JP6540019B2 - 高周波発信機 - Google Patents

Description

本発明は、高周波電磁波を発信する高周波発信機に関するものである。

従来、高周波発信機として、例えば特許文献１に示される無線通信システムが提案されている。このような無線通信システムは、電気的エネルギーを高周波電力に変換する変換部と、変換された高周波電力を発信部へ送る高周波電力媒介手段と、送られた高周波電力を電磁波に変えて外部へ発信する発信部を備える。高周波電磁波は例えば１０ＧＨｚ以上の電磁波であり、高周波電力媒介手段は例えば導波管であり、発信部は例えばアンテナである。特許文献１に示された無線通信システムでは、送受信装置が変換部に、ＲＦ同軸ケーブルが高周波電力媒介手段に、アンテナが発信部に相当する。

このような構成により、電源から供給される電気的エネルギーを変換部により高周波電力に変換し、高周波電力を高周波電力媒介手段により発信部へ送り、発信部により電磁波に変えて外部へ発信することで、互いに離れた複数の装置の間で通信が可能となる。

特開２０１４−１３２２６３号公報

通常、変換部にはコンデンサ、コイル、水晶振動子、半導体素子等複数の部品が必要であるため、これら複数の部品は、回路基板上に実装されることで基板化されて設置される。変換部を基板化すると、変換部にはアンテナを設置する余地が少なくなるため、変換部とアンテナは離して設置されることが多い。そのため、離して設置された変換部とアンテナとの間での高周波電力媒介手段が必要となり、導波管等が用いられる。

しかしながら、上記した特許文献１に示される無線通信システムのように、ＲＦ同軸ケーブルや導波管等の高周波電力媒介手段によって高周波電力を媒介すると、高周波電力が大幅に減衰するため、システム全体で効率が低下するという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、高周波電力の媒介を回避し、システム全体で効率を向上させることができる高周波発信機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、電気的エネルギーを高周波電力に変換する変換部（１０〜１８）と、変換部にて変換された高周波電力を電磁波に変えて変換部の外部の空間へ発信する発信部（１）とを備える高周波発信機であって、変換部は、電気的エネルギーに応じて高周波電力を変調する機能を有する磁性発振素子（２）を有し、磁性発振素子は、薄膜状の一対の電極（１１、１８）を含み、磁化方向が固定されたピン層（１４）と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層（１６）と、ピン層とフリー層との間に配置された中間層（１５）と、を一対の電極の間に備え、ピン層、中間層、フリー層で構成される素子の抵抗値は、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向との間の角度によって変化し、発信部は、磁性発振素子と一体的に構成され、磁性発振素子には、一対の電極のうち一方を挟んだ外側において、スペーサー層（２ｂ）と、磁性発振素子に外部磁界を印加するための外部磁界発生用磁性層（２ｃ）とが順に積層されていることを特徴とする。

これによれば、磁性発振素子と発信部が一体的に構成されているため、導波管等の高周波電力媒介手段が不要となり、高周波電力の減衰が抑制されて、システム全体の効率が向上する。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態における高周波発信機を適用した発信システムの全体構成図である。 第１実施形態における高周波発信機の断面図である。 第１実施形態における高周波発信機の変形例の断面図である。 第２実施形態における高周波発信機の断面図である。 第２実施形態における高周波発信機の変形例の断面図である。 第３実施形態における高周波発信機の断面図である。 第４実施形態における高周波発信機の配置図である。 第５実施形態における高周波発信機の配置図である。 第５実施形態における高周波発信機の変形例の配置図である。 他の実施形態における発信システムの全体構成図である。 他の実施形態における磁性発振素子および外部磁界印加部の断面図である。 他の実施形態における外部磁界の位置依存性を示すグラフである。 他の実施形態における磁性発振素子および外部磁界印加部の断面図である。 他の実施形態における外部磁界の位置依存性を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。ここでは、本発明の第１実施形態が適用された高周波発信機を有する発信システムを例に挙げて説明する。本実施形態で説明する高周波発信機は、例えば自動車に搭載されて車車間通信や路車間通信に用いられるが、携帯電話等の情報通信機器等、自動車以外に高周波発信機を用いることもできる。また、ミリ波レーダーに高周波発信機を用いることもできる。ミリ波レーダーは、例えば、ＡＣＣ（アダプティブクルーズコントロール）を行うために、自車と先行車の距離および相対速度を測定するものである。

