(57)【要約】【課題】漏洩磁界を高感度で検出できる磁気検出装置を提供する。【解決手段】光源２０からの光を直線偏光として出射する偏光子３０、検出対象物１００の磁性体１０２に漏洩磁界Ｈleakageを発生させる励磁手段６０、検出対象物の上面１０１に近接し、垂直磁化膜を備えて上方から入射した直線偏光の偏波面を回転させて上方へ出射する磁気光学素子１０、結像光学系７０を介して受光した磁気光学素子１０の受光位置５１からの出射光の光量に応じた電気信号を出力する撮像素子５０、出射光の偏波面の回転角度に応じた強度の光を透過する検光子４０を備え、偏光子と検光子の光透過軸が直交方向から電気光学素子の飽和ファラデー回転角に応じた角度だけずれ、励磁手段が、受光位置に、撮像素子の受光量が当該素子が出力する信号の上限値に対応する光量となる磁界以上で垂直磁化膜の飽和磁界以下となる上下一方向のバイアス磁界Ｈ⊥biasを印加する。【選択図】  図３
2016161350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一主面上に磁性体が存在する検出対象物からの漏洩磁界の強度を光学的に読み取るための磁気検出装置であって、
前記検出対象物の一主面側を上方とするとともに、上下方向を法線とする面上で互いに直交する方向を前後および左右方向として、
光源からの光を入射して直線偏光を出射する偏光子と、
前記検出対象物の前記一主面に対して左右いずれかの一方向に磁界を印加するように構成されて、当該磁界により前記磁性体を磁化させて漏洩磁界を発生させる励磁手段と、
ファラデー効果を有する磁気光学物質からなる磁気光学膜の下方に反射膜が積層されて、前記直線偏光を上方から入射して上方へ出射する磁気光学素子と、
前記磁気光学素子の所定の位置を受光位置として、当該受光位置からの出射光を受光して電気信号に変換する受光素子を備えた撮像素子と、
前記出射光を前記受光素子に結像させる結像光学系と、
前記出射光が前記受光素子に結像するまでの光路上に介在する検光子と、
を備え、
前記磁気光学素子は、前記磁気光学膜として膜面法線方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜を備えるとともに、前記検出対象物の上面に近接しつつ対面して配置されて前記漏洩磁界により前記入射した直線偏光の偏波面を回転させて出射し、
前記偏光子と前記検光子は、互いの光透過軸が直交方向から前記磁気光学素子の飽和ファラデー回転角に応じた角度だけずれるように配置され、
前記励磁手段による磁界強度の分布は、前記受光位置に対して左右非対称であり、当該受光位置では上下いずれか一方向の磁界成分がバイアス磁界として前記磁気光学素子に印加され、
前記バイアス磁界の大きさは、前記撮像素子によって受光される前記出射光の光量が当該撮像素子によって出力される信号の上限値に対応する光量となるときの磁界の大きさ以上であるとともに、前記磁気光学膜が磁気飽和する磁界の大きさ以下である、
ことを特徴とする磁気検出装置。
【請求項２】
請求項１において、前記励磁手段は、前記受光素子による前記受光位置に対して左右対象に配置されてなる同一の二つの永久磁石からなり、当該二つの磁石は、磁極が互いに交差するように磁化されていることを特徴とする磁気検出装置。
【請求項３】
請求項２において、前記二つの磁石は、磁極が互いに直交するように磁化されていることを特徴とする磁気検出装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は物質の磁気特性を光学的に読み取る磁気検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質の磁気特性を利用した検査装置としては、鋼板や鋼管などの磁性材料の表面に生じた欠陥部分を検出する磁気探傷装置、あるいは磁気情報が記録された媒体を検査する磁気検査装置などがある。これらの装置（以下、磁気検出装置とも言う）は永久磁石や電磁石を用いて磁気の検出対象物における磁性体を励磁させて漏洩磁界を発生させるとともに、その漏洩磁界の空間的な変化を磁気抵抗素子（ＭＲ素子）やコイルなどの磁気センサを用いて検出するものがある。
【０００３】
また近年では、磁性ガーネットなどの磁気光学効果（以下、ファラデー効果とも言う）を有する物質（以下、磁気光学物質とも言う）からなる薄膜（以下、磁気光学膜とも言う）を用い、漏洩磁界の変化を光量の変化（以下、磁気画像とも言う）として検出する磁気光学式の磁気検出技術が注目されている。この磁気光学式の磁気検出技術を用いた磁気検出装置では、磁気光学膜を備えた素子（以下、磁気光学素子ともいう）と磁気画像を検出する素子（以下、撮像素子とも言う）が磁気センサとして機能することになる。そして、この種の磁気検出装置では、光量の変化を撮像素子を用いて検出することができるため、撮像素子としてフォトダイオードなどの受光素子を二次元配列してなるエリアイメージセンサ、あるいは受光素子を列方向に配置してなるリニアイメージセンサが組み込まれた既存の画像検査装置を漏洩磁界の検出用途に利用することができるとともに、空間的な漏洩磁界の変化を画像として可視化することができる。
【０００４】
