JP6861588B2 - 伝送線路 - Google Patents

Description

本発明は、脆性材料により構成された導波路を含む伝送線路に関する。

誘電体基板の表裏に導体層を形成した誘電体導波路は、ミリ波の伝送に適しており、薄型に実現することが可能であるという利点がある。例えば、誘電体導波管アンテナ（特許文献１参照）は、このような誘電体導波路の一例である。誘電体導波路の基板の構成材料としては、誘電正接が小さく、誘電損失を小さく抑えることが可能な石英ガラスが有望である（特許文献２参照）。

また、伝送線路を構成する誘電体導波路を接合する方法としては、ネジ止め、はんだ付け、及びろう付けが挙げられる（特許文献３参照）。

特許４１８１０８５号公報 特開２０１４−２６５６４３号公報 特開２００２−１８５２０３号公報

しかしながら、互いに接合された２つの導波路を含む従来の伝送線路においては、少なくとも一方の導波路（以下、「第１の導波路」と記載する）が石英ガラスなどの脆性材料により構成されている場合、以下のような問題を生じる。

第１の問題は、ネジ止めにより２つの導波路を接合する場合に生じる問題である。ネジ止めにより２つの導波路を接合する場合、２つの導波路にネジ孔を穿孔する必要がある。しかしながら、第１の導波路にネジ孔を穿孔すると、その機械的強度は低下する。また、穿孔作業中に第１の導波路が破損するリスク、及び、穿孔作業中に生じた傷を起点として、穿孔作業後に第１の導波路が破損するリスクが高い。

第２の問題は、はんだ付け又はろう付けにより２つの導波路を接合する際に生じる問題である。はんだ付けにより２つの導波路を接合する場合、はんだを溶融させる際に２つの導波路の温度が上昇し、はんだを硬化させる際に２つの導波路の温度が低下する。このため、第１の導波路に第２の導波路との熱膨張差に起因する応力が働く。また、はんだが凝固収縮する際にも第１の導波路に応力が働く。これらの応力により第１の導波路が破損するリスクが高い。ろう付けにより２つの導波路を接合する場合も同様である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、脆性材料により構成された導波路の破損が生じ難い伝送線路を実現することにある。

本発明に係る伝送線路は、導電性を有する接合層により接合された第１の導波路と第２の導波路とを備え、前記第１の導波路は、脆性材料により構成されており、少なくとも前記接合層の第１の導波路側は、導電性接着剤により構成されている、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、上記第１の導波路と上記第２の導波路とが上記接合層により接合される。したがって、上記第１の導波路と上記第２の導波路とを、ネジ止め、はんだ付け、又はろう付けにより接合する必要がない。このため、上記第１の導波路と上記第２の導波路とをネジ止め、はんだ付け、又はろう付けにより接合することに起因して、脆性材料により構成された上記第１の導波路が破損するリスクを低減することができる。

また、上記の構成によれば、上記接合層が導電性を有している。したがって、上記第１の導波路と上記第２の導波路とがネジ等により接合されていなくても、上記第１の導波路と上記第２の導波路とを短絡することができる。

本発明に係る伝送線路において、前記導電性接着剤の硬化後の弾性率は、前記脆性材料の弾性率よりも小さい、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記接合層の弾性率が上記第１の導波路を構成する脆性材料の弾性率よりも小さい。したがって、上記第１の導波路と上記第２の導波路との熱膨張差により上記第１の導波路に作用する応力を緩和することができる。このため、上記第１の導波路に作用する応力により上記第１の導波路が破損するリスクを低減することができる。

本発明に係る伝送線路において、前記第１の導波路の導波モードと前記第２の導波路の導波モードとは、前記第１の導波路に形成された開口と前記第２の導波路に形成された開口とを介して結合されており、前記接合層は、これらの開口を取り囲んでいる、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記第１の導波路の導波モードと上記第２の導波路の導波モードとを結合するための開口が、導電性接着剤により構成された上記接合層により取り囲まれる。したがって、上記第１の導波路と上記第２の導波路との隙間において生じ得る電磁波の漏えいを抑えることができる。

