JP2019086436A - 磁場測定素子、磁場測定装置及び磁場測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】干渉を小さくしつつ、磁場測定素子の高さ方向を低くすることを課題とする。【解決手段】ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚのコイル面を含む第１の平面に対して、垂直であり、かつ、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの中心を含む第２の平面もしくは第２の平面の近傍に設置されるＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘと、第１の平面及び第２の平面に対して垂直な第３の平面もしくは第３の平面の近傍に設置されるＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙと、を有し、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘの中心は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの中心を通り、かつ、第１の平面に対して垂直な直線上もしくは当該直線の近傍に存在し、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの中心は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの中心と、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘの中心とを結んだ線からずれた位置に存在することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のＳＱＵＩＤ磁気センサを利用した磁場測定素子、磁場測定装置及び磁場測定システムの技術に関する。

ＳＱＵＩＤ（Superconducting QUantum Interference Device；超電導量子干渉素子）磁気センサは超電導現象を利用した磁気センサである。そのため、ＳＱＵＩＤ磁気センサは、液体ヘリウムや液体窒素等の液体冷媒や冷凍機等で超電導臨界温度以下に冷却して使用される。

図３１は、一般的なＳＱＵＩＤ磁気センサ１の模式図である。
ＳＱＵＩＤ磁気センサ１は、超電導ループに鎖交した磁束により出力電圧が変化する磁束−電圧変換素子である。
ＳＱＵＩＤ磁気センサ１はＳＱＵＩＤインダクタ８と呼ばれる小さな閉ループ（超電導ループ）に１つ、または、２つのジョセフソン接合部２を含む構造を有している。
図３１に示すＳＱＵＩＤ磁気センサ１は、超電導ループ（ＳＱＵＩＤインダクタ８）に２つのジョセフソン接合部２を含むＳＱＵＩＤを利用している。このようなＳＱＵＩＤはｄｃ−ＳＱＵＩＤと呼ばれており、広く使用されている。

ＳＱＵＩＤインダクタ８の面積は非常に小さく、単体では磁束捕捉面積が小さい。そこで、図３１に示すように、通常、大きな磁束捕捉面積を有する検出コイル３がＳＱＵＩＤインダクタ８に結合される。そして、検出コイル３に鎖交した磁束がＳＱＵＩＤインダクタ８に伝達される。このようにすることで、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１が高感度な磁気センサとして使用される。通常、検出コイル３も超電導体（超電導素材）で形成されている。

液体ヘリウムを必要とする低温超電導体のＳＱＵＩＤ磁気センサ１では、ＮｂやＮｂＴｉ等の超電導ワイヤを使用して検出コイル３を作製することも可能である。一方、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ酸化物用伝導体を超電導体として用い、液体窒素でも動作可能な高温超電導ＳＱＵＩＤの場合、超電導体間の接続技術が、まだ開発されていない。つまり、超電導ワイヤ（検出コイル３）と、ＳＱＵＩＤインダクタ８との接続技術が、まだ開発されていない。そのため、薄膜プロセスによって、検出コイル３をＳＱＵＩＤインダクタ８と同じ基板上に一体形成することが一般的である。なお、図３１では模式的に示されているため、検出コイル３と、ＳＱＵＩＤインダクタ８とが接続されているようにみえるが、実際には一体形成されている。検出コイル３とＳＱＵＩＤインダクタ８とが一体化したＳＱＵＩＤ磁気センサ１の検出感度方向はＳＱＵＩＤ磁気センサ１が形成されている基板面に垂直な方向となる。つまり、検出コイル３に鎖交した磁束が検出される。

ｄｃ−ＳＱＵＩＤの場合、２つのジョセフソン接合部２にジョセフソン接合の臨界電流値を超えるバイアス電流Ｉ_ｂが流され、発生する電圧Ｖ_{ＳＱＵＩＤ}が出力となる。図３１に示すＳＱＵＩＤ磁気センサ１では端子４から端子５に電流が流され、端子４と端子５間の電圧が読み出される。
なお、フィードバックコイル６及び端子７については後記する。

図３２及び図３３は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の電圧−磁束特性（Ｖ−Φ特性）を示す図である。
なお、図３２及び後記する図３３における「電圧」とは、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の出力電圧である。適宜、図３１を参照する。
図３２に示すように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の出力電圧は検出コイル３及びＳＱＵＩＤインダクタ８に鎖交した磁束に対して正弦波のように変化する。完全な超電導ループ内では磁束は量子化されており磁束量子Φ_０（＝２．０５ｘ１０^−１５Ｗｂ）を単位としてしか磁束が存在できない。しかし、ＳＱＵＩＤインダクタ８は、ジョセフソン接合部２の部分で切断されているため、任意の磁束を鎖交することができる。しかし、その出力電圧は鎖交した磁束に対してΦ_０を周期とした変化を示す。

周期的な非線形特性から鎖交磁束に比例した出力を取り出すため、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１はフィードバック制御で制御される。ここでの「非線形」とは、電圧と、磁束の関係が単純な比例関係にないという意味である。つまり、図３２等に示すように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の出力電圧は、電圧と、磁束とが単純な比例関係にないため、電圧から印加された磁束を特定することが困難である。具体的には、検出コイル３に鎖交する磁束を打ち消すようなフィードバック磁場がフィードバックコイル６に印加される。このような、フィードバック磁場によってＳＱＵＩＤ磁気センサ１の出力電圧がＶ−Φ特性のある点から移動しないように制御されている（ロック点Ｐ）。ロック点Ｐの詳細については後記する。このようなフィードバック制御に用いられる制御回路はＦＬＬ（Flux Locked Loop）回路２１（図３４参照）と呼ばれる。ＦＬＬ回路２１にはいくつかの回路方式がある。

一例としてＤＯＩＴ（Direct Offset Integration Technique）型のＦＬＬ回路２１の基本構成を図３４に示す。
ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の出力電圧（図３１の端子４−端子５間の電圧）Ｖ_{ＳＱＵＩＤ}は、プリアンプ２１１で増幅された後、加算器２１２で負の直流のオフセット電圧Ｖ_{ｏｆｆｓｅｔ}が加えられる。なお、これ以降、端子４−端子５間の電圧を「端子５の出力」と適宜記載する。これにより、図３３に示すように０Ｖの位置がＳＱＵＩＤ磁気センサ１のＶ−Φ特性を横切るように調整される（オフセットされる）。なお、図３４に示すＤＯＩＴ型のＦＬＬ回路２１の詳細については後記する。ロック点Ｐについては後記する。

ここで、図３４を参照して、ＤＯＩＴ型のＦＬＬ回路２１の詳細を説明する。
前記したように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の出力電圧（図３１の端子５の出力）Ｖ_{ＳＱＵＩＤ}は、プリアンプ２１１で増幅された後、加算器２１２で負の直流のオフセット電圧Ｖ_{ｏｆｆｓｅｔ}が加えられる。
加算器２１２の出力は積分器２１３で積分される。積分器２１３の出力はフィードバック抵抗２１４を経由してフィードバックコイル６へ出力される。図３１に示すＳＱＵＩＤ磁気センサ１で、端子７を有するフィードバックコイル６は検出コイル３と磁気的に結合するように配置されている。すなわち、フィードバックコイル６で発生する磁場は、検出コイル３と鎖交する。なお、図３１における端子７はＦＬＬ回路２１に接続されている。

前記したように、フィードバックコイル６は、検出コイル３を介してＳＱＵＩＤインダクタ８と磁気的に結合している。このように、積分器２１３の出力がフィードバックされる。これにより、加算器２１２の出力電圧がゼロでない場合、積分器２１３の出力がフィードバックコイル６を介してフィードバック磁場として検出コイル３に印加される。フィードバック磁場は、加算器２１２の出力電圧がゼロになるまで検出コイル３に印加される。外部磁場が変化し検出コイル３及びＳＱＵＩＤインダクタ８への入力磁束が変化すると、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の出力、すなわち加算器２１２の出力が変化する。すると、再び、加算器２１２の出力がゼロになるようにフィードバックコイル６に電流が流れフィードバック磁場が印加される。

この結果、図３３に示すオフセット電圧調整後のＶ−Φ特性における、電圧が０Ｖのラインを横切るいずれかの点（ロック点Ｐ）にＳＱＵＩＤの状態はロックされる。つまり、フィードバック磁場によって、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の外部磁場が変化しても、それを丁度打ち消すようなフィードバック磁場が検出コイル３に印加される。つまり、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の出力がロック点Ｐから外れると、図３３に示す矢印のように、ロック点Ｐに戻るよう、フィードバック磁場が検出コイル３に印加される。

