JP2005244508A

JP2005244508A - 誘電体共振器用セラミック体およびこれを用いた誘電体共振器

Info

Publication number: JP2005244508A
Application number: JP2004050338A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Takemura; 真一竹村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-25
Also published as: JP4328240B2

Abstract

【課題】誘電体共振子の支持台を接合する面の凹部内に溜まった空気が、熱硬化性接着剤を硬化させる際の熱により膨張し、接合部を浮き上がらせてしまい、接合強度を低下させ、また共振周波数がズレてしまうという課題があった。
【解決手段】誘電体共振子１を支持台２を介して支持する誘電体共振器用セラミック体であって、上記誘電体共振子１の支持台２側の端面１ａに支持台２の端部を嵌着する凹部４を設け、一端が上記凹部４に開口し、他端が上記誘電体共振子１または支持台２の外周面に開口する溝６を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘電体フィルターとして用いられる誘電体共振器に用いられる誘電体共振器用セラミック体および誘電体共振器に関する。

従来、誘電体フィルターとして用いられる誘電体共振器は、円柱状もしくは円筒状をした誘電体セラミックスからなる誘電体共振子を、アルミナやフォルステライトを主成分とする絶縁性セラミックスからなる支持台を介して金属ケースの中央に配置したものであった。

そして、この誘電体共振器に特定の信号を入力すると、誘電体共振子の共振周波数のみが出力信号として出力されることから、誘電体フィルターとして使用され、各種回路に搭載されていた。

この誘電体共振子と支持台とを固定するためには、一般的にエポキシ樹脂系接着剤等の熱硬化型の接着剤が使用されている。これは、セラミックスどうしの接着強度に優れており、８０℃〜１００℃にもなる使用環境にも耐えうる耐熱強度を持っているためである。また製造工程において取り扱いが容易であるためでもある。

そして、誘電体共振子（以下、単に共振子とする）と支持台とを固定するため種々の提案がなされている。

特許文献１には、図６（ａ）に示すように、支持台２の共振子１側の端面に凹部７を設けたことから、共振子１と支持台２を接着剤５で接合したときに、凹部７が接着剤溜まりとして作用し、接着剤５が共振子１と支持台２の接合面から外へはみ出すことを防止するという方法が開示されている。

また、特許文献２には、図６（ｂ）に示すように、円筒状の共振子１と円筒状の支持台２とを接合する場合に、共振子１の支持台２側の端面に、支持台２を嵌合する環状の凹部４を設け、該環状の凹部４に円筒状の支持台２を接着剤５により固着するという技術が開示されている。
特開２００３−１６３５１７特開２００３−１２４７１５

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、図６（ａ）に示すように、共振子１と支持台２の接合時に凹部７内に溜まった空気が熱硬化性接着剤５を硬化させる際の熱により膨張し、共振子１と支持台２の接合面にある接着剤５を押しのけて外部に抜けるという現象が発生していた。これにより、膨張した空気の通り道となった接合面には接着剤５が存在せず、当然の如く接合強度が低下するという第１の問題があった。

また、膨張した空気が外部に抜けるのと同時に接着剤５を外部にはみ出させてしまい、それによってＱ値を劣化させてしまうという第２の問題があった。

さらに、膨張した空気によって支持台２に対し共振子１が浮きあがった状態になり、接合位置がずれてしまい共振器の共振周波数がずれてしまうという第３の問題、浮き上がりによる接合強度の低下という第４の問題があった。

また、特許文献２に開示された方法では、図６（ｂ）に示すように、円筒状の共振子１を支持台２に接着する際には、共振子１内に空気が溜まることがないため、前述のような空気の熱膨張による不具合は発生することはない。しかし、共振子１を円筒状にすると、共振器の特性を満足するためには共振子１のサイズを円柱状にしたときよりも大きくする必要があり、スペース的に不利になるという問題、また、接合時にはみ出した接着剤５が内径部分に流れ出て付着してしまい、Ｑ値を劣化させてしまうという問題があった。

