JP5975535B2 - 交流磁場の磁気プロファイル測定装置および磁気プロファイル測定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、励振したカンチレバーの先端に設けた探針により、交流磁場が存在する空間を走査することで、当該空間の磁気プロファイルや交流磁場発生デバイスの磁気プロファイルを測定する技術に関する。
本発明は、特に、位相が初期値のままの画像データ（初期データ）を用いて位相を任意に調整した磁場分布画像（具体的には、垂直磁場分布画像および／または面内磁場分布画像）を得ることができる磁気プロファイル測定装置および磁気プロファイル測定方法に関する。
本発明は、特に、位相が初期値のままの画像データ（初期データ）を用いて位相を任意に調整した磁場分布画像（具体的には、垂直磁場分布画像および／または面内磁場分布画像）を得ることができる磁気プロファイル測定装置および磁気プロファイル測定方法に関する。
従来、被測定対象の磁気プロファイルを得る装置として、磁気力顕微鏡（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＭＦＭ）が知られている。
ＭＦＭでは、直流磁場（ＤＣ磁場）を観察するものと交流磁場（ＡＣ磁場）を観察するものがある。本発明は、交流磁場を観察するＭＦＭにかかる技術なので、以下、交流磁場を観察するＭＦＭの従来技術について説明する。
ＭＦＭでは、直流磁場（ＤＣ磁場）を観察するものと交流磁場（ＡＣ磁場）を観察するものがある。本発明は、交流磁場を観察するＭＦＭにかかる技術なので、以下、交流磁場を観察するＭＦＭの従来技術について説明する。
図１０は、ＭＦＭを用いた従来の磁気プロファイル測定装置８の説明図である（特許文献１参照）。磁気プロファイル測定装置８は、カンチレバー８１を備えており、カンチレバー８１の先端には磁性を帯びた探針８１１が設けられている。
この磁気プロファイル測定装置８は、交流磁場発生デバイス８８が生成した交流磁場が存在する空間の磁気プロファイル（磁場分布状態）を測定できる。また、磁気プロファイル測定装置８は、交流磁場発生デバイス８８自体の磁気プロファイル（たとえば、ハードディスクの書き込みヘッドの表面の磁気特性）を測定することができる。
この磁気プロファイル測定装置８は、交流磁場発生デバイス８８が生成した交流磁場が存在する空間の磁気プロファイル（磁場分布状態）を測定できる。また、磁気プロファイル測定装置８は、交流磁場発生デバイス８８自体の磁気プロファイル（たとえば、ハードディスクの書き込みヘッドの表面の磁気特性）を測定することができる。
図１０では、カンチレバー８１は励振器８２により、共振周波数ないし共振周波数に近い周波数で励振される。
たとえば、カンチレバー８１の励振周波数は、その共振周波数近傍（たとえば、３００ｋＨｚ程度）とすることができる。ここで、交流磁場発生デバイス８８が発生する交流磁場の周波数も、カンチレバー８１の励振周波数と同様に、カンチレバー８１の共振周波数近傍にすることができる。
たとえば、カンチレバー８１の励振周波数は、その共振周波数近傍（たとえば、３００ｋＨｚ程度）とすることができる。ここで、交流磁場発生デバイス８８が発生する交流磁場の周波数も、カンチレバー８１の励振周波数と同様に、カンチレバー８１の共振周波数近傍にすることができる。
探針８１１に交流磁場を印加すると、その先端に形成した探針８１１は磁気的励振力を直接受ける。
この磁気的励振力は、励振器８２により機械的に励振されているカンチレバー８１の振動の振幅と位相を直接変化させる。
したがって、カンチレバー８１の励振周波数を一定とした場合には、この交流磁場による直接的な磁気的励振力により、探針８１１の振動は振幅変調と同時に位相変調を受ける。
この振幅や位相が変調された振動をたとえば光学検出することで、探針８１１と交流磁場発生デバイス８８との間に生じる磁気力に対応する磁気信号を復調することができる。
この磁気的励振力は、励振器８２により機械的に励振されているカンチレバー８１の振動の振幅と位相を直接変化させる。
したがって、カンチレバー８１の励振周波数を一定とした場合には、この交流磁場による直接的な磁気的励振力により、探針８１１の振動は振幅変調と同時に位相変調を受ける。
この振幅や位相が変調された振動をたとえば光学検出することで、探針８１１と交流磁場発生デバイス８８との間に生じる磁気力に対応する磁気信号を復調することができる。
また、走査機構８５は、探針８１１により交流磁場が存在する空間を走査することができる。これにより、磁気プロファイル測定装置８は、交流磁場発生デバイス８８の磁気プロファイルを、磁場分布画像として取得することができる。
図１０では、カンチレバー８１は励振器８２により、共振周波数ないし共振周波数に近い周波数で励振される例を説明したが、交流磁場発生デバイス８８の交流磁場発生周波数は、カンチレバーの共振周波数と大きく異なる周波数であってもよい。
たとえば、カンチレバー８１の励振周波数が３００ｋＨｚ程度である場合、交流磁場発生デバイス８８の交流磁場発生周波数が１〜１００ｋＨｚの範囲にあれば、上述した磁場分布画像を取得することができる。
たとえば、カンチレバー８１の励振周波数が３００ｋＨｚ程度である場合、交流磁場発生デバイス８８の交流磁場発生周波数が１〜１００ｋＨｚの範囲にあれば、上述した磁場分布画像を取得することができる。
すなわち、カンチレバー８１の先端に形成した探針８１１を、交流磁場発生デバイス８８が発生する交流磁場中に置いたとする。この場合に、探針８１１と交流磁場発生デバイス８８との間には、非共振の交流磁気力が生じる。
しかし、この非共振の交流磁気力は単独では、カンチレバー８１を振動させることはできず、したがって交流磁場信号を取得することができない。
そこで、探針８１１と交流磁場発生デバイス８８との間に非共振の交流磁気力を生じさせると同時に、カンチレバー８１を共振周波数近傍で圧電素子等の励振器８２を用いて励振させる。これにより、交流磁場信号の検出ができるようになる。
しかし、この非共振の交流磁気力は単独では、カンチレバー８１を振動させることはできず、したがって交流磁場信号を取得することができない。
そこで、探針８１１と交流磁場発生デバイス８８との間に非共振の交流磁気力を生じさせると同時に、カンチレバー８１を共振周波数近傍で圧電素子等の励振器８２を用いて励振させる。これにより、交流磁場信号の検出ができるようになる。
ところで、このように探針８１１と交流磁場発生デバイス８８との間に非共振の交流磁気力を生じさせると同時に、カンチレバー８１を共振周波数近傍で励振させた場合、非共振の交流磁気力により、カンチレバー８１は、あたかもバネ定数が周期的に変化したように振る舞う。この見かけ上のバネ定数の周期的な変化により、カンチレバー８１の振動に周波数変調が生じる。
カンチレバー８１の周波数変調された振動は、レーザ（ＬＡＳＥＲ）とフォトダイオード（ＰＤ）からなる振動センサー８３によりたとえば光学的に検出することができる。交流磁気力信号復調器８４は、この検出信号を取り込んで、交流磁気力信号を復調することができる。
走査機構８５は、探針８１１を、交流磁場が存在する空間で走査することができるので、磁気プロファイル測定装置８は、交流磁場発生デバイス８８の磁気プロファイルを、磁場分布画像として取得することができる。
走査機構８５は、探針８１１を、交流磁場が存在する空間で走査することができるので、磁気プロファイル測定装置８は、交流磁場発生デバイス８８の磁気プロファイルを、磁場分布画像として取得することができる。
一方、カンチレバー８１を圧電素子等によりカンチレバーの共振周波数から離れた周波数で励振させると、カンチレバー８１の振動に周波数変調と同時に振幅変調も生じる。
