JPH10145181A - 二重モード圧電フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は従来の０次−１次モードを用いたＭ
ＣＦの通過帯域をより広帯域化するため０次−２次モー
ドを用いたＭＣＦを構成して広帯域化二重モード圧電フ
ィルタを提供することを目的とする。 【解決手段】 圧電基板上に３対の電極を配置した圧電
フィルタにおいて、中央の１対の電極を入力あるいは出
力とし、その両側に配置した互いにほぼ等しい形状を有
する２対の電極を並列に接続して出力あるいは入力と
し、０次と２次モードの厚み振動を励起することを特徴
とする二重モード圧電フィルタである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は二重モード圧電フィ
ルタに関し、特に０次と２次モードを用いて構成した広
帯域化二重モード圧電フィルタに関する。

【０００２】

【従来の技術】二重モード圧電フィルタ（以下ＭＣＦと
称す）は小型化、低損失、耐衝撃性等の優れた特徴を備
えているため携帯電話等の無線機器に広く利用されてい
る。従来のＭＣＦの一例は、図６（ａ）に平面図、同
（ｂ）に断面図を示すように、ＡＴカット水晶基板１１
の表裏面に形状のほぼ等しい２対の電極１１，１２と電
極１３，１４とを間隙ｇを隔して配置したものである。
該２対の電極間に生ずる音響結合の結果、強勢に励起さ
れる０次モードと１次モードの２つのモードを利用して
ＭＣＦを構成している。 ＭＣＦの通過帯域幅は周知の
とおり前記０次モードと１次モードの共振周波数の差の
ほぼ２倍となる。２つの振動モードは図５（ｃ）、
（ｄ）のような変位分布を呈する。この２つのモードの
結合度、即ち２つのモードの共振周波数の差は圧電基板
１１の弾性定数、電極形状、電極の膜厚および２対の電
極の間隙ｇに依存し、結合度を大きくするほどフィルタ
の通過帯域幅が広くなる。

【０００３】一般に、上記ＡＴカット水晶基板を用いた
ＭＣＦにおいては、所望の温度特性から水晶の切断角度
が決定し、その結果、弾性定数は必然的に決まる。ま
た、所望の終端条件から電極の形状が決まるため、結合
度を調整するパラメータとしては電極の膜厚と２対の電
極の間隙ｇとなる。帯域幅を広げる場合には電極の膜厚
を薄くすればよいことは知られているが、実際には膜厚
が薄いと振動モードのＱ値が劣化し、フィルタの挿入損
失を増大させることになる。従って電極の膜厚はフィル
タの挿入損失を小さく保ち、スプリアスを抑圧する膜厚
とする必要があるため、帯域幅を調整するファクターと
しての自由度は極めて小さい。このため通過帯域幅を決
める手段としては電極間隙ｇを調整するのが一般的であ
った。

【０００４】また、特公昭４４−４３６９号にはＡＴカ
ット水晶基板に上下対向する３対の電極を配置して０
次、１次および２次のモードを励起し、該３個のモード
を利用して構成した三重モード圧電フィルタが開示され
ている。０次と２次のモードを同相とし１次のモードを
逆相としてそれぞれの電極を接続すると、直列腕は１次
モードを含む回路となり、格子腕は０次と２次のモード
が並列接続された回路のラチス回路が構成される。この
回路に適切な終端を施せば三重モード圧電フィルタが構
成できることが記述されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、二重モ
ードフィルタの帯域幅を広げるべく対向する２対の電極
の間隙ｇを狭小にする場合、該電極形成の制約を受け、
ある値以下の間隙ｇを達成することは困難である。例え
ば、２対の電極を蒸着マスクを用いた方法で形成する場
合、蒸着マスクの製作可能な間隙幅の制約を受ける。ま
た、前記電極をフォトリソ技法で形成する場合、露光、
現像等のバラツキに左右されて前記間隙ｇを狭小にする
には限界がある。

【０００６】また、ＭＣＦにおける０次モードと１次モ
ードの共振周波数は、２対の電極の形状、電極膜厚等を
一定とし、電極間の間隙ｇのみを極小にする時、前記２
対の電極を表裏とも接続して上下一対の電極を想定した
場合に理論上得られる０次と１次のモードの共振周波数
にそれぞれ漸近する。即ち、２つのモードの結合度は間
隙ｇを狭小にしても基板の弾性定数、電極形状、電極膜
厚等で決まる値以上に大きくすることは理論上不可能で
ある。このように従来のＭＣＦは利用するモード即ち、
０次、１次の結合度による通過帯域幅の制約を受けるた
め、帯域幅を広げることができないという欠点があっ
た。

