JPH1174754A - 積層型圧電共振子およびラダー型フィルタ - Google Patents

積層型圧電共振子およびラダー型フィルタ

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JPH1174754A
JPH1174754A JP23122097A JP23122097A JPH1174754A JP H1174754 A JPH1174754 A JP H1174754A JP 23122097 A JP23122097 A JP 23122097A JP 23122097 A JP23122097 A JP 23122097A JP H1174754 A JPH1174754 A JP H1174754A
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resonator
internal electrode
piezoelectric
layers
coupling coefficient
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JP23122097A
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Kenichi Yoshimura
健一 吉村
Harumi Hayashi
春美 林
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】より小型でかつ共振子の電気結合係数、および
容量の調整が可能で、容易に組み立てることができ、組
立の自動化および小型化が可能な積層型圧電共振子およ
びラダー型フィルタを提供する。 【解決手段】圧電体層1と内部電極層2とを交互に積層
してなり、内部電極層2が交互に入力用内部電極層2a
または出力用内部電極層2bとされ、該入力用内部電極
層2aおよび出力用内部電極層2bの端部が同一側面に
露出した共振子本体3と、共振子本体3の同一側面に形
成され、かつ入力用内部電極2aの端部同士および出力
用内部電極2bの端部同士をそれぞれ接続する入力用外
部電極4aおよび出力用外部電極4bとを具備し、圧電
体層1が積層方向の伸縮振動を行うものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、積層方向の伸縮振
動モードを利用した積層型圧電共振子、およびこの積層
型圧電共振子を用いたラダー型フィルタに関するもの
で、例えば、携帯用移動無線機、コードレス電話、ペー
ジャ、カーステレオ等の移動体通信機に内蔵される、フ
ィルタ、発振子その他種々の用途に用いられる積層型圧
電共振子およびラダー型フィルタに関するものである。
【0002】
【従来技術】近年、集積回路の発達に伴い、フィルタ、
発振子その他の分野で、圧電体を用いた種々の圧電共振
子が用いられている。中でも、100kHzから1MH
zまでに使用される圧電共振子としては、従来、図6に
示すように径方向の拡がり振動モードを用いた円板状圧
電共振子、図7に示すように対角線方向の拡がり振動モ
ードを用いた正方形板状圧電共振子、さらには図8に示
すように長さ方向の伸縮振動モードを用いた矩形板状圧
電共振子が知られていた。これらの図において、符号1
6は圧電体磁器、符号15は入出力用電極を示す。
【0003】これらの圧電共振子を用いたラダー型フィ
ルタとしては、使用する圧電共振子の素子数により、4
素子、6素子、8素子など様々なタイプのものが知られ
ている。図4に6素子タイプのラダー型フィルタの回路
図を示す。ラダー型フィルターは図4に示すように、直
列共振子S1、S2、S3の片側電極を入力側と接続
し、並列共振子P1、P2、P3の片側電極をアース側
と接続し、更に直列共振子S1、S2、S3の他側電極
と並列共振子P1、P2、P3の他側電極とを出力側に
接続して構成されている。
【0004】従来のラダー型フィルタの構造の一例を図
9に示す。このラダー型フィルターは、4素子タイプの
フィルタで樹脂性のケース本体内に正方形板の対角方向
拡がり振動モードを利用した2個の直列共振子12a