この周波数変調および振幅変調された振動をたとえば光学検出して、周波数復調あるいは振幅復調することにより、交流磁場発生デバイスの磁気プロファイルを磁場分布画像として取得することができる。
この周波数変調および振幅変調された振動をたとえば光学検出して、周波数復調あるいは振幅復調することにより、交流磁場発生デバイスの磁気プロファイルを磁場分布画像として取得することができる。
以上述べた例のように、交流磁場発生デバイス８８が発生する交流磁場の周波数がカンチレバー８１の共振周波数と大きく異なっており、交流磁場発生デバイス８８の磁気プロファイルの測定に際して、非共振の交流磁気力が、カンチレバー８１と交流磁場発生デバイス８８との間に発生したとする。
交流磁場発生デバイス８８が、磁気コイル８８１と信号発生源８８２とからなる場合には、磁気プロファイルは、たとえば、磁気コイル８８１が生成する交流磁場である。
この交流磁場の位相が信号発生源８８２の位相と同期（一致）している場合には、ロックインアンプ８６は、信号発生源８８２からの同期信号出力を参照して、磁気コイル８８１の基準面（たとえば、ハードディスクの磁気記録ヘッドでは、当該磁気記録ヘッドの摺動面）に垂直な磁場成分（垂直磁場成分Ｈv）を得ることができる。
この場合、交流磁場発生デバイス８８の磁気コイル８８１は、磁性材料の磁化過程に遅れがない場合、信号発生源８８２の出力電流の瞬時値（絶対値）が最大になるタイミングで、最大の垂直磁場を発生する。
交流磁場発生デバイス８８が、磁気コイル８８１と信号発生源８８２とからなる場合には、磁気プロファイルは、たとえば、磁気コイル８８１が生成する交流磁場である。
この交流磁場の位相が信号発生源８８２の位相と同期（一致）している場合には、ロックインアンプ８６は、信号発生源８８２からの同期信号出力を参照して、磁気コイル８８１の基準面（たとえば、ハードディスクの磁気記録ヘッドでは、当該磁気記録ヘッドの摺動面）に垂直な磁場成分（垂直磁場成分Ｈv）を得ることができる。
この場合、交流磁場発生デバイス８８の磁気コイル８８１は、磁性材料の磁化過程に遅れがない場合、信号発生源８８２の出力電流の瞬時値（絶対値）が最大になるタイミングで、最大の垂直磁場を発生する。
交流磁場発生デバイス８８（たとえば、ハードディスクの磁気記録ヘッド）が発生する交流磁場の周波数が、カンチレバー８１の共振周波数よりも十分に小さいときの交流磁場発生デバイス８８の磁気プロファイルは、交流磁場発生デバイス８８の信号発生源８８２の出力電圧を参照信号Ｖrefとして、ロックインアンプ８６を用いて測定される。
上述したように、交流磁場発生デバイス８８が発生する交流磁場の位相が、信号発生源８８２の出力電圧の位相と同期（一致）する場合には、ロックインアンプ８６の同期信号出力により、磁気コイル８８１の基準面（磁気記録ヘッドの摺動面）に垂直な磁場成分（垂直磁場成分）を得ることができる。そして、磁性材料の磁化過程に遅れがない場合、磁気コイル８８１は信号発生源８８２の電流が最大になるときに、最大の垂直磁場を検出する。
しかし、磁気プロファイルの測定に際して、信号発生源８８２の内部の電気回路、信号ライン、交流磁気力信号復調器８４の電気回路内で測定信号の位相が遅れることがある。さらに、交流磁場発生デバイス８８に用いられている磁性材料（磁気コイルのコア等）の磁化の変化が磁場の変化よりも遅れる場合があり、位相がさらに遅れることがある。
位相遅れは、ロックインアンプ８６の同期信号出力において、磁気コイル８８１の基準面（ハードディスクの磁気記録ヘッドの場合には摺動面）に垂直な、磁性材料（磁気コイルのコア等）の磁化成分から発生する垂直磁場成分に、前記ヘッド面に平行な磁化成分から発生する垂直磁場成分を加える。
したがって、位相遅れは、磁気コイル８８１の基準面に垂直な磁化成分から発生する磁場成分のみを得ること（磁性材料（磁気コイルのコア等）の磁気コイル８８１の基準面に対して平行な磁化成分が発生源とならない磁場を得ること）を困難にする。
したがって、位相遅れは、磁気コイル８８１の基準面に垂直な磁化成分から発生する磁場成分のみを得ること（磁性材料（磁気コイルのコア等）の磁気コイル８８１の基準面に対して平行な磁化成分が発生源とならない磁場を得ること）を困難にする。
本発明の目的は、交流磁場発生デバイスに対して、取得した磁場分布画像データを用いて、観察試料の直交する２つの磁化成分（たとえば、磁気コイルでは、基準面に垂直な磁化成分および当該基準面に平行な磁化成分）のうちの一方の磁化成分（たとえば、基準面に垂直な磁化成分）のみを発生源とする磁場分布画像を得ることができる磁気プロファイル測定技術を提供することである。
さらに、本発明の目的は、交流磁場発生デバイスの磁気モーメントの時間変化に伴う、垂直磁場成分の時間変化を連続的に観察する測定技術を提供することである。
さらに、本発明の目的は、交流磁場発生デバイスの磁気モーメントの時間変化に伴う、垂直磁場成分の時間変化を連続的に観察する測定技術を提供することである。
本発明者らは、まず、交流磁場発生デバイスに対して、検出信号を復調処理するに際して、復調信号を、観察試料の直交する磁化から発生する２つの磁場成分に分解して磁場分布画像生成用の画像を作成することを着想した。
そして、これらの画像の一方または双方から位相を変化させた磁場分布画像を作成すれば、前記直交する２つの磁化成分の一方にかかる磁場画像を得ることができるし、また、交流磁場発生デバイスの磁気モーメントの時間変化に伴う、前記直交する２つの磁化成分の一方または双方が発生源となる磁場の時間変化を連続的に観察することもできるとの知見を得て本発明に想到した。
そして、これらの画像の一方または双方から位相を変化させた磁場分布画像を作成すれば、前記直交する２つの磁化成分の一方にかかる磁場画像を得ることができるし、また、交流磁場発生デバイスの磁気モーメントの時間変化に伴う、前記直交する２つの磁化成分の一方または双方が発生源となる磁場の時間変化を連続的に観察することもできるとの知見を得て本発明に想到した。
本発明の磁気プロファイル測定装置は以下を要旨とする。
（１）
励振したカンチレバーの先端の磁性を帯びた探針を用いて、交流磁場発生デバイスが生成した交流磁場が存在する空間を走査しつつ、前記カンチレバーの振動を検出し、当該検出結果に基づき前記交流磁場が存在する空間の磁場分布画像を生成する磁気プロファイル測定装置であって、
先端に前記探針が取り付けられた前記カンチレバーと、
前記カンチレバーを当該カンチレバーの共振周波数ないし共振周波数に近い周波数で励振する励振器と、
前記交流磁場により前記カンチレバーの励振振動を周波数変調または同時に振幅変調することで生じる前記探針の振動を検出する振動センサーと、
前記振動センサーの検出信号から、前記探針の位置の交流磁場に対応する磁気信号を復調（周波数復調または振幅復調）するとともに、復調した前記磁気信号を位相が９０°異なる互いに直交した２つの信号成分に分離して検出するか、復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出する復調処理装置と、
前記探針により前記交流磁場が存在する空間を走査（二次元走査または三次元走査）する走査機構（カンチレバー移動機構または交流磁場発生デバイス移動機構）と、
前記走査機構により前記交流磁場が存在する空間を走査することで得られた、当該空間の各座標における前記互いに直交した２つの信号成分または前記磁場の振幅および位相を、初期位相のまま初期データとして記憶するデータ記憶装置と、
前記データ記憶装置に記憶した、前記初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更したデータを複数生成する変更データ生成器と、
