JP4635199B2 - 平面薄膜型ｓｑｕｉｄ微分型磁束センサ及びそれを用いた非破壊検査用装置 - Google Patents

Description

本発明は、平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサ及びそれを用いた非破壊検査用装置に関するものである。

従来、このような分野の技術として、本願発明者らが、ＳＱＵＩＤ磁束センサを用いた抗原抗体反応装置を提案している（下記特許文献１，２参照）。

ところで、測定対象を励磁するために強い磁場を印加し、その磁場中で行うＳＱＵＩＤ磁気センサを用いた磁気計測技術において、従来から用いられている一般的な平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを用いる場合、その検出原理上、センサのコイル微分方向に対して印加磁場は垂直に印加しなければならない。しかしながら、従来のセンサでは磁場印加方向が必然的にＳＱＵＩＤのジョセフソン接合に流れるバイアス電流の向きと垂直になり、接合に流れる電流にローレンツ力が作用し、磁束ノイズが増大するという不都合があった。大きな磁場を印加したほうが大きな検出信号を得ることができ都合がよいが、磁場増加に伴いこの磁束ノイズが増大するため、大きな磁場を印加することができず、ＳＱＵＩＤ磁気センサの高感度能力を十分に活かすことができていなかった。
特開２００１−１３３４５８号公報 特開２００４−０６１１４４号公報

上記したように、従来型の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを用いる場合、ジョセフソン接合を流れるバイアス電流の向きに対して印加磁場方向が垂直となり、電流にローレンツ力が働く。このローレンツ力によりジョセフソン接合で磁束トラップが生じやすくなり、磁束ノイズ増大の原因となる。このため、印加可能な励磁磁場強度に限界があり、信号・雑音比を向上することが困難であった。

図５はかかる従来型の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを示す模式図であり、図５（ａ）はその全体図、図５（ｂ）はＳＱＵＩＤリング部〔図５（ａ）のＡ部〕の拡大図である。なお、図５（ａ）は３個のＳＱＵＩＤリングを並列に設置したパターンを示しているが、ＳＱＵＩＤを複数個設けたのは歩留まりを増加させるためであり、３個であることに重要な意味はない。実際にＳＱＵＩＤを動作させる場合、そのうちの一つのみを使用する。図５（ｂ）では、３個のＳＱＵＩＤリングのうちの一つを例として示している。

これらの図に示すように、従来型の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサでは、太い二つの矩形コイルからなる微分型磁束検出コイル１０１に対して同量の印加磁界１０７が鎖交するように、図の左から右（もしくは右から左）方向へ印加磁界（印加磁場）１０７を印加する必要がある。この場合、ＳＱＵＩＤリング部Ａのジョセフソン接合部１０５に流れるバイアス電流Ｉ_B と、印加した印加磁界１０７の方向が垂直となるため電流Ｉ_B に対してローレンツ力が働く。このため、印加磁界１０７の強度を増大していくと、ＳＱＵＩＤリング１０２に存在するジョセフソン接合部１０５で磁束のトラップが発生しやすい構造となっている。このため、磁場強度の増大に従い、磁束ノイズも増加してしまう。なお、図５において、１０６はグレインバウンダリーである。

このような、現在最も一般的な構造を有する平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを作製し、バイアス電流Ｉ_B の向きに対して垂直方向に印加した印加磁界強度を増大させていった場合、磁場強度が約２５μＴでＳＱＵＩＤリングが磁束トラップを生じ、磁束ノイズが急激に増加するといった問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、ジョセフソン接合での磁束トラップが発生しにくい特殊な構造を有する平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサ及びそれを用いた非破壊検査用装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサにおいて、磁界微分を計測する一次以上の微分型磁束検出コイルを有する平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサにおいて、励磁磁場の方向と、ＳＱＵＩＤリング中のジョセフソン接合部に流れるバイアス電流の方向が平行になるようにＳＱＵＩＤリング部と磁束検出コイルを直接結合させることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサにおいて、前記バイアス電流を供給するリード線薄膜パターンの、中央部リード線薄膜パターンの方向を励磁磁場の方向と一致させるように配線することを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを用いた非破壊検査用装置において、前記励磁磁場を印加する逆向きの極性を持つ２個の電磁石を具備することを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを用いた非破壊検査用装置において、前記検出対象物が板状の検出対象物であり、前記励磁磁場を印加する二対の逆向きの極性を持つ４個の電磁石を具備することを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを用いた非破壊検査用装置において、前記励磁磁場を印加する逆向きの極性を持つ２個のソレノイドコイルを具備することを特徴とする。

