(57)【要約】【課題】導体の高周波信号伝達特性を評価するための装置を提供する。【解決手段】導体の高周波信号伝達特性測定用の円筒型空洞共振器であって、パイプ部と該パイプ部の両端に位置する二つの蓋部と少なくとも一つのループコイルとを備え、該パイプ部及び該蓋部によって該空洞共振器内に円筒形の閉鎖空間が形成され、該パイプ部、該蓋部及び該ループコイルは導体を材料としている空洞共振器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体の高周波信号伝達特性測定用の円筒型空洞共振器であって、パイプ部と該パイプ部の両端に位置する二つの蓋部と少なくとも一つのループコイルとを備え、該パイプ部及び該蓋部によって該空洞共振器内に円筒形の閉鎖空間が形成され、該パイプ部、該蓋部及び該ループコイルは導体を材料としている空洞共振器。
【請求項２】
前記二つの蓋部の少なくとも一方が着脱可能である請求項１に記載の空洞共振器。
【請求項３】
前記パイプ部は削り出し加工又は溶接によって形成されている請求項１又は２に記載の空洞共振器。
【請求項４】
前記二つの蓋部の一方又は両方の内側表面にループコイルが設けられている請求項１〜３の何れか一項に記載の空洞共振器。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の空洞共振器の少なくとも前記パイプ部及び前記二つの蓋部を高周波信号伝達特性の測定対象たる導体を材料として構成し、任意の共振モードで高周波信号の入力側の電力と出口側の電力を測定することを含む導体の高周波信号特性測定方法。
【請求項６】
パイプ状に加工した測定対象たる導体を請求項１〜４の何れかに記載の空洞共振器のパイプ部の内壁に内接するように同軸方向に挿入し、任意の共振モードで高周波信号の入力側の電力と出口側の電力を測定することを含む導体の高周波信号特性測定方法。
【請求項７】
前記共振モードがＴＥモードである請求項５又は６に記載の測定方法。
【請求項８】
前記共振モードがＴＥ011モードである請求項７に記載の測定方法。
【請求項９】
前記パイプ状に加工した測定対象たる導体のパイプの長さは請求項１〜４の何れか一項に記載の空洞共振器のパイプ部の長さと同一である請求項６〜８の何れか一項に記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料に代表される導体の高周波信号伝達特性を測定するために用いられる空洞共振器及びこれを用いた導体の高周波信号伝達特性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やパソコン等の電子機器においては、情報処理の高速化と共に、電気信号の高周波化が進んでいる。また、情報伝達の高速化、大容量化に伴い、より高周波の周波数帯の利用が進んでいる。このような背景により、電子機器間の接続部分に使用される金属製のコネクタにも高周波の電気信号が流れるようになってきている。
伝達信号の高周波化が進むと共に、例えば、回路構成部品では、基板となる樹脂等の材料と導体部分の両方に信号が流れ、数１００ＭＨｚから１ＧＨｚ以上の高周波では、周波数の増大と共に基板部分での信号の損失が占める割合が増大するため、これを最小限に抑えるために誘電正接や誘電率が低い材料の開発が進んでいる。一方、導体部分は、信号の高周波化と共に、導体表面への電流分布の集中が見られる「表皮効果」と呼ばれる現象が発現することで、信号伝達特性が劣化することが知られている。
【０００３】
上述の基板材料については、高周波対応材料として種々の材料が開発されており、また、その特性を評価する手段についても種々の方法が考案されている。例えば、特開２００２−２２８６００号公報では、高誘電体薄膜の比誘電率と誘電正接を測定することができる誘電定数測定法を提供することを目的として、二分割した空洞共振器の分割面で、測定試料である誘電体薄膜を形成した誘電体基板を狭持してなる共振器を構成し、該共振器のＴＥモード、とりわけＴＥ011モードの共振周波数と無負荷Ｑから、誘電体薄膜の比誘電率と誘電正接を求めている。
