JP2015049165A - 交流磁場測定装置および交流磁場測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動する探針を用いて試料から発生する交流磁場を測定する装置において、試料が、探針装置の実効的なバネ定数が変化しなくなる程度に高い周波数の交流磁場を発生する場合であっても、当該交流磁場の測定を可能にする。【解決手段】 励振周波数ω0で励振する探針１１１に、試料２から高い角周波数ωsの交流磁場を与える。これとともに、交流磁場発生装置１３２により、角周波数ωsとわずかに異なる角周波数成分（たとえば、ωs−ωm等）を１つ以上含む交流磁場を与える。これらの交流磁場（変調交流磁場）と探針磁化との磁気的相互作用により、探針１１１の角周波数ω0の振動は、角周波数ωs−ωmの交流磁場を与えた場合、変調角周波数ωmで変調され、実効的なバネ定数が変化する。信号抽出器１４により探針１１１の振動を検出し、検出信号から励振振動に生じた変調信号を抽出する。この抽出信号に基づき、交流磁場応答測定器１５により、試料１１１の交流磁場応答性を測定する。【選択図】 図１

Description

本発明は、振動する探針を用いて、試料（信号を与えることで交流磁場を発生する試料）の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する交流磁場測定装置およびに交流磁場測定方法に関する。
特に、本発明は、周波数が数ＫＨｚより高い高周波磁場（典型的には、ＧＨｚ以上の周波数）を、試料が発生する場合であっても、当該試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定することができる交流磁場測定装置および交流磁場測定方法に関する。

図３に示すように、試料８０（図３では磁気ヘッド）の印加磁場応答性に係わる磁気特性は、磁気特性測定装置（磁気力顕微鏡）８により測定することができる。
磁気特性測定装置８では、カンチレバー８１の先端の下面に、試料８０に向けてハード磁性体からなる探針（以下、「ハード磁性探針」とも言う）８３が形成されている。また、カンチレバー８１の始端には、励振器（ピエゾ素子）８２が設けられている。励振器８２は、探針８３を、角周波数ω₀（周波数ｆ₀（＝ω₀／（２π））で機械的に振動させる。
探針８３の機械的な振動（角周波数ω₀）は、試料８０から発生する角周波数ω_sの交流磁場により周波数変調を受ける。
すなわち、探針８３が、試料８０が生成する交流磁場から磁気力を受けると、カンチレバー８１のみかけ上のバネ定数が変化する。これにより、探針８３の角周波数ω₀の機械的な振動に周波数変調が生じる。
図３では励振器８２の電源をＡＣ₁で示し、試料８０に接続された電源をＡＣ₂で示す。

探針８３の振動（周波数変調振動）は、レーザ光源８４１とフォトダイオード８４２からなる振動検出器８４により検出される。
すなわち、レーザ光源８４１からの光は、カンチレバー８１の先端の上面に形成されたミラーにより反射され、反射光はフォトダイオード８４２により検出される。
フォトダイオード８４２からの信号は周波数復調器８５に入射される。
復調器８５は、入力信号を周波数復調し、復調信号を磁気特性測定回路８６に送出する。
磁気特性測定回路８６は、復調器８５から受け取った復調信号を解析することで、試料８０の、交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定することができる（特許文献１）。

ＷＯ２００９／１０１９９１

図３の磁気特性測定装置を用いた交流磁場測定においては、試料８０から発生する試料面に垂直な方向（ｚ方向）の交流磁場の成分は、次式で表される。ここで、探針８３が変位する方向を試料面と垂直な方向とする。
Ｈ_z（ｔ）＝Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）＝Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（２πｆ_sｔ）
Ｈ_z0 ^ac：試料８０から発生する試料面に垂直方向の交流磁場の成分の振幅
ω_s：試料８０から発生する交流磁場の角周波数
ｆ_s：試料８０から発生する交流磁場の周波数（ｆ_s＝ω_s／（２π））

探針（ハード磁性探針）８３に、カンチレバー８１の共振周波数と異なる周波数の非共振の交流磁場を印加すると、非共振の交流磁気力が探針８３に加わり、前述したように探針８３の機械的な振動に周波数変調（ＦＭ）が誘起される。この周波数変調（ＦＭ）を利用して、試料８０から発生する交流磁場を測定することができる。

探針８３が、単磁極型（探針８３の先端の磁極が受ける磁気力が主となる磁性探針の様態）のハード磁性探針であり、試料８０が発生する交流磁場の試料面に垂直方向の成分がＨ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）であるとき、非共振の交流磁気力が探針８３（ハード磁性探針）の先端の磁極に加わる。このとき、カンチレバー８１の実効的なバネ定数（みかけ上のバネ定数）の、時間変化Δｋ（ｔ）は次式で与えられる。
Δｋ（ｔ）＝∂Ｆ_z／∂ｚ＝ｑ_tip ^dc｛∂Ｈ_z（ｔ）／∂ｚ｝
＝ｑ_tip ^dc｛∂Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）／∂ｚ｝
ｑ_tip ^dc：探針８３（ハード磁性体探針）先端の磁極
Ｈ_z0 ^ac：試料８０から発生する試料面に垂直方向の交流磁場の成分の振幅
ω_s：試料８０から発生する交流磁場の角周波数

また、探針８３が双磁極型（探針８３の磁化（磁気モーメント）の両端の磁極が磁気力を受ける磁性探針の様態）のハード磁性探針であり、探針の磁化の方向が試料面に垂直方向（ｚ方向）であるときには、非共振の交流磁気力が探針８３（ハード磁性探針）の磁気モーメントに加わる。このとき、カンチレバー８１の実効的なバネ定数の、時間変化Δｋ（ｔ）は次式で与えられる。
Δｋ（ｔ）＝∂Ｆ_z／∂ｚ＝Ｍ_z ^dc｛∂²Ｈ_z（ｔ）／∂ｚ²｝
＝Ｍ_z ^dc｛∂²Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）／∂ｚ²｝
Ｍ_z ^dc：ハード磁性探針の磁気モーメントの試料面に垂直な成分

