(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】2023-06-26
(45)【発行日】2023-07-04
(54)【発明の名称】共振器及び製造方法
(51)【国際特許分類】
H01P 7/04 20060101AFI20230627BHJP
H01P 1/30 20060101ALI20230627BHJP
H01P 11/00 20060101ALI20230627BHJP
【FI】
H01P7/04
H01P1/30 Z
H01P11/00 200
(21)【出願番号】P 2019150497
(22)【出願日】2019-08-20
【審査請求日】2022-07-15
(73)【特許権者】
【識別番号】000004237
【氏名又は名称】日本電気株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000227205
【氏名又は名称】NECプラットフォームズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100109313
【氏名又は名称】机 昌彦
(74)【代理人】
【識別番号】100149618
【氏名又は名称】北嶋 啓至
(72)【発明者】
【氏名】助川 剛
(72)【発明者】
【氏名】宮本 貴裕
【審査官】白井 亮
(56)【参考文献】
【文献】欧州特許出願公開第02083471(EP,A1)
【文献】特開2016-203584(JP,A)
【文献】特開2014-086839(JP,A)
【文献】特表2010-504064(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01P 7/04
H01P 1/30
H01P 11/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
外形が円筒形の共振棒と、底面に前記共振棒が設置され前記共振棒の周囲に円筒形の側面を有するケースと、前記ケースの上面を覆うカバーとを備え、
前記ケースは前記底面及び前記側面に金属皮膜を有する樹脂で形成されており、
前記カバーの前記底面及び前記共振棒に対向する面は金属により構成され、
前記ケースの前記底面に平行な方向の線膨張係数である第一線膨張係数と、前記ケースの前記底面に垂直な方向の線膨張係数である第二線膨張係数とが異なる、
共振器。
【請求項2】
第一線膨張係数より、前記ケースの前記底面に垂直な方向の線膨張係数である第二線膨張係数の方が小さい、
請求項1に記載された共振器。
【請求項3】
前記第一線膨張係数と前記第二線膨張係数とが、共振周波数の温度変化が許容範囲になるよう計算を通して設定されている、請求項1又は請求項2に記載された共振器。
【請求項4】
電磁波用フィルタに用いられ得る、請求項1乃至請求項3のうちのいずれか一に記載された共振器。
【請求項5】
前記樹脂が、前記第一線膨張係数及び前記第二線膨張係数により選択されている、請求項1乃至請求項4のうちのいずれか一に記載された共振器。
【請求項6】
前記樹脂は、フィラーが添加されたフィラー添加樹脂である、請求項1乃至請求項5のうちのいずれか一に記載された共振器。
【請求項7】
前記フィラーの種類及び添加量が調整されている、請求項6に記載された共振器。
【請求項8】
前記ケースの形成方法が調整されている、請求項7に記載された共振器。
【請求項9】
前記ケースが、
前記フィラー添加樹脂を複数層流動させることにより積層したブロックから削りだされて形成されているか、
前記フィラー添加樹脂を用いて三次元プリンタにより形成されているか、
シート状の前記フィラー添加樹脂を真空成型又は圧空成型することにより形成されているか、
前記フィラー添加樹脂の射出成型を含む工程により形成されているか、
のいずれかである、請求項8に記載された共振器。
【請求項10】
外形が円筒形の共振棒と、底面に前記共振棒が設置され前記共振棒の周囲に円筒形の側面を有するケースと、前記ケースの上面を覆うカバーとを備え、
前記ケースは前記底面及び前記側面に金属皮膜を有する樹脂で形成されており、
前記カバーの前記底面及び前記共振棒に対向する面は金属により構成され、
前記ケースの前記底面に平行な方向の線膨張係数である第一線膨張係数と、前記ケースの前記底面に垂直な方向の線膨張係数である第二線膨張係数とが異なる、
