JP2005101954A

JP2005101954A - 埋め込み型誘電体共振器

Info

Publication number: JP2005101954A
Application number: JP2003333755A
Authority: JP
Inventors: Eriko Ajioka; 恵理子味岡; Kiyoshi Hatanaka; 潔畑中; Haruo Nishino; 晴雄西野
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】製造の際の位置ずれの問題を解消し、振動に強く、小型化が可能な埋め込み型誘電体共振器を提供する。
【解決手段】第１の誘電体材料からなる誘電体基板１に、誘電率の異なる第２の誘電体材料からなる誘電体共振器２が埋め込まれている。誘電体基板１には、誘電体共振器２と結合する結合線路５が形成されている。誘電体共振器２に対向して誘電体基板１の両面には、グランドとなる導体層３，４が形成されている。誘電体基板１と誘電体共振器２と結合線路５は、同時焼成により形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、誘電体基板に誘電体共振器を埋め込んだ新規な埋め込み型誘電体共振器に関するものである。

衛星放送機器や移動体通信機器、高周波通信機器等、ＵＨＦ帯からマイクロ波帯、ミリ波帯等にわたる高周波通信に使用される放送機器や通信機器において、発振器やフィルタ等を構成するデバイスとして、共振器が用いられている。この共振器には、温度安定性があり、Ｑ値が高く、小型化が図れる等の長所を有することから、誘電体共振器が広く使用されている。

従来、この種の誘電体共振器を用いたマイクロ波発振器としては、金属ケースまたは金属メッキを施したプラスチックケース等からなる筐体内に、誘電体、及び高周波信号を入出力する結合線路を設置したものが知られている（例えば、特許文献１等を参照）。この種のマイクロ波発振器では、誘電体共振器の内部とその近傍に、共振電磁界エネルギーが蓄えられる。

前記特許文献１記載のマイクロ波発振器では、筐体内に支持台を配置し、支持台の上に誘電体共振器を搭載して、誘電体共振器を筐体から離し、電磁界エネルギーの損失を低減させるようにしてある。支持台は、誘電体共振器の誘電損失のために発生した熱を、誘電体共振器から筐体に放熱する働きもある。
特開平１１−１５４８２３号公報

しかしながら、誘電体共振器を支持台に取り付けるタイプのマイクロ波発振器では、製造上、あるいは特性上、様々な課題を抱えている。

例えば、製造上の課題としては、位置ずれの問題がある。誘電体共振器を支持台に取り付ける場合、通常、接着剤が用いられている。接着剤による取り付けの場合、硬化前の接着剤が流動性を有することから、誘電体共振器が位置ずれを起こし易く、結合線路（マイクロストリップライン）に対する相対位置関係にずれが生ずる可能性がある。誘電体共振器とマイクロストリップラインの相対位置関係にずれが生ずると、誘電体共振器とマイクロストリップラインの結合容量が変化し、誘電体共振器の共振周波数が変化する虞れがある。

また、機械的に組み立てられるマイクロ波発振器では、振動に弱いという欠点も有する。特許文献１記載の発明では、シャーシ内に誘電体基板や誘電体共振器を組み込み、シールドケースを被せているが、これらを機械的に組み立てた場合、できる限り強固に結合したとしても振動による変形やずれは避けられず、その結果、周囲の環境が変わって誘電体共振器の共振周波数が変化するという問題が生ずる。

さらに、前述の構成のマイクロ波発振器では、誘電体共振器の直径に応じて周囲に所定の空間が必要になり、装置が大型化するという問題もある。誘電体共振器を支持台に取り付け、さらにその周囲に空間を確保してシールドケースを被せるようにしているので、厚さも厚くなり、全体形状も大型化する。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、接着剤の流動性による位置ずれの問題を解消することができ、振動に強く、高さを抑えて小型化することが可能な新規な埋め込み型誘電体共振器を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明者らは、長期に亘り鋭意研究を重ねてきた。その結果、誘電体共振器を誘電体基板に埋め込んだ全く新しい発想の埋め込み型誘電体共振器を開発するに至った。

本発明は、このような経緯で完成されたものであり、第１の誘電体材料からなる誘電体基板に、誘電率の異なる第２の誘電体材料からなる誘電体共振器が埋め込まれ、前記誘電体基板には、前記誘電体共振器と結合する結合線路が形成されていることを特徴とするものである。

