JPH10300832A

JPH10300832A - 超伝導システム

Info

Publication number: JPH10300832A
Application number: JP9107686A
Authority: JP
Inventors: Katashi Adachi; 確足立; Yoichi Takada; 洋一高田; Shigeharu Oyu; 重治大湯; Katsuo Takahashi; 克夫高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-04-24
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 1998-11-13

Abstract

(57)【要約】【課題】検出コイルとＳＱＵＩＤとを簡単にかつ安定し
て超伝導接続でき、接続作業時間の短縮を図り、製造コ
ストの低減化に寄与するとともに、信頼性のある超伝導
システムを提供する。【解決手段】ＳＱＵＩＤ２１と検出コイル２２とを超伝
導接続する構造を備えたＳＱＵＩＤ磁束計。検出コイル
２２をＮｂＴｉ線で形成し、この検出コイル２２を、少
なくとも液体ヘリウム温度で超伝導特性を示す超伝導接
続材で検出コイル２２をＳＱＵＩＤ２１に接続する。超
伝導接続材は半田であり、この半田を用いた半田付けに
より超伝導接続する構造である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＳＱＵＩＤ（超伝
導量子干渉素子）を有する超伝導システムに関する。と
くに、好適には、生体から発生する微弱磁界（磁場）を
計測する生体磁場計測装置のＳＱＵＩＤを用いた磁場検
出部に係り、この磁場検出部として搭載されている、超
伝導リングであるＳＱＵＩＤの配線と微弱磁界を検出す
る検出コイルの配線とを超伝導接続する接続構造、およ
び、かかる接続を容易にするためのＳＱＵＩＤのＩＣパ
ッケージ化に関する。

【０００２】なお、本発明における「超伝導接続」は、
液体ヘリウム温度またはそれ以下の低温温度で超伝導特
性を示す超伝導材を接続媒体として用いた接続を言う。

【０００３】

【従来の技術】生体磁場計測装置は、ＳＱＵＩＤを用い
た超伝導システムの代表格として知られており、例えば
人体の脳から発生する微弱の脳磁界や、心臓から発生す
る微弱の心磁界を計測する装置である。この装置は、近
年、検出磁界に基づき機能診断を行うモダリティとして
注目されている。

【０００４】この生体磁場計測装置はＳＱＵＩＤ磁束計
として実施される。ＳＱＵＩＤ磁束計は、生体からの微
弱な磁界を検出コイルで検出して、ＳＱＵＩＤに一体に
含まれる磁束インプットコイルを介して当該ＳＱＵＩＤ
に導く磁場検出部を有する。検出コイルには超伝導線と
して、従来より、手巻きまたはプリント配線基板を用い
たＮｂＴｉ線やＮｂＴｉＣｕ線が用いられていた。

【０００５】（１）検出コイルがＮｂＴｉ線で形成され
ている場合、図１３（ａ），（ｂ）に示す如く、ＳＱＵ
ＩＤのチップキャリアに用意されている超伝導接続用の
パッドにネジ止めされていた。つまり、圧着により接続
されていた。このパッドには超伝導材料として、例えば
ＰｂＩｎＡｕが使用されている。

【０００６】（２）また検出コイルがＮｂＴｉＣｕ線で
形成されている場合、その接続は例えば公開特許公報、
特開平０５−２８３１１６号に記載されている如くの方
法で行われていた。具体的には、この接続方法の一つと
して、超伝導ストランド（ＮｂＴｉ）を支持する複数の
銅導体の端部が溶媒液体金属で処理され、この超伝導線
から銅が選択的に除去された後、その除去部分を利用し
て、図１４に示す如く、ＳＱＵＩＤのチップキャリアに
用意されている超伝導接続用のパッドに半田付けされ、
これにより、検出コイルとＳＱＵＩＤとがＰｂＩｎＡｕ
により超伝導接続される。また、別の接続方法として
は、この超伝導線から銅が選択的に紙やすりで除去さ
れ、同じく、パッドに半田付けされる。

【０００７】なお、ＳＱＵＩＤへのバイアス電流入力端
子、出力電圧端子（４端子法による端子）、およびフィ
ードバック端子は通常の常伝導の電気的接続が行われ
る。つまり、ＳＱＵＩＤのチップキャリアに用意されて
いる常伝導接続用のパッドにおいて銅線とマンガニン線
との半田付け接続が行われる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の接続方法には、種々の不都合や問題点があった。

【０００９】第１に、上述した（１）に記載のＮｂＴｉ
線を用いた検出コイルの場合、超伝導接続用のパッドに
ネジ止めされる構成であるが、ＮｂＴｉ線それ自体が元
来、合金の性質から変形し難く、ネジに巻き付けながら
止めるという接続作業は大変に長時間を要するものであ
った。接続は圧着によるため、その信頼性はネジのトル
クと巻付け方に大きく依存していた。ＳＱＵＩＤによる
検出部は現在、マルチチャンネル化に向かっているが、
上述した（１）の接続方法を採用した場合、マルチチャ
ンネル化を行うには接続だけでも膨大な作業時間、すな
わち作業コストを必要とし、生体磁場計測装置全体の製
造コストの上昇を招くとともに、接続の信頼性も非常に
不安定であるという問題があった。

【００１０】第２に、上述した（２）に記載のＮｂＴｉ
Ｃｕ線を用いた検出コイルの場合、超伝導接続用のパッ
ドに半田付けされる構成である。ＮｂＴｉＣｕ線は、Ｎ
ｂＴｉ線とは異なり、可撓性があるので、検出コイルの
手巻き作業で製造していた時代には重宝されていた。半
田接続も簡易で済むという利点があった。しかしなが
ら、このＮｂＴｉＣｕ線を用いた検出コイルにあって
は、ＮｂＴｉ線の周りにコーティングされた銅が熱雑音
を発生するため、ＮｂＴｉ線で形成された検出コイルに
比べて、磁束雑音が非常に大きい。これゆえ、生体磁場
計測装置全体の計測限界（磁場感度）が低いという問題
があった。この問題は、例えば論文：Jpn.J.Appl.Phys.
Vol.34(1995) pp.L738-L740 Part2.No.6B.15 June 199
5, "FluxNoise From a Metal Surrounding a Supercond
ucting Wire Applied to a Gra-diometer" に記載され
ている。

