JPWO2021044848A1 - フィルタ素子 - Google Patents

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Abstract

第1コイル(L1)及び第2コイル(L2)は、基材層の積層方向に巻回軸を有し、互いに磁界結合し、第1キャパシタ(C1)及び第2キャパシタ(C2)は、積層体の第1コイル(L1)及び第2コイル(L2)の形成層範囲とは異なる層に、積層方向に配置され、第1コイル(L1)及び第2コイル(L2)は、互いの巻回方向が逆関係で直列接続され、第1コイル(L1)及び第2コイル(L2)の直列回路に第2キャパシタ(C2)が並列接続され、第1キャパシタ(C1)は第1コイル(L1)と第2コイル(L2)との接続位置と、基準電位電極との間に接続され、第1コイル(L1)と第2コイル(L2)との結合により生じる相互インダクタンス(M)と、第1キャパシタ(C1)とで第1減衰極が形成され、前記直列回路と第2キャパシタ(C2)との並列接続回路によって第2減衰極が形成される。

Description

本発明は、基材層の積層体内にコイル及びキャパシタを備えて構成されるフィルタ素子に関する。
従来、基材層の積層体内にコイル導体及びキャパシタ電極を設けることによって、LCフィルタ素子が構成されている。
例えば特許文献1には、基材層が積層されてなる積層体にインダクタ及びキャパシタが形成されることによって構成されるフィルタ素子が示されている。
特開平10−13180号公報
特許文献1に記載のフィルタ素子においては、コイル(トランス)とキャパシタとが積層方向に配置され、トランスの1次コイルと2次コイルとは逆結合していて、キャパシタの一端が1次コイルと2次コイルとの間の接点に接続されていて、他端がグランドに接続されている。この構成により、全体としてローパスフィルタとして作用する。また、1次コイルと2次コイルとの接続点からシャントにつながる経路に生じる相互インダクタンスMとキャパシタとで減衰極が形成される。
しかし、このような従来のフィルタ素子においては、相互インダクタンスMとキャパシタとで形成される減衰極の減衰量が大きくとれず、不十分な場合があった。また、減衰帯域幅が不十分な場合があった。
そこで、本発明の目的は、減衰帯域の減衰量が確保された、又は減衰帯域の帯域幅が確保されたフィルタ素子を提供することにある。
本発明のフィルタ素子は、
基材層が積層されて形成される積層体、当該積層体の内部に設けられた内部素子、前記積層体の外面に設けられた第1端子電極、第2端子電極及び基準電位電極を備え、
前記内部素子は第1コイル、第2コイル、第1キャパシタ及び第2キャパシタを含み、
前記第1コイル及び前記第2コイルは、前記基材層の積層方向に巻回軸を有し、コイル開口が互いに重なって磁界結合し、
前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタは、前記積層体の前記第1コイル及び前記第2コイルの形成層範囲とは異なる層に、前記積層方向に配置され、
前記第1コイル及び前記第2コイルは差動接続され、
前記第1コイル及び前記第2コイルの直列回路に前記第2キャパシタが並列接続され、
前記第1キャパシタは前記第1コイルと前記第2コイルとの接続位置と、前記基準電位電極との間に接続される。
本発明によれば、第1コイルと前記第2コイルとの結合により生じる相互インダクタンスと、第1キャパシタとで第1減衰極が形成されるだけでなく、第1コイルと第2コイルの直列回路と第2キャパシタとの並列接続回路によって第2減衰極が形成されるので、減衰量の大きな、又は減衰帯域の広い、減衰特性を有するフィルタ素子が得られる。
