JP6135269B2 - 発振器、整流器および送受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、発振器、整流器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（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｐａｔｈ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ Ｐｌａｎｅ）発振素子に外部磁場を印加することによって、発振周波数を変え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、自励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では、外部磁石と外部配線によって、磁場を自励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。

そこで本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型化が可能な発振器または整流器を提供することを目的とする。また、そのような発振器と整流器を備えることによって、従来より小型化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、発振周波数が磁場により可変な発振部と、前記発振部に接続された導体と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が前記発振部を流れる電流よりも大きく、前記導体を流れる電流が発生する磁場が前記発振部に印加され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。

本発明の第２の態様に係る発振器では、さらに、発振周波数が磁場により可変な発振部と、電流を増幅する電流増幅部と、前記発振部に磁場を印加する磁場印加部とを有する発振器であって、前記電流増幅部は入力端と出力端とを有し、前記入力端から入力された電流を増幅して前記出力端に出力し、前記発振部は前記入力端に直列に接続され、前記磁場印加部は前記出力端に直列に接続されていることを特徴とする。

本発明の第３の態様に係る発振器では、発振周波数が磁場により可変な発振部と、電流を増幅する電流増幅部と、前記発振部に磁場を印加する磁場印加部とを有する発振器であって、前記電流増幅部は入力端と出力端とを有し、前記入力端から入力された電流を増幅して前記出力端に出力し、前記発振部と前記電流増幅部とは並列に接続され、前記磁場印加部は前記出力端に直列に接続されていることを特徴とする。

さらに、本発明の第４の態様に係る発振器では、第１の態様から第３の態様に係る発振器までのいずれか１態様の発振器において、前記発振部が発振を開始するための閾値磁場がゼロよりも大きく、前記磁場が前記閾値磁場よりも大きいことを特徴とする。

さらに本発明の第５の態様に係る発振器では、第１の態様から第３の態様までのいずれか１態様の発振器において、前記発振部が、磁気抵抗効果素子、ジョセフソン素子または磁気共鳴フィルタを有するフィルタ付発振器であることを特徴とすることが好ましい。

本発明の第６の態様に係る整流器では、整流周波数が磁場により可変な整流部と、前記整流部に接続された導体と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が前記整流部を流れる電流よりも大きく、前記導体を流れる電流が発生する磁場が前記整流部に印加されるように配置されていることを特徴とする。

本発明の第７の態様に係る整流器では、整流周波数が磁場により可変な整流部と、電流を増幅する電流増幅部と、前記整流部に磁場を印加する磁場印加部とを有する整流器であって、前記電流増幅部は入力端と出力端とを有し、前記入力端から入力された電流を増幅して前記出力端に出力し、前記整流部は前記入力端に直列に接続され、前記磁場印加部は前記出力端に直列に接続されていることを特徴とする。

本発明の第８の態様に係る整流器では、発振周波数が磁場により可変な整流部と、電流を増幅する電流増幅部と、前記整流部に磁場を印加する磁場印加部とを有する整流器であって、前記電流増幅部は入力端と出力端とを有し、前記入力端から入力された電流を増幅して前記出力端に出力し、前記整流部と前記電流増幅部とは並列に接続され、前記磁場印加部は前記出力端に直列に接続されていることを特徴とする。

さらに本発明の第９の態様に係る整流器では、第６の態様から第８の態様に係る整流器までのいずれか１態様の整流器において、前記整流部が整流作用を発現するための閾値磁場がゼロよりも大きく、前記磁場が前記閾値磁場よりも大きいことを特徴とする。

さらに本発明の第１０の態様に係る整流器では、第６の態様から第８の態様に係る整流器までのいずれか１態様の整流器において、前記整流部が、磁気抵抗効果素子またはジョセフソン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１１の態様に係る送受信装置では、第１の態様に係る発振器と、第６の態様に係る整流器とを有し、前記発振器の前記導体と前記整流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。

さらに本発明の第１２の態様に係る送受信装置では、第２の態様または第３の態様の発振器と、第７の態様または第８の態様の整流器とを有し、前記発振器の前記磁場印加部と前記整流器の前記磁場印加部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。