前記変更データ生成器により生成した前記走査領域の各座標におけるデータに基づく磁場分布画像を表示する画像表示装置と、
を備えたことを特徴とする磁気プロファイル測定装置。
（１）
励振したカンチレバーの先端の磁性を帯びた探針を用いて、交流磁場発生デバイスが生成した交流磁場が存在する空間を走査しつつ、前記カンチレバーの振動を検出し、当該検出結果に基づき前記交流磁場が存在する空間の磁場分布画像を生成する磁気プロファイル測定装置であって、
先端に前記探針が取り付けられた前記カンチレバーと、
前記カンチレバーを当該カンチレバーの共振周波数ないし共振周波数に近い周波数で励振する励振器と、
前記交流磁場により前記カンチレバーの励振振動を周波数変調または同時に振幅変調することで生じる前記探針の振動を検出する振動センサーと、
前記振動センサーの検出信号から、前記探針の位置の交流磁場に対応する磁気信号を復調（周波数復調または振幅復調）するとともに、復調した前記磁気信号を位相が９０°異なる互いに直交した２つの信号成分に分離して検出するか、復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出する復調処理装置と、
前記探針により前記交流磁場が存在する空間を走査（二次元走査または三次元走査）する走査機構（カンチレバー移動機構または交流磁場発生デバイス移動機構）と、
前記走査機構により前記交流磁場が存在する空間を走査することで得られた、当該空間の各座標における前記互いに直交した２つの信号成分または前記磁場の振幅および位相を、初期位相のまま初期データとして記憶するデータ記憶装置と、
前記データ記憶装置に記憶した、前記初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更したデータを複数生成する変更データ生成器と、
前記変更データ生成器により生成した前記走査領域の各座標におけるデータに基づく磁場分布画像を表示する画像表示装置と、
を備えたことを特徴とする磁気プロファイル測定装置。
前記復調処理装置は、
前記探針の位置における磁場を、ＸＹ複素平面（ガウス平面：図１参照）において、
Ｈx＋ｊＨY≡Ｈ0ｅｘｐ（ｊθ）
で表わすとともに、
前記探針の位置における磁場の振幅Ｈ0をＸＹ複素平面における原点からの距離、
Ｈ0≡（ＨX 2＋ＨY 2）1/2、
前記探針の位置における磁場の位相を、ＸＹ複素平面における偏角θ、
θ≡ｔａｎ-1（ＨY／ＨX）
で表し、
前記探針の位置における磁場のＸ軸に平行な成分（Ｘ成分）を、
ＨX＝Ｈ0ｃｏｓθ、
前記探針の位置における磁場のＸ軸に直交しているＹ軸に平行な成分（Ｙ成分）を、
ＨY＝Ｈ0ｓｉｎθ
として、
前記Ｘ成分と前記Ｙ成分のデータ対（ＨX，ＨY）または、振幅と位相のデータ対（Ｈ0，θ）として検出することができる。
前記探針の位置における磁場を、偏角θの変化に応じて、前記Ｘ成分および／または前記Ｙ成分を前記画像表示装置に画像化して表示することができる。
前記探針の位置における磁場を、ＸＹ複素平面（ガウス平面：図１参照）において、
Ｈx＋ｊＨY≡Ｈ0ｅｘｐ（ｊθ）
で表わすとともに、
前記探針の位置における磁場の振幅Ｈ0をＸＹ複素平面における原点からの距離、
Ｈ0≡（ＨX 2＋ＨY 2）1/2、
前記探針の位置における磁場の位相を、ＸＹ複素平面における偏角θ、
θ≡ｔａｎ-1（ＨY／ＨX）
で表し、
前記探針の位置における磁場のＸ軸に平行な成分（Ｘ成分）を、
ＨX＝Ｈ0ｃｏｓθ、
前記探針の位置における磁場のＸ軸に直交しているＹ軸に平行な成分（Ｙ成分）を、
ＨY＝Ｈ0ｓｉｎθ
として、
前記Ｘ成分と前記Ｙ成分のデータ対（ＨX，ＨY）または、振幅と位相のデータ対（Ｈ0，θ）として検出することができる。
前記探針の位置における磁場を、偏角θの変化に応じて、前記Ｘ成分および／または前記Ｙ成分を前記画像表示装置に画像化して表示することができる。
本発明の磁気プロファイル測定方法は以下を要旨とする。
（２）
励振したカンチレバーの先端の磁性を帯びた探針により交流磁場発生デバイスが生成した交流磁場が存在する空間を走査しつつ、前記カンチレバーの振動を検出し、当該検出結果に基づき前記交流磁場が存在する空間の磁場分布画像を生成する磁気プロファイル測定方法であって、
先端に前記探針が取り付けられた前記カンチレバーを、当該カンチレバーの共振周波数ないし共振周波数に近い周波数で励振するステップ（Ｓ１１０）、
前記交流磁場により前記カンチレバーの励振振動を周波数変調または同時に振幅変調するステップ（Ｓ１２０）、
前記探針の振動を検出し、この検出信号から、前記探針と前記交流磁場発生デバイスとの間に生じる交流磁気力に対応する磁気信号を復調するステップ（Ｓ１３０）、
復調した前記磁気信号を位相が９０°異なる互いに直交した２つの信号成分に分離して検出するか、復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出するステップ（Ｓ１４０）、
前記探針により前記交流磁場が存在する空間を走査するステップ（Ｓ１５０）、
前記空間の各座標における前記互いに直交した２つの信号成分または前記磁場の振幅および位相を初期位相のまま初期データとしてデータ記憶装置に記憶するステップ（Ｓ１６０）、
前記データ記憶装置から前記初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更したデータを複数生成するステップ（Ｓ１７０）
前記初期データの位相を変更したデータに基づく磁場分布画像を画像表示装置に表示するステップ（Ｓ１８０）、
前記画像表示装置に表示した各磁場分布画像に基づき前記交流磁場発生デバイスが生成した前記交流磁場が存在する空間の磁気プロファイルを測定するステップ（Ｓ１９０）、
を含むことを特徴とする磁気プロファイル測定方法。
（３）
前記データ記憶装置に記憶した初期位相のままの前記磁場分布画像に、位相を変更する処理を行い、位相が異なる複数の磁場分布画像を生成し、これら複数の磁場分布画像から前記交流磁場が存在する空間の磁場分布の明度が最大または最小となるか、明度差が最大または最小となる磁場分布画像を特定することを特徴とする（２）に記載の磁気プロファイル測定方法。
（２）
励振したカンチレバーの先端の磁性を帯びた探針により交流磁場発生デバイスが生成した交流磁場が存在する空間を走査しつつ、前記カンチレバーの振動を検出し、当該検出結果に基づき前記交流磁場が存在する空間の磁場分布画像を生成する磁気プロファイル測定方法であって、
先端に前記探針が取り付けられた前記カンチレバーを、当該カンチレバーの共振周波数ないし共振周波数に近い周波数で励振するステップ（Ｓ１１０）、
前記交流磁場により前記カンチレバーの励振振動を周波数変調または同時に振幅変調するステップ（Ｓ１２０）、
前記探針の振動を検出し、この検出信号から、前記探針と前記交流磁場発生デバイスとの間に生じる交流磁気力に対応する磁気信号を復調するステップ（Ｓ１３０）、
復調した前記磁気信号を位相が９０°異なる互いに直交した２つの信号成分に分離して検出するか、復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出するステップ（Ｓ１４０）、
前記探針により前記交流磁場が存在する空間を走査するステップ（Ｓ１５０）、
前記空間の各座標における前記互いに直交した２つの信号成分または前記磁場の振幅および位相を初期位相のまま初期データとしてデータ記憶装置に記憶するステップ（Ｓ１６０）、
前記データ記憶装置から前記初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更したデータを複数生成するステップ（Ｓ１７０）
前記初期データの位相を変更したデータに基づく磁場分布画像を画像表示装置に表示するステップ（Ｓ１８０）、
