JP5537312B2 - 地下資源探査用磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、地質調査や地下資源探査などの電磁探査に用いられ、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）を備えた地下資源探査用磁気センサに関する。

従来から、地質調査や地下資源探査などには、電磁探査が実用化されている。この電磁探査では、地質の電気的物性（比抵抗）が測定される。地質の電気的物性を測定する方法として、地表面から地下の探査対象の地質に向けて、周期的に変化する１次磁場を発生させ、この１次磁場によって探査対象の地質で発生する２次磁場を測定する方法が知られている（たとえば、特許文献１や非特許文献１等を参照）。このため、深部からの２次磁場ほど遅れて測定され、その測定値も小さくなる傾向にある。

この２次磁場の測定には、地下資源探査用磁気センサが用いられている。地下資源探査用磁気センサとしては、ＳＱＵＩＤを用いて、磁場の大きさを直接測定する構成が提案されている（非特許文献１等を参照）。これは、２次磁場の時間的変化は、２次磁場の時間微分の時間的変化に比較して緩やかであり、かつその測定値も大きいからである。このため、ＳＱＵＩＤを用いた地下資源探査用磁気センサでは、１次磁場の周期が低周波領域（時間的変化が緩やか）でも高感度であり、より微小な２次磁場を検出できるので、より遅い時間まで測定値を取得でき、より深部の地質の比抵抗分布を取得できる。そして、より一層深部の比抵抗分布を取得するために、（１）ＳＱＵＩＤの感度をさらに向上させ（雑音を下げ）、（２）環境雑音を確実にキャンセルすることが望まれている。

一般に、ＳＱＵＩＤを用いた地下資源探査用磁気センサでは、ＳＱＵＩＤに検出コイルが接続された構成となっている。具体的に、ＳＱＵＩＤは、超電導リングに２つのジョセフソン接合が形成された構造である。ＳＱＵＩＤ単体でも磁気センサとして機能するが、磁場を検出する面積が狭いため磁場感度が低い。そこで、ＳＱＵＩＤに、ＳＱＵＩＤよりも大きな面積の検出コイルを結合させることで高感度化が図られている。

また、ＳＱＵＩＤを用いた地下資源探査用磁気センサでは、取り扱いが容易な液体窒素での冷却 が可能なため、高温超電導材によるＳＱＵＩＤの使用が求められている。高温超電導材では、まだ、超電導体同士の接続技術が確立していない。そこで、基板上に成膜された高温超電導材の薄膜に、ＳＱＵＩＤと検出コイルが形成されている。発明者らは高温超電導材の薄膜の多層構造作成技術を開発しており、ＳＱＵＩＤと磁気結合した入力コイルと、その入力コイルに接続する検出コイルとを同一基板上に形成した世界最高感度クラスのＳＱＵＩＤ磁束計を作製している（非特許文献２参照）。

検出コイルを大きくすると検出感度は向上するが、空間分解能は低下することになる。しかしながら、本発明が対象とする地質調査や地下資源探査などでは、地下数十ｍから数百ｍの深部からの２次磁場を計測することを目的とするため、基板の大きさ１０ｍｍから２０ｍｍ角レベルでの空間分解能の低下は問題にならない。そして、そのレベル以上の検出コイルの大型化は、ＳＱＵＩＤの感度を向上させる方法として有効なアプローチである。

また、環境雑音をキャンセルできる有力な方法として微分型検出コイルを使用する方法（グラジオメータ）が知られている。グラジオメータでは、２つの検出コイルループが逆相で接続された構造になっており、それぞれの検出コイルループに鎖交する環境雑音の磁場をキャンセルし、２つの検出コイルループ間の磁場勾配を信号として計測する。グラジオメータでは、２つの検出コイルループの距離（ベースライン長）に対して、探査対象の地質（磁場源）までの距離（深度）が長いほど、信号もキャンセルされるため、深部の信号を測定するためにはベースライン長を長くする必要がある。しかし、超電導体同士の接続技術が確立していない高温超電導体の場合、ベースライン長が数ｍｍと短いが微分型検出コイルとＳＱＵＩＤを同じ基板上に形成できる平面型グラジオメータが作製されている。ベースラインが短いのは、高品質な超電導薄膜を成膜可能な基板サイズが小さいためである。

地下資源探査用ではないが、Tianら（非特許文献３参照）は、高温超電導体での大型の検出コイルを実現するため、大面積基板（２インチ角）に作製した超電導薄膜を使用して、ベースライン長が１５ｍｍの平面型一次微分検出コイルを作製した。ＳＱＵＩＤは別基板上に作製されておりフリップチップ方式で磁気結合されている。

また、Dyvorneら（非特許文献４参照）は、フレキシブルな金属基板上に超電導薄膜が形成された超電導テープ線材を使用した検出コイルを作製し、この検出コイルを同様の超電導テープ線材で作製した入力コイルを介して別基板上の磁気センサと磁気的に結合させている。磁気センサにはＧＭＲ（Giant Magneto Resistive）磁気センサを使用している。超電導テープ線材を使用することで大型の検出コイルを作製可能にしている。

特開平７−１１０３８２号公報

T. Nagaishi, et. al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.15, No.2 (2005) 749. H.Wakana et. al., IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.19, No.3 (2009) 7852. Y. J. Tian, S. Linzen, F. Schmidl, L. Dorrer, R. Weidl, P. Seidel、Appl. Phys. Lett. Vol. 74 No. 9(1999)1302. H. Dyvorne, R. Guerrero, C. Fermon, M. Pannetier-Lecoeur, J.-F. Jacquinot, IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 19 No. 3(2009) 761.

前記のように、検出コイルの大型化による感度向上、ベースライン長の長い微分型検出コイル（グラジオメータ）による環境雑音のキャンセルは、一層微弱な磁気信号の検出が求められる深部の探査を行うために有効な手段と考えられる。大型の検出コイルを作製するためには超電導線材を使用する必要があるが、高温超電導体では超電導線材を接続する技術がまだ開発されていないため、大型の検出コイルとＳＱＵＩＤを効率良く結合させることができなかった。

非特許文献４では、超電導テープ線材を用いて大型の検出コイルを作製可能にしているが、その検出コイルに接続する入力コイルと磁気センサの磁気結合が弱いと考えられた。それは、超電導テープ線材は、許容される曲率半径よりも曲げると、超電導薄膜にクラックが発生し、超電導電流が流れなくなるため、超電導テープ線材を使用した入力コイルを、磁気センサのサイズ程度に小さくすることができないと考えられるからである。また、超電導テープ線材の超電導薄膜の周りの保護層やシース材の厚みがあるため、入力コイルと磁気センサ間の実効的な距離を小さくできないことも入力コイルと磁気センサの磁気結合を弱くしていると考えられる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、超電導テープ線材を使用した検出コイルとＳＱＵＩＤの結合効率が高い地下資源探査用磁気センサを提供することである。

