JP2017146158A - 磁気計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気計測装置における小型化を実現する。
【解決手段】磁気計測装置１０は、ダイヤモンドセンサ１２ａ、励起光源１１、ダイヤモンドセンサケース１２ｂ、およびフォトダイオード１４を有する。励起光源１１は、ダイヤモンドセンサケース１２ｂに励起光を照射する。ダイヤモンドセンサケース１２ｂは、表面あるいは内面のいずれか一方に励起光を反射させる反射膜３０が形成され、ダイヤモンドセンサ１２ａを格納する。フォトダイオード１４は、強度を検出する。ダイヤモンドセンサケース１２ｂは、蛍光出力窓３１および励起光入力窓３２を有する。蛍光出力窓３１は、ダイヤモンドセンサ１２ａが発生した蛍光を出力する。励起光入力窓３２は、励起光源１１より照射される励起光が入力される。フォトダイオード１４は、ダイヤモンドセンサ１２ａの磁気計測面である第１の面に対向する第２の面側に設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気計測装置に関し、特に、ダイヤモンド結晶の窒素−空孔対を用いた高感度磁気センサの小型化に有効な技術に関する。

常温大気中で動作可能な高感度磁気計測装置として、窒素−空孔対（ＮＶセンタ）を含むダイヤモンド結晶が提案されている（例えば非特許文献１参照）。

この非特許文献１では、ダイヤモンド結晶に緑色レーザの励起光および周期を制御されたマイクロ波のパルス列を照射しつつ、ダイヤモンド結晶から発生する蛍光を検出することにより、その周期に対応した交流磁場が計測可能であることが示されている。

その際、蛍光の検出を、一般的に行われているように、励起光の入射方向に反射してくる部分を検出するのみでなく、ダイヤモンド結晶の周縁から四方に放射される部分も集光することにより、高感度化が可能であることが示されている。

D. Sage et al., "Efficient photon detection from color centers in a diamond optical waveguide"PHYSICAL REVIEW B 85, 121202(R) (2012)

上述した非特許文献１は、緑色レーザ光源からダイクロイックミラーを介してダイヤモンド結晶の１つの面に緑色励起光を入射しつつ、その面から励起光の入射方向に反射してくる蛍光をダイクロイックミラーにより励起光と分離した後、低域フィルタを介してフォトダイオードにて検出している。

同時に、ダイヤモンド結晶における励起光の入射方向とは直交する四方の側面から放射される蛍光も、各面に配置した低域フィルタおよびフォトダイオードにて検出している。これにより、蛍光の集光効率を高めて、高感度化を実現している。

また、低域フィルタおよびフォトダイオードは、合計で５個の面に配置されている。１つの面にはダイクロイックミラーも配置されている。これらの光学部品は体積が大きいので、磁気計測装置全体としては体積が大きいものとなる。これによって、磁気計測装置を用いて構成される各種の装置が大型化してしまうという問題がある。

一実施の形態による磁気計測装置は、ダイヤモンドセンサ、励起光源、ダイヤモンドセンサケース、および蛍光強度検出部を有する。ダイヤモンドセンサは、複数の窒素−空孔対を有する。

励起光源は、ダイヤモンドセンサケースに励起光を照射する。ダイヤモンドセンサケースは、表面あるいは内面のいずれか一方に励起光を反射させる反射膜が形成され、ダイヤモンドセンサを格納する。蛍光強度検出部は、ダイヤモンドセンサケースから発生する蛍光の強度を検出する。

このダイヤモンドセンサケースは、第１の窓および第２の窓を有する。第１の窓は、ダイヤモンドセンサが発生した蛍光を出力する。第２の窓は、励起光源より照射される励起光が入力される。また、蛍光強度検出部は、ダイヤモンドセンサの磁気計測面である第１の面に対向する第２の面側に設けられる。

特に、第２の窓は、ダイヤモンドセンサの少なくとも１つの側面に励起光が照射される位置に形成される。励起光源は、第２の窓に励起光を照射する。

さらに磁気計測装置は、励起光源の動作を制御する制御回路を有する。この制御回路は、第２の窓が複数ある場合に、複数の第２の窓に励起光がそれぞれ個別に照射されるように励起光源を制御する。

上記一実施の形態によれば、磁気計測装置の小型化を実現することができる。

実施の形態１による磁気計測装置における構成の一例を示す説明図である。 図１の磁気計測装置が有するダイヤモンドセンサ部およびマイクロ波コイルにおける平面図である。 図１の磁気計測装置が有するダイヤモンドセンサ部における断面の一例を示す説明図である。 図３の反射膜を形成する材料として用いられるチタンおよびアルミニウムにおける表皮深さの交流電流の周波数依存性の一例を示す説明図である。 静磁場計測に用いるＯＤＭＲ上の動作点の一例を示す説明図である。 実施の形態２による磁気計測装置における断面の一例を示す説明図である。 図６の平面図である。 実施の形態３による磁気計測装置における断面の一例を示す説明図である。 図８の平面図である。 実施の形態４による磁気計測装置における断面の一例を示す説明図である。 実施の形態５による磁気計測装置における断面の一例を示す説明図である。 図１１の平面図である。 図１１および図１２に示す励起光源における照射領域を模式的に示した説明図である。 実施の形態６による磁気計測装置を適用した際の水の核磁化計測技術の原理を示す説明図である。 水の核磁化計測における駆動タイミングの一例を示す説明図である。 水の核磁化計測に用いるＯＤＭＲ上の動作点を示す説明図である。 実施の形態７による磁気計測装置を用いた調理家電装置の一例を示す説明図である。 実施の形態８による磁気計測装置を用いたヘルスケア装置の一例を示す説明図である。 実施の形態９による磁気計測装置が有するダイヤモンドセンサ部における構成の一例を示す説明図である。 図１９のＡ−Ａ’断面の一例を示す説明図である。 図１９に示す磁気計測装置における他の構成例を示す説明図である。 図２１のＡ−Ａ’断面の一例を示す説明図である。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

〈概要〉
一実施の形態による磁気計測装置においては、平板状のダイヤモンドセンサを格納する同じく平板状のダイヤモンドセンサケースの、磁気計測面である主面に対向する裏面に、低域フィルタを介してフォトダイオードを配置する。ここで、主面は、ダイヤモンドセンサの磁気計測面であり、第１の面となる。また、裏面は、第２の面となる。

低域フィルタとダイヤモンドセンサの第２の面との間、および低域フィルタとフォトダイオードとの間には、レンズをそれぞれ配置する。ダイヤモンドセンサケースの内面には、反射膜を設ける。ダイヤモンドセンサケースには、該ダイヤモンドセンサの第２の面とレンズとが接する部分に蛍光を出力する窓が設けられる。また、ダイヤモンドセンサケースの側面には、励起光源からの励起光を入力する窓が設けられる。

反射膜は、金属膜であり、マイクロ波の周波数における表皮効果深さよりは薄く、光の周波数における表皮効果深さよりは厚くする。例えばチタンの場合には、３００ｎｍ程度、銅またはアルミの場合には、１００ｎｍ程度とする。

ダイヤモンドセンサケースの周囲には、マイクロ波コイルを設ける。マイクロ波コイルは、ダイヤモンドセンサの位置における静磁場に対応した周波数のマイクロ波を印加する。マイクロ波コイルの発生する磁場は、ダイヤモンドセンサの主面に垂直になるようにする。

ダイヤモンドは、屈折率が高い（ｎ＝２．４）ので入射した励起光は結晶内で多重反射され易いが、内側に反射膜を設けたダイヤモンドセンサケース内にダイヤモンドセンサを格納することにより、励起効率を高めることができる。一部は、レンズを介して出力されるが、低域フィルタにて反射され、大部分はダイヤモンドセンサケース内に再び戻ってくる。

一方、ダイヤモンドセンサケース内において、励起光を照射されたＮＶセンタから出力された蛍光も多重反射して閉じ込められる。一部はレンズと低域フィルタを介してフォトダイオードに出力される。

反射膜の厚さは、光の周波数における表皮効果深さよりは厚いため、殆どの光は反射する。一方、マイクロ波の周波数における表皮効果深さよりは薄いため、ダイヤモンド結晶の周囲に設けられたマイクロ波アンテナにより生成された磁界は、ほとんど透過して、ダイヤモンド結晶中のＮＶセンタに照射される。