図１に磁気光学式の磁気検出装置１による漏洩磁界の検出原理を示した。光源２０、互いにクロスニコルの関係にある偏光子３０と検光子４０、磁気光学素子１０、および撮像素子５０などを用いる。なお、撮像素子５０は上述したエリアイメージセンサやリニアイメージセンサに限らず、フォトダイオードなどの単一の受光素子であってもよい。
【０００５】
磁気光学素子１０は透明基板上に磁気光学膜と反射膜が順次積層された構造を有し、透明基板側から入射した光を反射膜で反射して再度透明基板側から出射するように配置されている。周知のごとく、磁気光学膜は、磁界が印加されると、膜面に入射された直線偏光の偏波面を磁界の大きさに応じた角度（ファラデー回転角ともいう）で回転させるように動作する。
【０００６】
図１に示した構成において、磁気検出対象物１００は、磁気光学素子１０の反射膜側に近接配置されており、磁気光学素子１０における磁気光学膜は、この磁気検出対象物１００からの漏洩磁界Ｈleakageが印加されると、透明基板側の面（以下、上面１１とも言う）から入射された直線偏光Ｂ１の偏波面を回転させる。さらにその偏波面が回転された直線偏光は、下面１２の反射膜で反射しさらに偏波面が回転して磁気光学素子１０の上面１１から出射する。この出射光Ｂ２が結合光学系７０を経て検光子４０に入射すると、検光子４０は偏波面のファラデー回転角度に応じた強度で光を透過させる。撮像素子５０は検光子４０を介して受光した光量に応じた電気信号を出力する。なお、一般的な磁気光学式の磁気検出装置では、検出対象物上の磁性体が磁化されていなかったり、あるいは磁化されていても経年劣化により磁界強度が低下したりした場合に対応して、磁化されていない磁性体を磁化したり、あるいは低下した磁界強度を復活させたりするための永久磁石や電磁石などからなる励磁手段を備えている。
【０００７】
上記構成の磁気光学式の磁気検出装置１では、撮像素子５０の受光素子の集積度と結像光学系７０を含めた光学的な構成により決定される視野によって検出範囲と解像度（以下、空間分解能ともいう）が決まり、磁気光学素子１０や撮像素子５０の感度によって漏洩磁界の検出範囲が決まる。例えば、撮像素子５０として周知のＣＣＤやＣＭＯＳのエリアイメージセンサを用いれば二次元上の広い検出範囲の漏洩磁界Ｈleakageを高い解像度で一括して面で検出することができる。撮像素子５０が個々の受光素子を線状に並べたリニアイメージセンサであっても、磁気検出対象物１００やリニアイメージセンサ自身を受光素子の配列方向と直交する方向に走査することで漏洩磁界を面で検出することができる。
【０００８】
なお本発明に関わる技術としては、以下の特許文献１に記載されている物体の磁気特性を検査する装置と方法（DEVICE AND METHOD FOR EXAMINING MAGNETIC CHARACTERISTICS OF OBJECTS）がある。また以下の非特許文献１は、磁気光学膜を用いた非破壊検査のシミュレーション技術（A Simulation Technique of Non-Destructive Testing using Magneto−Optical Film）について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７８２１２５９号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Huy Minh LE 、外３名、「A Simulation Technique of Non-Destructive Testing using Magneto−Optical Film」、E-Journal of Advanced Maintenance、 Vol.3,No.1(2011)、p. 25-38
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した磁気検出装置の感度は磁気光学膜の特性に依存する。そのため磁気光学膜には微弱な外部磁界に対してファラデー回転角が大きく変化する特性が求められる。磁気光学膜としてはＢｉ置換鉄ガーネット膜（以下、ガーネット膜とも言う）がよく利用され、特に液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法で作製されたガーネット膜では膜面法線方向に磁化容易軸を有して、当該法線方向に磁化する、所謂「垂直磁化膜」となる。この垂直磁化膜は感度が高いことで知られている。しかし垂直磁化膜を用いた磁気検出装置では空間分解能が制限されるという問題が指摘されている。
【００１２】
具体的には、垂直磁化膜では磁化方向が膜面法線方向を向きつつ、その磁化方向が隣接する磁区同士で互いに反対となるストライプ状の磁区構造となる。外部磁界がない場合、磁化方向が逆同士の磁区の面積比率はほぼ均等であるが、外部磁界を印加すると磁界の大きさに応じて一方の磁区幅が広がり面積比率が変化する。磁化方向の違いは明暗の違いとして現れ、光学的な解像度が磁区の幅よりも大きい場合には明暗の平均化された光量が出力されることになる。そして磁気光学式の磁気検出装置では、光学的な解像度（撮像素子の画素に結像する面積）よりも狭い漏洩磁界の変化を検出することはできないが、磁区幅が光学的な解像度より大きい場合には磁区幅によって空間分解能が制限されることがある。
【００１３】
