JP3063655B2 - Magnetic sensor element operation circuit - Google Patents
Magnetic sensor element operation circuitInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気センサ素子動
作回路、より詳細には、磁気検出素子として、ＳＱＵＩ
Ｄ（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
のための動作回路に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic sensor element operation circuit, and more particularly, to a SQUID as a magnetic detection element.
D (Superconducting Quantum Interference Device), especially so-called “high-temperature superconductor”
The present invention relates to an operation circuit for a magnetic sensor using an oxide-based SQUID formed by (1).
【０００２】[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（Ａ）し
た。2. Description of the Related Art SQUIDs are known as ultra-high sensitivity magnetic sensors capable of measuring extremely weak magnetic fields. When an oxide-based high-temperature superconductor is used for such a SQUID, the liquid nitrogen temperature (-1) is inexpensive and easy to handle.
96 ° C), which greatly simplifies handling compared to expensive and difficult to use systems using liquid helium (-269 ° C), medical diagnostics, non-destructive testing, food testing, geology Various applications such as inspections are expected to be developed and put to practical use, and applied research and development are being actively pursued. In order to contribute to such research and development, the present inventors have devised a “magnetic sensor drive circuit device” having both functions of magnetic field measurement and element characteristic evaluation, and already filed a patent on October 17, 1996. Filed (A).
【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に示すような構成が採用され
る。つまり、液体ヘリウム若しくは液体窒素が充填され
たＳＱＵＩＤセンサＳ内には、ＳＱＵＩＤ素子Ｅ、フィ
ードバックコイルＦＣ、及び、「超電導トランス」と呼
ばれる第１トランスＴ１が設けられる。これに対して、
駆動処理回路ＤＰ側には、バイアス電流源Ｂ、第２トラ
ンスＴ２、増幅器Ａ、位相検波器ＰＤ、フィードバック
増幅器ＦＡ、変調周波数発振器Ｍ等が設けられ、第１及
び第２トランスＴ１，Ｔ２並びに増幅器Ａから成る増幅
回路ＳＡで所要値にされたＳＱＵＩＤ出力電圧を処理
し、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。[0003] When the SQUID is used to measure an extremely weak magnetic field as described above, for example, a configuration as shown in FIG. 1 is employed in the prior art. That is, in the SQUID sensor S filled with liquid helium or liquid nitrogen, the SQUID element E, the feedback coil FC, and the first transformer T1 called “superconducting transformer” are provided. On the contrary,
The drive processing circuit DP includes a bias current source B, a second transformer T2, an amplifier A, a phase detector PD, a feedback amplifier FA, a modulation frequency oscillator M, and the like. The first and second transformers T1 and T2 and an amplifier are provided. The SQUID output voltage set to a required value is processed by the amplifier circuit SA composed of A, and a desired magnetic flux measurement signal Vφ representing an external magnetic field is obtained from the output of the feedback amplifier FA.
【０００４】ここで、バイアス電流源Ｂからのバイアス
電流信号は、バイアス電流入力端子ｔb1，ｔb2を介して
ＳＱＵＩＤ素子Ｅに供給される。このＳＱＵＩＤ素子Ｅ
からは検出されるべき外部磁場に応答して微小な出力電
圧Ｖｄが発生され、このＳＱＵＩＤ出力電圧Ｖｄは、第
１トランスＴ１を経て一旦所要値に昇圧される。そし
て、昇圧された電圧信号は、検出電圧出力端子ｔd1，ｔ
d2を介して取り出され、第２トランスに与えられて絶縁
され且つ所望値に調整された後、増幅器Ａに供給され
る。つまり、ＳＱＵＩＤ素子Ｅに対して４つの信号入出
力端子ｔb1，ｔb2；ｔd1，ｔd2を介して信号授受が行わ
れる。また、フィードバック増幅器ＦＡからのフィード
バック信号に発振器Ｍの変調周波数信号を重畳したフィ
ードバック励磁信号は、フィードバック励磁入力端子ｔ
f1，ｔf2を介してフィードバックコイルＦＣに供給され
るから、センサＳ全体に対しては、さらに、２つの端子
ｔf1，ｔf2が必要とされて、合計６つの信号入出力端子
を備えることになる。Here, the bias current signal from the bias current source B is supplied to the SQUID element E via the bias current input terminals t b1 and t b2 . This SQUID element E
Generates a small output voltage Vd in response to an external magnetic field to be detected, and this SQUID output voltage Vd is once boosted to a required value via the first transformer T1. Then, the boosted voltage signal is output to the detection voltage output terminals t d1 and t d1 .