特開２００６−１０４９２号公報では、空洞共振器を用いて導体層と誘電体の界面の導電率を測定することを目的とした円筒導体の両端開口部を第１、第２遮蔽体により閉塞してなる円筒空洞共振器が開示されている。
また、特開２００５−３０８７１６号公報では、メタライズ同時焼成誘電体基板におけるメタライズと誘電体基板の電磁気的物性値を測定することを目的として、同じ厚さのセラミックス基板を使用した２種類のリング共振器を使用して、誘電正接、導電率等の電磁気的物性値を測定する方法が示されている。
【特許文献１】特開２００２−２２８６００号公報
【特許文献２】特開２００６−１０４９２号公報
【特許文献３】特開２００５−３０８７１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、導体（典型的には金属）自体の高周波信号伝達特性については、これを評価する汎用的手法は存在しておらず、評価手法の確立している回路基板を用いた場合には基板の特性を含有した特性値が得られるため、金属材料そのものの特性を抽出して評価することは困難である。さらに、測定対象となる材料がある程度の板厚をもつ板状である場合には、これを導電部とする回路の形成が困難であり、測定手法が存在しない。
従って、本発明の解決すべき課題の一つは、導体そのものの高周波信号伝達特性を評価するための装置を提供することであり、別の課題の一つはそのような装置を用いて導体の高周波信号伝達特性を測定する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、金属に代表される導体の高周波信号伝達特性の評価方法について種々検討した結果、該特性を評価しようとする材料自体で所定の空洞共振器を構成することにより、又は該特性を評価しようとする材料をパイプ状に加工してこれを所定の空洞共振器の内壁に該材料が内接するように同軸方向に挿入することで、導体そのものの高周波信号伝達特性が評価できることを見出した。
【０００６】
本発明に係る空洞共振器はパイプ部と該パイプ部の両端に位置する二つの蓋部とを備え、該パイプ部及び該蓋部によって該空洞共振器内部に円筒形の閉鎖空間が形成される。空洞共振器を構成するパイプ部及び蓋部のような構成部品は、削り出し加工やワイヤー放電加工などにより作製可能であり、また、板材を加工して空洞共振器に挿入するパイプは、接着加工である溶接加工などで作製することが可能である。
【０００７】
すなわち、本発明は：
（１）導体の高周波信号伝達特性測定用の円筒型空洞共振器であって、パイプ部と該パイプ部の両端に位置する二つの蓋部と少なくとも一つのループコイルとを備え、該パイプ部及び該蓋部によって該空洞共振器内に円筒形の閉鎖空間が形成され、該パイプ部、該蓋部及び該ループコイルは導体を材料としている空洞共振器；
（２）前記二つの蓋部の少なくとも一方が着脱可能である（１）に記載の空洞共振器；
（３）前記パイプ部は削り出し加工又は溶接によって形成されている（１）又は（２）の何れかに記載の空洞共振器；
（４）前記二つの蓋部の一方又は両方の内側表面にループコイルが設けられている（１）〜（３）の何れかに記載の空洞共振器；
（５）（１）〜（４）の何れかに記載の空洞共振器の少なくとも前記パイプ部及び前記二つの蓋部を高周波信号伝達特性の測定対象たる導体を材料として構成し、任意の共振モードで高周波信号の入力側の電力と出口側の電力を測定することを含む導体の高周波信号特性測定方法；
（６）パイプ状に加工した測定対象たる導体を（１）〜（４）の何れかに記載の空洞共振器のパイプ部の内壁に内接するように同軸方向に挿入し、任意の共振モードで高周波信号の入力側の電力と出口側の電力を測定することを含む導体の高周波信号特性測定方法；
（７）前記共振モードがＴＥモードである（５）又は（６）に記載の測定方法；
（８）前記共振モードがＴＥ011モードである（７）に記載の測定方法；
