JP6481191B2 - AC magnetic field measuring apparatus and AC magnetic field measuring method - Google Patents

AC magnetic field measuring apparatus and AC magnetic field measuring method Download PDF

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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。
The present invention relates to an AC magnetic field measuring apparatus and an AC magnetic field measuring method for measuring an AC magnetic field (or AC magnetic field responsiveness) of a sample (a sample that generates an AC magnetic field by giving a signal) using a vibrating probe. About.
In particular, according to the present invention, even when a sample generates a high-frequency magnetic field having a frequency higher than several KHz (typically, a frequency of GHz or higher), the AC magnetic field (or AC magnetic field responsiveness) of the sample is concerned. The present invention relates to an AC magnetic field measurement apparatus and an AC magnetic field measurement method.

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ωs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。
As shown in FIG. 3, the magnetic characteristics related to the applied magnetic field responsiveness of the sample 80 (magnetic head in FIG. 3) can be measured by a magnetic characteristic measuring device (magnetic force microscope) 8.
In the magnetic property measuring apparatus 8, a probe 83 made of a hard magnetic material (hereinafter also referred to as “hard magnetic probe”) 83 is formed on the lower surface of the tip of the cantilever 81 toward the sample 80. An exciter (piezo element) 82 is provided at the starting end of the cantilever 81. The exciter 82 mechanically vibrates the probe 83 at an angular frequency ω 0 (frequency f 0 (= ω 0 / (2π)).
The mechanical vibration (angular frequency ω 0 ) of the probe 83 is subjected to frequency modulation by an alternating magnetic field having an angular frequency ω s generated from the sample 80.
That is, when the probe 83 receives a magnetic force from the AC magnetic field generated by the sample 80, the apparent spring constant of the cantilever 81 changes. As a result, frequency modulation occurs in the mechanical vibration of the probe 83 at the angular frequency ω 0 .
In FIG. 3, the power source of the exciter 82 is indicated by AC 1 , and the power source connected to the sample 80 is indicated by AC 2 .

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)。
The vibration of the probe 83 (frequency modulated vibration) is detected by a vibration detector 84 including a laser light source 841 and a photodiode 842.
That is, the light from the laser light source 841 is reflected by the mirror formed on the top surface of the tip of the cantilever 81, and the reflected light is detected by the photodiode 842.
A signal from the photodiode 842 enters the frequency demodulator 85.
The demodulator 85 frequency-demodulates the input signal and sends the demodulated signal to the magnetic characteristic measurement circuit 86.
The magnetic characteristic measurement circuit 86 can measure the AC magnetic field (or AC magnetic field responsiveness) of the sample 80 by analyzing the demodulated signal received from the demodulator 85 (Patent Document 1).

WO2009/101991WO2009 / 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。
z(t)=Hz0 accos(ωst)=Hz0 accos(2πfst)
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
ωs:試料80から発生する交流磁場の角周波数
s:試料80から発生する交流磁場の周波数(fs=ωs/(2π))
In the alternating magnetic field measurement using the magnetic characteristic measuring apparatus of FIG. 3, the alternating magnetic field component in the direction (z direction) perpendicular to the sample surface generated from the sample 80 is expressed by the following equation. Here, the direction in which the probe 83 is displaced is a direction perpendicular to the sample surface.
H z (t) = H z0 ac cos (ω s t) = H z0 ac cos (2πf s t)
H z0 ac : amplitude of the component of the alternating magnetic field perpendicular to the sample surface generated from the sample 80 ω s : angular frequency of the alternating magnetic field generated from the sample 80 f s : frequency of the alternating magnetic field generated from the sample 80 (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。   When a non-resonant AC magnetic field having a frequency different from the resonance frequency of the cantilever 81 is applied to the probe (hard magnetic probe) 83, a non-resonant AC magnetic force is applied to the probe 83, and as described above, Frequency modulation (FM) is induced in the mechanical vibration. Using this frequency modulation (FM), the alternating magnetic field generated from the sample 80 can be measured.

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Hz0 accos(ωst)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)=∂Fz/∂z=qtip dc{∂Hz(t)/∂z}
=qtip dc{∂Hz0 accos(ωst)/∂z}
tip dc:探針83(ハード磁性体探針)先端の磁極
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
ωs:試料80から発生する交流磁場の角周波数
The probe 83 is a hard magnetic probe of a single magnetic pole type (a state of a magnetic probe in which the magnetic force received by the magnetic pole at the tip of the probe 83 is the main), and is perpendicular to the sample surface of the AC magnetic field generated by the sample 80. when the direction of the component is H z0 ac cos (ω s t ), the AC magnetic force of the non-resonant is applied to the magnetic poles of the tip of the probe 83 (hard magnetic probe). At this time, the time change Δk (t) of the effective spring constant (apparent spring constant) of the cantilever 81 is given by the following equation.
Δk (t) = ∂F z / ∂z = q tip dc {∂H z (t) / ∂z}
= Q tip dc {∂H z0 ac cos (ω s t) / ∂z}
q tip dc : magnetic pole at the tip of the probe 83 (hard magnetic probe) H z0 ac : amplitude of AC magnetic field component perpendicular to the sample surface generated from the sample 80 ω s : angle of AC magnetic field generated from the sample 80 frequency

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)=∂Fz/∂z=Mz dc{∂2z(t)/∂z2
=Mz dc{∂2z0 accos(ωst)/∂z2
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
The probe 83 is a hard magnetic probe of a double magnetic pole type (a state of a magnetic probe in which the magnetic poles at both ends of the magnetization (magnetic moment) of the probe 83 receive a magnetic force), and the direction of magnetization of the probe is the sample. When the direction is perpendicular to the surface (z direction), a non-resonant AC magnetic force is applied to the magnetic moment of the probe 83 (hard magnetic probe). At this time, the time change Δk (t) of the effective spring constant of the cantilever 81 is given by the following equation.
Δk (t) = ∂F z / ∂z = M z dc {∂ 2 H z (t) / ∂z 2 }
= M z dc {∂ 2 H z0 ac cos (ω s t) / ∂z 2}
M z dc : The component perpendicular to the sample surface of the magnetic moment of the hard magnetic probe

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(ωst)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Hz0 accos(ωst)の振幅の勾配(∂Hz0 ac/∂z)の分布、または当該勾配の微分(∂2z0 ac/∂z2)の分布を測定することができる。
When the time variation Δk (t) of the effective spring constant of the cantilever 81 is sufficiently small compared to the original spring constant k 0 of the cantilever 81 (Δk (t) << k 0 ), Δk (t) is Then, narrow band frequency modulation is induced in the mechanical vibration of the probe 83.
Here, the frequency demodulated signal, by detecting locking of a magnetic field and phase components the sample to produce (cos (ω s t) component) in, in the vertical direction to the surface of the sample 80 an alternating magnetic field H z0 ac cos (ω amplitude distribution of the gradient (∂H z0 ac / ∂z) of s t), or the distribution of the differential (∂ 2 H z0 ac / ∂z 2) of the gradient can be measured.

