JP3801180B2 - 積層型誘電体共振器 - Google Patents

Description

この発明は、携帯用電話機等に搭載される高周波フィルタ等に適用して有用な積層型誘電体共振器に関する。

数ＭＨｚ〜数ＧＨｚの周波数帯域で用いられる小型の高周波フィルタとして、グリーンシート法により作られる、所定パターンの共振電極が形成された誘電体共振器を用いて構成される積層型の誘電体フィルタが知られている。この誘電体フィルタの内部には通常、共振電極の他、これに結合する入出力電極、共振器間を結合する結合電極等が埋め込み形成され、積層体の外面には通常外部入出力電極と、全体を覆ってシールドする外部アース電極が形成される。

この様な誘電体フィルタを構成する積層型共振器として、共振電極を折り曲げパターンとしたものがある。共振電極を折り曲げパターンとすれば、直線パターンの場合に比べて小さい占有面積で大きなインダクタンスを得ることができる。従って折り曲げパターンの共振電極をもつ積層型共振器を更に複数個積層することにより、小型の誘電体フィルタを得ることができる。

上述のような積層型の誘電体共振器やこれを更に積層した誘電体フィルタを例えばグリーンシート法により作る場合、印刷、圧着、切断の工程で内部に埋め込まれる共振電極の位置ズレが生じる。外部側面にアース電極が配設されるものでは、上述の位置ズレによって共振電極と側面外部アース電極との間の間隔が変化し、従って共振電極の対アース間容量が変化して、共振周波数がばらつくという問題がある。特に、共振電極を折り曲げパターンとして小型化を図った素子においては、共振電極と側面外部アース電極との間の容量結合が大きいため、共振電極の位置ズレの影響は大きい。

また、共振周波数のばらつきが大きくなると、この様な共振器を用いて構成されるフィルタではその通過帯域でのバランスが悪化し、挿入損失や反射特性の悪化を招く。更にフィルタの中心周波数のばらつきや、共振器間の結合強度の変化に伴う通過帯域幅の変化をもたらす。

ところで、共振電極の対側面外部アース電極間容量は、図７に示すように、共振電極とこれに対向する側面外部アース電極との間に生じる電界分布により決まる。従って、共振電極を挟む上下面外部アース電極の間隔をｔとしたとき、ｔが大きくなれば、上下面外部アース電極と共振電極との間隔が広がり、共振電極と側面外部アース電極との間の電界集中が増大するという関係がある。これは言い換えれば、間隔ｇのばらつきの共振周波数に対する影響は、誘電体層厚みｔを無視して議論できないことを意味する。

この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、位置ズレによる特性のばらつきを軽減し、歩留まり向上を可能とした積層型誘電体共振器を提供することを目的としている。

この発明は、端縁部に沿って延びる折り曲げパターンの共振電極が形成された誘電体層の両側に上下面アース電極が形成された誘電体層を積層してなる積層体と、この積層体の側面に形成されて前記上下面アース電極と共に内部をシールドする側面外部アース電極とを有し、前記共振電極の接地端が前記側面外部アース電極に接続される積層型誘電体共振器において、前記上下面アース電極間の誘電体層の厚みをｔ［ｍｍ］とし、前記共振電極の前記側面外部アース電極側の辺と前記側面外部アース電極との間隔をｇ［ｍｍ］として、ｇ／ｔが０．２以上で１．０以下に設定されていることを特徴とする。

本発明者等の研究によれば、折り曲げパターンの共振電極をもつ小型の積層型共振器の共振周波数を、横軸にｇ／ｔをとってプロットしてみると、ｇ／ｔ≧０．２の範囲では、ｇがばらついたとしてもほぼ一定の共振周波数が得られ、ｇ／ｔ＜０．２の範囲ではｇの変化に伴って大きく共振周波数が変化すること、言い換えれば、ｇ／ｔ＜０．２の範囲では製造過程での共振電極の位置ズレの影響が顕著に現れることが明らかになった。

この発明によれば、１．０≧ｇ／ｔ≧０．２なる条件を設定することにより、効果的に位置ズレの影響を軽減して、積層型の誘電体共振器及びこれを用いた誘電体フィルタを小型化したときの特性のばらつきを低減し、歩留まり向上を図ることができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。図１はこの発明の一実施例に係る誘電体フィルタの分解斜視図であり、図２は外観斜視図である。この実施例の誘電体フィルタは、二つの誘電体共振器Ａ，Ｂを積層して構成されている。

