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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-03-27
(45)【発行日】2023-04-04
(54)【発明の名称】磁気特性測定装置および磁気特性測定方法
(51)【国際特許分類】
G01R 33/02 20060101AFI20230328BHJP
G01R 33/12 20060101ALI20230328BHJP
G01N 27/72 20060101ALI20230328BHJP
【ＦＩ】
G01R33/02 B
G01R33/12
G01N27/72
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2019033070
(22)【出願日】2019-02-26
(65)【公開番号】P2020139744
(43)【公開日】2020-09-03
【審査請求日】2022-01-25
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業「高速スイッチング電源用パワーインダクタ開発のための高周波磁気測定装置の開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】504171134
【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【氏名又は名称】伊坪 公一
(72)【発明者】
【氏名】柳原 英人
(72)【発明者】
【氏名】磯部 高範
(72)【発明者】
【氏名】喜多 英治
(72)【発明者】
【氏名】吉田 宏一
【審査官】永井 皓喜
(56)【参考文献】
【文献】特開平１１－１０１８６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１２０１１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１０９７５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－２０８３２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平５－１７２９２３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｒ ３３／０２
Ｇ０１Ｎ ２７／７２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
測定試料の磁気特性を測定する測定エリア、導電パターンがそれぞれ形成された複数の基板を積層した積層基板、前記導電パターンにより高周波磁界を発生して前記測定エリアに印加する励磁コイル、および、前記測定エリアにおける前記測定試料の磁気特性を検出するピックアップコイルを含む磁気特性測定部と、前記励磁コイルに対して電力を供給する電源装置を制御すると共に、前記励磁コイルを流れる電流および前記ピックアップコイルの出力電圧に基づいて、前記測定試料の磁気特性を演算する制御演算部と、を備え、
前記励磁コイルとして使用する複数の前記導電パターンは、コンデンサと直列接続されて直列共振回路を構成し、
前記ピックアップコイルは、
前記測定エリアの中心軸に対して第１回転方向となるように接続され、前記積層基板における中央の基板に形成された第１導電パターンと、
前記測定エリアの中心軸に対して前記第１回転方向とは反対の第２回転方向となるように接続され、前記積層基板における一端の基板に形成された第２導電パターンと、
前記測定エリアの中心軸に対して前記第２回転方向となるように接続され、前記積層基板における他端の基板に形成された第３導電パターンと、を含む、
ことを特徴とする磁気特性測定装置。
【請求項2】
前記励磁コイルは、同数の前記導電パターンで構成された第１励磁コイルおよび第２励磁コイルを含み、前記第１励磁コイルは、前記第１導電パターンと前記第２導電パターンの間に配置され、
前記第２励磁コイルは、前記第１導電パターンと前記第３導電パターンの間に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気特性測定装置。
【請求項3】
測定試料の磁気特性を測定する測定エリア、導電パターンがそれぞれ形成された複数の基板を積層した積層基板、前記導電パターンにより高周波磁界を発生して前記測定エリアに印加する励磁コイル、および、前記測定エリアにおける前記測定試料の磁気特性を検出するピックアップコイルを含む磁気特性測定部と、前記励磁コイルに対して電力を供給する電源装置を制御すると共に、前記励磁コイルを流れる電流および前記ピックアップコイルの出力電圧に基づいて、前記測定試料の磁気特性を演算する制御演算部と、を備え、
前記励磁コイルとして使用する複数の前記導電パターンは、コンデンサと直列接続されて直列共振回路を構成し、
前記ピックアップコイルは、
前記測定エリアの中心軸に対して第１回転方向となるように接続され、前記積層基板の隣接する２つの基板に形成された第４および第５導電パターンと、
前記測定エリアの中心軸に対して前記第１回転方向とは反対の第２回転方向となるように接続され、前記隣接する２つの基板と前記積層基板の一端の基板の間の基板に形成された第６導電パターンと、
