JPH04332106A - 静磁波素子 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波帯域で使用す
る静磁波素子に関する。さらに詳しくは、急激な温度変
化に対しても、動作周波数が安定した静磁波素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】静磁波素子はＧＧＧ（ガドリニウム・ガ
リウム・ガーネット）単結晶基板上にＹＩＧ（イットリ
ウム・鉄・ガーネット）膜を液相エピタキシャル成長さ
せ、その膜をリソグラフィーやエッチング技術により所
望の形状に加工し、マイクロ・ストリップ・ラインを形
成したものである。かかる静磁波素子は、ＹＩＧに直流
磁界を印加した状態で、マイクロ波により静磁波を励起
し、共振器、フィルターなどへの利用が考えられている
。静磁波素子は印加する直流磁界により、動作周波数を
可変制御することができるという特徴がある。

【０００３】図７は、たとえば特開平１−１９１５０２
公報に掲載された従来の静磁波素子の構成をあらわす図
である。 図７において１はＹＩＧ膜、２は磁気回路、３はヨーク
、４は永久磁石、５はコイル、８は軟磁性材料の磁極で
ある。

【０００４】次にかかる構成を有する静磁波素子の動作
について説明する。ＹＩＧ膜の面に垂直な方向に直流磁
場Ｈを印加したばあい、静磁波素子の動作周波数ｆは数
式（１）で表される。

【０００５】 ｆ＝γ（Ｈ−Ｎ・４πＭｓ）　　　　　　　　　　（１
）ここで４πＭｓはＹＩＧの飽和磁化（Ｇａｕｓｓ）、
γは磁気回転比（２．８　ＭＨｚ／Ｏｅ）、またＮは反
磁界係数である。しかしＹＩＧの飽和磁化は温度依存性
をもつために、直流磁場Ｈが一定であっても動作周波数
ｆが温度によって変化するという欠点がある。数式（１
）より動作周波数ｆが温度Ｔによらない条件は、反磁界
係数を１として数式（２）で表される。

【０００６】 δＨ／δＴ＝δ４πＭｓ／δＴ　　　　　　（２）すな
わち磁場の絶対値の温度係数とＹＩＧによる反磁界の絶
対値の温度係数を等しくすることにより、動作周波数の
温度による変化は補償できる。なお本明細書においては
、以下ＹＩＧによる反磁界はＹＩＧの飽和磁化（Ｇａｕ
ｓｓ）と表現するものとする。また、温度係数（％／℃
）と絶対値の温度係数（Ｇａｕｓｓ／℃またはＯｅ／℃
）とは区別して記載している。図７において永久磁石４
によりギャップの磁場に温度による変化を生じさせて温
度補償を行い、コイル５に電流を流すことにより動作周
波数を可変制御できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の静磁波素子は以
上のように構成されているので、急激な温度変化に対し
て磁気回路とＹＩＧ膜などの磁性薄膜が同じ温度になり
温度補償がなされるまで動作周波数が不安定になるとい
う問題がある。

【０００８】本発明は前記のような問題を解消するため
になされたもので、急激な温度変化に対しても動作周波
数が安定な静磁波素子をうることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の静磁波素子は、
非磁性基板上に形成された磁性ガーネット膜と、コイル
、ヨークおよび残留磁束密度の温度係数が　−０．０３
〜−０．０５（％／℃）の永久磁石からなり、前記磁性
ガーネット膜に垂直に直流磁界を印加する磁気回路とか
らなり、前記磁性ガーネット膜が飽和磁化の絶対値の温
度係数が　−１〜−１．５（Ｇａｕｓｓ／℃）の磁性ガ
ーネットで形成されてなることを特徴としている。

【００１０】本発明の静磁波素子は、磁気回路に温度係
数が　−０．０３〜−０．０５（％／℃）の永久磁石を
用いて、飽和磁化の絶対値の温度係数が　−１〜−１．
５（Ｇａｕｓｓ／℃）の磁性ガーネットで形成された磁
性ガーネット膜の動作周波数の温度補償をしたものであ
る。さらに本発明の液相エピタキシャル磁性ガーネット
膜は前記磁性ガーネット膜を形成するのに適したもので
ある。

