JP6056630B2

JP6056630B2 - 発振器、送信装置、整流器、整流装置、受信器、受信装置および送受信装置

Info

Publication number: JP6056630B2
Application number: JP2013087511A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　英治; 英治鈴木; 鈴木　健司; 健司鈴木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2033-04-18
Also published as: JP2014212427A

Description

本発明は、発振器、送信装置、整流器、整流装置、受信器、受信装置および送受信装置に関する。

近年、磁気抵抗効果素子によるマイクロ波発振と受信が研究されている。例えば、特許文献１においては、ＣＣＰ―ＣＰＰ（ＣｕｒｒｅｎｔＣｏｎｆｉｎｅｄＰａｔｈ−ＣｕｒｒｅｎｔＰｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｔｏＰｌａｎｅ）発振素子に外部磁場を印加することによって、発振周波数を変化することができることが開示されている。

特開２００７−１２４３４０号公報

しかしながら従来技術においては、発振やマイクロ波受信に必要な磁場は、磁気抵抗効果素子に接続されていない外部の配線あるいは外部のコイルや磁石により発生させていた。例えば特許文献１においては、外部磁石と外部配線によって、磁場を発振素子である磁気抵抗効果素子に印加している。従って従来技術においては、部品点数が多くなり、発振器や検出器の寸法が大きくなるため、小型化が困難であった。

小型化のために、より強い磁場を発生する外部磁石を使用して、その磁石を小さい寸法で用いることが考えられる。しかし、磁石が発生する磁場強度を飛躍的に向上させることは、物質設計の根本からの研究開発が必要であり、ただちにそれを実現することは困難である。したがって発振器の小型化のためには、既存の磁石を小型化し、それによる磁場強度の低下を補う技術が必要である。また従来技術においては、外部配線に電流を流すための電力が必要であり、省エネルギー化が求められていた。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型化と消費電力低減が可能な発振器、送信装置、整流器、整流装置、受信器、受信装置を提供することを目的とする。また、そのような発振器と受信器を備えることによって、従来より小型化と消費電力低減が可能な送受信装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る発振器では、発振を開始するための閾値磁場がゼロよりも大きい発振部と、前記発振部に直列に接続された導体と、前記発振部に第１の磁場を印加する磁場印加手段を有する発振器であって、前記発振部と前記導体とは、前記導体を流れる電流により発生する第２の磁場が前記発振部に印加され、前記第１の磁場が前記閾値磁場よりも小さく、前記第１の磁場と前記第２の磁場との合成磁場が前記閾値磁場よりも大きくなるように配置されていることを特徴とする。これにより、発振器の小型化が可能となる。

さらに本発明の第２の態様に係る発振器では、前記閾値磁場が地磁気よりも大きいことを特徴とする。

さらに本発明の第３の態様に係る発振器では、第１の態様または第２の態様において、前記発振部が磁気抵抗効果素子であることを特徴とすることが好ましい。

本発明の第４の態様に係る送信装置では、第１の態様から第３の態様までのいずれか１態様に記載の発振器と、前記発振器と直流的に絶縁した電気回路とを有し、前記導体と前記電気回路を電磁気的に結合する電磁気結合手段を備えたことを特徴とする。

また本発明の第５の態様に係る整流器では、整流作用を発現するための閾値磁場がゼロよりも大きい整流部と、前記整流部に直列に接続された導体と、前記整流部に第１の磁場を印加する磁場印加手段を有する整流器であって、前記整流部と前記導体とは、前記導体を流れる電流により発生する第２の磁場が前記整流部に印加され、前記第１の磁場が前記閾値磁場よりも小さく、前記第１の磁場と前記第２の磁場との合成磁場が前記閾値磁場よりも大きくなるように配置されていることを特徴とする。

さらに本発明の第６の態様に係る整流器では、前記閾値磁場が地磁気よりも大きいことを特徴とする。

さらに本発明の第７の態様に係る整流器では、第５の態様または第６の態様において、前記整流部が磁気抵抗効果素子であることを特徴とすることが好ましい。

本発明の第８の態様に係る整流装置では、第５の態様から第７の態様までのいずれか１態様の整流器と、前記整流器と直流的に絶縁した電気回路とを有し、前記導体と前記電気回路とを電磁気的に結合する電磁気結合手段を備えたことを特徴とする。

本発明の第９の態様に係る受信器では、第５の態様から第７の態様までのいずれか１態様の整流器を信号の受信のために備えたことを特徴とする。

本発明の第１０の態様に係る受信装置では、第９の態様の受信器と、前記受信器と直流的に絶縁した電気回路とを有し、前記導体と前記電気回路とを電磁気的に結合する電磁気結合手段を備えたことを特徴とする。

本発明の第１１の態様に係る送受信装置では、第１の態様から第３の態様までのいずれか１態様の発振器と、第９の態様の受信器とを有し、前記発振器の前記導体と前記受信器の前記導体が電磁気的に結合することで、無線通信または無線電力伝送を行うことを特徴とする。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、小型化が可能な発振器、送信装置、整流器、整流装置、受信器、受信装置および送受信装置を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る発振器の模式図である。本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成例を示す図である。本発明の実施形態１に係る発振器の周辺回路を示す図である。本発明の実施形態２に係る発振器の模式図である。本発明の実施形態３に係る発振器の模式図である。本発明の実施形態４に係る発振器の模式図である。本発明の実施形態５に係る発振器の模式図である。本発明の実施形態５に係る整流器の周辺回路を示す図である。本発明の実施形態８に係る送信装置の回路図である。本発明の実施形態１１おける送受信装置を示す図である。

