(57)【要約】   【課題】残留磁束密度が小さく、製造が容易で低価格にて提供可能な耐雷インダクタンス用コアを実現する。  【解決手段】例えば放送用アンテナ等の通信線路と大地との間に接続され、前記通信線路を介して送受信する信号の周波数に対して高リアクタンスとなり、雷サージ電流に対して低リアクタンスとなるように作用する耐雷インダクタンスにおいて、アンテナ２１と大地Ｇとの間に接続されたコイル３２が巻装されるコア３１を、軟磁性材料３１ｃと、この軟磁性材料３１ｃの磁路方向に直交する方向にバイアス磁界を印加する磁界印加手段としての磁石３１ａ，３１ｂとにより構成する。【選択図】  図１
2006324455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直撃雷電流のような大電流に対してはコアの磁気飽和によって低リアクタンスとして作用するように設計された耐雷インダクタンス、または誘導雷のように直撃雷電流に比べて小さな電流に対して高リアクタンスとして作用する耐雷インダクタンスにおいて、
この耐雷インダクタンスを構成するコイルが巻装されるコアを、
軟磁性材料と、この軟磁性材料の磁路方向に直交する方向にバイアス磁界を印加する磁界印加手段と、により構成したことを特徴とする耐雷インダクタンス用コア。
【請求項２】
請求項１に記載した耐雷インダクタンス用コアにおいて、
前記軟磁性材料がナノ結晶軟磁性材料であることを特徴とする耐雷インダクタンス用コア。
【請求項３】
請求項１または２に記載した耐雷インダクタンス用コアにおいて、
前記磁界印加手段が、軟磁性材料に密着して配置された磁石であることを特徴とする耐雷インダクタンス用コア。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載した耐雷インダクタンス用コアにおいて、
円環状の軟磁性材料を中心にしてその軸方向両側に、円環状の磁石を同軸状に配置したことを特徴とする耐雷インダクタンス用コア。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載した耐雷インダクタンス用コアにおいて、
前記コイルがアンテナに接続されることを特徴とする耐雷インダクタンス用コア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、雷サージ電流を放流あるいは抑制するための耐雷インダクタンスに使用されるコアに関し、例えば放送局舎のアンテナに接続されて放送用機器、通信機器等を落雷から保護するための耐雷インダクタンス用コアに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、放送局や無線基地局において、落雷から放送用機器、通信機器等を保護する対策として、特許文献１に記載されているように、アンテナと大地との間にアレスタ等の避雷器を接続したものが知られている。
この従来技術では、直撃雷や誘導雷が発生すると、アンテナから避雷器に過電圧が印加され、この避雷器が放電して雷サージ電流が大地に流れることにより、アンテナに接続された各種の機器を保護している。
【０００３】
一方、特許文献２に記載されているように、例えば放送設備の避雷回路として、アンテナに接続された入力端子と大地との間にインダクタンス（チョークコイル）を接続し、このインダクタンスを、放送用電波信号（ＲＦ信号）に対しては高リアクタンスとし、比較的低周波である雷サージに対しては低リアクタンスとして雷サージ電流を大地に放流させるようにした技術、いわゆる耐雷インダクタンスも既に知られている。
【０００４】
また、ノイズフィルターコイルの小型化を目的とした電源ラインのノイズフィルター回路として、ノイズフィルターコイルの一次側に低周波負荷を、二次側に高周波負荷をそれぞれ接続するとともに、これらの各負荷をオンオフさせるスイッチング素子を備えたものが特許文献３に記載されている。
