JP2008249620A - 透磁率測定用サンプルホルダ及びそれを含む透磁率測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の大きさに依存せずに反磁場を低減し、透磁率の正確な測定を可能にすること。
【解決手段】この透磁率測定用サンプルホルダ４は、材料Ａに磁界発生源２から磁界Ｂを印加して材料Ａの透磁率を測定する透磁率測定装置１内に材料Ａを配置するためのサンプルホルダであって、透磁率測定装置１内に配置される際の磁界Ｂに沿った方向における端面４ａ，４ｂが、磁界発生源２の磁界Ｂに沿った方向における端部から磁界発生源２の外側に向けて突出するように、所定材料によって長尺状に形成された支持部材を備え、この支持部材には、材料Ａが載置される際に、磁界Ｂに沿った方向における幅が材料Ａの幅と略等しく、且つ磁界Ｂに対して垂直な方向の幅が材料Ａの幅以上となるような間隙部７が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、透磁率測定用サンプルホルダ及びそれを含む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を測定する装置が種々知られている。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と、測定用試料を挿入するための貫通孔が設けられ、その磁界発生用コイルの内部に配置可能な測定用コイルとを有し、測定用試料を挿入した状態及び挿入していない状態で測定用コイルに発生する誘起電圧を測定することにより、試料の透磁率を演算する装置が開示されている。この装置では、ループ状の磁界発生用コイルで生じる磁場を被測定物となる磁性薄膜に印加するが、その際に薄膜に一様な磁場が印加されるように、薄膜の大きさは磁界発生用コイルの幅よりも小さくなっている。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。
特開平７−１０４０４４号公報 特開２００４−６９３３７号公報

しかしながら、上述したような装置では、被測定物として薄膜を選択した場合、薄膜の面に沿って一様な磁場が印加されるために、薄膜の端部に磁極が生じ、薄膜面に沿った反磁場の発生が無視できなくなってしまう。反磁場は薄膜に印加された磁場を打ち消して薄膜の磁化を弱めてしまうため、測定用コイルの検出結果から得られる透磁率の評価値が、薄膜の本来の透磁率の値よりも小さくなってしまう傾向にある。このような反磁場の影響は被測定物の大きさに依存するので、測定される透磁率の精度が被測定物の大きさに左右されてしまうといった問題があった。

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、被測定物の大きさに依存しない反磁場を低減した透磁率の正確な測定を可能にする透磁率測定用サンプルホルダ及びそれを含む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、本発明の透磁率測定用サンプルホルダは、被測定物に磁界発生源から磁界を印加して被測定物の透磁率を測定する透磁率測定装置内に被測定物を配置するための透磁率測定用サンプルホルダであって、透磁率測定装置内に配置される際の磁界に沿った方向における端部が、磁界発生源の磁界に沿った方向における端部から磁界発生源の外側に向けて突出するように、所定材料によって長尺状に形成された支持部材を備え、支持部材には、間隙部が形成されている。

このような透磁率測定用サンプルホルダによれば、被測定物を支持部材上の間隙部内に嵌め込んだ状態で透磁率測定装置内に配置可能にされ、その際には、磁界発生源の磁界の方向に沿って被測定物が支持部材と一体化されるので、支持部材の材料を被測定物と同一の材料のものを選択すれば被測定物における反磁場の発生を効果的に低減することができる。さらに、支持部材は、全体として磁界発生源の磁界に沿った方向の長さよりも長くなるように構成されているので、支持部材の端部における磁極の発生も抑えられ、たとえ発生しても磁極間の距離が大きいため被測定物の位置に発生する反磁場を低減できる。従って、被測定物の大きさに合わせた間隙部を持つ支持部材を設定することで、被測定物の大きさにかかわらず反磁場を低減でき、透磁率の測定精度が向上する。

支持部材は、間隙部を境にして分割された所定材料からなる第１及び第２の当接部材と、第１及び第２の当接部材の少なくとも一方を磁界に沿った方向に移動可能に支持する調整機構とを有することが好ましい。この場合、１つのサンプルホルダによって被測定物の大きさに応じて間隙部の磁界方向の幅を調整することができるので、サンプルホルダを交換すること無しに様々な大きさの被測定物の透磁率を正確に測定することができる。

