JP2006066497A - フェライト材料、非可逆回路素子、及び無線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３８ＧＨｚのミリ波帯での磁気損失が小さいフェライト材料、及び該フェライト材料を使用して製造された自己バイアス型の非可逆回路素子、及び該非可逆回路素子が搭載された車載レーダ等の無線装置を提供する。
【解決手段】フェライト基板３が、一般式{（Ｓｒ_1-xＢａ_x）Ｏ・ａＭｅＯ・ｂ（Ｆｅ_1-yＭ_ｙ）_２Ｏ_３}（ただし、ＭｅはＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＺｎの中から選択された１種以上、ＭはＳｎ、Ｉｎ、及びＺｒの中から選択された１種以上を示す）を主成分とし、かつ主要相がＷ型六方晶結晶構造であり、前記ａ、ｂ、ｘ、及びｙが、それぞれ２＜ａ≦３、７≦ｂ＜８、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．４０とされている。また、前記ｂと前記ａとの比ｂ／ａが、２．３≦ｂ／ａ＜４．０である。さらに不可避不純物としてＭｎ及びＺｒのうちのいずれか一方を含有されると共に、前記Ｍｎ及びＺｒの含有量総計が、１．５重量％以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は非可逆回路素子用フェライト材料、非可逆回路素子、及び無線装置に関し、特に、３８ＧＨｚのミリ波帯での使用に好適なフェライト材料、該フェライト材料を使用して形成されたアイソレータやサーキュレータ等の非可逆回路素子、及び該非可逆回路素子を備えた無線装置に関する。

ミリ波帯車載レーダは、レーザ方式に比べ、波長の短いミリ波を使用していることから、雨や霧、雪等の悪天候下においても、距離測定性能が低下しにくく、車間距離自動制御システムや衝突被害軽減システムのキーデバイスとして最近注目を集めている。

ところで、ミリ波帯車載レーダには７６ＧＨｚの周波数帯域が割り当てられており、この車載レーダには電圧制御発振器（Voltage Controlled Oscillator；以下、「ＶＣＯ」という。）が搭載されて発振周波数（３８ＧＨｚ）が制御され、このＶＣＯを安定的に発振させるために非可逆回路素子（アイソレータ）が組み込まれている。

前記非可逆回路素子では、従来より、イットリウム鉄ガーネットＹ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２（以下、「ＹＩＧ」という。）に代表されるガーネット系フェライトや、ＭｇフェライトやＮｉＣｕＺｎフェライトに代表されるスピネル系フェライト等のマイクロ波フェライトを使用し、希土類磁石やＳｒフェライト磁石等の永久磁石で前記マイクロ波フェライトに直流磁界を印加し、高周波で生じた強磁性共鳴を利用している。

すなわち、直流磁界が印加されて磁場が発生すると、高周波磁界は直流磁界の方向に向かって右回りに旋回する正円偏波と左回りに旋回する負円偏波とが生じるが、該フェライトの透磁率は正円偏波と負円偏波とで異なり、このような性質を利用して非可逆回路素子を実現している。

しかしながら、上記非可逆回路素子では、直流磁界を印加するために永久磁石を使用しているため、非可逆回路素子の低背化、小型化、低コスト化には限界がある。

一方、一軸的な磁気異方性を有するＢａフェライト（ＢａＯ・６Ｆｅ_２Ｏ_３）やＳｒフェライト（ＳｒＯ・６Ｆｅ_２Ｏ_３）等の六方晶系のマグネトプランバイト型フェライト（以下、「Ｍ型六方晶フェライト」という。）を使用した自己バイアス動作形の非可逆回路素子も従来から知られている。

該自己バイアス動作形の非可逆回路素子では、例えば、Ｂａフェライトは、１．４０×１０^３ｋＡ／ｍの異方性磁界を有し、また、Ｓｒフェライトは、１．５４×１０^３ｋＡ／ｍの異方性磁界を有していることから、永久磁石を要することなく前記異方性磁界を駆動させて磁場を発生させている。

このようにＭ型六方晶フェライトを使用した自己バイアス動作形非可逆回路素子は、ガーネット系フェライトやスピネル系フェライトのような磁場印加用の永久磁石が不要であるため、非可逆回路素子の低背化・小型化や低コスト化の観点から有望視されている。

そして、このようなＭ型六方晶フェライトを使用した自己バイアス動作形の非可逆回路素子としては、非可逆回路素子としてのアイソレータを半導体チップと共にマイクロ波集積回路又はマイクロ波回路モジュール内に表面実装形式で実装した表面実装型アイソレータが提案されている（特許文献１）。

該特許文献１には、Ｍ型六方晶フェライト材料自体に内部磁界を有する特性があることから、永久磁石が不要となり、特にＢａフェライトやＳｒフェライトからなるＭ型六方晶フェライトは、異方性磁界が大きく、フェライト材料として有用であるとされている。

また、他の従来技術としては、フェリ磁性体が、所定の非可逆伝送を行う高周波信号の周波数よりも高い周波数において自己共鳴する異方性磁界を有するようにしたストリップ線路接合型非可逆回路も提案されている（特許文献２）。

該特許文献２は、ＢａＯ・ｘＡｌ_２Ｏ_３・（１−ｘ）Ｆｅ_２Ｏ_３なる組成を有するＭ型六方晶フェライト材料が高周波信号の所定周波数よりも高い周波数において自己共鳴する異方性磁界を有する点に着目し、図１２に示すように、前記Ｍ型六方晶フェライト材料をフェリ磁性体１０１に使用することにより、外部磁界を与えなくとも、信号端子１０２に入力される高周波信号が接合部１０７を介して信号端子１０３に出力する一方、信号端子１０３からの高周波信号は信号端子１０４に接続されたチップ抵抗器１０５及びオープンスタブ１０６によって抵抗終端され、信号端子１０２には伝送しないようにしてアイソレータを構成している。

