従来，磁区の評価を行うには，一定の環境と一台数千万もの高価な装置，そして熟練した技術者が必要でした。我々は磁区の電子顕微鏡画像から磁性体の磁化特性を抽出する全く新しい画期的な方法を提案した。現在，我々は安価な装置で磁性体の磁区を可視化可能とするビッター法を用いて磁性体の磁化特性を抽出する方法を開発している。可視化された磁区動画像の評価を，技術者の目視によって評価していましたが，計算機により自動的に評価できる手法で磁区挙動を評価することを目的に研究を行ってきました。その結果，ビッター法による磁区の可視化動画像から，磁化特性が測定可能である見通しを得たので此処に報告する

寺西 正晃

須永 高志

齊藤 兆古

Hosei University Repository

ビッター法による可視化磁区画像から磁化特性の抽出著者 須永 高志, 寺西 正晃, 齊藤 兆古出版者 法政大学情報メディア教育研究センター雑誌名 法政大学情報メディア教育研究センター研究報告巻 20ページ 83-86発行年 2007-03-20URL http://hdl.handle.net/10114/209  ビッター法による可視化磁区画像から磁化特性の抽出    須永 高志  寺西 正晃  齋藤 兆古 法政大学大学院 工学研究科 従来，磁区の評価を行うには，一定の環境と一台数千万もの高価な装置，そして熟練した技術者が必要でした。我々は磁区の電子顕微鏡画像から磁性体の磁化特性を抽出する全く新しい画期的な方法を提案した。現在，我々は安価な装置で磁性体の磁区を可視化可能とするビッター法を用いて磁性体の磁化特性を抽出する方法を開発している。可視化された磁区動画像の評価を，技術者の目視によって評価していましたが，計算機により自動的に評価できる手法で磁区挙動を評価することを目的に研究を行ってきました。 その結果，ビッター法による磁区の可視化動画像から，磁化特性が測定可能である見通しを得たので此処に報告する。  １．はじめに 磁性鋼板は電気・電子機器を構成する主要な材料である．一般に，磁性材料は磁区と呼ばれる微小磁石の集合で構成され，外部磁界に応じて材料中の磁気エネルギーが最小となるように磁区が変化する。すなわち，磁性材料の磁化過程は外部磁界に対する磁区挙動である。所望の磁化特性を持つ材料開発・評価に，磁区挙動の可視化は磁化過程を掌握するために重要な役割を担う。磁区挙動の可視化は，磁性コロイド溶液を用いたビッター法，電子顕微鏡に拠る方法，磁気光学効果を利用した方法等で行われる 1)。ビッター法は手軽な方法であるが，磁区間の磁壁しか観察できない。また，磁気光学的方法は磁性体表面の磁区挙動可視化に限定される。電子顕微鏡に拠る方法は磁性体内部の磁区挙動を観察可能とするが，高価な機器を必要とする。 従来，我々は磁区の電子顕微鏡画像から磁性体の磁化特性を抽出する全く新しい方法を提案した 1)。現在，我々は安価な設備で磁性体の磁壁を可視化可能とするビッター法を用いて磁性体の磁化特性を抽出する方法を開発している 2,3)。 本稿では，ビッター法で可視化した磁壁動画像から１/ｆゆらぎ周波数成分が分布する領域を抽出することを試みる。一般に，磁性体は磁気ノイズを電子回路へ与えることや磁気飽和による非線形特性を呈することが知られている。このような磁気ノイズ発生のメカニズムを解明するため，ビッター法による磁壁の動画像の時間領域周波数特性から，特に磁気ノイズに関係すると考えられる１/ｆゆらぎ周波数成分分布の可視化を試みる 4)。 ２．ビッター法による磁壁移動の可視化と磁化特性 2.1 ビッター法  ビッター法による磁壁可視化の原理について述べる。金属試料の表面の磁壁を観察するためには，反射型の金属光学顕微鏡を用いる。この時，倍率は 100~200倍程度でもよいが，本稿では，機材の都合から，全て 750 倍で行った。試料台に試料を載せて，研磨面にスポイトで磁性コロイド溶液をたらし，カバーガラスを載せて観察する。強磁性微粒子（γ 酸化鉄）のコロイド液を強磁性体表面につけると，コロイド液内に分散していた酸化鉄の微粒子が，磁壁付近の急峻な磁化変化による表面への漏れ磁束の傾斜に引き付けられて集まり，表面近くの磁壁の観測ができる。この引き付けられた微粒子を光学顕微鏡で観察する 5,6)。 この原理はマグネットビューワーと呼ばれる商品などに応用されており，比較的面倒な実験準備を必要とせずに磁壁を観察可能とする。 Fig.1 は磁壁移動の可視化に使用した実験装置を示す。励磁コイルから周波数 1Hz の交流磁界を観測対象に印加する。Table 1 に継鉄と励磁コイルの仕様を示す。顕微鏡はKEYENCE社のHD中倍率ズームレンズVH-Z75に高精細クイックマイクロスコープ VH-5000を接続したものである。  (a) Entire Measurement System  (b) Yoke and Exciting Coil Fig.1 Experimental device for magnetic wall observation    Table 1 Various Constants used in the Experiment コイル 巻数 コイルの 直径 コイルの 長さ コイルの 素材 励磁 コイル 300[Turn] 10[mm] 30[mm] 直径0.5[mm]の ホルマル線 検出 コイル 200[Turn] 4[mm] 10[mm] 直径0.4[mm]の ホルマル線 2.2 磁壁の可視化 2.2.1 軟鉄 金属中で最も大きな飽和磁束密度を持つ軟鉄の磁壁の動的移動を可視化した。