JP2006157089A - 非可逆回路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型でありながら挿入損失特性が劣化することのない非可逆回路素子を提供する。【解決手段】 フェリ磁性体に複数の中心導体を配した中心導体組立体と、その中心導体と共振回路を構成する複数のキャパシタンス素子を夫々収容する下ケースと、フェリ磁性体に直流磁界を印加する永久磁石と、その永久磁石を収容する上ケースを備えた非可逆回路素子であって、上ケースは、磁性金属からなる薄板から、上面部および４つの側面部を備えた略箱形状に形成し、上ケース内側の前記上面部と前記側面部との稜部に、連続するスリット部を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波信号に対して非可逆伝送特性を有する非可逆回路素子に関し、特には永久磁石を収容する上ケースの改良に関する。

マイクロ波帯、ＵＨＦ帯で使用される携帯電話、自動車電話等の送受信回路部品の一つとしてアイソレータ，サーキュレータ等の非可逆回路素子がある。一般にアイソレータやサーキュレータは、アンプの破損を防止する目的で使用され、信号の伝送方向の挿入損失は小さく、かつ逆方向への逆方向損失は大きくなるような機能を持たせたものである。以下、本明細書では非可逆回路素子のうちアイソレータを例にとって説明する。

図８は従来のアイソレータの分解斜視図である示す。
このアイソレータは、磁気ヨークとして機能する金属ケース（上ケース２２、下ケース２５）、永久磁石３０、中心導体組立体３、平板コンデンサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、ダミー抵抗Ｒｔ、樹脂ケース２７から構成されている。前記中心導体組立体３は、シールド板から放射状に３つの中心導体が突出した構造の導体薄板を用意し、そこにガーネットフェライト５（フェリ磁性体）を配置して、前記３つの中心導体を折り曲げて重ねて一体に構成される。このとき、各中心導体は絶縁されて重ねられる。中心導体の交差角度をそれぞれ１２０°と設定することで、対称性の良い電気的特性（挿入損失、逆方向損失（アイソレーション）、反射特性等）を得ていた。
特開平１１−１６８３０４

前記したアイソレータは、挿入損失等の電気的特性を維持しながら、非可逆回路素子を小型化することが強く求められている。しかしながら、非可逆回路素子を小型化することは、そこに用いられる永久磁石等の構成部品も小型化せざるを得ない。

前記永久磁石として、これまで専らフェライト磁石が用いられている。これは、用いられるフェリ磁性体の飽和磁化の温度係数が、−０．４〜−０．２％／℃と大きい為である。
フェライト磁石として現在最も優れた磁気特性を示すものとして、残留磁束密度Ｂｒが４２０〜４６０ｍＴ、保持力がＨｃ＝２３８〜３５１ｋＡ／ｍ、ｉＨｃ＝２５４〜４１４ｋＡ／ｍ、最大エネルギー積が（ＢＨ）ｍａｘ＝３３．４〜３９．８ｋＪ／ｍ３、残留磁束密度Ｂｒの温度係数（ΔＢｒ／Ｂｒ）が−０．１８〜−０．２０％℃の磁気特性を有するＬａＣｏ置換型フェライト磁石が知られている。

しかしながら、前記した永久磁石を小型化せざるを得ない状況においては、前記ＬａＣｏ置換型フェライト磁石であっても、フェリ磁性体に印加される外部磁界が不足し、中心導体の交差角度（例えば１２０°）に応じた高周波磁界の回転角を得るのが困難な場合があった。このため、挿入損失等の電気的特性が劣化するといった問題があった。

図９は、従来の上ケース２２に永久磁石を配置した場合の一例である。この断面部分拡大図に示すように、従来の上ケース２２においては、その側面部２３と上ケース内側の前記上面部２６との稜部に、側面部形成時の折り曲げ加工によってＲ０．１０〜Ｒ０．１５程度の曲面Rが形成されていた。前記上ケース２２に配置される前記永久磁石３０は、その面積を極力大きく構成するように略矩形板状に形成すると、前記上ケース２２の曲面部と永久磁石３０の稜部とが干渉し、永久磁石３０と上ケース内側の前記上面部２６との間に磁気ギャップを形成し、フェリ磁性体印加される外部磁界を減じてしまう。
これを避けるため、永久磁石は３０を側面部２３から少なとくも０．１５ｍｍ以上の距離をもって配置する必要があり、この結果、永久磁石３０の外形寸法を、上ケース２２の開口面積よりも、小さなものとせざるを得なかった。

