透磁率測定装置及びそれを用いた透磁率測定方法
【課題】被測定物の透磁率テンソルの非対角成分を含む各成分を、容易に切り分けて測定することができる透磁率測定装置及び透磁率測定方法を提供すること。
【解決手段】この透磁率測定装置１は、被測定物Ａに磁界を印加して被測定物Ａの透磁率を測定するための透磁率測定装置であって、Ｙ軸方向に交流磁界Ｈを発生させる磁界発生源３と、被測定物Ａを内部に固定可能なループ状のコイル１１を含み、コイル１１のループ面１４の法線とＹ軸方向との成す角を変更可能に構成された検出部４とを備える。
【解決手段】この透磁率測定装置１は、被測定物Ａに磁界を印加して被測定物Ａの透磁率を測定するための透磁率測定装置であって、Ｙ軸方向に交流磁界Ｈを発生させる磁界発生源３と、被測定物Ａを内部に固定可能なループ状のコイル１１を含み、コイル１１のループ面１４の法線とＹ軸方向との成す角を変更可能に構成された検出部４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透磁率測定装置及びそれを用いた透磁率測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、磁性体等の試料の透磁率を測定する装置が種々知られている。下記特許文献１には、断面矩形状の帯状コイルからなる磁界発生用コイルと、測定用試料を挿入するための貫通孔が設けられ、その磁界発生用コイルの内部に配置可能な測定用コイルとを有し、測定用試料を挿入した状態及び挿入していない状態で測定用コイルに発生する誘起電圧を測定することにより、試料の透磁率を演算する装置が開示されている。
【０００３】
また、下記特許文献２には、３枚の金属板により構成されるセル状の磁界発生源の内部に測定用コイルが固定された装置が記載されている。一方、下記非特許文献１には、測定用コイルを必要としない測定装置として、Wave Guide法を採用した装置が開示されている。
【特許文献１】特開平７−１０４０４４号公報
【特許文献２】特開２００４−６９３３７号公報
【非特許文献１】Y. Ding, et al., ”A coplanar waveguide permeameter for studyinghigh-frequency properties of soft magnetic materials”, Journal of AppliedPhysics, vol.96 No.5, 1 September 2004, pp.2969
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような測定用コイルを利用した従来の透磁率測定装置では、磁界発生用コイルと測定用コイルとの位置関係が一定であり、特に、試料に印加する磁界の方向と測定する試料の磁化の方向がほぼ同一であった。そのため、測定可能な透磁率テンソルは、対角成分のみに限定されていた。ましてや、Wave Guide法によっては、試料に印加される磁界が一様でなく、測定用コイルも利用しないため、透磁率テンソルの成分までも測定することは困難であった。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、被測定物の透磁率テンソルの非対角成分を含む各成分を、容易に切り分けて測定することができる透磁率測定装置及び透磁率測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の透磁率測定装置は、被測定物に磁界を印加して被測定物の透磁率を測定するための透磁率測定装置であって、所定の方向に交流磁界を発生させる磁界発生源と、被測定物を内部に固定可能なループ状のコイルを含み、コイルのループ面の法線と所定の方向との成す角を変更可能に構成された検出部とを備える。
【０００７】
このような透磁率測定装置においては、被測定物に印加する磁界の方向に対して、被測定物の磁化の測定方向を変更することができるので、磁化の測定方向を２種類に変化させた状態で被測定物の透磁率を測定することで、透磁率テンソルの対角成分と非対角成分とを切り分けて測定することが可能になる。
【０００８】
磁界発生源は、平板状の絶縁板と、絶縁板の主面上に直線状に形成された導体部とを有し、検出部は、主面上の導体部に対向して設けられていることが好ましい。
【０００９】
こうすれば、磁界発生源を容易に製作することができるとともに、検出部のコイルを磁界発生源により発生する磁界中に配置する際の余計な加工が不要である。併せて、磁界発生源の外側に検出部が配置されているので、磁界発生源の中に検出部を配置するための加工により磁界を擾乱してしまうことに比較して、磁界の一様性が保たれ、透磁率の成分の測定精度が向上する。
【００１０】
或いは、本発明の透磁率測定方法は、被測定物に磁界を印加して被測定物の透磁率を測定する透磁率測定方法であって、磁界発生源を用いて所定の方向に交流磁界を発生させる第１のステップと、被測定物をループ状のコイルの内部において第１の配置方向に固定させた状態で、コイルを、ループ面の法線と所定の方向とがほぼ平行になるように、交流磁界中に配置する第２のステップと、コイルの内部に被測定物が存在しない状態で、コイルを、第２のステップにおける方向と同一の方向を向くように、交流磁界中に配置する第３のステップと、第２及び第３のステップによって配置されたそれぞれのコイルの両端に発生する出力電圧に基づいて、被測定物の透磁率の対角成分を測定する第４のステップと、被測定物をコイルの内部において第１の配置方向に固定させた状態で、法線と所定の方向との成す角が変化するように、コイルを移動させる第５のステップと、コイルの内部に被測定物が存在しない状態で、コイルを、第５のステップにおける方向と同一の方向を向くように、交流磁界中に配置する第６のステップと、第５及び第６のステップによって配置されたコイルの両端に発生する出力電圧に基づいて、被測定物の透磁率の非対角成分を測定する第７のステップとを備える。
【００１１】
このような透磁率測定方法によれば、被測定物に印加する磁界の方向に対して被測定物の磁化の測定方向を、磁界の方向に対して平行な方向とその方向から変化させた方向との２種類の方向で測定することで、被測定物の第１の配置方向に対応する透磁率テンソルの対角成分及び非対角成分を容易に切り分けて測定することが可能になる。なお、上記第５のステップでいう「移動」とは、回転のようにコイルの姿勢のみを変化させる操作をも含む概念である。
【００１２】
被測定物を、コイルの内部において第１の配置方向に対して直角に回転された第２の配列方向に固定させる第８のステップと、第８のステップによって配置された被測定物を対象にして、被測定物の透磁率の対角成分及び非対角成分を測定する第９のステップとをさらに備えることが好ましい。
【００１３】
この場合、被測定物の第２の配置方向に対応する透磁率テンソルの対角成分及び非対角成分を更に切り分けて測定することが可能になる。
【００１４】
また、第１のステップでは、平板状の絶縁板の主面上に直線状に導体部が形成された磁界発生源を用いて交流磁界を発生させ、第２〜第７のステップでは、前記コイルを前記磁界発生源に対向して配置させることが好ましい。
【００１５】
このような手順によれば、磁界発生源を容易に準備することができるとともに、検出部のコイルを磁界発生源により発生する磁界中に配置する際の余計な加工が不要である。併せて、磁界発生源の外側に検出部が配置されるので、磁界発生源の中に検出部を配置するための加工により磁界を擾乱してしまうことに比較して、磁界の一様性が保たれ、透磁率の成分の測定精度が向上する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の透磁率測定装置及び透磁率測定方法によれば、被測定物の透磁率テンソルの非対角成分を含む各成分を、容易に切り分けて測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る透磁率測定装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
