JP4003650B2

JP4003650B2 - 非可逆回路素子、非可逆回路素子の実装構造および通信装置

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Publication number: JP4003650B2
Application number: JP2003027659A
Authority: JP
Inventors: 崇川浪
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: JP2004241944A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非可逆回路素子、特に、マイクロ波帯で使用されるアイソレータなどの非可逆回路素子、非可逆回路素子の実装構造および通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、携帯電話などの移動体通信装置に採用されるアイソレータは、信号を所定の伝送方向にのみ通過させ、逆方向への伝送を阻止する機能を有している。
【０００３】
この種のアイソレータは、例えば、特許文献１に記載されているように、概略、永久磁石、この永久磁石により直流磁界が印加される中心電極組立体、整合用コンデンサを設けた誘電体基板、永久磁石や中心電極組立体や誘電体基板を収容する金属ケースなどを備えている。
【０００４】
終端抵抗は、整合用コンデンサを設けた誘電体基板やケースに設けられている。また、外部接続用端子電極はケースや誘電体基板とは別体であり、終端抵抗の投影範囲と重ならない。終端抵抗の投影範囲には、アースとして機能するケースが重なっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−８５０９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、アイソレータに負荷による反射電力が入力されるなどして終端抵抗に電力が吸収されると、終端抵抗が発熱する。熱は最終的にはアイソレータのケースや外部接続用端子などから放射（輻射）や対流によって放熱されたり、アイソレータが実装されているプリント基板への熱伝導などによって放熱されたりする。ここで、終端抵抗が誘電体基板に設けられているとき、外部接続用端子が誘電体基板とは別体であると、終端抵抗とプリント基板との間の熱抵抗が増加する。そのため、電力を吸収したときの終端抵抗の温度上昇が大きく、終端抵抗が焼損し易いという問題があった。特に、最近では、アイソレータの小型化が著しく、終端抵抗の放熱の熱抵抗低減はアイソレータの耐電力性改善のために重要になってきている。
【０００７】
また、終端抵抗の投影範囲がアースとして機能するケースと重なっている場合には、ケースを通信装置のシャーシにネジ止めすることにより良好な放熱が可能となる。しかし、ネジ止めするためには、アイソレータにネジ止め用フランジを設ける必要があり、部品サイズが大型化する。さらに、通信装置にも、ネジ止め用シャーシが必要となる。しかも、アイソレータをネジ止めで実装する構造は、組立工数が増え、製造コストの上昇を招く。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、小型化や低コスト化に適し、かつ、終端抵抗で発生した熱を効率良く外部に放熱することができる非可逆回路素子、非可逆回路素子の実装構造および通信装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用】
前記目的を達成するため、本発明に係る非可逆回路素子は、
（ａ）永久磁石と、
（ｂ）永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、フェライトの表面もしくは内部に電気的絶縁状態で交差して配置されている複数の中心電極とからなる中心電極組立体と、
（ｃ）中心電極組立体の中心電極の端部と電気的に接続される整合用コンデンサおよび終端抵抗を設けるとともに、外部接続用端子電極を底面に設けた多層の誘電体基板と、
（ｄ）永久磁石と中心電極組立体を囲む金属ケースとを備え、
（ｅ）誘電体基板を平面視したとき、終端抵抗の４５°錐範囲を含めて周囲に誘電体基板の最も厚い部分の厚みの３倍以下の距離だけ延在した第１領域内に少なくとも一部が重なる放熱用ビアホールを有するとともに、誘電体基板に設けられている放熱用ビアホールを含む全てのビアホールが終端抵抗の投影範囲外に配置されていること、
を特徴とする。終端抵抗としては、印刷抵抗やチップ抵抗などが採用される。
【００１０】
以上の構成により、非可逆回路素子に入った反射電力を終端抵抗が吸収することによって終端抵抗が発熱しても、その熱は放熱用ビアホールに、熱抵抗少なく効率良く伝導する。さらに、熱は放熱用ビアホールから、輻射（放射）、空気の対流、および非可逆回路素子が実装されている回路基板への伝導により、外部に放熱される。
【００１１】
このとき、放熱性の点から、非可逆回路素子が実装されている回路基板を平面視したとき、第１領域内に少なくとも一部が重なっている外部接続用端子電極の投影範囲もしくは４５°錐範囲を含めて周囲に回路基板の最も厚い部分の厚みの３倍以下の距離だけ延在した回路基板の第３領域内にビアホールもしくはスルーホールの少なくとも一部が重なっていることが好ましい。
