特許 7447844 磁場発生装置およびそれを備えた磁気センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-04

(45)【発行日】2024-03-12

(54)【発明の名称】磁場発生装置およびそれを備えた磁気センサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/20 20060101AFI20240305BHJP

【ＦＩ】

G01R33/20 101

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2021026889

(22)【出願日】2021-02-23

(65)【公開番号】P2022128554

(43)【公開日】2022-09-02

【審査請求日】2023-06-14

【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２年度、文部科学省、科学技術試験研究委託事業、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

(73)【特許権者】

【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】安野 裕貴

(72)【発明者】

【氏名】柴田 貴行

(72)【発明者】

【氏名】小山 和博

【審査官】續山 浩二

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０５３０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１９３８１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０３８０８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－０３６８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１９２６８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３３／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁場発生装置であって、
第１導電性材料で構成され、コイル部（２１）を有したループ回路を構成する上層コイル（２０）と、
第２導電性材料で構成され、前記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（３１）を有したループ回路を構成する下層コイル（３０）と、
前記上層コイルと前記下層コイルを支持し、前記上層コイルと前記下層コイルとの間が誘電材料で構成された基板（１０）と、
前記基板の一面および他面において上層コイルおよび下層コイルを挟むように配置されたグランド電位とされるグランド層（１２、１３）と、を有し、
前記上層コイルと前記下層コイルには、それぞれ逆位相の高周波電流が流され、
前記上層コイルにおける前記コイル部と前記下層コイルにおける前記コイル部の１周当たりの長さが前記高周波電流の１波長に合わせられている、磁場発生装置。

【請求項2】

前記上層コイルと前記下層コイルの少なくとも一方の前記コイル部は、複数個が所定距離離れて対向配置された構成とされている、請求項１に記載の磁場発生装置。

【請求項3】

前記上層コイルと前記下層コイルの間において、前記上層コイルにおける前記コイル部および前記下層コイルにおける前記コイル部と平行な一面をＸＹ面とし、該ＸＹ面上における一方向を縦方向、該縦方向に対して垂直な方向を横方向として、
前記上層コイルの前記コイル部と前記下層コイルの前記コイル部のうち前記縦方向の寸法と前記横方向の寸法となる縦横比が同じになっている、請求項１または２に記載の磁場発生装置。

【請求項4】

前記上層コイルと前記下層コイルの間において、前記上層コイルにおける前記コイル部と前記下層コイルにおける前記コイル部と平行な一面をＸＹ面とし、該ＸＹ面上における一方向を縦方向、該縦方向に対して垂直な方向を横方向として、
前記上層コイルの前記コイル部と前記下層コイルの前記コイル部のうち前記縦方向の寸法と前記横方向の寸法となる縦横比が異なっている、請求項１または２に記載の磁場発生装置。

【請求項5】

前記上層コイルに対して高周波電流を供給する上層電源（４０）と、
前記下層コイルに対して前記上層コイルに供給される高周波電流と逆位相の高周波電流を供給する下層電源（５０）と、を有している、請求項１～４のいずれか１つに記載の磁場発生装置。

【請求項6】

前記上層コイルの前記コイル部にはスリット（２２）が形成されており、該スリットによって該コイル部に構成される両端部の一方に前記上層電源からの前記高周波電流が供給され、
前記下層コイルの前記コイル部にはスリット（３２）が形成されており、該スリットによって該コイル部に構成される両端部の一方に前記下層電源からの前記高周波電流が供給され、
前記上層コイルの前記コイル部の両端部のいずれに前記上層電源からの前記高周波電流の供給が行われるようにするかの切替えを行う切替えスイッチ（１００）と、
前記下層コイルの前記コイル部の両端部のいずれに前記下層電源からの前記高周波電流の供給が行われるようにするかの切替えを行う切替えスイッチ（１００）と、を備えている請求項５に記載の磁場発生装置。

【請求項7】

前記上層コイルの前記コイル部にはスリット（２２）が形成されており、該スリットによって該コイル部に構成される両端部の両方に前記上層電源からの前記高周波電流を供給することで前記上層コイルに対して前記高周波電流の定在波を生成させる位相調整装置（８０）と、
前記下層コイルの前記コイル部にはスリット（３２）が形成されており、該スリットによって該コイル部に構成される両端部の両方に前記下層電源からの前記高周波電流を供給することで前記下層コイルに対して前記高周波電流の定在波を生成させる位相調整装置（９０）と、を備えている請求項５に記載の磁場発生装置。

【請求項8】

前記上層コイルは前記下層コイルに対して磁界結合もしくは電界結合させられる共振コイルであり、
前記下層コイルに対して高周波電流を供給する電源（５０）を有し、
前記下層コイルに対して前記高周波電流を供給することで、前記上層コイルに対して前記下層コイルに供給される前記高周波電流と逆位相の高周波電流が流れるようになっている、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の磁場発生装置。

【請求項9】

前記下層コイルの前記コイル部にはスリット（３２）が形成されており、該スリットによって該コイル部に構成される両端部の一方に前記電源からの前記高周波電流が供給され、
前記下層コイルの前記コイル部の両端部のいずれに前記電源からの前記高周波電流の供給が行われるようにするかの切替えを行う切替えスイッチ（１００）を備えている請求項８に記載の磁場発生装置。

【請求項10】

前記下層コイルの前記コイル部にはスリット（３２）が形成されており、該スリットによって該コイル部に構成される両端部の両方に前記電源からの前記高周波電流を供給することで前記下層コイルに対して前記高周波電流の定在波を生成させる位相調整装置（９０）を備えている請求項８に記載の磁場発生装置。

【請求項11】

請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の磁場発生装置を有する磁気センサであって、
前記基板には、前記上層コイルの前記コイル部と前記下層コイルの前記コイル部の内部を通り、該基板の表裏面を貫通する貫通孔（１１）が形成され、
前記貫通孔内に配置され、外部磁場の測定を行う磁場測定素子（２）と、
前記磁場測定素子に対して特定波長の光を照射する光源（３）と、を備える磁気センサ。