【００１１】

【作用】急激な温度変化に対し動作周波数を安定させる
ためには、永久磁石により発生するギャップの磁場を安
定させることと、ギャップの磁場とＹＩＧ膜の飽和磁化
の絶対値の温度係数をできるだけ小さい値で整合をとる
ことが必要である。

【００１２】図１は本発明の静磁波素子の一実施例をあ
らわしており、同図において、永久磁石４の断面積をＳ
ｍ、厚さを１ｍ／２、ギャップ７の断面積をＳｇ、長さ
を１ｇとする。また永久磁石４がギャップに発生する磁
場をＨｇ、磁束密度をＢｇ、永久磁石内の磁場をＨｍ、
磁束密度をＢｍ、漏洩係数をσとする。磁束については
数式（３）がなりたつ。ただしコイル電流は０である。

【００１３】 ＢｇＳｇσ＝ＢｍＳｍ　　　　　　　　　　　　　　　
　（３）アンペールの回路定理により Ｈｇ１ｇ＝Ｈｍ１ｍ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　（４）数式（３）、（４）より 　　　　　　　　　　Ｂｍ／Ｈｍ＝μ０（Ｓｇσ／Ｓｍ
）（１ｍ／１ｇ）　　　　　　　　　　（５）静磁エネ
ルギーを考えると 　　　　　　　　　　ＢｇＨｇＳｇσ１ｇ＝ＢｍＨｍＳ
ｍ１ｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）こ
こで磁石の保磁力が充分大きければリコイル透磁率を１
とみなすことができる。永久磁石の保留磁束密度をＢｒ
とすると 　　　　　　　　　　Ｂｍ＝Ｂｒ−μ０Ｈｍ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（７）数式（５）、（６）、（７）より 　　　　　　　　　　Ｈｇ＝１／（μ０（Ｓｇσ／Ｓｍ
＋１ｇ／１ｍ））・Ｂｒ　　　　　　　　（８）したが
ってギャップの磁場の絶対値の温度係数は数式（９）で
表される。

【００１４】 　　　　　　δＨｇ／δＴ＝１／（μ０（Ｓｇσ／Ｓｍ
＋１ｇ／１ｍ））・δＢｒ／δＴ　　（９） 次に数式（８）　、（９）　より 　　　　　　（δＨｇ／δＴ）／Ｈｇ＝（δＢｒ／δＴ
）／Ｂｒ　　　　　　　　　　　（１０） 数式（１０）から、永久磁石により発生するギャップの
磁場の温度係数は、永久磁石の形状にはよらず、残留磁
束密度の温度係数によってのみ決まることがわかる。ま
たギャップ間に設置される磁性ガーネット膜１は永久磁
石４の体積に比べれば充分に小さく、熱容量も無視でき
る。 したがって温度変化に対して、磁気回路と磁性ガーネッ
ト膜が同じ温度になり、動作周波数の温度補償がなされ
るまでの律速は永久磁石にある。

【００１５】ギャップ磁場の温度係数は永久磁石の温度
係数のみで決まり、また温度補償の律速は永久磁石にあ
る。以上の理由により、残留磁束密度の温度係数の小さ
な永久磁石を用いることで急激な温度変化に対して安定
な磁場をギャップに発生させることができることがわか
る。表１に市販されている各種永久磁石の特性を示す。 残留磁束密度の温度係数が小さいのはＳｍ−Ｃｏ系磁石
とアルニコ磁石であり、いずれかを使用することで安定
な磁場をうることができる。しかし必要な大きさのギャ
ップ磁場をうるためには保磁力の大きい永久磁石で磁気
回路を構成するのが望ましいので、Ｓｍ−Ｃｏ系磁石を
採用するのが好ましい。なおこれらの永久磁石の温度係
数の範囲を　−０．０３〜　−０．０５（％／℃）であ
る。

