JPH0666634B2 - エネルギー閉じ込め形圧電フィルタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の産業上の利用分野） 本発明は、チタン酸鉛系圧電磁器を用いた基本厚みたて
振動モードエネルギー閉じ込め形フィルタに関し、移動
通信機器，搬送装置，テレビ，ラジオ等の部品として用
いられるフィルタに関するものである。

（従来技術及びその問題点） 最近、圧電磁器材料は急速に進歩し、発振子用及びフィ
ルタ用等の通信用高安定磁器材料が開発されている。高
安定圧電磁器材料は大別してジルコン・チタン酸鉛系と
チタン酸鉛系がある。チタン酸鉛系圧電磁器材料は、ジ
ルコン・チタン酸鉛系磁器に比べて本質的に周波数エー
ジング特性に優れており、また周波数温度安定度も水晶
と比肩しうるような材料も出現している。即ち、チタン
酸鉛系磁器は周波数安定度に関してジルコン・チタン酸
鉛系磁器より格段に優れた材料であると言える。さら
に、チタン酸鉛系圧電磁器は比誘電率が200前後とジル
コン・チタン酸鉛系圧電磁器に比べて非常に小さいた
め、10MHz以上の高周波用振動子及びフィルタに適した
ものであることは周知の通りである。

一般に、10MHz以上の高周波振動子では、厚み縦振動モ
ードエネルギー閉じ込め形振動子が用いられる。従来か
ら厚み縦振動モードエネルギー閉じ込め形振動子は、ポ
アソン比が0.33以上のジルコン・チタン酸鉛系圧電磁器
が用いられ、電極の質量効果と電極部分の圧電反作用に
よる周波数低下を利用した、所謂周波数低下形エネルギ
ー閉じ込めが行なわれている。しかし、ジルコン・チタ
ン酸鉛系圧電磁器を用いた場合には、比誘電率が500以
上はあるために、周辺回路とのインピーダンス整合の点
から比帯域幅が1.5％以上の中、広帯域フィルタに用途
が限定されており、狭帯域フィルタへの適用は困難であ
る。

一方、チタン酸鉛系圧電振動子は、ジルコン・チタン酸
鉛系圧電磁器に比べて誘電率が小さく、本質的にエージ
ング特性が優れているという利点はあるものの、ポアソ
ン比が0.3以下であるために、基本モードにおいて通常
の周波数低下形エネルギー閉じ込めは不可能であり、周
波数上昇型エネルギー閉じ込め法という特別な配慮が必
要となる。

周波数上昇形エネルギー閉じ込め法は、すでに原理的に
確立されたものである。このエネルギー閉じ込め法の詳
細は清水，山田，“圧電反作用の制御による周波数上昇
形エネルギー閉じ込め",電子通信学会論文誌,Vol.J62-
A,No.1,pp.8-15（1979.1）に記載されているが、これは
エネルギー閉じ込め電極部分の遮断周波数を周辺部分よ
り高くし、前記エネルギー閉じ込め電極部分に振動エネ
ルギーを閉じ込めることにより、良好な共振及び反共振
応答を得ようとするものである。

従来の周波数上昇形エネルギー閉じ込め振動子の一例と
して永田，中嶋，佐々木が1974年３月号の電子通信学会
論文誌，巻J57-A,No.3,第185ページから191ページに記
載の論文「圧電板のたて波に関するエネルギー閉じ込め
モード」で示した電極部の板厚を部分的に薄くした振動
子が知られている。永田らの提案した振動子を二重モー
ドフィルタに応用したものを第１図に示す。第１図の
（イ）は断面図、（ロ）は平面図であり、図において10
はチタン酸鉛系圧電磁器板11,11′,12,12′はエネルギ
ー閉じ込め電極、13はエネルギー閉じ込めを達成するた
めに圧電磁器板10に設けられた凹部、14は二重モード振
動子とするために設けられ、対称モードと斜対称振動モ
ードを弾性的に結合している部分である。また15,15′
は入力側電気端子、16,16′は出力側電気端子、t,t′は
それぞれエネルギー閉じ込め部分の板厚、圧電磁器板の
板厚、矢印は分極方向を示す。第１図に示した振動子の
エネルギー閉じ込めの原理は、板厚と遮断周波数とは反
比例の関係にあることを利用して電極部分の板厚ｔを周
辺部分の板厚ｔ′より薄くして、電極部分の遮断周波数
を周辺部分に比べて高くすることにより周波数上昇形エ
ネルギー閉じ込めを達成しているわけである。しかしな
がら、良好なエネルギー閉じ込めを行うためには板厚に
関してｔ′＞ｔであればそれで良いわけではなく、ｔと
ｔ′とは一定の比率（例えばｔ＝0.87t′）のときには
じめて良好なエネルギー閉じ込めが達成されるわけであ
る。従って圧電磁気板に設けられる凹部12は極めて精密
に板厚を制御し、かつ平行平面でなければならないわけ
であり、このような精密な加工は工業的観点から製造困
難である。また、第１図の振動子は、電極11が凹部に形
成されているため、平行平面研磨を行って磁器板10の厚
みを制御することによって周波数調整が一見容易にでき
そうなものであるが、研磨することによって厚さ比ｔ／
ｔ′が大きくなり、良好なエネルギー閉じ込めを行うこ
とのできる最適な厚さ比ｔ／ｔ′から逸脱してしまうた
めに、実際問題として周波数調整は困難である。

