JP4066931B2 - ＧＨｚ帯用バンドパスフィルタの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＧＨｚ帯、とくに数百ＭＨｚ〜十数ＧＨｚの周波数領域で使用する、バンドパスフィルタの製造方法に関する。（以下「バンドパスフィルタ」を「ＢＰＦ」と略記する。）

今日、身近にある無線通信手段には、数百ＭＨｚ〜十数ＧＨｚの周波数領域の電波が好んで使用されている。たとえば、携帯電話には８００ＭＨｚ（０．８ＧＨｚ）帯または１．５ＧＨｚ帯、ＰＨＳには１．９ＧＨｚ帯、高速道路のＥＴＣ（料金自動収受）装置には５．８ＧＨｚ帯、無線ＰＡＮには２．４ＧＨｚ帯または５．２ＧＨｚ帯、そしてＤＳＲＣ（狭域通信）には５．８ＧＨｚ帯というような帯域配分である。

これら周波数領域の電波は、いずれも自動車の運行に関連して利用されるか、またはその可能性が高いものであるから、同一のアンテナで受信し、デジタル処理をしてひとまとめに利用しようということが企てられている。そのような場合も、またそれぞれの周波数帯域の電波を単独に使用する場合も、高調波や反射波がもたらすノイズをカットしてデータを処理するためには、それぞれの帯域における所定の帯域幅の信号だけを通過させ、それ以外の信号をカットするＢＰＦが必要である。

一方、搬送波にのせない短パルス（数ｎｍ以下）を使用した超広帯域通信が試みられており、その使用周波数として、アメリカのＦＣＣ（連邦通信委員会）は、３．１〜１０，６ＧＨｚを割り当てる決定をした。この超広帯域のバンドパスが可能なＢＰＦ、とくに小型で低損失のものができれば、上記の超広帯域通信を実現する装置にとって有用である。

出願人は、軟磁性物質の粉末をゴムまたはプラスチックのマトリクス中に分散させた電磁波シールド材を種々開発し、実用に供している。発明者は、この電磁波吸収シールド材を利用したローパス（ハイカット）フィルタを発明し、すでに開示した（特許文献１）。そのフィルタはチップ型であって、長方形の誘電体の表面に密着した状態で、導体からなる１本の信号ラインと少なくとも１本のＧＮＤラインとが、ひとつの表面上に、または表裏に平行して走る構造を有し、その誘電体として、軟磁性物質の粉末を合成樹脂のマトリクス中に分散させてなる電磁波吸収体を使用したことを特徴とする。実施例の製品は、１ＧＨｚ以上の高周波に対して、−５ｄＢの挿入ロスを示す。

発明者らのひとりは、出願人が開示した上記のローパスフィルタに関する知見を利用し、数百ＭＨｚ〜十数ＧＨｚの周波数領域で使用するＧＨｚ帯用ＢＰＦを発明して、すでに提案した（特許文献２）。そのＧＨｚ帯用ＢＰＦは、原理的にいえば、軟磁性金属の粉末をシート状のポリマー・マトリクス中に分散させてなるシートの表面に、導体のストリップからなり、直列方向に走る入力信号ラインおよび出力信号ラインを、間隙を置いて配置し、両ラインの相対向する端部を、キャパシタンス手段を介して接続し、上記シートの裏面にＧＮＤラインを設けた構成を有する。

より具体的な構造の例を示せば、図１に見るような、軟磁性金属の粉末をシート状のポリマー・マトリクス中に分散させてなるシート（１）の表面に、導体のストリップからなり、直列方向に走る入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）を、間隙を置いて配置し、両ラインの相対向する端部を、キャパシタンス手段を介して接続し、上記シート（１）の裏面にＧＮＤライン（４）を設けた構成を有するＧＨｚ帯用ＢＰＦであって、キャパシタンス手段を、入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）の上に、絶縁体のフィルム（５）を介して、いまひとつの導体のストリップからなる中間ライン（６）を、入力信号ラインおよび出力信号ラインの両方にまたがって重なり合うように設けて、入力信号ラインと中間ラインとの間、および出力信号ラインと中間ラインとの間で、それぞれ静電容量を生じさせたものである。このＢＰＦの通過帯域は、それら静電容量の値を選択するとともに、入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）の、線路の長さ、幅、厚さおよび形状等によって決定されるインピーダンスを選択し、かつ、上記シートを構成する軟磁性金属粉末の粒子形状およびマトリクス中の充填率、ならびにシートの形状および厚さ等の条件を組み合わせることにより決定される。