図1は第1の実施形態に係るフィルタ素子101の斜視図である。 図2はフィルタ素子101の各基材層に形成されている絶縁基材パターン及び導体パターンを示す分解平面図である。 図3はフィルタ素子101のX−Z面に平行な所定面での断面図である。 図4(A)はフィルタ素子101の回路図である。図4(B)はフィルタ素子101の等価回路図である。 図5は、フィルタ素子101の周波数特性を示す図である。 図6は第2の実施形態に係るフィルタ素子の各基材層に形成されている絶縁基材パターン及び導体パターンを示す分解平面図である。 図7(A)は、第2の実施形態に係るフィルタ素子102の回路図である。図7(B)はフィルタ素子102の等価回路図である。 図8は、フィルタ素子102の周波数特性を示す図である。 図9は、一部の構成が異なるフィルタ素子102の周波数特性を示す図である。 図10は、第3キャパシタC3の接続位置が図7(A)とは異なるフィルタ素子の回路図である。 図11(A)、図11(B)、図11(C)、図11(D)は、第3の実施形態に係る各フィルタ素子の周波数特性を示す図である。
《第1の実施形態》
図1は第1の実施形態に係るフィルタ素子101の斜視図である。このフィルタ素子101は、基材層が積層されて形成される直方体形状の積層体1、この積層体1の内部に設けられた内部素子、積層体1の外面に設けられた第1端子電極E11、第2端子電極E12、第3端子電極E13及び第4端子電極E14を備える。第3端子電極E13は本発明に係る「基準電位電極」に相当する。上記内部素子は第1端子電極E11と第2端子電極E12との間に接続されるコイル及びキャパシタを含む。フィルタ素子101はその実装面Bが回路基板等に実装される。図1においては、積層体1の各辺に平行な軸をX,Y,Z軸として座標軸を表している。
図2はフィルタ素子101の各基材層に形成されている絶縁基材パターン及び導体パターンを示す分解平面図である。図3はフィルタ素子101のX−Z面に平行な所定面での断面図である。
基材層S1は最上層の基材層であり、基材層S13は最下層の基材層である。基材層S2〜S12は、最上層の基材層S1と最下層の基材層S13との間にある基材層である。基材層S13には、第1端子電極E11、第2端子電極E12、第3端子電極E13及び第4端子電極E14が形成されている。基材層S2〜S12には側部端子電極E21,E22,E23,E24が形成されている。各基材層に形成されている側部端子電極E21,E22,E23,E24は同一符号の端子電極同士で導通する。また、側部端子電極E21は基材層S13に形成されている第1端子電極E11に導通し、側部端子電極E22は基材層S13に形成されている第2端子電極E12に導通し、側部端子電極E23は基材層S13に形成されている第3端子電極E13に導通し、側部端子電極E24は基材層S13に形成されている第4端子電極E14に導通する。
基材層S2,S3,S4には第1コイル導体L11,L12,L13がそれぞれ形成されている。また、基材層S6,S7,S8には第2コイル導体L21,L22,L23がそれぞれ形成されている。図2において破線はビア導体による接続関係を示している。
第2コイル導体L21の第1端は側部端子電極E22に接続されている。基材層S2には、第2コイル導体L21の第2端と第2コイル導体L22の第1端とを接続するビア導体が形成されている。また、基材層S3には、第2コイル導体L22の第2端と第2コイル導体L23の第1端とを接続するビア導体が形成されている。第2コイル導体L23の第2端は側部端子電極E24に接続されている。上記第2コイル導体L21,L22,L23及びビア導体によって第2コイルL2が構成される。
第1コイル導体L11の第1端は側部端子電極E24に接続されている。基材層S6には、第1コイル導体L11の第2端と第2コイル導体L22の第1端とを接続するビア導体が形成されている。また、基材層S7には、第1コイル導体L12の第2端と第1コイル導体L13の第1端とを接続するビア導体が形成されている。第1コイル導体L13の第2端は側部端子電極E21に接続されている。上記第1コイル導体L11,L12,L13及びビア導体によって第1コイルL1が構成される。
Z軸に平行方向に視て、上記第1コイル導体L11,L12,L13のコイル開口と上記第2コイル導体L21,L22,L23のコイル開口とは重なるので(巻回軸が揃っているので)、第1コイルL1と第2コイルL2とは磁界結合する。
基材層S9,S10には、キャパシタ電極C21,C22がそれぞれ形成されている。このキャパシタ電極C21,C22によってキャパシタC2が構成される。
