JP4656180B2 - 非可逆回路素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、非可逆回路素子、特に、マイクロ波帯で使用され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及びその製造方法に関する。

従来より、アイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子は、予め定められた特定方向にのみ信号を伝送し、逆方向には伝送しない特性を有している。この特性を利用して、例えば、アイソレータは、自動車電話、携帯電話などの移動体通信機器の送信回路部に使用されている。

特許文献１には、直方体形状のフェライトに第１中心電極及び第２中心電極を互いに絶縁状態で巻き回して結合させ、該フェライトに直流磁界を印加するようにフェライトの両主面に一対の永久磁石を配置してフェライト・磁石組立体を構成し、回路基板上に搭載したフェライト・磁石組立体の側部をヨークで囲った非可逆回路素子が記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載の非可逆回路素子では、フェライト・磁石組立体の周囲はヨークで囲まれてはいるものの空洞になっているため、湿度の影響を受けるという不具合を有していた。また、フェライト・磁石組立体の側部をもヨークで囲むため、部品点数が増加するとともに製造工程も煩雑であった。
国際公開第２００７／４６２２９号パンフレット

そこで、本発明の目的は、湿度などの影響を排除でき、かつ、効率よく製造できる非可逆回路素子及びその製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の第１の形態である非可逆回路素子は、
互いに電気的に絶縁状態で交差して配置された複数の中心電極を両主面に形成したフェライトと、該フェライトに直流磁界を印加するようにフェライトの両主面に配置した一対の永久磁石とからなるフェライト・磁石素子と、
前記フェライトの両主面が垂直に位置するように前記フェライト・磁石素子を表面に接合した基板と、
前記フェライト・磁石素子の上面を覆うように配置された平板状ヨークと、
少なくとも前記フェライト・磁石素子の前記基板に対する接合部に配置された液状樹脂が硬化した第１の樹脂層と、
前記平板状ヨークの裏面に貼着された軟質シート状樹脂が硬化した第２の樹脂層と、
を備え、
前記第１及び第２の樹脂層が、前記フェライト・磁石素子の周囲を囲み、かつ、外周面に露出していること、
を特徴とする。

本発明の第２の形態である非可逆回路素子の製造方法は、
互いに電気的に絶縁状態で交差して配置された複数の中心電極を両主面に形成したフェライトと、該フェライトに直流磁界を印加するようにフェライトの両主面に配置した一対の永久磁石とからなる複数のフェライト・磁石素子を、該フェライトの両主面が垂直に位置するように、マザー基板の表面にマトリクス状に接合する工程と、
少なくとも前記フェライト・磁石素子の前記マザー基板に対する接合部に液状樹脂を配置、硬化させて第１の樹脂層を設ける工程と、
裏面に貼着された軟質シート状樹脂を有するマザー平板状ヨークを前記フェライト・磁石素子の上面に配置し、該軟質シート状樹脂をいったん軟化させた後に硬化させて第２の樹脂層を設ける工程と、
前記第２の樹脂層を設けた後に、前記マザー基板を前記マザー平板状ヨークとともに所定の単位に切断し、前記第１及び第２の樹脂層を外周面に露出させる工程と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、フェライト・磁石素子の周囲が第１及び第２の樹脂層で封止されるため、湿度の影響を排除することができる。中心電極を備えたフェライトは両主面を永久磁石で挟み込まれているため、側部を囲むヨークを必ずしも必要とはしない。また、第１及び第２の樹脂層は、液状樹脂を自動的に塗布したり、平板状ヨークに貼着したシート状樹脂を加圧、軟化させることで容易に設けることができる。しかも、基板や平板状ヨークをマザー基板の状態で製造すれば、多数個取りの手法で効率よく製造することができる。

