JPH04296681A - 磁場分布検出測定法および検出測定装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気記録媒体、磁気記
録ヘッドなどの磁気を応用した記憶装置の部品に係わる
磁気特性、特に精密な磁場分布を検出測定する方法およ
びその実施に直接使用する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】情報記憶装置、特に磁気を利用した磁気
記録装置においては、高記録密度化の要請は大きく、こ
れに伴って記録ヘッド・記録媒体などの磁気特性の高精
度な評価が、益々重要な課題となってきている。磁場分
布を非破壊で測定する手段としては、片持アームの先端
に形成された微細な磁性探針（以下、磁性ティップ）を
記録媒体、記録ヘッド等（以下、測定対象物）に近接さ
せて、測定対象物の発生する磁場もしくは磁場勾配によ
って変位する磁性ティップの動きを、別途高感度な変位
検出センサで検出しながら所要の領域を走査することで
、三次元的な磁場のマッピングを得る磁気力顕微鏡（Ｍ
ＦＭ）がある。

【０００３】微細な磁性ティップが、例えば磁気記録媒
体の発生する微弱な磁場から受ける力は極めて小さいた
め、前記の方法によって実現可能な磁場強度もしくは磁
場勾配の具体的な測定手段は多くはない。その第一の方
法は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の原理を応用し
て、測定対象物の表面に導電性の磁性ティップをオング
ストロームオーダに近接させ、磁気力によってわずかに
反応する磁性ティップの変位を、トンネル電流の変化に
置き換えて増幅するものである。

【０００４】第二の方法は、図５に示すように片持アー
ム１先端に折曲形成した針状の磁性ティップ２を、交流
信号発生器３から発信したその共振周波数近傍の周波数
ｆ１でアクチュエータ４により強制加振させてその振幅
を変位検出センサ５でモニタし、その出力信号Ｓ１を信
号処理装置６で特定の周波数成分の実効値を測定し、そ
のデータをデータ記録装置７に記録する。磁性ティップ
２が磁場勾配を受けることによって僅かに変化する強制
振動の振幅変化を検出測定する方法である。図６は、具
体的にその原理を示したもので、片持アーム１の１次の
曲げ共振点近傍において、片持アーム１の片持基端とし
てのアーム固定部分８の強制加振振幅に対する磁性ティ
ップ２の振幅の比を、強制振動の周波数に対して示した
ものである。磁性ティップ２が磁場勾配を受けることに
より、磁性ティップ２を先端に折曲形成した片持アーム
１の等価質量を支える等価ばねのうち、磁場勾配の寄与
分が変化（減少あるいは増加）し、伝達特性曲線Ｏ１，
Ｏ２に変化する。

【０００５】図６には、磁性ティップ２が測定対象物α
に向かって吸引される方向に磁場勾配が作用した場合の
伝達特性曲線Ｏ２を一点鎖線で示す。磁性ティップ２を
有する片持アーム１の１次の曲げ共振周波数よりもわず
かに高い周波数ｆ１で強制加振する場合を考えると、磁
場勾配が作用しない場合には、Ａ点に相当する振幅で励
振された磁性ティップ２は、磁場勾配が作用することに
より、Ｂ点に相当する振幅まで減少することとなり、こ
の振幅の変化を精密に測定することにより、間接的に磁
場勾配を定量的に検出することができる。図７は、磁場
勾配が場所的に変化する測定対象物α表面の上空を走査
した時の変位検出センサ５の検出出力信号Ｓ１を時間領
域で示したものである。この包絡曲線Ｘ波形は、強制加
振の周波数ｆ１となるキャリア周波数が、磁場勾配の変
化によりＡＭ変調を受けたことに相当する。

