JPH02501592A - 磁力計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 磁力計 産業上の利用分野 本発明は、物体の磁力を測定するための磁力計に関する。

技術的背景 本発明は、振動状態にすることが可能な舌状部材の自由端部に固定された測定す べき試料に作用し強さが時間の経過によって周期的に変化する不均一な磁界を有 する磁力計であって。

該舌状部材の振動が評価回路に接続された少なくとも１つの圧電要素によって検 出可能であり。

該評価回路は、圧電信号の振幅を検出するための測定増幅器と１周期的に変化す る磁界を形成するコイル装置に電力増幅器を介して接続された低周波ゼネレータ とを備え。

前記試料が補償電流ループによって囲続されるようにした形式のものに関する。

このような補償電流ループを有しない磁力計が。

’Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｒ　５ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ’　５ １（５）　、　１９８０年５月、６１２．６１３ページに記載されており、金線 およびグラスファイバからなる舌状部材の振動振幅が。

圧電要素によって検出されることによって、極めて小さな試料の磁気モーメント を量的に測定することが可能である。圧電要素の出力信号が位相判別増幅機に供 給され、この増幅機の出力信号が測定信号を表わす。

この公知の装置の振動振幅、したがって出力信号は。

測定すべき磁気モーメントの大きさだけでなく、使用材料の弾性、振動体の慣性 、および磁界勾配の大きさならびに周波数に依存する。この理由から、この公知 の磁力計では、磁気モーメントの湿度による依存性を把握せずに、顕微鏡的に小 さな試料の量的な測定だけを行うことが可能である。

応用固体物理に対するフラウンホフエル研究所の活動報告書、　１９８４年、１ ３６ページから、電流ループの磁気モーメントによって圧電信号を補償すること が知られている。しかしながら、これを実際にどのようにして実施し得るかにつ いては、活動報告書から知ることができない。

発明により解決しようとする課題 本発明の基本的な目的は、この従来の技術から出発して、異なる温度において、 数ミリメートルの範囲の寸法を有する試料でも、磁気モーメントを量的に測定す ることが可能な、冒頭に述べた形式の磁力計を提供することである。

発明による課題の解決手段 この目的は２本発明によれば、磁界の周波数を舌状部材のそれぞれの共振周波数 に追従調整することが可能な自動周波数調整回路によって、低周波ゼネレータが 制御され、磁気モーメントを量的に測定するための測定信号として、補償電流ル ープを流れる補償直流電流の大きさを検出することが可能であり、その際試料の 磁気モーメントしたがって舌状部材の励起が補償されるようにすることによって 達成される。

作用及び効果 舌状部材の振動の零調整によって測定が行なわれることによって、測定増幅機の 出力信号の振幅と無関係に、したがって装置の振幅に影響をおよぼす量と無関係 に、試料の磁気モーメントを量的に測定することが可能である。励起周波数を基 準周波数に同調させることによって、広い温度範囲にわたって磁気モーメントを 極めて高い感度で測定することができる。

本発明の好適な実施例において、試料が石英中空シリンダの内部にあり、この石 英中空シリンダの縦軸が双方の磁極の間の磁界方向に延び、石英中空シリンダ上 に補償電流ループとして細い金線の巻線を有する針金ループが巻かれている。石 英中空シリンダと共に振動される舌状部材は、磁界を発生する電磁石の双方の極 の間の空隙部に突出したクライオスタットの尾部に設けられる。

測定増幅器は、特に補償電流ループを備えた第１の調整回路用の第１の出力端子 を有する位相判別増幅器として構成されている。位相が９０°ずれた信号用の位 相判別増幅器の第２の出力端子は、第２の調整回路にある自動周波数調整装置の スイッチング回路の入力を制御し、第２の調整回路が、低周波ゼネレータの励起 周波数を、常に振動系の共振周波数に同調し得るようにされている。