以下、図面を用いて本発明を実施するための形態の例を説明する。なお、以下の説明は本発明の実施形態の一部を例示するものであり、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、形態が本発明の技術的思想を有するものである限り、本発明の範囲に含まれる。各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせなどは一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

（実施形態１）
図１は実施形態１に係る発振器１００を示す図である。実施形態１に係る発振器１００は発振部１０１と、発振部１０１に直列に接続された導体１０３と、２つの磁石１０２とを備える。導体１０３は、直流電流Ｉを発振部１０１に流入させる導体１０３ａと、流出させる導体１０３ｂとを有する。ちなみに、ここでの磁石１０２は２つで例示しているが、１つでも発振部１０１に印加される磁場とすることができればよい。

しかしながら、磁石１０２は、１つより２つ配置する方が、発振部１０１に印加される磁場の偏りが少なくなるので好ましい。また磁石は、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金にボロンを混入した合金などで構成されるハードバイアス膜を用いてもよい。

磁石１０２は第１の磁場として、発振部１０１に磁場Ｈ_ｍを印加するように配置されている。磁場Ｈ_ｍは発振部１０１が発振するために必要な閾値磁場より小さい。ここで閾値磁場とは、発振部１０１に直流電流Ｉが供給されている場合に、発振部１０１が発振するために最低限必要な磁場の大きさである。

閾値磁場がゼロより大きい発振部を発振部１０１に用いて発振させるためには、直流電流Ｉとともにゼロより大きい磁場を発振部１０１に印加する必要がある。直流電流Ｉのみで発振しない発振部１０１を用いた場合には、地磁気以上の磁場を印加する。ちなみに、ここでの地磁気とは、発振器に作用する地球磁気を示し、例えば、地表における地球磁気は、目安として３７Ａ／ｍである。

発振器１００に直流電流Ｉを供給すると、導体１０３を流れる直流電流Ｉによって、第２の磁場Ｈが発生する。導体１０３は、第１の磁場Ｈ_ｍと第２の磁場Ｈとの合成磁場が前記閾値磁場より大きくなるように配置されている。発振部１０１は、直流電流Ｉと合成磁場が印加されることで発振する。

磁石１０２の位置を変化させることで印加磁場強度を調整すれば、発振部１０１の発振周波数を変化できる。

第１の磁場を印加する磁場印加手段は磁石に限られず、例えば、外部の配線、または外部のコイルや電磁石を用いることができる。

導体１０３は発振部１０１の極近傍に配置できるので、強い磁場を発振部１０１に印加できる。したがって、磁石などの外部の磁場印加機構から発振部１０１に印加する磁場を小さくできるので、外部の磁場印加機構を小型化できる。また、従来技術において用いていた磁場印加のための外部電流を不要または小さくできるため、省エネルギー化が可能になる。

発振部１０１は、例えば磁気抵抗効果素子を用いることができる。

図２には磁気抵抗効果素子の構成例を示す。磁気抵抗効果素子２０５は磁性層であるピン層２０６ａと、磁性層であるフリー層２０６ｂと、その間に配置されたスペーサ層２０７とを有する。ここでのピン層２０６ａの磁化方向は固定されており、矢印２０９ａはピン層２０６ａの磁化の固定方向を示す。フリー層２０６ｂの磁化方向は、電流を印加する前の状態では、有効磁場の方向を向いており、矢印２０９ｂは有効磁場の方向を示す。有効磁場は、フリー層２０６ｂ内で生じる異方性磁場、交換磁場、外部磁場、反磁場の和である。図２では、ピン層２０６ａの磁化の方向と、フリー層２０６ｂの有効磁場の方向が、互いに反対方向を向いているが、互いの方向はこれに限らない。

磁気抵抗効果素子２０５は特に限定されないが、例えばＧＭＲ素子、またはＴＭＲ素子、またはスペーサ層２０７の絶縁層中に電流狭窄パスが存在する磁気抵抗効果素子などを用いることができる。

磁気抵抗効果素子２０５にＧＭＲ素子を用いる場合、スペーサ層２０７は、例えば、銅など非磁性金属を用いることができる。ＧＭＲ素子のフリー層２０６ｂおよびピン層２０６ａの材料は、例えば、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金にボロンを混入した合金を用いることができる。ピン層２０６ａの磁化を固定するには、イリジウム、鉄、白金、マンガンなどの合金による反強磁性層との交換結合や、磁性金属多層膜（例えばコバルト鉄−ルテニウム−コバルト鉄の多層膜）による反強磁性結合を用いることができる。そして各層の厚さは０．１〜５０ｎｍ程度が好ましい。ＧＭＲ素子は、スペーサ層２０７が金属からなるため、他の磁気抵抗効果素子に比較して抵抗値が低い。このため、磁気抵抗効果素子２０５を低インピーダンスの回路に接続する際に、インピーダンス整合の観点で好ましい。

磁気抵抗効果素子２０５にＴＭＲ素子を用いる場合、スペーサ層２０７は、例えば、アルミナや酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の絶縁層を用いることができる。ＴＭＲ素子のフリー層２０６ｂおよびピン層２０６ａの材料は、例えば、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金としてボロンを混入した合金を用いることができる。ピン層２０６ａの磁化を固定するには、イリジウム、鉄、白金、マンガンなどの合金による反強磁性層との交換結合や、磁性金属多層膜（例えばコバルト鉄−ルテニウム−コバルト鉄の多層膜）による反強磁性結合を用いることができる。そして各層の厚さは０．１〜５０ｎｍ程度が好ましい。ＴＭＲ素子はスペーサ層２０７が絶縁層からなるため、他の磁気抵抗効果素子に比較して抵抗値が高い。このため、磁気抵抗効果素子２０５を高インピーダンスの回路に接続する際に、インピーダンス整合の観点で好ましい。