【請求項12】

前記磁場測定素子にて、前記光が波長変換された光を受光する測定部（５）を備える請求項１１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、磁場発生装置およびそれを備えた磁気センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、特許文献１に、コイルの軸方向に対して高周波磁場を発生させる磁場発生装置に相当するループギャップ共振器が開示されている。このループギャップ共振器では、ループ状、換言すれば円筒状とした電極の周方向の全域において、同じ経路の電界を発生させる。すなわち、電極が構成する円筒内側から軸方向の一端側を通って円筒外側に至り、さらに円筒外周面に沿って他端側に導かれ、再び円筒内部に戻る経路の磁界を発生させる。このため、電極が構成する円筒状のコイル内部を通るコイルの軸方向の高周波磁場が発生させられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００８－２９３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここではＮＶセンタ（ＮＶＣ：Nitrogen-Vacancy Center）を内包するダイヤモンド素子（ダイヤ素子）を用い、光検出磁気共鳴(ＯＤＭＲ: Optically Detected Magnetic Resonance)を利用して磁場を検出する磁気センサを例にとる。この磁気センサは、ダイヤ素子および、電子スピン共鳴（ＥＳＲ:Electron Spin Resonance）をさせるためのマイクロ波帯の高周波磁場をダイヤ素子に印加するコイルから成る磁場発生装置と、スピン初期化とＮＶＣの不対電子を励起するためにダイヤ素子に緑光を当てる光源と、ダイヤ素子において波長変換された赤色蛍光を読み取る受光部により成り立つ。この磁気センサにおいては、不対電子を持つＮＶＣの基底状態のゼーマン分離のエネルギー差をＯＤＭＲにて読み取ることで外部磁場の強度を測定する。すなわち、この磁気センサで測定される外部磁場の強度は、ダイヤ素子の位置における強度であり、更には、この磁気センサは磁場発生装置によりダイヤ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（測定磁場）の感度を有する特徴をもつ。

【0005】

特許文献１のような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、それに対して垂直な平面をＸＹ面として、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。

【0006】

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の距離を近付ける必要がある。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。

【0007】

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。

【0008】

本発明は上記点に鑑みて、コイルの軸方向をＺ軸とし、それに対して垂直な平面をＸＹ面として、ＸＹ面内に高周波磁場を発生させることができる磁場発生装置およびそれを備えた磁気センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の磁場発生装置は、第１導電性材料で構成され、コイル部（２１）を有したループ回路を構成する上層コイル（２０）と、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（３１）を有したループ回路を構成する下層コイル（３０）と、上層コイルと下層コイルを支持し、上層コイルと下層コイルとの間が誘電材料で構成された基板（１０）と、基板の一面および他面において上層コイルおよび下層コイルを挟むように配置されたグランド電位とされるグランド層（１２、１３）と、を有している。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。

【0010】

このような構成によれば、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。

【0011】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態にかかる磁場発生装置が備えられた磁気センサの全体構成図である。

【図2】図１のII－II断面図である。

【図3】図１中から磁場発生装置を抽出して示した図である。

【図4A】基板の誘電率を同じにした場合のループ回路の配線の物理長と電気長の関係を示した図である。

【図4B】ループ回路の配線の物理長を同じとした場合の基板の誘電率と電気長の関係を示した図である。

【図5A】下層コイルに発生する磁界を説明した斜視図である。

【図5B】下層コイルおよび上層コイルに発生する磁界とそれにより生成される高周波磁場を説明した斜視図である。

【図6】下層コイルおよび上層コイルに発生する磁界とそれにより生成される高周波磁場を説明した断面図である。

【図7】高周波電流の波形図である。

【図8】比較例として示した複数回巻回された巻線コイルにより発生させられる高周波磁場を説明した断面図である。

【図9A】シミュレーションによる上層コイルおよび下層コイルに流れる電流の向きを矢印で示した図である。

【図9B】図９Ａ中の領域IXBの拡大図である。

【図9C】図９Ａ中の領域IXCの拡大図である。

【図10】磁場発生装置が発生させる高周波磁場のシミュレーション結果を示した図である。

【図11】第２実施形態にかかる磁気センサに備えられる磁場発生装置を示した図である。

【図12】図１１中のXII－XII断面において下層コイルおよび上層コイルに発生する磁界とそれにより生成される高周波磁場を説明した断面図である。

【図13】第３実施形態にかかる磁気センサに備えられる磁場発生装置を示した図である。

【図14】図１３中のXIV－XIV断面図である。

【図15】第４実施形態にかかる磁気センサに備えられる磁場発生装置を示した図である。

【図16】図１５中のXVI－XVI断面図である。

【図17】第５実施形態にかかる磁気センサに備えられる磁場発生装置を示した図である。

【図18】上層コイルにおける第１引出部から第２引出部の間の各部を点Ｇ～点Ｋで表した図である。

【図19A】高周波電流の定在波と図１８中の点Ｇ～点Ｋの関係を示した図である。

【図19B】高周波電流の定在波と図１８中の点Ｇ～点Ｋの関係を示した図である。

【図20A】第６実施形態で説明する磁場方向が右回りとなるようにする場合の様子を示した図である。

【図20B】第６実施形態で説明する磁場方向が左回りとなるようにする場合の様子を示した図である。

【図21】第７実施形態にかかる磁場発生装置が備えられた磁気センサの全体構成図である。

【図22】図２１のXXII－XXII断面図である。

【図23】図２１中から磁場発生装置を抽出して示した図である。

【図24】シミュレーションによる上層コイルおよび下層コイルに流れる電流の向きを矢印で示した図である。

【図25】磁場発生装置が発生させる高周波磁場のシミュレーション結果を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0014】

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。本実施形態では、磁場発生装置が備えられた磁気センサについて説明する。磁気センサは、磁場発生装置によって発生させられた高周波磁場に基づいて検出対象の外部磁場の測定を行うものである。図１に示すように、磁気センサは、磁場発生装置１に加えて、ダイヤモンド２、光源３、調温部４および測定部５などを有した構成とされている。

【0015】

磁場発生装置１は、図１～図３に示すように、基板１０に対してループ状の上層コイル２０と下層コイル３０の２つを重ねて配置することによって構成されている。この図において、ＸＹ面は基板１０の平面と平行な面となっており、ＸＹ面に対する法線方向がＺ軸と平行な方向となる。また、磁場発生装置１には、上層コイル２０に対して通電を行う機構となる上層電源４０と、下層コイル３０に対して通電を行う機構となる下層電源５０が備えられている。

【0016】

基板１０は、上層コイル２０および下層コイル３０を支持するものである。例えば、基板１０は、エポキシ系の樹脂材料等によって構成されており、内部に上層コイル２０および下層コイル３０を備えた構造とされている。上層コイル２０と下層コイル３０の間にも、基板１０の一部で構成される誘電体が挟まった構造とされている。

【0017】

ここでは、プリント基板を複数枚重ね合わせて一体化した多層基板によって、上層コイル２０および下層コイル３０を内蔵した基板１０を構成している。例えば、コア材やプリプレグを構成するエポキシ系の樹脂材料の表裏面が銅箔などの金属箔で覆われたプリント基板を複数枚用意し、そのうちの一部をエッチングによってパターニングして上層コイル２０や下層コイル３０を形成する。そして、パターニング後のプリント基板をプレス加工などによって一体化することで上層コイル２０および下層コイル３０が内蔵された基板１０を構成している。

