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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024131673
(43)【公開日】2024-09-30
(54)【発明の名称】高周波磁場印加装置および磁気センサ
(51)【国際特許分類】
G01R 33/20 20060101AFI20240920BHJP
G01N 24/00 20060101ALI20240920BHJP
【ＦＩ】
G01R33/20 101
G01N24/00 P
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023042087
(22)【出願日】2023-03-16
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和４年度、文部科学省、委託事業「量子計測・センシング技術研究開発」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110001128
【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】柴田 貴行
(57)【要約】
【課題】窒素－空孔中心を含有する磁気共鳴素子を備えた磁気センサにおいて、かかる磁気共鳴素子の厚さ方向の磁場を良好に検出あるいは計測することを可能とする構成を提供すること。
【解決手段】高周波磁場印加装置（３）は、誘電体基板（３００）と、アンテナ素子部（３０１）と、貫通孔（３０８）と、を備えている。アンテナ素子部は、給電によりマイクロ波の高周波磁場を発生するように誘電体基板の一面（３００ａ）上に形成された導体膜からなり、磁気共鳴素子に対向配置されている。貫通孔は、誘電体基板の一面に沿った沿面方向について磁気共鳴素子に対応する位置にて、誘電体基板とアンテナ素子部とを貫通するように設けられている。
【選択図】図３
【解決手段】高周波磁場印加装置（３）は、誘電体基板（３００）と、アンテナ素子部（３０１）と、貫通孔（３０８）と、を備えている。アンテナ素子部は、給電によりマイクロ波の高周波磁場を発生するように誘電体基板の一面（３００ａ）上に形成された導体膜からなり、磁気共鳴素子に対向配置されている。貫通孔は、誘電体基板の一面に沿った沿面方向について磁気共鳴素子に対応する位置にて、誘電体基板とアンテナ素子部とを貫通するように設けられている。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
窒素－空孔中心を含有する磁気共鳴素子（２）を備えた磁気センサ（１）に用いられる高周波磁場印加装置（３）であって、
誘電体基板（３００）と、
給電によりマイクロ波の高周波磁場を発生するように前記誘電体基板の一面（３００ａ）上に形成された導体膜からなり、前記磁気共鳴素子に対向配置されるアンテナ素子部（３０１）と、
前記一面に沿った沿面方向について前記磁気共鳴素子に対応する位置にて、前記誘電体基板と前記アンテナ素子部とを貫通するように設けられた貫通孔（３０８）と、
を備えた高周波磁場印加装置。
誘電体基板（３００）と、
給電によりマイクロ波の高周波磁場を発生するように前記誘電体基板の一面（３００ａ）上に形成された導体膜からなり、前記磁気共鳴素子に対向配置されるアンテナ素子部（３０１）と、
前記一面に沿った沿面方向について前記磁気共鳴素子に対応する位置にて、前記誘電体基板と前記アンテナ素子部とを貫通するように設けられた貫通孔（３０８）と、
を備えた高周波磁場印加装置。
【請求項2】
前記アンテナ素子部は、前記マイクロ波の波長をλとした場合にｎλ／２（ｎは自然数）の線路長を有する伝送線路共振器としての構成を有し、
前記貫通孔は、前記線路長における一端からｍλ／４（ｍは２ｎ以下の自然数且つ奇数）に対応する位置であって且つ線路幅における中央に設けられた、
請求項１に記載の高周波磁場印加装置。
前記貫通孔は、前記線路長における一端からｍλ／４（ｍは２ｎ以下の自然数且つ奇数）に対応する位置であって且つ線路幅における中央に設けられた、
請求項１に記載の高周波磁場印加装置。
【請求項3】
前記貫通孔は、前記誘電体基板の他面（３００ｂ）に向かうにつれて拡径するテーパ部（３０８ａ）を有する、
請求項１に記載の高周波磁場印加装置。
請求項１に記載の高周波磁場印加装置。
【請求項4】
前記磁気共鳴素子にて発生した熱を吸収するように、前記磁気共鳴素子と前記アンテナ素子部との間に設けられた放熱基板（３２）をさらに備えた、
請求項１に記載の高周波磁場印加装置。
請求項１に記載の高周波磁場印加装置。
【請求項5】
前記アンテナ素子部は、コプレーナ導波路共振器としての構成を有する、
請求項１に記載の高周波磁場印加装置。
請求項１に記載の高周波磁場印加装置。
【請求項6】
磁気センサ（１）であって、
窒素－空孔中心を含有する、磁気共鳴素子（２）と、
前記磁気共鳴素子に対してマイクロ波の高周波磁場を印加するように、前記磁気共鳴素子に対向配置された高周波磁場印加装置（３）と、
前記磁気共鳴素子に励起光を照射するように設けられた照射装置（４）と、
前記磁気共鳴素子にて発生した蛍光を検出するように設けられた検出装置（５）と、
を備え、
前記高周波磁場印加装置は、
誘電体基板（３００）と、
前記誘電体基板の一面（３００ａ）上に形成された導体膜からなり、給電により前記高周波磁場を発生するように設けられたアンテナ素子部（３０１）と、
前記一面に沿った沿面方向について前記磁気共鳴素子に対応する位置にて、前記誘電体基板と前記アンテナ素子部とを貫通するように設けられた貫通孔（３０８）と、