前記測定エリアの中心軸に対して前記第２回転方向となるように接続され、前記隣接する２つの基板と前記積層基板の他端の基板の間の基板に形成された第７導電パターンと、を含む、
ことを特徴とする磁気特性測定装置。
【請求項4】
前記隣接する２つの基板と前記第６導電パターンが形成された基板との間の基板数は、前記隣接する２つの基板と前記第７導電パターンが形成された基板との間の基板数に等しい、ことを特徴とする請求項３に記載の磁気特性測定装置。
【請求項5】
前記第４および第５導電パターン、並びに、前記第６および第７導電パターンは、前記励磁コイルにより発生した高周波磁界が安定して印加される前記積層基板の中央近傍の基板に形成される、ことを特徴とする請求項４に記載の磁気特性測定装置。
【請求項6】
前記コンデンサは、前記積層基板を貫く導電ホールを介して前記積層基板の両面の少なくとも一方に設けられている、ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の磁気特性測定装置。
【請求項7】
前記コンデンサの値は、前記測定試料の磁気特性を測定する周波数に基づいて規定される、ことを特徴とする請求項６に記載の磁気特性測定装置。
【請求項8】
前記ピックアップコイルおよび前記励磁コイルは、前記積層基板のそれぞれの基板に形成された実質的に同じ形状の導電パターンにより形成され、前記ピックアップコイルは、前記励磁コイルとして使用しない基板の導電パターンにより形成される、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の磁気特性測定装置。
【請求項9】
前記ピックアップコイルおよび前記励磁コイルは、異なる形状の導電パターンにより形成され、前記ピックアップコイルは、前記励磁コイルとして使用する導電パターンの内側に形成された導電パターンにより形成される、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の磁気特性測定装置。
【請求項10】
積層基板のそれぞれの基板による複数の導電パターンにより励磁コイルを構成し、前記励磁コイルとして使用する複数の前記導電パターンをコンデンサと直列接続して直列共振回路を構成し、高周波磁界を発生して測定試料の磁気特性を測定する測定エリアに印加し、前記高周波磁界が印加された前記測定エリアにおいて、ピックアップコイルにより前記測定試料の磁気特性を検出する磁気特性測定方法であって、
前記コンデンサの値を、前記測定試料の磁気特性を測定する周波数に基づいて規定し、
前記測定試料を、前記ピックアップコイルの所定位置に配置し、
前記直列共振回路を流れる電流と、前記ピックアップコイルの出力電圧に基づいて、前記測定試料の磁気特性を測定し、
前記ピックアップコイルは、
前記測定エリアの中心軸に対して第１回転方向となるように接続され、前記積層基板における中央の基板に形成された第１導電パターンと、
前記測定エリアの中心軸に対して前記第１回転方向とは反対の第２回転方向となるように接続され、前記積層基板における一端の基板に形成された第２導電パターンと、
前記測定エリアの中心軸に対して前記第２回転方向となるように接続され、前記積層基板における他端の基板に形成された第３導電パターンと、を含み、
前記励磁コイルは、同数の前記導電パターンで構成された第１励磁コイルおよび第２励磁コイルを含み、
前記第１励磁コイルは、前記第１導電パターンと前記第２導電パターンの間に配置され、
前記第２励磁コイルは、前記第１導電パターンと前記第３導電パターンの間に配置される、
ことを特徴とする磁気特性測定方法。
【請求項11】
積層基板のそれぞれの基板による複数の導電パターンにより励磁コイルを構成し、前記励磁コイルとして使用する複数の前記導電パターンをコンデンサと直列接続して直列共振回路を構成し、高周波磁界を発生して測定試料の磁気特性を測定する測定エリアに印加し、前記高周波磁界が印加された前記測定エリアにおいて、ピックアップコイルにより前記測定試料の磁気特性を検出する磁気特性測定方法であって、
前記コンデンサの値を、前記測定試料の磁気特性を測定する周波数に基づいて規定し、
前記測定試料を、前記ピックアップコイルの所定位置に配置し、
前記直列共振回路を流れる電流と、前記ピックアップコイルの出力電圧に基づいて、前記測定試料の磁気特性を測定し、
前記ピックアップコイルは、
前記測定エリアの中心軸に対して第１回転方向となるように接続され、前記積層基板の隣接する２つの基板に形成された第４および第５導電パターンと、
前記測定エリアの中心軸に対して前記第１回転方向とは反対の第２回転方向となるように接続され、前記隣接する２つの基板と前記積層基板の一端の基板の間の基板に形成された第６導電パターンと、
前記測定エリアの中心軸に対して前記第２回転方向となるように接続され、前記隣接する２つの基板と前記積層基板の他端の基板の間の基板に形成された第７導電パターンと、を含み、
前記隣接する２つの基板と前記第６導電パターンが形成された基板との間の基板数は、前記隣接する２つの基板と前記第７導電パターンが形成された基板との間の基板数に等しく、
前記第４および第５導電パターン、並びに、前記第６および第７導電パターンは、前記励磁コイルにより発生した高周波磁界が安定して印加される前記積層基板の中央近傍の基板に形成される、
