JP6597766B2

JP6597766B2 - 整流器および送受信装置

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Publication number: JP6597766B2
Application number: JP2017247137A
Authority: JP
Inventors: 健司鈴木; 英治鈴木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2019-10-30
Anticipated expiration: 2033-04-18
Also published as: JP2018098799A

Description

本発明は、発振器、整流器および送受信装置に関する。

近年、磁気抵抗効果素子によるマイクロ波発振と受信が研究されている。例えば、特許文献１においては、ＣＣＰ―ＣＰＰ（ＣｕｒｒｅｎｔＣｏｎｆｉｎｅｄＰａｔｈ−ＣｕｒｒｅｎｔＰｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｔｏＰｌａｎｅ）発振素子に外部磁場を印加することによって、発振周波数を変えることができることが開示されている。

特開２００７−１２４３４０号公報

しかしながら従来技術においては、発振やマイクロ波受信に必要な磁場は、磁気抵抗効果素子に接続されていない外部の配線あるいは外部のコイルや磁石により発生させていた。例えば特許文献１では、外部磁石と外部配線によって、磁場を発振素子である磁気抵抗効果素子に印加している。従って従来技術においては、部品点数が多くなり、発振器や検出器の寸法が大きくなるため、小型化が困難であった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型化が可能な発振器または整流器を提供することを目的とする。また、そのような発振器と整流器を備えることによって、従来より小型化が可能な送受信装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る発振器では、発振周波数が磁場により可変な発振部と、前記発振部に直列に接続された導体とを有する発振器であって、前記発振部と前記導体とは、前記導体を流れる電流が発生する磁場が前記発振部に印加され、前記磁場の大きさが調整されることにより、前記発振部の発振周波数が調整可能なように配置されていることを特徴とする。この第１の態様により、発振器の小型化が可能となる。

さらに本発明の第２の態様に係る発振器では、前記導体と並列に接続された可変抵抗器を有することを特徴とすることが好ましい。

さらに本発明の第３の態様に係る発振器では、第１の態様または第２の態様において、前記導体がループ部を備え、前記発振部と前記ループ部とは、前記ループ部を流れる電流が発生する磁場が前記発振部に印加されるように配置されていることを特徴とすることが好ましい。

さらに本発明の第４の態様に係る発振器では、前記ループ部がアンテナであることを特徴とすることが好ましい。

さらに本発明の第５の態様に係る発振器では、第１の態様から第４の態様までのいずれか１態様において、前記発振部が、磁気抵抗効果素子、ジョセフソン素子、または磁気共鳴フィルタを有するフィルタ付発振器であることを特徴とすることが好ましい。

本発明の第６の態様に係る発振器では、磁場により発振周波数が可変な発振部と、前記発振部と直列に接続された導体とを有し、前記導体が前記発振部に印加する磁場を調整する印加磁場調整部を備えたことを特徴とする。

本発明の第７の態様に係る整流器では、磁場により整流周波数が可変な整流部と、前記整流部に直列に接続された導体とを有する整流器であって、前記整流部と前記導体とは、前記導体を流れる電流が発生する磁場が前記整流部に印加され、前記磁場の大きさが調整されることにより、前記整流部の整流周波数が調整可能なように配置されていることを特徴とする。

さらに、本発明の第８の態様に係る整流器では、前記導体と並列に接続された可変抵抗器、可変容量または可変インダクタを有することを特徴とすることが好ましい。

さらに、本発明の第９の態様に係る整流器では、第７の態様または第８の態様において、前記導体がループ部を備え、前記整流部と前記ループ部とは、前記ループ部を流れる電流が発生する磁場が前記整流部に印加されるように配置されていることを特徴とすることが好ましい。

さらに、本発明の第１０の態様に係る整流器では、前記ループ部がアンテナであることを特徴とすることが好ましい。

さらに、本発明の第１１の態様に係る整流器では、第７の態様から第１０の態様までのいずれか１態様において、前記整流部が磁気抵抗効果素子またはジョセフソン素子であることを特徴とする。

本発明の第１２の態様に係る整流器では、磁場により整流周波数が可変な整流部と、前記整流部に直列に接続された導体とを有し、前記導体が前記整流部に印加する磁場を調整する印加磁場調整部を備えたことを特徴とする。

本発明の第１３の態様に係る送受信装置では、第１の態様から第６の態様までのいずれか１態様の発振器と、第７の態様から第１２の態様までのいずれか１態様の整流器とを有し、前記発振器の前記導体と前記整流器の前記導体が電磁気的に結合することで、無線通信または無線電力伝送を行うことを特徴とする。

本発明によれば、小型化が可能な発振器または整流器を提供することができる。また、そのような発振器と整流器を備えることによって、従来よりも小型化が可能な送受信装置を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る発振器の模式図である。本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成例を示す図である。本発明の実施形態に係るフィルタ付き発振器の構成例を示す図である。本発明の実施形態１に係る発振器の周辺回路を示す図である。本発明の実施形態２に係る発振器の回路図である。本発明の実施形態３に係る発振器の回路図である。本発明の実施形態４に係る発振器の回路図である。本発明の実施形態４に係る発振器の模式図である。本発明の実施形態５に係る整流器の模式図である。本発明の実施形態５に係る整流器の周辺回路を示す図である。本発明の実施形態８に係る送信装置の回路図である。本発明の実施形態１１における送受信装置を示す模式図である。

以下、本発明における好ましい実施の形態を示す。しかし、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、形態が本発明の技術的思想を有するものである限り、本発明の範囲に含まれる。各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせなどは一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

（実施形態１）
図１は実施形態１に係る発振器１００を示す図である。実施形態１の発振器１００は、発振周波数が磁場により可変な発振部１０１と、発振部１０１に直列に接続された導体１０３とを備える。導体１０３は、直流電流Ｉを発振部１０１に流入させる導体１０３ａと、発振部１０１から直流電流Ｉを流出させる導体１０３ｂとを有する。