なお、本発明では、Hz0 acがゼロの場合、ロックイン検出するcos(ωmt)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、Hz0 acの方向が反転すると、cos(ωst)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。 In the present invention, when H z0 ac is zero, the cos (ω m t) component for lock-in detection disappears, so that zero detection of an alternating magnetic field is possible. In the present invention, the direction of H z0 ac is inverted, the phase of the cos (ω s t) is changed 180 °, has a characteristic that an upward-downward vertical magnetic field can also be detected simultaneously.

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±ωs))の周波数成分を有する。
ここで、角周波数(ω0±ωs)の一対のサイドバンドスペクトルは、ωs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、ωs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。
The spectrum of the narrowband frequency modulation induced by the time change Δk (t) of the effective spring constant includes a pair of frequency components in the vicinity of the mechanically excited resonance angular frequency ω 0 (resonance frequency f 0 ). It has a frequency component of the sideband spectrum (angular frequency (ω 0 ± ω s )).
Here, since the pair of sideband spectra of the angular frequency (ω 0 ± ω s ) moves away from the resonance angular frequency ω 0 when ω s increases, the resonance effect disappears. As a result, the effective spring constant of the cantilever 81 does not change from the original spring constant of the probe, and the probe 83 is difficult to displace.
Therefore, when ω s increases, frequency modulation FM cannot be detected, and it may be difficult to measure an alternating magnetic field. Specifically, when the frequency exceeds several KHz, there arises a problem that it is difficult to detect an alternating magnetic field.

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。   Even if the sample generates a high-frequency magnetic field having a frequency higher than several KHz (typically a frequency of GHz or higher), the AC magnetic field (or AC magnetic field responsiveness) of the sample is increased. An object of the present invention is to provide an AC magnetic field measurement apparatus and an AC magnetic field measurement method that can perform measurement while maintaining the resolution.

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。
The inventors of the present invention have heretofore been attributed to the above phenomenon that when the frequency of the alternating magnetic field increases, the effective spring constant of the probe device does not change from the original spring constant of the probe device and the probe is difficult to displace. In addition to the alternating magnetic field from the sample at the position of the probe, the inventor has obtained the knowledge that it can be eliminated by applying an alternating magnetic field having a slightly different frequency from the outside.
That is, in the present invention, the magnetic probe is changed from a hard magnetic probe in which the magnetization of the probe does not change with time in an alternating magnetic field to a probe made of a soft magnetic material in which the magnetization of the probe changes in time with an alternating magnetic field (hereinafter, “ In addition to the AC magnetic field from the sample, in addition to the AC magnetic field from the sample, the time-dependent magnetization of the probe and the AC magnetic field Take advantage of the magnetic interaction between. By using this magnetic interaction to convert the time variation of the effective spring constant of the probe device into a low frequency, a high frequency alternating magnetic field can be measured.

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(ωs)とわずかに異なる2つ以上の電流(たとえば、角周波数ωs−ωm、ωs+ωm:ωm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ωs−ωm、ωs+ωm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ωs−ωmの交流磁場を発生させ、他方のコイルから角周波数ωs+ωm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。
The gist of the AC magnetic field measurement apparatus of the present invention is (1) to (6).
(1)
An AC magnetic field measuring apparatus for measuring an AC magnetic field (or AC magnetic field response) of a sample that generates an AC magnetic field:
A probe device comprising a probe made of a magnetic material, the probe being magnetized by an alternating magnetic field generated from the sample (a beam member that performs spring vibration: basically according to Hooke's law);
An exciter for exciting the probe at an excitation frequency;
A sample driving source that drives the sample, generates the alternating magnetic field, and periodically reverses the magnetization of the probe according to the polarity of the alternating magnetic field (typically, a magnetic field that generates the probe magnetization by an electric current). Power source driven by
An AC magnetic field generator for generating a magnetic field having a frequency slightly different from the frequency of the AC magnetic field generated from the sample drive source (typically an AC magnetic field having at least one frequency component) at the position of the probe;
A vibration of the probe is detected, and a modulation signal generated with respect to the mechanical vibration by the exciter is generated from the detection signal (generated by changing an effective spring constant of the probe device by the modulation AC magnetic field). A signal extractor for extracting
An AC magnetic field response measuring device for measuring an AC magnetic field (or AC magnetic field response) of the sample based on the signal extracted by the signal extractor;
With
An AC magnetic field measuring apparatus characterized by that.
For example, a magnetic recording head is a sample that generates an alternating magnetic field and is formed with an exciting coil, which is measured by the present invention. The magnetic recording head is produced by a thin film process. In the present specification, the configuration and the like of the magnetic head produced by the thin film process are well known, and thus will not be described in detail.
In the present invention, the probe is typically a ferromagnetic material, but may be a paramagnetic material.
In the present invention, the AC magnetic field generator that applies a magnetic field having a frequency slightly different from that of the sample driving source to the probe has at least one frequency component.
(2)
An AC magnetic field measurement apparatus according to (1), wherein:
AC magnetic field generator
A coil that generates an alternating magnetic field;
A modulation power source for passing a current through the coil;
An AC magnetic field measuring apparatus characterized by that.
The AC magnetic field generator is typically composed of one coil and one current application power source.
When the intensity of the alternating magnetic field from the coil is small, the alternating magnetic field can be generated by a plurality of coils and the accompanying power supply for current application.
In the case where the AC magnetic field generator is constituted by one coil and one power supply for current application, the coil has two or more currents (for example, slightly different from the angular frequency (ω s ) of the AC magnetic field generated from the sample). , Angular frequency ω s −ω m , ω s + ω m, where ω m is a small value of angular frequency). As a result, an AC magnetic field having angular frequencies ω s −ω m and ω s + ω m is generated from the coil.
Further, the AC magnetic field generator can be constituted by, for example, a plurality of (typically two) coils and a plurality (typically the same number of coils) of current application power sources. When there are two coils and two current application power supplies (two pairs of coils and current application power supplies), an alternating magnetic field having an angular frequency ω s −ω m is generated from one coil and the other coil is used. An alternating magnetic field having an angular frequency ω s + ω m can be generated.
The coil can be provided at the tip (probe side or mirror side) of the probe device (cantilever).
(3)
The AC magnetic field measurement apparatus according to (1),
The signal extractor is
A probe vibration detector for detecting the vibration of the probe device;
A demodulation circuit that demodulates a signal corresponding to a magnetic signal applied to the vibration detection device from a signal relating to vibration detected by the vibration detection device;
With
An AC magnetic field measuring apparatus characterized by that.
(4)
The AC magnetic field measurement apparatus according to (1),
The probe device is
The probe;
A cantilever provided with a tip at the tip;
Consists of
The exciter is
AC power supply,
Cantilevers,
including,
An AC magnetic field measuring apparatus characterized by that.
(5)
The AC magnetic field measurement apparatus according to (1),
Furthermore, a scanning mechanism is provided,
The scanning mechanism moves the probe of the probe device three-dimensionally with respect to the sample;
An AC magnetic field measuring apparatus characterized by that.
(6)
The AC magnetic field measurement apparatus according to (5),
Furthermore, an image display device is provided,
The image display device measures an alternating magnetic field (or alternating magnetic field responsiveness) of the sample at each position on the surface of the sample of the probe scanned by the scanning mechanism, and displays the measurement result as an image. indicate,
An AC magnetic field measuring apparatus characterized by that.