【0018】

また、図１～図３に示すように基板１０には、上層コイル２０および下層コイル３０の内部を通るように形成された貫通孔１１が形成されている。貫通孔１１は、基板１０の表裏面を貫通するように形成されていれば良いが、ここでは円柱形状とされている。この貫通孔１１内に、後述するダイヤモンド２や調温部４が配置されている。

【0019】

なお、図１、図３では省略してあるが、図２に示すように基板１０の上下となる表裏面には、上層コイル２０および下層コイル３０を挟み込み、グランド（以下、ＧＮＤという）電位とされる上層ＧＮＤ層１２と下層ＧＮＤ層１３が対称配置されている。このように、基板１０の上下対称に上層ＧＮＤ層１２および下層ＧＮＤ層１３が配置されることで、マイクロストリップ線路が構成される。これら上層ＧＮＤ層１２および下層ＧＮＤ層１３は、少なくとも上層コイル２０のコイル部２１および下層コイル３０のコイル部３１を覆うように形成される。そして、コイル部２１およびコイル部３１よりも外側の位置において、例えば上層ＧＮＤ層１２が部分的に除去されており、その除去された部分を通じて上層電源４０と上層コイル２０との電気的接続や下層電源５０と下層コイル３０との電気的接続が可能とされている。また、貫通孔１１は、上層ＧＮＤ層１２および下層ＧＮＤ層１３も貫通するように形成されている。

【0020】

上層コイル２０は、コイル部２１と、コイル部２１を一部切り欠くスリット２２と、スリット２２の両側に配置されコイル部２１の外周方向に引き出された引出部２３とを有している。コイル部２１および引出部２３は、第１導電性材料で構成され、例えば上記したように銅などによって構成される。

【0021】

コイル部２１は、ループ状コイルで構成されるループ回路を構成している。具体的には、コイル部２１は、所定幅を有した円環状とされ、ループ１周当りの長さ、つまり１周の電気長が上層電源４０から流される高周波電流の１波長分とされている。つまり、高周波電流の１波長と電気長が同じ程度になる分布定数回路が構成されるようにしている。高周波電流として２．８７ＧＨｚ近傍のものを用いる場合、１波長は略１００ｍｍとなる。このため、コイル部２１の半径は、略１６ｍｍとなっている。

【0022】

ただし、波長短縮率がコイル周囲の物質、つまり基板１０の誘電率に応じて変わるため、波長短縮率に応じてコイル部２１の１周当りの電気長を設定することができる。例えばエポキシ系の樹脂材料としてガラスエポキシで構成されるＦＲ４を用いる場合、誘電率が４程度であるが、その場合には波長短縮率により半径が８ｍｍ程度になり、コイル部２１の１周の長さは略５０ｍｍとなる。

【0023】

一般的に、基板の誘電率を同じにした場合のループ回路の配線の物理長と電気長の関係は、図４Ａのように示される。ここで示したＬは、基準長さを意味しており、１Ｌ、２Ｌ、５Ｌ、１０Ｌは、基準長さに数値で示した倍率を掛けた長さを意味している。また、ループ回路の配線の物理長を同じとした場合の基板の誘電率と電気長の関係は、図４Ｂのように示される。ここで示したεｒは、比誘電率を意味しており、εｒ：１、εｒ：２、εｒ：５、εｒ：１０、εｒ：２０は、比誘電率の数値を意味している。これらの図に示されるように、ループ内の電気長は、物理長に比例し、また、誘電率が高いほど電気長も長くなる。このため、本実施形態の場合、配線に相当する上層コイル２０の物理長と基板１０の比誘電率とに基づいてループコイルで構成されたコイル部２１の１周当たりの電気長を設定すれば良い。

【0024】

なお、コイル部２１の１周の長さと高周波電流の１波長は完全に一致していなくても良い。つまり、高周波磁場を発生させる上で後述するようにＸＹ面が磁場方向となるようにできれば、コイル部２１の１周の長さと高周波電流の１波長とが異なっても良い。例えば、±２０％のズレが生じてもＸＹ面に磁場が発生するが、望ましくは±１０％以内にするのが良い。また、上記した貫通孔１１は、コイル部２１の寸法に対応した寸法とされており、例えばコイル部２１の半径が略１６ｍｍとされていれば、それ以下の半径に設定される。

【0025】

スリット２２は、コイル部２１の一端と他端との間に設けられたギャップであり、例えばコンマ数ｍｍ～数ｍｍ程度とされ、ギャップを除いたコイル部２１の１周の長さが高周波電流の１波長となるように設定されている。

【0026】

引出部２３は、コイル部２１の一端から引き出された第１引出部２３ａと第２引出部２３ｂとを有しており、第１引出部２３ａが上層電源４０に接続され、第２引出部２３ｂがＧＮＤに接続されている。これにより、上層電源４０から流される電流が第１引出部２３ａからコイル部２１を通じて第２引出部２３ｂに流れる経路が構成されている。また、第２引出部２３ｂからＧＮＤに流される電流の反射を抑制するために、第２引出部２３ｂとＧＮＤとの間に抵抗器６０を備えるようにしている。

【0027】

下層コイル３０は、上層コイル２０と対応した形状とされている。下層コイル３０も、コイル部３１と、コイル部３１を一部切り欠くスリット３２と、スリット３２の両側に配置されコイル部３１の外周方向に引き出された引出部３３とを有している。コイル部３１および引出部３３は、第２導電性材料で構成され、例えば上記したように銅などによって構成される。

【0028】

コイル部３１は、ループ状コイルで構成されるループ回路を構成している。具体的には、コイル部３１は、上層コイル２０のコイル部２１と同じ形状、同じ寸法で形成され、コイル部２１に対して所定距離離れて対向配置されている。

【0029】

スリット３２についても、上層コイル２０のスリット２２と同じ寸法とされている。本実施形態では、スリット３２をスリット２２と同じ位置に形成してある。

【0030】

引出部３３は、コイル部３１の一端から引き出された第１引出部３３ａと第２引出部３３ｂとを有しており、第１引出部３３ａが下層電源５０に接続され、第２引出部３３ｂがＧＮＤに接続されている。これにより、下層電源５０から流される電流が第１引出部３３ａからコイル部３１を通じて第２引出部３３ｂに流れる経路が構成されている。また、第２引出部３３ｂからＧＮＤに流される電流の反射を抑制するために、第２引出部３３ｂとＧＮＤとの間に抵抗器７０を備えるようにしている。

【0031】

なお、上層コイル２０のコイル部２１と下層コイル３０のコイル部３１の中心は一致しており、それらの中心軸がＺ軸となっている。この中心軸をコイル中心軸とも言う。また、上層コイル２０と下層コイル３０との間において、コイル部２１およびコイル部３１と平行な一面がＸＹ面となる。

