JP7258349B2 - 透磁率測定用治具、透磁率測定装置および透磁率測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁性体の透磁率の測定技術に関し、特に単体の磁性微粒子の高周波透磁率測定用の治具および透磁率測定装置に関する。

近年、携帯電話機、ノートパソコン等の電子デバイスは小型化、軽量化等の要請により、高度に集積化しており、内蔵する集積回路チップが発生する電磁ノイズの影響により電子機器の誤動作が発生する可能性が高くなっている。電磁ノイズを吸収して抑制するノイズ抑制シートや、電源ラインや信号ラインのノイズを除去するためにインダクタやチョークコイルが使用され、低周波数から高周波数までの広い周波数範囲でノイズを抑制することが求められる。

ノイズ抑制シートの多くは、磁性微粒子にバインダーを混ぜて硬化させたものである。インダクタやチョークコイルの磁心には、渦電流の発生を抑制するために磁性微粒子を焼結したりバインダーを混ぜて硬化させた圧粉磁心が用いられている。その開発において磁性微粒子を材料としてその高周波透磁率を評価することが重要である。

高周波透磁率の測定は、これまで多くの方法が開発されている。代表的なものとしては、（１）平面導波路またはマイクロストリップ線路の信号線路上に磁性体を配置し透過係数よりその磁性体の透磁率を求める方法（例えば、非特許文献１参照。）、（２）マイクロストリップ線路の短絡端に磁性材料を配置して、反射係数より透磁率を求める方法（例えば、特許文献１参照。）、（３）側面開放型ＴＥＭセル（高周波空洞）内に置かれたシールディドループコイルに磁性材料を挿入し、ＴＥＭセルに励起交流信号を注入して磁化の動きを励起し、シールディドループコイルに誘起された逆起電力から透磁率を求める方法（例えば、特許文献２参照。）等が挙げられる。

特開２００８－０１４９２０号公報 特開２００４－０６９３３７号公報

Y. Chen et al., "Novel Ultra-Wide Band (10MHz-26GHz) Permeability Measurements for Magnetic Films", IEEE Trans. Magn., 2018, vol. 54, No. 11, 6100504

しかしながら、非特許文献１の透過係数を用いる方法および特許文献１の反射係数を用いる方法では、低周波数側で入力信号に対して磁性材料によって生じる逆起電力が小さくなり、逆起電力による信号成分を入力信号から分離することが困難になり、その結果、測定の感度が低下する問題が生じる。特許文献２のＴＥＭセル内にシールディドループコイルを配置し、シールディドループコイル内に磁性材料を挿入するという治具の構造では、ＴＥＭセルを小型化することが困難であり、その結果、測定の感度を向上することが困難であるという問題がある。

本発明の目的は、上記の問題を解決するもので、新規で有用な透磁率測定用治具およびこれを用いた透磁率測定装置および測定方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、第１の導波路であって、その信号線路が一端側に励起信号により磁界を発生する励磁部を有する、上記第１の導波路と、第２の導波路であって、その信号線路が一端側に上記励磁部で発生した磁界が測定試料に作用して検知信号が誘起する検知部を有し、その検知部が上記励磁部上に所定の距離をもって対向して配置してなる、上記第２の導波路と、上記第１の導波路のグランド線路と上記第２の導波路のグランド線路との間に接続されたダンピング抵抗と、を含む、透磁率測定用治具が提供される。

上記態様によれば、透磁率測定用治具は、第１の導波路と第２の導波路とで構成されており、信号線路である励磁部と検知部とを小型化することができ、励磁部および検知部を試料に近接して配置することが容易に可能であるので、透磁率の測定の感度を向上できる。また、検知部の検知信号は、測定試料の磁化の動きによる誘導起電力による信号であるが、励磁部からの励起信号の影響による信号も加わる。検知信号および励起信号による信号の電圧は周波数に比例するので、その比率は同じである。そのため、透磁率測定用治具は、測定周波数全体に亘って一定の測定感度が得られ、低周波数側の測定の感度の低下を極めて抑制できる。さらに、透磁率測定用治具は、ダンピング抵抗が第１の導波路のグランド線路と第２の導波路のグランド線路との間に接続されるので、透磁率測定用治具で生じた回路の共振を抑制でき、より精確な透磁率の測定が可能となる。

本発明の他の態様によれば、上記態様の透磁率測定用治具と、上記透磁率測定用治具の入力部に接続され、上記励起信号を生成する信号生成手段と、上記透磁率測定用治具の出力部に接続され、上記検知信号を解析する信号解析手段と、上記解析した信号から透磁率を求める演算手段と、を備える、透磁率測定装置が提供される。

上記態様によれば、磁率測定装置は、上記態様の透磁率測定用治具を備えることで、測定の感度が高く、その結果信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が良好であり、透磁率測定用治具で生じた回路の共振を抑制できるので、試料が微小な磁性粉末単体でもその透磁率の測定が可能となる。

本発明のその他の態様によれば、上記他の態様の透磁率測定装置を用いて透磁率を測定する方法であって、測定帯域毎に励起信号の電力を設定して励起信号を入力し検知信号を測定するステップであって、上記透磁率測定用治具の入力部に低周波数側において高周波数側よりも大きな電力の上記励起信号を供給するように上記信号生成手段を制御する、該ステップを含む、上記方法が提供される。

上記態様によれば、上記態様の透磁率測定用治具を用いることで、測定の感度が高く、Ｓ／Ｎ比が良好であり、透磁率測定用治具で生じた回路の共振を抑制できるので、微小な磁性粉末単体の透磁率を測定が可能な測定方法を提供できる。また、励起信号の電力を低周波数側において高周波数側よりも大きく設定することで、低周波数側の検知信号の電力を増加させて、低周波数側のＳ／Ｎ比の低下を抑制できる。

