JP4766292B2

JP4766292B2 - 非可逆回路素子

Info

Publication number: JP4766292B2
Application number: JP2001209071A
Authority: JP
Inventors: 靖岸本; 紳一朗竹内
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2021-07-10
Also published as: JP2003023306A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話などのマイクロ波通信機器などに使用されるサーキュレータ、アイソレータなどの非可逆回路素子に係り、小型かつ製造が容易で構成部品間の接続信頼性が高い構造を有するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、サーキュレータ、アイソレータ等の非可逆回路素子は、信号を特定方向のみに伝送し、逆方向には伝送しない特性を有し、携帯電話あるいは自動車電話などのマイクロ波通信機器の送信回路には不可欠の部品である。このような用途において、非可逆回路素子は小型化、低損失化が要求されている。
図９に非可逆回路素子の等価回路図を示す。この非可逆回路素子は、ポートＰ１（ＩＮ），Ｐ２（ＯＵＴ），Ｐ３（ＬＯＡＤ）に整合回路として整合容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が接続されたサーキュレータのいずれか１つのポート（図ではポートＰ３）に、終端抵抗Ｒｉを接続してアイソレータとしたものである。
図６に従来の非可逆回路素子を示す。この非可逆回路素子は、マイクロ波を循環するための中心導体と、各ポートのインピーダンス整合を行うための整合容量を備える。例えばアイソレータは、互いに電気的絶縁状態でかつ１２０度間隔で絶縁シート１００ａ、１００ｂを介して重ねられた３つの中心導体１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃをガーネット等の磁性体１５０上に配置した中心導体組立体４と、ガーネットに直流磁界を印加するための永久磁石３と、整合容量５を有し、これらを、磁性ヨークを兼ねた金属ケース１，２内に収納して構成されることが多い。
【０００３】
他の非可逆回路素子の例として、特開平７−２１２１０７号公報で開示された非可逆回路素子を図７に示す。
この非可逆回路素子は、フェライト積層体（中心導体組立体）９０と、フェライト積層体９０を収容する基台９１と、誘電体フィルム９２と、遮蔽板９３と、永久磁石９４ａ，９４ｂと、上部ヨーク９５ａと、下部ヨーク９５ｂとから構成されている。ここでフェライト積層体９０は、図８に示すように円板状のグリーンシートの上面に互いに絶縁され、かつ等角度で交差する中心導体を導電ペーストを印刷し、この上に他の同形状のグリーンシートを積層密着して中心導体を挟み込み、その後、積層したグリーンシートの側面及び上下面にそれぞれ電極となる導電体ペーストを印刷して焼成を行なうことで一体焼結型のフェライト積層体９０としている。
【０００４】
基台９１には、その中央にフェライト積層体９０を収容する円形凹部９６を有している。円形凹部９６の内面にはフェライト積層体９０を収容したときに、入出力電極９０ｂ及び９０ｃと接触導通する内部電極９１ｂ及び９１ｃと、グランド電極９０ｄに接触導通する側面グランド電極９１ｄと、下部グランド電極に接触導通し下部グランド電極と同一形状のアース面電極９７とが形成されている（他のグランド電極についても同様）。電極９１ｂは、円形凹部９６の内周面から基台９１の上面にかけて形成されており、ビアホール９８を介して基台９１の下部に設けられた入出力端子９９に接続されている。電極９１ｃについても電極９１ｂと同様である。
【０００５】
