JP2001242231A - Magnetic field generating device and magnetic resonance force microscope using the same - Google Patents

Magnetic field generating device and magnetic resonance force microscope using the same

Info

Publication number
JP2001242231A
JP2001242231A JP2000051437A JP2000051437A JP2001242231A JP 2001242231 A JP2001242231 A JP 2001242231A JP 2000051437 A JP2000051437 A JP 2000051437A JP 2000051437 A JP2000051437 A JP 2000051437A JP 2001242231 A JP2001242231 A JP 2001242231A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
magnetic
magnetic field
coil
sample
solenoid coil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2000051437A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yosuke Yoshinari
吉成洋祐
Kiichiro Otsuka
大塚紀一郎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jeol Ltd
Original Assignee
Jeol Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jeol Ltd filed Critical Jeol Ltd
Priority to JP2000051437A priority Critical patent/JP2001242231A/en
Publication of JP2001242231A publication Critical patent/JP2001242231A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic resonance force microscope capable of providing sample information on the surface of a sample or a micro area on the surface of the sample while permitting wide area scanning. SOLUTION: This magnetic field generating device 1 for the magnetic resonance force microscope 12 is provided with a solenoid coil 2 and a cylindrical magnetic substance 5 of high permeability translational along the center symmetry axis of the coil 2. In the magnetic dipole magnetic field generated by the magnetic field generating device 1, magnetic field intensity larger than the maximum magnetic field generated by the coil 2 is obtained without impairing the spatial uniformity of the magnetic field. The sample 39 is set into the magnetic dipole magnetic field and irradiated with high frequency by an RF coil 20 to make magnetic moment of the sample 39 magnetically resonant. A cantilever 18 is flexurally vibrated at the magnetic field gradient formed by a magnetic chip 19 through the magnetic resonance, and the flexural vibration is detected through an optical fiber 25. The magnetic field generating device 1 is moved in a narrow scanning area by a piezoelectric element 14, and the sample 39 is moved in a wide range by a coarse adjustment driving part 37.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ソレノイドコイル
を備え、かつこのソレノイドコイルが発生する磁場強度
より大きな磁場強度を発生する磁場発生装置の技術分野
に属し、また、この磁場発生装置を用いて、磁気共鳴現
象を利用して試料の非常に小さな領域のイメージングを
行う磁気共鳴力顕微鏡(Magnetic Resonace Force Micr
oscopy;以下、MRFMとも表記する)の技術分野に属
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention belongs to the technical field of a magnetic field generator having a solenoid coil and generating a magnetic field intensity larger than the magnetic field intensity generated by the solenoid coil, and using the magnetic field generator. , Magnetic resonance force microscope (Magnetic Resonace Force Micr) that uses a magnetic resonance phenomenon to image a very small area of a sample
oscopy (hereinafter also referred to as MRFM).

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、試料を観測する方法の1つとして
磁気共鳴法があり、この磁気共鳴法は、空間均一性の高
い静磁場中に置かれた高周波コイル内に、多くの磁気モ
ーメントを含む試料をセットし、この試料に高周波磁場
をかけて試料の磁気モーメントを共鳴させることで試料
全体の測定を行うバルク測定であった。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been a magnetic resonance method as one of the methods for observing a sample. In this magnetic resonance method, a large number of magnetic moments are stored in a high-frequency coil placed in a static magnetic field having high spatial uniformity. This was a bulk measurement in which a sample containing the sample was set, and a high-frequency magnetic field was applied to the sample to resonate the magnetic moment of the sample to measure the entire sample.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
磁気共鳴測定においては、1cm3内で10-5以上の空
間均一性の高い磁場が要求される。このため、従来、磁
場を作り出すソレノイド型コイルあるいはポ−ルピース
型電磁石の中心部に試料をおいて測定が行われていると
ともに、更に、中心部の均一度を向上させるため、主コ
イル周辺に補正コイルを巻くことが実行されている。し
かし、コイル端面の磁場均一度を、強度を損失すること
なく向上させる方法は従来存在しなかった。
By the way, such a magnetic resonance measurement requires a magnetic field having high spatial uniformity of 10 -5 or more within 1 cm 3 . For this reason, conventionally, measurement has been performed with a sample placed at the center of a solenoid type coil or a pole piece type electromagnet that creates a magnetic field, and further, correction is made around the main coil to improve the uniformity of the center. Winding a coil has been performed. However, there has been no method for improving the magnetic field uniformity of the coil end face without losing the strength.

【0004】一方、磁気共鳴法(NMR/ESR)と原
子力間顕微鏡(AFM)の各要素技術を組み合わせて試
料の非常に小さな領域のイメージングを行うための新規
の走査型プローブ顕微鏡、いわゆるMRFMが、例えば
特公平7−69280号公報において提案されている。
On the other hand, a new scanning probe microscope, so-called MRFM, for imaging a very small area of a sample by combining respective element technologies of a magnetic resonance method (NMR / ESR) and an atomic force microscope (AFM), For example, it is proposed in Japanese Patent Publication No. 7-69280.

【0005】このMRFMは、試料位置に必要な磁場強
度の静磁場を生成して試料中に偏極場(磁気分極場)の
方向を向いた磁気モーメントを生じるためのソレノイド
と、試料に高周波磁場をかける高周波コイルと、偏極場
(磁気分極場)を変調するための変調信号を高周波コイ
ルに供給する変調手段と、試料に対向して配置されて磁
場勾配を発生する磁気チップと、この磁気チップおよび
試料のいずれか一方を支持して、高周波コイルの高周波
磁場により試料の磁気モーメントを変調することで発生
する力で振動するカンチレバーと、このカンチレバ尾の
振動を検出する検出手段とを備えている。
[0005] This MRFM is a solenoid for generating a static magnetic field having a required magnetic field strength at a sample position to generate a magnetic moment in the sample in the direction of a polarized field (magnetic polarization field). A high-frequency coil, a modulating means for supplying a modulation signal for modulating a polarization field (magnetic polarization field) to the high-frequency coil, a magnetic chip disposed opposite to the sample to generate a magnetic field gradient, A cantilever that supports one of the chip and the sample, vibrates with a force generated by modulating the magnetic moment of the sample with the high-frequency magnetic field of the high-frequency coil, and a detecting unit that detects the vibration of the cantilever tail I have.

【0006】このようなMRFMの測定基本原理は、磁
気共鳴現象を発生させるために必要な高周波磁場の周波
数または強度に、カンチレバーの固有振動数の整数倍で
変調をかけるかあるいはこれらの両変調の各周波数差が
カンチレバーの固有振動数の整数倍となるように変調を
かけるかすることによって、試料内(または、共鳴領域
内)の共鳴条件を満たす磁気モーメントを変調周波数で
時間変化させる。このとき、時間変化する磁気モーメン
トと磁気モーメントの存在する位置に磁気チップによっ
て発生させられた磁場勾配が3×3のテンソル量で表さ
れる。この変調により力
The basic principle of such MRFM measurement is to modulate the frequency or intensity of a high-frequency magnetic field required for generating a magnetic resonance phenomenon by an integral multiple of the natural frequency of the cantilever, or to modulate both of these modulations. By modulating each frequency difference so as to be an integral multiple of the natural frequency of the cantilever, the magnetic moment satisfying the resonance condition in the sample (or in the resonance region) is changed with time at the modulation frequency. At this time, the time-varying magnetic moment and the magnetic field gradient generated by the magnetic chip at the position where the magnetic moment exists are represented by a 3 × 3 tensor amount. This modulation forces

【数1】 が誘発される。この力は変調周波数で変化するため、カ
ンチレバーをこの変調周波数で撓み振動させる原動力と
なる。そして、このカンチレバーの撓み振動を検出する
ことにより、磁気共鳴力現象を利用して試料の非常に小
さな領域のイメージングが行われる。
(Equation 1) Is triggered. Since this force changes at the modulation frequency, it becomes the driving force that causes the cantilever to flex and vibrate at this modulation frequency. Then, by detecting the bending vibration of the cantilever, imaging of a very small region of the sample is performed using the magnetic resonance force phenomenon.

【0007】ところで、前述のように試料中に偏極場
(磁気分極場)の方向を向いた磁気モーメントを生じさ
せるためには静磁場が必要であるので、このMRFMは
静磁場を発生するためのソレノイドコイルを備えてい
る。また、MRFMは小型コンパクトに形成されること
も求められており、そのためソレノイドコイルの配置ス
ペースが限られている。そこで、目的とする磁場強度お
よび磁場均一度を作り出すための小型ソレノイドコイル
を簡単に製作でき、かつこのように限られたスペース内
に配置可能にすることが求められる。
As described above, since a static magnetic field is required to generate a magnetic moment in the sample in the direction of the polarization field (magnetic polarization field), the MRFM generates a static magnetic field. Of the solenoid coil. It is also required that the MRFM be formed small and compact, so that the space for disposing the solenoid coil is limited. Therefore, it is required that a small solenoid coil for producing a desired magnetic field strength and magnetic field uniformity can be easily manufactured and can be arranged in such a limited space.

【0008】この要求に応えるために、更にMRFMに
ついて検討すると、MRFMは検出感度が極めて高いた
め、微小試料または微小領域の測定が可能である。した
がって、広い空間におよぶ高均一度は必要ではなく、1
mm3の空間内で10-4程度の磁場均一性が得られれ
ば、MRFMに用いる静磁場用ソレノイドコイルとして
十分である。そこで、MRFMに使用するために必要と
する磁場強度および1mm3の空間内で10-4程度の磁
場均一性をそれぞれ作り出すとともに、簡単に製作で
き、かつこのように限られたスペース内に配置可能な小
型ソレノイドコイルを得るために計算機によるシミュレ
ーションを行った結果、許容スペースに挿入できる最大
寸法のソレノイドコイルを作製しても、目的とする磁場
強度は得られなく、また、磁場均一性の最も高いソレノ
イド型コイル中心部に、MRFMに必要なサイズ的に可
能とされる信号検出部を配置することは現状では不可能
であることがわかった。
To further meet this demand, the MRFM is further examined. Since the detection sensitivity of the MRFM is extremely high, it is possible to measure a minute sample or a minute region. Therefore, high uniformity over a large space is not necessary,
If a magnetic field uniformity of about 10 -4 can be obtained in a space of mm 3 , it is sufficient as a static magnetic field solenoid coil used for MRFM. Therefore, the magnetic field strength required for use in the MRFM and the magnetic field uniformity of about 10 -4 in a space of 1 mm 3 can be respectively produced, and it can be easily manufactured and can be arranged in such a limited space. As a result of computer simulations to obtain a compact solenoid coil, even if a solenoid coil with the maximum dimensions that can be inserted into the allowable space is manufactured, the desired magnetic field strength cannot be obtained, and the magnetic field uniformity is the highest. It has been found that it is impossible at present to arrange a signal detection unit which is required in terms of size required for MRFM in the center of the solenoid type coil.

【0009】したがって、小型化を要求されるMRFM
には、単一ソレノイドコイル端面近傍で、目的とする磁
場強度および均一性を得る必要性があるとともに、単一
ソレノイドコイル端面近傍に置かれた試料位置で、磁場
強度・勾配が最適となるようにする必要があるという問
題がある。
Therefore, MRFM required to be downsized
It is necessary to obtain the desired magnetic field strength and uniformity near the single solenoid coil end face, and to optimize the magnetic field strength and gradient at the sample position located near the single solenoid coil end face. There is a problem that needs to be.

【0010】更に、従来の磁気共鳴法では、前述のよう
に空間均一性の高い静磁場中に置かれた高周波共振器の
一部であるRFコイルの中に試料をセットし観測を行っ
ているが、この従来の方法では、試料内部に存在する対
象とされる磁気モーメントの全信号の足し合わせを観測
することになり、試料表面もしくは試料内部の測定深度
数100μm内の表面微小領域の情報を知ることはでき
なかった。また、現在開発されているMRFMは1μm
程度の高空間分解能を有する表面分析装置であるが、数
10cm程度の広域走査を可能にするMRFMの検出部
は従来からまったく提案されていない。
Furthermore, in the conventional magnetic resonance method, a sample is set in an RF coil which is a part of a high-frequency resonator placed in a static magnetic field having high spatial uniformity as described above, and observation is performed. However, according to this conventional method, the sum of all signals of the magnetic moments of interest existing inside the sample is observed, and information on the surface microregion of the sample surface or inside the sample within a measurement depth of several 100 μm is obtained. I couldn't know. The currently developed MRFM is 1 μm
Although it is a surface analyzer having a high spatial resolution of the order, an MRFM detecting unit capable of scanning over a wide area of about several tens of cm has not been proposed at all.

【0011】更に、MRFM測定に必要な高周波は、試
料近傍に配備された微小ソレノイドコイルから試料に照
射されるか、または、試料を直接ストリップライン共振
回路上に置いて、試料に照射されている。しかしなが
ら、この従来の方法では、発熱拡散機構が設けられてい
ないため、照射電力が大きな場合に生ずる発熱を抑える
ことはできなかった。このため、高温になった回路部分
の共振条件がドリフトし、電力伝達性能を著しく悪化さ
せるばかりでなく、共振回路近傍に置かれた試料への熱
の影響も懸念される。
Further, the high frequency necessary for the MRFM measurement is applied to the sample from a minute solenoid coil disposed near the sample, or the sample is applied directly to the sample by placing the sample on a strip line resonance circuit. . However, in this conventional method, since no heat diffusion mechanism is provided, heat generated when the irradiation power is large cannot be suppressed. For this reason, the resonance condition of the high temperature circuit part drifts, and not only does the power transfer performance deteriorate significantly, but also there is a concern about the influence of heat on the sample placed near the resonance circuit.