或いは、本発明の透磁率測定装置は、被測定物に磁界を印加するための磁界発生源と、磁界の印加に応じて被測定物において発生する磁界を検出する検出部と、磁界発生源に対して被測定物を配置するための透磁率測定用サンプルホルダとを備え、透磁率測定用サンプルホルダは、磁界発生源に対して配置される際の磁界に沿った方向における端部が、磁界発生源の磁界に沿った方向における端部から磁界発生源の外側に向けて突出するように、所定材料によって長尺状に形成された支持部材を有し、支持部材には、間隙部が形成されている。

このような透磁率測定装置によれば、被測定物がサンプルホルダの支持部材上の間隙部内に嵌め込まれた状態で磁界発生源に対して配置可能にされ、その際には、磁界発生源の磁界に沿った方向に沿って被測定物が支持部材と一体化されるので、支持部材の材料を被測定物と同一の材料のものを選択すれば被測定物における反磁場の発生を効果的に低減することができる。さらに、支持部材は、全体として磁界発生源の磁界に沿った方向の長さよりも長くなるように構成されているので、支持部材の端部における磁極の発生も抑えられ、たとえ発生しても磁極間の距離が大きいため被測定物の位置に発生する反磁場を低減できる。従って、被測定物の大きさに合わせた間隙部を持つ支持部材を設定することで、被測定物の大きさにかかわらず反磁場を低減でき、検出部を用いた透磁率の測定精度が向上する。

本発明の透磁率測定用サンプルホルダ及び透磁率測定装置によれば、被測定物の大きさに依存しない反磁場を低減した透磁率の正確な測定が可能になる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る透磁率測定用サンプルホルダ及び透磁率測定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。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る透磁率測定装置１の概略構成を示す斜視図である。同図に示すように、透磁率測定装置１は、磁界発生源２、検出部３、及び透磁率測定用サンプルホルダ４を備えて構成される。この透磁率測定装置１は、磁界発生源２により被測定物である材料Ａに印加される磁界Ｂに応じて生じる材料Ａの磁化を、検出部３により検出し、検出の結果を検出部３に接続されたネットワークアナライザ等の測定器（図示せず）によって解析することにより材料Ａの透磁率を測定する装置である。

磁界発生源２は、ループ状に折り返された形状を有する金属平板であり、その両端には高周波電源５が接続されている。この磁界発生源２は、高周波電源５からの交流電圧信号の印加により、磁界発生源２のループの内側においてほぼ一様な方向に沿った磁界Ｂを発生させて材料Ａにその磁界Ｂを印加する。

このような磁界発生源２の内側に配置される透磁率測定用サンプルホルダ４上には材料Ａを囲んで設けられたループ状のコイルである検出部３が、そのコイルを含む面が磁界Ｂの方向に対してほぼ垂直になるように設けられている。この検出部３にはリード線６が接続され、検出部３はリード線６を介してネットワークアナライザ等の外部測定器に接続される。このような構成により、検出部３は、磁界発生源２によって印加された磁界Ｂに応じてループ状コイルの両端に発生する電圧信号を検出することができる。そして、外部測定器により検出部３が検出した電圧信号に基づいて材料Ａの透磁率が測定される。具体的には、検出部３のループ状コイル内に材料Ａが配置されている場合の電圧信号と配置されていない場合の電圧信号との比に基づいて透磁率が算出される。このとき、検出部３は、材料Ａが磁界発生源２内に配置された場合の電圧信号によって、材料Ａの磁化に応じて材料Ａの内部に生じる磁界を磁界Ｂに重畳された状態で検出する。

透磁率測定用サンプルホルダ４は、材料Ａと同一材料によって略直方体の長尺状に形成されてなり、その長手方向が磁界Ｂの方向に平行になるように磁界発生源２内に挿入されることにより、磁界発生源２の内側に材料Ａを配置させるための支持部材である。この透磁率測定用サンプルホルダ４は、その磁界Ｂに沿った方向の長さが、磁界発生源２の磁界Ｂに沿った方向の長さよりも長い形状を有する。このような形状により、透磁率測定用サンプルホルダ４が磁界発生源２内に挿入される際には、透磁率測定用サンプルホルダ４の磁界Ｂに沿った方向における端面４ａ，４ｂが、磁界発生源２の磁界Ｂに沿った方向の端部から外部に向けて突出するように配置可能にされる。

