JP6015518B2 - 磁気特性測定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁鋼板等の磁性材料の磁気特性を計測する磁気特性測定方法及び装置に関する。

電磁鋼板等の磁性板材料の特性評価は、磁性板試料に励磁コイルで交流磁界を印加し、磁性板試料内部の磁界Ｈと磁束密度Ｂとを測定してＢ−Ｈ特性（カーブ）等を得ることにより行われる。ここで、磁性板試料内部の磁界Ｈは、試料の両端等に生じる磁極から生じる反磁界の影響により外部からの印加磁界Ｈ_ｅｘｔとは異なるため、別の方法で測定する必要がある。

磁性板試料内部の磁界Ｈの測定方法としては、エプスタイン法が知られており、この方法はＪＩＳ Ｃ ２５５０に採用されている。

また、他の測定方法としては、単板磁気特性試験方法（ＳＳＴ：Single Sheet Tester）が知られており、この方法はＪＩＳ Ｃ ２５５６に採用されている。ＳＳＴにおける磁界検出方法としては、磁性板試料の表面に近接させた磁界検出用コイルを１個使う１Ｈコイル法が知られている。また、磁界検出用コイルを磁性試料表面から異なる高さに２個置いて、２つの磁界測定値を直線で外挿して磁気試料表面の磁界を推測する２Ｈコイル法が知られている。このとき、磁性試料内部の磁界は、磁性試料表面の磁界で近似する。

また、独立した２つ以上の軸方向に磁界を発生する電磁コイルを備え、磁性板試料の面内における任意の方向に磁界を印加して、２次元ベクトル磁気特性を測定する、２Ｄ−ＳＳＴも使用されている。

特開２０１１−２２０６９２号公報

J. G. Zhu et al., "Two Dimensional Measurement of Magnetic Field and Core Loss Using a Square Specimen Tester", IEEE Trans. on Magn. Vol. 29,No. 6, Nov. 1993 pp. 2995-2997 M. Jesenik et al., "Field Homogeneity in a Two-Phase Round Rotational Single Sheet Tester with One and Both Side Shields", J. Magn. Magn. Mater. 254-255, 2003, pp. 247-249

エプスタイン試験機では、励磁用１次コイルと磁束検出用２次コイルを４辺に内蔵したエプスタイン試験枠と呼ばれる正方形の枠に、１２〜３６枚の磁性板試料（１枚のサイズは例えば長さ３００ｍｍ、幅３０ｍｍ）を四角いループ形状に積層してコイル内に嵌め込んだ状態で測定が行われる。このため、大型の装置と多量の磁性板試料が必要であった。また、試料の磁界Ｈは、Ｈ＝アンペアターン／実効磁路長により励磁電流から計算するが（励磁電流法）、特に正方形枠の角付近で試料内の磁界Ｈが一様でないため、測定誤差が生じることがあった。

一方、ＳＳＴでは、１枚の磁性板試料で試験することが可能である。磁束密度Ｂの測定は、試料に巻いたコイル（Ｂコイル）で行い、磁界Ｈの測定は、試料表面に近接して設置した１個又は２個の磁界検出コイル）（Ｈコイル）で行う（１Ｈコイル法、２Ｈコイル法）。

しかしながら、高い測定精度を得るためには、磁界分布を一様とするために大型の測定装置と大型の磁性板試料が必要であり、小型化すると測定精度が劣化するというジレンマを有していた。また、Ｂ−Ｈ特性と同時に、磁性板試料表面の微視的磁区状態をカー顕微鏡等で観察することが望まれるが、これらの測定装置では、磁性板試料がＢコイルや励磁コイルなどで覆われていて、磁性板試料表面を顕微鏡観察することができなかった。また、磁性板試料表面の微視的磁区状態をカー顕微鏡で観察するためには、磁性板試料表面を研磨（機械研磨や電解研磨）して鏡面にする必要があるが、磁性板試料のサイズを大きくすると、研磨が困難になったり研磨のコストがかかるという問題があった。

本発明の目的は、磁性板試料の磁気特性を高精度に測定しうる磁気特性測定装置及び磁気特性測定方法を提供することにある。

実施形態の一観点によれば、第１の磁性板試料と、前記第１の磁性板試料から離間して平行に配置された第２の磁性板試料と、前記第１の磁性板試料及び前記第２の磁性板試料の表面に平行な方向の成分を有する磁界を印加する磁界印加手段と、前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料との間の第１の位置に配置された第１の磁界センサと、前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料との間の第２の位置に配置された第２の磁界センサとを有し、前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料との中間の平面からの前記第１の位置と前記第２の位置の距離の絶対値が異なる磁気特性測定装置が提供される。

また、実施形態の他の観点によれば、互いに平行に配置された第１及び第２の磁性板試料に、前記第１の磁性板試料及び前記第２の磁性板試料の表面に平行な方向の成分を有する磁界を印加し、前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料との中間の位置に配置された第１の磁界センサにより第１の磁界を検出し、前記第２の磁性板試料と前記第１の磁界センサとの間に配置された第２の磁界センサにより第２の磁界を検出し、前記第１の磁界センサにより検出した前記第１の磁界の強さと、前記第２の磁界センサにより検出した前記第２の磁界の強さに基づいて、前記第１の磁性板試料内の磁界を算出する磁気特性測定方法が提供される。

開示の磁気特性測定装置及び磁気特性測定方法によれば、磁界測定点付近における磁界の一様性を向上することができ、磁性板試料の磁界特性をより高い精度で測定することができる。また、高い精度で磁性板試料内部の磁界を算出することができる。