を備え、
前記検出装置は、前記貫通孔を通過した前記蛍光を集光するように前記誘電体基板を挟んで前記磁気共鳴素子と対向配置された対物レンズ（５０１）を備えた、
磁気センサ。
窒素－空孔中心を含有する、磁気共鳴素子（２）と、
前記磁気共鳴素子に対してマイクロ波の高周波磁場を印加するように、前記磁気共鳴素子に対向配置された高周波磁場印加装置（３）と、
前記磁気共鳴素子に励起光を照射するように設けられた照射装置（４）と、
前記磁気共鳴素子にて発生した蛍光を検出するように設けられた検出装置（５）と、
を備え、
前記高周波磁場印加装置は、
誘電体基板（３００）と、
前記誘電体基板の一面（３００ａ）上に形成された導体膜からなり、給電により前記高周波磁場を発生するように設けられたアンテナ素子部（３０１）と、
前記一面に沿った沿面方向について前記磁気共鳴素子に対応する位置にて、前記誘電体基板と前記アンテナ素子部とを貫通するように設けられた貫通孔（３０８）と、
を備え、
前記検出装置は、前記貫通孔を通過した前記蛍光を集光するように前記誘電体基板を挟んで前記磁気共鳴素子と対向配置された対物レンズ（５０１）を備えた、
磁気センサ。
【請求項7】
前記アンテナ素子部は、前記マイクロ波の波長をλとした場合にｎλ／２（ｎは自然数）の線路長を有する伝送線路共振器としての構成を有し、
前記貫通孔は、前記線路長における一端からｍλ／４（ｍは２ｎ以下の自然数且つ奇数）に対応する位置であって且つ線路幅における中央に設けられた、
請求項６に記載の磁気センサ。
前記貫通孔は、前記線路長における一端からｍλ／４（ｍは２ｎ以下の自然数且つ奇数）に対応する位置であって且つ線路幅における中央に設けられた、
請求項６に記載の磁気センサ。
【請求項8】
前記貫通孔は、前記誘電体基板の他面（３００ｂ）に向かうにつれて拡径するテーパ部（３０８ａ）を有する、
請求項６に記載の磁気センサ。
請求項６に記載の磁気センサ。
【請求項9】
前記磁気共鳴素子にて発生した熱を吸収するように、前記磁気共鳴素子と前記アンテナ素子部との間に設けられた放熱基板（３２）をさらに備えた、
請求項６に記載の磁気センサ。
請求項６に記載の磁気センサ。
【請求項10】
前記アンテナ素子部は、コプレーナ導波路共振器としての構成を有する、
請求項６に記載の磁気センサ。
請求項６に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、窒素－空孔中心を含有する磁気共鳴素子を備えた磁気センサ、および、これに用いられる高周波磁場印加装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ＯＤＭＲすなわち光検出磁気共鳴を利用して、磁気を検出あるいは計測する手法が、従来種々提案されている。ＯＤＭＲはOptically Detected Magnetic Resonanceの略である。ここで、窒素－空孔対を含む磁気共鳴素子であるダイヤモンド結晶を用いることで、常温大気中で高感度な磁場計測を行うことが可能となる。このような、窒素－空孔対を含むダイヤモンドを用いたＯＤＭＲは、例えば、脳磁気検出や、ＩＣが発生する磁場の検出や、車載磁気センサ等に、好適に適用される。ＩＣはIntegrated Circuitの略である。この点、特許文献１に記載の装置は、窒素－空孔中心を含有するダイヤモンド基板を、ループ状のマイクロ波共振器の内側に配置した構成を有している。特許文献１に記載の装置においては、磁場の検出対象（例えばＩＣ）は、ダイヤモンド基板およびマイクロ波共振器の下側に配置される。そして、斜め上方から励起レーザ光がダイヤモンド基板に向けて照射され、上方に設けられたカメラで蛍光が検知される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】米国特許第１１，５１９，９８９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１に記載の装置においては、マイクロ波共振器により印加される高周波磁場は、ループの軸方向、すなわち、ダイヤモンド基板の厚さ方向となる。このため、検出可能な磁場の方向は、原理上、高周波磁場に対して垂直な方向である、ダイヤモンド基板の表面に沿った沿面方向となる。一方、ダイヤモンド基板の厚さ方向の磁場を検出するためには、ダイヤモンド基板における磁場検出対象と対向する表面に沿った沿面方向に高周波磁場を形成する必要がある。このような高周波磁場を発生させる方法として、特許文献１に記載の構成においては、ダイヤモンド基板の上方または下方に導体線路を設けることが考えられる。しかしながら、ダイヤモンド基板の上方にはカメラを含む検出光学系が存在し、下方には磁場検出対象が存在するため、このような導体線路を設けると検出の障害となり得る。
【0005】
本発明は、上記に例示した事情等に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、例えば、窒素－空孔中心を含有する磁気共鳴素子を備えた磁気センサにおいて、かかる磁気共鳴素子の厚さ方向の磁場を良好に検出あるいは計測することを可能とする構成を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
請求項１に記載の高周波磁場印加装置（３）は、窒素－空孔中心を含有する磁気共鳴素子（２）を備えた磁気センサ（１）に用いられるものであって、
誘電体基板（３００）と、
給電によりマイクロ波の高周波磁場を発生するように前記誘電体基板の一面（３００ａ）上に形成された導体膜からなり、前記磁気共鳴素子に対向配置されるアンテナ素子部（３０１）と、