【0012】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、磁場の空間均一性を損なう
ことなく、目的とする磁場強度を作ることができ、しか
も、ソレノイドコイル端面近傍位置で、磁場強度・勾配
が最適となるようにできる単一で小型のソレノイドコイ
ルを備えた磁場発生装置を提供することである。また、
本発明の他の目的は、試料表面もしくは試料表面微小領
域の試料情報を得ることができるとともに、より広域走
査を可能にする磁気共鳴力顕微鏡を提供することであ
る。更に、高周波を試料に照射することで発生する熱を
効果的に発散させることのできる高周波コイルを備えた
磁気共鳴力顕微鏡を提供することである。
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to produce a desired magnetic field strength without deteriorating the spatial uniformity of a magnetic field, and to provide a solenoid coil end face. An object of the present invention is to provide a magnetic field generator having a single and small solenoid coil capable of optimizing the magnetic field strength and gradient at a nearby position. Also,
Another object of the present invention is to provide a magnetic resonance force microscope capable of obtaining sample information on a sample surface or a minute region of the sample surface and enabling a wider area scan. Another object of the present invention is to provide a magnetic resonance force microscope provided with a high-frequency coil capable of effectively dissipating heat generated by irradiating a sample with high frequency.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、請求項1の発明の磁場発生装置は、静磁場を発生
するソレノイドコイルと、このソレノイドコイル内に同
心状に配設された筒状高透磁率磁性体と、前記ソレノイ
ドコイルに電流を供給するコイル電源とを少なくとも備
えていることを特徴としている。また、請求項2の発明
は、前記筒状高透磁率磁性体が前記ソレノイドコイルの
中心対称軸に沿って並進駆動することでソレノイドコイ
ルの中心対称軸方向の位置が調整可能に設けられている
ことを特徴としている。更に、請求項3の発明は、前記
筒状高透磁率磁性体を前記ソレノイドコイルの中心対称
軸に沿って移動させるためにこの筒状高透磁率磁性体を
案内するガイド手段を備えていることを特徴としてい
る。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a magnetic field generating apparatus comprising: a solenoid coil for generating a static magnetic field; and a concentrically disposed solenoid coil in the solenoid coil. It is characterized by comprising at least a cylindrical high magnetic permeability magnetic body and a coil power supply for supplying a current to the solenoid coil. Further, the invention according to claim 2 is provided such that the position of the cylindrical high magnetic permeability magnetic body in the direction of the center symmetry axis of the solenoid coil can be adjusted by driving translation along the center symmetry axis of the solenoid coil. It is characterized by: Further, the invention according to claim 3 is provided with a guide means for guiding the cylindrical high magnetic permeability magnetic body in order to move the cylindrical high magnetic permeability magnetic body along a central symmetry axis of the solenoid coil. It is characterized by.

【0014】更に、請求項4の発明の磁気共鳴力顕微鏡
は、試料位置に必要な磁場強度の静磁場を生成して試料
中に偏極場(磁気分極場)の方向を向いた磁気モーメン
トを生じるための請求項1ないし3のいずれか1記載の
磁場発生装置と、試料に高周波磁場をかける高周波磁場
印加手段と、前記偏極場(磁気分極場)を変調するため
の変調信号を前記高周波磁場印加手段に供給する変調手
段と、試料に対向して配置されて磁場勾配を発生する磁
場勾配発生手段と、この磁場勾配発生手段および試料の
いずれか一方を支持して、前記高周波磁場印加手段の高
周波磁場により試料の磁気モーメントを変調することで
発生する力で振動する振動子と、この振動子の振動を検
出する検出手段とを少なくとも備えていることを特徴と
している。
Further, in the magnetic resonance force microscope according to the present invention, a static magnetic field having a required magnetic field intensity is generated at a sample position to generate a magnetic moment in the sample in a direction of a polarized field (magnetic polarization field). A magnetic field generator according to any one of claims 1 to 3 for generating, a high frequency magnetic field applying means for applying a high frequency magnetic field to a sample, and a modulation signal for modulating the polarization field (magnetic polarization field). A modulating means for supplying to the magnetic field applying means, a magnetic field gradient generating means arranged to face the sample to generate a magnetic field gradient, and supporting one of the magnetic field gradient generating means and the sample, A vibrator that vibrates with a force generated by modulating the magnetic moment of the sample with the high-frequency magnetic field described above, and a detection unit that detects the vibration of the vibrator.

【0015】更に、請求項5の発明は、試料および前記
磁気発生装置のいずれか一方を狭走査領域内で移動させ
る微動駆動部と、試料および前記磁気発生装置のいずれ
か他方を広走査領域内で移動させる粗動駆動部とを備え
ていることを特徴としている。更に、請求項6の発明
は、前記振動子がカンチレバーであり、このカンチレバ
ーで反射したレーザ光が光ファイバを通して前記検出手
段に導入されるようになっていることを特徴としてい
る。更に、請求項7の発明は、前記磁場印加手段は前記
高周波コイルを備え、この高周波コイルは誘電率の低い
コイル基板上に薄肉・幅広にプリント作製されており、
また、前記変調手段は両面基板の固定された所定数のコ
ンデンサを有していることを特徴としている。
Further, according to the present invention, a fine movement drive section for moving one of the sample and the magnetic generator in a narrow scanning area, and the other of the sample and the magnetic generator in a wide scanning area. And a coarse movement drive unit for moving the first and second movements. Further, the invention according to claim 6 is characterized in that the vibrator is a cantilever, and the laser light reflected by the cantilever is introduced into the detection means through an optical fiber. Further, in the invention according to claim 7, the magnetic field applying means includes the high-frequency coil, and the high-frequency coil is thin and wide printed on a coil substrate having a low dielectric constant,
Further, the modulation means has a predetermined number of capacitors fixed to the double-sided board.

【0016】[0016]

【作用】このような構成をした本発明の磁場発生装置に
おいては、単一のソレノイドコイル内に挿入された筒状
高透磁率磁性体がソレノイドコイルによって磁化される
と、筒状高透磁率磁性体は距離と角度に依存する磁気双
極子磁場を作るようになる。そして、この磁気双極子磁
場により、単一ソレノイドコイルの端面中心位置だけで
はなく、ソレノイドコイルの内部および外部を問わず、
ソレノイドコイルの中心対称軸上で、ソレノイドコイル
により作られる最大磁場よりも大きな磁場強度が磁場の
空間的均一性を損なうことなく得られるようになる。
In the magnetic field generator according to the present invention having the above-described structure, when the cylindrical high magnetic permeability magnetic body inserted into a single solenoid coil is magnetized by the solenoid coil, the cylindrical high magnetic permeability magnetic material is removed. The body creates a magnetic dipole field that depends on distance and angle. And, due to this magnetic dipole magnetic field, not only at the center position of the end face of the single solenoid coil, but also inside and outside the solenoid coil,
On the central symmetry axis of the solenoid coil, a magnetic field strength larger than the maximum magnetic field produced by the solenoid coil can be obtained without deteriorating the spatial uniformity of the magnetic field.

【0017】一方、本発明の磁気共鳴力顕微鏡において
は、ソレノイドコイル内に筒状高透磁率磁性体が挿入さ
れ、この筒状高透磁率磁性体により発生される磁気双極
子磁場が利用されることで、磁場勾配が改善されながら
磁場強度が増大するようになる。これにより、その分ソ
レノイドコイルが小型にできるとともにコイル電源も小
型にできるので、従来のような大電源および大型ソレノ
イドといった大きな磁場発生部が不要になる。したがっ
て、MRFMも小型コンパクトになる。
On the other hand, in the magnetic resonance force microscope of the present invention, a cylindrical high magnetic permeability magnetic material is inserted into a solenoid coil, and a magnetic dipole magnetic field generated by the cylindrical high magnetic permeability magnetic material is used. Thus, the magnetic field strength is increased while the magnetic field gradient is improved. As a result, the size of the solenoid coil can be reduced and the size of the coil power supply can be reduced accordingly, so that a large magnetic field generating unit such as a conventional large power supply and large solenoid is not required. Therefore, the MRFM is also small and compact.

【0018】また、 ソレノイドコイルに流す電流値を
変えることによって、発生磁場が筒状高透磁率磁性体の
比透磁率に依存して大きく変化するようになる。更に、
筒状高透磁率磁性体がソレノイドコイルの中心対称軸方
向に沿って並進移動してその中心対称軸方向位置が調整
されることで、発生磁場が、空間的均一性がきわめてよ
い静磁場を要求される位置、すなわち磁気チップ、試料
の表面近傍または試料内部の希望する測定深度数100
μm内の位置にそれぞれ発生するようになる。
Further, by changing the value of the current flowing through the solenoid coil, the generated magnetic field greatly changes depending on the relative magnetic permeability of the cylindrical high-permeability magnetic material. Furthermore,
The cylindrical magnetic high-permeability magnetic material translates along the central symmetry axis of the solenoid coil and adjusts its position in the center symmetry axis direction. The desired measurement depth, that is, the desired measurement depth number 100 near the surface of the magnetic chip or the sample or inside the sample.
It occurs at each position within μm.

【0019】更に、MRFMの検出部および試料のいず
れか一方が、ピエゾ素子からなる微動駆動素子および粗
動駆動部のいずれか一方にセットされ、MRFMの検出
部および試料のいずれか他方が、微動駆動素子および粗
動駆動部のいずれか他方にセットされるようになり、従
来のように検出部が固定されるMRFMでは不可能であ
った広域走査が可能となる。このようにして、従来のM
RI技術では不可能であった空間分解能数μmのイメー
ジングが広域にわたって可能となる。
Further, one of the detecting unit and the sample of the MRFM is set to one of the fine driving unit and the coarse driving unit, which is a piezo element, and one of the detecting unit and the sample of the MRFM is set to the fine moving unit. The drive element and the coarse drive unit are set to one of the other, so that wide-area scanning, which is impossible with the conventional MRFM in which the detection unit is fixed, can be performed. Thus, the conventional M
Imaging with a spatial resolution of several μm, which was not possible with RI technology, can be performed over a wide area.

【0020】更に、プリント基板の製造技術を用いて、
高周波コイルがコイル基板上に肉薄でかつ幅広に形成さ
れるようになる。これにより、高周波コイルの表面積が
可能な限り大きくかつ必要空間が小さくなるので、導体
表面しか伝導しなく肉厚の導体は必要でない高周波の特
性が有効に活用され、高周波の実質的な有効伝導領域が
必要最小空間で確保されるようになる。また、高周波コ
イルの表面積が大きくなることで、高周波照射により生
じた高周波コイル上の発熱が有効に発散するようにな
る。
Further, using a printed circuit board manufacturing technique,
The high-frequency coil is formed to be thin and wide on the coil substrate. As a result, the surface area of the high-frequency coil is as large as possible and the required space is small, so that the high-frequency characteristics that conduct only on the conductor surface and do not require a thick conductor are effectively utilized, and the effective high-frequency conductive area is effectively used. Is secured in a necessary minimum space. In addition, by increasing the surface area of the high-frequency coil, heat generated on the high-frequency coil generated by high-frequency irradiation is effectively radiated.

【0021】更に、コイル基板の厚みを薄くすること
で、コイル基板間の試料空間を著しく減少させることな
く、高周波コイルを多層構造にすることが可能となる。
これにより高周波コイルのインダクタンスが増加し、共
振周波数帯域が低くなる。更に、高周波コイルの製造に
プリント基板製造技術が用いられているので、形状・サ
イズ等に関し再現性のよいコイルが作製可能となる。そ
して、この高周波コイルをMRFMに用いることで、試
料位置での高周波磁場照射強度にばらつきがほとんど生
じないMRFMが得られるようになる。
Further, by reducing the thickness of the coil substrate, the high-frequency coil can have a multilayer structure without significantly reducing the sample space between the coil substrates.
This increases the inductance of the high-frequency coil and lowers the resonance frequency band. Further, since a printed circuit board manufacturing technique is used for manufacturing a high-frequency coil, a coil with good reproducibility in shape and size can be manufactured. By using this high-frequency coil for the MRFM, it is possible to obtain an MRFM in which the high-frequency magnetic field irradiation intensity at the sample position hardly varies.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。図1は、本発明にかかる磁場発生装
置の実施の形態の一例を模式的に示し、(a)は正面
図、(b)は(a)におけるIBーIB線に沿う断面図であ
る。図1に示すように、この例の磁場発生装置1はソレ
ノイドコイル2を備えており、このソレノイドコイル2
は筒状のボビン3に導線4が巻かれて構成されている。
そして、ソレノイドコイル2は、図示しないがこの磁場
発生装置1のケースあるいはハウジング等の支持部材に
固定されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIGS. 1A and 1B schematically show an example of an embodiment of a magnetic field generator according to the present invention. FIG. 1A is a front view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line IB-IB in FIG. As shown in FIG. 1, the magnetic field generator 1 of this example includes a solenoid coil 2.
Is formed by winding a conductive wire 4 around a cylindrical bobbin 3.
Although not shown, the solenoid coil 2 is fixed to a support member such as a case or a housing of the magnetic field generator 1.

【0023】このソレノイドコイル2の内周側には、例
えば純鉄、コバルト、ニッケル等の磁石になり易い高透
磁率磁性材料からなる筒状高透磁率磁性体5が配設され
ている。この筒状高透磁率磁性体5は第1の非磁性筒状
固定部材6に軸方向に接合されて一体的に固定されてお
り、この第1の非磁性筒状固定部材6は樹脂等の非磁性
材料から、筒状高透磁率磁性体5と内、外周とも同じ大
きさの筒状に形成されているとともに、内周面に雌ねじ
6aが形成されている。
A cylindrical high-permeability magnetic body 5 made of a high-permeability magnetic material which is likely to be a magnet such as pure iron, cobalt, nickel or the like is arranged on the inner peripheral side of the solenoid coil 2. The cylindrical high-permeability magnetic body 5 is axially joined to and fixed integrally to a first non-magnetic cylindrical fixing member 6, and the first non-magnetic cylindrical fixing member 6 is made of resin or the like. The inner and outer circumferences of the cylindrical high-permeability magnetic body 5 are formed in a cylindrical shape having the same size from the non-magnetic material, and a female screw 6a is formed on the inner circumferential surface.