ことを特徴とする磁気特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁気特性測定装置および磁気特性測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ＳiＣ(シリコンカーバイド)やＧaＮ(ガリウムナイトライド)等の次世代半導体デバイスが注目されている。例えば、パワーエレクトロニクス分野において、次世代半導体デバイス(次世代パワー半導体)を適用すると、スイッチング速度の高速化が可能となり、それに伴って、インダクタやコンデンサ等の受動素子を小型化することができる。このようなデバイスの小型化は、パワー密度の上昇に直結するため、例えば、最適な受動素子の設計には、損失の正確な評価が不可欠となる。
【0003】
例えば、インダクタにおける損失評価としては、スタインメッツ式やロスマップ法といった手法が用いられる。これらの手法では、例えば、異なる周波数ごとに磁場の直流バイアス成分や磁束密度のリプル成分をパラメータとして損失(マイナーループ)を計算する。
【0004】
そのため、例えば、上述した次世代の半導体デバイスを適用した動作周波数における磁化曲線の正確な測定方法の確立が求められている。すなわち、例えば、新たな磁性材料を開発する場合、例えば、数ＭＨｚやそれ以上の動作周波数における磁性材料(測定試料)の磁気特性(磁化特性)を正確に求めることが必要となる。
【0005】
ところで、従来、測定試料の磁気特性を測定する磁気特性測定技術としては、様々な提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１８－１７３３３１号公報
【文献】特開２０００－２０８３２７号公報
【非特許文献】
【0007】
【文献】Y. Han, et al., "Evaluation of Magnetic Materials for Very High Frequency Power Applications," IEEE Power Electronics Specialists Conference, pp.4270-4276, June 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
前述したように、測定試料の磁気特性を測定するものとしては、様々な手法が提案されているが、例えば、パワーエレクトロニクス分野において、高機能なトランス材料やインダクタ材料を評価する場合、一般的に、ＢＨループトレーサが使用されている。
【0009】
図１は、ＢＨループトレーサの一例を説明するための図である。図１において、参照符号５はリング状に形成された測定試料、６１は測定試料５の一方の側に巻回された一次巻線、そして、６２は測定試料５の他方の側に巻回された二次巻線を示す。
【0010】
図１に示されるように、ＢＨループトレーサでは、例えば、リング状に形成された測定試料５の一次巻線６１に電流ｉ(ｔ)を流し、その時に二次巻線６２を流れる電流ｅを測定し、磁界Ｈ(ｔ)および磁束密度Ｂ(ｔ)を求める。なお、図１におけるｅ，Ｈ(ｔ)およびＢ(ｔ)を求める式において、φ(t)は磁束、Ｎ１は一次巻線６１の巻数(ターン数)、Ｎ２は二次巻線６２のターン数、そして、Ｓは巻線６１，６２が巻回される測定試料５の断面積を示す。
【0011】
このように、ＢＨループトレーサを使用して測定試料(例えば、新たに開発した磁性材料)の磁気特性を測定する場合、磁気回路を組めるように測定試料５の形状を、予めリング状や井桁状となるように加工し、さらに、加工した測定試料５に対して、一次巻線６１および二次巻線６２を巻回する作業が必要となる。
【0012】
従って、例えば、測定試料５の磁気特性を測定して評価するためには、その測定試料をリング形状や井桁形状に加工するための所定量が必要となり、材料によっては加工が困難なこともある。また、例えば、リング状に加工した測定試料５に対して、巻線６１，６２を巻回するのは作業が面倒であり、新たに磁性材料を開発して評価する上での大きな阻害要因となっている。さらに、測定試料(磁性材料)５を高い周波数(例えば、数ＭＨｚ以上)で高磁場(大きな振幅の磁場)を印加して(高周波・高磁場で)測定するのは困難なため、磁気特性を測定するための磁気回路の限界となっている。
【0013】
なお、本発明に係る磁気特性測定装置および磁気特性測定方法の適用は、例えば、パワーエレクトロニクス用に開発した磁性材料の磁気特性を測定する場合に、少量の試料(測定試料)で短時間に磁気特性を測定することが可能であるが、広く一般的な物質の磁気特性を測定可能なのはいうまでもない。
【0014】
本発明は、上述した課題にかんがみ、磁性材料の磁気特性を高周波・高磁場で測定することができる磁気特性測定装置および磁気特性測定方法の提供を目的とする。さらに、本発明は、少量の測定試料で短時間に磁気特性を測定することができる磁気特性測定装置および磁気特性測定方法の提供も目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0015】
第１実施形態によれば、測定試料の磁気特性を測定する測定エリア、導電パターンがそれぞれ形成された複数の基板を積層した積層基板、前記導電パターンにより高周波磁界を発生して前記測定エリアに印加する励磁コイル、および、前記測定エリアにおける前記測定試料の磁気特性を検出するピックアップコイルを含む磁気特性測定部と、前記励磁コイルに対して電力を供給する電源装置を制御すると共に、前記励磁コイルを流れる電流および前記ピックアップコイルの出力電圧に基づいて、前記測定試料の磁気特性を演算する制御演算部と、を備え、前記励磁コイルとして使用する複数の前記導電パターンは、コンデンサと直列接続されて直列共振回路を構成する磁気特性測定装置が提供される。
