(57)【要約】【課題】高次のフィルタ特性とすることができ、かつ小型化が容易な水晶フィルタを提供する。【解決手段】ＧＴカットにおける直交する２つの縦振動モードの振動方向をそれぞれ長軸と短軸とする楕円形に形成された水晶板を振動子として使用する。隣接する２つの振動子のうちの一方の振動子２１ａの外周と他方の振動子２１ｂの外周とを機械的に結合して複数の振動子による機械的な直列接続が構成する。直列接続の一端の振動子２１ａに、入力用の駆動電極として電極２４ａを設け、直列接続の他端の振動子２１ｂに、出力用の駆動電極として電極２４ｂを設ける。各振動子２１ａ，２１ｂは、その振動子の外周において振動変位が極小となる位置に対して接続された支持部２２によって保持される。【選択図】図２
2014030111.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠体と、
ＧＴカットの水晶板からなり前記水晶板における直交する２つの縦振動モードの振動方向をそれぞれ長軸と短軸とする楕円形に形成された複数の振動子と、
前記各振動子ごとに、前記２つの縦振動モードが結合したときに当該振動子の外周において振動変位が極小となる位置に対して接続し、当該振動子を前記枠体に支持する支持部と、
を有し、
前記複数の振動子は前記２つの縦振動モードの振動方向を含む同一の平面内に配置され、隣接する２つの前記振動子のうちの一方の振動子の外周と他方の振動子の外周とが機械的に結合することによって前記複数の振動子による機械的な直列接続が構成され、前記直列接続の一端に位置する前記振動子の両方の主面にそれぞれ入力用の駆動電極が形成され、前記直列接続の他端に位置する前記振動子の両方の主面にそれぞれ出力用の駆動電極が形成されている、水晶フィルタ。
【請求項２】
前記一方の振動子の外周と前記他方の振動子の外周とを接続する結合部材によって、前記一方の振動子と前記他方の振動子が機械的に結合する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水晶フィルタ。
【請求項３】
前記枠体、前記支持部及び前記結合部材は水晶からなり、前記振動子と一体的に形成されている、請求項２に記載の水晶フィルタ。
【請求項４】
前記各振動子において前記長軸の長さに対する前記短軸の長さが０．７５以上０．９０以下の範囲内にある、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水晶振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶フィルタに関し、特に、ＧＴカットの水晶板を使用した水晶フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶フィルタは、急峻な周波数特性を有するという特徴を有しており、各種の電子機器において広く使用されている。水晶フィルタとしては、１または複数の水晶振動子とコイルＬやコンデンサＣなどの電気回路とを組み合わせたディスクリート型の水晶フィルタや、水晶共振子を構成する水晶板の表面に入出力のために複数の電極を設け、電極間の音響的結合による複数の共振特性を利用したモノリシック型の水晶フィルタ（ＭＣＦ：モノリシッククリスタルフィルタ(monolithic crystal filter)）などが知られている。
【０００３】
ディスクリート型の水晶フィルタでは、回路構成として、ヤーマン回路がよく用いられている。ディスクリート型の水晶フィルタは、水晶振動子の他にコイルやコンデンサなどの部品を必要とするので、全体の寸法が大きくなり、小型化が難しくなる。
【０００４】