【００１２】
放熱性の点から、放熱用ビアホールの材料には、銀、銅、銀合金、銅合金およびこれら金属とフリットからなる厚膜ペースト材料などの熱伝導率の良好な材料が好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る通信装置は、上述の非可逆回路素子を備えることにより、性能や信頼性が向上する。非可逆回路素子の誘電体基板上には、高周波電力増幅器などの発熱性電子部品を搭載してもよい。そのような熱的環境の厳しい動作条件下において、本発明はより一層の効果を発揮する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る非可逆回路素子、非可逆回路素子の実装構造および通信装置の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。
【００１５】
［第１実施形態、図１〜図８］
非可逆回路素子の一実施形態の分解斜視図を図１に示す。該非可逆回路素子１は、集中定数型アイソレータである。図１に示すように、集中定数型アイソレータ１は、概略、金属製上側ケース４と金属製下側ケース８とからなる金属ケースと、永久磁石９と、フェライト２０と中心電極２１〜２３とからなる中心電極組立体１３と、終端抵抗Ｒ及び整合用コンデンサＣ１〜Ｃ３（図２参照）を内蔵し、外部接続用端子電極１４〜１６が突出している矩形状の積層基板３０を備えている。
【００１６】
金属製上側ケース４は略箱形状であり、上部４ａ及び四つの側部４ｂからなる。金属製下側ケース８は、左右の側部８ｂと底部８ａからなる。金属製下側ケース８の底部８ａは後述する積層基板３０の外部接続用端子電極１４，１５，１６との接続を避ける形状になっている。金属製上側ケース４及び金属製下側ケース８は、磁気回路を形成するため、例えば、軟鉄などの強磁性体からなる材料で形成され、その表面にＡｇやＣｕがめっきされる。金属製上側ケース４及び金属製下側ケース８の厚みｔは、一般に、約０．１ｍｍ〜０．２ｍｍのものが採用される。
【００１７】
中心電極組立体１３は、矩形状のマイクロ波フェライト２０の上面に３組の中心電極２１〜２３を、絶縁層（図示せず）を介在させて略１２０度ごとに交差するように配置している。本第１実施形態では、中心電極２１〜２３をそれぞれ二つのラインで構成した。
【００１８】
中心電極２１〜２３は銅箔を用いてフェライト２０に巻きつけてもよいし、フェライト２０上あるいは内部にＡｇ，Ａｕ，Ａｇ−Ｐｄなどのペーストを印刷して形成してもよい。ただし、印刷した方が中心電極２１〜２３の位置精度が高いので、電気特性が安定となるし、積層基板３０との接続が安定する。特に、今回のように微小な中心電極用接続電極Ｐ１〜Ｐ３（後述）で接続する場合には、中心電極２１〜２３を印刷形成した方が信頼性、作業性が良い。
【００１９】
積層基板３０は例えば以下のようにして作製される。すなわち、積層基板３０は、図２に示すように、電極が設けられていない収縮抑制シート４７と、電極Ｐ１〜Ｐ３、１７、３１、７１〜７４とビアホール１４ａ〜１４ｆ、１５ａ〜１５ｆ、１６ａ〜１６ｆ、１８等が設けられている誘電体シート４１〜４６と、金属ケース接続用アース電極７４およびビアホール１４ｇ，１５ｇ，１６ｇが設けられている収縮抑制シート４７と、ビアホール１４ｈ，１４ｉ，１５ｈ，１５ｉ，１６ｈ，１６ｉが設けられている収縮抑制シート４７とを積層してなるものである。
【００２０】
誘電体シート４１〜４６はアルミナ、アルミナ粉とガラス粉の混合材（低温焼結誘電体基板）、チタン酸バリウム系セラミックなどからなる。特に、誘電体シート４１〜４６は、アルミナ、アルミナとガラスを主成分とする複合誘電体材、窒化アルミ、あるいはこれらの複合誘電体材で作製されていることが好ましい。なぜなら、アルミナや窒化アルミは誘電体や絶縁体の中では熱伝導性に優れ、しかも、積層基板を作り易いからである。
【００２１】
本第１実施形態の場合、誘電体シート４１〜４６は、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とし、ＳｉＯ₂，ＳｒＯ，ＣａＯ，ＰｂＯ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏ，ＭｇＯ，ＢａＯ，ＣｅＯ₂，Ｂ₂Ｏ₃のうちの１種類あるいは複数種類を副成分として含む低温焼結誘電体材料にて作製する。
【００２２】
さらに、積層基板３０の焼成条件（特に焼成温度１０００℃以下）では焼成せず、積層基板３０の基板平面方向（Ｘ−Ｙ方向）の焼成収縮を抑制する収縮抑制シート４７を作製する。この収縮抑制シート４７の材料は、アルミナ粉末および安定化ジルコニア粉末の混合材料である。シート４１〜４７の厚みは１０μｍ〜２００μｍ程度である。
【００２３】
電極Ｐ１〜Ｐ３，１７，３１，７１〜７４は、パターン印刷等の方法によりシート４１〜４７に形成されている。電極Ｐ１〜Ｐ３等の材料としては、抵抗率が低く、誘電体シート４１〜４６と同時焼成可能なＡｇ，Ｃｕ，Ａｇ−Ｐｄなどが用いられる。これらの電極材料は、一般に、フリットと称するガラス系の材料と混合することにより、積層基板３０に固定される。しかし、場合によっては、積層基板３０の焼成温度を電極材料融点より高くして、電極Ｐ１〜Ｐ３等を一端溶融させて積層基板３０に固定する場合もある。
