JP2005188946A - 磁気検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来計測不可能であったギガヘルツなどの高周波磁界を検出する。
【解決手段】 磁気センサ（１０）の出力電圧を高速アンプ（１）で受け、この高速アンプの出力信号を計測対象磁場に対応する信号電圧として利用する。この高速アンプの出力信号に従って、積分器（１４）、フィードバック抵抗素子（１５）および変調コイル（１６）を有する負帰還回路により、負帰還磁界を生成して磁気センサ（１０）へ供給する。また、この磁気センサの動作点を、その電圧−磁界特性の傾斜の最も大きい点に動作点設定回路（２）により設定する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、磁気検出装置に関し、特に、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ・Ｑｕａｎｔｕｍ・Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ・Ｄｅｖｉｃｅ）を磁気センサとして利用する磁気検出装置に関する。より特定的には、この発明は、磁気検出装置の検出可能磁界周波数領域を拡大するための構成に関する。

薄い絶縁膜を挟む超電導体で構成されるジョセフソン接合においては、電圧差を生じさせることなく電流が流れる。超電導量子干渉素子（以下、ＳＱＵＩＤと称す）は、このジョセフソン効果を利用する磁界検出素子であり、超電導現象と量子効果を利用する磁気センサである。このＳＱＵＩＤには、ジョセフソン接合を２つ並列に接続する超電導リングで構成されるＤＣ−ＳＱＵＩＤと、１つのジョセフソン接合を有するＲＦ−ＳＱＵＩＤが存在する。以下では、一例として、ＤＣ−ＳＱＵＩＤを磁気センサとして利用する磁気検出装置の構成について説明する。

図５は、従来のＳＱＵＩＤを利用する磁気検出装置の構成を概略的に示す図である。図５において、磁気検出装置は、外部からの印加磁界φに応じた電圧Ｖｓを生成するＳＱＵＩＤで構成される磁気センサ（以下、単にＳＱＵＩＤと称す）１０と、このＳＱＵＩＤ１０に対し一定の大きさのバイアス電流Ｉｂを供給するバイアス電流源１２と、ＳＱＵＩＤ１０の両端に発生した電圧Ｖｓを増幅する増幅器１３と、増幅器１３の出力信号を受けて外部印加磁界φに応じた検出出力電圧Ｖｏｕｔを生成する積分器１４と、積分器１４の出力信号を受けて電流を生成するフィードバック抵抗素子１５と、抵抗素子１５から供給される電流に従ってフィードバック磁界を生成してＳＱＵＩＤ１０に供給する変調コイル１６を含む。このフィードバック磁界により、外部磁界φが相殺される。

ＳＱＵＩＤ１０は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤであり、２つの並列に接続されるジョセフソン接合１１ａおよび１１ｂを有する。

磁気検出装置は、さらに、変調コイル１６に対し、動作バイアス電流を供給する動作点設定回路１８を含む。この動作点設定回路１８は、後に説明するが、増幅回路１３、積分器１４、フィードバック抵抗素子１５および変調コイル１６で構成されるＦＬＬ回路の動作点を設定する。

この図５に示す磁気検出装置において、バイアス電流Ｉｂが、ＳＱＵＩＤ１０における超電導電流の限界値を超えたところで常電導電流が発生し、このＳＱＵＩＤ１０の両端に電圧Ｖｓが発生する。超電導電流は、ジョセフソン接合のクーパ対のトンネル現象により流れ、その大きさはクーパ対の位相差Δφに依存する。このとき、外部から磁界φが印加されると、マイスナー効果により内部磁界を打消すように、遮蔽電流が流れる。このとき、また、この外部印加磁界によりクーパ対の位相差Δφが変化する。超電導臨界電流値をＩｃとした場合、遮蔽電流Ｉｓは、ジョセフソン接合１１ａおよび１１ｂにより制限され、その大きさは、次式で表される。

Ｉｓ＝Ｉｃ・ｓｉｎΔφ
超電導体中においては、磁場は量子化され、その最小単位が量子化磁束（量子磁束）φ０と呼ばれる。位相差Δφは、外部からの印加磁界φと量子化磁束φ０とを用いて次式で表わされる。