【００１１】第３に、上述した（１）および（２）に共
通の問題として、メインテナンス時の問題がある。
（１）および（２）の接続方法により接続された磁場検
出部は、例えば図１５（ａ），（ｂ）に示す如く、検出
コイルとＳＱＵＩＤセンサとが一体化していることが多
く、そのような場合、メインテナンス時には検出部全体
の交換（全交換）が望ましい。同図において、検出コイ
ルとＳＱＵＩＤチップとは基板上に別々に実装され、検
出コイル配線には超伝導ボンディング、出力側には常伝
導ボンディングを用いて結線される。検出コイルのボビ
ンとしての基板をチップキャリアとして用い、ＳＱＵＩ
Ｄチップの上からカバーパッケージングを施すようにな
っている。

【００１２】つまり、検出コイルまたはＳＱＵＩＤのい
ずれか一方だけが故障した場合でも、その一方だけを個
別に交換することは非常に面倒な作業をを必要とし、通
常、両方を交換することになる。したがって、メインテ
ナンス時の部品コストが高くなるとともに、その作業手
間の煩雑さや長時間化による作業コストの上昇を招くと
いう問題があった。

【００１３】第４に、とくに、検出コイルとＳＱＵＩＤ
の接続に半田付けを用いた場合、メインテナンス時に問
題がある。メインテナンスを行うときに、検出コイルと
ＳＱＵＩＤとの接続をどうしても切り離す必要がある事
態も生じるが、それらを再度接続する場合、はやり半田
付けを行う必要がある。したがって、製造時のみなら
ず、メインテナンスにも長時間の手間が掛かり、メイン
テナンスコストが上昇する。

【００１４】第５に、ＳＱＵＩＤの取扱に関する問題が
ある。ＳＱＵＩＤを上述のように切り離して交換する場
合、その作業は非常な慎重を期する必要がある。ＳＱＵ
ＩＤをチップキャリアに接続するため、ＳＱＵＩＤには
超伝導ボンディングと常伝導ボンディングが要るが、扱
い方によってはその配線を切断する恐れがあるためであ
る。

【００１５】また、この配線切断を防ぐために、パッケ
ージ化や樹脂封入の構造も可能ではある。しかし、電気
的端子が超伝導接続側と常伝導接続側に在る。ＳＱＵＩ
Ｄの素子内部は電気的に弱結合された抵抗として表せる
ことのできる構造であるため、静電気に因る破壊が起き
易い。静電気は人体に蓄積された電荷であり、この電荷
でも素子内部が簡単に破壊されることがある。この静電
気による破壊を防止するには、持ち運びのときにＳＱＵ
ＩＤパッケージを電気的に十分に絶縁する必要がある。
一方、持ち運びや動作時の振動に因りパッケージ内部の
電気的接続が外れる恐れもあった。これらの事情を考慮
して製造段階およびメインテナンス時の作業を行う必要
があるため、その作業がどうしても慎重にならざるを得
ず、またときには再作業が必要となり、したがって、作
業時間も長期化し、作業コストが上昇するという問題に
なっていた。

【００１６】第６に、トラップの問題がある。「トラッ
プ」とは、ＳＱＵＩＤなど、超伝導状態になる部分にお
いて閉ループを構成する超伝導配線内に磁束が刺さった
状態のままになってしまうことで、このトラップが生じ
ると、ＳＱＵＩＤが持つ本来の性能（磁束電圧変換率）
を発揮できなくなる。インテナンス完了後に超伝導動作
させるには、ＳＱＵＩＤおよび検出コイルが含まれたイ
ンサートを入れたデュアに液体ヘリウムを入れる必要が
あるが、このときに、トラップの問題が生じる可能性が
ある。

【００１７】本発明は、このような従来技術の現状を打
破するためになされたものである。具体的には、本発明
は、検出コイルとＳＱＵＩＤとを簡単にかつ安定して超
伝導接続でき、接続作業時間の短縮を図り、製造コスト
の低減化に寄与するとともに、信頼性のある超伝導シス
テムを提供することを、第１の目的とする。

【００１８】また、検出コイルとして使用する超伝導線
において、従来のような銅成分からの熱雑音に起因した
磁束雑音を好適に排除して、システムの磁場計測限界を
向上させることを、第２の目的とする。

【００１９】また、検出コイルとＳＱＵＩＤとを含む磁
場検出部の製造作業時およびメインテナンス作業の容易
化、時間短縮化を図って、製造およびメインテナンスに
要する作業コストを低減させるとともに、メインテナン
スのための部品コストをも低減させることのできる超伝
導システムを提供することを、第３の目的とする。

【００２０】さらに、ＳＱＵＩＤを取り扱うときの配線
切れや静電気破壊の発生を殆ど防止し、その取扱作業の
容易化を図るとともに、信頼性の高い超伝導システムを
提供することを、第４の目的とする。

【００２１】さらに、上述した第３および／または第５
の目的と併せて、ＳＱＵＩＤのトラップ防止対策を効果
的に行うことのできる超伝導システムを提供すること
を、第４の目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成させるた
め、本発明の第１の側面によれば、ＳＱＵＩＤ（超伝導
量子干渉素子）とコイルとを超伝導接続する構造を備え
た超伝導システムにおいて、前記コイルをＮｂＴｉ線で
形成し、このコイルを、少なくとも液体ヘリウム温度で
超伝導特性を示す超伝導接続材で前記ＳＱＵＩＤに接続
したことを特徴とする。