【００１６】

【表１】 温度補償については、ギャップの磁場とＹＩＧの飽和磁
化の絶対値の温度係数をなるべく小さい値で整合をとる
ことが望ましい。ギャップの磁場の絶対値の温度係数は
数式（９）からわかるように、ギャップや永久磁石の断
面積、長さにより調整することができる。しかし実際に
はその寸法は磁性ガーネット膜の大きさにより制限され
る。たとえば厚さ０．４ｍｍのＧＧＧ基板上に１０〜１
００μｍＹＩＧ膜がついた結晶を設置するためには、ギ
ャップの長さが１ｍｍ以上は必要である。ギャップと永
久磁石の断面積の比をＳｇ／Ｓｍ＝０．５、ギャップの
長さを２ｍｍとして、さらに実験的にもとめた漏洩係数
σ＝４．５を用いて永久磁石の厚み１ｍ（図１における
二つの永久磁石の長さの和）とギャップの磁場とその絶
対値の温度係数を計算した結果を図２および図３に示す
。図３よりＳｍ−Ｃｏ系磁石を用いたばあい、ギャップ
の磁場の絶対値の温度係数は−１．５〜０　Ｏｅ　／℃
が設定可能であることがわかる。ただしＳｇ／Ｓｍの値
をさらに小さくすることによりギャップの磁場の絶対値
の温度係数を大きく設定することは可能であるが、ギャ
ップの断面積を小さくすることは均一な磁場をうるため
に望ましくない。

【００１７】一方、ＹＩＧの飽和磁化の絶対値の温度係
数はガーネット成分の磁性元素である鉄を非磁性元素ガ
リウムに置換することによって調整される。しかし、ガ
リウムのイオン半径は鉄より小さいので、ＧＧＧ基板と
の格子定数の整合をとるためにイットリウムの一部をイ
ットリウムよりイオン半径の大きいランタンで置換する
必要がある。具体的には、たとえば高純度の酸化鉛、酸
化ほう素、酸化鉄、酸化イットリウム、酸化ガリウム、
酸化ランタン粉末を秤量、混合し、白金坩堝に仕込んで
１１５０℃に加熱し充分に溶融した後に所定の温度にま
で徐冷し、保持する。ついで（１１１）面のＧＧＧ単結
晶基板を水平に回転させながら融液中にディッピングし
て磁性ガーネット膜をエピタキシャル成長させることが
できる。以上のようにして作製されたＹＩＧ膜の飽和磁
化とその絶対値の温度係数、組成を表２に、また飽和磁
化とその絶対値の温度係数の関係を図４に示す。

【００１８】

【表２】 飽和磁化の絶対値の温度係数を小さくするためには、飽
和磁化の値を小さくすれば実現できる。同時に反磁界も
小さくなるので印加する直流磁場も小さくてすみ、コイ
ル、永久磁石などの磁気回路を小型化することができる
という利点もある。しかし飽和磁化が小さくなりすぎる
とマイクロ波によって励起される静磁波が弱くなり、素
子として良好に機能しなくなる。たとえば飽和磁化が４
００　Ｇａｕｓｓ以下のガーネット膜で発振器を作製す
ると外部Ｑが大きく、良好な発振特性をうることが難し
くなる。 また図４からもわかるように飽和磁化の絶対値の温度係
数もあまり変化せず、飽和磁化を小さくする利点が無く
なる。したがって飽和磁化の絶対値の温度係数の下限は
−１．０　Ｇａｕｓｓ／℃であり、このときの飽和磁化
の値は４００　Ｇａｕｓｓ　である。

【００１９】以上の磁気回路と液相エピキタシャル磁性
ガーネット膜の検討により、整合可能な飽和磁化の絶対
値の温度係数は−１．０から−１．５　Ｇａｕｓｓ／℃
のあいだであることがわかった。なお磁性ガーネット膜
の表２で代表される組成をまとめてみると式（Ｉ）　で
表される。

【００２０】 　　　　　　　　　　　　　　Ｙ３−ｚＬａｚＦｅ５−
ｔＧａｔＯ１２　　　　　　　　　　　　　　ｔ＝１０
ｚ−０．５４　　　　　　（０．１２≦ｚ≦０．１４）
　　　　　　　　　　（Ｉ）

【００２１】

【実施例】つぎに、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１において１は磁性ガーネット膜、２は
磁気回路、３はヨーク、４は永久磁石、５はコイル、６
は磁極、７はギャップである。本実施例では３ｍｍ径で
均一な磁場が発生するように永久磁石の直径を８ｍ　、
ギャップの直径を６ｍｍとした。このばあい断面積の比
Ｓｇ／Ｓｍは０．５６２５である。なお、永久磁石の直
径およびギャッブの直径は本発明においてとくに限定さ
れないが、通常はいずれも４〜２０ｍｍで、ギャップの
直径は永久磁石の直径より小さくし磁界を集中させる構
造がとられる。また永久磁石の断面形状は円形に限られ
ず、矩形などの他の形状であってもよい。