It is taken out via d2, applied to a second transformer, insulated and adjusted to a desired value, and then supplied to an amplifier A. That is, signals are transmitted to and received from the SQUID element E via the four signal input / output terminals t b1 and t b2 ; t d1 and t d2 . Further, a feedback excitation signal obtained by superimposing the modulation frequency signal of the oscillator M on the feedback signal from the feedback amplifier FA is input to the feedback excitation input terminal t.
Since the signal is supplied to the feedback coil FC via f1 and tf2 , two terminals tf1 and tf2 are further required for the entire sensor S, and a total of six signal input / output terminals are provided. become.
【０００５】一方、上記従来技術のようにセンサＳ内に
第１トランスＴ１を組込む構造を採用した場合の種々の
不都合に対処するために、本発明者らは、さらに、ＳＱ
ＵＩＤ出力電圧の増幅手段を改良した「磁気センサ用電
圧増幅回路」を本願と同日付けの特許出願（Ｂ）で提案
している。ここで提案されている技術によると、図２に
概略的に示されるように昇圧増幅回路２２の昇圧要素と
して１つの昇圧トランス２２Ｔが室温下で用いられるの
で、センサ構造を簡単化することができる。しかしなが
ら、この先行技術によっても、やはり、ＳＱＵＩＤ素子
Ｅについては４つの端子が必要とされ、センサＳ全体で
は合計６つの信号入出力端子ｔb1，ｔb2；ｔd1，ｔd2；
ｔf1，ｔf2が備えられる。On the other hand, in order to cope with various inconveniences when employing a structure in which the first transformer T1 is incorporated in the sensor S as in the above-described prior art, the present inventors have further proposed a SQ.
A "magnetic sensor voltage amplifier circuit" having improved UID output voltage amplifying means is proposed in a patent application (B) filed on the same date as the present application. According to the technology proposed here, one boost transformer 22T is used at room temperature as a boost element of the boost amplifier circuit 22, as schematically shown in FIG. 2, so that the sensor structure can be simplified. . However, according to this prior art, four terminals are still required for the SQUID element E, and a total of six signal input / output terminals t b1 and t b2 ; t d1 and t d2 ;
t f1 and t f2 are provided.
【０００６】このように、従来技術及び先行技術におい
ては、何れも、ＳＱＵＩＤ素子に対して４つの信号入出
力端子が必要とされ、バイアス電流をＳＱＵＩＤ素子１
１に供給するために供される２つの端子ｔb1，ｔb2及び
ＳＱＵＩＤ素子からの検出電圧を駆動処理回路にに供給
するための２つの端子ｔd1，ｔd2の４つの端子が、夫
々、個別になった「４端子法」とも言うべき回路構成が
採られている。これに、フィードバック励磁端子ｔf1，
ｔf2を含めると、ＳＱＵＩＤセンサ全体で、６つもの信
号入出力端子が必要とされる。従って、ＳＱＵＩＤ素子
乃至ＳＱＵＩＤセンサと駆動処理回路との間の信号授受
動作を遂行するための配線の数が多く、また、これに対
応してＳＱＵＩＤセンサＳに充填された液体ヘリウム若
しくは液体窒素の蒸発量も多いという欠点がある。As described above, in both the prior art and the prior art, four signal input / output terminals are required for the SQUID element, and the bias current is reduced by the SQUID element 1.
The two terminals t b1 , t b2 provided to supply the signal to the power supply 1 and the two terminals t d1 , t d2 to supply the detection voltage from the SQUID element to the drive processing circuit are respectively A circuit configuration that can be called an individual “four-terminal method” is adopted. The feedback excitation terminal t f1 ,
When t f2 is included, as many as six signal input / output terminals are required for the entire SQUID sensor. Therefore, the number of wirings for performing the signal transmission / reception operation between the SQUID element or the SQUID sensor and the drive processing circuit is large, and the liquid helium or liquid nitrogen filled in the SQUID sensor S is correspondingly evaporated. There is a disadvantage that the amount is large.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】本発明の主たる目的
は、上記した欠点を解消することができる磁気センサ素
子動作回路を提供することにある。すなわち、本発明
は、磁気センサとして用いられるＳＱＵＩＤ素子にバイ
アス電流を与えこのＳＱＵＩＤ素子から出力される電圧
を受けるための動作回路を改良することによって、電流
電圧信号授受のための配線数を減少すると共に、ＳＱＵ
ＩＤ素子を冷却する液体ヘリウム若しくは液体窒素のよ
うな冷却媒体の蒸発量を減らすようにしようとするもの
である。SUMMARY OF THE INVENTION It is a main object of the present invention to provide a magnetic sensor element operation circuit which can solve the above-mentioned disadvantages. That is, the present invention reduces the number of wirings for transmitting and receiving a current-voltage signal by improving an operation circuit for applying a bias current to a SQUID element used as a magnetic sensor and receiving a voltage output from the SQUID element. Together with SKU
It is intended to reduce the amount of evaporation of a cooling medium such as liquid helium or liquid nitrogen for cooling the ID element.