このような、フィードバック磁場を測定することで検出コイル３に鎖交する磁束が測定される。フィードバック磁場は積分器２１３の出力Ｖｏｕｔに比例（線形関係）しているため、積分器２１３の出力Ｖｏｕｔからフィードバック磁場を推定することは容易である。つまり、端子４と端子５の出力が直接測定されるのではなく、フィードバックコイル６に対して直列に接続されているフィードバック抵抗２１４に印加される電圧が測定される。これにより、検出コイル３に鎖交する磁束が測定される。これにより、図３２及び図３３に示すような、非線形特定を有するＶ−Φ特性を、線形特性に変換することができ、測定された磁束からＳＱＵＩＤ磁気センサ１の出力電圧を特定することができる。
なお、フィードバックコイル６は超電導体である必要はない。

図３４のリセットスイッチ２１５は積分器２１３のコンデンサを短絡させることで、積分器２１３の出力を０に戻すためのスイッチである。また、フィードバックスイッチ２１６は積分器２１３の出力とフィードバックコイル６との接続を切り替えるスイッチである。

液体ヘリウムでの冷却が必要なＮｂ系超電導体（低温超電導）等では、多層の超電導体層を含む複雑な微細回路作製技術が完成している。このため、Ｎｂ系超電導体等では、フィードバックコイル６もＳＱＵＩＤインダクタ８と同じ基板上に形成されることが多い。Ｎｂ系超電導体等では、ＳＱＵＩＤインダクタ８と同じ程度のサイズのフィードバックコイル６でＳＱＵＩＤインダクタ８にフィードバック磁場を印加する方式が一般的である。

一方、液体窒素での動作が可能な高温超電導では、多層構造プロセスの難易度が高くなる。そのため、フィードバックコイル６をＳＱＵＩＤインダクタ８と同じ基板上に作り込むことは行われない。フィードバックコイル６が形成された基板上にＳＱＵＩＤインダクタ８や、検出コイル３が形成された基板をマウントする方法が一般的である。この場合、ＳＱＵＩＤインダクタ８に直接フィードバック磁場を印加するのではなく、図３１に示すように、検出コイル３にフィードバック磁場を印加する方式が一般的である。

従来、フラックスゲート磁力計や、ＳＱＵＩＤ磁力計等特定の軸方向のみの磁束を検知する磁気センサを３つ組み合わせることが行われている。これは、磁気センサの各中心軸が互いに直交するように配置することでｘ、ｙ、ｚの３成分の磁束を同時に測定することができるものである。３つの磁気センサの配置に関しては、３つの磁気センサの中心軸がある１点で交差するような配置が一般的である。３つの磁気センサの中心軸の交点を中心にもつ立方体を考えると、３つのセンサはその立方体の３つの面に配置される。そこで、この配置をキュービック型配置と呼ぶこととする。

また、３つの磁気センサを一列に配置する場合も多い。この配置を同軸型配置と呼ぶこととする。その他の配置として同一平面上に３つの磁気センサを単に並べたものが知られている。

通常、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１は液体冷媒で冷却される。そして、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１は液体冷媒を入れるクライオスタットの底面近くに設置することが望まれる。これは、少ない液体冷媒の量で冷却するため、あるいは、同じ液体冷媒の量でも長い時間、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１を低温状態に維持するためである。また、一般に、クライオスタットの開口部からの熱流入を抑え、保冷時間を長くするためにクライオスタットの開口部は小さい方が望ましい。そのため、複数のＳＱＵＩＤ磁気センサ１をコンパクトに配置することが求められる。

個々のＳＱＵＩＤ磁気センサ１は、図３１で前記したように検出コイル３とフィードバック磁場を印加するためのフィードバックコイル６を有している。そのため、複数のＳＱＵＩＤ磁気センサ１をコンパクトに配置しようとすると、フィードバック磁場と近隣の別のＳＱＵＩＤ磁気センサ１の検出コイル３との間に干渉の問題が発生する。特に高温超電導によるＳＱＵＩＤ磁気センサ１で、検出コイル３にフィードバック磁場を印加する一般的な方式ではフィードバックコイル６が数ｍｍから数ｃｍの寸法となる。フィードバックコイル６が、このような寸法を有すると、フィードバック磁場の空間的広がりが大きくなり、干渉も顕著となる。

液体冷媒を入れるクライオスタットの底面近くにＳＱＵＩＤ磁気センサ１を設置するという観点から、キュービック型配置が有効である。
図３５は、キュービック型配置の例として立方体の支持体３０１の３面にＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚ（１）を配置した場合の模式図を示す。
各ＳＱＵＩＤ磁気センサ１には図３１に示したように検出コイル３やフィードバックコイル６が含まれている。図３５に示すように、しかし、キュービック配置では、全体の高さが縦に配置したＳＱＵＩＤ磁気センサ１の高さ程度となる。そして、キュービック型配置では、図３５に示すように、例えばＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚのフィードバック磁場の磁力線Ｍｚ１，Ｍｚ２が他のＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ，１ｙの検出コイル３に干渉してしまう。その他のＳＱＵＩＤ磁気センサ１についても同様の干渉が生じる。

一方、図３６は、同軸型配置の例を示す図である。
同軸型配置では、図３６に示すように、３つのＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚ（１）の中心が、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの中心軸Ｃｚを通るように一直線に配置（直列配置）される。さらに、３つのＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚの検出面が、互いに直交となる。このような配置とすることで、同軸型配置は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１のフィードバック磁場と、他のＳＱＵＩＤ磁気センサ１の検出コイル３が干渉しないことを実現することができる。

例えば、図３６に示すように、中央のＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバックコイル６からの磁力線Ｍｘ１は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの検出面に対して平行に入射する。すなわち、磁力線Ｍｘ１が作る面と、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの面は平行関係にある。このため、磁力線Ｍｘ１は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの検出コイル３と鎖交しない。ここでは、図３６のＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘとＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙのような位置関係を「平行関係」と呼ぶこととする。

また、図３６において、磁力線Ｍｘ２は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの検出コイル３に入るが、左右対称のため同じ量の磁力線Ｍｘ２が出ていく。つまり、磁力線Ｍｘ２は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの検出コイル３の入った後、出ていく。そのため、正味の磁場は検出されない。このように、磁力線Ｍｘ２がＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの検出コイル３に鎖交するが、同じだけ磁力線Ｍｘ２が出ていくため、正味の磁力線Ｍｘ２の鎖交がないような位置関係を「対称関係」と呼ぶこととする。

その他、図示しないがＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚは、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ及びＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙに対して平行関係となっている。また、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙは、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘに対し平行関係となっており、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚに対し対称関係となっている。

同軸配置型は、フィードバック磁場の干渉が少ないが、縦方向に配置するため一番上のＳＱＵＩＤ磁気センサ１（図３６ではＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙ）が、クライオスタットの底面から離れてしまう。前記したように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１は、液体冷媒に浸されている。しかし、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の使用中に液体冷媒が蒸発していくため、同軸配置型では、早いタイミングで一番上のＳＱＵＩＤ磁気センサ１（図３６ではＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙ）が液体冷媒から露出してしまう。このため、頻繁に液体冷媒を補充しなければならず、液体冷媒の利用効率が低下する。

また、同軸配置型を適用することによって、縦方向が長くなると、安定性の面から装置（クライオスタット）の横方向も長くする必要がある。すると、装置が巨大化し、可搬性が失われてしまう。

ここで、同軸型配置を横置きにすることでキュービック型配置と同じ高さに３つのＳＱＵＩＤ磁気センサ１を納めることが可能である。しかし、同軸型配置を横置きにすることでクライオスタットの口径が大きくなる。すると、熱流入の増加や、装置が大型化してしまう。このため、同軸型配置を横置きにすることは望ましい方法ではない。

このような背景に鑑みて本発明がなされたのであり、本発明は、干渉を小さくしつつ、磁場測定素子の高さ方向を低くすることを課題とする。

前記した課題を解決するため、本発明は、超電導素材で構成された検出コイルと、前記検出コイルに接続し、ジョセフソン接合部を有する前記超電導素材で構成されたＳＱＵＩＤインダクタと、前記検出コイルに対してフィードバック磁場を発生するフィードバックコイルと、を有することを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサを少なくとも３つ備える磁場測定素子において、第１のＳＱＵＩＤ磁気センサと、前記第１のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルのコイル面を含む第１の平面に対して、垂直であり、かつ、前記第１のＳＱＵＩＤ磁気センサの中心を含む第２の平面または前記第２の平面の近傍に設置される第２のＳＱＵＩＤ磁気センサと、前記第１の平面及び前記第２の平面に対して垂直であり、かつ、前記第１のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心を含む第３の平面または前記第３の平面の近傍に検出コイルが設置される第３のＳＱＵＩＤ磁気センサと、を有し、前記第２のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心は、前記第１のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心を通り、かつ、前記第１の平面に対して垂直な直線上または当該直線の近傍に存在し、前記第３のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心は、前記第１のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心と、前記第２のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心とを結んだ線からずれた位置に存在することを特徴とする。
その他の解決手段は実施形態中において適宜記載する。

