JP2005130022A

JP2005130022A - 非可逆回路素子

Info

Publication number: JP2005130022A
Application number: JP2003360786A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Someya; 大輔染谷
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2023-10-21
Also published as: JP4151009B2

Abstract

【課題】
本発明が解決しようとする問題点は、コストが高い誘電体リングを無くすことにより、大幅にコストダウンできる非可逆回路素子を提供することである。
【解決手段】
本発明は、少なくともガーネット板５０ａ、５０ｂと、ガーネット板５０ａ、５０ｂに高周波磁界を印加する中心導体４０と、ガーネット板５０ａ、５０ｂに直流磁界を印加する永久磁石３０とを備えた非可逆回路素子８０であって、
少なくとも３個の突起６１ａ〜６１ｃを有する金属板６０で前記ガーネット板ガーネット板５０ａ、５０ｂの外周を係止する非可逆回路素子８０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車電話、携帯電話等のマイクロ波帯の高周波部品として用いられる非可逆回路素子（例えばアイソレータ、サーキュレータ）に関する。

非可逆回路素子は、図８に示すように、少なくとも、フェリ磁性のガーネット板９５ａ，９５ｂと、ガーネット板９５ａ，９５ｂに高周波磁界を印加する中心導体９６と、中心導体９６に直流磁界を印加する永久磁石９３とを備える（特許文献１参照）。

更に、永久磁石９３の磁束密度分布を均一化する為に、永久磁石９３の上下には上鉄板９２ａ、下鉄板９２ｂが配置され、上ガーネット板９５ａとの間にトリプレート構造を構成させる為に、アース板９４が配置される。
また、アース板９８は、下ガーネット板９５ｂと下ケース９１ｂとの間にギャップを生じないように磁気ヨークとして挿入される。
以上の部品を、上ケース９１ａと下ケース９１ｂとで形成される空洞部に配設して非可逆回路素子９０が構成される。

ガーネット板９５ａ，９５ｂが永久磁石９３による直流磁界によって磁化されると、ガーネット板９５ａ，９５ｂのテンソル透磁率により、サーキュレータに非可逆な伝送特性が生じる。これは、ガーネット板９５ａ，９５ｂの高周波磁界の右回りの円偏波透磁率と、左回りの円偏波透磁率とが異なった値を示すようになること（磁気回転効果）に起因している。
電波を中心導体９６のポート部９６ａから入力すると、２つの円偏波透磁率の差により、合成された偏波面が回転し、電波は循環して次のポート部９６ｂに伝搬されて、サーキュレータとして動作する。
サーキュレータのポート部９６ｃを、ダミー抵抗（図示せず）を介して接地すると、ポート部９６ａからの順方向の高周波信号はポート部９６ｂに通過するが、反射などによるポート部９６ｂからの逆方向の高周波信号はポート部９６ａに戻らず、ダミー抵抗において熱として散逸されて無害化される。

非可逆回路素子９０は、右回りの円偏波透磁率と、左回りの円偏波透磁率との相違による磁気回転効果を利用しているから、ガーネット板９５ａ，９５ｂと、そられに高周波磁界を印加する中心導体９６との位置合わせが重要である。両者に位置ずれがあると、磁気回転効果に非対称性を生じ、サーキュレータ、アイソレータ特性が低下する。即ち、ガーネット板９５ａ，９５ｂと中心導体９６との位置合わせがずれると、サーキュレータとしての対称性が狂うため、損失、アイソレーション、ＶＳＷＲ、出力などの特性が悪化する。

従来の非可逆回路素子９０において、ガーネット板９５ａ，９５ｂと中心導体９６との位置合わせは、ガーネット板９５ａ，９５ｂが入る穴部９９及び中心導体９６のポート部９６ａ〜９６ｂが取り出される切り欠き部９７ａ〜９７ｃを有するフレーム９７により行っていた。
フレーム９７の材質は絶縁体であり、リフロー半田をする場合には耐熱性の良好な液晶ポリマーまたは高温プラスチックが、耐熱性をさほど要求されない場合にはポリエステル、ポリプロピレンなどが使用される。

米国特許６５６６９７２号公報（Ｆｉｇ．６）

従来の非可逆回路素子９０において、ガーネット板９５ａ，９５ｂと中心導体９６との位置合わせは、ポリマーなどの絶縁体材料を用いていた。
しかし、このような絶縁体のフレームを使うと、複雑な形状のフレーム９７を必要とし、かつ、アースをとる為のアース板９８を別に設ける必要があった。

