JP3518184B2 - 検出コイル一体型ｓｑｕｉｄ - Google Patents
検出コイル一体型ｓｑｕｉｄInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は生体磁場計測用の磁
気センサなどに用いられるＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉
素子）と検出コイルに関し、特に液体窒素中で超伝導特
性を持つ高温超伝導体を用いてＳＱＵＩＤと検出コイル
を形成する場合に適した技術に関する。
気センサなどに用いられるＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉
素子）と検出コイルに関し、特に液体窒素中で超伝導特
性を持つ高温超伝導体を用いてＳＱＵＩＤと検出コイル
を形成する場合に適した技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＳＱＵＩＤ磁束計を用いた生体磁場計測
装置に関しては、例えばＲｅｖｉｅｗｏｆ Ｓｃｉｅｎ
ｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ、第５３巻、第１２
号、１８１５−１８４５頁に記載されている。この文献
に記載されたＳＱＵＩＤは、ニオブ（Ｎｂ）や鉛（Ｐ
ｂ）、及びこれらの合金を用いたいわゆる金属系の超伝
導体を主体として構成されており、検出コイルとともに
液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）で動作するものであっ
た。現在では、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ＹＢＣＯ）など液体
窒素温度（７７Ｋ）で超伝導となるいわゆる高温超伝導
体を用いたＳＱＵＩＤも開発されている。高温超伝導Ｓ
ＱＵＩＤは廉価で取り扱いの容易な液体窒素を寒剤とし
て用いることができるため、生体磁場計測装置の普及に
極めて有用である。近年、高温超伝導ＳＱＵＩＤの性能
が向上した結果、これを用いた磁束計でも生体磁場が計
測されるようになった。
装置に関しては、例えばＲｅｖｉｅｗｏｆ Ｓｃｉｅｎ
ｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ、第５３巻、第１２
号、１８１５−１８４５頁に記載されている。この文献
に記載されたＳＱＵＩＤは、ニオブ（Ｎｂ）や鉛（Ｐ
ｂ）、及びこれらの合金を用いたいわゆる金属系の超伝
導体を主体として構成されており、検出コイルとともに
液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）で動作するものであっ
た。現在では、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ＹＢＣＯ）など液体
窒素温度（７７Ｋ）で超伝導となるいわゆる高温超伝導
体を用いたＳＱＵＩＤも開発されている。高温超伝導Ｓ
ＱＵＩＤは廉価で取り扱いの容易な液体窒素を寒剤とし
て用いることができるため、生体磁場計測装置の普及に
極めて有用である。近年、高温超伝導ＳＱＵＩＤの性能
が向上した結果、これを用いた磁束計でも生体磁場が計
測されるようになった。
【０００３】これら高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁束計の例と
しては、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ
ｒ、第６８巻、第１０号、１４２１−１４２３頁（以
下、第１例という）、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏ
ｎ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、第５
巻、第２号、２９１９−２９２２頁（以下、第２例とい
う）、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕ
ｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、第５巻、第２号、２
９２７−２９３０頁（以下、第３例という）、Ａｐｐｌ
ｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ、第６３巻、第
１６号、２２７１−２２７３頁（以下、第４例という）
などが挙げられる。
しては、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ
ｒ、第６８巻、第１０号、１４２１−１４２３頁（以
下、第１例という）、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏ
ｎ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、第５
巻、第２号、２９１９−２９２２頁（以下、第２例とい
う）、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕ
ｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、第５巻、第２号、２
９２７−２９３０頁（以下、第３例という）、Ａｐｐｌ
ｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ、第６３巻、第
１６号、２２７１−２２７３頁（以下、第４例という）
などが挙げられる。
【０００４】ここでは、上記第１例から第４例が全てそ
うであるようにＳＱＵＩＤとしてｄｃ−ＳＱＵＩＤ、即
ちジョゼフソン接合を２つ持つ超伝導リングを考える。
図１０、１１に、よく知られたＳＱＵＩＤの電流−電圧
特性、磁束−電圧変換特性を示す。図１０中、ΦexはＳ
ＱＵＩＤに印加される磁束、Φ0は磁束量子、Ｉｂは図
１１の磁束−電圧変換特性を与えるバイアス電流値、ｎ
は整数である。図１０において、ＳＱＵＩＤのリング形
状に依存して発生するマイクロ波の共振によってΦexが
（ｎ＋１／２）Φ0の場合にステップが生じる様子を図
示した。このステップにより電圧振幅ΔＶに制限が生じ
ることが知られている。
うであるようにＳＱＵＩＤとしてｄｃ−ＳＱＵＩＤ、即
ちジョゼフソン接合を２つ持つ超伝導リングを考える。
図１０、１１に、よく知られたＳＱＵＩＤの電流−電圧
特性、磁束−電圧変換特性を示す。図１０中、ΦexはＳ
ＱＵＩＤに印加される磁束、Φ0は磁束量子、Ｉｂは図
１１の磁束−電圧変換特性を与えるバイアス電流値、ｎ
は整数である。図１０において、ＳＱＵＩＤのリング形
状に依存して発生するマイクロ波の共振によってΦexが
（ｎ＋１／２）Φ0の場合にステップが生じる様子を図
示した。このステップにより電圧振幅ΔＶに制限が生じ
ることが知られている。
【０００５】金属系超伝導体のＳＱＵＩＤ同様に、高温
超伝導体のＳＱＵＩＤは基板上に成膜して形成される
が、第１例から第４例にみられるように検出コイルもま
た同一基板上に形成されるのが一般的である。これは、
高温超伝導体は金属系の超伝導体と比べて超伝導体間の