【００２３】好適には、前記超伝導接続材は半田であ
り、この半田を用いた半田付けにより超伝導接続する構
造である。また好適には、前記ＳＱＵＩＤはチップキャ
リアに搭載されかつこのチップキャリア上の超伝導材で
形成されたパッドに接続されるとともに、前記コイルを
形成するＮｂＴｉ線の先端所定部分の被覆のみを選択的
に除去して形成された配線接続部を、前記半田により前
記パッドに超伝導接続する構造である。さらに好適に
は、前記超伝導接続の構造は、前記配線接続部を前記パ
ッドに盛った半田盛りに当該配線接続部の先端が突出す
るまで差し込み、その後に、その配線接続部を差し込み
方向とは反対方向に所定距離だけ引き戻す工程を経て形
成されている。

【００２４】例えば、前記超伝導システムは生体が発す
る微弱磁場を計測する生体磁場計測装置であり、前記コ
イルは、前記微弱磁場を検出して前記ＳＱＵＩＤの磁束
インプットコイルに導く検出コイルである。

【００２５】また本発明の第２の側面によれば、ＳＱＵ
ＩＤ（超伝導量子干渉素子）とコイルとを超伝導接続す
る構造を備えた超伝導システムにおいて、前記接続構造
は、前記コイルと前記ＳＱＵＩＤとをコネクタにより互
いに着脱自在に接続する構造であり、このコネクタを少
なくとも液体ヘリウム温度で超伝導特性を示す超伝導材
で形成したことを特徴とする。好適には、前記超伝導材
は、ＮｂまたはＮｂを用いた非磁性の合金もしくは化合
物から成る。

【００２６】例えば、前記超伝導システムは生体が発す
る微弱磁場を計測する生体磁場計測装置であり、前記コ
イルは、前記微弱磁場を検出して前記ＳＱＵＩＤの磁束
インプットコイルに導く検出コイルである。この場合、
好適には、前記コネクタは、ＮｂまたはＮｂを用いた非
磁性の合金もしくは化合物から成る圧入用のピンと、Ｎ
ｂまたはＮｂを用いた非磁性の合金もしくは化合物から
成り且つ前記ピンを圧入させるソケットとを備え、前記
ピンを前記検出コイルに超伝導接続し、前記ソケットを
前記磁束インプットコイルに超伝導接続した構造であ
る。また好適には、前記ピンの少なくとも前記検出コイ
ルの配線を接続する表面に濡れ性のある金属膜を付着さ
せる表面処理を施すとともに、前記ソケットの少なくと
も前記磁束インプットコイルの配線を接続する表面に濡
れ性のある金属膜を付着させる表面処理を施した構造で
ある。

【００２７】さらに本発明の第３の側面によれば、チッ
プ状のＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）を備えた超伝
導システムにおいて、前記ＳＱＵＩＤを非磁性材で成る
ＩＣパッケージに内蔵するとともに、当該ＩＣパッケー
ジを樹脂または窒素ガスで封入・密閉したことを特徴と
する。好適には、前記ＳＱＵＩＤを内蔵した前記ＩＣパ
ッケージは着脱自在なコネクタを介して前記ＳＱＵＩＤ
の周辺電気回路に接続される。

【００２８】一例として、前記超伝導システムは生体が
発する微弱磁場を計測する生体磁場計測装置であり、前
記周辺電気回路は、前記微弱磁場を検出して前記ＳＱＵ
ＩＤの磁束インプットコイルに導く検出コイルおよび前
記ＳＱＵＩＤを駆動する駆動回路を含む。この場合、前
記コネクタは、前記ＳＱＵＩＤの回路と前記周辺電気回
路とを互いに着脱自在に接続する複数の端子対を有し、
この複数の端子対の内の前記検出コイルと前記磁束イン
プットコイルとを着脱自在に接続する端子対を、少なく
とも液体ヘリウム温度で超伝導特性を示す超伝導材を用
いて非誘導性の構造に形成した構造である。さらに例え
ば、前記複数の端子対のそれぞれは、前記ＳＱＵＩＤ側
に接続された圧入用のピンと、前記周辺電気回路側に接
続され且つ前記ピンを圧入させるソケットとを備える。

【００２９】また好適には、前記ＳＱＵＩＤを内蔵した
前記ＩＣパッケージの内部に、当該ＳＱＵＩＤのトラッ
プ解除用の非磁性熱源を設置することである。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、
本発明に係る超伝導システムとして生体磁気計測装置を
説明するが、本発明は必ずしもそれに限定されるもので
はなく、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）と超伝導コ
イルとを有し、それらを超伝導接続する構造のものであ
れば、そのほかのシステムにも同様に適用可能なもので
ある。

【００３１】［第１の実施形態］本発明の第１の実施形
態を図１〜図７を参照して説明する。

【００３２】最初に、本実施形態の要部に係る超伝導接
続部分を有する磁場検出部が装置全体のどこに位置して
いるかを説明する。

【００３３】図１は、生体磁気測定装置としての単チャ
ンネルのｄｃ−ＳＱＵＩＤ磁束計の電気的なブロック構
成を示す。

【００３４】このｄｃ−ＳＱＵＩＤ磁束計は、変調型Ｆ
ＬＬ（Flux Locked Loop）回路方式で構成されており、
検出部１１と駆動回路１２とを備える。検出部１１は、
液体ヘリウムを入れたデュア内に浸され、超伝導状態に
置かれる。検出部１１は、超伝導リングとしてのＳＱＵ
ＩＤ２１と、生体が発生する微弱な磁界を検知する検出
コイル２２（超伝導コイル）とを備える。ＳＱＵＩＤ２
１には磁束インプットコイル２１ａおよびフィードバッ
クコイル２１ｂが一体的に形成され、磁束インプットコ
イル２１ａに検出コイル２２を成す配線が超伝導接続さ
れる。検出コイル２２の巻き方には種々のタイプのもの
が在る。検出コイル２２の配線材として、ここではＮｂ
Ｔｉ線を用いる。