Δφ＝２・ｎ・π＋２・π・（φ／φ０）
すなわち、遮蔽電流Ｉｓは、量子化磁束φ０（２・１０＾（−１５）Ｗｂ；符号＾は、べき乗を示す）単位で周期的に変化する。

このＳＱＵＩＤ１０に外部から磁界φが印加されると、遮蔽電流により超電導状態を保持することのできるバイアス電流値が変化する。このバイアス電流Ｉｂは一定値であるため、したがって、ＳＱＵＩＤ１０の両端に発生する電圧Ｖｓも、周期的に変化する。このＳＱＵＩＤ１０の出力電圧Ｖｓは、数μＶと極めて小さいため、磁気反応信号を検出するために、増幅器１３によりこのＳＱＵＩＤ１０の出力電圧Ｖｓを増幅し、次いで積分器１４により、増幅器１３の出力信号の高周波成分を除去して、検出出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。特に、増幅器１３の出力信号が、磁界の時間微分に対応する場合、積分器１３により積分することにより、磁界に対応する電圧を生成することができる。

この検出出力電圧Ｖｏｕｔをフィードバック抵抗素子１５を介して変調コイル１６に供給することにより、変調コイル１６には、検出出力電圧Ｖｏｕｔに応じた磁界（符号が反対）が生成され、応じて、ＳＱＵＩＤ１０において外部印加磁界φが相殺される。

積分器１４、フィードバック抵抗素子１５および変調コイル１６で構成される回路はＦＬＬ回路（磁束ロックトループ回路）と呼ばれる。このＦＬＬ回路による磁場の負帰還を利用することにより、いわゆる「零点検出法（零位法）」を利用して、磁場を検出することにより大きなダイナミックレンジを生成する。フィードバック抵抗素子１５の抵抗値をＲｆとし、変調コイル１６の磁気結合係数（相互インダクタンス）をＭｆとすると、抵抗素子１５の両端の電圧、すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔは、（Ｒｆ／Ｍｆ）φとなり、ＳＱＵＩＤ１０に印加される磁界φに比例した電圧となる。したがって、この電圧Ｖｏｕｔを検出することにより磁界を検出することができる。

しかしながら、ＳＱＵＩＤ１０の出力電圧Ｖｓ、したがって、検出出力電圧Ｖｏｕｔは、図６に示すように、外部印加磁界φに対し、量子化磁束φ０を単位として周期的に変化する。したがって、外部印加磁界φを検出するために、動作点を設定し、外部印加磁界φと検出電圧Ｖｏｕｔ（電圧Ｖｓ）の対応を一義的に定める必要がある。ＦＬＬ回路を利用することにより、その負帰還動作により、ＳＱＵＩＤ１０に印加される磁界を一定に維持する。

この電圧−磁界特性曲線は、周期関数であり、線形性に劣る。そこで、動作点設定回路１８を用い、バイアス電流を変調コイル１６に供給して、動作点を線形性に優れた領域に設定する。通常、この動作点は、電圧Ｖの磁界φに対する変化率、ｄＶ／ｄφが最も大きい位置、すなわち図６に示す電圧−磁界特性曲線において勾配の最も大きな点ａに設定される。この領域では、特性曲線において印加磁界φと出力電圧Ｖｏｕｔとの線形性が優れ、また、大きなダイナミックレンジを得る事ができ、正確に磁界の検出を行なうことができる。

このＦＬＬ回路の動作点を設定するための構成は、たとえば特許文献１（特開平３−１３１７８１号公報）および特許文献２（特開２０００−２９２５１１号公報）に示されている。

特許文献１に示される構成においては、バイアス変調方式の磁気検出装置において、ＳＱＵＩＤの動作点をＶ−φ特性の最大傾斜位置に設定した状態で、変調信号の２倍周波数の信号を検出することにより、外部印加磁界に応じた検出信号電圧を生成する。この２倍周波数信号を検出することにより、変調信号および高周波成分による誤差を低減することを図る。

特許文献２は、非バイアス変調方式の磁気検出装置において、外部磁界の印加状態で、変調コイルに特定（たとえば１ｋＨｚ）の周波数の電流を供給し、ＳＱＵＩＤ基準磁界を印加する。ＳＱＵＩＤの出力信号からＶ−φ特性曲線の半周期（φ０／２の期間）に対応する信号波形を抽出する。この抽出波形がＶ−φ特性の原点を通るように変調コイルへのバイアス電流量を調整し、ｄＶ／ｄφの最大点すなわちＶ−φ特性の最大傾斜位置をＦＬＬ回路の動作点として設定する。
特開平３−１３１７８１号公報 特開２０００−２９２５１１号公報

