JP6430115B2 - チューナブルフィルタ装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、チューナブルフィルタ装置に関する。

無線又は有線で情報通信を行う通信機器は、アンプ、ミキサ、フィルタ（例えばバンドパスフィルタ）などの各種デバイスを備えている。バンドパスフィルタは、特定範囲内の周波数を通過させ、その範囲外の周波数を遮断する（減衰させる）特性を持つ。通過帯域幅及び通過帯域の中心周波数などのバンドパスフィルタの特性は、通信システムの仕様に応じて設計される。通信システムでは、周波数の有効利用の観点から、急峻なスカート特性（通過帯域とそれ以外の領域を分ける周波数遮断特性）を有するバンドパスフィルタが求められる。

バンドパスフィルタとして、例えばマイクストリップライン型フィルタなどの平面回路型フィルタがある。平面回路型フィルタでは、共振素子を多段化することでスカート特性を急峻にすることが可能である。共振素子の配線材料に通常の導体材料を使用する場合、共振素子を多段化すると伝送ロスが増大するため、共振素子の多段化は困難である。共振素子の配線材料に銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）などの電気的良導体を使用したとしても、共振素子を多数設けることは困難である。これに対し、超伝導体は高周波領域においても通常の電気的良導体と比べて表面抵抗が非常に小さいので、超伝導体で形成した共振素子を多段化しても伝送ロスが小さい。従って、共振素子を超伝導体で形成することで、急峻なスカート特性を有するバンドパスフィルタを実現することができる。

また、システムの変更に柔軟に対応できる通信インフラの構築には、特性（例えば、通過帯域の中心周波数）が可変であるバンドパスフィルタが必要とされる。しかしながら、通過帯域の中心周波数を変化させると、フィルタ特性の波形が理想的な形状からずれることがある。

フィルタ装置においては、フィルタ特性の波形の乱れを抑制しながら、広範囲で安定して通過帯域の中心周波数を調整できることが求められている。

特開２００２−０５７５０６号公報 特開２００７−２０８８９３号公報

三上宏、外４名、「誘電体ロッドトリミングによる超伝導フィルタの特性改善」、信学技報ＳＣＥ２００３−６、ＭＷ２００３−６（２００３−４）、ｐ２９〜３５

本発明が解決しようとする課題は、フィルタ特性の波形の乱れを抑制しながら、広範囲で安定して通過帯域の中心周波数を調整することができるチューナブルフィルタ装置を提供することである。

一実施形態に係るチューナブルフィルタ装置は、誘電体基板、共振器パターン、特性調整部材、及び駆動機構を備える。誘電体基板は、第１の領域及び第２の領域に仮想的に分割された表面を有する。共振器パターンは、前記表面の前記第１の領域に導体材料で形成される。特性調整部材は、前記表面に対向する対向面を有し、誘電体又は磁性体又は導体材料で形成される。駆動機構は、前記特性調整部材を前記表面に投影して得られる投影面と前記対向面とで挟まれる空間の体積を空間体積とし、前記第１の領域の空間体積と前記第２の領域の空間体積との間の空間体積比を調整するように、前記特性調整部材を駆動する。

第１の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の一例を概略的に示す斜視図。 誘電体基板上に１つの共振器パターンが設けられている場合における領域分けの一例を示す平面図。 実施形態に係るフィルタの周波数特性を説明する図。 第１の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の他の例を概略的に示す斜視図。 第１の実施形態に係る駆動機構の一例を含む図４のチューナブルフィルタ装置の断面図。 実施形態に係る誘電体基板上に複数の共振器パターンが設けられている場合における領域分けの一例を示す平面図。 第２の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の一例を概略的に示す斜視図。 第２の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の他の例を概略的に示す斜視図。 第２の実施形態に係る駆動機構の一例を含む図８のチューナブルフィルタ装置の断面図。 第２の実施形態に係る駆動機構の他の例を含む図８のチューナブルフィルタ装置の断面図。 （ａ）及び（ｂ）は図１０に示した回転ユニットの動作を説明する図。 第３の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の一例を概略的に示す斜視図。 図１２に示した特性調整部材の投影が誘電体基板上の第１の領域と第２の領域に跨がる様子を示す平面図。 第３の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の他の例を概略的に示す斜視図。 第３の実施形態に係る駆動機構の一例を含む図１４のチューナブルフィルタ装置の断面図。 一実施形態に係るチューナブルフィルタ装置を概略的に示す斜視図。 実施形態に係る誘電体基板上に１つの共振器パターンが設けられている場合における領域分けの他の例を示す平面図。 第４の実施形態に係る冷却システムを概略的に示すブロック図。 第５の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の一例を示すブロック図。 第５の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の他の例を示すブロック図。

以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。以下の実施形態では、同一の構成要素に同一の参照符号を付して、重複する説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の一例を概略的に示している。図１に示されるチューナブルフィルタ装置１００は、マイクロストリップライン型バンドパスフィルタを備える。具体的には、チューナブルフィルタ装置１００は、誘電体基板１０１を備え、この誘電体基板１０１の表面には、共振素子としての共振器パターン１０２、信号入力線路１０３、及び信号出力線路１０４が超伝導材料で形成されている。誘電体基板１０１の裏面全体にはグランド膜が超伝導材料で形成されている。グランド膜はグランド電極として使用することができる。或いは、グランド膜に例えばＡｇ膜を蒸着することでグランド電極を形成してもよい。

図１に示される例では、共振器パターン１０２はヘアピン型の共振器パターンである。なお、共振器パターン１０２は、図１に示されるようなヘアピン型共振器パターンに限らず、例えば、スパイラル型共振器パターン、Ｓ字型共振器パターンなどであってもよい。さらに、図１には１つの共振器パターン１０２が示されているが、後述する例（例えば図４に示される例）のように、共振器パターン１０２の数は２以上であってもよい。

