JP3912394B2 - 三重モード圧電フィルタの周波数調整方法 - Google Patents

Description

本発明は多重モード圧電フィルタの周波数調整の調整方法の改良に関し、特に三重モードフィルタの帯域幅と帯域内リップルを所望の特性に合わせ得る周波数調整方法に関する。

従来から圧電板を挟んで両面に二対の電極を近接配置することによって該電極間の音響結合により二波の周波数を励起し、該２波の周波数間の２倍を通過域とする二重モードモノリシッククリスタルフィルタ（以下ＭＣＦと呼称する）については良く知られている。図を用いてＭＣＦの原理を説明する。図４（ａ）、（ｂ）はＭＣＦの一例を示す電極構造図であって、（ａ）は一方の面、（ｂ）は他方の面の電極構造を示す。図４（ａ）に示す様に圧電板１上に金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニュウム（Ａｌ）等を蒸着などにより２つの電極２、３を形成すると共にそれぞれは基板１の側方に入出力用電極６、７を延在させ、また他方面には同図（ｂ）に示すように前記（ａ）の２つの電極に対応して２つ電極２’、３’を形成すると共に両者を近接配置して形成すると、２つの振動が強く励起される。このうち周波数が低く振動変位の対称な振動を対称モード（周波数ｆ１）、周波数が高く非対称な振動を反対称モード（周波数ｆ２）と呼んでいる。図４（ｃ）は、入出力端子６、７と図４（ｂ）に示すように裏側の電極２’、３’をリード配線で接続した共通端子５とからみた電気的等価回路図であり、同図に示す如くラダー回路で表され、適当に終端すればフィルタが構成される。

フィルタの中心周波数は圧電板１の厚みと電極寸法を一定とすれば電極２、２’、３、３’の質量付加で決まり、帯域幅を決める周波数差ｄｆ＝ｆ２−ｆ１は図４（ｄ）、（ｅ）に示すように電極の周波数低下量及び電極間隙ｇによって決定される。ここで周波数低下量とは、圧電基板の周波数と電極物質を該基板に付加することにより周波数が偏移した時の周波数との差を言う。即ち電極の周波数低下量が大きくなるか、または電極間隙が広くなると二つのモードの結合が小さくなり周波数差ｄｆは狭くなる。一方、電極の間隙の部分に質量を付加すると二つモードの結合は大きくなり、周波数差ｄｆを広くすることが出来る。この二重モード共振子でフィルタを構成するとｄｆの約２倍がフィルタの帯域幅となり、これは２次のフィルタに相当する。要求仕様に基づいて周波数配列が算出され、インピーダンスＺ０が設定される。該終端インピーダンスＺ０は帯域幅と等価回路のインダクタンスの積で決まるので帯域幅と終端インピーダンスから、モーショナルインダクタンスＬ１が算出される。インダクタンスＬ１、靜電容量Ｃ０は基板の厚みと電極面積で決定される。これで二重モード共振子に必要なパラメータは全部揃う。後は二重モード共振子を図４（ｄ）の方法によるか上記した電極間に質量を付加する方法を用いて、算出された周波数の配列に一致するように各電極の周波数低下量によって調整を行う。

一方、従来から２次のフィルタ（２ポールＭＣＦと呼称する）を数個縦続接続した４、６、８、１０次（ポール）のフィルタが製品化されている。一枚の圧電板上に三電極対以上を配置した高次ＭＣＦについての研究開発も古くから行われている。図５（ａ）、（ｂ）に示す例では圧電板として回転Ｙ板のうち周波数温度特性の良い３５゜回転厚み滑り振動（ＡＴ板）を用いる場合を説明する。水晶板１上に電極２−２’、３−３’、４−４’を金属例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニュウム（Ａｌ）等を電極材料とし蒸着などの方法で形成する。電極の間隙ｇ１、ｇ２は等しく形成されるのが一般的であり、各電極の面積も等しくとりインダクタンスを同一にする設計が多い。各電極の形状はフィルタのインピーダンス、フィルタのスプリアス抑制及び要求されるフィルタ寸法より決めるのが一般的である。