【００３５】駆動回路１２は、直流バイアス電源ＥB 、
増幅器２３、同期検波器２４、励振信号発信器２５を備
える。直流バイアス電源ＥB はＳＱＵＩＤ２１に直流バ
イアス電流を供給する。励振信号発信器２５の出力信号
ｆ0 はフィードバックコイル２１ｂに接続される。ＳＱ
ＵＩＤ２１の出力電圧は増幅器２３を介して同期検波器
２４に送られる。これにより、ＳＱＵＩＤ２１のジョセ
フソン接合部分の電圧が変化しないようにフィードバッ
クが掛けられ、このフィードバック信号が測定しようと
している生体磁界に対応した出力となる。

【００３６】続いて、この検出部１１の構造を図２およ
び図３に基づき説明する。磁界センサとして機能するＳ
ＱＵＩＤ２１はチップ素子の薄膜構造による集積回路と
して形成され、矩形平坦状のパッケージ内に封入された
状態でチップキャリア３１に搭載してある。チップキャ
リア３１の両端部の一方には、２個の矩形状の超伝導接
続用パッド３２、３２が形成されている。このパッド３
２、３２の材料には例えばＰｂＩｎＡｕから成る超伝導
材料が用いられる。反対の端部には４個の矩形状の常伝
導接続用パッド３３、…、３３が形成されている。これ
らのパッド３２、３３は電気的には図１に示したよう
に、ＳＱＵＩＤ２１とその周辺の電気回路とを仲介する
ものである。とくに、超伝導接続用パッド３２には、Ｓ
ＱＵＩＤ２１内の磁束インプットコイル２１ａが電気的
に接続されている。

【００３７】このパッド３２にはまた、検出コイル２２
が超伝導接続され、これにより検出コイル２２と磁束イ
ンプットコイル２１ａがパッド３２を介して電気的に繋
がる。検出コイル２２には従来では半田付けができない
と言われていたＮｂＴｉ線が使用され、このＮｂＴｉ線
の２つの両端部が半田付けでパッド３２、３２に接続さ
れる。ＮｂＴｉ線の半田付けが可能なことは、本発明者
による実験により確認されたことであり、本実施形態は
この実験に基づいている。

【００３８】超伝導接続用パッド３２への検出コイル２
２の接続方法を説明する。この接続作業の流れの概要を
図４に示す。この接続作業は検出コイル２２の接続端部
毎に手作業で実施できる。

【００３９】（１）まず、チップキャリア３１の超伝導
接続用パッド３２、３２に融点温度付近で溶かした半田
を多めに盛り、半田盛り３４を形成する（図６参照）。

【００４０】（２）次いで、検出コイル２２の配線であ
るＮｂＴｉ線の両端部の所定長さ範囲に紙ヤスリを掛け
（図５参照）、外周面に塗布されている絶縁材（ホルマ
ル被覆）を取り除き、配線接続部２２ａを形成する。こ
れは、ＮｂＴｉ線を用いて手巻きにより検出コイルを制
作するとき、互いに重なり合う部分が生じるので、絶縁
材が塗布された線を利用することによる。ＮｂＴｉ線か
ら絶縁材を除去する配線接続部２２ａの長さは、パッド
３２、３２に盛った半田から若干はみ出す程度の長さが
好適である。好適なヤスリ掛けの手法としては、目の細
かい耐水ペーパー（紙ヤスリ）などを用いてＮｂＴｉ配
線を磨くと、途中で配線表面の光沢が変化する。この光
沢が変化した部分がＮｂＴｉ合金部分であるから、接続
する端部全体の光沢が変化するまで磨くようにする。こ
の磨き作業のとき、配線接続部２２ａの周囲を一様に磨
く必要がある。局所的に偏った磨き方を行うと、ＮｂＴ
ｉ配線が切れ易くなるので、注意することが肝要であ
る。磨き終えた配線接続部２２ａに手を触れて油脂など
の汚れを付けないようにすることも必要である。このヤ
スリ掛けの別の手法として、溶剤を兼用してもよい。つ
まり、溶剤にＮｂＴｉ配線の先端を浸して、外周の絶縁
材（ホルマル被覆）を溶かした後、軽く紙ヤスリを掛け
るようにしてもよい。

【００４１】（３）磨き終えた配線接続部２２ａを、パ
ッド３２の半田盛り３４に近付けるとともに、その半田
を融点温度付近で溶かし、配線接続部２２ａを先端から
半田盛り３４の中へ差し込む。このとき、配線接続部２
２ａが半田盛り３４の反対側から所定長さだけ突出する
まで差し込む（図６の仮想線の状態参照）。

【００４２】（４）この差込みが終わると、今度はゆっ
くりと差し込み方向とは反対の方向に配線を少し引っ張
る（図６の実線の状態参照）。この反対方向への引き込
みは、差し込みのために溶かした半田が固まる前に行
う。このゆっくりとした速度での反対方向への引き込み
によって、配線接続部２２ａと半田盛り３４の半田材と
の接合が確実になる。この引き込み作業のときに、半田
盛り３４が配線接続部２２ａと共に引かれる状態を目視
で確認しておくことが望ましく、この引かれる状態が確
認できれば、確実な電気的接続ができていることがわか
る。

【００４３】（５）そして、半田盛り３４が完全に固ま
るまで待機する。

【００４４】（６）半田盛り３４が完全に固まったら、
検出コイル２２であるＮｂＴｉ配線の配線接続部２２ａ
が半田盛り３４、すなわちパッド３２に固着しているか
否かを確認する。図７に、ＳＱＵＩＤ２１と検出コイル
２２との接続状態の一例を示す。

【００４５】配線接続部２２ａに、油脂などの汚れが付
着したまま上記差し込みを行った場合、半田濡れ性が低
下し、半田と配線接続部とが完全に接合していない、つ
まり超伝導接続がなされていない事態が起こり得る。す
なわち、配線接続部の表面に、熱に因って焼け焦げたカ
ーボンが付着し、このカーボンと半田が接合していると
いう状態が起こり得る。この見掛け上の接合を防止する
には、上述したステップ（４）での反対方向への引き込
み作業を確実に行っておくことが望ましい。