【００２４】
この電極Ｐ１〜Ｐ３等の表面には、Ｎｉめっきを下地としてＡｕめっきが施されている。Ｎｉめっきは、電極Ｐ１〜Ｐ３等のＡｇとＡｕめっきの固着強度を強くするとともに、Ａｇからなる電極Ｐ１〜Ｐ３のはんだ喰われを防止するバリア層として機能する。Ａｕめっきは、はんだ濡れ性を良くするとともに、導電率が高いのでアイソレータ１を低損失にできる。また、電極Ｐ１〜Ｐ３等の中で直流電圧が印加される電極がある場合、その電極表面にＡｇが露出していると、電極がマイグレーションを起こす可能性があるので、これを防止する働きもしている。電極Ｐ１〜Ｐ３等の厚みは３μｍ〜１０μｍ程度である。特に、大電流を流す必要のある電極に関しては、より厚い印刷マスクの使用や、複数回の印刷などの手法により３０μｍ程度の厚みの電極を形成する場合もある。
【００２５】
終端抵抗Ｒは、パターン印刷等の方法により誘電体シート４２の表面に形成されている。終端抵抗Ｒの材料としては、サーメット、カーボン、ルテニウムなどが使用される。
【００２６】
ビアホール１８は、シート４１〜４７にレーザ加工やパンチング加工などにより、予めビアホール用孔を形成した後、そのビアホール用孔に導電ペーストを充填することにより形成される。一般に、導電ペーストの材料としては、電極Ｐ１〜Ｐ３等と同一の電極材料（Ａｇ，Ｃｕ，Ａｇ−Ｐｄなど）が用いられる。
【００２７】
コンデンサ電極７１，７２，７３はそれぞれ、誘電体シート４２〜４４を間に挟んでグランド電極７４に対向して整合用コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３を構成する。これら整合用コンデンサＣ１〜Ｃ３や終端抵抗Ｒは、電極Ｐ１〜Ｐ３，１７，３１や信号用ビアホール１８とともに、積層基板３０の内部に電気回路を構成する。
【００２８】
以上の誘電体シート４１〜４６は積層され、さらに、その上下に収縮抑制シート４７が積層された後、焼成される。シート４１〜４７の線部に形成されたビアホール１４ａ〜１４ｉ，１５ａ〜１５ｉ，１６ａ〜１６ｉは、積層、焼成されることにより、シート４１〜４７の積み重ね方向に連接されてそれぞれ一体的になり、積層基板３０の底面および側面に跨っている外部接続用入力端子電極１４、外部接続用出力端子電極１５および外部接続用グランド端子電極１６となる。これにより、焼結体が得られ、その後、超音波洗浄法や湿式ホーニング法によって、未焼結の収縮抑制材料を除去し、図１に示すような積層基板３０とする。
【００２９】
積層基板３０の底面には、端子電極１４〜１６が突出して配設されている。積層基板３０の底面からの端子電極１４〜１６の突出量Ｔ（図１参照）は、金属製下側ケース８の厚みｔと略等しく設定される。また、端子電極１４〜１６の間に充填するように形成されていた未焼結の収縮抑制材料が除去された部分は金属製下側ケース８の挿入部とされる。
【００３０】
端子電極１４〜１６の表面には、必要であれば、ニッケルや金、白金、銀、銅などからなる１層以上の金属膜を形成しても良い。金属膜の形成方法としては、メッキや蒸着がある。１層以上の金属膜を設ける目的は、端子電極１４〜１６の半田付け性（半田濡れ性）改善、半田への溶融（半田喰われ）防止、摩滅防止、半田付け以外の方法（圧接、導電ペースト）で実装を行なう際の接触抵抗の低減、安定化にある。
【００３１】
図３および図４に示すように、積層基板３０を平面視したとき、終端抵抗Ｒの投影範囲内もしくは終端抵抗Ｒを頂面とする斜面角度が４５°の四角錐台の範囲内に、積層基板３０と一体的に形成された外部接続用グランド端子電極１６の少なくとも一部が重なっている。
【００３２】
なお、この積層基板３０は通常マザーボード状態で作成される。このマザーボードに所定のピッチでハーフカット溝を形成し、ハーフカット溝に沿って折ることにより、マザーボードから所望のサイズの積層基板３０を得る。あるいは、マザーボードをダイサーやレーザなどで切断することにより、マザーボードから所望のサイズの積層基板３０を切り出してもよい。
【００３３】
こうして得られた積層基板３０は、内部に整合用コンデンサＣ１〜Ｃ３および終端抵抗Ｒを有している。整合用コンデンサＣ１〜Ｃ３は必要な静電容量精度で製作する。しかし、トリミングを行う場合は、整合用コンデンサＣ１〜Ｃ３と中心電極２１〜２３を接続する前に行なわれる。つまり、積層基板３０は、単体の状態で、内部（２層目）のコンデンサ電極７１，７２，７３を表層の誘電体とともにトリミング（削除）される。トリミングには、例えば、切削機やＹＡＧの基本波、２倍波、３倍波のレーザが用いられる。レーザを用いれば、早くかつ精度の良い加工が得られる。なお、トリミングは、マザーボード状態の積層基板３０に対して効率良く行ってもよい。
【００３４】
また、積層基板３０には終端抵抗Ｒも内蔵されており、整合用コンデンサＣ１〜Ｃ３と同様に終端抵抗Ｒも、表層の誘電体とともにトリミングすることにより、抵抗値を調整することができる。終端抵抗Ｒは１箇所でも幅が細くなると抵抗値が上がるので、幅方向の途中まで削る。
【００３５】
