JPH0298681A - 磁気歪測定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 磁気歪とは強磁性体を磁化したときに強磁性体の外形が
変化する現象を言い、その変形の大きさは１０−５〜１
０−１１の極めて微小なものである。しかしながら磁気
歪は結晶磁気異方性と共に、磁性体の軟磁気特性たとえ
ば抗磁力、透磁率等の大きさを決定する主たる要因であ
り極めて重要な物質定数であることが知られている。本
発明はこの磁気歪の大きさを精度よく測定する方法に係
るものであり、磁気歪の量を圧電体に電圧を印加するこ
とによって生ずる変位により打ち消し、その印加電圧の
値から磁気歪の量を求める方法またはＣ〃気歪星と同じ
量の圧電変位を起こさせてその印加電圧の値から磁気歪
の量を求める磁気歪測定法に係るものである。

（従来の技術） 磁気歪は単に磁歪とも呼ばれるが、その値の測定法とし
ては昔から多くのものが提案され、実用化されている。

光テコ法は最も古いるｎ磁歪の測定法であり、磁性体棒
の一端を固定し、磁性体棒の下に鏡を取り付けたコロを
置き、磁気歪によって生ずるコロの回転すなわち鏡の回
転を光の反射角の変化おして検出することにより磁気歪
の大きさを知る方法である。また、歪ゲージ法は磁性体
に歪ゲージをはりつけ、磁気歪と共に歪ゲージが変形し
、その電気抵抗値が変化することから磁気歪の大きさを
知る方法である。電気容量法は磁性体に可動電極を取り
付け、固定電極と可動電極間の電気容量が磁気歪によっ
て変化することから磁気歪の大きさを知る方法である。

この外にも磁気共鳴法、電磁誘導法があるが、測定法の
極めて複雑であることから現在殆ど使用されていない。

しかしながらこれらの方法はバルク状（塊状）の試料の
る！磁気歪を測定するのに用いられる方法でありＣｎ性
薄膜のように基板上に蒸着またはスパッタ、ＣＶＤ法等
により気体状態から作製された数１００　Ａから数μｍ
厚の試料の磁気歪を測定することは不可能である。すな
わち磁性体があまりにも薄ずぎるため、磁気歪による磁
性体の変形が、基板上によっておさえられてしまうこと
と、試料形状がバルク用装置には適さないためである。

このため薄膜試料の磁気歪測定法としては従来バルク試
料の場合とは異なった６ｆｉ気歪の測定法が開発されて
きた。第７図は薄膜の磁気歪測定法として従来の代表的
な先月持ち乗法を示したものである。

この方法は例えば数１００　ｕｒｎ厚のガラス等の基板
５上に強磁性薄膜５２をつけた試料すなわち薄膜試料の
基板の一端５１Ａを導体５１Ｂに固定し、これに回転磁
界または直流磁界を印加する。この時、磁性薄膜５２は
その寸法が変化するが、ガラス等の基板３１は磁性を持
たず磁気歪が存在しないため、それ自身は変形しないが
、上についている磁性薄膜３２が変形するため結果的に
は磁性薄膜３２の寸法変化にともなって図の上側、また
は下側にそってしまう。この時レーザー光源３３のレー
ザー光３４を薄膜３２の面上に照射すると、その反射角
が、薄膜３２のそりとともに変化することになる。この
反射光３５を光検出器３６で検出し、基板３１のそりが
全くない状態、つまり磁気歪が零の状態か、またはある
方向に磁界（図示せず）が印加された状態を基準位置と
し、磁界を印加するか、または印加磁界を回転すること
により、反射光の位置変化を検出してそりの大きさを知
る方法である。この時の反射光の変位、／ｊｓを薄膜３
２のそりに伴う反射光の位置変化量、Ｅｓ、Ｅｆを基板
３１および薄膜３２のヤング率、νＳを基板のポアソン
比、ｔを基板厚、ｄを薄膜の厚さ、ｌを基板から光検出
器３６までの距離、　Ｌを基板の固定端からレーザー光
の照射位置までの距離とすると磁気歪λＳは のように求めることができる。

薄膜の磁気歪の測定法としてはこの他に電気容量法、光
フアイバー法等があるが、先月持ち乗法において、そり
の大きさの検出法としてレーザーの反射光を用いる代わ
りに電気容量の変化及び光伝送路の長さの変化を検出す
るものであり、基本的には、そりの大きさから磁気歪量
を知るという全く同一の原理に基くものである。