図１は、本発明の好適な一実施形態に係る透磁率測定装置１の概略構成を示す一部破断斜視図である。同図に示すように、透磁率測定装置１は、直方体形状の筐体２内に磁界発生源３、検出部４、及びサンプルホルダー５を備えて構成される。この透磁率測定装置１は、磁界発生源３により印加される磁界に応じて生じる被測定物の磁化の方向を、検出部４により検出し、検出の結果をネットワークアナライザ等の測定器６によって解析することにより被測定物の透磁率を測定するための装置である。図１においては、筐体２の底面に沿ってＸＹ平面を、筐体２の側面に沿ってＹＺ平面を定義する。
【００１９】
（透磁率測定装置）
まず、透磁率測定装置１の各構成要素について詳細に説明する。
【００２０】
磁界発生源３は、筐体２の底板を構成する誘電体等の絶縁材料からなる平板状の絶縁板７に、金属膜（導体部）８とグランド層９とが形成されてなる。金属膜８は、絶縁板７の内面（主面）７ａ上の一端から他端にかけて、主面７ａの縁部に沿って（図１のＸ軸方向に沿って）、直線状に形成されている。詳細には、この金属膜８は、被測定物の幅よりも大きい幅を有するように帯状をなし、一方の端部に向けて狭くなるようなテーパ部がさらに形成されている。このテーパ部が、筐体２の側面に貫通して設けられたコネクタ１０を介して測定器６と電気的に接続されることにより、金属膜８のテーパ部側の端部に電圧信号が印加可能にされている。グランド層９は、絶縁板７の外面７ｂ上の全面にわたって形成された金属膜であり、金属膜８の他方の端部において金属膜８と一体化されて形成されることにより、金属膜８の他方の端部と電気的に接続されている。このグランド層９は、コネクタ１０、ケーブル１６及び測定器６を介してグランドに接続される。
【００２１】
このような磁界発生源３は、測定器６からの交流電圧信号の入力に応じて、金属膜８においてＸ軸方向に沿った交流電流を発生させることにより、金属膜８の内面７ａ側の表面近傍においてＹ軸方向に沿った交流磁界を印加する。ここで、金属膜８には、一方の端部側においてテーパ部が形成されるとともに、他方の端部側においては絶縁板７の全面に形成されたグランド層９と一体的に接続されているので、電圧印加により幅方向（Ｙ軸方向）に亘って一様な交流電流が発生し、その結果、Ｙ軸方向に発生する磁界の方向及び強度も金属膜８の表面全体においてほぼ一様になる。さらに、磁界発生源３は、磁界と同時に発生する電界の影響を被測定物が受けにくい構造となっている。
【００２２】
検出部４は、ループ状のコイル１１と、コイル１１を支持する支持棒１２と、支持棒１２の一端に取り付けられた取っ手部１３とを含んでいる。支持棒１２は、その他端において、コイル１１のループ面１４の中央線の延長線上に支持棒１２が位置するような状態で、コイル１１を支持する。そして、支持棒１２は、その長手方向がＺ軸に対して平行になり、且つ、コイル１１が金属膜８の表面に接触しない状態で金属膜８に対向するように、筐体２の外側に設けられた取っ手部１３に取り付けられる。従って、コイル１１のループ面１４は、ＸＹ平面、すなわち、金属膜８の表面に対して常に垂直となる。さらに、コイル１１は、その両端子が支持棒１２及び取っ手部１３を貫通するケーブル１６に接続されており、このケーブル１６を介して測定器６と電気的に接続される。
【００２３】
上記構成を有する検出部４は、取っ手部１３を回転操作することにより、支持棒１２を回転軸として、つまり、ループ面１４の中央線を回転軸としてコイル１１を回転可能にされる。言い換えれば、検出部４は、コイル１１のループ面１４の法線と、磁界発生源３によって印加される磁界の方向（Ｙ軸方向）との成す角を変更可能に構成される。
【００２４】
この磁界発生源３と検出部４との間にはサンプルホルダー５が設けられている。サンプルホルダー５は、平板状のアクリル樹脂等の絶縁材料からなる部材であり、上面部には直角に交わる２本の直線状の溝部１５が形成されている。このようなサンプルホルダー５は、その溝部１５に検出部４のコイル１１の下端部が挿入された状態で、磁界発生源３の金属膜８上に載置される。また、サンプルホルダー５は、被測定物をコイル１１のループの内側に挿入した状態で保持する。図２及び図３は、サンプルホルダー５に被測定物Ａが搭載された状態を示す図である。このようにサンプルホルダー５は、図２に示すように、矩形状の被測定物Ａが溝部１５を跨ってその上面に載置されることにより、被測定物Ａをその主面がＸＹ平面に対して平行になるようにコイル１１のループ内に固定された状態で保持する。また、サンプルホルダー５は、図３に示すように、被測定物Ａを溝部１５内に挿入された状態で保持することによって、主面がＸＹ平面に対して垂直になるようにコイル１１のループ内に被測定物Ａを固定することも可能である。この場合は、被測定物Ａは、溝部１５に挿入される向きに応じて、被測定物Ａの主面がコイル１１のループ面１４に沿った状態、又はループ面１４に対して垂直になるような状態のいずれかの状態で固定されることになる。
【００２５】
このようなサンプルホルダー５は、図４に示すように、溝部１５内にコイル１１が挿入された状態で検出部４が支持棒１２を回転軸として回転された場合に、この検出部４の回転に伴って一緒に回転可能にされている。すなわち、サンプルホルダー５は、検出部４の回転の際に、絶縁板７の表面を摺動することによってコイル１１と一体で回転する。その結果、被測定物Ａは、コイル１１に対する相対的な位置が固定されたままで、支持棒１２を回転軸として回転されることになる。また、サンプルホルダー５は、アクリル等の樹脂材料によって形成されているので、磁界発生源３と検出部４との間に位置していても磁界発生源３によって印加される磁界を乱すことはない。
【００２６】
次に、上述した透磁率測定装置１を用いた透磁率測定方法について説明する。
【００２７】
（透磁率テンソルの対角成分の測定方法）
まず、透磁率の測定対象の被測定物Ａとして薄膜状の磁性薄膜を想定し、図５に示すように、その被測定物Ａの主面の各辺に平行にＸ０軸、Ｙ０軸を定義し、主面に対して垂直な方向にＺ０軸を定義する。
【００２８】
最初に、被測定物Ａをサンプルホルダー５から外した状態、つまり、被測定物Ａがコイル１１のループ内に存在しない状態で、磁界発生源３に交流電圧を印加して金属膜８の上部近傍にＹ軸方向に平行な磁界Ｈを発生させる。そして、取っ手部１３を操作してコイル１１のループ面１４の法線がＹ軸に対して平行になるように回転させることにより、磁界Ｈがループ面１４をほぼ垂直に貫くようにする。その後、コイル１１の両端に発生する出力電圧Ｖ０ｏｕｔを測定器６によって測定する。
【００２９】
図６は、コイル１１を貫く磁界Ｈによって発生する出力電圧Ｖ０ｏｕｔを説明するための概念図、図７は、図６のコイル１１を等価回路で表した概念図である。これらの図に示すように、磁界Ｈの印加によってコイル１１には誘起電圧Ｖ０が発生し、この誘起電圧Ｖ０が測定器６において出力電圧Ｖ０ｏｕｔとして検出される。ここで、検出される出力電圧Ｖ０ｏｕｔは、コイル１１の負荷抵抗をＲ、コイル１１のインピーダンスをＺ０とすると、下記式（１）；
Ｖ０ｏｕｔ＝｛Ｒ／（Ｚ０＋Ｒ）｝Ｖ０ …（１）
によって表される。また、コイル１１に生じる誘起電圧Ｖ０は、ループ面内における平均磁界の振幅をＨａｖｅ、被測定物Ａを配置しない場合の透磁率をμ０、ループ面の面積をＳとすると、下記式（２）；
Ｖ０＝−ｉωμ０ＨａｖｅｅｉωｔＳ …（２）
によって求められる。
【００３０】
次に、被測定物Ａを、そのＸ０軸が測定系のＹ軸に平行になるように（第１の配置方向）、サンプルホルダー５上のコイル１１のループ内部に固定する。この状態では、磁界Ｈがループ面１４をほぼ垂直に貫くと同時に、被測定物をＸ０軸方向に貫くことになる。その後、コイル１１の両端に発生する出力電圧ＶＭｏｕｔを測定器６によって測定する。
【００３１】
図８は、被測定物Ａを搭載した状態でコイル１１を貫く磁界Ｈによって発生する出力電圧ＶＭｏｕｔを説明するための概念図、図９は、図８のコイル１１を等価回路で表した概念図である。これらの図に示すように、ループ面に平行な方向の厚さｔ、幅ｗの被測定物Ａを配置した状態での磁界Ｈの印加によってコイル１１には誘起電圧ＶＭが発生し、この誘起電圧ＶＭが測定器６において出力電圧ＶＭｏｕｔとして検出される。ここで、検出される出力電圧ＶＭｏｕｔは、コイル１１の負荷抵抗をＲ、コイル１１のインピーダンスをＺＭとすると、下記式（３）；
ＶＭｏｕｔ＝｛Ｒ／（ＺＭ＋Ｒ）｝ＶＭ …（３）
で表される。また、誘起電圧ＶＭは、被測定物Ａを配置しない場合の被測定物Ａの断面積ｔ×ｗを貫く磁束が与える誘起電圧をＶ０１、透磁率μ０μｒｘｘを有する被測定物Ａによって生じる誘起電圧をＶＭ１とすると、下記式（４）；
ＶＭ＝Ｖ０−Ｖ０１＋ＶＭ１ …（４）
によって与えられる。μｒｘｘは、被測定物ＡにおけるＸ０軸方向の磁界印加に対するＸ０軸方向の比透磁率を示している。ここで、被測定物Ａはコイル１１のループ面１４における平均磁界Ｈａｖｅを与えるような高さに配置されており、被測定物Ａの厚さの範囲では磁界はＨａｖｅで一様であると考える。そうすると、誘起電圧Ｖ０１，ＶＭ１は、それぞれ、下記式（５）及び（６）によって計算される。
Ｖ０１≒−ｉωμ０Ｈａｖｅｅｉωｔｗｔ …（５）
ＶＭ１≒−ｉωμ０μｒｘｘＨａｖｅｅｉωｔｗｔ …（６）
【００３２】
以上の関係式（１）〜（６）を用いて、コイル１１の自己インダクタンス等が被測定物Ａの有無により変化しない（つまり、Ｚ０＝ＺＭ）と仮定すると、下記式（７）；
μｒｘｘ＝｛Ｓ／（ｗｔ）｝（ＶＭｏｕｔ／Ｖ０ｏｕｔ−１）＋１ …（７）
が導かれ、この式（７）を計算することによって、被測定物Ａの透磁率テンソルの対角成分μｒｘｘを求めることができる。また、測定器６として、ネットワークアナライザを用いれば、同様な計算式で透磁率テンソルの対角成分μｒｘｘの複素数成分も求めることができる。
【００３３】
同様にして、被測定物Ａをサンプルホルダー５上において直角に回転させ、そのＹ０軸が測定系のＹ軸に平行になるように（第２の配置方向）固定させる。このときの出力電圧ＶＭｏｕｔを検出して、上記式（７）を用いることによって透磁率テンソルの対角成分μｒｙｙを求めることができる。
【００３４】
さらに、被測定物を第１又は第２の配置方向から直角に回転させ、そのＺ０軸が測定系のＹ軸に平行になるように（第３の配置方向、図３参照）配置する。そして、このときの出力電圧ＶＭｏｕｔを検出することによって、透磁率テンソルの対角成分μｒｚｚを求めることもできる。すなわち、被測定物Ａによってコイル１１のループ面１４の全面が覆われていると想定すると、誘起電圧ＶＭは、下記式（８）；
ＶＭ＝−ｉωμ０μｒｚｚＨａｖｅｅｉωｔＳ …（８）
により表される。従って、式（２）を用いて、透磁率μｒｚｚは、下記式（９）；
μｒｚｚ＝ＶＭｏｕｔ／Ｖ０ｏｕｔ …（９）
により求められる。
【００３５】
（透磁率テンソルの非対角成分の測定方法）
次に、被測定物Ａの透磁率テンソルの非対角成分μｒｘｙを測定する方法について説明する。非対角成分μｒｘｙとは、被測定物Ａに対してＹ０軸方向に磁界を印加した場合のＸ０軸方向の透磁率を示す。このような非対角成分μｒｘｙを測定する場合には、コイル１１のループ面が印加磁界Ｈに対して平行になるように配置することが考えられる。しかしながら、その場合は印加磁界Ｈはコイル１１のループを貫かないので、測定器６で検出される出力電圧Ｖ０ｏｕｔ＝０となるため、式（７）又は（９）を用いても評価できない。そこで、本実施形態では、以下のようにして透磁率テンソルの非対角成分を測定する。
【００３６】
すなわち、被測定物Ａをサンプルホルダー５から外した状態、つまり、被測定物Ａがコイル１１のループ内に存在しない状態で、磁界発生源３によって磁界Ｈを発生させる。そして、取っ手部１３を操作してコイル１１のループ面１４の法線がＹ軸に対して４５度になるまで検出部４のコイル１１を回転移動させる。その後、コイル１１の両端に発生する出力電圧Ｖ０ｏｕｔを測定器６によって測定する。
【００３７】
このとき、磁界発生源３によって印加される平均磁界Ｈａｖｅは、コイル１１をＺ軸方向から見た図１０に示すように、コイル１１のループ面１４に平行な成分ＨａｖｅＰとループ面１４に垂直な成分ＨａｖｅＶとに分解できる。被測定物Ａを搭載しない場合の出力電圧Ｖ０ｏｕｔに寄与する磁束密度Ｂ０Ｖは、下記式（１０）；
Ｂ０Ｖ＝μ０ＨａｖｅＶ …（１０）
により表されるので、Ｖ０ｏｕｔ≠０となる。
【００３８】
次に、被測定物Ａをサンプルホルダー５上において上述した第１の配置方向に固定させる。ここでも、取っ手部１３を操作することによって、ループ面１４の法線と磁界Ｈの方向との成す角が４５度になるように、コイル１１及び被測定物Ａの角度を調整する。その後、コイル１１の両端に発生する出力電圧ＶＭｏｕｔを測定器６によって測定する。
【００３９】
このとき、磁界発生源３によって印加される平均磁界Ｈａｖｅは、コイル１１をＺ軸方向から見た図１１に示すように、コイル１１のループ面１４に平行な成分ＨａｖｅＰとループ面１４に垂直な成分ＨａｖｅＶとに同様に分解できる。被測定物Ａを搭載した場合の出力電圧ＶＭｏｕｔに寄与する磁束密度ＢＭＶは、下記式（１１）；
ＢＭＶ＝μ０μｒｘｘＨａｖｅＶ＋μ０μｒｘｙＨａｖｅＰ＝μ０μｒ４５ＨａｖｅＶ …（１１）
により与えられる（μｒ４５＝μｒｘｘ＋μｒｘｙ）。従って、式（７）と同様な式を用いてμｒ４５を測定した後に、既に求められている対角成分の比透磁率μｒｘｘを減算することによって、非対角成分μｒｘｙを測定することができる。
【００４０】
さらに、被測定物Ａを上述した第２の配置方向に固定した状態で、上記の手順と同様にして、ループ面１４の法線と磁界Ｈの方向との成す角が４５度になるように調整した後に出力電圧ＶＭｏｕｔを測定することで、透磁率テンソルの非対角成分μｒｙｘを求めることができる。
【００４１】
また、被測定物Ａを上述した第３の配置方向のうちのＹ０軸が測定系のＺ軸に平行になるような方向に固定させると、次のようにして、非対角成分μｒｚｘを求めることができる。具体的には、ループ面１４の法線と磁界Ｈの方向との成す角が４５度になるように調整して、式（９）を用いて比透磁率μｒ４５を計算する。そして、既に求められているμｒｚｚを利用して、下記式（１２）；
μｒｚｘ＝μｒ４５−μｒｚｚ …（１２）
により算出することができる。同様にして、被測定物Ａを第３の配置方向のうちのＸ０軸が測定系のＺ軸に平行になるような方向に固定させると、非対角成分μｒｚｙを求めることができる。
【００４２】
また、被測定物Ａのコイル１１に対する配置方向としては、上述した第１〜第３の配置方向以外にも、図１２に示すように、被測定物Ａの主面がループ面１４に垂直になり、且つ、その主面が金属膜８の表面に垂直になるような配置方向（第４の配置方向）を採用すると、比透磁率の残りの非対角成分μｒｘｚ，μｒｙｚを測定することができる。
【００４３】
具体的には、上記の配置方向に被測定物Ａを配置し、検出部４を印加磁界Ｈに対して４５度傾けることで、比透磁率の別の非対角成分μｒｘｚを測定することができる。まず、被測定物Ａを配置しない場合のコイル１１の誘起電圧Ｖ０は、下記式（１３）；
Ｖ０＝−ｉωμ０ＨａｖｅＶｅｉωｔＳ …（１３）
により表される。これに対して、被測定物Ａを配置した場合の誘起電圧ＶＭは、式（４）で表され、誘起電圧Ｖ０１，ＶＭ１は、それぞれ、下記式（１４）及び（１５）によって計算される（Ｌはループ面１４の水平方向の幅）。
Ｖ０１＝−ｉωμ０ＨａｖｅＶｅｉωｔ（ｔＳ／Ｌ） …（１４）
ＶＭ１＝−ｉωμ０μｒ４５ＨａｖｅＶｅｉωｔ（ｔＳ／Ｌ） …（１５）
従って、式（４）、（１３）〜（１５）により、比透磁率μｒ４５は、コイル１１の出力電圧ＶＭｏｕｔ，Ｖ０ｏｕｔに基づいて、下記式（１６）；
μｒ４５＝（Ｌ／ｔ）（ＶＭｏｕｔ／Ｖ０ｏｕｔ−１）＋１ …（１６）
によって与えられる。その結果、既に求めてあるμｒｚｚから、下記式（１７）：
μｒｘｚ＝μｒ４５−μｒｚｚ …（１７）
