JP2003187732A - 磁界型レンズの消磁方法及び消磁回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な回路で、しかも少ない電流で磁界型レン
ズの最終残留磁束密度を原理的には０（Ｇ）とする。 【解決手段】減衰交流電圧生成手段１０は、周波数がｆ
で、その振幅が時間と共に減衰して、減衰時間Ｔで０
（Ｖ）に収束する減衰交流電圧を生成する。加算回路４
０は、その減衰交流電圧と、制御回路１１から出力され
たバイアス電圧−△Ｖを加算する。加算回路４０の出力
は消磁電流発生手段２０に入力され、消磁用電流が発生
され、その消磁用電流は、消磁の対象である磁界型レン
ズのコイル３０に供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子顕微鏡等の荷
電粒子を用いた分析装置に係り、特に荷電粒子にレンズ
作用を及ぼす磁界型レンズの消磁方法、及び消磁回路に
関する。

【０００２】

【従来の技術】透過型電子顕微鏡では様々な試料の観察
／分析が真空中で行われるが、磁性材料の磁区の観察／
分析等を行う場合がある。試料は、通常、対物レンズの
上下のポールピースの間のギャップの位置に載置され、
対物レンズは励磁されるが、磁性材料の磁区の観察／分
析を行う場合の一手法として、試料を上下のポールピー
スの間に配置した状態で対物レンズの励磁を零にし、対
物レンズ以降のレンズを用いて結像を行う方法がある。

【０００３】しかし、この方法で磁性材料の観察／分析
を行おうとするとき、対物レンズのポールピースが、そ
れまでの磁性材料以外の試料の観察／分析時に励磁され
ていることによって、励磁を零にしても残留磁場が生じ
ていることがある。このように残留磁場が存在した状態
で磁性材料の観察／分析を行うと、磁性材料の磁区が当
該ポールピースの残留磁場の影響を受けることになる。

【０００４】そこで、対物レンズの励磁を零にして磁性
材料の観察／分析を行う場合には、観察／分析に先立っ
て対物レンズのポールピースの消磁を行うのが通常であ
る。図４に磁界型レンズの消磁を行うための消磁回路の
従来の構成例を示す。なお、以下においては、アンペ
ア、ボルト等の単位は括弧書きして記すことにする。

【０００５】図４は、所定の周波数の交流電流の振幅が
時間と共に減衰して最終的には０（Ａ）に収束する減衰
交流電流を、磁界型レンズに巻回されたコイルに供給す
ることによって消磁を行う消磁回路の例を示す図であ
り、図中、１は入力手段、１０は減衰交流電圧生成手
段、１１は制御回路、１２はミラー積分回路、１３は正
弦波発生回路、１４は乗算回路、２０は消磁電流発生手
段、２１は誤差増幅回路、２２は電流増幅回路、２３は
電流検出回路、３０は消磁を行う磁界型レンズに巻回さ
れている励磁用のコイルを示す。

【０００６】入力手段１は、制御回路１１に対して消磁
の実行開始等の種々の指示を与えるものであり、キーボ
ードや操作スイッチ等により構成される。

【０００７】減衰交流電圧生成手段１０は、減衰交流電
圧を生成するものであり、制御回路１１、ミラー積分回
路１２、正弦波発振回路１３、乗算回路１４で構成され
る。

【０００８】制御回路１１は、ミラー積分回路１２に対
して減衰時間Ｔを与え、正弦波発振回路１３に対して、
発振する正弦波の周波数ｆ、振幅Ａを与える。減衰時間
Ｔ、及び発振周波数ｆの値は予め制御回路１１に記憶さ
れている。なお、減衰時間Ｔ、及び発振周波数ｆは、周
知のように、消磁を行う磁界型レンズのポールピースの
材料、大きさ、磁界型レンズに巻回されるコイル３０の
応答特性等によって決定されるが、実際には、観察／分
析に使用するポールピース及びコイルを用いて実験を行
って減衰時間Ｔ、発振周波数ｆ、及び振幅Ａの最適値を
求め、その値を制御回路１１に記憶するようにすればよ
い。

