WO2006068056A1 - 液晶部品モジュールおよび誘電率制御方法 - Google Patents

液晶部品モジュールおよび誘電率制御方法 Download PDF

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WO2006068056A1
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Yasuyuki Irie
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Kyocera Corporation
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0485—Dielectric resonator antennas

Definitions

  • the present invention relates to a liquid crystal component module that controls the dielectric constant of a liquid crystal dielectric layer formed using a dielectric material, and a method for controlling the dielectric constant.
  • Electronic parts using dielectric materials are often used in electronic devices using high frequency (for example, microwave frequency band) such as mobile communication terminals in mobile communication systems.
  • high frequency for example, microwave frequency band
  • a microstrip line shown in FIG. 13 is used for a transmission line, a resonance circuit, a filter circuit, and the like.
  • This microstrip line includes a ground plane (ground line) 4 and a conductor layer 1 (circuit pattern). And a dielectric layer 2 interposed therebetween. Its characteristic impedance is determined by the width W and thickness t of the conductor layer 1, the distance between the conductors, the thickness d of the dielectric layer 2 and the relative dielectric constant ⁇ .
  • the dielectric antenna shown in FIG. 14 has a dielectric layer 2 sandwiched between the antenna pattern 14 and the ground plane 4 and applies a high-frequency signal to the antenna feeding point 6 to radiate radio waves.
  • the characteristic impedance ⁇ of this line can be expressed by the following equation.
  • the characteristic impedance Z of the microstrip line is a shape parameter.
  • d thickness
  • W line width
  • dielectric constant ⁇ or relative dielectric constant ⁇
  • FIG. 15 is a diagram showing a configuration example of a microstrip line that changes the dielectric constant of a conventional dielectric.
  • the direction of the polarity of the liquid crystal dielectric layer 7 is determined by the direction (orientation direction) of the rubbing surface 3.
  • the dielectric constant control voltage source 35 When a voltage is applied to the liquid crystal dielectric layer 7 by the dielectric constant control voltage source 35, the direction of the liquid crystal molecules in the liquid crystal dielectric layer 7 changes due to the electric field strength due to the applied voltage, and the dielectric constant changes. . in this way Then, by applying a voltage to the liquid crystal dielectric layer 7, the dielectric constant is changed and controlled to achieve a desired characteristic.
  • This antenna device aims to provide an antenna device that can achieve a wide band by changing the antenna resonance frequency (see, for example, Patent Document 1).
  • This antenna device is an antenna device having an antenna and a wireless device for exchanging transmission / reception signals with the antenna.
  • the antenna device is provided with a dielectric portion whose relative dielectric constant is changed by the frequency control voltage Ec.
  • the frequency control voltage supplied to the body is configured to control the voltage Ec! RU
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 11-154821
  • the dielectric constant of the liquid crystal dielectric layer 7 also changes depending on the signal that travels through the microstrip line. In particular, when the signal contains a direct current component, the effect is greater. In addition, even when an electrical component using the liquid crystal dielectric layer 7 is used in a place where there is physical vibration, the dielectric constant of the liquid crystal dielectric layer 7 varies with time. It was a problem when we wanted to keep it constant. In addition, the conventional dielectric antenna disclosed in Patent Document 1 has a problem that it is difficult to stably control the dielectric constant.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a liquid crystal component module capable of stably holding the dielectric constant of a liquid crystal dielectric layer and a dielectric constant control method for the liquid crystal component module. For the purpose.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and a first aspect of the present invention is a first and second liquid crystal dielectric layers disposed opposite to each other across the liquid crystal dielectric layer.
  • a second conductor layer voltage applying means for controlling a dielectric constant of the liquid crystal dielectric layer by applying a DC voltage to the liquid crystal dielectric layer; and a temperature adjusting element for changing the temperature of the liquid crystal dielectric layer;
  • the liquid crystal dielectric layer is changed by changing the temperature of the liquid crystal dielectric layer by the temperature adjusting element.
  • This is a liquid crystal component module provided with temperature control means for transitioning between the solid phase and the liquid phase.
  • a liquid crystal component module can be provided.
  • the liquid crystal component module can be downsized and easily mounted on the circuit board.
  • the first conductor layer may be a circuit layer having a circuit pattern, and the second conductor layer may be a ground layer.
  • liquid crystal component module such as a microstrip line having a desired dielectric constant can be provided.
  • the liquid crystal dielectric layer is divided into a plurality of regions, and the voltage applying means includes It may be configured to control the dielectric constant for each region of the liquid crystal dielectric layer.
  • the characteristic impedance of a microstrip line whose dielectric part is made of liquid crystal can be changed for each region, and an impedance matching circuit for a transmission line can be produced.
  • a fourth aspect of the present invention is a method for controlling a dielectric constant of a liquid crystal component module including a liquid crystal dielectric layer, wherein a DC voltage is applied to the liquid crystal dielectric layer in a liquid phase state.
  • the dielectric constant can be stabilized by solidifying the liquid crystal dielectric layer after this change.
  • the invention's effect there is an effect that the dielectric constant of the liquid crystal dielectric layer can be stably maintained.
  • FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration example of a liquid crystal component module of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a control circuit of the liquid crystal component module shown in FIG.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a control procedure of dielectric constant.
  • FIG. 4 is a diagram showing a first configuration example of a microstrip line.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the microstrip line shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram showing a second configuration example of the microstrip line.
  • FIG. 7 is a diagram showing a relationship between voltages applied to a plurality of electrodes.