このような課題に対し、上記特許文献1に記載の発明では、垂直磁化膜でありながら膜面平行方向に磁界を印加する手段を設けている。そして膜面平行の磁界を大きくして磁気光学膜を徐々に膜面平行方向に磁化していくと、ある大きさの磁界(コラプス磁界：Ｂ//coll）以上では周期的な磁区構造が消失するという効果を利用している。それによって磁区幅に依存していた空間分解能の制限を解消している。しかしながら当該特許文献１に記載の発明では垂直磁化膜本来の高感度特性が得られず、感度が低いという問題がある。
【００１４】
そこで本発明は、磁気検出対象物からの漏洩磁界を高感度でかつ高分解能で検出できる磁気検出装置を提供することを主な目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するための本発明は、一主面上に磁性体が存在する検出対象物からの漏洩磁界の強度を光学的に読み取るための磁気検出装置であって、
前記検出対象物の一主面側を上方とするとともに、上下方向を法線とする面上で互いに直交する方向を前後および左右方向として、
光源からの光を入射して直線偏光を出射する偏光子と、
前記検出対象物の前記一主面に対して左右いずれかの一方向に磁界を印加するように構成されて、当該磁界により前記磁性体を磁化させて漏洩磁界を発生させる励磁手段と、
ファラデー効果を有する磁気光学物質からなる磁気光学膜の下方に反射膜が積層されて、前記直線偏光を上方から入射して上方へ出射する磁気光学素子と、
前記磁気光学素子の所定の位置を受光位置として、当該受光位置からの出射光を受光して電気信号に変換する受光素子を備えた撮像素子と、
前記出射光を前記受光素子に結像させる結像光学系と、
前記出射光が前記受光素子に結像するまでの光路上に介在する検光子と、
を備え、
前記磁気光学素子は、前記磁気光学膜として膜面法線方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜を備えるとともに、前記検出対象物の上面に近接しつつ対面して配置されて前記漏洩磁界により前記入射した直線偏光の偏波面を回転させて出射し、
前記偏光子と前記検光子は、互いの光透過軸が直交方向から前記磁気光学素子の飽和ファラデー回転角に応じた角度だけずれるように配置され、
前記励磁手段による磁界強度の分布は、前記受光位置に対して左右非対称であり、当該受光位置では上下いずれか一方向の磁界成分がバイアス磁界として前記磁気光学素子に印加され、
前記バイアス磁界の大きさは、前記撮像素子によって受光される前記出射光の光量が当該撮像素子によって出力される信号の上限値に対応する光量となるときの磁界の大きさ以上であるとともに、前記磁気光学膜が磁気飽和する磁界の大きさ以下である、
ことを特徴とする磁気検出装置としている。
【００１６】
また前記励磁手段が前記受光素子による前記受光位置に対して左右対象に配置されてなる同一の二つの永久磁石からなり、当該二つの磁石が磁極が互いに交差するように磁化されている磁気検出装置とすることもできる。そして前記二つの磁石は、磁極が互いに直交するように磁化されていることとしてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る磁気検出装置によれば、磁気検出対象物からの漏洩磁界を高感度でかつ高分解能で検出することができる。なおその他の効果については以下の記載で明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】磁気光学式の磁気検出装置における磁界検出原理を説明するための図である。
【図２】磁気検出装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例および比較例に係る磁気検出装置における励磁手段の構成を示す図である。
【図４】上記実施例および比較例における励磁手段による磁界の印加状態を説明するための図である。
【図５】本発明の参考例に係る磁気検出装置と上記比較例における磁気光学特性を示す図である。
【図６】上記参考例における各次数の回折光の磁気光学特性を示す図である。
【図７】上記実施例における各次数の回折光の磁気光学特性を示す図である。
【図８】上記実施例における各次数の回折光を含んだ磁気光学特性を示す図である。
【図９】上記実施例における磁気検出性能を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。図面によっては説明に際して不要な符号を省略することもある。
【００２０】
＝＝＝垂直磁化膜について＝＝＝
本発明の実施例に係る磁気検出装置では、感度を高めるために垂直磁化膜を用いている。しかしながら垂直磁化膜では上述した磁区構造に起因して空間分解能が制限されるという問題が指摘されている。しかし垂直磁化膜の磁区幅は数μｍ〜数十μｍであり、本発明が対象とする磁気光学式の磁気検出装置に限って言えば撮像素子における1画素分の受光素子による受光領域よりも小さく、実は大きな問題にはならないことが判明した。そこで、本発明者は磁区構造に起因する磁気検出装置の他の性能劣化問題についてより詳しく検討してみたところ、垂直磁化膜を用いた磁気光学式の磁気検出装置において大きな問題となるのは、以下に述べる消光比の劣化に伴うコントラスト比の低下であることを知見した。以下に消光比の劣化問題について図１を参照しつつ説明する。
【００２１】