前記一面に沿った沿面方向について前記磁気共鳴素子に対応する位置にて、前記誘電体基板と前記アンテナ素子部とを貫通するように設けられた貫通孔（３０８）と、
を備えている。
請求項６に記載の磁気センサ（１）は、
窒素－空孔中心を含有する、磁気共鳴素子（２）と、
前記磁気共鳴素子に対してマイクロ波の高周波磁場を印加するように、前記磁気共鳴素子に対向配置された高周波磁場印加装置（３）と、
前記磁気共鳴素子に励起光を照射するように設けられた照射装置（４）と、
前記磁気共鳴素子にて発生した蛍光を検出するように設けられた検出装置（５）と、
を備え、
前記高周波磁場印加装置は、
誘電体基板（３００）と、
前記誘電体基板の一面（３００ａ）上に形成された導体膜からなり、給電により前記高周波磁場を発生するように設けられたアンテナ素子部（３０１）と、
前記一面に沿った沿面方向について前記磁気共鳴素子に対応する位置にて、前記誘電体基板と前記アンテナ素子部とを貫通するように設けられた貫通孔（３０８）と、
を備え、
前記検出装置は、前記貫通孔を通過した前記蛍光を集光するように前記誘電体基板を挟んで前記磁気共鳴素子と対向配置された対物レンズ（５０１）を備えている。
誘電体基板（３００）と、
給電によりマイクロ波の高周波磁場を発生するように前記誘電体基板の一面（３００ａ）上に形成された導体膜からなり、前記磁気共鳴素子に対向配置されるアンテナ素子部（３０１）と、
前記一面に沿った沿面方向について前記磁気共鳴素子に対応する位置にて、前記誘電体基板と前記アンテナ素子部とを貫通するように設けられた貫通孔（３０８）と、
を備えている。
請求項６に記載の磁気センサ（１）は、
窒素－空孔中心を含有する、磁気共鳴素子（２）と、
前記磁気共鳴素子に対してマイクロ波の高周波磁場を印加するように、前記磁気共鳴素子に対向配置された高周波磁場印加装置（３）と、
前記磁気共鳴素子に励起光を照射するように設けられた照射装置（４）と、
前記磁気共鳴素子にて発生した蛍光を検出するように設けられた検出装置（５）と、
を備え、
前記高周波磁場印加装置は、
誘電体基板（３００）と、
前記誘電体基板の一面（３００ａ）上に形成された導体膜からなり、給電により前記高周波磁場を発生するように設けられたアンテナ素子部（３０１）と、
前記一面に沿った沿面方向について前記磁気共鳴素子に対応する位置にて、前記誘電体基板と前記アンテナ素子部とを貫通するように設けられた貫通孔（３０８）と、
を備え、
前記検出装置は、前記貫通孔を通過した前記蛍光を集光するように前記誘電体基板を挟んで前記磁気共鳴素子と対向配置された対物レンズ（５０１）を備えている。
【0007】
なお、出願書類の各欄において、各要素に括弧付きの参照符号が付される場合がある。しかしながら、かかる参照符号は、同要素と後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の単なる一例を示すものにすぎない。よって、本発明は、上記の参照符号の記載によって、何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明の一実施形態に係る磁気センサの概略構成図である。
【図4】比較例における磁場分布の計算機シミュレーション結果を示す図である。
【図9】一変形例に係る構成における貫通孔の位置を示す平面図である。
【図10】他の一変形例に係る構成における貫通孔の位置を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
（実施形態）
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、一つの実施形態に対して適用可能な各種の変形例については、当該実施形態に関する一連の説明の途中に挿入されると当該実施形態の理解が妨げられるおそれがある。このため、変形例は、一連の実施形態の説明の後に、まとめて記載する。また、後述するように、各図およびこれを用いた以下の説明は、専ら、本実施形態に係る概略的な構成および機能を説明するために簡略化されたものであって、実際に製造販売される具体的な装置構成とは必ずしも一致するとは限らない。さらに、図示および説明の便宜上、各図において、右手系ＸＹＺ座標を設定する。各図におけるＸＹＺ座標は、互いに整合しているものとする。但し、Ｚ軸正方向あるいはＺ軸負方向は、必ずしも重力作用方向を意味するものではない。
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、一つの実施形態に対して適用可能な各種の変形例については、当該実施形態に関する一連の説明の途中に挿入されると当該実施形態の理解が妨げられるおそれがある。このため、変形例は、一連の実施形態の説明の後に、まとめて記載する。また、後述するように、各図およびこれを用いた以下の説明は、専ら、本実施形態に係る概略的な構成および機能を説明するために簡略化されたものであって、実際に製造販売される具体的な装置構成とは必ずしも一致するとは限らない。さらに、図示および説明の便宜上、各図において、右手系ＸＹＺ座標を設定する。各図におけるＸＹＺ座標は、互いに整合しているものとする。但し、Ｚ軸正方向あるいはＺ軸負方向は、必ずしも重力作用方向を意味するものではない。
【0010】
（全体構成）
磁気センサ１は、磁気共鳴素子２における光検出磁気共鳴を利用して、磁気共鳴素子２に近接あるいは接触する被測定物Ｍにおける磁気を検出あるいは計測するように構成されている。具体的には、図１に示されているように、磁気センサ１は、磁気共鳴素子２と、高周波磁場印加装置３と、照射装置４と、検出装置５とを備えている。
