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Hmを印加するように配置されている。磁場Hm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Hm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Al2O3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Hmを印加するように配置されている。磁場Hm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IAを発生させる。導体103bは増幅電流IA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Hm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。
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。
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Hmを印加するように配置されている。この磁場Hm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Hm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。
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。
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Hm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IAを発生させる。前記ループ部は増幅電流IA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Hm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。
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。
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IAC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IAC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Hmを印加するように配置されている。磁場Hmは磁気抵抗効果素子205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IACを磁気抵抗効果素子205に印加すると、導体103は交流電流IACによって第2の磁場HACを発生する。導体103は、第1の磁場Hmと第2の磁場HAC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。
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IAC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IAC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IACにすることで、交流電流IACにより発生する磁場HAC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IACと、第1の磁場Hmと第2の磁場HAC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IAC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IAC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Hm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IAC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IAC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。