JPH0943328A

JPH0943328A - 超電導磁気検出装置

Info

Publication number: JPH0943328A
Application number: JP7193491A
Authority: JP
Inventors: Teruyuki Kataoka; 照幸片岡; Hideo Nojima; 秀雄野島
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-07-28
Filing date: 1995-07-28
Publication date: 1997-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミック超電導磁気抵抗素子を用いて１０
^-9ガウス程度以上の磁気検出感度を示す超電導磁気検出
装置を提供する。【解決手段】超電導磁気検出装置は、発振器１と抵抗
２と変調磁場発生用コイル３とで構成された変調磁場発
生装置と、セラミック超電導磁気抵抗素子からなると共
に磁界を検出するセンサ４と、このセンサ４の電流端子
に定電流を供給する定電流源５と、コンデンサ６とコイ
ル７とで構成されると共にセンサ４の電圧端子に接続さ
れたＬＣ直列共振回路と、センサ４からの磁気信号を増
幅すると共にコイル７の電圧端子に接続された差動増幅
器とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導磁気検出装
置に関し、詳しくは弱結合特性を示す結晶粒界を有する
セラミック超電導磁気抵抗素子を用いて磁界に対する感
度を著しく向上させた超電導磁気検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、磁界を検出する素子として、
半導体のホール効果を応用したホール素子や半導体、磁
性体の磁気抵抗効果を応用した磁気抵抗素子が広く用い
られてきた。これらの素子は常温で使用されるものであ
り、１０^-3〜１０^-4ガウス程度の磁気感度が得られる
が、それ以上の感度を得ることは不可能であった。一
方、１０^-10ガウスを示す高感度なものとして、超電導
体を使用した超電導量子干渉素子ＳＱＵＩＤがあるが、
その動作には極低温（４Ｋ）を必要とし、液体ヘリウム
を使用するため、装置が極めて高価であり、また、その
操作も複雑であった。その後、高い磁気検出感度を有
し、かつ、液体窒素温度（７７Ｋ）で簡便に使用できる
高温超電導体を用いたセラミック超電導磁気抵抗素子が
開発された。そして、このセラミック超電導磁気抵抗素
子を利用した高感度磁気検出装置は、交流磁界変調方式
を使用することにより１０^-7ガウス程度の磁界分解能を
有していた。

【０００３】上記セラミック超電導磁気抵抗素子をセン
サとして使用した場合の外部磁場と出力電圧との相関関
係は、図５に示すような特性を有する。なお、この相関
関係はセンサに定電流Ｉ＝４．５mAを流した場合に測定
されたものである。図５において、任意の点をとって磁
電変換率を求めると、磁電変換率（Ｖ／Ｇ）＝１６×１
０^-3（Ｖ）／７４．２×１０^-3（Ｇ）＝０．２１６とな
る。

【０００４】図６はセラミック超電導磁気抵抗素子を用
いた従来の磁気検出装置の動作原理を示す構成図であ
る。図６において、この磁気検出装置は、発振器４０と
抵抗４１と変調磁場発生用コイル４２とからなる変調磁
場発生装置と、セラミック超電導磁気抵抗素子からなる
センサ４４と、該センサ４４にＤＣバイアス電流を印
加するための定電流源４３と、センサ４４の電圧端子か
ら得られる微弱磁気信号を増幅するための低雑音４nV／
√Hzの差動増幅器４５及び４６とを備えている。すなわ
ち、図６の磁気検出装置では、差動増幅器４５及び４６
を二段（１段目１０倍、２段目２０００倍）にして使用
している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近注
目を浴びている心磁場、肺磁場等の生体磁気計測や金属
材料の欠陥、腐食等の非破壊検査、地下資源探査等への
応用には、１０^-9ガウスレベルの磁界分解能が必要であ
る。よって、上述した従来の増幅手段によれば、１段目
の差動増幅器４５前段でのセラミック超電導磁気抵抗素
子からなるセンサ４４の磁電変換率が０．２〜０．０５
Ｖ／Ｇ程度のため（図５参照）、１０^-9ガウスレベルの
非常に微弱な磁気信号を差動増幅器４５及び４６で増幅
すると、この磁気信号が増幅器４５及び４６の入力電圧
雑音に埋もれてしまうという問題がある。

【０００６】すなわち、１０^-9ガウスレベルの磁気信号
を測定するためには、低雑音４nV／√Hzの差動増幅器の
前段で磁電変換率（Ｖ／Ｇ）＝４（nV／√Hz）／１（nG
／√Hz）＝４(Ｖ／Ｇ）程度は必要であり、１桁から２
桁程度磁電変換率が不足していた。さらに、上記のよう
に高利得で差動増幅器を使用しているため、２段で使用
する場合、増幅器の入力電圧雑音が利得により倍増し、
結果として出力から得られる磁気信号の雑音レベルが増
加してしまう、すなわち、Ｓ／Ｎが上がらないという問
題がある。

