(57)【要約】【課題】電流密度の集中を防止し、耐電力の向上した超伝導フィルタデバイスを提供する。【解決手段】超伝導フィルタデバイス（１０）は、第１の誘電体基板（１１）と、前記第１の誘電体基板（１１）に埋め込まれた超伝導バルク体で構成される超伝導バルク共振器（１２）とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板に埋め込まれた超伝導バルク体で構成される超伝導バルク共振器と、
を有することを特徴とする超伝導フィルタデバイス。
【請求項２】
前記超伝導バルク共振器は、エッジ部にテーパを有することを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタデバイス。
【請求項３】
前記超伝導バルク共振器の近傍に延びる信号入出力用のフィーダ
をさらに有し、
前記フィーダは、超伝導バルク体で構成され、前記第１の誘電体基板に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導ファイルタデバイス。
【請求項４】
前記超伝導バルク体で構成され、第１の誘電体基板に埋め込まれた複数の超伝導バルク共振器と、
隣接する前記複数の超伝導共振器を結合させるカップリングラインと
をさらに有し、前記カップリングラインは、超伝導バルク体で構成されて前記第１の誘電体基板に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタデバイス。
【請求項５】
前記第１の誘電体基板に埋め込まれた超伝導バルク共振器上に搭載される第２の誘電体基板
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタデバイス。
【請求項６】
円筒状の超伝導バルク材料を、所定の厚さを有する超伝導ディスクに加工する工程と、
第１の誘電体基板に、前記超伝導ディスクに対応するサイズの凹部を形成する工程と、
前記超伝導ディスクを前記凹部に嵌め込んで埋込型の超伝導バルク共振器とする工程と
を含むことを特徴とする超伝導フィルタデバイスの作製方法。
【請求項７】
前記超伝導ディスクを加工する工程は、前記ディスクのエッジにテーパ加工する工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の超伝導フィルタデバイスの作製方法。
【請求項８】
前記超伝導バルク材料から、信号入出力用のバルクフィーダを切り出す加工と、
前記第１の誘電体基板に、前記バルクフィーダの形状に対応し、前記ディスク用の凹部の近傍に延びる溝を形成する工程と、
前記バルクフィーダを前記溝に嵌め込む工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の超伝導フィルタデバイスの作製方法。
【請求項９】
前記第１の誘電体基板に埋め込まれた超伝導バルク共振器の上に、第２の誘電体基板を搭載する工程
をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の超伝導フィルタデバイスの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導フィルタデバイスに関し、特に埋込型バルク共振器を有する超伝導フィルタデバイスと、その作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代移動通信システムや広帯域無線アクセスなど、高速・大容量のデータ通信への移行にともない、周波数の有効利用が必要不可欠となっている。したがって、低損失で高周波数遮断特性が得られる高Ｑ超伝導フィルタに関して受信用ばかりでなく送信用でも使うことができれば、周波数干渉を解決する技術として有力な候補となる。
【０００３】
しかし、超伝導受信フィルタでよく用いられるマイクロストリップ線路構造の場合、高いＲＦパワーが入力されると、損失が増大してしまうという問題がある。これは、マイクロ波などの高周波は導体のエッジ部分に集中しやすく、マイクロストリップラインのエッジまたはコーナー部分に電流が集中して、その電流密度が超伝導体の臨界電流密度を超えてしまうからだといわれている。
【０００４】
超伝導送信フィルタとしては、電流集中を緩和しきわめて均一な電流密度分布を有するディスク型共振器パターンが開発されている（たとえば、特許文献１参照）。さらに、電流密度分布の分散を図る方法として、超伝導膜の膜厚を厚くする方法が考えられる。
【０００５】
しかし、超伝導膜の膜厚を厚くすると、結晶性が悪くなり、耐電力が期待どおり向上しないという問題がある。ＹＢＣＯなどの高温酸化物超伝導体薄膜は、通常はＭＯＣＶＤなどの気相成長法で形成され、成長につれて結晶性が劣化するからである。
