JP2005252780A - 磁気同調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低電圧駆動が可能で且つ雑音に対する特性の悪化を低減する。
【解決手段】 主同調コイル３０を第１同調コイル３１と第２同調コイル３２とで構成し、各同調コイル３１、３２に対して独立に電流供給できるように第１コイル端子３３ａ、３３ｂと第２コイル端子３４ａ、３４ｂを設け、さらに、第１駆動回路３５により、磁気共鳴素子（ＹＩＧ２４）に強度一定の磁界を印加させ、第２駆動回路３６により、磁気共鳴素子の共鳴周波数が所望周波数となる磁界と、第１同調コイル３１が磁気共鳴素子に印加する磁界との差分の磁界を印加させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＹＩＧ等の磁気共鳴素子を用いた磁気同調装置において、低電圧駆動が可能で且つ信号純度を高くするための技術に関する。

例えば、数ＧＨｚ以上の高周波信号を出力する装置では、広い周波数範囲にわたって直線性よく周波数を可変できるＹＩＧを共振素子とするＹＴＯ（YIG TUNNED OSCILATOR）と呼ばれるユニットが用いられている。

ＹＩＧはイトリウム、鉄、ガーネットの化合物であり、印加される磁界の強さに応じて原子スピン周波数が直線的に変化する特性を有し、ＹＴＯは、このＹＩＧを帰還素子とする発振回路とＹＩＧに磁界を印加する主同調コイル等が磁気シールド用のケース内に収められてユニット化されたもので、外部から主同調コイルに電流を供給することで、その供給電流に比例した周波数の信号を所定周波数範囲内で発振出力することができ、広帯域なスペクトラムアナライザの掃引発振回路や信号発生器等に用いられている。

また、ＹＩＧは極めて狭帯域な素子であり、この狭い帯域特性と周波数可変性を用いて信号のフィルタリングを行うＹＴＦ（YIG TUNNED FILLTER）と呼ばれるユニットも実現されている。

図８は、ＹＩＧを用いた従来の磁気同調装置１０の構成を示している。
図８において、磁気同調装置１０は、ＹＴＯ１１と駆動回路１７とにより構成されている。

ＹＴＯ１１は、磁気シールド用のケース１１ａに、ＹＩＧ（磁気共鳴素子）１２、そのＹＩＧ１２を帰還素子とする発振動作する回路部１３およびＹＩＧ１２に磁界Ｆを印加する主同調コイル１４が収容されており、ケース１１ａの外表部には、外部から主同調コイル１４に電流Ｉを供給するための１組のコイル端子１５ａ、１５ｂが設けられている。

ここで、ＹＩＧ１２および回路部１３は、装置として要求される出力周波数範囲（ｆ１〜ｆ２）で安定な発振動作が維持されるように構成されている。

なお、ここでは図示しないが、ケース１１ａの内部には、主同調コイル１４が発生する磁気を集中的にＹＩＧ１２に印加するための壺形コア等による磁気回路が設けられ、またケース１１ａの外部には、回路部１３への電源供給や発振信号の出力のための端子も設けられている。

コイル端子１５ａ、１５ｂは駆動回路１７に接続されている。
駆動回路１７は、演算増幅器１７ａ、出力抵抗１７ｂ、トランジスタ１７ｃおよび電流検知抵抗１７ｄからなる電圧・電流変換回路で構成され、所定電圧Ｂの電源を一方のコイル端子１５ａに供給し、他方のコイル端子１５ｂ側で電流の制御を行い、周波数設定のための設定電圧Ｖｃに比例した電流を主同調コイル１４に供給する。

即ち、演算増幅器１７ａは、主同調コイル１４に流れる電流Ｉと電流検知抵抗１７ｄの抵抗値との積で決まる電圧が設定電圧Ｖｃに等しくなるようにトランジスタ１７ｃを駆動することで、設定電圧Ｖｃに比例した電流Ｉが主同調コイル１４に流れるようにしている。

