JPH06118150A - 超電導磁界測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微弱な磁界を高い精度で効率良く測定できる
小型で操作性の良い超電導磁界測定装置を提供する。 【構成】 弱結合粒界を有する超電導体２を含む超電導
磁気抵抗素子１４と、超電導磁気抵抗素子１４の電流電
極３に、超電導体２のゆらぎ周波数以上の周波数の交流
バイアス電流を印加する交流電流印加手段５とを備え、
超電導磁気抵抗素子１４に作用する外部磁界と上記交流
バイアス電流に応じて超電導磁気抵抗素子１４の電圧電
極４から出力される出力信号に基づいて、外部磁界を測
定するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粒界に弱結合を有する
超電導体の磁気抵抗効果を利用して磁界を測定する超電
導磁界測定装置に関し、特に、交流のバイアス電流の印
加により超電導磁気抵抗効果の高感度範囲を利用する超
電導磁界測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁界の検出や測定には、半導体ま
たは磁性体材料を用いた磁気抵抗素子が一般的に利用さ
れている。特に、高電子移動度の半導体であるＩnＳb,
ＩnＡs等における形状効果や、強磁性金属であるＦe−
Ｎi,Ｃo−Ｎi等の配向効果を用いた磁気抵抗素子が実用
化されており、この磁気抵抗素子を備えた磁界測定装置
が一般に使用されている。

【０００３】また、酸化物超電導体の弱結合による超電
導体の磁気抵抗効果を利用し、微弱な磁界の検出や測定
を行う超電導磁界測定装置も開発されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の半導
体や磁性体材料を用いた磁気抵抗素子は、測定する磁界
の強さが小さいときには、磁界の変化に対する抵抗変化
が小さいので、微弱な磁界を正確に測定することが難し
いという欠点がある。

【０００５】そこで、上記磁気抵抗素子に、永久磁石な
どでバイアス磁界を印加して、感度および特性直線性の
良い領域に測定範囲を移行させることによって、磁気測
定感度を向上させるようにした磁気測定装置がある。し
かし、それでも、微弱な磁界を正確に測定することは難
しかった。

【０００６】また、超電導体の磁気抵抗効果を用いる超
電導磁界測定装置は、その出力電力に１０Ｈz以下の低
周波のゆらぎ現象があり、直流もしくは１０Ｈz以下の
周波数のバイアス電流を超電導磁気抵抗素子に印加する
装置では、上記磁気抵抗素子と同様に、微弱な磁界を測
定することが困難であるという欠点がある。

【０００７】そこで、微弱な磁界を高い精度で測定する
ために、超電導磁気抵抗素子に、その固有のゆらぎ周波
数に影響されない高い周波数の交流バイアス磁界を印加
し、感度および特性直線性の良い領域に測定範囲を移行
させるようにした磁界測定装置がある。

【０００８】しかし、この磁界測定装置では、超電導磁
気抵抗素子に交流バイアス磁界を印加するための外付け
コイルが必要であり、測定システムの小型化および操作
性に難点があった。

【０００９】そこで、本発明の目的は、微弱な磁界を高
い精度で効率良く測定できる小型で操作性の良い超電導
磁界測定装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解消するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、弱結合粒界を有する超電導体を含む超電
導磁気抵抗素子と、上記超電導磁気抵抗素子の電流電極
に、上記超電導体のゆらぎ周波数以上の周波数の交流バ
イアス電流を印加する交流電流印加手段とを備え、上記
超電導磁気抵抗素子に作用する外部磁界と上記交流バイ
アス電流に応じて上記超電導磁気抵抗素子の電圧電極か
ら出力される出力信号に基づいて、上記外部磁界を測定
するようにしたことを特徴としている。

【００１１】また、上記交流電流印加手段が発生する交
流電流と同周波数の信号を出力し、上記信号の位相と振
幅を調整できる信号発生手段と、上記超電導磁気抵抗素
子の電圧電極から出力される出力信号と、上記信号発生
手段の出力信号とが入力される差動増幅器とを有し、上
記差動増幅器から出力される出力信号に基づいて、外部
磁界を測定するようにした方が望ましい。