前記画像表示装置に表示した各磁場分布画像に基づき前記交流磁場発生デバイスが生成した前記交流磁場が存在する空間の磁気プロファイルを測定するステップ（Ｓ１９０）、
を含むことを特徴とする磁気プロファイル測定方法。
（３）
前記データ記憶装置に記憶した初期位相のままの前記磁場分布画像に、位相を変更する処理を行い、位相が異なる複数の磁場分布画像を生成し、これら複数の磁場分布画像から前記交流磁場が存在する空間の磁場分布の明度が最大または最小となるか、明度差が最大または最小となる磁場分布画像を特定することを特徴とする（２）に記載の磁気プロファイル測定方法。
復調した前記磁気信号を位相が９０°異なる、互いに直交した２つの信号成分に分離するステップ（Ｓ１４０）では、
前記探針の位置における磁場を、ＸＹ複素平面（ガウス平面：図１参照）において、
Ｈx＋ｊＨY≡Ｈ0ｅｘｐ（ｊθ）
で表わすとともに、
前記探針の位置における磁場の振幅Ｈ0をＸＹ複素平面における原点からの距離、
Ｈ0≡（ＨX 2＋ＨY 2）1/2、
前記探針の位置における磁場の位相を、ＸＹ複素平面における偏角θ、
θ≡ｔａｎ-1（ＨY／ＨX）
で表し、
前記探針の位置における磁場のＸ軸に平行な成分（Ｘ成分）を、
ＨX＝Ｈ0ｃｏｓθ、
前記探針の位置における磁場のＸ軸に直交しているＹ軸に平行な成分（Ｙ成分）を、
ＨY＝Ｈ0ｓｉｎθ
として、
前記Ｘ成分と前記Ｙ成分のデータ対（ＨX，ＨY）または、振幅と位相のデータ対（Ｈ0，θ）として検出することができる。
前記探針の位置における磁場を、ＸＹ複素平面（ガウス平面：図１参照）において、
Ｈx＋ｊＨY≡Ｈ0ｅｘｐ（ｊθ）
で表わすとともに、
前記探針の位置における磁場の振幅Ｈ0をＸＹ複素平面における原点からの距離、
Ｈ0≡（ＨX 2＋ＨY 2）1/2、
前記探針の位置における磁場の位相を、ＸＹ複素平面における偏角θ、
θ≡ｔａｎ-1（ＨY／ＨX）
で表し、
前記探針の位置における磁場のＸ軸に平行な成分（Ｘ成分）を、
ＨX＝Ｈ0ｃｏｓθ、
前記探針の位置における磁場のＸ軸に直交しているＹ軸に平行な成分（Ｙ成分）を、
ＨY＝Ｈ0ｓｉｎθ
として、
前記Ｘ成分と前記Ｙ成分のデータ対（ＨX，ＨY）または、振幅と位相のデータ対（Ｈ0，θ）として検出することができる。
本発明によれば、取得した磁場分布画像データを用いて、交流磁場発生デバイスに対して、観察試料の直交する２つの磁化成分のうち一方の磁化成分を発生源とする磁場画像（たとえば、試料面に平行な面内磁化成分を発生源とする垂直磁場画像）を得ることができる。
また、交流磁場発生デバイスの磁性材料（磁気コイルのコア等）の磁気モーメントの時間変化に伴う、垂直磁場成分の時間変化を連続的に観察することができる。
また、交流磁場発生デバイスの磁性材料（磁気コイルのコア等）の磁気モーメントの時間変化に伴う、垂直磁場成分の時間変化を連続的に観察することができる。
すなわち、本発明では、位相が任意に調整された磁場分布画像（具体的には、垂直磁場分布画像および／または面内磁場分布画像）を得ることができるので、たとえば交流磁場発生デバイスが発生するコイル駆動用電圧（または電流）対して、測定信号の位相が遅れた場合に、この位相遅れを補償することができる。
これにより、ある測定点における磁場の位相を、磁場の発生源（交流磁場発生デバイス）の磁化の位相に一致させて検出することが可能となった。また、交流磁場発生デバイスに関しては、磁気モーメントの時間変化に伴う、磁場成分の時間変化も連続的に観察することが可能となった。
これにより、ある測定点における磁場の位相を、磁場の発生源（交流磁場発生デバイス）の磁化の位相に一致させて検出することが可能となった。また、交流磁場発生デバイスに関しては、磁気モーメントの時間変化に伴う、磁場成分の時間変化も連続的に観察することが可能となった。
具体的には、ハードディスクの磁気記録ヘッドの磁気的なプロファイルを測定でき、これにより当該磁気記録ヘッドの評価も行うことができる。
図２は、本発明の磁気プロファイル測定装置の実施形態を示す説明図である。
図２において、磁気プロファイル測定装置１は、カンチレバー１１と、励振器１２と、振動センサー１３と、復調処理装置１４と、走査機構１５と、データ記憶装置１６と、変更データ生成器１７と、画像表示装置１８とを備えている。磁気プロファイル測定装置１は、励振したカンチレバー１１の先端の磁性を帯びた探針１１１を用いて、交流磁場発生デバイス５が生成した交流磁場が存在する空間を走査しつつ、カンチレバー１１の振動（定常振動）を検出し、当該検出結果に基づき交流磁場が存在する空間の磁場分布画像を生成することができる。なお、交流磁場発生デバイス５が生成する磁場の周波数は、１００〜１ｋＨｚ程度とすることができる。
図２において、磁気プロファイル測定装置１は、カンチレバー１１と、励振器１２と、振動センサー１３と、復調処理装置１４と、走査機構１５と、データ記憶装置１６と、変更データ生成器１７と、画像表示装置１８とを備えている。磁気プロファイル測定装置１は、励振したカンチレバー１１の先端の磁性を帯びた探針１１１を用いて、交流磁場発生デバイス５が生成した交流磁場が存在する空間を走査しつつ、カンチレバー１１の振動（定常振動）を検出し、当該検出結果に基づき交流磁場が存在する空間の磁場分布画像を生成することができる。なお、交流磁場発生デバイス５が生成する磁場の周波数は、１００〜１ｋＨｚ程度とすることができる。
カンチレバー１１は、先端に探針１１１が取り付けられている。探針１１１は、錐形をなし、表面にＦｅ，Ｐｔ系合金材料からなる膜が形成されている。探針１１１の磁化は、交流磁場発生デバイス５からの磁場によって変化することはない。
励振器１２は、圧電素子１２１および電源１２２とからなり、電源１２２が圧電素子１２１を駆動し、圧電素子１２１の振動によりカンチレバー１１が励振される。これにより、励振器１２は、カンチレバー１１をカンチレバー１１の共振周波数ないし共振周波数に近い周波数で励振する。本実施形態では、電源１２２の周波数は３００ｋＨｚとすることができる。
交流磁場発生デバイス５が発生した交流磁場によりカンチレバー１１の励振振動は、周波数変調または同時に振幅変調される。
振動センサー１３は、交流磁場によりカンチレバー１１の励振振動を周波数変調または同時に振幅変調することで生じる探針１１１の振動を検出する。
本実施形態では、振動センサー１３は、レーザ（ＬＡＳＥＲ）１３１およびフォトダイオード（ＰＤ）１３２とからなり、レーザ１３１から、カンチレバー１１の先端上面にレーザビームを照射し、その反射光をフォトダイオード１３２で検出することで、探針１１１の振動を検出する。
振動センサー１３は、交流磁場によりカンチレバー１１の励振振動を周波数変調または同時に振幅変調することで生じる探針１１１の振動を検出する。
本実施形態では、振動センサー１３は、レーザ（ＬＡＳＥＲ）１３１およびフォトダイオード（ＰＤ）１３２とからなり、レーザ１３１から、カンチレバー１１の先端上面にレーザビームを照射し、その反射光をフォトダイオード１３２で検出することで、探針１１１の振動を検出する。
励振器１２の励振周波数を変えることで、種々のパターンの周波数スペクトルを生成することができる。
振動センサー１３は、励振周波数の選択を適切に行うことで、図４に示すように、周波数変調または同時に振幅変調がなされた振動を検出できる。また、振動センサー１３は、励振周波数の選択を適切に行うことで、図５に示すように、周波数変調のみがなされた振動の検出を行うことができる。
振動センサー１３は、励振周波数の選択を適切に行うことで、図４に示すように、周波数変調または同時に振幅変調がなされた振動を検出できる。また、振動センサー１３は、励振周波数の選択を適切に行うことで、図５に示すように、周波数変調のみがなされた振動の検出を行うことができる。
