JP4110526B2 - 非可逆回路素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、具体的には携帯電話などの移動体通信システムの中で使用され、一般にアイソレータやサーキューレータと呼ばれる非可逆回路素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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。
【０００３】
図１３に従来のアイソレータの一例を分解斜視図で示す。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１、下ケース１２）、永久磁石２、組立体２０、平板コンデンサ８、９、１０、抵抗１１、樹脂ケース７から構成されている。
前記組立体２０は、円板状のシールド板から放射状に３つの中心導体４、５、６が突出した構造の導体薄板を用意し、その導体薄板の円板状部にフェリ磁性体であるガーネットフェライト（板状磁性体）３を配置して、前記３つの中心導体４、５、６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４、５、６はポリイミドフィルムなどの絶縁物を介在させて重ねられる。
【０００４】
前記樹脂ケース７は、中央に、組立体２０用の円形状の凹部１３ａを有し、その周囲に平板コンデンサ用の凹部１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを有する。この平板コンデンサ用の凹部１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの底部及び組立体２０用の凹部１３ａには、接続電極１４ａが形成されている。そして、この接続電極１４ａは、一体の０．１ｍｍ程度の前記導体薄板で構成されており、樹脂ケースの側面部まで延出され、外部端子１５ａ〜１５ｆを構成している。このうち外部端子１５ｄ〜１５ｆは、外部端子１５ａ〜１５ｃの対向面に対称に形成されている。また、樹脂ケースには前記中心導体が接続される端子電極部１６ａ、１６ｄが形成されている。
この端子電極部１６ａ、１６ｄは側面の外部端子１５ａ、１５ｄに導通するように形成されている。これら外部端子及び接続する端子電極部や接続電極は、同一の導体薄板から形成される。
【０００５】
この樹脂ケース７の凹部１３ｂ、１３ｃ、１３ｄにはそれぞれ平板コンデンサ８、９、１０が収容配置される。この平板コンデンサは、平板状の誘電体基板の上下面に電極を形成して構成されており、その下面の電極と、前記凹部の底部に形成された接続電極１４ａとが半田接続される。また、凹部１３ｄには平板コンデンサ１０とともに抵抗１１が配置され、この抵抗１１の一方の電極を接続電極１４ａに半田接続し、他方は中心導体６と接続する。
【０００６】
次いで、樹脂ケース７の凹部１３ａに、上記した組立体２０を配置する。このとき、中心導体部分の円板状のシールド板は、接続電極１４ａと半田接続される。これにより、中心導体の一端はアース接続される。中心導体４の一端は、平板コンデンサ８の上面の電極と端子電極部１６ａと接続され、中心導体５の一端は、平板コンデンサ９の上面の電極と端子電極部１６ｄに接続される。
【０００７】
そして、下ケース１２上に樹脂ケース７が配置される。下ケース１２は、樹脂ケース７の底部の凹部２１に合致する構造となっている。この凹部２１では、接続電極１４ａが露出し下ケース１２とはんだ接続されて、樹脂ケース７と下ケース１２が一体化される。そして、ガーネットフェライト３に直流磁界を印加する永久磁石２を上ケース１に位置決めし、上ケース１と下ケース１２を嵌合させて、面実装可能なアイソレータを構成している。尚、上記抵抗を無くし、他の中心導体と同様に端子電極部を設けて構成すればサーキュレータとなる。また、上記コンデンサ、端子電極部と中心導体端部との接続は、例えば半田付けやスポット溶接により行われる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年、非可逆回路素子に限ることなく移動体通信の分野では、小型高性能化と低価格化の要求は高まるばかりで、いまや数百μｍ単位での小型化とコンマ数ｄＢ単位での高性能化と更なる廉価化が課題とされるに至っている。
