JP2595660B2

JP2595660B2 - フェリ磁性共鳴装置

Info

Publication number: JP2595660B2
Application number: JP63134896A
Authority: JP
Inventors: 浩幸中野; 義和村上; 康之水沼; 孝浩扇原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1988-06-01
Filing date: 1988-06-01
Publication date: 1997-04-02
Anticipated expiration: 2012-04-02
Also published as: JPH01303901A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、フェリ磁性共鳴装置に関し、例えばイット
リウム鉄ガーネット（YIG）薄膜のフェリ磁性共鳴を利
用したマイクロ波同調発振器に用いて好適なものであ
る。

〔発明の概要〕本発明のフェリ磁性共鳴装置は、フェリ磁性共鳴素子
と、上記フェリ磁性共鳴素子と電磁気的に結合する伝送
線路と、上記伝送線路に対向する一対の接地導体とを有
し、上記一対の接地導体のうちの少なくとも一方が２〜
100μｍの膜厚の金属薄膜により構成されている。これ
によって、フェリ磁性共鳴素子の共鳴特性を劣化させる
ことなく、このフェリ磁性共鳴素子に強い直流磁界を印
加することが可能となる。

〔従来の技術〕

YIG薄膜を用いたマイクロ波同調発振器（以下、薄膜Y
TO（YIG−tuned oscillator）という）においては、磁
気回路のギャップ中にYIG薄膜が置かれ、このYIG薄膜の
膜面に対して垂直に直流磁界が印加される。この薄膜YT
Oの共鳴周波数ｆはこの直流磁界強度によって決定さ
れ、ｆ＝γ（H_g−N_z・４πM_s）（１）と表される。ここで、γは磁気回転比（＝2.8MHz/0
e）、H_gはギャップ磁界、N_zはYIG薄膜の反磁界係数、４
πM_sはYIG薄膜の飽和磁化である。

（１）式より、高い周波数で動作する薄膜YTOを設計
するためには、磁気回路のギャップ中に数千0eもの強い
直流磁界を発生させる必要があることがわかる。

今、この薄膜YTOの磁気回路部において、周波数同調
に必要な磁界のうち可変分を発生させるためにコイルを
用い、残りの固定分のバイアス磁界を発生させるために
永久磁石を用いる場合を考えると、ギャップ磁界H_gは次
式で表される（cgs単位系を用いた）。

ここで、永久磁石は、クニック点を持たず、リコイル
透磁率μ_ｒが一定の直線状の減磁特性を有すると仮定す
る。また、L_m及びB_rはそれぞれ永久磁石の長さ及び残留
磁束密度であり、Ｎはコイルの巻き数、Ｉはコイル電
流、ｃは光の速度、L_gはギャップ長である。（２）式よ
り、強いギャップ磁界H_gを発生させるためには、ギャッ
プ長L_gを短くすることが本質的に重要であることがわか
る。

第14図は従来の薄膜YTOの共振器部の構造の一例を示
す。この第14図において、符号101は磁気回路を構成す
るヨークを示し、符号102はこのヨーク１の一部を構成
するポールピースを示す。また、符号103はFM変調用
（副周波数同調用）のFMコイルを示す。なお、実際には
このFMコイル103の上側に主周波数同調用のメインコイ
ルが設けられているが、その図示は省略されている。こ
れらのヨーク１及びポールピース２の間のギャップ中に
は、上部接地導体104及び下部接地導体105が設けられて
いる。これらの上部接地導体104及び下部接地導体105の
材料としては従来より真鍮が用いられている。これらの
上部接地導体104及び下部接地導体105は、機械加工によ
り形成された薄い部分104a、105aを有する。この下部接
地導体105の薄い部分105aの上には、MIC（Microwave In
tegrated Circuit）線路Ｍが形成された誘電体基板106
及び高周波的にほぼショートと考えられる大容量コンデ
ンサ107が設けられている。これらの誘電体基板106及び
大容量コンデンサ107の上には、これらにまたがって誘
電体基板108が設けられている。この誘電体基板108の一
方の主面にはYIG薄膜109が設けられ、他方の主面にはこ
のYIG薄膜109と電磁気的に結合する入出力用の伝送線路
（結合用線路）Ｌが設けられている。このYIG薄膜109
は、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（GGG）基板1
10の上に形成されている。このGGG基板110と上記上部接
地導体104の薄い部分104aとの間及び誘電体基板108と下
部接地導体105の薄い部分105aとの間にはそれぞれ空気
層111、112が存在しており、従ってこの共振器部はいわ
ゆるサスペンディド（suspended）構造を有する。

