(57)【要約】【課題】  超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）磁気センサ回路において、信号伝達回路にＳＱＵＩＤと鎖交する閉磁路をつくる構造をもつ磁性体を含ませることで磁気信号の伝達効率を高め、かつ、磁気遮蔽を信号伝達回路の近傍に配置もしくは信号伝達回路と一体としても伝達効率が劣化せず、外部磁気雑音に強く小型なＳＱＵＩＤ磁気センサを提供する。【解決手段】  信号伝達回路５にＳＱＵＩＤ１と鎖交する閉磁路をつくる構造をもつ磁性体を含み、その閉磁路構造の一部もしくは全部が磁気遮蔽７を形成するように構成する。磁気信号による閉磁路がＳＱＵＩＤ１と鎖交するため、信号磁束の漏洩は抑制され、高い信号伝達効率が達成されると同時に、磁気遮蔽７によりＳＱＵＩＤ１を構成する超伝導薄膜への磁束の捕獲が抑制され、感度の劣化は生じない。【選択図】           図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導量子干渉素子（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ＱＵａｎｔｕｍ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｖｉｃｅ，  ＳＱＵＩＤ）を用いた磁気センサにおいて、信号伝達回路にＳＱＵＩＤと鎖交する閉磁路をつくる構造をもつ磁性体を含み、その閉磁路構造の一部もしくは全部がＳＱＵＩＤを囲む磁気遮蔽をなすことを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
ＳＱＵＩＤを囲む磁気遮蔽の内部に、ＳＱＵＩＤへ磁気信号を伝達するコイルのコアを設け、そのコイルの作る磁力線が磁気遮蔽を通って閉磁路を形成することを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
【請求項３】
請求項１記載の磁気センサを備える測定機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を用いた高感度測定機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２は従来の超伝導量子干渉素子（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ＱＵａｎｔｕｍ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｖｉｃｅ，  ＳＱＵＩＤ）を用いた磁気センサ回路を説明する模式図であり、例えば下記の非特許文献１に記載されている。図２の中で、１はＳＱＵＩＤを表す。
【０００３】
超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）１は、超伝導体からなるリングに一つまたは二つのジョセフソン接合を含み、リングに鎖交する磁束の大きさを電圧に変換する素子である。一般にＳＱＵＩＤの磁束−電圧変換係数は非線形であるので、図２が示すように、通常ＳＱＵＩＤをゼロ検出素子として用いたフィードバック・ループ（Ｆｌｕｘ−ｌｏｃｋｅｄ  ｌｏｏｐ，  ＦＬＬ回路）により線形応答する磁束計を構成する。２はＦＬＬ回路を表す。図２におけるＦＬＬ回路は変調型と呼ばれ、この他、非変調型のＦＬＬ回路もある。本発明の磁気センサにおけるＦＬＬ回路は、変調型・非変調型のいずれでもかまわない。
【０００４】
ＳＱＵＩＤ１そのものを磁気信号検出素子として使用する場合もあるが、多くの場合、ＳＱＵＩＤ１の外部に磁気信号を検出する回路を設け、検出した磁気信号をＳＱＵＩＤ１に伝達する回路構成をとる。図３は、そのような回路構成を説明する模式図である。図３が示すように、通常、磁気信号を検出する回路（例えば、コイルや平面回路。以下、まとめて検出コイルという。３は検出コイルを表す）には、検出した磁気信号をＳＱＵＩＤ１に伝達する回路（例えば、コイルや平面回路。以下、まとめて入力コイルという。４は入力コイルを表す）が接続されている。検出コイル３と入力コイル４およびそれらを接続する導線をまとめて信号伝達回路という。５は信号伝達回路を表す。信号伝達回路５は、常伝導金属線または超伝導線で構成される。
