JP4501291B2 - 誘電体フィルタおよびそれを用いたアンテナ共用器と通信機器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として携帯電話機などの高周波無線機器等で用いる小型の誘電体フィルタ、特にストリップライン型の共振用電極を誘電体基板上に配列し、互いに電磁気的に結合させた構造を有する誘電体フィルタに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、誘電体フィルタは携帯電話機の高周波フィルタとして多数用いられているが、さらに小型化、薄型化することが要望されており、同軸型に比べて薄くできる平面型の誘電体フィルタが今後有望視されている。以下に図面を参照しながら、平面型の誘電体フィルタの一例について説明する。
【0003】
図8は平面型積層タイプの誘電体フィルタの構造を示す分解斜視図であり、図に示す積層タイプの誘電体フィルタの基本的な構成は、まず6枚の誘電体基板1a〜1fよりなり、誘電体基板1bの上面にはシールド電極2aが、1cの上面には段間結合用電極3が、1dの上面には共振器電極4a,4bが、1eの上面には入出力結合容量電極5a,5bが、1fの上面にはシールド電極2bがそれぞれ形成され積層されている。
【0004】
またこの積層誘電体基板の左右側面にはシールド電極2a、2bと接続して接地端子を形成する端面電極6a、6bが、積層誘電体基板の背面にはシールド電極2a、2bおよび共振器電極4a,4bの共通の開放端と対応して接地端子となる端面電極7が形成されている。積層誘電体基板の前面に形成されている端面電極8は共振器電極4a,4bのそれぞれの短絡端と接続してシールド電極2a、2bと接続する。積層誘電体基板左右側面の端面電極9a、9bは入出力結合用電極5a、5bと接続して入出力端子を形成している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の構成を有する平面型積層タイプの誘電体フィルタにおいてその共振器電極を始めとする段間結合容量電極や入出力結合容量電極等は全て導電性ペースト等を印刷することにより形成されており、したがって共振器電極を十分な厚さで均一に形成することが困難であった。
【0006】
図9は図8に示す誘電体基板1cと1dとの積層状態を示す断面図であり、図に示すように共振器電極4a、4bの中心部は厚く、周辺に行くほど厚さが薄くなる傾向があった。また電極が印刷された誘電体基板を積層する時に電極端部が尖り、かつ端部に高周波電流が集中するために共振器のQ値が低下し、フィルタ特性が劣化するという課題があった。さらに金属粉末を導電体とする導電性ペーストを印刷する場合、印刷用スクリーンのメッシュに起因する表面の凹凸の発生は避けられず、フィルタ特性を劣化させるという課題があった。
【0007】
本発明は上記の課題を解決し、均一な厚さを備えた共振器電極を形成することにより低損失の誘電体フィルタを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、複数の共振器電極を備え、その共振器電極間を互いに電磁界結合させて構成した誘電体フィルタにおいて、複数の共振器電極を金属箔により構成するものであり、共振器のQ値を向上させ、低損失かつ高減衰特性を備えることができる。
【0018】
本発明の請求項1に記載の発明は、金、銀および銅の少なくともいずれかを主成分とする金属箔よりなる共振器電極を形成する工程と、共振器電極を誘電体基板の内部に埋め込み共振器誘電体基板を形成する工程と、共振器誘電体基板と少なくとも段間結合容量誘電体基板と入出力結合容量誘電体基板と接地電極誘電体基板とを積層して積層誘電体基板を形成する工程とを備える誘電体フィルタの製造方法であり、低損失、高減衰特性を有する誘電体フィルタを提供することができる。
【0019】
本発明の請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の誘電体フィルタの製造方法に関し、共振器電極を形成する工程を金、銀および銅の少なくともいずれかを主成分とする金属箔の両面にフォトマスクを形成してその両面からエッチングした後、化学研磨法または電解研磨法を用いて共振器電極の端面形状を角丸四角形状または円弧状とした電極フレームを形成する工程としたものであり、共振器電極の端面に任意の形状の丸みを付与することができる。