また、特許文献２には、Ｍ型六方晶フェライト材料としてＳｒＯ・ｘＡｌ_２Ｏ_３・（１−ｘ）Ｆｅ_２Ｏ_３で表されるフェライト材料をフェリ磁性体１０１に使用した場合や、ＢａＯ・２ＭｅＯ・８Ｆｅ_２Ｏ_３（Ｍｅは２価の金属イオン）で表されるＷ型六方晶フェライトを磁性体フェリ１０１に使用した場合も、ＢａＯ・ｘＡｌ_２Ｏ_３・（１−ｘ）Ｆｅ_２Ｏ_３の場合と同様の作用効果が得られる点が開示されている。

特開平１１−１７４０８号公報 特開平１０−４３０４号公報

しかしながら、特許文献１のＭ型六方晶フェライトは、例えば、Ｂａフェライトの場合、強磁性共鳴周波数のピークが３０〜４０ＧＨｚのミリ波帯にあり、斯かる共鳴周波数のピーク近傍で磁気損失が急増することから、３８ＧＨｚのミリ波帯で使用すると磁気損失が大きくなり、低磁気損失を有する非可逆回路素子を得ることができないという問題点があった。

また、特許文献２のようにＡｌ成分を含有したＢａフェライトでは、Ａｌ成分の含有量を増加させることにより、強磁性共鳴周波数のピークを高周波側に移動させることができるが、この場合は飽和磁化が減少するため材料自体のＱ特性、すなわち共振性の鋭さが悪化するという問題点があった。

内部磁界Ｈinは、数式（２）で表され、共鳴角周波数ωは、数式（３）で表される。

Ｈin＝Ｈa−（Ｎｔ−Ｎｚ）×４πＭｓ …（２）
ω＝２πｆｒ＝γ×Ｈin …（３）
ここで、Ｈａは異方性磁界（Ａ／ｍ）、Ｎｚは外部磁界の印加方向の反磁界係数、Ｎｔは外部磁界の印加方向に対し垂直方向の反磁界係数、４πＭｓは飽和磁化（Ｔ）、γはジャイロ定数（＝２．２１×１０^５ｍ／Ａ・s）、ｆｒは共鳴周波数（ＭＨｚ）である。

そして、Ａｌ成分の含有量を増加させると異方性磁界Ｈａが大きくなることから、数式（２）により内部磁界Ｈinが大きくなり、その結果数式（３）により共鳴周波数ｆｒが大きくなって強磁性共鳴周波数のピークを高周波数側にシフトさせることができる。しかしながら、この場合、飽和磁化４πＭｓが減少し、このため材料自体のＱ特性が悪化するという問題点があった。

また、Ｗ型六方晶フェライトを磁性体フェリに使用した場合も、強磁性共鳴周波数のピークは３０〜５０ＧＨｚであり、３８ＧＨｚのミリ波帯での磁気損失が大きくなり、しかもこの場合は誘電損失も大きくなるという問題点があった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであって、３８ＧＨｚのミリ波帯での磁気損失が小さいフェライト材料、及び該フェライト材料を使用して製造された自己バイアス型の非可逆回路素子、及び該非可逆回路素子が搭載された車載レーダ等の無線装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究したところ、化学量論組成が組成式ＢａＯ・２ＭｅＯ・８Ｆｅ_２Ｏ_３で表されるＷ型六方晶フェライトにおいて、Ｆｅの一部をＳｎ、Ｉｎ、及びＺｒのうちの少なくとも１種で所定量置換し、かつＭｅをＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、及びＺｎのうちの少なくとも１種で構成すると共に、ＭｅＯを化学量論組成よりも所定量だけ過剰とし、かつ主要相の結晶構造をＷ型六方晶結晶構造とすることにより、異方性磁界Ｈａを小さくすることができ、これにより共鳴周波数ｆｒのピークを低周波数側にシフトすることができ、その結果３８ＧＨｚのミリ波帯での磁気損失が小さいフェライト材料を得ることができるという知見を得た。

本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係るフェライト材料は、一般式{（Ｓｒ_1-xＢａ_x）Ｏ・ａＭｅＯ・ｂ（Ｆｅ_1-yＭ_ｙ）_２Ｏ_３}（ただし、ＭｅはＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＺｎの中から選択された１種以上、ＭはＳｎ、Ｉｎ、及びＺｒの中から選択された１種以上を示す）を主成分とし、かつ主要相の結晶構造がＷ型六方晶構造を有し、前記ａ、ｂ、ｘ、及びｙが、それぞれ２＜ａ≦３、７≦ｂ＜８、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．４０であることを特徴としている。

また、上記フェライト材料において、ｂ／ａが２．３≦ｂ／ａ＜４．０の範囲にあるときは、より効果的に磁気損失を低減できる。

すなわち、本発明のフェライト材料は、前記ｂと前記ａとの比ｂ／ａが、２．３≦ｂ／ａ＜４．０であることを特徴としている。

また、不純物としてフェライト素原料中に含まれるＭｎやＺｒが、フェライト材料中に混入することがあるが、斯かる不純物の含有量が１．５重量％を超えると誘電損失tanδが増大し、抵抗率ρが低下するため好ましくない。

そこで、本発明のフェライト材料は、不可避不純物としてＭｎ及びＺｒのうちのいずれか一方を含有すると共に、Ｍｎ及びＺｒの含有量総計が１．５重量％以下であることを特徴としている。

また、本発明に係る非可逆回路素子は、前記フェライト材料で形成されたフェライト部材を備えていることを特徴としている。

さらに、本発明に係る無線装置は、上記非可逆回路素子を備えていることを特徴としている。

以上詳述したように本発明に係るフェライト材料は、一般式{（Ｓｒ_1-xＢａ_x）Ｏ・ａＭｅＯ・ｂ（Ｆｅ_1-yＭ_ｙ）_２Ｏ_３}（ただし、ＭｅはＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＺｎの中から選択された１種以上、ＭはＳｎ、Ｉｎ、及びＺｒの中から選択された１種以上を示す）を主成分とし、かつ主要相の結晶構造がＷ型六方晶構造を有し、前記ａ、ｂ、ｘ、及びｙが、それぞれ２＜ａ≦３、７≦ｂ＜８、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．４０であるので、異方性磁界Ｈａを小さくすることができ、強磁性共鳴周波数のピークを低周波数側にシフトすることができる。そして、これにより３８ＧＨｚ帯で使用しても磁気損失の小さなフェライト材料を得ることが可能となる。

