JP3063654B2 - Voltage amplifier circuit for magnetic sensor - Google Patents

Voltage amplifier circuit for magnetic sensor

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JP3063654B2
JP3063654B2 JP8342804A JP34280496A JP3063654B2 JP 3063654 B2 JP3063654 B2 JP 3063654B2 JP 8342804 A JP8342804 A JP 8342804A JP 34280496 A JP34280496 A JP 34280496A JP 3063654 B2 JP3063654 B2 JP 3063654B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a voltage amplifying circuit for a magnetic sensor, and more particularly to a SQUA as a magnetic detecting element.
ID (Superconducting Quantum Interference Device)
More particularly, the present invention relates to an output voltage amplifying circuit for a magnetic sensor using an oxide-based SQUID formed of a so-called “high-temperature superconductor”.

【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.

【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。
When the SQUID is used to measure an extremely weak magnetic field as described above, the conventional technique employs, for example, a so-called "FLL system" as shown in FIG. That is, for the SQUID sensor S including the SQUID element E and the feedback coil FC, the bias current source B, the modulation frequency oscillator M,
A drive processing circuit DP including a phase detector PD, a feedback amplifier FA, and the like is provided, and a desired magnetic flux measurement signal Vφ representing an external magnetic field is obtained from the output of the feedback amplifier FA. In this case, the amplifying means S for amplifying the output voltage Vd generated by the SQUID element E
As A, a first transformer T1 operating at liquid helium temperature or liquid nitrogen temperature or low temperature is installed, while a second transformer T2 and an amplifier A operating at room temperature are installed on the drive processing circuit DP side.

【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。
In FIG. 1, a small output voltage Vd generated by a SQUID element E in response to an external magnetic field to be detected is generated under the same cryogenic temperature environment as that of the SQUID element E, ie, liquid helium or liquid helium. The pressure is once increased to a required value by a first transformer T1 installed in liquid nitrogen, and then taken out of the sensor S. The boosted SQUID output voltage Vd is insulated by the second transformer T2 at room temperature and adjusted to a desired value, and then supplied to the amplifier A. In the prior art, as in this example,
After the SQUID output voltage Vd is amplified by the amplifying means SA which extends over the inside and outside of the sensor S, it undergoes signal processing operations after the phase detector PD.

【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。
As described above, since the first transformer T1 constituting the first stage of the amplifying means SA is placed inside the sensor S and in a constant temperature state, there is little possibility that external noise is mixed into a weak output voltage. In other words, the transformation characteristic itself of the first transformer T1 is not affected by the temperature. However, when such a structure is adopted, the sensor S becomes the first transformer T
1 is built inside, so the transformer itself needs expensive cryogenic material, and the structure is enlarged and designed.
Increase difficulties in manufacturing and practical placement. In addition to it,
The core (magnetic core) material of the transformer coil is also cooled to an extremely low temperature, so that the magnetic permeability characteristics are deteriorated and the original performance cannot be exhibited. Furthermore, since two transformers are used, it is naturally necessary to consider matching between the two transformer coils. Therefore, such things are
This is a major challenge that hinders the practical application of IDs to magnetic sensors.

【0006】[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。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an output voltage amplifying circuit for a magnetic sensor which can solve the above various problems at once. That is, the present invention improves a circuit for amplifying a small SQUID output voltage generated by a SQUID element used as a magnetic sensing element,
Eliminates the need to incorporate a transformer into the magnetic sensor, greatly simplifies the structure of the magnetic sensor, does not cause deterioration of the core material of the transformer coil, and eliminates the need to consider matching. Things.

【0007】[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。
According to the present invention, there is provided a magnetic sensor for amplifying and processing a voltage detection signal output from a SQUID element which is used as a magnetic sensor and receives modulation excitation based on a modulation signal. A voltage amplifying circuit, comprising: a boosting transformer for receiving the voltage detection signal from the SQUID element and boosting the signal by a predetermined factor at a normal temperature; and an electronic amplification circuit for amplifying the boosted signal. Means and a signal processing circuit for processing an amplified signal from the signal amplifying means based on the modulated signal and outputting a magnetic field measurement signal.

【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。
The idea of the present invention is to boldly reverse conventional thinking that a transformer for boosting the output voltage of a SQUID element should be installed in a sensor at an extremely low temperature, and to place this transformer outside the sensor. It was inspired by an idea that was not considered before and was provided at room temperature. In short, there is a simple solution in which one step-up transformer is placed at the first stage of a drive circuit. The present invention that solves this problem can solve all the conventional difficulties.