【０００９】また、正弦波発振回路１３で発生する正弦
波の振幅Ａは、消磁を行う前にコイル３０に供給してい
た励磁電流によって決定される。従って、実際に用いる
ポールピースとコイル３０からなる磁界型レンズについ
て実験を行い、コイル３０に供給する励磁電流を種々に
変えた場合に消磁を行うのに必要な振幅を求め、その励
磁電流に振幅Ａを対応させたテーブルを作成して、予め
制御回路１１に記憶させておくようにすればよい。

【００１０】乗算回路１４は、ミラー積分回路１２の出
力と、正弦波発振回路１３の出力とを乗算する。

【００１１】消磁電流発生手段２０は、減衰交流電圧生
成手段１０から出力される減衰交流電圧に基づいて、消
磁用電流である減衰交流電流を生成、安定化して、消磁
を行う磁界型レンズに巻回されているコイル３０に供給
するものであり、誤差増幅回路２１、電流増幅回路２
２、電流検出回路２３で構成される。

【００１２】電流増幅回路２２はパワーアンプであり、
誤差増幅回路２１から出力される電圧を電流に変換して
コイル３０に出力する。電流検出回路２３はコイル３０
に流れるコイル電流を電圧として検出するものであり、
例えば、コイル３０に直列に接続された抵抗の電圧降下
を検出する構成となされている。そして、電流検出回路
２３の出力は誤差増幅回路２１に負帰還される。誤差増
幅回路２１は、コイル３０に供給する消磁電流を安定化
するためのものであり、乗算回路１４の出力と、電流検
出回路２３の出力との誤差を０になるように動作する。
なお、このような誤差増幅回路２１は通常の負帰還回路
においては周知である。

【００１３】以下、図４に示す消磁回路の動作につい
て、図５に示す波形図を参照して説明する。消磁を行う
場合には、作業者は入力手段１により、消磁以前のコイ
ル３０に供給していた励磁電流値を入力して、消磁の実
行を入力する。これによって、制御回路１１は、前記テ
ーブルを参照して、入力された励磁電流値に対応した振
幅Ａを適宜な補間演算により求め、その振幅Ａ及び発振
周波数ｆを正弦波発振回路１３に出力すると共に、ミラ
ー積分回路１２に対して減衰時間Ｔを出力する。

【００１４】これによって、ミラー積分回路１２は、図
５（ａ）に示すように、減衰時間Ｔの間に１から０に直
線的に減衰する電圧を発生し、正弦波発振回路１３は、
周波数ｆ、振幅Ａの正弦波を発生する。そして、ミラー
積分回路１２の出力と正弦波発振回路１３の出力は、乗
算回路１４において乗算され、図５（ｂ）に示すよう
に、周波数がｆで、その振幅が最大値Ａ（Ｖ）から時間
と共にミラー積分回路１２の出力に応じて減衰して、最
終的には０（Ｖ）に収束する正弦波形の減衰交流電圧が
出力される。なお、図５（ｂ）では波形は途中までしか
示していないが、時間がＴのときには電圧は０（Ｖ）に
なるものである。

【００１５】乗算回路１４の出力である減衰交流電圧は
消磁電流発生手段２０に入力され、消磁電流発生手段２
０において減衰交流電流が生成され、コイル３０に供給
される。この減衰交流電流の波形は図５（ｂ）に示すと
同じであり、周波数がｆで、その振幅が時間と共にミラ
ー積分回路１２の出力に応じて減衰して、最終的には０
（Ａ）に収束する。

【００１６】このような減衰交流電流がコイル３０に流
れることにより、ポールピース及びコイル３０で構成さ
れる磁界型レンズでは、１／２ｆ時間毎に正負の符号が
反転する磁界が発生され、その磁界強度の絶対値は減衰
交流電流の大きさが時間と共に小さくなるに従って小さ
くなる。そして、コイル３０に減衰交流電流が供給され
始めてから時間Ｔ後には、減衰交流電流は０（Ａ）とな
るので、当該磁界型レンズによる磁界強度は０（Ｏｅ）
となる。

