(57)【要約】  【課題】  発振器における高周波信号の伝送効率を向上させる。  【解決手段】  本発明の発振器１は、高周波信号の伝送方向に沿って少なくとも一部が対向して管壁を構成している第１導体１０および第２導体１１ならびに第１導体１０および第２導体１１に囲まれている誘電体１２からなる導波管部３と、導波管部３において第１導体１０と第２導体１１とが対向している領域に位置して第１導体１０および第２導体１１にそれぞれ電気的に接続している、直流電流を流すことによって前記高周波信号を出力する発振素子２とを備え、発振素子２は、第１導体１０に電気的に接続している、磁気モーメントが一方向に固定されている第１磁性体と、第２導体１１に電気的に接続している、磁気モーメントが固定されていない第２磁性体と、第１磁性体と第２磁性体との間に位置している非磁性体とを有している。これにより、発振器１における高周波信号の伝送効率を向上できる。【選択図】  図２
2015139172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号の伝送方向に沿って少なくとも一部が対向して管壁を構成している第１導体および第２導体ならびに前記第１導体および前記第２導体に囲まれている誘電体からなる導波管部と、
該導波管部において前記第１導体と前記第２導体とが対向している領域に位置して前記第１導体および前記第２導体にそれぞれ電気的に接続している、直流電流を流すことによって前記高周波信号を出力する発振素子とを備え、
該発振素子は、前記第１導体に電気的に接続している、磁気モーメントが一方向に固定されている第１磁性体と、前記第２導体に電気的に接続している、磁気モーメントが固定されていない第２磁性体と、前記第１磁性体と前記第２磁性体との間に位置している非磁性体とを有している、発振器。
【請求項２】
前記第１導体は、前記高周波信号の伝送方向に沿って延びている帯状の隙間を有している管状の導体であり、
前記第２導体は、前記第１導体の前記隙間に両側に間隔を空けて位置している帯状の導体である、請求項１に記載の発振器。
【請求項３】
前記第１導体は、断面形状が長方形状であり、長辺の一方に前記隙間を有している、請求項２に記載の発振器。
【請求項４】
前記導波管部の前記第１導体と前記第２導体との間隔を覆うように絶縁層を介してさらに導体層を備える、請求項２に記載の発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波信号を出力する発振素子を備えている発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、マイクロ波発生素子に電流を流して発振させることによってマイクロ波を発生させることが知られている。例えば、特許文献１には、マイクロ波発生素子から発生したマイクロ波が、平面基板上のストリップラインで伝送されることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９５９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された発明では、マイクロ波発生素子から発生したマイクロ波をストリップラインに伝送させるときに、マイクロ波の漏れが大きくなりやすく、マイクロ波信号の損失が大きくなるおそれがある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、発振素子であるマイクロ波発生素子から発生したマイクロ波信号の損失を低減し、マイクロ波発生素子を備える発振器におけるマイクロ波信号の伝送効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態に係る発振器は、高周波信号の伝送方向に沿って少なくとも一部が対向して管壁を構成している第１導体および第２導体ならびに前記第１導体および前記第２導体に囲まれている誘電体からなる導波管部と、該導波管部において前記第１導体と前記第２導体とが対向している領域に位置して前記第１導体および前記第２導体にそれぞれ電気的に接続している、直流電流を流すことによって前記高周波信号を出力する発振素子とを備え、該発振素子は、前記第１導体に電気的に接続している、磁気モーメントが一方向に固定されている第１磁性体と、前記第２導体に電気的に接続している、磁気モーメントが固定されていない第２磁性体と、前記第１磁性体と前記第２磁性体との間に位置している非磁性体とを有している。