(57)【要約】【課題】微小勾配磁石を搭載した走査型ＭＲＦＭ装置において、微小勾配磁石と、高速に歳差運動するスピン磁化の横成分との間に発生する磁気共鳴力が観測可能なＭＲＦＭ装置を提供する。【解決手段】静磁場と、圧電素子に取り付けられた微小勾配磁石が作る勾配磁場と、該静磁場と勾配磁場の合成磁場に直交する高周波磁場とが印加された空間に置かれた試料に発生する磁気共鳴力を検出する磁気共鳴力顕微鏡であって、前記圧電素子に加わる力の変動から、前記磁気共鳴力を検出するようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静磁場と、圧電素子に取り付けられた微小勾配磁石が作る勾配磁場と、該静磁場と勾配磁場の合成磁場に直交する高周波磁場とが印加された空間に置かれた試料に発生する磁気共鳴力を検出する磁気共鳴力顕微鏡であって、
前記圧電素子に加わる力の変動から、前記磁気共鳴力を検出するようにしたことを特徴とする磁気共鳴力顕微鏡。
【請求項２】
前記圧電素子に加わる力の変動は、圧電素子の圧電効果により電圧の変動に変換され、前記高周波磁場の周波数で位相検波されることにより、磁気共鳴力として検出されることを特徴とする請求項１記載の磁気共鳴力顕微鏡。
【請求項３】
静磁場軸をＸ軸方向、微小勾配磁石の着磁方向をＸ軸方向、高周波磁場軸をＺ軸方向とすると、前記圧電素子は、切り出し方向がＸ−ｃｕｔの圧電素子、すなわち圧電効果により横波モードで振動するせん断応力を発生可能とする素子であり、かつ、圧電素子に加わるせん断応力で発生する横弾性波が圧電素子内で定在波となるような長さに設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の磁気共鳴力顕微鏡。
【請求項４】
静磁場軸をＺ軸方向、微小勾配磁石の着磁方向をＺ軸方向、高周波磁場軸をＸ軸方向とすると、前記圧電素子は、切り出し方向がＸ−ｃｕｔの圧電素子、すなわち圧電効果により横波モードで振動するせん断応力を発生可能とする素子であり、かつ、圧電素子に加わるせん断応力で発生する横弾性波が圧電素子内で定在波となるような長さに設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の磁気共鳴力顕微鏡。
【請求項５】
静磁場軸をＸ軸方向、微小勾配磁石の着磁方向をＸ軸方向、高周波磁場軸をＺ軸方向とすると、前記圧電素子は、切り出し方向がＺ−ｃｕｔの圧電素子、すなわち圧電効果により縦波モードで振動する応力を発生可能とする素子であり、かつ、圧電素子に加わる応力で発生する縦弾性波が圧電素子内で定在波となるような長さに設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の磁気共鳴力顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気共鳴力顕微鏡（ＭＲＦＭ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＦＭ（Magnetic Resonance Force Microscopy）は、磁気共鳴法を用いた画像処理装置ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）の技術と、試料表面の原子像を観測できる原子間力顕微鏡ＡＦＭ（Atomic Force Microscopy）の技術を融合させた、原子レベルの空間分解能が期待されるＭＲＩ装置である。現在、いくつかのグループがその開発を行なっている開発途上の装置であり、現時点での到達空間分解能は２０ｎｍといわれている。その最終目標を兼ねた利用目的は、単一の遺伝子、蛋白質、生体分子ほか、極微小試料に対し、その立体構造を画像化し解析することを主とした定量分析と定義される。
【０００３】
従来のＭＲＦＭ装置の簡略構成図を図１に示す。ＡＦＭの構成要素は、光ファイバーを通ったレーザー光、カンチレバー、および、試料台であり、一方、磁気共鳴に必要な構成要素は、高周波（ＲＦ）コイル、および、省略されている外部静磁場である。ＭＲＩに必須の磁場勾配は、カンチレバー先端に装着された高透磁率磁性材料（磁気チップ、永久磁石を含む）によって発生する空間均一性の極めて悪い磁場によって作られる。
