JP3063654B2 - 磁気センサ用電圧増幅回路 - Google Patents
磁気センサ用電圧増幅回路Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気センサ用電圧
増幅回路、より詳細には、磁気検出素子として、ＳＱＵ
ＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device
超電導量子干渉デバイス）、特に、所謂「高温超電導
体」で形成された酸化物系のＳＱＵＩＤを用いる磁気セ
ンサのための出力電圧増幅回路に関する。
増幅回路、より詳細には、磁気検出素子として、ＳＱＵ
ＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device
超電導量子干渉デバイス）、特に、所謂「高温超電導
体」で形成された酸化物系のＳＱＵＩＤを用いる磁気セ
ンサのための出力電圧増幅回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＳＱＵＩＤは、きわめて微弱な磁場を計
測することができる超高感度磁気センサとして知られて
いる。このようなＳＱＵＩＤに酸化物系の高温超電導体
を用いると、安価で取扱いが簡単な液体窒素温度（−１
９６℃）で動作することができるので、高価で取扱いが
難しかった液体ヘリウム（−２６９℃）を使用するシス
テムに比べて取扱いが大幅に簡単になり、医療診断、非
破壊検査、食品検査、地質検査等の種々の応用的な展開
・実用化が大いに期待されており、応用的な研究開発が
盛んに行われようとしている。このような研究開発に寄
与するため、本発明者らは、磁場測定及び素子特性評価
の両機能を兼備した「磁気センサ駆動回路装置」を創案
し、平成８年１０月１７日付けで既に特許出願した。
測することができる超高感度磁気センサとして知られて
いる。このようなＳＱＵＩＤに酸化物系の高温超電導体
を用いると、安価で取扱いが簡単な液体窒素温度（−１
９６℃）で動作することができるので、高価で取扱いが
難しかった液体ヘリウム（−２６９℃）を使用するシス
テムに比べて取扱いが大幅に簡単になり、医療診断、非
破壊検査、食品検査、地質検査等の種々の応用的な展開
・実用化が大いに期待されており、応用的な研究開発が
盛んに行われようとしている。このような研究開発に寄
与するため、本発明者らは、磁場測定及び素子特性評価
の両機能を兼備した「磁気センサ駆動回路装置」を創案
し、平成８年１０月１７日付けで既に特許出願した。
【０００３】ところで、ＳＱＵＩＤを上述のようにきわ
めて微弱な磁場を計測するのに使用する場合、従来技術
においては、例えば、図１に示すような所謂「ＦＬＬ方
式」の構成が採用される。つまり、ＳＱＵＩＤ素子Ｅ及
びフィードバックコイルＦＣを備えたＳＱＵＩＤセンサ
Ｓに対して、バイアス電流源Ｂ、変調周波数発振器Ｍ、
位相検波器ＰＤ、フィードバック増幅器ＦＡ等を備えた
駆動処理回路ＤＰを設け、フィードバック増幅器ＦＡの
出力から外部磁場を表す所望の磁束計測信号Ｖφを得る
ようになっている。この場合、ＳＱＵＩＤ素子Ｅによっ
て発生される出力電圧Ｖｄを増幅するための増幅手段Ｓ
Ａとして、液体ヘリウム温度もしくは液体窒素温度もし
くは低温で動作する第１トランスＴ１が設置され、一
方、駆動処理回路ＤＰ側には室温下で動作する第２トラ
ンスＴ２及び増幅器Ａが設置される。
めて微弱な磁場を計測するのに使用する場合、従来技術
においては、例えば、図１に示すような所謂「ＦＬＬ方
式」の構成が採用される。つまり、ＳＱＵＩＤ素子Ｅ及
びフィードバックコイルＦＣを備えたＳＱＵＩＤセンサ
Ｓに対して、バイアス電流源Ｂ、変調周波数発振器Ｍ、
位相検波器ＰＤ、フィードバック増幅器ＦＡ等を備えた
駆動処理回路ＤＰを設け、フィードバック増幅器ＦＡの
出力から外部磁場を表す所望の磁束計測信号Ｖφを得る
ようになっている。この場合、ＳＱＵＩＤ素子Ｅによっ
て発生される出力電圧Ｖｄを増幅するための増幅手段Ｓ
Ａとして、液体ヘリウム温度もしくは液体窒素温度もし
くは低温で動作する第１トランスＴ１が設置され、一
方、駆動処理回路ＤＰ側には室温下で動作する第２トラ
ンスＴ２及び増幅器Ａが設置される。
【０００４】図１において、検出されるべき外部磁場に
応答してＳＱＵＩＤ素子Ｅにより発生された微小な出力
電圧Ｖｄは、ＳＱＵＩＤ素子Ｅと同一の極低温の温度環
境下に、即ち、液体ヘリウム若しくは液体窒素中に設置
された第１トランスＴ１によって、一旦所要値に昇圧さ
れてからセンサＳの外部に取り出される。そして、昇圧
されたＳＱＵＩＤ出力電圧Ｖｄは、室温下の第２トラン
スＴ２によって絶縁され且つ所望値に調整された後、増
幅器Ａに供給される。従来技術では、この例のように、
ＳＱＵＩＤ出力電圧Ｖｄが、センサＳの内外にまたがっ
て構成される増幅手段ＳＡにより増幅されてから、位相
検波器ＰＤ以降の信号処理操作を受ける。
応答してＳＱＵＩＤ素子Ｅにより発生された微小な出力
電圧Ｖｄは、ＳＱＵＩＤ素子Ｅと同一の極低温の温度環
境下に、即ち、液体ヘリウム若しくは液体窒素中に設置
された第１トランスＴ１によって、一旦所要値に昇圧さ
