特許 7172479 円板共振器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-08

(45)【発行日】2022-11-16

(54)【発明の名称】円板共振器

(51)【国際特許分類】

   G01R 27/26 20060101AFI20221109BHJP

   G01N 22/00 20060101ALI20221109BHJP

【ＦＩ】

G01R27/26 H

G01N22/00 Y

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2018213773

(22)【出願日】2018-11-14

(65)【公開番号】P2020079769

(43)【公開日】2020-05-28

【審査請求日】2021-08-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000005223

【氏名又は名称】富士通株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】長楽 公平

(72)【発明者】

【氏名】松井 亜紀子

(72)【発明者】

【氏名】山田 哲郎

(72)【発明者】

【氏名】高橋 一生

【審査官】島▲崎▼ 純一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－３４４４６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１０６２２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１１７２２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１７７２３４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ２７／２６

Ｇ０１Ｎ ２２／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１励振線を内蔵した第１円形平板と、
円形銅箔と、
第２励振線を内蔵した第２円形平板と、
環状弾性体と、
ケース部と、
押圧部と、
を備え、
前記ケース部は、前記第１円形平板と前記円形銅箔と前記第２円形平板と前記環状弾性体をこれらの中心軸を合わせた状態で収納する円柱状の収納部を備え、
前記押圧部は、前記環状弾性体に突き当てられ、前記収納部に収納された前記第１円形平板と前記円形銅箔と前記第２円形平板とを、前記環状弾性体を介して押圧する突き当て部材を備えた円板共振器。

【請求項2】

前記収納部は、少なくとも前記第１円形平板と、前記第２円形平板が摺接する摺接面を備えた請求項１に記載の円板共振器。

【請求項3】

中心部に前記円形銅箔を保持するとともに、前記摺接面に摺接するガイド部材を備えた請求項２に記載の円板共振器。

【請求項4】

前記ケース部は、前記第１円形平板と前記円形銅箔と前記第２円形平板が前記収納部に収納されたときに前記円形銅箔の側方に位置する箇所に、柱部と、当該柱部と隣接するとともに前記収納部を外部と連通させる開口部と、を備えた請求項１から３のいずれか一項に記載の円板共振器。

【請求項5】

前記柱部と前記開口部とは前記収納部の中心部を隔てて対向させて配置され、前記柱部を対向配置された前記開口部側へ投影したときに、投影された前記柱部の範囲が、前記開口部の範囲よりも狭い請求項４に記載の円板共振器。

【請求項6】

前記ケース部は、内周部を少なくとも前記収納部の一部とする筒状部を備え、当該筒状部の外周壁に雄ネジ部を備え、
前記押圧部は、前記雄ネジ部と螺合する雌ネジ部を有するとともに、前記突き当て部材を内蔵したカバー部である請求項１から５のいずれか一項に記載の円板共振器。

【請求項7】

前記突き当て部材は、ベアリングを介在させて前記カバー部に設けられた請求項６に記載の円板共振器。

【請求項8】

前記ケース部は、前記収納部の上縁部に前記収納部から空気を排出する空気排出部を備えた請求項１から７のいずれか一項に記載の円板共振器。

【請求項9】

前記環状弾性体は、環状に形成した斜め巻きコイルスプリングである請求項１から８のいずれか一項に記載の円板共振器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、円板共振器に関する。

【背景技術】

【0002】

昨今、ＩＣＴ（Information and Communication Technology）機器に通信速度の高速化等の流れの中、ＩＣＴ機器に使用されるプリント基板に用いられる基材自体の伝送損失を改善する低損失化が進んでいる。このような事情を背景として、基材となる材料の比誘電率、誘電正接等の誘電特性を正確に測定することが求められている。このような誘電特性を測定する機器として、例えば、特許文献１には、一対の金属板で円板共振シートと試料（基材）を挟んだ状態で測定を行う円板共振器が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－１０６２２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、一対の金属板で円板共振シートと試料（基材）を挟んでその誘電特性の測定を行う場合、一対の金属板が均一に押圧されず、金属板間に空隙が生じると金属板間に空気層が形成される。空気層の存在は、測定結果に影響を及ぼす。このため、基材となる材料の比誘電率、誘電正接等の誘電特性を正確に測定するためには、一対の金属板の間に空隙を生じさせないように金属板を均一に押圧することが求められる。しかしながら、特許文献１では、この点について何ら開示されていない。