【0032】

上層電源４０は、上層コイル２０に対して高周波電流を供給する高周波電源である。上層電源４０は、１波長がコイル部２１の１周の長さとなる高周波電流を発生させる。また、下層電源５０は、下層コイル３０に対して高周波電流を供給する高周波電源である。下層電源５０は、１波長がコイル部３１の１周の長さとなる高周波電流を発生させる。ここでは、上層電源４０および下層電源５０から、２．８７ＧＨｚ近傍の高周波電流が流されるようになっている。

【0033】

以上のようにして、磁場発生装置１が構成されている。このように構成される磁場発生装置１は、詳細については後述するが、上層コイル２０と下層コイル３０との間におけるＸＹ平面内に高周波磁場を発生させるようになっている。

【0034】

ダイヤモンド２は、外部磁場の測定を行う磁場測定素子に相当するものであり、貫通孔１１内に配置されている。ここでは、ダイヤモンド２は、上層コイル２０と下層コイル３０の間において高周波磁場を発生させるＸＹ面内に位置するように配置されている。ダイヤモンド２は、高周波磁場が印加される際に特定波長の光を照射すると波長変換して蛍光を発生させる。

【0035】

光源３は、ダイヤモンド２に対して特定波長の光として、例えばレーザ光を照射するものである。光源３は、基板１０の外側、つまり上層コイル２０や下層コイルの径方向外方に配置され、上層コイル２０と下層コイルとの間を通じてダイヤモンド２に対して光を照射する。ここでは、例えばレーザ光がＸＹ面に沿って照射されるように光源３を配置しているが、ＸＹ面に対して斜めにレーザ光が照射されるように光源３を配置しても良い。例えば、光源３から緑色のレーザ光が出力され、ダイヤモンド２で波長変換されて赤色の蛍光が発生させられるようになっている。

【0036】

調温部４は、ダイヤモンド２の温度を調整するために用いられる。調温部４は、ダイヤモンド２に接するように配置される。ダイヤモンド２は、照射された光の波長変換を行うことで蛍光を発生させるが、そのときにエネルギーロスが生じて発熱する。調温部４は、ダイヤモンド２を冷却する等によって発熱時におけるダイヤモンド２の温度の調整などを行う。

【0037】

測定部５は、ダイヤモンド２で発した光を測定するためのものであり、受光素子などで構成されている。上記したように、ダイヤモンド２が蛍光すると、それが様々な方向に出力されるため、貫通孔１１の外側に測定部５を配置しておくことで、ダイヤモンド２の発光を測定部５で測定することが可能となる。そして、測定部５にて、ダイヤモンド２で発した光を測定することで、ダイヤモンド２の形状やその他物理現象を観測する。ダイヤモンド２は、ＥＳＲに基づき測定対象が持つ不対電子によるエネルギーを吸収して、特性変化していることから、ダイヤモンド２の形状やその他物理現象を測定することで、外部磁場として、測定対象が発生させる微小磁場を測定することが可能となる。

【0038】

以上のようにして、本実施形態にかかる磁場発生装置１を備えた磁気センサが構成されている。このように、本実施形態にかかる磁場発生装置１によって高周波磁場を発生させ、ダイヤモンド２を測定素子として外部磁場の測定が行えるようになっている。このとき、磁場発生装置１によって、ＸＹ面が磁場方向となる高周波磁場を発生させるようにしており、さらに基板１０は薄いため、基板１０の上下となる表裏面側において、測定対象が発生させる微小磁場を測定することが可能になる。また、基板１０をくり抜いた貫通孔１１を形成していることから、さらに微小磁場の発生源となる測定対象をダイヤモンド２や高周波磁場に近接させることが可能となり、より精度良く微小磁場を測定することが可能になる。

【0039】

ここで、上記のように高周波磁場の磁場方向をＸＹ面にできるメカニズムについて、従来構造と比較して説明する。

【0040】

上記したように、本実施形態の磁場発生装置１は、上層コイル２０と下層コイル３０を重ねて配置し、それぞれに上層電源４０と下層電源５０とから高周波電流を供給できるようにしている。また、上層コイル２０の引出部２３と下層コイル３０の引出部３３とを基板１０の法線方向からみて同じ位置となるようにしている。このような構成において、上層コイル２０と下層コイル３０に対して１８０°位相差を設けた逆位相の高周波電流を流すようにする。そして、高周波電流の１波長が上層コイル２０のコイル部２１や下層コイル３０のコイル部３１の１周の長さと略等しくなるように、高周波電流の周波数を２．８７ＧＨｚ近傍とする。

【0041】

なお、以下の説明では、上層コイル２０のコイル部２１や下層コイル３０のコイル部３１における高周波電流が入力される端部の高周波電流の供給開始タイミングでの高周波電流の位相を初期位相と言う。

【0042】

このような高周波電流を流す場合、例えば下層コイル３０では、図５Ａおよび図６に示すように、第１引出部３３ａから第２引出部３３ｂに高周波電流を流すことになる。この場合、第１引出部３３ａの位置となるＰ１点を０°、第２引出部３３ｂの位置となるＰ２点を３６０°として、コイル中心軸に対して点対称の位置では、電流の正負の極性が反転した状態になる。例えば、任意の時点において、０°～３６０°それぞれの位置で流れる高周波電流の波形が図７のように示されるとすると、Ｐ３点とＰ４点とでは位相が反転し、電流の向きが逆向きになる。このため、例えば、図５Ａ中の９０°の位置となるＰ３点や２７０°の位置となるＰ４点では、右ネジの法則に基づいて、第１引出部３３ａや第２引出部３３ｂの方から見て反時計回りの磁界Ｅ１、Ｅ２が発生させられる。

【0043】

一方、上層コイル２０に対しては、下層コイル３０と１８０°位相差を設けた高周波電流が流されることになるため、上層コイル２０については、下層コイル３０と反対向きの磁界が発生させられる。このため、例えば点Ｐ３や点Ｐ４の位置の磁界を示すと、図５Ｂおよび図６に示すように、上層コイル２０ではそれぞれ時計回りの磁界、下層コイル３０ではそれぞれ時計回りの磁界Ｅ３、Ｅ４を発生させることになる。

【0044】

したがって、基板１０のうち上層コイル２０が備えられている上層部分のうちの下層コイル３０側と、下層コイル３０が備えられている下層部分のうちの上層コイル２０側とで、磁界Ｅ１～Ｅ４の向きが同方向となる。これにより、上層コイル２０と下層コイル３０との間においては、図中に白抜き矢印で示したように、Ｐ４点からＰ３点に向かう方向を磁場方向とする高周波磁場Ｈが発生させられることになる。そして、上層コイル２０や下層コイル３０に流される電流が高周波電流であるため、電流振幅が極大値をとる位置および極小値をとる位置が変化していき、それに伴ってＸＹ面上で磁場方向が回転する高周波磁場が発生させられる。