【０００４】
ＭＲＦＭにおける磁気共鳴現象は、外部より与えられた磁場と磁気チップが発生する磁場の和で定義される試料内静磁場と、ＲＦコイルによって照射された高周波磁場の周波数との一意的関係で決まる共鳴条件が成立したときに発生する。
【０００５】
共鳴条件が成立していない場合、カンチレバーは、上記静磁場によって分極された試料の磁化と磁気チップにより発生された磁場勾配との積で与えられる磁気力を感じて、磁場と磁場勾配が存在しないときに定義される熱平衡状態の位置から撓んでいる。
【０００６】
共鳴条件が発生すると、減少した分極磁化によって磁気力が弱められ、カンチレバーが熱平衡状態時の位置方向へと戻る。この際に発生する磁気力の変化を磁気共鳴力と呼ぶ。ＭＲＦＭにおける測定量は、このカンチレバー振幅変位量であり、光干渉法や光てこ法を用いて変位量を測定する。磁気チップと試料の相対位置を走査することで、各場所における磁気共鳴力の強度分布を得ることができる。この磁気共鳴力強度分布を、既知の磁場分布および磁場勾配分布を考慮しながらコンピュータ処理することにより、実空間像を再現する。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５２６６８９６号公報。
【０００８】
【特許文献２】特公平７−６９２８０号公報。
【０００９】
【非特許文献１】日本応用磁気学会誌、第２２巻、第１号、１９頁（１９９８）。
【００１０】
【非特許文献２】Journal of Applied Physics, Vol. 79, p.1881 (1996)。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以下、核スピンを対象としたＭＲＦＭに限定して話を進める。ＭＲＦＭは、カンチレバー先端に微小勾配磁石を搭載し、従来のＭＲＩに比べて高い磁場勾配が得られることから、高い空間分解能を持ったイメージングが可能である。しかしながら、ＭＲＦＭにおいてカンチレバーを用いた力検出法では、高速なサンプリングを実施することが困難であり、イメージングに時間を要する欠点があることを以下に説明する。
【００１２】
これまでにＭＲＦＭで対象となった磁気共鳴力の発生方法は、いずれもスピン位置に発生する静磁場方向に平行な磁化成分（以下、縦磁化と略記する）の制御による。まず縦磁化の制御・観測にＭＲＦＭを用いた場合に、サンプリング周波数に上限が存在することを説明する。
【００１３】
磁気共鳴力発生方法の１つであるCyclic Saturation法は、磁気共鳴技術によって、スピンが非飽和状態（縦磁化が有限）と飽和状態（縦磁化がゼロ）とを周期的に繰り返し、縦磁化の振動を与える。また、Cyclic Adiabatic Inversion法では、周期的に縦磁化の符号を変える。縦磁化の振動振幅をδＭzとすると、磁気共鳴力Fは、次式（１）
【００１４】
【数１】
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で与えられる。ただし、ｄＢ0／ｄｚは、スピン位置に発生する磁場勾配の強度を意味する。
【００１５】
磁気共鳴力の強度は、カンチレバーを用いた力検出法で観測される。この力検出法では、磁気共鳴力の振動周波数をカンチレバーの共振周波数に一致させることによって、カンチレバーに共振現象を誘起させ、小さな磁気共鳴力においても検出可能なカンチレバーの振動振幅値を実現する。
【００１６】
生体細胞や非磁性物質など、多くの検体に含まれる核スピンの緩和時間は、カンチレバーの共振周期（共振周波数の逆数）に比べて長い。この場合には、Cyclic Saturation法では、非飽和状態と飽和状態との振動に緩和時間程度の時間を要するため、縦磁化の制御が不可能であり、Cyclic Adiabatic Inversion法での磁気共鳴力発生・観測に限られる。Cyclic Adiabatic Inversion法では、核スピン磁化Ｍを、核スピン位置に発生する次式（２）のような有効磁場ベクトルＢeff、
