JPH0818392A

JPH0818392A - 圧電フィルタ

Info

Publication number: JPH0818392A
Application number: JP14660894A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kamae; 隆行鎌江; Tetsuo Hatono; 哲男鳩野
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-06-28
Filing date: 1994-06-28
Publication date: 1996-01-19

Abstract

(57)【要約】【構成】圧電共振子がラダー型に接続された圧電フィ
ルタにおいて、これら圧電共振子のそれぞれに直列及び
並列にコンデンサが接続されている圧電フィルタ。【効果】コンデンサの静電容量を適切に選択すること
により、画一的に圧電特性が付与された圧電共振子の分
極状態等を精密に制御するという複雑な工程を必要とせ
ずに、容易に圧電共振子の共振周波数及び反共振周波数
を特定の値に調整することができ、安価な圧電フィルタ
の提供が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電フィルタに関し、よ
り詳細にはコードレス電話やラジオをはじめとする通信
機器のろ波器として機能する圧電フィルタに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に圧電フィルタは圧電特性を有する
セラミックスからなる圧電共振子を含んで構成されてい
る。この圧電共振子に用いられる圧電セラミックスは、
製造時の成形性や切断加工の簡便さから一般に矩形板状
や円板状のものが採用されており、その寸法は厚さが数
１０μｍ〜数ｍｍ、一辺の長さ又は直径が数ｍｍ〜数１
０ｍｍである。圧電共振子は、前記形状の圧電セラミッ
クスの両面にペースト塗布や蒸着による銀製や銅製の電
極が形成され、圧電セラミックス自身は厚さ方向に分極
されている。

【０００３】ｋＨｚ帯域で共振子機能を発現する圧電共
振子には、一般に、拡がり振動、周辺振動、面積振動又
は長さ振動などと呼ばれる振動モードが利用される。こ
のときの共振周波数は圧電共振子の一辺の長さ、直径又
は周囲の長さによって決まってくる。

【０００４】次に圧電共振子の電気特性について説明す
る。図１５は、圧電共振子に一定範囲の周波数を有する
交流電圧を印加した場合の、周波数に対する圧電共振子
のインピーダンスと位相との関係を示したグラフであ
る。

【０００５】図１５に示したように、共振現象が発現す
る周波数付近において圧電共振子のインピーダンスを測
定すると、インピーダンスの極小と極大が観測される。
インピーダンスが極小となる周波数ｆｍ付近に直列共振
周波数ｆｓ及び共振周波数ｆｒが存在し、一方インピー
ダンスが極大になる周波数ｆｎ付近には並列共振周波数
ｆｐ及び反共振周波数ｆａが存在する。しかし、測定値
から厳密に各周波数を求めることが容易でないため、極
端に厳密性が要求されない場合、慣用的にはインピーダ
ンスの極小値を与える周波数を共振周波数ｆｒ又は直列
共振周波数ｆｓと呼び、インピーダンスの極大値を与え
る周波数を反共振周波数ｆａ又は並列共振周波数ｆｐと
呼ぶことがある。ここでは、以降インピーダンスが極小
になる周波数を共振周波数ｆｒとし、インピーダンスが
極大になる周波数を反共振周波数ｆａとする。また、そ
れぞれの周波数におけるインピーダンスを、共振インピ
ーダンスＲ_o 、反共振インピーダンスＲａ、共振周波数
ｆｒと反共振周波数ｆａとの周波数の差（ｆａ−ｆｒ）
を周波数差Δｆ、共振インピーダンスＲｏと反共振イン
ピーダンスＲａとのインピーダンスの比から導かれる値
（２０・ｌｏｇ（Ｒａ／Ｒｏ））をＰ／Ｖ比と呼ぶこと
とする。

【０００６】次に、圧電セラミックスの分極処理と分極
処理に依る圧電共振子のインピーダンス挙動について説
明する。

【０００７】分極処理とは、圧電セラミックスに直流電
圧を印加して圧電の向きを電界の向きに揃え、圧電の方
向すなわち圧電の軸を電界の方向に平行になるように揃
える処理をいう。しかし、多くの結晶粒子から構成され
るセラミックスでは、焼結が完了した時点での結晶粒子
の向きはバラバラになっており、全ての結晶粒子を分極
させることは難しい。この焼結が終了した圧電セラミッ
クスを出来るだけ効率よく分極させるには、印加する電
圧を絶縁破壊を起こさない範囲でできるだけ大きくし、
電圧印加の温度をできるだけキュリー温度に近くし、ま
た印加する時間を長くすることが好ましい。最適な分極
条件で分極処理を行うとそれ以上分極出来ない飽和した
状態となり、圧電セラミックスの結晶粒子の分極軸が最
大限に整列すると同時に向きも最大限に揃うので、その
圧電セラミックスにおける圧電性を最大限に効率よく発
現させることができるようになる。

【０００８】すなわち、分極処理が施されていない圧電
共振子は、インピーダンスの極小及び極大値が発現せ
ず、単なるコンデンサとしてしか機能しないが、分極処
理による分極の程度が高くなるに従い周波数差Δｆ及び
Ｐ／Ｖ比が大きくなり、分極が飽和した状態で周波数差
ΔｆおよびＰ／Ｖ比も最大値を示す。この最大値は材料
や振動モードにより異なる。圧電共振子の特性にはお互
いに相関性を有するものがあり、例えば電気機械結合係
数ｋが６０％を超えるようなｋＨｚ帯域の圧電共振子Δ
ｆはΔｆ＞５０（ＫＨｚ）と大きい値を示す。また機械
的品質係数Ｑｍが２０００を超える材料では、Ｐ／Ｖ比
が１００ｄＢ近くになる場合もある。

