JP5218551B2 - 機能基板 - Google Patents

Description

この発明は、フィルタ、デュプレクサなどの機能を持つ機能回路基板に関し、特に負の透磁率を発現する材料を用いた基板に関する。

電気回路には、フィルタなどの機能を付加することが求められることがしばしばある。
フィルタ機能を実現する方法としては、例えばプリント基板上に構成された電気回路の必要な部分に、ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ；表面弾性波）フィルタや誘電体フィルタなどのフィルタや、コイルやコンデンサなどの特定の機能をもつ電子部品を複数組み合わせたものを搭載することが一般的である。

従来の方法で電気回路に機能を追加するためには、電気回路上に部品を搭載するエリアが必要である。これは、回路ならびに回路を組み込む機器の小型化のネックになっている。

この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、フィルタなどの機能を実現する回路を小型化できる機能基板を提供することである。

本発明の１つの局面に従うと、所定の周波数成分を含む電流が所定の方向に透過することを妨げる機能基板であって、電流が流れた場合に発生する電磁波を受けて共振を生じる、複数の共振器を備え、共振器の電磁波への感受性には各々に方向性があり、複数の共振器は、電流が所定の方向に透過することを妨げる向きに配置されている。

本発明の他の局面に従うと、所定の周波数成分を含む電流が所定の方向に透過することを妨げる機能基板であって、電流が流れた場合に発生する電磁波を受けて共振を生じる、複数の共振器を備え、複数の共振器は、第１の向きに配置された複数の共振器からなる第１の共振器群と、第１の向きに直交する第２の向きに配置された複数の共振器からなる第２の共振器群とを含む。

本発明のさらに他の局面に従うと、所定の周波数成分を含む電流が所定の方向に透過することを妨げる機能基板であって、電流が流れた場合に発生する電磁波を受けて共振を生じる、複数の共振器を備え、複数の共振器は、第１の向きに配置され、各々が第１の共振周波数をもつ複数の共振器からなる第１の共振器群と、第１の向きに直交する第２の向きに配置され、各々が第１の共振周波数と異なる第２の共振周波数をもつ複数の共振器からなる第２の共振器群とを含む。

好ましくは、機能基板は、それぞれが共振器を複数含む基板層を複数備える。
好ましくは、各共振器は、各々が絶縁物を介して互いに対向する第１および第２電極からなる複数の電極対と、第１電極の各々と電気的に接続される第３電極と、第２電極の各々と電気的に接続される第４電極とを含み、第１および第２電極の各電極面が、電流が流れた場合に生じる磁力線に対して実質的に平行となる配置を可能に構成されるとともに、第３および第４電極の各電極面が、第１および第２電極の各電極面とは異なる面において磁力線に対して実質的に平行となる配置を可能に構成される。

好ましくは、各共振器は、平行に対向して形成された２つの外部電極からなる外部電極対と、外部電極対の一方と電気的に接続された複数の第１内部電極と、外部電極対の他方と電気的に接続された複数の第２内部電極とからなる内部電極群とを含み、内部電極群の各電極面は、外部電極の電極面に対して垂直に形成され、外部電極対の各電極面は、電流の伝搬方向に対する垂直面と平行に形成され、１つの第１内部電極と当該第１内部電極に隣接する第２内部電極との間で形成される第１静電容量と、別の第１内部電極と当該第１内部電極に隣接する別の第２内部電極との間で形成される第２静電容量と、外部電極対とを含む電気的な循環経路が形成される。

好ましくは、各共振器は、絶縁物を介して互いに平行に配列された複数の平板電極と、複数の平板電極の偶数番目の平板電極と電気的に接続された第１接続電極と、複数の平板電極の奇数番目の平板電極と電気的に接続された第２接続電極とを含み、第１および第２接続電極の各電極面は、複数の平板電極の電極面に対して垂直に形成され、複数の平板電極の各電極面は、電流が流れた場合に生じる磁力線に対して実質的に平行となる配置を可能に構成される。

好ましくは、各共振器は、各々が互いに平行する複数の電極面を有する第１および第２くし型電極を含み、第１くし型電極の最上層の電極面と第２くし型電極の最上層の電極面とが所定の間隔をもって平行に対向するように形成され、かつ第１くし型電極の最下層の電極面と第２くし型電極の最下層の電極面とが所定の間隔をもって平行に対向するように形成され、第１および第２くし型電極の各電極面は、電流が流れた場合に生じる磁力線に対して実質的に平行となる配置を可能に構成される。