【００１７】
【数２】
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の方向に配向（Ｍ//Ｂeff）させ、Ｂ0やωを変調させることによってδＭzを発生させる。ここで、Ｂ0は静磁場強度、Ｂ1とωはそれぞれ高周波磁場強度と周波数、ｚは静磁場の方向、ｘは周波数ωで回転する回転座標系において高周波磁場の方向を指す。これにより、磁気共鳴力が得られる。ただし、Ｍ//Ｂeffとなるには、以下の断熱条件、
【００１８】
【数３】
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を満たす必要がある。この断熱条件は、Ｂeffの時間変化について上限を与える。つまり、δＭzの振動周波数に上限が存在することを意味する。例えば、1Ｈ核を対象とし、ωの周波数変調によってδＭzの振動を発生させる場合、γ＝４２．６ＭＨｚ／１００００Ｇ、Ｂ1＝１０Ｇ、周波数変調幅１００ｋＨｚとすると、δＭzの振動周波数は１８１５Ｈｚ以下に制限される。さらに、31Ｐ核（γ＝１７．２ＭＨｚ／１００００Ｇ）、13Ｃ核（γ＝１０．７ＭＨｚ／１００００Ｇ）の場合には、それぞれ２９６Ｈｚ、１１４Ｈｚ以下に制限される。この制限は、カンチレバーの共振周波数を低くせざるを得ないこと、もしくは、非共振状態での使用に限られること、δＭzのサンプリング周波数が低下し、信号計測に時間を要すること、１／ｆ型ノイズを軽減できないこと、といった問題を生む。
【００１９】
ところで、磁気共鳴信号の検出にソレノイドコイルを用いるＮＭＲ装置やＭＲＩ装置では、スピン位置に発生する静磁場方向に垂直な磁化成分（以下、横磁化と略記する）に対し、パルス法を用いた観測が主流である。パルス法は、Cyclic Adiabatic Inversion法の基本原理であるAdiabatic Rapid Passage法に比べて、以下の２つの利点を持つ。
【００２０】
（ａ）横磁化は高速に制御され、信号検出に要する時間が短い。
【００２１】
（ｂ）勾配がかけられ磁場分布のある静磁場下において、一度の信号計測で広範囲に及ぶ位置からの信号を観測し、フーリエ変換法信号解析技術を用いることによって、信号強度の空間マップが得られる。
【００２２】
これらの特徴は、特に高速撮影を目指すＭＲＩに効果がある。
【００２３】
これまでにカンチレバーを磁気共鳴力検出プローブとしたＭＲＦＭで、横磁化が観測された事例はない。これは、横磁化の運動周波数が高く、カンチレバーを高速に振動させることが困難であることによる。以下に、具体的な例を挙げ、この課題について説明する。
【００２４】
Ｂ0＝１Ｔの静磁場下に検体が存在し、検体に含まれる1Ｈ核信号の検出を試みるとする。また、検体には、空間について一様な高周波磁場が短時間にパルス状に照射され、スピン磁化は静磁場に垂直な方向に倒れ、静磁場の周りを周波数ｆ＝Ｂ01γ/２πｆ＝４２．６ＭＨｚで歳差運動している状態であるとする。ここで1γは1Ｈ核スピンの核磁気共鳴比である。
【００２５】
まず、カンチレバーの共振周波数Ｆcと横磁化の歳差運動周波数ｆとを一致させ、カンチレバーを共振させる場合に、カンチレバーの振幅値を評価する。Ｆcは、カンチレバーの総質量をｍ、有効バネ定数をｋとすると、Ｆc＝（１／２π）√（ｋ／ｍ）で与えられる。
【００２６】
カンチレバーが磁気共鳴力を感じるには、カンチレバー先端に微小勾配磁石もしくは試料を付着させる必要がある。ここでは、球状（直径１μｍ）のサマリウム・コバルト製微小勾配磁石を付着させたと仮定する。このとき、ｆc＝４２．６ＭＨｚが実現されるためには、ｋ＝４１２Ｎ／ｍとする必要がある。このバネ定数は、計算上、５×１×１μｍ3の直方体を持つＳｉ製カンチレバーで実現される。ＭＲＦＭでは、標準的なパラメーター、磁気共鳴力の大きさＦ＝１ｆＮ、Ｑ値１００００を仮定し、カンチレバーの振動振幅値ＡをＡ＝ＦＱ／ｋの式で評価すると、Ａ＝２４×１０-15ｍとなる。
