JP2019165405A - 非可逆回路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 中心電極８やフェライト板４の過度な温度の上昇が抑制された非可逆回路素子を提供する。【解決手段】 永久磁石１１と、フェライト板４と、永久磁石１１の下面とフェライト板４の上面との間に設けられた中心電極８と、を備え、永久磁石１１が発生させた直流磁界がフェライト板４に印加される非可逆回路素子であって、さらに、非磁性体からなる第１放熱体１２を備え、第１放熱体１２が、フェライト板４の上面に直接または間接に接する領域と、永久磁石１１の側面の少なくとも一部に直接または間接に接する領域と、を有するものとする。【選択図】 図２

Description

本発明は、アイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子に関する。

携帯電話やスマートフォンなどの電子機器に、信号を伝送方向のみに通過させ、逆方向への伝送を阻止する、アイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子が広く使用されている。

特許文献１（特開昭５５-１０５４０４号公報）に、そのような非可逆回路素子が開示されている。

図８に、特許文献１に開示された非可逆回路素子１０００を示す。ただし、図８は、非可逆回路素子１０００の分解斜視図である。

非可逆回路素子（ストリップライン・サーキュレータ）１０００は、上から順番に、永久磁石（金属磁石）１０１、永久磁石（フェライト磁石）１０２、中心電極（中心導体）１０３、フェライト板（フェライトコア）１０４、グランド導体（地導体）１０５、永久磁石（金属磁石）１０６が積層された構造からなる。中心電極１０３は、３本の伝送線路１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃを有している。

非可逆回路素子１０００は、永久磁石１０１、１０２、１０６が発生させた直流磁界がフェライト板１０４に印加されることによって、伝送線路１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃを入出力ポートにして、非可逆回路素子として機能する。

特開昭５５-１０５４０４号公報

非可逆回路素子１０００には、中心電極１０３やフェライト板１０４が発生させた熱が効率的に放熱されず、中心電極１０３やフェライト板１０４の温度が過度に上昇してしまい、電気的特性や信頼性が低下してしまうという問題があった。

すなわち、非可逆回路素子１０００においては、中心電極１０３に高周波電流が流れると、抵抗成分によって中心電極１０３が発熱する。また、中心電極１０３に近接して配置されたフェライト板１０４も、磁気損失および誘電体損失によって発熱する。

しかしながら、中心電極１０３やフェライト板１０４に積層される永久磁石１０１、１０２、１０６は、一般的に、熱伝導率が５〜１５Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低い。そのため、中心電極１０３やフェライト板１０４が発生させた熱の放熱が、永久磁石１０１、１０２、１０６によって妨げられ、中心電極１０３やフェライト板１０４の温度が過度に上昇してしまう場合があった。

そして、中心電極１０３やフェライト板１０４の温度が過度に上昇してしまうことによって、非可逆回路素子１０００の電気的特性や信頼性が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一実施態様にかかる非可逆回路素子は、上面と、下面と、上面と下面とを繋ぐ側面とを有する永久磁石と、上面と、下面とを有するフェライト板と、永久磁石の下面と、フェライト板の上面との間に設けられた中心電極と、を備え、永久磁石が発生させた直流磁界がフェライト板に印加される非可逆回路素子であって、さらに、非磁性体からなる第１放熱体を備え、第１放熱体が、フェライト板の上面に直接または間接に接する領域と、永久磁石の側面の少なくとも一部に直接または間接に接する領域と、を有するものとする。

なお、第１放熱体がフェライト板と間接に接するとは、第１放熱体とフェライトとが、間にシートなどを介して接する場合をいう。同様に、第１放熱体が永久磁石と間接に接するとは、第１放熱体と永久磁石とが、間にシートなどを介して接する場合をいう。