好ましくは、各共振器は、積層コンデンサである。

この発明によれば、基板内に共振器が配置されるため、基板がフィルタなどの機能を持つ。したがって、フィルタなどの機能を実現する回路を小型化できる。

この発明の実施の形態に従う共振器の概略の外観図である。 図１に示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。 共振周波数において共振器で形成される共振回路を説明するための図である。 この発明の実施の形態に従う共振器で生じる比透磁率の周波数特性の一例を示す図である。 この発明の実施の形態に従う共振器で生じる比透磁率の周波数特性を積層コンデンサの配向別にシミュレーションした結果を示す図である。 この発明の実施の形態に従う共振装置の概略の外観図である。 この発明の実施の形態に従う共振装置において、導体を流れる電流の減衰量の周波数特性の一例を示す図である。 変形例に従う共振器に用いられる積層コンデンサの概略の外観図である。 共振器の第１の配置例において配列された共振器を上から見た図である。 共振器の水平断面図である。 共振器の第２の配置例を示す図である。 共振器の第３の配置例を示す図である。 共振器の第４の配置例を示す図である。 共振器の第５の配置例を示す図である。 周期的に２次元的に共振器を組み込んだ基板の斜視図である。 周期的に３次元的に共振器を組み込んだ基板の斜視図である。 透磁率μおよび誘電率εの符号別に媒質への入射波に対して表れる特性を示す４象限図である。

符号の説明

２，２＃ 第１外部電極、３，３＃ 第２外部電極、４ 第１内部電極、４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ 電極、５ 第２内部電極、６ スペーサ、１０，２０ 積層コンデンサ、１２ 外装部、１４ ストリップ状導体（導体）、１６ グランド電極、１００，１００＃ 共振器、１１０ 共振器内蔵基板、２００ 共振装置、３１０，４１０ 基板、Ｃ１，Ｃ２ キャパシタンス、Ｌ１〜Ｌ６ インダクタンス。

この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。

［概要］
本発明は、メタマテリアル（ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ）を基板に用いるものである。このメタマテリアルとは、自然界に存在する物質が有さないような電磁気的あるいは光学的な特性をもつ人工物質である。このようなメタマテリアルの代表的な特性として、負の透磁率（μ＜０）、負の誘電率（ε＜０）、あるいは負の屈折率（透磁率および誘電率がいずれも負の場合）が挙げられる。なお、μ＜０かつε＞０の領域、またはμ＞０かつε＜０の領域は「エバネッセント解領域」とも称され、μ＜０かつε＜０の領域は「左手系領域」とも称される。

図１５は、透磁率μおよび誘電率εの符号別に媒質への入射波に対して表れる特性を示す４象限図である。自然界に存在する物質の大部分は、図１５に示す第１象限に位置する右手系媒質に相当し、当該媒質に入射する波は、透磁率および誘電率によって定まる屈折率だけ屈折された後、入射方向に伝搬する。これに対して、図１５に示す第２象限および第４象限（エバネッセント解領域）では、入射波は伝播することができない。また、図１５に示す第３領域（左手系領域）では、屈折率が負となるため、当該媒質に入射した波は入射方向と逆方向に伝搬する。

このようなメタマテリアルの実現例として、文献１（「左手系メタマテリアル」、日経エレクトロニクス１月２日号、日経ＢＰ社、２００６年１月２日、ｐ．７５−８１）には、マイクロ波向けのスプリット・リング共振器（ＳＲＲ：Ｓｐｌｉｔ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）が開示されている。このスプリット・リング共振器は、円周の一部を切り欠いた大小２つのリングパターンからなる単位セルを周期的に配置したものである。このスプリット・リング共振器では、特定の周波数領域において共振（共鳴）が生じて、μ＜０が発現する。このスプリット・リング共振器と金属棒（ε＜０）を近接配置することでμ＜０かつε＜０を実現し、左手系媒質とする。

このようなメタマテリアルを埋め込んだ基板は、基板上を伝送する、共振周波数付近の周波数を持つ信号に対しフィルタ機能を奏する。これは、共振周波数では、透磁率が０点をまたいで大きく変化するため、インピーダンスの変化が起こり、インピーダンス不整合による反射を起こすためである。

［共振器の構成について］
本実施の形態においては、メタマテリアルとして、複数の電極を含む共振器を用いる。この共振器には、当該電極間に生じる静電容量（キャパシタンス）を主体とした共振回路が形成される。この共振回路は、導体に交流電流が流れることで発生する電磁波の特定の周波数成分に感受性をもち、この周波数成分の電磁波を受けて電気的な共振現象を生じ得る。この共振現象によって、透磁率が大きく変動し、導体に流れる電流を反射あるいは抑制することができる。

ここで、メタマテリアルとしての機能である透磁率の共振を生じさせるためには、各共振器の電流の伝搬方向における長さが、対象とすべき周波数における電磁波の波長λに対して、少なくともλ／４より短い必要がある。さらに、各共振器の電流の伝搬方向における長さは、λ／２０以下であることが好ましい。

