JPS59160309A - メカニカルフイルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１）発明の技術分野 本発明はメカニカルフィルタに関スル。

（２）技術の背景 信号あるいはデータの伝送におけるフィルタの役割は太
きい。例えばＰＣＭ伝送装置におけるタイミング抽出用
フィルタとして重要な役割を果す。

このようなフィルタとして一般的にはＬＣフィルタすな
わち電気的フィルタが主流である。ところが、近年にお
けるＬＳＩ化の進行と共に各種部品の小形化、高安定度
化、高信頼度化等が強く要求されるようになり、このよ
うな要求に対し前記ＬＣフィルタテは最早機能不足とな
っている。そこで、このよりなＬＣフィルタに代えてメ
カニヵルフィルタを用いる傾向が大となってきた。

（３）従来技術と問題点 メカニカルフィルタは通常複数の振動子、結合子、支持
線等からなり、その振動子としては圧電材料を用いた振
動部品が有望である。特Ｋ　Ｐ　ＣＭ宅内装置等に組み
込まれるタイミング抽出用フィルタは比較的低周波（約
２００ＫＨ７）で用いられ、従来は縦振動モードの圧電
セラミック振動千金用いたメカニカルフィルタ（セラミ
ックフィルタ）が主に検討されてきた。然しこの種のセ
ラミックフィルタは安価であるという利点はあるものの
温度やニージンクに対する安定度に問題があり、また圧
電セラミック振動子を保持する支持線を圧電セラミック
の電極面に直接半田等で接続する方法しか採用し得ない
ことから電極面剥離等の問題が発生する可能性があり部
品の信頼性という点から難がある。また圧電セラミック
自身脆い材質であるので切断、研磨等の加工製造の工程
においてその取り扱いに十分留意する必要がある。

このような実情に鑑み１本発明者等は１つの提案を行っ
た。この提案によるメカニカルフィルタは次の様なもの
である。すなわち、 「複数の縦振動子とこれらの間に連結される結合子およ
び支持線とからなるメカニカルフィルタにおいて、複数
の前記縦振動子の各々が、横効果を利用し且つ矩形の板
状をなし予め厚み方向に分極された圧電セラミックと、
該圧電セラミックの上面および下面にそれぞれ電極とし
て接合され且つ相互に同一形状で共に恒弾性金属材料か
らなる一対の金属薄片とを含んでなり、しかも該一対の
金属薄片はその、全長が前記圧電セラミックの全長より
も短く、その中心が該圧電セラミックの中心に一致する
ように配置され、その中心位置において前記支持線が該
一対の金属薄片の一方に接合され、又、その中心位置以
外の位置において、屈曲振動モードで振動される前記結
合子が該一対の金属薄片の一方に接合される」ことを特
徴とするものである。

このようなメカニカルフィルタにおい℃実用上盛ず要求
される事項の１つにスプリアスの抑圧が挙げられる。す
なわちスプリアス特性の改善である。このスプリアス特
性の改善として、上述したメカニカルフィルタでは、次
の様な手法を採った。

すなわち。

「前記複数の縦振動子の少なくとも一方において、前記
圧電セラミックの全長ＬＰに対し各前記金属薄片の全長
ＬＭが、ＬＭ　′；４４．ＰＴｈ満足する」というもの
である。

ところが本発明者等において種々実験を繰り返したとこ
ろ、従来のメカニカルフィルタの設計では全く考えられ
ない新規な手法によりその７プリアス特性を改善し得る
ことが明らかとなった。

（４）発明の目的 本発明は従って、従来にない新規な手法によりスプリア
ス特性の改善が図れるメカニカルフィルタを提供するこ
とを目的とするものである。

（５）　　発明の構成 上記目的を達成するために本発明は、複数の縦振動子の
各々を構成する圧電セラミックおよび該圧電セラミック
の上面および下面にそれぞれ電極として接合され且つ相
互に同一形状で共に恒弾性金属材料からなる一対の金属
板について、各該金属板の厚み（を品）の総和を前記圧
電セラミックの厚み（ｔ、）とほぼ等しくすること（２
ｔＭユ１．）を特徴とするものである。この結果、前記
金属板の全長り品の前記圧電セラミックの全長ＬＰに対
により前記縦振動子の周波数特性を可変とし、複数の該
縦振動子を含んでなる〜メカニカルフィルタのスプリア
ス特性を改善できるようにしたことを特徴とするもので
ある。