【０００６】
一方、単結晶に近いバルクの超伝導体材料が作製できるようになり、磁場発生源としてのバルクマグネットへの応用が報告されている（たとえば、非特許文献１参照）。 
【特許文献１】特開２００６−１０１１８７号公報
【非特許文献１】森田充、手嶋英一、平野芳生、「酸化物超電導材料の進展―超電導バルク材料（ＱＭＧ）とそのマグネット応用―」、新日鉄技報第３８３号（２００５）、ｐｐ１６〜２０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
単結晶に近い良好な結晶性を有する超伝導バルク材料は、マグネット以外にも、種々のデバイスに適用される可能性があり、超伝導バルク体をいかに実際のデバイスに適用できるかが当面の課題となっている。
【０００８】
そこで、本発明は、超伝導バルク材料を送信用の高周波フィルタに適用することによって、電流集中に起因する損失を緩和し、耐電力を向上することのできる良好なフィルタ構成を提供することを課題とする。
【０００９】
また、そのような構成を有する超伝導フィルタデバイスの作製方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
バルク状の超伝導体材料は、溶融法により種々の直径で作製することができる。また、そのようなバルク状の超伝導材料は、所望の厚さにスライス加工できる。このことから、超伝導バルク体を高周波用の送信フィルタの共振器に適用することによって、共振器上での電流集中を緩和できるのではないかという発想に至る。
【００１１】
特に、本件出願の発明者等は、超伝導バルク体を誘電体基板に埋め込んだ場合、単に誘電体基板上に超伝導バルク体を搭載する場合と比較して、よりいっそうの電流集中防止効果が得られることを見出した。そこで、超伝導バルク共振器を埋め込み型とする構成を採用する。
【００１２】
より具体的には、本発明の第１の側面では、超伝導フィルタデバイスは、第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板に埋め込まれた超伝導バルク体で構成される超伝導バルク共振器と、を有する。
【００１３】
超伝導共振器をバルクで構成することによって、電流を分散させ、耐電力性の向上を実現することができる。
【００１４】
好ましい構成例では、前記超伝導バルク共振器は、エッジ部にテーパを有する。エッジ部分をテーパ状にすることによって、エッジへの電流の集中をさらに低減することができる。
【００１５】
別の構成例では、超伝導フィルタデバイスは、超伝導バルク共振器の近傍に延びる信号入出力用のフィーダをさらに有し、前記フィーダは、超伝導バルク体で構成されて、前記第１の誘電体基板に埋め込まれている。信号入出力用のフィーダをバルクで構成することによって、共振器とフィーダラインとの結合を強めるとともに、フィーダ部分での電流集中も低減することができる。
【００１６】
さらに別の構成例では、前記第１の誘電体基板に埋め込まれた超伝導バルク共振器上に搭載される第２の誘電体基板を有する。第２の誘電体基板を重ねることによって、超伝導バルク共振器を固定できるとともに、超伝導バルク共振器表面での電流集中をさらに緩和することができる。
【００１７】
第２の側面では、超伝導フィルタデバイスの作製方法を提供する。この作製方法は、
（ａ）円筒状の超伝導バルク材料を、所定の厚さを有する超伝導ディスクに加工する工程と、
（ｂ）第１の誘電体基板に、前記超伝導ディスクに対応するサイズの凹部を形成する工程と、
（ｃ）前記超伝導ディスクを前記凹部に嵌め込んで埋込型の超伝導バルク共振器とする工程と、を含む。
【発明の効果】
【００１８】
最大電流密度を下げることができ、耐電力を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の良好な実施形態を説明する。
【００２０】
図１は、一実施形態に係る超伝導フィルタデバイス１０の構成例であり、図１（ａ）は概略断面図、図１（ｂ）は概略斜視図である。超伝導フィルタデバイス１０は、たとえば移動通信システムの基地局の高周波送信フィルタに用いるために、金属パッケージ２０に実装されている。
【００２１】