【0045】

参考として、図８に示すような比較例のように、基板Ｊ１０内に複数回巻回されたコイルＪ２０を備えるようにした構造において、直流電流を流した場合について考えてみる。このような構成の場合は、コイル中心軸に対する点対称の位置で電流が逆向きになる。このため、図中に示したように、各周のコイルＪ２０のうちの紙面左側の位置、つまり電流が紙面向こう側から紙面手前側に向く方では反時計回りの磁界ＥＪ１を発生させる。また、コイルＪ２０のうちの紙面右側の位置、つまり電流が紙面手前側から紙面向こう側に向く方では時計回りの磁界ＥＪ２を発生させる。したがって、コイルＪ２０内において、コイル中心軸方向の高周波磁場ＨＪが発生させられることになる。このような場合には、測定対象を基板Ｊ１０の横側、つまりコイルＪ２０の径方向外方に配置することになるが、コイルＪ２０等が存在するため、距離を近付けるには限界がある。また、基板Ｊ１０の直上もしくは直下、つまりコイルＪ２０の軸方向のいずれかに測定対象を配置すると距離は近くなるが、軸方向には感度が無いため外部磁場を測定できない。

【0046】

したがって、本実施形態のようにＸＹ面を磁場方向にできる磁場発生装置１とすることが有効と言える。

【0047】

以上説明したように、本実施形態の磁場発生装置１では、上層コイル２０と下層コイル３０を重ねて配置し、それぞれに上層電源４０と下層電源５０とから高周波電流を供給できるようにしている。また、上層コイル２０の引出部２３と下層コイル３０の引出部３３とを基板１０の法線方向からみて同じ位置となるようにしている。このような構成において、上層コイル２０と下層コイル３０に対して１８０°位相差を設けた高周波電流を流すようにする。そして、高周波電流の１波長分の長さが上層コイル２０のコイル部２１や下層コイル３０のコイル部３１の１周の長さと略等しくなるようにしている。

【0048】

このような構成では、基板１０のうち上層コイル２０が備えられている上層部分のうちの下層コイル３０側と、下層コイル３０が備えられている下層部分のうちの上層コイル２０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２０と下層コイル３０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。

【0049】

そして、このような磁場発生装置１を備えた磁気センサにおいては、上層コイル２０および下層コイル３０の軸方向に感度を有し、微小磁場を発生させる測定対象を基板１０の直上もしくは直下に近付けることが可能となる。このため、より精度良い磁気センサとすることが可能となる。

【0050】

また、本実施形態の磁場発生装置１は、上層コイル２０に高周波電流を供給する上層電源４０と下層コイル３０に高周波電流を供給する下層電源５０を別々に備えている。このため、上層電源４０と下層電源５０から逆位相の高周波電流を上層コイル２０や下層コイル３０にそれぞれ供給することが可能になる。

【0051】

具体的に、本実施形態の磁場発生装置１について、上層コイル２０および下層コイル３０内における電流の流れと発生する高周波磁場について、シミュレーションにより調べた。その結果、図９Ａ～図９Ｃおよび図１０に示される結果が得られた。

【0052】

上層コイル２０および下層コイル３０に対して高周波電流を流し、かつ、各高周波電流を１８０°位相差が設けられた逆位相のものとした場合の任意のタイミングにおける各部の電流の向きは、図９Ａ～図９Ｃ中に矢印で示した向きになる。すなわち、上層コイル２０内において、コイル中心軸に対して点対称の位置では電流の向きが逆向きとなる。同様に、下層コイル３０内において、コイル中心軸に対して点対称の位置では電流の向きが逆になる。また、コイル中心軸に対して同じ角度の場所では、上層コイル２０と下層コイル３０に流れる電流が逆向きとなる。そして、図９Ｃに示されるように、上層コイル２０ではコイル中心軸に対して引出部２３と反対側の任意の場所から電流が発生し、下層コイル３０ではコイル中心軸に対して引出部２３と反対側の任意の場所へ電流が流れ込むような状態となる。

【0053】

このため、図１０に示す断面においては、上層コイル２０ではそれぞれ時計回りの磁界、下層コイル３０ではそれぞれ反時計回りの磁界を発生させることになる。したがって、図１０中に示されるように、ダイヤモンド２の位置では、紙面左方向に高周波磁場を発生させることが可能となり、ＸＹ面内において高周波磁場を発生させることができていることが分かる。

【0054】

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して上層コイル２０と下層コイル３０の構成などを変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0055】

図１１および図１２に示すように、本実施形態では、磁場発生装置１に備えられる上層コイル２０と下層コイル３０をそれぞれ２層構造にしている。すなわち、上層コイル２０を第１コイル２１０と第２コイル２２０によって構成し、下層コイル３０を第３コイル３１０と第４コイル３２０によって構成している。

【0056】

第１コイル２１０は、コイル部２１１、スリット２１２および引出部２１３を有した構成とされている。これらコイル部２１１、スリット２１２、第１引出部２１３ａと第２引出部２１３ｂを有する引出部２１３は、第１実施形態で説明したコイル部２１、スリット２２および引出部２３と同様の構成とされている。また、第２コイル２２０は、コイル部２２１、スリット２２２および引出部２２３を有した構成とされている。これらコイル部２２１、スリット２２２、第１引出部２２３ａと第２引出部２２３ｂを有する引出部２２３も、第１実施形態で説明したコイル部２１、スリット２２および引出部２３と同様の構成とされている。ただし、ここでは第１コイル２１０のスリット２１２や引出部２１３を設けた位置と第２コイル２２０のスリット２２２や引出部２２３を設けた位置を異ならせ、コイル中心軸に対して１８０°ずらしている。

【0057】

また、上層電源４０についても第１上層電源４１と第２上層電源４２とを備えている。第１上層電源４１を第１引出部２１３ａに接続して第１コイル２１０への通電を行い、第２上層電源４２を第１引出部２２３ａに接続して第２コイル２２０への通電を行えるようになっている。

【0058】

さらに、第２引出部２１３ｂをＧＮＤに接続しつつ、反射抑制のための抵抗器６１を備えるようにし、第２引出部２２３ｂをＧＮＤに接続しつつ、反射抑制のための抵抗器６２を備えるようにしている。

【0059】

第３コイル３１０は、コイル部３１１、スリット３１２および第１引出部３１３ａと第２引出部３１３ｂを有する引出部３１３を有した構成とされている。これらコイル部３１１、スリット３１２および引出部３１３は、第１実施形態で説明したコイル部３１、スリット３２および引出部３３と同様の構成とされている。また、第４コイル３２０は、コイル部３２１、スリット３２２および第１引出部３２３ａと第２引出部３２３ｂを有する引出部３２３を有した構成とされている。これらコイル部３２１、スリット３２２および引出部３２３も、第１実施形態で説明したコイル部３１、スリット３２および引出部３３と同様の構成とされている。ただし、ここでは第３コイル３１０のスリット３１２や引出部３１３を設けた位置と第４コイル３２０のスリット３２２や引出部３２３を設けた位置を異ならせ、コイル中心軸に対して１８０°ずらしている。