以下、本発明に係る非可逆回路素子及びその製造方法の実施例について添付図面を参照して説明する。

（第１実施例、図１〜図７参照）
本発明に係る非可逆回路素子の第１実施例である２ポート型アイソレータ１の分解斜視図を図１に示す。この２ポート型アイソレータ１は、集中定数型アイソレータであり、概略、平板状ヨーク１０と、基板２０と、フェライト３２と一対の永久磁石４１とからなるフェライト・磁石素子３０と、第１の樹脂層５０と第２の樹脂層６０で構成されている。

フェライト３２には、図２に示すように、表裏の主面３２ａ，３２ｂに互いに電気的に絶縁された第１中心電極３５及び第２中心電極３６が形成されている。ここで、フェライト３２は互いに対向する平行な第１主面３２ａ及び第２主面３２ｂを有する直方体形状をなしている。

また、永久磁石４１はフェライト３２に対して直流磁界を主面３２ａ，３２ｂに略垂直方向に印加するように主面３２ａ，３２ｂに対して、例えば、エポキシ系の接着剤４２を介して接着され（図４参照）、フェライト・磁石素子３０を形成している。永久磁石４１の主面４１ａは前記フェライト３２の主面３２ａ，３２ｂと同一寸法であり、互いの外形が一致するように主面３２ａ，４１ａ、主面３２ｂ，４１ａどうしを対向させて配置されている。

第１中心電極３５は導体膜にて形成されている。即ち、図２に示すように、この第１中心電極３５は、フェライト３２の第１主面３２ａにおいて右下から立ち上がって２本に分岐した状態で左上に長辺に対して比較的小さな角度で傾斜して形成され、左上方に立ち上がり、上面３２ｃ上の中継用電極３５ａを介して第２主面３２ｂに回り込み、第２主面３２ｂにおいて第１主面３２ａと透視状態で重なるように２本に分岐した状態で形成され、その一端は下面３２ｄに形成された接続用電極３５ｂに接続されている。また、第１中心電極３５の他端は下面３２ｄに形成された接続用電極３５ｃに接続されている。このように、第１中心電極３５はフェライト３２に１ターン巻回されている。そして、第１中心電極３５と以下に説明する第２中心電極３６とは、間に絶縁膜が形成されて互いに絶縁された状態で交差している。中心電極３５，３６の交差角は必要に応じて設定され、入力インピーダンスや挿入損失が調整されることになる。

第２中心電極３６は導体膜にて形成されている。この第２中心電極３６は、まず、０．５ターン目３６ａが第１主面３２ａにおいて右下から左上に長辺に対して比較的大きな角度で傾斜して第１中心電極３５と交差した状態で形成され、上面３２ｃ上の中継用電極３６ｂを介して第２主面３２ｂに回り込み、この１ターン目３６ｃが第２主面３２ｂにおいてほぼ垂直に第１中心電極３５と交差した状態で形成されている。１ターン目３６ｃの下端部は下面３２ｄの中継用電極３６ｄを介して第１主面３２ａに回り込み、この１．５ターン目３６ｅが第１主面３２ａにおいて０．５ターン目３６ａと平行に第１中心電極３５と交差した状態で形成され、上面３２ｃ上の中継用電極３６ｆを介して第２主面３２ｂに回り込んでいる。以下同様に、２ターン目３６ｇ、中継用電極３６ｈ、２．５ターン目３６ｉ、中継用電極３６ｊ、３ターン目３６ｋ、中継用電極３６ｌ、３．５ターン目３６ｍ、中継用電極３６ｎ、４ターン目３６ｏ、がフェライト３２の表面にそれぞれ形成されている。また、第２中心電極３６の両端は、それぞれフェライト３２の下面３２ｄに形成された接続用電極３５ｃ，３６ｐに接続されている。なお、接続用電極３５ｃは第１中心電極３５及び第２中心電極３６のそれぞれの端部の接続用電極として共用されている。