【０００５】
更に、フェライト体としてモールドフェライトを用いたノイズフィルターが、特許文献４に記載されている。この従来技術によれば、焼結フェライトを使用する場合に比べて一層高周波のノイズを除去することが可能であり、複雑な形状であっても同一の形状のものを容易に量産することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１４４５４号公報（［００１０］〜［００３２］、図１等）
【特許文献２】特開平１０−９４１６８号公報（［０００２］〜［０００３］、図２等）
【特許文献３】特開２００４−１５３５２１号公報（［０００６］〜［００１５］、図１等）
【特許文献４】特開平８−５５７３２号公報（［０００８］〜［００２５］、図１〜図３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載されているように、アンテナと大地との間に接続した避雷器により雷サージ電流を放流させる場合には、避雷器を繰り返し使用することが困難であり、その交換や保守・点検作業には多くのコストと労力が必要である。
【０００８】
また、特許文献２に記載された従来技術は、耐雷インダクタンスを繰り返し使用できる点で経済的であるが、雷サージの周波数に対して大きなリアクタンスを得るためにはインダクタンス値が極めて大きくなり、コイルの巻数を多くする必要が生じる。この場合、装置の大型化を防ぐためには必然的にコイルの線径を細くすることとなるが、その結果、コイルが断線しやすくなるという新たな問題が発生する。
【０００９】
上記のような事情から、耐雷インダクタンスのコイルには線径が太くインダクタンス値の小さいものを使用せざるを得ず、これによってコイル単体では、ＲＦ信号に対する高リアクタンス特性と雷サージ電流に対する低リアクタンス特性との双方を満足するようなインダクタンス値を実現することができない現状である。
また、雷は自然現象により生じるため、その電流値や極性についてはあらかじめ決めることはできない。当然雷サージ電流が短時間に繰り返し通過することも想定される。コアとして残留磁束密度が大きな一般的な軟磁性材料を使用した耐雷インダクタンスの場合、雷サージ電流が一方向だけに１回通過した直後には、コアにはある大きさの残留磁束が残る。繰り返し通過する雷サージ電流の方向が1回目の雷サージ電流と同方向であると、残留磁束によってコアが飽和しやすい状況となるため１回目の飽和電流より小さい電流で飽和することになる。このように雷サージ電流が繰り返し通過すような条件で一定の性能を実現することができない。
【００１０】
これらの点に鑑み、ＲＦ信号に対しては高リアクタンスとなって殆ど影響を与えず、また、落雷時には雷サージ電流により磁気飽和を起こしてコイルを低リアクタンス（単なる導線）に保つような耐雷インダクタンス用コアが提供されている。
例えば、日立金属株式会社製のナノ結晶軟磁性材料（商品名「ファインメット」（登録商標））からなるコアは、上述したような機能を果たすものであり、チョークコイルやフィルタ、電磁波吸収素子等に広く使用されている。なお、このナノ結晶軟磁性材料には、磁路方向の直流磁界を印加して熱処理することにより製造されるＨタイプ、磁界を印加せずに熱処理して製造されるＭタイプ、磁路に直交する方向の直流磁界を印加して熱処理することにより製造されるＬタイプがある。
【００１１】
耐雷インダクタンス用コアとしては、繰り返し使用しても所定の雷サージ電流に対して磁気飽和するように残留磁束密度が小さいことが求められる。上述したナノ結晶軟磁性材料のうちＬタイプのものは、他の２タイプに比べて残留磁束密度が最も小さいため好ましいが、その反面、製造が困難であり、また、価格も高いという問題がある。これに対して、他の２タイプの材料は残留磁束密度が比較的大きいものの、製造が容易であって低価格化を期待することができる。