【0060】

また、下層電源５０についても第１下層電源５１と第２下層電源５２とを備えている。第１下層電源５１を第１引出部３１３ａに接続して第３コイル３１０への通電を行い、第２下層電源５２を第１引出部３２３ａに接続して第４コイル３２０への通電を行えるようになっている。

【0061】

さらに、第２引出部３１３ｂをＧＮＤに接続しつつ、反射抑制のための抵抗器７１を備えるようにし、第２引出部３２３ｂをＧＮＤに接続しつつ、反射抑制のための抵抗器７２を備えるようにしている。

【0062】

このような構成において、上層コイル２０を構成する第１コイル２１０と第２コイル２２０に、コイル中心軸に対して同じ角度の場所での電流が同位相となるように高周波電流を流す。つまり、第１コイル２１０と第２コイル２２０とについては、引出部２１３と引出部２２３の位置を１８０°ずらしているため、流す高周波電流の位相も１８０°ずらす。

【0063】

また、下層コイル３０を構成する第３コイル３１０と第４コイル３２０にも、コイル中心軸に対して同じ角度の場所での電流が同位相となる高周波電流を流す。ただし、第３コイル３１０と第４コイル３２０については、第１コイル２１０や第２コイル２２０と１８０°位相差を設けた高周波電流とする。つまり、第３コイル３１０と第４コイル３２０とについても、引出部３１３と引出部３２３の位置を１８０°ずらしているため、流す高周波電流の位相も１８０°ずらす。また、第３コイル３１０については、引出部３１３を第１コイル２１０の引出部２１３と同じ角度の位置に配置しているため、第１コイル２１０に対して１８０°位相をずらした高周波電流とする。同様に、第４コイル３２０についても、引出部３２３を第２コイル２２０の引出部２２３と同じ角度の位置に配置しているため、第２コイル２２０に対して１８０°位相をずらした高周波電流とする。

【0064】

これにより、図１２中に示したように、第１コイル２１０と第２コイル２２０におけるコイル中心軸に対して同じ角度の場所で同じ向きの磁界Ｅ３、Ｅ４を発生させられる。また、第３コイル３１０と第４コイル３２０におけるコイル中心軸に対して同じ角度の場所で同じ向きで、かつ、同じ角度の場所での第１コイル２１０と第２コイル２２０の磁界Ｅ３、Ｅ４とは逆向きの磁界Ｅ１、Ｅ２を発生させられる。

【0065】

このため、上層コイル２０と下層コイル３０とを二層で構成するようにしても、上層コイル２０と下層コイル３０との間において、ＸＹ面磁場方向とする高周波磁場Ｈを発生させることができる。このように上層コイル２０と下層コイル３０を二層で構成すれば、上層コイル２０と下層コイル３０で発生させる磁界の強度を高めることができ、より強い高周波磁場を発生させることが可能になる。

【0066】

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して上層コイル２０と下層コイル３０のレイアウトを変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0067】

図１３および図１４に示すように、本実施形態では、上層コイル２０のスリット２２および引出部２３の形成位置と下層コイル３０のスリット３２および引出部３３の形成位置を異ならせている。ここでは、上層コイル２０のスリット２２および引出部２３の形成位置と下層コイル３０のスリット３２および引出部３３の形成位置をコイル中心軸に対して９０°ずらしている。具体的には、上層コイル２０における第１引出部２３ａの位置を０°とし、第２引出部２３ｂの位置を３６０°とすると、下層コイル３０におけるスリット３２および引出部３３が２７０°の位置に配置されている。

【0068】

このような構成では、上層コイル２０に対して流す高周波電流の初期位相を９０°、下層コイル３０に対して流す高周波電流の初期位相を０°に設定する。このようにすれば、上層コイル２０と下層コイル３０に、コイル中心軸に対して同じ角度の場所での高周波電流の位相を１８０°ずらすことができる。

【0069】

したがって、上層コイル２０のスリット２２および引出部２３の形成位置と下層コイル３０のスリット３２および引出部３３の形成位置をコイル中心軸に対して同じ角度せずに異なる角度としても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

【0070】

なお、ここでは、上層コイル２０のスリット２２および引出部２３の形成位置と下層コイル３０のスリット３２および引出部３３の形成位置をコイル中心軸に対して９０°ずらしているが、勿論、９０°以外であっても構わない。

【0071】

（第４実施形態）
第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１～第３実施形態に対して上層コイル２０と下層コイル３０の形状などを変更したものであり、その他については第１～第３実施形態と同様であるため、第１～第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0072】

図１５および図１６に示すように、本実施形態では、上層コイル２０のコイル部２１および下層コイル３０のコイル部３１を円環状ではなく、四角形状としている。具体的には、コイル部２１を相対する２つの短辺と相対する２つの長辺とによって構成された長方形状によって構成し、一方の短辺にスリット２２および引出部２３を配置している。同様に、コイル部３１を相対する２つの短辺と相対する２つの長辺とによって構成された長方形状によって構成し、一方の短辺にスリット３２および引出部３３を配置している。そして、コイル部２１とコイル部３１とを対向配置させ、互いの短辺同士が重なり合い、互いの長辺同士が重なるように配置している。

【0073】

スリット２２および引出部２３とスリット３２および引出部３３については、第１実施形態と同様にコイル中心軸に対して同じ角度に配置されていても良いが、ここでは１８０°ずらした位置に配置している。このような配置にする場合は、上層コイル２０と下層コイル３０に対して初期位相を共に０°とした高周波電流を流すようにすれば良い。

【0074】

このように、コイル部２１およびコイル部３１を四角形状とする場合でも、ループ１周当たりの長さをこれらに流す高周波電流の１波長分となるようにすれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0075】

また、コイル部２１およびコイル部３１を長方形状とする場合、ＸＹ面上における一方向を縦方向、それに垂直な方向を横方向として縦方向の寸法と横方向の寸法の比である縦横比を調整することで磁場方向を制御することも可能になる。コイル部２１およびコイル部３１を長方形状とする場合、縦横比は長辺と短辺の比に相当する。このような構成とする場合には、長辺に沿う方向となる矢印Ｅの方向では弱く、短辺に沿う方向となる矢印Ｆの方向では強く高周波磁場を発生させられる。このため、磁場方向を実質的に矢印Ｆの方向に制御することが可能になる。

【0076】

（第５実施形態）
第５実施形態について説明する。本実施形態は、第１～第４実施形態に対して上層コイル２０と下層コイル３０に入力する高周波電流の形態を変更したものであり、その他については第１～第４実施形態と同様である。このため、本実施形態において第１～第４実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0077】