以上の構成部品は以下のようにして組み立てられる。すなわち、図１に示すように、永久磁石９は金属製上側ケース４の天井に配置される。積層基板３０上には、中心電極組立体１３が、中心電極組立体１３の中心電極２１〜２３の各々の一端が積層基板３０の表面に形成された中心電極用接続電極Ｐ１〜Ｐ３にはんだ付けされ、かつ、中心電極２１〜２３の各々の他端がグランド用接続電極３１にはんだ付けされることにより、実装される。なお、中心電極２１〜２３と接続電極Ｐ１〜Ｐ３，３１とのはんだ付けは、マザーボード状態の積層基板３０に対して効率良く行なってもよい。
【００３６】
積層基板３０は金属製下側ケース８の底部８ａ上に載置され、積層基板３０の下面に設けたグランド電極７４がはんだによって底部８ａに固定されるとともに電気的に接続される。
【００３７】
そして、金属製下側ケース８の側部８ｂと金属製上側ケース４の側部４ｂをはんだ等で接合することにより金属ケースとなり、電磁シールド、アース端子およびヨークとしても機能する。つまり、この金属ケースは、永久磁石９と中心電極組立体１３と積層基板３０を囲む磁路を形成する。また、永久磁石９はフェライト２０に直流磁界を印加する。
【００３８】
図５はアイソレータ１の外観斜視図、図６はその電気等価回路図である。以上の構成からなるアイソレータ１の積層基板３０は、図３および図４に示すように、平面視で終端抵抗Ｒの投影範囲内もしくは終端抵抗Ｒを頂面とする斜面角度が４５°の四角錐台の範囲内に、外部接続用グランド端子電極１６の一部が配設されている。
【００３９】
従って、アイソレータ１に入った反射電力を終端抵抗Ｒが吸収することによって終端抵抗Ｒが発熱しても、その熱は誘電体層を介して、最短経路で、終端抵抗Ｒの下方に配設されている外部接続用グランド端子電極１６に、熱抵抗少なく効率良く伝導される。外部接続用グランド端子電極１６に伝わった熱は、さらに、アイソレータ１を実装している回路基板８０に伝わり、外部に放熱される。つまり、アイソレータ１内部の中心電極組立体１３などの昇温を抑えつつ、外部への放熱は良好になる。
【００４０】
従って、同じ電力を吸収した場合でも、終端抵抗Ｒの上昇温度は従来より低く抑えられ、アイソレータ１の信頼性が向上する。さらに、アイソレータ１や終端抵抗Ｒのサイズを変えることなく、従来より大きい反射電力を取り扱うことのできるアイソレータ１が得られる。
【００４１】
また、図７は、終端抵抗Ｒと外部接続用グランド端子電極１６との間の距離を種々変えてアイソレータ１を試作し、電力を入力したときの終端抵抗Ｒの表面温度を測定した結果を示すグラフである。なお、このときの試験条件は、入力電力が１．０Ｗ、アイソレータ１の周囲温度が２５℃、積層基板３０の板厚Ｄが０．２ｍｍである。そして、図７の（Ａ）に示すように、終端抵抗Ｒと外部接続用グランド端子電極１６との間の距離が０．２ｍｍのとき、すなわち、外部接続用グランド端子電極１６が終端抵抗Ｒを頂面とする斜面角度が４５°の四角錐台の縁部に位置するときには、終端抵抗Ｒの温度上昇の抑制効果は、外部接続用グランド端子電極１６が終端抵抗Ｒの略直下にある場合と同等であることがわかる。
【００４２】
また、図７の（Ｂ）に示すように、終端抵抗Ｒと外部接続用グランド端子電極１６との間の距離が０．６ｍｍのとき、すなわち、外部接続用グランド端子電極１６が終端抵抗Ｒから積層基板３０の板厚Ｄの３倍程度離れているときには、終端抵抗Ｒの温度上昇の抑制効果があることはわかる。しかし、これ以上離れると、殆ど効果がなくなる。
【００４３】
また、外部接続用グランド端子電極１６は、アイソレータ１を実装している回路基板８０に設けられた広面積のグランドパターン（通常、銅箔や銀厚膜）８１にはんだ付けされる。グランドパターン８１は、回路基板８０に設けられた他の信号パターン８５より熱伝導が良好である。従って、本第１実施形態のように、終端抵抗Ｒの下方に配設される外部接続用端子電極がグランド端子の場合には、放熱効果がより一層向上する。
【００４４】
さらに、外部接続用グランド端子電極１６は、通常、アース電位の金属ケース（金属製下側ケース８および金属製上側ケース４）に電気的に接続される。電気の良導体である金属は熱抵抗も一般に低い。従って、外部接続用グランド端子電極１６に伝わった熱は、金属製ケースに伝わり、輻射（放射）、空気の対流、および金属ケースからアイソレータ１が実装されている回路基板８０への伝導により、外部に放熱される。
【００４５】
また、本第１実施形態では、終端抵抗Ｒを積層基板３０内に印刷抵抗で形成しているので、アイソレータ１をより一層小型化することができ、かつ、終端抵抗Ｒと該終端抵抗Ｒの下方の積層基板３０の底面に形成されている外部接続用グランド端子電極１６との間の熱抵抗も最小にすることができる。
【００４６】
また、アイソレータ１を回路基板８０に実装するに際しては、外部接続用端子電極１４〜１６を回路基板８０上に設けた電極パターンにはんだ付けするだけでなく、通常の表面実装で耐電力性良好な実装が実現できる。従って、金属製ケースを通信装置のシャーシにネジ止めする従来の構造と異なり、ネジ止めなどの煩雑な作業が不要となり、小型で低コストのアイソレータ１が得られる。
【００４７】
さらに、図４に示すように、アイソレータ１を実装している回路基板８０は、平面視で外部接続用グランド端子電極１６の投影範囲もしくは外部接続用グランド端子電極１６の底面を頂面とする斜面角度が４５°の四角錐台の範囲内に、スルーホール８３が配設されている。外部接続用グランド端子電極１６に伝わった熱は、グランドパターン８１を介してこのスルーホール８３に伝導され、放熱される。この結果、放熱効果が一層向上する。なお、スルーホール８３の代わりにビアホールを用いても同様の効果を得ることができる。
