JP2012147363A

JP2012147363A - 非可逆回路素子

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Publication number: JP2012147363A
Application number: JP2011005729A
Authority: JP
Inventors: Junji Chikada; 淳二近田; Daisuke Mabuchi; 大介間渕
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: JP5678673B2

Abstract

【課題】簡易な構造で組立性に優れ、かつフェライト板の割れを防止して容易に低背化および小型化を実現することが可能になる非可逆回路素子を提供する。
【解決手段】中心部から外方に向けてＹ字状に延出する入出力端子２ａ〜２ｃ間に、各々外方に向けて延在する共振器３が形成された中心導体１と、中心導体１を、共振器３を含んで間に挟む上下部フェライト板５、６と、上下部フェライト板を間に挟む上下部磁性金属板７、８とが積層されるとともに、上部磁性金属７上に磁石１０が配置され、かつ中心導体１の共振器３の先端部３ａに、面外方向に屈曲されて上部フェライト板５との間に間隙Ｇを形成する屈曲部４を形成することにより、屈曲部４の弾性により中心導体１に対して上部フェライト板５を接離自在に設けた。
【選択図】図４

Description

本発明は、各種のマイクロ波装置に組み込まれて、マイクロ波の伝達路をジャイロ磁気現象により回転変更するアイソレータやサーキュレータ等の非可逆回路素子に関するものである。

一般に、マイクロ波増幅器やマイクロ波発振器等のマイクロ波装置の回路基板には、アイソレータやサーキュレータ等の非可逆回路素子が実装されている。これらの非可逆回路素子は、マイクロ波を磁気共鳴させるためのフェライト等の磁性体の内部に、永久磁石によって一方向の磁界を与えるとともに、上記磁性体の表面に入出力端子を備えた中心導体を配置し、上記入出力端子から入力されたマイクロ波の伝達路を、ジャイロ磁気現象による右ネジの法則によって他の入出力端子へと回転変更するものである。

ところで、この種の非可逆回路素子においては、近年における上記マイクロ波装置の回路基板の小型化および軽量化に伴い、従来よりも簡易な構造で組立性に優れ、かつ回路基板に直接載置して実装することができる小型薄肉のものの開発が要請されている。

そこで、本発明者等は、下記特許文献１において、入出力端子を放射状に分岐させた中心導体と、この中心導体を挟んで向き合う上下フェライト板と、これら上下フェライト板を挟んで向き合う上下導体板とを備え、上記上導体板の上面に、上下フェライト板に定方向に磁界を加える磁石を配置する非可逆回路素子において、上記下フェライト板の中心導体の入出力端子との対向位置に孔部を設け、上記下導体板には当該孔部との対向位置に切り欠き部を形成して、上記孔部に中心導体の入出力端子を挿入して裏側に引き出し折り曲げるようにしたことを特徴とする非可逆回路素子を提案した。

かかる構成からなる非可逆回路素子によれば、中心導体の入出力端子が下導体板の裏面に対して略面一になるので、当該素子を、回路基板の上に直接的に載置して表面実装することができるとともに、下フェライト板に孔部を設けるだけなので構成がシンプルであり、部品点数が少なくなり組み立てが容易に行えるという利点がある。

特開２００５−８００８７号公報

ところが、上記従来の非可逆回路素子にあっては、薄板状の脆い下フェライト板に、入出力端子を挿入するための孔部や上下導体板同士を接続して閉磁路を形成するための側壁を貫通させる穴等の、細長い開口部を多数穿設しているために、当該開口部の加工が難しく、製造コストが嵩むとともに、表面実装後に上記回路基板に曲げ応力が作用したり、あるいは反りが生じたりすると、上記開口部の縁部を起点として割れを生じ易い等の問題点があった。

