特開 2024-131674 高周波磁場印加装置および磁気センサ

(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】P2024131674

(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】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023042088

(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

(72)【発明者】

【氏名】西谷 大祐

(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、基板表面に設けた平面パターン状の導波路を用いて基板表面に沿った沿面方向の高周波磁場を磁気共鳴素子に印加しつつ、沿面方向と垂直な面直方向の外部磁場の検出感度をよりいっそう高め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。アンテナ素子部は、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、導体膜が形成されていない欠損部（３０８）を有する。
【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、
高周波電流の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、
を備え、
前記アンテナ素子部は、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、前記導体膜が形成されていない欠損部（３０８）を有する、
高周波磁場印加装置。

【請求項2】

前記アンテナ素子部は、伝送線路共振器としての構成を有し、
前記欠損部は、線路幅における中央であって、前記高周波電流における振動の腹の位置に設けられた、
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4】

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5】

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、
高周波電流の給電により前記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、
を備え、
前記アンテナ素子部は、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、前記導体膜が形成されていない欠損部（３０８）を有する、
磁気センサ。

【請求項6】

前記アンテナ素子部は、伝送線路共振器としての構成を有し、
前記欠損部は、線路幅における中央であって、前記高周波電流における振動の腹の位置に設けられた、
請求項５に記載の磁気センサ。

【請求項7】

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５に記載の磁気センサ。

【請求項8】

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５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場を検出する手法が、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検出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素子のＯＤＭＲを用いた磁気センサは、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。この種の磁気センサは、ダイヤモンド素子の位置における外部磁場（すなわち検出対象である磁場）の強度を検出するというものであって、ダイヤモンド素子に印加される高周波磁場の方向と直交する方向にのみ外部磁場の感度を有する特徴を有する。

【0003】

この点、例えば、筒形状のループギャップ共振器にて磁場発生装置が構成される場合、コイルの軸方向をＺ方向とし、Ｚ方向と垂直な平面をＸＹ面とすると、高周波磁場はＺ軸方向に生成され、外部磁場の感度軸はそれに直交するＸＹ面となる。ここで、微小な外部磁場を検出したい場合には、その発生源と磁気センサとの距離を近付ける必要がある。よって、円筒状のループギャップ共振器であれば、その筒内に検出対象を近付けることが必要になる。しかしながら、ＸＹ面には、ループコイルや共振器、さらにはそれらが備えられる基板が存在するため、距離を近付けるには限界がある。一方、筒形状の磁場発生装置の直上もしくは直下、つまり軸方向のいずれかに外部磁場の発生源を配置すると距離は近くなるが、軸方向には感度がないため、外部磁場を測定できない。軸方向に感度を出すためには、ＸＹ面内に高周波磁場を発生させることが必要である。

【0004】

そこで、特許文献１に記載の磁場発生装置は、上層コイルと、下層コイルと、基板とを有している。上層コイルは、第１導電性材料で構成され、コイル部を有したループ回路を構成する。下層コイルは、第２導電性材料で構成され、上層コイルのコイル部に対して所定距離離れて対向配置されるコイル部を有したループ回路を構成する。基板は、上層コイルと下層コイルとを支持し、上層コイルと下層コイルとの間が誘電材料で構成されている。そして、上層コイルと下層コイルには、それぞれ逆位相の高周波電流が流され、上層コイルにおけるコイル部と下層コイルの１周当たりの長さが高周波電流の１波長に合わせられている。また、基板には、上層コイルおよび下層コイルの内部を通るように形成された貫通孔が形成されている。貫通孔は、基板の表裏面を貫通するように形成されている。貫通孔内には、窒素－空孔中心を含有する磁気共鳴素子であるダイヤモンド素子が配置される。かかる構成によれば、基板のうち上層コイルが備えられている上層部分のうちの下層コイル側と、下層コイルが備えられている下層部分のうちの上層コイル側とで、磁界の向きが同方向となる。これにより、上層コイルと下層コイルとの間において、ＸＹ面を磁場方向とする高周波磁場を発生させることが可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２２－１２８５５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