また、接続用電極３５ｂ，３５ｃ，３６ｐや中継用電極３５ａ，３６ｂ，３６ｄ，３６ｆ，３６ｈ，３６ｊ，３６ｌ，３６ｎはフェライト３２の上下面３２ｃ，３２ｄに形成された凹部３７（図３参照）に銀、銀合金、銅、銅合金などの電極用導体を塗布又は充填して形成されている。また、上下面３２ｃ，３２ｄには各種電極と平行にダミー凹部３８も形成され、かつ、ダミー電極３９ａ，３９ｂ，３９ｃが形成されている。この種の電極は、マザーフェライト基板に予めスルーホールを形成し、このスルーホールを電極用導体で充填した後、スルーホールを分断する位置でカットすることによって形成される。なお、各種電極は凹部３７，３８に導体膜として形成したものであってもよい。

フェライト３２としてはＹＩＧフェライトなどが用いられている。第１及び第２中心電極３５，３６や各種電極は銀や銀合金の厚膜又は薄膜として印刷、転写、フォトリソグラフなどの工法で形成することができる。中心電極３５，３６の絶縁膜としてはガラスやアルミナなどの誘電体厚膜、ポリイミドなどの樹脂膜などを用いることができる。これらも印刷、転写、フォトリソグラフなどの工法で形成することができる。

なお、フェライト３２を絶縁膜及び各種電極を含めて磁性体材料にて一体的に焼成することが可能である。この場合、各種電極を高温焼成に耐えるＰｄ、Ａｇ又はＰｄ／Ａｇを用いることになる。

永久磁石４１は、通常、ストロンチウム系、バリウム系、ランタン−コバルト系のフェライトマグネットが用いられる。永久磁石４１とフェライト３２とを接着する接着剤４２としては、一液性の熱硬化型エポキシ接着剤を用いることが最適である。

基板２０は、通常のプリント配線回路基板と同種の材料からなり、その表面には、前記フェライト・磁石素子３０の接続用電極３５ｂ，３５ｃ，３６ｐやチップタイプの整合回路素子ＣＳ１、Ｒ（図５参照）をはんだ付けするための端子電極２１ａ〜２１ｄや入出力用電極、グランド電極（図示せず）が形成されている。また、基板２０の内部には、整合回路素子Ｃ１，Ｃ２，ＣＳ２（図５参照）が内部電極にて形成されている。

前記フェライト・磁石素子３０は、基板２０上に載置され、フェライト３２の下面３２ｄの接続用電極３５ｂ，３５ｃ，３６ｐが基板２０上の端子電極２１ａ，２１ｂ，２１ｃとリフローはんだ付けされて一体化されるとともに、永久磁石４１の下面が基板２０上に接着剤などにて一体化される。また、整合回路素子ＣＳ１，Ｒが基板２０上の端子電極２１ｂ，２１ｃ，２１ｄとリフローはんだ付けされる。

平板状ヨーク１０は、電磁シールド機能を有するもので、前記フェライト・磁石素子３０の上面に以下に説明する第２の樹脂層６０を介して貼着されている。

ここで、アイソレータ１の一回路例を図５の等価回路に示す。入力ポートＰ１は整合用コンデンサＣＳ１を介して整合用コンデンサＣ１と終端抵抗Ｒとに接続され、整合用コンデンサＣＳ１は第１中心電極３５の一端に接続されている。第１中心電極３５の他端及び第２中心電極３６の一端は、終端抵抗Ｒ及びコンデンサＣ１，Ｃ２に接続され、かつ、コンデンサＣＳ２を介して出力ポートＰ２に接続されている。第２中心電極３６の他端及びコンデンサＣ２はグランドポートＰ３に接続されている。

以上の等価回路からなる２ポート型アイソレータ１においては、第１中心電極３５の一端が入力ポートＰ１に接続され他端が出力ポートＰ２に接続され、第２中心電極３６の一端が出力ポートＰ２に接続され他端がグランドポートＰ３に接続されているため、挿入損失の小さな２ポート型の集中定数型アイソレータとすることができる。さらに、動作時において、第２中心電極３６に大きな高周波電流が流れ、第１中心電極３５にはほとんど高周波電流が流れない。