【００１２】

【作用】この発明の超電導磁界測定装置は、粒界に弱結
合をもつ超電導体を含む超電導磁気抵抗素子を備えてい
る。そして、上記交流電流印加手段から上記超電導磁気
抵抗素子に超電導体のゆらぎ周波数以上の交流バイアス
電流が印加されたときに、上記超電導体は常電導状態に
遷移し、その遷移点から急速に増大する電気抵抗値に比
例した出力信号が、上記超電導磁気抵抗素子から出力さ
れる。

【００１３】そして、ゆらぎ周波数以上の比較的高い周
波数の交流バイアス電流で駆動させる超電導磁気抵抗素
子の出力信号に基づいて、外部磁界を測定するようにし
ている。

【００１４】つまり、この発明の超電導磁界測定装置
は、超電導磁気抵抗素子の電流電極に、超電導体のゆら
ぎ周波数以上の交流バイアス電流を印加することによっ
て、超電導体の磁気抵抗効果を、その特有のゆらぎ周波
数以上の周波数帯域で利用している。したがって、外部
測定磁界の変化による超電導磁気抵抗素子の抵抗変化
を、超電導磁気抵抗素子の電圧電極から電圧信号として
検出することによって、超電導体の固有の低周波ゆらぎ
に影響されることなく、微弱磁界の高感度測定が可能に
なる。

【００１５】また、本発明によれば、外づけコイルを必
要とする従来例に比べて、小型化が計れ、操作性が格段
に向上する。

【００１６】また、上記交流電流印加手段が発生する交
流電流と同周波数の信号を出力し、上記信号の位相と振
幅を調整できる信号発生手段と、上記超電導磁気抵抗素
子の電圧電極から出力される出力信号と、上記信号発生
手段の出力信号とが入力される差動増幅器とを有し、上
記差動増幅器から出力される出力信号に基づいて、外部
磁界を測定するようにした場合には、測定対象となる磁
界が零のときには、上記差動増幅器の出力信号が零にな
るように上記信号発生手段が出力する信号の位相と振幅
を調整することによって、地磁気等の外部環境磁界によ
る測定対象磁界の偏よりをキャンセルできる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細
に説明する。

【００１８】まず、図２を参照しながら、この実施例の
超電導磁界測定装置が備える超電導磁気抵抗素子１４の
構成を詳細に説明する。

【００１９】図２に示す超電導磁気抵抗素子１４は、非
磁性基板１上に、ポイント状で結合する弱結合の集合体
からなる超電導膜２を形成し、この膜２を機械的加工で
ミアンダ状にし、上記膜２にチタン(Ｔi)を蒸着法で蒸
着し、電流電極３a,３bと電圧電極４a,４bを形成するこ
とにより、形成されている。

【００２０】上記超電導膜２は、上記非磁性基板１上に
極く薄い絶縁膜を介して微小な酸化物超電導体粒子を形
成することによって形成してもよい。

【００２１】図２(Ａ)は超電導磁気抵抗素子１４の平面
図である。図２(Ａ)は、上記素子１４を使用するときに
は、電流電極３a,３bに電流源５を接続し、電圧電極４a
,４b に出力電圧測定器６を接続することを示してい
る。

【００２２】図２(Ｂ)は素子１４の断面図である。

【００２３】図３は、図２に示した超電導膜２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。

【００２４】たとえば、Ｙ−Ｂa−Ｃa−Ｏ系の超電導体
からなる超電導膜２を形成する場合には、まず、原料の
Ｙ(ＮＯ₃)₃・６Ｈ₂ＯとＢa(ＮＯ₃)₂およびＣa(ＮＯ₃)₂
・３Ｈ₂Ｏを、所定の組成比(ＹＢa₂Ｃu₃)に秤量し、水
溶液７にする。次に、水溶液７をスプレーガン９の容器
８に入れ、圧縮空気をパイプ１０から送り、上記水溶液
７をスプレーガン９から小量ずつ噴霧１１にして、ヒー
ター１２で約６００℃に加熱した基板１３に吹きつけ
る。図３は、上記基板１３に吹き付けた水溶液７が熱分
解によりセラミック化している状態を示している。