【0016】
第２実施形態によれば、積層基板のそれぞれの基板による複数の導電パターンにより励磁コイルを構成し、前記励磁コイルとして使用する複数の前記導電パターンをコンデンサと直列接続して直列共振回路を構成し、高周波磁界を発生して測定試料の磁気特性を測定する測定エリアに印加し、前記高周波磁界が印加された前記測定エリアにおいて、ピックアップコイルにより前記測定試料の磁気特性を検出する磁気特性測定方法であって、前記コンデンサの値を、前記測定試料の磁気特性を測定する周波数に基づいて規定し、前記測定試料を、前記ピックアップコイルの所定位置に配置し、前記直列共振回路を流れる電流と、前記ピックアップコイルの出力電圧に基づいて、前記測定試料の磁気特性を測定する磁気特性測定方法が提供される。
【発明の効果】
【0017】
本実施形態の磁気特性測定装置および磁気特性測定方法によれば、磁性材料の磁気特性を高周波・高磁場で測定することができるという格別の効果を奏する。さらに、本実施形態の磁気特性測定装置および磁気特性測定方法によれば、少量の測定試料で短時間に磁気特性を測定することができるという効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本発明に係る磁気特性測定装置および磁気特性測定方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。図２は、本発明に係る一実施例の磁気特性測定装置を模式的に示す図である。図２に示す磁気特性測定装置は、例えば、パワーエレクトロニクス用の磁性材料(測定試料)の磁気特性を測定するのに好適なものであるが、測定試料は、特に限定されるものではない。
【0020】
図２に示されるように、本実施例の磁気特性測定装置は、電源装置１、磁気特性測定部２、制御演算部３、電圧計４１、電流計４２、および、デジタルオシロスコープ４３を備える。電源装置１は、例えば、１～５０ＭＨｚのインバータ電源を適用することができ、出力する周波数や電力等は、制御演算部３により制御される。
【0021】
制御演算部３は、例えば、所定のプログラムが動作するコンピュータにより構成され、コンピュータ本体３１、ディスプレイ３２、キーボード３３およびマウス３４等を備える。制御演算部(コンピュータ)３は、ピックアップコイル２３による電圧を検出する電圧計４１の出力、および、励磁コイル２４を流れる電流を検出する電流計４２の出力を、デジタルオシロスコープ４３を介して受け取り、測定試料５０の磁気特性を求める。なお、励磁コイル２４は、図１１～図１４を参照して詳述するように、例えば、極小ソレノイドとして構成することにより、測定試料５を高周波・高磁場で測定することが可能となり、さらに、少量の測定試料で短時間に磁気特性を測定することができる。
【0022】
磁気特性測定部２は、それぞれに導電パターンが形成された複数の基板(プリント基板)２ａ，２ｂ，２ｃ，…を積層した多層基板(積層基板、多相プリント回路板)であり、例えば、１００層、或いは、それ以上の層を積層して構成することができる。磁気特性測定部２には、測定試料５０の磁気特性を測定するための測定エリア２０が設けられている。なお、後に詳述するが、測定試料５０は、例えば、測定エリア２０のほぼ中央の位置(励磁コイル２４による磁界(磁場)が安定している領域)に配置され、ピックアップコイル２３による検出が行われる。
【0023】
すなわち、制御演算部３は、電流計４２による励磁コイル２４を流れる電流に基いて、励磁コイル２４(共振回路)による共振周波数、測定エリア２０に印加される磁界等を演算(検出)すると共に、ピックアップコイル２３の出力電圧(誘導起電力)に基いて、印加磁界により測定試料５０の誘導起電力および保磁力等を検出し、測定試料５０の磁化Ｍ，保磁力Ｈｃおよび飽和磁化Ｍｓといった磁気特性を算出する。
【0024】
ここで、磁気特性測定部２に設けられた測定エリア２０は、例えば、直径および深さ(高さ)が数ｍｍ程度の円筒形状とすることができ、測定に使用する磁性材料(測定試料５０)は、例えば、図１を参照して説明したものに対して、極めて少量でよい。また、この測定試料５０は、例えば、粒状やブロック状といった任意の形状とすることができ、測定に要する手間や時間を大幅に低減することが可能である。
【0025】
さらに、後に、図１１～図１４を参照して説明する実験例のように、本実施例の磁気特性測定装置は、高い周波数(共振周波数：例えば、数ＭＨｚ～数十ＭＨｚ)で強い磁場(最大磁束密度：例えば、数テスラ(Ｔ))を印加した状態において、測定試料５０の磁気特性を測定することができるため、例えば、次世代の半導体デバイスを適用した動作周波数における新たな磁性材料の磁気特性の測定に対応することが可能となる。
【0026】
ここで、励磁コイル２４は、直列共振回路(直列ＬＣ共振回路)として構成され、例えば、積層基板とされた磁気特性測定部２の中空の測定エリア２０に対して、安定した周波数(共振周波数)の磁場(磁界)を発生させるためのものである。また、ピックアップコイル２３は、励磁コイル２４による磁場中における測定試料５０の磁気特性を測定するためのものであり、その詳細は、後に詳述する。
