JPH0918266A - 三重モード圧電フィルタの周波数調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、３ポールＭＣＦの特定の電極
に質量を付加することにより三波の周波数ｆ１，ｆ２及
びｆ３を任意に制御し所望の圧電フィルタを提供するこ
とを目的とする。 【構成】圧電板を挟んで両面に３対の電極を並べて近接
配置し、該電極間隙及び周波数低下量は電極下に振動エ
ネルギが閉じこもり、且つ音響的に結合するような構成
とし、周波数配列を測り特定の電極の音量を調整して三
波の周波数を算出された周波数に一致させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多重モード圧電フィルタ
の周波数調整の調整方法の改良に関し、特に三重モード
フィルタの帯域幅と帯域内リップルを所望の特性に合わ
せ得る周波数調整方法に関する。

【０００２】

【従来技術】従来から圧電板を挟んで両面に二対の電極
を近接配置することによって該電極間の音響結合により
二波の周波数を励起し、該２波の周波数間の２倍を通過
域とする二重モードモノリシッククリスタルフィルタ
（以下ＭＣＦと呼称する）については良く知られてい
る。図を用いてＭＣＦの原理を説明する。図４（ａ）、
（ｂ）はＭＣＦの一例を示す電極構造図であって、
（ａ）は一方の面、（ｂ）は他方の面の電極構造を示
す。図４（ａ）に示す様に圧電板１上に金（Ａｕ）、銀
（Ａｇ）、アルミニュウム（Ａｌ）等を蒸着などにより
２つの電極２、３を形成すると共にそれぞれは基板１の
側方に入出力用電極６、７を延在させ、また他方面には
同図（ｂ）に示すように前記（ａ）の２つの電極に対応
して２つ電極２’、３’を形成すると共に両者を近接配
置して形成すると、２つの振動が強く励起される。この
うち周波数が低く振動変位の対称な振動を対称モード
（周波数ｆ１）、周波数が高く非対称な振動を反対称モ
ード（周波数ｆ２）と呼んでいる。図４（ｃ）は、入出
力端子６、７と図４（ｂ）に示すように裏側の電極
２’、３’をリード配線で接続した共通端子５とからみ
た電気的等価回路図であり、同図に示す如くラダー回路
で表され、適当に終端すればフィルタが構成される。

【０００３】フィルタの中心周波数は圧電板１の厚みと
電極寸法を一定とすれば電極２、２’、３、３’の質量
付加で決まり、帯域幅を決める周波数差ｄｆ＝ｆ２−ｆ
１は図４（ｄ）、（ｅ）に示すように電極の周波数低下
量及び電極間隙ｇによって決定される。ここで周波数低
下量とは、圧電基板の周波数と電極物質を該基板に付加
することにより周波数が偏移した時の周波数との差を言
う。即ち電極の周波数低下量が大きくなるか、または電
極間隙が広くなると二つのモードの結合が小さくなり周
波数差ｄｆは狭くなる。一方、電極の間隙の部分に質量
を付加すると二つモードの結合は大きくなり、周波数差
ｄｆを広くすることが出来る。この二重モード共振子で
フィルタを構成するとｄｆの約２倍がフィルタの帯域幅
となり、これは２次のフィルタに相当する。要求仕様に
基づいて周波数配列が算出され、インピーダンスＺ０が
設定される。該終端インピーダンスＺ０は帯域幅と等価
回路のインダクタンスの積で決まるので帯域幅と終端イ
ンピーダンスから、モーショナルインダクタンスＬ１が
算出される。インダクタンスＬ１、靜電容量Ｃ０は基板
の厚みと電極面積で決定される。これで二重モード共振
子に必要なパラメータは全部揃う。後は二重モード共振
子を図４（ｄ）の方法によるか上記した電極間に質量を
付加する方法を用いて、算出された周波数の配列に一致
するように各電極の周波数低下量によって調整を行う。

【０００４】一方、従来から２次のフィルタ（２ポール
ＭＣＦと呼称する）を数個縦続接続した４、６、８、１
０次（ポール）のフィルタが製品化されている。一枚の
圧電板上に三電極対以上を配置した高次ＭＣＦについて
の研究開発も古くから行われている。図５（ａ）、
（ｂ）に示す例では圧電板として回転Ｙ板のうち周波数
温度特性の良い３５゜回転厚み滑り振動（ＡＴ板）を用
いる場合を説明する。水晶板１上に電極２ー２’、３ー
３’、４ー４’を金属例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、
アルミニュウム（Ａｌ）等を電極材料とし蒸着などの方
法で形成する。電極の間隙ｇ１、ｇ２は等しく形成され
るのが一般的であり、各電極の面積も等しくとりインダ
クタンスを同一にする設計が多い。各電極の形状はフィ
ルタのインピーダンス、フィルタのスプリアス抑制及び
要求されるフィルタ寸法より決めるのが一般的である。