本発明は、誘電体共振子を支持台を介して支持する誘電体共振器用セラミック体であって、上記誘電体共振子の支持台側の端面に支持台の端部を嵌着する凹部を設け、一端が上記凹部に開口し、他端が上記誘電体共振子または支持台の外周面に開口する溝または貫通孔を設けたことを特徴とする。

また、上記溝が凹部に沿って形成されることを特徴とする。

さらに、上記溝の両端が支持台側の端面に開口するように設けたことを特徴とする。

またさらに、上記凹部の底面に段部を設けることを特徴とする。

また、上記誘電体共振器用セラミック体を金属ケース内に配置してなる誘電体共振器であることを特徴とする。

本発明は、上記誘電体共振子の支持台側の端面に支持台の端部を嵌着する凹部を設け、一端が上記凹部に開口し、他端が上記誘電体共振子または支持台の外周面に開口する溝または貫通孔を設けたことから、共振子と支持台の接合時に溝を介して空気が外側に逃げるため、支持台の浮き上がりが無く、強固な接着が可能となるとともに接合位置のズレを極めて小さくすることができる。

また、上記溝が凹部に沿って形成されることから、容易に溝を成形または加工できるとともに、共振子と支持台の接合時に溝を介して空気が外側に逃げるため、支持台の浮き上がりが無く、共振子と支持台の接合時の浮き上がりが無く、強固な接着が可能であり、接合位置のズレを極めて小さくすることができる。

さらに、上記溝の両端が支持台側の端面に開口するように設けたことから、共振子と支持台の接合時に溝を介してより確実に空気を外側に逃がすことができ、支持台の浮き上がりが無く接合位置のズレを極めて小さくすることができる。

またさらに、上記凹部の底面に段部を設けることから、接着剤を共振子の接合面に塗布し、支持台を挿入したときに段部によって形成された底面側の凹部が接着剤溜まりとなり、余分な接着剤が外部にはみ出ることを防ぐことができる。

またさらに、上記誘電体共振器用セラミック体を金属ケース内に配置してなる誘電体共振器であることから、共振周波数のズレ、バラツキを極めて小さくすることができ、Ｑ値の低下を小さくできるので、フィルター特性を向上することができる。

以下、本発明の実施形態を図によって詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の誘電体共振器用セラミック体を用いた誘電体共振器の一実施形態を示す断面図であり、（ｂ）は同図（ａ）の誘電体共振器用セラミック体における誘電体共振子を下方から見た平面図である。

本発明の誘電体共振器用セラミック体は、例えば、円柱状をした誘電体セラミックスからなる誘電体共振子（以下、単に共振子と称す）１をアルミナやフォルステライトを主成分とする絶縁性セラミックスからなる支持台２を介して支持してなり、共振子１の支持台側の端面１ａには支持台２の端部を嵌着する凹部４が形成されており、この凹部４に支持台２がエポキシ系接着剤等の接着剤５を介して接合してある。

このようにして得られた誘電体共振器用セラミック体を金属ケース３の中央に配置することで誘電体共振器を形成する。そして、この誘電体共振器に特定の信号を入力すると、共振子１の共振周波数のみが出力信号として出力されることから、誘電体フィルターとして使用される。

ここで、本発明の誘電体共振器用セラミック体は、上記共振子１または支持台２に、一端が共振子１の凹部４に連通するように開口し、他端が共振子１または支持台２に開口する溝６を設けたことが重要である。

この溝６は、共振子１、支持台２のどちらか一方に設けられていればよく、図１は共振子１に設けたものであり、溝６は共振子１の凹部４の底面から側面にかけて、支持台２を挿入しても凹部４と外部が貫通するようなスリット状としている。これにより、共振子１と支持台２の接合時に溝６を介して凹部４内に溜まった空気が外側に逃げるため、凹部４内の空気が密閉されることが無く、接着剤硬化のために加熱した際、膨張した空気が端面１ａに開口する溝６を通って外部へ排出されるため、接合部の浮き上がりを防止することができるとともに、強固な接着が可能となるとともに接合位置のズレを極めて小さくすることができる。