【００４８】
また、図３および図４に示すように、積層基板３０を平面視したとき、終端抵抗Ｒの投影範囲内に内部電極が配置されていない場合には、製造時に発生する終端抵抗Ｒの抵抗値のばらつきを低減できる。積層基板３０を焼成する際、誘電体シートと内部電極との間に収縮率の差があり、かつ、誘電体シートの収縮率ならびに内部電極の収縮率にもそれぞればらつきがある。また、積層基板３０の内部における内部電極配設位置にもばらつきがある。終端抵抗Ｒの投影範囲内に内部電極が配置されていると、それらが原因で積層基板３０に歪が生じて終端抵抗Ｒの膜厚がばらつき、抵抗値がばらつくのである。抵抗値がばらつくと、終端抵抗Ｒをトリミングして抵抗値を所望の値に合わせる必要がある。トリミングする際にも、より多くの時間を要したり、調整できない値（抵抗値過大）が生じたりして不良品となる場合も生じる。従って、終端抵抗Ｒの投影範囲内には放熱機能を有する外部接続用グランド端子電極１６のみを設け、それ以外の電極を設けないことは、安定かつ安価に終端抵抗Ｒを形成するとともに、良好な放熱性を実現するという二つの性能を両立させる点で効果がある。
【００４９】
なお、積層基板３０は種々変形され、例えば図８に示す積層基板であってもよい。積層基板３０は、平面視で終端抵抗Ｒの投影範囲内もしくは終端抵抗Ｒを頂面とする斜面角度が４５°の四角錐台の範囲内に、少なくとも一部が重なる柱状放熱用ビアホール９０を設けたものである。柱状放熱用ビアホール９０は、誘電体シート４５，４６のそれぞれに設けられた放熱用ビアホールを誘電体シート４１〜４６の積み重ね方向に連接して構成されている。柱状放熱用ビアホール９０の上端は誘電体シート４２〜４４を間に挟んで終端抵抗Ｒに近接し、下端は積層基板３０の底面に設けられているグランド端子電極１６に電気的に接続されている。終端抵抗Ｒの下に、誘電体層を介して、柱状放熱用ビアホール９０が配設されているので、この柱状放熱用ビアホール９０が外部接続用グランド端子電極１６への熱伝導を促進する。
【００５０】
終端抵抗Ｒと放熱用ビアホール９０の間に配設されている誘電体層の厚みは、５０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましい。なぜなら、５０μｍより薄いと、終端抵抗Ｒの抵抗値がばらつくからである。一般に、ビアホール内に充填された導体は誘電体と比較して焼成時の収縮率が低いので、焼成時に、放熱用ビアホール９０が薄い誘電体層を介して終端抵抗Ｒを押して歪ませるのである。また、４００μｍを超えると、放熱用ビアホール９０と終端抵抗Ｒが離れ過ぎて放熱用ビアホール９０の効果がほとんど得られない。
【００５１】
また、放熱性の点から、放熱用ビアホール９０の横断面の面積は大きいほど好ましく、終端抵抗Ｒと略同一形状またはそれ以上であると放熱効果は大きい。さらに、放熱用ビアホール９０内を充填する導電ペーストは、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｇ−Ｐｄなどの熱伝導率の良好な材料が好ましい。特に、電極Ｐ１〜Ｐ３等と同じ厚膜電極材料を用いた場合には、熱伝導率は純粋な金属の場合の７０％程度となる。従って、一旦溶融した電極を積層基板３０内に凝固させて固定する工法で作られた放熱用ビアホール９０であれば、熱伝導（＝放熱）上一層有利である。
【００５２】
ところで、放熱用ビアホール９０が接地されている場合、放熱用ビアホール９０と終端抵抗Ｒの間には静電容量が発生する。この静電容量は終端抵抗Ｒに直列に接続するため、損失の大きな静電容量である。通常このような静電容量は、アイソレータ１の中心電極２１（または２２）と整合用コンデンサＣ１（またはＣ２）のようなタンク回路（並列共振回路）には好ましくないものである。なぜなら、共振回路のＱを下げてしまうからである。しかし、本発明の場合、この損失の含まれる静電容量はアイソレータ１の終端ポートであるＰ３に接続されるため、致命的な問題とならない。のみならず、この部分で発生した静電容量分だけ、本来の静電容量を減少させることが可能となるため、終端ポートＰ３の整合用コンデンサＣ３を小型化でき、ひいてはアイソレータ１を小型化できることとなる。
【００５３】
［第２実施形態、図９および図１０］
第２実施形態のアイソレータは、図１に示した第１実施形態のアイソレータ１において、積層基板３０の代わりに、図９に示した積層基板３０Ａを使用したものである。
【００５４】
この積層基板３０Ａは、内部に整合用コンデンサＣ１〜Ｃ３を設け、底面に凸状の外部接続用端子電極１４〜１６を設け、上面にチップ部品の終端抵抗Ｒを搭載している。終端抵抗Ｒの両端はそれぞれ、積層基板３０の上面に形成された電極パターン１０５ａ，１０５ｂに直接にはんだ付けされている。図１０に示すように、ホット側電極パターン１０５ａは積層基板３０の内部に形成された信号用ビアホール１８を介してコンデンサ電極７３に接続されている。コールド側電極パターン１０５ｂは信号用ビアホール１８を介してグランド電極７４や外部接続用グランド端子電極１６に接続されている。
【００５５】
底面に設けられた外部接続用端子電極１４〜１６は、それぞれ信号用ビアホール１８を介して整合用コンデンサＣ１〜Ｃ３や終端抵抗Ｒに電気的に接続されている。なお、積層基板３０Ａは前記第１実施形態の積層基板３０と同様の製法により作製される。