【０００７】一方、特公昭４４−４３６９号に示された
三重モード圧電フィルタにおいては３つのモードを利用
するため帯域幅は広く、且つ減衰傾度のより急峻なフィ
ルタが得られるが、３つのモードの周波数をフィルタ理
論に基づく所定の周波数に合致させる必要があり、二重
モード圧電フィルタに較べ設計及び製造が格段に難しい
ため製造歩留まりが低く、コスト高になるという欠点が
あった。本発明は上記欠点を解決するためになされたも
のであって、通過帯域を従来のＭＣＦより広げられると
共に終端インピーダンスの低い広帯域の二重モード圧電
フィルタを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る二重モード圧電フィルタの請求項１記載
の発明は、圧電基板をはさんで対向する３対の電極を配
置した圧電フィルタにおいて、中央の１対の電極を入力
あるいは出力とし、その両側に配置した互いにほぼ等し
い形状を有する２対の電極を並列に接続して出力あるい
は入力とし、０次と２次モードの厚み振動を励起するこ
とを特徴とする二重モード圧電フィルタである。請求項
２記載の発明は、前記３対の電極が一列に配置され、こ
の配列方向の電極寸法比を概ね１：２：１としたことを
特徴とする請求項１記載の二重モード圧電フィルタであ
る。請求項３記載の発明は、前記３対の電極が一列に配
置され、この配列方向の電極面積の比を概ね１：２：１
としたことをことを特徴とする請求項１あるいは請求項
２記載の二重モード圧電フィルタである。請求項４記載
の発明は、請求項１、２または３記載の二重モード圧電
フィルタを多段接続したことを特徴とする二重モード圧
電フィルタである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下本発明を図面に示した実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る広
帯域化２重モード圧電フィルタの一実施例を示す図であ
って、図１（ａ）は電極構成を示す平面であり、図１
（ｂ）は同（ａ）のＡ−Ａ線における断面を示す模式図
である。本発明に係る広帯域化２重モード圧電フィルタ
は図１（ａ）、（ｂ）に示すように、水晶基板１に上下
対向した３対の電極２，３と、４，５と、６，７とを図
１（ａ）の左下隅に示した座標軸に基づきＸ軸方向に沿
って配置し、該Ｘ軸方向のモードを励振するようにした
ものである。図１（ｃ）〜（ｅ）に変位分布を示すよう
に励振されるモードのうち低次のものから０次、１次、
２次モードと称する。０次、２次の偶数次モードの変位
分布は前記電極上において、ほぼ余弦状に分布し、１次
の奇数次モードはほぼ正弦状に分布している。 更に、
前記０次〜２次モードのＺ軸方向の変位分布は０次のモ
ード、即ち電極上に沿って余弦状の変位となる。これら
各次モードの変位分布は水晶基板上に発生する電荷量の
分布とほぼ相似である。なお、更に高次のモードも励振
可能であるが、前記電極配置では低次モード（０次〜２
次モード）より高次モードのインピーダンスがかなり高
くなるため変位量は遥かに小さくなる。

【００１０】図１（ｂ）に示すように中央の電極４を入
力とし、電極２，６を並列接続して出力とし、電極３、
５、７を接地して構成した圧電フィルタのおいては、０
次、２次の偶数次モードは容易に励振可能であるが、１
次の奇数次モードは図１（ｄ）に示すように、変位ｄ
１、ｄ４により発生する電荷は電荷量がほぼ等しく極性
が逆となるため、電極２と、６を接続することにより相
殺されることが予想される。図２（ａ）は電極２，３
と、４，６と、６，７とのＸ軸方向の幅寸法比を１：
１：１として試作した多重モードフィルタの通過域特性
（実線）と群遅延特性（破線）の図であり、同（ｂ）は
減衰特性である。通過域特性、群遅延特性ともにほぼ中
央に１次モードによる振幅歪み、遅延歪みが生じてい
る。

【００１１】電極２，３と、４，６と、６，７とのＸ軸
方向の幅寸法比を種々変えて試作した結果、該寸法比が
ほぼ１：２：１とした場合に上記１次モードにより発生
する電荷をほぼ相殺できることが実験的に確かめられ
た。即ち、図１（ｄ）に示すように１次共振モードにお
いて変位分布ｄ１とｄ４、ｄ２とｄ３とは異符号である
が形状はほぼ同等となり、発生する電荷も異符号である
がほぼ同量となるため、図１（ｂ）の電極接続構成によ
って上記発生電荷はほぼ相殺される。従って、１次モー
ドは電極寸法比を上記のように設定することにより、抑
圧することが可能となる。以上ようにして１次モードを
抑圧し０次モードと２次モードの２つのモードを利用し
た０次−２次二重モードフィルタを実現することができ
るのである。このとき並列接続した電極２、６の電極面
積の和と中央の電極４の面積とをほぼ等しくすることで
入出力インピーダンスをほぼ等しく構成することがで
き、本発明になる圧電二重モードフィルタを対称回路と
し、入出力の方向性を無くすることが出来る。図３は上
記電極構成条件を適用した本発明の実施例で、図３
（ａ）の実線は通過域特性、破線は群遅延特性である。
同（ｂ）は減衰特性である。