カンチレバー８１実効的なバネ定数の時間変化Δｋ（ｔ）が、カンチレバー８１の本来のバネ定数ｋ₀と比較して、充分に小さい場合（Δｋ（ｔ）＜＜ｋ₀）、Δｋ（ｔ）は、探針８３の機械振動に狭帯域の周波数変調を誘起する。
ここで、周波数復調信号の、試料が生成する磁場と同相の成分（ｃｏｓ（ω_sｔ）成分）をロックイン検出することで、試料８０の表面に垂直方向の交流磁場Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）の振幅の勾配（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）の分布、または当該勾配の微分（∂²Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ²）の分布を測定することができる。

なお、本発明では、Ｈ_z0 ^acがゼロの場合、ロックイン検出するｃｏｓ（ω_mｔ）成分が消滅するので、交流磁場のゼロ検出が可能である。また、本発明では、Ｈ_z0 ^acの方向が反転すると、ｃｏｓ（ω_sｔ）の位相が１８０°変化するので、垂直磁場の上向き・下向きも同時に検出できる特徴をもつ。

実効的なバネ定数の時間変化Δｋ（ｔ）が誘起する狭帯域の周波数変調のスペクトルは、機械的に励振した共振角周波数ω₀（共振周波数ｆ₀）近傍の周波数成分の他に、一対のサイドバンドスペクトル（角周波数（ω₀±ω_s））の周波数成分を有する。
ここで、角周波数（ω₀±ω_s）の一対のサイドバンドスペクトルは、ω_sが増加すると、共振角周波数ω₀から遠ざかるので、共振効果がなくなる。これにより、カンチレバー８１の実効的なバネ定数が探針本来のバネ定数と変わらなくなり、探針８３が変位しにくくなる。
したがって、ω_sが増加したときには、周波数変調ＦＭが検出できなくなり、交流磁場の測定が困難になる場合がある。具体的には、周波数が数ＫＨｚを超えると交流磁場の検出が困難になる問題が生じる。

本発明は、周波数が数ＫＨｚより高い高周波磁場（典型的には、ＧＨｚ以上の周波数）を試料が発生する場合であっても、当該試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を、高分解能を維持したまま測定することができる交流磁場測定装置および交流磁場測定方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、従来、交流磁場の周波数が高くなると、探針装置の実効的なバネ定数が探針装置本来のバネ定数と変わらなくなり探針が変位しにくくなる、という上述の現象に起因する不都合を、探針の位置における試料からの交流磁場に加えて、外部から、周波数がわずかに異なる交流磁場を与えることにより解消できる、との知見を得て本発明をなすに至った。
すなわち、本発明では、磁性探針を、交流磁場で探針の磁化が時間変化しないハード磁性探針から、交流磁場で探針の磁化が時間変化するソフト磁性体からなる探針（以下、「ソフト磁性探針」とも言う）に変え、探針に試料からの交流磁場に加えて、外部から周波数がわずかに異なる交流磁場を印加することで生じる、時間変化する探針の磁化と交流磁場との間の磁気的相互作用を利用する。この磁気的相互作用を用いて、探針装置の実効的なバネ定数の時間変化を低い周波数に変換することで、高い周波数の交流磁場を測定することができる。

本発明の交流磁場測定装置は（１）〜（６）を要旨とする。
（１）
交流磁場を発生する試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する交流磁場測定装置であって：
磁性体からなる探針を備え、前記探針が前記試料から発生する交流磁場により磁化される（バネ振動を行う梁部材：基本的にはフックの法則に従う）探針装置と；
前記探針を励振周波数で励振する励振器と；
前記試料を駆動し、前記交流磁場を発生させて、前記探針の磁化を交流磁場の極性に応じて周期的に反転させる試料駆動源（典型的には探針磁化を、電流により発生する磁場で駆動する電源）と；
前記探針の位置に、前記試料駆動源から発生する交流磁場の周波数とわずかに異なる周波数の磁場（典型的には少なくとも１つの周波数成分を有する交流磁場）を生じさせる交流磁場発生装置と；
前記探針の振動を検出し、前記検出信号から、前記励振器による機械的振動に対して生じた変調信号（前記変調交流磁場により前記探針装置の実効的なバネ定数が変化することにより生じた信号）を抽出する信号抽出器と；
前記信号抽出器により抽出した信号に基づき、前記試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する交流磁場応答測定器と；
を備え、
たことを特徴とする交流磁場測定装置。
本発明で測定する、励磁用のコイルが形成された、交流磁場を発生する試料として、たとえば磁気記録ヘッドがある。磁気記録ヘッドは、薄膜プロセスにより作成される。なお、本明細書では、薄膜プロセスにより作成される磁気ヘッドの構成等は周知であるので、詳細な説明はしない。
本発明では、探針は、典型的には強磁性体であるが、常磁性体であってもよい。
本発明では、試料駆動源とわずかに異なる周波数の磁場を探針に印加する、交流磁場発生装置は、少なくとも１つ以上の周波数成分を有する。
（２）
（１）に記載の交流磁場測定装置であって：
交流磁場発生装置が、
交流磁場を発生するコイルと、
前記コイルに電流を流す変調用電源と、
ことを特徴とする交流磁場測定装置。
また、交流磁場発生装置は、典型的には、１つのコイルと１つの電流印加用電源から構成される。
コイルからの交流磁場の強度が小さいときに複数のコイルと付随する電流印加用電源により交流磁場を発生させることができる。
交流磁場発生装置は、１つのコイルと１つの電流印加用電源から構成される場合において、コイルには試料から発生する交流磁場の角周波数（ω_s）とわずかに異なる２つ以上の電流（たとえば、角周波数ω_s−ω_m、ω_s＋ω_m：ω_mは小さい値の角周波数）を流すことができる。これにより、コイルからは角周波数ω_s−ω_m、ω_s＋ω_mの交流磁場が発生する。
また、交流磁場発生装置は、たとえば複数（典型的には２つの）コイルと複数（典型的にはコイルと同数の）の電流印加用電源から構成することができる。コイルと電流印加用電源が２つの場合（コイルと電流印加用電源との組が２組）には、１方のコイルから角周波数ω_s−ω_mの交流磁場を発生させ、他方のコイルから角周波数ω_s＋ω_mの交流磁場を発生させることができる。
なお、コイルは、探針装置（カンチレバー）の先端（探針側または、ミラー側）に設けることができる。
（３）
（１）に記載の交流磁場測定装置であって、
前記信号抽出器が、
前記探針装置の振動を検出する探針振動検出器と、
前記振動検出装置により検出した振動にかかる信号から、前記振動検出装置に与えられた磁気信号に対応する信号を復調する復調回路と、
を備えた、
ことを特徴とする交流磁場測定装置。
（４）
（１）に記載の交流磁場測定装置であって、
前記探針装置が、
前記探針と、
前記探針が先端に設けられたカンチレバーと、
からなり、
前記励振器が、
交流電源と、
カンチレバーと、
を含む、
ことを特徴とする交流磁場測定装置。
（５）
（１）に記載の交流磁場測定装置であって、
さらに走査機構を備え、
前記走査機構は、前記探針装置の探針を前記試料に対して三次元移動させる、
ことを特徴とする交流磁場測定装置。
（６）
（５）に記載の交流磁場測定装置であって、
さらに画像表示装置を備え、
前記画像表示装置は、前記走査機構により走査した前記探針の前記試料の表面上での各位置での、前記試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定し、当該測定結果を画像表示する、
ことを特徴とする交流磁場測定装置。

