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【発明の名称】 磁気計測装置
【発明者】 【氏名】塚本 晃

【氏名】▲高▼木 一正

【氏名】深沢 徳海

【氏名】五月女 悦久

【氏名】樽谷 良信

【氏名】齊藤 和夫
【要約】 【課題】高温超電導体のＳＱＵＩＤを使用したより性能の高い磁束計を提供すること。

【解決手段】基板上に形成された超電導材料からなる薄膜１に２つのジョセフソン接合を含む超電導リンク４，４′と電流・電圧端子で構成されるＳＱＵＩＤ６，６′に共通の検出コイル７を直接接続した２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計９において、検出コイル７からＳＱＵＩＤ６，６′への磁束伝達効率が異なるために２つのＳＱＵＩＤ６，６′の電圧−磁束特性の周期すなわち有効面積が異なり、２つのＳＱＵＩＤ６，６′の両端に発生する電圧の和を出力とした２−ＳＱＵＩＤ磁束計の電圧−磁場特性において変調電圧振幅の傾きが大きい所を動作点となるようにオフセット磁束を印加して、２つのＳＱＵＩＤ６，６′を同時にひとつのＦＬＬ回路で動作させる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】基板上に形成された超電導材料からなる薄膜に２つのジョセフソン接合を含む超電導リングと電流・電圧端子で構成されるＳＱＵＩＤ２つに共通の検出コイルを直接接続した２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計において、検出コイルからＳＱＵＩＤへの磁束伝達効率が異なるために２つのＳＱＵＩＤの電圧−磁束特性の周期すなわち有効面積が異なり，２つのＳＱＵＩＤの両端に発生する電圧の和を出力とした２−ＳＱＵＩＤ磁束計の電圧−磁場特性において変調電圧振幅の傾きが大きい所を動作点となるようにオフセット磁束を印加して，２つのＳＱＵＩＤを同時にひとつのＦＬＬ回路で動作させること特徴とする磁気計測装置。
【請求項２】２つのＳＱＵＩＤの最適バイアス電流が異なる場合にそれぞれに最適なバイアス電流を流すことができるバイアス電流回路を有することを特徴とした請求項１記載の磁気計測装置。
【請求項３】検出コイルと結合している部分のSQUIDのインダクタンスを変えることで２つのＳＱＵＩＤに対する検出コイルからの磁束伝達効率を調整したことを特徴とした請求項１または請求項２のいずれかに記載の磁気計測装置。
【請求項４】２つのSQUIDのSQUID全体のインダクタンスは同じであることを特徴とした請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気計測装置。
【請求項５】２つのＳＱＵＩＤの電圧−磁束特性の周期の比率すなわち有効面積の比率が30：31以上1:2未満であることを特徴とした請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気計測装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ、Superconducting QUantum Interference Device)を使用した超高感度の磁束計を用いた高感度磁場計測システム、たとえば、心磁や脳磁などの生体磁気計測システムや非破壊検査に有用な磁束計の素子構造とその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】液体窒素の沸点よりも高い臨界温度を持つ高温超電導材料が発見されて以来、冷却に液体窒素や冷凍機を用いた超電導素子の応用が検討されている。ＳＱＵＩＤは半導体など他の素子では得られない超高感度の磁気センサであり、脳や心臓などから発生する生体磁気を無侵襲で測定できる他、航空機の機体の微細欠陥などを非破壊で検査できる。現在、高品質な薄膜試料が得られることから高温超電導ＳＱＵＩＤには主にＹＢａ2Ｃｕ3Ｏyなどのいわゆる１２３系超電導体が用いられている。また、磁束計の構造としてはNbなどの低温超電導体の磁束計では多層プロセスを用いて作製される集積型ＳＱＵＩＤの磁束計が主流であるが、高温超電導体では単層の超電導薄膜で形成できるダイレクトカップル型磁束計が主流である。これは、高温超電導体ではまだ十分に信頼できる多層構造形成プロセスが確立していないためである。