Fig.2は観測したフレーム画像の例を示す。   (a) 0[s]    (b) 0.28[s]  (c) 0.56[s]     (d) 0.84[s] Fig.2 Example of Magnetic Wall Flame Images Sample: Soft Iron  2.2.2 無方向性珪素鋼板 Fig.2に示す軟鉄に珪素を添加し，飽和磁束密度は低下するが鉄損を削減した無方向性珪素鋼板，いわゆる電気鉄板と呼ばれる低損失珪素鋼板の磁区挙動を観察した。Fig. 4は観測された磁区フレーム画像を示す。  (a) 0[s] (b) 0.28[s]  (c) 0.56[s]    (d) 0.84[s] Fig.3 Example of Magnetic Wall Flame Images Sample: Silicon Steel  Fig. 5は Fig.4に示す無方向性珪素鋼板を 4等分した場合全体の磁化特性と各部分の磁化特性を示す。 -2000 -1000 1000 2000H@AêmD-1.5-1-0.50.511.5B@TD (a) Entire B-H Loop     (b) B-H loop at Upper Left (c) B-H loop at Lower Left     (f) B-H loop at Upper Right (g) B-H loop at Lower Right Fig.4 Entire and Local B-H Loops of the Tested Silicon steel. Fig.5の結果は，無方向性珪素鋼板も Fig.3と同様に個々の領域で異なった磁化特性を呈するが，全体としては滑らかに変化する B-H 特性をもつことが判る。これは磁性体の発生するノイズが材料全体としては小さいが材料の場所に拠っては大きいことを意味する。 3．１/ f ゆらぎ周波数部分の可視化 3.1 １/ f ゆらぎ周波数  「１/ｆゆらぎ」は自然界に多く存在し，例えば小川のせせらぎ，小鳥の囀り，爽やかなそよ風などの心安らぐリズムが相当する。同様に，心地良い音楽を聴いたり，快い感じを抱いたり，安静にしているときの脳波にも「１/ｆゆらぎ」が存在する。 全フレームの各画素値をフレーム順に時系列に並べた 1次元データに対してフーリエ変換を適用し，フーリエ・パワースペクトラムの周波数に対する変化率からゆらぎの特徴を求める。より具体的には，ある信号へ離散フーリエ変換(DFT, Discrete Fourier Transform)を適用し，各周波数に対するパワースペクトラムを計算する。周波数の低下とともにパワースペクトラムが増加するような信号の中で，パワースペクトラムの振幅が周波数に対して反比例する信号を「１/ｆゆらぎ」と呼ぶ。 視覚的に判りやすくするために，フーリエ・パワースペクトラム対周波数の両対数グラフを描き，描かれる線図の傾きによってゆらぎの種類を大別する方法である。Fig.6 にフーリエ・パワースペクトラムの一例を示す。Fig.6において，  直線の傾きが 0の場合は主にホワイトノイズである。また，直線の傾きが急になる程単調な信号である。そしてホワイトノイズと単調な信号の中間的な信号で傾きが約-1 の場合を「１/ｆゆらぎ」と呼び，人間が心地よいと感じる信号と言われている。  Fig.5  Typical Fourier Power Spectra  3.2 磁性体の１/ f ゆらぎ周波数部分の可視化 飽和磁束密度は最も高いが鉄損も大きい軟鉄における１/ｆゆらぎ周波数成分（厳密には周波数 f に対して-0.95 乗から-1.05乗）分布を調べた結果を Fig.7に示す。Fig.7では，見易くするため明度とコントラストを調整してある。白色の点部が１/ｆゆらぎ周波数で運動する磁壁部分を示す。 Fig.7 から，通常の軟鉄では１/ｆゆらぎ周波数成分は材料全体に渡りの磁壁が１/ｆゆらぎ周波数で運動することが判る。 Fig.8 は無方向性珪素鋼板の１/ｆゆらぎ周波数分布を示す。Fig.8の結果は Fig.7と同様に見易くするために明度とコントラストが調整されている。また，Fig.7と同様に白色の点部が１/ｆゆらぎ周波数で運動する磁壁部分を示す。 Fig.8から，無方向性珪素鋼板は Fig.7に示されている軟鉄よりも白色の点部が削減され，１/ｆゆらぎ周波数で運動する磁壁が少ないことが判る。  White : 1/f Frequency Fig.6  Extracted 1/f frequency fluctuation parts in soft iron.  White : 1/f Frequency Fig.7  Extracted 1/f frequency fluctuation parts of  silicon steel  拠って，Figs.7,8 の比較は，鉄損を削減するためにシリコンを含有させた無方向性珪素鋼板は１/ｆゆらぎ周波数特性で運動する磁区を削減し，結果として磁性体から生ずるノイズを削減している可能性が判明した。この可能性の検証は，Figs.7,8 の白色部などのより細かい部分に対するFig.3,5 に示す局所的 B-H 磁化特性を詳細に吟味する必要が有る。すなわち，Fig.7,8の白色部の B-H磁化特性が大きな不連続などを呈すれは，１/ｆゆらぎ周波数特性が磁気ノイズに寄与している可能性は極めて大きいと考えられる。 ４．まとめ 本稿では，ビッター法で可視化した磁壁動画像から１/ｆゆらぎ周波数成分が分布する領域を抽出し可視化を試みた。 