本発明によれば、干渉を小さくしつつ、高さ方向を低くすることができる。

第１実施形態に係る磁場測定素子Ｅにおけるコイルの配置例を示す図（その１）である。 第１実施形態に係る磁場測定素子Ｅにおけるコイルの配置例を示す図（その２）である。 第１実施形態に係る磁場測定素子Ｅにおけるコイルの配置例を示す図（その３）である。 第２実施形態に係る磁場測定素子ＥａにおけるＳＱＵＩＤ磁気センサ１の配置関係を示す図である。 本実施形態に係る磁場測定システムＺの構成例を示す機能ブロックである。 本実施形態で用いられるＳＱＵＩＤチップ１００の平面図を示す図である。 図６のＳＱＵＩＤチップ１００における符号１１０の部分の拡大図である。 図７におけるＡ−Ａ断面の模式図である。 本実施形態で用いられるヘッダ基板５００の例を示す図である。 図９に示すヘッダ基板５００にＳＱＵＩＤチップ１００がマウントされた状態を示す図である。 比較例として示すキュービック型配置のプローブ１２Ａの例をｙ軸方向から見た図である。 比較例として示すキュービック型配置のプローブ１２Ａの例をｚ軸方向から見た図である。 本実施形態で用いられるプローブ１２（磁場測定素子Ｅ）ｙ軸方向から見た図である。 本実施形態で用いられるプローブ１２（磁場測定素子Ｅ）ｘ軸方向から見た図である。 図１３及び図１４の磁場測定素子Ｅによる磁気信号強度を示す図である（ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバックコイル６→ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ）。 図１３及び図１４の磁場測定素子Ｅによる磁気信号強度を示す図である（ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバックコイル６→ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙ）。 図１３及び図１４の磁場測定素子Ｅによる磁気信号強度を示す図である（ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバックコイル６→ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚ）。 比較例での配置における各ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の干渉の強さを示す表である。 図１３及び図１４の配置における各ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の干渉の強さを示す表である。 第４実施形態で用いられるプローブ１２Ｂ（磁場測定素子Ｅ）ｙ軸方向から見た図である。 第４実施形態で用いられるプローブ１２Ｂ（磁場測定素子Ｅ）ｘ軸方向から見た図である。 図２０及び図２１の配置における各ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の干渉の強さを示す表である。 平行関係についての数値シミュレーションに用いたＳＱＵＩＤ磁気センサ１のモデルを示す図である。 図２３に示す条件によるシミュレーションで求められたＢｘ／ＢｚのＤｘ依存性を示すグラフ（Ｄｚ＝９ｍｍ）である。 図２３に示す条件によるシミュレーションで求められたＢｘ／ＢｚのＤｘ依存性を示すグラフ（Ｄｚ＝２２ｍｍ）である。 図２３に示す条件によるシミュレーションで求められたＢｘ／ＢｚのＤｘ依存性を示すグラフ（Ｄｚ＝３５ｍｍ）である。 対象関係についての数値シミュレーションに用いたＳＱＵＩＤ磁気センサ１のモデルを示す図である。 図２７に示す条件によるシミュレーションで求められたＢｚ／ＢｘのＤｘ依存性を示すグラフ（Ｄｚ＝９ｍｍ）である。 図２７に示す条件によるシミュレーションで求められたＢｚ／ＢｘのＤｘ依存性を示すグラフ（Ｄｚ＝２２ｍｍ）である。 図２７に示す条件によるシミュレーションで求められたＢｚ／ＢｘのＤｘ依存性を示すグラフ（Ｄｚ＝３５ｍｍ）である。 一般的なＳＱＵＩＤ磁気センサ１の模式図である。 ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の電圧−磁束特性（Ｖ−Φ特性）を示す図（オフセット前）である。 ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の電圧−磁束特性（Ｖ−Φ特性）を示す図（オフセット後）である。 ＤＯＩＴ（Direct Offset Integration Technique）型のＦＬＬ回路２１の基本構成を示す図である。 キュービック型配置の例を示す図である。 同軸型配置の例を示す図である。

次に、本発明を実施するための形態（「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
（磁場測定素子Ｅの構成）
図１〜図３は、第１実施形態に係る磁場測定素子Ｅにおけるコイルの配置例を示す図である。なお、図１〜図４において、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚは、検出コイル３を示しており、図をわかりやすくするため、その他の構成を省略している。また、各々のＳＱＵＩＤ磁気センサ１は図３１と同様の構成を有している。
第１のＳＱＵＩＤ磁気センサであるＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚ（１）がｚ軸に対して垂直な平面（第１の平面）上に配置される。つまり、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚは、地面に対して水平に配置される。そのＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの中心からＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの検出面に対して垂直に伸ばした中心軸Ｃｚの上に、第２のＳＱＵＩＤ磁気センサであるＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ（１）が配置される。

すなわち、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚのコイル面がなす第１の平面に対し、垂直な面であり、かつＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの中心を含む第２の平面上にＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘが存在する。ここで、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの中心を通り、第２の平面上に存在し、かつ、第１の平面に対して垂直となる直線を中心軸Ｃｚとする。そして、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘは、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘの中心が中心軸Ｃｚ上に存在するよう配置される。ただし、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘは第２の平面から若干ずれた位置に存在してもよい。同様に、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘの中心は中心軸Ｃｚから若干ずれた位置に存在してもよい。

そして、第１の平面及び第２の平面に対して垂直であり、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘの中心から垂直に伸ばした中心軸Ｃｘとを含む第３の平面内に第３のＳＱＵＩＤ磁気センサとしてＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙ（１）が配置される。

すなわち、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚのコイル面がなす面を第１の平面とし、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのコイル面がなす面を第２の平面とする。そして、第１の平面及び第２の平面に対し垂直な面を第３の平面とすると、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙのコイル面がなす面が第３の平面上に存在するよう、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙが配置される。
このとき、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの中心が、中心軸Ｃｚ上以外（中心軸Ｃｚからずれた位置）に配置されるよう、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙは配置される。

図１〜図３の例では、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙが、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの中心が中心軸Ｃｘ上に存在するよう配置される。ただし、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙは第３の平面から若干ずれた位置に存在してもよい。同様に、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの中心は中心軸Ｃｘから若干ずれた位置に存在してもよい。

さらに、図４で後記するように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの中心が、中心軸Ｃｘと、第１の平面との間に存在するようにしてもよい。

（磁束の鎖交状態）
図１に示す破線はＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙが発生するフィードバック磁場の磁力線Ｍｙを示している。
まず、図１に示すように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙは、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚ及びＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘに対して対称関係にある。

すなわち、図１に示すように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙで発生した磁場による磁束は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚ及びＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ内に入る。しかし、それらの磁束はＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚ及びＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘから出てくる。つまり、正味の磁束の鎖交が生じないことがわかる。

また、図２に示す破線はＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚが発生するフィードバック磁場の磁力線Ｍｚを示している。
そして、図２に示すように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚは、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ及びＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙに対して平行関係にある。
すなわち、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚで発生した磁束は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙ及びＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘと鎖交しない。

そして、図３に示す破線はＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘが発生するフィードバック磁場の磁力線Ｍｘを示している。
図３に示すように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚは対称関係である。そのため、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘで生じる磁場による磁束は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚに対して正味の磁束の鎖交を生じない。
また、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙとは平行関係である。そのため、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘで生じる磁場による磁束は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙと鎖交しない。

このように、図１〜図３で示すコイルの配置によれば、３つのＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚのそれぞれが互いに平行関係あるいは対称関係の関係にある。そのため、図１〜図３に示す配置は、互いにフィードバック磁場の干渉が起こらない配置になっている。
これにより、図１〜図３に示す磁場測定素子Ｅは、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚ間のフィードバック磁場の干渉を大幅に低減することができる。

第１実施形態に係る磁場測定素子Ｅによれば、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の干渉を小さくしつつ、磁場測定素子Ｅの高さを低くすることができる。これにより、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の干渉を小さくしつつ、液体冷媒の液面が蒸発により下がっても、有効なＳＱＵＩＤ磁気センサ１を増やすことができる。

また、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の干渉が小さいまま、磁場測定部（クライオスタット）１０（図５）を小型化することができる。これにより、可搬性を維持したまま、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の干渉が小さい磁場測定部（クライオスタット）１０（図５）を実現することができる。

また、第１実施形態では、図３１に示すようなＳＱＵＩＤ磁気センサ１が磁場測定素子Ｅに用いられている。このようにすることで、低温超電導素子を用いたＳＱＵＩＤ磁気センサ１で構成される磁場測定素子Ｅにおいて、干渉を小さくしつつ、磁場測定素子Ｅの高さを低くすることを実現することができる。

