JP4422053B2 - 静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置 - Google Patents

Description

本発明は、フェリ磁性共鳴を利用した静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置に関する。

静磁波マイクロ波装置に使用される静磁波素子には、GGG（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）非磁性単結晶基板上に、フェリ磁性体である YIG（イットリウム・鉄・ガーネット）薄膜を液相エピタキシャル成長させた素子が一般的に用いられる。この静磁波素子は強い磁界を印加し磁気スピンを共鳴させることにより共振子として動作する。このときの共振周波数は印加する磁界の強さを変えることで、マイクロ波帯の周波数で 2 〜 3 オクターブの広帯域にわたり可変することができる。

図３によって、従来の静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置を説明する。図３は、従来の静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置の構成を示す断面図である。1 は静磁波素子、2 は発振回路基板、5 は永久磁石、6 はギャップ（空隙、または間隙）、7 は励磁コイル、8 は外部ヨーク、9 は磁界の方向を模式的に示す点線、10 は銅板、11 はマイクロストリップライン、14 は上部磁極、15 は下部磁極である。また、12 は静磁波発振装置を実装する電子回路基板である。

図３において、永久磁石 5 により発生される磁界を、永久磁石 5 の一方の極に取付けた下部磁極15 と、永久磁石 5 の他極に外部ヨーク 8 を経由して取付けた上部磁極 14 との間のギャップ 6（矢印が示す間隔）に集中させ、静磁波素子 1 をギャップ 6 内の発振回路基板 2 上に配置し、静磁波素子 1 による発振信号を銅板 10 を経由してマイクロストリップライン 11 により取出すことで静磁波発振装置を形成している。図３では模式的に複数の点線 9 で磁界を表わしている。点線 9 は磁力の方向を表し、点線 9 の密度が高いほど磁束密度が高いことを示す。図３では、静磁波素子 1 の中央部を垂直に通る部分が一番磁力が大きくなるように配置している。
静磁波素子用磁気回路とは、静磁波素子 1 の YIG 薄膜に垂直に直流磁界を印加するための手段であり、図３では、密閉型磁気回路筐体としての外部ヨーク 8 、永久磁石 5 、上部磁極 14 、下部磁極 15 、及び、励磁コイル 7 により静磁波素子用磁気回路が構成されている。上部磁極 14 、下部磁極 15 、及び、外部ヨーク 8 は、磁性材料から成る。

ここで、静磁波発振装置の発振周波数は、静磁波素子 1 に印加される磁界の強さに依存する。また、磁界の強さは、ギャップ 6 の間隔（即ち、上部磁極 14 と下部磁極 15 間の距離）に依存するため、一定の発振周波数を得るには、ギャップ 6 の間隔を一定に保つ必要がある。
また、この磁界の強さは、励磁コイル 7 に流れる電流を調整することにより、例えば比帯域（周波数可変幅／中心周波数）で約 20 ％程度変化させることが可能である。
また、励磁コイル 7 に電流が流れていないときに、上部磁極 14 および下部磁極 15 の間に印加される磁界 9 の基本的な強さは、永久磁石 5 の磁力の強さ、及びギャップ 6 の間隔に依存する。

上述のような静磁波発振装置は、フッ素樹脂基板等の上に設けられたマイクロストリップライン等を伝送線路として、他のマイクロ波集積回路と容易に接続ができる。
このような静磁波発振装置を、例えば無線装置に用いる FPU（ Field Pick-up Unit ）等の装置内の電子回路基板 12 に実装して使用する。
従来の静磁波発振装置に関する技術として、例えば特許文献１〜特許文献３がある。

特開平７−２１２１１２号公報 特開平６−１２５２２１号公報 特開２００１−２７４６２４号公報

上記従来技術においては、静磁波素子用磁気回路と静磁波素子とを用いて発振回路を形成するが、実際には、発振周波数の調整または変更が必要となる。発振周波数は、励磁コイル 7 に流れる電流を調整することによりある程度は調整できる。しかし、励磁コイル 7 で調整できる範囲（周波数）を超える発振周波数が必要な場合には、上部磁極 14 及び下部磁極 15 の間に印加される磁界の基本的な強さ（励磁コイル 7 に電流が流れていないときの磁界の強さ）を変える必要がある。
磁界の基本的な強さを変えるためには、永久磁石 5 の磁力の強さ、または、ギャップ6 の間隔を変える必要がある。
上述の従来技術では、ギャップ 6 の間隔は磁気回路の構造により決定され容易に変更できないため、ギャップ 6 の間隔の変更によって磁界の基本的な強さを調整することができない。