【0027】
なお、本実施例の磁気特性測定装置により測定(演算)される測定試料５０の磁気特性としては、例えば、測定試料の磁化(Ｍ)、保磁力(Ｈｃ)および飽和磁化(Ｍｓ)等であるが、他の磁気特性を求めるように構成することができるのはいうまでもない。
【0028】
図３は、図２に示す磁気特性測定部における励磁コイルを説明するための回路図であり、図４は、図３に示す励磁コイルの一例を模式的に示す図である。図５は、図４に示す励磁コイルの一部におけるコンデンサの配置を説明するための図であり、磁気特性測定部２を上方から見た平面図である。
【0029】
図３に示されるように、励磁コイル２４は、複数層分のコイル２１(２１ａ，２１ｂ，…)およびコンデンサ２２(２２ａ，２２ｂ，…)を直列接続した直列ＬＣ共振回路として構成される。すなわち、一層目のプリント基板２ａにおけるコイル２１ａおよびコンデンサ２２ａ、二層目のプリント基板２ｂにおけるコイル２１ｂおよびコンデンサ２２ｂ、…、ｋ層目のプリント基板２ｋにおけるコイル２１ｋおよびコンデンサ２２ｋ、…により、ＬＣ直列共振回路が構成される。
【0030】
磁気特性測定部２を構成する複数のプリント基板２ａ，２ｂ，２ｃ，…のそれぞれのプリント基板(例えば、ｋ層目のプリント基板２ｋ)には、導電パターンによるコイル２１ｋおよびコンデンサ２２ｋを形成し、それらコイル２１ｋおよびコンデンサ２２ｋを直列接続して一層分のプリント基板による共振回路を形成し、その各層による共振回路を直列接続して、励磁コイル２４を構成する。
【0031】
ここで、コンデンサ２２ｋは、それぞれのプリント基板２ｋにおいて、或いは、隣接するプリント基板２ｋ+1の導電パターンも利用して各プリント基板２ｋに形成してもよいが、正確な容量値のコンデンサを使用するために、例えば、積層基板を貫く導電ホール(貫通ビア２６)を介して積層基板の一方または両面に設けることもできる。
【0032】
図４および図５に示されるように、励磁コイル２４は、磁気特性測定部(積層基板)２に設けられた測定エリア２０を囲む複数の導電パターン(コイル)２１ｋと、そのコイル２１ｋに対応するコンデンサ２２ｋを、貫通ビア２６により複数直列接続して構成されている。すなわち、励磁コイル２４は、積層基板もそれぞれの基板の導電パターン(２１)およびコンデンサ(２２)を直列接続した直列共振回路による共振周波数の高周波磁界を発生して測定エリア２０に印加する。
【0033】
なお、例えば、ｋ層における導電パターン２１ｋは、１巻(ターン)分のコイルとして形成されているが、例えば、２巻分、或いは、複数巻分のコイルとして形成してもよい。また、ｋ層のコンデンサ２２ｋは、例えば、貫通ビア２６を介して、積層基板の一方の面、すなわち、磁気特性測定部２の上面に設けられているが、積層基板の両面(上面および下面)に設けることもできる。
【0034】
また、図５に示されるように、各層のコイル２１ｋ，２１ｋ+1，２１ｋ+2，…に対応するコンデンサ２２ｋ，２２ｋ+1，２２ｋ+2，…は、測定エリア２０の中心軸ＣＰから等距離となる円周状に設けられている。これは、コンデンサ２２として、例えば、正確な容量値を有するチップコンデンサを適用する場合に好適なものである。
【0035】
さらに、例えば、磁気特性測定部２を構成する基板の数が非常に多い(例えば、百層を超える)場合には、一層の導電パターン(コイル)ごとにコンデンサを設けると、積層基板の両面を使用しても、多数のコンデンサを配置するのが難しくなる。このような場合には、一層のコイルごとにコンデンサを設けるのではなく、複数層のコイル(例えば、三層または五層のコイル)に対して１つのコンデンサを設けるようにしてもよい。
【0036】
図６は、図２に示す磁気特性測定部における励磁コイルおよびピックアップコイルの一例を説明するための図である。なお、図６において、励磁コイル２４(２４α，２４β)は、それぞれの基板に形成された導電パターン２１によるコイルのみを示し、コンデンサ２２は省略されている。
【0037】
図６に示されるように、ピックアップコイル２３は、測定試料５０の磁気特性を測定するためのもので、例えば、磁気特性測定部(積層基板)２における中央の基板に形成された導電パターン(第１導電パターン)による中央部コイル２３γ、最上部の基板(２ａ)に形成された導電パターン(第２導電パターン)による最上部コイル２３α、および、最下部の基板に形成された導電パターン(第３導電パターン)による最下部コイル２３βを備える。
【0038】
ここで、中央部コイル２３γは、測定エリア２０において、測定試料５０を配置する試料配置部２５に対応する位置の基板(中央の基板)に形成された導電パターンが使用される。また、最上部コイル２３αおよび最下部コイル２３βは、測定エリア２０の中心軸ＣＰに対して第１回転方向(例えば、反時計回り方向)となるように接続され、中央部コイル２３γは、測定エリア２０の中心軸ＣＰに対して第１回転方向とは反対の第２回転方向(例えば、時計回り方向)となるように接続される。
【0039】
なお、測定試料５０は、例えば、粉体として測定エリア２０内を移動可能な形状(測定エリア２０の内径よりも少し小さい内径の円筒状または球状)の測定容器内に入れて測定し、或いは、測定エリア２０よりも小さい形状の個体の測定試料５０を測定用冶具に取り付け、知られている様々な位置決めの手法を適用して、測定試料５０を試料配置部２５に対応した位置に配置することができる。
