(57)【要約】【課題】中波帯域（３００ｋＨｚ〜３ＭＨｚ）の周波数範囲で広域な通過特性を有して大電力を伝送可能な広帯域通過型一方向性変成器を提供すること。【解決手段】この変成器では、板状電歪素子（圧電素子）１の両方の主面の電極１ａ上にそれぞれ端部に永久磁石３が装着された磁歪素子２を接合固定すると共に、磁歪素子２の中途部分に機械振動を励起するための巻線を巻回して巻線部４を設けた周知の電気機械的変換器構造を持つ以外、磁歪素子２として、電歪素子１の両方の主面に設けられた電極１ａ上にそれぞれ機械振動の共振周波数（電歪素子１における機械振動の共振周波数の近い値に設定される）を高くするために小型化され、且つ大電力伝送を可能とするために複数個のものが機械振動の共振周波数を互いに若干ずらせるように電歪素子１を介して対向するように接合固定され、巻線部４として、巻線により各磁歪素子２における同一面上にあるもの同士の中途部分が相互に並列接続されるように巻回された構成としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両方の主面に電極が設けられた板状の電歪素子と、前記電歪素子の両主面に設けられた前記電極上にそれぞれ突き合わされるように接合固定されると共に、それぞれ端部に永久磁石が装着される磁歪素子と、前記磁歪素子の中途部分に機械振動を励起するために巻線を巻回して設けられた巻線部とを備えて構成され、更に、前記磁歪素子側に供給された所定の周波数帯域の信号にあっての前記電歪素子側に向かう方向での伝送の通過性を示す一方向伝送特性を持たせ得る電気機械的変換器を含む一方向性変成器であって、前記磁歪素子は、前記電歪素子の両主面に設けられた前記電極上にそれぞれ小型化された複数個のものが前記機械振動の共振周波数を互いに若干ずらせるように該電歪素子を介して対向するように接合固定され、前記巻線部は、前記巻線により前記複数個の磁歪素子における同一面上にあるもの同士の中途部分を相互に並列接続するように巻回して成ることを特徴とする広帯域通過型一方向性変成器。
【請求項２】
請求項１記載の広帯域通過型一方向性変成器において、前記複数個の磁歪素子は、全体形状が略Ｕ字状であり、且つ底部が前記電歪素子の両方の主面に設けられた前記電極上の所定箇所に結合固定されると共に、該電歪素子の両方の主面から隔てられて外方を向いた先端側の開放端をそれぞれ架設して端面を形成するように前記永久磁石が該開放端の端面に装着されており、前記巻線部は、前記巻線により前記永久磁石が装着された状態にあっての前記複数個の磁歪素子における前記中途部分としての脚部の両側を巻回して成ることを特徴とする広帯域通過型一方向性変成器。
【請求項３】
請求項１又は２記載の広帯域通過型一方向性変成器において、前記複数個の磁歪素子に設けられた前記巻線部における引き出し線の一端側をトランスの二次側巻線における一端側に接続した上で所定のインピーダンスマッチング回路を介して並列に信号源及び負荷部に接続すると共に、該巻線部における引き出し線の他端側及び該信号源、該トランスの二次側巻線における他端側及び該負荷部を別個に接続し、更に、前記トランスの一次側巻線における両端側を前記電歪素子における両面の電極に接続した上で導線部分のインピーダンスを所定値に保つように構成されたことを特徴とする広帯域通過型一方向性変成器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として中波帯域（３００ｋＨｚ〜３ＭＨｚ）の周波数範囲で広域な通過特性を有して１０Ｗ超過の大きな通過電力を伝送し得ると共に、一方向伝送特性（アイソレータ特性と呼ばれても良い）を持たせ得る電気機械的変換器を含む広帯域通過型一方向性変成器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、周波数通過型変成器としては、例えば磁歪素子及び電歪素子を接合させて構成される電気機械的変換器（ジャイレータ）を含み、一方向伝送特性を持たせ得る中波帯域用の変成器（非特許文献１）が知られている。
【０００３】