前記目的を達成するために、本発明は、
基板上に形成された超電導層を有し、前記超電導層に超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）が形成されている地下資源探査用磁気センサにおいて、
前記超電導層に形成され前記ＳＱＵＩＤに接続又は磁気結合する薄膜状入力コイルと、
前記薄膜状入力コイルと閉ループを形成するように接続され、超電導テープ線材を湾曲させて形成されたテープ状検出コイルとを有し、
前記超電導テープ線材は、長手方向に沿い、かつ、端部に達しない切れ込みを有し、前記切れ込みにより幅方向に分離はしていないが２分割され、その２分割された一方が分断され、
前記テープ状検出コイルでは、周上に前記端部が配置され、前記端部でコイル電流の向きが変わることを特徴としている。

本発明によれば、超電導テープ線材を使用した検出コイルとＳＱＵＩＤの結合効率が高い地下資源探査用磁気センサを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサを備えた地下資源電磁探査装置の動作原理を説明するための模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサの斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサのテープ状検出コイルの展開図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサの集積磁気回路の平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサの集積磁気回路のＳＱＵＩＤ素子周辺の拡大図（その１）である。 本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサの集積磁気回路のＳＱＵＩＤ素子周辺の拡大図（その２）である。 本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサの集積磁気回路の電気回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサの集積磁気回路の製造方法における各工程毎の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサの製造方法における、集積磁気回路とテープ状検出コイルの接続工程を説明するための断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサの電気回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ（テープ状検出コイルが１巻きのグラジオメータ）における、（ａ）はフィードバックをかけずに測定したＦＬＬ回路の出力電圧の波形図であり、（ｂ）はＦＬＬ回路のフィードバックをオンにした時のＦＬＬ回路の出力電圧の波形図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ（テープ状検出コイルが１巻きのグラジオメータ）における、均一な磁場を印加して測定したＦＬＬ回路の出力電圧の波形図である。 本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ（テープ状検出コイルが１巻きのグラジオメータ）の有効面積の周波数依存性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサの斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサのテープ状検出コイルの展開図である。 本発明の第２の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ（テープ状検出コイルが３巻きのマグネトメータ）の電気回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ（テープ状検出コイルが１巻きと３巻きのマグネトメータ）の有効面積の周波数依存性を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ（同軸型のグラジオメータ）の斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ（マグネトメータ）の電気回路図である。 本発明の第５の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ（マグネトメータ）の電気回路図である。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１を用いて、本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１を備えた地下資源電磁探査装置１００の動作原理を説明する。地下資源電磁探査では、まず、地表面５上方に配置した送信ループコイル３に、制御・データ収録用パソコンＰＣにより制御された送信機４より電流を流し、地中に１次磁場８を印加する。そして、その電流を遮断すると、１次磁場８の急激な減衰に伴い、その減衰を妨げる方向に誘導電流７、７’が流れる。この誘導電流７、７’によって２次磁場９が発生する。誘導電流７、７’は、伝播経路にある地質の比抵抗の大きさに応じて減衰するため、この誘導電流７、７’によって発生する２次磁場９を非磁性の冷却容器１ｂ内で超伝導状態に冷却された磁気センサ１および受信機２で時間の関数として測定し、減衰特性を制御・データ収録用パソコンＰＣに取得することにより、地下地質の比抵抗分布を取得することができる。具体的に、図１に示すように地下資源６の比抵抗が周囲と異なれば、その比抵抗の差異を検知できる。

送信ループコイル３に流していた一定電流を瞬間的に遮断した場合、深部方向に拡散する誘導電流７、７’の深度である拡散深度δは、電流を遮断してからの経過時間ｔを用いてδ＝（２ｔ／σμ）^１／２（σ：地下の導電率、μ：地下の透磁率）と表すことができる。したがって、測定時間をより長くすることによって（低周波領域において）、より深部までの比抵抗分布を取得することができる。しかしながら、深部になるほど誘導電流７、７’が減衰するため、発生する２次磁場９の強度も減衰する。そこで、地下資源探査用磁気センサ１では、低周波領域でも高感度なＳＱＵＩＤを用いて、磁場の大きさを直接測定している。ＳＱＵＩＤには、取り扱いが容易な液体窒素での冷却が可能な高温超電導材が使用されている。

ＳＱＵＩＤは、基板２８上に形成された集積磁気回路１ａ内に設けられている。地下資源探査用磁気センサ１は、集積磁気回路１ａと、この集積磁気回路１ａに接続するテープ状検出コイル３０とを有している。テープ状検出コイル３０は、磁気的にＳＱＵＩＤに結合され、ＳＱＵＩＤの感度を一層向上させている。

また、テープ状検出コイル３０は、環境雑音をキャンセルできる有力な方法である微分型検出コイル（グラジオメータ）の構成を有している。テープ状検出コイル３０は、右側のテープ状検出コイル３０ｒと、右側のテープ状検出コイル３０ｒから離れた左側のテープ状検出コイル３０ｌを有している。右側のテープ状検出コイル３０ｒと左側のテープ状検出コイル３０ｌは、逆相に接続されている。逆相に接続されているので、右側のテープ状検出コイル３０ｒと左側のテープ状検出コイル３０ｌに鎖交した環境雑音をキャンセルし、右側のテープ状検出コイル３０ｒと左側のテープ状検出コイル３０ｌの間の磁場勾配を信号として計測することができる。この右側のテープ状検出コイル３０ｒと左側のテープ状検出コイル３０ｌの距離（ベースライン長）に対して２次磁場９の発振源（地下資源６）とテープ状検出コイル３０ｒ、３０ｌの距離（深度）が長いほど、信号自身もキャンセルされるため、深部の信号を測定するためにはベースライン長を長くする必要がある。この必要に対し、テープ状検出コイル３０であれば、そのテープ状の長さを調節するだけで、右側のテープ状検出コイル３０ｒと左側のテープ状検出コイル３０ｌの距離（ベースライン長）を長くすることができる。

図２に、本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１の斜視図を示す。地下資源探査用磁気センサ１は、集積磁気回路１ａと、この集積磁気回路１ａに接続するテープ状検出コイル３０とを有している。テープ状検出コイル３０は、湾曲可能な幅１０ｍｍの超電導テープ線材１０で形成されている。超電導テープ線材１０は、湾曲可能なテープ状の金属基板と、その金属基板上に形成された超電導薄膜と、超電導薄膜の上に形成され超電導薄膜を保護する銀（Ａｇ）保護層を有している。湾曲可能なテープ状の金属基板としては、ハステロイ基板を用いることができる。金属基板上に、GdBa₂Cu₃O_y（GBCO）超電導体を成膜して、超電導薄膜としている。GdBa₂Cu₃O_y（GBCO）超電導体は、いわゆる高温超電導体である。

