JP3417032B2 - 強磁性磁気共鳴装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強磁性磁気共鳴装置に
関し、特に、マイクロ波通信用チューナ等に搭載される
デバイスである強磁性磁気共鳴装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、強磁性磁気共鳴を利用したデバイ
スとしては、イットリウム−鉄よりなるガーネット（以
下、ＹＩＧと略称する。）を強磁性磁気共鳴体として用
いたものが知られている。このようなデバイスにおいて
は、強磁性磁気共鳴体を真球形状に形成することによ
り、縦方向及び横方向の反磁界係数が相等しくなるた
め、共鳴条件を表す式の中から飽和磁化（４πＭｓ）の
項が削除されることになり、原理的に飽和磁化の温度特
性による共鳴周波数のドリフトが発生することはない。

【０００３】ところで、近時においては、強磁性磁気共
鳴を利用したデバイスとして低価格で量産性に優れたも
のが要求されており、このようなデバイスを実現するた
めには、いわゆるマイクロストリップ路線を基本するマ
イクロ波集積回路（以下、ＭＩＣと略称する。）に強磁
性磁気共鳴体を集積したかたちとする必要があり、この
ような強磁性磁気共鳴体としては薄膜形状に成膜された
強磁性磁気共鳴素子が用いられる。

【０００４】ここで強磁性磁気共鳴素子のアスペクト比
が十分大きいとすると、その共鳴周波数ｆｒは以下に式
で与えられる。

【０００５】 ｆｒ＝γ（Ｈ₀−４πＭｓ） ・・・（１）

【０００６】（１）式において、γ、Ｈ₀、及び４πＭ
ｓはそれぞれ磁気回転比、外部印加磁界、及び飽和磁化
である。この（１）式に示すように、外部印加磁界Ｈ₀
が飽和磁化４πＭｓに達した時点より共鳴が立ち上り、
その後のｆｒはＨ₀の大きさに正比例する。

【０００７】ところがこの場合、三次元的に対象形状で
ある上述の真球状の強磁性磁気共鳴体と異なり、上記強
磁性磁気共鳴素子においては、その飽和磁化の温度特性
による共鳴周波数ｆｒのドリフトが極めて大きいため
に、そのままでは実用性がない。

【０００８】そこで、上記強磁性磁気共鳴素子と飽和磁
化の温度特性が相反する逆特性を有する永久磁石を設け
ることが提案されている。すなわち、従来の強磁性磁気
共鳴装置は、図２に示すように、略々Ｅ字形状に形成さ
れた第１の磁気コア１０１と、この第１の磁気コア１０
１とそのＥ字形状の両端部の各コア部１０１ａ，１０１
ｂにて突き合わせられている略々矩形形状に形成された
第２の磁気コア１０２と、制御電流を供給するために第
１の磁気コア１０１のＥ字形状の中央部のコア部１０１
ｃに巻線された磁気コイル１０３と、強磁性磁気共鳴体
が集積されたＭＩＣ１０４と、このＭＩＣ１０４とはそ
の飽和磁化の温度特性が相反する逆特性を有する永久磁
石１０５と、磁界分布を均一化するための高透磁率を有
するポールピース１０６とで構成されている。

【０００９】ここで、ＭＩＣ１０４と、永久磁石１０
５、及びポールピース１０６は、それらの幅が各々略々
同一に形成され、第１の磁気コア１０１のＥ字形状の中
央部のコア部１０１ｃと第２の磁気コア１０２との間に
形成された間隙１０７に配設されている。

【００１０】すなわち、上記間隙１０７において、ＭＩ
Ｃ１０４は一方の磁極である第２の磁気コア１０２の表
面上にその下面部にて接合されて配され、永久磁石１０
５はその上面部にて他方の磁極である上記コア部１０１
ｃの端面上に接合されて配され、この永久磁石１０５の
下面部にポールピース１０６がその上面部にて接合され
て、上記ＭＩＣ１０４の上面部とポールピース１０６の
下面部との間には空隙１０８が形成されている。

【００１１】この強磁性磁気共鳴装置においては、永久
磁石１０５及びポールピース１０６によって固定的磁場
を発生させ、さらに上記磁気コイル１０３に流す電流を
調節することにより磁場を制御することで同調可能な共
鳴装置とされている。この場合、上記強磁性磁気共鳴装
置の周囲温度の変化に伴って変動するＭＩＣ１０４に集
積された強磁性磁気共鳴素子の飽和磁化による共鳴周波
数のドリフトが、上記永久磁石１０５の逆特性によって
相殺補償されることになる。