発明者は、この種の磁気センサにおける、さらなる高感度化を含む性能向上を企図して、鋭意検討している。具体的には、例えば、発明者は、コプレーナ導波路やマイクロストリップ線路のような、基板表面に設けた平面パターン状の導波路を用いて、窒素－空孔中心を含有する磁気共鳴素子に高周波磁場を印加する方式を検討している。この種の導波路によっても、基板の沿面方向に高周波磁場を発生させることができ、これにより、沿面方向と垂直な面直方向の外部磁場を検出することが可能となる。但し、この種の導波路においては、その近傍の磁場が強く、面直方向について導波路から離れるほど磁場が弱くなる。このため、面直方向についての磁場の均一性を高めることで、面直方向磁場の検出感度を高くすることができる。

【0007】

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、基板表面に設けた平面パターン状の導波路を用いて基板表面に沿った沿面方向の高周波磁場を磁気共鳴素子に印加しつつ、沿面方向と垂直な面直方向の外部磁場の検出感度をよりいっそう高め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】

【0008】

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、
高周波電流の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、
を備え、
前記アンテナ素子部は、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、前記導体膜が形成されていない欠損部（３０８）を有する。
請求項５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、
高周波電流の給電により前記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、
を備え、
前記アンテナ素子部は、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、前記導体膜が形成されていない欠損部（３０８）を有する。

【0009】

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】

【0010】

【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2】図１に示された高周波磁場印加装置の第一実施形態に係る概略構成を示す平面図である。

【図3】図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ断面の一部を拡大して示す側断面図である。

【図4】図３に示された磁気共鳴素子における励起光の入射状態の概要を示す側面図である。

【図5】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6】図５における磁気共鳴素子の内部の磁場強度分布を示す図である。

【図7】図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ断面での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8】図７における磁気共鳴素子の内部の磁場強度分布を示す図である。

【図9】欠損部の寸法を変化させた場合における磁気共鳴素子の内部の磁場強度分布の計算機シミュレーション結果を示す図である。

【図10】図９にて破線で示された中心線に沿った磁場強度の変化態様を示すグラフである。

【図11】図２に示された第一実施形態における貫通孔の位置を示す平面図である。

【図12】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13】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。

【図14】第二実施形態に係るアンテナ素子部の概略構成を示す平面図である。

【図15】第一実施形態と第二実施形態とで磁気共鳴素子の内部の磁場強度分布の計算機シミュレーション結果を比較しつつ示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（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。

【0012】

（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。

【0013】

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。具体的には、検出装置５は、少なくとも対物レンズ５ａと受光素子５ｂとを備えている。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。

【0014】

（高周波磁場印加装置）
図２および図３は、第一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。

【0015】

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。

【0016】

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、電気絶縁性および放熱性に優れたセラミック材料（例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナジルコニア、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。

【0017】

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。沿面方向に対して垂直な方向（すなわち図中Ｚ軸と平行な方向）を、以下「面直方向」と称する。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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。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、給電線路部３０２の先端部よりも同軸コネクタ３１側に設けられている。すなわち、プリント基板３０においては、裏面接地パターン部３０７が設けられたＣＰＷＧ部分（図２にて上下に延びる破線よりも左側の部分）と、裏面接地パターン部３０７が設けられていないＣＰＷ部分（図２にて上下に延びる破線よりも右側の部分）とが形成されている。ＣＰＷはコプレーナ導波路を示す略語である。ＣＰＷＧは接地型コプレーナ導波路を示す略語である。

【0022】

アンテナ素子部３０１は、導体膜が形成されていない欠損部３０８を有している。すなわち、欠損部３０８は、アンテナ形成面３００ａを被覆せずＺ軸正方向に露出する孔として形成されている。欠損部３０８は、沿面方向について、磁気共鳴素子２に対応する位置に設けられている。すなわち、欠損部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、欠損部３０８は、アンテナ素子部３０１に設けられた、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。

【0023】

欠損部３０８は、アンテナ素子部３０１の線路幅における中央であって、高周波電流における振動の腹の位置に、すなわち、アンテナ素子部３０１における電流が最大の箇所に設けられている。具体的には、本実施形態においては、アンテナ素子部３０１が半波長共振器であることに対応して、欠損部３０８は、アンテナ素子部３０１の長手方向における中心位置に配置されている。