【０００７】図７は、ＤＣＳＱＵＩＤを使用した従来
の磁気検出装置の動作原理を示す構成図である。図７に
示すように、この磁気検出装置は、発振器５０と変調磁
場発生用コイル５１とからなる変調磁場発生装置と、Ｄ
ＣＳＱＵＩＤ５３と、このＤＣＳＱＵＩＤ５３にバ
イアス電流を印加するための定電流源５２と、コイル５
４とコンデンサ５５とで構成されたＬＣ直列共振回路
と、差動増幅器５６とを備えている。この磁気検出装置
は、コンデンサ５５の両端より磁気信号を検出し、差動
増幅器５６に入力するものである。しかし、この場合、
差動増幅器５６においてＤＣ増幅器の入力トランジスタ
をバイアスするのに必要な入力バイアス電流のため、外
部容量、すなわちコンデンサ５５の両端に静電気が蓄積
して充電が行われ、結果として、差動増幅器５６の出力
は飽和し、安定な動作を得ることが難しいという問題が
ある。

【０００８】また、本発明で使用するセラミック超電導
磁気抵抗素子は、磁気信号ゼロのとき数百Ωの抵抗を有
する。よって、定電流Ｉ＝数mAをセンサに流す場合、セ
ンサの出力電圧は、数百mV程度となる（図５参照）。従
って、コンデンサにセンサの出力電圧のほとんどがかか
るため、コンデンサから出力電圧を取ると、結果とし
て、その電圧を増幅器が数千倍に増幅し、出力が飽和し
てしまい、測定不可能になるという問題もある。

【０００９】そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑み
てなされたものであり、セラミック超電導磁気抵抗素子
を用いて１０^-9ガウス程度以上の磁気検出感度を示す超
電導磁気検出装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、弱結
合特性を示す結晶粒界を有するセラミック超電導磁気抵
抗素子からなると共に磁界を検出するセンサと、変調磁
場を発生させると共に発生した変調磁場を前記センサに
印加する変調磁場発生手段と、前記センサからの磁気信
号のうち、共振周波数と等しい変調周波数の磁気信号を
選択するための磁気信号選択手段と、当該磁気信号選択
手段により選択された磁気信号を増幅するための増幅手
段とを備えたことを特徴とする超電導磁気検出装置であ
る。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１において、前
記磁気信号選択手段はＬＣ直列共振回路であり、かつ、
当該ＬＣ直列共振回路のコイルの両端の電圧を前記増幅
手段に入力することを特徴とする超電導磁気検出装置で
ある。

【００１２】請求項３の発明は、請求項１又は２におい
て、前記センサに印加する変調磁場の変調周波数を１kH
z以上とすることを特徴とする超電導磁気検出装置であ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の超電導磁
気検出装置の動作原理を示す構成図である。図１に示す
ように、本発明にかかる超電導磁気検出装置は、基本的
に、発振器１と抵抗２と変調磁場発生用コイル３とで構
成された変調磁場発生装置と、弱結合特性を示す結晶粒
界を有するセラミック超電導磁気抵抗素子からなると共
に磁界を検出するセンサ４と、このセンサ４の電流端子
に定電流（Ｉ＝４．５mA）を供給する定電流源５と、コ
ンデンサ６とコイル７とで構成されると共にセンサ４の
電圧端子に接続されたＬＣ直列共振回路と、センサ４か
らの磁気信号を増幅すると共にコイル７の電圧端子に接
続された差動増幅器（図示せず）とを備えている。

【００１４】上記変調磁場発生装置は、変調磁場を発生
させると共に発生した変調磁場（変調周波数＝共振周波
数＝１０kHz）及びＤＣ磁気信号をセンサ４に印加する
ものである。また、上記ＬＣ直列共振回路は、センサ４
からの磁気信号のうち、共振周波数と等しい変調周波数
の磁気信号を選択するものであり、このＬＣ直列共振回
路のコイル７の両端の電圧Ｖ_Lは差動増幅器に入力され
る。さらに、セラミック超電導磁気抵抗素子は、液体窒
素温度（７７Ｋ）に保持されている。なお、センサ４に
印加する変調磁場の変調周波数は１kHz以上であること
が望ましい。その理由としては、特に生体の心臓や脳か
ら発生する磁界は数１０Hzの周波数成分を有しており、
そのため変調周波数がその領域にかからないように考慮
する必要があるからである。上記の場合、センサ４の電
圧端子の出力からは１０kHzの交流信号が得られ、ＬＣ
直列共振回路に流れる。