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一実施形態に係る発振器によれば、発振素子が導波管部内に位置しているので導波管部内で高周波信号が出力される。すなわち、発振素子から出力された高周波信号を導波管部まで伝送させなくてもよいので、導波管に伝送させる際の高周波の漏れを考慮する必要がない。その結果、発生した高周波信号の伝送損失を低減することができ、発振器における高周波信号の伝送効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る発振器の概略を示した分解斜視図である。
【図２】図１に示した発振器をＡ−Ａ線で切断した断面斜視図である。
【図３】図２に示した発振器の導波管部をＢ−Ｂ線で切断した断面斜視図である。
【図４】図２に示した発振器の断面をさらに拡大して示した拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜発振器＞
本発明の一実施形態に係る発振器について、図１〜図４を参照しつつ説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に係る発振器の概略を示した分解斜視図である。図２は、図１に示した発振器をＡ−Ａ線で切断した断面斜視図であり、発振素子と導波管部との関係を示している。図３は、図２に示した発振器をＡ−Ａ線で切断した断面斜視図であり、導波管部の一部の構造を示している。図４は、図２に示した発振器の断面の一部をさらに拡大して示した拡大断面図であり、発振素子の構造を詳細に示している。
【００１１】
発振器１は、高周波信号を出力して、出力した高周波信号を伝送するものである。発振器１は、例えば自動車またはＦＡ（Factory Automation）機器等に設置されて、電子機器等に流れる電流の変化を検知する電流センサ等に使用される。なお、発振器１が発生する高周波信号とは、周波数が１ＧＨｚ以上３０ＧＨｚ以下の電磁波をいう。
【００１２】
発振器１は、図１および図２に示すように、高周波信号を出力する発振素子２と、出力した高周波信号を伝送させる導波管部３とを有している。発振素子２は、導波管部３の内部に位置している。また発振素子２は、導波管部３に電気的に接続している。そのため、発振器１は、導波管部３から発振素子２に電流を流すことで、発振素子２から高周波信号を出力することができる。
【００１３】
発振器１は、図１に示すように、発生した高周波信号の周波数等を制御するために、発振素子２に磁場を加える磁場用配線４をさらに有している。また、発振器１は、発振素子２に電流を流すだけでなく、発振素子２に電流を流すとともに磁場を加えることで、発振素子２から高周波信号を発生させてもよい。本実施形態では、発振器１は、発振素子２に電流を流すとともに磁場を加えることによって、発振素子２から高周波信号を出力している。
【００１４】
発振素子２は、電流が流れ、または電流が流れるとともに磁場が加わることによって、高周波信号を出力する。
【００１５】
発振素子２は、図４に示すように、磁気モーメントが一方向に固定されている第１磁性体５と、第１磁性体５上に配されている非磁性体６と、非磁性体６上に配されており、磁気モーメントが固定されていない第２磁性体７と、第１磁性体５および第２磁性体７にそれぞれ接続している一対の電極（第１電極８および第２電極９）とを有している。第１磁性体５および第２磁性体７のそれぞれは、導波管部３の管壁に電気的に接続されている。そのため、導波管部３から発振素子２に電流が流れる。
【００１６】
発振素子２を流れる電流は、例えば第１磁性体５から第２磁性体７に向かって流れる。発振素子２に加えられる磁場は、発振素子２を上面透視したときに、例えば第２磁性体７の磁気モーメントの方向が第１磁性体５の磁気モーメントの方向と一致するように加えられる。なお、本実施形態では、第２磁性体７の磁気モーメントの方向が第１磁性体５の磁気モーメントの方向と一致するように加えられているが、第２磁性体７の磁気モーメントの方向は、第１磁性体５の磁気モーメントの方向と一致しなくても構わない。また、発振素子２に加えられる磁場は、発振素子２を上下方向に切断した断面において、第２磁性体７に対して平面方向に沿うように加えられてもよいし、平面方向に対して傾けて加えられてもよい。