基材層S9には、グランド電極G2が形成されていて、基材層S10にはキャパシタ電極C12が形成されていて、基材層S11には、グランド電極G1が形成されていて、基材層S12にはキャパシタ電極C11が形成されている。このグランド電極G1,G2とキャパシタ電極C11,C12とによってキャパシタC1が構成される。
第2コイルL2は第1コイルL1に比べて、第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2より、積層方向(Z軸方向)に離れた位置に配置されている。そして、第2コイルL2のインダクタンスは第1コイルL1のインダクタンスより大きい。この例では、第1コイルL1のコイル巻回数は第2コイルL2のコイル巻回数より少し多いが、第2コイル導体L21,L22,L23の方が第1コイル導体L11,L12,L13より各キャパシタ電極から離れているので、上述のとおり、第2コイルL2のインダクタンスは第1コイルL1のインダクタンスより大きい。
ここで、図3に示すように、第1コイルL1により生じる磁界の強さをH1、第2コイルL2により生じる磁界の強さをH2で表す。また、第2コイルL2により生じる第2コイルL2の中央高さにおける中心部の磁界の強さを+3、第1コイルL1により生じる第1コイルL1の中央高さにおける中心部の磁界の強さを−2、キャパシタ電極C21,C22,C12の高さ付近における磁界の強さを+1、として、それら磁界の大きさを概略的に表す。図3に示すように、上記磁界の強さH1とH2との合成強さは、第2コイルL2の中央高さにおける中心部で+2、第1コイルL1の中央高さにおける中心部で0、キャパシタ電極C21,C22,C12付近で0である。
このように、第1コイルL1による生じる磁束の向きと、第2コイルL2による生じる磁束の向きとは逆であり、かつ、キャパシタ電極に近い側の第1コイルL1に比べて、遠い側の第2コイルL2が発生する磁界が強いと、キャパシタ電極C21,C22,C12付近での磁界は抑制される。その結果、キャパシタ電極C21,C22,C12等に生じる渦電流が抑制され、第1コイルL1及び第2コイルL2のインダクタンスの低下が抑制される。
本実施形態では、第1キャパシタC1のキャパシタンスは第2キャパシタC2のキャパシタンスより大きい。つまり、グランド電極G1,G2及びキャパシタ電極C11,C12の面積は、キャパシタ電極C21,C22の面積より大きい。そして、第1キャパシタC1は第2キャパシタC2に比べて第1コイルL1及び第2コイルL2から離れた位置に配置されている。そのため、第1コイルL1及び第2コイルL2による磁束を遮る、キャパシタ電極やグランド電極等の平面導体の実効的な面積は小さく、上記渦電流は効果的に抑制される。
積層体1の各基材層S1〜S13は、感光性絶縁ペースト及び感光性導電ペーストのスクリーン印刷、露光及び現像によって形成され、これら基材層の積層形成によって積層体1は形成される。
具体的には、感光性絶縁ペースト層をスクリーン印刷し、紫外線を照射し、アルカリ溶液で現像する。これにより外部電極用の開口やビアホール等を有する絶縁基材パターンを形成する。また、感光性導電ペーストをスクリーン印刷し、紫外線を照射し、アルカリ溶液で現像することによって導体パターンを形成する。この絶縁基材パターン及び導体パターンの積層によって、マザー積層体を得る。その後、このマザー積層体を個片に分断することによって多数の積層体1を得る。各外部電極の表面には、はんだ付け性向上、導電率向上、耐環境性向上を目的として、例えばNi / Auめっきを施す。
上記積層体1の形成方法はこれに限らない。例えば、導体パターン形状に開口したスクリーン版による導体ペーストを印刷し積層する工法でもよい。また、絶縁基材に導体箔を貼付し、導体箔のパターンニングによって各基材層の導体パターンを形成してもよい。外部電極の形成方法についてもこれに限らず、例えば、積層した素体に対する導体ペーストのディッピングやスパッタリング法によって、積層体1の底面及び側面に外部電極を形成してもよく、さらに、その表面にめっき加工を施してもよい。
図4(A)はフィルタ素子101の回路図である。図4(B)はフィルタ素子101の等価回路図である。図4(A)において、シリーズ接続された第1コイルL1及び第2コイルL2と、シャント接続されたキャパシタC1とによってT型フィルタが構成されている。また、第1コイルL1及び第2コイルL2の直列回路に第2キャパシタC2が並列接続されて、本発明に係る「並列接続回路」が構成されている。