【０００３】図１（ａ）に一般的な１つのＳＱＵＩＤのダイレクトカップル型磁束計の構造模式図を示す。ＳＱＵＩＤ６は超電導薄膜１に形成され，切り欠き部２と弱結合３を２つ含む超電導リング４と電流−電圧端子５とで構成される。ＳＱＵＩＤ６の素子面積は数十μｍ×数十μｍから数百μｍ×数百μｍ程度である。素子面積が小さいためＳＱＵＩＤ６の単体での磁束捕獲面積は小さい。通常、一辺が数ｍｍから数十ｍｍ程度の大きさの超電導薄膜からなる検出コイル７をＳＱＵＩＤ６に結合させて磁束捕獲面積を大きくし、感度を向上させている。単体のＳＱＵＩＤと検出コイルを含めてＳＱＵＩＤとよぶ場合もあるが、本発明ではＳＱＵＩＤ６を単にＳＱＵＩＤと呼び、検出コイルを含める場合は磁束計８と呼ぶ。
【０００４】磁束計の磁場分解能ＳB1/2は【０００５】
【数１】

【０００６】で与えられる。ここでAeffは有効面積、SΦ1/2は回路のノイズを含めた磁束換算雑音、ΦSQはSQUIDに固有の雑音、Vnは回路から発生する雑音電圧である。また、dV/dΦは磁束-電圧変換係数で、V-Φ特性の最大傾きで与えられ、変調電圧振幅ΔＶを用いてπΔＶで近似できる。磁場分解能ＳＢ1/2を下げるためには回路のノイズを含めた磁束換算雑音SΦ1/2を下げ、有効面積Aeffを増加させることが必要となる。また、SΦ1/2はSQUIDに固有の雑音と回路から発生する雑音からなっているが、「数１」からわかるように雑音は二乗和の平方根の形で加算されるため、支配的な雑音を下げることが磁場分解能の向上につながる。最高の感度を得るためには、ΦSQとVn／（π・ΔＶ）が同程度になるように設計する。
【０００７】変調電圧振幅ΔＶは、熱雑音を考慮した数値計算により導出された「数２」から「数４」で見積もることができる（たとえば、円福ら、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、第32巻（1993年）L1407頁（K． Enpuku、 Jpn． J． Appl． Phys． 32 (1993) L 1407））。
【０００８】
【数２】

【０００９】ただし【００１０】
【数３】

【００１１】
【数４】

【００１２】ここでＬはＳＱＵＩＤの超電導リングのインダクタンス、ＩcとＲnはそれぞれ弱結合の臨界電流と接合抵抗、Ｔは動作温度、KBはボルツマン定数、δΦnは雑音磁束と呼ばれ、熱雑音によりインダクタンスに生じる雑音を示す。つまり、「数２」の第２項は熱雑音によるΔＶの減衰を示す。δΦnは温度ＴとインダクタンスＬの関数であるが、７７Ｋではインダクタンスのみで決まり、インダクタンスが小さいほど熱雑音の項は小さくなる。また、βはインダクタンスパラメーターと呼ばれており、通常１−５程度になるように設計する。「数２」−「数４」より、インダクタンスを小さくすることでΔＶが増加することが判るが、インダクタンスを小さくすると検出コイルとの結合が弱くなり有効面積が減少する。有効面積の減少は電圧−磁束特性の一周期が長いこと，つまり，ＳＱＵＩＤに１Φ0の磁束を加えるのに必要な磁場が大きいことに対応する。
【００１３】別のアプローチとして同じ特性のＳＱＵＩＤを直列に接続することで有効面積が同じまま大きなΔＶを実現することが可能である。各ＳＱＵＩＤの最適バイアス電流が一致しており，また，電圧−磁束特性の山と谷が完全に同期している理想的な場合、ｎ個のＳＱＵＩＤを直列にした場合の出力は、単体ＳＱＵＩＤのΔＶのｎ倍になる。直列に接続することで個々のＳＱＵＩＤの電圧ノイズも積算されるが、電圧ノイズの位相はランダムであるためSQUIDに固有の雑音ΦSQは√ｎ倍にしかならない。したがって、直列にすることにより磁束計の磁場分解能を向上させることができる。特に，磁束計の雑音が「数１」において根号の中の第二項が支配的な場合，つまりＳＱＵＩＤのΔＶが小さいまたは回路雑音が大きい場合に有効である。