【０００８】[0008]
【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るＳＱＵＩＤ素子に
バイアス電流を供給するためのバイアス電流源及びこの
ＳＱＵＩＤ素子から出力される電圧を増幅するための昇
圧トランスを備えた磁気センサ素子動作回路において、
前記バイアス電流源は、ＳＱＵＩＤ素子の両端に夫々接
続される２つの端子に電気的に接続され、前記昇圧トラ
ンスは、前記２つの端子の間に直列抵抗を介して電気的
に接続され、前記直列抵抗は該昇圧トランスの磁芯が飽
和しないような値に選定されることによって解決され
る。According to the present invention, there is provided a bias current source for supplying a bias current to a SQUID element used as a magnetic sensor and a method for amplifying a voltage output from the SQUID element. In a magnetic sensor element operation circuit having a step-up transformer,
The bias current source is electrically connected to two terminals respectively connected to both ends of the SQUID element, and the step-up transformer is electrically connected between the two terminals via a series resistor. The resistance can be solved by selecting a value such that the core of the step-up transformer does not saturate.
【０００９】本発明に従うと、駆動回路側に１つの昇圧
トランスを設けると共に、この昇圧トランスに抵抗を直
列接続することによって、昇圧トランスの磁芯飽和を回
避して有効に増幅された所望のＳＱＵＩＤ出力電圧を得
ることができる。そして、このような簡便な回路的手法
によって、ＳＱＵＩＤ素子への配線の数が半減し、従っ
て、このような配線数低減に相応して、ＳＱＵＩＤ素子
を冷却する液体ヘリウム若しくは液体窒素のような冷却
媒体の蒸発量を低減させ且つ冷却効率を高めるという大
きな利点が得られる。According to the present invention, a single boosting transformer is provided on the drive circuit side, and a resistor is connected in series with the boosting transformer, thereby avoiding magnetic core saturation of the boosting transformer and thereby effectively amplifying the desired SQUID. Output voltage can be obtained. Then, the number of wirings to the SQUID element is reduced by half by such a simple circuit method, and accordingly, a cooling such as liquid helium or liquid nitrogen for cooling the SQUID element is corresponding to such reduction in the number of wirings. The great advantage of reducing the evaporation of the medium and increasing the cooling efficiency is obtained.
【００１０】ＳＱＵＩＤ素子から成るセンサを用いて極
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ＳＱ
ＵＩＤ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ＳＱＵＩＤ磁気センサに昇圧トランスを内蔵せ
ず、しかも配線数を低減するので、前記先行技術と同様
にセンサ構造の簡単化等の諸効果を奏することができる
上、マルチチャネル化されたシステムを更に容易に実現
するのに貢献する。At the practical stage of measuring the distribution state of an extremely weak magnetic field using a sensor comprising a SQUID element,
Dozens to hundreds, or thousands of SQs depending on the application
The UID sensor is arranged in a small area to be measured, and outputs from many sensors are processed in a multi-channel manner. In such a case, according to the present invention, since a large number of SQUID magnetic sensors do not include a step-up transformer and the number of wirings is reduced, various effects such as simplification of the sensor structure and the like can be obtained as in the prior art. In addition to being able to perform, it contributes to realizing a multi-channel system more easily.
【００１１】[0011]
【発明の実施の形態】図３には、本発明の一実施例によ
る磁気センサ素子動作回路の概略的ブロック図が示され
ている。磁気センサ１には、ＳＱＵＩＤ素子１１及びフ
ィードバックコイル１２が設けられ、駆動処理回路２に
は、電流バイアス回路２１、昇圧トランス（ステップア
ップトランス）２２Ｔを備えた昇圧増幅回路２２及び信
号処理回路２３が設けられる。この駆動処理回路２は、
磁気センサ１と信号授受を行うために、信号入出力端子
ｔ1 、基準電位端子ｔ0 及びフィードバック励磁端子ｔ
2 を有している。基準電位端子ｔ0 は、少なくとも、電
流バイアス回路２１の電流出力端、昇圧トランス２２Ｔ
の１次電圧入力端及び信号処理回路２３のフィードバッ
ク段の出力端の各一方端に電気的に共通接続され、これ
ら各一方端には、共通の基準電位（接地電位乃至基板電
位）が与えられるようになっている（回路２１，２３に
ついては、図３に詳記されていない。）。FIG. 3 is a schematic block diagram showing a magnetic sensor element operation circuit according to an embodiment of the present invention. The magnetic sensor 1 is provided with a SQUID element 11 and a feedback coil 12, and the drive processing circuit 2 includes a current bias circuit 21, a step-up amplifier 22 having a step-up transformer (step-up transformer) 22T, and a signal processing circuit 23. Provided. This drive processing circuit 2
In order to exchange signals with the magnetic sensor 1, a signal input / output terminal t 1 , a reference potential terminal t 0, and a feedback excitation terminal t
Has two . The reference potential terminal t 0 is connected to at least the current output terminal of the current bias circuit 21 and the step-up transformer 22T.