図４は、上述した従来の中波帯域用一方向性変成器の基本構成を模式的に示した簡易回路図である。この中波帯域用一方向性変成器は、両方の主面の電極１ａが設けられた板状の電歪素子（圧電素子）１と、電歪素子１の両主面に設けられた電極１ａ上にそれぞれ突き合わされるように接合固定されると共に、それぞれ端部に永久磁石（フェライトマグネット）３が装着される磁歪素子２と、磁歪素子２の中途部分に機械振動を励起するために巻線を巻回して設けられた巻線部４とを備えた構成の電気機械的変換器を含んでおり、巻線部４における引き出し線の一端側をトランスＴの二次側巻線における一端側に接続した上で所定のインピーダンスマッチング回路５を介して並列に信号源６及び負荷部７に接続すると共に、巻線部４における引き出し線の他端側及び信号源６、トランスＴの二次側巻線における他端側及び負荷部７を別個に接続し、更に、トランスＴの一次側巻線における両端側を電歪素子１における両面の電極に接続した上で導線部分のインピーダンスを所定値（例えば５０Ω）に保つように構成されている。
【０００４】
このうち、電歪素子１は、両方の主面の全面に電極１ａが設けられている。磁歪素子２は、形状が略Ｕ字状となっており、電歪素子１における両方の主面のそれぞれの電極１ａ上に略Ｕ字状の底部が突き合わされて接合固定されると共に、電歪素子１の両方の主面から隔てられて外方を向いた先端側の開放端間の局部にそれぞれ同一面で端面を形成するように永久磁石３が嵌め込まれている。巻線部４は、永久磁石３が嵌め込まれた状態にあっての磁歪素子２における中途部分である脚部のそれぞれの一方側に対して巻線を直列接続となるように巻回して設けられている。
【０００５】
この中波帯域用一方向性変成器の場合、回路定数を適正に選択すれば、磁歪素子２側に供給された中波帯域の信号にあっての電歪素子１側に向かう方向での伝送の通過性を示す一方向伝送特性を持たせ、電気機械的変換器を変成器（トランス）として機能させることができるようになっている。即ち、例えば磁歪素子２側に供給された中波帯域の信号にあっての電歪素子１側に向かう方向での伝送レベルの減衰を１ｄＢ未満という具合いに僅かな小さい値にして通過性を示すようにし、これとは逆に電歪素子１側に供給された中波帯域の信号にあっての伝送レベルを磁歪素子２側に向かう方向での伝送レベルの減衰を２０ｄＢ超過という具合いに大きくなるようにすることで一方向伝送特性（所謂アイソレータ特性）を持たせることが可能となっている。
【０００６】
【非特許文献１】Ｍ．Ｏｎｏｅ  ａｎｄ  Ｍ．Ｓａｗａｂｅ：”Ａ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｉｅｚｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｇｙｒａｔｏｒ”，ＩＲＥ，５０，９，Ｐ．１９６７（１９６２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した中波帯域用一方向性変成器の場合、電気機械的変換器に備えられる磁歪素子材料として汎用的に用いられるフェライト系材料では素材の持つ音速度やその他の物理定数、或いは構造面における実用的な大きさの制約等により、その機械振動の共振周波数（電歪素子における機械振動の共振周波数の近い値に設定される）が実際には１００ｋＨｚ程度と低くなってしまい、中波帯域での適用が困難となっていると共に、昨今要求される広域な通過特性を持たせることが困難であるという問題［因みに、電歪素子材料として汎用的に用いられる圧電セラミック材料の場合、その機械振動の共振周波数（特に厚み振動）を中波帯域に調整することはさほど困難でない］がある。
【０００８】