さらに磁気抵抗効果素子２０５に、スペーサ層２０７の絶縁層中に電流狭窄パスを有する磁気抵抗効果素子を用いる場合、そのスペーサ層２０７の絶縁層はＡｌ_２Ｏ_３等からなる。スペーサ層２０７の電流狭窄パスは、例えば銅などの非磁性金属や、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金にボロンを混入した磁性金属を用いることができる。この磁気抵抗効果素子２０５の磁化自由層および磁化固定層には、例えば、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金にボロンを混入した合金を用いることができる。ピン層２０６ａの磁化を固定するには、イリジウム、鉄、白金、マンガンなどの合金による反強磁性層との交換結合や、磁性金属多層膜（例えばコバルト鉄−ルテニウム−コバルト鉄の多層膜）による反強磁性結合を用いることができる。そして、各層の厚さは０．１〜５０ｎｍ程度が好ましい。この磁気抵抗効果素子２０５は、電流狭窄パスを有し、その電流狭窄パスによって電流密度を上げられる。このため、素子への投入電流を他の磁気抵抗効果素子に比較して小さくすることができる。この磁気抵抗効果素子２０５を発振部１０１に使用することによって、消費電力を抑えた回路とすることができる。

本実施形態に係る磁気抵抗効果素子２０５の自励発振について説明する。ここで自励発振とは、振動的でない直流電流により電気的振動が誘起される現象である。磁気抵抗効果素子２０５に直流電流Ｉを流すと、伝導電子２０８が直流電流Ｉとその逆方向、すなわちピン層２０６ａからスペーサ層２０７を介してフリー層２０６ｂに流れる。矢印２０９ａの方向に磁化したピン層２０６ａにおいて、伝導電子２０８のスピンは矢印２０９ａの方向に偏極する。矢印２０９ｃは伝導電子２０８のスピンの方向を表す。スピン偏極した電子２０８はスペーサ層２０７を介してフリー層２０６ｂに流れこむことで、フリー層２０６ｂの磁化と角運動量の受け渡しを行う。これによって、フリー層２０６ｂの磁化の方向を、有効磁場の方向を示す矢印２０９ｂの方向から傾かせようとする作用が働く。一方で、フリー層２０６ｂの磁化の方向を、有効磁場の方向を示す矢印２０９ｂの方向に安定させようとするダンピングの作用がはたらく。したがって、これら２つの作用がつりあって、フリー層の磁化方向は有効磁場の方向の周りを歳差運動する。この歳差運動を、フリー層の磁化方向を示す矢印２０９ｄの、有効磁場の方向を示す矢印２０９ｂのまわりの運動として表わし、一点鎖線２０９ｅによって矢印２０９ｄの歳差運動の軌跡を示す。フリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に対して高周波で変化するため、フリー層の磁化方向とピン層の磁化方向の相対角度に依存して抵抗が変化する磁気抵抗効果によって、抵抗値も高周波で変化する。直流電流Ｉに対して抵抗値が高周波で変化するので、およそ１００ＭＨｚから１ＴＨｚの高周波数で振動する電圧が発生する。有効磁場の方向は、ピン層２０６ａの磁化方向に対して反対方向である１８０度の角度を有するだけでなく、同じ方向である０度や、４５度、９０度、または１３５度のような角度を有することができる。

印加磁場と発振周波数は、おおよそ比例関係にある。したがって、高周波の発振を生じさせるためには、外部磁場は大きい方が望ましい。

図３は実施形態１に係る発振器１００を使用するための周辺回路の一例を示す図である。周辺回路３００は、直流電流源３０２と、負荷３０４と、インダクタＬａと、キャパシタＣａとからなる。インダクタＬａは発振器１００が発振した高周波出力の直流電流源３０２への流入を防ぎ、キャパシタＣａは直流電流の負荷３０４への流入を防ぐことができる。

直流電流源３０２から直流電流を発振器１００に供給すると、発振器１００は高周波を出力する。高周波の信号はインダクタＬａに比較してインピーダンスが小さいキャパシタＣａを主に通過し、負荷３０４で検出される。

以後の実施形態の説明においては、周辺回路３００は省略する。

（実施形態２）
以上では、発振部に供給する電流が発生する磁場を、発振部に印加する形態を説明した。実施形態２では、磁場を増加させる他の手段として、電流を増加させる手段を用いる。しかし、ここでの電流は発振部の耐電流を越えることができないため、実施形態２では、発振部に供給する電流を増加せずに、発振部に印加する磁場を大きくする。

図４は実施形態２に係る模式図である。実施形態２に係る発振器４００は、発振部１０１と、発振部１０１に直列に接続された導体１０３ａと導体１０３ｂと、２つの磁石１０２と、電流増幅手段である電流増幅部４０１とを有する。電流増幅部４０１は入力端と出力端とを有し、入力端から入力された電流を増幅して出力端に出力する。発振部１０１は電流増幅部４０１の入力端に直列に接続され、導体１０３ｂは電流増幅部４０１の出力端に直列に接続されている。

ここで２つの磁石１０２を例示しているが、磁石１０２は１つでも良い。ただし、２つの磁石を配置する方が、発振部１０１に印加される磁場の偏りが少なくなるので好ましい。また磁石には、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金にボロンを混入した合金などで構成されるハードバイアス膜を用いてもよい。