上述の薄膜YTOにおいて、磁気回路から見たギャップ
長L_gは、真鍮製の上部接地導体104及び下部接地導体105
のそれぞれの厚さと、これらの上部接地導体104及び下
部接地導体105を機械加工により形成する際の加工誤差
を吸収するための余裕分との両者を加えた長さとなる。

既に述べたように、強いギャップ磁界H_gを発生させる
ためにはギャップ長L_gを短くすることが重要であるが、
上述の薄膜YTOにおいてこのギャップ長L_gを短くする方
法としては以下のような方法が考えられる。

共振器部の空気層111、112の厚さを小さくする。

上部接地導体104及び下部接地導体105の厚さを小さく
する。

上部接地導体104及び下部設置導体105を設けず、ポー
ルピース102及びヨーク101をそれぞれ上部接地導体及び
下部接地導体として使用する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、に関しては、空気層111、112を薄く
するにつれて、上部接地導体104及び下部接地導体105に
発生する渦電流がWall Effectにより増加するため、YIG
薄膜109の無負荷時のＱ値が低下し、共鳴特性が劣化し
てしまうという問題がある。に関しては、機械加工の
精度限界により、上部接地導体104及び下部接地導体105
の厚さを約200μｍ以下にするのは難しい。に関して
は、ヨーク101の材料として通常用いられるパーマロイ
等のソフト磁性材料は真鍮に比べて電気抵抗が高いた
め、マイクロ波領域の高い周波数帯では電気的に完全に
接地とはならず、その結果、導体損が発生してしまうと
いう問題がある。また、共振器部が開放型となるため、
放射損が発生し、その結果、YIG薄膜109の無負荷時のＱ
値が低下し、共鳴特性が劣化してしまうという問題があ
る。

以上より、従来の技術では、YIG薄膜109の共鳴特性を
劣化させることなく、ギャップ長L_gを短くすること、従
ってYIG薄膜109に強い直流磁界を印加することは困難で
あった。

従って本発明の目的は、フェリ磁性共鳴素子の共鳴特
性を劣化させることなく、このフェリ磁性共鳴素子に強
い直流磁界を印加することが可能なフェリ磁性共鳴装置
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

接地導体の材料として例えば金（Au）を用いた場合を
考える。このAuの表皮深さ（skin depth）は例えば周波
数13GHzの高周波に対して約0.68μｍである。本発明者
の検討によれば、高周波に対しても電気的に完全な接地
となるためには、この接地導体の厚さは最低でもこの表
皮深さの約３倍程度、すなわち約２μｍは必要である。
これが、接地導体の厚さの下限となる。一方、従来の薄
膜YTOにおけるギャップ長L_gは1.35mm程度であるが、実
用上十分に強い直流磁界H_gをYIG薄膜に印加するために
は、このギャップ長L_gを少なくとも１割程度は短くする
ことが望まれる。既に述べたように、上部接地導体及び
下部接地導体を真鍮で構成した場合にはそれぞれの厚さ
を約200μｍ以下にするのは困難であることを考慮する
と、上部接地導体及び下部接地導体のうちの少なくとも
一方を膜厚が100μｍ以下の金属薄膜により構成すれ
ば、ギャップ長L_gを従来に比べて少なくとも１割程度は
短くすることが可能である。しかも、このように上部接
地導体及び下部接地導体のうちの少なくとも一方を薄い
金属薄膜により構成すれば、ギャップ中に存在するバル
ク状金属が減少するため、その分だけ渦電流も減少す
る。

