(57)【要約】【課題】非可逆回路素子に用いられる永久磁石の厚さをより薄くして小型化を図る。【解決手段】フェライト板と、フェライト板を包むように交差配置される複数の中心導体と、フェライト板に直流磁界を印加する永久磁石と、これらを収納しヨークを兼ねるケースとを有する非可逆回路素子において、前記永久磁石の磁路長が永久磁石の厚さ寸法より長くなっている非可逆回路素子である。これは前記永久磁石の内部磁化方向が永久磁石の厚さ方向に対して傾きを有するように着磁することによって得られる。このときの内部磁化方向の傾きは、永久磁石の厚さ方向に引いた直線から６０°以内であることが望ましい。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェライト板と、フェライト板を包むように交差配置される複数の中心導体と、フェライト板に直流磁界を印加する永久磁石と、これらを収納しヨークを兼ねるケースとを有する非可逆回路素子において、前記永久磁石の磁路長が当該永久磁石の厚さ寸法より長いことを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項２】
フェライト板と、フェライト板を包むように交差配置される複数の中心導体と、フェライト板に直流磁界を印加する永久磁石と、これらを収納しヨークを兼ねるケースとを有する非可逆回路素子において、前記永久磁石の内部磁化方向が当該永久磁石の厚さ方向に対して傾きを有していることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項３】
内部磁化方向の傾きは、前記永久磁石の厚さ方向に引いた直線から６０°以内であることを特徴とする請求項１又は２記載の非可逆回路素子。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかの非可逆回路素子を備えたことを特徴とする通信機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波通信機器に使用されるアイソレータ、サーキュレータなどの集中定数型非可逆回路素子は、基本構造は公知であり、フェライト板と、フェライト板を包むように交差配置される複数の中心導体と、フェライト板に直流磁界を印加する永久磁石と、これらを収納しヨークを兼ねるケースとを主要な構成要素としている。
携帯電話に代表される移動通信機器は小型、薄型化が急速に進んでおり、これに用いられるアイソレータも、小型低背化、低コスト化が強く求められてきたが、さらに低背化への要求は続くものと考えられる。この低背化のためには、永久磁石の薄肉化が不可欠であるが、厚さが薄くなるとフェライト板に印加される磁力が減少し、アイソレータ特性が劣化するという問題がある。
【０００３】
特許文献１に、小型・低背化、軽量化を図るとともに、特性の劣化を抑えたアイソレータ、サーキュレータなどの非可逆回路素子を提供するための技術が開示されている。即ち、残留磁束密度が０．４２Ｔ以上、保磁力ｉＨｃが３４４ＫＡ／ｍ以上、かつ保磁力ｂＨｃが３２０ＫＡ／ｍ以上の永久磁石を用いることが記載されている。従来用いられていた永久磁石の残留磁束密度が０．３８Ｔ程度であったのに対して、０．４２Ｔ以上とすることで、従来と同程度の磁界をフェライト板に印加する場合には、磁石の厚みを１０％以上薄くすることができると説明されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３５８５０４号公報（段落番号００７〜００１０、０
０１９〜００２２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１は、アイソレータ特性を劣化させないで永久磁石（以降、磁石と略す）の薄型化を実現するために、磁石の磁気特性を、従来品よりも高い磁気特性とする方法を採用したものである。そのために、フェライト磁石に含まれるランタンの添加量を０．５ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ以下とし、かつコバルト添加量を０．５ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ以下とする手段をとることが記載されている。しかし従来用いられていた磁石よりもランタン／コバルトの添加量が多くなるので原材料費が高くなってしまう。このため、組成面から磁石の磁気特性を向上させる手法では低コスト化という点で問題がある。