より比透磁率の非対角成分μｒｘｚを求めることができる。被測定物Ａをコイル１１に対して直角に回転して固定することにより、同様の手順で、比透磁率の非対角成分μｒｙｚを求めることもできる。このようにすれば、被測定物Ａの透磁率テンソルの９成分の全てを求めることができる。
【００４４】
（透磁率テンソルの測定例）
上述した透磁率測定装置１及び透磁率測定方法を用いた測定例について以下に記述する。
【００４５】
被測定物Ａとしては、Ｓｉウェハ上にＣｏＺｒＴａ合金の膜をスパッタ法により膜厚0.5μmで形成し、その後Ｓｉウェアを6mm四方で切断したものを用いた。図１３〜図１５は、それぞれ、交流磁界の周波数を変化させた場合の透磁率テンソルの対角成分μｒｘｘ，μｒｙｙ，μｒｚｚの測定結果を示すグラフ、図１６は、交流磁界の周波数を変化させた場合の透磁率テンソルの非対角成分μｒｙｘ，μｒｘｙの測定結果を対角成分μｒｘｘと対比して示すグラフである。
【００４６】
これらの結果により、透磁率テンソルの各対角成分μｒｘｘ，μｒｙｙ，μｒｚｚは、周波数が１０〜５００ＭＨｚの範囲で安定して測定されている。また、対角成分のうちのμｒｙｙがμｒｘｘよりも１桁以上小さいという結果は、被測定物Ａが一軸異方性をもっていることを表しており、比透磁率が正しく測定できていることを裏付けている。一方、μｒｚｚがほぼ１になることは理論的にも説明できるので、測定結果に矛盾がないことがわかる。さらに、比透磁率の非対角成分μｒｙｘ，μｒｘｙについては、対角成分μｒｘｘに対して無視できない程度の値を有することがわかり、精度のよい磁性薄膜の設計には非対角成分を考慮しなくてはならないという今までにない重要な知見を与えている。
【００４７】
以上説明した透磁率測定装置１によれば、被測定物Ａに印加する磁界Ｈの方向に対して、被測定物Ａの磁化の測定方向を変更することができるので、磁化の測定方向を２種類に変化させた状態で被測定物Ａの比透磁率μｒを測定することで、透磁率テンソルの対角成分と非対角成分とを切り分けて測定することが可能になる。
【００４８】
また、磁界発生源３は、平板状の絶縁板７と、絶縁板７の主面上に直線状に形成された金属膜８とを有し、検出部４は、金属膜８に対向して設けられているので、磁界発生源３を容易に製作することができるとともに、検出部４のコイル１１を磁界発生源３により発生する磁界Ｈ中に配置するための余計な加工が不要である。併せて、磁界発生源３の外側に検出部４が配置されているので、磁界発生源３の中に検出部を配置するための加工により磁界を擾乱してしまうことに比較して、磁界Ｈの一様性が保たれ、透磁率の成分の測定精度が向上する。
【００４９】
本実施形態による透磁率測定方法によれば、被測定物Ａに印加する磁界Ｈの方向に対して被測定物Ａの磁化の測定方向を、磁界Ｈの方向に対して平行な方向とその方向から変化させた方向との２種類の方向で測定することで、被測定物Ａの透磁率テンソルの対角成分μｒｘｘ及び非対角成分μｒｘｙを容易に切り分けて測定することが可能になる。
【００５０】
さらに、被測定物Ａを第２の配列方向に固定させて測定することで、被測定物Ａの透磁率テンソルの対角成分μｒｙｙ及び非対角成分μｒｙｘを更に切り分けて測定することが可能になる。同様な手順を繰り返すことにより、被測定物Ａの比透磁率の各対角成分及び非対角成分を測定することができる。
【００５１】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、透磁率測定時における検出部４及び被測定物Ａの配置方向としては特定の向きには限定されない。一例を挙げると、比透磁率の非対角成分を測定する際は、コイル１１のループ面１４の法線がＹ軸に対して任意の角度を成した状態で測定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の好適な一実施形態に係る透磁率測定装置の概略構成を示す一部破断斜視図である。
【図２】図１のサンプルホルダーに被測定物が搭載された状態を示す図である。
【図３】図１のサンプルホルダーに被測定物が搭載された状態を示す図である。
【図４】図１のサンプルホルダーが検出部と共に回転された状態を示す斜視図である。
【図５】被測定物の斜視図である。
【図６】図１のコイルを貫く磁界によって発生する出力電圧を説明するための概念図である。
【図７】図６のコイルを等価回路で表した概念図である。
【図８】被測定物を搭載した状態でコイルを貫く磁界によって発生する出力電圧を説明するための概念図である。
【図９】図８のコイルを等価回路で表した概念図である。
【図１０】図１のコイルを貫く磁界を示す平面図である。
【図１１】被測定物を搭載した状態で図１のコイルを貫く磁界を示す平面図である。
【図１２】図１のコイルの内部に被測定物が搭載された状態を示す正面図である。
【図１３】交流磁界の周波数を変化させた場合の透磁率テンソルの対角成分の測定結果を示すグラフである。
【図１４】交流磁界の周波数を変化させた場合の透磁率テンソルの対角成分の測定結果を示すグラフである。
【図１５】交流磁界の周波数を変化させた場合の透磁率テンソルの対角成分の測定結果を示すグラフである。
【図１６】交流磁界の周波数を変化させた場合の透磁率テンソルの非対角成分の測定結果を対角成分と対比して示すグラフである。
【符号の説明】
【００５３】
Ａ…被測定物、１…透磁率測定装置３…磁界発生源、４…検出部、７…絶縁板、７ａ…主面、８…金属膜（導体部）、１１…コイル、１４…ループ面。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透磁率測定装置及びそれを用いた透磁率測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、磁性体等の試料の透磁率を測定する装置が種々知られている。下記特許文献１には、断面矩形状の帯状コイルからなる磁界発生用コイルと、測定用試料を挿入するための貫通孔が設けられ、その磁界発生用コイルの内部に配置可能な測定用コイルとを有し、測定用試料を挿入した状態及び挿入していない状態で測定用コイルに発生する誘起電圧を測定することにより、試料の透磁率を演算する装置が開示されている。
【０００３】
また、下記特許文献２には、３枚の金属板により構成されるセル状の磁界発生源の内部に測定用コイルが固定された装置が記載されている。一方、下記非特許文献１には、測定用コイルを必要としない測定装置として、Wave Guide法を採用した装置が開示されている。
【特許文献１】特開平７−１０４０４４号公報
【特許文献２】特開２００４−６９３３７号公報
【非特許文献１】Y. Ding, et al., ”A coplanar waveguide permeameter for studyinghigh-frequency properties of soft magnetic materials”, Journal of AppliedPhysics, vol.96 No.5, 1 September 2004, pp.2969
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような測定用コイルを利用した従来の透磁率測定装置では、磁界発生用コイルと測定用コイルとの位置関係が一定であり、特に、試料に印加する磁界の方向と測定する試料の磁化の方向がほぼ同一であった。そのため、測定可能な透磁率テンソルは、対角成分のみに限定されていた。ましてや、Wave Guide法によっては、試料に印加される磁界が一様でなく、測定用コイルも利用しないため、透磁率テンソルの成分までも測定することは困難であった。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、被測定物の透磁率テンソルの非対角成分を含む各成分を、容易に切り分けて測定することができる透磁率測定装置及び透磁率測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の透磁率測定装置は、被測定物に磁界を印加して被測定物の透磁率を測定するための透磁率測定装置であって、所定の方向に交流磁界を発生させる磁界発生源と、被測定物を内部に固定可能なループ状のコイルを含み、コイルのループ面の法線と所定の方向との成す角を変更可能に構成された検出部とを備える。
