JP2009141367A - 永久磁石を含む誘導装置及び関連方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
より低い損失、より高いＱ値及び効率を持った誘導器の必要性が存在する。
【解決手段】
無線周波(RF)誘導器は、非導電性且つフェリ磁性で、環状形を有するコア、及びコア上のコイル巻線を含む。少なくとも１の永久磁石体は、コアの内部の固定位置に位置し、少なくとも１の永久磁石体上に導電ＲＦ遮蔽層が存在する。コアは、例えばフェライトであってもよい。導電ＲＦ遮蔽層は、例えば、導電メッキ層又は、永久磁石体を取り囲む金属箔であってもよい。永久磁石からの磁界は、損失を減らすために誘導器コアに印加され、永久磁石はＲＦ磁界を避けるために導電遮蔽層に含まれてもよい。誘導器は小さく作られ、増加したＱ値及びその結果の効率を持つ。ＲＦ誘導器は、ＲＦ通信回路、例えばアンテナ結合器に応用可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線通信分野に関する。特に本発明は、誘導器と関連方法に関する。

誘導器は、アクチュエータ、リレー、モータ、直流対直流コンバータ及び無線周波（ＲＦ）回路のような広範囲の装置に使われる基本的電磁部品である。大きいインダクタンスを持った誘導器は通常、かさばる誘電又はフェリ磁性コアの周りに巻いた導線を含み、電力コンバータ及びリレーに用いられる。小さいインダクタンスを持った無線周波誘導器は通常、空気又はフェライトコアを有するヘリカル（らせん）コイルであって、ＲＦ回路及び通信機器に用いられる。

マイクロ波領域の誘導器は、製作するために小さくなり過ぎ、低効率及びＱ値に苦しんでいる。従来のＲＦ誘導器技術は、結果としてたびたび放棄された。例えば、フェライトコア又は調節可能コイルスラグは、フェライト中の渦電流損によりＶＨＦより上の周波数では使えない。シリコン基板を通る磁界循環は、渦電流損、及び通常の寄生キャパシタンスより高いキャパシタンスを起こす結果となるので、プリント螺旋誘導器でさえ、マイクロ波周波数で有用性が制限される。

無線周波（ＲＦ）磁性材は、磁界が通り抜けるために非導電又はそれに近くなければならない。例えば、もし中身の詰まった純鉄又はスティールのコアがＲＦ誘導器の中に置かれるとインダクタンスは落ちる。ただし、もし同材料が細かに絶縁粒に分割されればインダクタンスは増加する。これはペンタカルボニル鉄又は「鉄粉」誘導器コアの基礎である。そこでは粉の粒子は絶縁塗装可能で、粒子の大きさは導電体ＲＦの表皮の厚さより大きくない。非導電、高磁気原子は室温大気圧で未知である。

ＲＦ磁性材は、天然磁石又はマグネタイトとしてのみ天然に存在する。誘電体誘電率が極性分子の双極子モーメントとして原子間で起こるのに対し、透磁率は、原子スピンによって起こる現象である。分子の新しいタイプが原子の新しいタイプより簡単に作ることができるので、原子の１００のタイプについて、新磁性材のための選択肢が誘電体のそれより制限される。誘電効果が双極子モーメントとして原子間で起こるのに対し、磁気効果は、スピン物理学として原子内部で起こる現象である。フェリ磁性材はフェライトとざくろ石で、高抵抗（１０⁷Ωｍ）であり且つＲＦ及びマイクロ波周波数で使用できる。強磁性材料は一般に、金属製、導電性で、ＲＦでの応用には不向きである。

最初の合成ＲＦフェライトは、オランダ国フィリップス研究所のJ.L.Snoekに帰される。磁性物質は、異性体インピーダンス(isoimpedance)磁石誘電体(magnetodielectrics)（（μ＝ε）＞＞１）（”Schornsteinteger”(Chimney
Sweep),H.A.Schade, 米海軍ヨーロッパ派遣技術任務、Tech Rep. 90-45 AD-47746, １９４５年５月）を含むドイツの開発で、第２次世界大戦中戦略物質であった。

