(57)【要約】【課題】磁場の検出の安定性を向上する。【解決手段】積分回路１２ｃは、時定数τ１を有し、ＳＱＵＩＤ１１が出力する第１の出力電圧または第１の出力電圧を増幅した第２の出力電圧を時間積分し、第１の積分信号を出力する。積分回路１２ｄは、時定数τ１よりも小さい時定数τ２を有し、第１の出力電圧または第２の出力電圧を時間積分した第２の積分信号を出力する。制御回路１２ｆは、第１の出力電圧の変化の速さを表す第１の値が閾値よりも大きい場合に積分回路１２ｄを動作させ、第１の値が閾値よりも小さい場合に積分回路１２ｄの動作を停止する。コイル１２ｉは、第１の積分信号または第２の積分信号に基づいて、ＳＱＵＩＤ１１に供給する帰還磁束φｆを発生する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の時定数を有し、ＳＱＵＩＤが出力する第１の出力電圧または前記第１の出力電圧を増幅した第２の出力電圧を時間積分し、第１の積分信号を出力する第１の積分回路と、
前記第１の時定数よりも小さい第２の時定数を有し、前記第１の出力電圧または前記第２の出力電圧を時間積分した第２の積分信号を出力する第２の積分回路と、
前記第１の出力電圧の変化の速さを表す第１の値が閾値よりも大きい場合に前記第２の積分回路を動作させ、前記第１の値が前記閾値よりも小さい場合に前記第２の積分回路の動作を停止する制御回路と、
前記第１の積分信号または前記第２の積分信号に基づいて、前記ＳＱＵＩＤに供給する帰還磁束を発生するコイルと、
を有するＦＬＬ回路。
【請求項２】
前記第２の積分回路には、前記第１の出力電圧または前記第２の出力電圧が、スイッチを介して供給され、
前記制御回路は、前記第１の値が前記閾値よりも大きい場合に前記スイッチをオンすることで前記第２の積分回路を動作させ、前記第１の値が前記閾値よりも小さい場合に前記スイッチをオフすることで前記第２の積分回路の動作を停止する、
請求項１に記載のＦＬＬ回路。
【請求項３】
前記制御回路は、前記第１の出力電圧または前記第２の出力電圧を時間微分した微分値を出力する微分回路と、
前記微分値と、正の第１の閾値または負の第２の閾値との大小関係に基づいて前記スイッチのオンオフを制御するための制御信号を出力する比較回路と、
を有する請求項２に記載のＦＬＬ回路。
【請求項４】
前記比較回路は、前記微分値が正であり、前記第１の閾値よりも大きい場合、または前記微分値が負であり、前記第２の閾値よりも小さい場合、前記スイッチをオンする前記制御信号を出力し、前記微分値が正であり、前記第１の閾値よりも小さい場合、または前記微分値が負であり、前記第２の閾値よりも大きい場合、前記スイッチをオフする前記制御信号を出力する、
請求項３に記載のＦＬＬ回路。
【請求項５】
前記第１の積分回路と前記第２の積分回路と、を含み、それぞれが異なる時定数を有する複数の積分回路を有し、
前記制御回路は、前記第１の値が大きくなるほど、前記複数の積分回路のうち、小さい時定数を有する積分回路を動作させる、
請求項１乃至４の何れか一項に記載のＦＬＬ回路。
【請求項６】
帰還磁束と、入力される磁場とに基づいた第１の出力電圧を出力するＳＱＵＩＤと、
第１の時定数を有し、前記第１の出力電圧または前記第１の出力電圧を増幅した第２の出力電圧を時間積分し、第１の積分信号を出力する第１の積分回路と、
前記第１の時定数よりも小さい第２の時定数を有し、前記第１の出力電圧または前記第２の出力電圧を時間積分した第２の積分信号を出力する第２の積分回路と、
前記第１の出力電圧の変化の速さを表す第１の値が閾値よりも大きい場合に前記第２の積分回路を動作させ、前記第１の値が前記閾値よりも小さい場合に前記第２の積分回路の動作を停止する制御回路と、
前記第１の積分信号または前記第２の積分信号に基づいて、前記ＳＱＵＩＤに供給する前記帰還磁束を発生するコイルと、