これにより、複数個のフォトダイオードを各方位に配置せずに、かつ励起光と蛍光を分離するダイクロイックミラーなどの光学部品を必要とせずに高感度な磁気計測装置を実現可能である。

ダイヤモンドセンサの厚さ方向には、ダイヤモンドセンサケースとフォトダイオードとがレンズを介して近接した構造となっており、薄さを実現している。また、広さとしては、ダイヤモンドセンサケースの外側にマイクロ波コイルがあるだけである。

よって、ダイヤモンドセンサの有効面積を大きくとることができる。励起光源およびレンズに接しない面は、反射膜を設けることで、励起効率、および蛍光の集光効率が高められ、かつモジュールを小さい構造に保つことができる。

以下、実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
〈磁気計測装置の構成〉
図１は、本実施の形態１による磁気計測装置における構成の一例を示す説明図である。図２は、図１の磁気計測装置が有するダイヤモンドセンサ部およびマイクロ波コイルにおける平面図である。

磁気計測装置１０は、モジュール化されたパッケージ形状の構成からなり、該磁気計測装置１０が薄型化および小型化されている。この磁気計測装置１０は、図１および図２に示すように、励起光源１１、ダイヤモンドセンサ部１２、低域フィルタ１３、フォトダイオード１４、マイクロ波コイル１５、レンズ１６，１７、信号処理回路１８、マイクロ波回路１９、および制御回路２０を有する。

ダイヤモンドセンサ部１２の上部には、第１のレンズとなるレンズ１６が設けられている。より詳細には、後述するダイヤモンドセンサケース１２ｂに形成されている蛍光出力窓３１にレンズ１６が設けられている。

このレンズ１６の上方には、ある間隔をおいて低域フィルタ１３が設けられている。低域フィルタ１３の上方には、ある間隔をおいて蛍光強度検出部であるフォトダイオード１４が設けられている。このフォトダイオード１４の受光面、言い換えれば低域フィルタ側の面には、第２のレンズとなるレンズ１７が設けられている。

ダイヤモンドセンサ部１２のある１つの側面近傍には、励起光源１１が設けられている。また、ダイヤモンドセンサ部１２の周辺部には、マイクロ波コイル１５が予め設定されたターン数によって巻かれている。

フォトダイオード１４の上方には、信号処理回路１８、マイクロ波回路１９、および制御回路２０がそれぞれ設けられている。これら信号処理回路１８、マイクロ波回路１９、および制御回路２０は、それぞれ個別の半導体チップによって形成されている。

信号処理回路１８、マイクロ波回路１９、および制御回路２０は、例えば図示しないパッケージ基板上に図示しない半田バンプなどによって実装される。パッケージ基板は、例えばフォトダイオード１４の受光面に対向する面側に設けられる。

信号処理回路１８、マイクロ波回路１９、および制御回路２０は、例えばパッケージ基板に形成された配線パターンなどによって接続される。また、信号処理回路１８とフォトダイオード１４、制御回路２０と励起光源１１、およびマイクロ波回路１９とマイクロ波コイル１５とは、例えば図示しないボンディングワイヤなどによってそれぞれ接続される。これらは、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）などからなる図示しない絶縁膜によって絶縁されている。

そして、励起光源１１、ダイヤモンドセンサ部１２、低域フィルタ１３、フォトダイオード１４、マイクロ波コイル１５、レンズ１６，１７、信号処理回路１８、マイクロ波回路１９、および制御回路２０は、例えば熱硬化性の樹脂などによって封止され、矩形状の図示しないパッケージが形成されている。

なお、図１では、信号処理回路１８、マイクロ波回路１９、および制御回路２０が、それぞれ異なる半導体チップによって形成されている例を示したが、これらは、１つまたは２つの半導体チップによって形成するようにしてもよい。

ダイヤモンドセンサ部１２は、例えば四辺形の平板状からなるダイヤモンドセンサ１２ａおよび該ダイヤモンドセンサ１２ａを覆うケース状からなるダイヤモンドセンサケース１２ｂを有する。

ダイヤモンドセンサケース１２ｂには、第１の窓である蛍光出力窓３１および第２の窓である励起光入力窓３２がそれぞれ形成されている。蛍光出力窓３１は、ダイヤモンドセンサ１２ａが発生した蛍光を出力する窓である。

蛍光出力窓３１は、例えば円形などからなり、ダイヤモンドセンサケース１２ｂにおいて、ダイヤモンドセンサ１２ａの主面である磁気計測面に対向する裏面側に形成される。この磁気計測面は、第１の面となり、裏面は、第２の面となる。

励起光入力窓３２は、励起光源１１より照射される励起光が入力される窓であり、蛍光出力窓３１と同様に、例えば円形などからなる。励起光入力窓３２は、ダイヤモンドセンサケース１２ｂの上述した励起光源１１が設けられている側面に形成されている。

言い換えれば、励起光入力窓３２は、第１の面である磁気計測面と第２の面である裏面とに直交する面である４つの側面のうち、励起光源１１が設けられている側面に形成されている。

なお、図１では、励起光入力窓３２をある１つの側面に形成する例を示しているが、励起光入力窓３２の数については、特に制限はなく、例えば２つ以上の励起光入力窓３２をそれぞれの側面に形成するようにしてもよい。

また、図１では、蛍光出力窓３１および励起光入力窓３２が円形の形状からなる例を示したが、これら蛍光出力窓３１および励起光入力窓３２の形状については、特に制限はない。

ダイヤモンドセンサケース１２ｂの表面あるいは内面のいずれか一方には、蛍光出力窓３１および励起光入力窓３２を除いて反射膜３０が形成されている。ここで、図１では、ダイヤモンドセンサケース１２ｂの内面に反射膜３０が形成されている例を示している。

すなわち、蛍光出力窓３１および励起光入力窓３２は、ダイヤモンドセンサケース１２ｂの表面あるいは内面のいずれか一方において反射膜３０が形成されていない領域である。反射膜３０は、金属膜であり、例えばチタン、銅、またはアルミニウムなどからなる。

ダイヤモンドセンサ１２ａは、多数の窒素−空孔対、すなわちＮＶセンタを有し、励起光源１１による励起光の照射を受けた時に蛍光を発する。そして、その際にマイクロ波コイル１５によって照射されるマイクロ波の周波数に対する蛍光強度の依存性が磁場に鋭敏に依存することを利用して、磁場の強度を検出する。磁場の検出感度は、蛍光の集光効率に依存する。

マイクロ波コイル１５は、ダイヤモンドセンサ部１２にマイクロ波を照射する。マイクロ波コイル１５の発生する磁場は、ダイヤモンドセンサ１２ａの主面に対して垂直となるように設定される。

励起光源１１は、ダイヤモンドセンサ１２ａに励起光を照射する。フォトダイオード１４は、ダイヤモンドセンサケース１２ｂから発生する蛍光の強度を検出する。信号処理回路１８は、フォトダイオード１４が取り込んだ蛍光強度を検出する。制御回路２０は、励起光源１１、マイクロ波回路１９、および信号処理回路１８の動作を制御する。

励起光源１１より照射され、励起光入力窓３２からダイヤモンドセンサ１２ａに入力された励起光は、該ダイヤモンドセンサケース１２ｂに形成されている反射膜３０にて多重反射してダイヤモンドセンサケース１２ｂに閉じ込められる。一部の励起光は、レンズ１６を介して出力されるが、後述する低域フィルタ１３によって反射され、ダイヤモンドセンサ１２ａに再び戻ってくる。

一方、ダイヤモンドセンサ１２ａは、前述したように多数の窒素−空孔対を有しているので、その内部において、励起光が照射されたＮＶセンタから出力された蛍光も多重反射して閉じ込められる。一部は、レンズ１６および低域フィルタ１３を介してフォトダイオード１４に出力される。

このように、励起光および蛍光が、反射膜３０によってダイヤモンドセンサケース１２ｂの内部にて多重反射するので、１つのフォトダイオード１４のみによっても蛍光を十分に集光することが可能となる。

励起光源１１は、例えば半導体レーザもしくは発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などからなり、例えば５３３ｎｍ前後もしくはより短い波長の励起光を出力する。励起光源１１における発光動作の制御は、制御回路２０によって行われる。