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または整流器を提供することができる。また、そのような発振器と整流器を備えることによって、従来よりも小型化が可能な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。 本発明の実施形態に係るフィルタ付き発振器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６に係る発振器の模式図である。 本発明の実施形態７に係る整流器の模式図である。 本発明の実施形態６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１０に係る送信装置の回路図である。 本発明の実施形態１３に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に係る発振器の模式図である。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１０３ａと導体１０３ｂと、電流増幅手段である電流増幅部１０４とを有する。電流増幅部１０４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１０４の入力端に直列に接続され、導体１０３ｂは電流増幅部１０４の出力端に直列に接続されている。

発振部１０１に直流電流Ｉを流すと、電流増幅部１０４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、第１の磁場Ｈを発生させる。導体１０３ｂは、第１の磁場Ｈが発振部１０１が発振するための閾値磁場よりも大きくなるように配置されている。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。発振部１０１は、直流電流Ｉと第１の磁場Ｈが印加されることで発振する。

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。

導体１０３ｂは発振部１０１の極近傍に配置でき、閾値以上の強い磁場を発振部１０１に印加できる。したがって、発振器全体の小型化が可能になる。

発振器１００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。

電流増幅手段である電流増幅部は、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。

発振部１０１は、例えば磁気抵抗効果素子や、発振回路と磁気共鳴を用いたフィルタで構成されるフィルタ付発振器や、ジョセフソン素子や、ゼーマンレーザー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。

また、発振部１０１は発振回路と磁気共鳴を用いたフィルタで構成されるフィルタ付発振器を用いることができる。図３はフィルタ付発振器の構成例を示した図である。フィルタ付発振器３００は発振回路３０１と、磁気共鳴を用いたフィルタ３０２と、導体１０３とからなる。導体１０３は、フィルタ付発振器３００に電流を供給する部分と、フィルタ付発振器３００から電流が流出する部分と、発振回路３０１とフィルタ３０２を接続する部分とを含む。フィルタ付発振器３００においては、磁気共鳴を用いたフィルタ３０２に、電流が発生する磁場を効率良く印加できるように、導体１０３と、磁気共鳴を用いたフィルタ３０２を配置することが望ましい。

磁気共鳴を用いたフィルタを利用したフィルタ付発振器３００には、例えばＹＩＧ発振器を用いることができる。ＹＩＧとはＹｔｔｒｉｕｍ Ｉｒｏｎ Ｇａｒｎｅｔ／Ｙ_３Ｆｅ_２（ＦｅＯ_４）_３の略である。ＹＩＧ発振器は発振回路とＹＩＧにより構成される。ＹＩＧは球状が好ましい。ＹＩＧの単結晶フェライトで作った球は、磁場を印加すると鋭い磁気共鳴を示すため、その周波数の信号を通過させるフィルタとして機能する。発振回路に電流を流すと発振が生じ、フィルタとして機能するＹＩＧに発振信号を通過させることで、発振は鋭いピークのスペクトルとなって出力される。

ＹＩＧが通過させる信号の周波数は、印加磁場の大きさにおおよそ比例する磁気共鳴周波数で決定される。従って、磁気共鳴を用いたフィルタを利用したフィルタ付発振器３００においても、高周波で発振させるためには大きな外部磁場が必要となる。

発振部１０１に、交流ジョセフソン効果を用いた発振素子を用いることもできる。交流ジョセフソン効果は、２つの超伝導体を接続したジョセフソン接合部に閾値以上の直流電流を供給すると、接合部に交流電流が流れる効果である。さらに、外部磁場をジョセフソン接合部に印加することで、交流の周波数を変化できることが知られている。したがって、交流ジョセフソン効果を用いた発振素子は、外部磁場により周波数可変な発振部として用いることができる。

