JPH0677053B2 - スクイド磁束計用ピックアップコイル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 本発明は、生体等から誘発される極めて微弱な磁気信号
を検出するためのスクイド磁束計に用いるピックアップ
コイルについて、そのバランス調整法、感度等を改良す
る新しい構成を提案する。

《従来の技術》 スクイド磁束計は、極めて微弱な磁気信号を検出するこ
とを目的とするものであり、従って周囲環境に生ずるノ
イズをいかに完全に取り除くことができるかが、信号検
出精度を高める上での重要要件である。

通常、この種の測定を行う環境ではノイズの発生源は測
定対象試料にたいしては、相対的には極めて遠距離にあ
り、従ってノイズは均一磁場、即ち勾配を持たない磁場
として扱えることが多く、よって、このようなノイズを
除去するために従来一般的には、ピックアップコイルを
一次微分型として勾配を持たない磁場をキャンセルし、
勾配を有する磁場、即ち信号のみを検出するようにした
り、更に精密にノイズを除去するために、一次勾配を有
する磁場をも除去して二次勾配を有する磁場のみを信号
として検出するために、二次微分型ピックアップコイル
を用いたり更に高次の微分コリルを用いることもある。

このようなピックアップコイルは磁束勾配を測定するも
のであるから、グラディオメーターと呼ぶこともある
が、このような微分型ピックアップコイル又はグラディ
オメーターの従来例について第１図によって説明する。

第１図は、ボビン にコイルを巻きつけて三次元的に形
成した一次微分型ピックアップコイル１を示しており、
互いに逆巻きである一対のコイル1a、1bで形成されてい
て、この一対のコイルに均一磁場（無勾配磁場）が入力
された場合、この２つのコイルが逆巻きであるためにそ
れぞれのコイル1a、1bに同一値で逆向きの遮蔽電流が発
生することによってこの均一磁場をノイズとしてキャン
セル出来、結局勾配を有する磁場のみを信号として検出
することとなり、これに対応する電流が、スクイド素子
２と磁気的に結合しているインプットコイル３に流れる
ことになる。

ところが、このようにボビンに手巻きでピックアップコ
イル１を形成する場合、両コイル1a、1bの大きさが異な
ったり軸がずれたりしてコイルバランスが取れず、ノイ
ズ消去が不充分になるなどの不都合が生じ易い。そこ
で、このようなアンバランスを調整するために、例えば
回路の一部にソレノイド４を設けたり図示しない超伝導
チップをコイル内の各方向に出し入れしたりしてバラン
スを調整しようとすることも試みられているが、これら
の操作は厄介なものである上、正確に調整することは実
際上かなり困難なものである。

そこで、このような問題を解決しようとして、ピックア
ップコイルをフォトリソグラフィー等によって薄膜上に
形成しようとすることも行われてきているが、もしバラ
ンス調整が必要になったときは前記の如くにこれを調整
する方法はない。

更に、今一つの従来法の問題はピックアップコイルのイ
ンダクタンスが大きいために、コイルを極めて小さなも
のにしなければ、磁束感度を高くすることが出来ないこ
とである。

今、コイルのインダクタンスをＬ、遮蔽電流をＩとすれ
ば外部磁束Φに対して、Φ＝Ｌ×Ｉという関係によりイ
ンダクタンスＬが大きいと、電流Ｉが小さくなり磁束感
度を高くし難い事になる。

《発明が解決しようとする問題点》 本発明は上記の如き従来例の問題点、即ちボビン巻きの
インオプットコイルにあっては、コイルイルバランスが
取り難いので多くの場合バランスの調整を必要とし、そ
の作業が困難を伴うこと、薄膜コイルにあっては、バラ
ンスはかなり改善されるものの、仮にバランスの調整が
必要になった場合にあっても事実上は、これを行うこと
が出来ないこと、更には、これら両者にあって、インダ
クタンスが大きいために、高い感度を得るために、コイ
ルを非常に小さなものにしなければないから、コイル製
作にきわめて高い精密さが要求されバランスの良いコイ
ルを制作するのに高度な制作技術を要する、等の諸項に
ついて解決しようとするものである。