図１７に示すように、本実施形態の磁場発生装置１では、上層コイル２０に流される高周波電流の位相を調整する位相調整装置８０と、下層コイル３０に流される高周波電流の位相を調整する位相調整装置９０を備えている。そして、上層電源４０から出力される高周波電流が位相調整装置８０にて位相調整され、第１引出部２３ａおよび第２引出部２３ｂを通じてコイル部２１の両端に同じ位相の高周波電流が流される。同様に、下層電源５０から出力される高周波電流が位相調整装置９０にて位相調整され、第１引出部３３ａおよび第２引出部３３ｂを通じてコイル部３１の両端に同じ位相の高周波電流が流される。

【0078】

このように構成された磁場発生装置１では、上層コイル２０と下層コイル３０に流れる高周波電流にて定在波を発生させることができる。例えば、図１７および図１８に示すように、上層コイル２０について、コイル中心軸を中心として第１引出部２３ａ側の端部から第２引出部２３ｂ側の端部まで略９０°おきに点Ｇ～点Ｋとする。この場合に、例えばコイル部２１の両端に対して入力Ｉ、入力ＩＩとして共に高周波電流を供給し、その高周波電流の位相差を０°に設定する。このようにすると、図１９Ａに示すように、高周波電流にて、点Ｇ、点Ｉ、点Ｋの位置を節、点Ｈ、点Ｊの位置を振幅が最大となる腹とする定在波を生成できる。この場合、磁場方向が点Ｈから点Ｊに向かう方向と点Ｊから点Ｈに向かう方向に交互に繰り返される高周波磁場を発生させることができる。

【0079】

また、例えばコイル部２１の両端から流す高周波電流の位相差を１８０°に設定すると、図１９Ｂに示すように、高周波電流にて、点Ｇ、点Ｉ、点Ｋの位置を腹、点Ｈ、点Ｊの位置を節とする定在波を生成できる。この場合、磁場方向が点Ｇや点Ｋから点Ｉに向かう方向と点Ｉから点Ｇや点Ｋに向かう方向に交互に繰り返される高周波磁場を発生させることができる。

【0080】

さらに、図１８、図１９Ａおよび図１９Ｂでは、上層コイル２０を例に説明したが、下層コイル３０についても同様のことを行うことができる。そして、上層コイル２０と下層コイル３０とで、１８０°位相差がある定在波が形成されるようにする。これにより、基板１０のうち上層コイル２０が備えられている上層部分のうちの下層コイル３０側に発生させる磁界の方向と下層コイル３０が備えられる下層部分のうちの上層コイル２０側に発生させる磁界の方向を一致させられる。よって、ＸＹ面を磁場方向とする高周波磁場を発生させられる。

【0081】

このように、上層コイル２０や下層コイル３０の両端から高周波電流を流すようにすることで定在波を生成できる。これにより、磁場方向を特定方向に限定しつつ、１８０°交互に繰り返される高周波磁場をＸＹ面に発生させることが可能となる。

【0082】

なお、位相調整装置８０について、上層電源４０という１つの信号源に基づいて第１引出部２３ａと第２引出部２３ｂそれぞれから入力される高周波電流を生成するようにしたが、これに限らない。つまり、位相調整装置８０については、１信号に基づいて位相調整を行って２信号に分割するものだけでなく、２信号を用いて各信号の位相調整を行って高周波電流として出力するものであっても良い。勿論、位相調整装置９０についても同様のことが言える。

【0083】

（第６実施形態）
第６実施形態について説明する。本実施形態は、第１～第４実施形態に対して上層コイル２０と下層コイル３０に入力する高周波電流の形態を変更したものであり、その他については第１～第４実施形態と同様である。このため、本実施形態において第１～第４実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0084】

本実施形態の磁場発生装置１では、図２０Ａおよび図２０Ｂに示すように、第１実施形態などと同様の構成において、上層コイル２０への高周波電流の入力方向を切替え可能とし、円偏波となる磁場方向の右回りと左回りを制御できるようにする。例えば、図２０Ａおよび図２０Ｂに示すように、上層コイル２０と上層電源４０や抵抗器６０の間に切替えスイッチ１００を備え、上層コイル２０のうち高周波電流が入力される端部を切替えられるようにする。また、図を省略するが、下層コイル３０についても、上層コイル２０と同様に下層コイル３０と下層電源５０や抵抗器７０の間に切替えスイッチ１００を備え、下層コイル３０のうち高周波電流が入力される端部を切替えられるようにする。

【0085】

これにより、ＸＹ面上において、磁場方向の回転方向を制御することが可能になる。例えば、上層コイル２０に対して、第１引出部２３ａから高周波電流が入力される形態とし、下層コイル３０に対しても、第１引出部３３ａから上層コイル２０に対して１８０°位相差を付けた高周波電流を流すことができる。その場合、図２０Ａに示すように、磁場方向が点Ｍから点Ｌに向かう右回り、つまり時計回りとなるようにできる。逆に、上層コイル２０に対して、第２引出部２３ｂから高周波電流が入力される形態とし、下層コイル３０に対しても、第２引出部３３ｂから上層コイル２０に対して１８０°位相差を付けた高周波電流を流すこともできる。その場合、図２０Ｂに示すように、点Ｌから点Ｍに向かう磁場方向が左回り、つまり反時計回りとなるようにできる。

【0086】

特に、ダイヤモンドＮＶＣを使う磁気センサにおいて、高周波磁場に円偏波を用い、この円偏波の方向を切り替えることにより、縮退ｍｓ＝±１のどちらかに選択的に不対電子をポンピングできる。これにより、最小分解能に優れた高感度な磁気センサが実現できる。

【0087】

（第７実施形態）
第７実施形態について説明する。本実施形態は、第１～第６実施形態に対して上層コイル２０を共振コイルに変更したものであり、その他については第１～第６実施形態と同様である。このため、本実施形態において第１～第６実施形態と異なる部分についてのみ説明する。なお、ここでは第１実施形態のように、上層コイル２０のコイル部２１や下層コイル３０のコイル部３１を円環状にする場合について例に挙げるが、第２～第６実施形態のような構成であっても良い。

【0088】

図２１、図２２および図２３に示すように、上層コイル２０に対しては、コイル部２１およびスリット２２のみによって構成して電源からの高周波電流の供給が行われないようにしている。そして、下層コイル３０についてのみ電源５０より高周波電流の供給が行われるようにしている。このような構成では、下層コイル３０に対して高周波電流を流すと、上層コイル２０が下層コイル３０に対して磁界結合もしくは電界結合させられ、上層コイル２０が共振コイルとして機能してＬＣ共振を生じさせられる。このため、コイル部３１の１周当たりの長さが１波長に相当する周波数に、上層コイル２０の共振周波数を合わせる。つまり、コイル部３１の電気長が１波長になる周波数が共振周波数となるようにする。

