(57)【要約】【課題】磁界センサヘッドに周波数選択特性を持たせることによって、選択的周波数成分を検出できる高周波磁界測定装置を実現する。【解決手段】ファラデー効果を用いた高周波磁界センサヘッドには高周波磁界に対して周波数選択特性を示し、さらに、その静磁界あるいは準静磁界依存性を持つものがある。このような磁気光学結晶の示すファラデー効果を用いて磁界強度を計測するようにした測定装置で、高周波磁界中に設置された磁気光学結晶と、それに照射した光の偏光面の回転角度を観測する偏光観測手段と、磁気結晶の周波数選択性を変化することのできる直流あるいは低周波補助磁界を印加するための補助磁界発生手段と、偏光観測手段の出力を補助磁界の強度あるいは方向の関数として表示する表示手段と、を備えるようにする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気光学結晶の示す磁気カー効果あるいはファラデー効果を用いて磁界強度を計測する測定装置であって、
高周波磁界中に設置された磁気光学結晶と、
前記磁気結晶に照射した光の偏光面の回転角度を計測する偏光計測手段と、
前記磁気結晶の周波数選択性を変化することのできる直流あるいは低周波補助磁界を印加するための補助磁界発生手段と、
前記の偏光計測手段の出力を補助磁界の強度の関数として表示する表示手段と、
を備えることを特徴とする高周波磁界測定装置。
【請求項２】
上記の補助磁界は、独立した複数の永久磁石あるいは電磁石で発生し、少なくともひとつの前記した永久磁石あるいは電磁石は、前記磁気結晶の光の照射点の磁界を変化させる補助磁界調整手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の高周波磁界測定装置。
【請求項３】
上記の磁気光学結晶は、光ファイバーを用いた光路の先端に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波磁界測定装置。
【請求項４】
上記の磁気光学結晶は測定試料の表面に分布して設けられ、分布した磁気光学結晶の少なくとも一部に偏光計測手段からの光を照射して測定位置を選択する測定位置調整手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の高周波磁界測定装置。
【請求項５】
磁気光学結晶の示す磁気カー効果あるいはファラデー効果を用いて磁界強度を計測する測定装置であって、
高周波磁界中に設置された磁気光学結晶と、
前記磁気結晶に照射した光の偏光面の回転角度を計測する偏光計測手段と、
前記磁気結晶の周波数選択性を変化することのできる直流あるいは低周波補助磁界を印加するための補助磁界発生手段と、
直流あるいは低周波補助磁界の印加方向を固定して、偏光計測を面状に行なう偏光計測手段と、
前記の偏光計測手段の計測結果を２次元のデータとして、表示する表示手段、記憶する記憶手段、あるいは伝送する伝送手段と、
を、備えることを特徴とする高周波磁界測定装置。
【請求項６】
磁気光学結晶の示す磁気カー効果あるいはファラデー効果を用いて磁界強度を計測する測定装置であって、
高周波磁界中に設置された磁気光学結晶と、
前記磁気結晶に照射した光の偏光面の回転角度を計測する偏光計測手段と、
前記磁気結晶の周波数選択性を変化することのできる直流あるいは低周波補助磁界を印加するための補助磁界発生手段と、
直流あるいは低周波補助磁界の印加方向を予め決められた複数の方向に変えて、偏光計測を面状に行なう偏光計測手段と、
前記の偏光計測手段の計測結果を２次元のデータとして、表示する表示手段、記憶する記憶手段、あるいは伝送する伝送手段と、
を、備えることを特徴とする高周波磁界測定装置。
【請求項７】
上記の偏光計測手段は、複数の点に偏光計測手段からの光を照射して、上記の磁気結晶に照射した複数の点の光の偏光面の回転角度を計測する偏光計測手段であって、
上記の磁気光学結晶は測定試料の表面に分布して設けられ、分布した磁気光学結晶の複数の点に偏光計測手段からの光を照射して、前記の偏光計測手段の複数の点についての出力を補助磁界の強度あるいは方向の関数として表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の高周波磁界測定装置。
【請求項８】
上記の磁気光学結晶は測定試料の表面に分布して設けられ、分布した磁気光学結晶の一部に偏光計測手段からの光を照射して、測定位置を選択する測定位置調整手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の高周波磁界測定装置。