このように構成された磁気同調装置１０の電流同調感度、即ち、主同調コイル１４に流れる電流の変化に対する周波数の変化の割合を、例えば２０ＭＨｚ／ｍＡとし、出力信号の周波数範囲の下限ｆ１を４０００ＭＨｚ、上限ｆ２を８０００ＭＨｚとすると、図９に示すように、主同調コイル１４に４０００／２０＝２００ｍＡから８０００／２０＝４００ｍＡの範囲で電流Ｉを流すことで、出力周波数を４０００〜８０００ＭＨｚの範囲で可変することができる。

このように電流を変化させて周波数を可変する磁気同調装置１０では、原理的に周波数切替時の応答速度が電源電圧Ｂに依存し、高速な切替を実現するためには、電源電圧Ｂを高くしなければならない。

即ち、主同調コイル１４のインダクタンスをＬ、抵抗分をｒ、電流検知抵抗１７ｄの抵抗値をＲ、トランジスタ１７ｃのコレクタ・エミッタ間電圧をＶceとすると、主同調コイル１４を流れる電流Ｉの経路について、以下の式が成立する。

Ｂ＝Ｌ（di／dt）＋Ｉ（ｒ＋Ｒ）＋Ｖce

この式を（di／dt）について解けば次のようになる。

（di／dt）＝（１／Ｌ）｛Ｂ−Ｉ（ｒ＋Ｒ）−Ｖce｝

上式から電源電圧Ｂが大きいほど、電流変化の速度を表す（di／dt）が大きくなることがわかる。

ここで、例えばｒ＝Ｒ＝２０Ω、Ｖceの最小値を２ｖ（ｖはボルト）とすれば、上限周波数のときに必要な電源電圧Ｂの最低値は、（２０＋２０）×０．４＋２＝１８Ｖとなり、これに変化時の応答のための電圧を加えると、２０ｖ以上の高い電源電圧Ｂが必要となり、汎用的な１２ｖ電源を流用できず、専用の電源が必要となる。

この問題を解決する一つの方法として、特許文献１には、主同調コイルを複数に分割して並列接続して駆動する方法が開示されている。

このように主同調コイルを複数に分割して並列接続した場合、駆動回路側から見たインダクタンスおよび抵抗分は格段に減少するので、低い電源電圧Ｂでも、過渡時の応答速度を低下させることがなくなる。

特開平７−２８３６２３号公報

しかしながら、上記のように、主同調コイルを複数に分割して並列接続して、これを一つの駆動回路で駆動する方法では、駆動回路自体が発生する雑音により、信号純度を低下させるという問題がある。

この雑音による信号純度の低下は、時定数の大きなフィルタを設けることで低減することができるが、このフィルタは、駆動回路自体の応答速度を制限することになり、高速な周波数切替ができなくなる。

本発明は、この問題を解決し、低電圧駆動が可能で且つ雑音に対する特性の悪化を低減した磁気同調装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の磁気同調装置は、
印加される磁界の強度に比例して共鳴周波数が変化する磁気共鳴素子（２５）と、
前記磁気共鳴素子と結合し、該磁気共鳴素子の共鳴周波数で発振動作または信号選択動作する回路部（２６）と、
供給電流に比例する強度の磁界を前記磁気共鳴素子に印加するための主同調コイル（３０）と、
前記磁気共鳴素子、前記回路部および前記主同調コイルを収容するケース（２１ａ）と、
前記ケースの外部から前記主同調コイルに電流を供給するためのコイル端子（３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ）と、
前記コイル端子を介して前記主同調コイルに電流を供給する駆動回路（３５、３６）とを含む磁気同調装置において、
前記主同調コイルが、第１同調コイル（３１）と第２同調コイル（３２）とで構成され、
前記コイル端子が、前記第１同調コイルに電流を供給するための第１コイル端子（３３ａ、３３ｂ）と、前記第２同調コイルに電流を供給するための第２コイル端子（３４ａ、３４ｂ）とで構成され、
さらに、前記駆動回路が、
前記第１コイル端子を介して前記第１同調コイルに電流を供給し、前記磁気共鳴素子に強度一定の磁界を印加させる第１駆動回路（３５）と、
前記第２コイル端子を介して前記第２同調コイルに電流を供給し、前記磁気共鳴素子に対し、その共鳴周波数が所望周波数となるための磁界と、前記第１同調コイルが前記磁気共鳴素子に印加する磁界との差分の磁界を印加させる第２駆動回路（３６）とによって構成されていることを特徴としている。