そこで本発明は、非可逆回路素子に用いられる上ケースに改良を施すことにより、前記上ケースに収容される永久磁石のフェリ磁性体と対向する面の面積を、実質的に上ケースの４つの側面部に囲まれた領域のほぼ全体となるようにして、必要な外部磁界を得ることにより、小型でありながら挿入損失特性が劣化することのない非可逆回路素子を提供することを目的とする

本発明は、フェリ磁性体に複数の中心導体が配された中心導体組立体、前記中心導体の一端が接続される複数のキャパシタンス素子を夫々収容する下ケースと、フェリ磁性体に直流磁界を印加する永久磁石と、前記永久磁石を収容する上ケースを備えた非可逆回路素子であって、前記上ケースは、磁性金属からなる薄板から、上面部および４つの側面部を備えた略箱形状に形成され、上ケース内側の前記上面部と前記側面部との稜部に、連続するスリット部を設けた非可逆回路素子である。

前記永久磁石の形状は円、楕円、多角形等、特に限定されるものでは無いが、平面的な面積が最も大きくなる略矩形板状に形成するのが好ましい。どのような形状であっても、本発明によれば、前記上ケース側面部内側と近接する前記永久磁石の側面との間に、不必要に間隔を設けずとも、ほぼ隙間無く密接状態とすることが出来る。また、前記上ケースと永久磁石の稜部とが干渉することが無いので、永久磁石を上ケース内側の上面部に密接して配置することが出来る。 なお、矩形状の永久磁石を用いる場合には、その隣り合う側面の稜部をＲ面状、Ｃ面状に切欠いて構成する場合も本発明の範囲内である。

さらに、前記下ケースを、磁性金属からなる薄板から形成された下面部、および対向する２つの側面部を備えた金属フレームと、前記金属フレームの側面部側及び下面部側に延在するとともに、前記側面部とは異なる他の２つの側面部を形成する樹脂フレームを備えるものとし、前記上ケースの２つの側面部外側と、前記金属フレームの２つの側面部内側とを向かい合せ、かつ、前記上ケースの他の側面部と、前記樹脂フレームの２つの側面部とを積み重ねて配置することで、側面部においても磁気ギャップを小さく出来る。漏れ磁束の発生が抑制されるため、外部磁界を減じることが無い。 また、前記樹脂フレームの２つの側面部に前記上ケースの他の側面部を積み重ねる構成として、前記樹脂フレームの２つの側面部を前記上ケースの高さ方向の位置決めに利用している。このように構成することで、前記永久磁石とフェリ磁性体との間隔を精度良く構成出来、フェリ磁性体に印加される外部磁界のばらつきを減少させている。

本発明によれば、上ケースに収容される永久磁石のフェリ磁性体と対する面の面積を増加させる（実質的にはフェリ磁性体の体積を増加させている）ことが出来るので、小型かつ実用的な電気的特性を備える非可逆回路素子を提供することが出来る。

図１は、本発明の一実施例に係る非可逆回路素子に用いる上ケースの表面側斜視図である。図２はその裏面平面図であり、図３は図１で示した上ケースのＡ−Ａ’断面図ある。

本実施例に係る非可逆回路素子は、その主な構造は図８に示した従来のものと同様に、磁気ヨークとして機能する金属ケース（上ケース２２、下ケース２５）、矩形状の永久磁石３０、中心導体組立体３、平板コンデンサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、ダミー抵抗Ｒｔ、樹脂ケース２７から構成されている。前記中心導体組立体３は、シールド板から放射状に３つの中心導体が突出した構造の導体薄板を用意し、そこにガーネットフェライト（フェリ磁性体）を配置して、前記３つの中心導体を折り曲げて重ねて一体に構成される。