誘電体基板１０１は、高周波を遮蔽する金属パッケージ１０６内に収容されている。図１では、金属パッケージ１０６の一部（具体的には底部及び側壁の一部）が示され、その他の部分は省略されている。金属パッケージ１０６は、内部に閉じた空間を備える箱形に形成されている。一例では、金属パッケージ１０６は、上方が開口された直方体状のパッケージ本体及びこの開口を塞ぐ蓋を含み、パッケージ本体と蓋とにより内部空間が形成される。誘電体基板１０１の裏面に設けられたグランド電極が金属パッケージ１０６の内底面に接触し、誘電体基板１０１の表面は金属パッケージ１０６の内部空間に向けられる。

金属パッケージ１０６には同軸コネクタ（出力コネクタ）１０８が設けられている。信号出力線路１０４は、接続電極を介して同軸コネクタ１０８の中心導線に接続されている。信号入力線路１０３は、接続電極１０７を介して図示しない同軸コネクタ（入力コネクタ）の中心導線に接続されている。接合方法としては、超音波熱圧着によるワイヤボンディング、テープボンディング、はんだ接合などを利用することができる。接続電極は、例えば、接触抵抗を低減するために、金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）などの金属で蒸着法やスパッタリングを用いて形成することができる。一例では、接続電極は金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）の少なくとも一方を含む積層膜であり得る。

金属パッケージ１０６内において、特性調整部材１０５が誘電体基板１０１の表面に間隙を介して対向して配置されている。より具体的には、特性調整部材１０５は共振器パターン１０２の厚さ方向に共振器パターン１０２に対向して且つ共振器パターン１０２から空間を隔てて配置されている。特性調整部材１０５は、誘電体基板１０１近傍の空間上の磁界分布や電界分布を変化させる部材であればよく、誘電体（例えばアルミナ、サファイア）又は磁性体（例えばフェライト）で形成される。或いは、特性調整部材１０５は金属（例えば銅）などの導体材料で形成されてもよい。

図１の例では、特性調整部材１０５の形状は直方体状であり、誘電体基板１０１に対向する特性調整部材１０５の面（以下、基板対向面と称する。）は誘電体基板１０１の表面に平行である。特性調整部材１０５の幅は、共振器パターン１０２の幅に合わせてもよい。ここで、幅は共振器パターン１０２の短手方向の寸法を表す。本実施形態では、共振器パターン１０２の長手方向及び短手方向は誘電体基板１０１の厚さ方向に垂直である。なお、特性調整部材１０５の形状は、図１に示されるような直方体である例に限らず、他の形状であってもよい。

平面回路型フィルタでは、誘電体基板１０１の厚さや材料特性のばらつき、共振器パターン１０２のパターニング寸法のずれなどに起因して、共振器パターン１０２の共振周波数が所望の値からずれることがある。その結果、所望するフィルタ特性が得られないことがある。さらに、フィルタを小型化するために、誘電体基板１０１の誘電率を大きくすると、所定の配線インピーダンスを実現するには、配線パターンが複雑になる。この場合、誘電体基板１０１の厚さやパターニング寸法のずれがフィルタ特性により大きく影響するようになる。本実施形態では、共振器パターン１０２に対向して設けられた特性調整部材１０５を用いることにより共振器パターン１０２の共振周波数を調整することができ、所望のフィルタ特性を得ることができる。

特性調整部材１０５は駆動機構（図１には示されていない。）によって支持され、駆動機構は誘電体基板１０１の表面に対して平行に特性調整部材１０５を移動させる。この場合、特性調整部材１０５の基板対向面と誘電体基板１０１の表面との距離は一定に保たれる。誘電体基板１０１に対して平行に特性調整部材１０５を移動させる場合、特性調整部材１０５が共振器パターン１０２に接触して共振器パターン１０２を損傷するおそれがない。より具体的には、駆動機構は、図１の両方向矢印に示されるように、共振器パターン１０２の長手方向に特性調整部材１０５を移動させる。特性調整部材１０５を共振器パターン１０２の長手方向に移動させることにより、共振器パターン１０２の共振周波数を広範囲で安定して調整することができる。

誘電体基板の厚さ方向に誘電体部材を移動させることで共振器の共振周波数を調整する従来手法では、フィルタ特性（透過特性及び反射特性）の波形が急激に崩れてしまう場合がある。これに対し、誘電体基板１０１に対して平行に特性調整部材１０５を移動させる本実施形態では、フィルタ特性の波形を維持し、緩やかに変化させることができる。このように、本実施形態では、フィルタ特性の波形の乱れを抑制しながら、広範囲で安定して通過帯域の中心周波数を調整することができる。

誘電体基板１０１は、例えばＡｌ_２Ｏ_３（サファイア）、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ_３などの誘電正接が小さい低損失材料で形成される。

回路パターン（具体的には、共振器パターン１０２並びに信号入力線路１０３及び信号出力線路１０４のパターン）は、例えば、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超伝導材料（以下、ＹＢＣＯと記載する。）で表面全体に形成された超伝導体膜を、フォトリソグラフィ技術を用いて加工することで得ることができる。なお、回路パターンの材料は、ＹＢＣＯに限らず、他の酸化物超伝導材料、例えば、Ｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系材料（Ｒは、Ｎｂ、Ｙｍ、Ｓｍ、又はＨｏである。）、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系材料、Ｐｂ−Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系材料、ＣｕＢａ_ｐＣａ_ｑＣｕ_ｒＯ_ｘ系材料（１．５＜ｐ＜２．５、２．５＜ｑ＜３．５、３．５＜ｒ＜４．５）、或いは、金属超伝導材料、例えば、ニオブ、ニオブすずなどであってもよい。なお、回路パターンの材料は、超伝導材料に限らず、通常の導体材料であってもよい。

金属パッケージ１０６は、例えば、熱伝導性に優れる無酸素銅で形成される。或いは、金属パッケージ１０６は、純アルミニウム、アルミニウム合金、銅合金などで形成されてもよい。また、金属パッケージ１０６は、熱収縮率が誘電体基板１０１の熱収縮率に近い材料、例えば、コバール、インバー、４２アロイなどで形成されてもよい。