ＳＱＵＩＤは、交流ジョセフソン効果を用いた直流電圧標準が知られているように、基本的にＧＨｚ以上の高周波数の信号に対し磁気的に反応する。従来の磁気検出装置においては、ＳＱＵＩＤ１０の出力電圧Ｖｓは、数μＶと極めて小さいため、このＳＱＵＩＤ１０の磁気反応信号を検出するために、増幅器１３が用いられる。したがって、この磁気検出装置の周波数特性、すなわち検出可能磁界周波数領域は、増幅器１３の周波数特性に依存する。また、動作点を固定するＦＬＬ回路を形成するために、積分器１４が用いられる。積分器１４は、増幅器の出力信号のノイズ成分を除去する機能を有し、一種の低域通過フィルタとして機能するため、この積分器１４により、磁気検出装置の検出出力電圧Ｖｏｕｔの周波数領域がさらに制限される。

周波数領域を高くするために積分器１４の時定数を小さくする場合、積分器の容量素子の容量値を小さくすることが要求される。したがって、この場合、図７に示すように、積分器１４の利得Ｇが小さくなり、フィードバック抵抗素子１５へ供給される電流量が減少し、応じて、変調コイル１６が誘起する帰還磁界が小さくなり、外部印加磁界φに応じた帰還磁界を生成することができなくなる。この様な、負帰還が不十分の場合、ＦＬＬ回路を外部印加磁界φにロックさせて磁界の検出動作を行なうことができなくなり、また、動作点が揺らぐため、計測動作も不安定となる。

したがって、従来の磁気検出装置においては、ＳＱＵＩＤ１０自体は、ＧＨｚ（ギガヘルツ）以上の高周波領域の磁界を検出することができるものの、その検出可能磁界周波数領域は、増幅器１３および積分器１４の周波数特性により制限され、ｋＨｚから数ＭＨｚの周波数領域の磁界が検出されるだけであり、それより高い超高周波数領域の磁界を検出することができないという問題があった。

前述の特許文献１に示される構成においては、バイアス変調方式で印加磁界を検出することが行なわれているものの、その変調信号を検波する検波器により、増幅器の出力信号を検波して、検出出力電圧を生成している。したがって、この場合も、増幅器および検波器の周波数特性によりその検出可能磁界周波数領域が制限されるという問題が生じる。

また、特許文献２に示される構成においては、ＦＬＬ回路の動作点をＶ−φ特性の最大傾斜位置に設定する構成が示されているものの、ＦＬＬ回路の積分器の出力信号を検出出力電圧として用いており、その検出可能磁界周波数領域にも制限を受ける。

それゆえ、この発明の目的は、高周波領域の磁界を正確に検出することのできる磁気検出装置を提供することである。

この発明の他の目的は、簡易な構成で容易に、従来よりも更に高周波数領域の磁界を検出することのできる磁気検出装置を提供することである。

この発明に係る磁気検出装置は、磁界を検出する磁気センサと、この磁気センサの出力信号を増幅して検出磁界信号として出力する増幅器と、増幅器の出力信号を積分処理して出力する積分器と、この積分器の出力信号に従って積分器出力信号に対応する磁界を生成して磁気センサに印加する帰還回路とを備える。

積分器前段に配置されて磁気センサの出力電圧を増幅する増幅器の出力信号を磁界検出出力信号として用いることにより、磁気センサの超高周波成分に応じた信号を生成することができ、従来計測不能であった超高周波磁界を検出することができる。この増幅器として、高速のローノイズアンプまたはロックインアンプを利用することにより、正確に、ＦＬＬ回路の応答周波数領域よりも高い周波数領域の磁界を検出することができる。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１に従う磁気検出装置の全体の構成を概略的に示す図である。図１において、この磁気検出装置は、ＳＱＵＩＤ１０に発生した電圧Ｖｓを検出する高周波領域で動作する高速アンプ１を含む。この高速アンプ１は、たとえばギガヘルツ領域などの高周波数領域でも動作するローノイズアンプまたはロックインアンプで構成される。この高速アンプ１から、出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。ＳＱＵＩＤ１０に対しては、バイアス電流源１２からのバイアス電流Ｉｂが供給され、ＳＱＵＩＤ１０の出力電圧Ｖｓの振幅が最大となるように、その電流量が調整される。

なお、以下の説明においては、従来において検出対象とされる周波数領域よりも高周波数の本発明が対象とする周波数領域を、従来の検出可能な高周波数領域と区別するために、超高周波数領域と称す。