れてからセンサＳの外部に取り出される。そして、昇圧
されたＳＱＵＩＤ出力電圧Ｖｄは、室温下の第２トラン
スＴ２によって絶縁され且つ所望値に調整された後、増
幅器Ａに供給される。従来技術では、この例のように、
ＳＱＵＩＤ出力電圧Ｖｄが、センサＳの内外にまたがっ
て構成される増幅手段ＳＡにより増幅されてから、位相
検波器ＰＤ以降の信号処理操作を受ける。
【０００５】このように、増幅手段ＳＡの初段を構成す
る第１トランスＴ１はセンサＳの内部にしかも恒温状態
下におかれるので、微弱な出力電圧に対して外部ノイズ
が混入される恐れが少なくなり第１トランスＴ１の変圧
特性自体も温度に影響されない。しかしながら、このよ
うな構造を採用した場合、センサＳは、第１トランスＴ
１を内部に組込む構造をとるので、トランス自体に高価
な極低温材料を必要とする上、構造が大型化して設計、
製造及び実用配置上の困難性を高める。それに加えて、
トランスコイルのコア（磁芯）材も極低温に冷却されて
透磁率特性が劣化して本来の性能を発揮することができ
ない。さらにまた、２つのトランスを使用するので、当
然、２つのトランスコイル間のマッチング等を考慮する
必要が生じる。従って、このようなことがらは、ＳＱＵ
ＩＤの磁気センサへの実用化を阻む大きな難題である。
る第１トランスＴ１はセンサＳの内部にしかも恒温状態
下におかれるので、微弱な出力電圧に対して外部ノイズ
が混入される恐れが少なくなり第１トランスＴ１の変圧
特性自体も温度に影響されない。しかしながら、このよ
うな構造を採用した場合、センサＳは、第１トランスＴ
１を内部に組込む構造をとるので、トランス自体に高価
な極低温材料を必要とする上、構造が大型化して設計、
製造及び実用配置上の困難性を高める。それに加えて、
トランスコイルのコア（磁芯）材も極低温に冷却されて
透磁率特性が劣化して本来の性能を発揮することができ
ない。さらにまた、２つのトランスを使用するので、当
然、２つのトランスコイル間のマッチング等を考慮する
必要が生じる。従って、このようなことがらは、ＳＱＵ
ＩＤの磁気センサへの実用化を阻む大きな難題である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主たる目的
は、上記のような種々の難題を一挙に解決することがで
きる磁気センサ用出力電圧増幅回路を提供することにあ
る。すなわち、本発明は、磁気検出素子として使用され
るＳＱＵＩＤ素子により発生される微小なＳＱＵＩＤ出
力電圧を増幅するための回路を改良することによって、
トランスを磁気センサに内蔵させる必要をなくして、磁
気センサの構造を非常に簡単にすると共にトランスコイ
ルのコア材の劣化を生ずることがなく、しかも、マッチ
ングを考慮する必要がないようにしようとするものであ
る。
は、上記のような種々の難題を一挙に解決することがで
きる磁気センサ用出力電圧増幅回路を提供することにあ
る。すなわち、本発明は、磁気検出素子として使用され
るＳＱＵＩＤ素子により発生される微小なＳＱＵＩＤ出
力電圧を増幅するための回路を改良することによって、
トランスを磁気センサに内蔵させる必要をなくして、磁
気センサの構造を非常に簡単にすると共にトランスコイ
ルのコア材の劣化を生ずることがなく、しかも、マッチ
ングを考慮する必要がないようにしようとするものであ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上述した課題は、本発明
に従い、磁気センサとして用いられ変調信号に基づいて
変調励磁を受けるＳＱＵＩＤ素子から出力される電圧検
出信号の増幅及び処理を行う磁気センサ用電圧増幅回路
において、前記ＳＱＵＩＤ素子からの前記電圧検出信号
を受けこの信号を所定倍に昇圧する動作を常温にて行う
昇圧トランス、及び、この昇圧信号を増幅する電子的増
幅回路を備える電圧信号増幅手段と、前記信号増幅手段
からの増幅信号を前記変調信号に基づいて処理し磁場計
測信号を出力する信号処理回路とを具備することによっ
て解決される。
に従い、磁気センサとして用いられ変調信号に基づいて
変調励磁を受けるＳＱＵＩＤ素子から出力される電圧検
出信号の増幅及び処理を行う磁気センサ用電圧増幅回路
において、前記ＳＱＵＩＤ素子からの前記電圧検出信号
を受けこの信号を所定倍に昇圧する動作を常温にて行う
昇圧トランス、及び、この昇圧信号を増幅する電子的増
幅回路を備える電圧信号増幅手段と、前記信号増幅手段
からの増幅信号を前記変調信号に基づいて処理し磁場計
測信号を出力する信号処理回路とを具備することによっ
て解決される。
【０００８】本発明の思想は、ＳＱＵＩＤ素子出力電圧
を昇圧するトランスはセンサ内に極低温状態で設置すべ
きものとしていた従来よりの常識的な考えを大胆に覆し
て、このトランスをセンサ外にしかも常温状態下に設け
るという従来考えもしなかった発想からヒントを得たも
のであり、端的にいうと、１つの昇圧トランスを駆動回
路の初段に置くという簡単な解決法にある。この解決法
をとる本発明によって、従来の難題を悉く解消すること
ができる。
を昇圧するトランスはセンサ内に極低温状態で設置すべ
きものとしていた従来よりの常識的な考えを大胆に覆し