モノリシック型の水晶フィルタの構成例は、例えば、特許文献１に示されている。特許文献１に記載のものでは、水晶共振子を構成する水晶板の一方の主面に入力電極及び出力電極を設け、他方の主面には水晶板を介して入力電極及び出力電極の両方に対向するように共通電極が設けられている。モノリシック型の水晶フィルタは、コイル等を必要としないので小型化が可能であるが、設計及び製造上の制約が大きいため、必ずしも所望の特性を得ることができない、という問題点がある。モノリシック型の水晶フィルタにおいて所望の特性を得るようにしたものとして、特許文献２には、複数のモノリシック型の水晶フィルタと同調回路や結合回路などを組み合わせた多段型フィルタが示されているが、この構成では、部品数が増え、小型化が難しくなる。
【０００５】
水晶フィルタの中心周波数は、その水晶フィルタを構成する水晶振動子あるいは水晶共振子によって決定する。水晶フィルタの小型化のためには、コイルやコンデンサといった周辺部品が必要かどうかはもちろん、その水晶フィルタを構成する水晶振動子あるいは水晶共振子を小型化することも必要である。モノリシック型の水晶フィルタで、水晶共振子として厚みすべり振動モードの水晶板を使用することが一般的であるが、厚みすべり振動モードの水晶板ではその振動周波数を例えば数ＭＨｚ程度の低周波としたときに厚みを大きくする必要があり、それに応じて水晶板の平面寸法も大きくする必要がある。したがって、モノリシック型の水晶フィルタでは、低周波用のものとしたときに小型化が難しい、という問題点もある。
【０００６】
ところで、水晶振動子ないし水晶共振子を構成する水晶板は、その水晶板を水晶の単結晶から切り出すときの結晶学的な方位にしたがって、何種類かの“カット”に分類される（例えば、非特許文献１を参照）。そのようなカットとしては、従来から、例えば、ＡＴカット、ＳＣカットなどが広く知られている。中でもＧＴカットの水晶板は、優れた周波数温度特性を有し、周囲温度が変化した場合における共振周波数の変化が非常に小さいので、高精度高安定の水晶発振器への適用などが期待されている。また、ＧＴカットの水晶板は、その共振周波数が低い場合であっても小型に構成でき、ＧＴカットの水晶板を水晶振動子あるいは水晶共振子として用いることによって、水晶フィルタの小型化を実現できることが期待される。
【０００７】
水晶においては、周知なように、結晶学的にＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３本の結晶軸が定められている。Ｙ軸に直交する面に沿って切り出される水晶板をＹ板と呼ぶ。Ｙ軸に直交する面は、すなわち、Ｘ軸とＺ軸に平行な面である。Ｙ板をＸ軸の周りに＋５１．５°回転させ（すなわちφ＝＋５１．５°）、さらにその板の面内で板を＋４５°回転させる（すなわちθ＝＋４５°）ことによって形成される水晶板からなるカットがＧＴカットである。φ及びθは、水晶におけるカット方位を特定するために一般的に用いられているパラメータである。ＧＴカットの水晶板内での方位を指定するために、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸をＸ軸の周りで上記の＋５１．５°回転させて得られる軸をそれぞれＸ’軸、Ｙ’軸及びＺ’軸とする。Ｘ軸周りの回転であるので、当然のことながらＸ’軸はＸ軸に一致する。そして、Ｘ’軸及びＺ’軸をＹ’軸の周りでＺ’軸からＸ’軸に向かう方向に４５°回転させて得られる軸をそれぞれＸ”軸及びＺ”軸とする。
【０００８】
ここでＧＴカットの水晶板における振動モードを説明する。図１に示すように、ＧＴカットの水晶板１１における振動モードは、Ｘ”軸方向の縦振動モードとＺ”軸方向の縦振動モードとが結合した振動モードである。Ｘ"軸方向とＺ"軸方向のそれぞれの縦振動モードは、伸縮振動のモードである。また、これら２つの縦振動モードが結合した振動モードのことは、幅・長さ縦結合振動モードとも呼ばれる。図において、伸縮振動の方向が矢印で示されており、振動によって変位した輪郭が破線によって示されている。ただし、説明のために、変位した輪郭は、水晶板１１における実際の変位量よりもはるかな大きな変位をしたものとして描かれている。２つの縦振動モードが結合した振動モードであるため、従来、ＧＴカットの水晶板は、１対の辺がＸ”軸に平行となりもう１対の辺がＺ”軸に平行になるような長方形あるいは角型の形状に形成されており、水晶板を励振するための励振電極は、水晶板の両方の主面にそれぞれ設けられる。