（６）発明の実施例 以下図面に従って本発明を説明する。なお、ここにおい
ては、縦振動子を用いたメカニカルフィルタを例にとっ
て説明する。

第１図はメカニカルフィルタに用いる公知の縦振動子を
示す斜視図である。本図において、１゜は縦振動子であ
り、圧電セラミック１１をベースにしてなる。圧電セラ
ミック１１はその厚み方向に分極される。この分極は図
中矢印Ａとして示される。なお、圧電セラミックは一般
にこのような分極処理を施して使用されるのが普通であ
る。電界の変化に対してリニアな歪を生成させるためで
ある。この電界は、圧電セラミック１１の上面および下
面に形成された金属薄膜１２　、１２’　（上面側のみ
示す）を両電極として又流電圧を印加することにより形
成される。すなわち、第１図に示す縦振動子は、電界の
方向に対して直角方向に変位する横効果を利用したもの
である。この交流電圧は、リード線１３およびｉ３’；
ｉｉ通して与えられる。

この場合、リード線１３　、１３’は、半田接合等によ
り金属薄膜１２．１２’にそれぞれ接続される。

第２図は本発明者等により提案された本発明に最も近い
形式のメカニｄに用いる縦振動子を示す斜視図である。

なお全図を通じて相互に同一の構成要素には同一の参照
番号又は記号を付して示す。第２図のメカニカルフィル
タに用いる縦振動子２０は、図から明らかなように第１
図の縦振動子１０の上面および下面にさらに金属薄片２
１および２１′ヲ設けたものに相当する。これらが電極
として働くため、リード線１３　、１３’は、第１図の
金属薄膜１２．１２’ではなく、これら金属薄片２１　
、２１’の一部にそれぞれ接続される。さらにこれら金
属薄片２１又は２１′ヲ介して後述する結合子、支持線
が接合することになる。

第１図の場合、前記リード線、結合子、支持線が金属薄
膜１２．１２’に対して接合されるため一部として強度
上不利であり、メカニカルフィルタの縦振動子としては
製造上の難点があり２又、安定度、信頼度においても不
利である。そこで第２図のように金属薄片（金属薄膜で
はない）を導入すれば上記の難点や不利は一掃される。

金属薄片２１．２１’は相互に同一形状である。

要するに全く同じものを圧電セラミック１１の上面およ
び下面に設ける。もしこれら金属薄片２１゜２１′が相
互に同じものでないと、純粋に圧電セラミック１１の長
さ方向のみの振動が得られず、不要な屈曲振動を生じさ
せてしまう。又、金属薄片２１　、２１’は恒弾性金属
材料からなる。一般に恒弾性金属の熱処理温度全適当に
変えることにより、恒弾性金属材料の周波数温度係数を
制御できることが知られている。この技術を利用し１例
えば今イ反に圧電セラミックの周波数温度係数が正のあ
る値を有するとすれば、恒弾性金属材料の温度係数が負
“になるように熱処理温度を調整し、圧電セラミックと
恒弾性金属板から成る複合振動子の周波数温度係数が零
温度係数であるようにすることができる。結局、金属薄
片２１　、２１’と圧電セラミック１１の複合振動子と
して温度補償を可能にする。さらに又、これら金属薄片
２１　、２１’の各中心は、圧電セラミック１１の中心
に一致せしめられる。前記の不要な屈曲振動を生じさせ
ないためである。そして、これら金属薄片２１　、２１
’の全長は圧電セラミックの全長よりも短くする。この
場合、これら金属薄片２１　、２１’の全長と圧電セラ
ミックの全長とを一致させる（つまり、これら金属薄片
の間に圧電セラミックを挾んでサンドヮイッチ構造とす
る）ということも考えられるが、これをあえて両者の全
長に差を設けるといつ構成にすると−インピーダンス調
整が簡単、３次のスプリアスの除去が簡単という利点が
ある。

上述したように構成された縦振動子２０（第２図）のリ
ード線１３および１３′間に交流電圧を印加すると、該
縦振動子２０は所定周波数の縦第１次モードのもとに励
振される。実際にはその第１次モード以外にも奇数次モ
ードでも励振される。

ただし、これらの励振はスプリアスである。第３図は第
２図に示した縦振動子２０の周波数応答特性を示すグラ
フであり、その横軸は周波数ｆ’に示し、縦軸は減衰量
り。８８ヲ示す。本図において応答波形り、、Ｌ３およ
びＬ５はそれぞれ縦振動の第１モード、第３モードおよ
び第５次モードを表わす。

なお、金属薄片２１　、２１’が相互に同一形状であり
、同一配置になっているから縦奇数次モード以外のスプ
リアスは現われない。

第４図は第２図の縦振動子２０ケ用いてなるメカニカル
フィルタの一例を示す斜視図である。複数の縦振動子と
して２つの場合を示し、各々をサフィックスａ、ｂによ
り区別している。本図中の４１は支持線であり、縦振動
子２０ａおよび２０ｂ全機械的に支持する役目を果す。

