(57)【要約】【課題】磁気抵抗効果素子を用いた実用的な共振器を実現する。【解決手段】共振器１は、磁気抵抗効果素子２と、外部磁界印加部３と、エネルギ付与部４を備えている。磁気抵抗効果素子２は、固定された第１の方向の磁化を有する磁化固定層２１と、有効磁界の方向に応じて方向が変化する磁化を有する磁化自由層２３と、磁化固定層２１と磁化自由層２３の間に配置されたスペーサ層２２を含んでいる。外部磁界印加部３は、磁化自由層２３に対して、第２の方向の外部磁界を印加する。エネルギ付与部４は、磁化自由層２３の磁化を振動させるためのエネルギを磁気抵抗効果素子２に付与する。第２の方向が第１の方向に対してなす角度は、９０°〜１５０°の範囲内である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定された第１の方向の磁化を有する磁化固定層と、有効磁界の方向に応じて方向が変化する磁化を有する磁化自由層と、前記磁化固定層と磁化自由層の間に配置されたスペーサ層とを含む磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層に対して、第２の方向の外部磁界を印加する外部磁界印加部と、
前記磁化自由層の磁化を振動させるためのエネルギを前記磁気抵抗効果素子に付与するエネルギ付与部とを備えた共振器であって、
前記第２の方向が前記第１の方向に対してなす角度は、９０°〜１５０°の範囲内であることを特徴とする共振器。
【請求項２】
前記エネルギ付与部は、高周波入力信号を、前記エネルギとして前記磁気抵抗効果素子に付与することを特徴とする請求項１記載の共振器。
【請求項３】
前記エネルギ付与部は、高周波磁界を、前記エネルギとして前記磁気抵抗効果素子に付与することを特徴とする請求項１記載の共振器。
【請求項４】
前記第２の方向が前記第１の方向に対してなす角度は、１０５°〜１３５°の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の共振器。
【請求項５】
前記第１の方向と前記第２の方向の少なくとも一方は、前記磁化自由層と前記スペーサ層の界面と交差する方向であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の共振器。
【請求項６】
前記第２の方向は、前記磁化自由層と前記スペーサ層の界面に垂直な方向であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の共振器。
【請求項７】
前記第２の方向は、前記磁化自由層と前記スペーサ層の界面に平行な方向であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の共振器。
【請求項８】
前記外部磁界印加部は、前記外部磁界の大きさを変化可能であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の共振器。
【請求項９】
前記外部磁界印加部は、前記第２の方向を変化可能であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の共振器。
【請求項１０】
更に、前記磁化自由層の磁化の振動に起因する高周波出力信号が現れる出力ポートを備えたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機等の移動体通信機器の高機能化に伴い、無線通信の高速化が進められている。通信速度は使用する周波数帯域の帯域幅に比例するため、通信に必要な周波数帯域の数は増加し、それに伴い、移動体通信機器に搭載されるバンドパスフィルタ等の高周波フィルタの数も増加している。共振器は、バンドパスフィルタ等に広く利用されている。
【０００３】
一方、近年、高周波フィルタ等の高周波デバイスへ応用できる可能性のある技術として、スピントロニクスが注目されている。スピントロニクスの中で特に注目されている技術の１つに、強磁性共鳴を利用した技術がある。磁界中に置かれた強磁性体の磁化は、磁化の方向が変化するような振動を行い得る。この磁化の振動は、例えば歳差運動である。強磁性共鳴は、特定の周波数で変動するエネルギの付与によって、その特定の周波数で磁化が振動し、且つ磁化の振動の振幅が最大になる現象である。以下、磁化の振動の振幅が最大になるときの磁化の振動の周波数を強磁性共鳴周波数と言う。強磁性共鳴を発生させるエネルギとしては、高周波磁界や高周波電流等がある。
【０００４】
以下、スピントロニクスを利用する素子をスピントロニクス素子と言う。代表的なスピントロニクス素子としては、磁化の方向が固定された磁化固定層と、外部磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層の間に配置されたスペーサ層とを含む磁気抵抗効果素子が知られている。
【０００５】
特許文献１には、磁気抵抗効果素子からなる周波数変換素子と、周波数変換素子に磁界を印加するための機構と、周波数変換素子に局部発振信号を印加するための局部発振器と、周波数変換素子と電気的に接続され、且つ外部入力信号を入力するための入力端子とを備えた周波数変換装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１０／１１９５６９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
磁気抵抗効果素子の磁化自由層は強磁性共鳴を生じ得ることから、磁気抵抗効果素子を用いた共振器を実現できる可能性がある。磁気抵抗効果素子を用いた共振器を実現する場合、磁化自由層の磁化の方向が変化するような磁化自由層の磁化の振動に伴って磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化する現象を利用することが考えられる。
【０００８】
磁気抵抗効果素子を用いた実用的な共振器を実現するためには、強磁性共鳴を生じさせたときの磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化量が十分に大きくなるような工夫が必要である。しかし、従来は、そのような工夫について、十分に検討されていなかった。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、磁気抵抗効果素子を用いた実用的な共振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の共振器は、磁気抵抗効果素子と、外部磁界印加部と、エネルギ付与部とを備えている。磁気抵抗効果素子は、固定された第１の方向の磁化を有する磁化固定層と、有効磁界の方向に応じて方向が変化する磁化を有する磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層の間に配置されたスペーサ層とを含んでいる。外部磁界印加部は、磁気抵抗効果素子の磁化自由層に対して、第２の方向の外部磁界を印加する。エネルギ付与部は、磁化自由層の磁化を振動させるためのエネルギを磁気抵抗効果素子に付与する。第２の方向が第１の方向に対してなす角度は、９０°〜１５０°の範囲内である。
【００１１】