以下では、誘電体基板１０１、誘電体基板１０１上の回路パターン（共振器パターン１０２、信号入力線路１０３、及び信号出力線路１０４を含む。）、特性調整部材１０５、及び金属パッケージ１０６を含む部分をフィルタデバイスと称する。

図２は、図１に示される誘電体基板１０１を概略的に示す平面図である。誘電体基板１０１の表面は、例えば図２に示されるように、２つの領域、すなわち、第１の領域２０１及び第２の領域２０２に仮想的に分割される。第１の領域２０１は共振器パターン１０２を含む領域である。第２の領域２０２は、共振器パターン１０２を含まない領域、すなわち、第１の領域２０１以外の領域である。特性調整部材１０５を誘電体基板１０１へ投影（例えば垂直投影）することで得られる投影面１１０は、第１の領域２０１及び第２の領域２０２に跨がる。なお、第１の領域２０１に共振器パターン１０２が含まれ、第２の領域２０２に共振器パターン１０２が含まれないようにすれば、第１の領域２０１及び第２の領域２０２は任意に設定することができる。

特性調整部材１０５が誘電体基板１０１の表面に平行に移動すると、第１の領域２０１の空間定積と第２の領域２０２の空間体積との間の空間体積比が変化する（空間体積差も同様に変化する）。ここで、空間体積は、投影面１１０と性調整部材１０５の基板対向面とで挟まれる空間の体積、すなわち、投影面１１０を底面とし特性調整部材１０５の基板対向面を上面とする柱状の空間の体積を指す。具体的には、柱状の空間は、投影面１１０と特性調整部材１０５の基板対向面とを直線的に結ぶ空間である。図１の例では、空間は直方体状であり、空間体積は、誘電体基板１０１と特性調整部材１０５との間の距離に投影面１１０の面積を乗算することで求められる。

第１の領域２０１の空間体積は、第１の領域２０１に位置する投影面１１０の部分と第１の領域２０１に対向する基板対向面の部分との間に規定される（挟まれる）空間の体積であり、第２の領域２０２の空間体積は、第２の領域２０２に位置する投影面１１０の部分と第２の領域２０２に対向する基板対向面の部分との間に規定される（挟まれる）空間の体積である。特性調整部材１０５の平行移動は、第１の領域２０１の空間体積と第２の領域２０２の空間体積との間の空間体積比が変化するように特性調整部材１０５を駆動する方法の一例である。

図３は、特性調整部材１０５を駆動した場合に通過帯域の中心周波数が変わる様子を概略的に示している。図３では、特性調整部材１０５が基準位置にあるときのフィルタの周波数特性３００が実線で示されている。本実施形態及び後述する実施形態では、特性調整部材１０５を駆動する（例えば共振器パターン１０２の長手方向に移動させる）と、図３に示されるように、通過帯域幅を殆ど変化させることなく、通過帯域の中心周波数を変更することができる。中心周波数は、特性３０１のように、第１の領域２０１の空間体積を増大させることにより、高周波数側へシフトする。また、中心周波数は、特性３０２のように、第１の領域２０１における空間体積を減少させることにより低周波数側へシフトする。

図４及び図５は、本実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の他の例を概略的に示す斜視図及び断面図である。図４では、図１と同様に、金属パッケージ１０６が部分的に省略されている。
図４に示されるチューナブルフィルタ装置４００では、複数の共振器パターン１０２が誘電体基板１０１の表面に形成されている。これら複数の共振器パターン１０２を結合させることでフィルタ特性を得る。チューナブルフィルタ装置４００では、共振器パターン１０２を複数設けることにより、フィルタとして急峻なスカート特性が得られる。誘電体基板１０１の裏面には、図５に示されるように、グランド膜５０３が形成されている。誘電体基板１０１は、誘電体基板１０１の裏面に設けられたグランド電極が金属パッケージ１０６の内底面に接触し且つ誘電体基板１０１の表面が金属パッケージ１０６の内部空間５０４に向けられるように、金属パッケージ１０６内に収容されている。金属パッケージ１０６は、パッケージ本体５０１及び蓋５０２を含む。パッケージ本体５０１の開口を蓋５０２で塞ぐことにより内部空間５０４が形成される。

図４に示されるように、誘電体基板１０１の表面に間隙を介して対向して複数の特性調整部材１０５が配置されている。特性調整部材１０５は、共振器パターン１０２の各々につき１つ設けられ、誘電体基板１０１の厚さ方向に一定の距離を空けて、対応する共振器パターン１０２に対向している。

金属パッケージ１０６（具体的にはパッケージ本体５０１）の側壁には貫通孔が設けられている。特性調整部材１０５は、貫通孔を通って金属パッケージ１０６の外部まで延び、対応する共振器パターン１０２の開口側において駆動機構５１０によって支持されている。駆動機構５１０は特性調整部材１０５ごとに設けられている。駆動機構５１０は、共振器パターン１０２を含む第１の領域の空間体積と共振器パターン１０２を含まない第２の領域の空間体積との間の空間体積比が変わるように、特性調整部材１０５を駆動する。具体的には、駆動機構５１０は、共振器パターン１０２の長手方向に特性調整部材１０５を移動させる。

一例では、駆動機構５１０は、バネ部材５１１、押付け板部材５１２、及び圧電素子５１３を備える。圧電素子５１３は、特性調整部材１０５を駆動する駆動源（アクチュエータ）の一例である。駆動機構５１０は磁歪素子を駆動源として使用してもよい。押付け板部材５１２は、金属パッケージ１０６の壁面に対向して配置され、特性調整部材１０５の基部が固定されている。バネ部材５１１は金属パッケージ１０６と押付け板部材５１２との間に配置されている。押付け板部材５１２は、バネ部材５１１の押圧力を圧電素子５１３に伝え、圧電素子５１３に予圧を与える。