従って各縦動子のノードにおいて連結される。このノー
ドは金属薄片２１′ａおよび２１′ｂの各中心位置にあ
る。又、４２は結合子であり、該ノード以外の位置にお
いて金属薄片２１′ａおよび２１′ｂに接合される。こ
の結合子４２は屈曲振動モードで励振される。がくして
構成されるメカニカルフィルタ４０における信号入力ｆ
ｉｉｌｌはＩＮであり、フィルタきれた出力を出力仰１
０ＵＴより得る。

第４図の様に構成されたメカニカルフィルタ４０ケ実用
に供する場合、特に第３次のスプリアスモードケ抑圧で
きることが重要である。このｆ＝めに第４図のメカニカ
ルフィルタ４ｏでは縦振勢子２０ａおよび２０ｂの少な
くとも一万について、Ｌ、とＬＭの関係’（ｉｌ− 〜２ Ｌ、、　　ＴＬ。

に選び、かつ金属薄片の両端部において圧電セラミック
の金属薄膜電極を部分的に除去するものとする。ＬＭお
よびり、Ｈそれぞれ金属薄片および圧電セラミックの各
全長であり第５図に図示されている。第５図は第４図に
示した縦振動子２０ａの断面図である。

さて、本論に入ると、本発明では第４図に示しタメカニ
カルフィルタ４０について種々改良ヲ加えていたところ
従来のメカニカルフィルタの設計では全く考えられない
新規な手法によりスプリアス特性の改善が図れることを
見い出したので、これをもとにした新規なメカニカルフ
ィルタ全提供する。第６図は本発明のメカニカルフィル
タに用いる縦振動子を示す斜視図である。この縦振動子
６０と第２図および第４図に示した縦振動子２０（２０
ａ、２０ｂ）とを比較して最も大きく異なる点は、各材
料の厚みである。第７図は第６図に示した縦振動子６０
の断面図であり、本図においてｔＭは金属板６１訃よび
６１′の厚みであり、ｔ。

は圧電セラミック１１の厚みである。なお、金属板６１
および６１′は相互に同一形状であり、電極として機能
し、恒弾性金属材料からなり＋　ＬＭ　＜　Ｌｐであり
、その中心が圧電セラミックの中心に一致するように配
置されること等の諸条件は、既述の縦振動子２０の場合
の金属薄片２１および２１′と全く同じである。唯、厚
み′ｆ：増しただけである。

このため、圧電セラミック１１の上面、下面に設ける電
極対螢金属イλ（金属ミ庁ではなく）と称することとし
た。金属板と金属薄片と？その厚さにる。言い方る：変
えれは、金ＦＡ板６　：１．　、６１’の各厚ミノ総和
（２ＸｔＭ）ｋはぼ圧電セラミック１１の厚み（ｔＰ）
に等しくするというものである（２ｔＭ二１．）。

上記のように厚い金に板６　］、　、　６１’の抹用に
よって新規なスプリアスモードの抑圧が可能となる。

なお、６３　、６３’は半ａ１等の接着剤を表わす。

第８図は第６図および第７図に示した縦振動子６０の周
波数応答特性を示すグラフであり−その横軸および縦軸
の意味は第３図と［ｈＩ様である。本設定した縦振動子
６０ａの特性を示し１点線カーの特性を示す。この第８
図のグラフにおいて最もを変えると周波数応答特性も変
わるという事実である。このような事実が見出されたの
は、金属板の厚みｔＭが圧電セラミックに近い厚みにな
ったことによるものと考えられる。なぜなら、ｔＭが生
じないからである。なお、このような事実が生ずるのは
、金属板６１　、６１’が圧電セラミック１１と共に夜
会振動体を形成するからである。もう少し定性的に述べ
れば次のようになる。第９図示す。ｆｎとは第ｎ次（ｎ
＝１．３．５）縦振動周波数を意味する。本グラフにお
いて最も注意す第４図の例）を用いた場合、その縦振動
子の周波着目することによって、スプリアス特性を改善
したメカニカルフィルタ全実現することは容易である０ 第１０図は第６図および第７図に示した縦振動子６０を
用いてなる本発明のメカニカルフィルタ？示す斜視図で
ある。縦振動子６０ａと６０ｂとでは、金属板（６１ａ
、６１’ａ）と金属板（６１ｂ。