磁気センサ１は、磁気共鳴素子２における光検出磁気共鳴を利用して、磁気共鳴素子２に近接あるいは接触する被測定物Ｍにおける磁気を検出あるいは計測するように構成されている。具体的には、図１に示されているように、磁気センサ１は、磁気共鳴素子２と、高周波磁場印加装置３と、照射装置４と、検出装置５とを備えている。
【0011】
磁気共鳴素子２は、窒素－空孔中心を含有するダイヤモンド基板であって、薄板状に成形されている。すなわち、磁気センサ１は、いわゆるダイヤモンド磁気センサとしての構成を有している。高周波磁場印加装置３は、磁気共鳴素子２に対してマイクロ波の高周波磁場を印加するように設けられている。照射装置４は、磁気共鳴素子２に励起光Ｒ１を照射するように設けられている。検出装置５は、磁気共鳴素子２にて発生した蛍光Ｒ２を検出するように設けられている。なお、この種のダイヤモンド磁気センサの基本構成および動作原理については、本願の出願時点において、既に公知あるいは周知となっている。よって、図示および説明の簡略化の観点から、この種のダイヤモンド磁気センサにおける動作原理や、この種のダイヤモンド磁気センサに通常設けられる他の構成については、本明細書においては、図示および説明を省略する。この種のダイヤモンド磁気センサにおける動作原理や、この種のダイヤモンド磁気センサに通常設けられる他の構成については、上記の特許文献１の他、本発明の発明者による先行出願に係る特開２０２０－３８０８６号公報や特開２０２２－１２８５５４号公報等を参照されたい。
【0012】
（高周波磁場印加装置）
図２および図３は、本実施形態に係る磁気センサ１に用いられる高周波磁場印加装置３の概略構成を示す。なお、図３は、図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ断面による高周波磁場印加装置３の断面構成の概略を示すものであるが、図示の都合上、寸法関係は、図２とは必ずしも整合しているとは限らないものとする。以下、本実施形態に係る高周波磁場印加装置３の構成の詳細について説明する。
図２および図３は、本実施形態に係る磁気センサ１に用いられる高周波磁場印加装置３の概略構成を示す。なお、図３は、図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ断面による高周波磁場印加装置３の断面構成の概略を示すものであるが、図示の都合上、寸法関係は、図２とは必ずしも整合しているとは限らないものとする。以下、本実施形態に係る高周波磁場印加装置３の構成の詳細について説明する。
【0013】
磁気共鳴素子２は、図中Ｚ軸方向に厚さ方向を有する薄板状に形成されている。磁気共鳴素子２と高周波磁場印加装置３とは、図中Ｚ軸方向に配列されている。具体的には、磁気共鳴素子２は、高周波磁場印加装置３よりもＺ軸正方向側にて、高周波磁場印加装置３に近接しつつ対向配置されている。
【0014】
高周波磁場印加装置３は、プリント基板３０と、同軸コネクタ３１と、放熱基板３２とを備えている。図中、ＸＹＺ座標は、Ｚ軸がプリント基板３０の板厚方向と平行となり、ＸＹ平面がプリント基板３０の板厚方向と直交するように設定されている。同軸コネクタ３１は、プリント基板３０の端部に固定されている。放熱基板３２は、磁気共鳴素子２にて発生した熱を吸収するように、磁気共鳴素子２とプリント基板３０との間に設けられている。放熱基板３２は、蛍光Ｒ２の透過性と電気絶縁性と放熱性とに優れた材料（例えば窒化ケイ素等）により、図中Ｚ軸方向に厚さ方向を有する薄板状に形成されている。
【0015】
プリント基板３０は、一定の板厚を有する平板状の誘電体基板３００の少なくとも一面に導体膜が形成された構成を備えている。具体的には、誘電体基板３００は、一対の主面であるアンテナ形成面３００ａおよび裏面３００ｂを有している。「主面」とは、板状部材における板厚方向と平行な法線方向を有する表面であって、「板面」とも称される。アンテナ形成面３００ａおよび裏面３００ｂは、ＸＹ平面と平行に形成されている。アンテナ形成面３００ａまたは裏面３００ｂに沿った方向（すなわち図中ＸＹ平面と平行な方向）を、以下「沿面方向」と称する。かかる沿面方向は、磁気共鳴素子２における被測定物Ｍと対向する表面に沿った方向であるとともに、磁気共鳴素子２の厚さ方向に対して垂直な方向である。本実施形態においては、誘電体基板３００は、比誘電率が４．３～５．０程度であるＦＲ－４、あるいは、これよりも比誘電率が高い材料（例えば比誘電率が９．６であるアルミナ基板）により、Ｚ軸方向に板厚方向を有する薄板状に形成されている。ＦＲ－４はFlame Retardant Type ４の略である。誘電体基板３００は、Ｘ軸方向に長手方向を有するとともにＹ軸方向に幅方向を有する長方形状に形成されている。
【0016】
磁気共鳴素子２に向かう外向き法線を有するアンテナ形成面３００ａ上には、銅等の良導体からなる導体膜である、アンテナ素子部３０１および給電線路部３０２が形成されている。アンテナ素子部３０１は、給電線路部３０２により給電されることで、マイクロ波の高周波磁場を発生するように設けられている。アンテナ素子部３０１は、放熱基板３２を挟んで磁気共鳴素子２に対向配置されるようになっている。すなわち、放熱基板３２は、磁気共鳴素子２とアンテナ素子部３０１との間で挟まれるように設けられている。本実施形態においては、放熱基板３２の一面は磁気共鳴素子２と接合され、他面はアンテナ素子部３０１と接合されている。そして、磁気共鳴素子２は、アンテナ素子部３０１と重なるようにプリント基板３０に接合された放熱基板３２上に固定的に支持されている。
【0017】