【請求項９】
上記の補助磁界発生手段は、周期的に変動する補助磁界を含んだ磁界を発生する同期検波用補助磁界発生手段であり、補助磁界の変動周期に同期して前記の偏光計測手段の出力を同期検波して出力することを特徴とする請求項１の高周波磁界測定装置。
【請求項１０】
磁気光学結晶は磁性ガーネット材料であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の高周波磁界測定装置。
【請求項１１】
Ｃを、Y(イットリウム)、Bi(ビスマス)、Lu(ルテチウム)、Ga(ガドリニウム)、Sm(サマリウム)、Yb(イッテルビウム)、Eu(ユーロピウム)、あるいはPr(プラセオジム)などの希土類元素を単数あるいは複数の元素を含む要素とし、
AおよびDはそれぞれ、鉄、Ga(ガリウム)、Al(アルミニウム)、あるいはGe(ゲルマニウム)などの金属元素を単数あるいは複数の元素を含む要素とし、
Oを酸素とするとき、
磁気光学結晶は、Ｃ3Ａ2Ｄ3Ｏ12、なる組成式をもつことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の高周波磁界測定装置。
【請求項１２】
上記の補助磁界の強度は、磁気光学結晶の磁化の飽和磁界を越える強度であることを特長とする請求項１から１１のいずれかに記載の高周波磁界測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁界強度測定装置であって、特に、磁界センサヘッドに周波数選択特性を持たせることによって、選択的に周波数成分を検出できる高周波磁界測定装置および選択的に高周波磁界の方向成分を検出できる高周波磁界測定装置に関している。
【背景技術】
【０００２】
高周波電磁界の発生源の近傍では、電磁波は高次の多極子による放射が減衰していないこともあって、複雑な電界分布や磁界分布をしていることが知られている。また、測定対象（波源）のごく近傍では波動インピーダンスが一定値ではないため、電界測定からのみでは磁界分布を得ることができない。また、このため、高周波磁界分布を測定することが求められている。
【０００３】
図４は、非特許文献１に記載された磁気光学プローブの光学素子の構成を示す図である。この磁気光学プローブでは、測定しようとする磁界中に置かれたＢｉ−ＹＩＧの磁気光学（ＭＯ）結晶にレーザ光を照射して、ファラデー効果を受けた光を反射光として計測するものである。また、この非特許文献１には、図５（ａ）の配置で、高周波磁界に対する応答の周波数特性が記載されてこれを図５（ｂ）に示す。また、図５（ｂ）には、磁気光学結晶上のレーザ光スポットの位置に永久磁石からの静磁界を加えた場合の周波数特性も記載されている。このように静磁界を用いると磁気光学プローブの出力は低下するが、出力が一定な周波数帯域幅が拡張されることがわかる。
【０００４】
また、特許文献１には、図６に示すような、磁気光学結晶のファラデー効果を利用した微小な磁界検出素子が記載されている。ここには、結晶の配置を変えて特定の方向の磁界成分を検出する装置が記載されている。
【０００５】
従来の装置を用いて高周波磁界の周波数解析を行う場合には、検出した信号を、スペクトラムアナライザを用いて解析する必要があり、装置が複雑で高価になるという欠点があった。また、高周波磁界成分の３次元解析を行なう場合には、それぞれの方向の磁界成分を検出する必要があり、そのためには磁気光学結晶を用いたセンサヘッドのついた磁界プローブを機械的に回転させてその方向を変えるか、方位の異なる磁気光学結晶を用いた磁界プローブを用いる必要があり、装置の複雑化、さらには測定時間の増加という欠点があった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３１５６９７号公報
【非特許文献１】池亀「磁気光学プローブによる磁気ヘッドの高周波電流波形の計測」、IDEMA  Japan News No.53 pp.1-6, 合同分科会（2002.11）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高周波磁界の測定解析を行う場合には、スペクトラムアナライザを用いて検出した磁界信号から特定の周波数成分を拾い出す操作が必要になるが、装置が複雑で高価になる欠点があった。
【０００８】
また方位の異なる磁界成分を測定するためには、磁気光学結晶を含むプローブの方向を機械的に回転させるか、方位の異なる磁気光学結晶を有する別のプローブを用いる必要があり、装置が複雑になるうえ測定に時間を要する欠点があった。