ニッケル亜鉛フェライトコアは通常、相対的に小さい誘導体に対して高効率を提供する。しかし、ニッケル亜鉛フェライトは、完全な絶縁物ではない。部分導電により渦電流が形成可能で、熱として抵抗損が示される。

Goldberg等の米国特許番号５，４５０，０５２は、「高出力オーディオ及び無線周波数への応用のための磁気的可変誘導器」という名称である。その特許は、磁気コアを内部に有するソレノイドを含む高出力、高周波応用のための磁気的可変誘導器を開示する。それは、高出力、高周波信号、及びソレノイドに結合した可変電流源を運ぶため導電体の周りに同軸に配置されるので、ソレノイドを通る電流の操作は、導電体用の可変インダクタンスで行う結果となる。

より低い損失、より高いＱ値及び効率を持った誘導器の必要性が存在する。無線通信周波数をどんどん高くすると、その必要性は更にもっと、急性となる。携帯電話のような典型的ＲＦ通信装置は、２０以上の誘導器を使用することができる。

上に述べたような背景において、本発明の目的は、増加したＱ値及び効率を持ったＲＦ誘導器を提供することである。

本発明によるこの及び他の目的、機能、及び利点は、非導電性且つフェリ磁性の、内部を定める環状形を有するコアを含み、少なくともコアの一部を取り巻く巻線コイルを含む無線周波誘導器によって提供される。少なくとも１つの永久磁石体は、コア内部の固定位置にあり、導電ＲＦ遮蔽層は、少なくとも１つの永久磁石体上にある。

コアは、フェライト又はニッケル亜鉛フェライトであってもよい。導電ＲＦ遮蔽層は、例えば、永久磁石体を取り巻く導電性メッキ層か又は永久磁石体を取り巻く金属箔であってもよい。永久磁石は、向かい合う第１と第２の位置でコアを横切る１つの磁気軸を定める事ができる。永久磁石は、円筒形永久磁石又は例えば、積み重なるように配置されたボタン型磁石を含んでもよい。

方法面は、以下のような無線周波（ＲＦ）誘導器を作ることが指示される。その方法は、非導電性且つフェリ磁性の、内部を定める環状形を有するコアの提供、及び少なくともコアの一部を取り巻く巻線コイルの配置を含む。その方法は、コア内部の固定位置に少なくとも１つの永久磁石体を配置し、少なくとも１つの永久磁石体上にある導電ＲＦ遮蔽層を提供することを含む。

このように、永久磁石からの磁界は、損失を減らすために誘導器コア、例えば、フェライトコアに印加され、ＲＦ場を避けるために永久磁石は導電遮蔽で包まれる。相対的に小さい誘導体は、増加したＱ値と効率を持ち、ＲＦ通信回路例えば、アンテナ結合器として適用可能である。

本発明は、以降に記述される実施例を参照することにより明らかとなるであろう。これらの実施例は、添付図面に記述される。本発明は、しかし、種々の形に具体化され、これらの実施例に限られて構成されていない。むしろ、この明細書の記述が完全で、当業者に本発明の範囲が十分に伝わるようにこれらの実施例が提供される。本明細書を通じて類似の番号は類似の要素を参照し、数字右肩のプライム符号は、代替的実施例における類似要素を示すのに使われる。

本発明の実施例の効果は、増加したＱ値及び効率を持ったＲＦ誘導器を提供することである。

図１を先ず参照して、無線周波（ＲＦ）誘導器１０が記述される。ＲＦ誘導器１０は、非導電性且つフェリ磁性の、内部１４を定める環状形を有するコア１２を含む。コア１２は例えば、フェライト又はニッケル亜鉛フェライトであってもよい。巻線コイル１６
はコア１２の少なくとも一部を取り巻く。永久磁石体１８は、コア１２の内部１４内の固定位置にある。導電ＲＦ遮蔽層２０は、永久磁石体１８にある。

永久磁石体１８が、コア１２への磁気引力によって保持可能であるが、コア内部領域内の永久磁石体の位置を固定する他の方法は又、当業者によって考慮可能である。例えば、コア１２と永久磁石体１８は、接着剤又はプラスチッククリップによってプリント基板のような基板に固定可能である。