発振器１００に直流電流Ｉを供給すると、導体１０３を流れる直流電流Ｉによって、磁場Ｈが発生する。導体１０３は、磁場Ｈが発振部１０１に印加されるように配置されている。導体１０３は、直流電流Ｉの流入側の導体１０３ａに限らず、直流電流の流出側の導体１０３ｂを流れる直流電流Ｉによっても、磁場Ｈが発振部１０１に印加されるように配置されていてもよい。発振部１０１は、直流電流Ｉと磁場Ｈが印加されることで発振する。さらに導体１０３は、磁場Ｈによって、発振部１０１が所望の周波数で発振するように配置されている。

発振部１０１には、直流電流Ｉの印加のみによって発振する発振部と、さらに閾値以上の磁場を印加することによって発振する発振部が挙げられる。ここで閾値磁場とは、発振部１０１に直流電流が供給されている場合に、発振部１０１が発振するために最低限必要な磁場の大きさである。

閾値以上の磁場を印加することによって発振する発振部、言い換えると閾値磁場がゼロより大きい発振部を発振させるためには、直流電流とともにゼロより大きい磁場を発振部に印加する必要がある。このときのゼロより大きい磁場とは、地磁気以上の磁場である。ちなみに、ここでの地磁気とは、発振器に作用する地球磁気を示し、例えば、地表における地球磁気は、目安として３７Ａ／ｍである。

導体１０３により発生する磁場を発振部１０１に印加する場合は、導体１０３は発振部１０１の極近傍に配置できるので、強い磁場の大きさを調整して発振部１０１に印加できる。したがって、磁石などの外部の磁場印加機構からの磁場を大きくする必要がなくなるため、前記磁場印加機構を小型化できる。つまり、この構成により発振器全体の小型化が可能になる。ちなみに外部の磁場印加機構は磁石に限られず、例えば、配線を流れる電流が発生する磁場、またはコイルや電磁石を用いることができる。

発振部１０１は、例えば磁気抵抗効果素子や、発振回路と磁気共鳴を用いたフィルタで構成されるフィルタ付発振器や、ジョセフソン素子を用いることができる。

図２には磁気抵抗効果素子の構成例を示す。磁気抵抗効果素子２０５は磁性層であるピン層２０６ａと、磁性層であるフリー層２０６ｂと、その間に配置されたスペーサ層２０７とを有する。ここでのピン層２０６ａの磁化方向は固定されており、矢印２０９ａはピン層２０６ａの磁化の固定方向を示す。フリー層２０６ｂの磁化方向は、電流を印加する前の状態では、有効磁場の方向を向いており、矢印２０９ｂは有効磁場の方向を示す。有効磁場は、フリー層２０６ｂ内で生じる異方性磁場、交換磁場、外部磁場、反磁場の和である。図２では、ピン層２０６ａの磁化の方向と、フリー層２０６ｂの有効磁場の方向が、互いに反対方向を向いているが、互いの方向はこれに限らない。

磁気抵抗効果素子２０５は特に限定されないが、例えばＧＭＲ素子、またはＴＭＲ素子、またはスペーサ層２０７の絶縁層中に電流狭窄パスが存在する磁気抵抗効果素子などを用いることができる。

磁気抵抗効果素子２０５にＧＭＲ素子を用いる場合、スペーサ層２０７は、例えば、銅など非磁性金属を用いることができる。ＧＭＲ素子のフリー層２０６ｂおよびピン層２０６ａの材料は、例えば、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金にボロンを混入した合金を用いることができる。ピン層２０６ａの磁化を固定するには、イリジウム、鉄、白金、マンガンなどの合金による反強磁性層との交換結合や、磁性金属多層膜（例えばコバルト鉄−ルテニウム−コバルト鉄の多層膜）による反強磁性結合を用いることができる。そして各層の厚さは０．１〜５０ｎｍ程度が好ましい。ＧＭＲ素子は、スペーサ層２０７が金属からなるため、他の磁気抵抗効果素子に比較して抵抗値が低い。このため、磁気抵抗効果素子２０５を低インピーダンスの回路に接続する際に、インピーダンス整合の観点で好ましい。

磁気抵抗効果素子２０５にＴＭＲ素子を用いる場合、スペーサ層２０７は、例えば、アルミナや酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の絶縁層を用いることができる。ＴＭＲ素子のフリー層２０６ｂおよびピン層２０６ａの材料は、例えば、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金としてボロンを混入した合金を用いることができる。ピン層２０６ａの磁化を固定するには、イリジウム、鉄、白金、マンガンなどの合金による反強磁性層との交換結合や、磁性金属多層膜（例えばコバルト鉄−ルテニウム−コバルト鉄の多層膜）による反強磁性結合を用いることができる。そして各層の厚さは０．１〜５０ｎｍ程度が好ましい。ＴＭＲ素子はスペーサ層２０７が絶縁層からなるため、他の磁気抵抗効果素子に比較して抵抗値が高い。このため、磁気抵抗効果素子２０５を高インピーダンスの回路に接続する際に、インピーダンス整合の観点で好ましい。

さらに磁気抵抗効果素子２０５に、スペーサ層２０７の絶縁層中に電流狭窄パスを有する磁気抵抗効果素子を用いる場合、そのスペーサ層２０７の絶縁層はＡｌ_２Ｏ_３等からなる。スペーサ層２０７の電流狭窄パスは、例えば銅などの非磁性金属や、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金にボロンを混入した磁性金属を用いることができる。この磁気抵抗効果素子２０５の磁化自由層および磁化固定層には、例えば、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金にボロンを混入した合金を用いることができる。ピン層２０６ａの磁化を固定するには、イリジウム、鉄、白金、マンガンなどの合金による反強磁性層との交換結合や、磁性金属多層膜（例えばコバルト鉄−ルテニウム−コバルト鉄の多層膜）による反強磁性結合を用いることができる。そして、各層の厚さは０．１〜５０ｎｍ程度が好ましい。この磁気抵抗効果素子２０５は、電流狭窄パスを有し、その電流狭窄パスによって電流密度を上げられる。このため、素子への投入電流を他の磁気抵抗効果素子に比較して小さくすることができる。この磁気抵抗効果素子２０５を発振部１０１に使用することによって、消費電力を抑えた回路とすることができる。

