JP2561117B2

JP2561117B2 - 磁界検出装置

Info

Publication number: JP2561117B2
Application number: JP63043886A
Authority: JP
Inventors: 昌盛飯田; 節夫古田土
Original assignee: Tokai University; Anritsu Corp
Current assignee: Tokai University; Anritsu Corp
Priority date: 1988-02-25
Filing date: 1988-02-25
Publication date: 1996-12-04
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: JPH01217282A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、第２種超伝導体が磁界の影響を受けて磁束
流抵抗が増大する現象を応用して構成される小型で軽量
な超高感度磁気検出器に係り、超高感度が要求される心
磁計はじめ各種磁気検出に広く用いることができる。

［従来の技術］超高感度型磁界検出器としては超伝導体を薄い絶縁膜
を界して互いに接合した、いわゆるジョセフソン接合を
利用した超伝導量子干渉装置（以下SQUIDと記す）が実
用化されている。このジョセフソン接合を用いたSQUID
は検出分解能が10^-14T以下であり、現在最高の検出分解
能が得られている。しかしながら、このSQUIDに用いら
れているジョセフソン接合を形成するために必要とされ
る絶縁膜の厚みは高々数10nmであり、又、SQUIDは4Kと
いう低温で使用するのが一般的であり、そのため室温と
低温（4K）との間をくり返し往復させることによる熱的
機械的ストレスを受けるから、これにより、はくり、ク
ラックなどの破損を生じ安定な絶縁性を示す絶縁膜を超
伝導体間に形成することは困難を極めていた。一方、最
近セラミック系材料を用いた高温酸化物超伝導体が相次
いで発見され、超伝導状態を示すための臨界温度として
77Kあるいは100K前後を示すものが実現している。この
セラミック系超伝導体のつくり方としては、ビスマス、
イットリウム、バリウム、カルシウム、アルミニウム、
銅等酸化物を均質に混ぜ成型加工したものを950℃前後
の高温で焼成する方法が一般的であり、表面には凹凸が
生じやすく、数十nmの絶縁膜を均一に形成するために十
分な滑らかな表面は得られにくいのが現状である。従っ
て、このセラミック系超伝導体は臨界温度が100K以上と
著しい特徴を有しながらも、安定な動作特性を示すジョ
セフソン接合の形成が困難のため、SQUID等への応用の
道が閉ざされている。

また、第２種超伝導が有する磁束流抵抗を利用したも
のが考案されているが、検出感度が低く、かつ、検出領
域が比較的狭いとの問題点があった（「極低温用磁場検
出素子（特開昭59−17175号公報）」）［発明が解決しようとする課題］そこで、本発明では検出分解能が極めて高いという超
伝導体の、特にセラミック系酸化物超伝導体に見られる
第２種超伝導体の、特徴と特有の形状効果を生かした磁
界検出器を提供することにある。

ジョセフソン接合を用いたSQUIDは磁界検出器として
は超高分解能を有しながらも安定な動作特性を示すジョ
セフソン接合が得られにくいという課題があった。又、
安定な動作は4K付近で得られるため、ヘリウムという高
価な冷媒を必要とした。一方、最近相次いで発見されて
いる臨界温度が100Kを越すセラミック系酸化物高温超伝
導体は、焼結体なので滑らかな表面が得られにくいと同
時に、安定な極薄膜絶縁層を得るのが困難であり、従っ
て、安定で再現性の良いSQUIDの形成は困難を極めてい
る。又、最近では、接合部を細くしたいわゆる“マイク
ロブリッジ”型プレーナ素子の研究開発が行なわれてい
るが安定な動作は得られていないのが現状である。

従って本発明では、ヘリウムという高価な冷媒を必要
としないセラミック系酸化物高温超伝導体の特徴を生か
した、超高感度で、しかも、こわれにくい磁界検出装置
を提供することである。

［課題を解決するための手段］セラミック系酸化物超伝導体が第２超伝導体特有の磁
束流抵抗を示す現象と特有の形状が示す効果に着目し
た。即ち、超伝導を呈する基体の一部の断面積が連続的
に狭少になり、かつ、磁場に対し電流の向きが反転する
ような、電流通路挟少部を設けて、磁界により磁束流抵
抗の大きさが変化しやすい構造としておく。その断面積
が連続的に減少し、かつ、電流の向きが反転する電流通
路狭少部に電流通路と直角方向に磁界を印加すると、磁
束流抵抗が増大する現象（発明者らの発見した現象）を
用いて、印加磁界の大きさ、あるいはその変化を電位差
測定によっておこなう。