第１放熱体が、永久磁石を囲むように配置されてもよい。この場合には、第１放熱体によって、永久磁石の熱を効率的に放熱することができる。

フェライト板の上面が、中心電極と、第１放熱体とで覆われてもよい。この場合には、第１放熱体によって、フェライト板の熱を効率的に放熱することができる。

永久磁石が希土類磁石であってもよい。すなわち、希土類磁石の熱伝導率は、一般的に、１０〜１５Ｗ／ｍ・Ｋ程度あり、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ程度のフェライト磁石に比べて２〜３倍大きいため、上記のように永久磁石に希土類磁石を使用することによって、永久磁石を経由した放熱の効率を向上させることができる。

第１放熱体が非磁性体の金属からなり、第１放熱体の下面に、第１放熱体と中心電極との接触を回避するための溝部が形成されてもよい。この場合には、溝部によって、第１放熱体と中心電極との絶縁をはかることができる。

フェライト板の下面に、強磁性体からなる板状の下ヨークが配置されてもよい。この場合には、永久磁石が発生させた直流磁界を、効率的にフェライト板に印加させることができる。

また、永久磁石の上面に、強磁性体からなる上ヨークを備え、上ヨークが第２放熱体を兼ねてもよい。この場合には、永久磁石が発生させた直流磁界を、効率的にフェライト板に印加させることができる。また、フェライト板や中心電極や永久磁石の熱を、より効率的に放熱することができる。

本発明の非可逆回路素子は、中心電極やフェライト板の過度な温度の上昇が抑制されているため、電気的特性が安定しており信頼性が高い。

第１実施形態にかかる非可逆回路素子１００の斜視図である。 非可逆回路素子１００の分解斜視図である。 図３（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、非可逆回路素子１００の断面図である。 第２実施形態にかかる非可逆回路素子２００の斜視図である。 図５（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、非可逆回路素子２００の断面図である。 第３実施形態にかかる非可逆回路素子３００の斜視図である。 図７（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、非可逆回路素子３００の断面図である。 特許文献１に開示された非可逆回路素子１０００の分解斜視図である。

以下、図面とともに、本発明を実施するための形態について説明する。

なお、各実施形態は、本発明の実施の形態を例示的に示したものであり、本発明が実施形態の内容に限定されることはない。また、異なる実施形態に記載された内容を組合せて実施することも可能であり、その場合の実施内容も本発明に含まれる。また、図面は、明細書の理解を助けるためのものであって、模式的に描画されている場合があり、描画された構成要素または構成要素間の寸法の比率が、明細書に記載されたそれらの寸法の比率と一致していない場合がある。また、明細書に記載されている構成要素が、図面において省略されている場合や、個数を省略して描画されている場合などがある。

［第１実施形態］
図１、図２、図３（Ａ）、（Ｂ）に、第１実施形態にかかる非可逆回路素子１００を示す。ただし、図１は、非可逆回路素子１００の斜視図である。図２は、非可逆回路素子１００の分解斜視図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、非可逆回路素子１００の断面図であり、図１に一点鎖線で示したＸ-Ｘ部分を示している。なお、図３（Ａ）には熱の伝導経路を、図３（Ｂ）には直流磁界の磁束の経路を、それぞれ併せて示している。

非可逆回路素子１００は、板状の下ヨーク１を備えている。下ヨーク１の材質は任意であるが、後述する永久磁石１１が発生させる直流磁界の磁束を効率的に回流させるためには、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどの強磁性体を用いることができる。

また、下ヨーク１の表面は、高周波電流が流れるため、挿入損失を低減させるために、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔなどの高導電率材料でメッキされてもよい。

下ヨーク１の４つの辺のうち、３つの辺に、それぞれ切欠きが設けられ、それらの切欠きに、それぞれ絶縁体２が埋め込まれている。絶縁体２の材質は任意であるが、たとえば、絶縁性樹脂を使用することができる。