本実施形態に係る磁気抵抗効果素子２０５の自励発振について説明する。ここで自励発振とは、振動的でない直流電流により電気的振動が誘起される現象である。磁気抵抗効果素子２０５に直流電流Ｉを流すと、伝導電子２０８が直流電流Ｉとその逆方向、すなわちピン層２０６ａからスペーサ層２０７を介してフリー層２０６ｂに流れる。矢印２０９ａの方向に磁化したピン層２０６ａにおいて、伝導電子２０８のスピンは矢印２０９ａの方向に偏極する。矢印２０９ｃは伝導電子２０８のスピンの方向を表す。スピン偏極した電子２０８はスペーサ層２０７を介してフリー層２０６ｂに流れこむことで、フリー層２０６ｂの磁化と角運動量の受け渡しを行う。これによって、フリー層２０６ｂの磁化の方向を、有効磁場の方向を示す矢印２０９ｂの方向から傾かせようとする作用が働く。一方で、フリー層２０６ｂの磁化の方向を、有効磁場の方向を示す矢印２０９ｂの方向に安定させようとするダンピングの作用がはたらく。したがって、これら２つの作用がつりあって、フリー層の磁化方向は有効磁場の方向の周りを歳差運動する。この歳差運動を、フリー層の磁化方向を示す矢印２０９ｄの、有効磁場の方向を示す矢印２０９ｂのまわりの運動として表わし、一点鎖線２０９ｅによって矢印２０９ｄの歳差運動の軌跡を示す。フリー層の磁化方向がピン層の磁化方向に対して高周波で変化するため、フリー層の磁化方向とピン層の磁化方向の相対角度に依存して抵抗が変化する磁気抵抗効果によって、抵抗値も高周波で変化する。直流電流Ｉに対して抵抗値が高周波で変化するので、およそ１００ＭＨｚから１ＴＨｚの高周波数で振動する電圧が発生する。有効磁場の方向は、ピン層２０６ａの磁化方向に対して反対方向である１８０度の角度を有するだけでなく、同じ方向である０度や、４５度、９０度、または１３５度のような角度を有することができる。

印加磁場と発振周波数は、おおよそ比例関係にある。したがって、高周波の発振を生じさせるためには、外部磁場は大きい方が望ましい。

また、発振部１０１は発振回路と磁気共鳴を用いたフィルタで構成されるフィルタ付発振器を用いることができる。図３はフィルタ付発振器の構成例を示した図である。フィルタ付発振器３００は発振回路３０１と、磁気共鳴を用いたフィルタ３０２と、導体１０３とからなる。導体１０３は、フィルタ付発振器３００に電流を供給する部分と、フィルタ付発振器３００から電流が流出する部分と、発振回路３０１とフィルタ３０２を接続する部分とを含む。フィルタ付発振器３００においては、磁気共鳴を用いたフィルタ３０２に、電流が発生する磁場を効率良く印加できるように、導体１０３と、磁気共鳴を用いたフィルタ３０２を配置することが望ましい。

磁気共鳴を用いたフィルタを利用したフィルタ付発振器３００には、例えばＹＩＧ発振器を用いることができる。ＹＩＧとはＹｔｔｒｉｕｍＩｒｏｎＧａｒｎｅｔ／Ｙ_３Ｆｅ_２（ＦｅＯ_４）_３の略である。ＹＩＧ発振器は発振回路とＹＩＧにより構成される。ＹＩＧは球状が好ましい。ＹＩＧの単結晶フェライトで作った球は、磁場を印加すると鋭い磁気共鳴を示すため、その周波数の信号を通過させるフィルタとして機能する。発振回路に電流を流すと発振が生じ、フィルタとして機能するＹＩＧに発振信号を通過させることで、発振は鋭いピークのスペクトルとなって出力される。

ＹＩＧが通過させる信号の周波数は、印加磁場の大きさにおおよそ比例する磁気共鳴周波数で決定される。従って、磁気共鳴を用いたフィルタを利用したフィルタ付発振器３００においても、高周波で発振させるためには大きな外部磁場が必要となる。

発振部１０１に、交流ジョセフソン効果を用いた発振素子を用いることもできる。交流ジョセフソン効果は、２つの超伝導体を接続したジョセフソン接合部に閾値以上の直流電流を供給すると、接合部に交流電流が流れる効果である。さらに、外部磁場をジョセフソン接合部に印加することで、交流の周波数を変化できることが知られている。したがって、交流ジョセフソン効果を用いた発振素子は、外部磁場により周波数可変な発振部として用いることができる。

発振部１０１に、ゼーマンレーザーを用いることもできる。ゼーマンレーザーは、磁場により原子のエネルギー準位が分裂するゼーマン効果を用いたレーザーであり、磁場と電流をレーザー発振部に印加すると、周波数の異なる２つの偏光成分を発振する。さらに磁場により、発振周波数を変化できることが知られている。したがって、ゼーマンレーザーは、外部磁場により周波数可変な発振部として用いることができる。

図４は実施形態１に係る発振器１００を使用するための周辺回路の一例を示す図である。周辺回路４００は、直流電流源４０２と、負荷４０４と、インダクタＬａと、キャパシタＣａとからなる。インダクタＬａは発振器１００が発振した高周波出力の直流電流源４０２への流入を防ぎ、キャパシタＣａは直流電流の負荷４０４への流入を防ぐことができる。

直流電流源４０２から直流電流が発振器１００に供給されると、発振器１００は高周波を出力する。高周波の信号はインダクタＬａに比較してインピーダンスが小さいキャパシタＣａを主に通過し、負荷４０４で検出される。