本発明の交流磁場測定方法は（７）〜（１１）を要旨とする。
（７）
交流磁場を発生する試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を、磁性体からなる探針を備えた探針装置を用いて測定する交流磁場測定方法であって：
励振器により前記探針を励振周波数で励振する励振ステップ；
前記試料を駆動し、前記交流磁場を発生させて、前記探針の磁化を交流磁場の極性に応じて周期的に反転させるとともに、前記探針の位置に、前記試料駆動源から発生する交流磁場の周波数とわずかに異なる周波数の磁場（典型的には少なくとも１つの周波数成分を有する交流磁場）を生じさせることで前記探針の機械的振動を変調する、機械変調生成ステップ；
前記探針の振動を検出し、前記検出信号から、機械的振動に対して生じた変調信号（前記変調交流磁場により前記探針装置の実効的なバネ定数が変化することにより生じた信号）を抽出する信号抽出ステップ；および、
前記信号抽出器により抽出した信号に基づき、前記試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する測定ステップ；
を含む、
ことを特徴とする交流磁場測定方法。
（８）
（７）に記載の交流磁場測定方法であって、
前記信号抽出ステップは、振動検出ステップおよび復調ステップを含み、
前記振動検出ステップでは、前記探針装置の振動を検出し、
前記復調ステップでは、前記振動検出ステップにより検出した信号から、前記磁気信号に対応する信号を復調する、
交流磁場測定方法。
（９）
（７）に記載の交流磁場測定方法であって、
前記励振ステップでは、交流電源により圧電素子を駆動し、探針装置を励振する、
ことを特徴とする交流磁場測定方法。
（１０）
（７）に記載の交流磁場測定方法であって、
さらに走査ステップを含み、
前記走査ステップでは、前記探針を前記試料に対して三次元移動させる、
ことを特徴とする交流磁場測定方法。
（１１）
（１０）に記載の交流磁場測定方法であって、
さらに画像表示ステップを含み、
前記画像表示ステップでは、前記走査ステップにおいて走査した前記探針の前記試料の表面上での各位置での、前記試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定し、当該測定結果を画像表示する、
ことを特徴とする交流磁場測定方法。

探針に与えられる交流磁場の周波数が、前記探針に機械的な振動に変調を生じさせることができない程度に高い場合（たとえば、ＧＨｚ以上）であっても、高分解能を維持しつつ試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定することができる。
また、垂直磁場の上向き・下向きも同時に検出できる。

本発明（磁気特性測定装置および磁気特性測定方法）において、探針としてソフト磁性探針を用いた場合の作用を以下に説明する。なお、本発明の交流磁場測定方法は、本発明の交流磁場測定装置を用いて実施することができる。

本発明において、試料から発生した交流磁場は探針に与えられる。これと同時に探針の位置には、別途設けられた交流磁場発生装置から、周波数がわずかに異なる交流磁場（探針の磁化を時間変化させるための交流磁場）が与えられる。
試料は、たとえば、コイルが形成された磁気記録ヘッド（書き込みヘッド）である。
交流磁場発生装置が発生する交流磁場は、試料が発生する交流磁場（基本角周波数ω_s（基本周波数：ｆ_s、ω_s＝２πｆ_s））角周波数が異なる交流磁場成分を少なくとも１つ含む必要がある。
たとえば、スペクトラムに、基本角周波数ω_sと異なる交流磁場成分を１つ含む場合がある。
また、振幅変調（ＡＭ変調）や狭帯域の周波数変調（ＦＭ変調）の場合では、スペクトラムに、基本角周波数ω_sと異なる交流磁場成分を２つ含む。

