JP3018540B2 - 3-axis gradiometer - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】 本発明は生体磁気計測や航空磁
気探索等に用いられるＳＱＵＩＤの、検出コイルとして
使用される３軸型のグラジオメータに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-axis gradiometer used as a detection coil of a SQUID used for biomagnetism measurement, aeromagnetic search, and the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】 極微弱磁界を計測するＳＱＵＩＤにお
いては、被計測磁界を、超電導体製の検出コイルおよび
入力コイルからなる磁束トランス等と称される入力回路
を介してピックアップすることが多用されるが、この磁
束トランスの検出コイルを、互いに逆巻きのコイルに２
分することにより、一様な磁界をキャンセルし、勾配を
有する磁界のみを検出するようにしたものはグラジオメ
ータと称されている。2. Description of the Related Art In SQUIDs for measuring an extremely weak magnetic field, a magnetic field to be measured is often picked up via an input circuit called a magnetic flux transformer or the like including a detection coil and an input coil made of a superconductor. However, the detection coil of this magnetic flux transformer is
A device that cancels a uniform magnetic field and detects only a magnetic field having a gradient is called a gradiometer.
【０００３】このようなグラジオメータには、図５に示
すような軸型（立体型）と、図６に示すような平面型の
ものがある。軸型は、通常Nb-Ti などの超電導線５１を
ボビン材５２に巻き付ける構造となっており、平面型は
ガラス等のウエハ６１の表面にNbをスパッタリングし、
フォトリソグラフィの手法を用いてNb薄膜パターン６２
を形成することによって作られる。Such gradiometers include an axial type (three-dimensional type) as shown in FIG. 5 and a planar type as shown in FIG. The shaft type has a structure in which a superconducting wire 51 such as Nb-Ti is usually wound around a bobbin material 52, and the flat type is formed by sputtering Nb on the surface of a wafer 61 such as glass.
Nb thin film pattern 62 using photolithography
Made by forming
【０００４】また、以上のような軸型および平面型のも
のにおいて、３軸型のグラジオメータを得る場合、軸型
では図７に例示するように立方体状のコア材７１の６面
に互いに直交するように３軸コイル７２を手巻きにより
作成している。また、平面型で３軸グラジオメータを作
る場合には、図８に示すように、同じく立方体状のコア
材８１の直交する３面に図７に示したものを貼り合わせ
ることで作成可能である。When a three-axis gradiometer is obtained from the above-mentioned shaft type and planar type, the shaft type is orthogonal to the six surfaces of a cubic core material 71 as illustrated in FIG. In this case, the three-axis coil 72 is manually wound. When a three-axis gradiometer is made of a flat type, as shown in FIG. 8, it can be made by attaching the thing shown in FIG. 7 to three orthogonal surfaces of a cubic core material 81 as well. .
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】 ところで、以上のよ
うな従来のグラジオメータにおいて、軸型のものは、超
電導線をボビンに巻くに当たり、その巻付け精度を向上
させる目的でボビンにあらかじめ溝を形成してその溝に
沿って超電導線を巻く等の手法が採用されるが、溝の寸
法余裕（線とのクリアランス）、線の撓み等によってコ
イル精度が出ず、２つのコイルの面積と平行度を一致さ
せることは困難である。In the conventional gradiometer as described above, the axial type gradiometer has a groove formed in advance on the bobbin in order to improve the winding accuracy when the superconducting wire is wound on the bobbin. A method such as winding a superconducting wire along the groove is adopted. However, coil accuracy is not obtained due to the dimensional margin of the groove (clearance from the wire), bending of the wire, etc., and the area of the two coils and the parallelism It is difficult to match.
【０００６】また、平面型のものでは、コイル自体の精
度は高いものとすることができるものの、そのコイルに
よって得られた磁場の分布は歪み、その後の磁場源解析
が困難となるという欠点がある。また深い磁場源の情報
を得るためには、ベースライン（平行コイル間の距離）
を大きくしなければならないが、ベースラインの長さは
ウエハサイズによって制限を受けるという問題もある。
そしてこのような平面型のものによって３軸型のグラジ
オメータを作る場合、平面型を立方体のコア材に貼り合
わせたとき、全体の大きさがコイル径に比して非常に大
きくなってしまう関係上、各コイルの密な配置ができな
くなってしまう。Further, in the case of the planar type, although the accuracy of the coil itself can be improved, the distribution of the magnetic field obtained by the coil is distorted, and the subsequent analysis of the magnetic field source becomes difficult. . To obtain information on deep magnetic field sources, the baseline (distance between parallel coils)
However, there is also a problem that the length of the baseline is limited by the wafer size.