【００２５】以上のようにして作製した超電導膜２は、
厚さ約１０μｍにし、空気中での熱処理を行った。上記
超電導膜２は、他の組成にしてもよく、作製条件を変え
たり、他の作製方法を用いてもよい。又、膜厚は１から
１０μｍの間で良好な結果を得た。

【００２６】上記超電導膜２を備え、図２のような構成
にした超電導磁気抵抗素子１４の出力特性を、図４に示
すようにして測定した。すなわち、超電導磁気抵抗素子
１４の電流電極３を介して素子１４に、１０mＡの直流
バイアス電流を流した状態で、外部磁界印加コイル１５
を用いて、上記素子１４に外部直流磁界を印加し、超電
導磁気抵抗素子１４の出力を測定した。測定結果を図５
に示す。図５において、縦軸は素子１４の出力で、横軸
は外部直流磁界の強さを示している。

【００２７】次に、図６に、上記素子１４の出力に含ま
れる雑音の大きさを示すノイズ特性を示す。図６は、図
４,５で説明した測定条件下で、横軸のように外部直流
磁界の強さを変化させたとき、素子１４の出力に含まれ
る雑音の大きさを雑音の周波数別に示したものである。
縦軸は雑音の大きさを示す。図６を参照すればわかるよ
うに、素子１４からのノイズは印加磁界の強さでの変化
は少なく、数Ｈz以下の低周波でのノイズが大きい。こ
のことは、上述のように、上記素子１４に１０mＡの直
流バイアス電流を流した状態では、直流や、低周波磁界
の微小磁界の精度の良い測定が困難なことを示してい
る。

【００２８】次に、図１に上記実施例の超電導磁界測定
装置のシステムのブロック図を示す。図１において、１
６は交流バイアス電流発生回路、１４は超電導磁気抵抗
素子、１７は増幅器、１８は交流バイアス電流発生信号
変換回路、１９は差動増幅器、２０はロックインアンプ
である。

【００２９】上記ロックインアンプ２０の概要を示すブ
ロック図を図９に示す。図９に示すように、ロックイン
アンプ２０は、位相比較器９１に接続された増幅器９２
と、ＰＬＬ回路９３と、上記位相比較器９１の出力側に
接続されたローパスフィルター９５とを含んでいる。

【００３０】図２のような構成をもつ超電導磁気抵抗素
子１４を図１に示したブロック図の超電導磁気抵抗素子
１４の位置に配置する。その様に配置された超電導磁気
抵抗素子１４の電流電極３に、交流バイアス電流発生回
路１６から交流バイアス電流を印加する。この実施例例
では、上記交流バイアス電流として、周波数１ＫＨｚ、
電流値２０ｍＡpp(±１０mＡ)の正弦波電流を電流電極
３に印加する。この交流バイアス電流の印加によって、
その時の素子１４の磁気抵抗に見合った電圧信号が上記
素子１４の電圧電極４から出力される。

【００３１】上記交流バイアス電流発生回路１６から上
記超電導磁気抵抗素子１４に超電導膜２のゆらぎ周波数
以上の１ＫＨzの交流バイアス電流が印加されたとき
に、上記超電導膜２は常電導状態に遷移し、その遷移点
から急速に増大する電気抵抗値に比例した出力信号が、
超電導磁気抵抗素子１４から出力される。

【００３２】そして、ゆらぎ周波数以上の比較的高い周
波数の交流バイアス電流で駆動させる超電導磁気抵抗素
子１４の出力信号に基づいて、外部磁界を測定するよう
にしている。