発振部１０１に、ゼーマンレーザーを用いることもできる。ゼーマンレーザーは、磁場により原子のエネルギー準位が分裂するゼーマン効果を用いたレーザーであり、磁場と電流をレーザー発振部に印加すると、周波数の異なる２つの偏光成分を発振する。さらに磁場により、発振周波数を変化できることが知られている。したがって、ゼーマンレーザーは、外部磁場により周波数可変な発振部として用いることができる。

図４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４００は、直流電流源４０２と、負荷４０４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４０２への流入を防ぎ、キャパシタＣａは直流電流の負荷４０４への流入を防ぐことができる。

直流電流源４０２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４０４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４００は省略する。

（実施形態２）
実施形態２では、実施形態１に比較して、より強い磁場を発振部に印加する磁場印加部を設けた発振器について説明する。

図５は実施形態２に係る発振器の模式図である。実施形態２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、電流増幅部１０４とを有する。導体１０３ｂは磁場印加部であるループ部を有し、ループ部はインダクタ５０２で表現される。発振部１０１は電流増幅部１０４の入力端に直列に接続され、ループ部は電流増幅部１０４の出力端に直列に接続されている。

発振部１０１に直流電流Ｉを流すと、電流増幅部１０４は増幅電流Ｉ_Ａを発生させる。ループ部は増幅電流Ｉ_Ａが流れることによって、第１の磁場Ｈを発生させる。ループ部は、第１の磁場Ｈが発振部１０１が発振するための閾値磁場よりも大きくなるように配置されている。

実施形態２は、磁場印加部であるループ部を構成してより強い磁場を発振部１０１に印加できる。したがって実施形態２は、素子を電流から保護しつつより高周波の発振を得たい場合に、より好ましい形態である。

さらに、ループ部は、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を意味する。

（実施形態３）
図６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、磁石６０１と、電流増幅部１０４を有する。発振部１０１は電流増幅部１０４の入力端に直列に接続され、導体１０３ｂは電流増幅部１０４の出力端に直列に接続されている。

実施形態３では、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。ただし磁石６０１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。磁石６０１は第２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。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。

発振部１０１に直流電流Ｉを流すと、電流増幅部１０４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１の磁場Ｈを発生させる。導体１０３ｂは、第１の磁場Ｈと第２の磁場Ｈ_ｍとの合成磁場が閾値磁場より大きくなるように配置されている。

また、磁石６０１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２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。

実施形態３は、第１の磁場Ｈと第２の磁場Ｈ_ｍとの合成磁場とにより、比較的強い磁場を発振部１０１に印加できる。したがって、より高周波数での発振を得たい場合に、より好ましい実施形態である。

（実施形態４）
実施形態４では、実施形態２と実施形態３の構成を併用し、より強い磁場を発振部１０１に印加でき、さらに高周波の発振を得ることができる。

図７は実施形態４に係る発振器の模式図である。実施形態４に係る発振器７００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６０１と、電流増幅部１０４を有する。導体１０３ｂは磁場印加部であるループ部を有し、ループ部はインダクタ５０２で表現される。発振部１０１は電流増幅部１０４の入力端に直列に接続され、ループ部は電流増幅部１０４の出力端に直列に接続されている。

発振部１０１に直流電流Ｉを流すと、電流増幅部１０４は増幅電流Ｉ_Ａを発生させる。磁場印加部である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１の磁場Ｈを発生させる。ループ部は、第１の磁場Ｈと第２の磁場Ｈ_ｍとの合成磁場が閾値磁場より大きくなるように配置されている。

実施形態４は、磁場印加部であるループ部が増幅電流により発生させる第１の磁場Ｈと、外部磁場印加機構による第２の磁場Ｈ_ｍとの合成磁場とにより、比較的強い磁場を発振部１０１に印加できる。したがって、さらに高周波数での発振を得たい場合に、より好ましい実施形態である。

（実施形態５）
電流増幅手段の配置は、実施形態１から４で示したように、発振部１０１と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。実施形態５では、発振部１０１と電流増幅手段が並列となるように配置する。

図８は実施形態５に係る発振器の模式図である。実施形態５に係る発振器８００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とを有する。さらに発振器８００は、発振部１０１と電気的並列に電流増幅部１０４を有する。発振部１０１の入力端は電流増幅部１０４の入力端に接続され、発振部１０１の出力端は電流増幅部１０４の出力端に接続されている。