以後の実施形態の説明においては、周辺回路４００は省略する。

（実施形態２）
実施形態１では、発振部に供給する電流が発生する磁場を、発振部に印加する形態を説明した。磁場を増加させる他の手段として、電流を増加させる手段が挙げられる。しかし、発振部の耐電流を越えるような大きな電流は発振部に印加できない。そこで実施形態２では、発振部に直列に接続された導体を流れる電流の大きさが発振部を流れる電流よりも大きくなるように配置する。

図５は実施形態２に係る回路図である。実施形態２の発振器５００は、発振部１０１と、発振部１０１に直列に接続された導体１０３ａと導体１０３ｂとを有する。さらに発振器５００は、発振部１０１と導体１０３ｂとの間に電流増幅手段である電流増幅部５０１を有する。電流増幅部５０１は入力端と出力端とを有し、入力端から入力された直流電流Ｉを増幅して出力端に増幅電流Ｉ_Ａとして出力する。発振部１０１は電流増幅部５０１の入力端に直列に接続され、導体１０３ｂは電流増幅部５０１の出力端に直列に接続されている。

発振部１０１に直流電流Ｉを流すと、電流増幅部５０１は増幅電流Ｉ_Ａを発生させる。導体１０３ｂは増幅電流Ｉ_Ａが流れることによって、発振部１０１の位置に磁場Ｈを発生させる。発振部１０１は直流電流Ｉと磁場Ｈが印加されることで発振する。発振器５００は、導体１０３ｂを流れる電流の大きさが発振部１０１を流れる電流よりも大きくなるように構成されている。したがって、発振部１０１には大電流が流れないため、発振部１０１を過電流から保護することが可能である。

電流増幅手段である電流増幅部は、トランジスタ、市販のチップ形状のアンプ、または増幅回路などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。

前記電流増幅手段の配置は、実施形態２で示したように、発振部１０１と前記電流増幅手段が直列である配置に限らない。導体１０３ｂを流れる電流の大きさが、発振部１０１を流れる電流よりも大きくなる構成ならばよい。たとえば、発振部１０１と前記電流増幅手段が並列となる配置を用いることもできる。

実施形態２は、発振部１０１に流れる電流を増加せずに、導体１０３ｂを流れる電流を大きくすることで、導体１０３ｂが発生する磁場を強くできる。したがって実施形態２は、素子を過電流から保護しつつ高周波の発振を得たい場合に、より好ましい形態である。

（実施形態３）
実施形態３では、発振部に印加する電流を一定に保ったまま、発振部に印加する磁場の大きさを調整して、所望の周波数で発振部を発振させる。

図６は実施形態３に係る回路図である。実施形態３の発振器６００は、発振部１０１と、導体１０３と、可変抵抗６０１と、抵抗６０２とを有する。導体１０３は、分岐した導体１０３ｃと導体１０３ｄとを有する。導体１０３ｄを流れる電流が発生する磁場が発振部１０１に印加されるように、導体１０３ｄと発振部１０１は配置されている。導体１０３ｃは可変抵抗６０１を有し、導体１０３ｄは抵抗６０２を有する。可変抵抗６０１と抵抗６０２とは、電気的に並列接続される。

導体１０３ｄを流れる電流が発生させる磁場は、可変抵抗６０１の抵抗値を調節することで可変となる。発振器６００に直流電流Ｉを流すと、電流Ｉは導体１０３ｃと導体１０３ｄとに分流される。このとき導体１０３ｄに流れる電流Ｉ_Ｒと、導体１０３ｃに流れる電流Ｉ_ＶＲの値は、抵抗６０２の抵抗値と可変抵抗６０１の抵抗値の比によって決定される。したがって、可変抵抗６０１の抵抗値を調節することで導体１０３ｄに流れる電流Ｉ_Ｒを変化でき、導体１０３ｄが発生する磁場Ｈの大きさを調整することができる。発振部１０１に流れる電流は、電流Ｉ_Ｒと電流Ｉ_ＶＲの和になるので、発振器６００に印加した直流電流Ｉと等しい。したがって、発振部１０１に流れる電流を一定に維持したまま磁場Ｈの強度を変化させて、発振部１０１の発振周波数を調整できる。可変抵抗６０１と抵抗６０２を並列に接続した部分は、発振部に印加する磁場を調整する印加磁場調整部のひとつの例である。

実施形態３は、発振部１０１に流れる電流を一定に維持したまま、発振周波数を調整したい場合に、より好ましい形態である。

（実施形態４）
実施形態３では、発振部に印加する電流を一定に保ったまま、発振部に印加する磁場の大きさを調整することができる発振器を説明した。実施形態４では、さらに磁場を効率良く印加できるように、磁場印加部としてループ部を用いる。

図７は実施形態４に係る回路図である。実施形態４の発振器７００は、発振部１０１と、導体１０３と、可変抵抗６０１と、ループ部とを有する。ループ部は抵抗６０２ａとインダクタ７０１ａで表現する。導体１０３は、直流電流Ｉを発振器７００に流入させる導体１０３ａと、流出させる導体１０３ｂとを有する。導体１０３ａは、並列接続された可変抵抗６０１とループ部とを有する。磁場印加部であるループ部は、ループ部を流れる電流が発生する磁場が発振部１０１に印加されるように配置されている。

以下、電気回路による実施形態の説明において、ループ部はインダクタと抵抗が直列接続したものと等価とする。また、回路図中において、実施形態の効果を説明する上で不要な場合、抵抗の図示は省略されることがある。