(S1、S2)及び、2個の並列共振子12b(P1、
P2)を収容して構成される。これらの直列共振子12
aおよび並列共振子12bは、所望のフィルタ特性を得
るために、各共振子の面積、厚みが一定の寸法に制限さ
れる。
【0005】これら圧電共振子12a、12bの間には
電極板11が配置され、入力または出力側の電極として
コの字状の電極板13が配置されている。ラダー型フィ
ルタを駆動する場合、圧電共振子12a、12bがフィ
ルタケース本体14に収容された状態で、所望の状態で
振動し得ることが必要であるため、フィルタケース本体
14に収容された状態で圧電共振子12a、12bの振
動が妨げられてはならない。そこで、従来、電極板11
としてバネ性を有する、いわゆるバネ端子が用いられて
いる。
【0006】図10には、この電極板11(バネ端子)
を用いて従来の拡がり振動子を保持固定した状態を示
す。従来の共振子では、共振子の駆動用電極が共振子の
2つの対向した主面にあり、電気的な接続及び共振子の
保持固定が共振子を両側から電極板11(バネ端子)を
用いて挟み込むような形で行われていた。
【0007】この種のラダー型フィルタでは、直列共振
子の寸法と並列共振子の寸法とを調整して、直列共振子
の共振周波数Frと並列共振子の反共振周波数Faを一
致させて通過帯域を構成し、かつその両側に減衰極を構
成しており、通過帯域は圧電共振子の反共振周波数と共
振周波数の差(ΔF=Fa−Fr)によって決まってい
た。
【0008】また、フィルタの段数を増やしたり、並列
共振子と直列共振子の素子間容量比を大きくしたりする
ことによって、保証減衰量を大きくしていた。並列共振
子と直列共振子の素子間容量比を大きくする手段として
は、具体的に直列共振子の厚みを大きくし、更に電極面
積を小さくした部分電極を形成することで直列共振子の
容量を小さくし、また、並列共振子の厚みを小さくして
容量を大きくし、素子間容量比を大きくする方法が取ら
れていた。更に、直列共振子に低誘電率の材料、また、
並列共振子に高誘電率の材料と2種類の材料を用いるこ
とで、保証減衰量を大きくすることを実現していた。
【0009】従来、さらに素子間容量比を大きくするた
めに、正方形板状共振子の対角方向拡がり振動モードを
利用した積層型圧電共振子(特開昭61−133715
号公報)、或いは、矩形板状共振子の長さ方向の伸縮振
動モードを利用した積層型圧電共振子(実開昭60−1
19133号公報)などが知られていた。
【0010】また、近年においては、無線通信機の小型
化、軽量化が図られ、電子部品においても0.01mm
を単位とした小型化、薄型化が競われている。前記した
ラダー型フィルタにおいても小型化の要求があり、フィ
ルタ特性を劣化させずに形状を小型化することが大きな
課題となっていた。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開昭61−133715号公報に開示された、拡がり振
動モードを利用した積層型圧電共振子では、容量値は大
きくできるものの、正方形板の対角方向拡がり振動モー
ドを用いているため、例えば、455フィルタとして用
いる場合には、正方形の一辺が約5mm程度となり、厚
みとしては0.3〜1.0mm程度となり、これ以上の
小型化は不可能であった。
【0012】そこで、フィルタ、発振子等の具体的なデ
バイスの小型化を図るために、使用する圧電共振子の振
動モードを、拡がり振動から矩形板状の圧電共振子の長
さ方向の伸び振動(横効果)へ変更して共振子を小型化
し、デバイスの形状を小型化する方法が採用されてい
た。
【0013】しかしながら、矩形板状の圧電共振子の長
さ方向の伸び振動を利用した場合、共振子の帯域幅△F
が材料の横効果による電気機械結合係数K31のみで決定
されるために電気機械結合係数が小さく、拡がり振動モ
ードを利用した圧電共振子に比べて、共振子の帯域幅△
Fが小さく、フィルタを構成した場合、フィルタの通過
帯域幅が狭くなるという問題があった。
【0014】また、上記実開昭60−119133号公
報の長さ方向の振動モードを利用した積層型圧電共振子