【０００６】
従って本発明は、磁石厚さをより薄くすると共に、低挿入損失かつ、低コストの非可逆回路素子を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、長年のアイソレータの研究・開発を通じて、集中定数型アイソレータ構造におけるフェライト板の磁束密度をシミュレーションで算出する技術を確立しており、同じ磁気特性の磁石であっても、外部磁界は磁石内部の磁路の長短で異なり、磁路が短いと磁界が弱くなるという知見も有している。この点で、磁石厚さを薄くするとアイソレータ特性が劣化するのは、従来のアイソレータに使用されている磁石は、その厚さ方向に磁化されているだけで磁路長さは厚さ寸法に等しいため、磁石厚さが薄くなればその分磁路が短くなって磁力が減少することに起因する。そこで、厚さが減少しても磁路は減少しないようにすれば、アイソレータ特性の劣化を抑えることができることを見出し本発明に到った。尚、下記するアイソレータ特性の良否は、最終的には実際の製作品を測定して確認した。
【０００８】
即ち、本発明は、フェライト板と、フェライト板を包むように交差配置される複数の中心導体と、フェライト板に直流磁界を印加する永久磁石と、これらを収納しヨークを兼ねるケースとを有する非可逆回路素子において、前記永久磁石の磁路長が当該永久磁石の厚さ寸法より長いことを特徴としている。
また本発明は、フェライト板と、フェライト板を包むように交差配置される複数の中心導体と、フェライト板に直流磁界を印加する永久磁石と、これらを収納しヨークを兼ねるケースとを有する非可逆回路素子において、前記永久磁石の内部磁化方向が当該永久磁石の厚さ方向に対して傾きを有していることを特徴としている。
本発明における内部磁化方向の傾きは、厚さ方向に引いた直線から６０°以内であり、好ましくは４５°以内、さらに好ましくは３０°以内とすることがよい。なお、本発明で言う磁路長さ或いは磁化方向とは、磁路全体の平均的な長さ或いは傾きを言うものである。
本発明は、上記した何れかの非可逆回路素子を備えた携帯電話等の移動体通信機である。これにより、より小型の通信機を提供することが出来る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず、本発明を実施することが出来る非可逆回路素子の一実施例を、図５に示すアイソレータを例に説明する。このアイソレータは、円板状のシールド板から放射状に３つの中心導体４、５、６が突出した構造の導電板を用意し、その導電板の円板状部にフェライト円板３（フェリ磁性体）を配置する。そして、３つの中心導体４、５、６を折り曲げて重ねる。このとき、各中心導体４、５、６は絶縁部材を介して重ねられる。このようにして、中心導体部分が構成される。
次に、樹脂ケース７は、中央に、中心導体部分用の円形状の凹部１３ａを有し、その周囲に容量素子用の凹部１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを有する。この凹部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの底部には、アース電極１４ａが形成されている。そして、このアース電極１４ａは、一体の導体板で構成されており、底面側では露出し、かつ側面部の外部端子のうちアース用の外部端子（１５ａ、１５ｂ等）を構成している。また、中心導体が接続される端子電極部１６ａ、１６ｂ、１６ｃが形成されている。この端子電極部１６ａ、１６ｂ、１６ｃは側面の外部端子（１５ｃ等）に導通している。また、抵抗素子を配置するための貫通凹部１７が形成されている。
【００１０】
次に、下ケース１２上に樹脂ケース７が配置される。このとき、下ケース１２と樹脂ケース７のアース電極１４ａとは、広い設置面積で接地し十分なアースをとることが出来る。下ケース１２は、樹脂ケース７の底部の凹部１８に合致する構造となっているが、これを下ケース１２を樹脂ケース７のアース電極と兼ねるように一体的に形成した構造とすればより小型化が図られて好ましい。
この樹脂ケース７の容量素子用の凹部１３ｂ、１３ｃ、１３ｄにそれぞれ容量素子８、９、１０を挿入する。この容量素子は、その上下面に電極が形成された平板コンデンサであり、下面の電極と凹部の底部に形成されたアース電極１４ａとは半田接続される。また、抵抗素子用の貫通凹部１７に抵抗素子１１が配置され、抵抗素子１１の一方の電極は、貫通凹部１７の下にある下ケース１２上に配置され、半田接続される。