図１は、第１実施形態による磁気特性測定装置の測定部の構造を示す斜視図である。 図２は、第１実施形態による磁気特性測定装置の測定部の構造を示す断面図である。 図３は、第１実施形態による磁気特性測定装置の全体構成を示す概略図である。 図４は、第１実施形態による磁気特性測定方法における磁性板試料内の磁界の推定方法を説明するグラフである。 図５は、ＳＳＴ法における磁性板試料内の磁界の推定方法を説明するグラフである。 図６は、第２実施形態による磁気特性測定装置の測定部の構造を示す斜視図である。 図７は、第２実施形態による磁気特性測定装置の測定部の構造を示す断面図である。 図８は、第２実施形態による磁気特性測定装置の全体構成を示す概略図である。 図９は、励磁コイルに流す電流とＸ軸方向の磁界の強さとの関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフ（その１）である。 図１０は、励磁コイルに流す電流とＸ軸方向の磁界の強さとの関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフ（その２）である。 図１１は、第３実施形態による磁気特性測定装置の測定部の構造を示す斜視図である。 図１２は、第３実施形態による磁気特性測定装置の測定部の構造を示す断面図である。 図１３は、第３実施形態による磁気特性測定装置の磁界センサの構造を示す上面図及び断面図である。 図１４は、第３実施形態による磁気特性装置の磁束密度センサの構造を示す上面図及び断面図である。 図１５は、磁界測定誤差の高さ方向の位置依存性を有限要素法によるシミュレーションにより求めた結果を示すグラフ（その１）である。 図１６は、磁界測定誤差の高さ方向の位置依存性を有限要素法によるシミュレーションにより求めた結果を示すグラフ（その２）である。

［第１実施形態］
第１実施形態による磁気特性測定装置及び磁気特性測定方法について図１乃至図５を用いて説明する。

図１は、本実施形態による磁気特性測定装置の測定部の構造を示す斜視図である。図２は、本実施形態による磁気特性測定装置の測定部の構造を示す断面図である。図３は、本実施形態による磁気特性測定装置の全体構成を示す概略図である。図４は、本実施形態による磁気特性測定方法における磁性板試料内の磁界の推定方法を説明するグラフである。図５は、ＳＳＴ法における磁性板試料内の磁界の推定方法を説明するグラフである。

はじめに、本実施形態による磁気測定装置の構造について図１乃至図３を用いて説明する。

本実施形態による磁気特性測定装置１０では、測定対象の磁性板試料を２枚用いて測定を行う。測定に用いる２枚の磁性板試料は同じ材料からなる形状の等しいものであり、例えば図１及び図１２に示すような、長方形の板状体の磁性板試料１２Ａ，１２Ｂを用いることができる。磁性板試料１２Ａ，１２Ｂは、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの両端部に配置されたスペーサ１４によって一定の間隔を離して平行に配置される。ここでは、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの長手方向がＸ軸方向となるように磁性板試料１２Ａ，１２Ｂが配置されているものとする。スペーサ１４の材料は、非磁性体でもよいが、ここでは後述するリターンヨーク２２と同様に軟磁性体材料により形成するものとする。この軟磁性体材料としては、渦電流の影響を低減するために、電磁鋼板を積層したものなどが適する。

磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの周囲には、磁性板試料１２Ａ，１２ＢをＸ軸方向に励磁するための励磁コイル１６が配置されている。磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの間領域の中央部付近には、２つの磁界センサ１８Ａ，１８Ｂが配置されている。磁界センサ１８Ａは、磁性板試料１２Ａと磁性板試料１２Ｂとの間の第１の位置（ここでは例として、磁性板試料１２Ａと磁性板試料１２Ｂとの中間位置とした）に配置され、磁界センサ１８Ｂは、磁性板試料１２Ａと磁性板試料１２Ｂとの間の第２の位置（ここでは例として、磁界センサ１８Ａと磁性板試料１２Ｂとの間の位置とした）に配置されている。磁界センサ１８Ａ，１８Ｂとしては、例えば、空芯コイル（Ｈコイル）やホールセンサを用いることができる。

一方の磁性板試料１２Ａの中央部付近には、磁性板試料１２Ａ内の磁束密度をモニタするための磁束密度センサ２０が配置されている。磁束密度センサ２０としては、例えば、磁性板試料１２Ａに巻回されたコイル（Ｂコイル）を用いることができる。

励磁コイル１６により巻回された磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの上方及び下方には、軟磁性体材料よりなるリターンヨーク２２がそれぞれ配置されている。リターンヨーク２２の端部は、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの端部にそれぞれ接続されており、これにより閉磁路が形成されている。

励磁コイル１６、磁界センサ１８Ａ，１８Ｂ及び磁束密度センサ２０には、図３に示すように、ＤＳＴ（Double Sheet Tester）制御装置３０が接続されている。ＤＳＴ制御装置３０には、本実施形態による磁気特性測定装置の全体の制御を司るＣＰＵ（中央処理装置）４０が接続されている。ＣＰＵ４０には、測定結果等を表示するためのモニタ５０が接続されている。なお、本明細書では、２枚の磁性板試料を用いて測定を行う測定装置を、１枚の磁性板試料を用いて測定を行う磁気特性装置（ＳＳＴ）と区別する観点から、ＤＳＴと表現することもある。

ＤＳＴ制御装置３０は、Ｄ／Ａコンバータ（ＤＡＣ）と、Ｄ／Ａコンバータ（ＤＡＣ）の出力を増幅する電力増幅器（ＰＡＭＰ）とを有している。また、磁束密度センサ２０の出力を増幅する増幅器（ＳＡＭＰ１）と、増幅器（ＳＡＭＰ１）の出力に接続されたＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ１）とを有している。また、磁界センサ１８Ａの出力を増幅する増幅器（ＳＡＭＰ２）と、増幅器（ＳＡＭＰ２）の出力に接続されたＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ２）とを有している。また、磁界センサ１８Ｂの出力を増幅する増幅器（ＳＡＭＰ３）と、増幅器（ＳＡＭＰ３）の出力に接続されたＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ３）とを有している。