次に、フェライト積層体９０を基台９１の円形凹部９６に挿入すると、入出力電極９０ｂ及び９０ｃは、それぞれ内面電極９１ｂ及び９１ｃに接触導通し、ビアホールを介して入出力端子に電気的に接続される。フェライト積層体９０の上面には、誘電体フィルム９２が搭載され遮蔽板９３が冠着される。これにより、コンデンサ電極９０ｇ，９０ｈ，及び９０ｉ、誘電体フィルム９２、及び遮蔽板９３は静電容量を構成する。遮蔽板９３を冠着するとその接続部９３ｄはグランド電極９０ｄに接触導通すると共に側面グランド電極９１ｄに接触導通する（以下９３ｅ、９３ｆについても同様）。次に、永久磁石９４ａは遮蔽板９３の上面に搭載され、永久磁石９４ｂは基台９１の下部に配置される。これら永久磁石９４ａ及び９４ｂは、上部ヨーク９５ａ及び９５ｂによって固定されている。また、上部ヨーク９５ａ及び下部ヨーク９５ｂは、互いに接続部を接続することにより閉磁路を構成している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この分野では小型であると共に性能的にも高い信頼性が要求される。例えば外部からのノイズによる誤作動が少なく、かつ過酷な振動や衝撃などにも耐え得る構造であることが必要である。ここで中心導体組立体と容量素子基板との接続構造に着目してみると、特開平７−２１２１０７号公報で開示されたものは、中心導体を交互に織り込み各中心導体の電極端をフェライト積層体９０の側面まで延出させ、基台９１の円形凹部９６の内面電極９１ｂ及び９１ｃに接触導通させるものであり、外面電極と内面電極を対向させ側面同士を接続する構造である。本例では遮蔽板を側面電極に嵌着することで接触導通させただけの構造であった。従って、振動や衝撃に対する信頼性に極めて乏しいと言う問題がある。また、特開平１０−１７８３０４号公報にも外側面電極と内側面電極の接続が見られるが、この側面電極同士の接続に関し如何様にしたかの具体的な開示はない。このように従来、側面電極同士の接続構造について電気的また機械的に信頼性の高い具体的な接続構造の提案はなかった。
【０００７】
以上のことより本発明は、アイソレータやサーキュレータを構成する中心導体組立体と容量素子基板の電極間接続する場合、その位置合わせが容易で、電極部が電気的にも機械的にも確実かつ強固に接続できる信頼性の高い接続構造となした中心導体組立体とこれを用いた非可逆回路素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、相対向する第１および第２の主面と当該主面間を連結する側面を備えた矩形板状の磁性体に、一端を共通端とし他端を高周波信号の入出力端とする第１〜第３の中心導体を積層配置し、前記第２の主面にグランド電極と第１〜第３の入出力外部電極を形成する中心導体組立体と、該中心導体組立体に直流磁界を印加する永久磁石と、前記中心導体と接続する整合容量と終端抵抗を具備する非可逆回路素子であって、前記中心導体組立体は複数の磁性体層が積層されてなり、その側面には電極が形成されてなく、各中心導体は異なる磁性体層に設けられ、その共通端側とグランド電極との接続と、他端側と入出力外部電極との接続が全てスルーホールで行なわれ、前記中心導体は積層体の外周部よりも内側へ間隔を持って形成されており側面側に表れず、前記第１〜第３の入出力外部電極の相互間は前記グランド電極により区画され、前記入出力外部電極のいずれかを介して前記終端抵抗と接続される中心導体は、積層方向において他の２つの中心導体の間に挟まれ、、その長さが他の２つの中心導体よりも短いことを特徴とする非可逆回路素子である。
前記中心導体組立体の入出力外部電極がＬＧＡ（ＬａｎｄＧｒｉｄＡｒｒａｙ）又はＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）とするのが好ましい。
前記中心導体組立体のグランド電極と入出力外部電極にそれぞれ接続する接続電極を一体成形した樹脂ベースを用い、前記接続電極を介して前記中心導体組立体の入出力外部電極と接続する複数の整合容量を具備する非可逆回路素子とするのも好ましい。