では小型化が可能であり、容量値のコントロールも可能
であるが、長さ方向の伸縮振動モードを利用していたた
め、電気機械結合係数K31は30〜40%程度と小さ
い。材料的にも電気機械結合係数K31は40%程度が上
限であり、フィルタ等に使用した場合には十分な帯域幅
△Fを確保できなかった。
【0015】また、角柱状の圧電共振子の両底面に電極
を形成し、電極間の長さ方向の伸び振動(縦効果)へ変
更して共振子を小型化した場合、共振子の帯域幅△Fは
十分に満足できるが、共振子の容量が極端に小さくなる
ために、フィルタを構成するインピーダンスのコントロ
ールができないという問題があった。
【0016】さらに、上記したように、圧電共振子をフ
ィルタ、発振子等の具体的なデバイスに利用する場合、
圧電共振子の入力側端子と出力側端子が、圧電共振子の
対向する2平面に形成されているため、デバイスの入出
力端子と圧電共振子の入出力端子との電気的な接続、お
よび共振子の固定はバネ性を有するいわゆる電極板11
(バネ端子)を用いて行われていた。また、上記に示し
たようなラダー型フィルタでは、複数の圧電共振子を直
列、並列に接続してラダー型回路を構成する必要があ
り、共振子を積み重ねた場合バネ端子をコの字に折り曲
げた電極板を使用してラダー型回路を構成する必要があ
った。従って、構造が非常に複雑となり、フィルタの組
立が困難であり、さらにフィルタの組立を自動化するの
が困難であった。
【0017】また、複数の共振子及びバネ端子を用いて
フィルタを構成しようとするとフィルタの設置面積を小
さくするためには、共振子をフィルタの高さ方向に積み
重ねる必要があり、フィルタの高さが高くならざるを得
なかった。
【0018】本発明は、より小型でかつ電気機械結合係
数、および容量の調整が可能な積層型圧電共振子、並び
に容易に組み立てることができ、組立の自動化および小
型化が可能で、しかも従来と同等以上の特性を有するラ
ダー型フィルタを提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明の積層型圧電共振
子は、圧電体層と内部電極層とを交互に積層してなり、
該内部電極層が交互に入力用内部電極層または出力用内
部電極層とされ、該入力用内部電極層および出力用内部
電極層の端部が同一側面に露出した共振子本体と、該共
振子本体の同一側面に形成され、かつ前記入力用内部電
極の端部同士および出力用内部電極の端部同士をそれぞ
れ接続する入力用外部電極および出力用外部電極とを具
備し、前記圧電体層が積層方向の伸縮振動を行うことを
特徴とする。ここで、入力用外部電極と出力用外部電極
の間の共振子本体には凹部が形成されていることが望ま
しい。
【0020】また、本発明のラダー型フィルタは、複数
の直列共振子と複数の並列共振子とからなるラダー型フ
ィルタにおいて、前記直列共振子および前記並列共振子
が、上記積層型圧電共振子からなるものであ。
【0021】
【作用】本発明の積層型圧電共振子は、上記に示した構
成により、分極方向の伸び振動の電気機械結合係数の大
きな材料を用いることで、積層方向の伸び振動の電気機
械結合係数K33が十分に大きい圧電共振子を得ることが
できる。
【0022】PZT系の材料の電気機械結合係数は、振
動モードにより大きく異なり、従来の横効果の電気機械
結合係数K31に比べて、厚み方向の伸び振動(縦効果)
の電気機械結合係数K33が大きいことから、特に、圧電
体層としてPZT系の材料を用いた場合においてはその
効果が大きい。PZT系の材料の電気機械結合係数K33
は50%以上、70%程度である。
【0023】また、この様な積層構造の共振子において
は、対向電極の数や、電極間厚みを調整することによ
り、様々な容量の共振子を得ることができる。このよう
な構成にすることで、共振子の形状を小型化することが
でき、しかも大容量の共振子を得ることができる。
【0024】さらに、入力用外部電極および出力用外部
電極を共振子本体の同一側面に形成したため、積層型圧
電共振子をラダー型回路に接続する場合、接続する端子
等に配置し、入力用外部電極および出力用外部電極をハ
ンダ等により接続するだけで接続することができ、積層
