JP7093082B2

JP7093082B2 - 磁場計測装置

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Publication number: JP7093082B2
Application number: JP2019519100A
Authority: JP
Inventors: 啓二塚田
Original assignee: Okayama University NUC
Current assignee: Okayama University NUC
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2022-06-29
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: US20200110140A1; JPWO2018211833A1; US11275128B2; WO2018211833A1

Description

本発明は、磁気センサを用いた磁場計測装置に関する。

各種用途に応じて様々な磁気センサが使われている。広く使われている磁気センサとしてホール素子がある。ホール素子ではホール効果を利用しており、素子中に流れている電流に磁場が作用することで磁場の方向と直交する方向に生じた起電力を検出して、地場の計測を行っている。ホール素子は、モータなどの回転機構の位置検出や、携帯電話などの開閉スイッチなど広く用いられている。

高感度な磁気センサとしては、磁気インピーダンス(ＭＩ)素子がある。このＭＩ素子では、アモルファス合金のワイヤをパルス電流駆動させた時のインピーダンスが磁場によって変化する現象を用いている。

空間分解能が優れた磁気センサとして、磁気抵抗(ＭＲ)素子がある。このＭＲ素子は、磁気ハードディクスの磁気記録のデジタルデータの読み出し用として広く使われている。ＭＲ素子は、計測磁場に対して抵抗が変化する現象を用いたものであり、その動作原理には様々なものが提案されており、動作原理に応じて巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子や、トンネル型磁気抵抗(ＴＭＲ)素子、異方性磁気抵抗(ＡＭＲ)素子などがある。

最近では、これらホール素子やＭＩ素子、ＭＲ素子などは、デジタル計測のみなら高感度な磁気センサとして利用されることが多い。

一方、これのホール素子やＭＩ素子、ＭＲ素子などをアナログ計測を目的とした使用する場合として、地磁気を計測するコンパス等として様々な用途の開発がなされている。アナログ計測用としての磁気センサの特性は、磁気強度に応じたセンサ出力値の関係での線形性や、その磁場強度範囲であるダイナミックレンジや、計測できる磁場の最少分解能などの性能が重要となる。このため、これらの向上を目的とする開発が行われている。

一方、これらの磁気センサと比較して最も高感度な磁気センサとして超伝導量子干渉素子(ＳＱＵＩＤ)が知られている。このＳＱＵＩＤは、超伝導現象を用いたものであり、Nbなどの低温系超伝導体を用いたＳＱＵＩＤでは液体窒素によって冷却することで超伝導状態にしている。また、酸化物超伝導体として知られているＹＢＣＯなどは超伝導になる温度が高いので、液体窒素などで冷却して超伝導状態とすることで利用されている。ＳＱＵＩＤは非常に高感度であるため、生体の脳や心臓などの電気生理学的現象によって発生した非常に微弱な磁場を検査する装置などに利用されている。

ホール素子やＭＩ素子、ＭＲ素子などの室温で動作する磁気センサの感度と、ＳＱＵＩＤのように超伝導現象を利用した磁気センサの感度とは、大きくかけ離れており、これら中間の感度が計測できる磁気センサがなかった。

さらに、ＳＱＵＩＤにおいては、磁場に対して周期的な応答しかできないという問題点が知られていた。すなわち、ＳＱＵＩＤにおいては、センサ特性として重要である磁場に対しての線形応答が得られるようにするために、測定磁場をキャンセルする回路を設ける必要があった。これにより、ＳＱＵＩＤにおいても相対磁場変化を感度よく計測できるようにはなったが、絶対磁場、つまりゼロ点を判断することはできなかった。

一方、室温で動作する磁気センサは、測定磁場に対するセンサ出力が、線形の出力となるように工夫されており、絶対磁場を測定することできる。しかし、このような磁気センサでは、温度によるドリフト等があるため、標準点や感度の温度補正が必要であった。

ここで、室温で動作する磁気センサをあえて液体窒素で冷却して一定温度にすることにより、温度ドリフトを解消し、しかも感度を向上させて絶対磁場を測定できることを本発明者は報告した（非特許文献１参照）。あるいは、超伝導コイルと磁気センサを組み合わせる方法として超伝導コイル面の中に磁気センサを配置する方法を本発明者らが報告した。ここで、磁気センサが計測する方向は超伝導コイル面に垂直つまり超伝導コイルが検出する磁場と同じ方向であった（非特許文献２参照）。しかし、この構成では測定している磁場と遮蔽電流が作る磁場を同じ方向でとらえるため、それぞれの磁場が混在していることで十分感度が得られない問題があった。