垂直磁化膜ではストライプ状の磁区構造が回折格子として作用し、周期的な明暗模様からなる光回折が生じる。回折光には０次光と１次光以上の高次の回折光とがあり、それぞれの次数の回折光で偏波方向が異なる。すなわち偏光子３０を介して磁気光学素子１０に入射した直線偏光Ｂ１は、偏波方向が異なる各次数の回折光が合成された光として出射する。それによって出射光Ｂ２の直線性（消光比）が劣化する。そして磁気光学式の磁気検出装置１の撮像素子５０は各次数の回折光の合成光を受光するため暗状態で充分に光量が小さくならない。撮像素子５０を構成する各受光素子は極めて微小な光量変化を捉えるように構成されていることから、暗状態で漏れてくる光であっても受光素子は受光した光量に応じて大きな値の信号を出力してしまう。そのため明状態との光量の差を大きくすることができず、コントラスト比が低下する。場合によっては受光素子が出力する最大信号値に対応する光量（以下、受光レンジとも言う）を超えてしまう。
【００２２】
＝＝＝磁気検出装置＝＝＝
本発明の実施例に係る磁気検出装置では、垂直磁化膜を用いつつ磁区構造に起因する回折によって消光比が劣化するという問題を解決するための構成を備えている。以下では実施例に係る磁気検出装置の構成を示すとともに、その実施例に係る磁気検出装置の磁気検出性能について評価する。
【００２３】
＜磁気検出装置の基本構成＞
図２は、図１に示した磁気検出装置１のより具体的な一実施形態を示す図である。図２（Ａ）は、当該磁気検出装置１の構成を示す斜視図であり、図２（Ｂ）は磁気検出装置１の構成を一方向から見たときの側面図である。また図２（Ｃ）は磁気検出装置１を構成する磁気光学素子１０の構造を示す図である。磁気検出装置１は、磁性体によって何らかの情報が記録された媒体を磁気検出対象物（以下、検出対象物１００）とし、磁性体からの漏洩磁界を検出するための構成として、磁気光学素子１０、光源２０、偏光子３０、検光子４０、リニアイメージセンサ（以下、ラインセンサ５０とも言う）、励磁手段６０、結像光学系７０を備えている。
【００２４】
ここで、検出対象物１００において磁性体による情報が記録されている面を上面１０１として上下方向を規定することとする。またラインセンサ５０の延長方向を前後方向とし、前方から見たときに光源２０が左方に配置されることとして前後、左右の各方向を規定することとする。また前後左右の方向を含む面を水平面とする。したがって図２（Ａ）は磁気検出装置１を左前上方から見たときの斜視図であり、（Ｂ）は前方から見たときの側面図（正面図）となる。
【００２５】
検出対象物１００の上方には平板状の磁気光学素子１０が対面するように近接配置されている。図２（Ｃ）に示したように、磁気光学素子１０は、透明基板１３を最上層として下方に向かって磁性ガーネット結晶などからなる磁気光学物質を薄膜状にしてなる磁気光学膜１４、誘電体ミラーなどからなる反射膜１５、保護膜１６がこの順に積層された構造を有している。
【００２６】
ラインセンサ５０は前後方向に受光素子を並べた構成である。各受光素子の受光部は下方を向いており、下方から上方に向かう光を受光してその受光強度に応じた電気信号を出力する。そして磁気検出装置１では、ラインセンサ５０において受光素子が配列されている前後方向を主走査方向とするとともに、当該主走査方向と直交する左右方向を副走査方向としている。すなわち、検出対象物１００を副走査方向に沿って移動させながら主走査方向の漏洩磁界を順次検出するように構成されている。それによって検出対象物１００上に配置されている磁気体からの漏洩磁界Ｈleakageを二次元の画像として検出できるようになっている。
【００２７】
まず磁気検出装置１における光学構成について説明する。図２（Ｂ）に示したように、この例ではラインセンサ５０に対して左方には光源２０と偏光子３０が配置されている。光源２０は、例えば、前後方向に点光源を並べた構成を有して右方に向かって光Ｂ１１を出射する。偏光子３０は、前後方向に延長しつつ左右方向を法線方向とした光の入出射面を有している。したがって偏光子３０は、光源２０から光Ｂ１１を左方から入射して直線偏光Ｂ１２を右方に向けて出射する。また、ラインセンサ５０の下方には水平面と平行な面を光の入出射面として前後方向に延長する検光子４０が配置されている。結像光学系７０は偏光子３０が右方に向けて出射した直線偏光Ｂ１２を磁気光学素子１０の上面１１に垂直に入射させるともに（Ｂ１２→Ｂ１３）、磁気光学素子１０からの反射光Ｂ１４をラインセンサ５０を構成する個々の受光素子に結像させる構成を有している。この例では、所謂「同軸落射型」の光学系を採用している。
【００２８】
同軸落射型の結像光学系７０は、ハーフミラーなどのビームスプリッタ（以下、ハーフミラー７１とも言う）とレンズアレイ７２とによって構成することができる。レンズアレイ７２は上下方向に光軸を有する微小なレンズを前後方向に並べたものである。レンズアレイ７２の下方に配置されているハーフミラー７１は、左方から右方に向かう光については下方に向けて反射し、下方から鉛直上方に向かう光についてはそのまま透過させるように配置されている。したがって、偏光子３０が出射した直線偏光Ｂ１２は、ハーフミラー７１により下方に向けて屈曲して磁気光学素子１０の上面１１に垂直に入射する。この入射光Ｂ１３は磁気光学素子１０の反射膜１５にて上方に向けて反射され、当該反射光Ｂ１４はハーフミラー７１を透過し、その透過光Ｂ１４がレンズアレイ７２を経て検光子４０に入射する。検光子４０は結合光学系７０を経て入射した反射光Ｂ１５の偏波面の方向に応じた強度の光を出射する。そしてその出射光Ｂ１６がラインセンサ５０における受光素子に結像する。