また、透磁率測定用サンプルホルダ４の平面図である図２に示すように、透磁率測定用サンプルホルダ４の上面４ｃにおける長手方向の中央部には、透磁率測定用サンプルホルダ４の長手方向に対して垂直な方向に沿って溝状の間隙部７が形成されている。この間隙部７の中央部に材料Ａが嵌め込まれることにより、透磁率測定用サンプルホルダ４が材料Ａと一体化された状態で磁界発生源２の内側に挿入される。これにより、材料Ａが磁界発生源２の内側の中央部に配置可能にされる。ここで、間隙部７は、磁界Ｂに沿った方向の幅Ｗ_１が材料Ａの幅と等しく、且つ、磁界Ｂに対して垂直な方向の幅Ｗ_２が材料Ａの幅Ｗ_３よりも大きくなるように形成されている。なお、図２に示す間隙部７は、透磁率測定用サンプルホルダ４の上面４ｃの全幅に亘って形成された場合を示している。

以上説明した透磁率測定装置１によれば、材料Ａがサンプルホルダ４上の間隙部７内に嵌め込まれた状態で磁界発生源２に対して配置可能にされ、その際には、磁界発生源２の磁界Ｂに沿った方向に沿って材料Ａがサンプルホルダ４と一体化されるので、サンプルホルダ４の材料を材料Ａと同一の材料のものを選択すれば材料Ａにおける反磁場の発生を効果的に低減することができる。ここで、サンプルホルダ４の材料を材料Ａとは同一であることが好ましいが、磁気的な結合を持つことが可能であれば、材料が異なっている状態であっても、それを排除するものではない。またその磁気的な結合を得るために、サンプルホルダ４は材料Ａと同じ材料を鋳造や、研削加工等して作製しても良いし、またサンプルホルダ４の表面に材料Ａと同じ薄膜を形成しても良い。このような場合には被測定物に薄膜を形成する時と同じ成膜チャンバー内またはめっき浴に入れて同時成膜することで容易に形成することが可能である。すなわち、図９に示すように、従来の透磁率測定方法においては、材料Ａに対して磁界Ｂがその表面に沿って印加されると、材料Ａの磁界Ｂに沿った方向の両端部において磁極が生じ、それに応じて材料Ａの表面に沿って大きな反磁界Ｂ_ｒが発生してしまう。この反磁界Ｂ_ｒは材料Ａに印加されている磁界Ｂを弱めてしまうため、測定される透磁率は材料本来の透磁率よりも小さくなってしまう。これに対して、本実施形態では、磁界Ｂ内で材料Ａ及びサンプルホルダ４において磁界Ｂの方向に沿って材料が連続的に繋がっているので、磁極の発生が低減できるようになる。さらに、サンプルホルダ４は、全体として磁界発生源２の磁界Ｂに沿った方向の長さよりも長くなるように構成されているので、サンプルホルダ４の端面４ａ，４ｂにおける磁極の発生も抑えられ、たとえ発生しても磁極間の距離が大きいため被測定物の位置に発生する反磁場を低減できる。これにより、サンプルホルダ４内における反磁場の発生も防止される。従って、材料Ａの大きさに合わせた間隙部７を持つサンプルホルダ４を設定することで、材料Ａの大きさにかかわらず反磁場を低減し、検出部３を用いた透磁率の測定精度が向上する。