圧電素子５１３は金属パッケージ１０６と押付け板部材５１２との間に配置されている。具体的には、圧電素子５１３の一端が金属パッケージ１０６に固定され、他端が押付け板部材５１２に固定されている。圧電素子５１３には電圧を印加するためのリード線（図示せず）が接続されている。圧電素子５１３は電圧を印加することにより伸縮する。圧電素子５１３の伸長及び収縮は印加する電圧により制御される。圧電素子５１３の伸縮方向は共振器パターン１０２の長手方向に実質的に一致する。特性調整部材１０５は圧電素子５１３の伸縮により移動する。特性調整部材１０５それぞれの移動量を調整することにより、共振器パターン１０２の共振周波数を一様に変化させることが可能になる。その結果、フィルタ特性（例えば通過特性及び反射特性）の波形を乱すことなく、通過帯域の中心周波数を調整することができる。

図６は、誘電体基板１０１上に複数の共振器パターン１０２が設けられる場合における領域分けの一例を示している。図６に示されるように、共振器パターン１０２の位置に基づいて、複数の第１の領域２０１と複数の第２の領域２０２が設定されている。各特性調整部材１０５は、第１の領域２０１及び第２の領域２０２に跨がるように、誘電体基板１０１に仮想的に投影される。なお、第１の領域２０１に共振器パターン１０２が含まれ、第２の領域２０２に共振器パターン１０２が含まれないようにすれば、第１の領域２０１及び第２の領域２０２は任意に設定することができる。

図５に示される例では、特性調整部材１０５の基板対向面は、一様な平面ではなく、誘電体基板１０１の表面に対して傾斜した面を有する。具体的には、特性調整部材１０５の基部側における基板対向面は誘電体基板１０１の表面と平行であるが、先端側における基板対向面は誘電体基板１０１の表面に対して傾斜している。先端部では、特性調整部材１０５と誘電体基板１０１との間の距離が先端側に向かうほど増大する。これにより、特性調整部材１０５の基板対向面は一様な平面である場合と比べて、特性調整部材１０５の移動量に対する第１の領域２０１の空間体積の変化量が増大する。この結果、特性調整部材１０５のより少ない移動量で所望の中心周波数変化量を得ることができる。さらに、第１の領域２０１における空間体積を変更可能な範囲が大きくなるので、通過帯域の中心周波数をより広範囲で調整することができる。なお、特性調整部材１０５の基板対向面の少なくとも一部が曲面であってもよい。

以上のように、本実施形態に係るチューナブルフィルタ装置では、個々の共振器パターンに関して特性調整部材を共振器パターンの長手方向に移動させることにより、共振器パターンの共振周波数を正確に且つ容易に調整することができる。その結果、フィルタ特性の波形の乱れを防ぎながら、通過帯域の中心周波数を調整することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、誘電体基板の表面に対して平行に（具体的には共振器パターンの長手方向に）特性調整部材を移動させている。第２の実施形態では、共振器パターン１０２の短手方向に平行な軸の周りに特性調整部材を回動させる。

図７は、第２の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の一例を概略的に示している。図７では、図１と同様に、金属パッケージ１０６が部分的に省略されている。図７に示されるチューナブルフィルタ装置７００では、特性調整部材１０５は、共振器パターン１０２の短手方向に実質的に平行な軸の周りに回動可能に支持されている。チューナブルフィルタ装置７００においても、図２に示される例と同様にして、誘電体基板１０１の表面に第１の領域２０１及び第２の領域２０２を設定することができる。駆動機構（図７には示されていない。）は、第１の領域２０１の空間体積と第２の領域２０２の空間体積との間の空間体積比が変化するように、前記軸の周りに特性調整部材１０５を回動させる。本実施形態では、特性調整部材１０５の回転量を調整することにより、共振器パターン１０２の共振周波数を調整する。それにより、フィルタ特性の波形の乱れを防ぎながら、通過帯域の中心周波数を調整することができる。

図８及び図９は、第２の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の他の例を概略的に示す斜視図及び断面図である。図８では、図１と同様に、金属パッケージ１０６が部分的に省略されている。

図８に示されるチューナブルフィルタ装置８００では、複数の共振器パターン１０２が誘電体基板１０１の表面に設けられている。誘電体基板１０１の表面に間隙を介して対向して複数の特性調整部材１０５が配置されている。特性調整部材１０５は、共振器パターン１０２の各々につき１つ設けられ、誘電体基板１０１の厚さ方向に、対応する共振器パターン１０２に対向している。特性調整部材１０５の幅は、共振器パターン１０２の幅に合わせてもよい。チューナブルフィルタ装置８００では、図４に示される例と同様にして、誘電体基板１０１の表面に第１の領域２０１及び第２の領域２０２を設定することができる。

図９に示されるように、金属パッケージ１０６の側壁には貫通孔が設けられている。特性調整部材１０５は、貫通孔を通って金属パッケージ１０６の外部まで延び、対応する共振器パターン１０２の開口側において駆動機構９１０によって支持されている。駆動機構９１０は特性調整部材１０５ごとに設けられている。駆動機構９１０は、第１の領域２０１の空間体積と第２の領域２０２の空間体積との間の空間体積比が変わるように、特性調整部材１０５を駆動する。具体的には、駆動機構９１０は、特性調整部材１０５に設けられた支軸９１３の周りに特性調整部材１０５を回動させる。

一例では、駆動機構９１０は、バネ部材９１１及び圧電素子９１２を備える。図９に示される例では、パッケージ本体５０１は共振器パターン１０２の長手方向に突き出した突出部９０１を備え、蓋５０２は共振器パターン１０２の長手方向に突き出した突出部９０２を備える。バネ部材９１１は金属パッケージ１０６の突出部９０２と特性調整部材１０５との間に配置されている。バネ部材９１１の押圧力は特性調整部材１０５を介して圧電素子９１２に予圧として与えられる。