前記のように、従来の非可逆回路素子では平板コンデンサ８，９，１０や組立体２０の接続部品として０．１ｍｍ程度の導体薄板を有し、この導体薄板を用いた外部端子を備えた樹脂ケース７が必要であり、これを下ケースとはんだ付けなどの手段により接続することが必要であった。このため非可逆回路素子の小型化、低背化が困難であり、その部品コスト、製造コストが高くなるという問題がある。
【０００９】
また従来の非可逆回路素子では、組立体２０を取り囲むように平板コンデンサ８，９，１０をコの字状に配置している。抵抗１１と並列接続される平板コンデンサ１０は、樹脂ケース７に形成された外部端子１５ａ〜１５ｆに対して直交配置されている。このため、非可逆回路素子を実装した実装基板の撓みなどにより非可逆回路素子に曲げ力が加わると、前記外部端子を支点として樹脂ケース７が変形し、その結果、抵抗と並列接続される平板コンデンサ１０が破壊するといった問題もあった。
【００１０】
そこで本発明は、従来の非可逆回路素子が抱えていた幾つかの問題、すなわち非可逆回路素子の小型化の困難性、非可逆回路素子に作用する外力による平板コンデンサの破壊といった問題を解決する小型でかつ信頼性の高い非可逆回路素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気ヨークと、入出力端子と、アース端子とをインサートモールドしてなるケースに、複数の中心導体と板状磁性体を有する組立体を収容し、前記入出力端子に前記中心導体を電気的に接続する非可逆回路素子であって、
磁気ヨークの底面の一部に、前記板状磁性体の平面視形状と略同一形状の窪みが形成され、前記窪みには組立体が配置され、前記磁気ヨークの裏面側は、前記窪みに対応する部分が突出しており、前記ケースの底面側は、入出力端子と、前記磁気ヨークと一体のアース端子と、前記突出し部が互いに独立して露出するように樹脂が被覆され、前記組立体の周囲に表れた磁気ヨークの底面にコンデンサが配置されていることを特徴とする非可逆回路素子である。
【００１２】
前記窪みに前記組立体を配置することが出来る。窪みに組立体を配置する場合には、前記窪みの深さを前記板状磁性体の厚みの２／３以下とするが好ましい。より好ましくは厚みの１／３〜２／３の深さである。
【００１３】
本発明においては、前記入出力端子と前記アース端子は前記磁気ヨークと同一の板状磁性体で構成するのが好ましい。前記板状磁性体の磁気特性は、透磁率が５０００以上で飽和磁束密度が１．４テスラ以上であるのが好ましい。
また前記板状磁性体として、具体的にはＳＰＣＣ，４２Ｎｉ・Ｆｅ合金，４５Ｎｉ・Ｆｅ合金，Ｆｅ・Ｃｏ合金から選ばれる金属材料で構成するのが好ましい。
【００１４】
前記磁気ヨーク、入出力端子及びアース端子には電気抵抗率が５．５μΩｃｍ以下で、厚さが０．５μｍ〜２５μｍの金属皮膜を形成するのが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明に係る非可逆回路素子及びその製造方法について、一実施例をもとに説明する。図１は本発明に係る非可逆回路素子の全体構成示す分解斜視図、図２は磁気ヨーク（下ケース）の斜視図、図３（ａ），（ｂ）は下ケースの上面図、図４は下ケースの下面図、図５は下ケースの断面図であり、図６〜図８は、磁気ヨークを連接したリードフレームの平面図である。
図１に示すように本発明に係る非可逆回路素子は、従来のような外部端子を備えた樹脂ケース７を有さず、下ケース１２に組立体２０、コンデンサ８，９，１０、抵抗１１を所定の部位に搭載し、更に永久磁石を配置した構造である。以下その構造及び製造方法について詳細に説明する。