本発明の一実施形態に係る透磁率測定用治具の概略構成を示す上面図である。 本発明の一実施形態に係る透磁率測定用治具の概略構成を示す断面図であり、Ａ1－Ａ1矢視断面図である。 本発明の一実施形態に係る透磁率測定用治具の概略構成を示す断面図であり、Ｂ1－Ｂ1矢視断面図である。 本発明の一実施形態に係る透磁率測定用治具の要部の分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る透磁率測定用治具の試料配置と測定原理を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る透磁率測定用治具のダンピング抵抗の作用を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る透磁率測定装置の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る透磁率測定方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る透磁率測定方法における励起信号の設定と検知信号の特性を説明するための図である。 本発明の他の実施形態に係る透磁率測定用治具の概略構成を示す上面図である。 本発明の他の実施形態に係る透磁率測定用治具の概略構成を示す断面図であり、Ａ2－Ａ2矢視断面図である。 本発明の他の実施形態に係る透磁率測定用治具の概略構成を示す断面図であり、Ｂ2－Ｂ2矢視断面図である。 本発明の一実施形態に係る透磁率測定用治具のダンピング抵抗に対する伝送特性を示す図である。 本発明に係る実施例の複素透磁率の周波数特性を示す図である。示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。なお、図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る透磁率測定用治具の概略構成を示す上面図であり、図２はＡ1－Ａ1矢視断面図、図３はＢ1－Ｂ1矢視断面図、図４は要部の分解斜視図である。図１～図３において、構成の一部を透視図で示す。また、説明の便宜のため、構成要素の一部を省略して示しており、例えば図４ではネジを省略している。

図１～図４を参照するに、透磁率測定用治具１０は、シールドケース１１内に、励起信号を伝送する入力用導波路２０と、高周波の励起信号によって発生した励起磁界が試料に印加され、励起磁界によって試料の磁化に動きが生じて磁束が変化し、それにより誘起した逆起電力である検知信号を伝送する出力用導波路３０とを有する。透磁率測定用治具１０は、入力用導波路２０と出力用導波路３０とがトランス結合している。本実施形態では、入力用導波路２０および出力用導波路３０は、コプレーナ線路構造を有する。透磁率測定用治具１０は、説明の便宜のため図２に示すように入力用導波路２０が紙面下側に配置され、出力用導波路３０が紙面上側に配置されているが、上下逆でもよく、特に限定されない。

入力用導波路２０は、誘電体材料からなる基板２１の第１面２１ａに、Ｘ方向に延在する信号線路２２とその両側にグランド線路（接地線路）２３とを有する。信号線路２２は、励起信号の入力部２２ａ側からグランド線路２３と結合される短絡端２２ｓに亘って延在する。信号線路２２は、短絡端２２ｓの部分（短絡端２２ｓから入力部２２ａ側の部分）が試料４６に印加する磁界を発生する励磁部２２ｂとなる。試料４６は、励磁部２２ｂと検知部３２ｂとが対向する位置、例えば、励磁部２２ｂと検知部３２ｂに挟まれた位置に配置される。励磁部２２ｂは、所定の幅で励起信号が伝送される方向（Ｘ軸方向）に延在する。

信号線路２２は、励起信号の入力部２２ａ側に同軸ケーブル４０の信号線４０ａが接続される。同軸ケーブル４０は、励起信号生成器（図７に示す。）から励起信号を伝送する。信号線路２２は、その幅が励起信号の入力部２２ａ側から励磁部２２ｂに向かって所定の幅で形成される。代替例としては、例えば、信号線路２２は、入力部２２ａ側の同軸ケーブル４０が接続される部分だけ幅広く形成し、それ以外の部分を励磁部２２ｂと同じ幅で形成してもよく、励磁部２２ｂまで長さ方向（Ｘ軸方向）に所定の割合で狭くなるように形成してもよい。

グランド線路２３は、入力部２２ａ側において信号線路２２の両側に設けられ、それぞれ、同軸ケーブル４０の絶縁部材４０ｃを覆うグランド線４０ｂが接続される。グランド線路２３は、信号線路２２の側部と所定の距離を離隔して形成される。グランド線路２３は、励磁部２２ｂの短絡端２２ｓにおいて結合する。グランド線路２３は、平面視において、先端に向かって幅（Ｙ方向の長さ）が次第に狭くなるように形成されており、これは、出力用導波路３０のグランド線路３３との容量結合を減少させる点から好ましい。

出力用導波路３０は、入力用導波路２０と同様に、誘電体材料からなる基板３１上に、信号線路３２と、その両側にグランド線路３３を有する。信号線路３２は、検知信号の出力部３２ａ側からグランド線路３３と結合される短絡端３２ｓに亘って延在する。信号線路３２は、短絡端３２ｓの部分（短絡端３２ｓから出力部３２ａ側の部分）が試料に磁界を印加することで発生した磁束を検知する検知部３２ｂとなる。検知部３２ｂは励磁部２２ｂに対向して所定の距離をもって平行に配置され、検知部３２ｂと励磁部２２ｂとの間に試料４６が配置される。検知部３２ｂは、所定の幅で長さ方向（Ｘ軸方向）に延在する。

信号線路３２は、励起信号の出力部３２ａ側に同軸ケーブル４３の信号線４３ａが接続される。同軸ケーブル４３は、低雑音増幅器または検知信号解析器（いずれも図７に示す。）に検知信号を伝送する。信号線路３２は、その幅が検知部３２ｂから検知信号の出力部３２ａ側に向かって所定の幅で形成される。代替例としては、例えば、信号線路３２は、出力側の同軸ケーブル４３の信号線４３ａが接続される部分だけ幅広く形成し、それ以外の部分を検知部３２ｂと同じ幅で形成してもよく、検知部３２ｂまで長さ方向（Ｘ軸方向）に対して所定の割合で狭くなるように形成してもよい。

グランド線路３３は、入力用導波路２０のグランド線路２３と同様に形成され、同軸ケーブル４３のグランド線４３ｂが接続される。グランド線路３３は、平面視において、入力用導波路２０のグランド線路２３との重なる面積は小さい方が、容量結合を減少させる点から好ましい。