【００４６】実施例上述した実施形態に従う１つの実施例を説明する。

【００４７】半田材を成す金属として、鉛（５〜９８％
の含有）とスズ、またはその他の金属とから成る合金を
採用した。この内、液体ヘリウム温度で超伝導特性を呈
するのは鉛である。この実施例では、鉛４：スズ６の割
合で松ヤニが入っている半田材を使用した。

【００４８】検出コイルとしては、直径１００ミクロン
の絶縁膜付きＮｂＴｉ線である。

【００４９】この第１の実施形態では、以上のように、
検出コイルとしてＮｂＴｉ線材を用い、この線材に直接
に半田付けすることで超伝導接続が可能になるので、従
来のようにＮｂＴｉＣｕ線を検出コイルとして用いる必
要がない。このため、ＮｂＴｉＣｕ線を用いたときのよ
うな銅被膜に因る熱雑音が無くなり、磁場分解能が各段
に向上する。したがって、ＳＱＵＩＤ磁束計全体の計測
限界（磁場感度）を大幅に改善することができる。ま
た、ＮｂＴｉ線を直接に半田付けするという簡易な接続
手法であるため、従来法に比べて、製造段階およびメイ
ンテナンス段階での接続作業の作業性も向上するという
メリットがある。

【００５０】なお、上述した実施形態は変調型ＦＬＬ
（Flux Locked Loop）回路方式のｄｃ−ＳＱＵＩＤ磁束
計について説明したが、本発明を実施できる生体磁気測
定装置は必ずしもそのようなタイプの磁束計に限定され
るものではない。例えば、無変調型ＦＬＬ回路方式のｄ
ｃ−ＳＱＵＩＤ磁束計であってもよく、その一例を図１
６に示す。

【００５１】図１６に記載したｄｃ−ＳＱＵＩＤ磁束計
は検出部１１と駆動回路１２とを備える。検出部１１は
前述した図１のものと同様に形成されており、超伝導リ
ングとしてのＳＱＵＩＤ２１と、生体が発生する微弱な
磁界を検知する検出コイル２２（超伝導コイル）とを備
える。ＳＱＵＩＤ２１には磁束インプットコイル２１ａ
およびフィードバックコイル２１ｂが一体的に形成さ
れ、磁束インプットコイル２１ａに検出コイル２２を成
す配線が超伝導接続される。ここに、本発明が実施され
る。

【００５２】駆動回路１２は、直流バイアス電源ＥB 、
プリアンプ３８、積分器３９、およびフィードバック抵
抗Ｒf を備える。直流バイアス電源ＥB はＳＱＵＩＤ２
１に直流バイアス電流を供給する。ＳＱＵＩＤ２１の出
力電圧はプリアンプ３８を介して積分器３９に送られ
る。積分器３９の出力がフィードバック抵抗Ｒf を介し
てフィードバックコイル２１ｂに接続されている。これ
により、電圧の変化を増幅して磁束として直接フィード
バックすることができ、入力磁束の変化を打ち消すよう
になる。この磁束変調を使わない直接フィードバックに
よって、積分器３９から磁束計出力を得る回路となる。

【００５３】［第２の実施形態］本発明の第２の実施形
態を図８〜図１０に基づき説明する。第１の実施形態の
ものと同一または同等の構成要素には同一符号を用い
る。

【００５４】この第２の実施形態では、上述のように直
接半田付けすることはせずに、超伝導接続用の超伝導コ
ネクタを形成し、この超伝導コネクタを介して検出コイ
ルをＳＱＵＩＤに接続する構成である。

【００５５】超伝導コネクタには液体ヘリウム温度で超
伝導特性を呈する部材を使用する。好適な１つの部材例
としては、ＮｂまたはＮｂを含む合金、化合物（液体ヘ
リウム温度で超伝導特性を有する非磁性体）が挙げられ
るが、超伝導物質である元素、化合物、合金（液体ヘリ
ウム温度で超伝導特性を有する非磁性体）のいずれを使
用してもよい。

【００５６】いま、検出コイル２２とＳＱＵＩＤ２１と
をピン型の超伝導コネクタ４０で超伝導接続する構成を
説明する。

【００５７】この超伝導コネクタ４０として、図８に示
す如く、検出コイル２２に半田付けされるピン４０ｐ
と、ＳＱＵＩＤ２１の磁束インプットコイルにパッド３
２を介して接続されるソケット４０ｓとを備える。この
ピン４０ｐおよびソケット４０ｓには共に、例えば超伝
導物質（液体ヘリウム温度で超伝導特性を有する非磁性
体）としてＮｂが用いられ、この物質が所定形状および
サイズのピン、ソケットに加工されている。つまり、ソ
ケット４０ｓにはピン４０ｐの軸部を圧入させる穴が穿
設されており、両者の接触により電気的接続が達成され
る。ピン４０ｐおよびソケット４０ｓ、ならびに、これ
に接続される配線はインダクタンスを持たないように非
誘導性の構造になっている。

【００５８】このピン４０ｐおよびソケット４０ｓの外
表面に、濡れ性のある金属を蒸着またはスパッタリング
されている。これは、Ｎｂ自体には濡れ性が無いため、
コイルとの半田付けなどの接合ができないからである。
濡れ性のある金属を付着させる表面処理を行うことで、
半田付けやフリップチップボンドが可能になる。このた
め、この表面処理は、ピン４０ｐの検出コイル２２（こ
こではＮｂＴｉ線）との接続部およびソケット４０ｓの
パッド３２との接続部の半田盛り（半田付け）部分には
必須の処理となる。濡れ性のある金属としては例えば、
Ｐｂ，Ａｕ，Ｃｕ，Ａｇ，ＰｂＳｎ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｐｂ
ＩｎＡｕ，ＰｂＩｎが知られている。なお、半田材は超
伝導状態になることが確認されている。