共振器としては、複数の平板電極を絶縁物（誘電体）を積層して形成された積層コンデンサなどを用いることができる。以下では、積層コンデンサを用いて共振器を実現する構成について例示する。この構成によれば、市販されている積層セラミックコンデンサなどの積層コンデンサを用いて、容易に共振器を構成できる。ただし、本発明に係る共振器を構成するための専用に設計された電極部材を用いてもよい。

図１は、この発明の実施の形態に従う共振器内蔵基板１１０の概略の外観図である。図１を参照して、共振器内蔵基板１１０は、共振器１００と、共振器１００の周辺を覆う非磁性体である外装部１２とを含む。なお、外装部１２としては、テフロン（登録商標）などの樹脂材料が適している。この共振器１００は、所定の周波数成分を含む電流が流れるストリップ状導体１４（以下単に「導体１４」とも記す。）に近接して配置されることで、当該電流が発生する電磁波の特定の周波数成分（共振周波数）を受けて共振を生じる。また、共振器１００の導体１４に接する面とは反対側の面には、グランド電極１６（図示せず）が配置される。

共振器１００内での共振によって、共振器１００の内部から外部に向けて磁束が発生し、この発生する磁束によって誘導される電界によって、当該電流が発生する電磁波が妨げられる。この結果、導体１４では、共振器１００における共振周波数成分の交流電流の流れが妨げられ、共振器内蔵基板１１０は一種の帯域遮断フィルタのように機能する。

なお、本実施の形態に従う共振器１００は、外部電源などからの電気エネルギーを必要とせず、導体１４から放射される電磁波（特に磁束）だけで共振を生じる、パッシブなデバイスである。そして、共振器１００は、このような共振を生じさせることによって、負の透磁率を発現させる。

なお、共振器１００が負の透磁率を発現する、すなわちメタマテリアルとしての機能を発揮するためには、共振器１００の導体１４における電流の伝搬方向における長さｌが、共振周波数における電磁波の波長λに対して、少なくともλ／４より短い必要がある。さらに、共振器１００の長さｌは、λ／２０以下であることが好ましい。

以下では、共振器１００の一例として、長さｌ’＝１．６ｍｍ、幅Ｗ＝０．８ｍｍ、高さＨ＝０．８ｍｍの８層の内部電極を有する積層コンデンサ１０を用いる場合について例示する。なお、導体１４と積層コンデンサ１０との距離ｈ＝０．２ｍｍ、積層コンデンサとグランドの距離ｈ’＝０．２ｍｍとする。

ここで、λ／４＝長さｌ’＝１．６ｍｍとすると、λ＝６．４ｍｍとなり、これは、空気中では周波数ｆｍａｘ＝４６．８７５ＧＨｚに相当する。従って、この共振器１００をλ／４以下のピッチで並べると、ギガヘルツ帯においてメタマテリアルとして用いることができる。当然のことながら、適用すべき周波数領域に応じて、共振器の長さｌ’を適宜設計することができる。

次に、図１および図２を参照して、共振器１００の構造について説明する。図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。

図１を参照して、導体１４に電流が流れることによって、導体１４を中心とした円周方向に交流の磁界が発生する。すなわち、磁界の磁力線は、導体１４を中心とする同心円となる。また、導体１４には電流が流れる際に電位が発生するので、導体１４とグランド電極１６との間には交流の電界が発生する。

図２を参照して、積層コンデンサ１０は、各々が比誘電率の高い絶縁物であるスペーサ６を介して互いに対向する第１内部電極４および第２内部電極５をそれぞれ複数含む。複数の第１内部電極４は、第１外部電極２と電気的に接続されており、複数の第２内部電極５は、第２外部電極３と電気的に接続されている。このように、積層コンデンサ１０では、平板状の複数の内部電極４，５が積層されており、隣接する第１内部電極４と第２内部電極５との間には、その電極の面積、電極間の距離、スペーサ６の比誘電率などによってその値が定まる静電容量（キャパシタンス）が生じる。

特に、共振器内蔵基板１１０では、積層コンデンサ１０を構成する第１内部電極４および第２内部電極５の各電極面が磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される。それとともに、第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面が、第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面とは異なる面において、磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される。すなわち、図２に示すように、導体１４を流れる電流によって生じる磁界の磁力線が紙面前後方向に発生している場合において、共振器１００は、第１内部電極４および第２内部電極５の電極断面長手方向が紙面左右方向と一致し、かつ第１外部電極２および第２外部電極３の電極断面長手方向が紙面上下方向と一致するように配置される。

共振器１００が図２に示すような位置関係を保って配置されることで、所定の周波数成分に対して図３に示すような共振回路が形成され、この共振回路によって、負の透磁率が発現する。