発振器８００に直流電流Ｉを流すと、電流増幅部１０４は増幅電流を発生させる。導体１０３ｂは、発振部１０１を通過した電流と増幅電流を足した電流Ｉ_Ａが流れることによって、第１の磁場Ｈを発生させる。導体１０３ｂは、第１の磁場Ｈが発振部１０１が発振するための閾値磁場よりも大きくなるように配置されている。

実施形態５は、直流電流Ｉを発振部１０１と電流増幅部１０４に分流するため、発振部１０１に流れる電流をより小さくできる。発振部１０１の耐電流が小さく、素子を電流から保護しつつ高周波の発振を得たい場合に、より好ましい形態である。

実施形態５では、発振部１０１の入力端と電流増幅部１０４の入力端が接続されている形態を説明したが、電流増幅部１０４の入力端が外部の電流供給源に接続されている構成を用いることもできる。その構成においても、導体１０３ｂを流れる電流の大きさを、発振部１０１を流れる電流よりも大きくすることができる。

（実施形態６）
実施形態５では発振部１０１と電流増幅部１０４とが並列となる配置を説明したが、実施形態６では、直列に接続された磁場印加部と電流増幅部１０４とを、発振部１０１に並列に接続して構成した発振器を示す。

図９は実施形態６に係る発振器の模式図である。実施形態６に係る発振器８００ｂ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、電流増幅部１０４と、磁場印加部とを有する。磁場印加部はループ部からなり、インダクタ５０２で表現する。電流増幅部１０４とループ部とは直列に接続されており、その直列接続は発振部１０１に並列に接続されている。電流増幅部１０４の入力端は発振部１０１の入力端に接続され、電流増幅部１０４の出力端はループ部に直列に接続されている。

発振器８００ｂに直流電流Ｉを流すと、電流増幅部１０４は増幅電流Ｉ_Ａを発生させる。磁場印加部であるループ部は、増幅電流Ｉ_Ａが流れることによって、第１の磁場Ｈを発生させる。ループ部は、第１の磁場Ｈが発振部１０１が発振するための閾値磁場よりも大きくなるように配置されている。

実施形態６は、直流電流Ｉを発振部１０１と電流増幅部１０４に分流するため、発振部１０１に流れる電流をより小さくできる。発振部１０１の耐電流が小さく、素子を電流から保護しつつ高周波の発振を得たい場合に、より好ましい形態である。

実施形態６では、発振部１０１の入力端と電流増幅部１０４の入力端が接続されている形態を説明したが、電流増幅部１０４の入力端が外部の電流供給源に接続されている構成を用いることもできる。その構成においても、導体１０３ｂを流れる電流の大きさを、発振部１０１を流れる電流よりも大きくすることができる。

本発明の発振器は上記の実施形態に限らず、例えば、発振部１０１に印加される磁場は、閾値磁場に比較して小さく、さらに別の磁場を印加することで発振させる強度でもよい。また、閾値磁場が０［Ａ／ｍ］の発振部１０１に対して、所望の周波数で発振を生じさせるために、実施形態１から６を用いても良い。さらに、磁場印加部としてループ部を用いる形態を説明したが、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、直線状や曲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１の発振器１００において、発振部１０１を整流部と置き換え、さらに直流電流Ｉを交流電流Ｉ_ＡＣにすることで、交流を直流に変換する整流器を示す。とくに実施形態７では、整流部を磁気抵抗効果素子２０５とする

図１０は、実施形態７の整流器９００の模式図を示す。実施形態７における整流器９００では、実施形態１の直流電流Ｉを交流電流Ｉ_ＡＣとし、発振部１０１に置き換えた整流部として磁気抵抗効果素子２０５を用いる。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１０３ｂは増幅された交流電流Ｉ_ＡＣ−Ａによって磁場Ｈ_ＡＣを発生する。導体１０３ｂは、磁場Ｈ_ＡＣが磁気抵抗効果素子２０５に印加されるように配置する。この磁場Ｈ_ＡＣが、後述するスピントルクＦＭＲ（Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）効果が生じるのに必要な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７の整流器９００は整流器となる。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。