共振器、
の製造方法であって、
前記樹脂はフィラーが添加されたフィラー添加樹脂であり、
前記第一線膨張係数及び前記第二線膨張係数により前記ケースの形成工程を選択する、
製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電磁波のフィルタに用いられる共振器に関する。
【背景技術】
【0002】
高いQ値のマイクロ波等用フィルタとしては、金属で構成される立体回路を備える構成が一般的に知られている(特許文献1及び2参照)。ここで、「マイクロ波等」は、「マイクロ波」又は「ミリ波」をいうこととする。
【0003】
図1及び
図2は、そのような一般的なマイクロ波等用フィルタに適用可能な共振器の例である共振器100の構成を表す概念図である。
図1は共振器100の縦断面を表す。また、
図2は、
図1に表される共振棒101及び誘電体104を表す斜視図である。
【0004】
前述のマイクロ波等用フィルタは、例えば特許文献2にも開示があるように、共振器100を、単体で用いるかあるいは2つ以上接続したものである。
【0005】
図1に表されるように、共振器100は、共振棒101と、カバー102と、ケース103と、誘電体104とを備える。
【0006】
ケース103は、中空の円筒形をしている。ケース103の底面111は円形であり、その中央部に共振棒101が設置されている。ケース103は金属で構成される。ケース103の側部121には、入力ポート105と出力ポート107が設置されている。入力ポート105と出力ポート107とは同じ構造をしている。入力ポート105は、外部から入力されたマイクロ波等を共振器100の内部に放出する。出力ポート107は、共振器100の内部で共振により周波数が揃えられたマイクロ波等を外部へ放出する。なお、入力ポート105と出力ポート107とは、必ずしも、
図1に表されるように対向して設置される必要はない。
【0007】
共振棒101は
図2に表されるように中空の円筒形をしている。共振棒101は金属で構成される。
【0008】
誘電体104は、ケース103内の共振棒101の周囲に形成される。
【0009】
カバー102は、共振棒101及びケース103の上部に設置される。カバー102は、ケース103に固定されても構わないが、その場合は、カバー102とケース103とは、一般的に同じ材料で構成される。
【0010】
共振器100を設計する上では、温度の変動にともなう共振棒101及びケース103の線膨張係数に依存した膨張又は収縮(以下、膨張等という。)による、共振器100の共振周波数の変動の抑制が必要である。そのため、例えば、恒温装置により共振器100の温度を一定に保ち、あるいは、共振棒101及びケース103に熱膨張係数の小さな材料を用いる等の方法がとられる。
【0011】
ここで、特許文献1は、空胴側面部を少なくとも2種類の熱膨張係数の異なる材料を用いて構成する帯域通過濾波器を開示する。
【0012】
また、特許文献2は、内導体を金属で構成し、ケース全体を樹脂モールドで構成し、更にケース内側面、内底面、及び内導体の各表面を金属で一様に連続して被覆する誘電体フィルタを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0013】
【文献】特開昭60-72303号公報
【文献】特開昭54-154959号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
図1に表される共振器100の軽量化及び低コスト化を図るためには、ケース103に、金属ではなく、側面112及び底面111が金属により被覆された樹脂を用いることが有効である。しかしながら、樹脂は金属と比較して線膨張係数が大きい。そのため、ケース103に樹脂を用いた場合には、温度変化にともなう線熱膨張等により生じる共振器100の共振周波数の変動の抑制が特に重要になる。
【0015】
本発明は、ケースに樹脂を用いた場合において線熱膨張等による共振周波数の変動を抑え得るケース材料及びケースの成型方法の選択が可能な共振器等の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0016】