【００５６】
ここで、積層基板３０Ａを平面視したとき、終端抵抗Ｒの投影範囲内もしくは終端抵抗Ｒの底面を頂面とする斜面角度が４５°の四角錐台の範囲内に、積層基板３０Ａと一体的に形成された外部接続用グランド端子電極１６の少なくとも一部が重なっている。
【００５７】
以上の構成からなるアイソレータ１０１は、前記第１実施形態のアイソレータ１と同様の作用効果を奏する。さらに、積層基板３０Ａと終端抵抗Ｒが別体であるため、抵抗値の異なる終端抵抗Ｒを複数種類用意しておくことにより、設計の変更に素早く対応することができる。また、製造時にフェライト２０などの物理定数や中心電極２１〜２３の電気定数がロット単位で変動しても、抵抗値の異なる終端抵抗Ｒに変更することで、容易に補正することができる。
【００５８】
［第３実施形態、図１１］
図１１に示すように、第３実施形態のアイソレータ１０１Ａは、図１０に示した第２実施形態のアイソレータ１０１において、チップ部品の終端抵抗Ｒの代わりに、印刷された終端抵抗Ｒを使用したものである。
【００５９】
ここで、積層基板３０Ａを平面視したとき、ビアホール１８（ただし、図１１において、左側に表示されている三つのビアホール１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）は、終端抵抗Ｒの投影範囲内には重なっていないが、終端抵抗Ｒを頂面とする斜面角度が４５°の四角錐台の範囲を含めて周囲に積層基板３０Ａの板厚Ｄの３倍以下の距離だけ延在した第１領域内に少なくとも一部が重なっている。つまり、積層基板３０Ａに設けられている全てのビアホールを、終端抵抗Ｒの投影範囲外に配置している。
【００６０】
ビアホール１８ａ〜１８ｃは放熱用ビアホールとしても機能し、これにより、終端抵抗Ｒで発生した熱は放熱用ビアホール１８ａ〜１８ｃにも伝導される。従って、放熱効果はより一層向上する。
【００６１】
以上の構成からなるアイソレータ１０１Ａは、前記第２実施形態のアイソレータ１０１と同様の作用効果を奏する。さらに、終端抵抗Ｒの投影範囲内にビアホールが配置されていないので、製造時に発生する終端抵抗Ｒの抵抗値のばらつきを低減できる。誘電体シート材料とビアホール材料の組み合わせによっては、焼成時における収縮率の差が大きく、焼成後の積層基板３０Ａに凹凸歪みが生じる場合がある。終端抵抗Ｒの投影範囲内にビアホールが配置されていると、それが原因で終端抵抗Ｒの膜厚がばらつき、抵抗値がばらつくのである。終端抵抗Ｒは、通常、焼成した後にトリミングされ、所望の抵抗値に調整されるが、抵抗値のばらつきが大きいと調整しきれない場合がある。従って、終端抵抗Ｒの投影範囲内にビアホールを設けないことは、安定かつ安価に終端抵抗Ｒを形成するとともに、良好な放熱性を実現するという二つの性能を両立させる点で効果がある。
【００６２】
［第４実施形態、図１２］
図１２に示すように、集中定数型アイソレータ１１０は、概略、金属製下側ケース１１８と金属製上側ケース１１４とからなる金属ケースと、永久磁石１１９と、樹脂部材１１５と、フェライト１３０と中心電極１３１〜１３３とからなる中心電極組立体１２３と、終端抵抗Ｒ及び整合用コンデンサＣ１〜Ｃ３を有し、外部接続用の入力端子電極１４４、出力端子電極およびグランド端子電極１４６が（出力端子電極は図示されていない）が突出している単板の誘電体基板１４０を備えている。
【００６３】
誘電体基板１４０の上面には、終端抵抗Ｒとコンデンサ電極１５１〜１５３とグランド電極１５４がパターン印刷等の方法により形成されている。誘電体基板１４０の底面には、誘電体基板１４０と一体的に形成された端子電極１４４，１４６が突出している。誘電体基板１４０の底面からの端子電極１４４，１４６の突出量Ｔは、金属製下側ケース１１８の厚みｔ（本第４実施形態では０．１３ｍｍ）より僅かに小さくして０．１２ｍｍとしている。これは、本第４実施形態では誘電体基板１４０の厚みが０．２０ｍｍと薄く、実装時に誘電体基板１４０に過度の力がかかると破損するおそれがあるため、はんだ付け性を損なわない範囲で、金属ケースより端子電極１４４，１４６が僅かに窪むように設計したからである。誘電体基板１４０が十分な強度を有する場合は、逆に、端子電極１４４，１４６の突出量Ｔを０．１５ｍｍ程度にしてもよい。
【００６４】
コンデンサ電極１５１，１５２はそれぞれ誘電体基板１４０に設けたスルーホール１６０を介して入力端子電極１４４および出力端子電極に電気的に接続されている。グランド電極１５４もスルーホール１６０を介してグランド端子電極１４６に電気的に接続されている。コンデンサ電極１５１，１５２，１５３はそれぞれ誘電体基板１４０を間に挟んで、アース電位の金属製下側ケース１１８に対向して整合用コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３を構成する。また、中心電極１３１，１３２，１３３のポート部Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３はそれぞれ、コンデンサ電極１５１，１５２，１５３にはんだ付けされる。
【００６５】
ここに、誘電体基板１４０を平面視したとき、終端抵抗Ｒの投影範囲内もしくは終端抵抗Ｒを頂面とする斜面角度が４５°の四角錐台の範囲内に、誘電体基板１４０と一体的に形成された外部接続用グランド端子電極１４６の少なくとも一部が重なっている。
