JPH0425780A - 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、粒界が弱結合構成の超電導体からなる磁気抵
抗素子に、バイアス磁界を印加する高感度の磁界測定装
置の測定精度向上に関するものである。

ぐ従来の技術〉 従来、磁界の検出や測定などには、半導体又はある１ｎ
Ｓｂ、ＩｎＡｓ等での形状効果や、強磁性体金属である
Ｆ　ｅ　−Ｎ　ｉ　、　Ｃｏ　−Ｎ　ｉ等での配向効果
を用いた磁気抵抗素子が実用化されている。

更に、酸化物超電導体などで構成した粒子の粒界が弱結
合になった超電導体の磁気抵抗効果により、微弱な磁界
も検出と測定を行なう方法が開発されている。

〈発明が解決しようとする課題〉 従来の半導体や磁性体材料の磁気抵抗素子は、測定磁界
が弱いときは感度が悪いので、永久磁石などでバイアス
磁界を印加し、その磁気抵抗素子の感度のよい領域へ移
す方法もとられているが、それでも、微弱な磁界を精度
よく測定することは困難であった。

又、超電導体の磁気抵抗素子を用いる磁界の測定は、そ
の素子に流すバイアス電流値によって決まるしきい値以
上の強さの磁界が印加されたとき、素子の超電導状態が
破れて常電導状態に遷移するので、その遷移点から素子
の抵抗が急激に増大しそれに比例した出力電圧も形成さ
れる高感度の領域ができる特性がある。

しかし、その超電導体の磁気抵抗素子には１０Ｈｚ以下
での低周波の揺らぎ現象があるので直流、又は１ＯＨｚ
以下の交流バイアス磁界による測定では微弱な磁界の測
定が困難であり、更に冷却した超電導磁気抵抗素子がも
つ温度揺らぎによる出力の変動があり、この変動の補正
ができなかった。

本発明は、従来の磁気抵抗効果を利用した磁界測定方法
がもつ課題を解消し、超電導磁気抵抗素子によシ、高い
精度で効率よく磁界を測定する装置を提供することを目
的としている。

く課題を解決するための手段〉 本発明の磁界測定装置は、弱結合の粒界をもつ鴨測定誤
差を避け、又、その超電導磁気抵抗素子の固有揺らぎが
測定誤差にならない高い周波数の交流バイアヌ磁界を印
加したときの超電導磁気抵抗素子の出力から、印７ＪＩ
］　した交流バイアヌ磁界の周波数成分とその第２次高
調波成分を抽出し、この２成分を用いた演算で素子の温
度による出力の揺らぎを補正して、高感度で精度よく外
部磁界の強さを測定するものである。

なお、以上の磁気測定装置は、使用する超電導磁気抵抗
素子に印加する直流磁界の強さを変化できる直流バイア
ス磁界印加手段を設けている。

く作　用〉 高感度領域をもつが、低周波の個有揺ぎと、冷却時の温
度揺ぎにより高精度の磁界測定が困難であった超電導磁
気抵抗素子による磁界測定装置にその素子に印加する直
流磁界の強さを変える直流バイアヌ磁界印加手段と、素
子の個有低周波の揺らぎに影響されない高い周波数の交
流バイアス磁界を印加する手段と、その交流バイアス磁
界印加による素子の出力から抽出した該交流パイアヌ磁
界の周波数成分と、その第２次高調波成分を用いた演算
によシ、その磁気抵抗素子の冷却により生する磁界測定
装置にした。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。

第８図は、本実施例に使用した超電導磁気抵抗素子１４
の構成を示すもので、第８図ｆａ）は素子１４の平面図
で、同図ｆｂｌは素子１４の断面図である。第８図の素
子１４は、非磁性の基板ｌＯ上に微小な酸化物超電導体
の粒子間が極めて薄い絶縁膜か常電導膜を介するか、ポ
イント状で結合した弱結合粒子の集合体からなる超電導
膜２を形成している。この膜２を機械的な加工で折り返
しのミアンダ形状にして、その両端の近くにそれぞれ一
対の電流電極８ａ、８ｂ、及び電圧電極４　ａ、　４　
ｂをチタン（Ｔｉ）の蒸着で形成している。以上の第８
図ｆａ）に示したように素子１４を使用するときは電流
電ＦＭ８ａ、８ｂに定電流電＃ｉ５を接続し、電圧電極
４ａ、４ｂに素子１４の６カを測る電圧計６を接続して
いる。