この他、磁歪素子の共振周波数を高い周波数にするためには素子を小さくする必要があるが、このように素子を小さくすると磁歪素子に蓄えられるエネルギーが小さくなることや、巻線の線径が細くなることを回避できなくなることにより、通過電力におのずと制限が生じて１０Ｗ超過の大電力用途には不向きとなっているという問題があり、更に、磁歪素子及び電歪素子の双方共に機械共振を用いるために機械共振におけるＱ値（系に蓄えられるエネルギー／熱消費されるエネルギー）が大きくなることにより素子の通過帯域が狭くなってしまい、３ｄＢ帯域幅を数ｋＨｚ程度とすることが限度であるという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、中波帯域（３００ｋＨｚ〜３ＭＨｚ）の周波数範囲で広域な通過特性を有して１０Ｗ超過の大電力を伝送可能な広帯域通過型一方向性変成器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、両方の主面に電極が設けられた板状の電歪素子と、電歪素子の両主面に設けられた電極上にそれぞれ突き合わされるように接合固定されると共に、それぞれ端部に永久磁石が装着される磁歪素子と、磁歪素子の中途部分に機械振動を励起するために巻線を巻回して設けられた巻線部とを備えて構成され、更に、磁歪素子側に供給された所定の周波数帯域の信号にあっての電歪素子側に向かう方向での伝送の通過性を示す一方向伝送特性を持たせ得る電気機械的変換器を含む中波帯域用一方向性変成器であって、磁歪素子は、電歪素子の両主面に設けられた電極上にそれぞれ小型化された複数個のものが機械振動の共振周波数を互いに若干ずらせるように該電歪素子を介して対向するように接合固定され、巻線部は、巻線により複数個の磁歪素子における同一面上にあるもの同士の中途部分を相互に並列接続するように巻回して成る広帯域通過型一方向性変成器が得られる。
【００１１】
又、本発明によれば、上記広帯域通過型一方向性変成器において、複数個の磁歪素子は、全体形状が略Ｕ字状であり、且つ底部が電歪素子の両方の主面に設けられた電極上の所定箇所に結合固定されると共に、該電歪素子の両方の主面から隔てられて外方を向いた先端側の開放端をそれぞれ架設して端面を形成するように永久磁石が該開放端の端面に装着されており、巻線部は、巻線により永久磁石が装着された状態にあっての複数個の磁歪素子における中途部分としての脚部の両側を巻回して成る広帯域通過型一方向性変成器が得られる。
【００１２】
更に、本発明によれば、上記何れかの広帯域通過型一方向性変成器において、複数個の磁歪素子に設けられた巻線部における引き出し線の一端側をトランスの二次側巻線における一端側に接続した上で所定のインピーダンスマッチング回路を介して並列に信号源及び負荷部に接続すると共に、該巻線部における引き出し線の他端側及び該信号源、該トランスの二次側巻線における他端側及び該負荷部を別個に接続し、更に、トランスの一次側巻線における両端側を電歪素子における両面の電極に接続した上で導線部分のインピーダンスを所定値に保つように構成された広帯域通過型一方向性変成器が得られる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の広帯域通過型一方向性変成器の場合、板状の電歪素子の両方の主面に設けられた電極上にそれぞれ端部に永久磁石が装着された磁歪素子を突き合わせるように接合固定すると共に、各磁歪素子における中途部分に機械振動を励起するための巻線を巻回して巻線部を設けて構成される周知の電気機械的変換器を改良し、磁歪素子として、電歪素子の両方の主面に設けられた電極上にそれぞれ機械振動の共振周波数（電歪素子における機械振動の共振周波数の近い値に設定される）を高くするために小型化され、且つ大電力伝送を可能とするために複数個のものが機械振動の共振周波数を互いに若干ずらせるように電歪素子を介して対向するように接合固定され、巻線部として、巻線により各磁歪素子における同一面上にあるもの同士の中途部分が相互に並列接続されるように巻回された構成としているため、従来に無く中波帯域（３００ｋＨｚ〜３ＭＨｚ）の周波数範囲で広域な通過特性（周波数特性がより平坦になって通過帯域を広くすることができることを示す）を有して１０Ｗ超過の大電力が伝送可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の最良の形態に係る広帯域通過型一方向性変成器は、両方の主面に電極が設けられた板状の電歪素子と、電歪素子の両主面に設けられた電極上にそれぞれ突き合わされるように接合固定されると共に、それぞれ端部に永久磁石が装着される磁歪素子と、磁歪素子の中途部分に機械振動を励起するために巻線を巻回して設けられた巻線部とを備えて構成され、更に、磁歪素子側に供給された所定の周波数帯域の信号にあっての電歪素子側に向かう方向での伝送の通過性を示す一方向伝送特性を持たせ得る周知の電気機械的変換器を改良し、磁歪素子として、電歪素子の両方の主面に設けられた電極上にそれぞれ機械振動の共振周波数（電歪素子における機械振動の共振周波数の近い値に設定される）を高くするために小型化され、且つ大電力伝送を可能とするために複数個のものが機械振動の共振周波数を互いに若干ずらせるように電歪素子を介して対向するように接合固定され、巻線部として、巻線により各磁歪素子における同一面上にあるもの同士の中途部分が相互に並列接続されるように巻回された構成とするものである。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の実施例１に係る広帯域通過型一方向性変成器の要部となる電気機械的変換器（ジャイレータ）を示した外観斜視図である。この電気機械的変換器の場合も、図４で説明した従来のものと比べ、両方の主面の電極１ａが設けられた板状の電歪素子（圧電素子）１と、電歪素子１の両主面に設けられた電極１ａ上にそれぞれ突き合わされるように接合固定されると共に、それぞれ端部に永久磁石（フェライトマグネット）３が装着される磁歪素子２と、磁歪素子２の中途部分に機械振動を励起するために巻線を巻回して設けられた巻線部４とを備えた構成や、基本的機能である磁歪素子２側に供給された中波帯域の信号にあっての電歪素子１側に向かう方向での伝送の通過性を示す一方向伝送特性（所謂アイソレータ特性）を持たせ得る点は共通しているが、ここでは磁歪素子２として、電歪素子１の両方の主面に設けられた電極１ａ上にそれぞれ機械振動の共振周波数（電歪素子１における機械振動の共振周波数の近い値に設定される）を高くするために小型化され、且つ大電力伝送を可能とするために複数個のものが機械振動の共振周波数を互いに若干ずらせるように電歪素子１を介して対向するように接合固定され、巻線部４として、巻線により各磁歪素子２における同一面上にあるもの同士の中途部分が相互に並列接続されるように巻回された構成としている点が相違している。
【００１６】
又、図４で説明した従来のものと比べると、電歪素子１について、その両方の主面の周縁部を除く中央側部分に電極１ａが設けられて若干大き目の寸法のものが用いられていること、複数個の磁歪素子２について、全体形状が略Ｕ字状である点は共通していても、各磁歪素子２の略Ｕ字状の底部が電歪素子１の両方の主面に設けられた電極１ａ上の所定箇所にそれぞれ電歪素子１を介在させて突き合わされるように結合固定されること、永久磁石３について、各磁歪素子２における電歪素子１の両方の主面から隔てられて外方を向いた先端側の開放端をそれぞれ架設して端面を形成するように開放端の端面に装着されていること、巻線部４について、巻線により永久磁石３が装着された状態にあっての各磁歪素子２における中途部分としての脚部の両側を巻回して成ることの諸点についても、細部構成が相違している。
【００１７】
図２は、この電気機械的変換器に備えられる磁歪素子２の細部構造を示したもので、同図（ａ）は正面図に関するもの，同図（ｂ）は側面図に関するもの，同図（ｃ）は底面図に関するものである。
【００１８】
ここでは、磁歪素子２が図４で説明した従来のものと比べて形状はほぼ同じであるが、大きさが小型化されていることを示している。図２（ａ）〜（ｃ）を参照すれば、この磁歪素子２における細部の寸法は、電極１ａ上に結合固定されて脚部に繋がる底部における幅が２．０５ｍｍ，背高が０．５ｍｍ、脚部の高さが１．９５ｍｍ、脚部及び底部の結合部分の総計４箇所における曲率半径Ｒが０．１ｍｍ、底部の奥行きが１．０ｍｍ、脚部及び底部の背高が２．４５ｍｍ、脚部における幅が０．４５ｍｍ，間隔が０．３５ｍｍ，底部端までの平坦部分の幅が０．２ｍｍとなっている。この磁歪素子２は、ＮｉＺｎを主成分とするフェライト材から成るもので、１個毎の共振周波数は約１ＭＨｚとなっている。又、各磁歪素子２のそれぞれの脚部の両方には３０ターンずつで総数６０ターンの巻回数となるように巻線を施して各巻線部４を配備した上、各磁歪素子２を電歪素子１の両方の主面に設けられた電極１ａ上の片方の面に全体数として８個のものが並列接続されるように配線（尚、図１に示す構成では幾つかのものを簡略している）した。