第1コイルL1は、図2に示した第1コイル導体L11,L12,L13によって構成され、第2コイルL2は第2コイル導体L21,L22,L23によって構成される。第1キャパシタC1はグランド電極G1,G2とキャパシタ電極C11,C12とによって構成され、第2キャパシタC2は上記キャパシタ電極C21,C22によって構成される。
図4(A)、図4(B)において、第1端子T1は上記第1端子電極E11に相当し、第2端子T2は上記第2端子電極E12に相当する。また、基準電位端子TGは上記第4端子電極E14に相当する。この回路は、基準電位端子TGが基準電位(グランド電位)に接続され、第1端子T1及び第2端子T2に不平衡信号を入出力するフィルタ回路として作用する。第1端子T1、第2端子T2には、それぞれインピーダンスが例えば50Ωの回路が接続される。
図4(A)に示す第1コイルL1と第2コイルL2とは、上記基材層の積層方向に巻回軸を有し、コイル開口が互いに重なって磁界結合し、第1コイルL1及び第2コイルL2は互いの巻回方向が逆関係で直列接続されている。つまり、第1コイルL1と第2コイルL2とは差動接続されている。ここで、第1コイルL1のインダクタンスをL1、第2コイルL2のインダクタンスをL2、第1コイルL1と第2コイルL2との結合による相互インダクタンスをMで表すと、図4(B)に示すとおり、2つのシリーズ接続素子のインダクタンスは(L1−M),(L2−M)、シャント接続素子のインダクタンスはMで表すことができる。このシャント接続された、インダクタンスMと第1キャパシタC1とで構成されるLC直列回路によって第1減衰極が形成される。
図4(B)において、互いに磁界結合する第1コイルL1と第2コイルL2との直列回路のインダクタンスは(L1−M)+(L2−M)=L1+L2−2Mである。この直列回路と第2キャパシタC2とでLC並列回路が構成され、このLC並列回路によって第2減衰極が形成される。
図5は、本実施形態のフィルタ素子101の周波数特性を示す図である。図5は反射係数S11及び透過係数S21の周波数特性を示す図である。ここで、図4(A)に示した各素子の値は次のとおりである。
L1:9.3nH
L2:11.6nH
C1:1.6pF
C2:0.2pF
k:0.6 (第1コイルL1と第2コイルL2との結合係数)
図5において、減衰極P1はインダクタンスMと第1キャパシタC1とで構成されるLC直列回路による上記第1減衰極であり、減衰極P2は、第1コイルL1及び第2コイルL2の直列回路と第2キャパシタC2との並列接続回路による上記第2減衰極である。
図5に示す例では、900MHzにおける挿入損失は0.408dBであり、遮断周波数が1.3GHzであり、1.5GHz〜5GHzの広帯域に亘って−10dB以下の減衰特性が得られている。
本実施形態によれば、第1コイルL1と第2コイルL2との結合により生じる相互インダクタンスと、第1キャパシタC1とで第1減衰極P1が形成されるだけでなく、第1コイルL1と第2コイルL2の直列回路と第2キャパシタC2との並列接続回路による第2減衰極P2が第1減衰極P1より高周波数側に形成されるので、減衰帯域の広い減衰特性を有するフィルタ素子が得られる。また、第1減衰極P1は急峻であるので、通過域と遮断域との境界を急峻にできる。一方、上記並列接続回路による第2減衰極P2は比較的緩いので、減衰域を広帯域に亘って減衰させることができる。
《第2の実施形態》
第2の実施形態では、第3のキャパシタを備えるフィルタ素子の例について示す。
図6は第2の実施形態に係るフィルタ素子の各基材層に形成されている絶縁基材パターン及び導体パターンを示す分解平面図である。第1の実施形態において図2に示した例とは、基材層S9,S10に形成される導体パターンが異なる。第2の実施形態では、基材層S9に形成されるキャパシタ電極C21は側部端子電極E21に導通している。また、基材層S10に形成されるキャパシタ電極C22は側部端子電極E22に導通している。