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。
The alternating magnetic field measurement method of the present invention is summarized as (7) to (11).
(7)
An AC magnetic field measurement method for measuring an AC magnetic field (or AC magnetic field responsiveness) of a sample that generates an AC magnetic field using a probe device including a probe made of a magnetic material:
An excitation step of exciting the probe at an excitation frequency with an exciter;
The sample is driven, the alternating magnetic field is generated, and the magnetization of the probe is periodically reversed according to the polarity of the alternating magnetic field, and the alternating magnetic field generated from the sample driving source at the position of the probe A mechanical modulation generating step of modulating the mechanical vibration of the probe by generating a magnetic field having a frequency slightly different from the frequency of (typically an alternating magnetic field having at least one frequency component);
A vibration of the probe is detected, and a modulation signal (a signal generated when an effective spring constant of the probe device is changed by the modulation AC magnetic field) is generated from the detection signal with respect to mechanical vibration. A signal extraction step to extract; and
A measuring step of measuring an alternating magnetic field (or alternating magnetic field responsiveness) of the sample based on the signal extracted by the signal extractor;
including,
AC magnetic field measurement method characterized by the above.
(8)
The AC magnetic field measurement method according to (7),
The signal extraction step includes a vibration detection step and a demodulation step,
In the vibration detection step, the vibration of the probe device is detected,
In the demodulation step, a signal corresponding to the magnetic signal is demodulated from the signal detected in the vibration detection step.
AC magnetic field measurement method.
(9)
The AC magnetic field measurement method according to (7),
In the excitation step, the piezoelectric element is driven by an AC power source to excite the probe device.
AC magnetic field measurement method characterized by the above.
(10)
The AC magnetic field measurement method according to (7),
Further comprising a scanning step,
In the scanning step, the probe is three-dimensionally moved with respect to the sample.
AC magnetic field measurement method characterized by the above.
(11)
The AC magnetic field measurement method according to (10),
Furthermore, an image display step is included,
In the image display step, the AC magnetic field (or AC magnetic field responsiveness) of the sample at each position on the surface of the sample of the probe scanned in the scanning step is measured, and the measurement result is imaged. indicate,
AC magnetic field measurement method characterized by the above.

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。
Even when the frequency of the alternating magnetic field applied to the probe is high enough that the probe cannot cause mechanical vibration to be modulated (for example, GHz or higher), the high resolution is maintained while maintaining the high resolution. An alternating magnetic field (or alternating magnetic field response) can be measured.
In addition, upward and downward vertical magnetic fields can be detected simultaneously.

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。   In the present invention (magnetic characteristic measuring apparatus and magnetic characteristic measuring method), the operation when a soft magnetic probe is used as the probe will be described below. The AC magnetic field measurement method of the present invention can be implemented using the AC magnetic field measurement apparatus of the present invention.

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ωs(基本周波数:fs、ωs=2πfs))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ωs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ωsと異なる交流磁場成分を2つ含む。
In the present invention, an alternating magnetic field generated from a sample is applied to the probe. At the same time, an alternating magnetic field having a slightly different frequency (an alternating magnetic field for changing the magnetization of the probe over time) is applied to the position of the probe from an alternating magnetic field generator provided separately.
The sample is, for example, a magnetic recording head (write head) in which a coil is formed.
The AC magnetic field generated by the AC magnetic field generator must include at least one AC magnetic field component having different angular frequencies (basic angular frequency ω s (fundamental frequency: f s , ω s = 2πf s )) generated by the sample. There is.
For example, the spectrum may include one alternating magnetic field component different from the basic angular frequency ω s .
In the case of amplitude modulation (AM modulation) or narrowband frequency modulation (FM modulation), the spectrum includes two alternating magnetic field components different from the basic angular frequency ω s .

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ωs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)ωs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ωsとわずかに異なる角周波数ωs+ωmまたはωs−ωm(ωm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ωs+ωmまたはωs−ωm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ωs−ωmまたはωs+ωmの変調磁場により励磁され、磁化が変調される。
First, the case where the AC magnetic field generated by the AC magnetic field generator has one frequency component will be described below.
In this case, the basic angular frequency ω s of the alternating magnetic field generated from the sample may be higher than several KHz, or may be higher than GHz.
The magnetization of the probe is modulated as follows.
An AC magnetic field having a fundamental angular frequency ω s (in this embodiment, the same angular frequency as that applied to the sample during actual use) is generated in the sample.
On the other hand, an alternating magnetic field (modulated magnetic field in the present invention) of an angular frequency ω s + ω m or ω s −ω mm is a low angular frequency) slightly different from the angular frequency ω s is applied to the probe from other than the sample. Apply. Here, considering that the magnetization of the soft magnetic probe is excited only by the AC magnetic field from the AC magnetic field generator, the probe is excited at the angular frequency ω s + ω m or ω s −ω m by the modulation magnetic field. The magnetization of the probe is modulated.
As a result, the probe is excited by the modulation magnetic field having the angular frequency ω s −ω m or ω s + ω m , and the magnetization is modulated.

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)ωmの交流磁気力が誘起される。この低角周波数ωm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。
By applying the modulated AC magnetic field as described above to the probe, an AC magnetic force having a low angular frequency (modulation frequency) ω m is induced in the probe. The AC magnetic force at this low angular frequency ω m is due to the magnetic interaction between the soft magnetic probe and the AC magnetic field.
As a result, frequency modulation occurs in the mechanical vibration of the probe, and by using this mechanical frequency modulation, the response of the AC magnetic field of the sample (magnetic head) or the AC magnetic field (high frequency magnetic field) generated by the sample Can be measured.

