JP3295926B2 - モノリシック水晶フィルタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は通信機器等に用いら
れる厚み系振動を用いたモノリシック水晶フィルタに関
するものであり、特にこの厚み系振動に対し寄生する、
高次の屈曲、あるいは輪郭振動モードの影響を抑制する
モノリシック水晶フィルタに関するものである。

【０００２】

【従来技術】通信機器等の小型化により、これらに使用
される圧電振動部品も超小型化が求められ、また搭載の
容易性からチップ型が要求されている。従来のチップ型
で超小型化されたモノリシック水晶フィルタを図１６、
図１７とともに説明する。図１６は矩形状の水晶板を用
いたチップ型のモノリシック水晶フィルタの分解斜視図
であり、図１７は水晶板をパッケージに搭載した状態の
平面図である。矩形状の水晶板８の表面には入力電極、
出力電極８１，８２が形成され、これら各電極から水晶
板端部に向かって引出電極８１ａ，８２ａが設けられて
いる。裏面には前記入力電極、出力電極８１，８２に対
応する位置に共通電極８３（図示せず）が形成され、こ
の電極から水晶板端部に向かって引出電極８３ａ，８３
ａ（図示せず）が設けられている。パッケージ９はセラ
ミックスからなり、上面が開口した薄型の直方体形状
で、この開口部分には金属リング９１が形成され、また
パッケージ内部から外部に電極を導出する外部導出電極
９２，９３，９４，９５が一体的に形成されている。こ
のようなパッケージ９に前記水晶板８を搭載し、導電性
接合材Ｓにて必要な導電接合を行うとともに、金属板か
らなるキャップＣを前記開口部に被覆し、前記金属リン
グとキャップとをシーム溶接等の手段で気密封止する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような構成のモノ
リシック水晶フィルタは、水晶板を挟んで対向して形成
された入出力電極と共通電極部分を共振領域として厚み
すべり振動が励振され、一般に対称モード振動（ｆｓ）
と斜対称モード振動（ｆａ）と称される振動が同時に励
振され、これらが音響的に結合することにより主振動を
形成し、所定の周波数通過帯域を有する電気機械フィル
タを構成している。

【０００４】このようなモノリシック水晶フィルタの外
形寸法が小さくなった場合、上記対称モード、斜対称モ
ードの主振動以外に不要な振動モードが発生し、これら
主振動と強く結合し、スプリアスを発生させることがあ
る。この不要な振動モードは、水晶板の外形寸法で決定
される屈曲振動モード、輪郭振動モードの各高調波モー
ドあるいは厚みすべり振動の高調波と考えられており、
水晶板の外形寸法が小さくなるとこれら結合する不要振
動モードの高調波の次数が低下し、音響的結合が行われ
やすくなることによる。従って、使用する周波数毎にこ
れら不要な振動モードの抑制を考慮した外形寸法の設計
が必要となっている。

【０００５】しかしながら、上記事情を考慮した設計を
行った場合でも、水晶板の加工技術の誤差や、モノリシ
ック水晶フィルタの使用される温度範囲等によっては、
上述の不要な振動モードが励起されることがあった。こ
のような不要な振動モードは、水晶板にコンベックス加
工あるいはベベル加工を施すことによって抑制できる場
合があるが、厚み系の振動を利用した場合、その周波数
は水晶板の厚みに反比例するので、近年の高周波数化に
より水晶板が極めて薄くなり、上述の加工が実際上行い
得ない状況となっていた。

【０００６】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたもので、主振動（公称周波数）近傍に発生していた
不要な屈曲振動、輪郭振動の各高調波モードを抑制し、
電気機械フィルタとしての良好な通過帯域特性を得て、
周波数温度特性の安定したモノリシック水晶フィルタを
提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、請求項１によるモノリシック水晶フィルタは、水
晶板の一方の主面に入力電極、出力電極を所定の間隔で
近接させて形成し、かつ当該他方の主面に前記入力電
極、出力電極にそれぞれ対応した共通電極を設けること
により共振領域を形成するとともに、前記各電極を外部
に導出する引出電極を形成し、厚み系振動を用いたモノ
リシック水晶フィルタであって、少なくとも１つの主面
に、前記入力電極、出力電極の周囲から水晶板の端面近
傍に渡って重み付けが行われ、かつこの重み付けは、前
記入力電極、出力電極の周囲を中心として水晶板の端面
に向かって重さが漸次増加する構成であることを特徴と
する構成としている。

