(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に５％〜３０％の範囲のバルク結晶を生成するようにアニールされている鉄ベースのアモルファス合金リボンを含むコアを有するインダクタを備えたバンドパス・フィルタであって、コアは１〜１０００ｋＨｚの周波数範囲にわたり一定の透磁率と、−１３ｋＧ乃至＋１３ｋＧの誘導レンジにわたり線形である線形ＢＨループとを有し、一定の透磁率が−１５Ｏｅ乃至＋１５Ｏｅの場の強度の範囲にわたり存在し、
前記アモルファス合金リボンが、熱処理の間、コアの磁界励起方向に対して垂直な磁場を適用することによりアニールされることを特徴とする、バンドパス・フィルタ。
【請求項２】
前記一定の透磁率は、１００〜４００の範囲を有する、請求項１に記載のバンドパス・フィルタ。
【請求項３】
内部に５％〜３０％の範囲のバルク結晶を生成するようにアニールされている鉄ベースのアモルファスの合金リボンを含むコアを有するインダクタであって、前記コアは１〜１０００ｋＨｚの周波数範囲にわたり一定の透磁率と、−１３ｋＧ乃至＋１３ｋＧの誘導レンジにわたり線形である線形ＢＨループとを有し、一定の透磁率が−１５Ｏｅ乃至＋１５Ｏｅの場の強度の範囲にわたり存在し、
前記アモルファス合金リボンが、熱処理の間、コアの磁界励起方向に対して垂直な磁場を適用することによりアニールされる、インダクタ。
【請求項４】
前記一定の透磁率は、１００〜４００の範囲にあることを特徴とする、請求項３に記載のインダクタ。
【請求項５】
通信チャネルにわたる周波数バンドを選択する方法であって、
鉄ベースのアモルファス金属合金リボンを含むコアを有するインダクタを使用するステップと、
内部に５％〜３０％の範囲のバルク結晶を生成するようにコアをアニールするステップと、
を有し、
前記コアは約１〜１０００ｋＨｚの周波数範囲にわたり一定の透磁率と、−１３ｋＧ乃至＋１３ｋＧの誘導レンジにわたり線形である線形ＢＨループとを有し、一定の透磁率が−１５Ｏｅ乃至＋１５Ｏｅの場の強度の範囲にわたり存在し、
前記アモルファス合金リボンが、熱処理の間、コアの磁界励起方向に対して垂直な磁場を適用することによりアニールされることを特徴とする方法。
【請求項６】
前記一定の透磁率は、１００〜４００の範囲にあることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタル及びアナログ情報伝送の分野に関し、より詳細には、ＤＳＬ通信回路などの電気通信においてバンドパス・フィルタリグをするための、鉄ベースのアモルファス金属コアを有するフィルタ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気通信ラインは現在、製品又はサービスの商業的および家庭におけるユーザの両方に対し、幅広い多様な信号を生成するために使用されている。もちろん、そのような製品及びサービスには、通常の音声電話及び通信が含まれ、増加しつつある補助的なサービスも同様に含まれている。補助的なサービスは、一般的に、既存の電話線の上での情報の伝送に向けられている。この情報は、コンピュータデータすなわち双方向インターネット接続上を伝送されるデータを含んでおり、現在では、増加しつつある他の補助的サービスをも同様に含んでいる。現在開発され、または計画されているそれらのさらなる補助サービスには、音声のみ（ラジオ）、ビデオのストリーム、音声／ビデオのストリームの混合などの、一方向及び双方向の連続放送情報を含んでいる。
【０００３】
上述した通信モードは、広範囲なこの情報を運ぶことができるネットワークを提供する、既存の電話線により可能となる。利用可能な帯域幅は、一般的に約０〜３０００ｋＨｚの範囲にあるが、一般的な音声のみの電気通信に必要とされる実際の帯域は約６ｋＨｚまでの近傍にある。従って、この既存ネットワークをより高い周波数で通信を伝送するために使用する潜在性が存在する。
【０００４】