以下に、角周波数ωs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ωsとわずかに異なる、ωs+ωm(ωm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。
z(t)=Hsample ac(t)=Hz0 accos(ωst) (数式1)
z0 ac:試料から発生する交流磁場(角周波数ωs)の、試料面に垂直な成分の振幅
ωs: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ωs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ωs+ωm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。
z(t)=Hexternal ac(t)
=αHz0 accos((ωs+ωm)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
ωm:ωsと比較して非常に低い角周波数(ωm<<ωs
In the following, detection of the magnetic field of a sample that generates an alternating magnetic field with an angular frequency ω s is performed using an alternating magnetic field generator, and is applied to a soft magnetic probe from the outside, which is slightly different from the angular frequency ω s of this alternating magnetic field, A case will be described in which an alternating magnetic field of s + ω mm is a low angular frequency) is generated and a soft magnetic probe is excited. Here, the direction in which the probe is displaced is a direction perpendicular to the sample surface, and this direction is the z direction. The z component of the alternating magnetic field generated from the sample is expressed below.
H z (t) = H sample ac (t) = H z0 ac cos (ω s t) ( Equation 1)
H z0 ac : Amplitude of component perpendicular to sample surface of AC magnetic field (angular frequency ω s ) generated from sample ω s : Angular frequency of AC magnetic field generated from sample In this case, basic angle of AC magnetic field generated from sample The frequency ω s may be higher than several KHz and may be higher than GHz.
On the other hand, an angular frequency ω s + ω m is applied to the probe from the outside using an AC magnetic field generator. Here, the z component of the alternating magnetic field generated from the alternating magnetic field generator is expressed below.
H z (t) = H external ac (t)
= ΑH z0 ac cos ((ω s + ω m ) t) (Formula 2)
α: Ratio of the amplitude of the AC magnetic field component perpendicular to the sample surface generated by the AC magnetic field generator to the amplitude of the AC magnetic field component perpendicular to the sample surface generated from the sample ω m : Very high compared with ω s Low angular frequency (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。   When measuring the AC magnetic field response of a sample, it is necessary to reduce the distance between the probe and the sample (referred to as “probe-sample distance”) in order to improve the spatial resolution. As the distance between the probe and the sample decreases, the magnetic behavior of the probe changes from a double-pole type (a state of a magnetic probe in which the magnetic poles at both ends of the magnetic moment of the probe's magnetization receive a magnetic force) to a simple magnetic field. It changes to a magnetic pole type (a state of a magnetic probe in which the magnetic force received by the magnetic pole at the tip of the probe is main).

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)=ρtip ac(t)
=ρ0 accos((ωs+ωm)t) (数式3)
First, consider the case where the magnetization of the soft magnetic probe is excited only by an alternating magnetic field from an alternating magnetic field generator.
Here, a case of a single magnetic pole type soft magnetic probe will be described.
Due to the AC magnetic field applied to the probe from the AC magnetic field generator, a magnetic pole of the following formula is generated at the tip of the probe.
ρ (t) = ρ tip ac (t)
= Ρ 0 ac cos ((ω s + ω m ) t) (Formula 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)=∂Fz/∂z
=ρ(t)(∂Hz(t)/∂z)
=ρtip ac(t)(∂Hsample ac(t)/∂z)
=ρ0 accos((ωs+ωm)t)
(∂Hz0 ac/∂z)cos(ωst)) (数式4)
The effective spring constant is given by the following equation by the interaction between the alternating magnetic field generated from the sample and the magnetic pole of the probe, which changes with the alternating magnetic field from the alternating magnetic field generator provided separately.
Δk (t) = ∂F z / ∂z
= Ρ (t) (∂H z (t) / ∂z)
= Ρ tip ac (t) (∂H sample ac (t) / ∂z)
= Ρ 0 ac cos ((ω s + ω m ) t)
(∂H z0 ac / ∂z) cos (ω s t)) ( Equation 4)

上式から、低角周波数ωmで時間変化する実効バネ定数成分Δklowは、次式で与えられる。
Δklow
=(1/2)ρ0 ac(∂Hz0 ac/∂z)cos(ωmt) (数式5)
上式は、Δklowのcos(ωmt)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Hz0 accos(ωst)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(∂Hz0 ac/∂z)の測定が可能になることを意味する。
From the above equation, the effective spring constant component Δk low that changes with time at the low angular frequency ω m is given by the following equation.
Δk low
= (1/2) ρ 0 ac (∂H z0 ac / ∂z) cos (ω m t) (Formula 5)
The above equation is to use frequency modulation of the probe vibration by cos (ω m t) component of .DELTA.k low a (FM), a high frequency magnetic field H z0 ac cos (ω s t ), a frequency conversion to a low angular frequency (down-conversion ) Means that it is possible to measure the amplitude (∂H z0 ac / ∂z) of the high-frequency magnetic field.

ここで、探針励磁用の交流信号に係わる、cos(ωmt)成分の振幅をロックインアンプにより検出することで、(∂Hz0 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、Hz0 acがゼロの場合、ロックイン検出による、cos(ωmt)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、Hz0 acの方向が反転すると、cos(ωst)成分の位相が、次式のように、180°変化する。
(1/2)ρ0 ac(−∂Hz0 ac/∂z)cos(ωmt)
=(1/2)ρ0 ac(∂Hz0 ac/∂z)cos(ωmt±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。
Here, by detecting the amplitude of the cos (ω m t) component related to the AC signal for probe excitation by the lock-in amplifier, the distribution of (∂H z0 ac / ∂z) is used by the DC component. Compared to the case, an alternating magnetic field can be imaged near the sample surface with high sensitivity and improved spatial resolution. In the case of using a direct current component, it is difficult to measure an alternating magnetic field in the vicinity of the sample surface because a short distance force and a magnetic force due to the surface cannot be separated.
When H z0 ac , which is a magnetic field component perpendicular to the sample surface, is zero, the cos (ω m t) component due to lock-in detection disappears, so that zero detection of the magnetic field is possible. Note that when a DC component is used, zero detection of the magnetic field is impossible.
Further, when the direction of H z0 ac is inverted, cos (ω s t) component of the phase, as shown in the following equation, changes 180 °.
(1/2) ρ 0 ac (−∂H z0 ac / ∂z) cos (ω m t)
= (1/2) ρ 0 ac (∂H z0 ac / ∂z) cos (ω m t ± π) (Formula 6)
That is, in the present invention, the vertical magnetic field can be detected at the same time, upward and downward.

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ωsとは異なる1つの周波数成分(ωs+ωm)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。
z(t)=Hz0 accos(ωs+ωm)t+Hz0 accos(ωs−ωm)t
=(2Hz0 accos(ωmt))cos(ωst) (数式7)
In the above example, to excite the probe, alternating magnetic field generates AC magnetic field generator provided separately, there in an alternating magnetic field with different one frequency component (ω s + ω m) and angular frequency omega s It was.
Next, as a typical example in which a separately provided AC magnetic field generator for exciting the magnetization of the probe has two frequency components, an amplitude-modulated AC magnetic field will be described. At this time, the alternating magnetic field applied to the probe from the alternating magnetic field generator is given by the following equation.
H z (t) = H z0 ac cos (ω s + ω m ) t + H z0 ac cos (ω s −ω m ) t
= (2H z0 ac cos (ω m t)) cos (ω s t) ( Equation 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)=ρtip ac(t)
=ρ0 accos((ωs+ωm)t)+ρ0 accos((ωs−ωm)t)
=ρ0 accos(ωmt)cos(ωst) (数式8)
In this case, the magnetization of the probe is excited by the alternating magnetic field of (Equation 7), and a magnetic pole given by the following equation is generated at the tip of the single magnetic pole type soft magnetic probe.
ρ (t) = ρ tip ac (t)
= Ρ 0 ac cos ((ω s + ω m ) t) + ρ 0 ac cos ((ω s −ω m ) t)
= Ρ 0 ac cos (ω m t) cos (ω s t) ( Equation 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)=∂Fz/∂z
=ρ(t)(∂Hz(t)/∂z)
=ρtip ac(t)(∂Hsample ac(t)/∂z)
=(ρ0 accos((ωs+ωm)t)
+ρ0 accos((ωs−ωm)t))
(∂Hz0 ac/∂z)cos(ωst) (数式9)
The effective spring constant varies with time by the interaction between the alternating magnetic field generated from the sample and the magnetic pole of the probe excited by the separately provided alternating magnetic field generator, and is given by the following equation.
Δk (t) = ∂F z / ∂z
= Ρ (t) (∂H z (t) / ∂z)
= Ρ tip ac (t) (∂H sample ac (t) / ∂z)
= (Ρ 0 ac cos ((ω s + ω m ) t)
+ Ρ 0 ac cos ((ω s −ω m ) t))
(∂H z0 ac / ∂z) cos (ω s t) ( Equation 9)