（９）前記パイプ状に加工した測定対象たる導体のパイプの長さは（１）〜（４）の何れかに記載の空洞共振器のパイプ部の長さと同一である（６）〜（８）の何れかに記載の測定方法；
である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、導体の高周波信号伝達特性が測定可能となる。従って、例えば、高周波回路用の導電性材料として使用される銅、銅合金、めっきなどの表面処理材料等の研究開発用のツールとして役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（１）円筒型空洞共振器
本発明に係る円筒型空洞共振器は、電磁波が外部に漏洩することによる影響を防止するため導体により閉じた空間を形成することが必要条件であるが、理論上はその形状に制限はなく、直方体などの多角形の形状でもよい。しかしながら、一般には方形型空洞共振器よりも円筒型空洞共振器の方がＱ値が高いこと、更には作製の容易さ、測定対象とするモードや周波数の分離、測定結果の解析を考慮して円筒型とした。また、パイプ部と二つの蓋部を構成部品とする円筒型とすることで、測定モードを適宜選択することにより、構成部品の溶接の影響や電気的接触部分の影響を回避可能である。
【００１０】
本発明に係る空洞共振器の加工は、空洞共振器として利用できるだけの寸法精度で加工できる何れの方法を用いても良いが、例えば削り出し加工や鋳造などにより作製可能である。加工精度を考慮すると削り出しによる加工が良い。空洞共振器の壁の厚さについても同様に空洞共振器として機能すれば特に制限はなく、部品ごとに同一でも異なっていても良いが、一例を挙げるとパイプ部で０．５〜１０ｍｍ、蓋部は閉じた空間を形成すればよい。ただし、板厚が０．１ｍｍ程度以下の薄板の場合には、パイプの形状が不安定となるために測定が困難である。
また、空洞共振器の内壁の表面に凹凸や段差等の歪みがあると信号ロスが生じて材料の特性を正確に測定できなくなる恐れがあるので、できるだけ滑らかであるのが好ましい。ただし、意図的に表面粗さなどの表面状態の影響を調べる場合はこの限りではない。内壁の平滑化は当業者に知られた任意の手段によって行うことができ、例えば機械研磨、化学研磨、電解研磨及び油性研磨等が挙げられる。
【００１１】
本発明に係る空洞共振器を構成するパイプ部、蓋部及びループコイル等の導体材料は、空洞共振器を形成するための加工性を有すると共に、通常の使用環境で所定形状を維持可能な機械的強度を有する導体であれば特に制限はなく、例えば銅、鉄、チタン及びこれらの各種合金のような金属、樹脂と金属などとの複合材料が挙げられる。空洞共振器を構成する導体材料は各部品ごとに同一でも異なっていても良い。 
【００１２】
当業者であれば、空洞共振器の寸法（例えばパイプ部と蓋部のサイズ）は測定対象とする共振モードと共振周波数に応じて決定することができ、特に制限はないが、一例を挙げると、パイプの長さが５０〜５００ｍｍ程度、内径が５０〜５００ｍｍ程度の円筒形の閉鎖（導波）空間を有する。
【００１３】
空洞共振器のパイプ部の両端に位置する二つの蓋部は溶接によりパイプ部と一体化してもよいが、少なくとも一方が着脱可能であると測定対象となるパイプ状導体を空洞共振器に挿入する際に便利である。着脱可能とするための手段としては特に制限はないが、例えば、スクリューキャップ、留め金、フランジなどが挙げられる。蓋部は、パイプ部との間に隙間を生じないように両端で固定されるような直径を有する、すなわち、蓋部の直径をパイプ部の内径と同等以上にする必要があり、パイプ部の外径と合わせるのが便宜である。蓋部とパイプ部の間に隙間があると、測定時に電磁界が共振器外部に漏洩してＱ値が低下するので好ましくない。
【００１４】
本発明に係る円筒型空洞共振器には、アンテナとして少なくとも一つのループコイルが設けられる。ループコイルは信号入力用と信号出力用の二種類が必要であるが、一つのループコイルだけで両方の役割を果たすこともできる。ループコイルは共振モードに応じて入出力信号を検出することのできる任意の箇所及び方向に設置することができ、例えば、二つの蓋部のそれぞれの内側表面にループコイルを設置すればよい。