【0089】

このような構成の磁場発生装置１とすることもできる。このような構成においては、下層コイル３０に対して高周波電流を流すと、ＬＣ共振に基づいて、上層コイル２０と下層コイル３０のうちコイル中心軸に対して同じ角度の場所で流れる電流がそれぞれ逆方向に流れるようにできる。したがって、第１実施形態と同様に、上層コイル２０と下層コイル３０との間の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。これにより、第１実施形態などと同様の効果を得ることができる。

【0090】

なお、上層コイル２０に１つのスリット２２を形成しているが、スリット２２については形成しなくても良いし、複数個形成しても良い。スリット２２の数やギャップの寸法については、ＬＣ共振に基づく共振周波数が、コイル部２１の１周当たりの長さを１波長とする周波数に合うように適宜設定すれば良い。

【0091】

また、第５実施形態のように高周波電流の定在波を生成する構成についても、本実施形態を適用できる。その場合、下層コイル３０のコイル部３１の両端の両方から高周波電流を供給する位相調整装置９０を備えた構成とすれば良い。

【0092】

また、第６実施形態の構成についても、本実施形態を適用できる。その場合、共振コイルとされる上層コイル２０については電源からの直接の高周波電流の供給は行われないため、下層コイル３０に対して切替えスイッチ１００を備える構造を適用すれば良い。

【0093】

参考として、本実施形態の磁場発生装置１について、上層コイル２０および下層コイル３０内における電流の流れと発生する高周波磁場について、シミュレーションにより調べた。その結果、図２４および図２５に示される結果が得られた。

【0094】

下層コイル３０に対して高周波電流を流した場合の任意のタイミングにおける上層コイル２０および下層コイル３０の各部の電流の向きは、図２４中に矢印で示した向きになる。すなわち、下層コイル３０内において、コイル中心軸に対して点対称の位置では電流の向きが逆になる。また、下層コイル３０に高周波電流を流すことによって上層コイル２０にも高周波電流が流れ、上層コイル２０内においても、コイル中心軸に対して点対称の位置では電流の向きが逆向きとなる。また、コイル中心軸に対して同じ角度の場所では、上層コイル２０と下層コイル３０に流れる電流が逆向きとなる。そして、図２４に示されるように、上層コイル２０ではスリット２２側の任意の場所から電流が発生し、下層コイル３０では引出部３３側の任意の場所へ電流が流れ込むような状態となる。なお、上層コイル２０のうちコイル中心軸に対してスリット２２と反対側において、電流の向きを示す矢印が上層コイル２０からはみ出すように示してあるが、実際には電流が上層コイル２０の上端面から側面に向かって流れる。

【0095】

このため、図２５に示す断面においては、上層コイル２０ではそれぞれ時計回りの磁界、下層コイル３０ではそれぞれ反時計回りの磁界を発生させることになる。したがって、図２５中に示されるように、ダイヤモンド２の位置では、紙面左方向に高周波磁場を発生させることが可能となり、ＸＹ面内において高周波磁場を発生させることができていることが分かる。

【0096】

（他の実施形態）
本開示は、上記した実施形態に準拠して記述されたが、当該実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

【0097】

例えば、上記各実施形態では、上層コイル２０および下層コイル３０が１枚の基板１０内に備えられて一体化された構造を例に挙げた。しかしながら、これは一例を挙げたに過ぎず、基板１０が複数枚に分けられ、上層コイル２０を備えた上層部分と下層コイル３０が備えられた下層部分とが別々に備えられ、それら各層の間に誘電膜を挟み込んだ構造で基板１０を構成しても良い。その場合、基板１０のうち少なくとも上層コイル２０と下層コイル３０との間が誘電材料で構成されていれば良い。

【0098】

また、第２実施形態では、上層コイル２０および下層コイル３０をそれぞれ二層ずつ備える場合について説明したが、それぞれ一層または二層以上の複数層とすることができる。上層コイル２０の層数と下層コイル３０の層数については同じにしても良いし、異なっていても良い。さらに、上層コイル２０や下層コイル３０を一層または複数層とするような構造においても、第３実施形態で説明したように、それぞれのスリットおよび引出部をコイル中心軸に対して異なる角度に配置されるようにしても良い。

【0099】

また、第４実施形態では、上層コイル２０のコイル部２１および下層コイル３０のコイル部３１を多角形状とする場合の一例として長方形状を挙げている。しかしながら、これも一例を挙げたに過ぎず、長方形状以外の四角形、例えば菱形などであっても良いし、三角形、五角形のように四角形以外の多角形であっても良い。勿論、円形状を楕円形状としたり、多角形状の各角部が丸みを帯びた形状としたりしても良い。なお、上記第１～第３、第５～第７実施形態では、上層コイル２０のコイル部２１と下層コイル３０のコイル部３１を円環状で構成したため、ＸＹ面上における一方向を縦方向、それに垂直な方向を横方向とした縦横比が１：１で等しくなる。しかしながら、コイル部２１およびコイル部３１を楕円形状にすれば、縦横比を異ならせることができ、縦横比の小さい側に沿う方向に強い高周波磁場を発生させることが可能になる。勿論、コイル部２１およびコイル部３１を長方形以外の多角形状とする場合についても、縦横比を異ならせることで、縦横比の小さい側に沿う方向に強い高周波磁場を発生させることができる。

【0100】

また、上記各実施形態では、上層コイル２０を構成する第１導電性材料や下層コイル３０を構成する第２導電性材料を銅、基板１０の材料をエポキシ形状の樹脂材料とする場合を例に挙げたが、一例を示したに過ぎず、他の材料であっても良い。上層コイル２０と下層コイル３０の構成材料が同じであると好ましいが、異なる構成材料であっても良い。

【0101】

また、上記各実施形態では、磁場測定素子としてダイヤモンド２を例に挙げて説明したが、ダイヤモンド以外のものであっても良い。さらに、上記各実施形態では、磁場発生装置１としてレーザ光を当てて蛍光を受光する磁気センサに適用する場合について説明したが、レーザ光を当てて電気信号として取り出す手法や電気信号を入力して電気的出力を得る手法にも適用できる。すなわち、ＰＤＭＲ（光電流検出磁気共鳴）、ＥＤＭＲ（電気検知磁気共鳴）などに適用することも可能である。

【0102】

なお、上記各実施形態では、上層コイル２０と下層コイル３０として上下という表現を用いているが、２つのループ回路を構成するコイルが所定距離離れて重なって並んでいることを示しているだけであり、天地方向を意味している訳ではない。

【符号の説明】

【0103】

１０ 基板
２０ 第１コイル
２１ コイル部
２２ スリット
２３ 引出部
３０ 第２コイル
３１ 第２コイル部
３２ スリット
３３ 引出部
４０ 上層電源
５０ 下層電源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19A】

【図19B】

【図20A】

【図20B】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】