テープ状検出コイル３０は、右側のテープ状検出コイル３０ｒと、右側のテープ状検出コイル３０ｒから離れた左側のテープ状検出コイル３０ｌを有している。テープ状検出コイル３０の幅１０ｍｍの超電導テープ線材１０は、レーザー切断法により長手方向に切れ込み１８が入れられ、幅半分の５ｍｍとなった超電導テープ線材１０の一部（下側テープ線路１３、上側テープ線路１６）が、左右のボビン２０ｒ、２０ｌに巻かれて、右側のテープ状検出コイル３０ｒと左側のテープ状検出コイル３０ｌが形成されている。右側のテープ状検出コイル３０ｒと左側のテープ状検出コイル３０ｌの直径は、０．１ｍとし、右側のテープ状検出コイル３０ｒと左側のテープ状検出コイル３０ｌの中心間の距離であるベースライン長は、０．１５ｍとしている。ベースライン長は、超電導テープ線材１０（ベースライン線路１４）の長さを長くすることで、容易に長くでき、右側のテープ状検出コイル３０ｒと左側のテープ状検出コイル３０ｌの検出間の磁場勾配を、信号として高感度に計測することができる。

テープ状検出コイル３０の切れ込み１８は、長手方向に沿って伸びているが、両端の切り返し端部１２、１５の手前で止まり、切り返し端部１２、１５に達していない。長手方向の切れ込み１８により、テープ状検出コイル３０は幅方向に、分離はしていないが２分割されている。その２分割された上側が、テープ状検出コイル３０の幅方向に沿った切断部１９において分断されている。切断部１９の両側が、接続端部１１、１７となり、集積磁気回路１ａの検出コイル用端子２４ｒ、２４ｌに接続している。なお、図２では集積磁気回路１ａ（基板２８）の表面が表示されているが、集積磁気回路１ａ（基板２８）を裏返して（図２において集積磁気回路１ａ（基板２８）の裏面が表示されるように）設置してもよく、その場合、テープ状検出コイル３０も裏返してボビン２０ｒ、２０ｌに巻き付ければよい。この裏返しの関係は、後記する図１１と図１５でも同様に成立する。

切り返し端部１２、１５は、右側のテープ状検出コイル３０ｒと左側のテープ状検出コイル３０ｌの周上、すなわち、ボビン２０ｒ、２０ｌの周上に固定・配置されている。切り返し端部１２、１５において、コイル電流の向きが変えられている。切り返し端部１２、１５では、超電導テープ線材同士を接続するような接続部を設けることなく、コイル電流の向きを変えることに成功しており、テープ状検出コイル３０（３０ｒ、３０ｌ）には、超電導テープ線材１０同士を接続した接続部が設けられていない。このため、電気抵抗を低減でき、雑音が抑制できるので、特に、低周波側での検出感度の低下を抑えることができる。

右側のテープ状検出コイル３０ｒでは、切り返し端部１５から、ボビン２０ｒに、超電導テープ線材１０の上側の上側テープ線路１６を、湾曲させながら時計回りに巻き付けている。左側のテープ状検出コイル３０ｌでは、切り返し端部１２から、ボビン２０ｌに、超電導テープ線材１０の下側の下側テープ線路１３を、湾曲させながら反時計回りに巻き付けている。右側のテープ状検出コイル３０ｒの切り返し端部１５と、左側のテープ状検出コイル３０ｌの下側テープ線路１３とは、超電導テープ線材１０の下側のベースライン線路１４によって接続されている。これにより、右側のテープ状検出コイル３０ｒと左側のテープ状検出コイル３０ｌは、逆相に接続され、１次微分型の検出コイル（グラジオメータ）が構成される。右側のテープ状検出コイル３０ｒと左側のテープ状検出コイル３０ｌは、コイル面に垂直なｚ方向の磁界Ｂｚのベースライン方向（ｘ方向）の空間差分ｄＢｚ／ｄｘを検出可能な微分型検出コイルとして機能する。

なお、図２では、右側のテープ状検出コイル３０ｒと左側のテープ状検出コイル３０ｌ
に、１回巻きした場合を示しているが、これに限らず、複数回巻きのマルチターン構造にしてもよい。複数回巻きにすることで、測定感度を一層高めることができる。複数回巻きするには、上側テープ線路１６と下側テープ線路１３の長さを長くすればよく、超電導テープ線材１０の長さを長くすればよい。具体的に、テープ状検出コイル３０ｒ、３０ｌの直径を０．１ｍとし、ベースライン長を０．１５ｍとしたとき、巻き数が１回巻きの場合は、超電導テープ線材１０の長さを、約０．６ｍとするところ、巻き数が３回巻きの場合は、超電導テープ線材１０の長さを、約１．２ｍとすればよい。また、超電導テープ線材１０の長さを長くすることで、ベースライン長を長くすることができる。例えば、ベースライン長を１ｍとし、テープ状検出コイル３０ｒ、３０ｌの直径を０．１ｍとしたとき、巻き数が３回巻きの場合は、超電導テープ線材１０の長さを、約２ｍとすればよい。このように、テープ状検出コイル３０（３０ｒ、３０ｌ）は、任意の大きさの検出コイルを作製できる構造となっている。

図３に、本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１のテープ状検出コイル３０の展開図を示す。テープ状検出コイル３０を展開すると、テープ状検出コイル３０が、テープ状の超電導テープ線材１０から形成されていたことが容易に理解できる。超電導テープ線材１０は、両端の切り返し端部１２、１５線材を除き、超電導テープ線材１０の中心線に沿ってレーザー切断法で切断され、スリットホール（切れ込み）１８が形成されている。さらに、２分割された上側が切断部１９において切断されている。切断部１９の両側が、接続端部１１、１７になっている。上側の接続端部１１は、切り返し端部１２を介して、下側の下側テープ線路１３（左側のボビン２０ｌに巻かれる）に接続する。下側テープ線路１３は、ベースライン線路１４（ベースライン長を決定する）を介して、切り返し端部１５に接続する。切り返し端部１５は、下側のベースライン線路１４と、上側の上側テープ線路１６（右側のボビン２０ｒに巻かれる）を接続する。上側テープ線路１６は、接続端部１７に接続する。具体的に、テープ状検出コイル３０（３０ｒ、３０ｌ）の直径を０．１ｍとし、ベースライン長を０．１５ｍとし、巻き数が１回巻きの場合は、超電導テープ線材１０の長さを、約０．６ｍとなり、スリットホール（切れ込み）１８の長さは約０．５ｍとなる。切断部１９は、スリットホール（切れ込み）１８の左端から９０ｍｍの位置に設けることができる。このように、スリットホール（切れ込み）１８を有する超電導テープ線材１０を用いることで、テープ状検出コイル３０に超電導テープ線材１０同士の接続部を含まずに、１次微分の平面型検出コイルを作製できる。