【００１２】上述の強磁性磁気共鳴素子の飽和磁化によ
る共鳴周波数のドリフトの抑制効果を調べるために、飽
和磁化（４πＭｓ）が０．０８５（Ｔ）の上記ＹＩＧの
強磁性磁気共鳴素子を用いて、永久磁石１０５を設けて
上記逆特性による相殺補償を行った場合と、この永久磁
石１０５を設けない場合とについて共鳴周波数のドリフ
トの周囲温度依存性について実験した。

【００１３】その結果、図３に示すように、相殺補償を
行うことにより、永久磁石１０５を設けない場合と比較
して明らかに共鳴周波数のドリフトが抑制されているこ
とがわかる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、永久磁
石１０５を用いて上記共鳴周波数のドリフトの抑制を行
うことで、上記強磁性磁気共鳴装置は、例えば通信機等
の局部発振器として利用し、フェイズ・ロック・ループ
（ＰＬＬ）回路等により制御する場合等の用途には十分
使用可能である。

【００１５】しかしながら、上記図２に示す構造を有す
る従来の強磁性磁気共鳴装置においては、磁気コイル１
０３に制御電流を印加した際に、この磁気コイル１０３
により発生する自己発熱による温度上昇が上記強磁性磁
気共鳴装置内において不均一となり、磁気コイル１０３
への制御電流（同調電流）印加後に共鳴周波数の初期ド
リフトが発生し、高速の応答（レスポンス）を必要とす
る用途に使用する場合に問題がある。

【００１６】すなわち、磁気コイル１０３へ制御電流を
流す際に、この制御電流により磁気コイル１０３に自己
発熱が発生すると、上記強磁性磁気共鳴装置内において
この熱の伝導経路がＭＩＣ１０４と永久磁石１０５とで
は異なるために、両者の間に温度差が生じて両者が熱的
平衡状態に達するまでに比較的大きな共鳴周波数の初期
ドリフトが発生する。

【００１７】この共鳴周波数の初期ドリフトの典型例を
図４に示す。この特性図に示すように、磁気コイル１０
３へ所定の制御電流を流すことにより磁気共鳴が発生
し、その瞬間に共鳴周波数はｆｒ１となるが、時間経過
に伴って周囲の温度がほぼ一定となると、当初の共鳴周
波数より常に低い周波数にドリフトしてゆき、ある時刻
ｔにて共鳴周波数がｆｒ２のほぼ一定状態となる。

【００１８】これは、以下に示すことが原因であると考
えられる。先ず、磁気コイル１０３から生じた自己発熱
が第１の磁気コア１０１のＥ字形状の中央部のコア部１
０１ｃに伝達され、さらにこのコア部１０１ｃの端面と
接合されている永久磁石１０５に伝達され、その後しば
らくしてこの熱が上記ＭＩＣ１０４に伝達される。この
ように、永久磁石１０５とＭＩＣ１０４とでは熱が伝達
するのにタイムラグがあり、そのために両者の間にはし
ばらくの間温度差が生じることになる。

【００１９】永久磁石１０５は共鳴周波数のドリフトを
相殺補償するため、その磁化力が温度上昇に対して負の
特性を有するものが選ばれているので、磁気コイル１０
３により発生する制御磁場を弱める方向に作用する。一
方、上記ＭＩＣ１０４中の強磁性磁気共鳴素子では永久
磁石１０５と比較して熱の伝達が遅延している。そのた
めに上記永久磁石１０５の効果が勝って全体として共鳴
周波数が低下し、その後ＭＩＣ１０４と永久磁石１０５
とが熱平衡状態となって両者の特性が均衡する点（時刻
ｔ，共鳴周波数ｆｒ２）でほぼ共鳴周波数が一定値とな
る。

【００２０】上記時刻ｔに達するまでの時間は通常１時
間程度を要し、しかも共鳴周波数の大幅な低下が引き起
こされるので、上記強磁性磁気共鳴装置を迅速な動作が
要求される用途に使用する場合には極めて不都合であ
る。