次の第４図は、第８図で示した超電導膜をスプレーパイ
ロリシス法で作製する装置の概要を示している。実施例
のＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系の酸化物超電導膜を作製すると
きは、原料の硝酸塩であるＹ　（ＮＯ３）！　・６Ｈｚ
Ｏ、Ｂ　ａ　（ＮＯ３）２及びＣｕ　（ＮＯ３）２　・
８ＨｚＯを元素が所定の組成比（ＹＢａ２Ｃｕ、）にな
るよう秤量した上、水溶液７にして、スプレーガン９の
容器８に入れておきパイプ１０から送られる圧縮空気に
よって、スプレーガン９のノズルから小量ずつの噴霧１
１にする。噴霧１１は、ヒーター１２で約６００　’Ｃ
に加熱した基板１３に吹き付けて、熱分解による酸化膜
にした。

以上の酸化＠は厚さ約１０μｍにした後、空気中で熱処
理を行１て所定の超電導膜にした。

なお、上記実施例ではＹ系の酸化物超電体膜２で形成し
たが、超電導膜２は他のＢｉ系又はＴノ系など他の組成
の膜２にしてもよく、その成膜もスパツクやＣＶＤ法な
どの他の成膜方法を用いてた。

以上で説明した第３図の構造の超電導磁気抵抗素子１４
には、第２図に示したように、同じ方向にバイアス磁界
を発生する２つのコイ／Ｌ’１５，１６の中央部に配置
して磁界検出部を構成している。

この磁界検出部を用いることで精度のよい磁界の測定が
可能になるので、測定は磁気ノイズのない磁気シールド
室内で行った。

なお、第２図では配線の図示を省略しているが超電導磁
気抵抗素子１４には第３図（ａｌの配線が接続され、コ
イ／ｖ１５は交流電源を接続し、コイル１６には直流電
源を接続している。

以上の構成にした磁界検出部を用いた測定での素子１４
の出力特性の一例を示したのが第５図である。この測定
には素子１４の電流電極８ａ、８ｂを介して１０ｍＡの
バイアス電流を流しておき、↓ コイ）ｖ１６により発生素子に印加した直流磁界の強さ
を変えたときの素子１４の電圧電極４ａと４ｂの間に発
生する素子の出力特性である。この図では縦軸が素子出
力特性を、横軸がコイル１６で印加した直流磁界の強さ
を示している。

次の、第６図は、前記第５図で説明した測定に於て素子
１４の出力に含まれているノイズ成分を周波数別にした
ものである。この第６図は縦軸がノイズの大きさで、横
軸が印加した直流磁界の強さである。

この第６図から、素子１４が発生するノイズの強さは、
印加した直流磁界の強さによる変化は少なく、又、その
ノイズを周波数成分に分けると数Ｈｚ程度迄の低周波領
域でのノイズが大きいことが分る。

従って超電導磁気抵抗素子１４による磁界の測定に、直
流バイアス磁界の印加による直流磁界又は低周波磁界の
測定はノイズに影響されるので、精密な磁界の測定が困
難なことを示している。

本発明による磁界の測定装置は、以上で説明した超電導
磁気抵抗素子１４がもつ低周波のノイズに影響されるこ
となく直流磁界及び低周期の変化磁界を測定し、かつ、
その超電導磁気抵抗素子１４を超電導状態にするための
冷却のとき生じる能にしたものである。

第７図に示したのが、本発明の実施例の交流バイアス磁
界印加による素子１４の出力波形である。

この第７図ｆａ）は、第２図で説明した交流磁界用コイ
ル１５に１ｋＨｚの交流電流を流した振幅１００　ｍｇ
ａｕｓｓの正弦波の交流磁界であり、この交流磁界を素
子１４に印加している。

上記のように、コイ）ｖ１５によフ素子１４に交流磁界
を印加した状態で、更に、直流磁界用コイル１６に所定
の直流電流を流すことで、素子１４に直流磁界を印加す
ると、その印加磁界の強さにより前記第５図で示した出
力特注と同じように第８図の特性図になる。この特性曲
線上に記入したＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄ及びＥ点に対応する直流
磁界を印加したとき、素子１４が発生する出力信号は、
第７図ｆｂ１．　（ｃＬ　ｆｄｌ、　ｉｅｌ及びｆｆｌ
に示した波形になる。

以上の第７図の出力信号は、実施例を第１図に示した磁
界検出部に接続し、プロ・りにして表示した装置で、信
号処理を行ない素子１４の揺ぎによ６変動を補償してい
る。

即ち、第１図で素子１４の電圧電極４ａ、４ｂからの出
力は差動増幅器により２０倍に増幅した後に、遮断周波
数が２．５ｋＨ２のローパスフィルターを使ったアンチ
・エリアシングフィルターを入れて、折り返し雑音によ
る影響を排除される。