《問題点を解決するための手段》 本発明は上記の目的を達成するために、インプットコイ
ルにつながる検出コイル、および、ノイズを消去するた
めの補償コイルをカップリングさせたものをインプット
コイルとすることによってコイルバランス調整を容易に
すると共に、トータルインダクタンスを小さくして、磁
束感度を高めるのである。

更に詳しくは、補償コイルは小さな直径の内側コイルと
大きな直径の外側コイルから形成されていて、これらは
同一巻き方向であって、互いに接続されて閉回路を成し
ており、又内側コイルは前記検出コイルと同一径とし
て、この補償コイルを検出コイルとカップリングさせて
ピックアップコイルとするのである。

第２図は、本発明になるインプットコイルを薄膜上に形
成した場合の基本的構成であり、５はインプットコイル
３と接続している検出コイルであって、６はこれとカッ
プリングしている補償コイルである。

補償コイル６は、直径が前記検出コイル５と同一である
内側コイル6aと、直径がそれより大きく、同心円状に形
成される外側コイル6bよりなり、これらの両コイル6a、
6bが接続されて閉回路を構成している。

このピックアップコイルが、均一磁場即ち、ノイズをキ
ャンセルし、勾配磁場即ち、信号のみを検出できる勾配
計として機能することを、第２図によって説明する。

検出コイル５、及び補償コイル６の内側コイル6aの自己
インダクタンスをL1、外側コイル6bの自己インダクタン
スをL2とし、さらに、検出コイル５と内側コイル6aとの
相互インダクタンスをM1、内側コイル6aと外側コイル6b
との相互インダクタンスをM2とし、さらに、検出コイル
５及び内側コイル6aの囲む面積をSi、外側コイル6bの囲
む面積をSo、検出コイル５、補償コイル６を流れる電流
をそれぞれIp、Isとして、このピックアップコイルに磁
束密度Ｂの均一磁場が加わったとき、検出コイル５に
は、補償コイル６との磁束の相互作用によって、次の関
係式が成り立つ。

−SiB＝L1Ip＋（M1＋M2）Is 同様にして補償コイル６側には、 −（Si＋So）Ｂ＝（L1＋L2＋2M2）Is＋（M1＋M2）Ip が成立する。

更に、両式より、検出コイル５に流れる電流Ipは、 Ip＝［（L1＋L2＋2M2） Si−（Si＋So）（M1＋M2）］／ ［（M1＋M2）^２−（L1＋L2＋1M2）L1］ となり、この式より、バランス条件即ち、均一磁場が
キャンセルされて、検出コイル５に流れる電流Ipが零と
なる条件は次式で表される。

（L1＋L2＋2M2）Si＝（Si＋So）（M1＋M2） 即ち、このバランス条件が満たされるようにカップリ
ングが行われれば、ノイズとしての均一磁場がキャンセ
ルされることになる。

即ち、補償コイル６を付加することによって、検出コイ
ル５が微分機能を有することになり、単に面積総和（電
流総和）により、バランスする従来の微分コイルとは異
なるものである。

さらに、検出コイル５、補償コイル６が検出感度等に着
目して、適正に設計され、制作されていれば、バランス
の調整は、検出コイル５と内側コイル6aとの距離ｄの調
整だけで、行うことが出来る。

即ち、バランス式にて、左辺は検出コイル５、内側コ
イル6aの自己インダクタンスL1、外側コイル6bの自己イ
ンダクタンスL2、内側及び外側コイル6a、6bの相互イン
ダクタンスM2及び検出コイル５、内側コイル6aに囲まれ
る面積Siによって定まるのであるが、これらのパラメー
ターは、両コイル５、６の構成によって決まる値である
からこの左辺の値は定数である。

又、右辺にあっては、内側コイル6aの面積Si、外側コイ
ル6bの面積So、および相互インダクタンスM2が定まって
いて、検出コイル５と内側コイル6aとの相互インダクタ
ンスM1のみが、定まっていないのであるが、このM1の値
は、前記した距離ｄによって、即ち、カップリングの状
態によって決まるのであって、これを調節して式にお
ける右辺の値を左辺の値と同一にすることが、可能であ
り、よって距離ｄの調節のみによって、容易にバランス
を取ることが出来ることになる。