本発明は以上の検討に基づいて案出されたものであ
る。

すなわち、本発明は、フェリ磁性共鳴素子（11）と、
フェリ磁性共鳴素子（11）と電磁気的に結合する伝送線
路（Ｌ）と、伝送線路（Ｌ）に対向する一対の接地導体
とを有し、一対の接地導体のうちの少なくとも一方が２
〜100μｍの膜厚の金属薄膜（７、17）により構成され
ているフェリ磁性共鳴装置である。

本発明の好ましい実施態様においては、上記金属薄膜
の膜厚は５〜15μｍとされる。

〔作用〕

上記した手段によれば、接地導体の少なくとも一方が
２〜100μｍの膜厚の金属薄膜（７、17）により構成さ
れていることから、その分だけギャップ長L_gを短くする
ことができ、従って実用上十分に強い直流磁界をフェリ
磁性共鳴素子（11）に印加することが可能となる。しか
も、ギャップ中に存在するバルク状金属が減少するた
め、渦電流が減少し、従って無負荷時のＱ値の低下は生
じない。また、上記の薄い金属薄膜（７、17）は、めっ
き、蒸着、スパッタ等の成膜技術により容易に形成する
ことができ、場合によっては金属箔をそのまま用いるこ
ともできる。

以上より、上記した手段によれば、フェリ磁性共鳴素
子（11）の共鳴特性を劣化させることなく、このフェリ
磁性共鳴素子（11）に強い直流磁界を印加することが可
能である。

上記金属薄膜（７、17）として５〜15μｍの膜厚のも
のを用いれば、上記効果はより優れたものとなる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説
明する。なお、実施例の全図において、同一の機能を有
する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は
適宜省略する。

第１図は本発明の実施例Ｉによる薄膜YTOを示す。

第１図において、符号１は後述のYIG薄膜11に直流磁
界を印加するための磁気回路を構成するヨークを示し、
符号２はこのヨーク１の一部を構成するポールピースを
示す。このポールピース２の先端部にはFM変調用（副周
波数同調用）のFMコイル３が巻かれている。なお、この
ポールピース２には上記FMコイル３の上側の部分に主周
波数同調用のメインコイルが設けられているが、その図
示は省略されている。これらのヨーク１及びポールピー
ス２の間のギャップ中にはそれぞれ例えば真鍮製の接地
導体４及び下部接地導体５が設けられている。この接地
導体４の上には、例えばアルミナ（Al₂O₃）基板のよう
な誘電体基板６上に形成された金属薄膜７が例えば銀ペ
ーストのような導電性接着剤（図示せず）により接着さ
れている。この金属薄膜７と上記接地導体４とにより上
部接地導体が構成される。この金属薄膜７としては、A
u、アルミニウム（Al）、銅（Cu）、真鍮等の電気抵抗
の低い金属の薄膜を用いることができ、その膜厚は例え
ば５μｍ程度とすることができる。また、誘電体基板６
の厚さは例えば120μｍ程度である。なお、この誘電体
基板６は、金属薄膜７が上述のように５μｍ程度と薄い
ことから、その支持をするために用いられている。具体
的には、この金属薄膜７は、例えばめっきにより上記誘
電体基板６の上に形成される。一方、上記下部接地導体
５は、機械加工により形成された薄い部分5aを有する。
この薄い部分5aの上には、MIC線路Ｍが形成された誘電
体基板８及び高周波的にほぼショートと考えられる大容
量コンデンサ９が設けられている。これらの誘電体基板
８及び大容量コンデンサ９の上には、これらにまたがっ
て誘電体基板10が設けられている。この誘電体基板10の
一方の主面にはYIG薄膜11が設けられ、他方の主面には
このYIG薄膜11と電磁気的に結合する入出力用の伝送線
路Ｌが設けられている。このYIG薄膜11は、例えば液相
エピタキシャル成長法（LPE法）により成長されたもの
である。

上記GGG基板12と上記金属薄膜７との間及び誘電体基
板10と下部接地導体５の薄い部分5aとの間にはそれぞれ
空気層13、14が存在しており、従ってこの共振器部はサ
スペンディド構造を有する。このように共振器部をサス
ペンディド構造としているので、実効誘電率ε_effを小
さくすることができる。