【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。
That is, based on such a hint, the present inventors have used an oxide-based SQUID element formed of a high-temperature superconductor and placed at a temperature of -196 ° C. as an element for magnetic field detection. Numerous experiments were conducted under various conditions on a drive circuit in which the output voltage from the SQUID element was directly received by a step-up transformer placed at room temperature. After confirming that it is negligibly small and has no practical problem at all, the invention as described in the claims has been completed.

【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。
Thus, the step-up transformer is connected to the SQUID
Since the necessity of being built in the magnetic sensor can be eliminated, the sensor has a very simple structure and is miniaturized. For example, in the practical stage of measuring the distribution state of an extremely weak magnetic field using a SQUID sensor, several tens to several hundreds, or, depending on the application, thousands of SQUID sensors are arranged in a narrow measurement area, Outputs from these many sensors are processed in a multi-channel manner. In such a case, according to the present invention, these multiple SQUIS
Each of the D magnetic sensors does not require a built-in step-up transformer and is extremely compact, so that it can be arranged very easily and with high density.

【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。
In the present invention, since the step-up transformer is not built in the sensor, there is no possibility that the transformer core will be deteriorated by being exposed to cryogenic temperatures.
There is an advantage that the specifications such as the turns ratio and the material can be extremely easily changed as necessary, and it is possible to flexibly cope with various design changes.

【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。
Further, according to the present invention, as compared with the one using two transformers, the function of both transformers is provided simply by using one booster transformer operating at normal temperature in the first stage of the drive circuit. Therefore, various advantages can be obtained in circuit design and function. For example, it is possible to eliminate problems such as matching between the two transformer coils, and not only to amplify the voltage, but also to add a function as a high-pass filter that effectively passes a high-frequency modulation component, as described later. it can.

【0013】[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。
FIG. 2 is a schematic block diagram of a voltage amplifying circuit for a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention. The magnetic sensor 1 includes a SQUID element 11 and a feedback coil 12, and a voltage amplifying circuit 2
Includes a current bias circuit 21, a boost amplification circuit 22, and a signal processing circuit 23.

【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。
The SQUID element 11 is formed on a substrate made of SrTiO 3 by, for example, laser vapor deposition.
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.

【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。
When such a SQUID element 11 is used as a magnetic sensing element, it is placed in, for example, liquid nitrogen to operate in an environment of -196 ° C., ie, 77K, and a feedback coil. 12 is operatively attached. 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.
Note that the feedback coil 12 is connected to the signal processing circuit 23.
, An excitation signal is supplied to the SQUID element 11, and a feedback magnetic field based on the detection result of the modulated predetermined magnetic field and the output voltage Vd of the SQUID element 11 is provided.

【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。
The magnetic sensor 1 is driven and the SQUID element 11
The voltage amplifying circuit 2 for processing the voltage detection signal representing the output voltage Vd generated by the above-mentioned circuit forms a sensor circuit of the flux modulation type magnetic flux lock system commonly called "FLL system" by the circuits 21 to 23 described above. It is an electronic circuit. The current bias 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 the same to the SQUID element. The boosting amplifier 22 boosts and amplifies the voltage detection signal (Vd) from the SQUID. The signal processing circuit 23 that processes the amplified signal includes the modulated signal oscillation circuit 2
3M, a phase detection circuit 23D, a feedback integration amplification circuit 23F, and the like.

【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。
The modulation signal oscillation circuit 23M is, for example, 4
A modulation signal having a relatively high frequency f 0 of 0 kHz is generated, and a feedback coil 12
To apply a predetermined magnetic field to the SQUID element 11.
The phase detection circuit 23D performs phase detection based on the modulated signal. The reset switch 23 having an integrating function
The feedback integration amplifier 23F locked or reset by fs excites the feedback coil 12 via the feedback resistor 23fr according to the detection result of the output voltage Vd, and applies a feedback magnetic field to the SQUID element 11.

【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。
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 represents a magnetic field applied from the outside to the SQUID element 11, and therefore, the output measurement terminal 24 of the voltage amplification circuit 2 is desired by the action of the FLL circuit. The magnetic field measurement signal Vφ can be obtained.