この高速アンプ１の出力信号は積分器１４へ与えられ、積分器１４により超高周波数領域よりも低域の成分が抽出され、フィードバック抵抗素子１５へ供給される。抵抗素子１５により電流が生成され、変調コイル１６へ積分器１４の出力電圧に対応する電流が供給される。したがって、この変調コイル１６が生成する負帰還磁界は、積分器１４の周波数領域により決定される周波数を有する磁界であり、超高周波数領域の磁界に対する負帰還磁界は生成されない。

高速アンプ１を用いて検出電圧Ｖｏｕｔを生成するため、電圧−磁界（Ｖ−φ）特性において十分に線形性が保証された領域で電圧を検出する。このため、変調コイル１６の生成する帰還磁界を調整し、ＦＬＬ回路（またはＳＱＵＩＤ１０）の動作点を、ｄＶ／ｄφの最大値となる点、すなわち、Ｖ−φ特性曲線において最も勾配の大きな点が、積分器１４により決定される周波数領域（帰還周波数領域と以下称す）の動作点として設定される。

動作点設定回路２における動作点設定方法としては、帰還周波数領域において、たとえば特定の周波数の電流を変調コイル１６へ与えて、その特定周波数成分を抽出して検波する。この検波出力電圧が最も大きくなる点に、変調コイル１６のバイアス電流値を設定する（特許文献２の方法に従う）。また、外部磁場非印加状態において、特定の周波数の電流を変調コイルに供給し、オシロスコープを用いて、積分器の出力信号および帰還信号（変調コイルへの入力電流）をオシロスコープへ入力して、信号波形をモニタし、モニタ波形位置を調整して、動作点が最適化されるように、動作点設定回路２が変調コイル１６へ供給するバイアス電流量が調整されてもよい。いずれの方法が用いられてもよい。

図２にＶ−φ特性曲線を示すように、最大傾斜点ｂの近傍領域においては、電圧Ｖと磁界φは、ほぼ直線的に変化し、その特性は、線形性を有している。したがって、磁界変化に対応して電圧を線形的に変化させることができ、超高周波数領域において磁界の変化を、動作点からのずれの電圧として取り出すことができ、正確に超高周波数領域において磁界を測定することができる。

すなわち、図３において実線で示すように、ＦＬＬ回路が動作し、変調コイル１６により、帰還周波数領域（図３において亭主は領域と記す）において外部印加磁界φを相殺している状態においては、高速アンプ１からは出力信号は現われない。

しかしながら、このＦＬＬ回路の周波数の上限領域近傍に外部印加磁界φの周波数が近づくと、ＦＬＬ回路の動作特性限界に近づき、十分に負帰還をかけることができず、高速アンプ１に出力電圧Ｖｏｕｔが現われる（ある大きさを持った信号電圧が得られる）。

この外部印加磁界φがさらにその周波数が高くなると、積分器１４の出力信号は追随できないため、この外部印加磁界φに対し負帰還をかける磁界を生成することができず、超高周波数領域（図において高周波Ｖｏｕｔ領域と記す）の外部印加磁界φに対応する振幅を有する信号が、高速アンプ１から出力電圧Ｖｏｕｔとして生成される。

この場合、図２に示すように、動作点ｂが、ｄＶ／ｄφが最大となる点に設定されており、このロック点（帰還周波数領域に対して固定された動作点）ｂから外部印加磁界φにより磁界が変化した量だけ高速アンプ１の電圧Ｖｏｕｔが変化する。量子化磁束φ０よりも十分小さな微小磁界信号に対しては、この高速アンプ１の出力電圧Ｖｏｕｔは、ロック点ｂの近傍でその電圧レベルが変化する。したがって、この特性曲線領域においては、Ｖ−φ特性は、十分高い直線性を有しており、高速アンプ１の出力電圧Ｖｏｕｔは、外部印加磁界φの変化にほぼ比例した電圧信号となる（図３において破線領域で示す）。

また、ＦＬＬ回路において積分器１４の時定数を大きくすることによりＳＱＵＩＤ１０を安定に動作させることができる。この場合、検出出力Ｖｏｕｔは、高速アンプ１から取出されており、この積分器１４の時定数が検出出力電圧Ｖｏｕｔの周波数領域に影響を及ぼすことはなく、超高周波数領域の磁界を検出する際に積分器１４の時定数を大きくすることにより、ＳＱＵＩＤ１０の動作を安定化させた状態で、超高周波数の磁界を計測することができる。

以上のように、この発明の実施の形態１に従えば、ギガヘルツなどの超高周波領域で動作する高速アンプの出力信号を、ＳＱＵＩＤの検出磁界に対応する信号として取出しており、ＦＬＬ回路を利用する磁界検出装置を用いて、従来計測不能であった高周波数の磁界を計測することができる。

