JPH01191502A - 磁気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ＹＩＧの磁気スピン共鳴を利用した可変周波
数静磁波素子の磁気装置に係わり、周波数可変のために
設けたフィルの寸法を小さく保ち、小さなエネルギーで
大きな周波数可変幅を実現するものである。

〔従来の技術〕

ＧＧＧ　（がトリニウム・〃リツム・ガーネット）非磁
性基板上に、液相エピタキシャル成長させたＹＩＧ　（
イツトリウム・鉄・ガーネット）単結晶磁性薄膜を所要
の形状に加工し、マイクロストリップライン等によりマ
イクロ波にて磁性膜内部に静磁波を励起、伝搬、共振さ
せる各種のマイクロ波用静磁波索子が提案されている。

この上うな静磁波索子は非常に高い選択性Ｑを持つ特徴
があり、また磁性薄膜にかけるバイアス磁場の強さを変
えることにより共振周波数を幅広く変えられる特徴があ
る。

高い選択性を持つマイクロ波用静磁波素子としては、Ｙ
ＩＧ単結晶球のスピン共鳴を使った素子が従来使われて
きたが、周＋１７１温度が低くなると共鳴点が消失する
欠点があるため、恒温槽内に置き温度の低下を防ぐなど
の必要があり大きな障害になっていた。

また、ＹＩＧ単結晶を球形に加工することは難しく、加
工費が高価になる問題もあり実用分野は限られていた。

一方、ＹＩＧ薄膜を使う静磁波素子は、その共鳴の８！
構から低温でも使用可能であり、写真蝕刻技術により素
子を作製するため比較的安価にできる可能性がある。

このような静磁波素子に磁場を与える手段としては、Ｐ
！Ｓ５図（ａ）に示すように、起磁力の保持に電流など
の外部からのエネルギー源を必要としない永久磁石２が
使われ、軟磁性のヨーク３の両端に対向して設置されて
いる。

そして、同調周波数を変えるため、この永久磁石２の作
る磁場に重畳する磁場を発生するコイル４をヨーク３に
巻回して用い、このコイル４に流す電流を変えることに
より静磁波素子の同調周波数を調節するようになってい
る。

従来、前記永久磁石２は、磁性薄膜１の置がれる空隙に
直接、あるいは第５図（ｂ）に示すように、温度補償な
どの目的で挿入された軟磁性材料５を介して対向し、そ
の形状は永久磁石材料の特性、目的とする周波数に応じ
た磁場の強さ、および磁性薄膜１の形状寸法などを考慮
し、永久磁石２の最適動作点を求める方法で設計されて
いた。

この場合、ｔ！Ｓ５図（ａ）、（ｂ）の従来例にもある
ように、永久磁石２は磁性薄ＷＸ１の置かれる空隙に直
接対向するか、あるいは永久磁石の磁極面と同じ断面積
を持つ軟磁性材料５を介して対向する構造であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、静磁波素子の同調範囲を大きく取ろうと
すると、このためには磁性薄膜１の置かれる空隙部の磁
場の調整範囲を大きくする必要があり、コイル４の寸法
を大きくするか、あるいはフィル４に流す電流を大きく
するため、発熱が大きくなるなどの欠点があった。

本発明はこの欠点を改善し、小型軽量の静磁波素子を実
現する磁気装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の磁気装置は、上記目的達成するために、非磁性
基板上に形成した磁性薄膜、該磁性薄膜の内部にマイク
ロ波にて静磁波を励起、伝搬、共鳴を起こさせる構造、
および前記磁性薄膜に磁場を与えるため、対向する端部
に永久磁石を装着するとともに中間部にフィルを巻回し
たヨークと前記永久磁石に装着した軟磁性材料からなる
磁場発生手段とを有し、前記軟磁性材料により構成され
る磁極の間に前記磁性薄膜を配した静磁波素子の前記磁
場発生手段において、前記磁性薄膜がＶ、置される空隙
を構成する前記磁極のうち、少なくとも一つの磁極の断
面積より、前記永久磁石の断面積が大きいことを特徴と
している。

〔作　用〕

同調周波数変更用コイルに電流を流した場合、その起磁
力は電流Ｉとコイルの巻数Ｎの積Ｎ・■で表わされる。

このコイルにより、実際、に磁性薄膜が置かれる空隙部
に発生する磁場の強さを計算するためには、磁気回路全
体の磁気抵抗を考える必要がある。

磁気回路中の永久磁石は、コイルの起磁力にとっては空
隙と同様に負荷抵抗として考えられるので、磁性薄膜の
置かれる空隙部の磁気抵抗をＲｇ、永久磁石の部分の磁
気抵抗をＲＩ、ｌとし、軟磁性ヨークおよび軟磁性板の
磁気抵抗が十分小さいとすれば、磁気回路中を流れるコ
イルが作る磁束Φは Φ＝Ｎ・Ｉ　／　（Ｒｇ　＋　Ｒｍ　）と表わされる。

