JP2007288701A

JP2007288701A - 非可逆回路素子

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Publication number: JP2007288701A
Application number: JP2006116287A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Mukai; 義行向井
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2007-11-01

Abstract

【課題】ストリップライン部材の位置ずれが生じることなく、電気的特性に優れた非可逆回路素子を提供する。
【解決手段】金属ケースの内側底面に配置したアース板と、アース板上に配置した板状ガーネット部材と、板状ガーネット部材上に配置したストリップライン部材と、ストリップライン部材上に配置した永久磁石を備えた非可逆回路素子であって、ストリップライン部材は、中央部から延出する帯状電極からなる接合部と、帯状電極間に形成された分岐線路と、板状ガーネット部材の縁部に到るまでに、分岐線路と連続する低インピーダンス線路を備え、板状ガーネット部材は、その平面方向の略中央位置でシリコーンゴム接着剤によりストリップライン部材と接着した。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車電話、携帯電話等のマイクロ波帯の高周波部品として採用される非可逆回路素子（例えばアイソレータ、サーキュレータ）に関する。

一般に、アイソレータやサーキュレータ等の非可逆回路素子は、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機能を有している。この種のアイソレータやサーキュレータとして、分布定数型と集中定数型があるのが知られている。
図１１及び図１２に示す平面図と断面図は、分布定数型の非可逆回路素子の内部構造を示している。分布定数型の非可逆回路素子は、金属ケース９に、円形状の中心部でＹ字状に接合され中心から放射状に分岐して設けられたストリップライン部材８（中心導体とも呼ばれる）と、その中心部と同軸上に前記ストリップライン部材８を挟むように配置された板状ガーネット部材７と、その両側に配置され、前記板状ガーネット部材７に直流磁界を与える永久磁石４を備えている。通常このような構造を採るのが一般的である。
なお、永久磁石４はいずれかの一枚である場合もある。そして金属ケースの側壁部にコネクタ２０を設け、このコネクタ２０の中心端子５０にストリップライン部材の端部を接続している。

図１３は、引用文献１に開示された分布定数型の非可逆回路素子の外観図であり、図１４は、その分解斜視図である。この非可逆回路素子１は、金属ケース９の最上部に蓋２が配置され、上から順に上鉄板３、その下に永久磁石４、その下に下鉄板５、更にアース板６が配置され、その下に２枚のフェライト７（板状ガーネット部材）と、この２枚のフェライト７の間に挟まれ、中心から放射状（例えば中心より１２０°間隔に３方向）に分岐して設けられた中心導体８を有し、フェライト７の下部にはアース板６が収納されている。
この中心導体８の端部は、それぞれ、金属ケース９の周囲から突き出るように入出力端子８ａ、８ｂ、８ｃを形成している。この入出力端子８ａ、８ｂ、８ｃは、通常０．１〜０．２５ｍｍの薄い銅板などで形成されていることが多く、先端を折り曲げて、回路基板に半田付けする構成になっている。
特開２００３−１２４７１１号（図３、図４）

前記ストリップライン部材８は、中央のＴＭ１１０モードで共振する共振器部（図中の円形部或いは略三角形部であり接合部とも言う）と、共振器部から三方向に形成された入出力接続用の電極とからなり、共振器部と入出力接続用の電極との間にはインピーダンスの整合をとるためλ／４長のインピーダンス変換器が形成されている。そして、ストリップライン部材８に電流を流すと、板状ガーネット部材７にストリップライン部材８を取り囲む高周波磁界が生じる。永久磁石４によって板状ガーネット部材中に回転磁界を生じさせることで、分岐路に入力された高周波磁界は、板状ガーネット部材７を通過する際に偏波面が回転し、所定の分岐路にのみ出力され、回路として非可逆性を持たせている。

永久磁石４から板状ガーネット部材に与えられる直流磁界は、理想的には均一なものであるが、実際には非可逆回路素子の構造によって影響され、板状ガーネット部材の外周側では金属ケースに向かって磁力線が湾曲する場合がある。このため、ストリップライン部材８の配置位置がずれた場合に、各入出力端子８ａ、８ｂ、８ｃのインピーダンスがずれてしまい、所望の電気的特性が得られない場合があった。
特に未習熟の作業者が非可逆回路素子を組み立てる場合に位置ずれが生じ易く、その電気的特性が大きくばらつき、製品歩留まりに大きく影響する。また、組み立て後であっても、落下させるなどして非可逆回路素子に衝撃が加わると、ストリップライン部材の位置ずれが生じる場合があった。
そこで、板状ガーネット部材の外周縁で、各入出力端子８ａ、８ｂ、８ｃ側を接着剤で固定することが行なわれていた。しかしながら、前記接着剤を複数の箇所に塗布しなければならず、また板状ガーネット部材の外周縁に塗布した接着剤が主面側に回りこみ、これを取り除くのに工数増を招く。さらには接着剤によって入出力端子とアース板との間で寄生容量が形成され、インピーダンスのずれが生じることもあった。
そこで本発明は、ストリップライン部材の位置ずれが生じることなく、電気的特性に優れた非可逆回路素子を提供することを目的とする。

