(57)【要約】【課題】マイクロ波帯への移行にも充分に追従可能な小寸法の誘電体共振器を提供する。【解決手段】誘電体共振器１１は、回路基板１２の上に直接接合して配置されており、回路基板１２には接地用電極１３、配線１４が形成されている。誘電体共振器１１はエアロデポジション法で形成され、基板上の設置面に対して垂直方向の厚みが１０μｍ〜５００μｍである。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板に設置される誘電体共振器において、主となる材質がセラミックスであり、基板上の設置面に対して垂直方向の厚みが１０μｍ〜５００μｍであることを特徴とする誘電体共振器。
【請求項２】
請求項１に記載の誘電体共振器において、この誘電体共振器は多結晶であり、前記構造物を構成する結晶は実質的に結晶配向性がなく、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在しないことを特徴とする誘電体共振器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の誘電体共振器において、前記回路基板または回路基板上に設置されるチップに、接着剤を介することなく直接接合されていることを特徴とする誘電体共振器。
【請求項４】
請求項２または３に記載の誘電体共振器において、前記回路基板または回路基板上に設置されるチップの表面に、前記誘電体共振器の一部が食い込むアンカー部が形成されていることを特徴とする誘電体共振器。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４に記載の誘電体共振器において、この誘電体共振器の側壁は回路基板表面に対し略垂直に立ち上がっていることを特徴とする誘電体共振器。
【請求項６】
誘電体共振器の原材料となるセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、回路基板または回路基板上に設置されるチップに向けて吹き付けて前記セラミックス微粒子を衝突させて、前記回路基板または回路基板上に設置されるチップに、前記セラミックス微粒子材料が接合してなる膜状の誘電体共振器を直接形成する工程を有する誘電体共振器の作製方法。
【請求項７】
請求項６に記載の誘電体共振器の作製方法において、前記誘電体共振器を形成する工程が、常温環境下で行われることを特徴とする誘電体共振器の作製方法。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の誘電体共振器の作製方法において、前記誘電体共振器の大きさに合わせた貫通孔を板に空けたマスクを前記回路基板または前記回路基板上に設置されるチップに張り付け、前記貫通孔の位置に前記エアロゾルを吹き付けて、前記貫通孔の内部に前記貫通孔の形状に沿って前記誘電体共振器を形成することを特徴とする誘電体共振器の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線ＬＡＮ、携帯電話等の高速デジタル通信、自動車車載レーダなどの高度道路交通システム、人体などの移動物を検知する検知装置、周波数制御発振器等で用いられる通信機器に搭載されるマイクロ波帯域用の誘電体共振器とその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘電体共振器は自由空間におかれた場合放射損を伴うため、その周囲を導体で遮蔽して使用される場合が多い。その構造には図７（ａ）に示すような、導体円筒空洞内の誘電体円柱両端面が空洞両端面に接する構造の空洞両端短絡型共振器、（ｂ）に示すような、円柱が導体に接しない構造の空洞開放型共振器、（ｃ）に示すような、（ｄ）に示すような、円柱一端のみが導体面に接する構造の空洞イメージ型共振器、（ｅ）に示すような空洞直径を無限大として導体側壁を取り去る場合の平行板短絡型、（ｆ）に示すような、平行板開放型、平行板イメージ型共振器などがある。これらはマイクロ波集積回路用共振器として重要である。
【０００３】