以下、図１、図２を参照して、本実施形態にかかる高周波発信機について説明する。まず、図１を参照して、本実施形態にかかる発信システムの全体構成について説明する。

発信システムは、アンテナ１と磁性発振素子２を備えた高周波発信機と、電源３、外部磁界印加部４、制御部５を備える。なお、外部磁界印加部４は、後述するように、磁性発振素子２と一体的に構成される場合がある。

アンテナ１は、高周波電力が供給されることにより高周波電磁波を外部へ発信する部分であり、本発明の発信部に相当する。本実施形態では、アンテナ１は、高周波発信機を電源３に接続するための配線を兼ねている。

磁性発振素子２は、供給された直流電流・電圧を高周波電力に変換する部分であり、複数の膜が積層された構成とされている。磁性発振素子２の詳細については後述する。

電源３は、アンテナ１および磁性発振素子２に直流電流・電圧を供給する装置であり、この電源３より供給される直流電流・電圧の大きさに基づいて、磁性発振素子２より発生させられる高周波電力の周波数が変化する。例えば、電源３が定電圧源であれば、後述する磁性発振素子２の抵抗の変化により発生する高周波電流の周波数は、電源３が供給する電圧の大きさにより変化する。また、電源３が定電流源であれば、磁性発振素子２の抵抗の変化により発生する高周波電圧の周波数は、電源３が供給する電流の大きさにより変化する。

外部磁界印加部４は、磁性発振素子２に外部磁界を印加し、磁性発振素子２により発生する高周波電力の周波数を変化させる部分である。

外部磁界印加部４は、外部磁界発生装置２１と、外部磁界制御電源２２を有した構成とされている。外部磁界発生装置２１は、ここでは、コイルであり、外部磁界制御電源２２から電流が流されることにより、磁界を発生させ、磁性発振素子２に印加する部分である。

外部磁界発生装置２１は、ここでは、磁性発振素子２を構成する複数の膜の膜面面内方向における一方向の両側に配置され、外部磁界を膜面垂直方向に印加する。具体的には、外部磁界発生装置２１を構成する２つのコイルの軸が膜面垂直方向に向けられ、２つのコイルを構成する巻き線に、コイルの軸方向から見て互いに同じ向きに回るように、外部磁界制御電源２２からの電流が流れる。これにより、各コイルにおいて、各コイルを同じ向きに通り、磁性発振素子２を膜面垂直方向に通る磁界が発生し、それらの磁界が合成されて、２つのコイルの間に置かれた磁性発振素子２を膜面垂直方向に通る磁界が発生する。

なお、磁性発振素子２の膜面面内方向に磁界を印加してもよい。この場合、例えば、上記のように配置したコイルの軸を膜面面内方向の一方向に向け、２つのコイルを構成する巻き線に、コイルの軸方向から見て互いに同じ向きに回るように、外部磁界制御電源２２からの電流を流す。これにより、各コイルにおいて、各コイルを同じ向きに通る磁界が発生し、それらの磁界が合成されて、２つのコイルの間に置かれた磁性発振素子２を膜面面内方向の一方向に通る磁界が発生する。

また、コイルを磁性発振素子２の膜面垂直方向の一方または両方の外側に配置し、コイルの軸を膜面垂直方向に向け、外部磁界制御電源２２からの電流を流すことで、磁性発振素子２の膜面垂直方向に磁界を印加してもよい。

制御部５は、状況に応じて電源３、外部磁界制御電源２２を操作する部分であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。制御部５は、電源３、外部磁界制御電源２２に接続されている。

つぎに、図２を参照して、磁性発振素子２の詳細について説明する。

磁性発振素子２は、基板１０上に、下部電極１１、下地層１２、反強磁性層１３、ピン層１４、中間層１５、フリー層１６、キャップ層１７、上部電極１８が順に積層されて構成されている。これらのうち下部電極１１と上部電極１８は、本発明の一対の電極に相当する。なお、図２における上下の向きは、基板１０から下向きに各層が並ぶ向きとされている。

本実施形態では、基板１０は導電性基板であり、例えばＣｕ、Ａｕ等で構成される。基板１０の上には、図示しないＴａ層が形成されている。Ｔａ層は、基板との濡れ性や、下部電極１１以降の層の配向性のために基板１０上に形成されるものである。下部電極１１は、Ｒｕ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ａｕ等の導電性材料で構成されており、図示しないＴａ層上に薄膜状に形成されている。