型圧電共振子とラダー型回路との電気的な接続が容易と
なり、また組み立ても容易となる。
【0025】また、入力用外部電極と出力用外部電極の
間の共振子本体に凹部を形成することにより、入力用外
部電極と出力用外部電極とを確実に離間することがで
き、共振子の組立における絶縁不良の発生を防止するこ
とができる。
【0026】
【発明の実施の形態】図1は本発明の積層型圧電共振子
を示すもので、図1において、符号1はPb(Zr,T
i)O3 を主成分とする圧電体層を示している。この圧
電体層1としては、例えば、Pb(Zr,Ti)O3
Pb、Zr、Tiの一部をBa等のアルカリ土類金属、
Nb等の周期律表第5a族元素、Y等の希土類元素、C
r等の周期律表第6a族元素、Co等の周期律表第8族
元素等で置換したものが用いられる。
【0027】尚、圧電体層1の材料としては、上記した
Pb(Zr,Ti)O3 系以外の圧電体、例えばPbT
iO3 等でもよく、必要とされる圧電特性としては、電
気機械結合係数K33が50%以上となる材料であればよ
い。
【0028】そして、27層の圧電体層1と、26層の
Ag−Pd等の導電材料からなる内部電極層2が交互に
積層され、共振子本体3が形成されている。内部電極層
2は交互に入力用内部電極層2aまたは出力用内部電極
層2bとされ、これらの入力用内部電極層2aおよび出
力用内部電極層2bの端部は、図2(a)に示すよう
に、共振子本体3の側面に異なる領域に露出している。
即ち、入力用内部電極層2aの端部は、図1に示された
共振子本体3側面の手前側に、出力用内部電極層2bの
端部は、共振子本体3側面の奥側に形成されている。入
力用内部電極層2aおよび出力用内部電極層2bは、図
2(b)、(c)に示したような形状をなしている。
【0029】これらの入力用内部電極層2aの端部は、
図1に示したように、共振子本体3側面の手前側に形成
された入力用外部電極4aにより相互に接続されてお
り、出力用内部電極層2bの端部は、共振子本体3側面
の奥側に形成された出力用外部電極4bにより相互に接
続されている。つまり、入力用外部電極4aおよび出力
用外部電極4bは、共振子本体3の同一側面に、圧電体
層1の積層方向に並設されている。
【0030】また、入力用外部電極4aおよび出力用外
部電極4bの間には、凹部5が形成されている。
【0031】また、圧電体層1は積層方向Xに分極され
ており、隣接する圧電体層1での分極方向zは逆向きと
なっている。振動方向は圧電体層1の積層方向Xとされ
ている。また、振動の節は、圧電体層1の積層方向Xに
おける共振子本体3の長さの1/2付近である。
【0032】次に、7層の圧電体層1を積層した場合の
積層型圧電共振子の作成方法を図3に示す。先ず、Pb
(Zr,Ti)O3 を主成分とする圧電セラミックスの
グリーンシート6を用意し、6枚のグリーンシート6の
上面には、スクリーン印刷等により図2の(b)、
(c)のような電極パターンを形成し、最上面のグリー
ンシート6には電極パターンを形成しない。このような
同じ厚みのグリーンシートを電極パターンの位置が所定
の位置に来るように積み重ねた後、圧着し、同時に焼成
することにより、図2に示したような、内部電極層2を
介して圧電体層1が積層された焼結体を得ることができ
る。
【0033】つぎに、内部電極層2の露呈部に、導電性
ペーストを塗布、乾燥し、焼き付けて入力用外部電極4
aおよび出力用外部電極4bを形成する。次に、入力用
外部電極4aおよび出力用外部電極4bの間の共振子本
体3に、これらの電極4の絶縁の為の溝をダイシングソ
ー等により加工する。
【0034】この後、入力用外部電極4aおよび出力用
外部電極4bの間に直流電圧を印加して分極処理し、圧
電性を付与する。その後、所定の共振子の形状に切断し
て、本発明の積層型圧電共振子が得られる。
【0035】尚、積層する前に、厚さが均一で平坦な圧
電セラミックス焼成板を作製し、その圧電セラミックス
板に内部電極層用の導電性ペーストを塗布し、乾燥し、
各薄板の電極パターンの位置を正確に合わせた形で積層
し、焼き付けることにより、内部電極層を介して圧電体
層を接合してもよい。