下ヨーク１との間に絶縁体２を介在させて、入出力端子３ａ、３ｂ、３ｃが形成されている。本実施形態においては、入出力端子３ａ、３ｂ、３ｃとして、絶縁体２に、ＣｕやＡｇなどを主成分とする導電性樹脂を埋め込んだ。入出力端子３ａ、３ｂ、３ｃは、絶縁体２を貫通して形成されており、絶縁体２の上面、側面、下面の３つの面において外部に露出している。なお、入出力端子３ａ、３ｂ、３ｃの構造は任意であり、上記に代えて、たとえば、ＣｕやＡｇなどの金属片を絶縁体２に埋め込んで、入出力端子としても良い。あるいは、絶縁体２の上面、側面、下面の３つの面にわたって、ＣｕやＡｇなどの金属膜を形成して、入出力端子としても良い。

非可逆回路素子１００は、フェライト板４を備えている。フェライト板４の組成は任意であるが、たとえば、ＮｉＺｎ系、ＭｎＺｎ系、ＹＩＧ系、ＣＶＧ系のフェライト等を使用することができる。

本実施形態においては、フェライト板４は、平面視において正方形である。ただし、フェライト板４の形状は任意であり、平面視において、長方形、菱形、台形、四角形以外の多角形、円形、楕円形、など他の形状であっても良い。

フェライト板４の下ヨーク１側の下側主面と、後述する中心電極８側の上側主面とを貫通して、６つのスルーホール導体５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆが形成されている。スルーホール導体の材質は任意であるが、たとえば、ＣｕやＡｇなどを使用することができる。

フェライト板４の下側主面にグランド導体７が配置され、さらにグランド導体７の縁に、グランド導体７から間隔を開けて３つの信号電極６ａ、６ｂ、６ｃが配置されている。信号電極６ａは、入出力端子３ａに対応する位置に形成され、かつ、スルーホール導体５ａに電気的に接続されている。信号電極６ｂは、入出力端子３ｂに対応する位置に形成され、かつ、スルーホール導体５ｂに電気的に接続されている。信号電極６ｃは、入出力端子３ｃに対応する位置に形成され、かつ、スルーホール導体５ｃに電気的に接続されている。

グランド導体７は、スルーホール導体５ｄ、５ｅ、５ｆに電気的に接続されている。ただし、本実施形態においては、スルーホール導体５ｄ、５ｅ、５ｆは、電気的な経路としては使用されていない。

フェライト板４の上側主面に、膜状の中心電極８が形成されている。中心電極８は、中心電極部９と、中心電極部９から延出された３本の伝送線路部１０ａ、１０ｂ、１０ｃとを有している。

本実施形態においては、中心電極部９を、平面視において円形にした。ただし、中心電極部９の形状は任意であり、平面視において、楕円形や多角形など、円形以外の形状であっても良い。

伝送線路部１０ａは、スルーホール導体５ａに電気的に接続されている。伝送線路部１０ｂは、スルーホール導体５ｂに電気的に接続されている。伝送線路部１０ｃは、スルーホール導体５ｃに電気的に接続されている。

なお、中心電極８（中心電極部９、伝送線路部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）は、フェライト板４の上側主面に膜状に形成されたものではなく、金属板を加工して作製した、フェライト板４とは別体のものであっても良い。

信号電極６ａ、６ｂ、６ｃ、グランド導体７、中心電極８の材質は、それぞれ任意であるが、たとえば、ＣｕやＡｇなどを使用することができる。

下ヨーク１の上側主面に、フェライト板４が配置されている。そして、入出力端子３ａと信号電極６ａ、入出力端子３ｂと信号電極６ｂ、入出力端子３ｃと信号電極６ｃが、それぞれ電気的に接続されている。また、下ヨーク１とグランド導体７が電気的に接続されている。

この結果、伝送線路部１０ａが、スルーホール導体５ａ、信号電極６ａを経由して、入出力端子３ａと電気的に接続されている。同様に、伝送線路部１０ｂが、スルーホール導体５ｂ、信号電極６ｂを経由して、入出力端子３ｂと電気的に接続されている。伝送線路部１０ｃが、スルーホール導体５ｃ、信号電極６ｃを経由して、入出力端子３ｃと電気的に接続されている。