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。

導体１０３ｂ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。導体１０３ｂは増幅された交流電流Ｉ_ＡＣ−Ａにより、閾値以上の強い磁場を整流部に印加できる。したがって、整流器全体の小型化が可能になる。

整流器９００は、導体１０３ｂを流れる電流の大きさが整流部である磁気抵抗効果素子２０５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、整流部には大電流が流れないため、整流部を過電流から保護することが可能である。

整流部には、磁気抵抗効果素子だけでなく、例えば、ジョセフソン素子を用いることもできる。

電流増幅手段である電流増幅部は、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。

図１１は実施形態７に係る整流器９００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１０００は、交流電流源１００２と、負荷１００４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１００４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１００２への流入を防ぐことができる。

交流電流源１００２からの交流電流Ｉ_ＡＣは、インピーダンスが小さいキャパシタ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９００に供給される。整流器９００は交流電流Ｉ_ＡＣを直流に変換し、直流出力は負荷１００４で検出される。

以後の実施形態の説明において、周辺回路１０００は省略する。

（実施形態８）
実施形態８では、実施形態２から６において発振部１０１を置き換えた整流部として磁気抵抗効果素子２０５を用い、さらに直流電流Ｉを交流電流Ｉ_ＡＣにすることで、増幅電流Ｉ_ＡＣ−Ａ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８は、磁気抵抗効果素子２０５に交流電流Ｉ_ＡＣと磁場Ｈ_ＡＣ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は交流を直流に整流するため、整流器となる。

さらに、磁場印加部であるループ部を、外部からの電磁場を受けて整流器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意味する。

本発明の整流器は上記の実施形態７と８に限られず、例えば、磁気抵抗効果素子２０５に印加される磁場は、スピントルクＦＭＲ効果が生じるための閾値磁場に比較して小さく、別の磁場を印加することでスピントルクＦＭＲ効果を発現させる強度でもよい。また、閾値磁場が０［Ａ／ｍ］の磁気抵抗効果素子２０５に対して、所望の周波数でスピントルクＦＭＲ効果を生じさせるために、本発明を用いても良い。さらに、整流器においても、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９）
実施形態９では、実施形態７または８で説明した整流器において、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９は、磁気抵抗効果素子２０５に信号電流と、信号電流により発生する磁場が印加されることでスピントルクＦＭＲ効果が生じ、信号電流を直流に整流して受信するので、受信器となる。

（実施形態１０）
実施形態１０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１０では、誘導結合を用いた実施形態を説明する。

図１２は、実施形態１０に係る送信装置１１００の回路図である。送信装置１１００は、第１の電気回路１１０１と第２の電気回路１１０２とを有する。第１の電気回路１１０１は、実施形態２の発振器５００と電気回路１１０５とを有する。発振器５００のループ部は、第１のインダクタ５０２で表現する。ここでは図の簡略化のため、実施形態２の電流増幅部１０４は省略して図示していない。第２の電気回路１１０２は、導体１１０７と電気回路１１０６とを有する。電気回路１１０６は、送信装置１１００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１１０７はループ部を有し、それを第２のインダクタ１１０４で表現する。発振器５００と第２の電気回路１１０２は直流的に絶縁されている。第１のインダクタ５０２と第２のインダクタ１１０４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５０２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１１０４を介して、電気回路１１０２に電気回路１１０１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１１０１のインピーダンスをＺ１、第２の電気回路１１０２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５０２と第２のインダクタ１１０４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。下の数式（２）を満たすように第１のインダクタ５０２の巻き数Ｎ１と、第２のインダクタ１１０４の巻き数Ｎ２を決定すれば、第１の電気回路１１０１と第２の電気回路１１０２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インダクタの巻き数により調整できる。インピーダンス整合のために第１のインダクタ５０２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１１０４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５０２と第２のインダクタ１１０４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５０２と第２のインダクタ１１０４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２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１１）
実施形態１１では、実施形態１０の発振器５００において、発振部１０１を磁気抵抗効果素子２０５を用いた整流部に置き換える。実施形態１１は、導体１１０７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５０２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、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整流装置となる。

