JP2008058243A - 磁界発生装置及びそれを用いた透磁率測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物に対して均一に磁界を印加し、かつ、被測定物に対する電界の影響を低減すること。
【解決手段】この磁界発生装置１は、所定の導体に電流が供給されることによって磁界を発生させる磁界発生装置であって、平板状の絶縁性基板２と、絶縁性基板２の主面２ａ上に直線状に延在して形成された磁界発生用金属膜３と、絶縁性基板２の主面２ｂ上に形成されたグランド用金属膜４とを備え、磁界発生用金属膜３とグランド用金属膜４とは、絶縁性基板２の一方の端面において一体的に形成され、他方の端面においては分離して形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁界発生装置及びそれを用いた透磁率測定装置に関するものである。

従来から、磁性体等の試料の透磁率等の磁気的特性を測定する装置が種々知られている。このような装置においては、試料に対して磁界を印加するための手段が必要である。下記特許文献１には、断面矩形状の帯状コイルからなる磁界発生用コイルを有し、測定試料を測定用コイルと共に磁界発生用コイルの内側に配置可能な装置が開示されている。この装置では、磁界発生用コイルによる測定用試料への磁界の印加に応じて生じる測定用コイルの誘起電圧を検出することによって、試料の透磁率が演算される。

また、下記特許文献２には、３枚の金属板により構成されるセル状の磁界発生源の内部に測定用コイルが固定された装置が記載されている。一方、下記非特許文献１には、測定用コイルを必要としない測定装置として、３本の導体部を表面に有する平面状導波路を利用した装置が開示されている。
特開平７−１０４０４４号公報 特開２００４−６９３３７号公報 Y. Ding, et al., "A coplanar waveguide permeameter for studyinghigh-frequency properties of soft magnetic materials", Journal of AppliedPhysics, vol.96 No.5, 1 September 2004, pp.2969

しかしながら、上述したような測定用コイルを利用した従来の透磁率測定装置では、磁界発生源の内側に測定用コイルと試料とを挿入するため、磁界発生源によって発生する電界の影響が無視できない。そのため、測定される試料の磁気的特性の精度が低下する傾向にあった。

一方、平面状導波路を使用した装置の場合は、試料の近傍に生じる電界は比較的小さくなるが、平面導波路上に印加される磁界が導体部の幅方向において不均一になる傾向にある。その結果、測定対象の試料の大きさによっては、試料の特性の正確な測定が困難になる場合があった。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、被測定物に対して均一に磁界を印加し、かつ、被測定物に対する電界の影響を低減することが可能な磁界発生装置及び透磁率測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の磁界発生装置は、所定の導体に電流が供給されることによって磁界を発生させる磁界発生装置であって、絶縁性基板と、絶縁性基板の一方の主面上に線状に延在して形成された第１の金属膜と、絶縁性基板の他方の主面上に形成された第２の金属膜とを備え、第１の金属膜と第２の金属膜とは、絶縁性基板の端部において電気的に接続されていることを特徴としている。

このような磁界発生装置においては、第１の金属膜の上記他方の端部に電圧信号を印加し、第２の金属膜をグランドに接続した場合に、第１の金属膜の延在方向に電流が生成される結果、その金属膜の前面近傍に延在方向に垂直な方向の磁界が印加される。その際、絶縁性基板を挟んで電圧が印加されることで第１の金属膜上の絶縁性基板と反対側の電場が弱くされ、第１の金属膜の前面近傍に配置される被測定物における電場の影響を軽減できる。また、絶縁性基板の上記一方の主面上及び上記他方の主面上のそれぞれに第１の金属膜及び第２の金属膜が形成されているので、第１の金属膜の前面近傍における磁界がその幅方向において均一化され、被測定物に対して均一に磁界を印加することができる。

上記第１の金属膜は、絶縁性基板上の一方の端部から他方の端部にわたって形成されていることが好ましい。こうすれば、絶縁性基板の全長に亘ってより均一な磁界を発生させることができる。

また、絶縁性基板上の一方の主面上には、第１の金属膜のみが形成されていることも好ましい。この場合、絶縁性基板の一方の主面上に発生する磁界がより一層均一化される。

上記第２の金属膜は、第１の金属膜の延在方向に対して垂直な方向の幅が第１の金属膜より大きくなるように形成され、上記第１の金属膜は、絶縁性基板の一方の端部において、第２の金属膜と接続されていることが好ましい。

こうすれば、第１の金属膜を流れる電流がその幅方向にわたってより均一化されるので、第１の金属膜の内側領域上にある被測定物の大きさに拘わらず、被測定物に一様な磁場を印加することができる。