【０００７】
このような透磁率測定装置においては、被測定物に印加する磁界の方向に対して、被測定物の磁化の測定方向を変更することができるので、磁化の測定方向を２種類に変化させた状態で被測定物の透磁率を測定することで、透磁率テンソルの対角成分と非対角成分とを切り分けて測定することが可能になる。
【０００８】
磁界発生源は、平板状の絶縁板と、絶縁板の主面上に直線状に形成された導体部とを有し、検出部は、主面上の導体部に対向して設けられていることが好ましい。
【０００９】
こうすれば、磁界発生源を容易に製作することができるとともに、検出部のコイルを磁界発生源により発生する磁界中に配置する際の余計な加工が不要である。併せて、磁界発生源の外側に検出部が配置されているので、磁界発生源の中に検出部を配置するための加工により磁界を擾乱してしまうことに比較して、磁界の一様性が保たれ、透磁率の成分の測定精度が向上する。
【００１０】
或いは、本発明の透磁率測定方法は、被測定物に磁界を印加して被測定物の透磁率を測定する透磁率測定方法であって、磁界発生源を用いて所定の方向に交流磁界を発生させる第１のステップと、被測定物をループ状のコイルの内部において第１の配置方向に固定させた状態で、コイルを、ループ面の法線と所定の方向とがほぼ平行になるように、交流磁界中に配置する第２のステップと、コイルの内部に被測定物が存在しない状態で、コイルを、第２のステップにおける方向と同一の方向を向くように、交流磁界中に配置する第３のステップと、第２及び第３のステップによって配置されたそれぞれのコイルの両端に発生する出力電圧に基づいて、被測定物の透磁率の対角成分を測定する第４のステップと、被測定物をコイルの内部において第１の配置方向に固定させた状態で、法線と所定の方向との成す角が変化するように、コイルを移動させる第５のステップと、コイルの内部に被測定物が存在しない状態で、コイルを、第５のステップにおける方向と同一の方向を向くように、交流磁界中に配置する第６のステップと、第５及び第６のステップによって配置されたコイルの両端に発生する出力電圧に基づいて、被測定物の透磁率の非対角成分を測定する第７のステップとを備える。
【００１１】
このような透磁率測定方法によれば、被測定物に印加する磁界の方向に対して被測定物の磁化の測定方向を、磁界の方向に対して平行な方向とその方向から変化させた方向との２種類の方向で測定することで、被測定物の第１の配置方向に対応する透磁率テンソルの対角成分及び非対角成分を容易に切り分けて測定することが可能になる。なお、上記第５のステップでいう「移動」とは、回転のようにコイルの姿勢のみを変化させる操作をも含む概念である。
【００１２】
被測定物を、コイルの内部において第１の配置方向に対して直角に回転された第２の配列方向に固定させる第８のステップと、第８のステップによって配置された被測定物を対象にして、被測定物の透磁率の対角成分及び非対角成分を測定する第９のステップとをさらに備えることが好ましい。
【００１３】
この場合、被測定物の第２の配置方向に対応する透磁率テンソルの対角成分及び非対角成分を更に切り分けて測定することが可能になる。
【００１４】
また、第１のステップでは、平板状の絶縁板の主面上に直線状に導体部が形成された磁界発生源を用いて交流磁界を発生させ、第２〜第７のステップでは、前記コイルを前記磁界発生源に対向して配置させることが好ましい。
【００１５】
このような手順によれば、磁界発生源を容易に準備することができるとともに、検出部のコイルを磁界発生源により発生する磁界中に配置する際の余計な加工が不要である。併せて、磁界発生源の外側に検出部が配置されるので、磁界発生源の中に検出部を配置するための加工により磁界を擾乱してしまうことに比較して、磁界の一様性が保たれ、透磁率の成分の測定精度が向上する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の透磁率測定装置及び透磁率測定方法によれば、被測定物の透磁率テンソルの非対角成分を含む各成分を、容易に切り分けて測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る透磁率測定装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
図１は、本発明の好適な一実施形態に係る透磁率測定装置１の概略構成を示す一部破断斜視図である。同図に示すように、透磁率測定装置１は、直方体形状の筐体２内に磁界発生源３、検出部４、及びサンプルホルダー５を備えて構成される。この透磁率測定装置１は、磁界発生源３により印加される磁界に応じて生じる被測定物の磁化の方向を、検出部４により検出し、検出の結果をネットワークアナライザ等の測定器６によって解析することにより被測定物の透磁率を測定するための装置である。図１においては、筐体２の底面に沿ってＸＹ平面を、筐体２の側面に沿ってＹＺ平面を定義する。
【００１９】
（透磁率測定装置）
まず、透磁率測定装置１の各構成要素について詳細に説明する。
【００２０】
磁界発生源３は、筐体２の底板を構成する誘電体等の絶縁材料からなる平板状の絶縁板７に、金属膜（導体部）８とグランド層９とが形成されてなる。金属膜８は、絶縁板７の内面（主面）７ａ上の一端から他端にかけて、主面７ａの縁部に沿って（図１のＸ軸方向に沿って）、直線状に形成されている。詳細には、この金属膜８は、被測定物の幅よりも大きい幅を有するように帯状をなし、一方の端部に向けて狭くなるようなテーパ部がさらに形成されている。このテーパ部が、筐体２の側面に貫通して設けられたコネクタ１０を介して測定器６と電気的に接続されることにより、金属膜８のテーパ部側の端部に電圧信号が印加可能にされている。グランド層９は、絶縁板７の外面７ｂ上の全面にわたって形成された金属膜であり、金属膜８の他方の端部において金属膜８と一体化されて形成されることにより、金属膜８の他方の端部と電気的に接続されている。このグランド層９は、コネクタ１０、ケーブル１６及び測定器６を介してグランドに接続される。
【００２１】
このような磁界発生源３は、測定器６からの交流電圧信号の入力に応じて、金属膜８においてＸ軸方向に沿った交流電流を発生させることにより、金属膜８の内面７ａ側の表面近傍においてＹ軸方向に沿った交流磁界を印加する。ここで、金属膜８には、一方の端部側においてテーパ部が形成されるとともに、他方の端部側においては絶縁板７の全面に形成されたグランド層９と一体的に接続されているので、電圧印加により幅方向（Ｙ軸方向）に亘って一様な交流電流が発生し、その結果、Ｙ軸方向に発生する磁界の方向及び強度も金属膜８の表面全体においてほぼ一様になる。さらに、磁界発生源３は、磁界と同時に発生する電界の影響を被測定物が受けにくい構造となっている。
【００２２】
検出部４は、ループ状のコイル１１と、コイル１１を支持する支持棒１２と、支持棒１２の一端に取り付けられた取っ手部１３とを含んでいる。支持棒１２は、その他端において、コイル１１のループ面１４の中央線の延長線上に支持棒１２が位置するような状態で、コイル１１を支持する。そして、支持棒１２は、その長手方向がＺ軸に対して平行になり、且つ、コイル１１が金属膜８の表面に接触しない状態で金属膜８に対向するように、筐体２の外側に設けられた取っ手部１３に取り付けられる。従って、コイル１１のループ面１４は、ＸＹ平面、すなわち、金属膜８の表面に対して常に垂直となる。さらに、コイル１１は、その両端子が支持棒１２及び取っ手部１３を貫通するケーブル１６に接続されており、このケーブル１６を介して測定器６と電気的に接続される。
【００２３】
上記構成を有する検出部４は、取っ手部１３を回転操作することにより、支持棒１２を回転軸として、つまり、ループ面１４の中央線を回転軸としてコイル１１を回転可能にされる。言い換えれば、検出部４は、コイル１１のループ面１４の法線と、磁界発生源３によって印加される磁界の方向（Ｙ軸方向）との成す角を変更可能に構成される。
