島田理化技報
SPC Technical Report特集● 誘導加熱の新素材への応用技術● 60GHz帯無線通信の測定課題と評価技術

No.23（2013）

島田理化技報
No.23

目

次

■巻頭言
独創性のある高品質な製品開発 …………………………………………………………………………………………………………１
齋藤 淳

■寄稿
SiCパワーデバイスとパワーエレクトロニクス機器への応用 …………………………………………………………………………２
三菱電機株式会社■特集論文

先端技術総合研究所

小山 正人

誘導加熱の新素材への応用技術

炭素繊維複合材料への取組み………………………………………………………………………………………………………… 11
加藤 篤
カーボンファイバの誘導加熱技術 …………………………………………………………………………………………………… 17
松原 佑輔

田内 良男

誘導加熱3Dシミュレーション ………………………………………………………………………………………………………… 23
高田 太郎

片岡 辰雄

■製品紹介
誘導加熱（IH）関連の製品 …………………………………………………………………………………………………………… 29
新ESシリーズ誘導加熱用高周波電源 ……………………………………………………………………………………………… 30
IHハンディー式ろう付け装置シリーズ ……………………………………………………………………………………………… 31
薄板均一加熱用MV型コイル ………………………………………………………………………………………………………… 32
小型高機能IHシール用電源■特集論文………………………………………………………………………………………………………… 33

60GHz帯無線通信の測定課題と評価技術

60GHz帯高速無線伝送技術の役割と弊社の取組み ……………………………………………………………………………… 37
河村 淳
60GHz帯無線通信用周波数変換装置 ……………………………………………………………………………………………… 43
日下 洋

太田 貴之

濱野 聡

鈴江 秀規

四分一 浩二■製品紹介
X帯，
Ka帯小型LNB………………………………………………………………………………………………………………… 53■特許紹介
誘導加熱装置特許第5053332号 ……………………………………………………………………………………………… 55

無線通信システム及び無線信号合成方法

特許第5178151 号 ……………………………………………………………… 56■特許登録紹介 …………………………………………………………………………………………………………………… 57

■巻頭言
独創性のある高品質な製品開発

代表取締役社長

齋藤
Jun

淳

SAITO

島田理化工業株式会社は創業以来培ってきたマイクロ波・ミリ波技術，高周波誘導加熱技術（IH）
を軸として，通信電子分野と産業機器分野でコンポーネントからシステムまでの様々な製品とサービスを提供してまいりました。製品開発にあたっては，技術，品質，誠意をモットーにお客様にご満足頂ける製品とアフターサービスを提供させて頂き，多くのお客様にご満足を頂いてきております。
しかしながら，ここ数年の情報通信技術の進化とマーケットの変化，産業機器分野での自動化・高速化と省電力化への要求は，これまで以上のスピードで進展しタイムリーな技術開発と設計・製造の効率化が必要となっています。
通信電子分野ではスマート社会を支える高速・シームレスな情報交換や情報共有基盤の整備が急速に進展し，社会サービスの更なる向上，効率的なエネルギー資源の活用，ビッグデータの収集・分析等が計画され，スマートフォンやタブレット端末の普及とともに住宅内を含めて無線 LAN 端
末でのモバイル使用が急激に普及し，ミリ波を用いたワイヤレスによる高速・大容量のデータ伝送技術が着目されています。
一方，産業機器分野では高周波誘導加熱技術は焼き入れ，溶解，ろう付け，薄板加熱等様々な用途に利用され，生産の自動化，高速化や省電力化への検討と，複雑な形状・新たな材質の被加熱物への対応，加熱温度の高精度・高均一化等が要求されてきております。
これらの大きな事業環境の変化や高度な技術要求に対応するには，これまでにも増して，開発のスピードアップやコスト・品質に関する感度を上げることが必要となっており，弊社独自での開発や改善とともに，親会社である三菱電機の研究・開発部門や生産技術部門と連携が重要であると考
えております。具体的には，マイクロ波半導体素子技術，回路解析技術の通信電子機器への応用や，
パワー半導体技術，生産設計技術，熱・構造の解析技術の産業 IH 機器への適用により，独創性のある高性能・高品質な製品を提供すべく取り組んでおります。
今回の技報では，高周波誘導加熱への適用が期待されている SiC パワーデバイスの今後の展望について寄稿を頂くとともに，高周波誘導加熱の新素材への応用やシミュレーション技術の進展の状況について弊社の取り組みを報告致します。また，通信電子技術としてはミリ波技術に関する取り組みを紹介致します。
これまでの技術へのこだわりと品質への取り組みに加え，生産効率化による短納期化・低価格化を進め，魅力的な製品作りに取り組んでまいりますので，今後ともご愛顧たまわりますよう宜しくお願い申し上げます。

1

島田理化技報No.23（2013）■寄稿

SiC パワーデバイスとパワーエレクトロニクス
機器への応用

三菱電機株式会社開発本部
先端技術総合研究所
パワーエレクトロニクス技術部門
主管技師長

小山

正人

Masato KOYAMA

1．まえがきする。

2．SiC パワーデバイス

クリーンな電力の変換を行うパワーエレクトロニクス機器は，省エネルギー化に貢献するので，

2.1

特長

民生・家電から産業・交通・電力に到る様々な分

現在主流の半導体材料である Si を使用した耐圧野で広く使用されている。これらのパワーエレク

600V 以上のパワーデバイスの内，トランジスタのトロニクス機器には，交流電圧を直流電圧に変代表例は IGBT であり，ダイオードでは PiN ダイ

換するコンバータ（または整流回路），直流電圧オードである。両者とも電流を担うキャリアとしを振幅が異なる直流電圧に変換する DC/DC コンて電子とホール（正孔）を使用するバイポーラ（両バータ，直流電圧を交流電圧に変換するインバー

極性）デバイスである。バイポーラデバイスは内タがある。インバータは各種の交流モータ駆動，部に電子とホールの高密度蓄積状態を形成するこ風力発電，太陽光発電や無停電電源，誘導加熱なとによって，電流導通時（ON 時）の抵抗を下げる。

どに適用されている。一方，DC/DC コンバータ

しかし，電流導通状態から電流遮断状態（OFF 状

はスイッチング電源やバッテリの充放電などに適態）への遷移期間中に，高密度で蓄積状態された

用されている。また，コンバータは，商用交流電

電子とホールを排出する必要がある。排出される圧からインバータや DC/DC コンバータの入力直電子とホールの移動によって電流が流れ，デバイ

流電圧を得るために使用される。

スには外部から電圧が印加されているため，このこれらのパワーエレクトロニクス機器は，主要遷移期間中に電力損失（スイッチング損失）が生部品のパワーデバイスの進歩とともに，高効率化・じる。遷移期間が終了して，デバイスが OFF 状態

小 型 化・ 高 性 能 化 が 進 ん で き た。1957 年 に 最 初になると電力損失は無視出来る程度となる。また，のパワーデバイスであるサイリスタが発明されてスイッチング損失は OFF 状態のデバイスが ON 状

以来，高電圧化・大電流化・低損失化ニーズに呼態に遷移する期間中にも生じる。したがって，デ応してトランジスタ，ゲートターンオフサイリス

バイスの電力損失を減らすためには，ON 時の抵抗

タ（GTO サ イ リ ス タ ），MOSFET（Metal Oxideとスイッチング損失を減らす必要がある。

Semiconductor Field Effect Transistor），IGBT

SiC の絶縁破壊電界強度は Si の約 10 倍であり，（Insulated Gate Bipolar Transistor）など様々なパ

デバイス内部で高電圧を保持する耐圧層の厚さを

ワーデバイスが実用化されてきた。

Si の凡そ 1/10 に薄くでき，キャリア濃度を Si と比これらのパワーデバイスは全て Si（シリコン）

べ 80 倍程度に大きくすることが可能である。SiCを材料としているが，デバイス構造の改良による耐圧層の抵抗を Si の～ 1/400 程度に小さくするこ

低損失化や高電圧化が飽和しつつある。そこで，とができる。したがって，SiC をパワーデバイス

近年，新材料の SiC（シリコンカーバイド）を適用に適用すると大幅な電力損失の低減が期待できる。

したパワーデバイスが注目を浴びており，実用化

さらに，キャリアとして電子またはホールのいずに向けた技術開発が国内外で活発に行われている。

れかを利用するユニポーラ（単極性）デバイスの本稿では，SiC パワーデバイスの特長や開発動向に

パワーデバイス応用範囲が広がる。ユニポーラデ

ついて紹介するとともに，最近のパワーエレクト

バイスはバイポーラデバイスと比べてスイッチン

ロニクス機器へのいくつかの応用例について紹介

グ損失を低減しやすいため，高周波スイッチング

2

SiC パワーデバイスとパワーエレクトロニクス機器への応用

用途に適している。

する耐圧特性が得られている。図 3 は，開発中のそこで，SiC パワーデバイスとしてはユニポー

3300V MOSFET の断面構造である。MOSFET チッ

ラ デ バ イ ス で あ る MOSFET と SBD（Schottky

プ内部の JFET 部のドーパント濃度を高くするこBarrier Diode）の実用化開発が活発に行われていとによって（JFET ドーピング），導通時抵抗（ONる。SBD は既に製品化され実機への搭載も開始さ

抵抗）値 14m Ω cm2 が得られており従来構造と比れ て い る（1）。Si-IGBT と Si-PiN ダ イ オ ー ド を 組

較し 46% 以上低減されている。ただ，3300V SiC-

合わせた時のスイッチング損失と SiC-MOSFET

SBD や SiC-MOSFET には性能改善余地があるのと SiC-SBD を組合わせた時のスイッチング損失ので，今後とも活発な技術開発が行われると思われ比較結果を図 1 に示す。Si パワーデバイスと比較る。

して，SiC パワーデバイスのスイッチング損失はまた，耐圧 6500V の Si-IGBT が実用化されてい50％以下であり，かつ温度依存性が小さい。このるので，耐圧 6500V およびさらなる高耐圧の SiC

ため，SiC パワーデバイスは高周波用途に向いてパワーデバイスの開発も期待される。

いる。

図2
図1
2.2

3300V SiC-SBD の耐圧特性

スイッチング損失の比較

技術動向

現 在， 耐 圧 1700V ま で の SiC パ ワ ー デ バ イ ス
が実用化されているが，更に高耐圧な SiC パワー
デバイスの開発が進められている（2）。従来の SiIGBT や Si-PiN ダイオードなどのバイポーラデバ
イスでは，高耐圧化のために耐圧層を厚くするとデバイス内の蓄積電荷が増え，結果的にスイッチ
ング損失が増加する。高耐圧デバイスとしてユニ
ポーラ SiC デバイスを用いた場合，スイッチング
損失が大きく減少する。但し，高耐圧化で抵抗が増大するため出来るだけ抵抗の増大を改善する技
術開発が重要である。
図 2 に，開発中の 3300V SBD の耐圧特性を示

図33300V 耐圧 MOSFET の断面構造

す。終端構造に擬似多階調構造（3）を適用することによって，デバイス温度が 150℃であっても必要と3

島田理化技報No.23（2013）

3．パワーエレクトロニクス機器への応用例

3.2

FA 用モータ制御インバータへの適用

FA（Factory Automation） シ ス テ ム に お い て
3.1

は，NC（Numerical Control）装置によって，工作

ルームエアコンへの適用

DIPIPM（Dual Inline Package Intelligent Power

機械に搭載された主軸モータや複数のサーボモー

Module） は， 高 機 能， 小 型 で 信 頼 性 の 高 い 小 容

タを制御するインバータを小型化するために，図 6

量パワーモジュールであり，ルームエアコンや冷のようなマルチドライブ装置が製品化されている。

蔵庫などの家電製品に広く採用されている。DIP-

モータ毎にインバータは必要であるが，コンバー

IPM 内の Si ダイオードを SiC-SBD に置き換えた

タを共用できるので小型化できる（5）。

図 4 の Hybrid-DIPIPM を開発し，室外機に搭載さマルチドライブ装置中の主軸モータ制御用インれた圧縮機制御用インバータに適用したルームエ

バータの Si ダイオードを SiC ダイオードで置き換。図 5 に圧縮機制御えることにより，インバータ損失が低減される。

システムの構成を示す。圧縮機に組み込まれた交これにより，スイッチング周波数 UP が可能とな

流モータをインバータで可変速制御する。従来のり，主軸モータの最高回転速度を従来装置に対しDIPIPM 適用時と比較して，インバータ回路の損て 2 倍の 30000r/min まで増加させることができた。

失が約 15％削減されている。ルームエアコンでは

さらに，インバータの損失の低減により，インバー

省エネ性（電気消費量削減）が強い市場ニーズでタの出力電流を増やすことができる。これにより，あり，SiC パワーデバイスの適用による損失低減へ

主軸モータの最大トルクが従来装置比で 15％増加の期待は大きい。

した。これらの高速化，高トルク化によって加工アコンが製品化されている（4）

時間の短縮などの性能向上を実現できる。FA シス
テムへの応用においては，省エネだけでなく生産性の向上も重要な課題である。SiC パワーデバイスの低損失性を生かしたモータ制御システムの性能向上が期待できる。

図4

Hybrid DIPIPM（600V/15A）

図6

図5

4

圧縮機制御システムの構成

FA 用マルチドライブシステム

SiC パワーデバイスとパワーエレクトロニクス機器への応用

線構造を最適化した。このように大容量パワーモ
ジュールでは，チップ配置や配線構造が重要な課
題となる。

図8

図7

SiC 適用による高速回転の実現

3.4

大容量 SiC パワーモジュールの構造

鉄道車両駆動用インバータへの適用（7）鉄道車両駆動における発生ロスのうち，インバー
タによる電力損失は 1％程度である。そのため，

3.3

エレベータ用インバータへの適用

超高層ビルやホテル，デパートなどで使用されSiC パワーデバイスに置き換えるだけでは SiC パ
ワー・モジュールの性能を十分に活用出来ない。

る定格速度 120m/min 以上の高速エレベータでは，

一方，車両を停止させるために車両の運動エネ

人や荷物を乗せるかご室を上下に動かす巻上機のルギーを 0 にする必要があり，回生ブレーキと空制御装置が機械室に設置されている。機械室のレ気ブレーキが併用されている。回生ブレーキは，

イアウト自由度を向上するため，制御装置の小型車両の運動エネルギーをインバータによって電力化が求められている。そこで，SiC パワーデバイス

として架線に戻す（回生する）ので，エネルギーを適用して制御装置を小型化したことが報告されロスは生じない。これに対し，空気ブレーキは車

ている

（6）

。

両の運動エネルギーを熱として消費するのでロス

巻上機に取り付けられた交流モータの回転速度となる。Si パワーデバイスを適用した従来のインを制御するインバータは，制御装置に内蔵されてバータの場合は，熱的な制約から高速度域での回いる。SiC-MOSFET と SiC-SBD を使用した大容量生ブレーキに制限があり，図 9（a）に示すようパワーモジュール（1200V/1200A）を開発し，イに空気ブレーキの使用が必要である。この空気ブンバータに適用することにより電力損失を約 65％

レーキによるロスは約 9％と大きい。そこで，SiC低減した。さらに，高周波スイッチング駆動によパワーデバイスを適用して，インバータの損失をり，交流電源とコンバータとの間に設けられた AC

低減して熱的制約を緩和するとともに，モータ電リアクトルを小型化した。これらにより，制御装圧を最適設計することにより同図（b）のように，置の体積および設置面積を約 40％削減した。

全速度範囲で回生ブレーキの使用が可能となる。

大容量パワーモジュールの開発においては，ス
イッチング時のサージ電圧を低減するために，モジュール内部のインダクタンスを最小化する必要がある。そこで，図 8 のようにモジュール内部を 2ブロックに分割しインダクタンスの低減を図った。
しかし，2 つのブロック間の電磁干渉が不均一の場
合は，電磁干渉の影響で 2 つのブロックを流れる
電流にアンバランスが生じ，必要とする電流を流すことができない。そこで，電磁界解析を用いて，
2 ブロック間の電磁干渉を均一となるように，チップ（MOSFET，SBD） 配 置 と 主 回 路 と 制 御 の 配