励磁部２２ｂおよび検知部３２ｂは、それぞれ励起信号および検知信号が伝送される方向（Ｘ軸方向）に沿った対向する長さ（Ｘ軸方向の長さ）が測定感度の点で１０ｍｍ以下に形成されることが好ましく、試料４６の配置および励磁部２２ｂと検知部３２ｂとが対向するように重ね合わせする容易さの点で０．１ｍｍ以上に形成されることが好ましい。さらに、励磁部２２ｂおよび検知部３２ｂの上記Ｘ軸方向の長さは、１０ｎｍ以上としてもよい。励磁部２２ｂおよび検知部３２ｂの作製並びに試料の配置を微細加工技術、例えば半導体プロセス技術を用いて行うことで、大きさが数ｎｍの極小の試料の透磁率を高感度で測定することが可能となる。

入力用導波路２０および出力用導波路３０の信号線路２２，３２およびグランド線路２３、３３は、導電材料、例えば銅からなり、厚さが、例えば３５μｍである。基板２１，３１は、例えばガラス布基材エポキシ樹脂積層板（ガラスエポキシ）からなり、厚さが例えば１．６ｍｍである。入力用導波路２０および出力用導波路３０は、伝送インピーダンスが、例えば５０Ωになるように形成される。

透磁率測定用治具１０は、励磁部２２ｂと検知部３２ｂとの間に、励磁部２２ｂと検知部３２ｂとの間を所定の距離離隔するために、非磁性絶縁層４７を設けてもよい。非磁性絶縁層４７は、試料４６を例えば励磁部２２ｂ上に固定するために接着材料を表面に有してもよい。非磁性絶縁層４７は、例えば、粘着剤を有するポリイミドテープを用いることができる。

図３を特に参照するに、透磁率測定用治具１０は、入力用導波路２０のグランド線路２３と出力用導波路のグランド線路３３との間にダンピング抵抗５０ａおよび５０ｂが電気的に接続される。具体的には、出力用導波路３０の基板３１の第２面３１ｂに、電極５１ａ～５１ｄが形成され、電極５１ａと電極５１ｂとに一方のダンピング抵抗５０ａが実装され、電極５１ｃと電極５１ｄとに他方のダンピング抵抗５０ｂが実装される。

電極５１ａは、基板３１の第１面３１ａに形成されたグランド線路３３と基板３１を貫通するビア５２ａを介して電気的に接続される。電極５１ｂは、基板３１の第１面３１ａに形成された接続用電極５３ａと基板３１を貫通するビア５２ｂを介して電気的に接続される。接続用電極５３ａは、基板２１の第１面２１ａに形成された接続用電極５４ａと、基板２１と基板３１とがネジ５５の保持部材１１ａへの締め付けによって互いに接触することで導通する。接続用電極５４ａはグランド線路２３と第１面２１ａ上に形成した導電パターンにより電気的に接続される。これにより、一方のダンピング抵抗５０ａが入力用導波路２０のグランド線路２３と出力用導波路のグランド線路３３とに電気的に接続される。他方のダンピング抵抗５０ｂも同様にして、入力用導波路２０のグランド線路２３と出力用導波路のグランド線路３３とに電気的に接続される。

図５は、本発明の一実施形態に係る透磁率測定用治具の測定原理を説明するための図である。図５（ａ）は、図３と同様にＹ方向に沿った励磁部２２ｂおよび検知部３２ｂにおける断面図を模式的に示しており、図５（ｂ）は、図５（ａ）の励磁部２２ｂおよび検知部３２ｂの拡大図である。なお、図５（ａ）および（ｂ）において、説明の便宜のため、基板２１，３１および非磁性絶縁層４７の図示を省略している。

図５（ａ）を参照するに、励磁部２２ｂには、励起信号が紙面の手前から奥に流れているとする。励起信号により、励磁部２２ｂの周囲には励起磁界Ｈ_exが発生する。励起磁界Ｈ_exは試料に印加されると、試料が強磁性体であるのでその磁化の動きにより磁束Ｂ_idが発生し、検知部３２ｂに誘導起電力が生じ検知信号が発生する。

図５（ｂ）を参照するに、励磁部２２ｂの幅ｗ₂は、励起効率が増加する点で、試料の幅ｗ₁とほぼ同じ（実質的に同じ（ｗ₁≒ｗ₂））であることが好ましく、実質的に同じことがさらに好ましい。検知部３２ｂの幅ｗ₃も、検出感度が増加する点で、試料の幅ｗ1とほぼ同じ（実質的に同じ（ｗ₁≒ｗ₃））であることが好ましい。幅ｗ₂，ｗ₃は、試料４６の配置および励磁部２２ｂと検知部３２ｂとが対向するように重ね合わせする容易さの点で０．１ｍｍ以上であることが好ましい。励磁部２２ｂと検知部３２ｂとの距離（中心線距離）ｄ₁は、励磁部２２ｂの幅ｗ₂および検知部３２ｂの幅ｗ₃よりも測定感度の点で小さい（ｄ₁＜ｗ₁，ｗ₂）ことが好ましい。さらに、幅ｗ₂，ｗ₃は、１０ｎｍ以上としてもよい。励磁部２２ｂおよび検知部３２ｂの作製並びに試料の配置を微細加工技術、例えば半導体プロセス技術を用いて行うことで、大きさが数ｎｍの極小の試料の透磁率を高感度で測定することが可能となる。

試料４６は、励磁部２２ｂおよび検知部３２ｂの表面に接触しないように配置してもよく、そのいずれかの表面に接触するように配置してもよい。ただし、励磁部２２ｂと検知部３２ｂとが直接接触しないようにする。

