JPH0158892B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高次厚みたて振動を利用したモノリ
シツクセラミツクフイルタに係る。

一般に数ＭHz以上の高い周波数で使用されるセ
ラミツクフイルタは、振動モードとして板面が厚
みに対して十分広い薄板の厚み振動が用いられ
る。

厚み振動の共振周波数は厚みに反比例するた
め、高い周波数で使用するためには厚みを薄くす
る必要がある。しかし、厚みが100μｍ以下にな
ると、機械的強度が小さくなるため平行平面研磨
が難かしくなり、また振動子の保持も困難にな
る。

従つて、最も音速の大きな厚みたて振動モード
を用いたモノリシツクセラミツクフイルタでも使
用周波数が20MHz以上となると板厚が100μｍ程
度かあるいはそれ以下の厚みが必要であり、製造
が難かしくなる。基本厚みたて振動を用いたモノ
リシツクセラミツクフイルタは、材料上ポアソン
比σ′の値が1/3より大きな材料に限られるという
制約がある。

この条件をみたす材料は、一部のジルコン・チ
タン酸鉛系圧電磁器材料に限られ、温度安定度、
エージング特性においてジルコン・チタン酸鉛系
圧電磁器材料に比べ数段優れたものとされている
PbTiO₃系圧電磁器材料を用いた基本厚みたて振
動モードモノリシツクセラミツクフイルタはσ′の
値が1/3以下であるため実現不可能である。

これに対し、同じ板厚で奇数次の高調波を用い
ることにより基本波に比べて奇数倍の高い共振周
波数を得る高次モードモノリシツクセラミツクフ
イルタが実用に供されている。従来の高次モード
モノリシツクセラミツクフイルタの例を第１図に
示す。第１図イはモノリシツクセラミツクフイル
タの平面図、ロは正面図であり、圧電磁器板１０
の表裏面にエネルギー閉じ込め電極１１，１１′
及び１２，１２′が設けられている。このフイル
タの動作原理は周知の如く、圧電反作用と電極の
質量効果により振動エネルギーが電極１１，１
１′間及び１２，１２′間に閉じ込められるため、
電極部分は共振子として動作し、電極１１，１
１′と１２，１２′の中間の部分は弾性的な結合部
分となり、フイルタが構成できるわけである。

しかし、ｎ次の高次モードに関して容量比はn²
に比例して増大する。振動子の容量比をγとした
とき、共振周波数と反共振周波数との間隔と共振
周波数との比は約１／2γとなる。したがつて、
従来の第１図に示したような高次モードモノリシ
ツクセラミツクフイルタではまず第１に容量比の
増大のためフイルタの通過帯域幅が狭すぎて実用
に供しないことがあつた。第２に、高次モードを
利用したモノリシツクセラミツクフイルタでは低
周波側の基本共振周波数がスプリアスとなり、こ
のスプリアスは使用する高次モードに比べてはる
かに小容量比であるため一層強勢に励振され、こ
の基本共振によるスプリアスを抑圧することは不
可能であつた。また第３に、従来の第１図に示し
た圧電磁器板１０の表面に露出した電極１１，１
１′，１２，１２′を設けたフイルタでは、電極形
成後の平行平面研磨による周波数調整は不可能で
ある。このため、周波数調整はもつぱら蒸着装置
を利用した電極の膜厚制御による方法がとられて
おり、周波数調整に係る製造コストは非常に大き
かつた。

一方、特開昭55−18189号公報において、相対
向する２つのエネルギー閉じ込め電極が圧電磁器
内部にある構造を有するモノリシツクセラミツク
フイルタが提案されている。この内部電極を有す
るモノリシツクセラミツクフイルタは電極が圧電
磁器内部にあつても圧電磁器の極めて大きな圧電
反作用のために良好なエネルギー閉じ込め特性を
有する。