本発明は、金属ケースの内側底面に配置されるアース板と、前記アース板上に配置された板状ガーネット部材と、前記板状ガーネット部材上に配置されるストリップライン部材と、前記ストリップライン部材上に配置される永久磁石を備えた非可逆回路素子であって、前記ストリップライン部材は、中央部から延出する帯状電極からなる接合部と、前記帯状電極間に形成された分岐線路と、前記板状ガーネット部材の縁部に到るまでに、前記分岐線路と連続する低インピーダンス線路を備え、前記板状ガーネット部材は、その平面方向の略中央位置でシリコーンゴム接着剤により前記ストリップライン部材と接着してなることを特徴とする非可逆回路素子である。
本発明においては、前記ストリップライン部材と前記永久磁石との間に更に板状ガーネット部材を備え、これをシリコーンゴム接着剤により前記ストリップライン部材と接着するのも好ましい。

前記シリコーンゴム接着剤は、ペースト状で供され、硬化後には適度な弾性を備えるのが好ましい。例えばシリコーンゴム接着剤は板状ガーネット部材の面上で、薄く広げられる程度の粘度を備えるのが好ましいが、低粘度であると接着剤が板状ガーネット部材の面上から他の面へ漏れ出すなどするため、扱いが困難となる場合がある。そこで、接着剤の粘度は１００Ｐａ・ｓ以上とするのが好ましい。

本発明においては、前記ストリップライン部材、あるいは前記板状ガーネット部材と前記永久磁石との間に仕切り部材を配置するのが好ましい。この仕切り部材を夫々に当接するように構成すれば、ストリップライン部材とあるいは前記板状ガーネット部材と前記永久磁石との距離を規定することが出来る。また、前記仕切り部材は、前記永久磁石の外周を支持する鍔部を備えるようにすれば、永久磁石を精度よく配置でき、各非可逆回路素子における板状ガーネット部材への直流磁界分布を均一なものとすることが出来る。
前記仕切り部材は、はんだリフロー等による高温環境下であっても、軟化し難いＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、エポキシなどの耐熱性樹脂で形成するのが好ましい。

永久磁石との距離を規定する目的から、前記仕切り部材は厚み方向に変形し難い樹脂で形成される。非可逆回路素子を組み立てる際に、仕切り部材がストリップライン部材を押圧して板状ガーネット部材に圧縮応力を作用する。また仕切り部材を用いない場合であっても、記板状ガーネット部材に圧縮応力を作用させる場合がある。このため、板状ガーネット部材が割れ、欠けたりする場合があったが、本発明によれば、シリコーンゴムの弾性によってこれを緩和することが出来、板状ガーネット部材が割れ、欠けたりするのを防ぐとともに、圧縮応力を緩和させることで板状ガーネット部材の磁気特性が劣化するのを防ぐことが出来る。
また、ストリップライン部材や板状ガーネット部材との線膨張係数は、１桁程度の差異があるのが通常である。この様な線膨張係数の相違によって、環境変化に伴う膨張収縮が繰り返された場合等の経時変化による劣化によって、シリコーンゴム接着剤が剥離する場合があっても、シリコーンゴムの弾性力によってストリップライン部材が移動自由とならないように保持することも出来る。このような機能を発揮させるには、シリコーンゴム接着剤の硬化後の硬度が、８０以下（ＪＩＳＫ６２５３デュロメータＡ）であることが好ましい。

本発明によれば、ストリップライン部材の位置ずれが生じることなく、電気的特性に優れた非可逆回路素子を提供することが出来る。

以下、終端抵抗を備えたアイソレータを例にとり、本発明の一実施例に係る非可逆回路素子について説明する。図１は、本発明の一実施例に係る非可逆回路素子の外観斜視図であり、図２はその分解斜視図である。また図３は非可逆回路素子の模式的断面図であり、図４はストリップライン部材板状とガーネット部材を組み合わせた中心導体部材の斜視図であり、図５はその分解斜視図である。
この非可逆回路素子は、金属ケース９内側に配置され、その外周の開口部から突出するような延長部を備えた樹脂部材１０にそってストリップライン部材８を外部へ延出させ、前記延長部の端部に設けた端子２５と、マイクロストリップライン部材８の端部８ａ、８ｂと接続し、金属材料で製作された金属ケース９には、その内底と同一面で金属ケースの外周に向かって終端抵抗を配置する支持板が突き出されており、マイクロストリップライン部材８の端部８ｃは、この支持板に配置された吸収抵抗Ｒと接続してなり、面実装可能としている。