図６は、本発明の一実施形態に係る透磁率測定用治具のダンピング抵抗の作用を説明するための図である。図６を図１と合わせて参照するに、透磁率測定用治具１０は、おおよそ、同軸ケーブル４０および４３、入力用導波路２０および出力用導波路３０のグランド線路に付随する寄生インダクタンスＬ（入力側の寄生インダクタンスＬ1と出力側の寄生インダクタンスＬ2との和）と、同軸ケーブル４０と同軸ケーブル４３との間の浮遊容量Ｃｓと、励磁部２２ｂと検知部３２ｂとが形成する浮遊容量Ｃｔとシールドケース１１によりＬＣ共振回路が生じる。ダンピング抵抗５０（ダンピング抵抗５０ａおよび５０ｂの合成抵抗）は、入力用導波路２０のグランド線路２３と出力用導波路のグランド線路３３との間に接続されるので、ＬＣ共振回路に接続されて、全体としてＬＣＲ共振回路が形成される。ダンピング抵抗５０は、本発明者の検討によれば、比較的低周波数、例えば、１００ＭＨｚのオーダーから１ＧＨｚのオーダーの共振周波数の共振を抑制することができ、より精確な透磁率の測定が可能となる。

図３に戻り、ダンピング抵抗５０ａおよび５０ｂは、励磁部２２ｂおよび検知部３２ｂに対して、その両側に対称に配置されている。これにより、高周波数側の共振を効果的に抑制できる。

なお、ダンピング抵抗５０ａおよび５０ｂは、その合成抵抗値と同じ抵抗値であれば、その一方だけでもよい。

図７は、本発明の一実施形態に係る透磁率測定装置の概略構成を示す図である。図７を参照するに、透磁率測定装置６０は、大別すると、透磁率測定用治具１０と、低雑音増幅器６２と、信号生成解析部６４と、直流磁界生成部７０と、制御演算部８０とを有する。

透磁率測定用治具１０は、上記の実施形態に係る図１～図４に示した透磁率測定用治具１０であり、さらに、後述する図１１および図１２に示す他の実施形態の透磁率測定用治具１００でもよい。

低雑音増幅器６２は、透磁率測定用治具１０の出力用導波路３０の出力部に接続され、検知信号を増幅する。低雑音増幅器６２は、市販のローノイズアンプを用いることができ、全測定帯域において一定の増幅率を有し、それ自体のノイズが低い程好ましい。低雑音増幅器６２は、増幅率は、検知信号解析器６８のディテクタ（不図示）の雑音指数よりも大きいことがディテクタの雑音指数の影響を抑制して総合的なＳ／Ｎ比を向上する点で好ましく、例えば２５ｄＢ～３０ｄＢである。なお、透磁率測定装置６０には低雑音増幅器６２を用いることが好ましいが必須ではない。

信号生成解析部６４は、透磁率測定用治具１０の入力用導波路２０に供給する励起信号を生成する励起信号生成器６５と、励起信号生成器６５の励起信号の電力および周波数を制御する励起信号制御器６６と、低雑音増幅器６２により増幅された検知信号を受信して解析を行う検知信号解析器６８とを有する。信号生成解析部６４は、例えば市販のベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）を用いることができる。

直流磁界生成部７０は、電磁石７１と、電磁石７１を制御する直流磁界制御器７２とを有する。電磁石７１は、直流磁界制御器７２に制御され、一対の磁極間に配置された透磁率測定用治具１０の試料４６に印加する磁界を生成する。電磁石７１によって印加する磁界の大きさは試料４６に応じて適宜選択されるが、例えば最大２Ｔ（テスラ）程度である。なお、電磁石７１の代わりに永久磁石を用いてもよく、例えば複数の異なる残留磁束密度の永久磁石を必要に応じて組み合わせて用いることができる。

制御演算部８０は、信号生成解析部６４および直流磁界制御器７２を制御するとともに、検知信号解析器６８からのＳパラメータの周波数特性データを受信して複素透磁率の演算を行う。制御演算部８０は、図示を省略しているが、データを記憶する半導体メモリ、ディスプレイ、キーボードおよびマウスを有する。制御演算部８０は、例えばＰＣ（パーソナルコンピュータ）を用いることができる。

図８は、本発明の一実施形態に係る透磁率測定方法を示すフローチャートである。図８を図７と合わせて参照しつつ透磁率の測定方法を説明する。

透磁率μは、下記式（１）で表される。

ここで、Ｃは透磁率測定用治具１０と試料４６に固有の補正係数であり、Ｓパラメータの下添え字「２１」は透磁率測定用治具１０の入力側から出力側の伝送Ｓパラメータであることを表し、Ｓパラメータの上添え字「０」（ｎ＝０）は試料の磁化が飽和した磁界における伝送Ｓパラメータであることを表し、Ｓパラメータの上添え字「１」（ｎ＝１）は所定の磁界における伝送Ｓパラメータであることを表す。所定の磁界は、例えば、試料が実装された環境において試料に印加される直流磁界を用いる。試料が電子基板を格納した筐体に設置するノイズ抑制シートに用いられる場合は、所定の磁界は、例えば、０（零）Ｔ（テスラ）を選択する。

最初に、ステップＳ１００では、補正係数Ｃを決定する。具体的には、試料４６を透磁率測定用治具１０に設定し、電磁石７１により試料４６に直流磁界に印加して、所定の周波数（低周波数）の励起信号を透磁率測定用治具１０に入力して検知信号解析器６８で検知信号を測定し、伝送ＳパラメータＳⁿ ₂₁を測定する。直流磁界の大きさは、試料の磁化が十分に飽和する範囲で数点選択し、それぞれ大きさの直流磁界Ｈ_Bに対して伝送ＳパラメータＳⁿ ₂₁を測定する。次いで、制御演算部が測定したＳⁿ ₂₁と印加した直流磁界Ｈ_Bの大きさから、理論式μ＝Ｍ_S／Ｈ_B＋１（ここで、Ｍ_Sは試料の飽和磁化である。）をフィッティングすることで、上記式（１）の補正係数Ｃが決定される。