（発明の目的） 本発明はチタン酸鉛系圧電磁器を用いて、良好な周波数
上昇形エネルギー閉じ込め特性を有し、製造が容易でか
つ周波数調整が容易にできる基本厚みたて振動を用いた
圧電フィルタを得ることを目的とする。

（発明の構成） 本発明はチタン酸鉛系圧電磁器板内部に相対向して配置
される複数対のエネルギー閉じ込め部分電極と、前記磁
器板の内部又は表面に前記電極と磁器板の厚み方向に重
なり合わないように相対向して配置される短絡電極とを
備え、厚み方向に相対向するエネルギー閉じ込め電極間
の距離が短絡電極間の距離より小さくしたことを特徴と
するエネルギー閉じ込め形圧電フィルタである。

（構成の詳細な説明） 本発明はエネルギー閉じ込め部分の周波数低下量を周辺
の短絡電極部分の周波数低下量より小さくすることによ
って周波数上昇形エネルギー閉じ込めを完全に行うもの
である。

以下、図面に従って詳細に説明する。本発明に従うエネ
ルギー閉じ込め形フィルタの基本構造を第２図に示す。
第２図（イ）は断面図、（ロ）は平面図である。本発明
のエネルギー閉じ込め形フィルタは厚み方向に一様に分
極された圧電磁器板20の内部にエネルギー閉じ込め部分
電拠対21,21′及び22,22′を形成し、前記エネルギー閉
じ込め電極圧電磁器の厚み方向に重なり合わないように
相対向する短絡電極23,23′を設ける。ここでエネルギ
ー閉じ込め電極21と21′（あるいは22と22′）の距離t₁
は短絡電極23と23′の距離t₂より小さく設定される。エ
ネルギー閉じ込め電極との電気的な入出力はリード電極
を介して側面に設けられた電極24,24′及び25,25′から
取り出せば良い。図において、26,26′は入力端子、27,
27′は出力端子を示している。電極の短絡は側面に蒸
着、メッキあるいは焼付け等の方法で電極28を設けるこ
とにより容易に行うことができる。

本発明の振動子が良好なコネルギー閉じ込めを達成する
ことができるのは以下の理由によるものである。圧電磁
器板に相対向する電極が全くない場合には、エネルギー
閉じ込めの遮断周波数は圧電磁器素板の機械的共振周波
数ａ（電気的には反共振周波数）にほぼ等しい。ま
た、圧電磁器板の表裏面に短絡電極のあるときは遮断周
波数は主として圧電性により電気機械結合係数ktを介し
てａより大幅に低下し、電気的な共振周波数ｒに一
致する。本発明のように圧電磁器板内部に電極が埋め込
まれている場合はａとｒの中間的な値となり磁器板
の板厚に比べて磁器内部で相対向する電極の間隔が小さ
いほど圧電性を介して周波数低下への寄与が小さくな
る。本発明による振動子では、エネルギー閉じ込め電極
21と21′（あるいは22と22′）の間隔を短絡電極23,2
3′の間隔より小さくして、圧電性を介して低下する遮
断周波数を制御することでエネルギー閉じ込め電極部分
の遮断周波数を周辺部分の遮断周波数より高くしてい
る。このため常に良好なエネルギー閉じ込めが達成され
るわけである。従って本発明のフィルタではフィルタに
直列に付加する容量を何ら用いることなしに、良好なエ
ネルギー閉じ込めを行うことができる。

本発明のフィルタの動作原理について述べる。周知の如
くエネルギー閉じ込め電極部分は共振子として動作し、
短絡電極のある部分は波動の減衰領域となっている。第
２図に示したエネルギー閉じ込め電極が２対あるフィル
タの場合、エネルギー閉じ込め電極対にはさまれた部分
は弾性的な結合部分となり、２共振子、１結合部からな
る。所謂対称モードと斜対称モードで構成される２重モ
ードフィルタとなる。もちろん、一つの磁器板中に３
個,4個,5個と多数のエネルギー閉じ込め電極対を形成し
て、さらに多重度を増したフィルタも可能であることは
言うまでもない。

また、本発明のフィルタでは、エネルギー閉じ込め電極
表面が磁器層で被われているわけであるから、磁器板を
研磨し厚さを制御することにより周波数調整が可能であ
る。以上述べた理由により本発明のフィルタでは磁器板
を研磨して周波数調整を行ったとしても何らエネルギー
閉じ込めを阻害する要因はない。