或いは、本発明の透磁率測定装置は、所定の導体に電流が供給されることによって被測定物に磁界を印加して被測定物の透磁率を測定するための透磁率測定装置であって、絶縁性基板と、絶縁性基板の一方の主面上に線状に延在して形成された第１の金属膜と、絶縁性基板の他方の主面上に形成された第２の金属膜とを備え、第１の金属膜と第２の金属膜とは、絶縁性基板の一方の端部において電気的に接続されていることを特徴としている。

このような透磁率測定装置によれば、第１の金属膜の上記他方の端部に電圧信号を印加し、第２の金属膜をグランドに接続した場合に、第１の金属膜の延在方向に電流が生成される結果、その金属膜の前面近傍に配置される被測定物に対して、延在方向に垂直な方向の磁界が印加される。その際、絶縁性基板を挟んで電圧が印加されることで第１の金属膜上の絶縁性基板と反対側の電場が弱くされ、第１の金属膜の前面近傍に配置される被測定物における電場の影響を軽減できる。また、絶縁性基板の上記一方の主面上及び上記他方の主面上のそれぞれに第１の金属膜及び第２の金属膜が形成されているので、第１の金属膜の前面近傍における磁界がその幅方向において均一化され、被測定物に対して均一に磁界を印加することができる。従って、被測定物の透磁率を精度よく測定することができる。

上記第１の金属膜は、絶縁性基板上の一方の端部から他方の端部にわたって形成されていることが好ましい。こうすれば、絶縁性基板の全長に亘ってより均一な磁界を発生させることができる。

また、絶縁性基板上の一方の主面上には、第１の金属膜のみが形成されていることも好ましい。この場合、絶縁性基板の一方の主面上に発生する磁界がより一層均一化される。

上記第２の金属膜は、第１の金属膜の延在方向に対して垂直な方向の幅が第１の金属膜より大きくなるように形成され、上記第１の金属膜は、絶縁性基板の一方の端部において第２の金属膜と接続されていることが好ましい。

この場合、第１の金属膜を流れる電流がその幅方向にわたってより均一化されるので、被測定物の大きさに拘わらず、第１の金属膜の内側領域上にある被測定物に一様な磁場を印加することができ、被測定物の透磁率のより正確な測定が可能になる。

本発明の磁界発生装置及び透磁率測定装置によれば、被測定物に対して均一に磁界を印加し、かつ、被測定物に対する電界の影響を低減することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る磁界発生装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の好適な一実施形態に係る磁界発生装置１の斜視図であり、図２は、図１の磁界発生装置１のII−II線に沿った断面図、図３は、図１の磁界発生装置１のIII−III線に沿った断面図である。これらの図に示すように、磁界発生装置１は、平板状の絶縁性基板２と、その絶縁性基板２の面上に形成された磁界発生用金属膜３及びグランド用金属膜４と、コネクタ６とを備えている。この磁界発生装置１は、磁界発生用金属膜３に電流が供給されることにより磁界発生用金属膜３に対向して配置される被測定物に磁界を印加するための装置であり、特に、被測定物の透磁率等の磁気的特性を測定する際に用いられる。

絶縁性基板２は、絶縁性材料からなる平板状部材である。この絶縁性材料としては、電界の生じる方向をより基板内部に閉じこめることができ、基板２の外側に配置される被測定物への電界の影響を少なくすることができるという点で、高誘電性材料がより好適に用いられる。

磁界発生用金属膜３は、絶縁性基板２の一方の主面２ａ上の一端から他端にかけて、主面２ａの縁部に平行な方向に直線的に延在して形成されているＣｕ金属膜である。詳細には、この磁界発生用金属膜３は、被測定物の幅よりも大きい幅を有するように帯状をなし、主面２ａの一端側においては、主面２ａの端部に向けて直線的に狭くなるようなテーパ部５がさらに形成されている。磁界発生用金属膜３は、このテーパ部５の先端部において、絶縁性基板２の端面に取り付けられたにコネクタ６に電気的に接続されている。このコネクタ６は、ネットワークアナライザ等の外部装置（図示せず）を磁界発生用金属膜３及び後述するグランド用金属膜４に接続するためのものであり、例えば、これらの２つの導体をそれぞれ信号線とグランドとして電気的に接続可能な同軸コネクタ等が用いられる。