マイクロ波回路１９は、マイクロ波コイル１５に振幅および周波数が制御されたマイクロ波を供給する。マイクロ波の振幅および周波数は、制御回路２０によって制御される。

マイクロ波の周波数ｆ［ＧＨｚ］は、ダイヤモンドセンサ１２ａに印加されている静磁場Ｂ０[単位Ｔ（テスラ）]との間で、ｆ＝｜Ｂ０＊２８．０７−２．８７｜ ［ＧＨｚ］の関係を満たしている必要がある。ここで、| |は、絶対値を現す。

ダイヤモンドセンサ１２ａは、高温高圧（ＨＰＨＴ）法で合成された単結晶であるか、あるいはＨＰＨＴ法にて合成された単結晶の上に、蒸着プロセスの１つであるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）プロセスなどにて成膜された多結晶薄膜である。またはＣＶＤプロセスによって、モリブデン基板、シリコン基板などの異種材料基板の上にヘテロエピタキシャル成長により形成された多結晶薄膜である。多結晶薄膜は、単結晶簿板に比べて、より低コストにて製造することができるという利点がある。

低域フィルタ１３は、例えばガラス表面に誘電体薄膜を積層した構造からなる。ここで、誘電体薄膜の屈折率をｎ、厚さをｔ、励起光波長をλ、励起光の低域フィルタ１３に対する入射角をα、とすると、ｔ＝λ／２／ｎ／ｔａｎαの条件で全反射が起きる。

励起光は、単色光であるのでλは一定である。誘電体としては、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_２）、あるいは酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などの機械的強度が高く、屈折率の高いものが望ましい。

フォトダイオード１４が取り込んだ蛍光信号は、信号処理回路１８に出力される。この信号処理回路１８は、指定回数の信号積算、および背景雑音減算などの処理を行う。制御回路２０は、例えばマイクロコントローラなどを有する。この制御回路２０は、励起光源１１、信号処理回路１８、およびマイクロ波回路１９にタイミング信号を供給して動作制御を行う。

〈ダイヤモンドセンサ部の構成例〉
続いて、ダイヤモンドセンサ部１２の構成について、図３を用いて詳しく説明する。

図３は、図１の磁気計測装置１０が有するダイヤモンドセンサ部１２における断面の一例を示す説明図である。この図３では、ダイヤモンドセンサケース１２ｂの内面に反射膜３０が形成された例を示している。

前述したよう、ダイヤモンドセンサケース１２ｂは、例えば平板状からなるダイヤモンドセンサ１２ａを覆うケース状からなる。ダイヤモンドセンサケース１２ｂの内面には、蛍光出力窓３１および励起光入力窓３２を除いて反射膜３０が形成されている。

ダイヤモンドセンサケース１２ｂは、例えばセラミックス、ガラス、あるいはプラスチックなどの絶縁性構造材からなる。また、蛍光出力窓３１および励起光入力窓３２は、反射膜３０を形成していない領域である。

例えばガラスなどの透明な材質であれば励起光が透過するので、反射膜３０が形成されていない領域が蛍光出力窓３１および励起光入力窓３２となる。図３では、ダイヤモンドセンサケース１２ｂを透明な素材によって形成した場合を示している。

一方、セラミックスなどの透明でない材質によって構成される場合には、励起光が透過しない。そのため、蛍光出力窓３１および励起光入力窓３２の領域を切り欠くことによって形成する。

反射膜３０は、例えば金属膜であり、その厚さは、マイクロ波の周波数における表皮効果深さよりは薄く、光の周波数における表皮効果深さよりは厚くする。このため、反射膜３０は、殆どの光を反射する一方、殆どのマイクロ波を透過させる。

これにより、ダイヤモンドセンサケース１２ｂの周辺部に設けられたマイクロ波コイル１５により生成された磁界は、殆ど透過してダイヤモンドセンサ１２ａ中のＮＶセンタに照射される。その結果、蛍光の集光効率を高くしながら、小型化の構成の磁気計測装置１０を実現することができる。

また、ダイヤモンドセンサケース１２ｂは、例えば薄いビニールなどに反射膜３０を形成したものであってもよい。この場合、反射膜３０が形成されたビニールをダイヤモンドセンサ１２ａに貼り付けることによって、ダイヤモンドセンサケース１２ｂが形成される。これによって、ダイヤモンドセンサ部１２を簡単に形成することができる。

〈反射膜の膜厚について〉
図４は、図３の反射膜３０を形成する材料として用いられるチタンおよびアルミニウムにおける表皮深さの交流電流の周波数依存性の一例を示す説明図である。ここで、表皮深さとは、交流電流が導体を流れる時、電流密度が表面が一番高く、深さ方向に減衰する現象において、電流密度が表面の１／ｅ（ｅは指数関数の底）となる深さであって、√（２ρ／ωμ）であることが知られている。

ここで、ρは導体の電気抵抗率、ωは電流の角周波数（＝２π×周波数）、μは導体の絶対透磁率である。

本式に基づくチタンとアルミニウムの表皮深さの交流電流の周波数依存性は、図４に示すようになる。この図４には、マイクロ波の２ＧＨｚ〜３ＧＨｚの周波数範囲、および可視光の４〜８×１０^５ＧＨｚの周波数範囲を重ねて示す。ここで、図４において、太実線は、アルミニウム（Ａｌ）における周波数依存性を示しており、細実線は、チタン（Ｔｉ）における周波数依存性を示している。

マイクロ波を透過して可視光を反射するのに好適な膜厚範囲は、マイクロ波と可視光の周波数の対数軸上での中間の周波数である１０００ＧＨｚ前後における表皮深さであると考えられる。

よって、反射膜３０の膜厚は、図４よりチタンの場合、３００ｎｍ前後が好適であり、アルミニウムの場合、１００ｎｍ前後が好適である。

〈磁気計測装置による静磁場計測の原理〉
図５は、静磁場計測に用いるＯＤＭＲ上の動作点の一例を示す説明図である。

以下、図１に示す磁気計測装置１０における静磁場、すなわちＤＣ磁場計測原理について、図５に示すダイヤモンドセンサのＯＤＭＲ(Optically Detected Magnetic Resonance：光磁気共鳴特性)を用いて説明する。

図５において、縦軸はダイヤモンドセンサの蛍光強度であり、横軸はダイヤモンドセンサに印加するマイクロ波の周波数である。マイクロ波周波数による蛍光強度の変化を光磁気共鳴特性と称する。

静磁場を印加しない状態では、蛍光強度の”谷”は、２．８７ＧＨｚ付近にあるが、静磁場Ｂ０［単位テスラ］を印加していくと”谷”の周波数軸上の位置ｆは、
ｆ＝｜Ｂ０＊２８．０７−２．８７｜ ［ＧＨｚ］ （式１）
の関係を保って変化する。

ここで、蛍光強度の”谷”の半分の深さを参照値とし、蛍光強度実測値と、この参照値との差分の積分値をマイクロ波の周波数の変化量として帰還することにより、動作点を常に”谷”の半分の深さに追随させることが可能となる。この場合、磁場の変化ΔＢ０を周波数の変化Δｆに比例する値として、
ΔＢ０＝Δｆ／２８．０７
として得ることができる。

ここで、厳密には、Ｂはベクトル量であるため、ダイヤモンドセンサ中のＮＶセンタの方位の磁場の成分となる。ダイヤモンドセンサ中にＮＶセンタの方位に各結晶軸方向の分布がある場合には、それぞれの方向のＮＶセンタの存在比率で重み付けした平均方向の磁場の成分となる。

なお、実際には、微弱な蛍光変化から雑音を除くために、一定周期でマイクロ波のオン／オフを繰り返し、マイクロ波オンの場合と、オフの場合との蛍光強度差をＯＤＭＲの縦軸とする。

また、”谷”の半分の深さの代わりに”谷”の最急斜面の点として動作点を設定すると、磁場の変化による蛍光強度変化が最大になるので、感度は最もよい値となる。

このような動作点において、核磁化信号が交流信号としてダイヤモンドセンサに到達した時のＯＤＭＲの変化を同図中に示す。核磁化信号の正相にある時と、逆相にある時とで、蛍光強度に差が生じる。この差を計測することで、核磁化信号の強度を計測可能である。動作点は、同図の”谷”の最も急峻な斜面におく。