次に、本実施形態による磁気特性測定装置を用いた磁気特性測定方法について図１乃至図４を用いて説明する。

まず、ＣＰＵ４０からの指示により、Ｄ／Ａコンバータ（ＤＡＣ）及び電力増幅器（ＰＡＭＰ）を介して励磁コイル１６に電流を流し、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂに磁界を印加する。この際、ＣＰＵ４０により、Ｄ／Ａコンバータ（ＤＡＣ）の出力波形が設定され、Ｄ／Ａコンバータ（ＤＡＣ）の出力が電力増幅器（ＰＡＭＰ）により増幅され、励磁コイル１６に流す電流となる。

次いで、励磁コイル１６内に励磁された磁界の強さを磁界センサ１８Ａ，１８Ｂにより検出し、磁性板試料１２Ａ内の磁束密度を磁束密度センサ２０により検出する。磁界センサ１８Ａ，１８Ｂからの出力は、増幅器（ＳＡＭＰ１，ＳＡＭＰ２）により増幅され、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ２，ＡＤＣ３）によりデジタルデータ化されて、ＣＰＵ４０に読み込まれる。また、磁束密度センサ２０からの出力は、増幅器（ＳＡＭＰ１）により増幅され、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ１）によりデジタルデータ化されて、ＣＰＵ４０に読み込まれる。

次いで、ＣＰＵ４０は、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ２，ＡＤＣ３）からの出力に基づいて演算を行い、磁界Ｈを算出する。また、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ１）からの出力に基づいて演算を行い、磁束密度Ｂを算出する。そして両者の結果からＢ−Ｈ特性等の所定の磁気特性が求められる。ＣＰＵ４０による算出結果は、必要に応じてモニタ５０に出力される。

ここで、測定すべき磁界は、磁性板試料１２Ａ内における磁界であるところ、磁界センサ１８Ａ，１８Ｂにより測定される磁界は、磁性板試料１２Ａと磁性板試料１２Ｂとの間の空間における磁界である。そこで、本実施形態による磁気特性測定方法では、磁性板試料１２Ａ内の磁界Ｈを、２つの磁界センサ１８Ａ，１８Ｂにより検出した磁界に基づいて、以下のようにして算出する。

図４は、磁性板試料１２Ａと磁性板試料１２Ｂとの間の位置と磁界の強度との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの表面に直交するＺ軸方向の位置（高さ）を表しており、磁性板試料１２Ａと磁性板試料１２Ｂとの間の中間点を原点Ｏとしている。高さＺｓが磁性板試料１２Ｂの磁性板試料１２Ａ側の表面位置に相当し、高さ−Ｚｓが磁性板試料１２Ａの磁性板試料１２Ｂ側の表面位置に相当する。また、原点Ｏが磁界センサ１８Ａの位置に相当し、高さＺ１が磁界センサ１８Ｂの位置に相当する。グラフの縦軸は、磁界印加軸方向（Ｘ軸方向）の磁界成分、Ｈｘ（Ｚ，０，０）≡Ｈｘ（Ｚ）、を表している。

励磁用コイル１６や励磁磁界を導くリターンヨーク２２により磁性板試料１２Ａ，１２Ｂに印加される外部磁界がＺ＝０面に対称とみなせれば、測定系の対称性から、
Ｈｘ（Ｚ）＝Ｈｘ（−Ｚ）
の関係が成立する。したがって、Ｈｘ（Ｚ）をＺの冪級数で展開すると、Ｚの偶数次数の項のみが残る。２つの磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの内側表面の磁界Ｈｘ（Ｚｓ）（＝Ｈｚ（−Ｚｓ））は、３次の冪までの近似では、Ｈｘ（０）とＨｘ（Ｚ１）を用いて、
Ｈｘ（Ｚｓ）≒Ｈｘ（０）＋［Ｈｘ（Ｚ１）−Ｈｘ（０）］×（Ｚｓ／Ｚ１）^２
と表される。通常、磁性板試料の内部磁界の厚み方向での磁界分布はほぼ一様とみなせるので、磁性板試料の内部磁界は表面磁界Ｈｘ（Ｚｓ）で近似することができる。

したがって、磁界センサ１８Ａにより磁界Ｈｘ（０）を検出し、磁界センサ１８Ｂにより磁界Ｈｘ（Ｚ１）を検出し、ＣＰＵ４０により上の式を用いてＨｘ（Ｚｓ）を算出することで、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの内部磁界を高精度の近似で求めることができる。

また、より一般的には、磁性板試料１２Ａと磁性板試料１２Ｂとの間の中間の平面からの距離が、Ｚ１とＺ２（但し、｜Ｚ１｜≠｜Ｚ２｜）となる第１の位置と第２の位置を磁性板試料１２Ａと磁性板試料１２Ｂとの間に選択し、この２つの位置における磁界、Ｈｘ（Ｚ１）とＨｘ（Ｚ２）を用いて、３次の冪までの近似では、
Ｈｘ（Ｚｓ）≒［（Ｚ１^２×Ｈｘ（Ｚ２）−Ｚ２^２×Ｈｘ（Ｚ１））
＋（Ｈｘ（Ｚ１）−Ｈｘ（Ｚ２））×Ｚｓ^２］／（Ｚ１^２−Ｚ２^２）
と表されるので、｜Ｚ１｜≠｜Ｚ２｜として、Ｚ１の位置に置いた磁界センサ１８Ａにより磁界Ｈｘ（Ｚ１）を検出し、Ｚ２の位置に置いた磁界センサ１８Ｂにより磁界Ｈｘ（Ｚ２）を検出し、ＣＰＵ４０により上の式を用いてＨｘ（Ｚｓ）を算出することで、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの内部磁界を高精度の近似で求めることができる。ここで、第１の位置と第２の位置は一つのＺ軸上の位置であり、さらには、このＺ軸は図１の測定系の中央を原点とする軸であることが理想であるが、磁界分布の一様性が十分保たれる範囲であれば、１つのＺ軸上に位置していなくてもよい。

