WO2004100368A1

WO2004100368A1 - 圧電フィルタ

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Publication number: WO2004100368A1
Application number: PCT/JP2004/004555
Authority: WO
Inventors: Masao Gamo
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2005-11-08
Also published as: JP2006270130A

Abstract

本圧電フィルタは、圧電基板１の厚み方向中央層にアース電極２を有し、両主面にアース電極２と部分的に対向しかつ相互には対向しない入力電極３と出力電極４とを有する。圧電基板１の両主面には、中央層のアース電極２と対向し、かつ主面方向における入力電極３と出力電極４との中間領域にアース電極５，６が形成される。そのため、厚み縦振動の２倍波であってかつ３重モードを励振させることができ、従来では２重モードのフィルタ素子を２個用いなければ得られなかった減衰量や選択度などのフィルタ特性を、１素子で実現できる。

Description

明細書圧電フィルタ技術分野

本発明は圧電フィルタ、特にエネルギー閉じ込め型厚み縦振動の

2倍波を利用した圧電フィルタに関するものである。背景技術

従来、携帯電話などの移動体通信機器や F Mラジオの中間周波段フィルタとして、圧電フィルタが広く用いられている。

圧電フィルタには、厚み縦振動の基本波を用いたエネルギー閉じ込め型の 2重モード素子が上記用途には多く使用される。 2重モードとは、対称モードの基本波（ S。モード）と斜対称モードの基本波（A ₀ モード）とを用いたものである。図 8は厚み縦振動の基本波を用いた 2重モード圧電フィルタ素子の一例であり、圧電基板 1 0 の一方主面には入力電極 1 2と出力電極 1 3 とが間隔をあけて形成され、他方主面には入力電極 1 2および出力電極 1 3 と圧電基板 1 0を間にして対向する位置にアース電極 1 4が形成されている。しかしながら、このようなフィルタ 1素子では、減衰量や選択度などの必要なフィルタ特性が得られない。必要なフィルタ特性を得るため、 2つのフィルタ素子を中継容量を介して縦列接続してなる圧電フィルタが広く用いられている。図 9はその圧電フィルタの回路の一例であり、第 1のフィルタ素子 1 5 の出力部 1 5 a と第 2 のフィルタ素子 1 6 の入力部 1 6 a とを接続し、相互に接続された第' 1 のフィルタ素子 1 5 の出力部 1 5 aおよび第 2のフィルタ素子 1 6の入力部 1 6 a と、アース部 1 5 b ， 1 6 b との間に中継容量 1 7を接続したものである。中継容量 1 7は、 2つのフィルタ素子 1 5 ， 1 6をマッチングさせるために設けられる。このように、基本波でかつ 2重モードを利用した圧電フィルタでは、 2個のフィルタ素子 1 5， 1 6 と中継容量 1 7 とが必要となるため、小型化が困難になるとともに、構造が複雑になり、コスト低減に限界があった。特公平 6 — 1 0 3 8 2 2号公報には、図 1 0に示すように、厚み縦振動モードを利用したエネルギー閉じ込め型の圧電フィルタであつて、圧電基板 2 0の厚み方向中央層にアース電極 2 1を形成し、このアース電極 2 1 の一部に対向させて圧電基板 2 0の一方主面に入力電極 2 2を形成し、上記アース電極 2 1 の他部に対向させるとともに上記入力電極 2 2 と対向しないように圧電基板 2 0 の他方主面に出力電極 2 3を形成した圧電フィルタが提案されている。また、特許第 3 1 7 5 1 1 6号公報には、上記公報と同様な構造の圧電フィルタであって、出力電極と圧電基板を介して対向する圧電基板の一方主面上と、入力電極と圧電基板を介して対向する圧電基板の他方主面上との少なくとも一方に、ダミ一電極が形成された圧電フィルタが提案されている。これらの圧電フィルタは、従来より広範囲の圧電材料の中から圧電基板用材料を選択でき、かつ素子厚みを薄くすることなく使用周波数を 2倍にできるので、基板強度が増し、製造や加工が容易になるという利点がある。また、入出力電極 2 2， 2 3間にアース電極 2 1が配置され、入出力間を電気的にシールドしているので、入出力間のストレー容量を小さくでき、阻止帯域における減衰量を大きくできる利点がある。しかしながら、いずれの圧電フィルタも 2倍波でかつ 2重モードを利用したものであり、単一の素子では選択度など所望のフィルタ特性を得ることができなかった。そのため、基本波を用いた 2重モ一ド素子と同様に、 2個のフィルタ素子を使用しなければならなかつたそこで、本発明の目的は、単一の素子で 2素子と同等のフィルタ特性を実現できる圧電フィルタを提供することにある。発明の開示