非可逆回路素子１００は、永久磁石１１を備えている。

本実施形態においては、永久磁石１１に、正四角柱（直方体）からなる、サマリウムコバルト系、ネオジム系などの希土類磁石を使用した。すなわち、永久磁石は、上面と、下面と、上面と下面とを繋ぐ４つの側面とを有している。ただし、永久磁石１１の形状は任意であり、平面視において、長方形、菱形、台形、四角形以外の多角形、円形、楕円形など、他の形状であっても良い。また、永久磁石１１の材質も任意であり、希土類磁石に代えて、フェライト磁石を使用してもよい。

なお、希土類磁石を使用した永久磁石１１の熱伝導率は、一般的に、１０〜１５Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。フェライト磁石の熱伝導率が、一般的に、５Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるため、希土類磁石を使用した永久磁石１１は、フェライト磁石を使用した場合に比べて良好な熱伝導性を備えている。

非可逆回路素子１００は、非磁性体からなる第１放熱体１２を備えている。本実施形態においては、第１放熱体１２の材質にＣｕを使用した。ただし、第１放熱体１２の材質は任意であり、Ａｌなどの他の非磁性体の金属を使用してもよい。あるいは、第１放熱体１２の材質に樹脂を使用してもよい。また、第１放熱体１２の材質に樹脂を使用する場合には、熱伝導性を向上させるために、非磁性体の金属粉を混入させてもよい。

Ｃｕを使用した本実施形態の第１放熱体１２は、熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、非常に良好な熱伝導性を備えている。なお、Ｃｕに限らず、非磁性体の金属は、一般的に、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を備えており、希土類磁石（１０〜１５Ｗ／ｍ・Ｋ程度）やフェライト磁石（５Ｗ／ｍ・Ｋ程度）に比べて、非常に良好な熱伝導性を備えている。

本実施形態においては、第１放熱体１２を、正四角柱（直方体）とした。ただし、第１放熱体１２の形状は任意であり、平面視において、長方形、菱形、台形、四角形以外の多角形、円形、楕円形など、他の形状であっても良い。

第１放熱体１２の上下両主面間を貫通して、永久磁石１１を収容するための磁石収容部１２ａが形成されている。磁石収容部１２ａの形状は、永久磁石１１の形状に合わせて形成する。なお、磁石収容部１２ａは、第１放熱体１２の上下両主面間を貫通した貫通孔である必要はなく、たとえば、上側の開口をなくして有底孔としてもよい。

第１放熱体１２の底部に、３つの溝部１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが形成されている。溝部１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、第１放熱体１２と、中心電極８（中心電極部９、伝送線路部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）との接触を回避するために形成されている。なお、第１放熱体１２に溝部１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを形成する代わりに、第１放熱体１２と中心電極８との間に絶縁性のシートを挟み、そのシートによって、第１放熱体１２と中心電極８とを絶縁してもよい。

第１放熱体１２の磁石収容部１２ａに、永久磁石１１が収容されている。永久磁石１１の熱を効率的に放熱させるためには、磁石収容部１２ａと永久磁石１１との間の隙間が小さい方がよい。なお、磁石収容部１２ａと永久磁石１１との間の隙間を小さくするために、熱伝導率の高いシートを挟んでもよい。

永久磁石１１および第１放熱体１２が、中心電極８（中心電極部９、伝送線路部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）が形成されたフェライト板４の上側主面上に、配置されている。この結果、フェライト板４の上側主面は、中心電極８と、第１放熱体１２とで覆われている。

非可逆回路素子１００は、永久磁石１１が発生させた直流磁界がフェライト板４に印加されることによって、入出力端子３ａ、３ｂ、３ｃを入出力ポートにして、非可逆回路素子として機能する。