【0020】
本発明の請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の誘電体フィルタの製造方法に関し、共振器誘電体基板を形成する工程をグリーンシート状のセラミック誘電体基板に請求項2に記載の製造方法によって形成された共振器電極を埋め込む工程とするものであり、誘電体フィルタを高誘電率セラミック材料で構成する場合に使用することできるため、小型でかつフィルタ特性に優れた誘電体フィルタを提供することができる。
【0021】
本発明の請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の製造方法によって形成されたグリーンシート状の共振器セラミック誘電体基板と、少なくともグリーンシート状の段間結合容量セラミック誘電体基板と、グリーンシート状の入出力結合容量セラミック誘電体基板とをグリーンシート状の接地電極セラミック誘電体基板により上下から狭持して積層し、同時焼成することにより積層誘電体基板を形成する工程を備えた誘電体フィルタの製造方法であり、誘電体フィルタを全て高誘電率セラミック基板で構成することができるため、低損失で小型の誘電体フィルタを得ることが可能となる。
【0022】
本発明の請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の誘電体フィルタの製造方法に関し、共振器誘電体基板を形成する工程を、未硬化状態のコンポジット基板に請求項2に記載の製造方法によって得られた共振器電極を埋め込んだ後、加熱硬化させる工程とするものであり、製造コストの低減に有効である。
【0023】
本発明の請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の製造方法によって形成された共振器コンポジット誘電体基板と、少なくともそれぞれ焼成された段間結合容量セラミック誘電体基板と、入出力結合容量セラミック誘電体基板と、複数の接地電極セラミック誘電体基板とを積層することにより複合構造を有する積層誘電体基板を形成する工程を備えた誘電体フィルタの製造方法であり、共振器コンポジット誘電体基板とその他のセラミック誘電体基板を別の工程で製造した後、一体化することができ、製造歩留まりの向上に有効である。
【0027】
以下本発明の誘電体フィルタについて図面を参照しながら説明する。
【0028】
(実施の形態1)
図1は本発明の第1の実施の形態における誘電体フィルタの構造を示す分解斜視図であり、誘電体フィルタの基本的な構成は図6に示すものと同様であり、6枚の誘電体基板11a〜11fより構成されるが共振器電極が搭載される共振器誘電体基板11dは高誘電率セラミック基板の他に後述する製造方法により樹脂基板または樹脂成分と無機質フィラーとより構成されるコンポジット基板が選択される場合がある。
【0029】
まず接地電極誘電体基板11bの上面にはシールド電極12aが、段間結合容量誘電体基板11cの上面には段間結合容量電極13が形成され、共振器誘電体基板11dの上面には厚さが10μmから400μmの銀または銅を主成分とする金属箔よりなり、その断面形状が鋭利な角部を有しない角丸四角形状である共振器電極14a,14bが載置されており、入出力結合容量誘電体基板11eの上面には入出力結合容量電極15a,15bが、接地電極誘電体基板11fの上面にはシールド電極12bがそれぞれ形成され、これらの誘電体基板が一体に積層されて誘電体フィルタを構成している。
【0030】
また積層誘電体基板の左右側面には端面電極16a、16bおよび入出力結合容量電極15a、15bと接続して入出力端子を形成する端面電極19a、19bが、積層誘電体基板の背面および前面にはそれぞれ端面電極17、18がそれぞれ形成されている点は従来と同様である。
【0031】
上記構成において本発明の特徴とするところは共振器電極の構成にあり、図1に示すように共振器誘電体基板11dの上面に形成されている共振器電極14a、14bは金、銀および銅の少なくともいずれかを主成分とする金属箔より形成されたものである。
【0032】