【0040】
励磁コイル２４は、同数の導電パターンで構成された第１励磁コイル２４αおよび第２励磁コイル２４βを含む。第１励磁コイル２４αは、中央部コイル２３γ(第１導電パターン)と最上部コイル２３α(第２導電パターン)の間に配置され、第２励磁コイル２４βは、中央部コイル２３γと最下部コイル２３β(第３導電パターン)の間に配置されている。ここで、有限ソレノイド(励磁コイル２４：第１励磁コイル２４αおよび第２励磁コイル２４β)の面端(最上部コイル２３αおよび最下部コイル２３β)における磁場は等しい。
【0041】
これにより、図６に示すピックアップコイル２３は、励磁コイル２４の磁界により、最上部コイル２３αと最下部コイル２３βで生じる誘導起電力(電圧)の和が、中央部コイル２３γにより生じる誘電起電力により相殺され、試料配置部２５の測定試料５０による影響のみが中央部コイル２３γにより検出されることになる。この場合、ピックアップコイル２３は、励磁コイル２４(ソレノイド)の中央の中央部コイル２３γと、両端の最上部コイル２３αおよび最下部コイル２３βで構成することができるため、ソレノイドの長さ(図６における励磁コイル２４(２４α，２４β)の高さ)を短縮することが可能となる。
【0042】
図７は、図２に示す磁気特性測定部における励磁コイルおよびピックアップコイルの他の例を説明するための図である。図７に示されるように、ピックアップコイル２３’は、測定エリア２０において、励磁コイル２４により発生した高周波磁界が安定して印加される積層基板２の中央近傍の基板に形成されるコイル(第４～第７導電パターン)を含む。
【0043】
ここで、第４導電パターン２３γ1'および第５導電パターン２３γ2'は、測定エリア２０の中心軸ＣＰに対して第１回転方向(例えば、反時計回り方向)となるように接続され、積層基板２の隣接する２つの基板に形成される。また、第６導電パターン２３α'および第７導電パターン２３β'は、測定エリア２０の中心軸ＣＰに対して第１回転方向とは反対の第２回転方向(例えば、時計回り方向)となるように接続される。
【0044】
第６導電パターン２３α'は、隣接する２つの基板(２３γ1'，２３γ2')と積層基板(２)の一端の基板(最上部の基板)の間の基板に形成され、第７導電パターン２３β'は、隣接する２つの基板と積層基板(２)の他端の基板(最下部の基板)の間の基板に形成される。なお、隣接する２つの基板と第６導電パターン２３α'が形成された基板との間の基板数(コイル数：距離)は、隣接する２つの基板と第７導電パターン２３β'が形成された基板との間の基板数と等しくなっている。また、第４および第５導電パターン(２巻分のコイル)２３γ1'，２３γ2'は、測定試料５０を配置する試料配置部２５に対応する位置における隣接する２つの基板に形成される。
【0045】
これにより、図７に示すピックアップコイル２３'は、励磁コイル２４の磁界により、第６および第７導電パターン２３α'，２３β'で生じる誘導起電力の和が、第４および第５導電パターン２３γ1'，２３γ2'により生じる誘電起電力により相殺され、試料配置部２５の測定試料５０による影響のみが第４および第５導電パターン２３γ1'，２３γ2'により検出されることになる。
【0046】
この場合、前述したように、第４～第７導電パターン２３γ1'，２３γ2'，２３α'，２３β'は、すべて励磁コイル２４により発生する磁界が安定している領域に配置されるのが好ましい。さらに、第４および第５導電パターン２３γ1'，２３γ2'のみが測定試料５０(試料配置部２５)に位置し、第６および第７導電パターン２３α'，２３β'は、試料配置部２５から離れて測定試料５０による磁界変化の影響を受けない位置に配置されるのが好ましい。なお、本実施例の磁気特性測定装置に適用するピックアップコイルは、上述した図６および図７に示すピックアップコイル２３，２３'に限定されないのはもちろんである。
【0047】
図８は、ピックアップコイルおよび励磁コイルの導電パターンの例を説明するための図である。ここで、図８(a)は、積層基板(磁気特性測定部)２のすべての基板(プリント基板)２ｎに対して、同一の導電パターン２１ｎを形成し、例えば、図６に示すピックアップコイル２３における最上部コイル２３αとして使用する最上部の基板(２ａ)に形成された導電パターン(第３導電パターン)等は、励磁コイル２４を構成するコイルとしては使用しない場合を示す。
【0048】
すなわち、図８(a)は、励磁コイル２４を構成するコイル２１として使用する導電パターンと、ピックアップコイル２３におけるコイル２３α，２３β，２３γ、および、ピックアップコイル２３'におけるコイル２３α'，２３β'，２３γ1'，２３γ2'として使用する導電パターンを同じ形状とし、ピックアップコイル２３，２３’は、励磁コイル２４として使用しない基板の導電パターンにより形成する例を示す。
【0049】
また、図８(b)は、積層基板２を構成するすべての基板２ｎに対して、励磁コイル２４として使用する導電パターン２１ｎ(２１)を形成し、さらに、図６に示すピックアップコイル２３における最上部コイル２３αとして使用する最上部の基板(２ａ)に対しては、導電パターン２１ｎの内側に、ピックアップコイル２３用の導電パターン２７を形成する場合を示す。
【0050】