図6において、グランド電極G1,G2とキャパシタ電極C11,C12とによってキャパシタC1が構成される。また、キャパシタ電極C21,C22によってキャパシタC2が構成される。さらに、キャパシタ電極C22とグランド電極G1とによってキャパシタC3が構成される。その他は第1の実施形態で示したとおりである。
図7(A)は、第2の実施形態に係るフィルタ素子102の回路図である。図7(B)はフィルタ素子102の等価回路図である。図7(A)において、シリーズ接続された第1コイルL1及び第2コイルL2と、シャント接続されたキャパシタC1とによってT型フィルタが構成されている。また、第1コイルL1及び第2コイルL2の直列回路に第2キャパシタC2が並列接続されて、本発明に係る「並列接続回路」が構成されている。さらに、フィルタ素子102は、第2端子T2と基準電位端子TGとの間に接続された第3キャパシタC3を備えている。
第1の実施形態で示したフィルタ素子101と同様に、インダクタンスMと第1キャパシタC1とで構成されるLC直列回路によって第1減衰極が形成され、第1コイルL1と第2コイルL2との直列回路と第2キャパシタC2とのLC並列回路によって第2減衰極が形成される。
第3キャパシタC3は第1減衰極及び第2減衰極より高い周波数域を減衰させる。また、この第3キャパシタC3は、第2端子T2に接続される回路のインピーダンスとフィルタ素子102のインピーダンスとを整合させるための整合回路を兼ねている。
図8は、本実施形態のフィルタ素子102の周波数特性を示す図である。図8は反射係数S11及び透過係数S21の周波数特性を示す図である。ここで、図7(A)に示した各素子の値は次のとおりである。
L1:9.3nH
L2:11.6nH
C1:1.6pF
C2:0.2pF
C3:0.5pF
k:0.6
図8において、減衰極P1はインダクタンスMと第1キャパシタC1とで構成されるLC直列回路による第1減衰極であり、減衰極P2は、第1コイルL1及び第2コイルL2の直列回路と第2キャパシタC2との並列接続回路による第2減衰極である。
図9は、第3キャパシタC3のキャパシタンスを上記の例から変更したときのフィルタ素子102の周波数特性を示す図である。図9に示す特性は、第3キャパシタC3のキャパシタンスを2pFとしたときの例である。
図8と図5とを対比すれば明らかなように、3.5GHz以上の周波数帯で減衰量が増大している。これは第3キャパシタC3の作用効果である。つまり、第1コイルL1及び第2コイルL2と第3キャパシタC3とによるLC回路で、3.5GHz以上の周波数帯が減衰されている。
図9は、第3キャパシタC3のキャパシタを大きくして、第1コイルL1及び第2コイルL2と第3キャパシタC3とによるLC回路の遮断周波数を低くすることにより、1.5GHz以上の減衰量をさらに大きくした例である。ただし、第3キャパシタC3のキャパシタンスを大きくしすぎると、このフィルタ素子102に接続される回路とのインピーダンス整合がとれなくなって、挿入損失が増大してしまう。図8に示す例では、900MHzにおける挿入損失は0.365dBであり、図9に示す例では、900MHzにおける挿入損失は0.516dBである。
したがって、挿入損失と減衰量との兼ね合いにより、第3キャパシタC3のキャパシタンスを定めることが好ましい。
図10は、第3キャパシタC3の接続位置が図7(A)とは異なるフィルタ素子の回路図である。図10の例では、第1端子T1と基準電位端子TGとの間に第3キャパシタC3が接続されている。この第3キャパシタC3は、第1端子T1に接続される回路のインピーダンスと、このフィルタ素子のインピーダンスとを整合させるための整合回路として作用する。
《第3の実施形態》
第3の実施形態では、第1減衰極P1と第2減衰極P2とを近接させることによって、第1減衰極P1近傍の減衰量を大きくしたフィルタ素子の例を示す。
図11(A)、図11(B)、図11(C)、図11(D)は、第2の実施形態で図7(A)に示したフィルタ素子102における第2キャパシタC2の値を変えたときのフィルタ素子の透過係数の周波数特性を示している。図11(A)は第2キャパシタC2が無い状態での比較例としての特性であり、図11(B)は第2キャパシタC2が0.1pFであるときの特性であり、図11(C)は第2キャパシタC2が0.2pFであるときの特性であり、図11(D)は第2キャパシタC2が0.3pFであるときの特性である。図11(C)の例は図8に示した例と同じである。