図2(a)は図1に示すA−A線における積層された各誘電体基板11c、11dおよび11eの断面を示すものであり、共振器誘電体基板11dの上面には後述する別工程で作製された金、銀および銅の少なくともいずれかを主成分とする金属箔よりなる共振器電極14a、14bが配置されている。また段間結合容量誘電体基板11cの上面には段間結合容量電極13が、入出力結合容量誘電体基板11eの上面には入出力結合容量電極15a、15bがそれぞれ導電性ペーストの印刷により形成されている。なお、段間結合容量電極13および入出力結合容量電極15a、15bを共振器電極14a、14bと同様に金属箔で形成することも可能である。
【0033】
なお本実施の形態における共振器電極14a、14bは図2(b)にその拡大断面を示すようにその断面形状において角部が円弧状、または共振器電極の端面における断面が円弧状に形成されていることが電気特性上好ましく、このような角丸四角形状は後述する電極フレームを共振器電極14a、14bの形状にエッチングした後、共振器電極14a、14bの端面を化学研磨または電解研磨処理することによって形成することができる。さらに共振器電極14a、14bの表面は研磨または金属メッキ等の処理を施すことによって0.5μm〜0.01μmの表面粗さを有する平滑面としておくことが好ましい。
【0034】
このように共振器電極14a、14bを平坦な面を備えた金属箔で形成することにより、Q値の高い共振器を構成することができ、低損失かつ減衰特性に優れた誘電体フィルタを得ることができる。
【0035】
さらに共振器電極14a、14bの平面形状は図1に示す均一な電極幅を備えるものだけでなく、図2(c)に示すように開放端側に幅広部14aw、14bwを設けた形状とすることも必要とするフィルタ特性に対応して形成することができる。
【0036】
なお、本実施の形態においては、厚さが10μmから400μmの金属箔よりなりストリップ線路を用いた場合を示したが、本願発明はこれに限るものではない。なお、誘電体フィルタを高周波で用いる場合において、高周波電流は厚み方向に均一に流れるのではなく線路表面に集中することがあり、その集中する度合い、すなわち、集中する厚みを「表皮深さ」とすると、導体厚みは表皮深さ以上の厚みが必要となる。ストリップ線路の場合、高周波電流は上面、下面に流れるため導体厚みは2倍必要となり、表皮深さを考えると、周波数、導電率等にも依存するが、数GHzの周波数領域では約1〜3μmとなり、その2倍+αということで金属箔は10μm以上の厚さが好ましい。一方、実験の結果から100μmまで単調に共振器のQ値は向上するが200μmとなるとほぼ横ばいか多少上昇することになること、及び厚みを厚くすると誘電体フィルタの高さが高くなること等を考慮すると、金属箔の厚さは400μm以下が好ましい。
【0037】
また、上記の実施の形態において共振器電極として銅と銀を主成分とする電極厚みが100μmである金属箔を共振器電極として用いた場合、Q値は280となり、一方、従来例に示すように印刷工法により形成することによって電極厚みが40μmである共振器電極を用いた場合、Q値は240となることから、本実施の形態を用いることでQ値の高い共振器を提供することができる。
【0038】
(実施の形態2)
つぎに本発明に関わる誘電体フィルタの製造方法について説明する。
【0039】
図3は本発明の第2の実施の形態における誘電体フィルタの製造方法を示す工程図であり、まず別工程における共振器電極の製造方法について説明する。
【0040】
図3(a)は図3(b)の平面図におけるA−A線の断面を示すものであり、金、銀および銅の少なくともいずれかを主成分とする金属箔21の両面に全く同じパターンを有するエッチングレジスト膜22をフォトリソグラフィによって形成している。これを金属箔21の両側からエッチングし、さらにエッチングされた端面を化学研磨または電解研磨処理することにより図3(b)の平面図に示すように一対の共振器電極23が複数個形成された電極フレーム24を得ることができる。なお25は電極フレーム24の両内側に設けられた位置合わせ用ガイドである。
【0041】
図3(c)はこのようにして形成された電極フレーム24の断面を示すものであり、つぎに図3(d)に示すように電極フレーム24とBi−Ca−Nb−O系の高誘電率材料よりなる誘電体のグリーンシート26を重ねて上下から矢印のように加圧して図3(e)に示すように電極フレーム24をグリーンシート26中に埋め込み、つぎにこれを個片に切断することにより図3(f)に示す共振器誘電体基板27を得ることができる。