まず、交流磁場発生装置が発生する交流磁場が、１つの周波数成分をもつ場合を以下に説明する。
この場合、試料から発生する交流磁場の基本角周波数ω_sは、数ＫＨｚより高くてもよく、ＧＨｚ以上でもよい。
探針の磁化は、次のようにして変調される。
試料に、基本角周波数（本実施例では、実際の使用時に試料に与える角周波数と同じ角周波数）ω_sの交流磁場を発生させる。
一方、探針に、試料以外から、角周波数ω_sとわずかに異なる角周波数ω_s＋ω_mまたはω_s−ω_m（ω_mは低角周波数）の交流磁場（本発明における、変調磁場）を印加する。ここで、ソフト磁性探針の磁化が、交流磁場発生装置からの交流磁場のみにより励磁される場合を考えると、探針は変調磁場により角周波数ω_s＋ω_mまたはω_s−ω_mで励磁され、探針の磁化が変調される。
これにより、探針は、角周波数ω_s−ω_mまたはω_s＋ω_mの変調磁場により励磁され、磁化が変調される。

探針に、以上のような変調した交流磁場を与えることにより、探針には、低角周波数（変調周波数）ω_mの交流磁気力が誘起される。この低角周波数ω_mの交流磁気力は、ソフト磁性探針と交流磁場との間の磁気的相互作用によるものである。
これにより、探針の機械的振動に周波数変調が生じ、この機械的な周波数変調を利用して、試料（磁気ヘッド）の交流磁場の応答性、あるいは、試料が発生する交流磁場（高周波磁場）の測定が可能となる。

以下に、角周波数ω_sの交流磁場を発生する試料の磁場の検出を、交流磁場発生装置を用いて、外部からソフト磁性探針に、この交流磁場の角周波数ω_sとわずかに異なる、ω_s＋ω_m（ω_mは低角周波数）の交流磁場を発生させて、ソフト磁性探針を励磁して行う場合について説明する。ここで、探針が変位する方向を試料面と垂直な方向とし、この方向をｚ方向とする。試料から発生する交流磁場のｚ成分を以下で表す。
Ｈ_z（ｔ）＝Ｈ_sample ^ac（ｔ）＝Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ） （数式１）
Ｈ_z0 ^ac：試料から発生する交流磁場（角周波数ω_s）の、試料面に垂直な成分の振幅
ω_s：試料から発生する交流磁場の角周波数
この場合、試料から発生する交流磁場の基本角周波数ω_sは、数ＫＨｚより高くてもよく、ＧＨｚ以上でもよい。
一方、交流磁場発生装置を用いて、探針に、外部から、角周波数ω_s＋ω_mを与える。ここで、交流磁場発生装置から発生する交流磁場のｚ成分を以下で表す。
Ｈ_z（ｔ）＝Ｈ_external ^ac（ｔ）
＝αＨ_z0 ^acｃｏｓ（（ω_s＋ω_m）ｔ） （数式２）
α：交流磁場発生装置が発生する試料面に垂直方向の交流磁場成分の振幅の、試料から発生する試料面に垂直方向の交流磁場成分の振幅に対する比率
ω_m：ω_sと比較して非常に低い角周波数（ω_m＜＜ω_s）

試料の交流磁場応答性を測定する際には、空間分解能を向上させるために、探針と試料との距離（「探針・試料間距離」と言う）を減少させる必要がある。前記探針・試料間距離の減少に伴い、探針の磁気的な挙動は、双磁極型（探針の磁化の磁気モーメントの両端の磁極が磁気力を受ける磁性探針の様態）から、単磁極型（探針の先端の磁極が受ける磁気力が主となる磁性探針の様態）に変化する。

最初にソフト磁性探針の磁化が、交流磁場発生装置からの交流磁場のみにより励磁される場合を考える。
ここでは、単磁極型のソフト磁性探針の場合について説明する。
交流磁場発生装置から探針に印加される交流磁場により、探針の先端には、次式の磁極が発生する。
ρ（ｔ）＝ρ_tip ^ac（ｔ）
＝ρ₀ ^acｃｏｓ（（ω_s＋ω_m）ｔ） （数式３）

試料から発生する交流磁場と、別途設けた交流磁場発生装置からの交流磁場により時間変化する、探針の磁極との相互作用により、実効的なバネ定数は次式のように与えられる。
Δｋ（ｔ）＝∂Ｆ_z／∂ｚ
＝ρ（ｔ）（∂Ｈ_z（ｔ）／∂ｚ）
＝ρ_tip ^ac（ｔ）（∂Ｈ_sample ^ac（ｔ）／∂ｚ）
＝ρ₀ ^acｃｏｓ（（ω_s＋ω_m）ｔ）
（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_sｔ）） （数式４）

上式から、低角周波数ω_mで時間変化する実効バネ定数成分Δｋ_lowは、次式で与えられる。
Δｋ_low
＝（１／２）ρ₀ ^ac（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_mｔ） （数式５）
上式は、Δｋ_lowのｃｏｓ（ω_mｔ）成分による探針振動の周波数変調（ＦＭ）を利用し、高周波磁場Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）を、低角周波数に周波数変換（ダウンコンバート）することで、高周波磁場の振幅（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）の測定が可能になることを意味する。

ここで、探針励磁用の交流信号に係わる、ｃｏｓ（ω_mｔ）成分の振幅をロックインアンプにより検出することで、（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）の分布を、直流成分を利用する場合と比較して、交流磁場を高感度かつ空間分解能が向上する試料表面近傍でイメージングすることができる。なお、直流成分を利用する場合には、試料表面近傍では、表面に起因する近距離力と磁気力の分離ができないので、交流磁場の計測は困難である。
試料面に垂直な磁場成分である、Ｈ_z0 ^acがゼロの場合、ロックイン検出による、ｃｏｓ（ω_mｔ）成分が消滅するので、磁場のゼロ検出が可能である。なお、直流成分を利用する場合には、磁場のゼロ検出は不可能である。
また、Ｈ_z0 ^acの方向が反転すると、ｃｏｓ（ω_sｔ）成分の位相が、次式のように、１８０°変化する。
（１／２）ρ₀ ^ac（−∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_mｔ）
＝（１／２）ρ₀ ^ac（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_mｔ±π） （数式６）
すなわち、本発明では、は垂直磁場の、上向き・下向きも同時に検出することができる。