本発明に係る伝送線路において、前記接合層は、角のない外縁を有する、ことが好ましい。

上記の構成によれば、応力集中により上記接合層が破壊されるリスクを低減することができる。

本発明に係る伝送線路において、前記第１の導波路と前記第２の導波路とは、前記接合層に加え、前記接合層を取り囲むように形成された他の接合層により接合されており、前記他の接合層は、非導電性接着剤により構成されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記第１の導波路と上記第２の導波路とが、導電性接着剤により構成された上記接合層及び非導電性接着剤により構成された上記他の接合層の両方により接合される。このため、上記第１の導波路と上記第２の導波路との接合面積を増し、上記第１の導波路と上記第２の導波路との接合強度を増すことができる。また、上記接合層に集中していた応力を上記他の接合層に分散することができる。このため、応力による上記接合層の破壊を生じにくくすることができる。また、上記接合層が上記他の接合層に取り囲まれているため、上記接合層は、外部環境に晒されなくなる。このため、外部環境に晒されることにより生じ得る上記接合層の劣化（例えば腐食など）を抑えることができる。

本発明に係る伝送線路において、前記非導電性接着剤の硬化後の弾性率は、前記脆性材料の弾性率よりも小さい、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記他の接合層の弾性率が上記第１の導波路を構成する脆性材料の弾性率よりも小さい。したがって、上記第１の導波路と上記第２の導波路との熱膨張差により上記第１の導波路に作用する応力を緩和することができる。このため、上記第１の導波路に作用する応力により上記第１の導波路が破損するリスクを低減することができる。

本発明に係る伝送線路において、前記他の接合層は、角のない外縁を有する、ことが好ましい。

上記の構成によれば、応力集中により上記他の接合層が破壊されるリスクを低減することができる。

本発明に係る伝送線路において、前記第１の導波路は、（１）前記脆性材料により構成された誘電体基板と、（２）当該誘電体基板の第１の主面に形成された第１の導体層と、（３）当該誘電体基板の第２の主面に形成された第２の導体層と、（４）前記誘電体基板の内部に形成されたポスト壁と、を備え、前記第１の導体層及び前記第２の導体層を広壁とし、前記ポスト壁を狭壁とする導波路である、
上記の構成によれば、上記第１の導波路を薄型かつ軽量に実現することができる。

本発明に係る伝送線路において、前記脆性材料は、石英ガラスである、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記第１の導波路の誘電損失を小さく抑えることができる。

本発明によれば、脆性材料により構成された導波路の破損が生じ難い伝送線路を実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る伝送線路の分解斜視図である。 （ａ）は、図１に示した伝送線路の平面図である。（ｂ）は、図１に示した伝送線路の断面図である。 （ａ）は、図１に示した伝送線路の第１の変形例の平面図である。（ｂ）は、同図の（ａ）に示した伝送線路の断面図である。 図１に示した伝送線路の第２の変形例の平面図である。 図１に示した伝送線路の第３の変形例の断面図である。

〔伝送線路の構成〕
本発明の一実施形態に係る伝送線路について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る伝送線路１の分解斜視図である。図２の（ａ）は、図１に示す伝送線路１の平面図である。図２の（ｂ）は、図１に示す伝送線路１のＡ−Ａ’断面を示す断面図である。なお、図１及び図２に示した座標系は、ポスト壁導波路１１を導波された後に導波管２１を導波される電磁波に関して、ｙ軸正方向がポスト壁導波路１１における進行方向に一致し、ｚ軸正方向が導波管２１における進行方向に一致するように設定されている。ｘ軸正方向は、上記のように定めたｙ軸正方向及びｚ軸正方向と共に右手系を構成するように設定されている。以下、ポスト壁導波路のことをＰＷＷ（Post-wall waveguide）と略記する。

伝送線路１は、ミリ波の伝送に適した伝送線路であり、接合層３１を介して接合されたポスト壁導波路１１（特許請求の範囲における「第１の導波路」）と導波管２１（特許請求の範囲における「第２の導波路」）とを備えている。狭壁がポスト壁により構成されたポスト壁導波路には、狭壁が導体板により構成された誘電体導波路と比べて、軽量に実現できるという利点がある。

（ＰＷＷ１１）
ＰＷＷ１１は、基板１２と、基板１２の第１の主面１２ａに形成された第１の導体層１３と、基板１２の第２の主面１２ｂに形成された第２の導体層１４と、を備えている。導体層１３，１４は、ＰＷＷ１１の広壁として機能する。

基板１２は、誘電体からなる脆性材料により構成されている。基板１２を構成する脆性材料としては、例えば、ガラス（例えば、石英ガラス）やセラミックスなどが挙げられる。本実施形態においては、基板１２を構成する脆性材料として、石英ガラス（熱膨張係数：０．５×１０^−６／Ｋ，弾性率：７３ＧＰａ）を用いている。