を有するＳＱＵＩＤセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＬＬ回路及びＳＱＵＩＤセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの超伝導体を２箇所でジョセフソン接合したループ状の素子であるＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device）は、微小な磁場を検出できることが知られている。
【０００３】
ＳＱＵＩＤは磁場の大きさを電圧に変換する変換器として機能する。しかしその電圧は微小で、環境ノイズの影響を受けやすい。そのため、ＳＱＵＩＤを用いたセンサ（以下ＳＱＵＩＤセンサという）では、ＦＬＬ（Flux Locked Loop）回路と呼ばれる安定化回路が用いられる。ＦＬＬ回路は、ＳＱＵＩＤの出力電圧を増幅回路で増幅し、増幅した出力電圧を積分回路で平滑化する。平滑化された電圧は、フィードバック抵抗とコイルを介して、ＳＱＵＩＤに帰還磁束としてネガティブフィードバックされる。これによって、ＦＬＬ回路の出力電圧は、ＳＱＵＩＤ自身のデバイス特性変動に依存しなくなり、磁場の大きさに比例した値となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１１０３４号公報
【特許文献２】特開平４−２６８４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＦＬＬ回路の積分回路は抵抗とキャパシタを含み、微小な磁場を高感度に検出するためには、抵抗とキャパシタによる時定数を大きくすればよい。
しかし、積分回路の時定数を大きくした場合、磁場の急激な変化に対してＦＬＬ回路の追従が遅れ、磁場の検出の安定性が下がる問題がある。
【０００６】
１つの側面では、本発明は、磁場の検出の安定性を向上できるＦＬＬ回路及びＳＱＵＩＤセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの実施態様では、第１の時定数を有し、ＳＱＵＩＤが出力する第１の出力電圧または前記第１の出力電圧を増幅した第２の出力電圧を時間積分し、第１の積分信号を出力する第１の積分回路と、前記第１の時定数よりも小さい第２の時定数を有し、前記第１の出力電圧または前記第２の出力電圧を時間積分した第２の積分信号を出力する第２の積分回路と、前記第１の出力電圧の変化の速さを表す第１の値が閾値よりも大きい場合に前記第２の積分回路を動作させ、前記第１の値が前記閾値よりも小さい場合に前記第２の積分回路の動作を停止する制御回路と、前記第１の積分信号または前記第２の積分信号に基づいて、前記ＳＱＵＩＤに供給する帰還磁束を発生するコイルと、を有するＦＬＬ回路が提供される。
【０００８】
また、１つの実施態様では、ＳＱＵＩＤセンサが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
１つの側面では、磁場の検出の安定性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態のＳＱＵＩＤセンサ及びＦＬＬ回路の一例を示す図である。
【図２】積分回路の一例を示す図である。
【図３】制御回路の一例を示す図である。
【図４】微分回路の一例を示す図である。
【図５】比較回路の一例を示す図である。
【図６】磁場の変化が比較的緩やかな場合のＳＱＵＩＤセンサの動作例を示すタイミングチャートである。
【図７】磁場の変化が比較的速い場合のＳＱＵＩＤセンサの動作例を示すタイミングチャートである。
【図８】第２の実施の形態のＳＱＵＩＤセンサ及びＦＬＬ回路の一例を示す図である。
【図９】金属鉱床を探査する装置への適用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態のＳＱＵＩＤセンサ及びＦＬＬ回路の一例を示す図である。
【００１２】
ＳＱＵＩＤセンサ１０は、ＳＱＵＩＤ１１、ＦＬＬ回路１２、ＡＤ（Analog to Digital）変換回路１３を有する。
ＳＱＵＩＤ１１は、入力される磁場φと、帰還磁束φｆとに基づいた出力電圧を出力する。
【００１３】
ＦＬＬ回路１２は、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧を安定化する回路である。