Keiji Tsukada, Takuya Yasugi, Yatsuse Majima, Kenji Sakai, and Toshihiko Kiwa, "Absolute-magnetic-field measurement using nanogranular in-gap magnetic sensor with second-harmonic and liquid-nitrogen-temperature operation" AIP Advances, 7, 056670 (2017) Yasuaki Matsunaga, Ryota Isshiki, Yuta Nakayama, Kenji Sakai, Toshihiko Kiwa, Keiji Tsukada, "Application of HTS-coil with a magnetic sensor to nondestructive testing using a low-frequency magnetic field", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 27, 1800304 (2017)

室温で動作する磁気センサを低温で動作させることにより、感度を向上させることはできたが、十分とはいえない状況であって、さらなる高感度で磁場を計測可能とすることが求められていた。

本発明は、高感度の磁場計測装置を提供するものであって、超伝導体が超伝導状態となる極低温の状態を維持する温度維持手段と、この温度維持手段内に設けて磁場を検出する磁気センサと、温度維持手段内で超伝導状態となることで超伝導状態に特有の磁場空間を形成する磁場空間形成手段とを有し、磁気センサを磁場空間内に配置した磁場計測装置とした。

さらに、本発明の磁場計測装置では、以下の点にも特徴を有するものである。
（１）磁気センサは、第１の磁場空間形成手段と第２の磁場空間形成手段の間に配置していること。
（２）磁気センサを挿通可能としたスリットを備えた基体を有し、このスリットを挟んで第１の磁場空間形成手段と第２の磁場空間形成手段を設けていること。
（３）基体上で、第１の磁場空間形成手段と第２の磁場空間形成手段とが一体化されていること。
（４）磁気センサが、ホール素子、磁気インピーダンス素子、磁気抵抗素子のいずれかであること。
（５）磁場空間形成手段は超伝導コイルであって、磁気センサは、超伝導コイルに生じた遮蔽電流によって生成される磁場を計測すること。
（６）超伝導コイルの一部に常伝導体を介設していること。

本発明によれば、より高感度で磁場を計測できる磁場計測装置を提供できる。

第１実施形態の磁場計測装置の要部の概略説明図である。磁気センサとしてＡＭＲ素子を用た第１実施形態の磁場計測装置において、スリットの間隔を変化させたときの磁場応答特性を示したグラフである。磁気センサとしてＡＭＲ素子を用いた第１実施形態の磁場計測装置におけるノイズスペクトラムのグラフである。磁気センサとしてＴＭＲ素子を用いた第１実施形態の磁場計測装置における磁場応答特性のグラフである。磁気センサとしてＴＭＲ素子を用いた第１実施形態の磁場計測装置におけるノイズスペクトラムのグラフである。第１実施形態の磁場計測装置の変容例の要部の概略説明図である。第２実施形態の磁場計測装置の要部の概略説明図である。第２実施形態の磁場計測装置の変容例の要部の概略説明図である。

本発明の磁場計測装置は、超伝導体が超伝導状態となる極低温の状態を維持する温度維持手段と、この温度維持手段内に設けて磁場を検出する磁気センサと、温度維持手段内で超伝導状態となるとことで超伝導状態に特有の磁場空間を形成する磁場空間形成手段とを有する磁場計測装置である。

特に、本発明の磁場計測装置では、磁気センサを磁場空間形成手段が形成する超伝導状態に特有の磁場空間内に配置しているものである。

以下において、具体的な実施形態を示しながら説明する。

＜第１実施形態＞
図１に第１実施形態の磁場計測装置の要部であるセンサ部を示す。図１において、符号１－１は磁気センサであり、符号２－１は超伝導体である。

磁気センサ１－１としては、ホール素子、磁気インピーダンス素子、磁気抵抗素子のいずれかであればよく、図示しない計測回路に接続して磁気を計測可能としている。磁気センサ１－１は、適宜の基板ｂ上に配設しており、この基板ｂに接続した配線ｃを介して計測回路（図示せず）に接続している。

超伝導体２－１は、磁場空間形成手段であって、板状とした支持基体ａの表面に超伝導膜を成膜することで形成している。より具体的には、本実施形態において支持基体ａはMgO基板としており、超伝導体２－１はイットリウム系のＹＢＣＯ薄膜で形成した。超伝導体２－１としては、イットリウム系のほかにも、ビスマス系超伝導体などの銅酸化物超伝導体や、鉄系超電導体などを用いてもよく、薄膜ではなくバルク体を用いてもよい。

