JPS63103501A - 強磁性共鳴装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば・マイクロ波フィルター、マイクロ波
発振器等に適用して好適な強磁性共鳴を利用した強磁性
共鳴装置に関わる。

〔発明の４！４要〕 本発明は、強磁性薄膜とこの強磁性Ｂ膜に結合され、こ
の＋１！磁性薄股の車底磁気共鳴の主モードにお４．す
る磁化分布に対応した高周波磁界分布を生じる伝送線路
とにより強磁性共鳴装置を構成してスプリアス・レスポ
ンスないしはスプリアス発振の低減化を図る。

（従来の技術〕 ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（以下ＧＧＧとい
う）基板上に強磁性のインドリウム・鉄・ガーヱット（
以下ＹＩＧという）薄膜を液相エピタキシャル成長法（
以下ＬＰＦ法という）によって成長させ、その後この薄
膜を選択的に所要のパターンにエツチングしてＹＩＧ　
”ＡＶ股素子を形成し、これの強磁性共鳴を利用した強
磁性共鳴装置例えばフィルター装置が提案された。この
種のフィルター装置は、例えば特開昭５９−１０３４０
３号公開公報及び特開昭５９４０３４０４号公開公報に
開示されているところである。

この種のＹＩＧ薄股素子を用いたフィルター装置等のマ
イクロ波装置は、マイクロ波帯で共振特性のＱが高いこ
と、小型に構成できること、ＩＪ’Ｅ及びリソグラフィ
による選択的エツチングによって９産的に製造できるこ
と、さらに薄Ｉｆｆ材料であることから、マイクロスト
リップラインなどを伝送線路としてマイクロ波柴積回路
（旧Ｃ）化とすることが容易であるなどの利点を有する
。

周知のように、強磁性共鳴を利用したマイクロ波装置の
強磁性共鳴素子としては通常ＹＩＧ単結晶球が実用にイ
（（されていた。このＹＩＧ単結晶球には、静磁モード
が励磁されにクク、一様歳差モードによる唯一の共振モ
ードが？’Ｊられるという利点がある。しかしながら、
このＹＩＧ単結晶球には加工性や撥産性に問題があり、
このため前述したＹＩＧ薄膜、すなわち強磁性薄膜を共
鳴素子とする＋！！磁性共鳴装置の開発、実用化の朝来
が高まっている。

ところで、円板状強磁性薄膜料の試料面に垂直に直流磁
界を印加したときの静磁モードについては文献ジャーナ
ル・オブ・アプライド・フイジクス（Ｊｏｕｒｎａｌ　
ｏｆ　Ａｐｐｒｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）　Ｖｏｌ、４
８．７月。

１９７７、　ｐｐ３００１〜３００７で解析されており
、各モードは（ｎ、Ｎ）、、、で表示される。但しくｎ
、Ｎ）ｕ＋モードは円周方向にｎ個の節をもち、直径方
向にＮ１１ｌｉｌの節をもち、厚さ方向に（ｍ−１＞個
の節をもつモードである。この場合、試料全域に渡って
高周波磁界の一様性がよい場合には、（１，Ｎ）１系列
が主要な静磁モードとなる。そして、マイクロ波フィル
ターあるいは発振器等を構成する場合には、その主モー
ドである（１．１）１モードを利用することになり、他
の静磁モードは全てスプリアスモード、つまりスプリア
ス・レスポンスないしはスプリアス発振となる。例えば
前記特開昭５９−１０３４０３号公開公報ではその強磁
性ＹＩＧ薄模に環状溝を設けることにより、また特開昭
５９−１０３４０４号公開公報では、中央部を周縁部よ
り肉薄とすることによって、ＹＩＧ薄膜のスプリアス共
鳴モードの回避を図った共鳴装置が提案されている。

一方、強磁性薄膜共振装置は、印加磁界によって動作周
波数を広範囲に可変できることから、例えば１４波数可
変型のマイクロ波フィルター、周波数可変型マイクロ波
発振器等に通用される。ところがこの場合、周波数が高
くなると、主モードの無ｆ１．荷Ｑは大きくなるが、同
時にスプリアス・モードの無負荷Ｑも大きくなるためス
プリアスが無視できなくなる。これは生として励振磁界
分布によるものと考えられる。