【０００９】このような分極処理が施された圧電セラミ
ックスは、その直後から徐々に分極が緩和され、また急
激な温度変化によっては急激に分極が緩和されることが
知られている。このとき共振周波数ｆｒは高周波数側に
シフトし、反共振周波数ｆａは低周波数側にシフトする
ことで共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの周波数差
Δｆは減少してゆく。また、共振インピーダンスＲ₀ は
上昇し、反共振インピーダンスＲａは低下するのでＰ／
Ｖ比は低下する。そのため、周波数の安定性が要求され
る電子部品の圧電フィルタ用として用いられる圧電セラ
ミックスには、熱エージングと呼ばれる熱衝撃による分
極状態の強制的な緩和処理を施し、その後の環境変化に
対する圧電特性の安定化を図っている。熱エージングは
キュリー温度以下の温度で、常温より高い温度に保持さ
れた高温槽などの中に急激に圧電セラミックスを入れ、
所定時間保持した後すみやかに常温へ戻す方法が多く採
用されている。

【００１０】図１６は、圧電共振子の等価回路を示した
回路構成図である。図１６に示したように圧電共振子の
等価回路はインダクタンスＬ₁ 、容量Ｃ₁ 、及び抵抗Ｒ
₁ が直列に接続された回路と容量Ｃ₀ とが並列に接続さ
れた回路として表すことができ、これより共振周波数ｆ
ｒおよび反共振周波数ｆａは下記の数１式、及び数２式
で与えられる。

【００１１】

【数１】

【００１２】

【数２】

【００１３】次に、従来の圧電フィルタの調整方法につ
いて、圧電フィルタとして一般的な４５５ｋＨｚ圧電バ
ンドパスフィルタを例に挙げ、中でも最も基本的な構成
である入出力端子に対して並列及び直列に接続された圧
電共振子から構成された１段のラダー型フィルタを例に
挙げて説明する。

【００１４】図１７は、ラダー型に接続された圧電共振
子からなる圧電フィルタを示した回路構成図である。図
１７に示したように、この圧電フィルタは入出力端子に
直列に接続された圧電共振子５１ａ（以下、直列圧電共
振子ともいう）と、入出力端子に並列に接続された圧電
共振子５１ｂ（以下、並列圧電共振子ともいう）とによ
り構成される。

【００１５】圧電フィルタの減衰量を大きくするため
に、この基本回路をはしご状に多段に連結する構成をと
ることもできる。図１８は、このような多段ラダー型に
直列圧電共振子５１ａ、及び並列圧電共振子５１ｂが接
続された圧電フィルタを示した回路構成図である。

【００１６】４５５ｋＨｚ圧電バンドパスフィルタの場
合、直列圧電共振子５１ａと並列圧電共振子５１ｂは、
直列圧電共振子５１ａの共振周波数ｆｒｓと並列圧電共
振子５１ｂの反共振周波数ｆａｐがフィルタの中心周波
数である４５５（ｋＨｚ）で一致する様に精度良く構成
されなければならない。

【００１７】圧電バンドパスフィルタの帯域幅は、構成
する直列圧電共振子５１ａおよび並列圧電共振子５１ｂ
の共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの周波数差Δｆ
により制御される。定性的には周波数差Δｆが大きい圧
電共振子により構成された圧電フィルタは帯域幅が広
く、周波数差Δｆが狭い圧電共振子により構成された圧
電フィルタは帯域幅が狭くなる。

【００１８】従って、実際に圧電フィルタを作製するに
は、目的とする帯域幅に応じて圧電共振子の周波数差Δ
ｆを調整し、さらに直列圧電共振子５１ａの共振周波数
ｆｒｓと並列圧電共振子５１ｂの反共振周波数ｆａｐを
圧電フィルタの中心周波数である４５５ｋＨｚになるよ
うに調整する。

【００１９】調整方法としては、例えば分極の程度が減
少するように調整し、次に共振周波数ｆｒ又は反共振周
波数ｆａを調整し、最後に熱エージングにより特性を安
定化させる。

【００２０】まず圧電共振子の周波数差Δｆの調整は、
分極の程度を下げることにより周波数差Δｆを減少させ
る方向で調整する。すなわち、分極した向きとは逆に、
分極したときを下回る電界を印加することで分極の軸は
変えずにその程度だけを徐々に変える。この処理は逆分
極処理と呼ばれる。

【００２１】逆分極処理のパラメータには、印加する電
界強度、電界印加時間、電界印加回数などがあるが材料
の種類や共振子の厚さなどにより適切な条件が全て異な
る。また材料製造ロットや、同じロットにおいても共振
子を切出した場所の違いなどにより処理条件が微妙に異
なるので最適条件は圧電共振子によりそれぞれ異なる。
その結果精度良く逆分極処理を施すことは著しく困難
で、逆分極処理は長年の経験に基づき施されるものであ
り、一連の自動処理では処理できない。さらに分極する
電界が少し大きかったり電界を与える向きを誤ったりす
ることで、材料の周波数差Δｆが小さくなりすぎるばか
りでなく、途中まで調整した材料の分極の向きが反転し
て再び飽和分極に戻ったりしてしまう場合が多い。そこ
で、分極の向きを間違えないために圧電共振子に印を印
刷したり、大量に同一条件で分極し０後に圧電共振子の
自動選別機により要求範囲にある圧電共振子とそうでな
い圧電共振子とを分類し、圧電共振子の特性が要求範囲
に入るまで根気よく逆分極処理を繰り返すなどの対処法
が実施されている。さらに直列圧電共振子５１ａの共振
周波数ｆｒや並列圧電共振子５１ｂの反共振周波数ｆａ
を４５５ｋＨｚに調整する工程で周波数差Δｆが影響を
受けて変化したり、最後の熱エージング処理の影響で周
波数差Δｆが変化することが一般にあるので、このよう
な周波数差Δｆの後工程における変化についても見込ん
で調整しておかなければならない。

【００２２】次に圧電共振子の共振周波数ｆｒや反共振
周波数ｆａを４５５ｋＨｚに調整する工程を説明する。
ここで、直列圧電共振子５１ａの反共振周波数ｆａを４
５５ｋＨｚに調整する工程を例にとり説明する。４５５
ｋＨｚは圧電フィルタの中心周波数にあたるので、±１
ｋＨｚ以内の高い精度で調整しなければならない。