アンテナ素子部３０１は、マイクロ波の波長をλとした場合にｎλ／２（ｎは自然数）の線路長を有する伝送線路共振器としての構成を有しており、Ｘ軸方向に延設されている。「線路長」は、マイクロ波電流の通流方向に沿ったアンテナ素子部３０１の長さであって、本実施形態においてはＸ軸方向寸法である。具体的には、本実施形態においては、アンテナ素子部３０１は、いわゆる半波長共振器（すなわちｎ＝１）としての構成を有している。
【0018】
給電線路部３０２は、アンテナ素子部３０１に給電するための導体膜であって、Ｘ軸方向に延設されつつ、同軸コネクタ３１とアンテナ素子部３０１との間に配置されている。給電線路部３０２は、その一端である基端（すなわちＸ軸負方向側の端）が同軸コネクタ３１における非接地端子とハンダ付け等により電気的に接続されている。給電線路部３０２の他端である先端（すなわちＸ軸正方向側の端）は、非パターン部である給電ギャップ３０３を介して、アンテナ素子部３０１の線路長方向における一端（すなわちＸ軸負方向側の端）と容量結合するように形成されている。給電線路部３０２には、インピーダンス整合のための高インピーダンス線路部３０４が設けられている。高インピーダンス線路部３０４は、給電線路部３０２における他の部分よりも線路幅（すなわちＹ軸方向寸法）が小さくなるように形成されている。
【0019】
アンテナ形成面３００ａ上における、アンテナ素子部３０１および給電線路部３０２の周囲には、銅等の良導体からなる導体膜である接地パターン部３０５が形成されている。接地パターン部３０５は、同軸コネクタ３１における接地端子と電気的に接続されている。アンテナ素子部３０１および給電線路部３０２と接地パターン部３０５との間には、非パターン部である囲繞ギャップ３０６が設けられている。「非パターン部」とは、導体膜パターンが形成されておらず、誘電体基板３００の絶縁性表面が露出する部分をいうものとする。このように、アンテナ素子部３０１は、いわゆるコプレーナ導波路共振器としての構成を有している。また、磁気共鳴素子２とは反対側に向かう外向き法線を有する裏面３００ｂには、銅等の良導体からなる導体膜である裏面接地パターン部３０７が形成されている。裏面接地パターン部３０７は、沿面方向について、アンテナ素子部３０１や給電ギャップ３０３や給電線路部３０２の先端部よりも外側に設けられている。
【0020】
プリント基板３０には、貫通孔３０８が形成されている。貫通孔３０８は、沿面方向について磁気共鳴素子２に対応する位置にて、誘電体基板３００とアンテナ素子部３０１とを貫通するように設けられている。すなわち、貫通孔３０８は、誘電体基板３００の板厚方向について、放熱基板３２を挟んで磁気共鳴素子２と対向するように配設されている。本実施形態においては、貫通孔３０８は、磁気共鳴素子２よりも小さな内径を有する丸孔として形成されている。
【0021】
貫通孔３０８は、アンテナ素子部３０１における電流が最大の箇所、すなわち、アンテナ素子部３０１の線路長における一端からｍλ／４（ｍは２ｎ以下の自然数且つ奇数）に対応する位置であって且つ線路幅（すなわちＹ軸方向寸法）における中央に設けられている。具体的には、本実施形態においては、貫通孔３０８は、アンテナ素子部３０１の長手方向における中心位置（すなわちｍ＝ｎ＝１）に配置されている。
【0022】
貫通孔３０８は、テーパ部３０８ａを有している。テーパ部３０８ａは、貫通孔３０８の裏面３００ｂにおける開口部に設けられている。貫通孔３０８は、裏面３００ｂに向かうにつれて拡径するように、皿モミ加工等により円錐面状に形成されている。テーパ部３０８ａは、磁気共鳴素子２にて発生した蛍光Ｒ２が貫通孔３０８を通過して検出装置５に設けられた対物レンズ５０１に入射する際に、蛍光Ｒ２にケラレが発生しないような形状を有している。対物レンズ５０１は、貫通孔３０８を通過した蛍光Ｒ２を集光するように、誘電体基板３００を挟んで磁気共鳴素子２と対向配置されている。
【0023】
（効果）
以下、上記の通りの、本実施形態に係る磁気センサ１および高周波磁場印加装置３の構成により奏される効果について、比較例と対比しつつ説明する。比較例は、プリント基板３０が貫通孔３０８を有しない構成である。
以下、上記の通りの、本実施形態に係る磁気センサ１および高周波磁場印加装置３の構成により奏される効果について、比較例と対比しつつ説明する。比較例は、プリント基板３０が貫通孔３０８を有しない構成である。
【0024】
上記構成によれば、高周波磁場印加装置３にマイクロ波帯域（例えば２．８７ＧＨｚ程度）の高周波電流を入力することで、高周波磁場印加装置３は、アンテナ素子部３０１の近傍にて、沿面方向にマイクロ波の高周波磁場を発生する。すると、アンテナ素子部３０１の近傍に配置された磁気共鳴素子２に、沿面方向の高周波磁場が印加される。これにより、高周波磁場の方向である沿面方向に対して垂直な面直方向の磁場を検出あるいは計測することが可能となる。以下、高周波磁場印加装置３における高周波磁場の発生態様について、図４～図７に示した計算機シミュレーション結果を参照しつつ説明する。
【0025】
図４は、比較例に係る、磁気共鳴素子２の中心を通りＹＺ平面と平行な断面（すなわち図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ断面に相当する断面）における磁場分布の計算機シミュレーション結果を示す。図５は、図４における磁気共鳴素子２の周囲を拡大したものである。図中、三角印は、磁場の方向を示す。三角印の濃さは、磁場の強度を示し、色が薄いほど磁場の強度が大きいことを示す。後掲する図６および図７についても同様である。
【0026】