またコイルにより作られる空隙部の磁束密度Ｂは Ｂ＝Φ／　Ｓ　ｇ で表わされる。

ただし、空隙部の断面積をＳｇとする。

コイルにより作られる磁場の強さＨｉｉＢに比例し Ｈｍ　　Ｂ／μ０ である。

ただし、μ０は真空中の透磁率とする。

これらの式から Ｎ−Ｉ＝μ。Ｈ・　（Ｒｇ　＋　Ｒｍ　）　　・Ｓｇと
なる。

ここでＨＨＲｇ　　＋　Ｓｇは、磁性Ｔｇ膜の特性およ
び静磁波素子の目標特性によって決まってしまうので、
フィルの起磁力Ｎ−Ｉを小さく保つためにはＲ□をでき
るだけ小さくしてやればよい。

Ｒｍは、永久磁石の断面積Ｓｍおよび厚さｌＩＮにより Ｒｍ＝ｌ□／μ。Ｓ□ となり、厚さが小さく断面積の大きな磁石を使うことが
フィルの小型化に有利であることを見いだした。

次に、永久磁石が空隙部に発生する磁場Ｈｇおよび磁束
密度Ｂｇと永久磁石内部の磁場Ｈｍおよび磁束密度Ｂｍ
の関係を考える。

ヨークの磁気抵抗が十分小さいとき、永久磁石の発生す
るエネルギーと磁性薄膜の置かれる空隙内のエネルギー
は Ｂｇ−Ｈｇ−Ｓ、ｉ　、＝Ｂ□・Ｈｍ”Ｓｍ・ｌ□とな
る。

ただし、１１？は空隙部の長さを表わす。

いま、永久磁石として例えば大きな保磁力をもつストロ
ンチウム磁石を用いた場合磁化曲線の形から比透磁率が
１であると考えてよい。

この場合には、 Ｂｍ／Ｈｍ＝μ。Ｓ　ｇ　ｊ！　ｍ　／　Ｓ□１ｇまた
、永久磁石の残留飽和磁化をＢｒとしてＢ□＝Ｂｒ−μ
ＯＨｍ となり、上記の三式から Ｂｒ／８ｇ　＝　Ｓｇ／Ｓ□＋ｌ　ｇ／ρ。

これを変形して １　ｍ　＝　ｌ　ｇ　／　（Ｂｒ／ＢＦｉ−Ｓｇ／Ｓｍ
　）の関係が得られる。

この式は、同じ材質の磁石により同じ形状の空隙に同じ
磁束密度を発生させるとき、永久磁石の厚さを小さくす
れば断面積は大きくしなくてはならないことを表わして
いる。この関係は前に論じたコイル形状を小さくする方
法に好都合である。

ここで、再びコイルに対する磁気抵抗Ｒを上式の関係を
入れて計算してみると Ｒ＝Ｒｇ＋　　ＲＩ＋。

＝Ｂｒｌ！ｍ／μｏ　Ｂｇ　Ｓｇ となり磁気抵抗は磁石の厚さ１□に比例して小さくでき
ることが分かる。

同調周波数を変えるためにコイルに必要な起磁力Ｎ−Ｉ
は Ｎ−Ｉ＝Ｒ−Ｂ−８゜ となり、Ｂ＋３ｇはここでは一定の値となるので結局必
要なコイルの起磁力もまた磁石の厚さ　ｅｍに比例して
小さくできるものである。

コイルの起磁力は、巻線の巻数とそこを通る電流の積で
あるから、小さい起磁力のフィルでよいということは、
同じ電流であれば少ない巻数、同じ巻数であれば少ない
電流でよいということになり、小型化および省電力化が
実現するものである。

以上の議論を踏まえ、同調周波数を可変とするコイルの
大きさを制限する実際的な方法は、磁性膜の置かれる空
隙の断面積より大きな断面積を有する永久磁石を使い、
永久磁石の磁極面と磁性薄膜の置かれている空隙の間を
軟磁性板で結合する構造をもって実現されるものである
。

ただし、この効果は永久磁石の比透磁率が１と見なされ
る範囲で有効であるため、永久磁石の動作点の選択は、
保磁力より小さい内部磁場とすることが必要である。

以上、論じたごとく、永久磁石の断面積は磁性薄膜の置
かれる空隙の断面積より大きな断面積を有するようにし
、磁性薄膜の置かれる空隙の開において、永久磁石の磁
極面に軟磁性材料を結合したｖＩ造にしたことにより、
磁気抵抗を減少せしめることができるとともに、起磁力
の小さいコイルを使用することができるため、従来より
も小型の静磁波素子が実現できる。