  • FIG. 8 is a diagram showing an equivalent circuit in a distributed constant line of a microstrip line.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example in which the entire surface of the liquid crystal component module is covered with a temperature control element.
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of a capacitor using a liquid crystal dielectric layer.
  • FIG. 11 is a phase state transition diagram depending on the relationship between the temperature and pressure of the liquid crystal.
  • FIG. 12 is a transition diagram of MBBA chemical formula and phase state.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a conventional microstrip line.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of a conventional dielectric antenna.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of a conventional microstrip line having a variable dielectric constant.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of the embodiment.
  • a microstrip line signal line for passing a high-frequency signal such as a microphone mouthband
  • the microstrip line shown in FIG. 1 includes a liquid crystal dielectric layer 7, a circuit pattern (first conductor layer) 1 formed on the liquid crystal dielectric layer 7, a rubbing surface 3 of the liquid crystal dielectric layer 7, and a liquid crystal dielectric. Applying a DC voltage to the ground plane (second conductor layer) 4 and the liquid crystal dielectric layer 7 disposed on the lower surface of the layer 7 deflects the liquid crystal molecules in the liquid crystal dielectric layer 7 to change the dielectric constant.
  • the temperature adjustment element 8 is a temperature adjustment element configured by, for example, a Peltier element, and performs temperature control of cooling or heating by a direct current (current value and polarity) to control the temperature of the liquid crystal dielectric layer 7. For raising or lowering.
  • the rubbing surfaces 3 arranged on both side surfaces of the liquid crystal dielectric layer 7 generate a voltage by friction, and a voltage for controlling the dielectric constant is applied to the liquid crystal molecules. It is intended to align in a certain direction.
  • the liquid crystal changes its state between a solid phase, a liquid phase, and a gas phase depending on the relationship between temperature and pressure.
  • the temperature of the liquid crystal dielectric layer 7 is changed by the temperature control element 8 while keeping the pressure constant (for example, atmospheric pressure).
  • the liquid crystal dielectric layer 7 is changed from the solid state to the liquid (liquid crystal) state, the dielectric constant of the liquid crystal dielectric layer 7 is controlled by the dielectric constant control voltage source 5, and then returned to the solid state. ing.
  • liquid crystal dielectric layer 7 for example, a substance called a liquid crystal polymer (LCP) can be used.
  • LCP liquid crystal polymer
  • This liquid crystal polymer is a kind of plastic which is solid at room temperature, but has a melting temperature of about SlOO ° C and a dielectric constant of about 2.5 to 4 in the microwave band.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a control circuit of the liquid crystal component module shown in FIG.
  • the temperature control element control current source 20 is a bipolar DC current source, and liquid is supplied by flowing a bipolar current (currents having different polarities for cooling and heating) through the temperature control element 8.
  • the crystal dielectric layer 7 is cooled and heated.
  • the temperature detection unit 22 detects the temperature of the temperature adjustment element 8 based on a signal input from the temperature sensor 21 attached to the temperature adjustment element 8. Based on the temperature detection signal from the temperature detection unit 22, the temperature control unit 23 controls the output current of the temperature adjustment element control current source 20 so that the temperature of the temperature adjustment element 8 becomes the set temperature.
  • the temperature sensor 21 and the temperature detection unit 22 may be omitted.
  • the storage unit 40 stores in advance the target temperature of the temperature control element 8 and the current value and polarity related information when the target temperature is set for the temperature control element control current source 20.
  • the output current of the temperature control element control current source 20 is controlled so as to achieve the target current value and polarity.
  • the dielectric constant measurement unit 25 applies a sense signal to the circuit pattern 1 and the ground plane 4 to measure the dielectric constant of the liquid crystal dielectric layer 7.
  • the dielectric constant control unit 24 adjusts the voltage of the dielectric constant control voltage source 5 so that the dielectric constant measured by the dielectric constant measurement unit 25 becomes a target dielectric constant.
  • the dielectric constant measurement unit 25 may be omitted if the precise setting of the dielectric constant is not required.
  • information that associates the target dielectric constant with the voltage value (target voltage value) of the dielectric constant control voltage source 5 that gives the target dielectric constant is stored in the storage unit 40 in advance.
  • the dielectric constant control voltage source 5 is controlled to achieve this target voltage value.
  • the dielectric constant slightly changes. If the dielectric constant is set, the dielectric constant can be set more accurately.
  • the control unit 30 controls the entire control circuit to control the liquid crystal dielectric layer 7 so as to have a set temperature (a set temperature for liquefaction and a set temperature for solidification). Control layer 7 to achieve the desired dielectric constant.
  • control information necessary for the control unit 30 to control the dielectric constant of the liquid crystal dielectric layer 7 is recorded as a dielectric constant control table 41.
  • the “target dielectric constant” information is information on the control target value of the dielectric constant of the liquid crystal dielectric layer 7. Note that when the liquid crystal dielectric layer 7 is cooled and solidified, the dielectric constant slightly changes. However, the target dielectric constant should be set accurately by taking this change into account. It may be.
  • the voltage value of the dielectric constant control voltage source 5 that gives the target dielectric constant to the liquid crystal dielectric layer 7 instead of this target dielectric constant ( The target voltage value information may be recorded.
  • the information of "solid temperature setting temperature” is setting information of the temperature necessary for bringing the liquid crystal dielectric layer 7 into a solid state
  • the information of "liquid temperature setting temperature” is the liquid crystal dielectric information. This is temperature setting information necessary for the body layer 7 to be in a liquid (liquid crystal) state. If the temperature sensor 21 and the temperature detection unit 22 are omitted, the information of “current polarity and current value at the time of solidification” is recorded instead of the information of “solidification set temperature”, and “liquefaction setting” is recorded. Instead of the “temperature” information, the “current polarity and current value during liquefaction” information is recorded.