ループ部を流れる電流により発生する磁場は、可変抵抗６０１の抵抗値を調節することで可変となる。発振器７００に直流電流Ｉを流すと、電流Ｉはループ部と可変抵抗６０１とに分流される。このときループ部に流れる電流Ｉ_ＬＯＯＰと、可変抵抗６０１に流れる電流Ｉ_ＶＲの値は、抵抗６０２ａの抵抗値と可変抵抗６０１の抵抗値の比によって決定される。したがって、可変抵抗６０１の抵抗値を調節することで電流Ｉ_ＬＯＯＰを変化でき、ループ部が発生する磁場Ｈの大きさを調整することができる。発振部１０１に流れる電流は、電流Ｉ_ＬＯＯＰと電流Ｉ_ＶＲの和になるので、発振器７００に印加した直流電流Ｉと等しい。したがって、発振部１０１に流れる電流を一定に維持したまま磁場Ｈの強度を変化させて、発振部１０１の発振周波数を調整できる。可変抵抗６０１とループ部を並列に接続した部分は、発振部に印加する磁場を調整する印加磁場調整部のひとつの例である。

実施形態４は、発振部１０１に流れる電流を一定に維持したまま、強い磁場を発振部１０１に調整して印加できる。高周波の発振を調整したい場合に、より好ましい形態である。

さらに、実施形態４におけるループ部は、発振部１０１が発振した電力を電磁場として放出するアンテナとしても使用することができる。したがって、発振器から電磁場を外部へ放出させる場合、あらたにアンテナを設ける必要がなくなり、発振器全体の小型化が可能になる。ここでアンテナとは、波長より十分大きい距離へ電磁波を伝送させるためのアンテナだけでなく、波長と同程度、または波長より小さい距離へ電磁場を伝送させるアンテナや共振器も意味する。

図８は実施形態４に係る発振器７００を示す模式図である。発振器７００は発振部１０１と、導体１０３と、可変抵抗６０１とを備える。導体１０３は、直流電流Ｉを発振部１０１に流入させる導体１０３ａと、流出させる導体１０３ｂとを有する。さらに導体１０３ａはループ部７０１を有する。可変抵抗６０１は、ループ部７０１と電気的に並列接続されている。発振器７００に直流電流Ｉを供給すると、ループ部７０１を流れる直流電流Ｉ_ＬＯＯＰによって、磁場Ｈが発生する。ループ部７０１は、磁場Ｈが発振部１０１に印加されるように配置されている。

ループ部７０１に流れる直流電流Ｉの値を調節することで、磁場Ｈは可変となる。発振器７００に直流電流Ｉを供給すると、直流電流Ｉはループ部７０１と可変抵抗６０１とに分流される。このときループ部７０１に流れる電流Ｉ_ＬＯＯＰと可変抵抗６０１に流れる電流Ｉ_ＶＲの値は、ループ部７０１の抵抗値と可変抵抗６０１の抵抗値の比によって決定される。したがって可変抵抗６０１の抵抗値を調節することでループ部７０１に流れる電流Ｉ_ＬＯＯＰを変化できるので、ループ部７０１が発生する磁場Ｈの大きさを変えることができる。発振部１０１に流れる電流は、ループ部７０１に流れる電流Ｉ_ＬＯＯＰと可変抵抗６０１に流れる電流Ｉ_ＶＲの和になるので、発振器７００に印加した直流電流Ｉと等しい。したがって、発振部１０１に流れる電流を一定に維持したまま磁場Ｈの強度を変化させて、発振部１０１の発振周波数を調整できる。

たとえば、ループ部７０１の中心に発振部１０１を配置し、ループ部７０１は１巻きの半径ｒの形状とする。磁場Ｈの方向は、おおよそ発振部１０１に流れる電流の方向となる。磁場Ｈ［Ａ／ｍ］の大きさは、ビオ・サバールの法則により次に示す数式（１）によって求めることができる。
Ｈ＝ｎＩ／２ｒ・・・（１）
ここでＩ［Ａ］はループ部７０１を流れる電流、ｒ［ｍ］はループ部７０１の半径、ｎはループ部７０１の巻き数（ターン数）である。ループ部７０１は１ターンであるが、ループ部７０１のターン数は１ターンに限ったものではない。磁場Ｈの大きさは、ループ部７０１の巻き数ｎ、ループ部７０１を流れる電流Ｉ、または、ループ部７０１の半径ｒの大きさによって調整することができる。また、発振部１０１を貫通する第１の磁場Ｈの印加方向は、ループ部７０１の巻き方を逆巻きにすることで、逆の方向に調整することができる。

ループ部７０１は発振部１０１の極近傍に配置できるので、数式（１）が示すように小さい半径ｒによって強い磁場を発振部１０１に印加できる。これにより、電磁石などの外
部の磁場印加機構が不要となり、発振器の小型化が可能になる。

実施形態４における印加磁場調整部は、ループ部を可動とする、または、ループ部近傍に可動な磁性コアを用意して、発振部１０１に印加する磁場を調整することもできる。

実施形態４では、ループ部が発生する磁場を効果的に発振部１０１に印加するために、発振部の上側にループ部を配置したが、発振に必要な磁場が発振部に印加されるならば他の配置でも良い。たとえば、導体１０３ｂにループ部を配置する構成を用いることができる。また、ループ部は同一平面上に形成したスパイラル状や、３次元に形成したソレノイド状を用いることもできる。

図８において、発振部１０１に図２に示す磁気抵抗効果素子２０５を用いた場合の磁場Ｈの方向は、磁気抵抗効果素子２０５を構成する膜面に対して略面直方向である。一方で、磁気抵抗効果素子２０５は、膜面に対して略面内方向に磁場が印加されることで発振が生じる場合もある。その場合は、たとえば、磁気抵抗効果素子２０５の面内方向に磁場Ｈが印加されるように、ループ部の軸心を磁気抵抗効果素子２０５の膜面に対して平行になるように配置すればよい。磁気抵抗効果素子２０５に印加する磁場Ｈの方向は、膜面に対して面直方向や面内方向に限られず、ループ部と磁気抵抗効果素子２０５のなす角度を調整することにより、磁気抵抗効果素子２０５に印加する磁場の角度を任意に設定できる。