本発明の共振器において、エネルギ付与部は、高周波入力信号を、前記エネルギとして磁気抵抗効果素子に付与してもよい。あるいは、エネルギ付与部は、高周波磁界を、前記エネルギとして磁気抵抗効果素子に付与してもよい。
【００１２】
また、本発明の共振器において、第２の方向が第１の方向に対してなす角度は、１０５°〜１３５°の範囲内であってもよい。
【００１３】
また、本発明の共振器において、第１の方向と第２の方向の少なくとも一方は、磁化自由層とスペーサ層の界面と交差する方向であってもよい。
【００１４】
また、本発明の共振器において、第２の方向は、磁化自由層とスペーサ層の界面に垂直な方向であってもよい。あるいは、第２の方向は、磁化自由層とスペーサ層の界面に平行な方向であってもよい。
【００１５】
また、本発明の共振器において、外部磁界印加部は、外部磁界の大きさを変化可能であってもよい。また、外部磁界印加部は、第２の方向を変化可能であってもよい。
【００１６】
また、本発明の共振器は、更に、磁化自由層の磁化の振動に起因する高周波出力信号が現れる出力ポートを備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の共振器では、磁気抵抗効果素子の磁化自由層の強磁性共鳴周波数と等しい周波数で変動するエネルギを磁気抵抗効果素子に付与することによって、磁化自由層に強磁性共鳴を生じさせることができる。また、本発明では、第２の方向が第１の方向に対してなす角度を、９０°〜１５０°の範囲内の角度としている。これにより、磁化自由層に強磁性共鳴を生じさせたときの磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化量が十分に大きくなる。その結果、本発明によれば、磁気抵抗効果素子を用いた実用的な共振器を実現することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る共振器を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における第１ないし第３の方向を示す説明図である。
【図３】図２における第２の方向が第１の方向に対してなす角度を示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における磁気抵抗効果素子の抵抗変化率の特性を示す特性図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る共振器の通過特性の一例を示す特性図である。
【図６】磁化自由層の磁化の挙動を模式的に示す説明図である。
【図７】スピントランスファートルクの大きさを決めるパラメータの特性を示す特性図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る共振器を模式的に示す説明図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態おける第１ないし第３の方向の第１の例を示す説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態おける第１ないし第３の方向の第２の例を示す説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る共振器を模式的に示す説明図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態おける第１ないし第３の方向を示す説明図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態に係る共振器を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る共振器の構成について説明する。本実施の形態に係る共振器１は、磁気抵抗効果素子２と、外部磁界印加部３と、エネルギ付与部４とを備えている。磁気抵抗効果素子２は、固定された第１の方向の磁化を有する磁化固定層２１と、有効磁界の方向に応じて方向が変化する磁化を有する磁化自由層２３と、磁化固定層２１と磁化自由層２３の間に配置されたスペーサ層２２とを含んでいる。また、磁気抵抗効果素子２は、磁気抵抗効果素子２を構成する複数の層の積層方向の両端に位置する第１の端面２ａと第２の端面２ｂを有している。磁化固定層２１、スペーサ層２２および磁化自由層２３は、第２の端面２ｂ側からこの順に積層されている。
【００２０】
外部磁界印加部３は、磁化自由層２３に対して、第２の方向の外部磁界を印加する。外部磁界印加部３の構成と、第１および第２の方向については、後で詳しく説明する。
【００２１】
磁化自由層２３の磁化に作用する有効磁界は、磁化自由層２３の磁化に作用する全ての種類の磁界が合成されたものである。磁化自由層２３の磁化に作用する磁界には、上記の外部磁界の他に、磁気異方性磁界、交換磁界、反磁界等がある。本実施の形態では、磁化自由層２３の磁化に作用する有効磁界の方向は、外部磁界の方向である第２の方向と一致するか、ほぼ一致する。
【００２２】
エネルギ付与部４は、磁化自由層２３の磁化を振動させるためのエネルギを、磁気抵抗効果素子２に付与するものである。本実施の形態では、上記エネルギとして、高周波入力信号を用いる。エネルギ付与部４は、高周波入力信号を、エネルギとして磁気抵抗効果素子２に付与することができるように構成されている。具体的に説明すると、エネルギ付与部４は、高周波入力信号が印加される入力ポート５と、入力ポート５に印加された高周波入力信号を磁気抵抗効果素子２に伝送する第１の信号線路６とを含んでいる。
【００２３】
共振器１は、更に、出力ポート８と、第２の信号線路７とを備えている。磁気抵抗効果素子２は、磁化自由層２３の磁化の振動に起因する高周波出力信号を生成する。第２の信号線路７は、この高周波出力信号を磁気抵抗効果素子２から出力ポート８に伝送する。出力ポート８には、この高周波出力信号が現れる。回路構成上、磁気抵抗効果素子２は、入力ポート５と出力ポート８との間に位置している。
【００２４】
共振器１は、更に、第１の電極１１と、第２の電極１２と、グランド電極１３とを備えている。第１の電極１１と第２の電極１２は、それらの間に磁気抵抗効果素子２が介在するように設けられている。第１の電極１１と第２の電極１２は、後述する直流電流を、磁気抵抗効果素子２に流すために用いられる。第１の電極１１は、磁気抵抗効果素子２の第１の端面２ａに接している。第２の電極１２は、磁気抵抗効果素子２の第２の端面２ｂに接している。直流電流は、磁気抵抗効果素子２を構成する各層の面と交差する方向、例えば磁気抵抗効果素子２を構成する各層の面に対して垂直な方向に流れる。
【００２５】
図１に示した例では、入力ポート５は、一対の端子５１，５２を有している。第１の信号線路６の一端は、端子５１に電気的に接続されている。第１の信号線路６の他端は、第１の電極１１に電気的に接続されている。
【００２６】
また、図１に示した例では、出力ポート８は、一対の端子８１，８２を有している。第２の信号線路７の一端は、端子８１に電気的に接続されている。第２の信号線路７の他端は、第２の電極１２に電気的に接続されている。
【００２７】
入力ポート５の端子５２と出力ポート８の端子８２は、それぞれ、グランド電極１３に電気的に接続されている。グランド電極１３の電位は、基準電位として用いられる。