【0005】

１つの側面では、本明細書開示の発明は、円板共振器による測定精度を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

１つの態様では、円板共振器は、第１励振線を内蔵した第１円形平板と、円形銅箔と、第２励振線を内蔵した第２円形平板と、環状弾性体と、ケース部と、押圧部と、を備え、前記ケース部は、前記第１円形平板と前記円形銅箔と前記第２円形平板と前記環状弾性体をこれらの中心軸を合わせた状態で収納する円柱状の収納部を備え、前記押圧部は、前記環状弾性体に突き当てられ、前記収納部に収納された前記第１円形平板と前記円形銅箔と前記第２円形平板とを、前記環状弾性体を介して押圧する突き当て部材を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明は、円板共振器による測定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は実施形態の円板共振器をネットワークアナライザーに接続した測定システムの説明図である。

【図2】図２は実施形態の円板共振器の斜視図である。

【図3】図３は実施形態の円板共振器の断面図である。

【図4】図４は実施形態の円板共振器の分解斜視図である。

【図5】図５は実施形態の円板共振器の分解断面図である。

【図6】図６（Ａ）は比較例の円板共振器を用いたときに円形銅箔に作用する圧力の分布を示す説明図であり、図６（Ｂ）は実施形態の円板共振器を用いたときに円形銅箔に作用する圧力の分布を示す説明図である。

【図7】図７は斜め巻きコイルスプリングの反力特性を示すグラフである。

【図8】図８（Ａ）はケース部を筒状部の下端部で断面とし、柱部と開口部の配置を示す説明図であり、図８（Ｂ）は対向する柱部と開口部の大きさを比較する説明図である。

【図9】図９（Ａ）はケース部に開口部を設けた場合の測定結果の一例を示すグラフであり、図９（Ｂ）はケース部に開口部を設けていない場合の測定結果の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては、説明の都合上、実際には存在する構成要素が省略されていたり、寸法が実際よりも誇張されて描かれていたりする場合がある。

【0010】

図１を参照すると、実施形態の円板共振器１は、ケーブル１９とケーブル２５を介してネットワークアナライザー１０１に接続され、測定装置１００として使用される。ネットワークアナライザー１０１は、所望の周波数を出力し、円板共振器１にセットされた測定対象の誘電特性の測定を行う。

【0011】

図２を参照すると、円板共振器１は、ケース部１０と押圧部としてのカバー部３０を備えている。また、図３から図５を参照すると、円板共振器１は、第１円形平板としての第１純銅平板１８と、円形銅箔２２と、第２円形平板としての第２純銅平板２４と、環状弾性体としての環状に形成した斜め巻きコイルスプリング（以下、単に「スプリング」という）２６とを備える。ケース部１０とカバー部３０の材質は、円板共振器１による試験の再現性と円板共振器１自体の機械的強度の観点から適宜選定することができる。本実施形態では、熱膨張係数が純銅と近い材質であるステンレスを選定している。

【0012】

ケース部１０は、本体部１０ａとこの本体部１０ａに連設された円柱状の筒状部１０ｂを備える。筒状部１０ｂの外周壁には、雄ネジ部１２が形成されている。ケース部１０の内側には、収納部１３が設けられている。筒状部１０ｂの内周部は、収納部１３の一部となっている。収納部１３の内周壁面は、概ね円形状であり、その内径は、Ｒｉｎとなっている。収納部１３の内周壁面は、第１純銅平板１８や第２純銅平板２４等の摺接面１３ａとなっている。