And when making a triaxial gradiometer with such a flat type, when the flat type is bonded to a cubic core material, the overall size becomes much larger than the coil diameter. In addition, it becomes impossible to densely arrange the coils.
【０００７】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
ので、コイル精度が高く、磁場の分布の歪みがなく、し
かもベースラインを大きくすることができるとともに、
比較的密な配置が可能な３軸型グラジオメータの提供を
目的としている。The present invention has been made in view of the above points, and has a high coil accuracy, no distortion of the magnetic field distribution, and a large baseline.
It is an object of the present invention to provide a three-axis gradiometer capable of relatively dense arrangement.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を、実施例に対応する図１を参照しつつ説明す
ると、本発明は、耐低温性の可撓性材料（例えばポリイ
ミドフィルム）１が円筒状に巻回されてなる単一の円筒
体表面に、その可撓性材料１の表面には、所定の距離を
あけて互いに平行で、かつ逆巻きに相互に接続された超
電導体製のコイル対２，３および４が、互いの角度を相
違させて３対形成されていることによって特徴付けられ
る。A structure for achieving the above object will be described with reference to FIG. 1 corresponding to an embodiment. The present invention relates to a low-temperature-resistant flexible material (for example, a polyimide film). A) superconductors mutually parallel and spaced apart from each other at a predetermined distance on the surface of a single cylindrical body formed by winding 1 in a cylindrical shape and on the surface of the flexible material 1; The coil pairs 2, 3 and 4 are characterized by being formed in three pairs at different angles from each other.
【０００９】[0009]
【作用】構造としては軸型であり、平面型のグラジオメ
ータに固有の磁場分布の歪みや、ベースラインの制限、
および３軸型とした場合のコイル径と全体の大きさとの
関係による配置上の制限等はなくなる。また、各コイル
は薄膜によって形成することができるので、コイル精度
は平面型と同等のものが得られ、軸型のものにおける欠
点もない。[Function] The structure is an axial type, and the distortion of the magnetic field distribution inherent to the flat type gradiometer, the limitation of the baseline,
There is no longer any restriction on the arrangement due to the relationship between the coil diameter and the overall size in the case of a triaxial type. Further, since each coil can be formed by a thin film, the same coil accuracy as that of the planar type can be obtained, and there is no defect in the axial type.
【００１０】すなわち、本発明の構造は、可撓性材料１
を平面状とした状態でフォトリソグラフィの技術を用い
て各コイル対２，３および４を図４に例示するようなパ
ターンで形成し、図４中Ａ点とＢ点とを突き合わせるよ
うに可撓性材料１を円筒状に巻回することによって得ら
れる。この場合、コイルの幅等は平面型と同様に高精度
となり、後は可撓性材料１の巻回精度によってコイル精
度が決まる。この可撓性材料１の巻回は、可撓性材料１
の内側にボビン５を置き、その表面に巻くことによっ
て、ボビン５の真円度で決まり、容易に高精度化が達成
できる。That is, the structure of the present invention is a flexible material 1
4 are formed in a pattern as illustrated in FIG. 4 by using a photolithography technique in a state where is a flat surface, and points A and B in FIG. It is obtained by winding the flexible material 1 in a cylindrical shape. In this case, the width and the like of the coil become highly accurate as in the case of the flat type, and thereafter the coil accuracy is determined by the winding accuracy of the flexible material 1. The winding of the flexible material 1
The bobbin 5 is placed inside of the bobbin, and is wound on the surface of the bobbin 5, so that the roundness of the bobbin 5 is determined.
【００１１】ここで、各対のコイル対２，３または４
は、例えば２ａと２ｂに関してその中心軸は一致しいな
が、このことは一様な磁場（遠方磁場）のキャンセルと
いうグラジオメータの機能を損なわせることはない。Here, each pair of coil pairs 2, 3 or 4
Although, for example, the central axes of 2a and 2b are coincident, this does not impair the gradiometer function of canceling a uniform magnetic field (far magnetic field).