次に本発明のフィルタの製造方法について述べる。本フ
ィルタは積層セラミックコンデンサの製造技術を用いて
製造することができるものであるが、第３図に本フィル
タの積層構造を示す分解図を示す。圧電磁器粉末と有機
バインダーとを含む生シート30上にエネルギー閉じ込め
電極21,21′及び22,22′、短絡電極23,23′を導電ペー
ストを用いスクリーン等による印刷により形成する。第
３図に示した電極が印刷された生シート及び電極の印刷
されていない生シートを厚さ方向に熱圧着により一体化
し、電気炉で1200℃程度の温度で焼成する。その後厚み
方向に一様に分極することにより第２図に例示したよう
な本発明のフィルタを製造することができる。製造過程
において上下の電極21,21′,22,22′,23,23′の位置合
わせは、公知のセラミック多層基板技術を用いて精度良
く行うことができる。本製造方法は一つのウエハー内に
多くの第２図に示したようなフィルタチップを高精度で
製造することができ量産性に優れた方法であると言え
る。

以上短絡電極が圧電磁器内部にあるエネルギー閉じ込め
フィルタについて言及してきたが、第４図に示すように
平行平面研磨の段階で短絡電極が表面に露出しても本発
明のフィルタはいささかも性能が阻害されることはな
い。尚、厳密な周波数調整が必ずしも必要としない目的
での使用に対し、磁器板表面に露出した短絡電極をメッ
キ，蒸着等の方法で形成することも可能である。

（実施例） 本発明の一実施例として第２図に示した構造の高安定チ
タン酸鉛系圧電磁器を用いた基本厚みたて振動モード周
波数上昇形エネルギー閉じ込め形フィルタについて述べ
る。圧電磁器はPb_0.85Sr_0.15｛Ti_0.941（Mn_１／３Sb
_２／３）_0.05Ga_0.012｝O₃の組成を用いた。チタン酸鉛
系圧電セラミックスの密度は7.38×10³Kg／m³、厚みた
て結合係数ktは0.47、比誘電率▲ε^T ₃₃▼／ε_０は196
である。エネルギー閉じ込め電極21と21′及び22と22′
の間隔はともに25μｍ、短絡電極23と23′の間隔は95μ
ｍ、磁器板の板厚は120μｍである。

フィルタ構成として対称モードの共振周波数と斜対称モ
ードの共振周波数の間を通過域とする構成も考えられる
が、周波数上昇形エネルギー閉じ込めの場合、共振に比
べて反共振付近でより良好なエネルギー閉じ込めが実現
されるため、ここでは対称モードの反共振周波数と斜対
称モードの反共振周波数の間を通過域とする構成を採用
し、同時にフィルタの高インピーダンス化を図った。

本フィルタの目的とする中心周波数は21.4MHzであり、
分極済の磁器板20を平行平面研磨することにより周波数
調整を行った。その結果板厚108μｍのとき丁度中心周
波数21.4MHzを得た。このときの本フィルタの動作減衰
量特性を第５図に示す。本フィルタの終端インピーダン
スは8kΩである。第５図から良好なエネルギー閉じ込め
形フィルタが得られていることがわかる。

（発明の効果） 以上詳述した如く、本発明のフィルタは基本厚みたて振
動モードにおいて良好なエネルギー閉じ込めが可能で、
周波数調整が容易に行うことができ、しかも量産性に優
れている。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ），（ロ）は従来のエネルギー閉じ込め形フ
ィルタの一例を示す図で（イ）は断面図，（ロ）は平面
図、第２図（イ），（ロ）は本発明によるエネルギー閉
じ込め形フィルター実施例を示す図で（イ）は断面図，
（ロ）は平面図、第３図は本発明によるフィルタの積層
構造造を示す図、第４図は本発明によるフィルタのうち
表面に短絡電極が露出した状態を示す図、第５図は本発
明によるフィルタの動作減衰量特性を示す図である。 図において、10,20はチタン酸鉛系圧電磁器板、11,1
1′,12,12′はエネルギー閉じ込め電極、13は磁器板に
設けられた凹部、14は弾性的な結合部、15,15′,16,1
6′は電気端子、21,21′,22,22′はエネルギー閉じ込め
電極、23,23′は短絡電極、24,24′,25,25′,28は側面
電極、26,26′,27,27′は電気端子、30は生シート、矢
印は分極方向、t,t′,t₁,t₂は厚さを示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】チタン酸鉛系圧電磁器板内部に相対向して
   配置される複数対のエネルギー閉じ込め部分電極と、前
   記磁器板の内部又は表面に前記電極と磁器板の厚み方向
   に重なり合わないように相対向して配置される短絡電極
   とを備え、厚み方向に相対向するエネルギー閉じ込め電
   極間の距離が短絡電極間の距離より小さいことを特徴と
   するエネルギー閉じ込め形圧電フィルタ。