従来の誘電体共振器の作製は、誘電率が数十〜百数十程度の酸化物セラミックス粉体を例えば円柱状に成形した後焼成して、これを寸法精度よく研削を行う方法をとる。数ＧＨｚまでの誘電体共振器では直径や厚みが数ミリ程度の大きさの焼成体が使用されている。
【０００４】
現状でよく用いられている構成はＴＥ０１δモードを使用した空洞開放型共振器の一種であり、誘電体共振器を導体カバーの中で、低誘電率材料の支持体によって支持されることで設置されている。具体的には、絶縁基板上に低誘電率の支持体（スペーサ）を接着剤で取り付け、この支持体の上に誘電体共振器を接着剤で取り付けるという方法がとられている。
【０００５】
特開２００１−１０２８２４号では、誘電体共振器の取り付け方法の提案として、絶縁基板上に膜部からなる載置部を設け、載置部上に誘電体共振器を載置して、誘電体共振器の下面と絶縁基板との間に隙間を形成し、隙間に設けられた接着剤で誘電体共振器を絶縁基板に取り付けた構成を挙げており、この理由として誘電体共振器と絶縁基板との間の接着剤の厚みのばらつきが、誘電体共振器と電極部との間の相互作用による共振周波数の変動を引き起こすためとしている。
【０００６】
また、特許第３１６８７７３号公報では、厚膜体（支持体）の中央部分に凹部を設け、この凹部に接着剤を入れて誘電体共振器を基板に固着し、基板に形成した電極部と誘電体共振器との間において、安定した共振周波数を得るようにしている。
【０００７】
これらの取り付け方法は誘電体共振器が焼成体として基板と別個に作製されるために接着という工程を採用する必要があることを示している。
【０００８】
誘電体共振器のトレンドを見ると、携帯電話やＰＨＳ等の急速な普及により利用者が増加し３ＧＨｚ以下の周波数帯が逼迫した状況になりつつあることに伴い、使用されるマイクロ波の周波数は高周波へとシフトしつつあり、無線ＬＡＮ（４．９ＧＨｚ）、ＥＴＣ（有料道路自動料金収集システム、５．８ＧＨｚ）などを経て、さらには３０ＧＨｚ以上のマイクロ波帯への移行も検討されるようになってきている。誘電体共振器の寸法は、使用するマイクロ波の周波数に依存し、周波数が高くなると寸法は小さくなる。
【０００９】
特開２００２−１６４１０号公報にはＴＥ０１δ誘電体共振素子の寸法として、円柱形状の誘電体共振素子の直径は１０ＧＨｚ帯用で約４〜５ｍｍ、６０〜７０ＧＨｚ帯用で約０．６〜０．７ｍｍであることが記載されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように、マイクロ波帯域における誘電体共振器の寸法は大きさが１ｍｍ以下となる場合も生じ、従来の焼成・研削プロセスでは、ハンドリングの難しさや寸法精度、接着による取り付け精度の問題が発生することが懸念される。
【００１１】
本発明は、高周波化に伴い形状が小さく、寸法精度が厳しくなりつつあるために作製上さまざまな問題が生じてくる誘電体共振器において、これらを解決することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は基板やチップ内に厚膜セラミックス誘電体を直接形成した。
具体的には、本発明に係る誘電体共振器は、回路基板に設置される誘電体共振器において、主となる材質がセラミックスであり、基板上の設置面に対して垂直方向の厚みが１０μｍ〜５００μｍである構成とした。
【００１３】
所望の共振周波数を得るには、厚みのみでなく直径もそのファクターとなるが、後述するエアロデポジション法によれば、厚みのみでなく直径寸法も容易にコントロールすることができる。
【００１４】
また１０μｍ〜５００μｍとしたのは、１０μｍが後加工の表面研磨で膜厚精度良く研磨加工が達成されると考えられる膜厚の下限値と考えられ、ゾルゲル法、ＰＶＤ法などでは達成されない膜厚である。また５００μｍが後述するエアロでポジション法で問題なく達成できる上限に近く、また焼成体の研削やハンドリングが困難になってくる厚みであり、周波数的にも誘電率数十の材料を用いた場合で数十ＧＨｚとなる領域である。
【００１５】