【０００５】
入力コイル４とＳＱＵＩＤ１との間の相互インダクタンスＭの大きさが、磁気信号の伝達効率を決定する。伝達効率を大きくするためには、相互インダクタンスＭを出来るだけ大きくすることが必要である。そのためには、入力コイル４に生じる磁束のすべてがＳＱＵＩＤ１に鎖交し、磁束の漏洩が極力生じない構造をとることが望ましい。これは、入力コイル４に生じる磁力線がＳＱＵＩＤ１に鎖交し、かつ閉磁路となるように透磁率の大きな磁性体を配置することで解決される。
【０００６】
図４は、入力コイル４に生じる磁力線がＳＱＵＩＤ１に鎖交し、かつ閉磁路となるように透磁率の大きな磁性体６を配置した模式図である。ところが、図４に示すように、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）１は、通常、高透磁率の磁性体から成る磁気遮蔽７を必要とし、磁気遮蔽７も高透磁率の磁性体であるが故に、磁気遮蔽７が入力コイル４近傍に設けられた場合、入力コイル４に生じる磁束の一部は、ＳＱＵＩＤ１に鎖交せず、磁気遮蔽７を構成する磁性体中に漏洩する結果となる。即ち、図４のような構成では、伝達効率の大きな信号伝達回路５と磁気遮蔽７とを、実用的寸法まで近接して配置することが出来ない。これは、磁気遮蔽７の大型化を意味し、小型ＳＱＵＩＤ磁気センサシステムの実現の大きな妨げとなる。
【０００７】
超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）１が磁気遮蔽７を必要とする理由は、素子の冷却時に環境磁場による磁束が超伝導リングを構成する超伝導薄膜内に捕獲され、その捕獲された磁束のつくる磁場の影響でＳＱＵＩＤに含まれるジョセフソン接合の臨界電流が小さくなったり、超伝導リングを構成する超伝導薄膜内に捕獲された磁束量子の熱揺らぎ運動による低周波雑音が増加したりするためである。いずれの現象も、ＳＱＵＩＤの感度が劣化する原因となる。このような現象は、例えば下記の非特許文献２に記載されている。
【０００８】
超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）のなかには、システムの簡素化のために、磁気遮蔽７を配置することなく動作させるよう設計・製作されたものもある。そのようなタイプのＳＱＵＩＤ磁気センサは、例えば下記の非特許文献１に記載されている。しかし、磁気遮蔽７を施さない場合のＳＱＵＩＤ磁気センサは、一般に、磁気遮蔽７を施したものと比較して感度が悪く、また、ＳＱＵＩＤ磁気センサ出力に大きな磁気雑音成分を含み、信号との分離が困難になることが多い。従って、高感度磁気センサであるＳＱＵＩＤを応用する場合には、遮蔽効率が高くかつ簡素な構造の磁気遮蔽７を持つことが望ましい。
【０００９】
結局、従来の技術によれば、伝達効率の大きな信号伝達回路を得るためにＳＱＵＩＤと鎖交する閉磁路を構成する構造と、ＳＱＵＩＤの高感度を維持するために必要な磁気遮蔽７とを、実用的寸法で近接して配置することが出来ない。このような問題から、これまで数多くの研究者達によって様々な試みがなされてきたにもかかわらず、小型で実用的な高感度ＳＱＵＩＤ磁気センサシステムの成功例は未だ報告されていないのが現状である。
【非特許文献１】Ｊ．  Ｃｌａｒｋｅ  ａｎｄ  Ａ．  Ｉ．  Ｂｒａｇｉｎｓｋｉ  ｅｄｓ．，  Ｔｈｅ  ＳＱＵＩＤ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ，  Ｖｏｌ．  １，  Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ，  ２００４．
【非特許文献２】Ｔ．  Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，  Ｈ．  Ｈａｙａｋａｗａ，  Ｍ．  Ｔｏｎｏｕｃｈｉ  ｅｄｓ．，  Ｖｏｒｔｅｘ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  ＳＱＵＩＤｓ，  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，  ２００３．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