従って、本発明は、精度良くガーネット板と中心導体との位置決めをしながら、コストの安い非可逆回路素子の提供を目的とする。

〔手段１〕
本発明の〔手段１〕は、少なくともガーネット板と、ガーネット板に高周波磁界を印加する中心導体と、ガーネット板に直流磁界を印加する永久磁石とを備えた非可逆回路素子であって、少なくとも３個の突起を有する金属板で前記ガーネット板の外周を係止することを特徴とする非可逆回路素子である。

〔手段２〕
本発明の〔手段２〕は、前記金属板の突起部に抜き穴を設けた手段１記載の非可逆回路素子である。

〔手段３〕
本発明の〔手段３〕は、金属板に導電性の被覆層を設けた〔手段１〕または〔手段２〕記載の非可逆回路素子である。

本発明の非可逆回路素子は、コストが高い絶縁体フレームを無くしてコストを下げ、しかもアース板と一体化することにより大幅にコストダウンできる。

図１に本発明に係る非可逆回路素子の一例を示す。少なくとも、フェリ磁性のガーネット板５０ａ，５０ｂと、ガーネット板５０ａ，５０ｂに高周波磁界を印加する中心導体４０と、中心導体４０に直流磁界を印加する永久磁石３０とを備える。
更に、永久磁石３０の磁束密度分布を均一化する為に永久磁石３０の上下には上鉄板２０ａ、下鉄板２０ｂが配置され、上ガーネット板５０ａとの間にトリプレート構造を形成する為に、アース板３５が配置される。
従来の非可逆回路素子（図８参照）に於けるフレーム９７及びアース板９８は、本発明で用いた金属板６０で置換できる。金属板６０は、上ガーネット板５０ａ、中心導体４０、下ガーネット板５０ｂの位置決めのみならず、従来のアース板９８を兼用して、本発明では省略できる。
以上の部品を、上ケース１０ａと下ケース１０ｂとで形成される空洞部に収納して非可逆回路素子８０が構成される。

なお、図１に例示した非可逆回路素子８０は、中心導体４０を上ガーネット板５０ａと下ガーネット板５０ｂとで挟む、所謂トリプレート構造のものであるが、それに限定されるものではなく、ガーネット板を１枚にした構造のものも本発明に包含される。

図１に例示したトリプレート構造の非可逆回路素子の組立について説明する。
まず、下ガーネット板５０ｂ、中心導体４０、及び上ガーネット板５０ａを保持する為の少なくとも３つの突起６１ａ〜６１ｃを有する金属板６０を治具にセットする。
ついで、金属板６０の中央部に下ガーネット板５０ｂ、中心導体４０、及び上ガーネット板５０ａの順に載置すると、ガーネット板５０ｂ、中心導体４０、及びガーネット板５０ａが突起６１ａ〜６１ｃにしっかりと保持されて位置決めされる。従って、本発明によると、下ガーネット板５０ｂ、中心導体４０、及び上ガーネット板５０ａの位置決めが良好である。
更に、アース板３５、次いで上鉄板２０ａ、下鉄板２０ｂで挟まれた永久磁石３０を載置し、上ケース１０ａと下ケース１０ｂとで形成される空洞部に収納する。

金属板６０の材質について説明する。金属板６０は、例えば、純鉄、Ｆｅ−Ｃｏ合金などの鉄合金、ＪＩＳ−Ｇ３１４０ｂ「冷間圧延鋼鈑及び鋼帯」に規定されたいわゆるＳＰＣＣ材（冷間圧延鋼鈑）、４０ａ合金（Ｆｅ−４０ａ％Ｎｉ）などが挙げられる。
板材を打ち抜き、曲げ加工した後、表面処理を施す。導電性の良い銀などによるメッキ処理を施すと更に好ましい。メッキ処理の硫化による変色防止用として脂肪酸有機化合物などを用いた変色防止処理を行うこともできる。

金属板６０には、ガーネット板５０ａ、５０ｂを係止して保持するための突起６１ａ〜６１ｃが切り起こして形成されている。突起６１ａ〜６１ｃの間に下ガーネット板５０ｂ、中心導体４０、上ガーネット板５０ａを挿入するだけで、下ガーネット板５０ｂ、中心導体４０、上ガーネット板５０ａは、突起６１ａ〜６１ｃにガイドされて所定の位置に容易に位置決めされ、位置ズレが生じることがない。