【０００８】この構成により、前記入力電極、出力電極
の周囲から水晶板の端面近傍に渡って重み付けが行わ
れ、かつこの重み付けは、前記入力電極、出力電極の周
囲を中心として水晶板の端面に向かって重さが漸次増加
する構成であるので、水晶板の外周形状が境界条件とな
って生じる屈曲振動、輪郭振動の高調波を抑制すること
ができ、主振動との音響的結合を防止することができ
る。

【０００９】この重み付けの具体的構成例として、請求
項２に示すように、入力電極、出力電極の周囲の面積よ
り、前記端面近傍の面積が大となる構成や、請求項３に
示すように、入力電極、出力電極の周囲の厚さより、前
記端面近傍の厚さが大となる構成、あるいはこれらを複
合した構成があげられる。

【００１０】請求項２または３の構成により、重み付け
の重さが水晶板の端面に向かって漸次増加するので、重
み付けが急激に変化することによる新たな境界条件が生
まれることもなく、厚み系の主振動の水晶板の端面への
伝搬を抑制するとともに、端部の重み付け効果によっ
て、高次の屈曲振動、輪郭振動モードの振動を抑制する
ことができる。

【００１１】また、請求項４に示すように、請求項１乃
至３記載のモノリシック水晶フィルタにおいて、水晶板
が矩形形状であることを特徴とする構成としてもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】第１の実施例 本発明の第１の実施例について、図面を参照して説明す
る。この実施例は請求項１，２，３，５に関連する。図
１は本発明の第１の実施例を示す水晶板の表面の平面
図、図２は同裏面の平面図である。水晶板１は薄型のＡ
Ｔカット水晶板を矩形状に加工してなり、表面には入力
電極１１、出力電極１２がＺ’軸方向に並んで所定の間
隔で近接して設けられ、それぞれの電極から水晶板の端
面に引出電極１１１，１２１が引き出されている。裏面
には前記入力電極、出力電極１１，１２に対応する共通
電極１３が設けられている。この共通電極１３からも水
晶板端部に引出電極１３１，１３２が引き出されてい
る。

【００１３】入出力電極１１，１２および共通電極１３
からなる励振電極の周囲に設けられた周辺電極２１，２
２は、励振電極の周囲においては、面積の小さい細幅電
極２１１，２２１に構成され、励振電極から離れるに従
って面積の大きくなる太幅電極２１２，２２２になり、
その面積が漸次大きくすることにより、重み付けの異な
らせた構成としている。裏面の周辺電極２３，２４につ
いても同様の構成で、細幅電極２３１，２４１と太幅電
極２３２，２４２を有する構成である。

【００１４】以上のような周辺電極の構成により、重み
付けの重さが水晶板の端面に向かって漸次増加するの
で、厚み系の主振動の水晶板の端面への伝搬を抑制する
とともに、端部の重み付け効果によって、高次の屈曲振
動、輪郭振動モードの振動を抑制することができる。

【００１５】このような水晶板は従来例に示したような
パッケージに収納され、導電性接合材で水晶板の各引出
電極とパッケージの電極パッドとが接合される。ただ
し、引出電極の位置が従来例と異なるので、パッケージ
の電極パッドの位置は異なったものを用いる必要があ
る。上記電極構造によって、厚み系の主振動の水晶板の
端面への伝搬を抑制するとともに、端部の重み付け効果
によって、高次の屈曲振動、輪郭振動モードの振動との
音響的結合を抑制することができる。また、上記導電性
接合材によりこの減衰した振動をさらに吸収し、また不
要な振動モードの励振を抑制することができる。

【００１６】図３，図４に第１の実施例の変形例をに示
す。周辺電極２５，２６，２７，２８の構成は、入出力
電極、共通電極側の端面が円弧状に形成されており、こ
れにより重み付けが漸次変化する構成である。また、入
出力電極１４，１５、共通電極１６は全体として楕円形
状に構成されている。これにより主振動である厚みすべ
り振動を励振電極部分に閉じ込める作用を得ることがで
き、周辺電極による高次の屈曲振動、輪郭振動モードの
振動抑制効果とともに、スプリアス振動の生じない周波
数特性を得ることができる。なお、この実施例では、引
出電極１４１，１５１は長辺方向に引き出しているが、
共通電極の引出電極１６１を水晶板の短辺方向に引き出
した構成としている。これにより表裏の引出電極間の短
絡事故防止をはかることができる。