【００５９】このため、ピン４０ｐをソケット４０ｓに
差し込むことにより、検出コイル２２とＳＱＵＩＤ２１
とを超伝導コネクタ４０を介して簡単に超伝導接続でき
る。また、ピン４０ｐをソケット４０ｓから抜くことに
より、検出コイル部分とＳＱＵＩＤの回路部分とを簡単
に、しかも再接合可能な状態で分離できる。このため、
メインテナンス時に、磁界センサとしてのＳＱＵＩＤま
たは検出コイルの交換が容易に且つ個別に行えるから、
従来のように両者を一体として取り替える必要が無い。
メインテナンス時の部品コストを低減させることができ
とともに、その補修時間を短縮させることができる。ま
た、製造時においても、ＳＱＵＩＤと検出コイルとの分
離は有利に効いて、製造時間を短縮させることができ
る。

【００６０】なお、超伝導コネクタはその接続位置のレ
イアウトの状況などに応じて種々の形状に加工できる。
超伝導コネクタのそのほかの形状を図９に示す。同図
（ａ），（ｂ）のいずれの超伝導コネクタ４１，４２
も、ピン４１ｐ（４２ｐ）をソケット４１ｓ（４２ｓ）
に圧入させるだけの簡単な着脱構造となっている。この
内、同図（ｂ）に示す超伝導コネクタ４２のピン４２ｐ
は平面形状で、その幅はソケット４２ｓの挿入穴の径よ
りも所定値だけ大きく加工されている。これにより、圧
入に伴う超伝導接続を確実にしている。

【００６１】また、コネクタを成すピンとソケットの両
方の接触面に、液体ヘリウム温度にて超伝導特性を呈す
る鉛などの柔らかい金属を蒸着しておいて、ピンとソケ
ットとを一層、確実に超伝導接続させるようにしてもよ
い。また、ピンとソケットの接続面（部分）には、荒さ
の出る表面処理を施しておいてもよい。

【００６２】さらに、図１０には、上述のように形成さ
れ機能する超伝導コネクタのほかの使用例を示す。超伝
導コネクタ４６のピン４６ｐはＳＱＵＩＤをパッケージ
化したＳＱＵＩＤパッケージ４５の底面に取り付けら
れ、ソケット４６ｓはＦＰＣとして形成される検出コイ
ル４７の端部に装着されている。ピン４６ｐをソケット
４６ｓに圧入することで、ＳＱＵＩＤパッケージ４５、
すなわちＳＱＵＩＤの磁束インプットコイルが超伝導コ
ネクタ４６を介して検出コイル４７に超伝導接続され
る。超伝導コネクタ４６は、Ｎｂまたはその他の超伝導
材を用いたコネクタである。

【００６３】［第３の実施形態］本発明の第３の実施形
態を図１１、図１２に基づき説明する。この実施形態で
は、第２の実施形態で説明した超伝導接続の改善に加
え、ＳＱＵＩＤをＩＣパッケージに封入するＩＣパッケ
ージ化の構造を採用したものである。

【００６４】図１１、１２において、磁界センサ素子と
してのＳＱＵＩＤ２１は従来周知のＩＣパッケージ５０
に封入され、ＳＱＵＩＤ−ＩＣとして基板５１にコネク
タ５２を介して着脱自在に取り付けられる。ＩＣパッケ
ージ５０に好適な非磁性材料としては極低温でも壊れな
いセラミックス材が挙げられるが、プラスチック材であ
っても極低温でも破損しなければ使用してもよい。

【００６５】ＩＣパッケージ５０の内部には、ＳＱＵＩ
Ｄ２１、トラップ対策用熱源６０、およびチップキャリ
ア６１が配置される。ＩＣパッケージ５０の底板にはチ
ップキャリア６１、６１が載置され、このチップキャリ
ア６１、６１にＳＱＵＩＤ２１がフリップチップボンデ
ィング６２（またはボンディング）により超伝導接続お
よび電気的接続されている。

【００６６】トラップ対策用熱源６０としては非磁性の
シート熱源または線熱源を用い、この熱源をチップ周辺
に設置する。この熱源の他の一例は、シート熱源をスパ
イラル状に加工し、これをＳＱＵＩＤ２１の下に敷設す
るようにしてもよい。

【００６７】ＩＣパッケージ５０の底板には、第２の実
施形態で説明した超伝導コネクタのピンと同等構造の複
数のピン６３p1，６３p2，…，６３p9，６３p10 ，６３
p11，…６３p18 が１／１０インチの等間隔で両側にわ
たって気密に配置されている。この複数のピン６３p1…
６３p18 はチップキャリア６２、６２を通してＳＱＵＩ
Ｄ２１のコイル端に電気的に配線されている。複数のピ
ン６３p1…６３p18 の内、ここでは２本のピン６３p1，
６３p2が超伝導コネクタ６３のピンを担う。残りのピン
は常伝導接続を担うピンであり、バイアス電流入力端子
用、出力電圧端子（４端子法による端子）用、フィード
バック端子用に使用されている。余った端子は空き端子
でよい。

【００６８】この２列にわたる複数のピン６３p1…６３
p18 に個別に対向する状態で、基板５１には２列にわた
る複数のソケット６３s1…６３s18 が固設されている。
ピン６３p1はソケット６３s1に、ピン６３p2はソケット
６３s2にそれぞれ圧入して超伝導接続でき、この２組の
ピン／ソケットにより超伝導コネクタ６３が構成されて
いる。残りのピン／ソケットも個別に常伝導で電気的接
続が可能になっている。全部のピン６３p1…６３p18 は
個々のソケット６３s1…６３s18 に着脱自在に取り付け
できる。超伝導コネクタ６３のピンおよびソケットは上
述した第２の実施形態と同様に超伝導物質を用いて形成
される。超伝導コネクタ６３以外のピンおよびソケット
は、非磁性の金属材料で形成され、通常の電子回路基板
上での設計が可能になっている。

【００６９】ＩＣパッケージ５０の内部には窒素ガスま
たは樹脂を封入し、これにより内部を封止している。し
たがって、ボンディング材の酸化に因る劣化、振動に因
る内部破壊を防止できる。