【００１４】Schultzeらは検出コイル７が直接ＳＱＵＩＤの超電導リング４に接続された構造のダイレクトカップル型磁束計において、図１（ｂ）に示すように２つのＳＱＵＩＤ６を直列に接続することでＳＱＵＩＤが一つのもののほぼ２倍の変調電圧振幅が得られることをアイ・イー・イー・イー、トランザクション オン アプライド スーパーコンダクティビティ第9巻、3279頁（１９９９年）（V． Schultze et al、 IEEE TRANSACTION ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL．9 (1999)3279）で報告している。ダイレクトカップル型磁束計では３つ以上のＳＱＵＩＤを直列に接続することができないが、単層の高温超電導薄膜で構成できる。彼らの磁束計（２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計９と呼ぶことにする）は検出コイル７を備えており磁場分解能も大きいが、含まれる２つのＳＱＵＩＤの臨界電流値が一致しており，かつ，図２（ａ）に示すように２つのＳＱＵＩＤの磁場−電圧特性の周期と位相がほぼ完全に揃っている必要がある。磁場−電圧特性の周期は２つのＳＱＵＩＤのインダクタンスを同じ値にすることで実現でき、これは通常の微細加工技術を用いて比較的容易に実現できる。一方、ＳＱＵＩＤの臨界電流値および磁場−電圧特性の位相を一致させるためには接合特性（接合の臨界電流値と接合抵抗値）をそろえる必要がある。しかし、現在、弱結合として最も広く高温超電導ＳＱＵＩＤの作製に用いられている粒界ジョセフソン接合では20-30％程度の接合特性のばらつきがあるため、接合特性が揃った磁束計の歩留まりが低いのが現状である。臨界電流のずれはバイアス電流回路を工夫することで比較的容易に調整可能であるが，磁場−電圧特性の位相ずれの補正は難しい。磁場−電圧特性に位相ずれがある場合は，図２（ｂ）に示すように場合によってはΔＶがひとつのＳＱＵＩＤのΔＶよりも小さくなる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術で述べたように、高温超電導薄膜により作製されたＳＱＵＩＤおよびそれらで構成される磁束計は様々な改良がなされてきた。本発明はその延長線上にあり、ＳＱＵＩＤおよび磁束計の性能を一層向上させることを課題としている。 本発明では大きな変調電圧振幅ΔＶを実現することで電圧−磁束換算係数を増加させ、最終的にＳＱＵＩＤの磁場分解能を向上させることを可能とするものである。特に、ΔＶを約２倍に向上させることを狙いとした単層の高温超電導薄膜を用いて作製可能な２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計において、含まれる２つのＳＱＵＩＤの臨界電流および磁場−電圧特性の位相のばらつきにより変調電圧振幅ΔＶの増加が抑制されるという問題を解決するものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明では、単層の高温超電導薄膜で形成された２つの弱結合を含む超電導リング４と電流、電圧端子５で構成される２つのＳＱＵＩＤ６を直列に接続するとともに、それぞれのＳＱＵＩＤ６が共通の検出コイル７と直接結合させられた２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計１０において、検出コイルからＳＱＵＩＤへの磁束伝達効率が若干ことなる２つのＳＱＵＩＤ６，６’で構成する（図１（ｃ））。検出コイルからＳＱＵＩＤへの磁束伝達効率はＳＱＵＩＤインダクタンスの内，検出コイルと結合している部分のインダクタンスを調整することで容易に可能である。