【0024】

図４は、磁気共鳴素子２に対する励起光Ｒ１の入射状態の概要を示す。本実施形態においては、照射装置４は、励起光Ｒ１をブリュースター角θ１で入射するように設けられている。ダイヤモンドの屈折率２．４１９より、ブリュースター角θ１は約６７．５°となる。図４において、ｔは、磁気共鳴素子２の厚さすなわちＺ軸方向寸法を示す。θ２は、磁気共鳴素子２の内部を進行する励起光Ｒ１の厚さ方向に対する角度を示し、θ２＝約２２．５°となる。ｗは、磁気共鳴素子２内を励起光Ｒ１が通過する範囲の幅を示し、ｗ＝ｔ・ｓｉｎθ２である。そして、図３および図４に示されているように、検出装置５は、ブリュースター角θ１で磁気共鳴素子２に入射した励起光Ｒ１により発生した蛍光Ｒ２を検出するように設けられている。

【0025】

（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、アンテナ素子部３０１が欠損部３０８を有しない構成である。

【0026】

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５～図８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。

【0027】

図５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。シミュレーション条件は以下の通りである。印加する高周波電流の周波数が２．８６ＧＨｚとした。ダイヤＮＶ基板である磁気共鳴素子２の寸法は、１ｍｍ×１ｍｍ×０．４ｍｍとした。誘電体基板３００は、厚さ１．６ｍｍ、比誘電率４．１とした。アンテナ素子部３０１の幅を３ｍｍとし、囲繞ギャップ３０６の幅を１ｍｍとした。磁気共鳴素子２とアンテナ素子部３０１との間に０．３ｍｍのギャップを設けた。但し、図５は、磁気共鳴素子２およびアンテナ素子部３０１の周辺部分のみを拡大して示すものである。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。図６は、図５のシミュレーション結果における、磁気共鳴素子２の内部の、沿面方向（すなわちＹ軸方向）の磁場強度分布を示す。これらは後掲する図７および図８についても同様である。

【0028】

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５および図６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。

【0029】

ここで、コプレーナ導波路構造を有するアンテナ素子部３０１においては、その近傍の磁場が強く、面直方向すなわちＺ軸正方向について離れるほど磁場が弱くなる。図６に示した白抜きの矩形は、磁気共鳴素子２内を励起光Ｒ１が通過する範囲を示し、かかる範囲を以下「励起光通過範囲」と称する。図４より、ｗ＝ｔ・ｓｉｎθ２である。ｔ＝０．４ｍｍ、θ＝２２．５°とすると、ｗ≒０．１５３である。よって、余裕を見て、φ０．２ｍｍの円柱範囲を励起光通過範囲とする。図６に示されているように、アンテナ素子部３０１が欠損部３０８を有しない比較例においては、励起光通過範囲内にて、沿面方向の高周波磁場強度に、Ｚ軸正方向に向かうほど磁場が弱くなるような分布が生じている。このような磁場強度分布を可及的に小さくすることで、面直方向磁場の検出感度を高めることが可能となる。

【0030】

図７および図８は、φ０．６ｍｍの円形の欠損部３０８を設けた場合の計算機シミュレーション結果を示す。コプレーナ導波路構造を有するアンテナ素子部３０１の中心に孔である欠損部３０８を設けると、図７に示されているように、高周波磁場が、ほぼゼロとなる。これは、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ことから、両者の打ち消し合いが生じることによるものである。但し、かかる近傍領域から少しＺ軸正方向に離れた領域では、打ち消し合いの効果が低減することで、沿面方向の高周波磁場が存在する。そして、図８に示されているように、本実施形態の構成によれば、励起光通過範囲における沿面方向の高周波磁場強度の、Ｚ軸正方向についての分布が、比較例よりも小さくなった。

【0031】

図９は、円形の欠損部３０８における孔径を変化させた場合の、磁気共鳴素子２の内部の、沿面方向（すなわちＹ軸方向）の磁場強度分布の変化を示す。図９において、（ａ）は比較例すなわち孔径が０ｍｍの場合を示し、（ｂ）は孔径が０．４ｍｍ（すなわちφ０．４ｍｍ）の場合を示し、（ｃ）は孔径が０．６ｍｍの場合を示し、（ｄ）は孔径が０．８ｍｍの場合を示す。図１０は、図９における破線に沿った磁場強度変化を示す。図１０において、横軸の「高さ」は、磁気共鳴素子２の下面（すなわちアンテナ素子部３０１に最も近接する面）の位置を基準値０とした場合のＺ軸正方向における位置を示す。また、丸印のプロットは（ａ）の比較例に対応し、四角印のプロットは（ｂ）の孔径０．４ｍｍの場合に対応し、菱形のプロットは（ｃ）の孔径０．６ｍｍの場合に対応し、×印のプロットは（ｄ）の孔径０．８ｍｍの場合に対応する。図９および図１０に示されているように、上記の具体例においては、欠損部３０８の孔径を０．６ｍｍとすることで、励起光通過範囲における沿面方向の高周波磁場強度の、Ｚ軸正方向についての分布を、最も均一化することができる。欠損部３０８の大きさは磁場強度とトレードオフの関係にあり、孔径を大きくした場合は、アンテナ素子部３０１からより離した位置に磁気共鳴素子２を配置する必要がある。