【００２３】反共振周波数ｆａが４５５ｋＨｚより高い
場合、この反共振周波数ｆａを減少させなければならな
い。反共振周波数ｆａは圧電共振子の周囲の長さを変化
させることにより調整することができ、反共振周波数ｆ
ａを減少させる場合、圧電共振子の周囲の長さを長くす
ればよい。そこで図１９に示すように、圧電共振子５２
の辺の中央部にスリット５３を入れることにより見掛け
上周囲の長さを長くし、反共振周波数ｆａを低周波数側
へシフトさせることができる。圧電材料の周波数定数は
およそ２０００Ｈｚ・ｍ前後なので２００Ｈｚの調整
は、深さ２５μｍのスリット５３を圧電共振子５２の中
心を点対称に１組形成することに相当し、大変高い加工
精度が要求される。このとき同時に共振周波数ｆｒも低
周波数側にシフトするので圧電共振子５２の周波数差Δ
ｆはほぼ保たれる。

【００２４】一方、最初の反共振周波数ｆａが４５５ｋ
Ｈｚよりも低い場合は、反共振周波数ｆａを増加させな
ければならない。この場合、図２０に示したように圧電
共振子５２のコーナー部分を削除し、コーナーカット部
５４を形成する。

【００２５】圧電共振子５２にスリット加工やコーナカ
ット処理加工を施すときは、圧電共振子５２を破壊しな
いように注意するだけでなく、圧電共振子５２の中央に
対して点対称になるように加工を施さなければならな
い。対称性が損なわれると圧電共振子５２のインピーダ
ンス挙動に、例えばリップルと呼ばれる望ましくない共
振が発生し、また加工中に圧電共振子にクラックと呼ば
れるヒビが入ると共振周波数や反共振周波数付近のイン
ピーダンス挙動が著しく乱れて圧電フィルタに用いるこ
とができなくなる。

【００２６】従来の周波数調整工程では自動選別機など
で周波数の同じ圧電共振子５２を選び出し、位置精度良
く対称にスリット加工又はコーナカット加工を施したの
ち再度自動選別を実施して目標周波数範囲に該当したも
のを選び出し、不合格品については再度加工を施す方法
がとられている。

【００２７】直列圧電共振子の共振周波数ｆｒを４５５
ｋＨｚに調整する場合も同様であるが、さらに、厚み縦
振動モードを利用する圧電共振子基板の場合、蒸着する
電極厚さを厚くする方法により共振周波数ｆｒを調整す
ることも可能である。

【００２８】最後に熱エージングを行い、調整歪を緩和
して安定化を図る。この時、先に調整してきた周波数差
Δｆも４５５ｋＨｚに調整した共振周波数ｆｒ及び反共
振周波数ｆａもズレるので、上記工程はこうしたズレも
考慮して調整しておかなければならない。熱エージング
処理後、再度自動選別機などで適合した圧電共振子を選
別して圧電共振子の調整が終了する。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、圧電共
振子の特性調整を行うには、逆分極処理に依る周波数差
Δｆの調整、反共振周波数ｆａや共振周波数ｆｒを圧電
フィルタの中心周波数である４５５ｋＨｚに合わせるス
リット加工処理、コーナカット処理、及び特性を安定化
させる熱エージング処理などを施す必要があり、それら
の工程において処理の最適条件がそれぞれ異なるので画
一的な処理を施してゆくことが難しいという課題があっ
た。そのため、従来はこの一連の調整処理を行うために
大量の圧電共振子基板を製造して調整を行い、全数検査
により適合品を選び出し、不合格品は再度フィードバッ
クして適合するまで調整するという非能率的な方法を行
わざるをえないという課題もあった。

【００３０】また、圧電共振子に逆分極処理を施した
り、圧電共振子周囲を加工することは周波数をはじめと
する特性の温度依存性増大などを招き、圧電共振子を不
安定化する可能性が高く、調整処理により圧電共振子の
周波数温度依存性が大きくなる場合は、材料開発にまで
フィードバックして調整した後に周波数が安定する材料
を再検討しなければならないという課題もあった。

【００３１】次に、このような圧電共振子を使用した圧
電フィルタの組み立てについて説明する。図２１は圧電
部品の一例として、４素子ラダー形圧電フィルタを模式
的に示した断面図である。複数の圧電共振子６０、これ
ら圧電共振子６０の間に挿入されて圧電共振子６０を挟
持する複数の端子板６１、端子板６１同士を絶縁する絶
縁部材６４及びバネ６２からなる部品６５は、一旦保護
ケース６３の外で図２１に示した状態に配列された後、
保護ケース６３中に収納される。この図面では、保護ケ
ース６３の開口部に樹脂等による蓋が配置されていない
が、通常、部品６５を保護ケース６３内に納めた後、保
護ケース６３の開口部に蓋が配設され、部品６５が保護
ケース６３中に密封されることにより圧電フィルタが完
成する。

【００３２】このように従来の圧電フィルタは、金属製
の端子板６１に形成された突起６１ａより圧電共振子６
０表面に形成された電極と導通が図られ、また端子板６
１に形成された突起６１ａを介して圧電共振子６３が挟
持された構造なので部品点数や部品の種類が多く、その
構造も不安定なものであった。

【００３３】この圧電フィルタを組み立てるには、配列
された部品６５をピンセット等で挟持した状態で保護ケ
ース６３に挿入し、挟持する力を保護ケース６３の内壁
に預けた後ピンセットを抜き取る方法が一般的である。
ピンセットを抜き取った後に保護ケース６３内にて位置
にズレが生じた場合、圧電共振子６０や端子板６１等を
一つ一つ丁寧に修正する必要があった。

【００３４】またこのような圧電フィルタではインピー
ダンス整合を取るために外部に抵抗用スペースを用意
し、別途準備した抵抗を接続する必要があった。

【００３５】このように従来の圧電フィルタでは構造自
体が安定なものではなく、組み立てる方法自体も熟練を
要する細かい作業を必要とするという課題があった。ま
た、前記したようにインピーダンス整合をとるために
は、抵抗を外付けする必要があり、前記圧電フィルタを
電子部品に組み込む工程が複雑になるだけでなく、空間
的にも大きなスペースが必要となるため、前記圧電フィ
ルタを実装する電子部品の小型化が難しくなるという課
題があった。