加えて、表面実装部品を実現するためには、実装された回路基板に作用する曲げ応力に対して、十分な耐性を備えていることが必須となるのに対して、低背化を図るためには、上下フェライト板を挟む上下導体板も薄肉となり、この結果、上記曲げ応力に対して一層変形し易い構造となることから、上記問題点の解決が望まれていた。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構造で組立性に優れ、かつフェライト板の割れを防止して容易に低背化および小型化を実現することが可能になる非可逆回路素子を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、中心部から外方に向けて放射状に３方向へと延出する入出力端子の間に、各々外方に向けて延在する共振器が形成された平板状の中心導体と、この中心導体を、上記共振器を含んで間に挟む上下部フェライト板と、これら上下部フェライト板を間に挟む上下部磁性金属板とが積層されるとともに、上記上部磁性金属上に磁石が配置され、かつ上記上下部磁性金属板が側板を介して閉磁路を形成する非可逆回路素子において、上記中心導体の上記共振器の先端部に、面外方向に屈曲されて上記上部フェライト板および／または下部フェライト板との間に間隙を形成する屈曲部を形成することにより、上記屈曲部の弾性により上記中心導体に対して上記上部フェライト板および／または下部フェライト板を接離自在に設けたことを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記共振器の先端部が、上記外方への延在方向と直交する両方向に突出する突出部によりＴ字状に形成されるとともに、当該突出部の基端部が屈曲されることにより上記屈曲部が形成されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記中心導体が、銅系の非磁性金属板からなることを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記入出力端子の先端部が、上記外方への延在方向と直交する両方向に突出する突出部によりＴ字状に形成されるとともに、当該突出部の基端部が屈曲されることにより上記屈曲部と協働する第２の屈曲部が形成されていることを特徴とするものである。

請求項１〜４のいずれかに記載の発明によれば、中心導体の共振器の先端部に、面外方向に屈曲された屈曲部を形成して、上部フェライト板および／または下部フェライト板との間に間隙を形成し、上記屈曲部の弾性によって、中心導体に対して上部フェライト板および／または下部フェライト板を接離自在に設けているために、実装後に回路基板に曲げ応力が作用して反りを生じた場合にも、上記屈曲部が弾性変形することにより上記間隙において吸収することができる。

この結果、実装後における回路基板に作用する曲げ応力に対して、柔軟性により上下部フェライト板等の割れを防止して、上下部磁性金属板の薄板化による低背化を実現することができるために、容易に低背化および小型化を図ることが可能になる。

さらに、上記間隙の寸法を微調整することにより、加工時に生じる上下部フェライト板の厚さ寸法の誤差を吸収することができ、よって加工マージンを確保して、量産性に優れる。また、予め上記間隙の寸法を適宜調整することにより、中心導体の共振器とその上下の構成要素との間の容量を変化させて、中心周波数を変えたり、あるいは微調整したりすることも可能になる。

また、一般に上記磁石や上下部磁性金属板は、温度が高くなるにしたがって磁場の強度（磁束密度）が低下する特性を有している。このため、上記構成からなる非可逆回路素子においては、温度の上昇に伴って中心周波数が低周波側にシフトする傾向がある。
他方、上記非可逆回路素子においては、温度が高くなるにしたがい、磁性金属からなる上記側板の熱伸長によって上記間隙の寸法が大きくなり、この結果上記共振器との間の容量が減少して中心周波数が高周波側にシフトする。

したがって、本発明に係る非可逆回路素子によれば、温度変化が生じた際に、上述した上記磁石や上下部磁性金属板の磁場の強度変化に起因する中心周波数の変化と、上記側板の熱伸縮による上記間隙の寸法変化に起因した中心周波数の変化が相殺されることにより、優れた温度特性を実現することが可能になる。

なお、上記間隙を形成するための共振器の先端部の屈曲部は、上部フェライト板および／または下部フェライト板との間に間隙を形成することができれば、様々な形態を取ることが可能であるが、例えば請求項２に記載の発明のように、上記共振器の先端部をＴ字状に形成し、その突出部の基端部を屈曲することによって形成すれば、共振器の特性を損なうことなく、しかも安定的に上記上部フェライト板および／または下部フェライト板との間に間隙を形成することができる。