また、エアロデポジション法により誘電体共振器は、多結晶であり、前記構造物を構成する結晶は実質的に結晶配向性がなく、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在しないものとすることができ、硬さ、耐摩耗性、耐食性などの機械的・化学的特性に優れた誘電体共振器となる。
なお、本明細書では上記多結晶等については以下のように定義する。
（多結晶）
本件では結晶子が接合・集積してなる構造体を指す。結晶子は実質的にそれひとつで結晶を構成しその径は通常５ｎｍ以上である。ただし、微粒子が破砕されずに構造物中に取り込まれるなどの場合がまれに生じるが、実質的には多結晶である。
（結晶配向性）
本件では多結晶である構造物中での結晶軸の配向具合を指し、配向性があるかないかは、一般には実質的に配向性のないと考えられる原料粉体微粒子を測定したデータあるいは粉末Ｘ線回折などによって標準データとされたＪＣＰＤＳ（ＡＳＴＭ）データ、を指標として判断する。
構造物中の脆性材料結晶を構成する物質を挙げたこの指標における主要な回折３ピークのピーク強度を１００％として、構造物の同物質測定データ中、最も主要なピークのピーク強度をこれに揃えた場合に、他の２つのピークのピーク強度が指標の値と比較して３０％以内にそのずれが収まっている状態を，本件では実質的に配向性がないと称する。
（界面）
本件では結晶子同士の境界を構成する領域を指す。
（粒界層）
界面あるいは焼結体でいう粒界に位置するある厚み（通常数ｎｍ〜数μｍ）を持つ層で、通常結晶粒内の結晶構造とは異なるアモルファス構造をとり、また場合によっては不純物の偏析を伴う。
【００１６】
また、本発明の誘電体共振器には、回路基板または回路基板上に設置されるチップ例えばＴＥ０１δモードで共振させるためのスペーサに、接着剤を介することなく直接接合された構造、その直接接合部はアンカー部を形成していること、更には誘電体共振器の側壁が回路基板表面に対し略垂直に立ち上がった構造が含まれる。
本件においてアンカー部とは、基材と構造物の界面に形成された凹凸を指し、特に、予め基材に凹凸を形成させるのではなく、構造物形成時に、元の基材の表面精度を変化させて形成される凹凸のことを指す。
【００１７】
また、本発明に係る誘電体共振器の作製方法は、誘電体共振器の原材料となるセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、回路基板または回路基板上に設置されるチップに向けて吹き付けて前記セラミックス微粒子を衝突させて、前記回路基板または回路基板上のスペーサに、前記セラミックス微粒子材料が接合してなる膜状の誘電体共振器を直接形成する工程を有する構成とした。
【００１８】
ここで、上記の作製方法はセラミック微粒子をガス中に分散したエアロゾルを基板に吹き付けて、基板上にセラミックの構造物を形成する方法はエアロゾルデポジション法と呼ばれる。特許第３２６５４８１号、国際出願特許ＷＯ　０１／２７３４８　Ａ１に開示されるものが知られている。
【００１９】
例えば５００μｍ以下の厚み領域に至っては、従来の焼成・研削による共振器作製方法ではハンドリングの問題などで達成は非常に困難である。よって、本発明にあっては、誘電体共振器の原材料となるセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、回路基板または回路基板上に設置するチップに向けて吹き付けてセラミックス微粒子を衝突させて、回路基板または回路基板上に設置するチップの上に、セラミックス微粒子材料が接合してなる膜状誘電体共振器を形成する。
【００２０】
またこの作製方法のうち、誘電体共振器を形成する工程が、常温環境下で行われる。ここで常温とは、セラミックスの焼成温度に対して十分低い室温付近の温度のことであり、実質的に２００℃以下の温度を言う。
【００２１】
ここで、回路基板とはテフロン、ガラスエポキシ、セラミックスなどの絶縁体上に金属箔や導体配線が形成されたものや金属板上に有機材料やセラミックス材料の誘電体膜が形成され、このうえに金属箔や導体配線が形成されたものであり、誘電体共振器を設ける箇所は絶縁体上であっても良いし、金属箔や導体配線上であってもよい。回路基板上に設置するチップとは、誘電体共振器の誘電率よりも低い絶縁体材料や導電体材料から形成される支持体や、あるいは箱状の金属でできた遮蔽導体、この遮蔽導体の内部に支持体を形成したものなどが挙げられる。支持体を直接基板上に形成したものは前述の回路基板に含まれる。