【００３３】すなわち、この実施例の超電導磁界測定装
置は、超電導磁気抵抗素子１４の電流電極３a ,３b
に、超電導膜２のゆらぎ周波数以上の交流バイアス電流
を印加することによって、超電導膜２の磁気抵抗効果
を、その特有のゆらぎ周波数以上の周波数帯域で利用し
ている。したがって、外部測定磁界の変化による超電導
磁気抵抗素子１４の抵抗変化を、超電導磁気抵抗素子１
４の電圧電極４から電圧信号として検出することによっ
て、超電導膜２の固有の低周波ゆらぎに影響されること
なく、微弱磁界の高感度測定が可能になる。

【００３４】また、この実施例によれば、外づけコイル
を必要とする従来例に比べて、小型化が計れ、操作性が
格段に向上する。

【００３５】ところで、上記素子１４の出力信号は、超
電導磁気抵抗素子１４が曝される外部環境磁界(測定対
象外の環境磁界)の状態によって異なる。

【００３６】ここで、たとえば、図７にあるように、外
部環境磁界がＱ₀,Ｑ₁にある場合を考察する。

【００３７】Ｑ₀は外部環境磁界がゼロの場合である。
Ｑ₀の状態にある場合、図４にある様な方法で外部から
直流磁界が印加された場合の交流バイアス電流と、出力
電圧信号の関係例を図８に示す。

【００３８】図８(Ａ)は交流バイアス電流信号を示す。
また、図８(Ｂ)に示す波形Ｂ１は外部印加直流磁界がゼ
ロの場合の素子１４の出力電圧信号の波形であり、波形
Ｂ２は外部印加直流磁界が正磁界の場合の素子１４の出
力信号の波形であり、波形Ｂ３は外部印加直流磁界が負
磁界の場合の素子１４の出力信号の波形である。この例
では、上記正磁界と負磁界の大きさは同一である。

【００３９】次に、外部環境磁界がＱ₁にある場合、す
なわち、予め何らかの外部環境磁界がある場合である。
この場合、外部から直流磁界を印加した場合の素子１４
の出力電圧信号波形を図８(Ｃ)に示す。図８(Ｃ)におい
て波形Ｃ１は外部印加直流磁界がゼロの場合の出力電圧
信号波形であり、この信号の絶対値は、外部環境磁界が
零であるＱ₀の場合と比較するともちろん大きい。

【００４０】波形Ｃ２は外部印加直流磁界が正磁界の場
合の信号波形であり、Ｃ３は外部直流印加磁界が負磁界
の場合の信号波形である。

【００４１】一般に、超電導磁気抵抗素子１４が曝され
る外部環境磁界は、図７におけるＱ₀すなわちゼロ磁界
でなく、Ｑ₁、すなわち、予め何らかの外部環境磁界が
存在する。その主なものは地磁気であり、この値は約
０．５×１０^-4Ｔである。したがって、超電導磁気抵抗
素子１４の出力信号は、図８(Ｃ)の信号となる。この素
子１４の出力信号は、図１に示す増幅器１７を通り、次
段の差動増幅器１９のプラス入力へ入力される。外部の
計測対象磁界がゼロのときには、上記プラス入力への入
力信号は図８(Ｃ)にしめす波形Ｃ１に比例した波形にな
る。

【００４２】一方、交流バイアス電流発生回路１６が発
生する交流バイアス電流信号の位相および振幅を、交流
バイアス電流発生信号変換回路１８で適当に変換して、
差動増幅器１９のマイナス入力に入力することにより、
外部計測磁界がゼロのとき、差動増幅器１９の出力信号
をゼロになる様に調整する。この様にすることにより、
差動増幅器１９の出力信号は計測対象磁界のみによって
変化する出力信号となる。このようにして、外部環境磁
界の影響を避けて、計測対象磁界を正確に計測できる。

【００４３】そして、この出力信号はロックインアンプ
２０の入力信号となる。

【００４４】このロックインアンプ２０の動作原理を以
下に説明する。

【００４５】まず、ロックインアンプ２０の入力信号Ｖ
sおよび参照信号Ｖrを次の数１および数２に示すように
表わす。

【００４６】

【数１】Ｖr＝Ａcos(ωr・t＋θ)