一方の共振器Ａは、誘電体層３の面に折り曲げパターンの共振電極３１を形成して構成され、他方の共振器Ｂは同様に誘電体層５の面に折り曲げパターンの共振電極５１を形成して構成されている。共振電極３１，５１の接地端は、それぞれ誘電体層３，５の一端部まで配設されて、図２に示すように積層後に側面に形成される側面外部アース電極８ｃに接続される。これらの誘電体層３，５の間には、二つの共振器Ａ，Ｂ間の結合量を制御する複数の窓状の開口部４２を設けた内部アース電極４１が形成された誘電体層４が挟まれている。

誘電体層３の下には、共振電極３１に容量結合する内部出力電極２１が形成された誘電体層２がある。内部出力電極２１は、図２に示すように積層後に側面に形成される外部出力電極９ａに接続される。誘電体層５の上には、共振電極５１に容量結合する内部入力電極６１が形成された誘電体層６が積層されている。内部入力電極６１は、図２に示すように積層後に側面に形成される外部入力電極１０ａに接続される。

誘電体層２の下には更に、側面外部アース電極８ｃにつながる下面外部アース電極８ｂと、側面の外部入出力電極９ａ，１０ａにそれぞれつながる電極９ｃ，１０ｃとが形成された誘電体層１が接合されている。同様に誘電体層６の上には、側面外部アース電極８ｃにつながる上面外部アース電極８ａと、側面の外部入出力電極９ａ，１０ａにつながる電極９ｂ，１０ｂとが形成された誘電体層７が積層されている。

具体的にこの様な誘電体フィルタをグリーンシート法により作る場合、各誘電体層１〜７にはそれぞれ用いるセラミック材料の誘電率を勘案して設計すべきフィルタ特性に応じて、また共振電極３１，５１の側面外部アース電極８ｃとの間隔ｇのばらつきを考慮して、必要な枚数のシートを重ねる。そして、上述した各電極が埋め込まれた積層体を形成した後、側面に銀ペーストの印刷焼成によって、側面外部アース電極８ｃ、及び外部入出力電極９ａ，１０ａ等を形成する。

図３は、この実施例による積層型誘電体フィルタの等価回路である。二つの共振電極３１，５１によりそれぞれ、分布定数型のＬＣ並列回路からなる共振器Ａ，Ｂが形成される。二つの共振器Ａ，Ｂの間は、内部アース電極４１に設けられた開口部４２を介して電磁界結合され、その結合強度は内部アース電極４１に設けられた開口部４２の面積や位置、および二つの共振電極３１，５１の相対位置によって決定される。入出力端子ＩＮ，ＯＵＴの容量Ｃ31，Ｃ32はそれぞれ、内部入出力電極６１，２１と共振電極５１，３１との間の結合容量である。対接地容量Ｃ41，Ｃ42は、それぞれ共振電極５１，３１と側面外部アース電極８ｃとの間の結合容量により決まる。

この実施例においては、各共振器Ａ，Ｂについて、上下面外部アース電極８ａ，８ｂ間の誘電体層の１共振器当たりの厚み（より具体的にいえば、共振器Ａについては、下面外部アース電極８ｂと内部アース電極４１の間の誘電体層厚み、共振器Ｂについては、上面外部アース電極８ａと内部アース電極４１の間の誘電体層厚み）をｔ［ｍｍ］とし、各共振電極３１，５１と側面外部アース電極８ｃとの間隔をｇ［ｍｍ］として、ｇ／ｔが０．２以上に設定される。この様に寸法を設定する根拠、及びそれにより得られる効果を次に具体的なデータに基づいて説明する。

図４は、一方の共振器Ａの部分を取り出して簡略化した共振器単体の構造を示す斜視図と平面図（いずれも透視図）であり、共振器単体の６外面には全て外部アース電極が形成される。図１のフィルタは、入出力電極を無視して考えれば、この様な共振器単体の上面又は下面の外部アース電極を、図１に示すように開口部４２を設けた内部アース電極４１としてパターン形成して重ねることにより、得られる。
共振器単体の誘電体層厚みｔは、上下面外部アース電極により挟まれた部分の厚みであるが、図１の実施例での共振器Ａ部の誘電体層厚みｔは、内部アース電極４１と下面外部アース電極８ｂにより挟まれる誘電体層部分の厚みであり、具体的には誘電体層１，２，３，４の合計の厚みである。平面形状の寸法は、横ａ［ｍｍ］、縦ｂ［ｍｍ］とし、共振電極３１の幅はｃ［ｍｍ］、共振電極３１の開放端と側面外部アース電極８ｃ（図４では省略している）との間の間隔はｄ［ｍｍ］とする。共振電極３１の３つの側面と側面外部アース電極８ｃの間の間隔をそれぞれｇ１［ｍｍ］，ｇ２［ｍｍ］，ｇ３［ｍｍ］とする。