以上のアンチ・エリアシングフィルターからの出力信号
は、デジタル信号処理回路に入力するｍｌに、デジタル
信号に変換するがこの変換を第９図を用いて説明する。

第９図ｆａｌはコイ／Ｌ／１５によシ素子１４に印加す
る交流バイアス磁界で、第９図（ｂｌはそのときの素子
１４の出力信号でｓｂ、このときの交流磁界を発生させ
る正弦波発生器からのトリガー信号（第９図（ｄ））と
サンプリング信号（第９図（Ｃ））の２種類のタイミン
グ信号を用いることで交流磁界に同期させたデジタル変
換を行っている。

デジタル変換は１６ビノトのＡ−Ｄ変換器で、前記交流
磁界の１周期の間に等時間間隔で１６回のサンプリング
を行ないデジタル変換している。

以上でデジタル変換した信号から、交流バイアス磁界と
同じ周波成分（基本波成分〕とその２倍の周波数成分（
第２次高調波成分）をフーリエ変換を行って算出する。

その算出した基本波の直を第２次高調波成分の値で除算
することで、前記揺ぎによる変動を除去している。

本実施例では１ｋＨｚの交流バイアス磁界を用土したの
で、素子１４の低周波のノイズ成分の実効函を低くする
ことが可能になった。

以上のＡ−Ｄ変換器に接続した信号処理器によシ、原理
的には次のデジタル処理を行っている。

前記のようにＡ−Ｄ変換によシ、離散型デジタル値にし
たので、数値的解析を行なうために離散型フーリエ変換
を行った。即ち、実数値関数ｘ（ｔ）について次のフー
リエ展開を行なう。

ｘｆｔｌ＝＋ａｏ＋ａｔｃｏｓｔ＋−＋ａｙ−０ｃｏｓ
（ｙ−１）ｔ＋ｙ　ａ　Ｎ、／　ｃｏｓ　ｙ　ｔ　十ｂ
１５ｉｎｔ　＋　−十ｂ　　　　ｓｉｎ　（’−１）　
ｔ　　　−−・・（１）％−ｈ１２ （１）式でＮ項の離散型フーリエ変換での各係数は次の
ようになる。

（２）、　（３）式において、Ｘ　は入力データ。

Ｎはデータ 数である。

本実施例では１６ビノトのデータを信号処理器によシ、
高速で以上に述べた変換を行なうことで各周波数成分を
算出している。

この実施例では１周期に１６回サンプリングするデータ
を８周期分、すなわち、１２８のデータによコで計算し
た。

なお素子の冷却は、断熱容器中の液体窒素に浸して、そ
れを蒸発させる方式であるため素子の温度揺ぎは避けら
れず、このため従来の基本波成分のみで磁界の計測して
いたときは素子１４の温度特性による出力の揺らぎの誤
差が入っていた。

本発明では、上記で説明した方法による第２次高調波成
分も用いている。素子１４の特性から第２次高調波成分
は、一定の磁界の強さの範囲内で外部磁界の強さに依ら
ず素子の温度による特性の変化のみになる。これに対し
て、その基本波成分には、外部磁界の強さと温度揺らぎ
による素子の出力変化に影響された出力となっている。

従って基本波成分を第２次高調波成分で除算することに
より、基本波成分から素子の温度揺らぎで発生した成分
のみ除去できる。従−て、従来の実施例の基本波成分の
みをロックインアンプで検出した方法に比較すると、本
発明の方法は出力の揺らぎを５分の１程度まで減衰させ
ることができた。

次に、以上で説明した信号処理の概要を説明する。

第１０図［ａＪの素子１４に印加する交流磁界と、第１
０図［ｂｌの素子１４の出力との位相差θを測定し、前
記フーリエ変換の係数に次の補正を行ない各成分を求め
た。この位相差の補正を行なうことで、第１０図（ｃｌ
に示したような正弦波の成分を求めることができる。

以上による基本波の余弦成分と正弦成分及び第２次高調
波の余弦成分と正弦成分を、それぞれ、Ｃ１とＳ□及び
Ｃ２とＳ２とすると、それらの周波数での絶対値成分と
したＭｌとＭ２は次の式により求められる。