【0042】
つぎに図4はこのようにして形成した金属箔よりなる共振器電極(14a、14b)を備えた共振器誘電体基板27(図1では11dに相当)を用いて誘電体フィルタを形成する製造工程を示したものであり、図1と同一部分には同一番号を付して説明する。
【0043】
まず図4(a)に示すように保護材となる保護セラミック誘電体基板11a、シールド電極12aが形成された接地電極セラミック誘電体基板11b、段間結合容量電極13が形成された段間結合容量セラミック誘電体基板11c、上記図3の工程で得られた金属箔共振器電極14a、14bが埋め込まれた共振器セラミック誘電体基板11d、さらにその下部に入出力結合容量電極15a、15bが形成された入出力結合容量セラミック誘電体基板11eとシールド電極12bが形成された接地電極セラミック誘電体基板11fをそれぞれ配置して矢印で示すように加圧してそれぞれの電極類をグリーンシート状の各セラミック誘電体基板中に埋め込んで積層することにより、図4(b)に示す積層誘電体基板28を形成し、つぎにこの積層誘電体基板28を温度約900℃で還元雰囲気焼成を行い焼結させて積層型のセラミック誘電体フィルタを得ることができる。
【0044】
なお本実施の形態において上記各誘電体基板の材料としてBi−Ca−Nb−O系、Ba−Ti−O系、[Zr(Mg,Zn,Nb)]TiO4+MnO2系またはBa−Nd−Ti−O系の高誘電率セラミック材を用いることができ、さらに容量を形成しない構成部にフォルステライト系、アルミナほう珪酸ガラス系の低誘電率セラミック基板を用いることも可能である。
【0045】
(実施の形態3)
つぎに本発明の第3の実施の形態における誘電体フィルタの製造方法について説明する。本実施の形態が第2の実施の形態と異なる点は金属箔よりなる共振器電極を埋め込むための誘電体基板としてエポキシ系樹脂よりなる熱硬化性樹脂とAl2O3,MgO等の粉体よりなる無機質フィラーを混合したコンポジット材料を用いた点である。
【0046】
なお、上記熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂以外にフェノール系樹脂、シアネート系樹脂等もコンポジット材料の樹脂成分として使用することができる。
【0047】
図5は本実施の形態における製造方法の要点を説明する概略工程図であり、まず図5(a)に示すように保護材となるグリーンシート状の保護セラミック誘電体基板31aとシールド電極32aを備えるグリーンシート状の接地電極セラミック誘電体基板31bと段間結合容量電極33を備えるグリーンシート状の段間結合容量セラミック誘電体基板31cを重ね合わせて矢印方向に加圧、積層する。これを約900℃で焼成することにより図5(b)に示す第1の誘電体ブロック34を形成する。つぎに図5(c)に示すように入出力結合容量電極35a、35bを備えるグリーンシート状の入出力結合容量セラミック誘電体基板36とシールド電極32bが形成されたグリーンシート状の接地電極セラミック誘電体基板37とを重ね合わせて加圧、積層して同じく約900℃で焼成することにより図5(d)に示す第2の誘電体ブロック38を形成する。
【0048】
つぎに図5(e)に示すように第1の誘電体ブロック34と第2の誘電体ブロック38との間に図3において説明した共振器電極の形成法と同様な工程を用いてエポキシ系樹脂とAl2O3,MgO等の粉体よりなる無機質フィラーを混合したコンポジットシート中に共振器電極39a、39bを埋め込んだ共振器コンポジット誘電体基板40を挟んで矢印方向に加圧して入出力結合容量電極35a、35bを共振器コンポジット誘電体基板40の下面に埋め込ませ、コンポジット材の硬化温度の150℃〜200℃で加熱して一体化させることにより図5(f)に示す誘電体フィルタを得ることができる。
【0049】
なお本実施の形態においてコンポジットシートを構成する無機質フィラーとして上記Al2O3,MgO以外に Bi−Ca−Nb−O系、Ba−Ti−O系、[Zr(Mg,Zn,Nb)]TiO4+MnO2系またはBa−Nd−Ti−O系の高誘電率セラミック粉末を高い充填量で混入して共振器コンポジット誘電体基板40を形成することにより優れたフィルタ特性を得ることができる。
【0050】