上式から、低角周波数の実効バネ定数成分Δklowは、次式で与えられる。
Δklow=ρ0 ac(∂Hz0 ac/∂z)cos(ωmt) (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(ωmt)成分の信号強度が2倍になる特徴がある。
From the above equation, the effective spring constant component Δk low of the low angular frequency is given by the following equation.
Δk low = ρ 0 ac (∂H z0 ac / ∂z) cos (ω m t) (Formula 10)
The use of an amplitude-modulated AC magnetic field is characterized in that the signal intensity of the cos (ω m t) component is doubled compared to the case of the AC magnetic field of one frequency described above.

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。
z(t)=Hsample ac(t)+Hexternal ac(t)
=Hz0 accos(ωst)+αHz0 accos(ωs+ωm)t (数式11)
z0 ac:試料から発生する交流磁場(角周波数ωs+ωm)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
ωs:試料から発生する交流磁場の角周波数
ωm:ωsと比較して非常に低い角周波数(ωm<<ωs
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)=ρtip ac(t)
=ρ0 accos(ωs+ωm)t+βρ0 accos(ωst) (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ωs+ωm)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ωs)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
Next, let us consider a case where the magnetization of the soft magnetic probe is excited not only by the AC magnetic field from the AC magnetic field generator but also by the AC magnetic field from the sample.
Here, a case of a single magnetic pole type soft magnetic probe will be described.
Here, the direction in which the probe is displaced is defined as the direction perpendicular to the sample surface (z direction), and the component perpendicular to the sample surface of the AC magnetic field that excites the probe magnetization is expressed below.
H z (t) = H sample ac (t) + H external ac (t)
= H z0 ac cos (ω s t) + αH z0 ac cos (ω s + ω m ) t (Formula 11)
H z0 ac : Amplitude of component perpendicular to sample surface of AC magnetic field (angular frequency ω s + ω m ) generated from sample α: Amplitude of amplitude of AC magnetic field component perpendicular to sample surface generated from AC magnetic field generator Ratio to amplitude of AC magnetic field component perpendicular to sample surface generated from sample ω s : Angular frequency of AC magnetic field generated from sample ω m : Angular frequency very low compared to ω sm << ω s )
Due to the alternating magnetic field, the following magnetic pole is generated at the tip of the probe.
ρ (t) = ρ tip ac (t)
= Ρ 0 ac cos (ω s + ω m) t + βρ 0 ac cos (ω s t) ( Equation 12)
ρ 0 ac : Amplitude of the magnetic pole density (probe magnetic pole) at the tip of the probe due to the alternating magnetic field (angular frequency ω s + ω m ) generated by the AC magnetic field generator β: Generated by the alternating magnetic field (angular frequency ω s ) from the sample Ratio of the amplitude of the probe magnetic pole to the amplitude of the probe magnetic pole generated by the AC magnetic field from the AC magnetic field generator

(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)=∂Fz/∂z
=ρ(t)(∂Hz(t)/∂z)
=ρtip ac(t)(∂Hsample ac(t)/∂z)
={ρ0 accos(ωs+ωm)t+βρ0 accos(ωst)}
{(∂Hz0 ac/∂z)cos(ωst)
+α(∂Hz0 ac/∂z)cos(ωs+ωm)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Δklowは、次式で与えられる。
Δklow={(α+β)/2}ρ0 ac(∂Hz0 ac/∂z)
+{(1+αβ)/2}ρ0 ac(∂Hz0 ac/∂z)cos(ωmt)
(数式14)
From (Equation 11) and (Equation 12), the time change of the effective spring constant is given by the following equation.
Δk (t) = ∂F z / ∂z
= Ρ (t) (∂H z (t) / ∂z)
= Ρ tip ac (t) (∂H sample ac (t) / ∂z)
= {Ρ 0 ac cos (ω s + ω m ) t + βρ 0 ac cos (ω s t)}
{(∂H z0 ac / ∂z) cos (ω s t)
+ Α (∂H z0 ac / ∂z) cos (ω s + ω m ) t} (Formula 13)
From (Equation 13), the effective spring constant component Δk low of low angular frequency including direct current is given by the following equation.
Δk low = {(α + β) / 2} ρ 0 ac (∂H z0 ac / ∂z)
+ {(1 + αβ) / 2} ρ 0 ac (∂H z0 ac / ∂z) cos (ω m t)
(Formula 14)

(数式14)は、実効バネ定数成分Δklowのcos(ωmt)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Hz0 accos(ωst)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(∂Hz0 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(ωmt)成分の振幅をロックインアンプにより検出することで、(∂Hz0 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。
(Equation 14), using the effective spring constant component .DELTA.k low of cos (omega m t) frequency modulation of the probe vibration by component (FM), a high frequency magnetic field H z0 ac cos (ω s t ), a low angular frequency This means that the frequency of the high-frequency magnetic field (∂H z0 ac / ∂z) can be measured by frequency conversion (down-conversion).
Here, by detecting the amplitude of the cos (ω m t) component related to the AC signal for probe excitation by the lock-in amplifier, the distribution of (∂H z0 ac / ∂z) is used by the DC component. Compared to the case, the alternating magnetic field can be imaged near the sample surface with high sensitivity and improved spatial resolution. In the case of using a direct current component, it is difficult to measure an alternating magnetic field in the vicinity of the sample surface because a short distance force and a magnetic force due to the surface cannot be separated.

さらに、cos(ωmt)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、Hz0 acがゼロの場合、ロックイン検出による、cos(ωmt)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、Hz0 acの方向が反転すると、cos(ωmt)成分の位相が、次式のように、180°変化する。
ρ0 ac(−∂Hz0 ac/∂z){(1+αβ)/2}cos(ωmt)
=ρ0 ac(∂Hz0 ac/∂z){(1+αβ)/2}cos(ωmt±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。
Furthermore, in the present invention for detecting the cos (ω m t) component, when H z0 ac , which is a magnetic field component perpendicular to the sample surface, is zero, the cos (ω m t) component disappears due to lock-in detection. Also, zero detection of the magnetic field is possible. Note that when a DC component is used, zero detection of the magnetic field is impossible.
When the direction of H z0 ac is reversed, the phase of the cos (ω m t) component changes by 180 ° as shown in the following equation.
ρ 0 ac (−∂H z0 ac / ∂z) {(1 + αβ) / 2} cos (ω m t)
= Ρ 0 ac (∂H z0 ac / ∂z) {(1 + αβ) / 2} cos (ω m t ± π) (Formula 15)
That is, the present invention has a feature that the direction of the vertical magnetic field (upward / downward) can be detected simultaneously.