本発明の非可逆回路素子は上ケース２２に特徴を有する。この上ケース２２は、磁性金属からなる薄板からなり、上面部２６および、その周縁から立設され、一体的に形成された４つの側面部２３ａ〜２３ｄを備え、上ケース内側の上面部２６と４つの側面部２３ａ〜２３ｄとの稜部に、連続するスリット部２１ａ〜２１ｄを設けて略箱形状としたものであって、金属材料からなる長尺状のシート材をプレス加工機で所定の形状に打ち抜いたフープ材から形成される。
図４はその一例を示すフープ材の平面図である。長尺状のフープ材の帯状部１００には、それぞれ所定の間隔でスプロケットホール１２０が設けられている。帯状部１００から延在する複数の支持部１３０の先端には、非可逆回路素子の上ケースとなる金属板１４０が一体的に設けられている。しかる後、前記フープ材を金型で折曲げて上ケースの側面部を形成するとともに、フープ材から上ケース１２を切り離す。なお、スリット部２１ａ〜２１ｄとなる溝は、例えば前記折曲用の金型に設けられた凸部で４ヶ所打設形成する。

本発明の非可逆回路素子では、上ケース内側の上面部２６を溝状に窪ませて前記スリット部２１ａ〜２１ｄを形成して逃がしとし、永久磁石の稜部との干渉を避けている。
図５は、永久磁石３０を配置した上ケース２２の断面図である。前記スリット部２１ａ〜２１ｄによって、永久磁石３０を、その各側面と前記上ケースの各側面部２３ａ〜２３ｄの内側とを、ほぼ隙間無く密接するように上ケースに収容することが出来る。このため永久磁石３０を、上ケースの開口面積と略同じに形成出来、フェリ磁性体に印加する外部磁界をより大きなものとすることが出来る。
さらに上ケース２２内側の前記上面部に、永久磁石３０を傾き無く密着して配置することが出来るので、磁気ギャップが生じることが無く、均一にフェリ磁性体に外部磁界を印加することが出来る。

この上ケース２２を構成する金属材料は、磁気回路の一部として用いられるので、磁気特性に優れた磁性材料を選択する。例えば、ＳＰＣＣ，４２Ｎｉ・Ｆｅ合金，４５Ｎｉ・Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金などの金属材料は磁気特性に優れるものであって、これらの金属材料を、１００〜３００μｍ程度に冷間圧延又は熱間圧延したものを用いるのが好ましい。その磁気特性は最大透磁率が５０００以上で、飽和磁束密度は１．４テスラ以上であるのが望ましい。さらに、その表面には、銀、銅、金、アルミニウムのうち、少なくとも一つを含む金属または合金で、電気抵抗率が５．５μΩ・ｃｍ以下、好ましくは３．０μΩ・ｃｍ、更に好ましくは１．８μΩ・ｃｍ以下の導電性の高い金属皮膜が形成されているのが好ましい。このときの皮膜厚さは０．５〜２５μｍ、好ましくは０．５〜１０μｍ、更に好ましくは１〜８μｍである。このように構成することで、非可逆回路素子としたときに、前記金属皮膜によって、高周波信号の伝送効率を高め、外部との相互干渉を抑制して損失を低減することができる。

以下、本発明の他の実施例に係る非可逆回路素子について説明する。 この非可逆回路素子は、図６の分解斜視図に示すように、フェリ磁性体５と、このフェリ磁性体５に近接して互いに電気的絶縁状態で交差するように配置された第１及び第２中心導体Ｌ１，Ｌ２を有する中心導体組立体３と、第１及び第２整合用コンデンサが形成された多層基板１０と、前記多層基板１０、中心導体組立体３等を収容し、外側にはマザーボードとの接続を行う６つの外部端子ＩＮ（Ｐ１）、ＯＵＴ（Ｐ２）、ＧＮＤを有する樹脂一体型下ケース２５と、フェリ磁性体５に直流磁界を供給する永久磁石３０、及び前記永久磁石３０とを収容して磁気回路を形成する上ケース２２とを備えた２ポートアイソレータである。

この２ポートアイソレータは、図１０に示す等価回路を有し、第１入出力ポートＰ１と第２入出力ポートＰ２との間に電気的に接続されている第１中心電極Ｌ１と、前記第１中心電極Ｌ１と電気的絶縁状態で交差して配置され、第２入出力ポートＰ２とアースとの間に電気的に接続されている第２中心電極Ｌ２と、前記第１入出力ポートＰ１と前記第２入出力ポートＰ２の間に電気的に接続された第１整合用コンデンサＣｉ及び抵抗素子Ｒと、前記第２入出力ポートＰ２とアースの間に電気的に接続され、前記第２中心電極Ｌ２と並列共振回路を構成する第２整合用コンデンサとを有するものである。