【００１９】
因みに、上述した電歪素子１は、縦１０ｍｍ×横２１ｍｍ×厚さ２ｍｍであり、圧電材料としてチタン酸バリウムを主成分とする１枚の板状のものを用いており、使用目的周波数に合わせた厚み振動の共振周波数は１ＭＨｚとなっている。
【００２０】
図３は、このような広帯域通過型一方向性変成器の全体的な基本構成を示した模式図である。この広帯域通過型一方向性変成器においても、図４に示した従来のものと同様に、各磁歪素子２に設けられた巻線部４における引き出し線の一端側をトランスＴの二次側巻線における一端側に接続した上で所定のインピーダンスマッチング回路５を介して並列に信号源６及び負荷部７に接続すると共に、巻線部４における引き出し線の他端側及び信号源６、トランスＴの二次側巻線における他端側及び負荷部７を別個に接続し、更に、トランスＴの一次側巻線における両端側を電歪素子１における両面の電極１ａに接続した上で導線部分のインピーダンスを所定値（例えば５０Ω）に保つように構成されている。因みに、ここでのトランスＴの一次側巻線の巻回数は３００ターンであり、二次側巻線の巻回数は４５ターンであるとする。
【００２１】
そこで、このような広帯域通過型一方向性変成器について、伝送特性を調べたところ、磁歪素子２側に供給された中波帯域の信号（１ＭＨｚ）にあっての電歪素子１側に向かう方向（順方向）での伝送レベルの伝送損失（アイソレーション）は１ｄＢ以下となって良好な通過性を示し、これとは逆な電歪素子１側に供給された中波帯域の信号（１ＭＨｚ）にあっての伝送レベルを磁歪素子２側に向かう方向（逆方向）での伝送レベルの伝送損失は２５ｄＢ以上となり、優れた一方向伝送特性（アイソレータ特性）を示し、しかも伝送最大電力は１０Ｗ以上となることが判った。
【００２２】
尚、上述した実施例１で説明した広帯域通過型一方向性変成器の構成はあくまでも一例であり、図２（ａ）〜（ｃ）を参照して例示した磁歪素子２における細部の寸法や、電歪素子１の寸法は必要とされる仕様に応じて任意に変更可能である他、各磁歪素子２を電歪素子１の両方の主面に設けられた電極１ａ上の片側に設けられる各磁歪素子２の数、或いは各磁歪素子２に設けられた巻線部４の巻線の巻回数等を変えることで伝送特性は相違する。そこで、こうした巻線条件や各部の寸法における制約等を考慮した上で実用的な範囲で様々な試作を行い、伝送特性を調べたところ、本発明で実施可能な広帯域通過型一方向性変成器は、中波帯域（３００ｋＨｚ〜３ＭＨｚ）の周波数範囲で従来よりも広い通過特性を有して１０Ｗ超過の大電力を伝送可能となることが判った。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例１に係る広帯域通過型一方向性変成器の要部となる電気機械的変換器（ジャイレータ）を示した外観斜視図である。
【図２】図１に示す電気機械的変換器に備えられる磁歪素子の細部構造を示したもので、（ａ）は正面図に関するもの，（ｂ）は側面図に関するもの，（ｃ）は底面図に関するものである。
【図３】図１で説明した広帯域通過型一方向性変成器の全体的な基本構成を示した模式図である。
【図４】従来の中波帯域用一方向性変成器の基本構成を模式的に示した簡易回路図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    電歪素子（圧電素子）
１ａ    電極
２    磁歪素子
３    永久磁石（フェライトマグネット）
４    巻線部
５    インピーダンスマッチング回路
６    信号源
７    負荷部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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