Ｍｌ−３ｎ丁Ｔ７−（６） 以上での計算によるそれぞれの値により次のように出力
が演算される。

基本波正弦成分／第２次高調波絶対値成分−Ｓ　ｚ　／
　Ｍ　２　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・（８）基本波絶対値成分／第
２次高調波絶対値成分−Ｍ　Ｉ　／　Ｍ　２　　　・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・（９）上記の（８）式により、印加した交流磁界と
同じ方向の外部磁界成分について極性をもった測定が可
能になる。又、（９）式により印加した交流磁界と同じ
方向の外部磁界成分について極性のない絶対値として測
定が可能になる。以上で説明したように磁気検出部の出
力と、印加した交流磁界との位相差になった揺らぎの成
分が信号処理回路での演算によって補償されている。

以上のように磁界測定を行った結果を示したのが第１１
図である。この第１１図の横軸は測定した外部磁界の強
さであシ、縦軸は実施例の超電導磁界測定装置の（８）
式の演算による出力である。この信号処理は演算時間の
短縮化を図るため、第２次高調波成分をＭ２からＣ２に
置換して処理することも可能である。このような演算は
以上の例に限定されず、目的に応じて他の組み合せで演
算処理することも可能である。

以上は、本発明の実施例によって説明したが本発明はこ
の実施例によって限定されるものでなく超電導磁気抵抗
素子へのバイアヌ電流値、印加する交流バイアス磁界の
強さや周波数、又は、直流バイアス磁界印加の有無と、
その直流バイアス磁界の強さの制御により測定する磁界
の強さの範囲又は、その測定精度を変更することも可能
になる。

又、素子１４の出力信号の処理においても、Ａ−り変換
器の分解能や、１周期毎のサンプリング回数は印加した
交流バイアス磁界の１周期内のサンプリング回数が４回
以上の任意の回数、及び、サンプリング点の各成分値を
求めるサンプル数も１周期以上の任意の周期に設定する
など、目的に応じて任意に変更できるものである。

更に、本実施例では素子１４の出力をデジタル化した上
で信号処理したが、これはアナログ的信号処理法での実
現も可能である。

以上の他、実施例の直流と交流電流を別に流す２つのコ
イルを用いたバイアス磁界の発生も、１個のコイルに直
流と交流の両方を流す方仏にしてもよい。更に、以上で
説明したコイルを、超電導磁気抵抗素子用の薄膜を形成
した基板に成膜した導体薄膜で形成して、磁気測定の安
定化と測定装置組立の簡易化などを図ることができる。

〈発明の効果〉 本発明は、交流バイアス磁界を印加することで超電導磁
気抵抗素子がもつ数Ｈｚ以下の固有低周波数のノイズの
影響を避けると共に、その超電導磁気抵抗素子の冷却に
よ多発生する温度揺らぎも出力信号からの高調波成分と
の演算で補償することで微弱な磁界も高い分解能で測定
する装置である。

又、超電導磁気抵抗素子は形状の大きさは感度に関連し
ないので、その素子やコイルなどの小型化も可能であり
、微小な空間での測定も可能であフ医療や非破壊検査な
ど多くの分野に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

農 第１図は本発明の実施例磁気測定装置を機能ブロックで
示した図、第２図は実施例の磁界検出部の斜視図、第３
図は実施例の超電導磁気抵抗素子の構成を示す平面図と
断面図、第４図はスジ１／−パイロリシスによるセラミ
ック膜の製造装置の概工 要構成図、第ダ図は実施例の印加磁界の強さに対する出
力特性図、第６図は実施例の印加磁界の強さによる周波
数別ノイズ電圧の特性図、第７図は実施例の印加磁界の
強さに対応する出力波形図、第８図は第６図の出力波形
に対応する出力曲線上の動作点を示す図、第９図は素子
出力信号Ｄデジタル変換を説明する波形図、第１０図は
印加交流磁界と出力信号との位相差補正を示す波形口、
第１１図は本発明の実施例による磁界−出力特性図であ
る。 １．１８・・・基板、２・・・超電導膜、３・・・電流
電極、４・・・電圧電極、５・・・定電流電源、６・・
・電圧計、７・・・水溶液、８・・・容器、９・・・ス
プレーガン、１０・・・パイプ、１１・・・噴霧、１２
・・・ヒーター・・超電流磁気抵抗素子、 ・・交流バイアス磁界用コイル、 ・直流バイアス磁界用コイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　交流バイアス磁界を印加した、粒界が弱結合の粒子
   の集合体の超電導体からなる磁気抵抗素子の出力信号か
   ら、外部磁界を測定する磁界測定装置において、前記出
   力信号から抽出した前記交流バイアス磁界の周波数成分
   と第二次高調波成分との比較演算により、前記磁気抵抗
   素子が発生する個有の雑音成分を減少した外部磁界測定
   信号を形成することを特徴とする超電導磁界測定装置。