次いで、樹脂ケース７の中央の中心導体部分用の円形状の凹部１３ａに、上記した中心導体部分を配置する。このとき、中心導体部分の円板状のシールド板は、アース電極１４ａと半田接続される。これにより、中心導体の一端はアース接続される。
【００１１】
中心導体４の一端は、容量素子８の上面の電極と抵抗素子１１の一方の端子電極に接続される。また、中心導体５の一端は、容量素子９の上面の電極と端子電極部１６ｂに接続される。また、中心導体６の一端は、容量素子１０の上面の電極と端子電極部１６ｃに接続される。このとき、端子電極部１６ｂ、１６ｃの高さは、容量素子９、１０の上面の電極の高さと一致するように構成し、中心導体の接続性を良くしている。
そして、フェライト円板３に直流磁界を印加する永久磁石２を上ケース１に位置決めし、上ケース１と下ケース１２を接合させて、アイソレータを構成した。
永久磁石２は、例えば矩形状であり、上ケース１の内面に位置決めされ、永久磁石２の側面の周囲と上ケースの内面とはほぼ密着状態で配置されている。永久磁石を矩形状とし、上ケースとほぼ密着状態とすることにより、ケース内いっぱいに永久磁石を配置でき、小型化に際し、有利である。
【００１２】
さて、本発明の永久磁石２について以下に説明する。
図１に本発明の非可逆回路素子のシミュレーションモデルを示す。磁石２と、磁石２と対向するフェライト板３と、ヨークを兼ねたこれらを収納する閉じたケース（１，１２）を要素とし、磁石２とフェライト板３の隙間は０．６ｍｍ、フェライト板３の厚さは０．５ｍｍ、ケースの厚さは０．２ｍｍと一定とした。また、磁石２の磁気特性は、残留磁束密度Ｂｒを０．４４Ｔ、保磁力ｂＨｃを３３６ＫＡ／ｍとした。そして、磁石２の磁化方向は、図１に示すように中心に対して左右対称の斜め方向とし、厚さ方向に引いた直線に対し角度θだけ傾いているものとした。
【００１３】
図２に、磁石厚さｔが０．９ｍｍ、１．１ｍｍ、１．３ｍｍのものについて、磁化角度θを０°、３０°、４５°、６０°と変化させた時の、フェライト板３に作用する磁束密度をシミュレーションで算出した結果を示す。磁化角度θが０°の場合が従来の厚さ方向に着磁し磁化したもの（以下、厚さ方向磁化品と言う。）を示し、この数値を基準として評価することができる。図２からわかるように、厚さが１．３ｍｍでは、厚さ方向磁化品が０．２Ｔであるのに対し、３０°斜め磁化品では約０．２４Ｔと約２０％も向上している。厚さが０．９ｍｍの場合は、厚さ方向磁化品が約０．１８Ｔであるのに対し、３０°斜め磁化品では約０．２１Ｔと約１６％向上しているとともに、厚さが１．３ｍｍの厚さ方向磁化品より高くなっている。これは、従来の、厚さが１．３ｍｍの厚さ方向に磁化された磁石に換えて、厚さが０．９ｍｍの磁石を３０°斜め方向に磁化した（斜め磁化品と言う。）に置換え可能なことを示しており、よって約３０％の薄肉化が可能なことを示している。
【００１４】
図２によれば、斜め磁化品の磁束密度は、磁化角度θが０°（厚さ方向）から傾いて行くと大きくなり、３０°の時をピークとして４５°までの範囲ではどの厚さの磁石でも０°の場合より大きな値を示し、６０°になっても、厚さが０．９ｍｍの場合を除いて０°の時より大きな値を維持していることがわかる。即ち、磁束密度を劣化させずに磁石厚さを薄くするためには、磁化方向を厚さ方向から６０°以内の範囲、好ましくは４５°以内の範囲で傾け、磁路長を延ばすことが有効であることがわかる。なお、磁化角度が３０°より大きくなると磁束密度が低下するようになる理由は定かではないが、磁化角度が大きくなれば磁路は長くなる一方で傾きが大きくなるため、フェライト板に有効に作用する磁界成分が少なくなっていくためと推察される。
【００１５】
上述したシミュレーションにおいては、磁化方向が磁石中心に対し左右対称に同じ角度傾いているモデルで行ったが、これはシミュレーションのやり易さから設定したもので、実際には図３に示すように、磁化角度が途中で異なるようになっていたり、磁化角度が０°のものが混在していてもよく、また、必ずしも直線的な傾きでなくてもよく、例えば円弧状、放物線状のように曲線的に湾曲していてもよいし、直線と曲線が組み合わさったような傾きであってもよい。このような場合は、磁路全体の平均的な傾きを前記で言う磁化角度とする。また、図４（ａ）〜（ｄ）に平面図で示すように磁路を傾ける方向は平面上様様な方向を取ることが可能である。要は、磁石内部の磁路が、厚さ寸法より長くなるようになっていればよく、このような斜め磁化品は、例えば、プレス成形時に厚さ方向に対し斜めに磁場配向をかけたり、厚さ方向に磁場配向したものを斜めに加工して形成したりして製造することができる。また、図４（ｂ）、（ｃ）、（ｆ）に点線で示すように、この部分で分割されるような複数の磁石を接合して形成するようにしてもよい。