（発明が解決しようとする課題） 以上述べたように磁気歪の測定法としては多くの方法が
知られ、用いられているがこれらの測定法はいずれも多
くの解決すべき課題を含んでいる。

とくに磁性薄膜の磁気歪の測定法においては、その磁気
歪の大きさを知るために、あまりにも多くのパラメータ
、例えばＪＳ、Ｅｓ、Ｅｆ　、Ｊ／Ｓ。

ｔ、ａ、ｐ、Ｌ等が必要となり、これらのパラメータの
１つでも未知であれば測定は不可能であり、また最終的
に求められる磁気歪の大きさも極めて多くの誤差を含む
可能性があり、場合によってはオーダーすら違ってしま
うこともある。

また、電気容量法および光フアイバー法にしても全く同
様である。またバルク試料の磁気歪測定法である歪ゲー
ジ法では、試料寸法が５＋＋ｕｎ角以下の小さい試料で
は測定が不可能であり、また磁気歪の温度変化の測定が
困難である等の問題を含んでいる。光テコ法は、外部振
動の影響を受けやすく安定性に問題があり、また試料寸
法が数０１１１以上必要である等のため現在全く用いら
れていない。

また電気容量法は電極構造が複雑な三端子構造を必要と
し、高価な三端子ブリッジを必要とする等（７）間８点
を含んでいる。

（課題を解決するための手段） 本発明の目的は、現在磁気歪の測定装置として使用され
ている種々の方法が持っている課題を解決し、これらの
欠点を有しない全く新しい測定法を提供するものである
。すなわち本発明では磁性体に磁界を印加することによ
り発生ずる磁気歪と符号が異なり歪量が等しい電気歪を
発生させて磁気歪を打ち消し、その時の印加した電圧か
らあらかじめ求めておいた電圧と電気歪の関係を比較す
ることにより電気歪の量を測定し、磁気歪量を求める方
法、または磁気歪と同符号で歪量が等しい電気歪を発生
させ、その電圧からｌｉ１気歪量を知る方法である。

本発明方法によると、薄膜の磁気歪測定の際に問題とな
った基板および薄膜の種々のパラメータは全く関係がな
く不必要となり１１１１ｍ３程度のバルク試料でも十分
測定が可能であり、温度変化も比較的節単に測定できる
とともに、実施例で述べるようにフィードバック回路を
使用することにより磁気歪の印加磁界方向依存性等の自
動計測が可能となる。

また磁気歪と電気歪が完全に等しくなったことを検出す
る方法としては、光、電気容量、光フアイバー法等の使
用が可能である。

（実施例） 以下図面について、本発明の実施の一例態様について、
詳細に説明する。

第１図及び第２図は本発明の方法で用いた磁性）Ｗ膜の
磁気歪測定装置の試料及び試料保持部分を示したもので
ある。電歪基板１としては本発明の方法では厚さ２００
１ＩＩ１１、幅５ｍｍ、長さｌ５１ＩｌｆｆｌのＰＺＴ
板を用いた。ＰＺＴはホットプレス法により作製された
もので圧電性を有しており、厚さ方向に分極処理が施さ
れており、この基板１の厚さ方向に電圧を印加すること
により、厚さ方向には電圧の方向によって正（＋）また
は負（−）の電気歪が、また長さ方向には負（−）また
は正（−１−）の電気歪が発生する。この電歪基板１の
片面上に厚さ１μｍのＮｉの強磁性薄膜２をスパッタ法
によりつけ、反対側の面に５００人の厚さのＭｏの非磁
性薄膜３を同様につけた。この時Ｎｉの強磁性体薄膜２
とＭｏの非磁性薄膜３が直接接触しないように電歪基板
１端から約１．Ｏｍｍの範囲ＩＡは膜をつけなかった。