【００３６】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、圧電共振子の圧電特性を正確に調整するため
の、前述した逆分極処理、外形加工処理及び熱エージン
グ処理等の複雑な前処理を行ず、画一的な電気的処理だ
けを行った圧電共振子を用いても、共振周波数の正確な
調整が可能な圧電フィルタを提供することを目的として
いる。

【００３７】また、本発明は圧電フィルタを構成する部
品の点数が少なく、組み立て方法が簡単なためにコスト
ダウンを図ることが可能で、低背位化も可能であり、か
つ耐衝撃性、信頼性に優れた圧電フィルタを提供するこ
とを目的としている。

【００３８】さらに本発明は、インピーダンス整合のた
めの抵抗等を外付けする必要のない圧電フィルタを提供
することを目的としている。

【００３９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る圧電フィルタは、圧電共振子がラダー型
に接続された圧電フィルタにおいて、これら圧電共振子
のそれぞれに直列及び並列にコンデンサが接続されてい
ることを特徴としている（１）。

【００４０】また、本発明に係る圧電フィルタは、上記
（１）記載の圧電フィルタにおいて、圧電共振子に対し
てそれぞれに直列及び並列に接続される４個のコンデン
サが１枚の誘電体基板を用いて構成されていることを特
徴としている（２）。

【００４１】また、本発明に係る圧電フィルタは、上記
（１）又は（２）記載の圧電フィルタにおいて、コンデ
ンサ基板、入出力端子に対して直列に接続される圧電共
振子基板、及び入出力端子に対して並列に接続される圧
電共振子基板の順序で積層され、１単位のラダー型圧電
フィルタが構成されていることを特徴としている
（３）。

【００４２】以下、本発明を詳細に説明する。図１は、
圧電共振子１１に直列および並列にそれぞれコンデンサ
Ｃ_s 、Ｃ_p が接続された状態を示した回路構成図であ
り、また図２は、図１に示した回路の等価回路図であ
る。

【００４３】図２に示したように、圧電共振子の等価回
路はインダクタンスＬ₁ 及び容量Ｃ₁ が直列に接続され
た回路と、この回路に容量Ｃ₀ が並列に接続された回路
として表し得る。すなわち、ここでは考え方を簡略化す
るために、その値が小さいと考えられる抵抗は無視して
いる。

【００４４】この図２に示した等価回路のインピーダン
ス｜Ｚ｜は下記の数３式で与えられ、この回路の共振周
波数Ｆｒは下記の数４式で、反共振周波数Ｆａは数５式
で与えられる。

【００４５】

【数３】

【００４６】

【数４】

【００４７】

【数５】

【００４８】但し、ｆｒは圧電共振子１１の共振周波数
である。

【００４９】上記数３式〜数５式において、コンデンサ
Ｃ₀ 、Ｃ_s 、Ｃ_p は正の値をとるので下記の数６式が成
り立つ。

【００５０】

【数６】

【００５１】圧電共振子１１の反共振周波数ｆａは、下
記の数７式で与えられるので、これよりｆｒ＜Ｆｒ＜Ｆ
ａ＜ｆａという関係が成り立つ。すなわち、図１に示し
たコンデンサＣ_s 、Ｃ_p が設けられた共振回路の共振周
波数Ｆｒ及び反共振周波数Ｆａは、コンデンサＣ_s 、Ｃ
_p の容量を調整することにより共振周波数ｆｒおよび反
共振周波数ｆａの間で制御することが可能である。

【００５２】

【数７】

【００５３】次に、コンデンサを設けることにより周波
数を調整する場合のコンデンサの許容誤差について説明
する。

【００５４】一般に圧電共振子として用いられるセラミ
ックスは種々の特性を有するものが存在するが、４５５
ｋＨｚ近傍に共振を示す材料につき、機械的品質係数Ｑ
ｍが高いものと低いものとでその圧電共振子の特性及び
等価回路定数を例示すると、下記の表１のような値をと
る。

【００５５】

【表１】

【００５６】このような特性を有する二つの材料からな
る圧電共振子１１を用いて図１に示す共振回路を構成
し、４４６ｋＨｚに共振周波数を調整しようとした場
合、コンデンサＣ_s 、Ｃ_p の静電容量のずれがどの程度
になったら、共振周波数が目標値に対して５００Ｈｚず
れるかを計算すると下記の表２のようになる。

【００５７】

【表２】

【００５８】この場合のコンデンサＣ_s 、Ｃ_p の静電容
量の計算は下記の数８式及び数９式に従って計算する。

【００５９】

【数８】

【００６０】

【数９】

【００６１】上記した表２から明らかなように、機械的
品質係数Ｑｍが高い材料ほど、コンデンサＣ_s 、Ｃ_p の
静電容量のずれが共振周波数に及ぼす影響が少ないこと
がわかる。機械的品質係数Ｑｍが著しく低い材料（Ｑｍ
＝１００．９）においても、コンデンサＣ_s 、Ｃ_p の静
電容量を目標値に対して約６％以内に納めれば、周波数
の誤差は５００Ｈｚ以内に納まることがわかる。コンデ
ンサＣ_s 、Ｃ_p の静電容量の偏差が６％以内ということ
は、１５０℃の温度範囲でコンデンサＣ_s 、Ｃ_p の静電
容量温度特性が４００ｐｐｍ／℃以内の値であればよい
ということを示しており、このような材料は実現可能で
ある。また、実際には機械的品質係数Ｑｍの値として、
２００〜１５００程度の材料が多用されるているので、
コンデンサＣ_s 、Ｃ_p における静電容量の許容誤差はも
う少し大きく見積もることが可能である。

【００６２】また、上記表２の結果より、コンデンサＣ
_s 、Ｃ_p の静電容量は数ｎＦ程度のものが必要であるこ
とがわかる。圧電セラミックスとして多用されているＰ
ＺＴからなる材料で、その比誘電率ε_r が２４００のも
のを用い、厚さ１５０μｍ、一辺５ｍｍ角のコンデンサ
基板を形成すれば、約３５００ｐＦの静電容量を確保す
ることができ、この静電容量は電極の面積を変化させる
ことにより容易に制御することが可能である。