金属ケース９の内側に内側底面に厚みが薄銅板からなるアース板６が配置される。なお前記薄銅板は、その厚みが０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍのものを用い、その表面は酸化を防ぐようにＡｇめっき、Ａｕめっき等の保護めっきが施される。なお保護めっきの導電率は、電気的特性を劣化させない様に、電気抵抗率の小さい金属めっきが選択され、その電気抵抗率は１．０×１０^−７Ω・ｍ以下のものが好ましい。

前記アース板６上には、端子２５を取り付けるための腕部３０が配された樹脂部材１０が配置される。この樹脂部材１０は剛性を有するものであり、その略中央部には前記アース板６が露出するような孔部が設けられている。腕部３０の各先端付近にも透孔が設けられており、端子２５が半田付けにより、マイクロストリップライン部材８の端部と接続される。前記端子２５は、径の異なる円柱が重なったピン形状の金属部品であり、前記腕部３０の透孔とマイクロストリップライン部材８の端部に形成された透孔を通して半田付けして固着される。
金属ケース９に３箇所に切欠があり、その切欠にあわせて樹脂部材１０の腕部３０が配置される。前記樹脂部材１０は、厚みが０．８〜１．０ｍｍであるが、曲げ強度に強い材質で、例えば、ガラスエポキシ樹脂、液晶ポリマーで作られているので、外力が加わった場合でも、変形がほとんど無い。このため端子部の変形を生じ難いので、実装基板と間の平衡性が保てて、密着性がよくなり、半田付けをより確実に出来てオープン等の電気的接続の不具合が生じることが無い接続の信頼性の高い製品となる。

前記樹脂部材１０の略中央部に設けられた透孔には一対の円板状ガーネット部材７とストリップライン部材８とをシリコーンゴム接着剤で接着した中心導体部材が配置される。
このマイクロストリップライン部材８は、厚さ３０〜２５０μｍの薄板金属板をエッチングして形成される。中央部から前記円板状ガーネット部材７の外周近傍にまで３方向に延出する帯状電極３０を備え、これらの帯状電極３０からなる接合部６０を備える。前記帯状電極３０間で円板状ガーネット部材７半径の略１／２の箇所に、それぞれ分岐線路４０が設けられ、さらに円板状ガーネット部材７の外周縁に到るまでの部分に整合回路として機能する低インピーダンス線路３５が設けられている。分岐線路４０はアース板６とで、ストリップラインを形成する。
分岐線路４０のλ／４線路長を確保するために、円板状ガーネット部材７上に占める前記接合部の面積は、所定の周波数で動作するように設定された円板状ガーネット部材７の面積よりも大きく減じざるを得ない。そこで低インピーダンス線路３５によって、動作周波数のずれと帯域幅の狭帯化を補償している。前記低インピーダンス線路３５は、前記アース板６とで接地コンデンサを形成する。

次に中心導体部材の組み立てについて説明する。
組み立てジグに立てられた３つのガイドピンを基準にして外周を支持された下側の円板状ガーネット部材７の中央部分に、シリコーンゴム接着剤をディスペンサ（定量吐出装置）により塗布する。塗布量は円板状ガーネット部材やストリップライン部材８の形状にもよるが、円板状ガーネット部材の外径がφ２０ｍｍ以下であれば、φ１ｍｍ〜φ２ｍｍ程度の塗布量で十分である。
そして円板状ガーネット部材７の上側からストリップライン部材８を配置する。前記ストリップライン部材８は、組み立てジグに立てられたガイドピンを基準にして、平面方向にずれなく配置される。更にストリップライン部材８の接合部６０にシリコーンゴム接着剤を塗布し、その上に上側の円板状ガーネット部材を配置する。中心導体部材の組み立ては、ガイドピンを基準にして行なわれるため、精度良く円板状ガーネット部材をストリップライン部材の上下に積み重ねることができる。
更に上下円板状ガーネット部材でストリップライン部材を押圧するようにクリップで固定して、乾燥器にて接着剤を硬化させた。硬化は接着剤の性能を劣化させない程度の温度で行なうが、１００℃〜２００℃の温度で、３０分〜２時間程度の保持時間とするのが好ましい。