そのため、励磁コイル 7 で調整できる範囲以上の発振周波数の調整は、永久磁石 5 の磁力の強さを調整することにより行っていた。
永久磁石 5 の磁力の強さを調整するためには、永久磁石 5 に外部から磁力を加える必要があるが、静磁波素子用磁気回路を組立てた状態では外部ヨーク 8 が外部からの磁力に対し磁気シールドとして働き、永久磁石 5 に磁力を加えて磁力の強さを変更することができない。このため、静磁波素子用磁気回路または静磁波発振装置から永久磁石 5 を取出し、着磁装置により外部から磁界を加えて永久磁石 5 の磁力の強さを調整した後、静磁波素子用磁気回路の元の位置に永久磁石 5 を戻して組立て直し、発振周波数を測定するという作業を所望の発振周波数が得られるまで繰返す必要があり、静磁波素子用磁気回路または静磁波発振装置の製造に多くの時間を要するという欠点があった。
本発明の目的は、上記のような欠点を除去し、静磁波素子用磁気回路の発振周波数を容易に調整できる静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、ギャップの間隔を容易に変更する構成とすることで、磁界の強さを調整し、静磁波発振装置の発振周波数を容易に調整できる静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置を提供する。
このため、本発明の静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置は、外部ヨークを第１のヨーク部と第２のヨーク部とに分離し、第１のヨーク部と第２のヨーク部との間にスペーサを挿入する構成とする。
このとき、スペーサは高透磁率材料からなり、厚さの異なるスペーサを用いることで、ギャップの間隔を調整するようにするものである。

即ち、本発明の静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置は、静磁波発振装置の内部に組み込まれている磁石の一方の極に付けた磁極片と、他方の極に外部ヨークを経由して接続した磁極片とを設け、これらの一方及び他方の磁極片の間にギャップを設けた静磁波発振装置であって、永久磁石と、永久磁石の一方の極に付けた磁極片と、他方の極に磁束を閉じこめるための外部ヨークを経由して接続した磁極片との間に、非磁性単結晶基板上に設けた静磁波素子を配するためのギャップをもうけるように形成した静磁波素子用磁気回路において、非磁性単結晶基板上に設けた静磁波素子を配するためのギャップの間隔を調整することにより、静磁波素子により得られる発振周波数を調整する。
また好ましくは、上記の静磁波素子用磁気回路において、外部ヨークの一部に高透磁率材料で形成されたスペーサを挿入することにより、ギャップの間隔を調整する。
また好ましくは、上記の静磁波素子用磁気回路において、外部ヨークとこれを経由して接続する磁極片との接続をネジ構造により行い、磁極片を上下させることによりギャップの間隔を調整する。

永久磁石の磁力を調整すること無しに、空隙の間隔を変えることにより静磁波素子に印加される磁界の強さを調節し、静磁波素子用磁気回路の発振周波数を調整できる。

本発明は、永久磁石と、永久磁石の一方の極に付けた磁極片と、他方の極に磁束を閉じこめるための密閉型磁気回路筐体の外部ヨークを経由して接続した磁極片との間に、非磁性単結晶基板上に設けた静磁波素子を配するための空隙をもうけるように形成した静磁波素子用磁気回路において、空隙の間隔を調整または変更することにより、静磁波発振装置の発振周波数を調整または変更することが可能な静磁波素子用磁気回路または静磁波発振装置である。

このため本発明の第１の実施例は、静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置において、外部ヨークの一部に高透磁率材料で形成された厚さの異なるスペーサを発振周波数に応じて挿入することにより、空隙の間隔を調整する。

また本発明の第２の実施例は、静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置において、外部ヨークとこれを経由して接続する磁極片との接続構造をネジ構造とすることにより、外部からネジを回転させることによって磁極片を上下させ、空隙の間隔を調整する。