従って、耐雷インダクタンス用コアとしては、残留磁束密度が小さく繰り返しの使用が可能であり、しかも製造が容易で安価な材料を用いることが要請されている。
なお、特許文献３，４に記載された従来技術は、電源ラインや信号ラインにおけるノイズ除去を目的とするものであり、例えば雷サージが繰り返し発生するような場合を想定してなされたものではない。
【００１２】
そこで本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、残留磁束密度が小さく繰り返しの使用が可能であり、しかも低コストにて製造可能な耐雷インダクタンス用コアを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、直撃雷電流のような大電流に対してはコアの磁気飽和によって低リアクタンスとして作用するように設計された耐雷インダクタンス、または誘導雷のように直撃雷電流に比べて小さな電流に対してコアが磁気飽和しないように設計され、雷電流に対して高リアクタンスとして作用する耐雷インダクタンスにおいて、
この耐雷インダクタンスを構成するコイルが巻装されるコアを、
軟磁性材料と、この軟磁性材料の磁路方向に直交する方向にバイアス磁界を印加する磁界印加手段と、により構成したものである。
【００１４】
請求項２に記載した発明は、請求項１において、前記軟磁性材料がナノ結晶軟磁性材料であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載した発明は、請求項１または２において、前記磁界印加手段が、軟磁性材料に密着して配置された磁石であることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載した発明は、請求項１〜３の何れか１項において、円環状の軟磁性材料を中心にしてその軸方向両側に、円環状の磁石を同軸状に配置したものである。
【００１７】
請求項５に記載した発明は、請求項１〜４の何れか１項において、前記コイルがアンテナに接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、残留磁束密度が比較的大きい軟磁性材料をコア本体として用いる場合でも、その磁路方向に直交する磁界を印加することにより、残留磁束密度の小さいコアを得ることができる。このコアを用いて耐雷インダクタンスを構成することにより、例えばＲＦ信号等の信号周波数に対しては高リアクタンスとなって信号を漏洩させることなく、しかも、雷サージ電流に対しては低リアクタンスとなってこの雷サージ電流を確実に放流させることが可能である。
総じて、本発明によれば、製造が容易で安価な軟磁性材料を用いて、所望の特性を有する耐雷インダクタンス用コアを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は、この実施形態の使用状態を示す概略的な説明図である。
図１において、１０は例えばラジオ放送の放送局舎であり、この局舎１０には送信機１１が設けられ、送信機１１には通信線路としてのアンテナ２１が接続されている。
アンテナ２１と大地Ｇとの間には、本実施形態が適用される耐雷インダクタンス３０が接続されている。
【００２０】
図２は、前記耐雷インダクタンス３０の構成を示す分解斜視図である。図２において、３１ａ，３１ｂは例えばネオジウム等からなる円環状の磁石であり、これらの磁石３１ａ，３１ｂの間には、前述した「ファインメット」（登録商標）のような円環状のナノ結晶軟磁性材料３１ｃがコア本体として同軸上に挟持され、一体的に接着されている。
なお、磁石３１ａ，３１ｂによる磁界方向は図示するように同一方向とし、この磁界によって軟磁性材料３１ｃの磁路方向に直交する磁界（直交バイアス磁界）を印加するものとする。