このように本実施の形態によれば金属箔よりなる共振器電極39a、39bを樹脂成分を含むコンポジット材料に埋め込ませているため、図5に示す比較的容易な製造工程で誘電体フィルタを形成することが可能となる。
【0051】
なお、本実施の形態において、コンポジット材料のフィラーの含有率の一例としては、同時に用いるセラミック材料と熱膨張係数を合わせるために、フィラーの含有率を70〜90%ぐらいにすることが好ましい。
【0052】
また、コンポジット材料の誘電率を大きくしたい場合には、フィラーの含有率を出来るだけ高くしたほうが好ましく、逆に接着性を考慮すればフィラーの含有率は上記の数値範囲より少なくても構わない。
【0053】
(実施の形態4)
つぎに本発明の第4の実施の形態における誘電体フィルタの製造方法について説明する。本実施の形態は誘電体フィルタを比較的容易な製造方法で提供することができる第3の実施の形態の製造方法を改善するものであり、図6(a)に示すように図3に示す電極フレーム24と、電極フレームとほぼ同等の厚さを有するコンポジット材41とを圧着し、図6(b)のように電極フレーム24の間隙部42にコンポジット材41を充填して電極コンポジット基板43を形成する。
【0054】
つぎに図6(c)に示すように図5(b)で得た第1の誘電体ブロック34と、図5(c)で形成したグリーンシート状の第2の誘電体ブロック38の上面にグリーンシート状の高誘電率セラミック材よりなる誘電体基板44を積層して第3の実施の形態の場合と同様の条件で焼成して形成した第3の誘電体ブロック45との間に電極コンポジット基板43を個片に切断して得た共振器コンポジット誘電体基板46を挟んで圧着することにより図6(d)に示すように入出力結合容量電極35a、35bと共振器電極39a、39bとの間に高誘電率材料よりなる誘電体基板44を介在させることができ、コスト低減に有効な製造方法でありながらQ値を向上させた誘電体フィルタを得ることができる。
【0055】
また本実施の形態における電極コンポジット基板43を用いる代わりに、図6(c)に示す工程において第3の誘電体ブロック45の上面に共振器電極39a、39bを載置し、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シアネート樹脂、ポリフェニレンフタレート樹脂またはポリフェニレンエーテル樹脂の少なくともいずれかの液状樹脂を接着剤として電極フレーム24の間隙部42に充填して誘電体ブロック34を接合して誘電体フィルタを製造することも可能である。また上記樹脂接着剤に代えてガラスフリットよりなるペーストを電極フレーム24の間隙部42に充填して約900℃で焼成し、ガラス封着することもできる。
【0056】
なお図3(a)〜(e)および図6(a)、(b)に示した電極フレームによる共振器電極の形成は複数の共振器電極を同時に形成する多数個取りの場合について説明しており、その他の工程は図面を簡略化するため個々の誘電体フィルタについて説明している。
【0057】
上記本発明の各実施の形態における金属箔よりなる共振器電極は、その表面を研磨またはAu、Ag、Cu等をメッキ形成することによりその平均表面粗さを0.5μmから0.01μm程度の平滑面とすることができ、従来の導電性ペーストの印刷による共振器電極の平均表面粗さ1〜3μmに比較し、極めて平坦性に優れた電極表面を得ることができるため共振器のQ値が向上し、優れたフィルタ特性を得ることができる。
【0058】
また本発明に関わる金属箔よりなる複数の共振器電極について上記各実施の形態では2本の共振器電極から構成される共振器について説明したが、3本以上の共振器電極を形成した場合でも同様の効果を得ることが可能である。
【0059】
さらに従来の導電性ペーストの印刷による共振器電極はその厚さに限界があったが本発明に関わる金属箔よりなる共振器電極はフォトリソグラフィによる金属箔のエッチング形成が可能であるため必要とするフィルタ特性に応じて自由にその厚さを設計することができ導体ロスを低減できるため、通信機器等の小型化に有効に活用することができる。
【0060】
(実施の形態5)
つぎに本発明の第5の実施の形態について説明する。本実施の形態は上記第1から第4の実施の形態における誘電体フィルタを携帯電話等の通信機器の送信波と受信波とを分波するアンテナ共用器の送信用フィルタまたは受信用フィルタとして使用するものであり、図7に示すようにアンテナに接続する整合回路の両端にそれぞれ本発明に関わる誘電体フィルタを配置することにより、アンテナ共用器に使用していた従来のスペースファクタの大きな同軸共振器を排除することができるので、極めて小型化されたアンテナ共用器を得ることができる。