図５に示す様に三対の電極を近接配置して電気的に励振すると、共振状態では電極間で波動の結合を惹起し３つの共振周波数が強く生起される。エネルギとじ込め理論によると振動変位は電極部分では余弦状になり電極の無い部分では指数関数的に減衰することが知られている。従って３ポールＭＣＦの場合も、電極間隙或いは周波数低下量によって音響結合を制御することができ、ｇ１、ｇ２を広くとると結合は弱く、即ち周波数間隔は狭くなり、また電極の周波数低下量を大きくすると結合は小さく、即ち周波数間隔はせまくなる。また水晶のような異方性の圧電材料では切断方位によって弾性定数が異なるのため結合係数即ち周波数間隔が結晶軸と電極配置により異なる。ＡＴ板の場合、Ｚ’軸に沿って電極を配置した構成が結合係数は小さくなり、Ｘ軸に沿って電極を並べた構成が結合係数が最大になる。

図５（ａ）をＡ面、同（ｂ）をＢ面と呼び、Ａ面の各電極２、３、４のリード配線は各々外部ハーメチック端子に導電性接着剤などで固着する。Ｂ面の電極２’、３’、４’は図５（ｂ）の様にリード配線５’によって共通にし、端子数を減らすこともできる。或いは電極を各々独立させて外部端子に接続しても良いが接続の仕方によって位相関係が異なるだけであり、振幅特性より位相特性を重視する使い方でないかぎり短絡するケースが一般的である。Ｂ面電極をリード線部で短絡した構成では、蒸着等の方法で周波数を低下させて調整する場合、電極間短絡などの不良発生が無く実用性が高い。リード配線５’をＡ面の電極３のリード配線５に導電性接着剤で接続すると３ポールＭＣＦは外部３端子で構成することが出来る。

図５（ｃ）は横断面の模式図を表し、圧電基板を挟んだ電極対とその記号を示す。３ポールＭＣＦ共振子を電気的に励振すると波動のエネルギは電極下にとじ込められ、電極の無い周辺部では振動変位は指数関数的に減衰し、その結果３つのモードが強勢に共振する。この３つのモードのうち振動変位が対称で周波数（ｆ１）が低いモードをＳ−０、振動変位が反対称モードで周波数（ｆ２）が二番目のモードをＡ−０、及び変位が対称で周波数（ｆ３）が一番高いモードをＳ−１と呼んでいる。これらの振動が図５（ｄ）に示すような変位分布を持つことはＸ線トポグラフィその他の手法で詳しく研究されている。また端子６、７を入出力端子とし５、５’を接続した４端子はその共振近傍では図５（ｅ）の等価回路で表されることも良く知られている。該回路は適当な終端をすればフィルタが構成出来ることは自明である。
特開昭５４−１２９８５３号公報

小型多電極ＭＣＦは、無線機の中間周波フィルタとして開発され、一部実用に供された。
しかしながら、上記多電極ＭＣＦにおいては、一枚の大きな圧電基板が未だ高価であったこと、多電極ＭＣＦの周波数調整方法が煩雑で時間が掛かりすぎこと、調整法が難しいため歩留まりが悪かった、等の問題があった。これらのため高価になり、多電極ＭＣＦは一般無線機分野では使用されなくなった。従って一枚の圧電板を挟んで両側に三電極対以上を配置した高次ＭＣＦの周波数調整技術は未だ研究されないままになっている。例えば３ポールＭＣＦを例に取るとｆ１とｆ２の周波数間隔は２ポールＭＣＦの周波数調整方法と同様な方法で周波数調整ができるが、この時本来偏移させたくないモードの周波数ｆ３までシフトする。これは３つの共振周波数が音響結合の結果、励起される波動であるためどれか１つのモードを独立して扱うことは不可能である。励起される三波の周波数が設計された周波数に合っていないと、フィルタ特性は帯域内でリップルを生じ、通過帯域が対称にならない。この様に三つの周波数ｆ１，ｆ２、ｆ３すべてを所望の周波数に調整し合致させる事は極めて困難であり、経済性を重視した一般無線機用中間周波フィルタには普及しなかった。
本発明は従来の高次ＭＣＦの問題点である各モードの周波数調整法を解決するためになされたものであり３ポールＭＣＦ共振子の周波数を容易に且つ経済的に調整することが可能な周波数調整法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明による三重モード圧電共振子の周波数調整方法は、圧電板を挟んで両面に三対の電極を並べて形成した三重モード圧電フィルタの周波数調整方法において、該電極により励起される三波の共振周波数を低い順にｆ１、ｆ２、ｆ３とするとき、前記電極のうち両端の２組の電極についてのみ質量の付加若しくは削減を行い周波数差（ｆ３−ｆ１）をほぼ一定に保持したまま周波数差（ｆ２−ｆ１）を調整する工程と、中央の電極についてのみ質量の付加若しくは削減を行い周波数差（ｆ３−ｆ１）をほぼ一定に保持したまま周波数差（ｆ３−ｆ２）を調整する工程と、三対の電極全体に質量の付加を行い三波の共振周波数の周波数配列を保持したまま全体の周波数を並行移動する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば３ポールＭＣＦの３つの周波数を精細に制御し、なかでも反対称モードＡ−０の周波数ｆ２を自在に制御することにより所望の周波数配列に合わせ込み良好なフィルタ特性を得ることができ、２ポールＭＣＦより一つ次数の高いフィルタをほぼ同じ形状で且つ経済的に制造することができ、極めてその効果は大きい。