金属板６０の厚みは、好ましくは０．１〜０．３ｍｍ程度である。０．１ｍｍ未満だと強度が弱く位置決め精度が出しにくく、０．３ｍｍを超えると打抜いて曲げ加工する際に精度を出しにくい。

なお、ガーネット板５０ａ、５０ｂの位置決め用の突起６１ａ〜６１ｃを、金属板６０ではなく中心導体４０に設けることも考えられなくは無い。しかし、その場合には、ホットライン（高電位線）である中心導体４０に突起６１ａ〜６１ｃを設けることなり、突起６１ａ〜６１ｃの先端とケースなどの導電体との間で放電を起こす恐れが大きくなり好ましくない。

また、金属板６０の中央部は、ガーネット板５０ａ，５０ｂの外径と略同一径の円板になっている。従って、ガーネット板５０ｂと全面に亘って良好な接触が得られる。
金属板６０の中央部に穴を形成して、穴の周縁部にガーネット板５０ａ、５０ｂの位置決め用の突起６１ａ〜６１ｃを形成する構成も考えられなくは無い。しかし、その場合には、突起６１ａ〜６１ｃを有する金属板６０を打ち抜きなどで形成するコストが高くなる。
本発明では、金属板６０の外縁部に突起６１ａ〜６１ｃを形成するので、打ち抜きなどで形成するコストが安くて済む。

金属板６０に銀メッキなどの導電性の被覆を形成するのが望ましい。ＳＰＣＣ、鉄板などの金属板６０に銀メッキなどを施すと、表面の電気抵抗が低下して表皮効果による遮へい効果が高まり、挿入損失も減少する。高周波電流は、表皮効果により金属板表面からある程度の深さに流れるため、銀メッキの厚みはその程度とすることにより導体損失を抑えられる。
例えば、表皮効果は、２ＧＨｚで約１．５μｍ、損失にすると０．０５ｄＢ程度／０．２ｄＢ＝２５％程度の影響がある。

導電性被覆の材質は銀に限定されるものではなく、例えば金、錫、ニッケル、あるいはそれらの合金を必要に応じて選択できる。
導電性の被覆を形成する方法は、メッキに限定されるものではなく、金属ペーストの印刷法でも良い。

図２は、本発明に係る非可逆回路素子８０に用いる金属板６０の別実施例の平面図を示す。３つの突起６１ａ〜６１ｃのコーナ中央部に抜き穴６２ａ〜６２ｃを設けて、ガーネット板５０ａ、５０ｂの対応するコーナ部における割れ、欠けを防止する工夫をした。
位置決め爪６４ａ〜６４ｆは、下ケースの内壁に当接させて金属板６０の位置決めをしている。
廻り止め６３ａ、６３ｂは、下ケース１０ｂの壁部に対応する切欠きに挿入されて、電位を持つホットラインである中心導体４０が廻って、下ケース１０ｂに接触してショートするのを防止している。

突起６１ａ〜６１ｃの形成位置及び数は、１２０度の角度間隔を有する３つの突起が一般的であるが、それに限るものではなく、ガーネット板５０ａ、５０ｂを載置した状態で位置ズレが起こらない位置に所要数を設けることができる。

突起６１ａ〜６１ｃの形状は、強度等を考慮して適宜設定することもできる。また突起６１ａ〜６１ｃの曲げ角度はガーネット板５０ａ、５０ｂを金属板６０に係止し易いように、金属板６０の底面に対して角度θを９０度以上の適当な角度に設定できる。

図３（Ａ）は、本発明に係る非可逆回路素子８０に用いる突起６１ａ〜６１ｃを有する金属板６０の一実施例の側面図を、図３（Ｂ）は抜き穴６２ａ〜６２ｃを設けた別実施例の側面図を示す。
ガーネット板５０ａ、５０ｂのコーナ部に適切な面取りが有る場合や、突起６１ａ〜６１ｃの折り曲げによるコーナ部がガーネット板５０ａ、５０ｂのコーナ部にぶつからない場合には、図４（Ａ）に示す形状で十分である。
そうでない場合、図３（Ｂ）のように、３つの突起６１ａ〜６１ｃのコーナ中央部に抜き穴６２ａ〜６２ｃを設けると、金属板６０のコーナ部が逃げるので、突起６１ａ〜６１ｃの折り曲げによるコーナ部に金属板６０のコーナ部がぶつからない。抜き穴６２ａ〜６２ｃがないと、金属板６０の曲げのコーナ部にガーネット板５０ａ、５０ｂのコーナ部が載るとコア割れを起こすことがある。

