JP6866793B2 - 交流発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流発生装置に関するものである。

近年、高周波技術の進歩により、周波数が３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚのミリ波や、テラヘルツ波の利用が盛んになってきている。高周波を利用してレーダーやセンサを動作させるためには、位相の制御が必要になるが、位相の制御は利用周波数が増加するに従って難しくなる。

例えば、複数のアンテナと、各アンテナに１つずつ取り付けられてアンテナから発信される電磁波の位相を制御する移相器とを備えるフェーズドアレイレーダーが提案されているが、一般に高周波電磁波の位相を制御できる移相器は大型であり、高価でもある。

他に位相を制御する方法としては、マスターとなる高周波発振器からの高周波電流を、マスターとは別のスレーブとなる高周波発振器に注入するマスタースレーブ方式によって位相を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この方法では、スレーブはマスターと同期して、一定の周波数で発振するようになる。そして、これらが同期する前の周波数差は、位相差として現れる。また、一般に高周波発振器は電圧等の外力によって発振周波数を変化させることができる。そのため、同期状態のもと、スレーブに印加する電圧等を変化させた場合、周波数はマスターとの同期により固定されているため変化せず、位相のみが変化する。したがって、スレーブに印加する電圧等を変化させることにより、スレーブの位相を制御することができる。

特許第４７２４８６４号公報

しかしながら、特許文献１のように、抵抗器、コイル、コンデンサ等を備える一般的な高周波発振器をスレーブとして用いる場合、スレーブの位相を、例えば−π／２〜π／２の範囲でしか制御できない。フェーズドアレイレーダー等では、例えば−π〜πの範囲での位相制御が求められるため、スレーブの位相をより広い範囲で制御する必要がある。

また、マスタースレーブ方式によらずに高周波発振器を用いる場合にも、高周波発振器の位相をより広い範囲で制御することが必要になる場合がある。

また、低い周波数で発振する発振器を用いる場合にも、位相をより広い範囲で制御できることが望ましい。

本発明は上記点に鑑みて、発振器の位相をより広い範囲で制御できる交流発生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、請求項１に記載の発明では、直流電流が流れることにより磁化が歳差運動する発振層（２５）と、磁界が印加されることにより磁化方向が変化する非発振層（２３）と、発振層と非発振層との間に配置された中間層（２４）と、を有し、直流電流または直流電圧を交流電力に変換する磁性発振素子（２）と、非発振層に磁界を印加することにより非発振層の磁化方向を変化させ、磁性発振素子が発生させる交流電力の位相を変化させる位相制御部（７）と、を備える。

このように、磁性発振素子（ＳＴＯ：Spin Torque Oscillator）の非発振層に磁界を印加することにより非発振層の磁化方向を変化させ、磁性発振素子が発生させる交流電力の位相を変化させる構成としている。これにより、発振器である磁性発振素子が発生させる交流電力の位相をより広い範囲で制御することができる。

また、請求項１に記載のように交流電流を出力する発振器（１）に磁性発振素子を電気的または磁気的に接続し、発振器と磁性発振素子とを同期させる構成では、発振器をマスターとし、磁性発振素子をスレーブとするマスタースレーブ方式で交流発生装置を動作させることができる。このように交流発生装置をマスタースレーブ方式で動作させる場合には、非発振層に磁界を印加することにより、スレーブの位相をより広い範囲で制御することができる。

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実施形態にかかる交流発生装置の構成を示す図である。 図１の磁性発振素子の断面図である。 第１実施形態の変形例の回路図である。 第２実施形態にかかる交流発生装置の構成を示す図である。 第２実施形態の変形例の回路図である。 他の実施形態にかかる交流発生装置の構成を示す図である。

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）
第１実施形態について説明する。まず、図１を参照して、本実施形態の交流発生装置の全体構成について説明する。図１に示すように、本実施形態の交流発生装置１００は、発振器１と、ＳＴＯ２と、接続部３と、電源４と、制御部５と、制御部６と、位相制御部７とを備えている。

発振器１は、電源４から制御部５を介して供給される直流電流・電圧を交流電流に変換して出力する装置である。ＳＴＯ２は、供給された直流電流または直流電圧を交流電力に変換するものであり、複数の膜が積層されて構成されている。ＳＴＯ２の詳細については後述する。