導電ＲＦ遮蔽層２０は例えば、図３の断面図に示されるように、永久磁石体１８を取り巻く導電性メッキ層か又は永久磁石体を取り巻く金属箔であってもよい。永久磁石体１８は、向かい合う第１と第２の位置でコア１２を横切る磁気軸Ａを定める事ができる。永久磁石体１８は、図１に示すように円筒永久磁石を含むことができる。代替的に、図２に示すように、永久磁石体１８は例えば、積み重なるように配置された複数の（例えば２個）ボタン型磁石１８’を含んでもよい。

このように本発明は磁界のための別の磁気回路又は磁路を含む：１つは「直流」（安定状態）Ｈ場及びもう１つのＲＦ Ｈ場である。ＲＦ磁界は直流磁界と異なり、導電材料を十分には貫かないので、ＲＦ表皮効果は、永久磁石体１８内のローパス磁気回路を提供するのに用いられる。このように、永久磁石体１８は、コア１２によって与えられる環状磁気回路の周りに存在するＲＦ磁界に対する分路として作用しない。反対に、コア１２は永久磁石体１８の安定直流磁界を容易に伝え、直流磁界は、コア１２の周りで２つの磁路に分かれる；１は時計周り、他は反時計周りである。

図４は、図２のＲＦ誘導装置１０’の例に一体化した帯域消去フィルターの測定挿入損失(S₂₁)を示すグラフであり、従来の環状誘導器を使った同じフィルターと比較される。
フィルター間の唯一の相違点は、永久磁石体１８への包含と巻線コイル１６における巻数の増加にある。表１に更に、従来装置と本発明の動作パラメータを詳述する。

本発明によりなされた実施の促進は勿論、永久磁石体１８が適用される特定のフェリ磁性誘導体設計に依存し変化する。より大きいコアが電力操作用に優先するので、その実施例は磁石の導入に先だって少ない巻数の相対的に大きいコアを用いた。両方の場合でコンデンサーは、損失が無視できる銀メッキされた雲母タイプであったので、フィルターのＱ値は大体誘導器のＱ値であった。

コア透磁率μは、誘導器の巻数Ｎと透磁率μとの間の共通の関係から以下のように計算できる：

Ｌ＝ｋμＮ^２

ここでｋは、与えられたコアのインダクタンス指数で、しばしば実験的に決められる。一定のインダクタンスでは、

μ＝ｋＬ／Ｎ^２

となる。

本発明の動作理論が今から記述される。フェリ磁性コア無線周波(RF)誘導器において、全損は巻線中の銅の導体損失よりも主に磁心損失により支配される。本発明が指向しているＨＦ及びＶＨＦのようなより高いＲＦ周波数ではこのことは特に、そうである。このことによりＱ値と効率の改良は、コア透磁率の減少により及び特定のインダクタンスを維持するために必要な追加巻数を追加することにより獲得できる。本発明においてコア透磁率は、コア材の磁気スピンを捕捉し制限する永久磁石からの静止磁界を導入することにより減少される。このように、永久磁石が許すコア透磁率の減少及び巻数の増加により、全体の損失は減少する。コア損は静止磁束密度よりむしろ交流磁束密度に起因するので、誘導器コア損はそれら自身、永久磁石バイアスにより増加しない渦電流及びヒステリシスに起因する。

試験されたフェライト環状コア誘導器への強い永久磁石の導入は典型的に、誘導器インダクタンスを約５倍から１０倍減らした。当業者にとってなじみがあるように、導入された磁石で同じインダクタンスを補償獲得するためには、誘導器コアの巻数Ｎは増加する。結果として生じる永久磁界バイアス誘導器は、バイアス無しの誘導器と同じインダクタンスを持つが、低い損失と高いＱ値を持つ。

通信チャネル直線性（相互変調の結果又はスプリアス信号から自由）は、フェライトコア誘導器を用いた回路に固有の設計的考慮である。本発明において、効率と直線性は複雑な関係で交換可能である：小永久磁界バイアスで、直線性は実際、特に飽和から離れた磁束密度で改良されうる。反対に、直線性を飽和近くで減少できる。背景として、直線性は、
磁区（フェリ磁性材において類似的に磁気的に方向性のある原子）の大きさの急速な変化により起こる磁区グルーピング又はバルクハウゼン効果に関係する。一般的に、誘導器コア材は、より直線性を与えるがより直流バイアスされにくい粉末のペンタカルボニル鉄タイプのコア、及びより非直線的であるが効率促進のためより容易に直流バイアス可能なフェライトを含む。粉末の鉄コアは一般的に、フェライトより飽和されにくい。