その結果，２つのＳＱＵＩＤは周期が異なる電圧−磁場特性（Ｖ−Φ特性）を示す（図２（ｃ））。直列に接続された２つのＳＱＵＩＤそれぞれに最適なバイアス電流を流した状態で２つのＳＱＵＩＤの出力の和を取り出すと，たとえ印加磁場ゼロ付近ではＶ−Φ特性の位相がずれており，足し合わせた出力が互いに打ち消しあっていたとしても，２つのＶ−Φ特性の周期が異なるためにある周期ＦでΔＶの極大値が現れる。この極大値はほぼ２つのＳＱＵＩＤのΔＶを足し合わせた値である。したがって，あるオフセット磁場を加えΔＶの極大値あるいはその近傍を動作点とすることで１−ＳＱＵＩＤの場合よりも大きなΔＶを確実に利用できる。また，ΔＶの極大値が現れる周期Ｆは２つのＳＱＵＩＤの有効面積の比率あるいは差に依存する。すなわち，有効面積が僅かしか違わない場合は周期Ｆは大きくなる。この場合初期状態によっては最も近い極大値を動作点にするために必要なオフセット磁場は大きくなる。一方，有効面積が大きく異なっている場合は周期Ｆは短くなる。この場合は，ΔＶの極大値が現れる周期Ｆは短いため最も近い極大値を動作点にするオフセット磁場は小さいが，ΔＶの極大値が２つのＳＱＵＩＤのΔＶよりもやや小さくなる場合がある。また，２−ＳＱＵＩＤの有効面積は２つのＳＱＵＩＤの有効面積の中間の値となるため，有効面積が大きく異なっている場合は有効面積が小さくなる。以上のことを考慮すると２つのＳＱＵＩＤの有効面積の比率は３０：３１よりも大きくまた１：２よりも小さいほうが良い。特にＡＣバイアスを用いる場合には２０：２１以上，１：1。5未満が望ましい。
【００１７】以下，本発明の２つのＳＱＵＩＤの電圧−磁場特性の周期が異なる２−ＳＱＵＩＤ磁束計を非同期２−ＳＱＵＩＤ磁束計１０と呼ぶ。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、実施例をあげて本発明をより具体的に説明するが、以下の開示は本発明の一実施例にすぎず、本発明の技術範囲を何ら限定するものではない。
【００１９】実施例１以下、本発明の第１の実施例を述べる。図３（ａ）に本実施例の磁束計を上から見た模式図，（ｂ）にその断面模式図，（ｃ）に等価回路を示す。本実施例ではバイクリスタル粒界接合を弱結合に用いた。１５は基板であり、たとえば、ＳｒＴｉＯ3（１００）バイクリスタル基板である。該基板１５上には、超電導リング４，４’、切り欠き２，２’、２つの弱結合３，３’および電流・電圧端子１４，１４’よりなるＳＱＵＩＤ１２，１３が超電導薄膜により２つ形成され、その２つのＳＱＵＩＤ１２，１３が同じ超電導薄膜により形成された検出コイル７と直接結合している。すなわち、検出コイル７の一部である入力コイル１１と超電導リング４とが兼用されている。２つのＳＱＵＩＤ１２，１３から外側に形成された電流・電圧端子１４，１５には外部接続線を接続するための貴金属薄膜よりなる端子１６，１７が形成される。また、検出コイル７に上にも外部接続線を接続するための貴金属薄膜よりなる端子１８，１９が複数個形成させる。便宜上，図の上側のＳＱＵＩＤ１２をＱ１，下側のＳＱＵＩＤ１３をＱ２と呼び区別することにする。本発明の第１の実施例ではＱ２の切り欠き２’をＱ１の切り欠き２よりも長くすることでＳＱＵＩＤの検出コイルと結合している部分のインダクタンスを変えた。
【００２０】図３（ｃ）の等価回路図では検出コイルのインダクタンスLp1,Lp2,Lp3,Lp4とＳＱＵＩＤインダクタンスの内検出コイルと結合しているインダクタンスLQ1,LQ2以外のインダクタンスを省略している。また，弱結合は×印で示している。本発明の非同期２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計ではLQ1とLQ2が異なる点に特徴がある。
【００２１】図４は、図３に示した実施例の作製プロセスを説明する図である。図３（ａ）に示すＡ−Ａ’の位置で矢印方向に見た作製プロセスの各過程での断面図の概要である。