【００２１】
本実施形態では、上記ナノ結晶軟磁性材料３１ｃとして、例えば「ファインメット」（登録商標）のＨタイプやＭタイプ（残留磁束密度及び透磁率が、Ｌタイプに比べて大きいもの）を使用している。
これにより、図３に示す如く、落雷のない通常時には、送信機１１からのＲＦ信号の周波数に対して耐雷インダクタンス３０をコア３１及びコイル３２からなる高リアクタンス素子として作用させ、ＲＦ信号が大地へ漏洩するのを防止すると共に、落雷時の雷サージ電流のような大電流の通流時には、コア３１を磁気飽和させて耐雷インダクタンス３０全体を単なる導線３２’と等価な低リアクタンス素子とし、大電流を大地に放流させるように作用する。
【００２２】
ここで、上記耐雷インダクタンス３０のコア３１は、軟磁性材料３１ｃとして残留磁束密度が比較的大きい材料を使用しているにもかかわらず、軟磁性材料３１ｃに直交バイアス磁界を印加することで、コア３１全体として残留磁束密度が小さいものであり、繰り返しの使用に耐え得るＢ-Ｈ特性を有するものとなっている。
以下、その理由について考察する。
【００２３】
まず、図４は、Ｈタイプのナノ結晶軟磁性材料３１ｃに、磁石３１ａ，３１ｂによって直交バイアス磁界（その磁界強度Ｈｖを大、中、小とする）を印加した場合及び印加しない場合の、Ｂ-Ｈ曲線を示している。
直交バイアス磁界を印加した時のＢ-Ｈ曲線は、何れも図４における直線（１）〜（３）からなっており、直線（１）の区間は磁壁の移動によるもの、直線（２）の区間は磁区の回転によるもの、直線（３）の区間はすべての磁区が回転を終えて同一方向に並んだ飽和状態によるものと考えられる。なお、実際のＢ-Ｈ曲線は、バルクハウゼン効果を伴いながら、これらの直線（１）〜（３）を滑らかに連続させた曲線となる。
【００２４】
また、磁路方向への磁壁の移動は、磁性材料が異方性を持たない限り、直交バイアス磁界強度Ｈｖが図４における飽和磁界強度Ｈ０より大きい場合に、直交バイアス磁界強度Ｈｖに応じて制限される。その理由は、Ｈ０は磁路方向の飽和磁界強度であり、磁路に直交する方向の飽和磁界強度も、磁性材料に異方性がない限り同じＨ０になるはずだからである。
【００２５】
Ｈ０に比べてＨｖが小さい範囲では、磁壁の直交方向への移動が少ないため、直交バイアス磁界強度Ｈｖの影響はほとんど受けないが、ＨｖがＨ０に近付くにつれて磁壁はおおむね直交方向に移動してしまうため、磁路方向への移動の余地がほとんど残されておらず、磁壁は結果として大きく移動を制限されることになる。
このため、磁路方向の、磁界強度Ｈに対する磁壁の移動量Ｍは数式１に従うものと思われる。なお、図５は、直交バイアス磁界強度Ｈｖと磁壁の移動量Ｍとの関係を示す図である。
【００２６】
【数１】
2006324455.tif 000003
【００２７】
これより、図４における直線（１）の区間における磁壁移動に基づく磁束密度Ｂ１は、数式２によって表される。なお、μ１はこの区間の傾きであり、磁性材料（軟磁性コア）の初期透磁率に相当する。
【００２８】
【数２】
2006324455.tif 000004
【００２９】
一方、磁区の回転は直交バイアス磁界の影響を受けることはない。すなわち、直交バイアス磁界は初期状態の磁区の方向を強制的に直交方向に揃えるだけであり、磁路方向には磁区に力を及ばさない。よって、磁区の回転は、単に磁路方向の磁界強度のみに比例すると考えられる。
つまり、図４に示したように、直線（２）の勾配は直交バイアス磁界強度Ｈｖの大きさにかかわらずほぼ一定であり、その勾配すなわち透磁率μ２は磁性材料によって決まることになる。
【００３０】
上記の結果、直線（２）は数式３または数式４によって表される。
［数３］
Ｂ２＝μ２Ｈ＋Ｂ０
［数４］
Ｂ２＝μ２（Ｈ−Ｈ０）＋Ｂ１２