【００１７】第２の実施例 本発明の第２の実施例について、図面を参照して説明す
る。この実施例は請求項１，２，３，５に関連する。図
５は本発明の第１の実施例を示す水晶板の表面の平面
図、図６は同裏面の平面図である。水晶板１は薄型のＡ
Ｔカット水晶板を矩形状に加工してなり、表面には入力
電極１７、出力電極１８がＺ’軸方向に並んで所定の間
隔で近接して設けられ、またこれら入出力電極の周囲に
は周辺電極３１，３１，３３，３４が設けられている。
これら周辺電極は、励振電極の周囲においては、面積の
小さい細幅に構成され、励振電極から離れるに従って面
積の大きくなる太幅になり、重み付けの異ならせた構成
としている。入力電極１７からは引出電極１７１が引き
出され、周辺電極３１に接続されており、同じように出
力電極からは引出電極１８１が引き出され、周辺電極３
４と接続されている。また、周辺電極３２，３３は前記
入出力電極間を通る細幅の連結電極３２ａにより共通接
続されており、後述の共通電極とともにアース接続され
る。裏面には前記入力電極、出力電極１１，１２それぞ
れに対応する共通電極１９ａ，１９ｂが設けられてお
り、これら共通電極は連結電極１９ｃにより共通接続さ
れている。この裏面においても共通電極の周囲のには周
辺電極３５，３６，３７，３８が設けられており、それ
ぞれ細幅部分と太幅部分を有する構成となっている。共
通電極１９ａからは引出電極１９１が引き出され、周辺
電極３７に接続されており、同じように共通電極１９ｂ
からは引出電極１９２が引き出され、周辺電極３６と接
続されている。これら周辺電極はアース接続される。

【００１８】以上のような構成により、周辺電極が細幅
から太幅に漸次その面積が変化していくことにより、前
述のような不要振動の抑制効果を得るとともに、周辺電
極を電極導出部分として用いることができるので、外部
との電極接続部分を選ばない構成とすることができる。
また、入出力電極間をアース接続される連結電極３２ａ
が通っているので、入力電極に入力された信号が直接電
磁波となって隣接する出力電極に到達してしまう直達波
の発生を抑制することができ、圧電フィルタとしての減
衰特性を改善する効果を有している。

【００１９】第３の実施例 本発明の第３の実施例について、図面を参照して説明す
る。この実施例は請求項１，２，３，５に関連する。図
７は本発明の第１の実施例を示す水晶板の表面の平面
図、図８は同裏面の平面図である。水晶板１は薄型のＡ
Ｔカット水晶板を矩形状に加工してなり、表面には入力
電極４１、出力電極４２がＺ’軸方向に並んで所定の間
隔で近接して設けられ、これら各電極から引出電極４１
１，４２１が対角方向に延び、水晶板の角部に引き出さ
れている。これら入出力電極の周囲には周辺電極５１，
５２が設けられている。これら周辺電極５１，５２は、
励振電極の周囲においては、面積の小さい細幅に構成さ
れ、励振電極から離れるに従って面積の大きくなる太幅
になり、重み付けの異ならせた構成としている。裏面に
は前記入力電極、出力電極４１，４２に対応する共通電
極４３が設けられており、この裏面においても共通電極
の周囲には周辺電極５３，５４が設けられており、それ
ぞれ細幅部分と太幅部分を有する構成となっている。共
通電極４３からは引出電極４３１，４３２が対角方向に
延び、水晶板の角部に引き出され、アース接続される。

【００２０】第３の実施例の他の変形例を図９，図１０
とともに説明する。上記第３の実施例では、各引出電極
が短絡する可能性がある。そこで、表裏の対向する周辺
電極の細幅から太幅になる方向を変えた構成とした。す
なわち、表面の入力電極４４、出力電極４５の周囲に形
成された周辺電極５５，５６の細幅から太幅に漸次変化
する方向に対して、裏面の共通電極４６の周囲に形成さ
れた周辺電極５７，５８の電極幅の変化する方向を異な
らせている。なお、各図中点線でそれぞれ反対面の周辺
電極端を示している。これにより漸次増加する重み付け
効果がより効率よく行えるとともに、引出電極引き出し
方向が表裏異なる構成とすることができるので、短絡事
故が防止できる効果を奏する。

