(57)【要約】【課題】静磁波デバイスとしてのマグノニック結晶を用いて高感度に磁界を測定する。【解決手段】静磁界と高周波磁界とが印加され、高周波磁界を所定の周波数領域としたときに静磁波の伝搬にバンドギャップが発生するマグノニック体を用いる磁界の測定方法であって、高周波磁界の周波数をバンドギャップが発生する周波数領域とし、そのとき得られた前記静磁波のプロファイルに基づき、マグノニック体へ印加された他の磁界の強度を特定する、磁界の測定方法。【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静磁界と高周波磁界とが印加され、前記高周波磁界を所定の周波数領域としたときに静磁波の伝搬にバンドギャップが発生するマグノニック体を用いる磁界の測定方法であって、
前記高周波磁界の周波数を前記バンドギャップが発生する周波数領域とし、そのとき得られた前記静磁波のプロファイルに基づき、前記マグノニック体へ印加された他の磁界の強度を特定する、磁界の測定方法。
【請求項２】
前記静磁波のプロファイルは前記静磁波の利得特性の周波数、波長及び位相の少なくとも一つである、請求項１に記載の磁界の測定方法。
【請求項３】
静磁波の導波路を有するマグノニック体と
該マグノニック体へ静磁界を印加するマグネットと、
該マグノニック体へ前記静磁波の伝搬にバンドギャップが発生する周波数領域の高周波磁界を印加する高周波磁界発生部と、
前記マグノニック体の導波路を伝搬する静磁波のプロファイルを測定する測定部と、
を備える、磁界の測定装置。
【請求項４】
前記マグノニック体は前記静磁波を導波可能な表面を有する磁性体基板と、該磁性体基板の表面に所定の間隔をとって平行に配置される複数の導電性ストリップとを備え、前記静磁界は前記ストリップの軸方向に印加される、磁界の測定装置。
【請求項５】
前記磁性体基板の表面には静磁波の第２の導波路が設けられ、該第２の導波路には第２の方向に沿って平行に配置される複数の第２の導電性ストリップが備えられ、
該第２の導波路に対して前記第２の導電性ストリップの軸方向に第２の静磁界を印加する第２のマグネットと、前記静磁波の伝搬にバンドギャップが発生する周波数領域の高周波磁場を印加する第２の高周波発生部と、
前記第２の導波路に伝搬する静磁波のプロファイルを測定する第２の測定部と、を更に備える、請求項４に記載の磁界測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁界の測定方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体材料へ静磁界を印加して磁性体材料の磁気モーメントの向きを揃えた状態で、同じく磁性体材料へ高周波磁界を重畳すると磁気モーメントはラーモア歳差運動を起こす。この歳差運動の周期は静磁界の強さに依存し、歳差運動の周期と一致する周期を持つ高周波磁界内においては磁性体材料における全ての磁気モーメントの歳差運動が揃えられる。しかし、強磁性共振周波数近傍では歳差運動に位相差が生じ、磁気双極子間相互作用によって隣接する磁気モーメントに位相差が伝わる。これが波動となり静磁波が励起される。この静磁波は磁性体材料の表面を進行する。
マグノニック結晶はこの静磁波を制御するものである。マグノニック結晶は磁性体における静磁波の導波路に波長スケールの周期構造物を設け、導波路において静磁波の存在を禁止するバンドギャップを発現させたものである。
このマグノニック結晶の例が特許文献１に開示されていている。
このマグノニック結晶は、ＹＩＧ基板の表面に入力部、周期構造部及び出力部を順に配置した構造であり、周期構造部は複数の導電性ストリップを平行に配置した構成であり、各導電性ストリップの間隔は静磁波の波長の１／４としている。ＹＩＧ基板の表面において導電性ストリップの軸方向に静磁場を印加し、その方向へ磁気モーメントを揃える。入力部と出力部との間に高周波を印加することにより、入力部と出力部とに挟まれた周期構造部に高周波磁界を印加する。高周波磁界の印加にともないＹＩＧ基板の表面に静磁波が励起される。励起された静磁波はＹＩＧの表面において周期構造部を通過して入力部から出力部へと伝搬することとなるが、高周波磁界が所定の周波数領域のとき周期構造部により発生したバンドギャップが静磁波の伝搬を禁止する。これにより、バンドギャップを発生させる周波数領域では出力部に得られる出力が他の周波数領域のときの出力に比べて極端に低下する。
本件発明に関連する文献として、非特許文献１及び２を参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−３１５０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】特別実験報告書  「マグノニック結晶を用いた高感度磁気センサの作製と評価」  豊橋技術科学大学、平成２２年２月
【非特許文献２】修士学位論文「固体マグノイック結晶の形成のその応用」  豊橋技術科学大学、平成２２年２月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らは、かかるマグノニック結晶を静磁波デバイスとして利用すべくその特性を研究してきた。