【００６３】次に、コンデンサＣ_s 、Ｃ_p を用いて、共
振周波数等の調整を行う場合にどのような構成のコンデ
ンサを形成すればよいかについて説明する。

【００６４】図３（ａ）〜（ｄ）は、直列圧電共振子１
１ａ、並列圧電共振子１１ｂに対してそれぞれに直列及
び並列に４個のコンデンサＣ_s1、Ｃ_s2、Ｃ_p1、Ｃ_p2が接
続された１単位のラダー型圧電フィルタを示した回路構
成図である。ここで、ＩＮは入力用端子を、ＯＵＴは出
力用端子を、ＧＮＤは接地用端子を示している。

【００６５】図３（ａ）〜（ｄ）に示したように、コン
デンサを接続する仕方として、４種類の接続方法があ
る。ここで、図３（ａ）に着目して回路構成図の書き方
を変えると図４に示すような回路構成図となる。そこ
で、図４に示した回路構成図を、直列圧電共振子１１
ａ、並列圧電共振子１１ｂを除いたコンデンサＣ_s1、Ｃ
_s2、Ｃ_p1、Ｃ_p2だけの回路構成に書き直すと、図５に示
すような回路構成図となる。図５に示した回路構成図に
おいて、接続端子１と接続端子２、及び接続端子３と接
続端子５との間に、それぞれ直列圧電共振子１１ａと並
列圧電共振子１１ｂを接続すれば図４に示した回路構成
図と同様の構成となる。従って、図５に示したコンデン
サを含む回路を構成し、接続端子１と接続端子２との間
に直列圧電共振子１１ａを、接続端子３と接続端子５と
の間に並列圧電共振子１１ｂを挿入すれば、図４に示し
た圧電フィルタが構成されることになる。

【００６６】図５に示した回路をセラミックス誘電体材
料を使用したコンデンサ基板を用いて構成すると、図６
（ａ）に示すような２枚のコンデンサ基板１２を使用し
た回路構成とすることが可能であり、さらに図６（ｂ）
に示したように１枚のコンデンサ基板１２を使用した回
路構成とすることも可能である。

【００６７】図７（ａ）は、図６（ｂ）に示した電極を
有する回路が形成されたコンデンサ基板１２を模式的に
示した正面図であり、図７（ｂ）はその裏面図である。

【００６８】図７（ａ）、（ｂ）に示したように誘電体
基板１２０の一主面には、２つの電極１３ａ、１３ｂが
形成されており、他の主面には３つの電極１３ｃ、１３
ｄ、１３ｅが形成され、合計４個のコンデンサが構成さ
れている。この電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、
１３ｅと圧電共振子とを接続することにより共振回路が
構成され、コンデンサ基板１２の誘電体材料の選定及び
電極の面積を調整することにより、４個のコンデンサの
静電容量の調整がなされ、これにより共振回路の共振周
波数Ｆｒ及び反共振周波数Ｆａを制御することが可能に
なる。

【００６９】以上、圧電共振子がラダー型に接続された
圧電フィルタにおいて、これら圧電共振子のそれぞれに
直列及び並列にコンデンサが接続された回路を構成し、
コンデンサの容量を変化させることにより、共振周波数
を制御することが可能なこと、及び前記コンデンサが一
枚のコンデンサ基板を用いて構成することが可能なこと
を説明した。

【００７０】次に、前記した４個のコンデンサが形成さ
れた一枚のコンデンサ基板を用いて圧電フィルタを構成
する方法について説明する。

【００７１】前記コンデンサ基板を用いて従来から使用
されている図２１に示したような圧電フィルタを形成す
ることもできるが、電極同士の接続方法が難しくなるた
め好ましくない。そこで、圧電共振子を構成する基板
（圧電共振子基板）等と直接積層した形状の圧電フィル
タとする方法が考えられる。この場合、圧電共振子基板
は板状体の両主面のほぼ全域に電極を形成した通常の構
造では、積層した他の基板により振動が阻害されるた
め、使用することができない。従って、他のセラミック
ス基板と積層された状態でも、振動部分が自由に振動で
きる構成の圧電共振子基板を形成する必要がある。

【００７２】図８（ａ）は前記構成の圧電共振子基板を
模式的に示した斜視図であり、（ｂ）は前記圧電共振子
基板の平面図である。

【００７３】この圧電共振子基板２１は、振動部２４、
保持部２６及び振動部２４と保持部２６とを結合する結
合部２５ａ、２５ｂを備えている。そして、振動部２４
が自由に振動できるように振動部２４の周囲の大部分が
コの字状に削除され、振動を邪魔しない部分のみが結合
部２５ａ、２５ｂにより保持部２６と結合され、一体化
が図られている。振動部２４の両面には振動電極２２
ａ、２２ｂ（図示せず）が形成され、結合部２５ａ、２
５ｂ及び保持部２６にはそれぞれ片面にだけ端子電極２
３ａ、２３ｂが形成されており、これら端子電極２３
ａ、２３ｂに交流を印加することにより両面に振動電極
２２ａ、２２ｂが形成された振動部２４が振動するよう
になっている。端子電極の形状は、積層体の電極構造に
より変形させてもよい。

【００７４】前記した圧電共振子基板２１を使用する場
合でも、振動部２４が他のセラミックス基板と直接接触
すると振動が阻害されるので、圧電共振子基板２１同士
又は圧電共振子基板２１と他のセラミックス基板を積層
する際には、スペーサ基板を介して積層する必要があ
る。

【００７５】図９はスペーサ基板１４を模式的に示した
平面図であるが、このスペーサ基板１４は、図９に示し
たように中央の大部分に貫通孔１４ａが形成された構造
を有するものであればよい。圧電共振子基板に形成され
た電極の厚さが不均一であったり、圧電共振子基板に面
方向に対して微妙な反りがあった場合も、その度合いが
スペーサ基板１４の厚さより小さければ、圧電共振子基
板が他の圧電共振子基板やコンデンサ基板に接触するこ
とはなく、圧電共振子基板の振動が阻害されることはな
い。