また、溝６の底面は、この溝６が起点となる共振子１のクラックを防止するため曲面状とすることが好ましい。

ここで、図２を用いて接着剤５の熱硬化時に内部の空気が膨張し、溝６を通って外部へ排出される様子を説明する。

図２（ａ）は共振子１の凹部４に接着剤５を塗布し、支持台２を凹部４に挿入した状態を示す断面図である。この状態では凹部４に閉じこめられた空気は外部とは遮断された状態で密封状態である。

図２（ｂ）は接着剤５を硬化させるための加熱がされている状態である。内部に閉じこめられていた空気は熱膨張し、接着剤５を押しのけて端面１ａに開口する溝６を通って外部に排出されている。この時、加熱により接着剤５の粘度が下がっているため、膨張した空気は容易に接着剤５を押しのけて移動することができる。

また、図２において、共振子１と支持台２のクリアランス、すなわち共振子１と支持台２を接着している接着剤５の厚みｈは、０．０１〜０．０３ｍｍとしておくことが好ましい。接着剤５の厚みｈが０．０３ｍｍ以上となると、その厚みをばらつきなく一定に保つことが困難となり、結果的に支持台２に対する共振子１の位置がばらつくこととなるため、共振周波数がばらつく原因となるためである。

また、凹部４の径は、支持台２の外径よりも０．０５〜０．１０ｍｍ大きくし、クリアランスは片側０．０２５〜０．０５ｍｍとしておくことが好ましい。凹部４の径が０．１０ｍｍ以上となると、上述と同様に支持台２に対する共振子１の位置がばらつくこととなるため、共振周波数がばらつく原因となるためである。

また、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、上記溝６が共振子１に設けられ、上記溝６は共振子１の凹部４に沿って形成されることが好ましい。

Ｑ値低下の軽減のため電気的なロスの大きい接着剤５は、共振子１の中心付近にある電磁場中心からなるべく遠ざけたほうがよい。そのため、凹部４に沿って溝６を設けることで、共振子１の中心付近に接着剤５が存在しないようにすることができ、Ｑ値の高い誘電体共振器を得ることができる。

また、共振子１を粉末プレス成形にて成形する際、凹部４に対応する金型の形状を溝付きの形状に対応する金型形状とすることにより、従来通りのプレス成形方法にて容易に溝６を形成することができる。また、研削加工によって共振子１に溝６を付ける場合も、容易に加工を行うことができる。

さらに、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、上記溝６が共振子１に設けられ、その両端が支持台２側の端面１ａに開口することが好ましい。

これにより、より確実に凹部４内に溜まった空気を外部へ逃がすことができ、共振子１の中心付近に接着剤５が存在しないため、よりＱ値の高い誘電体共振器を得ることができる。

またさらに、図１（ｃ）に示すように、凹部４の底面に段部９を設けることが好ましい。

この段部９によって凹部４の底面の中央部に接着剤溜まりを設けることができ、接着剤５を共振子１の接合面に塗布し、支持台２を挿入したときに、余分な接着剤が外部にはみ出すことを防ぐことができる。

なお、この段部９によって形成された接着剤溜まりの径は、凹部４の径に対して５０〜９０％とすることが好ましく、段部９の深さは、０．２〜２．０ｍｍとすることが好ましい。これは、支持台２を挿入した際、はみ出した接着剤５を接着剤溜まり内部に保持することができるためである。

また、図３（ａ）、（ｂ）に示すように溝６は複数あってもよい。この場合、円周方向に均等に形成することが好ましく、プレス成形時の成形体の密度バランスがよいためである。

さらに、図４に示すように、溝６を支持台２側に設けてもよい。支持台２の共振子１側の端面に、一端が凹部４に開口し、他端が支持台２の外周面に開口するように溝６を設けることで、共振子１に設けた場合と同様に接着剤５を硬化させるために加熱した際に膨張した空気が端面に開口する溝６を通って外部へ排出されるため、接合部の浮き上がりを防止することができる。

また、粉末プレス成形に用いる金型の形状を変えて一発形成することも可能であるし、円柱状に成形した後、研削加工することによって溝６を形成することも可能である。

なお、溝６は、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように一端が共振子１の凹部４に開口していれば、貫通孔の形状となっていてもよく、他端が共振子１、支持台２のどちらか一方に開口するように形成すればよく、図５（ａ）〜（ｃ）は共振子１の支持台２側の端面１ａ、側面、反対の端面に設けたものであり、図５（ｄ）は支持台２の側面に凹部４と外部とを貫通するように設けている。