前記のように、低インピーダンス線路３５は、前記アース板６とで接地コンデンサを形成する。このため、低インピーダンス線路３５にはシリコーンゴム接着剤が及ばないようにするのが好ましい。また回り込む場合もあるので、シリコーンゴム接着剤の比誘電率は、板状ガーネット部材の比誘電率よりも十分に小さいものとするのが望ましく、好ましくは比誘電率を４．０以下とする。また、誘電損失は小さいほど好ましいが、１ＭＨｚにおいて１０×１０^−３以下であれば電気的特性を劣化させることが無い。

ストリップライン部材８の上にはシールド部材６、鉄板５が配置され、その上には永久磁石４と鉄板３が配置され、最後に、前記金属ケース９と同様に磁性金属材料からなる蓋２で、金属ケース９内の収納物が動かないようして、非可逆回路素子１が出来上がる。蓋２や金属ケース９は、高周波電流の経路となるため、表皮効果による電気的特性を向上するように、電気抵抗率の小さい金属めっき、例えばＡｕめっきなどが施される。その電気抵抗率は１．０×１０^−７Ω・ｍ以下のものが好ましい。

以下本発明に係る非可逆回路素子を詳細に説明する。なお、全体の構成は前項で既に説明した図１及び図２と同様なので、重複する部分については、その説明を略す。
ＳＰＣＣからなる金属ケース９を準備し、その内側底面に０．１ｍｍ厚み円形状アース板６を配置した。金属ケース９の表面には、Ｃｕめっき、Ｎｉめっき、Ａｕめっきの順に５〜３０μｍ厚みのめっき層を形成している。円形状アース板６上には、厚みが０．５ｍｍの液晶ポリマーで形成された樹脂部材１０が配置される。そして樹脂部材１０の透孔に、一対の円板状ガーネット部材７とストリップライン部材８とでなる中心導体部材が配置される。
マイクロストリップライン部材８は、厚さ１５０μｍの薄板金属板をエッチングして形成されたものである。各円板状ガーネット部材は、φ１７×１．０ｍｍ厚みで、比誘電率εｒが１１、飽和磁化４πＭｓが１１５ｍＴであり、誘電損失ｔａｎδεが２×１０^−４のガーネットフェライトを用いた。また接着剤として、粘度が１１０Ｐａ・ｓ、１ＭＨｚにおける比誘電率が３．５、誘電正接が５×１０^−３、硬度がデュロメータＡ５０のシリコーンゴム接着剤を用い、１５０℃で３０分保持し硬化させて、円板状ガーネット部材７とストリップライン部材８とを接着した。

中心導体部材上には、０．１ｍｍ厚みのアース板６、ＳＰＣＣからなる０．１５ｍｍ厚みの鉄板５が配置され、更に永久磁石４が配置される。永久磁石４は、φ２０×６．０ｍｍ厚みの株式会社ＮＥＯＭＡＸ製Ｌａ−Ｃｏ置換型フェライト磁石のＹＢＭ−９ＢＥを用いた。磁気特性は、残留磁束密度（Ｂｒ）が４３０〜４５０ｍＴで、固有保磁力（ｉＨｃ）は３８２〜４１４ＫＡ／ｍである。

永久磁石４の上には、厚みが０．８ｍｍのＳＰＣＣからなる鉄板３、同様にＳＰＣＣからなり厚みが０．２ｍｍの蓋２が配置され、下ケース９上端の折り返し部に蓋２の端部をかしめて内部部材を固定した。蓋２は磁気ヨークとして機能するが、加工しやすいように薄いＳＰＣＣの板から形成される。このため鉄板３、５とあわせて用いることで磁気飽和を防ぐように構成している。マイクロストリップライン部材８の端部を、端子２５、終端抵抗Ｒと半田付けにより接続して、１９３０ＭＨｚ〜１９９０ＭＨｚ用の非可逆回路素子とした。

比較例

実施例１と比較し接着剤が異なる他は同じなので、以下接着剤について説明する。比較例で用いた接着剤はエポキシ系接着剤である。粘度が１８０Ｐａ・ｓ、１ＭＨｚにおける比誘電率が３．５、誘電正接が２×１０^−２、硬度がデュロメータＤ９５のものを用い、１５０℃で１５分保持し硬化させて、円板状ガーネット部材７とストリップライン部材８とを接着した。