上記の例では、探針を励磁する、交流磁場は、別途設けた交流磁場発生装置が発生する、角周波数がω_sとは異なる１つの周波数成分（ω_s＋ω_m）を持つ交流磁場であった。
次に、探針の磁化を励磁する、別途設けた交流磁場発生装置が２つの周波数成分を持つ典型的な例として、振幅変調した交流磁場を与える場合について説明する。このとき、交流磁場発生装置から探針に印加される交流磁場は、次式で与えられる。
Ｈ_z（ｔ）＝Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ＋Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_s−ω_m）ｔ
＝（２Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_mｔ））ｃｏｓ（ω_sｔ） （数式７）

この場合には、探針の磁化は、（数式７）の交流磁場により励磁され、これにより、単磁極型のソフト磁性探針の先端には、次式で与えられる磁極が発生する。
ρ（ｔ）＝ρ_tip ^ac（ｔ）
＝ρ₀ ^acｃｏｓ（（ω_s＋ω_m）ｔ）＋ρ₀ ^acｃｏｓ（（ω_s−ω_m）ｔ）
＝ρ₀ ^acｃｏｓ（ω_mｔ）ｃｏｓ（ω_sｔ） （数式８）

試料から発生する交流磁場と、別途設けた交流磁場発生装置より励磁された探針の磁極との相互作用により、実効的なバネ定数は時間変化し、次式で与えられる。
Δｋ（ｔ）＝∂Ｆ_z／∂ｚ
＝ρ（ｔ）（∂Ｈ_z（ｔ）／∂ｚ）
＝ρ_tip ^ac（ｔ）（∂Ｈ_sample ^ac（ｔ）／∂ｚ）
＝（ρ₀ ^acｃｏｓ（（ω_s＋ω_m）ｔ）
＋ρ₀ ^acｃｏｓ（（ω_s−ω_m）ｔ））
（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_sｔ） （数式９）

上式から、低角周波数の実効バネ定数成分Δｋ_lowは、次式で与えられる。
Δｋ_low＝ρ₀ ^ac（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_mｔ） （数式１０）
振幅変調した交流磁場を用いた場合、先に説明した１周波数の交流磁場の場合と比較して、ｃｏｓ（ω_mｔ）成分の信号強度が２倍になる特徴がある。

次にソフト磁性探針の磁化が、交流磁場発生装置からの交流磁場に加えて、試料からの交流磁場によっても励磁される場合を考える。
ここでは、単磁極型のソフト磁性探針の場合について説明する。
ここで、探針が変位する方向を試料面と垂直な方向（ｚ方向）とし、探針磁化を励磁する交流磁場の、試料面に垂直な成分を以下で表す。
Ｈ_z（ｔ）＝Ｈ_sample ^ac（ｔ）＋Ｈ_external ^ac（ｔ）
＝Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）＋αＨ_z0 ^acｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ （数式１１）
Ｈ_z0 ^ac：試料から発生する交流磁場（角周波数ω_s＋ω_m）の、試料面に垂直な成分の振幅
α：交流磁場発生装置から発生する試料面に垂直方向の交流磁場成分の振幅の、試料から発生する試料面に垂直方向の交流磁場成分の振幅に対する比率
ω_s：試料から発生する交流磁場の角周波数
ω_m：ω_sと比較して非常に低い角周波数（ω_m＜＜ω_s）
上記の交流磁場により、探針の先端には、次式の磁極が発生する。
ρ（ｔ）＝ρ_tip ^ac（ｔ）
＝ρ₀ ^acｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ＋βρ₀ ^acｃｏｓ（ω_sｔ） （数式１２）
ρ₀ ^ac：交流磁場発生装置から発生する交流磁場（角周波数ω_s＋ω_m）による探針先端の磁極密度（探針磁極）の振幅
β：試料からの交流磁場（角周波数ω_s）により発生する探針磁極の振幅の、交流磁場発生装置からの交流磁場により発生する探針磁極の振幅に対する比率

（数式１１）および（数式１２）より、実効的なバネ定数の時間変化は、次式で与えられる。
Δｋ（ｔ）＝∂Ｆ_z／∂ｚ
＝ρ（ｔ）（∂Ｈ_z（ｔ）／∂ｚ）
＝ρ_tip ^ac（ｔ）（∂Ｈ_sample ^ac（ｔ）／∂ｚ）
＝｛ρ₀ ^acｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ＋βρ₀ ^acｃｏｓ（ω_sｔ）｝
｛（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_sｔ）
＋α（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ｝ （数式１３）
（数式１３）から、直流を含む、低角周波数の実効バネ定数成分Δｋ_lowは、次式で与えられる。
Δｋ_low＝｛（α＋β）／２｝ρ₀ ^ac（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）
＋｛（１＋αβ）／２｝ρ₀ ^ac（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_mｔ）
（数式１４）

（数式１４）は、実効バネ定数成分Δｋ_lowのｃｏｓ（ω_mｔ）成分による探針振動の周波数変調（ＦＭ）を利用し、高周波磁場Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）を、低角周波数に周波数変換（ダウンコンバート）することで、高周波磁場の振幅（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）の測定が可能になることを意味する。
ここで、探針励磁用の交流信号に係わる、ｃｏｓ（ω_mｔ）成分の振幅をロックインアンプにより検出することで、（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）の分布を、直流成分を利用する場合と比較して、交流磁場を高感度でかつ空間分解能が向上する試料表面近傍でイメージングすることができる。なお、直流成分を利用する場合には、試料表面近傍では、表面に起因する近距離力と磁気力の分離ができないので、交流磁場の計測は困難である。