また、図１〜図５に示す溝６は、その幅ｂが０．５ｍｍ以上としておくことが好ましい。溝６の幅ｂが０．５ｍｍ未満であると溝６の中に溜まった接着剤５により膨張した空気がスムーズに外部に排出されないためである。

なお、本発明は図１〜図６のような誘電体共振器用セラミック体に限定するものではなく、共振子１の上下に支持台２が接合される誘電体共振器用セラミック体においても、同様に共振子１の上下面の支持台２が接合される部分に端面に開口する溝６を設ければよい。

ここで、共振子１の材質としては、Ｂａ−Ｎｄ−Ｔｉ系誘電体セラミックス（誘電率１００〜１２０）、Ｎｄ−Ａｌ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックス（誘電率４３〜４６）、Ｌａ−Ａｌ−Ｓｒ−Ｔｉ系誘電体セラミックス（誘電率３８〜４１）、Ｂａ−Ｔｉ系誘電体セラミックス（誘電率３４〜３６）、Ｂａ−Ｍｇ−Ｗ系誘電体セラミックス（誘電率２０〜２２）、Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックス（誘電率１９〜２１）、サファイア（誘電率９〜１０）、アルミナセラミックス（誘電率９〜１０）、コージライトセラミックス（誘電率４〜６）等のセラミックスを用いる。

そして、これらの組成の原料粉末を用いて共振子１、支持台２を作製するには、例えば、先ず、上パンチ、下パンチ、ウスからなる金型を使用したプレス成形装置にて成形する。この時、上パンチの形状を、共振子１の凹部４と溝６に対応する形状とし、凹部４及び溝６を一発成形できるようにしている。なお、下パンチの形状を凹部４と溝６に対応する形状としてもよい。

そして、原料粉末に応じた所定のプレス圧力にて成形し、焼成用の棚板上に並べ、各材料に応じた所定の焼成温度にて焼成を行う。

その後、外径をセンタレス研磨装置にてセンタレス研磨し、厚みは平面研削盤にて研磨加工を行う。

最後に、支持台２を嵌着する凹部４の径を精度良く仕上げるために、内面研削盤にて研削加工を行う。上述のように共振子１の凹部４の径は支持台２の外径よりも、０．０５〜０．１０ｍｍ大きくし、クリアランスは片側０．０２５〜０．０５ｍｍとなるように仕上げる。

また、支持台２の材質としては、アルミナセラミックスやフォルステライトセラミックス等の絶縁性セラミックスを用いる。そしてこれらの組成の原料粉末を、上記の方法と同様にプレス成形等の公知の方法で所定形状に成形し、所定の条件で焼成した後、必要に応じて研磨加工することにより、支持台２を得ることができる。

本発明の実施例として図１に示す誘電体共振器を作製した。

誘電体共振器用セラミック体として、共振子１をＮｄ−Ａｌ−Ｃａ−Ｔｉ系誘電体セラミックス（誘電率４５）で形成し、外径φ３０ｍｍ、高さ３０ｍｍ、凹部４の直径ｄが１０．０８ｍｍ、凹部４の深さａが４ｍｍ、端面に開口する溝６の幅ｂが１．０ｍｍ、端面に開口する溝６を互いに対面する位置に２本設けた。

なお、端面に開口する溝は金型形状を変更して成形を行い、凹部４は内面研削盤にて研磨加工を行った。

また、支持台２として、アルミナセラミックスで形成し、外径φ１０．００ｍｍ、高さ３０ｍｍとした。なお、高さは平面研削盤にて研磨加工を行った。共振子１の凹部４と支持台２の外径とのクリアランスは片側で０．０４ｍｍとした。