ガーネット板５０ａ、５０ｂの外周寸法にはバラツキがある。従って、位置決め用の突起６１ａ〜６１ｃにバネ性を付与したり、テーパをつけたりしてもよい。
図４は、本発明に係る非可逆回路素子に用いる金属板について、突起の実施例を示す断面図である。図４（Ａ）は突起を直線的に立設した実施例を示す断面図、図４（Ｂ）は突起にバネ性を付与した実施例を示す断面図である。但し、図４（Ａ）に示すように突起を直線的に立設した場合でも、金属板の底面に対して９０度を超えるテーパを付ければ、バネ性が大きくなる。
なお、図４ではガーネット板５０が１枚の場合を例示したが、トリプレート構造の場合には、下ガーネット板５０ｂ、中心導体４０、上ガーネット板５０ａの組立体が突起６１ａ〜６１ｃに保持される。

図５は、金属板６０に下ガーネット板５０ｂに載置して位置決めし、更に、下ケース１０ｂに挿入した状態を示す。突起６１ａ〜６１ｃの三点支持によりガーネット板５０ａ、５０ｂが中心部に正確に位置決めできる。

図６は、図５に示す状態に、更に３つのポート部４０ａ〜４０ｃを有する中心導体を載置した状態を示す平面図である。
これに、図１で説明した上鉄板２０ａ、下鉄板２０ｂで挟持された永久磁石３０を載置し、上ケース１０ａにより蓋をして本発明に係る非可逆回路素子８０が構成される。
この場合には、ポート部４０ａを入力ポート、ポート部４０ｂを出力ポートとし、ポート部４０ｃにダミー抵抗７１を半田付けしてアイソレータを構成している。

抜き穴６２ａ〜６２ｃは、ガーネット板５０ａ、５０ｂの割れ、欠けを防止するだけでなく、金属板６０の突起６１ａ〜６１ｃの高さが大きくなる場合には、永久磁石３０の磁束漏れを防止できる効果もある。トリプレート構造の非可逆回路素子の場合には、ガーネット板を２枚５０ａ、５０ｂ用いる為、高さが大きくなるので、この効果は大きい。図７を用いて以下に説明する。
図７（Ａ）は金属板６０の抜き穴６２ａ〜６２ｃが無い場合、図７（Ｂ）は金属板６０の抜き穴６２ａ〜６２ｃが有る場合の、永久磁石３０から供給された静磁界の磁束の流れを模式的に示した断面図である。永久磁石３０から発生する磁束は、ガーネット板５０ａ、５０ｂに供給され、下ケース１０ｂから上ケース１０ａに流れて永久磁石３０に戻る閉磁気回路を構成する。
図７（Ａ）に示す場合、永久磁石３０の端部付近の磁束は、近くに配置される金属板６０の立設された側壁へ流れ易く漏れ磁束φｇとなってガーネット板５０ａ、５０ｂに有効に利用されないことがある。
他方、図７（Ｂ）に示す場合、金属板６０の抜き穴６２ａ〜６２ｃが有る場合には、抜き穴６２ａ〜６２ｃにおける空隙での磁気抵抗が大きいため、永久磁石３０の端部付近の磁束は、むしろ磁気抵抗のより小さなガーネット板５０ａ、５０ｂの方に磁束φｅとして流れて有効に利用されるからである。金属板６０が永久磁石３０の近くに配置される場合には、抜き穴６２ａ〜６２ｃの有る効果が大きい。

以下、具体例を例示した図面を参照して本発明に係る非可逆回路素子を説明する。

図１は、本発明に係る非可逆回路素子８０の一実施形態の展開斜視図である。非可逆回路素子８０としての基本構造は、ガーネット板５０ａ、５０ｂと、ガーネット板５０ａ、５０ｂに高周波磁界を印加する中心導体４０と、ガーネット板５０ａ、５０ｂに直流磁界を印加する永久磁石３０とである。この基本構造が上ケース１０ａと下ケース１０ｂで形成される容器の中に収納される。上鉄板２０ａ、下鉄板２０ｂは永久磁石３０の発生する直流磁界を均一化する。それにより均一な磁界がガーネット板５０ａ、５０ｂに印加できる。
中心導体４０は１２０度の角度間隔を有する３つのポートを具備した導体板であり、高周波電流が入出力して非可逆回路動作をする。