図４（Ａ）に示すスペクトル図では、中心のスペクトルが励振振動（ωc）による中心周波数であり、ωcは、共振周波数ωoと同じ（あるいは、ほぼ同じ）である。ωoの両側に、交流磁場発生デバイス５が生成する交流磁場による振動による２本のサイドバンド（ωo−ωm，ωo＋ωm）が表れている。
図４（Ｂ），（Ｃ）は励振振動による中心周波数（中心のスペクトル）と、交流磁場発生デバイス５が生成する交流磁場による周波数（サイドバンド）との関係を示すベクトル図である。
図４（Ｂ）では、中心のスペクトルに対応するベクトルを、
Ｖ1ｅｘｐ（ｊωcｔ）
で示し、サイドバンドに対応する２つの振動（ωo−ωm，ωo＋ωm）によるベクトル（それぞれが等速回転ベクトル）を、それぞれ、
Ｖ2ｅｘｐ［ｊ｛（ωc−ωm）ｔ−θ＋１８０°｝］
Ｖ2ｅｘｐ［ｊ｛（ωo＋ωm）ｔ＋θ｝］
で示してある。
検出される合成ベクトルＶは、励振振動によるベクトル（等速回転ベクトル）の軌跡の周方向を向いている。
この場合には、サイドバンドに対応する２つの振動によるベクトルの合成は、励振振動によるベクトルの周波数のみを変化させるので、励振振動によるベクトルと、サイドバンドに対応する２つの振動によるベクトルとの合成ベクトルは、サイドバンドの振動の振幅が小さい場合に、振幅が一定となり周波数のみが変化する。
Ｖ1ｅｘｐ（ｊωcｔ）
で示し、サイドバンドに対応する２つの振動（ωo−ωm，ωo＋ωm）によるベクトル（それぞれが等速回転ベクトル）を、それぞれ、
Ｖ2ｅｘｐ［ｊ｛（ωc−ωm）ｔ−θ＋１８０°｝］
Ｖ2ｅｘｐ［ｊ｛（ωo＋ωm）ｔ＋θ｝］
で示してある。
検出される合成ベクトルＶは、励振振動によるベクトル（等速回転ベクトル）の軌跡の周方向を向いている。
この場合には、サイドバンドに対応する２つの振動によるベクトルの合成は、励振振動によるベクトルの周波数のみを変化させるので、励振振動によるベクトルと、サイドバンドに対応する２つの振動によるベクトルとの合成ベクトルは、サイドバンドの振動の振幅が小さい場合に、振幅が一定となり周波数のみが変化する。
図４（Ｃ）では、中心のスペクトルに対応するベクトルを、
Ｖ1ｅｘｐ（ｊωcｔ）
で示し、サイドバンドに対応する２つの振動（ωo−ωm，ωo＋ωm）によるベクトル（それぞれが等速回転ベクトル）を、それぞれ、
Ｖ2ｅｘｐ［ｊ｛（ωc−ωm）ｔ−θ｝］
Ｖ2ｅｘｐ［ｊ｛（ωo＋ωm）ｔ＋θ｝］
で示してある。
検出される合成ベクトルＶは、励振振動によるベクトル（等速回転ベクトル）の軌跡の径方向を向いている。
この場合には、サイドバンドに対応する２つの振動によるベクトルの合成は、励振振動によるベクトルの大きさをのみ変化させるので、励振振動によるベクトルと、サイドバンドに対応する２つの振動によるベクトルとの合成ベクトルは、周波数が一定で振幅のみが変化する。
Ｖ1ｅｘｐ（ｊωcｔ）
で示し、サイドバンドに対応する２つの振動（ωo−ωm，ωo＋ωm）によるベクトル（それぞれが等速回転ベクトル）を、それぞれ、
Ｖ2ｅｘｐ［ｊ｛（ωc−ωm）ｔ−θ｝］
Ｖ2ｅｘｐ［ｊ｛（ωo＋ωm）ｔ＋θ｝］
で示してある。
検出される合成ベクトルＶは、励振振動によるベクトル（等速回転ベクトル）の軌跡の径方向を向いている。
この場合には、サイドバンドに対応する２つの振動によるベクトルの合成は、励振振動によるベクトルの大きさをのみ変化させるので、励振振動によるベクトルと、サイドバンドに対応する２つの振動によるベクトルとの合成ベクトルは、周波数が一定で振幅のみが変化する。
励振振動の周波数ωcが探針の共振周波数ωoと異なる場合には、サイドバンドに対応する２つの振動（ωo−ωm，ωo＋ωm）によるベクトルの合成は、図４（Ｂ）の周波数変調と、図４（Ｃ）の振幅変調が複合したものとなる。
図５（Ａ）に示すスペクトル図では、中心のスペクトルが励振振動（ωc）による中心周波数である。ωcの両側に、交流磁場発生デバイス５が生成する交流磁場による振動による２本のサイドバンド（ωc−ωm，ωc＋ωm）が表れている。ωc−ωmを、共振周波数ωoと同じ（あるいは、ほぼ同じ）になるように選ぶことで、ωc−ωm，のサイドバンドの強度の増大が可能となり、ωc＋ωmのサイドバンドの強度は無視できるようになる。
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すスペクトル図に対応する、励振振動による中心周波数（中心のスペクトル）と、交流磁場発生デバイス５が生成する交流磁場による周波数（サイドバンド）との関係を示すベクトル図である。
図５（Ｂ）では、中心のスペクトルに対応するベクトルを、
Ｖ1ｅｘｐ（ｊωcｔ）
で示し、ωo−ωmのサイドバンドに対応する振動によるベクトル（等速回転ベクトル）を、
Ｖ2ｅｘｐ［ｊ｛（ωc−ωm）ｔ＋θ1｝］
で示してある。
検出される合成ベクトルＶは、励振振動によるベクトル（等速回転ベクトル）の軌跡から外れている。
図５（Ｂ）では、中心のスペクトルに対応するベクトルを、
Ｖ1ｅｘｐ（ｊωcｔ）
で示し、ωo−ωmのサイドバンドに対応する振動によるベクトル（等速回転ベクトル）を、
Ｖ2ｅｘｐ［ｊ｛（ωc−ωm）ｔ＋θ1｝］
で示してある。
検出される合成ベクトルＶは、励振振動によるベクトル（等速回転ベクトル）の軌跡から外れている。
この場合には、サイドバンドに対応する振動によるベクトルの合成は、励振振動によるベクトルの周波数および振幅を変化させる。
復調処理装置１４は、交流磁気力信号復調器１４１と、復調信号処理装置１４２とからなる。交流磁気力信号復調器１４１は、振動センサー１３の検出信号から探針１１１の位置の交流磁場に対応する磁気信号を復調（周波数復調または振幅復調）する。
復調信号処理装置１４２は、復元した磁気信号を位相が９０°異なる２つの磁場成分に分離する。
復調信号処理装置１４２は、復元した磁気信号を位相が９０°異なる２つの磁場成分に分離する。
走査機構１５は、探針１１１により交流磁場が存在する空間を走査（二次元走査または三次元走査）する。走査機構１５は、カンチレバー１１を移動するように構成してもよいし、交流磁場発生デバイス５を移動するように構成してもよい。
データ記憶装置１６は、走査機構１５により交流磁場が存在する空間を走査することで得られた、当該空間の各座標における位相が９０°異なる、互いに直交した２つの信号成分を、初期位相のままの初期データとして記憶する。
変更データ生成器１７は、データ記憶装置１６に記憶した初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更したデータを複数生成する。
画像表示装置１８は、変更データ生成器１７により生成した走査領域の各座標におけるデータに基づく磁場分布画像を表示する。画像表示装置１８は、データ記憶装置１６に記憶された初期データに基づく磁場分布画像を表示することもできる。
画像表示装置１８は、たとえば、明度（濃度あるいは輝度）の幅を、最も低い０から最も高い２Ｎ（Ｎは正の整数）の２Ｎ＋１段階として、画像の表示することができる。この場合に、画像表示装置１８は、磁場の強度が上向きに最大となったときに明度を「２Ｎ」、磁場の強度がゼロのときに明度を「Ｎ」、磁場の強度が下向きに最大となったときに明度を「０」とし、２Ｎ＋１段階の明度を、向きも含めた磁場の強度に割り振ることで、磁場分布画像を作成する。
この磁場分布画像を、目視あるいはソフトウェアにより観察することで、交流磁場発生デバイス５の磁気プロファイルや、交流磁場発生デバイス５が生成した交流磁場が存在する空間の磁気プロファイルを取得することができる。