磁石１０２は第１の磁場として、発振部１０１に磁場Ｈ_ｍを印加するように配置されている。磁場Ｈ_ｍは発振部１０１が発振するために必要な閾値磁場より小さい。

発振部１０１に直流電流Ｉを流すと、電流増幅部４０１は増幅電流Ｉ_Ａを発生させる。導体１０３ｂは増幅電流Ｉ_Ａが流れることによって発振部１０１の位置に第２の磁場Ｈを発生させる。導体１０３ｂは、第１の磁場Ｈ_ｍと第２の磁場Ｈとの合成磁場が前記閾値磁場より大きくなるように配置されている。

磁石１０２の位置を変えることで、印加磁場強度を調整することができ、発振部１０１の発振周波数を変えることができる。

電流増幅部４０１には、トランジスタ、市販のチップ形状のアンプ、または増幅回路などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。

導体１０３は発振部１０１の極近傍に配置できるので、強い磁場を発振部１０１に印加できる。したがって、磁石などの外部の磁場印加機構からの磁場を大きくする必要がなくなるため、前記磁場印加機構を小型化できる。つまり、この構成により発振器全体の小型化が可能になる。

実施形態２は、より強い磁場が発振部１０１に印加できるので、より高周波数での発振を得ることができる。発振器４００は、導体１０３ｂを流れる電流の大きさが発振部１０１を流れる電流よりも大きくなるように構成されている。したがって、発振部１０１には大電流が流れないため、発振部１０１を過電流から保護することが可能である。

前記電流増幅手段の配置は、実施形態２で示したような、発振部１０１と前記電流増幅手段が直列である配置に限らない。導体１０３ｂを流れる電流の大きさが、発振部１０１を流れる電流よりも大きくなる構成ならばよい。たとえば、発振部１０１と前記電流増幅手段が並列となる配置を用いることができる。

（実施形態３）
発振部１０１に磁場を印加する導体をループ部とすることで、磁場をより効率的に印加できる実施形態３を説明する。

図５は実施形態３に係る模式図である。実施形態３に係る発振器５００は、発振部１０１と、発振部１０１に直列に接続された導体１０３ａと導体１０３ｂと、磁石１０２とを有する。導体１０３ａは磁場印加部であるループ部５０１を有する

磁石１０２は、１つより２つ配置する方が、発振部１０１に印加される磁場の偏りが少なくなるので好ましい。また磁石は、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金にボロンを混入した合金などで構成されるハードバイアス膜を用いてもよい。

磁石１０２は第１の磁場として、発振部１０１に磁場Ｈ_ｍを印加するように配置されている。この磁場Ｈ_ｍは発振部１０１が発振するために必要な閾値磁場より小さい。

発振部１０１に直流電流Ｉを流すと、ループ部５０１は発振部１０１の位置に第２の磁場Ｈを発生させる。ループ部５０１は、第１の磁場Ｈ_ｍと第２の磁場Ｈとの合成磁場が前記閾値磁場より大きくなるように配置されている。

たとえば、ループ部５０１の中心に発振部１０１を配置し、ループ部５０１はｎ巻きの半径ｒの形状とする。第１の磁場Ｈの方向は、おおよそ発振部１０１に流れる電流の方向となる。第１の磁場Ｈ［Ａ／ｍ］の大きさは、ビオ・サバールの法則により下の数式（１）によって求めることができる。
Ｈ＝ｎＩ／２ｒ・・・（１）
ここでＩ［Ａ］はループ部５０１を流れる直流電流、ｒ［ｍ］はループ部５０１の半径、ｎはループ部５０１の巻き数（ターン数）である。図５のループ部５０１は４ターンであるが、ループ部５０１のターン数は４ターンに限ったものではない。第１の磁場Ｈは、ループ部５０１の巻き数ｎや、直流電流Ｉ、または、ループ部５０１の半径ｒにより調整することができる。また、発振部１０１を貫通する第１の磁場Ｈの印加方向は、ループ部５０１の巻き方を逆巻きにすることで、逆の方向に調整することができる。

ループ部５０１は発振部１０１の極近傍に配置できるので、数式（１）が示すように半径ｒを小さくすることによって、より強い磁場を発振部１０１に印加することができる。したがって、磁石などの外部の磁場印加機構からの磁場を大きくする必要がなくなるため、磁場印加機構を小型化できる。また、従来技術において用いていた磁場印加のための外部電流を不要または小さくできるため、省エネルギー化が可能になる。

さらに、実施形態３におけるループ部５０１は、発振部１０１が発振した電力を電磁場として放出するアンテナとしても使用することができる。したがって、発振器から電磁場を外部へ放出させる場合、あらたにアンテナを設ける必要がなくなり、発振器全体の小型化が可能になる。ここでアンテナとは、波長より十分大きい距離へ電磁波を伝送させるためのアンテナだけでなく、波長と同程度、または波長より小さい距離へ電磁場を伝送させるアンテナや共振器等を意味する。

実施形態３では、ループ部が発生する磁場を効果的に発振部１０１に印加するために、発振部１０１の上側（直流電流Ｉの入力の導体１０３ａ側）にループ部５０１を配置したが、発振に必要な磁場が発振部１０１に印加されるならば他の配置でも良い。たとえば、導体１０３ｂにループ部を配置する構成を用いることができる。また、ループ部は同一平面上に形成したスパイラル状や、３次元に形成したソレノイド状を用いることもできる。