【００１２】[0012]
【実施例】 図１は本発明実施例の構成を示す外観図で
ある。ポリイミドフィルム１が真円筒形のボビン５の周
囲に巻回されており、このポリイミドフィルム１の表面
には、互いに平行で、かつ、互いに逆巻きとなるように
接続された２ａと２ｂ、３ａと３ｂ、および４ａと４ｂ
とからなる、３対のコイル対２，３および４が積層形成
されており、この各コイル対２，３および４は、互いに
直交して形成されている。FIG. 1 is an external view showing the configuration of an embodiment of the present invention. A polyimide film 1 is wound around a bobbin 5 having a perfect cylindrical shape. On the surface of the polyimide film 1, 2a and 2b, 3a and 3b, which are connected in parallel to each other and in opposite directions to each other, are wound. And 4a and 4b
The three coil pairs 2, 3, and 4 are formed in layers, and the coil pairs 2, 3, and 4 are formed orthogonal to each other.
【００１３】各コイル対２，３および４は、それぞれNb
超電導体薄膜によって形成されており、それぞれ上部コ
イル２ａ，３ａないしは４ａにおいて形成された信号取
り出し用パッド２１，３１ないしは４１を介して、ＳＱ
ＵＩＤに接続される。次に、以上の本発明実施例の製造
方法について述べる。まず、ポリイミドフィルム１を平
面状に伸ばした状態で、その表面に一様にNb超電導体薄
膜を形成し、フォトリソグラフィ技術により１層目のコ
イル対２のパターニングを行う。Each coil pair 2, 3 and 4 has Nb
The SQ is formed of a superconducting thin film via signal extraction pads 21, 31 and 41 formed in the upper coils 2a, 3a and 4a, respectively.
Connected to UID. Next, the manufacturing method of the embodiment of the present invention will be described. First, in a state where the polyimide film 1 is stretched in a planar shape, an Nb superconductor thin film is uniformly formed on the surface thereof, and the first layer coil pair 2 is patterned by photolithography.
【００１４】このコイルパターンについて説明すると、
基本となるのは、The coil pattern will be described.
Basically,
【００１５】[0015]
【数１】 (Equation 1)
【００１６】で表される曲線であり、この曲線は図２の
ように表される。この曲線により下部コイル２ｂを形成
するとともに、これをベースラインに応じて所定距離だ
け上方に平行移動した形状で上部コイル２ａを形成し、
そして、これらを図３（Ａ）に示すようにその両端部分
において互いに接続し、かつ、上部コイル２ａ側には信
号取り出し用パッド２１を形成したパターンとする。This curve is represented as shown in FIG. The lower coil 2b is formed by this curve, and the upper coil 2a is formed in a shape in which the lower coil 2b is translated upward by a predetermined distance according to the baseline,
Then, as shown in FIG. 3 (A), these are connected to each other at both ends, and a pattern is formed in which a signal extraction pad 21 is formed on the upper coil 2a side.
【００１７】このようなパターンを描いたフィルム１
を、図３（Ａ）のＡ点とＢ点とを突き合わせるように半
径ａの円筒状に巻くと、そのパターンは同図（Ｂ）に示
すように互いに平行な上部コイル２ａと下部コイル２ｂ
が逆向きに接続されたグラジオメータ型のコイル対とな
る。次に、この１層目のコイルパターンの上に例えばSi
O やSiO2等の絶縁層を介して、同様に２層目のコイルパ
ターンを形成し、更に絶縁層を介して３層目のコイルパ
ターンを形成する。Film 1 depicting such a pattern
Is wound in a cylindrical shape having a radius a so that the points A and B in FIG. 3A abut each other, and the pattern is as shown in FIG. 3B, the upper coil 2a and the lower coil 2b being parallel to each other.
Is a gradiometer-type coil pair connected in reverse. Next, for example, Si
Similarly, a second-layer coil pattern is formed via an insulating layer such as O or SiO 2, and a third-layer coil pattern is further formed via an insulating layer.
【００１８】このとき、２層目および３層目は１層目と
全く同じパターンであるが、１層目と２層目、および２
層目と３層目は、図４に各層間の絶縁層を透視した状態
でフィルム１上のNb超電導体薄膜ののパターニング形状
を示すように、それぞれｘ方向に（２／３）πａだけシ
フトした形とする。そして図４に示すようなパターニン
グが施されたフィルム１を、前記したようにＡ点とＢ点
を合わせるように半径ａの円筒状ボビン５の周囲に巻回
し、適当な接着剤等によって適宜箇所を接着することに
よって、図１に示した本発明実施例の３軸型グラジオメ
ータが得られる。At this time, the second and third layers have exactly the same pattern as the first layer, but the first and second layers and the second layer have the same pattern.