第１中心導体Ｌ１と第２中心導体Ｌ２とは、それぞれ複数の帯状導体で構成され、永久磁石３０により直流磁界が印加されるフェリ磁性体５の主面もしくは内部に、互いに絶縁状態で交差するように配置される。第１整合用コンデンサＣｉと、第２整合用コンデンサＣｆは、セラミック多層基板１０の内部に電極パターンで形成されており、前記セラミック多層基板１０の主面には、前記第１中心導体Ｌ１、第２中心導体Ｌ２の両端部が電気的に接続される接続パッド１５，１７，１８が形成されている。前記接続パッド１７はビアホール電極を介して、セラミック多層基板１０の裏面に形成された端子電極ＩＮ（Ｐ１）と接続される。接続パッド１８はビアホール電極を介して他の端子電極ＧＮＤと接続されている。また、電極パッド１５は、ビアホール電極を介して端子電極ＯＵＴ（Ｐ２）と接続している。なお、図６には端子電極ＩＮ、ＯＵＴ、ＧＮＤは図示していない。

樹脂一体型下ケース２５は、６つの外部端子ＩＮ（Ｐ１），ＯＵＴ（Ｐ２），ＧＮＤを備えるものであり、各構成部品を収容するケースであるとともに、磁気ヨークとしても機能する。前記磁気ヨークを構成する金属フレームは、下面部２５ｂから立設された二つの側面部２５ａを有し、構成材料としては、磁気特性に優れたＳＰＣＣやＦｅ-Ｃｏ合金、４２アロイ等の磁性金属材料を使用するのが望ましい。

この金属フレームと前記６つの外部端子は、樹脂一体型下ケース２５の他の側面部２７ａ、２７ｂを形成する樹脂部（図中斜線で示す）で一体化される。その方法としては、インサート成形などの周知の成形方法を用いることが出来る。 例えば、磁性金属材料からなるシート状部材を、プレス加工機で所定の形状に打ち抜き、折り曲げ加工した金属フレームと、外部端子ＩＮ（Ｐ１），ＯＵＴ（Ｐ２）とがフレームに連接した状態のフープ状の部材とし、これを金型内に配置し、液晶ポリマーやポリフェニレンサルファイド等の高耐熱の熱可塑性エンジニアリングプラスチックを用いてインサート成形する。成形後、下ヨーク２５ａ、外部端子ＩＮ（Ｐ１）及びＯＵＴ（Ｐ２）とを接続しているリード部を金型で切断して樹脂一体型下ケース２５としている。

樹脂一体型下ケース２５の４つの側面側面２５ａ、２７で囲まれた領域の底面には、前記外部端子ＩＮ（Ｐ１）あるいはＯＵＴ（Ｐ２）と一体の接続端子が露出している。前記底面部２５ｂは平たく形成されており、前記樹脂一体型下ケース２５の内側に矩形平板状の多層基板１０を収容配置して、多層基板１０に形成された端子電極と前記接続電極とを適宜はんだ接続する。

本実施例で用いた前記上ケースは、図１乃至３に示したものと同様の構造であって、厚みが０．１５ｍｍの磁性金属材料からなり、上面部２６および４つの側面部２３ａ〜２３ｄを備え、上ケース内側の前記上面部の前記側面部との稜部に、幅０．０５ｍｍで連続するスリット部を設けた略箱形状の上ケースである。四つの側面部２３ａ〜２３ｄで区画される部分（開口部）の寸法を、２．９ｍｍ×２．４ｍｍとしている。前記上ケース、樹脂一体型下ケース２５は互いに同じ材質を用いても良いし、異なる材質の磁性金属材料を使用しても良い。

前記上ケース２２に収容される永久磁石３０は、外形寸法が、２．８ｍｍ×２．３ｍｍ×０．５ｍｍの矩形状に形成された前記ＬａＣｏ置換型フェライト磁石を用いた。上ケースの四つの側面部２３ａ〜２３ｄと永久磁石の側面との間隔は、±０．０５ｍｍとなっている。