【０００９】
水晶振動子などを構成するために水晶板を使用する場合には、水晶板を保持して容器内に封入する必要がある。そこで、フォトリソグラフィ技術を用いることにより、水晶板の本体部（水晶振動子あるいは水晶共振子として機能する部分）とそれに対する支持部とを水晶の板状部材から一体的に形成してしまうことが提案されている（例えば、特許文献３を参照）。その場合、水晶板における長方形状の本体部分における対向する１対の辺の各々の中点の位置に対し、支持部が接続するようにする。また、有限要素法などの手法を用いることによって、振動部単独での共振周波数と、支持部までを含めた共振系全体としての共振周波数とがほぼ同じになるように、支持部の形状を設計する。
【００１０】
しかしながらＧＴカットの水晶板の場合、振動モードが幅・長さ縦結合振動モードであって幅や長さなどの平面形状やサイズに応じて共振周波数が変化し、かつ、相互に結合する２つの振動モードの振動が両方とも確実に起きるようにしなければならないから、平面形状を任意に設定したり、任意の位置に支持部を配置したりすることはできない。特に、長方形状のＧＴカットの水晶板の外周部には、一般的には、振動変位における不動点は存在しないから、支持部を設けることによって水晶板の振動特性に悪影響が及ぼされるおそれがある。水晶板の振動特性に悪影響を与えないように有限要素法等によって指示部の形状を設計することも行われているが、その場合には支持部の形状が複雑となってまた寸法的に大きなものとなるので、製造が難しく、また小型化も難しくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】実開昭６３−１７４７１７号公報
【特許文献２】特開平４−５８６０６号公報
【特許文献３】特開平９−２４６８９８号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】川島宏文、平間宏一、齋藤直哉、小山光明、「水晶振動子とその応用デバイス」、電子情報通信学会論文誌Ｃ−Ｉ、第J82-C-I巻、第12号、第667〜682頁、1999年12月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したようにＧＴカットの水晶板は、優れた周波数温度特性を有しており、高安定高精度の水晶フィルタの構成のために使用できる可能性を有するものである。しかしながら、振動特性に悪影響を与えることなくＧＴカットの水晶板を支持する小型かつ簡単な構造の支持部が知られていないので、結局は、小型化された水晶フィルタを構成するためにＧＴカットの水晶板を使用することが困難となっている。また、ＡＴカットの水晶板のように厚みすべり振動モードの水晶板を用いる水晶フィルタでは、水晶板上での電極の配置によって、容易に２ポール（２極）や３極のフィルタ特性を有するものを製造することができるのに対し、幅・長さ縦結合振動モードであるＧＴカットの水晶板を用いる場合に高次（２ポール以上）のフィルタ特性を得るための構成も知られていない。
【００１４】