図３は、共振周波数において共振器１００で形成される共振回路を説明するための図である。

図３を参照して、その電極面が磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される第１内部電極４および第２内部電極５、ならびに第１外部電極２および第２外部電極３は、その経路長さに応じたコイル（インダクタ）として作用する。

積層コンデンサ１０では、第１内部電極のうち最上層の電極４ａと、第１外部電極２と、第１内部電極のうち最下層の電極４ｂとは互いに電気的に接続されており、これらを含む電流経路が形成される。同様に、第２内部電極のうち最上層の電極５ａと、第２外部電極３と、第２内部電極のうち最下層の電極５ｂとも互いに電気的に接続されており、これらを含む電流経路が形成される。ここで、電極４ａと電極５ａとの間の静電容量（キャパシタンスＣ１）と、電極４ｂと電極５ｂとの間の静電容量（キャパシタンスＣ２）とを介して、両電流経路は互いに電気的に接続され、キャパシタンスＣ１，Ｃ２と各電極によって生じるインダクタンスＬ１〜Ｌ６とを含む共振回路が形成される。したがって、本実施の形態に従う共振器１００は、キャパシタンス（Ｃ１＋Ｃ２）と、インダクタンス（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ６）とによって定まる共振周波数をもち、この共振周波数の電磁波が入射することで、透磁率共振が発現する。

なお、積層コンデンサ１０では、隣接する内部電極の間の各々で静電容量が発生するが、最上位の静電容量および最下位の静電容量を除いた他の静電容量は、この共振回路の形成への影響は小さい。これは、共振を起こす循環経路の最外層に電流が集中するためである。

図４は、本実施の形態に従う共振器内蔵基板１１０で生じる比透磁率の周波数特性の一例を示す図である。なお、図４に示す変化特性は、シミュレーションによって算出されたものである。ここで、比透磁率とは、真空の透磁率に対する透磁率の比を表す。

図４を参照して、本実施の形態に従う共振器内蔵基板１１０は、その１つの共振周波数として約４．９ＧＨｚをもち、その前後で比透磁率が大きく変動していることが分かる。これによりインピーダンスも大きく変動して不整合がおこり、この周波数領域において導体１４を流れる電流に対して、帯域遮断フィルタとして機能する。

上述の説明では、第１内部電極４および第２内部電極５、ならびに第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面が磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置されることで、メタマテリアルとしての機能である負の透磁率を発現させることができるとことについて述べた。ここで、「実質的に平行」とは、各電極面が磁界の磁力線と直交する状態を除外する意味であり、各電極面が磁界の磁力線とまったく平行である状態以外にも、磁力線に対して所定角度をもつ状態をも含む。実用上は、共振器１００で発現する負の透磁率の大きさが適用アプリケーションなどの要求を満足できる値であれば、「実質的に平行」とみなすことができる。

図５は、本実施の形態に従う共振器１００で生じる比透磁率の周波数特性を積層コンデンサ１０の配向別にシミュレーションした結果を示す図である。

図５を参照して、配置（ａ）および配置（ｂ）は、第１内部電極４および第２内部電極５、ならびに第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面が磁界の磁力線に対して平行に配置された場合を示す。また、配置（ｃ）は、第１内部電極４および第２内部電極５の各電極面が磁界の磁力線に対して４５°の角度をもって配置された場合を示す。配置（ｄ）は、第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面が磁界の磁力線に対して直交するように配置された場合を示し、配置（ｅ）は、第１内部電極４および第２内部電極５の各電極面が磁界の磁力線に対して直交するように配置された場合を示す。

配置（ａ）および配置（ｂ）では、共振周波数に僅かな違いがあるものの、比透磁率の周波数特性が示すように、十分に大きな負の透磁率が発現していることがわかる。また、配置（ｃ）では、負の透磁率が発現しているものの、その大きさは配置（ａ）や配置（ｂ）において発現する負の透磁率の大きさに比較して小さくなっていることがわかる。

一方、配置（ｄ）および配置（ｅ）では、比透磁率の周波数特性が示すように、共振も生じておらず、負の透磁率も発現していない。

以上のように、第１内部電極４および第２内部電極５、ならびに第１外部電極２および第２外部電極３のうち、いずれかの電極面が磁界の磁力線に対して直交して配置される場合には、負の透磁率が発現しないが、それ以外の配置であれば、各電極面が磁界の磁力線に対してまったくの平行でなくとも、負の透磁率が発現することがわかる。