発振器１が出力する交流電流、ＳＴＯ２が出力する交流電力は、例えば１０ｋＨｚ以上の高周波電流、高周波電力とされる。ここでは、発振器１が高周波電流を出力し、ＳＴＯ２が高周波電力を出力する場合について説明する。

接続部３は、発振器１とＳＴＯ２とを電気的に接続するものであり、配線３１を備えている。ＳＴＯ２は、後述する下部電極２１および上部電極２７において、配線３１を介して発振器１に接続されており、発振器１が出力する高周波電流は、配線３１およびＳＴＯ２を流れる。

電源４は、制御部５、制御部６、後述する制御部７１を介して発振器１、ＳＴＯ２、後述する配線７２に直流電流・電圧を供給するものである。制御部５は、周波数制御部に相当し、電源４から発振器１に供給される直流電流・電圧の大きさを変化させることにより、発振器１が出力する高周波電流の周波数を調整する。

制御部６は、電源４から供給された直流電流・電圧の大きさを調整してＳＴＯ２に供給する。ＳＴＯ２は、後述する下部電極２１および上部電極２７において、発振器１に接続されるとともに制御部６に接続されており、本実施形態では、制御部６からＳＴＯ２に供給される電流は、下部電極２１から上部電極２７の向きに流れる。

また、制御部６は、周波数制御部に相当し、ＳＴＯ２に供給する直流電流・電圧の大きさを変化させることにより、ＳＴＯ２が発生させる高周波電力の周波数を調整する。本実施形態では、制御部５、制御部６は、発振器１とＳＴＯ２とが同期するように、発振器１が出力する高周波電流とＳＴＯ２が発生させる高周波電力の周波数を調整する。

位相制御部７は、ＳＴＯ２が発生させる高周波電力の位相を制御するものであり、制御部７１と、配線７２とを備えている。制御部７１は、電源４から供給された直流電流・電圧の大きさを調整して配線７２に供給する。配線７２はＳＴＯ２の周囲に配置されており、配線７２に電流が流れることにより、ＳＴＯ２を構成する複数の膜の積層方向にＳＴＯ２を通る磁界が発生する。本実施形態では、位相制御部７は、後述する非発振層２３に磁界を印加し、非発振層２３の磁化方向を変化させることにより、ＳＴＯ２が発生させる高周波電力の位相を変化させる。

つぎに、図２を参照して、ＳＴＯ２の詳細について説明する。ＳＴＯ２は、下部電極２１と、下地層２２と、非発振層２３と、中間層２４と、発振層２５と、キャップ層２６と、上部電極２７とを備えており、これらが順に図示しない基板上に積層されて構成されている。

下部電極２１は、Ｒｕ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ａｕ等の導電性材料で構成されており、図示しない基板上に薄膜状に形成されている。下地層２２は、Ｔａ、Ｒｕ等で構成されており、下部電極２１上に薄膜状に形成されている。下地層２２は、結晶性、配向性を向上させて非発振層２３を成膜するための下地となるものである。

非発振層２３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、下地層２２上に薄膜状に形成されている。非発振層２３は、非発振層２３の平面方向、すなわち、厚さ方向に垂直な方向の磁化容易軸を有しており、磁界が印加されることにより磁化方向が変化する。なお、上記の材料に加え、Ｐｔ、Ｐｄを用いて非発振層２３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非発振層２３を構成してもよい。

中間層２４は、ＭｇＯ、Ａｌ−Ｏ_ｘ、Ｃｕ、Ａｇ等で構成され、非発振層２３上に薄膜状に形成されている。非発振層２３の磁化方向と発振層２５の磁化方向との間の角度によって、ＳＴＯ２のうち非発振層２３、中間層２４、発振層２５で構成される部分の抵抗値が変化する。中間層２４をＭｇＯ、Ａｌ−Ｏ_ｘ等の絶縁体で構成した場合、非発振層２３、中間層２４、発振層２５の積層によりＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子が構成される。また、中間層２４をＣｕ、Ａｇ等の導体で構成した場合、非発振層２３、中間層２４、発振層２５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２４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２４を半導体で構成することもできる。

発振層２５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２４上に薄膜状に形成されている。発振層２５は、厚さ方向の磁化容易軸を有しており、磁界が印加されることにより磁化方向が変化する。なお、上記の材料に加え、Ｐｔ、Ｐｄを用いて発振層２５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発振層２５を構成してもよい。また、発振層２５を、ＣｏＦｅＢ／ＧａＭｎ、ＣｏＦｅＢ／ＦｅＰｔ等の積層構造としてもよい。また、発振層２５を、ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＧａＭｎ等の積層構造としてもよい。

