JPH04174379A - 超伝導磁力計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はＳＱＵＩＤを用いた磁力計に関し、更に詳しく
は、航空機や船舶等に搭載して地磁気の変化を検出する
磁力計に関する。

〈従来の技術〉 ＳＱＵＩＤにおいては、一般に、磁束がジョセフソン接
合を通して磁束量子の単位で超伝導のリングを出入りす
る性質を利用して磁界を検出するが、このＳＱＵＩＤと
してはｒｆおよびｄｃのタイプかある。この両タイプは
励磁方式において相違があるものの、磁界検出の原理は
同じである。

ＳＱＵＩＤの動作原理を、以下、ｒｆｓＱＵＩＤを例に
とって第７図を参照しつつ説明する。

ジョセフソン接合５０１ａを有する超伝導リングである
ＳＱＵＩＤリング５０１に磁界を加えていくと、リング
５０１の中に磁界が入らないようにリング５０１に電流
が流れるが、加える磁界を大きくしていくと、リング５
０１に流れる電流が増える。この電流が接合で制限され
ている臨界電流値を越えると、磁束が１磁束量子だけリ
ング５０１の中に入り、リング５０１を流れる電流が減
少する。更に磁界を大きくしていくと、上述の過程が繰
り返されてリング５０１に流れる電流が磁束単位で周期
的に変化する。

このリング５０１に流れる電流は、コイル５０２によっ
て補足される。

すなわち、ＳＱＵＩＤリング５０１にはコイル５０２を
誘導的に結合させる。コイル５０２がリング５０１に流
れる電流の変化を誘導的に捕らえて、コイル５０２の両
端電圧が磁束量子の単位で周期的に変化するので、入力
磁束に対する出力電圧の特性は第８図のように示される
。従って、磁束量子の個数を計数すれば磁界を検出でき
ることになる。更に、電子回路技術により１磁束量子の
十分の−から万分の−の感度で磁界を検出することもで
きる。

第９図に示す電子回路はｒｆＳＱＵＩＤに対する磁束ロ
ック回路である。この回路では、入出力特性の山または
谷を基点として、入出力特性の勾配値が常に零になるよ
うに変調コイル７０１に流、　す電流を加減して、入力
磁束の変化を自動的に打ち消すように工夫している。

ａｆ発振器７０２から交流電流を変調コイル７０１に流
すと、ＳＱＵＩＤリング５０１には小振幅の交流磁束が
印加される。この交流磁束に対するＳＱＵＩＤリング５
０１の応答は、第１０図に示すように入力磁界の値に依
存する。すなわち、入出力特性曲線のどの位置が動作点
になって交流磁束に対する応答を見ているかによって、
出力の位相と振幅が変化する。

この出力をａｆ発振器７０２からの基準信号と比べて位
相検波すれば、入出力特性曲線の勾配に比例した信号が
得られる。この信号をＳＱＵＩＤリング５０１にフィー
ドバックすれば、ＳＱＵＩＤの動作点が入出力特性曲線
の山か谷に固定される。

このフィードバック電流を読み出せば入力磁界の変化に
対する出力を得ることができる。出力の変化は山と山の
間の磁界の大きさの１／１００００の分解能で得られる
ため検出感度が高い。

〈発明が解決しよ、つとする課題〉 ところで、以上の説明から明らかなように、ＳＱＵＩＤ
は磁界の成分を検出するベクトルセンサであり、スカラ
量である磁界の大きさを検出することはできない。また
、ＳＱＵＩＤは磁界の相対的な変化量のみを検出する。

このことから、ＳＱＵＩＤを航空機等の移動物体に搭載
して磁界を測定する場合、ＳＱＵＩＤの向きと地磁気ベ
クトルとのなす相対角度が変化し、ＳＱＵＩＤに入射す
る地磁気の成分の大きさが変化するため、地磁気の大き
さを検出することはできない。

ここで、航空機等の移動物体に磁力計を搭載して、磁気
異常物体を探索する場合には、地磁気の大きさの変化量
を検出する必要があるが、ＳＱＵＩＤをこのような目的
に使用するとき、上記した点が問題となる。

本発明の目的は、ＳＱＵＩＤを移動物体に搭載して磁気
異常物体を高精度に探索することのできるＳＱＵＩＤ磁
力計を提供することにある。

く課題を解決するための手段〉 上記の目的を達成するため、本発明では、互いに直交す
る受感軸を有するように３個のＳＱＵＩＤを配設し、そ
のうち少なくとも２個のＳＱＵＩＤはＳＱＵＩＤリング
で直接に地磁気を検出するよう構成するとともに、その
検出結果を入力して残りの１個のＳＱＵＩＤの受感軸の
方向が地磁気の方向を向くように制御する方位制御機構
を備えたことによって特徴付けられる。