【００２７】
次に、カンチレバーの共振周波数ｆcと横磁化の歳差運動周波数ｆを一致させない場合（ｆ>>ｆc）に、カンチレバーの振幅値を評価する。カンチレバーの振動振幅値Ａは、Ａ＝Ｆ／｛（２πｆ）2ｍ｝で与えられる。このとき、Ａ＝２．４×１０-18ｍと評価される。
【００２８】
これらの振幅値は非常に小さく、一般の光てこ法や光干渉計を用いて計測することは困難である。
【００２９】
核スピンを対象としたＭＲＦＭ装置について、カンチレバーを用いた力検出法では高速なサンプリングが行なえない理由を以下にまとめる。
【００３０】
（１）縦磁化を計測することは可能であるが、断熱条件により磁気共鳴力の振動周期に上限が存在し、結果として計測に時間を要することになる。
【００３１】
（２）横磁化の計測は、高速なサンプリングが可能であるが、カンチレバーを用いた力検出法では、得られる共振振幅値が小さく、観測自体が困難である。
【００３２】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、微小勾配磁石を搭載した走査型ＭＲＦＭ装置において、微小勾配磁石と、高速に歳差運動するスピン磁化の横成分との間に発生する磁気共鳴力が観測可能なＭＲＦＭ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
この目的を達成するため、本発明にかかるＭＲＦＭ装置は、
静磁場と、圧電素子に取り付けられた微小勾配磁石が作る勾配磁場と、該静磁場と勾配磁場の合成磁場に直交する高周波磁場とが印加された空間に置かれた試料に発生する磁気共鳴力を検出する磁気共鳴力顕微鏡であって、
前記圧電素子に加わる力の変動から、前記磁気共鳴力を検出するようにしたことを特徴としている。
【００３４】
また、前記圧電素子に加わる力の変動は、圧電素子の圧電効果により電圧の変動に変換され、前記高周波磁場の周波数で位相検波されることにより、磁気共鳴力として検出されることを特徴としている。
【００３５】
また、静磁場軸をＸ軸方向、微小勾配磁石の着磁方向をＸ軸方向、高周波磁場軸をＺ軸方向とすると、前記圧電素子は、切り出し方向がＸ−ｃｕｔの圧電素子、すなわち圧電効果により横波モードで振動するせん断応力を発生可能とする素子であり、かつ、圧電素子に加わるせん断応力で発生する横弾性波が圧電素子内で定在波となるような長さに設定されていることを特徴としている。
【００３６】
また、静磁場軸をＺ軸方向、微小勾配磁石の着磁方向をＺ軸方向、高周波磁場軸をＸ軸方向とすると、前記圧電素子は、切り出し方向がＸ−ｃｕｔの圧電素子、すなわち圧電効果により横波モードで振動するせん断応力を発生可能とする素子であり、かつ、圧電素子に加わるせん断応力で発生する横弾性波が圧電素子内で定在波となるような長さに設定されていることを特徴としている。
【００３７】
また、静磁場軸をＸ軸方向、微小勾配磁石の着磁方向をＸ軸方向、高周波磁場軸をＺ軸方向とすると、前記圧電素子は、切り出し方向がＺ−ｃｕｔの圧電素子、すなわち圧電効果により縦波モードで振動する応力を発生可能とする素子であり、かつ、圧電素子に加わる応力で発生する縦弾性波が圧電素子内で定在波となるような長さに設定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００３８】
本発明のＭＲＦＭ装置によれば、
静磁場と、圧電素子に取り付けられた微小勾配磁石が作る勾配磁場と、該静磁場と勾配磁場の合成磁場に直交する高周波磁場とが印加された空間に置かれた試料に発生する磁気共鳴力を検出する磁気共鳴力顕微鏡であって、
前記圧電素子に加わる力の変動から、前記磁気共鳴力を検出するようにしたので、
微小勾配磁石を搭載した走査型ＭＲＦＭ装置において、微小勾配磁石と、高速に歳差運動するスピン磁化の横成分との間に発生する磁気共鳴力が観測可能なＭＲＦＭ装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００４０】