なお、ＳＳＴの２Ｈコイル法による磁界の測定では、例えば図５に示すように、高さＺ１の位置に配置した磁界センサにより磁界Ｈ（Ｚ１）を検出し、高さＺ２の位置に配置した磁界センサにより磁界Ｈ（Ｚ２）を検出する。そして、磁界Ｈ（Ｚ１）と磁界Ｈ（Ｚ２）とを直線（図中、点線）で外挿して磁性板試料表面の高さＺｓの位置の磁界Ｈ（Ｚｓ）を算出し、この磁界Ｈ（Ｚｓ）を磁性板試料内部の磁界と推定する。

しかしながら、実際の磁界強度の分布には２次以上の項も含まれるため、必ずしも直線的に変化するものではなく、例えば図５に実線で示すような曲線となることもある。このため、ＳＳＴの２Ｈコイル法では、磁性板試料内部の磁界Ｈを高い精度で測定することは困難である。

このように、本実施形態によれば、２枚の磁性板試料を平行に配置し、これら磁性板試料間の領域で磁界を測定するので、磁界測定点付近における磁界の一様性を向上することができ、磁性板試料の磁界特性をより高い精度で測定することができる。また、磁性板試料内の磁界を算出する際、磁界の高さ依存曲線の奇数次の項をキャンセルし、２次の項をも含めて補正を行うことができるので、高い精度で磁性板試料内部の磁界を算出することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態による磁気特性測定装置及び磁気特性測定方法について図６乃至図１０を用いて説明する。図１乃至図４に示す第１実施形態による磁気特性測定装置及び磁気特性測定方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図６は、本実施形態による磁気特性測定装置の測定部の構造を示す斜視図である。図７は、本実施形態による磁気特性測定装置の測定部の構造を示す断面図である。図８は、本実施形態による磁気特性測定装置の全体構成を示す概略図である。図９及び図１０は、励磁コイルに流す電流とＸ軸方向の磁界の強さとの関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。

はじめに、本実施形態による磁気特性測定装置の構造について図６乃至図８を用いて説明する。

本実施形態による磁気特性測定装置は、励磁コイル１６及びリターンヨーク２２の配置が異なるほかは、図１乃至図４に示す第１実施形態による磁気特性測定装置１０と基本的に同様である。すなわち、本実施形態による磁気特性測定装置の測定部は、図６及び図７に示すように、磁性板試料１２Ｂの上面が励磁コイル１６及びリターンヨーク２２で覆われないように、これらの配置を工夫したものである。

２枚の磁性板試料１２Ａ，１２Ｂは、長方形の板状体であり、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの両端部に配置されたスペーサ１４によって一定の間隔を離して平行に配置される。磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの両端部には、スペーサ１４とともに磁性板試料１２Ａ，１２Ｂを挟持するように固定ブロック２４が配置されている。スペーサ１４及び固定ブロック２４により固定された磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの両端部には、軟磁性体材料よりなるサイドヨーク２６がそれぞれ配置されている。スペーサ１４及び固定ブロック２４の材料は非磁性体でもよいが、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂをサイドヨーク２６に接続してヨークの働きを強めるためには、軟磁性材料であることが望ましい。

サイドヨーク２６の周囲には、磁性板試料１２Ａ，１２ＢをＸ軸方向に励磁するための励磁コイル１６Ａ，１６Ｂがそれぞれ配置されている。励磁コイル１６Ａ，１６Ｂは、少なくとも磁性板試料１２Ｂの中央部分を覆わないように配置されていればよく、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの端部は励磁コイル１６Ａ，１６Ｂにより覆われていてもよい。

磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの間領域の中央部付近には、２つの磁界センサ１８Ａ，１８Ｂが配置されている。磁界センサ１８Ａは、磁性板試料１２Ａと磁性板試料１２Ｂとの中間の位置に配置され、磁界センサ１８Ｂは、磁界センサ１８Ａと磁性板試料１２Ｂとの間の位置に配置されている。一方の磁性板試料１２Ａの中央部付近には、磁性板試料１２Ａ内の磁束密度をモニタするための磁束密度センサ２０が配置されている。

磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの両端部は、サイドヨーク２６及びリターンヨーク２２を介して接続されており、これにより閉磁路が形成されている。リターンヨーク２２は、磁性板試料１２Ｂ上を覆わないように、リターンヨーク２２により形成される閉磁路の面が、磁性板試料１２Ａ及び磁性板試料１２Ｂの表面に対して平行になるように、Ｘ−Ｙ面に沿って平行に形成されている。

このようにして励磁コイル１６及びリターンヨーク２２が磁性板試料１２Ｂ上を覆わないように配置し、かつ磁束密度センサ２０を一方の磁性板試料１２Ａに配置することで、磁性板試料１２Ｂの磁区観察を行うことも可能になる。例えば図８に示すように、測定部上に顕微鏡６０を配置することで、磁性板試料Ａを用いて磁気特性の測定を行うと同時に、磁性板試料１２Ｂを用いて磁区観察を行うことができる。顕微鏡６０は、ＣＰＵ４０によって制御するようにしてもよい。

なお、本実施形態による磁気特性測定装置を用いた磁気特性測定方法は、第１実施形態による磁気特性測定装置を用いた磁気特性測定方法と同様である。

図９及び図１０は、励磁コイル１６Ａ，１６Ｂに流す電流ＩとＸ軸方向の磁界Ｈｘ（Ｚ）との関係を有限要素法によるシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図９が本実施形態による磁気特性測定装置の場合であり、図１０が磁性板試料を１枚とした場合（ＳＳＴ）である。図中、両矢印で示す部分が磁性板試料の配置場所に相当している。励磁コイル１６Ａ，１６Ｂのコイル巻き数はそれぞれ６００ターンとした。磁性板試料１枚のサイズは、磁界印加方向の長さを５０ｍｍ、幅を１０ｍｍ、厚みを０．５ｍｍとした。磁性板試料と測定装置を構成する強磁性体には、総て軟鉄のＢ−Ｈ特性（ヒステリシス無し、有限個の点データを直線補間したもの）を使用して計算を行った。