【0024】また、筒状高透磁率磁性体5と第1の非磁
性筒状固定部材6とは熱膨張・収縮率の低い非磁性材料
からなる第2の非磁性筒状固定部材7に嵌合され、かつ
それらの外周面が第2の非磁性筒状固定部材7の内周面
に一体的に固定されている。更に、この第2の非磁性筒
状固定部材7はソレノイドコイル2のボビン3に摺動可
能に嵌合されている。その場合、第2の非磁性筒状固定
部材7の外周面とボビン3の内周面とのいずれか一方
に、周方向に配置されかつ軸方向に延びる所定数のガイ
ド溝8が形成されているともに、第2の非磁性筒状固定
部材7の外周面とボビン3の内周面とのいずれか他方
に、軸方向に延びかつガイド溝8に摺動可能に嵌合した
ガイド溝8と同数のガイド突条9がそれぞれ形成されて
いる(図示例では、第2の非磁性筒状固定部材7の外周
面にガイド溝8が形成され、ボビン3の内周面にガイド
突条9が形成されている)。これらのガイド溝8とガイ
ド突条9とは精度良く嵌合しており、これにより第2の
非磁性筒状固定部材7がボビン3に対して軸方向に正確
に相対的に案内されてスライドするとともに、相対的な
回転が阻止されるようになっている。したがって、筒状
高透磁率磁性体5および第1の非磁性筒状固定部材6も
それぞれボビン3に対して軸方向(図において上下方
向)に正確に相対的に移動するとともに、相対的な回転
が阻止されるようになる。ガイド溝8とガイド突条9と
により、本発明のガイド手段が構成されている。
The cylindrical high magnetic permeability magnetic body 5 and the first non-magnetic cylindrical fixing member 6 are fitted to a second non-magnetic cylindrical fixing member 7 made of a non-magnetic material having a low thermal expansion and contraction rate. And their outer peripheral surfaces are integrally fixed to the inner peripheral surface of the second non-magnetic tubular fixing member 7. Further, the second non-magnetic tubular fixing member 7 is slidably fitted on the bobbin 3 of the solenoid coil 2. In this case, a predetermined number of guide grooves 8 which are arranged in the circumferential direction and extend in the axial direction are formed on one of the outer peripheral surface of the second non-magnetic tubular fixing member 7 and the inner peripheral surface of the bobbin 3. And a guide groove 8 extending in the axial direction and slidably fitted in the guide groove 8 on one of the outer peripheral surface of the second non-magnetic cylindrical fixing member 7 and the inner peripheral surface of the bobbin 3. The same number of guide protrusions 9 are formed (in the illustrated example, guide grooves 8 are formed on the outer peripheral surface of the second non-magnetic cylindrical fixing member 7, and the guide protrusions 9 are formed on the inner peripheral surface of the bobbin 3. Is formed). The guide grooves 8 and the guide ridges 9 are fitted with high precision, so that the second non-magnetic cylindrical fixing member 7 is accurately guided relative to the bobbin 3 in the axial direction and slides. At the same time, relative rotation is prevented. Therefore, the cylindrical high-permeability magnetic body 5 and the first non-magnetic cylindrical fixing member 6 also move accurately relative to the bobbin 3 in the axial direction (vertical direction in the figure), respectively, and rotate relative to each other. Will be blocked. The guide means of the present invention is constituted by the guide groove 8 and the guide ridge 9.

【0025】第1の非磁性筒状固定部材6に内周面の雌
ねじ6aには、非磁性駆動部材10の外周面に形成され
た雄ねじ10aが螺合されている。この非磁性駆動部材
10は、前述の支持部材に、回転のみ可能にかつ軸方向
に移動不能に取り付けられている。したがって、非磁性
駆動部材10を回転することで、筒状高透磁率磁性体5
が軸方向に滑らかにスライドするようになる。その場
合、ガイド溝8とガイド突条9とが嵌合していること
で、非磁性駆動部材10の回転時に、第2の非磁性筒状
固定部材7、第1の非磁性筒状固定部材8および筒状高
透磁率磁性体5がこの非磁性駆動部材10の回転ととも
につれ回りしなく、非磁性駆動部材10の回転運動が筒
状高透磁率磁性体5の直進運動に高精度に変換されるよ
うになる。更に、ソレノイドコイル2には外部電源11
が接続されており、この外部電源11からの電流をソレ
ノイドコイル2に流すことにより、ソレノイドコイル2
は磁場Hを発生するようになる。
A male screw 10a formed on the outer peripheral surface of the non-magnetic driving member 10 is screwed to the female screw 6a on the inner peripheral surface of the first non-magnetic cylindrical fixing member 6. The non-magnetic drive member 10 is attached to the above-described support member so that it can rotate only and cannot move in the axial direction. Therefore, by rotating the non-magnetic driving member 10, the cylindrical high-permeability magnetic body 5 is rotated.
Will slide smoothly in the axial direction. In this case, since the guide groove 8 and the guide ridge 9 are fitted, the second non-magnetic cylindrical fixing member 7 and the first non-magnetic cylindrical fixing member 8 and the cylindrical high-permeability magnetic body 5 do not rotate with the rotation of the non-magnetic driving member 10, and the rotational motion of the non-magnetic driving member 10 is converted to the linear motion of the cylindrical high-permeability magnetic body 5 with high precision. Will be done. Further, an external power supply 11 is connected to the solenoid coil 2.
Is connected, and the current from the external power supply 11 is supplied to the solenoid coil 2 so that the solenoid coil 2
Generates a magnetic field H.

【0026】そして、ソレノイドコイルの内周側に中実
の棒状の磁性体が配設された従来の磁場発生装置1の場
合では、図2に点線で示すようにソレノイドコイル2の
端面中心位置から離れるにしたがって磁場Hの強さが次
第に小さくなるのに対して、このように構成されたこの
例の磁場発生装置1においては、ソレノイドコイル2に
内周側に筒状高透磁率磁性体5が配設されることで、図
2に直線で示すようにソレノイドコイル2から離れた所
望の位置に磁場Hの強さのピークが発生するようにな
る。この磁場Hの強さのピークの発生位置は、筒状高透
磁率磁性体5の軸方向の位置、筒状高透磁率磁性体5の
大きさ、筒状高透磁率磁性体5の材質によって変化する
ようになる。
In the case of the conventional magnetic field generator 1 in which a solid rod-shaped magnetic body is disposed on the inner peripheral side of the solenoid coil, as shown by a dotted line in FIG. While the strength of the magnetic field H gradually decreases as the distance increases, in the magnetic field generator 1 of this example configured as described above, the cylindrical high magnetic permeability magnetic body 5 is provided on the inner peripheral side of the solenoid coil 2. With this arrangement, a peak of the strength of the magnetic field H is generated at a desired position away from the solenoid coil 2 as indicated by a straight line in FIG. The position at which the peak of the strength of the magnetic field H is generated depends on the position in the axial direction of the cylindrical high-permeability magnetic body 5, the size of the cylindrical high-permeability magnetic body 5, and the material of the cylindrical high-permeability magnetic body 5. It will change.

【0027】また、ソレノイドコイル2が発生する磁場
により、筒状高透磁率磁性体5がきわめて高い透磁率磁
性材料で形成される場合は望みの場所に発生する磁場に
変化を与え、一方、筒状高透磁率磁性体5が高透磁率の
中でも比較的低い透磁率磁性材料で形成される場合は筒
状高透磁率磁性体5の磁化を分極するようになってい
る。更に、ソレノイドコイル2により発生する磁場の向
きを変えることで筒状高透磁率磁性体5の磁場の向きが
変えられるようになっている。
When the cylindrical high-permeability magnetic material 5 is formed of an extremely high-permeability magnetic material, the magnetic field generated at a desired location is changed by the magnetic field generated by the solenoid coil 2. When the high magnetic permeability magnetic material 5 is formed of a magnetic material having a relatively low magnetic permeability among high magnetic permeability, the magnetization of the cylindrical high magnetic permeability magnetic material 5 is polarized. Further, by changing the direction of the magnetic field generated by the solenoid coil 2, the direction of the magnetic field of the cylindrical high magnetic permeability magnetic body 5 can be changed.

【0028】このように構成されたこの例の磁場発生装
置1により、コイル端面中心位置での磁場均一度を高め
るとともに磁場強度を増加する原理について説明する。
図1に示す磁場発生装置1において、外部のコイル電源
11からソレノイドコイル11に電流を流し、ソレノイ
ドコイル11の内部に数ガウス程度の磁場:ベクトルH
を発生する。この磁場:ベクトルHの磁場方向は、コイ
ル中心を通る中心対称軸方向(+z方向)である。この
数ガウス程度の磁場:ベクトルHにより、純鉄等の筒状
高透磁率磁性体5の磁化:ベクトルM=ベクトルμ・μ
0ベクトルHは完全に飽和される。ここで、ベクトルμ
およびμ0はそれぞれ比透磁率および真空中の透磁率で
ある。いま、この筒状高透磁率磁性体5による双極子磁
場の影響を考えるために、図3に示すように筒状高透磁
率磁性体5を微小部分体積要素に分割し、その部分飽和
磁化をベクトルdMとする。この部分飽和磁化:ベクト
ルdMによって、周囲には距離rと角度θに依存する双
極子磁場:ベクトルdHdip(ベクトルr,θ)が作られ
る、このとき、コイル中心対称軸方向(+z方向)に沿
った磁場強度は
The principle of increasing the magnetic field strength at the center position of the coil end face and increasing the magnetic field strength by the magnetic field generator 1 of this example configured as described above will be described.
In the magnetic field generator 1 shown in FIG. 1, an electric current flows from the external coil power supply 11 to the solenoid coil 11, and a magnetic field of about several gauss: vector H is generated inside the solenoid coil 11.
Occurs. This magnetic field: The magnetic field direction of the vector H is the direction of the central symmetry axis passing through the coil center (+ z direction). Due to the magnetic field of about several gauss: vector H, magnetization of cylindrical high magnetic permeability magnetic body 5 such as pure iron: vector M = vector μ · μ
The zero vector H is completely saturated. Where the vector μ
And μ 0 are the relative magnetic permeability and the magnetic permeability in vacuum, respectively. Now, in order to consider the effect of the dipole magnetic field by the cylindrical high magnetic permeability material 5, the cylindrical high magnetic permeability material 5 is divided into small partial volume elements as shown in FIG. Let it be a vector dM. By this partial saturation magnetization: vector dM, a dipole magnetic field: vector dH dip (vector r, θ) depending on the distance r and the angle θ is created in the periphery. At this time, in the coil center symmetry axis direction (+ z direction). Along the magnetic field strength

【数2】 で与えられる。コイル端面中心位置での全磁場強度は、
ソレノイドコイル2自身により作られる磁場に、端面中
心位置と各部分要素の空間的位置関係(つまりrとθ)
に依存する双極子磁場を足し合わせることで与えられ
る。筒状高透磁率磁性体5の磁化が飽和していると、双
極子磁場はソレノイドコイル2に印加される電流とは独
立して一定であるから、より大きな電流をソレノイドコ
イル2に印加した場合には、双極子磁場はオフセット磁
場として考えられ、コイル印加電流によって周囲の磁場
強度を変化させることが可能となる。
(Equation 2) Given by The total magnetic field strength at the center of the coil end face is
In the magnetic field generated by the solenoid coil 2 itself, the center position of the end face and the spatial positional relationship of each partial element (that is, r and θ)
Is obtained by adding the dipole magnetic fields depending on. When the magnetization of the cylindrical high-permeability magnetic material 5 is saturated, the dipole magnetic field is constant independently of the current applied to the solenoid coil 2, so that a larger current is applied to the solenoid coil 2. In this case, the dipole magnetic field is considered as an offset magnetic field, and the intensity of the surrounding magnetic field can be changed by the current applied to the coil.

【0029】数式2において特に重要な点は、magic an
gle (θma≒54.73゜)を境にベクトルHdipの符号
が変わることである。すなわち、Hdipは、θがθma
り小さい角度の場合にはプラスとなり、またθがθma
り大きい角度の場合はマイナスとなる。この一般的かつ
不変の物理性質を用いると、磁性材料の形状と配置とを
考慮することで、(a)前述したソレノイドコイル2のみ
によるコイル端面位置での磁場均一度、言い換えれば磁
場勾配が補正可能となり、(b)コイル端面位置での磁場
強度を増加可能となる。
A particularly important point in Equation 2 is that magic an
This means that the sign of the vector H dip changes after gle (θ ma {54.73}). That, H dip is, theta becomes positive in the case of a theta ma smaller angle, also theta is negative in case of theta ma larger angle. By using this general and invariant physical property, by taking into account the shape and arrangement of the magnetic material, it is possible to correct the magnetic field uniformity at the coil end face position using only the solenoid coil 2, in other words, the magnetic field gradient. (B) It is possible to increase the magnetic field strength at the coil end face position.

【0030】更に、この例の磁場発生装置1によるこの
ような磁場勾配の補正可能性および磁場強度の増加可能
性について、計算機シミュレーションによる具体的計算
例を用いて更に詳述する。まず、この計算例においては
ソレノイドコイル2の寸法を図4(a)に示すように仮
定するとともに、ソレノイドコイル2内に鉄心がなく、
コイル2のみの場合について考える。このソレノイドコ
イル2に0.05アンペア(A)の電流を印加したとき
にコイル2内に生じるz軸(コイルの中心対称軸)方向
の磁場強度HZを3次元的にプロットすると、図4
(b)に示すようになる。その場合、磁場強度Hがコイ
ル2中心を通る軸に関し軸対称であるので、この図4
(b)はその中心対称軸に関し一方の象限における磁場
強度をプロットした図である。
Further, the possibility of correcting the magnetic field gradient and the possibility of increasing the magnetic field strength by the magnetic field generator 1 of this embodiment will be described in more detail by using a specific calculation example by computer simulation. First, in this calculation example, the dimensions of the solenoid coil 2 are assumed as shown in FIG. 4A, and there is no iron core in the solenoid coil 2;
Consider the case where only the coil 2 is used. Plotting three-dimensionally the magnetic field strength H Z of the z-axis generated in the coil 2 (the central axis of symmetry of the coils) direction when current was applied to the solenoid coil 2 to 0.05 Amps (A), FIG. 4
The result is as shown in FIG. In this case, since the magnetic field strength H is axisymmetric with respect to the axis passing through the center of the coil 2, FIG.
(B) is a diagram plotting the magnetic field strength in one quadrant with respect to the central symmetry axis.

【0031】コイル2内部の磁場は印加電流に比例する
ことは既知のことであり、したがって最高磁場強度を規
格化してしまえば、強度の空間分布の形状は任意の電流
値に対し不変である。磁場強度はコイル中心部ではその
空間的均一度がよいが、端部に行くにつれて磁場強度が
減少するので均一度が悪くなるという一般的性質を有し
ている。また、最も磁場強度の強い位置は、コイル2中
心部でかつ電流の流れている部分近傍である。実際上、
導電性の高い銅線を使っても、印加できる電流値の物理
的上限は約2A/mm2と予想されるから、図4(a)に
示すコイル2によって発生できる磁場強度の上限値は、
コイル中心位置で240ガウス、端面中心位置で150
ガウス程度である。
It is known that the magnetic field inside the coil 2 is proportional to the applied current. Therefore, if the maximum magnetic field intensity is normalized, the shape of the spatial distribution of the intensity is invariant to an arbitrary current value. The magnetic field strength has a general property that the spatial uniformity is good at the center of the coil, but the magnetic field strength decreases toward the end, so that the uniformity deteriorates. The position where the magnetic field intensity is strongest is in the center of the coil 2 and near the portion where the current flows. In practice,
Even if a highly conductive copper wire is used, the physical upper limit of the current value that can be applied is expected to be about 2 A / mm 2. Therefore, the upper limit value of the magnetic field intensity that can be generated by the coil 2 shown in FIG.
240 gauss at coil center, 150 at end face center
It is about Gaussian.