発振器５００の発振周波数は、磁石１０２の位置を変化させることで発振部１０１への印加磁場強度を調整することにより、変化させることができる。

図５において、発振部１０１が図２に示す磁気抵抗効果素子２０５である場合の第２の磁場Ｈの方向は、磁気抵抗効果素子２０５を構成する膜面に対して略面直方向である。一方で、磁気抵抗効果素子２０５は、膜面に対して略面内方向に磁場が印加されることで発振が生じる場合もある。その場合は、たとえば、磁気抵抗効果素子２０５の面内方向に第２の磁場Ｈが印加されるように、ループ部５０１の軸心を磁気抵抗効果素子２０５の膜面に対して平行になるように配置する。磁気抵抗効果素子２０５に印加する第２の磁場Ｈの方向は、膜面に対して面直方向や面内方向に限られず、ループ部と磁気抵抗効果素子２０５のなす角度を調整することにより、磁気抵抗効果素子２０５に印加する磁場の角度を任意に設定できる。

（実施形態４）
実施形態４では、実施形態２や実施形態３で説明した構成を用いる以上に、より強い磁場を発振部１０１に印加する。

図６は実施形態４に係る模式図である。実施形態４に係る発振器６００は、発振部１０１と、発振部１０１に直列に接続された導体１０３ａと導体１０３ｂと、２つの磁石１０２と、電流増幅部４０１を有する。導体１０３ｂはループ部を有し、ループ部はインダクタ６０１で表現される。発振部１０１は電流増幅部４０１の入力端に直列に接続され、ループ部は電流増幅部４０１の出力端に直列に接続されている。

ここでは２つの磁石１０２を用いる例を示しているが、磁石１０２の数は発振部１０１に磁場を印加できれば特に限定されない。ただし、例えば２つの磁石を配置する方が、発振部１０１に印加される磁場の偏りが少なくなるので好ましい。また磁石は、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金にボロンを混入した合金などで構成されるハードバイアス膜を用いてもよい。

磁石１０２は、発振部１０１が発振するために必要な閾値磁場より小さい第１の磁場Ｈ_ｍを発振部１０１に印加するように、配置されている。

発振部１０１に直流電流Ｉを流すと、電流増幅部４０１は増幅電流Ｉ_Ａを発生させる。前記ループ部は増幅電流Ｉ_Ａが流れることによって発振部１０１の位置に第２の磁場Ｈを発生させる。前記ループ部は、第１の磁場Ｈ_ｍと第２の磁場Ｈとの合成磁場が発振部１０１の閾値磁場より大きくなるように配置されている。

発振器６００の発振周波数は、磁石１０２の位置を変化させることで発振部１０１への印加磁場強度を調整することにより、変化させることができる。

電流増幅部４０１は、トランジスタ、市販のチップ形状のアンプ、または増幅回路などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。

前記ループ部は発振部１０１の極近傍に配置できるので、強い磁場を発振部１０１に印加できる。したがって、磁石などの外部の磁場印加機構からの磁場を大きくする必要がなくなるため、前記磁場印加機構を小型化できる。つまり、この構成により発振器全体の小型化が可能になる。

比較的強い磁場が発振部１０１に印加されるので、高周波数での発振に好ましい実施形態である。発振器６００は、導体１０３ｂを流れる電流の大きさが発振部１０１を流れる電流よりも大きくなるように構成されている。したがって、発振部１０１には大電流が流れないため、発振部１０１を過電流から保護することが可能である。

前記電流増幅手段の配置は、実施形態４で示したように、発振部１０１と前記電流増幅手段が直列である配置に限らない。前記ループ部を流れる電流の大きさが、発振部１０１を流れる電流よりも大きくなる構成ならばよい。たとえば、発振部１０１と前記電流増幅手段が並列となる配置を用いることができる。

以上に代表的な構成を示したが、本発明の実施形態はこれに限られるものではない。たとえば、発振部１０１をループ部の途中に配置する、または発振部１０１を別々のループ部の中間に配置する、または発振部１０１をループ部近傍の任意の位置に配置する構成を用いることができる。さらに、磁場印加部としてループ部を用いる説明をしたが、磁場印加部はループ部に限らない。たとえば磁場印加部は、ループを完全に形成するまでには至らない半周巻きの形状や、直線状などの他形状で構成してもよい。

（実施形態５）
実施形態５では、実施形態１の発振部１０１を整流部に置き換え、さらに直流電流Ｉを交流電流Ｉ_ＡＣにすることで、交流を直流に変換する整流器を示す。さらに実施形態５の整流器には、磁気抵抗効果素子２０５を用いる。

図７は、実施形態５の整流器の模式図を示す。実施形態５では、実施形態１の図１における直流電流Ｉを交流電流Ｉ_ＡＣとし、発振部１０１を磁気抵抗効果素子２０５を用いた整流部と置き換える。磁石１０２は第１の磁場として、磁気抵抗効果素子２０５に磁場Ｈ_ｍを印加するように配置されている。磁場Ｈ_ｍは磁気抵抗効果素子２０５が後述するスピントルクＦＭＲ（ＦｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ）効果が生じるのに必要な閾値磁場より小さい。ここで閾値磁場とは、磁気抵抗効果素子２０５に交流電流が供給されている場合に、磁気抵抗効果素子２０５がスピントルクＦＭＲ効果を発現するために最低限必要な磁場の大きさである。