〔実施例〕

以下に実施例を示しながら本発明の説明を行なう。

第１図は本発明の一実施例を示し、第５図（ａ）、（ｂ
）は従来技術による磁気回路を示す説明図である。

比較のために作製した従来例では、＠５図（ａ）のよう
に　コの字型をしたヨーク３の両端に、断面積１０＋ｏ
ｍ２．厚Ｊ！：５．８１１１１６、残留飽和磁束密度８
０００がウスの希土類コバルト永久磁石２がそれぞれ設
置されている。そして、この２個の永久磁石２の間の断
面積１０１Ｉ１１２、長さ５ｍ１６の空隙の中央付近に
、ＧＧＧ基板上にＬＰＥにて形成された飽和磁束密度が
約１７８０がウスであるＹＩＧ薄膜およびその面上にマ
イクロ波を出入りさせるストリップラインと共振構造を
有する磁性薄ｗＸ１が置かれている。

また、ヨーク３の中間部には同調周波数変更のためのコ
イル４が設置されている。このコイル４の巻数は４００
ターンとした。

フィル４に電流を流さない状態で静磁波素子の同調周波
数を測定したところ、同調周波数は約６ＧＨｚ　となっ
た。

次にコイル４に電流を流し始め、同調周波数が１００Ｍ
Ｈｚ変わったときのコイル４の電流値は１９８ミリアン
ペアであった。

第１図に示す本発明の実施例では、従来例と同じ磁性薄
膜１および永久磁石材料を使い、永久磁石２の断面積を
２０ｍｍ２とし、永久磁石２に対向する面の断面積が２
０＋Ｑｗ１２、空隙に対向する面が１０ｍｍ２である軟
磁性材料５を結合した。永久磁石２の厚さを各２　、８
　ｌｌ１ｍと選んだとき、フィル４に電流を流さない状
態の同調周波数は６ＧＨｚ　となった。

次に、コイル４に電流を流し始め、同調周波数が１００
ＭＨｚ変わったときのコイル電流は９４ミリアンペアと
なり、従来技術に比較すると約１／２以下の電流で同じ
周波数変化が可能となった。

次に、フィル４を少しずつ巻戻し１８７ターンとしてコ
イル電流を変え同調周波数を測定したところ、従来技術
による例と同様の１９８ミリアンペアで同調周波数の変
化が１００ＭＨｚとなり、従来技術に比較すると約１／
２以下の巻数で同じ効果が実現できた。

本実施例ではコイル４の体積を小型化する例として巻数
の減少の例を示したが、フィル電流が小さくなるため、
より細い電線を巻いたコイルによっても小型化がなし得
ることは、容易に理解されよう。

また、本発明の実施例では、同じ効果を実現するために
コイル４における消費電力が約１／４以下という着しい
効果をみた。

第２図は本発明の他の実施例を示したものである。

磁極を構成する軟磁性材料の内、一方５ａの断面積は永
久磁石２とほぼ同程度になっているが、軟磁性材料５の
磁性薄膜１に対向する面の断面積が永久磁石２の断面積
より小さくなっているので本発明の効果は同様である。

第３図、第４図もまた本発明の実施例であり、これらの
場合では、永久磁石２は各々１個しか存在しない。

第３図は、軟磁性材料５ｂの磁性薄膜１に対向する面の
断面積は永久磁石２の断面積より小さく、第４図では軟
磁性材料５ｃの磁性薄膜１に対向する面の断面積は永久
磁石２のそれと同等かそれ以上である。これらの場合も
軟磁性材料５の断面積が磁性薄膜１に対向する側で絞ら
れているため本発明の効果は同様である。

〔発明の効果〕

以上にみたごとく、本発明によれば、同調可能な静磁波
素子の小型化および省電力化を実現することができるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す説明図、第２図、第３
図、第４図は本発明の他の実施例を示す説明図、第５図
（ａ）、（ｂ）は従来技術の例を示す説明図である。 １　：磁性薄膜、　　　２　：永久磁石、　　３：ヨー
ク、　　　　　４　：コイル、　　　　５　：軟磁性材
料 代理人　弁理士　　本　　間　　　　　崇第　１　図 第２図 埠　３　圓 沸　４　図 第　５　口 （ａ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 非磁性基板上に形成した磁性薄膜、該磁性薄膜の内部に
   マイクロ波にて静磁波を励起、伝搬、共鳴を起こさせる
   構造、および前記磁性薄膜に磁場を与えるため、対向す
   る端部に永久磁石を装着するとともに、中間部にコイル
   を巻回したヨークと前記永久磁石に装着した軟磁性材料
   からなる磁場発生手段を有し、前記軟磁性材料により構
   成される磁極の間に前記磁性薄膜を配した静磁波素子の
   前記磁場発生手段において、前記磁性薄膜が設置される
   空隙を構成する前記磁極のうち、少なくとも一つの磁極
   の断面積より、前記永久磁石の断面積が大きいことを特
   徴とする磁気装置。