ある範囲の周波数内、つまりすなわち制限された「帯域幅」で情報を提供する技術は、単一の回路を異なる信号を同時伝送することを可能とする。これにより、通信線を伝送される信号が、別々のフレームの周波数内、すなわち回路に対し利用可能な周波数スペクトル内で別の帯域幅に維持され得る、複数の回路に対する必要性が除去される。一般的に、これは典型的にはコイル及びキャパシタを含む「バンドパスフィルタ」により達成されてきた。コイル及びキャパシタの動作特性は、利用できる総周波数の制限されたサブセットのみが通信線を通過するように選択される。バンドパスフィルタは典型的に通信源と通信線との間に配置され、従って通信デバイスの出力が特定のバンドパスフィルタに対して確立された周波数の範囲内にもっぱらなるように制限される。利用できる周波数スペクトル範囲内で各々が重なりあわない周波数範囲の出力をもつ、複数のバンドパスフィルタをさらに使用することができ、従って複数の通信デバイスは共通の通信線を共有することが出来る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
過去において、チョークコイルが電気通信回路において使用されてきた。利点がある一方で、使用には欠点が存在する。そのような欠点には、インバンド・パス・フィルタ回路などの適切な使用に必要とされる所望のチョークコイル特性を制御することの不整合が含まれる。これらの欠点により、「より柔軟」で、より制御しやすい磁気特性を持つ材料に対する必要性がある。特定の場合、アモルファス金属合金を含むコバルトが、チョークコイル・コアを形成するために使用されてきた。より一般的で低価格であるが、鉄リッチなアモルファス金属コアはチョークコイルコアに使用されていない。というのは、それらのインダクタンス特性が、バンドパスフィルタにおいて使用するには不安定であると考えられているからである。
ＥＰ−Ａ−１ ０６３ ６６１は、集積回路およびその製造方法を開示している。集積回路は、ミクロンスケールされており、強磁性コアを備えたマイクロ磁気デバイスを含む。マイクロ磁気デバイスは、インダクタ及びトランスフォーマを含むグループから選択されており、パワー半導体デバイスを形成する場合に利用される薄膜処理技術の応用を使用して形成される。
ＥＰ−Ａ−０ ５１３ ３８５は、高周波数範囲で優れた軟磁性、特に低保磁力及び高透磁率を有する鉄ベースの軟磁性合金を提供する。合金はＦｅ−Ｓｉ−Ｂ合金にアルミニウムおよび好適にはさらにニオビウムを加えることにより製造される。合金は、薄いベルト、粉末、又は薄膜に形成され、少なくとも３０％の結晶部分を提供するように熱処理される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、鉄ベースのアモルファス金属合金を実質的に含むコアを有するインダクタを提供する。
【０００７】
一つの側面において、コアの透磁率は約１〜１０００ｋＨｚの周波数範囲で実質的に一定である。特に、コアの透磁率は約−１．２〜＋１．２ｋＡ／ｍ（−１５〜＋１５エルステッド（Ｏｅ））の場の強度範囲で実質的に一定である。
【０００８】
別の側面において、本発明は約１〜１０００ｋＨｚの周波数範囲で実質的に一定の透磁率を有するコアを備えたチョークを含むフィルタ回路を提供する。
【０００９】
さらに別の側面では、本発明は、約−１．２〜＋１．２ｋＡ／ｍ（−１５〜＋１５エルステッド（Ｏｅ））の場の強度で実質的に一定であるコア透磁率を有するフィルタ回路を利用して、周波数通信を分離する方法を提供する。
【００１０】
有利な構造上の特徴が、本発明のエレメントに組み込まれている。鉄ベースのアモルファス金属合金からなるコアを含むフィルタ回路は、コバルトベースのコアを使用するフィルタ回路と同じかもしくはそれ以上の優れた特性を提供する。さらに、鉄ベースのアモルファス合金からなるコアは、コバルトベースのコアに比べ非常の低価格である。従って、鉄ベースのアモルファス金属合金のコアは、フィルタ回路を必要とする通信の応用に対し低コストの解決を提供する。鉄ベースのコアを使用するフィルタ回路は、ＤＳＬなどの通信チャンネル全体でデジタル及びアナログ信号の周波数バンドを選択するための調整可能なバンドパスフィルタを必要とする通信の応用において使用するのに特に適している。
【００１１】