図４Ａに、本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１の集積磁気回路１ａの平面図を示す。集積磁気回路１ａは、超電導層を第１超電導層と第２超電導層の２層含む高温超電導多層構造プロセスを用いて基板２８上に形成されている。なお、図４Ａにおいて、斜線でハッチングされた領域は、基板２８上に形成された第１超電導層の配置された領域を示し、黒色の塗りつぶしでハッチングされた領域は、第１超電導層の上方に絶縁層３２（図５（ｂ）等参照）を介して形成された第２超電導層の配置された領域を示している。この表示法は、図４Ｂ、図４Ｃ、図５でも同様である。

基板２８上には、第１超電導層と第２超電導層を用いて、２つのＳＱＵＩＤ（素子）２３が形成されている。２つのＳＱＵＩＤ（素子）２３にはそれぞれ、一対のＳＱＵＩＤ素子用端子２６、２７が接続されている。ＳＱＵＩＤ素子用端子２６、２７には、受信機２（図１参照）が接続され、２次磁場に起因する信号が出力される。具体的に、片方のＳＱＵＩＤ（素子）２３に接続するＳＱＵＩＤ素子用端子２６と２７の間には、バイアス電流を流し、もう片方のＳＱＵＩＤ（素子）２３に接続するＳＱＵＩＤ素子用端子２６と２７の間には、バイアス電流を流さず、ＳＱＵＩＤ（素子）２３を、ただの超電導配線として機能させることで、２次磁場の計測を行う。

２つのＳＱＵＩＤ（素子）２３に直接結合（接続）する右側の薄膜状検出コイル２９ｒ（２９）と、２つのＳＱＵＩＤ（素子）２３に直接結合（接続）する左側の薄膜状検出コイル２９ｌ（２９）とが、第１超電導層（斜線ハッチング）に形成されている。右側の薄膜状検出コイル２９ｒ（２９）の上には、絶縁層３２（図５（ｂ）等参照）を介して、５．５巻きの薄膜状入力コイル２５ｒ（２５）が、第２超電導層（黒色塗りつぶしハッチング）に形成されている。左側の薄膜状検出コイル２９ｌ（２９）の上には、絶縁層３２（図５（ｂ）等参照）を介して、５．５巻きの薄膜状入力コイル２５ｌ（２５）が、第２超電導層（黒色塗りつぶしハッチング）に形成されている。薄膜状入力コイル２５ｒ（２５）の最も内側のターンと、薄膜状入力コイル２５ｌ（２５）の最も内側のターンは、２つのＳＱＵＩＤ（素子）２３の間において接続している。この接続によって、薄膜状入力コイル２５ｒ（２５）と、薄膜状入力コイル２５ｌ（２５）とは、逆相に接続されている。

薄膜状入力コイル２５ｒ（２５）の一端は、検出コイル用端子２４ｒに接続されている。薄膜状入力コイル２５ｌ（２５）の一端は、検出コイル用端子２４ｌに接続されている。検出コイル用端子２４ｒは、金電極パッド３１を介して、テープ状検出コイル３０ｒ（３０）の接続端部１７に接続している。検出コイル用端子２４ｌは、金電極パッド３１を介して、テープ状検出コイル３０ｌ（３０）の接続端部１１に接続している。これにより、薄膜状入力コイル２５（２５ｒ、２５ｌ）と、テープ状検出コイル３０（３０ｒ、３０ｌ）とは、閉ループを形成するように接続されている。

テープ状検出コイル３０（３０ｒ、３０ｌ）が受信した２次磁場９（図１参照）の信号は、接続端部１１、１７間から、検出コイル用端子２４ｒ、２４ｌ間に電流として伝達されるが、接続端部１１、１７は、テープ状の一部であるため、平坦で広面積を確保しやすく低抵抗に接続できるので、雑音を抑え信号を減衰させることなく伝達させることができる。

信号が、薄膜状入力コイル２５（２５ｒ、２５ｌ）に伝達すると、薄膜状入力コイル２５（２５ｒ、２５ｌ）は、５．５巻きの複数回巻かれているので、信号を増幅して薄膜状検出コイル２９（２９ｒ、２９ｌ）に伝達する。薄膜状入力コイル２５（２５ｒ、２５ｌ）は第２超電導層（黒色塗りつぶしハッチング）に形成され、薄膜状検出コイル２９（２９ｒ、２９ｌ）は第１超電導層（斜線ハッチング）に形成され、薄膜状入力コイル２５（２５ｒ、２５ｌ）と薄膜状検出コイル２９（２９ｒ、２９ｌ）とは、第１超電導層と第２超電導層の相異なる層に形成されているので、絶縁層３２（図５（ｂ）等参照）を隔て対向するように設けられている。このため、薄膜状入力コイル２５（２５ｒ、２５ｌ）と薄膜状検出コイル２９（２９ｒ、２９ｌ）とは、確実に磁気結合し、薄膜状入力コイル２５（２５ｒ、２５ｌ）から、薄膜状検出コイル２９（２９ｒ、２９ｌ）へ、信号を減衰させることなく確実に伝達させることができる。また、薄膜状入力コイル２５ｒと２５ｌは、逆相に接続されているので、薄膜状検出コイル２９ｒと２９ｌに流れる信号の電流の向きも、互いに逆向きになる。この逆向きの電流は、ＳＱＵＩＤ（素子）２３には同じ方向となって流れ込み、実質的に信号の電流を２倍に増幅し、ＳＱＵＩＤ（素子）２３の感度を向上させている。

このように見てくると、ＳＱＵＩＤ（素子）２３は、薄膜状検出コイル２９（２９ｒ、２９ｌ）を介して、薄膜状入力コイル２５（２５ｒ、２５ｌ）に確実に磁気結合しており、ダブルトランス構造になっていると考えることができる。そして、薄膜状入力コイル２５（２５ｒ、２５ｌ）とテープ状検出コイル３０（３０ｒ、３０ｌ）とは、閉ループを構成しているので、ＳＱＵＩＤ（素子）２３は、テープ状検出コイル３０（３０ｒ、３０ｌ）に確実に磁気結合していると考えることができる。