図２は、本発明にかかる走査型ＭＲＦＭ装置の一実施例である。磁気共鳴力技術を用い、微小勾配磁石１と走査ステージに載った検体７に含まれるスピンの横磁化との間に高速に運動する磁気共鳴力を発生させ、微小勾配磁石１と機械接触のある圧電素子３によって磁気共鳴力が電気信号に変換される。電気信号の増幅・位相検波の手法は、従来のソレノイド型ＭＲＩの手法と同じである。点線内は、測定系を意味し、通常、真空チャンバーの中に設置される。以下に各構成要素の具体例を説明する。
【００４１】
１：微小勾配磁石。微小勾配磁石１は、永久磁石から成る。着磁方向はｘ軸方向とする。微小勾配磁石１は、検体７の位置に磁場勾配のある静磁場を発生させること、および、検体７に含まれる対象スピンとの間に磁気共鳴力を発生させ、応力を圧電素子３に伝える役割を担う。図３に球状の微小勾配磁石が発生する磁場分布（ｙ＝０のＺＸ面）の計算例を示す。Ｘ方向の磁場成分（Ｂx）を上に、Ｚ方向の磁場成分（Ｂz）を下に描いた。微小勾配磁石の位置を座標（０，−０．５，０）とした。位置のスケールおよび磁場のスケールは任意単位であり、微小勾配磁石の直径は、単位スケール１より十分小さいものとした。計算から、Ｘ＝０近傍において、Ｂx、ｄＢx／ｄｚ、および、ｄＢｚ／ｄｘが有限であり、Ｂz、ｄＢx／ｄｘ、および、ｄＢz／ｄｚはゼロであることが分かる。
【００４２】
２．共鳴磁場局面。微小勾配磁石１が発生する等磁場局面を示す。高周波コイル８が発生する高周波周波数をｆとすると、磁場強度ＢがＢres＝２πｆ／γに等しい値を示す位置を指す。
【００４３】
３．圧電素子。圧電素子３は、微小勾配磁石１から与えられたせん断応力を電圧信号に変換できるようにする。このため、圧電素子３の切り出し方向をＸ−ｃｕｔ（圧電効果によって横波モードで振動するせん断応力を発生可能とするようなｃｕｔ）にする。また、せん断応力で発生する横波弾性波が圧電素子３内で定在波となるように、圧電素子３の長さｌを、ｌ0〈＝（１／２ｆ）√（ρ／ｃ44）〉、もしくはｌ0の整数倍にする。ここで、ρは圧電素子３の重量密度、ｃ44は横波の弾性定数を意味する。電圧信号は、電極４および電極４に接続された同軸ケーブル６を通して、インピーダンス変換器１０に送信される。また、圧電素子には、微小勾配磁石１や圧電素子ホルダー５が接着される。
【００４４】
４．電極。圧電素子３の両端に蒸着された電極を示す。
【００４５】
５．圧電素子固定ホルダー。微小勾配磁石１が付着した圧電素子３を固定するホルダー。
【００４６】
６．同軸ケーブル。圧電素子３に発生した電圧信号を、インピーダンス変換器９に送信する。２枚の電極４のうち、１枚を同軸ケーブル６の内導体に、もう１枚を同軸ケーブル６の外導体に接続する。
【００４７】
７．検体。
【００４８】
８．高周波磁場発生装置。検体７の位置に一様な高周波磁場（磁場方向はＸ軸に垂直）を発生する役割を担う。図２は、高周波コイルを用いた場合を示し、Ｚ軸方向に高周波磁場を発生する例を描く。また、マイクロストリップラインなどから成る共振器を用い、高周波磁場を発生させても構わない。
【００４９】
９．３次元走査ステージ。微小勾配磁石１に対して、相対的に検体７の位置を走査させる役割を担う。
【００５０】
１０：インピーダンス変換器。２つの電極４間に発生するインピーダンス（主に圧電素子３のキャパシタンス）と増幅器１１の入力インピーダンスを整合させる役割を担う。
【００５１】
１１：増幅器。低ノイズ前置増幅器とバッファー増幅器から成る。圧電素子で発生した小さな電圧信号を増幅し、位相検波装置１２に送信する役割を担う。
【００５２】
１２：位相検波装置。圧電素子３で発生した信号の中から周波数ｆの成分を位相検波する役割を担う。
【００５３】
１３：高周波発振器。周波数ｆの高周波信号を発振する。
【００５４】
１４：パルス発生器。高周波発振器１３から発生された定常的な高周波に、パルス変調を与えるためのパルス信号を発生させる。
【００５５】
１５：パルススイッチ。高周波発振器１３から発生された定常的な高周波に、パルス発生器１４から発生されたパルス信号に応じて、パルス変調を加える。
