JPH02264879A - 超電導磁界測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、高い感度をもつ超電導磁気抵抗素子を用いた
微弱な磁界もベク）／Ｉ／量として測定する超電導磁界
測定装置に関するものである。

〈従来の技術〉 磁気の測定は、一般に、磁性材料か、又は、半導体を用
いた磁気抵抗素子が使用されているが、これらの素子は
磁界の方向による感度の差が少ないので、磁気抵抗素子
を使用して磁界の方向も測定するときは、補助のバイア
ス磁界の方向を変え、測定する磁界とのベクトル和の磁
界の強さを測定し、その測定条件と測定値の組み合せか
ら、測定する磁界の方向を算出していた。最近、微弱な
磁界に対しても高い感度をもつセラミック超電導体の膜
からなる超電導磁気抵抗素子が提案されているが、この
磁気抵抗素子も磁界方向への依存性が小さく、単独で磁
界の方向を測定することができなかった。

〈発明が解決しようとする問題点〉 従来の磁気抵抗素子を用いて磁界の方向を測定するとき
は、補助手段に用いるバイアス磁界発生器の方向を変え
る走査が必要で、磁界の速い変化を測定することができ
なかった。また磁気抵抗素子に、直交する３方向に磁界
指向性をもたせる高透磁率材料を配置して磁界を測定す
ることもできるが、８つの方向を測定する装置を相互に
干渉しない配置にすると大型になり位置の分解能が低下
する欠点があった。

本発明は１以上のような従来の問題点を解消し小空間も
感度もよ、＜、高速な測定ができる磁界測定装置を提供
することを目的としている。

く問題点を解決するための手段〉 本発明の目的を達成するため、微弱な磁界に対しても高
い感度をもつセラミック超電導磁気抵抗素子を、直交す
る３方向に独立したバイアス磁界発生装置中に設置した
磁界の方向とその強さを測定できる装置にした。

以上の構成の磁界測定装置は、それぞれ単独の磁界発生
器が発生するバイアス磁界によって生じる超電導磁気抵
抗素子からの出力の変化が、そのときバイアス磁界を印
加した方向の測定する外部磁界の大きさに依存するので
、それを利用し、前記の互に直交する３つのバイアス磁
界発生器を順次時分割で駆動することで、１台の磁界測
定装置によって測定する磁界の直交する３成分を同期さ
せて測定するものである。

く作　用〉 セラミック超電導磁気抵抗素子による微弱な磁界も検出
する手段と、直交する３方向に時分割で順次バイアス磁
界を印加する手段とをもち、バイアス磁界が印加された
とき超電導磁気抵抗素子の出力の変化が、そのバイアス
磁界の方向の測定する外部磁界の大きさに依存して変わ
ることを利用しており、小型で高速の超電導磁気抵抗素
子を用いることで、小さい空間の変化の速い磁界のベク
トル的磁界測定装置にするものである。

〈実施例〉 本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第２図は本発明に使用できる、スプレーパイロリシス法
で作製した、構成する微小なセラミック超電導粒子の粒
界が、極く薄い絶縁膜の介在か、又は、ポイント状のジ
ッセフソン効果をもつ弱結合にした超電導体膜２からな
る超電導体磁気抵抗素子１４である。この超電導体膜２
は耐熱性の薄い非磁性の基板１の上に形成されている。

上記の磁気抵抗素子１４の超電導体膜２を作製するｌ実
施例を示したのが第３図である。実施例の膜２はＹ−Ｂ
ａ−Ｃｕ−０系の組成であったので、原料にはＹＣＮＯ
ｘ　）ｓ　・６ＨｚＣＬ　Ｂａ　ＣＮＯｘ　）２及びＣ
ｕ（ＮＯｓｈ　・３ＨｚＯを用いる。この原料を。