【００１５】図１において、センサ４の超電導状態時の
抵抗値をｒ、センサ４の出力電圧をＥ、コンデンサ６の
静電容量をＣ、コイル７のインダクタンスをＬとすれ
ば、回路のインピーダンスＺはＺ＝ｒ＋ｊ（ωＬ−１／
ωＣ）となり、インピーダンスの絶対値｜Ｚ｜は｜Ｚ｜
＝√（ｒ²−（ωＬ−１／ωＣ）²）となる。ここで、ｆ
（ω＝２πｆ）が共振周波数ｆ₀となるとき、ωＬ＝１
／ωＣ、ω＝１／√（ＬＣ）が成り立ち、インピーダン
スの絶対値は｜Ｚ｜＝√（ｒ²）＝Ｒとなり最小値とな
る（図２参照）。よって、回路を流れる電流は、Ｉ’＝
Ｅ／ｒとなり最大となる。（図３参照）。すると、コイ
ル７の両端の電圧Ｖ_Lは、Ｖ_L＝ωＬＥ／ｒ＝２πｆＬＥ
／ｒとなり、センサ４の出力電圧Ｅは２πｆＬ／ｒ倍で
得られることになる。特にｆが高く、Ｌが大きく、ｒが
小さければより大きな出力電圧が得られる。これにより
差動増幅器前段でのセンサ４の磁電変換率が向上し、磁
気検出感度が向上する。

【００１６】図４は、本発明にかかる超電導磁気検出装
置の一実施形態を示す構成図である。図４に示すよう
に、セラミック超電導磁気抵抗素子１１はデュワー２８
内の液体窒素中に浸漬されて、７７Ｋに冷却保持されて
いる。なお、本実施形態で使用されたセラミック超電導
磁気抵抗素子１１の超電導体は、その粒界が極めて薄い
絶縁膜、又は、常電導体膜を介在して結合したものか、
あるいは、ポイント状に弱く結合したもので、磁界によ
り容易にその超電導状態が破れる構成にしてある。使用
した超電導体は、高温超電導体として知られているＹ₁
Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-X系である。これはミアンダ状にパター
ニングされており、電流、電圧端子が設けてある。

【００１７】セラミック超電導磁気抵抗素子１１の周囲
には、変調磁場発生用コイル１２、地磁気補正用コイル
１３、標準磁場信号発生用コイル１４がそれぞれ設けて
ある。この変調磁場発生用コイル１２には、発振器１５
と抵抗２６とが接続されており、発振器１５より１０kH
zの電流を変調磁場発生用コイル１２に供給することに
より変調磁場を発生させる。同様に、地磁気補正用コイ
ル１３には定電流源１７が接続され、標準磁場信号発生
用コイル１４には抵抗２７と発振器１６とが接続されて
おり、それぞれ地磁気補正用磁場、標準磁場が発生す
る。発生したこれらの磁場はセラミック超電導磁気抵抗
素子１１からなるセンサに印加される。また、定電流源
１８はシールドツイストペア線１９を介してセラミック
超電導磁気抵抗素子１１の電流端子へ直流電流Ｉ＝４．
５mAを印加する。

【００１８】上述したように、センサに変調磁場発生用
コイル１２より発生した変調磁場を印加し、さらに測定
すべき磁気信号が加わると、セラミック超電導磁気抵抗
素子１１の電圧端子から変調された出力電圧が得られ
る。その得られた出力電圧は、シールドツイストペア線
２０を介してコンデンサ２１とコイル２２とで構成され
たＬＣ直列共振回路に入力される。ここで、変調周波数
（１０kHz）にＬＣ直列共振回路の共振周波数が一致す
るようにコイル２２のインダクタンスＬ＝４００mHとコ
ンデンサ２１の静電容量（Ｃ＝５００pF）＋（Ｃ｀＝１
００pF可変）とを組み合わせてあるので、コイル２２の
両端から得られる変調された磁気信号は最大限に増幅さ
れることになる。この場合、ＬＣ直列共振回路による増
幅度は、約１０倍となる。

【００１９】そして、コイル２２の両端から得られる増
幅された磁気信号をさらに低雑音差動増幅器（×２５６
０）２３及びロックイン増幅器２４に入力する。ここで
ロックイン増幅器２４には、発振器１５からの参照信号
も入力されるので、変調周波数成分の信号を検出するこ
とになる。そして最終的に交流成分をカットするため、
低域フィルタ２５に入力する。以上の回路動作により測
定している磁場の強さを電圧として取り出す。また、特
に外部の電磁波の影響を除くために、ＬＣ直列共振回路
及び低雑音差動増幅器２３は、シャーシ２９に収納され
ている。