【００６６】
以上の構成からなるアイソレータ１１０は、前記第１実施形態のアイソレータ１と同様の作用効果を奏する。
【００６７】
［第５実施形態、図１３］
第５実施形態は、本発明に係る通信装置として、携帯電話を例にして説明する。
【００６８】
図１３は携帯電話２２０のＲＦ部分の電気回路ブロック図である。図１３において、２２２はアンテナ素子、２２３はデュプレクサ、２３１は送信側アイソレータ、２３２は送信側電力増幅器、２３３は送信側段間用帯域通過フィルタ、２３４は送信側ミキサ、２３５は受信側電力増幅器、２３６は受信側段間用帯域通過フィルタ、２３７は受信側ミキサ、２３８は電圧制御発振器（ＶＣＯ）、２３９はローカル用帯域通過フィルタである。
【００６９】
ここに、非可逆回路素子２４０は、送信側アイソレータ２３１として、前記第１実施形態〜第４実施形態の集中定数型アイソレータ１，１０１，１０１Ａ，１１０を用いるとともに、基板３０，３０Ａ，１４０に送信側電力増幅器２３２を搭載した複合タイプのものである。この非可逆回路素子２４０を実装することにより、電気的特性の向上した、かつ、信頼性の高い携帯電話２２０を実現することができる。
【００７０】
より詳細に説明すると、送信側アイソレータ２３１はデュプレクサ２２３を経由してアンテナ素子２２２に接続されている。従って、アンテナ素子２２２からの反射電力が送信側アイソレータ２３１の出力端子電極に戻り、アイソレータ２３１の終端抵抗Ｒに吸収されて熱となることによって、反射電力が送信側電力増幅器２３２に戻ることが防止される。
【００７１】
ところで、終端抵抗Ｒが発熱しても、本発明のように、終端抵抗Ｒと非可逆回路素子２４０の外部の放熱器（この場合、非可逆回路素子２４０を実装している回路基板）の間が低熱抵抗で結合されていると、終端抵抗Ｒの温度はより低く保たれる。その結果、終端抵抗Ｒに隣接するアイソレータ２３１のその他の内部素子である中心電極組立体１３や永久磁石９や整合用コンデンサＣ１〜Ｃ３の温度も低く保たれる。
【００７２】
一般に、アイソレータは高温になると、その挿入損失が大きくなる。そのため、アイソレータの内部温度が低く保たれると、アイソレータの挿入損失の、温度上昇による悪化は小さくなる。逆に、アイソレータの内部温度が高くなると挿入損失が増加するが、増加した挿入損失で発生した損失は更なる温度上昇の熱源となり、一層の挿入損失劣化が発生する悪循環におちいる。すなわち、本発明を適用することで、使用時のアイソレータの性能、特に挿入損失特性を著しく改善することができる。
【００７３】
なお、アイソレータが高温になると、その挿入損失が大きくなる要因は主として以下の四つである。（ｉ）高温下ではフェライトの磁気損失指標であるΔＨが大きく（悪く）なる。（ｉｉ）中心電極の電気抵抗が大きくなるとともに、永久磁石の高周波絶縁度が下がる（多くのアイソレータにおいて、高周波磁界のいくらかが、フェライトや永久磁石の内部を通る設計になっており、高周波絶縁度が下がると永久磁石内に渦電流が流れ、損失増加の要因となる）。（ｉｉｉ）整合用コンデンサの誘電体の損失指標であるｔａｎδが大きく（悪く）なる。（ｉｖ）整合用コンデンサの電極部分の電気抵抗が大きくなる。
【００７４】
そして、電力増幅器などの発熱性電子部品とアイソレータを複合する場合においては、それぞれの部品の占有面積が低減される傾向にあるため、外部接続用端子電極を用いて効率良く放熱する本発明は最適である。特に、送信側電力増幅器２３２との複合時においては、基板３０，３０Ａ，１４０自体の温度が上がると、ＦＥＴを用いた電力増幅器２３２では出力が低下したり、バイポーラ・トランジスタを用いた電力増幅器２３２では増幅素子が熱暴走で破壊したりする原因となる。そこで、基板３０，３０Ａ，１４０の温度を上げないで、熱抵抗少なく外部に放熱する本発明は極めて好都合である。
【００７５】
［他の実施形態］
なお、本発明は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。例えば、誘電体基板は前記実施形態のように積層基板（多層基板）でもよいし、両面基板でもよい。
【００７６】
また、誘電体基板を平面視したとき、終端抵抗の投影範囲もしくは終端抵抗を頂面とする斜面角度が４５°の四角錐台の範囲（すなわち第２領域）を含めて周囲に誘電体基板の最も厚い部分の厚みの３倍以下の距離だけ延在した第１領域内に外部接続用端子電極の一部が配設されているものであってもよい。このように、外部接続用端子電極の配設位置を第２領域より広範囲の第１領域に拡げても、前記実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００７７】
拡大寸法を「誘電体基板の最も厚い部分の厚みの３倍以下の距離」に設定した理由は、誘電体基板は厚み方向に薄いので、基板面方向への熱抵抗が大きく、これ以上終端抵抗から外部接続用端子電極が離れると、外部接続用端子電極による放熱効果が急速に悪くなるからである。非可逆回路素子を実装している回路基板に設けられた放熱作用を有するスルーホールやビアホールも同様である。
【００７８】
また、前記第１領域もしくは第２領域に配設される外部接続用端子電極は、グランド端子電極の他に、入力端子電極や出力端子電極などであってもよい。