従来の励１辰方法は、例えば第２３図に示すように、円
板状強磁性薄膜（１）上を横切るように、一端が接地導
体（２）に連結された一様な幅及び厚さを有し、はぼ一
様なインピーダンスを有するストリップラインすなわち
伝送線路（３）が強磁性薄Ｍ々（１）と磁気的に結合す
るように配置された構造がとられている。

この場合、伝送線路（３）に沿う方向をＸ方向とし、こ
れと直交し薄膜ｉｌｌの面に沿う方向をＸ方向とすると
き、供給電流ｉｒｆによって発生するＸ方向の磁！／１
ｔＨｙは伝送線路（３）の接地端から強磁性薄膜（１１
までの距離をり、強磁性薄膜（１）と伝送線路（３）と
が虫なる部分の良さをｅ２とするとき、２１≦Ｘ≦１１
＋Ｉ１２においてはほぼ一様であると考えることができ
る。

そして、実際の強磁性薄膜（１）上の磁気共鳴時の磁化
分布は、各モード（１，Ｎ）１（Ｎ＝１，２．３につい
て第２４図に示す分布が計算で求められている。この磁
化分布はどの直径方向で見ても同じ分布を示す。

さらにこの従前構造において、その＋！磁性薄膜（１１
への印加磁界分布について考察すると、この場合、高周
波電流ｉｒｆが入射したとすると、定在波は （但し、λｇは伝送線路（３）上の波長となる。）とな
る。そして、　ｉｒｆによって発生する磁界のｙ成分を
ＩＩ　ｙ（Ｘ）とするとＨｙ（Ｘ）伏１にと表わすこと
ができる。

したがって、 の接地端近傍位置ではｕｙｔｘ＋はほぼ一定となり、こ
のことは比較的λｇが長い低周波ではＨＹは伝送線路（
３）に沿ってほぼ一定であるが１ｇが短い高周波では薄
膜（１１の接地側と、これとは反対側とで磁界強度に差
があることを示している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、上述したスプリアス共鳴モードの発止を効果
的に抑制してマイクロ波フィルター、マイクロ波発振器
等においてスプリアス・レスポンス、スプリアス発振の
問題の解消ないしは改善を図るものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は強磁性薄膜と、この強磁性薄膜の垂直磁気共鳴
の主モード、すなわち目的とするモードにおける磁化分
布に対応した高周波磁界分布を生じる＋ｊ！磁性薄股に
磁気結合された伝送線路とにより強磁性共鳴装置を構成
する。

〔作用〕

本発明によれば伝送線路の磁界分布を強磁性薄膜の「］
的とするモード、すなわちユニフォームモードの主共鳴
モートにおける磁化分布に対応するようにしたことから
、他のスプリアスモードについて、すなわち目的とする
モード以外の四次のモードに関しては強磁性薄膜と伝送
線路との結合が弱められることにより、結果的にスプリ
アスモードのノ（鳴が抑制される作用を生せしめるもの
である。

〔実施例〕

第１図を参照して本発明の詳細な説明する。

強磁性薄膜＋１１は、例えば円板状ＹＩＧ薄膜よりなり
、これの中心軸上を横切って一端が接地導体（２）に連
結された伝送線路（３）、すなわちストリップラインが
強磁性薄膜ｆｌ）と磁気的に結合して設けられる。この
例では伝送線ｌｌ１３Ｔ３）の幅Ｗが、例えば５０Ｑ幅
の例えば１．２２ａｍに選定され、その両端の強磁性薄
膜（１１の周縁部に対向する部分にそれぞれ切欠（４）
が設けられて、各切欠（４）によってこれらを挾む各両
側にそれぞれ幅Ｗに比し狭小な幅ＷＳ、例えばＷ　ｓ　
＝　０．１７１ｓ＋ｍとなる部分、すなわち例えば１０
０Ωの高インピーダンス部（５）を並列に形成した構造
とする。

、−の強磁性薄膜（１）を有する共振部は、第２図にそ
の断面図を示すように、サスペンディドラ・イン構造と
し得る。ＹＩＧ強磁性薄欣薄膜１は、非磁性基板（６）
例えばＧＧＧ基板上にＬＰＥ法によって薄膜状に成長さ
せ、これをフ第１−リソグラフィ技術によってｒＪｊ定
のパターンずなわち円形状にパターン化して構成ずろ。