接合が困難であり、金属系の超伝導体を用いた磁束計の
ようにＳＱＵＩＤと検出コイルを別個に製作して接合す
ることが難しいことが一因である。また、１枚の基板上
に高温超伝導体の多層膜を形成することも必ずしも容易
でなく、上記第３例と第４例のように高温超伝導体の１
層膜でＳＱＵＩＤと検出コイルの双方を形成することが
できれば、製作ははるかに容易となり歩留まりも向上す
る。
超伝導体のＳＱＵＩＤは基板上に成膜して形成される
が、第１例から第４例にみられるように検出コイルもま
た同一基板上に形成されるのが一般的である。これは、
高温超伝導体は金属系の超伝導体と比べて超伝導体間の
接合が困難であり、金属系の超伝導体を用いた磁束計の
ようにＳＱＵＩＤと検出コイルを別個に製作して接合す
ることが難しいことが一因である。また、１枚の基板上
に高温超伝導体の多層膜を形成することも必ずしも容易
でなく、上記第３例と第４例のように高温超伝導体の１
層膜でＳＱＵＩＤと検出コイルの双方を形成することが
できれば、製作ははるかに容易となり歩留まりも向上す
る。
【０００６】これら第３例や第４例のＳＱＵＩＤ磁束計
は、Ｄｉｒｅｃｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ型ＳＱＵＩＤと称
される。図５にその磁束計の構成を、図６にＳＱＵＩＤ
と検出コイルを搭載した基板の構造の例を示す。図６は
図５の点線で囲まれた部分１０に相当し、斜線部が超伝
導膜の部分、残余は基板が露出した部分である。図６
（ｂ）は図６（ａ）中、丸で囲まれたＳＱＵＩＤ部（＊
１）の拡大図である。ＳＱＵＩＤリングは２つのジョゼ
フソン接合１とこれを連結する超伝導体２、２’からな
る超伝導リングである。Ｄｉｒｅｃｔ−ｃｏｕｐｌｉｎ
ｇ型ＳＱＵＩＤはＳＱＵＩＤリングを構成する超伝導体
の一部２に並列に検出コイル３を接続した構造である。
高温超伝導ＳＱＵＩＤのジョゼフソン接合は、ＳｒＴｉ
Ｏ3で代表される基板のバイクリスタル部分（結晶方向
の不連続部分）や、ステップエッジ部分（段差部分）に
形成されることが多い。バイクリスタル線は基板中央に
位置するのが一般的であるため、図６の例ではＳＱＵＩ
Ｄや検出コイルが非対称の構造になっている。
は、Ｄｉｒｅｃｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ型ＳＱＵＩＤと称
される。図５にその磁束計の構成を、図６にＳＱＵＩＤ
と検出コイルを搭載した基板の構造の例を示す。図６は
図５の点線で囲まれた部分１０に相当し、斜線部が超伝
導膜の部分、残余は基板が露出した部分である。図６
（ｂ）は図６（ａ）中、丸で囲まれたＳＱＵＩＤ部（＊
１）の拡大図である。ＳＱＵＩＤリングは２つのジョゼ
フソン接合１とこれを連結する超伝導体２、２’からな
る超伝導リングである。Ｄｉｒｅｃｔ−ｃｏｕｐｌｉｎ
ｇ型ＳＱＵＩＤはＳＱＵＩＤリングを構成する超伝導体
の一部２に並列に検出コイル３を接続した構造である。
高温超伝導ＳＱＵＩＤのジョゼフソン接合は、ＳｒＴｉ
Ｏ3で代表される基板のバイクリスタル部分（結晶方向
の不連続部分）や、ステップエッジ部分（段差部分）に
形成されることが多い。バイクリスタル線は基板中央に
位置するのが一般的であるため、図６の例ではＳＱＵＩ
Ｄや検出コイルが非対称の構造になっている。
【０００７】Ｄｉｒｅｃｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ型ＳＱＵ
ＩＤにおいては第３例などに記述されているように、磁
束計の雑音がＳＱＵＩＤ入力換算の磁束雑音でΦnであ
るとき、磁束計の感度に相当する検出コイル入力換算の
磁気雑音はΦn／Ａeffとなる。ここでＡeffは検出コイ
ルの磁場検出面積であり、検出コイルの実効面積Ａp、
検出コイルのインダクタンスＬp、ＳＱＵＩＤリングの
全インダクタンスＬsのうち検出コイルに結合する成分
Ｌcを用いて近似的にＡp（Ｌc／Ｌp）で与えられる。こ
こでＬc＜Ｌsである。また、ＳＱＵＩＤ入力換算の磁束
雑音ΦnはＳＱＵＩＤの磁束−電圧変換特性の電圧振幅
ΔＶが大きいほど小さくなることが知られている。
ＩＤにおいては第３例などに記述されているように、磁
束計の雑音がＳＱＵＩＤ入力換算の磁束雑音でΦnであ
るとき、磁束計の感度に相当する検出コイル入力換算の
磁気雑音はΦn／Ａeffとなる。ここでＡeffは検出コイ
ルの磁場検出面積であり、検出コイルの実効面積Ａp、
検出コイルのインダクタンスＬp、ＳＱＵＩＤリングの
全インダクタンスＬsのうち検出コイルに結合する成分
Ｌcを用いて近似的にＡp（Ｌc／Ｌp）で与えられる。こ
こでＬc＜Ｌsである。また、ＳＱＵＩＤ入力換算の磁束
雑音ΦnはＳＱＵＩＤの磁束−電圧変換特性の電圧振幅
ΔＶが大きいほど小さくなることが知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はＳＱＵ
ＩＤと検出コイルを１枚の基板上に形成したＤｉｒｅｃ
ｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ型ＳＱＵＩＤにおいて、磁束計の
高感度化を実現することにある。ここで高感度化とは、
検出コイル入力換算の磁気雑音Φn／Ａeffを低減するこ
とである。
ＩＤと検出コイルを１枚の基板上に形成したＤｉｒｅｃ
ｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ型ＳＱＵＩＤにおいて、磁束計の
高感度化を実現することにある。ここで高感度化とは、
検出コイル入力換算の磁気雑音Φn／Ａeffを低減するこ
とである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】先に述べたように、検出
コイル入力換算の磁気雑音Φn／Ａeffを低減するために
は、Ａp（Ｌc／Ｌp）で表される磁束計の磁場検出面積
Ａeffを大きくとり、またＳＱＵＩＤ入力換算の磁束雑
音Φnを小さくすればよい。本発明ではこの双方を同時
に実現する。以下、これを実現する構成とその動作を説
明する。磁束計の磁場検出面積Ａeffを向上するために
は、検出コイルの実効面積Ａpを大きくすればよいが、
これは基板の面積に制限される。従って一定面積の基板
を用いたＤｉｒｅｃｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ型ＳＱＵＩＤ
においては、Ｌc／Ｌpを大きくすればよい。Ｊｏｕｒｎ
ａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、第７３
巻、第１１号、７９２９−７９３４頁等で知られている
ように、ＳＱＵＩＤのインダクタンスＬsにも制限があ
り、Ｌsを大きくするほどΔＶが減少するからＬsをむや
みに大きくすることはできない。そこで、ＳＱＵＩＤリ
ングの全インダクタンスＬsのうち、検出コイルとの結
合に寄与する成分Ｌcの割合をできるだけ大きくすれば
よい。
コイル入力換算の磁気雑音Φn／Ａeffを低減するために
は、Ａp（Ｌc／Ｌp）で表される磁束計の磁場検出面積
Ａeffを大きくとり、またＳＱＵＩＤ入力換算の磁束雑
音Φnを小さくすればよい。本発明ではこの双方を同時
に実現する。以下、これを実現する構成とその動作を説