また、本発明のフェライト材料は、前記ｂと前記ａとの比ｂ／ａが、２．３≦ｂ／ａ＜４．０であるので、３８ＧＨｚのミリ波帯での磁気損失を効果的に低減することができる。

また、本発明のフェライト材料は、不可避不純物としてＭｎ及びＺｒのうちのいずれか一方を含有すると共に、Ｍｎ及びＺｒの含有量総計が１．５重量％以下であるので、誘電損失tanδが増大したり、抵抗率ρの低下を招くこともなく、磁気損失の小さいフェライト材料を得ることができる。

また、本発明に係る非可逆回路素子は、上記フェライト材料を使用して形成されたフェライト部材を備えているので、３８ＧＨｚのミリ波帯での磁気損失が小さい非可逆回路素子を得ることが可能となる。しかも、上記フェライト材料は、異方性磁界Ｈａを使用して駆動させることができるので、永久磁石を必要とせず、小型化・低背化や低コスト化が可能となる。

また、本発明に係る無線装置は、上記非可逆回路素子を備えているので、３８ＧＨｚのミリ波帯での磁気損失が小さく、所望の非可逆性を有する自己バイアス形の非可逆回路素子を具備した小型化・低背化や低コスト化がなされた車載レーダ等の無線装置を得ることが可能となる。

次に、本発明の実施の形態を詳説する。

本発明に係るフェライト材料は、下記一般式〔Ａ〕で表される組成成分を主成分とし、主要相の結晶構造がＷ型六方晶構造とされている。

（Ｓｒ_1-xＢａ_x）Ｏ・ａＭｅＯ・ｂ（Ｆｅ_1-yＭ_ｙ）_２Ｏ_３…〔Ａ〕
ただし、ＭｅはＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＺｎの中から選択された１種以上、ＭはＳｎ、Ｉｎ、及びＺｒの中から選択された１種以上を示している。

また、前記ａ、ｂ、ｘ、ｙは、それぞれ２＜ａ≦３、７≦ｂ＜８、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．４０を充足するように調製されている。

ここで、ａを２＜ａ≦３、及びｂを７≦ｂ＜８としたのは以下の理由による。

Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＺｎのうちの少なくとも１種以上を含む金属酸化物を含有し、かつＦｅの一部がＳｎ、Ｉｎ、及びＺｒの少なくとも１種以上で置換されたＷ型六方晶構造を有するフェライト材料は、Ｍ型六方晶構造のフェライト材料に比べ、異方性磁界Ｈａが小さく、飽和磁化４πＭｓは略同等であるので、フェライト材料のＱ特性を損なうことなく、共鳴周波数のピークを低周波数側にシフトさせることができ、これにより３８ＧＨｚのミリ波帯での磁気損失を低減させることが可能となる。

しかしながら、ａが２及びｂが８となってフェライト材料の結晶構造がＷ型六方晶構造の化学量論組成となると、３８ＧＨｚのミリ波帯での磁気損失が大きくなり、所期の目的を達成することができない。

一方、ａが３を超えかつｂが７未満になると、Ｆｅが過少となるため、磁気異方性を示さなくなる。

そこで、本実施の形態では、ａが２＜ａ≦３、かつｂが７≦ｂ＜８となるように組成成分を配合している。

また、ｙを０＜ｙ≦０．４０としたのは以下の理由である。

ｙが０の場合は、フェライト材料中にＳｎ、Ｉｎ、又はＺｒが含有されなくなって異方性磁界Ｈａを低減させることができず、したがって強磁性共鳴周波数のピークを低周波数側にシフトさせることができないため、３８ＧＨｚのミリ波帯での磁気損失を低減することができない。

一方、ｙが０．４０を超えると、Ｆｅが過少となるため、磁気異方性を示さなくなる。

そこで、本実施の形態では、ｙが０＜ｙ≦０．４０となるように組成成分を配合している。

尚、ｘを０≦ｘ≦１としたのは、フェライト材料中にＢａＯ及びＳｒＯのいずれかを含有させる主旨である。

このように本実施の形態のフェライト材料は、一般式〔Ａ〕で示されるフェライト材料が、２＜ａ≦３、７≦ｂ＜８、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦０．４０を満足しているので、異方性磁界Ｈａが小さくなって強磁性共鳴周波数のピークが低周波数側にシフトし、その結果３８ＧＨｚのミリ波帯での磁気損失を小さくすることができる。

特に、ｂ／ａが２．３≦ｂ／ａ＜４．０の範囲となるように調製することにより、ＭｅＯと（Ｆｅ，Ｍ）_２Ｏ_３との配合バランスが良好となり、３８ＧＨｚのミリ波帯での磁気損失をより効果的に低減することができる。

また、フェライト素原料に不純物として含まれるＭｎ及びＺｒがフェライト材料中に混入してしまうおそれがあるが、Ｍｎ及びＺｒの含有量総計が、１．５重量％を超えると、誘電損失tanδの増大や抵抗率ρの低下を招き、その結果、渦電流損が大きくなって伝送特性が悪化するおそれがある。

したがって、不可避不純物として含まれるＭｎ及びＺｒの含有量総計を１．５重量％以下に制御するのが好ましい。

また、フェライト素原料からの不純物として、０．０７重量％未満の微量のＣｌ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓ、Ｃｒ、Ｂｉ等が混入したり、或いは混合処理過程で不純物として０．８重量％未満の微量のＺｒやＳｉが混入することがあるが、特性上影響を受けることはない。