【００２２】まず、基板４１として１０ｍｍ角のＳｒＴｉＯ3（１００）バイクリスタル基板を用いた。接合角としては２４゜、３０゜、３６゜および４５゜などが使用できるが、本実施例では３０゜を使用した。上記以外の接合角も作製可能であるが特注品となるため価格が高い。
【００２３】基板上に膜厚１５０ｎｍのＹＢａ2Ｃｕ3Ｏy（以下ＹＢＣＯと略す）超電導膜４２をＫｒＦエキシマレーザーを用いたレーザー蒸着法で作製した。ターゲットには直径２０ｍｍの円盤状のＹＢＣＯ焼結体を用いた。基板温度は８００℃、成膜時の雰囲気は３００ｍＴｏｒｒの純酸素とし、レーザーエネルギー７０ｍＪ、レーザーエネルギー密度１−２Ｊ／ｃｍ2、レーザー発信周波数２Ｈｚ、基板とターゲットの間隔を約４ｃｍとして成膜を行った。この際、ターゲットがなるべく均一に削れるように、ターゲットを自転させるとともに、膜厚の分布を抑えるためレーザー光線をターゲット上でラスタースキャンさせ、また基板も回転させた。成膜後、酸素分圧を５Ｔｏｒｒまで増加させ、７６０℃から１０℃／分の速度で２００℃以下まで薄膜試料を冷却し成膜装置から取り出した。ここで、４３は基板の結晶粒界、４４は超電導膜４２の結晶粒界である（図４（ａ））。
【００２４】次に、抵抗加熱蒸着法で電極パッド用の貴金属電極層４５としてＡｕ薄膜を、メタルマスク４６を使用して必要な部分にのみ蒸着した。その後、電気炉で純酸素フロー中、５００℃の熱処理を行い、ＹＢＣＯ薄膜を十分に酸化するとともにＡｕとＹＢＣＯの界面抵抗を低減した（図４（ｂ））。
【００２５】次に、作製した薄膜に膜厚６００ｎｍの電子線描画用のレジスト（製品名ＺＥＰ５２０、日本ゼオン製）をスピンコートした。１６０℃、１０分のプリベークを行った後、電子線描画法で下部ＹＢＣＯ超電導膜用のパターンを露光し、キシレンで現像することでレジストパターン４７を形成した。このパターンは、図３（ａ）に示す磁束計のパターンである（図４（ｃ））。
【００２６】次に、ＡｒイオンビームエッチングでレジストパターンをＹＢＣＯ超電導薄膜に転写した。Ａｒのガス圧は１。１×１０-4Ｔｏｒｒ、加速電圧は５００Ｖとした。また、イオン衝撃による試料温度の上昇を緩和するため、３分間のエッチングと３分間の休憩を交互に繰り返した。この条件でのＹＢＣＯ薄膜とレジストのエッチング速度はそれぞれ１２ｎｍ／分および１６ｎｍ／分程度であった。下部ＹＢＣＯ薄膜の膜厚１５０ｎｍに対してエッチング深さは２００ｎｍとし、約５０ｎｍのオーバーエッチングを行った。残ったレジストは２−ブタノン中で超音波洗浄することで除去した（図４（ｄ））。
【００２７】実施例１で作製した非同期２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計に含まれる２つのＳＱＵＩＤの特性を表１に示す。この表でIc、Rnは接合１つ当たりの臨界電流と接合抵抗を表している。ＳＱＵＩＤは２つの接合からなるので、ＳＱＵＩＤの臨界電流は２Icである。どちらのＳＱＵＩＤも同じ膜厚、同じ接合幅の粒界ジョセフソン接合からなっているが、接合特性のばらつきのため臨界電流2Icが異なっている。ΔＶobsとIboptはそれぞれのＳＱＵＩＤの最大の変調電圧振幅とそのときのバイアス電流値（最適バイアス電流値）である。この最適バイアス電流値はほぼ臨界電流値に等しい。また、Aeff、Ls、Lpは有効面積、ＳＱＵＩＤのインダクタンス、検出コイルのインダクタンスである。本発明の第１の実施例ではＳＱＵＩＤ１３の切り欠き２’をＳＱＵＩＤ１２の切り欠き２よりも長くすることでＳＱＵＩＤの検出コイルと結合している部分のインダクタンスを変えた。つまり，検出コイルと結合している部分のインダクタンスが大きなＱ２の方がＱ１より磁束伝達効率が良い。その結果，Ｑ２の方が有効面積Aeffが大きい。また，変調電圧振幅ΔＶはＱ２の方が小さい。これは，切り欠き部分の長さを変えたことにより，検出コイルと結合している部分のインダクタンスだけでなくＳＱＵＩＤ全体のインダクタンスが大きくなったためである。「数２」より明らかなように接合特性が同程度であればＳＱＵＩＤ全体のインダクタンスが大きいと変調電圧振幅ΔＶが小さくなる。