Are electrically connected to one end of the primary voltage input terminal and one end of the output terminal of the feedback stage of the signal processing circuit 23, and a common reference potential (ground potential or substrate potential) is applied to each one end. (The circuits 21 and 23 are not described in detail in FIG. 3).
【００１２】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。そして、こ
のＳＱＵＩＤ素子１１は、信号ケーブル等の配線導体を
介して信号入出力端子ｔ1 と基準電位端子ｔ0 との間に
電気的に接続される。The SQUID element 11 is formed, for example, on a substrate made of SrTiO 3 by a laser vapor deposition method.
This is an oxide-based high-temperature superconducting SQUID having a thin film formed thereon. The superconducting junction, which is the heart of the SQUID element, is formed, for example, by providing a step of 0.2 μm on the surface of a substrate and growing a superconducting film thereon. The performance of such a SQUID element 11 has, for example, a high resolution of about 1 / 50,000,000 of the geomagnetism. Then, the SQUID element 11 is electrically connected between the signal input and output terminals t 1 and the reference potential terminal t 0 through wiring conductors such as signal cables.
【００１３】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、冷却媒体である
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
与しており、その一端は、図示の例の場合、ＳＱＵＩＤ
素子１１の一端と電気的に接続されて共通の電位が与え
られるようになっている。フィードバックコイル１２
は、磁気検出素子と信号ケーブル等の配線導体を介して
フィードバック励磁端子ｔ2 と基準電位端子ｔ0 との間
に電気的に接続される。そして、両端子ｔ2 ，ｔ0 間に
信号処理回路２３のフィードバック段から励磁信号が与
えられ、この励磁信号に対応する磁場がＳＱＵＩＤ素子
１１に与られるようになっている。When such a SQUID element 11 is used as a magnetic detecting element, it is operated in a temperature environment of -196.degree. A feedback coil 12 is operatively attached thereto. This feedback coil is made of, for example, a single-turn thin conductor layer surrounding the SQUID element 11 and contributes to simplification of the sensor structure. One end of the feedback coil is a SQUID in the illustrated example.
It is electrically connected to one end of the element 11 so that a common potential is applied. Feedback coil 12
Is electrically connected between the feedback excitation terminal t 2 and the reference potential terminal t 0 via a magnetic detection element and a wiring conductor such as a signal cable. An excitation signal is supplied from a feedback stage of the signal processing circuit 23 between the two terminals t 2 and t 0 , and a magnetic field corresponding to the excitation signal is applied to the SQUID element 11.
【００１４】磁気センサ１を駆動すると共にＳＱＵＩＤ
素子出力電圧Ｖｄを表す電圧検出信号を処理するための
駆動処理回路２は、前述の回路２１〜２３によって「Ｆ
ＬＬ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。Driving the magnetic sensor 1 and SQUID
The drive processing circuit 2 for processing the voltage detection signal representing the element output voltage Vd has “F” by the circuits 21 to 23 described above.
This is an electronic circuit that forms a sensor circuit of a magnetic flux modulation type magnetic flux lock system commonly called an “LL system”.
【００１５】電流バイアス回路２１は、２つの電流出力
端（１つは図示せず）が信号入出力端子ｔ1 及び基準電
位端子ｔ0 に電気的に接続される。この回路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、両端子ｔ1 ，ｔ0 を介してＳＱＵＩＤ素子１１に供
給する。The current bias circuit 21 has two current output terminals (one not shown) electrically connected to a signal input / output terminal t 1 and a reference potential terminal t 0 . The circuit 21 generates, for example, an AC bias current having a relatively low frequency f 1 of 1 kHz or a predetermined DC bias current, and supplies it to the SQUID element 11 via both terminals t 1 and t 0 .
【００１６】また、昇圧増幅回路２２は、昇圧トランス
２２Ｔ並びに電子的な増幅器回路２２Ａを備えている。
この昇圧トランス２２Ｔの１次電圧入力端には、ＳＱＵ
ＩＤ素子１１側の内部抵抗もしくは配線のケーブル抵抗
に相応し、トランス通流電流が磁芯を飽和しないように
選定された比較的低い値、例えば、１Ω程度の抵抗値を
有する直列抵抗２２Ｒを介して、これ又、信号入出力端
子ｔ1 及び基準電位端子ｔ0 に電気的に接続される。こ
の回路２２は、両端子ｔ1 ，ｔ0 から抵抗２２Ｒを介し
て与えられるＳＱＵＩＤ素子１１からの電圧検出信号
（Ｖｄ）を昇圧トランス２２Ｔによって所定倍に増大さ
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。The boosting amplifier circuit 22 includes a boosting transformer 22T and an electronic amplifier circuit 22A.