上記目的を達成するため、請求項 1に係る発明は、厚み縦振動モ一ドを利用したエネルギー閉じ込め型の圧電フィルタであって、圧電基板の厚み方向中央層にアース電極を形成し、このアース電極の一部に対向させて圧電基板の一方主面に入力電極を形成し、上記ァース電極の他部に対向させるとともに上記入力電極と対向しないように圧電基板の他方主面に出力電極を形成した圧電フィルタにおいて、上記圧電基板の一方主面に、中央層のアース電極と圧電基板を介して対向し、かつ少なくとも一部が主面方向における入力電極と出力電極との中間領域に位置するアース電極が形成され、上記圧電基板の他方主面に、中央層のアース電極と圧電基板を介して対向しかつ少なくとも一部が主面方向における入力電極と出力電極との中間領域に位置するアース電極が形成されていることを特徴とする圧電フィルタを提供する。本発明では、圧電基板の両主面に、中央層のアース電極と対向しかつ少なくとも一部が主面方向における入力電極と出力電極との中間領域に位置するアース電極を形成している。これらアース電極の存在により、 Sモードの基本波（ S ₀) と Aモードの基本波（A ₀) との他に、 Sモードの二次波を発生させることができる。つまり、厚み縦振動の 2倍波でかつ 3重モードを励振させることができる。

その結果、従来のような 2重モードのフィルタ,素子を 2個用いなければ得られなかった減衰量および選択度などのフィルタ特性を、 1素子で実現することが可能となり、小型化とコスト低減とを実現できる。さらに、 2素子で構成する場合には、マッチング用の中継容量が必要であつたが、本発明では 1素子で構成されるので、マツチング用の中継容量が不要となり、さらなる小型化と低コスト化を実現できる。一方主面のアース電極おょぴ他方主面のアース電極を、入力電極および出力電極と圧電基板を介して対向しない位置に形成するのがよい。

主面のアース電極の一部が入力電極および出力電極と対向していても、厚み縦振動の 2倍波でかつ 3重モードを励振させることは可能であるが、励振効率が低下する。これに対し、表裏主面のアース電極を入力電極及び出力電極と対向しない位置に形成すれば、励振効率が向上し、良好なフィルタ特性を得ることができる。一方主面のアース電極おょぴ他方主面のアース電極を、主面方向における入力電極と出力電極との中央位置に形成し、一方主面のァ一.ス電極およぴ他方主面のアース電極を、入力電極およぴ出力電極に比べて、主面上での幅寸法を短く形成してもよい。上記のように本発明の圧電フィルタは、 Sモードの基本波（ S o) 、 Aモードの基本波（A ₀) 、 Sモードの二次波の 3つのモードを同時に励振させるが、両主面の中央部のアース電極の幅が広いと、 A ₀ モードの中央部の電荷をキャンセルしてしまうため A ₀ モードが抑えられる。そこで、両主面のアース電極の幅を入，出力電極より幅狭とすることで、 A ₀ モードを効果的に励振させることができる。上記出力電極と圧電基板を介して対向する圧電基板の一方主面上と、入力電極と圧電基板を介して対向する圧電基板の他方主面上との少なくとも一方に、ダミー電極を形成してもよい。

ダミ一電極を形成することで、質量負荷効果によるエネルギー閉じ込め効果を改善することができ、 Q (共振の強さ）を大きくできる。そのため、圧電フィルタの挿入損失が低減される。図面の簡単な説明

図 1は本発明にかかる圧電フィルタの第 1実施形態の構造図である。

図 2は図 1に示す圧電フィルタの振動モードを示す図である。図 3は図 1に示す圧電フィルタの分解斜視図である。

図 4は図 1に示す圧電フィルタと従来の圧電フィルタ（図 9 ) とのフィルタ特性の比較図である。

図 5は従来の他の圧電フィルタ（図 1 0 ) のフィルタ特性図である。

図 6は本発明にかかる圧電フィルタの第 2実施形態の構造図である。

図 7は図 6に示す圧電フィルタの分解斜視図である。

図 8は従来のフィルタ素子の構造図である。図 9は従来の圧電フィルタにおける回路図である。

図 1 0は従来の他のフィルタ素子の構造図である。発明を実施するための最良の形態

図 1〜図 3は本発明にかかる圧電フィルタの第 1実施形態を示す, この圧電フィルタは、長方形板状の圧電セラミツタス焼成体である圧電基板 1 を備えており、この圧電基板 1は矢印 Pで示すように全体にわたって厚み方向に分極処理が施されている。圧電基板 1 の厚み方向中央層には、アース電極 2が形成されており、圧電基板 1 の表主面にはアース電極 2の片方のほぼ半面と対向する入力電極 3 が形成され、裏主面にはアース電極 2の他方のほぼ半面と対向する出力電極 4が形成されている。エネルギー閉じ込め型厚み縦振動を励振するため、アース電極 2および入，出力電極 3 ， 4は圧電基板 1 の主面より小さい面積を有し、圧電基板 1 の端縁まで至らないように設けられている。