本発明の埋め込み型誘電体共振器では、結合線路が形成された誘電体基板に対し、誘電体共振器が一体的に埋め込まれた構造とされているので、例えば接着剤による固定は不要であり、接着剤の流動性による位置ずれが生ずる虞れが無くなる。また、誘電体基板と誘電体共振器とは、機械的な組み立てではなく、例えば同時焼成により一体化されているので、振動による影響を受けることもない。

また、本発明の埋め込み型誘電体共振器は、前記構成に加えて、誘電体共振器に対向して誘電体基板の両面に導体層が形成されていることを特徴とする。

誘電体基板（誘電体共振器）の両面にグランドとなる導体層を形成すれば、誘電体共振器が周囲の空間の影響を受けることがなくなる。したがって、誘電体共振器の周囲に空間を確保する必要がなくなり、誘電体基板の厚さ以上の空間を確保する必要がなく、厚さが抑えられ、小型化が実現される。また、誘電体共振器と結合線路の位置関係が固定され、さらに導体層により周囲の影響が排除される。

本発明によれば、接着剤の流動性による位置ずれの問題を解消することができ、振動に強く、高さを抑えて小型化することが可能な埋め込み型誘電体共振器を提供することが可能である。

以下、本発明を適用した埋め込み型誘電体共振器について、図面を参照して詳細に説明する。

本実施形態の埋め込み型誘電体共振器は、図１及び図２に示すように、誘電体基板１にに形成された円形の孔部１ａに円柱形状の誘電体共振器２を埋め込み、その上下両面をグランドとなる導体層３，４で挟み込んでなるものである。

誘電体基板１と誘電体共振器２とは、それぞれ異なる誘電率を有する誘電体材料で形成されており、ここでは、誘電体基板１を構成する誘電体材料を第１の誘電体材料、誘電体共振器２を構成する誘電体材料を第２の誘電体材料とする。通常、誘電体共振器２を構成する第２の誘電体材料の比誘電率εｒは、誘電体基板１を構成する第１の誘電体材料の比誘電率εｒの３倍以上であることが好ましい。

各誘電材料の比誘電率εｒとしては、誘電体基板１を構成する第１の誘電体材料の比誘電率εｒは５〜７．５の範囲であることが好ましく、誘電体共振器２を構成する第２の誘電体材料の比誘電率εｒは２４〜９０の範囲であることが好ましい。具体的材料としては、誘電体基板１を構成する第１の誘電体材料として、例えば酸化アルミニウム−α石英系誘電体材料等を挙げることができる。その組成は、例えば、ＢａＯが２４．５９重量％、Ａｌ₂Ｏ₃が１９．０５重量％、ＳｉＯ₂が５３．９４重量％、Ｂ₂Ｏ₃が２．４２重量％であり、このときの比誘電率εｒは約６である。誘電体共振器２を構成する第２の誘電体材料としては、例えば酸化ネオジウム−酸化チタン系誘電体材料を挙げることができる。その組成は、例えば、ＢａＯが２０．２１重量％、Ｎｄ₂Ｏ₃が３６．８１重量％、ＴｉＯ₂が３７．７３重量％、Ｂ₂Ｏ₃が１．４２重量％、ＣｕOが０．９５重量％、ＺｎＯが１．９０重量％であり、このときの比誘電率εｒは約７５である。

前記誘電体共振器２は、ここでは円柱形状としたが、これに限られるものではなく、多角柱形状等、任意の形状に形成することができる。また、円柱形状とする場合、その直径及び厚みで共振周波数を設定することができる。

また、図３に示すように、誘電体基板１には、前記誘電体共振器２と結合する位置に結合線路５が形成されている。結合線路５は、スルーホール６により外部端子７と接続されており、誘電体共振器２と結合させることで、発振周波数出力を外部端子７から取り出すことができる。

前記結合線路５は、任意の位置に形成することができ、設計の自由度を増すことができる。例えば誘電体基板１を多層構造とする場合、内層等に形成することができ、形成する層の積層位置等によって誘電体共振器２に対して最適な結合を得ることが可能である。本例では、誘電体基板１が４層の誘電体層１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅから構成されており、前記結合線路５は下から２層目の誘電体層１ｃの表面に形成された形になっている。また、前記結合線路５は例えば銀ペースト等により形成することができ、これを例えば誘電体基板１や誘電体共振器２と同時焼成することによって、誘電体共振器２に対して、確実に位置決めした状態で形成することが可能である。