上記のＧＨｚ帯用ＢＰＦは、たとえば図２に示すような透過係数の周波数特性を有する。このＢＰＦは、構造が簡単で、したがって小型に製造することができるという点が有利であるが、製作の自動化が容易でなく、コストを低く抑えるという要求を満たすことが困難である。また、静電容量やインピーダンスの値が正確でないと、所望の周波数特性が得られないという点で、良品歩留まりに問題がある。
特開２００２−１７１１０４ 特願２００３−００８８１１

本発明の目的は、上述した構造のＧＨｚ帯用ＢＰＦを、自動化が容易な方法で、したがって低コストで製造することができ、しかも所望の周波数特性が得やすく、良品歩留まりが高い製造方法を提供することにある。

本発明のＧＨｚ帯用ＢＰＦの製造方法は、図１に構造を示したような、軟磁性金属の粉末がシート状のポリマー・マトリクス中に分散したシート（１）の表面に、導体のストリップからなり、直列方向に走る入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）を、間隙を置いて配置し、入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）の上に、両方にまたがって重なり合うように、絶縁体のフィルム（５）を介して、いまひとつの導体のストリップからなる中間ライン（６）を設け、上記シート（１）の裏面にＧＮＤライン（４）を設けたＧＨｚ帯用ＢＰＦを製造する方法であって、絶縁体のフィルム（５）の両面に入力信号ライン（２）、出力信号ライン（３）および中間ライン（６）を設けたものを成形金型キャビティの一方の面にインサートし、他方の面にＧＮＤライン（４）となる金属片をインサートし、軟磁性金属の粉末を分散させたポリマーを成形金型内に射出成形して一体となった成形品を得ることからなる。

本発明の製造方法によれば、フィルムに貼り付けた銅箔のエッチングに続いてインサート射出成形を行なうという工程の採用により、一挙にＧＨｚ帯用ＢＰＦが製造できる。生産能率が格段に高くなれば、コストは画期的に低減される。射出成形はまた、一定の規格に合った製品を量産するのに適した製造法であるから、本発明の方法で製造したＧＨｚ帯用バンドパスフィルタは一定の周波数特性が保証され、良品歩留まりが高い。従来は、軟磁性金属の粉末を分散させたポリマーをいったんシート状に成形したものを使用し、エッチング製品を接着剤で貼り付けていたので、能率が悪いだけでなく、特性にバラツキが出やすかったが、本発明によりその問題は解消した。

絶縁体のフィルム（５）の両面に入力信号ライン（２）、出力信号ライン（３）および中間ライン（６）を設けたものを製造するには、厚さが１０〜５００μｍ、代表的には２５μｍ程度のポリイミド樹脂のフィルムや、１００〜２００μｍのガラス・エポキシ樹脂フィルムを使用し、その両面に、厚さが１０〜４０μｍ、代表的には２０μｍ程度の銅箔を、エポキシ樹脂などの接着剤で接着したものをエッチングすることが、簡便で推奨できる方法である。

軟磁性金属の粉末としては、たとえば前掲の特許文献１に開示された粉末から適当なものを選択使用すればよいが、代表的にはＦｅ−１３Ｃｒ合金の、平均粒径が３〜２０μｍの粉末が好適である。そのほか、パーマロイやセンダストの粉末、フェライト粉末なども有用である。

軟磁性金属の粉末を分散させるポリマーとしては、熱可塑性で射出成形可能なものは任意に使用できるが、例を挙げれば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミドといった樹脂が有用であって、とくにポリフェニレンサルファイドは最適である。ポリマーには無機質物の粉末、たとえば炭酸カルシウムの粉末のような充填剤を適量添加すると、成形品に強度が与えられて好ましい。