【００２９】
なお上記光学構成において、光源２０としてはレーザー発振器やＬＥＤなどを採用することができる。光源２０は点光源を前後方向に配列させた構成であってもよいし、点光源をくさび形の導光板を用いて線状に光を出射する所謂エッジライト方式の光源であってもよい。また図中では、光源２０から結像光学系７０に至る光路（Ｂ１１、Ｂ１２）の途上に介在するレンズなどついては省略している。
【００３０】
つぎに磁気検出装置１における漏洩磁界Ｈleakageの検出動作について説明する。磁気検出装置１による漏洩磁界Ｈleakageの検出原理については先に図１に基づいて説明したものと同様であるが、この例では二つの永久磁石（以下、磁石６１、６２）を用いた励磁手段６０を備え、検出対象物１００はこの励磁手段６０によって励磁されて漏洩磁界Ｈleakageを発生させる。
【００３１】
そして磁気光学素子１０の上面１１から直線偏光Ｂ１３が入射すると、磁気光学膜１４は自身に印加されている漏洩磁界Ｈleakageの垂直成分（以下、垂直漏洩磁界Ｈ⊥leakageとも言う）に応じた角度でその直線偏光Ｂ１３の偏波面を回転させる。磁気光学膜１４の下層には反射板１５が配置されているため、磁気光学膜１４は上面１１ｆからの入射光Ｂ１３に加え反射板１５からの反射光についてもその偏波面を回転させる。そして磁気光学膜１４によって偏波面が回転した直線偏光が磁気光学素子１０の上面１１から出射する。その出射光Ｂ１４はハーフミラー７１、レンズアレイ７２、および検光子４０を介してラインセンサ５０における個々の受光素子により受光される。受光素子は受光した光量に応じた電気信号を出力する。
【００３２】
＝＝＝実施例＝＝＝
次に本発明の実施例に係る磁気検出装置の構成と動作について説明する。実施例に係る磁気検出装置の構成自体は図２に示したものと同様であるが、磁気光学膜１４として垂直磁化膜を用いた磁気光学素子１０を備えるとともに、漏洩磁界Ｈleakageを発生させるための励磁手段６０、および偏光子３０と検光子４０との光学的な配置関係に特徴を有して垂直磁化膜本来の高い感度を効果的に利用しつつ、磁区構造に起因する回折に伴う消光比の劣化を防止して大きなコントラスト比を得ることに成功している。以下では、まず実施例に係る磁気検出装置における励磁手段について説明する。
【００３３】
＜励磁手段>
図３に本発明の実施例に係る磁気検出装置（以下、実施例１ａとも言う）の励磁手段６０と、従来の磁気検出装置（以下、比較例１ｂとも言う）における励磁手段６０との差異を示した。なお図３および以下に示す各図についての説明に際しては、磁気光学素子１０の膜面１１が実質的に図２（Ｃ）に示した磁気光学膜１４の膜面１１ｆであるものとしている。また磁気光学素子１０に印加される磁界とは、磁気光学膜１４に印加される磁界であるものとする。
【００３４】
図３（Ａ）と（Ｂ）は、それぞれ実施例１ａと比較例１ｂを前方から見たときの正面図を示している。図３（Ａ）、（Ｂ）に示したように実施例１ａと比較例１ｂは、ともにレンズアレイ７２における各レンズの光軸２００を中心にして左右対称となる位置に二つの同じ磁石（６１、６２）が配置されて、この磁石を用いて検出対象物１００を励磁している。ここでは上下高ｈ＝８ｍｍ、左右幅ｗ＝８ｍｍ、前後長（Ｌとする）＝１００ｍｍのサイズを有するネオジム磁石を用い、これら二つの磁石（６１、６２）を左右に間隔Ｄ＝１５．５ｍｍを設けて対面させている。また先に図２（Ｃ）に示した磁気光学素子１０の上面１１から磁石（６１、６２）の下面６３まで距離ｄを２．９ｍｍとしている。
【００３５】
実施例１ａと比較例１ｂとでは各磁石（６１、６２）の磁極が異なっており、実施例１ａでは、左右の磁石（６１、６２）の磁極が互いに直交している。そのため磁気光学素子１０が配置されている領域内でラインセンサ５０が受光する位置（以下、受光位置５１とも言う）では、図中白抜き矢印で示したように、励磁手段６０による励磁用磁界Ｈｅが斜めの方向に印加されることになる。この例では左上方から右下方に印加されている。それによって受光位置５１では励磁磁界Ｈeの水平成分（以下、水平励磁磁界Ｈ//eとも言う）と励磁磁界Ｈeの垂直成分（以下、垂直励磁磁界Ｈ⊥e）が印加されている。そしてこの垂直励磁磁界Ｈ⊥eがバイアス磁界（以下、バイアス磁界Ｈ⊥bias）となる。すなわち励磁磁界Ｈeによって励磁された検出対象物１００からの垂直漏洩磁界Ｈ⊥leakageにバイアス磁界Ｈ⊥biasを加えた磁界が受光位置５１に印加され、磁気光学素子１０はその磁界によって入射光の偏波面を回転させることになる。
【００３６】
一方図３（Ｂ）に示した比較例１ｂではレンズアレイ７２における各レンズの光軸２００を中心にして二つの同じ磁石（６１、６２）が左右対称に、かつ磁極が互いに逆方向となっている。そのため受光位置５１には励磁手段６０による励磁用磁界Ｈeが水平方向（図中、白抜き矢印方向）に印加されることになり、極めて微弱な垂直漏洩磁界Ｈ⊥leakageのみを検出することになる。なお比較例１ｂにおける励磁方法は、例えば上記特許文献１に記載された磁気検出装置などで採用されている励磁方法と実質的に同じ思想に基づいている。
【００３７】