本発明の目的は、高次のフィルタ特性を有するようにすることが容易であり、小型で簡単な構造の支持部を備えるＧＴカットの水晶板を使用した水晶フィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の水晶フィルタは、枠体と、ＧＴカットの水晶板からなり水晶板における直交する２つの縦振動モードの振動方向をそれぞれ長軸と短軸とする楕円形に形成された複数の振動子と、各振動子ごとに、２つの縦振動モードが結合したときにその振動子の外周において振動変位が極小となる位置に対して接続し、その振動子を枠体に支持する支持部と、を有し、複数の振動子は２つの縦振動モードの振動方向を含む同一の平面内に配置され、隣接する２つの振動子のうちの一方の振動子の外周と他方の振動子の外周とが機械的に結合することによって複数の振動子による機械的な直列接続が構成され、直列接続の一端に位置する振動子の両方の主面にそれぞれ入力用の駆動電極が形成され、直列接続の他端に位置する振動子の両方の主面にそれぞれ出力用の駆動電極が形成されている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、水晶フィルタを構成する振動子としてＧＴカットの楕円形の水晶板を使用し、このような振動子を複数配置し、隣接する２つの振動子を相互に機械的に結合させることにより、複数の振動子による機械的な直列接続を構成する。楕円形のＧＴカットの水晶板では、後述するように、水晶板の外周部の４か所に振動変位が極小となる点が生じるので、本発明では、そのような点に対して水晶板を支持するための支持部を接続する。その結果、振動子を構成する水晶板の振動特性に影響を及ぼすことなく、小型で簡単な構造の支持部を使用することができるようになり、温度特性が良好であって高安定な水晶フィルタが得られるようになる。複数の振動子による機械的な直列接続を構成することにより、等価的には、隣接する振動子間での機械的結合に応じた結合定数で複数の直列共振回路が直列に接続した構成となるので、任意のポール（極）数で所望の伝搬特性を有する水晶フィルタを容易に構成することがができるようになる。
【００１７】
特に本発明の水晶フィルタは、外付けの枠体や振動子、支持部を含め、さらには振動子間の機械的な結合に用いられる結合部材も含め、水晶ウェハからモノリシックに製造することができるので、さらなる小型化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ＧＴカットの水晶板の振動モードを説明する平面図である。
【図２】本発明の実施の一形態の水晶フィルタの構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’線での断面図である。
【図３】楕円型のＧＴカットの水晶板における外周部の振動変位を説明する図である。
【図４】図２に示した水晶フィルタの等価回路図である。
【図５】水晶フィルタにおける共振モードを説明する図であって（ａ）はＦｓモードを示し、（ｂ）はＦａモードを示している。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、各々、２つの振動子間の結合形態の変形例を示す図である。
【図７】本発明の別の実施形態の水晶フィルタの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図２に示す本発明の一実施形態の水晶フィルタは、楕円形のＧＴカットの水晶板からなる２つの振動子２１ａ，２１ｂを備えている。振動子２１ａ，２１ｂは、フレーム（枠体）２３の開口部内に、支持部２２によって保持されている。
【００２０】
ここでまず、振動子２１ａ，２１ｂを構成する水晶板について、図３を用いて説明する。振動子２１ａ，２１ｂを構成するＧＴカットの水晶板２０は、平面形状が楕円であって、その板面がＧＴカットにおけるＹ’軸に直交しており、楕円としての長軸がＧＴカットにおけるＸ”軸に一致し、短軸がＺ”軸に一致する。その結果、水晶板２０は、その振動モードとして、図１に示した水晶板１１と同様に、Ｘ”軸方向の縦振動モードとＺ”軸方向の縦振動モードとが結合し、Ｘ”軸方向とＺ”軸方向とに交互に伸縮する幅・長さ縦結合振動モードを有することになる。