整流装置の構成は、実施形態１０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。実施形態１１では実施形態２の発振器５００を用いているが、実施形態１から６におけるいずれの発振器を用いてもよい。その発振器の発振部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１１０７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整流装置となる。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１２）
実施形態１２では、実施形態１１で説明した整流装置において、導体１１０７に信号電流を流すと、電磁的な結合により発振器内で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。実施形態１２は、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、受信装置となる。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１３）
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１３を説明する。

図１３は実施形態１３に係る送受信装置を示す図である。送受信装置１２００は発振器１２０１ａと受信器１２０１ｂからなる。発振器１２０１ａは、１例として実施形態２を用いる。つまり発振器１２０１ａ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とを有し、導体１０３ｂはループ部１２０２ａを有する。ここでは図の簡略化のため、電流増幅部は省略して図示していない。受信器１２０１ｂはループ部１２０２ａが発生した電磁場を受ける手段を有する導体１２０２ｂと、導体１２０２ｂが受けた電磁場を受信信号に変換する変換部１２０３とを有する。

送受信装置１２００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１２０２ａと発振部１０１とに「１」の時間間隔だけ電流が流れ、ループ部１２０２ａ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１２０２ａ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１２０１ｂの導体１２０２ｂで受信される。受信された電磁場は変換部１２０３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１２０１ｂ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１２０２ａ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。

また、信号値が「０」の時はループ部１２０２ａ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１２０２ａと導体１２０２ｂ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１２０３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１２０２ａと導体１２０２ｂ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１２０２ａと導体１２０２ｂ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または不要とすることができ、送受信装置の小型化を実現できる。

実施形態１３では発振器１２０１ａに実施形態２の発振器を使用する場合を示したが、実施形態２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１２０１ｂは、実施形態９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、その他の無線伝送部も含む。

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１２０１ｂ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または整流器、送信装置または整流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、１０４…電流増幅部、Ｈ…磁場、２０５…磁気抵抗効果素子、５０２…インダクタ、６０１…磁石、Ｈ_ＡＣ…磁場、１１０１、１１０２…電気回路、１１０４…インダクタ、１２０１ａ…発振器、１２０１ｂ…受信器、１２０２ａ…ループ部、１２０２ｂ…導体、１２０３…変換部

Claims (5)

1. 発振周波数が磁場により可変な発振部と、
   前記発振部に接続された導体と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が前記発振部を流れる電流よりも大きく、前記導体を流れる電流が発生する磁場が前記発振部に印加されるように配置されていることを特徴とする発振器。
2. 発振周波数が磁場により可変な発振部と、
   電流を増幅する電流増幅部と、
   前記発振部に磁場を印加する磁場印加部とを有する発振器であって、
   前記電流増幅部は入力端と出力端とを有し、
   前記入力端から入力された電流を増幅して前記出力端に出力し、
   前記発振部は前記入力端に直列に接続され、
   前記磁場印加部は前記出力端に直列に接続されていることを特徴とする発振器。
3. 発振周波数が磁場により可変な発振部と、
   電流を増幅する電流増幅部と、
   前記発振部に磁場を印加する磁場印加部とを有する発振器であって、
   前記電流増幅部は入力端と出力端とを有し、
   前記入力端から入力された電流を増幅して前記出力端に出力し、
   前記発振部と前記電流増幅部とは並列に接続され、
   前記磁場印加部は前記出力端に直列に接続されていることを特徴とする発振器。
4. 前記発振部が発振を開始するための閾値磁場がゼロよりも大きく、
   前記磁場が前記閾値磁場よりも大きいことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の発振器。
5. 前記発振部が、磁気抵抗効果素子、ジョセフソン素子または磁気共鳴フィルタを有するフィルタ付発振器であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の発振器。

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