前記上ケースの四隅には、高さ方向に連続する切り欠き部２２ａ〜２２ｄが形成されており、この切り欠き部２２ａ〜２２ｄを、樹脂一体型下ケース２５の四隅に形成された樹脂柱状部２６ａ〜２６ｄに沿って挿入し、樹脂一体型下ケース２５を構成する金属フレームの側面部２５ａの内側に上ケース２２の側面部が位置するようにして、上ケースと樹脂一体型下ケースとを正確に組み立てた。
そして、樹脂一体型下ケース２５の金属フレームの側面部２５ａと、上ケース２２の側面部２３ａ、２３ｃとを半田付けし、あるいは接着剤で固定して、図７に示した２ポートアイソレータを構成した。

比較例として、前記スリット部を形成していない上ケース用いて、非可逆回路素子を作製した。この上ケースは、実施例と同じ開口部寸法で形成されているが、その稜部には、側面部を折り曲げ形成する際に生じたＲ０．１の曲面を有する。永久磁石は、実施例同様、ＬａＣｏ置換型フェライト磁石を用いているが、前記曲面と干渉しないように、外形寸法が２．６ｍｍ×２．１ｍｍ×０．５ｍｍの矩形状に形成している。このため、その面積は、実施例のものと比べて８５％程度となっている。そして、上ケースの側面部と永久磁石の側面との間隔は、０．１ｍｍ±０．０５ｍｍとなっている。

以上のようにして得られた、非可逆回路素子の電気的特性を評価したところ、比較例のものは挿入損失が実施例のものと比べて、０．１５ｄＢ〜０．２ｄＢ程度劣っていた。

本発明によれば、上ケースに収容される永久磁石の、フェリ磁性体と対する面の面積を容易に増加させることが出来、その結果、非可逆回路素子として動作するのに必要な外部磁界を得ることが出来、もって小型でありながら挿入損失特性が劣化することのない非可逆回路素子を提供することが出来る。

本発明の一実施例に係る非可逆回路素子に用いる上ケースの斜視図である。 本発明の一実施例に係る非可逆回路素子に用いる上ケースの裏面平面図である。 図１に示した上ケースのＡ−Ａ’断面図である。 本発明の一実施例に係る非可逆回路素子に用いる上ケースを構成するフープ材の平面図である。 本発明の一実施例に係る非可逆回路素子に用いる上ケースに永久磁石を配置した状態の断面図である。 本発明の他の実施例に係る非可逆回路素子の分解斜視図である。 図６に示した非可逆回路素子の斜視図である。 非可逆回路素子の分解斜視図である。 従来の非可逆回路素子に用いる上ケースに永久磁石に配置した状態の断面図である。 本発明の一実施例に係る非可逆回路素子の等価回路図である。

符号の説明

３ 中心導体組立体
５ フェリ磁性体
１０ 多層基板
２２ 上ケース
２５ 樹脂一体型下ケース
３０ 永久磁石

Claims (3)

1. フェリ磁性体に複数の中心導体が配された中心導体組立体と、前記中心導体と共振回路を構成する複数のキャパシタンス素子を夫々収容する下ケースと、前記フェリ磁性体に直流磁界を印加する永久磁石と、前記永久磁石を収容する上ケースを備えた非可逆回路素子であって、
   前記上ケースは、磁性金属からなる薄板から、上面部および４つの側面部を備えた略箱形状に形成され、上ケース内側の前記上面部と前記側面部との稜部に、連続するスリット部を設けたことを特徴とする非可逆回路素子。
2. 前記上ケースに配置される前記永久磁石の側面と、前記上ケース側面部内側とがほぼ隙間無く密接していることを特徴とする請求項１に記載の非可逆回路素子。
3. 前記下ケースは、磁性金属からなる薄板から形成された下面部、および対向する２つの側面部を備えた金属フレームと、前記金属フレームの側面部側及び下面部側に延在するとともに、前記側面部とは異なる他の２つの側面部を形成する樹脂フレームを備え、 前記上ケースの２つの側面部外側と、前記金属フレームの２つの側面部内側とを向かい合せ、かつ、前記上ケースの他の側面部と、前記樹脂フレームの２つの側面部とを積み重ねて配置したことを特徴とする請求項２に記載の非可逆回路素子。

Images