【００７０】ＳＱＵＩＤ−ＩＣ用の基板５１に対して、
コイル用の基板５１ａが例えば図示の如く直交状態で配
置される。この基板５１ａには検出コイル２２が形成さ
れ、超電導コネクタの所定のソケットに電気的に接続さ
れている。

【００７１】このようにＳＱＵＩＤをＩＣチップ化する
ことで、ＳＱＵＩＤを外界から物理的に遮断し、また電
気的絶縁性を確保することができる。これにより、メイ
ンテナンス時にＳＱＵＩＤを単体で交換する必要がある
場合でも、作業者にとってＳＱＵＩＤの取扱が著しく容
易になる。具体的には、ＳＱＵＩＤの耐振動性が向上す
るから、持ち運びが容易になる。また、ＳＱＵＩＤの十
分な電気的絶縁性が確保できているので、静電気に因る
ＳＱＵＩＤのジョセフソン接合部の破壊を確実の防止す
ることができる。この結果、信頼性の高いＳＱＵＩＤ、
すなわち、従来の装置に比べて信頼性が著しく向上した
ＳＱＵＩＤ磁束計を提供することができる。このように
最小部品単位で交換が可能になり、部品コスト低減なら
びに作業時間およびそのコストの低減に寄与できる。

【００７２】また、ＳＱＵＩＤのＩＣパッケージ化に併
せて、トラップ除去機能を搭載したため、常に最適な性
能を簡単に維持できる。また、ＳＱＵＩＤチップは封入
されているため、かかるトラップ除去機能によって、冷
却するときに熱勾配を付けさせることができ、初期動作
不良が生じ難くなる。この利点によって、殆ど場合、Ｓ
ＱＵＩＤの持つ本来の性能（磁束電圧変換）を十分に発
揮させることができる。したがって、ＳＱＵＩＤ磁束計
のシステムとして安定動作を提供できるし、超伝導遷移
時間を待たずに容易にシステムのセットアップができ、
作業高率を向上させることもできる。

【００７３】なお、上述した各実施形態では超伝導動作
をさせる極低温温度として、液体ヘリウム温度を用いて
説明したが、この液体ヘリウム温度以下の低温であって
も同様に実施できる。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る超伝
導システムによれば、１）検出コイルなどのコイルをＮ
ｂＴｉ線で形成し、このコイルを、少なくとも液体ヘリ
ウム温度で超伝導特性を示す超伝導接続材で前記ＳＱＵ
ＩＤに接続した構造、２）コイルとＳＱＵＩＤとをコネ
クタにより互いに着脱自在に接続する構造であり、この
コネクタを少なくとも液体ヘリウム温度で超伝導特性を
示す超伝導材で形成した構造、または、３）ＳＱＵＩＤ
を非磁性材で成るＩＣパッケージに内蔵するとともに、
当該ＩＣパッケージを樹脂または窒素ガスで封入・密閉
した構造を採用したので、以下のような各種の効果を得
る。

【００７５】第１に、検出コイルとＳＱＵＩＤとを簡単
にかつ安定して超伝導接続でき、接続作業時間の短縮を
図り、製造コストの低減化に寄与するとともに、信頼性
のある超伝導システムを提供できる。

【００７６】第２に、検出コイルとして使用する超伝導
線において、従来のような銅成分からの熱雑音に起因し
た磁束雑音を好適に排除して、システムの磁場計測限界
を向上させることができる。

【００７７】第３に、検出コイルとＳＱＵＩＤとを含む
磁場検出部の製造作業時およびメインテナンス作業の容
易化、時間短縮化を図って、製造およびメインテナンス
に要する作業コストを低減させるとともに、メインテナ
ンスのための部品コストをも低減させることのできる超
伝導システムを提供できる。

【００７８】第４に、ＳＱＵＩＤを取り扱うときの配線
切れや静電気破壊の発生を殆ど防止し、その取扱作業の
容易化を図るとともに、信頼性の高い超伝導システムを
提供できる。

【００７９】第５に、上述した第３および／または第５
の目的と併せて、ＳＱＵＩＤのトラップ防止対策を効果
的に行うことのできる超伝導システムを提供できる。

【００８０】以上の利点を総括すると、製造時、定期的
な保守管理時、故障時のメインテナンス時に、製造に要
する作業時間、ならびに、メインテナンスに要する作業
時間および作業コストを減らし、システムの信頼性を飛
躍的に向上させ、また計測精度も著しく向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の生体磁場計測装置としてのＳＱＵＩＤ
磁束計の概略構成を示すブロック図。