【0013】

ケース部１０は、収納部１３の上縁部に収納部１３内から空気を排出する空気排出部１４を備えている（図４参照）。空気排出部１４は、４か所に設けられている。空気排出部１４の設置個所を結ぶと、概ね正方形が描かれる。すなわち、空気排出部１４は、円形である収納部１３に概ね内接する正方形の４つの角部に設けられている。

【0014】

ケース部１０は、筒状部１０ｂの基端部に柱部１５と開口部１６を備えている。柱部１５と開口部１６については、後に詳説する。

【0015】

収納部１３には、第１純銅平板１８、円形銅箔２２、第２純銅平板２４及びスプリング２６がこれらの中心軸を合わせた状態で収納される。図４を参照すると、これらの中心軸は、いずれも軸線ＡＸに合わせた状態とされている。本実施形態では、第１純銅平板１８、円形銅箔２２、第２純銅平板２４及びスプリング２６の軸線ＡＸ方向の高さ位置を調節するためのスペーサ１７が設置されている。このため、本実施形態では、収納部１３の最も底の部分にスペーサ１７が配置され、その上に第１純銅平板１８が積層される。そして、この第１純銅平板１８の平滑面１８ａ上に測定対象となる第１基材２０が積層される。第１基材２０の上側には、中心部に円形銅箔２２を保持したシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）製のガイド部材２１が積層される。さらに、ガイド部材２１の上側に測定対象となる第２基材２３が積層される。第２基材２３上には平滑面２４ａが第２基材２３に密着するように第２純銅平板２４が積層される。スプリング２６は、第２純銅平板２４の平滑面２４ａの裏面側に環状に設けられた収納溝２４ｃに設置されている。

【0016】

ここで、第１純銅平板１８、第２純銅平板２４及びガイド部材２１はいずれも円形形状を有しており、その外径は、いずれもＲｏｕｔに設定されている。Ｒｏｕｔは、収納部１３の内径Ｒｉｎに対応させて設定されており、第１純銅平板１８、ガイド部材２１及び第２純銅平板２４は、収納部１３に収納される際に、それぞれの縁部が収納部１３の摺接面１３ａに摺接する。これにより、第１純銅平板１８、ガイド部材２１及び第２純銅平板２４の位置合わせを容易に行うことができる。ガイド部材２１は、その中心部に円形銅箔２２を保持しており、この結果、第１純銅平板１８、第２純銅平板２４と円形銅箔２２の位置合わせも容易に行うことができる。また、平滑面１８ａ及び平滑面２４ａが傾くことも抑制される。

【0017】

また、スプリング２６も第２純銅平板２４の平滑面２４ａの裏面側にその中心を軸線ＡＸと合わせて環状に設けられた収納溝２４ｃに設置されるため、環状に成形されたスプリング２６の中心軸と第２純銅平板２４の中心軸とを容易に一致させることができる。

【0018】

本実施形態の円板共振器１では、第１基材２０と第２基材２３も順次積層し、収納部１３内に収納する。ここで、第１基材２０及び第２基材２３は、概ね矩形（正方形）に成形されており、その角部を収納部１３に設けた空気排出部１４に合わせて収納部１３内に収納される。これにより、第１基材２０及び第２基材２３も位置合わせされた状態で収納部１３内に収納される。ここで、第１基材２０及び第２基材２３を概ね矩形に成形しているのは、矩形に加工することが容易であるという基材の加工作業性を重視したものであり、第１基材２０及び第２基材２３の形状は矩形に限定されるものではない。例えば、第１純銅平板１８等の外径と一致させた円形であってもよい。

【0019】

このように、本実施形態の円板共振器１によれば、収納部１３内に第１純銅平板１８、第１基材２０、円形銅箔２２を保持したガイド部材２１、第２基材２３及び第２純銅平板２４を順次積層するだけで、これらの位置合わせを行うことができる。