本発明の共振器は、外形が円筒形の共振棒と、底面に前記共振棒が設置され前記共振棒の周囲に円筒形の側面を有するケースと、前記ケースの上面を覆うカバーとを備え、前記ケースは前記底面及び前記側面に金属皮膜を有する樹脂で形成されており、前記カバーの前記底面及び前記共振棒に対向する面は金属により構成され、前記ケースの前記底面に平行な方向の線膨張係数である第一線膨張係数と、前記ケースの前記底面に垂直な方向の線膨張係数である第二線膨張係数とが異なる。
【発明の効果】
【0017】
本発明の共振器等は、ケースに樹脂を用いた場合において線熱膨張等による共振周波数の変動を抑え得るケース材料及びケースの成型方法の選択が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【
図1】マイクロ波等用フィルタに適用可能な共振器の構成例を表す概念図である。
【
図3】共振棒とケースの材質の組合せを変えた場合の、共振周波数変動量と温度との関係の計算結果を表す図である。
【
図4】ケースのX-Y方向の線膨張係数を5×10
-5に固定し、三つの温度でケースのZ方向の線膨張係数を変化させた場合の、共振周波数の計算結果例を表す概念図である。
【
図5】ケースのX-Y方向の線膨張係数を1×10
-4に固定し、三つの温度でケースのZ方向の線膨張係数を変化させた場合の、共振周波数の計算結果例を表す概念図である。
【
図6】共振器の本実施形態の設計方法の例を表す概念図である。
【
図7】実施形態の共振器の最小限の構成を表す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
本実施形態の共振器の構成は、
図1に表される一般的な共振器100の構成と同じである。ただし、ケース103及びカバー102の材料は、フィラーが添加された樹脂であるフィラー添加樹脂により構成されている。また、
図1に表されるケース103の底面111、ケース103の側面112及びカバー102の下面113は、マイクロ波等を反射するように、例えば蒸着等により金属が被覆されている。当該金属の種類は任意である。
【0020】
カバー102は金属であっても構わない。その場合は、カバー102の下面113は金属被覆されていなくても構わない。カバー102はケース103に固定されていても構わないが、その場合は、カバー102とケース103とは同じ材料で構成されることが望ましい。
【0021】
共振棒101は、表面が金属により覆われた樹脂であっても構わない。その場合は、共振器100はより軽量になり得る。
【0022】
図3は、
図1に表される共振器100において、共振棒101の材質とケース103の材質との組合せを変えた場合の、共振周波数変動量と温度との関係の計算結果を表す図である。ここで、共振周波数変動量は、共振器100の各温度での共振周波数の、環境温度が30℃での共振周波数からの変動量である。また、温度は、共振棒101及びケース103の温度であり、これらの温度は等しいものとする。
【0023】
また、共振棒101の外形の寸法は、Φ9mm×14.8mmである。また、ケース103の内形すなわち誘電体104の外形の寸法は、Φ25mm×18mmである。
【0024】
また、
図3に表される第一例は、共振棒101及びケース103の材質がともにアルミニウムの場合の計算結果である。また、第二例は、共振棒101の材質がアルミニウムであり、ケース103の材質がスーパーインバー合金の場合の計算結果である。また、第三例は、共振棒101の材質が鉄であり、ケース103の材質が樹脂Aの場合である。
【0025】
なお、当該計算は、X-Y方向の線膨張係数とZ方向の線膨張係数とにより、各温度での線熱膨張等の後の寸法を導出し、その寸法での電磁界解析計算により行われたものである。なお、X、Y、Z方向は
図1に表される。当該電磁界解析計算は、例えば、市販の電磁界解析シミュレータであるANSYS社のHFSSにより行われ得る。当該シミュレーションにおいては、共振器100を三次元で表したものをワイヤメッシュに分割し、有限要素法により解析される。
【0026】
なお、当該計算においては、
図1に表される入力ポート105及び出力ポート107の影響は考慮されていない。また、当該計算の際に、金属で構成された共振棒101及び金属で構成されたケース103については、X-Y方向の線膨張係数とZ方向の線膨張係数とが等しいとしている。