しかしながら、この構造のフイルタでは平行平
面研磨による周波数調整は可能であるが、第１図
に示した従来の高次モードフイルタの場合と同様
に、高次モードを利用する場合、スプリアスとな
り基本共振を抑圧することは不可能であり、また
使用する高次モードにおいて小容量比を実現する
ことも不可能であるという欠点を有する。さらに
基本厚みたて振動モードを用いる場合において
も、結局、振動部分を薄くしなければ高周波化が
実現できず、最初に述べた種々の欠点は全く解決
されない。これに対し本発明は前述の従来形高次
モードモノリシツク圧電磁器フイルタの欠点をす
べて解決し、周波数調整が可能でしかも従来より
高い周波数で使用可能なモノリシツクセラミツク
フイルタを提供することを目的としている。

本発明のモノリシツクセラミツクフイルタは圧
電磁器板の内部あるいは内部及び表面に、圧電磁
器板の厚み方向に互いに重なりあい、しかも互い
に平行な複数の電極からなる電極群が複数組形成
された構造になつている。またこれらの電極群に
おいて電極にはさまれ、しかも該電極を介して隣
り合う圧電磁器層が互いに逆向きに分極処理され
ている。さらに複数の電極群のうち少なくとも入
力及び出力端子と接続している２組の電極群の電
極数はそれぞれ３以上でしかも互いに等しく、さ
らに当接入力及び出力端子と接続している２組の
電極群のそれぞれ電極のうち圧電磁器表面に近い
両外側に位置する２枚の電極にそれぞれ入力及び
出力端子が接続されている構造になつている。

以上に述べた構造について図面に従つて詳細に
説明する。

電極群を２組有するモノリシツクセラミツクフ
イルタの例を第２図、第３図に示す。第２図は、
フイルタの積層構造を示す分解図である。圧電磁
器粉末と有機物からなるシート２０上にエネルギ
ー閉じ込め電極２１，２１′，２２，２２′が厚み
方向に互いに重なり合うように設けられ、エネル
ギー閉じ込め電極と接続して分極用リード電極２
３，２３′，２４，２４′が設けられている。さら
に電極が施されている最上部と最下部のセラミツ
クシートにはエネルギー閉じ込め電極から電気端
子用リード電極２５，２５′，２６，２６′が設け
られている。第３図は、第２図の積層構造を厚み
方向に一体化し焼成した構造のモノリシツクセラ
ミツクフイルタである。第３図においてイは平面
図、ロは断面図である。前記シート２０を一体
化、焼成した圧電磁器板２０′の外側に分極用外
部電極２７，２７′が設けられ、分極用リード電
極２３，２３′，２４，２４′と接続し、エネルギ
ー閉じ込め用内部電極と一層おきに接続してい
る。またエネルギー閉じ込め用電極のうちで両外
側の圧電磁器板の表面に近い位置にある電極から
電気端子用リード電極２５，２５′，２６，２
６′が設けられ電気端子用外部電極２８，２８′，
２９，２９′に接続している。

本発明は入力及び出力端子と接続する２組の電
極群において圧電磁器板表面に近い両外側に位置
するそれぞれ２枚の電極のみが入力及び出力端子
に接続する構造を特徴としている。すなわち分極
後、分極用外部電極２７，２７′のうち前記入力
及び出力端子に接続すべきリード電極は接触して
いる部分のみを残し、電気端子と接続させ２７，
２７′の他の部分を削除すればよいが、これは全
体の形状を考え合せるとかなり困難である。した
がつて第３図に示す例では電子端子用リード電極
２５，２５′，２６，２６′を別に設け、分極後は
分極用外部電極２７，２７′をすべて削除し、外
部電極２８，２８′，２９，２９′を通じて、電気
端子３０，３０′，３１，３１′と電気端子用リー
ド電極２５，２５′，２６，２６′とを接続させて
いる。なお分極は第３図において外部電極２７と
２７′に直流高電界を印加して行なわれ、圧電磁
器板内部で電極にはさまれ、しかも該電極を介し
て隣り合う圧電磁器層は互いに逆向きに分極され
る。