【0032】

このように、本実施形態は、誘電体基板３００の表面に設けた平面パターン状の導波路であるアンテナ素子部３０１に孔部である欠損部３０８を形成し、かかる欠損部３０８に対向する位置にてダイヤＮＶ基板である磁気共鳴素子２をアンテナ素子部３０１から所定間隔の位置に配置している。これにより、励起光通過範囲における沿面方向の高周波磁場強度の、Ｚ軸正方向についての分布を、可及的に小さくすることができる。したがって、本実施形態によれば、沿面方向と垂直な面直方向の外部磁場の検出感度を、よりいっそう高めることが可能となる。

【0033】

本実施形態においては、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。

【0034】

（第一実施形態に対する変形例）
欠損部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、高周波電流における振動の腹の位置に設けられる。具体的には、図１１に示されているように、上記実施形態においては、欠損部３０８は、半波長共振器であるアンテナ素子部３０１の長手方向における中心位置に配置されている。換言すれば、欠損部３０８の、アンテナ素子部３０１の長手方向における位置は、その一端からλ／４の位置となる。一方、アンテナ素子部３０１が一波長共振器である場合、図１２に示されているように、欠損部３０８の形成位置は、その一端からλ／４および／または３λ／４に対応する位置となる。また、アンテナ素子部３０１が３／２波長共振器である場合、図１３に示されているように、欠損部３０８の形成位置は、その一端から、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、欠損部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。

【0035】

（第二実施形態）
図１４は、アンテナ素子部３０１および給電線路部３０２についての他の構成例を示す。本実施形態においては、アンテナ素子部３０１および給電線路部３０２は、マイクロストリップ線路として形成されている。また、アンテナ素子部３０１および給電線路部３０２は、半波長共振器を広帯域化した構成を有している。すなわち、アンテナ素子部３０１および給電線路部３０２は、いわゆる広帯域フィルタの技術に基づいて形成されている。

【0036】

具体的には、アンテナ素子部３０１は、互いに直交する主線路３０１ａと副線路３０１ｂとを有する逆Ｔ字状に形成されている。主線路３０１ａは、図中Ｙ軸方向に延びる直線状且つ帯状に形成されている。副線路３０１ｂは、図中Ｘ軸方向に延びる直線状且つ帯状に形成されている。副線路３０１ｂの長手方向すなわちＸ軸方向における中心部は、主線路３０１ａの一端（すなわち図中Ｙ軸負方向側の端）と継ぎ目なく一体に接続されている。副線路３０１ｂの幅（すなわちＹ軸方向寸法）は、主線路３０１ａの幅（すなわちＸ軸方向寸法）よりも広く設定されている。欠損部３０８は、主線路３０１ａの、幅方向における中心位置であって長さ方向における所定位置に形成されている。「長さ方向における所定位置」とは、高周波電流における振動の腹の位置である。

【0037】

給電線路部３０２は、第一容量結合部３０２ａと、第二容量結合部３０２ｂと、第一接続部３０２ｃと、第一端子部３０２ｄと、第二接続部３０２ｅと、第二端子部３０２ｆとを有している。第一容量結合部３０２ａおよび第二容量結合部３０２ｂは、主線路３０１ａに沿って図中Ｙ軸方向に延びる直線状且つ帯状に形成されている。すなわち、第一容量結合部３０２ａと、主線路３０１ａと、第二容量結合部３０２ｂとは、この順にＸ軸正方向に配列されている。そして、第一容量結合部３０２ａは、給電ギャップ３０３を介して、主線路３０１ａと容量結合するように設けられている。同様に、第二容量結合部３０２ｂは、給電ギャップ３０３を介して、主線路３０１ａと容量結合するように設けられている。第一容量結合部３０２ａおよび第二容量結合部３０２ｂの幅（すなわちＸ軸方向寸法）は、主線路３０１ａの幅よりも狭く設定されている。第一容量結合部３０２ａおよび第二容量結合部３０２ｂの長さ（すなわちＹ軸方向寸法）は、主線路３０１ａの長さよりも短く設定されている。