【００２８】図５（ａ）は（ｂ）に示したバイアス電流回路を用いて２つのＳＱＵＩＤに同時に最適なバイアス電流を流して測定した非同期２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計のＶ−Φ特性である。用いた試料は表１に示した試料と同じである。バイアス電流はＩb1を５０μＡ，Ｉb2を２７μＡとして，Ｑ１，Ｑ２の両方に最適なバイアス電流を流した。外部磁場がゼロでは２−ＳＱＵＩＤでのＶ−Φ特性の変調電圧振幅は非常に小さいが，これは２つのＳＱＵＩＤのＶ−Φ特性の位相が外部磁場がゼロの状態で大きくずれているためである。しかし，３−４Φ0程度の磁束を加えた状態では本発明の効果によりＱ１とＱ２のΔＶの和に相当する大きな変調電圧振幅ΔＶが得られた。
【００２９】また，図５（ｃ）は同じ構造の別の非同期２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計の特性である。接合特性の違いにより２つのＳＱＵＩＤのＶ−Φ特性の位相差が異なっているが，逆方向にΦ0程度の磁束を加えた状態でやはり２つのＳＱＵＩＤのΔＶの和に相当する変調電圧振幅を得られた。このように本発明の磁束計では２つのＳＱＵＩＤのＶ−Φ特性の位相差がどのように異なっていても２つのＳＱＵＩＤのΔＶの和にほぼ相当する変調電圧振幅が得られることが確認できた。
【００３０】さらに本発明の効果を調べるため高温超電導ＳＱＵＩＤで一般的に用いられるＡＣバイアス法での動作を検証した。使用したＡＣバイアスのＦＬＬ（Flux Locked Loop)回路のブロック図を図６に示す。基本的な構成は通常のＡＣバイアスのＦＬＬ回路と同じであるが，通常の磁束オフセットの調整幅が±Φ0程度であるのに対して本発明の磁束計用のＦＬＬ回路では磁束オフセットの調整幅が±10Φ0程度と大きい。磁束オフセットの調整幅は２つのＳＱＵＩＤの有効面積比に応じて適宜変更する。また，２つのＳＱＵＩＤの最適バイアス電流が異なっていても同時に最適なバイアス連流が流せるように図５（ｂ）と同じバイアス電流回路が含まれている。本実施例では図５（ｂ）のように１つのバイアス電源から抵抗分割により２つのＳＱＵＩＤに異なるバイアス電流を流しているが，２つのバイアス電源を用いてもかまわない。
【００３１】表１にＱ１およびＱ２のみで動作させた場合および上で述べた本発明の方法で動作させた場合の磁束換算雑音SΦ1/2を示す。本発明の効果により磁束換算雑音SΦ1/2および磁場分解能SB1/2を下げることができた。
【００３２】
【表１】

【００３３】実施例２以下、本発明の第２の実施例を述べる。図７（ａ）に作製した非同期２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計の構造模式図，（ｂ）に中央のＳＱＵＩＤ部分の拡大図を示す。第２の実施例で作製した磁束計は２つの検出コイルに入ってきた磁束の差を出力とする１次のグラジオメーター（Gradiometer）である。15x15mm2のバイクリスタルSrTiO3(100)基板５０上に作製した膜厚200nmのYBa2Cu3Oy超伝導薄膜５１を用いて一回り大きな磁束計を作製した。大きな基板を使用することで検出コイルの面積を大きくでき、より感度が高い磁束計を作製できる。ベースラインをできるだけ長くするために基板に対して斜めに２つの超伝導ループ５２，５３を持つ８の字型の検出コイルを配置した。検出コイルが８の字型になっているためその中央部分５４にはそれぞれの超伝導ループに鎖交した磁束の差に対応した超伝導電流が流れる。その超伝導電流を検出するために２つのＳＱＵＩＤ５５，５６を図７（ｂ）のように配置した。グラジオメーターではバランスが重要なので対称になるようにＳＱＵＩＤや電極を配置した。本実施例ではＱ１とＱ２の切り欠き５７，５８の長さは同じであるが，磁束伝達効率を変えるため検出コイルと結合している部分の長さ５９，６０を変えることでＳＱＵＩＤと検出コイルとの結合しているインダクタンスを変えた。便宜上，結合しているインダクタンスが大きい方のＳＱＵＩＤ５５（図の上側のＳＱＵＩＤ）をＱ１，小さい方のＳＱＵＩＤ５６をＱ２と呼び区別する。