画像表示装置１８は、たとえば、明度（濃度あるいは輝度）の幅を、最も低い０から最も高い２Ｎ（Ｎは正の整数）の２Ｎ＋１段階として、画像の表示することができる。この場合に、画像表示装置１８は、磁場の強度が上向きに最大となったときに明度を「２Ｎ」、磁場の強度がゼロのときに明度を「Ｎ」、磁場の強度が下向きに最大となったときに明度を「０」とし、２Ｎ＋１段階の明度を、向きも含めた磁場の強度に割り振ることで、磁場分布画像を作成する。
この磁場分布画像を、目視あるいはソフトウェアにより観察することで、交流磁場発生デバイス５の磁気プロファイルや、交流磁場発生デバイス５が生成した交流磁場が存在する空間の磁気プロファイルを取得することができる。
図３は、本発明の磁気プロファイル測定方法の実施形態を示すフローチャートである。
図３の磁気プロファイル測定方法は、図２の磁気プロファイル測定装置１により実施されるので、以下、図２の磁気プロファイル測定装置１の動作を主に説明し、併せて、図３のフローチャートに言及する。
図３の磁気プロファイル測定方法は、図２の磁気プロファイル測定装置１により実施されるので、以下、図２の磁気プロファイル測定装置１の動作を主に説明し、併せて、図３のフローチャートに言及する。
交流磁場発生デバイス５は、信号発生器５１と磁性材料を備えた磁気コイル５２（たとえば、磁気記録ヘッド）とからなり、信号発生器５１は、（１）式の交流電圧Ｖにより磁気コイル５２を駆動している。
Ｖ＝Ｖ01ｃｏｓ（ωｔ） ・・・（１）
（１）式のＶ01は、交流電圧の振幅である。これにより磁気コイル５２の巻線には、（２）式の電流Ｉが流れる。
Ｉ＝Ｉ01ｃｏｓ（ωｔ−θd1） ・・・（２）
（２）式のＩ01は、交流電流の振幅である。また遅れ角θd1は、磁性材料を備えた磁気コイル５２（磁気記録ヘッド）を構成する電気回路の抵抗やインダクタンス等の値により決定される。
（２）式の電流Ｉ01により、交流磁場発生デバイスは、磁気コイル５２の基準面（本実施形態では磁気記録ヘッドの摺動面：以下、「基準面」と言う）に（３）式の磁場（垂直磁場成分Ｈv）を発生させる。
Ｈv＝Ｈ01ｃｏｓ（ωｔ−θ01） ・・・（３）
（３）式のＨ01は、交流磁場の振幅であり、垂直磁場成分Ｈvは信号発生器５１の交流電圧からθ01／ωの時間だけ遅れて、磁場が最大になる。
ここで遅れ角θ01は、（２）式の遅れ角θd1に、交流磁場発生デバイス５における遅れ角θd2が加えられた角である。θd2は、交流磁場発生デバイス５のコイルに用いられる磁心材料に交流磁場を印加したときの磁化応答の遅れ等による遅れ角である。
Ｖ＝Ｖ01ｃｏｓ（ωｔ） ・・・（１）
（１）式のＶ01は、交流電圧の振幅である。これにより磁気コイル５２の巻線には、（２）式の電流Ｉが流れる。
Ｉ＝Ｉ01ｃｏｓ（ωｔ−θd1） ・・・（２）
（２）式のＩ01は、交流電流の振幅である。また遅れ角θd1は、磁性材料を備えた磁気コイル５２（磁気記録ヘッド）を構成する電気回路の抵抗やインダクタンス等の値により決定される。
（２）式の電流Ｉ01により、交流磁場発生デバイスは、磁気コイル５２の基準面（本実施形態では磁気記録ヘッドの摺動面：以下、「基準面」と言う）に（３）式の磁場（垂直磁場成分Ｈv）を発生させる。
Ｈv＝Ｈ01ｃｏｓ（ωｔ−θ01） ・・・（３）
（３）式のＨ01は、交流磁場の振幅であり、垂直磁場成分Ｈvは信号発生器５１の交流電圧からθ01／ωの時間だけ遅れて、磁場が最大になる。
ここで遅れ角θ01は、（２）式の遅れ角θd1に、交流磁場発生デバイス５における遅れ角θd2が加えられた角である。θd2は、交流磁場発生デバイス５のコイルに用いられる磁心材料に交流磁場を印加したときの磁化応答の遅れ等による遅れ角である。
前述したように、励振器１２では、電源１２２が圧電素子１２１を駆動し、これにより生じる周波数でカンチレバー１１が励振される（図３のステップＳ１１０参照）。
カンチレバー１１の励振振動は、交流磁場発生デバイス５が発生する交流磁場により周波数変調または同時に振幅変調される（図３のステップＳ１２０）。
前述したように、振動センサー１３では、レーザ１３１から、カンチレバー１１の先端上面にレーザビームを照射し、その反射光をフォトダイオード１３２で検出する。交流磁気力信号復調器１４１は、振動センサー１３の検出信号から探針１１１の位置の交流磁場に対応する信号（交流磁場信号）を復調する（図３のステップＳ１３０参照）。
カンチレバー１１の励振振動は、交流磁場発生デバイス５が発生する交流磁場により周波数変調または同時に振幅変調される（図３のステップＳ１２０）。
前述したように、振動センサー１３では、レーザ１３１から、カンチレバー１１の先端上面にレーザビームを照射し、その反射光をフォトダイオード１３２で検出する。交流磁気力信号復調器１４１は、振動センサー１３の検出信号から探針１１１の位置の交流磁場に対応する信号（交流磁場信号）を復調する（図３のステップＳ１３０参照）。
復調処理装置１４は、復調した前記磁気信号を、位相が９０°異なる、互いに直交した２つの信号成分に分離する（図３のステップＳ１４０）。
交流磁気力信号復調器１４１の出力Ｆは、（４）式で表される。
Ｆ＝Ｆ01ｃｏｓ（ωｔ−θ02） ・・・（４）
（４）式のＦ01は交流磁気力の振幅であり。遅れ角θ02は、（３）式の遅れ角θ01に、振動センサー１３の検出回路の遅れ等が発生する場合にその遅れを加えたものである。ここで、交流磁場発生デバイス５で発生する磁場の周波数が低い場合には、θ02はθ01とほぼ等しくなる。
復調した交流磁気力信号は、（５）式で表される。
Ｆ01ｃｏｓ（ωｔ−θ02）
＝Ｆ01ｃｏｓ（−θ02）ｃｏｓ（ωｔ）
−Ｆ01ｓｉｎ（−θ02）ｓｉｎ（ωｔ）
＝Ｆ01ｃｏｓ（−θ02）ｃｏｓ（ωｔ）
＋Ｆ01ｓｉｎ（−θ02）ｃｏｓ（ωｔ＋９０°） ・・・（５）
Ｆ＝Ｆ01ｃｏｓ（ωｔ−θ02） ・・・（４）
（４）式のＦ01は交流磁気力の振幅であり。遅れ角θ02は、（３）式の遅れ角θ01に、振動センサー１３の検出回路の遅れ等が発生する場合にその遅れを加えたものである。ここで、交流磁場発生デバイス５で発生する磁場の周波数が低い場合には、θ02はθ01とほぼ等しくなる。
復調した交流磁気力信号は、（５）式で表される。
Ｆ01ｃｏｓ（ωｔ−θ02）
＝Ｆ01ｃｏｓ（−θ02）ｃｏｓ（ωｔ）
−Ｆ01ｓｉｎ（−θ02）ｓｉｎ（ωｔ）
＝Ｆ01ｃｏｓ（−θ02）ｃｏｓ（ωｔ）
＋Ｆ01ｓｉｎ（−θ02）ｃｏｓ（ωｔ＋９０°） ・・・（５）
復調信号処理装置１４２は、交流磁気力信号復調器１４１により復調された交流磁気力信号の振幅（Ｆ01）および遅れ位相角（−θ02）を検出する。
ここで、交流磁場発生デバイス５の磁気コイル５２の磁性材料の磁気モーメント（磁化）ｍの基準面に垂直方向の磁化成分をｍz、基準面に平行方向の磁化成分をｍxとおくと、磁性材料の磁気モーメントは交流磁場発生デバイスを構成する磁気コイルから発生する垂直磁場成分Ｈvにより変化し、（６Ａ）式、（６Ｂ）式で表すことができる。
ｍz＝ｍoｃｏｓ（ωｔ−θ03） ・・・（６Ａ）
ｍx＝ｍoｃｏｓ（ωｔ−θ03＋９０°）
＝−ｍoｓｉｎ（ωｔ−θ03） ・・・（６Ｂ）
ここでｍzとｍxとの位相差は９０°である。
遅れ角θ03は、（３）式の交流磁場発生デバイスの発生磁場の遅れ角θ01と等しくなる。
復調信号処理装置１４２は、ロックイン検出機構を備えており、ｍzに起因する垂直方向の磁場勾配と、ｍxに起因する垂直方向の磁場勾配を分離する（図３のステップＳ１４０参照）。
これにより、交流磁場発生デバイス５を構成する磁性材料の磁気モーメントｍの磁化回転に伴う垂直磁場勾配の時間変化、
Ｈ01ｃｏｓ（θ）：０°≦θ≦３６０°
を連続的に観察することができる。
ここで、交流磁場発生デバイス５の磁気コイル５２の磁性材料の磁気モーメント（磁化）ｍの基準面に垂直方向の磁化成分をｍz、基準面に平行方向の磁化成分をｍxとおくと、磁性材料の磁気モーメントは交流磁場発生デバイスを構成する磁気コイルから発生する垂直磁場成分Ｈvにより変化し、（６Ａ）式、（６Ｂ）式で表すことができる。