【0036】本発明の積層型圧電共振子では、PZT系
の材料の結合係数は、横効果の電気機械結合係数K31
比べて、厚み方向の伸び振動(縦効果)の電気機械結合
係数K33が大きいことから、積層方向の伸び振動の電気
機械結合係数K33が十分に大きい圧電共振子を得ること
ができる。また、対向電極層の数や、電極層間の厚みを
調整することにより、様々な容量の共振子を得ることが
できる。よって、本発明の積層型圧電共振子では、共振
子の形状を小型化することができ、しかも大容量の共振
子を得ることができる。
【0037】即ち、圧電体層の積層方向Xにおける共振
子本体の長さをL、圧電体層の積層数をn、電極層の間
隔をt(L/n)、コンデンサを形成する面積(電極層
の重なった部分の面積)をa×bとすると、全容量Cは
C=ε0 εr 2 ab/Lで表される。共振子本体の長
さLは使用する共振周波数fr、反共振周波数faによ
って決定されるものであり、例えば、共振周波数frが
400kHzの場合にはLは約4mmとされる。積層数
nは要求される容量値から決定される。さらに、上記
a、bの値は使用するデバイスの形状により決定され
る。
【0038】図4は、ラダー型フィルタの回路図を示す
もので、この図には、共振周波数と反共振周波数の差Δ
Fが同一の直列共振子S1、S2、S3と並列共振子P
1、P2、P3とをL型に接続してなる基本単位回路を
3段接続してなるラダー型フィルタが開示されている。
【0039】そして、共振子S1、S2、S3、P1、
P2、P3として、本発明の積層型圧電共振子が用られ
ている。積層型圧電共振子を組み込む場合には、振動の
節は、圧電体層1の積層方向Xにおける共振子本体3の
中央部付近であるため、この部分でラダー型フィルタの
回路が印刷されたような基板に接続固定される。
【0040】つまり、積層型圧電共振子は、図1で一点
鎖線で示す部分が基板に接続されることが望ましい。接
続は、導電性のゴム状の弾性を持つペーストで接着固定
するのが望ましい。半田等による接着も可能である。図
5に、積層型圧電共振子を基板に接着した状態を示す。
図5において、符号8は導電性のゴム状の弾性を持つペ
ーストであり、符号9はラダー型フィルタの回路が印刷
された基板である。
【0041】従って、本発明のラダー型フィルタでは、
入力用外部電極4aおよび出力用外部電極4bを共振子
本体3の同一側面に形成したため、積層型圧電共振子を
ラダー型回路に接続する場合、基板9の端子上に配置
し、入力用外部電極4aおよび出力用外部電極4bを弾
性を持つペーストで接着固定するだけで接続することが
でき、積層型圧電共振子とラダー型回路との電気的な接
続が容易であり、ラダー型フィルタの組み立てが容易と
なる。
【0042】また、入力用外部電極4aと出力用外部電
極4bの間の共振子本体3に凹部5を形成したので、入
力用外部電極4aと出力用外部電極4bとを確実に離間
することができ、共振子の組立における絶縁不良の発生
を防止することができる。
【0043】尚、図1では圧電体層1が27層、図3で
は圧電体層1が7層形成されている積層型圧電共振子に
ついて説明したが、本発明では上記例に限定されるもの
ではなく、圧電体層を3層以上したものならば良いこと
は勿論である。
【0044】
【実施例】先ず、出発原料として、純度99.5%以
上、平均粒径が1.0〜3.0μmの市販のPbO、T
iO2 、ZrO2 、Nb2 5 、Y2 3 、Cr
2 3 、Co3 4 、La2 3 およびSrCO3 の各
粉末を所定量秤量し、組成式(Pb0.96Sr0.03La
0.01) 1.00 (Nb0.50Cr0.400.07Co0.03)0.10
0.50Zr0.493 で表される7枚のグリーンシート
を作製した。6枚のグリーンシートの上面には、スクリ
ーン印刷により電極パターンを形成し、1枚のグリーン
シートには電極パターンを形成しなかった。
【0045】このような同じ厚みのグリーンシートを、
図3に示すように電極パターンの位置が所定の位置に来
るように積み重ねた後、圧着し、大気中で1150℃で
同時に焼成し、圧電体層一層の厚みが0.8mmの焼結
体を得た。
