JP2764102B2 - 磁気特性測定装置 - Google Patents

磁気特性測定装置

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JP2764102B2 JP3120316A JP12031691A JP2764102B2 JP 2764102 B2 JP2764102 B2 JP 2764102B2 JP 3120316 A JP3120316 A JP 3120316A JP 12031691 A JP12031691 A JP 12031691A JP 2764102 B2 JP2764102 B2 JP 2764102B2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
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    • G01R33/16Measuring susceptibility

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  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、物質の磁気特性を測定
する装置に関するものであり、詳しくは、磁性薄膜や磁
気記録材料の帯磁率あるいは生体の磁気特性を超高感度
に測定し得る磁気特性測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の磁気特性測定装置としては、種々
のものが提案されている。例えば、ファラデー法は、一
定の磁場中に置かれた試料に作用する磁気力に対して、
力学的にバランスさせるために、力学系に印加する駆動
電流の大きさから試料の磁気特性を測定するものであ
る。また、試料振動法は一定の磁場中で可動コイルに取
付けられた試料を振動させた時、試料の磁気特性によっ
て、可動コイルに誘起する電流が影響を受ける性質を利
用したものである。さらに、図8に示すものは一定の磁
場を発生する電磁石16とともに、変調コイル17によ
り交番磁場を石英棒18の先端に取り付けられた試料1
9に印加して振動させ、その振動を石英棒18の根元に
取り付けられた電歪素子20によって電気信号に変換し
て振動を解析することにより試料19の磁気特性を測定
するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たファラデー法や試料振動法では、測定中に一定磁場が
印加されているため、電源のリップルやスイッチングノ
イズ等に起因する磁場ノイズにより、測定感度に限界が
ある。さらに、図8に示す測定装置では、磁場ノイズの
影響とともに、振幅を電気信号に変換する電歪素子の特
性上の限界から、高感度化は難しかった。
【0004】そこで本発明の目的は磁場ノイズの影響を
受けずに、比較的簡単な構造で超高感度に試料の磁気特
性を測定する装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明においては、試料
に作用する磁場を発生させるための電磁石として、パル
ス電磁石を用い、パルス状あるいはサイン波形状の単発
磁場あるいは一定時間だけの周期的磁場を発生させる。
また、試料はバランス機構、例えば天秤,バネ,振り子
等の単純な力学的振動系に吊り下げる。さらに、力学的
振動系の振幅を非接触かつ高分解能で検出可能な、例え
ばレーザ微小距離計のような変位検出手段を設ける構成
とした。
【0006】
【作用】力学的振動系に吊るした試料を、空間的磁場勾
配(dH(t)/dz)と磁場強度(H(t))の積が
最大となる位置に置く。この時試料の受ける力Fは、試
料の帯磁率をχとすると、 F=χH(t)dH(t)/dz ・・・ (1) となる。この力を受けて、力学的振動系が振動を始め、
その振動振幅を変位検出手段により検出する。試料に作
用する磁場は単発磁場であり、所定時間後に消滅する
が、印加時間と力学的振動系の振動周期を共鳴関係に設
定することにより振動振幅の拡大が可能となる。そして
振動振幅の検出は磁場消滅後の自由振動状態で行うた
め、磁場ノイズの影響を避けることができる。得られた
振動振幅と、印加した磁場強度から試料の磁気特性の一
つである帯磁率がノイズフリーのもとに求められる。
【0007】上記のような手段、作用により本発明の装
置では、10-12 emuオーダの感度が実現可能であ
る。そのため、微量の試料でも測定ができるため、例え
ば細菌類の挙動を磁気特性の面から追跡するようなバイ
オテクノロジーの分野への応用も可能となる。また、磁
気異方性を有する試料の磁気特性を容易に測定できる
他、装置自体の磁気特性が測定結果に及ぼす影響を除去
することも可能となる。
【0008】
【実施例】以下に本発明の実施例について図面に基づい
て説明する。図1は本発明の基本構成を示す概略図であ
る。同図において、磁気的特性を測定しようとする試料
1が石英製の支持棒2を介して、天秤3の一方のさお3
aに吊り下げられている。天秤3の他方のさお3bには
天秤3を支点3cに関して平衡に保つためのカウンター
バランス4が吊り下げられている。電磁石5は試料1に
作用させる磁気力を発生させる空芯コイルであり、電磁
石駆動装置13により駆動される。試料1は空芯部に発
生する磁場の勾配と磁場強度の積が最大となる位置に置
かれている。そして試料1近傍に発生する磁場をモニタ
するための磁場センサ6および磁場センサ6の出力から
磁場を計測する磁場計測装置7により、試料1に印加さ
れる磁場の強度を計測する。レーザ微小距離計8は試料
1に磁気力が印加された際の天秤3の不平衡運動(振
動)をモニタするためのものである。
【0009】ヘッドユニット9の発光部からさお3bの
端部に取り付けられた反射板11にレーザ光を照射し、
反射光をヘッドユニット9の受光部で検出し、計測ユニ
ット10により天秤3の振動状態における微小な振幅を
計測する。そして計測された磁場強度と振動振幅からデ
ータ処理装置12により、試料1の磁気特性が求められ
る。
【0010】図2は磁気特性の一つである帯磁率(χ)
を測定する際の基準試料として用いられる、常磁性塩の
モール塩20mg(χ=6.2×10-7emu)を本装
置により測定した例である。図2(A)は試料に印加し
