電磁器フイルタでは、本発明と同じ
PbTiO3系圧電セラミツクスを用いているにもか
かわらず、3dB比帯域幅1%程度しか得ることが
できなかつたばかりでなく、基本厚みたて振動に
よるスプリアス付近の動作減衰量は5dB程度であ
つた。即ち、両者の厚みたて3次振動を用いたフ
イルタの特性を比較すると、本発明のモノリシツ
クフイルタの方が、従来のモノリシツクフイルタ
に比べてはるかに広帯域化がはかれ、かつスプリ
アスとなる基本厚みたて振動を抑圧することがで
きる。
以上詳述した如く、本発明の高次モードモノリ
シツクフイルタは、特定の高次モードのみ強勢に
励振可能であり、またスプリアスとなる基本モー
ド振動を抑圧し、さらに周波数調整も可能である
という優れた特徴を有するものであり、工業的価
値も多大である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来のモノリシツク圧電磁器フイル
タを示した図である。イは平面図、ロは正面図で
ある。第2図は、本発明のモノリシツク圧電磁器
フイルタの実施例の積層構造を示す図である。第
3図は、本発明のモノリシツク圧電磁器フイルタ
の実施例の断面図である。矢印は分極方向であ
る。第4図は本発明のモノリシツク圧電磁器フイ
ルタの実施例のうち各電極群のうちの一部が圧電
磁器板の表面に形成されている例を示す図。第5
図は本発明のモノリシツク圧電磁器フイルタの実
施例のうち電極群が4組形成されている例を示す
図。第6図は第3図に示す構造のモノリシツク圧
電磁器フイルタの特性を示す図。 以上の図において、10,20′は圧電磁器板。
11,11′,12,12′は電極。20は圧電磁
器粉末と有機物からなるシート。21,21′,
22,22′はエネルギー閉じ込め用内部電極。
23,23′,24,24′はリード電極。25,
25′,26,26′は電気端子、27,27′,
28,28′は圧電磁器板表面に形成されたエネ
ルギー閉じ込め用電極。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 厚みの方向に分極処理された圧電磁器板の内
    部あるいは内部及び表面に、互いに平行でしかも
    圧電磁器板の厚み方向に互いに重なり合う複数の
    電極からなる電極群が複数組形成されており、こ
    れら複数の電極群のうち少なくとも入力及び出力
    端子と接続している2組の電極群の電極数はそれ
    ぞれ3以上でしかも互いに等しく、さらに当該入
    力及び出力端子と接続している2組の電極群のそ
    れぞれにおいて各電極は一層おきにすべて一方の
    電気端子に接続し、残りはすべて他方の電極端子
    に接続していることを特徴とするモノリシツク圧
    電磁器フイルタ。
JP18479281A 1981-11-18 1981-11-18 モノリシツク圧電磁器フイルタ Granted JPS5885613A (ja)

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JPS5885613A JPS5885613A (ja) 1983-05-23
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020255351A1 (ja) * 2019-06-20 2020-12-24 東芝三菱電機産業システム株式会社 直流直流変換システムおよび太陽光発電システム

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