コイル電流Ｉを１Ａとした場合、図１０に示すＳＳＴでは、磁界Ｈｘ（Ｚ）の曲線の曲がりが強くなっており、直線で外挿を行う２Ｈ法では誤差が生じることが想定される。

これに対し、図９に示す本実施形態による磁気特性測定装置では、２つの磁性板試料間で磁界Ｈｘ（Ｚ）はコイル電流Ｉの値によらずに２次曲線でよく近似できていることが判る。また、磁性板試料内部では、磁界Ｈｘ（Ｚ）はほぼ一定となっていることが判る。したがって、磁界センサ１８Ａ，１８Ｂで検出した磁界の値を用いて２次曲線で磁性板試料表面に外挿を行う本実施形態による測定方法によれば、ＳＳＴ法と比較して、磁性板試料内部の磁界をより高精度に測定することができる。

表１は、各種測定方法における測定誤差の計算例をまとめたものである。表中、１Ｈセンサ法とは、磁界センサを１つ用いた測定方法であり、２Ｈセンサ法とは、磁界センサを２つ用いた測定方法である。また、ＳＳＴは、１枚の磁性板試料を用いた測定方法であり、ＤＳＴは、２枚の磁性板試料を用いた測定方法である。本実施形態による磁気特性の測定方法は、ＤＳＴ−２Ｈセンサ法に該当する。

ＳＳＴ−１Ｈセンサ法の計算では、磁性板試料の厚みの中央を原点として、Ｚ＝１ｍｍの高さに磁界センサを配置した場合と、Ｚ＝２ｍｍの高さに磁界センサを配置した場合を想定した。

ＳＳＴ−２Ｈセンサ法では、磁性板試料の厚みの中央を原点として、Ｚ＝１ｍｍの高さとＺ＝２ｍｍの高さに磁界センサを配置した場合を想定した。

ＤＳＴ−１Ｈセンサ法では、磁性板試料の厚みの中央間の距離が４．５ｍｍとなるように２枚の磁性板試料を配置し、Ｚ＝０の高さ（２枚の磁性板試料の中間の位置）に磁界センサを配置した場合を想定した。

ＤＳＴ−２Ｈセンサ法では、磁性板試料の厚みの中央間の距離が４．５ｍｍとなるように２枚の磁性板試料を配置し、Ｚ＝０の高さ（２枚の磁性板試料の中間の位置）とＺ＝１ｍｍの高さに磁界センサを配置した場合を想定した。

励磁コイルに流すコイル電流Ｉは、Ｉ＝０．１Ａの場合とＩ＝１．０Ａの場合の２種類を想定した。なお、Ｉ＝０．１Ａのコイル電流によりおよそ２１００Ａ／ｍの磁界が励起され、Ｉ＝１．０Ａのコイル電流によりおよそ１９０００Ａ／ｍの磁界が励起されるものとした。

表１の結果から、本実施形態による磁気特性測定装置を用いて測定を行うことにより、磁性板試料内の内部磁界を他の方法よりも高精度に測定できることが検証できた。

このように、本実施形態によれば、２枚の磁性板試料を平行に配置し、これら磁性板試料間の領域で磁界を測定するので、磁界測定点付近における磁界の一様性を向上することができ、磁性板試料の磁界特性をより高い精度で測定することができる。また、磁性板試料内の磁界を算出する際、磁界の高さ依存曲線の奇数次の項をキャンセルし、２次の項をも含めて補正を行うことができるので、高い精度で磁性板試料内部の磁界を算出することができる。また、励磁コイルを磁性板試料の両端部に分けて配置し、かつ磁束密度センサを一方の磁性板試料に配置することで、もう一方の磁性板試料の中央部分を露出することができるので、この領域を磁区観察に利用することができる。

［第３実施形態］
第３実施形態による磁気特性測定装置及び磁気特性測定方法について図１１乃至図１６を用いて説明する。図１乃至図１０に示す第１及び第２実施形態による磁気特性測定装置及び磁気特性測定方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図１１は、本実施形態による磁気特性測定装置の測定部の構造を示す斜視図である。図１２は、本実施形態による磁気特性測定装置の測定部の構造を示す断面図である。図１３は、本実施形態による磁気特性測定装置の磁界センサの構造を示す上面図及び断面図である。図１４は、本実施形態による磁気特性装置の磁束密度センサの構造を示す上面図及び断面図である。図１５及び図１６は、磁界測定誤差の高さ方向の位置依存性を有限要素法によるシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。

はじめに、本実施形態による磁気特性測定装置の構造について図１１乃至図１４を用いて説明する。なお、図１２は、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの形成部のＸ−Ｚ平面に平行な面に沿った断面図である。磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの形成部のＹ−Ｚ平面に平行な面に沿った断面図も、図１２と同様である。

本実施形態による磁気特性測定装置は、直交する２つの軸方向に独立に磁界を印加する励磁コイルを備えた２次元磁気特性測定装置である。

本実施形態による磁気特性測定装置においても、測定対象の磁性板試料を２枚用いて測定を行う。２枚の磁性板試料１２Ａ，１２Ｂは、図１１及び図１２に示すように、四角形の板状体であり、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの４辺の端部に配置されたスペーサ１４によって一定の間隔を離して平行に配置される。ここでは、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの対向する２組の辺がそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に平行になるように磁性板試料１２Ａ，１２Ｂが配置されているものとする。磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの４辺の端部には、スペーサ１４とともに磁性板試料１２Ａ，１２Ｂを挟持するように固定ブロック２４が配置されている。スペーサ１４及び固定ブロック２４により固定された磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの４辺の端部には、軟磁性体材料よりなるサイドヨーク２６がそれぞれ配置されている。