【００２８】
第１および第２の電極１１，１２は、例えば、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕおよびＲｕのうちのいずれかよりなる単層の膜によって構成されていてもよいし、それぞれこれらの材料のうちのいずれかよりなる複数の膜の積層体によって構成されていてもよい。
【００２９】
信号線路６，７およびグランド電極１３は、マイクロストリップラインまたはコプレーナウェーブガイドによって構成されていてもよい。
【００３０】
共振器１は、更に、チョークコイル１４と、直流電流入力端子１５とを備えている。チョークコイル１４の一端は、第２の信号線路７に電気的に接続されている。チョークコイル１４の他端は、グランド電極１３に電気的に接続されている。直流電流入力端子１５は、第１の信号線路６に電気的に接続されている。回路構成上、磁気抵抗効果素子２は、直流電流入力端子１５とチョークコイル１４の間に位置している。直流電流入力端子１５には直流電流が入力され、この直流電流が磁気抵抗効果素子２に供給される。
【００３１】
チョークコイル１４は、インダクタンスを有している。これにより、チョークコイル１４のインピーダンスは、チョークコイル１４を通過する電流の周波数が高くなるほど大きくなる。従って、チョークコイル１４は、第２の信号線路７を通過する直流電流を通過させてグランド電極１３に流すと共に、第２の信号線路７を通過する高周波出力信号に対しては高いインピーダンスを示す。
【００３２】
チョークコイル１４としては、例えば、チップインダクタまたは線路が用いられる。チョークコイル１４のインダクタンスは、１０ｎＨ以上であることが好ましい。なお、共振器１は、チョークコイル１４の代わりに、インダクタンス成分を有する抵抗素子を備えていてもよい。
【００３３】
共振器１を動作させる際には、図１に示したように、直流電流入力端子１５とグランド電極１３の間に直流電流源１６が設けられる。これにより、直流電流源１６、直流電流入力端子１５、第１の信号線路６、磁気抵抗効果素子２、第２の信号線路７、チョークコイル１４およびグランド電極１３を含む閉回路が形成される。直流電流源１６は、この閉回路を流れる直流電流を発生する。磁気抵抗効果素子２では、磁化自由層２３から磁化固定層２１に向かう方向に直流電流が流れる。
【００３４】
直流電流源１６は、例えば、直流電圧源と抵抗とを組み合わせた回路によって構成される。抵抗としては、可変抵抗または固定抵抗が用いられる。可変抵抗を用いた場合には、直流電流の大きさを変えることができる。固定抵抗を用いた場合には、直流電流は、一定値になる。なお、第１の信号線路６を通過する高周波入力信号が直流電流源１６に流れることを阻止するために、直流電流入力端子１５と直流電流源１６との間に、チョークコイルまたはインダクタンス成分を有する抵抗素子を設けてもよい。
【００３５】
ここで、磁気抵抗効果素子２について更に詳しく説明する。磁気抵抗効果素子２では、磁化固定層２１の磁化と磁化自由層２３の磁化が相互作用することによって磁気抵抗効果が発現する。具体的に説明すると、磁化自由層２３の磁化の方向が磁化固定層２１の磁化の方向に対してなす角度が０°から１８０°に近づくに従って、磁気抵抗効果素子２の抵抗値が大きくなる。
【００３６】
磁化固定層２１は、強磁性材料によって構成されている。磁化固定層２１を構成する強磁性材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＢ等の高スピン分極率材料や、ホイスラー合金が用いられる。磁化固定層２１の厚みは、１〜１０ｎｍの範囲内であることが好ましい。
【００３７】
磁気抵抗効果素子２は、更に、磁化固定層２１の磁化の方向を固定するための反強磁性層を含んでいてもよい。反強磁性層は、磁化固定層２１におけるスペーサ層２２に接する面とは反対側の面に接するように設けられる。反強磁性層は、磁化固定層２１との交換結合により、磁化固定層２１の磁化の方向を固定する。反強磁性層の材料としては、例えば、ＦｅＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＣｕＦｅＳ2、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＣｒおよびＭｎのいずれかが用いられる。磁化固定層２１の磁化の方向は、反強磁性層を用いずに、結晶構造や形状等に基づく磁気異方性によって固定してもよい。
【００３８】
スペーサ層２２は、その全体が非磁性材料によって構成されていてもよい。スペーサ層２２を構成する非磁性材料は、導電材料でもよいし、絶縁材料でもよいし、半導体材料でもよい。スペーサ層２２を構成する非磁性の導電材料としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ等が挙げられる。スペーサ層２２を構成する非磁性の絶縁材料としては、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ等が挙げられる。スペーサ層２２の全体が非磁性の導電材料または絶縁材料によって構成されている場合、スペーサ層２２の厚みは、０．５〜３．０ｎｍの範囲内であることが好ましい。
【００３９】
スペーサ層２２を構成する非磁性の半導体材料としては、例えば、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａのうちの１つ以上を含む酸化物半導体が挙げられる。スペーサ層２２の全体が非磁性の半導体材料によって構成されている場合、スペーサ層２２の厚みは、１．０〜４．０ｎｍの範囲内であることが好ましい。
【００４０】
スペーサ層２２は、絶縁材料よりなる絶縁部と、導電材料よりなり、絶縁部中に設けられた１つ以上の通電部とを含んでいてもよい。絶縁部を構成する絶縁材料としては、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ等が挙げられる。通電部を構成する導電材料としては、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇ等が挙げられる。この場合、スペーサ層２２の厚みは、０．５〜２．０ｎｍの範囲内であることが好ましい。
【００４１】
磁化自由層２３は、強磁性材料によって構成されている。本実施の形態における磁化自由層２３は、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に垂直な方向に磁化容易軸を有することが好ましい。このような磁化自由層２３は、例えば、Ｃｏ、ＣｏＣｒ系合金、ＣｏＣｒＰｔ系合金、ＦｅＰｔ系合金、希土類を含むＳｍＣｏ系合金、ＴｂＦｅＣｏ合金またはホイスラー合金よりなる膜や、Ｃｏの多層膜によって構成することができる。磁化自由層２３の厚みは、１〜１０ｎｍの範囲内であることが好ましい。
【００４２】
磁気抵抗効果素子２は、更に、第１および第２の金属層を含んでいてもよい。第１の金属層は、磁化自由層２３と第１の電極１１の間に設けられる。第２の金属層は、磁化固定層２１と第２の電極１２の間に設けられる。第１の金属層は、キャップ層として用いられる。第２の金属層は、シード層またはバッファ層として用いられる。第１および第２の金属層は、例えば、Ｒｕ、Ｔａ、ＣｕおよびＣｒのうちの１つ以上を含む単層膜または多層膜によって構成される。第１および第２の金属層の厚みは、２〜１０ｎｍの範囲内であることが好ましい。