たパルス磁場で強度はH=0.36テスラ(T)であ
る。図2(B)は、図2(A)のパルス磁場により生じ
た天秤3の振動波形であり、振動周期はT0 =1.4s
ecである。図2(B)の振動波形は、減衰を伴う自由
振動を示しており、パルス磁場が消滅した後、徐々に振
幅が減少する。この減衰振動波形の包絡線を求めること
により、パルス磁場が消滅した直後の振幅Pが得られ
る。すなわち、パルス磁場によるノイズの影響を受ける
ことなく、振幅Pが得られることになる。
【0011】図3は図2と同様の測定を、磁場強度を変
えて行った結果であり、振幅Pが磁場強度の二乗に比例
することが確認できる。さらに図3には、10mgのモ
ール塩(χ=3.1×10-7emu)に対する測定結果
も併せて示している。このグラフも振幅Pと磁場強度の
二乗に関して良好な線形関係にある。図4は反磁性物質
である石英48mg(χ=2.4×10-8emu)を本
装置により測定した例である。印加磁場に対する運動の
方向は常磁性物質の場合と反対になるが、振幅Pと磁場
強度の二乗の関係は図3と同様線形である。
【0012】図3,図4の様に、既知の帯磁率の試料に
対する測定結果から、図5に示すような検量線が得られ
る。すなわち、帯磁率(χ)が未知の試料に対して、所
定の磁場強度を印加した時の振幅Pから帯磁率χを求め
ることができる。また、この検量線に相当するデータを
ルックアップテーブルとしてメモリに記憶し、数値演算
によって帯磁率を算出する構成とすることも可能であ
る。
【0013】次に、本装置は磁気異方性を有する反磁性
物質の異方性帯磁率(Δχ)を測定する場合や、測定装
置自体の帯磁率の影響による測定値の変動を除去する場
合にも有用であることを述べる。図6は本装置に用いら
れる磁場発生用空芯コイル14の空芯部14aの磁場分
布Hを示す説明図である。この磁場分布Hからわかるよ
うに、空芯部14aには、磁場勾配と磁場の強度の積が
最大となる位置がA点とB点の2箇所存在する。
【0014】本装置においては、試料を保持する支持棒
は磁場の影響を受けにくい石英を使用しているが、装置
の感度が高くなると、測定値に及ぼす石英の帯磁率の影
響が無視できなくなる。この場合は、図6において石英
の支持棒をA点までではなく、空芯部14aを貫通する
まで延伸させるようにする。この時、空芯部14aの上
半分と下半分で、支持棒には大きさが等しく、反対方向
の磁気力が作用するため、互いに相殺することによっ
て、支持棒の帯磁率の影響を除去することができ、超高
感度の測定が可能となる。
【0015】さらに、A点とB点に置かれた試料が同一
の磁気特性を有する場合は、磁気力はそれぞれ反対方向
に作用し、互いに相殺することになる。一方、A点とB
点にそれぞれ磁気特性、例えば帯磁率の異なる試料を置
いた場合、磁気力はそれぞれの帯磁率の差分に相当する
量だけ力学的振動系(天秤)に作用することになる。例
えば図7に示す反磁性を有する生体物質である円盤状の
赤血球15は円盤面に沿った方向の帯磁率χ1と円盤面
に垂直な方向の帯磁率χ2が異なっているが、図6のA
点に図7(A)の向きの赤血球を、また図6のB点に図
7(B)の向きの赤血球を置くことにより、赤血球の異
方性帯磁率Δχ=χ1−χ2を求めることができる。
【0016】磁気特性として、試料の帯磁率(χ)を測
定する場合、本装置の測定感度は試料に印加される磁場
強度の二乗、磁場印加時間、天秤の振動周期に比例す
る。測定感度は天秤の振動振幅に相当するため、所定の
磁場印加時間および振動周期の条件下で生じる振動振幅
は、磁場強度の二乗に比例することになる。すなわち、
測定感度を向上させるためには、磁場強度を大きくする
こと、振動振幅の測定分解能を向上させること、振動振
幅を拡大すること等の方策が考えられる。
【0017】磁場強度に関しては、本発明の実施例では
0.3テスラで6×10-9emu程度の感度が得られて
おり(図3,図4参照)、実現可能なレベルである10
テスラの磁場を印加した場合、感度は約1000倍向上
する。本実施例では単発の磁場を印加する場合を示した
が、この単発磁場を天秤の自由振動周期に同期させて一
定時間繰り返すことにより、共振させて振動振幅を拡大
することもできる。また振動振幅の測定分解能は、本発
明の実施例では2μmであるが、これも比較的容易に向
上させることができる。さらに、振動振幅を拡大する点
については、天秤のカウンターバランス側のさおを試料
側のさおをより長くすることにより、両方のさおの長さ
の比の分だけ試料の振動振幅を拡大することが可能であ
る。これ等の方策により、本装置の測定感度を10-12
emu以下とすることは比較的容易に実現できる。この
値は、現状で最も感度が高いとされているSQUID
(超伝導量子干渉素子)法より、さらに10〜100倍
高いものである。しかも本装置はSQUID法のように
超伝導のための極低温雰囲気が不要であり、非常に簡単
な構成で超高感度の測定を可能とするものである。
【0018】
【発明の効果】本発明の磁気特性測定装置によれば、単
発磁場を発生させるパルス電磁石と力学的振動系と変位
検出手段による構成で、力学的振動系の振動振幅を単発
磁場の消滅後に検出することにより、磁場ノイズの影響
を除去した高感度の測定を簡単な構成で実現できるとい
う効果がある。
【0019】さらに磁気異方性を有する物質の磁気特性
を容易に測定できる他、装置自体の磁気特性が測定結果
に及ぼす影響を除去することも可能になるという種々の
効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本構成を示す概略図である。
【図2】(A)は試料に印加したパルス磁場の波形図、
(B)は天秤の振動波形図である。
【図3】モール塩に対する磁場強度と、振動振幅の関係
を示す図である。
【図4】石英に対する磁場強度と、振動振幅の関係を示
す図である。
【図5】振動振幅から試料の帯磁率を求めるための検量
線を示す図である。
【図6】磁場発生用空芯コイルの磁場分布を示す説明図
である。
【図7】(A)は赤血球の円盤面に沿った方向の帯磁率
を示す図、(B)は円盤面と垂直方向の帯磁率を示す図
である。
【図8】従来の磁気特性測定装置の概略図である。
【符号の説明】
1 試料 2 支持棒 3 天秤 3a,3b さお 3c 支点 4 カウンターバランス 5 電磁石 6 磁場センサ 11 反射板