［第２実施形態］
図４は、第２実施形態に係る磁場測定素子ＥａにおけるＳＱＵＩＤ磁気センサ１の配置関係を示す図である。
図１〜図３に示す磁場測定素子Ｅでは、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙとがＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚに対して同じ高さになるよう配置されている。すなわち、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの中心が、中心軸Ｃｘ上に配置されている。このようにすることで、図１〜図３に示す磁場測定素子Ｅは、全体の高さが低くなるようにしている。要するに、図１〜図３に示す磁場測定素子Ｅは、磁場測定素子Ｅの底面（ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚのコイル面）からＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ，１ｙそれぞれの上端までの距離が等しくなるようＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚが配置されている。しかしながら、各ＳＱＵＩＤ磁気センサ１が図１〜図３に示すような平行関係もしくは対称関係にとなっていればよい。従って、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙとがＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚのコイル面に対して、必ずしも同じ高さに配置しなくても図１〜図３に示す磁場測定素子Ｅの効果を得ることができる。

例えば、図４に示す磁場測定素子Ｅａのような配置とすることで、３つのＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚそれぞれの中心間の距離が同じとなるようにしてもよい。
すなわち、図４に示す磁場測定素子Ｅａにおいて、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘの位置関係は図１〜図３に示すものと同様である。また、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙは、図１〜図３と同様、第３の平面（ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚのコイル面がなす面と、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのコイル面がなす面に対して垂直な面）上に配置されている。しかし、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの中心は、３つのＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚそれぞれとの中心間の距離が同じとなるよう、中心軸Ｃｘから外れるように配置されている。

このようにすることにより、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の距離を大きくすることができる。ＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の距離を大きくすることにより、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の干渉を小さくすることができる。なお、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の距離を大きくすることにより、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の干渉を小さくすることができることについては後記する。

［第３実施形態］
（磁場測定システムＺ）
図５は、本実施形態に係る磁場測定システムＺの構成例を示す機能ブロックである。
磁場測定システムＺは、クライオスタットである磁場測定部（磁場測定装置）１０、制御回路部２０、データ処理部３０を有している。なお、図５において、磁場測定部１０は概略断面図が示されている。
磁場測定部１０は、磁束を測定するための複数のＳＱＵＩＤ磁気センサ１からなる磁場測定素子Ｅを含んでいる。
また、制御回路部２０は、磁場測定部１０を制御するものであり、ＦＬＬ回路２１及びＦＬＬ制御回路２２を有している。ＦＬＬ回路２１及びＦＬＬ制御回路２２については後記する。
さらに、データ処理部３０は、磁場測定部１０で検出された磁気信号を記録し、演算解析処理するものである。データ処理部３０は、ＡＤ（Analog/Digital）変換器３１及びＰＣ（Personal Computer）３２を有している。なお、図５には示していないが必要に応じてＡＤ変換器３１の前段に、図示しないフィルタ回路やアンプ回路が挿入される場合がある。

磁場測定部１０は、図１〜図４に示すように、それぞれ異なる３方向の検出軸を有する３個のＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚを有する磁場測定素子Ｅを有している。さらに、磁場測定部１０は、磁場測定素子Ｅを保持するプローブ１２を有している。また、磁場測定部１０は、それぞれのＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚを冷却する液体冷媒１３を保持する容器１５ａ及び蓋１５ｂを有している。容器１５ａは、その最も内側に断熱真空容器である液体冷媒保持部１４ａを有している。そして、液体冷媒保持部１４ａの外側に外ケース１８が備えられている。また、外ケース１８と液体冷媒保持部１４ａの間には、高周波成分の信号をカットする電磁シールド布１９が設置されている。蓋１５ｂでは外ケース１８の内側に、電子シールド布１９が設置され、さらにその内側に例えばポリエチレンフォーム等の断熱材１４ｂが設置されている。このようにすることで、磁場測定部（クライオスタット）１０の内部全体が高周波ノイズからシールドされている。

具体的には、磁場測定素子Ｅに含まれるＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚはプローブ１２の先端のプローブヘッド１１に固定されることによって保持されている。
また、液体冷媒１３として液体窒素が用いられる。液体冷媒１３が保持されている液体冷媒保持部１４ａ内にプローブ１２が挿入される。このようにすることで、プローブ１２の先端部のプローブヘッド１１に装着された磁場測定素子Ｅ（ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚ）が冷却される。プローブ１２は、蓋１５ｂのコネクタ１６に接続されている所定の長さ（例えば、約１ｍ）のケーブル４１を介してＦＬＬ回路２１に接続されている。

ＦＬＬ回路２１は、図３４で説明済みであるので、ここでの説明を省略する。ＦＬＬ制御回路２２は、ＦＬＬを制御する回路である。さらに、ＦＬＬ制御回路２２は、ＦＬＬ回路２１の積分器２１３（図３４参照）の出力をＡＤ変換器３１へ出力する。
なお、ＦＬＬ回路２１は所定の長さ（例えば、約３０ｍ）のケーブル４２でＦＬＬ制御回路２２と接続している。

ＦＬＬ制御回路２２は、例えば、３成分の磁気信号をアナログ信号として出力している。このアナログ信号は、ケーブル４０を介してＡＤ変換器３１に入力される。アナログ信号はＡＤ変換器３１でデジタル信号に変換されＰＣ３２に入力される。ＰＣ３２は、図示しないハードディスクにデータを格納する。ＰＣ３２はＦＬＬ回路２１へパラメータの調整情報を送信する。

次に、本実施形態に係る磁場測定素子Ｅを金属資源探査用の３成分磁力計へ適用した例を示す。
この３成分磁力計はＴＥＭ（Transient Electro-Magnetic）法による地中の比抵抗分布の測定に用いられる。ＴＥＭ法では地表に一辺が数百ｍのループコイルが敷設され、このループコイルに数十Ａの大電流が流される。このようにすることで、地面に磁場（一次磁場）が印加される。そして、その状態から電流が遮断される。ループコイルに印加された電流が遮断されることで、地表に誘導電流が生じ、時間と共に誘導電流が地中に拡散していく。地面に生じた誘導電流から生じる磁場（二次磁場）による磁束を磁場測定素子Ｅで測定し、その減衰特性から地中の比抵抗構造が推定される。そして、得られた比抵抗構造から地下の金属鉱床の有無や分布が推定される。これまでのＴＥＭ法では二次磁場による磁束の垂直方向（ｚ方向）成分のみを測定する方法が主流であった。しかし、近年、横成分のｘ方向、ｙ方向の磁束も測定し、地下構造の推定精度を向上させることが試みられている。ＴＥＭ法では地面に対して垂直方向の磁場の強さ（磁束）が強く、横方向の磁場の強さは垂直方向に対して相対的に数桁小さい。そのためｚ方向成分（地面に対して垂直方向）の磁場が横方向の磁場に干渉すると大きな問題となる。この問題の解決については後記する。

（ＳＱＵＩＤチップ１００）
図６は、本実施形態で用いられるＳＱＵＩＤチップ１００の平面図を示す図である。また、図７は、図６のＳＱＵＩＤチップ１００における符号１１０の部分の拡大図である。そして、図８は、図７のＡ−Ａ断面の模式図である。なお、図６〜図８において、前記した図３１と同様の構成には、図３１と同一の符号を付している。
図６、図７に示すように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１は、まず、基板１０１に４つの直列に接続されたＳＱＵＩＤインダクタ８ａ〜８ｄ（８）と、検出コイル３とが形成されている。なお、ＳＱＵＩＤインダクタ８ａ〜８ｄ（８）及び検出コイル３は、第２超電導層１２２に属する。
ＳＱＵＩＤチップ１００は、厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ単結晶基板（基板１０１）を有している。そして、基板１０１の上にＳＱＵＩＤ磁気センサ１が形成される。このＳＱＵＩＤ磁気センサ１は、主に２種類の超電導層から形成される。２種類の超電導層とは、第１超電導層１２１及び第２超電導層１２２である。
第１超電導層１２１には、例えば、膜厚２５０ｎｍのＳｍＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（ＳｍＢＣＯ）超電導薄膜が使用される。そして、第２超電導層１２２には、膜厚２５０ｎｍのＬａ_０．１−Ｅｒ_０．９５Ｂａ_１．９５Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（Ｌ１ＥｒＢＣＯ）超電導薄膜が使用される。