以上の構造からなる第１実施形態にかかる非可逆回路素子１００は、従来から非可逆回路素子の製造において一般的に用いられている製造方法によって製造することができる。

図３（Ａ）に、非可逆回路素子１００の放熱経路および放熱方向を示す。図３（Ａ）から分かるように、非可逆回路素子１００では、中心電極８（中心電極部９、伝送線路部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）やフェライト板４で発生した熱が、第１放熱体１２を経由して効率的に放熱される。したがって、非可逆回路素子１００は、中心電極８やフェライト板４の温度が過度に上昇することが抑制されており、電気的特性や信頼性の低下が抑制されている。

図３（Ｂ）に、非可逆回路素子１００の磁束経路を示す。図３（Ｂ）から分かるように、非可逆回路素子１００では、第１放熱体１２が非磁性体で形成されているため、永久磁石１１が発生させた直流磁界の磁束は、第１放熱体１２の外側を通ってフェライト板４に印加される。したがって、第１放熱体１２によって、磁束経路が阻害されることがない。

また、非可逆回路素子１００では、永久磁石１１に、フェライト磁石よりも熱伝導性に優れた希土類磁石を使用しているため、フェライト磁石を使用した場合よりも、永久磁石１１を経由した放熱が効率的におこなわれる。

［第２実施形態］
図４、図５（Ａ）、（Ｂ）に、第２実施形態にかかる非可逆回路素子２００を示す。ただし、図４は、非可逆回路素子２００の斜視図である。図５（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、非可逆回路素子２００の断面図であり、図４に一点鎖線で示したＹ-Ｙ部分を示している。なお、図５（Ａ）には熱の伝導経路を、図５（Ｂ）には直流磁界の磁束の経路を、それぞれ併せて示している。

非可逆回路素子２００は、第１実施形態にかかる非可逆回路素子１００に、上ヨーク１３を追加した。上ヨーク１３は板状であり、永久磁石１１と第１放熱体１２の天面に取付けられている。

上ヨーク１３の材質は任意であるが、永久磁石１１が発生させる直流磁界の磁束を効率的に回流させるためには、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどの強磁性体であることが望ましい。また、上ヨーク１３の表面は、高周波電流が流れるため、挿入損失を低減させるために、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔなどの高導電率材料でメッキされていることが望ましい。

図５（Ａ）から分かるように、非可逆回路素子２００においては、上ヨーク１３が、第２放熱体としての機能を果たす。すなわち、中心電極８（中心電極部９、伝送線路部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）やフェライト板４で発生した熱が、第１放熱体１２を経由して第２放熱体（上ヨーク１３）に伝わり、表面積の大きい第２放熱体（上ヨーク１３）からも外部に放熱される。

非可逆回路素子２００も、第１放熱体１２および第２放熱体（上ヨーク１３）から効率的に放熱がおこなわれるため、中心電極８やフェライト板４の温度が過度に上昇することが抑制されており、電気的特性や信頼性の低下が抑制されている。

また、図５（Ｂ）から分かるように、非可逆回路素子２００においては、永久磁石１１が発生させた直流磁界の磁束が、上ヨーク１３および下ヨーク１を通って、より効率的にフェライト板４に印加される。

［第３実施形態］
図６、図７（Ａ）、（Ｂ）に、第３実施形態にかかる非可逆回路素子３００を示す。ただし、図６は、非可逆回路素子３００の斜視図である。図７（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、非可逆回路素子３００の断面図であり、図６に一点鎖線で示したＺ-Ｚ部分を示している。なお、図７（Ａ）には熱の伝導経路を、図７（Ｂ）には直流磁界の磁束の経路を、それぞれ併せて示している。

非可逆回路素子３００は、第２実施形態にかかる非可逆回路素子２００の構成に変更を加えた。具体的には、非可逆回路素子２００の板状の上ヨーク１３に代えて、１対の壁部２３ａ、２３ｂを有する断面がＵ字状の上ヨーク２３を、永久磁石１１および第１放熱体１２の外側に取付けた。