なお、本実施形態による磁気特性装置では、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂ内の磁化ベクトルを一様にするためには、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂをサイドヨーク２６に磁気的に接触させずにスペースを設けることが望ましい（図１２参照）。また、スペーサ１４及び固定ブロック２４の材料としては、非磁性体が望ましい。

磁性板試料１２Ａ，１２ＢのＹ軸に平行な２辺に隣接するサイドヨーク２６の周囲には、磁性板試料１２Ａ，１２ＢをＸ軸方向に励磁するための励磁コイル１６Ａ，１６Ｂがそれぞれ配置されている。また、磁性板試料１２Ａ，１２ＢのＸ軸に平行な２辺に隣接するサイドヨーク２６の周囲には、磁性板試料１２Ａ，１２ＢをＹ軸方向に励磁するための励磁コイル１６Ｃ，１６Ｄがそれぞれ配置されている。

磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの周囲には、四角い枠状のリターンヨーク２２が配置されている。リターンヨーク２２は、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの周囲に配置されたサイドヨーク２６に接続されており、これにより閉磁路が形成されている。リターンヨーク２２は、磁性板試料１２Ｂ上を覆わないように、Ｘ−Ｙ平面に沿って配置されている。

磁性板試料１２Ａ，１２Ｂ間の領域の中央部付近には、２つの磁界センサ１８Ａ，１８Ｂが配置されている。磁界センサ１８Ａは、磁性板試料１２Ａと磁性板試料１２Ｂとの中間の位置に配置され、磁界センサ１８Ｂは、磁界センサ１８Ａと磁性板試料１２Ｂとの間の位置に配置されている。

磁界センサ１８Ａ，１８Ｂとしては、例えば図１３に示すような２軸の磁界ベクトルセンサを適用することができる。図１３（ａ）は上面図であり、図１３（ｂ）は断面図である。図１３に示す磁界センサは、平板状のボビン７０に、直交する２つのコイル７２，７４が巻回されたものである。ボビン７０のＸ軸に平行な２辺に巻回されたコイル７２は、Ｘ軸方向の磁界を検出するセンサとして機能し、ボビン７０のＹ軸に平行な２辺に巻回されたコイル７４は、Ｙ軸方向の磁界を検出するセンサとして機能する。

一方の磁性板試料１２Ａの中央部付近には、磁性板試料１２Ａ内の磁束密度をモニタするための磁束密度センサ２０が配置されている。

磁束密度センサ２０としては、例えば図１４に示すような２軸の磁束密度ベクトルセンサを適用することができる。図１４（ａ）は上面図であり、図１４（ｂ）は断面図である。図１４に示す磁束密度センサは、磁性板試料１２Ａに開けられた開口部７６，７８を通して磁性板試料１２Ａの中央部に巻回された直交する２つのコイル８０，８２を有している。Ｙ軸方向に沿って隣接配置された２つの開口部７６を通して巻回されたコイル８０は、Ｘ軸方向の磁束密度を検出するセンサとして機能し、Ｘ軸方向に沿って隣接配置された２つの開口部７８を通して巻回されたコイル８２は、Ｙ軸方向の磁束密度を検出するセンサとして機能する。

本実施形態による磁気特性測定装置の全体構成は、基本的には、図３に示す第１実施形態による磁気特性測定装置と同様である。なお、ＤＳＴ制御装置３０は、磁性板試料１２Ａ，１２に印加する磁界のＸ軸方向及びＹ軸方向の成分をそれぞれ独立して制御できるようになっている。また、磁性板試料１２Ａ内の磁界及び磁束密度をＸ軸方向及びＹ軸方向の成分に分けてそれぞれ独立して検出できるようになっている。

磁性板試料１２Ｂ上には、例えば図８に示す第２実施形態による磁気特性測定装置の場合と同様に、磁区観察用の顕微鏡を配置するようにしてもよい。

なお、本実施形態による磁気特性測定装置を用いた磁気特性測定方法は、基本的には第１実施形態による磁気特性測定装置を用いた磁気特性測定方法と同様である。第１実施形態による磁気特性測定方法と同様にして、Ｘ軸方向の磁気特性とＹ軸方向の磁気特性とをそれぞれ測定することにより、磁性板試料１２ＡにＸ−Ｙ面内の任意の方向に沿った磁界や、円および任意の角度の楕円形の回転磁界を印加したときの磁気特性を測定することができる。

図１５及び図１６は、磁界測定誤差の高さ方向の位置（Ｚ軸方向の位置）依存性を有限要素法によるシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図１５が本実施形態による磁気特性測定装置（２Ｄ−ＤＳＴ）の場合であり、図１６がＳＳＴ法を用いた２次元磁気特性測定装置（２Ｄ−ＳＳＴ）の場合である。励磁コイル１６Ａ〜Ｄのコイル巻き数はそれぞれ６００ターンとした。磁性板試料１枚のサイズは５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さは０．５ｍｍとした。磁性板試料と測定装置を構成する強磁性体には、総て軟鉄のＢ−Ｈ特性（ヒステリシス無し、有限個の点データを直線補間したもの）を使用して計算を行った。

２Ｄ−ＤＳＴの励磁コイルやヨークは、２Ｄ−ＳＳＴと同じ形状サイズとした。ここでは、Ｘ軸方向の励磁コイル１６Ａ，１６Ｂにのみ電流を印加し、Ｙ軸方向の励磁コイル１６Ｃ，１６Ｄの電流はゼロとした場合を計算した。