【０００５】図５に示す様に三対の電極を近接配置して
電気的に励振すると、共振状態では電極間で波動の結合
を惹起し３つの共振周波数が強く生起される。エネルギ
とじ込め理論によると振動変位は電極部分では余弦状に
なり電極の無い部分では指数関数的に減衰することが知
られている。従って３ポールＭＣＦの場合も、電極間隙
或いは周波数低下量によって音響結合を制御することが
でき、ｇ１、ｇ２を広くとると結合は弱く、即ち周波数
間隔は狭くなり、また電極の周波数低下量を大きくする
と結合は小さく、即ち周波数間隔はせまくなる。また水
晶のような異方性の圧電材料では切断方位によって弾性
定数が異なるのため結合係数即ち周波数間隔が結晶軸と
電極配置により異なる。ＡＴ板の場合、Ｚ’軸に沿って
電極を配置した構成が結合係数は小さくなり、Ｘ軸に沿
って電極を並べた構成が結合係数が最大になる。

【０００６】図５（ａ）をＡ面、同（ｂ）をＢ面と呼
び、Ａ面の各電極２、３、４のリード配線は各々外部ハ
ーメチック端子に導電性接着剤などで固着する。Ｂ面の
電極２’、３’、４’は図５（ｂ）の様にリード配線
５’によって共通にし、端子数を減らすこともできる。
或いは電極を各々独立させて外部端子に接続しても良い
が接続の仕方によって位相関係が異なるだけであり、振
幅特性より位相特性を重視する使い方でないかぎり短絡
するケースが一般的である。Ｂ面電極をリード線部で短
絡した構成では、蒸着等の方法で周波数を低下させて調
整する場合、電極間短絡などの不良発生が無く実用性が
高い。リード配線５’をＡ面の電極３のリード配線５に
導電性接着剤で接続すると３ポールＭＣＦは外部３端子
で構成することが出来る。

【０００７】図５（ｃ）は横断面の模式図を表し、圧電
基板を挟んだ電極対とその記号を示す。３ポールＭＣＦ
共振子を電気的に励振すると波動のエネルギは電極下に
とじ込められ、電極の無い周辺部では振動変位は指数関
数的に減衰し、その結果３つのモードが強勢に共振す
る。この３つのモードのうち振動変位が対称で周波数
（ｆ１）が低いモードをＳ−０、振動変位が反対称モー
ドで周波数（ｆ２）が二番目のモードをＡ−０、及び変
位が対称で周波数（ｆ３）が一番高いモードをＳ−１と
呼んでいる。これらの振動が図５（ｄ）に示すような変
位分布を持つことはＸ線トポグラフィその他の手法で詳
しく研究されている。また端子６、７を入出力端子とし
５、５’を接続した４端子はその共振近傍では図５
（ｅ）の等価回路で表されることも良く知られている。
該回路は適当な終端をすればフィルタが構成出来ること
は自明である。

【０００８】小型多電極ＭＣＦは、無線機の中間周波フ
ィルタとして開発され、一部実用に供された。しかしな
がら上記多電極ＭＣＦにおいては、一枚の大きな圧電基
板が未だ高価であったこと、多電極ＭＣＦの周波数調整
方法が煩雑で時間が掛かりすぎこと、調整法が難しいた
め歩留まりが悪かった、等の問題があった。これらのた
め高価になり、多電極ＭＣＦは一般無線機分野では使用
されなくなった。従って一枚の圧電板を挟んで両側に三
電極対以上を配置した高次ＭＣＦの周波数調整技術は未
だ研究されないままになっている。例えば３ポールＭＣ
Ｆを例に取るとｆ１とｆ２の周波数間隔は２ポールＭＣ
Ｆの周波数調整方法と同様な方法で周波数調整ができる
が、この時本来偏移させたくないモードの周波数ｆ３ま
でシフトする。これは３つの共振周波数が音響結合の結
果、励起される波動であるためどれか１つのモードを独
立して扱うことは不可能である。励起される三波の周波
数が設計された周波数に合っていないと、フィルタ特性
は帯域内でリップルを生じ、通過帯域が対称にならな
い。この様に三つの周波数ｆ１，ｆ２、ｆ３すべてを所
望の周波数に調整し合致させる事は極めて困難であり、
経済性を重視した一般無線機用中間周波フィルタには普
及しなかった。