得られた非可逆回路素子を各１５ケ準備し、その電気的特性を、ネットワークアナライザを用いて評価した。その結果を図６〜図８に示す。図中斜線で示した部分は、非可逆回路素子が用いられる周波数帯域と要求特性を示す。実施例、比較例ともに各要求特性を満足するが、比較例のものは、特に挿入損失特性が劣る。
図６に見るように、比較例の非可逆回路素子では通過帯域が狭帯域であるとともに、挿入損損失そのものも劣ることが判る。各試料の１９６０ＭＨｚにおける挿入損失は、実施例で平均０．２３９ｄＢ、標準偏差０．０１４６、比較例で平均０．２８９ｄＢ、標準偏差０．０１９８であった。
また板状ガーネット部材の外周縁で、各入出力端子を接着剤で固定し、インピーダンスのずれを永久磁石の磁力の調整などで補正した非可逆回路素子を準備し評価したところ、本実施例の挿入損失と同程度であった。これらのことから本発明に係る非可逆回路素子が少ない工数で作成できるとともに、優れた電気的特性を発揮していることがわかる。

以下本発明に係る非可逆回路素子を図９及び図１０を用いて説明する。図９は、本発明の一実施例に係る非可逆回路素子の分解斜視図である。また図１０は非可逆回路素子の模式的断面図である。なお、全体の構成は実施例１で説明した構成と類似するので、重複する部分については、その説明を略す。
本実施例においては、中心導体部材は一枚の円板状ガーネット部材７と、これにシリコーンゴム接着剤で接着されるストリップライン部材８とで構成される。円板状ガーネット部材は、φ１７×０．５ｍｍ厚みで、比誘電率εｒが１１のものを用いた。ストリップライン部材８の上にはＬＣＰ（液晶ポリマー）からなる仕切り部材１５が配置され、その上には永久磁石４が配置される。実施例１と比べて上側の円板状ガーネット部材７、アース板６、鉄板５を有さない点でも相違する。
前記仕切り部材１５は、前記永久磁石４の外周を支持する鍔部を備え、マイクロストリップライン部材８と永久磁石４との間隔ｔを規定するように、両方に当接して配置される。永久磁石４の上には、厚みが０．８ｍｍのＳＰＣＣからなる鉄板３、同様にＳＰＣＣからなり厚みが０．２ｍｍの蓋２が配置され、下ケース９上端の折り返し部に蓋２の端部をかしめて内部部材を固定する。この際に、仕切り部材１５がストリップライン部材８を押圧するようにした。本実施例の非可逆回路素子も、実施例１と同様に優れた電気的特性が得られた。

本発明の一実施例に係る非可逆回路素子の外観斜視図である。本発明の一実施例に係る非可逆回路素子の分解斜視図である。本発明の一実施例に係る非可逆回路素子の模式断面図である。本発明の一実施例に係る非可逆回路素子に用いる中心導体部材の外観斜視図である。本発明の一実施例に係る非可逆回路素子に用いる中心導体部材の分解斜視図である。本発明の一実施例に係る非可逆回路素子の挿入損失特性図である。本発明の一実施例に係る非可逆回路素子の入力側リターンロス特性図である。本発明の一実施例に係る非可逆回路素子のアイソレーション特性図である。本発明の他の実施例に係る非可逆回路素子の分解斜視図である。本発明の他の実施例に係る非可逆回路素子の模式断面図である。従来の非可逆回路素子の内部構造を示す平面図である。従来の非可逆回路素子の内部構造を示す断面図である。従来の他の非可逆回路素子の外観斜視図である。

符号の説明

１非可逆回路素子
２蓋
３上鉄板
４永久磁石
５下鉄板
６アース板
７板状ガーネット部材（フェライト）
８ストリップライン部材（中心導体）
８ａ、８ｂ、８ｃ入出力端子
９金属ケース
２５端子

Claims

金属ケースの内側底面に配置されるアース板と、前記アース板上に配置された板状ガーネット部材と、前記板状ガーネット部材上に配置されるストリップライン部材と、前記ストリップライン部材上に配置される永久磁石を備えた非可逆回路素子であって、
前記ストリップライン部材は、中央部から延出する帯状電極からなる接合部と、前記帯状電極間に形成された分岐線路と、前記板状ガーネット部材の縁部に到るまでに、前記分岐線路と連続する低インピーダンス線路を備え、
前記板状ガーネット部材は、その平面方向の略中央位置でシリコーンゴム接着剤により前記ストリップライン部材と接着してなることを特徴とする非可逆回路素子。
前記ストリップライン部材と前記永久磁石との間に更に板状ガーネット部材を備え、これをシリコーンゴム接着剤により前記ストリップライン部材と接着したことを特徴とする請求項１に記載の非可逆回路素子。
シリコーンゴム接着剤の硬化後の硬度が、８０以下（ＪＩＳＫ６２５３デュロメータＡ）であ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。