以下、本発明について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施例の静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置の構成を示す断面図である。図３と同じ構成要素には図３と同じ参照番号を付した。その他、8a は第１のヨーク部、8b は第２のヨーク部、外部ヨークは第１のヨーク部 8a と第２のヨーク部 8b に分離されており、その間（接続部）には、外部ヨークと同一もしくは、他の磁性材料により形成された薄板状のスペーサ 3 が挿入され、密閉型磁気回路筐体を構成している。スペーサ 3 は、高透磁率材料が望ましい。また、図１では、図３に記載した電子回路基板 12 を省略し、図示していない。
第１のヨーク部 8a 、スペーサ 3 、及び、第２のヨーク部 8b とは、ネジ止めにより接続する。もちろん、接続の方法は、接着剤による接着や、ロウ材等を使った溶接等でも良い。

第２のヨーク部 8b は、上部磁極 14 に接続され、永久磁石 5 による磁界（点線 9 で模式的に示す）は、上部電極 14 と下部電極 15 の間のギャップ（間隙）6 に集中する。
本発明の一実施例の静磁波素子用磁気回路は、図１では、密閉型磁気回路筐体としての外部ヨーク（第１のヨーク部 8a 、スペーサ 3 、及び、第２のヨーク部 8b ）、永久磁石 5 、上部磁極 14 、下部磁極 15 、及び、励磁コイル 7 により静磁波素子用磁気回路が構成されている。上部磁極 14 、下部磁極 15 、及び、外部ヨークは、磁性材料から成る。

磁界の強さは、励磁コイル 7 に電流を流すことによって微調整することができる。尚、本明細書の実施例の説明及び図では、静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置に供給する電源、及び入出力端子等を省略しているが、回路または装置の動作状況に応じて、適宜電源のオンオフ、電流値の調整制御、あるいは信号の入出力がなされる。

図１の実施例では、スペーサ 3 の厚さ、または、スペーサ 3 の数、の少なくともいずれかを変更することにより、ギャップ 6 の間隔を段階的に調整することにより、発振周波数の調整が可能である。
また図１の実施例では、スペーサ 3 の挿入位置を上部磁極14 側の外部ヨーク 8′に近いほうとしたが、静磁波発振装置を電子回路基板 12 に実装した場合に、電子回路基板 12 に接する側にスペーサ 3 を取付ける場合には、実装後に磁力の調整が難しいので、実装後に調整できるように電子回路基板 12 遠いほうにスペーサ 3 の挿入位置を設けても良い。

なお、図１の実施例では、スペーサ 3 の平面的形状については言及していないが、例えば、外形ヨークの形状に依存し、外形ヨークが平面的に方形であれば、方形が良いし、外形ヨークの大きさとほぼ同一が望ましい。しかし、発振周波数に応じて厚みの異なるスペーサを挿入する必要もあることから、少しずつ外形形状や寸法を変更したり、出っ張りやへこみを設けても良いことは言うまでもない。もちろん厚みまたは、変更あるいは調整できる周波数範囲に応じて１部または全体が着色されていても良い。

図２は、本発明の第２の実施例の静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置の構成を示す断面図である。図１または図３と同じ構成要素には同じ参照番号を付した。その他、8′は外部ヨーク、14′は上部磁極、13 はネジ構造部である。外部ヨーク 8′とネジ構造で接続された上部磁極 14′とで密閉型磁気回路筐体を構成している。また 12 は、静磁波発振装置を実装する電子回路基板である。

図２において、外部ヨーク 8′は、ネジ構造部 13 により上部磁極 14′と接続されるが、その他の部分は、図３と同様の構成である。
図２の実施例では、外部ヨーク 8′と上部磁極 14′がネジ構造で接続されているため、上部磁極 14′を回転させることにより上下させてギャップ 6 の間隔を連続的に調整することにより、発振周波数の調整が可能である。

また、図２の実施例では、上部磁極 14′を上下させることによりギャップ 6 の間隔を調整しているが、永久磁石及び下部磁極を同様の方法で上下させることによっても、同じ効果が得られることは言うまでもないし、上部磁極と下部磁極（または永久磁石）の両方を上下させても良い。

下部磁極を上下させる場合、永久磁石と下部磁極とを結合したかたちで上下させることも可能であるし、永久磁石だけあるいは下部磁極だけを上下させても良い。下部磁極だけを上下させるように構成するには、例えば、永久磁石の中央部を円筒状にくりぬき、内部を下部磁極とし、その間をネジ構造とすることによって実現できるし、さらに、その永久磁石の外側と外部ヨークとの間をネジ構造にして上下の調整を実現することもできる。