また、本発明の請求項２の磁気同調装置は、請求項１記載の磁気同調装置において、
前記第１駆動回路が前記第１同調コイルに供給する電流の雑音成分を除去するフィルタ（３７）を設けたことを特徴としている。

このように、本発明の磁気同調装置は、主同調コイルを第１同調コイルと第２同調コイルとで構成し、各同調コイルに対して独立に電流供給できるように第１コイル端子と第２コイル端子を設け、さらに、第１駆動回路により、磁気共鳴素子に強度一定の磁界を印加させ、第２駆動回路により、磁気共鳴素子の共鳴周波数が所望周波数となる磁界と、第１同調コイルが磁気共鳴素子に印加する磁界との差分の磁界を印加させているので、低い駆動電圧で磁気共鳴素子の共鳴周波数を可変することができる。

また、第１駆動回路が第１同調コイルに供給する電流の雑音成分を除去するフィルタ（３７）を設けているので、周波数切替の応答速度を低下させずに、信号純度や選択特性を向上させることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した磁気同調装置２０の構成を示している。

この磁気同調装置２０は、スペクトラムアナライザ等の局発用のもので、ＹＴＯ２１、第１駆動回路３５、第２駆動回路３６および設定部４０によって構成され、所定周波数範囲、例えば４０００〜８０００ＭＨｚの範囲で任意の周波数を出力する。

ＹＴＯ２１の磁気シールド用のケース２１ａの内部には、磁性体からなる円筒状のコア２２が収容されている。コア２２は、後述するＹＩＧ２５に磁界を集中的に印加させるためのものであり、上面が開口された有低の円筒部２２ａと、円筒部２２ａの開口を塞ぐ蓋部２２ｂとかなり、円筒部２２ａの中央には、円柱状の磁極２３が立設されている。

コア２２の磁極２３の先端と蓋部２２ｂとの間（磁気ギャップ）にはＹＩＧ２５が配置され、その近傍には、ＹＩＧ２５と結合し、これを帰還素子として発振動作する回路部２６が配置されている。ＹＩＧ２５および回路部２６は、装置として要求される出力周波数範囲（ｆ１〜ｆ２）で安定な発振動作が維持されるように構成され、コア２２内の図示しない支持材に支持されている。

また、回路部２６に対する電源供給は、ケース２１ａの外表部に設けられた電源端子２７を介して行われ、回路部２６によって得られた発振信号は、ケース２１ａの外表部に設けられた出力端子（コネクタ）２８を介して出力される。

コア２２の円筒部２２ａには、供給電流に比例した磁界をＹＩＧ２５に印加してＹＩＧ２５の共鳴周波数を下限周波数ｆ１から上限周波数ｆ２の範囲内で可変するための主同調コイル３０が磁極２３と同心に設けられている。この主同調コイル３０は、第１同調コイル３１と第２同調コイル３２とにより構成されている。

第１同調コイル３１と第２同調コイル３２は、図２の（ａ）に示すように、コア２２の径方向に分割して配置する形態、図２の（ｂ）に示すように、上下方向（磁極２３の長さ方向）に分割して配置する形態のいずれでもよく、また、図示しないが、第１同調コイル３１と第２同調コイル３２の巻線を重ね巻き（バイファイラ巻き）したり、一層毎に交互に巻くようにしてもよい。

第１同調コイル３１および第２同調コイル３２の両端は、ケース２１ａの外表部に設けられた第１コイル端子３３ａ、３３ｂおよび第２コイル端子３４ａ、３４ｂにそれぞれ接続されている。