て、このトランスをセンサ外にしかも常温状態下に設け
るという従来考えもしなかった発想からヒントを得たも
のであり、端的にいうと、１つの昇圧トランスを駆動回
路の初段に置くという簡単な解決法にある。この解決法
をとる本発明によって、従来の難題を悉く解消すること
ができる。
【０００９】つまり、本発明者らは、このようなヒント
に基づいて、高温超電導体で形成され−１９６℃の温度
下に置かれた酸化物系ＳＱＵＩＤ素子を磁場検出用素子
として使用し、このＳＱＵＩＤ素子からの出力電圧を常
温下に置かれた昇圧トランスにて直接受けるようにした
駆動回路について種々の条件の下で数々の実験を行った
ところ、トランス出力電圧の変動率乃至ノイズ含有率は
無視できる程度に小さく実用上全く問題がないことを確
認し、特許請求の範囲に記載のとおりの発明を完成した
わけである。
に基づいて、高温超電導体で形成され−１９６℃の温度
下に置かれた酸化物系ＳＱＵＩＤ素子を磁場検出用素子
として使用し、このＳＱＵＩＤ素子からの出力電圧を常
温下に置かれた昇圧トランスにて直接受けるようにした
駆動回路について種々の条件の下で数々の実験を行った
ところ、トランス出力電圧の変動率乃至ノイズ含有率は
無視できる程度に小さく実用上全く問題がないことを確
認し、特許請求の範囲に記載のとおりの発明を完成した
わけである。
【００１０】これによって、昇圧トランスをＳＱＵＩＤ
磁気センサに内蔵させる必要をなくすることができるの
で、センサは非常に簡単な構造になり小型化される。例
えば、ＳＱＵＩＤセンサを用いて極めて微弱な磁場の分
布状態を計測する実用化段階では、数十〜数百、或い
は、用途によっては、数千に及ぶＳＱＵＩＤセンサを狭
い被測定領域内に配置し、これらの多数のセンサからの
出力をマルチチャネル化して処理することになる。この
ような場合、本発明によれば、これらの多数のＳＱＵＩ
Ｄ磁気センサは、何れも、昇圧トランスを内蔵する必要
がなく非常に小型化されるので、極く容易に高密度に配
置することができる。
磁気センサに内蔵させる必要をなくすることができるの
で、センサは非常に簡単な構造になり小型化される。例
えば、ＳＱＵＩＤセンサを用いて極めて微弱な磁場の分
布状態を計測する実用化段階では、数十〜数百、或い
は、用途によっては、数千に及ぶＳＱＵＩＤセンサを狭
い被測定領域内に配置し、これらの多数のセンサからの
出力をマルチチャネル化して処理することになる。この
ような場合、本発明によれば、これらの多数のＳＱＵＩ
Ｄ磁気センサは、何れも、昇圧トランスを内蔵する必要
がなく非常に小型化されるので、極く容易に高密度に配
置することができる。
【００１１】本発明では、また、昇圧トランスは、セン
サに内蔵させないので、極低温にさらされてトランスコ
アの劣化が生ずるような事態を招来することがない上、
必要に応じて巻数比や材料等の仕様を極く容易に変更す
ることができ、種々の設計変更に柔軟に対応することが
できるという利点もある。
サに内蔵させないので、極低温にさらされてトランスコ
アの劣化が生ずるような事態を招来することがない上、
必要に応じて巻数比や材料等の仕様を極く容易に変更す
ることができ、種々の設計変更に柔軟に対応することが
できるという利点もある。
【００１２】さらに、本発明によると、２つのトランス
を使用するものと比べた場合、駆動回路の初段に単に常
温動作の昇圧トランスを１つ用いるだけで、２つのトラ
ンスのもつ機能を兼備することができるので、回路の設
計や機能についても種々の利点が得られる。例えば、両
トランスコイル間のマッチング等の問題をなくすことが
でき、しかも、単に電圧増幅させるだけでなく、後述す
るように、高周波変調成分を有効に通すハイパスフィル
タとしての機能をも付加することができる。
を使用するものと比べた場合、駆動回路の初段に単に常
温動作の昇圧トランスを１つ用いるだけで、２つのトラ
ンスのもつ機能を兼備することができるので、回路の設
計や機能についても種々の利点が得られる。例えば、両
トランスコイル間のマッチング等の問題をなくすことが
でき、しかも、単に電圧増幅させるだけでなく、後述す
るように、高周波変調成分を有効に通すハイパスフィル
タとしての機能をも付加することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】図２には、本発明の一実施例によ
る磁気センサ用電圧増幅回路の概略的ブロック図が示さ
れている。磁気センサ１は、ＳＱＵＩＤ素子１１及びフ
ィードバックコイル１２を備えており、電圧増幅回路２
は、電流バイアス回路２１、昇圧増幅回路２２及び信号
処理回路２３を備えている。
る磁気センサ用電圧増幅回路の概略的ブロック図が示さ
れている。磁気センサ１は、ＳＱＵＩＤ素子１１及びフ
ィードバックコイル１２を備えており、電圧増幅回路２
は、電流バイアス回路２１、昇圧増幅回路２２及び信号
処理回路２３を備えている。
【００１４】ＳＱＵＩＤ素子１１は、例えば、レーザ蒸
着法によってＳr Ｔi Ｏ3 製の基板上にＨo Ｂa Ｃu Ｏ
の薄膜を形成した酸化物系の高温超電導ＳＱＵＩＤであ
る。ＳＱＵＩＤ素子の心臓部である超電導接合は、例え