以上に代表的な構成を示したが、本発明の実施形態はこれに限られるものではない。たとえば、発振部１０１をループ部の途中に配置する、または発振部１０１を別々のループ部の中間に配置する、または発振部１０１をループ部近傍の任意の位置に配置する構成を用いることができる。さらに、磁場印加部としてループ部を用いる形態を説明したが、磁場印加部はループ部に限らない。たとえば磁場印加部は、ループを完全に形成するまでには至らない半周巻きの形状や、直線状や曲線状などの他形状で構成してもよい。

（実施形態５）
実施形態１において、発振部１０１を整流部と置き換え、さらに電流Ｉを交流電流Ｉ_ＡＣにすることで、発振器１００は交流を直流に変換する整流器となる。実施形態５では、整流部を磁気抵抗効果素子２０５とする。

図９は、実施形態１の図１における直流電流Ｉを交流電流Ｉ_ＡＣとし、発振部１０１を磁気抵抗効果素子２０５を用いた整流部に置き換えた整流器８００の模式図である。図９において、導体１０３を介して交流電流Ｉ_ＡＣを磁気抵抗効果素子２０５に印加すると、導体１０３は交流電流Ｉ_ＡＣによって磁場Ｈ_ＡＣを発生する。実施形態５は、交流電流Ｉ_ＡＣと磁場Ｈ_ＡＣが磁気抵抗効果素子２０５に印加されることで、後述するスピントルクＦＭＲ（ＦｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ）効果が生じ、磁気抵抗効果素子２０５は交流を直流に変換するので、整流器となる。さらに導体１０３は、磁場Ｈ_ＡＣによって磁気抵抗効果素子２０５が所望の周波数で発振するように配置を調整されている。

ここでスピントルクＦＭＲ効果について説明する。図２における磁気抵抗効果素子２０５に、各層の面直方向に交流電流を印加する場合を考える。交流の半周期で電子２０８がピン層２０６ａからフリー層２０６ｂへ注入される場合は、フリー層２０６ｂとピン層２０６ａの磁化が平行になるようにフリー層２０６ｂの磁化方向が回転し、磁気抵抗効果素子２０５の抵抗値が下がる。逆にフリー層２０６ｂからピン層２０６ａへ電子２０８が注入される半周期では、フリー層２０６ｂとピン層２０６ａの磁化方向は互いに反平行になるようにフリー層の磁化方向が回転し、抵抗値が上がる。交流電流により、この抵抗変化の現象が交互に起きて、振動電圧とともに直流電圧成分が発生する。すなわち交流を直流に変換する整流作用を示す。これをスピントルクＦＭＲ効果とよぶ。スピントルクＦＭＲ効果が発生する周波数、つまり整流周波数は印加磁場によるため、所望の周波数でスピントルクＦＭＲ効果を発生させるのに十分な磁場を印加する必要がある。

導体１０３は整流部である磁気抵抗効果素子２０５の極近傍に配置できるので、強い磁場の大きさを調整して、整流部に印加できる。したがって、磁石などの外部の磁場印加機構からの磁場を大きくする必要がなくなるため、前記磁場印加機構を小型化できる。つまり、この構成により整流器全体の小型化が可能になる。

整流部には、磁気抵抗効果素子だけでなく、例えば、ジョセフソン素子を用いることもできる。

図１０は実施形態５に係る整流器８００を使用するための周辺回路の一例を示す図である。周辺回路９００は、交流電流源９０２と、負荷９０４と、インダクタＬａと、キャパシタＣａとからなる。インダクタＬａは交流電流の負荷９０４への流入を防ぎ、キャパシタＣａはスピントルクＦＭＲ効果により発生した直流の交流電流源９０２への流入を防ぐことができる。

交流電流源９０２からの交流電流Ｉ_ＡＣは、インピーダンスが小さい容量Ｃａを通過するが、インピーダンスが大きいインダクタＬａはほとんど通過しない。そのため、交流電流Ｉ_ＡＣは効率良く整流器８００に供給される。整流器８００は交流を直流に変換し、直流出力は負荷９０４で検出される。

以後の実施形態の説明において、周辺回路９００は省略する。

（実施形態６）
実施形態６の整流器では、実施形態２から４の発振部１０１を置き換えた整流部として磁気抵抗効果素子２０５を用い、さらに直流電流Ｉを交流電流Ｉ_ＡＣにすることで、交流電流Ｉ_ＡＣにより発生する磁場Ｈ_ＡＣを磁気抵抗効果素子２０５に効率良く印加できる。磁気抵抗効果素子２０５に交流電流Ｉ_ＡＣと磁場Ｈ_ＡＣが印加されることで、スピントルクＦＭＲ効果により磁気抵抗効果素子２０５は交流を直流に整流する。

さらに、実施形態４において発振部１０１を置き換えた整流部として磁気抵抗効果素子２０５を用い、さらに直流電流Ｉを交流電流Ｉ_ＡＣとした、実施形態６における整流器のループ部７０１を、外部からの電磁場を受けて磁気抵抗効果素子２０５へ電力を供給するアンテナとしても使用することができる。したがって、整流器に外部から電磁場を供給する場合、あらたにアンテナを設ける必要がなくなり、整流器の小型化が可能になる。ここでアンテナとは、波長より十分大きい距離から到来する電磁波を受信するためのアンテナだけでなく、波長と同程度、または波長より小さい距離からの電磁場を受信するアンテナや共振器等も意味する。

整流器においても、磁場印加部はループ部に限らない。たとえば磁場印加部は、ループを完全に形成するまでには至らない半周巻きの形状や、直線状などの他形状で構成してもよい。

（実施形態７）
実施形態７は、実施形態５または６の整流器で交流電流Ｉ_ＡＣを信号電流にすることで、信号電流により発生する磁場を磁気抵抗効果素子２０５に効率良く印加できる受信器である。磁気抵抗効果素子２０５に信号電流と、信号電流により発生する磁場が印加されることで、スピントルクＦＭＲ効果が生じる。この実施形態７は信号電流を直流に整流して受信するので、受信器となる。