本発明の方法ではこのＮｉの強磁性薄膜２の磁気歪を測
定しようとするものであるが、まずＮｉ等の強磁性体２
及びＭｏ等の非磁性薄膜３をつけた電歪基Ｆｉ、１を第
２図に示すようにその−ｙ２を材料支持台４Ａ、　４Ｂ
間に固定した。この時に重重支持台４Ａと４Ｂとの間に
は絶縁物５を挿入し、電気的に直接短絡しないようにし
た。このＮｉの強磁性体薄膜２に外部からＩＫＯｅの回
転磁界６を印加することにより、Ｎｉｌ膜２に磁気歪が
発生して電歪基板１にそりが生ずる。このそりは前述の
先月持ち染法の場合と同様に、レーザー光を照射し、そ
の大きさを光検出器において反射光の位置変化として検
出する。

第３図は薄膜のそりの検出及びそれを打ち消すためにＰ
ＺＴに電圧を印加する電気的制御回路及びフィードバン
ク回路を示したものである。第３図において、■は片面
に強磁性体薄膜２を他面に非磁性薄膜３を被着した片持
梁電歪基板を示し、６は基準電圧源回路、７は差分検出
回路、８ば微分積分（ＰＩＤ）回路、９は高電圧アンプ
、１０は分圧器、１１はｘ−ｙレコーダー、１２は回転
磁器、１３は位置検出器、１４は帰還路を示す。

第３図において、光検出器１３からの変位量に比例した
出力は、帰還路１４を介して差分検出回路７にフィード
バックされ、基準直流電圧源回路６の出力電圧ｖ１とフ
ィードバック電圧Ｖ２との差分電圧■３が微分積分（Ｐ
　Ｉ　Ｄ）回路８を通して高圧アンプ回路９に加えられ
て増幅され、基板支持台４＾、　４Ｂを経てＰＺＴの圧
電歪基板ｌの両側に設けられた磁性薄膜２と非磁性薄膜
３との間に加えられる。この時Ｍｏの非磁性薄膜３とＮ
ｉの強磁性薄膜２は電歪基板１をはさんで１対の電極と
しての役割をはたす。電歪基板ｌの厚さ方向に電圧を加
えることにより、電歪基板ｌは厚さ方向は勿論であるが
長さ方向にも変形し、ＰＩＤ回路８の電圧を調節するよ
うフィードバックをかけることにより電気歪により磁気
歪を補償して、電歪基板１を磁界印加前の状態すなわち
そりのない状態に戻すことができる。この時の電歪基板
１に印加した電圧■４は磁界の印加方向を変えることに
より変化し、磁気歪の印加磁界方向依存性の観測が可能
であることが確められる。圧電基板に加えた電圧　■３
はすでに知られているＰＺＴの電歪基板１の圧電量と変
位の関係から変位量として読み換えられ、Ｎｉ　の磁性
薄膜２の磁気歪定数を決定することができる。その結果
本発明の方法ではＮｉの磁性薄膜の磁気歪定数はＡｓ　
＝−３８，２Ｘ１０−８であることが確かめられた。こ
の結果、バルク材ですでに報告されている値と極めて良
く一致した値となった。

第４図は位置検出器１３としてレーザー光を用いてその
反射光の変位４Ｓを測定し、その検出素子より生ずる変
位Ａｓに比例した電圧■ｚをフィードバックしてその差
分電圧（Ｖ、　−ｖ２）＝ｖ。

を求める方法である。第４図において、１は電歪基板、
２はその片面に蒸着した磁性薄膜、３は基板の他面に設
けた非磁性薄膜、Ｉ５はＨｅ−Ｎｅ　レーザー光源、１
６は基板に入射するレーザービーム、１７は基板３１の
片面に蒸着された磁性薄膜面で反射されたレーザービー
ム、１８は半導体の検出素子を示す。第３図と同一の符
号は同一の構成要素を示し、レーザー光源１５よりの放
射されたレーザービーム１６は電歪基板１の片面に蒸着
された磁性薄膜２に入射し、その反射光である光ビーム
１７は光半導体の検出素子１８に入射する場合、零点の
（＋）側又は（−）側に変位ΔＳが生ずる。この変位Δ
Ｓは磁性薄膜２の磁気歪に比例するので、この検出素子
１８よりの出力電圧Ｖ２は帰還路１４を通り、差分検出
回路７に加えられ、電源電圧■、と差引された差分電圧
■、を得て、この差分電圧■３がＰＴＤ回路８及び高電
圧アンプ９を介して電歪基板１０両側に蒸着された磁性
薄膜（電極）２及び非磁性薄膜（電極）３にそれぞれリ
ード線１９Ａ。

