(57)【要約】      （修正有）【課題】位相誤差を低減することができる交流発生装置を提供する。【解決手段】交流発生装置１００は、直流電流または直流電圧を交流電力に変換する複数の磁性発振素子２と、交流磁界を複数の磁性発振素子に印加する発振器１と、を備え、磁性発振素子と発振器とを同期させる。発振器１の出力の周波数をｆ１とし、複数の磁性発振素子２が発生させる交流電力の周波数をｆ２としたとき、周波数ｆ２は、ｆ１／４、ｆ１／３、ｆ１／２、ｆ１、２ｆ１、３ｆ１、４ｆ１のいずれかに等しい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電流または直流電圧を交流電力に変換する複数の磁性発振素子（２）と、
交流磁界を前記複数の磁性発振素子に印加する発振器（１）と、を備え、
前記磁性発振素子と前記発振器とを同期させる交流発生装置。
【請求項２】
前記発振器の出力の周波数をｆ１とし、
前記複数の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。
【請求項３】
前記複数の磁性発振素子は、それぞれ、前記発振器により印加される交流磁界によって共鳴する発振層（２６）を備える請求項１または２に記載の交流発生装置。
【請求項４】
前記複数の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複数の磁性発振素子が発生させる交流電力の周波数を調整し、前記磁性発振素子と前記発振器とを同期させる制御部（６）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。
【請求項５】
前記発振器の出力の周波数を調整し、前記磁性発振素子と前記発振器とを同期させる制御部（５）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。
【請求項６】
前記発振器に電気的に接続されるとともに前記複数の磁性発振素子と電気的に絶縁された導体部（３１）を備え、
前記発振器は、前記導体部に交流電流を流すことにより発生させた交流磁界を前記複数の磁性発振素子に印加する請求項１ないし５のいずれか１つに記載の交流発生装置。
【請求項７】
前記導体部の表面に形成された絶縁層（３３）を備え、
前記複数の磁性発振素子は、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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）。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４７２４８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、高周波電流を注入するマスタースレーブ方式において複数のスレーブを用いる場合、マスターと各スレーブの経路誤差が各スレーブ間の位相誤差となる。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発振器をスレーブとして用いると、スレーブの体格からマスターとスレーブとを例えば数ｃｍの配線で接続する必要がある。これにより経路誤差は少なくとも１００μｍ程度となり、例えば発振周波数が７９ＧＨｚのとき、各スレーブ間には１０度程度の位相誤差が生じると予想される。
【０００８】
このような位相誤差は、各スレーブの位相を揃えてマスタースレーブ方式の交流発生装置を増幅器として用いる場合にも問題となる。なお、低い周波数で発振する発振器を用いてもマスタースレーブ方式で位相を制御することが可能であり、この場合にも位相誤差が小さいことが望ましい。
【０００９】
本発明は上記点に鑑みて、位相誤差を低減することができる交流発生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】
【００１０】
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交流電力に変換する複数の磁性発振素子（２）と、交流磁界を複数の磁性発振素子に印加する発振器（１）と、を備え、磁性発振素子と発振器とを同期させる。
【００１１】
複数の磁性発振素子（ＳＴＯ：Spin Torque Oscillator）を製造・配置する位置は、電子線リソグラフィ等の技術により高精度に制御することが可能である。したがって、スレーブとして磁性発振素子を用いることで、マスターである発振器から各スレーブに印加される交流磁界の各スレーブ間の位相誤差を低減し、各磁性発振素子が発生させる交流電力の位相誤差を低減することができる。
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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２】磁性発振素子の断面図である。
【図３】第１実施形態の変形例の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。本実施形態の交流発生装置は、例えば増幅器に用いられる。
【００１６】
以下、図を参照して、本実施形態の交流発生装置について説明する。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、複数のＳＴＯ２と、接続部３と、電源４と、制御部５と、制御部６とを備えている。
【００１７】
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し、接続部３を介してＳＴＯ２に交流磁界を印加する装置である。
【００１８】
ＳＴＯ２は、供給された電気的エネルギー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。
【００１９】
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に高周波磁界が印加され、ＳＴＯ２が高周波電力を出力する場合について説明する。
【００２０】
接続部３は、発振器１とＳＴＯ２とを磁気的に接続するものであり、導体部３１と、配線３２と、絶縁層３３とを備えている。導体部３１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。接続部３は、導体部３１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とを磁気的に接続している。
【００２１】
具体的には、導体部３１は板状とされており、長手方向の両端部において、配線３２を介して発振器１に接続されている。また、導体部３１の上には絶縁層３３が積層されており、絶縁層３３の上にはＳＴＯ２を構成する複数の膜が積層されている。これにより、導体部３１はＳＴＯ２と電気的に絶縁されている。そして、導体部３１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複数のＳＴＯ２に印加される。