次に、上記フェライト材料を使用した非可逆回路素子について述べる。

図１は、本発明に係る非可逆回路素子の一実施の形態（第１の実施の形態）としての集中定数形サーキュレータを模式的に示した斜視図である。

該集中定数形サーキュレータは、マイクロストリップ線路１ａ、１ｂ、１ｃが互いに１２０℃間隔となるように交叉状に形成され、かつ、これらマイクロストリップ線路１ａ、１ｂ、１ｃの上下両面は絶縁体層２を介して上記フェライト材料で形成されたフェライト基板３と接触している。そして、マイクロストリップ線路１ａ、１ｂ、１ｃの端子部１ａ′、１ｂ′、１ｃ′には不図示のコンデンサが取り付けられ、フェライト基板３の有するインダクタンスと前記コンデンサとで共振周波数を調整している。

本第１の実施の形態では、例えば、マイクロストリップ線路１ａに電流を流すと、フェライト基板３にはマイクロストリップ線路１ａ、１ｂ、１ｃにより形成される交叉回路により一様な回転磁界が形成される。そして、フェライト基板３が上記フェライト材料で形成されているので、３８ＧＨｚのミリ波帯で磁気損失が小さく十分な非可逆性を有するサーキュレータを得ることが可能となる。しかも、フェライト材料は、異方性磁界Ｈａにより駆動させているので、永久磁石等の外部磁界を必要とすることなく、サーキュレータの小型・低背化や低コスト化を図ることができる。

図２（ａ）は非可逆回路素子の第２の実施の形態としてのストリップ線路Ｙ接合形サーキュレータであり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。

本第２の実施の形態では、ストリップ線路４の分岐路４ａ、４ｂ、４ｃが円形状の中心部４ｄでＹ字状に接合されており、さらに前記分岐路４ａ、４ｂ、４ｃには補正用のコンデンサ部５ａ、５ｂ、５ｃが形成されている。そして、前記中心部４ｄの上下両面にはフェライト基板６が設けられると共に、該フェライト基板６が挟持状となるように分岐路４ａ、４ｂ、４ｃの上下両面には外部導体７ａ、７ｂが設けられている。

そして、例えば、ＴＭ₁₁₀モードで共振する場合、分岐路４ａに入力された高周波磁界は、フェライト基板６を通過する際に矢印で示すように偏波面が回転し、分岐路４ｂにのみ出力され、サーキュレータを形成する。

本第２の実施の形態でも、フェライト基板６が上記フェライト材料で形成されているので、３８ＧＨｚのミリ波帯で磁気損失が小さく十分な非可逆性を有する小型・低背化や低コスト化がなされたサーキュレータを得ることが可能となる。

図３は非可逆回路素子の第３の実施の形態としてのフェライト基板サーキュレータであって、フェライト基板９の表面にＹ字状のストリップ線路１０が形成されている。そして、本第３の実施の形態でも、第２の実施の形態と同様、例えば、ＴＭ₁₁₀モードで共振する場合、分岐路１０ａに入力された高周波磁界は、フェライト基板９上を偏波面が回転し、分岐路１０ｂにのみ出力され、サーキュレータを形成する。

本第３の実施の形態でも、フェライト基板９が上記フェライト材料で形成されているので、３８ＧＨｚのミリ波帯で磁気損失が小さく十分な非可逆性を有する小型・低背化や低コスト化がなされたサーキュレータを得ることが可能となる。

図４は非可逆回路素子の第４の実施の形態としての導波管形サーキュレータを模式的に示した斜視図であって、本第４の実施の形態では、Ｙ字状の導波管１１のＹ分岐の中心部に円柱状のフェライト柱１２が挿入されており、上記第２及び第３の実施の形態と略同様に動作し、サーキュレータを形成する。そして、フェライト柱１２が上記フェライト材料で形成されているので、３８ＧＨｚのミリ波帯で磁気損失が小さく十分な非可逆性を有する小型・低背化や低コスト化がなされたサーキュレータを得ることが可能となる。

図５（ａ）は非可逆回路素子の第５の実施の形態としての非放射性誘電体線路Ｙ型サーキュレータを模式的に示した斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。尚、図５（ａ）では上下一対の金属板を省略している。

本第５の実施の形態では、誘電体ストリップ１３ａ、１３ｂ、１３ｃが互いに等間隔で１２０°に配設されると共に、一対の円盤状フェライト基板１４ａ、１４ｂが誘電体ストリップ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの一方の端部により挟持され、さらに、誘電体ストリップ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及びフェライト基板１４ａ、１４ｂの上下両面に平板状の金属板１５ａ、１５ｂが設けられている。そして、フェライト基板１４ａ、１４ｂにより共振器を構成し、ＨＥ_11δモードで共振する。

本第５の実施の形態でも、フェライト基板１４ａ、１４ｂが上記フェライト材料で形成されているので、３８ＧＨｚのミリ波帯で磁気損失が小さく十分な非可逆性を有する小型・低背化や低コスト化がなされたサーキュレータを得ることが可能となる。

図６は非可逆回路素子の第６の実施の形態としてのファラデー回転形アイソレータを模式的に示した斜視図であって、該ファラデー回転形アイソレータは、支持誘電体１６に挿通されたフェライト棒１７と抵抗板１８ａ、１８ｂとが導波管１９内に収容されている。

そして、例えば、矢印Ｃ方向からのＴＥ₁₀モードの入力信号は方形−円形変換器２０ａによりＴＥ₁₁モードに変換される。入力信号の電界は抵抗板１８ａに垂直であるので吸収されずにフェライト棒１７に到達し、正負の円偏波に分解され、正円偏波と負円偏波との透磁率差Δμが位相定数の差となって偏波面が角度θだけ回転する。そして、その結果、フェライト棒１７を通過した入力信号は、抵抗板１８ｂと平行となり、入力信号は吸収される。