  • liquid crystal dielectric layer 7 is of a type that becomes a solid state at room temperature (including the temperature inside the device, for example, 60 to 70 ° C or less), cooling by the temperature control element 8 There is a case where control is not performed, and in this case, information on “solidification set temperature” and information on “current polarity and current value in solid state” in the dielectric constant control table 41 are not necessary.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a procedure for controlling the dielectric constant in the liquid crystal component module.
  • the liquid crystal dielectric layer 7 is solidified by cooling the liquid crystal component module by the temperature control element 8, and the dielectric constant is fixed (step Sl).
  • the temperature adjusting element 8 brings the liquid crystal dielectric layer 7 to a temperature A (for example, 100 ° C.) at which the dielectric portion can maintain a liquid (liquid crystal) state (step S2).
  • the dielectric constant of the liquid crystal dielectric layer 7 is controlled to a desired dielectric constant by applying a voltage to the liquid crystal dielectric layer 7 from the dielectric constant control voltage source 5 and changing the polarity direction of the liquid crystal. (Step S3).
  • the temperature adjusting element 8 is used to set the liquid crystal dielectric layer 7 to a temperature B (for example, 10 ° C.) at which the liquid crystal is in a solid state, and the dielectric constant of the dielectric layer is fixed (step S4).
  • the device is used as a device in a stable state with a fixed dielectric constant (step S5). If it is necessary to change the frequency characteristics of the device, the process of setting the liquid crystal dielectric portion to the liquid crystal state (step S 2), returning to step S 2, the same process is performed again.
  • FIG. 4 is a diagram showing a first configuration of a microstrip line provided with a temperature control element, and is an example in which the liquid crystal component module of the present invention is applied to a microstrip line.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the microstrip line shown in FIG.
  • the microstrip line shown in FIG. 4 is configured by laminating a liquid crystal dielectric layer 7 having a circuit pattern 1, a rubbing surface 3, a ground surface 4, an electrode 13, a power line 12, and a temperature control element 8 in this order. Then, the dielectric constant of the liquid crystal dielectric layer 7 is controlled by attaching the electrode 13 to the same level as the ground plane 4. Note that the dielectric constant control procedure is the same as the procedure shown in Fig. 3.
  • the liquid crystal component module can be miniaturized and easily mounted on the circuit board.
  • the position of the rubbing surface 3 does not need to be inserted between the liquid crystal dielectric layer 7 and the ground surface 4. It may be arranged on both sides of the liquid crystal dielectric layer 7 as shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram showing a second configuration example of the microstrip line provided with the temperature control element.
  • the liquid crystal dielectric layer 7 is divided into a plurality of regions, and the dielectric constant is controlled for each region.
  • This is an example of a microstrip line provided with electrodes.
  • FIG. 7 shows the relationship between voltages applied to the plurality of electrodes of the microstrip line shown in FIG. 6, and
  • FIG. 8 shows an equivalent circuit diagram of the distributed constant line of the microstrip line.
  • the microstrip line shown in FIG. 6 has three sets of electrodes 13, and the dielectric constants ( ⁇ 1, ⁇ 2, and 2) of each region (region 1 to region 3) depend on the voltage applied to each electrode 13.
  • the dielectric constants ( ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3) can be set to different values for each of region 1, region 2, and region 3 determined by the position of electrode 13. is there.
  • the voltage VI is applied to the region 1 and the voltage V2 is applied to the region 2 by connecting the dielectric constant control voltage source 45 and the electrode 13 by the power line 12.
  • region 3 apply voltage V3.
  • VI, V2, and V3 are different voltage values.
  • a connected impedance matching circuit can be configured. As a result, impedance matching can be achieved between circuits of different impedances. In addition, the area is even larger A dielectric substrate can also be constructed, and this widens the adjustment range of impedance matching between elements on the dielectric substrate.
  • the example shown in FIG. 6 shows an example in which three regions are provided. However, the number of regions is not limited to this, and any number may be used! /.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of a liquid crystal component module in which the entire surface of the liquid crystal component module is covered with a temperature control element.
  • the example shown in FIG. 9 is a configuration example in which the liquid crystal dielectric layer 7 is surrounded by a liquid crystal sealing wall 9 and further covered with a temperature adjusting element 8, where 10 is a signal input line and 11 is a signal output line.
  • dielectric constant control lines 10a and l la for controlling the dielectric constant of the liquid crystal dielectric layer 7 and temperature control lines 10b and l ib for controlling the temperature of the temperature control element 8 are provided. Is provided.
  • the thermal efficiency when the liquid crystal dielectric layer 7 is heated / cooled by the temperature adjusting element 8 can be improved.
  • a capacitor having a variable capacity can be configured.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a capacitor using a liquid crystal dielectric layer, and the capacitor is configured with the metal plate 51 facing each other with the liquid crystal dielectric layer 7 interposed therebetween.
  • the liquid crystal dielectric layer 7 has a configuration in which the entire surface is covered with a temperature control element 8 as shown in FIG.
  • the liquid crystal dielectric layer 7 is configured to be wrapped with a coiled signal line.
  • the configuration is the same as that of a capacitor.