本発明においては、前記整合容量を複数の誘電体層と導体層とで積層形成して複数の整合容量を一体化したコンデンサ積層体とするのが好ましい。
前記コンデンサ積層体は前記中心導体組立体が収容される透孔を有し、該透孔から前記樹脂ベースの接続電極が露出するように、樹脂ベース上に配置するのも好ましい。また、前記整合容量を誘電体基板の対向する２つの主面に電極を形成してなる単板型コンデンサとし、前記中心導体組立体の周縁に配置しても良い。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下、本発明の非可逆回路素子の実施例について図面を参照して説明する。図１は、この発明の一実施例に用いた中心導体組立体の外観を示す斜視図である。図２は前記中心導体組立体の分解斜視図であり、図３は本発明の一実施例に係る非可逆回路素子の分解斜視図である。
図３は、本発明の非可逆回路素子の一例を示す分解斜視図である。この非可逆回路素子の基本構成としては、中心導体組立体４、中央部の透孔の中に前記中心導体組立体４を組み込むようになしたコンデンサ積層体５、このコンデンサ積層体５に組み入れられるチップあるいは抵抗膜で形成した抵抗体９０、中心導体組立体４に直流磁界を印加する永久磁石３、磁性ヨークを兼ねる金属製の上ケース１と同じく下ケース２とからなっている。コンデンサ積層体５と下ケース２との間に、実装基板との接続端子を備え、中心導体組立体４とコンデンサ積層体５を接続する接続電極を備えた樹脂ベース６を配置している。
【００１０】
前記中心導体組立体４は、相対向する第１および第２の主面と当該主面間を連結する側面を備えた矩形状の磁性体に、中心導体を複数の磁性体層とともに積層配置するものであり、前記中心導体は中心導体組立体に形成されたビアホールにより、前記第２の主面に形成された入出力外部電極Ｉｎ、Ｏｕｔ、Ｌｏａｄ及びグランド電極Ｇｎｄと電気的に接続する。
次に、中心導体組立体４の詳細を図２に中心導体組立体の分解平面図をもとに、製造方法と共に説明する。この中心導体組立体４はガーネット等の磁性体のグリーンシートをドクターブレード法にて作成し、このグリーンシートに所定パターンの中心導体４４ａ，４４ｂ，４４ｃをそれぞれＡｇやＣｕ等の導電性のペ−ストを印刷して形成する。
前記磁性体は、最終組成が一般式：Bi_pGd_xCa_y+vY_3-x-y-v-pFe_5-u-v-0.5yIn_uZr_vV_0.5yO₁₂（原子％）で表され、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＣＯ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｖ_２Ｏ_５を出発原料として、最終組成が例えばｐ＝１．０、ｘ＝０．５、ｙ＝０．８、ｖ＝０．０２、ｕ＝０．２の磁性体材料である。
そして前記出発原料をボールミルにて湿式混合し、得られたスラリーを乾燥した後、７００℃〜８５０℃の温度で仮焼し、ボールミルにて湿式粉砕し、得られたスラリーを乾燥して酸化物磁性材料粉末を得た。この磁性材料粉末と有機バインダー、可塑材、および、有機溶剤をボールミルにて混合し粘度を調整した後、ドクターブレード法にて４０μｍ〜２５０μｍの磁性体セラミックグリーンシートを作製した。
【００１１】
前記グリーンシートに導電性ペーストを印刷し、ビアホールを形成して、さらにグリーンシートを重ねて８０℃に加熱して１２ＭＰａの圧力で熱圧着して積層体とした後、所定の大きさ、形状となるように、例えばダイシングソーや鋼刃で前記積層体を切断した後、９００℃〜９４０℃で、２時間〜８時間焼成して中心導体組立体４を得る。