【００１６】
下ケース１２を構成する磁気ヨークは、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き、リードフレーム５０のフープ部５１から連接する磁気ヨーク部を形成し、所定部位を折り曲げ加工してなる、図６〜図８に示すようなリードフレームにて供給される。
このリードフレーム５０を構成する金属材料は、ＳＰＣＣ，４２Ｎｉ・Ｆｅ合金，４５Ｎｉ・Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金などの磁気特性に優れるものであって、これらの金属材料は、１００〜３００μｍ程度に冷間圧延又は熱間圧延されている。磁気ヨーク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テスラ以上が好ましい。このような磁性材料を選択すれば、非可逆回路素子を小型化する際に、厚みが１６０μｍ以下のシート材を利用しても、ガーネットフェライトに必要十分な直流磁界を与えることが出来る。
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５．５μΩｃｍ以下、好ましくは３．０μΩｃｍ、更に好ましくは１．８μΩｃｍ以下の導電性の高い金属皮膜が形成されている。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。磁気ヨークはグランドとしても機能するが、このように構成することで前記金属皮膜が高周波電流のアース端子への経路となり、よって高周波信号の伝送効率を高めるとともに、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。
【００１７】
導電性の高い前記金属皮膜のうち銀は、半田付け性がよく、接触抵抗が小さく、金に比べ安価等、優れた特性を持っている。しかしながら、銀表面は非常に活性で表面吸着傾向をもつ空気中の硫黄，塩素，酸素水分等の環境不純物である腐食媒体との反応により変色が容易に生じる。この変色膜は半田付け性を損ない、接触抵抗を増大させる。このため銀表面に有機キレート皮膜などの保護膜を形成させ、銀の表面を保護するのが好ましい。
【００１８】
詳細は後述するが、下ケースを構成する金属材料の一部が金属皮膜から露出することがあり、前記露出部に錆が生じてしまう場合がある。入出力端子や、アース端子に錆が生じると半田付け性を劣化させる場合や、はんだ付け後であっても経時変化により錆が進行して電気的接続の信頼性を低下させる。そのような場合には前記金属材料として、選択的に耐酸化性に優れる４２Ｎｉ・Ｆｅ合金や４５Ｎｉ・Ｆｅ合金を用いのが好ましい。そして上ケースを磁気特性に優れたＳＰＣＣやＦｅ−Ｃｏ合金を用いて構成すれば、電気的特性を劣化させないで非可逆回路素子を構成することが出来る。
【００１９】
またＦｅ−Ｃｏ合金は、最大透磁率１５０００で飽和磁束密度は２．２５テスラの特性を有し、板材として１００μｍ程度の極薄板の製造が可能であり、磁気ヨークとして好適なものである。具体的にはその組成をそれぞれ質量％で、Ｃｏ：４９、Ｖ：２、Ｃ：≦０．０１５、Ｓｉ：≦０．１０、Ｍｎ：≦０．１５、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる合金とするのが好ましい。ここで、Ｃｏは非可逆回路素子が用いられる周波数帯と磁気特性との相関から４０〜６０％の間で選定するが５０％前後が望ましく、Ｖは冷間加工性を改善するために添加するが、反面磁気特性に影響を与えるので５％以下とし、加工性確保のためには２％が望ましい。このＦｅ−Ｃｏ合金をヨークに用いればヨークの厚さを薄くしても磁気回路における磁束漏れが必要十分に抑制されるので、更にアイソレータを薄型化、小型化することが出来る。
【００２０】