また、上記の構成において、方位制御に供した２個のＳ
ＱＵＩＤの検出結果を用いて残る１個のＳＱＵＩＤの検
出結果を補正する演算器を追加する構成を採用すること
ができる。

く作用〉 ＳＱＵＩＤリングで直接磁界を検出する、いわゆる露出
型のＳＱＵＩＤにおいては、磁束トラップを行うことな
く、従って履歴現象を伴うことなく、常に設置場所の磁
界の検出が可能である。

そこで、互いに直交するｘ、ｙ、ｚ軸の方向にそれぞれ
受感軸を持つように配設した３個のＳＱＵＩＤのうち、
例えばＸおよびｙ軸のＳＱＵＩＤに関して、露出型のも
のを使用し、これによって検出した地磁気が零になるよ
うにもう一つのＳＱＵＩＤ（ｚ軸）の受感軸の方位を制
御すれば、そのＺ軸のＳＱＵＩＤは正しく地磁気方向を
向く。

つまり、Ｚ軸のＳＱＵ［）は航空機等の姿勢に拘らず、
常に地磁気の方向を向くように方位制御されることにな
り、地磁気の大きさの検出か可能となる。

ここで、方位制御誤差は、この方位制御に供した２個の
ＳＱＵＩＤの出力値から計算でき、これらを用いて残る
１個のＳＱＵＩＤの検出結果を補正演算すると、方位制
御誤差分をも考慮したより正確な地磁気検出か可能とな
る。

〈実施例〉 第１図は本発明実施例の全体構成図で、第２図はそのＳ
ＱＵＩＤセンサユニツト１０およびその支持機構７０の
詳細構造を示す斜視図である。

このような本発明実施例は、例えば航空機等に搭載され
、その検出出力は図示しないコンピュータに刻々と採り
込まれ、公知のデータ処理によって磁気探査を行うよう
に構成される。

ＳＱＵＩＤセンサユニツト１０は、第２図に示すように
互いに直交するＸ軸、ｙ軸およびＺ軸にそれぞれ対応す
る３個のＳＱＵＩＤリング１１゜１２および１３をボビ
ン１４の表面に配設したちのて、後で詳細に述べるよう
にＳＱＵＩＤリング１３の方位を制御する支持機構７０
によって支持されている。

このＳＱＵＩＤセンサユニツト１０およびその支持機構
７０は、プローブ６０に支承された状態で、冷媒が充填
された二重構造の極低温容器５０内に収容されている。

そして、各ＳＱＵＩＤリング１１．１２および１３の出
力は、それぞれ個別に信号線１１１，１２１および１３
１を介してＸ軸増幅器２１．ｙ軸増幅器２２およびＺ軸
増岬器２３に入力される。

この各増幅器の出力のうち、Ｚ軸増幅器２３の出力が地
磁気検出信号としてコンピュータに供給される。また、
Ｘ軸増幅器２１とｙ軸増幅器２２の出力は、サーボ機構
の３０のフィードバック信号として供される。

極低温容器５０の蓋体５１には、後述するサーボ機構３
０の一部を構成するサーボモータ３２ａおよび３２ｂが
固着されており、これらの回転軸（図示せず）には第２
図に示すフレキシブルワイヤ３２１ａ、３２１ｂが取り
付けられており、これらによって極低温容器５０内の支
持機構７０を駆動することができる。

次に、ＳＱＵＩＤセンサユニツト１０および支持機構７
０の詳細を第２図を参照しつつ説明する。

この第２図において（ａ）図はＳＱＵＩＤセンサユニツ
ト１０を支持機構７０に搭載した状態の斜視図で、（ｂ
ｌ図はＳＱＵＩＤセンサユニツト１０の拡大斜視図であ
る。

ＳＱＵＩＤセンサユニツト１０は、同図（ｂｌに示すよ
うに、例えば樹脂等からなる正方形のポビン１４の各面
にＳＱＵＩＤリング１１．１２および１３をそれぞれ固
着したもので、それぞれのＳＱＵＩＤリングは全てリン
グ自体で直接磁気を検出する露出型のもので、各リング
自体にタンク回路のコイルが隣接して配置されている。

そして、各ＳＱＵＩＤリングのうち、サーボ機構３０の
フィードバック信号に供されるＳＱＵＩＤリング１１お
よび１２は、そのリングの大きさを好ましくは一辺か６
μｍ程度の微小なものとしている。