この中心導体組立体４の磁性体層４３ｂ〜４３ｄには、それぞれ中心導体４４ａ〜４４ｃが互いに絶縁を保って等角度で交差するように設けられ、磁性体層４３ｅの裏面にあたる第２の主面４３ｆにはグランド電極ＧＮＤと入出力電極Ｉｎ、Ｏｕｔ、Ｌｏａｄを形成してＬＧＡ（Land Grid Array）としている。なお、第２の主面４３ｆに形成された前記グランド電極Ｇｎｄ、入出力電極Ｉｎ、Ｏｕｔ、Ｌｏａｄの一部を中心導体組立体４の表面に露出するようにレジスト処理し、スクリーン印刷によりはんだペーストを塗布し、その後リフロー加熱により球状化させたり、単一粒径のはんだボールや金ボールを実装させて図１（ｃ）に示すようなＢＧＡ(Ball Grid Array)としても良い。
磁性体層４３ｂ〜４３ｅの縁部には中心導体４４ａ〜４４ｃとグランド電極Ｇｎｄ、入出力電極Ｉｎ、Ｏｕｔ、Ｌｏａｄを接続するφ０．２〜φ０．４のビアホール（図中、黒丸で表示）を形成している。これらのビアホールにはＡｇやＣｕ等の導体が充填されている。上記に示した実施例において、ビアホールは、その断面を円形としているが他の形状に変更してもよく、レーザー加工等により横長のビアホールを形成してもよい。
【００１２】
積層体から個片への分割は、焼成後にダイシングソーで切断して行っても良い。また、中心導体組立体４の第２の主面に形成される入出力電極Ｉｎ，Ｏｕｔ，Ｌｏａｄとグランド電極Ｇｎｄは、グリーンシートに形成するのではなく、焼結した中心導体組立体４にＡｇ、Ｃｕなどの導体を印刷塗布し焼付けて形成しても良い。また必要に応じてビアホールの露出部、グランド電極、入出力電極にめっきが施される。
第２の主面にレジスト処理する場合には、中心導体組立体４を構成する磁性体材料と組成を同じくし、または中心導体組立体と一体で焼結可能な様に調整した絶縁体材料にエチルセルロースなどの有機バインダと、ブチルカルビトール、ターピネオールなどの有機溶剤を混合し、混練してペーストとし、スクリーン印刷して、積層体とともに一体焼成するのが好ましい。
以上の工程を経て中心導体組立体４が形成される。
【００１３】
上記の如く、グランド電極Ｇｎｄは中心導体組立体４の第２の主面に一体形成されているが、これにより各中心導体とグランド電極との距離が一定となるので、中心導体と磁性体とを別体として組立の際に生じるばらつきによるインピーダンスばらつきを少なく構成できる。また、グランド電極Ｇｎｄと後述する樹脂ベース６等とはんだ付けできるのでグランド電位をより確実にとることが出来る。そして、グランド電極Ｇｎｄにより中心導体組立体４を強固にはんだ付けすることが出来る。
【００１４】
前記コンデンサ積層体５は、その上面および積層体内部には整合容量を形成するための入力容量電極Ｃ１、出力容量電極Ｃ２、ロード容量電極Ｃ３と、終端抵抗９０が配置されるグランド電極Ｇｎｄが形成されている。また、コンデンサ積層体５の裏面には樹脂ベース６に対して電気的に接続するための入出力電極Ｉｎ、Ｏｕｔ、Ｌｏａｄ、グランド電極Ｇｎｄがそれぞれ設けられている。
【００１５】
コンデンサ積層体５は、図４に示すように、誘電体セラミックグリーンシート２１ａ〜２１ｆに容量を形成する電極パターン（図ではハッチング表示）、グランド電極を形成するパターン（Ｇｎｄ）を印刷し、それらのグリーンシート２１ａ〜２１ｆを積層、圧着した後、焼結して形成される。積層基板内部の電極は、セラミックとの同時焼結によって一体形成される。前記誘電体としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３を主成分としＳｉＯ_２、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＰｂＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏを副成分として含む低温焼結誘電体磁器組成物を用いる。積層枚数は、必要な容量値に応じて変化する。この容量積層基板５において、容量用電極はランド電極を介してビアホール（図では黒丸●表示）によって裏面電極（図４の２１ｇにコンデンサ積層体５を裏面から見た平面図を示す）に導通される。同様に、グランド電極Ｇｎｄは、ランド電極を介して、ビアホール（図では黒丸●表示）によって、裏面電極に導通される。図４に示すように、コンデンサ積層体５の下面、すなわち樹脂ベース６（図１参照）との接続面には、入出力用電極Ｉｎ，Ｏｕｔ，Ｌｏａｄ、グランド電極Ｇｎｄが形成される。ここで、図４に示すように入出力用電極Ｉｎ，Ｏｕｔ，Ｌｏａｄはグランド電極Ｇｎｄが間に介装されるように配設すると、非可逆回路素子としての特性が安定する。