【００２１】第４の実施例 本発明の第４の実施例について、図面を参照して説明す
る。この実施例は請求項１，２，３，５に関連する。図
１１は本発明の第１の実施例を示す水晶板の表面の平面
図、図１２は同裏面の平面図である。水晶板１は薄型の
ＡＴカット水晶板を矩形状に加工してなり、表面には入
力電極４７、出力電極４８がＺ’軸方向に並んで所定の
間隔で近接して設けられ、これら各電極から引出電極４
７１，４８１が対角方向に延び、水晶板の角部に引き出
されている。裏面においてはこれら入出力電極に対向し
て共通電極４９が形成されており、この電極から引出電
極４９１が上記引き出し方向と異なる対角方向に引き出
されている。これら入出力電極および共通電極で形成さ
れる励振部分の周囲には、これら各電極に比較的近接し
て周辺電極６１，６２および６３，６４が設けられてい
る。このように励振部分の周囲に近づけて周辺電極を設
けることにより、屈曲系、輪郭系の不要振動を重み付け
により抑制するとともに、主振動と同時に励振される、
各電極の外周端面が境界条件となって励振されるインハ
ーモニック振動と称されるスプリアス振動モードも同時
に抑制することができる。

【００２２】第５の実施例 本発明の第５の実施例について、図面を参照して説明す
る。この実施例は請求項１，２，５に関連する。図１３
は本発明の第１の実施例を示す水晶板の表面の平面図、
図１４は同裏面の平面図、図１５は図１３のＡ−Ａ断面
図である。水晶板１は薄型のＡＴカット水晶板を矩形状
に加工してなり、表面には入力電極７１，出力電極７２
がＺ’軸方向に並んで所定の間隔で近接して設けられ、
これら各電極から引出電極７１１，７２１が長辺方向に
延び、水晶板の短辺に引き出されている。裏面において
はこれら入出力電極に対向して共通電極７３が形成され
ており、この電極から引出電極７３１，７３２が短辺方
向に引き出されている。これら入出力電極および共通電
極で形成される励振部分の周囲には、周辺電極６５，６
６，６７，６８が形成されている。これら各周辺電極
は、入出力電極あるいは共通電極近傍においては肉厚が
薄く、水晶板端部に向かうに従って漸次肉厚が厚くなる
構成となっており、重み付けが増加する構成となってい
る。なお、この電極厚の増加は漸次増加する構成のみな
らず、段階的に増加する構成としてもよい。また、増加
の方向も長辺方向のみとしてもよいし、あるいは短辺方
向のみ、あるいは両方向を複合させた構成であってもよ
い。

【００２３】

【比較データ】従来品と本発明品の周波数特性の比較検
証データを図１８，図１９の周波数特性グラフに示す。
比較検証に用いた水晶板は４×２．８mmの矩形状のＡＴ
カット水晶板であり、中心周波数を４５ＭＨｚのものを
用いた。なお電極の基本的構成は第１の実施例（図１，
２）に記載した電極構成を用いており、従来品について
は周辺電極を形成していない。それぞれの電極寸法は、
入出力電極の長辺が０．８mm、短辺が０．５mm、各電極
間の間隔が０．０．３mmであり、裏面の共通電極もほぼ
この入出力電極に対応した寸法となっている。

【００２４】これら各グラフから、本発明品は従来品に
較べて主振動の左側に現れていたスプリアス振動（高次
の輪郭系の振動）を抑制していることが理解できる。な
お、スプリアス抑制効果は周辺電極の厚さ等によっても
変化するので、電極形成時に用いる真空蒸着時の機械的
マスク手段の設計精度等を勘案して、上記各電極と重み
付け電極との間隔、厚さ等を決定する必要がある。