5島田理化技報No.23（2013）（a）従来型インバータの場合（b）SiC 適用インバータの場合
図 10 モータ電流波形の比較

4．むすび
本稿では，SiC パワーデバイスの開発動向やインバータへの応用例について紹介した。60 年以上の歴史を持つ Si パワーデバイスと比べると，SiC パ
ワーデバイスの歴史は浅く，本格的な普及に向けて，今後とも活発な技術開発が継続されると予想される。特にわが国のエネルギー問題解決の切り札として期待されているスマートグリッドシステ（b）SiC 適用インバータの場合
図9

回生ブレーキ性能の比較ムを実現するためには，3300V 以上の高耐圧パワーデバイスが必要であり，低損失な SiC パワーデバ
イスへの期待は大きい。
また，応用面から見ると，SiC パワーデバイス

さらに，SiC パワーデバイスの低損失特性を生かしてインバータのスイッチング周波数を上げる
ことにより，モータ電流をより正弦波に近づけるができ，モータ損失を低減できるメリットがある。
図 10 に，モータ電流波形の比較を示す。SiC パワー
デバイスの適用により，モータ損失を 40％低減することができた。

の特長を最大限に活用するための方法の検討が重要である。SiC は Si より硬く加工しにくいため，コスト面では課題が残されている。このため，Si
パワーデバイスの単なる置き換えでは，コストパ
フォーマンス的に SiC パワーデバイスのメリットを見出しにくい。そこで，スイッチング周波数の高周波化や高温環境での使用など，Si パワーデバ
イスの適用が困難な使い方を考えていく必要があろう。SiC パワーデバイスを使用したパワーエレ
クトロニクス機器の実用化は始まったばかりであるが，一例として，装置の使用温度が高く，かつ高周波スイッチングが要求される誘導加熱用インバータへの適用も期待される。

（a）従来型インバータの場合

6

SiC パワーデバイスとパワーエレクトロニクス機器への応用

参考文献（1） 三菱電機ニュースリリース 2011 年 10 月 社会No.1111
http://www.hq.melco.co.jp/prd/Open/
release/（2） 三浦，“三菱電機における SiC 研究開発の成果〜 3.3kV チップ開発”，第 46 回電力用 SiC
半導体研究会，（Oct. 2012）（3） 川上 他，春季応物 25p-BL-16（2011）（4） 三菱電機ニュースリリース 2010 年 8 月 リ本
No.1041
http://www.hq.melco.co.jp/prd/Open/
release/（5） 三菱電機ニュースリリース 2012 年 10 月 FA
本 No.1220
http://www.hq.melco.co.jp/prd/Open/
release/（6） 三菱電機ニュースリリース 2013 年 2 月 ビル
本 No.1303
http://www.hq.melco.co.jp/prd/Open/
release/（7） 根来，中嶋，草野，田中，出井，山下，大橋，深澤，山野井，“SiC パワーモジュール適用
鉄道車両用高効率インバータシステム”，電学産応部大，1-O1-5（2012）7

【特集論文】
誘導加熱の新素材への応用技術

〈特集論文〉

炭素繊維複合材料への取組み

Technical Approaches to Carbon Fiber Reinforced Plastic
加藤篤

Atsushi KATOH

1．まえがき鉄道などとともに，革新的構造材料としての CFRPの活用が中心的な位置づけに掲げられている。

近年，地球環境の保全が緊急の課題として議論

CFRP は環境保全，省エネ性，国際競争力のいされている。なかでも，地球温暖化の原因とされずれの観点からも，産業会を牽引する先進材料でる温室効果ガスの削減，新興国での工業発展に伴あるが，普及という観点からは現在でもその途上

う公害問題などがクローズアップされている。わにあるといえる。CFRP が広く普及するには，製が国においては，CO2 削減のロードマップが示さ

造工程の複雑さによるコスト高の克服と，製造過れた矢先に，東日本大震災を契機としたエネルギー

程自体でのエネルギー低減，修復／リサイクル技［1］

術など，新技術の開発による課題の解決が必要で問題が発生し，環境政策の転換を余儀なくされ，国際競争力の低下への懸念とともに，新たな経済ある。

振興戦略が問われている。

2．炭素繊維及び CFRP の特徴

一方，世界中で新しい工業用素材の研究開発が盛んであるが，特にわが国は，素材開発の研究が得意分野ともいわれている［2］。中でも炭素繊維に代表される炭素系新素材は，1959 年に通産省大［3］阪工業試験所の進藤博士によって発明され2.1

炭素繊維とは炭素繊維とは，アクリル繊維またはピッチ（石油，，重石炭，コールタールなどの副生成物）を原料に高量，強度，耐久性，耐腐食性などの優れた特徴か

温で炭化して作った繊維で，アクリル繊維を使っら，金属に変わる軽量・高強度材料として発展した炭素繊維は PAN 系（Polyacrylonitrile），ピッチてきた。1980 年代には炭素繊維と一体化した炭素を使った炭素繊維はピッチ系（PITCH）とに区分

繊 維 複 合 材 料（CFRP：Carbon Fiber Reinforcedされる。炭素繊維を単独の材料として利用するこ

Plastic）が，航空機主翼構造部材として使用され，とは少なく，合成樹脂などの母材と組み合わせた

［4］

。航空宇宙

複合材料として用いることが主である。炭素繊維

産業界では，炭素繊維複合材料一体成型技術で世を用いる複合材料には，CFRP や炭素繊維強化炭界をリードしてきたと言われている。現在では，

素複合材料などがある。CFRP は，強化材に炭素

運行コストの低減を特徴とする B787 において，機繊維を用いた繊維強化プラスチックで，充填材に体構造部材の 50％が CFRP 製部材に置き換わっては主にエポキシ樹脂が用いられる。単にカーボン

アルミ合金に勝る特性が実証された

［3］

きていて

，一般産業界や自動車産業界での普及樹脂と呼ばれることも多い［5］。

も試みられつつある。
2013 年 9 月に改訂された「環境エネルギ技術革2.2

炭素繊維の特徴

新計画」において，わが国の優れた技術によって，炭素繊維は，軽くて丈夫な材料である。密度は

世界中の温室効果ガスの削減に貢献する旨の中長

鉄の 1/4 〜 1/5 で軽い金属の代表であるアルミと期戦略が示され，環境エネルギー技術をわが国の比較しても 2/3 〜 1/2 である。しかしそれだけ軽経済成長戦略の軸とする検討が始まっている［2］。

量でありながら，剛性は十分に有し，鉄の約 10 倍

この中で，短中期目標として 2030 年までに，次世もある。軽さに関しては，あるコンセプトカーでは，

代自動車（燃料電池車），高効率の航空機・船舶・

金属製の部品をほとんど炭素繊維（実際は CFRP）

11

島田理化技報No.23（2013）に置換え，車両重量を約半分以下に抑え約 1000kg

強度，高比弾性率で航空機や人工衛星の材料や，ゴ近くまでに軽減した。また別のメーカでは炭素繊

ルフ用シャフト，釣り竿，テニスラケットといった維製のコンセプトカーの車体骨格は 50kg を切り，

スポーツレジャー用途で多く使われている。もう一従来の鉄製骨格と比較すると約 1/5 になった例も方のラージトウはレギュラートウに比較して安価なある［6］。

ため風車や自動車などの材料など産業用として主にもう一つ重要な特徴は，電気伝導性を有するこ利用されている。製造方法を図 1 に示す［7］。

とである。抵抗率は金属に比較すると大きく，電磁シールド効果も期待できる。
一方，この良いことづくめの炭素繊維でも短所はある。炭素繊維は 1960 年代にロケットのケースやタンクに使われ始め，ガラス繊維等の素材に変わるものと早々から期待されていたが，この炭素繊維は高価な材料であることから，普及が遅れていた。
製造方法は後ほど記述するが，炭素繊維のベー
ス素材は有機ポリマのポリアクリロニトロルで，
ここからカーボンを取り出すが，半分のアクリル

図1は除去する。その後，取り出したカーボンを炭素化させるが，熱処理の違いにより特性の異なった炭素繊維を製造することができる。
表1

炭素繊維の特徴〈炭素繊維の長所〉
・軽い （比重：約 1.8，鉄は 7.8，アルミは 2.7，ガラス
繊維は 2.8）・強い（比強度が鉄の約 10 倍，比弾性率が鉄の約 7 倍）・耐熱性，耐酸性，耐伸縮性，耐摩耗性に優れる
・電気伝導性がある （IH が可能。電磁波のシールド性あり）（炭素繊維の短所）
・ 製造コストが高い
・ 加工が難しい・ リサイクルが難しい

2.3

炭素繊維の製造方法

2.3.2

PAN 系炭素繊維の製造プロセス

ピッチ系炭素繊維

ピッチ系炭素繊維の単繊維の太さはやや太く 7〜 10mm である。ピッチ系炭素繊維は原料の違い
によりさらにメソフェーズピッチ系と等方性ピッチ系に分類される。一般的にはメソフェーズピッ
チ系からは汎用の炭素繊維が，等方性ピッチからは高強度，高弾性率の炭素繊維が製造される。ピッチ系炭素繊維には，高弾性率，高い熱伝導性や導電性，電波遮蔽，熱膨張がほとんどないといった特徴があり，その特徴を活かし，シリコン溶解炉や燃料電池分野，薄型テレビ用大型板ガラスの搬送用ロボットアーム，自動車のカーボンブレーキなどに使用されている。
製造方法を図 2 に示す［7］。

炭素繊維の 2 つの製造方法について簡単に報告
する。
2.3.1

PAN 系炭素繊維

PAN 系炭素繊維の単繊維は太さ 5 〜 7mm。この多数の単繊維で構成された繊維束をフィラメント
と呼び，更に 1000 本から数万本のフィラメントの束をトウと呼ぶ。このトウが PAN 系炭素繊維の製品形態としてもっともよく扱われている。
ト ウ は そ の フ ィ ラ メ ン ト の 本 数 で 区 分 さ れ，
24,000 本以下はレギュラートウ，40,000 本以上でラー
ジトウと呼ばれる。レギュラートウは低密度，高比12

図2ピッチ系炭素繊維の製造プロセス

炭素繊維複合材料への取組み

2.4

CFRP の製造工程て金属の加熱に用いられてきたが，CFRP のよう

炭素繊維から CFRP 部材への成型方法にはオーな複合材では，炭素繊維のトウ（繊維を数千本束

ト ク レ ー プ 法，RTM（Resin Transfer Molding ）ねた繊維束）の並びや編み方の影響による誘導電法など数種類がある。ここでは，当社でもテスト流の分布により，金属のように効率的で均一な加を行っているプレス成型法を紹介する。図 3 に示

熱は難しいとされ，これまで研究段階であった。

す工程では，炭素繊維を特定の方向に揃えたテー

近年になって，省エネルギー，コスト低減の観プや織物シートに，硬化剤，着剤材などの添加物

点から CFRP 製造工程での高効率化が研究され，を混合したエポキシなどの熱硬化性樹脂を均等にIH を利用する RTM 法において，CF 基材の金型を含浸させて作った中間基材（プリプレグ）を多数

急速に加熱・冷却する技術［9］，IH で直背 CF 基材

積層し，加圧容器（オートクレープ）内で高温加圧・を加熱する技術などが研究されている［9］。

硬化させている［3］。この方法では，高品質で信頼

IH を用いることで，①金型の加熱，または②プ性の高い CFRP が得られるため，航空機で多用さリプレグの直接加熱により，熱容量の少ない部分れているが，成型に長時間を要する。

だけを効率よく加熱できる。温度変更時間が秒単位に削減でき，工程に要する時間が 1/10 〜 1/60

1. 炭素繊維プリプレグをカット

2. プリプレグを積層程度に，消費電力が 1/60 程度なると予測されてい3. 金型で成型る［9］。 ま た，IH に よ る 方 法 は， 表 2 に 示 す よ う

カットな特徴を有し，成型工程に限らず，設置スペース，
メンテナンス性などの観点からも，電気炉ガス炉

炭素繊維 熱硬化樹

図3に比較して優位性を備えている。

CFRP のプレス成型法

2.6

炭素繊維の使用例及び将来

前項では，炭素繊維及び CFRP の製造方法を示
2.5

CFRP 製造での IH の役割

したが，ここでは使用例について説明する。

CFRP の成型工程では炉又はヒータを使用した加用途には種々あるが，ここでは大きく自動車・

熱が現在は主流である。成型工程では含侵・加熱

航空機・一般産業・レクレーションの 4 つの分野

･ 冷却に 2 時間程度を必要としている。CFRP はでに区分する。

きるだけ急速に所望の温度まで加熱し，直ちに冷a）自動車・・・2005 年の本格拡大期から需要は増却することで金型から取り出しやすくして，成型加の一途を辿っている。図 4 に示すように，ボに必要なエネルギーや排出ガスの削減と，コスト

ンネットフード，プロペラシャフト，ステアリ削減を目指したいが，電気炉・ガス炉では秒単位

ング，ホイールリアスポイラ，ディフューザーの急速な温度制御は難しい。

等に使用されているが，今後は様々な部品に使一方，誘導加熱（IH）による熱処理は，導電性用が拡大されると見られている［10］。従来は耐衝を有する材料に対しては，磁性体・非磁性体を問撃性や軽量性から F1 をはじめとしたレーシン

わず有効な方法として普及している。IH は主としグカーやスーパーカーで使用されていたが，現

表2
方式

加熱特徴

雰囲気からの間接加熱
電気雰囲気からの（ヒーター）
炉
間接加熱
ヒーターの発生熱
ヒーターによる間接加熱
金属自身の
IH
自己発熱
ガス炉

イニ
設備ス 加熱シャルペース 時間コスト

加熱方式比較表
作業環境

ランニ
メンテ 異物NOx
多品種 形状ングコ
操作性 効率ナンス 混入
問題
少量 複雑
スト

○

×

×

×

×

×

×

◎

◎

◎

×

×

○

×

×

○

◎

△

△

◎

◎

○

×

×

◎

◎

△

◎

◎

○

△

×

×

○

◎

◎

×

◎

◎

◎

◎

◎

○

×

×

○

◎

◎

◎：大変優れている○：優れている△：ふつう

×：劣っている13

島田理化技報No.23（2013）

在は軽量化による CO2 削減（1 割の燃費向上のためには，車体重量の約 20% 削減が必要となる），強度アップによる安全性から需要予測は2020 年には 5 万トンに達するとみられ，これは
現在の 10 倍にあたる。

図4

自動車への応用
図5b）航空機・・・1980 年初期は二次構造材として採風力発電のブレード用されていたが，中期には軍用機の主翼構造部
材や民航機の垂直尾翼の一次構造材として採用

他にも電線ケーブル・コア（ケーブル中心のコされた。

ア部分に使用），工業用ローラ，土木建築，医2000 年以降，エアバス A380 では大量に使用さ療器具にも応用されている。

れ，現在の B787，A350 へ発展している。

d）レクレーション・・・1985 年の成長期から徐々c）一般産業・・・エネルギー問題と相まって確実に需要を伸ばし始めた。ゴルフクラブ，テニスに伸びており，2020 年の需要見通は，10 万ト

ラケットから現在では自転車フレーム，釣り竿

ンと現在の 2 倍強を予想している。

等，日常の様々なところで活躍している。

圧力容器関係は従来のスチール製から炭素繊維

3．IH 事業に対する取り組み

製に変わることにより圧力容器 1L 当たりの重量は約 1/3 の軽量化が図れた。CNG（Compressed
NaturalGas：圧縮天然ガス）用燃料タンクとIH 装置の開発および製造は，広範な技術の総合

してバスの上部に搭載され，また消防士の呼吸的な組み合わせによって成立している。具体的に器用酸素タンクにも使用されている。一方，風は，①シミュレーション技術を駆使した電磁界解力発電でもブレードの材料として使用されてい析，熱解析技術，構造設計技術などは，有限要素法，る。従来のガラス繊維と比べると高剛性に優れ

境界要素法によるコンピュータ解析技術の発展とているためブレードの大型化が可能となったともに，設計に反映できる段階に達している。こ（図 5のことが，これまで経験に基づいて試行錯誤を伴っ