下地層１２は、Ｔａ、Ｒｕ等で構成されており、下部電極１１上に薄膜状に形成されている。下地層１２は、結晶性、配向性を向上させて反強磁性層１３を成膜するための下地となるものである。

反強磁性層１３は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等で構成されており、下地層１２上に薄膜状に形成されている。反強磁性層１３は、交換結合により、ピン層１４の磁化方向を固定するためのものである。

ピン層１４は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の強磁性材料で、または強磁性材料とＢとで構成されており、反強磁性層１３上に薄膜状に形成されている。反強磁性層１３との交換結合により、ピン層１４の磁化方向は、ここでは、膜面面内方向に固定されている。なお、上記の材料に加え、Ｐｔ、Ｐｄを用いてピン層１４を構成してもよい。また、ＧａＭｎ、ＦｅＰｔ（Ｐｄ）、ＣｏＰｔ（Ｐｄ、Ｎｉ）等の高磁気異方性材料を用いてピン層１４を構成してもよい。

なお、図示しないが、下地層１２と反強磁性層１３との間には、ＮｉＦｅ等で構成される磁性層が形成されている。また、反強磁性層１３とピン層１４との間には、ＣｏＦｅ等で構成される磁性層と、Ｒｕ等で構成され、上下に形成された磁性層の磁化方向をＲＫＫＹ相互作用により固定する層が形成されている。

つまり、反強磁性層１３をＩｒＭｎで構成し、ピン層１４をＣｏＦｅＢで構成する場合、下地層１２と中間層１５に挟まれた層は、下地層１２側から順に、ＮｉＦｅ／ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ等の積層構造とされている。

本実施形態の磁性発振素子２は、このように、Ｒｕ等のＲＫＫＹ相互作用を用い、複数の磁性層により構成されたシンセティックフェリ磁性層を含んでいる。シンセティックフェリ磁性層を用いた構成では、Ｒｕを挟んで上下に形成された２つの磁性層の磁化の向きを互いに逆にすることで、これら２つの磁性層からの漏れ磁界がフリー層１６に与える影響を低減することができる。

中間層１５は、ＭｇＯ、Ａｌ−Ｏ_ｘ、Ｃｕ、Ａｇ等で構成され、ピン層１４上に薄膜状に形成されている。ピン層１４の磁化方向とフリー層１６の磁化方向との間の角度によって、ピン層１４、中間層１５、フリー層１６で構成される素子の抵抗値が変化する。中間層１５をＭｇＯ、Ａｌ−Ｏ_ｘ等の絶縁体で構成した場合、ピン層１４、中間層１５、フリー層１６の積層によりＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子が構成される。また、中間層１５をＣｕ、Ａｇ等の導体で構成した場合、ピン層１４、中間層１５、フリー層１６の積層によりＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子が構成される。なお、ここでは中間層１５を絶縁体や導体で構成する場合について説明したが、中間層１５を半導体で構成することもできる。

フリー層１６は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の強磁性材料で、または強磁性材料とＢとで構成されており、中間層１５上に薄膜状に形成されている。フリー層１６は、外部磁界印加部４が発生させる外部磁界によって磁化方向が変化する。なお、上記の材料に加え、Ｐｔ、Ｐｄを用いてフリー層１６を構成してもよい。また、ＧａＭｎ、ＦｅＰｔ（Ｐｄ）、ＣｏＰｔ（Ｐｄ、Ｎｉ）等の高磁気異方性材料を用いてフリー層１６を構成してもよい。また、フリー層１６を、ＣｏＦｅＢ／ＧａＭｎ、ＣｏＦｅＢ／ＦｅＰｔ等の積層構造としてもよい。また、フリー層１６を、ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＧａＭｎ等の積層構造としてもよい。

キャップ層１７は、Ｔａ、Ｒｕ等で構成されており、フリー層１６上に薄膜状に形成されている。キャップ層１７は、加工の工程においてフリー層１６を保護するためのものである。また、後述するようにフリー層１６にＣｏＦｅＢ等を用いる場合は、ＣｏＦｅＢ中のＢを拡散させるための吸収層としての役割も担う。

上部電極１８は、Ａｕ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ｒｕ等の導電性材料で構成されており、キャップ層１７上に薄膜状に形成されている。このような磁性発振素子２は、基板１０上に各層を順に成膜していくことで製造できる。