なお、図６は、磁壁の移動による直線（１）と、上記数式３，４に応じた磁区の回転による直線（２）を示したものである。
【００３１】
結論として、Ｈタイプのナノ結晶軟磁性材料３１ｃに、磁石３１ａ，３１ｂによって直交バイアス磁界を印加した場合の挙動は、次のように説明することができる。
まず、Ｈ≦Ｈｖ（＝Ｈ０）の範囲では、磁壁が直交バイアス磁界強度Ｈｖの大きさに応じた一定の制限を受けながら容易に移動することにより、μ１は大きな値となる（直線（１））。
次に、Ｈ＞Ｈｖ（＝Ｈ０）の範囲では、磁界強度Ｈに比例する磁区の回転によりμ２はμ１よりも小さくなる（直線（２））。
そして、磁界強度Ｈの増加と共に磁区の回転が次々と起こり、すべての磁区が回転を終えたところで磁気飽和に至ると考えられる（直線（３））。
なお、前述したように、実際にはバルクハウゼン効果により直線（１），（２），（３）間の移行はなめらかであり、図４に示したようなＢ−Ｈ曲線となるものである。
【００３２】
従って、図４から、軟磁性材料３１ｃに印加する直交バイアス磁界強度が大きいほど残留磁束密度を小さくすることができ、耐雷インダクタンス用のコアとして好ましい特性を持つことになる。
【００３３】
上述した直交バイアス磁界の作用を確認するために行った実験について、以下に述べる。
図７は、この実験に使用したコア３１の説明図であり、ＨタイプまたはＭタイプの「ファインメット」（登録商標）をナノ結晶軟磁性材料３１ｃに用い、これをネオジウム（Ｎｄ）磁石３１ａ，３１ｂにより上下から挟み込んで一体化することによりコア３１を形成した。なお、円環状の磁石３１ａ，３１ｂ及び軟磁性材料３１ｃの外径を２５ｍｍ、内径を１５ｍｍ、軟磁性材料３１ｃの厚さを５ｍｍとし、磁石３１ａ，３１ｂの厚さＬは後述するようにサンプルによって異なる値とした。
【００３４】
上記の各種のコアにコイルを巻いて耐雷インダクタンスを構成し、そのコイルにインパルス電流を流した場合のＢ−Ｈ曲線の測定結果を図８に示す。
【００３５】
ここで、図８（ａ）は軟磁性材料３１ｃにＭタイプ（磁路長６２.０ｍｍ、断面積７.８ｍｍ２）を用い、図中、サンプルＮｏ．２−３は軟磁性材料３１ｃ単体でネオジウム磁石３１ａ，３１ｂを用いないもの（すなわち直交バイアス磁界がゼロのもの）、サンプルＮｏ．２−４は軟磁性材料３１ｃを厚さ３ｍｍのネオジウム磁石３１ａ，３１ｂ（表面磁束密度が約０．２７Ｔ）により挟み込んだもの、サンプルＮｏ．２−５は軟磁性材料３１ｃを厚さ６ｍｍのネオジウム磁石３１ａ，３１ｂ（表面磁束密度が約０．３５Ｔ）により挟み込んだもの、サンプルＮｏ．２−６は軟磁性材料３１ｃを厚さ１０ｍｍのネオジウム磁石３１ａ，３１ｂ（表面磁束密度が約０．４４Ｔ）により挟み込んだものである。
【００３６】
また、図８（ｂ）は軟磁性材料３１ｃにＨタイプ（磁路長６２.０ｍｍ、断面積７.８ｍｍ２）を用い、図中、サンプルＮｏ．３−１は軟磁性材料３１ｃ単体でネオジウム磁石３１ａ，３１ｂを用いないもの（すなわち直交バイアス磁界がゼロのもの）、サンプルＮｏ．３−２は軟磁性材料３１ｃを厚さ３ｍｍのネオジウム磁石３１ａ，３１ｂ（表面磁束密度が約０．２７Ｔ）により挟み込んだもの、サンプルＮｏ．３−３は軟磁性材料３１ｃを厚さ６ｍｍのネオジウム磁石３１ａ，３１ｂ（表面磁束密度が約０．３５Ｔ）により挟み込んだもの、サンプルＮｏ．３−４は軟磁性材料３１ｃを厚さ１０ｍｍのネオジウム磁石３１ａ，３１ｂ（表面磁束密度が約０．４４Ｔ）により挟み込んだものである。
【００３７】
図８（ａ）によれば、Ｍタイプの軟磁性材料３１ｃ単体のサンプルＮｏ．２−３では磁気飽和点が１．２２Ｔ（ａｔ２０００Ａ/ｍ）、残留磁束密度が１．０Ｔであるのに対し、軟磁性材料３１ｃを厚さ１０ｍｍのネオジウム磁石３１ａ，３１ｂにより挟んで直交バイアス磁界を印加したサンプルＮｏ．２−６では磁気飽和点が０．４８Ｔ（ａｔ２０００Ａ/ｍ）、残留磁束密度が０．２Ｔにまで低下している。