  • liquid crystals that can be used for microwave trip lines and dielectric antennas in the microwave band
  • liquid crystal polymers that can be used for microwave trip lines and dielectric antennas in the microwave band
  • LCP is a kind of plastic that is solid at room temperature, and has a melting temperature of about 100 ° C and a dielectric constant of about 2.5-4.
  • the relative dielectric constant can be basically controlled between about 1 and 6 to achieve a required resistance value. Note that the higher the relative dielectric constant, the higher the resistance value.
  • the same liquid crystal as the MBBA shown in Fig. 12 can be used as the liquid crystal.
  • electronic components liquid crystal component modules
  • reactance elements and resistors can be manufactured in a small size, so that electronic components can be easily mounted on a circuit board.
  • the dielectric constant is changed as necessary in a microstrip line, a dielectric antenna, an antenna matching circuit, and a circuit element that use liquid crystal as a dielectric material.
  • a liquid crystal component module electronic component
  • the frequency of the signal to be processed can be accurately switched by using a circuit board equipped with a liquid crystal component module whose electrical characteristics can be changed in the RF circuit portion of the communication module.
  • the present invention makes it possible to variably control the dielectric constant of the liquid crystal dielectric layer when the liquid crystal is used as a dielectric material (dielectric layer).
  • the effect is that the rate can be held stable. Therefore, the present invention is useful for a liquid crystal component module, a dielectric constant control method for the liquid crystal component module, and the like.

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Abstract

　液晶部品モジュールは、液晶誘電体層と、前記液晶誘電体層を挟んで対向配設された第１および第２の導体層と、前記液晶誘電体層に直流電圧を印加することにより該液晶誘電体層の誘電率を制御する電圧印加手段と、前記液晶誘電体層の温度を変化させる温度調節素子と、前記温度調節素子により、前記液晶誘電体層の温度を変化させて該液晶誘電体層を固相と液相との間で遷移させる温度制御手段とを備える。

Description

液晶部品モジュールおよび誘電率制御方法
技術分野
[0001] 本発明は、誘電体材料を用いて形成した液晶誘電体層の誘電率を制御する液晶 部品モジュールおよびこの誘電率制御方法に関する。
本願は、 2004年 12月 20日に出願された特願 2004— 367929号に対し優先権を 主張し、その内容をここに援用する。
背景技術
[0002] 移動体通信システムにおける携帯通信端末などの高!、周波数 (例えば、マイクロ波 周波数帯)を使用する電子機器には、誘電体を利用した電子部品が多く使用されて いる。
例えば、伝送路、共振回路、フィルタ回路等には、図 13に示すマイクロストリップ線 路が用いられており、このマイクロストリップ線路は、グランド面 (グランド線) 4と、導体 層 1 (回路パターン）と、これらの間に介在した誘電体層 2から構成されている。その特 性インピーダンスは導体層 1の幅 W、厚さ t、導体間の距離、誘電体層 2の厚さ dと比 誘電率 ε により決定される。また、図 14に示す誘電体アンテナは、アンテナパターン 14とグランド面 4との間に誘電体層 2を挟み、アンテナ給電点 6に高周波信号を印加 し電波を放射させるものである。