ピン層１４やフリー層１６にＣｏＦｅＢを用いる場合は、まずＣｏＦｅＢをアモルファス状に成膜する。ただし、Ｂを入れているので、特に何もしなくてもアモルファスとなる。そのアモルファスＣｏＦｅＢ上にＭｇＯを（００１）配向して成膜する。その上にＣｏＦｅＢをアモルファス状に成膜し、キャップ層１７を成膜する。その後、３００〜３５０℃で熱処理を行うことで、ＣｏＦｅＢ中のＢがＭｇＯ層やキャップ層１７、または下地層１２に拡散し、アモルファスからｂｃｃ（００１）配向に結晶化する。このようにＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢが結晶化することで、高いＭＲ比（磁気抵抗比）、すなわち高周波電磁波の高出力化につながる。

磁性発振素子２とアンテナ１を別々に製造する場合、製造工程において、下部電極１１の下には基板１０が必要である。一般的に基板の厚さは数百μｍであるのに対し、上部電極１８の厚さは数十〜数百ｎｍであるので、発振部とアンテナ１との距離を短くするために、本実施形態では、上部電極１８とアンテナ１が接合されている。なお、基板１０は上部電極１８に比べてアンテナ１と密着しやすいため、アンテナ１と磁性発振素子２との間に隙間が生じることを抑制するために、基板１０とアンテナ１を接合してもよい。

図２に示すように、上部電極１８をアンテナ１に接触させた状態で、磁性発振素子２を絶縁樹脂１９で覆うことにより、磁性発振素子２とアンテナ１を接合させることができる。この場合、磁性発振素子２とアンテナ１の間に絶縁樹脂１９が流れ込むと、高周波発信機の抵抗が増加するため、磁性発振素子２とアンテナ１の間に絶縁樹脂１９が流れ込まないように接合することが望ましい。

なお、アンテナ１と上部電極１８をＩｎやはんだ等で接合してもよい。これにより、アンテナ１と磁性発振素子２との距離が大きくなるが、アンテナ１と上部電極１８との間に隙間が生じることを抑制することができる。また、アンテナ１と上部電極１８を圧着により接合してもよい。

基板１０に配線を施す前に磁性発振素子２とアンテナ１を接合させた場合、絶縁樹脂１９に導通用の穴をあけ、そこに配線を通すことで、図１に示すように、高周波発信機を電源３に接続することができる。

つぎに、図１、図２を参照して、本実施形態にかかる発信システムの動作について説明する。

まず、制御部５から電源３に信号が送られて、電源３によりアンテナ１と磁性発振素子２の両端に直流電圧が生じ、電源３からアンテナ１と磁性発振素子２に直流電流Ｉが流される。直流電流Ｉは、ここでは、フリー層１６からピン層１４の向きに流れる。このとき、電子はピン層１４からフリー層１６へ移動する。また、外部磁界印加部４により、磁性発振素子２に対して、フリー層１６の磁化方向と平行、または数度ずれた方向に、外部磁界が印加される。ここでは、外部磁界は膜面垂直方向に印加されている。

すると、電子のスピントルクによりフリー層１６の磁化が歳差運動する。ここで、外部磁界をフリー層１６の磁化方向と平行方向、つまりスピン注入磁化反転しない方向に印加しているため、磁化は反転しない。

フリー層１６の磁化が歳差運動することで、ＭＲ効果により磁性発振素子２の抵抗は常に変化し、磁性発振素子２の両端には高周波電流・電圧が生じており、これによる高周波電力が生じる。つまり、直流電流・電圧が高周波電力に変換される。この高周波電力がアンテナ１を介することにより、高周波電磁波が発信される。

このように、複数の部品を必要とする従来の変換部と異なり、磁性発振素子２は、それのみで変換部としての機能を備える。そのため、磁性発振素子２とアンテナ１との接合が容易であり、変換部と発信部の一体構成が可能となる。

磁性発振素子２で発生する高周波電力の周波数は、直流電流・電圧の大きさや、外部磁界の大きさや方向により変化するので、これらを変化させることにより、アンテナ１から発信される高周波電磁波の周波数を変化させることができる。

従来の高周波発信機では、変換部とアンテナを離して設置し、その間で導波管等の高周波電力媒介手段によって高周波電力を媒介するため、高周波電力が大幅に、例えば約半分に減衰するため、システム全体で効率が低下する。

これに対し、本実施形態では、アンテナ１を磁性発振素子２と一体化させているので、従来のように導波管等で高周波電力を媒介する必要がない。そのため、高周波電力の媒介による減衰を抑制し、システム全体の効率を向上させることができる。