The SQUA is connected to the primary voltage input terminal of the step-up transformer 22T.
Via a series resistor 22R having a relatively low value corresponding to the internal resistance of the ID element 11 or the cable resistance of the wiring and selected so that the current flowing through the transformer does not saturate the magnetic core, for example, about 1Ω. Thus, it is also electrically connected to the signal input / output terminal t 1 and the reference potential terminal t 0 . This circuit 22 increases the voltage detection signal (Vd) from the SQUID element 11 supplied from both terminals t 1 and t 0 via the resistor 22 R by a predetermined amount by the step-up transformer 22 T, and outputs the increased voltage signal. The signal is further electronically amplified by the amplifier circuit 22A to obtain a required processing signal.
【００１７】昇圧増幅回路２２から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２３Ｍ、位
相検波回路２３Ｄ、フィードバック積分増幅回路２３Ｆ
等を備えており、フィードバック段の２つの出力端（１
つは図示せず）がフィードバック励磁端子ｔ2 及び基準
電位端子ｔ0 に電気的に接続される。そして、このフィ
ードバック段は、ＳＱＵＩＤ素子出力電圧Ｖｄの検出結
果に基づくフィードバック量に依存し且つ変調された励
磁信号を両端子ｔ2 ，ｔ0 間に供給する。The signal processing circuit 23 for processing the amplified signal from the boosting amplification circuit 22 includes a modulation signal oscillation circuit 23M, a phase detection circuit 23D, and a feedback integration amplification circuit 23F.
Etc., and two output terminals (1) of the feedback stage.
(Not shown) are electrically connected to the feedback excitation terminal t 2 and the reference potential terminal t 0 . The feedback stage supplies a modulated excitation signal between the two terminals t 2 and t 0 depending on the feedback amount based on the detection result of the SQUID element output voltage Vd.
【００１８】信号処理回路２３においては、信号変調信
号用発振回路２３Ｍが、例えば、４０ｋヘルツの比較的
高い周波数ｆ0 をもつ変調信号を発生し、フィードバッ
ク励磁端子ｔ2 及び基準電位端子ｔ0 を介してこの変調
信号に応じてフィードバックコイル１２を励磁し、ＳＱ
ＵＩＤ素子１１に変調された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２３fs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及び両端子
ｔ2 ，ｔ0 を介し、出力電圧Ｖｄの検出結果に基づくフ
ィードバック量でフィードバックコイル１２を励磁し、
ＳＱＵＩＤ素子１１に与える磁場をこのフィードバック
量に依存的にする。In the signal processing circuit 23, a signal modulation signal oscillating circuit 23M generates a modulation signal having a relatively high frequency f 0 of, for example, 40 kHz, and connects the feedback excitation terminal t 2 and the reference potential terminal t 0 to each other. The feedback coil 12 is excited according to the modulation signal through the
A predetermined modulated magnetic field is applied to the UID element 11. The phase detection circuit 23D performs phase detection based on the modulated signal. Then, the feedback integrating amplifier circuit 23F is locked or reset by a reset switch 23fs has an integration function, via a feedback resistor 23fr and both terminals t 2, t 0, the feedback coil in a feedback amount based on the detection result of the output voltage Vd To excite 12,
The magnetic field applied to the SQUID element 11 is made dependent on this feedback amount.
【００１９】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、駆動処理回路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。As is well known, the FLL type electronic circuit 2 uses a null method technique. That is, by feeding back the excitation signal corresponding to the voltage detection signal (Vd) from the feedback integration amplifier circuit 23F to the feedback coil 12, a magnetic field that cancels out the magnetic field externally applied to the SQUID element 11 is applied to the SQUID element 11. Feedback, SQUID
The device 11 is automatically balanced so that the operating point of the device 11 is locked at the position of the valley (or peak) of the magnetic field (Φ) -voltage (V) characteristic curve. Therefore, the excitation signal output from the feedback integration amplifier circuit 23F indicates a magnetic field applied to the SQUID element 11 from the outside, and therefore, the output measurement terminal 24 of the drive processing circuit 2 is desired by the action of the FLL circuit. The magnetic field measurement signal Vφ can be obtained.