図６〜図８に示すように、長尺状のリードフレーム５０のフープ部５１には、それぞれ所定の間隔でスプロケットホール５２が設けられている。フープ部５１から延在する複数の支持部５３の先端には、非可逆回路素子の下ケース１２が一体的に設けられている。また支持部５４の先端は下ケース１２と分離され、後述する入出力端子が一体的に設けられている。そして支持部５３、５４の下ケース１２に至る途中に、その幅を狭くした部位（幅狭部１５０ａ〜１５０ｆ）が形成されている。後工程で、この幅狭部でリードフレーム５０と下ケース１２とが切り離される。このように幅狭部で切り離しを行うことで、磁気ヨークの前記金属材の表面が露出する面積を極力小さくし、この露出部の酸化を低減している。
また幅狭部１５０ａ〜１５０ｆの裏面側（回路基板との実装面側）には、リードフレームと下ケースとの切り離しが容易なように、支持部５３、５４の幅方向に略Ｖ字状切離し溝１６０が刻設されている（図１０）。このように切離し溝を設けると図１１に示すように幅狭部１５０ａ〜１５０ｆの裏面側（実装面側）に切断によるバリが生じることがなく、非可逆回路素子を回路基板実装する際のはんだ付けを確実なものとすることが出来るので、電気的接続が不完全なオープン不良が生じることが無く、また回路基板への固着強度が低減することがない。Ｖ字状切離し溝１６０の深さ、形状は幅狭部１５０ａ〜１５０ｆの強度が、製造工程の途中で切断されないように適宜設定される。また裏面側と表面側とにＶ字状切離し溝１６０を形成しても良い。
【００２１】
下ケース１２の略中央部には、組立体２０が配置される凹部２５が、金型による絞り成形で形成されている。その深さは、およそ下ケースを構成する金属材料の厚み程度である。また、前記凹部２５に対応する下ケースの裏面側は凸状となるが、実装面と干渉しないように適宜凹部２５形成時の深さを調整する。また、下ケース１２は磁気ヨークを兼ねるものであり、凹部２５の深さが永久磁石からのガーネットフェライトに与えられる直流磁界の分布に影響する。好ましくは、凹部２５の深さをガーネットフェライトの厚みの３／４以下であり、より好ましくはガーネットフェライトの厚みの１／４〜３／４以下である。このように構成することで、ガーネットフェライトの主面中央部を含む領域に与えられる直流磁界を増加させる事が出来、非可逆回路素子の電気的特性を改善することが出来る。
また、前記凹部２５を形成することで下ケースの曲げに対する強度が向上する。下ケースは比較的厚みのある（０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ）金属材料に樹脂を射出成形した構成であるので、従来構造と比較して変形しにくい（曲がり難い）が、凹部２５を形成することでさらに変形しにくい構造としている。非可逆回路素子は回路基板に面実装されるが、基板の撓みなどにより曲げ力が作用する場合に、ケース内部のコンデンサ等の部品に外力が作用するのを防ぎ、部品の破壊を防止することが出来る。
凹部２５の平面視の形状は特に限定されないが、加工形成の容易さから円形状、あるいは矩形状であるのが好ましく、楕円形状としたり、長方形状としたり、適宜変更することが出来る。
【００２２】
そして、図７に示すように、入出力端子１５ａ、１５ｂ、アース端子１５ｂ、１５ｃ、１５ｅ、１５ｆ、下ケース側壁部を折曲整形する。そして、図８に示すように、リードフレームを射出成形機に配置して液晶ポリマーやポリフェニレンサルファイド等、高耐熱の熱可塑性エンジニアリングプラスチック等の樹脂でインサート成形して、図２に示す下ケース１２とした。
この下ケース１２は、図３（ａ）の上面図に示すように、入出力端子１５ａ、１５ｂ、アース端子１５ｂ、１５ｃ、１５ｅ、１５ｆは、下ケース１２の内底面に露出させている。また、四方が樹脂壁に囲まれるとともに、平板コンデンサや組立体の配置が容易なように前記樹脂（図中斜線部）で形成された仕切壁が形成されている。