１９Ｂ及び２〇八、２０Ｂにより印加される。５Ａ、　
５Ｂは電歪基板１の保持部４Ａ、　４Ｂに設けた絶縁部
を示す。

第４図には磁気歪によって住する電歪基板Ｉのそりの大
きさを検出する方法としてレーザー光を用いその出力電
圧を差分検出回路７にフィードバックして打消法により
測定する方法を述べたが、電気容量法によっても十分検
出可能であることを確かめた。

第５図は電気容量法による比較法により強磁性体に磁界
を印加することにより生ずる磁気歪の量を、電歪体に電
圧を印加することにより同じ歪量を発生させて磁気歪量
と比較することによりその印加電圧の値から磁気歪量を
測定する本発明の測定法の実施の一例態様を示すもので
ある。

第５図において、２１は測定部、２２は基準部であり、
測定部２１においてはバルク状の測定試料２３を支持部
２４に取付け、この測定試料２３に可動電極２５を取付
ける。この可動電極２５に手許の間隙をもって平行に固
定電極２６を支持部２７に固定して設ける。

−゛方基準部２２においては電歪定数の既知の電歪素子
２８を保持部２９に固定し、これに可動電極３０を取付
け、可動電極２５と手許間隙をもって、平行に固定電極
２６を支持部２７に固定して設ける。測定部２１の可動
電極２５と固定電極２６との間及び基準部２２の可動電
極３０と固定電極３１との間の間隙を同しとして、同一
の電圧を印加すると、測定部２１と基準部２２との画電
極２５．２６及び３０．３１間にそれぞれのキャパシタ
ンスＣＩ、Ｃ２が発生する。これを導線３３、３４によ
りキャパシタンス比較回路３５に導き、両キャパシタン
スＣＩ、Ｃ２の差分を検出し、ＰｒＤ回路３６において
差分を微分積分し、その出力を次の高電圧アンプ回路３
７に印加し、ここで高電圧増幅し、Ｘ−Ｙレコーダー３
８でＸ軸とＹ軸とをもった座標図形として比較するよう
構成する。

３９Ａ　、　３９Ｂは高電圧アンプ３７と測定試料２３
及び基準電歪素子２８とをそれぞれ接続する回線である
。

第５図はバルク状試料の磁歪測定装置を示したものであ
る。全く同じ構成の試料ホルダー２４．２９を１対用い
る。この試料ホルダー２４．２９の測定部２Ｉ及び基準
部２２は測定試料２３及び電歪素子２８上にそれぞれ保
持された可動電極２５．３０と固定電極２６゜３１ヨリ
構成サレ、画電極２５−２６．３０−３１間の電気容量
はＣｌ＝Ｃ２とする。この条件は試料ホルダー２４．２
９の固定電極の位置を変えることによって得た。試料ホ
ルダー２９に回転磁界１２Ｂを印加すると磁気歪に伴っ
て基準部２２の電気容量Ｃ２の値が変化する。この変化
をキャパシタンス比較ブリッジ回路３５により検出し、
その不平衡出力を直流としＰＩＤ回路３６で微分積分し
、その出力を高電圧アンプ３７に人力して増幅して電歪
素子２８に加え電歪素子を変化させて再びＣ１＝Ｃ２と
する。この時電歪素子に加った電圧を観測することによ
り電圧〜電気歪の校正表から試料の変形値を求めること
ができる。実際の測定は３Ｘ３Ｘ３ｍｍ”のＮｉを用い
て行った。その結果室温でのＮｉの磁気歪定数はλｓ　
＝−４０×１０−’となった。また試料ホルダーの測定
部２１をステンレス容器中に収め、中を真空又はＨｅガ
スで置換し、低温中に保持することにより、圧電体を室
温に保持したまま磁歪の温度変化を測定することができ
た。

第５図のキャパシタンス比較回路３５は容量ブリッジを
使用し比較することができるが、第４図に使用した差分
回路７を使用するこ七もできる。１２Ａ。

！２１１は測定部２１と基準部２２七にそれぞれ設けた
回転磁界を示す。なお、第４図には磁気歪によって生ず
る電歪基板のそりの大きさを検出する方法とし７てレー
ザー光を用いその出力電圧を差分回路にフィードバック
して打消法により測定する方法を述べたが、電気容量法
によっても十分検出可能である。