ば、基板の表面に 0.2ミクロンの段差を設け、その上に
超電導膜を成長させて形成したものである。このような
ＳＱＵＩＤ素子１１の性能は、例えば、地磁気の五千万
分の一程度という高い分解能をもっている。
着法によってＳr Ｔi Ｏ3 製の基板上にＨo Ｂa Ｃu Ｏ
の薄膜を形成した酸化物系の高温超電導ＳＱＵＩＤであ
る。ＳＱＵＩＤ素子の心臓部である超電導接合は、例え
ば、基板の表面に 0.2ミクロンの段差を設け、その上に
超電導膜を成長させて形成したものである。このような
ＳＱＵＩＤ素子１１の性能は、例えば、地磁気の五千万
分の一程度という高い分解能をもっている。
【００１５】このようなＳＱＵＩＤ素子１１は、磁気検
出素子として使用される場合、例えば、液体窒素中に置
かれて−１９６℃、即ち、７７Ｋの温度環境で動作する
ようになされ、これにフィードバックコイル１２が作動
的に付設される。このフィードバックコイルは、例え
ば、ＳＱＵＩＤ素子１１を取り囲むたった１ターンの導
体薄層からなり、センサ構造の簡単化に寄与している。
なお、フィードバックコイル１２は、信号処理回路２３
から励磁信号が与えられて、変調された所定の磁場及び
ＳＱＵＩＤ素子１１の出力電圧Ｖｄの検出結果に基づく
フィードバック磁場をＳＱＵＩＤ素子１１に与えるよう
になっている。
出素子として使用される場合、例えば、液体窒素中に置
かれて−１９６℃、即ち、７７Ｋの温度環境で動作する
ようになされ、これにフィードバックコイル１２が作動
的に付設される。このフィードバックコイルは、例え
ば、ＳＱＵＩＤ素子１１を取り囲むたった１ターンの導
体薄層からなり、センサ構造の簡単化に寄与している。
なお、フィードバックコイル１２は、信号処理回路２３
から励磁信号が与えられて、変調された所定の磁場及び
ＳＱＵＩＤ素子１１の出力電圧Ｖｄの検出結果に基づく
フィードバック磁場をＳＱＵＩＤ素子１１に与えるよう
になっている。
【００１６】磁気センサ１を駆動しＳＱＵＩＤ素子１１
が発生する出力電圧Ｖｄを表す電圧検出信号を処理する
ための電圧増幅回路２は、前述の回路２１〜２３によっ
て、「ＦＬＬ方式」と通称される磁束変調型磁束ロック
方式のセンサ回路を形成する電子回路である。電流バイ
アス回路２１は、例えば、１ｋヘルツの比較的低い周波
数ｆ1 をもつ交流バイアス電流、或いは、所定の直流バ
イアス電流を発生し、ＳＱＵＩＤ素子に供給する。ま
た、昇圧増幅回路２２はＳＱＵＩＤからの電圧検出信号
（Ｖｄ）を昇圧し且つ増幅する。そして、この増幅信号
を処理する信号処理回路２３は、変調信号用発振回路２
３Ｍ、位相検波回路２３Ｄ、フィードバック積分増幅回
路２３Ｆ等を備えている。
が発生する出力電圧Ｖｄを表す電圧検出信号を処理する
ための電圧増幅回路２は、前述の回路２１〜２３によっ
て、「ＦＬＬ方式」と通称される磁束変調型磁束ロック
方式のセンサ回路を形成する電子回路である。電流バイ
アス回路２１は、例えば、１ｋヘルツの比較的低い周波
数ｆ1 をもつ交流バイアス電流、或いは、所定の直流バ
イアス電流を発生し、ＳＱＵＩＤ素子に供給する。ま
た、昇圧増幅回路２２はＳＱＵＩＤからの電圧検出信号
（Ｖｄ）を昇圧し且つ増幅する。そして、この増幅信号
を処理する信号処理回路２３は、変調信号用発振回路２
３Ｍ、位相検波回路２３Ｄ、フィードバック積分増幅回
路２３Ｆ等を備えている。
【００１７】変調信号用発振回路２３Ｍは、例えば、４
０ｋヘルツの比較的高い周波数ｆ0をもつ変調信号を発
生し、この変調信号に応じてフィードバックコイル１２
を励磁してＳＱＵＩＤ素子１１に所定の磁場を与える。
位相検波回路２３Ｄはこの変調信号に基づいて位相検波
を行う。そして、積分機能を有しリセットスイッチ２３
fsによりロック或いはリセットされるフィードバック積
分増幅回路２３Ｆは、フィードバック抵抗２３frを介し
て、出力電圧Ｖｄの検出結果に応じてフィードバックコ
イル１２を励磁してＳＱＵＩＤ素子１１にフィードバッ
ク磁場を与える。
０ｋヘルツの比較的高い周波数ｆ0をもつ変調信号を発
生し、この変調信号に応じてフィードバックコイル１２
を励磁してＳＱＵＩＤ素子１１に所定の磁場を与える。
位相検波回路２３Ｄはこの変調信号に基づいて位相検波
を行う。そして、積分機能を有しリセットスイッチ２３
fsによりロック或いはリセットされるフィードバック積
分増幅回路２３Ｆは、フィードバック抵抗２３frを介し
て、出力電圧Ｖｄの検出結果に応じてフィードバックコ
イル１２を励磁してＳＱＵＩＤ素子１１にフィードバッ
ク磁場を与える。
【００１８】このＦＬＬ方式の電子回路２は、よく知ら
れているように、零位法の技術を用いたものである。つ
まり、フィードバック積分増幅回路２３Ｆから電圧検出
信号（Ｖｄ）に応じた励磁信号をフィードバックコイル
１２にフィードバックすることによって、ＳＱＵＩＤ素
子１１に外部から印加される磁場を相殺するような磁場
をＳＱＵＩＤ素子１１にフィードバックし、ＳＱＵＩＤ
素子１１の動作点が磁場（Φ）−電圧（Ｖ）特性曲線の
谷（又は、山）の位置にロックされるように自動平衡さ
せる。それ故、フィードバック積分増幅回路２３Ｆから
出力される励磁信号はＳＱＵＩＤ素子１１に外部から印