【００４３】
次に、図１を参照して、外部磁界印加部３の構成について説明する。外部磁界印加部３は、磁気抵抗効果素子２の近傍に配置されている。外部磁界印加部３は、電磁石を含んでいる。具体的に説明すると、外部磁界印加部３は、磁性材料よりなるコア部３２と、コア部３２に巻回されたコイル３１とを有している。コア部３２とコイル３１は、電磁石を構成している。磁気抵抗効果素子２とコア部３２は、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に垂直な方向に並ぶように配置されている。本実施の形態では特に、コア部３２は、磁気抵抗効果素子２の第１の端面２ａに対向するように配置されている。
【００４４】
外部磁界印加部３は、更に、磁性材料よりなる第１のヨーク３３および第２のヨーク３４を有している。第１のヨーク３３は、コア部３２における磁気抵抗効果素子２とは反対側の端面に接続されている。第２のヨーク３４は、コア部３２における磁気抵抗効果素子２側の端面に対向するように配置されている。磁気抵抗効果素子２は、コア部３２と第２のヨーク３４の間に配置されている。第１のヨーク３３と第２のヨーク３４は、磁性材料よりなる図示しない第３のヨークを介して接続されていてもよい。
【００４５】
本実施の形態では、外部磁界印加部３は、外部磁界の大きさを変化可能に構成されている。外部磁界の大きさは、コイル３１に流される電流の大きさを調整することによって変化させることができる。外部磁界印加部３によって変えることができる外部磁界の大きさの範囲は、例えば０〜２ｋＯｅ（１Ｏｅは７９．６Ａ／ｍ）である。また、外部磁界の方向である第２の方向は、コイル３１に流される電流の方向を変えることによって、コア部３２から磁気抵抗効果素子２に向かう方向とその反対方向との間で切り替えることができる。
【００４６】
次に、図２および図３を参照して、第１および第２の方向について説明する。以下の説明では、磁化固定層２１の磁化の方向である第１の方向を記号Ｄ１で表し、磁化自由層２３に印加される外部磁界の方向である第２の方向を記号Ｄ２で表し、磁化自由層２３の磁化の方向を記号Ｄ３で表す。図２は、磁気抵抗効果素子２と第１ないし第３の方向Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を示している。図３は、第２の方向Ｄ２が第１の方向Ｄ１に対してなす角度を示している。
【００４７】
ここで、図２に示したように、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を定義する。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、互いに直交する。本実施の形態では、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に垂直な一方向（図２では上側に向かう方向）を、Ｚ方向とする。Ｘ方向とＹ方向は、いずれも、上記界面に対して平行な方向である。図２では、Ｘ方向を右側に向かう方向とし、Ｙ方向を図２における手前から奥に向かう方向としている。図３にも、図２に示したＸ，Ｙ，Ｚの各方向を示している。
【００４８】
本実施の形態では、第１の方向Ｄ１と第２の方向Ｄ２のうちの少なくとも第２の方向Ｄ２は、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面と交差する方向である。本実施の形態では特に、第２の方向Ｄ２は、上記界面に垂直な方向であり、Ｚ方向と一致する。これを実現するために、本実施の形態では、磁気抵抗効果素子２と外部磁界印加部３のコア部３２（図１参照）が、Ｚ方向に並ぶように配置されている。図２は、磁化自由層２３の磁化の方向Ｄ３が、第２の方向Ｄ２（Ｚ方向）と一致している状態を示している。
【００４９】
図３に示したように、第２の方向Ｄ２が第１の方向Ｄ１に対してなす角度を、記号θで表す。角度θは、９０°〜１５０°の範囲内である。角度θは、１０５°〜１３５°の範囲内であることが好ましい。角度θが９０°の場合には、第１の方向Ｄ１は磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に平行な方向である。角度θが９０°よりも大きく１５０°以下の場合には、第１の方向Ｄ１は、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面と交差する方向である。第１の方向Ｄ１は、例えば、磁界中熱処理によって磁化固定層２１の磁化の方向を設定する際の磁界の方向を変えることによって、容易に任意の方向に設定することができる。また、本実施の形態では、前述の通り、第２の方向Ｄ２は、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に垂直な方向である。これにより、第２の方向Ｄ２の外部磁界を、容易に且つ精度よく磁化自由層２３に印加することが可能になる。
【００５０】
次に、本実施の形態に係る共振器１の作用および効果について説明する。本実施の形態では、磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２３の強磁性共鳴周波数と等しい周波数で変動するエネルギを磁気抵抗効果素子２に付与することによって、磁化自由層２３に強磁性共鳴を生じさせることができる。
【００５１】
本実施の形態では特に、上記エネルギとして、高周波入力信号を用いる。高周波入力信号は、磁気抵抗効果素子２を流れる直流電流に重畳されて、磁気抵抗効果素子２に付与される。高周波入力信号が磁気抵抗効果素子２に付与されると、磁化自由層２３における電流密度が高周波入力信号の周波数で変化し、その結果、磁化自由層２３の磁化に作用するスピントランスファートルクが、高周波入力信号の周波数で変化する。スピントランスファートルクとは、スピン流の流入または流出が生じた強磁性体において、スピン流の変化分におけるスピン角運動量の変化と逆方向に強磁性体の磁化を回転させるように強磁性体の磁化に作用するトルクである。従って、磁化自由層２３において、スピントランスファートルクが高周波入力信号の周波数で変化すると、磁化自由層２３の磁化は、その方向が変化するように、高周波入力信号の周波数で振動する。
【００５２】
磁気抵抗効果素子２は、磁化自由層２３の磁化の振動に起因する高周波出力信号を生成する。この高周波出力信号の周波数は、高周波入力信号の周波数と等しい。高周波出力信号は、第２の信号線路７によって、磁気抵抗効果素子２から出力ポート８に伝送される。出力ポート８には、この高周波出力信号が現れる。
【００５３】
より具体的に説明すると、磁化自由層２３の磁化が振動すると、磁化自由層２３の磁化の方向Ｄ３が磁化固定層２１の磁化の方向Ｄ１に対してなす角度が変化し、その結果、磁気抵抗効果素子２の抵抗値が変化する。高周波出力信号は、この磁気抵抗効果素子２の抵抗値の変化によって生成される。本実施の形態では特に、高周波出力信号は、出力ポート８の端子８１の電位の変化として現れる。
【００５４】