【００１６】
中心導体組立体４が矩形状に形成される場合には、コンデンサ積層体５のほぼ中央部に中心導体組立体４に合わせて矩形状の透孔２５を形成し、中心導体基板４が円形の場合には透孔２５の形状も円形とするのが好ましい。このように中心導体組立体４の形状と、コンデンサ積層体５の中央部に配設した透孔２５の形状を一致させることにより、中心導体組立体４とコンデンサ積層体５の位置決め、接続を容易に行うことが出来る。
また、コンデンサ積層体の略中央部の透孔２５は、あらかじめグリーンシートに透孔と一致する形状の孔を設けておき、これを複数積層することにより形成できるが、シートを積層、圧着してブロックとした後に、金型で打ち抜いて透孔を形成しても良い。
コンデンサ積層体５の上面には抵抗９０が印刷、焼付法により形成される。印刷抵抗の代わりにチップ抵抗を用いることも可能であり、また、セラミックとの同時焼結によって抵抗形成することも可能である。
【００１７】
前記樹脂ベース６は、例えば０．１ｍｍ厚さの銅板を用い、射出成形によりこの銅板と液晶ポリマーを一体成形して製造される。この樹脂ベース６の上面、すなわちコンデンサ積層体５との接続面側には、接続電極Ｉｎ、Ｏｕｔ、Ｌｏａｄ、ＧＮＤが導体板で形成され、樹脂部分を含めて平面状に構成されている。
しかも、接続電極接続電極Ｉｎ、Ｏｕｔ、Ｌｏａｄ、ＧＮＤは同一平面上に形成され、接続電極ＧＮＤ、Ｌｏａｄと端子Ｇ、接続電極Ｉｎ、Ｏｕｔは端子電極Ｐ１、Ｐ２と、それぞれ同一の導体板で構成され、電気的に接続している。導体板を用いることで、樹脂ベース６を用いても、前記特開平９−５５６０７号公報記載の発明のように、金属ケースに直接アースする構造に比べて損失が少ない利点がある。
樹脂ベース６において、接続電極ＧＮＤと端子Ｇとが同一の導体板で構成されるため、接続電極ＧＮＤと端子Ｇとの間での電気抵抗は非常に小さい。このためコンデンサ積層体５のグランド電極ＧＮＤは低損失でアースに導通される。また、端子Ｐ１、Ｐ２と入出力電極ＩＮ、ＯＵＴとがそれぞれ同一の導体板で構成されるため、端子Ｐ１、Ｐ２と入出力電極ＩＮ、ＯＵＴとの間での電気抵抗は非常に小さい。このためコンデンサ積層体５の入出力電極ＩＮ、ＯＵＴは低損失で端子Ｐ１、Ｐ２に導通される。これにより挿入損失の少ない優れた非可逆回路素子が得られる。
【００１８】
外部回路との接続は樹脂ベース６に設けられた端子Ｐ１，Ｐ２及び端子Ｇの外部端子によって行われる。これより、外部回路基板への実装状態において、実装基板が何らかの外的要因により変形した時に、その変形によりアイソレータにかかる応力は樹脂ベース６に設けられた外部端子の導体板及び導体板周辺の樹脂部分によって吸収されるため、外部回路とアイソレータの接続が強固なものとなるほか、アイソレータ自体破損しにくくなる。また、前記外部端子を樹脂ベースに設けることにより、樹脂ベース下面部分における端子の平面性が確保されるため実装基板との接触不良を起こしにくい。
【００１９】
また、図３及び図５を用いた説明では、永久磁石の形状を四角形で例示したが、円盤状、六角形など任意の形状のものを採用し得る。このことは、ガーネットの形状についても同様である。
【００２０】
更に、本発明は、図６に示した従来例の様に中心導体を折り曲げてガーネットを包み込む構造ではなく、積層構造を採用したのでビアホール接続構造の採用との相乗効果で、信頼性が高く低背高な非可逆回路素子を提供でき、周囲空間を有効に利用して非可逆回路素子の高さ方向および横方向の小型化を達成することが出来る。