図４Ｂに、集積磁気回路１ａのＳＱＵＩＤ（素子）２３周辺の、図４Ａの一部の拡大図を示す。薄膜状入力コイル２５ｒの右側（内側）のターンには、上部超電導層（第２超電導層）ＵＬ１が設けられている。この上部超電導層ＵＬ１の直下には、下部超電導層（第１超電導層）ＤＬ１が設けられている。上部超電導層ＵＬ１と下部超電導層ＤＬ１とは、絶縁層３２（図５（ｂ）等参照）に形成されたコンタクトホールＣ１を介して接続されている。下部超電導層ＤＬ１は、絶縁層を隔てた薄膜状入力コイル２５ｒの下方をくぐり、上部超電導層（第２超電導層）ＵＬ２の直下に配置される。上部超電導層ＵＬ２と下部超電導層ＤＬ１とは、絶縁層に形成されたコンタクトホールＣ３を介して接続されている。上部超電導層ＵＬ２は、絶縁層を隔てた薄膜状検出コイル２９のＳＱＵＩＤ（素子）２３との結合部（センタライン）２９ａの上方を跨ぎ、下部超電導層（第１超電導層）ＤＬ２の直上に配置される。上部超電導層ＵＬ２と下部超電導層ＤＬ２とは、絶縁層に形成されたコンタクトホールＣ４を介して接続されている。下部超電導層ＤＬ２は、絶縁層を隔てた薄膜状入力コイル２５ｌの下方をくぐり、上部超電導層（第２超電導層）ＵＬ３の直下に配置される。上部超電導層ＵＬ３と下部超電導層ＤＬ２とは、絶縁層に形成されたコンタクトホールＣ２を介して接続されている。上部超電導層ＵＬ３は、薄膜状入力コイル２５ｌの左側（内側）のターンに設けられている。前記により、薄膜状入力コイル２５ｒの右側（内側）のターンと、薄膜状入力コイル２５ｌの左側（内側）のターンとが接続されている。

下部超電導層（第１超電導層）ＤＬ３は、一端がＳＱＵＩＤ素子用端子２６に接続し、他端が、絶縁層を隔てた薄膜状入力コイル２５ｒの下方をくぐり、上部超電導層（第２超電導層）ＵＬ４の直下に配置される。上部超電導層ＵＬ４と下部超電導層ＤＬ３とは、絶縁層に形成されたコンタクトホールＣ５を介して接続されている。上部超電導層ＵＬ４の一部は、ＳＱＵＩＤ（素子）２３の一部となっている。下部超電導層（第１超電導層）ＤＬ４は、一端がＳＱＵＩＤ素子用端子２７に接続し、他端が、絶縁層を隔てた薄膜状入力コイル２５ｌの下方をくぐり、ＳＱＵＩＤ（素子）２３の一部となっている。ＳＱＵＩＤ（素子）２３には、薄膜状検出コイル２９の結合部２９ａが接続されている。

下部超電導層（第１超電導層）ＤＬ６は、一端がＳＱＵＩＤ素子用端子２６に接続し、他端が、絶縁層を隔てた薄膜状入力コイル２５ｌの下方をくぐり、上部超電導層（第２超電導層）ＵＬ５の直下に配置される。上部超電導層ＵＬ５と下部超電導層ＤＬ６とは、絶縁層に形成されたコンタクトホールＣ６を介して接続されている。上部超電導層ＵＬ５の一部は、ＳＱＵＩＤ（素子）２３の一部となっている。下部超電導層（第１超電導層）ＤＬ５は、一端がＳＱＵＩＤ素子用端子２７に接続し、他端が、絶縁層を隔てた薄膜状入力コイル２５ｒの下方をくぐり、ＳＱＵＩＤ（素子）２３の一部となっている。ＳＱＵＩＤ（素子）２３には、薄膜状検出コイル２９の結合部２９ａが接続されている。

図４Ｃに、集積磁気回路１ａのＳＱＵＩＤ（素子）２３周辺の、図４Ｂの一部の拡大図を示す。ＳＱＵＩＤ（素子）２３は、最大幅が数十から数百μｍ程度の超電導リング２１（閉ループ）に２つの（ランプエッジ型）ジョセフソン接合２２が形成された構造を有している。ＳＱＵＩＤ素子２３単体でも磁気センサとして機能するが、磁場を検出する超電導リング２１（閉ループ）の面積が狭いため磁場感度が低い。そこで、ＳＱＵＩＤ素子２３にＳＱＵＩＤ素子よりも大きな面積の薄膜状検出コイル２９を結合させている。

図４Ｄに、集積磁気回路１ａの電気回路図を示す。２次磁場９（図１参照）の信号が、検出コイル用端子２４ｒと２４ｌ間に伝達されると、その信号は、薄膜状入力コイル２５（２５ｒ、２５ｌ）に伝達される。薄膜状入力コイル２５（２５ｒ、２５ｌ）は、薄膜状検出コイル２９（２９ｒ、２９ｌ）と確実に磁気結合しているので、薄膜状検出コイル２９（２９ｒ、２９ｌ）へ、信号を減衰させることなく確実に伝達させることができる。また、薄膜状入力コイル２５ｒと２５ｌは、逆相に接続されているので、薄膜状検出コイル２９ｒと２９ｌに流れる信号の電流の向きも、互いに逆向きになる。この逆向きの電流は、薄膜状検出コイル２９の結合部２９ａを通って、ＳＱＵＩＤ（素子）２３には同じ方向となって流れ込み、ＳＱＵＩＤ（素子）２３の感度を向上させている。

図５に、集積磁気回路１ａの製造方法における工程毎の断面図を示す。

まず、図５（ａ）に示すように、４層構造の基板２８を形成した。１５×１５ｍｍ^２の大きさの酸化マグネシウム（MgO(100)）基板２８ａを使用し、その上に配向制御バッファー層２８ｂとして膜厚５ｎｍのBaZrO₃層と、黒色均熱層２８ｃとして膜厚３００ｎｍのPr_1.4Ba_1.6Cu_2.6Ga_0.4O_y層と、下部絶縁層２８ｄとして膜厚２５０ｎｍのSrSnO₃層を、順にオフアクシススパッタ法によって形成し積層させた。その上に、下部超電導層（第１超電導層）ＤＬ（ＤＬ１〜６、図４Ｂ参照）として、膜厚２５０ｎｍのSmBa₂Cu₃O_y（SmBCO）をオフアクシススパッタ法によって成膜した。

次に、図５（ｂ）に示すように、下部超電導層ＤＬを所望の回路パターン形状（例えば、薄膜状検出コイル２９のパターン形状）に加工した。回路パターン形成は、フォトリソグラフィ法と、イオンミリングによるドライエッチング法で行った。次に、層間絶縁層（絶縁層）３２として、膜厚２８０ｎｍのSrSnO₃（SSO）層をオフアクシススパッタ法によって形成した。