【００１６】
【実施例】
上述したシミュレーション結果をもとに、実際に厚さと磁化方向の異なる磁石を使用したアイソレータを試作し、各々の挿入損失を測定した。比較用に磁石厚さ１．３ｍｍでθ＝０°に着磁し、高さ２．５ｍｍのＰＤＣ８００ＭＨｚ用アイソレータを作製し、室温で測定周波数９２４ＭＨｚにて挿入損失を測定したところ、０．３ｄＢであった。この時、磁石と中心導体は密着しておりギャップは０である。磁石厚さ１．１ｍｍでθ＝０°に着磁したところ十分な動作磁界が得られず、挿入損失は２ｄＢに増加した。本発明により磁石厚さ１．１ｍｍでθ＝１０°に着磁したところ、アイソレータの高さ２．３ｍｍで挿入損失０．３２ｄＢの特性を得、アイソレータの高さを０．２ｍｍ低背化するとともに同等の特性を得た。このときも磁石と中心導体のギャップは０である。
更にまた、本発明により磁石厚さ０．９ｍｍでθ＝３０°に着磁したところ、アイソレータの高さ２．３ｍｍで挿入損失０．２７ｄＢの特性を得、同じ高さのアイソレータで０．０５ｄＢの低損失特性を得た。このとき磁石と中心導体のギャップは０．２ｍｍであり、磁石が中心導体から離れているため中心導体を伝送するマイクロ波の電磁界と磁石の相互作用が小さくなり磁石による損失が減少したためと考えられる。
【００１７】
以上、アイソレータを例に説明したが、サーキュレータにも適用できることは言うまでもない。また、図５のアイソレータ構造は一例であって他のアイソレータ、サーキュレータの構造であっても本発明は実施できる。
【００１８】
図６は、本発明の非可逆回路素子（アイソレータ）を用いた無線通信機として携帯電話機を示す概略ブロック図である。本実施例の無線通信機器８は、アンテナ８０と、送信用フィルタおよび受信用フィルタからなるデュプレクサ８１と、デュプレクサ８１の送信用フィルタ側の入出力手段に接続される送信用回路８２と、デュプレクサ８１の受信用フィルタ側の入出力手段に接続される受信用回路８３とから構成されている。
送信用回路８２は、送信側から順にフィルタ８２ａ、ミキサ８２ｂ、パワーアンプ８２ｃがあり、送信信号はパワーアンプ８２ｃにより増幅され、本発明のアイソレータを経由した後、デュプレクサ８１の送信用フィルタを通ってアンテナ８０から発信される。また受信信号はアンテナ８０からデュプレクサ８１の受信用フィルタを通して受信用回路８３に与えられ、受信用回路８３におけるローノイズアンプ８３ａで増幅され、フィルタ８３ｂを通過した後、ミキサ８３ｃで電圧制御発信機ＶＣＯ８４からスプリッター８５で分配された局発信信号と混合されて、中間周波数に変換される。ミキサ８３ｃを出た受信信号はフィルタ８３ｄを経て受信回路に入る。
このような無線通信機の構成は一例であるが、上述したより小型となったアイソレータを用いることにより小型軽量化された無線通信機を提供できる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、同じ磁気特性を有する磁石であっても、フェライト板の磁束密度を低下させずに磁石厚さを薄くすることができるので、磁石の組成を変えることなく、低挿入損失特性が維持されながら、より低背化された非可逆回路素子を、また小型軽量化された通信機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非可逆回路素子のシミュレーションモデルを示す図である。
【図２】シミュレーションによる磁化角度とフェライト板磁束密度の関係を示す図である。
【図３】厚さ方向の磁化方向が途中で異なっている磁石の例を示す図である。
【図４】平面的な磁化方向が異なっている磁石の例を示す図である。
【図５】アイソレータの構造の一例を示す斜視図である。
【図６】無線通信機（携帯電話機）の一例を示す概略ブロック図である。
【符号の説明】
２…永久磁石、  ３…フェライト板、  １，１２…ケース、
【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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