以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、以下に示す実施例において用いる３ポールＭＣＦのＡ面の電極構成は図５（ａ）と同様な構成を想定するが、本発明の説明にとって重要なＢ面の電極構成についてのみ図１（ａ）に示す。即ち同図に示す様に圧電板１の両面に３対の電極２−２’、３−３’、４−４’を形成する。電極物質としては例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニューム（Ａｌ）等或いはそれらに銅を混合したものを用い蒸着またはスパッタなどの手法で形成る。電極２、３及び４は最終的に構成される３ポールＭＣＦ共振子の端子間の位相関係を除けば共通リード５に接続しても、フィルタの振幅特性に変化が無いことは前述した通りである。勿論、各電極のリード線を独立の外部端子に接続し位相特性に重点をおくフィルタも構成出来るが、ここではＢ面の各電極のリード線を共通部に集めた最も単純な場合を説明する。

図１（ａ）に斜線で図示したように相並んだ３電極の両端の電極の質量を蒸着などの手法で質量を付加し周波数を低下させると、同図（ｂ）に示す周波数配列が同図（ｃ）に示す様に偏移する。このグラフは端子６、７を入出力端子、端子５をアース端子とした４端子網の両端を該フィルタのインピーダンスより十分に低い抵抗（例えば５０オーム）で終端し、前記入力端子６−５間に信号発生器（ＳＧ）をつないで周波数を変化させた時、出力端子７−５間に現れる信号のレベルを記録したものである。図１（ｂ）を基準として同図（ｃ）を見ると、周波数ｆ１’と周波数ｆ３’の周波数移動量は大略同じで周波数差（ｆ３’−ｆ１’）はほぼ一定であるが、周波数ｆ２’の変化量だけが大きくなり、周波数差（ｆ２’−ｆ１’）は減少する。このことは両端の電極の質量を変化させたとき、最も周波数変化が大きい振動変位は反対称モードＡ−０（周波数ｆ２）であることを示している。即ち振動体の振動部分に同一質量を付加する際、その位置が振動変位の最大の部分である場合に周波数変化量が最大になる。また、逆に両端の電極の質量を削り取ると（ｆ３’−ｆ１’）はほぼ一定の状態で周波数差（ｆ２’−ｆ１’）は増大する。

次に、図２（ａ）に斜線で図示したように近接して並んだ３電極のうち、中央の電極に蒸着等の手法で質量を付加し周波数を変化させると、変化量の大きいモードは対称モードＳ−０（周波数ｆ１）であり、次が対称モードＳ−１（周波数ｆ３）、感度が鈍いモードは反対称モードＡ−０（ｆ２）であることが実験的に確認された。従って３ポールＭＣＦの３電極の中央の電極に質量を付加し周波数を低下させると、反対称モードＡ−０の周波数変動量が小さい為、周波数差（ｆ３’−ｆ１’）をほぼ一定に保持したまま周波数差（ｆ３’−ｆ２’）を減少させることが出来る。逆に中央の電極質量を削り取り周波数を高めると周波数差（ｆ３’−ｆ２’）を増大させることができる。