すなわち、図８(b)において、励磁コイル２４は、積層基板２のすべての基板２１ｎに形成された導電パターン２１ｎ(２１)により構成され、ピックアップコイル２３におけるコイル２３α，２３β，２３γ、および、ピックアップコイル２３'におけるコイル２３α'，２３β'，２３γ1'，２３γ2'は、励磁コイル２４に使用する導電パターン２１ｎの内側に形成された導電パターン２７により構成される例を示す。
【0051】
ここで、ピックアップコイル２３に使用する導電パターン２７は、励磁コイル２４に使用する導電パターン２１とは異なり、大きな電流が流れない(大電力を扱わない)ため、その導電パターン２７の耐圧(例えば、金属パターンの幅や厚さ)は大きくしなくてもよい。
【0052】
図９は、図２に示す制御演算部の動作の一例を説明するための機能ブロック図である。図９に示されるように、制御演算部３は、コンピュータにより構成することができ、電源装置１の出力電圧および周波数等を制御する電源装置の制御機能３１１、励磁コイル２４を流れる電流を検出する電流計４２の出力を、デジタルオシロスコープ４３を介して受け取り、励磁コイル２４にり発生される磁界の共振周波数を検出する共振周波数の検出機能３１２、および、測定エリア２０に印加される印加磁界お演算する印加磁界の演算機能３１４を有する。
【0053】
さらに、制御演算部３は、ピックアップコイル２３(２３')による電圧(誘導起電力)を検出する電圧計４１の出力を、デジタルオシロスコープ４３を介して受け取り、測定試料５０による誘導起電力を検出する印加磁界の誘導起電力検出機能３１３を有する。
【0054】
また、制御演算部３は、電流計４２による励磁コイル２４を流れる電流およびピックアップコイル２３の出力電圧に基いて、測定試料５０の磁化(Ｍ)を演算する磁化の演算機能３１５、測定試料５０の保磁力(Ｈｃ)を検出する保磁力検出機能３１６、並びに、測定試料５０の飽和磁化(Ｍｓ)を検出する飽和磁化の検出機能３１７を有する。さらに、制御演算部３は、測定試料５０の他の様々な磁気特性等のその他の機能３１８も有する。
【0055】
なお、前述したように、制御演算部３(コンピュータ)は、コンピュータ本体３１の他に、例えば、データや指示を入力するためのキーボード３３およびマウス３４、並びに、演算された出力データ(例えば、図１０に示すようなヒステリシス曲線)等を表示するディスプレイ３２を備えるが、知られている様々な変形および変更を適用することができるのはいうまでもない。
【0056】
図１０は、保磁力と飽和磁化の関係を説明するための図である。上述したように、例えば、本実施例の磁気特性測定装置により、測定試料(磁性材料)５０の磁化Ｍ、保磁力Ｈｃおよび飽和磁化Ｍｓといった磁気特性を測定することができ、これらの測定結果により、例えば、図１０に示されるような、保磁力と飽和磁化の関係を示すヒステリシス曲線を得ることができる。
【0057】
ここで、本実施例の磁気特性測定装置は、例えば、以下に説明する励磁コイルの作製および実験例のように、例えば、数ＭＨｚ～数十ＭＨｚといった高い周波数(共振周波数)、並びに、数Ｔといった強い磁場において、測定試料(磁性材料)の磁気特性を測定することができ、その結果、次世代の半導体デバイスを適用した動作周波数における新たな磁性材料の磁気特性の測定に対応することも可能となる。
【0058】
次に、図１１～図１４を参照して、励磁コイル(励磁用ソレノイドコイル)の作製、および、その実験結果を説明する。図１１は、実験を行った励磁コイルの一例を説明するための図であり、図１２は、図１１に示す励磁コイルを電源装置と共に示す等価回路図である。
【0059】
ここで、図１１(a)は、磁気特性測定部(積層基板)２を上方から見た平面図であり、前述した図５に相当し、図１１(b)は、１６層の積層基板２におけるそれぞれの基板に形成した導電パターン２１を模式的に示す図であり、前述した図４において、コンデンサ２２および貫通ビア２６等を省略したものに相当する。また、図１１(c)は、前述した図３に相当するもので、１６層の積層基板による励磁コイル２４を説明するための回路図である。なお、図１２において、インバータ電源１は、それぞれ２つの電圧Ｖinの電圧源、容量Ｃcdのコンデンサ、および、スイッチＳＷにより、例えば、周波数が５ＭＨｚ程度の矩形波電圧を発生し、励磁コイル２４に印加するようになっている。
【0060】
まず、作製および実験を行った励磁コイル２４は、１６層の基板(プリント基板)を積層した積層基板に対して、内径が２ｍｍで長さ(深さ)が２ｍｍの測定エリア２０を形成した。なお、励磁コイル２４の仕様としては、インダクタンスを０．４５μＨ(１ターンにつき０．０２８μＨ)、キャパシタンスを２．２５ｎＦ(１ターンにつき３６ｎＦ)、そして、共振周波数を５ＭＨｚ付近とした。
【0061】
また、電源装置１は、容易に入手可能なインバータ電源を用いることとし、そのため励磁コイル２４のＬＣ共振回路の共振周波数は５ＭＨｚ付近となるように市販のコンデンサを選定するようにして設計した。ここで、コンデンサ２２としては、静電容量の電圧依存性の小さい積層セラミックコンデンサを用いた。
【0062】