（実施形態８）
発振部の出力を無線伝送するために、発振器と直流的に絶縁した電気回路に、発振部の出力を電磁気的な結合で伝送する手段を設けることができる。電磁気的な結合には、電磁誘導による誘導結合、容量による結合、電磁気的な共鳴による結合、電磁波による結合などがあげられる。実施形態８では、誘導結合を用いた実施形態を説明する。

図１１は、実施形態８に係る送信装置１０００の回路図である。送信装置１０００は、第１の電気回路１００３と第２の電気回路１００４とを有する。第１の電気回路１００３は、発振器７００と電気回路１００５とを有する。１例として実施形態８の発振器には実施形態４に記載した発振器７００を用いて、ループ部７０１を第１のインダクタ１００７で表現する。図１１では簡略化のため、可変抵抗は省略して図示していない。第２の電気回路１００４は、導体１００１と電気回路１００６とを有する。導体１００１はループ部を有し、それを第２のインダクタ１００２で表現する。電気回路１００６は、送信装置１０００の外部へ信号を送信するアンテナを、図１１で図示しないが備えている。発振器７００と第２の電気回路１００４は直流的に絶縁されている。第１のインダクタ１００７と第２のインダクタ１００２とは直流的には絶縁されているが、誘導結合している。

発振器７００が発振すると第１のインダクタ１００７には時間変動する電流が流れ、誘導結合により第２のインダクタ１００２を介して、電気回路１００４に電気回路１００３による信号が伝送される。

誘導結合の部分においてインピーダンス整合を考慮すれば、誘導結合部において反射が低減されるため、信号伝送がより効率的に行われる。第１の電気回路１００３のインピーダンスをＺ１、第２の電気回路１００４のインピーダンスをＺ２とする。この２つの電気回路のインピーダンスを整合させるために、第１のインダクタ１００７と第２のインダクタ１００２の巻き数を調節する。本手法はトランスによるインピーダンス整合の手法として知られている。下の数式（２）を満たすように第１のインダクタ１００７の巻き数Ｎ１と、第２のインダクタ１００２の巻き数Ｎ２を決定すれば、第１の電気回路１００３と第２の電気回路１００４のインピーダンスが整合する。
（Ｎ１／Ｎ２）^２＝Ｚ１／Ｚ２・・・（２）

発振部１０１に印加する磁場は、数式（１）で示したようにインダクタの巻き数により大きさが変わる。インピーダンス整合のために第１のインダクタ１００７の巻き数Ｎ１が調整されると、発振部１０１に印加される磁場が変更されるので、第２のインダクタ１００２の巻き数Ｎ２が調整されるのが望ましい。

第１のインダクタ１００７と第２のインダクタ１００２は、たとえばループ部の軸部分に鉄芯やその他の磁石を配置した構成や、トロイダルコアに第１のインダクタ１００７と第２のインダクタ１００２を設けた構成であっても良い。とくにループ部の軸部分に鉄芯やその他の磁石を配置した構成は、より誘導結合を強くすることができ好ましい。

実施形態８では発振器として実施形態４の発振器７００を例にあげて説明したが、発振器は特に限定されず、例えば、他の実施形態における発振器を用いることができる。

（実施形態９）
実施形態９では、実施形態８の発振器７００において、発振部１０１を磁気抵抗効果素子２０５用いた整流部に置き換える。この構成で、導体１００１に交流電流Ｉ_ＡＣを流すと、誘導結合した第１のインダクタ１００７が発生する磁場と電流が、磁気抵抗効果素子２０５に印加されるので、磁気抵抗効果素子２０５はスピントルクＦＭＲ効果により交流電流から直流電圧を発生させる整流装置となる。

整流装置の構成は、実施形態８の発振器７００における発振部１０１を磁気抵抗効果素子２０５を用いた整流部に置き換える構成に限らない。例えば実施形態８において、発振器７００を他の実施形態における発振器とし、さらに発振部１０１を整流部である磁気抵抗効果素子２０５におきかえても整流装置を構成することができる。その構成で、導体１００１に交流電流Ｉ_ＡＣを流すと、電磁的な結合により発生する磁場と電流が、磁気抵抗効果素子２０５に印加されるので、磁気抵抗効果素子２０５はスピントルクＦＭＲ効果により交流電流から直流電圧を発生させる整流装置となる。ここで電磁気的な結合とは、電磁誘導による誘導結合、容量による結合、電磁気的な共鳴による結合、電磁波による結合などを意味するが、これに限ったものではない。

（実施形態１０）
実施形態１０では、実施形態９で説明した整流装置において、導体１００１に信号電流を流すと電磁的な結合により発生する磁場と電流を、磁気抵抗効果素子２０５に印加する。この場合、磁気抵抗効果素子２０５はスピントルクＦＭＲ効果により信号電流を直流に整流して受信するので、受信装置を構成できる。ここで電磁気的な結合とは、電磁誘導による誘導結合、容量による結合、電磁気的な共鳴による結合、電磁波による結合などを意味するが、これに限ったものではない。

（実施形態１１）
実施形態１から４の発振部１０１に磁場を印加する導体を、通信用のアンテナとして利用する実施形態１１を説明する。

図１２は実施形態１１に係る送受信装置を示す図である。送受信装置１１００は発振器１１０１ａと受信器１１０１ｂからなる。発振器１１０１ａは、１例として実施形態４に記載の発振器７００を用いる。図１２では簡略化のため、可変抵抗は省略して図示していない。発振器１１０１ａは、発振部１０１と、発振部１０１に直列に接続され発信信号を入力する導体１０３ａと導体１０３ｂと、可変抵抗とを有し、導体１０３ａはループ部７０１を有する。受信器１１０１ｂはループ部７０１が発生した電磁場を受ける手段を有する導体１１０２ｂと、導体１１０２ｂが受けた電磁場を受信信号に変換する変換部１１０３とを有する。