【0020】

第１純銅平板１８は、中心部に第１励振線１８ｂを内蔵している。第１励振線１８ｂはブラケット１９ａを備えたケーブル１９から延びている。ケーブル１９は、ブラケット１９ａを介して第１純銅平板１８に固定されている。同様に、第２純銅平板２４は、中心部に第２励振線２４ｂを内蔵している。第２励振線２４ｂはブラケット２５ａを備えたケーブル２５から延びている。ケーブル２５は、ブラケット２５ａを介して第２純銅平板２４に固定されている。ケーブル１９及びケーブル２５は、それぞれネットワークアナライザー１０１に接続される。このような第１純銅平板１８と第２純銅平板２４をともに収納部１３内に収納することで、第１励振線１８ｂと第２励振線２４ｂの位置合わせが行われる。

【0021】

つぎに、カバー部３０について説明する。カバー部３０は、本体部３０ａの内側にケース部１０が備える雄ネジ部１２と螺合する雌ネジ部３１を有するとともに、スプリング２６に当接する突き当て部材３３を内蔵している。突き当て部材３３は、ベアリング３２を介してカバー部３０の内側に設けられている。突き当て部材３３は、カバー部３０がケース部１０に組み付けられた状態においてスプリング２６を介して収納部１３に収納された第１純銅平板１８、第１基材２０、円形銅箔２２、第２基材２３及び第２純銅平板２４を押圧する。

【0022】

突き当て部材３３は、軸線ＡＸ方向に沿って延びる筒状部３３ａと軸線ＡＸ方向と直交する方向に拡がるように筒状部３３ａに連設された鍔状部３３ｂを有する。鍔状部３３ｂは、スプリング２６に当接する突き当て面３３ｂ１を有する。

【0023】

カバー部３０の本体部３０ａと突き当て部材３３との間に介在するベアリング３２は、環状の内周壁部３２ａと、環状の外周壁部３２ｃと、これらに狭持されたボール３２ｂを備える。筒状部３３ａは、ベアリング３２の内周壁部３２ａの内側に嵌め込まれる。そして、ベアリング３２の外周壁部３２ｃにカバー部３０の本体部が嵌め込まれる。これにより、突き当て部材３３がベアリング３２を介してカバー部３０に設けられた状態となっている。

【0024】

このようなカバー部３０をケース部１０に組み付ける場合、本体部３０ａを回転させ、雄ネジ部１２と雌ネジ部３１とを螺合させる。雄ネジ部１２と雌ネジ部３１との螺合が進むと、まず、突き当て部材３３の突き当て面３３ｂ１がスプリング２６に当接する。すると、突き当て部材３３と突き当て部材３３が嵌め込まれたベアリング３２の内周壁部３２ａは、突き当て面３３ｂ１とスプリング２６との摩擦によって回転が止まる。この状態からベアリング３２の外周壁部３２ｃと一体となっている本体部３０ａをさらに回転させ、カバー部３０をさらに締め込むと、突き当て部材３３がスプリング２６を押圧する。この押圧する力が第２純銅平板２４を介して第１基材２０、円形銅箔２２及び第２基材２３を密着させる。このとき、スプリング２６は同心円状に第２純銅平板２４をその全周に亘って均等に押圧する。この結果、測定対象である第１基材２０及び第２基材２３、さらには、円形銅箔２２もその全域に亘って均一に押圧される。

【0025】

本実施形態では、環状のスプリング２６を用いることで第２純銅平板２４を同心円状に均等に押圧することができ、第１純銅平板１８と第２純銅平板２４との間に空隙を生じることがなく、空気層が形成されることを回避することができる。この結果、空気層の影響を受けることがない正確な測定結果を得ることができる。

【0026】

ここで、図６（Ａ）に比較例の円板共振器を用いたときに円形銅箔に作用する圧力の分布を示すとともに、図６（Ｂ）は実施形態の円板共振器１を用いたときに円形銅箔に作用する圧力の分布を示す。圧力の分布は色の濃淡で表されており、色の濃さが同じ領域は均一に圧力が分布していることを示している。