【０００９】

【発明の目的】本発明は従来の高次ＭＣＦの問題点であ
る各モードの周波数調整法を解決するためになされたも
のであり３ポールＭＣＦ共振子の周波数を容易に且つ経
済的に調整することが可能な周波数調整法を提供するこ
とを目的とする。

【００１０】

【発明の概要】上記目的を達成するため本発明において
は、圧電板を挟んで両面にに三対の電極を並べて構成し
た３ポールＭＣＦの三波の共振周波数を低い周波数から
ｆ１、ｆ２、ｆ３とした時、三電極のうち中央の電極の
質量を調整し周波数差（ｆ３ーｆ１）をほぼ一定に保持
したまま周波数差（ｆ３−ｆ２）を調整するか、或いは
三電極の両端の電極の質量を調整し（ｆ３ーｆ１）をほ
ぼ一定に保持したまま周波数差（ｆ２ーｆ１）を調整し
て３ポールＭＣＦ共振子を製造する。

【００１１】

【発明の実施例】以下図示した実施例に基づいて本発明
を詳細に説明する。なお、以下に示す実施例において用
いる３ポールＭＣＦのＡ面の電極構成は図５（ａ）と同
様な構成を想定するが、本発明の説明にとって重要なＢ
面の電極構成についてのみ図１（ａ）に示す。即ち同図
に示す様に圧電板１の両面に３対の電極２ー２’、３ー
３’、４ー４’を形成する。電極物質としては例えば金
（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニューム（Ａｌ）等或い
はそれらに銅を混合したものを用い蒸着またはスパッタ
などの手法で形成る。電極２、３及び４は最終的に構成
される３ポールＭＣＦ共振子の端子間の位相関係を除け
ば共通リード５に接続しても、フィルタの振幅特性に変
化が無いことは前述した通りである。勿論、各電極のリ
ード線を独立の外部端子に接続し位相特性に重点をおく
フィルタも構成出来るが、ここではＢ面の各電極のリー
ド線を共通部に集めた最も単純な場合を説明する。

【００１２】図１（ａ）に斜線で図示したように相並ん
だ３電極の両端の電極の質量を蒸着などの手法で質量を
付加し周波数を低下させると、同図（ｂ）に示す周波数
配列が同図（ｃ）に示す様に偏移する。このグラフは端
子６、７を入出力端子、端子５をアース端子とした４端
子網の両端を該フィルタのインピーダンスより十分に低
い抵抗（例えば５０オーム）で終端し、前記入力端子６
ー５間に信号発生器（ＳＧ）をつないで周波数を変化さ
せた時、出力端子７ー５間に現れる信号のレベルを記録
したものである。図１（ｂ）を基準として同図（ｃ）を
見ると、周波数ｆ１’と周波数ｆ３’の周波数移動量は
大略同じで周波数差（ｆ３’ーｆ１’）はほぼ一定であ
るが、周波数ｆ２’の変化量だけが大きくなり、周波数
差（ｆ２’ーｆ１’）は減少する。このことは両端の電
極の質量を変化させたとき、最も周波数変化が大きい振
動変位は反対称モードＡー０（周波数ｆ２）であること
を示している。即ち振動体の振動部分に同一質量を付加
する際、その位置が振動変位の最大の部分である場合に
周波数変化量が最大になる。周波数の変化量は変位の自
乗に比例するという事実にも一致する。また、逆に両端
の電極の質量を削取ると（ｆ３’−ｆ１’）はほぼ一定
の状態で周波数差（ｆ２’ーｆ１’）は贈大することが
確認された。

【００１３】次に、図２（ａ）に斜線で図示したように
近接して並んだ３電極のうち、中央の電極に蒸着等の手
法で質量を付加し周波数を変化させると、変化量の大き
いモードは対称モードＳ−０（周波数ｆ１）であり、次
が対称モードＳ−１（周波数ｆ３）、感度が鈍いモード
は反対称モードＡ−０（ｆ２）であることが実験的に確
認された。従って３ポールＭＣＦの３電極の中央の電極
に質量を付加し周波数を低下させると、反対称モードＡ
−０の周波数変動量が小さい為、周波数差（ｆ３’ーｆ
１’）をほぼ一定に保持したまま周波数差（ｆ３’ーｆ
２’）を減少させることが出来る。逆に中央の電極質量
を削り取り周波数を高めると周波数差（ｆ３’−ｆ
２’）を増大させることができる。