ＡＤ変換回路１３は、ＦＬＬ回路１２の出力電圧をＡＤ変換し、磁場φの検出結果としてデジタル値を出力する。
【００１４】
ＦＬＬ回路１２は、増幅回路１２ａ、バイアス電源１２ｂ、積分回路１２ｃ，１２ｄ、スイッチ１２ｅ、制御回路１２ｆ、抵抗１２ｇ，１２ｈ、コイル１２ｉ、スイッチ１２ｊを有する。
【００１５】
増幅回路１２ａは、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧と、バイアス電源１２ｂが生成するバイアス電圧Ｖｂを受け、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧を増幅する。微小な磁場φの変化を検出するために、増幅回路１２ａとして、低雑音のプリアンプを用いることが望ましい。
【００１６】
積分回路１２ｃ，１２ｄは、増幅回路１２ａの出力電圧を時間積分することで平滑化する機能をもつ。
積分回路１２ｃは、時定数τ１を有し、増幅回路１２ａの出力信号を時間積分した積分信号を出力する。
【００１７】
積分回路１２ｄは、時定数τ１よりも小さい時定数τ２を有し、増幅回路１２ａの出力端子にスイッチ１２ｅを介して接続されている。つまり、積分回路１２ｄには、増幅回路１２ａの出力電圧がスイッチ１２ｅを介して供給される。積分回路１２ｄは、スイッチ１２ｅがオンのときに増幅回路１２ａの出力電圧を時間積分した積分信号を出力する。
【００１８】
制御回路１２ｆは、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧の変化の速さを表す値（たとえば、後述の正の微分値または負の微分値の絶対値）が閾値よりも大きい場合に積分回路１２ｄを動作させる。また、制御回路１２ｆは、出力電圧の変化の速さを表す値が閾値よりも小さい場合に積分回路１２ｄの動作を停止する。
【００１９】
図１の例では、制御回路１２ｆは、出力電圧の変化の速さを表す値が閾値よりも大きい場合にスイッチ１２ｅをオンすることで積分回路１２ｄを動作させる。また、制御回路１２ｆは、出力電圧の変化の速さを表す値が閾値よりも小さい場合にスイッチ１２ｅをオフすることで積分回路１２ｄの動作を停止する。
【００２０】
制御回路１２ｆは、たとえば、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧を時間微分することで、出力電圧の変化の速さを表す値を求める。ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧が上昇するときには、正の微分値が得られ、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧が下降するときには、負の微分値が得られる。制御回路１２ｆは、たとえば、正の微分値または負の微分値の絶対値が、閾値よりも大きい場合にスイッチ１２ｅをオンし、正の微分値または負の微分値の絶対値が、閾値よりも小さい場合にスイッチ１２ｅをオフする。なお、制御回路１２ｆは、負の微分値が、負の閾値よりも小さい場合に、スイッチ１２ｅをオンし、負の微分値が、負の閾値よりも大きい場合に、スイッチ１２ｅをオフするようにしてもよい。
【００２１】
これによって、制御回路１２ｆは、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧の正側への急速な変化と、負側への急速な変化を検出した場合に、積分回路１２ｄを動作させることができる。制御回路１２ｆは、たとえば、微分回路と比較回路を用いて実現できる（図３参照）。
【００２２】
なお、図１の例では、制御回路１２ｆには、ＳＱＵＩＤ１１が出力する出力電圧が入力されているが、制御回路１２ｆは、増幅回路１２ａの出力信号に基づいて、スイッチ１２ｅを制御してもよい。
【００２３】