このような効果を理論的に説明するために、図３（ａ）に示すように、距離２ｄだけ離れた互いに平行な線状導体に沿って逆方向に流れる電流＋Ｉ，−Ｉを想定する。このとき、２つの線状導体間の中心点Ｏから２つの線状導体を含む面に垂直方向にｘだけ離れた点の磁界強度Ｈ_ｘ（ｘ）は、下記式（１）；
Ｈ_ｘ（ｘ）＝ｄ／［ｘ^２｛１＋（ｄ／ｘ）^２｝］・（Ｉ／π） …（１）
により表される。図３（ｂ）には、Ｉ＝１［Ａ］、ｄ＝１０［ｍｍ］とした場合の、磁界強度Ｈ_ｘ（ｘ）の特性を示している。この結果より、一般に、ループ電流が流れている場合は、磁界強度はループ面に近い点で最大になり、ループ面から離れるに従ってゼロに漸近的に接近することがわかる。ここで、従来の透磁率測定装置においては、ループ状導体の大きさより小さい材料をその導体の中央に配置しているため、材料に印加される磁界は、図３（ｂ）の原点付近に対応している。その結果、図９のように材料の両端部に磁極が生じやすくなってしまう。一方、透磁率測定装置１においては、材料Ａを磁界発生源２の磁界方向の幅より十分大きいサンプルホルダ４上に載置しているため、同一材料で一体化されたサンプルホルダ４に印加される磁界を、例えば、図３（ｂ）におけるｘ＝−６０〜６０［ｍｍ］の範囲に設定することが可能になる。この場合は、サンプルホルダ４の端面４ａ，４ｂにおいては磁界Ｈ_ｘがほぼゼロになるので、材料Ａにおいて磁極が集中的に発生する箇所は存在しないことになる。

図４（ａ）は、透磁率測定装置１による透磁率の測定結果を示すグラフであり、図４（ｂ）は、サンプルホルダ４を用いない従来の透磁率測定方法によって測定された結果を示すグラフである。ここでは、6×60×0.5mmのNiZn組成の磁性体を対象にして、印加磁界の周波数を変化させた場合の比透磁率μｒ、比透磁率の実数部μｒ’、及び比透磁率の虚数部μｒ’’を測定した。また、図５には、同軸終端短絡法によって測定された同一磁性材料の透磁率測定結果が示されている。この同軸終端短絡法は、リング状に形成された材料の透磁率を測定する方法であり、反磁場の影響を無視できる従来方法である。具体的には、HP4291Aを使用し、短絡同軸型の磁性体測定用テストフィクスチャHP16454Aを用いて測定した。これらの結果により、透磁率測定装置１によって測定された透磁率は、周波数１MHzにおいて、サンプルホルダ４を用いない従来法によるそれと比較して約２０倍の値となっている。この値は、同軸終端短絡法によって同一材料を測定することにより得られた透磁率（図５参照）とほぼ一致し、透磁率測定装置１によって反磁場を低減した高精度の測定結果が得られていることがわかる。なお、同軸終端短絡法は、反磁場を低減した評価が可能であるが、同軸管内にリング状に材料を配置して測定する方法であるため、等方性を有する材料しか評価できず、１軸異方性を有する磁性体の困難軸方向と容易軸方向との透磁率を切り分けた評価には適用できない。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る透磁率測定装置２１の概略構成を示す斜視図である。第２実施形態である透磁率測定装置２１は、透磁率測定用サンプルホルダ２４の構成に関して第１実施形態と異なる。

詳細には、透磁率測定用サンプルホルダ２４は、略直方体の基台２５と、その基台２５上に材料Ａを境にして分割して設けられた２つの長尺状の当接部材２６，２７とから構成されている。この透磁率測定用サンプルホルダ２４は、その長手方向が磁界Ｂの方向に平行になるように磁界発生源２内に挿入されることにより磁界発生源２の内側に材料Ａを配置させるための支持部材である。

基台２５は、その上面２５ａにおいて、基台２５の長手方向、すなわち磁界Ｂの方向に沿って、溝部２８が直線状に形成されている。このようなスライド機構があることにより容易に被測定物と当接部材２６，２７とのコンタクトを得ると同時に、両者の磁気的結合を得ることができる。この溝部２８は、基台２５の両端面２５ｂ，２５ｃの間に亘って形成され、その幅は材料Ａの幅以上とされており、磁界発生源２内に配置される際にはその中央部に材料Ａが嵌め込まれる。

当接部材２６，２７は、溝部２８の幅と同一の幅を有するように材料Ａと同一材料によって平板状に形成されている。このような形状によって、当接部材２６、２７は、溝部２８に沿って移動可能にされ、磁界発生源２内に配置される際には材料Ａに当接するまで溝部２８上をスライドされて使用される。また、当接部材２６，２７は、溝部２８内おいて材料Ａに当接している状態において、それぞれの端面２６ａ，２７ａが、磁界発生源２の磁界Ｂに沿った方向における端部から外側に向けて突出するように、十分な長さを有する。