印加磁界による磁束流抵抗の増加は電位差測定が観測
でき、その対応関係は、高感度で、再現性もよい。

超伝導体としては、第２種超伝導体であればよく、最
近相次いで発見されている高臨界温度特性を示すYBiCuO
系あるいはBaBaCuCaO系、BiBaCuAlO系等に代表されるセ
ラミック系酸化物高温超伝導体を用いるので、製造工程
も容易で、小形化ができ、しかも、破損などの障害が少
い。

［作用］この発明の基礎となった観測事実を、図を用いて説明
する。

第１図は、この発明の装置10のおおよその構成と、そ
の特性を測定するための回路を示す。この発明の装置10
は第２種超伝導を呈する物質からなる基体部１があっ
て、その一部は電流密度の高い部分２が備えられてい
る。図の実施例では、電流通過方向に対して垂直な断面
積が小さく作られている。すなわち、基体１はCuO1.0
g、Y₂O₃0.6g、BaCO₃1.5gの配合で粉末等冶法で形成した
円板の中央に長窓３を開口し、長窓と直角方向に円板を
二分割した形状を呈し、長窓の頂上部４付近には、基体
の断面積が小さくなる部分２が形成されている。この電
流通路狭少部は、従来の超伝導ブリッジ素子（ジョセフ
ソン素子やSQUIDなど）のように、μｍ程度の短いもの
である必要はなく、要は、連続的に断面積が減少し、か
つ、電流の向きが反転する構造の電流狭少部を設ければ
よい。実施例では、基体２の直径は10mm、長窓３の幅は
2mm、高さは3mm程度であり、基体の断面積が連続的に減
少し、かつ、電流の向きが反転するように電流通路狭少
部が設けられている。

第２種超伝導体で成る基体１の両端には電流流入用及
び電流流出用の一対の電極5,5′が設けられる。電極は
インジウム（In）を用いて超音波ハンダ法で形成され
た。

電流流入用の電極５と電流流出用の電極５′とは流入
された電流が反転して流出するように設けられている。

この電極はオーミック電極であるが、本質的にオーミ
ック電極であることを要しない。

また基体１の電流通路狭少部２の両側に電圧検出用の
一対の電極6,6′が設けられる。この作り方も、電極5,
5′と同じである。

なお，電圧検出用の電極6,6′は，電流通路狭少部に
近接した位置に電流通路狭少部をはさんで設けられてい
る。

回路は、可変電圧直流電源11、安定抵抗器12（５Ω程
度）、電流検出要小抵抗13（１Ω程度）とこの発明の装
置10とを直列に結んで構成される。

第２図は、この発明の装置10の電圧対電流特性を示す
図である。横軸は電極6,6′間の電位差Ｖ（mV）を示
し、縦軸は抵抗13を利用して測定した回路の全電流Ｉ
（mA）を示す。下側の電圧対電流特性が直線を示す特性
は、室温での測定結果であり、この領域は基体１の常伝
導状態（Ｎ−状態）を示している。つぎに、基体１を低
温とし、超伝導状態とする。通過電流が小さい範囲（80
mA以下）では、電流が流れても電位差を生じない超伝導
状態（Ｓ−状態）となる。しかし、通過電流が大きくな
ると、すなわち臨界電流Ic（80mA）を越えると、基体１
の伝導状態は変化し、臨界電流Icよりいくらか大きな電
流で増加する電流にほぼ比例した状態に近い電圧が生じ
る。この現象は第２種超伝導体に見られる磁束流抵抗
が、本発明による素子構造をとることにより、磁界に対
する感度がより高められたことによるもので、この実験
事実はセラミック系酸化物超伝導体は第２種超伝導体で
あることをも示しており、一部が常伝導状態（partiall
y Normal、p.N−状態）となっていることを示してい
る。