図３においては、振動によって変位した水晶板２０の輪郭が破線によって強調して描かれているが、水晶板２０の外周部に注目すると、外周の各点において振動変位の大きさが一定しているわけではない。図においてＰ1〜Ｐ4に示す各点において振動変位の大きさが極小となっている。楕円形の水晶板２０が、長軸であるＸ”軸方向と短軸であるＺ”軸方向とに交互に伸縮するので、振動変位の大きさが極小となる点が水晶板２０の外周すなわち楕円上に必ず４つ生じる。なお図３において、振動していない状態での水晶板２０の長軸の長さがａで示され、短軸の長さがｂで示されている。
【００２１】
水晶板２０の大きさに比べて各縦振動モードによる振動の振幅が十分に小さいとすると、点Ｐ1〜Ｐ4は、幅・長さ縦結合振動モードの振動変位に関して事実上の不動点となる。したがって、水晶板２０における不動点Ｐ1〜Ｐ4の１つまたは複数に対して支持部を接続することにより、水晶板２０の振動特性に影響を及ぼすことなく、水晶板２０を支持することができる。支持部は、水晶板２０の振動モードにおける不動点に対して接続するので、その共振周波数を水晶板２０の共振周波数に一致させる必要がなく、簡単な構成のものとすることができる。例えば、水晶板２０の外周に接続する単純な棒状部材あるいは梁部材によって支持部を構成することができる。
【００２２】
楕円に形成されている水晶板２０の外周のどの位置が不動点になるかは、水晶板２０における長軸の長さａと短軸の長さｂとの比によって異なる。この比は縦横比（ｂ／ａ）である。例えば、縦横比が０．８５５である場合には、各不動点は、水晶板２０の中心すなわち楕円の中心から見て、長軸から短軸方向に向けて５７．５°の角度をなす方向に位置する。
【００２３】
ＧＴカットの水晶板の場合、Ｘ”軸方向の弾性係数Ｃ'11とＺ”軸方向の弾性係数Ｃ'33とが等しいので、Ｘ”軸方向の寸法とＺ”軸方向の寸法とを入れ替えても同じ振動特性を示す。すなわち、上記の説明では、楕円形の水晶板２０において、長軸をＸ”軸方向とし短軸をＺ”軸方向としたが、長軸をＺ”軸方向とし短軸をＸ”軸方向としても、上述と全く同様の効果を得ることができる。
【００２４】
図２に戻って本実施形態の水晶フィルタをさらに詳しく説明すると、いずれもＧＴカットの楕円形の水晶板からなる各振動子２１ａ，２１ｂの短軸及び長軸の方向は、ＧＴカットの水晶結晶における直交する２つの縦振動モードの振動方向にそれぞれ一致している。両方の振動子２１ａ，２１ｂのＧＴカットの振動モードでの共振周波数は同一であるか、あるいは、例えば±１％程度の範囲内で相互にずれている。振動子２１ａ，２１ｂの共振周波数をどの程度ずらすかは、この水晶フィルタに要求される伝搬特性に応じて定められる。振動子２１ａ，２１ｂの各々は、いずれも、フレーム２３の内壁からの延びる棒状の２本の支持部２２によって支持されている。振動子ごとの２本の支持部２２は、楕円形の水晶板である振動子の外周にある上述した４つの不動点Ｐ1〜Ｐ4のうちの２つにおいて、それぞれ、その振動子に機械的に接続している。フレーム２３の厚さは、振動子２１ａ，２１ｂの厚さよりも十分に厚くなっている。
【００２５】
振動子２１ａ，２１ｂは、それらの短軸が一直線上に沿うように配置しており、棒状の結合部材２８によって相互に機械的に結合している。具体的には、結合部材２８は、振動子２１ａの外周上の１点と振動子２１ｂの外周上の１点とに接続している。図示したものでは、楕円形の振動子２１ａ，２１ｂの各々の短軸の一端が、棒状の結合部材２８によって相互に機械的に接続している。後述するように、結合部材２８の太さや長さ、振動子での結合部材２８の接続位置などに応じて、振動子２１ａ，２１ｂの間の結合定数が変化し、水晶フィルタの伝搬特性も変化する。なお、結合部材２８を接続する位置を水晶板の外周にある上述の不動点とすると、結合部材を設けた意義が失われ、両方の振動子２１ａ，２１ｂが機械的に結合しなくなる。