上記の例では、探針磁化を励磁する交流磁場は、ωsと(ωs+ωm)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、ωsと(ωs+ωm)および(ωs−ωm)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。 In the above example, the alternating magnetic field that excites the probe magnetization is an alternating magnetic field having two frequency components, ω s and (ω s + ω m ). Next, as a representative example in which an alternating magnetic field that excites probe magnetization has three frequency components, amplitude-modulated alternating current having angular frequency components of ω s and (ω s + ω m ) and (ω s −ω m ). A case where a magnetic field is generated from an AC magnetic field generator will be described.

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。
z(t)=Hsample ac(t)+Hexternal ac(t)
=Hz0 accos(ωst)+αHz0 accos(ωs+ωm)t
+αHz0 accos(ωs−ωm)t
=Hz0 ac(1+2αcos(ωmt))cos(ωst) (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)=ρtip ac(t)
=ρ0 accos(ωs+ωm)t+ρ0 accos(ωs−ωm)t
+βρ0 accos(ωst) (数式17)
At this time, the alternating magnetic field for exciting the probe magnetization is given by the following equation.
H z (t) = H sample ac (t) + H external ac (t)
= H z0 ac cos (ω s t) + αH z0 ac cos (ω s + ω m ) t
+ ΑH z0 ac cos (ω s −ω m ) t
= H z0 ac (1 + 2αcos (ω m t)) cos (ω s t) ( Equation 16)
A magnetic pole represented by the following formula is generated at the tip of the probe.
ρ (t) = ρ tip ac (t)
= Ρ 0 ac cos (ω s + ω m ) t + ρ 0 ac cos (ω s −ω m ) t
+ Βρ 0 ac cos (ω s t) ( Equation 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)=∂Fz/∂z
=ρ(t)(∂Hz(t)/∂z)
=ρtip ac(t)(∂Hsample ac(t)/∂z)
={ρ0 accos(ωs+ωm)t+ρ0 accos(ωs−ωm)t
+βρ0 accos(ωst)}
{(∂Hz0 ac/∂z)cos(ωst)
+α(∂Hz0 ac/∂z)cos(ωs+ωm)t
+α(∂Hz0 ac/∂z)cos(ωs−ωm)t} (数式18)
From (Equation 16) and (Equation 17), the time change of the effective spring constant is given by the following equation.
Δk (t) = ∂F z / ∂z
= Ρ (t) (∂H z (t) / ∂z)
= Ρ tip ac (t) (∂H sample ac (t) / ∂z)
= {Ρ 0 ac cos (ω s + ω m ) t + ρ 0 ac cos (ω s −ω m ) t
+ Βρ 0 ac cos (ω s t)}
{(∂H z0 ac / ∂z) cos (ω s t)
+ Α (∂H z0 ac / ∂z) cos (ω s + ω m ) t
+ Α (∂H z0 ac / ∂z) cos (ω s −ω m ) t} (Formula 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Δklowは、次式で表される。
Δklow={(α+β)}ρ0 ac(∂Hz0 ac/∂z)
+{(1+αβ)}ρ0 ac(∂Hz0 ac/∂z)cos(ωmt) (数式19)
上記から、Δklowのcos(ωmt)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(∂Hz0 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(ωmt)成分の信号強度が2倍になる特徴がある。
From (Equation 18), the effective spring constant component Δk low including DC is expressed by the following equation.
Δk low = {(α + β)} ρ 0 ac (∂H z0 ac / ∂z)
+ {(1 + αβ)} ρ 0 ac (∂H z0 ac / ∂z) cos (ω m t) (Formula 19)
From the above, it is possible to measure the amplitude (∂H z0 ac / ∂z) of the high-frequency magnetic field using the frequency modulation (FM) of the probe vibration by the cos (ω m t) component of Δk low. I understand.
The use of an amplitude-modulated AC magnetic field is characterized in that the signal intensity of the cos (ω m t) component is doubled compared to the case of the AC magnetic field of one frequency described above.

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。FIG. 1 is an explanatory view showing an embodiment of the AC magnetic field measurement apparatus of the present invention. 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。FIG. 2 is a flowchart showing the AC magnetic field measurement method of the present invention. 図3は従来技術(交流磁場測定装置)の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of the prior art (AC magnetic field measuring apparatus).

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。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an AC magnetic field measuring apparatus according to the present invention. An AC magnetic field (or AC magnetic field responsiveness) of a sample that generates an AC magnetic field by applying an AC signal can be measured by a probe device. .
In FIG. 1, an AC magnetic field measuring apparatus 1 includes a probe device (cantilever) 11, an exciter 12, a sample driving source 131, an AC magnetic field generator 132, a signal extractor 14, and an AC magnetic field response measuring instrument 15. And a scanning mechanism 16 and an image display device 17.

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。
In FIG. 1, the probe device 11 includes a cantilever 112 and a probe 111 made of a soft magnetic material provided at the tip (free end) of the cantilever 112. The probe 111 is made of a soft magnetic material, and the polarity of the magnetic pole at the tip of the probe 111 changes following the polarity of the magnetic field generated by the sample 2.
In this embodiment, the probe 111 is formed by coating a silicon probe with an FeCo alloy or the like having a small coercive force and a high saturation magnetic flux density.

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。
The exciter 12 includes an AC power source 121 and a piezoelectric element (piezo element) 122, and can excite the probe 111 (mechanically vibrate). The angular frequency that the AC power supply 121 gives to the piezoelectric element 122 is ω 0 . The exciter 12 excites the probe 111 at the natural frequency of the probe device 11 or an angular frequency ω 0 close to the natural frequency (in this embodiment, the frequency f 0 = about 300 kHz).
Note that the effective (apparent) spring constant of the probe device 11 changes as the probe 111 is affected by the AC magnetic field H 0 . Thereby, frequency modulation occurs in the vibration of the probe 111.