本発明のこのような構造のモノリシツクフイル
タでは、厚み方向に互いに重なり合うように積層
された隣接したエネルギー閉じ込め電極間どうし
で、一定の電界方向に対して分極方向が互いに逆
向きとなるわけであるから、従つて厚み方向に隣
り合う電極間どうしで互いに逆向きの振動変位が
あらわれ、特定の高次モード（第３図の場合は３
次モード）だけ強勢に励振可能となる。即ち、特
定の高次モードだけ強勢に励振できるということ
は、使用する特定の高次モードにおいて小容量比
が実現できるわけであり、スプリアスとなる基本
モードに対しては電荷が打ち消されることで抑圧
可能であるという優れた特徴を有する。

圧電磁器は、本質的に高結合材料であるから圧
電反作用が極めて大きく、従つて電極部の遮断周
波数が無電極部に比べてかなり低くなり、本発明
の第３図に示したモノリシツクフイルタのように
電極の表面が少々の磁器層で被われていたとして
もエネルギー閉じ込めに何ら障害を与えることは
ない。このような内部電極を有する構造を用いる
ことにより、所望の周波数に調整するためには単
に表面の磁器層を研磨するだけで良く、あらかじ
め設けられた電気端子３０，３０′，３１，３
１′から正確な周波数特性を知ることができる。

また、平行平面研磨は、最も磁器表面に近いエ
ネルギー閉じ込め電極が磁器表面に露出するまで
行うことができる。また入出力端子に接続される
電極の数はそれぞれ等しくなければならない。電
極数が異なると入力側電極部で励振された振動モ
ードが出力側電極部において十分共振しない。さ
らに２次以上の高次モードを励振させるためには
上記電極の数はそれぞれ３以上が必要である。

一方、第４図に示すように厚み方向に一様に矢
印で示す向きに分極されたモノリシツクフイルタ
も考えられる。

しかし、構造上入、出力の電極がすべて電気的
に並列に接続されているため、本発明のモノリシ
ツクフイルタと比べてインピーダンスがｎ次モー
ドを用いたとき１／n₂となる。つまり、より高周
波領域をねらおうとして、高次モードの次数を上
げれば上げるほどインピーダンスが低下してしま
い、外部回路とのインピーダンス整合が困難にな
る場合がある。

本発明のモノリシツクフイルタでは、第２図、
第３図から明らかなように、圧電磁器板表面に最
も近いエネルギー閉じ込め電極からのみ電気端子
用リード電極２５，２５′，２６，２６′をとる構
造となつているため、このようなインピーダンス
の減少は起り得ない。

以上述べたように、本発明のモノリシツクフイ
ルタは、従来の高次モードを用いたモノリシツク
フイルタの諸欠点を一掃するものである。

第３図に示した構造のものより、さらに急峻な
周波数選択特性を実現させるためには、第５図に
示すように圧電磁器板の長手方向の入力側と出力
側電極群の中間にエネルギー閉じ込め電極群を１
以上形成し、これらの電極群内の最上面と最下面
を短絡することにより容易に可能となる。（第５
図において矢印は分極方向を示す）第５図に示し
た構造を用いると、入出力の電極部分はもちろ
ん、短絡した中間部分の電極にも振動エネルギー
が閉じ込められ、これらの部分は共振子として動
く。これらの共振子は弾性的な結合部分（電極の
ない部分）を介して縦続に位置されているわけで
あるから、信号が入力されて出力される間に多く
の共振子を通過しなければならないために周波数
選択度が向上するわけである。

なお、第３図の構造では、３次の厚みたて振動
モードだけが強勢に励振されるが、第２図におい
て電極が施されているセラミツクシートの積層枚
数について、２次の場合は３枚、４次の場合は５
枚、一般のｎ次の場合はｎ＋１枚と積層枚数を変
えてやることにより、他の高次モードも強勢に励
振することができ、しかも基本共振によるスプリ
アスを抑圧することは言うまでもない。