【0032】ソレノイドコイル2の一方の端面をz=0
としたときの、z軸に沿った磁場勾配(∂HZ/∂z)
(ガウス/mm)を、図4(b)に示す磁場強度について
評価すると、図4(c)示すようになる。この場合、磁
場勾配も電流値に比例するので、2Aの電流を流した場
合もコイル端面中心での磁場勾配は、約8ガウス/mmに
なる。
When one end face of the solenoid coil 2 is set to z = 0
Magnetic field gradient along the z-axis (∂H Z / ∂z)
When (Gauss / mm) is evaluated for the magnetic field strength shown in FIG. 4B, the result is as shown in FIG. 4C. In this case, since the magnetic field gradient is also proportional to the current value, the magnetic field gradient at the center of the coil end face becomes about 8 gauss / mm even when a current of 2 A flows.

【0033】次に、磁性体による磁気双極子磁場の特徴
を用いて磁場発生装置において磁場強度を増加させ、か
つ、磁場勾配を改善することを試みる。その場合、図1
(b)に示すようにソレノイドコイル2内に筒状高透磁
率磁性体5を挿入した本発明の磁場発生装置1について
考える。その場合、計算で使用した筒状高透磁率磁性体
5の形状・寸法を図5(a)に示すように仮定するとと
もに、筒状高透磁率磁性体5を同図に示すようにソレノ
イドコイル2と同心状に配置する。また、この仮定した
筒状高透磁率磁性体5の厚みが薄く、かつ、磁場の方向
はその筒状高透磁率磁性体5の軸方向と同じであるの
で、反磁場係数は小さいと予想されるので、計算におい
ては反磁場の効果を無視した。更に、この磁場発生装置
1において、第1および第2の非磁性筒状固定部材6,
7および非磁性駆動部材10は、当然のことながらμ≒
1であるため、各空間位置で磁場強度に対するそれらの
影響は無視できるとするとともに、磁性体5に対しては
純鉄を仮定し、その比透磁率を5000以上とした。
Next, an attempt is made to increase the magnetic field strength and to improve the magnetic field gradient in the magnetic field generator using the characteristics of the magnetic dipole magnetic field of the magnetic material. In that case, FIG.
Consider a magnetic field generator 1 of the present invention in which a cylindrical high magnetic permeability magnetic body 5 is inserted into a solenoid coil 2 as shown in FIG. In this case, the shape and dimensions of the cylindrical high-permeability magnetic material 5 used in the calculation are assumed as shown in FIG. 5A, and the cylindrical high-permeability magnetic material 5 is connected to the solenoid coil as shown in FIG. 2 and concentrically. Since the assumed cylindrical high magnetic permeability magnetic body 5 is thin and the direction of the magnetic field is the same as the axial direction of the cylindrical high magnetic permeability magnetic body 5, the demagnetizing field coefficient is expected to be small. Therefore, the effect of the demagnetizing field was ignored in the calculation. Further, in the magnetic field generator 1, the first and second non-magnetic tubular fixing members 6,
7 and the non-magnetic driving member 10 are of course
Since it is 1, the influence on the magnetic field strength at each spatial position is negligible, and pure iron is assumed for the magnetic material 5 and its relative magnetic permeability is 5000 or more.

【0034】したがって、0.05Aの印加電流によっ
てこのコイル2内部に発生する数ガウスの磁場は、純鉄
の磁化を完全に飽和させ、純鉄内部の磁束密度Bは約1
5.5k0eとなる。この磁化された磁性材料を微小部分体
積要素に分割し、各要素による各空間位置での双極子磁
場を計算する。それらをすべて加算して、図5(a)に
灰色で示す端面近傍領域内の全磁場を評価した。その結
果の磁場分布を図5(b)および(c)に示す。図5
(b)に示す磁場分布は、ソレノイドコイル2への印加
電流が0.05Aの場合であり、コイル端面中心位置
(0,0)での磁場強度および磁場勾配がそれぞれ20
5ガウスおよび+3ガウス/mmであり、また、図5
(c)に示す磁場分布は、ソレノイドコイル2への印加
電流が2Aの場合であり、コイル端面中心位置(0,
0)での磁場強度および磁場勾配が、それぞれ346ガ
ウスおよび−5ガウス/mmであった。これらの結果か
ら、筒状高透磁率磁性体5を用いることで、磁場勾配を
改善しつつ磁場強度を増加させることが可能であること
がわかった。
Therefore, the magnetic field of several gauss generated inside the coil 2 by the applied current of 0.05 A completely saturates the magnetization of the pure iron, and the magnetic flux density B inside the pure iron becomes about 1
It will be 5.5k0e. The magnetized magnetic material is divided into small partial volume elements, and the dipole magnetic field at each spatial position by each element is calculated. By adding them all, the total magnetic field in the region near the end face shown in gray in FIG. 5A was evaluated. The resulting magnetic field distribution is shown in FIGS. 5 (b) and (c). FIG.
The magnetic field distribution shown in (b) is a case where the current applied to the solenoid coil 2 is 0.05 A, and the magnetic field strength and the magnetic field gradient at the center position (0, 0) of the coil end face are respectively 20.
5 gauss and +3 gauss / mm.
The magnetic field distribution shown in (c) is a case where the current applied to the solenoid coil 2 is 2 A, and the coil end surface center position (0,
The field strength and field gradient at 0) were 346 gauss and -5 gauss / mm, respectively. From these results, it was found that by using the cylindrical high-permeability magnetic material 5, it is possible to increase the magnetic field strength while improving the magnetic field gradient.

【0035】また、純鉄からなる筒状高透磁率磁性体5
を図5(a)に示す位置からz軸に沿って更に1cmほ
どコイル内部の方(図において上方)に同心状に位置さ
せた状態で、ソレノイドコイル2に2Aの電流を流した
ときの前述と同様の磁場強度分布を図6(a)に示す。
この図6(a)から明らかなように、純鉄の筒状高透磁
率磁性体5による双極子磁場は、コイル中心対称軸(z
軸)上でピークを持つ構造となっており、このピーク位
置では、磁場勾配はゼロである。このことから、筒状高
透磁率磁性体5をコイル中心対称軸(z軸)に沿ってソ
レノイドコイル2と同心度を保持しながら移動させるこ
とで、必要な磁場強度および磁場勾配を持つピーク位置
を要求される場所に設定可能であることがわかった。
A cylindrical high-permeability magnetic material 5 made of pure iron
5A is located concentrically further toward the inside of the coil (upward in the figure) by about 1 cm along the z-axis from the position shown in FIG. FIG. 6A shows the same magnetic field intensity distribution as in FIG.
As is clear from FIG. 6A, the dipole magnetic field generated by the pure iron cylindrical high magnetic permeability magnetic body 5 causes the coil center symmetry axis (z
The structure has a peak on the (axis), and at this peak position, the magnetic field gradient is zero. Accordingly, by moving the cylindrical high magnetic permeability magnetic body 5 along the coil center symmetry axis (z axis) while maintaining concentricity with the solenoid coil 2, a peak position having a required magnetic field strength and a magnetic field gradient is obtained. Was found to be configurable where required.

【0036】そこで、図1に示すような第1の非磁性筒
状固定部材6の雌ねじ6a、ボビン3および第2の非磁
性筒状固定部材7にいずれか一方のガイド溝8、ボビン
3および第2の非磁性筒状固定部材7にいずれか他方の
ガイド突条9、および非磁性駆動部材10の雄ねじ10
aからなるガイドおよび駆動手段を用いて筒状高透磁率
磁性体5をコイル中心対称軸(z軸)に沿ってソレノイ
ドコイル2と同心度を保持しながら移動させることによ
り、所望の磁場強度および磁場勾配を持つピーク位置を
所望の場所に調整可能となる。なお、筒状高透磁率磁性
体5を移動させる駆動手段としては、筒状高透磁率磁性
体5をコイル中心対称軸(z軸)に沿ってソレノイドコ
イル2と同心度を保持しながら移動させることが可能で
あれば、スライドレールからなるガイド手段およびウォ
ームギヤとラックギヤとからなる駆動手段等の他のガイ
ドおよび駆動手段を用いることができる。
Therefore, one of the guide grooves 8, the bobbin 3 and the female screw 6 a of the first non-magnetic cylindrical fixing member 6, the bobbin 3 and the second non-magnetic cylindrical fixing member 7 as shown in FIG. The other non-magnetic tubular fixing member 7 has one of the other guide protrusions 9 and the male screw 10 of the non-magnetic driving member 10.
By moving the cylindrical high-permeability magnetic body 5 along the axis of symmetry of the coil (z-axis) while maintaining concentricity with the solenoid coil 2 by using the guide and the driving means consisting of a. The peak position having the magnetic field gradient can be adjusted to a desired position. As a driving means for moving the cylindrical high magnetic permeability magnetic body 5, the cylindrical high magnetic permeability magnetic body 5 is moved along the coil center symmetry axis (z axis) while maintaining concentricity with the solenoid coil 2. If possible, other guides and drive means such as guide means comprising a slide rail and drive means comprising a worm gear and a rack gear can be used.

【0037】一方、ソレノイドコイル2の形状に関して
は、実際上、いかなる長さおよび厚さでも構わない。重
要な点は磁性体側の磁性材料の透磁率、形状および配置
であり、つまり、磁性体が高透磁率を持つとともに筒状
の形状に形成され、更にソレノイドコイルと同心状に配
置することが重要である。したがって、磁気双極子磁場
の magic angle 近傍の特徴により、単一の棒状磁性体
をソレノイドコイルに挿入しても、磁場強度を増加させ
る効果は得られても、磁場勾配を減少させる効果は得ら
れない。
On the other hand, the shape of the solenoid coil 2 may be virtually any length and thickness. The important point is the magnetic permeability, shape and arrangement of the magnetic material on the magnetic body side, that is, it is important that the magnetic body has a high magnetic permeability and is formed in a cylindrical shape, and it is important to arrange it concentrically with the solenoid coil. It is. Therefore, due to the characteristics near the magic angle of the magnetic dipole magnetic field, even if a single rod-shaped magnetic body is inserted into the solenoid coil, the effect of increasing the magnetic field strength is obtained, but the effect of reducing the magnetic field gradient is obtained. Absent.

【0038】前述した例では、磁性材料の透磁率が非常
に高く、したがってその磁化は飽和していると仮定し
た。したがって、磁性材料は一定の磁場強度および磁場
勾配(またはコイル端面中心位置でゼロ勾配)を作り出
し、コイル端面位置では、印加電流値によって変化する
コイル自身により作られる磁場強度および磁場勾配で支
配される。一方、材料の磁化が飽和することのない透磁
率の低い材料を使用すれば、コイル端面位置で得られる
磁場強度は減少するものの、磁場勾配を大きく変化させ
ることなく強度の可変範囲を拡張することもできる。
In the example described above, it was assumed that the magnetic material had a very high magnetic permeability and therefore its magnetization was saturated. Thus, the magnetic material produces a constant magnetic field strength and gradient (or zero gradient at the center of the coil end face), where the coil end face position is governed by the magnetic field strength and field gradient created by the coil itself, which varies with the applied current value. . On the other hand, if a material with low magnetic permeability that does not saturate the magnetization of the material is used, the magnetic field strength obtained at the coil end face position will decrease, but the variable range of the strength can be expanded without greatly changing the magnetic field gradient. Can also.

【0039】例えば筒状高透磁率磁性体5を図5(a)
に示すものと同じ構造および同じ寸法であると仮定し、
比透磁率として10を持つ磁性材料で形成して、ソレノ
イドコイル2への印加電流をそれぞれ0.05Aおよび
2Aに設定した場合の結果を、図6(b)および(c)
に示す。更に、筒状高透磁率磁性体5を同様に図5
(a)に示すものと同じ構造および同じ寸法であると仮
定し、比透磁率として30を持つ磁性材料で形成して、
ソレノイドコイル2への印加電流をそれぞれ0.05A
および2Aに設定した場合の結果を、図6(d)および
(e)に示す。これらの図6(b)ないし(e)から明
らかなように、コイル端面中心位置での磁場勾配は磁化
が飽和したとして得られる磁場勾配よりも悪くなってい
るが、磁性体の形状および位置を調整することで最前の
条件を得ることができる。
For example, a cylindrical high-permeability magnetic material 5 is shown in FIG.
Assuming the same structure and dimensions as shown in
FIGS. 6 (b) and 6 (c) show the results in the case where a magnetic material having a relative magnetic permeability of 10 is used and the current applied to the solenoid coil 2 is set to 0.05 A and 2 A, respectively.
Shown in Further, the cylindrical high magnetic permeability magnetic body 5 is similarly
Assuming the same structure and the same dimensions as those shown in (a), it is formed of a magnetic material having a relative magnetic permeability of 30,
The applied current to the solenoid coil 2 is 0.05 A
6 (d) and (e) show the results when the values are set to 2A and 2A. As is apparent from FIGS. 6B to 6E, the magnetic field gradient at the center of the coil end face is worse than the magnetic field gradient obtained when the magnetization is saturated, but the shape and position of the magnetic material are changed. The first condition can be obtained by adjusting.

【0040】このようにして、この例の磁場発生装置1
によれば、(1) 単一のソレノイドコイル2内に高透磁率
を有する筒状高透磁率磁性体5を挿入し、ソレノイドコ
イル2によって磁化された筒状高透磁率磁性体5によっ
て作られる距離と角度に依存する磁気双極子磁場の効果
を利用することで、単一コイルの端面中心位置だけでは
なく、コイルの内部および外部を問わず、コイルの中心
対称軸上で、コイルにより作られる最大磁場よりも大き
な磁場強度を、 磁場の空間的均一性を損なうことなく
得ることができる、という効果を得ることができる。
Thus, the magnetic field generator 1 of this example
According to (1), a cylindrical high-permeability magnetic body 5 having a high magnetic permeability is inserted into a single solenoid coil 2 and is made of a cylindrical high-permeability magnetic body 5 magnetized by the solenoid coil 2. By utilizing the effect of the magnetic dipole magnetic field, which depends on distance and angle, the coil is created by the coil not only at the center position of the end face of the single coil, but also on the center symmetry axis of the coil, both inside and outside the coil The effect that a magnetic field strength larger than the maximum magnetic field can be obtained without impairing the spatial uniformity of the magnetic field can be obtained.