【0027】
一方、樹脂Aで構成されたケース103については、X-Y方向の線膨張係数とZ方向の線膨張係数とが異なることが想定されている。樹脂は、一般的に、グラスファイバ等のフィラーの添加により、X-Y方向の線膨張係数とZ方向の線膨張係数とを、ある程度個別に設定することができることが知られている。樹脂Aは、そのようなフィラーが添加されたフィラー添加樹脂であることが想定されている。
【0028】
図3に表された計算結果では、第一例及び第二例においては、共振周波数の顕著な温度依存性が認められるのに対し、第三例においては、共振周波数の有意な温度依存性が認めらない。このことは、上記寸法においては、第三例の材質の組合せが、共振周波数の温度依存性の観点から最も適していることを表す。第三例としては、そのようなX-Y方向及びZ方向の線膨張係数が設定されており。、そのような線膨張係数は、フィラー添加樹脂に添加されるフィラーの種類、添加量及びケース103の形成方法を調整することにより実現可能である。
【0029】
次に、
図3に表された第三例の樹脂Aのように共振周波数の温度変化が少ない、X-Y方向及びZ方向の線膨張係数の導出例を二例説明する。
【0030】
図4は、ケース103のX-Y方向の線膨張係数を5×10
-5に固定し、三つの温度でケース103のZ方向の線膨張係数を変化させた場合の、共振周波数の計算結果例を表す概念図である。当該三つの温度は、-25℃、25℃及び75℃である。
【0031】
また、共振棒101の外形及びケース103の内径の寸法及び共振周波数の導出方法は、
図3の第三例の場合と同様である。また、ケース103に用いられるフィラー混入前のベースとなる樹脂はレジンが想定されている。また、共振棒101の材料は、線膨張係数が1.18×10
-5の鉄である。
【0032】
図4から理解されるように、ケース103のZ方向の線膨張係数が3.8×10
-5の場合は、三つの温度のいずれにおいても共振周波数は3505MHz近傍であり、温度の変動にともなう共振周波数の有意な変動はない。そこで、X-Y方向の線膨張係数が5×10
-5、Z方向の線膨張係数が3.8×10
-5ののフィラー添加樹脂をケース103に用いる。これにより、共振器100は、共振周波数が3505MHzであり共振周波数の有意な変動がないことが見込まれる。
【0033】
ここで、フィラー添加樹脂を用いたケース103におけるX-Y方向及びY方向の線膨張係数の調整は、添加されるフィラーの種類、添加量等及びフィラー添加後の樹脂の形成方法の選択により調整される。フィラーは市販されているものの中から選択される。
【0034】
フィラー添加樹脂は、フィラー添加樹脂の流動方向の線膨張係数に比べ、流動方向に直角な方向の線膨張係数が大きくなることが知られている。これを利用して、フィラー添加樹脂を複数層流動させることにより積層したブロックから、ケース103を削りだして形成する。当該ブロックは、例えば、250mm×250mm×5mm厚のフィラー添加樹脂の層を8層重ねて厚み40mmとした積層型フィラー添加樹脂ブロックである。
【0035】
あるいは、三次元プリンタによりケース103を形成しても良い。三次元プリンタが用いられた場合は、一般的に積層法で製造されるため、上述と同様の理由により、X-Y方向とZ方向とで異なる線膨張係数に設定しやすい。
【0036】
あるいは、シート状のフィラー添加樹脂を真空成型又は圧空成型することによりケース103を生成しても構わない。真空成型又は圧空成型は、シート状のフィラー添加樹脂を重ねて成型するためX-Y方向とZ方向とで異なる線膨張係数に設定しやすい。
【0037】
あるいは、射出成型によりケース103を形成しても構わない。射出成型は、主にフィラー添加樹脂を加熱可塑化する工程と、可塑化されたフィラー添加樹脂を高圧で金型内に射出する工程と、金型内でフィラー添加樹脂を固化する工程と、金型から成形品を取り出す工程とからなる。射出成型においては、型に向かってフィラー添加樹脂が絞り出されるように流動するので、当該流動方向(X-Y方向)と当該流動方向に垂直な方向(Z方向)とで異なる線膨張係数に設定しやすい。
【0038】
図5は、ケース103のX-Y方向の線膨張係数を1×10