ＧＮＤライン（４）となる金属片としては、リン青銅の板が、適切な強度を有していて、好都合に使用できる。金属片の材料が何であれ、軟磁性金属の粉末を分散させたポリマーの成型金型内への射出成形を、金属片に設けた孔を通じて行なうことが有利である。この場合、図５Ａに示すように、金属片に、ポリマー混合物の入る射出成形用の孔（４１）とは別の、逆テーパを有する孔（４２）を設けておき、金型内に射出されたポリマー混合物がこの孔（４２）の中に進入するようにすれば、得られる成型品の一体化が確保されて好ましい。

本発明の製造方法を実施するに当たっては、前掲の特許文献２に開示した指針が有用である。すなわち、図１に示した、もっとも単純な形態のＧＨｚ帯用ＢＰＦにおいて、透過率Ｓ２１（ｄＢ）が急に低下する「ノッチ周波数」ｆ（ＧＨｚ）に対する、入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）と中間ライン（６）との重ね長さＬ（mm）との関係は、ＢＰＦの各部分のディメンションがその実施例２で試作したものの場合、
ｆ（ＧＨｚ）＝７５×１／Ｋ・Ｌ（mm）
となること、などが参考になる。

本発明には、さまざまな変更態様が可能である。たとえば、ＧＮＤラインとなる金属片に相当するものとして、回路基板そのものが使用できることがある。その場合は、回路基板を射出成形金型の一方の成分として利用し、前記した、絶縁体のフィルム（５）の両面に入力信号ライン（２）、出力信号ライン（３）および中間ライン（６）を設けたものを成形金型キャビティの一方の面にインサートしたものと向かい合わせて、両者の間にポリマー混合物を射出すればよい。

図３に示す断面構造のＧＨｚ帯用ＢＰＦを、本発明の方法により製造した。このＢＰＦは、両端の入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）の間に、中間ライン（６）が複数個あり、入力信号ライン（２）と中間ライン（６Ａ）、中間ライン（６Ｃ）と出力信号ライン（３）との間だけでなく、中間ライン相互間（６Ａと６Ｂ，６Ｂと６Ｃ）でも、キャパシタンスが生じる構造である。この構造は、帯域カットの曲線が急峻になり、シャープなバンドパス特性を与える。

厚さ２５μｍポリイミドフィルムの両面に、厚さ２０μｍの銅箔をエポキシ樹脂の接着剤を用いて貼り付け、エッチングにより、表面が図４Ａに示すパターンであり、裏面が図４Ｂに示すパターンである回路（入力信号ライン、中間ライン、出力信号ライン）を形成した。この図において、フィルムの両側に２個ずつある切り欠き（５１）は、射出成形金型にＧＮＤライン（４）となる金属片をインサートするときに、その位置を保つために金型に設けてあるセパレータに適合するものである。

他方、厚さ０．５mmのリン青銅の板を、図５Ａおよび図５Ｂに示した形状に加工して、孔を開けた。軟磁性金属の粉末としては、Ｆｅ−１３Ｃｒ合金の粉末であって、平均粒径が８μｍのものを使用した。

マトリクス材料としては、ポリフェニレンサルファイド樹脂に、炭酸カルシウムを添加したものを使用し、軟磁性金属粉末の充填率が容積にして１０％となるように配合した。上記の回路パターンを成形金型の一方に、その表面を金型に接してのせ、リン青銅の板を成形金型の他方にのせ、上記のポリマー混合物を押出し機で溶融したものを、それらの間に射出することにより一体化し、本発明のＧＨｚ帯域用ＢＰＦを得た。

このようにして製造したＧＨｚ帯域用ＢＰＦについて、「ネットワークアナライザー」（日本ＨＰ社製）を使用して、０．１ＧＨｚ（１００ＭＨｚ）から１０ＧＨｚに至る周波数領域にわたり、透過率Ｓ２１（ｄＢ）を測定した。その測定値をプロットしたグラフを、図６に示す。このグラフによれば、製作したＢＰＦは、おおよそ３ＧＨｚ以下および１１ＧＨｚ以上の信号に対して−２０ｄＢ以上の減衰を与えるという特性であるから、ほぼ３．１〜１０．６ＧＨｚの帯域を通過させることを目的とする超広帯域ＢＰＦとして有用である。