本発明および更なる本発明の利点は、本発明の好適な実施の形態に関する以下の詳細な説明および添付された図面を参照するときにより明らかになるであろう。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面の図１を参照すると、本発明に従った通信システム２０が示されている。電話セントラル・オフィスなどの通信源２２は、会社や家庭などの加入者２４に対して、高帯域幅のアナログおよびデジタル信号を通信チャンネル２６上で伝送するためにＤＳＬ技術を使用する。バンドパスフィルタ回路などのフィルタ回路２８は、セントラル・オフィス２２と加入者２４に配置され得る。フィルタ回路２８の動作特性は、通信線２６を通過する周波数スペクトルを制限するために調整され得る。代替的な実施の形態では、フィルタ回路２８は、ローパスフィルタであり、その動作特性は通過を許容される周波数範囲を制限するように調整される。
【００１３】
図２Ａは、本発明に従った図１のフィルタ回路２８を示す回路図である。一つの実施の形態において、図２Ａのフィルタ回路は、並列配置で結合された電気チョークＬとキャパシタＣを含むバンドパスフィルタである。図２Ａのフィルタ回路は、入力信号を受け入れ、入力信号の周波数及びフィルタ回路の動作特性に依存した出力信号を生成する。図２Ｂを参照すると、図２Ａのフィルタ回路はfc=1/(〔2π(LC)1/2〕)の中心共振周波数を有し、ここでＬはインダクタＬのインダクタンスであり、Ｃはキャパシタの容量である。フィルタ回路は中心共振周波数ｆｃに関して通過される周波数範囲を表す帯域幅ＢＷを有している。特定の中心共振周波数ｆｃ及びＢＷは、インダクタＬ及び／又はキャパシタＣの値を調整することにより選択され得る。例えば、ＤＳＬの実施の形態で、一つ以上のフィルタ回路が使用されており、各々はそれ自身の中心周波数ｆｃを有し、従って、各フィルタ回路はＤＳＬ通信システムにおいて使用される特定のｋＨｚ帯域幅の範囲内の特定のサブ帯域内の信号を通過させる。
【００１４】
インダクタＬは、電流を伝送するワイヤで巻きつけられた強磁性のコアを備えたエネルギー蓄積エレメントである。トロイダル形状のインダクタにおいて、貯蓄されるエネルギーはW=1/2〔(B2Ac1m)(2μoμr)〕であり、Ｂは磁束密度であり、ＡＣは、コアの有効磁気領域であり、ｌｍは平均磁気パス長であり、μoは自由空間の透磁率であり、μｒは材料の比透磁率である。
【００１５】
トロイダルに小さなギャップを導入することにより、空気ギャップにおける磁束は、強磁性コア材料におけるのと同じに維持される。しかし、空気の透磁率（μ≒１）は、典型的な強磁性材料（μ≒数千）よりもかなり低いので、ギャップにおける磁界強度（Ｈ）は、コア（Ｈ＝Ｂ／μ）残部におけるより非常の高くなる。磁界の単位量あたり貯蓄されるエネルギーは、Ｗ＝１／２（ＢＨ）であり、それは空気のギャップにおおむね集中していることを示している。換言すると、コアのエネルギー貯蓄キャパシティはギャップを導入することにより高められる。
【００１６】
ギャップは、分離しておりつまり分散している。分散されたギャップは、非磁性バインダと共に保持された強磁性粉末を使用するか、アモルファス合金を部分的に結晶化することにより導入され得る。第二の場合、強磁性結晶フェーズが分離され、非磁性マトリクスにより包囲される。この部分的な結晶化機構は、本発明のチョークと結合して利用される。
【００１７】
図３は、本発明に従った鉄ベースのアモルファス合金及びコバルト・リッチなアモルファス合金に基づく従来技術のコアに対する磁化曲線を描いたグラフである。グラフは、本発明のコアのμ＝Ｂ／Ｈにより規定される透磁率が実質的に線形であることを示している。磁界強度Ｈは、約−３．２ｋＡ／ｍ〜＋３．２ｋＡ／ｍ（−４０Ｏｅ〜＋４０Ｏｅ）までの範囲にわたり変化され、よって対応する磁束密度Ｂは約＋１．３Ｔ〜−１．３Ｔ（＋１３〜−１３ｋＧ）の範囲にわたり線形に変化させる。線形透磁率特性は、鉄ベースのコアをＤＳＬ通信システムにおいてバンドパスフィルタ回路として適したものとする。他方で、従来技術の透磁率は導入レベルが約１．３Ｔ（７ｋＧ）までのみ線形であり、本発明の鉄ベースのコアにおいて到達される１．３Ｔ（１３ｋＧ）レベルより低い。本発明に従った、コアのより大きな利用可能な導入レベルは、コアが通信線においてより大きな電流レベルと共に動作することを可能とするため望ましい。