-4に固定し、三つの温度でケース103のZ方向の線膨張係数を変化させた場合の、共振周波数の計算結果例を表す概念図である。当該三つの温度は、-25℃、25℃及び75℃である。
【0039】
また、共振棒101の外形及びケース103の内径の寸法及び共振周波数の導出方法は、
図3の第三例の場合と同様である。また、ケース103に用いられるフィラー混入前の樹脂はテフロン(登録商標)が想定されている。また、共振棒101の材料は、線膨張係数が2.35×10
-5のアルミニウムが想定されている。
【0040】
図5から理解されるように、ケースのZ方向の線膨張係数が8.7×10
-5の場合において、三つの温度のいずれにおいても共振周波数は3505MHz近傍であり、温度の変動にともなう共振周波数の有意な変動はない。これにより、共振周波数が3505MHzであり共振周波数の有意な変動がないことが見込まれる共振器100の設計が可能である。
【0041】
そこで、X-Y方向の線膨張係数が1×10
-4でありZ方向の線膨張係数が8.7×10
-5のフィラー添加樹脂を、ベースとなるテフロン(登録商標)に混入されるフィラーの種類、添加量及びケース103の成型方法を調整して製造する。フィラーは市販されているものの中から選択される。また、ケース103の形成方法は、
図5の説明の場合と同様である。
【0042】
図6は、
図1に表される共振器100の本実施形態の設計方法の例を表す概念図である。
【0043】
設計者等は、設計を開始した場合には、まず、A101の動作として、共振器100の共振周波数を決める。当該共振周波数は、用いられるマイクロ波等の周波数により決まる。
【0044】
次に、設計者等は、A102の動作として、共振器100の寸法を決定する。当該寸法は、A101の動作により共振周波数が決まると経験により決まる。
【0045】
次に、設計者等は、A103の動作として、ケース103に用いるフィラー添加樹脂についてX-Y方向及びZ方向の線膨張係数を決定する。設計者等は当該決定を、前述の電磁界解析等により行う。
【0046】
そして、設計者等は、A104の動作として、A103の動作で導出した線膨張係数を満たすフィラー添加樹脂を、そのフィラー添加樹脂によるケース103の形成方法も含めて、選択する。設計者等は、当該選択を、例えば、フィラーを混入される樹脂の種類、フィラーの種類、フィラーの添加量及びケース103の形成方法を変えてケース103を試作し、ケース103のX-Y測定方向及びZ方向の線膨張係数を測定することにより行う。ケース103の形成方法の説明は上述の通りである。
【0047】
設計者等は、A104の動作の完了により、
図6の動作を終了する。
[効果]
本実施形態の共振器においては、ケースにX-Y方向とZ方向とで線膨張係数の異なる材料が用いられ、かつ、X-Y方向とZ方向との線膨張係数が共振周波数の温度変化を抑えることが計算により見込まれる値に調整されている。そのため、本実施形態の共振器は、共振周波数の温度変化を抑え得る。
【0048】
また、本実施形態の設計方法においては、まず、共振器のケースに用いた場合に共振周波数の温度変化が許容できる範囲に収まる材料のX-Y方向及びZ方向の線膨張係数を電磁界解析計算により決定する。そして、決定した線膨張係数を実現可能な樹脂を選択する。そのため、前記設計方法は、ケースにフィラー混入樹脂を用いた場合において共振器の共振周波数の温度変化の減少を見込める共振器の設計を可能にする。
【0049】
図7は、実施形態の共振器の最小限の構成である共振器100xの構成を表す概念図である。
【0050】
共振器100xは、外形が円筒形の共振棒101xと、底面111xに共振棒101xが設置され共振棒101xの周囲に円筒形の側面112xを有するケース103xと、ケース103xの上面を覆うカバー102xとを備える。ケース103xは底面111x及び側面112xに金属皮膜を有する樹脂で形成されている。カバー102xの、底面111x及び共振棒101xに対向する面である下面113xは金属である。ケース103xの底面111xに平行な方向の線膨張係数である第一線膨張係数と、ケース103xの底面111xに垂直な方向の線膨張係数である第二線膨張係数とが異なる。
【0051】