本実施形態においては、プリント基板３０の一面に設けたアンテナ素子部３０１と、磁気共鳴素子２とを、プリント基板３０の板厚方向すなわち磁気共鳴素子２の厚さ方向に沿って配列しつつ、互いに近接配置している。すると、図４および図５に示されているように、磁気共鳴素子２およびその周囲の磁場は、沿面方向、すなわち、磁気共鳴素子２における被測定物Ｍと対向する表面に沿った沿面方向となる。これにより、プリント基板３０の板厚方向すなわち磁気共鳴素子２の厚さ方向の磁場を検出あるいは計測することが可能となる。しかしながら、貫通孔３０８を設けない比較例の構成においては、励起光Ｒ１の照射と、被測定物Ｍの配置と、蛍光Ｒ２の検出とを、アンテナ素子部３０１側で行う必要があり、装置構成が複雑化する等の難点がある。
【0027】
ここで、プリント基板３０における、磁気共鳴素子２と対向する位置に、誘電体基板３００およびアンテナ素子部３０１を貫通する貫通孔３０８を設けることで、かかる貫通孔３０８を通過した蛍光Ｒ２を裏面３００ｂ側から観測することが可能となる。具体的には、コプレーナ導波路共振器であるアンテナ素子部３０１の線路幅における中心を通るように、貫通孔３０８を形成している。すると、アンテナ形成面３００ａ側と裏面３００ｂ側とで高周波磁場の方向が逆であるために、図６および図７に示されているように、貫通孔３０８におけるアンテナ形成面３００ａ側の開口部の近傍の領域で、磁場がほとんどゼロとなる。もっとも、かかる領域から板厚方向に沿って若干離れると、沿面方向の高周波磁場がほぼ均一に発生している。そこで、本実施形態においては、磁気共鳴素子２は、プリント基板３０の板厚方向について、アンテナ素子部３０１から、所定のギャップ分、離れた位置に配置される。
【0028】
本実施形態においては、透明な放熱基板３２が、磁気共鳴素子２とアンテナ素子部３０１との間に設けられる。具体的には、磁気共鳴素子２は、プリント基板３０におけるアンテナ素子部３０１が形成された側の面に接合された放熱基板３２上に、固定的に支持される。かかる構成によれば、放熱基板３２の厚さを調整することで磁気共鳴素子２とアンテナ素子部３０１との間に必要なギャップを良好に設定および保持しつつ、磁気共鳴素子２にて発生した熱を良好に放熱することが可能となる。
【0029】
本実施形態においては、貫通孔３０８の軸方向における対物レンズ５０１側の開口部に、テーパ部３０８ａが形成されている。これにより、対物レンズ５０１に入射する蛍光Ｒ２のケラレの発生を良好に抑制することが可能となる。
【0030】
このように、本実施形態によれば、窒素－空孔中心を含有する磁気共鳴素子２に対して沿面方向の高周波磁場を印加するための高周波磁場印加装置３を、磁気共鳴素子２の光学的観測に対して障害とならないように配置しつつ、沿面方向の高周波磁場を発生させることが可能となる。したがって、かかる構成によれば、沿面方向に対して垂直な面直方向、すなわち、磁気共鳴素子２の厚さ方向あるいはプリント基板３０の板厚方向の磁場を、良好に検出あるいは計測することが可能となる。
【0031】
（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。故に、上記実施形態に対しては、適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態との相違点を主として説明する。また、上記実施形態と変形例とにおいて、互いに同一または均等である部分には、同一の符号が付されている。したがって、以下の変形例の説明において、上記実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾または特段の追加説明なき限り、上記実施形態における説明が適宜援用され得る。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。故に、上記実施形態に対しては、適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態との相違点を主として説明する。また、上記実施形態と変形例とにおいて、互いに同一または均等である部分には、同一の符号が付されている。したがって、以下の変形例の説明において、上記実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾または特段の追加説明なき限り、上記実施形態における説明が適宜援用され得る。
【0032】
本発明は、上記実施形態にて示された具体的な装置構成に限定されない。すなわち、上記の通り、上記実施形態における説明は、本発明の技術的に必要且つ充分な限度の範囲内のものであり、その他の細部については省略してある。また、各図およびこれを用いた上記の説明は、専ら、本実施形態に係る概略的な構成および機能を説明するために簡略化されたものであって、実際に製造販売される具体的な装置構成とは必ずしも一致するとは限らない。
【0033】
具体的には、例えば、本発明は、二次元的な磁場分布を測定可能な、いわゆる磁気イメージングセンサに適用されることが好適である。かかる磁気イメージングセンサは、対物レンズ５０１で集光した蛍光Ｒ２を二次元イメージセンサで検出することによって実現され得る。しかしながら、本発明は、かかる態様に限定されない。すなわち、本発明は、或る位置あるいは領域における磁場の強度のみを出力する磁気センサ１に対しても、好適に適用され得る。
【0034】
上記実施形態においては、磁気共鳴素子２は、Ｚ軸方向に厚さ方向を有する板状に形成されている。しかしながら、本発明は、かかる態様に限定されない。すなわち、例えば、磁気共鳴素子２は、幅と奥行きと高さとが略等しい正六面体状に形成され得る。あるいは、磁気共鳴素子２は、Ｚ軸方向に高さ方向を有する柱状に形成され得る。よって、本発明における検出可能な外部磁場の方向は、磁気共鳴素子２の「高さ方向」と称することが可能である。磁気共鳴素子２や放熱基板３２の沿面方向形状すなわちＸＹ平面に沿った面内形状についても、特段の限定はなく、正方形状であってもよいし、円形や楕円形や多角形状であってもよい。貫通孔３０８についても、沿面方向形状に特段の限定はなく、上記実施形態のような円形であってもよいし、楕円形であってもよいし、多角形状であってもよい。