この実施例IIによれば、上部接地導体が膜厚５μｍ程
度の薄い金属薄膜７により構成されているので、ギャッ
プ長L_gを従来に比べて約200μｍ程度短くすることがで
きる。しかも、この金属薄膜７は上述のように極めて薄
いことから、上部接地導体に生じる渦電流が減少し、従
ってYIG薄膜11の無負荷時のＱ値の低下は生じない。こ
れによって、YIG薄膜11の共鳴特性の劣化を生じること
なく、このYIG薄膜11に強い直流磁界を印加することが
可能となる。

第２図は本発明の実施例IIによる薄膜YTOを示す。

第２図に示すように、この実施例IIによる薄膜YTO
は、例えば膜厚が15μｍ程度のAlやAuのような金属薄膜
７により上部接地導体が構成されていることを除いて、
第１図に示す実施例Ｉと同様な構成を有する。この金属
薄膜７としては具体的にはAl箔やAu箔を用いることがで
きる。この場合、この金属薄膜７は上述のように15μｍ
程度と厚いので、実施例Ｉのようにその支持用の基板は
用いておらず、導電性接着剤により接地導体４に直接接
着されている。

第４図は、この実施例IIによる薄膜YTOにおいて、MIC
線路Ｍが形成された誘電体基板８の先端を基準面として
共振器部側を見た場合におけるYIG薄膜11の周波数7GHz
付近での共鳴特性を示す。ここで、金属薄膜７としては
厚さ15μｍのAl箔を用いた。また、第５図は、第14図に
示すように真鍮製の上部接地導体104及び下部接地導体1
05を用いた従来の薄膜YTOについての同様な共鳴特性を
示す。なお、第４図及び第５図においては反射係数が極
座標で表示されており、破線で示される四つの円及び実
線で示される最外周の円は内側からそれぞれ反射係数が
0.2、0.4、0.6、0.8及び１の円である。これらの第４図
及び第５図に示す共鳴特性は、7GHzを中心とする±20MH
zの周波数範囲、すなわち6.98〜7.02GHzの周波数範囲で
周波数を変化させた場合のデータを示す。

第４図と第５図とを比較すると、共鳴特性を示すルー
プの大きさはほぼ同一であることがわかる。また、第４
図より求められる無負荷時のＱ（Q_u）及び外部Ｑ（Q_e）
はそれぞれ4430及び463であり、負荷時のＱ（Q_l）は419
である。なお、このQ_lは1/Q_l＝1/Q_u＋1/Q_eの関係式から
求められたものである。一方、第５図の場合は、Q_u、Q_e
及びQ_lはそれぞれ4360、461及び417である。

以上より、上部接地導体として厚さ15μｍのAl箔を用
いた第２図に示す薄膜YTOは、第14図に示す従来の薄膜Y
TOと同様な共鳴特性を有することがわかる。

以上のように、この実施例IIによれば、上部接地導体
が15μｍ程度と薄い金属薄膜７により構成されているの
で、実施例Ｉと同様に、YIG薄膜11の共鳴特性の劣化を
生じることなく、このYIG薄膜11に強い直流磁界を印加
することが可能となる。

第３図は本発明の実施例IIIによる薄膜YTOを示す。

第３図において、符号15は例えば真鍮製の接地導体を
示す。この実施例IIIにおいては、誘電体基板６上に形
成された例えば膜厚５μｍ程度の金属薄膜７により上部
接地導体が構成され、同様に例えばAl₂O₃基板のような
誘電体基板16上に形成された例えば膜厚５μｍ程度の金
属薄膜17により下部接地導体が構成されている。

この実施例IIIによれば、上部接地導体が薄い金属薄
膜７により構成されているばかりでなく、下部接地導体
も薄い金属薄膜17により構成されているので、ギャップ
長L_gをより一層短くすることができ、従って実施例Ｉ、
IIで述べた効果はより一層優れたものとなる。