共振器100xは、前記第一線膨張係数と前記第二線膨張係数とが異なる。そのため、前記第一線膨張係数と前記第二線膨張係数とを調整することにより、共振周波数の温度依存性を許容範囲に抑えることが可能である。そのため、共振器100xは、ケースに樹脂を用いた場合において線熱膨張等による共振周波数の変動を抑え得る。すなわち、共振器100は、ケースに樹脂を用いた場合において線熱膨張等による共振周波数の変動を抑え得るケース材料及びケースの成型方法の選択が可能である。
【0052】
そのため、共振器100xは、前記構成により、[発明の効果]の項に記載した効果を奏する。
【0053】
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の基本的技術的思想を逸脱しない範囲で更なる変形、置換、調整を加えることができる。例えば、各図面に示した要素の構成は、本発明の理解を助けるための一例であり、これらの図面に示した構成に限定されるものではない。
【0054】
また、前記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記述され得るが、以下には限られない。
(付記1)
外形が円筒形の共振棒と、底面に前記共振棒が設置され前記共振棒の周囲に円筒形の側面を有するケースと、前記ケースの上面を覆うカバーとを備え、
前記ケースは前記底面及び前記側面に金属皮膜を有する樹脂で形成されており、
前記カバーの前記底面及び前記共振棒に対向する面は金属により構成され、
前記ケースの前記底面に平行な方向の線膨張係数である第一線膨張係数と、前記ケースの前記底面に垂直な方向の線膨張係数である第二線膨張係数とが異なる、
共振器。
(付記2)
第一線膨張係数より、前記ケースの前記底面に垂直な方向の線膨張係数である第二線膨張係数の方が小さい、
付記1に記載された共振器。
(付記3)
前記第一線膨張係数と前記第二線膨張係数とが、共振周波数の温度変化が許容範囲になるよう計算を通して設定されている、付記1又は付記2に記載された共振器。
(付記4)
前記計算が電磁界解析である、付記3に記載された共振器。
(付記5)
前記計算が有限要素法により行われる、付記3又は付記4に記載された共振器。
(付記6)
電磁波用フィルタに用いられ得る、付記1乃至付記5のうちのいずれか一に記載された共振器。
(付記7)
前記樹脂が、前記第一線膨張係数及び前記第二線膨張係数により選択されている、付記1乃至付記6のうちのいずれか一に記載された共振器。
(付記8)
前記樹脂は、フィラーが添加されたフィラー添加樹脂である、付記1乃至付記7のうちのいずれか一に記載された共振器。
(付記9)
前記フィラーの種類及び添加量が調整されている、付記8に記載された共振器。
(付記10)
前記ケースの形成方法が調整されている、付記8又は付記9に記載された共振器。
(付記11)
前記ケースが、前記フィラー添加樹脂を複数層流動させることにより積層したブロックから削りだされて形成されている、付記10に記載された共振器。
(付記12)
前記ケースが、前記フィラー添加樹脂を用いて三次元プリンタにより形成されている、付記10に記載された共振器。
(付記13)
前記ケースが、シート状の前記フィラー添加樹脂を真空成型又は圧空成型することにより形成されている、付記10に記載された共振器。
(付記14)
前記ケースが、前記フィラー添加樹脂の射出成型を含む工程により形成されている、付記10に記載された共振器。
(付記15)
外形が円筒形の共振棒と、底面に前記共振棒が設置され前記共振棒の周囲に円筒形の側面を有するケースと、前記ケースの上面を覆うカバーとを備え、
前記ケースは前記底面及び前記側面に金属皮膜を有する樹脂で形成されており、
前記カバーの前記底面及び前記共振棒に対向する面は金属被覆により構成され、
前記ケースの前記底面に平行な方向の線膨張係数である第一線膨張係数と、前記ケースの前記底面に垂直な方向の線膨張係数である第二線膨張係数とが異なる、
共振器、
の製造方法であって、
前記樹脂はフィラーが添加されたフィラー添加樹脂であり、
前記第一線膨張係数及び前記第二線膨張係数により前記ケースの形成工程を選択する
製造方法。
【符号の説明】
【0055】
100、100x 共振器
101、101x 共振棒
102、102x カバー
103、103x ケース
104 誘電体
105 入力ポート
107 出力ポート
111、111x 底面
112、112x 側面
113、113x 下面
121 側部