The third layer and the third layer are shifted by (2/3) πa in the x direction, respectively, as shown in FIG. 4 in which the patterning shape of the Nb superconductor thin film on the film 1 is shown with the insulating layer between the layers being seen through. The shape is Then, the film 1 patterned as shown in FIG. 4 is wound around a cylindrical bobbin 5 having a radius a so as to match the points A and B as described above, and is appropriately positioned with an appropriate adhesive or the like. By bonding, the three-axis gradiometer of the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is obtained.
【００１９】以上の本発明実施例の構造によれば、基本
的には軸型のグラジオメータ構造であって、従来の平面
型グラジオメータにおける諸問題、例えば磁場の歪みや
ベースラインの制限等が解消される。また、上記したよ
うにフォトリソグラフィの手法により各コイル対を形成
することにより、従来の軸型グラジオメータのようにコ
イル精度に関する問題もなく、ボビン５の真円度をよく
することにより、極めて高精度のコイルを得ることがで
きる。各コイル対の上部および下部コイルの中心軸は、
図３（Ｂ）に示すように一致しないが、この上部および
下部コイルを貫通する一様磁束が相互に打ち消されるか
ら、遠方磁場のキャンセル効果は中心軸が一致した従来
構造のグラジオメータと全く同様に有効である。According to the structure of the embodiment of the present invention described above, the structure is basically an axial type gradiometer structure, and various problems in the conventional flat type gradiometer, such as the distortion of the magnetic field and the limitation of the baseline, are considered. Will be resolved. Further, since each coil pair is formed by the photolithography method as described above, there is no problem regarding the coil accuracy unlike the conventional axial gradiometer, and the roundness of the bobbin 5 is improved. Accurate coils can be obtained. The center axis of the upper and lower coils of each coil pair is
As shown in FIG. 3B, the uniform magnetic flux penetrating the upper and lower coils is mutually canceled, but the far field canceling effect is exactly the same as that of the conventional structure gradiometer in which the central axes match. It is effective for
【００２０】なお、以上の実施例では、３対のコイル対
を互いに直交して形成したが、必ずしもこれらが直交し
ている必要はなく、相互に既知の角度で交差していれ
ば、例えば信号処理回路側での補正により、３軸型グラ
ジオメータとして差し支えなく使用することができる。
また、ボビン５の材料としては、耐低温性があり、か
つ、フィルム１と熱膨張率がほぼ等しいものを選定する
ことが望ましい。ただし、このボビン５は、フィルム１
の巻回後に取り出してもよい。In the above embodiment, three coil pairs are formed so as to be orthogonal to each other. However, these need not necessarily be orthogonal to each other. Due to the correction on the processing circuit side, it can be used as a triaxial gradiometer without any problem.
As the material of the bobbin 5, it is desirable to select a material having low-temperature resistance and a thermal expansion coefficient substantially equal to that of the film 1. However, this bobbin 5 is
May be taken out after winding.
【００２１】更に、本発明の構造において、各上部コイ
ルを形成せずに、下部コイルのみを形成してそこから信
号を取り出すようにすれば、３軸のマグネトメータを得
ることができる。Further, in the structure of the present invention, a three-axis magnetometer can be obtained by forming only the lower coil and extracting a signal therefrom without forming each upper coil.
【００２２】[0022]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
耐低温性の可撓性材料が円筒状に巻回されてなる単一の
円筒体表面に、それぞれが超電導体からなり、互いに平
行で逆巻きのコイル対を、相互に異なる角度で３対形成
した構造としているので、基本的には軸型のグラジオメ
ータ構造であるが故に検出した磁場の分布が歪むことが
なく、磁場源の解析が容易となるとともに、ポリイミド
フィルム等の可撓性材料のサイズには特に制限がなく、
ウエハにパターニングする従来の平面型グラジオメータ
に比してサイズ上の制限は大幅に緩和される。また、３
軸型グラジオメータを１個の部品として構成しているの
で、グラジオメータの各コイル間の直交性・並行性を調
整する必要がなくなるとともに、コイルの接続が不要に
なる。As described above, according to the present invention,
On the surface of a single cylindrical body formed by winding a low-temperature-resistant flexible material in a cylindrical shape, three pairs of mutually parallel and reverse-wound coils each formed of a superconductor were formed at mutually different angles. Because it has a structure, the distribution of the detected magnetic field is not distorted because it is basically an axial gradiometer structure, and the analysis of the magnetic field source is easy, and the size of the flexible material such as a polyimide film is small. Has no particular restrictions,
Size limitations are greatly relaxed compared to conventional planar gradiometers that pattern on a wafer. Also, 3
Since the axial gradiometer is configured as a single component, there is no need to adjust the orthogonality and parallelism between the coils of the gradiometer, and no connection of the coils is required.