超伝導体２－１は、超伝導状態になることで磁場の遮蔽効果が生じ、この遮蔽効果によって超伝導体の周辺に磁束が回りこむ現象が生じる。このような遮蔽効果が生じている空間を、本発明では「超伝導状態に特有の磁場空間」と呼んでいる。

図１に示すように、支持基体ａには、磁気センサ１－１を挿通可能としたスリットｓを設けている。磁気センサ１－１は、このスリットｓに挿通させた状態として、支持基体ａとともに液体窒素を貯留した容器内に浸漬させることで、超伝導体２－１を超伝導状態としている。本実施形態では、液体窒素を貯留した容器が温度維持手段であって、使用する超伝導体２－１の種類によっては、液体窒素ではなく液体ヘリウムを貯留してもよい。あるいは適宜の冷凍機を用いて超伝導体２－１を超伝導状態としてもよい。

超伝導体２－１は、図１に示すようにスリットｓが形成されている支持基体ａの表面であって、スリットｓを挟んで対向させて設けることで、それぞれを第１の磁場空間形成手段と第２の磁場空間形成手段としている。このように、スリットｓを挟んで２つの超伝導体２－１を近接させて配置することで、超伝導体２－１が超伝導状態となった際に２つの超伝導体２－１の間、すなわちスリットｓの部分に磁束の集中が生じることとなっている。この磁束の集中が生じることで測定する磁場を強くすることができ、この強くなった磁場を磁気センサ１－１で計測することで、実際の磁場より強い磁場として計測することができ、実質的に感度を向上させることができる。特に、磁気センサ１－１は、スリットｓを通る磁束の方向と平行に配置することが望ましい。

図１における各超伝導体２－１は、長さ10mm、幅5mmの長方形状としてスリットｓの両側に対向させて設けている。スリットｓの幅寸法を1.5mm，2.5mm，3.5mmとして感度の変化を調べた結果を図２に示す。ここで、磁気センサ１－１としては、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子を用いている。

図２に示すように超伝導体２－１を設けない場合と比較して、超伝導体２－１を設けた方が高感度であることは明らかである。また、スリットｓの幅寸法が狭くなるにつれ磁束の集中度が高くなって、感度が向上していることが確認できた。すなわち、感度をスリットｓの幅を調整することで自由に調整できることを示している。

ここで、超伝導体２－１は、上述したようにスリットｓを有する板状の支持基体ａの表面に形成した超伝導薄膜で形成することとしているが、上記のスリットｓに相当する間隔を隔てて２つの超伝導バルク体を並設してもよい。すなわち、これらの超伝導バルク体の間に磁気センサ１－１を配設して磁場計測装置としてもよい。

磁場計測装置の重要な特性として「感度」のほかにも「磁場分解能」がある。一般的には「磁場分解能」も含めて「感度」と言っていることが多いが、「感度」は、磁場に対する磁気センサ１－１のセンサ出力の変換係数である。一方、「磁場分解能」は、どのくらい微小な磁場を測定できるかを示している。そこで、「感度」と同様に「磁場分解能」を評価した結果を図３に示す。ここで、磁気センサ１－１としては、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子を用いている。

図３はノイズスペクトルのグラフであり、各周波数での磁気ノイズを示している。磁気ノイズ以下の信号は検出できないため、この磁気ノイズは計測できる最小の磁場強度を示す磁場分解能を示していることになる。ここで、支持基体ａに設けたスリットｓの幅寸法は1.5mmとし、超伝導状態とした超伝導体２－１を設けている支持基体ａと、超伝導体２－１を設けていない支持基体とでそれぞれ各周波数での磁気ノイズを計測している。超伝導体２－１を設けることで、磁場分解能が向上していることが確認できた。この結果から、超伝導体２－１と磁気センサ１－１とを組み合わせた構成とすることにより感度だけでなく、磁場分解能を向上させることができることが確認できた。

異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子ではなく、磁場に対して偶関数特性を示すナノグラニュラートンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を用いて同様の磁場計測装置とし、磁場応答特性を評価した結果を図４に示す。ここで、支持基体ａに設けたスリットｓの幅寸法は1.5mmとし、超伝導状態とした超伝導体２－１を設けた支持基体ａと、超伝導体２－１を設けていない支持基体とでそれぞれ磁場応答特性を評価した。図４から明らかなように、超伝導状態とした超伝導体２－１を設けた支持基体ａの方が、超伝導体２－１を設けていない支持基体よりも、急峻な磁場応答特性となっており、感度が向上していることが確認できた。