［7］

）
。

風力発電では火力発電に比べて，約 850g/kWhていた設計工程において，開発のスピードアップの CO2 の削減が可能となり，2017 年には 10 年をもたらしている。②半導体素子に IGBT や FET［7］

前の 5 倍に拡大されると予想されている。

を用いる最新の高効率インバータ設計技術および回路制御技術の発達は，高い周波数での小型・高
［12］
［13］
［14］
出力装置の実現を可能としている［11］。また，③標準化技術の採用による，コスト低減と，維持整備性の向上，④操作性などのマンマシン・イン
ターフェースの設計技術，⑤メカニカルな制御技
術，⑥耐久性，高信頼性を実現する品質管理など，数多くの背景技術の発展を基に，装置が開発され
ている。

14

炭素繊維複合材料への取組み

参考文献

当社では 1946 年の創業以来，この分野の製品開発に挑戦し，数 kW ハンディろう付け装置から，
MW クラスの鉄鋼業向けインバータ電源，各種産［１］経産省，「過去の温室効果ガス削減目標及び地

業用熱処理機器，太陽電池用シリコン溶解装置な

球温暖化対策・施策について」，p.22, 2013 年

ど，幅広い産業向けの IH 機器を開発製造してきた

5 月 29 日

［15］
［16］

［２］内閣府，環境エネルギー技術革新計画（改訂。

CFRP の加熱においては，短時間での均一加熱が課題となっていることから，当社での金属薄板における連続均一加熱技術

［17］

［18］

るオン・オフ制御技術

や，塗装乾燥におけなどを駆使し，IH の利用について開発を進めてきた。
さらに，電気炉やガス炉と IH を組み合わせることで，IH の特徴である急速加熱特性を活用するハ［16］

イブリット炉の適用の可能性なども検討を進め版），総合科学技術会議，2013 年 9 月 13 日
［３］北野彰彦，航空機の軽量化を支える炭素繊維
複合材料，化学と教育，日本化学会，Vol. 59,（4）, 2011 年［４］景山正美，「XF-2 の一体成型複合材主翼構造の開発」，日本複合材料学会誌，Vol. 28（2）,pp. 80-84,（2002 年 2 月）
［５］Wikipedia［６］影 山 裕 史， 自 動 車 に お け る CFRP 技 術 の 現ている。
新規技術への挑戦にあたり，当社の保有技術を状と展望，次世代自動車産学官フォーラム，踏まえながら，それぞれの時代の社会要請に適し2012 年 3 月

た信頼性の高い産業機器を提供していると確信し［７］炭素繊維協会 HPている。

［８］神谷毅，誘導加熱による金型加熱・冷却シス
テ ム， 型 技 術，pp. 26-29, Vol. 28（2）, 2013

4．むすび

年2月
［９］新エネルギ産業技術総合開発機構，高効率

当社では，炭素繊維を編んで布状にした炭素繊維シートを対象に誘導加熱による熱処理工程の改

CFRP 製 造 技 術 の 研 究 開 発， 成 果 報 告 書，2011 年 2 月

善に取り組んでいる。続く特集では，その成果と［10］炭素繊維協会モデル，2010 年

背景となった解析技術について紹介する。研究の［11］守上浩市，省電力 IH インバータ，島田理化

成果により，製造工程の短縮化，低コスト化が進み，
炭素繊維複合材料が産業界に広く普及することを期待している。
今後も，他の新素材への IH 技術の応用も含めて，地球環境の保全，エネルギー削減に貢献できる製品の開発に努めたい。

工業技報，p.11, Vol. 21, 2011 年［12］田内良男，非接触給電用インバータ，島田理化工業技報，p.47, Vol. 20, 2008 年［13］松村琢夫，ユニット型 IH インバータ，島田
理化工業技報，p.35, Vol. 19, 2007 年［14］村松護，焼入用高周波高速インバ－タ，島田
理化工業技報，p42, Vol. 17, 2006 年［15］安藤英一，当社における産機事業の技術の変遷，島田理化工業技報，p.20, Vol. 18, 2006 年［16］松原佑輔，IH と炉のハイブリット加熱技術，
島田理化工業技報，p.45, Vol. 22, 2012 年［17］特許第 4862205 号，名称：誘導加熱装置［18］特開2011-258327，発明の名称：誘導加熱装

置15島田理化技報

筆者紹介
販売事業部

加藤

16

篤

No.23（2013）

〈特集論文〉

カーボンファイバの誘導加熱技術
Induction Heating Technologies for Carbon Fiber松原佑輔

Yusuke MATSUBARA

田内良男

Yoshio TANAI

炭 素 繊 維（CF：Carbon fiber） が 多 方 面 で 活は電気伝導性を有するが，細かく切って樹脂と混用されつつある。これに伴い新たな加熱手段としぜると誘導電流の電気回路が形成されず，IH がでて 急 速 に 加 熱 が で き る 誘 導 加 熱（IH：Induction

きなくなるため注意が必要である。

Heating）が着目され始めた。CF を IH で加熱する
場合，均一加熱の難易度は高い。その理由は，CF

ここでは IH における CF の特性と加熱に適したコイル形状を説明する。

は編み方によって誘導電流の流れ方が異なる点や

2．IH の特長

熱伝導率が金属と比べて約 1/10 以下のため伝熱し難い点にある。
当社では，IH シミュレーションと従来の金属薄IH は，コイルが作り出す磁束に対し直角の方向

板加熱に使用した加熱コイルを駆使して CF の均一に誘導電流が発生し，加熱対象物（以下，ワーク）

加熱に取り組んでいる。本稿では搬送方式で移動を直接加熱する。また，誘導電流は高周波電流でしている CF の IH を行い，適用可能な範囲が確認あるためワークの表面に集中して流れる。これをできたのでその検証内容と課題を紹介する。

表皮効果といい，深さに対し指数関数的に減衰し，1/e 倍（≒ 0.368）となる深さを浸透深さと呼ぶ。

1．まえがき浸透深さ d は式（1）によって表される。

CF は金属材料より軽い，強いを特長とし，その････････････（1）

用途は軍用に始まり宇宙，航空から一般工業，身近なものではスポーツ器具に使われるなど幅広い。

ここで r：ワークの電気抵抗率［W･m］

また従来，金属材料を使用していた部品を CF に

mr：ワークの比透磁率置き換えることで軽量化による省エネ化を実現し，

ƒ：周波数［Hz］

CO2 を削減しようとする環境配慮もあり，その用途，
使用量は今後も増加すると予想される。CF の仕様［1］

は JIS 規格により定められ

通常，浸透深さが浅ければ狭い範囲を電流が流，その主成分は炭素れるため高周波抵抗が増加し，加熱効率が良くなであり電気伝導性を有する。また炭素はカーボンる。図 1 に示すソレノイド型コイルにシート状の抵抗の抵抗体として用いられるなど電気抵抗があ

ワークを入れて加熱する場合，ワークの表面と裏るため IH により加熱されやすい。

面とで逆向きとなる誘導電流が互いに影響を及ぼ

しかし，CF を単体で使用する例はほとんどなさず良好に加熱することが出来る。しかし，浸透

く，CF を編んだ基材に樹脂を浸透し複合材料とし深さが深ければ，シート状のワークでは表面の誘て用いられている。このため，IH による加熱目的

導電流が裏面にまで影響し，相殺され，加熱効率

は CF を加熱することで樹脂を軟化させ，成形，再が低下する。

硬化による強度向上させることにある。ホットプ
レス，オーブンといった従来成形法と比較し，ワー
ク自身を高速加熱することが可能である。ただし，複合材料とする際に CF を織布や束ねた状態の場合

17

島田理化技報

図1

No.23（2013）

高周波電流とワークの誘導電流
図3トランスバース型コイル

CF は有機繊維を加熱炭素化処理して得られるが，この時の有機繊維の種類や製造方式により特-5［2］本コイルは，上下いずれかのコイルのみでも加性が異なる。電気抵抗率も r =0.2 〜 15 × 10 W･m

熱を行うことができ，加熱効率は低下するが装置となり，一概に炭素の電気抵抗率を適用することを簡易化できるメリットがある。

が出来ない。CF の浸透深さは mr =1 として図 2 よ図 4 に MV 型コイルを示す。M 字型フィーダとり 100kHz において 2.3 〜 19.5mm となる。表面とV 字型フィーダを非接触で組み合わせてひし形の裏面との誘導電流が逆相となる場合，最低でも浸ループを作る。ワーク上下に対し，誘導電流が同透深さの 2 倍の厚みが必要となるので，図 1 のよ

じ向きに流れるのでトランスバース型として用い

うなソレノイド型コイルは現実的ではない。金属ることが出来る。M 字型フィーダ，または V 字型

であれば 100kHz における浸透深さは，銅：0.23mm，フィーダをスライドさせてひし形の大きさを調整［3］

鉄（25℃）：0.05mm，鉄（800℃）：1.78mm

であし，ワーク幅に合わせることができる。また，ひり，鉄板に対してもキュリー点 770℃以下なら加熱し形の大きさをワーク幅と同程度とすることで両が容易である。CF の IH は表面と裏面との誘導電端が過加熱されやすいトランスバースの欠点を抑流が逆相とならないコイル方式又は周波数が適し

え，幅方向の温度分布の均一性を向上させている［4］。

ている。

図4
図2

MV 型コイル

周波数と電流浸透深さ
以上 2 つの加熱コイルについての概要を説明し

図 3 にトランスバース型コイルを示す。このコ
イルは，ワーク上下に流れる誘導電流の向きが同相となり，浸透深さに対し十分な厚みを有しない
ワークに対して IH を行うことができる。

18

た。これらの実例を次章にて紹介する。

カーボンファイバの誘導加熱技術

3．IH の実例
3.1

CF シートの IH

図 5 にワークの下のみにループのあるトランス
バース型コイルの実例を示す。

図5

トランスバース型コイルのイメージ

加熱コイルは 1 ターン，CF シートは幅 100mm，

図7

170kHz 時の温度分布解析

厚さ 2mm であり，搬送させて加熱する。
周波数約 170kHz にて加熱したところ，ワークの四隅の昇温が低いことが分かった（図 6）。

四隅が弱くなる原因は誘導電流の流れ方にある。
一般的に誘導電流はコイルの形状をワークに投射したように流れ，周波数が低ければその像はぼや
け，周波数が高ければくっきりとした像となる。
この解析モデルにおいて誘導電流の可視化を行った結果を図 8 に示す。

図6

CF シート温度分布（実測結果）

シミュレーションにて温度分布を解析し，実測との差異を確認した。

図8

170kHz 時の誘導電流解析

シミュレーションの結果を図 7 に示す。図 6 の実測結果と比較し，シミュレーションでも同様に
隅の加熱が弱くなっていることが分かる。

図 8 では誘導電流が隅に流れておらずほとんど加熱されていないことが分かる。加熱コイルの形状から，周波数が十分に高ければ誘導電流は長方形となり四隅も加熱されるはずであり，四隅の温度分布改善には高い周波数が有効であることが推定できる。
また，ワークの端が強く加熱されているのは，
加熱コイルがワークより外側に出ていることで，

19島田理化技報No.23（2013）

誘導電流が端部に集中し，電流密度が上がるため

この時の可視化された誘導電流を図 11 に示す。

である。周波数を高くすればより強く加熱されるため，これを抑える必要がある。加熱コイルをワー
クよりも小さく折返し，ループとすることで端部の過加熱を抑えることが出来るが，ループ化することで加熱コイルが長円形となり，誘導電流の経路がワークの隅に対し丸みを帯びてしまうため曲げ半径を小さくする必要がある。
以上を踏まえた改良型コイルの形状が図 9 となる。

図 9 ループ型コイルイメージ
図 11

図 10 は 周 波 数 を 400kHz に し た 時 の 温 度 分 布

400kHz 時の誘導電流解析である。①では隅の温度分布に大きな改善は見られなかった。しかし，②において端の過加熱が無170kHz と同様に隅に誘導電流が流れていないこ

くなり幅方向に均一な温度分布を得られることがとが分かる。周波数を高くしたことより加熱コイ

分かった。今回のテストに用いたワークは長さがルの曲げの改善効果が大きいことが分かる。

100mm であるがもっと長いワークにおいては幅方向の温度均一性は大きな利点となる。

本加熱コイルでは課題が残ったが，非金属の CF
シートでも対策を講じることで，温度分布の不均一さを回避できることがシミュレーション上で確
認できた。
3.2

連続した長い CF シートの IH

連続した長い CF シートを加熱するために当社の保有技術である MV 型コイルを用いた。熱伝導率が低い CF を均一に加熱するため，中央部の温度分布を補正する対策を行った。目標温度は 200℃である。MV コイルの外観を図 12 に示す。

図 10

400kHz 時の温度分布解析
図 12

20

MV 型コイルを用いた IH

カーボンファイバの誘導加熱技術

4．むすび
本稿では搬送での CF の IH 事例を紹介した。
四隅の加熱が弱い CF シートの IH ではシミュレーションと実例とを比較することで問題点を分かりやすく把握することができ，対策を検討することが出来た。MV コイルを用いた連続した長いCF シートの IH では可動式である MV コイルの特
図 13

CF シートの温度分布（実測結果）

長を生かし，良好に加熱を行うことができた。
環境問題が重大なテーマになった現在，省エネ
ルギーを実現するための新素材がこれからも開発されることが想定される。新しい加熱技術が求められることになるが，そこには従来素材から蓄積した経験と新たな技術が重要になっていく。これからも顧客の要求を満足させることが出来るよう，さらなる製品開発にチャレンジしていきたい。

5．参考文献図 14

CF シートの温度分布（断面）図 13 及び図 14 に CF シートの温度分布を示す。
± 20℃の温度ばらつきとなり，CF シートの IH と

［１］JIS L0204-2 繊維化学用語（原料部門）［２］前田豊“炭素繊維の応用と市場”，㈱シーエム
シー出版

しては良好な結果となった。連続した CF シートの［３］松原佑輔，鈴木聡史，田内良男“IH と炉のハ均一加熱に対し，MV コイルの有効性を確認できた。

イブリッド加熱技術”，島田理化技報，No.22，

しかし，温度差±数 % 以内の特に高い温度均一

2013

性が求められる場合には，IH 単独による加熱では［４］特開 2010-245029 発明の名称 誘導加熱装置

難しい。IH の特長として急速加熱が挙げられるが，［５］日本エレクトロヒートセンター編“エレクト

温度均一性は電気炉，ガス炉と比較すると十分とロヒートハンドブック”6 章 誘導加熱は言えない。これを解決するのが，IH と炉のハイ
ブリッド加熱方式である。ある程度の温度まで IH
により急速に加熱し，その後炉に入れることで高い温度均一性を得ることが出来る。通常の炉を用
いるより炉長を短縮することが出来，生産効率を上げることが可能となる。

筆者紹介
東京製作所
産業 IH 製造部

松原 佑輔

東京製作所
産業 IH 製造部

田内 良男

図 15

ハイブリッド加熱

21

〈特集論文〉

誘導加熱 3D シミュレーション
3D Simulation of Induction Heating
高田太郎

Taro   TAKADA

1．まえがき片岡辰雄

Tatsuo   KATAOKA

本式が導かれる［2］。

高周波誘導加熱は焼き入れ，溶解，ろう付けな… …………………………………（1）

ど産業において様々な用途に利用されている。近年は生産の自動化，高速化や省電力化が要求され，…………………………………………（2）誘導加熱では加熱対象の形状の複雑化，材料の多様化から，加熱技術において高度な処理が要求されている。誘導加熱では加熱対象の形状，材料に合わせ最適な加熱コイル，インバータを設計する必要がある。当社ではサンプルテストと呼ばれる仕様決めのための事前評価を行っているが，被加熱物形状が複雑で，温度仕様が厳しい場合には，
加熱コイル形状や加熱条件など最適条件を見出すのに時間を要していた。そのため，加熱コイルの∇・B = 0… …………………………………………（3）∇・D = r……………………………………………（4）E ：電界の強さ[V/m]
D ：電束密度[C/m2]
H ：磁界の強さ[A/m]
B ：磁束密度[T]
J ：電流密度[A/m2]
r ：電荷密度[C/m3]