【発明の効果】
【０００９】
従来の磁気光学結晶を用いた磁界強度測定装置では高周波磁界のスペクトル分布を求める場合に、スペクトラムアナライザを用いる必要があるが、本発明によれば、スペクトラムアナライザを用いずに、特定の周波数成分を選択的に検出することが可能になり、装置の構成が単純になる。また、従来の装置では、プローブの機械的な回転もしくは別のプローブヘの交換が必要であったが、本発明によれば、外部磁界の方向を電気的に制御するだけで検出方位の変更が可能になり、短時間での測定が実現できる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この出願の発明者が発見したところに依れば、磁気光学結晶の磁気カー効果やファラデー効果を用いた高周波磁界測定において、高周波磁界センサヘッドの出力特性には高周波磁界の周波数選択特性に静磁界あるいは準静磁界依存性を持つものがある。例えば、図１に示す磁性ガーネット材料であるＢＬＩＧ(Bismuth-doped lutetium iron garnet：ビスマスをドープしたルテチウム鉄ガーネット)結晶では、出力特性の高周波端で鋭いピークをもつ。また、これに静磁界を加えるとそのピーク位置が磁界強度に応じて移動する、という特性がある。本発明は、この現象を用いたものであり、周波数選択特性を持ち、静磁界あるいは準静磁によって、その選択特性を自由に変えることができる高周波磁界測定装置を提案するものである。
【００１１】
したがって本発明は、静磁場あるいは準静磁場中で周波数選択性もった磁気光学結晶の示す磁気カー効果あるいはファラデー効果を用いて高周波磁界強度を計測する測定装置であって、
高周波磁界中に設置された磁気光学結晶と、
前記磁気結晶に照射した光の偏光面の回転角度を計測する偏光計測手段と、
前記磁気結晶の周波数選択性を変化することのできる直流あるいは低周波補助磁界を印加するための補助磁界発生手段と、
前記の偏光計測手段の出力を補助磁界の強度あるいは方向の関数として表示する表示手段と、
を備えるものである。
【００１２】
また、上記の補助磁界は、独立した複数の永久磁石あるいは電磁石で発生し、少なくともひとつの前記した永久磁石あるいは電磁石は、前記磁気結晶の光の照射点の磁界を変化させる補助磁界調整手段を備えるものである。
【００１３】
また、上記の磁気光学結晶は、光ファイバを用いた光路の先端に固定されて磁気プローブとして用いられていてもよい。
【００１４】
また、上記の磁気光学結晶は測定試料の表面に分布して設けられ、分布した磁気光学結晶の少なくとも一部に偏光計測手段からの光を照射して、測定位置を選択する測定位置調整手段を備えるものであってもよい。
【００１５】
また、直流あるいは低周波補助磁界の印加方向を固定して、偏光計測を面状に行ない、前記の偏光計測手段の計測結果を２次元のデータとして、表示、記憶、あるいは伝送することで２次元分布の高周波磁界強度を得ることができる。
【００１６】
また、直流あるいは低周波補助磁界の印加方向を予め決められた複数の方向に変えて、偏光計測を面状に行ない、前記の偏光計測手段の計測結果を２次元のデータとして、表示、記憶、あるいは伝送することで、特定の方向に向いた直流あるいは低周波補助磁界によってマスクされることなく２次元分布の高周波磁界強度を得ることができる。
【００１７】
また、上記の磁気光学結晶は測定試料の表面に分布して設けられ、分布した磁気光学結晶の複数の点に偏光計測手段からの光を照射して、前記の偏光計測手段の複数の点についての出力を補助磁界の強度あるいは方向の関数として表示する表示手段を備えるものであってもよい。
【００１８】
また、上記の補助磁界発生手段は、周期的に変動する補助磁界を含んだ補助磁界を発生する同期検波用補助磁界発生手段であるとき、補助磁界の変動周期に同期して前記の偏光計測手段の出力を同期検波することにより、高感度の検出ができる。
【００１９】
上記の磁気光学結晶としては、ＢＬＩＧ(Bismuth-doped lutetium iron garnet：ビスマスをドープしたルテチウム鉄ガーネット)などの磁性ガーネット材料を用いることができる。
【００２０】
その他の磁気光学結晶としては、Ｃを、Y(イットリウム)、Bi(ビスマス)、Lu(ルテチウム)、Ga(ガドリニウム)、Sm(サマリウム)、Yb(イッテルビウム)、Eu(ユーロピウム)、あるいはPr(プラセオジム)などの希土類元素を単数あるいは複数の元素を含む要素とし、AおよびDはそれぞれ、鉄、Ga(ガリウム)、Al(アルミニウム)、あるいはGe(ゲルマニウム)などの金属元素を単数あるいは複数の元素を含む要素とし、Oを酸素とするとき、Ｃ3Ａ2Ｄ3Ｏ12、なる組成式をもつ磁気光学結晶を用いることができる。