なお、本実施形態では基板１０を導電性材料で構成したが、基板１０をＳｉＯ_２等の絶縁性材料で構成してもよい。

この場合、図３に示すように、基板１０の上に磁性発振素子２を構成する各層を成膜した後、下地層１２、反強磁性層１３、ピン層１４、中間層１５、フリー層１６、キャップ層１７、上部電極１８の膜面面内方向の周囲を囲むように、下部電極１１の上に絶縁膜２０を成膜する。そして、本実施形態と同様に絶縁樹脂１９でアンテナ１と磁性発振素子２を接合した後、基板１０を貫通し下部電極１１に達するように導通用の穴をあけ、そこに配線を通す。このようにして、基板１０をＳｉＯ_２等の絶縁性材料で構成した変形例においても、磁性発振素子２とアンテナ１の一体化が可能である。この変形例においても、上記と同様の効果が得られる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかる高周波発信機について、図４を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、アンテナ１と磁性発振素子２の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるが、アンテナ１と磁性発振素子２が、図４に示す構成とされている。

つまり、基板１０の上の下部電極１１を形成する層がアンテナ１を兼ね、下部電極１１によりアンテナ１が構成されている。また、下部電極１１の上であって、下地層１２、反強磁性層１３、ピン層１４、中間層１５、フリー層１６、キャップ層１７、上部電極１８の膜面面内方向の周囲を囲む位置に、絶縁膜２０が形成されている。本実施形態では、このような構成により、磁性発振素子２とアンテナ１を一体化している。

また、本実施形態では、基板１０が絶縁性材料により構成されており、アンテナ１、下部電極１１、上部電極１８が、高周波発信機を電源３に接続するための配線を兼ねている。このような高周波発信機は、アンテナ基板上に磁性発振素子２を構成する各層を成膜し、磁性発振素子２をパターニングすることで製造できる。

本実施形態の高周波発信機においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、下部電極１１によりアンテナ１を構成することで、発振部とアンテナ１との間に隙間が生じることを抑制できるため、システム全体の効率をさらに向上させることができる。

本実施形態では基板１０を絶縁性材料で構成したが、基板１０を導電性材料で構成してもよい。

基板１０を導電性材料で構成した変形例を図５に示す。この変形例では、基板１０、下部電極１１、アンテナ１が１つの層により構成されており、この層の上に形成された下地層１２、反強磁性層１３、ピン層１４、中間層１５、フリー層１６、キャップ層１７、上部電極１８は、本実施形態と同様に、膜面面内方向の周囲を絶縁膜２０により囲まれている。また、この変形例では、アンテナ１、基板１０、下部電極１１、上部電極１８が、高周波発信機を電源３に接続するための配線を兼ねている。この変形例においても、上記と同様の効果が得られる。また、この変形例では、高周波電磁波発信方向に基板がないので、高周波電磁波の送信効率が高くなると考えられる。

第１実施形態では、反強磁性層１３以降の層の配向性を向上させるために、基板１０の上に図示しないＴａ層、下部電極１１、下地層１２を順に積層したが、この変形例のように、基板１０を構成する層の上に下地層１２を形成してもよい。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態にかかる高周波発信機について、図６を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、アンテナ１と磁性発振素子２の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるが、アンテナ１と磁性発振素子２が、図６に示す構成とされている。

つまり、基板１０の上に下部電極１１、下地層１２、反強磁性層１３、ピン層１４、中間層１５、フリー層１６、キャップ層１７が形成され、基板１０の上であって、下部電極１１からキャップ層１７までの膜面面内方向の周囲を囲む位置に、絶縁膜２０が形成されている。ただし、下部電極１１の一部は絶縁膜２０を貫通して外部に連結している。

また、キャップ層１７と、キャップ層１７を囲む絶縁膜２０の上に、上部電極１８が形成されている。上部電極１８を形成する薄膜はアンテナ１を兼ね、上部電極１８によりアンテナ１が構成されている。本実施形態では、このような構成により、磁性発振素子２とアンテナ１を一体化している。

また、本実施形態では、基板１０が絶縁性材料により構成されており、アンテナ１、下部電極１１、上部電極１８が、高周波発信機を電源３に接続するための配線を兼ねている。このような高周波発信機は、基板１０上に磁性発振素子２を構成する各層を成膜し、磁性発振素子２をパターニング後、上部電極１８を成膜し、上部電極１８をアンテナ形状にパターニングすることで製造できる。