さらに、ｃｏｓ（ω_mｔ）成分を検出する本発明では、試料面に垂直な磁場成分である、Ｈ_z0 ^acがゼロの場合、ロックイン検出による、ｃｏｓ（ω_mｔ）成分が消滅するので、磁場のゼロ検出も可能である。なお、直流成分を利用する場合には、磁場のゼロ検出は不可能である。
また、Ｈ_z0 ^acの方向が反転すると、ｃｏｓ（ω_mｔ）成分の位相が、次式のように、１８０°変化する。
ρ₀ ^ac（−∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）｛（１＋αβ）／２｝ｃｏｓ（ω_mｔ）
＝ρ₀ ^ac（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）｛（１＋αβ）／２｝ｃｏｓ（ω_mｔ±π） （数式１５）
すなわち、本発明では、垂直磁場の方向（上向き・下向き）も同時に検出できる特徴を持つ。

上記の例では、探針磁化を励磁する交流磁場は、ω_sと（ω_s＋ω_m）の２つの周波数成分を持つ交流磁場であった。次に、探針磁化を励磁する交流磁場が３つの周波数成分を持つ代表例として、ω_sと（ω_s＋ω_m）および（ω_s−ω_m）の角周波数成分を有する、振幅変調した交流磁場を交流磁場発生装置から発生させる場合について説明する。

このとき、探針磁化を励磁する交流磁場は、次式で与えられる。
Ｈ_z（ｔ）＝Ｈ_sample ^ac（ｔ）＋Ｈ_external ^ac（ｔ）
＝Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）＋αＨ_z0 ^acｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ
＋αＨ_z0 ^acｃｏｓ（ω_s−ω_m）ｔ
＝Ｈ_z0 ^ac（１＋２αｃｏｓ（ω_mｔ））ｃｏｓ（ω_sｔ） （数式１６）
探針の先端には、次式で表される磁極が発生する。
ρ（ｔ）＝ρ_tip ^ac（ｔ）
＝ρ₀ ^acｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ＋ρ₀ ^acｃｏｓ（ω_s−ω_m）ｔ
＋βρ₀ ^acｃｏｓ（ω_sｔ） （数式１７）

（数式１６）および（数式１７）より、実効的なバネ定数の時間変化は、次式で与えられる。
Δｋ（ｔ）＝∂Ｆ_z／∂ｚ
＝ρ（ｔ）（∂Ｈ_z（ｔ）／∂ｚ）
＝ρ_tip ^ac（ｔ）（∂Ｈ_sample ^ac（ｔ）／∂ｚ）
＝｛ρ₀ ^acｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ＋ρ₀ ^acｃｏｓ（ω_s−ω_m）ｔ
＋βρ₀ ^acｃｏｓ（ω_sｔ）｝
｛（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_sｔ）
＋α（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ
＋α（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_s−ω_m）ｔ｝ （数式１８）

（数式１８）から、直流を含む、低角周波数の実効バネ定数成分Δｋ_lowは、次式で表される。
Δｋ_low＝｛（α＋β）｝ρ₀ ^ac（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）
＋｛（１＋αβ）｝ρ₀ ^ac（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_mｔ） （数式１９）
上記から、Δｋ_lowのｃｏｓ（ω_mｔ）成分による、探針振動の周波数変調（ＦＭ）を利用し、同様に高周波磁場の振幅（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）の測定が可能になることがわかる。
振幅変調した交流磁場を用いた場合、先に説明した１つの周波数の交流磁場の場合と比較して、ｃｏｓ（ω_mｔ）成分の信号強度が２倍になる特徴がある。

図１は本発明の交流磁場測定装置の一実施形態を示す説明図である。 図２は本発明の交流磁場測定方法を示すフローチャートである。 図３は従来技術（交流磁場測定装置）の説明図である。

図１は本発明の交流磁場測定装置を示す説明図であり、交流信号を与えることで交流磁場を発生する試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を探針装置により測定することができる。
図１において、交流磁場測定装置１は、探針装置（カンチレバー）１１と、励振器１２と、試料駆動源１３１と、交流磁場発生装置１３２と、信号抽出器１４と、交流磁場応答測定器１５と、走査機構１６と、画像表示装置１７とから構成されている。

図１では、探針装置１１は、カンチレバー１１２と、カンチレバー１１２の先端（自由端）に設けられたソフト磁性体からなる探針１１１により構成される。探針１１１はソフト磁性体から構成されており、探針１１１の先端の磁極の極性は、試料２が発生する磁場の極性に追従して変化する。
本実施形態では、探針１１１は、シリコン探針に保磁力が小さく飽和磁束密度の大きなＦｅＣｏ合金等を被覆して形成される。

励振器１２は、交流電源１２１と圧電素子（ピエゾ素子）１２２とからなり、探針１１１を励振する（機械振動させる）ことができる。交流電源１２１が圧電素子１２２に与える角周波数はω₀である。励振器１２は探針１１１を探針装置１１の固有振動数または固有振動数に近い角周波数ω₀（本実施形態では、周波数ｆ₀＝３００ｋＨｚ程度）で励振している。
なお、探針１１１が交流磁場Ｈ₀の影響を受けることで探針装置１１の実効的な（みかけ上の）バネ定数が変化する。これにより、探針１１１の振動に周波数変調が生じる。