【００２６】
振動子２１ａ，２１ｂ、支持部２２、フレーム２３及び結合部材２８は、水晶によって一体的に形成されている。例えば、ＧＴカットの水晶ウェハを用意し、その水晶ウェハに対してフォトリソグラフィ技術を用いたエッチング処理を行うことによって、振動子２１ａ，２１ｂ、支持部２２、フレーム２３及び結合部材２８を同時に一体的に形成することができる。その結果、２つの振動子２１ａ，２１ｂは、ＧＴカット水晶における上述した２つの縦振動モードの振動方向によって張られる平面内に配置し、支持部２２及び結合部材２８もこの平面内に配置することになる。
【００２７】
２つの振動子２１ａ，２１ｂのうち、振動子２１ａを入力側の振動子、振動子２１ｂを出力側の振動子とすると、振動子２１ａの両方の主面には、それぞれ電極２４ａが設けられている。電極２４ａは、入力用の１対の駆動電極であって、支持部２２の表面に設けられた導電路２５ａを介して、フレーム２３の表面に設けられた１対の入力端子２６にそれぞれ電気的に接続している。同様に、振動子２１ｂの両方の主面には、それぞれ電極２４ｂが設けられている。電極２４ｂは、出力用の１対の駆動電極であって、支持部２２の表面に設けられた導電路２５ｂを介して、フレーム２３の表面に設けられた１対の出力端子２７にそれぞれ電気的に接続している。入力端子２６及び出力端子２７は、この水晶フィルタを外部回路に接続するために用いられるものであり、フレーム２３の表面に電極パッドとして形成されている。
【００２８】
本実施形態の水晶フィルタでは、入力端子２６に電気信号（交流信号）が印加されると、電極２４ａを介して入力側の振動子２１ａがこの電気信号によって駆動され、電気信号の周波数で振動する。出力側の振動子２１ｂは、結合部材２８を介して入力側の振動子２１ａに機械的に結合しているので、入力側の振動子２１ａの振動は出力側の振動子２１ｂに伝えられ、振動子２１ｂでの振動は電極２４ｂによって電気信号に変換され、電気信号として出力端子２７に出力される。このとき、入力された電気信号の周波数が振動子２１ａ，２１ｂの共振周波数と近接していると、振動子２１ａ，２１ｂでの振動の振幅も大きくなり、大きな出力信号が得られることになる。したがって、この水晶フィルタは、バンドパスフィルタ（帯域通過フィルタ）として機能するものである。
【００２９】
図４は、図２に示した本実施形態の水晶フィルタの等価回路を示している。振動子２１ａの等価直列容量、等価直列インダクタンス、電極容量がそれぞれＣ1a，Ｌ1a，Ｃ0aで表され、振動子２１ｂの等価直列容量、等価直列インダクタンス、電極容量がそれぞれＣ1b，Ｌ1b，Ｃ0bで表されている。その結果、等価回路は、１対の入力端子２６に対して容量Ｃ0aが並列に接続し、１対の出力端子２７に対して容量Ｃ0bが並列に接続し、入力端子２６と出力端子２７との間に、Ｌ1a及びＣ1aからなる直列共振回路と、Ｌ1b及びＣ1bからなる直列共振回路とが、直列に接続した構成となる。また、２つの直列共振回路の接続点に対し、結合容量Ｃcが接続している。結合容量Ｃcは、結合部材２８による振動子２１ａ，２１ｂ間の機械的な結合の程度に対応した容量である。この等価回路は、背景技術における２つのモノリシック型水晶フィルタを接続して２次のバンドパスフィルタを構成した場合と同様の回路構成であり、このことから、本実施形態の水晶フィルタが２次のバンドパスフィルタとして機能することが分かる。この回路では、２つの直列共振回路での共振周波数の差と、結合容量Ｃcとによってフィルタとしての伝搬特性（フィルタ特性）が決まるから、振動子２１ａ，２１ｂのそれぞれの共振周波数と、結合部材２８の構成や配置とによって、所望のフィルタ特性を得ることができる。
【００３０】
また、本実施形態の水晶フィルタは、２つの振動子を機械結合させているので、２通りの振動モードが発生する。図５は、２通りの振動モードを示す図である。