明する。磁束計の磁場検出面積Ａeffを向上するために
は、検出コイルの実効面積Ａpを大きくすればよいが、
これは基板の面積に制限される。従って一定面積の基板
を用いたＤｉｒｅｃｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ型ＳＱＵＩＤ
においては、Ｌc／Ｌpを大きくすればよい。Ｊｏｕｒｎ
ａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、第７３
巻、第１１号、７９２９−７９３４頁等で知られている
ように、ＳＱＵＩＤのインダクタンスＬsにも制限があ
り、Ｌsを大きくするほどΔＶが減少するからＬsをむや
みに大きくすることはできない。そこで、ＳＱＵＩＤリ
ングの全インダクタンスＬsのうち、検出コイルとの結
合に寄与する成分Ｌcの割合をできるだけ大きくすれば
よい。
【００１０】従来の構成では、例えば図６のようにＳＱ
ＵＩＤリングの全インダクタンスのうち、検出コイルと
結合するのは図６の中でジョゼフソン接合より下の部分
２だけであり、上の部分２’は結合に寄与しない。そこ
で本発明の構成では、図１に示すように、ＳＱＵＩＤリ
ングにおいてジョゼフソン接合をつなぐ２つの超伝導線
２、２’の双方に検出コイルを接続する。この構成では
ＳＱＵＩＤリングのインダクタンスのうち、ジョゼフソ
ン接合部分１以外はすべて検出コイルと結合することに
なり、Ｌc／Ｌsが大きくなって磁束計の磁場検出面積Ａ
effが大きくとれる。
ＵＩＤリングの全インダクタンスのうち、検出コイルと
結合するのは図６の中でジョゼフソン接合より下の部分
２だけであり、上の部分２’は結合に寄与しない。そこ
で本発明の構成では、図１に示すように、ＳＱＵＩＤリ
ングにおいてジョゼフソン接合をつなぐ２つの超伝導線
２、２’の双方に検出コイルを接続する。この構成では
ＳＱＵＩＤリングのインダクタンスのうち、ジョゼフソ
ン接合部分１以外はすべて検出コイルと結合することに
なり、Ｌc／Ｌsが大きくなって磁束計の磁場検出面積Ａ
effが大きくとれる。
【００１１】また、この構成ではＳＱＵＩＤと検出コイ
ルをジョゼフソン接合に対して対称な形状にできる。図
３、図４に本発明による基板の構成例を、従来の基板の
構成例を図６に示す。本発明の構成では、ＳＱＵＩＤリ
ングが２つのジョゼフソン接合を結ぶ線に対して対称な
形状をしているのがわかる。これにより以下の効果が得
られる。上記第３例に記載されているように、マイクロ
波の共振によって電流−電圧特性に生じるステップの電
圧Ｖsは（数１）で与えられる。
ルをジョゼフソン接合に対して対称な形状にできる。図
３、図４に本発明による基板の構成例を、従来の基板の
構成例を図６に示す。本発明の構成では、ＳＱＵＩＤリ
ングが２つのジョゼフソン接合を結ぶ線に対して対称な
形状をしているのがわかる。これにより以下の効果が得
られる。上記第３例に記載されているように、マイクロ
波の共振によって電流−電圧特性に生じるステップの電
圧Ｖsは（数１）で与えられる。
【００１２】
【数１】
Ｖs＝ｃΦ0｛√（２／（εr＋１）｝／（４ｄ） …（数１）
（数１）で、ｃは光速、εrは基板の比誘電率、ｄはｍ
ｉｃｒｏ ｗａｖｅの波長を決める長さで、ジョゼフソ
ン接合とＳＱＵＩＤリング端間の長さで近似できる。Ｓ
ＱＵＩＤの形状が、図３、図４、図６のように細長い場
合、ＳＱＵＩＤリングのインダクタンスＬsは、ほぼＳ
ＱＵＩＤリングの空孔の長辺の長さで決まる。従って、
図６と図３や図４でＳＱＵＩＤリングのインダクタンス
Ｌsが等しいとすれば空孔の長辺の長さは等しいと考え
てよい。このとき図３や図４では、ジョゼフソン接合は
空孔の長辺の中央部に位置しているから、図６の場合と
比較するとジョゼフソン接合とＳＱＵＩＤリング端間の
長さがほぼ半分になっていると考えられる。従って（数
１）を用いれば、図３、図４に示すＳＱＵＩＤは図６の
従来のＳＱＵＩＤに比べて電流−電圧特性に生じるステ
ップの電圧Ｖｓが２倍程度になると考えられる。図１
０、図１１を見れば明らかなように、ステップ電圧が高
いほど電圧振幅ΔＶは大きくなり、ＳＱＵＩＤ入力換算
の磁束雑音Φnが小さくなって検出コイル入力換算の磁
気雑音Φn／Ａeffが低減できる。
ｉｃｒｏ ｗａｖｅの波長を決める長さで、ジョゼフソ
ン接合とＳＱＵＩＤリング端間の長さで近似できる。Ｓ
ＱＵＩＤの形状が、図３、図４、図６のように細長い場
合、ＳＱＵＩＤリングのインダクタンスＬsは、ほぼＳ
ＱＵＩＤリングの空孔の長辺の長さで決まる。従って、
図６と図３や図４でＳＱＵＩＤリングのインダクタンス
Ｌsが等しいとすれば空孔の長辺の長さは等しいと考え
てよい。このとき図３や図４では、ジョゼフソン接合は
空孔の長辺の中央部に位置しているから、図６の場合と
比較するとジョゼフソン接合とＳＱＵＩＤリング端間の
長さがほぼ半分になっていると考えられる。従って（数
１）を用いれば、図３、図４に示すＳＱＵＩＤは図６の
従来のＳＱＵＩＤに比べて電流−電圧特性に生じるステ
ップの電圧Ｖｓが２倍程度になると考えられる。図１
０、図１１を見れば明らかなように、ステップ電圧が高
いほど電圧振幅ΔＶは大きくなり、ＳＱＵＩＤ入力換算
の磁束雑音Φnが小さくなって検出コイル入力換算の磁
気雑音Φn／Ａeffが低減できる。
【００１３】以上説明したように、ＳＱＵＩＤ磁束計の
ＳＱＵＩＤ及び検出コイルを、特に高温超伝導体の一層
膜を用いて一体形成する場合において、基板面の約半分
の面積を持つ検出コイルを２個用いることによって検出
コイルの磁場検出面積を向上させ、同時にＳＱＵＩＤ入
力換算の磁束雑音が低減でき、検出コイル入力換算の磁
気雑音が低減できる。
ＳＱＵＩＤ及び検出コイルを、特に高温超伝導体の一層
膜を用いて一体形成する場合において、基板面の約半分
の面積を持つ検出コイルを２個用いることによって検出
コイルの磁場検出面積を向上させ、同時にＳＱＵＩＤ入
力換算の磁束雑音が低減でき、検出コイル入力換算の磁
気雑音が低減できる。
【００１４】以下に、本発明を要約する。ＳＱＵＩＤリ
ングのジョゼフソン接合を連結する２つの超伝導線の双
方に、基板面の約半分の面積を持つ検出コイルを各々結
合し、ＳＱＵＩＤと検出コイルの形状を基板面の中心に
対して対称的な構造にする。検出コイルの実効面積は、
ＳＱＵＩＤリングのインダクタンスのうち、検出コイル
との結合に寄与する成分に比例するので、本発明の構造
によれば、ジョゼフソン接合以外のＳＱＵＩＤリングの
インダクタンスがすべて検出コイルとの結合に寄与する
ため検出コイルの磁場検出面積が増加すること、形状の
対称性のため、ＳＱＵＩＤのマイクロ波ステップの影響
が低減し、ＳＱＵＩＤの磁束−電圧変換特性が向上する
ことの２つの効果により、ＳＱＵＩＤ磁束計の検出コイ
ル入力換算の磁気雑音が低減する。
ングのジョゼフソン接合を連結する２つの超伝導線の双
方に、基板面の約半分の面積を持つ検出コイルを各々結
合し、ＳＱＵＩＤと検出コイルの形状を基板面の中心に
対して対称的な構造にする。検出コイルの実効面積は、
ＳＱＵＩＤリングのインダクタンスのうち、検出コイル
との結合に寄与する成分に比例するので、本発明の構造
によれば、ジョゼフソン接合以外のＳＱＵＩＤリングの
インダクタンスがすべて検出コイルとの結合に寄与する
ため検出コイルの磁場検出面積が増加すること、形状の