なお、図７において、第１超電導層１２１は斜線で示されている。
ここで、図７及び図８を参照して、ＳＱＵＩＤチップ１００の作製方法を示す。
まず、基板１０１の全面に第１超電導層１２１が成膜される。そして、成膜された第１超電導層１２１の上に膜厚３００ｎｍ程度の絶縁体であるＳｒＳｎＯ_３薄膜が層間絶縁膜１３１として全面に成膜される。第１超電導層１２１及び層間絶縁膜１３１の２層膜は図７の斜線部の形状に微細加工される。ここで、図８に示すように、加工された２層膜のエッジ部１３２は傾斜が緩やかになっている。そして、図８に示すように、エッジ部１３２では、層間絶縁膜１３１の下に第１超電導層１２１であるＳｍＢＣＯの端面が表面に現れている。その上に第２超電導層１２２が成膜される。さらに基板１０１の全面に、すなわち、第１超電導層１２１及び第２超電導層１２２の上に表面保護を兼ねたＡｕ薄膜１３３が形成される。その後、微細加工により第２超電導層１２２及びＡｕ薄膜１３３が、ＳＱＵＩＤインダクタ８ａ〜８ｄ（８ｄ）、検出コイル３、端子４及び配線１０２の形状に加工される。

図８に示すように、ＳＱＵＩＤインダクタ８ａ〜８ｄの端部は第１超電導層１２１及び層間絶縁膜１３１のエッジ部１３２に乗り上げている。そして、図８に示すように、エッジ部１３２において、ＳＱＵＩＤインダクタ８側の第１超電導層１２１と第２超電導層１２２が接続されてジョセフソン接合部２が形成される。これにより、図７の破線で囲まれた部分で示される閉ループ構造を有するＳＱＵＩＤインダクタ８が形成される。すなわち、ＳＱＵＩＤインダクタ８を流れる電流は、第２超電導層１２２と、第１超電導層１２１とを流れる。なお、図８に示すエッジ部１３２の斜面（ランプ）に形成されるジョセフソン接合はランプエッジ型のジョセフソン接合と呼ばれている。また、図７及び図８に示すように、ＳＱＵＩＤインダクタ８ａ〜８ｄは、所定の箇所で検出コイル３（第２超電導層１２２）と接続している。

ＳＱＵＩＤインダクタ８ａ〜８ｄ（８）と、検出コイル３とは、図３１で前記したように閉ループ構造になっている。そして、外部磁場の変化により誘導された超電導電流が、４つの直列に接続されたＳＱＵＩＤインダクタ８ａ〜８ｄを流れる。この４つのＳＱＵＩＤインダクタ８ａ〜８ｄのそれぞれが磁束を測定可能であるが、４つのＳＱＵＩＤインダクタ８ａ〜８ｄすべてが使用されるわけではない。ＳＱＵＩＤインダクタ８ａ〜８ｄの中で、測定に最も適した特性のＳＱＵＩＤインダクタ８が使用される。

前記したように、第２超電導層１２２は、その全面に表面保護を兼ねたＡｕ薄膜１３３が堆積された２層膜になっており、Ａｕ薄膜１３３を介して第２超電導層１２２にワイヤボンディングで配線を接続することが可能である。例えば、第２超電導層１２２の検出コイル３は端子５を兼ねており、図１０に示すように、Ａｕ薄膜１３３を介してボンディングワイヤ５２２を接続することが可能である。

高温超電導によるＳＱＵＩＤ磁気センサ１による磁束の測定では、前記したように端子５と使用するＳＱＵＩＤインダクタ８に接続された端子４の間にバイアス電流を流す。そして、これらの間の電圧が測定される。

（ヘッダ基板５００）
図９は、本実施形態で用いられるヘッダ基板５００の例を示す図である。
図６に示されるＳＱＵＩＤチップ１００は図９に示すヘッダ基板５００にマウントされる。ヘッダ基板５００は、ガラスエポキシ樹脂の基板５１０の両面に銅の配線パターン（不図示）が配されている。また、基板５１０の表面には２ターンのフィードバックコイル６が形成されている。さらに、基板５１０の表面には、ＳＱＵＩＤチップ１００と接続するためのワイヤボンディング用電極パッド５０１が形成されている。さらに、基板５１０の裏面には図１１〜図１４に示すコネクタ３０４を介して変換基板３０５との接続に用いられるコネクタ５０２が形成されている。コネクタ５０２には各ワイヤボンディング用電極パッド５０１とフィードバックコイル６が接続されている。なお、コネクタ５０２、各ワイヤボンディング用電極パッド５０１及びフィードバックコイル６の接続部分は、図９では図示省略している。

図１０は、図９に示すヘッダ基板５００にＳＱＵＩＤチップ１００がマウントされた状態を示す図である。なお、これ以降の図では、層間絶縁膜１３１や、Ａｕ薄膜１３３の図示を省略する。
図１０では、ＳＱＵＩＤチップ１００がヘッダ基板５００にマウントされている。そして、ＳＱＵＩＤチップ１００の端子４と、ワイヤボンディング用電極パッド５０１とがボンディングワイヤ５２１によって接続されている。さらに、検出コイル３と、ヘッダ基板５００上のワイヤボンディング用電極パッド５０１とがボンディングワイヤ５２２によって接続されている。
ＳＱＵＩＤチップ１００は、例えば、厚さ０．５ｍｍの基板上に形成されているため、ヘッダ基板５００上のフィードバックコイル６とＳＱＵＩＤチップ１００の検出コイル３は０．５ｍｍ離れている。

なお、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastic）樹脂製のキャップ３５１がヘッダ基板５００にかぶせられることにより密閉した状態で使用されることが望ましい。このようにすることで、ボンディングワイヤ５２１やＳＱＵＩＤチップ１００の保護と結露等による劣化を防止することができる。

（比較例のプローブ１２Ａ）
図１１及び図１２は、比較例として示すキュービック型配置のプローブ１２Ａの例を示す図である。図１１は、プローブ１２Ａをｙ軸方向から見た図を示し、図１２は、プローブ１２Ａをｚ軸方向から見た図である。
プローブ１２Ａのプローブヘッド１１Ａでは、ＦＲＰ製の立方体の支持体３０１の３面にレセプタクル基板３０２ｘ〜３０２ｚ（３０２）が設置されている。各レセプタクル基板３０２にはコネクタ３０３が取り付けられている。各レセプタクル基板３０２のコネクタ３０３と蓋１５ｂのコネクタ１６は、例えば、リン青銅製等の配線３１１で接続されている。この配線３１１はＦＬＬ回路２１（図５参照）に接続される。

また、各レセプタクル基板３０２にはコネクタ３０３を介して変換基板３０５ｘ〜３０５ｚ（３０５）が装着されている。前記したように、この変換基板３０５ｘ〜３０５ｚの裏面には、コネクタ３０３が設置されている。また、変換基板３０５ｘ〜３０５ｚの表面にはコネクタ３０４が設置されている。
また、配線３１１は、レセプタクル基板３０２に接続している。これにより、配線３１１は、レセプタクル基板３０２を介して、コネクタ３０３、変換基板３０５、コネクタ３０４、ヘッダ基板５００におけるＳＱＵＩＤ磁気センサ１と接続している。ここで、図示しないが、図１１及び図１２において、ヘッダ基板５００ｘにはＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘが搭載されている。同様に、ヘッダ基板５００ｙにはＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙが搭載され、ヘッダ基板５００ｚにはＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚが搭載されている。なお、図１１及び図１２では、図面をみやすくするため、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘに接続している配線３１１のみを示している。ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙ、１ｚにも同様に配線３１１が接続されている。

なお、図６及び図７で示すように、ＳＱＵＩＤチップ１００には、複数のＳＱＵＩＤインダクタ８が設けられている。これらのＳＱＵＩＤインダクタ８のうち、どれか１つが配線３１１に接続されている。

それぞれの変換基板３０５ｘ〜３０５ｚのコネクタ３０４に、ＳＱＵＩＤチップ１００がマウントされたヘッダ基板５００（５００ｘ〜５００ｚ）が装着されている。このようにすることで、ヘッダ基板５００ｘ〜５００ｚに搭載されている３つのＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚがキュービック型に配置される。それぞれのＳＱＵＩＤ磁気センサ１はキュービック型に配置されているため、３つのＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚの中心軸Ｃｘ〜Ｃｚは支持体３０１の中心で交差する。なお、各中心軸Ｃｘ〜Ｃｚの交点から各ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の検出コイル３の中心までの距離は約３５ｍｍである。

（本実施形態のプローブ１２）
図１３及び図１４は、本実施形態で用いられるプローブ１２（磁場測定素子Ｅ）を示す図である。図１３はｙ軸方向からプローブ１２を見た図である。また、図１４はｘ軸方向からプローブ１２を見た図である。なお、図１３及び図１４において、図１１及び図１２と同様の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
プローブ１２のプローブヘッド１１には、中空のＦＲＰ製の支持体３１０の内側の２面にレセプタクル基板３０２ｘ，３０２ｙが設置されている。そして、支持体３１０の底面にレセプタクル基板３０２ｚが設置されている。各レセプタクル基板３０２ｘ〜３０２ｚには、コネクタ３０４ｘ〜３０４ｚ、変換基板３０５ｘ〜３０５ｚを介して３つのヘッダ基板５００ｘ〜５００ｚが装着されている。