【００３１】
図５（ａ）に示す振動モードは、Ｆｓモードと呼ばれ、一方の振動子２１ａが短軸方向に延びて長軸方向に縮むときには他方の振動子２１ｂは長軸方向に延びて短軸方向に縮み、逆に、一方の振動子２１ａが短軸方向に縮んで長軸方向に延びるときには他方の振動子２１ｂは長軸方向に縮んで短軸方向に延びる振動モードである。すなわち２つの振動子が互い違いに振動するモードである。この振動モードでは、一方の振動子２１ａの外周と他方の振動子２１ｂの外周との間での最短距離は振動によらずにほぼ一定であって、結合部材２８には伸縮応力はあまりかからない。そのため、結合部材２８が実質的には振動子に対する付加質量として機能することになり、結合部材２８は、共振周波数を低くする方向に影響する。この場合、図４の等価回路では、フィルタの中心周波数は、概ね、容量Ｌ1a及びＣ1aからなる直列共振回路、及びＬ1b及びＣ1bからなる直列共振回路とによって決まることになる。
【００３２】
これに対し、図５（ｂ）に示す回路は、Ｆａモードと呼ばれ、一方の振動子２１ａが短軸方向に延びて長軸方向に縮むときには他方の振動子２１ｂも短軸方向に延びて長軸方向に縮み、一方の振動子２１ａが短軸方向に縮んで長軸方向に延びるときには他方の振動子２１ｂも短軸方向に縮んで長軸方向に延びる振動モードである。すなわち２つの振動子が同方向に一緒に振動するモードである。この振動モードでは、振動子２１ａ，２１ｂの外周の相互間の最短距離は周期的に大きく変化するから、結合部材２８には大きな伸縮応力が加わる。このため、結合部材２８によるバネ定数効果が大きくなり、結合部材２８は共振周波数を高くする方向に影響し、結合部材２８のバネ定数による等価的な結合容量Ｃcが共振周波数に寄与することになる。この場合、図４の等価回路では、フィルタの中心周波数は、概ね、容量Ｌ1aとＣ1aとＣc／２からなる直列共振回路、及びＬ1bとＣ1bとＣc／２からなる直列共振回路とによって決まることになる。
【００３３】
本実施形態の水晶フィルタは、複数の振動子を機械的に結合させたいわゆる機械結合フィルタに相当するものである。機械結合フィルタの場合、一般に、振動子における振動変位が小さいところにおいて、弾性的に「柔らかい」結合部材を用いて振動子を結合すれば帯域幅が狭いフィルタが実現でき、逆に、振動子における振動変位が大きいところにおいて弾性的に「硬い」結合部材を用いて振動子を結合すれば帯域幅が広いフィルタが実現できる。本実施形態に基づく水晶フィルタでは、結合部材２８自体は水晶で構成されるとしても、結合部材２８の太さや長さを変化させることで結合部材２８の弾性的性質を変化させ、また、振動子２１ａ，２１ｂと結合部材２８との接続位置を変化させることにより、任意の帯域幅を有するバンドパスフィルタを実現することができる。
【００３４】
図６は、結合部材２８を介した振動子２１ａ，２１ｂの間の結合形態の種々の変形例を示している。図６（ａ）に示したものは、図２に示したものと同様に振動子２１ａ，２１ｂをそれらの短軸が一直線上に沿うように配置しているが、振動子２１ａ，２１ｂの短軸方向に対して棒状の接合部材２８が斜め方向に延びている点で、図２に示したものと異なっている。図６（ｂ）に示したものでは、一方の振動子２１ａの短軸方向から外れた方向に他方の振動子２１ｂを配置し、振動子２１ａ，２１ｂの外周が相互に最も接近する位置のいて棒状の結合部材２８を配置している。図６（ｃ）に示したものは、図２に示したものと同様に振動子２１ａ，２１ｂをそれらの短軸が一直線上に沿うように配置しているが、棒状の結合部材２８が、両方の振動子２１ａ，２１ｂの短軸から離れた位置において、これらの短軸と平行に延びるように設けられている点で図２に示したものと異なっている。図６（ｄ）に示したものでは、長軸が一直線上に沿うように振動子２１ａ，２１ｂを配置した上で、振動子２１ａ，２１ｂの長軸の端部同士を棒状の結合部材２８によって接続している。ここには示していないが、結合部材を設けることなく、振動子２１ａの外周の一点と振動子２１ｂの外周の一点とが直に接合するように構成して、両方の振動子２１ａ，２１ｂ間の機械的な結合を実現してもよい。