送受信装置１１００の動作を説明する。ここでの説明においては、通信符号化方式にＮＲＺ（Ｎｏｎ−Ｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ−Ｚｅｒｏ）を用いる。ＮＲＺは信号が「１」の時に電圧はゼロでなく、信号が「０」の時に電圧をゼロとする符号化方式である。但し、本発明で用いることができる符号化方式はこれに限ったものではない。

信号値が「１」の時は、ループ部７０１と発振部１０１とに「１」の時間間隔だけ電流が流れ、ループ部７０１は磁場Ｈを発生させる。発振部１０１は発振に必要な電流と磁場Ｈが印加されることによって、所望の周波数で発振部１０１が発振する。ループ部７０１は発振した電圧が印加されることで、磁場Ｈと重畳して電磁場ＥＭを発生させる。電磁場ＥＭは受信器１１０１ｂの導体１１０２ｂで受信される。受信された電磁場は変換部１１０３において受信信号に変換され、信号値「１」が伝達される。

信号値が「０」の時は、発振部１０１に電流が流れず、磁場も発生しないので、電磁場は受信器１１０１ｂに伝送されない。つまり、信号値「０」が伝達される。

本実施形態１１では、発振部１０１に磁場Ｈを印加するために設けたループ部７０１を、無線伝送に使用するアンテナとしても利用する。したがって、新たに無線伝送用のアンテナを設ける必要がなくなり、送受信装置の小型化が実現できる。

また、信号値が「０」の時はループ部７０１に電流が流れないため、通信に不要な電磁場が発生しない。つまり、本実施形態１１は、省電力化、低ノイズ化の効果も期待できる。

ループ部７０１と導体１１０２ｂ間の伝送は、例えば２つのループ部を対向させる電磁誘導法や、インダクタンスと容量とで共振周波数が決まるＬＣ共鳴による電磁共鳴法、パターン導体の線路長により共振周波数が決まる電磁共鳴法、導体間の容量による結合などを利用できる。

変換部１１０３は磁気抵抗効果素子２０５であっても良い。信号値「１」の時間間隔で発振部１０１が発振した高周波出力が、ループ部７０１と導体１１０２ｂを介して磁気抵抗効果素子２０５に入力されると、磁気抵抗効果素子２０５はスピントルクＦＭＲ効果により、高周波出力を直流出力に変換する。つまり、高周波出力となって伝送された信号値「１」を復調する。

磁気抵抗効果素子２０５を、ループ部７０１と導体１１０２ｂとで生じる磁場を印加できるように配置することで、磁気抵抗効果素子２０５に磁場を印加する機構を小型化または不要とすることができ、送受信装置の小型化を実現できる。

実施形態１１では発振器１１０１ａに実施形態４の発振器７００を使用する場合を示したが、実施形態４に限らず、他の実施形態の発振器を用いることもできる。受信器１１０１ｂは、実施形態７で説明した受信器を使用することができる。つまり、発振器と受信器を同じ構成として送受信装置を構成することが可能であるし、あるいはまた、発振器と受信器を異なる構成として送受信装置を構成することも可能である。それらの送受信装置では、磁場を印加する導体部を無線伝送に使用するアンテナとしても利用する。したがって、新たに無線伝送用のアンテナを設ける必要がなくなり、送受信装置の小型化が実現できる。ここでアンテナとは、波長より十分に大きい距離間での通信に用いるアンテナだけでなく、波長と同程度、または波長より小さい距離間の通信に用いるアンテナや共振器、その他の無線伝送部も含む。

また、本実施形態は無線給電に応用することが可能である。入力を常に前記信号値が「１」の状態とすれば、常に発振信号すなわちエネルギーが受信器１１０１ｂに供給されるので、無線電力供給が可能である。

本発明に係る発振器、整流器および送受信装置は、無線通信や無線電力給電などに利用可能である。

１０１・・・発振部、Ｉ・・・電流、１０３・・・導体、１０３ａ・・・発振部に電流を流入する導体、１０３ｂ・・・発振部から電流を流出させる導体、Ｈ・・・磁場、２０５・・・磁気抵抗効果素子、６０１・・・可変抵抗、６０２・・・抵抗、７０１・・・ループ部、Ｈ_ＡＣ・・・磁場、１００２・・・インダクタ、１００３、１００４・・・電気回路、１００７・・・インダクタ、１１０１ａ・・・発振器、１１０１ｂ・・・受信器、１１０２ｂ・・・導体、１１０３・・・変換部

Claims

磁場により整流周波数が可変な整流部と、
前記整流部に直列に接続された導体と、
前記整流部に直列に接続され、前記導体に並列に接続された可変抵抗器とを有し、
前記整流部と前記導体とは、前記導体を流れる電流により発生する磁場が前記整流部に印加され、前記磁場の大きさが調整されることにより、前記整流部の整流周波数が調整可能なように配置され、
前記可変抵抗器の抵抗値が変化することにより、前記整流部に入力される交流電流の振幅の前記抵抗値の変化による変動が無い状態で、前記磁場の大きさが調整可能であることを特徴とする整流器。
前記導体がループ部を備え、
前記整流部と前記ループ部とは、前記ループ部を流れる電流により発生する磁場が前記整流部に印加されるように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の整流器。
前記ループ部がアンテナであることを特徴とする、請求項２に記載の整流器。
前記整流部が磁気抵抗効果素子またはジョセフソン素子であることを特徴とする、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の整流器。
磁場により発振周波数が可変な発振部と、前記発振部に直列に接続された導体とを有する発振器であって、前記発振部と前記導体とは、前記導体を流れる電流が発生する磁場が前記発振部に印加され、前記磁場の大きさが調整されることにより、前記発振部の発振周波数が調整可能なように配置されている発振器と、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の整流器とを有し、
前記発振器の前記導体と前記整流器の前記導体とが電磁気的に結合することで、無線通信または無線電力伝送を行う送受信装置。