なお、図示しないが、ＹＴＯ２１には、主同調コイル３０の他に、発振周波数をＰＬＬ制御する際等に用い、ＹＩＧ２５に印加される磁界の強さを微小に変化させるためのサブコイル（ＦＭコイル等ともいう）が設けられている。

ＹＴＯ２１の第１コイル端子３３ａ、３３ｂは第１駆動回路３５に接続され、第２コイル端子３４ａ、３４ｂは第２駆動回路３６に接続されている。

第１駆動回路３５および第２駆動回路３６は、ＹＩＧ２５の共鳴周波数を下限周波数ｆ１から上限周波数ｆ２までの任意の周波数ｆｘに設定するためのものであり、第１駆動回路３５は、電圧Ｂ１の電源供給を受け、第１コイル端子３３ａ、３３ｂを介して第１同調コイル３１に、入力される設定電圧Ｖ１に応じた電流Ｉ１を供給し、ＹＩＧ２５に対して、その共鳴周波数が例えば下限周波数ｆ１と等しく（あるいは僅かに低く）なる磁界を定常的に印加させる。

この第１駆動回路３５は、図３に示しているように、演算増幅器３５ａ、出力抵抗３５ｂ、トランジスタ３５ｃ、電流検知抵抗３５ｄからなる電圧・電流変換回路であり、設定電圧Ｖ１に対して、第１同調コイル３１に流れる電流Ｉ１と電流検知抵抗３５ｄの抵抗値との積が等しくなるように電流が制御される。

また、第１コイル端子３３ａ、３３ｂの間には、抵抗３７ａとコンデンサ３７ｂからなり時定数が十分大きなＣＲ形のフィルタ３７が接続されている。

一方、第２駆動回路３６は、電圧Ｂ２の電源供給を受け、第２コイル端子３４ａ、３４ｂを介して第２同調コイル３２に電流を供給し、ＹＩＧ２５に対して、その共鳴周波数が所望周波数ｆｘとなる磁界と、第１同調コイル３１がＹＩＧ２５に定常的に印加する磁界との差分の磁界を印加させる。

この第２駆動回路３６は、図４に示しているように、演算増幅器３６ａ、出力抵抗３６ｂ、トランジスタ３６ｃ、電流検知抵抗３６ｄからなる電圧・電流変換回路で構成され、入力される設定電圧Ｖ２に対して、第２同調コイル３２に流れる電流Ｉ２と電流検知抵抗３６ｄの抵抗値との積が等しくなるように電流が制御される。

設定部４０は、第１駆動回路３５と第２駆動回路３６に設定電圧Ｖ１、Ｖ２をそれぞれ出力する。設定電圧Ｖ１は固定値あるいは可変できる値のいずれでもよく、また、設定電圧Ｖ２は所望出力周波数や掃引指定周波数に応じて可変される値である。

ここで、第１同調コイル３１と第２同調コイル３２の代わりに一つの主同調コイルを考え、その主同調コイルのＹＩＧ２５に対する同調感度を２０ＭＨｚ／ｍＡとし、そのインダクタンスを４０ｍＨ、抵抗分を２０Ωとし、この主同調コイルを半分に分割したものを第１同調コイル３１と第２同調コイル３２とすれば、第１同調コイル３１および第２同調コイル３２のインダクタンスは１０ｍＨ、抵抗分は１０Ωとなる。

また、磁界の強さは、コイルの巻数に比例するので、各同調コイルについての同調感度は、１０ＭＨｚ／ｍＡとなる。

したがって、第１駆動回路３５の電流検知抵抗３５ｄの抵抗値を第１同調コイル３１の抵抗分１０Ωと等しく設定した場合、第１同調コイル３１に電流４００ｍＡを供給する、即ち、設定電圧Ｖ１を４ｖに設定することで、ＹＩＧ２５の共鳴周波数を下限周波数ｆ１（４０００ＭＨｚ）にすることができる。