次いで、ステップＳ１１０では、直流磁界制御器７２により電磁石７１の直流磁界Ｈ_Bを所定の磁界（ｎ＝１）に設定して、電磁石７１は、透磁率測定用治具１０に配置した試料に直流磁界Ｈ_Bを印加する。透磁率測定用治具１０は、励磁部２２ｂに励起信号が流れる方向に平行に直流磁界Ｈ_Bが印加されるように配置する。なお、後述する飽和磁界も同じ方向に印加される。直流磁界Ｈ_Bは、上記式（１）においてＳパラメータの上添え字が「１」の場合である。

次いで、ステップＳ１２０では、測定帯域毎に励起信号の電力を設定して励起信号を入力し検知信号を測定する。具体的には、透磁率を測定する周波数の全帯域を複数の測定帯域に分割し、その測定帯域毎に励起信号の電力を設定して透磁率測定用治具１０に励起信号を入力して、出力として検知信号を測定する。

図９は、本発明の一実施形態に係る透磁率測定方法における励起信号の設定と検知信号の特性を説明するための図である。図９を参照するに、励起信号は、透磁率を測定する周波数、例えば１ＭＨｚ～５０ＧＨｚの全測定帯域ｆ₀～ｆ₄を複数の帯域、この例では４個の帯域ＦＢ₁～ＦＢ₄に分割する。帯域ＦＢ₁～ＦＢ₄毎に、図９に実線で示す励起信号の電力Ｐ_iをＰ₁～Ｐ₄に設定する。励起信号に応じて励磁部２２ｂで発生した励起磁界が試料４６に印加され、試料の磁化の動きによって生じた磁束の変化が検知部３２ｂに逆起電力として検知信号が誘起される。検知信号は図９に破線で示している。励起信号の電力が全測定帯域に亘って一定の電力である場合は、特性上、低周波数側の帯域ほど検知信号の電力が低くなる。さらに、ジョンソンノイズは周波数に亘って電力が一定であるので、低周波数側ほどＳ／Ｎ比に影響する。本実施形態では、励起信号の電力Ｐ_iが低周波数側が高周波数側よりも大きく設定されている。これによって検知信号の電力が低周波数側が増加することで全測定帯域に亘ってほぼ同等の電力の検知信号が得られるので、検知信号解析器６８を飽和させることなく、つまり、検知信号解析器６８のディテクタの入力電力範囲を超えてその出力を飽和させることなく、ジョンソンノイズによる低周波数側のＳ／Ｎ比の低下を抑制できる。

さらに、検知信号は低雑音増幅器６２により増幅され、増幅された検知信号を図９に一点鎖線で示している。これにより、低周波数側の検知信号の電力を増加させることで、低雑音増幅器６２および検知信号解析器６８を飽和させることなく、ジョンソンノイズによる低周波数側のＳ／Ｎ比の低下をさらに抑制できる。

図８に戻り、次いで、ステップＳ１３０では、測定周波数全体の測定が終了したかどうかを判定する。測定周波数全体の測定が終了していない場合（“Ｎｏ”の場合）は、その測定が終了するまでＳ１２０を行う。測定周波数全体の測定が終了した場合（“Ｙｅｓ”の場合）は、ステップＳ１４０に進む。

次いで、ステップＳ１４０では、測定周波数全体に亘る所定の磁界におけるＳパラメータＳ¹ ₂₁を上記Ｓ１２０の増幅された検知信号のデータから取得する。

次いで、ステップＳ１５０では、電磁石７１による直流磁界Ｈ_Bが試料４６の磁化が飽和する磁界（飽和磁界）であるかどうかを判定する。直流磁界Ｈ_Bが飽和磁界でない場合（“Ｎｏ”の場合）は、ステップＳ１５２に進み、直流磁界Ｈ_Bが飽和磁界の場合（“Ｙｅｓ”の場合）は、ステップＳ１６０に進む。

ステップＳ１５２では、直流磁界制御器７２により電磁石７１の印加磁場Ｈ_Bを飽和磁界（ｎ＝０）に設定する。飽和磁界は、試料の磁化を飽和する磁界でありかつ励起信号による高周波で交番する励起磁界に対して磁化の動きを極力小さくする十分に大きな磁界に設定する。飽和磁界は、上記式（１）においてＳパラメータの上添え字が“０”の場合である。次いで、飽和磁界を印加して、Ｓ１２０およびＳ１３０を行い、Ｓ１４０において飽和磁界における測定周波数全体に亘る所定の磁界におけるＳパラメータＳ⁰ ₂₁をＳ１２０の増幅された検知信号のデータから取得する。

ステップＳ１６０では、測定周波数全体に亘る透磁率を演算する。具体的には、制御演算部８０は、検知信号解析器６８から、ＳパラメータＳ⁰ ₂₁、Ｓ¹ ₂₁を受信して、Ｓ１００で算出した補正係数Ｃを用いて上記式（１）に従って複素透磁率を求める演算を行う。制御演算部８０は求めた複素透磁率をメモリ、ハードディスクドライブ、クラウド等に記憶すると共に、ディスプレイに表示し、プリンタによって印刷することができる。

上記の透磁率測定方法は、ソフトウェアのプログラムとして制御演算部８０により実行してもよく、ハードウェアとして制御演算部８０を構成してもよく、これによって、制御演算部８０が信号生成解析部６４と直流磁界生成部７０を制御して透磁率を測定することができる。