【００７６】スペーサ基板１４の４隅に小さな貫通孔１
４ｂが形成されているのは、この貫通孔１４ｂに導電ペ
ーストなどの導電材料を埋設することにより、上下に位
置する他の基板間の電気的な接続を確保するためであ
る。

【００７７】

【作用】本発明に係る圧電フィルタ（１）によれば、圧
電共振子がラダー型に接続された圧電フィルタにおい
て、これら圧電共振子のそれぞれに直列及び並列にコン
デンサが接続されているので、コンデンサの静電容量を
適切に選択することにより、画一的な圧電特性を有する
圧電共振子を用い、その分極状態等を精密に制御すると
いう複雑な工程を必要とせずに、容易に圧電共振子の共
振周波数及び反共振周波数を特定の値に調整することが
でき、安価な圧電フィルタの提供が可能になる。

【００７８】また、本発明に係る圧電フィルタ（２）に
よれば、上記（１）記載の圧電フィルタにおいて、圧電
共振子に対してそれぞれに直列及び並列に接続される４
個のコンデンサが１枚の誘電体基板を用いて構成されて
いるので、上記（１）に記載のものが奏する作用の他、
この１枚のコンデンサ基板で１単位のラダー型圧電フィ
ルタの共振周波数及び反共振周波数の調整が可能にな
り、そのためより簡単な構造の圧電フィルタの提供が可
能になる。

【００７９】また、本発明に係る圧電フィルタ（３）に
よれば、上記（１）又は（２）記載の圧電フィルタにお
いて、コンデンサ基板、入出力端子に対して直列に接続
される圧電共振子基板、及び入出力端子に対して並列に
接続される圧電共振子基板の順序で積層され、１単位の
ラダー型圧電フィルタが構成されているので、上記
（１）、（２）に記載のものが奏する作用の他、従来よ
り少ない部品により、容易に小型、低背位で、より簡単
な構造の耐衝撃、信頼性に優れた圧電フィルタが作製さ
れ、より安価な圧電フィルタの提供が可能になる。

【００８０】また、上記圧電フィルタ（３）に、膜状抵
抗体が形成されたセラミックス基板が積層された場合に
は、インピーダンス整合用の抵抗体を外付けする必要が
なくなり、省スペース化が図られる。

【００８１】

【実施例】以下、本発明に係る圧電フィルタの実施例を
図面に基づいて説明する。

【００８２】まず、圧電共振子に直列及び並列にコンデ
ンサＣ_p 、Ｃ_s を挿入した回路を構成することにより、
共振周波数及び反共振周波数の調整を行った試験例につ
いて説明する。

【００８３】下記の表３に示した特性を有する圧電共振
子１を用い、図１に示した回路と同様に、圧電共振子１
に直列及び並列のコンデンサＣ_p 、Ｃ_s を挿入した回路
を構成し、共振周波数Ｆｒ及び反共振周波数Ｆａの調整
を行った。

【００８４】

【表３】

【００８５】上記表３に示したように圧電共振子１は共
振周波数ｆｒが４５１．８７５ＫＨｚ、反共振周波数ｆ
ａが４６７．０００ＫＨｚであり、この圧電共振子１を
使用して、共振周波数Ｆｒを４６０．０００ＫＨｚ、反
共振周波数Ｆａを４６６．０００ＫＨｚに調整すること
とした。

【００８６】図１に示した回路、すなわち図２に示した
等価回路における、共振周波数Ｆｒ、反共振周波数Ｆａ
は上記した数４式及び数５式で表され、これよりコンデ
ンサＣ_p 、Ｃ_s の静電容量は上記した数８式及び数９式
で表される。

【００８７】数８式および数９式に基づくコンデンサ容
量の計算から、Ｃ_p は４８．３４９ｐＦおよびＣ_s は３
８１．６５５ｐＦとなったが、前記した静電容量を正確
に有するコンデンサを入手することが困難なので、静電
容量が４７ｐＦのコンデンサおよび静電容量が３６０ｐ
Ｆのコンデンサを用いて共振周波数Ｆｒ及び反共振周波
数Ｆａの調整を試みた。この場合、計算により予想され
る周波数は、共振周波数Ｆｒが４６０．２１３ＫＨｚ、
反共振周波数Ｆａは４６６．０３７ＫＨｚである。

【００８８】図１０は、共振周波数Ｆｒ、反共振周波数
Ｆａを測定した結果を示したグラフであり、横軸に周波
数、縦軸にインピーダンスをとっている。図１０の結果
より予想通りの周波数に制御されたことが解る。このよ
うにコンデンサの容量が５％以上ずれていても、目的と
する周波数から１ＫＨｚもずれずに共振周波数Ｆｒ、反
共振周波数Ｆａを調整することが可能である。

【００８９】次に、実施例に係る圧電フィルタについて
説明する。

【００９０】図１１は実施例に係る圧電フィルタを模式
的に示した斜視図である。

【００９１】この圧電フィルタは、種々のセラミックス
基板の積層体であり、下から順次、入力側直列抵抗が基
板の上に形成された保護キャップ３１、コンデンサ基板
３２、スペーサ基板３３、直列圧電共振子基板３４、ス
ペーサ基板３５、並列圧電共振子基板３６、出力側並列
抵抗が基板の上に形成された保護キャップ３７の順序で
積層、接着されている。またこの積層体の４隅には対角
線上に導電材料よりなる接地用電極３８が形成され、他
の対角線上には入力用電極３９、出力用電極４０が形成
されている。

【００９２】図１２は、前記圧電フィルタの回路構成図
であり、ラダー型に接続された直列圧電共振子基板３
４、並列圧電共振子基板３６のそれぞれに直列及び並列
に４個のコンデンサＣ_s1、Ｃ_s2、Ｃ_p1、Ｃ_p2が接続さ
れ、さらに入出力端子に直列及び並列にインピーダンス
整合用の抵抗Ｒ_s 、Ｒ_p が接続されている。