ａｘ’ｂ）の長さＬＭが異なる（Ｌ、は両者（ｌｌａ。

１１ｂ）ともに同じ）。第８図で言えば、Ｏと＠鉋の違
いに対応する。

かくして得られたメカニカルフィルタ１００ではスプリ
アスモードが大幅に抑圧される。第１１図は本発明に基
づくメカニカルフィルタ１００の周波数応答特性を示す
グラフである。なお、横軸および縦軸の意味は第３囚、
第８図の場合と同様６０ｂで異なる）Ｋおける特性全示
し、点線の力び６０ｂ’に用いたメカニカルフィルタ（
図示せず）における特性を示す。本グラフから明らかな
こと第３次、第５次の不要スプリアスモードが大幅にあ
ると、高次振動モードの共振周波数が相互に一致してし
まうから、これらが加わりあい１本グラフの点線カーブ
小すの如くスプリアス特性は改善されない。

一般的な手法によれば、このような高次スプリアスモー
ドの抑圧のために、メカニカルフィルタの入力側ＩＮ又
は出力側ＯＵＴにコンデンサならびにコイルからなる電
気的なバンドパスフィルタを接続するというのが常道で
あったが、このような外付けのバンドパスフィルタなし
にスプリアス特性の改善が図れる。

（力　発明の詳細 な説明したように本発明によれば、前記の外付はバンド
パスフィルタを用いることなしに高次のスプリアスモー
ドを抑圧でき、小形化、低価格化に優れたメカニカルフ
ィルタが実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はメカニカルフィルタに用いる公知の縦に用いる
縦振動子を示す斜視図、第３図は第２図に示した縦振動
子２０の周波数応答特性を示すグラフ、第４図は第２図
の縦振動子２０を用いてなるメカニカルフィルタの一例
を示す斜視図、第５図は第４図に示した縦振動子２０ａ
の断面図、第６図は本発明のメカニカルフィルタに用い
る縦振動子を示す斜視図、第７図は第６図に示した縦振
動子６０の断面図、第８図は第６図および第７図に示し
た縦振動子６０の周波数応答特性を示すグのグラフ、第
１０図は第６図および第７図に示した縦振動子６０′ｆ
ｒ：用いてなる本発明のメカニカルフィルタを示す斜視
図、第１１図は本発明に基づくメカニカルフィルタ１０
０の周波数応答特性を示すグラフである。 １１、ｌｌａ、ｌｌｂ・・・・・・圧電セラミック、４
１・・・・・・支持線、４２・・・・・・結合子、６０
．６０ａ　、６０ｂ−−縦振動子。 ６１　、６１ａ　、　６１’ａ　、　６１’、　６１ｂ
　、　６１’ｂ・・・−金属板、６３　、６３’・・・
・・・接着剤、１００・・・・・・メカニカルフィルタ
、　　ｔＭ・・・・・・金属板の厚み、ｔ、・・・・・
・圧電セラミックの厚み、ＬＭ・・・・・・金属板の全
長、Ｌ、・・・・・・圧電セラミックの全長。 特許出願人 冨士通株式会社 特許出顯代理人 弁理士　青　木　　　　朗 弁理士　西　舘　和　之 弁理士　内　１）幸　男 弁理士　山　口　昭　之 第１図　　　　　埠 第２凶　　　　　西 ζリ　３　し」 第６〔２ 明 亭７しｌ 鮫 オｊ８　　Ｈ４ す→ 第９０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも２個の振動子とこれらの間に連結される
   結合子および支持線とからなるメカニカルフィルタにお
   いて、前記振動子の各々が、板状をなし予め所定方向に
   分極された圧電セラミックと、該圧電セラミックの上面
   および下面にそれぞれ電極として接合され且つ相互に同
   一形状で共に恒弾性金属材料からなる一対の金属板とを
   含んでなり、しかも該一対の金属板はその全長が前記圧
   電セラミックの全長よりも短く、その中心が該圧電セラ
   ミックの中心に一致するように配置され。 その中心位置において前記支持線が該一対の金属板の一
   方に接合され、又、その中心位置以外の位置において前
   記結合子が該一対の金属板の一方に接合され、さらに各
   該金属板の厚み（ｔＭ）の総和を前記圧電セラミックの
   厚み（ｔ、）Ｋはぼ等しくしく　２　ｔ、、、ユ１．）
   、しかも該金属板の全長（ＬＭ）と起振動子の各々にお
   いて相互に異なることを特徴とするメカニカルフィルタ
   。 ２、前記一対の金属板が半田により前記圧電セラミック
   に固着される特許請求の範囲第１項記載のメカニカルフ
   ィルタ。