導体１０３を介して交流電流Ｉ_ＡＣを磁気抵抗効果素子２０５に印加すると、導体１０３は交流電流Ｉ_ＡＣによって第２の磁場Ｈ_ＡＣを発生する。導体１０３は、第１の磁場Ｈ_ｍと第２の磁場Ｈ_ＡＣとの合成磁場が前記閾値磁場より大きくなるように配置されている。

その合成磁場が閾値磁場を越えている場合、磁気抵抗効果素子２０５は交流を直流に変換する。すなわち実施形態５の整流器７００は、交流を直流に変換する整流作用を示す整流器となる。

ここでスピントルクＦＭＲ効果について説明する。図２における磁気抵抗効果素子２０５に、各層の面直方向に交流電流を印加する場合を考える。交流の半周期で電子２０８がピン層２０６ａからフリー層２０６ｂへ注入される場合は、フリー層２０６ｂとピン層２０６ａの磁化が平行になるようにフリー層２０６ｂの磁化方向が回転し、磁気抵抗効果素子２０５の抵抗値が下がる。逆にフリー層２０６ｂからピン層２０６ａへ電子２０８が注入される半周期では、フリー層２０６ｂとピン層２０６ａの磁化方向は互いに反平行になるようにフリー層の磁化方向が回転し、抵抗値が上がる。交流電流により、この抵抗変化の現象が交互に起きて、振動電圧とともに直流電圧成分が発生する。すなわち交流を直流に変換する整流作用を示す。これをスピントルクＦＭＲ効果とよぶ。スピントルクＦＭＲ効果が発生する周波数、つまり整流周波数は印加磁場によるため、所望の周波数でスピントルクＦＭＲ効果を発生させるのに十分な磁場を印加する必要がある。

整流器７００の整流周波数は、磁石１０２の位置を変化させることで磁気抵抗効果素子２０５への印加磁場強度を調整することにより、変化させることができる。

導体１０３は整流部である磁気抵抗効果素子２０５の極近傍に配置できるので、強い磁場を整流部に印加できる。したがって、磁石などの外部の磁場印加機構からの磁場を大きくする必要がなくなるため、前記磁場印加機構を小型化できる。つまり、この構成により整流器全体の小型化が可能になる。

図８は実施形態５に係る整流器７００を使用するための周辺回路の一例を示す図である。周辺回路８００は、交流電流源８０２と、負荷８０４と、インダクタＬａと、キャパシタＣａとからなる。インダクタＬａは交流電流の負荷８０４への流入を防ぎ、キャパシタＣａはスピントルクＦＭＲ効果により発生した直流の交流電流源８０２への流入を防ぐことができる。

交流電流源８０２からの交流電流Ｉ_ＡＣは、インピーダンスが小さい容量Ｃａを通過するが、インピーダンスが大きいインダクタＬａはほとんど通過しない。そのため、交流電流Ｉ_ＡＣは効率良く整流器７００に供給される。整流器７００は交流を直流に変換し、直流出力は負荷８０４で検出される。

以後の実施形態の説明において、周辺回路８００は省略する。

（実施形態６）
実施形態６では、実施形態２から４において、発振部１０１を磁気抵抗効果素子２０５を用いた整流部と置き換え、さらに直流電流Ｉを交流電流Ｉ_ＡＣにすることで、交流電流Ｉ_ＡＣにより発生する磁場Ｈ_ＡＣを磁気抵抗効果素子２０５に効率良く印加する。実施形態６は、磁気抵抗効果素子２０５に交流電流Ｉ_ＡＣと、第１の磁場Ｈ_ｍと第２の磁場Ｈ_ＡＣとの合成磁場が印加されることで、スピントルクＦＭＲ効果により磁気抵抗効果素子２０５が交流を直流に整流するため、整流器になる。

さらに、実施形態３と４において、発振部１０１を磁気抵抗効果素子２０５を用いた整流部と置き換え、さらに直流電流Ｉを交流電流Ｉ_ＡＣにした実施形態６におけるループ部を、外部からの電磁場を受けて磁気抵抗効果素子２０５へ電力を供給するアンテナとしても使用することができる。したがって、整流器に外部から電磁場を供給する場合、あらたにアンテナを設ける必要がなくなり、整流器の小型化が可能になる。ここでアンテナとは、波長より十分大きい距離から到来する電磁波を受信するためのアンテナだけでなく、波長と同程度、または波長より小さい距離からの電磁場を受信するアンテナや共振器も含む。

実施形態６の整流器では磁場印加部にループ部を用いているが、磁場印加部はループ部のかわりにループを完全に形成するまでには至らない半周巻きの形状や、直線状などの他形状で構成してもよい。

（実施形態７）
実施形態７では、実施形態５または６において、交流電流Ｉ_ＡＣを信号電流にすることで、信号電流により発生する磁場を磁気抵抗効果素子２０５に効率良く印加する。実施形態７は、磁気抵抗効果素子２０５に信号電流と、第１の磁場Ｈ_ｍと信号電流により発生する磁場との合成磁場が印加されることでスピントルクＦＭＲ効果が生じるため、信号電流を直流に整流して受信する受信器となる。

（実施形態８）
実施形態８では、発振部の出力を無線伝送するために、発振器と直流的に絶縁した電気回路に、発振部の出力を電磁気的な結合で伝送する手段を設ける。電磁気的な結合には、電磁誘導による誘導結合、容量による結合、電磁気的な共鳴による結合、電磁波による結合などがあげられる。実施形態８では、誘導結合を用いた実施形態を説明する。