ところで、薄膜YTOは周波数シンセサイザ等の用途に
使用されることがあるが、この場合には周波数の安定化
のためにPLL（Phase locked loop）が使用されている。
このPLLでは、第６図に示すように、位相比較器によりY
TOの出力信号θ_０と基準信号θ_ｉとの位相誤差φが発生
され、この位相誤差φは誤差電圧としてループフィルタ
に送られ、目的に応じた誤差電流としてYTOに戻され
る。ここで、PLLで発生される誤差電圧にYTOが追随する
ためには、PLLのループ帯域よりも広い帯域がYTOの駆動
系に要求される。上述の実施例Ｉ〜IIIによる薄膜YTO
は、このような要求を満足し得るものである。以下、そ
の理由について説明する。

第７図に示すような電流駆動型コイルの等価回路を考
える。この第７図において、コイルインダクタンスＬに
流れる電流i_Lは一般にで表される。ここで、ω_ｍ＝２πf_mである。また、ω_０
＝R_e/Lである。ただし、R_eは渦電流損失による抵抗であ
る。ω_０をYTO駆動系の3dB帯域と呼び、τ＝1/ω_０を応
答時間（response time）と呼ぶ。渦電流損失による抵
抗R_eを流れる電流i_Reとi_Lとを分離することは不可能で
あることから、コイル単体でω_０を求めることはできな
い。従って、実際にはYTOのFM感度の周波数依存性から
ω_０を求める手法がとられる。

今、周波数f_oscで発振しているYTOに外部コイル（メ
インコイル及びFMコイル）から周波数f_mの信号でFM変調
をかけるとき、FM感度はとなる。ただし、ΔF_peak（＝βf_m）は最大周波数偏移
であり、βは変調指数である。従って、ΔF_peak＝一定
とし、f_mに対する|i|を測定し、FM感度がω_ｍ（＝２πf
_m）→０のときの値のになるω_ｍを求めると、ω_０＝ω_ｍとなるため、3dB帯
域または応答時間を求めることができる。

この3dB帯域を考えるに当たっては、YTOの接地導体の
渦電流損失が重要である。既に述べたように、従来の薄
膜YTOは、第14図に示すように、上部接地導体104及び下
部接地導体105を真鍮で構成していたため、周波数が高
くなると渦電流損失が増大し、その結果、外部コイルの
FM感度が低下してしまう。従来、このような場合には、
YTOの駆動系を考慮してループフィルタの設計を行う必
要が生じるため、設計が複雑になってしまうという問題
があった。しかしながら、上述の実施例Ｉ〜IIIによれ
ば、上部接地導体及び下部接地導体の少なくとも一方が
電気抵抗の低い薄い金属薄膜７により構成されているの
で、後述のように外部コイルの3dB帯域を広くすること
ができるとともに、応答時間の向上を図ることができ
る。

第８図及び第９図は、主周波数同調用のメインコイル
（線径0.3mm、巻き数500）のFM感度の周波数依存性を示
す。ここで、第８図は上部接地導体及び下部接地導体を
真鍮で構成した従来の場合のデータであり、第９図は上
部接地導体及び下部接地導体をAl₂O₃基板上に形成したA
u薄膜で構成した場合（実施例IIIの場合）のデータであ
る。一方、第10図及び第11図は、副周波数同調用のFMコ
イル（線径0.8mm、巻き数20）のFM感度の周波数依存性
を示す。ここで、第10図は上部接地導体及び下部接地導
体を真鍮で構成した従来の場合のデータであり、第11図
は上部接地導体及び下部接地導体をAl₂O₃基板上に形成
したAu薄膜で構成した場合（実施例IIIの場合）のデー
タである。

これらの第８図〜第11図に示すデータより求めた3dB
帯域を下表にまとめて示す。

上表からわかるように、上部接地導体及び下部接地導
体をAl₂O₃基板上に形成したAu薄膜で構成した場合に
は、真鍮で構成した場合に比べて７〜８倍だけ3dB帯域
が広がっている。すなわち、YTOの高速性の指標である
駆動コイルの3dB帯域が、従来のように真鍮で構成した
場合に比べて７〜８倍だけ広がっている。これによっ
て、PLL回路を設計する上で発振器の周波数制御系を考
慮する必要がなくなるため、設計が容易になり、PLLの
広帯域化が可能となる。