【0027】

比較例の円板共振器は、第１純銅平板と第２純銅平板を挟持する一対の押圧板を備えている。一対の押圧板は矩形であり、その四隅をボルト締めすることで第１純銅平板と第２純銅平板を狭持している。このように、四隅をボルト締めする形態であると、ボルトの締め付けトルクや締め付けの順番に起因して第１純銅平板と第２純銅平板が相対的に傾き、両者間に空隙が生じることがある。この結果、図６（Ａ）に示すように円形銅箔部の圧力分布が均一ではない状態となることがある。

【0028】

これに対し、本実施形態の円板共振器１を用いた場合には、図６（Ｂ）に示すように円形銅箔部の圧力分布が均一であることが分かる。このため、本実施形態の円板共振器１を用いることで、空気層が形成されることを回避し、測定精度を向上させることができる。

【0029】

このように本実施形態の円板共振器１では、空気層の形成が回避されるが、空気層の形成を回避するには、収納部１３内から空気がスムーズに排出されると都合がよい。本実施形態の円板共振器１は、空気排出部１４を備えているため、第１純銅平板１８や第１基材２０等を順次収納部１３内で積層し、これらを突き当て部材３３によって押圧する際に、収納部１３内から空気を排出することができる。この結果、収納部１３内で積層される各部材を密着させ、空気層の形成を回避することができる。

【0030】

つぎに、図７を参照して、スプリング２６の反力の特性について説明する。図７は、環状が水平方向に拡がるようにセットされたスプリング２６に対し、上下方向から荷重が加えられた際に得られた圧縮率と反力との関係を示すグラフである。このグラフによれば、スプリング２６は、その圧縮率が増加してもその反力がほとんど変化しない領域を有する。本実施形態の円板共振器１では、このスプリング２６の反力一定領域を用いる。これにより、カバー部３０のケース部１０に対する締込量が多少変化してもスプリング２６が発揮する反力は一定となり、常に同一条件で測定を行うことができる。なお、圧縮率が変化しても、その反力が一定となる反力一定領域を有する部材であればスプリング２６に代えて採用することができる。例えば、エラストマ製のパッキン部材を採用してもよい。

【0031】

つぎに、図３、図４、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）を参照してケース部１０の筒状部１０ｂの基端部に設けられた柱部１５と開口部１６について説明する。図３を参照すると、柱部１５は、第１純銅平板１８、円形銅箔２２及び第２純銅平板２４が収納部１３に収納されたときに円形銅箔２２の側方に位置する箇所に設けられている。また、図４を参照すると、柱部１５に隣接させて開口部１６が設けられている。開口部１６は、収納部１３をその外部と連通させている。このような開口は、収納部１３内から空気を排出するだけでなく、測定時の不要な共振の発生を抑制するために設けられている。

【0032】

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）を参照すると、本実施形態の円板共振器１は、三つの柱部１５１、１５２、１５３と、三つの開口部１６１、１６２、１６３が交互に配置されている。また、各柱部１５１、１５２、１５３と開口部１６１、１６２、１６３とは収納部１３の中心部（軸線ＡＸ）を隔てて対向させて配置されている。

【0033】

ここで、各柱部の端部１５１ａ、１５２ａ、１５３ａとし、これらの端部１５１ａ、１５２ａ、１５３ａと収納部１３の軸線ＡＸと結んだときの角度をθ１とする。θ２は、例えば、柱部１５１の二つの端部１５１ａと軸線ＡＸとを結んだときの角度であり、柱部１５１の範囲を示している。柱部１５２と柱部１５３の範囲も同様にθ２に設定されている。一方、θ１は、例えば、柱部１５１の一つの端部１５１ａと、開口部１６３を隔てた柱部１５２の端部１５２ａと軸線ＡＸを結んだときの角度であり、開口部１６３の範囲を示している。開口部１６１と開口部１６２の範囲も同様にθ１に設定されている。ここで、θ１とθ２は、θ２＜θ１に設定されている。これにより、各柱部１５１、１５２、１５３の範囲は、各開口部１６１、１６２、１６３よりも狭くなっている。