加される磁場を表し、従って、このＦＬＬ回路の作用に
よって、電圧増幅回路２の出力計測端子２４に所望とす
る磁場計測信号Ｖφを得ることができる。
れているように、零位法の技術を用いたものである。つ
まり、フィードバック積分増幅回路２３Ｆから電圧検出
信号（Ｖｄ）に応じた励磁信号をフィードバックコイル
１２にフィードバックすることによって、ＳＱＵＩＤ素
子１１に外部から印加される磁場を相殺するような磁場
をＳＱＵＩＤ素子１１にフィードバックし、ＳＱＵＩＤ
素子１１の動作点が磁場（Φ）−電圧（Ｖ）特性曲線の
谷（又は、山）の位置にロックされるように自動平衡さ
せる。それ故、フィードバック積分増幅回路２３Ｆから
出力される励磁信号はＳＱＵＩＤ素子１１に外部から印
加される磁場を表し、従って、このＦＬＬ回路の作用に
よって、電圧増幅回路２の出力計測端子２４に所望とす
る磁場計測信号Ｖφを得ることができる。
【００１９】ここで、本発明では、上述した昇圧増幅回
路２２は、昇圧トランス（ステップアップトランス）２
２Ｔ及び電子的な増幅器回路２２Ａを備え、昇圧トラン
ス２２ＴによってＳＱＵＩＤ素子１１からの電圧検出信
号（Ｖｄ）を所定倍に増大させ、そして、増大された電
圧信号を増幅器回路２２Ａによって更に電子的に増幅し
て所要の処理用信号を得るようになっている。昇圧トラ
ンス２２Ｔは、例えば、フェライト磁芯に所定の巻数比
で１次及び２次コイルを巻いて構成され、この巻数比
は、ＳＱＵＩＤ素子１１や後段の増幅器回路の仕様に対
応して、例えば、数〜数百という値に選定される。
路２２は、昇圧トランス（ステップアップトランス）２
２Ｔ及び電子的な増幅器回路２２Ａを備え、昇圧トラン
ス２２ＴによってＳＱＵＩＤ素子１１からの電圧検出信
号（Ｖｄ）を所定倍に増大させ、そして、増大された電
圧信号を増幅器回路２２Ａによって更に電子的に増幅し
て所要の処理用信号を得るようになっている。昇圧トラ
ンス２２Ｔは、例えば、フェライト磁芯に所定の巻数比
で１次及び２次コイルを巻いて構成され、この巻数比
は、ＳＱＵＩＤ素子１１や後段の増幅器回路の仕様に対
応して、例えば、数〜数百という値に選定される。
【００２０】この昇圧トランス２２Ｔは、前述したよう
に、本発明者らによって、ＳＱＵＩＤ素子から離れたと
ころにしかも変動する常温下に置かれているにも拘わら
ず、トランス出力電圧の変動率乃至ノイズ含有率は無視
できる程度に小さく実用上全く問題がないことが確認さ
れている。
に、本発明者らによって、ＳＱＵＩＤ素子から離れたと
ころにしかも変動する常温下に置かれているにも拘わら
ず、トランス出力電圧の変動率乃至ノイズ含有率は無視
できる程度に小さく実用上全く問題がないことが確認さ
れている。
【００２１】その理由の一つについて考察すると、一般
に、抵抗成分による熱雑音は絶対温度の平方根に比例す
る。一方、従来技術によるトランス内蔵センサ構造で
は、少なくとも−２６９℃＝４Ｋで動作する通常のＳＱ
ＵＩＤが考慮されていたと考えられるのに対して、本発
明の酸化物系の高温超電導体ＳＱＵＩＤ素子１１は、−
１９６℃＝７７Ｋで動作する。それ故、ＳＱＵＩＤ素子
１１の出力電圧は、それ自体に、上記の通常ＳＱＵＩＤ
に比較しておよそ４倍〔（７７／４）1/2 ≒４〕の熱雑
音成分を既に含んでいるので、昇圧トランスは、素子か
ら離隔し且つ常温下にあっても、このような出力電圧に
対してノイズ源としてあまり影響を与えず、従って、昇
圧トランス２２Ｔが室温状態の駆動回路側にあっても有
効に機能することができるものと考えられる。
に、抵抗成分による熱雑音は絶対温度の平方根に比例す
る。一方、従来技術によるトランス内蔵センサ構造で
は、少なくとも−２６９℃＝４Ｋで動作する通常のＳＱ
ＵＩＤが考慮されていたと考えられるのに対して、本発
明の酸化物系の高温超電導体ＳＱＵＩＤ素子１１は、−
１９６℃＝７７Ｋで動作する。それ故、ＳＱＵＩＤ素子
１１の出力電圧は、それ自体に、上記の通常ＳＱＵＩＤ
に比較しておよそ４倍〔（７７／４）1/2 ≒４〕の熱雑
音成分を既に含んでいるので、昇圧トランスは、素子か
ら離隔し且つ常温下にあっても、このような出力電圧に
対してノイズ源としてあまり影響を与えず、従って、昇
圧トランス２２Ｔが室温状態の駆動回路側にあっても有
効に機能することができるものと考えられる。
【００２２】昇圧トランス２２Ｔは、また、単に電圧増
幅機能を有するだけでなく、回路定数を適当値に設定す
ることによって、高周波変調成分を有効に通すハイパス
フィルタとしての機能をも付加することができる。この
ハイパスフィルタ機能について説明してみよう。
幅機能を有するだけでなく、回路定数を適当値に設定す
ることによって、高周波変調成分を有効に通すハイパス
フィルタとしての機能をも付加することができる。この
ハイパスフィルタ機能について説明してみよう。
【００２３】磁束変調方式で信号処理を行う電圧増幅回
路２においては、変調信号用発振回路２３Ｍが発生する
変調信号の周波数成分ｆ0 を含むＳＱＵＩＤ素子１１の
出力電圧Ｖｄは、増幅回路２２において、昇圧トランス
２２Ｔで増大され、増幅器回路２２Ａでさらに増幅され
た後、信号処理回路２３に引き渡される。信号処理回路