なお、上記の測定方法の変形例として、Ｓ１２０において測定帯域全体に亘って励起信号の電力を一定にして検知信号の測定を行ってもよい。

本実施形態によれば、透磁率測定用治具１０は、入力用導波路２０および出力用導波路３０がコプレーナ線路構造を有しており、信号線路である励磁部２２ｂと検知部３２ｂとを小型化することができ、励磁部２２ｂおよび検知部３２ｂを微小な磁性粉末単体に近接して配置することが容易に可能であるので、透磁率の測定感度を向上できる。励磁部２２ｂおよび検知部３２ｂは、それぞれグランド線路２３、３３と短絡する終端部分であり、励磁部２２ｂと検知部３２ｂとを対向して配置しているので、電場の影響を抑制することができる。検知部３２ｂの検知信号は、試料４６の磁化の動きによる誘導起電力による信号であるが、励磁部２２ｂからの励起信号の影響による信号も加わる。検知信号および励起信号による信号の電圧は周波数に比例するので、その比率は同じである。そのため、透磁率測定用治具１０は、測定周波数全体に亘って一定の測定感度が得られる。透磁率測定用治具１０は、ダンピング抵抗５０ａおよび５０ｂが入力用導波路２０のグランド線路２３と出力用導波路のグランド線路３３との間に電気的に接続されるので、透磁率測定用治具１０で生じたＬＣ共振回路の共振を抑制でき、より精確な透磁率の測定が可能となる。透磁率測定用治具１０は、特許文献１および非特許文献１に記載の測定装置における低周波数側で生じる測定感度の低下を極めて抑制することができる。

本実施形態によれば、透磁率測定装置６０は、透磁率測定用治具１０を備えることで、測定の感度が高く、Ｓ／Ｎ比が良好であるので、微小な磁性粉末単体の透磁率を測定できる。また、励起信号の電力Ｐ_iを低周波数側が高周波数側よりも大きく設定することで、低周波数側の検知信号の電力を増加させて、全測定帯域に亘ってほぼ同等の電力の検知信号が得られるので、ジョンソンノイズによる低周波数側のＳ／Ｎ比の低下を抑制できる。また、透磁率測定用治具１０は、ダンピング抵抗５０ａおよび５０ｂにより透磁率測定用治具１０で生じたＬＣ共振回路の共振を抑制でき、より精確な透磁率の測定が可能となる。

本実施形態の透磁率測定方法によれば、透磁率測定用治具１０を用いることで、測定の感度が高く、Ｓ／Ｎ比が良好であるので、微小な磁性粉末単体の透磁率を測定が可能となり、また、励起信号の電力Ｐ_iを低周波数側が高周波数側よりも大きく設定することで、低周波数側の検知信号の電力を増加させて、全測定帯域に亘ってほぼ同等の電力の検知信号が得られるので、低周波数側のＳ／Ｎ比の低下を抑制できる。また、透磁率測定用治具１０は、ダンピング抵抗５０ａおよび５０ｂにより透磁率測定用治具１０で生じたＬＣ共振回路の共振を抑制でき、より精確な透磁率の測定が可能となる。

上記の実施形態の透磁率測定用治具１０の変形例である一実施形態を以下に説明する。

図１０は、本発明の他の実施形態に係る透磁率測定用治具の概略構成を示す上面図であり、図１１はそのＡ2－Ａ2矢視断面図、図１２はＢ2－Ｂ2矢視断面図である。

図１０～図１２を参照するに、透磁率測定用治具１００は、励起信号を伝送する入力用導波路１２０と、励起信号によって発生した磁界が試料４６に印加され、その励起磁界によって試料の磁化に動きが生じて磁束が変化し、それにより誘起した逆起電力である検知信号を伝送する出力用導波路１３０とを有する。本実施形態では、入力用導波路１２０および出力用導波路１３０は、マイクロストリップ線路構造を有する。透磁率測定用治具１００は、説明の便宜のため入力用導波路１２０が紙面下側に配置され、出力用導波路１３０が紙面上側に配置されているが、上下逆でもよく、特に限定されない。

入力用導波路１２０は、誘電体材料からなる基板１２１の第１面１２１ａ上に信号線路１２２と、その裏面の第２面１２１ｂおよび端面１２１ｃ上にグランド線路１２３とを有する。信号線路１２２は、励起信号の入力部１２２ａ側から端面１２１ｃに形成されたグランド線路１２３と結合される短絡端１２２ｓに亘って延在する。信号線路１２２は、短絡端１２２ｓの部分（短絡端１２２ｓから入力部１２２ａ側の部分）が試料４６に印加する磁界を発生する励磁部１２２ｂとなる。試料４６は、励磁部１２２ｂと検知部１３２ｂとが対向する位置、例えば、励磁部１２２ｂと検知部１３２ｂに挟まれた位置に配置される。励磁部１２２ｂは、所定の幅で長さ方向（Ｘ方向）に延在する。

信号線路１２２は、励起信号の入力部１２２ａ側に同軸ケーブル４０の信号線４０ａが接続される。信号線路１２２は、透磁率測定用治具１０の信号線路２２と同様に形成され、その詳細な説明は省略する。グランド線路１２３は、基板１２１の第２面１２１ｂおよび端面１２１ｃ上に設けられ、入力部１２３ａ側において同軸ケーブル４０の絶縁部材４０ｃを覆うグランド線４０ｂが接続される。グランド線路１２３は、端面１２１ｃ上に形成された部分において励磁部１２２ｂの短絡端１２２ｓと連続することで、信号線路１２２と結合する。グランド線路１２３は、平面視において、第２面１２１ｂ全体に形成してもよく、先端に向かって幅（Ｙ方向の長さ）が次第に狭くなるように形成してもよい。

出力用導波路１３０は、入力用導波路１２０と同様に形成される。信号線路１３２は、グランド線路１３３と結合される短絡端１３２ｓの部分（短絡端１３２ｓから出力部１３２ａ側の部分）が、試料に磁界を印加することで発生した磁束を検知する検知部１３２ｂとなる。検知部１３２ｂは励磁部１２２ｂに対向して所定の距離をもって平行に配置され、検知部１３２ｂと励磁部１２２ｂとの間に試料４６が配置される。

信号線路１３２は、入力用導波路１２０と同様に形成され、励起信号の出力部１３２ａ側に同軸ケーブル４３の信号線４３ａが接続される。グランド線路１３３は、入力用導波路１２０のグランド線路１２３と同様に形成され、その詳細な説明は省略する。