また、第２駆動回路３６の電流検知抵抗３６ｄを第２同調コイル３２の抵抗分１０Ωと等しく設定した場合、第２同調コイル３２に０〜４００ｍＡの範囲で電流を供給する、即ち、設定電圧Ｖ２を、図５のように０〜４ｖの範囲の任意の値Ｖｘに設定することで、ＹＩＧ２５の共鳴周波数を、４０００〜８０００ＭＨｚの範囲の、
ｆｘ＝４０００＋（Ｖｘ／４）・４０００ （ＭＨｚ）
に設定することができる。

また、設定電圧Ｖ２をＶｘ１〜Ｖｘ２の範囲で掃引させれば、ＹＩＧ２５の共鳴周波数を、次の周波数ｆｘ１〜ｆｘ２の範囲で掃引させることができる。

ｆｘ１＝４０００＋（Ｖｘ１／４）・４０００ （ＭＨｚ）
ｆｘ２＝４０００＋（Ｖｘ２／４）・４０００ （ＭＨｚ）

また、この場合、第１駆動回路３５は、第１同調コイル３１に一定電流を供給しているだけなので、過渡応答を考慮する必要がなく、低電圧で駆動できる。

即ち、第１同調コイル３１の抵抗分と電流検知抵抗３５ｄを１０Ωとし、トランジスタ３５ｃのコレクタ・エミッタ間電圧Ｖceを２ｖとすれば、電源電圧Ｂ１として必要な最低電圧は、０．４（１０＋１０）＋２＝１０ｖであり、余裕をみても汎用的な１２ｖで済む。第２駆動回路３６についても同様であり、余裕分を電流変化のための分とすれば、１２ｖで済み、両駆動回路の電源を１２ｖで共通化することができる。

また、第１駆動回路３５のトランジスタ３５ｃに流れる電流の雑音成分は、時定数の十分低いフィルタ３７をバイパスし第１同調コイル３１に流れないので、第１同調コイル３１がＹＩＧ２５に印加する磁界も雑音成分の影響を受けず、この磁界に対してＹＴＯ２１が出力する信号の純度の低下はおこらない。

このため、従来のように一つの主同調コイル駆動するものや、特許文献１に示したように、主同調コイルを複数に分けて並列接続して駆動するものに比べて、信号純度を格段に高くすることができる。

なお、このＹＴＯ２１のように、主同調コイルを構成する第１同調コイル３１と第２同調コイル３２に対する電流供給をそれぞれ独立に行えるように２組のコイル端子３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂをケース２１ａの外表部に設けているので、第１同調コイル３１と第２同調コイル３２を直列に接続して単一の駆動回路で駆動する従来方式、また、第１同調コイル３１と第２同調コイル３２を並列接続して単一の駆動回路で駆動する特許文献１の方式にも対応でき、装置仕様に応じてコイルの接続形態や駆動形態を任意に選択することができる。

また、上記説明では、上限周波数ｆ２が下限周波数ｆ１の２倍の例で、第１同調コイル３１と第２同調コイル３２とが同一巻数（同一インダクタンス）の場合であったが、これは、本発明を限定するものではなく、上限周波数ｆ２と下限周波数ｆ１の比が２より小さい場合あるいは大きい場合であっても本発明を適用可能であり、周波数比と第１同調コイル３１と第２同調コイル３２の巻数比を必ずしも合わせる必要はない。

また、上記説明では、ＹＩＧ２５の共鳴周波数を下限周波数ｆ１にするための一定の磁界を第１同調コイル３１から印加させていたが、これは、本発明を限定するものではない。

例えば、図６に示すように、ＹＩＧ２５の共鳴周波数を下限周波数ｆ１と上限周波数ｆ２の中間の周波数ｆ３＝（ｆ１＋ｆ２）／２にするための磁界を第１同調コイル３１から定常的に印加させ、その周波数ｆ３と所望出力周波数との差分に相当する磁界を第２同調コイル３２から印加させてもよい。ただし、この場合、第２駆動回路３６として、第２同調コイル３２に供給する電流の向きを切替られるように構成する。