一方、矢印Ｄ方向からのＴＥ₁₀モードの入力信号は方形−円形変換器２０ｂによりＴＥ₁₁モードに変換される。そして、入力信号の電界は抵抗板１８ｂに垂直であるので吸収されずにフェライト棒１７に到達し、正負の円偏波に分解され、偏波面が角度θだけ回転する。フェライト棒１７を通過した入力信号は抵抗板１８ａと垂直となり導波管１９から出力され、これにより矢印Ｄ方向へのアイソレータが形成される。

そして、本第６の実施の形態でも、フェライト棒１７が上記フェライト材料で形成されているので、３８ＧＨｚのミリ波帯で磁気損失が小さく十分な非可逆性を有する小型・低背化や低コスト化がなされたアイソレータを得ることが可能となる。

図７は非可逆回路素子の第７の実施の形態としてのペリファリ・モード形アイソレータを模式的に示した斜視図であって、該第７の実施の形態は、上記フェライト材料で形成されたフェライト基板２１の表面に略台形状のストリップ線路２２が形成され、さらに、一部がストリップ線路２２の端部と重畳するようにフェライト基板２１の表面に抵抗体２３が形成されている。

そして、端子２４ａに高周波信号が入力すると、高周波磁界はファラデー効果により矢印Ｅに示すように、ストリップ線路２２の一方の端部を伝播して出力側に進んでゆき、端子２４ｂから出力する。一方、端子２４ｂに高周波信号が入力すると、抵抗体２３の方向に捩れて進行し、高周波信号は抵抗体２３により吸収され、これによりアイソレータを形成している。

そして、本第７の実施の形態でも、フェライト基板２１が上記フェライト材料で形成されているので、３８ＧＨｚのミリ波帯で磁気損失が小さく十分な非可逆性を有する小型・低背化や低コスト化がなされたアイソレータを得ることが可能となる。

図８（ａ）（ｂ）は非可逆回路素子の第８の実施の形態としての導波管共鳴形アイソレータを模式的に示す斜視図であって、フェライト棒２６ａ〜２６ｃが方形状の導波管２５の所定位置に挿入されている。

本第８の実施の形態では、導波管２５を基本モード、すなわちＴＥ₁₀モードで伝搬する場合、特定位置で高周波磁界は回転し、円偏波となる。そして円偏波には正の円偏波と負の円偏波とがあり、一方の円偏波、例えば正の円偏波が大きな磁気損失として作用する場合、他方の円偏波、例えば負の円偏波は減衰を受けることなく通過する。

そこで、図８（ａ）（ｂ）に示すように、円偏波が発生する特定位置にフェライト棒２６ａ〜２６ｃを挿入することによってアイソレータを形成することができる。

本第８の実施の形態でも、フェライト棒２６ａ〜２６ｃが上記フェライト材料で形成されているので、３８ＧＨｚの周波数帯域での磁気損失が小さく十分な非可逆性を有する小型・低背化や低コスト化がなされたアイソレータを得ることが可能となる。

図９は非可逆回路素子の第９の実施の形態としての十字ストリップ線路共鳴型アイソレータである。

該第９の実施の形態では、誘電体２９ａ、２９ｂの一方の面に接地導体２７ａ、２７ｂが形成されると共に、誘電体２９の略中央部には円柱状のフェライト柱２８が埋設され、ストリップ線路３０が誘電体２９ａ、２９ｂに挟着されている。また、ストリップ線路３０は整合用のコンデンサ部３１を有すると共に、フェライト柱２８と当接可能となるように、ストリップ線路３０上にはλ／４共振器３２が形成されている。そして、本第９の実施の形態では、ストリップ線路３０とλ／４共振器３２との交点で円偏波が生じるので、図８と同様の動作原理によりアイソレータが形成される。

本第９の実施の形態でも、フェライト柱２８が上記フェライト材料で形成されているので、３８ＧＨｚのミリ波帯で磁気損失が小さく十分な非可逆性を有する小型・低背化や低コスト化がなされたアイソレータを得ることが可能となる。

図１０は本発明に係る無線装置の一実施の形態を示すシステム構成図であって、３１は図６〜図９で示されたアイソレータであり、３２は図１〜図５で示されたサーキュレータである。

すなわち、本無線装置は、変調信号が、電圧制御発振器（Voltage Controlled Oscillator：ＶＣＯ）３３に入力されると、アイソレータ３１を経てカプラ３４に入力され、変調信号はカプラ３４によりサーキュレータ３２とミキサ３６とに分割され、サーキュレータ３２に入力された変調信号はアンテナ３５から送信される。

一方、アンテナ３５に入力された受信信号はサーキュレータ３２を経てミキサ３６に入力され、カプラ３４からの変調信号とミキシングされ、受信周波数が引き下げられてＩＦ信号（Intermediate Frequency：中間周波数）を得ている。

本実施の形態では、上述したアイソレータ及びサーキュレータを使用しているので、３８ＧＨｚ帯で使用するＶＣＯ３３が搭載された車載レーダ（７６ＧＨｚ）においても、磁気損失が小さく十分な非可逆性を有する小型・低背化や低コスト化が可能な無線装置を得ることが可能となる。

次に、本発明の実施例を具体的に説明する。

表１の組成を有する一般式{（Ｂａ_1-xＳｒ_ｘ）Ｏ・ａＭｅＯ・ｂ（Ｆｅ_1-yＳｎ_ｙ）_２Ｏ_３}からなるフェライト材料を作製した。

すなわち、フェライト素原料としてＢａＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＭｎＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２を用意し、これらフェライト素原料を、２．００≦ａ≦３．０５、６．９５≦ｂ≦８．００、２．２８≦ｂ／ａ≦４．００、０≦ｘ≦１．００、０≦ｙ≦０．４５となるように秤量して調合し、ボールミルで湿式混合した後、大気中で仮焼し、その後湿式粉砕して、比表面積が約５ｍ^２／ｇの仮焼粉末を作製した。