このように、誘電体を利用したマイクロストリップ線路や誘電体アンテナなどにぉ ヽ て、その誘電体部分の誘電率を変化させることによって、部品の電気的特性を変化さ せる方法が提案されている。例えば、図 13に示すマイクロストリップ線路を例にして説 明すると、この線路の特性インピーダンス Ζは数式で以下のように表すことができる。
0
[0003] [数 1] /d < 1. 0の時
Figure imgf000004_0001
ε r+ 1 , ε r-1
ε e=—— 7. 1-—— 7. ~ 1
V 1 + 12d/ ■ \ d
[数 2]
W/d > 1. 0の時 + 1. 444
Figure imgf000004_0002
ε r + 1 + ε r -1
V 1 +t2d/ _
[0004] したがって、マイクロストリップ線路の特性インピーダンス Zは、形状のパラメータで
0
ある d (厚さ）、 W (線路幅）、誘電体材料の誘電率 ε (または比誘電率 ε )の 3変数に よって決定される。そして、この中で誘電体の誘電率を変化させることによってマイク ロストリップ線路の電気的特性を制御することが行われている。
[0005] 従来の誘電率の制御方法として二つの方法が提案されている。一つは固体の誘電 体に電圧や温度の変化を加えることによって誘電率を変化させる方法であり、もう一 つは液晶に電圧をカ卩えることによって、誘電率を変化させる方法である。この二つの 方法のうち、誘電体材料として液晶を使用する例について説明する。
[0006] 図 15は、従来の誘電体の誘電率を変化させるマイクロストリップ線路の構成例を示 す図である。図 15において、電圧を印加しない状態では液晶誘電体層 7の極性の方 向は、ラビング面 3の方向（配向方向）によって決定される。そして、誘電率制御電圧 源 35により液晶誘電体層 7に対して電圧を印加すると、液晶誘電体層 7内の液晶分 子の向きが印加電圧による電界強度の影響で変化し誘電率が変化する。このように 、液晶誘電体層 7に電圧を加えることによって、誘電率を変化させ所望の特性になる ように制御する。
[0007] なお、従来技術として、アンテナ共振周波数を可変として広帯域ィ匕が図れるアンテ ナ装置を提供することを目的としたアンテナ装置が開示されている (例えば、特許文 献 1参照)。このアンテナ装置は、アンテナとこのアンテナに対して送受信信号のやり 取りを行う無線機器とを有するアンテナ装置において、アンテナに周波数制御電圧 E cにより比誘電率が変化する誘電体部を設け、この誘電体部に供給する周波数制御 電圧 Ecの値を制御するように構成されて！、る。
特許文献 1 :特開平 11— 154821号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] 図 15に示す従来技術のマイクロストリップ線路では、定電圧を液晶誘電体層 7に印 カロして、液晶誘電体層 7の誘電率を決定する。そのためにマイクロストリップ線路にカロ わる信号によっても液晶誘電体層 7の誘電率が変化してしまう。特に信号に直流成 分が含まれる場合、その影響はより大きくなるという問題があった。また、液晶誘電体 層 7を用 ヽた電気部品を物理的振動がある場所で用いる場合にも、液晶誘電体層 7 の誘電率が時間的に変動してしまうという特徴があり、誘電率を一定に保ちたい場合 には問題となっていた。また、特許文献 1で開示された従来技術の誘電体アンテナに おいても、安定に誘電率を制御することが困難であるという問題があった。
[0009] 本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、液晶誘電体層の誘電率を安定 して保持することができる液晶部品モジュールおよび液晶部品モジュールの誘電率 制御方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0010] 本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の第 1態様は、液 晶誘電体層と、前記液晶誘電体層を挟んで対向配設された第 1および第 2の導体層 と、前記液晶誘電体層に直流電圧を印加することにより該液晶誘電体層の誘電率を 制御する電圧印加手段と、前記液晶誘電体層の温度を変化させる温度調節素子と、 前記温度調節素子により、前記液晶誘電体層の温度を変化させて該液晶誘電体層 を固相と液相との間で遷移させる温度制御手段とを備えた液晶部品モジュールであ る。
これにより、誘電体材料として液晶を使用する液晶部品モジュールにお 、て必要に 応じて誘電率を変更可能とし、また、誘電率の変更後に液晶誘電体層を固体化して 、安定した誘電率を有する液晶部品モジュールを提供することができる。また、液晶 部品モジュールを小型化し、また回路基板上に搭載しやすくできる。
[0011] また、本発明の第 2態様においては、上記液晶部品モジュールにおいて、前記第 1 の導体層が回路パターンを有する回路層であり、前記第 2の導体層がグランド層であ つてもよい。
これにより、所望の誘電率を有するマイクロストリップ線路などの液晶部品モジユー ルを提供することができる。
[0012] また、本発明の第 2態様にぉ 、ては、上記液晶部品モジュールにお 、て、前記液 晶誘電体層は、複数の領域に区分されており、前記電圧印加手段は、前記液晶誘 電体層の領域毎に誘電率を制御するように構成されてもょ ヽ。
これにより、領域ごとに電気的特性を変えることができる誘電体基板等を製作するこ とが可能となる。例えば、誘電体部分が液晶より構成されたマイクロストリップ線路の 特性インピーダンスを領域ごとに変えることができ、伝送線路のインピーダンス整合 回路などを作製できる。
[0013] また、本発明の第 4態様は、液晶誘電体層を備えた液晶部品モジュールの誘電率 を制御する方法であって、前記液晶誘電体層に、液相の状態で直流電圧を印加す ることにより、該液晶誘電体層の誘電率を変化させる工程と、前記液晶誘電体層を液 相から固相に遷移させることにより、該液晶誘電体層の誘電率を固定する工程とを含 む。