【００１７】
第１磁性体５は、第２磁性体７との相互作用によって、発振素子２に負性抵抗を生じさ
せるものである。第１磁性体５は、導電性の強磁性体からなる。具体的には、第１磁性体５は、例えばコバルト等の金属材料、あるいは鉄とコバルトとの合金またはニッケルとコバルトとの合金等からなる。
【００１８】
第１磁性体５は、例えば層状に形成されている。第１磁性体５の厚みは、例えば２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下に設定されている。第１磁性体５は、前記の通り厚く形成されているため、第１磁性体５の磁気モーメントを一方向に固定することができる。なお、第１磁性体５の磁気モーメントが固定される方向は、第１磁性体５の形成時に磁場を印加することで制御することができる。
【００１９】
なお、第１磁性体５の「厚み」とは、第１磁性体５の下面と上面との間の距離をいう。第１磁性体５の厚みは、例えば第１磁性体５を上下方向に切断した後に、その切断面をＴＥＭ等で撮影し、撮影した断面写真から求めることができる。また、本明細書においては、特に記載した場合を除き、各構成部材の厚みの定義および測定方法は、第１磁性体５の厚みと同様である。
【００２０】
非磁性体６は、第１磁性体５と第２磁性体７との磁気的結合を抑制する機能を有する。非磁性体６は、非磁性体すなわち強磁性体以外の材料からなる。具体的には、非磁性体６は、例えば銅または酸化マグネシウム等の非磁性体からなる。非磁性体６は、例えば層状に形成されている。非磁性体６の厚みは、例えば０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下に設定されている。非磁性体６は、前記の通り薄く形成されているため、例えば非磁性体６が絶縁材料からなる場合でも、トンネル効果によって発振素子２に電流が流れる。
【００２１】
第２磁性体７は、高周波信号としての電磁波を発生するものである。すなわち、高周波信号は発振素子２のうち第２磁性体７から発生する。本実施形態では、磁場用配線４の磁場によって第２磁性体７の磁気モーメントを第１磁性体５の磁気モーメントと一致する方向に向け、かつ電流中のスピン偏極電子を第２磁性体７から第１磁性体５に向かって流す。このとき、第２磁性体７のスピン偏極電子には、電流中のスピン偏極電子のうち、磁気モーメントの方向が第２磁性体７の磁気モーメントの方向と異なるスピン偏極電子によって、第２磁性体７の磁気モーメントの方向を反転させる力（スピントランスファートルク）が働く。そして、このスピントランスファートルクが要因となり、第２磁性体７の磁気モーメントが歳差運動を始め、また発振素子２内に負性抵抗が生じる。その結果、第２磁性体７から電磁波が高周波信号として発生し、発振素子２から高周波信号を発生させることができる。
【００２２】
第２磁性体７は、導電性の強磁性体からなる。具体的には、第２磁性体７は、例えばコバルト等の金属材料、あるいは鉄とコバルトとの合金または鉄とニッケルとの合金等からなる。第２磁性体７は、例えば層状に形成されている。第２磁性体７の厚みは、例えば２ｎｍ以上５ｎｍ以下に設定されている。
【００２３】
第１電極８は、第１磁性体５と導波管部３とを電気的に接続するものである。第１電極８は、例えば層状に形成されている。第１電極８は、導電性の材料からなる。具体的には、第１電極８は、例えば銅、金、白金またはコバルト等の金属材料、あるいは鉄とコバルトとの合金またはニッケルとコバルトとの合金等からなる。また、第１電極８は、第１磁性体４と同様の材料で形成されてもよい。この場合に、第１電極８は、さらに第１磁性体４と一体的に形成されてもよい。第１電極８の厚みは、例えば５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下に設定されている。
【００２４】
第２電極９は、第２磁性体７と導波管部３とを電気的に接続するものである。第２電極９は、例えば層状に形成されている。第２電極９は、導電性の材料からなる。具体的には
、第２電極９は、例えば銅、金、白金またはコバルト等の金属材料、あるいは鉄とコバルトとの合金または鉄とニッケルとの合金等からなる。また、第２電極９は、第２磁性体６と同様の材料で形成されてもよい。この場合に、第２電極９は、さらに第２磁性体６と一体的に形成されてもよい。第２電極９の厚みは、例えば５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下に設定されている。