【００２４】
この磁界発生源３と検出部４との間にはサンプルホルダー５が設けられている。サンプルホルダー５は、平板状のアクリル樹脂等の絶縁材料からなる部材であり、上面部には直角に交わる２本の直線状の溝部１５が形成されている。このようなサンプルホルダー５は、その溝部１５に検出部４のコイル１１の下端部が挿入された状態で、磁界発生源３の金属膜８上に載置される。また、サンプルホルダー５は、被測定物をコイル１１のループの内側に挿入した状態で保持する。図２及び図３は、サンプルホルダー５に被測定物Ａが搭載された状態を示す図である。このようにサンプルホルダー５は、図２に示すように、矩形状の被測定物Ａが溝部１５を跨ってその上面に載置されることにより、被測定物Ａをその主面がＸＹ平面に対して平行になるようにコイル１１のループ内に固定された状態で保持する。また、サンプルホルダー５は、図３に示すように、被測定物Ａを溝部１５内に挿入された状態で保持することによって、主面がＸＹ平面に対して垂直になるようにコイル１１のループ内に被測定物Ａを固定することも可能である。この場合は、被測定物Ａは、溝部１５に挿入される向きに応じて、被測定物Ａの主面がコイル１１のループ面１４に沿った状態、又はループ面１４に対して垂直になるような状態のいずれかの状態で固定されることになる。
【００２５】
このようなサンプルホルダー５は、図４に示すように、溝部１５内にコイル１１が挿入された状態で検出部４が支持棒１２を回転軸として回転された場合に、この検出部４の回転に伴って一緒に回転可能にされている。すなわち、サンプルホルダー５は、検出部４の回転の際に、絶縁板７の表面を摺動することによってコイル１１と一体で回転する。その結果、被測定物Ａは、コイル１１に対する相対的な位置が固定されたままで、支持棒１２を回転軸として回転されることになる。また、サンプルホルダー５は、アクリル等の樹脂材料によって形成されているので、磁界発生源３と検出部４との間に位置していても磁界発生源３によって印加される磁界を乱すことはない。
【００２６】
次に、上述した透磁率測定装置１を用いた透磁率測定方法について説明する。
【００２７】
（透磁率テンソルの対角成分の測定方法）
まず、透磁率の測定対象の被測定物Ａとして薄膜状の磁性薄膜を想定し、図５に示すように、その被測定物Ａの主面の各辺に平行にＸ０軸、Ｙ０軸を定義し、主面に対して垂直な方向にＺ０軸を定義する。
【００２８】
最初に、被測定物Ａをサンプルホルダー５から外した状態、つまり、被測定物Ａがコイル１１のループ内に存在しない状態で、磁界発生源３に交流電圧を印加して金属膜８の上部近傍にＹ軸方向に平行な磁界Ｈを発生させる。そして、取っ手部１３を操作してコイル１１のループ面１４の法線がＹ軸に対して平行になるように回転させることにより、磁界Ｈがループ面１４をほぼ垂直に貫くようにする。その後、コイル１１の両端に発生する出力電圧Ｖ０ｏｕｔを測定器６によって測定する。
【００２９】
図６は、コイル１１を貫く磁界Ｈによって発生する出力電圧Ｖ０ｏｕｔを説明するための概念図、図７は、図６のコイル１１を等価回路で表した概念図である。これらの図に示すように、磁界Ｈの印加によってコイル１１には誘起電圧Ｖ０が発生し、この誘起電圧Ｖ０が測定器６において出力電圧Ｖ０ｏｕｔとして検出される。ここで、検出される出力電圧Ｖ０ｏｕｔは、コイル１１の負荷抵抗をＲ、コイル１１のインピーダンスをＺ０とすると、下記式（１）；
Ｖ０ｏｕｔ＝｛Ｒ／（Ｚ０＋Ｒ）｝Ｖ０ …（１）
によって表される。また、コイル１１に生じる誘起電圧Ｖ０は、ループ面内における平均磁界の振幅をＨａｖｅ、被測定物Ａを配置しない場合の透磁率をμ０、ループ面の面積をＳとすると、下記式（２）；
Ｖ０＝−ｉωμ０ＨａｖｅｅｉωｔＳ …（２）
によって求められる。
【００３０】
次に、被測定物Ａを、そのＸ０軸が測定系のＹ軸に平行になるように（第１の配置方向）、サンプルホルダー５上のコイル１１のループ内部に固定する。この状態では、磁界Ｈがループ面１４をほぼ垂直に貫くと同時に、被測定物をＸ０軸方向に貫くことになる。その後、コイル１１の両端に発生する出力電圧ＶＭｏｕｔを測定器６によって測定する。
【００３１】
図８は、被測定物Ａを搭載した状態でコイル１１を貫く磁界Ｈによって発生する出力電圧ＶＭｏｕｔを説明するための概念図、図９は、図８のコイル１１を等価回路で表した概念図である。これらの図に示すように、ループ面に平行な方向の厚さｔ、幅ｗの被測定物Ａを配置した状態での磁界Ｈの印加によってコイル１１には誘起電圧ＶＭが発生し、この誘起電圧ＶＭが測定器６において出力電圧ＶＭｏｕｔとして検出される。ここで、検出される出力電圧ＶＭｏｕｔは、コイル１１の負荷抵抗をＲ、コイル１１のインピーダンスをＺＭとすると、下記式（３）；
ＶＭｏｕｔ＝｛Ｒ／（ＺＭ＋Ｒ）｝ＶＭ …（３）
で表される。また、誘起電圧ＶＭは、被測定物Ａを配置しない場合の被測定物Ａの断面積ｔ×ｗを貫く磁束が与える誘起電圧をＶ０１、透磁率μ０μｒｘｘを有する被測定物Ａによって生じる誘起電圧をＶＭ１とすると、下記式（４）；
ＶＭ＝Ｖ０−Ｖ０１＋ＶＭ１ …（４）
によって与えられる。μｒｘｘは、被測定物ＡにおけるＸ０軸方向の磁界印加に対するＸ０軸方向の比透磁率を示している。ここで、被測定物Ａはコイル１１のループ面１４における平均磁界Ｈａｖｅを与えるような高さに配置されており、被測定物Ａの厚さの範囲では磁界はＨａｖｅで一様であると考える。そうすると、誘起電圧Ｖ０１，ＶＭ１は、それぞれ、下記式（５）及び（６）によって計算される。
Ｖ０１≒−ｉωμ０Ｈａｖｅｅｉωｔｗｔ …（５）
ＶＭ１≒−ｉωμ０μｒｘｘＨａｖｅｅｉωｔｗｔ …（６）
【００３２】
以上の関係式（１）〜（６）を用いて、コイル１１の自己インダクタンス等が被測定物Ａの有無により変化しない（つまり、Ｚ０＝ＺＭ）と仮定すると、下記式（７）；
μｒｘｘ＝｛Ｓ／（ｗｔ）｝（ＶＭｏｕｔ／Ｖ０ｏｕｔ−１）＋１ …（７）
が導かれ、この式（７）を計算することによって、被測定物Ａの透磁率テンソルの対角成分μｒｘｘを求めることができる。また、測定器６として、ネットワークアナライザを用いれば、同様な計算式で透磁率テンソルの対角成分μｒｘｘの複素数成分も求めることができる。
【００３３】
同様にして、被測定物Ａをサンプルホルダー５上において直角に回転させ、そのＹ０軸が測定系のＹ軸に平行になるように（第２の配置方向）固定させる。このときの出力電圧ＶＭｏｕｔを検出して、上記式（７）を用いることによって透磁率テンソルの対角成分μｒｙｙを求めることができる。
【００３４】
さらに、被測定物を第１又は第２の配置方向から直角に回転させ、そのＺ０軸が測定系のＹ軸に平行になるように（第３の配置方向、図３参照）配置する。そして、このときの出力電圧ＶＭｏｕｔを検出することによって、透磁率テンソルの対角成分μｒｚｚを求めることもできる。すなわち、被測定物Ａによってコイル１１のループ面１４の全面が覆われていると想定すると、誘起電圧ＶＭは、下記式（８）；
ＶＭ＝−ｉωμ０μｒｚｚＨａｖｅｅｉωｔＳ …（８）
により表される。従って、式（２）を用いて、透磁率μｒｚｚは、下記式（９）；
μｒｚｚ＝ＶＭｏｕｔ／Ｖ０ｏｕｔ …（９）
により求められる。
【００３５】
（透磁率テンソルの非対角成分の測定方法）
次に、被測定物Ａの透磁率テンソルの非対角成分μｒｘｙを測定する方法について説明する。非対角成分μｒｘｙとは、被測定物Ａに対してＹ０軸方向に磁界を印加した場合のＸ０軸方向の透磁率を示す。このような非対角成分μｒｘｙを測定する場合には、コイル１１のループ面が印加磁界Ｈに対して平行になるように配置することが考えられる。しかしながら、その場合は印加磁界Ｈはコイル１１のループを貫かないので、測定器６で検出される出力電圧Ｖ０ｏｕｔ＝０となるため、式（７）又は（９）を用いても評価できない。そこで、本実施形態では、以下のようにして透磁率テンソルの非対角成分を測定する。
【００３６】