【００１２】図４は、３電極対の形状とその電極膜厚を
所定の値に固定し、０次−２次二重モード圧電フィルタ
の電極間間隙ｄと比帯域幅Ｂとの関連を示した図であ
る。比較のため０次−１次二重モード圧電フィルタの電
極間間隙ｇと比帯域幅Ｂとの関連も示した。図４から明
らかなように本発明になる二重モード圧電フィルタの比
帯域幅Ｂは従来のものと同様に電極間の間隙ｄを狭小に
することで広くなるという傾向を示すが、電極間隙ｄ
（０次−１次二重モードフィルタの場合は電極間隙ｇ）
を一定とした場合、０次−２次モードを利用した本発明
のフィルタは０次−１次モードを利用した従来の二重モ
ードフィルタに比べ約１．５倍の広帯域化を図れること
が分かる。

【００１３】図５は０次−２次モード及び０次−１次モ
ードの二重モード圧電フィルタに於ける帯域幅Ｂと終端
インピーダンスＺ０の関係を示す図である。同図から帯
域幅を同一とすると０次−２次二重モード圧電フィルタ
の終端インピーダンスは０次−１次二重モード圧電フィ
ルタのそれの約２／３程度となることが分かる。周知の
通り圧電フィルタに於いて終端インピーダンスを低く抑
えた方が広帯域化に有利であり、その意味からも本発明
の構成はフィルタの広帯域化に適している。更に、０次
−２次モードを利用した２重モード圧電フィルタを複数
個多段縦続接続することで急峻な減衰特性を有する２重
モード圧電フィルタを形成することができる。

【００１４】上記説明ではＡＴカット水晶基板を用いて
説明したが本発明はこれに限らず、セラミック、タンタ
ル酸リチウム、タンタル酸ナイオベート、ＬＢＯ等に適
用できることは云うまでもない。また、図１においては
３対の電極を座標軸Ｘに沿って配置したものを用いて説
明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電
極間の音響結合による０−２次モードが発生するもので
あれば如何なる方向に配置してもよいことは明白であ
る。

【００１５】

【発明の効果】本発明は以上説明した如く水晶基板上に
３対の電極を配置し、その電極寸法比を概ね１：２：１
と構成することで、通過域内のスプリアスとなる１次モ
ードを抑圧し、従来の０次−１次モードを利用した２重
モード圧電フィルタに比べ、比帯域幅を約１．５倍と広
くすることが可能であり、更に同一の比帯域幅の場合、
終端インピーダンスを２／３に低下させることができる
という優れた効果を奏する。また、三重モード圧電フィ
ルタに較べ調整する振動モードが２つのため共振周波数
の調整が容易であり、歩留まりの向上に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例の平面図、（ｂ）は
（ａ）の断面を示す模式図、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は
それぞれ０次、１次、２次モードの変位分布を示す図で
ある。

【図２】（ａ）は電極寸法比を１：１：１とした場合の
通過域濾波特性（実線）と群遅延特性（破線）、（ｂ）
は減衰特性である。

【図３】（ａ）は電極寸法比を１：２：１とした場合の
通過域濾波特性（実線）と群遅延特性（破線）、（ｂ）
は減衰特性である。

【図４】０次−２次モード二重モードフィルタと０次−
１次モード二重モードフィルタの電極間隙と比帯域幅と
の関係を示す図である。

【図５】０次−２次共振モード及び０次−１次共振モー
ドの２重モード圧電フィルタに於ける帯域幅と終端イン
ピーダンスとの関係を示す図

【図６】（ａ）、（ｂ）は従来の２重モード圧電フィル
タの電極構成及び結線を示す図、（ｃ）、（ｄ）は０次
及び１次モードの変位分布を説明する図である。

【符号の説明】

１・・・圧電基板 ３、４、５、６、７ ・・・電極 Ａ−Ａ・・・切断線 Ｘ、Ｚ・・・方向軸 ｄ・・・電極間隙 Ｂ・・・比帯域幅 Ｚ０・・・終端インピーダンス

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電基板をはさんで対向する３対の電極
   を配置した圧電フィルタにおいて、中央の１対の電極を
   入力あるいは出力とし、その両側に配置した互いにほぼ
   等しい形状を有する２対の電極を並列に接続して出力あ
   るいは入力とし、０次と２次モードの厚み振動を励起す
   ることを特徴とする二重モード圧電フィルタ。
2. 【請求項２】 前記３対の電極が一列に配置され、この
   配列方向の電極寸法比を概ね１：２：１としたことを特
   徴とする請求項１記載の二重モード圧電フィルタ。
3. 【請求項３】 前記３対の電極が一列に配置され、この
   配列方向の電極面積の比を概ね１：２：１としたことを
   ことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の二重
   モード圧電フィルタ。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３記載の二重モード
   圧電フィルタを多段接続したことを特徴とする二重モー
   ド圧電フィルタ。