【００２２】ヨーク材としては一般構造用圧延構材やパ
ーマロイなどを用いることができるが、本実施例におい
てはヨーク材として一般構造用圧延鋼材ＳＳ４１を使用
した。永久磁石は表１に示されるものを用いることがで
きるが、本実施例では磁石Ａを用いた。ギャップの磁場
を調整するために、ギャップの長さを変えて磁場を測定
した。図５はギャップの長さ１ｇと磁場Ｈｇ、図６はギ
ャップの長さ１ｇと磁場Ｈｇの絶対値の温度係数の関係
を表している。なお作製した磁気回路の漏洩係数を求め
たところ４．５であった。

【００２３】表２において番号５のＹＩＧの飽和磁化の
絶対値の温度係数が−１．１０　Ｇａｕｓｓ　／℃であ
る。図６より、ギャップ長さが２ｍｍのときの磁場の絶
対値の温度係数は−１．１０　Ｏｅ／℃であることから
温度補償ができる。えられた静磁波素子の動作周波数を
測定したところ、コイル電流０のとき４．７３ＧＨｚで
あった。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
残留磁束密度の温度係数が−０．０３〜−０．０５　％
／℃の永久磁石を用いて磁気回路を構成したので安定な
磁場を発生させることができる。また式（Ｉ）で表され
る液相エピタキシャル磁性ガーネット膜は飽和磁化の絶
対値の温度係数が　−１〜−１．５　Ｇａｕｓｓ／℃で
あり、前記磁気回路と温度補償を行うのに適しており、
整合をとる絶対値の温度係数も小さいので急激な温度変
化に対しても安定な素子をうることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の静磁波素子の一実施例の断面図である
。

【図２】本発明における磁石の厚さとギャップ磁場との
関係を示すグラフである。

【図３】本発明における磁石の厚さとギャップ磁場の絶
対値の温度係数との関係を示すグラフである。

【図４】本発明におけるＹＩＧ膜の飽和磁化とその絶対
値の温度係数を示したグラフである。

【図５】図１に示される実施例におけるギャップの長さ
とギャップ磁場との関係を示すグラフである。

【図６】図１に示される実施例におけるギャップの長さ
とギャップ磁場の絶対値の温度係数との関係を示すグラ
フである。

【図７】従来の静磁波素子を示す断面図である。

【符号の説明】

１　　磁性ガーネット膜 ２　　磁気回路 ３　　ヨーク ４　　永久磁石 ５　　コイル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　非磁性基板上に形成された磁性ガーネ
   ット膜と、コイル、ヨークおよび残留磁束密度の温度係
   数が　−０．０３〜−０．０５（％／℃）の永久磁石か
   らなり、前記磁性ガーネット膜に垂直に直流磁界を印加
   する磁気回路とからなり、前記磁性ガーネット膜が飽和
   磁化の絶対値の温度係数が　−１〜−１．５（Ｇａｕｓ
   ｓ　／℃）の磁性ガーネットで形成されてなることを特
   徴とする静磁波素子。
2. 【請求項２】　　請求項１の磁性ガーネット膜を成形す
   るのに適した、式（Ｉ）： 　　　　　　　　　　　　　　Ｙ３−ｚＬａｚＦｅ５−
   ｔＧａｔＯ１２　　　　　　　　　　　　　　ｔ＝１０
   ｚ−０．５４　　　　　　（０．１２≦ｚ≦０．１４）
   　　　　　　　　　　（Ｉ）で表わされる液相エピタキ
   シャル磁性ガーネット膜。
3. 【請求項３】　　前記磁性ガーネット膜が式（Ｉ）　：
   　　　　　　　　　　　　　　Ｙ３−ｚＬａｚＦｅ５−
   ｔＧａｔＯ１２　　　　　　　　　　　　　　ｔ＝１０
   ｚ−０．５４　　　　　　（０．１２≦ｚ≦０．１４）
   　　　　　　　　　　（Ｉ）で表わされる液相エピタキ
   シャル磁性ガーネット膜である請求項１記載の静磁波素
   子。