それに含まれる元素の量が、Ｙ　：　Ｂ　ａ　：Ｃｕ＝
１　：２：３の比になるよう秤量し、各成分が充分溶解
する量の純水で溶かし溶液７にした。作製した溶液７を
スプレー装置の容器８に入れ、攪拌しながら、極く小量
ずつ断続的にスプレーガンでパイプ１０からの圧縮空気
により、水溶液７を極〈粒子の小さい霧２にして、ヒー
ター１２により約６００℃に加熱した安定化ジルコニア
（ＹＳＺ　）の基板１３に吹きつけ、その基板１Ｂの熱
による前記の化合物の熱分解と酸化を行なうスプレーパ
イロリシスの成膜法を用いた。

以上のスプレーによる吹き付けのときは、基板、！３の
温度が下がらないよう、液７を小量ずつ。

数百回の繰り返した吹き付けにより厚さ約１０μｍのセ
ラミック膜を形成した。以上の実施例でのスプレーは圧
縮空気を用いたが、高圧の窒素（Ｎ２）、又は、酸素（
０２）ガスを用いても同じように作製することができた
。

又、膜厚は０．５μｍから５０μｍにしたとき良好なセ
ラミック膜を形成することができ、更に膜厚を１μｍか
ら１０μｍ程度の厚さにしたとき特性の良い磁気抵抗素
子が得られることが分った。

以上のスプレーのときの基板１８の温度は６００℃から
８００℃の範囲で設定可能なことも分った。

本スプレーパイロリシス法で堆積した膜は、空気中で９
５０℃に約８０分間加熱した後徐冷する焼成を行ないセ
ラミック超電導体膜２を作製を行った。

なお１以上の焼成温度は９００℃から１．０００℃の間
で設定してもよく、その焼成時間も、その堆積膜の膜厚
や焼成温度などによって６０分位迄の範囲で増減しても
よかった。

なお１以上で堆積した膜厚が０．２μｍ以下になると充
填率や均一性が悪くなり、反対に堆積膜厚が５０μｍ程
度以上になると基板ｌとの密着性が悪くなること、磁気
抵抗素子１４にしたとき、所定の感度にするため大きい
電流を流す必要があって測定装置として不利になるなど
という欠点があった。

第２図の（ａ）は超電導体磁気抵抗素子１４の正面図で
、ら）はその断面図である。この図のように膜２は機械
的加工、又は、レーザビーム加熱などで切断して、ミア
ング形状に加工し、その両端部に電流電極３ａ＊３ｂと
電圧電極４ａ＋４ｂをセラミック超電導体膜２と密着性
のよいチタン（Ｔｉ）を蒸着法で形成してあり、そのＴ
ｉ　電極へ銀ベーストによシリード線を接続して、電極
３ａ＊３ｂに定電流電源５、電極４ａｅ４ｂは素子１４
の出力電圧測定器６が接続されている。

以上の第２図の形状に作製し九超電導磁気抵抗素子１４
を、その超電導膜２の臨界温度Ｔｃ以下の液体窒素温度
（７７Ｋ）に冷却した状態にし、第１図に示したように
素子１４０基板ｌに垂直な方向と、その基板面に平行で
互に直交する２方向との３方向へ磁界を印加するコイル
を設置する。

磁界全印加するコイμはへμムホμツコイルにすること
で印加磁界の均一性を向上させ、又、コイ〃の巻線数を
多くすることで、小電流で所定の強さの磁界を印加する
こともできる。

素子１４の面に垂直な方向をＸとし、平行な他の２つの
方向をＹとＺとし、それらの方向の磁界を素子に印加す
るコイルを第１図のようにそれぞれＸ、Ｙ及び２方向コ
イルとする。