図１において、ガーネット板５０ａ、５０ｂは突起６１ａ〜６１ｃを有する金属板６０に保持される。ガーネット板５０ａ、５０ｂの材質としてＳＰＣＣ材を用いた。厚みは、０．１５ｍｍである。

図２（Ａ）は、金属板６０の別実施例を示す。ＳＰＣＣ材を打抜いて１２０度の角度間隔で３つの突起６１ａ〜６１ｃを立設した。この実施例では、３つの突起６１ａ〜６１ｃのコーナ中央部に抜き穴６２ａ〜６２ｃを設けてガーネット板５０ａ、５０ｂの対応するコーナ部における割れ、欠けを防止する工夫をした。
この実施例では、図２（Ａ）に示すように、位置決め爪６４ａ〜６４ｆを下ケースの内壁に当接させて位置決めしている。

図２（Ａ）に示した廻り止め６３ａ、６３ｂは、下ケース１０ｂの壁部に対応する切欠きに挿入されて、電位を持つホットラインである中心導体４０が下ケース１０ｂに接触してショートするのを防止している。

以上の実施例では、ガーネット板５０ａ、５０ｂは円板の場合を例にとって説明したが、円板に限定されるものではなく、矩形、長方形、三角形、六角形などの任意の形状であっても良い。
また、実施例では、２枚のガーネット板５０ａ、５０ｂが中心導体４０を挟んで用いられるトリプレート構造を用いて説明したが、本発明は、それに限定されるものではなく、１枚のガーネット板のみの場合にも適用できる。

トリプレート構造にした場合、中心導体４０を流れる電流による高周波磁界が上下２枚のガーネット板５０ａ、５０ｂに作用するので、インダクタンスが増加し、帯域幅や挿入損失が改善される。電磁界の放射損失を少なくすることができる。従って、基地局用の非可逆回路素子などハイパワーな用途ではトリプレート構造を採用することが多い。また、遮へい効果も大となり、外部の電磁界の影響を受け難くなる。

部品点数を減らしてコストの安い非可逆回路素子を提供できるから、移動体通信機器、移動体通信の基地局などを低コストにすることが出来る。

本発明に係る非可逆回路素子の一実施例を示す展開図である。本発明に係る非可逆回路素子に用いる金属板の一実施例を示す平面図である。本発明に係る非可逆回路素子に用いる金属板の2つの実施例を示す側面図である。図３（Ａ）は抜き穴が無い場合の側面図、図３（Ｂ）は抜き穴が有る場合の側面図である。本発明に係る非可逆回路素子に用いる金属板について、突起の実施例を示す断面図である。図４（Ａ）は突起を直線的に立設した実施例を示す断面図、図４（Ｂ）は突起にバネ性を付与した実施例を示す断面図である。本発明に係る非可逆回路素子において、下ケースの内部に金属板、ガーネット板を載置した一実施例を示す平面図である。本発明に係る非可逆回路素子の組立の途中を示した平面図である。本発明に係る非可逆回路素子の磁気回路の断面図であり、図６（Ａ）は金属板に抜き穴が無い場合の断面図、図６（Ｂ）は金属板に抜き穴が有る場合の断面図である。従来の非可逆回路素子の展開図である。

符号の説明

１０ａ上ケース
１０ｂ下ケース
２０ａ上鉄板
２０ｂ下鉄板
３０永久磁石
３５アース板
４０中心導体
４０ａ〜４０ｃ中心導体のポート部
５０ガーネット板
５０ａ上ガーネット板
５０ｂ下ガーネット板
６０金属板
６１ａ〜６１ｃ突起
６２ａ〜６２ｃ抜き穴
６３ａ、６３ｂ廻り止め
６４ａ〜６４ｆ位置決め爪
７１ダミー抵抗
８０非可逆回路素子

Claims

少なくともガーネット板と、該ガーネット板に高周波磁界を印加する中心導体と、該中心導体に直流磁界を印加する永久磁石とを備えた非可逆回路素子であって、
少なくとも３個の突起を有する金属板で前記ガーネット板の外周を係止することを特徴とする非可逆回路素子。
前記金属板の突起部に抜き穴を設けた請求項１記載の非可逆回路素子。
前記金属板に導電性の被覆層を設けた請求項１または２記載の非可逆回路素子。