基板１２の内部には、ポスト壁１５，１６，１７が形成されている。ポスト壁１５は、柵状に配列された複数の導体ポスト１５ｉにより構成されている。ここで、ｉは、１≦ｉ≦Ｌの自然数である（Ｌは導体ポスト１５ｉの個数を表す自然数）。各導体ポスト１５ｉは、第１の主面１２ａから第２の主面１２ｂまで貫通したビアを基板１２に形成したうえで、金属などの導電体をそのビア内部に充填あるいはそのビア内面に堆積することによって得られる。これらの導体ポスト１５ｉの間隔を、ＰＷＷ１を導波される電磁波の波長と比べて十分に小さくすることによって、ポスト壁１５を反射壁として機能させることができる。ポスト壁１６，１７も、ポスト壁１５と同様、複数の導体ポスト１６ｊ，１７ｋにより構成されており、ＰＷＷ１１の狭壁として機能する。ここで、ｊは、１≦ｊ≦Ｍの自然数であり、ｋは、１≦ｋ≦Ｎの自然数である（Ｍは、導体ポスト１６ｊの個数を表す自然数であり、Ｎは、導体ポスト１７ｋの個数を表す自然数）。

なお、図１においては、ポスト壁１５，１６，１７によって実現される狭壁を仮想線（二点鎖線）により図示している。また、図１においては、後述するＰＷＷ−導波管の構成を見やすくするために、ポスト壁１５，１６の一部を省略して図示している。

基板１２において、導体層１３〜１４及びポスト壁１５〜１７に囲まれた直方体状の領域は、電磁波を伝搬する伝搬領域１８として機能する。電磁波は、この伝搬領域１８を、図１に示した座標系においてｙ軸に沿って伝搬する。

導体層１３には、開口１３ａが設けられている。開口１３ａは、伝搬領域１８の一方の端部近傍に配置されており、伝搬領域１８の出入口となる。開口１３ａの形状は、長方形であり、開口１３ａの向きは、その長辺が伝搬領域１８の長手方向（図１におけるｙ軸方向）と直交する向きである。

（導波路２１）
導波管２１は、一対の広壁２２ａ〜２２ｂと一対の狭壁２２ｃ〜２２ｄとからなる管壁２２を有する方形導波管である。導波管２１の一端は、ショート壁２３によって閉塞されている。ショート壁２３には、開口２３ａが設けられている。開口２３ａの形状は、ＰＷＷ１１の開口１３ａと同一である。導波管２１の内部は、中空であってもよいし、空気以外の誘電体が充填されていてもよい。

導波管２１（管壁２２及びショート壁２３）は、導体材料により構成されている。導波管２１を構成する導体材料としては、例えば、銅や真鍮などが挙げられる。本実施形態においては、導波管２１を構成する導体材料として、銅（熱膨張係数：１６．８×１０^−６／Ｋ，弾性率：１２９ＧＰａ）を用いている。

管壁２２により四方を囲まれた直方体状の領域は、電磁波を伝搬する伝搬領域２４として機能する。電磁波は、この伝搬領域２４を、図１に示した座標系においてｚ軸に沿って伝搬する。

導波管２１は、ショート壁２３がＰＷＷ１１の導体層１３と対向し、ショート壁２３に設けられた開口２３ａが導体層１３に設けられた開口１３ａと重なるように配置される。導波管２１の伝搬領域２４は、開口２３ａ及び開口１３ａを介してＰＷＷ１の伝搬領域１８と連通している。導波管２１の導波モードは、開口２３ａ及び開口１３ａを介してＰＷＷ１の導波モードと結合されている。

（接合層３１）
接合層３１は、ＰＷＷ１１の導体層１３と導波管２１のショート壁２３との間に介在し、ＰＷＷ１１と導波管２１とを接合する機能を担う。この接合層３１は、硬化後の弾性率がＰＷＷ１１を構成する脆性材料（本実施形態においては石英ガラス）よりも小さい導電性接着剤により構成されている。導電性接着剤としては、樹脂に銀フィラーを加えた銀ペーストや樹脂に銅フィラーを加えた銅ペーストなどが挙げられる。

本実施形態においては、ＰＷＷ１１の導体層１３の表面に開口１３ａを取り囲むように塗布した銀ペースト（熱膨張係数：３０〜５０×１０^−６／Ｋ，硬化後弾性率：５ＧＰａ）を硬化させ、これを接合層３１として用いている。銀ペーストの塗布には、ディスペンス、転写、印刷などの公知技術を用いればよい。