【００３４】本実施例は、実施例１とはパターンが異なるが、作製プロセスは同じであるので説明を省略する。
【００３５】図９に電圧−磁束特性を示す。本実施例に置いても最適オフセット磁束で大きなΔＶが得られていることがわかる。表２に実施例２の磁束計の特性を示す。本発明の２−ＳＱＵＩＤ直列構造にする事でグラジオメーターの性能で最も重要な磁場勾配感度が改善されることがわかった。
【００３６】以上の２つの実施例からわかるように、非同期２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計では，接合特性やインダクタンスがばらついていても２つのＳＱＵＩＤの直列接続が効果的に作用していることが分かる。本発明は超電導体の種類に関わりなく効果的であるが，接合特性のばらつきが大きな高温超電導体では極めて有効である。また，検出コイルとＳＱＵＩＤを入力コイルを介して磁気的に結合した集積型ＳＱＵＩＤにおいても本発明は有効である。集積型ＳＱＵＩＤについては実施例３で述べる。
【００３７】
【表２】

【００３８】実施例３本実施例ではNb系超電導体を用いた場合について述べる。接合特性のばらつきが少ないNb系超電導体を用いた場合でも素子のレイアウトや入力コイルとＳＱＵＩＤの相互インダクタンスのずれにより２−ＳＱＵＩＤ構造にするとＶ−Φ特性の位相ずれは生じる。したがって，本発明はNb系超電導体でも有効となる。図９にNb系超電導体で作製した2-SQUID磁束計の一例を示す。接合はNb-AlOx-Nbのトンネル接合である。本実施例では入力コイルの巻き数を意図的に変えることで検出コイルとＳＱＵＩＤへの磁束伝達効率を変えた。高温超電導体の場合と異なり，Nb系超電導体では２つのＳＱＵＩＤのバイアス電流値がほぼ一致しているため，一系統のバイアス電流回路で駆動可能である。この場合は駆動回路の磁束オフセット調整幅を広くする必要があるが，基本的には従来の回路を利用できる。つまり，ＳＱＵＩＤだけを変えることで容易に従来方法の磁気計測装置に本発明を適用できる。
【００３９】以上の３つの実施例からわかるように、非同期２−ＳＱＵＩＤダイレクトカップル型磁束計では，接合特性やインダクタンスがばらついていても２つのＳＱＵＩＤの直列接続が効果的に作用していることが分かる。なお、ＳＱＵＩＤの重要な構成要素である弱結合は、実施例では、バイクリスタル基板を用いた粒界接合（高温超電導）またはNb-AlOx-Nbのトンネル接合（Nb系超電導）としたが、段差基板を用いたステップエッジ粒界接合でも、ランプエッジ型や積層型のＳＮＳ接合あるいはＳＩＳ接合でも、またこれら以外の構造のジョセフソン接合でも良いのは言うまでもない。また，実施例では磁束伝達効率を変えるのに切り欠きの長さまたは入力コイルの巻き数を変えたが，膜厚やその他のパラメータで磁束伝達効率を変えても同様に効果を得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】接合特性にばらつきがある２−ＳＱＵＩＤ磁束計でも、高い磁場分解能の磁束計を再現性よく提供できる。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】 平成１２年１月７日（２０００．１．７）
【代理人】 【識別番号】１０００７５０９６
【弁理士】
【氏名又は名称】作田 康夫
【公開番号】 特開２００１−１９４４３６（Ｐ２００１−１９４４３６Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】 特願２０００−５８６７（Ｐ２０００−５８６７）