【００２０】なお、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。この昇圧トランス２２Ｔは、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
が、昇圧トランス２２Ｔの採用による種々の詳細な機能
については、前記特許出願（Ｂ）を参照されたい。The step-up transformer 22T is formed by winding a primary coil and a secondary coil around a ferrite core at a predetermined turn ratio, for example, and the turn ratio corresponds to the specifications of the SQUID element 11 and the amplifier circuit at the subsequent stage. Then, for example, a value of several to several hundred is selected. The step-up transformer 22T has a fluctuating rate or a noise content rate of the transformer output voltage which is negligible by the present inventors, despite the fact that the step-up transformer 22T is located at a distance from the SQUID element and at fluctuating room temperature. Although it has been confirmed that there is no problem in practical use, please refer to the aforementioned patent application (B) for various detailed functions by adopting the step-up transformer 22T.
【００２１】本発明による動作回路では、上述したよう
に、電流バイアス回路２１の電流出力端が、信号入出力
端子ｔ1 及び基準電位端子ｔ0 を介して、ＳＱＵＩＤ素
子１１の両端に電気的に接続され、両端子ｔ1 ，ｔ0 に
は、抵抗２２Ｒを介して昇圧トランス２２Ｔの１次電圧
入力端が電気的に接続される。つまり、電流バイアス回
路２１からのバイアス電流をＳＱＵＩＤ素子１１に供給
するために供される２つの端子ｔ1 ，ｔ0 が、ＳＱＵＩ
Ｄ素子１１から発生される出力電圧を昇圧トランス２２
Ｔに供給するための端子として共用される「２端子法」
とも言うべき回路構成が採られる。In the operation circuit according to the present invention, as described above, the current output terminal of the current bias circuit 21 is electrically connected to both ends of the SQUID element 11 via the signal input / output terminal t 1 and the reference potential terminal t 0. The primary voltage input terminal of the step-up transformer 22T is electrically connected to both terminals t 1 and t 0 via the resistor 22R. That is, the two terminals t 1 and t 0 provided to supply the bias current from the current bias circuit 21 to the SQUID element 11 are connected to the SQUID.
The output voltage generated from the D element 11 is
"Two-terminal method" commonly used as a terminal for supplying to T
A circuit configuration that can be said to be employed is adopted.
【００２２】図４は、本発明による２端子法で構成した
動作回路によって、電流バイアス回路２１から所望の電
流バイアスをＳＱＵＩＤ素子２１に有効に与え、しか
も、トランス２２Ｔからは、ＳＱＵＩＤ素子出力電圧を
有効に増幅した所望の電圧成分が有効に採り出されるこ
とができることを説明するための図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing an operation circuit constructed by the two-terminal method according to the present invention, in which a current bias circuit 21 effectively applies a desired current bias to a SQUID element 21, and a transformer 22T outputs an SQUID element output voltage. FIG. 9 is a diagram for explaining that a desired voltage component that has been effectively amplified can be effectively extracted.
【００２３】図４（ａ）には、前記先行技術の回路（図
２）において、ＳＱＵＩＤ素子Ｅに対するバイアス電流
入力端子ｔb1，ｔb2及び検出電圧出力端子ｔd1，ｔ
d2を、夫々、共通に対応する入出力端子ｔ'1，ｔ'0とし
て纏め、単純に４端子から２端子に変換した場合の等価
回路が示されている。ここで、Ｒｂは、入出力端子
ｔ'1，ｔ'0間の電流バイアス回路２１の内部抵抗値及び
配線導体回路抵抗値を合計したバイアス側回路抵抗（例
えば、１ｋΩ程度）を示し、Ｒｓは、同入出力端子
ｔ'1，ｔ'0間の配線導体（信号ケーブル）の内部抵抗値
（例えば、１〜５Ω程度）であるセンサ側回路抵抗を示
し、そして、Ｒｔは、同入出力端子ｔ'1，ｔ'0間の昇圧
トランス２２Ｔの内部抵抗値及び配線回路抵抗値を合計
したトランス側回路抵抗（殆ど零に近い）を示す。な
お、トランス側回路抵抗Ｒｔは、内部抵抗値Ｒｓに比べ
て十分に小さい。FIG. 4 (a) shows the bias current input terminals t b1 and t b2 and the detection voltage output terminals t d1 and t d for the SQUID element E in the prior art circuit (FIG. 2).
An equivalent circuit in the case where d2 is collectively referred to as input / output terminals t ′ 1 and t ′ 0 corresponding to each other and simply converted from four terminals to two terminals is shown. Here, Rb indicates a bias-side circuit resistance (for example, about 1 kΩ) obtained by adding the internal resistance value and the wiring conductor circuit resistance value of the current bias circuit 21 between the input / output terminals t ′ 1 and t ′ 0 , and Rs indicates Represents the sensor-side circuit resistance which is the internal resistance value (for example, about 1 to 5Ω) of the wiring conductor (signal cable) between the input / output terminals t ′ 1 and t ′ 0 , and Rt denotes the input / output terminal The transformer-side circuit resistance (almost zero) is the sum of the internal resistance value and the wiring circuit resistance value of the step-up transformer 22T between t ′ 1 and t ′ 0 . Note that the transformer-side circuit resistance Rt is sufficiently smaller than the internal resistance value Rs.