【0041】次に、この磁場発生装置1を用いた本発明
にかかる磁気共鳴力顕微鏡の実施の態様の一例を説明す
る。図7は、この例のMRFMを模式的に示す斜視図で
あり、図8は、この例のMRFMこれらのRFコイル2
0およびRF共振回路のコンデンサ格納部21内のコン
デンサをより詳細にかつ模式的に示し、(a)はその正
面図、(b)はその下面図である。図7に示すように、
この例のMRFM12は前述の磁場発生装置1を備えて
おり、この磁場発生装置1のソレノイドコイル2は小型
ソレノイドとして形成されており、その上端がスペーサ
13を介してピエゾ素子14の下端に固定されていると
ともに、このピエゾ素子14の上端はMRFM12の装
置本体15に固定されている。ピエゾ素子14は狭域走
査を行うための微動駆動素子を構成している。更に、ソ
レノイドコイル2はコイル電源11に接続されている。
Next, an example of an embodiment of a magnetic resonance force microscope according to the present invention using the magnetic field generator 1 will be described. FIG. 7 is a perspective view schematically showing the MRFM of this example. FIG. 8 is a perspective view of the MRFM of this example.
0 and the capacitors in the capacitor storage unit 21 of the RF resonance circuit are shown in more detail and schematically, wherein (a) is a front view and (b) is a bottom view. As shown in FIG.
The MRFM 12 of this example includes the magnetic field generator 1 described above. The solenoid coil 2 of the magnetic field generator 1 is formed as a small solenoid, and the upper end thereof is fixed to the lower end of a piezo element 14 via a spacer 13. The upper end of the piezo element 14 is fixed to the apparatus main body 15 of the MRFM 12. The piezo element 14 constitutes a fine movement driving element for performing narrow-area scanning. Further, the solenoid coil 2 is connected to a coil power supply 11.

【0042】また、ソレノイドコイル2の下端にはカン
チレバー支持部材16が固定されているとともに、この
カンチレバー支持部材16には、カンチレバー加振用ピ
エゾ素子17を介して可撓性のカンチレバー18(本発
明の振動子に相当)が片持ち支持されている。カンチレ
バー加振用ピエゾ素子17はカンチレバー18を強制的
に振動できるようになっている。カンチレバー18の自
由端はソレノイドコイル2の中心対称軸を越えて延設さ
れており、この自由端部のソレノイドコイル2中心対称
軸位置に磁気チップ19(本発明の磁場勾配発生手段に
相当)が取り付けられている。この磁気チップ19は磁
場勾配を作り、この磁場勾配を通して試料との相互作用
によって発生する磁気共鳴力でカンチレバー18を撓ま
せるようになっている。
A cantilever support member 16 is fixed to the lower end of the solenoid coil 2, and a flexible cantilever 18 (the present invention) is attached to the cantilever support member 16 via a piezo element 17 for vibrating the cantilever. ) Is cantilevered. The cantilever oscillating piezoelectric element 17 can forcibly vibrate the cantilever 18. The free end of the cantilever 18 extends beyond the central symmetry axis of the solenoid coil 2, and a magnetic chip 19 (corresponding to the magnetic field gradient generating means of the present invention) is provided at the center of the free end of the solenoid coil 2. Installed. The magnetic tip 19 generates a magnetic field gradient, and bends the cantilever 18 by a magnetic resonance force generated by the interaction with the sample through the magnetic field gradient.

【0043】更に、カンチレバー18の自由端近傍に
は、磁気共鳴用の高周波コイルであるRFコイル20が
配設されており、このRFコイル20はRF共振回路の
コンデンサ格納部21に接続されている。このRF共振
回路のコンデンサ格納部21は、ソレノイドコイル2の
下端に固定されているRFコイル支持部材22内に設け
られている。その場合、RF共振回路のコンデンサ格納
部21は実効静磁場方向に対してRFコイルによって発
生するRF磁場が垂直となるように設けられる。なお、
RF共振回路のコンデンサ格納部21はRFコイル支持
部材22の外に設けることもできる。このRF共振回路
のコンデンサ格納部21は同軸ケーブル23を介してR
F電源24に接続されている。
Further, an RF coil 20, which is a high frequency coil for magnetic resonance, is provided near the free end of the cantilever 18, and this RF coil 20 is connected to a capacitor storage section 21 of the RF resonance circuit. . The capacitor storage section 21 of the RF resonance circuit is provided in an RF coil support member 22 fixed to a lower end of the solenoid coil 2. In that case, the capacitor storage section 21 of the RF resonance circuit is provided so that the RF magnetic field generated by the RF coil is perpendicular to the direction of the effective static magnetic field. In addition,
The capacitor storage section 21 of the RF resonance circuit can be provided outside the RF coil support member 22. The capacitor storage section 21 of this RF resonance circuit is connected to the R
It is connected to the F power supply 24.

【0044】図8(a),(b)に示すように、コンデ
ンサ格納部21はグランドに接地された両面基板27を
備えており、この両面基板27の一面側には、第1トリ
マコンデンサ28が半田付けでしっかりと固定されてい
るとともにこの第1トリマコンデンサ28より小さな第
2トリマコンデンサ29が設けられている。また、両面
基板27の他面側には、第3トリマコンデンサ30が同
様に半田付けでしっかりと固定されている。第1および
第3トリマコンデンサ28,30により、コンデンサ格
納部21における主コンデンサを構成している。これら
のコンデンサ28,29,30はいずれも可変コンデンサ
であるため、ドライバ等によって調整の必要がある。し
たがって、第1および第3コンデンサ28,30は左右
または上下に相対的にずれて配置されている。
As shown in FIGS. 8A and 8B, the capacitor housing 21 has a double-sided board 27 grounded to the ground. Are securely fixed by soldering, and a second trimmer capacitor 29 smaller than the first trimmer capacitor 28 is provided. A third trimmer capacitor 30 is similarly firmly fixed to the other surface of the double-sided board 27 by soldering. The first and third trimmer capacitors 28 and 30 constitute a main capacitor in the capacitor storage unit 21. Since these capacitors 28, 29, and 30 are all variable capacitors, they need to be adjusted by a driver or the like. Therefore, the first and third capacitors 28, 30 are arranged relatively shifted left and right or up and down.

【0045】一方、高周波コイルであるRFコイル20
は肉薄でかつ幅広に形成された一対の環状の高周波コイ
ル20a,20bで形成されており、それぞれ一対のコ
イル基板31,32上にプリント基板技術を用いて単層
のコイルとして作製されている。これら一対の高周波コ
イル20a,20bは互いに接続されている。また、一
対のコイル基板31,32は、サファイヤ、シリコン単
結晶等の誘電率が低く、熱伝導率が大きく放熱性のよい
材料から形成されているとともに、これらコイル基板3
1,32の高周波コイル20a,20b作製部には、高周
波コイル20a,20bと同心状に円形孔34,35がそ
れぞれ穿設されており、これらの円形孔34,35によ
り、後述するようにセットされた試料39の位置が確認
できるようになっている。更に、一対のコイル基板3
1,32はそれらの一端側が両面基板27の一端側にこ
の両面基板27を挟むようにして配置されて非磁性の接
着剤あるいはプラスチック製ねじでしっかりと固定され
ている。その場合、一対のコイル基板31,32の間
に、試料39が進入可能な試料空間33が形成されてい
る。
On the other hand, the RF coil 20 which is a high-frequency coil
Is formed by a pair of thin and wide annular high-frequency coils 20a and 20b formed on a pair of coil substrates 31 and 32, respectively, as a single-layer coil using printed circuit board technology. The pair of high-frequency coils 20a and 20b are connected to each other. The pair of coil substrates 31 and 32 are formed of a material having a low dielectric constant such as sapphire or silicon single crystal and having a high thermal conductivity and a good heat dissipation property.
Circular holes 34 and 35 are formed in the 1 and 32 high-frequency coil 20a and 20b manufacturing portions concentrically with the high-frequency coils 20a and 20b, respectively. The position of the sample 39 obtained can be confirmed. Furthermore, a pair of coil substrates 3
The reference numerals 1 and 32 are arranged such that one end side of the double-sided board 27 is sandwiched between the two end faces of the double-sided board 27, and are firmly fixed with a non-magnetic adhesive or a plastic screw. In that case, a sample space 33 into which the sample 39 can enter is formed between the pair of coil substrates 31 and 32.

【0046】更に、一方のコイル基板31上に作製され
た高周波コイル20aは小さな第2トリマコンデンサ2
9にワイヤによって接続されているとともに、この小さ
な第2トリマコンデンサ29は最短距離で第1トリマコ
ンデンサ28にワイヤで接続されている。また、他方の
コイル基板32上に作製された高周波コイル20bは主
コンデンサである第3トリマコンデンサ30に同様にワ
イヤで接続されている。更に、第1トリマコンデンサ2
8は同軸ケーブル23により高周波を発するRF電源2
4に接続されている。そして、RFコイル20はコンデ
ンサ格納部21内のコンデンサからの電流により、試料
空間33内にセットされた試料39に高周波の磁場を当
てるようになっている。
Further, the high-frequency coil 20a formed on one of the coil substrates 31 has a small second trimmer capacitor 2a.
9 and a small second trimmer capacitor 29 is connected by a wire to the first trimmer capacitor 28 at the shortest distance. The high-frequency coil 20b formed on the other coil substrate 32 is similarly connected to a third trimmer capacitor 30 as a main capacitor by a wire. Further, the first trimmer capacitor 2
Reference numeral 8 denotes an RF power source 2 that emits high frequency through a coaxial cable 23.
4 is connected. The RF coil 20 applies a high-frequency magnetic field to the sample 39 set in the sample space 33 by a current from a capacitor in the capacitor storage unit 21.

【0047】なお、図8に示すRFコイル20では一対
の高周波コイル20a,20bをそれぞれ一対のコイル
基板31,32上に単層に形成しているが、図9に示す
ように各コイル基板31,32を、それらの厚みを薄く
してそれぞれ2枚の薄い基板31a,31b;32a,3
2bを積層して形成するとともに、それらの薄い基板3
1a,31b;32a,32b上に、それぞれ3枚の高周
波コイル20a1,20a2,20a3;20b1,20b2,2
0b3を設けて、試料空間33を減少させることなく、
RFコイル20を積層構造に構成することもできる。こ
のようにすれば、RFコイル20を大型にすることな
く、大きな磁場強度を得ることが可能となる。また、単
層のコイル基板31,32上にそれぞれ高周波コイル2
0a,20bを積層するようにすることもできる。
In the RF coil 20 shown in FIG. 8, the pair of high-frequency coils 20a and 20b are formed in a single layer on the pair of coil substrates 31 and 32, respectively, but as shown in FIG. , 32 are reduced in thickness to form two thin substrates 31a, 31b;
2b are laminated, and the thin substrates 3
1a, 31b; 32a, on the 32 b, 3 sheets of the high-frequency coil 20a respectively 1, 20a 2, 20a 3; 20b 1, 20b 2, 2
The provided 0b 3, without reducing the sample space 33,
The RF coil 20 may be configured in a laminated structure. In this way, a large magnetic field strength can be obtained without increasing the size of the RF coil 20. The high-frequency coils 2 are provided on the single-layer coil substrates 31 and 32, respectively.
0a and 20b may be laminated.

【0048】また、高周波回路における各コンデンサ間
の接続、およびコンデンサとRFコイル間の接続は、前
述の図8に示すようにワイヤで行う他に図10に示すよ
うに基板27,31,32で行うこともできる。この高周
波回路の等価回路は図11に示すようになる。その場
合、この図11に点線で示されている、RFコイル20
および第3コンデンサ30と並列に設けられているコン
デンサ36は、図10に示す両面基板27とコイル基板
31との間に形成される付加的浮遊容量である。この付
加的浮遊容量は極力抑えなければならないので、十分な
照射電力が試料39に加えられるように基板の配置に注
意する必要がある。
The connection between each capacitor and the connection between the capacitor and the RF coil in the high-frequency circuit are made by wires as shown in FIG. 8 and by the substrates 27, 31 and 32 as shown in FIG. You can do it too. FIG. 11 shows an equivalent circuit of this high-frequency circuit. In this case, the RF coil 20 shown by a dotted line in FIG.
The capacitor 36 provided in parallel with the third capacitor 30 is an additional floating capacitance formed between the double-sided board 27 and the coil board 31 shown in FIG. Since this additional stray capacitance must be minimized, care must be taken in the arrangement of the substrate so that sufficient irradiation power is applied to the sample 39.

【0049】更に、光ファイバ25がソレノイドコイル
2の中心対称軸に沿ってこのソレノイドコイル2および
筒状高透磁率磁性体5を貫通して延設されている。そし
て、光ファイバ25の一端はカンチレバー18の自由端
部に対向しているとともに、光ファイバ25の他端側は
スペーサ13から外部に延設され、更にその他端が光干
渉検出器26に接続されている。そして、磁場発生装置
1によって発生される磁気双極子磁場である静磁場中に
セットされた試料39に、RFコイル20によってカン
チレバーの固有振動数の整数倍で変調を施された高周波
の磁場が照射されると磁気共鳴現象が発生し、この磁気
共鳴現象を通して試料39中の磁気モーメントがその変
調周波数で時間変化する。そして、このように変調周波
数で時間変化する磁気モーメントと磁気チップ17によ
って発生されている磁場勾配との相互作用により、変調
周波数で時間変化する力が発生し、この力がカンチレバ
ー18を撓ませ振動させる。光ファイバ25は、光干渉
検出計26から出力されたレーザ光をカンチレバー18
の方へ導いてこのカンチレバー18の自由端に照射する
とともに、カンチレバー18のこの撓み振動として出現
するMRFM信号をカンチレバー18で反射したレーザ
光として光干渉検出計26に導くようになっている。こ
の光干渉検出計26により、光ファイバ25を通ってき
たレーザ光を光干渉法で検出するようになっている。
Further, an optical fiber 25 extends through the solenoid coil 2 and the cylindrical high-permeability magnetic body 5 along the axis of symmetry of the center of the solenoid coil 2. One end of the optical fiber 25 faces the free end of the cantilever 18, the other end of the optical fiber 25 extends outside from the spacer 13, and the other end is connected to the optical interference detector 26. ing. The sample 39 set in a static magnetic field, which is a magnetic dipole magnetic field generated by the magnetic field generator 1, is irradiated with a high-frequency magnetic field modulated by the RF coil 20 at an integral multiple of the natural frequency of the cantilever. Then, a magnetic resonance phenomenon occurs, and the magnetic moment in the sample 39 changes with time at the modulation frequency through the magnetic resonance phenomenon. The interaction between the magnetic moment changing with the modulation frequency and the magnetic field gradient generated by the magnetic chip 17 generates a time-changing force with the modulation frequency, and this force causes the cantilever 18 to bend and vibrate. Let it. The optical fiber 25 transmits the laser light output from the optical interference detector 26 to the cantilever 18.
And irradiates the free end of the cantilever 18, and guides the MRFM signal appearing as the bending vibration of the cantilever 18 to the optical interference detector 26 as laser light reflected by the cantilever 18. The optical interference detector 26 detects the laser light passing through the optical fiber 25 by an optical interference method.