【００１７】なお、上記の説明では、消磁以前にコイル
３０に供給していた励磁電流値を作業者が入力手段１か
ら入力するものとしたが、磁性材料以外の試料を観察／
分析する場合には励磁電流値は作業者により操作つまみ
等により設定されるので、そのとき設定された励磁電流
値を自動的に制御回路１１で記憶するようにすることも
でき、このようにすれば上記のように消磁を行う際に作
業者が励磁電流値を入力する必要はなくなる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者の実験によると、図４に示す従来の消磁回路を用いた
場合、磁界型レンズを完全に消磁することはできず、磁
区の観察／分析に影響が出る数ガウス程度の磁束密度が
残留していることが分かった。

【００１９】このことを図６を参照して説明すると次の
ようである。図６は、減衰交流電流をコイル３０に供給
したときの磁界型レンズが発生する磁界強度Ｈ（Ｏｅ）
と、磁界型レンズの磁束密度Ｂ（Ｇ）との関係を示すＢ
−Ｈ曲線の例を示す図であり、消磁を行う際に、それ以
前の励磁条件によって磁界型レンズにａという残留磁束
密度（本明細書ではこれを初期残留磁束密度と称す）が
あった場合を示している。この状態で当該磁界型レンズ
のコイル３０に上述した減衰交流電流を供給すると、磁
界強度Ｈと磁束密度Ｂは、図６のａから矢印のように変
化していき、最終的に減衰交流電流値が０（Ａ）となっ
たとき、磁束密度Ｂは０（Ｇ）にはならず△Ｂ（Ｇ）と
いう磁束密度が残留していることが確認されたのであ
る。本明細書では、このように減衰交流電流を供給した
後に残る残留磁束密度△Ｂを最終残留磁束密度と称す
る。

【００２０】なお、図６では最終残留磁束密度△Ｂの符
号は正としているが、この最終残留磁束密度△Ｂの符号
はコイル３０に供給する電流の向きによって変わり、あ
る方向の電流を流したときに最終残留磁束密度△Ｂの符
号が正であるとすると、逆方向の電流を流すと最終残留
磁束密度△Ｂの符号は負となる。

【００２１】この最終残留磁束密度△Ｂは数ガウス程度
であり、磁性材料以外の試料の観察／分析においては問
題とはならないが、上述したように磁界型レンズのポー
ルピースのギャップ内に試料となる磁性材料を載置し、
対物レンズの励磁を零にして磁区の観察／分析を行う場
合には、数ガウス程度でも磁性材料の磁区に対して悪影
響を及ぼすので、観察／分析結果のデータの信頼性の点
で問題となる。

【００２２】このような、磁界型レンズのコイル３０に
減衰交流電流を供給した後に残る最終残留磁束密度△Ｂ
は、消磁のための減衰交流電流の最大値を、当該磁界型
レンズの使用条件での励磁電流値まで引き上げれば改善
できるのであるが、そのためには電流容量の大きい正負
の電源を新たに設ける必要があり、装置のコストアップ
と大型化が問題となる。