すなわち、被測定物Ａをサンプルホルダー５から外した状態、つまり、被測定物Ａがコイル１１のループ内に存在しない状態で、磁界発生源３によって磁界Ｈを発生させる。そして、取っ手部１３を操作してコイル１１のループ面１４の法線がＹ軸に対して４５度になるまで検出部４のコイル１１を回転移動させる。その後、コイル１１の両端に発生する出力電圧Ｖ０ｏｕｔを測定器６によって測定する。
【００３７】
このとき、磁界発生源３によって印加される平均磁界Ｈａｖｅは、コイル１１をＺ軸方向から見た図１０に示すように、コイル１１のループ面１４に平行な成分ＨａｖｅＰとループ面１４に垂直な成分ＨａｖｅＶとに分解できる。被測定物Ａを搭載しない場合の出力電圧Ｖ０ｏｕｔに寄与する磁束密度Ｂ０Ｖは、下記式（１０）；
Ｂ０Ｖ＝μ０ＨａｖｅＶ …（１０）
により表されるので、Ｖ０ｏｕｔ≠０となる。
【００３８】
次に、被測定物Ａをサンプルホルダー５上において上述した第１の配置方向に固定させる。ここでも、取っ手部１３を操作することによって、ループ面１４の法線と磁界Ｈの方向との成す角が４５度になるように、コイル１１及び被測定物Ａの角度を調整する。その後、コイル１１の両端に発生する出力電圧ＶＭｏｕｔを測定器６によって測定する。
【００３９】
このとき、磁界発生源３によって印加される平均磁界Ｈａｖｅは、コイル１１をＺ軸方向から見た図１１に示すように、コイル１１のループ面１４に平行な成分ＨａｖｅＰとループ面１４に垂直な成分ＨａｖｅＶとに同様に分解できる。被測定物Ａを搭載した場合の出力電圧ＶＭｏｕｔに寄与する磁束密度ＢＭＶは、下記式（１１）；
ＢＭＶ＝μ０μｒｘｘＨａｖｅＶ＋μ０μｒｘｙＨａｖｅＰ＝μ０μｒ４５ＨａｖｅＶ …（１１）
により与えられる（μｒ４５＝μｒｘｘ＋μｒｘｙ）。従って、式（７）と同様な式を用いてμｒ４５を測定した後に、既に求められている対角成分の比透磁率μｒｘｘを減算することによって、非対角成分μｒｘｙを測定することができる。
【００４０】
さらに、被測定物Ａを上述した第２の配置方向に固定した状態で、上記の手順と同様にして、ループ面１４の法線と磁界Ｈの方向との成す角が４５度になるように調整した後に出力電圧ＶＭｏｕｔを測定することで、透磁率テンソルの非対角成分μｒｙｘを求めることができる。
【００４１】
また、被測定物Ａを上述した第３の配置方向のうちのＹ０軸が測定系のＺ軸に平行になるような方向に固定させると、次のようにして、非対角成分μｒｚｘを求めることができる。具体的には、ループ面１４の法線と磁界Ｈの方向との成す角が４５度になるように調整して、式（９）を用いて比透磁率μｒ４５を計算する。そして、既に求められているμｒｚｚを利用して、下記式（１２）；
μｒｚｘ＝μｒ４５−μｒｚｚ …（１２）
により算出することができる。同様にして、被測定物Ａを第３の配置方向のうちのＸ０軸が測定系のＺ軸に平行になるような方向に固定させると、非対角成分μｒｚｙを求めることができる。
【００４２】
また、被測定物Ａのコイル１１に対する配置方向としては、上述した第１〜第３の配置方向以外にも、図１２に示すように、被測定物Ａの主面がループ面１４に垂直になり、且つ、その主面が金属膜８の表面に垂直になるような配置方向（第４の配置方向）を採用すると、比透磁率の残りの非対角成分μｒｘｚ，μｒｙｚを測定することができる。
【００４３】
具体的には、上記の配置方向に被測定物Ａを配置し、検出部４を印加磁界Ｈに対して４５度傾けることで、比透磁率の別の非対角成分μｒｘｚを測定することができる。まず、被測定物Ａを配置しない場合のコイル１１の誘起電圧Ｖ０は、下記式（１３）；
Ｖ０＝−ｉωμ０ＨａｖｅＶｅｉωｔＳ …（１３）
により表される。これに対して、被測定物Ａを配置した場合の誘起電圧ＶＭは、式（４）で表され、誘起電圧Ｖ０１，ＶＭ１は、それぞれ、下記式（１４）及び（１５）によって計算される（Ｌはループ面１４の水平方向の幅）。
Ｖ０１＝−ｉωμ０ＨａｖｅＶｅｉωｔ（ｔＳ／Ｌ） …（１４）
ＶＭ１＝−ｉωμ０μｒ４５ＨａｖｅＶｅｉωｔ（ｔＳ／Ｌ） …（１５）
従って、式（４）、（１３）〜（１５）により、比透磁率μｒ４５は、コイル１１の出力電圧ＶＭｏｕｔ，Ｖ０ｏｕｔに基づいて、下記式（１６）；
μｒ４５＝（Ｌ／ｔ）（ＶＭｏｕｔ／Ｖ０ｏｕｔ−１）＋１ …（１６）
によって与えられる。その結果、既に求めてあるμｒｚｚから、下記式（１７）：
μｒｘｚ＝μｒ４５−μｒｚｚ …（１７）
より比透磁率の非対角成分μｒｘｚを求めることができる。被測定物Ａをコイル１１に対して直角に回転して固定することにより、同様の手順で、比透磁率の非対角成分μｒｙｚを求めることもできる。このようにすれば、被測定物Ａの透磁率テンソルの９成分の全てを求めることができる。
【００４４】
（透磁率テンソルの測定例）
上述した透磁率測定装置１及び透磁率測定方法を用いた測定例について以下に記述する。
【００４５】
被測定物Ａとしては、Ｓｉウェハ上にＣｏＺｒＴａ合金の膜をスパッタ法により膜厚0.5μmで形成し、その後Ｓｉウェアを6mm四方で切断したものを用いた。図１３〜図１５は、それぞれ、交流磁界の周波数を変化させた場合の透磁率テンソルの対角成分μｒｘｘ，μｒｙｙ，μｒｚｚの測定結果を示すグラフ、図１６は、交流磁界の周波数を変化させた場合の透磁率テンソルの非対角成分μｒｙｘ，μｒｘｙの測定結果を対角成分μｒｘｘと対比して示すグラフである。
【００４６】
これらの結果により、透磁率テンソルの各対角成分μｒｘｘ，μｒｙｙ，μｒｚｚは、周波数が１０〜５００ＭＨｚの範囲で安定して測定されている。また、対角成分のうちのμｒｙｙがμｒｘｘよりも１桁以上小さいという結果は、被測定物Ａが一軸異方性をもっていることを表しており、比透磁率が正しく測定できていることを裏付けている。一方、μｒｚｚがほぼ１になることは理論的にも説明できるので、測定結果に矛盾がないことがわかる。さらに、比透磁率の非対角成分μｒｙｘ，μｒｘｙについては、対角成分μｒｘｘに対して無視できない程度の値を有することがわかり、精度のよい磁性薄膜の設計には非対角成分を考慮しなくてはならないという今までにない重要な知見を与えている。
【００４７】
以上説明した透磁率測定装置１によれば、被測定物Ａに印加する磁界Ｈの方向に対して、被測定物Ａの磁化の測定方向を変更することができるので、磁化の測定方向を２種類に変化させた状態で被測定物Ａの比透磁率μｒを測定することで、透磁率テンソルの対角成分と非対角成分とを切り分けて測定することが可能になる。
【００４８】
また、磁界発生源３は、平板状の絶縁板７と、絶縁板７の主面上に直線状に形成された金属膜８とを有し、検出部４は、金属膜８に対向して設けられているので、磁界発生源３を容易に製作することができるとともに、検出部４のコイル１１を磁界発生源３により発生する磁界Ｈ中に配置するための余計な加工が不要である。併せて、磁界発生源３の外側に検出部４が配置されているので、磁界発生源３の中に検出部を配置するための加工により磁界を擾乱してしまうことに比較して、磁界Ｈの一様性が保たれ、透磁率の成分の測定精度が向上する。
【００４９】
本実施形態による透磁率測定方法によれば、被測定物Ａに印加する磁界Ｈの方向に対して被測定物Ａの磁化の測定方向を、磁界Ｈの方向に対して平行な方向とその方向から変化させた方向との２種類の方向で測定することで、被測定物Ａの透磁率テンソルの対角成分μｒｘｘ及び非対角成分μｒｘｙを容易に切り分けて測定することが可能になる。
【００５０】
さらに、被測定物Ａを第２の配列方向に固定させて測定することで、被測定物Ａの透磁率テンソルの対角成分μｒｙｙ及び非対角成分μｒｙｘを更に切り分けて測定することが可能になる。同様な手順を繰り返すことにより、被測定物Ａの比透磁率の各対角成分及び非対角成分を測定することができる。
【００５１】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、透磁率測定時における検出部４及び被測定物Ａの配置方向としては特定の向きには限定されない。一例を挙げると、比透磁率の非対角成分を測定する際は、コイル１１のループ面１４の法線がＹ軸に対して任意の角度を成した状態で測定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の好適な一実施形態に係る透磁率測定装置の概略構成を示す一部破断斜視図である。