このようなＳＱＵＩＤセンサユニツト１０を支持する支
持機構７０は、以下に示す機構により、サーボ機構３０
によって駆動制御されるサーボモータ３２ａおよび３２
ｂの回転により、Ｚ軸のＳＱＵＩＤリング１３の方位を
制御することかできる。

すなわち、ＳＱＵＩＤセンサユニツト１０は円盤載置台
７１上に固着されている。この円盤載置台７１には、そ
の両端部に支持軸７１１か固着されており、この支持軸
７１１は回転枠７２の内面に回転自在に支承されている
。そして、この回転枠７２にはその両性側に支持軸７２
２ａおよび７２２ｂが固着されており、この支持軸７２
２ａおよび７２２ｂはプローブ６０の内部壁（図示せず
）に回転自在に支承されている。

更に、円盤載置台７１には、ラックを形成したリング７
１２が外側に固着されており、このリング７１２のラッ
クはピニオン７４に噛み合っている。また、回転枠７２
の外側にも同様にラックを刻んだリング７２１が固着さ
れ、このリング７２１のラックはビニオン７３に噛み合
っている。

ビニオン７３は、前記したサーボモータ３２ａの回転軸
に固着されたフレキシブルワイヤ３２１ａの先端に固着
され、また、ビニオン７４は同じくサーボモータ３２ｂ
の回転軸に固着されたフレキシブルワイヤ３２１ｂの先
端に固着され、それぞれがサーボモータ３２ａおよび３
２ｂの回転に同期して回転するようになっている。

これにより、サーボモータ３２ａの回転によって回転枠
７２が図中矢印Ａで示す方向に回転し、また、サーボモ
ータ３２ｂの回転によって円盤載置台７１が図中矢印Ｂ
で示す方向に回転するように構成されている。

なお、ここで、フレキシブルワイヤ３２１ａの先端部近
傍は、プローブ６０の内部壁（図示せず）に回転自在に
支承され、また、フレキシブルワイヤ３２１ｂの先端部
近傍は回転枠７２に設けた貫通孔に回転自在に支承して
いる。

さて、前記したように、ＳＱＵＩＤリング１１の受感方
向をＸ軸、ＳＱＵＩＤリング１２の受感方向をｙ軸、更
にＳＱＵＩＤリング１３の受感方向をＺ軸とした直交座
標系を定義する。すなわち、この直交座標系は、ＳＱＵ
ＩＤセンサユニツト１０を基準として定義付けられる。

サーボ機構３０は、第１図に示すように、Ｘ軸に対応す
るＳＱＵＩＤリング１１の増幅後の出力と、ｙ軸に対応
するＳＱＵＩＤリング１２の増幅後の出力をそれぞれＸ
軸サーボアンプ３１ａおよびｙ軸サーボアンプ３１ｂに
入力して、それぞれの入力信号が零となるように、サー
ボモータ３２ａおよび３２ｂをフィードバック制御する
。

すなわち、サーボ機構３０は、ＳＱＵＩＤリング１１に
よるＸ軸方向の地磁気検出値と、ＳＱＵＩＤリング１２
によるｙ軸方向の地磁気検出値が零になるように、サー
ボモータ３２ａおよび３２ｂを駆動して支持機構７０を
動作させ、ＳＱＵＩＤセンサユニツト１０の方位を制御
する。

前述したように、ＳＱＵＩＤはベクトルセンサであるた
め、その受感方向の地磁気成分のみしか検出しないので
、ＳＱＵＩＤリング１１および１２の検出値が零になっ
ている状態では、これらの両方に直交する受感方向を持
つＳＱＵＩＤリング１３の受感方向が地磁気の方向を向
いた状態となる。また、ここで注目すべき点は、ＳＱＵ
ＩＤリング１１および１２が露出型のものであることで
ある。これらを露出型とすることにより、磁束をトラッ
プすることなく、常にその状態での磁界を検出するから
、履歴現象を伴わず、常にその状態での入射磁界を検出
することが可能である。

以上のような本発明実施例を航空機等の移動物体に搭載
して、ＳＱＵＩＤセンサユニツト１０の方位が任意に変
化したとしても、サーボ機構３０がＳＱＵＩＤリング１
１および１２の地磁気検出値が常に零になるようにＳＱ
ＵＩＤセンサユニツト１０の方位を制御し、ＳＱＵＩＤ
リング１３は常に地磁気の方向を向くことになる。従っ
て、ＳＱＵＩＤリング１３の出力は、常に地磁気の大き
さを計測することになる。