図９は、実施形態８に係る送信装置９００の回路図である。送信装置９００は、第１の電気回路９０１と第２の電気回路９０２とを有する。第１の電気回路９０１は、実施形態３の発振器５００と電気回路９０５とを有する。発振器５００のループ部５０１は、第１のインダクタ９０３で表現する。ここでは図の簡略化のため、磁石は省略して図示していない。第２の電気回路９０２は、導体９０４と電気回路９０６とを有する。電気回路９０６は、送信装置９００の外部へ信号を送信するアンテナを、図示しないが備えている。導体９０４はループ部を有し、それを第２のインダクタ９０７で表現する。発振器５００と第２の電気回路９０２は直流的に絶縁されている。第１のインダクタ９０３と第２のインダクタ９０７とは直流的には絶縁されているが、誘導結合している。

発振器５００が発振すると第１のインダクタ９０３には時間変動する電流が流れ、誘導結合により第２のインダクタ９０７を介して、電気回路９０２に電気回路９０１による信号が伝送される。

誘導結合の部分においてインピーダンス整合を考慮すれば、誘導結合部において反射が低減されるため、信号伝送がより効率的に行われる。第１の電気回路９０１のインピーダンスをＺ１、第２の電気回路９０２のインピーダンスをＺ２とする。この２つの電気回路のインピーダンスを整合させるために、第１のインダクタ９０３と第２のインダクタ９０７の巻き数を調節する。本手法はトランスによるインピーダンス整合の手法として知られている。下に示す数式（２）を満たすように第１のインダクタ９０３の巻き数Ｎ１と、第２のインダクタ９０７の巻き数Ｎ２を決定すれば、第１の電気回路９０１と第２の電気回路９０２のインピーダンスが整合する。
（Ｎ１／Ｎ２）^２＝Ｚ１／Ｚ２・・・（２）

発振部１０１に印加する磁場の大きさは、数式（１）で示したようにインダクタの巻き数により調整することができる。インピーダンス整合のために第１のインダクタ９０３の巻き数Ｎ１が調整されると、発振部１０１に印加する磁場が変更されるので、第２のインダクタ９０７の巻き数Ｎ２が調整されるのが望ましい。

第１のインダクタ９０３と第２のインダクタ９０７は、たとえばループ部の軸部分に鉄芯やその他の磁石を配置した構成や、トロイダルコアに第１のインダクタ９０３と第２のインダクタ９０７を設けた構成であっても良い。その構成は、誘導結合を強めたい場合に好ましい形態である。

発振器として実施形態３の発振器５００を例にあげて説明したが、発振器は特に限定されず、例えば、他の実施形態における発振器を用いることができる。

（実施形態９）
実施形態９では、実施形態８の発振器５００において、発振部１０１を磁気抵抗効果素子２０５用いた整流部に置き換える。この構成で、導体９０４に交流電流Ｉ_ＡＣを流すと、誘導結合した第１のインダクタ９０３が発生する磁場と電流が、磁気抵抗効果素子２０５に印加されるので、実施形態９は磁気抵抗効果素子２０５のスピントルクＦＭＲ効果により交流電流から直流電圧を発生させる整流装置となる。

整流装置の構成は、実施形態８の発振器５００における発振部１０１を磁気抵抗効果素子２０５を用いた整流部に置き換える構成に限らない。例えば実施形態８において、発振器５００を他の実施形態における発振器とし、さらに発振部１０１を整流部である磁気抵抗効果素子２０５におきかえても整流装置を構成することができる。その構成で、導体９０４に交流電流Ｉ_ＡＣを流すと、電磁的な結合により発生する磁場と電流が、磁気抵抗効果素子２０５に印加されるので、磁気抵抗効果素子２０５はスピントルクＦＭＲ効果により交流電流から直流電圧を発生させる。ここで電磁気的な結合とは、電磁誘導による誘導結合、容量による結合、電磁気的な共鳴による結合、電磁波による結合などを意味するが、これに限ったものではない。

（実施形態１０）
実施形態１０では、実施形態９で説明した整流装置において、導体９０４に信号電流を流し、電磁的な結合により発生する磁場と電流を、磁気抵抗効果素子２０５に印加する。この場合、磁気抵抗効果素子２０５はスピントルクＦＭＲ効果により信号電流を直流に整流して受信するので、実施形態１０は受信装置をとなる。ここで電磁気的な結合とは、電磁誘導による誘導結合、容量による結合、電磁気的な共鳴による結合、電磁波による結合などを意味するが、これに限ったものではない。

（実施形態１１）
発振部１０１に磁場を印加する導体を、通信用のアンテナとして利用する実施形態１１を説明する。

図１０は実施形態１１に係る送受信装置を示す図である。送受信装置１０００は発振器１００１ａと受信器１００１ｂからなる。発振器１００１ａは、１例として実施形態３とする。発振器１００１ａは発振部１０１と、発振部１０１に直列に接続され、発信信号を入力する導体１０３ａと導体１０３ｂとを有する。導体１０３ａはループ部５０１を有する。ここでは図の簡略化のため、磁石は図示していない。受信器１００１ｂはループ部５０１が発生した電磁場を受ける手段を有する導体１００２と、導体１００２が受けた電磁場を受信信号に変換する変換部１００３とを有する。

送受信装置１０００の動作を説明する。ここでの説明においては、通信符号化方式にＮＲＺ（Ｎｏｎ−Ｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ−Ｚｅｒｏ）を用いる。ＮＲＺは信号が「１」の時に電圧はゼロでなく、信号が「０」の時に電圧をゼロとする符号化方式である。但し、本発明で用いることができる符号化方式はこれに限ったものではない。