また、中心導体は、非磁性の金属導体であって、かつ屈曲部がバネ材として機能するための所定の弾性係数を有している必要があることから、特に請求項３に記載の発明のように、リン青銅、ベリリウム銅、純銅等の銅系の非磁性金属板によって形成することが好ましい。

さらに、請求項４に記載の発明においては、３本の上記共振器の先端部の屈曲部に加えて、隣接する共振器間から放射状に延出する３本の入出力端子の先端部にも、上記共振器の屈曲部と協働する第２の屈曲部を形成しているために、周方向の６箇所（より正確には、６箇所×２＝１２点）において、上部フェライト板および／または下部フェライト板と当接している。

この結果、周方向に均一な間隙をより一層確実に形成することができ、よって一段と安定した周波数特性を実現することが可能になるとともに、さらにリターンロス特性やアイソレーション特性の変動要因も無くして、特性を安定化させることができる。

本発明の一実施形態を示す斜視図である。図１の分解斜視図である。図２の中心導体を示す正面図である。図１の正面図である。本発明の他の実施形態における中心導体を示す斜視図である。温度変化による中心周波数の変化を模式的に示すもので、（ａ）は温度変化による間隙の寸法変化に起因する中心周波数の変化を示すグラフ、（ｂ）は温度変化による磁束密度の変化に起因する中心周波数の変化を示すグラフである。

図１〜図４は、本発明に係る非可逆回路素子をアイソレータに適用した一実施形態を示すもので、図中符号１が中心導体である。
この中心導体１は、リン青銅等の金属板によって形成されたもので、その中心部１ａから外方に向けて放射状に３方向へと延出する入出力端子２ａ、２ｂ、２ｃが形成されている。ここで、入出力端子２ａ、２ｂ、２ｃは、互いに中心角１２０°を間に介して、全体としてＹ字状をなすように形成されており、周方向に隣接する入出力端子２ａ、２ｂ、２ｃ間には、各々同様に外方に向けて放射状に延在する共振器３が形成されている。なお、共振器３は、入出力端子２ａ、２ｂ、２ｃよりも短い長さ寸法に設定されている。

また、各々の共振器３は、その先端部３ａに上記外方への延在方向と直交する両方向に突出する突出部が形成されることにより、Ｔ字状に形成されている。さらに、突出部は、上記先端部３ａから突出する基端部が図中上方へと面外方向に屈曲されることにより屈曲部４とされている。

そして、この中心導体１は、上部フェライト板５および下部フェライト板６間に挟持されている。
これら上下部フェライト板５、６は、各々半径が、中心導体１の中心から入出力端子２ａ、２ｂ、２ｃの先端までの長さ寸法より小さく、かつ中心導体１の中心から共振器３の先端までの長さ寸法より大きい寸法に形成されている。

そして、これら中心導体１を間に挟んだ上下部フェライト板５、６の上面側および下面側には、各々上部磁性金属板７および下部磁性金属板８が配設されている。ここで、下部磁性金属板８は、外観略六角形の平板状に形成されたもので、下部フェライト板６の半径よりも僅かに大きな内接円となる大きさに形成されている。また、六角形の下部磁性金属板８の周縁の１辺おきには、それぞれ側板９が一体に立設されている。

他方、上部磁性金属板７は、上部フェライト板５とほぼ等しい半径の円板状に形成されており、さらに中心角１２０を間に介した外周部には、方形状に突出する接続部７ａが形成されている。なお、各々の接続部７ａの幅寸法は、下部磁性金属板８の側板９の長さ寸法に設定されている。