【0035】
プリント基板３０の構成についても、特段の限定はない。例えば、アンテナ素子部３０１における平面形状（すなわち沿面方向における形状）については、適宜変容が可能である。すなわち、アンテナ素子部３０１の形成パターンは、上記実施形態のような、直線状に延びる帯状に限定されない。また、アンテナ素子部３０１は、コプレーナ導波路共振器としての構成に限定されない。よって、例えば、アンテナ素子部３０１は、マイクロストリップ線路共振器として形成されていてもよい。すなわち、アンテナ形成面３００ａ側の接地パターン部３０５は、省略され得る。この場合、裏面接地パターン部３０７は、誘電体基板３００の裏面３００ｂにおける、少なくとも、アンテナ素子部３０１、給電線路部３０２、および給電ギャップ３０３に対応する沿面方向位置に形成される。典型的には、この場合、裏面接地パターン部３０７は、誘電体基板３００の裏面３００ｂにおけるほぼ全面にわたって設けられる。
【0036】
よって、アンテナ素子部３０１は、半波長共振器に限定されず、一波長分の線路長を有していてもよいし、３／２波長分の線路長を有していてもよい。これらの場合の、貫通孔３０８の線路長方向における形成位置について、以下説明する。図８は、上記実施形態のような半波長共振器の場合を示す。この場合、貫通孔３０８の形成位置は、線路長における中央、すなわち、一端からλ／４に対応する位置となる。一方、図９は、線路長が一波長分の場合を示す。この場合、貫通孔３０８の形成位置は、一端からλ／４および／または３λ／４に対応する位置となる。また、図１０は、線路長が３／２波長分の場合を示す。この場合、貫通孔３０８の形成位置は、一端から、λ／４と３λ／４と５λ／４とのうちの少なくともいずれか１つに対応する位置となる。このように、アンテナ素子部３０１は、マイクロ波の波長をλとした場合にｎλ／２（ｎは自然数）の線路長を有する伝送線路共振器としての構成を有し、貫通孔３０８は、線路長における一端からｍλ／４（ｍは２ｎ以下の自然数且つ奇数）に対応する位置であって且つ線路幅における中央に設けられる。
【0037】
上記の説明において、互いに継ぎ目無く一体に形成されていた複数の構成要素は、互いに別体の部材を貼り合わせることによって形成されてもよい。同様に、互いに別体の部材を貼り合わせることによって形成されていた複数の構成要素は、互いに継ぎ目無く一体に形成されてもよい。また、上記の説明において、互いに同一の材料によって形成されていた複数の構成要素は、互いに異なる材料によって形成されてもよい。同様に、互いに異なる材料によって形成されていた複数の構成要素は、互いに同一の材料によって形成されてもよい。
【0038】
上記実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、構成要素の個数、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数値に限定される場合等を除き、その特定の数値に本発明が限定されることはない。同様に、構成要素等の形状、方向、位置関係等が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に特定の形状、方向、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、方向、位置関係等に本発明が限定されることはない。
【0039】
（観点）
上記の通りの、実施形態および変形例における説明から明らかなように、本明細書による開示は、少なくとも、以下の観点を含む。
［観点１］
窒素－空孔中心を含有する磁気共鳴素子（２）を備えた磁気センサ（１）に用いられる高周波磁場印加装置（３）であって、
誘電体基板（３００）と、
給電によりマイクロ波の高周波磁場を発生するように前記誘電体基板の一面（３００ａ）上に形成された導体膜からなり、前記磁気共鳴素子に対向配置されるアンテナ素子部（３０１）と、
前記一面に沿った沿面方向について前記磁気共鳴素子に対応する位置にて、前記誘電体基板と前記アンテナ素子部とを貫通するように設けられた貫通孔（３０８）と、
を備えた高周波磁場印加装置。
［観点２］
前記アンテナ素子部は、前記マイクロ波の波長をλとした場合にｎλ／２（ｎは自然数）の線路長を有する伝送線路共振器としての構成を有し、
前記貫通孔は、前記線路長における一端からｍλ／４（ｍは２ｎ以下の自然数且つ奇数）に対応する位置であって且つ線路幅における中央に設けられた、
観点１に記載の高周波磁場印加装置。
［観点３］
前記貫通孔は、前記誘電体基板の他面（３００ｂ）に向かうにつれて拡径するテーパ部（３０８ａ）を有する、
観点１または２に記載の高周波磁場印加装置。
［観点４］
前記磁気共鳴素子にて発生した熱を吸収するように、前記磁気共鳴素子と前記アンテナ素子部との間に設けられた放熱基板（３２）をさらに備えた、
観点１～３のいずれか１つに記載の高周波磁場印加装置。
［観点５］
前記アンテナ素子部は、コプレーナ導波路共振器としての構成を有する、
観点１～４のいずれか１つに記載の高周波磁場印加装置。
［観点６］
磁気センサ（１）であって、
窒素－空孔中心を含有する、磁気共鳴素子（２）と、
前記磁気共鳴素子に対してマイクロ波の高周波磁場を印加するように、前記磁気共鳴素子に対向配置された高周波磁場印加装置（３）と、
前記磁気共鳴素子に励起光を照射するように設けられた照射装置（４）と、