ここで、ＳＱＵＩＤリング１１と１２の大きさを一辺が
６μｍ程度にしておくことにより、地磁気±２８０００
７の範囲で零ポイントの検出が可能となる。ちなみに、
ＳＱＵＩＤリング１１と１２の大きさを一辺が４μｍ程
度とすると±６００００γ、ｌｌｚｍ程度では±１００
００７．２０μｍ程度では±２５００γの範囲で零ポイ
ント検出が可能となる。そして、このＳＱＵＩＤリング
１１と１２による検出感度をｌＯγとすると、ＳＱＵＩ
Ｄリング１３の方位角を０．７分まで制御可能となり、
ＳＱＵＩＤリング１３はこれによって０．００１７の感
度で磁界を検出することが可能となる。

ところで、以上の実施例では、実際の地磁気検出に供す
るＳＱＵＩＤリング１３についても露出型としたが、こ
のＺ軸方向のＳＱＵＩＤリング１３については露出型に
する必要はなく、第３図に示すように、検出コイル３０
１と入力コイル３０２からなる磁束トランスを用いたも
のでもいいことは勿論である。

また、方位検出の仕方として、ＳＱＵＩＤリング１１と
１２の他に、これらとは別に例えばフラックスゲートセ
ンサ等の粗センサを併用することによって対処すること
もてきる。

すなわち、第４図に示すように、粗センサ４０１によっ
て地磁気の方位を粗く検出し、その検出出力を演算器４
０２を介して地磁気ベクトルの方向角を表す信号とした
後、サーボアンプ３１ａおよび３１ｂに供給して方位を
粗調整し、精密にはＳＱＵＩＤリング１１と１２の検出
出力で制御するわけである。この場合、ＳＱＵＩＤリン
グ１１と１２のリング面積は大きくすることが可能とな
ることから、方位検出の精度をより向上できる。

第５図は本発明の更にまた他の実施例の全体構成図であ
る。この図面においては、第１図と共通の部分について
は共通の符号を付してその説明を省略する。

この実施例では、第１図の実施例の構成に加えて、Ｘ軸
およびｙ軸用のＳＱＵＩＤリング１１および１２による
検出出力を用いて、Ｚ舶用のＳＱＵＩＤリング１３によ
る地磁気検出結果を補正するための演算器２４を設け、
サーボ機構によるＺ舶用ＳＱＵＩＤリング１３の方位制
御誤差による地磁気検出誤差をも補正する点に特徴があ
る。

すなわち、Ｘ軸増幅器２１、ｙ軸増幅器２２およびＺ軸
増幅器２３の出力はそれぞれ演算器２４に導入され、Ｚ
軸増幅器２３の出力はＸ軸増幅器２１とｙ軸増幅器２２
の出力を用いた以下のような演算により補正される。

今、前記したように座標軸を３軸センサに固定し、この
座標軸に対する地磁気方向の角度を第６図に示すように
表現するものとする。

また、時間ｔ０およびｔｌにおける磁界の大きさをそれ
ぞれＨｏおよびＨｌ、その補角ならびに方位角をそれぞ
れθ。、φ。、およびθ１．φ１とする。

そして、時間ｔ０→１＋でのＺ軸ＳＱＵＩＤリング１３
による検出信号の変化量をＶ８とし、更に時間ｔ０にお
けるＸ軸およびｙ軸ＳＱＵ［）リング１１および１２に
よる検出信号をそれぞれＶ０ヨおよびＶ０ア、また、時
間ｔｌにおけるＸ軸およびｙ軸ＳＱＵＩＤリング１１お
よび１２による検出信号をそれぞれＶ、８および■、ア
とする。

さて、■□は、 ・・・・（１） となり、右辺第２項が方位制御誤差に伴う検出誤差とな
る。

なお、ｖ０８．ｖ０ア、ｖＩｘおよびｖ１アは、Ｖｏｘ
＝（Ｈｏｃｏｓφ。）θｏ　　　　　　・・・・（２）
Ｖ　ａ　ｙ　”　（Ｈｏ　Ｓ　ｌ　ｎφ。）θ、　　　
　　　−−−−（３）Ｖ、、＝（Ｈ＋ＣＯＳφ１）θ＋
　　　　　　””（４）Ｖ＋ｙ＝（Ｈ＋Ｓｉｎφ１）θ
ｌ　　　　　　−−−−（５）となる。