図４は実施例１ａと比較例１ｂの磁気光学素子１０に印加される励磁磁界Ｈeの分布を示すシミュレーション結果である。図４（Ａ）は磁気光学素子１０の膜面１１における水平励磁磁界Ｈ//eを示しており、図４（Ｂ）は垂直励磁磁界Ｈ⊥ｅを示している。ここでは図３における受光位置５１をｘ＝０ｍｍとして、当該受光位置５１からの水平方向の距離を示している。なお受光位置５１に対して左方をマイナス「−」、右方をプラス「＋」としている。磁界の方向については、水平励磁磁界Ｈ//eでは左方から右方に向かう方向をプラス（＋）方向、垂直励磁磁界Ｈ⊥eでは下方から上方に向かう方向をプラス（＋）としている。
【００３８】
そして図４（Ａ）、（Ｂ）に示したように、受光位置５１、すなわち撮像素子５０で光量変化を検出する位置での水平励磁磁界Ｈ// eと垂直励磁磁界Ｈ⊥eを見てみると、比較例１ｂでは水平励磁磁界Ｈ// eが１１００Ｏｅほど印加されているが、垂直励磁磁界Ｈ⊥eはほぼゼロである。一方実施例１ａでは水平励磁磁界Ｈ// eが２００Ｏｅで、垂直励磁磁界Ｈ⊥eは−２５０Ｏｅほど印加されている。以上より実施例１ａでは磁気光学素子１０の膜面１１に対して平行方向と垂直方向の磁界成分が含まれていることがわかる。すなわち実施例１ａと比較例１ｂで二つの同じ磁石（６１、６２）を同じ位置に配置しても、実施例１ａのように二つの磁石（６１、６２）のそれぞれの磁極を直交させるだけで、検出対象物１００を励磁させるための水平方向の磁界Ｈ//eと磁気光学素子１０の面に対して垂直方向のバイアス磁界Ｈ⊥biasの双方を印加することができる。
【００３９】
＜消光比の劣化について＞
次に磁区構造によって感度と消光比が変化することを確認するために、比較例１ｂと実施例１ａのＨ//eに相当する均一な水平磁界をガーネット膜に印加しつつ偏光子３０と検光子４０が互いにクロスニコルの関係となるように配置した磁気検出装置（以下、参考例）をそれぞれ作製し、受光位置５１における垂直漏洩磁界Ｈ⊥leakageに相当する垂直磁界Ｈ⊥を人為的に変化させながら撮像素子５０によって受光される光量を測定した。なお撮像素子５０が配置される位置には実際の撮像素子５０の受光レンジを超える光量の光に対しても信号を出力できる受光素子を配置している。図５に受光位置５１における垂直磁界Ｈ⊥と出射光の光量との関係をグラフにして示した。グラフの横軸は垂直磁界Ｈ⊥であり単位はＯｅである。一方縦軸の光量については任意単位（ａ．ｕ）である。
【００４０】
図示したグラフに示したように、比較例１ｂでは磁界強度の増加に対して光量の変化が小さく感度が低いことがわかる。これは、垂直磁化膜の周期的な磁区構造が消失したことに起因する。また撮像素子５０の受光レンジが０．２（ａ．ｕ）程度であれば、広い磁界範囲で光量が受光レンジ以下となる。しかし検出対象物１００からの垂直漏洩磁界Ｈ⊥leakageは極めて微弱であるので比較例１ｂの構成では、その微弱な垂直漏洩磁界Ｈ⊥leakageに対してほとんど光量が変化せず、結果として漏洩磁界Ｈleakageを検出することが難しくなる。一方参考例では微小な磁界変化に対して光量が大きく変化している。すなわち高感度である。これは、比較例に比べＨ//eが小さく垂直磁化膜の磁区構造が消失していないことによる。しかしながら暗状態での光量が大きく僅かに磁界が大きくなっただけで撮像素子５０の受光レンジを超えてしまい、それ以上の磁界では磁気を検出することができなくなる。すなわちコントラスト比を大きくすることができない。
【００４１】
＜回折光について＞  
上述した参考例では偏光子３０と検光子４０をクロスニコルの関係で配置していた。そして暗状態のときでも撮像素子５０の受光レンジの上限に近い光量が出力されてコントラスト比が大きく劣化していた。そこでこのコントラスト比の劣化の原因を偏波面の方向が異なる各次数の回折光の合成によるものと推定し、参考例について各次数の回折光ごとに垂直磁界Ｈ⊥と光量との関係をシミュレーションにより求めた。図６に当該シミュレーションの結果を示した。なお図６では、漏洩磁界Ｈleakageに相当する垂直磁界Ｈ⊥と磁気光学膜１４における垂直飽和磁界Ｈ⊥ｓａｔとの比（規格化磁界Ｈ⊥／Ｈ⊥sat）に対する光量の変化を示している。この図６に示したように、０次光は、磁界がゼロのとき最も光量が小さく、磁界の増加とともに光量が増加している。しかし1次光では磁界がゼロで最も光量が大きく、磁界の増加に伴って光量が減少する。２次光では磁界がゼロのとき最も光量が小さいものの、磁界の増加に伴って光量が増加したり減少したりする。そしてこれら各次数の回折光の合成光を考えると、すべての磁界領域にわたって消光性が劣化することが容易に予想される。
【００４２】
以上は偏光子３０と検光子４０をクロスニコルの関係、すなわち互いの光透過軸を９０゜の角度で交差させたときの特性であった。つぎにこの偏光子３０と検光子４０の光透過軸の交差角度（以下、交差角度δとも言う）を変えたときの規格化磁界（Ｈ⊥／Ｈ⊥sat）と各次数の回折光の光量との関係をシミュレーションにより求めた。図７に当該シミュレーション結果を示した。図７（Ａ）はδ＝８０゜のときの特性であり、図７（Ｂ）はδ＝７０゜のときの特性である。先の図６と、図７（Ａ）、（Ｂ）とにおける各次数の回折光の光量変化を見ると、高次の回折光の光量は公差角度δに大きく依存しないことがわかる。一方０次光では、図６に示したδ＝９０゜の場合に対し、光量の最小値が高磁界側へシフトしている。なおこの例では上方から下方に向かうマイナス方向の高磁界側にシフトしている。そして図７に示した特性は、偏光子３０と検光子４０の光透過軸の角度δをクロスニコル（δ＝９０゜）の位置からずらすことで高次回折光に起因する消光比の劣化が抑制され、０次光の光量変化のみを取り出せることを示している。すなわち実施例１ａに係る磁気検出装置では図３（Ａ）に示した構成において偏光子３０と検光子４０の交差角度δが９０゜からずれており、それによって高感度でコントラスト特性に優れた磁気検出装置となっている。