コイル１２ｉの一端は、抵抗１２ｇを介して積分回路１２ｃの出力端子に接続されているとともに、抵抗１２ｈを介して積分回路１２ｄの出力端子に接続されている。コイル１２ｉの他端は接地されている。コイル１２ｉは、積分回路１２ｃまたは積分回路１２ｄが出力する積分信号に基づいて、ＳＱＵＩＤ１１に供給する帰還磁束φｆを発生する。
【００２４】
スイッチ１２ｊは、制御回路１２ｆが出力する制御信号に基づいて、積分回路１２ｃと積分回路１２ｄが出力する積分信号の一方を、ＡＤ変換回路１３に供給する。制御回路１２ｆがスイッチ１２ｅをオンするときには、スイッチ１２ｊは、積分回路１２ｄとＡＤ変換回路１３とを接続し、積分回路１２ｃとＡＤ変換回路１３との接続を切断する。制御回路１２ｆがスイッチ１２ｅをオフするときには、スイッチ１２ｊは、積分回路１２ｄとＡＤ変換回路１３との接続を切断し、積分回路１２ｃとＡＤ変換回路１３とを接続する。
【００２５】
なお、スイッチ１２ｅやスイッチ１２ｊは、たとえば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いて実現できる。
スイッチ１２ｅとしてｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（以下ｎＭＯＳと略す）を用いた場合、ｎＭＯＳのソース端子またはドレイン端子の一方が、増幅回路１２ａの出力端子に接続され、他方が積分回路１２ｄに接続され、ゲート端子が制御回路１２ｆに接続される。そして、制御回路１２ｆが出力する制御信号の論理レベルがＨ（High）レベルの場合に、ｎＭＯＳがオン状態となり、制御信号の論理レベルがＬ（Low）レベルの場合に、ｎＭＯＳがオフ状態となる。
【００２６】
スイッチ１２ｊとして、ｎＭＯＳとｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（以下ｐＭＯＳと略す）を用いることができる。その場合、ｐＭＯＳのソース端子またはドレイン端子の一方が、積分回路１２ｃに接続され、他方がＡＤ変換回路１３に接続され、ゲート端子が制御回路１２ｆに接続される。また、ｎＭＯＳのソース端子またはドレイン端子の一方が、積分回路１２ｄに接続され、他方がＡＤ変換回路１３に接続され、ゲート端子が制御回路１２ｆに接続される。そして、制御回路１２ｆが出力する制御信号の論理レベルがＨレベルの場合に、ｎＭＯＳがオン状態、ｐＭＯＳがオフ状態となり、制御信号の論理レベルがＬレベルの場合に、ｎＭＯＳがオフ状態、ｐＭＯＳがオン状態となる。
【００２７】
なお、ＡＤ変換回路１３が、制御回路１２ｆが出力する制御信号に基づいて、積分回路１２ｃが出力する積分信号と、積分回路１２ｄが出力する積分信号の一方を選択してＡＤ変換してもよい。その場合、スイッチ１２ｊはなくてもよい。
【００２８】
また、たとえば、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧がある程度大きく、積分回路１２ｃ，１２ｄが、検出結果（アナログ値）として適切な大きさの積分信号を出力する場合、増幅回路１２ａはなくてもよい。その場合、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧が、積分回路１２ｃに供給されるとともに、スイッチ１２ｅを介して積分回路１２ｄに供給される。
【００２９】
なお、図示を省略しているが、たとえば、ＳＱＵＩＤ１１とコイル１２ｉは、液体窒素によりＳＱＵＩＤ１１を冷却する冷却装置（たとえば、デュワー冷却器）内に設けられる。
【００３０】
（積分回路１２ｃ，１２ｄの一例）
図２は、積分回路の一例を示す図である。
図２では、積分回路１２ｄの例が示されているが、積分回路１２ｃについても同様の回路構成で実現できる。
【００３１】
積分回路１２ｄは、入力端子１２ｄ１、抵抗１２ｄ２、キャパシタ１２ｄ３、オペアンプ１２ｄ４、出力端子１２ｄ５を有する。
抵抗１２ｄ２の一端は入力端子１２ｄ１に接続されており、抵抗１２ｄ２の他端は、キャパシタ１２ｄ３の一端及び、オペアンプ１２ｄ４の反転入力端子（“−”と表記されている）に接続されている。キャパシタ１２ｄ３の他端は、出力端子１２ｄ５及びオペアンプ１２ｄ４の出力端子に接続されている。オペアンプ１２ｄ４の非反転入力端子（“＋”と表記されている）は、接地されている。