次いで、この仮焼粉末を酢酸ビニル系バインダと混練してスラリーとし、このスラリーを磁場中で脱水成形し、その後大気中で焼成して焼結体を作製し、一般式{（Ｂａ_1-xＳｒ_ｘ）Ｏ・ａＭｅＯ・ｂ（Ｆｅ_1-yＳｎ_ｙ）_２Ｏ_３}で表される試料番号１〜２８のフェライト材料を得た。

次に、これら各試料の飽和磁化Ｍｓ、異方性磁界Ｈａ、共鳴周波数ｆｒを測定し、さらに半値幅ΔＨを測定して磁気損失を評価した。

ここで、飽和磁化ＭｓはＶＳＭ（試料振動型磁化測定装置）で測定した。

また、異方性磁界Ｈａは以下のようにして求めた。すなわち、まず、ネットワークアナライザを使用し、反磁界係数Ｎｔ、Ｎｚが既知試料の共鳴各周波数ω（＝２πｆｒ：ｆｒは共鳴周波数）を外部磁界なしで測定し、数式（４）に基づいて異方性磁界Ｈａを算出した。

ω＝γ・（Ｈａ−（Ｎｔ−ＮＺ）・Ｍｓ）…（４）
ここで、γはジャイロ定数（＝２．２１×１０^５ｍ／Ａ・s）である。

また、半値幅ΔＨは空洞共振器を使用して測定した。

そして、図１１に示すように磁気損失μは、内部磁界Ｈinに対し、ローレンツ形の分布曲線になることが知られており、磁気損失が小さいと最大磁気損失μmaxの１／２である共鳴ピークの半値幅ΔＨも小さくなることから、本実施例では半値幅ΔＨで磁気損失を評価した。

表１は各試料番号の組成成分と、飽和磁化４πＭｓ、異方性磁界Ｈａ、共鳴周波数ｆｒ、及び半値幅ΔＨを示している。

試料番号１、１４、１９、及び２４は、ａが２．００、ｂが８．００であり、フェライト材料の組成がＷ型六方晶構造の化学量論組成であるので、半値幅ΔＨが１０〜１１×１０^４（Ａ／ｍ）と大きく、磁気損失が大きくなることが分かった。

試料番号５、１８、２３、及び２８は、ａが３．０５、ｂが６．９５となってＦｅの含有モル量が過少となり、このため飽和磁化４πＭｓが０となって磁気異方性を示さなくなった。

試料番号９は、ｙが０となってフェライト材料中にＳｎが含有されていないため、異方性磁界Ｈａが１２×１０^６（Ａ／ｍ）と大きく、このため共鳴周波数も３７．３ＧＨｚと大きくなって低周波数側にシフトさせることができず、半値幅ΔＨが２０×１０^４（Ａ／ｍ）と大きく、磁気損失が大きくなることが分かった。

試料番号１３は、ｙが０．４５となってＦｅの含有モル量が過少となり、このため飽和磁化４πＭｓが０となって磁気異方性を示さなくなった。

これに対して試料番号２〜４、６〜８、１０〜１２、１５〜１７、２０〜２２、及び２５〜２７は、２．０５≦ａ≦３．００、７．００≦ｂ≦７．９５、０．１０≦ｙ≦０．４０であり、本発明範囲内であるので、異方性磁界Ｈａが５．１〜８．１×１０^５（Ａ／ｍ）と小さく、このため共鳴周波数ｆｒを１５．０〜２８．９ＧＨｚと３０ＧＨｚ以下の低周波数側にシフトさせることができ、これにより半値幅ΔＨも４〜７×１０^４（Ａ／ｍ）と小さくなり、磁気損失を低減できることが分かった。

また、ｂ／ａは２．３３≦ｂ／ａ≦３．８８の範囲にあり、したがって２．３≦ｂ／ａ＜４の範囲で良好な結果が得られることが確認された。

尚、本発明の試料番号２〜４、６〜８、１０〜１２、１５〜１７、２０〜２２、及び２５〜２７について、Ｘ線回折分析装置を使用して主要相の結晶構造を分析したところ、Ｗ型六方晶構造を有していることが確認された。

〔実施例１〕におけるＳｎＯ_２に代えてＩｎ_２Ｏ_３を使用した以外は、〔実施例１〕と同様の方法・手順で表２の組成を有する一般式{（Ｂａ_1-xＳｒ_ｘ）Ｏ・ａＭｅＯ・ｂ（Ｆｅ_1-yＩｎ_ｙ）_２Ｏ_３}からなる試料番号３１〜５８のフェライト材料を作製した。

次に、〔実施例１〕と同様の方法でこれら各試料の飽和磁化Ｍｓ、異方性磁界Ｈａ、共鳴周波数ｆｒを測定し、さらに半値幅ΔＨを測定して磁気損失を評価した。

表２は各試料番号の組成成分と、飽和磁化４πＭｓ、異方性磁界Ｈａ、共鳴周波数ｆｒ、及び半値幅ΔＨを示している。

この表２から明らかなように〔実施例１〕の表１と略同様の結果を得た。

すなわち、試料番号３１、４４、４９、及び５４は、ａが２．００、ｂが８．００であり、フェライト材料の組成がＷ型六方晶構造の化学量論組成であるので、半値幅ΔＨが１２〜１３×１０^４（Ａ／ｍ）と大きく、磁気損失が大きくなることが分かった。

試料番号３５、４８、５３、及び５８は、ａが３．０５、ｂが６．９５となってＦｅの含有モル量が過少となり、このため飽和磁化４πＭｓが０となって磁気異方性を示さなくなった。

試料番号３９は、ｙが０となってフェライト材料中にＩｎが含有されていないため、異方性磁界Ｈａが１２．０×１０^６（Ａ／ｍ）と大きく、このため共鳴周波数も３８．０ＧＨｚと大きくなって低周波数側にシフトさせることができず、半値幅ΔＨは２０×１０^４（Ａ／ｍ）と大きく、磁気損失が大きくなることが分かった。