〈磁気計測装置による核磁化信号計測の原理〉
また、図１の磁気計測装置１０を用いた計測としては、自発磁化を有する磁性試料や、環境磁場を計測する静磁場（ＤＣ磁場）計測の他に、磁界により励起された核磁化信号、すなわちＡＣ磁場の計測がある。この核磁化信号の計測は、試料に静磁場とともに特定の周波数の高周波パルス信号を加えて、該高周波パルス信号を除去した後に誘導放出される高周波信号（ＡＣ磁場）を検出する。

核磁化信号計測では、プロトン原子核の吸収・放出の高周波信号が利用される。この場合、静磁場Ｂ０と高周波信号周波数ｆとは、ｆ／Ｂ０が一定値の関係にあることが知られている。

プロトンは、水分に含まれ、有機体は、通常水分を含むため、核磁化信号計測により、有機体内の水分の分布や化学的な状態、例えば溶質、濃度などや例えば温度などの物理的な状態を検出することが可能となる。

この場合、試料内において、ｆ／Ｂ０が上記した一定値となる部分だけが共鳴するため、磁場分布を調整することにより、試料内部の状態を外部の磁気計測装置にて検出可能となる。試料内部の状態は、温度を含む。これは、分子の運動が温度に依存して変化して、この運動の変化が核磁化信号における緩和時間などに現れるためである。

核磁化信号にて試料内部の計測を行うためには、試料の被計測部分からの核磁化信号を、離れた場所で磁気計測装置において有効に検出する必要がある。そのため、磁気計測装置１０においては、計測可能面積が広い必要がある。

ここで、計測可能面積が広いとは、磁気信号を検出可能なセンサ部分、すなわちダイヤモンドセンサ１２ａが広いことを指す。また、広面積である場合、扱い易さという観点では、磁気計測装置が薄い構造であることが望ましい。よって、図１に示す磁気計測装置１０は、ダイクロイックミラーなどの光学部品を用いず、またフォトダイオードも１個であるので最適となる。

以上により、蛍光の集光効率が高く、かつ小型化の磁気計測装置１０を実現することができる。

（実施の形態２）
〈概要〉
前記実施の形態１では、励起光をダイヤモンドセンサケース１２ｂの側面から入射する構成としたが、本実施の形態２においては、励起光をダイヤモンドセンサケース１２ｂの斜め上方から入射する技術について説明する。

〈磁気計測装置の構成例〉
図６は、本実施の形態２による磁気計測装置１０における断面の一例を示す説明図である。図７は、図６の平面図である。なお、図６および図７においては、簡単化のため、信号処理回路１８、マイクロ波回路１９、および制御回路２０については省略している。

図６に示す磁気計測装置１０が前記実施の形態１の図１の磁気計測装置１０と異なるところは、上記したように励起光源１１からダイヤモンドセンサケース１２ｂへの励起光入力が該ダイヤモンドセンサケース１２ｂの側面ではなく、ダイヤモンドセンサ１２ａの磁気計測面に対向する裏面の斜め上方から行われる点にある。

ダイヤモンドセンサ部１２が有するダイヤモンドセンサ１２ａは、図６および図７に示すように、長方形状の平板からなる。よって、ダイヤモンドセンサ１２ａを覆うダイヤモンドセンサケース１２ｂについても長方形状からなる。励起光源１１は、ダイヤモンドセンサ部１２の一方の短辺側近傍の上方、言い換えればダイヤモンドセンサ１２ａ裏面側の斜め上方に俯角を付けて設けられている。

長方形状のダイヤモンドセンサケース１２ｂは、同じく長方形状のダイヤモンドセンサ１２ａを覆うケースであり、蛍光出力窓３１および励起光入力窓３２ａがそれぞれ形成されている。

蛍光出力窓３１は、ダイヤモンドセンサ１２ａが発生した蛍光を出力する窓であり、ダイヤモンドセンサ１２ａの裏面側に形成されている。励起光入力窓３２ａは、上方に位置する俯角を付けて設けられた励起光源１１からの励起光が入力されるように、該励起光源１１が設けられるダイヤモンドセンサ部１２の一方の短辺側に形成されている。

ここでも、図１と同様に、蛍光出力窓３１および励起光入力窓３２ａは、例えば円形の形状からなるが、蛍光出力窓３１および励起光入力窓３２ａの形状については、特に制限はない。

ダイヤモンドセンサケース１２ｂの表面あるいは内面のいずれか一方には、蛍光出力窓３１および励起光入力窓３２ａを除いて反射膜３０が形成されている。すなわち、蛍光出力窓３１および励起光入力窓３２ａは、ダイヤモンドセンサケース１２ｂの表面あるいは内面のいずれか一方において反射膜３０が形成されていない領域である。

なお、図６では、ダイヤモンドセンサケース１２ｂの内面に反射膜３０が形成されている例を示している。

また、ダイヤモンドセンサ部１２の周辺部には、マイクロ波コイル１５が予め設定されたターン数によって正方形状に巻かれている。ここで、ダイヤモンドセンサ部１２は、上述したように長方形状からなるので、励起光源１１が設けられる短辺側については、周辺部ではなく、該励起光源１１とレンズ１６との間に、該ダイヤモンドセンサ部１２の長辺を直交するようにマイクロ波コイル１５が設けられている。その他の構成については、前記実施の形態１の図１および図２と同様であるので説明は省略する。

〈磁気計測装置の動作例〉
励起光源１１から発生する励起光は、ダイヤモンドセンサケース１２ｂの励起光入力窓３２ａを介して、ダイヤモンドセンサケース１２ｂ内部に照射される。ダイヤモンドセンサ部１２が発生する蛍光出力は、反射膜３０によってダイヤモンドセンサケース１２ｂ内で多重反射した後、蛍光出力窓３１、レンズ１６、および低域フィルタ１３を透過して、レンズ１７によってフォトダイオード１４に入射される。このとき、励起光は、低域フィルタ１３が反射するので、フォトダイオード１４には達しない。

図１に示す磁気計測装置１０のように励起光をダイヤモンドセンサケース１２ｂの側面から入射する場合には、励起光のビーム方向とダイヤモンドセンサケース側面とを精度よく合致させる必要がある。そのため、ダイヤモンドセンサケース１２ｂの厚さを薄くすることが困難な場合がある。

一方、図６および図７に示すように、励起光をダイヤモンドセンサケース１２ｂの斜め上方から入射する場合には、ダイヤモンドセンサケース１２ｂにおいて、励起光が当たる位置に励起光入力窓３２ａを形成しておくだけでよいので、ダイヤモンドセンサケース１２ｂの厚さを薄くしても位置合わせの困難さが生じない。

このように、励起光をダイヤモンドセンサケース１２ｂの斜め上方から照射することにより、ダイヤモンドセンサ部１２を薄型化することができる。また、ＨＰＨＴ法などによって形成される単結晶板のダイヤモンドセンサに比べて安価である集積化プロセスで製造される多結晶のダイヤモンドセンサは、厚さが薄い場合には厚い場合に較べて特に低コストで製造できるので、本実施の形態を用いることによってダイヤモンドセンサのコストを低減することができる。

以上により、大きな表面積を有する磁気計測装置１０を低コストにて実現することができる。

（実施の形態３）
〈概要〉
前記実施の形態１における磁気計測装置１０では、１つのダイヤモンドセンサ部１２に対して１つのレンズが設けられた構成としたが、本実施の形態３では、１つのダイヤモンドセンサ部１２に対して複数のレンズが設けられた場合について説明する。

〈磁気計測装置の構成例〉
図８は、本実施の形態３による磁気計測装置１０における断面の一例を示す説明図である。図９は、図８の平面図である。図９は、磁気計測装置１０をダイヤモンドセンサ１２ａにおける磁気計測面、すなわち主面側方向からみた平面図である。なお、図８および図９においては、簡単化のため、信号処理回路１８、マイクロ波回路１９、および制御回路２０については省略している。

図８および図９に示す磁気計測装置１０が前記実施の形態１の図１および図２と異なる点は、レンズ１６，１７がそれぞれ１つではなく、複数のマイクロレンズ４０，４０ａによって構成されている点である。