［実施の形態２］
図４は、この発明の実施の形態２に従う磁気検出装置の全体の構成を概略的に示す図である。この図４に示す磁気検出装置の構成は、以下の点で図１に示す磁気検出装置の構成と異なる。すなわち、高速アンプ１と別に、ＳＱＵＩＤ１０の出力電圧に従って検出出力電圧Ｖｏｕｔを生成する増幅器４が設けられる。高速アンプ１の出力信号は、積分器１４へ与えられるだけであり、高速アンプ１は、超高周波数領域の磁界に対応する計測動作には用いられない。

この図４に示す磁気検出装置の他の構成は、図１に示す磁気検出装置の構成と同じであり、対応する部分には同一番号を付し、その詳細説明は省略する。

この図４に示す構成において、増幅器４は、狭帯域の高周波アンプである。増幅器４は、高速アンプ１と独立に動作して、検出出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。従って、この増幅器４は、超高周波数の磁界検出に用いられるだけであり、ＤＣ領域の磁界検出には直接用いられないため、その利得を十分に大きくすることができる。従って、この増幅器４からは、ダイナミックレンジが大きくされた検出出力電圧を生成することができ、正確な磁界計測を行なうことができる。

また、この図４に示す構成においても、増幅器４は、ＦＬＬ回路と別経路に設けられており、積分器１４の時定数を十分に大きくしてＳＱＵＩＤ１０を安定に動作させる事ができる。

なお、この図４に示す構成の場合、高速アンプ１は、超高周波数領域の磁界検出には直接利用されない。従って、高速アンプ１に代えて、図５に示す増幅器１３が利用されてもよい。

以上のように、この発明の実施の形態２に従えば、超高周波数領域の磁界を検出するために、高周波狭帯域の増幅器を用いており、安定にＳＱＵＩＤを動作させて広いダイナミックレンジで磁界計測を行なうことができる。

なお、上述の説明においては、ＳＱＵＩＤ１０が、磁気センサとして利用されている。この磁気センサは、上述のＤＣ−ＳＱＵＩＤに限定されず、ＲＦ−ＳＱＵＩＤであってもよい。また、磁気センサとしては、ＭＩ（磁気インピーダンス）素子およびフラックスゲートなどの他の素子を利用する磁気センサが用いられてもよい。超高周波磁界に追随することのできる磁気センサであれば、本発明は適用可能である。

また、磁気検出装置の構成としては、ピックアップコイルを利用して計測対象の磁界を検出し、検出磁界を磁気結合によりＳＱＵＩＤへ印加する構成が用いられてもよい。すなわち、磁気検出装置としては、ＦＬＬ回路を利用する装置であれば、本発明は適用可能である。

この発明は、超高周波磁界を検出する装置に適用することができ、生体磁場の計測などの医療機器、およびギガヘルツオーダの高周波磁界を生成する部位の検出などを行う故障診断装置などに適用することができる。

この発明の実施の形態に従う磁気検出装置の構成を概略的に示す図である。 図１に示す磁気検出装置の動作領域を示す図である。 図１に示す磁気検出装置の出力電圧の周波数特性を概略的に示す図である。 この発明の実施の形態２に従う磁気検出装置の構成を概略的に示す図である。 従来の磁気検出装置の構成を概略的に示す図である。 ＳＱＵＩＤの印加磁界と出力電圧の関係を概略的に示す図である。 図５に示す積分器の時定数と利得の関係を概略的に示す図である。

符号の説明

１ 高速アンプ、２ 動作点設定回路、４ 増幅器、１０ ＳＱＵＩＤ、１２ バイアス電流源、１４ 積分器、１５ フィードバック抵抗素子、１６ 変調コイル。

Claims (3)

1. 磁界を検出する磁気センサ、
   前記磁気センサの出力信号を増幅して検出磁界信号として出力する増幅器、
   前記増幅器の出力信号を積分処理して出力する積分器、および
   前記積分器の出力信号に従って前記積分器の出力信号に対応する磁界を生成して前記磁気センサに印加する負帰還回路を備える、磁気検出装置。
2. 前記磁気センサは、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を備える、請求項１記載の磁気検出装置。
3. 前記増幅器、前記積分器および前記帰還回路で構成される磁束ロックトループ回路の動作点を、前記磁気センサの電圧−磁界特性曲線において電圧／磁界の変化率、ｄＶ／ｄφが最大となる点に設定する動作点設定回路をさらに備える、請求項１記載の磁気検出装置。

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