【００３２】
このような積分回路１２ｄでは、入力端子１２ｄ１から入力される増幅回路１２ａの出力信号を時間積分した積分信号が、出力端子１２ｄ５から出力される。抵抗１２ｄ２の抵抗値をＲ、キャパシタ１２ｄ３のキャパシタンスをＣとすると、積分回路１２ｄの時定数τ２は、Ｒ×Ｃである。
【００３３】
（制御回路１２ｆの一例）
図３は、制御回路の一例を示す図である。
制御回路１２ｆは、微分回路１２ｆ１と比較回路１２ｆ２を有する。
【００３４】
微分回路１２ｆ１は、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧の変化の速さを表す微分値（出力電圧の変化に比例した値）を出力する。
比較回路１２ｆ２は、微分回路１２ｆ１が出力する微分値が正で、正の閾値よりも大きいか、微分値が負で、負の閾値よりも小さい場合に、スイッチ１２ｅをオンする制御信号を出力する。微分値が正で、正の閾値よりも小さいか、微分値が負で、負の閾値よりも大きい場合に、比較回路１２ｆ２は、スイッチ１２ｅをオフする制御信号を出力する。
【００３５】
図４は、微分回路の一例を示す図である。
微分回路１２ｆ１は、入力端子１２ｆ１１、キャパシタ１２ｆ１２、抵抗１２ｆ１３、オペアンプ１２ｆ１４、出力端子１２ｆ１５を有する。
【００３６】
キャパシタ１２ｆ１２の一端は入力端子１２ｆ１１に接続されており、キャパシタ１２ｆ１２の他端は、抵抗１２ｆ１３の一端及び、オペアンプ１２ｆ１４の反転入力端子に接続されている。抵抗１２ｆ１３の他端は、出力端子１２ｆ１５及びオペアンプ１２ｆ１４の出力端子に接続されている。オペアンプ１２ｆ１４の非反転入力端子は、接地されている。
【００３７】
このような微分回路１２ｆ１では、入力端子１２ｆ１１から入力されるＳＱＵＩＤ１１の出力電圧を時間微分した微分値が、出力端子１２ｆ１５から出力される。
図５は、比較回路の一例を示す図である。
【００３８】
比較回路１２ｆ２は、入力端子１２ｆ２１、比較回路１２ｆ２２，１２ｆ２３、ＯＲ回路１２ｆ２４、出力端子１２ｆ２５を有する。
比較回路１２ｆ２２は、入力端子１２ｆ２１から入力される微分値と、正の閾値Ｖｒｅｆ＋とを比較し、微分値が、閾値Ｖｒｅｆ＋よりも大きい場合に、論理レベルがＨレベルの電圧を出力する。それ以外の場合には、比較回路１２ｆ２２は、論理レベルがＬレベルの電圧を出力する。
【００３９】
比較回路１２ｆ２３は、入力端子１２ｆ２１から入力される微分値と、負の閾値Ｖｒｅｆ−とを比較し、微分値が、閾値Ｖｒｅｆ−よりも小さい場合に、論理レベルがＨレベルの電圧を出力する。それ以外の場合には、比較回路１２ｆ２３は、論理レベルがＬレベルの電圧を出力する。
【００４０】
ＯＲ回路１２ｆ２４の一方の入力端子は、比較回路１２ｆ２２の出力端子に接続されており、ＯＲ回路１２ｆ２４の他方の入力端子は、比較回路１２ｆ２３の出力端子に接続されている。ＯＲ回路１２ｆ２４の出力端子は、出力端子１２ｆ２５に接続されている。
【００４１】
ＯＲ回路１２ｆ２４は、比較回路１２ｆ２２，１２ｆ２３の少なくとも一方の出力電圧の論理レベルがＨレベルである場合には、Ｈレベルの電圧を、制御信号として出力し、スイッチ１２ｅをオンする。ＯＲ回路１２ｆ２４は、比較回路１２ｆ２２，１２ｆ２３の両方の出力電圧の論理レベルがＬレベルである場合には、Ｌレベルの電圧を、制御信号として出力し、スイッチ１２ｅをオフする。
【００４２】
以下、第１の実施の形態のＳＱＵＩＤセンサ１０の動作例を説明する。
（ＳＱＵＩＤセンサ１０の動作例）
図６は、磁場の変化が比較的緩やかな場合のＳＱＵＩＤセンサの動作例を示すタイミングチャートである。
【００４３】
図６には、磁場φ、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧、微分回路１２ｆ１の出力電圧（微分値）、比較回路１２ｆ２の出力電圧（制御信号）の時間変化の例が示されている。さらに、時定数τ１の積分回路１２ｃの出力電圧（積分信号）、時定数τ２の積分回路１２ｄの出力電圧（積分信号）の時間変化の例が示されている。