なお、図１３及び図１４では、図面をみやすくするため、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘに接続している配線３１１のみを示している。ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙ、１ｚにも同様に配線３１１が接続されている。

また、図６及び図７で示すように、ＳＱＵＩＤチップ１００には、複数のＳＱＵＩＤインダクタ８が設けられている。これらのＳＱＵＩＤインダクタ８のうち、どれか１つが配線３１１に接続されている。

ここで、設計上、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘの中心軸Ｃｘと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの中心軸Ｃｚは、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘの検出コイル３とフィードバックコイル６の間で交差している。つまり、中心軸Ｃｘと、中心軸Ｃｚとはヘッダ基板５００ｘにおける基板５１０と、ＳＱＵＩＤチップ１００（図１０参照）との間で交差している。
なお、図１４に示すようにＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘの検出コイル３の中心と、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの検出コイル３の中心との距離は約３５ｍｍである。

また、図１４に示すように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの中心軸Ｃｙと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの中心軸Ｃｚは、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの検出コイル３とフィードバックコイル６の間で交差している。つまり、中心軸Ｃｙと、中心軸Ｃｚとはヘッダ基板５００ｙにおける、基板５１０と、ＳＱＵＩＤチップ１００（図１０参照）との間で交差している。図１３に示すように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘの検出コイル３の中心と、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの検出コイル３の中心との距離は約２２ｍｍである。

このように、実際に磁場測定素子Ｅが作製される場合、実装の技術的な限界によりＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘが、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚのコイル面に垂直な平面上に正確に配置されるようにすることは困難である。ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙ，１ｚについても同様である。
また、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘの中心が中心軸Ｃｚ上に正確に配置されるようにすることも困難である。ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙについても同様である。また、図６に示すように検出コイル３とフィードバックコイル６とが別の基板に形成されている場合、検出コイル３とフィードバックコイル６とが基板の厚さ分ずれることになる。
このように、実際の磁場測定素子Ｅでは、それぞれのＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚの配置関係が、理想的な平行関係や対象関係から若干ずれる。そのため、実際にはフィードバック磁場の干渉が起こる。しかしながら、それぞれのＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚの配置関係が、平行関係や対象関係の位置に近ければ、そうでない場合よりも干渉の程度が小さい。以下に、そのことを説明する。

（測定結果）
ここで、図１３及び図１４に示すプローブ１２のＳＱＵＩＤ磁気センサ１のフィードバックコイル６に正弦波電流を流し、各ＳＱＵＩＤ磁気センサ１への干渉をスペクトラムアナライザ（不図示）を用いて測定した結果を図１５〜図１７に示す。
フィードバックコイル６と、他のＳＱＵＩＤ磁気センサ１との干渉は以下のようにして評価した。図１５〜図１７で用いられるＳＱＵＩＤ磁気センサ１は、図１３及び図１４に示すＳＱＵＩＤ磁気センサ１の配置である。
ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバックコイル６と、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚとの干渉を評価した結果を図１５〜図１７に示す。ここでは、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバックコイル６に、周波数が約８００Ｈｚ、振幅が約５０μＡの正弦波電流が流された。そして、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘがフィードバック制御された。その上で、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバックコイル６から発生する磁場による磁束をＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ自身で測定した結果が図１５に示される。図１５では、出力信号の周波数スペクトルを測定し、フィードバックコイル６に流した電流の周波数に現れるピーク強度を基準の磁気信号強度とした。この結果、図１５に示すように、８０５Ｈｚに明瞭なピークが現れており、その磁束は磁場に換算すると２．３５ｘ１０^−９Ｔ／Ｈｚ^１／２であった。

次に同じ条件でＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバックコイル６に電流を流した状態から、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバック制御がオフにされた。これは、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘがフィードバック制御されているとフィードバックコイル６に流した電流を打ち消すようにフィードバック電流が流れるためである。
そして、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバック制御がオフになった状態で、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙ及びＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚでＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバックコイル６からの磁気信号が測定された。磁気信号強度は、図１５と同様、周波数スペクトルのピーク強度とした。
図１６にＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙで測定した周波数スペクトルを、図１７にＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚで測定した周波数スペクトルを示す。それぞれ磁気信号強度が４．７４ｘ１０^−１２Ｔ／Ｈｚ^１／２（図１６参照）及び６．８３ｘ１０^−１３Ｔ／Ｈｚ^１／２（図１７参照）の明瞭なピークが得られた。

次に、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙ，１ｚで検出された磁気信号強度と、電流を流したフィードバックコイル６を有するＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘで検出された磁気信号強度との比（磁気信号強度比）を干渉の強さとして定義した。例えば、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバックコイル６によるＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの干渉の強さ（比）は、図１５及び図１６から４．７４ｘ１０^−１２（Ｔ／Ｈｚ^１／２）／２．３５ｘ１０^−９≒２．０１ｘ１０^−３≒１／４９６となる。

同様の測定を、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙのフィードバックコイル６に正弦波電流を流した場合、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚのフィードバックコイル６に正弦波電流を流した場合についても行った。

つまり、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙのフィードバックコイル６に、周波数が約８００Ｈｚ、振幅が約５０μＡの正弦波電流を流した。そして、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙがフィードバック制御された。その上で、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙのフィードバックコイル６ｄで発生する磁場による磁束がＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙ自身で測定された。
次に同じ条件でＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙのフィードバックコイル６に電流を流した状態で、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙのフィードバック制御がオフにされた。その状態で、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚ及びＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘでＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙのフィードバックコイル６による磁束が測定された。
そして、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙ自身で測定された磁束と、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚ，１ｘで測定された磁束から算出される磁気信号強度の比を干渉の強さとした。
同様の条件で、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚ自身で測定された磁束から算出される磁気信号強度と、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ，１ｙで測定された磁束から算出される磁気信号強度の比（磁気信号強度比）を干渉の強さとした。

図１８は比較例での配置における各ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の干渉の強さを示す表である。図１９は本実施形態で用いられる配置における各ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の干渉の強さを示す表である。
ここで、図１８における比較例とは、図１１及び図１２に示すＳＱＵＩＤ磁気センサ１の配置のことである。そして、図１９における本実施形態で用いられる配置とは、図１３及び図１４に示す配置のことである。

図１８及び図１９に示す各表の行は検出したＳＱＵＩＤ磁気センサ１を示している。そして、列は電流を流したフィードバックコイル６を示している。
例えば、図１８における列６０１及び図１９における列６１１は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバックコイル６に電流を流し、各ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚで磁束を測定した結果（磁気信号強度比）を示している。
同様に、図１８における列６０２及び図１９における列６１２は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙのフィードバックコイル６に電流を流し、各ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚで磁束を測定した結果（磁気信号強度比）を示している。
そして、図１８における列６０３及び図１９における列６１３は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚのフィードバックコイル６に電流を流し、各ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ〜１ｚで磁束を測定した結果（磁気信号強度比）を示している。

検出したＳＱＵＩＤ磁気センサ１と電流を流したフィードバックコイル６の組み合わせは９通りである。ただし、前記した干渉の強さの定義より、電流を流したＳＱＵＩＤ磁気センサ１自身での干渉の強さは１となる。このため、比較は、電流を流したＳＱＵＩＤ磁気センサ１自身での干渉の強さを除いた６通りの組み合わせで行うことが適切である。

キュービック型配置のプローブヘッド１１Ａの場合、図１８に示すように、６通りの組み合わせの内、４つで１／１０００より大きな干渉が起きている。一方、本実施形態で示される配置を適用したプローブヘッド１１の場合、図１９に示すように、１／１０００以上の干渉が起きているのでは６通りの組み合わせの内１つだけ（ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバックコイル６によるＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙへの干渉）であった。特に、符号６１３に示す列で改善効果が著しい。

図１１及び図１２に示されるように、キュービック型配置のプローブヘッド１１ＡではＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙとの間隔は３５ｍｍである。これに対し、本実施形態の配置を適用したプローブヘッド１１の場合、図１３に示すように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの間隔が２２ｍｍと小さくなっている。このようにＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の距離が接近すると干渉が大きくなり、好ましくないものと考えられる。なお、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚとの距離は、比較例及び本実施形態のプローブ１２Ａ，１２ともに３５ｍｍである。
このように、本実施形態の配置による磁場測定素子Ｅ（Ｅａ）によれば、３方向の中で最も強いｚ方向の磁場によるフィードバックに対し、干渉の改善を実現することができる。