【０００６】ところで、実際には、直接片持アーム１の
変位を検出し磁場強度を測定する第一の方法にしても、
片持アーム１の強制振動の振幅を検出して磁場勾配を測
定する第二の方法にしても、磁性ティップ２を測定対象
物αに近接させることで、測定対象物αの自発磁場に影
響を与えないこと、またできるだけ高い空間分解能（測
定対象物α表面の面内方向の分解能）を有することが要
求される。さらに、磁性ティップ２を測定対象物αに近
接させることにより、分子（原子）間力の影響も受ける
。前記の測定手法では、基本的にこれらの力の種類は識
別できないが、分子（原子）間力が比較的短距離力であ
り、磁気力が比較的長距離力であることから、分子（原
子）間力が十分無視できる距離に磁性ティップ２を設定
して動作させることにより、磁気力（勾配）の分布のみ
を分離して測定できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、これらの要
件は、磁気力（勾配）の測定精度を上げることに伴って
、検出すべき磁性ティップ２の変位もしくは強制振動（
モジュレーション）振幅が必然的に極微小なものとなり
、測定が極めて困難なものになることを示唆している。 これを打破するためには、前記第一の方法、第二の方法
の如何によらず、磁性ティップ２が形成された片持アー
ム１の剛性を極度に小さくすること、並びに片持アーム
１の共振周波数を高くすることが必須であることは、す
でによく知られた事実である。先端に磁性ティップ２を
有する片持アーム１の材質を変更したり、フォトリソグ
ラフィなどの手法により、片持アーム１および磁性ティ
ップ２を数１００μｍオーダに小形化するなどの方法に
基づいて、実用性を損ねない範囲で、ある程度の検出感
度の向上は可能であるが、真に要求される大幅な高感度
・高分解能化は原理的に困難である。こゝにおいて、本
発明は、前記従来技術の課題を解決するのに有効、適切
な磁場分布検出測定方法および検出測定装置を提供せん
とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題の解決は、本発
明が次に列挙する新規な特徴的構成手法および構成手段
を採用することにより達成される。即ち、本発明法の特
徴は、片持アーム折曲先端の磁性ティップと、片持基端
を固定した該片持アームを介して該磁性ティップを強制
加振するアクチュエータと、該アクチュエータの振動周
波数を規定する信号発生器と、該磁性ティップの振動変
位を検出する変位検出センサと、該変位検出センサの検
出出力信号中の特定の周波数成分の実効値を測定する信
号処理装置と、該信号処理装置のデータを記録するデー
タ記録装置からなる磁場分布検出測定装置を用いて、前
記磁性ティップを前記片持アームを介して該片持アーム
の共振周波数と異なる単一周波数で強制加振し、振動す
る該磁性ティップの該周波数成分の振幅変化を検出する
ことによって磁場分布を測定する方法において、該片持
アームの共振周波数よりわずかに高い第一の周波数ｆ１
と、該片持アームの共振周波数よりわずかに低い第二の
周波数ｆ２を加算した信号によって前記磁性ティップを
強制加振し、前記磁性ティップの振動変位検出センサよ
り得られた検出出力信号のうち、該第一の周波数成分ｆ
１の振幅変化と、該第二の周波数成分ｆ２の振幅変化を
測定し、該第一の周波数成分ｆ１の振幅変化と該第二の
周波数成分ｆ２の振幅変化との差をとって磁場分布を測
定してなる磁場分布検出測定法である。

【０００９】本発明装置の特徴は、片持アーム折曲先端
の磁性ティップと、片持基端を固定した該片持アームを
介して該磁性ティップを強制加振するアクチュエータと
、該アクチュエータの振動周波数を規定する信号発生手
段と、該磁性ティップの振動変位を検出する変位検出セ
ンサと、該変位検出センサの信号中の特定の周波数成分
の実効値を測定する信号処理装置と、該信号処理装置の
データを記録する装置からなる磁場分布検出測定装置に
おいて、前記片持アームの共振周波数よりもわずかに高
い第一の周波数ｆ１の信号と、前記片持アームの共振周
波数よりもわずかに低い第二の周波数ｆ２の信号とを発
生させる手段と、該第一の周波数ｆ１の信号と該第二の
周波数ｆ２の信号を加算する手段と、前記磁性ティップ
の振動変位を検出する変位検出センサの検出出力信号の
うち、該第一の周波数ｆ１の信号成分と該第二の周波数
ｆ２の信号成分とを分離して取り出す手段と、該分離し
た第一の周波数ｆ１の信号成分の振幅の時間変化を測定
する手段と、該第二の周波数ｆ２の信号成分の振幅の時
間変化を測定する手段と、該分離した第一の周波数ｆ１
の信号成分の振幅の時間変化を測定した結果と該分離し
た第二の周波数ｆ２の信号成分の振幅の時間変化を測定
した結果とを差引きする手段とを具備してなる磁場分布
検出測定装置である。

【００１０】

【作用】本発明は、前記のような手法および手段を講じ
たので、磁性ティップを先端に形成した片持アームを、
該片持アームの共振周波数よりも僅かに高い周波数と僅
かに低い２つの周波数を用いて励振させ、測定された磁
性ティップの変位検出出力信号の中から、前記２つの周
波数成分を抽出してそれらの差動をとることにより、出
力中に含まれるノイズ成分を相殺するとともに、有意な
信号成分を増幅して、高Ｓ／Ｎ比の磁場分布の検出測定
を実現できる。