【0050】この例のMRFM12では、小型ソレノイ
ドコイル2、筒状高透磁率磁性体5およびこの筒状高透
磁率磁性体5をソレノイドコイル2の中心対称軸方向に
沿って移動させる非磁性駆動部材10により、MRFM
12の磁気共鳴測定に必要な静磁場を発生する部分が構
成されている。その場合、筒状高透磁率磁性体5の役割
は、 小型のソレノイドコイル2の単体では発生不可能な
大きな磁場強度を、前述のようにこの筒状高透磁率磁性
体5により発生される磁気双極子磁場を用いて空間的均
一性のよい磁場を要求される位置、すなわち磁気チップ
19、試料39の表面近傍または試料39内部の希望す
る測定深度数100μm内の位置にそれぞれ発生させ
る、ことであり、また、非磁性駆動部材10の役割は、 小型のソレノイドコイル2の単体では発生不可能な
大きな磁場強度をの位置に発生させるために、前述の
ように筒状高透磁率磁性体5をソレノイドコイル2の中
心対称軸に沿って並進運動させて筒状高透磁率磁性体5
のソレノイドコイル2中心対称軸方向の位置を調整する
こと、である。なお、図7および8には、筒状高透磁率
磁性体5をソレノイドコイル2の中心対称軸に沿って並
進運動させる非磁性駆動部材10は図示が省略されてい
る。また、カンチレバー18の自由端に磁場勾配を発生
させる磁気チップ19、カンチレバー18、カンチレバ
ー支持部材16およびカンチレバー加振用ピエゾ素子1
7により、MRFM信号を検出する部分が構成され、更
に、RFコイル20とコンデンサ格納部21内に格納さ
れているコンデンサとからなるRF共振回路により、試
料表面にRF磁界を照射する磁気共鳴用高周波を発生す
る部分が構成されている。これらの部分により、MRF
M12の検出部が構成されている。
In the MRFM 12 of this embodiment, the small solenoid coil 2, the cylindrical high-permeability magnetic body 5, and the non-magnetic drive member for moving the cylindrical high-permeability magnetic body 5 along the axially symmetric axis of the solenoid coil 2. According to 10, MRFM
A portion that generates a static magnetic field necessary for the magnetic resonance measurement is configured. In this case, the role of the cylindrical high-permeability magnetic body 5 is to generate a large magnetic field strength that cannot be generated by the small solenoid coil 2 alone, as described above. By using a dipole magnetic field to generate a magnetic field with good spatial uniformity at a required position, that is, at a position in the vicinity of the surface of the magnetic chip 19 or the sample 39 or within a desired measurement depth of several 100 μm inside the sample 39, In addition, the role of the non-magnetic driving member 10 is to generate a large magnetic field strength at a position which cannot be generated by the small solenoid coil 2 alone. A cylindrical high-permeability magnetic material 5 is translated along a central symmetry axis of the solenoid coil 2.
Adjusting the position of the solenoid coil 2 in the central symmetric axis direction. FIGS. 7 and 8 do not show the non-magnetic driving member 10 that translates the cylindrical high-permeability magnetic body 5 along the central symmetry axis of the solenoid coil 2. Also, a magnetic tip 19 for generating a magnetic field gradient at the free end of the cantilever 18, the cantilever 18, the cantilever support member 16, and the piezo element 1 for cantilever excitation.
7, a part for detecting an MRFM signal is formed. Further, an RF resonance circuit including an RF coil 20 and a capacitor stored in a capacitor storage unit 21 irradiates an RF magnetic field to the sample surface with a high frequency for magnetic resonance. Is generated. By these parts, MRF
The detection unit of M12 is configured.

【0051】一方、図7に示す例ではカンチレバー18
の下方には装置本体15にピエゾ素子からなる粗動駆動
部37を介して試料台38が固定されており、この試料
台38に測定しようとする試料39がセットされるよう
になっている。そして、試料39の広域走査は粗動駆動
部37で移動することにより行われるとともに、試料3
9の狭域走査は検出部のピエゾ素子14で駆動すること
により行われるようになっている。
On the other hand, in the example shown in FIG.
A sample table 38 is fixed to the apparatus main body 15 via a coarse movement driving section 37 composed of a piezo element, and a sample 39 to be measured is set on the sample table 38. Then, the wide area scanning of the sample 39 is performed by moving the coarse movement driving unit 37,
9 is performed by driving with the piezo element 14 of the detection unit.

【0052】この例のMRFM12においては、試料空
間33が狭く、この狭空間内に試料39を挿入するよう
になるため、数mm辺程度の表面を持つ試料39に対
し、表面全体で深さ数100μm程度の範囲に存在する
電子スピンまたは原子核スピンの磁気共鳴信号をMRF
Mイメージとして測定可能となる。
In the MRFM 12 of this example, the sample space 33 is narrow, and the sample 39 is inserted into this narrow space. Magnetic resonance signals of electron spins or nuclear spins existing in the range of about 100 μm
It can be measured as an M image.

【0053】このように構成されたこの例のMRFM1
2によれば、(1) ソレノイドコイル2内に筒状高透磁率
磁性体5を挿入し、この筒状高透磁率磁性体5により発
生される磁気双極子磁場を用いているので、磁場勾配を
改善しつつ磁場強度を増大させることができる。これに
より、その分ソレノイドコイル2を小型にできるととも
にコイル電源11も小型にでき、従来のような大電源お
よび大型ソレノイドコイルといった大きな磁場発生部を
不要にできる。したがって、MRFM12も小型コンパ
クトにできる、(2) ソレノイドコイル2に流す電流値を
変えることによって、筒状高透磁率磁性体5の比透磁率
に依存して発生磁場を大きく変化させることが可能とな
る、
The thus configured MRFM1 of this example
According to (2), (1) the cylindrical high magnetic permeability magnetic material 5 is inserted into the solenoid coil 2 and the magnetic dipole magnetic field generated by the cylindrical high magnetic permeability magnetic material 5 is used. And the magnetic field strength can be increased. Accordingly, the size of the solenoid coil 2 can be reduced and the size of the coil power supply 11 can be reduced accordingly, so that a large magnetic field generating unit such as a conventional large power supply and large solenoid coil can be eliminated. Therefore, the MRFM 12 can also be made compact and compact. (2) It is possible to greatly change the generated magnetic field depending on the relative permeability of the cylindrical high-permeability magnetic body 5 by changing the value of the current flowing through the solenoid coil 2. Become,

【0054】(3) 筒状高透磁率磁性体5をソレノイドコ
イル2の中心対称軸方向に沿って並進移動させてその中
心対称軸方向位置を調整するようにしているので、発生
磁場を、空間的均一性がきわめてよい静磁場を要求され
る位置、すなわち磁気チップ19、試料39の表面近傍
または試料39内部の希望する測定深度数100μm内
の位置にそれぞれ発生させることができる、(4) MRF
M12の検出部に使われるカンチレバー18,RF用コ
イル20、レーザ光の照射部を、それぞれソレノイドコ
イル2の試料39側端面中央位置に配置しているので、
MRFM12による測定が可能となる。これにより、空
間分解能数μmのイメージングが可能となる、
(3) Since the cylindrical high-permeability magnetic body 5 is translated along the center symmetric axis direction of the solenoid coil 2 to adjust the position of the center symmetric axis direction, the generated magnetic field is limited to the space. (4) MRF that can generate a static magnetic field with extremely good uniformity at a position where a magnetic field is required, that is, at a position near the surface of the magnetic chip 19 or the sample 39 or within a desired measurement depth of several 100 μm inside the sample 39.
Since the cantilever 18, the RF coil 20, and the laser beam irradiating unit used for the M12 detection unit are arranged at the center of the end surface of the solenoid coil 2 on the sample 39 side, respectively.
The measurement by the MRFM 12 becomes possible. This enables imaging with a spatial resolution of several μm.

【0055】(5) プリント基板の製造技術を用いて、R
Fコイル20をコイル基板31,32上に肉薄でかつ幅
広の高周波コイルで形成し、RFコイル20の表面積を
可能な限り大きくかつ必要空間を小さくしているので、
導体表面しか伝導しなく肉厚の導体は不要であるという
高周波磁場の特性を有効に活用でき、高周波磁場の実質
的な有効伝導領域を最小必要空間で確保できる、(6) R
Fコイル20の表面積を大きくしていることで、高周波
磁場の照射により生じたコイル上の発熱を有効に発散さ
せることができる、(7) コイル基板31,32の厚みを
薄くすることで、コイル基板31,32間の試料空間3
3を著しく減少させることなく、RFコイル20を多層
構造にすることが可能となり、磁場強度をより大きくで
きる、
(5) Using a printed circuit board manufacturing technique, R
Since the F coil 20 is formed of a thin and wide high-frequency coil on the coil substrates 31 and 32, and the surface area of the RF coil 20 is as large as possible and the necessary space is small,
The property of the high-frequency magnetic field, which conducts only on the conductor surface and does not require a thick conductor, can be effectively utilized, and the effective effective conduction area of the high-frequency magnetic field can be secured in the minimum necessary space. (6) R
By increasing the surface area of the F coil 20, heat generated on the coil caused by irradiation of a high-frequency magnetic field can be effectively dissipated. (7) By reducing the thickness of the coil substrates 31, 32, the coil Sample space 3 between substrates 31 and 32
3, the RF coil 20 can have a multi-layer structure without significantly reducing the magnetic field strength.

【0056】(8) 更にRFコイル20を多層構造にする
ことにより、更にRFコイル20のインダクタンスが増
加し、共振周波数帯域を低くすることができる、(9) コ
イル基板31,32に誘電率の低い絶縁体を用いている
ので、試料位置での高周波特性および供給電力特性が著
しく損なわれるのを防止できる、(10) コイル基板31,
32に熱伝導のよい材料を用いているので、RFコイル
20で発生した熱をより効果的に逃がすことができる、
(11) RFコイル20の製造にプリント基板製造技術を
用いているので、形状・サイズ等に関し再現性のよいコ
イルを作製可能となり、このRFコイル20をMRFM
12に用いることで、試料位置での高周波磁場照射強度
にばらつきをほとんど生じないMRFM12を得ること
が可能となる、
(8) Further, by forming the RF coil 20 with a multilayer structure, the inductance of the RF coil 20 can be further increased and the resonance frequency band can be lowered. (9) The dielectric constant of the coil substrates 31 and 32 can be reduced. Since a low insulator is used, it is possible to prevent the high-frequency characteristics and supply power characteristics at the sample position from being significantly impaired.
Since a material having good heat conductivity is used for the heat sink 32, heat generated in the RF coil 20 can be more effectively released.
(11) Since the printed circuit board manufacturing technology is used for manufacturing the RF coil 20, a coil having good reproducibility in shape and size can be manufactured.
With the use of the MFM 12, it is possible to obtain the MRFM 12 having almost no variation in the high-frequency magnetic field irradiation intensity at the sample position.

【0057】(12) グランドに接地されている両面基板
27に対して対称となるように2つの主コンデンサ2
8,30を配設して、接続に必要なワイヤ等による浮遊
容量を可能な限り抑え、最短距離でコンデンサ28,3
0およびRFコイル20を結線しているので、グランド
面を広域に確保することができ、高周波共振回路の安定
化を図ることができる、(13) 図10に示すようにコン
デンサ28,30およびRFコイル20を基板で接続す
ることにより、高周波回路に要求されるしっかりとした
結合設置面を得ることができるとともに、ワイヤの場合
にこのワイヤ位置の任意性から生じる共振回路の周波数
特性のばらつきを抑えることができる、という効果を得
ることができる。
(12) The two main capacitors 2 are symmetrical with respect to the double-sided board 27 grounded to the ground.
8 and 30, the stray capacitance due to wires and the like necessary for connection is suppressed as much as possible, and the capacitors 28 and 3 are connected in the shortest distance.
0 and the RF coil 20, the ground plane can be secured in a wide area, and the high-frequency resonance circuit can be stabilized. (13) As shown in FIG. By connecting the coil 20 with a substrate, a firm coupling installation surface required for a high-frequency circuit can be obtained, and in the case of a wire, the variation in the frequency characteristics of the resonance circuit caused by the arbitrary position of the wire is suppressed. Can be obtained.

【0058】なお、前述の例では、MRFM12の検出
部を狭域走査のためのピエゾ素子14に取り付け、また
試料39を粗動駆動部37にセットするようにしている
が、逆に、試料39を狭域走査のためのピエゾ素子14
にセットし、またMRFM12の検出部を粗動駆動部3
7にセットするようにすることもできる。更に、図7に
おいて天地(上下)をまったく逆に構成することもでき
る。
In the above-described example, the detection section of the MRFM 12 is attached to the piezo element 14 for narrow-area scanning, and the sample 39 is set on the coarse movement driving section 37. Piezo element 14 for narrow area scanning
And the detection unit of the MRFM 12 is set to the coarse movement driving unit 3.
7 can also be set. Furthermore, in FIG. 7, the top and bottom (up and down) can be configured to be completely reversed.