（１）式における右辺第２項は、Ｖ　６ＸＩ　ＶＯＦＴ
　Ｖ＋！およびＶ１アを用いて次のように表すことがで
きる。

■ ］薯（Ｈ，θ、”−Ｈ２Ｏ。り 一一上−（（Ｖｌ、”＋ＶＩ、”）−（Ｖ６．”＋Ｖ１
１．”））＝　　２Ｈ ・・・・（６） ここで、Ｈは地磁気の大きさの近似値で、ＨユＨ，、Ｈ
，である。

従って、演算器２４によってＸ軸増幅器２１とｙ軸増幅
器２２の出力を用いて（６）式の演算を実行することに
より、Ｚ軸増幅器２３に含まれる方位制御誤差に伴う地
磁気の検出誤差を補正することができる。

ちなみに、ｚＭｓＱＵＩＤリング１３の地磁気方向に対
する方位制御角度と磁界検出感度の関係は次の表の通り
である。

サーボメカニズムによる２軸ＳＱＵＩＤリング１３の方
位制御のみでは、０．００１７の磁界検出感度を得るた
めには０．７分の方位角制卸精度が必要となるが、第５
図の実施例を適用することにより、例えば１５分の方位
制御誤差があっても０．００１γ程度まで磁界検出感度
を得ることが可能となる。従って、このような補正演算
を追加することにより、サーボメカニズムを極めて高精
度に構築することなく、極めて高精度の磁界検出が可能
となる。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、互いに直交する
３個のＳＱＵ［）リングを設けて、少なくともそのうち
の２個のＳＱＵ［）リングを露出型とし、これらの出力
でもう一つのＳＱＵＩＤリングの方位を制御するサーボ
機構を構成して、その５ＱＵＩ［リングについては常に
その受感方向が地磁気方向に向くようにしたので、ＳＱ
Ｕ　Ｉ　Ｄ磁力計でありながら、航空機、船舶あるいは
車両等の移動物体に搭載して、地磁気の大きさの変化量
を検出することが可能となった。

また、以上の構成に加えて、方位制御に供した２個のＳ
ＱＵＩＤによる検出結果を用いて残る１個のＳＱＵＩＤ
の検出結果を補正する演算器を設けることにより、方位
制御誤差に伴う磁界検出誤差をも補正することができ、
より高精度の磁界検出が可能となり、もしくは、方位制
御のためのメカニズムの負担を軽減できるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の全体構成図、 第２図（ａ）はそのＳＱＵＩＤセンサユニツト１０とそ
の支持機構７０の詳細構造を示す斜視図で、（ｂ）はＳ
ＱＵＩＤセンサユニツト１０の拡大斜視図、第３図は本
発明の他の実施例のＳＱＵＩＤセンサユニツトの構造を
示す斜視図、 第４図は本発明の更に他の実施例のサーボ機構の説明図
、 第５図は本発明の更に他の実施例の全体構成図、第６図
はその作用説明図、゛ 第７図はＳＱＵＩＤの動作原理の説明図、第８図はその
入力磁束と出力電圧の特性図、第９図はｒｆＳＱＵＩＤ
の一般的な磁束ロック回路の構成図、 第１０図は第９図のＳＱＵＩＤリングの応答特性の説明
図である。 １０・・・・ＳＱＵＩＤセンサユニツト１１．１２．１
３ ・・・・ＳＱＵＩＤリング ２１、　２２．２２ ・・・・増幅器 ２４・・・・演算器 ３０・・・・サーボ機構 ３１ａ・・・・Ｘ軸サーボアンプ ３１ｂ・・・・Ｘ軸サーボアンプ 一３２ａ、３２ｂ ・・・・サーボモータ ５０・・・・極低温容器 ６０・・・・プローブ ７０・・・・支持機構 特許出願人　　　株式会社島津製作所 代　理　人　　　　弁理士　西１）新 第８図 第８図 １　　　　　　　　　　　　　人方１．１ｉＮ釆手続補
正書帽発） 平成　２年１２月２８日

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いに直交する受感軸を有するように３個のＳＱ
   ＵＩＤを配設し、そのうち少なくとも２個のＳＱＵＩＤ
   はＳＱＵＩＤリングで直接に地磁気を検出するよう構成
   するとともに、その検出結果を入力して残りの１個のＳ
   ＱＵＩＤの受感軸の方向が地磁気の方向を向くように制
   御する方位制御機構を備えてなる超伝導磁力計。
2. （２）上記残りの１個のＳＱＵＩＤの検出結果を、上記
   方位制御に供した２個のＳＱＵＩＤの検出結果により補
   正する演算器を備えたことを特徴とする請求項第１項記
   載の超伝導磁力計。