【００７９】
また、誘電体基板の内部に形成されるコンデンサは、整合用コンデンサに限るものではなく、低域通過フィルタやトラップ回路などを構成するためのコンデンサであってもよい。また、本発明に係る非可逆回路素子は、アイソレータ以外に、サーキュレータやカップラー内蔵の非可逆回路素子などであってもよい。
【００８０】
また、突起状の外部接続用端子電極の形成方法としては、誘電体基板の表面に薄膜形成法で形成された外部接続用端子電極の上に、Ａｇ，Ａｇ−Ｐｄ，Ｃｕなどの導電ペーストを塗布後、焼付けることによって突起状の厚膜電極を形成する方法もある。
【００８１】
また、前記実施形態の非可逆回路素子は誘電体基板を金属ケースで囲んだ構造のものであるが、必ずしもこの構造に限るものではなく、誘電体基板を金属ケースの外に配設した構造のものであってもよい。
【００８２】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、非可逆回路素子に入った反射電力を終端抵抗が吸収することによって終端抵抗が発熱しても、その熱は放熱用ビアホールによって効率良く伝導し、空気の対流、および非可逆回路素子が実装されている回路基板への伝導により、外部に放熱される。この結果、小型化や低コスト化に適し、かつ、終端抵抗で発生した熱を効率良く外部に放熱することができる非可逆回路素子、非可逆回路素子の実装構造および通信装置を得ることができる。また、放熱用ビアホールは終端抵抗の投影範囲外に配置されているため、誘電体基板の終端抵抗搭載部分に凹凸歪みが生じることが防止され、抵抗値がばらついたりすることを解消できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】非可逆回路素子の第１実施形態を示す分解斜視図。
【図２】図１に示した積層基板の分解斜視図。
【図３】図１に示した積層基板の平面図。
【図４】図１に示した非可逆回路素子を回路基板に実装した状態を示す垂直断面図。
【図５】図１に示した非可逆回路素子の外観斜視図。
【図６】図１に示した非可逆回路素子の電気等価回路図。
【図７】終端抵抗と外部接続用グランド端子電極間距離を種々変えて、終端抵抗Ｒの表面温度を測定した結果を示すグラフ。
【図８】図１に示した積層基板の変形例を示す垂直断面図。
【図９】非可逆回路素子の第２実施形態に使用される積層基板を示す外観斜視図。
【図１０】非可逆回路素子の第２実施形態を示す垂直断面図。
【図１１】本発明に係る非可逆回路素子の第３実施形態を示す垂直断面図。
【図１２】非可逆回路素子の第４実施形態を示す分解斜視図。
【図１３】本発明に係る通信装置の一実施形態を示す電気回路ブロック図。

Claims

永久磁石と、
前記永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、前記フェライトの表面もしくは内部に電気的絶縁状態で交差して配置されている複数の中心電極とからなる中心電極組立体と、
前記中心電極組立体の中心電極の端部と電気的に接続される整合用コンデンサおよび終端抵抗を設けるとともに、外部接続用端子電極を底面に設けた多層の誘電体基板と、
前記永久磁石と前記中心電極組立体を囲む金属ケースとを備え、
前記誘電体基板を平面視したとき、前記終端抵抗の４５°錐範囲を含めて周囲に前記誘電体基板の最も厚い部分の厚みの３倍以下の距離だけ延在した第１領域内に少なくとも一部が重なる放熱用ビアホールを有するとともに、前記誘電体基板に設けられている放熱用ビアホールを含む全てのビアホールが前記終端抵抗の投影範囲外に配置されていること、
を特徴とする非可逆回路素子。
前記終端抵抗が、前記誘電体基板の表面もしくは内部に形成された印刷抵抗であることを特徴とする請求項１に記載の非可逆回路素子。
前記終端抵抗が、前記誘電体基板の表面に搭載されたチップ抵抗であることを特徴とする請求項１に記載の非可逆回路素子。
前記放熱用ビアホールの材料が銀、銅、銀合金、銅合金およびこれら金属とフリットからなる厚膜ペースト材料のいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の非可逆回路素子。
前記誘電体基板上に発熱性電子部品が搭載されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非可逆回路素子。
前記発熱性電子部品が高周波電力増幅器であることを特徴とする請求項５に記載の非可逆回路素子。
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の非可逆回路素子と、前記非可逆回路素子を実装するための回路基板とを備え、
前記回路基板を平面視したとき、前記第１領域内に少なくとも一部が重なっている外部接続用端子電極の投影範囲もしくは４５°錐範囲を含めて周囲に前記回路基板の最も厚い部分の厚みの３倍以下の距離だけ延在した回路基板の第３領域内にビアホールもしくはスルーホールの少なくとも一部が重なっていること、
を特徴とする非可逆回路素子の実装構造。
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の非可逆回路素子、または、請求項７に記載の非可逆回路素子の実装構造の少なくともいずれか一つを備えたことを特徴とする通信装置。