本実施形態の高周波発信機においても、第１、第２実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態では、高周波電磁波発信方向に基板がないので、高周波電磁波の送信効率が高くなると考えられる。また、本実施形態では上部電極１８によりアンテナ１を構成しているため、基板１０をアンテナ形状に加工する場合よりも容易に高周波発信機を製造することができる。

本実施形態では基板１０を絶縁性材料で構成したが、基板１０を導電性材料で構成してもよい。この場合、アンテナ１、下部電極１１、上部電極１８に加え、基板１０も高周波発信機を電源３に接続するための配線を兼ねる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態にかかる高周波発信機について、図７を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態の高周波発信機を下記のように配置したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

一般的な高周波発信機に比べて、磁性発振素子は薄く、面積が小さい。例えば、厚さは数十ｎｍ〜数百ｎｍ、面積は数ｎｍ^２〜数μｍ^２である。そのため、車のバンパーやフロントガラス、パラボラアンテナ等の曲面に、第１実施形態の高周波発信機を配置することが可能である。

例えば、車のバンパーに配置する場合、一般的な高周波発信機は、その大きさからバンパーの内側に配置する必要があり、バンパー表面での電磁波の反射が問題となる。これに対し、磁性発振素子は薄く、面積が小さいので、図７（ａ）に示すように、第１実施形態の高周波発信機をバンパーの外側に配置することができ、バンパー表面での電磁波の反射を抑制することができる。

さらに、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）等の使用中に変形される部材に第１実施形態の高周波発信機を配置し、その部材が使用中に変形されても、磁性発振素子は薄く、面積が小さいので、故障のおそれが少ない。また、第１実施形態の高周波発信機を、製造工程において変形される部材にも配置することができるため、第１実施形態の高周波発信機を配置した後に部材を変形させる等の方法が可能であり、加工が容易になる。

また、図７（ｂ）に示すように、第１実施形態の高周波発信機を、これらの部材の内部にも配置することが可能である。磁性発振素子は水晶を用いていないので耐衝撃性に優れるが、第１実施形態の高周波発信機を部材の内部に配置することにより、耐衝撃性をさらに向上させ、また、衝撃以外の環境的な外乱についての耐環境性を向上させることができる。このような実施形態は、例えば、車のバンパーのように、衝撃や天候等、外からの環境的な外乱がある場合に適している。

本実施形態では、第１実施形態の高周波発信機を上記のように配置したが、第２、第３実施形態の高周波発信機を上記のように配置してもよい。この場合においても、上記と同様の効果が得られる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態にかかる高周波発信機について、図８を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態の高周波発信機を下記のように配置したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図８に示すように、第１実施形態の高周波発信機を曲面に複数配置することで、フェーズドアレイアンテナのように、任意の方向に電磁波を発信することができる。具体的には、複数のアンテナ１は互いに異なる向きに配置されているので、電磁波を発信する高周波発信機を図示しない回路により選択することで、任意の方向に電磁波を発信することができる。

また、電磁波を発信する高周波発信機を選択する回路を設けずに、すべての高周波発信機から電磁波を発信してもよい。

本実施形態では、第１実施形態の高周波発信機を曲面に複数配置したが、図９に示すように配置してもよい。以下、本実施形態の変形例について説明する。

図９（ａ）に示すように、第１実施形態の高周波発信機を断面が多角形状の部材の多角形状を構成する各辺にそれぞれ配置することで、同様に、任意の方向に電磁波を発信することができる。また、図９（ｂ）、（ｃ）のように、第１実施形態の高周波発信機をこれらの部材の内部に配置してもよい。

また、図９（ｄ）に示す変形例では、第１実施形態の高周波発信機をパラボリックに、具体的には、放物線を対称軸まわりに回転させて形成される放物面上に複数配置している。これにより、パラボラアンテナとしての特性を得ることができる。

本実施形態では、第１実施形態の高周波発信機を上記のように配置したが、第２、第３実施形態の高周波発信機を上記のように配置してもよい。この場合においても、上記と同様の効果が得られる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記第４、第５実施形態では曲面状の部材の表面または内部に高周波発信機を配置したが、平板状やブロック状の部材の表面または内部に配置してもよい。

また、上記第１実施形態では制御部５は電源３を制御しているが、電源３とアンテナ１、磁性発振素子２との間に制御可能な抵抗やキャパシタ等を備える電圧制御器を接続し、制御部５を電圧制御器に接続して、アンテナ１等に流れる電流を制御してもよい。