以上のような構成により、基台２５の溝部２８は、当接部材２６，２７を磁界Ｂに沿った方向に移動可能に支持する調整機構としての役割を有する。ここで、当接部材２６，２７が材料Ａに当接するように配置されると、その当接部材２６，２７と溝部２８の側壁とで囲まれる間隙部の磁界Ｂに沿った方向における幅が、材料Ａの幅と必然的に等しくなる。その結果、当接部材２６，２７と材料Ａとが磁界Ｂに沿った方向において一体化される。

このような透磁率測定装置２１によれば、１つのサンプルホルダ２４によって材料Ａの大きさに応じて材料Ａを収容する間隙部の磁界方向の幅を調整することができるので、サンプルホルダ２４を交換すること無しに様々な大きさの材料Ａの透磁率を反磁場を低減して正確に測定することができる。

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、透磁率測定装置１における間隙部７の磁界Ｂに垂直な方向における幅Ｗ_２は、材料Ａの幅Ｗ_３以上であればよく、特定の幅には限定されない。一例を挙げると、図７に示すように、幅Ｗ_２が材料Ａの幅Ｗ_３とほぼ一致するように間隙部７が矩形状に形成されてもよい。

また、透磁率測定装置２１においては、当接部材２６，２７のうちのどちらか一方がスライド可能に設けられて、他方が基台２５に対して固定されていてもよい。また、図８に示すように、当接部材２６，２７の代わりに調整機構としてのバネ３１によって連結された当接部材２９，３０を用いてもよい。この場合、溝部２８上において当接部材２９，３０が材料Ａに近づく方向に付勢されるので、材料Ａと当接部材２９，３０とが容易に一体化される。

本発明の第１実施形態に係る透磁率測定装置の概略構成を示す斜視図である。 図１の透磁率測定用サンプルホルダの平面図である ２本の直線状導体によって印加される磁界の強度の位置に対する変化を示すグラフである。 （ａ）は、図１の透磁率測定装置による比透磁率の測定結果を示すグラフ、（ｂ）は、従来法による比透磁率の測定結果を示すグラフである。 同軸終端短絡法によって測定された透磁率の測定結果を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る透磁率測定装置の概略構成を示す斜視図である。 図２の透磁率測定用サンプルホルダの変形例を示す平面図である。 図６の当接部材の変形例を示す平面図である。 材料において反磁場が発生する様子を示す概念図である。

符号の説明

１，２１…透磁率測定装置、２…磁界発生源、３…検出部、４，２４…透磁率測定用サンプルホルダ、４ａ，４ｂ，２６ａ，２７ａ…端面、７…間隙部、２６，２７，２９，３０…当接部材、２８…溝部（間隙部、調整機構）、３１…バネ（調整機構）、Ａ…材料（被測定物）、Ｂ…磁界。

Claims (3)

1. 被測定物に磁界発生源から磁界を印加して前記被測定物の透磁率を測定する透磁率測定装置内に前記被測定物を配置するための透磁率測定用サンプルホルダであって、
   前記透磁率測定装置内に配置される際の前記磁界に沿った方向における端部が、前記磁界発生源の前記磁界に沿った方向における端部から前記磁界発生源の外側に向けて突出するように、所定材料によって長尺状に形成された支持部材を備え、
   前記支持部材には、間隙部が形成されている、
   ことを特徴とする透磁率測定用サンプルホルダ。
2. 前記支持部材は、
   前記間隙部を境にして分割された前記所定材料からなる第１及び第２の当接部材と、
   前記第１及び第２の当接部材の少なくとも一方を前記磁界に沿った方向に移動可能に支持する調整機構とを有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の透磁率測定用サンプルホルダ。
3. 被測定物に磁界を印加するための磁界発生源と、
   前記磁界の印加に応じて前記被測定物において発生する磁界を検出する検出部と、
   前記磁界発生源に対して前記被測定物を配置するための透磁率測定用サンプルホルダとを備え、
   前記透磁率測定用サンプルホルダは、前記磁界発生源に対して配置される際の前記磁界に沿った方向における端部が、前記磁界発生源の前記磁界に沿った方向における端部から前記磁界発生源の外側に向けて突出するように、所定材料によって長尺状に形成された支持部材を有し、
   前記支持部材には、間隙部が形成されている、
   ことを特徴とする透磁率測定装置。

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