次に、図５（ｃ）に示すように、層間絶縁膜３２を所望の回路パターン形状に加工した。回路パターン形成は、フォトリソグラフィ法と、イオンミリングによるドライエッチング法で行った。層間絶縁膜３２のこのエッチングによって、ランプエッジ型ジョセフソン接合２２のランプ斜面と、下部超電導層ＤＬと上部超電導層ＵＬの接続のためのコンタクトホールＣ（Ｃ１〜６、図４Ｂ参照）のランプ斜面を、層間絶縁膜３２と下部超電導層ＤＬに形成した。すなわち、このエッチングでは、層間絶縁膜３２と同時に下部超電導層ＤＬもエッチングしている。次に、上部超電導層（第２超電導層）ＵＬ（ＵＬ１〜６、図４Ｂ参照）として、膜厚２５０ｎｍのLa_0.1-Er_0.95Ba_1.95Cu₃O_y（L1ErBCO）層を、レーザー蒸着法により形成した。ランプエッジ型ジョセフソン接合２２の下部超電導層ＤＬのランプ斜面上に上部超電導層ＵＬが形成されることにより、ランプエッジ型ジョセフソン接合２２が完成する。コンタクトホールＣの下部超電導層ＤＬのランプ斜面上に上部超電導層ＵＬが形成されることにより、下部超電導層ＤＬと上部超電導層ＵＬが接続する。さらに、金（Au）電極層３３として膜厚１００ｎｍの金層をスパッタ法で形成した。

最後に、図５（ｄ）に示すように、金電極層３３と上部超電導層ＵＬを所望の回路パターン形状（例えば、薄膜状入力コイル２５や検出コイル用端子２４ｒ、２４ｌのパターン形状）に加工した。また、ランプエッジ型ジョセフソン接合２２の接合幅は２μmとした。回路パターン形成は、フォトリソグラフィ法と、イオンミリングによるドライエッチング法で行った。上部超電導層ＵＬと金電極層３３は同時にエッチングしているため、上部超電導層ＵＬの表面はすべて金電極層３３で覆われている。その後、１気圧の酸素雰囲気中で、４００〜５００℃に加熱して熱処理を行い、集積磁気回路１ａを完成させた。

次に、図６を用いて、地下資源探査用磁気センサ１の製造方法における、集積磁気回路１ａとテープ状検出コイル３０（３０ｒ、３０ｌ）の接続工程を説明する。テープ状検出コイル３０（３０ｒ、３０ｌ）は、超電導テープ線材１０で構成されている。超電導テープ線材１０は、ハステロイ基板（金属基板）３４上に、GBCO超電導体の超電導薄膜３５と、銀（Ag）保護層３６とが、順に積層された構造になっている。一対のPEEK樹脂製の挟持部３７に、集積磁気回路１ａの検出コイル用端子２４ｒと２４ｌそれぞれの金電極パッド３１と、対応するテープ状検出コイル３０ｒと３０ｌの銀保護層３６とを対向させて挟み、ボルト３８とナット３９で締め付けた。そして、金電極パッド３１と銀保護層３６を物理的に接触させることで、集積磁気回路１ａの検出コイル用端子２４ｒ、２４ｌと、対応するテープ状検出コイル３０ｒ、３０ｌとを接続させた。なお、金電極パッド３１と銀保護層３６の表面は、接触前に、粒度３μｍのラッピングシートで予め研磨した。前記により、金電極パッド３１と銀保護層３６の接触抵抗、さらには、集積磁気回路１ａの検出コイル用端子２４ｒ、２４ｌとテープ状検出コイル３０ｒ、３０ｌとの接触抵抗（図７の４１参照）は、充分小さくなっている。なお、第１の実施形態では、集積磁気回路１ａとテープ状検出コイル３０の間に導電性の接着物を挟まずに機械的に強く接触させる方法で接触抵抗を低減させているが、これに限らない。接触抵抗低減の効果を得るために、導電性ペースト、例えば銀（Ag）ペーストを介して接続させる、あるいは低融点金属合金、例えばインジウム（In）やガリウム（Ga）、ハンダなどを介して集積磁気回路１ａとテープ状検出コイル３０を接続してもよい。

図７に、本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１の電気回路図を示す。グラジオメータ型のテープ状検出コイル３０ｒ、３０ｌと、薄膜状入力コイル２５（２５ｒ、２５ｌ）とが、接触抵抗４１によって接続され、閉ループを形成している。接触抵抗４１は、前記のように充分小さく抑えられている。

次に、本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１に、変調型ＦＬＬ（Flux Locked Loop）回路を接続して動作させ、電気特性を測定した。なお、地下資源探査用磁気センサ１の冷却には液体窒素を使用し、その地下資源探査用磁気センサ１と液体窒素を入れる冷却容器１ｂ（図１参照）には非磁性であり断熱真空層を有するガラス製デュワを使用した。

図８（ａ）に、本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１（テープ状検出コイルが１巻きのグラジオメータ）における、フィードバックをかけずに測定したＦＬＬ回路の出力電圧（Output voltage）の波形図を示す。入力信号（input signal）として、周波数６０Ｈｚの三角波の磁場（２次磁場９（図１参照）に対応）を印加して、ＦＬＬ回路の出力電圧を測定した。丁度、１Φ₀の周期で波形が反転するように磁場強度を調整した。すなわち、振幅１Φ₀の磁場が印可された状態である。この結果から地下資源探査用磁気センサ１（ＳＱＵＩＤ（素子）２３）が正常に動作していることがわかった。出力電圧の電圧振幅として１２０ｍＶ_ppが得られているが、ＦＬＬ回路のアンプゲインが４０００倍なので、３０μＶ_pp（＝１２０ｍＶ_pp／４０００）のＳＱＵＩＤ変調電圧が得られ、高い感度が得られていることがわかる。

図８（ｂ）に、本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１（テープ状検出コイルが１巻きのグラジオメータ）における、ＦＬＬ回路のフィードバックをオンにした時のＦＬＬ回路の出力電圧（Output voltage）の波形図を示す。入力信号（input signal）として、周波数６０Ｈｚの三角波の磁場（２次磁場９（図１参照）に対応）を印加して、ＦＬＬ回路の出力電圧を測定した。また、ＦＬＬ回路のフィードバック抵抗Ｒｆは、３．３ｋΩとした。これより、フィードバックをかけた場合の出力信号は、入力信号に対応するため、入力信号と同様の三角波の信号が検出されている。１Φ_0PPの印加磁場に対する電圧振幅が、０．２３５Ｖ_ppであるので、地下資源探査用磁気センサ１の電圧出力の換算係数は、０．２３５Ｖ／Φ₀になり、高い感度が得られていることがわかる。