再度、図１〜図３を参照して、本実施の形態に従う共振器１００の構成については、以下のように表現することもできる。

共振器１００は、平行に対向して形成された第１外部電極２および第２外部電極３からなる外部電極対と、この外部電極対の一方である第１外部電極２と電気的に接続された複数の第１内部電極４と、この外部電極対の他方である第２外部電極３と電気的に接続された複数の第２内部電極５とを含む。そして、第１内部電極４および第２内部電極５からなる内部電極群の各電極面は、第１外部電極２および第２外部電極３の電極面に対して垂直となるように形成されている。また、第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面は、導体１４を流れる電流の伝搬方向に対する垂直面と一致するように形成される。さらに、第１内部電極のうち最上層の電極４ａと、電極４ａに隣接する第２内部電極のうち最上層の電極５ａとの間で形成される静電容量（キャパシタンスＣ１）と、第１内部電極のうち最下層の電極４ｂと、電極４ｂに隣接する第２内部電極のうち最下層の電極５ｂとの間で形成される静電容量（キャパシタンスＣ２）と、第１外部電極２および第２外部電極３とを含む電気的な循環経路が形成される。

また、共振器１００は、絶縁物であるスペーサ６を介して互いに平行に配列された複数の平板電極である第１内部電極４および第２内部電極５と、複数の平板電極の偶数番目の第１内部電極４と電気的に接続された第１接続電極である第１外部電極２と、複数の平板電極の奇数番目の第２内部電極５と電気的に接続された第２接続電極である第２外部電極３とを含む。第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面は、複数の平板電極の電極面に対して垂直に形成されている。また、複数の平板電極の電極面は、導体１４に電流が流れた場合に生じる磁力線に対して実質的に平行となるように配置されている。

また、共振器１００は、互いに平行する複数の第１内部電極４と第１外部電極２とからなる第１くし型電極と、互いに平行する複数の第２内部電極５と第２外部電極３とからなる第２くし型電極とを含む。第１くし型電極の最上層の電極４ａの電極面と、第２くし型電極の最上層の電極５ａの電極面とが所定の間隔をもって平行に対向するように形成される。これにより、両者の間には静電容量（キャパシタンスＣ１）が形成される。また、第１くし型電極の最下層の電極４ｂの電極面と、第２くし型電極の最下層の電極５ｂの電極面とが所定の間隔をもって平行に対向するように形成される。これにより、両者の間には静電容量（キャパシタンスＣ２）が形成される。そして、第１くし型電極および第２くし型電極の各電極面は、導体１４に電流が流れた場合に生じる磁力線に対して実質的に平行となるように配置されている。

上述の構成によれば、積層された電極間に生じる静電容量（キャパシタンス）を主体とした共振回路を用いるので、共振回路に含まれるキャパシタンスを比較的大きくすることができる。そのため、スプリット・リング共振器のようにリングパターンを周期的に配置する構成に比較して、必要な共振特性を得るためのデバイスサイズを小さくできる。これによって、より小型化したデバイスで、負の誘電率を実現できる。

また、複数の共振器を用いることで、より大きなフィルタ効果を得ることができる。このことを図６および図７を参照して説明する。

図６は、複数の共振器１００を備える共振装置２００の概略の外観図である。図６を参照して、共振装置２００は、上述した共振器１００を導体１４に沿って周期的に複数個（図６では５個）配置したものである。このとき、各共振器１００を構成する第１内部電極４（図２）および第２内部電極５（図２）の各電極面は、いずれも磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される。また、第１外部電極２（図２）および第２外部電極３（図２）の各電極面についても、磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される。

なお、各共振器１００の構成については上述した構成と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。

図７は、図６に示す共振装置２００において、導体１４を流れる電流の減衰量の周波数特性の一例を示す図である。なお、図７に示す変化特性は、シミュレーションによって算出されたものである。

図７を参照して、本実施の形態に従う共振装置２００は、６．５ＧＨｚ〜７．０ＧＨｚ付近に共振点を有し、この周波数領域において通過波が大きく減衰されることがわかる。

基板に配置する共振器の個数により、基板の特性（代表的に、必要な減衰量）を変更できる。したがって、適用先のアプリケーションに応じて、最適な負の誘電率を実現する基板を容易に構成できる。

また、上では、内部電極と外部電極との接続面における両者の幅が等しい積層コンデンサの構成について例示したが、外部電極で生じるインダクタンスを大きくするために、外部電極の幅をより狭くしてもよい。

このような変形例について図８を参照して説明する。図８は、変形例に従う共振器に用いられる積層コンデンサ２０の概略の外観図である。

図８を参照して、変形例に従う積層コンデンサ２０は、スペーサを介して交互に対向配置された複数の第１内部電極４および複数の第２内部電極５と、第１内部電極４の各々と電気的に接続される第１外部電極２＃と、第２内部電極５の各々と電気的に接続される第２外部電極３＃とを含む。

ここで、第１内部電極４と第１外部電極２＃との接続面において、第１外部電極２＃の幅は第１内部電極４の幅より狭くなっており、第２内部電極５と第２外部電極３＃との接続面において、第２外部電極３＃の幅は第２内部電極５の幅より狭くなっている。