次に感度の問題であるが、既に記載したように外部磁束
Φに対して、Φ＝Ｌ×Ｉという関係によって、トータル
インダクタンスＬが小ならば電流Ｉが大きくなり、即
ち、感度を高くできるのであるが、ここで、例えば第３
図に示すような、面積バランスによる微分コイルと比較
してみる。

このコイルは、外側コイル７に対して逆巻きの内側コイ
ル（２巻き）８を、接続するものであって、外側コイル
７の面積＝内側コイル８の面積×２となるように設計さ
れ、このことによって、均一磁場がキャンセルできるも
のである。

このコイルの、トータルインダクタンス１は、内側コイ
ル８の自己インダクタンスをL1、外側コイル７の自己イ
ンダクタンスをL2と、第２図に示す本発明のピックアッ
プコイルと同等のインダクタンスを有するものとして１
＝L1＋4L2と計算される。

一方、本発明のピックアップコイル１のトータルインダ
クタンスＬを第２図を参照して計算すれば、Ｌ＝L1L2/L
1＋L2となって、この両者を比較すると、 １−Ｌ＝（L1＋4L2）−（L1L2/L1＋L2） ＝（L1＋4L1L2＋4L2）／（L1＋L2） となり、この値は正であるから本発明のトータルインダ
クタンスＬが小さいことが分かる。

《実施例》 具体的な実施例として、薄膜コイル上に、本発明による
ピックアップコイル１を形成した場合について第４図に
よって説明する。

検出コイル５は、直径16mm、線幅100mmとして薄膜コイ
ルとして製作した。

一方、補償コイル６は、内側コイル6aを検出コイル５と
同じ16mmとして、外側コイル6bは、直径28mmで形成し、
均一磁場が印加された状態で、コイルの距離ｄを変え
て、コイルバランスを調べたところ第４図に示すよう
に、ｄが330μｍ（カップリング係数:k＝0.85）におい
てバランスし、そのときの磁束感度Φ_ｘ＝4.25×10（W
b）であって、例えば第３図に示す従来例が、1.5×10
（Wb）程度であるから、磁束感度が改良されていること
が分かる。

ここで、距離ｄの調節であるが、例えば、第５図のごと
く、薄膜として形成された両コイル５、６を絶縁層９を
介して接着等の手段で接合出来、その際、ｄは１μｍ程
度の精度が得られるので、設計値、例えば330μｍとの
誤差は、0.3％以内にすることが可能であって、容易に
バランスの良いピックアップコイルが製作できる。

以上は、本発明によるピックアップコイルを、薄膜コイ
ルとして形成した場合の、実施例であるが、通常のボビ
ン巻きのコイルにあっても、距離ｄの調整が前者と較べ
ると、やや難があるものの適用は可能である。

《発明の効果》 本発明は、上記のようにして実施されるのであるから、
トータルインダクタンスが小さいために電流値が大きく
なり、それによって磁束感度を高くすることが出来るう
え、従来困難であった、コイルバランスの調整を容易に
行うことが、可能となった。

また、トータルインダクタンスが小さいのでコイルを比
較的大きく製作しても、磁束感度を高いレベルに維持し
易く、したがって製作が容易で、精度も高いものとな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の１つである、ボビン巻きタイプのピッ
クアップコイルの見取図、第２図は本発明のピックアッ
プコイルの基本構成を示す平面図、第３図は他の従来例
の平面図、第４図は本発明の特性説明図、第５図は本発
明の実施例を示す断面図と平面図である。 ５……検出コイル ６……補償コイル 6a…… 〃 の内側コイル 6b…… 〃 の外側コイル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インプットコイルに接続される検出コイル
   に対して、当該コイルと同一の大きさの内側コイルとこ
   の内側コイルと同心であって、巻き方向が同一であり更
   に、前記検出コイルよりも大きな外側コイルが互いに接
   続されている補償コイルを前記検出コイルとカップリン
   グさせたことを特徴とするスクイド磁束計用ピックアッ
   プコイル。
2. 【請求項２】検出コイル及び補償コイルが薄膜に形成さ
   れこれらを絶縁膜を介してカップリングさせることを特
   徴とする前記特許請求の範囲第１項記載のスクイド磁束
   計用ピックアップコイル。