また、受光素子がフォトダイオード１４ではなく、蛍光強度検出部となるイメージセンサ４１となっている点も異なるところである。イメージセンサ４１は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）センサなどからなる。

さらに、励起光源１１の位置についても異なっており、該励起光源１１は、ダイヤモンドセンサ部１２のある１つのコーナ部近傍に設けられている。この場合、励起光源１１が近傍に設けられているダイヤモンドセンサ部１２の該当するコーナ部には、励起光入力窓３２が形成されている。

励起光入力窓３２は、図９に示すように、例えば図８のダイヤモンドセンサ１２ａおよびダイヤモンドセンサケース１２ｂのコーナ部がそれぞれ切り欠き加工されることによって形成されている。この断面部分によって形成された励起光入力窓３２に励起光源１１による励起光の照射が行われる。

なお、図９では、励起光入力窓３２がダイヤモンドセンサ１２ａおよびダイヤモンドセンサケース１２ｂの１つのコーナ部に形成された例を示したが、励起光入力窓３２の数については、励起光源１１の数と一致していれば、特に制限はない。

マイクロレンズ４０ａは、イメージセンサ４１の受光面、言い換えれば低域フィルタ１３側の面にアレイ状に設けられている。各々のマイクロレンズ４０ａは、イメージセンサ４１が有する１つの画素あるいは複数個の画素に対応するようにそれぞれ設けられている。

また、マイクロレンズ４０は、ダイヤモンドセンサケース１２ｂに形成された蛍光出力窓３１に設けられている。これらマイクロレンズ４０は、マイクロレンズ４０ａと同数からなり、個々のマイクロレンズ４０は、マイクロレンズ４０ａにそれぞれ対向する位置にアレイ状に設けられている。

また、図８および図９に示す磁気計測装置１０では、ダイヤモンドセンサ部１２の周辺部に設けられたマイクロ波コイル１５に加えて、複数のマイクロコイル４２を設けた構成となっている。なお、図８では、マイクロ波コイル１５を省略している。

マイクロコイル４２は、ダイヤモンドセンサ１２ａの主面である磁気計測面に形成されている。各々のマイクロコイル４２は、マイクロレンズ４０の形状に沿うようにそれぞれ形成されている。

各々のマイクロコイル４２は、図１に示すマイクロ波回路１９に接続されており、該マイクロ波回路１９によってダイヤモンドセンサ部１２の領域毎、すなわちマイクロレンズ４０毎に異なる周波数のマイクロ波を照射する。その他の構成については、前記実施の形態１の図１および図２と同様であるので、説明は省略する。

〈磁気計測装置の計測例〉
静磁場（ＤＣ磁場）計測において、静磁場Ｂ０は、ＯＤＭＲの“谷”の周波数軸上の位置ｆより（式１）により判明するが、本実施の形態では、イメージセンサ４１の全体視野が複数のマイクロレンズ４０により領域毎に分割して計測される。そのため、マイクロレンズ４０ａにおける各領域毎の静磁場が計測可能となる。

静磁場（ＤＣ磁場）計測において、静磁場Ｂ０は、ＯＤＭＲの“谷”の周波数軸上の位置ｆより（式１）により判明するが、本実施の形態では、イメージセンサ４１のマイクロレンズ４０ａ毎に分割して計測される。そのため、各々のマイクロレンズ４０ａ毎の静磁場が計測可能となる。

その際、ダイヤモンドセンサ部１２の周囲を囲むように設けられたマイクロ波コイル１５の周波数を掃引して、各領域毎のＯＤＭＲの“谷”を計測していくことも可能である。また、各マイクロレンズ４０毎に設けられたマイクロコイル４２の複数個に同時に異なるマイクロ波周波数を照射することにより、各領域毎のＯＤＭＲの“谷”の周波数軸上の位置を計測するための時間を短縮することが可能となる。

以上により、核磁化信号（ＡＣ磁場）計測においても、イメージセンサ４１のマイクロレンズ４０ａ毎の核磁化信号を計測することができる。ここで、ダイヤモンドセンサ１２ａの各マイクロレンズ４０毎の静磁場に差異が存在する場合には、各マイクロレンズ４０毎にそれぞれ“谷”の最急峻斜面を設定することが高感度化に有効である。

各マイクロレンズ４０毎に設けたマイクロコイル４２のそれぞれに各マイクロレンズ４０毎に“谷”の最急峻斜面に調整されたマイクロ波周波数を照射することにより、核磁化信号の分布計測の高感度化を可能とすることができる。

なお、図８および図９では、ダイヤモンドセンサ部１２のコーナ部から励起光源１１によって励起光を照射する構成としたが、励起光の照射は、これに限定されるものではなく、例えば図１および図６に示すように、ダイヤモンドセンサ部１２の側面や斜め上方からであってもよい。

（実施の形態４）
〈概要〉
本実施の形態４においては、電磁波雑音の影響を受けにくい磁気計測装置１０について説明する。

前記実施の形態３における磁気計測装置１０では、ダイヤモンドセンサ部１２とイメージセンサ４１との距離が接近しているために、イメージセンサ４１が発生する電磁波雑音の影響をダイヤモンドセンサ１２ａが受けてしまう恐れがある。

このようなイメージセンサ４１が発生する電磁波雑音の影響を避けるため、ダイヤモンドセンサケース１２ｂとイメージセンサ４１の距離を離す必要が生じる場合がある。

〈磁気計測装置の構成例〉
図１０は、本実施の形態４による磁気計測装置１０における断面の一例を示す説明図である。

図１０に示す磁気計測装置１０では、低域フィルタ１３とダイヤモンドセンサ部１２との間に複数の光路ガイド４３が設けられている。その他の構成については、前記実施の形態３の図８および図９と同様である。

光路ガイド４３は、イメージセンサ４１が発生する電磁波雑音の影響を避けるため、ダイヤモンドセンサケース１２ｂとイメージセンサ４１の距離をとるために設けられている。個々の光路ガイド４３は、各々のマイクロレンズ４０にそれぞれ対応するように設けられている。

光路ガイド４３は、例えばガラスなどからなり、マイクロレンズ４０によって集光された励起光が散逸するのを低減するものであり、集光された励起光は、光路ガイド４３内において反射してマイクロレンズ４０ａ側に到達する。これにより、ダイヤモンドセンサ部１２とイメージセンサ４１との距離をとりながら、効率良く励起光を集光することができる。

以上により、磁気計測の感度を低下させることなく、電磁波雑音の影響を受けにくい磁気計測装置１０を実現することができる。

なお、ここでも、励起光源１１による励起光の照射は、例えば図１および図６に示すように、ダイヤモンドセンサ部１２の側面や斜め上方からであってもよい。

（実施の形態５）
〈概要〉
本実施の形態５では、励起光源１１を複数個設けることによって、強力で、より均一度の高い励起光照射を行うことができる技術について説明する。

具体的には、複数の励起光源１１をダイヤモンドセンサ部１２とフォトダイオード１４との間に配置してダイヤモンドセンサ部１２に照射する。

〈磁気計測装置の構成例〉
図１１は、本実施の形態５による磁気計測装置１０における断面の一例を示す説明図である。図１２は、図１１の平面図である。

図１１および図１２に示す磁気計測装置１０は、４つの励起光源１１ａ〜１１ｄを有している。これら励起光源１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、ダイヤモンドセンサ部１２の４つのコーナ部の斜め上方に俯角を付けてそれぞれ設けられている。

また、ダイヤモンドセンサ部１２が有するダイヤモンドセンサケース１２ｂの４つのコーナ部には、ダイヤモンドセンサ１２ａの裏面側に励起光入力窓３２ａ〜３２ｄがそれぞれ形成されている。励起光入力窓３２ａ〜３２ｄは、例えば円形からなるが、形状については、これに限定されるものではない。その他の構成については、前記実施の形態１の図１および図２と同様である。

励起光源１１ａ〜１１ｄから照射された励起光は、励起光入力窓３２ａ〜３２ｄからそれぞれダイヤモンドセンサケース１２ｂ内に入射光を与える。このように、ダイヤモンドセンサケース１２ｂの４つのコーナ部から入射光を与えることができるため、ダイヤモンドセンサケース１２ｂ内部全体をより強い励起光で照射することが可能となるとともにダイヤモンドセンサケース１２ｂ内部の受ける励起光の強度が、より均一度が高いものとなる。