本発明の適切な構成および実施態様は、請求の範囲の従属項にさらに詳細に示さ れている。

図面の簡単な説明 次に１本発明の実施例を１図によって一層詳細に説第１図は調整回路のブロック 結線図と共に概略的に示された本発明による磁力計。

第２図は一部断面による側面図で示された磁力計のクライオスタット。

第３図は第４図の線■−■に沿ったクライオスタット尾部の縦断面図。

第４図は第３図の線ＩＶ−ＩＶに沿ったクライオスタット尾部の断面図。

第５図は一部断面側面図で示された磁気センサの舌状部材。

第６図は磁力計の舌状部材および石英中空シリンダの振動方向における磁力計の 磁気センサの舌状部材の正面図である。

好適な実施の態様（実施例） 第１図において電子構成要素のブロック結線図と共に概略的に示されている磁力 計は、勾配コイル３．４上に設けられ、これらの勾配コイル３．４は、電流の流 された状態において、低周波増幅器５から供給される勾配コイル３．４の供給電 流に相応して１強さが時間的に正弦波状に変化する磁界勾配を磁極片１．２の間 に形成する。低周波増幅器５は、低周波ゼネレータ（発振器）６の出力端子に接 続されている。低周波ゼネレータ６によって形成可能な励起周波数は、１０ない し１００Ｈｚの間の領域にあり、したがって２時間的に変化する磁界が、勾配コ イル３，４の間において同一の周波数で振動する。

磁極片１．２の間の中央に、試料用の試験空間としての役割を行う石英中空シリ ンダ７があり、そこの磁気モーメントは一定である必要がある。磁界勾配によっ て、磁気モーメントおよび磁界勾配に依存した大きさの力が２石英中空シリンダ ７に固定された試料に作用する。したがって、勾配コイル３，４への交流の供給 によって２強さおよび方向か周期的に変化する力が。

磁極片１および２０間の結合線に沿って試料に作用する。

石英中空シリンダ７は、舌状部材８の前方の自由端部に固定され、この舌状部材 ８は、磁気的な励起によって振動するように励起され９石英中空シリンダ７と反 対側の端部において磁器からなる剛性の保持管９によって固定されている。

舌状部材８は１石英中空シリンダ７と結合された２つの石英細管１０．１１から なり、この石英細管は１石英中空シリンダ７と反対側の端部において、圧電セラ ミックス材料からなり圧電要素として舌状部材８の振動運動を検出する役割を行 う平板１２．１３に結合されている。

舌状部材８が振動したときに出力導線１８．１９に互いに逆位相の信号が生じる ように、圧電要素として作用する平板１２．１３が電荷・電圧変換器１６．１７ の入力端子と導線１４．１５によって接続されている。

逆相信号が減算手段２０の双方の入力端子に供給され。

したがって逆相信号が加算され、入力信号に比べて大きな出力信号が出力端子２ １に生じ、その場合、出力導線１８．１９にある同じ位相のノイズ信号は抑止さ れる。

舌状部材８の励起周波数と同一の必要な基準周波数を位相判別増幅器２２が使用 し得るようにするため、出力端子２１が基準入力端子２３を介して低周波ゼネレ ータ６に接続された位相判別増幅器２２（ロックイン増幅器）の入力端子と接続 されている。

位相判別増幅器２２は、第１の出力端子２４と、９０°だけ位相のずれた信号用 の第２の出力端子２５とを有している。舌状部材８が振動したとき、第１の出力 端子２４に直流電圧信号が生じ、この大きさは、試料の磁気モーメントに依存す る舌状部材８の振動振幅に依存する。

位相判別増幅器２２の第１の出力端子２４が、第１のスイッチ２６を介して比例 積分要素２９と接続されている。

第２の出力端子２５が、第２のスイッチ２７を介して自動周波数調整回路２８に 接続され、この回路によって低周波発振器６の励起周波数が変化可能である。

第１のスイッチ２６が開かれているときに第２のスイッチ２７が閉路された場合 、調整回路が閉成し、この回路が、励起周波数を、舌状部材８を包囲する磁気セ ンサの共振周波数に調整する。共振周波数は、試料の質量および温度に応じて１ 例えば４０ないし８０Ｈｚの範囲にある。共振現象が生じると、舌状部材８が最 大の変位を生じ、したがって第１の出力端子２４における振幅が最大値に達する 。これに対して、第２の出力端子２５における信号は、同調された位相状態にお いて零である。

例えば温度変化によって、舌状部材８を有する磁気センサの共振条件の変化が生 じた場合、舌状部材８の励起と振動との間の位相関係が変化し、これは、第２の 出力端子２５における偏位方向に応じてそれぞれ零と異なる正または負の信号で 識別可能になる。この信号は。