本発明の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを用いることにより、数ｐＴ程度の極微弱磁場計測を必要とする非破壊検査、食品中異物検出装置、バイオ活動計測などにおいて、計測する印加磁場強度を従来の約１０倍以上に増大できることが見込まれる。また、本発明によれば、従来技術を大きく上回る高い信号・雑音比を得ることが可能となる。したがって、上記技術の高度化、実用化が促進されるだけでなく、これまで計測ができなかった微小な対象からの磁気信号が計測可能となり、微小磁気計測応用分野のさらなる開拓が期待できる。

本発明は、平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサにおいて、印加磁界の方向と、ＳＱＵＩＤリング中のジョセフソン接合部に流れるバイアス電流の方向が平行になるようにＳＱＵＩＤリング部と磁束検出コイルを直接結合させた特殊な構造とする。これにより、ＳＱＵＩＤリングでの磁束トラップ発生が抑制され、ＳＱＵＩＤに対して強い磁場の印加が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサの模式図であり、図１（ａ）はその全体図、図１（ｂ）はＳＱＵＩＤリング部〔図１（ａ）のＢ部〕の拡大図である。

これらの図に示すように、１は微分型磁束検出コイル、２はＳＱＵＩＤリング、３はジョセフソン接合部へバイアス電流Ｉ_B を供給するための垂直方向に延びる上部リード線薄膜パターン、４はその上部リード線薄膜パターン３に接続され、水平方向へ延びる中央部リード線薄膜パターン、５はその中央部リード線薄膜パターン４に接続され、垂直方向に延びる下部リード線薄膜パターン、６はジョセフソン接合部、７はグレインバウンダリー、８は中央部リード線薄膜パターン４と平行な方向に印加される印加磁界（印加磁場）である。

このように、本発明のＳＱＵＩＤリング２のジョセフソン接合部６に流れるバイアス電流Ｉ_B と、外部から印加した印加磁界（印加磁場）８の向きが平行となる構造となるようにした。このため、印加磁界８に対するローレンツ力がゼロとなる。この構造により、励磁磁場の強度を増大しても、ジョセフソン接合部で磁束トラップが発生しにくく、磁束ノイズの増加無しに検出信号を増大できる。

このように、特殊な構造を有する図１に示すような平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを作製し、上記と同じ設定で印加磁場８を増大させていった場合、印加磁場強度が約２５０μＴになっても磁束ノイズの増加は見られなかった。

このように、微分型ＳＱＵＩＤにおいて、印加磁場８の方向と、ＳＱＵＩＤリング中のジョセフソン接合部６に流れるバイアス電流の方向が平行になるようにＳＱＵＩＤリング２と微分型磁束検出コイル１を直接接合させると、磁場と電流の間に働くローレンツ力がゼロとなる。このため、感度に何ら影響を与えることなく、強い磁場中でもＳＱＵＩＤリング２での磁束トラップ発生を抑制することができ、結果的に磁束ノイズの増大を抑制することができる。これにより、印加する励磁磁場強度を従来の一桁以上増大させることができる。この結果、励磁信号強度が増加して、微小磁場計測において高い信号・雑音比を達成することができる。

図２は上記した本発明の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサとこの微分磁束センサの微分方向と垂直な方向から励磁磁場を印加することができる励磁用磁場印加機構を備えたＳＱＵＩＤ非破壊検査用装置を示す図である。

この図において、１０は上記した本発明の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサ、１１，１２は電磁石、１３は検出対象物、１４はクライオスタット（低温冷媒保持容器）、１５は励磁磁場、１６はバイアス電流Ｉ_B である。

この図に示すように、ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサ１０の下にある検出対象物１３を励磁するために、逆向きの極性をもつ２個の電磁石１１，１２を用いて、平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサ１０のコイル微分方向に対して垂直に磁場を印加するように設置している、この場合、本発明の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサ１０を用いると、励磁磁場１５の方向と、ジョセフソン接合部を流れるバイアス電流Ｉ_B の方向が平行となり、強い強度の磁場を印加して、大きな検査信号を得ることができる。

図３は図２と同じ原理で４個の電磁石を用いて、板状の検査対象物の傷検出に適用したＳＱＵＩＤ非破壊検査用装置を示す図である。

この図において、１０は上記した本発明の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサ、２１，２２；２３，２４は電磁石、２５は板状の検査対象物、２６はその板状の検査対象物２５の欠陥部、２７はクライオスタット（低温冷媒保持容器）、２８は励磁磁場、２９はバイアス電流Ｉ_B である。