試料駆動源131は、角周波数ωs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ωs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ωs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ωsの交流磁場H0cos(ωst}(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(ωs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ωsの交流磁場と角周波数がわずかに異なる角周波数(ωs±ωm)の交流磁場H0cos{(ωs±ωm)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(ωs±ωm)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。
The sample driving source 131 is a power source (current source or voltage source) that outputs an alternating current having an angular frequency ω s . The sample driving source 131 drives the sample 2 to generate an AC magnetic field with an angular frequency ω s from the sample 2 and periodically inverts the magnetization of the probe 111 according to the polarity of the AC magnetic field. That is, the sample driving source 131 causes an alternating current to flow through the coil 21 of the sample 2 and generates an alternating current having an angular frequency ω s from the sample 2.
The AC magnetic field generator 132 includes a coil 1321 and a power source 1322. The power source 1322 passes a current through the coil 1321, and the coil 1321 generates an AC magnetic field. That is, the AC magnetic field generator 132 has a probe magnetization slightly different in frequency from the AC magnetic field H 0 cos (ω st t} (AC magnetic field generated from the sample 2) of the angular frequency ω s at the position of the probe 11. A magnetic field for excitation (having one or more frequency components different from ω s ) is applied to the position of the probe 111.
That is, the alternating magnetic field generator 132, look for an alternating magnetic field H 0 cos of the angular frequency omega s alternating magnetic field and the angular frequency is slightly different angular frequencies (ω s ± ω m) { (ω s ± ω m) t} Give to needle 111.
In FIG. 1, the sample 2 is a magnetic generator provided with a coil 21, and the AC signal (ω s ± ω m ) given to the sample 2 is an AC current that flows through the coil 21. Sample 2 is typically a magnetic head for writing to a hard disk.

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。
The signal extractor 14 includes a probe vibration detector 141 and a demodulation circuit 142.
The probe vibration detector 141 detects the vibration of the probe 111. The probe vibration detector 141 includes a laser 1411 and an optical sensor (photodiode) 1412.

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ωm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ωm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ωmの信号を復調することができる。
The probe 111 oscillates at an angular frequency ω 0 when no AC magnetic field is applied, but undergoes frequency modulation due to mechanical vibration when an AC magnetic field is applied. In the present invention, the alternating magnetic field is a modulated high-frequency magnetic field, and the probe device 11 behaves so that the spring constant changes at the modulation frequency ω m . Therefore, the probe 111 vibrating at the angular frequency ω 0 of the probe 111 is modulated at the modulation frequency ω m .
The demodulation circuit 142 receives the detection signal of the probe vibration detector 141 and receives a modulation signal (vibration frequency periodically changing from ω 0 to the modulation frequency) with respect to the mechanical vibration of the probe 111 included in the detection signal. The signal having the modulation angular frequency ω m can be demodulated from the modulation signal.

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ωm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∂Hm/∂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∂Hzm/∂zの位相を検出できる。
The AC magnetic field response measuring device 15 measures the AC magnetic field (or AC magnetic field response) of the sample 2 based on the signal demodulated by the demodulation circuit 142. In other words, the AC magnetic field response measuring device 15 measures the AC magnetic field (or AC magnetic field responsiveness) of the sample 2 based on the degree of frequency modulation of the vibration of the probe 111 with respect to the signal of the modulation frequency ω m .
The AC magnetic field response measuring device 15 can be composed of a lock-in amplifier 151, an amplitude measuring circuit 152, a phase measuring circuit 153, an in-phase component measuring circuit 154, and a quadrature component measuring circuit 155.
In the case of the above-described single magnetic pole type soft magnetic probe, which corresponds to the case where the distance between the probe and the sample is decreased in order to improve the spatial resolution, the amplitude measuring circuit 152 is obtained from the output of the lock-in amplifier 151. The amplitude of the periodically varying magnetic field ∂H m / ∂z can be detected, and the phase measuring circuit 153 can detect the phase of the periodically varying magnetic field ∂H zm / ∂z.

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。
The scanning mechanism 16 can scan the probe 111 on the surface of the sample 2 by moving the probe device 11 relative to the sample 2. For example, the scanning mechanism 16 can be a three-dimensional moving stage (a stage that can move in the XYZ direction). A sample 2 is attached to the three-dimensional movement stage.
During scanning by the scanning mechanism 16, the distance between the probe 111 and the sample 2 can be detected in advance. In this embodiment, the function of the scanning mechanism 16 is configured to adjust the distance between the probe and the sample.

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。
The image display device 17 can be composed of a computer and a display. The image display device 17 stores the measurement result of the alternating magnetic field (or alternating magnetic field responsiveness) on the surface of the sample 2 and the scanning position information of the scanning mechanism 16 (in this embodiment, xy coordinate information or xyz coordinate information) in a memory. You can remember it. Then, the image display device 17 displays the alternating magnetic field (or alternating magnetic field response: the strength of the magnetic field at each position) in a two-dimensional or three-dimensional manner corresponding to the scanning position information.
The image display device 17 measures the AC magnetic field (or AC magnetic field responsiveness) of the sample 2 at a number of positions on the surface of the sample 2 of the probe 111 scanned by the scanning mechanism 16, and displays the measurement result. Can be stored in memory. The measurement result can be displayed as an image.

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。
FIG. 2 is a flowchart showing the AC magnetic field measurement method of the present invention.
The processes in steps S110 to S200 shown in FIG. 2 are performed in each component (probe device 11, exciter 12, sample driving source 131, AC magnetic field generator 132, signal extractor) in the above-described AC magnetic field measurement apparatus of the present invention. 14, AC magnetic field response measuring device 15, scanning mechanism 16 and image display device 17).

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ωsの交流信号で試料2を駆動し、試料2は角周波数ωs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ωsとわずかに角周波数の異なる(角周波数差:ωm)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)。
The scanning mechanism 16 starts scanning (coordinates are set to initial coordinates X = 0, Y = 0) (S110).
The sample driving source 131 drives the sample 2 with an AC signal having an angular frequency ω s , and the sample 2 generates an AC magnetic field having an angular frequency ω s and applies it to the probe 111. The AC magnetic field generator 132 generates an AC magnetic field having an angular frequency slightly different from the angular frequency ω s (angular frequency difference: ω m ) and applies the AC magnetic field to the probe 111 (S120).
The exciter 12 excites the probe 111 (mechanically vibrates), excites the probe 111 with an AC magnetic field having two or more frequency components, and is effective due to the magnetic interaction between the AC magnetic field and the probe magnetization. The spring constant is changed (S130).
The probe vibration detector 141 constituting a part of the signal extractor 14 detects the vibration of the probe 111 and generates a detection signal (S140).
The demodulation circuit 142 constituting a part of the signal extractor 14 demodulates a modulation signal (signal due to mechanical modulation) generated by mechanical vibration of the probe 111 included in the detection signal (S150).
The AC magnetic field response measuring device 15 measures the AC magnetic field (or AC magnetic field response) of the sample 2 based on the demodulated signal (S160). The AC magnetic field (or AC magnetic field responsiveness) of the sample 2 is measured from the degree of frequency modulation caused by the vibration of the probe 111.
The AC magnetic field response measuring instrument 15 stores the measurement result in a storage device (see reference numeral 171 in FIG. 1) (S170).
The AC magnetic field response measuring device 15 determines whether the scanning mechanism 16 has scanned all the coordinates (S180).
When the scanning mechanism 16 has not scanned all the coordinates, the process returns to S120, and the processes of S120 to S180 are performed for the new coordinates.
When the scanning mechanism 16 scans all coordinates, the measurement result is displayed as an image on the image display device 17 (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)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 AC magnetic field measuring device 2 Sample 11 Probe device 12 Exciter 13 Sample drive source 14 Signal extractor 15 AC magnetic field response measuring device 16 Scanning mechanism 17 Image display device 21 Coil 111 Probe 112 Cantilever 121 AC power supply 122 Piezoelectric element (piezo element)
131 Sample Drive Source 132 AC Magnetic Field Generator 141 Probe Vibration Detector 142 Demodulation Circuit 151 Lock-in Amplifier 152 Amplitude Measurement Circuit 153 Phase Measurement Circuit 154 In-phase Component Measurement Circuit 155 Vertical Component Measurement Circuit 171 Storage Device 1411 Laser 1412 Photosensor (Photo Sensor) diode)