電子回路基板 12 に上記発明の静磁波発振装置を実装する場合には、図１と図２の実施例で上部磁極 14 または 14′側を下部磁極 15 側より電子回路基板 12 に近くなるように実装しているが、上部磁極 14 または 14′側を下部磁極 15 側より電子回路基板 12 に遠くなるように実装しても良い。例えば、上部磁極 14′側を上下させるときは、静磁波発振装置を電子回路基板 12 に実装した場合に、電子回路基板 12 に接する側に上下させるための調整部分（ネジの頭）があるので、実装後に磁力の調整が難しい。したがって、実装後に調整できるようにするために、（１）電子回路基板 12 の該当部分に開口部をもうけ、実装後、静磁波発振装置を取付けた面と反対側の電子回路基板 12 の面から磁力を調整するようにする。（２）電子回路基板 12 に取付る静磁波発振装置の面を、図２と遠い面あるいは異なる面にして、調整部分が電子回路基板 12 側にないようにしても良い。

また、上記実施例では、電子回路基板と静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置の静磁波素子を通る磁界の方向とがほぼ垂直な構成について述べている。しかし、このほか、本特許の出願人による別の出願（特願２００３−４２８４９５）の実施例に示すごとく、静磁波発振装置の磁極面の方向が垂直方向となる構成とすることにより、電子回路基板に実装後も容易に発振周波数の変更または調整が可能な静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置が実現できる。

上述のように、本発明によれば、永久磁石の磁力を調整すること無しに、空隙の間隔を変えることにより静磁波素子に印加される磁界の強さを調節し、静磁波素子用磁気回路の発振周波数を調整できる。
図１の実施例の場合は、ギャップの間隔は挿入するスペーサの厚さや数により段階的に変化するため、静磁波発振装置の発振周波数の調整も段階的な調整となるが、構造が簡単であるため、比較的容易に実現できる。
また図２の実施例の場合は、ネジ構造を利用することでギャップの間隔は連続的に変化でき、よって、静磁波発振装置の発振周波数も連続的に調整可能である。図２の実施例は、構造的には複雑であるが、外部ヨークおよび上部磁極または下部磁極あるいは永久磁石の少なくとも１つで形成するネジのピッチおよびネジ部の長さを調整することにより空隙の間隔を微細に調整することが可能なため、発振周波数の調整精度の向上が図れる。
また、静磁波素子用磁気回路を組立てた状態で、あるいは電子回路基板に実装した状態で、上部磁極を上下させることが可能であるため、周波数を測定しながら発振周波数の調整が可能となり、製造工程の大幅な縮減が図れる。

本発明の静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置の構成を示す断面図。 本発明の静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置の構成を示す断面図。 従来の静磁波素子用磁気回路及び静磁波発振装置の構成を示す断面図。

符号の説明

1：静磁波素子、 2：発振回路基板、 3：スペーサ、 5：永久磁石、 6：ギャップ、 7励磁コイル、 8、8′：外部ヨーク、 8a：第１のヨーク部、 8b：第２のヨーク部、 9：磁界を表わす点線、 10：銅板、 11：マイクロストリップライン、 12：電子回路基板、 14，14′：上部磁極、 15：下部磁極。

Claims (3)

1. 永久磁石と、該永久磁石の一方の極に付けた磁極片と、他方の極に磁束を閉じこめるための外部ヨークを経由して接続した磁極片との間に、非磁性単結晶基板上に設けた静磁波素子を配するためのギャップをもうけるように形成した静磁波素子用磁気回路において、
   上記非磁性単結晶基板上に設けた静磁波素子を配するためのギャップの間隔を、上記外部ヨークの一部に高透磁率材料で形成されたスペーサを挿入することによって調整することにより、上記薄膜状静磁波素子により得られる発振周波数を調整することを特徴とする静磁波素子用磁気回路。
2. 請求項１に記載の静磁波素子用磁気回路において、上記外部ヨークとこれを経由して接続する磁極片との接続をネジ構造により行い、上記磁極片を上下させることにより上記ギャップの間隔を調整することを特徴とする静磁波素子用磁気回路。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の静磁波素子用磁気回路と静磁波素子とから少なくともなる静磁波発振装置において、上記ギャップの間隔を調整することによって発振周波数を調整することを特徴とする静磁波発振装置。