次に、本発明の一実施例として、第２図、第３
図に示した構造の第３次厚みたて振動を用いた中
心周波数27MHzの移動無線用モノリシツクフイル
タについてのべる。

試作したモノリシツクフイルタの製造方法につ
いて第２図に従つて説明する。まず、磁器積層技
術により圧電磁器粉末と有機バインダー及び有機
浴媒を含む泥漿をつくり、キヤステイング法によ
り製膜し生シート２０とした。この生シートにエ
ネルギーが閉じ込め電極２１，２１′，２２，２
２′、分極用リード電極２３，２３′，２４，２
４′及び電気端子用リード電極２５，２５′，２
６，２６′を印刷した。ついで、これらの生シー
トを所定の大きさに切断して積層、圧着して積層
体を作製した。この積層体を焼成したモノリシツ
クフイルタを第３図に示すとおりである。さらに
外部電極２７，２７′，２８，２８′として所定の
位置に銀ペーストを塗布し、焼付けた。この後こ
の外部電極に直流高電界を印刷し、分極処理を行
なつた。圧電材料は、厚みたて結合係数kt＝0.45
のPbTiO₃系圧電セラミツクスを用い、焼成後の
板厚は330μｍ、厚み方向で隣接するエネルギー
閉じ込め電極の間隔はほぼ等間隔で73μｍモノリ
シツクフイルタの外形寸法は6.4×8.4mmである。
ついで、表面の磁器層を研磨することによつて周
波数調整を行い、板厚が261μｍのときフイルタ
の中心周波数が27MHzとなつた。このときのフイ
ルタの27MHz付近の動作減衰量特性を第６図に示
す。3dB比帯域幅3.0％が得られており、また基
本厚みたて振動によるスプリアス付近の動作減衰
量は20dB程度に抑えられている。一方、第１図
に示した従来の３次厚みたて振動を用いたモノリ
シツク圧電磁器フイルタでは、本発明と同じ
PbTiO₃系圧電セラミツクを用いているにもかか
わらず、3dB比帯域幅１％程度しか得ることがで
きなかつたばかりでなく、基本厚みたて振動によ
るスプリアス付近の動作減衰量は5dB程度であつ
た。即ち、両者の厚みたて３次振動を用いたフイ
ルタ特性を比較すると、本発明のモノリシツクフ
イルタの方が、従来のものに比べてはるかに広帯
域化が実現でき、かつスプリアスとなる基本厚み
たて振動を抑圧することができる。

以上詳述した如く、本発明の高次モードモノリ
シツクフイルタは、特定の高次モードのみ強勢に
励振可能であり、またスプリアスとなる基本モー
ド振動を抑圧し、さらに周波数調整も容易である
という優れた特徴を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のモノリシツクセラミツクフイル
タを示し、イは平面図、ロは正面図である。第２
図は、本発明のモノリシツクセラミツクフイルタ
の積層構造を示す。第３図は、本発明のモノリシ
ツクセラミツクフイルタの断面図を示す。矢印は
分極方向である。第４図は、本発明とは異なる構
成のモノリシツクセラミツクフイルタの断面図を
示す。第５図は、本発明のモノリシツクセラミツ
クフイルタの実施例のうち電極群が４組形成され
ている例を示す図である。第６図は、本発明のモ
ノリシツクセラミツクフイルタの特性を示す図で
ある。 以上の図において１０，２０′は圧電磁器板、
１１，１１′，１２，１２′は電極、２０は圧電磁
器粉末と有機物からなるシート。２１，２１′，
２２，２２′はエネルギー閉じ込め用内部電極、
２３，２３′，２４，２４′は分極用リード電極、
２５，２５′，２６，２６′は電気端子用リード電
極、２７，２７′は分極用外部電極、２８，２
８′，２９，２９′は電気端子用外部電極、３０，
３０′，３１，３１′は電気端子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 圧電磁器板の内部あるいは内部及び表面に、
   互いに平行でしかも圧電磁器板の厚み方向に互い
   に重なりあう複数の電極からなる電極群が複数組
   形成されており、かつ電極にはさまれ、しかも該
   電極を介して隣り合う圧電磁器層が互いに逆向き
   に分極処理されており、複数の電極群のうち少な
   くとも入力及び出力端子と接続している２組の電
   極群の電極数はそれぞれ３以上でしかも互いに等
   しく、さらに当該入力及び出力端子に接続してい
   る２組の電極群を構成する電極のうち圧電磁器板
   表面に近い両外側に位置するそれぞれ２枚の電極
   に入力及び出力端子が接続されている構造を有す
   ることを特徴とするモノリシツクセラミツクフイ
   ルタ。