【００１８】
図４Ａは、本発明のバンドパスフィルタに対する、コアの透磁率と適用される場の周波数との間の関数の関係を示すグラフである。交流電流（ＡＣ）信号が約７００の透磁率を持つ鉄ベースのアモルファス金属合金を実質的に含むコアを有するバンドパスフィルタに適用される。周波数は、透磁率が測定される間、１〜１０、０００ｋＨｚの範囲にわたり変化される。グラフは、透磁率が約１０００ｋＨｚ範囲まで一定であることを示している。それから透磁率は周波数が１０００ｋＨｚ〜２０，０００ｋＨｚに変化するにつれ、７００〜２０まで線形に徐々に減少する。
【００１９】
図４Ｂは、本発明のバンドパスフィルタに関して、コア透磁率を適用される場の強度に関する関数として描いたグラフである。約７００の透磁率を持つ鉄ベースのコアを有するバンドパスフィルタは、コアの透磁率が測定される間、０〜２．８ｋＡ／ｍ（０〜３５Ｏｅ）の範囲にわたり変化される磁界Ｈにさらされる。グラフは透磁率が約０〜１．２ｋＡ／ｍ（０〜１５Ｏｅ）の範囲の磁界内では感知できる程度には変化しないことを示している。透磁率は磁界Ｈが１．３６ｋＡ／ｍ（１７Ｏｅ）を越えて変化するにつれ７００〜３００で徐々に線形に減少する。強磁性コアはＤＳＬなどの通信回路の部分としてフィルタ回路において使用され得る。強磁性コアは、周波数に対し線形の磁気透磁率を示し、磁界強度はＤＳＬなどの通信応用を表す範囲にわたり変化する。
【００２０】
図５は、本発明のコアおよび従来技術のコアに従った、図２Ｂに規定された中心共振周波数ｆｃのシフトを比較している。約１３ｍｍのＯＤ、約８ｍｍのＩＤ、約７ｍｍの高さで、１５０の銅巻き線をもつこれらのコアの各々は約８ｍＨのインダクタンスＬをもたらす。インダクタは１μＦのキャパシタと並列に結合され、結果として約１８００Ｈｚの中心共振周波数ｆｃをもたらす。従来技術におけるコアは、それ以上ではコアが非機能的になる８００Ａ／ｍ（１０Ｏｅ）より高いＤＣバイアス場で飽和する一方で、本発明のコアは８００Ａ／ｍ（１０Ｏｅ）を超えても非常に機能的である。より低い中心共振周波数シフトは安定したフィルタ動作に望ましい。
【００２１】
図６は、本発明の鉄ベースのコアがインダクタＬにおいて利用されているバンドパスフィルタ回路の例を示している。これら全ての回路は、1/〔2π(LC)1/2〕により与えられる同じ中心共振周波数を有している。
【００２２】
図７は、コアの透磁率とアニール温度との間の関係を描いたグラフであり、異なる曲線は異なる結晶化温度Ｔｘでの材料を示している。透磁率は、１０ｋＨｚ周波数、８ターン・ジグ及び１００ｍＶＡＣ励磁において、商用的に入手可能なブリッジで測定しうる。アニール時間は、６時間で一定に保たれている。全てのコアは不活性ガス雰囲気においてアニールされる。異なる曲線は、化学組成を少し変化させた、従って結晶化温度を少し変化させた鉄ベースの合金を表している。結晶化温度は、示差走査熱分析（ＤＳＣ）により測定された。透磁率の減少は、一定のアニール時間に対するアニール温度の増加として観測される。与えられたアニール温度で、結晶化温度に従った透磁率の大きさ、すなわち透磁率は最も高い結晶化温度での合金に対して最も高くなる。
【００２３】
図８は、同じ化学組成を持つアニールされた鉄ベース・コアの透磁率をアニール温度の関数として描いている。異なる曲線は異なるアニール時間を表している。プロットは、４５０℃より高い温度に対し、アニール温度の効果がアニール時間の効果を支配している。
【００２４】
適切なアニール温度および時間の組み合わせは、図７及び図８における情報に基づき、アモルファス金属合金を含む鉄ベースのボロン及びシリコンに対して選択される。この選択は、合金の結晶化温度（Ｔｘ）及び／又は化学組成が既知の場合になされ得る。例えば、Ｔｘ＝５２７℃を有するFe80B11Si9で１００〜４００の範囲の透磁率を達成するためには、４２０〜４２５℃の範囲のアニール温度で６時間が適している。約７００の透磁率を達成するために、図７に教示されるように、Ｔｘ＝５２７℃を持つアモルファスの鉄ベース合金は４３０℃で６時間熱処理される。
【００２５】