製作やインバータ設計の効率化に誘導加熱シミュ
レーションの適用を検討した。

また，物質の磁気的性質より次式が成り立つ。

解析には JMAG（株式会社 JSOL）を利用した。

レーション結果を適用した例として，カーボン坩

D ＝ eE………………………………………………（5）B ＝ mH………………………………………………（6）J ＝ sE………………………………………………（7）e ：誘電率[F/m]m ：透磁率[H/m]s ：導電率[A/m]堝（るつぼ）における電流の周波数特性と漏れ磁式（3）よりベクトルポテンシャル A を用いて，束の検証，磁性フープ材の静止加熱における加熱B = ∇ × A… ………………………………………（8）コイル設計，および磁性薄板加熱の電源設計につと表せる。

本解析ソフトウェアは有限要素法により磁界解析を行い，渦電流損，鉄損を熱源とした熱解析が可能である。
本稿では加熱コイルの設計に誘導加熱シミュ

強制電流を Jex= － s ∇ f とし，正弦波電流の場

いて報告する。

2．解析モジュール基本式
2.1

磁界解析モジュール合には ∂/∂t を jω で置き換えると，次式を得る。

………………………………………………………（9）

本ソフトではベクトルポテンシャルを未知量と式（9）は磁界解析の基本式である。

［1］

した有限要素法を用いている。そのため，ベク

トルポテンシャル，渦電流，ジュール損失およびヒステリシス損を算出している。
解析は次式で示す Maxwell の方程式によって基2.2

熱解析モジュール

本ソフトでは，与えられた初期温度，熱伝導率，熱伝達率等の物性の初期値を設定し計算を開始し，

23

島田理化技報No.23（2013）

i 番目の時間ステップでは i-1 番目の時間ステップ
での温度を用いて各要素の物性値を修正し，前ス
テップと同様な計算を行い，ステップバイステッ
プにて温度計算を進めている。
一般に物体内の単位面積を単位時間に通過する
熱量 q は温度勾配 ∇ T に比例し，次のように表すことができる。

q ＝− λ ∇ T…………………………………… （10）q ：熱流密度[W/m2][W/m・deg]
λ ：熱伝導率
T ：温度[℃ ]また，物体内の微小体積中の単位体積，単位時間当たりの発熱量を Q とすると，その一部はその微小体積の温度上昇に寄与し，残部は微小体積の壁面から外部へと流出する。この微小体積の熱容量を C とすると，温度上昇に費やされる熱量は C・∂T/∂t（T：温度，t：時間），また，壁部から外部へ流出する熱量は，熱量密度の ∇・q であらわされる。

図1

坩堝加熱の概略図

坩堝は内径φ 80mm，高さ 150mm，肉厚 10mm，
材質はグラファイトとした。また，坩堝内部のア
ルミ材の高さを 75mm とした。周波数は 10kHz，
30kHz，100kHz と し， 電 流 は 全 体 の 発 熱 量 が25kW になるよう調整した。ソレノイドコイルは内径φ 150mm，長さ 180mm，10 ターンとした。
図 2 に示す軸対象モデルで解析を行った。

… ……………………………… （11）

C：単位体積あたりの熱容量「J/deg・m3」
Q：単位体積・単位時間当たりの発熱量 [W/m3]
式（9），（10）より次式が成り立つ。
… ………………… （12）
式（12）は非定常熱伝導解析の基本式である。

3．応用解析例
3.1

カーボン坩堝加熱

図 1 に坩堝加熱の概略図を示す。誘導加熱（IH：
Induction Heating）を利用した坩堝加熱には，セラミックなど絶縁体の坩堝を用いる場合と，カーボンなど導体の坩堝を用いる場合がある。前者は，坩堝内の被加熱物を IH で自己発熱させる方法であり，後者は，IH で加熱した坩堝の熱で間接的に加熱する方法である。
本稿では，工業用として一般的に利用されているカーボン坩堝加熱について，周波数を変化させた時の加熱効率，発熱分布および内部への漏れ磁束の影響に対して比較した結果を報告する。

24

図2

坩堝加熱モデル

表 1 に各部材の発熱量，および加熱効率を示す。
加熱効率は，発熱総量に対する坩堝およびアルミ材の発熱量の割合とする。表 1 より，高い周波数では加熱効率は良いが，アルミ材の発熱は小さい。低い周波数では加熱効率は悪いが，アルミ材の発熱は大きいことが分かる。一般的には，加熱効率の良い高い周波数が用いられるが，漏れ磁束による溶融金属の攪拌作用を利用する場合は低い周波数が利用されている。

誘導加熱 3D シミュレーション

表1
周波数
坩堝
加熱コイル
アルミ材
合計
加熱効率

誘導加熱で利用される磁界は，図 4 に示すように

発熱量，および加熱効率

加熱コイル内側に磁界強度が強く分布し，加熱コ

10kHz

30kHz

100kHz19.5kW

22.3kW

23.1kW

4.2kW

2.3kW

1.8kW

1.3kW

0.4kW

0.1kW

25.0kW

25.0kW

25.0kW

このように，シミュレーションを利用すること

83.2%

91.0%

92.8%

で目に見えない現象の可視化が可能となるため，

イルの外側は，急激に磁界強度が低減していることが分かる。また，この傾向は周波数が高いほど顕著であることがわかる。

設計に必要な物理現象を確認するためには有効でつぎに，各周波数における発熱分布を図 3 に示ある。

す。坩堝の上半分（アルミ材のない部分）を見ると，100kHz では，コイル側の表面しか発熱していない

3.2

フープ材加熱が，30kHz と 10kHz では内部まで発熱しており，

ソレノイドコイルで静止加熱を行う場合，コイ

周波数による浸透深さの違いが確認できる。一方，

ル端部より中央部の昇温が早くなるため，被加熱

坩堝の下半分（アルミ材のある部分）は，周波数物を均一に加熱する場合は，加熱テストを繰り返が低いほど発熱部は表面に集中しており，矛盾しして加熱コイルのピッチ調整を行う必要がある。

ているように見える。これは，浸透深さが深くな

本稿では，シミュレーションで加熱コイルのピッ

ると，アルミ材まで達した磁束でアルミ材表面にチを変えて温度解析を行い，測定値と比較した結渦電流が発生し，坩堝の渦電流を打ち消すためと果を報告する。幅の狭い薄板（フープ材）加熱試

考えられる。

験の概略図を図 5 に示す。

図 4 は各周波数における磁束密度分布である。

発熱分布解析結果

図3

図4

フープ材は，幅 10mm，厚さ 0.5mm の板（材質

磁束密度分布解析結果

25

島田理化技報No.23（2013）

S45C）で，長さ 150mm の範囲を 1.5 秒でキュリーとで，実際の加熱テスト時の試行錯誤が減り，テ温度まで加熱する。ソレノイドコイルは，内径φスト効率の向上が期待できる。

60mm，長さ 170mm，12 ターンとした。

図9
図5

験との温度比較

フープ材加熱の概略図
3.3

図 5 の赤点線枠で示すモデル（全体の 1/8 モデル）で解析を行った。コイル均一巻きモデル，ピッチ変更後のモデルを図 6 に示す。
コイル電流を 160A，周波数を 350kHz とした場
合のフープ材の温度分布解析結果を図 7 に示す。
また，各モデル A 点，B 点の昇温グラフを図 8 に示す。コイルピッチ均等巻きの場合は，加熱コイ
ル両端 B 点より中央 A 点の昇温速度が早いが，ピッチ変更後は，ほぼ同等な昇温カーブとなった。
次に，本解析結果を元にコイルを製作し，加熱試験を行った結果を図 9 に示す。解析結果と測定
結果は，ほぼ一致した。
このように，事前にシミュレーションを行うこ

図6

26

解析モデル

コイルピッチ変更後解析結果および加熱試

図7

薄板加熱

薄板加熱の概略図を図 10 に示す。連続搬送される薄板を IH でキュリー温度（約 750℃）以下まで
加熱する場合，図のようなソレノイドコイルが用いられる。
薄板を急速加熱する場合，ソレノイドコイルに
高周波大電流を印加することになるが，この場合，
磁気飽和に注意する必要がある。本稿では，磁気飽和になった場合の解析結果について報告する。
図 11 に解析モデルを示す。本稿では，ソレノ
イドコイルの巻数が十分多いと仮定して，赤枠部
を モ デ ル 化 し た。 薄 板 の 材 質 は SPCC と し， 幅
400mm，厚さ 0.3mm とした。図 12 に解析に用いた SPCC の B-H カーブを示す。

温度分布解析結果

図8

解析結果温度グラフ

誘導加熱 3D シミュレーション

図 10

薄板加熱概略図
ずであるが，赤実線の結果となり，磁気飽和の影響を受けていることがわかる。
このように磁気飽和になると，いくら電力を投入しても加熱には寄与せず，損失になってしまう
ため，事前に解析などで検証を行う必要がある。

図 11

図 12

薄板加熱解析モデル

図 13

磁束密度分布解析結果

図 14

ジュール損失解析結果

SPCC の B-H カーブ

コイル電流を 2000A，周波数を 50kHz とした場
合の磁束密度分布の解析結果を図 13 に示す。このとき，薄板の磁束密度は 1.44T（図 12 の B-H カー
ブ上の赤点）であることから，磁気飽和に近い状態であることがわかる。また，図 14 にコイル電流とジュール損失の関係を示す。本来，鋼板のジュー
ル損失は，電流値の 2 乗（赤点線）で増加するは

27

島田理化技報No.23（2013）

4．むすび
本稿では誘導加熱シミュレーションの加熱コイ
ル，および電源設計への適用例を報告した。
シミュレーションを用いることにより，測定が

筆者紹介
東京製作所
産業 IH 製造部

高田 太郎

困難な現象の確認や，サンプルテストの効率化が図れる。また，解析により必要電力や加熱コイルのインピーダンスが算出できるため電源設計時の仕様検討も容易になる。3D にて解析することで解析結果が分かりやすく，軸対象ではない様々な形
状，材質の加熱検証にも利用できる。
今後もテストとシミュレーションを併用することで，作業および設計の効率化を図っていきたい。

5．参考文献［１］“JMAG User’s Manual Solver”，㈱ JSOL
［２］太田昭男，“新しい電磁気学”，培風館［３］“伝熱工学資料 改訂第 5 版”, 日本機械学会

28

東京製作所
産業 IH 製造部

片岡 辰雄

製品紹介

誘導加熱（IH）関連の製品
近年は地球環境への配慮，電力供給の逼迫などから，工場で使用される加熱装置には，「省エネ」，「省スペース」が強く求められています。誘導加熱（IH：Induction Heating）はこれに応えられる加熱方式として様々な分野からますます注目を浴びております。
特に，いつでも簡単に加熱オン／オフ操作できる IH のメリットは，電力需要のピークカットに多大な効果を発揮することができます。
当社では，さらに，「高効率」「高精度制御」，「簡単操作」の特長をもつ下記の IH 商品を製品化しましたので，，紹介します。
1． 新製品としての IH 用電源（1）新 ES シリーズ誘導加熱用高周波電源①

特長

省エネ，省スペース，高精度 / 高速加熱

（2）小型高機能 IH シール用電源②

特長

省エネ，省スペース，高精度 / 高速加熱

2． IH ハンディー式ろう付装置シリーズ③

特長

省エネ（ガスバーナーからの置換え）

3． 薄板均一加熱用 MV 型コイル④特長

省エネ（ガス炉から置換え）

上記の①〜④の製品の誘導加熱用電源と応用分野の出力と周波数エリアでの位置付けを下図に示します。

問い合わせ先販売事業部

TEL 042-481-8573

29

製品紹介

新 ES シリーズ誘導加熱用高周波電源■概要

従来の 5kW から 100kW までの小，中型機種のモデルチェンジを行い，従来機種の SFT-E5/10Nと SBT-EH/EL20 〜 100（E シリーズ）を ES シリー
ズとして統合しました。これにより，高周波電源の更なる小型化と部品標準化によるサービス向上
が可能になります。
■特長① 5/10kW の小型化（容積比 84％）
，軽量化
② 50/75/100kW の小型化（容積比 84％）（注）20/30/40kW は従来機種と同一寸法③インバータ回路の個別故障診断回路標準装備（注）20 〜 100kW が対象④全機種とも省エネ対応の回路を採用したことで下記の特長を有します。
・ 加熱立ち上がり 50mS 以下

SFT-ES5/10 外観

・ 電源力率 90％以上

SBT-ES20 〜 100 外観・ 電源高調波低減（高調波抑制対策ガイドライ
ンによる高調波回路分類 No.11）
・ オプションにて 12 パルス受電方式に対応可能
・ 全機種，マッチングトランスと共振コンデン
サ内蔵・ RoHS 対応■主要仕様
型名
SFT-ES5
SFT-ES10
SBT-ES20
SBT-ES30
SBT-ES40
SBT-ES50
SBT-ES50
SBT-ES75
SBT-ES100

出力

周波数

（kW）
5
10
20
30
40
50
50
75
100

（kHz）
20 〜 400

電源入力電圧3 φ 200/220V

3 φ 200/220V
3 〜 303 φ 400/440V

入力

外形寸法

質量

（kVA）
7
14
24
36
48
60
60
90
120

W × H × D（mm）

（kg）
50
50
250
250
270
270
280
280
300

480 × 1100 × 400

750 × 1450 × 650

問い合わせ先販売事業部

TEL 042-481-8573

30

製品紹介

IH ハンディー式ろう付け装置シリーズ■概要

IH（誘導加熱）技術を応用したガス火に替わるろう付（はんだ付）装置です。作業者が，加熱コイルを装着したハンディー CT を手に持って，容易にろう付け（はんだ付）作業を行うことができます。
■特SIH-HCTB-5/10 電源の外観とハンディー CT

長①コンパクトで安全②クリーンな作業環境を実現③熟練者でなくても作業可能④フレキフィーダにより装置本体から 10m 以内の移動作業が可能⑤フレキフィーダは 100 万回の屈曲試験をクリア⑥タッチパネルにより加熱条件の設定が可能■二段加熱機能設定例
加熱出力を任意の時間幅で，2 段階にセットでき，

SIH-HCTB-20/30 電源の外観とハンディー CT

ろう付けの品質を安定させることが可能です。
■用途例
機械部品
家電部品
電子部品
自動車部品
自転車部品
その他

バイトチップ，削岩用工具，
コレットチャック，高圧配管継手，
コンクリートカッター，圧力部品
コンプレッサー，石油ストーブタンク，
クーラーバルブ
計器，スイッチ，フィルターケース，
ブレーカー温度感知器，ダイヤフラム
オイルフィルター，
ガソリンタンク，マフラー
フレーム，ハンドル
電車用モーター

■主要仕様
装置型式

出力
（kW）

SIH-HCTB-5

5

SIH-HCTB-10

10

SIH-HCTB-20

20

SIH-HCTB-30

30

構成

電源入力

IH 電源
ハンディー CT
IH 電源
ハンディー CT
IH 電源
ハンディー CT
IH 電源
ハンディー CT

3 φ，200V，7kVA−
3 φ，200V，14kVA−
3 φ，200V，24kVA−
3 φ，200V，36kVA
−

冷却水

外形寸法

質量

（L/min） W × H × D（mm） （kg）
5
430 × 250 × 500
25
5
φ 58 × 170 〜 300
25430 × 250 × 500
25
6
φ 58 × 170 〜 300
2
10
500 × 1085 × 40075
8
φ 88 × 200 〜 400
6.5
15
500 × 1085 × 40075
10
φ 88 × 200 〜 400
6.5
問い合わせ先販売事業部

TEL 042-481-8573

31

製品紹介

薄板均一加熱用 MV 型コイル
■概要

非磁性薄板について，従来は不可能であった均一加熱が実現し，連続搬送する薄板に対して，板幅が変わっても均一加熱できる誘導加熱装置です。
■特長①エッジ過加熱のため従来不可能であった非磁性薄板の均一加熱が可能（磁性薄板も対応可能）② M 型コイル部と V 型コイル部をスライド調節させることにより，板幅が変わっても均一加熱が可能③炭素繊維（CF）シートの均一加熱が可能④マッフルを使って高温，還元ガス中での加熱が可能⑤軽量，薄型のコンパクトな加熱装置を実現⑥下記構造のひし形コイルが 2 式内蔵