次に、第12図は、下部接地導体を構成する金属薄膜17
として厚さ120μｍのAl₂O₃基板上に形成した膜厚５μｍ
のAu薄膜を用い、上部接地導体18（第13図参照）として
それぞれ厚さ120μｍのAl₂O₃基板上に形成した膜厚５μ
ｍのAu薄膜、膜厚15μｍのAu薄膜（Au箔）及び膜厚90μ
ｍのAu薄膜を用いた場合の３種類の組み合わせに対し
て、ku−バンドのYTOのメインコイルに交流を通し、FM
感度を測定した場合のデータを示す。ただし、測定は第
13図に示す測定系を用いた。この第13図において、符号
19は発振用の能動素子としてのトランジスタ（例えばGa
As FETやnpn型バイポーラトランジスタ）を示し、符号
20はボンディングワイヤーを示す。

第12図に示すように、周波数が十分に低い場合にはFM
感度はいずれの場合も3.45MHz/mA程度であるが、周波数
が高くなるにつれてFM感度は低下する。FM感度が3dBダ
ウンする周波数を求めると、上部接地導体18として厚さ
120μｍのAl₂O₃基板上に形成した膜厚５μｍのAu薄膜を
用いた場合が45kHz、上部接地導体18として厚さ15μｍ
のAu薄膜を用いた場合が25kHz、上部接地導体18として
厚さ90μｍのAu薄膜を用いた場合が15kHzとなってお
り、FM感度が3dBダウンする周波数は上部接地導体18を
構成するAu薄膜が厚くなるにつれて低下することがわか
る。これは、Au薄膜が厚くなるにつれて交流磁界による
渦電流が上部接地導体18に生じやすくなり、その結果、
実効的な電流感度が低下することによるものと考えられ
る。

以上、本発明の実施例につき具体的に説明したが、本
発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発
明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、金属薄膜７、17の膜厚は上述の実施例Ｉ〜II
Iで用いたものに限定されるものではなく、２〜100μｍ
の範囲内で必要に応じて選択することが可能である。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、一対の接地導体
のうちの少なくとも一方が２〜100μｍの膜厚の金属薄
膜により構成されているので、フェリ磁性共鳴素子の共
鳴特性を劣化させることなく、このフェリ磁性共鳴素子
に強い直流磁界を印加することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例Ｉによる薄膜YTOの共振器部の
構造を示す断面図、第２図は本発明の実施例IIによる薄
膜YTOの共振器部の構造を示す断面図、第３図は本発明
の実施例IIIによる薄膜YTOの共振器部の構造を示す断面
図、第４図及び第５図はYIG薄膜の共鳴特性を示す図、
第６図はPLLを説明するためのブロック図、第７図は電
流駆動型コイルの等価回路図、第８図及び第９図はメイ
ンコイルのFM感度の周波数依存性を示すグラフ、第10図
及び第11図はFMコイルのFM感度の周波数依存性を示すグ
ラフ、第12図は下部接地導体を種々の膜厚のAu薄膜によ
り構成した場合のFM感度の周波数依存性を示すグラフ、
第13図は第12図に示すFM感度の周波数依存性の測定に用
いた測定系を示す断面図、第14図は従来の薄膜YTOの共
振器部の構造を示す断面図である。図面における主要な符号の説明 1:ヨーク、2:ポールピース、3:FMコイル、5:下部接地導
体、６、８、10、16:誘電体基板、７、17:金属薄膜、1
1:YIG薄膜（フェリ磁性共鳴素子）、12:GGG基板、13、1
4:空気層。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】フェリ磁性共鳴素子と、上記フェリ磁性共鳴素子と電磁気的に結合する伝送線
路と、上記伝送線路に対向する一対の接地導体とを有し、上記一対の接地導体のうちの少なくとも一方が２〜100
μｍの膜厚の金属薄膜により構成されていることを特徴
とするフェリ磁性共鳴装置。