【0059】図12は、本発明にかかる磁気共鳴力顕微
鏡の実施の形態の他の例を模式的に示す斜視図、図13
は、図12に示す例のソレノイドコイル近傍の詳細を模
式的に示す図である。なお、前述の例と対応する構成要
素には同じ符号を付すことにより、その詳細な説明は省
略する。前述の例では、プリント基板RF回路を用いて
いることから2枚の基板間31,32の試料空間33が
比較的狭いため、試料の走査領域が狭い範囲に制限さ
れ、広域走査は不可能であるが、この例のMRFM12
は、このプリント基板RF回路を用いないで、図12お
よび図13に示すようにRFコイル20に通常の線材か
らなる従来のRFコイル20を用いている。この例のM
RFM12の他の構成は、前述の例と実質的に同じであ
る。
FIG. 12 is a perspective view schematically showing another embodiment of the magnetic resonance force microscope according to the present invention, and FIG.
FIG. 13 is a diagram schematically showing details in the vicinity of a solenoid coil of the example shown in FIG. 12. Note that the same reference numerals are given to components corresponding to those in the above-described example, and a detailed description thereof will be omitted. In the above-described example, since the printed circuit board RF circuit is used, the sample space 33 between the two substrates 31 and 32 is relatively narrow, so that the scan area of the sample is limited to a narrow range, and wide area scan is impossible. There is a MRFM12 in this example
Does not use the printed circuit board RF circuit, but uses a conventional RF coil 20 made of a normal wire as the RF coil 20 as shown in FIGS. M in this example
The other configuration of the RFM 12 is substantially the same as the above-described example.

【0060】このように構成されたこの例のMRFM1
2においては、MRFM12の検出部および試料のいず
れか一方を、ピエゾ素子14からなる微動駆動素子およ
び粗動駆動部37のいずれか一方にセットし、MRFM
12の検出部および試料のいずれか他方を、微動駆動素
子および粗動駆動部37のいずれか他方にセットしてい
るとともに、MRFM12の検出部のカンチレバー18
の周辺に、前述の例のようなプリント基板等の障害物が
なくなるので、従来のように検出部が固定されるMRF
Mでは不可能であった試料39の広域走査が可能とな
る。したがって、この例のMRFM12では、1〜数1
0cm辺程度の表面を持つ試料39に対し、表面全体で
深さ数100μm程度の範囲に存在する電子スピンまた
は原子核スピンの磁気共鳴信号をMRFMイメージとし
て測定可能となる。
The thus configured MRFM1 of this example
In 2, one of the detection unit and the sample of the MRFM 12 is set to one of the fine movement drive element including the piezo element 14 and the coarse movement drive unit 37, and the MRFM
12 is set on one of the other of the fine drive element and the coarse drive section 37, and the cantilever 18 of the detection section of the MRFM 12 is set.
Since there is no obstacle such as a printed circuit board as in the above example around the MRF, the MRF to which the detection unit is fixed as in the related art is used.
A wide area scan of the sample 39, which was impossible with M, can be performed. Therefore, in the MRFM 12 of this example, 1 to Expression 1
With respect to the sample 39 having a surface of about 0 cm, a magnetic resonance signal of an electron spin or a nuclear spin existing in a range of about 100 μm in depth over the entire surface can be measured as an MRFM image.

【0061】このように構成されたこの例のMRFM1
2によれば、(14) MRFM12の検出部および試料の
いずれか一方を、ピエゾ素子14からなる微動駆動素子
および粗動駆動部37のいずれか一方にセットし、MR
FM12の検出部および試料のいずれか他方を、微動駆
動素子および粗動駆動部37のいずれか他方にセットし
ているので、従来のように検出部が固定されるMRFM
では不可能であった広域走査が可能となる、(15) 従来
のMRI技術では不可能であった空間分解能数μmのイ
メージングが広域にわたって可能となる、という効果が
得られる。この例のMRFM12の他の作用効果は、前
述の例の作用効果のうち、プリント基板による作用効果
を除く作用効果と同じである。
The thus configured MRFM1 of this example
According to (2), either (14) one of the detection unit and the sample of the MRFM 12 is set to one of the fine drive unit and the coarse drive unit 37 composed of the piezo element 14, and
Since the other of the detection unit and the sample of the FM 12 is set to the other of the fine movement drive element and the coarse movement drive unit 37, the MRFM in which the detection unit is fixed as in the related art is used.
(15) There is an effect that imaging with a spatial resolution of several μm, which is impossible with the conventional MRI technology, is possible over a wide area. Other functions and effects of the MRFM 12 of this example are the same as the functions and effects of the above-described example except for the functions and effects of the printed circuit board.

【0062】なお、この例においても、MRFM12の
検出部を狭域走査のためのピエゾ素子14に取り付け、
また試料39を粗動駆動部37にセットするようにして
いるが、逆に、試料39を狭域走査のためのピエゾ素子
14にセットし、またMRFM12の検出部を粗動駆動
部37にセットするようにすることもできるし、また図
12において天地(上下)をまったく逆に構成すること
もできる。また、本発明の磁場発生装置1はMRFM以
外に、高磁場強度で高磁場均一度を必要とする装置であ
れば、どのような装置に適用できる。
Also in this example, the detection unit of the MRFM 12 is attached to the piezo element 14 for narrow-area scanning,
Also, the sample 39 is set in the coarse movement drive unit 37. Conversely, the sample 39 is set in the piezo element 14 for narrow area scanning, and the detection unit of the MRFM 12 is set in the coarse movement drive unit 37. Alternatively, the top and bottom (up and down) in FIG. 12 can be completely reversed. The magnetic field generator 1 of the present invention can be applied to any device other than the MRFM, as long as the device requires a high magnetic field strength and a high magnetic field uniformity.

【0063】[0063]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
1の発明の磁場発生装置によれば、単一のソレノイドコ
イル内に挿入した筒状高透磁率磁性体により磁気双極子
磁場を発生させるようにしているので、この磁気双極子
磁場により、単一ソレノイドコイルの端面中心位置だけ
ではなく、ソレノイドコイルの内部および外部を問わ
ず、ソレノイドコイルの中心対称軸上で、ソレノイドコ
イルにより作られる最大磁場よりも大きな磁場強度を、
磁場の空間的均一性を損なうことなく得ることができ
る。
As is apparent from the above description, according to the magnetic field generator of the first aspect of the present invention, a magnetic dipole magnetic field is generated by a cylindrical high magnetic permeability magnetic body inserted in a single solenoid coil. Due to this magnetic dipole magnetic field, not only at the center position of the end face of the single solenoid coil, but also inside and outside of the solenoid coil, it is formed by the solenoid coil on the central symmetry axis of the solenoid coil. A magnetic field strength greater than the maximum magnetic field,
It can be obtained without impairing the spatial uniformity of the magnetic field.

【0064】一方、本発明の磁気共鳴力顕微鏡によれ
ば、ソレノイドコイル内に筒状高透磁率磁性体を挿入
し、この筒状高透磁率磁性体により発生される磁気双極
子磁場を利用しているので、磁場勾配を改善しながら磁
場強度を増大させることができるようになる。これによ
り、ソレノイドコイルを小型にできるとともにコイル電
源も小型にできるので、従来のような大電源および大型
ソレノイドといった大きな磁場発生部が不要になり、M
RFMも小型コンパクトにできる。
On the other hand, according to the magnetic resonance force microscope of the present invention, a cylindrical high magnetic permeability magnetic material is inserted into a solenoid coil, and a magnetic dipole magnetic field generated by the cylindrical high magnetic permeability magnetic material is used. Therefore, the magnetic field strength can be increased while improving the magnetic field gradient. As a result, the size of the solenoid coil can be reduced and the size of the coil power supply can be reduced, so that a large magnetic field generating unit such as a conventional large power supply and a large solenoid is not required.
RFMs can also be small and compact.

【0065】また、 ソレノイドコイルに流す電流値を
変えることによって、発生磁場を筒状高透磁率磁性体の
比透磁率に依存して大きく変化させること可能となる。
更に、筒状高透磁率磁性体をソレノイドコイルの中心対
称軸方向に沿って並進移動させてその中心対称軸方向位
置を調整することで、発生磁場を、空間的均一性がきわ
めてよい静磁場を要求される位置、すなわち磁気チッ
プ、試料の表面近傍または試料内部の希望する測定深度
数100μm内の位置にそれぞれ発生させることができ
るようになる。
Further, by changing the value of the current flowing through the solenoid coil, it is possible to greatly change the generated magnetic field depending on the relative magnetic permeability of the cylindrical high-permeability magnetic material.
Furthermore, by moving the cylindrical high magnetic permeability magnetic body along the center symmetry axis direction of the solenoid coil and adjusting the position of the center symmetry axis direction, the generated magnetic field can be converted to a static magnetic field with extremely excellent spatial uniformity. It can be generated at a required position, that is, at a position in the vicinity of the surface of the magnetic chip or the sample or within a desired measurement depth of several hundred μm inside the sample.

【0066】更に、MRFMの検出部および試料のいず
れか一方が、ピエゾ素子からなる微動駆動素子および粗
動駆動部のいずれか一方にセットし、MRFMの検出部
および試料のいずれか他方が、微動駆動素子および粗動
駆動部のいずれか他方にセットするようにしているの
で、従来のように検出部が固定されるMRFMでは不可
能であった広域走査が可能となる。このようにして、従
来のMRI技術では不可能であった空間分解能数μmの
イメージングを広域にわたって可能となる。
Further, either one of the detecting section of the MRFM and the sample is set on one of the fine driving element and the coarse driving section made of a piezo element, and one of the detecting section of the MRFM and the other sample is set on the fine moving section. Since it is set to one of the drive element and the coarse drive unit, it is possible to perform a wide area scan which was impossible in the conventional MRFM in which the detection unit is fixed. In this way, imaging with a spatial resolution of several μm, which was impossible with the conventional MRI technology, can be performed over a wide area.

【0067】更に、プリント基板の製造技術を用いて、
高周波コイルがコイル基板上に肉薄でかつ幅広に形成す
るようにしているので、高周波コイルの表面積を可能な
限り大きくかつ必要空間を小さくできる。これにより、
導体表面しか伝導しなく肉厚の導体は必要でない高周波
の特性を有効に活用でき、高周波の実質的な有効伝導領
域を必要最小空間で確保さできる。また、高周波コイル
の表面積が大きくなることで、高周波照射により生じた
高周波コイル上の発熱を有効に発散できるようになる。
Further, using a printed circuit board manufacturing technique,
Since the high-frequency coil is formed thin and wide on the coil substrate, the surface area of the high-frequency coil can be made as large as possible and the required space can be made small. This allows
A high-frequency characteristic that does not require a thick conductor that conducts only on the conductor surface can be effectively utilized, and a substantially effective high-frequency conduction region can be secured in a necessary minimum space. In addition, by increasing the surface area of the high-frequency coil, heat generated on the high-frequency coil caused by high-frequency irradiation can be effectively dissipated.

【0068】更に、コイル基板の厚みを薄くすること
で、コイル基板間の試料空間を著しく減少させることな
く、高周波コイルを多層構造にすることが可能となる。
これにより高周波コイルのインダクタンスを増加でき、
共振周波数帯域を低くできる。更に、高周波コイルの製
造にプリント基板製造技術を用いているので、形状・サ
イズ等に関し再現性のよいコイルを作製可能となる。そ
して、この高周波コイルをMRFMに用いることで、試
料位置での高周波磁場照射強度にばらつきがほとんど生
じないMRFMを得ることができる。
Further, by reducing the thickness of the coil substrate, the high-frequency coil can have a multilayer structure without significantly reducing the sample space between the coil substrates.
This can increase the inductance of the high frequency coil,
The resonance frequency band can be lowered. Further, since a printed circuit board manufacturing technique is used for manufacturing the high-frequency coil, a coil with good reproducibility in shape and size can be manufactured. Then, by using this high-frequency coil for MRFM, it is possible to obtain an MRFM in which the irradiation intensity of the high-frequency magnetic field at the sample position hardly varies.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明にかかる磁場発生装置の実施の形態の
一例を模式的に示し、(a)は正面図、(b)は(a)
におけるIBーIB線に沿う断面図である。
FIG. 1 schematically shows an example of an embodiment of a magnetic field generator according to the present invention, wherein (a) is a front view and (b) is (a).
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line IB-IB in FIG.

【図2】 ソレノイドコイル端面中心位置からの距離に
対する磁場を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a magnetic field with respect to a distance from a center position of an end surface of a solenoid coil.

【図3】 筒状高透磁率磁性体5により作られる双極子
磁場を説明する図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a dipole magnetic field produced by a cylindrical high-permeability magnetic body 5;

【図4】 内部に磁性体が配設されないソレノイドコイ
ルが発生する磁場の計算機シミュレーションによる具体
的計算例を示し、(a)はこの具体的計算に用いたソレ
ノイドコイルの寸法を示す図、(b)はこのソレノイド
コイルに0.05Aの電流を印加したときにコイル内に
生じるz軸(コイルの中心対称軸)方向の磁場強度HZ
を3次元的にプロットした図、(c)はソレノイドコイ
ルの一方の端面をz=0としたときの、z軸に沿った磁
場勾配(∂HZ/∂z)(ガウス/mm)を、図4(b)
に示す磁場強度について評価した図である。
4A and 4B show a specific example of calculation by a computer simulation of a magnetic field generated by a solenoid coil in which no magnetic substance is provided therein, and FIG. 4A is a diagram showing dimensions of the solenoid coil used in this specific calculation; ) Is the magnetic field intensity H Z in the z-axis (central symmetry axis of the coil) generated in the coil when a current of 0.05 A is applied to the solenoid coil.
(C) shows a magnetic field gradient (ΔH Z / Δz) (Gauss / mm) along the z-axis when one end face of the solenoid coil is set to z = 0. FIG. 4 (b)
FIG. 4 is a diagram showing an evaluation of the magnetic field strength shown in FIG.

【図5】 内部に筒状高透磁率磁性体が配設されたソレ
ノイドコイルが発生する磁場の計算機シミュレーション
による具体的計算例を示し、(a)はこの具体的計算に
用いたソレノイドコイルおよび筒状高透磁率磁性体の寸
法を示す図、(b)はこのソレノイドコイルに0.05
Aの電流を印加したときの磁場分布をを3次元的にプロ
ットした図、(c)はこのソレノイドコイルに2Aの電
流を印加したときの磁場分布を3次元的にプロットした
図である。
FIG. 5 shows a specific example of calculation by computer simulation of a magnetic field generated by a solenoid coil in which a cylindrical high-permeability magnetic body is disposed. FIG. 5 (a) shows a solenoid coil and a cylinder used in this specific calculation. FIG. 3B shows the dimensions of the magnetic material having a high permeability, and FIG.
FIG. 3C is a diagram in which a magnetic field distribution when a current of A is applied is three-dimensionally plotted, and FIG. 3C is a diagram in which a magnetic field distribution when a current of 2 A is applied to the solenoid coil is three-dimensionally plotted.