このように、第1コイルL1及び第2コイルL2の直列回路と第2キャパシタC2との並列接続回路による第2減衰極P2は、第2キャパシタC2のキャパシタンスによって定まる。そして、この第2減衰極P2を第1減衰極P1に近づけることによって、第1減衰極P1の高周波側の帯域の減衰量を大きくすることができる。
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
B…実装面
C1…第1キャパシタ
C11,C12…キャパシタ電極
C2…第2キャパシタ
C21,C22…キャパシタ電極
C3…第3キャパシタ
E11…第1端子電極
E12…第2端子電極
E13…第3端子電極(基準電位電極)
E14…第4端子電極
E21,E22,E23,E24…側部端子電極
G1,G2…グランド電極
L1…第1コイル
L11,L12,L13…第1コイル導体
L2…第2コイル
L21,L22,L23…第2コイル導体
M…相互インダクタンス
P1…第1減衰極
P2…第2減衰極
S1〜S13…基材層
T1…第1端子
T2…第2端子
TG…基準電位端子
1…積層体
101,102…フィルタ素子

Claims (7)

  1. 基材層が積層されて形成される積層体、当該積層体の内部に設けられた内部素子、前記積層体の外面に設けられた第1端子電極、第2端子電極及び基準電位電極を備え、
    前記内部素子は第1コイル、第2コイル、第1キャパシタ及び第2キャパシタを含み、
    前記第1コイル及び前記第2コイルは、前記基材層の積層方向に巻回軸を有し、コイル開口が互いに重なって磁界結合し、
    前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタは、それぞれ前記積層体の前記第1コイル及び前記第2コイルの形成層範囲とは異なる層に配置され、
    前記第1コイル及び前記第2コイルは差動接続され、
    前記第1コイル及び前記第2コイルの直列回路に前記第2キャパシタが並列接続され、
    前記第1キャパシタは、前記第1コイルと前記第2コイルとの接続位置と、前記基準電位電極との間に接続された、
    フィルタ素子。
  2. 前記第1コイルと前記第2コイルとの結合により生じる相互インダクタンスと、前記第1キャパシタとで第1減衰極が形成され、
    前記直列回路と前記第2キャパシタとの並列接続回路によって第2減衰極が形成された、
    請求項1に記載のフィルタ素子。
  3. 前記第2減衰極は前記第1減衰極より高周波数側にある、
    請求項2に記載のフィルタ素子。
  4. 前記第2コイルは前記第1コイルに比べて、前記第1キャパシタ及び前記第2キャパシタより離れた位置に配置され、
    前記第2コイルのインダクタンスは前記第1コイルのインダクタンスより大きい、
    請求項1から3のいずれかに記載のフィルタ素子。
  5. 前記第1キャパシタのキャパシタンスは前記第2キャパシタのキャパシタンスより大きく、
    前記第1キャパシタは前記第2キャパシタに比べて前記第1コイル及び前記第2コイルから離れた位置に配置される、
    請求項1から4のいずれかに記載のフィルタ素子。
  6. 前記第1端子電極と前記基準電位電極との間、又は前記第2端子電極と前記基準電位電極との間に接続され、前記第1端子電極又は前記第2端子電極に接続される回路とのインピーダンスを整合させる第3キャパシタを備える、
    請求項1から5のいずれかに記載のフィルタ素子。
  7. 前記第1端子電極と前記基準電位電極との間、又は前記第2端子電極と前記基準電位電極との間に接続され、前記第1端子電極又は前記第2端子電極に接続される回路とのインピーダンスを整合させる第3キャパシタを備え、
    前記第3キャパシタは、前記第2端子電極と前記基準電位電極との間に接続され、前記第1減衰極及び前記第2減衰極より高い周波数域を減衰させる、
    請求項2又は3に記載のフィルタ素子。
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