【図２】図１のサンプルホルダーに被測定物が搭載された状態を示す図である。
【図３】図１のサンプルホルダーに被測定物が搭載された状態を示す図である。
【図４】図１のサンプルホルダーが検出部と共に回転された状態を示す斜視図である。
【図５】被測定物の斜視図である。
【図６】図１のコイルを貫く磁界によって発生する出力電圧を説明するための概念図である。
【図７】図６のコイルを等価回路で表した概念図である。
【図８】被測定物を搭載した状態でコイルを貫く磁界によって発生する出力電圧を説明するための概念図である。
【図９】図８のコイルを等価回路で表した概念図である。
【図１０】図１のコイルを貫く磁界を示す平面図である。
【図１１】被測定物を搭載した状態で図１のコイルを貫く磁界を示す平面図である。
【図１２】図１のコイルの内部に被測定物が搭載された状態を示す正面図である。
【図１３】交流磁界の周波数を変化させた場合の透磁率テンソルの対角成分の測定結果を示すグラフである。
【図１４】交流磁界の周波数を変化させた場合の透磁率テンソルの対角成分の測定結果を示すグラフである。
【図１５】交流磁界の周波数を変化させた場合の透磁率テンソルの対角成分の測定結果を示すグラフである。
【図１６】交流磁界の周波数を変化させた場合の透磁率テンソルの非対角成分の測定結果を対角成分と対比して示すグラフである。
【符号の説明】
【００５３】
Ａ…被測定物、１…透磁率測定装置３…磁界発生源、４…検出部、７…絶縁板、７ａ…主面、８…金属膜（導体部）、１１…コイル、１４…ループ面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に磁界を印加して前記被測定物の透磁率を測定するための透磁率測定装置であって、
所定の方向に交流磁界を発生させる磁界発生源と、
前記被測定物を内部に固定可能なループ状のコイルを含み、前記コイルのループ面の法線と前記所定の方向との成す角を変更可能に構成された検出部と、
を備えることを特徴とする透磁率測定装置。
【請求項２】
前記磁界発生源は、平板状の絶縁板と、前記絶縁板の主面上に直線状に形成された導体部とを有し、
前記検出部は、前記主面上の前記導体部に対向して設けられている、
ことを特徴とする請求項１記載の透磁率測定装置。
【請求項３】
被測定物に磁界を印加して前記被測定物の透磁率を測定する透磁率測定方法であって、
磁界発生源を用いて所定の方向に交流磁界を発生させる第１のステップと、
前記被測定物をループ状のコイルの内部において第１の配置方向に固定させた状態で、前記コイルを、ループ面の法線と前記所定の方向とがほぼ平行になるように、前記交流磁界中に配置する第２のステップと、
前記コイルの内部に前記被測定物が存在しない状態で、前記コイルを、前記第２のステップにおける方向と同一の方向を向くように、前記交流磁界中に配置する第３のステップと、
前記第２及び第３のステップによって配置されたそれぞれの前記コイルの両端に発生する出力電圧に基づいて、前記被測定物の透磁率の対角成分を測定する第４のステップと、
前記被測定物を前記コイルの内部において前記第１の配置方向に固定させた状態で、前記法線と前記所定の方向との成す角が変化するように、前記コイルを移動させる第５のステップと、
前記コイルの内部に前記被測定物が存在しない状態で、前記コイルを、前記第５のステップにおける方向と同一の方向を向くように、前記交流磁界中に配置する第６のステップと、
前記第５及び第６のステップによって配置された前記コイルの両端に発生する出力電圧に基づいて、前記被測定物の透磁率の非対角成分を測定する第７のステップと
を備えることを特徴とする透磁率測定方法。
【請求項４】
前記被測定物を、前記コイルの内部において第１の配置方向に対して直角に回転された第２の配列方向に固定させる第８のステップと、
前記第８のステップによって配置された前記被測定物を対象にして、前記被測定物の透磁率の対角成分及び非対角成分を測定する第９のステップと、
をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の透磁率測定方法。
【請求項５】
前記第１のステップでは、平板状の絶縁板の主面上に直線状に導体部が形成された前記磁界発生源を用いて交流磁界を発生させ、
前記第２〜第７のステップでは、前記コイルを前記磁界発生源に対向して配置させる、
ことを特徴とする請求項３又は４記載の透磁率測定方法。
【請求項１】
被測定物に磁界を印加して前記被測定物の透磁率を測定するための透磁率測定装置であって、
所定の方向に交流磁界を発生させる磁界発生源と、
前記被測定物を内部に固定可能なループ状のコイルを含み、前記コイルのループ面の法線と前記所定の方向との成す角を変更可能に構成された検出部と、
を備えることを特徴とする透磁率測定装置。
【請求項２】
前記磁界発生源は、平板状の絶縁板と、前記絶縁板の主面上に直線状に形成された導体部とを有し、
前記検出部は、前記主面上の前記導体部に対向して設けられている、
ことを特徴とする請求項１記載の透磁率測定装置。
【請求項３】
被測定物に磁界を印加して前記被測定物の透磁率を測定する透磁率測定方法であって、
磁界発生源を用いて所定の方向に交流磁界を発生させる第１のステップと、
前記被測定物をループ状のコイルの内部において第１の配置方向に固定させた状態で、前記コイルを、ループ面の法線と前記所定の方向とがほぼ平行になるように、前記交流磁界中に配置する第２のステップと、
前記コイルの内部に前記被測定物が存在しない状態で、前記コイルを、前記第２のステップにおける方向と同一の方向を向くように、前記交流磁界中に配置する第３のステップと、
前記第２及び第３のステップによって配置されたそれぞれの前記コイルの両端に発生する出力電圧に基づいて、前記被測定物の透磁率の対角成分を測定する第４のステップと、
前記被測定物を前記コイルの内部において前記第１の配置方向に固定させた状態で、前記法線と前記所定の方向との成す角が変化するように、前記コイルを移動させる第５のステップと、
前記コイルの内部に前記被測定物が存在しない状態で、前記コイルを、前記第５のステップにおける方向と同一の方向を向くように、前記交流磁界中に配置する第６のステップと、
前記第５及び第６のステップによって配置された前記コイルの両端に発生する出力電圧に基づいて、前記被測定物の透磁率の非対角成分を測定する第７のステップと
を備えることを特徴とする透磁率測定方法。
【請求項４】
前記被測定物を、前記コイルの内部において第１の配置方向に対して直角に回転された第２の配列方向に固定させる第８のステップと、
前記第８のステップによって配置された前記被測定物を対象にして、前記被測定物の透磁率の対角成分及び非対角成分を測定する第９のステップと、
をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の透磁率測定方法。
【請求項５】
前記第１のステップでは、平板状の絶縁板の主面上に直線状に導体部が形成された前記磁界発生源を用いて交流磁界を発生させ、
前記第２〜第７のステップでは、前記コイルを前記磁界発生源に対向して配置させる、
ことを特徴とする請求項３又は４記載の透磁率測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００８−５８２４２（Ｐ２００８−５８２４２Ａ）
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３８０３７（Ｐ２００６−２３８０３７）
【出願日】平成１８年９月１日（２００６．９．１）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１日（２００６．９．１）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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