一方、前記導体層３，４は、誘電体共振器２をシールドする役割を果たすものであり、これら導体層３，４を形成することにより、誘電体共振器２は周囲の空間の影響を受けることなく安定した特性を発現する。したがって、これら導体層３，４の形成領域は、前記目的に照らして設定することが好ましい。具体的には、図４に示すように、導体層３の誘電体共振器２からの張り出し長さＤを、誘電体共振器２の厚さｔよりも同じか大となるように設定することが好ましい。導体層３の誘電体共振器２からの張り出し長さＤが小さすぎると、誘電体発振器２における磁界が外部に漏れだし、周囲の影響を受けやすくなる虞れがある。前記張り出し長さＤを十分に確保することで、誘電体共振器２を確実にシールドすることが可能になる。なお、導体層４においても同様であるが、本実施形態では、導体層４は誘電体基板１の全面に形成しており、十分なシールド効果を確保するようにしている。

以上のように構成される埋め込み型誘電体共振器は、結合線路５が形成された誘電体基板１に対し、誘電体共振器２が一体的に埋め込まれた構造とされているので、例えば接着剤による固定は不要であり、製造に際して位置ずれが生ずる虞れは皆無である。また、誘電体基板１と誘電体共振器２とは、機械的な組み立てではなく、例えば同時焼成により一体化されているので、振動による影響を受けることもない。

また、誘電体共振器２の両面にグランドとなる導体層３，４を形成しているので、誘電体共振器２が周囲の空間の影響を受けることがない。したがって、誘電体共振器２の周囲に空間を確保する必要がなく、誘電体基板１の厚さ以上の空間を確保する必要がない。その結果、素子の厚さが抑えられ、小型化が実現される。また、誘電体共振器２と結合線路５の位置関係が固定され、さらに導体層３，４により周囲の影響が排除される。

以上、本発明を適用した実施形態について説明してきたが、本発明の埋め込み型誘電体共振器が、この実施形態に限定されるものでないことは言うまでもなく、本発明の要旨を逸脱することのない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、先の実施形態では、誘電体共振器２は誘電体基板１と同じ厚さとされ、誘電体基板１を貫通する形で埋め込まれているが、図５（ａ）に示すように、誘電体共振器２の厚さを誘電体基板１の厚さよりも小とし、誘電体基板１の中途部までの凹部に埋め込むような形とすることも可能である。あるいは、図５（ｂ）に示すように、誘電体共振器２を誘電体基板１中に埋め込み、上下を誘電体基板１を構成する第１の誘電体材料で覆うことも可能である。

次に、上述の埋め込み型誘電体共振器の作製方法について説明する。埋め込み型誘電体共振器を作製するには、誘電体基板１と誘電体共振器２とを収縮差による脱落が生じないように同時焼成することが必要である。そこで、本発明では、以下に示す製造プロセスを採用し、確実に一体化することとする。

図６は、埋め込み型誘電体共振器の作製プロセスを示す図である。埋め込み型誘電体共振器を作製するには、先ず、誘電体基板１に相当する第１の焼成前基板１１を形成する。第１の焼成前基板１１は、焼成後に誘電体基板１を構成する各誘電体層になる第１グリーンシートを厚み方向Ａに複数積層し、その後に積層方向Ａに仮圧着することにより形成される。なお、第１グリーンシートには、銀ペースト等の導体ペーストを印刷し、結合線路５に対応した導体パターンを形成しておく。

ここで、第１グリーンシートは、例えば、先に例示した酸化アルミニウム−α石英系誘電体材料等の誘電体原料と、有機ビヒクルとを含む誘電体ペーストから作製される。誘電体ペーストは、有機系のペーストであってもよいし、水系のペーストであってもよい。

次に、第２の焼成前基板を準備する。第２の焼成前基板は、誘電体共振器２に相当するもので、したがって、先に例示した酸化ネオジウム−酸化チタン系誘電体材料等の誘電体原料と、有機ビヒクルとを含む誘電体ペーストから作製される第２グリーンシートを、やはり厚み方向Ａに複数積層し、その後に積層方向Ａに仮圧着することにより形成される。

なお、第２グリーンシートを構成する誘電体ペーストに含まれる誘電体原料と、第１グリーンシートを構成する誘電体ペーストに含まれる誘電体原料とは、同一の温度での焼成が可能であり、同程度のプレス縮率及び焼成縮率を有するものであることが好ましい。先に例示した誘電体原料は、これらの特性を満足する組み合わせである。