【００２０】次に、上記の構成を有する回路の磁気検出
感度を測定した。Ａ点での磁気検出感度を測定するため
に、まずセンサに定電流４．５mAを流した。また、発振
器１６より、標準磁場発生用コイル（５．３Ｇ／Ａ）１
４に変調電流を供給し、変調磁場２０３．０７×１０^-6
Ｇ（１０kHz）を発生させセンサに印加した。そして、
Ａ点の出力にＦＦＴアナライザーを接続することで、以
下に示す結果を得た。Ａ点の出力電圧Vout=1.17(Vpp) 磁電変換率(V/G)=1.17/(203.07×10^-6)=8420.74(V/G) １０Hzにおける雑音Ｎ=-95.4dBV=33.96×10^-6(Vpp) 差動増幅器の前段での磁電変換率(V/G)=8420.74/2560=
3.29(V/G) 以上より、ＬＣ直列共振回路をセンサの電圧端子と差動
増幅器間に使用することで、差動増幅器の前段でのセン
サの磁電変換率が、従来の０．２〜０．０５（Ｖ／Ｇ）
程度から３．２９（Ｖ／Ｇ）に増大し、１桁から２桁向
上した。また、Ａ点での感度は、２．０２×１０^-9（Ｇ
／√Hz）であった。

【００２１】従って、本発明の超電導磁気検出装置は、
弱い磁界にも粒界の接合による作用で高い感度をもつこ
とができるセラミック超電導磁気抵抗素子を用いて、１
０^-9ガウスレベルの磁界分解能を実現することができる
ものである。また、本発明の原理を用いることにより、
低周波での１０^-9ガウスレベル磁界信号測定において、
信号増幅のための低雑音４nV／√Hzレベルを実現でき
る。

【００２２】

【発明の効果】請求項１に記載の超電導磁気検出装置に
よれば、弱結合特性を示す結晶粒界を有するセラミック
超電導磁気抵抗素子からなる磁界検出センサと、変調磁
場を発生させてセンサに印加する変調磁場発生手段と、
センサからの磁気信号のうち、共振周波数と等しい変調
周波数の磁気信号を選択する磁気信号選択手段とを具備
することにより、超電導磁気抵抗素子の磁電変換率が従
来のものより高くなり、また低ノイズとなるため磁気検
出感度の向上を図ることができる。

【００２３】請求項２に記載の超電導磁気検出装置によ
れば、磁気信号選択手段をＬＣ直列共振回路とすること
により、磁気検出におけるノイズを除去することができ
る。さらに、ＬＣ直列共振回路のコイルの両端の電圧を
磁気信号を増幅するための増幅手段に入力することによ
り、安定、かつ、低ノイズで磁気信号を増幅でき、磁気
検出感度の向上を図ることができる。

【００２４】請求項３に記載の超電導磁気検出装置によ
れば、センサに印加する変調磁場の変調周波数を１kHz
以上とすることにより、変調周波数を生体の心臓や脳か
ら発生する磁界の数十Hz程度の周波数領域にかからない
ようにすることができ、磁気検出感度の向上を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導磁気検出装置の動作原理を示す
構成図である。

【図２】本発明の超電導磁気検出装置を動作させた場合
の周波数に対するＬＣ直列共振回路のインピーダンスの
絶対値｜Ｚ｜の変化を示す特性図である。

【図３】本発明の超電導磁気検出装置を動作させた場合
の周波数に対するＬＣ直列共振回路内を流れる電流及び
コイルの両端の電圧の変化を示す特性図である。

【図４】本発明にかかる超電導磁気検出装置の一実施形
態を示す構成図である。

【図５】セラミック超電導磁気抵抗素子をセンサとして
使用した場合の外部磁場と出力電圧との相関関係を示す
図である。

【図６】セラミック超電導磁気抵抗素子を用いた従来の
磁気検出装置の動作原理を示す構成図である。

【図７】ＤＣＳＱＵＩＤを用いた従来の磁気検出装置
の動作原理を示す構成図である。

【符号の説明】

１発振器２抵抗３変調磁場発生用コイル４センサ５定電流源６コンデンサ７コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弱結合特性を示す結晶粒界を有するセラ
ミック超電導磁気抵抗素子からなると共に磁界を検出す
るセンサと、変調磁場を発生させると共に発生した変調
磁場を前記センサに印加する変調磁場発生手段と、前記
センサからの磁気信号のうち、共振周波数と等しい変調
周波数の磁気信号を選択するための磁気信号選択手段
と、当該磁気信号選択手段により選択された磁気信号を
増幅するための増幅手段とを備えたことを特徴とする超
電導磁気検出装置。
【請求項２】前記磁気信号選択手段はＬＣ直列共振回
路であり、かつ、当該ＬＣ直列共振回路のコイルの両端
の電圧を前記増幅手段に入力することを特徴とする請求
項１記載の超電導磁気検出装置。
【請求項３】前記センサに印加する変調磁場の変調周
波数を１kHz以上とすることを特徴とする請求項１又は
２記載の超電導磁気検出装置。