【0046】つぎに、このようにして得られた焼結体の
表面にAgとガラスからなるペーストを塗布し、乾燥し
た後、520℃で焼き付け、入力用外部電極と出力用外
部電極を形成した。次に、入力用外部電極と出力用外部
電極の間に幅0.1mm、深さ0.05mmの溝をダイ
シングソーを用いて形成した。これを80℃の絶縁油中
に浸漬し、両端面に3kV/mmの直流電圧を30分間
印加して分極処理した。この後、分極状態の安定化のた
め、220℃、1時間の熱処理を行った、最後にダイシ
ングソーを用いて切断し、製品形状の大きさが1mm×
0.5mm×4mmの積層型圧電共振子を作製した。
【0047】この積層型圧電共振子の帯域幅△Fを、イ
ンピーダンスアナライザーで測定した共振周波数Frと
反共振周波数Faの値から求め、さらに容量を測定し
た。共振周波数Fr、反共振周波数Fa、帯域幅△F、
容量を求めた。この結果、容量が130pFであり、帯
域幅△Fが37kHz、共振周波数Frが399kH
z、反共振周波数Faが436kHzであった。これよ
り、優れた特性を有することが判る。
【0048】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の積層型圧電
共振子では、より小型でかつ共振子の電気結合係数、お
よび容量の調整が可能であり、従来とほぼ同等の特性あ
るいはそれ以上の特性を有するとともに、デバイスとし
てこの共振子を使用する場合、電気的な接続を簡単に取
ることが可能となり、また、入出力用電極間に絶縁用の
溝を設けたことにより入出力間の短絡も防ぐことがで
き、フィルタ、発振子等のデバイス用の共振子として用
いる場合、組立工程が簡略化でき、また、デバイスの小
型化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の積層型圧電共振子を示す斜視図であ
る。
【図2】入力用外部電極と出力用外部電極を形成する前
の積層型圧電共振子の共振子本体を示す斜視図および内
部電極形状を示す平面図である。
【図3】本発明の積層型圧電共振子の製造方法を説明す
るための分解斜視図である。
【図4】ラダー型フィルタの回路図である。
【図5】本発明の積層型圧電共振子を基板に接着した状
態を示す断面図である。
【図6】従来の圧電共振子(円板状拡がり共振子)を示
す斜視図である。
【図7】従来の圧電共振子(正方形板状拡がり共振子)
を示す斜視図である。
【図8】従来の圧電共振子(矩形板状伸び共振子)を示
す斜視図である。
【図9】従来のラダー型フィルタを示す断面図である。
【図10】従来の圧電共振子の保持状態を示す断面図で
ある。
【符号の説明】
1・・・圧電体層 2・・・内部電極層 2a・・・入力用内部電極層 2b・・・出力用内部電極層 3・・・共振子本体 4・・・外部電極 4a・・・入力用外部電極 4b・・・出力用外部電極 5・・・凹部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧電体層と内部電極層とを交互に積層して
    なり、該内部電極層が交互に入力用内部電極層または出
    力用内部電極層とされ、該入力用内部電極層および出力
    用内部電極層の端部が同一側面に露出した共振子本体
    と、該共振子本体の同一側面に形成され、かつ前記入力
    用内部電極の端部同士および前記出力用内部電極の端部
    同士をそれぞれ接続する入力用外部電極および出力用外
    部電極とを具備し、前記圧電体層が積層方向の伸縮振動
    を行うことを特徴とする積層型圧電共振子。
  2. 【請求項2】入力用外部電極と出力用外部電極の間の共
    振子本体には凹部が形成されていることを特徴とする請
    求項1記載の積層型圧電共振子。
  3. 【請求項3】複数の直列共振子と複数の並列共振子とか
    らなるラダー型フィルタにおいて、前記直列共振子およ
    び前記並列共振子が、請求項1または2記載の積層型圧
    電共振子からなることを特徴とするラダー型フィルタ。
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