高感度ＳＱＵＩＤ磁気センサにおいて、信号伝達回路５にＳＱＵＩＤと鎖交する閉磁路をつくる構造を含ませることで磁気信号の伝達効率を高め、かつ、磁気遮蔽７を信号伝達回路５の近傍に配置もしくは信号伝達回路５と一体としても伝達効率が劣化せず、外部磁気雑音に強く小型なＳＱＵＩＤ磁気センサを実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題の解決は、信号伝達回路５にＳＱＵＩＤ１と鎖交する閉磁路をつくる構造をもつ磁性体を含み、その閉磁路構造の一部もしくは全部が磁気遮蔽７をなすことを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサにより達成される。磁気信号による閉磁路がＳＱＵＩＤ１と鎖交するため、信号磁束の漏洩は抑制され、高い信号伝達効率が達成される。また、磁気遮蔽７によりＳＱＵＩＤ１の超伝導リングを構成する超伝導薄膜への磁束の捕獲が抑制され、感度の劣化は生じない。
【発明の効果】
【００１２】
従来の技術において、磁気信号の伝達効率を高めるために高透磁率の磁性体を利用する信号入力方式が、磁気遮蔽７の近接配置を妨げていた根本原因は、信号伝達回路５において閉磁路を構成する磁性体と、磁気遮蔽７を構成する磁性体とが分離されているためであり、本発明は、閉磁路を構成する磁性体の一部もしくは全部を磁気遮蔽とすることで両者を一体とし、近接配置を妨げる根本原因を取り除く。これにより、小型で実用的な高感度ＳＱＵＩＤ磁気測定システムを実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の信号伝達回路５にＳＱＵＩＤ１と鎖交する閉磁路をつくる構造をもつ磁性体を含み、その閉磁路構造の一部もしくは全部が磁気遮蔽７をなすＳＱＵＩＤ磁気センサを説明する模式図である。検出コイル３によって検出された磁気信号は、信号伝達回路５によって入力コイル４に電流として伝達される。この電流によって入力コイル４に生じる磁場の磁力線は、ＳＱＵＩＤ１に鎖交しかつ閉磁路を形成するように配置された透磁率の大きな磁性体６によって、実用上漏洩なくＳＱＵＩＤ１に伝達される。図１から明らかなように、磁性体６は、入力コイル４のコアと閉磁路を形成する磁気回路８および磁気遮蔽７の機能を併せ持っている。従って、信号磁束の漏洩は抑制され、高い信号伝達効率が達成される。また、磁気遮蔽７によりＳＱＵＩＤ１を構成する超伝導薄膜への磁束の捕獲が抑制され、感度の劣化は生じない。
【００１４】
図１から明らかなように、入力コイル４のコアと閉磁路を形成する磁気回路８および磁気遮蔽７として働く磁性体６は、電子回路のインダクタ素子で使われる、いわゆるポット・コアと同様の形状をなしている。高透磁率の磁性体で作られたポット・コアの内部のコアの周りに入力コイル４が巻かれ、内部のコアのギャップの中にＳＱＵＩＤ１を配置することで閉磁路が形成され、また、ポット・コアの外側の磁性体が磁気遮蔽７を形成する。
【００１５】
本発明における要点は、閉磁路を構成する磁性体の一部もしくは全部を磁気遮蔽とすることで両者を一体とし、近接配置を妨げる根本原因を取り除く点であるが、ここでいう一体とは、磁気回路を形成する上で一体といえる意味であり、強い磁気結合で単一の磁気回路を形成している限り、機械的に一体である必要はない。
【００１６】
本発明における、磁性体６がＳＱＵＩＤ１を囲んでいるという特徴は、ＳＱＵＩＤ磁気センサとして機能させる上で、ＳＱＵＩＤ１だけでなく磁性体６も冷却しなければならないという制約が課される場合もあり得ることを意味する。このような場合には、例えばクライオパームのような、ＳＱＵＩＤが動作する極低温環境でも高い透磁率を示す磁性材料を、磁性体6に使用する必要がある。しかし、このことは、本発明におけるＳＱＵＩＤ磁気センサの実用上の性能や製造の容易さ、取り扱いの簡便さなどを低下させる要因とはならない。図１が示唆するように、磁性体６はＳＱＵＩＤ１と入力コイル４のみを取り囲む大きさがあれば十分であるため、従来の磁気遮蔽と比較して極めて小さな構造とすることが出来、また、ＳＱＵＩＤ１を取り囲む磁気遮蔽７は、磁性体６をクライオパームのような金属磁性体とすることで、磁束捕獲による磁束雑音の抑制だけでなく、電磁波(いわゆるラジオ波)の遮蔽にも有効であり、環境雑音に対する耐性が強い高感度計測システムとなることを意味する。なお、以下の実施例２が示すように、上記制約が限定的に課されるだけの場合もあり、磁性体６と磁気遮蔽７の配置の仕方によって本発明の特徴を損なうことなく実用的な構造を設計することが出来る。