後述するように、発振層２５は高周波電流によって共鳴する。発振層２５を非発振層２３よりも薄く形成することにより、非発振層２３よりも発振層２５の方が高周波電流によって共鳴しやすくなるが、発振層２５の厚さが非発振層２３の厚さ以上とされていてもよい。

キャップ層２６は、Ｔａ、Ｒｕ等で構成されており、発振層２５上に薄膜状に形成されている。キャップ層２６は、発振層２５を保護するためのものである。また、後述するように発振層２５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２７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２６上に薄膜状に形成されている。このようなＳＴＯ２は、図示しない基板上に各層を順に成膜していくことで製造できる。

非発振層２３や発振層２５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２６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２６、または下地層２２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）、すなわち高周波電力の高出力化につながる。

交流発生装置１００の動作について説明する。交流発生装置１００は、発振器１をマスターとし、ＳＴＯ２をスレーブとしたマスタースレーブ方式により、ＳＴＯ２が発生させる高周波電力の位相を制御する。

まず、電源４と制御部５により発振器１に直流電流・電圧が供給され、発振器１は供給された直流電流・電圧を高周波電流に変換して出力する。発振器１が出力した高周波電流は、配線３１およびＳＴＯ２を流れる。

また、電源４と制御部６によりＳＴＯ２に直流電圧が印加され、ＳＴＯ２に直流電流が流れる。この直流電流は、本実施形態では、非発振層２３から発振層２５の向きに流れる。このとき、電子は発振層２５から非発振層２３へ移動する。

発振層２５の磁化は、電子のスピントルクにより歳差運動している。そして、発振層２５の磁化が歳差運動することで、ＭＲ効果によりＳＴＯ２の抵抗は常に変化し、ＳＴＯ２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。

この高周波電力の周波数は、ＳＴＯ２を構成する材料と、制御部６から供給される電流・電圧の大きさによって変化する。また、発振器１が出力する高周波電流の周波数は、制御部５から供給される電流・電圧の大きさによって変化する。発振器１が出力する高周波電流の周波数をｆ１とし、ＳＴＯ２が発生させる高周波電力の周波数をｆ２とし、ｍ、ｎを自然数とすると、制御部５および制御部６は、ｆ２＝ｆ１・ｎ／ｍとなるように、発振器１およびＳＴＯ２に供給する電流・電圧の大きさを変化させる。これにより、発振層２５が高周波電流によって共鳴し、発振器１とＳＴＯ２とが同期する。

なお、発振器１とＳＴＯ２は、ｍ＝１、すなわち、ｆ２＝ｆ１・ｎのときに同期しやすく、さらに、ｎが小さいほど同期しやすい。また、発振器１とＳＴＯ２は、ｎ＝１、すなわち、ｆ２＝ｆ１／ｍのときに同期しやすく、さらに、ｍが小さいほど同期しやすい。

具体的には、発振器１とＳＴＯ２は、周波数ｆ２がｆ１／４、ｆ１／３、ｆ１／２、ｆ１、２ｆ１、３ｆ１、４ｆ１のいずれかに等しいときに同期しやすい。そして、発振器１とＳＴＯ２は、周波数ｆ２がｆ１／２、ｆ１、２ｆ１のいずれかに等しいときに、より同期しやすく、ｆ２＝ｆ１のとき特に同期しやすい。本実施形態では、制御部５および制御部６は、ｆ２＝ｆ１となるように、発振器１およびＳＴＯ２に供給する直流電流・電圧の大きさを調整する。

交流発生装置１００は、発振器１とＳＴＯ２とが同期した状態において、位相制御部７によって、ＳＴＯ２が発生させる高周波電力の位相を変化させる。

具体的には、位相制御部７は、電源４と制御部７１により配線７２に直流電流が流れることで発生した磁界をＳＴＯ２に印加する。前述したように、ＳＴＯ２の非発振層２３は外部磁界によって磁化方向が変化するため、非発振層２３を含むＳＴＯ２に磁界を印加することにより、非発振層２３の磁化方向が変化する。これにより、ＳＴＯ２が発生させる高周波電力の位相が変化する。