以上のような寸法関係において、共振周波数に最も影響が大きい側面の間隔ｇ１を可変パラメータとし、その他の寸法を固定して、共振周波数のｇ１／ｔ依存性を求めた結果が、図５である。但し、その他の寸法は、ａ＝３．５［ｍｍ］，ｂ＝２．５［ｍｍ］，ｃ＝１．０［ｍｍ］，ｄ＝０．５［ｍｍ］，ｇ２＝ｇ３＝０．２５［ｍｍ］，ｔ＝１．０［ｍｍ］であり、また誘電体材料の誘電率は、６６．５である。厚みｔを他の値に設定した場合にも、同様の特性が得られる。

図５の結果から明らかなように、ｇ１／ｔ＝０．２をほぼ臨界点として、ｇ１／ｔ＜０．２の範囲ではｇ１の変化が共振周波数の大きな変化をもたらす。一方、ｇ１／ｔ≧０．２の範囲に設定すると、ｇ１に多少の変化があっても共振周波数の大きな変化はない。
より具体的に例えば、設計値をｇ１／ｔ＝０．３として、Δｇ１＝±０．１［ｍｍ］のばらつきがあったとしても、図５から、共振周波数の変動は、実用上十分な許容誤差２％以下に抑えられる。また、ｇ１／ｔ＝０．４に設定すれば、同様にΔｇ１＝±０．１［ｍｍ］のばらつきがあったとき、共振周波数の変動は１％以下に抑えられる。

共振電極３１の他の２側面の間隔ｇ２，ｇ３についてもほぼｇ１と同様の条件にあるから、これらの間隔ｇ１，ｇ２，ｇ３をｇで一般化して、ｇ／ｔ≧０．２を満たすように、より好ましくは、ｇ／ｔ≧０．４を満たすように設定することにより、共振周波数のばらつきを低減できることになる。またフィルタ特性については、中心周波数や通過帯域幅のばらつきが低減されることになる。

この発明は上記実施例に限られない。例えば、共振電極の折り曲げパターンとして、共振器Ａについて他の例を示せば、図６（ａ）のようなコーナーが一つの折り曲げパターン、あるいは図６（ｂ）のような３コーナーの折り曲げパターンを用いることもできる。共振器Ｂについても同様の変形が可能である。

以上述べたようにこの発明によれば、折り曲げパターンの共振電極が誘電体層の積層体中に埋め込み形成され、その積層体の側面および上下面に側面外部アース電極および上下面外部アース電極が形成され、共振電極の接地端が側面外部アース電極に接続される積層型誘電体共振器や、これを更に積層して構成される誘電体フィルタにおいて、共振電極の上下アース電極間の誘電体層の厚みをｔ［ｍｍ］とし、共振電極と側面外部アース電極との間隔をｇ［ｍｍ］として、１．０≧ｇ／ｔ≧０．２に設定することにより、製造工程での共振電極の位置ズレの影響を低減して、特性のばらつき低減及び歩留まり向上を図ることができる。

この発明の一実施例に係る誘電体フィルタの分解斜視図である。 同誘電体フィルタの外観斜視図である。 同誘電体フィルタの等価回路図である。 同フィルタの一つの共振器部の構造を示す。 共振周波数のｇ１／ｔ依存性を示す。 他の共振電極パターン例を示す。 共振電極と外部アース電極との結合の様子を示す。

符号の説明

１〜７…誘電体層、２１…内部出力電極、３１…共振電極、４１…結合電極、５１…共振電極、６１…内部入力電極、８ａ，８ｂ…上下外部アース電極、８ｃ…側面外部アース電極、９ａ，９ｂ，９ｃ…外部出力電極、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…外部入力電極、Ａ，Ｂ…共振器。

Claims (2)

1. 端縁部に沿って延びる折り曲げパターンの共振電極が形成された誘電体層の両側に上下面アース電極が形成された誘電体層を積層してなる積層体と、この積層体の側面に形成されて前記上下面アース電極と共に内部をシールドする側面外部アース電極とを有し、前記共振電極の接地端が前記側面外部アース電極に接続される積層型誘電体共振器において、
   前記上下面アース電極間の誘電体層の厚みをｔ［ｍｍ］とし、前記共振電極の前記側面外部アース電極側の辺と前記側面外部アース電極との間隔をｇ［ｍｍ］として、ｇ／ｔが０．２以上で１．０以下に設定されている
   ことを特徴とする積層型誘電体共振器。
2. 請求項１において、ｇ／ｔが０．４以上で１．０以下に設定されていることを特徴とする積層型誘電体共振器。

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