【００９３】また、図１３（ａ）〜（ｈ）は図１０に示
した圧電フィルタを構成する個々の基板を模式的に示し
た平面図であり、（ａ）、（ｂ）が入力側直列抵抗が基
板の上に形成された保護キャップ３１、（ｃ）（ｄ）が
コンデンサ基板３２、（ｅ）、（ｆ）がスペーサ基板３
３、（ｇ）、（ｈ）が直列圧電共振子基板３４を示して
いる。また、配線の接続状態がわかり易いように、
（ａ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）は、（ｂ）、（ｄ）、
（ｆ）、（ｈ）に示した各基板の裏側に形成された電極
等をそのままの方向から透視した平面図（以下、透視平
面図と記す）として示している。

【００９４】図１３（ａ）、（ｂ）に示した保護キャッ
プ３１の上面（（ｂ）に示した面）には、その周辺を除
いた部分に凹部３１ａが形成されており、凹部３１ａに
導電体及び樹脂を含有するペーストを塗布することによ
り形成された膜状抵抗体４１が形成されており、一方四
隅には接地用電極３８、入力用電極３９、及び出力用電
極４０が形成されている。凹部３１ａが形成されている
のは、膜状抵抗体４１がその上に積層されるコンデンサ
基板３２の電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃと接触しないよ
うにするためである。

【００９５】この保護キャップ３１の上には、（ｃ）、
（ｄ）に示したコンデンサ基板３２が積層され、膜状抵
抗体４１に対向する面（（ｃ）に示した面）には面積の
異なる３つの電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃが形成され、
他の面（（ｄ）に示した面）には２つの電極３２ｄ、３
２ｅが形成されている。（ｃ）に示した電極のうち、電
極３２ａは膜状抵抗体４１に接続され、電極３２ｂはス
ルーホール４２を通じて出力用電極４０に接続され、も
う一つの電極３２ｃはスルーホール４２を通じて接地用
電極３８に接続されている。他方、（ｄ）に示した電極
３２ｄはスペーサ基板３３に形成されたスルーホール４
２を通じて直列圧電共振子基板３４の（ｇ）に示した電
極３４ａとＳの部分で接続されており、他方電極３２ｅ
はＰの部分を介し、同様にスルーホール４２を通じて並
列圧電共振子基板３６の電極（図示せず）に接続されて
いる。

【００９６】（ｅ）、（ｆ）に示したスペーサ基板３３
はコンデンサ基板３２と直列圧電共振子基板３４とが接
触しないようにするために積層された基板であり、四隅
にスルーホール４２が形成され、その上下に配置される
基板同士の電気的導通が図られている。スペーサ基板３
３は直列圧電共振子基板３４や並列圧電共振子基板３６
と同様の材料により構成してもよく、配線部分による容
量の発生を抑えるためにアルミナ等の誘電率の低い基板
で構成してもよい。

【００９７】（ｇ）、（ｈ）に示した直列圧電共振子基
板３４は、図８に示した圧電共振子基板２１と同様の構
造を有し、振動電極３４ａ、３４ｂが形成された部分が
自由に振動できるようになっている。（ｈ）に示した振
動電極３４ｂはスルーホール４２を通じて出力用電極４
０に接続されている。

【００９８】なお、直列圧電共振子基板３４の上には、
前述したようにスペーサ基板３５、並列圧電共振子基板
３６、保護キャップ３７が積層されているが、電極の接
続方法等が若干異なる他はほぼ同様の構成を有している
ので、ここでは詳細な説明を省略する。

【００９９】多段のラダー型圧電フィルタを構成する場
合には、前記した構成の積層体を１単位とし、スペーサ
基板を介して何単位か積層すればよい。また、前記１単
位ごとに圧電フィルタを横に並べ、お互いに接続するこ
とによっても多段化を図ることができ、この場合は多段
の圧電フィルタであっても、低背位の圧電フィルタを構
成することができる。

【０１００】前記実施例に係る圧電フィルタにおいて、
コンデンサ基板３２の電極面積がどの程度になるかを計
算してみることにする。表３に示した圧電共振子１を直
列圧電共振子基板３４とし、表３に示した圧電共振子２
を並列圧電共振子基板３６とする。圧電共振子２の共振
周波数を４５４ＫＨｚ、反共振周波数を４６０ＫＨｚと
するにはＣ_p2＝５１１．３ｐＦ、Ｃ_s2＝３６５１．２ｐ
Ｆとすればよい。圧電共振子１は上述したように共振周
波数を４６０ＫＨｚ、反共振周波数を４６６ＫＨｚとす
るにはＣ_p1＝４８．３ｐＦ、Ｃ_s1＝３８１．６ｐＦにす
ればよい。よって４つのコンデンサの合計容量はおよそ
４６００ｐＦとなる。このコンデンサを比誘電率（ε
_r ）が５０００、厚さ（ｄ）が１５０μｍの誘電体を用
いて構成すると、その電極面積（Ｓ）は下記の数１０式
から求められ、その結果Ｃ_p1、Ｃ_s1、Ｃ_p2、Ｃ_s2の順に
電極面積（Ｓ）は、０．１６４ｍｍ² 、１．２９３ｍｍ
² 、１．７３２ｍｍ² 、１２．３７１ｍｍ² となり、そ
の合計した面積は１５．５６ｍｍ² となる。このような
電極は、例えば前記誘電特性を有する約５ｍｍ角の誘電
体基板上に十分形成することが可能である。

【０１０１】

【数１０】

【０１０２】一方、誘電体基板の比誘電率からいって、
電極面積が大きくなりすぎ、静電容量の精度を十分に確
保することが難しい場合には、直列圧電共振子用のコン
デンサと並列圧電共振子用のコンデンサとを誘電率の異
なる２個のコンデンサ基板に別々に構成すればよい。

【０１０３】図１４（ａ）は、２個のコンデンサが１枚
のコンンデンサ基板に形成されたコンデンサ基板を示し
た平面図であり、（ｂ）はその透視平面図である。この
コンデンサ基板１２’には、一主面に面積の異なる２個
の電極１３ａ’、１３ｂ’が形成され、他の主面にも同
様の形状の電極１３ｃ’、１３ｄ’が形成され、これに
より２個のコンデンサが形成されている。