試料番号４３は、ｙが０．４５となってＦｅの含有モル量が過少となり、このため飽和磁化４πＭｓが０となって磁気異方性を示さなくなった。

これに対して試料番号３２〜３４、３６〜３８、４０〜４２、４５〜４７、５０〜５２、及び５５〜５７は、２．０５≦ａ≦３．００、７．００≦ｂ≦７．９５、０．１０≦ｙ≦０．４０であり、本発明範囲内であるので、異方性磁界Ｈａが５．０〜８．２×１０^５（Ａ／ｍ）と小さく、このため共鳴周波数ｆｒを１５．０〜２８．８ＧＨｚと３０ＧＨｚ以下の低周波数側にシフトさせることができ、これにより半値幅ΔＨも４〜７×１０^４（Ａ／ｍ）と小さくなり、磁気損失を低減できることが分かった。

また、ｂ／ａは２．３３≦ｂ／ａ≦３．８８の範囲にあり、したがって２．３≦ｂ／ａ＜４の範囲で良好な結果が得られることが確認された。

尚、本発明の試料番号３２〜３４、３６〜３８、４０〜４２、４５〜４７、５０〜５２、及び５５〜５７について、Ｘ線回折分析装置を使用して主要相の結晶構造を分析したところ、Ｗ型六方晶構造を有していることが確認された。

〔実施例１〕におけるＳｎＯ_２に代えてＺｒＯ_２を使用した以外は、〔実施例１〕と同様の方法・手順で表３の組成を有する一般式{（Ｂａ_1-xＳｒ_ｘ）Ｏ・ａＭｅＯ・ｂ（Ｆｅ_1-yＺｒ_ｙ）_２Ｏ_３}からなる試料番号６１〜８８のフェライト材料を作製した。

次に、〔実施例１〕と同様の方法でこれら各試料の飽和磁化Ｍｓ、異方性磁界Ｈａ、共鳴周波数ｆｒを測定し、さらに半値幅ΔＨを測定して磁気損失を評価した。

表３は各試料番号の組成成分と、飽和磁化４πＭｓ、異方性磁界Ｈａ、共鳴周波数ｆｒ、及び半値幅ΔＨを示している。

この表３から明らかなように〔実施例１〕の表１と略同様の結果を得た。

すなわち、試料番号６１、７４、７９、及び８４は、ａが２．００、ｂが８．００であり、フェライト材料の組成がＷ型六方晶構造の化学量論組成であるので、半値幅ΔＨが１１〜１３×１０^４（Ａ／ｍ）と大きく、磁気損失が大きくなることが分かった。

試料番号６５、７８、８３、及び８８は、ａが３．０５、ｂが６．９５となってＦｅの含有モル量が過少となり、このため飽和磁化４πＭｓが０となって磁気異方性を示さなくなった。

試料番号６９は、ｙが０となってフェライト材料中にＺｒが含有されていないため、異方性磁界Ｈａが１２．０×１０^６（Ａ／ｍ）と大きく、このため共鳴周波数も３８．５ＧＨｚと大きくなって低周波数側にシフトさせることができず、半値幅ΔＨは２０×１０^４（Ａ／ｍ）と大きく、磁気損失が大きくなることが分かった。

試料番号７３は、ｙが０．４５となってＦｅの含有モル量が過少となり、このため飽和磁化４πＭｓが０となって磁気異方性を示さなくなった。

これに対して試料番号６２〜６４、６６〜６８、７０〜７２、７５〜７７、８０〜８２、及び８５〜８７は、２．０５≦ａ≦３．００、７．００≦ｂ≦７．９５、０．１０≦ｙ≦０．４０であり、本発明範囲内であるので、異方性磁界Ｈａが４．９〜８．２×１０^５（Ａ／ｍ）と小さく、このため共鳴周波数ｆｒを１４．９〜２８．３ＧＨｚと３０ＧＨｚ以下の低周波数側にシフトさせることができ、これにより半値幅ΔＨも４〜７×１０^４（Ａ／ｍ）と小さくなり、磁気損失を低減できることが分かった。

また、ｂ／ａは２．３３≦ｂ／ａ≦３．８８の範囲にあり、したがって２．３≦ｂ／ａ＜４の範囲で良好な結果が得られることが確認された。

尚、本発明の試料番号６２〜６４、６６〜６８、７０〜７２、７５〜７７、８０〜８２、及び８５〜８７について、Ｘ線回折分析装置を使用して主要相の結晶構造を分析したところ、Ｗ型六方晶構造を有していることが確認された。

このように〔実施例１〕〜〔実施例３〕から、Ｆｅの一部をＳｎ、Ｉｎ、又はＺｒで置換し、２＜ａ≦３、７≦ｂ＜８、０＜ｙ≦０．４０の範囲となるように成分組成を配合することにより、共鳴周波数ｆｒを低周波数側にシフトさせることができ、これにより３８ＧＨｚのミリ波帯での磁気損失を低減できることが確認された。

ＣｏＯを用意し、〔実施例１〕の試料番号３、〔実施例２〕の試料番号３３、及び〔実施例３〕の試料番号６３のＮｉの一部をＣｏで置換した一般式{（Ｂａ_1-xＳｒ_ｘ）Ｏ・ａＭｅＯ・７．６０（Ｆｅ_0.90Ｍ_0.10）_２Ｏ_３}（ただし、ＭｅはＮｉ及びＣｏ、ＭはＳｎ、Ｉｎ、又はＺｒ）からなる試料番号９１〜９６のフェライト材料を作製した。

次に、〔実施例１〕と同様の方法でこれら各試料の飽和磁化Ｍｓ、異方性磁界Ｈａ、共鳴周波数ｆｒを測定し、さらに半値幅ΔＨを測定して磁気損失を評価した。

表４は各試料番号の組成成分と、飽和磁化４πＭｓ、異方性磁界Ｈａ、共鳴周波数ｆｒ、及び半値幅ΔＨを示している。

この表４の試料番号９１〜９６から明らかなように、ＮｉとＣｏとの配合量により異方性磁界Ｈａ及び共鳴周波数ｆｒは変動するものの、半値幅ΔＨは７．０〜７．６×１０^４（Ａ／ｍ）と小さく、磁気損失を低減できることが分かった。