第２のスイッチ２７が閉路したときに自動周波数調整回路２８に達し、この回路 は、最初の位相関係すなわち磁気センサの励起周波数と固有周波数との間の共振 が再び生じるまで、それぞれの信号符号によって与えられる方向に低周波ゼネレ ータ６の励起周波数を追跡する。

励起周波数の共振周波数への同調および次に説明する方法による磁気モーメント の測定のための第１のスイッチ２６ならびに磁気センサの共振条件への同調のた めの第２のスイッチ２７の交互の操作によって１例えば５ないし３５０Ｋ　”Ｃ の広い温度範囲にわたって、試料の磁気モーメントを極めて高い感度で温度に依 存して測定することが出来る。

第１のスイッチ２６に接続された比例積分要素２９が電流調整要素３０に給電し 、その電流は電流測定装置３１によって測定することができ９石英中空シリンダ ７の外側に巻かれたワイヤループ３３に導線３２を通して補償電流を供給する。

ワイヤループ３３によって形成された磁気モーメントは１巻き方向および電流方 向が選択されている場合、試料の磁気モーメントの補償によって。

磁気センサの舌状部材８に作用する交番力の補償を行う。補償が強くされるほど １石英中空シリンダ７の振動振幅が減少し、完全に補償された場合、舌状部材８ の偏位が生じなくなり、出力端子２４における直流電圧信号が零になる。出力端 子２４における信号およびワイヤループ３３を通る補償電流の相互の依存性によ って。

閉じられた調整回路が成立し、その目的は、出力端子２４における信号およびワ イヤループ３３を通る電気的な補償電流の零検出によって、舌状部材８による磁 気センサに作用する力を補償し、偏位を零に調整することである。

したがって、出力端子２４における信号の零調整後に。

調整回路の休止状態において、試験空間のまわりのワイヤループ３３を通る電流 を測定し、試験空間の幾何学的な寸法を測定するだけで、試験空間内の試料の磁 気モーメントを測定することができる。そのためには。

交番作用における磁界勾配によって生じる限り、空の試料保持器の磁気モーメン トを無負荷測定によって測定する必要があり、全体のモーメントから差し引く必 要がある。

上述の測定装置は、測定が零調整によって行なわれるため、振幅に影響をおよぼ す量と無関係に、試料の磁気モーメントを量的に測定することができる。

電流調整要素３０にゼネレータ３４が設けられ、これは第１のスイッチ２６が開 かれているときに、第３のスイッチ３５を閉路することによって電圧を供給する か、または付加的な磁気モーメントを発生するため、第３のスイッチ３５を介し て電流調整要素３０に接続することができる。　゛ スイッチ２Ｂ、２７．３５の操作、および電流測定装置３１からの電流値の読出 しは２図示されていない計算機によって行うことができ、したがって磁力計の自 動操作が可能である。

第１図において磁極片１，２の領域に示された磁気センサは、第２図において知 見されるクライオスタット３７の尾部３６にあり、これはヘリウム貫流クライオ スタットとして構成することができる。第２図において。

勾配コイル３．４を備えた磁極片１，２の間の空隙部に尾部３６が突出している 状態が知見される。クライオスタット３７はクライオスタット外管３８を備え、 この外管は１図示されていない空気緩衝器（ダンパ）上に置かれたコンクリート 板３９と結合されている。第２図においてコンクリート板３９の上方に冷却剤流 入口４０および冷却剤流出口４１が示されており、これらは。

冷却剤管路４２．４３を介して１尾部３６の上方のクライオスタット外管３８の 下部にある熱交換器４４に接続されている。

クライオスタット外管３８の上端部には２重量物４８を振動が少なくなるように 支えるための、ばね４８．４７によって記号的に図示された２段式のばね装置を 備えたばね箱４５があり１尾部３６に設けられた磁気センサを支持する第１図に 関連してすでに述べられた保持管９が。

ばね箱４５に固定されている。

第３図に、さらに細部を示すためのクライオスタット３７の尾部３Ｂの拡大され た断面図が示されている。この場合、前述の構成要素は、第１図及び第２図にお いて付された参照符号と同一の参照符号が付されている。