一方、５ｉ（ｈ等の絶縁基板（７）を設けその一方の面
に第１図で説明した所要のパターンを有する伝送線路（
３）を被着形成する。この伝送線路（３）は金属層の蒸
着あるいはスパッタリングによる全面的被着の後フォ１
−リソグラフィ技術の適用によってパターン化して形成
し得る。

そして、これらＧＧＧ非磁性基板（６）とｔ、Ｂ縁基板
（７）とをその強磁性薄膜（１）と伝送線路（３）とが
磁気的に結合するように市ね合わせて上部導体（８）と
下部導体（９）との間に挟み込み、伝送線路（３）と上
部導体（８）との間、史に非磁性基板（６）と下部導体
（９）との間に夫々空間すなわち空気ＩＭ　（５０ａ　
）及び（５０ｂ）が介在するように配置する。この場合
、伝送線路（３）の一端は、第１図で説明したようにこ
れが接地されるように下部導体（９）よりなる接地導体
（２）に電気的に連結される。

このような構造による本発明装置においては、前述した
伝送線路（３）が５０Ｑラインと、これに対して並列１
００Ωラインが設けられた構造を有することによって、
インピーダンス不整合による不要な反射を防げる効果を
有すると共に５Ｏ５２ラインを伝搬してきた高周波電流
が２つの並列１００Ωラインに約１／２ずつ分割され、
そこで発生する磁界の強さを５０Ωラインの約１／２に
することができ・乙ことになる。

尚、第１図で示（７た例においては、伝送線路（３）の
強磁性８股（１）の両回線にりｌ向する部分に切欠（４
）を設けた場合であるが、第３図に示すように接地端側
にのみ設ける構造とするとか、第４図に示すように伝送
線路（３）の外形幅を一様とした構造をとることなく、
並列配列された高インピーダンス部（５）が例えば外方
に広がる如く湾曲する形状とすることによって高インピ
ーダンス部（５）例えば１００Ｓ２ラインに沿って磁界
ｔｒｙに顛斜を生ぜしめて、その磁界分布を、より主モ
ート°の磁化分布に近づけるような構造とすることもで
きる。第３図及び第４図において第１図と対応する部分
には同一符号を付して土？！説明を？ｉ略する。

向、上述の各側において、強磁性薄膜（１）に、０；１
記特開昭５９−１０３４０３号公？Ｍに開示された構造
をとって強磁性薄膜（１）自体に、これに生じようとす
るスプリアス共鳴モードの発生を１１１１制御°る効果
を付与させる構造とすることもできる。すなわち、強磁
性薄膜（１）にお番」る静磁モードの磁化分布が土共鳴
モードとスプリアス共鳴モードと異なることを利用して
主共鳴モードには殆んど影覧１を与えることなく、スプ
リアス共鳴モードに対して磁化分布の発生を抑制させる
。ム克体的には例えば第５図へにそのｌＶ「面を示すよ
うに、環状溝（５１）を、（１，１）１モードの高周波
磁化がゼロになる位置に同心的に形成する。この環状溝
（５１）は、連続したｌ＋′？ｊとずろことも、１析続
溝とすることもできるものである。

また、或いは特開昭５９−１０３４０３号公開公報で開
示されているように、第５図Ｂに示すように、強磁性薄
膜ｏ＋の内側部を肉シーを部（５２）として、内側領域
の反磁界平坦部を広げてスプリアス・モードの励振を抑
制する構造をとることもできる。

また、第５図Ｃに示すように、強磁性薄膜（１）にｒ１
■（５１）を設けると共にその内側を肉）１ｖとするこ
と４）できる。

史に、上述した溝（５１）或いは（及び）肉薄部（５２
）の形成と共に、或いはこれらを形成することな（、非
磁性イオンの打ち込み等によって所要の磁化分布をＧｌ
るようにすることもできる。