また、フェライト・磁石素子３０は、フェライト３２と一対の永久磁石４１が接着剤４２で一体化されていることで、機械的に安定となり、振動や衝撃で変形・破損しない堅牢なアイソレータとなる。

ここで、第１及び第２の樹脂層５０，６０について説明する。第１の樹脂層５０は、図６及び図７（Ｂ）に示すように、フェライト・磁石素子３０の基板２０に対する接合部に配置された常温で液状の熱硬化性樹脂（例えば、粒子が細かいエポキシ系樹脂）であって、接合部に塗布した後、加熱することで硬化させたものである。なお、図６及び図７において、符号５５は整合回路素子ＣＳ１，Ｒの接合用はんだを示し、符号５６はフェライト・磁石素子３０の接続用電極３５ｂ，３５ｃ，３６ｐの接合用はんだを示している。

第２の樹脂層６０は、図７（Ｃ）に示すように、平板状ヨーク１０の母材であるマザーヨーク１０’の裏面に接着された熱硬化性の軟質シート状樹脂６０’（例えば、エポキシ系樹脂）であって、フェライト・磁石素子３０や整合回路素子ＣＳ１，Ｒを覆うように基板２０の表面に加圧状態で配置し、いったん軟化させた後に硬化させたものである。

次に、第１実施例であるアイソレータ１の製造工程について、前記第１及び第２の樹脂層５０，６０を設ける工程を主として説明する。

まず、複数のフェライト・磁石素子３０をフェライト３２の両主面３２ａ，３２ｂが垂直に位置するようにマザー基板２０’の表面にマトリクス状に接合するとともに、整合回路素子ＣＳ１，Ｒもマザー基板２０’の表面に接合する（図７（Ａ）参照）。そして、フェライト・磁石素子３０と整合回路素子ＣＳ１，Ｒのマザー基板２０’に対する接合部に液状樹脂を塗布、硬化させて第１の樹脂層５０を設ける（図７（Ｂ）参照）。液状樹脂は常温では液状であり、例えば、１６５℃で９０分加熱することで硬化する。この第１の樹脂層５０は基板２０の表面において、フェライト・磁石素子３０や整合回路素子ＣＳ１，Ｒのはんだ付け部分を除く隙間に充填される。

次に、図７（Ｃ）に示すように、裏面に軟質シート状樹脂６０’を接着したマザーヨーク１０’をフェライト・磁石素子３０の上面に配置し、該軟質シート状樹脂６０’をいったん軟化させた後に硬化させ、第２の樹脂層６０を設ける。軟質シート状樹脂６０’は１５０℃で１８０分間、加圧状態で加熱することにより、軟化／硬化する。軟質シート状樹脂６０’は軟化したときにフェライト・磁石素子３０や整合回路素子ＣＳ１，Ｒの間の隙間に侵入し、これらの素子を外気から封止する（図７（Ｄ）参照）。

第２の樹脂層６０を設ける工程は、具体的には、室内圧を高く設定できるオーブンを使用し、加圧はオーブンの室内圧を、例えば、４〜５気圧程度に高めることで行う。

その後、マザー基板２０’をマザーヨーク１０’とともに、図７（Ｄ）に示す点線Ｙで切断し、１単位ごとのアイソレータ１とする。このとき、点線Ｙと直交する方向にも１単位ごとに切断することは勿論である。

以上のごとく、本第１実施例では、フェライト・磁石素子３０の周囲が第１及び第２の樹脂層５０，６０で封止されるため、湿度の影響を排除することができる。中心電極３５，３６を備えたフェライト３２は両主面３２ａ，３２ｂを永久磁石４１で挟み込まれているため、側部を囲むヨークを必ずしも必要とはしない。また、第１及び第２の樹脂層５０，６０は、液状樹脂を自動的に塗布したり、マザーヨーク１０’に貼着したシート状樹脂６０’を加圧、軟化させることで容易に設けることができる。しかも、基板２０や平板状ヨーク１０をマザー基板２０’、マザーヨーク１０’から製造するため、多数個取りの手法で効率よく製造することができる。

