JP2006157523A - 圧電フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】 広帯域化を図ることができるとともに、通過帯域外では大きな減衰量を確保でき、さらに安価で製造し易い、広帯域の圧電フィルタを提供する。
【解決手段】 圧電基板の主表面に分割ストリップ状の入出力電極と対向する共通アース電極を形成したエネルギ閉じ込め型の２ポールフィルタを２組形成したものである。直列に接続する同一の電極形状を有する２つの２ポールフィルタF1、F2と第１の２ポールフィルタF1の出力電極3aと第２の２ポールフィルタF2の入力電極3ｂとの接続部と共通アース部６との間に形成した結合コンデンサからなる４ポールフィルタである。第１の２ポールフィルタF1の出力電極３aまたは第２の２ポールフィルタF2の入力電極3bの幅を、第1の２ポールフィルタF1の入力電極２aまたは第２の２ポールフィルタF2の出力電極2bより大きく形成している。
【選択図】 図５

Description

本発明は、帯域通過フィルタ等として利用される圧電フィルタに係るもので、特に、圧電厚み縦効果を有しており、かつ、複数の振動モードの結合を利用したマルチモードの圧電フィルタの構造に関するものである。

従来、帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）として種々のタイプが用いられており、圧電効果を利用した圧電フィルタにも多くの種類がある。数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚ帯の周波数領域においては、小型化が容易であり、コストも安価な二重モード圧電フィルタが主に用いられている。この種の二重モード圧電フィルタは、実公昭５８−２１２１９号公報などに開示されている。

図８は厚み縦振動を利用した従来の圧電フィルタの正面断面図を示すもので、図９はそのインピーダンス特性の説明図である。圧電フィルタは、厚み方向に分極処理された圧電セラミック板８1を有しており、その圧電基板８1に表面（上面）には一対の励振電極８2、８3が形成されており、裏面（下面）には圧電セラミック板８1を介して励振電極８2、８3と対向するように共通のアース電極８4が形成されている。表面の一方の励振電極８2と共通アース電極８4との間に入力信号を印加し、圧電セラミック板８1の厚み縦振動を励振させる。これによって圧電セラミック板71に機械的な振動が励振され、図７（ｂ）に示す対称モードと、図7（ｃ）に示す反対称モードが発生し、これらの２つのモードが結合されて帯域通過フィルタが構成される。出力は、励振電極８３と共通アース電極８4との間で取り出される。

図９は、入力側のインピーダンス特性例の一つを示す。ここで、圧電セラミック板の厚み＝207μm、入出力電極８2、８3の長さ＝0.8mm、電極幅0.45mm、電極間隔0.2mmとした場合、図９の細線に出力端開放の場合を示すが、この場合には対称モードのみが存在する。太線で示す出力端短絡の場合では、対称モード（共振ｂ）と反対称モード（共振ｃ）が同時に存在する。負荷時の波形は開放時と短絡時の波形の間にあるため、対称モード（ｂ）と反対称モード（ｃ）間の区域のインピーダンス特性が平坦となり、通過帯域が形成される。

選択度を高めるために、実用的なフィルタにおいては、図１０に示したように、２つの２ポールフィルタF1、F2と結合コンデンサCからなる４ポールフィルタ構造が採用されている。図1１は、２つの２ポールフィルタF1、F2と結合容量Cとを１枚の圧電セラミック基板に配置する構造を示している。小型化を図るためにリング状スペーサを介して２つの２ポールフィルタを厚み方向に重ねるような構造を用いる場合もある（特開2002−368578号公報参照）。
実公昭５８−２１２１９号公報 特開２００２−３６８５７８号公報

ラジオ・テレビ放送のデジタル化に伴い、中間周波フィルタとして使用される二重モードフィルタはより広い帯域幅が求められている。従来の圧電フィルタでは、対称モードと反対称モードの結合の強さは図８における励振電極８2、８3間の間隔に依存し、この間隔の大きさにより対称モードと反対称モードの周波数差が決定され、通過帯域が決まることになる。すなわち、広帯域のフィルタを得るには、励振電極８2、８3の間隔を狭くして２つのモードの結合度を高め、かつ２つのモードの周波数差を大きくする必要があった。他方、励振電極８2、８3の間隔を小さくするに伴い、圧電フィルタにおける入出力電極間の静電容量が増加し遮断域の減衰量が低下したり、リップルが発生し易くなるといった問題のほか、狭い間隔を形成するにはコストの高い精密パターン形成工程が必要とされる。

本発明は、上述の従来の問題点を解消して広帯域化を図ることができるとともに、通過帯域外では大きな減衰量を確保でき、さらに安価で製造し易い、広帯域の圧電フィルタを提供するものである。また、その設計の自由度を向上させるものである。