高周波入力信号の周波数が磁化自由層２３の強磁性共鳴周波数と等しい場合には、磁化自由層２３において強磁性共鳴が生じて、磁化自由層２３の磁化の振動の振幅が最大になる。その結果、高周波出力信号の振幅も最大になる。
【００５５】
磁化自由層２３の強磁性共鳴周波数は、例えば、磁化自由層２３に作用する有効磁界の大きさを変化させることによって変化させることができる。本実施の形態では、磁化自由層２３に作用する有効磁界の大きさは、外部磁界印加部３によって磁化自由層２３に印加される外部磁界の大きさに依存する。従って、本実施の形態では、磁化自由層２３の強磁性共鳴周波数は、例えば、磁化自由層２３に印加される外部磁界の大きさを変化させることによって変化させることができる。具体的に説明すると、外部磁界を大きくすると強磁性共鳴周波数は高くなる。
【００５６】
また、本実施の形態では、第２の方向Ｄ２が第１の方向Ｄ１に対してなす角度θを、９０°〜１５０°の範囲内の角度としている。これにより、磁化自由層２３に強磁性共鳴を生じさせたときの磁気抵抗効果素子２の抵抗値の変化量が十分に大きくなる。その結果、高周波出力信号の振幅が十分に大きくなり、磁気抵抗効果素子２を用いた実用的な共振器１を実現することが可能になる。
【００５７】
以下、角度θを９０°〜１５０°の範囲内の角度とする理由について、シミュレーションの結果を参照して説明する。ここで、磁化固定層２１の磁化の方向である第１の方向Ｄ１と磁化自由層２３の磁化の方向Ｄ３が一致している状態における磁気抵抗効果素子２の抵抗値をＲｐとし、磁化自由層２３の磁化の振動に伴う磁気抵抗効果素子２の抵抗値の変化量の最大値をΔＲとしたとき、磁化自由層２３の磁化の振動に伴う磁気抵抗効果素子２の抵抗変化率をΔＲ／Ｒｐと定義する。抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐは、ΔＲに比例する。
【００５８】
シミュレーションでは、磁化自由層２３の強磁性共鳴周波数と等しい周波数の高周波入力信号を磁気抵抗効果素子２に付与したときの、角度θと抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐとの関係を求めた。磁化自由層２３の強磁性共鳴周波数と高周波入力信号の周波数は、０．３ＧＨｚ〜２．８ＧＨｚの範囲内で変化させた。磁化自由層２３の強磁性共鳴周波数は、磁化自由層２３に作用する有効磁界の大きさを調整することによって変化させた。
【００５９】
図４に、シミュレーションの結果を示す。図４において、横軸は角度θを示し、縦軸は抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐを示している。図４から、抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐは、角度θに対して、以下のような依存性を有することが分かる。まず、抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐは、角度θが１２０°またはその近傍の角度のときに最大になる。また、抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐは、角度θがおよそ９０°〜１５０°の範囲内の場合に、角度θがその範囲外の場合に比べて、相対的に大きくなる。また、抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐは、角度θがおよそ１０５°〜１３５°の範囲内の場合に、角度θがその範囲外の場合に比べて、相対的に顕著に大きくなる。
【００６０】
ΔＲは、磁化自由層２３に強磁性共鳴を生じさせたときの磁気抵抗効果素子２の抵抗値の変化量に対応する。上述の抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐの角度θに対する依存性から、磁化自由層２３に強磁性共鳴を生じさせたときの磁気抵抗効果素子２の抵抗値の変化量を十分に大きくするためには、角度θは、９０°〜１５０°の範囲内であることが好ましく、１０５°〜１３５°の範囲内であることがより好ましいと言える。そこで、本実施の形態では、角度θを、９０°〜１５０°の範囲内、好ましくは１０５°〜１３５°の範囲内の角度にしている。
【００６１】
図５は、角度θを１２０°にしたときの、共振器１の通過特性の一例を示している。ここでは、共振器１の通過特性を、高周波入力信号の電力に対する高周波出力信号の電力の比を表すＳパラメータＳ２１を用いて表す。図５において、横軸は周波数を示し、縦軸はｄＢ単位で表したＳパラメータＳ２１を示している。ｄＢ単位で表したＳパラメータＳ２１の値を−ＩｄＢと表したとき、Ｉの値が小さいほど、高周波入力信号の電力に対する高周波出力信号の電力の比が大きい。図５に示した例では、磁化自由層２３の強磁性共鳴周波数を、３．０７ＧＨｚとした。図５から、高周波入力信号の周波数が磁化自由層２３の強磁性共鳴周波数と等しいときに、Ｉの値が最も小さくなることが分かる。図５は、共振器１が、十分に実用的な共振器の機能を有することを示している。磁化自由層２３の強磁性共鳴周波数は、共振器１の共振周波数に対応する。
【００６２】
本実施の形態によれば、例えば磁化自由層２３に印加される外部磁界の大きさを変えることによって、共振器１の共振周波数に対応する磁化自由層２３の強磁性共鳴周波数を変えることができる。そのため、本実施の形態に係る共振器１は、共振周波数が異なる複数の用途に使用することが可能である。
【００６３】
以下、角度θを９０°〜１５０°の範囲内の角度にすることによって、磁化自由層２３に強磁性共鳴を生じさせたときの磁気抵抗効果素子２の抵抗値の変化量が十分に大きくなる理由について説明する。始めに、図６を参照して、磁化自由層２３の磁化の挙動について説明する。以下の説明では、磁化固定層２１の磁化を記号Ｍ1で表し、磁化自由層２３の磁化を記号Ｍ2で表し、磁化自由層２３の磁化Ｍ2に作用する有効磁界を記号Ｈeffで表す。図６は、磁化Ｍ1，Ｍ2と有効磁界Ｈeffのそれぞれの方向を示している。磁化自由層２３の磁化Ｍ2の挙動は、ＬＬＧ（Landau Lifshitz Gilbert）方程式を用いて、下記の式（１）によって表される。
【００６４】
∂Ｍ2／∂ｔ＝−|γ|（Ｍ2×Ｈeff）
−|γ|αｍ2×（Ｍ2×Ｈeff）
＋ｇβＩeｍ2×（ｍ2×ｍ1）    …（１）
【００６５】
式（１）の第１項、第２項、第３項は、それぞれ、歳差トルク、ダンピングトルク、スピントランスファートルクを表している。図６において、記号Ｔ１を付した矢印は歳差トルクを表し、記号Ｔ２を付した矢印はダンピングトルクを表し、記号Ｔ３を付した矢印はスピントランスファートルクを表している。
【００６６】
式（１）におけるｍ1，ｍ2は、それぞれ、磁化Ｍ1，Ｍ2の方向の単位ベクトルである。また、γはジャイロ磁気定数であり、αはダンピング定数であり、Ｉeは電流密度である。また、βは、ディラック定数すなわち換算プランク定数を、２ｅ（ｅは電荷）で割った値である。また、ｇは、スピントランスファーの効率を表すパラメータである。ｇは、スピン分極率Ｐと、磁化Ｍ2の方向が磁化Ｍ1の方向に対してなす角度φ（図６参照）を用いて、下記の式（２）によって表される。
【００６７】
ｇ＝Ｐ／（１＋Ｐ2ｃｏｓφ）    …（２）