【００２２】
本実施形態では、導体部３１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３１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。
【００２３】
電源４は、制御部５、制御部６を介して発振器１、ＳＴＯ２に直流電流・電圧を供給するものである。制御部５は、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。
【００２４】
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。また、制御部６は、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。複数のＳＴＯ２は、互いに電気的に絶縁された状態で制御部６に接続されている。
【００２５】
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、反強磁性層２３と、非発振層２４と、中間層２５と、発振層２６と、キャップ層２７と、上部電極２８とを備えており、これらが順に絶縁層３３上に積層されて構成されている。
【００２６】
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、絶縁層３３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反強磁性層２３を成膜するための下地となるものである。
【００２７】
反強磁性層２３は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等で構成されており、下地層２２上に薄膜状に形成されている。反強磁性層２３は、交換結合により、非発振層２４の磁化方向を固定するためのものである。
【００２８】
非発振層２４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２３上に薄膜状に形成されている。非発振層２４は、非発振層２４の平面方向の磁化容易軸を有しており、反強磁性層２３との交換結合により、非発振層２４の磁化方向は、ここでは、非発振層２４の平面方向に固定されている。なお、上記の材料に加え、Ｐｔ、Ｐｄを用いて非発振層２４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２４を構成してもよい。
【００２９】
なお、図示しないが、下地層２２と反強磁性層２３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２３と非発振層２４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。
【００３０】
つまり、反強磁性層２３をＩｒＭｎで構成し、非発振層２４をＣｏＦｅＢで構成する場合、下地層２２と中間層２５に挟まれた層は、下地層２２側から順に、ＮｉＦｅ／ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ等の積層構造とされている。
【００３１】
本実施形態のＳＴＯ２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発振層２６に与える影響を低減することができる。
【００３２】
中間層２５は、ＭｇＯ、Ａｌ−Ｏｘ、Ｃｕ、Ａｇ等で構成され、非発振層２４上に薄膜状に形成されている。非発振層２４の磁化方向と発振層２６の磁化方向との間の角度によって、ＳＴＯ２のうち非発振層２４、中間層２５、発振層２６で構成される部分の抵抗値が変化する。中間層２５をＭｇＯ、Ａｌ−Ｏｘ等の絶縁体で構成した場合、非発振層２４、中間層２５、発振層２６の積層によりＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子が構成される。また、中間層２５をＣｕ、Ａｇ等の導体で構成した場合、非発振層２４、中間層２５、発振層２６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２５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２５を半導体で構成することもできる。
【００３３】
発振層２６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２５上に薄膜状に形成されている。発振層２６は、厚さ方向の磁化容易軸を有しており、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を用いて発振層２６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２６を構成してもよい。また、発振層２６を、ＣｏＦｅＢ／ＧａＭｎ、ＣｏＦｅＢ／ＦｅＰｔ等の積層構造としてもよい。また、発振層２６を、ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＧａＭｎ等の積層構造としてもよい。
【００３４】
後述するように、発振層２６は高周波磁界によって共鳴する。発振層２６を非発振層２４よりも薄く形成することにより、非発振層２４よりも発振層２６の方が高周波磁界によって共鳴しやすくなるが、発振層２６の厚さが非発振層２４の厚さ以上とされていてもよい。
【００３５】
キャップ層２７は、Ｔａ、Ｒｕ等で構成されており、発振層２６上に薄膜状に形成されている。キャップ層２７は、発振層２６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２６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。
【００３６】
上部電極２８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２７上に薄膜状に形成されている。このようなＳＴＯ２は、絶縁層３３上に各層を順に成膜していくことで製造できる。
【００３７】
非発振層２４や発振層２６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２７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２７、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。
【００３８】
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、複数のＳＴＯ２を同期させる。