【００５６】
１６：高周波増幅器。高周波発振器１３からの信号を増幅し、高周波コイル８に送信する。
【００５７】
１７：低周波増幅器。位相検波装置１２の出力から高調波成分をカットし、低周波成分のみを増幅する。
【００５８】
１８：Ａ／Ｄ変換器。位相検波装置１２によって検波されたアナログ信号を、デジタル変換し、ＰＣ２０に送信する。
【００５９】
１９：ステージコントローラー。３次元走査ステージ９を走査するため、供給電圧をコントロールする。
【００６０】
２０：ＰＣ。位相検波された信号強度の記録、および、パルス発生器１４やステージコントローラー１９のリモート制御を行なう。
【００６１】
尚、微小勾配磁石１のみで、検体７の位置に高周波周波数ｆに対する共鳴磁場強度Ｂres＝２πｆ／γが発生できない場合、バイアス磁場発生装置（Ｂ//Ｘ軸）を設置する必要がある。また、機器１０から１９は、共通のアース端子に接続される。
【００６２】
さて、以上のような走査型ＭＲＦＭ装置は、以下のように動作する。
【００６３】
１．微小勾配磁石１が発生する静磁場によって、検体７に含まれるスピンは、Ｘ方向に磁化される。
【００６４】
２．高周波磁場発生装置８を用いて、パルス状に高周波磁場（強度Ｂ1、周波数ｆ）を発生させる。このとき、パルス時間間隔τをγＢ1τ＝π／２を満たすように設定する。その結果、高周波磁場照射後、共鳴磁場領域２と検体７が交差する部位のスピン磁化Ｍは、Ｍ⊥Ｘ軸となり、Ｘ軸の周りを周波数ｆで歳差運動する。説明を簡略化する目的で、以下の２点を仮定する。
【００６５】
・微小勾配磁石１の形状が、Ｚ軸に対して軸対称である。
【００６６】
・検体７は十分小さく、また、微小勾配磁石１を通るＺ軸上に存在するとする。
【００６７】
このとき、検体７と微小勾配磁石１との間に、磁気共鳴力Ｆx＝δＭz（ｄＢx／ｄｚ）が働く。ここで歳差運動するＭのＺ成分をδＭzとする。
【００６８】
３．微小勾配磁石１に発生した磁気共鳴力Ｆxは、微小勾配磁石１と機械接触のある圧電素子３に、せん断応力σxy＝Ｆx／Ｓとして作用する。ここでＳは圧電素子３の断面積を表わす。この作用によって、圧電素子３にＸ軸方向の歪δxが発生する。そして歪δxは、圧電素子３の圧電効果により、電場Ｅ＝ｅ13／δx（ε＋ε0）を発生させ、電極間に電位差Ｖ＝Ｅ1が発生する。ここでｅ13は圧電定数、ε0は真空誘電率、εは圧電素子の誘電率を示す。結局、圧電素子３の圧電効果を利用し、磁気共鳴力Ｆxに従って、電極間に電位差Ｖ＝｛ｅ13／ｃ44（ε＋ε0）｝（ｌ／Ｓ）Ｆxが発生する。
【００６９】
４．信号電圧Ｖは、前置増幅器１１において増幅され、位相検波装置１２で周波数ｆの成分が検波される。
【００７０】
５．３次元走査ステージ９を３次元走査し、１から４の工程を検体７の各位置で繰り返すことによって、３次元磁気共鳴力マップを得る。
【００７１】
圧電素子としてＬｉＮｂＯ3を用いたと仮定する。下表にＬｉＮｂＯ3の物性変数を示す。
【００７２】
【表１】
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圧電素子の長さｌを４２．０μｍ、幅ｗを１０μｍ、厚さｔを１０μｍとする。このとき、圧電素子の基準振動数は４２．６ＭＨｚとなり、電極間に発生すると期待される電位差Ｖは、Ｖ＝９．８３×１０4（Ｖ／Ｎ）×Ｆxとなる。
【００７３】
例えば、1Ｈ核（核スピン数Ｉ＝１／２）を、磁場勾配Ｇ＝１００００Ｔ／ｍを発生する微小勾配磁石で観測したと仮定する。静磁場強度Ｂ＝１Ｔ、温度Ｔ＝３００Ｋの環境で、核スピン数１０10個に対してＦx＝４．８×１０-18Ｎの磁気共鳴力が期待される。このとき発生する電位差Ｖは４．７２×１０-13Ｖとなる。
【００７４】