【００２３】そこで、本発明は、簡単な回路で、しかも
少ない電流で磁界型レンズの最終残留磁束密度を原理的
には０（Ｇ）、実際にも限りなく小さくすることができ
る磁界型レンズの消磁方法及び消磁回路を提供すること
を目的とするものである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の磁界型レンズの消磁方法は、所定
の周波数を有し、その振幅が時間と共に減衰して、所定
の減衰時間で０（Ａ）に収束する減衰交流電流を、消磁
を行う磁界型レンズのコイルに供給して消磁する方法に
おいて、前記減衰交流電流に、当該磁界型レンズの最終
残留磁束密度をキャンセルできる符号と大きさを有する
バイアス電流を加算して前記コイルに供給することを特
徴とする。請求項２記載の磁界型レンズの消磁回路は、
所定の周波数を有し、その振幅が時間と共に減衰して、
所定の減衰時間で０（Ｖ）に収束する減衰交流電圧を生
成する減衰交流電圧生成手段と、前記減衰交流電圧に、
磁界型レンズの最終残留磁束密度をキャンセルできるバ
イアス電流に対応するバイアス電圧を加算して出力する
加算回路と、前記加算回路の出力に基づいて前記磁界型
レンズのコイルに供給する消磁用電流を発生する消磁電
流発生手段とを備えることを特徴とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ発明の実
施の形態について説明する。図１は本発明に係る磁界型
レンズの消磁回路の一実施形態を示す図であり、図中、
４０は加算回路を示す。なお、図１において、図４に示
すものと同じものについては同一の符号を付している。
そして、上述した説明と重複する説明は最小限に留める
ことにする。

【００２６】図１に示す構成は、図４に示す構成に加算
回路４０を付加した構成である。この加算回路４０は、
乗算回路１４から出力された減衰交流電圧と、制御回路
１１から出力されたバイアス電圧を加算するものであ
る。

【００２７】制御回路１１は、入力手段１により消磁の
実行開始が指示されると、上記のように、ミラー積分回
路１２に減衰時間Ｔを出力すると共に、正弦波発振回路
１３に発振周波数ｆ及び振幅Ａを出力するが、更に加算
回路４０に対してバイアス電圧を出力する。

【００２８】このバイアス電圧の符号は、最終残留磁束
密度△Ｂの符号と逆の符号であり、その大きさ（絶対
値）は、最終残留磁束密度△Ｂをキャンセルできる電流
値に対応したものである。即ち、図６において、最終残
留磁束密度△Ｂ＝０とするには、Ｂ−Ｈ曲線全体を磁束
密度の負側に｜△Ｂ｜だけシフトさせればよく、そのた
めには、減衰交流電流に、ある直流電流を加算してコイ
ル３０に供給すればよい。この直流電流の符号は、最終
残留磁束密度△Ｂの符号が正であれば負とし、最終残留
磁束密度△Ｂの符号が負であれば正とすることは当然で
あり、また、この直流電流の絶対値は、それだけをコイ
ル３０に供給したとき、当該磁界型レンズの磁束密度の
絶対値が｜△Ｂ｜となるものである必要があることも当
然である。そして、消磁電流発生手段２０において当該
直流電流を発生することができる電圧が制御回路１１か
ら出力するバイアス電圧なのである。つまり、制御回路
１１から加算回路４０に出力するバイアス電圧は、Ｂ−
Ｈ曲線全体を残留磁束密度△Ｂの符号と反対側に、｜△
Ｂ｜だけシフトさせて最終残留磁束密度をキャンセルす
ることができる電流（本明細書ではこの電流をバイアス
電流と称する）に対応したものということができる。

【００２９】本発明者の実験によると、最終残留磁束密
度△Ｂの絶対値は、消磁以前にコイル３０に供給してい
た励磁電流値に関係し、励磁電流が大きければ最終残留
磁束密度の絶対値も大きくなることが確認された。

【００３０】従って、制御回路１１からバイアス電圧を
出力するためには、実際に用いるポールピースとコイル
３０からなる磁界型レンズについて実験を行い、コイル
３０に供給する励磁電流の方向及び大きさを種々に変え
た場合の最終残留磁束密度を測定し、その最終残留磁束
密度の絶対値と同じ大きさの磁束密度を発生できるバイ
アス電流値を求め、更にそのバイアス電流値を発生する
ことができるバイアス電圧値を求め、励磁電流値と、各
励磁電流に対応するバイアス電圧値を対応して書き込ん
だ励磁電流対バイアス電圧テーブルを作成して、そのテ
ーブルを予め制御回路１１に記憶させておくようにすれ
ばよい。