40kWMV 型薄板加熱装置（加熱コイル部）■用途例
・非磁性薄板塗装乾燥・非磁性薄板触媒乾燥・非磁性薄板ラミネート予熱・従来炉の入口側予熱による処理速度アップ
・炭素繊維（CF）シートの加熱処理特許取得済み（第 4862205 号）（中外炉工業株式会社殿との共同出願）

MV 型薄板加熱装置のコイル構造■主要仕様（加熱コイル部）
コイル部
型名
SIH-ESL-MV40
SIH-ESH-MV40
SIH-ESL-MV75
SIH-ESH-MV75

入力電力
（kW）
50
50
100
100

周波数
（kHz）
8
25
8
25

コイル部
冷却水
（L/min）
30
30
50
50

外形寸法

質量

W × H × D（mm）（kg）

600 × 2100 × 2350
600 × 2100 × 2350
600 × 2100 × 2350
600 × 2100 × 2350

1300
1300
1500
1500

（備考）
・表以外の出力についても製作いたします。
・ワーク投入電力はワーク材質，形状（幅，厚み）などにより決まります。

問い合わせ先販売事業部

TEL 042-481-8573

32

製品紹介

小型高機能 IH シール用電源■概要IH シール用電源は，加熱対象がアルミ箔の場合が多く，出力周波数は通常は 100kHz 以上になります。断続加熱でオン／オフを短時間で繰り返す場
合には，出力立ち上りの高速化が重要なファクターとなり，毎回の出力監視機能も必要になります。
本製品は，この要求に応える高性能，小型ユニット電源です。
■特長
5/10 kW 用ユニット電源外観①ユニット構造19 インチラックへ搭載可能
電源筐体への組み込みも対応②高速加熱
加熱立ち上り時間は，30ms 以下③高速切替（切替式の場合）
電子式の切替であり，高速かつ高信頼性④操作パネルユニット
マイコンを搭載し，プログラム操作，出力監視，

2.5 kW 切替式ユニット電源外観

警報履歴の管理が可能⑤外部インターフェースとして，RS-232C シリア
ルポートおよびイーサーネットポートを装備し，PC との接続が可能⑥ RoHS 対応■構成

例 （HSE-FEU2R5W）

■主要仕様
型名
HSE-FEU5
HSE-FEU10
HSE-FEU2R5W

出力

出力数

5kW
10kW
2.5kW
切替式

周波数

電源ユニット外形寸法

質量

25

1
1

（kHz）
200 〜 400
200 〜 400

3 φ，200V，7kVA
3 φ，200V，14kVA

外観
W × H × D（mm） （kg）
480 × 350 × 550
35
図1480 × 350 × 550
35
図1

2

200 〜 400

3 φ，200V，7kVA

480 × 200 × 610

電源入力

図2

問い合わせ先販売事業部

TEL 042-481-8573

33

【特集論文】
60GHz 帯無線通信の測定課題と評価技術

〈特集論文〉

60GHz 帯高速無線伝送技術の役割と弊社の取組み
Role of 60GHz band high speed wireless transmission technology and ourapproach.
河村淳

Jun KAWAMURA

1．まえがきで発生および観察できない状態にあり，60GHz 製品の普及での課題になっていた。このことから，

スマート社会を支える基盤である情報通信技術

測定用標準器として高精度に変復調特性を直視での進歩により，高速・シームレスな情報交換や情きるコンポーネントの開発が求められていた。本

報共有が実現してきている。これらの進歩は，社

稿では，60GHz 帯の通信利用の背景と，評価技術

会構造や産業へのイノベーション，社会におけるに対する弊社の取り組みについて紹介する。

利便性の向上，より効率的なエネルギー資源の利用，ビックデータの収集・分析への活用，強靭な2．60GHz 帯ミリ波利用による高速無線通信

災害対処能力の構築などを可能とし，ユーザへの新しいサービスの提供や産業振興への貢献が期待
［1］
［2］

されている

。

2.1

60GHz 帯ミリ波通信の特徴

概ね 30-300GHz 帯の電波はミリ波と呼ばれていスマート社会の進展には，多様な場面で，よりる。20GHz 付近の準ミリ波帯を含めて，300GHz 付

高速に広範な情報共有を実現できるネットワーク

近までのミリ波帯の使用状況は図 1 に示すとおりが必要となる。通信技術の観点からは，①高速化，で，各種電気通信事業，放送用中継通信，衛星通信，②モバイル化，③小型軽量 ･ 低消費電力化が趨勢

簡易無線，各種レーダ ･ センサ，高速無線 LAN，となっている。これら 3 要素は相互に関連しつつ

天文観測などの用途とされている。

発展するが，高速化は，大容量で精細な画像による可視化情報の利用や，高速移動に対応する瞬時の情報交換を可能とするための社会要請でもある。
限られた周波数資源での広帯域な信号の扱いには限界があるので，ユーザがどこでも使えることを前提とする，新しい周波数領域への移行が必要になってきている。モバイル化と小型軽量 ･ 低消費電力化も並行して発展し，生活に密着した場所での利便性の向上，人を介さないデータ交換などによる省力化の実現，迅速なデータ収集 ･ 判断情報の提供のために重要な要素である。これらの 3要素を実現するためには，多様な場面で有効な高速ワイヤレス通信基盤が求められてきた。
一方，半導体素子技術の高周波数領域への進歩に伴って，徐々に 50-60GHz 付近での通信利用が進みつつある。しかし，この領域の通信機器の製造に必須な測定機器，とりわけオシロスコープや任

図1

ミリ波帯の利用状況

意波形発生器などの基本的な機器類が，60GHz 帯の標準化された広帯域試験信号を，リアルタイム

37

島田理化技報No.23（2013）

ミリ波の電波伝搬は，マイクロ波に比較して，大各伝送方式は，伝送距離によって用途が住み分

気吸収や降雨減衰などによる伝搬損失が大きい反け ら れ て い る。WLAN は 数 100m 以 内 範 囲 を エ

面，直進性が良好なことなどが特徴である。中でリアとし，WPAN は 10m 以内の情報交換を主なも 60GHz 帯は，酸素分子との衝突による伝搬損失用途として開発された。マイクロ波を使用するがピークとなる周波数であることから，空気中でIEEE802.11 シリーズの WLAN による伝送容量は，の中長距離通信利用には不利である。しかし，そ数 100MHz 〜 1Gbps 程度を上限として普及していの損失が大きいが故に，ごく近傍の同種リンクにるが，ミリ波帯併用の IEEE802.11ad や，ミリ波帯

対しても干渉が生じにくいこと，マイクロ波と比べ専用の IEEE802.15.3c などの WPAN 向けの規格でて波長が 1 桁程度小さいことから，アンテナを含む

は，数〜 10 数 Gbps 程度までの高速化が可能になっデバイスの寸法が，近年の市場要求である小型軽た［4］。

量化の観点から有利であるなど，メリットも多い。

ICT 社会のネットワーク基盤構築に求められる

また，反射特性において，壁や障害物による影響

機能・性能要素である高速（大容量）化，端末のを受けやすく，光の伝搬特性に近くなることから，

ワイヤレス化，小型・軽量・省エネルギー性，伝室内など構造物中の伝搬経路を比較的意識的に設搬上の特性などが議論された結果，マイクロ波

定できる特徴を有している。

とミリ波による WLAN/WPAN の組み合わせが，わが国では 60GHz 帯ミリ波通信に対して，57-

モバイル使用に対して最も有効とされている［5］。

66GHz の広範囲な周波数が準備されている。10mW

WPAN におけるミリ波帯の伝搬距離は同一室内を以下の出力では免許が不要で，5GHz 帯での占有周基本とするが，ミリ波の指向特性が光線に比較的

波数帯域幅の実質的な最大値 500MHz に比較して，近いため，壁や家具などの障害物からのマルチパ

数十倍の帯域が開放されているため，大容量で低スが多いものの，反射波の利用によってむしろ隅々遅延な伝送が可能である。これらの特徴を生かし，にまで届く特徴も報告されている［6］。ホームネッ

60GHz 帯ミリ波通信は，ユーザが無許可で使用でトワークとして，住宅内のアクセスポイント（AP）

きる，複数局同時運用環境に有利な，短距離・大までは FTTH2 などの光で，AP 以降において部屋

容量通信用として，位置づけられており，スマー

間を 2-5GHz 帯のマイクロ波，同一室内を 60GHz

ト社会の進展の中で，より身近な存在として大い

帯ミリ波とすることで，WLAN を構成する手法がに期待されている

今後の展開傾向となってきた［5］。

［2］。

一方，HDTV の普及や HD コンテンツ利用は緩2.2

1WLAN/WPAN の分類

ワイヤレス伝送技術における代表的な各規格について，伝送性能の比較を図 2 に示す。

やかな拡大がみられ，大容量データの利用が常用化されている［3］。しかし，スマートフォンやパソ
コンにおいて，Web を通じた大量データの有料ダウンロードはあまり普及していない。この理由は，
データ交換に数分の時間を要するためと推測されている［3］。しかし，ダウンロード時にミリ波伝送を用いることで，DVD の転送が 10 秒以内で可能になると試算されている［7］。非圧縮 HD 画像を含
むあらゆるデータソースを短時間に伝送できるミ
リ波帯利用により，購買意欲の増大につながることが期待される。

図2

各種無線伝送の規格による分類——————————————————————————————————————————————————————————————————
1 WLAN/WPAN：Wireless Local Area Network / Wireless personal Area Network
2 Fiber To The Home 各住宅まで光ファイバ回線を設備する方式

38

60GHz 帯高速無線伝送技術の役割と弊社の取組み

2.3 オフロード回線 3，公衆無線 LAN4 としての
WLAN/WPAN の活用
近年、スマートフォンの爆発的な普及に伴い，都会の混雑地域では，データ量の大きい情報交換や混雑地域でのアクセスで総合干渉などの問題がおきている。その解決手段として携帯電話事業者
は，増大する移動通信トラフィックを公衆無線
LAN などの携帯電話回線以外に迂回するオフロー
ド化に積極的に取り組んでおり，2012 年には第 3世代携帯電話を中心に 2 割程度であったオフロー
ド回線の比率が，2015 年には 6 割以上にまで達す
ると推計されている［8］。
さらに，自治体や商店街は，公衆無線 LAN の提供による集客力の向上や観光客の誘致を図る取り組みも進められている。公衆無線 LAN サービス事

図3

モバイル端末 , トラフィックの増加予想と60GHz 帯 WLAN/WPAN 製品の出荷数予測 6業者のほか，携帯電話事業者、FTTH サービス事業者に加え，コンビニエンス・ストアなどの店舗
が公衆無線 LAN を無償提供する例もみられる。
2.4

3．WLAN/WPAN を中心とする60GHz 帯通信の利用場面

国際規格類の制定と新製品移行への期待

2012 年 に IEEE802.11ad と IEEE802.15.3c の タ ス

図 4 に示すように，ホームネットワークとしてクグループによって，802.15.3c の 60GHz 帯 WPAN

60GHz 帯 WPAN を介することで，住宅内の端末で機 能 を モ デ ル 仕 様 と し て， 既 存 マ イ ク ロ 波 帯

も FTTH の限界まで大容量のデータ交換が実現でWLAN に機能付加され，802.11ad の標準化が終了

き，モバイルの特徴を生かせる環境が構築できる。

した。新規格のもとでマイクロ波帯にミリ波帯が公共の場での各種社会インフラも含めて，60GHz 帯

連携したことで，60GHz 帯ミリ波利用のアーキテ

無線伝送による各種利用場面は広範にわたっている。

クチャが明確になり，普及に向けて製品開発が始
ま っ た。 さ ら に，2013 年 1 月 に は Wi-Fi Alliance5

3.1

スマートフォンに関連する個人向け利用事例と WiGigAlliance の業界団体の統合も実現した。

a. ホームネットワークや P2P7 によるスマート今後は図 3 に示すように，データ・トラフィック

フォン内の HD 映像や HD テレビ画像の直接の増加に並行して，2.4/5/60GHz のトライバンドを相互伝送、画像のストリーミング配信，Web用いる 802.11ad に対応する新製品の出荷が予想さからの大容量データの短時間ダウンロード

れていて，2017 年には 1/3 が 60GHz ミリ波を併用

b. H2648 な ど の 圧 縮 不 要 な 大 容 量 高 精 細 画 像［9］する製品になると推定されている。

データの瞬時転送
c. 店舗の KIOSK 端末からの瞬時の HD ビデオ・
ダウンロードなどでの利便性向上
d. ウェアラブルコンピュータ端末とのスムースな情報交換——————————————————————————————————————————————————————————————————
3 WLAN に迂回することで切断を回避するための回線
4 Wi-Fi Spot などのアクセスポイント（AP）を不特定多数のユーザに用意するサービス
5 Wi-Fi Alliance と WiGigAlliance は共に無線 LAN 製品の業界団体。Wi-Fi Alliance は世界中で 500 社以上から構成される。
6 図 3 において、WLAN/WPAN 関係チップセットの出荷予測は文献［9］の総務省への公開データを、スマートフォンとタブレットの全
世界出荷台数予測（2013.7 までの実績を含む）は、IDC 社の調査結果の公開情報を、全世界データトラフィック量の予測は CISCO 社の公開情報を使用して分析を加えて作成した。
7 Peer to Peer：複数の端末間を対等に結び通信する構造のこと。利用者が直接音声やファイルなどを交換する。
8 H264：ITU-T 勧告による高圧縮率をもつ動画像圧縮符号化標準39

島田理化技報No.23（2013）

e. 混雑時のスマートフォンによる大量データのリ波帯における，導波路 ･ 能動素子 ･ 受動素子にダウンロード時間の短縮と，接続率の向上

関する各種ノウハウを蓄積し，この分野の発展に貢献してきた。
近年においてはミリ波広帯域伝送装置［12］，ミリ
波帯フロントエンドモジュール［13］，応用技術としてのミリ波レーダ装置［14］，ミリ波帯フィルタ，ア
イソレータ等各種コンポーネント［15］などの事業化を図ってきた。特に，開発，設計，製造，品質保証に亘る全工程を，同一製作所内で一貫して行うことで，先端技術を融合した高品質な製品を社会に供給するよう心がけている。
本号で特集する「60GHz 帯無線通信用周波数変換装置」は，スマート社会を構築する上で不可欠な

図4

ICT ネットワーク社会における 60GHzWPANなどの利用場面ミリ波帯ワイヤレス製品が普及するためのキーとなる装置である。標準化が既に終了している現在，
60GHz 帯の製品がユーザの支持を得て普及するには，各企業においてテンポよく関連製品が開発され，市

3.2

公共施設などの企業向け利用事例

場に受け入れられる必要がある。弊社では，60GHz

ミリ波通信は、企業活動や公共事業などの市場

帯関連産業の製造体制の構築を支援できる測定機器でも，バックアップ回線，ビル間イントラネットの中核となるコンバータ技術の開発を進めてきた。

回線，対移動体間通信，臨時ネットワーク，映像

60GHz 帯ミリ波製品の本格的な普及には、単な伝送，衛星間通信などへ利用されている。60GHz

るデバイス技術の向上だけでなく，60GHz 帯特有

帯を用いる超広帯域伝送の市場展開は，小型軽量の設計技術，評価技術の相乗発揮が必要であるこによる装置設置面積の狭小化，免許不要による有とから，弊社のこれまでのミリ波機器開発の経験