なお、３ポールＭＣＦの３電極のいずれの電極の質量を変化させた場合でも程度の差はあれ周波数全体に影響するため、各々の周波数配列を崩さず全体の周波数を低下する方法が必要であるが、これは３電極全体に蒸着などの方法を用いて質量を付加すれば３つの周波数は並行移動するので、その手法を用いればよい。上記した本発明の２通りの周波数調整法と全体の周波数を並行移動させる手法を用いれば、設計した３ポールＭＣＦの周波数配列に、実際のフィルタの３つの周波数を合わせ込むことができる。

図３は３ポールＭＣＦの周波数配列と通過域特性を示す図である。設計に基づいて製造したところ図３（ａ）の周波数配列となった。ここで中心周波数５８．１１２５ＭＨｚ、通過帯域幅１６ｋＨｚ（３ｄＢ）、電極の面積はスプリアスを考慮し１．２平方ｍｍとし、帯域幅と周波数低下量より電極間隙ｇ１、ｇ２を計算で求めた。このままでは通過域特性は図３（ｂ）となり帯域内にリップルを生じ帯域も対称でなくなる。そこで図３（ｃ）に示す様に３ポールＭＣＦの周波数配列を計算値の周波数配列に一致させると、そのフィルタの通過域特性は図３（ｄ）に示すようにリップルも設計通りに、且つ帯域幅も対称な特性のフィルタが得られる。これからも分かるように、３ポールＭＣＦの帯域内リップルを極小に、且つ帯域幅を中心周波数に対して対称にするには３つの周波数配列を計算により算出された値に合致するように調整することが極めて重要であることはこれらのグラフからも明瞭である。

以上、本発明は水晶ＡＴ板を用いた３ポールＭＣＦの周波数調整法を説明したが、本発明はこれのみに限定されるされるものではなく、他の圧電材料を用いた３ポールＭＣＦにも適用出来ることは勿論である。例えばＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、圧電セラミック等でもよい。周波数調整に関しても、質量を調整する電極としてＢ面で説明してきたがＡ面の電極の質量を調整しても本発明の効果は全く同様である。質量調整手法として蒸着法を例に挙げたがスパッタ法でも或いは電極を薄く削り取る電子ビーム手法でよい。圧電板の形状を円形板を例に挙げたが矩形板でもよく、また圧電板上に形成する電極も必ずしも矩形である必要は無く楕円形であっても本発明の効果は何等影響されるものでは無い。

（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は本発明の実施例示す平面図及び周波数偏移図。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は本発明の他の実施例を示す平面図と周波数偏移図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は本発明を施した周波数配列とそのフィルタ特性。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、及び（ｅ）は２ポールＭＣＦを説明する電極模式図、回路図、周波数低下量及び電極間隙と周波数間隔ｄｆとの関係図。 ３ポールＭＣＦの原理を表す電極模式図、断面図、振動変位および電気的等価回路。

符号の説明

１・・・圧電基板
２、２’、３、３’、４、４’・・・電極
５、５’、６、７・・・リード電極
ｄｆ・・・共振周波数ｆ２，ｆ１の差
ｆ１，ｆ２，ｆ３・・・共振周波数
ｆ１’，ｆ２’，ｆ３’・・・調整後の共振周波数
ｇ，ｇ１，ｇ２・・・電極間間隙
Ｓ−０、Ｓ−１・・・対称モード
Ａ−０・・・反対称モード

Claims (1)

1. 圧電板を挟んで両面に三対の電極を並べて形成した三重モード圧電フィルタの周波数調整方法において、該電極により励起される三波の共振周波数を低い順にｆ１、ｆ２、ｆ３とするとき、前記電極のうち両端の２組の電極についてのみ質量の付加若しくは削減を行い周波数差（ｆ３−ｆ１）をほぼ一定に保持したまま周波数差（ｆ２−ｆ１）を調整する工程と、中央の電極についてのみ質量の付加若しくは削減を行い周波数差（ｆ３−ｆ１）をほぼ一定に保持したまま周波数差（ｆ３−ｆ２）を調整する工程と、三対の電極全体に質量の付加を行い三波の共振周波数の周波数配列を保持したまま全体の周波数を並行移動する工程と、を含むことを特徴とする三重モード圧電共振子の周波数調整方法。

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