以上により、ダイヤモンドセンサ１２ａの発生する蛍光強度をより高めることができ、磁気計測装置の感度をより向上させることができる。

〈励起光の意図的な分布について〉
また、ダイヤモンドセンサケース１２ｂ内部の受ける励起光の強度に意図的に分布を持たせることも可能である。

図１３は、図１１および図１２に示す励起光源１１ａ〜１１ｄにおける照射領域を模式的に示した説明図である。

図１３において、網掛けにて示す照射領域１１ａｒは、励起光源１１ａによって照射される励起光の範囲を示している。同様に、網掛けにて示す照射領域１１ｂｒ〜１１ｄｒは、励起光源１１ｂ〜１１ｄによって照射される励起光の範囲をそれぞれ示している。

ここで、照射領域１１ａｒ〜１１ｄｒについて説明する。

励起光は、各励起光源１１ａ〜１１ｄからの励起光がダイヤモンドセンサケース１２ｂ内において多重反射を繰り返すことにより、ダイヤモンドセンサ１２ａ内の全体に行き渡る。

しかしながら、ダイヤモンドセンサ１２ａ中および反射膜３０による反射時の損失が若干は必ず有る。よって、照射領域１１ａｒ〜１１ｄｒは、励起光源１１ａ〜１１ｄに近接した部分が最も強く照射されていることを示すものである。

例えば照射領域１１ａｒの磁場を計測したい場合には、励起光源１１ａのみを照射すればよい。また、各照射領域１１ａｒ〜１１ｄｒの重み付けを行った磁場を計測したい場合には、各励起光源１１ａ〜１１ｄの強度にその重み付けを行えばよい。

これにより、全体の励起光の消費電力を抑えつつ、ダイヤモンドセンサ１２ａの領域毎に重み付けを行った磁場計測を行うことが可能となる。

ここでは、４つの励起光源１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを設け、ダイヤモンドセンサ部１２の４つのコーナ部の斜め上方から励起光を照射する例を示したが、励起光の照射位置については、これに限定されるものではない。

例えば前記実施の形態１の図１の構成において、４つの励起光源を用いるように構成してもよい。この場合、４つの励起光源は、ダイヤモンドセンサ部１２の４つの側面からそれぞれ照射するように構成される。当然、励起光入力窓３２ａは、ダイヤモンドセンサケース１２ｂの４つの側面にそれぞれ設けられることになる。

（実施の形態６）
〈概要〉
本実施の形態６では、磁気計測装置を適用した水の核磁化信号計測技術の原理、駆動タイミング、および動作点の設定に関して、図１４〜図１６を用いて説明する。

〈水の核磁化計測方法の原理〉
まず、前記実施の形態１〜５の磁気計測装置１０を用いた、水の核磁化信号計測への適用の原理について図１４を用いて説明する。

図１４は、本実施の形態６による磁気計測装置を適用した際の水の核磁化計測技術の原理を示す説明図である。

励起コイルＣＬは、水を入れた試験管ＴＢに巻かれている。励起コイルＣＬが巻かれた試験管ＴＢは、磁石ＭＧの間に配置される。磁石ＭＧによる直流静磁場と励起コイルＣＬによる高周波磁場とは、試験管ＴＢ中の水に対して直交方向に印加される。

試験管ＴＢの底面には、近接して磁気計測装置１０が配置される。磁気計測装置１０は、核磁化信号に対して最大感度を有するように、磁気計測装置１０の主面が励起コイルＣＬによる高周波磁場と直交して配置される。

磁気計測装置１０において、ダイヤモンドセンサ１２ａを囲むマイクロ波コイル１５には、マイクロ波が供給される。図１４に示す磁気計測装置１０においては、ダイヤモンドセンサ部１２、低域フィルタ１３、フォトダイオード１４またはイメージセンサ４１の順に試験管ＴＢに近い位置に置かれる。

〈水の核磁化計測における駆動タイミング例〉
続いて、水の核磁化計測における駆動タイミング例を図１５により説明する。

図１５は、水の核磁化計測における駆動タイミングの一例を示す説明図である。

水分子の緩和時間Ｔ１は、数百ｍｓ程度であるので、例えば５００ミリ秒の周期で、高周波出力の最初の一定時間τの印加、ＦＩＤ（Free Induction Decay；自由誘導放出）信号の初期検出、ＦＩＤ信号の減衰後の検出を行う。

ＦＩＤ信号の初期検出と減衰後の検出を行うために、具体的には５００ミリ秒の周期を前半と後半に分けて、露光Ａ、露光Ｂとして、フォトダイオードの露光を行う。そして、最初の一定時間τの高周波出力印加後、数ｍｓの待機時間の後、初期検出の時間だけ、露光Ａのタイミング内に、励起光をイネーブルする。

また、減衰後にも励起光を、露光Ｂのタイミング内にイネーブルする。励起光は、イネーブル信号がオンであり、かつ高周波出力同期パルスが正相である時にのみ発光するようにする。

これにより、露光Ａ時のフォトダイオード出力として、ＦＩＤ信号の振幅の初期検出タイミングでの平均値を求めることができ、露光Ｂ時のフォトダイオード出力として、ＦＩＤ信号の振幅の減衰後の検出タイミングでの平均値を求めることができる。

ここで、最初の一定時間τとは、
τ＝π／（２γＢ）
γ＝ｅ／ｍ＝電子電荷／水素原子核質量
Ｂ＝高周波出力が試験管中の水において生ずる磁場強度
であり、π／２パルスと呼ばれるものである。

π／２パルス印加後に、水分子に蓄積された核磁化エネルギーの誘導放出が行われ、磁気計測装置１０にはＦＩＤ信号が検出される。

π／２パルス印加後の減衰前のＦＩＤ信号と、減衰後のＦＩＤ信号を比較することにより、水の緩和時間Ｔ１を測定することができる。水の緩和時間Ｔ１は水の温度を反映するので、水の温度を非接触で計測することが可能である。

ここで高周波出力の周波数Ｆは、試験管中の水に、磁石により印加されている静磁場強度Ｂ０との間にＦ／Ｂ０＝４２．５７［ＭＨｚ／テスラ］の関係があり、ラーモア周波数と呼ばれるものである。

本測定技術では、励起コイルのインダクタンスＬと、別のキャパシタンスとのＬＣ共振を用いることをしていないので、周波数を変化させて広帯域の計測を行うことができる。試料内、この場合、図１４の試験管ＴＢ中の水の静磁場Ｂ０が一定でない場合でも、静磁場Ｂ０の値に対応した周波数Ｆを設定することにより、核磁化の計測が可能である。

静磁場Ｂ０に分布を持たせることにより、位置的に分布した試料内の核磁化信号を分離して計測が可能となる。

〈動作点の設定方法〉
次に、水の核磁化計測に用いるＯＤＭＲ（Optically Detected Magnetic Resonance： 光磁気共鳴特性）上の動作点を図１６により説明する。

図１６は、水の核磁化計測に用いるＯＤＭＲ上の動作点を示す説明図である。

図１６において、縦軸はダイヤモンドセンサの蛍光強度であり、横軸はダイヤモンドセンサに印加するマイクロ波の周波数である。マイクロ波の周波数による蛍光強度の変化をＯＤＭＲと称する。

静磁場を印加しない状態では、蛍光強度の”谷”は、２．８７ＧＨｚ付近にあるが、静磁場Ｂ０を印加していくと”谷”の周波数軸上の位置ｆは、（式１）の関係を保って変化する。

静磁場Ｂ０の下での”谷”の最急斜面に動作点を設定する。このような動作点において、ＦＩＤ信号の振幅の初期検出タイミングでの平均値を反映した露光Ａにおける蛍光出力平均と、ＦＩＤ信号の減衰後の検出タイミングでの平均値を反映した露光Ｂにおける蛍光出力平均とをＯＤＭＲの変化として同図中に示す。ＦＩＤ信号の減衰前後で、蛍光強度に差が生じる。この差を計測することで、核磁化信号の強度を計測可能である。