【００１１】

【実施例】（装置例）以下、本発明装置の実施例を図面
に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施例の磁場分
布検出測定装置の構成ならびに信号処理の流れを示した
ものである。なお、図５の従来の磁場分布検出測定装置
と同一要素は同一符号を付した。交流信号発生器９およ
び１０から発した僅かに周波数ｆ１，ｆ２の異なる信号
は、加算器１１で合成されアクチュエータ１２によって
磁性ティップ２を先端に折曲形成した片持アーム１を強
制加振する。磁性ティップ２の変位は変位検出センサ５
によってモニタされ、その検出出力信号Ｓ２は、各交流
信号発生器９，１０の周波数ｆ１およびｆ２に同期した
バンドパスフィルタ１３，１４で、それぞれの成分を分
離される。分離された各ｆ１およびｆ２の周波数成分は
、信号処理装置１５および１６でその実効値が測定され
た後、引算器１７によって差動出力がとられ、データ記
録装置７でデータとして記録される。

【００１２】（方法例）本装置例に適用した本発明の方
法例を図面について説明する。図２は、本実施例の磁場
分布検出測定装置の動作原理を説明した図である。磁場
勾配が印加されない状態における片持アーム１の伝達特
性曲線Ｏ３を実線で、印加された状態における伝達特性
曲線Ｏ４を一点鎖線で示す。初期（磁場勾配なし）の強
制加振周波数ｆ１の振幅成分は、Ａ点で示される。また
ｆ２の振幅成分は、Ｃ点で示される。磁場勾配が印加さ
れて伝達特性曲線Ｏ４が、一点鎖線で示されたように、
低周波数側にシフトすると、周波数ｆ１の振幅成分はＢ
点まで減少し、一方ｆ２の振幅成分は、Ｄ点まで増加す
る。伝達特性のＱが比較的大きく、共振点に関して対称
性が良好な場合には、周波数ｆ１における振幅の変動分
とｆ２における振幅の変動分はほぼ等しく、これらの変
動分を加算することにより、単一周波数で強制加振する
場合の倍の信号出力が得られる。

【００１３】図３は、周波数ｆ１および周波数ｆ２の検
出出力信号Ｓ２およびその包絡曲線Ｙを時間領域で示し
たものである。周波数ｆ１およびｆ２では、その包絡曲
線Ｙが同一磁場勾配の変化に対して逆位相で変化してい
るが、これは前記説明の通りである。そこで、図４に示
すように、周波数ｆ１の実効値および周波数ｆ２の実効
値の差をとることにより、ノイズ成分はほぼ相殺され、
磁場勾配に伴う有為な実効値の変動成分は増幅されるの
で、結果として磁場勾配の検出感度を高めることができ
る。

【００１４】要するに本方法例は、一組の信号発生器９
，１０によりそれぞれ発信され磁性ティップ２を先端に
折曲形成した片持アーム１の共振周波数よりわずかに高
い第一の周波数ｆ１と、該片持アーム１の共振周波数よ
りわずかに低い第二の周波数ｆ２を加算器１１で加算し
た信号によってアクチュエータ１２で片持アーム１を介
して磁性ティップ２を強制加振し、磁性ティップ２の振
動を変位検出センサ５より検出せられた検出出力信号Ｓ
２のうち、第一の周波数成分ｆ１の振幅変化と、第二の
周波数成分ｆ２の振幅変化をそれぞれバンドパスフィル
タ１３，１４および信号処理装置１５，１６を通してそ
れぞれの実効値を得るとともに、その差を引算器１７で
求めることにより磁場分布を測定算出してなる。

【００１５】本実施例で示したのは、磁性ティップ２の
形成される片持アーム１の共振周波数（曲げの１次モー
ド）に対して、これより僅かに高い第一の周波数ｆ１と
、これより僅かに低い第二の周波数ｆ２の２つの周波数
で駆動した場合であるが、本発明の主旨からして、磁性
ティップ２の変位検出センサ５の出力信号Ｓ２中の成分
を分離できる範囲において、前記の関係を有する複数の
周波数の組を用いて、同様の処理をしてもよいことはも
ちろんである。また、あえてノイズ低減効果を期待しな
いならば、磁性ティップ２を形成した片持アーム１の共
振周波数よりも高い、あるいは低い複数の周波数ｆ１，
ｆ２を含む信号を用いて片持アーム１の強制加振を行い
、得られた検出出力信号Ｓ２の各成分を加算処理しても
、有意な信号成分については、これをかなり増幅するこ
とができるので、結果としてある程度のＳ／Ｎ比改善効
果も期待できる。