【００４４】
図６の例では、タイミングｔ１からタイミングｔ２の間で磁場φの増加及び減少が生じている。
磁場φが大きくなり始めると、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧も上昇する。図６の例では、磁場φの変化が比較的緩やかであるため、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧の上昇も緩やかである。このとき、微分回路１２ｆ１の出力電圧（正の微分値）が、閾値Ｖｒｅｆ＋よりも小さくなるため、比較回路１２ｆ２の出力電圧の論理レベルはＬレベルとなり、スイッチ１２ｅはオフする。これにより、積分回路１２ｄは動作せず、積分回路１２ｄの出力電圧は上昇しない。一方、積分回路１２ｃの出力電圧は、緩やかに上昇する。そして、積分回路１２ｃの出力電圧に基づいて、コイル１２ｉで帰還磁束φｆが発生し、ＳＱＵＩＤ１１にネガティブフィードバックされる。
【００４５】
このネガティブフィードバックの作用によって、磁場φによるＳＱＵＩＤ１１への入力磁束と帰還磁束φｆとが互いに打ち消し合い、ＳＱＵＩＤ１１に鎖交する磁束はゼロになるように（ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧がゼロになるように）安定化される。この安定化状態では、積分回路１２ｃの出力電圧は磁場φに比例するようになる。
【００４６】
磁場φを時間の関数φ（ｔ）、積分回路１２ｃの出力電圧を時間の関数Ｖｏｕｔ１（ｔ）、抵抗１２ｇの抵抗値をＲｆ１、コイル１２ｉの相互インダクタンスをＭｆとすると、Ｖｏｕｔ１（ｔ）＝（Ｒｆ１／Ｍｆ）・φ（ｔ）となる。
【００４７】
磁場φが下がり始めると、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧も下降する。ここでも図６に示すように、磁場φの変化が比較的緩やかであるため、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧の下降も緩やかである。このとき、微分回路１２ｆ１の出力電圧（負の微分値）が、閾値Ｖｒｅｆ−よりも大きくなるため、比較回路１２ｆ２の出力電圧の論理レベルはＬレベルのままとなり、スイッチ１２ｅはオフのままである。これにより、積分回路１２ｄの出力電圧は上昇しない。一方、積分回路１２ｃの出力電圧は、ネガティブフィードバックの作用によって下降する。
【００４８】
また、図６の例では、スイッチ１２ｊに対する制御信号となる比較回路１２ｆ２の出力電圧の論理レベルはＬレベルのままであるため、スイッチ１２ｊは、積分回路１２ｃとＡＤ変換回路１３とを接続し、積分回路１２ｄとＡＤ変換回路１３との接続を切断する。このため、ＡＤ変換回路１３は、積分回路１２ｃの出力電圧をデジタル値に変換して、そのデジタル値を磁場φの検出結果として出力する。
【００４９】
このように、磁場φの変化が比較的緩やかである場合には、積分回路１２ｄよりも時定数が大きい積分回路１２ｃを用いることで、ＳＮ（Signal-Noise）比が大きくなり、微小な磁場φでも高感度に検出できるようになる。つまり、ＳＱＵＩＤセンサ１０の検出感度を向上できる。
【００５０】
図７は、磁場の変化が比較的速い場合のＳＱＵＩＤセンサの動作例を示すタイミングチャートである。
図７には、図６と同様に、磁場φ、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧、微分回路１２ｆ１の出力電圧、比較回路１２ｆ２の出力電圧、時定数τ１の積分回路１２ｃの出力電圧、時定数τ２の積分回路１２ｄの出力電圧の時間変化の例が示されている。
【００５１】
図７の例では、タイミングｔ３からタイミングｔ４の間で磁場φの増加及び減少が生じている。図７の例では、図６の例よりも磁場φが短い時間で変化している。