圧電素子９１２は金属パッケージ１０６の突出部９０１と特性調整部材１０５との間に配置されている。具体的には、圧電素子９１２の一端が金属パッケージ１０６の突出部９０１に固定され、他端が特性調整部材１０５に固定されている。圧電素子９１２には電圧を印加するためのリード線（図示せず）が接続されている。圧電素子９１２は、電圧を印加することにより、誘電体基板１０１の厚さ方向に伸縮する。圧電素子９１２の伸縮は支軸９１３によって回転に変換される。特性調整部材１０５は圧電素子９１２の伸縮によって支軸９１３の周りに回動し、特性調整部材１０５の姿勢が変化する。圧電素子９１２が伸長すると、特性調整部材１０５は共振器パターン１０２に近づく。この場合、第１の領域２０１における空間体積は小さくなる。また、圧電素子９１２が収縮すると、特性調整部材１０５は共振器パターン１０２から遠ざかる。この場合、第１の領域２０１における空間体積は大きくなる。特性調整部材１０５それぞれの回転量を調整することにより、共振器パターン１０２の共振周波数を一様に変化させることができる。その結果、フィルタ特性の波形を乱すことなく、通過帯域の中心周波数を調整することができる。

図１０は、第２の実施形態に係る駆動機構の他の例を概略的に示している。図１０に示される例では、駆動機構は、特性調整部材１０５に設けられた回転軸１００１を回転駆動する回転ユニット１００２である。複数の特性調整部材１０５が１つの回転軸１００１に連結されていてもよい。この場合、これらの特性調整部材１０５が回転ユニット１００２によって同時に回動される。

図１１（ａ）及び（ｂ）は、回転ユニット１００２の構造例を概略的に示している。図１１（ａ）に示されるように、回転ユニット１００２は、圧電素子１１０１、バネ部材１１０２、及び回転部材１１０３を備える。回転部材１１０３は、回転軸１００１に取り付けられ、回転軸１００１を中心として回動するように圧電素子１１０１及びバネ部材１１０２によって支持されている。回転部材１１０３はバネ部材１１０２の押圧力を圧電素子１１０１に伝え、圧電素子１１０１に予圧を与える。圧電素子１１０１には電圧を印加するためのリード線（図示せず）が接続されている。圧電素子１１０１は電圧を印加することにより伸縮する。図１１（ｂ）に示されるように、圧電素子１１０１の伸長によって回転部材１１０３に機械的に連結された特性調整部材１０５が回動する。圧電素子１１０１が収縮する場合、特性調整部材１０５は、圧電素子１１０１が伸長する場合と反対の方向に回動する。特性調整部材１０５それぞれの回転量を調整することにより、共振器パターン１０２の共振周波数を一様に変化させることができる。その結果、フィルタ特性の波形を乱すことなく、通過帯域の中心周波数を調整することができる。

なお、回転ユニット１００２は、超音波モータなどの回転駆動力を直接生成することができるアクチュエータであってもよい。

以上のように、本実施形態に係るチューナブルフィルタ装置では、個々の共振器パターンに関して特性調整部材を共振器パターンの短手方向に垂直な軸周りに回動させることにより、共振器パターンの共振周波数を正確かつ容易に調整することができる。その結果、フィルタ特性の波形の乱れを防ぎながら、通過帯域の中心周波数を調整することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、誘電体基板の厚さ方向に平行な軸の周りに特性調整部材を回動させる。
図１２は、第３の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の一例を概略的に示している。図１２では、図１と同様に、金属パッケージ１０６が部分的に省略されている。図１２に示されるチューナブルフィルタ装置１２００では、金属パッケージ１０６内において、特性調整部材１０５が誘電体基板１０１の表面に間隙を介して対向して配置されている。より具体的には、特性調整部材１０５は共振器パターン１０２の厚さ方向に共振器パターン１０２に対向して且つ共振器パターン１０２から空間を隔てて配置されている。

特性調整部材１０５は、誘電体基板１０１の厚さ方向に実質的に平行な軸の周りに回転可能に支持されている。この軸は特性調整部材１０５を通る。図１２に示される例では、特性調整部材１０５の基板対向面は誘電体基板１０１の表面に対して傾斜しており、誘電体基板１０１側から見た特性調整部材１０５の平面形状は円形である。

図１３は、図１２に示される誘電体基板１０１を概略的に示す平面図である。誘電体基板１０１の表面は、図１３に示されるように、第１の領域２０１及び第２の領域２０２に仮想的に分割される。第１の領域２０１には共振器パターン１０２が形成されている。第２の領域２０２は共振器パターン１０２を含まない領域である。特性調整部材１０５を誘電体基板１０１へ投影（例えば垂直投影）することで得られる投影面１２１０は、第１の領域２０１及び第２の領域２０２に跨がる。

駆動機構（図１２には示されていない。）は、第１の領域２０１の空間体積と第２の領域２０２の空間体積との間の空間体積比が変化するように、特性調整部材１０５を駆動する。具体的には、駆動機構は、誘電体基板１０１の厚さ方向に実質的に平行な軸の周りに特性調整部材１０５を回転させる。この場合、特性調整部材１０５と誘電体基板１０１との距離は一定に保たれる。誘電体基板１０１の厚さ方向に平行な軸周りに特性調整部材１０５を回転させる場合、特性調整部材１０５が共振器パターン１０２に接触して共振器パターン１０２を損傷するおそれがない。本実施形態では、特性調整部材１０５の回転量を調整することにより、共振器パターン１０２の共振周波数を調整する。それにより、フィルタ特性の波形の乱れを防ぎながら、通過帯域の中心周波数を調整することができる。

なお、特性調整部材１０５は、図１２に示される形状に形成される例に限らず、いかなる形状であってよい。ただし、少ない回転量で所望の中心周波数変化量を得ることができるように、図１２に示されるような形状を有することが望ましい。