対称性のため、ＳＱＵＩＤのマイクロ波ステップの影響
が低減し、ＳＱＵＩＤの磁束−電圧変換特性が向上する
ことの２つの効果により、ＳＱＵＩＤ磁束計の検出コイ
ル入力換算の磁気雑音が低減する。
【００１５】
【発明の実施の形態】まず、本願発明の実施例の概要に
ついて以下説明する。本願発明の検出コイル一体型ＳＱ
ＵＩＤは、２つのジョゼフソン接合を２つの第１の超伝
導体で連結してなるＳＱＵＩＤリングにおいて、ジョゼ
フソン接合を連結する２つの第１の超伝導体の双方に各
々１つづつの第２の超伝導体が連結され、双方ともに第
１の超伝導体と第２の超伝導体が１つの超伝導の閉回路
をなしている。第１の超伝導体に連結する第２の超伝導
体が、２つの第１の超伝導体の双方ともに複数あり、第
２の超伝導体の各々が第１の超伝導体と超伝導の閉回路
をなしていてもよい。この第２の超伝導体が以下で述べ
る検出コイルに相当する。複数の超伝導の閉回路の少な
くとも一つに磁気的に結合可能な第３の超伝導体を有す
るか、複数の超伝導の閉回路の少なくとも一つに磁気的
に結合する第３、第４の超伝導体を有している。
ついて以下説明する。本願発明の検出コイル一体型ＳＱ
ＵＩＤは、２つのジョゼフソン接合を２つの第１の超伝
導体で連結してなるＳＱＵＩＤリングにおいて、ジョゼ
フソン接合を連結する２つの第１の超伝導体の双方に各
々１つづつの第２の超伝導体が連結され、双方ともに第
１の超伝導体と第２の超伝導体が１つの超伝導の閉回路
をなしている。第１の超伝導体に連結する第２の超伝導
体が、２つの第１の超伝導体の双方ともに複数あり、第
２の超伝導体の各々が第１の超伝導体と超伝導の閉回路
をなしていてもよい。この第２の超伝導体が以下で述べ
る検出コイルに相当する。複数の超伝導の閉回路の少な
くとも一つに磁気的に結合可能な第３の超伝導体を有す
るか、複数の超伝導の閉回路の少なくとも一つに磁気的
に結合する第３、第４の超伝導体を有している。
【００１６】ＳＱＵＩＤ及び検出コイルは一枚の基板上
に１層膜の超伝導薄膜で形成される。ＳＱＵＩＤ及び検
出コイルは、絶対温度７７ケルビンにおいて超伝導特性
を持つ高温超伝導体の膜で形成される。ＳＱＵＩＤリン
グの空孔部分は基板面の中心を含み、基板面にあって基
板面の中心を含む少なくとも一つの線に対して、基板面
内で対称な形状である。例えば、ＳＱＵＩＤ及び検出コ
イルが成膜される基板が、結晶方向の不連続面を有する
バイクリスタル基板であり、ジョゼフソン接合が結晶方
向の不連続面と基板面の交線として定義されるバイクリ
スタル線上に形成され、ＳＱＵＩＤ及び検出コイルが、
バイクリスタル線に対して基板面内で対称な形状を有し
ている。または、ＳＱＵＩＤ及び検出コイルが成膜され
る基板が、その表面に段差を有する基板であり、ジョゼ
フソン接合がこの段差上に形成され、ＳＱＵＩＤ及び検
出コイルが、段差の角として定義される段差線に対して
基板面内で対称な形状を有する。
に１層膜の超伝導薄膜で形成される。ＳＱＵＩＤ及び検
出コイルは、絶対温度７７ケルビンにおいて超伝導特性
を持つ高温超伝導体の膜で形成される。ＳＱＵＩＤリン
グの空孔部分は基板面の中心を含み、基板面にあって基
板面の中心を含む少なくとも一つの線に対して、基板面
内で対称な形状である。例えば、ＳＱＵＩＤ及び検出コ
イルが成膜される基板が、結晶方向の不連続面を有する
バイクリスタル基板であり、ジョゼフソン接合が結晶方
向の不連続面と基板面の交線として定義されるバイクリ
スタル線上に形成され、ＳＱＵＩＤ及び検出コイルが、
バイクリスタル線に対して基板面内で対称な形状を有し
ている。または、ＳＱＵＩＤ及び検出コイルが成膜され
る基板が、その表面に段差を有する基板であり、ジョゼ
フソン接合がこの段差上に形成され、ＳＱＵＩＤ及び検
出コイルが、段差の角として定義される段差線に対して
基板面内で対称な形状を有する。
【００１７】上記のＳＱＵＩＤ及び検出コイルにおい
て、上記第１の超伝導体と上記第２の超伝導体のなす複
数の超伝導の閉回路を磁場を検出する検出コイルとして
用い、公知のフラックス・ロックト・ループに接続さ
れ、フラックス・ロックト・ループの帰還磁束をＳＱＵ
ＩＤ及び検出コイルに帰還するコイルとして上記第３の
超伝導体を用いて、磁束計を構成する。さらに、上記の
ＳＱＵＩＤ及び検出コイルを少なくとも２つ有し、その
各々は上記第１の超伝導体と上記第２の超伝導体のなす
２つの超伝導の閉回路を磁場を検出する検出コイルとし
て用い、公知のフラックス・ロックト・ループに接続さ
れ、フラックス・ロックト・ループの帰還磁束をＳＱＵ
ＩＤ及び検出コイルに帰還するコイルとして上記第３の
超伝導体を用いる磁束計であって、第１の磁束計の上記
第３の超伝導体は他の磁束計の上記第４の超伝導体に直
列に結合して、差動型磁束計を構成する。この磁束計ま
たは差動型磁束計を複数個用いて、ＳＱＵＩＤ磁束計シ
ステムを構成することができる。
て、上記第１の超伝導体と上記第２の超伝導体のなす複
数の超伝導の閉回路を磁場を検出する検出コイルとして
用い、公知のフラックス・ロックト・ループに接続さ
れ、フラックス・ロックト・ループの帰還磁束をＳＱＵ
ＩＤ及び検出コイルに帰還するコイルとして上記第３の
超伝導体を用いて、磁束計を構成する。さらに、上記の
ＳＱＵＩＤ及び検出コイルを少なくとも２つ有し、その
各々は上記第１の超伝導体と上記第２の超伝導体のなす
２つの超伝導の閉回路を磁場を検出する検出コイルとし
て用い、公知のフラックス・ロックト・ループに接続さ
れ、フラックス・ロックト・ループの帰還磁束をＳＱＵ
ＩＤ及び検出コイルに帰還するコイルとして上記第３の
超伝導体を用いる磁束計であって、第１の磁束計の上記
第３の超伝導体は他の磁束計の上記第４の超伝導体に直
列に結合して、差動型磁束計を構成する。この磁束計ま
たは差動型磁束計を複数個用いて、ＳＱＵＩＤ磁束計シ
ステムを構成することができる。
【００１８】図１は本発明の実施例の等価回路を示す図
である。図１は、１枚の基板上に成膜する検出コイルと
ＳＱＵＩＤ部分を示し、図５に示す従来例の点線で囲ま
れた基板部分１０に相当する。ＳＱＵＩＤリングは２つ
のジョゼフソン接合１をつなぐ２つの超伝導体（ＳＱＵ
ＩＤリングのインダクタンス）２、２’で構成される。
超伝導体２、２’は各々インダクタンスを持つがいわゆ
るコイルの形状をしている必要はない。この超伝導線
２、２’に並列に別の超伝導体（検出コイル）３、３’
が接続される。超伝導体３、３’も各々インダクタンス
を有するが、１回巻きの超伝導線でもよく、また従来よ
く知られているワッシャ型のコイルでもよい。４、４’
は帰還コイル、７はダンピング抵抗である。
である。図１は、１枚の基板上に成膜する検出コイルと
ＳＱＵＩＤ部分を示し、図５に示す従来例の点線で囲ま
れた基板部分１０に相当する。ＳＱＵＩＤリングは２つ
のジョゼフソン接合１をつなぐ２つの超伝導体（ＳＱＵ
ＩＤリングのインダクタンス）２、２’で構成される。
超伝導体２、２’は各々インダクタンスを持つがいわゆ
るコイルの形状をしている必要はない。この超伝導線
２、２’に並列に別の超伝導体（検出コイル）３、３’
が接続される。超伝導体３、３’も各々インダクタンス
を有するが、１回巻きの超伝導線でもよく、また従来よ
く知られているワッシャ型のコイルでもよい。４、４’