なお、入力電極 3および出力電極 4は、アース電極 2に対しては対向するが、互いに対向しない位置関係であればよく、同一面積である必要はない。圧電基板 1の表主面の中央部にはアース電極 2 と対向する表側ァース電極 5が形成され、裏主面の中央部にもアース電極 2 と対向する裏側アース電極 6が形成されている。アース電極 5 , 6の少なくとも一部は、主面方向における入力電極 3および出力電極 4の中間領域（図 1 の範囲 Sで示す）に位置していることが必要である。この実施形態のアース電極 5 ， 6は、圧電基板 1の中央部であって、互いに対向する位置に設けられており、入力電極 3および出力電極 4 とは対向していない。また、アース電極 5 ， 6 の幅 W 2は、 A ₀ モードの中央部の電荷をキャンセルしないように、入，出力電極 3 : 4より細幅に形成されているが、互いに同一幅である必要はない。例えば、入力電極 3および出力電極 4の圧電基板 1の長辺方向の幅寸法 W 1が 0 . 4 m mの場合、アース電極 5 , 6 の幅寸法 W 2は

0 . ：!〜 0 . 1 5 m m程度に設定されている。

なお、図 3には裏面に設けられた電極 4 , 6が投影図として記載されている。中央層のアース電極 2は、細幅の引出電極 2 aを介して圧電基板 1の長辺側の 2辺に引き出されており、入力電極 3の引出電極 3 a は圧電基板 1の短辺側の 1辺に引き出され、出力電極 4の引出電極 4 aは入力電極 3の引出電極 3 a と反対側の短辺側の 1辺に引き出されている。さらに、表側アース電極 5 の引出電極 5 aおよび裏側アース電極 6 の引出電極 6 aは、アース電極 2 の引出電極 2 a と同一位置へ引き出されている。アース電極 2 , 5， 6 の各引出電極 2 a , 5 a , 6 aは、圧電基板 1 の端面に形成された電極（図示せず）によって相互に接続されている。

なお、各電極 2〜 6 の引出電極 2 a〜 6 a の位置は図 3に示されたものに限るものではない。例えば、入力電極 3 の引出電極 3 a と出力電極 4の引出電極 4 aを、圧電基板 1の長辺側の 1辺または 2 辺に引き出してもよい。上記のように圧電基板 1の厚み方向中央層にアース電極 2が形成されているので、基本波の 1 Z 2の波長を有する 2倍波振動を励振できる。そして、入，出力電極 3 , 4は、圧電基板 1の表裏主面の互いに対向しない位置に対称的に配置されているので、図 2に示すように、対称モード（ S。モード）と斜対称モード（A ₀ モード）とが励振され、さらに表裏主面の中央部にアース電極 5， 6が存在するので、対称モードの二次振動（ S i モード）も励振される。その結果、厚み縦振動の 2倍波でかつ 3重モードを励振できる図 4は本発明にかかる圧電フィルタ（図 1参照）と、従来の圧電フィルタ（図 9参照）とのフィルタ特性を示す。

図 5は、比較のために、 2倍波の 2重モード素子（図 1 0参照）を 1個用いたフィルタ特性を示す。

表 1は、基本波を用いた 2重モード 2素子特性（図 9参照）' と、 2倍波を用いた 2重モード 1素子特性（図 1 0参照）と、 2倍波を用いた 3重モード 1素子特性（本発明）との 3 d B帯域幅、 2 0 d B帯域幅および（ 2 0 d B帯域幅） / ( 3 d B帯域幅）を比較したものである。 '

〔表 1〕

図 4から明らかなように、本発明による圧電フィルタでは 2倍波かつ 3重モードを使用しているため、中心周波数より低周波域における減衰量は一 6 0 d B程度あり、図 9に示す圧電フィルタとほぼ同様の大きな減衰量が得られていることがわかる。また、選択度を表す 1つの指標として、（ 2 0 d B帯域幅） / ( 3 d B帯域幅）で比較すると、本発明品は従来品（図.9 ) とほぼ同様の選択度を実現できていることがわかる。