【００３９】
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導体部３１を流れ、これにより発生した高周波磁界がＳＴＯ２に印加される。
【００４０】
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２４から発振層２６の向きに流れる。このとき、電子は発振層２６から非発振層２４へ移動する。
【００４１】
発振層２６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２６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。
【００４２】
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、および、この高周波電流が導体部３１を流れることにより発生する高周波磁界の周波数は、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および複数の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２６が高周波磁界によって共鳴し、発振器１とＳＴＯ２とが同期する。
【００４３】
なお、発振器１とＳＴＯ２は、ｍ＝１、すなわちｆ２＝ｆ１・ｎのとき、および、ｎ＝１、すなわちｆ２＝ｆ１／ｍのときに同期しやすく、さらに、ｍ、ｎ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。
【００４４】
これらが同期した状態は、複数のＳＴＯ２が同期した状態でもある。この状態において、複数のＳＴＯ２が発生させる高周波電力を合成することにより、高出力の高周波電力を得ることができる。
【００４５】
抵抗器、コイル、コンデンサ等を備える発振器をスレーブとして用いる従来の交流発生装置では、スレーブの体格からマスターとスレーブとを例えば数ｃｍの配線で接続する必要がある。これによりマスターと各スレーブの経路誤差は少なくとも１００μｍ程度となり、例えば発振周波数が７９ＧＨｚのとき、各スレーブ間には１０度程度の位相誤差が生じると予想される。
【００４６】
これに対し本実施形態では、スレーブとしてＳＴＯ２を用いており、複数のＳＴＯ２を製造・配置する位置は、電子線リソグラフィ等の技術により高精度に制御することができる。例えば、ＳＴＯ２の位置を数ｎｍ以下の精度で制御することが可能であり、ｆ１＝７９ＧＨｚの場合、ＳＴＯ２間の距離によって生じるＳＴＯ２間の位相誤差を０．００１度以下とすることができる。したがって、本実施形態では、各ＳＴＯ２が発生させる高周波電力の位相誤差を従来に比べて低減することができる。また、これにより、交流発生装置１００を増幅器として用いた場合に出力を大きくすることができる。
【００４７】
また、各スレーブがマスターと電気的に接続された構成では、マスターの電力が各スレーブで消費されるため、マスターの消費電力はスレーブの数に応じて大きくなる。これに対して、マスターである発振器１とスレーブである各ＳＴＯ２とが電気的に絶縁され、磁気的に接続された構成の本実施形態では、マスターの電力がスレーブで消費されないため、マスターの消費電力の増加を抑制することができる。
【００４８】
なお、発振器１と各ＳＴＯ２とが同期した状態において、制御部６がＳＴＯ２に供給する直流電流・電圧の大きさをわずかに変化させると、これらの同期により高周波電力の周波数ｆ２は変化せず、位相が変化する。
【００４９】
制御部６が各ＳＴＯ２に供給する直流電流・電圧の大きさを個別に変化させる構成とすれば、このような位相の変化を利用して、交流発生装置１００を、例えば車車間通信や路車間通信のためのフェーズドアレイレーダーとして用いることができる。すなわち、ＳＴＯ２にアンテナを接続して、このアンテナから高周波電磁波が発信される構成とし、さらに各ＳＴＯ２が発生させる高周波電力の位相を個別に調整することにより、複数のアンテナ全体から発信される高周波電磁波の指向性を制御することができる。
【００５０】
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には、ＳＴＯ２に入力される直流電流とＳＴＯ２が出力する高周波電流とを分けるバイアスティ回路７が接続されている。バイアスティ回路７は、インダクタ７１と、キャパシタ７２とを備えており、ＳＴＯ２と制御部６との間にインダクタ７１が接続されており、ＳＴＯ２はキャパシタ７２を介してアンテナ８に接続されている。このような構成により、制御部６からの直流電流がアンテナ８に流れ込むことが抑制され、アンテナ８には、ＳＴＯ２が出力する高周波電力のみが供給される。そして、ＳＴＯ２が出力する高周波電流がアンテナ８に流れることにより、高周波電磁波が発信される。
【００５１】
（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。
【００５２】
例えば、上記第１実施形態では、絶縁層３３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２８までを積層したが、絶縁層３３の表面に上部電極２８を形成し、キャップ層２７から下部電極２１までを上部電極２８の上に積層してもよい。
【００５３】
また、上記第１実施形態では、絶縁層３３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３３および導体部３１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３１および絶縁層３３を配置してもよい。
【００５４】
また、ＳＴＯ２が下地層２２、反強磁性層２３、キャップ層２７を備えていなくてもよい。また、上記第１実施形態では、非発振層２４は平面方向の磁化容易軸を有し、発振層２６は厚さ方向の磁化容易軸を有しているが、非発振層２４、発振層２６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２４が厚さ方向の磁化容易軸を有し、発振層２６が平面方向の磁化容易軸を有していてもよい。
【００５５】
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、ｆ１およびｆ２を調整してもよい。
【００５６】
また、発振器１が出力する交流電流、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。
【符号の説明】
【００５７】
１    発振器
２    ＳＴＯ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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