は帰還コイル、７はダンピング抵抗である。
【００１９】図３、図４に、検出コイルとＳＱＵＩＤを
搭載した基板の具体的な構成例を示す。検出コイルとＳ
ＱＵＩＤを、１５ｍｍ角のＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）のバ
イクリスタル基板上に、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ＹＢＣＯ）
の１層膜で形成した。図６と同様に、図３、図４におい
て斜線部が超伝導膜の部分、残余は基板が露出した部分
である。図３（ａ）は検出コイルとＳＱＵＩＤを搭載し
た基板の全体を示す図である。丸で示すＳＱＵＩＤ部分
の占める面積は小さいため、図３（ｂ）にＳＱＵＩＤ部
（＊２）の拡大図を示す。ＳＱＵＩＤリングはホールを
持つ縦長の四辺形で表されており、バイクリスタル線５
の上で超伝導体にくびれがあり、このくびれがジョゼフ
ソン接合部であり、図３中ジョゼフソン接合の上下の超
伝導体部分が、ジョゼフソン接合を連結する２つの超伝
導体２、２’に相当する。７はダンピング抵抗であり、
Ａｕ等の金属で成膜される。ＳＱＵＩＤリングからはバ
イアス電流注入と信号電圧出力用の端子が出ており、パ
ッド６に接続される。図３に示す例では、検出コイル
３、３’は幅３００μｍの超伝導膜である。
搭載した基板の具体的な構成例を示す。検出コイルとＳ
ＱＵＩＤを、１５ｍｍ角のＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）のバ
イクリスタル基板上に、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ＹＢＣＯ）
の１層膜で形成した。図６と同様に、図３、図４におい
て斜線部が超伝導膜の部分、残余は基板が露出した部分
である。図３（ａ）は検出コイルとＳＱＵＩＤを搭載し
た基板の全体を示す図である。丸で示すＳＱＵＩＤ部分
の占める面積は小さいため、図３（ｂ）にＳＱＵＩＤ部
（＊２）の拡大図を示す。ＳＱＵＩＤリングはホールを
持つ縦長の四辺形で表されており、バイクリスタル線５
の上で超伝導体にくびれがあり、このくびれがジョゼフ
ソン接合部であり、図３中ジョゼフソン接合の上下の超
伝導体部分が、ジョゼフソン接合を連結する２つの超伝
導体２、２’に相当する。７はダンピング抵抗であり、
Ａｕ等の金属で成膜される。ＳＱＵＩＤリングからはバ
イアス電流注入と信号電圧出力用の端子が出ており、パ
ッド６に接続される。図３に示す例では、検出コイル
３、３’は幅３００μｍの超伝導膜である。
【００２０】検出コイル３、３’の外側には、帰還磁束
等を与える帰還コイル４、４’が設けられている。帰還
コイル４、４’も幅３００μｍの超伝導膜である。この
検出コイル３、３’とＳＱＵＩＤは基板１０の中心に対
して対称形をなしており、形状の非対称のために磁束−
電圧変換特性が歪むことがなく、また、図６（ａ）と比
較してわかるように、検出コイル３、３’が基板１０の
ほぼ全面を占め、実効面積が大きくとれる。
等を与える帰還コイル４、４’が設けられている。帰還
コイル４、４’も幅３００μｍの超伝導膜である。この
検出コイル３、３’とＳＱＵＩＤは基板１０の中心に対
して対称形をなしており、形状の非対称のために磁束−
電圧変換特性が歪むことがなく、また、図６（ａ）と比
較してわかるように、検出コイル３、３’が基板１０の
ほぼ全面を占め、実効面積が大きくとれる。
【００２１】図４では、検出コイル３、３’の形状が図
３と異なっているが、等価回路は同じく図１で表され
る。検出コイル３、３’が、中央に２．５ｍｍｘ５ｍｍ
のホールを持ついわゆるワッシャリング型をしている。
このワッシャリング型の形状では、検出コイル３、３’
の実効面積Ａpが、図３と比較して小さくなるが、一方
検出コイル３、３’のインダクタンスＬpは、図３の形
状に比べて小さくなることを利用して、検出コイルの磁
場検出面積Ａp（Ｌc／Ｌp）を確保する構成である。図
４（ａ）は検出コイルとＳＱＵＩＤを搭載した基板の全
体を示す図である。丸で示すＳＱＵＩＤ部分の占める面
積は小さいため、図４（ｂ）にＳＱＵＩＤ部（＊３）の
拡大図を示す。以上、材質や数値を具体的に明示して例
を述べたが、材質や数値は一例であり、異なっていても
本発明の効果は得られる。
３と異なっているが、等価回路は同じく図１で表され
る。検出コイル３、３’が、中央に２．５ｍｍｘ５ｍｍ
のホールを持ついわゆるワッシャリング型をしている。
このワッシャリング型の形状では、検出コイル３、３’
の実効面積Ａpが、図３と比較して小さくなるが、一方
検出コイル３、３’のインダクタンスＬpは、図３の形
状に比べて小さくなることを利用して、検出コイルの磁
場検出面積Ａp（Ｌc／Ｌp）を確保する構成である。図
４（ａ）は検出コイルとＳＱＵＩＤを搭載した基板の全
体を示す図である。丸で示すＳＱＵＩＤ部分の占める面
積は小さいため、図４（ｂ）にＳＱＵＩＤ部（＊３）の
拡大図を示す。以上、材質や数値を具体的に明示して例
を述べたが、材質や数値は一例であり、異なっていても
本発明の効果は得られる。
【００２２】次に、検出コイルとＳＱＵＩＤを一体化し
た従来の構成で本発明と類似するものが知られているの
で、これらと比較してその差異を明らかにする。図７は
従来の技術で述べた第２例の等価回路図である。一枚の
基板１０の上に搭載された複数の検出コイル３が並列に
ＳＱＵＩＤに接続されている。この構成はＳＱＵＩＤリ
ングそのもので直接磁場を計測するものであり、この例
ではＳＱＵＩＤリングを構成する超伝導体２と検出コイ
ル３は形状やインダクタンスの上で全く同じものと考え
てよい。ＳＱＵＩＤリングのインダクタンスをできるだ
け低減するため、複数の検出コイル３を並列にＳＱＵＩ
Ｄに接続した構造をもつ。図１と図７の比較から明らか
なように、図１では超伝導体（ＳＱＵＩＤリングのイン
ダクタンス）２、２’に並列に接続される検出コイル
３、３’が各々１つであるのに対して、図７では超伝導
体２（図１の超伝導体２’に対応する）に並列に接続さ
れる検出コイル３が複数であり、下部の超伝導体２’
（図１の超伝導体２に対応する）には、別の超伝導体が
接続されていない点が本発明と異なる。図８はＩＥＥＥ
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕ
ｃｔｉｖｉｔｙ、第５巻、第２号、３１０９−３１１２
頁に記載された従来例の等価回路図である。この例で
は、並列に接続された２つの検出コイル３、３’がジョ
ゼフソン接合１をつなぐ超伝導体の一方（２）のみに接
続される。この例は２つの検出コイル３、３’が空間的
な差分磁場を検出する構成である。図１と図８の比較か
ら明らかなように、この例でもジョゼフソン接合１をつ
なぐ超伝導体のうち一方の２のみに検出コイル３、３’
が接続されており、超伝導体の他方２’には検出コイル
が接続されていない点が本発明と異なる。
た従来の構成で本発明と類似するものが知られているの
で、これらと比較してその差異を明らかにする。図７は
従来の技術で述べた第２例の等価回路図である。一枚の
基板１０の上に搭載された複数の検出コイル３が並列に
ＳＱＵＩＤに接続されている。この構成はＳＱＵＩＤリ
ングそのもので直接磁場を計測するものであり、この例