また、熱ノイズについて記述する。圧電素子のバネ定数ｋは、ｋ＝０．２５８×ｃ44×ｗ×ｔ3／ｌ3＝２．０７×１０3Ｎ／ｍ、総質量ｍは、ｍ＝ρｌｗｔ＝１９．５ｎｇ、横振動固有振動数ｆcは、ｆc＝（１／２π）×√（ｋ／ｍ）＝１．６４ＭＨｚと計算される。このとき、圧電素子の熱振動によって発生するノイズ力Ｆ（ｆ）は、Ｆ（ｆ）＝Ｆth×（ｆc／ｆ）2として与えられる。ここでＦth＝√（４ｋｋBＴＢ／２πｆcＱ）である。Ｂは観測バンド幅である。Ｑ＝１０００とすると、ｆ＝４２．６ＭＨｚ、Ｆth／√Ｂ＝３．３３×１０-15Ｎより、Ｆ（ｆ）／√Ｂ＝４．９４×１０-18Ｎ、熱ノイズ電圧スペクトル密度は４．８５×１０-13Ｖ／√Ｈzとなる。
【実施例２】
【００７５】
実施例１では、微小勾配磁石１をＸ方向に着磁する例を示した。同様に、微小勾配磁石１をＺ方向に着磁する例も考えられる。この実施例を以下に記述する。
【００７６】
まず、構成要素は、微小勾配磁石１と高周波磁場発生装置８を除いて、実施例１と同じである。そこで、以下に微小勾配磁石１と高周波磁場発生装置８のみを説明する。
【００７７】
１：微小勾配磁石。微小勾配磁石１は、永久磁石から成る。着磁方向は、Ｚ軸方向とする。微小勾配磁石１は、検体７の位置に磁場勾配のある静磁場を発生させること、及び、検体７に含まれる対象スピンとの間に磁気共鳴力を発生させ、応力を圧電素子３に伝える役割を担う。図５に、球状の微小勾配磁石１が発生する磁場分布（ｙ＝０のＺＸ面）の計算例を示す。Ｘ方向の磁場成分Ｂxを上に、Ｚ方向の磁場成分Ｂzを下に描いた。微小勾配磁石１の位置を座標（０、−０．５、０）とした。位置のスケールおよび磁場のスケールは任意単位であり、微小勾配磁石の直径は、スケール１より十分小さいものとした。Ｘ＝０近傍において、Ｂz、ｄＢx／ｄｘ、および、ｄＢz／ｄｚが有限であり、Ｂx、ｄＢx／ｄｚ、および、ｄＢz／ｄｘはゼロである。
【００７８】
８：高周波磁場発生装置。検体７の位置に一様な高周波磁場（磁場方向はＺ軸に垂直）を発生する役割を担う。図４には、高周波コイルを用いた場合が描かれ、Ｘ軸方向に高周波磁場を発生している。また、マイクロストリップラインなどから成る共振器を用い、高周波磁場を発生させても構わない。
【００７９】
次に、動作は、実施例１で記述した動作１から５の工程の中で、３から５の工程は同じである。そこで、以下では、工程１と２のみを記述する。
【００８０】
１．微小勾配磁石１が発生する静磁場によって、検体７に含まれるスピンは、Ｚ方向に磁化される。
【００８１】
２．高周波磁場発生装置８を用いて、パルス状に高周波磁場（強度Ｂ1、周波数ｆ）を発生させる。このとき、パルス時間間隔τをγＢ1τ＝π／２を満たすように設定する。その結果、高周波磁場照射後、共鳴磁場領域２と検体７が交差する部位のスピン磁化Ｍは、Ｍ⊥Ｚ軸となり、Ｚ軸の周りを周波数ｆで歳差運動する。説明を簡略化する目的で、以下の２点を仮定する。
【００８２】
・微小勾配磁石１の形状が、Ｚ軸に対して軸対称である。
【００８３】
・検体７は十分小さく、また、微小勾配磁石１を通るＺ軸上に存在するとする。
【００８４】
このとき、検体７と微小勾配磁石１との間に、磁気共鳴力Ｆx＝δＭx（ｄＢx／ｄｘ）が働く。ここで歳差運動するＭのＸ成分をδＭxとする。
【実施例３】
【００８５】
実施例１では、磁気共鳴力が圧電素子に横弾性波を発生させ、電圧信号に変換される例を示した。同様に、磁気共鳴力が圧電素子に縦弾性波を発生させ、電圧信号に変換される例も考えられる。この実施例を記述する。
【００８６】
ＭＲＦＭ装置の構成を図６に示す。点線内は、測定系を意味し、通常、真空チャンバーの中に設置される。点線外は、図２の点線領域外と同じであるため、それらと異なる部位についてのみ、図６に示した。また、以下の各構成要素の説明も、実施例１で説明した項目と異なる部位についてのみ、説明を加える。
【００８７】
３．圧電素子。圧電素子３は、微小勾配磁石１から与えられた応力を電圧信号に変換できるようにする。このため、圧電素子３の切り出し方向をＺ−ｃｕｔ（圧電効果によって縦波モードで振動する応力を発生可能とするようなｃｕｔ）にする。また、応力で発生する縦波弾性波が圧電素子３内で定在波となるように、圧電素子３の長さｌを、ｌ0〈＝（１／２ｆ）√（ρ／ｃ33）〉、もしくはｌ0の整数倍にする。ここで、ρは圧電素子３の重量密度、ｃ33は縦波の弾性定数を意味する。電圧信号は、電極４および電極４に接続された同軸ケーブル６を通して、インピーダンス変換器１０に送信される。また、圧電素子には、微小勾配磁石１や圧電素子ホルダー５が接着される。