超伝導デバイス１０は、たとえばサファイア単結晶の誘電体基板１１と、誘電体基板１１に埋め込まれた超伝導バルク体で形成された超伝導バルク共振器１２と、超伝導共振器１２の近傍に延びる信号入出力線（フィーダ）１３と、誘電体基板１１の裏面に形成されたグランド用電極（グランド板）１４と、を備える。図１の例では、超伝導バルク共振器１２は、ＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）などの高温超伝導（ＨＴＳ：High-Temperature Superconductor）バルク体を用いている。バルク体は、直径は１０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのディスクであり、誘電体基板１１の凹部１６に埋め込まれている。この意味で、超伝導共振器１２を「埋込型ＨＴＳバルク共振器」１２と称することとする。
【００２２】
埋込型ＨＴＳバルク共振器１２の上面形状は、送信用として有望な２次元回路パターン（たとえばディスクパターン）である。なお、本明細書および特許請求の範囲において「２次元回路パターン」あるいは「２次元回路型のパターン」という場合は、ストリップ状あるいはライン状（１次元）のパターンとは区別され、円形、楕円形、多角形などの平面的な広がりを有する図形の形状を意味するものとする。
【００２３】
埋込型ＴＨＳバルク共振器１２の底部は、面取りされたテーパ１２Ｒを有する。埋め込み型にするだけでも十分な電流密度低減効果があるが、後述するように、ディスクのエッジにテーパをつけることで、さらに電流密度低減効果を引き出すことができる。
【００２４】
入出力用のフィーダ１３の一方は、信号入力として用いられ、他方は信号出力として用いられる。図１の例では、フィーダ１３も超伝導バルク体で形成され、誘電体基板１１に形成された溝１７に埋め込まれている。フィーダ１３は薄膜で形成してもよいが、埋め込み型にすることで、フィーダ部分の電流密度の集中も緩和するとともに、フィーダラインと共振器との結合を強くすることができる。フィーダ１３は、金属パッケージ２０に設けられた入出力コネクタ２２にそれぞれ接続されている。
【００２５】
図１（ｂ）に示すように、ディスク形状の埋込型ＨＴＳバルク共振器１２を、誘電体基板１１に複数配置し、隣接する共振器グループをカップリングライン１５で結合させてもよい。好ましくは、カップリングライン１５も、バルク体で構成され、誘電体基板１１に埋め込まれている。
【００２６】
このような超伝導フィルタデバイスの作製方法としては、円筒状のバルク超伝導材料を所望の厚さにスライス加工して、ディスク状のＨＴＳバルク共振器を切り出す。バルク超伝導材料は、たとえば新日鉄のＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ7-δ（ＲＥ：Ｙ，Ｄｙ，Ｇｄなどの希土類元素）バルク材料を用いる。超伝導バルクは、直径８５ｍｍのものまで入手可能であり、厚さも２０ｍｍ程度まで可能である。実施例では、直径１０ｍｍのバルク材料を、厚さ０．３ｍｍのディスクになるようにスライスする。
【００２７】
スライス加工したディスクの上面または下面の円周（エッジ）に沿って、所定のテーパ角（たとえばＲ０．２）でテーパ処理をする。
【００２８】
一方、誘電体基板１１に、ＨＴＳバルク共振器の直径および厚さに対応する形状の凹部１６を形成し、形成した凹部１６に、ＨＴＳバルク共振器をはめ込む。凹部１６は、超音波加工、レーザ加工などで形成することができる。
【００２９】
なお、フィーダ１３も埋め込み型とする場合は、誘電体基板１１に、ＨＴＳディスク共振器のための凹部１６とともに、フィーダ用の溝部１７も形成する。フィーダ１３は、所望の厚さにスライス加工したＨＴＳバルクウェーハをダイシングして、形成することができる。
【００３０】
誘電体基板１１にＨＴＳバルク共振器１２とフィーダ１３をはめ込んだあと、誘電体基板１１の上部に第２の誘電体プレート（不図示）を積層して、埋込型ＨＴＳバルク共振器１２とフィーダ１３を固定する構成としてもよい。この場合、積層される第２の誘電体プレートは、埋め込まれたＨＴＳバルク共振器を固定するとともに、電流集中の緩和に寄与する機能も果たす。
【００３１】
厚みのある超伝導バルク体を用いることで、共振器上で電流を分散させる効果があり、耐電力性の向上に寄与する。
【００３２】
次に、ディスク形状の埋込型ＨＴＳバルク共振器１０の電流密度低減効果を、薄膜ディスク共振器および誘電体基板上にバルク共振器を置いた搭載型ＨＴＳバルク共振器と比較して、説明する。
【００３３】
図２は、電流密度（磁界）分布の測定に用いる４種類のサンプルを示す。これら４種類のサンプルを用いて磁界の分布を測定することによって、表面電流密度の分布状態を観察、比較する。各サンプルで、磁界の方向が放射状に延びるＴＭ０１モードと、ディスクの周囲に電流密度が集中しやすいＴＭ２１モードで測定する。
【００３４】