一般に，磁性体は磁気ノイズを電子回路へ与えることや磁気飽和による非線形特性を呈することが知られているこのような磁気ノイズ発生のメカニズムを解明するため，ビッター法による磁壁の可視化動画像の周波数特性から，特に磁気ノイズに関係すると考えられる１/ｆゆらぎ周波数成分分布領域の可視化を試みた。 本稿では，金属中で最も飽和磁束密度が高い軟鉄と軟鉄の鉄損を削減するために珪素を含有させた無方向性珪素鋼板に対する１/ｆゆらぎ周波数分布特性を可視化して吟味した。その結果，鉄損を削減するためにシリコンを含有させた無方向性珪素鋼板は１/ｆゆらぎ周波数で運動する磁区部分を削減し，結果として磁性体から生ずるノイズを削減している可能性が判明した。この仮説の検証にはより詳細な局所的磁化特性と１/ｆゆらぎ周波数特性で動く磁壁の関係を吟味する必要がある。 参 考 文 献  [1]H. Endo, S. Hayano, H.Mogi, M.Fujikura, C.Kaido and Y. Saito: Estimation of Iron Loss Distribution by Image Helmholtz Equation Method, IEEE Trans. Magn., Vol. 39 No. 3, pp. 1377-1380, （2003年 3月 [2]大窪雄亮,遠藤久,早野誠治,齋藤兆古,堀井清之:球状永久磁石を用いて模擬した磁性鋼板の動的磁区挙動の可視化, 可視化情報, Vol.23, No.1 (2003) pp.263-266. [3]藤咲忠春，早野誠治，齋藤兆古，堀井清之：ビッター法による可視化画像から磁化特性の抽出，可視化情報学会シンポジウム，2005 年 7 月，B211． [4]寺西正晃，丸山和夫，早野誠治。齋藤兆古，堀井清之：自然界の画像が持つ 1/f 周波数成分の可視化，可視化情報シンポジウム，2005 年 7 月，B108. [5]Alex Hubert, Rudolf Schaefer: “Magnetic Domains” (Springer.1998). [6]川西健次,近角聰信,櫻井良文:磁気工学ハンドブック,朝倉書店(1998).              キーワード.  ビッター法，磁区動画像，磁化特性    Extraction of Magnetization characteristic From Visualized Magnetic Domain Images by Bitter Method  Takashi Sunaga Masaaki Teranishi Yoshihuru Saito Graduate School of Engineering，  Hosei University Summary.  The Bitter method is most commonly observing way of the magnetic domains even though it is limited to the surface observation of specimen. To observe the magnetic domains by Bitter method, magnetic liquid is put on the target magnetic material after electrical field polishing process. Applying magnetic field to this magnetic material covered by magnetic fluid makes it possible to observe the magnetic domain dynamics by a microscope.  We have previously reported that local magnetization characteristics could be obtained from the visualized magnetic domain dynamics. Final purpose of our research on visualized magnetic domain dynamics is to work out a fully automatic quality control system for the thin magnetic materials by visualizing the magnetic domain dynamics.  In the present paper, we try to extract the magnetic domain locations exhibiting 1/f fluctuated frequency movement from the dynamic magnetic domains because it may be considered one of the causes of magnetic noise as well as chaotic behaviors.  Keywords: Bitter method, Magnetic domain dynamics， Magnetization characteristic 

Extraction of magnetization characteristic from visualized magnetic domain images by bitter method

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