【００２２】
また本発明における誘電体共振器の作製方法としては、誘電体共振器の原材料となるセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、回路基板または回路基板上に設置するチップに向けて吹き付けてセラミックス微粒子を衝突させて、回路基板または回路基板上に設置するチップの上に、セラミックス微粒子材料を接合させて誘電体共振器を形成する方法において、誘電体共振器の大きさに合わせた貫通孔を板に設けたマスクを回路基板または回路基板上に設置するチップに張り付け、貫通孔の位置にエアロゾルを吹き付けて、貫通孔の内部に貫通孔の形状に沿って誘電体共振器を形成する。
【００２３】
誘電体共振器は寸法精度が特に要求される。焼成法などの場合は焼成による収縮によって寸法が変化するため、焼成後に研削を行う必要がある。本手段においては、誘電体共振器を室温で形成させるため収縮などは起こらず、予めマスクの貫通孔形状を鋳型として用い、所望の形で寸法に設定しておくことで、精度良く作製することができる。マスクを基板から浮かせて誘電体共振器を作製することも可能であるが、共振器の外形の精度を保つためにはマスクを張り付ける方法がより好適である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１、図２、図３に誘電体共振器のいくつかの実施の態様についての断面図を示す。図４にこの実施の態様を達成するために使用する作製装置４０（エアロゾルデポジション装置）の模式図を示す。
【００２５】
図１では、誘電体共振器１１は、回路基板１２の上に直接接合して配置されており、回路基板１２には接地用電極１３、配線１４が形成されている。回路基板の材質は一般的によく用いられるテフロン、ガラスエポキシなどの有機材料でも良いし、アルミナなどの低誘電率セラミックスでも良い。
【００２６】
図２では、誘電体共振器２１は回路基板２２の上のスペーサ部２３の上に直接接合して配置されており、回路基板２２には接地用電極２４、配線２５が形成されている。スペーサ部２３は誘電体共振器２１よりも低誘電率の誘電体材質で形成されるかあるいは金属の膜で形成されている。誘電体材質がセラミックスの場合は、回路基板２２にエアロゾルデポジション法を用いて直接形成した厚膜も考えられる。
【００２７】
図１，図２では誘電体共振器の周囲に通常設けられる導体カバーについては図示していない。図３では、誘電体共振器３１は、導体の筐体３２の内部に形成された低誘電率のスペーサ３３の上面に直接接合して配置されており、この筐体３２を回路基板３４に接着剤３５を介して接着されている。回路基板３４は接地用電極３６、配線３７が形成されている。これらいずれの誘電体共振器もエアロゾルデポジション法で形成されており、厚みは１０〜５００μｍに収まっている。
【００２８】
次にこれらの誘電体共振器の作製方法の一態様について、図１の場合を取り上げて説明する。図４において、作製装置４０は窒素ガスボンベ４０１がガス搬送管４０２を介して、サブミクロン粒径の誘電体セラミックス微粒子を内蔵するエアロゾル発生器４０３に接続し、エアロゾル搬送管４０４を介して形成室４０５内に設置された、縦０．４ｍｍ横５ｍｍの開口を持つノズル４０６に接続されている。ノズル４０６の先にはＸＹステージ４０７に設置された回路基板４０８が配置される。形成室４０５は真空ポンプ４０９に接続されている。回路基板４０８の表面には誘電体共振器のサイズに従って貫通孔が空けられたマスク４１０が張り付けられている。
【００２９】
以上の構成からなる作製装置４０による誘電体共振器の作製手順を述べる。窒素ガスボンベ４０１を開栓し、窒素ガスを搬送管４０２を通じてエアロゾル発生器４０３に導入させ、誘電体微粒子を含むエアロゾルを発生させる。エアロゾルは搬送管４０４を通じてノズル４０６へと送られ、ノズル４０６の開口より高速で噴出される。このとき真空ポンプ４０８の作動により、形成室４０５内は数ｋＰａの減圧環境下におかれている。