特に、本第１実施例では、第１の樹脂層５０を接合部に薄く設けているため、比較的高価な液状樹脂の使用量が少なくて済み、かつ、液状樹脂の硬化に伴ってマザー基板２０’の撓むおそれがない。

（第２実施例、図８〜図１０参照）
本発明に係る非可逆回路素子の第２実施例である２ポート型アイソレータ２の分解斜視図を図８に示す。この２ポート型アイソレータ２は、前記第１実施例と基本的には同じ構成からなり、第１実施例と同じ部材、部分には共通した符号を付し、重複した説明は省略する。第１実施例と異なるのは、第１の樹脂層５０を比較的厚く設け、第２の樹脂層６０を比較的薄く設けた点にある。

即ち、第１の樹脂層５０は、図９に示すように、フェライト・磁石素子３０や整合回路素子ＣＳ１，Ｒの基板２０に対する接合部を含めてフェライト・磁石素子３０の上面にまで設けられている。第２の樹脂層６０は、平板状ヨーク１０とフェライト・磁石素子３０の上面との間に設けられている。

製造工程は、まず、複数のフェライト・磁石素子３０をフェライト３２の両主面３２ａ，３２ｂが垂直に位置するようにマザー基板２０’の表面にマトリクス状に接合するとともに、整合回路素子ＣＳ１，Ｒもマザー基板２０’の表面に接合する（図１０（Ａ）参照）。そして、液状樹脂をフェライト・磁石素子３０の上面まで塗布し、硬化させて第１の樹脂層５０を設ける（図１０（Ｂ）参照）。フェライト・磁石素子３０の高さは約０．５ｍｍであり、液状樹脂はマザー基板２０’の端部から流れ出すことなく、フェライト・磁石素子３０の周囲に侵入する。液状樹脂の加熱温度、加熱時間は前記第１実施例とほぼ同様である。

次に、図１０（Ｃ）に示すように、裏面に軟質シート状樹脂６０’を接着したマザーヨーク１０’をフェライト・磁石素子３０の上面に配置し、該軟質シート状樹脂６０’をいったん軟化させた後に硬化させ、第２の樹脂層６０を設ける（図１０（Ｄ）参照）。第２の樹脂層６０を設ける工程では、第２実施例においても室内圧を高く設定できるオーブンを使用することができる。但し、第２の樹脂層６０は平板状ヨーク１０とフェライト・磁石素子３０の上面との間に設けられるため、必ずしも前記第１実施例ほどの加圧力、加熱温度、加熱時間を必要とはしない。

その後、マザー基板２０’をマザーヨーク１０’とともに、図１０（Ｄ）に示す点線Ｙで切断し、１単位ごとのアイソレータ２とする。このとき、点線Ｙと直交する方向にも１単位ごとに切断することは勿論である。

本第２実施例であるアイソレータ２の作用効果は前記第１実施例と同様である。特に、フェライト・磁石素子３０の周囲を液状樹脂で覆うために該周囲に空隙が発生することがなく、第２の樹脂層６０はフェライト・磁石素子３０の上面と第１の樹脂層５０とで形成される平坦面上に設けられるので貼着性が良好である。

（他の実施例）
なお、本発明に係る非可逆回路素子及びその製造方法は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

特に、整合回路の構成は任意であり、全ての整合回路素子が基板上に外付けされていてもよく、あるいは基板に内蔵されていてもよい。また、フェライト・磁石素子において、フェライトと永久磁石は一体に焼成されたものであってもよい。