例えば、非発振層２３の磁化の向きを図２中紙面右向き、上向き、左向き、下向きとすることにより、高周波電力の位相をそれぞれ０、π／２、πまたは−π、−π／２とすることができる。なお、このような非発振層２３の磁化の向きと高周波電力の位相との関係は一例であり、これらの関係は、ＳＴＯ２を構成する材料などによって変化する。

このように、位相制御部７によって高周波電力の位相を変化させることにより、従来よりも広い範囲、例えば−π〜πの範囲で位相を制御することができる。

なお、ＳＴＯ２にアンテナを接続し、このアンテナから高周波電磁波を発信する構成としてもよい。図３は、ＳＴＯ２にアンテナを接続する場合の回路の一例を示した図である。図３に示すように、ＳＴＯ２は、分離回路８を介してアンテナ９に接続されている。分離回路８は、発振器１、制御部６の出力電流とＳＴＯ２の出力電流とを分離するものであり、フィルタ８１を備えている。例えばｆ１＝ｆ２／２とし、フィルタ８１を周波数ｆ１の信号を遮断し周波数ｆ２の信号を通すようなハイパスフィルタとすることで、発振器１および制御部６の出力電流がアンテナ９に入力されることが抑制される。そして、ＳＴＯ２が出力する高周波電流がアンテナ９に流れることにより、高周波電磁波が発信される。

なお、図３に示す変形例では、上記のようにｆ１とｆ２を互いに異なる値に設定し、フィルタによって電流を制御する必要がある。したがって、図３に示す変形例においてマスターとスレーブを同期しやすくするためには、周波数ｆ２がｆ１／４、ｆ１／３、ｆ１／２、２ｆ１、３ｆ１、４ｆ１のいずれかに等しいことが好ましい。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して接続部３の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、接続部３は、発振器１とＳＴＯ２とを磁気的に接続する。具体的には、接続部３は、図４に示すように、導体部３２と、配線３３と、絶縁層３４とを備えている。導体部３２は、例えばＣｕ、Ａｕ等、一般に配線として用いられている導電率の高い材料で構成される。導体部３２は板状とされており、長手方向の両端部において、配線３３を介して発振器１に接続されている。

また、導体部３２の上には絶縁層３４が積層されており、絶縁層３４の上にはＳＴＯ２を構成する下部電極２１から上部電極２７までの複数の膜が順に積層されている。これにより、導体部３２はＳＴＯ２と電気的に絶縁されている。そして、導体部３２には発振器１が出力する高周波電流が流れ、これにより発生する高周波磁界がＳＴＯ２に印加される。本実施形態では、導体部３２に電流が流れることにより、ＳＴＯ２を構成する複数の膜の積層方向、および、導体部３２において電流が流れる方向の両方に垂直な方向にＳＴＯ２を通る磁界が発生する。この高周波磁界によって発振層２５が共鳴することで、発振器１とＳＴＯ２とが同期する。

導体部３２に電流が流れることで発生する磁界をＳＴＯ２に印加することにより発振器１とＳＴＯ２とを磁気的に接続する構成の本実施形態においても、第１実施形態と同様に高周波電力の位相を制御することが可能であり、第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、発振器１とＳＴＯ２とが磁気的に接続された本実施形態においても、ＳＴＯ２にアンテナ９を接続して、アンテナ９から高周波電磁波を発信する構成としてもよい。図５は、発振器１と磁気的に接続されたＳＴＯ２にアンテナを接続する場合の回路の一例を示した図である。図５に示すように、分離回路８は、インダクタ８２と、キャパシタ８３とを備えており、ＳＴＯ２と制御部６との間にインダクタ８２が接続されており、ＳＴＯ２はキャパシタ８３を介してアンテナ９に接続されている。このような構成により、ＳＴＯ２に入力される直流電流とＳＴＯ２が出力する高周波電流とが分離され、制御部６からの直流電流がアンテナ９に流れ込むことが抑制される。そして、ＳＴＯ２が出力する高周波電流がアンテナ９に流れることにより、高周波電磁波が発信される。

（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２実施形態では、絶縁層３４の表面に下部電極２１を形成し、下部電極２１の上に下地層２２から上部電極２７までを積層したが、絶縁層３４の表面に上部電極２７を形成し、キャップ層２６から下部電極２１までを上部電極２７の上に積層してもよい。