また、上記中心導体組立体４及びコンデンサ積層体５は、それぞれ別個に製造され、中心導体組立体４をコンデンサ積層体５の透孔内に配置した後、樹脂ベース６の接続電極を介して接続される。このように平板状の樹脂ベース６上にコンデンサ積層体５や中心導体組立体４を載置する構造であるので、組立時のハンドリング（取り扱い）や工程が容易で製造が簡単となる。
【００２１】
（実施例２）
図５に他の実施例に係る非可逆回路素子の分解斜視図を示す。この実施例では前記整合容量を、誘電体基板の対向する２つの主面に電極を形成してなる単板型コンデンサとし、前記中心導体組立体の周縁に配置するものである。この場合でも、実施例１と同様にアイソレータやサーキュレータを構成する中心導体組立体と整合容量との電極間を接続する場合、その位置合わせが容易で、電極部が電気的にも機械的にも確実かつ強固に接続できる、信頼性の高い接続構造となした非可逆回路素を得ることが出来た。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によればアイソレータやサーキュレータを構成する中心導体組立体と整合容量との電極間を接続する場合、その位置合わせが容易で、電極部が電気的にも機械的にも確実かつ強固に接続できる信頼性の高い接続構造となした中心導体組立体とこれを用いた非可逆回路素を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の一実施例に係る中心導体組立体の斜視図（第１の主面）（ｂ）本発明の一実施例に係る中心導体組立体の斜視図（第２の主面の一例）（ｃ）本発明の一実施例に係る中心導体組立体の斜視図（第２の主面の一例）。
【図２】本発明の一実施例に係る中心導体組立体の分解平面図である。
【図３】本発明の一実施例に係る非可逆回路素子の分解斜視図である。
【図４】本発明の一実施例に係る非可逆回路素子に用いるコンデンサ積層体の分解平面図である。
【図５】本発明の他の実施例に係る非可逆回路素子の分解斜視図である。
【図６】従来の非可逆回路素子と中心導体組立体の分解斜視図である。
【図７】従来の他の例に係る非可逆回路素子の分解斜視図である。
【図８】従来の他の例に係る非可逆回路素子に用いる中心導体組立体である。
【図９】非可逆回路素子の等価回路である。
【符号の説明】
１上部ヨーク
２下部ヨーク
３永久磁石
４中心導体組立体
５コンデンサ積層体
６樹脂ベース

Claims

相対向する第１および第２の主面と当該主面間を連結する側面を備えた矩形板状の磁性体に、一端を共通端とし他端を高周波信号の入出力端とする第１〜第３の中心導体を積層配置し、前記第２の主面にグランド電極と第１〜第３の入出力外部電極を形成する中心導体組立体と、該中心導体組立体に直流磁界を印加する永久磁石と、前記中心導体と接続する整合容量と終端抵抗を具備する非可逆回路素子であって、
前記中心導体組立体は複数の磁性体層が積層されてなり、その側面には電極が形成されてなく、各中心導体は異なる磁性体層に設けられ、その共通端側とグランド電極との接続と、他端側と入出力外部電極との接続が全てスルーホールで行なわれ、前記中心導体は積層体の外周部よりも内側へ間隔を持って形成されており側面側に表れず、
前記第１〜第３の入出力外部電極の相互間は前記グランド電極により区画され、
前記入出力外部電極のいずれかを介して前記終端抵抗と接続される中心導体は、積層方向において他の２つの中心導体の間に挟まれ、その長さが他の２つの中心導体よりも短いことを特徴とする非可逆回路素子。
前記中心導体組立体の各入出力外部電極がＬＧＡ（ＬａｎｄＧｒｉｄＡｒｒａｙ）又はＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）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。
前記整合容量を複数の誘電体層と導体層とで積層形成し、複数の整合容量を一体化したコンデンサ積層体としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の非可逆回路素子。