利性などから，特定分野に限らず裾野の広がりがを踏まえての開発に取り組んでいる。

期待できる。
a. 無線局の集中地域における WLAN/WPAN 協

5．むすび

調制御によるサービスエリア内通信品質の確保
b. FWA9 における Last One Mile10 での伝送

携帯電話がスマートフォンに変わり始めた 2008

c. 超広帯域イントラネット回線

年ごろから，伝送容量が急激に増加し，情報を伝

d. 鉄道車両内でのワイヤレス・ブロードバンド・達する形態も大きく変わってきた。スマート社会

サービスの適用を構築するなかで，小エリア ･ 高密度ネットワー

e. 臨時広帯域伝送回線

クに向いている 60GHz 帯が WPAN 用途として注f. 放送事業用 HD モバイルカメラ［10］によるス

目され，ネットワークを構成する機器が普及しよ

タジオ内放送素材の伝送ワイヤレス化

うとしている。弊社は，その機器製造に必須となる 60GHz 帯を直視できる高精度標準測定装置の開4．ミリ波製品の製造評価技術と弊社の取組み発を支援してきた。速いテンポで 60GHz ワイヤレ
ス伝送が普及し，社会 ･ 文化を変えるイノベーションに発展するものと確信している。

弊社は創業以来半世紀以上の間，基幹事業とし今後も，関連するコンポーネントや，更なる高てマイクロ波・ミリ波帯関連製品の研究開発や製周波数領域の開発も併せて，ミリ波帯通信の普及品化に取り組んできた。特に，マイクロ波帯 ･ ミに貢献して行きたい。

——————————————————————————————————————————————————————————————————
9 Fixed Wireless Access ラストワンマイルに準ミリ波などの回線を設備する方式
10 Last One Mile ユーザ側の AP に一番近い無線の回線。ただし、38GHz 帯以下が主流で、60GHz 帯の利用は一部の実証実験［11］にとどまっている。

40

60GHz 帯高速無線伝送技術の役割と弊社の取組み

6．参考文献［１］新たな情報通信技術戦略（工程表），高度情報
通信ネットワーク社会推進戦略本部， 2012.8［２］ブロードバンドワイヤレスフォーラム未来構

筆者紹介
販売事業部
通信営業部

河村

淳

築ワイヤレス特別部会取りまとめ資料，ブロードバンドワイヤレスフォーラム，2012.3［３］総務省「通信利用動向調査」，2013 年度［４］Minami et. al.，
“A 60-GHz 16QAM 11Gbps
Direct-Conversion Transceiver in 65nm
CMOS，” IEEE/ACM （ASP-DAC）， Feb.
2012.
［５］ワ イ ヤ レ ス ブ ロ ー ド バ ン ド の 今 後 の 展 望，
NTT 資料，2010.6［６］沢田浩和，中瀬博之，加藤修三，佐藤勝善，
原田博司，反射波を利用した 60GHz 帯ミリ波通信の検討，信学技報，RCS，108（108），
pp.293-298，2008.8［７］松澤昭，招待講演，“ミリ波通信の実用化に向けた RF・AD 混載集積回路技術”，東京工業
大学 -NTT 技術交流会，東京，2013.1［８］無線 LAN ビジネス研究会報告書，2012.7［９］M. Conley，Introduction to WiFi Alliance
Activity，MIC MRA International Workshop2013［10］中川孝之，ミリ波モバイルカメラ，NHK 技研
R&D，p.26，Vol.128，2011.7［11］松江英明，守倉正博，佐藤明雄，渡辺和二，
高 速 ワ イ ヤ レ ス ア ク セ ス 技 術，IEICE 編，
2004［12］四分一浩二，鈴木哲也，田中稔博，森智之，
50GHz 広帯域ディジタル無線伝送装置，島田
理化工業技報，p.32，vol.16，2005［13］高橋勲，小杉正則，若菱忠高，森智之，市川就啓，
通信用ミリ波フロントエンドモジュール，島田理化工業技報，p.22，vol.16，2005［14］四分一浩二，江馬浩一，槇敏夫，拡大するミ
リ波技術の応用，島田理化工業技報，p.26，
vol.21，2011［15］高橋勲，鈴江秀規，森智之，山口浩，当社におけるミリ波技術の取組み，島田理化工業技報，p.49，vol.21，201141

〈特集論文〉

60GHz 帯無線通信用周波数変換装置

60GHz frequency converters for IEEE802.15.3c/11ad wirelesscommunication system
日下洋Hiroshi KUSAKA太田貴之

Takayuki OHTA

濱野

聡

鈴江

Satoshi HAMANO

秀規

Hidenori SUZUE

四分一

浩二

Koji SHIBUICHI

60GHz 帯ミリ波通信標準規格準拠の物理層評価

60GHz 帯ミリ波通信標準規格準拠の物理層評価にに用いる高精度な周波数変換装置が必要となって用いる 60GHz コンバータを開発したので報告する。

いる。そこで 60GHz 帯無線通信用周波数変換装置（以下 60GHz コンバータ）を開発した。

2．60GHz コンバータのシステム構成

本報告では 60GHz コンバータ試作機の実機検証
による課題抽出，超広帯域高精度伝送品質実現に

60GHz コンバータのシステム構成を図 1 に示す。

向けた EVM（Error Vector Magnitude）特性向上

この 60GHz コンバータは，ローカル信号源を内蔵への取り組みを紹介する。

した IF アップ／ダウンコンバータ，RF アップ／ダウンコンバータから構成されており，ダブルコ

1．まえがきンバージョン方式にて周波数変換する。これを受けて 60GHz コンバータはデバイス評価用として

近年，スマートフォン等のモバイル機器を利用

高精度な性能が求められる。また，扱う変調信号

したインターネットから提供されるデジタルコンの占有帯域幅が非常に広帯域なため，帯域内にステンツの大容量化が進んでおり，1Gbps を超える

プリアスが発生し易く，周波数配置を最適化する

様な超高速無線通信システムの普及が望まれてい必要がある。従って各デバイスにて最適動作点をる。このような背景の中，60GHz 帯を利用した近抑えやすいようコンバータを IF 部と RF 部のコン

距離超高速無線通信システムへの期待が高まってバータに分割する構成とした。また，被測定デバ

おり，2013 年 1 月にはミリ波通信標準規格である

イスは RF アップコンバータ／ダウンコンバータ間

IEEE802.11ad の規格化作業が完了した。

に接続され、任意信号発生器から出力された信号

従って，今後予想されるミリ波通信標準規格準を受信し，オシロスコープにて出力信号を解析す

拠の超高速無線通信システムの普及に伴い，これる。なお，この信号は，IEEE802.15.3c/11ad で規らのシステムの物理層評価に用いるデバイスシ

定するシングルキャリアモード MCS クラス 1 の変ミュレータ（測定器）が必要となってくる。

調方式π/2-BPSK，伝送速度 1.76Gbps である。

しかしながら，これらの規格で規定されている
デジタル無線通信の信号は，ギガビット / 秒クラスの伝送速度を実現するために変調信号の占有帯
域幅は 2.16GHz と広く，しかも現在では運用周波数である 60GHz 帯の信号を直接扱うことが可能な測定器がない。従って専用の計測システムとして，
IEEE802.15.3c/11ad が規定する物理層の機能確認ができる高精度な基準器としての周波数変換装置が必要である［1］［2］［3］。
そこで，周波数変換装置（アップコンバータ /ダウンコンバータ）の超広帯域高精度伝送品質実
現に向け，主要性能（EVM 特性）の向上に取り組み，

図1

60GHz コンバータのシステム構成

43

島田理化技報No.23（2013）

本報告では主に EVM で 60GHz コンバータの性能を評価していくが，目標値として，IF アップ /ダウンコンバータの EVM を 5% 以下とした。また，RF アップ / ダウンコンバータは 60GHz でのEVM は前述の測定器問題で測定不可のため，アップダウン折り返し測定系で EVM を 15％以下と設

ここで定した。これらの値は事前に実施した各コンバー

Ij：受信した j 番目のシンボルの I 成分

タに内蔵されている部品，MDL 単体試験の結果

Qj：受信した j 番目のシンボルの Q 成分

より，システム全体の要求値に実現可能な値を加—Ij：受信した j 番目のシンボルの理想的 I 成分

味して設定した。

Qj：受信した j 番目のシンボルの理想的 Q 成分——

次に EVM の定義について確認しておく。図 2のエラーベクトル図から EVM は位相誤差と振幅

式（1）と式（2）より振幅にあたる帯域内偏差

誤差のエラーベクトルと理想信号位置の比であと位相誤差にあたる群遅延偏差，位相雑音およびり，式（1）で表わされる。

スプリアス特性が EVM に影響を与える。従って広帯域信号に見合う RF 回路部品の選定と特性管理が重要であることがわかる。

3．IF コンバータの試作及び評価結果
3.1

IF 周波数配置の最適化

図 3 にアップコンバータおよびダウンコンバー
タの周波数配置を示す。超広帯域高精度の周波数変換を行うには，広帯域信号に見合う各素子最適点を押さえ，最適な構成を検討する必要がある。
そこで周波数変換のキーデバイスであるミクサの単 体 評 価（EVM 評 価・ 送 信 ス ペ ク ト ラ ム 評 価 ）を実施し，特に IF 周波数に対する EVM の依存性の観点から周波数ダイアグラムを決定した［1］［2］
図2

エラーベクトル図［3］。周波数の組合せは無数にあるため，ここでは一例として 1st ロ－カル周波数 10.08GHz，2ndIF
周 波 数 を 14.08GHz に 固 定 し，1stIF 周 波 数 を4.0GHz と，3.3GHz とした二通りの場合での評価
結果について述べる。

また N 個のシンボルの窓での二乗平均平方根（RMS）EVM は式 2 で表すことができ，IQ コン
スタレーションにおける理想変調信号（I 成分，
Q 成分）と測定変調信号（I 成分，Q 成分）の位
置ずれを理想変調信号で正規化したものである。

44

60GHz 帯無線通信用周波数変換装置

図5

EVM に対するスプリアスの影響

まず EVM とスプリアスについて，2 種類の IF
周波数に対し，IF 入力レベル依存性を測定した。
図 4 に EVM と ス プ リ ア ス レ ベ ル の IF 電 力 依 存性を示す。また，図 5（a）（b）に 1stIF 周波数が4GHz，3.3GHz 時のコンスタレーションとスペクト
ラムをそれぞれ示す。
図3

60GHz アップ／ダウンコンバータ周波数
配置

図 4 から 1stIF 周波数を 3.3GHz とすると EVM
特性が改善するが，この理由は 1stIF 周波数を下げることで 2LO-IF 成分が帯域外へと移動するためである。図 5（b）の試験結果から，1stIF 周波数 3.3GHz，
IF レベル -4dBm のときが，EVM4.8％と最適となり，2 章で挙げた EVM 目標値 5% 以下が得られた。
LO レベルに関しては，LO レベルを上げること
でミクサの飽和出力と変換利得が増加し，振幅歪と位相歪が低減することで EVM が改善されることが予想できる。そこで LO レベルと EVM の関係を調査した結果，IF 周波数に関わらず LO レベルを上げる事で，EVM が最大で約 0.5％改善された。
また，この時の LO レベルの最適値は +10dBm であることがわかった。なお，LO レベルを高くする
際は，使用するミクサの LO リーク特性に留意する必要がある。

図4

IF 入力レベルに対する EVM とスプリアスの関係

以上の試験結果から 1stIF 周波数を下げる（最適化）ことによりスプリアス 2LO － IF が帯域外に除去でき，ミクサの最適動作点（IF レベルと LOレベル）により EVM が改善されることが分かった。

45

島田理化技報No.23（2013）

従って 1stIF 周波数は 3.3GHz とした。
3.2

IF アップコンバータ

前述のとおり超広帯域高精度伝送品質のためには広帯域信号に見合う部品と，各部の最適動作点と最適な周波数ダイアグラムを選定することにより振幅偏差，遅延偏差およびスプリアスを低減でき EVM 特性を良好な状態にできることが分かった。これらを反映して試作し，評価試験を実施した。
IF アップコンバータの外観写真，ブロックダ

図6

イアグラムを図 6 と図 7 に示す。また表 1 に主要IF アップコンバータ

外観

性能を示す。アップコンバータを構成している各ブロック（AMP，BPF，V-ATT など）が所望の特性となるように電気調整を実施後にアップコン
バータ総合として組込み，総合調整として動作点における EVM 調整（周波数偏差と広帯域信号によるスペクトラム，EVM のコンスタレーション）を実施し，総合性能としてシングルキャリア評価および広帯域信号評価を実施した。
評価結果の一部である ATT 量に対する EVM 特性，帯域内偏差特性結果を図 8 に示す。この時変化させた V-ATT は，二つある V-ATT を均等に変表1化させていった。図 9 にコンスタレーションとスペ
クトラムを示す。図 8 の測定結果から，ATT 量が
5 〜 20dB 時は EVM4.5％以下であり，帯域内偏差

IF アップコンバータのブロックダイアグラム

図7

IF アップコンバータの主要性能

入力周波数および帯域幅

3.28GHz ± 1.08GHz

出力周波数14.08GHz ± 1.08GHz

1.5dB 以下と良好な性能を得た。このことは図 9 のP1dB+5dBm 以上

スペクトラムの帯域内偏差特性とコンスタレーショ

スプリアスレベル–30dBc 以下ンの信号点位置の分布からも確認できる。また帯域
内偏差が 2dB 以上となると EVM が 6％以上に劣化するが，これは帯域内偏差の劣化に加え ATT 量が30dB 以 上 に な る と C/N も 10dB 以 上 劣 化（ATT
量 16dB に 比 べ ） す る こ と が 原 因 と 考 え られる。

EVM

5％以下

電源

AC100V ± 10％ 50/60Hz

消費電力

30VA 以下
W : 160 ± 2（mm）

外形寸法

D : 280 ± 2（mm）
H : 88 ± 2（mm）

ATT 量が少ない領域の EVM 劣化はミクサの飽和に起因する帯域内偏差が主因と考えられる。
今回の測定においては IF レベルの変化量（ATT量）に対する EVM 値で評価したが，位相雑音の影
響は ATT 量に関わらず一定で，スプリアスの影響
は所望波との D/U で決まるので，ATT 量の依存
性はない。

図8

46

IF アップコンバータの EVM と帯域内偏差

60GHz 帯無線通信用周波数変換装置

IF ダウンコンバータのブロックダイアグラム

図 11

図9

表2

IF アップコンバータの EVM 特性

以上の考察からアップコンバータの ATT 量変化
における EVM 特性が変化する要因を以下にまとめる。
（a）帯域内偏差劣化（1.5 〜 2.0dB 以上）（a-1）バリアブルアッテネータの ATT 量変化に伴う帯域内偏差

IF ダウンコンバータの主要性能

入力周波数および帯域幅

3.28GHz ± 1.08GHz

出力周波数14.08GHz ± 1.08GHz

P1dB+5dBm 以上

スプリアスレベル–30dBc 以下

EVM

5％以下

電源

AC100V ± 10％ 50/60Hz

消費電力

30VA 以下
W : 160 ± 2（mm）

外形寸法

D : 280 ± 2（mm）
H : 88 ± 2（mm）（a-2）各ブロックの反射に起因する多重反射の影響（b）C/N の劣化（ATT30dB 付近以上）（c）群遅延偏差の劣化
これより今後の課題としてバリアブルアッテ
ネータの周波数特性の補正，群遅延偏差の補正などが挙げられる。
3.3

IF ダウンコンバータ

IF ダウンコンバータの外観写真を図 10 に，ブロックダイアグラムを図 11 に示す。また表 2 に主要性能を示す。

図 10

図 12

IF ダウンコンバータ

IF ダウンコンバータの EVM と帯域内偏差

外観
図 13

IF ダウンコンバータの EVM 特性

47

島田理化技報No.23（2013）

ダウンコンバータにおいては，出力電力固定時の EVM を測定した。（入力電力可変に対して出力電力一定となる ATT 量を設定した）偏差，位相偏差及びスプリアスを最適化する必要がある。
今回実機検証用に試作した RF 部のアップ／ダウ

図 12 の出力電力固定時の EVM は ATT 量 17dB

ンコンバータの外観図を図 14 に，主要性能を表 3，

以上で EVM5.5％以下となり，帯域内偏差 2.0dB 以

表 4 に示す。また，ブロックダイアグラムを図 15下である。特に ATT 量 23dB 時は EVM4.3％が得に示す。RF コンバータの主な特徴としては導波管られ，図 13 のコンスタレーションからも振幅，位型ミクサを採用し，ミリ波部のパワーアンプ，ロー相の誤差が少ないことが確認できる。