図２（ａ）のサンプルは、サファイアプレート３１上に、スパッタリング、ＣＶＤ法などにより全面に膜厚が１μｍの超伝導薄膜を形成したあと、円形の共振器パターン３２とフィーダパターン３３をリソグラフィ法によって形成したものである。
【００３５】
図２（ｂ）のサンプルは、超伝導バルク体を所定の厚さにスライス加工してＨＴＳバルク共振器４２と、バルクフィーダ４３を作製し、サファイアプレート３１に搭載したものである。
【００３６】
図２（ｃ）のサンプルは、超伝導バルク体を所定の厚さにスライス加工してサファイアプレート３１に埋め込んだ埋込型ＨＴＳバルク円形共振器１２と、埋込型のフィーダ１３を有するサンプルである。
【００３７】
図２（ｄ）のサンプルは、超伝導バルク体を所定の厚さにスライス加工し、ディスクのエッジにＲ＝０．２ｍｍのテーパ１２Ｒを施した埋込型ＨＴＳバルク円形共振器１２と、埋込型のフィーダ１３を有するサンプルである。
【００３８】
図３は、図２に示す４種類のサンプルの、最大電流密度の測定結果を示す表である。各サンプルでモードごとの直径が異なるのは、各サンプルにおいて、ＴＭ２１モードとＴＭ０１モードのそれぞれで、中心周波数５ＧＨｚで共振モードが立つように設定してあるからである。
【００３９】
表から、埋込型のバルク共振器とすることで、最大磁界（電流密度）が効果的に低減されていることがわかる。特に、埋込型ＨＴＳバルク円形共振器１２の底部エッジにテーパ１２Ｒを施したサンプルでは、エッジに電流が集中しやすいＴＭ２１モードで、高い電流密度低減効果を発揮する。
【００４０】
また、同じ中心周波数で共振モードを発生させるために、薄膜共振器と比較して、バルク共振器のほうが直径を小さくできる。超伝導バルク共振器を埋め込み型とした場合は、直径をさらに小さくできる。つまり、埋込型の超伝導バルク共振器とすることで、デバイスの小型化にも寄与することができる。  
図４は、図２（ａ）のサンプルのＴＭ２１モードとＴＭ０１モードでの電流密度分布を示す図である。ＴＭ２１モードで、円形薄膜の円周に沿って電流の集中がみられる。
【００４１】
図５は、図２（ｂ）のサンプルのＴＭ２１モードとＴＭ０１モードでの電流密度分布を示す。バルク共振器としたことで、図４に比べて、バルク表面での電流密度の分布が比較的均一になっている。
【００４２】
図６は、図２（ｃ）のサンプルのＴＭ２１モードとＴＭ０１モードでの電流密度分布を示す。バルク共振器を埋め込み型としたことで、電流密度の分布が均一になるとともに、最大電流密度も大幅に低減している。
【００４３】
図７は、図２（ｄ）のサンプルのＴＭ２１モードとＴＭ０１モードでの電流密度分布を示す。埋込型バルク共振器のエッジをテーパ状にしたことで、特にＴＭ２１モードで効果的に電流密度を低減することができる。
【００４４】
図８は、図２（ｄ）のテーパ付き埋込型ＨＴＳバルク円形共振器１２のフィルタ特性を示すグラフである。図８（ａ）はＴＭ２１モードでの反射特性（Ｓ１１）と透過特性（Ｓ１２）、図８（ｂ）は、ＴＭ０１モードでの反射特性（Ｓ１１）と透過特性（Ｓ１２）である。いずれのモードでも、良好なフィルタ特性を示している。
【００４５】
以上説明したように、埋込型の超伝導バルク共振器とすることで、電流密度の低減、耐電力の向上、デバイスの小型化、フィーダラインとの強結合などの効果を得ることができる。
【００４６】
なお、特定の実施形態に基づいて本発明を説明してきたが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
【００４７】
超伝導バルク共振器の上面形状は、円形に限定されず、楕円形、多角形などの２次元回路型の形状をとることができる。
【００４８】
超伝導材料は、ＹＢＣＯバルク体の他にも、任意の酸化物超伝導材料を用いることができる。たとえば、ＲＢＣＯ（Ｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系バルク体、すなわち、Ｒ元素としてＹ（イットリウム）に代えて、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏを用いた超伝導材料を用いてもよい。また、ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＰＢＳＣＣＯ（Ｐｂ−Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＣＢＣＣＯ（Ｃｕ−Ｂａp−Ｃａq−Ｃｕr−Ｏx、1.5<ｐ<2.5、2.5<ｑ<3.5、3.5<ｒ<4.5）などのバルク体を用いてもよい。
【００４９】
誘電体基板は、サファイア基板に限定されず、たとえば、ＭｇＯ基板、ＬａＡｌＯ３基板などを用いてもよい。
【００５０】