ではＳＱＵＩＤリングを構成する超伝導体２と検出コイ
ル３は形状やインダクタンスの上で全く同じものと考え
てよい。ＳＱＵＩＤリングのインダクタンスをできるだ
け低減するため、複数の検出コイル３を並列にＳＱＵＩ
Ｄに接続した構造をもつ。図１と図７の比較から明らか
なように、図１では超伝導体（ＳＱＵＩＤリングのイン
ダクタンス）２、２’に並列に接続される検出コイル
３、３’が各々１つであるのに対して、図７では超伝導
体２（図１の超伝導体２’に対応する）に並列に接続さ
れる検出コイル３が複数であり、下部の超伝導体２’
（図１の超伝導体２に対応する）には、別の超伝導体が
接続されていない点が本発明と異なる。図８はＩＥＥＥ
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕ
ｃｔｉｖｉｔｙ、第５巻、第２号、３１０９−３１１２
頁に記載された従来例の等価回路図である。この例で
は、並列に接続された２つの検出コイル３、３’がジョ
ゼフソン接合１をつなぐ超伝導体の一方（２）のみに接
続される。この例は２つの検出コイル３、３’が空間的
な差分磁場を検出する構成である。図１と図８の比較か
ら明らかなように、この例でもジョゼフソン接合１をつ
なぐ超伝導体のうち一方の２のみに検出コイル３、３’
が接続されており、超伝導体の他方２’には検出コイル
が接続されていない点が本発明と異なる。
【００２３】次ぎに、Ｄｉｒｅｃｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ
型の高温超電導体ＳＱＵＩＤ磁束計の具体的な構造と実
験結果について説明する。図１２に示すように、基板を
等分割する２個の検出コイルを持つ構造では、ジョゼフ
ソン接合１の部分を除く全てのＳＱＵＩＤインダクタン
スＬcが、検出コイル３、３’との結合に寄与するた
め、磁場の検出面積を大きくすることができ、さらにＳ
ＱＵＩＤと検出コイル３、３’をバイクリスタル線５に
対して対称的に配置できる。図１２（ａ）、（ｂ）に示
す構造の検出コイル３、３’について、検出コイルの外
寸を９ｍｍ角として、内寸をａ（ｍｍ）を変化させたモ
デルを製作して、検出コイルのインダクタンスＬpを実
測した。本モデルはガラスエポキシ樹脂の基板の上にＮ
ｉとＡｕからなる２層膜を成膜して製作した。ガラスエ
ポキシ樹脂基板、２層膜はそれぞれ、実際のＳＱＵＩＤ
磁束計においては、ＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）のバイクリ
スタル基板、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ＹＢＣＯ）の超伝導膜
に相当する。図１３は、このＬpの実測値を用いて、検
出コイルの実効面積ＡpとＬpの比（Ａp／Ｌp）を内寸ａ
（ｍｍ）に対してプロットした結果である。図１３にお
いて、（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１２（ａ）、図１
２（ｂ）に示す構造のモデルから得た結果である。比
（Ａp／Ｌp）は、図１２（ａ）に示す構造が図１２
（ｂ）に示す構造よりも大きく、さらに、図１２（ａ）
に示す構造において、検出コイルの外寸が９ｍｍ角の場
合、（Ａp／Ｌp）は内寸ａ＝２ｍｍ〜５ｍｍの範囲で同
じオーダの値が得られたが、内寸ａ＝３ｍｍがより最適
であることが判明した。
型の高温超電導体ＳＱＵＩＤ磁束計の具体的な構造と実
験結果について説明する。図１２に示すように、基板を
等分割する２個の検出コイルを持つ構造では、ジョゼフ
ソン接合１の部分を除く全てのＳＱＵＩＤインダクタン
スＬcが、検出コイル３、３’との結合に寄与するた
め、磁場の検出面積を大きくすることができ、さらにＳ
ＱＵＩＤと検出コイル３、３’をバイクリスタル線５に
対して対称的に配置できる。図１２（ａ）、（ｂ）に示
す構造の検出コイル３、３’について、検出コイルの外
寸を９ｍｍ角として、内寸をａ（ｍｍ）を変化させたモ
デルを製作して、検出コイルのインダクタンスＬpを実
測した。本モデルはガラスエポキシ樹脂の基板の上にＮ
ｉとＡｕからなる２層膜を成膜して製作した。ガラスエ
ポキシ樹脂基板、２層膜はそれぞれ、実際のＳＱＵＩＤ
磁束計においては、ＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）のバイクリ
スタル基板、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏy（ＹＢＣＯ）の超伝導膜
に相当する。図１３は、このＬpの実測値を用いて、検
出コイルの実効面積ＡpとＬpの比（Ａp／Ｌp）を内寸ａ
（ｍｍ）に対してプロットした結果である。図１３にお
いて、（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１２（ａ）、図１
２（ｂ）に示す構造のモデルから得た結果である。比
（Ａp／Ｌp）は、図１２（ａ）に示す構造が図１２
（ｂ）に示す構造よりも大きく、さらに、図１２（ａ）
に示す構造において、検出コイルの外寸が９ｍｍ角の場
合、（Ａp／Ｌp）は内寸ａ＝２ｍｍ〜５ｍｍの範囲で同
じオーダの値が得られたが、内寸ａ＝３ｍｍがより最適
であることが判明した。
【００２４】本発明の別の実施例を図２に示す。この構
成では、図７に示す構成と同様に、検出コイル３、３’
を各々複数個（図２では各々３個）並列にＳＱＵＩＤに
接続したもので、図７に示す実施例と同様に、検出コイ
ル３、３’のインダクタンスＬpが低減し、Ａp（Ｌc／
Ｌp）で表される検出コイルの磁場検出面積Ａeffが向上
する効果がある。
成では、図７に示す構成と同様に、検出コイル３、３’
を各々複数個（図２では各々３個）並列にＳＱＵＩＤに
接続したもので、図７に示す実施例と同様に、検出コイ
ル３、３’のインダクタンスＬpが低減し、Ａp（Ｌc／
Ｌp）で表される検出コイルの磁場検出面積Ａeffが向上
する効果がある。
【００２５】図９に、本発明をＲｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓ
ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ、第６５
巻、第１２号、３８１４−３８１９頁に記載の磁束計に
適用した差動型磁束計の実施例を示す。雑音検出用磁束
計１００と信号検出用磁束計２００において、検出コイ
ル３、３’とＳＱＵＩＤを一体形成した基板１０、１
０’を平行に配置し、信号検出用磁束計２００の基板１
０’を計測対象、例えば人間の頭蓋に接近して配置す
る。雑音検出用磁束計１００の帰還電流を、帰還コイル
４と同時に信号検出用磁束計２００のコイル４’にも与
えることにより、信号検出用磁束計２００の検出コイル
３’にも帰還磁束が導入され、信号検出用磁束計２００
の雑音磁場を消去する構成である。従来よく知られた微
分コイルを用いた場合と同様に環境雑音が低減してＳ／
Ｎが向上した信号が、信号検出用磁束計２００の出力と
して得られる。
ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ、第６５
巻、第１２号、３８１４−３８１９頁に記載の磁束計に