【００２１】
また、上記の補助磁界の強度は、磁気光学結晶の飽和磁界を越える強度であることが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【００２３】
まず、上記のように、この出願の発明者が発見したところに依れば、磁気光学結晶のファラデー効果を用いた高周波磁界センサヘッドの出力特性には高周波磁界の周波数選択特性に静磁界あるいは準静磁界依存性を持つものがある。例えば、図１に示すＢＬＩＧ(Bismuth-doped lutetium iron garnet：ビスマスをドープしたルテチウム鉄ガーネット)結晶（１１０）では、５ｋエルステッドまでの静磁界印加例を示す様に、（１１０）面に平行に静磁界を加えるとそのピーク位置が磁界強度に応じて移動する、という特性がある。また図１から分かるように、１０ＧＨｚ以上の周波数帯に周波数選択特性を設定することができる。また、図７に示す例は、１ｋＯｅ以下の補助磁界の下での測定例であって、これは、飽和磁界以下の例である。この場合には、高周波端に選択特性が現れている。本発明は、このような現象を用いたもので、静磁界あるいは準静磁によって、その周波数選択特性を自由に変えることができる高周波磁界測定装置に関している。
【実施例１】
【００２４】
図２は、高周波磁界発生源である測定試料２に設けられた磁気光学結晶３のファラデー効果を計測して、高周波磁界のスペクトルを得る高周波磁界測定装置を示す。磁気光学結晶には、光を反射して戻すために、多層誘電体膜による反射鏡を形成している。磁気光学結晶としては、例えばＢＬＩＧである。このファラデー効果を計測するために、レーザ光源６からのパルス光あるいは連続光をガルバノスキャナ５に入力する。その途中でサーキュレータ７を用いるのは、戻った光を計測するためである。ガルバノスキャナは、よく知られているように、可動鏡を２つ用いてＸ−Ｙ平面の点を指定するためのものであり、掃引計測を行なって測定結果の２次元表示を行なことができる。ガルバノスキャナ５からの光は、収束光学系４により磁気光学結晶３に収束し、ここでファラデー効果を受けた光は、反射鏡で反射され、光路を逆にたどって収束光学系４、ガルバノスキャナ５、サーキュレータ７に至る。次に、波長板８と偏光子９とを通過させることによって、高周波磁界強度に応じて変化する戻り光の偏波の変化を計測し、光電変換器１０を用いて電気信号にして、コンピュータ１１に入力する。このコンピュータ１１では、アナログ−デジタル変換も行ない、光電変換器１０の出力をディスプレイ１２に表示するか記憶装置に記憶するか、あるいは、他の電子装置に伝送する。このコンピュータ１１は、ガルバノスキャナ５の可動鏡の設定と、測定試料２に静磁界あるいは低周波の準静磁界を外部磁界制御器１３の設定とを行なう。磁界の強度を変えることによって、図１の出力特性の、ピークの周波数位置を変えことができる。従って、静磁界の強度をスキャンすることで、スペクトル分布の測定を行なうことができる。
【００２５】
また、磁界の方向は、任意に設定することができるので、高周波磁界の検出方向を設定することができる。図２では、外部磁界発生器として３つのコイルを用いているが、この数に限る必然性は無く、複数のコイルを測定に応じて調整した位置に設定することによって、方位依存性を取得できる事は明らかである。また、外部磁界発生器は、永久磁石を用いたものでも、磁界強度が可変なものが知られており、そのようなものを用いても何ら問題ないことは明らかである。
【００２６】
磁気光学結晶の、上記の他の材料としては、Ｃを、Y(イットリウム)、Bi(ビスマス)、Lu(ルテチウム)、Ga(ガドリニウム)、Sm(サマリウム)、Yb(イッテルビウム)、Eu(ユーロピウム)、あるいはPr(プラセオジム)などの希土類元素を単数あるいは複数の元素を含む要素とし、AおよびDはそれぞれ、鉄、Ga(ガリウム)、Al(アルミニウム)、あるいはGe(ゲルマニウム)などの金属元素を単数あるいは複数の元素を含む要素とし、Oを酸素とするとき、Ｃ3Ａ2Ｄ3Ｏ12、なる組成式をもつものでもよい。因みに、上記の実施例で用いたＢＬＩＧの組成式は、(BiLu) 3(FeGa)5O12、であり、AとDとが等しくFeGaである場合である。
【００２７】
