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JP4394567B2 - 液晶部品モジュールおよび誘電率制御方法 - Google Patents
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JP4394567B2 - 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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Description

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ものである。
移動体通信システムにおける携帯通信端末などの高い周波数（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εｒ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おいて、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Ｚ０は数式で以下のように表すことができる。
Figure 0004394567
Figure 0004394567
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Ｚ０は、形状のパラメータであるｄ（厚さ）、Ｗ（線路幅）、誘電体材料の誘電率ε（または比誘電率εｒ）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。
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加えることによって、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。
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５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。
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化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Ｅｃ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いる。
特開平１１−１５４８２１号公報
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に印加して、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加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を用い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。
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。
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、請求項１に記載の発明は、電子部品に用いられる液晶誘電体層と、前記液晶誘電体層を挟んで対向配設された一対の導体層と、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ことを特徴とする。
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。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液晶部品モジュールにおいて、前記一対の導体層のうち、一方が回路パターンを有する回路層であり、他方がグランド層であることを特徴とする。
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ュールを提供することができる。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の液晶部品モジュールにおいて、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たことを特徴とする。
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成できる。
また、請求項４に記載の発明は、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、前記液晶誘電体層を、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させる工程とを含むことを特徴とする。
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（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。
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。
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（マイクロ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（一方の導体層）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（他方の導体層）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から構成されている。
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いない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。
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。
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、融解温度が１００℃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。
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。
なお、温度調節素子８により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に予め記憶しておき、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。
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は省略してもよい。この場合は、目標とする誘電率と、この目標とする比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ようにしてもよい。
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よと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には、この目標誘電率に変えて、液晶誘電体層７に目標とする比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よい。
また、「固体化設定温度」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、「液体化設定温度」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。
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℃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「固体化時の電流極性、電流値」の情報は必要なくなる。
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Ｓ１）。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℃）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℃）に設定し、誘電体層の誘電率を固定化する（ステップＳ４）。誘電率の値が固定化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Ｓ２）、ステップＳ２へ戻り同様の処理を再度実施する。
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１３、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く、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い。
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、各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（ε１、ε２、ε３）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（ε１、ε２、ε３）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５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Ｖ１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、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は異なる電圧値である。
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Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３を有する回路を直列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いるが、これに限らず領域の数はいくつであっても構わない。
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、１１a、と、温度調節素子８の温度を制御する温度制御線１０ｂ、１１ｂ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。
このように、本発明の液晶部品モジュールは、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。
次に、液晶誘電体層７の比誘電率εｒ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εｒが３．０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で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℃程度のものがあり、誘電率２．５〜４程度のものが市販されている。
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εｒ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）−４−ブチルアニリン（略称ＭＢＢＡ）などがある。図１２にＭＢＢＡの化学式と相状態の遷移図を示す。
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高い抵抗値の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が会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。
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（液晶部品モジュール）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。
以上説明したように、本発明においては、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。
本発明においては、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ので、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。
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。 誘電率の制御手順を示すフローチャートである。 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４に示すマイクロストリップ線路の断面図である。 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。 複数の電極に印加する電圧の関係を示す図である。 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。 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。 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。 液晶の温度と圧力の関係による相状態の遷移図である。 ＭＢＢＡの化学式と相状態の遷移図である。 従来のマイクロストリップ線路の例を示す図である。 従来の誘電体アンテナの例を示す図である。 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
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

Claims (4)

  1. 電子部品に用いられる液晶誘電体層と、
    前記液晶誘電体層を挟んで対向配設された一対の導体層と、
    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
    を備えたことを特徴とする液晶部品モジュール。
  2. 前記一対の導体層のうち、一方が回路パターンを有する回路層であり、他方がグランド層であることを特徴とする請求項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ことを特徴とする請求項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、
    前記液晶誘電体層を、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させる工程と
    を含むことを特徴とする液晶部品モジュールの誘電率制御方法。
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