ノイズアンプはベアチップデバイスをパッケージ

帯域内偏差が 2dB を超えると EVM が 6％以上にングし表面実装化した。また局発用信号発生器をなるが，入力電力がさらに低下し ATT 量 10dB 以

開発し内蔵することで，コンバータを動作させる

下ではバリアブルアッテネータの減衰量周波数特ために必要な外部信号源を不要とし，60GHz コン

性と C/N 劣化の両方が EVM 劣化の要因になるとバータのシステム全体の構成を簡素化した。また考えられる。ダウンコンバータの場合，入力レベIF コンバータから制御信号を受信することでチャルが変化した際にミクサでの所望波とスプリアス

ネルを切り替える構成とした。

との D/U 比も変化する点がアップコンバータと異なる。
以上の考察からダウンコンバータの ATT 量変化に伴う EVM 特性変化の要因をまとめる。
（a）帯域内偏差劣化（2.0dB 以上）（a-1）バリアブルアッテネータ周波数特性のATT 量変化量依存性（a-2）各ブロックの反射に起因する多重反射
の効果

図 14

RF アップ／ダウンコンバータ外観（図はアップコンバータ）（a-3）スプリアスと所望波の D/U 比変化（b）C/N の劣化（ATT15dB 以下）（c）群遅延偏差の劣化
以上の要因に対し，アップコンバータと同様の課題が考えられる。

4．RF コンバータの試作と評価結果
4.1

RF アップ／ダウンコンバータの構成

本章からは RF アップ／ダウンコンバータを紹介する。RF アップ／ダウンコンバータとは，前章で紹介した IF アップ／ダウンコンバータから入力され た 信 号（14.08GHz） を，IEEE.802.15.3c/11ad が規定する 60GHz 帯の周波数にアップ／ダウンコン
バートする装置である。この周波数帯は 4 つのチャネル（CH1 〜 CH4）に分割されており，具体的な各チャネルの周波数と帯域幅は図 3 に示す通りである。従って前章の IF コンバータと同様に，超広帯域高精度伝送品質のためには広帯域信号に見合う部品と，各部の最適動作点を抑え，帯域内振幅

48

図 15

RF コンバータのブロックダイアグラム

60GHz 帯無線通信用周波数変換装置

表3

RF アップコンバータの主要性能

入力周波数および帯域幅14.08GHz ± 1.08GHz
CH1 : 58.32GHz ± 1.08GHz
CH2 : 60.48GHz ± 1.08GHz

出力周波数

CH3 : 62.64GHz ± 1.08GHz

た，IF コンバータ，任意信号発生器，オシロスコー
プの特性はソフトウェアにて補正されており，測定結果は RF コンバータ（アップ＋ダウン）のみの結果となっている。
上記の測定系で取得した各チャネルにおけるコCH4 : 64.80GHz ± 1.08GHz

ンスタレーションを図 16 に示す。全チャネルにおP1dB+7dBm 以上

いて，2 章で挙げた EVM 目標値 15% 以下を達成

スプリアスレベル–30dBc 以下した。しかし各チャネル間で EVM の値に差異が出

EVM

15％以下

電源

AC100V ± 10％ 50/60Hz

消費電力

30VA 以下

アンテナ利得

15dBi 以上
W : 210 ± 2（mm）

外形寸法

D : 280 ± 2（mm）
H : 88 ± 2（mm）

表4

RF ダウンコンバータの主要性能
CH1 : 58.32GHz ± 1.08GHz

入力周波数および帯域幅

CH2 : 60.48GHz ± 1.08GHz
CH3 : 62.64GHz ± 1.08GHz
CH4 : 64.80GHz ± 1.08GHzていることがわかる。CH1 は位相，振幅両方の誤差が，CH4 は振幅誤差が他のチャネルと比べて大きくなっており，EVM が劣化している原因と考えられる。そこでアップダウン折り返し測定系における各チャネルの帯域内振幅偏差と，群遅延偏差を測定し EVM との関連性を調査した。
図 17 に帯域内振幅特性を示す。図中のカッコ内
は EVM である。帯域内中央と両端では振幅偏差のEVM に対する影響が異なることは知られているが，いずれのチャネルもインピーダンス不整合によるリップルは 1dB 以下で，帯域内に極端に大きなリッ
プルがないことから peak to peak で帯域内偏差を評

14.08GHz ± 1.08GHz

価した。EVM が最も良好な CH3 の振幅偏差が小さ

小信号利得

20dB 以上

く，特に CH1 は帯域内で大きく右下がりの特性とスプリアスレベル–30dBc 以下なっており，他のチャネルも含めてまだ改善の余地

出力周波数

EVM

15％以下

電源

AC100V ± 10％ 50/60Hz

消費電力

30VA 以下

アンテナ利得

15dBi 以上
W : 210 ± 2（mm）

外形寸法

D : 280 ± 2（mm）があると考えている。これら各チャネルの帯域内振幅偏差と EVM の関係を図 18 にまとめた。振幅偏差と EVM はほぼ比例の関係となっていることがわかる。これらの結果は今後，帯域内振幅偏差から EVMをさらに改善していく際の目安になるといえる。

H : 88 ± 2（mm）

4.2

RF コンバータの EVM と位相振幅特性

ここから RF コンバータの EVM 性能を示すとともに位相振幅特性の相関性について報告する。
本報告ではアップダウン折返しでの EVM 測定を実施している。本来コンバータの EVM 性能はアップダウンそれぞれ単体にて評価すべきだが，現 在 で は 15.3c/11ad 規 格 の 広 帯 域 変 調 信 号 を 直接扱うことが可能な測定器がなく，60GHz 帯でのEVM を直接測定することは出来ない。従ってアップダウンコンバータのセットで性能を評価している。測定系は図 2 と同様で，任意信号発生器から
IEEE802.15.3c/11ad 規格の広帯域変調波を出力し，IF，RF アップコンバータを介して 60GHz 帯まで
アップコンバータされた後，RF，IF ダウンコン
バータを介してオシロスコープへ入力される。ま図 16

アップダウン折返しにおけるコンスタレー
ション49島田理化技報No.23（2013）

次に図 21 にアップダウン折り返し測定におけるデジタル補正後の EVM を示す。デジタル補正とはソフトウェアにてアナログ的に除去しきれない帯
域内位相振幅偏差を補正する目的がある。これは，系全体の位相振幅特性を抽出して系の出力に逆補正を行うことで，デジタル的に帯域内位相振幅偏差を打ち消した値を得るものである。
図 21 の結果から，各チャネルの EVM は差異があり，EVM は 4.1% 〜 7.4% であった。なお実験により，60GHz コンバータの評価対象となるシステ
ム，もしくはデバイスは EVM20% 程度でも通信可能であったため，上記の EVM の値はデバイスシ
ミュレータとして十分運用可能な値と考えられる。
図 17

アップダウン折返し帯域内振幅特性

ただし，測定系に起因する補正しきれない EVM（残留 EVM）が約 3.2% あることを予め実測にて確認しており，理想的にはデジタル補正後の EVMはこの値と等しくなるが，実測された各チャネルの EVM はいずれも残留 EVM を超えている。これは 60GHz 帯での評価ではなくアップダウン折り返
し測定のため，これに起因する測定誤差が含まれていると考えられる。60GHz 帯での EVM 評価は，前述の測定器の問題により不可能なため，原因の切り分け，特定が難しい。現在これらの原因を調査中である。今後デジタル的に補正しきれていな
い要因を特定し，解決していく。

図 18

帯域内振幅偏差に対する EVM

次に図 19 に帯域内群遅延特性を示す。振幅偏差と同様に群遅延偏差を peak to peak で評価した。
EVM が最も良好な CH3 は群遅延偏差が特に小さく，他のチャネルはほぼ同じ値となっている。また，
図 20 に帯域内群遅延偏差と EVM の関係を示す。
振幅偏差で示したような線形の関係ではないことがわかる。
以上のことから今回試作した 60GHz コンバータの各チャネルにおける EVM の差異は，主に帯域内
振幅偏差による影響が現れており，帯域内群遅延
偏差の影響は少ないことがわかった。ただしここでの考察は，前述にも挙げた帯域内の中央と両端での EVM に対する影響の違いを考慮していない
ため，図 18，図 20 の EVM との関係の結果と，図16 の測定したコンスタレーションとは多少食い違
いが出てくるものと考えている。

50

図 19

アップダウン折返し帯域内群遅延特性

60GHz 帯無線通信用周波数変換装置

5．まとめ
60GHz 帯ミリ波通信標準規格準拠の物理層評価に用いる高精度周波数変換装置として 60GHz コン
バータを開発し，周波数変換における超広帯域高精度伝送品質の最適化，アップコンバータ／ダウンコンバータの超広帯域高精度伝送品質実現に向けた主要諸元性能（EVM 特性）向上への評価と課題抽出を実施した。
まず IF アップ／ダウンコンバータを試作し，評価試験を実施した。その結果 EVM 特性において
図 20

帯域内群遅延偏差に対する EVM

目標値 5％以下に対し，アップコンバータ（IF 部）
にて EVM3.99％，ダウンコンバータ（IF 部）にて EVM4.3％が得られ目標値を達成することができた。また，EVM は帯域内偏差，群遅延偏差，位相雑音が影響することは分かっているが，今回の評価試験において EVM と帯域内偏差の相関性を確認することができた。
次に RF アップ／ダウンコンバータを試作し，全チャネルでアップダウン折り返し測定系での EVM
目標値 15% 以下を達成することができた。また，
EVM と帯域内位相振幅特性との相関性を確認し，各チャネルにおける EVM の差異は，主に帯域内
振幅偏差の影響が現れていることがわかった。さらにデジタル補正後の EVM は 4.1% 〜 7.4% とな
り，デバイスシミュレータとして十分運用可能な値が得られた。但し，今回の評価はアップダウン
折り返し測定系での評価のため EVM の劣化原因の切り分けや特定はできておらず，デジタル補正後の EVM が残留 EVM を超えている問題も明らかと

図 21

デジタル補正後のコンスタレーションなった。従って，今後はこれらの問題の原因を明らかにし，解決していく。
また，今回開発したコンバータは性能重視のため，最適動作点を抑えやすいようコンバータを IF，
RF コンバータに分割している。従って，ユーザー側の利便性を向上する目的で，IF，RF コンバータを一体化し，システム全体の小型簡素化をしていくことも課題として挙げられる。

51

島田理化技報No.23（2013）

6．参考文献［１］柴 垣 信 彦，“IEEE802.15.3c 対 応 を 目 指 し た
60GHz 帯ミリ波 RF 回路及びモジュール技術－ 60GHz 帯広帯域無線システム－”，信学会

筆者紹介
東京製作所
技術部

日下

洋

技報，2009［２］柴垣信彦，“IEEE802.15.3c 対応ハードウェアの設計－ RF-CMOS 設計とモジュール評価

技術－”，MWE2009［３］加藤修三，中瀬博之，沢田浩和，佐藤勝善，
原田博司，“ミリ波（60GHz）システムの標準

東京製作所
技術部

太田 貴之

化（IEEE802.15.3c）動向と新しい応用”，
電子情報通信学会技術研究報告 . RCS，無線
通信システム，2008-08-20［４］太 田 貴 之，“60GHz 帯 ミ リ 波 通 信 標 準 コ ン
フォーマンス試験に向けた周波数変換装置（IF部）”，信学会技報，Dec.2011

東京製作所
技術部

濱野

聡

［５］太田貴之，“60GHz 帯ミリ波通信規格用周波数 変 換 装 置（IF 部 ）”， 信 学 総 大，B-5-134，
2012［６］濱野聡，“60GHz 帯周波数変換装置における
IF 周波数配置の最適化”，信学ソ大，B-5-101，
Sep.2012

東京製作所
技術部

鈴江 秀規

［７］太田貴之，“60GHz 帯通信用局発信号発生器”，
信学ソ大，B-5-102，Sep.2012［８］日 下 洋，“60GHz 帯 IEEE802.15.3c 規 格 コ ン
フォーマンス試験に向けた周波数変換装置”，
信学ソ大，B-5-100，Sep.2012

52

東京製作所
技術部

四分一 浩二製品紹介

X 帯，Ka 帯小型 LNB■概要

衛星通信システムは，衛星に向けて送信局から膨大な情報を送信（アップリンク）した後，地球にある受信局に向けて一斉配信（ダウンリンク）する通信システムです。LNB は下図に示すように，衛星通信の地上
局用ターミナルのアンテナ部に組み込まれ，衛星からの微弱な電波を受信するために，アンテナ直後で最初に増幅し，信号処理が可能な周波数へ変換する機器です。
衛星通信ネットワーク基本概要■当社 LNB の展開
現代社会においてグローバルな無線通信は必要不可欠となっており，システムの中で重要な部位である
LNB には，高水準の低雑音性能が求められています。当社では，衛星通信に使用される主要周波数帯である
C 帯，X 帯，Ku 帯，Ka 帯に適合した LNB を含む衛星搭載機器および地上局向け衛星関連機器を開発し，衛星通信市場に提供しています。
なかでも当社 LNB は，より高いレベルで各種要求に適合し，先進的な性能の製品を実現することで，北米市場を中心に採用が進んでいます。VSAT で用いる雑音性能の優れた Ku，Ka 帯 LNB，民生市場向けとしてローコストが特徴の C 帯 LNB，位相雑音性能の優れた X 帯 LNB など，利用目的に応じたラインアップを揃えています。
今後，わが国においても，Ku，Ka 帯の政府系および企業内ネットワーク，海上，離島との通信，Ku 帯での災害時の非常用ネットワークなど広範囲な分野での活用が期待されています。
LNB 関連製品

C-Band LNB

Ku-Band LNB

X-Band LNB

Ka-Band LNB

53

■特

長

本製品は X 帯，
Ka 帯 VSAT（超小型衛星地上局 :Very Small Aperture Terminal）
用の LNB です。LNB には，装置内部の基準信号により動作する内部基準信号タイプと外部の基準信号により動作する外部基準信号タイプとの 2 種類がありますが，今年度弊社において開発した外部基準信号タイプの 2 製品を紹介します。いずれの製品も，お客様のニーズに応えるため，弊社既存品に対し，大幅な小型・軽量化及び低消費電力化を実現するとともに，低コスト化を実現しました。
（1）X 帯 PLL LMB（外部基準信号タイプ）①アイソレータのドロップイン化，LNB との集（2）Ka 帯 PLL LMB（外部基準信号タイプ）①回路の集積化，小型部品の採用により小型・積化により小型・軽量化を達成。

軽量化を達成。

⇒既存品に対し容積 30% 減，
質量 10% 減を実現。

⇒既存品に対し容積 60% 減，
質量 40% 減を実現。

②高効率電源回路の採用とバイアス条件の最適②高効率電源回路の採用とバイアス条件の最適化により大幅な消費電力削減を達成。

化により大幅な消費電力削減を達成。

⇒既存品に対し消費電力 60% 減を実現。

⇒既存品に対し消費電力 60% 減を実現。

■主要性能
X 帯 PLL LNB（外部基準信号タイプ）

Ka 帯 PLL LNB（外部基準信号タイプ）

項目

性能

項目

性能

入力周波数

7.25 〜 7.75GHz

入力周波数20.2 〜 21.2GHz

ローカル周波数

6.3GHz

ローカル周波数19.2GHz

出力周波数950 〜 1450MHz

出力周波数1000 〜 2000MHz

雑音指数

0.7dB typ. @+23℃

雑音指数

1.4dB typ. @+23℃

総合利得

62dB ± 4dB

総合利得60dB ± 4dB

位相雑音（SSB）-75dBc/Hz max. @1kHz offset

位相雑音（SSB）-72dBc/Hz max. @1kHz offset

入力 VSWR

1.3 : 1 max

入力 VSWR

1.4 : 1 max

出力 VSWR

2.0 : 1 max

出力 VSWR

1.8 : 1 max

電源電圧+9 〜 +28VDC

電源電圧+9 〜 +28VDC

消費電力

3.5W max（L）146mm ×（W）70mm ×（H）55mm

消費電力

4.0W max（L）125mm ×（W）44mm ×（H）44mm

形状
質量800g（approx）

形状
質量

動作温度

-40 〜 +60℃

動作温度

-40 〜 +60℃構造

防水構造（IP54 準拠）

構造

防水構造（IP54 準拠）

X 帯 PLL LNB の外観

400g（approx）

Ka 帯 PLL LNB の外観
問い合わせ先販売事業部

TEL 042-481-8573

54特 許 紹 介
誘導加熱装置出願 2009 年 6 月■概特許第 5053332 号
発明者

要

本発明は，それぞれの電源ユニットとそれらに

田内

良男，石間

勉

するインバータ回路の出力バラツキを抑制することが可能になった。

接続される加熱コイルが隣接して設置され相互干渉が起こる場合に，各加熱コイルに安定して出力を供給できる制御方式を提供する誘導加熱装置に関するものである。
■従来技術の課題