〔実施例１〕の試料番号３のＮｉの一部をＺｎ、Ｃｕ、Ｍｎで置換した一般式{（Ｂａ_1-xＳｒ_ｘ）Ｏ・ａＭｅＯ・７．６０（Ｆｅ_0.90Ｓｎ_0.10）_２Ｏ_３}（ただし、ＭｅはＮｉ、及びＺｎ、Ｃｕ、Ｍｎのいずれか１種）からなる試料番号１０１〜１０６のフェライト材料を作製した。

次に、〔実施例１〕と同様の方法でこれら各試料の飽和磁化Ｍｓ、異方性磁界Ｈａ、共鳴周波数ｆｒを測定し、さらに半値幅ΔＨを測定して磁気損失を評価した。

表５は各試料番号の組成成分と、飽和磁化４πＭｓ、異方性磁界Ｈａ、共鳴周波数ｆｒ、及び半値幅ΔＨを示している。

この表５の試料番号１０１〜１０６から明らかなように、Ｎｉと、Ｚｎ、Ｃｕ、又はＭｎとの配合量により異方性磁界Ｈａ及び共鳴周波数ｆｒは変動するものの、半値幅ΔＨは７．０〜７．４×１０^４（Ａ／ｍ）と小さく、磁気損失を低減できることが分かった。

〔実施例１〕の試料番号３について、意図的にＭｎＯ及びＺｒＯを添加し、試料番号１１１〜１１６のフェライト材料を作製した。

すなわち、フェライト素原料としてＢａＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３を用意し、これらフェライト素原料を、ａが２．４０、ｂが７．６０、（ｂ／ａは４．００）、ｘが０．２５、ｙが０．１０となるように秤量して調合し、ボールミルで湿式混合した後、大気中で仮焼し、その後、所定量のＭｎＯ及びＺｒＯを添加して湿式粉砕し、比表面積が約５ｍ^２／ｇの仮焼粉末を作製した。

次いで、この仮焼粉末にを酢酸ビニル系バインダと混練してスラリーとし、このスラリーを磁場中で脱水成形し、その後大気中で焼成して焼結体を作製し、一般式{（Ｂａ_0.75Ｓｒ_0.25）Ｏ・２．４０ＮｉＯ・７．６０（Ｆｅ_0.90Ｓｎ_0.10）_２Ｏ_３}で表される試料番号１１１〜１１６のフェライト材料を得た。

次に、各試料番号１１１〜１１６のフェライト材料について、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ発光分析装置）で質量分析を行い、各フェライト材料中のＭｎ及びＺｒの含有量を算出した。

また、インピーダンスアナライザで誘電損失tanδを測定し、さらに、高抵抗測定器を用いて四端子法で比抵抗率ρを測定した。

表６はその測定結果である。

この表６から明らかなように試料番号１１６は、Ｍｎ及びＺｒの含有量総計が１．５２重量％であり、１．５０重量％を超えているため、誘電損失tanδが２７×１０^-4と大きく、抵抗率ρも５．９×１０⁸Ω・ｍと低下することが分かった。

これに対し試料番号１１１〜１１５は、Ｍｎ及びＺｒの含有量総計が１．５０重量％以下であるため、誘電損失tanδが１〜８×１０^-4と小さく、抵抗率ρも８．２×１０¹¹〜６．５×１０¹³Ω・ｍと良好であることが分かった。

本発明に係る非可逆回路素子の第１の実施の形態を示す斜視図である。 本発明に係る非可逆回路素子の第２の実施の形態を示す正面図（ａ）及び要部平面図（Ａ−Ａ矢視図）である。 本発明に係る非可逆回路素子の第３の実施の形態を示す斜視図である。 本発明に係る非可逆回路素子の第４の実施の形態を示す斜視図である。 本発明に係る非可逆回路素子の第５の実施の形態を示す斜視図である。 本発明に係る非可逆回路素子の第６の実施の形態を示す斜視図である。 本発明に係る非可逆回路素子の第７の実施の形態を示す平面図である。 本発明に係る非可逆回路素子の第８の実施の形態を示す斜視図である。 本発明に係る非可逆回路素子の第９の実施の形態を示す斜視図である。 本発明に係る無線装置の一実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明に係るフェライト材料の磁気共鳴半値幅を示す図である。 特許文献２に記載された非可逆回路の斜視図である。

符号の説明

３ フェライト基板
６ フェライト基板
９ フェライト基板
１２ フェライト柱
１４ａ、１４ｂ フェライト基板
１７ フェライト棒
２１ フェライト基板
２６ａ〜２６ｃ フェライト基板
２８ フェライト柱
３１ アイソレータ
３２ サーキュレータ

Claims (5)

1. 一般式{（Ｓｒ_1-xＢａ_x）Ｏ・ａＭｅＯ・ｂ（Ｆｅ_1-yＭ_ｙ）_２Ｏ_３}（ただし、ＭｅはＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＺｎの中から選択された１種以上、ＭはＳｎ、Ｉｎ、及びＺｒの中から選択された１種以上を示す）を主成分とし、かつ主要相の結晶構造がＷ型六方晶構造を有し、前記ａ、ｂ、ｘ、及びｙが、それぞれ
   ２＜ａ≦３、
   ７≦ｂ＜８、
   ０≦ｘ≦１、
   ０＜ｙ≦０．４０
   であることを特徴とするフェライト材料。
2. 前記ｂと前記ａとの比ｂ／ａが、２．３≦ｂ／ａ＜４．０であることを特徴とする請求項１記載のフェライト材料。
3. Ｍｎ及びＺｒのうちのいずれか一方を含有されると共に、前記Ｍｎ及びＺｒの含有量総計が、１．５重量％以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のフェライト材料。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のフェライト材料で形成されたフェライト部材を備えていることを特徴とする非可逆回路素子。
5. 請求項４記載の非可逆回路素子を備えていることを特徴とする無線装置。

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