（実施の形態７）
〈概要〉
本実施の形態７では、水の核磁化信号計測を適用し、磁気計測装置１０を非侵襲の調理家電装置に適用した例を説明する。

〈磁気計測装置の調理家電応用例〉
図１７は、本実施の形態７による磁気計測装置１０を用いた調理家電装置の一例を示す説明図である。図１７（ａ）は、調理家電装置の斜視図である。図１７（ｂ）は、図１７（ａ）の平面図であり、図１７（ｃ）は、図１７（ｂ）におけるＡ−Ａ‘断面図である。

調理家電装置は、例えば内部に水を含む食材を加熱する加熱調理などに用いられる調理用家電である。調理家電装置は、図１７に示すように、底面となる一方の端面を有する中空円柱状の制御加熱容器５０を有している。制御加熱容器５０の底面部および側面部には、複数の磁気計測装置１０が制御加熱容器５０の円周方向と直交するように等間隔にて直線状に設けられている。

また、制御加熱容器５０の外周部には、励起コイル５１が設けられており、その外側の左右には、円弧状の磁石５２がそれぞれ設けられている。

制御加熱容器５０は、非磁性・非金属であり、例えばセラミックスなどによって形成される。この制御加熱容器５０は、内部に水を含む食材を入れる容器である。励起コイル５１には、周波数Ｆの高周波電流を印加する。周波数Ｆは、磁石により印加されている静磁場強度Ｂ０との間にＦ／Ｂ０＝４２．５７［ＭＨｚ／テスラ］の関係におく。

励起コイル５１に前記π／２パルスの高周波電流を印加後の、減衰前および減衰後のＦＩＤ信号を磁気計測装置１０にて計測することにより、制御加熱容器５０内の温度を計測することができる。

水分子からのＦＩＤ信号は、２次元的に放射されて、近距離にある磁気計測装置１０においてより明朗に検出可能である。このため、磁気計測装置１０を制御加熱容器５０の周囲に並べて配置することにより、制御加熱容器５０内の温度分布を計測することが可能となる。

励起コイル５１は、加熱コイルを兼ねることができる。静磁場強度Ｂ０との間にＦ／Ｂ０＝４２．５７［ＭＨｚ／テスラ］の関係がある水の部分に加熱が行われるところ、制御加熱容器５０内の静磁場には若干の分布が生じることから、周波数Ｆを調整することにより、加熱箇所を調整することができる。

図１５に示したＦＩＤ信号振幅計測は、ＬＣ共振を用いるものではないので、周波数Ｆが変化しても支障がない。制御加熱容器５０内に均一な磁場を形成しようとすると、磁石が大きなものとなりコストがかかるが、図１７に示す調理家電装置では、磁石が大きい必要はなくなる。

また、励起コイル５１を加熱コイルとして用いる場合には、加熱過程において、制御加熱容器５０内の温度分布は、円周方向には均一となる。よって、磁気計測装置１０は、１次元的に配置すれば内部温度分布を計測可能となる。

以上により、小型で効率のよい調理家電装置を実現することができる。

（実施の形態８）
〈概要〉
本実施の形態８では、磁気計測装置１０による水の核磁化計測をヘルスケア装置に適用した例について説明する。

〈ヘルスケア装置の構成例〉
図１８は、本実施の形態８による磁気計測装置１０を用いたヘルスケア装置の一例を示す説明図である。図１８（ａ）は、ヘルスケア装置の斜視の一例を示す説明図であり、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）の断面図である。図１８（ｃ）は、図１８（ｂ）におけるＡ−Ａ‘断面図である。

ヘルスケア装置は、例えばハイパーサーミア、いわゆる温熱療法などに用いられるヘルスケア機器である。ヘルスケア装置は、図１８（ａ）に示すように、制御加熱対象である人体の胴部６０を囲むように複数の磁気計測装置１０が密に配置されている。磁気計測装置１０は、例えば対象者が着用する衣類に縫い込まれている。

また、磁気計測装置１０が密に配置されている周りには、励起コイル６１が巻かれている。励起コイル６１の外側には、対となった磁石６２が対向するように配置されている。

励起コイル６１には、周波数Ｆの高周波電流を印加する。周波数Ｆは、人体の胴部における、制御加熱を行う部分において、磁石により印加されている静磁場強度Ｂ０との間にＦ／Ｂ０＝４２．５７［ＭＨｚ／テスラ］の関係におく。

励起コイル６１に前記π／２パルスの高周波電流を印加後の、減衰前および減衰後のＦＩＤ信号を磁気計測装置１０にて計測することにより、人体の胴部６０内の温度を計測することができる。

水分子からのＦＩＤ信号は、２次元的に放射され、近距離にある磁気センサモジュールにおいてより明朗に検出可能である。このため、磁気計測装置１０を人体の胴部６０の周囲に並べて配置することにより、人体の胴部６０内の温度分布を計測することが可能となる。

励起コイル６１は、加熱コイルを兼ねることができる。静磁場強度Ｂ０との間にＦ／Ｂ０＝４２．５７［ＭＨｚ／テスラ］の関係がある水の部分に加熱が行われるところ、人体の胴部６０内の静磁場には若干の分布が生じることから、周波数Ｆを調整することにより、加熱箇所を調整することができる。

加熱位置の細部の制御が必要である場合には、磁気計測装置１０内の例えば図１に示すマイクロ波コイル１５からの放射を活用することができる。多数の磁気計測装置１０に同期した同一周波数のマイクロ波を供給し、かつ相互の位相を調整して干渉を調整することにより、フェーズドアレイアンテナの原理により、人体の胴部６０内の特定の点にピンポイントで電力を集中することができる。

以上により、ハイパーサーミアなどのヘルスケア応用に有用である。

また、モジュール化されて厚さ方向を薄くした磁気計測装置１０は、体内の情報を検出するウェアラブル診断装置などへの適用においても有効である。モジュール化されて厚さ方向を薄くした磁気計測装置１０は、人間の体表面に稠密に並べても圧迫感が少なく軽量化を可能とすることができる。その結果、ウェアラブル診断装置を着用する患者の負担を軽くすることができる。

（実施の形態９）
〈概要〉
前記実施の形態１〜５では、マイクロ波コイル１５がダイヤモンドセンサ部１２の外部に設けられていた。本実施の形態９においては、マイクロ波コイルがダイヤモンドセンサケース１２ｂの内部に設けられている例について説明する。

〈磁気計測装置の構成例〉
図１９は、本実施の形態９による磁気計測装置が有するダイヤモンドセンサ部における構成の一例を示す説明図である。図２０は、図１９のＡ−Ａ’断面の一例を示す説明図である。

なお、図１９および図２０においては、簡単化のために、ダイヤモンドセンサ部１２および励起光源１１のみを示しており、他の構成である低域フィルタ１３、フォトダイオード１４、レンズ１７、信号処理回路１８、マイクロ波回路１９、および制御回路２０については省略している。

図１９および図２０に示す磁気計測装置１０が、図１などの磁気計測装置１０と異なる点は、ダイヤモンドセンサ部１２が有するダイヤモンドセンサケース１２ｂの構成である。このダイヤモンドセンサケース１２ｂは、図１９および図２０に示すように、ダイヤモンドセンサ格納部１２ｃおよびマイクロ波コイル１５を有する。

ダイヤモンドセンサ格納部１２ｃは、ダイヤモンドセンサ１２ａが格納されるキャビティであり、ダイヤモンドセンサケース１２ｂの中央部に形成されている。このダイヤモンドセンサ格納部１２ｃの周りには、マイクロ波コイル１５が設けられている。

マイクロ波コイル１５は、図２０に示すように、例えば銅箔などからなる配線パターンＨＰ１および配線パターンＨＰ２によって形成されている。配線パターンＨＰ１は、最上層、すなわちダイヤモンドセンサケース１２ｂの裏面に形成された配線パターンである。配線パターンＨＰ２は、配線パターンＨＰ１の下方に形成された配線パターンである。

配線パターンＨＰ１と配線パターンＨＰ２とは、ビアＶｉａによって接続されている。ビアＶｉａは、ダイヤモンドセンサケースにビアホールを開口し、該ビアホールに銅などの金属材料を埋め込むことによって上層に形成された配線パターンＨＰ１とその下層に形成された配線パターンＨＰ２とを電気的に接続する。