【００８８】
次に、動作は、実施例１で記述した動作１から５の工程の中で、３以外の工程は同じである。そこで、以下では、工程３のみを記述する。
【００８９】
３．微小勾配磁石１に発生した磁気共鳴力Ｆxは、微小勾配磁石１と機械接触のある圧電素子３に、応力σxx＝Ｆx／Ｓとして作用する。ここでＳは圧電素子３の断面積を表わす。この作用によって、圧電素子３にＸ軸方向の歪δxが発生する。そして歪δxは、圧電素子３の圧電効果により、電場Ｅ＝ｅ33／δx（ε＋ε0）を発生させ、電極間に電位差Ｖ＝Ｅ1が発生する。ここでｅ33は圧電定数、ε0は真空誘電率、εは圧電素子の誘電率を示す。結局、圧電素子３の圧電効果を利用し、磁気共鳴力Ｆxに従って、電極間に電位差Ｖ＝｛ｅ33／ｃ33（ε＋ε0）｝（ｌ／Ｓ）Ｆxが発生する。
【００９０】
圧電素子としてＬｉＮｂＯ3を用いたと仮定する。下表にＬｉＮｂＯ3の物性変数を示す。
【００９１】
【表２】
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圧電素子の長さｌ0を８３．５μｍ、断面積Ｓを１０μｍ×１０μｍとする。このとき、圧電素子の基準振動数は４２．６ＭＨｚとなり、電極間に発生すると期待される電位差Ｖは、Ｖ＝８．１２×１０3（Ｖ／Ｎ）×Ｆxとなる。
【００９２】
例えば、1Ｈ核（核スピン数Ｉ＝１／２）を、磁場勾配Ｇ＝１００００Ｔ／ｍを発生する微小勾配磁石で観測したと仮定する。静磁場強度Ｂ＝１Ｔ、温度Ｔ＝３００Ｋの環境で、核スピン数１０10個に対してＦx＝４．８×１０-18Ｎの磁気共鳴力が期待される。このとき発生する電位差Ｖは３．９０×１０-14Ｖとなる。
【００９３】
また、熱ノイズについて記述する。圧電素子のバネ定数ｋは、ｋ＝０．２５８×ｃ33×ｗ×ｔ3／ｌ3＝１．０４×１０3Ｎ／ｍ、総質量ｍは、ｍ＝ρｌｗｔ＝３８．７ｎｇ、横振動固有振動数ｆcは、ｆc＝（１／２π）×√（ｋ／ｍ）＝０．８２５ＭＨｚと計算される。このとき、圧電素子の熱振動によって発生するノイズ力Ｆ（ｆ）は、Ｆ（ｆ）＝Ｆth×（ｆc／ｆ）2として与えられる。ここでＦth＝√（４ｋｋBＴＢ／２πｆcＱ）である。Ｂは観測バンド幅である。Ｑ＝１０００とすると、ｆ＝４２．６ＭＨｚ、Ｆth／√Ｂ＝３．３３×１０-15Ｎより、Ｆ（ｆ）／√Ｂ＝１．２５×１０-18Ｎ、熱ノイズ電圧スペクトル密度は１．０１×１０-14Ｖ／√Ｈzとなる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
ＭＲＦＭ装置に広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】従来のＭＲＦＭ装置を示す図である。
【図２】本発明にかかるＭＲＦＭ装置の一実施例を示す図である。
【図３】球状微小勾配磁石が発生する磁場分布の計算例を示す図である。
【図４】本発明にかかるＭＲＦＭ装置の別の実施例を示す図である。
【図５】球状微小勾配磁石が発生する磁場分布の別の計算例を示す図である。
【図６】本発明にかかるＭＲＦＭ装置の別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００９６】
１：微小勾配磁石、２：共鳴磁場曲面、３：圧電素子、４：電極、５：圧電素子固定ホルダー、６：同軸ケーブル、７：検体、８：高周波磁場発生装置、９：３次元走査ステージ、１０：インピーダンス変換器、１１：増幅器、１２：位相検波装置、１３：高周波発振器、１４：パルス発生器、１５：パルススイッチ、１６：高周波増幅器、１７：低周波増幅器、１８：Ａ／Ｄ変換器、１９：ステージコントローラー、２０：パソコン（ＰＣ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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