信号値が「１」の時は、ループ部５０１と発振部１０１とに「１」の時間間隔だけ電流が流れ、ループ部５０１は磁場Ｈを発生させる。発振部１０１は発振に必要な電流と磁場Ｈが印加されることによって、所望の周波数で発振する。ループ部５０１は発振した電圧が印加されることで、磁場Ｈと重畳して電磁場ＥＭを発生させる。電磁場ＥＭは受信器１００１ｂの導体１００２で受信される。受信された電磁場は変換部１００３において受信信号に変換され、信号値「１」が伝達される。

信号値が「０」の時は、発振部１０１に電流が流れず、磁場も発生しないので、電磁場は受信器１００１ｂに伝送されない。つまり、信号値「０」が伝達される。

本実施形態では、発振部１０１に磁場を印加するために設けたループ部５０１を、無線伝送用のアンテナとしても利用する。したがって、新たに無線伝送用のアンテナを設ける必要がなくなり、送受信装置の小型化が実現できる。

また、信号値が「０」の時はループ部５０１に電流が流れないため、通信に不要な電磁場が発生しない。つまり本実施形態は、省電力化、低ノイズ化の効果も期待できる。

ループ部５０１と導体１００２間の伝送は、例えば２つのループ部を対向させる電磁誘導法や、インダクタンスとキャパシタンスとで共振周波数が決まるＬＣ共鳴による電磁共鳴法、パターン導体の線路長により共振周波数が決まる電磁共鳴法、導体間の容量による結合などを利用できる。

変換部１００３は磁気抵抗効果素子２０５であっても良い。信号値「１」の時間間隔で発振部１０１が発振した高周波出力が、ループ部５０１と導体１００２を介して磁気抵抗効果素子２０５に入力されると、磁気抵抗効果素子２０５はスピントルクＦＭＲ効果により、高周波出力を直流出力に変換する。つまり、高周波出力となって伝送された信号値「１」を復調する。

磁気抵抗効果素子２０５を、ループ部５０１と導体１００２とで生じる磁場を印加できるように配置することで、磁気抵抗効果素子２０５に磁場を印加する機構を小型化することができ、送受信装置の小型化を実現できる。

実施形態１１では発振器１００１ａに実施形態３の発振器を使用する場合を示したが、実施形態３に限らず、他の実施形態の発振器を用いることもできる。受信器１００１ｂは、実施形態７で説明した受信器を使用することができる。つまり、発振器と受信器を同じ構成として送受信装置を構成することが可能であるし、あるいはまた、発振器と受信器を異なる構成として送受信装置を構成することも可能である。それらの送受信装置では、磁場を印加する導体部を無線伝送に使用するアンテナとしても利用する。したがって、新たに無線伝送用のアンテナを設ける必要がなくなり、送受信装置の小型化が実現できる。ここでアンテナとは、波長より十分に大きい距離間での通信に用いるアンテナだけでなく、波長と同程度、または波長より小さい距離間の通信に用いるアンテナや共振器も含む。

また、本実施形態は無線給電に応用することが可能である。入力を常に前記信号値が「１」の状態とすれば、常に発振信号すなわちエネルギーが受信器１００１ｂに供給されるので、無線電力供給が可能である。

本発明に係る発振器、送信装置、整流器、受信器、受信装置および送受信装置は、無線通信や無線電力給電などに利用可能である。

１０１・・・発振部、Ｉ・・・電流、１０３・・・導体、１０３ａ・・・発振部に電流を流入する導体、１０３ｂ・・・発振部から電流を流出させる導体、１０２・・・磁石、Ｈ、Ｈ_ｍ・・・磁場、２０５・・・磁気抵抗効果素子、４０１・・・電流増幅部、５０１・・・ループ部、Ｈ_ＡＣ・・・磁場、９０１、９０２・・・電気回路、９０３、９０７・・・インダクタ、１００１ａ・・・発振器、１００１ｂ・・・受信器、１００２・・・導体、１００３・・・変換部

Claims

発振を開始するための閾値磁場がゼロよりも大きい発振部と、
前記発振部に直列に接続された導体と、
前記発振部に第１の磁場を印加する磁場印加手段を有する発振器であって、
前記発振部と前記導体とは、前記導体を流れる電流により発生する第２の磁場が前記発振部に印加され、前記第１の磁場が前記閾値磁場よりも小さく、前記第１の磁場と前記第２の磁場との合成磁場が前記閾値磁場よりも大きくなるように配置されていることを特徴とする発振器。
前記閾値磁場が地磁気よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の発振器。
前記発振部が磁気抵抗効果素子であることを特徴とする、請求項１または２に記載の発振器。
請求項１から３までのいずれか１項に記載の発振器と、
前記発振器と直流的に絶縁した電気回路とを有し、
前記導体と前記電気回路を電磁気的に結合する電磁気結合手段を備えたことを特徴とする送信装置。
整流作用を発現するための閾値磁場がゼロよりも大きい整流部と、前記整流部に直列に接続された導体と、前記整流部に第１の磁場を印加する磁場印加手段を有する整流器であって、前記整流部と前記導体とは、前記導体を流れる電流により発生する第２の磁場が前記整流部に印加され、前記第１の磁場が前記閾値磁場よりも小さく、前記第１の磁場と前記第２の磁場との合成磁場が前記閾値磁場よりも大きくなるように配置されている整流器を、信号の受信のために備えた受信器と、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の発振器とを有し、
前記発振器の前記導体と前記受信器の前記導体とが電磁気的に結合することで、無線通信または無線電力伝送を行うことを特徴とする送受信装置。