試料駆動源１３１は、角周波数ω_sの交流電流を出力する電源（電流源または電圧源）である。試料駆動源１３１は、試料２を駆動し、試料２から角周波数ω_sの交流磁場を発生させ、探針１１１の磁化を交流磁場の極性に応じて周期的に反転させる。すなわち、試料駆動源１３１は、試料２のコイル２１に交流電流を流し、試料２から角周波数ω_sの交流電流を発生させる。
交流磁場発生装置１３２は、コイル１３２１と、電源１３２２とからなり、電源１３２２はコイル１３２１に電流を流し、コイル１３２１は交流磁場を発生する。すなわち、交流磁場発生装置１３２は、探針１１の位置における角周波数ω_sの交流磁場Ｈ₀ｃｏｓ（ω_sｔ｝（試料２から発生した交流磁場）と周波数がわずかに異なる、探針磁化を励磁するための磁場（ω_sと異なる１つ以上の周波数成分を有する）を探針１１１の位置に、印加する。
すなわち、交流磁場発生装置１３２は、角周波数ω_sの交流磁場と角周波数がわずかに異なる角周波数（ω_s±ω_m）の交流磁場Ｈ₀ｃｏｓ｛（ω_s±ω_m）ｔ｝を探針１１１に与える。
図１では、試料２はコイル２１を備えた磁気発生装置であり、試料２に与えられる交流信号（ω_s±ω_m）は、コイル２１に流される交流電流である。なお、試料２は、典型的には、ハードディスクの書込み用の磁気ヘッドである。

信号抽出器１４は、探針振動検出器１４１と、復調回路１４２とからなる。
探針振動検出器１４１は、探針１１１の振動を検出する。探針振動検出器１４１は、レーザ１４１１と光センサ（フォトダイオード）１４１２からなる。

探針１１１は、交流磁場が与えられていないときには、角周波数ω₀で振動しているが交流磁場が与えられると機械振動に周波数変調を受ける。本発明では、交流磁場は変調された高周波数磁場であり、探針装置１１は変調周波数ω_mでバネ定数が変化するように振舞う。したがって、探針１１１の角周波数ω₀で振動している探針１１１は、変調周波数ω_mで変調を受けるようになる。
復調回路１４２は、探針振動検出器１４１の検出信号を入力し、検出信号に含まれる探針１１１の機械振動に生じた変調信号（振動周波数がω₀から周期的に変調周波数で時間変化する変調信号）から変調角周波数ω_mの信号を復調することができる。

交流磁場応答測定器１５は、復調回路１４２により復調した信号に基づき、試料２の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する。言い換えると、交流磁場応答測定器１５は、変調周波数ω_mの信号は探針１１１の振動の周波数変調の程度より、試料２の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する。
交流磁場応答測定器１５は、ロックインアンプ１５１、振幅測定回路１５２、位相測定回路１５３、同相成分測定回路１５４および直交成分測定回路１５５から構成することができる。
空間分解能向上のために、探針・試料間距離を減少させた場合に対応する、上述した単磁極型のソフト磁性探針の場合には、ロックインアンプ１５１の出力から、振幅測定回路１５２は周期変動磁場∂Ｈ_m／∂ｚの振幅を検出できるし、位相測定回路１５３は周期変動磁場∂Ｈ_zm／∂ｚの位相を検出できる。

走査機構１６は、探針装置１１を試料２に対して相対移動させることで探針１１１を試料２の面の上で走査させることができる。たとえば、走査機構１６は、三次元移動ステージ（Ｘ−Ｙ−Ｚ方向に移動できるステージ）とすることができる。三次元移動ステージには、試料２が取り付けられる。
走査機構１６による走査に際して、探針１１１と試料２との距離を予め検出しておくことができる。本実施形態では、走査機構１６の機能が探針・試料間距離の調整を行うように構成されている。

画像表示装置１７は、コンピュータとディスプレイから構成できる。画像表示装置１７は、試料２の表面の交流磁場（または、交流磁場応答性）の測定結果を、走査機構１６の走査位置情報（本実施形態では、ｘｙ座標情報またはｘｙｚ座標情報）をメモリに記憶しておくことができる。そして、画像表示装置１７は、走査位置情報に対応させて交流磁場（または、交流磁場応答性：各位置における磁場の強度）を二次元表示または三次元表示する。
画像表示装置１７は、走査機構１６により走査された探針１１１の試料２の面の上での多数の位置で、試料２の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定し、測定結果をメモリに記憶しておくことができる。そして、測定結果を画像表示することができる。

図２は本発明の交流磁場測定方法を示すフローチャートである。
図２に示す、ステップＳ１１０〜２００の処理は、上述した本発明の交流磁場測定装置における各構成要素（探針装置１１、励振器１２、試料駆動源１３１、交流磁場発生装置１３２、信号抽出器１４、交流磁場応答測定器１５、走査機構１６および画像表示装置１７）により行われる。

走査機構１６が走査を開始する（初期座標Ｘ＝０，Ｙ＝０に、座標がセットされる）（Ｓ１１０）。
試料駆動源１３１は、角周波数ω_sの交流信号で試料２を駆動し、試料２は角周波数ω_sの交流磁場を発生し、探針１１１に与える。交流磁場発生装置１３２は、角周波数ω_sとわずかに角周波数の異なる（角周波数差：ω_m）の交流磁場を発生し、探針１１１に与える（Ｓ１２０）。
励振器１２により、探針１１１を励振し（機械振動させ）、探針１１１を２つ以上の周波数成分を持つ交流磁場で励磁し、交流磁場と探針磁化の磁気的相互作用により実効的なバネ定数を変化させる（Ｓ１３０）。
信号抽出器１４の一部を構成する探針振動検出器１４１は、探針１１１の振動を検出し検出信号を生成する（Ｓ１４０）。
信号抽出器１４の一部を構成する復調回路１４２は、検出信号に含まれる探針１１１の機械振動に生じた変調信号（機械的な変調による信号）を復調する（Ｓ１５０）。
交流磁場応答測定器１５は、復調した信号に基づき、試料２の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する（Ｓ１６０）。探針１１１の振動に生じる周波数変調の程度より、試料２の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する。
交流磁場応答測定器１５は、測定結果を記憶装置（図１の符号１７１参照）に格納する（Ｓ１７０）。
交流磁場応答測定器１５は、走査機構１６が全座標を走査したかを判断する（Ｓ１８０）。
走査機構１６が全座標を走査していないときは、処理がＳ１２０に戻され、新たな座標についてＳ１２０〜１８０の処理が行われる。
走査機構１６が全座標を走査したときは、画像表示装置１７に、測定結果が画像表示される（Ｓ１９０）。