第１外部電極２＃および第２外部電極３＃の線幅を狭くすることで、第１外部電極２＃および第２外部電極３＃で生じるインダクタンスを大きくできる。そのため、図３に示すような共振回路において、同一の共振周波数を生じるために必要なキャパシタンス（Ｃ１＋Ｃ２）が小さくて済むので、内部電極をより小さくすることができ、その結果、積層コンデンサ全体を小型化できる。

その他の構成については、上述の構成と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。
この変形例によれば、コンデンサ１０を用いる構成と同様の効果を得られるとともに、コンデンサ１０を用いる共振器に比較して、より小型化を図ることができる。

［機能基板の構成］
本発明に係る機能基板は、上述の共振器を基板上に配置、あるいは、基板内に作りこんだものである。共振器の配置の仕方によって、基板に様々な種類の機能を持たせることができる。

以下、図９から図１３を参照して、機能基板における共振器の配置の例について説明する。

図９Ａおよび図９Ｂは、共振器の第１の配置例を示す図である。図９Ａは、配列された共振器を上から見た図である。図９Ｂは、共振器１００の水平断面図である。この配置例においては、すべての共振器１００が同じ向きに配置されている。つまり、すべての共振器１００は、第１内部電極４および第２内部電極５の長手方向が同じ向き（図９Ａの上下方向）になるように、配置されている。なお、共振器１００の共振周波数は、３ＧＨｚであるとする。

このように共振器が配置された基板は、図９Ａの左右方向に流れる電流についてはすべて通す。一方、図９Ａの上下方向に流れる電流の３ＧＨｚ成分は通さない。つまり、この基板は、方向性を持つフィルタとして機能する。各共振器に、電流に対する感受性に方向性がある積層コンデンサを利用しているため、基板のフィルタ機能にも方向性が現れる。

第１の配置例をもつ基板は、方向性があるフィルタ機能を持つ。しかしながら、用途によっては、基板のフィルタ機能に方向性を持たせたくない場合がある。共振器の配置により、このような基板を実現することができる。

方向性のないフィルタ機能をもつ基板を実現するためには、例えば、図１０のように共振器を配置すればよい。図１０は、共振器の第２の配置例を示す図である。この配置例においては、半分の共振器１００は、第１内部電極４および第２内部電極５の長手方向が図１０の左右方向になるように配置されている。そして、残りの半分の共振器１００は、第１内部電極４および第２内部電極５の長手方向が図１０の上下方向になるように配置されている。なお、共振器１００の共振周波数は、３ＧＨｚであるとする。

図１０のように共振器が配置された基板は、図１０の左右方向、上下方向のいずれの方向に流れる電流についても、３ＧＨｚ成分を通さない。

このように、共振器を、それぞれに含まれる共振器の向きが９０度異なる２つのグループに分け、両グループを適当な間隔で混ぜて配置することで、基板のフィルタ特性の方向性をなくすことができる。

さらに、それぞれが異なる共振周波数を持つ複数種類の共振器を用いることで、複雑なフィルタ特性を実現することもできる。

例えば、図１１のように２種類の共振器を配置することを考える。図１１は、共振器の第３の配置例を示す図である。図１１に示す配置例では、共振器１００と、共振器１００とは異なる周波数特性をもつ共振器１００＃とが、交互に配置されている。共振器１００は、その第１内部電極４および第２内部電極５の長手方向が図１１の上下方向になるように配置されている。共振器１００＃は、その第１内部電極４および第２内部電極５の長手方向が図１１の左右方向になるように配置されている。ここでは、共振器１００、共振器１００＃の共振周波数は、それぞれ、３ＧＨｚ、５ＧＨｚであるとする。

図１１のように共振器が配置された基板は、左右方向の電流の３ＧＨｚ成分を通さない。また、上下方向の電流の５ＧＨｚ成分を通さない。

このように、それぞれ異なる共振周波数をもつ複数種類の共振器を用いることで、方向によりフィルタ特性の異なる基板を実現することができる。

これまで説明したように、基板に共振器を配置することで、基板に電流の特定の周波数成分を除去するフィルタを持たせることができる。基板自体がフィルタ機能を持つので、基板にフィルタを搭載することが必要なく、回路全体の小型化が可能になる。

また、積層セラミックコンデンサなどの積層コンデンサは、一般に、フィルタより安価である。基板全体に積層コンデンサを配置したとしても、回路全体で、従来の構成より安価にできる場合がある。

特に、携帯電話向けなどでは、減衰特性などの部品は、特別仕様である場合が多い。これは、部品の開発期間の長期化、ひいては、コスト高の要因となっている。積層コンデンサは、一般に流通している膨大な種類のものの中から選ぶことができるので、本実施の形態に係る基板を用いれば、機種ごとに特性を合わせこんだカスタム品を作る必要がなく、開発期間の短縮、コストの削減を図ることができる。