図３（ｂ）に他の構造例を示す。ここに示すものは、仕切壁を形成しない構造であり、凹部２５を矩形状に形成したものである。この様な構造とすることで複数のコンデンサを一つの基板に積層構成したコンデンサ基板を樹脂壁に囲まれた領域に配置することが出来る。前記コンデンサ基板は外形が樹脂壁で規定される領域に収容可能な寸法で形成され、凹部２５を覆う様な板状形状とする場合や、前記凹部２５に対応する部分に貫通孔を備える形状とする場合がある。またこれらのコンデンサ基板の表面に中心導体と接続する電極パターンが形成される場合があり、前記中心導体はコンデンサ基板に形成されたビアホールなどの接続手段によって入出力端子１５ａ、１５ｂと接続される。
下ケース１２の底面は図４に示すように組立体２０が配置される凹部に対応する凸部分と、入出力端子１５ａ、１５ｂ、アース端子１５ｂ、１５ｃ、１５ｅ、１５ｆが露出している。このように構成することで、前記凸部分と入力端子、アース端子間には、前記樹脂（図中斜線部）が介在するので非可逆回路素子を電子機器の回路基板上に実装した際に、半田が入力端子やアース端子から下ケースの底面に流れることがなく、入出力端子、アース端子を回路基板に確実に半田付けすることができる。また、裏面には成形時に入出力端子１５ａ、１５ｂが動かないように金型内で位置決めする手段による凹部（図面中黒枠で図示）が形成されている。また丸で図示した部分に樹脂が流入するゲートが位置する。
そして前記凸部と入出力端子、アース端子は、図５の断面図に示すように、凸部よりもわずか（０．０２ｍｍ程度以上）に入出力端子、アース端子が実装面側に突出するように構成するのが好ましく、このように構成することで回路基板との電気接続を阻害することがない。
【００２３】
このように形成された下ケース１２は、スプリケットホール５２を利用し、リードフレーム５０に連接されたまま各組立て工程を順次搬送される。図１に示す様に、下ケース１２の上面には樹脂により形成された仕切壁を有し、仕切壁により囲まれた部位に平板コンデンサ８，９，１０、組立体２０、抵抗１１を適宜配置する。
組立体２０に巻設された中心導体４，５，６は各々平板コンデンサ８，９，１０と入出力端子に適宜後工程で半田付けされて電気的に接続される。各中心導体の他端は組立体の裏面に延出し、下ケースの内底面に当接され後工程で半田付され接地される。また、前記平板コンデンサは誘電体基体の両主面に電極を設けたものであるが、中心導体と接続されない側の電極は下ケースと後工程で半田付けされる。
【００２４】
次いで、組立体に直流磁界を印加するように永久磁石２を厚み方向に配置し、さらに磁気ヨークである上ケース１を下ケース１２と嵌合して磁気回路を形成する。その際に上ケース１と下ケース１２を機械的に固定するように、また、上下ケースには高周波電流が流れるため、電気的な接続を確実とするように互いを半田付けして固定するのが好ましい。
【００２５】
このようにして、リードフレーム５０のフープ部５１に連接した非可逆回路素子を構成した。そしてリフロー工程を経て前記はんだ付けを行った。この後、長尺状のリードフレーム５０から、支持部５３，５４に刻設された切離し溝で切断して非可逆回路素子を切り離した。
【００２６】
図９は上記の様に構成した非可逆回路素子の断面図である。組立体２０を下ケースに直接配置する構成とすることで、従来必要であった導体薄板をなくし、また深さｔに形成した凹部に組立体２０を配置することで、従来の非可逆回路素子よりも低背化することが出来た。なお、前記凹部には、永久磁石を配置しても良い。この場合、組立体２０の上下に永久磁石が配置されることとなり、組立体２０を構成するガーネットフェライトに直流磁界を集中させるのに効果的である。
【００２７】
図１２はガーネットフェライト表面の磁束分布図である。ケース底面の凹部は図３（ａ）に示す円形状であり、０．４ｍｍ厚みの円板形状ガーネットフェライトに厚み０．０５ｍｍの銅薄板で形成した中心導体を配置した組立体を形成し、これを前記凹部に配置したものである。図１２には、凹部の深さｔを０ｍｍ（比較例１ 凹部を形成しないもの）、０．２ｍｍ（実施例）、０．４ｍｍ（比較例２）とした場合の磁束分布図を示している。ガーネットフェライトの厚みに対して、１／２の深さに形成した場合に、ガーネットフェライトに与えられる直流磁界が比較例に比べて大きいことがわかる。直流磁界が増加することによって、挿入損失特性が向上し低損失となった。