【実施例１】
【００１７】
図５は本発明の信号伝達回路５にＳＱＵＩＤ１と鎖交する閉磁路をつくる構造をもつ磁性体を含み、その閉磁路構造の一部もしくは全部が磁気遮蔽７をなすＳＱＵＩＤ磁気センサの一実施例を説明する模式図である。図５は、ＦＬＬ回路を用いた線形応答するＳＱＵＩＤ磁気センサシステムである。
【００１８】
図５における信号伝達回路５の材料は、所望のＳＱＵＩＤ磁気センサシステムの測定原理に応じて、常伝導金属線であっても、または超伝導線であってもよい。検出コイル３が単純なコイルである場合には、常伝導線の場合、検出コイル３に鎖交する磁束の時間変化に比例した出力が得られ、超電導線の場合には、検出コイル３に鎖交する磁束に比例した出力が得られる。その他、検出コイル３を差動型コイルにするなど、所望の測定原理に応じて様々な構成をとり得るが、本発明のＳＱＵＩＤ磁気センサを使用することで、磁気信号の伝達効率が高い、磁気遮蔽が小型である、磁気遮蔽・電磁遮蔽の効率が高い、などの特徴を持たせることが出来る。
【実施例２】
【００１９】
図６は、上記制約が限定的に課されるだけの場合であり、本発明のＳＱＵＩＤ磁気センサの第二の実施例を示す。図のように、磁気遮蔽７と閉磁路をつくる磁性体６の一部がそれぞれ機械的に分離しており、ＳＱＵＩＤを設置する部分と機械的に一体となる磁性体など、磁気遮蔽７と閉磁路をつくる磁性体６の一部のみを冷却すればよい構造となっている。この場合も、機械的に分離したそれぞれの磁性体を、強い磁気結合で単一の磁気回路を形成するように配置する。なお、図６では、図５と同様のＦＬＬ回路とＳＱＵＩＤとを接続する配線などは省略してある。
【００２０】
以上詳細に説明したように本発明によれば、磁気信号の伝達効率が高く、磁気遮蔽が小型で済み、磁気遮蔽・電磁遮蔽の効率が高く外部雑音に強い、などの特徴を持つ実用性の高い小型で高感度なＳＱＵＩＤ磁気センサを実現することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
従来の技術において、高磁気信号伝達効率と高磁気遮蔽率の両立を達成することは困難であったが、本発明は、その根本原因を取り除くことで、小型で実用的な高感度ＳＱＵＩＤ磁気測定システムの開発を促進するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の信号伝達回路にＳＱＵＩＤと鎖交する閉磁路をつくる構造をもつ磁性体を含み、かつ、その閉磁路構造の一部もしくは全部が磁気遮蔽をなすＳＱＵＩＤ磁気センサを説明する模式図である。
【図２】従来の、ＳＱＵＩＤを用いた磁気センサ回路を説明する模式図である。
【図３】従来の、ＳＱＵＩＤの外部に設けた磁気信号検出回路と、検出した磁気信号をＳＱＵＩＤに伝達する回路の構成を説明する模式図である。
【図４】従来の、透磁率の大きな磁性体を用いて入力コイルに生じる磁力線がＳＱＵＩＤに鎖交し、かつ閉磁路となるように配置する回路構成を説明する模式図である。
【図５】本発明の信号伝達回路にＳＱＵＩＤと鎖交する閉磁路をつくる構造をもつ磁性体を含み、かつ、その閉磁路構造の一部もしくは全部が磁気遮蔽をなす構造をもつＳＱＵＩＤ磁気センサの一実施例を説明する模式図である。（実施例１）
【図６】本発明のＳＱＵＩＤ磁気センサの第二の実施例で、磁気遮蔽と閉磁路をつくる磁性体の一部のみを冷却すればよい構造を説明する模式図である。（実施例２）
【符号の説明】
【００２３】
１  ＳＱＵＩＤ
２  ＦＬＬ回路
３  検出コイル
４  入力コイル
５  信号伝達回路
６  入力コイルのコアと閉磁路を形成する磁気回路および磁気遮蔽の機能を併せ持つ透磁率の大きな磁性体
７  磁気遮蔽
８  閉磁路を形成する磁気回路
【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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