そして、下部磁性金属板８上であって側板９内に、中心導体１および上下部フェライト板５、６が収納されるとともに、その上面に上部磁性金属板７が積層されている。ここで、上部磁性金属板７の接続部７ａの下面に、下部磁性金属板８の側板９の上縁が当接されている。そして、この上部磁性金属板７上に、円形板状の永久磁石１０が載置されて接着剤等により固定されている。この永久磁石１０は、上下部フェライト板５、６に、その板面と直交する方向に定磁界を形成させるものである。

これにより、中心導体１、上下部フェライト板５、６、上下部磁性金属板７、８および永久磁石１０が、機械的、磁気的、かつ電気的に積層され、上下部磁性金属板７、８が側板９を介して閉磁路を形成するとともに、中心導体１の共振器３の先端に形成した屈曲部４により、中心導体１の上面と、上部フェライト板５の下面との間に、図４示すように、間隙Ｇが形成されている。なお、この間隙Ｇは、約０．１５ｍｍ以下となるように、屈曲部４の屈曲量が調整されている。

以上の構成からなるアイソレータは、例えば、全体として縦横が約１０〜２０ｍｍ角で、高さが約５ｍｍの部品であり、入出力端子２ａ、２ｂ、２ｃのうち、入出力端子２ａが入力端子とされ、入出力端子２ｂが出力端子とされるとともに、他の１本の入出力端子２ｃが接地されて、図示されない回路基板上に実装されることにより、マイクロ波回路の一部として組み込まれている。

これにより、入力端子２ａに加えられたマイクロ波は、中心導体１において高周波磁界を発生し、上下部フェライト板５、６における磁気モーメントによって、上記マイクロ波の進行方向が曲がって中心角１２０°右回りに回転した出力端子２ｂに出力するとともに、出力端子２ｂに導入されたマイクロ波は、中心角１２０°右回りに回転した入出力端子２ｃに出力して接地されるようになっている。

そしてさらに、上記構成からなるアイソレータにあっては、中心導体１の共振器３の先端部３ａに、面外方向に屈曲された屈曲部４を形成して、上部フェライト板５との間に間隙Ｇを形成し、屈曲部４の弾性によって中心導体１に対して上部フェライト板５を接離自在に設けているために、実装後に回路基板に曲げ応力が作用して反りを生じた場合にも、屈曲部４が弾性変形することにより間隙Ｇにおいて吸収することができる。

この結果、実装後における回路基板に作用する曲げ応力に対して、柔軟性により上下部フェライト板５、６の割れを防止して、上下部磁性金属板７、８の薄板化による低背化を実現することができるために、容易に低背化および小型化を図ることができる。

さらに、間隙Ｇの寸法を微調整することにより、加工時に生じる上下部フェライト板５、６の厚さ寸法の誤差を吸収することができ、よって加工マージンを確保して、量産性に優れる。また、予め間隙Ｇの寸法を適宜調整することにより、中心導体１の共振器３とその上下の構成要素との間の容量を変化させて、中心周波数を変えたり、あるいは微調整したりすることも可能になる。

また、図６（ａ）に示すように、アイソレータにおいては、温度が高くなるにしたがい、磁性金属からなる側板９が熱伸長することによって間隙Ｇの寸法が大きくなり、この結果、共振器３との間の容量が減少して中心周波数が図中右方の高周波側（Ｆｏ（＋）側）にシフトする。

これに対して、同図（ｂ）に示すように、永久磁石１０および上下部磁性金属板７、８は、温度が高くなるにしたがって磁場の強度（磁束密度）が低下することにより、中心周波数が図中右方の低周波側（Ｆｏ（−）側）にシフトする傾向がある。

したがって、中心導体１と上部フェライト板５との間に間隙Ｇを形成した上記アイソレータによれば、温度変化が生じた際に、永久磁石１０や上下部磁性金属板７、８の磁場の強度変化に起因する中心周波数の変化と、側板９の熱伸縮による間隙Ｇの寸法変化に起因した中心周波数の変化が相殺されることにより、優れた温度特性を実現することが可能になる。