また、上記第２実施形態では、絶縁層３４の上にＳＴＯ２を構成する複数の膜を積層したが、ＳＴＯ２の上に絶縁層３４および導体部３２を積層してもよい。また、ＳＴＯ２に磁界を印加することができる他の位置に導体部３２および絶縁層３４を配置してもよい。また、上記第２実施形態では導体部３２を板状としたが、導体部３２を他の形状としてもよい。

また、上記第１実施形態では、非発振層２３は平面方向の磁化容易軸を有し、発振層２５は厚さ方向の磁化容易軸を有しているが、非発振層２３、発振層２５が他の方向の磁化容易軸を有していてもよい。例えば、非発振層２３が厚さ方向の磁化容易軸を有し、発振層２５が平面方向の磁化容易軸を有していてもよい。また、ＳＴＯ２が下地層２２、キャップ層２６を備えていなくてもよい。

また、発振器１とＳＴＯ２はｍ＝１またはｎ＝１のときに同期しやすいが、ｍ≠１かつｎ≠１、例えばｆ２＝ｆ１・２／３となるように、周波数ｆ１、ｆ２を調整してもよい。

また、交流発生装置１００がＳＴＯ２を複数備えていてもよい。

また、図６に示すように、交流発生装置１００に発振器１を配置せず、マスタースレーブ方式によらずにＳＴＯ２を用いてもよい。このような交流発生装置１００は、例えばフェーズドアレイレーダーに用いられる。また、交流発生装置１００が制御部６を備えず、ＳＴＯ２が電源４に直接接続されていてもよい。

また、発振器１が出力する交流電流、発振器１の出力電流によってＳＴＯ２に印加される交流磁界、ＳＴＯ２が出力する交流電力が、１０ｋＨｚ未満の交流電流、交流磁界、交流電力であってもよい。

１ 発振器
２ ＳＴＯ
２３ 非発振層
２４ 中間層
２５ 発振層
３ 接続部
７ 位相制御部

Claims (8)

1. 直流電流が流れることにより磁化が歳差運動する発振層（２５）と、磁界が印加されることにより磁化方向が変化する非発振層（２３）と、前記発振層と前記非発振層との間に配置された中間層（２４）と、を有し、直流電流または直流電圧を交流電力に変換する磁性発振素子（２）と、
   前記非発振層に磁界を印加することにより前記非発振層の磁化方向を変化させ、前記磁性発振素子が発生させる交流電力の位相を変化させる位相制御部（７）と、
   交流電流を出力する発振器（１）と、
   前記発振器および前記磁性発振素子を電気的または磁気的に接続する接続部（３）と、を備え、
   前記発振器と前記磁性発振素子とを同期させる交流発生装置。
2. 前記発振器が出力する交流電流の周波数をｆ１とし、
   前記磁性発振素子が発生させる交流電力の周波数をｆ２としたとき、
   前記周波数ｆ２は、ｆ１／４、ｆ１／３、ｆ１／２、ｆ１、２ｆ１、３ｆ１、４ｆ１のいずれかに等しい請求項１に記載の交流発生装置。
3. 前記磁性発振素子に直流電流または直流電圧を供給するとともに、該直流電流または直流電圧の大きさを変化させることにより前記磁性発振素子が発生させる交流電力の周波数を調整し、前記発振器と前記磁性発振素子とを同期させる周波数制御部（６）を備える請求項１または２に記載の交流発生装置。
4. 前記発振器が出力する交流電流の周波数を調整し、前記発振器と前記磁性発振素子とを同期させる周波数制御部（５）を備える請求項１ないし３のいずれか１つに記載の交流発生装置。
5. 前記接続部は、前記発振器と前記磁性発振素子とを電気的に接続する配線（３１）を備える請求項１ないし４のいずれか１つに記載の交流発生装置。
6. 前記接続部は、前記発振器に電気的に接続されるとともに前記磁性発振素子と電気的に絶縁された導体部（３２）を備え、前記発振器が出力する交流電流が前記導体部を流れることにより発生した交流磁界を前記磁性発振素子に印加することにより前記発振器と前記磁性発振素子とを磁気的に接続する請求項１ないし４のいずれか１つに記載の交流発生装置。
7. 前記導体部の表面に形成された絶縁層（３４）を備え、
   前記磁性発振素子は、前記絶縁層の表面に形成されている請求項６に記載の交流発生装置。
8. 前記磁性発振素子を複数備える請求項１ないし７のいずれか１つに記載の交流発生装置。

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