図９に、本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１（1t-Grad；テープ状検出コイルが１巻きのグラジオメータ）における、場所的（三次元的）に均一な磁場を印加して測定したＦＬＬ回路の出力電圧（Output voltage）の波形図を示す。印加した均一な磁場は、ヘルムホルツコイル（Helmholtz coil）で発生させ、磁場の方向（ｚ）はテープ状検出コイル３０のコイル面に垂直な方向とした。印加した均一な磁場Ｂｚ（入力信号）は、２２．２ｎＴ_ppで周波数２１０Ｈｚのサイン波（sine wave）とした。ＦＬＬ回路の出力電圧に、入力信号と同様のサイン波が得られており、磁束計（磁気センサ）として動作していることが確認できた。出力電圧の振幅は、７１ｍＶ_ppであった。図８（ｂ）で求めた換算係数が、０．２３５Ｖ/Φ₀であるので、７１ｍＶ_ppの電圧振幅は、０．３０２Φ_0ppの磁束信号（検出磁束）が検出されたことに対応する。印加磁場（入力信号）に対する検出磁束の比は、有効面積Ａ_effと呼ばれており、検出感度の性能指数となる。前記実験データより、有効面積Ａ_effは、０．３０２Φ₀／２２．２ｎＴ＝２．８２ｅ^−８ｍ^２＝０．０２８２ｍｍ^２となる。なお、磁束量子Φ₀＝２．０７×１０^−１５Ｗｂである。第２の実施形態で報告する１巻きマグネトメータの有効面積Ａ_effの２．４３ｍｍ^２を基準にして、作製したグラジオメータのバランスを見積もると、約１／８６（＝０．０２８２ｍｍ^２／２．４３ｍｍ^２）となる。これより、均一な磁場の約９９％をキャンセルできていると考えられ、試作したグラジオメータが正しく動作していることが確認できた。

図１０に、本発明の第１の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１（1t-Grad；テープ状検出コイルが１巻きのグラジオメータ）の有効面積Ａ_effの周波数依存性を示す。場所的（三次元的）に均一な磁場Ｂｚ（入力信号）の周波数を変えて、有効面積Ａ_effの測定を行った。高周波側では約０．０３ｍｍ^２の有効面積Ａ_effでほぼ一定であるが、低周波側では３００Ｈｚ付近から有効面積Ａ_effが下がり始めている。漸近線の交点をカットオフ周波数ｆｃとして求めた。カットオフ周波数ｆｃは１００Ｈｚであった（ｆｃ＝１００Ｈｚ）。したがって、約１００Ｈｚよりも高い磁気信号（入力信号）に対しては、信号計測が可能であると考えられる。低周波側での有効面積Ａ_effの低下は、接触抵抗４１（図７参照）に起因し、カットオフ周波数ｆｃから見積もられる接触抵抗４１の抵抗値は０．４５ｍΩであった。地下資源探査に使用するためには、接触抵抗は少なくとも１ｍΩ以下である必要があり、第１の実施形態では、それに対して充分低い接触抵抗が実現できた。

（第２の実施形態）
図１１に、本発明の第２の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１の斜視図を示す。第２の実施形態の地下資源探査用磁気センサ１が、第１の実施形態の地下資源探査用磁気センサ１と異なる点は、テープ状検出コイル３０が、ボビン２０ｒに巻かれておらず、テープ状検出コイル３０ｒが形成されていない点である。ボビン２０ｒの周上には超電導テープ線材１０の切り返し端部１５が固定されているが、切り返し端部１５から、超電導テープ線材１０は、ボビン２０ｒに巻かれることなく、接続端部１７を介して、集積磁気回路１ａに接続されている。このため、テープ状検出コイル３０としては、左側のテープ状検出コイル３０ｌのみが機能し、マグネトメータ型の検出コイルが構成されることになる。マグネトメータ型の検出コイルでは、テープ状検出コイル３０ｌのコイル面に垂直な方向（ｚ方向）の磁界Ｂｚを検出可能である。

図１２に、第２の実施形態の地下資源探査用磁気センサ１のテープ状検出コイル３０の展開図を示す。第２の実施形態のテープ状検出コイル３０が、第１の実施形態のテープ状検出コイル３０と異なっている点は、上側テープ線路１６が設けられておらず、その分、切断部１９の間隔が空いている点である。

図１３に、第２の実施形態の地下資源探査用磁気センサ１（テープ状検出コイル３０ｌが３巻きのマグネトメータ）の電気回路図を示す。テープ状検出コイル３０としては、左側のテープ状検出コイル３０ｌのみが形成され、マグネトメータ型の検出コイルが構成されている。マグネトメータ型のテープ状検出コイル３０ｌ（３０）と、薄膜状入力コイル２５（２５ｒ、２５ｌ）とが、接触抵抗４１によって接続され、閉ループを形成している。接触抵抗４１は、第１の実施形態と同様に小さく抑えられている。

図１４に示すように、本発明の第２の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１（テープ状検出コイル３０ｌが１巻きと３巻きのマグネトメータ）の有効面積Ａ_effの周波数依存性を測定した。測定では、テープ状検出コイル３０ｌが１巻きのマグネトメータと、テープ状検出コイル３０ｌが３巻きのマグネトメータについて測定した。テープ状検出コイル３０ｌが１巻きのマグネトメータのカットオフ周波数ｆｃは、８０Ｈｚとなった。また、テープ状検出コイル３０ｌが３巻きのマグネトメータのカットオフ周波数ｆｃは、９Ｈｚとなった。また、高周波側の有効面積Ａ_effは、１巻きのマグネトメータで２．４３ｍｍ^２であり、３巻きのマグネトメータで１．５５ｍｍ^２であった。１巻きのマグネトメータでの２．４３ｍｍ^２の有効面積Ａ_effは、超電導工学研究所で作製している集積型マグネトメータの有効面積Ａ_eff（２ｍｍ^２）を２０％程度上回る、良好な値である。すなわち、基板サイズの制約を受けずに任意の大きさの検出コイル（テープ状検出コイル３０ｌ）を作製可能な本発明の検出コイル構造は高感度化に有効であることが確認できた。特に、地下資源探査のような空間分解能を必要としない応用では、検出コイルの大型化による感度向上は、デメリットがなくメリットが大きい。

カットオフ周波数ｆｃから見積もられた接触抵抗４１の値は、１巻きマグネトメータの場合で０．３ｍΩであり、３巻きマグネトメータの場合で０．１ｍΩであった。地下資源探査に使用するためには、接触抵抗は少なくとも１ｍΩ以下である必要があり、第２の実施形態では、それに対して充分低い接触抵抗が実現できた。