第６図〜第８図はスミスチャートに画いた反射特性の測
定結果を示すものでいずれも、第５図へで示しまた溝（
５１）を有するＩｉ！！！磁性薄股（１）を用いた場合
で、第６図及び第７図は第１図の構造をとった場合で第
６図は共鳴周波数ｆ　＝　５６１１ｚで、スパンΔｆ−
０，４ＧＨｚの場合、第７図はｆ　−１０ＧＩＩｚ。

Δｒ　＝　０．６ＧＨｙとした場合の測定結果を示し、
第８図は第３図の構造をとった場合のｒ＝１０Ｇ耽。

Δｒ　＝　０．６Ｇｈの測定結果を示す。また、第２５
図及び第２６図はそれぞれ同様の反射特性の測定結果を
示すもので、これらは第２３図で説明した従来構造の場
合のそれぞれｆ＝５ＧＨｚ、Δｆ　＝　０．４Ｇ）ＩＺ
及び（”　　１ＯＧＩＩｖ、Δｒ　＝　０．６ＧＨ＋ｓ
としたときの反射特性の測定結果を示すものである。こ
の場合、第１図に示すように＋ｊ！磁性薄ＩＫ’　（１
１の縁部から切欠（４）の内縁までの距離をｂとし、切
欠（４）の内縁から強磁性薄膜（１）の中心までの距離
をａとするとき、第６図及び第７図の例ではａ　／　ｂ
　＝　７　／　３に選定した場合であり、第８図はａ　
／　ｂ　＝　６　／　４に選定した場合である。

これら第６図〜第８図と従来装置の測定結果第２５し］
及び第２６図とを比較して明らかなように本発明装置に
よればＮ＝２１；Ｊ上のスプリアスについてその抑制が
効果的に行われていることがわかる。

また、第９図及び第１０図は第１図で説明した本発明装
置における透過特性、すなわち周波数に対する挿入ｔ（
１人の測定結果を示すもので、第２７図及び第２８図は
、第２３図で説明した従来構造の場合の同様の挿入ｔＯ
失測定曲線を示す。但し、透過特性を見るためストリッ
プラインの先端を短絡する構造でなく、一端を信″４源
乙こ他端を整合負荷に１ｆ続する構造でＩ１１定を行な
った。

これら第９図及び第０１図と第２７図及び２８図とを比
較することによって＋９ト；かムように、従来構造にオ
ンけるものにおいては２次（Ｎ＝２）のスプリアスモー
トにおける外部（１）、（Ｑｅ）は、ＩＧＩＩｙで４３
３、１０　Ｇ　ｆｉｘで４７４で、！′）ったちのが、
第１図による並列１００Ωライン構造による本発明装置
においてはｌＧ１１ｚで７１８、　ｌ０ＧＩＩ、＝で９
１０となり効果的にスプリアスモートの抑制が行われて
いることがわかる。

さらに、第１図に示した構成においてその１００Ωライ
ン即ち高インピーダンス部（５）における長さをａ　／
　ｂとして表わしてその値を変化させた場合の主モード
の挿入損の最大挿入ｔ０との関係を測定した結果を第１
１図に示す。同図において曲線（１０１）。

（１０２’ｉ　、　　（１０３）は、それぞれ中心周波
数をＩＧＩＩｘ　、　５Ｇｌｌｚ及び１０ＧＩＩｙとし
た場合を示す。

また、第１２図は同様の　１００Ωライン長と２次のス
プリアスモードの最大挿入損との関係を示すもので同図
中曲線（１］１　）　、　　（１１２＞及び（１１３）
はそれぞれ同様にｌＧ１１ｙ；　、　５ＧＨｚ　、　　
ｌ０ＧＩ−１ｙを中心周波数とする場合の最大挿入損の
測定結果を示すもので、これらに上りａ　／　ｂ　＝　
５　／　５程度において最もスプリアスモードの挿入ｔ
０が小さい、才なわら通過特性が改善されることがわか
る。