【0061】
さらに本発明に係わる金属箔よりなる共振器電極を備えた誘電体フィルタまたは上記アンテナ共用器を携帯電話等の通信機器に使用することにより、優れた特性および極めて小型化された通信機器を実現することが可能となる。
【0062】
【発明の効果】
本発明は上記実施の形態より明らかなように複数の共振器電極を備え、その共振器電極間を互いに電磁界結合させて構成する誘電体フィルタの複数の共振器電極を金属箔により構成するものであり、かつその金属箔共振器電極の厚さを均一とし、さらに電極表面の平坦性を向上させることにより共振器のQ値を向上させ、低損失かつ高減衰特性を備えることができ、また製造コストを上昇することなく高精度のフィルタ特性を有する誘電体フィルタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における誘電体フィルタの分解斜視図
【図2】(a)は図1のA−A線における積層誘電体基板の断面図
(b)は共振器電極の拡大断面図
(c)は幅広部を備えた共振器電極を有する共振器誘電体基板の斜視図
【図3】(a)〜(f)は本発明の第2の実施の形態における誘電体フィルタの製造方法を説明する前半工程図
【図4】(a)、(b)は同製造方法における後半工程図
【図5】(a)〜(f)は本発明の第3の実施の形態における誘電体フィルタの製造方法を説明する工程図
【図6】(a)〜(d)は本発明の第4の実施の形態における誘電体フィルタの製造方法を説明する工程図
【図7】本発明の第5の実施の形態におけるアンテナ共用器及び通信機器の概略ブロック図
【図8】従来の誘電体フィルタの分解斜視図
【図9】同誘電体フィルタに形成されている共振器電極の断面図
【符号の説明】
11a〜11f 誘電体基板
12a,12b シールド電極
13 段間結合容量電極
14a,14b 共振器電極
15a,15b 入出力結合容量電極
Claims (6)
- 金、銀および銅の少なくともいずれかを主成分とする金属箔よりなる共振器電極を形成する工程と、前記共振器電極を誘電体基板の内部に埋め込み共振器誘電体基板を形成する工程と、前記共振器誘電体基板と少なくとも段間結合容量誘電体基板と入出力結合容量誘電体基板と接地電極誘電体基板とを積層して積層誘電体基板を形成する工程とを備えた誘電体フィルタの製造方法。
- 共振器電極を形成する工程が、金、銀および銅の少なくともいずれかを主成分とする金属箔の両面にフォトマスクを形成してその両面からエッチングした後、化学研磨法または電解研磨法を用いて前記共振器電極の端面形状を角丸四角形状または円弧状とした電極フレームを形成する工程よりなることを特徴とする請求項1に記載の誘電体フィルタの製造方法。
- 共振器誘電体基板を形成する工程が、グリーンシート状のセラミック誘電体基板に請求項2に記載の製造法によって形成された共振器電極を埋め込むことにより形成することを特徴とする請求項1に記載の誘電体フィルタの製造方法。
- 請求項3に記載の製造方法によって形成されたグリーンシート状の共振器セラミック誘電体基板と、少なくともグリーンシート状の段間結合容量セラミック誘電体基板と、グリーンシート状の入出力結合容量セラミック誘電体基板とを複数のグリーンシート状の接地電極セラミック誘電体基板により上下から狭持して積層し、同時焼成することにより積層誘電体基板を形成する工程を備えた誘電体フィルタの製造方法。
- 共振器誘電体基板を形成する工程が、未硬化状態のコンポジット基板に請求項2に記載の製造方法によって得られた共振器電極を埋め込んだ後、加熱硬化させることにより形成することを特徴とする請求項1に記載の誘電体フィルタの製造方法。
- 請求項5に記載の製造方法によって形成された共振器コンポジット誘電体基板と、少なくともそれぞれ焼成された段間結合容量セラミック誘電体基板と、入出力結合容量セラミック誘電体基板と、複数の接地電極セラミック誘電体基板とを積層することにより複合構造を有する積層誘電体基板を形成する工程を備えた誘電体フィルタの製造方法。
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