【００２８】
また、平板コンデンサを下ケース直接配置したことで、非可逆回路素子に外力が作用する場合であっても、下ケースを構成する金属材料が持つ剛性により、平板コンデンサに直接的に作用する外力を低減でき、その結果平板コンデンサの破壊を低減することが出来た。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の非可逆回路素子が抱えていた幾つかの問題、すなわち非可逆回路素子の小型化の困難性、非可逆回路素子に作用する外力による平板コンデンサの破壊といった問題を解決する小型でかつ信頼性の高い非可逆回路素子を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る一実施例の非可逆回路素子の全体構成示す分解斜視図である。
【図２】 本発明に係る非可逆回路素子に用いる下ケースの斜視図である。
【図３】 本発明に係る非可逆回路素子に用いる下ケースの上面図である。
【図４】 本発明に係る非可逆回路素子に用いる下ケースの下面図である。
【図５】 本発明に係る非可逆回路素子に用いる下ケースの断面図である。
【図６】 本発明に係る非可逆回路素子に用いる下ケースを連接したリードフレームの平面図である。
【図７】 本発明に係る非可逆回路素子に用いる下ケースを連接したリードフレームの平面図である。
【図８】 本発明に係る非可逆回路素子に用いる下ケースを連接したリードフレームの平面図である。
【図９】 本発明に係る一実施例の非可逆回路素子の断面図である。
【図１０】 本発明に係る非可逆回路素子に用いる下ケースと繋がる支持部拡大図である。
【図１１】 本発明に係る非可逆回路素子に用いる下ケースと繋がる支持部の断面図である。
【図１２】 ガーネットフェライト表面の磁束分布図である。
【図１３】 従来の非可逆回路素子の全体構成示す分解斜視図である。
【符号の説明】
４，５，６ 中心導体
７ 樹脂ケース
８，９，１０ 平板コンデンサ
１１ 抵抗
２０ 組立体
２５ 組立体を配置する凹部
５０ リードフレーム

Claims (6)

1. 磁気ヨークと、入出力端子と、アース端子とをインサートモールドしてなるケースに、複数の中心導体と板状磁性体を有する組立体を収容し、前記入出力端子に前記中心導体を電気的に接続する非可逆回路素子であって、
   磁気ヨークの底面の一部に、前記板状磁性体の平面視形状と略同一形状の窪みが形成され、前記窪みには組立体が配置され、前記磁気ヨークの裏面側は、前記窪みに対応する部分が突出しており、前記ケースの底面側は、入出力端子と、前記磁気ヨークと一体のアース端子と、前記突出し部が互いに独立して露出するように樹脂が被覆され、前記組立体の周囲に表れた磁気ヨークの底面にコンデンサが配置されていることを特徴とする非可逆回路素子。
2. 前記窪みの深さが前記板状磁性体の厚みの２／３以下であ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. 前記入出力端子と前記アース端子は前記磁気ヨークと同一の板状磁性体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の非可逆回路素子。
4. 前記板状磁性体の磁気特性が、透磁率が５０００以上で飽和磁束密度が１．４テスラ以上であることを特徴とする請求項３に記載の非可逆回路素子。
5. 前記板状磁性体がＳＰＣＣ，４２Ｎｉ・Ｆｅ合金，４５Ｎｉ・Ｆｅ合金，Ｆｅ・Ｃｏ合金から選ばれる金属材料で構成されることを特徴とする請求項３に記載の非可逆回路素子。
6. 前記磁気ヨーク、入出力端子及びアース端子には電気抵抗率が５．５μΩｃｍ以下で、厚さが０．５μｍ〜２５μｍの金属皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の非可逆回路素子。

Images