また、下部電極１１と上部電極１８の間の各層を、上記第１〜第３実施形態とは逆の順に成膜してもよい。

また、反強磁性層１３を用いずに、例えば、ピン層１４の材料や加工方法により、ピン層１４の磁化方向を固定してもよい。また、反強磁性層１３の代わりに、硬磁性材料により構成された硬磁性層を用いて、ピン層１４の磁化方向を固定してもよい。

また、下地層１２と反強磁性層１３との間に、ＮｉＦｅ等で構成される磁性層が形成されていなくてもよい。

また、磁性発振素子２がシンセティックフェリ磁性層を含んでいなくてもよい。

また、ピン層１４、フリー層１６の磁化方向を上記第１実施形態とは異なる方向にしてもよい。また、直流電流Ｉを流す向きを上記第１実施形態と逆向きにしてもよい。ただし、磁性発振素子２における高周波発振の要因となるスピントランスファートルクの大きさは、ピン層１４とフリー層１６の磁化方向の相対角θによって定まる。さらに正確には、スピントランスファートルクの大きさはｓｉｎθに比例し、θが９０°のときに最大となる。そのため、上記第１実施形態のように、ピン層１４の磁化方向とフリー層１６の磁化方向とが互いに垂直であることが望ましい。

また、磁性発振素子２をサンブレロ−ナノコンタクト型の磁性発振素子としてもよい。

また、上記第１実施形態では外部磁界発生装置２１としてコイルを用いたが、コイルの代わりに図１０に示すような配線を用いてもよい。外部磁界発生装置２１を構成する配線は、ここでは、磁性発振素子２の膜面に平行で、互いに垂直な方向に置かれている。

コイルを用いる方法は、磁性発振素子２と外部磁界発生装置２１を別々に配置する場合に有用であるが、磁性発振素子２に印加する外部磁界の大きさや方向がコイルと磁性発振素子２との位置により変化する。また、コイルを磁性発振素子２の膜面垂直方向の一方または両方の外側に配置する場合、磁性発振素子２を複数備えるモジュールにおいては、磁性発振素子２とコイルからなる層の数が増加する。

これに対し、図１０に示す構成では、磁性発振素子２の付近に互いに垂直な２つの配線を施し、これら２つの配線に外部磁界制御電源２２からの電流を流す。すると、磁性発振素子２に印加される磁界は、２つの配線を流れる電流により発生する磁界を合成したものとなり、それぞれの配線を流れる電流の大きさや向きを調整することで、磁性発振素子２に印加される磁界の大きさや向きを調整することができる。また、配線の位置を調整することで、膜面面内方向、膜面垂直方向のどちらにも外部磁界を印加することができる。このように、図１０に示す構成では、磁性発振素子２を複数備えるモジュールにおいても、任意の磁性発振素子２に任意の外部磁界を印加することができる。

また、図１１に示すように、磁性発振素子２の膜面垂直方向の一端にスペーサー層２ｂと外部磁界発生用磁性層２ｃを積層してもよい。スペーサー層２ｂは、外部磁界発生用磁性層２ｃとピン層１４、フリー層１６との磁性的結合を切るための層であり、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｒｕ等で構成される。また、スペーサー層２ｂが、外部磁界発生用磁性層２ｃの磁気異方性を利用し、ピン層１４、フリー層１６との磁性的結合を強める層として用いられる場合もある。

外部磁界発生用磁性層２ｃは、膜面垂直方向に外部磁界、正確には漏れ磁界を発生して磁性発振素子２へ印加するためのものである。また、ピン層１４より生じる漏れ磁界や、外部磁界発生用磁性層２ｃの磁化方向を磁性発振素子２の膜面面内方向としたときの漏れ磁界を用いて、磁性発振素子２の膜面面内方向に外部磁界を印加してもよい。外部磁界発生用磁性層２ｃは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ等で構成される垂直磁化膜層が望ましい。また、垂直磁化膜をＧａＭｎや、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯで構成してもよい。なお、外部磁界発生用磁性層２ｃは、上記第１実施形態において説明したアンテナ装置の動作において、ＭＲ効果を担うものではない。

外部磁界発生用磁性層２ｃを多層膜で構成すれば、その積層数や膜厚を変えることで、磁気異方性や、発生する漏れ磁界の大きさの制御が容易にできる。外部磁界発生用磁性層２ｃは、磁性発振素子２と別々に配置してもよいが、磁性発振素子２と同時に製造する方が加工が容易であり、また、大きな外部磁界を印加することができる。