これにより、誘電体材料として液晶を使用する液晶部品モジュール (例えば、マイク ロストリップ線路、誘電体アンテナ、アンテナ整合回路 ·回路素子等）において必要に 応じて誘電率を変更可能とし、また、誘電率の変更後に液晶誘電体層を固体化する ことにより誘電率を安定させることができる。
発明の効果 [0014] 本発明によれば、液晶誘電体層の誘電率を安定して保持することができるという効 果が得られる。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]本発明の液晶部品モジュールの基本構成例を示す図である。
[図 2]図 1に示す液晶部品モジュールの制御回路の構成例を示す図である。
[図 3]誘電率の制御手順を示すフローチャートである。
[図 4]マイクロストリップ線路の第 1の構成例を示す図である。
[図 5]図 4に示すマイクロストリップ線路の断面図である。
[図 6]マイクロストリップ線路の第 2の構成例を示す図である。
[図 7]複数の電極に印加する電圧の関係を示す図である。
[図 8]マイクロストリップ線路の分布定数線路での等価回路を示す図である。
[図 9]温度調節素子で液晶部品モジュールの全面を覆った例を示す図である。
[図 10]液晶誘電体層を使用したコンデンサの構成例を示す図である。
[図 11]液晶の温度と圧力の関係による相状態の遷移図である。
[図 12]MBBAの化学式と相状態の遷移図である。
[図 13]従来のマイクロストリップ線路の例を示す図である。
[図 14]従来の誘電体アンテナの例を示す図である。
[図 15]従来の誘電率が可変なマイクロストリップ線路の例を示す図である。
符号の説明
[0016] 1 回路パターン 2 誘電体層 3 ラビング面 4 グランド面 5 誘電率制御電圧 源 6 アンテナ給電点 7 液晶誘電体層 8 温度調節素子 9 液晶封入壁 12 電源線 13 電極 14 アンテナパターン 20 温度調節素子制御電流源 21 温度センサ 22 温度検出部 23 温度制御部 24 誘電率制御部 25 誘電率 計測部 30 制御部 40 記憶部 41 誘電率制御テーブル
発明を実施するための最良の形態
[0017] 以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について説明する。ただし、本 発明は以下の各実施例に限定されるものではなぐ例えばこれら実施例の構成要素 同士を適宜組み合わせてもよ 、。 以下、本発明の一実施形態による液晶部品モジュールを図面を参照して説明する
。図 1は同実施形態の構成を示す図である。ここでは、マイクロストリップ線路 (マイク 口波帯等の高周波数の信号を通す信号線)を例にして説明する。図 1に示すマイクロ ストリップ線路は、液晶誘電体層 7、液晶誘電体層 7の上に形成された回路パターン ( 第 1の導体層） 1、液晶誘電体層 7のラビング面 3、液晶誘電体層 7の下面に配置され たグランド面 (第 2の導体層） 4、液晶誘電体層 7に直流電圧を印加することにより液 晶誘電体層 7内の液晶分子を偏向させて誘電率を変化させる誘電率制御電圧源（ 電圧印加手段） 5、グランド面 4の下に配置され液晶誘電体層 7の温度を調節する温 度調節素子 8、および温度調節素子 8の冷却 ·加熱を行う温度調節素子制御電流源 (温度制御手段） 20から構成されて 、る。
[0018] 温度調節素子 8は、例えば、ペルチェ素子などで構成する温度調節素子であり、直 流電流 (電流値と極性）により冷却または加熱の温度制御を行い、液晶誘電体層 7の 温度を上昇または下降させるためのものである。また、液晶誘電体層 7の両側面に配 置されたラビング面 3は摩擦により電圧を発生させ、液晶分子を誘電率制御のための 電圧を印加して 、な 、状態で液晶分子の方向をある程度一定の方向に揃えるため のものである。
[0019] 液晶は、図 11に示すように、温度と圧力の関係により固相、液相、気相と状態が変 化する。図 1に示す液晶部品モジュールでは、液晶誘電体層 7が固体状態にある場 合、圧力を一定 (例えば、大気圧）にして温度調節素子 8により液晶誘電体層 7の温 度を変化させることにより、液晶誘電体層 7を固体状態から液体 (液晶）状態に変化さ せ、誘電率制御電圧源 5により液晶誘電体層 7の誘電率を制御した後に、固相の状 態に戻すようにしている。
[0020] この液晶誘電体層 7としては、例えば、液晶ポリマー (LCP)と呼ばれる物質を使用 できる。この液晶ポリマーは、常温で固体のプラスチックの一種であるが、融解温度 力 SlOO°C程度であり、また、マイクロ波帯で、比誘電率 2. 5〜4程度のものである。
[0021] 図 2は、図 1に示す液晶部品モジュールの制御回路の構成を示すブロック図である 。図 2において、温度調節素子制御電流源 20は両極性の直流電流源であり、温度 調節素子 8に両極性の電流 (冷却と加熱とで極性の異なる電流）を流すことにより液 晶誘電体層 7の冷却と加熱を行う。また、温度検出部 22は温度調節素子 8に付設さ れた温度センサ 21から入力された信号に基づいて温度調節素子 8の温度を検出す る。温度制御部 23は温度検出部 22からの温度検出信号を基に、温度調節素子 8の 温度が設定温度になるように温度調節素子制御電流源 20の出力電流を制御する。
[0022] なお、温度調節素子 8による温度設定に精密さが要求されない場合には、温度セ ンサ 21および温度検出部 22は省略してもよい。この場合は、温度調節素子 8の目標 温度と、温度調節素子制御電流源 20に対してこの目標温度を設定した場合の電流 値及び極性の関連情報とを記憶部 40に予め記憶させておき、この目標とする電流値 と極性になるように温度調節素子制御電流源 20の出力電流を制御する。
[0023] また、誘電率計測部 25は、回路パターン 1とグランド面 4にセンス信号を印加して液 晶誘電体層 7の誘電率を計測する。誘電率制御部 24は、誘電率計測部 25で計測さ れた誘電率が目標となる誘電率になるように、誘電率制御電圧源 5の電圧を調整す る。なお、誘電率の設定の精密さが要求されない場合は誘電率計測部 25を省略して もよい。この場合は、目標とする誘電率と、この目標とする誘電率を与える誘電率制 御電圧源 5の電圧値（目標電圧値)とを関連付けた情報を記憶部 40に予め記憶して おき、この目標電圧値になるように誘電率制御電圧源 5を制御する。厳密には、液晶 誘電体層 7を液体 (液晶）状に保持して誘電率を設定し、冷却して固体化した場合に は、誘電率がわずかに変化するが、この変化分も考慮して誘電率を設定するとより正 確に誘電率を設定することができる。