【００４７】

【数２】Ｖs＝cos(ωs・t)

【００４８】数１において、Ａは定数、ωrは参照信号
の角速度、θは位相角であり、数２において、ωsは入
力信号の角速度である、上記２つの信号Ｖr,Ｖsを位相
比較器９１(Ｐhase Ｓensitive Ｄetector)で乗算す
ると、次の数３および数３を変形した数４で表される信
号Ｖpsdとなる。

【００４９】

【数３】Ｖpsd＝Ａcos(ωr・t＋θ)cos(ωs・ｔ）

【００５０】

【数４】 Ｖｐｓｄ＝Ａ／２cos[(ωr＋ωs)t＋θ]＋Ａ／２cos[(ωr−ωs)t＋θ]

【００５１】数３および数４において、ωr＝ωsである
から、数４の右辺第２項は直流成分となる。また、ロー
パスフィルタ９５で数４の右辺第１項の交流成分を除く
ので、ローパスフィルタ９５からの出力信号ＶＬＰは次
の数５で表される。

【００５２】

【数５】ＶＬＰ＝Ａ／２cosθ

【００５３】数５より明らかなように、参照信号Ｖrと
入力信号Ｖsの位相差θがゼロのときに、信号ＶＬＰが
最大になる。したがって、参照信号Ｖrと入力信号Ｖsの
位相差θをゼロするように、ロックインアンプ２０を調
整すれば、信号ＶＬＰを最大にすることができる。

【００５４】以上に説明したようにして、上記超電導磁
気抵抗素子１４の出力信号から、交流バイアス電流と同
じ周波数の信号成分のみを直流電圧として取り出すこと
ができる。

【００５５】したがって、ロックインアンプ２０の参照
入力として、上記交流バイアス電流発生波形の正弦波１
ＫＨzを用いることにより、上記素子１４の出力信号か
ら１ＫＨz成分のみを抽出し、ノイズの実効値を低く押
さえ、微小磁界を非常に精度良く計測できるようにな
る。

【００５６】外部から超電導磁気抵抗素子１４への直流
印加磁界とロックインアンプ２０の出力信号の関係特性
を、図１０に具体的に示す。図１０では、印加した直流
磁界による動作点の微分磁気感度がロックインアンプ２
０の出力として測定されている。外部印加直流磁界がゼ
ロ近くの微小磁界領域では、ロックインアンプ２０の出
力信号は線形領域となった。この線形領域を用い、ロッ
クインアンプ２０のローパスフィルタ９５の時定数を１
００msecとすることによって、直流から数Ｈzの磁界を
１０^-9Ｔの分解能で測定することができた。

【００５７】以上が実施例についての説明であるが、本
発明は実施例により限定されるものでなく、超電導磁気
抵抗素子への交流バイアス電流の大きさ及び周波数は磁
界測定の範囲や精度により変更可能なものである。

【００５８】また、上記実施例では、超電導磁気抵抗素
子が曝される外部環境磁界については地磁気等の例を挙
げただけであるが、上記実施例において直流磁界を発生
する永久磁石またはコイル等で外部環境磁界を適当に変
更することで磁界測定の範囲や精度にあった外部環境磁
界を選択することも可能である。

【００５９】更に、ロックインアンプのローパスフィル
タの時定数を変えることで数Ｈzを越えて変化する磁界
を測定することも可能である。

【００６０】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
の超電導磁界測定装置は、弱結合粒界を有する超電導体
を含む超電導磁気抵抗素子と、上記超電導磁気抵抗素子
の電流電極に、上記超電導体のゆらぎ周波数以上の周波
数の交流バイアス電流を印加する交流電流印加手段とを
備え、超電導磁気抵抗素子の電流電極に、超電導体のゆ
らぎ周波数以上の交流バイアス電流を印加することによ
って、超電導体の磁気抵抗効果を、その特有のゆらぎ周
波数(数Ｈz)以上の周波数帯域で利用している。