［第４実施形態］
図２０及び図２１は、第４実施形態で用いられるプローブ１２Ｂ（磁場測定素子Ｅ）の構造を示す図である。図２０はｙ軸方向からプローブ１２Ｂを見た図である。また、図２１はｘ軸方向からプローブ１２Ｂを見た図である。図２０及び図２１において、図１１〜図１４と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
プローブ１２Ｂは、図１９の表に示されるＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙとの間の干渉を改善するために、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘとＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの間隔がプローブ１２Ａ（比較例）の場合と同じ約３５ｍｍに広げられたものである。
さらに、プローブ１２Ｂのプローブヘッド１１Ｂを構成する支持体３１０ａでは、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚとＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ，１ｙとの間隔が約４５ｍｍに広げられている。
前記したように、ＴＥＭ測定ではｚ方向の磁場の強さがｘ方向及びｙ方向の磁場の強さと比べて数倍から数十倍大きい。そのため、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚのフィードバックコイル６に、特に大きな電流が流れると考えられる。このことを考慮して、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ，１ｙとの間隔を大きくすることで、干渉の改善が期待される。

そして、図２０及び図２１に示すプローブ１２Ｂを用いて、図１５〜図１９で示した手法と同じ手法で干渉の強さが測定された。
その測定結果を図２２に示す。
図２２に示す表が示す内容は、図１８、図１９と同様である。
プローブ１２Ｂでは、図２０に示すＳＱＵＩＤ磁気センサ１の配置で、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙとの間がキュービック型のプローブ１２Ａと同じ距離に離されている。これにより、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙとの干渉が大幅に改善できることを確認できた。また、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ，１ｙとの間の干渉も改善され、ほとんどの組み合わせで干渉の程度が１／２０００以下になっていることが確認できた。

なお、図４では、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の距離が等距離となるように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１が配置されている。このようにすることにより、磁場測定素子Ｅａ自身の大きさを大幅に変えることなく、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の距離を大きくすることができる。

［シミュレーション］
（平行関係）
次に、本実施形態におけるＳＱＵＩＤ磁気センサ１の配置の効果を数値シミュレーションによって示す。
図２３は、平行関係についての数値シミュレーションに用いたＳＱＵＩＤ磁気センサ１のモデルを示す図である。
このモデルは、２つのＳＱＵＩＤ磁気センサ１の位置関係が平行関係の場合に対応している。まず、シミュレーションを行うコンピュータ（不図示）はＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚのフィードバックコイル６に相当するフィードバックコイルモデル４２１を設定した。このフィードバックコイルモデル４２１は、外径の一辺が１４ｍｍの正方形のコイルとした。また、このフィードバックコイルモデル４２１の厚さは０．２ｍｍ、内径の一辺は１３ｍｍである。

コンピュータは、このフィードバックコイルモデル４２１に直流電流を流した際に発生する磁束の分布を計算した。また、フィードバックコイルモデル４２１の直上、フィードバックコイルモデル４２１から０．５ｍｍ離れた位置に一辺が１３ｍｍの正方形のｚ方向の検出面モデル４１１が設定された。検出面モデル４１１は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの検出コイル３がなす面を表わしている。
そして、コンピュータは、フィードバックコイルモデル４２１に電流を流した際に検出面モデル４１１に鎖交した磁束からｚ方向の磁場の強さＢｚを求めた。

また、フィードバックコイルモデル４２１の中心からｚ方向に距離Ｄｚだけ離れ、中心軸Ｃｘが中心となるよう検出面モデル４１２が設定される。検出面モデル４１２は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘの検出コイル３のコイル面を示している。ただし、図１３や、図２０に示す関係とは左右逆となっている。検出面モデル４１２は、一辺が１３ｍｍの正方形を有している。
そして、Ｄｚの値について、９ｍｍ、２２ｍｍ、３５ｍｍの３通りでシミュレーションが行われた。また、検出面モデル４１２の中心軸Ｃｘと、フィードバックコイルモデル４２１の中心軸Ｃｚとの交点を交点４３１とする。そして、コンピュータは、交点４３１と、検出面モデル４１２の中心との距離をＤｘとし、Ｄｘを０から４０ｍｍまで変化させ、検出面モデル４１２を平行移動させた。そして、コンピュータは、各Ｄｘにおいて検出面モデル４１２に鎖交するフィードバックコイルモデル４２１由来の磁束を算出した。そして、コンピュータは、この磁束を基に検出面モデル４１２を鎖交する磁場の強さＢｘを算出した。この磁場の強さＢｘがＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚのフィードバックコイル６によるＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘの検出コイル３への干渉となる。最終的に、図１８及び図１９で説明した規格化Ｂｘ／Ｂｚによって干渉のＤｘ依存性が算出された。

図２４〜図２６は、図２３に示す条件によるシミュレーションで求められたＢｘ／ＢｚのＤｘ依存性を示すグラフである。
図２４はＤｚ＝９ｍｍの場合を示し、図２５はＤｚ＝２２ｍｍの場合を示し、図２６はＤｚ＝３５ｍｍの場合を示す。また、図２４〜図２６のグラフに表示した縦の一点鎖線７１１は、Ｄｚと等しいＤｘを示している。すなわち、一点鎖線７１１とグラフの交点はキュービック型のＳＱＵＩＤ磁気センサ１の配置での干渉に対応する。

図２４〜図２６のいずれにおいても、検出面モデル４１２がフィードバックコイルモデル４２１の中心軸Ｃｚ上に位置するＤｘ＝０の場合、Ｂｘ／Ｂｚの値が０となっている。しかし、図２４〜図２６のいずれも、Ｄｘ＝０からずれるにつれてＢｘ／Ｂｚが急増し、所定のＤｘで最大値となった後ゆっくりと減少する傾向が得られた。

ここで、図２４の破線７０１及び図２５の破線７０２は、Ｂｘ／Ｂｚ＝１／２００を示している。そして、図２５の実線７０３及び図２６の実線７０４はＢｘ／Ｂｚ＝１／１０００を示している。

Ｄｚ＝９ｍｍ（図２４）のように、Ｄｚが小さい、すなわちＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚ、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘ間の距離が短い場合にはＢｘ／Ｂｚの値が全体的に大きい。Ｂｘ／Ｂｚ≦１／２００（破線７０１）となるのはＤｘが０近傍のわずかな範囲である。ちなみに、図２４において、Ｄｘ≧２７ｍｍでも、Ｂｘ／Ｂｚ≦１／２００（破線７０１）となっている。しかし、このＤｘはキュービック型のＳＱＵＩＤ磁気センサ１の配置（一点鎖線７１１）より大きいため、コンパクト性が損なわれる。

Ｄｚ＝２２ｍｍ（図２５）、Ｄｚ＝３５ｍｍ（図２６）とＤｚが増加するにつれて、Ｂｘ／Ｂｚの全体的な値が小さくなっていく。その結果、Ｄｚ＝２２ｍｍの場合（図２５）、Ｂｘ／Ｂｚ≦１／２００（破線７０２）の範囲はＤｘ≦３ｍｍとなっている。これは、図２４におけるＢｘ／Ｂｚ≦１／２００（破線７０１）となるＤｘの範囲より、Ｂｘ／Ｂｚ≦１／２００となる範囲が広がっている。

ここで、Ｄｚ＝２２ｍｍの場合（図２５）、Ｂｘ／Ｂｚ≦１／１０００（実線７０３）となるＤｘの範囲はＤｘ≦１ｍｍと、Ｄｘ＞４０ｍｍである。なお、Ｄｘ＞４０ｍｍは、キュービック型のＳＱＵＩＤ磁気センサ１の配置（一点鎖線７１１）より大きく、コンパクト性を損なうため、考察から除外する。
そして、Ｄｚ＝３５ｍｍの場合（図２６）、Ｂｘ／Ｂｚ≦１／１０００（実線５０４）の範囲がＤｘ≦３ｍｍである。この範囲は、図２５に示すＢｘ／Ｂｚ≦１／１０００（実線７０３）となる範囲Ｄｘ＜１ｍｍより広がっている。

ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚと、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのように、完全に互いに直交する配置とすることは難しい場合がある。つまり、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘを中心軸Ｃｚ上に完全に配置するのは技術的、コスト的に難しい場合がある。そのような場合、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の距離を広げることで干渉が小さくなる範囲を広げることができる。これは、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の距離を広げることで、あるＳＱＵＩＤ磁気センサ１から他のＳＱＵＩＤ磁気センサ１まで届く磁場が弱まるためである。これにより、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の位置合わせのマージンを大きくとることができる。つまり、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１の設置の自由度が高まる。例えば、１／１０００以下の干渉が必要な場合、Ｄｘ＝０．５ｍｍ以下の位置合わせが可能なら、図２５に示すようにＤｚ＝２２ｍｍ程度とすればよい。また、Ｄｘ＝２〜３ｍｍの位置合わせ精度しかできない場合でも、図２６に示すようにＤｚ＝３５ｍｍ程度とすることで１／１０００以下の干渉を実現することができる。

図２４〜図２６に示すように、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の距離を広げることで、互いの干渉を小さくすることができる。