さらに、共振器の配置を工夫して、基板にデュプレクサとしての機能を持たせることもできる。

図１２は、共振器の第４の配置例を示す図である。図１２の左半分には、共振器１００が、右半分には共振器１００＃がそれぞれ配置されている。共振器１００および共振器１００＃は、いずれも、その第１内部電極４および第２内部電極５の長手方向が図１２の左右方向になるように配置されている。

また、図１２に示す基板上には、２つの支線に枝分かれした信号ラインが通っている。この信号ラインの主線は、共振器１００が配置されているエリアと、共振器１００＃が配置されているエリアの境界上を通っている。したがって、この信号ラインを流れる信号は、共振器と共振しない。２つの支線は、いずれも、図１２の左右方向、つまり、内部電極の長手方向と平行する方向に沿っている。

ここで、共振器１００の共振周波数は３ＧＨｚ、共振器１００＃の共振周波数は、５ＧＨｚであるとする。このとき、信号ラインに３ＧＨｚの信号と５ＧＨｚの信号が入射すると、左の支線には、５ＧＨｚの信号のみが流れる。また、右の支線には、３ＧＨｚの信号のみが流れる。つまり、この基板はデュプレクサとして機能する。

図１３に、デュプレクサとして機能する基板の他の配置例を示す。図１３は、共振器の第５の配置例を示す図である。図１３の上半分には、共振器１００が、下半分には共振器１００＃がそれぞれ配置されている。共振器１００および共振器１００＃は、いずれも、その第１内部電極４および第２内部電極５の長手方向が図１３の左右方向になるように配置されている。

また、図１３に示す基板上には、２つの支線をもつ信号ラインが通っている。この信号ラインの主線は、図１３の上下方向、すなわち、共振の起こらない方向に沿って配置されている。１つの支線（第１の支線とよぶ）は、共振器１００が配置されているエリア上を通っている。第１の支線の方向は、図１３の左右方向である。もう１つの支線（第２の支線とよぶ）は、共振器１００＃が配置されているエリア上を通っている。第２の支線の方向は、図１３の左右方向である。

ここで、共振器１００の共振周波数は３ＧＨｚ、共振器１００＃の共振周波数は、５ＧＨｚであるとする。このとき、信号ラインに３ＧＨｚの信号と５ＧＨｚの信号が入射すると、第１の支線には、５ＧＨｚの信号のみが流れる。また、第２の支線には、３ＧＨｚの信号のみが流れる。つまり、この基板も、図１２に示す基板と同様、デュプレクサとして機能することが分かる。

図１４Ａおよび図１４Ｂを参照して、基板の構成について説明する。図１４Ａおよび図１４Ｂは、基板の斜視図である。

図１４Ａは、周期的に２次元的に共振器１００を組み込んだ基板３１０の斜視図である。ここでは、共振器１００の配置は、図１０と同様の配置方法を示したものである。共振器１００が配置されている層の上に、導体１４が配置される。半分の共振器１００は、第１内部電極４および第２内部電極５の長手方向が図１４Ａのｘ方向となるように配置されている。そして、残りの半分の共振器１００は、第１内部電極４および第２内部電極５の長手方向が図１４Ａのｙ方向になるように配置されている。

また、共振器を３次元的に基板に組み込むこともできる。図１４Ｂに、周期的に３次元的に共振器１００を組み込んだ基板４１０の斜視図を示す。

ここでは、いずれの層の共振器も、図１０と同様の配置方法を示したものである。ただし、層によって、共振器の配置を変えてもよい。例えば、基板の表面付近の共振器の配置と、裏面付近の共振器の配置とを異なるものとすることにより、表面のフィルタ特性と、裏面のフィルタ特性とが異なる（例えば、共振周波数が異なる、フィルタの方向性が異なるなど）基板を作製することができる。

なお、図１４Ａおよび図１４Ｂにおいては、理解を容易にするために、意図的に、共振器１００が見えるように描いている。実際には、共振器１００の間には、樹脂などの基板材料が存在する。また、共振器１００の内部電極も、意図的に、見えるように描いている。

［その他］
上述の実施の形態では、積層コンデンサを用いた共振器をメタマテリアルとして用いる構成について説明したが、メタマテリアルの構成は、これに限られるものではない。例えば、メタマテリアルとして、文献１に開示されるようなスプリット・リング共振器を用いてもよい。２次元状のスプリット・リング共振器は、一般に、磁力線が共振器を含む平面内から来る場合には共振を起こさないという電流の感受性についての方向性をもつ。よって、上で説明した構成と同様にすれば、スプリット・リング共振器を用いて、フィルタ機能やデュプレクサ機能をもつ基板回路を実現できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (10)