膜状に形成した超電導磁気抵抗素子のＸ、Ｙ及び２方向
の印加磁界の強さに対する出力電圧の特性を第４図に示
した。この第４図は、超電導磁気抵抗素子１４の電流端
子８ａｙＢｂ間に０．３５　ｍＡのバイアス電流を流し
た状態でＸ、Ｙ、又は、Ｚ方向の１方向ずつに横軸の強
さの磁界を印加したとき、素子１４の電圧端子４ａ＊４
ｂに発生した電圧を縦軸にしていて、各方向の感度曲線
になっている。この第４図の範囲内の感度曲線から、Ｘ
方向がＹ、又は、Ｚ方向に比べて約３分の１の印加磁界
の強さで、同じ出力電圧が得られ感度がよいことを示し
ている。なお、本実施例の素子１４の磁気感度が最大に
なるのは第４図に示した印加磁界の強さの範囲内であり
この図の曲線以上の強さの磁界を印加しても印加磁界の
強さの増加に対する出力電圧の増加率が徐々に減少して
、いわゆる飽和領域に移行して行く。

本発明の磁界測定装置は、印加磁界の変化に対する出力
電圧の信号からその方向の外部磁界の強さを算出するの
で、微小な磁界の測定を行なうときは、素子１４の磁気
感度曲線上の磁気感度の高い位置へ移行させておく固定
バイアス磁界を印加することで、より正確な磁界測定を
行なうことができる。

以上に説明した方法により、本実施例での測定値を示し
たのが第５図である。この第５図の（ａ）。

缶）及び（ｃ）は、超電導磁気抵抗素子１４のＸ、Ｙ及
び２方向に順次時分割で固定バイアス磁界を印加した状
態のときＸ、Ｙ及び２の８方向に磁界測定の交流磁界を
印加し、それぞれについての素子の交流出力電圧を測定
したものである。このとき固定バイアス磁界はＸ、Ｙ及
び２方向にそれぞれ７．５，２２．３及び２３．Ｉ　Ｇ
ａｕｓｓとした。この固定バイアスの印加により、それ
ぞれの方向の素子１４の外部測定磁界が零のときの動作
点が出力電圧が５．０ｍＶの点になった。この固定バイ
アス印加の状態でＸ、Ｙ及び２方向に、順次、＋０．１
Ｇａｕｓｓ　＊　５Ｈｚの交流を印加しておき、その状
態で超電導磁気抵抗素子１４の出力電圧の交流成分のみ
を測定し、前記の第５図にしている。この第５図に示さ
れているように交流磁界のピーク値がＸ、Ｙ及びＺ方向
に於てそれぞれ素子１４の抵抗発生のしきい値以下のと
き、固定バイアス磁界で、その素子の抵抗発生しきい値
磁界の強さ以上にしていない方向には出力電圧が発生し
ていない。

また、固定バイアス磁界の印加によυ、交流出力電圧を
発生していても、その方向と測定する外部磁界の方向と
の角度とその外部磁界の強さによって、異なった波形の
出力になっている。

更に、第６図に示したのは、前記第５図と異なる測定方
法を示したもので、交流磁界Ｂを一定の方向に固定した
±０．１Ｇａｕｓｓ＊　５Ｈｚにしである。この交流磁
界ｎを印加した状態で、Ｘ、Ｙ。

及び２方向の固定バイアス磁界を順次時分割で印加し素
子Ｉ４の出力電圧を測定したのが第７図である。

以上で説明した磁界測定によると、バイアス磁界の印加
を行っても、交流磁界などを印加したとき、その方向に
同期する超電導磁気抵抗素子の出力電圧は、その方向の
測定する磁界の強さと、その測定する磁界の方向によっ
て定まる形状と大きさになる。この測定に用いた固定バ
イアス磁界を第８図で各方向のバイアス磁界の強さと、
時分割の仕方で示している。

従って、３つの方向について素子１４の出力成分の感度
補正、バイアス磁界補正などを行ない、測定する外部磁
界の各方向の磁界成分とベクトル量〃を１．　Ａ’／、
　Ｉとそのペクト〜の方向を示す角度として算出するこ
とができる。