１ 交流磁場測定装置
２ 試料
１１ 探針装置
１２ 励振器
１３ 試料駆動源
１４ 信号抽出器
１５ 交流磁場応答測定器
１６ 走査機構
１７ 画像表示装置
２１ コイル
１１１ 探針
１１２ カンチレバー
１２１ 交流電源
１２２ 圧電素子（ピエゾ素子）
１３１ 試料駆動源
１３２ 交流磁場発生装置
１４１ 探針振動検出器
１４２ 復調回路
１５１ ロックインアンプ
１５２ 振幅測定回路
１５３ 位相測定回路
１５４ 同相成分測定回路
１５５ 垂直成分測定回路
１７１ 記憶装置
１４１１ レーザ
１４１２ 光センサ（フォトダイオード）

Claims (11)

1. 交流磁場を発生する試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する交流磁場測定装置であって：
   磁性体からなる探針を備え、前記探針が前記試料から発生する交流磁場により磁化される（バネ振動を行う梁部材：基本的にはフックの法則に従う）探針装置と；
   前記探針を励振周波数で励振する励振器と；
   前記試料を駆動し、前記交流磁場を発生させて、前記探針の磁化を交流磁場の極性に応じて周期的に反転させる試料駆動源（典型的には探針磁化を、電流により発生する磁場で駆動する電源）と；
   前記探針の位置に、前記試料駆動源から発生する交流磁場の周波数とわずかに異なる周波数の磁場（典型的には少なくとも１つの周波数成分を有する交流磁場）を生じさせる交流磁場発生装置と；
   前記探針の振動を検出し、前記検出信号から、前記励振器による機械的振動に対して生じた変調信号（前記変調交流磁場により前記探針装置の実効的なバネ定数が変化することにより生じた信号）を抽出する信号抽出器と；
   前記信号抽出器により抽出した信号に基づき、前記試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する交流磁場応答測定器と；
   を備え、
   たことを特徴とする交流磁場測定装置。
2. 請求項１に記載の交流磁場測定装置であって：
   交流磁場発生装置が、
   交流磁場を発生するコイルと、
   前記コイルに電流を流す変調用電源と、
   を備えた、
   ことを特徴とする交流磁場測定装置。
3. 請求項１に記載の交流磁場測定装置であって：
   前記信号抽出器が、
   前記探針装置の振動を検出する探針振動検出器と、
   前記振動検出装置により検出した振動にかかる信号から、前記振動検出装置に与えられた磁気信号に対応する信号を復調する復調回路と、
   を備えた、
   ことを特徴とする交流磁場測定装置。
4. 請求項１に記載の交流磁場測定装置であって：
   前記探針装置が、
   前記探針と、
   前記探針が先端に設けられたカンチレバーと、
   からなり、
   前記励振器が、
   交流電源と、
   カンチレバーと、
   を含む、
   ことを特徴とする交流磁場測定装置。
5. 請求項１に記載の交流磁場測定装置であって：
   さらに走査機構を備え、
   前記走査機構は、前記探針装置の探針を前記試料に対して三次元移動させる、
   ことを特徴とする交流磁場測定装置。
6. 請求項５に記載の交流磁場測定装置であって：
   さらに画像表示装置を備え、
   前記画像表示装置は、前記走査機構により走査した前記探針の前記試料の表面上での各位置での、前記試料の交流磁場応答性を測定し、当該測定結果を画像表示する、
   ことを特徴とする交流磁場測定装置。
7. 交流磁場を発生する試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を、磁性体からなる探針を備えた探針装置を用いて測定する交流磁場測定方法であって：
   励振器により前記探針を励振周波数で励振する励振ステップ；
   前記試料を駆動し、前記交流磁場を発生させて、前記探針の磁化を交流磁場の極性に応じて周期的に反転させるとともに、前記探針の位置に、前記試料駆動源から発生する交流磁場の周波数とわずかに異なる周波数の磁場（典型的には少なくとも１つの周波数成分を有する交流磁場）を生じさせることで前記探針の機械的振動を変調する、機械変調生成ステップ；
   前記探針の振動を検出し、前記検出信号から、機械的振動に対して生じた変調信号（前記変調交流磁場により前記探針装置の実効的なバネ定数が変化することにより生じた信号）を抽出する信号抽出ステップ；および、
   前記信号抽出器により抽出した信号に基づき、前記試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する測定ステップ；
   を含む、
   ことを特徴とする交流磁場測定方法。
8. 請求項７に記載の交流磁場測定方法であって：
   前記信号抽出ステップは、振動検出ステップおよび復調ステップを含み、
   前記振動検出ステップでは、前記探針装置の振動を検出し、
   前記復調ステップでは、前記振動検出ステップにより検出した信号から、前記磁気信号に対応する信号を復調する、
   交流磁場測定方法。
9. 請求項７に記載の交流磁場測定方法であって：
   前記励振ステップでは、交流電源により圧電素子を駆動し、探針装置を励振する、
   ことを特徴とする交流磁場測定方法。
10. 請求項７に記載の交流磁場測定方法であって：
    さらに走査ステップを含み、
    前記走査ステップでは、前記探針を前記試料に対して三次元移動させる、
    ことを特徴とする交流磁場測定方法。
11. 請求項１０に記載の交流磁場測定方法であって：
    さらに画像表示ステップを含み、
    前記画像表示ステップでは、前記走査ステップにおいて走査した前記探針の前記試料の表面上での各位置での、前記試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定し、当該測定結果を画像表示する、
    ことを特徴とする交流磁場測定方法。