【００２３】しかも、可撓性材料の表面にフォトリソグ
ラフィの技術を用いてコイルパターンを形成するととも
に、そのパターンを円筒状に１回だけ巻回するだけでい
いから、その作成が容易であるとともに、熟練を要する
ことなく、再現性よく良好なコイル精度の３軸型グラジ
オメータが得られる。また、本発明においては、３つの
コイル対がすべて中心に対して直交する構造とすること
ができ、相互インダクタンスが小さくとなり、クロスト
ークが小さくなるという利点もある。また、立方体状の
コアの各面に各コイルを配置する従来の軸型ないしは平
面型の３軸型のグラジオメータに比べて、理論的には３
倍密にコイルを配置することができる。In addition, the coil pattern is formed on the surface of the flexible material by using the photolithography technique, and the pattern need only be wound once in a cylindrical shape. A three-axis gradiometer with good coil accuracy and good reproducibility can be obtained without requiring skill. Further, in the present invention, all three coil pairs can have a structure orthogonal to the center, so that there is an advantage that mutual inductance is reduced and crosstalk is reduced. In addition, compared to a conventional axial or planar three-axis gradiometer in which each coil is arranged on each surface of a cubic core, it is theoretically three times smaller.
The coils can be arranged in a double density.
【図１】 本発明実施例の構成を示す外観図FIG. 1 is an external view showing a configuration of an embodiment of the present invention.
【図２】 本発明実施例の各コイルのパターンの基本と
なる曲線を示すグラフFIG. 2 is a graph showing a basic curve of a pattern of each coil according to the embodiment of the present invention.
【図３】 本発明実施例の製造工程の説明図FIG. 3 is an explanatory view of a manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
【図４】 同じく本発明実施例の製造工程の説明図FIG. 4 is an explanatory view of a manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
【図５】 従来の軸型グラジオメータの説明図FIG. 5 is an explanatory view of a conventional axial gradiometer.
【図６】 従来の平面型グラジオメータの説明図FIG. 6 is an explanatory view of a conventional flat-type gradiometer.
【図７】 軸型を用いた従来の３軸型グラジオメータの
説明図FIG. 7 is an explanatory view of a conventional three-axis gradiometer using a shaft type.
【図８】 平面型を用いた従来の３軸型グラジオメータ
の説明図FIG. 8 is an explanatory view of a conventional three-axis gradiometer using a flat type.
１・・・・ポリイミドフィルム ２，３，４・・・・コイル対 ２ａ，３ａ，４ａ・・・・上部コイル ２ｂ，３ｂ，４ｂ・・・・下部コイル ２１，３１，４１・・・・信号取り出し用パッド ５・・・・ボビン 1, polyimide film 2, 3, 4 ... coil pair 2a, 3a, 4a ... upper coil 2b, 3b, 4b ... lower coil 21, 31, 41 ... signal Removal pad 5 ... Bobbin
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−30780（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−210683（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−132380（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−187267（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−302680（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 33/00 - 33/18 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-61-30780 (JP, A) JP-A-58-210683 (JP, A) JP-A-59-132380 (JP, A) JP-A-62 187267 (JP, A) JP-A-2-302680 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01R 33/00-33/18
Claims (1)
れてなる単一の円筒体表面に、所定の距離をあけて互い
に平行で、かつ逆巻きに相互に接続された超電導体製の
コイル対が、互いの角度を相違させて３対形成されてな
る３軸型グラジオメータ。1. A superconductor which is parallel to each other at a predetermined distance from a surface of a single cylindrical body formed by winding a low-temperature resistant flexible material in a cylindrical shape, and which is connected to each other in a reverse winding manner. -Axis type gradiometer in which three pairs of coils are formed at different angles from each other.
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1991
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