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エネルギーとじこめ型多重モード圧電フィルタの発明・研究

多重モード圧電振動子の等価回路

図1 多重モード圧電振動子の等価回路

水晶AT板で実現した多重モード圧電フィルタ

図2 水晶AT板で実現した多重モード圧電フィルタ

 フィルタの特性はその中で使用される共振子の特性によって左右される。圧電共振子は通常のLC共振回路に比べてQ、温度特性、経年変化特性が優れ、形状も小形になるために、急峻な特性を有するフィルタの実現を可能にしてきた。圧電振動子は連続体すなわち分布定数振動系であって無数の固有振動モードが存在する。従来の振動子はその中の特定の1個のモードを選んで使用し、他のモードは妨害振動、不要振動といって厄介扱いにしてきた。これはいわば技術の水準が1個のモードが制御できる段階にしか達してなかったからと言えよう。

 数MHz以上の高い周波数では振動モードとして薄板の厚み振動が専ら使われている。その共振周波数は主として厚みに逆比例し、輪廓寸法の影響も若干うける。しかし周波数が更に高くなると振動子の特性は電極寸法および質量に左右され、輪廓寸法の影響はほとんどなくなる。これは電極の質量負荷効果および圧電反作用によって振動エネルギーが電極近傍にとじこめられ周辺には及んでないからと説明される。

 尾上守夫氏は電極を適当に設計することにより対称、斜対称の2個のモードがとじこめられ、トランスなどの外付素子を用いないでも格子形あるいはヤウマン形のフィルタと等価な特性を振動子のみで実現することが可能なことを見出し、水晶版および圧電セラミック板について実証して、これをエネルギーとじこめ型多重モード圧電フィルタと名付けた。同時にこの構造はまた2個の単一モードのとじこめ型共振子が相互に弾性的に結合したものと解釈することができ、容易に2個以上の多電極の場合に拡張して結合型フィルタができることを明らかにした。この種のフィルタはその後2年遅れてアメリカ、イギリスからも発表があり、モノリシックフィルタとも呼ばれている。

 同氏は自らこのフィルタの解析、測定法、試作の研究を進めるとともに、電気学会エレクトロメカニカル機能部品委員会、総合研究「多重モード圧電振動子とその応用」および「高結合圧電材料とその応用」を主宰して総合的研究体制の確立と推進に努めた。今日我が国の多重モードフィルタの研究水準が極めて高く、又、製品としても2素子タンデム型の水晶フィルタ及び高周波セラミックフィルタは世界市場でほとんど独占に近い地歩を得ているのはそれに負うところが少なくない。

 この技術に対して、電子通信学会は、1976年、尾上守夫氏に業績賞を贈った。


文献

[1] 尾上守夫、十文字弘道、エネルギとじこめ形圧電共振子の解析、1965年、電気通信学会、超音波研究会資料、2月、電気通信学会誌、vol.48, no.9, pp.1574-1581
[2] M. Onoe and H. Jyumonji、Analysis of Piezoelectric Resonators Vibrating in Trapped Energy Modes、1965年、Trans. Ultrasonics, IECEJ, February; Jour.IECEJ, vol.48, no.9, pp.1574-1581 (in Japanese).
[3] 尾上守夫、十文字弘道、小堀直正、High Frequency Crystal Filters Employing Multiple Mode Resonators Vibrating in Trapped Energy Modes、1966年、Proc. Frequecy Control Symposium (Atlantic City, N, J.), pp.266-287
[4] M. Onoe and H. Jyumonji、High Frequency Crystal Filters Employing Multiple Mode Resonators Vibrating in Trapped Energy Modes、1966年、Proc. Frequency Control Symposium (Atlantic City, N. J.), pp.266-287
[5] 尾上守夫、エネルギ閉じこめ振動理論、1972年、エレクトロ・メカニカル機能部品(電気学会)、第5章、第4節
[6] M. Onoe、Theory of Trapped Energy Modes of Vibration、1972年、Electromechanical Functional Devices, IEEJ, Chapter5, Section4. (Book in Japanese)

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圧電フィルタ、エネルギーとじこめ型多重モード圧電フィルタ、電子デバイス
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