上記のナノグラニュラートンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を用いた磁場計測装置において、線形な応答領域で磁気センサ１－１を動作させるために500μTの直流バイアス磁場を印加して測定したノイズスペクトルを図５に示す。この場合でも、磁気センサ１－１として異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子を用いた磁場計測装置と同様に、超伝導状態とした超伝導体２－１を設けた支持基体ａとすることで、磁場分解能が向上していることが確認できた。

＜第１実施形態の変容例＞
本発明の磁場計測装置では、超伝導体が超伝導状態となることで生じる磁束の集中を利用することで、「感度」及び「磁場分解能」を向上させた磁場計測装置としているが、磁束の集中させることができるのであれば、どのような方法を用いることもできる。

たとえば、変容例として、図６に示すように、磁気センサ１－２と、この磁気センサ１－２を挿通可能としたスリットｓ’を形成している支持基体ａ’の上面に設けた超伝導体２－２とで構成したセンサ部を有する磁場計測装置とすることができる。特に、支持基体ａ’に形成しているスリットｓ’を挟んで対向させて第１の磁場空間形成手段と第２の磁場空間形成手段と形成するとともに、第１の磁場空間形成手段と第２の磁場空間形成手段をスリットｓ’の上方部分で接続した状態として、第１の磁場空間形成手段と第２の磁場空間形成手段とを一体化してもよい。この場合でも、超伝導体２－２が超伝導状態となることで遮蔽された磁束の一部がスリットｓ’部分に集中して、磁気センサ１－２が検出する磁場強度が向上し、その結果として感度を向上させることができる。図６中、符号ｂ’は、磁気センサ１－２が配設される基板ｂであり、符号ｃ’は、この基板ｂ’に接続した配線である。

＜第２実施形態＞
上述した第１実施形態では、超伝導状態による磁場の遮蔽効果を利用して集中させた磁場の大きさを磁気センサで測定していたが、磁場の遮蔽効果によって超伝導体に生じる遮蔽電流の変動を検出することで、磁場の変動を検出することもできる。特に、この場合には、超伝導体に生じた遮蔽電流の変動を、この遮蔽電流の変動によって生じる磁場の大きさの変動として測定することで、磁場を計測することができる。

具体的には、図７に示すように、超伝導体で形成した超伝導コイル３－１と、この超伝導コイル３－１に生じる遮蔽電流の大きさを測定する磁気センサ１－３とでセンサ部を構成している。超伝導コイル３－１が磁場空間形成手段である。

超伝導コイル３－１は、線状として市販されている超伝導体をリング状として使用してもよいし、図７に示すように、リング状とした円形基板ａ”の表面に超伝導膜を成膜することでリング状の超伝導体、すなわち超伝導コイル３－１としてもよい。

磁気センサ１－３は、ホール素子、磁気インピーダンス素子、磁気抵抗素子のいずれかであればよく、適宜の基板ｂ”上に配設して、この基板ｂ”に接続した配線ｃ”を介して計測回路（図示せず）に接続している。図７では、説明の便宜上、基板ｂ”の上面に磁気センサ１－３を描いているために、磁気センサ１－３と超伝導コイル３－１の間に基板ｂ”が存在しているようにしている。しかし、実際には、磁気センサ１－３は超伝導コイル３－１に対向させて配設して、磁気センサ１－３をできるだけ超伝導コイル３－１に近接させて配設している。

さらに、磁気センサ１－３は、超伝導コイル３－１のコイル面と平行であって、図７中の矢印Ａが指し示す超伝導コイル３－１の径方向に磁場の測定方向を向けて配置することで、超伝導コイル３－１に生じる遮蔽電流の変動を検出することとしている。図７中、上向きの矢印Ｂは、超伝導コイル３－１と磁気センサ１－３とで構成したセンサ部による磁場の計測方向を示している。

超伝導コイル３－１が超伝導状態となっている場合には、測定する磁場による磁束が超伝導コイル３－１に入ろうとすると、この磁束を打ち消すように超伝導コイル３－１には遮蔽電流が生じるため、この遮蔽電流の変動によって生じる磁場の変動を磁気センサ１－３で検出している。

超伝導コイル３－１と磁気センサ１－３は、上記したように磁気センサ１－３を超伝導コイル３－１に対して配置して、液体ヘリウムを貯留した容器内に浸漬させることで超伝導コイル３－１を超伝導状態としている。本実施形態でも、液体ヘリウムを貯留した容器が温度維持手段であって、使用する超伝導コイル３－１の種類によっては、液体ヘリウムではなく液体窒素を貯留してもよいし、あるいは冷凍機を用いて超伝導コイル３－１を超伝導状態としてもよい。