２３では、位相検波器２３Ｄにて所要の周波数成分ｆ0
のみが取出されるようになっている。
路２においては、変調信号用発振回路２３Ｍが発生する
変調信号の周波数成分ｆ0 を含むＳＱＵＩＤ素子１１の
出力電圧Ｖｄは、増幅回路２２において、昇圧トランス
２２Ｔで増大され、増幅器回路２２Ａでさらに増幅され
た後、信号処理回路２３に引き渡される。信号処理回路
２３では、位相検波器２３Ｄにて所要の周波数成分ｆ0
のみが取出されるようになっている。
【００２４】ここで、電流バイアス回路２１が、例え
ば、前記周波数ｆ1 をもつ交流バイアス電流を発生する
ようになっており、ＳＱＵＩＤ素子１１にこの交流バイ
アス電流が印加される場合には、ＳＱＵＩＤ素子１１の
出力電圧Ｖｄに周波数成分ｆ1が含まれる。特に、この
交流バイアス電流が矩形波のときは、周波数成分ｆ1 だ
けでなく、その高調波成分ｎｆ1 も含まれる。このよう
な場合、周波数成分ｆ0のみを通し、周波数成分ｆ
1 を、さらには、その高調波成分ｎｆ1 をも除去するこ
とができると、実に有用である。この点、本発明では、
昇圧トランス２２Ｔの回路定数を適当値に設定すること
によって、このような高調波成分を除去することができ
る回路構成をとることができる。
ば、前記周波数ｆ1 をもつ交流バイアス電流を発生する
ようになっており、ＳＱＵＩＤ素子１１にこの交流バイ
アス電流が印加される場合には、ＳＱＵＩＤ素子１１の
出力電圧Ｖｄに周波数成分ｆ1が含まれる。特に、この
交流バイアス電流が矩形波のときは、周波数成分ｆ1 だ
けでなく、その高調波成分ｎｆ1 も含まれる。このよう
な場合、周波数成分ｆ0のみを通し、周波数成分ｆ
1 を、さらには、その高調波成分ｎｆ1 をも除去するこ
とができると、実に有用である。この点、本発明では、
昇圧トランス２２Ｔの回路定数を適当値に設定すること
によって、このような高調波成分を除去することができ
る回路構成をとることができる。
【００２５】ここで、ＳＱＵＩＤ素子１１の内部抵抗を
Ｒｓ、ＳＱＵＩＤ素子１１及び昇圧トランス２２Ｔ間の
回路抵抗をＲｃ、昇圧トランス２２Ｔの内部抵抗をＲ
ｔ、そして、昇圧トランス２２Ｔのコイルインダクタン
スをＬｔとし、トランス内部抵抗Ｒｔが素子内部抵抗Ｒ
ｓ及び回路抵抗Ｒｃに比べて十分に小さいものとする
と、ＳＱＵＩＤ素子１１及び昇圧トランス２２Ｔを含む
回路は、図３の等価回路で表される。この等価回路にみ
られるように、昇圧トランス２２Ｔはハイパスフィルタ
の機能を果たすことができ、このハイパスフィルタの遮
断（カットオフ）周波数ｆc は、 ｆｃ＝（Ｒｓ＋Ｒｃ）／（２πＬｔ） （１） で表すことができることが分かる。従って、この（１）
式から、コイルインダクタンスＬｔは、 Ｌｔ＝（Ｒｓ＋Ｒｃ）／（２πｆｃ） （２） で表される。
Ｒｓ、ＳＱＵＩＤ素子１１及び昇圧トランス２２Ｔ間の
回路抵抗をＲｃ、昇圧トランス２２Ｔの内部抵抗をＲ
ｔ、そして、昇圧トランス２２Ｔのコイルインダクタン
スをＬｔとし、トランス内部抵抗Ｒｔが素子内部抵抗Ｒ
ｓ及び回路抵抗Ｒｃに比べて十分に小さいものとする
と、ＳＱＵＩＤ素子１１及び昇圧トランス２２Ｔを含む
回路は、図３の等価回路で表される。この等価回路にみ
られるように、昇圧トランス２２Ｔはハイパスフィルタ
の機能を果たすことができ、このハイパスフィルタの遮
断（カットオフ）周波数ｆc は、 ｆｃ＝（Ｒｓ＋Ｒｃ）／（２πＬｔ） （１） で表すことができることが分かる。従って、この（１）
式から、コイルインダクタンスＬｔは、 Ｌｔ＝（Ｒｓ＋Ｒｃ）／（２πｆｃ） （２） で表される。
【００２６】本発明では、上述の場合には、この遮断周
波数ｆc を、 ｆ0 ＞ｆｃ≫ｆ1 （３） となるように設定して昇圧トランス２２Ｔの所望コイル
インダクタンス値Ｌｔを選定する。上述のｆ0 ＝40ｋＨ
z 、ｆ1 ＝１ｋＨz の場合、（３）式に基づいて、例え
ば、ｆｃ＝10ｋＨz に設定するものとするときは、この
周波数数値及び所与の各抵抗値Ｒｓ，Ｒｃから、（２）
式により所望のコイルインダクタンス値Ｌｔが得られ
る。
波数ｆc を、 ｆ0 ＞ｆｃ≫ｆ1 （３） となるように設定して昇圧トランス２２Ｔの所望コイル
インダクタンス値Ｌｔを選定する。上述のｆ0 ＝40ｋＨ
z 、ｆ1 ＝１ｋＨz の場合、（３）式に基づいて、例え
ば、ｆｃ＝10ｋＨz に設定するものとするときは、この
周波数数値及び所与の各抵抗値Ｒｓ，Ｒｃから、（２）
式により所望のコイルインダクタンス値Ｌｔが得られ
る。
【００２７】なお、このような昇圧トランス２２Ｔのハ
イパスフィルタ機能は、ＳＱＵＩＤ素子１１からの出力
電圧Ｖｄに変調信号周波数ｆ0 より十分低い低周波数ノ
イズが含まれるとき、このノイズに対して有効である。
従って、電流バイアス回路２１が上述のように交流バイ
アス電流（周波数ｆ1 ）を発生する交流バイアスの場合
に限らず、直流バイアスの場合にも、出力電圧Ｖｄに含
まれる別の低周波ノイズに対してこの機能が有効に作用
する。
イパスフィルタ機能は、ＳＱＵＩＤ素子１１からの出力
電圧Ｖｄに変調信号周波数ｆ0 より十分低い低周波数ノ
イズが含まれるとき、このノイズに対して有効である。