[0024] 制御部 30は制御回路全体を制御して、液晶誘電体層 7が設定温度 (液化用の設 定温度、固体化用の設定温度）になるように制御し、また、液晶誘電体層 7が目標と する誘電率になるように制御する。記憶部 40は、制御部 30が液晶誘電体層 7の誘電 率を制御するため必要な制御情報が誘電率制御テーブル 41として記録されている。 「目標誘電率」の情報は、液晶誘電体層 7の誘電率の制御目標値の情報である。な お、液晶誘電体層 7を冷却して固体化した場合には、誘電率がわずかに変化するが 、この変化分も考慮し目標誘電率を設定することにより正確に誘電率を設定するよう にしてもよい。また、誘電率計測部 25を省略する場合など、この目標誘電率に替変 えて、液晶誘電体層 7に目標とする誘電率を与える誘電率制御電圧源 5の電圧値（ 目標電圧値)の情報が記録されるようにしてもょ 、。
[0025] また、「固体ィ匕設定温度」の情報は、液晶誘電体層 7を固体状態とするために必要 な温度の設定情報であり、「液体ィヒ設定温度」の情報は、液晶誘電体層 7を液体 (液 晶）状態とするために必要な温度の設定情報である。なお、温度センサ 21および温 度検出部 22を省略する場合は、「固体化設定温度」の情報の替わりに、「固体化時 の電流極性、電流値」の情報が記録され、「液体化設定温度」の情報の替わりに、「 液体化時の電流極性、電流値」の情報が記録される。
[0026] なお、液晶誘電体層 7が常温 (機器内部での温度を含む、例えば、 60〜70°C以下 )で固体状態になる種類のものである場合には、温度調節素子 8による冷却制御を行 わない場合もあり、この場合には、誘電率制御テーブル 41中の「固体化設定温度」 の情報および「固体ィ匕時の電流極性、電流値」の情報は必要なくなる。
[0027] 次に、図 3を参照して、液晶部品モジュール (マイクロストリップ線路等）における誘 電率の制御手順を説明する。図 3は、液晶部品モジュールにおける誘電率の制御手 順を示すフローチャートである。
最初に、温度調節素子 8によって液晶部品モジュールを冷却することにより液晶誘 電体層 7が固体化されており、誘電率を固定している状態にあるものとする (ステップ Sl)。次に、温度調節素子 8により、液晶誘電体層 7を誘電体部分が液体 (液晶）状 態を保つことができる温度 A (例えば、 100°C)にする (ステップ S2)。この液晶状態で 液晶誘電体層 7の部分に誘電率制御電圧源 5により電圧を印加して、液晶の極性の 向きを変化させることによって液晶誘電体層 7の誘電率を所望の誘電率に制御する（ ステップ S3)。続いて、温度調節素子 8を用いて液晶誘電体層 7を液晶が固体状態 になる温度 B (例えば、 10°C)に設定し、誘電体層の誘電率を固定する (ステップ S4) 。誘電率の値が固定された安定状態において、デバイスとして使用する (ステップ S5 )。そして、デバイスの周波数特性を変更する必要が生じた場合には、液晶誘電体部 分を液晶状態にする処理工程 (ステップ S 2)、ステップ S 2へ戻り同様の処理を再度 実施する。
[0028] 図 4は、温度調節素子を備えたマイクロストリップ線路の第 1の構成を示す図であり 、本発明の液晶部品モジュールをマイクロストリップ線路に応用した例である。また、 図 5は図 4に示すマイクロストリップ線路の断面図である。図 4に示すマイクロストリップ 線路は、回路パターン 1を有する液晶誘電体層 7、ラビング面 3、グランド面 4、電極 1 3、電源線 12、温度調節素子 8の順に積層して構成されている。そして、グランド面 4 と同じ階層に電極 13を付けることによって、液晶誘電体層 7の誘電率を制御する。な お、誘電率の制御手順は、図 3に示す手順と同様の制御手順で行われる。このような 構成により、液晶部品モジュールを小型化し、また回路基板上に搭載しやすくできる なお、ラビング面 3の位置は、液晶誘電体層 7とグランド面 4の間に挿入する必要は なぐ図 1に示すように液晶誘電体層 7の両側面に配置してもよ 、。
[0029] 図 6は、温度調節素子を備えたマイクロストリップ線路の第 2の構成例を示す図であ り、液晶誘電体層 7を複数の領域に区分けし、領域ごとに誘電率を制御する電極を 設けたマイクロストリップ線路の例である。また、図 7は、図 6に示すマイクロストリップ 線路の複数の電極に印加する電圧の関係を示しており、図 8は、マイクロストリップ線 路の分布定数線路での等価回路図を示している。図 6に示すマイクロストリップ線路 は、 3組の電極 13を有しており、それぞれの電極 13に印加される電圧によって各領 域 (領域 1〜領域 3)の誘電率（ ε 1、 ε 2、 ε 3)が決定されるため、電極 13の位置に よって決定される領域 1、領域 2、領域 3ごとに誘電率（ ε 1、 ε 2、 ε 3)を異なる値に 設定することが可能である。例えば、図 7に示すように、誘電率制御電圧源 45と電極 13の間を電源線 12によって接続することにより、領域 1には電圧 VIを印加し、領域 2 には電圧 V2を印加し、領域 3には電圧 V3を印加する。なお、 VI、 V2、 V3は異なる 電圧値である。
[0030] このような構成により、図 6に示すマイクロストリップ線路において、領域ごとに電気 的特性を変えることができる誘電体基板等を製作することが可能となる。これにより、 誘電体部分が液晶より構成されたマイクロストリップ線路の特性インピーダンスを領域 ごとに変え、伝送線路のインピーダンス整合回路を構成できる。例えば、図 8に示す ように、マイクロ波回路において、特性インピーダンス Z、 Z、 Zを有する回路を直列