本実施形態に係る伝送線路１においては、ＰＷＷ１１と導波管２１とが接合層３１により接合されているため、ＰＷＷ１１と導波管２１とをネジにより接合する必要がない。したがって、ＰＷＷ１１にネジ孔を設ける必要がない。このため、ネジ孔を穿孔する際にＰＷＷ１１が損傷したり、ネジ孔を穿孔する際に生じた傷に起因して穿孔後にＰＷＷ１１が損傷したりする可能性を低減することができる。

また、接合層３１が導電性を有するため、ＰＷＷ１１と導波管２１とがネジにより接合されていなくても、ＰＷＷ１１と導波管２１とを短絡させることができる。また、接合層３１の弾性率がＰＷＷ１１を構成する脆性材料の弾性率よりも小さいため、ＰＷＷ１１と導波管２１との熱膨張差によりＰＷＷ１１に作用する応力を緩和することができる。さらに、導電性を有する接合層３１がＰＷＷ１１の開口１３ａ及び導波管２１の開口２３ａを取り囲んでいるため、ＰＷＷ１１と導波管２１との隙間において生じ得る電磁波の漏えいを抑えることができる。

〔第１の変形例〕
伝送線路１の第１の変形例について、図３を参照して説明する。図３の（ａ）は、本変形例に係る伝送線路１Ａの平面図である。図３の（ｂ）は、本変形例に係る伝送線路１ＡのＡ−Ａ’断面を示す断面図である。

本変形例に係る伝送線路１Ａは、図１及び図２に示す伝送線路１に接合層３２を追加したものである。接合層３２は、接合層３１と同様、ＰＷＷ１１の導体層１３と導波管２１のショート壁２３との間に介在し、ＰＷＷ１１と導波管２１とを接合する機能を担う。したがって、本変形例に係る伝送線路１Ａにおいては、ＰＷＷ１１と導波管２１とが、接合層３１及び接合層３２の両方によって接合される。接合層３１及び接合層３２の各々は、それぞれ、特許請求の範囲に記載の接合層及び他の接合層に対応する。

この接合層３２は、硬化後の弾性率がＰＷＷ１１を構成する脆性材料（本実施形態においては石英ガラス）よりも小さい非導電性接着剤により構成されている。接合層３２を構成する非導電性接着剤としては、例えば、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂などが挙げられる。本実施形態においては、ＰＷＷ１１の導体層１３の表面に接合層３１を取り囲むように塗布したエポキシ系樹脂（熱膨張係数：３０〜５０×１０^−６／Ｋ，硬化後弾性率：２〜５ＧＰａ）を硬化させ、これを接合層３２として用いている。

非導電性接着剤を塗布する方法としては、例えば、接合層３１によりＰＷＷ１１と導波管２１とを接合した後（接合層３１を構成する導電性接着剤を硬化させた後）、キャピラリーフローを用いてＰＷＷ１１と導波管２１との隙間に非導電性接着剤を充填する方法が挙げられる。この方法を用いれば、ＰＷＷ１１と導電性接着剤との間、又は、導波管２１と導電性接着剤との間に非導電性接着剤が進入する可能性を低減することができる。したがって、ＰＷＷ１１と導波管２１と導通が妨げられる可能性を低減することができる。

伝送線路１においては、ＰＷＷ１１と導波管２１とが接合層３１のみにより接合されるのに対して、本変形例に係る伝送線路１Ａにおいては、ＰＷＷ１１と導波管２１とが接合層３１及び接合層３２の両方によって接合される。このため、ＰＷＷ１１と導波管２１との接合面積が増し、ＰＷＷ１１と導波管２１との接合強度が増す。また、伝送線路１においては、接合層３１に集中していた応力が、本変形例に係る伝送線路１Ａにおいては、接合層３１と接合層３２とに分散される。このため、本変形例に係る伝送線路１Ａにおいては、応力による接合層３１の破壊が生じ難くなる。さらに、伝送線路１においては、外部環境に晒されていた接合層３１が、本変形例に係る伝送線路１Ａにおいては、外部環境に晒されなくなる。このため、本変形例に係る伝送線路１Ａにおいては、外部環境に晒されることにより生じ得る接合層３１の劣化を抑えることができる。外部環境に晒されることにより生じ得る接合層３１の劣化としては、例えば、吸湿による腐食やマイグレーションによる導通不良などが挙げられる。

なお、本変形例では、接合層３１の全周に亘って接合層３１の外縁と接合層３２の内縁とが接触する構成を用いて説明した。しかし、接合層３１の外縁と接合層３２の内縁とは、その一部又は全部が離間するように構成されていてもよい。