その結果、バンドギャップのピークの周波数が静磁界の強さに非常に敏感であること、換言すれば、意図的に印加する静磁界（バイアス磁界）を固定しておけば、マグノニック結晶に印加される測定対象の静磁界の強さに応じてバンドギャップのピーク周波数が大きく変化することがわかった。
更に換言すれば、高周波磁界の周波数が固定されていると（バイアス磁界においてバンドギャップがピーク周波数を発現する周波数とする）、測定対象の静磁界の強さに応じてバンドギャップのピークの深さ（振幅）が大きく変化する。
このとき、同様に静磁波の位相も大きく変化している。
【０００６】
このように、導波路に静磁波のバンドギャップができるように高周波磁界の周波数領域を設定したとき、マグノニック結晶へ印加される静磁界の大きさに応じて静磁波のプロファイルが大きく変化することに気が付き、この発明に想到した。
即ち、この発明の第１の局面は次のように規定される。
静磁界と高周波磁界とが印加され、前記高周波磁界を所定の周波数領域としたときに静磁波の伝搬にバンドギャップが発生するマグノニック体を用いる磁界の測定方法であって、
前記高周波磁界の周波数を前記バンドギャップが発生する周波数領域とし、そのとき得られた前記静磁波のプロファイルに基づき、前記マグノニック体へ印加された他の磁界の強度を特定する、磁界の測定方法。
このように規定される磁界測定方法を用いれば、バンドギャップ及びその近傍の静磁波のプロファイルの変化に基づき静磁界の変化を感度良く測定できる。バイアス磁界の強さが予め得られていれば、バイアス磁界以外の磁界（即ち、測定対象磁界）の強さがその変化より求められる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】この発明の実施形態のマグノニック結晶１の構造を示す断面図である。
【図２】マグノニック結晶１を基台１０へ組み付ける状態を模式的に示す斜視図である。
【図３】磁界測定装置の全体構造を示すブロック図である。
【図４】マグノニック結晶１の静磁波の伝搬特性及びその理論値を示すグラフである。
【図５】静磁界の大きさを２００．０Ｏｅから２０７．０Ｏｅまで０．５Ｏｅ刻みで変化させたときの静磁波の伝搬特性を示すグラフである。
【図６】高周波磁界の周波数を固定したとき、印加する静磁界の大きさに対する透過電力の変化を示すグラフである。
【図７】アモルファスワイヤのMI特性を示すグラフである。
【図８】一つの磁性体基板へ２つの周期構造部を形成したマグノニック結晶の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、上記本発明者らが得た新たな知見を実験に基づき説明する。
図１に実験で用いた固体マグノニック結晶１を示す。このマグノニック結晶１は基板２と該基板２の上に形成された周期構造部５を有する。
基板２はＧＧＧ(Gd3Ga5O12)単結晶板３と、その上にＬＰＥ(Liquid Phase Epitaxy)法で形成された膜厚２０ｎｍの単結晶ＹＩＧ(Y3Fe5O12)層４とからなる。
このＹＩＧ層４へフォトリソプロセス(AZ5214)およびスパッタリング（リフトオフ法）により膜厚２００ｎｍのＣｕ製のストリップ６（２００ｎｍ）を平行に積層して周期構造部５を形成する。各ストリップ６はが平行に形成される。符号７はチタン層（６０ｎｍ）であり、ＹＩＧ層４とストリップ６との接着性を確保する。
ストリップ６の幅は２６０μｍとしてストリップ６とストリップ６５との間のギャップ幅は４０μｍとし、ストリップ６を１０本設けた。
なお基板２の周縁には金からなる反射防止層８が設けられている。
【０００９】
このようにして得られたマグノニック結晶１を石英板からなる基台１０へ図２のようにセットする。基台１０の表面には一対の導線１１、１２が配置される。この導線１１及び１２の間に周期構造部５が挟まれるようにする。符号の１４、１５はそれぞれマグノニック結晶１の両端を把持するアームである。
図３は、このようにして得られた組付け体と測定系との関係を示す。
図３において符号２０はヘルムホルツコイルからなるマグネットであり、マグノニック結晶１に対してその面内方向へストリップ６の軸方向へ静磁界を印加する。符号２１はヘルムホルツコイル２０の出力を規定するパワーサプライであり、コイル２０からの静磁界をさせられる。ヘルムホルツコイル２０の発生する静磁界は磁界センサ２３により測定される。この磁界センサとしてホールプローブを用いホールプローブの出力をガウスメータ２４で処理した。測定感度は０．１Ｏｅである。
【００１０】
導線１１、１２はネットワークアナライザ２７に接続される。ネットワークアナライザ２７は導線１１を入力側、導線１２を出力側として両者の間に任意の高周波電圧を印加し、出力側１２の利得の変化を検出する。
この例のマグノニック結晶１の静磁波の伝搬特性、その理論値をともに図４に示す。
【００１１】
次に、静磁界の大きさを２００．０Ｏｅから２０７．０Ｏｅまで０．５Ｏｅ刻みで変化させたときの静磁波の伝搬特性を図５に示す。静磁界が大きくなるとバンドギャップ中心周波数が高周波側へシフトしていることがわかる。
高周波磁界の周波数をf0= 3.01 GHz に固定したとき、印加する静磁界の大きさに対する透過電力の変化を図６に示す。
以上の測定は全て室温において行なわれている。
【００１２】