第３図から判るように、クライオスタット３７の尾部３６は、クライオスタット 外管３８の下端部にフランジ部５０を介して結合された外管４９からなっている 。ガラスファイバ強化合成樹脂からなる外管４９の内部に、熱遮蔽管５１があり 、この構造は、勾配コイル３，４によって金属管に形成されクライオスタット内 に振動を生じ磁気センサに誘導障害をおよぼすおそれのある渦電流の発生を防止 する。熱遮蔽管５１は１例えばプレキシグラス（Ｐｌｅｘｉｇｌａｓｓ）でつく られた厚さの薄い管５２からなり、これは１尾部３Ｂのその他の管と共に第４図 において断面図で示されており１例えば０．５５　ｍの直径を有する密接して巻 かれたラッカー絶縁銅線５３によって囲繞され、第３図において部分的に示され ているように。

管５２の縦軸に沿って、わずかに（軽く）螺旋上に延びている。銅線５３の位置 は、この銅線とほぼ直角に延びた紐５４によって巻き留められている。

銅線５３の下端部は、半径方向に内側へ９０＠曲げられ。

ねじ止めされた２枚のテフロン板５５．５６の間に締め付けて留められている。

銅線５３の上部の線端部は、止めリング５７とフランジリング５８との間に締付 けられ、このリングによって遮蔽管５１がクライオスタット３７の対応するフラ ンジ５９に組付けられている。この装置は、一方において。

遮蔽管５１の全長に沿った必要な熱伝導を保証するが。

他方において、互いに絶縁された針金の直径より大きな直径を有する電流通路（ Ｓｔｒｏｍｂａｈｎｅｎ）の成立を阻止する。

第３図および第４図から判るように、同様にガラスファイバ補強合成樹脂からな るクライオスタット内管６０が、遮蔽管５１の内部にある。クライオスタット内 管６０は、約ｌθミリバールの圧力のヘリウムガスで満たされている。クライオ スタット内管６０の内部に２つの銅の樋状帯８１．６２が延びており、これは冷 却管の役割を行い、クライオスタットの熱交換器４４と熱的に良好に結合されて いる。銅の樋状帯６１．６２の形状は、第４図に示された断面図から明確に知る ことができる。銅の樋状帯６１．８２の間に形成された長手方向間隙は、第３図 の図面に平行に延び、したがって電磁石の磁極片１゜２の間の磁力線に沿って延 びている。

第５図および第６図は、クライオスタット６０の内部に設けられ第１回および第 ３回にも示された磁気センサを、著しく拡大して示している。

第５図に、平らにされ磁器接合部材６３として形成された保持棒９の下端部が示 されている。平らにされた磁器接合部材６３に、平板１２．１３の上端部が接着 されている。さらに、熱センサ６５を取付けるための石英からなる熱感知管６４ が固定されている。平板１２．１３は圧電セラミックス材料からなり１例えば７ ０關Ｘ　１．６＋ｍＸＯ，６５ｍｍの寸法を有している。下端部の幅の広い側に それぞれ銀電極を備えた平板１２．１３に１石英細管１０゜１１が固定され、そ の外径は１■鳳であり、その内径は０．７ａｍである。石英細管１０．１１は、 測定されるべき試料を収容するために使用される２例えば６ｍ１１の内径を有す る石英中空シリンダ７の外壁部にまで延びている。

石英中空シリンダ７の外壁部に設けられたワイヤループ３３が、第５図に明確に 示されており、その捩じられた導線（対）６８が石英細管１０に沿って敷設され ている。ワイヤループ３３および捩じられた導線６８は。