【００２１】本発明は、上述の課題に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、共鳴周波数の変更
が要求された際に、共鳴周波数の初期ドリフトを抑制し
て迅速な応答が可能であり、薄膜よりなる強磁性磁気共
鳴素子の飽和磁化の温度特性による共鳴周波数のドリフ
トを永久磁石にて相殺補償するシステムに十分な実用性
を与えることが可能となる強磁性磁気共鳴装置を提供す
ることにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、磁気コイルを
有する第１の磁極と、この第１磁極と対向して配置され
る第２の磁極と、強磁性磁気共鳴素子が集積された集積
回路と、磁化の温度特性が前記強磁性磁気共鳴素子と逆
の永久磁石とを備えた強磁性磁気共鳴装置を対象とした
ものであり、前記集積回路と前記永久磁石とを積層し、
この積層された集積回路及び永久磁石を上記各磁極のい
ずれか一方の磁極上に配設して構成するものである。

【００２３】このとき、磁界分布を均一化するために、
高透磁率を有するポールピースを介して上記集積回路と
上記永久磁石とを積層して構成してもよい。

【００２４】

【作用】本発明に係る強磁性磁気共鳴装置においては、
強磁性磁気共鳴素子が集積された集積回路とこの強磁性
磁気共鳴素子と相反する逆特性を有する永久磁石とが積
層され、この積層された集積回路及び永久磁石が各磁極
のいずれか一方の磁極上に配設されている。したがっ
て、磁気コイルに制御電流を印加すると、この制御電流
により磁気コイルに自己発熱が発生した際に、この強磁
性磁気共鳴装置内において熱が集積回路中の強磁性磁気
共鳴素子と上記永久磁石にほぼ同時に熱伝導が生じて直
ちに熱的平衡状態に達する。そのために、両者の間の温
度差によって熱的平衡状態に達するまでの間に発生する
共鳴周波数の初期ドリフトが無視し得る程度まで抑制さ
れることになる。したがって、周波数をある所定値に変
更する必要が生じた場合に、磁気コイルに印加する制御
電流を変動させても初期ドリフトがほとんど発生するこ
となく迅速に所定の周波数に共鳴させることが可能とな
る。

【００２５】

【実施例】以下、本発明に係る強磁性磁気共鳴装置の実
施例を図面を参照しながら説明する。

【００２６】本実施例に係る強磁性磁気共鳴装置は、図
１に示すように、略々Ｅ字形状に形成された第１の磁極
１と、この第１の磁極１とそのＥ字形状の両端部の各コ
ア部１ａ，１ｂにて突き合わせられている略々矩形形状
に形成された第２の磁極２と、制御電流を供給するため
に第１の磁極１のＥ字形状の中央部のコア部１ｃに巻線
された磁気コイル３と、強磁性磁気共鳴体が集積された
ＭＩＣ４と、このＭＩＣ４とはその飽和磁化の温度特性
が相反する逆特性を有する永久磁石５と、磁界分布を均
一化するための高透磁率を有するポールピース６とで構
成されている。

【００２７】ここで、ＭＩＣ４と、永久磁石５、及びポ
ールピース６は、それらの幅が各々略々同一に形成さ
れ、第１の磁極１のＥ字形状の中央部のコア部１ｃと第
２の磁極２との間に形成された間隙７に配設されてい
る。

【００２８】すなわち、上記間隙７において、永久磁石
５が一方の磁極である第２の磁極２の表面上にその下面
部にて接合されて配され、その上面部にポールピース６
を介して上記ＭＩＣ４がその下面部にて接合されて配さ
れ、このＭＩＣ４の上面部と上記コア部１ｃとの間には
空隙８が形成されている。

【００２９】この強磁性磁気共鳴装置においては、永久
磁石５及びポールピース６によって固定的磁場を発生さ
せ、さらに上記磁気コイル３に流す電流を調節すること
により磁場を制御することで同調可能な共鳴装置とされ
ている。この場合、上記強磁性磁気共鳴装置の周囲温度
の変化に伴って変動するＭＩＣ４に集積された強磁性磁
気共鳴素子の飽和磁化による共鳴周波数のドリフトが、
上記永久磁石５の逆特性によって相殺補償されることに
なる。