本発明は、入出力電極の構造を改良することによって、上記の課題を解決するものである。すなわち、それぞれ圧電基板の一表面に近接して配置された入出力電極が形成されるとともに、対向する裏面にアース電極が形成された第1および第2のフィルタを具え、第1のフィルタの出力電極が第2のフィルタの入力電極と接続されるとともに、それらの接続点に一端が接続され、他端が接地されたコンデンサを具えた圧電フィルタにおいて、第1のフィルタでは入力電極の面積よりも出力電極の面積が大きく、第2のフィルタでは入力電極の面積が出力電極の面積よりも大きいことに特徴を有するものである。ここで、結合コンデンサーと接続する第1のフィルタの出力電極と第2のフィルタの入力電極を中間電極と呼ぶ。

本発明によれば、非対称電極構造を持つ多重モード圧電フィルタを利用することによって、広帯域を実現しながらリップルを抑制することができる。また、入出力電極の面積を固定して中間電極の幅または面積を変えるだけであるので、入出力端のインピーダンス整合に影響せずに波形特性を調整することができるので、構造設計の自由度を向上させることができる。

本発明による圧電フィルタの構成要素は、圧電基板に形成される二つの２ポールフィルタで構成され、これらの結合によって多重モードフィルタが構成される。二つの２ポールフィルタは直列に接続されて接続点は容量を介して接地されている。２ポールフィルタの入出力電極の面積が異なって形成され、結合コンデンサと接続する中間の電極の面積が大きくなるように構成されている。二つの２ポールフィルタは同一の圧電基板に構成されるものでも、異なる基板に構成されて重ねられる構成のものでもよい。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。入出力電極が分割ストリップ電極の場合、実際の振動モードは非常に複雑であり、図8（ｂ）と図8（ｃ）に示したような理想的な対称モードと非対称モードが存在していないことがFEM解析から明らかになった。電極の幅が小さくなるに伴ってさらに振動モードが複雑となり、従来の振動モードの他に多数の振動モードが発生する。図１は、電極12、13の幅＝0.37mmの時のインピーダンス特性を示す。電極幅が0.45mmの時は図9に示したように二重モード（ｂ）と（ｃ）しかないが、電極幅が小さくなると、振動モード（ｂ）の低域側に対称性のより高いモード（a）、また、振動モード（ｃ）の高域側に反対称性のより高い振動モード（ｄ）が発生する。このとき、従来の二重モードが多重モードに変わり、各振動モードの対称度はa、ｂ、ｃ、ｄの順番で次第に低減して行く。電極幅がさらに0.25mmまで小さくなると、図２に示したように振動モード（a）と（ｄ）が大きく現れるようになる。この状態は、上述の多重モードが相互に結合され、大きな帯域幅が形成されることになる。

図３は、電極幅を変更することによって、４ポールフィルタの帯域幅の変化する状態を示すものである。細線と太線はそれぞれ電極(２a、2b、3a、3b)の幅がそれぞれ0.37mmと0.25mmの時の通過特性を示す。この結果から、電極幅が小さくなると、帯域幅が顕著に大きくなることが確認された。しかしながら、電極幅が小さくなるに従って帯域幅が大きくなるとともに、リップルが発生し易くなる。図３に示したように、電極幅＝0.25mmの場合、通過帯域において多数のリップルが存在する。

リップルを抑制するためには、広帯域化と矛盾するが、電極の面積を大きくする必要がある。ここで、図４に示すように、片方の電極の幅を小さく、他方の電極の幅を大きくするという非対称構造を考案した。２つの非対称2ポールフィルタで構成される4ポールフィルタは全体として対称構造となる。すなわち、それぞれ圧電基板の一表面に近接して配置された入出力電極が形成されるとともに、対向する裏面にアース電極が形成された第1および第2のフィルタを具え、第1のフィルタの出力電極が第2のフィルタの入力電極と接続されるとともに、それらの接続点に一端が接続され、他端が接地されたコンデンサを具えた圧電フィルタの構造を改良した。改良された電極構造では、第1のフィルタでは入力電極の面積よりも出力電極の面積が大きく、第2のフィルタでは入力電極の面積が出力電極の面積よりも大きい構造とした。

図５は、本発明の実施例を示す平面図である。圧電基板の主表面に分割ストリップ状の入出力電極と対向する共通アース電極を形成したエネルギ閉じ込め型の２ポールフィルタを２組形成したものである。直列に接続する同一の電極形状を有する２つの２ポールフィルタF1、F2と第１の２ポールフィルタF1の出力電極3aと第２の２ポールフィルタF2の入力電極3ｂとの接続部と共通アース部６との間に形成した結合コンデンサからなる４ポールフィルタである。第１の２ポールフィルタF1の出力電極３aまたは第２の２ポールフィルタF2の入力電極3bの幅を、第1の２ポールフィルタF1の入力電極２aまたは第2の第２の２ポールフィルタF2の出力電極2bより大きく形成している。