【００６８】
次に、角度φとスピントランスファートルクの大きさとの関係について説明する。式（１）におけるｍ2×（ｍ2×ｍ1）の大きさは、ｓｉｎφと表される。式（１）から、スピントランスファートルクの大きさは、ｇ・ｓｉｎφに比例する。ｇ・ｓｉｎφは、スピントランスファートルクの大きさを決めるパラメータと言える。
【００６９】
図７は、角度φを変化させたときのｇ・ｓｉｎφの変化を示す特性図である。図７において、横軸は角度φを示し、縦軸はｇ・ｓｉｎφの値を示している。図７において、符号９１，９２，９３，９４を付した曲線は、それぞれ、スピン分極率Ｐを０．４、０．５、０．６、０．７としたときのｇ・ｓｉｎφを示している。実用的なスピン分極率Ｐは、例えば０．５〜０．７の範囲内である。図７から、スピン分極率Ｐが０．５〜０．７の範囲内である場合には、ｇ・ｓｉｎφが最大になるとき、すなわちスピントランスファートルクが最大になるときの角度φは、およそ１０５°〜１２０°の範囲内であることが分かる。
【００７０】
本実施の形態では、有効磁界Ｈeffの方向は、外部磁界の方向である第２の方向Ｄ２と一致するか、ほぼ一致する。磁化自由層２３の磁化Ｍ2の方向Ｄ３が第２の方向Ｄ２と一致している状態では、磁化自由層２３の磁化Ｍ2の方向Ｄ３は、有効磁界Ｈeffの方向と一致するか、ほぼ一致する。この状態では、図６に示した角度φは、図３に示した角度θと一致するか、ほぼ一致する。従って、この状態では、角度θが、およそ１０５°〜１２０°の範囲内であるときに、磁化自由層２３の磁化Ｍ2に作用するスピントランスファートルクが最大になる。
【００７１】
一方、磁化自由層２３の磁化Ｍ2に作用するスピントランスファートルクが大きいほど、高周波入力信号を用いて、効率よくエネルギを磁気抵抗効果素子２に付与することができる。
【００７２】
これらのことから、図７に示したｇ・ｓｉｎφの角度φに対する依存性が、図４に示した抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐの角度θに対する依存性を生じさせる一因であると考えられる。
【００７３】
ところで、本実施の形態では、磁気抵抗効果素子２に直流電流が供給され、この直流電流によって、磁化固定層２１から磁化自由層２３に向かうスピン流が生じる。以下、この直流電流によるスピン流が抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐに与える影響について説明する。この直流電流によるスピン流は、磁化自由層２３の磁化Ｍ2に対して、図７に示した角度φを小さくするようなスピントランスファートルクを与える。以下、このスピントランスファートルクを、直流起因スピントランスファートルクと言う。
【００７４】
ここで、磁化自由層２３の磁化Ｍ2の振動の中心軸が、磁化固定層２１の磁化Ｍ1の方向すなわち第１の方向Ｄ１に対してなす角度を記号θｃで表す。本実施の形態のように第２の方向Ｄ２が第１の方向Ｄ１に対してなす角度θが１８０°よりも小さい場合において、直流起因スピントランスファートルクが磁化自由層２３の磁化Ｍ2に作用すると、角度θｃは、有効磁界Ｈeffの方向が第１の方向Ｄ１に対してなす角度よりもいくらか小さくなる。本実施の形態では、有効磁界Ｈeffの方向は、外部磁界の方向である第２の方向Ｄ２と一致するか、ほぼ一致する。従って、本実施の形態では、角度θｃは、図３に示した角度θよりもいくらか小さくなる。
【００７５】
磁化自由層２３の磁化Ｍ2の振動の振幅が一定であると仮定すると、角度θｃが９０°のときに、抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐが最大になる。本実施の形態において、直流起因スピントランスファートルクが磁化自由層２３の磁化Ｍ2に作用する場合には、角度θを９０°にすると角度θｃは９０°よりも小さくなる。本実施の形態において、直流起因スピントランスファートルクが磁化自由層２３の磁化Ｍ2に作用する場合には、角度θを９０°よりもいくらか大きくした方が、角度θを９０°にした場合に比べて、角度θｃを９０°に近づけて、抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐを大きくすることが可能になる。
【００７６】
従って、本実施の形態において、直流起因スピントランスファートルクが磁化自由層２３の磁化Ｍ2に作用する場合には、角度θは、９０°よりも大きく１５０°以下であるであることが好ましく、１０５°〜１３５°の範囲内であることがより好ましい。
【００７７】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。始めに、図８を参照して、本実施の形態に係る共振器１の構成について説明する。本実施の形態に係る共振器１の構成は、以下の点で第１の実施の形態と異なっている。本実施の形態に係る共振器１は、第１の実施の形態における外部磁界印加部３の代わりに、外部磁界印加部１０３を備えている。外部磁界印加部１０３は、磁気抵抗効果素子２の近傍に配置されている。
【００７８】
外部磁界印加部１０３は、第１および第２の電磁石を含んでいる。具体的に説明すると、外部磁界印加部１０３は、それぞれ磁性材料よりなる第１のコア部１３２および第２のコア部１３３と、導線１３１とを有している。導線１３１は、第１のコア部１３２に巻回された第１の巻線部分と、第２のコア部１３３に巻回された第２の巻線部分とを含んでいる。第１の巻線部分と第２の巻線部分は、直列に接続されている。第１のコア部１３２と第１の巻線部分は、第１の電磁石を構成している。第２のコア部１３３と第２の巻線部分は、第２の電磁石を構成している。第１および第２のコア部１３２，１３３は、磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に平行な方向における磁気抵抗効果素子２の両側に配置されている。
【００７９】
外部磁界印加部１０３は、磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２３に対して、第２の方向Ｄ２の外部磁界を印加する。本実施の形態では、外部磁界印加部１０３は、外部磁界の大きさを変化可能に構成されている。外部磁界の大きさは、導線１３１に流される電流の大きさを調整することによって変化させることができる。また、第２の方向Ｄ２は、導線１３１に流される電流の方向を変えることによって、コア部１３２からコア部１３３に向かう方向とその反対方向との間で切り替えることができる。
【００８０】
第１の実施の形態と同様に、磁化固定層２１は、固定された第１の方向Ｄ１の磁化を有している。以下、本実施の形態における第１および第２の方向Ｄ１，Ｄ２の、第１の例と第２の例について説明する。
【００８１】
始めに、図９を参照して、本実施の形態における第１および第２の方向Ｄ１，Ｄ２の第１の例について説明する。図９には、第１の実施の形態における図２に示したＸ，Ｙ，Ｚの各方向も示している。図９では、Ｙ方向を図９における手前から奥に向かう方向としている。
【００８２】