磁気センサ１－３は、超伝導コイル３－１のコイル面と平行であって、超伝導コイル３－１の径方向に向けて配置することで、超伝導コイル３－１に生じる遮蔽電流の変動に影響を与えている測定対象の磁場の影響を受けることなく、遮蔽電流の変動に起因した磁場の変動を高感度で検出することができる。

＜第２実施形態の変容例＞
上述した実施形態では、いずれの場合も絶対磁場を計測することを想定した磁場計測装置であるが、例えば地磁気の変動だけを高感度に計測することも求められている分野もある。

特に、地磁気の変動を検出する際には、上述した磁場計測装置では、感度が良すぎることにより、地磁気の変動だけでなく、その他の原因による磁気変動まで検出することで、目的の変動を正確に計測できないことも想定される。

このような場合、上述した第２実施形態の磁場計測装置と同様に、図８に示すように、超伝導体で形成した超伝導コイル３－２と、この超伝導コイル３－２に生じる遮蔽電流の大きさを測定する磁気センサ１－４とでセンサ部を構成する際に、超伝導コイル３－２の一部に常伝導体４を介設することで、正確な計測を可能とすることができる。すなわち、超伝導コイル３－２の一部に常伝導体４を介設した場合には、この常伝導体４の抵抗成分によって超伝導コイル３－２に生じる遮蔽電流が所定の時定数で減衰することとなり、地磁気の変動以外の変動成分による影響を排除することができる。

具体的に説明すると、超伝導コイル３－２の一部を常伝導体４とした場合であって、
Ｌ：超伝導コイル３－２の自己インダクタンス
Ｒ：常伝導体４の抵抗
τ(＝Ｌ/ Ｒ)：超伝導コイル３－２の時定数
ｒ：超伝導コイル３－２の半径
とすると、超伝導コイル３－２のインダクタンスと抵抗値の関係から、超伝導コイル３－２に生じる遮蔽電流Ｉ_n(t)は、下式で表される。

ここで、位相遅れθは、下式とする。

したがって、位相遅れθがゼロの時が、遮蔽電流がもっとも大きく、π/2の時には、最小になる。ここで、その中間値でのπ/4の時の周波数をカットオフ周波数とする。

このカットオフ周波数は応答周波数を決めているので、直流磁場には応答せず、カットオフ周波数である時定数に応じた周波数以上の変動磁場だけ遮蔽することが可能となる。

したがって、カットオフ周波数以上では超伝導特性と同じように周波数に依存しない信号強度を得ることができ、例えば直流磁場成分だけをカットして、地磁気の変動のような数Ｈｚ以上の極低周波には応答可能とすることもできる。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例・設計変更などをその技術的範囲内に包含することは云うまでもない。

本発明は、ＭＲあるいはＭＩやホール素子などの従来室温で動作させている磁気センサを超伝導体で作るスリットあるいはコイルに組み合わせた複合型の磁気センサを冷却して動作させている。このスリットの幅寸法やコイルの大きさにより感度を変化させることができるので、例えば地磁気の計測や地質探査などの用途に応じて使い分けることができる。また、応答周波数も絶対磁場ではなく変動成分だけを計測したい場合には超伝導コイルの常伝導部分を調整することにより応答周波数を変化させることができるので地磁気の変動成分計測、金属製の欠陥を検査する非破壊検査装置など幅広い分野での応用ができる。

１－１磁気センサ
１－２磁気センサ
１－３磁気センサ
１－４磁気センサ
２－１超伝導体
２－２超伝導体
３－１超伝導コイル
３－２超伝導コイル
４常伝導体

Claims

超伝導体が超伝導状態となる極低温の状態を維持する温度維持手段と、
この温度維持手段内に設けて磁場を検出する磁気センサと、
前記温度維持手段内で超伝導状態となることで超伝導状態に特有の磁場空間を形成する磁場空間形成手段と
を有し、前記磁気センサを前記磁場空間内に配置し、
前記磁気センサは、第１の磁場空間形成手段と第２の磁場空間形成手段の間に配置し、
前記磁気センサを挿通可能としたスリットを備えた基体を有し、このスリットを挟んで前記第１の磁場空間形成手段と前記第２の磁場空間形成手段を設けている磁場計測装置。
（削除）
（削除）
前記基体上で、前記第１の磁場空間形成手段と前記第２の磁場空間形成手段とが一体化されている請求項１に記載の磁場計測装置。
前記磁気センサが、ホール素子、磁気インピーダンス素子、磁気抵抗素子のいずれかである請求項１または４に記載の磁場計測装置。