ｍz＝ｍoｃｏｓ（ωｔ−θ03） ・・・（６Ａ）
ｍx＝ｍoｃｏｓ（ωｔ−θ03＋９０°）
＝−ｍoｓｉｎ（ωｔ−θ03） ・・・（６Ｂ）
ここでｍzとｍxとの位相差は９０°である。
遅れ角θ03は、（３）式の交流磁場発生デバイスの発生磁場の遅れ角θ01と等しくなる。
復調信号処理装置１４２は、ロックイン検出機構を備えており、ｍzに起因する垂直方向の磁場勾配と、ｍxに起因する垂直方向の磁場勾配を分離する（図３のステップＳ１４０参照）。
これにより、交流磁場発生デバイス５を構成する磁性材料の磁気モーメントｍの磁化回転に伴う垂直磁場勾配の時間変化、
Ｈ01ｃｏｓ（θ）：０°≦θ≦３６０°
を連続的に観察することができる。
位相角θ01および振幅Ｆ01ならびに交流磁場発生デバイス５の信号発生器５１に対して位相がθ02だけ遅れた（５）式のＦ01ｃｏｓ（−θ02）は、交流磁場発生デバイス５を構成する磁性材料の磁気モーメントｍの基準面に垂直な方向の成分ｍzが発生させる垂直磁場勾配成分（∂Ｈｚ／∂ｚ）ｃｏｓ（−θ02）に対応している。
また、位相が９０°進んだＦ01ｓｉｎ（−θ02）は、交流磁場発生デバイス５を構成する磁性材料の磁気モーメントｍの基準面に平行な方向の成分ｍxが発生させる垂直磁場勾配成分（∂Ｈｚ／∂ｚ）ｓｉｎ（−θ02）に対応している。
また、位相が９０°進んだＦ01ｓｉｎ（−θ02）は、交流磁場発生デバイス５を構成する磁性材料の磁気モーメントｍの基準面に平行な方向の成分ｍxが発生させる垂直磁場勾配成分（∂Ｈｚ／∂ｚ）ｓｉｎ（−θ02）に対応している。
走査機構１５は、カンチレバー１１の探針１１１を、交流磁場発生デバイス５が生成した磁場が存在する空間で二次元または三次元走査する（図３のステップＳ１５０参照）。
走査機構１５による走査速度は、交流磁気力信号復調器１４１が、交流磁気力信号を復調する際に、無視できる程度に遅い速度である。なお、本実施形態では、走査機構１５は、交流磁場発生デバイス５を二次元走査するように構成されている。
走査機構１５による走査速度は、交流磁気力信号復調器１４１が、交流磁気力信号を復調する際に、無視できる程度に遅い速度である。なお、本実施形態では、走査機構１５は、交流磁場発生デバイス５を二次元走査するように構成されている。
そして、データ記憶装置１６は、前述したように、これらの信号を、初期位相のままの初期データとして記憶する（図３のステップＳ１６０参照）。
変更データ生成器１７は、データ記憶装置１６に記憶した初期データを呼び出し、初期データの位相を変更したデータを複数生成するステップ（図３のステップＳ１７０）。
変更データ生成器１７により生成したデータに基づく磁場分布画像を、画像表示装置１８に表示する（図３のステップ（Ｓ１８０）。
したがって、これらの磁場分布画像を、目視あるいはソフトウェアにより観察することで、交流磁場発生デバイス５の磁気プロファイルや、交流磁場発生デバイス５が生成した交流磁場が存在する空間の磁気プロファイルを取得することができる（図３のステップ（Ｓ１９０）。
変更データ生成器１７は、データ記憶装置１６に記憶した初期データを呼び出し、初期データの位相を変更したデータを複数生成するステップ（図３のステップＳ１７０）。
変更データ生成器１７により生成したデータに基づく磁場分布画像を、画像表示装置１８に表示する（図３のステップ（Ｓ１８０）。
したがって、これらの磁場分布画像を、目視あるいはソフトウェアにより観察することで、交流磁場発生デバイス５の磁気プロファイルや、交流磁場発生デバイス５が生成した交流磁場が存在する空間の磁気プロファイルを取得することができる（図３のステップ（Ｓ１９０）。
図６，図７は、上記の処理の補助説明図である。
図６のＸＹ座標系で示すベクトル図は、初期データの位相（初期位相）を表している。
図６において、磁気力勾配ベクトル（∂Ｈｚ／∂ｚ）は、交流磁場発生デバイス５に具備された磁性材料の磁気モーメントｍの基準面に垂直方向の成分ｍzが発生させる磁気力勾配（∂Ｈｚ／∂ｚ）mzおよび、基準面に平行方向の成分ｍxが発生させる磁気力勾配（∂Ｈｚ／∂ｚ）mxの和となり、（７）式で表される。
Ｘ＋ｊＹ＝（∂Ｈｚ／∂ｚ）mzｃｏｓ（−θ02）
＋ｊ（∂Ｈｚ／∂ｚ）mxｓｉｎ（−θ02）
すなわち、
Ｘ＝（∂Ｈｚ／∂ｚ）mzｃｏｓ（−θ02）
Ｙ＝（∂Ｈｚ／∂ｚ）mxｓｉｎ（−θ02） ・・・（７）
で表される。
図６のＸＹ座標系で示すベクトル図は、初期データの位相（初期位相）を表している。
図６において、磁気力勾配ベクトル（∂Ｈｚ／∂ｚ）は、交流磁場発生デバイス５に具備された磁性材料の磁気モーメントｍの基準面に垂直方向の成分ｍzが発生させる磁気力勾配（∂Ｈｚ／∂ｚ）mzおよび、基準面に平行方向の成分ｍxが発生させる磁気力勾配（∂Ｈｚ／∂ｚ）mxの和となり、（７）式で表される。
Ｘ＋ｊＹ＝（∂Ｈｚ／∂ｚ）mzｃｏｓ（−θ02）
＋ｊ（∂Ｈｚ／∂ｚ）mxｓｉｎ（−θ02）
すなわち、
Ｘ＝（∂Ｈｚ／∂ｚ）mzｃｏｓ（−θ02）
Ｙ＝（∂Ｈｚ／∂ｚ）mxｓｉｎ（−θ02） ・・・（７）
で表される。
図７のＸ1Ｙ1座標系で示すベクトル図は、図６のＸ1Ｙ1座標系を回転させたものであり、目視による操作あるいはソフトウェアにより（７）式の位相−θ02に補正位相角θを加えることで位相をゼロに調整することができる。
Ｘ1Ｙ1座標系では、磁気力勾配ベクトルは（８）式で表される。
Ｘ1＋ｊＹ1＝（∂Ｈｚ／∂ｚ）mzｃｏｓ（−θ02＋θ）
＋ｊ（∂Ｈｚ／∂ｚ）mxｓｉｎ（−θ02＋θ）
すなわち、
Ｘ1＝（∂Ｈｚ／∂ｚ）mzｃｏｓ（−θ02＋θ），
Ｙ1＝（∂Ｈｚ／∂ｚ）mxｓｉｎ（−θ02＋θ） ・・・（８）
位相アジャストの条件は、（９）式で表される。
θ＝θ02 ・・・（９）
Ｘ1Ｙ1座標系では、磁気力勾配ベクトルは（８）式で表される。
Ｘ1＋ｊＹ1＝（∂Ｈｚ／∂ｚ）mzｃｏｓ（−θ02＋θ）
＋ｊ（∂Ｈｚ／∂ｚ）mxｓｉｎ（−θ02＋θ）
すなわち、
Ｘ1＝（∂Ｈｚ／∂ｚ）mzｃｏｓ（−θ02＋θ），
Ｙ1＝（∂Ｈｚ／∂ｚ）mxｓｉｎ（−θ02＋θ） ・・・（８）
位相アジャストの条件は、（９）式で表される。
θ＝θ02 ・・・（９）
これにより、交流磁場発生デバイス５の磁気コイル５２の磁性材料の磁気モーメントｍの基準面に垂直方向の成分ｍz、および基準面に平行方向の成分ｍxが発生させる垂直磁場を分離することができる。
また、位相を連続的に変化させることで、交流磁場発生デバイス５に具備された磁性材料の磁気モーメントｍの磁化回転に伴う垂直磁場勾配の時間変化、
（∂Ｈｚ／∂ｚ）ｃｏｓ（θ）：０°≦θ≦３６０°
を連続的に観察することができる。
また、位相を連続的に変化させることで、交流磁場発生デバイス５に具備された磁性材料の磁気モーメントｍの磁化回転に伴う垂直磁場勾配の時間変化、
（∂Ｈｚ／∂ｚ）ｃｏｓ（θ）：０°≦θ≦３６０°
を連続的に観察することができる。
オペレータが画面を目視しながら補正位相角θを変更し、あるいはソフトウェアにより補正位相角θを変更して、明度が最大となる画像または明度が最小となる画像を見つけ出すことで、（９）式の条件を取得することができる。
上記の例では、明度が最大となっている画像（または明度が最小となっている画像）を見つけ出して、探針１１１の位置における磁場Ｈの位相を特定したが、画像中の明度差が最大の磁場分布画像を見つけ出すこと、または、画像中の明度差が最小の磁場分布画像を見つけ出すことで、探針１１１の位置における磁場の位相（および振幅）を取得することが。