外部磁界発生用磁性層２ｃをＣｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ等の多層膜で構成する場合、一般に成膜後３００〜４００℃程度の熱処理が必要となる。外部磁界発生用磁性層２ｃを、多層膜ではなく、Ｌ１０−ＰｔＦｅ等の合金で構成する場合、成膜時に６００℃程度での基板加熱が必要となる。

図１２に示すように、外部磁界発生用磁性層２ｃから出る漏れ磁界には膜面内位置依存性がある。しかし、図１３に示すように、磁性発振素子２の膜面面内方向の幅を外部磁界発生用磁性層２ｃおよびスペーサー層２ｂの幅よりも小さくすることで、図１４に示すように、膜面内の位置依存性が抑制され、制御性が高くなる。

図１０に示す構成で印加できる外部磁界は、最大でも数十ｍＴと小さいが、図１１、図１３に示す構成では、大きな外部磁界を印加することができる。しかし、図１１、図１３に示す構成では、一方向にしか外部磁界を印加できないため、図１０に示す構成と図１１、図１３に示す構成を合わせて用いるとよい。

また、外部磁界発生装置２１として電界効果素子を用いてもよい。電界効果素子は、非磁性層／磁性層／絶縁膜の構造を持つ素子で、印加電圧、すなわち電界によって磁性層の磁気異方性を変調することが可能なものである。つまり、電界効果素子への印加電圧を変えることにより、電界効果素子が発生させる磁界を変調することができる。そのため、電界効果素子を外部磁界発生装置２１として利用すれば、外部磁界制御電源２２から外部磁界発生装置２１に印加される電圧を変えることにより、微細な磁性発振素子２に任意の外部磁界を印加することができる。

電界効果素子を構成する非磁性層は、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｕの単体やこれらの化合物で構成される。また、非磁性層を、これらの単体や化合物を複数積層した膜で構成してもよい。

電界効果素子を構成する磁性層は、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の磁性体の単体や、これらにＰｔ、Ｐｄ、Ｂ等の非磁性体を混ぜた化合物で構成される。

電界効果素子を構成する絶縁膜は、例えばＭｇＯ、ＨｆＯ_２、Ａｌ−Ｏ_ｘ、Ｚｎ−Ｏ_ｘ、ポリイミド、炭酸プロピレン等で構成される。

一般に金属磁性体を用いた電界効果素子における磁気異方性は、金属磁性層と絶縁層の界面の磁気異方性が主である。この界面磁気異方性を電界によって変調することが可能である。

１ アンテナ
２ 磁性発振素子
１０ 基板
１１ 下部電極
１４ ピン層
１５ 中間層
１６ フリー層
１８ 上部電極

Claims (5)

1. 電気的エネルギーを高周波電力に変換する変換部（１０〜１８）と、前記変換部にて変換された高周波電力を電磁波に変えて前記変換部の外部の空間へ発信する発信部（１）とを備える高周波発信機であって、
   前記変換部は、前記電気的エネルギーに応じて前記高周波電力を変調する機能を有する磁性発振素子（２）を有し、
   前記磁性発振素子は、薄膜状の一対の電極（１１、１８）を含み、磁化方向が固定されたピン層（１４）と、磁化方向が外部磁界に応じて変化するフリー層（１６）と、前記ピン層と前記フリー層との間に配置された中間層（１５）と、を前記一対の電極の間に備え、
   前記ピン層、前記中間層、前記フリー層で構成される素子の抵抗値は、前記ピン層の磁化方向と前記フリー層の磁化方向との間の角度によって変化し、
   前記発信部は、前記磁性発振素子と一体的に構成され、
   前記磁性発振素子には、前記一対の電極のうち一方を挟んだ外側において、スペーサー層（２ｂ）と、前記磁性発振素子に外部磁界を印加するための外部磁界発生用磁性層（２ｃ）とが順に積層されていることを特徴とする高周波発信機。
2. 前記磁性発振素子の幅は、前記スペーサー層および前記外部磁界発生用磁性層の幅よりも小さくされていることを特徴とする請求項１に記載の高周波発信機。
3. 前記発信部は、前記磁性発振素子とは別部材で構成され、前記一対の電極を構成する２つの電極のいずれか一方が前記発信部と接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波発信機。
4. 前記一対の電極を構成する２つの電極のいずれか一方により前記発信部が構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波発信機。
5. 前記磁性発振素子は基板（１０）上に形成され、前記一対の電極を構成する２つの電極のいずれか一方が前記基板により構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の高周波発信機。

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