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料の磁気特性を測定する装置におい
    て、前記試料に一定時間のみ磁気力を印可する磁場発生
    手段と、前記磁気力の印加により生じる前記試料の運動
    を検出する運動検出手段と、前記試料近傍に発生する磁
    場を検出する磁場検出手段を備え、前記運動検出手段
    は、前記試料が力学的に平衡状態を保つよう構成された
    バランス機構と、前記試料の運動により前記バランス機
    構の変位を検出する変位検出機構を有し、前記運動検出
    手段の検出結果は、前記磁場発生手段による磁気力の印
    加が解除された後の前記バランス機構の自由振動状態で
    の検出結果であり、前記磁場検出手段の検出結果と前記
    運動検出手段の検出結果から、前記試料の磁気特性を求
    める構成であることを特徴とする磁気特性測定装置。
  2. 【請求項2】 試料の磁気特性を測定する装置におい
    て、前記試料に一定時間のみ磁気力を印可する磁場発生
    手段と、前記磁気力の印加により生じる前記試料の運動
    を検出する運動検出手段と、前記試料近傍に発生する磁
    場を検出する磁場検出手段を備え、前記運動検出手段
    は、前記試料が力学的に平衡状態を保つよう構成された
    バランス機構と、前記試料の運動により前記バランス機
    構の変位を検出する変位検出機構を有し、前記バランス
    機構は、記試料の保持部が少なくとも2箇所設けら
    れ、前記各保持部は前記磁場発生手段中の磁場分布の上
    で対称となる位置に配置され、 前記磁場検出手段の検出結果と前記運動検出手段の検出
    結果から、前記試料の磁気特性を求める構成であること
    を特徴とする磁気特性測定装置。
JP3120316A 1991-05-24 1991-05-24 磁気特性測定装置 Expired - Lifetime JP2764102B2 (ja)

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