【００３１】以下、動作を説明する。ここでは、消磁の
対象である磁界型レンズの初期残留磁束密度、及び最終
残留磁束密度は図６に示すと同じであるとする。即ち、
初期残留磁束密度はａ、最終残留磁束密度は△Ｂで符号
は正であるとする。

【００３２】消磁を行う場合には、作業者は入力手段１
により、消磁以前のコイル３０に供給していた励磁電流
値を入力して、消磁の実行を入力する。これによって、
制御回路１１は、上述したように、振幅Ａ及び発振周波
数ｆを正弦波発振回路１３に出力すると共に、ミラー積
分回路１２に対して減衰時間Ｔを出力し、更に、前記励
磁電流対バイアス電圧テーブルを参照して、入力された
励磁電流値に対応したバイアス電圧値を適宜な補間演算
により求め、そのバイアス電圧値を加算回路４０に出力
する。ここではバイアス電圧は−△Ｖであるとする。

【００３３】従って、加算回路４０から出力される減衰
交流電圧は図２（ａ）に示すようであり、減衰交流電圧
生成手段１０から出力された減衰交流電圧が−△Ｖだけ
シフトされたものとなる。即ち、その波形は、周波数が
ｆで、バイアス電圧である−△Ｖから立ち上がり、振幅
が時間と共にミラー積分回路１２の出力に応じて減衰し
て、時間Ｔで最終的にバイアス電圧である−△Ｖ（Ｖ）
に収束する正弦波形となる。なお、図２（ａ）では波形
は途中までしか示していないが、時間がＴのときには電
圧は−△Ｖ（Ｖ）になるものである。

【００３４】そして、加算回路４０の出力は消磁電流発
生手段２０に入力され、消磁電流発生手段２０におい
て、消磁用電流である減衰交流電流が生成され、コイル
３０に供給されるが、コイル３０に供給される減衰交流
電流の波形は図２（ｂ）に示すようにであり、従来の減
衰交流電流が−△Ｉだけシフトされたものとなる。ここ
で、−△Ｉは、消磁電流発生手段２０においてバイアス
電圧−△Ｖに基づいて発生されたバイアス電流であるこ
とは当然である。従って、コイル３０に供給される減衰
交流電流の波形は、周波数がｆで、バイアス電流−△Ｉ
から立ち上がり、振幅が時間と共にミラー積分回路１２
の出力に応じて減衰して、時間Ｔで最終的にバイアス電
流−△Ｉに収束する正弦波形となる。なお、図２（ｂ）
では波形は途中までしか示していないが、時間がＴのと
きには電流は−△Ｉ（Ａ）になるものである。

【００３５】このような減衰交流電流がコイル３０に流
れることにより、ポールピース及びコイル３０で構成さ
れる磁界型レンズでは、１／２ｆ時間毎に正負の符号が
反転する磁界が発生され、その磁界強度の絶対値は減衰
交流電流の大きさが時間と共に小さくなるに従って小さ
くなる。そして、バイアス電流−△Ｉ（Ａ）によりコイ
ル３０に当該減衰交流電流を供給したときの当該磁界型
レンズのＢ−Ｈ曲線は−△Ｂだけシフトされるから、当
該減衰交流電流を供給してから時間Ｔ後には、当該磁界
型レンズによる磁界強度は０（Ｏｅ）となり、磁束密度
も０（Ｇ）となって最終残留磁束密度は０（Ｇ）とな
る。

【００３６】このことを図３を参照して説明すると次の
ようである。図３は、図１の消磁電流発生手段２０から
出力される減衰交流電流をコイル３０に供給したときの
磁界型レンズが発生する磁界強度Ｈ（Ｏｅ）と、磁界型
レンズの磁束密度Ｂ（Ｇ）との関係を示すＢ−Ｈ曲線の
例を示す図であり、バイアス電流−△Ｉによって磁束密
度Ｂが（ａ−△Ｂ）の位置から矢印のように変化してい
き、最終的に減衰交流電流値が−△Ｉ（Ａ）となったと
き、磁束密度Ｂは０（Ｇ）となる。