また、埋込型ＨＴＳバルク共振器（および埋込型バルクフィーダ）上に、第２の誘電体基板を重ねてもよい。
【００５１】
最後に以上の説明に対して、以下の付記を記載する。
（付記１）第１の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板に埋め込まれた超伝導バルク体で構成される超伝導バルク共振器と、
を有することを特徴とする超伝導フィルタデバイス。
（付記２）前記超伝導バルク共振器は、エッジ部にテーパを有することを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記３）前記超伝導バルク共振器の近傍に延びる信号入出力用のフィーダ
をさらに有し、
前記フィーダは、超伝導バルク体で構成され、前記第１の誘電体基板に埋め込まれていることを特徴とする付記１に記載の超伝導ファイルタデバイス。
【００５２】
（付記４）前記超伝導バルク体で構成され、第１の誘電体基板に埋め込まれた複数の超伝導バルク共振器と、
隣接する前記複数の超伝導共振器を結合させるカップリングラインと
をさらに有し、前記カップリングラインは、超伝導バルク体で構成されて前記第１の誘電体基板に埋め込まれていることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記５）前記第１の誘電体基板に埋め込まれた超伝導バルク共振器上に搭載される第２の誘電体基板
をさらに有することを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記６）円筒状の超伝導バルク材料を、所定の厚さを有する超伝導ディスクに加工する工程と、
第１の誘電体基板に、前記超伝導ディスクに対応するサイズの凹部を形成する工程と、
前記超伝導ディスクを前記凹部に嵌め込んで埋込型の超伝導バルク共振器とする工程と
を含むことを特徴とする超伝導フィルタデバイスの作製方法。
（付記７）前記超伝導ディスクを加工する工程は、前記ディスクのエッジにテーパ加工する工程を含むことを特徴とする付記６に記載の超伝導フィルタデバイスの作製方法。
（付記８）前記超伝導バルク材料から信号入出力用のバルクフィーダを切り出す加工と、
前記第１の誘電体基板に、前記バルクフィーダの形状に対応し、前記ディスク用の凹部の近傍に延びる溝を形成する工程と、
前記バルクフィーダを前記溝に嵌め込む工程と
をさらに含むことを特徴とする付記６に記載の超伝導フィルタデバイスの作製方法。
（付記９）前記第１の誘電体基板に埋め込まれた超伝導バルク共振器の上に、第２の誘電体基板を搭載する工程
をさらに含むことを特徴とする付記６に記載の超伝導フィルタデバイスの作製方法。
（付記１０）前記凹部は、レーザ加工または超音波加工で形成されることを特徴とする付記６に記載の超伝導フィルタデバイスの作製方法。
（付記１１）前記溝は、レーザ加工または超音波加工で形成されることを特徴とする付記８に記載の超伝導フィルタデバイスの作製方法。
（付記１２）前記テーパは、曲率半径Ｒ＝０．２ｍｍであることを特徴とする付記７に記載の超伝導フィルタデバイスの作製方法。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態に係る超伝導フィルタデバイスの概略構成図である。
【図２】電流密度分布および最大磁界を測定するための種々のサンプルを示す図である。
【図３】図２の各サンプルの測定結果を示す表である。
【図４】図２（ａ）のＨＴＳ薄膜共振器の電流密度分布を示す図である。
【図５】図２（ｂ）の搭載型のＨＴＳバルク共振器の電流密度分布を示す図である。
【図６】図２（ｃ）の埋込型のＨＴＳバルク共振器（テーパなし）の電流密度分布を示す図である。
【図７】図２（ｄ）の埋込型のＨＴＳバルク共振器（テーパ付き）の電流密度分布を示す図である。
【図８】図２（ｄ）の埋込型のＨＴＳバルク共振器（テーパ付き）のフィルタ特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
１０  超伝導フィルタデバイス
１１、３１  誘電体基板（サファイアプレート）
１２  埋込型ＨＴＳバルク共振器
１２Ｒ  テーパ
１３  フィーダ（信号入出力線）
１４  グランド電極（超伝導グランド板）
１５  カップリングライン
１６  凹部
１７  溝
２０  パッケージ
３２  ＨＴＳ薄膜共振器パターン
４２  搭載型ＨＴＳバルク共振器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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