グランド用金属膜４は、絶縁性基板２の他方の主面２ｂ上の全面に形成された金属膜である。従って、グランド用金属膜４の磁界発生用金属膜３の延在方向に対して垂直な方向の幅は、磁界発生用金属膜３よりも大きくなっている。このグランド用金属膜４は、絶縁性基板２のコネクタ６と反対側の端面において磁界発生用金属膜３と一体的に形成されることにより（図３参照）、磁界発生用金属膜３とその全幅にわたって電気的に接続されている。一方、グランド用金属膜４は、絶縁性基板２のコネクタ６側の端部においては、磁界発生用金属膜３と分離して形成されている。そして、グランド用金属膜４は、コネクタ６側の端部において、磁界発生用金属膜３と独立にコネクタ６に接続されている。

上記の構成により、外部装置から磁界発生用金属膜３に対する電圧信号の入力に応じて、磁界発生用金属膜３においてその形成方向（図１のＸ軸方向）に沿った電流が生成される。このような電流の発生により、磁界発生用金属膜３の表面近傍においてその形成方向に対して垂直な方向（図１のＹ軸方向）に沿った磁界が印加される。

以上のような構成の磁界発生装置１は、磁界発生用金属膜３に対向して測定用ループコイル及び被測定物が配置されることで、透磁率測定装置として用いることができる。図４は、図１の磁界発生装置１の磁界発生用金属膜３の前面に被測定物Ａが配置されて構成される透磁率測定装置１０の斜視図である。ここで用いられる被測定物Ａとしては、例えば、矩形状の磁性薄膜が挙げられる。

同図に示すように、磁界発生用金属膜３の前面には、Ｙ軸、つまり、磁界発生装置１による磁界の印加方向に対してループ面が垂直になるように測定用ループコイル７が配置される。被測定物Ａは、その測定用ループコイル７のループ内に挿入された状態で、磁界発生用金属膜３の表面に平行になり、かつ、磁界発生用金属膜３の表面に接触しないように配置される。この状態で、磁界発生装置１を用いてＹ軸方向の交流磁界を印加すれば、被測定物Ａにはその表面に沿って交流磁界が印加される。この場合、ループコイル７の両端にネットワークアナライザ等の測定器を接続してその両端間に生じる出力電圧を測定し、さらに被測定物Ａを配置しない状態でのループコイル７の出力電圧を測定する。その結果、被測定物ＡのＹ軸方向に沿った磁化の大きさが検出され、所定の演算により被測定物Ａの透磁率を得ることができる。

或いは、磁界発生装置１は、測定用ループコイル７を必要としない透磁率測定装置として単独で用いることもできる。すなわち、被測定物Ａを磁界発生用金属膜３の表面に平行になるように配置して、コネクタ６に交流電圧を印加すれば、被測定物Ａの表面に沿って交流磁界が印加される。このとき、コネクタ６にネットワークアナライザを接続して、被測定物Aを設置したときと設置しないときとにおける磁界発生装置１における反射係数を検出すれば、これらの係数から被測定物Ａの透磁率を演算することができる。

以上説明した磁界発生装置１及び透磁率測定装置１０によれば、磁界発生用金属膜３のテーパ部５の先端部に電圧信号を印加し、グランド用金属膜４をグランドに接続した場合に、磁界発生用金属膜３の延在方向に電流が生成される結果、その金属膜の前面近傍に延在方向に垂直な方向の磁界が印加される。その際、絶縁性基板２を挟んで電圧が印加されることで磁界発生用金属膜３の前面近傍の電場が弱くされ、磁界発生用金属膜３の前面近傍に配置される被測定物Ａにおける電場の影響を軽減できる。また、絶縁性基板２の主面上２ａには磁界発生用金属膜３のみが形成されているので、磁界発生用金属膜３の前面近傍における磁界がその幅方向において均一化され、被測定物Ａに対して均一に磁界を印加することができる。その結果、測定される被測定物Ａの透磁率の精度が向上する。

特に、磁界発生用金属膜３のテーパ部５の先端部が形成され、そのテーパ部から拡がるように形成された導体部に向けて電流が供給されるので、磁界発生用金属膜３の幅方向において電流が効果的に均一化され、被測定物Ａに印加される磁界もより一層均一化される。

また、グランド用金属膜４は、磁界発生用金属膜３の延在方向に対して垂直な方向の幅が磁界発生用金属膜３より大きくなるように形成され、磁界発生用金属膜３は、絶縁性基板２の端面において、全幅にわたってグランド用金属膜４と接続されているので、磁界発生用金属膜３を流れる電流がその幅方向に沿ってさらに均一化され、被測定物Ａの大きさに拘わらず、被測定物Ａに一様な磁場を印加することができる。さらに、この場合は、被測定物Ａに対する電界の影響を一層低減することができる。