前記したように、図２４〜図２６のグラフに表示した縦の一点鎖線７１１は、Ｄｚと等しいＤｘを示している。すなわち、前記したように、一点鎖線７１１とグラフの交点はキュービック型のＳＱＵＩＤ磁気センサ１の配置での干渉に対応する。図２４〜図２６から、平行関係にあるＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の干渉は、キュービック型で同じ距離に配されたＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の干渉よりも小さいことがわかる。

（対称関係）
次に、検出コイル３とフィードバックコイル６の位置関係が対称関係の場合について数値シミュレーションを行った結果を示す。
図２７は、対称関係についての数値シミュレーションに用いたＳＱＵＩＤ磁気センサ１のモデルを示す図である。
図２７に示すように、外径の一辺が１４ｍｍの正方形のコイルをＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバックコイル６に該当するフィードバックコイルモデル４２２が設定される。このフィードバックコイルモデル４２２の厚さは０．２ｍｍ、内径の一辺は１３ｍｍに設定される。コンピュータは、このフィードバックコイルモデル４２２に直流電流を流した際に発生する磁束の分布を計算した。このフィードバックコイルモデル４２２のｘ方向へ０．５ｍｍ横に一辺が１３ｍｍの正方形の検出面モデル４１２が設定される。検出面モデル４１２は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘの検出コイル３がなす面に該当する。
そして、コンピュータは、フィードバックコイルモデル４２２に電流を流したときに検出面モデル４１２に鎖交した磁束からｘ方向の磁場の強さＢｘを求める。

また、フィードバックコイルモデル４２２の中心軸Ｃｘからｚ方向に距離Ｄｚだけ離れた位置に一辺が１３ｍｍの正方形のｚ方向の検出面モデル４１１が設定される。検出面モデル４１１は、ＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの検出コイル３がなす面を表わしている。
そして、コンピュータは、Ｄｚの値について、９ｍｍ、２２ｍｍ、３５ｍｍの３通りでシミュレーションを行った。また、検出面モデル４１１の中心軸Ｃｚと、フィードバックコイルモデル４２２との距離をＤｘとし、コンピュータはＤｘを０から４０ｍｍまで検出面モデル４１２を平行移動させた。そして、コンピュータは、それぞれのＤｘにおいて、Ｄｚを変化させたときにおける検出面モデル４１１に鎖交した磁束を算出した。そして、コンピュータは、この磁束を基に検出面モデル４１１を鎖交する磁場の強さＢｚを算出した。この磁場の強さＢｚがＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｘのフィードバックコイル６によるＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚの検出コイル３への干渉となる。最終的に、図１８及び図１９で説明した規格化Ｂｚ／Ｂｘによって干渉のＤｚ依存性が算出される。

図２８〜図３０は、図２７に示す条件によるシミュレーションで求められたＢｚ／ＢｘのＤｘ依存性を示すグラフである。
また、図２８〜図３０のグラフに表示した縦の一点鎖線７３１は、Ｄｚと等しいＤｘを示している。すなわち、一点鎖線７３１とグラフの交点はキュービック型のＳＱＵＩＤ磁気センサ１の配置での干渉に対応する。

図２８はＤｚ＝９ｍｍの場合を示し、図２９はＤｚ＝２２ｍｍの場合を示し、図３０はＤｚ＝３５ｍｍの場合を示す。
さらに、図２８の破線７２１は、Ｂｚ／Ｂｘ＝１／２００を示している。そして、図２８の実線７２２及び図２９の実線７２３はＢｚ／Ｂｘ＝１／１０００を示している。

図２８〜図３０のいずれにおいても、フィードバックコイルモデル４２２が検出面モデル４１１の中心軸Ｃｚ上に位置するＤｘ＝０の場合、Ｂｚ／Ｂｘの値は０となっている。しかし、Ｄｘ＝０からずれるにつれてＢｚ／Ｂｘが急増し、所定のＤｘで最大値となった後ゆっくりと減少する傾向が得られた。これは図２４〜図２６に示した平行関係の場合と同様であるが、Ｂｚ／Ｂｘの値は図２４〜図２６のＢｘ／Ｂｚの値よりも全体的に約一桁小さな値である。そのため、Ｄｚ＝２２ｍｍの場合でも、計算した全範囲においてＢｚ／Ｂｘは１／１０００以下である。

ここで、前記したように、図２８〜図３０のグラフに表示した縦の一点鎖線７３１は、Ｄｚと等しいＤｘを示している。つまり、前記したように、一点鎖線７３１とグラフの交点はキュービック型のＳＱＵＩＤ磁気センサ１の配置での干渉に対応する。このように、図２８〜図３０から、対称関係にあるＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の干渉は、キュービック型で同じ距離に配されたＳＱＵＩＤ磁気センサ１間の干渉よりも小さいことがわかる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

なお、図１に示すＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｙの中心が、中心軸ＣｘとＳＱＵＩＤ磁気センサ１ｚのコイル面がなす面との間に配置されるようにしてもよい（図４参照）。 実施形態ではＳＱＵＩＤインダクタ８に２つのジョセフソン接合部２を有するｄｃ−ＳＱＵＩＤを使用しているが、ＳＱＵＩＤインダクタ８に１つのジョセフソン接合部を有するｒｆ−ＳＱＵＩＤでも、同様のフィードバック制御を行っている。従って、ｒｆ−ＳＱＵＩＤが使用されても本実施形態の効果を得ることができる。さらに、本実施形態では３つの磁気センサを用いた３成分磁力計、いわゆるベクトルマグネトメータについて示したが、３成分磁力計を基本とした構成、例えば２組のベクトルマグネトメータで構成されたテンソルグラジオメータやベクトルマグネトメータに補正用のマグネトメータを付加した構成でも有効であることはいうまでもない。

１ ＳＱＵＩＤ磁気センサ
１ｘ ＳＱＵＩＤ磁気センサ（第２のＳＱＵＩＤ磁気センサ）
１ｙ ＳＱＵＩＤ磁気センサ（第３のＳＱＵＩＤ磁気センサ）
１ｚ ＳＱＵＩＤ磁気センサ（第１のＳＱＵＩＤ磁気センサ）
２ ジョセフソン接合部
３ 検出コイル
４，５，７ 端子
６ フィードバックコイル
８ ＳＱＵＩＤインダクタ
１０ 磁場測定部（磁場測定装置）
１１ プローブヘッド
１２ フロー部
１３ 液体冷媒
１５ａ 容器（冷媒保持部）
１５ｂ 蓋（冷媒保持部）
１７ 磁場測定素子
２０ 制御回路部
２１ ＦＬＬ回路（ＦＬＬ処理部）
２２ ＦＬＬ制御回路
３０ データ処理部（情報処理装置）
３１ ＡＤ変換部
３２ ＰＣ（情報処理装置）
Ｃｘ〜Ｃｚ 中心軸（直線）
Ｅ，Ｅａ 磁場測定素子
Ｚ 磁場測定システム

Claims (5)

1. 超電導素材で構成された検出コイルと、前記検出コイルに接続し、ジョセフソン接合部を有する前記超電導素材で構成されたＳＱＵＩＤインダクタと、前記検出コイルに対してフィードバック磁場を発生するフィードバックコイルと、
   を有することを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサを少なくとも３つ備える磁場測定素子において、
   第１のＳＱＵＩＤ磁気センサと、
   前記第１のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルのコイル面を含む第１の平面に対して、垂直であり、かつ、前記第１のＳＱＵＩＤ磁気センサの中心を含む第２の平面または前記第２の平面の近傍に設置される第２のＳＱＵＩＤ磁気センサと、
   前記第１の平面及び前記第２の平面に対して垂直であり、かつ、前記第１のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心を含む第３の平面または前記第３の平面の近傍に検出コイルが設置される第３のＳＱＵＩＤ磁気センサと、
   を有し、
   前記第２のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心は、前記第１のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心を通り、かつ、前記第１の平面に対して垂直な直線上または当該直線の近傍に存在し、
   前記第３のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心は、前記第１のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心と、前記第２のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心とを結んだ線からずれた位置に存在する
   ことを特徴とする磁場測定素子。
2. 前記第３のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心は、前記第２のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心を通り、かつ、前記第２の平面に対して垂直な直線と、前記第１の平面との間に存在する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁場測定素子。
3. 前記第１のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心と、前記第２のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心との距離、
   前記第２のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心と、前記第３のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心との距離、
   及び前記第３のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心と、前記第２のＳＱＵＩＤ磁気センサの検出コイルの中心との距離
   が略等距離である
   ことを特徴とする請求項２に記載の磁場測定素子。
4. 液体冷媒を保持する冷媒保持部と、
   前記冷媒保持部に請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の磁場測定素子が挿入される
   ことを特徴とする磁場測定装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の磁場測定素子と、
   前記磁場測定素子から出力された情報を処理する情報処理装置と、
   を有することを特徴とする磁場測定システム。

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