ここで、仮に、励磁コイル２４に２Ｔの磁場を発生させる場合、２８０Ａ(ｍａｘ)を流す必要があり、このとき励磁コイル２４の両端には７ｋＶもの電圧がかかることになる。そこで、図１１(a)～図１１(c)に示されるように、１６層プリント基板を用いて１ターンのコイル(導電パターン２１)ごとに円周状に配置した１つのコンデンサ２２を実装し、１６段のＬＣ直列共振回路として設計した。この際、測定には数μｓ程度の動作で十分なので、励磁コイル２４の発熱は問題にならず、また、インバータ電源１も定常の定格を大きく超える電流で使用することが可能である。
【0063】
すなわち、図１２に示されるように、インバータ電源１および励磁コイル２４において、励磁コイル２４は、Ｌcoil＝０．４５μＨ，Ｃcoil＝２．２５ｎＦとされ、励磁コイル２４は、インバータ電源(ハーフブリッジインバータ)１に接続されて、矩形波電圧が印加されることで正弦波状の電流が発生する。なお、Ｒcoilは、励磁コイル２４のインピーダンスを示し、ｉcoilは、励磁コイル２４を流れる電流(電流計４２により検出される電流に相当)、そして、ｖcoilは、励磁コイル２４の両端の電圧を示す。
【0064】
図１３および図１４は、図１１に示す励磁コイルによる測定結果を示す図である。ここで、図１３(a)および図１３(b)は、励磁コイル２４単体をＬＣＲメータに接続して測定したもので、図１３(a)は、励磁コイル２４の周波数とインピーダンスの測定結果を示し、図１３(b)は、励磁コイル２４の周波数と交流抵抗の測定結果を示す。図１４(a)は、図１２に示すインバータ電源１のＶin＝４０［Ｖ］としたとき、励磁コイル２４に流れる電流値の測定結果を示す。図１４(b)は、励磁コイル２４における１ターンごとに印加される電圧を測定した結果を示す図である。
【0065】
図１３(a)に示されるように、励磁コイル２４の共振周波数は、設計値の５ＭＨｚ付近(ｆR＝４．７ＭＨｚ)であり、その時のインピーダンスは１．３９Ωであった。共振周波数時のインピーダンスから、２Ｔの磁場を発生させるには４００Ｖ程度の電源電圧が必要であることがわかる。
【0066】
図１４(a)に示されるように、共振が立ち上がるまでの時間は約２μｓであることがわかる。この結果は、実測値を用いた実測値シミュレーションの結果とよく一致し、共振が立ち上がった後、電流が安定してから５０回程度磁場を振って測定試料５０の磁気特性を測定するのに、全体として１０μｓ程度の時間で済むことになる。
【0067】
すなわち、測定試料５０の磁気特性を測定する場合、励磁コイル２４に対して電流を流す時間を１０μｓ程度といった短時間とすることができるため、励磁コイル２４の破損(例えば、プリント基板に形成した導電パターンの溶融や焼断等)を防止することができる。また、今回の実験において、励磁コイル２４には最大３２Ａ(ｍａｘ)の電流を流すことができ、これは０．２３Ｔの磁場に相当するが、励磁後に、励磁コイル２４の断線等の劣化は認められなかったことから、より大きな電流が通電可能であると考えられる。
【0068】
さらに、図１４(b)に示されるように、励磁コイル２４を貫く磁束は、コイルに印加される電圧に比例することから、各ターンの鎖交磁束が異なる。励磁コイル２４は、全ターン同じ断面積なので、鎖交磁束が異なるということは、コイル内に磁場の分布があると言える。磁場が一様に発生している区間(安定領域)は、６層目から１１層目まで、コイル長２ｍｍ中０．７１ｍｍ程度であると考えられる。従って、例えば、図７を参照して説明したピックアップコイル２３'は、第４～第７導電パターン(２３γ1'，２３γ2'，２３α'，２３β')のすべてを安定領域に配置するのが好ましいが、例えば、図６を参照して説明したピックアップコイル２３は、第１導電パターン(２３γ)のみが安定領域に配置されればよいため、ソレノイドの長さ(積層基板の厚み(層数))を低減することができる。
【0069】
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではない。また、明細書のそのような記載は、発明の利点および欠点を示すものでもない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【0070】
１ 電源装置(インバータ電源)
２ 磁気特性測定部(積層基板)
２ａ，２ｂ，２ｃ，… 基板(プリント基板)
３ コンピュータ(制御演算部)
５，５０ 測定試料(磁性材料)
２１，２１k，２１k+1，２１k+2，…，２３α，２３β，２３γ，２３α'，２３β'，２３γ'，２３γ1'，２３γ2' 導電パターン(コイル)
２２，２２k，２２k+1，２２k+2，… コンデンサ
２３，２３' ピックアップコイル
２４、２４α，２４β 励磁コイル
２５ 試料配置部
３１ コンピュータ本体
３２ ディスプレイ
３３ キーボード
３４ マウス
４１ 電圧計
４２ 電流計
４３ デジタルオシロスコープ
２ 磁気特性測定部(積層基板)
２ａ，２ｂ，２ｃ，… 基板(プリント基板)
３ コンピュータ(制御演算部)
５，５０ 測定試料(磁性材料)
２１，２１k，２１k+1，２１k+2，…，２３α，２３β，２３γ，２３α'，２３β'，２３γ'，２３γ1'，２３γ2' 導電パターン(コイル)
２２，２２k，２２k+1，２２k+2，… コンデンサ
２３，２３' ピックアップコイル
２４、２４α，２４β 励磁コイル
２５ 試料配置部
３１ コンピュータ本体
３２ ディスプレイ
３３ キーボード
３４ マウス
４１ 電圧計
４２ 電流計
４３ デジタルオシロスコープ
【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】