前記磁気共鳴素子にて発生した蛍光を検出するように設けられた検出装置（５）と、
を備え、
前記高周波磁場印加装置は、
誘電体基板（３００）と、
前記誘電体基板の一面（３００ａ）上に形成された導体膜からなり、給電により前記高周波磁場を発生するように設けられたアンテナ素子部（３０１）と、
前記一面に沿った沿面方向について前記磁気共鳴素子に対応する位置にて、前記誘電体基板と前記アンテナ素子部とを貫通するように設けられた貫通孔（３０８）と、
を備え、
前記検出装置は、前記貫通孔を通過した前記蛍光を集光するように前記誘電体基板を挟んで前記磁気共鳴素子と対向配置された対物レンズ（５０１）を備えた、
磁気センサ。
［観点７］
前記アンテナ素子部は、前記マイクロ波の波長をλとした場合にｎλ／２（ｎは自然数）の線路長を有する伝送線路共振器としての構成を有し、
前記貫通孔は、前記線路長における一端からｍλ／４（ｍは２ｎ以下の自然数且つ奇数）に対応する位置であって且つ線路幅における中央に設けられた、
観点６に記載の磁気センサ。
［観点８］
前記貫通孔は、前記誘電体基板の他面（３００ｂ）に向かうにつれて拡径するテーパ部（３０８ａ）を有する、
観点６または７に記載の磁気センサ。
［観点９］
前記磁気共鳴素子にて発生した熱を吸収するように、前記磁気共鳴素子と前記アンテナ素子部との間に設けられた放熱基板（３２）をさらに備えた、
観点６～８のいずれか１つに記載の磁気センサ。
［観点１０］
前記アンテナ素子部は、コプレーナ導波路共振器としての構成を有する、
観点６～９のいずれか１つに記載の磁気センサ。
上記の通りの、実施形態および変形例における説明から明らかなように、本明細書による開示は、少なくとも、以下の観点を含む。
［観点１］
窒素－空孔中心を含有する磁気共鳴素子（２）を備えた磁気センサ（１）に用いられる高周波磁場印加装置（３）であって、
誘電体基板（３００）と、
給電によりマイクロ波の高周波磁場を発生するように前記誘電体基板の一面（３００ａ）上に形成された導体膜からなり、前記磁気共鳴素子に対向配置されるアンテナ素子部（３０１）と、
前記一面に沿った沿面方向について前記磁気共鳴素子に対応する位置にて、前記誘電体基板と前記アンテナ素子部とを貫通するように設けられた貫通孔（３０８）と、
を備えた高周波磁場印加装置。
［観点２］
前記アンテナ素子部は、前記マイクロ波の波長をλとした場合にｎλ／２（ｎは自然数）の線路長を有する伝送線路共振器としての構成を有し、
前記貫通孔は、前記線路長における一端からｍλ／４（ｍは２ｎ以下の自然数且つ奇数）に対応する位置であって且つ線路幅における中央に設けられた、
観点１に記載の高周波磁場印加装置。
［観点３］
前記貫通孔は、前記誘電体基板の他面（３００ｂ）に向かうにつれて拡径するテーパ部（３０８ａ）を有する、
観点１または２に記載の高周波磁場印加装置。
［観点４］
前記磁気共鳴素子にて発生した熱を吸収するように、前記磁気共鳴素子と前記アンテナ素子部との間に設けられた放熱基板（３２）をさらに備えた、
観点１～３のいずれか１つに記載の高周波磁場印加装置。
［観点５］
前記アンテナ素子部は、コプレーナ導波路共振器としての構成を有する、
観点１～４のいずれか１つに記載の高周波磁場印加装置。
［観点６］
磁気センサ（１）であって、
窒素－空孔中心を含有する、磁気共鳴素子（２）と、
前記磁気共鳴素子に対してマイクロ波の高周波磁場を印加するように、前記磁気共鳴素子に対向配置された高周波磁場印加装置（３）と、
前記磁気共鳴素子に励起光を照射するように設けられた照射装置（４）と、
前記磁気共鳴素子にて発生した蛍光を検出するように設けられた検出装置（５）と、
を備え、
前記高周波磁場印加装置は、
誘電体基板（３００）と、
前記誘電体基板の一面（３００ａ）上に形成された導体膜からなり、給電により前記高周波磁場を発生するように設けられたアンテナ素子部（３０１）と、
前記一面に沿った沿面方向について前記磁気共鳴素子に対応する位置にて、前記誘電体基板と前記アンテナ素子部とを貫通するように設けられた貫通孔（３０８）と、
を備え、
前記検出装置は、前記貫通孔を通過した前記蛍光を集光するように前記誘電体基板を挟んで前記磁気共鳴素子と対向配置された対物レンズ（５０１）を備えた、
磁気センサ。
［観点７］
前記アンテナ素子部は、前記マイクロ波の波長をλとした場合にｎλ／２（ｎは自然数）の線路長を有する伝送線路共振器としての構成を有し、
前記貫通孔は、前記線路長における一端からｍλ／４（ｍは２ｎ以下の自然数且つ奇数）に対応する位置であって且つ線路幅における中央に設けられた、
観点６に記載の磁気センサ。
［観点８］
前記貫通孔は、前記誘電体基板の他面（３００ｂ）に向かうにつれて拡径するテーパ部（３０８ａ）を有する、
観点６または７に記載の磁気センサ。
［観点９］
前記磁気共鳴素子にて発生した熱を吸収するように、前記磁気共鳴素子と前記アンテナ素子部との間に設けられた放熱基板（３２）をさらに備えた、
観点６～８のいずれか１つに記載の磁気センサ。
［観点１０］
前記アンテナ素子部は、コプレーナ導波路共振器としての構成を有する、
観点６～９のいずれか１つに記載の磁気センサ。
【符号の説明】
【0040】
１ 磁気センサ
２ 磁気共鳴素子
３ 高周波磁場印加装置
３００ 誘電体基板
３００ａ アンテナ形成面（一面）
３０１ アンテナ素子部
３０８ 貫通孔
４ 照射装置
５ 検出装置
５１ 対物レンズ
２ 磁気共鳴素子
３ 高周波磁場印加装置
３００ 誘電体基板
３００ａ アンテナ形成面（一面）
３０１ アンテナ素子部
３０８ 貫通孔
４ 照射装置
５ 検出装置
５１ 対物レンズ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】