方法面は以下のような無線周波(RF)誘導器１０，１０’を作るように指示される。その方法は、非導電性でフェリ磁性のコア１２，１２’を提供し、内部１４，１４’を定める環状形を有し、且つ少なくともコアの一部を取り巻くコイル巻線１６，１６’を配置する事を含む。その方法は、少なくとも１の永久磁石体１８，１８’をコア１２，１２’の内部１４，１４’内の固定位置に配置し、少なくとも１の永久磁石体上に導電ＲＦ遮蔽層２０，２０’を提供することを含む。

従って、誘導装置１０，１０’において、永久磁石１８，１８’からの静止（ＤＣ）磁界が損失を減らすためにコア、例えばフェライトコアに印加され、永久磁石はＲＦ磁界を避けるために例えばメッキされ又は金属箔に巻かれる形で導電遮蔽層２０，２０’に含まれる。永久磁石の位置は、フェライト環状誘導器コアに、例えばギリシャ文字Φの形のように存在する。相対的に小さい誘導装置１０，１０’は、増加Ｑ値及び効率を持ち、ＲＦ通信回路、例えばアンテナ結合器に応用可能である。より高効率のフェライト又は粉末鉄心ＲＦ誘導器は、本発明を通しより高周波で達成できる。

本発明は、例えば、広範囲の装置に使われる基本的電磁部品に利用することができる。

本発明の実施例による遮蔽され且つ固定された永久磁石を含むＲＦ誘導装置を概略的に図示する。 本発明のもう１つの実施例による遮蔽され且つ固定された永久磁石を含むＲＦ誘導装置を概略的に図示する。 本発明の実施例による永久磁石体及び関連ＲＦ遮蔽層の部分的断面図である。 図２のＲＦ誘導装置に一体化した帯域消去フィルターの挿入損失(S₂₁)を、従来の環状誘導器を使った同じものとデシベル単位で比較したグラフを示す。

符号の説明

１０，１０’ 無線周波（ＲＦ）誘導器
１２、１２’ コア
１４，１４’ 内部
１６、１６’ 巻線コイル
１８，１８’ 永久磁石体
２０，２０’ 導電ＲＦ遮蔽層
Ａ 磁気軸

Claims (10)

1. 無線周波(RF)誘導器であって：
   内部を定める環状形を有する非導電性でフェリ磁性のコア；
   少なくともコアの一部を取り巻く巻線コイル；
   コアの内部の固定位置に位置する少なくとも１の永久磁石体；及び
   少なくとも１の永久磁石体に存在する導電ＲＦ遮蔽層
   を含む無線周波(RF)誘導器。
2. コアがフェライトを含む請求項１の誘導器。
3. コアがニッケル亜鉛フェライトを含む請求項１の誘導器。
4. 導電ＲＦ遮蔽層が少なくとも１の永久磁石体を取り巻く導電メッキ層を含む請求項１の誘導器。
5. 少なくとも１の永久磁石体が円筒永久磁石を含む請求項１の誘導器。
6. 無線周波(RF)誘導器を作成するための方法であって：
   内部を定める環状形を有する非導電性でフェリ磁性のコアを提供するステップ；
   少なくともコアの一部を取り巻く巻線コイルを配置するステップ；
   コアの内部の固定位置に少なくとも１の永久磁石体を配置するステップ；及び
   少なくとも１の永久磁石体に導電ＲＦ遮蔽層を提供するステップ
   を含む方法。
7. コアを提供することがフェライトコアを提供することを含む請求項６の方法。
8. コアを提供することがニッケル亜鉛フェライトコアを提供することを含む請求項６の方法。
9. 導電ＲＦ遮蔽層を提供することが少なくとも１の永久磁石体を取り巻く導電メッキ層を提供することを含む請求項６の方法。
10. 少なくとも１の永久磁石は、円筒形永久磁石を含む請求項６の方法。

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