磁気光学結晶の厚さは、上記の材料と磁気光学効果の検出に用いる光の波長の光損失と必要な感度との兼ね合いにより適宜決定される。通常は、結晶での光損失などの制限から、１から２０ミクロン程度の厚さであるが、使用する光波長での光損失が小さければ、それ以上の厚さでも構わない。また、飽和磁界以上の補助磁界を用いる場合には、結晶方位依存性が小さくなるので、多結晶膜あるいは微小な磁気光学結晶を分散させた塗布膜などでも用いることができる。
【００２８】
図８（a）、（ｂ）はそれぞれ、図２の測定系での測定で、集積回路上のストリップラインに磁気光学結晶膜を設け、ストリップラインに直交あるいは並行するように静磁界を印加して、計測位置について掃引計測を行なって得たデータを画像化した図である。点線で示したストリップ線に高周波電流が流れている。図８（a）、（ｂ）ではそれぞれ、ストリップラインの側面あるいは上面で高周波磁界強度が大きい。図８（ｂ）の配置の場合には、図８（a）よりも大きな磁気光学効果が得られるので、より低感度のレンジで計測している。このため、図８（ｂ）では、ストリップラインの側の高周波磁界強度は、相対的に弱く表示されている。このように、印加する静磁界の方向を選択することによって、測定する磁界の方向を選択できることが分かる。つまり、静磁界の方向を固定して高周波磁界の測定を面状に掃引して行なうことで、特定の磁界成分をマスクした２次元分布測定を行なうことが出来る。また、逆に、特定の磁界成分をマスクすることなく高周波磁界強度分布を得ようとする場合には、面状に掃引して行なう高周波磁界測定を、複数の静磁界方向で行なうことが望ましい。この際、掃引の途中で静磁界の方向を変えても、また、それぞれの方向の静磁界について面状に掃引して行なう高周波磁界測定を行なってもよいことは明らかである。
【実施例２】
【００２９】
図３は、磁気光学結晶を用いた磁界センサヘッド１５を光ファイバ光路の先端に設置して、その位置をＸ−Ｙステージ１４で自由に設定した高周波磁界測定装置を示す図である。測定の際には、磁界センサヘッド１５は、測定試料２に接近して設ける事が多い。このように磁界センサヘッド１５を用いる利点は、位置の違いによる反射率依存性や磁気光学結晶の状態の位置依存性がないことである。また、３次元の掃引計測を行なうことによって、３次元分布を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
上記の高周波磁界測定装置で、周期的に変動する補助磁界を含んだ磁界を発生するようにする。これには、外部磁界発生器用のコイルに磁界をスキャンする電流成分に加えて、周期的に変動する補助磁界を発生させるための周期的な電流を流す。この結果光電変換器から、変動する出力が得られるので、この出力を、補助磁界を発生させるための周期的な電流と同期検波する。この同期検波によって、高感度の高周波磁界測定を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の原理である高周波磁界センサヘッドの静磁界強度依存性を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す図である。
【図４】非特許文献１に記載された磁気光学プローブの光学素子の構成を示す図である。
【図５】非特許文献１に記載された磁気光学プローブの静磁界を加えた場合の周波数特性を示す図である。
【図６】特許文献１に記載された磁界検出素子の構造を示す図である。
【図７】本発明の原理である高周波磁界センサヘッドの飽和磁界強度以下の静磁界強度依存性を示す図である。
【図８】高周波電流方向に対する静磁界方向を変えて、測定する磁界の方向を選択する例を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１a、１ｂ、１ｃ  外部磁界発生器
２  測定試料
３  磁気光学結晶
４  収束光学系
５  ガルバノスキャナ
６  レーザ光源
７  サーキュレータ
８  波長板
９  偏光子
１０  光電変換器
１１  コンピュータ
１２  ディスプレイ
１３  外部磁界制御器
１４  Ｘ−Ｙステージ
１５  磁界センサヘッド
【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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【図７】
2007225340.tif 000009
【図８】
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