各加熱コイル間の相互干渉を防止する方法として，各電源の駆動信号を同期させて，コイル電流を同一周波数にさせる方法が行われている。
従来は，マスター機となる電源ユニットとスレー
ブ機を含めた全部の電源ユニットの共振コンデン
サを同一にできないため，すべてのユニットを共通化することができなかった。
また，負荷（加熱コイルと被加熱物）の変動に対して共振周波数が変動した場合に，電流の位相差が発生して，出力ダウンとなったり電源内部のインバータ回路の位相差からトランジスタ損失が大きくなったり，場合によってはトランジスタの破壊につながっていた。
■発明の手段と効果

図1

本発明の構成図

本発明の構成例を図 1 に示す。それぞれの電源ユニットのインバータ回路から高周波交流電流の位相を検出し，共振周波数より高い周波数をスター
ト点として周波数スイープを開始し，最初に共振点または共振点近傍に到達するユニットを自動選択してこのユニットをマスター機として，その他のユニットは，このマスター機からスレーブ機として駆動するようにしたものである。したがってマスター機とスレーブ機は固定せずに，負荷の状態でマスター機が選択される。
本発明により，誘導加熱装置に用いるすべての
電源ユニットを共通化することが可能になり，かつスレーブ動作する電源ユニットのインバータ回路のトランジスタ損失を増大させることなく，トランジスタ破壊を排除し，さらに，スレーブ動作

55

特 許 紹 介
無線通信システム及び無線信号合成方法 特許第 5178151 号
出願 2007 年 11 月

■概

発明者

岩倉

章次，谷川

大祐，福家

裕（株式会社 NTT ドコモ殿と共同出願）■発明の手段と効果

要

本発明は，所定間隔で設置された複数のアンテ

本発明を適用した無線通信システム構成図を図 1

ナで受信した高周波の無線信号に対してそれぞれに示す。本発明の無線通信システムは，複数系統

ディジタル処理を施し，合成した後に，もとの周で受信された無線信号をディジタルデータに変換

波数の無線信号に変換する無線通信システム及びすることにより，ディジタル合成回路までの距離

無線信号合成方法に関するものである。

に応じた電力損失の問題を解消することができる。
また，各受信系統での平均振幅を一定に制御した■従来技術の課題

ときの利得制御データを合成し，これをディジタ

従来の複数アンテナで受信する無線通信システ

ルデータから変換された無線信号の振幅（利得）ムは，主たる回路がアナログ回路で構成されてお制御にも使うようにしたので，システム利得を安り，複数系統の無線信号を増幅した後，それぞれ定化することができる。

アナログ伝送によって電力合成器に送り，電力合成器においても，無線信号の合成をアナログ手段
により行っていた。
電力合成をアナログ手段により行うと，無線信号を合成する受信系統数に応じて電力合成器の回路規模が大きくなり，合成の際の電力損失が増加するという問題があった。また，複数のアンテナ
が距離を隔てた場所に配置された場合に，電力合成器までの距離に応じて電力損失が生じるという問題もあった。

図1

56

本発明を適用した無線通信システム構成図

特許登録紹介

特許登録紹介（2012年4月～2013年3月登録分）

登録番号

発明の名称

5068583

遮蔽板の取り付
け構造

5090196高周波誘導加熱
装置

発明の概要
発明の
利用分野

遮蔽板を用いた防犯レーダ機器

従来技術の
課題

レーダ機器のアンテナ用遮蔽板を不適切な位置に設置してしまった場合，改めて遮蔽板の位置決め作業をし土台造りからやり直す必要があり，時間及びコストの無駄を発生させていた。

発明の
手段と効果

遮蔽板を支える構造を専用金具などを利用し支える構造としたことで，土台の作り直しがなく遮蔽板の設置位置を容易に調整することができるようになった。この構造で時間及びコストの低減を図ることを可能とした。

発明の
利用分野

誘導加熱装置

従来技術の課題

それぞれ別々の電源から複数の誘導加熱コイル
を隣接して配置した場合に，コイル間の相互干渉が起こり安定した制御が出来ないため，従来技術では，それぞれの加熱コイルに直列に干渉防止用の逆結合トランスを設けて，コイルの干渉を打ち消す対策を行っていた。通常，加熱コ
イルに流れる電流は非常に大きいため逆結合ト
ランスの電力損失が大きくなる。またこの対策
は機器の大型化やコストアップの要因となって
いた。

発明の
手段と効果

誘導加熱用電源のインバータ回路と加熱コイル
間には電流増幅用のマッチングトランスが設置されている。逆結合トランスをマッチングトラ
ンスの一次側に配置させることにより，高周波電流の損失を抑えることができ，加熱コイルに大きな高周波電流を給電するときにも装置の大型化を抑制することができ，しかも安定した高周波電源の動作および制御が可能となった。

備考57

島田理化技報No.23（2013）

登録番号

発明の名称

5161034

多層プリント基板における同軸コネクタの接続構造および接続方法

5161058

サーキュレータ
用フェライト接
着治具

5053332

誘導加熱装置5043134

導波管接続方法

58

発明の概要
発明の
利用分野

マイクロストリップ線路が形成された多層プリント基板と同軸コネクタの接続を要する高周波
機器

従来技術の
課題

同軸コネクタと接続されるマイクロストリップ
線路における接続部が容量性をもって形成された多層プリント基板と同軸コネクタとの接続において，これまではインピーダンスの整合を取るためにマイクロストリップ線路の接続部の容量性を相殺するような誘導性をもった部品を実装することによりインピーダンスの整合をとっていた。これが部品点数の増加につながり製品の小型化の障害となっていた。
さらに誘導性部品のばらつき等により定数変更
や実装位置の変更などの個別調整が必要となり，生産工程における作業工程が増えコストアップの要因となっていた。

発明の
手段と効果

同軸コネクタが差し込まれる多層プリント基板の側面部に切り欠き部を設け，中心導体における切り欠き部上に位置する部分に所望の誘導性をもたせることで誘導性をもった部品を実装することなくインピーダンスの整合をとることを可能とした。

発明の利用分野

マイクロ波機器用サーキュレータの製造治具

従来技術の
課題

サーキュレータにおいて導波管口径内部のフェライト接着をする際，スペースの制約や作業性が悪いことによる接着作業時間の増加および接着剤膜厚の不均一などの課題があった。
またフェライト接着において，天 ･ 地 2 面での位置決めおよび接着時の硬化保持機能が備わった接着治具は存在しなかった。

発明の
手段と効果

毎回同じポイントでサーキュレータのフェライトの位置決めができるようにガイド付のロッド構造を採用し治具を作成した。このロッドは天･ 地 2 面を同時にフェライトセッティングすると共に，接着硬化時（2 面同時）圧力保持（膜厚管理）ができるよう，クサビ型のシャフト構造としフェライトに一定力が加わるようになっており膜厚の安定した接着を可能とした。
別掲

発明の
利用分野

導波管接続方法

従来技術の課題

導波管引き回しにおいてベンド類を使用する
が，製作に辺り大きさや長さの制約があることや複数のベンドを使用することによる電気性能の劣化があった。

発明の
手段と効果

ベンドの変わりに共振器を用いることによって省スペース化及び電気性能の劣化を防ぐことを可能にした。

備考特許登録紹介

登録番号

発明の名称

5214038

プリント配線板
及びその製造方法

5178151

無線通信システム及び無線信号
合成方法

5075101

干渉信号抑圧方法及び装置，リ
ピータ装置

発明の概要
発明の
利用分野

表裏にそれぞれ導体パターンを構成するプリン
ト配線板

従来技術の
課題

耐久性を確保するために，表裏の導体パターンの端部を基板の端面の手前の位置で終端させる構造をとらざるを得なかった。
また，マイクロストリップラインを構成するプ
リント配線板は，ストリップ導体パターンの端子部と同軸コネクタとの接続部で生じる電力損
失が大きくなり，伝送損失の増大を招いていた。

発明の
手段と効果

基板の表裏両面の導体パターンを形成する金属よりもイオン化傾向が小さい金属からなる防食メッキ層により被覆することにより導体パター
ンを基板の端面と同じ位置に配置することが必要とされる場合に，耐久性を犠牲にすることなく，その仕様を満足したプリント配線板を得る
ことを可能とした。

備考

別掲

株式会社エ
ヌ・ テ ィ・
ティ・ドコ
モ殿との共
同出願

発明の
利用分野

無線通信伝送路におけるリピータ装置など

従来技術の
課題

受信信号に複数の干渉信号が混入している場
合，遅延時間を検出する際に誤差が生じた。例
えば，真に抑圧したい干渉信号の近傍に，相関演算の結果に影響を与える他の干渉信号が存在する場合，真に抑圧したい干渉信号の遅延時間の検出結果に誤差が生じていた。そのため，干渉信号の抑圧精度が劣化し，場合によってはリピータ装置の発振が生じていた。

KDDI 株 式
会社殿との
共同出願

発明の
手段と効果

抑圧係数が最大となるときの遅延時間を検出し，この検出した遅延時間で抑圧信号を受信信号に加算するので，干渉信号を抑圧する際の遅延時間の検出精度を高めることを可能とした。
また，そのための専用の電子回路を付加する必要がないので，回路規模を増やすことない。
なお，抑圧係数とは干渉信号を抑圧した状態
で，抑圧信号の遅延時間を遅延時間候補の前後にわたって変化させ，これにより変化する相関演算の結果に重み付けをして累積加算した値とする。

59

島田理化技報No.23（2013）

登録番号

発明の名称

5154389

リピータ装置及
び干渉信号抑圧方法

515439060

リピータ装置及
び干渉信号抑圧
方法

発明の概要
発明の
利用分野

無線通信伝送路におけるリピータ装置など

従来技術の
課題

干渉信号の遅延時間を検出するために，遅延リ
ファレンス信号の遅延時間を 1 ステップずつ変化させ，変化させる毎に相関演算を行っていたため，全ての相関演算を終了するまでに多大な時間を要していた。この時間を短縮するために遅延時間の 1 ステップの間隔を長くすると検出精度が劣化していた。

発明の
手段と効果

それぞれ遅延時間が異なる複数の遅延リファレ
ンス信号と干渉信号が混入した受信信号との相関演算値の算出がすべての遅延リファレンス信
号について並行して行われるので，干渉信号に適合する遅延リファレンス信号を特定するま
での時間が 1 ステップの遅延時間だけで完了する。これにより干渉信号に相当する遅延リファ
レンス信号の振幅，位相，遅延時間を表す遅延
プロファイルの作成が速くなり，検出速度を上げるために遅延時間の 1 ステップの間隔を長くする必要もないことから，検出精度の劣化も抑制することを可能とした。

発明の
利用分野

無線通信伝送路におけるリピータ装置など

従来技術の
課題

遅延プロファイルを作成する際に，リピータ装
置が受信する信号に，所望信号自体の遅延プロ
ファイルが加算されており，遅延プロファイル
から干渉信号を検出する精度を高めることができなかった。

発明の手段と効果

送信信号の放射を停止した状態で作成した第 1
遅延プロファイルと，送信信号を放射した状態で作成した第 2 遅延プロファイルとの差分に基づいて最終遅延プロファイルを作成し，この最終遅延プロファイルに基づいて，受信信号と加算する抑圧信号を生成するので，干渉信号を精度良く検出し，より有効に干渉信号を抑圧する
ことを可能とした。

備考
KDDI 株 式
会社殿との
共同出願

KDDI 株 式
会社殿との
共同出願

特許登録紹介

登録番号5075102

米国特許
No.US
8,193,872
B2

発明の名称

発明の概要

リ ピ ー タ 装 置， 発明の干渉信号抑圧装 利用分野
置及び方法
従来技術の
課題

導波管サーキュレータ

無線通信伝送路におけるリピータ装置など
群遅延偏差が大きく発生し，信号成分の波形歪みが増加すると，受信信号と回り込み干渉信号となる増幅器の出力信号との間に時間的にズレが生じた。そのため単に検出した干渉信号近傍
で 2 つ以上の抑圧信号を生成するだけでは，干渉信号を抑圧しきれない場合があった。この抑圧しきれない残差成分が大きくなるとリピータ装置で中継することが不可能であった。

発明の
手段と効果

受信信号と同じ信号成分を含むリファレンス信号に遅延器で複数種類の遅延時間を生じさせた
遅延リファレンス信号と，ディジタル変換された受信信号とを相関積分器に入力し，両者の相関が最も高くなる遅延リファレンス信号を干渉信号に相当する信号として，その出現時点を特定するため，干渉信号の通過経路に介在するアナログ回路により波形歪みの発生により群遅延偏差が生じ，干渉信号の検出時点に変動幅が生じる可能性があっても，干渉信号を確実に抑圧することを可能とした。

発明の
利用分野

大電力の 3 分岐形導波管サーキュレータ

従来技術の
課題

導波管サーキュレータは使用電力の増大に伴い，フェライトが発熱の上，温度上昇し，またアーキング現象への対策としてフェライト間の間隔をアーキング現象が生じなくなる程度に十分に広げるとフェライト間の浮遊容量が小さくなり比帯域幅が狭くなる。その結果，温度上昇によるフェライトの飽和磁化の低下により反射減衰量やアイソレーションが劣化するといったマイクロ波特性の劣化をきたしていた。

発明の
手段と効果

アーキング現象対策として，フェライト間の間隔を広げたことにより減少した浮遊容量を補償するように導波管の高さ寸法を拡張することにより，広帯域にインピーダンス整合が出来る。
そのためフェライトが発熱して温度上昇しても，アーキング現象が生じることなく，かつマ
イクロ波特性の劣化が生じさせることがないという優れた性能のサーキュレータを得ることを可能とした。

備考
KDDI 株 式
会社殿との
共同出願

61

営業分野及び主要製品【電子機器】
同軸・導波管コンポーネント
・通信用／レーダ用／エネルギー応用マイクロ波コンポーネント
通信機器
・移動体通信基地局用送受信増幅装置
・移動体通信用エリア拡張装置
・移動体通信基地局周辺機器
・移動体通信基地局用収容箱
・ミリ波／マイクロ波モジュール
・VSAT用機器
電子機器
・航法装置試験用シミュレータ
・レーダ機器試験用シミュレータ
・放射線治療装置用マイクロ波コンポーネント及び発振器【産業機器】
高周波誘導加熱方式（IH方式）による各種加熱装置及び付帯設備
・高周波溶解装置
・高周波焼入装置
・高周波焼バメ装置
・高周波ろう付，半田付装置
・薄板加熱装置（磁性・非磁性材対応）
・塗装乾燥装置
・各種高周波インバータ

島田理化技報編集委員会
委員長

石間

勉

副委員長

黒川

孝

大竹

康紀

委

員

卜部平治朗
大竹

正仁

江馬

浩一

高木

聖二

渡邉

信行

四分一浩二
事務局

田内

良男

田中

実

野田幹一郎
堀米

義嗣

大和田達郎

島田理化技報 No.23（無断転載を禁ず）
2013年12月19日 発行
発行

所

東京都調布市柴崎2丁目1番地3
島田理化工業株式会社
TEL 042-481-8510（代表）
FAX 042-481-8596（代表）
ホームページ http://www.spc.co.jp/

編集兼発行人島田理化技報編集委員会

印

千葉県市川市塩浜3-12
株式会社 三菱電機ドキュメンテクス
TEL 047-395-6401

刷所