共振子１と支持台２はエポキシ樹脂系の熱硬化型接着剤５を定量供給して接着した。熱硬化時の条件は、空気中で１００℃、６０分とした。

なお、従来例として、上述と同様な外径、高さ、材質からなり、溝の無い共振子を作製し、同様な支持台を用いて誘電体共振器用セラミック体を作製した。

このようにして得られた各々１０個のサンプルを用いて、まず共振周波数の値を測定した。共振周波数は外辺１５０ｍｍ角、高さ１５０ｍｍの金属ケース３の中央部にサンプルを配置し、ネットワークアナライザーにて測定した。

結果は表１に示す通りである。

表１より明らかなように、共振子の凹部に溝を設けた本発明実施例の誘電体共振器のサンプルでは、共振周波数のバラツキが１．７ＭＨｚと非常に小さくなることがわかる。

これに対し、従来の溝のないサンプルでは、共振周波数のバラツキが４．９ＭＨｚと非常に大きなものとなっていた。

また、測定した１０個のサンプルのうち、５個を切断して接合部断面を観察したところ、図２に示すように本発明の方法にて作成したサンプルは、共振子の接合面と支持台の接合面の隙間ｈが０．０１〜０．０３ｍｍであったのに対し、従来のサンプルは共振子の接合面と支持台の接合面の隙間ｈが０．１〜０．３ｍｍであった。このことから、従来のサンプルは、熱硬化時の空気の膨張により共振子が浮き上がった状態になり、それによって共振周波数が変動したといえる。

次に、共振子と支持台の接合強度の測定を行った。

共振子１を固定し、支持台にトルクレンチにてねじりトルクをかけ、接合部が剥離するときのトルク値を測定した。サンプル１０個について測定を行った。測定には市販のピーク値ホールド機能付きのトルクレンチを使用した。

結果は表２に示す通りである。

表２より、本発明の誘電体共振器のサンプルでは、共振子と支持台の接合トルク強度の平均が３５．７８Ｎ・ｍと高いことが判った。これに対し、従来のサンプルは、接合トルク強度の平均が２２．５３Ｎ・ｍと低いことが判った。

また、剥離した接合面を観察すると、従来のサンプルには膨張した空気の通り道が多数あり、その分接着面積が小さくなっていたのに対し、本発明のサンプルは膨張した空気が空気抜き用溝を通って外部に排出されており、接合面に空気の通り道は見つからなかった。

（ａ）は本発明の誘電体共振子器の一実施形態を示す断面図であり、（ｂ）は同図（ａ）における誘電体共振器用セラミッック体の共振子を下面から見た平面図、（ｃ）は同図（ａ）における誘電体共振器用セラミッック体の共振子を示す斜視図である。（ａ）、（ｂ）は本発明の誘電体共振器用セラミッック体の共振子と支持台を接合する様子を示す断面図である。（ａ）、（ｂ）は本発明の誘電体共振子器用セラミック体における共振子の他の実施形態を示す平面図である。本発明の誘電体共振器用セラミック体の他の実施形態を示す断面図である。（ａ）〜（ｄ）は本発明の誘電体共振器用セラミック体の他の実施形態を示す断面図である。（ａ）、（ｂ）は従来の誘電体共振器用セラミック体を示す断面図である。

符号の説明

１：誘電体共振子
１ａ：誘電体共振子の支持台側端面
２：支持台
３：金属ケース
４：凹部
５：接着剤
６：溝
７：凹部
８：共振子と支持台の接着面
９：段部

Claims

誘電体共振子を支持台を介して支持する誘電体共振器用セラミック体であって、上記誘電体共振子の支持台側の端面に支持台の端部を嵌着する凹部を設け、一端が上記凹部と連通するように開口し、他端が上記誘電体共振子または支持台の外周面に開口する溝または貫通孔を設けたことを特徴とする誘電体共振器用セラミック体。
上記溝が凹部に沿って形成されることを特徴とする請求項１に記際の誘電体共振器用セラミック体。
上記溝の両端が支持台側の端面に開口するように設けたことを特徴とする請求項２に記載の誘電体共振器用セラミック体。
上記凹部の底面に段部を設けることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の誘電体共振器用セラミック体。
請求項１〜４の何れかに記載の誘電体共振器用セラミック体を金属ケース内に配置してなる誘電体共振器。