適用した差動型磁束計の実施例を示す。雑音検出用磁束
計１００と信号検出用磁束計２００において、検出コイ
ル３、３’とＳＱＵＩＤを一体形成した基板１０、１
０’を平行に配置し、信号検出用磁束計２００の基板１
０’を計測対象、例えば人間の頭蓋に接近して配置す
る。雑音検出用磁束計１００の帰還電流を、帰還コイル
４と同時に信号検出用磁束計２００のコイル４’にも与
えることにより、信号検出用磁束計２００の検出コイル
３’にも帰還磁束が導入され、信号検出用磁束計２００
の雑音磁場を消去する構成である。従来よく知られた微
分コイルを用いた場合と同様に環境雑音が低減してＳ／
Ｎが向上した信号が、信号検出用磁束計２００の出力と
して得られる。
【００２６】信号検出用磁束計２００には通常の帰還コ
イル４のほか、雑音検出用磁束計１００の帰還磁束を導
入するコイル４’が必要になるが、図３、図４に示した
基板の構成では帰還コイル４、４’に相当するコイルが
２つついており、図３、図４に示した基板の構成を、信
号検出用磁束計２００用としてそのまま用いることがで
きる。一般に高温超伝導を用いたＳＱＵＩＤ磁束計で
は、超伝導接続の困難から検出磁場方向の空間微分をと
る、いわゆる軸型グラジオメータを構成するのが困難で
ある。図９に示す構成を用いれば、超伝導接続をするこ
となく高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁束計で軸型グラジオメー
タを容易に構成できる。
イル４のほか、雑音検出用磁束計１００の帰還磁束を導
入するコイル４’が必要になるが、図３、図４に示した
基板の構成では帰還コイル４、４’に相当するコイルが
２つついており、図３、図４に示した基板の構成を、信
号検出用磁束計２００用としてそのまま用いることがで
きる。一般に高温超伝導を用いたＳＱＵＩＤ磁束計で
は、超伝導接続の困難から検出磁場方向の空間微分をと
る、いわゆる軸型グラジオメータを構成するのが困難で
ある。図９に示す構成を用いれば、超伝導接続をするこ
となく高温超伝導ＳＱＵＩＤ磁束計で軸型グラジオメー
タを容易に構成できる。
【００２７】生体磁場計測装置では、心臓の刺激伝導系
や脳神経の活動位置を推定するため、体表面上に磁束計
を数十個配置する構成をとるが、以上説明した磁束計や
差動型磁束計を複数個用いることにより、従来技術に比
べて感度の高い、即ち検出コイル入力換算磁気雑音の低
い生体磁場計測装置が実現できる。
や脳神経の活動位置を推定するため、体表面上に磁束計
を数十個配置する構成をとるが、以上説明した磁束計や
差動型磁束計を複数個用いることにより、従来技術に比
べて感度の高い、即ち検出コイル入力換算磁気雑音の低
い生体磁場計測装置が実現できる。
【００２８】
【発明の効果】ＳＱＵＩＤ磁束計のＳＱＵＩＤ及び検出
コイルを、同一基板上の高温超伝導体の一層膜を用いて
一体形成するとき、基板面の約半分の面積を持つ検出コ
イルを２個用いて、検出コイルの磁場検出面積を向上さ
せ、ＳＱＵＩＤ磁束計の感度を向上する（ここで感度の
向上とは検出コイル入力換算の磁気雑音の低減を意味す
る）。
コイルを、同一基板上の高温超伝導体の一層膜を用いて
一体形成するとき、基板面の約半分の面積を持つ検出コ
イルを２個用いて、検出コイルの磁場検出面積を向上さ
せ、ＳＱＵＩＤ磁束計の感度を向上する（ここで感度の
向上とは検出コイル入力換算の磁気雑音の低減を意味す
る）。
【図１】本発明の実施例の等価回路を示す図。
【図２】本発明の他の実施例の等価回路を示す図。
【図３】本発明の基板の構成例を示す図（ａ）、その一
部の詳細図（ｂ）。
部の詳細図（ｂ）。
【図４】本発明の基板の構成例を示す図（ａ）、その一
部の詳細図（ｂ）。
部の詳細図（ｂ）。
【図５】従来例の等価回路を示す図。
【図６】従来例の基板の構成例を示す図（ａ）、その一
部の詳細図（ｂ）。
部の詳細図（ｂ）。
【図７】従来例の等価回路を示す図。
【図８】従来例の等価回路を示す図。
【図９】本発明の差動型磁束計の等価回路の例を示す
図。
図。
【図１０】ＳＱＵＩＤの動作を説明する図。
【図１１】ＳＱＵＩＤの動作を説明する図。
【図１２】本発明の実施例の基板を等分割する２個の検
出コイルを持つ構造のＤｉｒｅｃｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ
型の高温超電導体ＳＱＵＩＤ磁束計の構造（ａ）、
（ｂ）を示す図。
出コイルを持つ構造のＤｉｒｅｃｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ
型の高温超電導体ＳＱＵＩＤ磁束計の構造（ａ）、
（ｂ）を示す図。
【図１３】図１２に示す構造を持つＳＱＵＩＤ磁束計の
特性を示す図。
特性を示す図。
１…ジョゼフソン接合、２、２’…ＳＱＵＩＤリングの
インダクタンス、３、３’…検出コイル、４、４’…帰
還コイル、５…バイクリスタル線、６…ボンディングパ
ッド、７…ダンピング抵抗、１０、１０’…基板、２０
…増幅器、３０…フラックス・ロックト・ループ回路、
４０…バイアス電流源、１００…雑音検出用磁束計、２
００…信号検出用磁束計。
インダクタンス、３、３’…検出コイル、４、４’…帰
還コイル、５…バイクリスタル線、６…ボンディングパ
ッド、７…ダンピング抵抗、１０、１０’…基板、２０
…増幅器、３０…フラックス・ロックト・ループ回路、
４０…バイアス電流源、１００…雑音検出用磁束計、２
００…信号検出用磁束計。
─────────────────────────────────────────────────────
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(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01R 33/02 - 33/10
H01L 39/22 ZAA
Claims (19)
- 【請求項１】２つのジョゼフソン接合を第１及び第２の
超伝導体で連結して構成されるＳＱＵＩＤリングと、磁
場を検出する検出コイルとを有し、前記検出コイルが、
前記第１の超伝導体に並列に接続される第３の超伝導
体、及び、前記第２の超伝導体に並列に接続される第４
の超伝導体により構成されることを特徴とする検出コイ
ル一体型ＳＱＵＩＤ。 - 【請求項２】請求項１に記載の検出コイル一体型ＳＱＵ
ＩＤにおいて、前記第１の超伝導体に並列に接続される
前記第３の超伝導体を複数有し、前記第２の超伝導体に
並列に接続される前記第４の超伝導体を複数有すること
を特徴とする検出コイル一体型ＳＱＵＩＤ。 - 【請求項３】２つのジョゼフソン接合を第１及び第２の
超伝導体で連結して構成されるＳＱＵＩＤリングと、磁
場を検出する検出コイルとを有し、前記検出コイルが、
前記第１の超伝導体に並列に接続される第３の超伝導
体、及び、前記第２の超伝導体に並列に接続される第４
の超伝導体により構成され、前記第３の超伝導体の外側
に設けられる第１の帰還コイルと、前記第４の超伝導体
の外側に設けられる第２の帰還コイルとを有することを
特徴とする検出コイル一体型ＳＱＵＩＤ。 - 【請求項４】２つのジョゼフソン接合を第１及び第２の
超伝導体で連結して構成されるＳＱＵＩＤリングと、磁
場を検出する検出コイルとを有し、前記検出コイルが、