２Ｄ−ＤＳＴのシミュレーション（図１５）では、磁性板試料の厚みの中央間の距離が４．５ｍｍとなるように２枚の磁性板試料を配置し、２枚の磁性板試料の中間の位置を原点（０，０，０）とした。そして、磁界センサのサイズを無視し、位置（０，０，Ｚ）に磁界センサを置いて測定される磁界のＸ成分Ｈｘ（０，０，Ｚ）≡Ｈｘ（Ｚ）と磁性板試料の磁性板試料中心における磁界Ｈｘ（０，０，２．２５ｍｍ）≡Ｈｘ（２．２５ｍｍ）との差をＨｘ（２．２５ｍｍ）に対する比率で表したδｒ（２Ｄ−ＤＳＴ，Ｚ）、
δｒ（２Ｄ−ＤＳＴ，Ｚ）≡［Ｈｘ（Ｚ）−Ｈｘ（２．２５ｍｍ）］／Ｈｘ（２．２５ｍｍ）
を励磁コイルの電流を変えながら計算した。これが２Ｄ−ＤＳＴにおける磁界センサの測定誤差を比率で表した値となる。

２Ｄ−ＳＳＴのシミュレーション（図１６）では、磁性板試料の厚みの中央を原点（０，０，０）として、Ｚ＝１ｍｍの高さに磁界センサを配置した場合と、Ｚ＝２ｍｍの高さに磁界センサを配置した場合を想定した。そして、磁界センサのサイズを無視し、位置（０，０，Ｚ）に磁界センサを置いて測定される磁界のＸ成分Ｈｘ（０，０，Ｚ）≡Ｈｘ（Ｚ）と磁性板試料中心における磁界Ｈｘ（０，０，０）≡Ｈｘ（０）との差をＨｘ（０）に対する比率で表したδｒ（２Ｄ−ＳＳＴ，Ｚ）、
δｒ（２Ｄ−ＳＳＴ，Ｚ）≡［Ｈｘ（Ｚ）−Ｈｘ（０）］／Ｈｘ（０）
を励磁コイルの電流を変えながら計算した。これが２Ｄ−ＳＳＴにおける磁界センサの測定誤差を比率で表した値となる。

図１５及び図１６に示すように、２Ｄ−ＤＳＴを用いた場合の測定誤差は、２Ｄ−ＳＳＴを用いた場合の測定誤差と比較して、非常に小さいことが判る。例えば、δｒ（２Ｄ−ＤＳＴ，２ｍｍ）とδｒ（２Ｄ−ＳＳＴ，０ｍｍ）とを比較すると、磁界Ｈｘ（０，０，０）が５００［Ａ／ｍ］のときには、２Ｄ−ＳＳＴの測定誤差が＋３８％であるのに対し、２Ｄ−ＤＳＴの測定誤差は−０．２％となる。また、磁界Ｈｘ（０，０，０）が８０００［Ａ／ｍ］のときには、２Ｄ−ＳＳＴの測定誤差が＋５％であるのに対し、２Ｄ−ＤＳＴでは＋０．４％となる。

このように、本実施形態によれば、本実施形態によれば、２枚の磁性板試料を平行に配置し、これら磁性板試料間の領域で磁界を測定するので、磁界測定点付近における磁界の一様性を向上することができ、磁性板試料の磁界特性をより高い精度で測定することができる。また、磁性板試料内の磁界を算出する際、磁界の高さ依存曲線の奇数次の項をキャンセルし、２次の項をも含めて補正を行うことができるので、高い精度で磁性板試料内部の磁界を算出することができる。また、交差する２方向に磁気特性測定手段を配置するので、磁性板試料の任意の方向や、円および楕円形の回転磁界に対する磁気特性を測定することができる。また、励磁コイルを磁性板試料の両端部に分けて配置し、かつ磁束密度センサを一方の磁性板試料に配置することで、もう一方の磁性板試料の中央部分を露出することができるので、この領域を磁区観察に利用することができる。

［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、磁性板試料のＢ−Ｈ特性を測定することを考慮して磁界センサ１６と磁束密度センサ２０とを設けたが、磁界センサ１６のみを設けて磁性板試料内の磁界のみを測定するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、２枚の磁性板試料１２Ａ，１２Ｂを用いた例を示したが、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂのそれぞれを、同じ枚数の複数枚の磁性板試料を重ねたものとしてもよい。これにより、個々の磁性板試料の特性ばらつきによって生じる測定ばらつきを平均して磁気特性を測定することができる。また、磁束密度センサの感度を向上することができる。

また、上記第１実施形態では、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂを囲うように励磁コイル１６を設けたが、第２実施形態の場合のように、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの両端部に分割して励磁コイル１６Ａ，１６Ｂを配置してもよい。

また、上記実施形態では、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂを同じ材料からなる形状の等しいものを用いる場合を示したが、磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの中間点から見た磁界の対称性を十分に確保できるものであれば、必ずしも同じ材料からなる形状の等しい試料を用いる必要はない。磁性板試料１２Ａ，１２Ｂの中間点から見た磁界の対称性がずれた場合に、このずれを補正するようにしてもよい。

また、リターンヨークは、より高精度な測定が求められる際には形成することが望ましいが、必ずしも形成する必要はない。

また、上記実施形態に記載の磁気特性測定装置の構造及び磁気特性測定方法は、一例を示したものにすぎず、当業者の技術常識等に応じて適宜修正や変更が可能である。

以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１） 第１の磁性板試料と、
前記第１の磁性板試料から離間して平行に配置された第２の磁性板試料と、
前記第１の磁性板試料及び前記第２の磁性板試料の表面に平行な方向の成分を有する磁界を印加する磁界印加手段と、
前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料との間の第１の位置に配置された第１の磁界センサと、
前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料との間の第２の位置に配置された第２の磁界センサとを有し、
前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料との中間の平面からの前記第１の位置と前記第２の位置の距離の絶対値が異なる
ことを特徴とする磁気特性測定装置。

（付記２） 付記１記載の磁気特性測定装置において、
前記第１の磁性板試料に設けられた磁束密度センサを更に有する
ことを特徴とする磁気特性測定装置。

（付記３） 付記１又は２記載の磁気特性測定装置において、
前記第１の磁界センサにより検出した第１の磁界の強さと、前記第２の磁界センサにより検出した第２の磁界の強さに基づき前記第１の磁性板試料内の磁界を算出する演算装置を更に有する
ことを特徴とする磁気特性測定装置。