透磁率測定用治具１００は、励磁部１２２ｂと検知部１３２ｂとの間に、励磁部１２２ｂと検知部１３２ｂとの間を所定の距離離隔するために、非磁性絶縁層４７を設けてもよい。

図１２を参照するに、透磁率測定用治具１００は、入力用導波路１２０のグランド線路１２３と出力用導波路のグランド線路１３３との間にダンピング抵抗５０ａ，５０ｂが電気的に接続される。具体的には、出力用導波路１３０の基板１３１の第２面１３１ｂ上のグランド線路１３３と電極１５１ａとに一方のダンピング抵抗５０ａが実装され、グランド線路１３３と電極１５１ｂとに他方のダンピング抵抗５０ｂが実装される。電極１５１ａおよび電極１５１ｂは、第２面１３１ｂ上に形成されているが、グランド線路１２３とは離隔され電気的に直接接続されていない。

電極１５１ａは、基板１３１の第１面３１ａに形成された接続用電極１５３ａと基板１３１を貫通するビア１５２ａを介して電気的に接続される。接続用電極１５３ａは、基板１２１の第１面１２１ａに形成された接続用電極１５４ａと、基板１２１と基板１３１とがネジ５５の保持部材１１ａへの締め付けによって互いに接触することで導通する。接続用電極１５４ａは入力用導波路１２０のグランド線路１２３と基板１２１を貫通するビア１５５ａを介して電気的に接続される。これにより、一方のダンピング抵抗５０ａが入力用導波路１２０のグランド線路１２３と出力用導波路のグランド線路１３３とに電気的に接続される。他方のダンピング抵抗５０ｂも同様にして、電極１５１ｂ、ビア１５２ｂ、接続用電極１５３ｂ、１５４ｂおよびビア１５５ｂを介して入力用導波路１２０のグランド線路１２３と出力用導波路１３０のグランド線路１３３とに電気的に接続される。

ダンピング抵抗５０ａおよび５０ｂは、励磁部１２２ｂおよび検知部１３２ｂに対して、その両側に対称に配置されている。これにより、高周波数側の共振を効果的に抑制できる。なお、ダンピング抵抗５０ａおよび５０ｂは、その合成抵抗値と同じ抵抗値のダンピング抵抗を一方だけに用いてもよい。なお、ダンピング抵抗５０ａおよび５０ｂの配置はこれに限定されない。

透磁率測定用治具１００による透磁率の測定原理は透磁率測定用治具１０と同様である。検知部１３２ｂおよび励磁部１２２ｂの幅、並びに、その幅と、検知部１３２ｂと励磁部１２２ｂとの距離との関係は透磁率測定用治具１０と同様である。

本実施形態によれば、透磁率測定用治具１００は、先の実施形態の透磁率測定用治具１０と同様の効果を有する。入力用導波路１２０および出力用導波路１３０がマイクロストリップ線路構造を有しており、信号線路である励磁部１２２ｂと検知部１３２ｂとを小型化することができ、励磁部１２２ｂおよび検知部１３２ｂを微小な磁性粉末単体に近接して配置することが容易に可能であるので、透磁率の測定感度が向上できる。励磁部１２２ｂおよび検知部１３２ｂは、それぞれグランド線路１２３、１３３と短絡する終端部分であり、励磁部１２２ｂと検知部１３２ｂとを対向して配置しているので、電場の影響を抑制することができる。検知部１３２ｂの検知信号は、試料４６の磁化の動きによる誘導起電力による信号であるが、励磁部１２２ｂからの励起信号の影響による信号も加わる。検知信号および励起信号による信号の電圧は周波数に比例するので、その比率は同じである。そのため、透磁率測定用治具１００は、測定周波数全体に亘って一定の測定感度が得られる。透磁率測定用治具１００は、ダンピング抵抗５０ａおよび５０ｂが入力用導波路１２０のグランド線路１２３と出力用導波路のグランド線路１３３との間に電気的に接続されるので、透磁率測定用治具１００で生じたＬＣ共振回路の共振を抑制でき、より精確な透磁率の測定が可能となる。透磁率測定用治具１００は、特許文献１および非特許文献１に記載の測定装置における低周波数側で生じる測定感度の低下を極めて抑制することができる。

図１３は、本発明の一実施形態に係る透磁率測定用治具のダンピング抵抗に対する伝送特性を示す図である。図１～図４に示した透磁率測定用治具を用いた。図１３の横軸は励起信号の周波数を示し、縦軸は、ＳパラメータのＳ₂₁の絶対値であり、透磁率測定用治具の入力側から出力側の透過係数である。特性線の右側に、その制動係数ζおよびダンピング抵抗値を示した。

図１３を参照するに、周波数が１ＧＨｚ～６ＧＨｚにおいて、ダンピング抵抗値（２つの並列のダンピング抵抗５０ａおよび５０ｂの合成値）が９Ω～２８０Ωの範囲で透過係数がほぼ直線状となり、透磁率測定用治具が形成するＬＣ共振回路の共振が抑制されていること分かる。この範囲にダンピング抵抗の抵抗値を設定することが好ましい。ここで使用した透磁率測定用治具は、ダンピング抵抗を設けない場合の共振周波数が１．０７ＧＨｚであることと（図１３に示す最下部の特性線）、インダクタンスＬが８．４ｎＨであったことから、制動係数ζは、下記（２）式で表される。
ζ＝２８／Ｒd ・・・ （２）
ここで、Ｒdはダンピング抵抗の抵抗値（Ω）である。したがって、Ｒ＝９Ω～２８０Ωに対応する制動係数ζは０．１～３であり、制動係数ζが０．１～３になるようにダンピング抵抗の抵抗値を選択することが好ましいことが分かる。