図７（Ａ）から分かるように、非可逆回路素子３００においては、上ヨーク２３が、第２放熱体としての機能を果たす。すなわち、中心電極８（中心電極部９、伝送線路部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）やフェライト板４で発生した熱が、第１放熱体１２を経由して第２放熱体（上ヨーク２３）に伝わり、表面積の大きい第２放熱体（上ヨーク２３）からも外部に放熱される。

非可逆回路素子３００も、第１放熱体１２および第２放熱体（上ヨーク２３）から効率的に放熱がおこなわれるため、中心電極８やフェライト板４の温度が過度に上昇することが抑制されており、電気的特性や信頼性の低下が抑制されている。

また、図７（Ｂ）から分かるように、非可逆回路素子３００においては、永久磁石１１が発生させた直流磁界の磁束が、上ヨーク２３および下ヨーク１を通って、より効率的にフェライト板４に印加される。

以上、第１実施形態〜第３実施形態にかかる非可逆回路素子１００、２００、３００について説明した。しかしながら、本発明が上述した内容に限定されることはなく、発明の趣旨に沿って、種々の変更をなすことができる。

たとえば、非可逆回路素子１００、２００、３００は、いずれもサーキュレータであったが、これに代えて、アイソレータであっても良い。なお、アイソレータを構成するためには、入出力ポートである入出力端子３ａ、３ｂ、３ｃのうちの１つを、抵抗を挿入したうえでグランドに接続し、終端させれば良い。

また、第１放熱体１２や第２放熱体（上ヨーク１３、２３）の形状や材質なども任意であり、上述した内容には限られない。たとえば、第１放熱体１２の材質には、Ｃｕに代えて、Ａｌなどの他の非磁性体の金属や、非磁性体の金属粉が混入された樹脂などを使用することができる。

１・・・下ヨーク
２・・・絶縁体
３ａ、３ｂ、３ｃ・・・入出力端子
４・・・フェライト板
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ・・・スルーホール導体
６ａ、６ｂ、６ｃ・・・信号電極
７・・・グランド導体
８・・・中心電極
９・・・中心電極部
１０ａ、１０ｂ１０ｃ・・・伝送線路部
１１・・・永久磁石
１２・・・第１放熱体
１２ａ・・・磁石収納部
１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ・・・溝部
１３、２３・・・上ヨーク（第２放熱体）
２３ａ、２３ｂ・・・壁部

Claims (7)

1. 上面と、下面と、前記上面と前記下面とを繋ぐ側面とを有する永久磁石と、
   上面と、下面とを有するフェライト板と、
   前記永久磁石の前記下面と、前記フェライト板の前記上面との間に設けられた中心電極と、を備え、
   前記永久磁石が発生させた直流磁界が前記フェライト板に印加される非可逆回路素子であって、
   さらに、非磁性体からなる第１放熱体を備え、
   前記第１放熱体が、前記フェライト板の前記上面に直接または間接に接する領域と、前記永久磁石の前記側面の少なくとも一部に直接または間接に接する領域と、を有する非可逆回路素子。
2. 前記第１放熱体が、前記永久磁石を囲むように配置された、請求項１に記載された非可逆回路素子。
3. 前記フェライト板の前記上面が、前記中心電極と、前記第１放熱体とで覆われた、請求項１または２に記載された非可逆回路素子。
4. 前記永久磁石が希土類磁石である、請求項１ないし３のいずれか１項に記載された非可逆回路素子。
5. 前記第１放熱体が非磁性体の金属からなり、
   前記第１放熱体の下面に、前記第１放熱体と前記中心電極との接触を回避するための溝部が形成された、請求項１ないし４のいずれか１項に記載された非可逆回路素子。
6. 前記フェライト板の下面に、強磁性体からなる板状の下ヨークが配置された、請求項１ないし５のいずれか１項に記載された非可逆回路素子。
7. 前記永久磁石の前記上面に、強磁性体からなる上ヨークを備え、
   前記上ヨークが第２放熱体を兼ねる、請求項１ないし６のいずれか１項に記載された非可逆回路素子。
   

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