この図に示すように、本発明の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサ１０を用いて板状の検査対象物２５の傷（欠陥部２６の有無）の検査を行うことができる。

図４は図２と同じ原理で電磁石に代えて、ソレノイドコイル２個を用いた場合のＳＱＵＩＤ非破壊検査用装置を示す図である。

この図において、１０は上記した本発明の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサ、３１，３２は励磁用ソレノイドコイル、３３は検出対象物、３４はクライオスタット（低温冷媒保持容器）、３５は励磁磁場、３６はバイアス電流Ｉ_B である。

このように、２個の対向する励磁用ソレノイドコイル３１，３２を配置して、簡便に検出対象物３３の非破壊検査を行うことができる。

上記したように、微分型ＳＱＵＩＤにおいて、励磁用磁場の方向と、ＳＱＵＩＤリング中のジョセフソン接合部に流れるバイアス電流の方向が平行になるようにＳＱＵＩＤリング部と磁束検出コイルを直接結合させると、磁場と電流の間に働くローレンツ力がゼロとなる。このため、感度になんら影響を与えることなく、強い磁場中でもＳＱＵＩＤリング部での磁束トラップ発生を抑制することができ、結果的に磁束ノイズの増大を抑制することができる。これにより、印加する励磁磁場強度を従来の一桁以上増大することが見込まれる。この結果、励磁信号強度が増加して、微小磁場計測において高い信号・雑音比を達成することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサ及びそれを用いた装置は、ＳＱＵＩＤ磁気センサを用いた非破壊検査や、異物検査装置や、バイオ計測（ＤＮＡ検査や抗原抗体反応検査など）に利用可能である。

本発明の実施例を示す平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサの模式図である。 本発明の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサとこの微分磁束センサの微分方向と垂直な方向から励磁磁場を印加することができる励磁用磁場印加機構を備えたＳＱＵＩＤ非破壊検査用装置を示す図である。 図２と同じ原理で４個の電磁石を用いて、板状の検査対象物の傷検出に適用したＳＱＵＩＤ非破壊検査用装置を示す図である。 図２と同じ原理で励磁コイル（電磁石）に代えて、ソレノイドコイル２個を用いた場合のＳＱＵＩＤ非破壊検査用装置を示す図である。 従来の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを示す模式図である。

符号の説明

１ 微分型磁束検出コイル
２ ＳＱＵＩＤリング
３ 上部リード線薄膜パターン
４ 中央部リード線薄膜パターン
５ 下部リード線薄膜パターン
６ ジョセフソン接合部
７ グレインバウンダリー
８ 印加磁界（印加磁場）
１０ 平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサ
１１，１２，２１，２２；２３，２４ 電磁石
１３，３３ 検出対象物
１４，２７，３４ クライオスタット（低温冷媒保持容器）
１５，２８，３５ 励磁磁場
１６，２９，３６ バイアス電流Ｉ_B
２５ 板状の検査対象物
２６ 板状の検査対象物の欠陥部
３１，３２ 励磁用ソレノイドコイル

Claims (5)

1. 磁界微分を計測する一次以上の微分型磁束検出コイルを有する平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサにおいて、励磁磁場の方向と、ＳＱＵＩＤリング中のジョセフソン接合部に流れるバイアス電流の方向が平行になるようにＳＱＵＩＤリング部と磁束検出コイルを直接結合させることを特徴とする平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサ。
2. 請求項１記載の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサにおいて、前記バイアス電流を供給するリード線薄膜パターンの、中央部リード線薄膜パターンの方向を励磁磁場の方向と一致させるように配線することを特徴とする平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを用いた非破壊検査用装置。
3. 請求項１又は２記載の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを用いた非破壊検査用装置において、前記励磁磁場を印加する逆向きの極性を持つ２個の電磁石を具備することを特徴とする平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを用いた非破壊検査用装置。
4. 請求項１又は２記載の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを用いた非破壊検査用装置において、前記検出対象物が板状の検出対象物であり、前記励磁磁場を印加する二対の逆向きの極性を持つ４個の電磁石を具備することを特徴とする平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを用いた非破壊検査用装置。
5. 請求項１又は２記載の平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを用いた非破壊検査用装置において、前記励磁磁場を印加する逆向きの極性を持つ２個のソレノイドコイルを具備することを特徴とする平面薄膜型ＳＱＵＩＤ微分型磁束センサを用いた非破壊検査用装置。

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