本発明の製造方法によって製造されるＧＨｚ帯域用ＢＰＦは、数百ＭＨｚ〜十数ＧＨｚの周波数領域で使用するＢＰＦとして、携帯電話、ＰＨＳ、ＥＴＣ、無線ＰＡＮ、ＤＳＲＣ（狭域通信）そのほか、広範な技術分野において、任意の周波数帯域の電磁波を通過させ、それ以外をカットするフィルタとして、広い用途を有する。とくに、ＦＣＣが定めたＵＷＢ通信の周波数帯域３．１〜１０．６ＧＨｚを通過させ、それ以外をカットするＢＰＦとして好適である。

特許文献２に開示されたＧＨｚ帯域用ＢＰＦの構造を示す平面図。 図１のＢＰＦの縦断面図。 図１に構造を示したＧＨｚ帯域用ＢＰＦの、透過係数の周波数特性を示すグラフ。 本発明の実施例で製造したＧＨｚ帯域用ＢＰＦの構造を示す縦断面図。 図３のＧＨｚ帯域用ＢＰＦを製造するために用いた回路のパターンを示す、フィルム表面の平面図。 図４−Ａのフィルム裏面の平面図。 図３のＧＨｚ帯域用ＢＰＦを製造するために用いた、ＧＮＤラインとなる金属片の形状を示す、表面の平面図。 図５−Ａの金属片裏面の平面図。 本発明の実施例で製造したＧＨｚ帯域用ＢＰＦのＳ２１特性を示すグラフ。

符号の説明

１ シート
２ 入力信号ライン
３ 出力信号ライン
４ ＧＮＤライン
４１ 射出成形用の孔
４２ 逆テーパをもつ孔
５絶縁体のフィルム
５１ セパレータのための切り欠き
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ 中間ライン

Claims (6)

1. 軟磁性金属の粉末がシート状のポリマー・マトリクス中に分散したシート（１）の表面に、導体のストリップからなり、直列方向に走る入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）を、間隙を置いて配置し、入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）の上に、両方にまたがって重なり合うように、絶縁体のフィルム（５）を介して、いまひとつの導体のストリップからなる中間ライン（６）を設け、上記シート（１）の裏面にＧＮＤライン（４）を設けた構成を有するＧＨｚ帯用バンドパスフィルタを製造する方法であって、絶縁体のフィルム（５）の両面に入力信号ライン（２）、出力信号ライン（３）および中間ライン（６）を設けたものを成型金型キャビティの一方の面にインサートし、他方の面にＧＮＤライン（４）となる金属片をインサートし、軟磁性金属の粉末を分散させたポリマーを成型金型内に射出成形して一体となった成型品を得ることからなるＧＨｚ帯用バンドパスフィルタの製造方法。
2. 絶縁体のフィルム（５）の両面に入力信号ライン（２）、出力信号ライン（３）および中間ライン（６）を設けたものを、ポリイミド樹脂のフィルムの両面に銅箔を接着したものをエッチングすることによって製造する請求項１の製造方法。
3. ＧＮＤライン（４）となる金属片として、リン青銅の板を使用する請求項１の製造方法。
4. 軟磁性金属の粉末を分散させたポリマーが、軟磁性金属の粉末を、無機質物の粉末とともにポリフェニレンサルファイド樹脂に分散させたものである請求項１の製造方法。
5. 軟磁性金属の粉末として、Ｆｅ−１３Ｃｒ合金、パーマロイ、センダストおよびフェライトから選択したものの粉末を使用し、無機質物の粉末として炭酸カルシウムの粉末を使用した請求項１の製造方法。
6. 軟磁性金属の粉末を分散させたポリマーの成型金型内への射出成形を、ＧＮＤライン（４）となる金属片に設けた射出成形用の孔（４１）を通じて行ない、この金属片に設けた別の逆テーパを有する孔（４２）の中にポリマーを進入させることによって、得られる成型品の一体化を確保する請求項１の製造方法。
   

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