前記第１の超伝導体に並列に接続される第３の超伝導
体、及び、前記第２の超伝導体に並列に接続される第４
の超伝導体により構成され、前記第３の超伝導体の外側
に設けられる第１の帰還コイルと、前記第４の超伝導体
の外側に設けられる第２の帰還コイルとを有し、前記第
３及び第４の超伝導体が１回巻きの超伝導線又はワッシ
ャ型のコイルであることを特徴とする検出コイル一体型
ＳＱＵＩＤ。 - 【請求項５】２つのジョゼフソン接合を第１及び第２の
超伝導体で連結して構成されるＳＱＵＩＤリングと、磁
場を検出する検出コイルとを有し、前記検出コイルが、
前記第１の超伝導体に並列に接続される第３の超伝導
体、及び、前記第２の超伝導体に並列に接続される第４
の超伝導体により構成され、ＳＱＵＩＤ及び前記検出コ
イルが、一枚の基板上に超伝導の薄膜で形成されること
を特徴とする検出コイル一体型ＳＱＵＩＤ。 - 【請求項６】請求項５に記載の検出コイル一体型ＳＱＵ
ＩＤにおいて、前記超伝導の薄膜が１層膜であることを
特徴とする検出コイル一体型ＳＱＵＩＤ。 - 【請求項７】請求項５に記載の検出コイル一体型ＳＱＵ
ＩＤにおいて、ＳＱＵＩＤ、前記第３及び第４の超伝導
体が、絶対温度７７ケルビンにおいて超伝導特性を持つ
高温超伝導体の膜で形成されることを特徴とする検出コ
イル一体型ＳＱＵＩＤ。 - 【請求項８】請求項５項に記載の検出コイル一体型ＳＱ
ＵＩＤにおいて、前記ＳＱＵＩＤリングの空孔部分が前
記基板面の中心を含み、前記基板面の中心を含む前記基
板面の一つの線に対して、前記基板面内で対称な形状を
有することを特徴とする検出コイル一体型ＳＱＵＩＤ。 - 【請求項９】請求項５項に記載の検出コイル一体型ＳＱ
ＵＩＤにおいて、前記ＳＱＵＩＤリングの空孔部分が前
記基板面の中心を含み、前記基板面の中心に対して前記
基板面内で対称な形状を有することを特徴とする検出コ
イル一体型ＳＱＵＩＤ。 - 【請求項１０】請求項５項に記載の検出コイル一体型Ｓ
ＱＵＩＤにおいて、前記基板が結晶方向の不連続面を有
するバイクリスタル基板であり、前記ジョゼフソン接合
が、前記結晶方向の不連続面と前記基板面の交線である
バイクリスタル線上に形成されることを特徴とする検出
コイル一体型ＳＱＵＩＤ。 - 【請求項１１】請求項５項に記載の検出コイル一体型Ｓ
ＱＵＩＤにおいて、前記基板がその表面に段差を有する
基板であり、前記ジョゼフソン接合が前記段差上に形成
されることを特徴とする検出コイル一体型ＳＱＵＩＤ。 - 【請求項１２】請求項５項に記載の検出コイル一体型Ｓ
ＱＵＩＤにおいて、前記基板が結晶方向の不連続面を有
するバイクリスタル基板であり、前記ジョゼフソン接合
が、前記結晶方向の不連続面と前記基板面の交線である
バイクリスタル線上に形成され、前記バイクリスタル線
に対して前記基板面内で対称な形状を有することを特徴
とする検出コイル一体型ＳＱＵＩＤ。 - 【請求項１３】請求項５項に記載の検出コイル一体型Ｓ
ＱＵＩＤにおいて、前記基板がその表面に段差を有する
基板であり、前記ジョゼフソン接合が前記段差上に形成
され、前記段差の角として定義される段差線に対して前
記基板面内で対称な形状を有することを特徴とする検出
コイル一体型ＳＱＵＩＤ。 - 【請求項１４】２つのジョゼフソン接合を第１及び第２
の超伝導体で連結して構成されるＳＱＵＩＤリングと、
磁場を検出する検出コイルとを有し、前記検出コイル
が、前記第１の超伝導体に並列に接続される第３の超伝
導体、及び、前記第２の超伝導体に並列に接続される第
４の超伝導体により構成され、フラックス・ロックト・
ループに接続され、前記フラックス・ロックト・ループ
の帰還磁束をＳＱＵＩＤ及び前記検出コイルに帰還する
帰還コイルとを有することを特徴とする磁束計。 - 【請求項１５】２つのジョゼフソン接合を第１及び第２
の超伝導体で連結して構成されるＳＱＵＩＤリングと、
磁場を検出する検出コイルとを有し、前記検出コイル
が、前記第１の超伝導体に並列に接続される１つの第３
の超伝導体、及び、前記第２の超伝導体に並列に接続さ
れる１つの第４の超伝導体により構成され、フラックス
・ロックト・ループに接続され前記フラックス・ロック
ト・ループの帰還磁束をＳＱＵＩＤ及び前記検出コイル
に帰還する帰還コイルとを具備する検出コイル一体型Ｓ
ＱＵＩＤから構成される雑音検出用磁束計及び信号検出
用磁束計を有し、前記信号検出用磁束計は前記雑音検出
用磁束計の帰還磁束が導入される導入コイルを有し、前
記雑音検出用磁束計の前記帰還コイルは前記信号検出用
磁束計の前記導入コイルに直列に結合していることを特
徴とする差動型磁束計。 - 【請求項１６】２つのジョゼフソン接合を第１及び第２
の超伝導体で連結して構成されるＳＱＵＩＤリングと、
磁場を検出する検出コイルとを有し、前記検出コイル
が、前記第１の超伝導体に並列に接続される第３の超伝
導体、及び、前記第２の超伝導体に並列に接続される第
４の超伝導体により構成され、フラックス・ロックト・
ループに接続され、前記フラックス・ロックト・ループ
の帰還磁束をＳＱＵＩＤ及び前記検出コイルに帰還する
帰還コイルとを有する磁束計を複数個用いることを特徴
とするＳＱＵＩＤ磁束計システム。 - 【請求項１７】２つのジョゼフソン接合を第１及び第２
の超伝導体で連結して構成されるＳＱＵＩＤリングと、
磁場を検出する検出コイルとを有し、前記検出コイル
が、前記第１の超伝導体に並列に接続される１つの第３
の超伝導体、及び、前記第２の超伝導体に並列に接続さ
れる１つの第４の超伝導体により構成され、フラックス
・ロックト・ループに接続され前記フラックス・ロック
ト・ループの帰還磁束をＳＱＵＩＤ及び前記検出コイル
に帰還する帰還コイルとを具備する検出コイル一体型Ｓ
ＱＵＩＤから構成される雑音検出用磁束計及び信号検出
用磁束計を有し、前記信号検出用磁束計は前記雑音検出
用磁束計の帰還磁束が導入される導入コイルを有し、前
記雑音検出用磁束計の前記帰還コイルは前記信号検出用
磁束計の前記導入コイルに直列に結合している差動型磁
束計を複数個用いることを特徴とするＳＱＵＩＤ磁束計
システム。 - 【請求項１８】２つのジョゼフソン接合を第１及び第２
の超伝導体で連結して構成されるＳＱＵＩＤリングと、
磁場を検出する検出コイルとを有し、前記検出コイル
が、前記第１の超伝導体に並列に接続される第３の超伝
導体、及び、前記第２の超伝導体に並列に接続される第
４の超伝導体により構成され、前記第３及び第４の超伝
導体は基板面の約半分の面積をもち、前記ＳＱＵＩＤリ
ングと前記検出コイルは前記２つのジョゼフソン接合を
結ぶ線に対して対称な形状を有することを特徴とする検
出コイル一体型ＳＱＵＩＤ。 - 【請求項１９】２つのジョゼフソン接合を第１及び第２
の超伝導体で連結して構成されるＳＱＵＩＤリングと、
磁場を検出する検出コイルとを有し、前記検出コイル
が、前記第１の超伝導体に並列に接続される第３の超伝
導体、及び、前記第２の超伝導体に並列に接続される第
４の超伝導体により構成され、前記第３及び第４の超伝
導体は基板面の約半分の面積をもち、ＳＱＵＩＤと前記
検出コイルの形状を前記基板面の中心に対して対称な構
造とすることを特徴とする検出コイル一体型ＳＱＵＩ
Ｄ。
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