【００１５】
ループコイルの大きさは測定感度に影響する。すなわち、大きくなると測定対象とは異なる共振モードの電磁界の影響を受けてＳＮ比が低下し、また、小さくなると測定対象とする共振モードの電磁界検出の感度が低下する。従って、適当な大きさとする必要がある。ループコイルを構成する材料は入出力信号を検出できる電気伝導度の高い導体であれば特に制限はなく、パイプ部や蓋部と同一の又は異なる材料としてよい。例えば、タフピッチ銅等が挙げられる。
【００１６】
図１は本発明に係る円筒型空洞共振器の基本構成部品の模式図であり、図２はこれらを組立てたときの模式図である。蓋部２、３と円筒型パイプ部１を固定することで、円筒型空洞共振器５が構成される。本実施形態ではスクリューキャップ４により二つの蓋部２、３と円筒型パイプ部を着脱可能に固定すると共に空洞共振器内に導体による円筒形の閉鎖空間を確保している。蓋部２と円筒型パイプ部１を溶接加工などによって接着加工し、蓋部３を着脱可能とすることも可能である。測定対象の周波数に対しては、円筒のサイズを適当に決めることで対応する。
【００１７】
（２）測定方法
以上のように構成された本発明に係る円筒型空洞共振器を高周波伝達特性の測定対象となる導体材料で少なくともパイプ部と蓋部を形成し、入出力信号を解析すれば、その導体材料の高周波信号伝達特性を測定することができる。ここで、本明細書にて高周波信号とは、限定的ではないが、例えば１００ＭＨｚ以上の電気信号、典型的には０．１〜１００ＧＨｚ程度の高周波のことをいう。また、高周波信号伝達特性とは、限定的ではないが、例えば信号伝達時の損失の程度のことをいう。
【００１８】
また、本発明者は、各種金属の高周波信号伝達特性の測定が容易にできる手法を鋭意検討した結果、該特性を評価しようとする導体材料のサンプルをパイプ状（開管状）に加工して、今まで説明してきた円筒型空洞共振器の内壁に該材料が内接するように同軸方向に挿入して入出力信号を解析すれば、円筒型空洞共振器自体の特性を測定する場合と全く同様に、挿入したサンプルの高周波信号伝達特性を測定可能であることを見出した。
【００１９】
円筒型空洞共振器の内壁と挿入したサンプルの外壁の密着度合いは、あまりに弱いと高周波信号の入力、検出位置が安定しないなどの理由により測定誤差が大きくなってしまうので、ある程度強い方がよいが、サンプルが挿入された円筒型空洞共振器を垂直に立てたときに挿入したサンプルが円筒型空洞共振器から重力によって落下しない程度であれば良い。空洞共振器の内壁と測定対象となるサンプルの外壁との間に誘電体があるとサンプルの電気伝導度や板厚によっては、サンプルの外壁と空洞共振器の内壁の間に電磁界が漏洩し、測定値に影響する可能性があるため、上記の形態を保つことが好ましい。
【００２０】
挿入するサンプルのパイプ長さと円筒型空洞共振器のパイプ部の長さとの関係は、理論上は特に制限はないが、解析が困難となるため、円筒型空洞共振器のパイプ部長さと一致させるのが便宜である。また、挿入するサンプルの厚みも特に制限はなく、あまり薄いと一定の形状を維持できなくなり測定が困難となるし、逆にあまり厚くすると板状サンプルの場合に円筒状に丸めるのが困難となるため、これらの事項を考慮して適宜調節すればよい。一例としては、０．１〜１．０ｍｍ程度の厚みである。サンプルのパイプ加工は、理想的には削り出し加工などによるシームレスパイプが良いが、接着加工である溶接加工によるパイプを使用した場合にも問題なく測定が可能である。従って、例えば板状サンプルを円筒状にするためには溶接加工により両端同士を接着すればよい。
【００２１】
挿入するサンプルの材料は導体であれば特に制限が無く、例えば銅やステンレス等の金属、導電性樹脂等が挙げられる。また、該サンプルは空洞共振器を構成するパイプ部や蓋部と同一材料であっても良いし、又は異なる材料であってもよい。
【００２２】