【００６１】したがって、外部測定磁界の変化による超
電導磁気抵抗素子の抵抗変化を、超電導磁気抵抗素子の
電圧電極から電圧信号として検出することによって、超
電導体の固有の低周波ゆらぎに影響されることなく、微
弱磁界の高感度測定が可能になる。

【００６２】しかも、本発明によれば、外部コイル等必
要とせずに素子単独の性能を引き出せるため、外づけコ
イルを必要とする従来例に比べて、小型化が計れ、操作
性が格段に向上する。さらに、微弱磁界の空間分布等の
測定に非常に有利である。したがって、分解能の高い測
定が可能となり、医療や非破壊検査など種々の分野に利
用することができる。

【００６３】また、上記交流電流印加手段が発生する交
流電流と同周波数の信号を出力し、上記信号の位相と振
幅を調整できる信号発生手段と、上記超電導磁気抵抗素
子の電圧電極から出力される出力信号と、上記信号発生
手段の出力信号とが入力される差動増幅器とを有し、上
記差動増幅器から出力される出力信号に基づいて、外部
磁界を測定するようにした場合には、測定対象となる磁
界が零のときには、上記差動増幅器の出力信号が零にな
るように上記信号発生手段が出力する信号の位相と振幅
を調整することによって、地磁気等の外部環境磁界によ
る測定対象磁界の偏重をキャンセルでき、正確な磁界測
定ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の超電導磁界測定装置の実施例のシス
テムブロック図である。

【図２】 上記実施例の超電導磁気抵抗素子の正面図と
断面図を含む構造図である。

【図３】 上記実施例の超電導膜をスプレーパイロリシ
ス法によって作製するセラミック作製法の説明図であ
る。

【図４】 上記実施例の超電導磁気抵抗素子の特性測定
方法を説明する図である。

【図５】 上記実施例の超電導磁気抵抗素子の直流印加
磁界に対する出力特性図である。

【図６】 上記超電導磁気抵抗素子の直流印加磁界に対
するノイズ特性図である。

【図７】 上記超電導磁気抵抗素子の動作点を示す図で
ある。

【図８】 上記超電導磁気抵抗素子の直流印加磁界に対
する出力波形図である。

【図９】 上記実施例のロックインアンプのブロック図
である。

【図１０】 上記実施例の直流磁界に対するロックイン
アンプ出力の特性図である。

【符号の説明】

１,１３…基板、 ２…超電導
膜、３…電流電極、 ４…電
圧電極、５…電流源、 ６
…電圧測定器、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、１４…超電導磁気抵抗素
子、 １５…外部磁界印加コイル、１６…
交流バイアス電流発生回路、 １７…増幅器、１
８…交流バイアス電流発生信号変換回路、１９…差動増
幅器、２０…ロックインアンプ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弱結合粒界を有する超電導体を含む超電
   導磁気抵抗素子と、 上記超電導磁気抵抗素子の電流電極に、上記超電導体の
   ゆらぎ周波数以上の周波数の交流バイアス電流を印加す
   る交流電流印加手段とを備え、 上記超電導磁気抵抗素子に作用する外部磁界と上記交流
   バイアス電流に応じて上記超電導磁気抵抗素子の電圧電
   極から出力される出力信号に基づいて、上記外部磁界を
   測定するようにしたことを特徴とする超電導磁界測定装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の超電導磁界測定装置に
   おいて、 上記交流電流印加手段が発生する交流電流と同周波数の
   信号を出力し、上記信号の位相と振幅を調整できる信号
   発生手段と、 上記超電導磁気抵抗素子の電圧電極から出力される出力
   信号と、上記信号発生手段の出力信号とが入力される差
   動増幅器とを有し、 上記差動増幅器から出力される出力信号に基づいて、外
   部磁界を測定するようにしたことを特徴とする超電導磁
   界測定装置。