JP2021034795A - 共振器及び製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】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共振器等の提供。【解決手段】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。【選択図】 図３

Description

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
誘電体１０４は、ケース１０３内の共振棒１０１の周囲に形成される。
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。
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。
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。
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。
特開昭６０−７２３０３号公報 特開昭５４−１５４９５９号公報
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。
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。
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。
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。
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。 共振棒及び誘電体を表す斜視図である。 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。 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。 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。 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。 実施形態の共振器の最小限の構成を表す概念図である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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

Claims (10)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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