【００３７】このように、この磁界型レンズの消磁回路
では、減衰交流電流を消磁を行う磁界型レンズのコイル
に供給して消磁する方法において、減衰交流電流に、最
終残留磁束密度をキャンセルできる符号と大きさを有す
るバイアス電流を加算して当該コイルに供給するという
方法を用いているのである。そして、このような消磁方
法によって、当該磁界型レンズの最終残留磁束密度を原
理的には０（Ｇ）、実際にも限りなく小さくすることが
できるので、消磁後の最終残留磁束密度を原理的には０
（Ｇ）、実際にも限りなく０（Ｇ）に近づけることがで
き、以て磁性材料サンプルの観察／分析誤差を改善する
ことができる。

【００３８】また、この消磁回路によれば、大容量の電
源を用いる必要はなく、従来の消磁回路に加算回路を付
加し、この加算回路にバイアス電圧を出力するようにす
ればよいので、コストアップを最小限に留めることがで
き、装置の大型化も避けることができる。

【００３９】以上、本発明の一実施形態について説明し
たが、本発明は上記実施形態に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。例えば、上記の実施形態
では、消磁以前にコイル３０に供給していた励磁電流値
を作業者が入力手段１から入力するものとするが、上述
したように、制御回路１１が励磁電流値を自動的に記憶
できるようにしてもよい。消磁以前のコイル３０の励磁
電流値をどのように制御回路１１に与えるかはこの消磁
回路において本質的な事項ではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁界型レンズの消磁回路の一実施
形態を示す図である。

【図２】図１の加算回路４０から出力される減衰交流電
圧、及びこの減衰交流電圧に基づいて消磁電流発生手段
２０で発生される減衰交流電流を説明するための波形図
である。

【図３】図１の消磁電流発生手段２０から出力される減
衰交流電流をコイル３０に供給したときの磁界型レンズ
が発生する磁界強度Ｈ（Ｏｅ）と、磁界型レンズの磁束
密度Ｂ（Ｇ）との関係を示すＢ−Ｈ曲線の例を示す図で
ある。

【図４】従来の消磁回路の構成例を示す図である。

【図５】図４の消磁回路の各部の波形を説明するための
図である。

【図６】発明が解決しようとする課題を説明するための
図で、図４の消磁電流発生手段２０から出力される減衰
交流電流をコイル３０に供給したときの磁界型レンズが
発生する磁界強度Ｈ（Ｏｅ）と、磁界型レンズの磁束密
度Ｂ（Ｇ）との関係を示すＢ−Ｈ曲線の例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…入力手段、１０…減衰交流電圧生成手段、１１…制
御回路、１２…ミラー積分回路、１３…正弦波発生回
路、１４…乗算回路、２０…消磁電流発生手段、２１…
誤差増幅回路、２２…電流増幅回路、２３…電流検出回
路、３０…コイル、４０…加算回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の周波数を有し、その振幅が時間と共
   に減衰して、所定の減衰時間で０（Ａ）に収束する減衰
   交流電流を、消磁を行う磁界型レンズのコイルに供給し
   て消磁する方法において、 前記減衰交流電流に、当該磁界型レンズの最終残留磁束
   密度をキャンセルできる符号と大きさを有するバイアス
   電流を加算して前記コイルに供給することを特徴とする
   磁界型レンズの消磁方法。
2. 【請求項２】所定の周波数を有し、その振幅が時間と共
   に減衰して、所定の減衰時間で０（Ｖ）に収束する減衰
   交流電圧を生成する減衰交流電圧生成手段と、 前記減衰交流電圧に、磁界型レンズの最終残留磁束密度
   をキャンセルできるバイアス電流に対応するバイアス電
   圧を加算して出力する加算回路と、 前記加算回路の出力に基づいて前記磁界型レンズのコイ
   ルに供給する消磁用電流を発生する消磁電流発生手段と
   を備えることを特徴とする磁界型レンズの消磁回路。