【００１４】なお、３ポールＭＣＦの３電極のいずれの
電極の質量を変化させた場合でも程度の差はあれ周波数
全体に影響するため、各々の周波数配列を崩さず全体の
周波数を低下する方法が必要であるが、これは３電極全
体に蒸着などの方法を用いて質量を付加すれば３つの周
波数は並行移動するので、その手法を用いればよい。上
記した本発明の２通りの周波数調整法と全体の周波数を
並行移動させる手法を用いれば、設計した３ポールＭＣ
Ｆの周波数配列に、実際のフィルタの３つの周波数を合
わせ込むことができる。更に、具体例をもって説明する
と、中心周波数５８．１１２５ＭＨｚ、通過帯域幅１６
ｋＨｚ（３ｄＢ）、電極の面積はスプリアスを考慮し
１．２平方〓とし、帯域幅と周波数低下量より電極間隙
ｇ１、ｇ２を計算で求める。

【００１５】図３は３ポールＭＣＦの周波数配列と通過
域特性を示す図である。設計に基づいて製造したところ
図３（ａ）の周波数配列となった。このままでは通過域
特性は図３（ｂ）となり帯域内にリップルを生じ帯域も
対称でなくなる。そこで図３（ｃ）に示す様に３ポール
ＭＣＦの周波数配列を計算値の周波数配列に一致させる
と、そのフィルタの通過域特性は図３（ｄ）に示すよう
にリップルも設計通りに、且つ帯域幅も対称な特性のフ
ィルタが得られる。これからも分かるように、３ポール
ＭＣＦの帯域内リップルを極小に、且つ帯域幅を中心周
波数に対して対称にするには３つの周波数配列を計算よ
り算出された値に合致するように調整することが極めて
重要であることはこれらのグラフからも明瞭である。

【００１６】以上、本発明は水晶ＡＴ板を用いた３ポー
ルＭＣＦの周波数調整法を説明したが、本発明はこれの
みに限定されるされるものではなく、他の圧電材料を用
いた３ポールＭＣＦにも適用出来ることは勿論である。
例えばＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、圧電セラミック等
でもよい。周波数調整に関しても、質量を調整する電極
としてＢ面で説明してきたがＡ面の電極の質量を調整し
ても本発明の効果は全く同様である。質量調整手法とし
て蒸着法を例に挙げたがスパッタ法でも或いは電極を薄
く削り取る電子ビーム手法でよい。圧電板の形状を円形
板を例に挙げたが矩形板でもよく、また圧電板上に形成
する電極も必ずしも矩形である必要は無く楕円形であっ
ても本発明の効果は何等影響されるものでは無い。

【００１７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば３ポールＭ
ＣＦの３つの周波数を精細に制御し、なかでも反対称モ
ードＡ−０の周波数ｆ２を自在に制御することにより所
望の周波数配列に合わせ込み良好なフィルタ特性を得る
ことができ、２ポールＭＣＦより一つ次数の高いフィル
タをほぼ同じ形状で且つ経済的に制造することができ、
極めてその効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は本発明の実施例示
す平面図及び周波数偏移図。

【図２】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は本発明の他の実施
例を示す平面図と周波数偏移図。

【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は本発明を
施した周波数配列とそのフィルタ特性。

【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、及び（ｅ）
は２ポールＭＣＦを説明する電極模式図、回路図、周波
数低下量及び電極間隙と周波数間隔ｄｆとの関係図。

【図５】３ポールＭＣＦの原理を表す電極模式図、断面
図、振動変位および電気的等価回路。

【符号の説明】

１・・・圧電基板 ２、２’、３、３’、４、４’・・・電極 ５、５’、６、７・・・リード電極 ｄｆ・・・共振周波数ｆ２，ｆ１の差 ｆ１，ｆ２，ｆ３・・・共振周波数 ｆ１’，ｆ２’，ｆ３’・・・調整後の共振周波数 ｇ，ｇ１，ｇ２・・・電極間間隙 Ｓ−０、Ｓ−１・・・対称モード Ａ−０・・・反対称モード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電板を挟んで両面に三対の電極を並べ
   て形成した三重モード圧電フィルタにおいて、該電極に
   より励起される三波の共振周波数を低い順にｆ１、ｆ
   ２、ｆ３とする時、中央の電極の質量を調整することに
   よって周波数差（ｆ３ーｆ１）をほぼ一定に保持したま
   ま周波数差（ｆ３ーｆ２）を任意に調整することを特徴
   とする三重モード圧電共振子の周波数調整方法。
2. 【請求項２】 三重モード圧電共振子において、前記圧
   電板を挟んで設けられた三対の電極の内、両端の２組の
   電極の質量を調整することによって周波数差（ｆ３−ｆ
   １）をほぼ一定に保持したまま周波数差（ｆ２ーｆ１）
   を任意に調整することを特徴とする三重モード圧電共振
   子の周波数調整方法。