また、図７のように、ＹＩＧ２５の共鳴周波数を上限周波数ｆ２にするための磁界を第１同調コイル３１から定常的に印加させ、その周波数ｆ２と所望出力周波数との差分に相当する磁界を第２同調コイルから印加させてもよい。

また、ＹＩＧ２５の共鳴周波数を掃引する場合、その掃引下限周波数、掃引中心周波数あるいは掃引上限周波数に合わせて、設定電圧Ｖ１を可変設定し、第１同調コイル３１からＹＩＧ２５に定常的に印加される磁界の強度を、掃引下限周波数、掃引中心周波数あるいは掃引上限周波数に対応する強度に設定し、第２同調コイル３２から、掃引中の所望出力周波数との差分に相当する磁界が印加されるように、設定電圧Ｖ２を掃引する。

また、上記実施形態では、ＹＴＯを用いた磁気同調装置について説明したが、前記したように、ＹＩＧにより信号選択動作を行う回路部を有するＹＴＦを用いた磁気同調装置についても本発明を適用できる。

本発明の実施形態の構成図 第１同調コイルと第２同調コイルの配置例を示す図 実施形態の要部の構成例を示す図 実施形態の要部の構成例を示す図 実施形態の設定電圧と出力周波数との関係を示す図 実施形態の設定電圧と出力周波数の関係を示す図 実施形態の設定電圧と出力周波数の関係を示す図 従来装置の構成図 従来装置のコイル電流と出力周波数の関係を示す図

符号の説明

２０……磁気同調装置、２１……ＹＴＯ、２１ａ……ケース、２２……コア、２３……磁極、２５……ＹＩＧ、２６……回路部、２７……電源端子、２８……出力端子、３０……主同調コイル、３１……第１同調コイル、３２……第２同調コイル、３３ａ、３３ｂ……第１コイル端子、３４ａ、３４ｂ……第２コイル端子、３５……第１駆動回路、３６……第２駆動回路、３７……フィルタ、４０……設定部

Claims (2)

1. 印加される磁界の強度に比例して共鳴周波数が変化する磁気共鳴素子（２５）と、
   前記磁気共鳴素子と結合し、該磁気共鳴素子の共鳴周波数で発振動作または信号選択動作する回路部（２６）と、
   供給電流に比例する強度の磁界を前記磁気共鳴素子に印加するための主同調コイル（３０）と、
   前記磁気共鳴素子、前記回路部および前記主同調コイルを収容するケース（２１ａ）と、
   前記ケースの外部から前記主同調コイルに電流を供給するためのコイル端子（３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ）と、
   前記コイル端子を介して前記主同調コイルに電流を供給する駆動回路（３５、３６）とを含む磁気同調装置において、
   前記主同調コイルが、第１同調コイル（３１）と第２同調コイル（３２）とで構成され、
   前記コイル端子が、前記第１同調コイルに電流を供給するための第１コイル端子（３３ａ、３３ｂ）と、前記第２同調コイルに電流を供給するための第２コイル端子（３４ａ、３４ｂ）とで構成され、
   さらに、前記駆動回路が、
   前記第１コイル端子を介して前記第１同調コイルに電流を供給し、前記磁気共鳴素子に強度一定の磁界を印加させる第１駆動回路（３５）と、
   前記第２コイル端子を介して前記第２同調コイルに電流を供給し、前記磁気共鳴素子に対し、その共鳴周波数が所望周波数となるための磁界と、前記第１同調コイルが前記磁気共鳴素子に印加する磁界との差分の磁界を印加させる第２駆動回路（３６）とによって構成されていることを特徴とする磁気同調装置。
2. 前記第１駆動回路が前記第１同調コイルに供給する電流の雑音成分を除去するフィルタ（３７）を設けたことを特徴とする請求項１記載の磁気同調装置。

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