ここで、図５には、磁界発生装置１により印加される磁界の磁界発生用金属膜３の幅方向における強度分布、図６には、磁界発生装置１により印加される磁界の磁界発生用金属膜３の長手方向における強度分布を示す。なお、これらの測定結果は、磁界発生用金属膜３を幅20mm、長さ80mm（このうちテーパ部の長さ30mm）で形成し、周波数10MHz、入力10dBmの交流電圧を印加した場合の磁界発生用金属膜３の表面からの高さが4mmの位置における磁界強度を示している。また、図５の横軸は、磁界発生用金属膜３の中心を基準にした位置、図６の横軸は、磁界発生用金属膜３の縁部を基準にした位置である。このように、磁界発生装置１により印加される磁界は、磁界発生用金属膜３の幅方向において、ほぼ磁界発生用金属膜３の全体にわたって均一に形成されている。また、磁界発生用金属膜３の長手方向においては、縁部からの位置が20〜40mmにおいて均一な磁場が形成されている。従って、このような範囲に被測定物Ａを配置すれば、被測定物Ａの大きさによらずに被測定物Ａの全体に均一な磁界を印加することが可能になる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、被測定物Ａの大きさが小さいため磁界発生用金属膜３の幅を比較的小さくしても被測定物Ａ全体に対して磁界が印加できる場合には、磁界発生用金属膜３を、テーパ部を形成しないで絶縁性基板２の主面２ａ上に帯状に形成してもよい。

また、グランド用金属膜４としては、磁界発生用金属膜３の幅より広い金属膜であることが好ましいが、磁界発生用金属膜３の幅より狭い金属膜でもよい。また、グランド用金属膜４は、絶縁性基板２の主面２ｂ上に全体的では無く部分的に形成してもよい。例えば、磁界発生用金属膜３の長手方向に沿って帯状に形成することが考えられる。

本発明の好適な一実施形態に係る磁界発生装置１の斜視図である。 図１の磁界発生装置のII−II線に沿った断面図である。 図１の磁界発生装置のIII−III線に沿った断面図である。 図１の磁界発生装置を含んで構成される透磁率測定装置の斜視図である。 図１の磁界発生装置により印加される磁界の磁界発生用金属膜の幅方向における強度分布を示すグラフである。 図１の磁界発生装置により印加される磁界の磁界発生用金属膜の長手方向における強度分布を示すグラフである。

符号の説明

１…磁界発生装置、２…絶縁性基板、２ａ，２ｂ…主面、３…磁界発生用金属膜、４…グランド用金属膜、１０…透磁率測定装置、Ａ…被測定物。

Claims (8)

1. 所定の導体に電流が供給されることによって磁界を発生させる磁界発生装置であって、
   絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板の一方の主面上に線状に延在して形成された第１の金属膜と、
   前記絶縁性基板の他方の主面上に形成された第２の金属膜とを備え
   前記第１の金属膜と前記第２の金属膜とは、前記絶縁性基板の端部において電気的に接続されている、
   ことを特徴とする透磁率測定用の磁界発生装置。
2. 前記第１の金属膜は、前記絶縁性基板上の一方の端部から他方の端部にわたって形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の磁界発生装置。
3. 前記絶縁性基板上の前記一方の主面上には、前記第１の金属膜のみが形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の磁界発生装置。
4. 前記第２の金属膜は、前記第１の金属膜の延在方向に対して垂直な方向の幅が前記第１の金属膜より大きくなるように形成され、
   前記第１の金属膜は、前記絶縁性基板の前記一方の端部において前記第２の金属膜と接続されている、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁界発生装置。
5. 所定の導体に電流が供給されることによって被測定物に磁界を印加して前記被測定物の透磁率を測定するための透磁率測定装置であって、
   絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板の一方の主面上に線状に延在して形成された第１の金属膜と、
   前記絶縁性基板の他方の主面上に形成された第２の金属膜とを備え
   前記第１の金属膜と前記第２の金属膜とは、前記絶縁性基板の一方の端部において電気的に接続されている、
   ことを特徴とする透磁率測定装置。
6. 前記第１の金属膜は、前記絶縁性基板上の一方の端部から他方の端部にわたって形成されている
   ことを特徴とする請求項５記載の透磁率測定装置。
7. 前記絶縁性基板上の前記一方の主面上には、前記第１の金属膜のみが形成されている
   ことを特徴とする請求項５又は６記載の透磁率測定装置。
8. 前記第２の金属膜は、前記第１の金属膜の延在方向に対して垂直な方向の幅が前記第１の金属膜より大きくなるように形成され、
   前記第１の金属膜は、前記絶縁性基板の前記一方の端部において前記第２の金属膜と接続されている、
   ことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の透磁率測定装置。
   

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