図１４及び図１５は、第３の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の他の例を概略的に示す斜視図及び断面図である。図１４では、図１と同様に、金属パッケージ１０６が部分的に省略されている。

図１４に示されるチューナブルフィルタ装置１４００では、複数の共振器パターン１０２が誘電体基板１０１の表面に設けられている。誘電体基板１０１の表面に間隙を介して対向して複数の特性調整部材１０５が配置されている。特性調整部材１０５は、共振器パターン１０２の各々につき１つ設けられ、誘電体基板１０１の厚さ方向に一定の距離を空けて、対応する共振器パターン１０２に対向している。特性調整部材１０５の幅は、共振器パターン１０２の幅に合わせてもよい。チューナブルフィルタ装置１４００では、図４に示される例と同様にして、誘電体基板１０１の表面に第１の領域２０１及び第２の領域２０２を設定することができる。

図１５に示されるように、金属パッケージ１０６の上部（具体的には蓋５０２）には貫通孔が設けられている。特性調整部材１０５は、貫通孔を通って金属パッケージ１０６の外部まで延び、駆動機構としての回転ユニット１５１０によって支持されている。回転ユニット１５１０は特性調整部材１０５ごとに設けられている。回転ユニット１５１０は、第１の領域２０１の空間体積と第２の領域２０２の空間体積との間の空間体積比が変わるように、特性調整部材１０５を駆動する。具体的には、回転ユニット１５１０は、特性調整部材１０５を通り且つ誘電体基板１０１の厚さ方向に平行である軸を回転軸１５１１として、特性調整部材１０５を回転させる。

回転ユニット１５１０は、図１１に関して説明した回転ユニット１００２と同様の構造を有することができる。このため、回転ユニット１５１０についての具体的な説明は省略する。なお、回転ユニット１５１０は、超音波モータなどの回転駆動力を直接生成することができるアクチュエータであってもよい。特性調整部材１０５それぞれの回転量を調整することにより、共振器パターン１０２の共振周波数を一様に変化させることができる。その結果、フィルタ特性の波形を乱すことなく、通過帯域の中心周波数を調整することができる。

以上のように、本実施形態に係るチューナブルフィルタ装置では、個々の共振器パターンに関して特性調整部材を誘電体基板の厚さ方向に垂直な軸周りに回転させることにより、共振器パターンの共振周波数を正確かつ容易に調整することができる。その結果、フィルタ特性の波形の乱れを防ぎながら、通過帯域の中心周波数を調整することができる。

なお、上述した第１から第３の実施形態に係る特性調整部材の駆動方法のうちの２つ以上を組み合わせて実施することもできる。図１６は、第１から第３の実施形態の組み合わせによる一例を概略的に示している。図１６に示されるチューナブルフィルタ装置１６００では、特性調整部材１０５は、共振器パターン１０２の長手方向に移動可能、共振器パターン１０２の短手方向に平行な軸周りに回動可能、及び誘電体基板１０１の厚さ方向に平行な軸周りに回転可能である。このように第１から第３の実施形態に係る特性調整部材の駆動方法を組み合わせることで、通過帯域の中心周波数の調整の自由度が高まる。

図１７は、誘電体基板上に１つの共振器パターンが設けられている場合における領域分けの他の例を示している。誘電体基板１０１の表面は、図１７に示されるように、共振器パターン１０２を含む第１の領域１７０１及び共振器パターン１０２を含まない第２の領域１７０２に仮想的に分割することができる。

（第４の実施形態）
フィルタデバイスの導体部分（共振器パターンなど）が既存の超伝導材料で形成される場合、フィルタデバイス全体を冷却することで導体部分が超伝導状態に維持される。第４の実施形態では、フィルタデバイスを冷却するための冷却システムについて説明する。

図１８は、第４の実施形態に係る冷却システムを概略的に示している。図１８に示される冷却システムにおいて、フィルタデバイス１８０６が断熱真空容器１８０１内に封入されている。フィルタデバイス１８０６は、上述した実施形態に係るフィルタデバイスのいずれであってもよい。真空ポンプ１８０２は、断熱真空容器１８０１内を真空排気する。

断熱真空容器１８０１は、上方に開口部を有する下側容器と下方に開口部を有する上側容器とを備える。開口部同士が対向した状態で下側容器と上側容器とを結合することにより、密閉された空間が画定される。下側容器と上側容器との間にＯリングを介在させることにより、断熱真空容器１８０１内部の真空度が維持される。

フィルタデバイス１８０６は、断熱真空容器１８０１内でコールドプレート１８０５上に保持されている。コールドプレート１８０５は、冷凍機１８０３の冷凍機コールドヘッド１８０４に熱的に結合されている。フィルタデバイス１８０６は、真空下で、フィルタデバイス１８０６の導体部分が超伝導状態になる温度まで冷凍機１８０３によって冷却される。低温になるほど超伝導特性の向上が見込めるので、温度はより低温に設定することが望ましい。冷凍機１８０３は冷却が得られればよく、冷凍機１８０３の種類はいかなるものであってもよい。例えば、冷凍機１８０３は、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、又はＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）冷凍機であってもよい。

断熱真空容器１８０１の側壁には、コネクタ１８０７、１８０８、１８０９が取り付けられている。フィルタデバイス１８０６の入力コネクタ１８１０は、断熱真空容器１８０１内の同軸ケーブル１８１１、コネクタ１８０７、及び断熱真空容器１８０１外の同軸ケーブル１８１２を介して周波数信号検出装置１８１８に接続されている。周波数信号検出装置１８１８は、例えばネットワークアナライザであり得る。また、フィルタデバイス１８０６の出力コネクタ１８１３は、断熱真空容器１８０１内の同軸ケーブル１８１４、コネクタ１８０８、及び断熱真空容器１８０１外の同軸ケーブル１８１５を介して周波数信号検出装置１８１８に接続されている。駆動機構のアクチュエータ（図示せず）は、断熱真空容器１８０１内の配線ケーブル１８１６、コネクタ１８０９、及び断熱真空容器１８０１外の配線ケーブル１８１７を介してドライバ１８１９に接続されている。ドライバ１８１９は、アクチュエータを駆動するための駆動信号（電圧信号）を生成する。