第２の焼成前基板が準備できたら、次に、この第２の焼成前基板を所定のサイズに切断、あるいは打ち抜き加工し、焼成前共振器１２を得る。この焼成前共振器１２が誘電体共振器２に相当するものであり、したがって、そのサイズは発振周波数等に応じて設定すればよい。

一方、焼成前共振器１２を作製する工程とは別に、第１の焼成前基板１１に、表裏面を貫通する貫通孔１３を、例えば打ち抜き加工等により形成する。貫通孔１３のサイズは、焼成前共振器１２のサイズよりも僅かに大きい程度とする。

第１の焼成前基板１１に貫通孔１３を形成した後、図６（ａ）に示すように、ここに焼成前共振器１２を嵌め込む。嵌め込み後には、図６（ｂ）に示すように、焼成前共振器１２の表面及び裏面は、第１の焼成前基板１１の表面及び裏面と略同一平面になる。

焼成前共振器１２が嵌め込まれた第１の焼成前基板１１は、次に、積層方向に本加圧する。本加圧の圧力は、特に限定されないが、例えば４０〜１００ＭＰａ程度に設定される。また、本加圧の際の加熱温度は、３５〜８０℃程度である。その後に、第１の焼成前基板１１、焼成前共振器１２共に脱バインダ処理及び焼成処理が施され、誘電体共振器が埋め込み形成された誘電体基板が得られる。

焼成温度は、グリーンシートの材質等により決定され、特に限定されないが、一般的には、８５０〜１０００℃である。また、焼成雰囲気は、結合線路５を形成するための導体パースと中の導電材の種類等に応じて決定すればよい。焼成時の酸素分圧が低すぎると内部電極の導電材が異常焼結を起こして途切れてしまう傾向にあり、酸素分圧が高すぎると内部電極が酸化される傾向にある。

以上のように、誘電体基板１となる第１の焼成前基板１１の貫通孔１３に、誘電体共振器２となる焼成前共振器１２のグリーンシートの積層方向が同じになるように嵌め込んで焼成することにより、誘電体共振器２が脱落することなく埋め込まれ、強固に結合されて一体化された埋め込み型誘電体共振器を作製することができる。

埋め込み型誘電体共振器の一例を示す概略斜視図である。図１の埋め込み型誘電体共振器の分解斜視図である。図１の埋め込み型誘電体共振器の概略断面図である。誘電体共振器と導電層の寸法関係を示す模式図である。（ａ）は埋め込み型誘電体共振器の他の例を示す概略断面図であり、（ｂ）は埋め込み型誘電体共振器のさらに他の例を示す概略断面図である。埋め込み型誘電体共振器の作製プロセスを示す概略断面図であり、（ａ）は焼成前共振器の嵌め込み工程を示し、（ｂ）は焼成前共振器の嵌め込み後の状態を示す。

符号の説明

１誘電体基板
２誘電体共振器
３，４導体層
５結合線路
１１第１の焼成前基板
１２焼成前共振器

Claims

第１の誘電体材料からなる誘電体基板に、誘電率の異なる第２の誘電体材料からなる誘電体共振器が埋め込まれ、
前記誘電体基板には、前記誘電体共振器と結合する結合線路が形成されていることを特徴とする埋め込み型誘電体共振器。
前記誘電体基板は複数の誘電体層が積層されてなり、前記結合線路が内層の誘電体層に形成されていることを特徴とする請求項１記載の埋め込み型誘電体共振器。
前記誘電体共振器に対向して誘電体基板の両面に導体層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の埋め込み型誘電体共振器。
前記導体層の誘電体共振器からの張り出し量が、誘電体共振器の厚さ以上であることを特徴とする請求項３記載の埋め込み型誘電体共振器。
前記第１の誘電体材料の比誘電率εｒが５〜７．５であり、前記第２の誘電体材料の比誘電率εｒが３０〜９０であることを特徴とする請求項１記載の埋め込み型誘電体共振器。
前記誘電体基板と誘電体共振器と結合線路は、同時焼成により形成されていることを特徴とする請求項１記載の埋め込み型共振器。
第１のグリーンシートを複数積層して焼成前基板を成形するとともに、第２のグリーンシートを複数積層して焼成前共振器を成形し、
前記焼成前基板に凹部を形成して積層方向が同じになるように焼成前共振器を当該凹部に填め込み、同時焼成することにより形成されていることを特徴とする請求項６記載の埋め込み型誘電体共振器。