【００３０】
図５（ａ）に示すように、ノズル４０６の開口の先に配置されたマスク４１０が張り付けられた回路基板４０８に誘電体微粒子が高速で衝突し、微粒子は破砕・変形などを起こして粒子や断片がお互いに接合し、基板上に微粒子の材料からなる構造物が形成される。回路基板４０８はＸＹステージ４０７により揺動されており、所望の形状・面積に誘電体の構造物が形成される。以上の操作は常温環境下で行われる。
【００３１】
以上の操作により、図５（ｂ）に示すように、マスク４１０の開口内に誘電体構造物が積層されたならば、図５（ｃ）に示すように、マスク４１０を除去し、更に図５（ｄ）に示すように、誘電体構造物の上面を研削（エッチバック）し、誘電体共振器１１を得る。
【００３２】
（実施例１）
上述の作製装置４０に準じた構成の作製装置を用いて、誘電体微粒子に粒径（ＳＥＭ観察径）０．３μｍのバリウム、チタン、錫の酸化物固溶体を使用した。この誘電体微粒子は市販の焼成マイクロ波誘電体材料用の原料粉末をまず焼成温度付近で熱処理し、これを細かく破砕した後遊星ミルにて粉砕を行い、所望の粒径に揃えたものである。回路基板にはガラスエポキシの基板上に銅箔をめっきしたものを用いた。作製に際して使用したガスは高純度窒素、流量を４Ｌ／ｍｉｎとし、マスクとして厚み１００μｍのプラスチックフィルムに直径約２．５ｍｍの円形の孔を空けたものを用いた。
【００３３】
図６にこの結果作製された円筒形誘電体構造物の断面形状プロファイルを示す。厚み１３μｍの構造物が、基板面に対して構造物の外側面がほぼ直角（８０°〜１００°の範囲である）に切り立って形成されていることがわかる。
【００３４】
この構造物の誘電率をヒューレットパッカード製インピーダンスアナライザ４１９４Ａで測定したところ、εｒ：４７（ａｔ　１ＭＨｚ）であり、別途用意した焼成体の誘電率とほぼ同じ値を得た。またこの構造物の硬度を島津製作所製微小硬度測定装置ＤＵＨ−Ｗ２０１にて荷重５０ｇｆで測定したところ、４９９Ｈｖの値を得ており、構造物が圧粉体ではなく、焼成体同等の強度を持つことがわかった。
【００３５】
【本発明の効果】
本発明によれば、例えば３０ＧＨｚ以上のマイクロ波帯への移行にも充分に追従可能な小寸法の誘電体共振器を得ることができる。
また本発明にあっては接着剤が介在していないので、接着剤の厚みのばらつきに起因する共振周波数の変動がなく安定した共振周波数を得ることができ、更に本発明方法によれば、従来の焼成プロセスがないため焼成時の変形も考慮することなく、マスクを用いれば正確な形状の誘電体共振器を製作でき、ハンドリングも容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る誘電体共振器を搭載した回路基板の断面図
【図２】別実施例に係る誘電体共振器を搭載した回路基板の断面図
【図３】別実施例に係る誘電体共振器を搭載した回路基板の断面図
【図４】本発明に係る誘電体共振器の製造装置の概略図
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係る誘電体共振器の製造法の一例を図
【図６】本発明に係る誘電体共振器の断面形状プロファイルを示す図
【図７】（ａ）〜（ｆ）は、一般的な誘電体共振器の構造を示す図
【符号の説明】
１１，２１，３１…誘電体共振器、１２，２２，３４…回路基板、１３，２４，３６…接地用電極、１４，２５，３７…配線、２３，３３…スペーサ部、３２…筐体、３５…接着剤、４０…作製装置、４０１…窒素ガスボンベ、４０２…ガス搬送管、４０３…エアロゾル発生器、４０４…エアロゾル搬送管、４０５…形成室、４０６…ノズル、４０７…ＸＹステージ、４０８…回路基板、４０９…真空ポンプ、４１０…マスク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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