【図２】第１の実施形態に係るＳＱＵＩＤおよびその周
辺構造を平面的に示す図。

【図３】図２に示す構造を側面から見た様子を示す図。

【図４】第１の実施形態の超伝導接続の手順の流れの概
略を説明する作業手順図。

【図５】紙ヤスリによる配線接続部の形成過程を説明す
る図。

【図６】配線接続部の半田盛りへの差し込みおよび引き
戻しの作業を説明する図。

【図７】ＳＱＵＩＤと検出コイルの接続例の図。

【図８】第２の実施形態に係るＳＱＵＩＤおよび超伝導
コネクタを示す側面図。

【図９】超伝導コネクタの他の例を示す概略斜視図。

【図１０】超伝導コネクタのほかの使用例を示す側面
図。

【図１１】第３の実施形態に係るＩＣパッケージ化され
たＳＱＵＩＤ（ＳＱＵＩＤ−ＩＣ）およびその周辺構造
を示す、パッケージを破断して示す側面図。

【図１２】図１１の平面図。

【図１３】検出コイルとＳＱＵＩＤとの従来の超伝導接
続の一例を説明する図。

【図１４】検出コイルとＳＱＵＩＤとの従来の超伝導接
続のほかの例を説明する図。

【図１５】検出コイルとＳＱＵＩＤとの従来の超伝導接
続のほかの例を説明する図。

【図１６】本発明の生体磁場計測装置としての別のＳＱ
ＵＩＤ磁束計の概略構成を示すブロック図。

【符号の説明】

１１検出部２１ＳＱＵＩＤ２１ａ磁束インプットコイル２２検出コイル（ＮｂＴｉ配線）２２ａ配設接続部３１チップキャリア３２超伝導接続用パッド３４半田盛り４０、４１、４２、４６、６３超音波コネクタ４０ｐ、４１ｐ、４２ｐ、４６ｐ、６３p1、６３p2 ピ
ン４０ｓ、４１ｓ、４２ｓ、４６ｓ、６３s1、６３s2 ソ
ケット５０ＩＣパッケージ５１基板６０トラップ対策用熱源６１チップキャリア６２フリップチップボンディング６３超伝導コネクタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋克夫栃木県大田原市下石上1385番の１株式会社東芝那須工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）とコ
イルとを超伝導接続する構造を備えた超伝導システムに
おいて、前記コイルをＮｂＴｉ線で形成し、このコイルを、少な
くとも液体ヘリウム温度で超伝導特性を示す超伝導接続
材で前記ＳＱＵＩＤに接続したことを特徴とする超伝導
システム。
【請求項２】請求項１記載の発明において、前記超伝導接続材は半田であり、この半田を用いた半田
付けにより超伝導接続する構造である超伝導システム。
【請求項３】請求項２記載の発明において、前記ＳＱＵＩＤはチップキャリアに搭載されかつこのチ
ップキャリア上の超伝導材で形成されたパッドに接続さ
れるとともに、前記コイルを形成するＮｂＴｉ線の先端所定部分の被覆
のみを選択的に除去して形成された配線接続部を、前記
半田により前記パッドに超伝導接続する構造である超伝
導システム。
【請求項４】請求項３記載の発明において、前記超伝導接続の構造は、前記配線接続部を前記パッド
に盛った半田盛りに当該配線接続部の先端が突出するま
で差し込み、その後に、その配線接続部を差し込み方向
とは反対方向に所定距離だけ引き戻す工程を経て形成さ
れている超伝導システム。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれか１項に記載の
発明において、前記超伝導システムは生体が発する微弱磁場を計測する
生体磁場計測装置であり、前記コイルは、前記微弱磁場
を検出して前記ＳＱＵＩＤの磁束インプットコイルに導
く検出コイルである超伝導システム。
【請求項６】ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）とコ
イルとを超伝導接続する構造を備えた超伝導システムに
おいて、前記接続構造は、前記コイルと前記ＳＱＵＩＤとをコネ
クタにより互いに着脱自在に接続する構造であり、この
コネクタを少なくとも液体ヘリウム温度で超伝導特性を
示す超伝導材で形成したことを特徴とする超伝導システ
ム。
【請求項７】請求項６記載の発明において、前記超伝導材は、ＮｂまたはＮｂを用いた非磁性の合金
もしくは化合物から成る超伝導システム。
【請求項８】請求項６または７に記載の発明におい
て、前記超伝導システムは生体が発する微弱磁場を計測する
生体磁場計測装置であり、前記コイルは、前記微弱磁場
を検出して前記ＳＱＵＩＤの磁束インプットコイルに導
く検出コイルである超伝導システム。
【請求項９】請求項８記載の発明において、前記コネクタは、ＮｂまたはＮｂを用いた非磁性の合金
もしくは化合物から成る圧入用のピンと、ＮｂまたはＮ
ｂを用いた非磁性の合金もしくは化合物から成り且つ前
記ピンを圧入させるソケットとを備え、前記ピンを前記検出コイルに超伝導接続し、前記ソケッ
トを前記磁束インプットコイルに超伝導接続した超伝導
システム。
【請求項１０】請求項９記載の発明において、前記ピンの少なくとも前記検出コイルの配線を接続する
表面に濡れ性のある金属膜を付着させる表面処理を施す
とともに、前記ソケットの少なくとも前記磁束インプッ
トコイルの配線を接続する表面に濡れ性のある金属膜を
付着させる表面処理を施した超伝導システム。
【請求項１１】チップ状のＳＱＵＩＤ（超伝導量子干
渉素子）を備えた超伝導システムにおいて、前記ＳＱＵＩＤを非磁性材で成るＩＣパッケージに内蔵
するとともに、当該ＩＣパッケージを樹脂または窒素ガ
スで封入・密閉したことを特徴とする超伝導システム。
【請求項１２】請求項１１記載の発明において、前記ＳＱＵＩＤを内蔵した前記ＩＣパッケージは着脱自
在なコネクタを介して前記ＳＱＵＩＤの周辺電気回路に
接続される構造である超伝導システム。
【請求項１３】請求項１２記載の発明において、前記超伝導システムは生体が発する微弱磁場を計測する
生体磁場計測装置であり、前記周辺電気回路は、前記微
弱磁場を検出して前記ＳＱＵＩＤの磁束インプットコイ
ルに導く検出コイルおよび前記ＳＱＵＩＤを駆動する駆
動回路を含む超伝導システム。
【請求項１４】請求項１３記載の発明において、前記コネクタは、前記ＳＱＵＩＤの回路と前記周辺電気
回路とを互いに着脱自在に接続する複数の端子対を有
し、この複数の端子対の内の前記検出コイルと前記磁束
インプットコイルとを着脱自在に接続する端子対を、少
なくとも液体ヘリウム温度で超伝導特性を示す超伝導材
を用いて非誘導性の構造に形成した超伝導システム。
【請求項１５】請求項１４記載の発明において、前記複数の端子対のそれぞれは、前記ＳＱＵＩＤ側に接
続された圧入用のピンと、前記周辺電気回路側に接続さ
れ且つ前記ピンを圧入させるソケットとを備える超伝導
システム。
【請求項１６】請求項１１記載の発明において、前記ＳＱＵＩＤを内蔵した前記ＩＣパッケージの内部
に、当該ＳＱＵＩＤのトラップ解除用の非磁性熱源を設
置した超伝導システム。