したがって、従来では 2個の 2重モードフィルタ素子と中継容量とを用いなければ得られなかった減衰量およぴ選択度などのフィルタ特性を、 1素子で実現することが可能となった。その結果、小型化とコスト低減とを実現できるとともに、構造を簡素化できた。

なお、従来の圧電フィルタ（図 9参照）と同一の圧電材料を用いて本発明の圧電フィルタを構成すると、帯域幅が広くなるが、狭帯域用の圧電材料を使用することで、従来と同様の帯域幅を得ることができた。

これに対し、図 1 0に示す圧電フィルタの場合、 2倍波かつ 2重モードを使用しているため減衰量は大きいが、図 5，表 1から明らかなように、選択度が悪く、 1素子では所望のフィルタ特性が得られないことがわかる。なお、圧電材料は本発明と同一の圧電材料を用いたものである。図 6 , 図 7は本発明にかかる圧電フィルタの第 2実施形態を示す, この圧電フィルタは、図 1〜図 3に示す圧電フィルタにおいて、出力電極 4 と圧電基板 1を介して対向する一方主面上と、入力電極 3 と圧電基板 1 を介して対向する他方主面上とに、ダミ一電極 7 , 8をそれぞれ形成したものである。なお、ダミー電極 7 ， 8のいずれか一方を省略することもできる。

この実施形態では、ダミー電極 7 ， 8を形成することで、その質量負荷効果によって電極構造の対称性が高められ、エネルギー閉じ込め効果を改善することができ、 Q (共振の強さ）を大きくできる, よって、圧電フィルタの揷入損失が低減される。本発明は上記実施形態のものに限らない。

例えば表裏主面のアース電極 5 ， 6を互いに主面方向にずらして設けてもよい。この場合には、表側のアース電極 5が裏側の出力電極 4 と一部で対向し、裏側のアース電極 6が表側の入力電極 3 と一部で対向するが、厚み縦振動の 2倍波でかつ 3重モードを励振でさる。

上記実施例では、圧電基板 1が長方形状の例を示したが、正方形状など他の形状であってもよいことは勿論である。同様に、各電極 2〜 6の形状も四角形に限らず、厚み縦振動を励振できる形状であれば、円形や半円形など如何なる形状でもよい。産業上の利用可能性

以上の説明で明らかなように、本発明によれば、圧電基板の厚み方向中央層にアース電極を形成し、両主面にアース電極と部分的に対向しかつ相互には対向しない入，出力'電極を形成した圧電フィルタにおいて、圧電基板の両主面に、中央層のアース電極と対向し、かつ主面方向における入力電極と出力電極との中間領域にアース電極を形成したので、厚み縦振動の 2倍波であってかつ 3重モードを励振させることができる。その結果、従来のような 2重モードのフィルタ素子を 2個用いなければ得られなかつた減衰量や選択度などのフィルタ特性を、 1素子で実現することが可能となり、小型で低コストの圧電フィルタを実現できる。また、マッチング用の中継容量も不要となるので、さらなる小型化と低コスト化を実現できる。

Claims

請求の範囲

1 . 厚み縦振動モードを利用したエネルギー閉じ込め型の圧電フィルタであって、

圧電基板の厚み方向中央層にアース電極を形成し、このアース電極の一部に対向させて圧電基板の一方主面に入力電極を形成し、上記アース電極の他部に対向させるとともに上記入力電極と対向しないように圧電基板の他方主面に出力電極を形成した圧電フィルタにおいて、

上記圧電基板の一方主面に、中央層のアース電極と圧電基板を介して対向し、かつ少なくとも一部が主面方向における入力電極と出力電極との中間領域に位置するアース電極が形成され、

上記圧電基板の他方主面に、中央層のアース電極と圧電基板を介して対向し、かつ少なくとも一部が主面方向における入力電極と出力電極との中間領域に位置するアース電極が形成されていることを特徴とする圧電フィルタ。

2 . 上記一方主面のアース電極および他方主面のアース電極は、上記入力電極おょぴ出力電極と圧電基板を介して対向しない位置に形成されていることを特徴とする請求項 1に記載の圧電フィルタ。

3 . 上記一方主面のアース電極おょぴ他方主面のアース電極は、主面方向における入力電極と出力電極との中央位置に形成され、上記一方主面のアース電極およぴ他方主面のアース電極は、入力電極および出力電極に比べて、主面上での幅寸法が短く形成されていることを特徴とする請求項 1または 2に記載の圧電フィルタ。

4 . 上記出力電極と圧電基板を介して対向する圧電基板の一方主面上と、上記入力電極と圧電基板を介して対向する圧電基板の他方主面上との少なくとも一方に、ダミー電極が形成されていることを特徴とする請求項 1ないし 3のいずれかに記載の圧電フィルタ。