【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。
Here, according to the present invention, the above-described boosting amplifier circuit 22 includes a boosting transformer (step-up transformer) 2.
2T and an electronic amplifier circuit 22A, the voltage detection signal (Vd) from the SQUID element 11 is increased by a predetermined factor by the step-up transformer 22T, and the increased voltage signal is further electronically amplified by the amplifier circuit 22A. Thus, a required processing signal is obtained. The step-up transformer 22T is configured, for example, by winding a primary coil and a secondary coil around a ferrite core at a predetermined winding ratio, and this winding ratio corresponds to the specification of the SQUID element 11 and the subsequent amplifier circuit, for example, The value is selected from several to several hundred.

【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。
As described above, the step-up transformer 22T is provided by the present inventors at a distance from the SQUID element and at a fluctuating room temperature. It has been confirmed that the content is so small as to be negligible and there is no practical problem.

【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。
Considering one of the reasons, generally, the thermal noise due to the resistance component is proportional to the square root of the absolute temperature. On the other hand, in the conventional sensor structure with a built-in transformer, a normal SQ operating at least at -269 ° C. = 4K is used.
It is considered that the UID was considered, whereas the oxide-based high temperature superconductor SQUID element 11 of the present invention
Operates at 196 ° C. = 77K. Therefore, the output voltage of the SQUID element 11 is itself equal to the above-mentioned normal SQUID.
Since the thermal noise component already contains about four times [(77/4) 1/2 ≒ 4] as compared with the above, the step-up transformer has such an output even when separated from the element and at room temperature. It is considered that the voltage transformer does not affect the voltage as much as a noise source, and therefore can function effectively even when the boosting transformer 22T is on the drive circuit side in a room temperature state.

【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。
The step-up transformer 22T can not only have a voltage amplifying function but also add a function as a high-pass filter that effectively passes a high-frequency modulation component by setting a circuit constant to an appropriate value. . Let's explain this high-pass filter function.

【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。
In the voltage amplifying circuit 2 which performs signal processing by the magnetic flux modulation method, the output voltage Vd of the SQUID element 11 including the frequency component f 0 of the modulation signal generated by the modulation signal oscillating circuit 23 M After being increased by the step-up transformer 22T and further amplified by the amplifier circuit 22A, it is delivered to the signal processing circuit 23. In the signal processing circuit 23, the required frequency component f 0 is detected by the phase detector 23D.
Only those that are to be removed.

【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
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。
Here, the current bias circuit 21 generates, for example, an AC bias current having the frequency f 1. When the AC bias current is applied to the SQUID element 11, the SQUID element 11 includes a frequency component f 1 to the output voltage Vd of. In particular, when the AC bias current of a rectangular wave, not only the frequency components f 1, the harmonic component nf 1 also included. In such a case, only the frequency component f 0 is passed and the frequency component f
1, furthermore, when it is possible to remove the harmonic component nf 1, is indeed useful. In this regard, in the present invention,
By setting the circuit constant of the step-up transformer 22T to an appropriate value, a circuit configuration capable of removing such harmonic components can be obtained.

【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。
Here, the internal resistance of the SQUID element 11 is Rs, the circuit resistance between the SQUID element 11 and the step-up transformer 22T is Rc, and the internal resistance of the step-up transformer 22T is Rs.
t, and the coil inductance of the step-up transformer 22T is Lt, and the transformer internal resistance Rt is equal to the element internal resistance Rt.
Assuming that it is sufficiently smaller than s and the circuit resistance Rc, a circuit including the SQUID element 11 and the step-up transformer 22T is represented by an equivalent circuit in FIG. As seen from this equivalent circuit, the step-up transformer 22T can fulfill the function of a high-pass filter, and the cut-off (cut-off) frequency fc of this high-pass filter is represented by fc = (Rs + Rc) / (2πLt) (1) We can see that we can do it. Therefore, this (1)
From the equation, the coil inductance Lt is represented by Lt = (Rs + Rc) / (2πfc) (2)

【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。
[0026] In the present invention, in the above case, the cutoff frequency fc, f 0> fc»f 1 ( 3) and so as to set to selecting a desired coil inductance Lt of the step-up transformer 22T. The above f 0 = 40 kHz
In the case of z and f 1 = 1 kHz, for example, when fc is set to 10 kHz based on the equation (3), from this frequency numerical value and given resistance values Rs and Rc, (2)
The desired coil inductance value Lt is obtained by the equation.