【００４３】
つぎに図７に示したシミュレーション結果に基づいて、偏光子３０と検光子４０の交差角度δを変えたときの受光位置５１における垂直磁界Ｈ⊥と各次数の回折光を合成した光の光量との関係を調べてみた。図８に交差角度δをパラメータとしたときの垂直磁界Ｈ⊥と光量との関係をグラフにして示した。なお図中では先の各種特性を検討する際に用いたシミュレーションの正確さを示すために、シミュレーションによって求めた磁気光学特性と測定によって求めた磁気光学特性の双方が示されている。そして当該図８に示したように、シミュレーションによる特性と実際に測定した特性とがほぼ一致していることがわかる。すなわち上記の各特性を検討する際に用いたシミュレーションが正確であったことが立証された。
【００４４】
図８に示したグラフでは、受光位置５１での垂直磁界Ｈ⊥（Ｏｅ）を横軸とし、任意単位（ａ．ｕ）で表された光量を縦軸としている。実際の撮像素子５０では受光レンジが５（ａ．ｕ）程度であり、検出可能な光量範囲は０（ａ．ｕ）〜５（ａ．ｕ）となる。そして交差角度δ＝９０゜では、すべての磁界領域にわたって受光レンジを超えており、漏洩磁界Ｈleakageを検出することができない。一方交差角度δ＝８０゜およびδ＝７０゜では、マイナス方向の高磁界領域において光量が受光レンジ以下となっており、磁界変化を光量変化として出力できることがわかる。またδ＝７０゜の特性を示す曲線に対し、δ＝８０゜の曲線の方が光量の最小値が小さい。その一方でδ＝７０゜の特性の方が傾きが大きい。すなわち高感度である。なおここに示した例では、交差角度δを９０゜からずらすことで検出可能な磁界範囲がマイナス側（上方から下方に向かう磁界方向）にシフトしている。そのため実施例１ａを実用に供するためには、交差角度δを９０゜からずらすとともに、検査対象物１００からの垂直漏洩磁界Ｈ⊥leakageがゼロのときの光量が撮像素子５０の受光レンジ以下となるようにバイアス磁界Ｈ⊥biasの大きさを調整する必要がある。
【００４５】
バイアス磁界Ｈ⊥biasの大きさについて、図８に示したδ＝８０゜の特性を例に挙げて具体的に説明すると、δ＝８０゜では約−２００Ｏｅ程度で光量が最小値となり、それよりもマイナス方向に大きな垂直磁界Ｈ⊥を印加しても光量が変化しない。すなわちファラデー回転角がそれ以上大きくならない飽和磁界Ｈ⊥satに達している。したがって飽和磁界Ｈ⊥satよりバイアス磁界Ｈ⊥biasを印加する必要はない。また垂直磁界Ｈ⊥が−１２０Ｏｅ程度で受光レンジの最大値に達している。すなわちマイナス方向のバイアス磁界Ｈ⊥biasが１２０Ｏｅより小さいと光量が受光レンジをオーバーしてしまう。したがって、バイアス磁界Ｈ⊥biasの大きさを飽和磁界Ｈ⊥sat以下とするとともに、撮像素子５０によって受光される光の最大光量が受光レンジ以下となる磁界以上とすれば、漏洩磁界Ｈleakageの変化を確実に光量変化として検出することができる。
【００４６】
なおバイアス磁界Ｈ⊥biasは、例えば図３（Ａ）に示した実施例１ａでは、磁極が互いに直交する二つの磁石（６１、６２）の性能や二つの磁石（６１、６２）間の距離Ｄや磁気光学素子１０の膜面１１からの距離ｄなどを適宜に設定することによって調整することができる。もちろん図３（Ｂ）に示した比較例１ｂのように励磁手段６０がバイアス磁界Ｈ⊥biasを発生しない構成であっても、励磁手段６０を構成する磁石（６１、６２）の他に永久磁石や電磁石を追加すればバイアス磁界Ｈ⊥biasを印加することができ、実質的に実施例１ａと同様の効果が得られる。しかし磁気検出装置の小型化や部品点数を削減してコストアップを抑制することを考えれば上記の実施例１ａのように、二つの磁石（６１、６２）の磁極を互いに直交させる構成を採用したほうが好ましい。なお二つの磁石（６１、６２）の磁極ついては必ずしも直交させなくてもよく、斜めに交差していてもよい。交差角度については、磁石（６１、６２）の性能や目的とする検出精度やバイアス磁界Ｈ⊥biasの大きさなどに応じて適宜に設定すればよい。
【００４７】
＜性能評価＞
上記の磁気光学装置に求められる特性や構成を踏まえ、実際に図３（Ａ）に示した構成を備えつつ偏光子３０と検光子４０の交差角度δを９０゜からずらした実施例１ａに係る磁気検出装置を作製した。また磁石（６１、６２）の配置や性能を適宜に設定することで、磁気光学素子１０に印加されるバイアス磁界Ｈ⊥biasを調整した。そして実施例１ａの磁気検出性能を評価するために、外部磁界（垂直磁界Ｈ⊥）を磁気光素子１０に印加し、撮像素子５０からの出力される信号の変化を調べた。
【００４８】