図１８に示される冷却システムでは、冷凍機１８０３の振動は主として鉛直方向にフィルタデバイス１８０６に作用する。典型的には、フィルタデバイス１８０６は、誘電体基板の厚さ方向が鉛直方向に一致するようにして、コールドプレート１８０５上に載置される。この場合、誘電体基板の厚さ方向に特性調整部材を移動させる従来手法では、特性調整部材の駆動方向と冷凍機１８０３の振動方向１８２０が同一方向となり、特性調整部材の位置決め精度が低下することがある。これに対し、フィルタデバイス１８０６が第１の実施形態に係るフィルタデバイスである場合、特性調整部材の駆動方向は水平方向になる。特性調整部材の駆動方向と冷凍機１８０３の振動方向１８２０が異なるため、特性調整部材の位置決め精度の低下を防ぐことができる。同様に、フィルタデバイス１８０６が第３の実施形態に係るフィルタデバイスである場合、特性調整部材の駆動方向と振動方向１８２０が異なるため、特性調整部材の位置決め精度の低下を防ぐことができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態では、チューナブルフィルタ装置の制御システムについて説明する。
図１９は、第５の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の一例を概略的に示している。図１９に示されるチューナブルフィルタ装置１９００では、入力信号（Ｓｉｇ．１）は、入力コネクタ１９１４を介してフィルタデバイス１９１３に与えられる。入力信号は周波数信号検出装置１９１６にも与えられる。フィルタデバイス１９１３は、上述した実施形態に係るフィルタデバイスのいずれであってもよい。

フィルタデバイス１９１３は、入力信号をフィルタリングして出力信号（Ｓｉｇ．２）を生成する。フィルタデバイス１９１３からの出力信号は、出力コネクタ１９１５を通じて周波数信号検出装置１９１６に送られる。周波数信号検出装置１９１６は、出力信号のスペクトル波形（例えば、中心周波数、通過特性及び反射特性）を得る。このスペクトル波形はセンサ信号として制御装置１９１０に送られる。

アクチュエータ移動量検出センサ１９１７は、駆動機構に含まれるアクチュエータ（例えば圧電素子）１９１２の移動量を検出してセンサ信号を生成する。センサ信号は制御装置１９１０に送られる。

制御装置１９１０は、スペクトル波形と目標とする基準スペクトル波形との比較及びアクチュエータ移動量検出センサ１９１７からのセンサ信号と目標とするアクチュエータ移動量との比較により、スペクトル波形が基準スペクトル波形に近づくように、ドライバ１９１１に制御信号を送信する。ドライバ１９１１は、制御装置１９１０からの制御信号に基づいてアクチュエータ１９１２を駆動する。このフィードバック制御を繰り返すことにより、所望の安定したフィルタ特性を得ることができる。アクチュエータ１９１２としては、例えば、圧電素子、磁歪素子などを用いることができる。

次に、制御装置１９１０が作業命令１９０１に従ってフィルタデバイス１９１３のフィルタ特性を制御する一連の動作を説明する。
まず、アクチュエータ１９１２の一連の動作に関する作業命令１９０１が動作コマンド生成部１９０２に入力される。作業命令１９０１はプログラムの形態であってもよい。また、オペレータがパネル表示された作業命令１９０１を制御装置１９１０に対して入力してもよい。作業命令１９０１を入力するための入力装置は、アクチュエータ１９１２や制御装置１９１０と一体であってもよく、有線又は無線でアクチュエータ１９１２や制御装置１９１０と通信可能なものとしてもよい。

動作コマンド生成部１９０２は、入力された作業命令１９０１を各作業プロセスで必要となる動作手順に分解し、該動作手順を、アクチュエータ１９１２に対する動作コマンドレベルの命令列に展開する。目標指令値生成部１９０３は、生成された各動作コマンドに応じて、アクチュエータ１９１２に対する各目標軌道及び目標値を算出し、アクチュエータ１９１２の駆動に関する目標指令値を出力する。アクチュエータ駆動制御部１９０４は、目標指令値生成部１９０３からの目標指令値に従って、アクチュエータ１９１２が作業に応じた動作を実行するようにドライバ１９１１を制御する。

制御装置１９１０において、周波数信号検出装置１９１６及びアクチュエータ移動量検出センサ１９１７からのセンサ信号は信号処理回路部１９０５に与えられる。信号処理回路部１９０５は、アナログデジタル変換器などを含み、センサ信号に対して各種信号処理を施す。判定部１９０６は、信号処理回路部１９０５から信号処理後のセンサ信号を受信する。判定部１９０６は、スペクトル波形の基準スペクトル波形からのずれ量に応じて各種判定処理を行う。判定部１９０６は、周波数信号検出装置１９１６によるスペクトル波形観測及びアクチュエータ１９１２による空間体積比の調整によって所望のフィルタ特性が得られるように演算処理を行う。信号処理回路部１９０５及び判定部１９０６を含む部分を空間体積制御部１９０９と称する。

動作コマンド生成部１９０２は、順次に出力され実行される動作コマンドに応じた動作モード情報を、実行作業の情報と共に動作モード情報部１９０７に送る。動作モード情報部１９０７には、様々な作業命令に対してそれに含まれる動作モード毎に定義されたフィルタデバイス１９１３のスペクトル波形補正コマンドが格納されている。また、判定部１９０６には、各動作モードの指令情報１９０８ごとに、アクチュエータ駆動制御部１９０４に対する駆動停止、或いは動作コマンド生成部１９０２に対する戻り値コマンドなどの判定部出力の内容が設定される。動作モードによっては、アクチュエータ１９１２の駆動停止又は戻り値コマンド生成など、それぞれの動作モードに従って異なる処理が定義される。