【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。
[0027] Incidentally, the high-pass filter function of such step-up transformer 22T, when included is sufficiently low lower frequency noise than the modulation signal frequency f 0 to the output voltage Vd from the SQUID element 11, which is effective against the noise .
Therefore, not only in the case where the current bias circuit 21 generates the AC bias current (frequency f 1 ) as described above, but also in the case of the DC bias, another low-frequency noise included in the output voltage Vd can be used. The leverage works effectively.

【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。
As can be understood from the above description, according to the present invention, in designing and manufacturing a magnetic sensor, various restrictions are imposed by incorporating a step-up transformer in a small and cryogenic sensor, so that handling is easy. Inexpensive magnetic sensor device can be provided. FIG. 4 is a schematic block diagram showing an example of a circuit configuration in a case where the voltage amplifier circuit according to the present invention is applied to the sensor circuit of the above-mentioned patent application “magnetic sensor drive circuit device” utilizing such features. ing. In this example, too, the advantages described above are utilized.

【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。
The circuit shown in FIG.
A sensor circuit for measuring the magnetic field by obtaining a magnetic field measurement signal Vφ by driving the sensor as a magnetic measurement sensor, and a voltage signal V
, The magnetic field signal Φ or the current signal I is obtained in response to the switching operation indicated by “i / φ”, and Φ−V of the SQUID element 11 is obtained.
The main element is an evaluation circuit for evaluating characteristics such as characteristics and IV characteristics. In this circuit, the feedback coil 12 is also used as a coil for applying these characteristic evaluation magnetic fields when the evaluation circuit operates. The main function of this circuit is to completely control the power supply itself of each circuit by a measurement / evaluation switching circuit that responds to the operation switching operation so that either circuit can operate reliably. See the above-mentioned patent application for details.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来技術によるSQUID用電圧増幅回路を示
す図。
FIG. 1 is a diagram showing a conventional SQUID voltage amplifier circuit.

【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。
FIG. 2 is a diagram showing a schematic circuit block diagram of a voltage amplifier circuit for SQUID according to one embodiment of the present invention.

【図3】図2の電圧検出信号入力部の等価回路を示す
図。
FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit of a voltage detection signal input unit in FIG. 2;

【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。
FIG. 4 is a diagram showing an application example of a voltage amplifier circuit for SQUID according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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。
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 frequency oscillator M, a drive processing circuit provided with a feedback amplifier FA, etc., 2 voltage amplifying circuit 21 current bias circuit, 22 boost amplifying circuit, 22T boost transformer for receiving element 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7−84020(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 Continuation of the front page (56) References JP-A-4-268471 (JP, A) JP-A-7-84020 (JP, A) JP-A-7-311250 (JP, A) JP-A-8-102559 (JP) , A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01R 33/00-33/18

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【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。
1. A voltage amplifying circuit for a magnetic sensor for amplifying and processing a voltage detection signal output from a SQUID element used as a magnetic sensor and receiving modulation excitation based on a modulation signal, wherein the voltage detection from the SQUID element is performed. A step-up transformer for receiving a signal and boosting the signal by a predetermined factor at a normal temperature; and a voltage signal amplifying unit including an electronic amplifying circuit for amplifying the boosted signal; and amplifying the signal from the signal amplifying unit. A voltage processing circuit for a magnetic sensor, comprising: a signal processing circuit that processes the modulated signal and outputs a magnetic field measurement signal.
【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。
2. The voltage amplifying circuit for a magnetic sensor according to claim 1, wherein the SQUID element is a high-temperature superconductor oxide-based SQUID element.
【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。
3. A signal processing circuit, comprising: a modulation signal source for generating the modulation signal and applying modulation excitation to the SQUID element; a phase detection circuit for detecting the amplified signal based on the modulation signal; 3. The voltage amplifying circuit for a magnetic sensor according to claim 1, further comprising a feedback amplifying circuit for providing feedback excitation based on the phase detection signal to the SQUID element.
【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。
4. The voltage amplifying circuit for a magnetic sensor according to claim 1, further comprising a bias current source for supplying an AC or DC bias signal to the SQUID element.
【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。
5. The magnetic sensor according to claim 1, wherein a circuit constant of the step-up transformer is set so as to function as a high-pass filter that passes the modulation frequency component. Voltage amplification circuit.
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