従って、電流バイアス回路２１が上述のように交流バイ
アス電流（周波数ｆ1 ）を発生する交流バイアスの場合
に限らず、直流バイアスの場合にも、出力電圧Ｖｄに含
まれる別の低周波ノイズに対してこの機能が有効に作用
する。
【００２８】以上の説明からも分かるように、本発明に
よると、磁気センサの設計製造にあたって、狭小で極低
温のセンサに昇圧トランスを内蔵することによる種々の
制約から開放されるので、取扱いが容易で廉価な磁気セ
ンサ装置を提供することができる。図４には、このよう
な特徴を利用して本発明による電圧増幅回路を前述した
特許出願「磁気センサ駆動回路装置」のセンサ回路に適
用した場合の一回路構成例が概略ブロック図で示されて
いる。この例においても、既に述べた数々の利点が活か
される。
よると、磁気センサの設計製造にあたって、狭小で極低
温のセンサに昇圧トランスを内蔵することによる種々の
制約から開放されるので、取扱いが容易で廉価な磁気セ
ンサ装置を提供することができる。図４には、このよう
な特徴を利用して本発明による電圧増幅回路を前述した
特許出願「磁気センサ駆動回路装置」のセンサ回路に適
用した場合の一回路構成例が概略ブロック図で示されて
いる。この例においても、既に述べた数々の利点が活か
される。
【００２９】なお、図４の回路は、ＳＱＵＩＤ素子１１
を磁気計測用センサとして駆動し磁場計測信号Ｖφを得
て磁場計測を行うためのセンサ回路、及び、電圧信号Ｖ
の外に「ｉ／φ」で示される切替操作に応答して磁場信
号Φ又は電流信号Ｉを得てＳＱＵＩＤ素子１１のΦ−Ｖ
特性やＩ−Ｖ特性等の特性評価を行うための評価回路を
主要素としている。この回路では、フィードバックコイ
ル１２が評価回路動作時にはこれらの特性評価用の磁場
を与えるコイルに兼用されている。この回路の主たる機
能は、動作切替操作に応答する計測／評価切替回路によ
って各回路の電源自体を完全に制御してどちらかの回路
が確実に動作することができるようにしたものである
が、その詳細については、上記特許出願を参照された
い。
を磁気計測用センサとして駆動し磁場計測信号Ｖφを得
て磁場計測を行うためのセンサ回路、及び、電圧信号Ｖ
の外に「ｉ／φ」で示される切替操作に応答して磁場信
号Φ又は電流信号Ｉを得てＳＱＵＩＤ素子１１のΦ−Ｖ
特性やＩ−Ｖ特性等の特性評価を行うための評価回路を
主要素としている。この回路では、フィードバックコイ
ル１２が評価回路動作時にはこれらの特性評価用の磁場
を与えるコイルに兼用されている。この回路の主たる機
能は、動作切替操作に応答する計測／評価切替回路によ
って各回路の電源自体を完全に制御してどちらかの回路
が確実に動作することができるようにしたものである
が、その詳細については、上記特許出願を参照された
い。
【図１】従来技術によるＳＱＵＩＤ用電圧増幅回路を示
す図。
す図。
【図２】本発明の一実施例によるＳＱＵＩＤ用電圧増幅
回路の概略的回路ブロック図を示す図。
回路の概略的回路ブロック図を示す図。
【図３】図２の電圧検出信号入力部の等価回路を示す
図。
図。
【図４】本発明によるＳＱＵＩＤ用電圧増幅回路の一応
用例を示す図。
用例を示す図。
Ｓ，１ ＳＱＵＩＤセンサ、 Ｅ，１１ ＳＱＵＩＤ素子、 ＦＣ，１２ フィードバックコイル、 ＳＡ 第１トランスＴ１、第２トランスＴ２及び増幅器
Ａより成る増幅手段、 ＤＰ 電流バイアス源Ｂ、位相検波器ＰＤ、変調周波数
発振器Ｍ、フィードバック増幅器ＦＡ等を備えた駆動処
理回路、 ２ 電圧増幅回路 ２１ 電流バイアス回路、 ２２ 昇圧増幅回路、 ２２Ｔ 素子出力電圧Ｖｄを受ける昇圧トランス、 ２２Ａ 電子的な増幅器回路、 ２３ 信号処理回路。 ２３Ｄ 位相検波回路、 ２３Ｍ 変調信号用発振回路、 ２３Ｆ フィードバック積分増幅回路、 ２３fs リセットスイッチ、 ２３fr フィードバック抵抗。
Ａより成る増幅手段、 ＤＰ 電流バイアス源Ｂ、位相検波器ＰＤ、変調周波数
発振器Ｍ、フィードバック増幅器ＦＡ等を備えた駆動処
理回路、 ２ 電圧増幅回路 ２１ 電流バイアス回路、 ２２ 昇圧増幅回路、 ２２Ｔ 素子出力電圧Ｖｄを受ける昇圧トランス、 ２２Ａ 電子的な増幅器回路、 ２３ 信号処理回路。 ２３Ｄ 位相検波回路、 ２３Ｍ 変調信号用発振回路、 ２３Ｆ フィードバック積分増幅回路、 ２３fs リセットスイッチ、 ２３fr フィードバック抵抗。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−268471（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−84020（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−311250（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−102559（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 33/00 - 33/18
Claims (5)
- 【請求項１】 磁気センサとして用いられ変調信号に基