本発明の第１実施例である非可逆回路素子（２ポート型アイソレータ）を示す分解斜視図である。 中心電極付きフェライトを示す斜視図である。 前記フェライトの素体を示す斜視図である。 フェライト・磁石素子を示す分解斜視図である。 ２ポート型アイソレータの一回路例を示す等価回路図である。 前記非可逆回路素子の、図１に示すＡ−Ａに相当する、断面図である。 前記非可逆回路素子の製造工程を示す、図１に示すＢ−Ｂに相当する、断面図である。 本発明の第２実施例である非可逆回路素子（２ポート型アイソレータ）を示す分解斜視図である。 前記非可逆回路素子の、図８に示すＡ−Ａに相当する、断面図である。 前記非可逆回路素子の製造工程を示す、図８に示すＢ−Ｂに相当する、断面図である。

符号の説明

１，２…２ポート型アイソレータ
１０…平板状ヨーク
１０’…マザーヨーク
２０…基板
２０’…マザー基板
３０…フェライト・磁石素子
３２…フェライト
３５…第１中心電極
３６…第２中心電極
４１…永久磁石
５０…第１の樹脂層（液状樹脂）
６０…第２の樹脂層（シート状樹脂）

Claims (6)

1. 互いに電気的に絶縁状態で交差して配置された複数の中心電極を両主面に形成したフェライトと、該フェライトに直流磁界を印加するようにフェライトの両主面に配置した一対の永久磁石とからなるフェライト・磁石素子と、
   前記フェライトの両主面が垂直に位置するように前記フェライト・磁石素子を表面に接合した基板と、
   前記フェライト・磁石素子の上面を覆うように配置された平板状ヨークと、
   少なくとも前記フェライト・磁石素子の前記基板に対する接合部に配置された液状樹脂が硬化した第１の樹脂層と、
   前記平板状ヨークの裏面に貼着された軟質シート状樹脂が硬化した第２の樹脂層と、
   を備え、
   前記第１及び第２の樹脂層が、前記フェライト・磁石素子の周囲を囲み、かつ、外周面に露出していること、
   を特徴とする非可逆回路素子。
2. 前記第１の樹脂層は前記接合部に配置され、
   前記第２の樹脂層は前記フェライト・磁石素子の周囲に配置されていること、
   を特徴とする請求項１に記載の非可逆回路素子。
3. 前記第１の樹脂層は前記接合部を含めて前記フェライト・磁石素子の周囲に配置され、
   前記第２の樹脂層は前記第１の樹脂層及び前記フェライト・磁石素子の上面と前記平板状ヨークとの間に配置されていること、
   を特徴とする請求項１に記載の非可逆回路素子。
4. 前記基板上に、整合回路素子が前記フェライト・磁石素子に隣接してかつ前記第１及び第２の樹脂層に覆われて配置されていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の非可逆回路素子。
5. 互いに電気的に絶縁状態で交差して配置された複数の中心電極を両主面に形成したフェライトと、該フェライトに直流磁界を印加するようにフェライトの両主面に配置した一対の永久磁石とからなる複数のフェライト・磁石素子を、該フェライトの両主面が垂直に位置するように、マザー基板の表面にマトリクス状に接合する工程と、
   少なくとも前記フェライト・磁石素子の前記マザー基板に対する接合部に液状樹脂を配置、硬化させて第１の樹脂層を設ける工程と、
   裏面に貼着された軟質シート状樹脂を有するマザー平板状ヨークを前記フェライト・磁石素子の上面に配置し、該軟質シート状樹脂をいったん軟化させた後に硬化させて第２の樹脂層を設ける工程と、
   前記第２の樹脂層を設けた後に、前記マザー基板を前記マザー平板状ヨークとともに所定の単位に切断し、前記第１及び第２の樹脂層を外周面に露出させる工程と、
   を備えたことを特徴とする非可逆回路素子の製造方法。
6. 前記第２の樹脂層を設ける工程は、加熱用オーブン内を高圧に保つとともに所定の温度に加熱して行うことを特徴とする請求項５に記載の非可逆回路素子の製造方法。

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