【００３０】さらに、上記強磁性磁気共鳴装置において
は、上述のように、強磁性磁気共鳴素子が集積された上
記ＭＩＣ４とこの強磁性磁気共鳴素子と相反する逆特性
を有する永久磁石５とが積層され、この積層されたＭＩ
Ｃ４及び永久磁石５が一方の磁極である第２の磁極２上
に配設されている。したがって、磁気コイル３に制御電
流を印加すると、この制御電流により磁気コイル３に自
己発熱が発生した際に、この強磁性磁気共鳴装置内にお
いて熱が集積回路中の強磁性磁気共鳴素子と上記永久磁
石５にほぼ同時に熱伝導が生じて直ちに熱的平衡状態に
達する。そのために、両者の間の温度差によって熱的平
衡状態に達するまでの間に発生する共鳴周波数の初期ド
リフトが無視し得る程度まで抑制されることになる。し
たがって、周波数をある所定値に変更する必要が生じた
場合に、磁気コイル３に印加する制御電流を変動させて
も初期ドリフトがほとんど発生することなく迅速に所定
の周波数に共鳴させることが可能となる。

【００３１】このように、上記実施例に係る強磁性磁気
共鳴装置によれば、上記ＭＩＣ４に形成された薄膜より
なる強磁性磁気共鳴素子の飽和磁化の温度特性による共
鳴周波数のドリフトを永久磁石５にて相殺補償する際
に、瞬間的に周波数を変化させて磁気コイル３に自己発
熱が生じても、発生する共鳴周波数の低下はほぼ無視で
き得る程度のものである。したがって、例えば、周波数
を同調させた後、しばらくその周波数にとどめ、他の同
調周波数に変更するときには迅速に同調して安定化する
ことが必要な、マイクロ波通信機やＴＶ受信器等のチュ
ーナデバイスなどに対して十分対応が可能となる。

【００３２】なお、上記実施例においては、ポールピー
ス６を介した上記ＭＩＣ４及び永久磁石５を一方の磁極
である上記コア部１ｃ側に配設して構成したが、これら
を他方の磁極である第２の磁極側に配してもよい。

【００３３】

【発明の効果】本発明に係る強磁性磁気共鳴装置によれ
ば、磁気コイルを有する第１の磁極と、この第１の磁極
とともに各磁極を形成する第２の磁極と、強磁性磁気共
鳴素子が集積された集積回路と、磁化の温度特性が前記
強磁性磁気共鳴素子と逆の永久磁石とを備え、前記集積
回路と前記永久磁石とを積層し、この積層された集積回
路及び永久磁石を上記各磁極のいずれか一方の磁極上に
配設して構成したので、共鳴周波数の変更が要求された
際に、共鳴周波数の初期ドリフトを抑制して迅速な応答
が可能であり、薄膜よりなる強磁性磁気共鳴素子の飽和
磁化の温度特性による共鳴周波数のドリフトを永久磁石
にて相殺補償するシステムに十分な実用性を与えること
が可能となる。

【００３４】また、本発明によれば、磁界分布を均一化
するために、高透磁率を有するポールピースを介して上
記集積回路と上記永久磁石とを積層して構成したので、
薄膜よりなる強磁性磁気共鳴素子の飽和磁化の温度特性
による共鳴周波数のドリフトを永久磁石にて相殺補償す
るシステムに更なる十分な実用性を与えることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係る強磁性磁気共鳴装置の構成を模
式的に示す断面図である。

【図２】従来の強磁性磁気共鳴装置の構成を模式的に示
す断面図である。

【図３】永久磁石を用いた際の温度ドリフトの抑制効果
を示す特性図である。

【図４】磁気コイルの自己発熱による共鳴周波数の初期
ドリフトを示す特性図である。

【符号の説明】

１ 第１の磁極 ２ 第２の磁極 ３ 磁気コイル ４ ＭＩＣ ５ 永久磁石 ６ ポールピース ８ 空隙

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気コイルを有する第１の磁極と、 この第１の磁気コアと対向して配置される第２の磁極
   と、 強磁性磁気共鳴素子が集積された集積回路と、 磁化の温度特性が前記強磁性磁気共鳴素子と逆の永久磁
   石とを備え、 前記集積回路と前記永久磁石とが積層され、この積層さ
   れた集積回路及び永久磁石が上記各磁極のいずれか一方
   の磁極上に配設されてなることを特徴とする強磁性磁気
   共鳴装置。
2. 【請求項２】集積回路と永久磁石とが磁界分布を均一化
   するための高透磁率を有するポールピースを介して積層
   されてなることを特徴とする請求項１記載の強磁性磁気
   共鳴装置。