【００３５】
以上説明した水晶フィルタは、２つの振動子２１ａ，２１ｂを機械的に結合させているが、本発明では、ＧＴカットの楕円形の水晶板である振動子を３個以上用い、隣接する２個の振動子を相互に機械的に結合することを繰り返して、３次以上の高次のフィルタ特性を有する水晶フィルタを構成することもできる。機械的に直列接続されていることとなる振動子の個数が、フィルタの次数となる。図７は、３個の振動子を備えた水晶フィルタを示している。
【００３６】
図７に示す水晶フィルタは、図２に示した水晶フィルタにおいて、入力側の振動子２１ａと出力側の振動子２１ｂとの間に、さらに、楕円形のＧＴカットの水晶板からなる振動子２１ｃを配置したものである。振動子２１ａ〜２１ｃの各々は、振動子ごとに棒状の２本の支持部２２によってフレーム２３に接続されている。支持部２２は、振動子の外周において振動変位が極小となる位置において、振動子に接続している。また、振動子２１ａの短軸の一端と振動子２１ｃの短軸の一端とが棒状の結合部材２８ａによって接続され、振動子２１ｃの短軸の他端と振動子２１ｂの短軸の一端とが棒状の結合部材２８ｂによって接続されており、これによって、振動子２１ａ，２１ｃが相互に機械的に結合し、振動子２１ｃ，２１ｂも相互に機械的に結合している。
【００３７】
入力側の振動子２１ａの両方の主面には入力用の駆動電極である電極２４ａが設けられ、出力側の振動子２１ｂの両方の主面には出力用の駆動電極である電極２４ｂが設けられているが、中間の振動子２１ｃの表面には電極は設けられていない。これは、この水晶フィルタは、振動子の機械的な結合によって動作するものであるので、複数の振動子からなる機械的な直列接続において中間段となる振動子では電気機械変換を行う必要がないからである。
【００３８】
図７に示す水晶フィルタにおいても、振動子２１ａ〜２１ｃの共振周波数に応じて中心周波数が決定し、結合部材２８ａ，２８ｂの太さや長さ、結合部材２８ａ，２８ｂと振動子２１ａ〜２１ｃの接続位置に応じて帯域幅などのフィルタ特性が決定する。
【００３９】
次に、上述の各水晶フィルタで用いられる楕円形状の振動子２１ａ〜２１ｃにおける縦横比（すなわち長軸の長さａに対する短軸の長さｂ：図３参照）について説明する。
【００４０】
楕円形状のＧＴカットの水晶板に関し、その縦横比（ｂ／ａ）と水晶板における共振周波数の温度依存性との関係、特に、縦横比と共振周波数の一次温度係数αとの関係を調べたところ、縦横比が０．７５〜０．９０の範囲にあれば、良好な温度特性（一次温度係数が概ね±１０ｐｐｍ／℃の範囲内）が得られることが分かった。したがって、上述の各実施形態の水晶フィルタでも、振動子２１ａ〜２１ｃの縦横比を０．７５〜０．９０の範囲内とすることが好ましい。
【００４１】
ＧＴカットの水晶板からなる振動子は、優れた温度特性を有して温度変化に対する共振周波数の変動が極めて小さく、かつ、例えば１０ＭＨｚ以下といった低周波領域においても小型に形成することができる。このような振動子を機械的に結合しているので、上述の各実施形態によれば、小型で良好な温度特性を有する水晶フィルタを実現できる。
【符号の説明】
【００４２】
１１，２０…水晶板、２１ａ〜２１ｃ…振動子、２２…支持部、２３…フレーム、２４ａ，２４ｂ…電極、２５ａ，２５ｂ…導電路、２６…入力端子、２７…出力端子、２８，２８ａ，２８ｂ…結合部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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