【００２４】図４（ａ）の等価回路において、トランス
側内部抵抗値Ｒｔはセンサ側内部抵抗値Ｒｓに比べて十
分に小さいので、バイアス電流回路２１からの電流は、
殆ど昇圧トランス２２Ｔ側に通流する。その結果とし
て、昇圧トランス２２Ｔは、磁芯材の磁化特性曲線の飽
和領域に入ってしまい、ＳＱＵＩＤ素子出力電圧を有効
に増幅することができない。In the equivalent circuit shown in FIG. 4A, the transformer-side internal resistance Rt is sufficiently smaller than the sensor-side internal resistance Rs.
It almost flows to the step-up transformer 22T side. As a result, the step-up transformer 22T enters the saturation region of the magnetization characteristic curve of the magnetic core material, and cannot effectively amplify the output voltage of the SQUID element.
【００２５】これに対し、図４（ｂ）には、本発明によ
る動作回路（図３）の等価回路が示されている。ここ
で、Ｒｂ，Ｒｓ，Ｒｔは、図４（ａ）と同様、入出力端
子ｔ1及び基準電位端子ｔ0 から、夫々、電流バイアス
回路２１側、ＳＱＵＩＤ素子１１側及び昇圧トランス２
２Ｔ側をみたバイアス側、センサ側及びトランス側の各
回路抵抗を示し、Ｒｒは、昇圧トランス２２Ｔの１次回
路に介挿された直列抵抗２２Ｒの抵抗値を表す制限抵抗
を示す。FIG. 4B shows an equivalent circuit of the operation circuit (FIG. 3) according to the present invention. Here, Rb, Rs, and Rt are supplied from the input / output terminal t 1 and the reference potential terminal t 0 to the current bias circuit 21 side, the SQUID element 11 side, and the step-up transformer 2, respectively, as in FIG.
Each of the circuit resistances on the bias side, the sensor side, and the transformer side with respect to the 2T side is shown, and Rr is a limiting resistance representing the resistance value of the series resistor 22R inserted in the primary circuit of the step-up transformer 22T.
【００２６】図４（ｂ）の等価回路においては、昇圧ト
ランス２２Ｔの回路に、センサ側回路抵抗Ｒｂに対応し
てトランス磁芯を飽和させないような値に選定された制
限抵抗Ｒｒが介挿されることになるので、バイアス電流
回路２１からの電流は、ＳＱＵＩＤ素子１１及び昇圧ト
ランス２２Ｔに適度に分流され、昇圧トランス２２に
は、トランス磁芯を飽和させるような過大な電流が流れ
ない。従って、バイアス電流はＳＱＵＩＤ素子１１に効
果的に供給されると共に、昇圧トランス２２Ｔは、磁芯
が飽和することがなく、ＳＱＵＩＤ素子出力電圧を有効
に増幅することができる。In the equivalent circuit of FIG. 4B, a limiting resistor Rr selected to a value not to saturate the transformer core corresponding to the sensor-side circuit resistance Rb is inserted in the circuit of the step-up transformer 22T. Therefore, the current from the bias current circuit 21 is appropriately divided into the SQUID element 11 and the step-up transformer 22T, and no excessive current that saturates the transformer core flows through the step-up transformer 22. Accordingly, the bias current is effectively supplied to the SQUID element 11, and the step-up transformer 22T can effectively amplify the output voltage of the SQUID element without the magnetic core being saturated.
【００２７】フィードバックコイル１２への励磁信号に
ついては、技術上の理由から、基準電位端子ｔ0 とは独
立した図２の端子ｔf1，ｔf2のような２つの独立端子か
ら供給するようにすることもできる。しかしながら、フ
ィードバックコイル１２に励磁信号を供給するのに、図
３に例示されるように、基準電位端子ｔ0 を共用として
１つフィードバック励磁端子Ｔ2 を追加する構成にした
場合は、ＳＱＵＩＤセンサＳ全体でもたった３つの端子
をそなえるだけで、励磁信号供給機能を付加することが
できる。従って、この場合には、さらに配線数及び冷却
媒体蒸発量の低減効果を高めたＦＬＬ方式のセンサ動作
回路を実現することができる。The excitation signal to the feedback coil 12 is supplied from two independent terminals such as terminals t f1 and t f2 in FIG. 2 which are independent of the reference potential terminal t 0 for technical reasons. You can also. However, for supplying an excitation signal to the feedback coil 12, as illustrated in Figure 3, when the reference potential terminal t 0 to the configuration to add one feedback excitation terminal T 2 as sharing, SQUID sensor S The excitation signal supply function can be added only by providing only three terminals as a whole. Therefore, in this case, it is possible to realize a FLL-type sensor operation circuit in which the number of wires and the cooling medium evaporation amount are further reduced.