【００１６】

【発明の効果】かくして、本発明によれば、磁性ティッ
プを形成した片持アームを、該片持アームの共振周波数
よりも僅かに高い周波数と僅かに低い２つの周波数を用
いて励振させ、測定された磁性ティップの変位検出出力
信号の中から、前記２つの周波数成分を抽出してそれら
の差動をとることにより、検出出力信号中に含まれるノ
イズ成分を相殺するとともに、有意な信号成分を増幅す
る構成をとったため、高Ｓ／Ｎ比の磁場分布の検出測定
を実現でき、その効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す磁場分布検出測定装置の
概略構成および信号処理の流れを説明する図である。

【図２】同上の検出測定原理を説明する図である。

【図３】同上における各成分の検出出力信号とその包絡
曲線を示す図である。

【図４】同上における検出出力信号各成分の実効値とそ
の差の経時曲線である。

【図５】従来の磁場分布検出測定装置の概略および信号
処理の流れを説明する図である。

【図６】同上の検出測定原理を説明する図である。

【図７】同上における検出出力信号とその包絡曲線を示
す図である。

【符号の説明】

１…片持アーム ２…磁性ティップ ３，９，１０…交流信号発生器 ４，１２…アクチュエータ ５…変位検出センサ ６，１５，１６…信号処理装置 ７…データ記録装置 ８…アーム固定部分 １１…加算器 １３，１４…バンドパスフィルタ １７…引算器 α…測定対象物 ｆ１，ｆ２…周波数 Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４…伝達特性曲線Ｓ１，Ｓ２…検
出出力信号 Ｘ，Ｙ…包絡曲線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】片持アーム折曲先端の磁性ティップと、片
   持基端を固定した該片持アームを介して該磁性ティップ
   を強制加振するアクチュエータと、該アクチュエータの
   振動周波数を規定する信号発生器と、該磁性ティップの
   振動変位を検出する変位検出センサと、該変位検出セン
   サの検出出力信号中の特定の周波数成分の実効値を測定
   する信号処理装置と、該信号処理装置のデータを記録す
   るデータ記録装置からなる磁場分布検出測定装置を用い
   て、前記磁性ティップを前記片持アームを介して該片持
   アームの共振周波数と異なる単一周波数で強制加振し、
   振動する該磁性ティップの該周波数成分の振幅変化を検
   出することによって磁場分布を測定する方法において、
   該片持アームの共振周波数よりわずかに高い第一の周波
   数ｆ１と、該片持アームの共振周波数よりわずかに低い
   第二の周波数ｆ２を加算した信号によって前記磁性ティ
   ップを強制加振し、前記磁性ティップの振動変位検出セ
   ンサより得られた検出出力信号のうち、該第一の周波数
   成分ｆ１の振幅変化と、該第二の周波数成分ｆ２の振幅
   変化を測定し、該第一の周波数成分ｆ１の振幅変化と該
   第二の周波数成分ｆ２の振幅変化との差をとって磁場分
   布を測定することを特徴とする磁場分布検出測定法【請
   求項２】片持アーム折曲先端の磁性ティップと、片持基
   端を固定した該片持アームを介し該磁性ティップを強制
   加振するアクチュエータと、該アクチュエータの振動周
   波数を規定する信号発生手段と、該磁性ティップの振動
   変位を検出する変位検出センサと、該変位検出センサの
   信号中の特定の周波数成分の実効値を測定する信号処理
   装置と、該信号処理装置のデータを記録する装置からな
   る磁場分布検出測定装置において、前記片持アームの共
   振周波数よりもわずかに高い第一の周波数ｆ１の信号と
   、前記片持アームの共振周波数よりもわずかに低い第二
   の周波数ｆ２の信号とを発生させる手段と、該第一の周
   波数ｆ１の信号と該第二の周波数ｆ２の信号を加算する
   手段と、前記磁性ティップの振動変位を検出する変位検
   出センサの検出出力信号のうち、該第一の周波数ｆ１の
   信号成分と該第二の周波数ｆ２の信号成分とを分離して
   取り出す手段と、該分離した第一の周波数ｆ１の信号成
   分の振幅の時間変化を測定する手段と該第二の周波数ｆ
   ２の信号成分の振幅の時間変化を測定する手段と、該分
   離した第一の周波数ｆ１の信号成分の振幅の時間変化を
   測定した結果と該分離した第二の周波数ｆ２の信号成分
   の振幅の時間変化を測定した結果とを差引きする手段と
   を具備したことを特徴とする磁場分布検出測定装置