また、図８（ｂ）によれば、Ｈタイプの軟磁性材料３１ｃ単体のサンプルＮｏ．３−１では磁気飽和点が１．２１Ｔ（ａｔ２０００Ａ/ｍ）、残留磁束密度が１．０５Ｔであるのに対し、軟磁性材料３１ｃを厚さ１０ｍｍのネオジウム磁石３１ａ，３１ｂにより挟んで直交バイアス磁界を印加したサンプルＮｏ．３−４では磁気飽和点が０．３７Ｔ（ａｔ２０００Ａ/ｍ）、残留磁束密度が０．２Ｔにまで低下している。
【００３８】
上記の実験結果から明らかなように、所定の表面磁束密度を持つＭタイプまたはＨタイプの軟磁性材料３１ｃをネオジウム磁石３１ａ，３１ｂにより挟んで直交バイアス磁界を印加したサンプルを用いてコア３１を形成すると、軟磁性材料３１ｃを単体で用いた場合に比べて磁気飽和点及び残留磁束密度を大幅に低下させることができ、特に残留磁束密度はほぼゼロに近い値になることが確認された。
【００３９】
なお、上記実験におけるサンプルＮｏ．２−６及びＮｏ．３−４の残留磁束密度（＝０．２Ｔ）は、ナノ結晶軟磁性材料３１ｃとしてＬタイプの「ファインメット」（登録商標）を用い、この磁性材料３１ｃ単体でコアを形成したサンプル、及び、この磁性材料３１ｃをネオジウム磁石３１ａ，３１ｂにより挟んで直交バイアス磁界を印加したサンプルを使用して同様の実験を行った際の残留磁束密度（＝０．２Ｔ）と等しいことが確認されている。
すなわち、本来的に残留磁束密度が小さい反面、製造が困難で高価なＬタイプの「ファインメット」（登録商標）を使用しなくても、ネオジウム磁石３１ａ，３１ｂによりＭタイプまたはＨタイプの軟磁性材料３１ｃに直交バイアス磁界を印加したコア３１を使用することにより、同程度の良好な残留磁束密度を得ることができ、繰り返し使用可能な耐雷インダクタンス３０を製造することが可能であると言える。
【００４０】
上記実施形態ではナノ結晶軟磁性材料３１ｃを用いているが、アモルファス軟磁性材料を用いてもよい。また、ネオジウム磁石３１ａ，３１ｂだけでなく他の磁性体からなる磁石、あるいは電磁石等を用いて直交バイアス磁界を印加してもよい。更に、直交バイアス磁界の印加手段として磁石を用いる場合にも、軟磁性材料の片側に１個の磁石のみを同軸上に配置してもよい。
加えて、本発明は、放送局舎ばかりでなく各種の無線通信局等のアンテナを始めとした通信線路、あるいは、電源線や導波管に接続される耐雷インダクタンスに適用できるのはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態の使用状態を示す概略的な説明図である。
【図２】本発明の実施形態におけるコアの分解斜視図である。
【図３】本発明の実施形態の作用の説明図である。
【図４】Ｈタイプのナノ結晶軟磁性材料からなるコアに直交バイアス磁界を印加した場合及び印加しない場合の、Ｂ-Ｈ曲線を示す図である。
【図５】直交バイアス磁界強度と磁壁の移動量との関係を示す図である。
【図６】図４における直線（１），（２）に関するＢ-Ｈ曲線の説明図である。
【図７】実験に用いたコアの説明図である。
【図８】実験結果を示すＢ-Ｈ曲線である。
【符号の説明】
【００４２】
１０：放送局舎
１１：送信機
２１：アンテナ
３０：耐雷インダクタンス
３１：コア
３１ａ，３１ｂ：磁石
３１ｃ：軟磁性材料
３２：コイル
３２’：導線
Ｇ:大地
【図１】
2006324455.tif 000005
【図２】
2006324455.tif 000006
【図３】
2006324455.tif 000007
【図４】
2006324455.tif 000008
【図５】
2006324455.tif 000009
【図６】
2006324455.tif 000010
【図７】
2006324455.tif 000011
【図８】
2006324455.tif 000012