（第３の実施形態）
図１５に、本発明の第３の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１（同軸型のグラジオメータ）の斜視図を示す。第１の実施形態では、平面型のグラジオメータについて報告したが、第３の実施形態によれば、同軸型のグラジオメータも構成できる。ただ、この構成には、超電導テープ線材１０同士の接続部５６、５７、５８、５９が含まれる。ボビン２０には、超電導テープ線材１０で形成された２つのテープ状検出コイル３０ｒ、３０ｌが巻きつけられている。テープ状検出コイル３０ｒと３０ｌの一端は、超電導テープ線材６１と、接続部５８と５６接続されている。テープ状検出コイル３０ｒと３０ｌの他端は、接続部５９と５７で、別の短い超電導テープ線材６３と６２に接続されている。２つの短い超電導テープ線材６３と６２は、集積磁気回路１ａの検出コイル用端子２４ｒと２４ｌに、接続端部５５と５４で接続されている。テープ状検出コイル３０ｒ、３０ｌと薄膜状入力コイル２５（図４Ａ参照）の閉ループに含まれる抵抗成分は、接続部５６、５７、５８、５９により増加するが、薄膜状入力コイル２５（図４Ａ参照）とＳＱＵＩＤ（素子）２３の結合は、第１の実施形態と同様に強いため、カットオフ周波数ｆｃ以上では、高感度な磁気センサを実現可能である。

（第４の実施形態）
図１６Ａに、本発明の第４の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１（マグネトメータ）の電気回路図を示す。第１の実施形態では、ＳＱＵＩＤ（素子）２３と、薄膜状入力コイル２５の間に、薄膜状検出コイル２９を介したダブルトランス構造について報告したが、図１６Ａに示すように、ＳＱＵＩＤ素子２３のインダクタンスに薄膜状入力コイル２５が直接接続した（薄膜状検出コイル２９を省いた）方式でも、第１の実施形態と同様な効果が期待できる。

（第５の実施形態）
図１６Ｂに、本発明の第５の実施形態に係る地下資源探査用磁気センサ１（マグネトメータ）の電気回路図を示す。図１６Ｂに示すように、ＳＱＵＩＤ素子２３のインダクタンスにテープ状検出コイル３０が直接接続した（薄膜状検出コイル２９と薄膜状入力コイル２５を省いた）方式でも、第１の実施形態と同様な効果が期待できる。この場合、ＳＱＵＩＤ素子２３のインダクタンスが、薄膜状入力コイル２５を兼ねていると考えることができる。

１ （地下資源探査用）磁気センサ
１ａ 集積磁気回路
１ｂ （非磁性）冷却容器
２ 受信機
３ 送信ループコイル
４ 送信機
５ 地表面
６ 地下資源
７、７’ 誘導電流
８ １次磁場
９ ２次磁場
１０ 超電導テープ線材
１１ 接続端部
１２ 切り返し端部
１３ 下側テープ線路
１４ ベースライン線路
１５ 切り返し端部
１６ 上側テープ線路
１７ 接続端部
１８ 切れ込み（スリットホール）
１９ 切断部
２０、２０ｒ、２０ｌ ボビン
２１ 超電導リング
２２ （ランプエッジ型）ジョセフソン接合
２３ ＳＱＵＩＤ（素子）
２４ｒ、２４ｌ 検出コイル用端子
２５、２５ｒ、２５ｌ 薄膜状入力コイル
２６、２７ ＳＱＵＩＤ素子用端子
２８ 基板
２８ａ MgO基板
２８ｂ 配向制御バッファー層
２８ｃ 黒色均熱層
２８ｄ 下部絶縁層
２９ 薄膜状検出コイル（微分型検出コイル、平面型）
２９ａ 薄膜状検出コイルの結合部（センタライン）
３０、３０ｒ、３０ｌ テープ状検出コイル（検出コイルループ）
３１ 金電極パッド
３２ 層間絶縁層（絶縁層）
３３ 金電極層
３４ ハステロイ基板（金属基板）
３５ （GBCO）超電導薄膜
３６ 銀保護層
３７ PEEK樹脂製の挟持部
３８ ボルト
３９ ナット
４１ 接触抵抗
５４、５５ 接続端部
５６、５７、５８、５９ 接続部
６１ 超電導テープ線材（ベースライン線路）
６２、６３ 超電導テープ線材
１００ 地下資源電磁探査装置
ＤＬ、ＤＬ１〜ＤＬ６ 下部超電導層（第１超電導層）
ＵＬ、ＵＬ１〜ＵＬ６ 上部超電導層（第２超電導層）
Ｃ、Ｃ１〜Ｃ６ コンタクトホール
ＰＣ 制御・データ収録用パソコン

Claims (5)

1. 基板上に形成された超電導層を有し、前記超電導層に超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）が形成されている地下資源探査用磁気センサにおいて、
   前記超電導層に形成され前記ＳＱＵＩＤに接続又は磁気結合する薄膜状入力コイルと、
   前記薄膜状入力コイルと閉ループを形成するように接続され、超電導テープ線材を湾曲させて形成されたテープ状検出コイルとを有し、
   前記超電導テープ線材は、長手方向に沿い、かつ、端部に達しない切れ込みを有し、前記切れ込みにより幅方向に分離はしていないが２分割され、その２分割された一方が分断され、
   前記テープ状検出コイルでは、周上に前記端部が配置され、前記端部でコイル電流の向きが変わる
   ことを特徴とする地下資源探査用磁気センサ。
2. 前記超電導テープ線材は、
   湾曲可能なテープ状の金属基板と、
   前記金属基板上に形成された超電導薄膜を有することを特徴とする請求項１に記載の地下資源探査用磁気センサ。
3. 前記テープ状検出コイルは、前記超電導テープ線材の前記切れ込みにより２分割された少なくともどちらか一方を複数回巻いたマルチターン構造のコイルであることを特徴とする請求項１に記載の地下資源探査用磁気センサ。
4. 前記超電導テープ線材では、前記切れ込みは両側の前記端部に達しておらず、
   前記テープ状検出コイルでは、
   互いに逆相の２つのコイルが設けられる１次微分型のコイルが構成され、
   それぞれの周上に前記端部が１つずつ配置され、
   前記超電導テープ線材の前記切れ込みにより２分割された一方により前記逆相の一方の相のコイルが形成され、
   前記超電導テープ線材の前記切れ込みにより２分割された他方により前記逆相の他方の相のコイルが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の地下資源探査用磁気センサ。
5. 請求項１に記載の地下資源探査用磁気センサにおいて、
   前記基板は、前記基板上に形成され、前記ＳＱＵＩＤに接続し、前記薄膜状入力コイルと磁気結合する薄膜状検出コイルを有し、
   前記超電導層は、前記基板上に形成された第１超電導層と、前記第１超電導層の上方に絶縁層を介して形成された第２超電導層とを有し、
   前記薄膜状検出コイルと前記薄膜状入力コイルとは、前記第１超電導層と前記第２超電導層の相異なる層に形成され、前記絶縁層を隔て対向していることを特徴とする地下資源探査用磁気センサ。

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