励起光源１１は、ダイヤモンドセンサ部１２のある１つの側面近傍に設けられている。ダイヤモンドセンサケース１２ｂには、励起光光路７４が形成されている。励起光光路７４は、励起光源１１より照射される励起光の光路である。

励起光光路７４は、励起光源１１が設けられている側面側からダイヤモンドセンサ格納部１２ｃが形成されている側面側にかけて貫通するように形成された孔である。励起光光路７４は、配線パターンＨＰ１と配線パターンＨＰ２との間に挟まれるように形成される。

蛍光出力窓３１は、ダイヤモンドセンサ１２ａが発生した蛍光を出力する窓であり、図１と同様に、ダイヤモンドセンサケース１２ｂにおいて、ダイヤモンドセンサ１２ａの主面である磁気計測面に対向する裏面側に形成される。蛍光出力窓３１の上部には、レンズ１６が設けられている。

反射膜３０は、ダイヤモンドセンサケース１２ｂに形成されたダイヤモンドセンサ格納部１２ｃの表面に形成されている。この場合においても、反射膜３０は、励起光光路７４の開口部および蛍光出力窓３１を除いて形成されている。反射膜３０は、金属膜であり、例えばチタン、銅、またはアルミニウムなどからなる。

このように、マイクロ波コイル１５をダイヤモンドセンサケース１２ｂに形成する構成とすることにより、磁気計測装置１０全体を小型かつ薄型に構成することができる。

〈磁気計測装置の他の構成例〉
図２１は、図１９に示す磁気計測装置における他の構成例を示す説明図である。また、図２２は、図２１のＡ−Ａ’断面の一例を示す説明図である。

なお、図１９および図２０においては、簡単化のために、ダイヤモンドセンサ部１２のみを示しており、他の構成である低域フィルタ１３、フォトダイオード１４、レンズ１７、信号処理回路１８、マイクロ波回路１９、および制御回路２０については省略している。

図２１および図２２に示す磁気計測装置１０が図１９および図２０の磁気計測装置１０と異なるところは、ダイヤモンドセンサ部１２が有するダイヤモンドセンサケース１２ｂに、マイクロ波コイル１５に加えて励起光源１１ａについても設けた点である。

この場合、励起光源１１ａは、例えば表面実装型のＬＥＤ（Light Emitting Diode）などからなり、ダイヤモンドセンサ格納部１２ｃにダイヤモンドセンサ１２ａとともに格納され、ダイヤモンドセンサ１２ａのある１つの側面を照射する。

配線パターンＨＰ１と下層に形成された配線パターンＨＰ２との間には、電源配線パターンＨＰ３が形成されている。電源配線パターンＨＰ３は、例えば図１の制御回路２０などから供給される電源電圧を励起光源１１ａに供給する配線パターンである。ここでも、反射膜３０は、蛍光出力窓３１を除いて形成されている。その他の構成については、図１９および図２０と同様であるので説明は省略する。

このように、マイクロ波コイル１５に加えて励起光源１１ａについてもダイヤモンドセンサケース１２ｂ内に設けることにより、磁気計測装置１０をより小型かつ薄型に構成することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

１０ 磁気計測装置
１１ 励起光源
１１ａ〜１１ｄ 励起光源
１２ ダイヤモンドセンサ部
１２ａ ダイヤモンドセンサ
１２ｂ ダイヤモンドセンサケース
１２ｃ ダイヤモンドセンサ格納部
１３ 低域フィルタ
１４ フォトダイオード
１５ マイクロ波コイル
１６ レンズ
１７ レンズ
１８ 信号処理回路
１９ マイクロ波回路
２０ 制御回路
３０ 反射膜
３１ 蛍光出力窓
３２ 励起光入力窓
３２ａ〜３２ｄ 励起光入力窓
４０ マイクロレンズ
４０ａ マイクロレンズ
４１ イメージセンサ
４２ マイクロコイル
４３ 光路ガイド
５０ 制御加熱容器
５１ 励起コイル
５２ 磁石
６０ 胴部
６１ 励起コイル
６２ 磁石
７４ 励起光光路

Claims (13)

1. 蛍光の強度の変化から磁場の強度を検出する磁気計測装置であって、
   複数の窒素−空孔対を有するダイヤモンドセンサと、
   表面あるいは内面のいずれか一方に励起光を反射させる反射膜が形成され、前記ダイヤモンドセンサを格納するダイヤモンドセンサケースと、
   前記ダイヤモンドセンサケースに前記励起光を照射する励起光源と、
   前記ダイヤモンドセンサケースから発生する前記蛍光の強度を検出する蛍光強度検出部と、
   を有し、
   前記ダイヤモンドセンサケースは、
   前記ダイヤモンドセンサが発生した蛍光を出力する第１の窓と、
   前記励起光源より照射される前記励起光が入力される第２の窓と、
   を有し、
   前記蛍光強度検出部は、前記ダイヤモンドセンサの磁気計測面である第１の面に対向する第２の面側に設けられる、磁気計測装置。
2. 請求項１記載の磁気計測装置において、
   前記第２の窓は、前記ダイヤモンドセンサの少なくとも１つの側面に前記励起光が照射される位置に形成され、
   前記励起光源は、前記第２の窓に前記励起光を照射する、磁気計測装置。
3. 請求項２記載の磁気計測装置において、
   前記励起光源の動作を制御する制御回路を有し、
   前記制御回路は、前記第２の窓が複数ある場合に、複数の前記第２の窓に前記励起光がそれぞれ個別に照射されるように前記励起光源を制御する、磁気計測装置。
4. 請求項１記載の磁気計測装置において、
   前記第２の窓は、前記ダイヤモンドセンサの少なくとも１つのコーナ部に前記励起光が照射される位置に形成され、
   前記励起光源は、前記第２の窓に前記励起光を照射する、磁気計測装置。
5. 請求項４記載の磁気計測装置において、
   前記励起光源の動作を制御する制御回路を有し、
   前記制御回路は、前記第２の窓が複数ある場合に、複数の前記第２の窓に前記励起光がそれぞれ個別に照射されるように前記励起光源を制御する、磁気計測装置。
6. 請求項１記載の磁気計測装置において、
   前記第２の窓は、前記ダイヤモンドセンサの前記第２の面に前記励起光が照射される位置に形成され、
   前記励起光源は、前記第２の窓に前記励起光を照射する、磁気計測装置。
7. 請求項１記載の磁気計測装置において、
   前記ダイヤモンドセンサケースから出力される前記蛍光を集光する第１のレンズと、
   前記第１のレンズから出射される前記蛍光を集光する第２のレンズと、
   前記励起光源が照射した前記励起光を反射させ、前記ダイヤモンドセンサから発生した前記蛍光を透過させて前記蛍光強度検出部に到達させる低域フィルタと、
   を有し、
   前記低域フィルタは、前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に設けられる、磁気計測装置。
8. 請求項１記載の磁気計測装置において、
   前記反射膜は、金属膜であり、
   前記反射膜の膜厚は、前記ダイヤモンドセンサケースに印加されるマイクロ波の周波数における表皮効果深さより薄く、光の周波数における表皮効果深さより厚い、磁気計測装置。
9. 請求項１記載の磁気計測装置において、
   前記ダイヤモンドセンサは、多結晶の薄膜である、磁気計測装置。
10. 請求項１記載の磁気計測装置において、
    前記蛍光強度検出部は、フォトダイオードである、磁気計測装置。
11. 請求項７記載の磁気計測装置において、
    前記蛍光強度検出部は、複数の画素を有するイメージセンサであり、
    前記第１および前記第２のレンズは、複数のマイクロレンズからなり、
    前記マイクロレンズは、前記イメージセンサの１つまたは複数の画素にそれぞれ対応するように設けられる、磁気計測装置。
12. 請求項１１記載の磁気計測装置において、
    前記第１のレンズが有する前記マイクロレンズによって集光された前記励起光が散逸するのを低減する光路ガイドを有し、
    前記光路ガイドは、前記低域フィルタと前記第１のレンズとの間に設けられる、磁気計測装置。
13. 請求項１記載の磁気計測装置において、
    前記励起光源は、半導体レーザまたはＬＥＤである、磁気計測装置。

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