【0034】

この結果、柱部１５１、１５２、１５３を対向配置された開口部１６１、１６２、１６３側へ投影したときに、投影された柱部１５１、１５２、１５３の範囲が、開口部１６１、１６２、１６３の範囲よりも狭くなるように設定されている。すなわち、柱部同士が対向しないように配置されている。

【0035】

具体的に、図８（Ｂ）を参照すると、柱部１５２に対向する位置に開口部１６２が設けられている。ここで、柱部１５２の幅Ｗｐｉｌｌａｒは、開口部１６２の幅Ｗｏｐｅｎよりも狭くなっている。柱部１５１に対向する位置には開口部１６１が設けられ、柱部１５３に対向する位置には開口部１６３が設けられているが、これらの寸法関係は、いずれも柱部１５２と開口部１６２の関係と同様に設定されている。

【0036】

柱部１５１、１５２、１５３と開口部１６１、１６２、１６３をこのような配置とすることにより、測定時の不要な共振の発生が抑制される。ここで、図９（Ａ）と図９（Ｂ）を参照して開口部１６１、１６２、１６３を設置したことの効果について説明する。図９（Ａ）は開口部１６１、１６２、１６３を設けたときの測定結果の一例を示し、図９（Ｂ）は開口部を設けていないときの測定結果の一例を示している。図９（Ａ）に示す測定結果と、図９（Ｂ）に示す測定結果を比較すると、図９（Ｂ）に示す測定結果には、図中、ａ、ｂ、ｃで示す不要な振幅が表れている。一方、図９（Ａ）に示す測定結果では、不要な振幅は表れておらず、正確な測定結果が得られていることが分かる。

【0037】

本実施形態の円板共振器１によれば、突き当て部材３３によりスプリング２６を介して第１純銅平板１８、円形銅箔２２及び第２純銅平板２４を押圧する。これにより、第１基材２０及び第２基材２３をセットした状態においても第１純銅平板１８と第２純銅平板２４との間に空隙が生じることがない。この結果、第１基材２０及び第２基材２３に一定の荷重が加わり、空気層の形成が回避され、測定精度を向上させることができる。

【0038】

また、本実施形態の円板共振器１は、収納部１３に第１純銅平板１８、第１基材２０、円形銅箔２２、第２基材２３及び第２純銅平板２４を順次積層するように収納する。このとき、各要素は、収納部１３の摺接面１３ａに摺接するので、容易に位置決めをすることができ、測定するための円板共振器１の組み立て再現性が高い。このため、例えば、異なる測定者が円板共振器１を扱っても同様の測定結果を得ることができる。

【0039】

円板共振器１は、雄ネジ部１２に雌ネジ部３１を螺合させ、ケース部１０にカバー部３０を締め込むだけで良いため、この点においても組み立て再現性が高い。

【0040】

また、円板共振器１は、柱部１５と開口部１６を備えているため、測定時の不要な共振の発生が抑制されている。

【0041】

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

【符号の説明】

【0042】

１ 円板共振器
１０ ケース部
１０ｂ 筒状部
１２ 雄ネジ部
１３ 収納部
１３ａ 摺接面
１４ 空気排出部
１５ 柱部
１６ 開口部
１８ 第１純銅平板
１８ｂ 第１励振線
２０ 第１基材
２１ ガイド部材
２２ 円形銅箔
２３ 第２基材
２４ 第２純銅平板
２４ｂ 第２励振線
２６ スプリング
３０ カバー部
３１ 雌ネジ部
３３ 突き当て部材
３３ｂ１ 突き当て面
１００ 測定システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】