づいて変調励磁を受けるＳＱＵＩＤ素子から出力される
電圧検出信号の増幅及び処理を行う磁気センサ用電圧増
幅回路において、 前記ＳＱＵＩＤ素子からの前記電圧検出信号を受けこの
信号を所定倍に昇圧する動作を常温にて行う昇圧トラン
ス、及び、この昇圧信号を増幅する電子的増幅回路を備
える電圧信号増幅手段と、 前記信号増幅手段からの増幅信号を前記変調信号に基づ
いて処理し磁場計測信号を出力する信号処理回路とを具
備することを特徴とする磁気センサ用電圧増幅回路。 - 【請求項２】 前記ＳＱＵＩＤ素子は、高温超電導体の
酸化物系ＳＱＵＩＤ素子であることを特徴とする請求項
１に記載の磁気センサ用電圧増幅回路。 - 【請求項３】 前記信号処理回路は、前記変調信号を発
生して前記ＳＱＵＩＤ素子に変調励磁を与えるための変
調信号源、この変調信号に基づいて前記増幅信号を検波
する位相検波回路、及び、この位相検波信号に基づいた
フィードバック励磁を前記ＳＱＵＩＤ素子に与えるため
のフィードバック増幅回路を備えることを特徴とする請
求項１又は２に記載の磁気センサ用電圧増幅回路。 - 【請求項４】 前記ＳＱＵＩＤ素子に交流乃至直流バイ
アス信号を与えるためのバイアス電流源を具備すること
を特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の磁気
センサ用電圧増幅回路。 - 【請求項５】 前記昇圧トランスは、前記変調周波数成
分を通すハイパスフィルタとして機能するように回路定
数が設定されることを特徴とする請求項１乃至４の何れ
か１項に記載の磁気センサ用電圧増幅回路。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8342804A JP3063654B2 (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | 磁気センサ用電圧増幅回路 |
| CA002223767A CA2223767A1 (en) | 1996-12-06 | 1997-12-04 | Voltage step up circuit for magnetometric sensor |
| EP97402956A EP0846958A3 (en) | 1996-12-06 | 1997-12-05 | Voltage step up circuit for magnetometric sensor |
| US08/986,566 US6043649A (en) | 1996-12-06 | 1997-12-05 | Magnetometric sensor using a voltage step up circuit and a SQUID element to measure a magnetic field |
| KR1019970066493A KR100514421B1 (ko) | 1996-12-06 | 1997-12-06 | 자기센서용전압증폭회로및자기센서동작회로 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8342804A JP3063654B2 (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | 磁気センサ用電圧増幅回路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10170617A JPH10170617A (ja) | 1998-06-26 |
| JP3063654B2 true JP3063654B2 (ja) | 2000-07-12 |
Family
ID=18356632
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8342804A Expired - Fee Related JP3063654B2 (ja) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | 磁気センサ用電圧増幅回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3063654B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4856915B2 (ja) | 2005-09-12 | 2012-01-18 | オンセミコンダクター・トレーディング・リミテッド | 磁気センサの励磁コイル駆動回路 |
| JP4856916B2 (ja) | 2005-09-12 | 2012-01-18 | オンセミコンダクター・トレーディング・リミテッド | 磁気センサの信号検出回路 |
-
1996
- 1996-12-06 JP JP8342804A patent/JP3063654B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10170617A (ja) | 1998-06-26 |
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