０．０５ｍｍの直径を有するラッカー絶縁された金線からなっている。湾曲時に 圧電効果によって生じる電荷を取り出すのに使用される。圧電平板１２．１３の 幅の広い側に設けられた銀電極は、導線１４．１５および同じ電位にある内側の 銀電極用の共通の導線６９に接続されている。磁気センサの振動可能部分を表わ す第５図及び第６図に示された舌状部材８の長さは、約１０ｃｍである。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．振動状態にすることが可能な舌状部材の自由端部に固定された測定すべき試 料に作用し強さが時間の経過によって周期的に変化する不均一な磁界を有する磁 力計であって， 該舌状部材の振動が評価回路に接続された少なくとも１つの圧電要素によって検 出可能であり，該評価回路は，圧電信号の振幅を検出するための測定増幅器と， 周期的に変化する磁界を形成するコイル装置に電力増幅器を介して接続された低 周波ゼネレータとを備え， 前記試料が補償電流ループによって囲続されるようにした形式のものにおいて， 磁界（３，４）の周波数を舌状部材（８）のそれぞれの共振周波数に追従調整す ることが可能な自動周波数調整回路（２８）によって，低周波ゼネレータ（６） が制御され， 磁気モーメントを量的に測定するための測定信号として，補償電流ループ（３３ ）を流れる補償直流電流（３０，３１）の大きさを検出することが可能であり， その際試料の磁気モーメントしたがって舌状部材（８，１０，１１，１２，１３ ）の励起が補償されるようにしたことを特徴とする磁力計。 ２．測定増幅器が位相判別増幅器（２２）であり，その第１の出力端子（２４） が，補償電流ループ（３３）に給電するための信号を供給することを特徴とする ，請求項１記載の磁力計。 ３．位相判別増幅器（２２）が，９０°だけ位相のずれた信号用の第２の出力端 子（２５）を有し，この出力端子が自動周波数調整回路（２８）に接続されるこ とを特徴とする，請求項２記載の磁力計。 ４．前記第１，第２両方の出力端子（２４，２５）の出力導線に，交互に操作可 能なスイッチ（２８，２７）が夫々接続されることを特徴とする，請求項３記載 の磁力計。 ５．舌状部材（８）が，逆位相に接続された２つの圧電要素（１２，１３）と結 合され，これらの圧電要素がそれぞれ電荷・電圧変換器（１６，１７）に接続さ れ，舌状部材（８）が振動したとき，電荷・電圧変換器（１６，１７）の出力端 子に互いに逆位相の信号が生じ，これらの信号が減算手段（２０）に供給され， 減算手段（２０）の出力信号が測定増幅器（２２）に対する入力信号を形成する ことを特徴とする，請求項１ないし４のいずれかに記載の磁力計。 ６．補償電流ループ（３３）が，電流測定装置（３１）および電流調整要素（３ ０）によって制御され，その制御電圧が，測定増幅器（２２）の出力端子に接続 された比例積分要素（２９）によって形成可能であることを特徴とする，請求項 １ないし５のいずれかに記載の磁力計。 ７．電流調整要素（３０）が第２の入力端子を有し，この入力端子に，付加的な モーメントを起生し補償を行うための直流電圧（３４）を供給し得ることを特徴 とする，請求項６記載の磁力計。 ８．舌状部材（８）が，その自由端部に，測定すべき試料を収容し固定するため の中空シリンダ（７）を有し，その周囲に，補償電流ループとして，１巻または 数巻の巻線を有する導電材料からなるループ（３３）が，設けられることを特徴 とする，請求項１ないし７のいずれかに記載の磁力計。 ９．石英中空シリンダ（７）が，圧電セラミックス材料からなり保持管（９）の 前端部に固定された互いに平行に延びる平板（１２，１３）と，互いに平行に延 びる２つの石英細管（１０，１１）を介して，結合されることを特徴とする，請 求項８記載の磁力計。 １０．熱センサ（６５）を有する熱感知管（６４）が，平板（１２，１３）及び 石英細管（１０，１１）と平行に，石英中空シリンダ（７）の近くまで延びるこ とを特徴とする，請求項９記載の磁力計。 １１．舌状部材（８）が，クライオスタット（３７）の尾部（３６）に設けられ ることを特徴とする，請求項８ないし１０のいずれかに記載の磁力計。 １２．舌状部材（８）がクライオスタット内管（６０）の内部に設けられ，半径 方向に向かい合った２つの冷却樋状帯（６１，６２）が，クライオスタット内管 （６０）の内部に設けられることを特徴とする，請求項１１記載の磁力計。 １３．クライオスタット内管（６０）と外官（４９）との間に，熱遮蔽管（５１ ）が設けられることを特徴とする，請求項１２記載の磁力計。 １４．遮蔽管（５１）が，薄肉の非導電管（５２）であり，その上に，多数の絶 縁銅線（５３）が大きく斜めに軽く螺旋状に巻かれることを特徴とする，請求項 １３記載の磁力計。 １５．銅線（５３）の端部が，管（５２）の端面倒の近くで９０°曲げられ，そ れぞれ２つの円板（５５，５６）またはリング（５７，５８）の間に，互いに電 気的に絶縁されて締付けられることを特徴とする，請求項１４記載の磁力計。