【００２５】
導波管部３は、高周波信号を伝送するものである。導波管部３は、図３に示すように、管壁を構成する第１導体１０と、第２導体１１と、第１導体１０および第２導体１１に囲まれている誘電体１２とを有している。すなわち、第１導体１０および第２導体１１が誘電体１２の表面を覆って、高周波信号を伝送する導波管部３を形成している。
【００２６】
第１導体１０および第２導体１１は、誘電体１２と一体になって、高周波信号を伝送するものである。また、第１導体１０および第２導体１１は、対になって発振素子２の電極としても機能するものである。すなわち、第１導体１０および第２導体１１は、一対になって発振素子２に電流を流して、発振素子２に高周波信号を発生させ、発生した高周波信号の周波数等を制御すると同時に、発生した高周波信号の伝送に導波管部３の管壁として寄与している。
【００２７】
本実施形態では、第１導体１０および第２導体１１は、高周波信号の伝送方向に沿って少なくとも一部が対向するように位置している。具体的には、本実施形態では、図２に示すように、第１導体１０の一部と第２導体１１とが上下方向において対向している。そして、発振素子２の第１磁性体５は第１導体１０に電気的に接続しており、発振素子２の第２磁性体７は第２導体１１に電気的に接続している。すなわち、発振素子２は、第１導体１０および第２導体１１で囲まれている領域に位置しており、第１導体１０および第２導体１１は、発振素子２に電気的に接続している。
【００２８】
したがって、本発明に係る発振器１では、発振素子２が発生する高周波信号は、導波管部３内において発生することになる。そのため、発振素子２で発生した高周波信号を導波管部３まで伝送する場合と比較して、伝送に起因した高周波信号の漏れを抑制することができる。したがって、高周波信号の損失を低減することができるので、発振器１における高周波信号の伝送効率を向上させることができる。
【００２９】
また、発振素子２を導波管部３内に位置させていることから、発振素子２を別に配置するスペースを削減することができる。したがって、発振素子２を導波管部３の外に配置した場合と比較して、発振器１を小型化することができる。
【００３０】
第１導体１０および第２導体１１は、例えばボンディングワイヤまたはプローブ等を介して外部回路等（図示せず）に電気的に接続されることで、第１磁性体５、非磁性体６および第２磁性体７に電流を流す。なお、上述した通り本実施形態では、第１磁性体５から第２磁性体７に向かって電流を流すため、第１導体１０が正極となり、第２導体１１が負極となる。
【００３１】
第１導体１０および第２導体１１は、上述した通り、少なくとも一部が対向するように導波管部３の管壁を構成していればよく、本実施形態に示した構成に限られるものではない。すなわち、第１導体１０および第２導体１１は、発振素子２を挟み込むとともに囲むことによって、導波管部３の管壁として機能するようにすれば、様々な形状を取り得る。
【００３２】
第１導体１０および第２導体１１は、例えば、一方を高周波信号の伝送方向に沿って延びている帯状の隙間１３を有している管状の導体とし、他方を第１導体１０の隙間１３に、両側に間隔を開けて位置している帯状の導体とすることによって、双方で導波管部３を
形成してもよい。
【００３３】
また、第１導体１０および第２導体１１は、例えば、一方を高周波信号の伝送方向に沿って延びている溝を有している導体とし、他方を一方の溝の開口を塞ぐように一方と間隔を開けて位置している帯状の導体とすることによって、双方で導波管部３を形成してもよい。
【００３４】
また、第１導体１０および第２導体１１は、共に溝が形成された導体とし、互いの溝の開口を合わせるようにして導波管部３を形成してもよい。
【００３５】
また、第１導体１０および第２導体１１は、共に円弧状に凹んだ凹部を有する導体とし、互いの凹部の開口を合わせるようにして導波管部３を形成してもよい。
【００３６】
また、第１導体１０および第２導体１１は、共に直角に折れ曲がるとともに高周波信号の伝送方向に延びる導体とし、互いの角部が対向するようにして導波管部３を形成してもよい。
【００３７】
また、第１導体１０および第２導体１１は、一方を高周波信号の伝送方向に沿って延びるとともに一部に孔が開いている管状の導体とし、他方を一方の孔に位置しているパッド状の導体とすることによって、双方で導波管部３を形成してもよい。