また、第１３図及び第１４図は第１図の構造のものにお
いてそのａ／ｂ＝５１５とし、ＹＩＧ強磁性薄模＋１１
に環状溝を設けた場合と設けない場合との各挿入行コ特
性を示すものであり、第１５し１及び第１６図は第１３
（図及び第１４図におけるそれぞれ細線用で囲んた部分
のスゲリアス部の拡大図を示す。また、第２４ＩＩＪ及
び第３０図１はそれぞれ本発明によらない第２３図で説
明した従来構造による場合の５ＧＩＩｚ付近を中１１．
Ａ川波数とする挿入損特性を示し、第２９図及び第３０
図は夫々第２３図の構造においてＹＩＧ強磁性薄ｌＩＱ
＋ｔ）に環状の溝を設けた場合と設けない場合のそれぞ
れの特性を示す。また第３１図及び第３２１２１はそれ
ぞれその第２９図及び第：（０図の細線用で囲んだスプ
リアス部の拡大図を示すものである、これら第１５図、
第１６図と第３１図、第３２図とを比較して明らかなよ
うに本発明による場合、スプリアスの挿入用を低減化す
ることができ、さらに第１５図に示すところから明らか
なように強磁性情Ｉｌりにスプリアス防止の環状〆１（
５１）を設ける場合には、よりスプリアスの改善が図ら
れることがわかる。

に述した本発明装置の各側においては、伝送線路（３）
の形状パターンの選定によってＹＩＧ弾磁性薄膜（１１
に対する印加磁界分布の選定を行うようにした場合であ
るが、例えば第１７図に示すように伝送線路（３）の面
を屈曲させることによってその強磁性薄膜（１１に対す
る結合強度に所要の分布が生じるようになして強磁性薄
膜（１）に対する印加磁界分布をＰｆｉ定の強度分布に
選定するようになしｉ″４る。図においては、絶縁基板
（７）上にスペーサ（’７Ａ）を被着配置して、これの
上に伝送線路（３）を這わせるようにした場合である。

また、他の方法としては例えば第１８図に伝搬方向の断
面すなわち伝送線路（３）の長手方向に沿う１折而を示
すように、あるいは第１９図に、これと直交する方向の
■「面図を示すように、例えば下部導体（９）のＹＩＧ
強磁性薄膜（１）に対向する而に凹凸を形成して、その
下部導体（９）と強磁性薄膜ｍ、＝の間隔を各部におい
て所要の間隔に選定することによって強磁性薄膜に対す
る実質的印加磁界分布を所要の分布に選定するようにな
すこともできろ９尚、第１７図〜第１９図において第１
図及び第２図と対応する部分には同一符号を付して重複
説明を省略する。

また、第２０図〜第２２図は本発明による強磁性共鳴装
置、特に川波数回変型のマイクロ波フィルター装置の一
例を示し、ｆ５２０図はその断面図、第２１図及び第２
２図はそれぞれ第２０図の各要部の平面図及び分解斜視
図を示す。この例においては、ＧＧＧ非ぢ１１−１基板
（６）上に所要の間隔を保持して第１及び第２のＹＩＧ
１０強磁性薄膜Ａ）及び（ＩＢ）と、両弾磁性ｔｆｆＮ
！Ｘ’（１＾）及び（１Ｂ）間にこれらを磁気的に結合
させるための第３のＹＩＧ　＋ｊ！磁性薄股（ＩＣ）と
を被着形成する。そして、ＧＧＧ非磁性基板（６）の、
各強磁性薄膜（１＾）、（ＩＢ＞及び（ＩＣ）が形成さ
れた側とは反対側に、第１及び第２のＹＩＧ強磁性薄膜
（ｉ八）　、　　（１Ｂ）とそれぞれ磁気的に結合する
第１及び第２の伝送線路すなわち人力及び出力マイクｒ
１ストリップライン（３八）　、　　＜３８）を被着形
成すると共に、これら入出力伝送線路（３Ａ）及び（３
Ｂ）の互いに反対側の端部とそれぞれ連結し、かつ中央
の第３のＹｆＧ強磁性薄Ｎｆｉ（ＩＣ）と対向する部分
を横切って中央の接地パターン（１３）を被着形成する
。そして、この各強磁性情１１’Ｎ　（ＩＡ）　。