この発明の装置は、この第２種超伝導体特有の超伝導
状態と常伝導状態（p.N−状態）の混合領域において、
電流通過方向と直角方向に磁界を印加すると（第１図中
Ｂ矢印７）、超伝導、一部常伝導状態が変化して、磁束
流抵抗が増す現象が、基体の断面積が連続的に減少し、
かつ、電流の向きが反転するように電流通路狭少部を設
けることにより高められることを利用する。この現象は
セラミック系酸化物高温超伝導体を用いて発明者らが発
見した現象である。

第３図はその現象を示すもので、永久磁石のＳ又はＮ
極を基体１に近ずけたときの特性変化を示す。横軸は、
永久磁石と基体１との距離ｘ（cm）を示し、縦軸は、電
極６−６′間の電位差の変化ΔＶ（mV）を示す。電流は
200mA一定とした。距離ｘとは別に、横軸として磁束密
度Ｂを目盛ってある。磁極の距離が十分大きいとき（ｘ
＝4cm）では、ほどんど電位差の変化を生じないが、ｘ
を小さくするに従って、磁束流抵抗が増大し、175×10
^-4（Ｔ）では6mVの電位差変化を得ている。Ｓ極を近づ
けたときも、Ｎ極を近づけたときも結果は実験誤差の範
囲内で一致している。また、再現性も得られている。磁
束密度と電位差の関係は、最も急峻なところで0.4（V/
T）が得られ、この値は従来のヘリウム温度4KでのSQUID
の検出分解能〜10⁴（V/T）に較べて劣るものの、検出分
解能が最高100nTであるホール素子と比較してほぼ２桁
以上の感度向上が液体窒素温度以上で達成できた。

しかも、検出領域（ダイナミックレンジ）を２桁以上
と大幅に拡大することができた。

また、別な実験により、次のような現象も発見され
た。すなわち、第４図は、第１図で使用した同じ装置10
について、それを低温とし、超伝導状態とした後に、強
い磁界（0.15T）のＮ極を一度近づけて磁界を取り除い
たときの電圧・電流特性として曲線Ａを得た。これと同
じ特性は、同様の磁界を近づけて後に同じ低温として、
磁界を取り除いたときにも得られる。この状態は、第１
図のp.N状態とは異なり、加えられた強い磁界が、この
装置10に記憶されたことを意味する。すなわち、この装
置には磁界を記憶する特性がある。

つぎに第４図Ａの状態の装置10に、弱い磁界を第１図
矢印７の方向に加えてみた。弱いＮ極を近づけると、特
性は破線Ｂとなり、磁界を取り除くと、再び特性曲線Ａ
が得られる。今度は弱いＳ極を近づけると、特性は破線
Ｃとなり、磁界を取り除くと、再び特性曲線Ａが得られ
る。

そのときの様子を、別な図で示したのが、第５図であ
る。横軸は装置10と磁極までの距離ｘ（cm）又は磁界Ｂ
（Ｔ）であり、縦軸は、電流200mAを装置10に流したと
きの電位差の変化ΔＶ（Ｖ）である。ｘを小さくする
（磁極を近づける）ときが破線、ｘを大きくする（磁極
を遠ざける）ときが実線である。

すなわち、強い磁界にさらされたことのメモリは、少
々の磁界の印加によって消去されることはないことがわ
かる。

特に，ここで本発明の特徴点を述べる。第１図に示す
ように、発明者らは超伝導素材の形状として、円板を半
分にした、半円状のものをさらに研削して、中央部に溝
を作った形とし、溝の先端と、円板の円周周辺とが狭少
部を作るようにした。この狭少部は連続的に次第に幅が
狭くなり，最狭に達した後に再び連続的に広がってい
る。電極は溝の入口の両側にそれぞれ半円形の直径方向
に延在するものとしたから、電流の流入部となる第一の
電極と、電流の流出部となる第二の電極とは半円の直径
に沿って、直鎖状に整列している。したがって、電流の
流入する向き（上向き）と、電流が流出する向き（下向
き）とは反転していることになり、上向き成分から下向
き成分に転ずるところ（水平向き）が溝の上部である狭
少部となっている。

発明者らの実験で第２、３、４図に示したような特性
が得られたことと、上記の説明の形状とは関係があるも
のと解釈している。

［実施例］第１の実施例は第１図10に示した。またその作り方
は、［作用］の項で述べた通りである。

この発明の骨子は、セラミック系酸化物高温超伝導体
が有する特徴、すなわち超伝導体中に一部常伝導状態が
混合した第２種超伝導体の磁束流抵抗が磁界の印加によ
って増加する現象が、基体の断面積が連続的に減少し、
かつ、電流の向きが反転するように電流通路狭少部を設
けることにより高められることに着目している。従っ
て、磁界にさらされ易い、電流密度の高い部分を作り出
せばよい。