【００３８】
また、第１導体１０および第２導体１１は、一方を２枚の金属板をビア導体で導通させた管状構造の導体とし、他方を一方の導体に孔を開けて設けられたパッド状の導体とすることによって、双方で導波管部３を形成してもよい。
【００３９】
本実施形態では、第１導体１０は、図２に示すように、高周波信号の伝送方向に沿って延びている帯状の隙間１３を有している管状の導体である。そして、第２導体１１は、第１導体１０の隙間１３に両側に間隔を開けて位置している帯状の導体である。これにより、第１導体１０によって導波管部３の管壁の大部分を形成することができ、高周波信号の伝送時の漏れを低減することができる。また、第２導体１１が第１導体１０の隙間１３に位置していることによって、伝送する高周波信号の伝送モードの乱れを低減することができ、安定して高周波信号を伝送することができる。また、第２導体１１を帯状に延ばすことによって、電流供給のための外部回路との接続の際の設計の自由度を向上させることができる。
【００４０】
第２導体１１は、第２導体１１の内面が第１導体１０の内面と面方向において一致するように位置させてもよい。すなわち、第２導体１１の内面を面方向に延ばしたときに、第１導体１０の内面と一致するように、第２導体１１を位置させてもよい。これにより、例えば、第１導体１０および第２導体１１を、１つの導体からなる導波管に相似したものとすることができるので、伝送する高周波信号の伝送モードの乱れを低減することができる。
【００４１】
第１導体１０は、断面形状が長方形状であって、長辺の一方に隙間１３を有する形状であってもよい。すなわち、第１導体１０および第２導体１１は、幅が大きい長方形状の導波管部３の管壁を構成していてもよい。これにより、ＴＥ１０モードで高周波信号を伝送することが可能になり、安定して高周波信号を伝送することができる。
【００４２】
第２導体１１は、図２に示すように、主に発振素子２の電極として機能する電極部１４と、電極部１４から延びており高周波信号の伝送に寄与する伝送部１５とを有している。本実施形態では、発振素子２は電極部１４の直下で電磁波が放射することになり、放射さ
れた電磁波は高周波信号となって伝送部１５の直下を伝送していくことになる。
【００４３】
電極部１４の周囲に位置する隙間１３は、発振素子２が発生する高周波信号の波長の１／４倍の幅を有していてもよい。これにより、電極部１４の直下において発振素子２から電磁波が放射されたときに、隙間１３に入って反射してくる電磁波の位相を発生時の電磁波と逆相になりにくくすることができる。その結果、発振素子２から発生する電磁波が、その周囲から反射してくる電磁波によって打ち消されにくくなるため、高周波信号の損失低減に効果がある。
【００４４】
伝送部１５の周囲に位置する隙間１３は、図２に示すように、電極部１４の周囲に位置する隙間１３よりも狭くてもよい。これにより、伝送する高周波の漏れを低減することができ、高周波信号の損失を低減することができる。なお、伝送部１５の周囲に位置する隙間１３の幅は、例えば１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下に設定されている。
【００４５】
第１導体１０および第２導体１１は、例えば銅、金、白金またはコバルト等の金属材料、あるいは鉄とコバルトとの合金またはニッケルとコバルトとの合金等からなる。また、第１導体１０は、第１磁性体５と同様の材料で形成されてもよい。第１導体１０および第２導体１１は互いに同じ材料で形成されてもよいし、異なる材料で形成されてもよい。
【００４６】
誘電体１２は、第１導体１０および第２導体１１と共に導波管部３となり、高周波信号を伝送するものである。誘電体１２は、第１導体１０および第２導体１１で構成されている導波管部３の管壁内に位置している。誘電体１２は、例えば酸化珪素等の絶縁性の材料からなる。
【００４７】
誘電体１２は、第１導体１０および第２導体１１で構成されている導波管部３の管の形状と相似形の形状である。誘電体１２は、高周波信号の伝送方向に直交する断面が高周波信号の伝送方向に連続して配された形状を有している。言い換えれば、誘電体１２を高周波信号の伝送方向に直交する断面で切断した時の断面形状は、誘電体１２のどの断面でも同様である。誘電体１２の高周波信号の伝送方向に直交する断面は、例えば円形状や四角形状である。本実施形態では、誘電体１２は、例えば幅が１００μｍ以上５００μｍ以下であり、高さが０．１μｍ以上１０μｍ以下である四角形状である。