θｏ　＝ａｒｃｃｏｓ（Ｈ，２／Ｉ＃ｏ　Ｉ　Ｌψ０＝
ａｒｅＣＯａ　　（ＨＯｘ／　Ｉ／／１０１ｓｉｎθ）
で、またＨ８ｘ　ｒ　Ｈｏ　ｙ　、　Ｈｏ　ｚは出力か
ら算出したベク）／Ｉ／量の外部磁界強度を各成分に分
解した値である。

なお、上記実施例では、測定する外部磁界が弱いとき、
印加したバイアス磁界の強さによって調整する方法を述
べたが、と＼で使用した超電導磁気抵抗素子は印加する
バイアス電流を大きくすれば高感度になり、バイアス電
流を小さくすれば低感度にすることができるので、この
バイアス電流値によって測定する磁界の強さに適応させ
た感度にすることができる。

更に、変化するベクｋｙ磁界を測定するときは、測定す
る磁界の最大周波数の６倍以上の周波数の受波変調磁界
を用いることでほぼ正確に磁界の変化を測定す゛ること
かできる。また、測定する磁界が前記の交流変調磁界の
周波数の６倍より早い変化をしたときも測定する磁界を
平均的ガベクトル量としては測定することができる。

本実施例では、バイアス磁界の測定する変化分としてサ
イン波を用いたが、この変化には歯状波や矩形波などを
用いてもよい。

以上の説明に用いたセラミック超電導体磁気抵抗素子は
、超電導特有の極めて早い応答特性をもっているので、
高速のバイアス磁界を印加できる範囲で、ベクトル磁界
の高速、又は、精密な測定が可能になる。

以上の実施例は本発明の説明であり、種々の変形した応
用が可能である。

〈発明の効果〉 本発明の超電導磁界測定装置は、微弱な磁界もその強度
と方向を高速に測定でき、また、使用する超電導磁気抵
抗素子は縮尺による感度の低下がないので、微細加工技
術により、超電導磁界測定装置を小型化して、高い位置
分解能で磁界を測定することができる。更に、この超電
導磁界測定装置を複数個二次元などに配置すれば、空間
的な分布としての磁界変化を高速高精度に測定ができる
ので、磁界源からの変化磁界などを精密に測定すること
が必要な分野で効力を発揮するものである。

この応用分野としては、医療における心臓からの磁界変
化検出による早期検診、鉱物質源探査、又は、非破壊検
査や腐食や疲労による変化検出で、事故や災害の防止に
役立てることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概要構成図、第２図は本発
明の実施例のセラミック超電導磁気抵抗素子の（ａ）正
面図と６）断面図、第８図はスプレーパイロリシス法に
よるセラミック作製法の概要図、第４図は本発明の実施
例の超電導磁気抵抗素子への印加磁界の方向による感度
特性図、第５図は固定バイアス磁界印加の方向により交
流出力電圧の相違を示す図、第６図は磁界のベクトル図
、第７図は外部印加磁界に対応した３方向の出力波形図
、第８図は３方向に時分割で印加したバイアス磁界のタ
イムチャート図である。 ｌは基板（ＹＳＺ）、　　　２は超電導体膜、　３は電
流電極、　４は電圧Ｎ、極、　５は定電流源。 ７は超電導体の組成の硝酸塩の水溶液。 ８はス プレー液の容器。 ９はスプレーガン。 ０は 圧縮空気のパイプ。 ｌは噴霧。 ２はヒー ター ３は耐熱基板。 ４は超電導磁気抵 抗素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、中央部で互に直交する方向にバイアス磁界を発生す
   る３台のバイアス磁界発生器と、前記バイアス磁界の中
   央部に設置したセラミック超電導体からなる磁気抵抗素
   子の磁気測定手段と、前記３台のバイアス磁界発生器か
   ら時分割で１方向ずつバイアス磁界を順次発生させる手
   段をもち、前記バイアス磁界印加による測定磁界の強さ
   の変化分を前記磁気測定手段で測定し、前記バイアス磁
   界の発生と同期させ外部測定磁界を算出する手段とをも
   つことを特徴とする超電導磁界測定装置。