測定で使用する共振モードは、円筒型空洞共振器では、他のモードとの干渉が少ないことやＱ値が高くて信号を検出し易い信号強度であるなどの理由によりＴＥモード（例えばＴＥ012、ＴＥ211、ＴＥ011）が好ましく、ＴＥ011モードがより好ましい。
【００２３】
高周波信号伝達特性の測定のためには、通常の測定と同様に測定周波数範囲と測定周波数間隔を決めて測定機器の補正を実施した後に、本発明に係る円筒型空洞共振器又はサンプルを挿入した円筒型空洞共振器をループコイルを介してネットワークアナライザー等の測定機器に接続する。これによって反射や挿入成分などの信号強度と位相を測定することができ、測定結果を解析することで電力ロス、Ｑ値等を求めることができる。
【実施例】
【００２４】
以下に、本発明及びその利点をより良く理解するための実施例を記載するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
（１）実施例１
タフピッチ銅を用いてパイプ部及び円盤状の蓋部を削り出し加工により形成して円筒型空洞共振器を組立てた。それぞれの蓋には中心から半径の半分の位置にコネクタを取り付けた。パイプ部と蓋部の固定にはフランジ（材質：ステンレス）を用いた。さらに、コネクタの先端にはループコイル（材質：タフピッチ銅）を半田付けした。ループコイルの取り付け位置については図３に示す通りである。コネクタはネットワークアナライザー（Agilent Technologies社）に接続した。
【００２５】
測定に用いたパイプ部と円盤状の蓋部により形成される導波空間は、直径１００ｍｍ、高さ１００ｍｍの円柱状である。ループコイルが描く半円の直径は５ｍｍである。また、円筒型空洞共振器に挿入するサンプルとして、板厚０．１ｍｍのタフピッチ銅及びチタン銅を用いて外径１００ｍｍ、高さ１００ｍｍのパイプを溶接によりそれぞれ作製した。
【００２６】
タフピッチ銅製の蓋部とパイプ部を備えた上記円筒型空洞共振器を用いて、共振モードを円形ＴＥ011として、共振周波数における無負荷Ｑを求めた結果、及びこの円筒型空洞共振器に溶接加工した上記タフピッチ銅製のサンプルを挿入して同様に測定した結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
2007271453.tif 000003
【００２８】
表１に示す通り、溶接パイプ挿入前後で無負荷Ｑの値はほぼ同じであり、溶接による無負荷Ｑの低下が極めて小さい。また、溶接パイプを挿入することにより共振周波数が「８ＭＨｚ」大きくなっている。これは、板厚０．１ｍｍの溶接パイプを挿入したことで、円柱状導波空間の内径が０．２ｍｍ小さくなったためであり、理論計算による内径０．２ｍｍ減少時の共振周波数上昇値である「７ＭＨｚ」と良い一致を示している。
【００２９】
（２）実施例２
タフピッチ銅製の蓋部とパイプ部を備えた上記円筒型空洞共振器に溶接加工した上記タフピッチ銅製およびチタン銅製のサンプルをそれぞれ挿入し、共振モードは円形ＴＥ011として、共振周波数における電力ロスを求めた結果を表２に示す。
【００３０】
【表２】
2007271453.tif 000004
※タフピッチ銅を「１」とした場合の抵抗の比
【００３１】
表２に示すように、導電率の異なる板材を溶接によりパイプに加工し、円筒型空洞共振器内に挿入すると、導電率（あるいは電気抵抗）に応じた電力ロスが計測された。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る円筒型空洞共振器の基本構成部品の模式図である。
【図２】本発明に係る円筒型空洞共振器の模式図である。
【図３】実施例におけるループコイルの取り付け位置を示す図である（点線矢印は磁界とその方向を示す。）。
【符号の説明】
【００３３】
１        パイプ部
２、３    蓋部
４        スクリューキャップ
５        円筒型空洞共振器
６        ループコイル
【図１】
2007271453.tif 000005
【図２】
2007271453.tif 000006
【図３】
2007271453.tif 000007