従って、スペクトル波形補正が判定部１９０６によって行われた場合、定義された動作モードに応じたアクチュエータ１９１２への対処制御方法に従い、判定部１９０６からアクチュエータ駆動制御部１９０４にアクチュエータ駆動停止のコマンドが送出され、場合によっては動作コマンド生成部１９０２に目標値を修正する戻値コマンドが送られる。これにより、スペクトル波形補正に対する現状の動作に適した対応処理動作を実施し、スペクトル波形可変機能（帯域幅を維持したままの中心周波数可変機能）の信頼性及び確実性を確保するようなアクチュエータ１９１２の駆動制御を行うことができる。

図２０は、第５の実施形態に係るチューナブルフィルタ装置の他の例を概略的に示している。図２０に示されるチューナブルフィルタ装置は、テーブルデータ２００１に基づくフィードフォワード制御でアクチュエータ１３１２を駆動制御する。テーブルデータ２００１には、共振周波数変化と対比させて予め取得しておいたアクチュエータの駆動情報が格納されている。制御装置２０１０の目標指令値生成部１９０３は、テーブルデータ２００１を参照してアクチュエータ１９１２に対する各目標軌道及び目標値を算出し、アクチュエータ１９１２の駆動に関する目標指令値を出力する。アクチュエータ駆動制御部１９０４は、目標指令値生成部１９０３からの目標指令値に従って、アクチュエータ１９１２が作業に応じた動作を実行するようにドライバ１９１１を制御する。

なお、特性調整部材を駆動する駆動源として圧電素子を用いる例を説明したが、特性調整部材の駆動方法は説明した例に限定されない。特性調整部材をネジ式のロッド部材として手動駆動により進退量を調整する方式や、電動モータ、エアシリンダや油圧シリンダなどを利用する方式を採用してもよい。ただし、停止位置を任意に変更したい場合には、進退量を調整し得るアクチュエータとする必要がある。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００…チューナブルフィルタ装置、１０１…誘電体基板、１０２…共振器パターン、１０３…信号入力線路、１０４…信号出力線路、１０５…特性調整部材、１０６…金属パッケージ、１０７…接続電極、１０８…同軸コネクタ、１１０…投影面、２０１…第１の領域、２０２…第２の領域、４００…チューナブルフィルタ装置、５０１…パッケージ本体、５０２…蓋、５０３…グランド膜、５０４…内部空間、５１０…駆動機構、５１１…バネ部材、５１２…押付け板部材、５１３…圧電素子、７００…チューナブルフィルタ装置、８００…チューナブルフィルタ装置、９０１…突出部、９０２…突出部、９１０…駆動機構、９１１…バネ部材、９１２…圧電素子、９１３…支軸、１００１…回転軸、１００２…回転ユニット、１１０１…圧電素子、１１０２…バネ部材、１１０３…回転部材、１２００…チューナブルフィルタ装置、１２１０…投影面、１３１２…アクチュエータ、１４００…チューナブルフィルタ装置、１５１０…回転ユニット、１５１１…回転軸、１６００…チューナブルフィルタ装置、１７０１…第１の領域、１７０２…第２の領域、１８０１…断熱真空容器、１８０２…真空ポンプ、１８０３…冷凍機、１８０４…冷凍機コールドヘッド、１８０５…コールドプレート、１８０６…フィルタデバイス、１８０７…コネクタ、１８０８…コネクタ、１８０９…コネクタ、１８１０…入力コネクタ、１８１１…同軸ケーブル、１８１２…同軸ケーブル、１８１３…出力コネクタ、１８１４…同軸ケーブル、１８１５…同軸ケーブル、１８１６…配線ケーブル、１８１７…配線ケーブル、１８１８…周波数信号検出装置、１８１９…ドライバ、１８２０…振動方向、１９００…チューナブルフィルタ装置、１９０１…作業命令、１９０２…動作コマンド生成部、１９０３…目標指令値生成部、１９０４…アクチュエータ駆動制御部、１９０５…信号処理回路部、１９０６…判定部、１９０７…動作モード情報部、１９０８…指令情報、１９０９…空間体積制御部、１９１０…制御装置、１９１１…ドライバ、１９１２…アクチュエータ、１９１３…フィルタデバイス、１９１４…フィルタデバイス、１９１４…入力コネクタ、１９１５…出力コネクタ、１９１６…周波数信号検出装置、１９１７…アクチュエータ移動量検出センサ、２００１…テーブルデータ、２０１０…制御装置。

Claims (5)

1. 第１の領域及び第２の領域に仮想的に分割された表面を有する誘電体基板と、
   前記表面の前記第１の領域に導体材料で形成された共振器パターンと、
   前記表面に対向する対向面を有し、誘電体又は磁性体又は導体材料で形成された特性調整
   部材と、
   前記特性調整部材を前記表面に投影して得られる投影面と前記対向面とで挟まれる空間の
   体積を空間体積とし、前記第１の領域の空間体積と前記第２の領域の空間体積との間の空
   間体積比を調整するように、前記特性調整部材を前記表面に略平行な方向に駆動させる駆
   動機構と、
   を具備し、
   前記対向面の一部は、前記表面に対して傾斜する、チューナブルフィルタ装置。
2. 前記導体材料は超伝導材料である、請求項１に記載のチューナブルフィルタ装置。
3. 前記駆動機構は、駆動源として電圧素子又は磁歪素子を備える、請求項１または請求項
   ２に記載のチューナブルフィルタ装置。
4. 前記共振器パターンは複数設けられ、前記特性調整部材は複数の前記共振器パターンの
   各々に対して１つ設けられる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のチューナブルフィ
   ルタ装置。
5. 前記共振器パターンから出力される信号のスペクトル波形が目標とする基準スペクトル
   波形に近づくように、前記駆動機構を制御する制御部をさらに具備する請求項１乃至４の
   いずれか１項に記載のチューナブルフィルタ装置。

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