（ＩＢ）及び（ＩＣ）と伝送線路（３八）　、　　（３
Ｂ）及び接地パターン（１３）を有する非磁性基板（６
）を上部導体（８）と下部導体（９）間に挟み込む。こ
の場合、上部導体（８）に接地パターン（１３）と、伝
送線ｔ／３（３Ａ）及び（３Ｒ）の接地パターン（１３
）に連結する連結端の接地端とが上部導体（８）に電気
的に連接接触するようになされる。また、上部導体（８
）及び下部導体（９）の上下外側には、例えば金型の対
のそれぞれ中心磁極（１４ａ＋　）及び（１４ｂｔ　）
を有する金型の対の磁気コア（１４ａ　）　、　　（１
４ｂ　）を対向合体して、その両中央磁極（１４ａ１）
及び（１４ｂｔ　）間の磁気ギャップに強磁性薄Ｍｆｆ
ｉ　（ＩＡ）　、　　（１Ｂ）　。

（ＩＣ）、伝送線路（３Δ）　、　　（３Ｂ）等を有す
る被磁性基板（６）を挟み込んだ上部導体（８）及び下
部導体（９）を挟んだマイクし１波フィルター装置本体
を配置する。そして、磁気：１ア（１４ａ　）及び（１
４ｂ　）の中央４ｒ！５極（１４ａｔ　）及び（１４ｂ
ｔ　）の少くとも一方に二Ｉイル（１５）を配置し、こ
れの直流通電電流の制御によって共鳴中心周波数を可変
制御することができるようにする。

この場合においても、入出力側の強磁性薄膜（ＩＡ）及
び（１Ｂ）に対する印加磁界分布を図示のように第１図
で説明した構造とするとか、第３Ｌ凹。

第４図あるいは第１７図、第１８図及び第１９図で説明
した方法等によって、所要の分布に選定して各強磁性薄
膜においてスプリアスモードの抑制を行うようになす。

〔発明の効果〕

−Ｌ述したように本発明装置では、共鳴素子としての強
磁性薄膜ｆｉｌに対する磁界分布を主で一トに関する磁
化分布に対応さ−Ｕたのでスプリアスモードに関しての
強磁性薄膜（１）と伝送線路＋３１との結合を弱めるこ
とができ、効果的にスプリアスセード共鳴を抑制でき、
しかも単に伝送線路等の形状。

配置面等の簡単な構造の変更のみで、特段の装置を設け
ることなく目的を達成できるので実用上の＋り益は極め
て大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一例の強磁性薄膜と伝送線路の関
係を示す平面図、第２図は第１図の構成を通用した本発
明装置の９部の断面図、第３図及び第４図はそれぞれ本
発明装置の強磁性薄膜と伝送線路の関係の他の例を示す
平面図、第５図Ａ。 Ｂ及びＣは夫々その強磁性薄膜の各個の１ｔＦｒ面図、
第６図〜第８図は本発明装置の反射特性曲線図、第９図
及び第１０図は夫々本発明装置の挿入損失測定曲線図、
第１Ｉ図及び第１２図はそれぞれ伝送線路におけるａ　
／　ｂに対する主モード及びスプリアスモードのそれぞ
れの最大挿入損の測定曲線図、第１３図及び第１４図は
それぞれ本発明装置の各個の挿入損の測定曲線図、第１
５図及び第１６図は第１３図及び第１４図の要部の拡大
図、第１７図〜第１９図はそれぞれ本発明装置の要部の
他の例の断面図、第２０図。 第２１しＩ及び第２２図はそれぞれ本発明による周波数
可変型マイクロ波フィルター装置の断面図、要部の千面
し１及び要部の分解斜視図、第２３図は従来の励ＩＷ方
法の説明図、第２４図はその説明に供する磁化分布図、
第２５図及び第２６図はそれぞれ従来装置におＵる反射
特性曲線図、第２７図及び第２８図は従来装置の１１１
人損失測定曲線図、第２９図及び第３０図は従来装置の
挿入１ｆｌの測定曲線図、第３１図及び第（）２Ｉ″＋
１はそれぞれその要部の拡大図である。 （１）は強磁性薄膜、（２）は接地導体、（３）は伝送
線路、（４）は切欠、（８）は上部導体、（９）は下部
導体である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 強磁性薄膜と、 該強磁性薄膜に結合され、該強磁性薄膜の垂直磁気共鳴
   の主モードにおける磁化分布に対応した高周波磁界分布
   を生じる伝送線路とを具備してなる強磁性共鳴装置。