［実施例］
図１～４に示した透磁率測定用治具１０を含む図７に示した透磁率測定装置を用いて図８に示した透磁率測定方法により試料としてパーマロイの磁性粉末１個の複素透磁率を測定した。磁性粉末は、組成がＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀（原子％）であり、１個の大きさが約１８０μｍ×１００μｍ、厚さ０．５μｍの不定形の扁平体である。磁性粉末は、励磁部に一つの面に粘着剤を有する厚さ３５μｍのポリイミドテープを用いて貼り付け、他の面に検知部が接触するように配置した。

電磁石により印加した直流磁界は、所定の磁界（ｎ＝１）を無磁界（零Ｔ）とし、飽和磁界を１．５Ｔに設定した。測定周波数を１０ＭＨｚ～２０ＧＨｚとして、励起信号の電力と帯域幅を下記の表に示す設定とした。信号生成解析部６４として、米国キーサイト・テクノロジー社製のベクトルネットワークアナライザ（モデル：Ｎ５２２２Ａ）を用いた。低雑音増幅器６２として、アンリツ社製の広帯域ローノイズアンプ（モデル：ＡＨ１４１４９Ａ）を用いた。

図１４は、本発明に係る実施例の複素透磁率の周波数特性を示す図である。図１４を参照するに、大きさが１００μｍ～３００μｍ程度で厚さが１μｍ～２μｍの微小な磁性粉末単体でも複素透磁率の実部および虚部が１０ＭＨｚ～２０ＧＨｚに亘って複素透磁率が安定して精確に測定できていることが分かる。なお、補正係数Ｃは８．７×１０^-5である。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０，１００ 透磁率測定用治具
２０，１２０ 入力用導波路
２１，３１，１２１，１３１ 基板
２２，３２，１２２，１３２ 信号線路
２２ｂ，１２２ｂ 励磁部
２３，３３，１２３，１３３ グランド線路
３０，１３０ 出力用導波路
３２ｂ，１３２ｂ 検知部
４７ 非磁性絶縁層
５０，５０ａ，５０ｂ ダンピング抵抗
６０ 透磁率測定装置
６４ 信号生成解析部
７０ 直流磁界生成部
８０ 制御演算部

Claims (12)

1. 第１の導波路であって、その信号線路が一端側に励起信号により磁界を発生する励磁部を有する、前記第１の導波路と、
   第２の導波路であって、その信号線路が一端側に前記励磁部で発生した磁界が測定試料に作用して検知信号が誘起する検知部を有し、該検知部が前記励磁部上に所定の距離をもって対向して配置してなる、前記第２の導波路と、
   前記第１の導波路のグランド線路と前記第２の導波路のグランド線路との間に接続されたダンピング抵抗と、を備える、透磁率測定用治具。
2. 前記ダンピング抵抗は、当該透磁率測定用治具が形成する共振回路の共振を抑制する、請求項１記載の透磁率測定用治具。
3. 前記共振回路はＬＣＲ共振回路であり、前記ダンピング抵抗は、該ＬＣＲ共振回路の制動係数が０．１以上３．０以下の範囲になるように選択されてなる、請求項２記載の透磁率測定用治具。
4. 前記第１の導波路および第２の導波路は、各々、第１の誘電体基板および第２の誘電体基板の主面に信号線路とその両側にグランド線路とを有し、前記信号線路が、前記励磁部および前記検知部の各々の前記一端で、各々の前記グランド線路と短絡する、請求項１～３のうちいずれか一項記載の透磁率測定用治具。
5. 前記ダンピング抵抗は、前記第１の導波路の前記信号線路に対する一方の側のグランド線路と前記第２の導波路の前記信号線路に対する前記一方の側と同じ側のグランド線路とに接続されてなる、請求項４記載の透磁率測定用治具。
6. 前記ダンピング抵抗は２つの抵抗素子であり、その一つの抵抗素子が前記第１の導波路の前記信号線路の一方の側のグランド線路と前記第２の導波路の前記信号線路の前記一方の側と同じ側のグランド線路とに接続されてなり、他の一つ抵抗素子が前記第１の導波路の前記信号線路の他方の側のグランド線路と前記第２の導波路の前記信号線路の前記他方の側と同じ側のグランド線路とに接続されてなる、請求項４記載の透磁率測定用治具。
7. 前記第１および第２の導波路は、各々、誘電体基板の表面に信号線路とその誘電体基板の裏側にグランド線路とを有し、前記信号線路が、前記励磁部および前記検知部の各々の前記一端で、各々の前記グランド線路と短絡する、請求項１～３のうちいずれか一項記載の透磁率測定用治具。
8. 請求項１～７のうちいずれか一項記載の透磁率測定用治具と、
   前記透磁率測定用治具の入力部に接続され、前記励起信号を生成する信号生成手段と、
   前記透磁率測定用治具の出力部に接続され、前記検知信号を解析する信号解析手段と、
   前記解析した信号から透磁率を求める演算手段と、
   を備える、透磁率測定装置。
9. 前記入力部に低周波数側において高周波数側よりも大きな電力の前記励起信号を供給するように前記信号生成手段を制御する励起信号制御手段をさらに備える、請求項８記載の透磁率測定装置。
10. 前記出力部と前記信号解析手段との間に前記検知信号を増幅する増幅手段をさらに備える、請求項８または９記載の透磁率測定装置。
11. 前記透磁率測定用治具の前記励磁部および検知部に励起信号および検知信号の伝送方向に沿って直流磁界を印加する直流磁界印加手段をさらに備える請求項８～１０のうちいずれか一項記載の透磁率測定装置。
12. 請求項８～１１のうちいずれか一項記載の透磁率測定装置を用いて透磁率を測定する方法であって、
    測定帯域毎に励起信号の電力を設定して励起信号を入力し検知信号を測定するステップであって、前記透磁率測定用治具の入力部に低周波数側において高周波数側よりも大きな電力の前記励起信号を供給するように前記信号生成手段を制御する、該ステップを含む、前記方法。

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