【図6】 純鉄からなる筒状高透磁率磁性体を図5
(a)に示す位置からz軸に沿って更に1cmほどコイ
ル内部の方に同心状に位置させた状態のソレノイドコイ
ルと筒状高透磁率磁性体が発生する磁場の計算機シミュ
レーションによる具体的計算例を示し、(a)はソレノ
イドコイルに2Aの電流を流したときの磁場強度分布を
示す図、(b)および(c)は、それぞれ筒状高透磁率
磁性体を図5(a)に示すものと同じ構造および同じ寸
法であると仮定し、比透磁率として10を持つ磁性材料
で形成して、ソレノイドコイルへの印加電流を0.05
Aおよび2Aに設定した場合の磁場強度分布を示す図、
(d)および(e)は、それぞれ筒状高透磁率磁性体を
図5(a)に示すものと同じ構造および同じ寸法である
と仮定し、比透磁率として30を持つ磁性材料で形成し
て、ソレノイドコイルへの印加電流を0.05Aおよび
2Aに設定した場合の磁場強度分布を示す図である。
FIG. 6 shows a cylindrical high-permeability magnetic material made of pure iron.
(A) A specific example of a magnetic field generated by a solenoid coil and a cylindrical high-permeability magnetic material in a state of being concentrically located about 1 cm further inside the coil along the z-axis from the position shown in FIG. FIG. 5A shows a magnetic field intensity distribution when a current of 2 A flows through the solenoid coil, and FIGS. 5B and 5C show cylindrical high-permeability magnetic materials, respectively, in FIG. 5A. Assuming that they have the same structure and the same dimensions as those of the above, they are formed of a magnetic material having a relative magnetic permeability of 10, and the applied current to the solenoid coil is 0.05.
FIG. 7 is a diagram showing a magnetic field intensity distribution when set to A and 2A;
(D) and (e) assume that the cylindrical high-permeability magnetic material has the same structure and the same dimensions as those shown in FIG. 5 (a), and is formed of a magnetic material having a relative magnetic permeability of 30. FIG. 5 is a diagram showing a magnetic field intensity distribution when the current applied to the solenoid coil is set to 0.05 A and 2 A.

【図7】 本発明にかかる磁気共鳴力顕微鏡の実施の形
態の一例を模式的に示す斜視図である。
FIG. 7 is a perspective view schematically showing an example of an embodiment of a magnetic resonance force microscope according to the present invention.

【図8】 図7における磁気共鳴力顕微鏡の高周波コイ
ルおよび高周波共振回路のコンデンサをより詳細にかつ
模式的に示し、(a)はその正面図、(b)はその下面
図である。
FIGS. 8A and 8B show the high-frequency coil and the capacitor of the high-frequency resonance circuit of the magnetic resonance force microscope in FIG. 7 in more detail and schematically, wherein FIG. 8A is a front view and FIG.

【図9】 高周波コイルの変形例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a modification of the high-frequency coil.

【図10】高周波コイルおよびコンデンサの接続の変形
例を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a modification of the connection between the high-frequency coil and the capacitor.

【図11】図10に示す高周波コイルおよびコンデンサ
の接続の等価回路を示す図である。
11 is a diagram showing an equivalent circuit of the connection between the high-frequency coil and the capacitor shown in FIG.

【図12】本発明にかかる磁気共鳴力顕微鏡の実施の形
態の他の例を模式的に示す斜視図である。
FIG. 12 is a perspective view schematically showing another example of the embodiment of the magnetic resonance force microscope according to the present invention.

【図13】図12に示す例のソレノイドコイル近傍の詳
細を模式的に示す図である。
13 is a diagram schematically showing details in the vicinity of a solenoid coil of the example shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…磁場発生装置、2…ソレノイドコイル、5…筒状高
透磁率磁性体、6…第1の非磁性筒状固定部材、6a…
雌ねじ、7…第2の非磁性筒状固定部材、8…ガイド
溝、9…ガイド突条、10…非磁性駆動部材、10a…
雄ねじ、11…コイル電源、12…磁気共鳴力顕微鏡
(MRFM)、14…ピエゾ素子、15…MRFM12
の装置本体、17…カンチレバー加振用ピエゾ素子、1
8…カンチレバー、19…磁気チップ、20…RFコイ
ル(高周波コイル)、21…RF共振回路のコンデンサ
格納部、23…同軸ケーブル、24…RF電源、25…
光ファイバ、26…光干渉検出計、27…両面基板、2
8…第1トリマコンデンサ、29…第2トリマコンデン
サ、30…第3トリマコンデンサ、31,32…コイル
基板、33…試料空間、37…粗動駆動部、38…試料
台、39…試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magnetic field generation device, 2 ... Solenoid coil, 5 ... Cylindrical high magnetic permeability magnetic body, 6 ... 1st non-magnetic cylindrical fixing member, 6a ...
Female screw, 7: second non-magnetic cylindrical fixing member, 8: guide groove, 9: guide ridge, 10: non-magnetic driving member, 10a ...
Male screw, 11: coil power supply, 12: magnetic resonance force microscope (MRFM), 14: piezo element, 15: MRFM12
Of the apparatus, 17: Piezo element for cantilever vibration, 1
8: cantilever, 19: magnetic chip, 20: RF coil (high frequency coil), 21: capacitor storage part of RF resonance circuit, 23: coaxial cable, 24: RF power supply, 25 ...
Optical fiber, 26: Optical interference detector, 27: Double-sided board, 2
8: first trimmer capacitor, 29: second trimmer capacitor, 30: third trimmer capacitor, 31, 32: coil substrate, 33: sample space, 37: coarse drive unit, 38: sample stage, 39: sample

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 静磁場を発生するソレノイドコイルと、
このソレノイドコイル内に同心状に配設された筒状高透
磁率磁性体と、前記ソレノイドコイルに電流を供給する
コイル電源とを少なくとも備えていることを特徴とする
磁場発生装置。
A solenoid coil for generating a static magnetic field;
A magnetic field generator comprising at least a cylindrical high-permeability magnetic material concentrically disposed in the solenoid coil and a coil power supply for supplying a current to the solenoid coil.
【請求項2】 前記筒状高透磁率磁性体は前記ソレノイ
ドコイルの中心対称軸に沿って並進駆動することでソレ
ノイドコイルの中心対称軸方向の位置が調整可能に設け
られていることを特徴とする請求項1記載の磁場発生装
置。
2. The method according to claim 1, wherein the cylindrical high-permeability magnetic body is provided so as to be capable of adjusting the position of the solenoid coil in the direction of the center symmetry axis by driving translation along the center symmetry axis of the solenoid coil. The magnetic field generation device according to claim 1.
【請求項3】 前記筒状高透磁率磁性体を前記ソレノイ
ドコイルの中心対称軸に沿って移動させるためにこの筒
状高透磁率磁性体を案内するガイド手段を備えているこ
とを特徴とする請求項2記載の磁場発生装置。
3. A guide means for guiding the cylindrical high magnetic permeability magnetic body to move the cylindrical high magnetic permeability magnetic body along an axis of central symmetry of the solenoid coil. The magnetic field generator according to claim 2.
【請求項4】 試料位置に必要な磁場強度の静磁場を生
成して試料中に偏極場(磁気分極場)の方向を向いた磁
気モーメントを生じるための請求項1ないし3のいずれ
か1記載の磁場発生装置と、試料に高周波磁場をかける
高周波磁場印加手段と、前記偏極場(磁気分極場)を変
調するための変調信号を前記高周波磁場印加手段に供給
する変調手段と、試料に対向して配置されて磁場勾配を
発生する磁場勾配発生手段と、この磁場勾配発生手段お
よび試料のいずれか一方を支持して、前記高周波磁場印
加手段の高周波磁場により試料の磁気モーメントを変調
することで発生する力で振動する振動子と、この振動子
の振動を検出する検出手段とを少なくとも備えているこ
とを特徴とする磁気共鳴力顕微鏡。
4. The method according to claim 1, wherein a static magnetic field having a required magnetic field intensity is generated at a sample position to generate a magnetic moment in the sample in a direction of a polarized field (magnetic polarization field). A high-frequency magnetic field applying means for applying a high-frequency magnetic field to the sample; a modulation means for supplying a modulation signal for modulating the polarization field (magnetic polarization field) to the high-frequency magnetic field applying means; A magnetic field gradient generating means for generating a magnetic field gradient which is arranged opposite to the magnetic field generating means, and supporting either one of the magnetic field gradient generating means and the sample, and modulating a magnetic moment of the sample by a high frequency magnetic field of the high frequency magnetic field applying means. A magnetic resonance force microscope comprising at least a vibrator vibrating with the force generated in step (a) and a detecting means for detecting the vibration of the vibrator.
【請求項5】 試料および前記磁気発生装置のいずれか
一方を狭走査領域内で移動させる微動駆動部と、試料お
よび前記磁気発生装置のいずれか他方を広走査領域内で
移動させる粗動駆動部とを備えていることを特徴とする
請求項4記載の磁気共鳴力顕微鏡。
5. A fine drive for moving one of the sample and the magnetic generator in a narrow scan area, and a coarse drive for moving the other of the sample and the magnetic generator in a wide scan area. The magnetic resonance force microscope according to claim 4, comprising:
【請求項6】 前記振動子はカンチレバーであり、この
カンチレバーで反射したレーザ光が光ファイバを通して
前記検出手段に導入されるようになっていることを特徴
とする請求項4または5記載の磁気共鳴力顕微鏡。
6. The magnetic resonance apparatus according to claim 4, wherein the vibrator is a cantilever, and a laser beam reflected by the cantilever is introduced into the detection means through an optical fiber. Force microscope.
【請求項7】 前記磁場印加手段は前記高周波コイルを
備え、この高周波コイルは誘電率の低いコイル基板上に
薄肉・幅広にプリント作製されており、また、前記変調
手段は両面基板の固定された所定数のコンデンサを有し
ていることを特徴とする請求項4ないし6のいずれか1
記載の磁気共鳴力顕微鏡。
7. The magnetic field applying means includes the high-frequency coil, and the high-frequency coil is printed thin and wide on a coil substrate having a low dielectric constant, and the modulation means is fixed to a double-sided substrate. 7. A method according to claim 4, wherein said capacitor has a predetermined number of capacitors.
A magnetic resonance force microscope as described.
JP2000051437A 2000-02-28 2000-02-28 Magnetic field generating device and magnetic resonance force microscope using the same Withdrawn JP2001242231A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000051437A JP2001242231A (en) 2000-02-28 2000-02-28 Magnetic field generating device and magnetic resonance force microscope using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000051437A JP2001242231A (en) 2000-02-28 2000-02-28 Magnetic field generating device and magnetic resonance force microscope using the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2001242231A true JP2001242231A (en) 2001-09-07

Family

ID=18573091

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000051437A Withdrawn JP2001242231A (en) 2000-02-28 2000-02-28 Magnetic field generating device and magnetic resonance force microscope using the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2001242231A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1564562A1 (en) * 2004-02-14 2005-08-17 Bruker BioSpin GmbH Hybrid magnet assembly
JP2007232596A (en) * 2006-03-01 2007-09-13 Jeol Ltd Magnetic resonance force microscope
KR101487160B1 (en) * 2013-08-09 2015-01-29 한국기초과학지원연구원 Apparatus of magnetic resonance force microscope for biological sample

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1564562A1 (en) * 2004-02-14 2005-08-17 Bruker BioSpin GmbH Hybrid magnet assembly
US7365540B2 (en) 2004-02-14 2008-04-29 Bruker Biospin Gmbh Hybrid magnet configuration
JP2007232596A (en) * 2006-03-01 2007-09-13 Jeol Ltd Magnetic resonance force microscope
KR101487160B1 (en) * 2013-08-09 2015-01-29 한국기초과학지원연구원 Apparatus of magnetic resonance force microscope for biological sample
WO2015020298A1 (en) * 2013-08-09 2015-02-12 한국기초과학지원연구원 Mrfm device for biological sample

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0726444B1 (en) Magnetic resonance method and apparatus for detecting an atomic structure of a sample along a surface thereof
US5821410A (en) Scanning tip microwave near field microscope
CN110462417B (en) Scanning sensor including spin defects
JP2008102144A (en) Improved linear variable differential transformer for high precision position measurement
US20060152232A1 (en) Method and apparatus for inspection of high frequency and microwave hybrid circuits and printed circuit boards
WO2005121838A2 (en) Anisotropic nanoparticle amplification of magnetic resonance signals
CN108181594A (en) Non- exchange Mesoscopic physics magnetometer
US7541811B2 (en) Apparatus for electron spin resonance CT
US9678186B2 (en) Probe for magnetic resonance force microscopy and method thereof
WO2012121308A1 (en) Magnetic force microscope and high spatial resolution magnetic field measuring method
EP2544016B1 (en) Device and method for obtaining a potential
US8726410B2 (en) Atomic force microscopy system and method for nanoscale measurement
JP3141555B2 (en) Scanning surface magnetic microscope
US6078174A (en) Apparatus for measuring exchange force
US20200060578A1 (en) Sensing system and method
JP2001242231A (en) Magnetic field generating device and magnetic resonance force microscope using the same
US7183768B2 (en) Ultra sensitive in-situ magnetometer system
US8069492B2 (en) Spin-torque probe microscope
JP2011163999A (en) Device for generation of high frequency magnetic field for scanning probe microscope
JP2017181025A (en) Near-field polarization microscope
Re et al. Magneto-optic determination of magnetic recording head fields
Lei et al. Low power integrated fluxgate sensor with a spiral magnetic core
JP4397708B2 (en) Magnetic resonance force microscope and magnetic chip for magnetic resonance force microscope
US6980004B2 (en) Apparatus and method for detection of magnetic resonance by a magneto-resistive sensor
JP3063351B2 (en) Atomic force microscope probe, atomic force microscope, atomic force detection method, method of manufacturing atomic force microscope probe

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20070501