【図１】従来技術におけるＳＱＵＩＤ素子動作回路を示
す図。FIG. 1 is a diagram showing a SQUID element operation circuit according to the related art.
【図２】本発明に先行する技術によるＳＱＵＩＤ素子動
作回路を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a SQUID element operation circuit according to a technique prior to the present invention.
【図３】本発明の一実施例によるＳＱＵＩＤ素子動作回
路の概略的回路ブロック図を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a schematic circuit block diagram of a SQUID element operation circuit according to one embodiment of the present invention.
【図４】本発明による動作を説明するための等価回路を
示す図。FIG. 4 is a diagram showing an equivalent circuit for explaining an operation according to the present invention.
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のトランスＴ１、第２のトランス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 駆動処理回路 ２１ 電流バイアス回路、 ２２ 昇圧増幅回路、 ２２Ｒ 直列抵抗、 ２２Ｔ ＳＱＵＩＤ素子出力電圧Ｖｄを増幅するための
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。S, 1 SQUID sensor, E, 11 SQUID element, FC, 12 feedback coil, SA Amplifying means consisting of first transformer T1, second transformer T2 and amplifier A, DP current bias source B, phase detector PD, modulation A drive processing circuit including a frequency oscillator M, a feedback amplifier FA, etc., 2 a drive processing circuit 21 a current bias circuit, 22 a boost amplifier circuit, 22R a series resistor, a 22T SQUID element a boost transformer for amplifying an output voltage Vd, 22A Electronic amplifier circuit, 23 signal processing circuit. 23D phase detection circuit, 23M modulation signal oscillation circuit, 23F feedback integration amplifier circuit, 23fs reset switch, 23fr feedback resistor.
───────────────────────────────────────────────────── 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７−311250（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−44678（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−116480（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−232482（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−69557（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−51237（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 33/00 - 33/18 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-4-268471 (JP, A) JP-A-7-311250 (JP, A) JP-A-62-44678 (JP, A) 116480 (JP, A) JP-A-4-232482 (JP, A) JP-A-6-69557 (JP, A) JP-A-8-51237 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01R 33/00-33/18
Claims (4)
素子にバイアス電流を供給するためのバイアス電流源及
びこのＳＱＵＩＤ素子から出力される電圧を増幅するた
めの昇圧トランスを備えた磁気センサ素子動作回路にお
いて、 前記バイアス電流源は、ＳＱＵＩＤ素子の両端に夫々接
続される２つの端子に電気的に接続され、 前記昇圧トランスは、前記２つの端子の間に直列抵抗を
介して電気的に接続され、 前記直列抵抗は該昇圧トランスの磁芯が飽和しないよう
な値に選定されることを特徴とする磁気センサ素子動作
回路。1. SQUID used as a magnetic sensor
In a magnetic sensor element operation circuit including a bias current source for supplying a bias current to the element and a boosting transformer for amplifying a voltage output from the SQUID element, the bias current sources are provided at both ends of the SQUID element, respectively. The step-up transformer is electrically connected to two connected terminals via a series resistor between the two terminals. The series resistor prevents the magnetic core of the step-up transformer from being saturated. A magnetic sensor element operation circuit characterized in that the value is selected to be a suitable value.
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素子動作回路。2. The magnetic sensor element operation circuit according to claim 1, wherein the SQUID element is a high-temperature superconductor oxide-based SQUID element.
端子の内の一方とこの第３の端子との間に、前記ＳＱＵ
ＩＤ素子に所定の磁場を与えるフィードバックコイルに
励磁信号を供給するようになってい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素子動作回路。And a third terminal connected between one of the two terminals and the third terminal.
3. The magnetic sensor element operation circuit according to claim 1, wherein an excitation signal is supplied to a feedback coil that applies a predetermined magnetic field to the ID element.
ス電流であ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素子動作回路。4. The magnetic sensor element operation circuit according to claim 1, wherein the bias current is an AC to DC bias current.
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|---|---|---|---|
| JP8342805A JP3063655B2 (en) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | Magnetic sensor element operation circuit |
| 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 (en) | 1996-12-06 | 1997-12-06 | Voltage amplification circuit and magnetic sensor operation circuit for magnetic sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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| JPH10170618A JPH10170618A (en) | 1998-06-26 |
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| KR200490177Y1 (en) * | 2018-01-19 | 2019-10-07 | 박인국 | Non-slip pad structure for handle of vehicles |
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- 1996-12-06 JP JP8342805A patent/JP3063655B2/en not_active Expired - Fee Related
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