（付記４） 付記３記載の磁気特性測定装置において、
前記演算手段は、前記第１の磁界の強さ及び前記第２の磁界の強さを、前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料との中間の位置に対称な２次曲線で外挿することにより、前記第１の磁性板試料内の磁界を算出する
ことを特徴とする磁気特性測定装置。

（付記５） 付記１乃至４のいずれか１項に記載の磁気特性測定装置において、
前記磁界印加手段は、第１の方向に磁界を印加する第１の磁界印加手段と、前記第１の方向と交差する第２の方向に磁界を印加する第２の磁界印加手段とを有する
ことを特徴とする磁気特性測定装置。

（付記６） 付記１乃至５のいずれか１項に記載の磁気特性測定装置において、
前記第２の磁性板試料の磁区状態を観察する磁区観察手段を更に有する
ことを特徴とする磁気特性測定装置。

（付記７） 付記１乃至６のいずれか１項に記載の磁気特性測定装置において、
前記磁界印加手段は、前記第１の磁性板試料及び前記第２の磁性板試料の一端部に配置された第１の磁界印加手段と、前記第１の磁性板試料及び前記第２の磁性板試料の他端部に配置された第２の磁界印加手段とを有する
ことを特徴とする磁気特性測定装置。

（付記８） 付記１乃至７のいずれか１項に記載の磁気特性測定装置において、
前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料とは、同じ材料からなり形状が等しい
ことを特徴とする磁気特性測定装置。

（付記９） 付記１乃至８のいずれか１項に記載の磁気特性測定装置において、
前記第１の磁性板試料及び前記第２の磁性板試料は、同じ枚数の複数の磁性板試料を重ねたものである
ことを特徴とする磁気特性測定装置。

（付記１０） 互いに平行に配置された第１及び第２の磁性板試料に、前記第１の磁性板試料及び前記第２の磁性板試料の表面に平行な方向の成分を有する磁界を印加し、
前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料との中間の位置に配置された第１の磁界センサにより第１の磁界を検出し、
前記第２の磁性板試料と前記第１の磁界センサとの間に配置された第２の磁界センサにより第２の磁界を検出し、
前記第１の磁界センサにより検出した前記第１の磁界の強さと、前記第２の磁界センサにより検出した前記第２の磁界の強さに基づいて、前記第１の磁性板試料内の磁界を算出する
ことを特徴とする磁気特性測定方法。

（付記１１） 付記１０記載の磁気特性測定方法において、
前記第１の磁性板試料に設けられた磁束密度センサにより、前記第１の磁性板試料内の磁束密度を更に検出する
ことを特徴とする磁気特性測定方法。

１０…磁気特性測定装置
１２Ａ，１２Ｂ…磁性板試料
１４…スペーサ
１６，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ…励磁コイル
１８Ａ，１８Ｂ…磁界センサ
２０…磁束密度センサ
２２…リターンヨーク
２４…固定ブロック
２６…サイドヨーク
３０…ＤＳＴ制御装置
４０…ＣＰＵ
５０…モニタ
６０…顕微鏡
７０…ボビン
７２，７４，８０，８２…コイル
７６，７８…開口部

Claims (7)

1. 第１の磁性板試料と、
   前記第１の磁性板試料から離間して平行に配置された第２の磁性板試料と、
   前記第１の磁性板試料及び前記第２の磁性板試料の表面に平行な方向の成分を有する磁界を印加する磁界印加手段と、
   前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料との間の第１の位置に配置された第１の磁界センサと、
   前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料との間の第２の位置に配置された第２の磁界センサとを有し、
   前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料との中間の平面からの前記第１の位置と前記第２の位置の距離の絶対値が異なる
   ことを特徴とする磁気特性測定装置。
2. 請求項１記載の磁気特性測定装置において、
   前記第１の磁性板試料に設けられた磁束密度センサを更に有する
   ことを特徴とする磁気特性測定装置。
3. 請求項１又は２記載の磁気特性測定装置において、
   前記第１の磁界センサにより検出した第１の磁界の強さと、前記第２の磁界センサにより検出した第２の磁界の強さに基づき前記第１の磁性板試料内の磁界を算出する演算装置を更に有する
   ことを特徴とする磁気特性測定装置。
4. 請求項３記載の磁気特性測定装置において、
   前記演算手段は、前記第１の磁界の強さ及び前記第２の磁界の強さを、前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料との中間の位置に対称な２次曲線で外挿することにより、前記第１の磁性板試料内の磁界を算出する
   ことを特徴とする磁気特性測定装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気特性測定装置において、
   前記磁界印加手段は、第１の方向に磁界を印加する第１の磁界印加手段と、前記第１の方向と交差する第２の方向に磁界を印加する第２の磁界印加手段とを有する
   ことを特徴とする磁気特性測定装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気特性測定装置において、
   前記第２の磁性板試料の磁区状態を観察する磁区観察手段を更に有する
   ことを特徴とする磁気特性測定装置。
7. 互いに平行に配置された第１及び第２の磁性板試料に、前記第１の磁性板試料及び前記第２の磁性板試料の表面に平行な方向の成分を有する磁界を印加し、
   前記第１の磁性板試料と前記第２の磁性板試料との中間の位置に配置された第１の磁界センサにより第１の磁界を検出し、
   前記第２の磁性板試料と前記第１の磁界センサとの間に配置された第２の磁界センサにより第２の磁界を検出し、
   前記第１の磁界センサにより検出した前記第１の磁界の強さと、前記第２の磁界センサにより検出した前記第２の磁界の強さに基づいて、前記第１の磁性板試料内の磁界を算出する
   ことを特徴とする磁気特性測定方法。
   

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