【０１０４】コンデンサ基板１２’を比誘電率（ε_r ）
＝１０００でその厚さ（ｄ）が２００μｍの材料を用い
て形成すると、静電容量が４７ｐＦのコンデンサを形成
するにはその電極面積が１．０６２ｍｍ² となり、静電
容量が３６０ｐＦのコンデンサを形成するには電極面積
（Ｓ）は８．１３２ｍｍ² となる。図１４に示したコン
デンサ基板１２’としては、約４ｍｍ角のものを使用し
て、その主面に約３ｍｍ角の範囲内に電極１３ａ’、１
３ｂ’を、その面積が約１：８となるように形成すれば
よい。

【０１０５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る圧電フ
ィルタ（１）にあっては、圧電共振子がラダー型に接続
された圧電フィルタにおいて、これら圧電共振子のそれ
ぞれに直列及び並列にコンデンサが接続されているの
で、コンデンサの静電容量を適切に選択することによ
り、画一的な圧電特性を有する圧電共振子の分極状態等
を精密に制御するという複雑な工程を必要とせずに、容
易に圧電共振子の共振周波数及び反共振周波数を特定の
値に調整することができ、安価な圧電フィルタの提供が
可能になる。

【０１０６】また、本発明に係る圧電フィルタ（２）に
あっては、上記（１）記載の圧電フィルタにおいて、圧
電共振子に対してそれぞれに直列及び並列に接続される
４個のコンデンサが１枚の誘電体基板を用いて構成され
ているので、この１枚のコンデンサ基板で１単位のラダ
ー型圧電フィルタの共振周波数及び反共振周波数の調整
が可能になり、そのためより簡単な構造の圧電フィルタ
の提供が可能になる。

【０１０７】また、本発明に係る圧電フィルタ（３）に
よれば、上記（１）又は（２）記載の圧電フィルタにお
いて、コンデンサ基板、入出力端子に対して直列に接続
される圧電共振子基板、及び入出力端子並列に接続され
る圧電共振子基板の順序で積層され、１単位のラダー型
圧電フィルタが構成されているので、上記（１）、
（２）に記載の効果の他、従来より少ない部品により、
容易に小型、低背位で、より簡単な構造の耐衝撃、信頼
性に優れた圧電フィルタが作製され、より安価な圧電フ
ィルタの提供が可能になる。また、この圧電フィルタは
積層型であるので、従来の圧電フィルタより容易に他の
電子部品等に実装することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧電共振子に直列および並列にそれぞれコンデ
ンサが接続された状態を示した回路構成図である。

【図２】図１に示した回路の等価回路図である。

【図３】（ａ）〜（ｄ）は、直列圧電共振子、並列圧電
共振子に対してそれぞれに直列及び並列に４個のコンデ
ンサが接続された１単位のラダー型圧電フィルタを示す
回路構成図である。

【図４】図３（ａ）に示した回路を変形した回路構成図
である。

【図５】図４の示した回路より圧電共振子を除いた回路
を示す回路構成図である。

【図６】（ａ）は図５に示した回路を２枚の誘電体基板
を使用することにより構成した回路構成図であり、
（ｂ）は同じ回路を１枚の誘電体基板を使用することに
より構成した回路構成図である。

【図７】（ａ）は図６（ｂ）に示した回路を形成するた
めのコンデンサ基板の一主面の電極の形状を示した平面
図であり、（ｂ）は他の主面の電極の形状を示した平面
図である。

【図８】（ａ）は本発明に用いられる圧電共振子基板を
模式的に示した斜視図であり、（ｂ）は前記圧電共振子
基板の平面図である。

【図９】本発明に用いられるスペーサ基板を模式的に示
した平面図である。

【図１０】試験例に係る圧電フィルタを使用して共振周
波数及び反共振周波数を測定した結果を示したグラフで
ある。

【図１１】実施例に係る圧電フィルタを模式的に示した
斜視図である。

【図１２】図１０に示した圧電フィルタの回路構成図で
ある。

【図１３】（ａ）〜（ｈ）は図１０に示した圧電フィル
タを構成する個々の基板を模式的に示した平面図であ
る。

【図１４】（ａ）は、２個のコンデンサが１枚のコンン
デンサ基板に形成されたコンデンサ基板を示した平面図
であり、（ｂ）はその透視平面図である。

【図１５】圧電共振子に一定範囲の周波数を有する交流
電圧を印加した場合の、周波数に対する圧電共振子のイ
ンピーダンスと位相との関係を示したグラフである。

【図１６】圧電共振子の等価回路を示した回路構成図で
ある。

【図１７】ラダー型に接続された圧電共振子からなる圧
電フィルタを示した回路構成図である。

【図１８】多段ラダー型に直列圧電共振子、及び並列圧
電共振子が接続された圧電フィルタの回路を示した回路
構成図である。

【図１９】反共振周波数を減少させるために、スリット
が形成された圧電共振子基板を模式的に示した平面図で
ある。

【図２０】反共振周波数を増加させるためにコーナーカ
ット部が形成された圧電共振子基板を模式的に示した平
面図である。

【図２１】４素子ラダー形圧電フィルタを模式的に示し
た断面図である。

【符号の説明】

１１圧電共振子２１圧電共振子基板１２、１２’、３２コンデンサ基板１３ａ・・・、１３ｅ、１３ａ’・・・、１３ｄ’、３２ａ
・・・３２ｅ電極１４、３３、３５スペーサ基板１１ａ、３４直列圧電共振子基板１１ｂ、３６並列圧電共振子基板４１膜状抵抗体１２０誘電体基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電共振子がラダー型に接続された圧電
フィルタにおいて、これら圧電共振子のそれぞれに直列
及び並列にコンデンサが接続されていることを特徴とす
る圧電フィルタ。
【請求項２】圧電共振子に対してそれぞれに直列及び
並列に接続される４個のコンデンサが１枚の誘電体基板
を用いて構成されていることを特徴とする請求項１記載
の圧電フィルタ。
【請求項３】コンデンサ基板、入出力端子に対して直
列に接続される圧電共振子基板、及び入出力端子に対し
て並列に接続される圧電共振子基板の順序で積層され、
１単位のラダー型圧電フィルタが構成されていることを
特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電フィル
タ。