上記の例では、明度が最大となっている画像（または明度が最小となっている画像）を見つけ出して、探針１１１の位置における磁場Ｈの位相を特定したが、画像中の明度差が最大の磁場分布画像を見つけ出すこと、または、画像中の明度差が最小の磁場分布画像を見つけ出すことで、探針１１１の位置における磁場の位相（および振幅）を取得することが。
図８（Ａ），（Ｂ）に、データ記憶装置１６に記憶した、位相が初期値の磁気記録ヘッドの垂直磁場分布画像の例を示す。図８（Ａ），（Ｂ）は位相が９０°異なっている。
図９に、図６（Ａ），（Ｂ）の画像（データ記憶装置１７に記憶した初期データ）から生成した、位相を変化させたときの磁気記録ヘッドの磁場分布画像の例を示す。
図９に、図６（Ａ），（Ｂ）の画像（データ記憶装置１７に記憶した初期データ）から生成した、位相を変化させたときの磁気記録ヘッドの磁場分布画像の例を示す。
図９では、垂直磁場分布画像の、磁性材料の磁気モーメントｍの磁化回転に伴う変化を示してあり、磁場強度が最大となるときの位相をゼロとして位相を調整後に、位相を３０°ごとに変化させた１２の磁場分布画像を表示してある。各磁場分布画像には、位相の値を付記してあり、交流電圧Ｖ（前述した（１）式参照）の位相を基準にした位相を記すとともに、前述したＸ1Ｙ1座標系での位相を括弧内に記してある。
前述したように、画像表示装置１８に表示した磁場分布画像を目視しながら補正位相角を変更することで（あるいは、ソフトウェアにより磁場分布画像を監視しつつ補正位相角を変更することで）、垂直磁場像および面内磁場像を得ることができる。
図９では、位相角３２９．５°（初期画像の位相を０°としてある）および１４９．５°（初期位相から１８０°進んだ位相）で垂直磁場画像の濃度がピークとなっている。また、位相角５９．５°（初期画像の位相を９０°としてある）および２３９．５°（初期位相から２７０°進んだ位相）で、画像中央の磁気ヘッドの主磁極部分の垂直磁場強度がほぼゼロとなっている。
前述したように、画像表示装置１８に表示した磁場分布画像を目視しながら補正位相角を変更することで（あるいは、ソフトウェアにより磁場分布画像を監視しつつ補正位相角を変更することで）、垂直磁場像および面内磁場像を得ることができる。
図９では、位相角３２９．５°（初期画像の位相を０°としてある）および１４９．５°（初期位相から１８０°進んだ位相）で垂直磁場画像の濃度がピークとなっている。また、位相角５９．５°（初期画像の位相を９０°としてある）および２３９．５°（初期位相から２７０°進んだ位相）で、画像中央の磁気ヘッドの主磁極部分の垂直磁場強度がほぼゼロとなっている。
１，８ 磁気プロファイル測定装置
５ 交流磁場発生デバイス
１１，８１ カンチレバー
１２，８２ 励振器
１３，８３ 振動センサー
１４ 復調処理装置
１５，８５ 走査機構
１６ データ記憶装置
１７ 変更データ生成器
１８ 画像表示装置
５１ 信号発生器
５２ 磁気コイル
８４ 交流磁気力信号復調器
８６ ロックインアンプ
１１１，８１１ 探針
１２１ 圧電素子
１２２ 電源
１３１ レーザ
１３２ フォトダイオード
１４１ 交流磁気力信号復調器
１４２ 復調信号処理装置
８８１ 磁気コイル
８８２ 信号発生源
５ 交流磁場発生デバイス
１１，８１ カンチレバー
１２，８２ 励振器
１３，８３ 振動センサー
１４ 復調処理装置
１５，８５ 走査機構
１６ データ記憶装置
１７ 変更データ生成器
１８ 画像表示装置
５１ 信号発生器
５２ 磁気コイル
８４ 交流磁気力信号復調器
８６ ロックインアンプ
１１１，８１１ 探針
１２１ 圧電素子
１２２ 電源
１３１ レーザ
１３２ フォトダイオード
１４１ 交流磁気力信号復調器
１４２ 復調信号処理装置
８８１ 磁気コイル
８８２ 信号発生源
Claims (3)
- 励振したカンチレバーの先端の磁性を帯びた探針を用いて、交流磁場発生デバイスが生成した交流磁場が存在する空間を走査しつつ、前記カンチレバーの振動を検出し、当該検出結果に基づき前記交流磁場が存在する空間の磁場分布画像を生成する磁気プロファイル測定装置であって、
先端に前記探針が取り付けられた前記カンチレバーと、
前記カンチレバーを当該カンチレバーの共振周波数ないし共振周波数に近い周波数で励振する励振器と、
前記交流磁場により前記カンチレバーの励振振動を周波数変調または同時に振幅変調することで生じる前記探針の振動を検出する振動センサーと、
前記振動センサーの検出信号から、前記探針の位置の交流磁場に対応する磁気信号を復調するとともに、復調した前記磁気信号を位相が９０°異なる互いに直交した２つの信号成分に分離して検出するか、復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出する復調処理装置と、
前記探針により前記交流磁場が存在する空間を走査する走査機構と、
前記走査機構により前記交流磁場が存在する空間を走査することで得られた、当該空間の各座標における前記互いに直交した２つの信号成分または前記磁場の振幅および位相を、初期位相のまま初期データとして記憶するデータ記憶装置と、
前記データ記憶装置に記憶した、前記初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更したデータを複数生成する変更データ生成器と、
前記変更データ生成器により生成した前記走査領域の各座標におけるデータに基づく磁場分布画像を表示する画像表示装置と、
を備えたことを特徴とする磁気プロファイル測定装置。 - 励振したカンチレバーの先端の磁性を帯びた探針により交流磁場発生デバイスが生成した交流磁場が存在する空間を走査しつつ、前記カンチレバーの振動を検出し、当該検出結果に基づき前記交流磁場が存在する空間の磁場分布画像を生成する磁気プロファイル測定方法であって、
先端に前記探針が取り付けられた前記カンチレバーを、当該カンチレバーの共振周波数ないし共振周波数に近い周波数で励振するステップ（Ｓ１１０）、
前記交流磁場により前記カンチレバーの励振振動を周波数変調または同時に振幅変調するステップ（Ｓ１２０）、
前記探針の振動を検出し、この検出信号から、前記探針と前記交流磁場発生デバイスとの間に生じる交流磁気力に対応する磁気信号を復調するステップ（Ｓ１３０）、
復調した前記磁気信号を位相が９０°異なる互いに直交した２つの信号成分に分離して検出するか、復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出するステップ（Ｓ１４０）、
前記探針により前記交流磁場が存在する空間を走査するステップ（Ｓ１５０）、
前記空間の各座標における前記互いに直交した２つの信号成分または前記磁場の振幅および位相を初期位相のまま初期データとしてデータ記憶装置に記憶するステップ（Ｓ１６０）、
前記データ記憶装置から前記初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更したデータを複数生成するステップ（Ｓ１７０）
前記初期データの位相を変更したデータに基づく磁場分布画像を画像表示装置に表示するステップ（Ｓ１８０）、
前記画像表示装置に表示した各磁場分布画像に基づき前記交流磁場発生デバイスが生成した前記交流磁場が存在する空間の磁気プロファイルを測定するステップ（Ｓ１９０）、
を含むことを特徴とする磁気プロファイル測定方法。 - 前記データ記憶装置に記憶した初期位相のままの前記磁場分布画像に、位相を変更する処理を行い、位相が異なる複数の磁場分布画像を生成し、これら複数の磁場分布画像から前記交流磁場が存在する空間の磁場分布の明度が最大または最小となるか、明度差が最大または最小となる磁場分布画像を特定することを特徴とする請求項２に記載の磁気プロファイル測定方法。
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