【0038】

第一容量結合部３０２ａの長手方向における一端（すなわちＹ軸正方向側の端）は、第一接続部３０２ｃを介して、第一端子部３０２ｄと接続されている。第一接続部３０２ｃは、第一容量結合部３０２ａの長手方向における一端から、Ｘ軸負方向側に延設されている。第一容量結合部３０２ａと、第一接続部３０２ｃと、第一端子部３０２ｄとは、継ぎ目なく一体に接続されている。同様に、第二容量結合部３０２ｂの長手方向における一端（すなわちＹ軸正方向側の端）は、第二接続部３０２ｅを介して、第二端子部３０２ｆと接続されている。第二接続部３０２ｅは、第二容量結合部３０２ｂの長手方向における一端から、Ｘ軸正方向側に延設されている。第二容量結合部３０２ｂと、第二接続部３０２ｅと、第二端子部３０２ｆとは、継ぎ目なく一体に接続されている。

【0039】

以下、第二実施形態による効果について、第一実施形態と比較しつつ説明する。図１５は、第一実施形態および第二実施形態における、磁気共鳴素子２の内部の、沿面方向（すなわちＹ軸方向）の磁場強度分布を示す。図１５において、「Ｅ１」は第一実施形態を示し、「Ｅ２」は第二実施形態を示す。（ａ）～（ｅ）は、それぞれ異なる高周波電流の周波数を示し、順に、２．７９ＧＨｚ、２．８３ＧＨｚ、２．８７ＧＨｚ、２．９１ＧＨｚ、２．９５ＧＨｚである。

【0040】

第二実施形態においては、全体を小型化するため、誘電体基板３００として比誘電率１０のものを用いた。磁気共鳴素子２とアンテナ素子部３０１との間のギャップ距離０．３ｍｍは第一実施形態と同様である。主線路３０１ａは、幅２ｍｍ、長さ２１．５ｍｍとした。副線路３０１ｂは、幅２．５ｍｍ、長さ１２．５ｍｍとした。欠損部３０８は、主線路３０１ａの先端（すなわち副線路３０１ｂから最も離隔した端）から１５ｍｍの位置を中心として、φ０．４ｍｍの丸孔として形成した。

【0041】

図１５に示されているように、第一実施形態においては、２．８７ＧＨｚで磁場強度はピークとなるが、そこから離れた周波数において下がってしまう。これに対し、第二実施形態においては、周波数変化に対して概ね一定の磁場強度が得られる。高周波磁場強度は感度に影響するため、第二実施形態によれば、より測定レンジを広げることが可能になる。

【0042】

（他の変形例）
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。

【0043】

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。

【0044】

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。欠損部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。

【0045】

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。また、図２において、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。また、裏面接地パターン部３０７の有無やその形成範囲についても、適宜設定され得る。

【0046】

「高周波電流における振動の腹の位置」は、「高周波電流が最大となる位置」あるいは「高周波磁場強度が最大となる位置」とも言い換えられ得る。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

（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、
高周波電流の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、
を備え、
前記アンテナ素子部は、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、前記導体膜が形成されていない欠損部（３０８）を有する、
高周波磁場印加装置。
［観点２］
前記アンテナ素子部は、伝送線路共振器としての構成を有し、
前記欠損部は、線路幅における中央であって、前記高周波電流における振動の腹の位置に設けられた、
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または２に記載の高周波磁場印加装置。
［観点４］
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１～３のいずれか１つに記載の高周波磁場印加装置。
［観点５］
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、
高周波電流の給電により前記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、
を備え、
前記アンテナ素子部は、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、前記導体膜が形成されていない欠損部（３０８）を有する、
磁気センサ。
［観点６］
前記アンテナ素子部は、伝送線路共振器としての構成を有し、
前記欠損部は、線路幅における中央であって、前記高周波電流における振動の腹の位置に設けられた、
観点５に記載の磁気センサ。
［観点７］
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５または６に記載の磁気センサ。
［観点８］
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５～７のいずれか１つに記載の磁気センサ。

【符号の説明】

【0050】

１ 磁気センサ
２ 磁気共鳴素子
３ 高周波磁場印加装置
３２ 放熱基板
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 欠損部
４ 照射装置
５ 検出装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】