透磁率の線形性の改善は、熱処理の間、コアの磁気励起方向に垂直な磁界を適用することにより達成される。例えば、図３、図４Ａ，図４Ｂ及び図５に対し使用される本発明の鉄ベースのコアは約１６ｋＡ／ｍ（２００Ｏｅ）の垂直磁界で熱処理される。場のアニーリングは、図７及び図８の教示と結合して実行される。
【００２６】
図９を参照すると、所与の透磁率値に対する再生及び一様性は、１または２ディグリーより低い温度変化が維持される場合に得られることが示されている。特別な負荷構成がオーブンにおける温度の一様性及び再生が確立されるように開発されてきた。箱型の不活性ガスオーブンでは、ワイヤメッシュＡ１プレート７２が図９に従ってスタックされ、装置がオーブンの中心に置かれる。Ａ１プレート７２はアニールプロセスの間コア７１を保持する基板である。
【００２７】
コアの損失などの、インダクタコアに対する典型的な磁気特性データ及びＤＣバイアスは図１０及び図１１に示されている。コアの損失データはＤＣバイアス場の関数としてプロットされており、異なる曲線は異なる測定周波数を示している。示されているデータは２５ｍｍの外径のコアに対するものである。コアの特性として重要なパラメータは、コアがＤＣバイアス場により駆動された場合に残っている初期透磁率パーセントである。図１１は３５ｍｍの外径を有するコアに対する典型的なＤＣバイアス曲線を描いている。
【００２８】
断面走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）及びＸ線回折はアニールされたコアの分布及び結晶化パーセントを決定するために実行される。図１２は、約２０ｕｍの厚さを有する合金のバルク及び表面の双方が結晶化されることを示す、典型的な断面ＳＥＭを描いている。結晶化パーセントの大きさはＳＥＭ及びＸＲＤデータの双方から決定され、図１３に透磁率の関数としてプロットされている。１００〜４００の範囲での透磁率に対して、５％〜３０％のバルク結晶化が必要とされる。
【００２９】
本発明はかなり詳細に記載されているが、そのような詳細な記述は厳密に固定されているわけではなく、更なる変化及び修正は当業者に提案され得ることが理解されるであろう。例えば、鉄ベースのアモルファス金属コアがＤＳＬ以外の通信に使用可能である。これらおよび他の実施の形態は、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に従った、通信システムを示す概略図である。
【図２】図２Ａは、本発明のフィルタ回路を示す回路図である。図２Ｂは、本発明に従ったフィルタ回路の周波数応答を描いたグラフである。
【図３】図３Ａは、本発明に従ったコアの磁気カーブを示すグラフである。図３Ｂは、従来技術のコアの磁気カーブを示すグラフである。
【図４】図４Ａは、本発明のコアの透磁率を適用される周波数の関数として描いたグラフである。図４Ｂは、本発明のコアの透磁率を適用される磁界強度の関数として描いたグラフである。
【図５】本発明及び従来技術に従ったコアに対する、図２Ｂに示す中心共振周波数ｆｃのシフトをＤＣバイアスの場の関数として描いたグラフである。
【図６】図６Ａ−Ｄは、本発明に従って構築された、コアを使用するバンドパスフィルタ回路の例を含む回路図である。
【図７】コアの透磁率とアニール温度との関係を描く図であり、異なる曲線は異なる結晶化温度での材料を示している。
【図８】異なるアニール時間に対する、コアの透磁率とアニール温度との関係を描く図である。
【図９】少しのディグリー内で温度の一様性を達成するためにアニーリングのためのコアの負荷の構造を描く図である。
【図１０】コアの損失をＤＣバイアスの場及び周波数の関数として描くグラフである。
【図１１】コアの透磁率をＤＣ磁気力の関数として描いたグラフである。
【図１２】アニーリング後のリボンの断面図を示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の図である。
【図１３】コアの透磁率を結晶率のパーセント量の関数として描いたグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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