図９は実施例１ａの磁気検出性能を示しており、外部磁界（垂直磁界Ｈ⊥）と光量との関係をグラフにして示している。このグラフにおいて、縦軸の光量は８ビットのデジタル信号で出力される０〜２５５までの階調値によって示されており、光量が大きいほど階調値も大きい。また偏光子３０と検光子４０の交差角度δをパラメータとしている。ここではδ＝６５°、７０°および７５°のときの磁気検出性能を示した。そしてパラメータとして設定された全ての公差角度δ＝６５°、７０°および７５°において、±２５〜±５０Ｏｅ程度の磁界範囲で１８０階調分以上の十分なコトンとラスト比が確保されている。交差角度δ＝７０°では２００階調分以上のコントラスト比を達成している。また公差角度δによって磁界と出力の特性曲線の傾きが変わっている。したがって公差角度δを調整することで微弱な磁界範囲でより大きなコントラスト比を得たり、検出可能な磁界範囲を広くしたりすることもでき、磁気検出の目的に応じて特性を変化させることができる。
【００４９】
なお外部からの垂直磁界Ｈ⊥がマイナス方向（上から下方向）で−２５〜−４０Ｏｅ程度の高磁界側では撮像素子５０からの出力が一定となっている。これは磁気光学膜１４が磁気飽和してファラデー回転角θが最大値（飽和ファラデー回転角）のまま変化していないことを示している。言い換えれば、検光子４０における光透過軸の方位を磁気飽和状態にある磁気光学膜１４におけるファラデー回転角と直交させることで暗状態での光量を最も小さくすることを示している。一方プラス方向の高磁界側では公差角度δに応じた磁界Ｈ⊥以上で光量が撮像素子５０の受光レンジ以上となり、２５５階調のレベルで一定となっている。しかし垂直漏洩磁界Ｈ⊥leakageの変化量は大きくても５０Ｏｅ程度であるので、検査対象物１００からの漏洩磁界Ｈleakageを確実に検出できる。
【００５０】
＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施例１ａでは受光位置５１に対して同じ磁石（６１、６２）を左右対称の位置に配置するとともに、互いの磁極を直交させていた。それによって励磁手段６０が受光位置５１に垂直方向のバイアス磁界Ｈ⊥biasを印加する手段としても機能していた。また受光位置５１に対して左右対象の位置に磁石（６１、６２）を配置することで、磁気検出装置の筐体における磁石の保持構造も左右対称とすることができ、筐体設計が容易となる。筐体の構造自体も簡素化することができる。
【００５１】
しかし励磁手段６０によってバイアス磁界Ｈ⊥biasを発生させる構成は、実施例１ａの構成に限らない。比較例１ｂのように二つの磁石（６１、６２）の磁極を反対向きとした場合でも、その二つの磁石（６１、６２）を受光位置５１に対して左右非対称の位置に配置すれば同様にバイアス磁界Ｈ⊥biasを印加することができる。例えば、受光位置５１からの水平方向の距離が二つの磁石（６１、６２）で異なっていたり、水平方向の距離が同じでも垂直方向の位置が異なっていたりすれば、励磁手段６０をバイアス磁界Ｈ⊥biasの印加手段として機能させることができる。左右で異なる磁石を用いてもよい。いずれにしても磁界強度の分布が受光位置５１に対して左右非対称で、この受光位置５１では上下いずれか一方向の磁界成分がバイアス磁界Ｈ⊥biasとして磁気光学素子１０に印加されるように励磁手段６０が構成されていればよい。
【００５２】
上記実施例１ａでは主走査方向に延長するラインセンサ５０を用い、検出対象物１００を副走査方向に搬送することで検出対象物１００上の磁界強度分布を面で検出していたが、上記実施例１ａは一つの受光素子を用いた磁界検出用途にも適用できる。すなわち直線上の磁界強度分布や磁性体の一点における磁界強度を検出するように変更することもできる。また検出対象物を主走査方向と副走査方向の双方に搬送可能な機構を用いれば、一つの受光素子であっても磁界強度分布を面で検出することができる。
【００５３】
上記各実施例では検光子４０が結像光学系７０とラインセンサ５０間の光路上に介在していたが、磁気光学素子１０からの出射光が結像光学系７０に入射する前の光路上であってもよい。磁気光学素子１０にて偏波面が回転された後の直線偏光が通る光路上の適宜な位置に検光子４０が介在していればよい。また結像光学系７０は同軸落射型に限らず、先に図１に示したように、磁気光学素子１０に対して光源２０から斜め方向の光Ｂ１を入射して正反射方向に出射する光Ｂ２をラインセンサ５０などの撮像素子にて受光させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１，１ａ，１ｂ  磁気検出装置  １０  磁気光学素子、１４  磁気光学膜、１５  反射膜、２０  光源、３０  偏光子、４０  検光子、
５０  リニアイメージセンサ（ラインセンサ）または受光素子、５１  受光位置  
６０  励磁手段、６１，６２  永久磁石、７０  結像光学系、
７１  ハーフミラー、７２  レンズアレイ、１００  磁気検出対象物、
２００  受光素子の光軸、Ｈe  励磁用磁界、Ｈleakage  漏洩磁界
【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】
2016161350.tif 000008
【図７】
2016161350.tif 000009
【図８】
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【図９】
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