第１の例では、第２の方向Ｄ２は、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に平行な方向であり、Ｘ方向と一致する。これを実現するために、本実施の形態では、図８に示したように、コア部１３２、磁気抵抗効果素子２およびコア部１３３が、Ｘ方向に並ぶように配置されている。図９は、磁化自由層２３の磁化の方向Ｄ３が、第２の方向Ｄ２（Ｘ方向）と一致している状態を示している。
【００８３】
また、第１の例では、第１の方向Ｄ１は、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面と交差する方向である。第２の方向Ｄ２が第１の方向Ｄ１に対してなす角度θの範囲は、第１の実施の形態と同じである。
【００８４】
次に、図１０を参照して、本実施の形態における第１および第２の方向Ｄ１，Ｄ２の第２の例について説明する。図１０には、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向も示している。
【００８５】
第２の例では、第２の方向Ｄ２は、第１の例と同様に、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に平行な方向であり、Ｘ方向と一致する。図１０は、磁化自由層２３の磁化の方向Ｄ３が、第２の方向Ｄ２（Ｘ方向）と一致している状態を示している。また、第２の例では、第１の方向Ｄ１も、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に平行な方向である。第２の方向Ｄ２が第１の方向Ｄ１に対してなす角度θの範囲は、第１の実施の形態と同じである。
【００８６】
本実施の形態における磁化自由層２３は、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に平行な方向に磁化容易軸を有することが好ましい。このような磁化自由層２３は、例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌまたはホイスラー合金よりなる膜によって構成することができる。この膜の厚みは、１〜１０ｎｍの範囲内であることが好ましい。
【００８７】
また、本実施の形態における磁化自由層２３は、複数の層によって構成されていてもよい。この場合、複数の層のうち、最もスペーサ層２２に近い層を、他の１つ以上の層よりもスピン分極率が高い高スピン分極率層とすることが好ましい。これにより、磁気抵抗効果素子２の抵抗変化率を大きくすることが可能になる。高スピン分極率層の材料としては、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金等の高スピン分極率材料が用いられる。高スピン分極率層の厚みは、０．２〜１．０ｎｍの範囲内であることが好ましい。
【００８８】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００８９】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。始めに、図１１を参照して、本実施の形態に係る共振器１の構成について説明する。本実施の形態に係る共振器１の構成は、以下の点で第１の実施の形態と異なっている。本実施の形態に係る共振器１は、第１の実施の形態における外部磁界印加部３の代わりに、外部磁界印加部２０３を備えている。外部磁界印加部２０３は、磁気抵抗効果素子２の近傍に配置されている。
【００９０】
外部磁界印加部２０３は、第１ないし第４の電磁石を含んでいる。具体的に説明すると、外部磁界印加部２０３は、それぞれ磁性材料よりなる第１のコア部２３３、第２のコア部２３４、第３のコア部２３５および第４のコア部２３６と、第１の導線２３１と、第２の導線２３２とを有している。第１の導線２３１は、第１のコア部２３３に巻回された第１の巻線部分と、第２のコア部２３４に巻回された第２の巻線部分とを含んでいる。第１の巻線部分と第２の巻線部分は、直列に接続されている。第１のコア部２３３と第１の巻線部分は、第１の電磁石を構成している。第２のコア部２３４と第２の巻線部分は、第２の電磁石を構成している。第２の導線２３２は、第３のコア部２３５に巻回された第３の巻線部分と、第４のコア部２３６に巻回された第４の巻線部分とを含んでいる。第３の巻線部分と第４の巻線部分は、直列に接続されている。第３のコア部２３５と第３の巻線部分は、第３の電磁石を構成している。第４のコア部２３６と第４の巻線部分は、第４の電磁石を構成している。
【００９１】
第１および第２のコア部２３３，２３４は、磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に垂直な方向における磁気抵抗効果素子２の両側に配置されている。第３および第４のコア部２３５，２３６は、磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に平行な方向における磁気抵抗効果素子２の両側に配置されている。
【００９２】
外部磁界印加部２０３は、磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２３に対して、第２の方向Ｄ２の外部磁界を印加する。第１の実施の形態と同様に、磁化固定層２１は、固定された第１の方向Ｄ１の磁化を有している。
【００９３】
本実施の形態では、外部磁界印加部２０３は、外部磁界の大きさと、外部磁界の方向である第２の方向Ｄ２の両方を変化可能に構成されている。以下、これについて詳しく説明する。第１および第２の電磁石は、磁化自由層２３に対して、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に垂直な方向の磁界を印加する。以下、この磁界を、外部磁界の垂直成分と言う。外部磁界の垂直成分の大きさは、第１の導線２３１に流される電流の大きさを調整することによって変化させることができる。また、外部磁界の垂直成分の方向は、第１の導線２３１に流される電流の方向を変えることによって、第１のコア部２３３から第２のコア部２３４に向かう方向とその反対方向との間で切り替えることができる。
【００９４】
第３および第４の電磁石は、磁化自由層２３に対して、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に平行な方向の磁界を印加する。以下、この磁界を、外部磁界の水平成分と言う。外部磁界の水平成分の大きさは、第２の導線２３２に流される電流の大きさを調整することによって変化させることができる。また、外部磁界の水平成分の方向は、第２の導線２３２に流される電流の方向を変えることによって、第３のコア部２３５から第４のコア部２３６に向かう方向とその反対方向との間で切り替えることができる。
【００９５】
磁化自由層２３に印加される外部磁界は、外部磁界の垂直成分と外部磁界の水平成分とが合成されたものである。そのため、本実施の形態では、外部磁界の垂直成分の大きさおよび方向と、外部磁界の水平成分の大きさおよび方向を変えることによって、外部磁界の大きさと第２の方向Ｄ２の両方を変えることができる。
【００９６】
次に、図１２を参照して、本実施の形態における第１および第２の方向Ｄ１，Ｄ２の一例について説明する。図１２には、第１の実施の形態における図２に示したＸ，Ｙ，Ｚの各方向も示している。図１２では、Ｙ方向を図１２における手前から奥に向かう方向としている。