次いで、図５は、本発明に係る非可逆回路素子をアイソレータに適用した他の実施形態における中心導体を示すもので、他の構成については、図１〜図４に示したものと同一であるために、以下同一符号を用いてその説明を簡略化する。

このアイソレータにおいては、中心導体１１の入出力端子１２の先端部１２ａが、当該入出力端子１２の延在方向と直交する両方向に突出する突出部によりＴ字状に形成されるとともに、これら突出部の基端部が、上部フェライト板５側に向けて面外方向に屈曲されることにより、第２の屈曲部１３が形成されている。

そして、これら第２の屈曲部１３は、共振器３の先端部３ａに形成した屈曲部４とほぼ等しい屈曲量に設定されることにより、全体が曲げ力を受けた際に、屈曲部４と協働して弾性変形するようになっている。

この結果、上記中心導体１１を備えたアイソレータにおいては、３本の共振器３の先端部３ａの屈曲部４に加えて、これら共振器３間から放射状に延出する３本の入出力端子１２の先端部１２ａにも、共振器３の屈曲部４と協働する同様の第２の屈曲部１３を形成しているために、中心導体１１と上部フェライト板５とが円周方向の６箇所１２点において当接している。

したがって、本実施形態のアイソレータによれば、図１〜図４に示したものと同様の作用効果が得られることに加えて、より一層確実に周方向に均一な間隙Ｇを形成することができ、よって一段と安定した周波数特性を実現することが可能になるとともに、さらにリターンロス特性やアイソレーション特性の変動要因も無くして、特性を安定化させることができるといった効果が得られる。

なお、上記実施形態においては、中心導体１の共振器３の先端部３ａあるいは入出力端子１２の先端部１２ａを、いずれも上部フェライト板５側に面外方向に屈曲して屈曲部４、１３を形成することにより、中心導体１の上面と上部フェライト板５との間に間隙Ｇを形成する場合についてのみ説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、逆に下部フェライト板６側に向けて屈曲することにより、下部フェライト板６との間に同様の間隙を形成してもよく、さらには交互に上下部フェライト板５、６側に屈曲することにより、上下部フェライト板５、６との間に各々間隙を形成するようにしてもよい。

各種マイクロ波装置の回路基板に実装されるアイソレータやサーキュレータ等として利用可能である。

１、１１中心導体
２ａ、２ｂ、２ｃ、１２入出力端子
３共振器
３ａ、１２ａ先端部
４、１３屈曲部（突出部）
５上部フェライト板
６下部フェライト板
７上部磁性金属板
８下部磁性金属板
９側板
１０永久磁石
Ｇ間隙

Claims

中心部から外方に向けて放射状に３方向へと延出する入出力端子の間に、各々外方に向けて延在する共振器が形成された平板状の中心導体と、この中心導体を、上記共振器を含んで間に挟む上下部フェライト板と、これら上下部フェライト板を間に挟む上下部磁性金属板とが積層されるとともに、上記上部磁性金属上に磁石が配置され、かつ上記上下部磁性金属板が側板を介して閉磁路を形成する非可逆回路素子において、
上記中心導体の上記共振器の先端部に、面外方向に屈曲されて上記上部フェライト板および／または下部フェライト板との間に間隙を形成する屈曲部を形成することにより、上記屈曲部の弾性により上記中心導体に対して上記上部フェライト板および／または下部フェライト板を接離自在に設けたことを特徴とする非可逆回路素子。
上記共振器の先端部は、上記外方への延在方向と直交する両方向に突出する突出部によりＴ字状に形成されるとともに、当該突出部の基端部が屈曲されることにより上記屈曲部が形成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。
上記中心導体は、銅系の非磁性金属板からなることを特徴とする請求項１または２に記載の非可逆回路素子。
上記入出力端子の先端部は、上記外方への延在方向と直交する両方向に突出する突出部によりＴ字状に形成されるとともに、当該突出部の基端部が屈曲されることにより上記屈曲部と協働する第２の屈曲部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の非可逆回路素子。