本発明のこの実施の一例態様を第６図に示す。

第６図において、第４図と同一符号は同一部分を示すも
のとする。

すなわち非磁性Ｍｏ薄膜３及びＮｉ薄膜２のついていな
い電歪基板１の残りの基板部分ＩＡに４×０．５　ｎ＋
ｍ２の電極４４をＮｉ薄膜と同じ基板面の上に形成し０
．５　ｍｍ離れた位置に同じ大きさの固定電極４５を設
置し、回転磁界に従う両電極間の電気容量の変化をキャ
パシタンスブリッジ４０を用いて検出し、この出力をＰ
ＩＤ回路８及び高電圧アンプ回路９で増幅して基板に加
えた。その結果前と同様に圧電効果によって基板が変形
し、磁気歪により変形を打ち消すこ出ができた。この時
の電圧変化から磁気歪量を求めた結果レーザー光を用い
た場ｇｔと全く同士・ｒな効果が得られた。また光ファ
イバーを用いて基板のそりを検出することも可能である
。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の測定法に用いた磁性）Ｗｌ
ｌりの磁気歪測定装置の試料及び試料保持部分を示す平
面図及び斜視図、 第３図ないし第６図は本発明の磁気歪測定法に使用する
電気回路の概念を示す路線図、第７図は従来法の磁気歪
測定法に使用する回路の一例を示す図である。 １・・・片持梁に保持した電歪基板 ２・・・強（１性薄膜　　　　３・・・非磁性薄膜４Δ
、４Ｂ・・・導電性支持部　５Ａ　、　５Ｂ・・・絶縁
部６・・・基準直流電圧源回路 ７・・・差分検出回路 ８・・・微分積分（Ｐ　Ｉ　Ｄ）回路 ９・・・高電圧アンプ　　　１０・・・分圧器１１・・
・Ｘ−Ｙレコーダー　１２・・・回転磁界１３・・・位
置検出器　　　　１４・・・帰還路１５・・・レーザー
光源　　　１６・・・レーザー敢射ビー・′、１７・・
・反射ビーム　　　　Ｉ８・・・半導体検出素子１９Ａ
、　１９Ｂ　、　２０Ａ、　２０１（・・・リード線２
１・・・測定部　　　　　　２２・・・基準部２３・・
・測定試料 ２４、２９・・・保持部（試料ホルダー）２５・・・可
動電極　　　　　２６・・・固定電極２７・・・保持部
　　　　　　２８・・・電歪素子２９・・・保持部　　
　　　　３ｏ・・・可動電極３１・・・固定電極　　　
　　３２・・・保持部３３．３４・・・導線 ３５・・・キャパシタンス比較回路 ３６・・・微分積分（ＰＩＤ）回路 ３７・・・高電圧アンプ　　　３８・・・Ｘ−Ｙレコー
ダー３９Ａ、３９Ｂ・・・接続回線　　４０川容量ブリ
ツジ４１・・・電圧計　　　　　　４２・・・コンデン
サ４３・・・交流電源 第４図 第３図 第５図 第７図 （従船幻 特ｄ１庁長官 ！、ＩＪ件の表示 平成元年　１月ｌＯ日 毅　　殴 １、明細書第１１頁第１０行中「λ、　−−３８，２ｘ
ｌＯ−”」を「λ、＝〜３８．２　Ｘ　１Ｏ−ｂＪと補
正する。 ２、同第１５頁第１２行中「７ｇ　＝　　４０Ｘ１０−
”Ｊを［７ｍ　＝　　４０　Ｘ　１Ｏ−ｈＪと補正する
。 昭和６３年 ２、発明の名称 ３、補正をする昔 事件との関係　特許出願人 株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、強磁性体に磁界を印加することにより生ずる磁気歪
   の量を、圧電体に電圧を印加することにより生じる変位
   により生ずる電圧を圧電体への印加電圧にフィードバッ
   クすることにより打ち消して、その印加電圧の値から磁
   気歪量を測定することを特徴とする磁気歪測定法。 ２、強磁性体に磁界を印加することにより生ずる磁気歪
   の量を、圧電体に電圧を印加することにより同じ歪量を
   発生させて磁気歪量と比較することによりその印加電圧
   の値から磁気歪量を測定することを特徴とする磁気歪測
   定法。