〔第２の変形例〕
伝送線路１の第２の変形例について、図４を参照して説明する。図４は、本変形例に係る伝送線路１Ｂの平面図である。

本変形例に係る伝送線路１Ｂは、図３に示す伝送線路１Ａにおいて、接合層３１〜３２の外縁を変形したものである。伝送線路１Ａにおいては、接合層３１〜３２が角のある外縁（具体的には矩形の外縁）を有するのに対して、伝送線路１Ｂにおいては、接合層３１〜３２が角のない外縁（具体的には角丸矩形の外縁）を有している。

第１の変形例に係る伝送線路１Ａにおいては、接合層３１〜３２の四隅への応力集中が生じやすいのに対して、本変形例に係る伝送線路１Ｂにおいては、接合層３１〜３２の四隅への応力集中が生じ難い。このため、本変形例に係る伝送線路１Ｂにおいては、応力集中による接合層３１〜３２の破壊が生じ難くなる。

〔第３の変形例〕
伝送線路１の第３の変形例について、図５を参照して説明する。図５は、本変形例に係る伝送線路１Ｃの断面図である。

本変形例に係る伝送線路１Ｃは、図３に示す伝送線路１Ａにはんだ層３３を追加したものである。はんだ層３３は、導波管２１のショート壁２３側に開口２３ａを取り囲むように形成される。本変形例においては、はんだ層３３の材料として、ＡｕＳｎ９０はんだ（熱膨張係数：１３．６^−６／Ｋ，弾性率：４０ＧＰａ）を用いる。接合層３１は、ＰＷＷ１１の導体層１３側に開口１３ａを取り込むように形成される。接合層３２は、ＰＷＷ１１の導体層１３と導波管２１のショート壁２３との間に接合層３１及びはんだ層３３を取り囲むように形成される。

本変形例に係る伝送線路１Ｃにおいても、ＰＷＷ１１の開口１３ａと導波管２１の開口２３ａとの間の空間が導電性を有する接合層３１及びはんだ層３３により取り囲まれている。このため、ＰＷＷ１１と導波管２１との隙間において生じ得る電磁波の漏えいを抑えることができる。

なお、本変形例において、接合層３１の外縁と接合層３２の内縁とは、その一部又は全部が離間するように構成されていてもよいし、はんだ層３３の外縁と接合層３２の内縁とは、その一部又は全部が離間するように構成されていてもよい。

〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、上述した実施形態及びその変形例として開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 伝送線路
１１ ポスト壁導波路（第１の導波路）
１２ 基板
１２ａ 第１の主面
１２ｂ 第２の主面
１３ 導体層（第１の導体層）
１３ａ 開口
１４ 導体層（第２の導体層）
１５，１６，１７ ポスト壁
１８ 伝搬領域
２１ 導波管（第２の導波路）
２２ 管壁
２３ ショート壁
２３ａ 開口
２４ 伝搬領域
３１ 接合層（導電性接着剤）
３２ 接合層（非導電性接着剤）
３３ はんだ層

Claims (9)

1. 導電性を有する接合層により接合された第１の導波路と第２の導波路とを備え、
   前記第１の導波路は、脆性材料により構成されており、
   少なくとも前記接合層の第１の導波路側は、導電性接着剤により構成されている、
   ことを特徴とする伝送線路。
2. 前記導電性接着剤の硬化後の弾性率は、前記脆性材料の弾性率よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の伝送線路。
3. 前記第１の導波路の導波モードと前記第２の導波路の導波モードとは、前記第１の導波路に形成された開口と前記第２の導波路に形成された開口とを介して結合されており、前記接合層は、これらの開口を取り囲んでいる、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の伝送線路。
4. 前記接合層は、角のない外縁を有する、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の伝送線路。
5. 前記第１の導波路と前記第２の導波路とは、前記接合層に加え、前記接合層を取り囲むように形成された他の接合層により接合されており、
   前記他の接合層は、非導電性接着剤により構成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の伝送線路。
6. 前記非導電性接着剤の硬化後の弾性率は、前記脆性材料の弾性率よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項５に記載の伝送線路。
7. 前記他の接合層は、角のない外縁を有する、
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の伝送線路。
8. 前記第１の導波路は、（１）前記脆性材料により構成された誘電体基板と、（２）当該誘電体基板の第１の主面に形成された第１の導体層と、（３）当該誘電体基板の第２の主面に形成された第２の導体層と、（４）前記誘電体基板の内部に形成されたポスト壁と、を備え、前記第１の導体層及び前記第２の導体層を広壁とし、前記ポスト壁を狭壁とする導波路である、
   ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の伝送線路。
9. 前記脆性材料は、石英ガラスである、
   ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の伝送線路。

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