1. 所定の周波数成分を含む電流が所定の方向に透過することを妨げる機能基板であって、
   前記電流が流れた場合に発生する電磁波を受けて共振を生じる、複数の共振器を備え、
   前記共振器の前記電磁波への感受性には各々に方向性があり、
   前記共振器は、前記電流が前記所定の方向に透過することを妨げる向きに配置されており、
   前記機能基板は、それぞれが前記共振器を複数含む基板層を複数備える、機能基板。
2. 所定の周波数成分を含む電流が所定の方向に透過することを妨げる機能基板であって、
   前記電流が流れた場合に発生する電磁波を受けて共振を生じる、複数の共振器を備え、
   前記複数の共振器は、
   第１の向きに配置された複数の前記共振器からなる第１の共振器群と、
   前記第１の向きに直交する第２の向きに配置された複数の前記共振器からなる第２の共振器群とを含む、機能基板。
3. 所定の周波数成分を含む電流が所定の方向に透過することを妨げる機能基板であって、
   前記電流が流れた場合に発生する電磁波を受けて共振を生じる、複数の共振器を備え、
   前記複数の共振器は、
   第１の向きに配置され、各々が第１の共振周波数をもつ複数の前記共振器からなる第１の共振器群と、
   前記第１の向きに直交する第２の向きに配置され、各々が前記第１の共振周波数と異なる第２の共振周波数をもつ複数の前記共振器からなる第２の共振器群とを含む、機能基板。
4. 所定の周波数成分を含む電流が所定の方向に透過することを妨げる機能基板であって、
   前記電流が流れた場合に発生する電磁波を受けて共振を生じる、複数の共振器を備え、
   主線および複数の支線を有する電流ラインの各前記支線が通過するエリアに、前記支線ごとに異なる共振周波数をもつ前記共振器が配置される、機能基板。
5. 前記機能基板は、それぞれが前記共振器を複数含む基板層を複数備える、請求項２〜４のいずれか１項に記載の機能基板。
6. 各前記共振器は、
   各々が絶縁物を介して互いに対向する第１および第２電極からなる複数の電極対と、
   前記第１電極の各々と電気的に接続される第３電極と、
   前記第２電極の各々と電気的に接続される第４電極とを含み、
   前記第１および第２電極の各電極面が、前記電流が流れた場合に生じる磁力線に対して実質的に平行となる配置を可能に構成されるとともに、前記第３および第４電極の各電極面が、前記第１および第２電極の各電極面とは異なる面において前記磁力線に対して実質的に平行となる配置を可能に構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の機能基板。
7. 各前記共振器は、
   平行に対向して形成された２つの外部電極からなる外部電極対と、
   前記外部電極対の一方と電気的に接続された複数の第１内部電極と、前記外部電極対の他方と電気的に接続された複数の第２内部電極とからなる内部電極群とを含み、
   前記内部電極群の各電極面は、前記外部電極の電極面に対して垂直に形成され、
   前記外部電極対の各電極面は、前記電流の伝搬方向に対する垂直面と平行に形成され、
   １つの前記第１内部電極と当該第１内部電極に隣接する第２内部電極との間で形成される第１静電容量と、別の前記第１内部電極と当該第１内部電極に隣接する別の第２内部電極との間で形成される第２静電容量と、前記外部電極対とを含む電気的な循環経路が形成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の機能基板。
8. 各前記共振器は、
   絶縁物を介して互いに平行に配列された複数の平板電極と、
   前記複数の平板電極の偶数番目の平板電極と電気的に接続された第１接続電極と、
   前記複数の平板電極の奇数番目の平板電極と電気的に接続された第２接続電極とを含み、
   前記第１および第２接続電極の各電極面は、前記複数の平板電極の電極面に対して垂直に形成され、
   前記複数の平板電極の各電極面は、前記電流が流れた場合に生じる磁力線に対して実質的に平行となる配置を可能に構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の機能基板。
9. 各前記共振器は、
   各々が互いに平行する複数の電極面を有する第１くし型電極および第２くし型電極を含み、
   前記第１くし型電極の最上層の電極面と前記第２くし型電極の最上層の電極面とが所定の間隔をもって平行に対向するように形成され、かつ前記第１くし型電極の最下層の電極面と前記第２くし型電極の最下層の電極面とが所定の間隔をもって平行に対向するように形成され、
   前記第１および第２くし型電極の各電極面は、前記電流が流れた場合に生じる磁力線に対して実質的に平行となる配置を可能に構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の機能基板。
10. 各前記共振器は、積層コンデンサである、請求項１〜９のいずれか１項に記載の機能基板。

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