図6は、本発明による10.7MHzのIFフィルタと従来構造のＩＦフィルタの帯域通過特性を比較するものである。ここで、細線で示した改良型構造において、第1の２ポールフィルタF1の入力電極2a（または第２の２ポールフィルタF2の出力電極2ｂ）の幅を0.25mmとし、第1の２ポールフィルタF1の出力電極3a（または第２の２ポールフィルタF2の入力電極3ｂ）の幅を0.37mmとし、すなわち、不対称電極構造の幅の比（W-ratio）を1.5とした。太線で示した従来構造（W-ratio=1）の特性と比較すると次のことが分かる。
（１）電極２a（２ｂ）の幅を一定にして、電極３a（３ｂ）の幅のみを大きくすると、リップルが抑えられる。つまり、電極２ａ（２b）の面積が小さくても、2a+3a（または２ｂ+3ｂ）のトータル面積を大きくすれば、リップルは発生しにくくなる。
（２）従来の等幅電極構造（W-ratio=1）の場合、通過域の振幅特性が丸くなることが主な特徴である。このような振幅特性がガウシアン特性と呼ぶ。電極２a(2b)の幅に対して、電極３a(3b)の幅が1.5倍になると、振幅特性が平坦となる、いわゆるバターワース特性が現れる。W-ratioが1〜1.5の間の数値を取れば、太線と細線との中間的通過特性が得られる。したがって、電極幅の比（W-ratio）を調整することにより、通過特性を調整することが出来、設計の柔軟性が高くなる。また、図6からも分かるように、平坦な振幅特性が3dB時の帯域幅（ＢＷ3）の増加にも寄与する。 従来の10.7MHz二重モード圧電フィルタでは帯域幅BW3＝500kＨｚとなると設計が困難であったが、本発明によれば、BW3＝600kＨｚほどの広帯域のフィルタが可能となる。

図7は本発明による圧電フィルタの特性例の一つである。ここで、入出力電極の幅＝0.27mm, W-ratio=1.5, 電極ギャップ＝0.2ｍｍである。フィルタが広帯域でありながら、通過域外において十分の減衰量を確保できた。

本発明による圧電フィルタは設計上の大きなメリットを生じる。一般的に、フィルタの入出力端（図5の２a、２ｂ）のインピーダンスは、例えば10.7MHzのIFフィルタの場合330Ωに整合することが要求される。材料が選定されれば、入出力電極２aと2bの面積を大きく変更することが難しい。本発明によれば、中間電極（図５の3a、3b）の面積のみを変えるので、入出力のインピーダンス整合への影響が少ない。その状態で、リップルの制御や波形対称性の調整などができ、構造設計の自由度が大きく向上する。

上記の例では、1枚の圧電基板に平面的に2ポールフィルタを形成したが、それぞれを独立した2ポールフィルタで構成してリング状のスペーサを介して重ね合わせるようにすれば小型化の面で有利となる。

本発明による圧電フィルタは、ラジオ・テレビ用のIFフィルタをはじめとして、広帯域が要求される圧電フィルタに広く応用することができる。

圧電フィルタの特性の説明図 圧電フィルタの特性の説明図 圧電フィルタの特性の説明図 本発明の実施例を示す正面断面図 本発明の実施例を示す平面図 本発明による圧電フィルタの特性の説明図 本発明による圧電フィルタの特性の説明図 従来の圧電フィルタの正面断面図 従来の圧電フィルタの特性の説明図 従来の圧電フィルタの電気接続図 従来の圧電フィルタの平面図

符号の説明

F1、F2：２ポールフィルタ
２a：入力電極
２ｂ：出力電極
３a：出力電極（中間電極）
３ｂ：入力電極（中間電極）

Claims (3)

1. それぞれ圧電基板の一表面に近接して配置された入出力電極が形成されるとともに、対向する裏面にアース電極が形成された第1および第2の２ポールフィルタを具え、第1の２ポールフィルタの出力電極が第2の２ポールフィルタの入力電極と接続されるとともに、それらの接続点に一端が接続され、他端が接地されたコンデンサを具えた圧電フィルタにおいて、
   第1の２ポールフィルタでは入力電極の面積よりも出力電極の面積が大きく、第2の２ポールフィルタでは入力電極の面積が出力電極の面積よりも大きいことを特徴とする圧電フィルタ。
2. 第１の２ポールフィルタと第２の２ポールフィルタが同一圧電基板表裏面に形成された請求項１記載の圧電フィルタ。
3. 第１の２ポールフィルタと第２の２ポールフィルタが異なる圧電基板表裏面に形成され、それらの圧電基板が重ねられた請求項１記載の圧電フィルタ。

Images