Claims (11)

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である探針装置と;
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と
前記探針の磁化を変調するために、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変調周波数異なる周波数の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、当該検出信号から、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。
An AC magnetic field measuring apparatus for measuring an AC magnetic field or AC magnetic field response of a sample that generates an AC magnetic field:
Comprising a probe made of a magnetic material, the probe is magnetized by an alternating magnetic field generated from the sample, and the probe device is a beam member for spring vibration;
An exciter for exciting the probe at an excitation frequency;
A sample driving source that drives the sample, generates the alternating magnetic field, and periodically inverts the magnetization of the probe according to the polarity of the alternating magnetic field;
An alternating magnetic field generator for generating a magnetic field having a frequency different from the frequency of the alternating magnetic field generated from the sample drive source at the position of the probe to modulate the magnetization of the probe ;
Detecting the vibration of the probe, from the detection signal, a signal extractor which extracts a modulated signal generated with respect to mechanical vibration by the exciter;
An AC magnetic field response measuring device for measuring the AC magnetic field or AC magnetic field response of the sample based on the signal extracted by the signal extractor;
With,
An AC magnetic field measuring apparatus characterized by that.
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。
The AC magnetic field measurement apparatus according to claim 1, wherein:
AC magnetic field generator
A coil that generates an alternating magnetic field;
A modulation power source for passing a current through the coil;
With
An AC magnetic field measuring apparatus characterized by that.
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。
The AC magnetic field measurement apparatus according to claim 1, wherein:
The signal extractor comprises:
A probe vibration detector for detecting the vibration of the probe device;
A demodulation circuit that demodulates a signal corresponding to a magnetic signal applied to the vibration detection device from a signal relating to vibration detected by the vibration detection device;
With
An AC magnetic field measuring apparatus characterized by that.
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。
The AC magnetic field measurement apparatus according to claim 1, wherein:
The probe device is
The probe;
A cantilever provided with a tip at the tip;
Consists of
The exciter is
AC power supply,
Cantilevers,
including,
An AC magnetic field measuring apparatus characterized by that.
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。
The AC magnetic field measurement apparatus according to claim 1, wherein:
Furthermore, a scanning mechanism is provided,
The scanning mechanism moves the probe of the probe device three-dimensionally with respect to the sample;
An AC magnetic field measuring apparatus characterized by that.
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。
The AC magnetic field measurement apparatus according to claim 5, wherein:
Furthermore, an image display device is provided,
The image display device measures the alternating magnetic field response of the sample at each position on the surface of the sample scanned by the scanning mechanism, and displays the measurement result as an image.
An AC magnetic field measuring apparatus characterized by that.
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探針の磁化を変調するための前記試料駆動源から発生する交流磁場の周波数と変調周波数異なる周波数の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。
An AC magnetic field measurement method for measuring an AC magnetic field or AC magnetic field response of a sample that generates an AC magnetic field using a probe device including a probe made of a magnetic material:
An excitation step of exciting the probe at an excitation frequency with an exciter;
Driving the sample, generating the alternating magnetic field, periodically reversing the magnetization of the probe according to the polarity of the alternating magnetic field, and modulating the magnetization of the probe to the position of the probe A mechanical modulation generation step of modulating the mechanical vibration of the probe by generating a magnetic field having a frequency different from the frequency of the alternating magnetic field generated from the sample driving source;
A signal extraction step of detecting vibration of the probe and extracting a modulation signal generated with respect to mechanical vibration from the detection signal; and
A measurement step of measuring an alternating magnetic field or alternating magnetic field responsiveness of the sample based on the signal extracted by the signal extractor;
including,
AC magnetic field measurement method characterized by the above.
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。
The AC magnetic field measurement method according to claim 7, wherein:
The signal extraction step includes a vibration detection step and a demodulation step,
In the vibration detection step, the vibration of the probe device is detected,
In the demodulation step, a signal corresponding to the magnetic signal is demodulated from the signal detected in the vibration detection step.
AC magnetic field measurement method.
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。
The AC magnetic field measurement method according to claim 7, wherein:
In the excitation step, the piezoelectric element is driven by an AC power source to excite the probe device.
AC magnetic field measurement method characterized by the above.
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。
The AC magnetic field measurement method according to claim 7, wherein:
Further comprising a scanning step,
In the scanning step, the probe is three-dimensionally moved with respect to the sample.
AC magnetic field measurement method characterized by the above.
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。
The AC magnetic field measurement method according to claim 10, wherein:
Furthermore, an image display step is included,
In the image display step, the AC magnetic field or AC magnetic field responsiveness of the sample at each position on the surface of the sample scanned in the scanning step is measured, and the measurement result is displayed as an image.
AC magnetic field measurement method characterized by the above.
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EP0726444B1 (en) * 1995-02-10 2001-10-31 Bruker Analytik Gmbh Magnetic resonance method and apparatus for detecting an atomic structure of a sample along a surface thereof
JPH10239329A (en) * 1997-02-27 1998-09-11 Jeol Ltd Scanning probe microscope
JP4345179B2 (en) * 2000-03-10 2009-10-14 富士通株式会社 Magnetic field measuring device
JP3597787B2 (en) * 2001-03-08 2004-12-08 株式会社東芝 Magnetic recording head measuring device and magnetic recording head measuring method
JP2003139676A (en) * 2001-10-31 2003-05-14 Japan Science & Technology Corp Dna spin mapping/medical method and system
JP4096303B2 (en) * 2001-12-28 2008-06-04 エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 Scanning probe microscope
JP3842669B2 (en) * 2002-02-26 2006-11-08 株式会社東芝 Magnetic head measuring device and measuring method applied to the same
JP5087887B2 (en) * 2006-08-25 2012-12-05 富士通株式会社 Head magnetic field measuring method and head magnetic field measuring apparatus
JP4769918B1 (en) * 2010-09-03 2011-09-07 国立大学法人秋田大学 Magnetic field observation apparatus and magnetic field observation method
JP2012198192A (en) * 2011-03-07 2012-10-18 Tokyo Institute Of Technology Magnetic force microscope and high spatial resolution magnetic field measurement method
JP5958895B2 (en) * 2012-03-31 2016-08-02 国立大学法人東北大学 High frequency magnetic field detector

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