1 2 3
接続したインピーダンス整合回路を構成することができる。これにより、異なるインピー ダンスの回路間でインピーダンス整合をとることができる。また、面積のさらに大きな 誘電体基板を構成することもでき、このことにより誘電体基板上の素子間のインピー ダンス整合の調整範囲が広がる。なお、図 6に示した例では、 3つの領域を設けた例 を示して 、るが、これに限らず領域の数は 、くつであっても構わな!/、。
[0031] 図 9は、温度調節素子で液晶部品モジュールの全面を覆った液晶部品モジュール の構成例を示す図である。図 9に示す例は、液晶誘電体層 7を液晶封入壁 9で囲い、 さらに温度調節素子 8で覆った構成例であり、 10は信号入力線、 11は信号出力線を 示している。なお、信号線 10、 11の他に、液晶誘電体層 7の誘電率を制御する誘電 率制御線 10a、 l la、と、温度調節素子 8の温度を制御する温度制御線 10b、 l ibが 設けられている。このような構成により、温度調節素子 8により液晶誘電体層 7を加熱 •冷却する際の熱効率を向上させることができる。これにより、例えば、容量可変なコ ンデンサなどを構成することができる。
[0032] このように、本発明の液晶部品モジユーノレは、コンデンサ、リアクタンス素子、抵抗 器などとしても使用できる。図 10は、液晶誘電体層を使用したコンデンサの構成例を 示す図であり、液晶誘電体層 7を挟んで金属板 51を対向させてコンデンサを構成す る。なお、液晶誘電体層 7は図 9に示すように温度調節素子 8により全面は覆われた 構成となっている。また、リアクタンス素子の場合は、液晶誘電体層 7をコイル状の信 号線で包み込む形で構成する。また、抵抗器の場合は、コンデンサの場合と同様な 構成となる。
[0033] 次に、液晶誘電体層 7の比誘電率 ε の制御範囲について説明する。
マイクロストリップ線路や誘電体アンテナなどのマイクロ波帯では、比誘電率 ε 力 S3
. 0以下の範囲が誘電率の具体的な制御範囲となる。また、マイクロ波帯においてマ イクロストリップ線路や誘電体アンテナに使用可能な液晶の例として、液晶ポリマー（
LCP)と呼ばれる物質がある。この LCPは、常温で固体のプラスチックの一種であり、 融解温度が 100°C程度で、誘電率 2. 5〜4程度のものが市販されている。
[0034] コンデンサおよびリアクタンス素子の場合は、低周波帯においては、誘電損失を考 慮する必要性が少ないため、比誘電率を 1〜6程度の間で制御して、必要なコンデン サ容量、リアクタンスを実現することができる。また、マイクロ波帯では、比誘電率 ε が 3. 0以下の範囲が具体的な制御範囲となる。また、使用可能な液晶としては、メソ ゲン- N (4メトキシベンジリデン）ー4ーブチルァ-リン（略称 MBBA)などがある。図 1 2に MBBAの化学式と相状態の遷移図を示す。
[0035] 抵抗器の場合は、基本的に比誘電率は 1〜6程度の間で制御して、必要な抵抗値 を実現することができる。なお、比誘電率の値が高い程、抵抗値の高い抵抗器を実 現する性質がある。また、液晶としては、図 12に示した MBBAと同じものを使用する ことができる。そのほかにも温度特性と誘電率の条件に合う液晶を使用することが可 能であり、例えば、 MBBAと EBBAの混合物等を使用できる。
[0036] このように、用途に応じて液晶の種類を選択し、液晶誘電体層の誘電率を制御する ことにより所望の電気特性を示すマイクロストリップ線路、誘電体アンテナ、インピーダ ンス整合回路、コンデンサ、リアクタンス素子、抵抗器などの電子部品（液晶部品モジ ユール)を小型化して製作することができるため、電子部品の回路基板上への実装を 容易に行うことができる。
[0037] 以上説明したように、本発明にお ヽては、誘電体材料として液晶を使用するマイク ロストリップ線路、誘電体アンテナ、アンテナ整合回路 ·回路素子等において必要に 応じて誘電率を変更可能とし、また、誘電率の変更後に液晶誘電体層を固体化して 安定した誘電率を有する液晶部品モジュール (電子部品）を提供することができる。 また、電気的特性が変更可能な液晶部品モジュールを搭載した回路基板を通信モ ジュールの RF回路部分に使用することによって処理する信号の周波数の切り替えを 精度よく行うことが可能になる。
産業上の利用可能性
[0038] 本発明は、液晶を誘電体材料 (誘電体層）として使用する場合に、該液晶誘電体層 の誘電率を可変に制御することを可能にすると共に、該液晶誘電体層の誘電率を安 定して保持することができる効果を奏する。このため、本発明は液晶部品モジュール 、および液晶部品モジュールの誘電率制御方法等に有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 液晶誘電体層と、
前記液晶誘電体層を挟んで対向配設された第 1および第 2の導体層と、 前記液晶誘電体層に直流電圧を印加することにより該液晶誘電体層の誘電率を制 御する電圧印加手段と、
前記液晶誘電体層の温度を変化させる温度調節素子と、
前記温度調節素子により、前記液晶誘電体層の温度を変化させて該液晶誘電体 層を固相と液相との間で遷移させる温度制御手段と
を備えた液晶部品モジュール。
[2] 前記第 1の導体層が回路パターンを有する回路層であり、前記第 2の導体層がダラ ンド層である請求項 1に記載の液晶部品モジュール。
[3] 前記液晶誘電体層は、複数の領域に区分されており、
前記電圧印加手段は、前記液晶誘電体層の領域毎に誘電率を制御するように構 成された請求項 1に記載の液晶部品モジュール。
[4] 液晶誘電体層を備えた液晶部品モジュールの誘電率を制御する方法であって、 前記液晶誘電体層に、液相の状態で直流電圧を印加することにより、該液晶誘電 体層の誘電率を変化させる工程と、
前記液晶誘電体層を液相から固相に遷移させることにより、該液晶誘電体層の誘 電率を固定する工程と
を含む液晶部品モジュールの誘電率制御方法。
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