【００２５】また、入出力電極と周辺電極間、あるいは
共通電極と周辺電極間の無電極部の寸法設計には注意が
必要となる。すなわち厚み系の主振動は入出力電極と共
通電極間（以下励振電極とする）で励振され、この部分
に振動エネルギーが集中しているが、これら電極周囲近
傍も振動している。このためこれら励振電極にあまりに
近づけて周辺電極を形成した場合、振動エネルギーを大
きく減衰させてしまうことがある。このため、これら寸
法設計は、主振動のエネルギーを抑圧しない寸法に設定
することが必要となる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、水晶板において入力電
極、出力電極の周囲から端面近傍に渡って重み付けが行
われ、かつこの重み付けは、前記入力電極、出力電極の
周囲を中心として水晶板の端面に向かって重さが漸次増
加する構成であるので、水晶板の外周形状が境界条件と
なって生じる屈曲振動、輪郭振動の高調波を抑制するこ
とができ、主振動との音響的結合を防止することができ
る。このため、従来、水晶板の加工技術の誤差や、モノ
リシック水晶フィルタの使用される温度範囲等によって
生じていた不要振動を抑制することができ、良好な通過
帯域特性を得て、周波数温度特性が安定した信頼性の高
いモノリシック水晶フィルタを得ることができる。

【００２７】また、重み付けの重さが水晶板の端面に向
かって漸次増加するので、重み付けが急激に変化するこ
とによる新たな境界条件が生まれることもなく、厚み系
の主振動の水晶板の端面への伝搬を抑制するとともに、
端部の重み付け効果によって、高次の屈曲振動、輪郭振
動モードの振動を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の水晶板の表面の電極構成を示す
平面図。

【図２】第１の実施例の水晶板の裏面の電極構成を示す
平面図。

【図３】第１の実施例の他の例を示す水晶板の表面の電
極構成を示す平面図。

【図４】第１の実施例の他の例を示す水晶板の裏面の電
極構成を示す平面図。

【図５】第２の実施例の水晶板の表面の電極構成を示す
平面図。

【図６】第２の実施例の水晶板の裏面の電極構成を示す
平面図。

【図７】第３の実施例の水晶板の表面の電極構成を示す
平面図。

【図８】第３の実施例の水晶板の裏面の電極構成を示す
平面図。

【図９】第３の実施例の他の例を示す水晶板の表面の電
極構成を示す平面図。

【図１０】第３の実施例の他の例を示す水晶板の裏面の
電極構成を示す平面図。

【図１１】第４の実施例の水晶板の表面の電極構成を示
す平面図。

【図１２】第４の実施例の水晶板の裏面の電極構成を示
す平面図。

【図１３】第５の実施例の水晶板の表面の電極構成を示
す平面図。

【図１４】第５の実施例の水晶板の裏面の電極構成を示
す平面図。

【図１５】図１３のＡ−Ａ断面図。

【図１６】従来例を示す斜視図。

【図１７】従来例を示す平面図。

【図１８】比較データを示すグラフ。

【図１９】比較データを示すグラフ。

【符号の説明】

１，８ 水晶板 １１，１４，１７，４１，４４，４７，７１，８１ 入
力電極 １２，１５，１８，４２，４５，４８，７２，８２ 出
力電極 １３，１６，１９ａ，１９ｂ，４３，４６，４９，７３
共通電極 ２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，３
１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，５
１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，６
１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８ 周辺
電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03H 9/19 H03H 9/56

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水晶板の一方の主面に入力電極、出力電
   極を所定の間隔で近接させて形成し、かつ当該他方の主
   面に前記入力電極、出力電極にそれぞれ対応した共通電
   極を設けることにより共振領域を形成するとともに、前
   記各電極を外部に導出する引出電極を形成した、厚み系
   振動を用いたモノリシック水晶フィルタにおいて、 少なくとも１つの主面に、前記入力電極、出力電極の周
   囲から水晶板の端面近傍に渡って重み付けが行われ、か
   つこの重み付けは、前記入力電極、出力電極の周囲を中
   心として水晶板の端面に向かって重さが漸次増加する構
   成であることを特徴とするモノリシック水晶フィルタ。
2. 【請求項２】 前記重み付けは、入力電極、出力電極の
   周囲の面積より、前記端面近傍の面積が大であることを
   特徴とする特許請求項１記載のモノリシック水晶フィル
   タ。
3. 【請求項３】 前記重み付けは、入力電極、出力電極の
   周囲の厚さより、前記端面近傍の厚さが大であることを
   特徴とする特許請求項１または２記載のモノリシック水
   晶フィルタ。
4. 【請求項４】 水晶板が矩形形状であることを特徴とす
   る特許請求項１乃至３記載のモノリシック水晶フィル
   タ。