第１図の実施例では作り易さを加味して、円盤状の基
体を加工したが、電流通路に断面積が連続的に減少する
くびれのある棒状の基体を用いること、棒の断面形状も
円に限らず、正方形、矩形でよい。

前に掲げた第１図の装置10は、そのまま、所定レベル
の高い磁界が印加されたことを記憶する磁界記憶装置と
なることは、第４図及び第５図の観測事実を用いて［作
用］の項で説明した。したがって、この磁界記憶装置の
電圧・電流特性を測定する手段、（たとえば、電流測定
器と電位差測定器と判定手段でよい）によって装置10に
使用された超伝導を呈する物質の伝導状態を観測するこ
とにより、この装置10に、所定レベル以上の強磁界が加
えられたか否かを検知することができる。

［発明の効果］この発明は第２種超伝導体の一部に電流密度が他部よ
りも高くなる領域（電流通路狭少部）を相当長（たとえ
ば目視可能な程度）にわたって設け、その領域におい
て、電流と直角方向の磁界を印加すると、その磁束流抵
抗が顕著に変化するという現象が、基体の断面積が連続
的に減少し、かつ、電流の向きが反転するように電流通
路狭少部を設けることにより高められることをセラミッ
ク系酸化物高温超伝導体を用いて発見し利用している。
従って、従来にない0.4V/T以上という高感度の磁界検出
を液体窒素温度以上で可能とした。

また、基体の作り方も、たとえば粉末冶金法が適用で
き、小形のものを大量に生産できる。

加えて熱ストレスによる基体の損傷も少くできる。

よって従来のこの種の素子がもっていた欠点を改良
し、しかも高感度の弱磁界検出装置を実現した。（第１
クレーム）また、この発明（第１クレーム）の装置10はそのま
ま、所定レベルの強磁界が印加されたことを記憶できる
ことが発見されたから、強磁界の印加の有無を検知する
磁界検出装置も実現できた。（第２クレーム）

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例と、それを用いた本発明の装
置の特性を測定するための回路図、第２図は本発明の一
実施例の特性を示す図、第３図、第４図、及び第５図は
本発明の一実施例が磁界に対してどのように反応するか
の特性を示す図である。図中、１……基体,2……電流通路狭少部， 5,5′……電流流入（流出）用の電極， 6,6′……電位差検出用電極，10 ……磁界記憶装置，を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電流を流入するための第一の電極（５）と
該第一と電極から流入された電流とは反転した向きで電
流を流出させるための第二の電極（５′）とを備え、超
伝導を呈する物質より成り、電流通路の一部には電流の
向きの反転部であり，かつ，断面積が連続的に減少した
後に連続的に増大する構造を有する電流通路狭少部があ
り，該電流通路狭少部を流れる電流と直角方向の磁界に
露出可能な構造をもつ基体（１）と；該基体の電流通路狭少部に近接した位置に該電流通路狭
少部をはさんで設けられた電位差検出用電極（6,6′）
とからなる磁界検出装置。
【請求項２】電流を流入するための第一の電極（５）と
該第一と電極から流入された電流とは反転した向きで電
流を流出させるための第二の電極（５′）とを備え、Cu
O1.0g,Y₂O₃0.6g,BaCO₃1.5gの配合で粉末冶金法で形成さ
れた超伝導を呈する物質より成り、電流通路の一部には
電流の向きの反転部であり，かつ，断面積が連続的に減
少した後に連続的に増大する構造を有する電流通路狭少
部があり，該電流通路狭少部を流れる電流と直角方向の
磁界に露出可能な構造をもつ基体（１）と，該基体の電
流通路狭少部に近接した位置に該電流通路狭少部をはさ
んで設けられた電位差検出用電極（6,6′）とからな
り，所定レベルの磁界印加をその電圧・電流特性として
記憶する磁界記憶装置（10）と；該磁界記憶装置の電圧・電流特性測定手段とから成り，該磁界記憶装置に印加された磁界の有無を検出する磁界
検出装置。