【００４８】
発振器１は、図１に示すように、導波管部３の第１導体１０と第２導体１１との間隙（隙間１３）を覆うように、第１絶縁層１６を介してさらに導体層１７を備えてもよい。これにより、例えば第１導体１０および第２導体１１の間から高周波信号が漏れたとしても、漏れた高周波信号を導体層１７によって導波管部３内に反射させることができる。
【００４９】
導体層１７の縁は、発振器１を上面透視したときに、隙間１３の縁よりも高周波信号の波長の１／４倍の長さ分外側に位置しているとよい。これにより、導体層１７と第１導体１０との間に入り込んで反射する電磁波の位相を、発振素子２が放射する電磁波と同相にしやすくなる。その結果、発振素子２から発生する高周波信号が、その周囲から反射してくる高周波信号によって打ち消されにくくすることができる。
【００５０】
第１絶縁層１６は、導体層１７によって第１導体１０および第２導体１１が短絡するのを防止するものである。第１絶縁層１６は、例えば酸化珪素等の絶縁性の材料からなる。第１絶縁層１６の厚みは、第１導体１０および第２導体１１の内面と導体層１７の下面との距離が高周波信号の波長の１／４倍の長さになるように設定されてもよい。これにより、隙間１３に入り込んで導体層１７によって反射する電磁波の位相を、発振素子２が放射する電磁波と同相にしやすくなる。その結果、発振素子２から発生する高周波信号が、その周囲から反射してくる高周波信号によって打ち消されにくくすることができる。第１絶
縁層１６の厚みは、例えば５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下に設定されている。
【００５１】
磁場用配線４は、発振素子２に磁場を加えて、発振素子２に高周波信号を発生させたり、発生した高周波信号の周波数等を制御したりするものである。磁場用配線４は、導電性の材料からなる。具体的には、磁場用配線４は、例えば銅、金または白金等の金属材料からなる。磁場用配線４は、例えば層状に形成されている。本実施形態では、磁場用配線４は、導体層１７および第１絶縁層１６上に第２絶縁層１８を介して配されている。なお、第２絶縁層１８は、例えば酸化珪素等の絶縁性の材料からなる。
【００５２】
磁場用配線４は、上述した通り、発振素子２に磁場を加えるものである。そのため、磁場用配線４は、ランド部（図示せず）を介して外部回路に電気的に接続されており、発振素子２の近傍を通って配されている。また、磁場用配線４は、磁場用配線４に流れる電流に直交する発振素子２の断面において同一面上に位置している。その結果、磁場用配線４は、磁場用配線４に電流が流れることで発生する磁場を、発振素子２に印加することができる。
【００５３】
なお、本実施形態では、発振器１は、例えばシリコンウェハからなる基板（図示せず）上に、スパッタリング法およびエッチングを適宜繰り返すことによって作製することができる。すなわち、まず基板上に第１導体１０となる金属層をスパッタリング法によって形成する。その後、金属層の一部をエッチングして、後に誘電体１２が配置される凹部を形成する。次いで、凹部内に第１電極８、第１磁性体５、非磁性体６、第２磁性体７および第２電極９を順次スパッタリング法およびエッチングによって形成して、凹部内に誘電体１２をスパッタリング法で形成する。次いで、さらにスパッタリング法およびエッチングを繰り返して、第１導体１０の上部と第２導体１１とを形成し、第１絶縁層１６、導体層１７、第２絶縁層１８および磁場用配線４を順次形成することで、発振器１を形成することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１    発振器
２    発振素子
３    導波管部
４    磁場用配線
５    第１磁性体
６    非磁性体
７    第２磁性体
８    第１電極
９    第２電極
１０  第１導体
１１  第２導体
１２  誘電体
１３  隙間
１４  電極部
１５  伝送部
１６  第１絶縁層
１７  導体層
１８  第２絶縁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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