比較として室温において高いセンサ感度を示すアモルファスワイヤ((Co0.94 Fe0.06)72.5Si12.5B15)のMI特性を図７に示す。
MI特性のインピーダンス変化率は下記式１のような形で定義されている。
【数１】
2011252741.tif 000003
上式を用いてアモルファスワイヤ((Co0.94Fe0.06)72.5Si12.5B15)の変化率を求めると205 %/Oe となると報告されている。また、変化率の大きいHex = 0.75〜1.25 Oeの領域での変化率は377 %/Oe であると報告されている。 同様に、マグノイック結晶においても図６の結果より電力の変化率を求めるため、以下の式を適用した。
MIセンサではインピーダンスの値、MCセンサでは電力値を用いている。 2つの次元を揃えるため、電力値にルートを付けている。
【数２】
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上式２によって求めたマグノイック結晶の電力の変化率は4500 %/Oe であり、MIセンサ（他の室温動作可能なセンサ）と比較して、非常に高い感度を持っていることを確認した。
図５及び図６の関係において、バイアス磁界を基準として予め検量線を作成しておけば、測定対象の静磁界の強さを感度良く特定できることがわかる。
【００１３】
上記において、マグノイック結晶の基板は磁性体であれば特に制限されるものではないが、静磁波伝搬時の損失を最小減とする見地から、その表面（導波路）はＹＩＧ製とすることが好ましい。
周期構造部を構成するストリップの数、線幅、ピッチ、厚さも任意に選択可能である。これらの選択に応じてバンドギャップの中心周波数を制御可能である。
なお、伝搬特性を向上させる見地から、ストリップの膜厚を１０μｍ以上とすることが好ましい。かかる高膜厚のストリップは、例えばＬＥＰで形成されたＴｉ層／Ｃｕ層（図１参照）へ更にＣｕ層をメッキにより積み上げることにより形成できる。
上記の例では静磁波の導波路である磁性体基板の表面へ導電性ストリップの繰返構造を形成することにより、静磁波の導波路にバンドギャップを設けているが、バンドギャップが形成できれば他の方法を採用できることはいうまでもない。
基台１０は石英の他に樹脂等の任意の誘電体基板を用いることができる。なお、一対の導線１１、１２はマグノイック結晶に高周波磁界を印加するとともに、静磁波の伝搬特性の検出を行なっている。高周波磁界の印加と静電波の伝搬特性の検出を別体とすることも可能である。
【００１４】
図８に他の例を示す。この例では、一つの基板３２（ＹＩＧ／ＧＧＧ）上に複数の導電性ストリップを並列に配列させなる第１の周期構造部３５と一対の導線３６、３７とを配設している。一対の導線３６，３７には、図３の例と同様にネットワークアナライザ３８が接続され、ストリップの軸方向へは図示しないマグネットにより静磁界Ｈ１が印加される。
図８の例では、同じ基板３２上に更に、導電性ストリップを並列に配列させてなる第２の周期構造部４５と一対の導線性４６、４７が配置される。一対の導線４６、４７には、図３の例と同様にネットワークアナライザ４８が接続され、ストリップの軸方向へは図示しないマグネットにより静磁界Ｈ２が印加される。
【００１５】
図８の例では、一つの基板表面に静磁波の伝搬方向が異なる一対の導波路が設けられたことになる。これにより、面内方向全ての方向についての磁界の検出が可能となる。
なお、第１の周期構造部３６におけるストリップの配列方向と、第２の周期構造部４６におけるストリップの配列方向とは相互に直交していることが好ましい。また、磁界に関する感度をマッチングさせる見地から、バンドギャップの中心周波数が一致するように２つの周期構造部３５、４５の各ストリップの形状、材質、ピッチ及び配設条数を一致させることが好ましい。
なお、基板の厚さ方向の磁界に対しても、第１、第２の導波路を用いてその強度の測定が可能であるので（感度は面内方向より劣る）、求められる測定強度によっては、任意の三次元方向の磁界の測定が可能となる。
【００１６】
この発明の磁界測定は全て室温において行なっており、その感度が極めて大きい（１０−７Ｏｅ程度）ことは既に説明している。勿論、この感度は、今後のチューニングにより更に向上し、ＳＱＵＩＤと同程度となるものと予想される。その場合、冷媒が不要なこと、図８の例の構造の採用により面内方向任意の磁界が測定可能であること、ＹＩＧ等の磁性体は高い耐久性を備えることなど、実用化において大きな利点がある。
【００１７】
本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００１８】
１  マグノニック結晶
２、３２  基板
５、３５、４５  周期構造部
１０  石英基台
１１、１２、３６、３７、４６、４７  導線
２０  マグネット
２７、３８、４８  ネットワークアナライザ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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【図５】
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