【００９７】
図１２に示した例では、第１の方向Ｄ１は、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に平行な方向であって、Ｘ方向とは反対の方向である。また、図１２に示した例では、第２の方向Ｄ２は、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面と交差する方向である。第２の方向Ｄ２が第１の方向Ｄ１に対してなす角度θの範囲は、第１の実施の形態と同じである。
【００９８】
本実施の形態に係る共振器１では、前述のように、外部磁界の大きさと第２の方向Ｄ２の両方を変えることができる。本実施の形態によれば、例えば、磁化自由層２３に強磁性共鳴を生じさせたときの磁化自由層２３の磁化の振動の中心軸を、磁化自由層２３とスペーサ層２２の界面に垂直な方向またはそれに近い方向に設定することが可能である。このように設定することにより、磁化自由層２３の磁化の方向によって磁化自由層２３の磁化に作用する異方性磁界が大きく異なることを防止することができる。これにより、高周波出力信号の波形の歪を抑制することができる。
【００９９】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。
【０１００】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。始めに、図１３を参照して、本実施の形態に係る共振器１の構成について説明する。本実施の形態に係る共振器１の構成は、以下の点で第３の実施の形態と異なっている。本実施の形態に係る共振器１は、第３の実施の形態におけるエネルギ付与部４の代わりに、エネルギ付与部１０４を備えている。
【０１０１】
エネルギ付与部１０４は、磁化自由層２３の磁化を振動させるためのエネルギとして、高周波磁界を、磁気抵抗効果素子２に付与するものである。エネルギ付与部１０４は、高周波磁界を発生するための１つ以上の電磁石を含んでいる。
【０１０２】
本実施の形態では、第１のコア部２３３と第１の導線２３１の第１の巻線部分によって構成された第１の電磁石と、第２のコア部２３４と第１の導線２３１の第２の巻線部分によって構成された第２の電磁石が、高周波磁界を発生するための１つ以上の電磁石を兼ねている。以下、第１の導線２３１の両端を入力端２３１ａ，２３１ｂと言う。入力端２３１ａ，２３１ｂには、直流電流と、それに重畳された高周波入力信号が入力される。これにより、第１の導線２３１には、高周波入力信号が重畳された直流電流が流される。第１および第２の電磁石は、直流電流による外部磁界の垂直成分と、高周波入力信号による高周波磁界とを発生する。磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２３には、第１および第２の電磁石によって発生された外部磁界の垂直成分および高周波磁界と、第３および第４の電磁石によって発生された外部磁界の水平成分とが合成された磁界が印加される。以下、この磁界を、高周波重畳磁界と言う。
【０１０３】
第３の実施の形態と同様に、外部磁界の方向は第２の方向Ｄ２である。高周波磁界は、高周波重畳磁界の方向を、第２の方向Ｄ２を中心として振動するように変化させる。高周波重畳磁界の方向の変化の周波数は、高周波入力信号の周波数と等しい。磁化自由層２３の磁化は、磁化自由層２３の磁化の方向Ｄ３が磁化固定層２１の磁化の方向Ｄ１に対してなす角度が変化するように、高周波入力信号の周波数で振動する。
【０１０４】
また、本実施の形態に係る共振器１は、第３の実施の形態における第１の信号線路６の代わりに、信号線路１０６を備えている。信号線路１０６の一端は、直流電流入力端子１５に電気的に接続されている。信号線路１０６の他端は、第１の電極１１に電気的に接続されている。本実施の形態に係る共振器１では、第３の実施の形態における入力ポート５は設けられていない。本実施の形態では、磁気抵抗効果素子２には、高周波入力信号が重畳されていない直流電流が流される。
【０１０５】
本実施の形態では、高周波磁界が磁気抵抗効果素子２に付与されると、磁化自由層２３の磁化に作用する有効磁界Ｈeffの方向が高周波入力信号の周波数で変化する。その結果、第１の実施の形態における式（１）を参照して説明したダンピングトルクが変化する。これにより、磁化自由層２３の磁化は、その方向が変化するように、高周波入力信号の周波数で振動する。その結果、高周波入力信号の周波数と等しい周波数の高周波出力信号が発生する。
【０１０６】
高周波入力信号の周波数が磁化自由層２３の強磁性共鳴周波数と等しい場合には、磁化自由層２３において強磁性共鳴が生じて、磁化自由層２３の磁化の振動の振幅が最大になる。その結果、高周波出力信号の振幅も最大になる。
【０１０７】
なお、本実施の形態において、第１および第２の電磁石の代わりに、第３および第４の電磁石が、高周波磁界を発生するための１つ以上の電磁石を兼ねていてもよい。この場合には、第２の導線２３２には、高周波入力信号が重畳された直流電流が流される。そして、第３および第４の電磁石が、直流電流による外部磁界の水平成分と、高周波入力信号による高周波磁界とを発生する。
【０１０８】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第３の実施の形態と同様である。
【０１０９】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明における外部磁界印加部は、１つ以上の電磁石の代わりに、磁化自由層２３の近くに配置された１つ以上の導線を含んでいてもよい。この１つ以上の導線は、通電されることによって、その周りに磁界を発生する。この磁界の一部が外部磁界となる。
【０１１０】
また、本発明における外部磁界印加部は、１つ以上の電磁石の代わりに、１つ以上の永久磁石を含んでいてもよい。第３の実施の形態では、第１および第２の電磁石の代わりに、外部磁界の垂直成分を発生する１つ以上の永久磁石を設けてもよい。この場合には、第３および第４の電磁石を用いて、外部磁界の水平成分の大きさと方向の少なくとも一方を変えることによって、外部磁界の方向である第２の方向Ｄ２を変化させることが可能である。あるいは、第３の実施の形態において、第３および第４の電磁石の代わりに、外部磁界の水平成分を発生する１つ以上の永久磁石を設けてもよい。この場合には、第１および第２の電磁石を用いて、外部磁界の垂直成分の大きさと方向の少なくとも一方を変えることによって、外部磁界の方向である第２の方向Ｄ２を変化させることが可能である。
【符号の説明】
【０１１１】
１…共振器、２…磁気抵抗効果素子、３…外部磁界印加部、４…エネルギ付与部、５…入力ポート、６…第１の信号線路、７…第２の信号線路、８…出力ポート、１１…第１の電極、１２…第２の電極、１３…グランド電極、１４…チョークコイル、１５…直流電流入力端子、１６…直流電流源、２１…磁化固定層、２２…スペーサ層、２３…磁化自由層、３１…コイル、３２…コア部、３３…第１のヨーク、３４…第２のヨーク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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