磁場φが大きくなり始めると、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧も上昇する。磁場φの変化が図６の場合と比べて速いため、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧の上昇も、図６の場合と比べて速い。このとき、図７の例では、微分回路１２ｆ１の出力電圧（正の微分値）が、閾値Ｖｒｅｆ＋よりも大きくなっており、比較回路１２ｆ２の出力電圧の論理レベルはＨレベルとなり、スイッチ１２ｅはオンする。これにより、積分回路１２ｄが動作し、積分回路１２ｄの出力電圧が上昇する。また、積分回路１２ｃの出力電圧も緩やかに上昇する。
【００５２】
積分回路１２ｄの時定数τ２は、積分回路１２ｃの時定数τ１よりも小さいため、積分回路１２ｄの出力電圧が上昇する速さは、積分回路１２ｃの出力電圧が上昇する速さよりも速い。そのため、コイル１２ｉでは、主に、積分回路１２ｄの出力電圧に基づいた帰還磁束φｆが発生し、ＳＱＵＩＤ１１にネガティブフィードバックされる。
【００５３】
このネガティブフィードバックの作用によって、積分回路１２ｄの出力電圧は磁場φに比例するようになる。磁場φを時間の関数φ（ｔ）、積分回路１２ｄの出力電圧を時間の関数Ｖｏｕｔ２（ｔ）、抵抗１２ｈの抵抗値をＲｆ２、コイル１２ｉの相互インダクタンスをＭｆとすると、Ｖｏｕｔ２（ｔ）＝（Ｒｆ２／Ｍｆ）・φ（ｔ）となる。
【００５４】
磁場φの変化が小さくなると、微分回路１２ｆ１の出力電圧が閾値Ｖｒｅｆ＋よりも小さくなる。このため、比較回路１２ｆ２の出力電圧の論理レベルがＬレベルとなり、スイッチ１２ｅはオフする。しかし、図７の例では、図６の例と比べて、すぐに磁場φが減少し始め、微分回路１２ｆ１の出力電圧（負の微分値）が、閾値Ｖｒｅｆ−よりも小さくなっている。このため、比較回路１２ｆ２の出力電圧の論理レベルが再びＨレベルとなり、スイッチ１２ｅは再びオンする。これにより、積分回路１２ｄの出力電圧は、入力磁場の減少に対応して、下降していく。
【００５５】
また、図７の例では、スイッチ１２ｊに対する制御信号となる比較回路１２ｆ２の出力電圧の論理レベルは、磁場φが変化するタイミングｔ３からタイミングｔ４の期間では、ほとんどＨレベルである。そのため、スイッチ１２ｊは、タイミングｔ３からタイミングｔ４のほとんどの期間で積分回路１２ｄとＡＤ変換回路１３とを接続し、積分回路１２ｃとＡＤ変換回路１３との接続を切断する。このため、ＡＤ変換回路１３は、主に積分回路１２ｄの出力電圧をデジタル値に変換して、そのデジタル値を磁場φの検出結果として出力する。
【００５６】
図７に示すように、積分回路１２ｃの出力電圧は、磁場φの急速な変化に追従できていないが、積分回路１２ｄの出力電圧は、磁場φの急速な変化に追従できている。
このように、ＦＬＬ回路１２に時定数が異なる複数の積分回路１２ｃ，１２ｄを設け、磁場変化が急な場合に時定数τ２の積分回路１２ｄを動作させる（高速帰還パスを機能させる）ことで、磁場変化への追従性が向上し、磁場検出の安定性が向上する。つまり、磁場変化への追従性が向上することで、ＳＱＵＩＤセンサ１０の応答速度（スルーレート）が向上し、急激に変化する磁場φを安定に検出できる。なお、スルーレートは、追従可能な磁場の時間変化の最大値で表せる。
【００５７】
また、前述のように磁場φの変化が比較的緩やかな場合には、時定数τ１の積分回路１２ｃの動作により、ＳＱＵＩＤセンサ１０の検出感度を向上できるため、第１の実施の形態のＳＱＵＩＤセンサ１０によれば、高感度で安定な磁場検出が実現できる。
【００５８】
たとえば、時定数τ２が、時定数τ１の１／４であるとする。また、積分回路１２ｄを用いずに１つの積分回路１２ｃを用いて磁場検出を行う場合のスルーレートが１０ｍＴ／ｓｅｃ、検出感度が１５ｆＴ／Ｈｚ1/2であるとする。このような場合、図７に示したような急激な磁場変化が生じたときに積分回路１２ｃの他に積分回路１２ｄをさらに動作させることで、スルーレートを４０ｍＴ／ｓｅｃ、検出感度を２５ｆＴ／Ｈｚ1/2とすることができる。つまり、検出感度を悪化させることなく、４倍の高スルーレート特性を実現できる。これは、たとえば、ＳＱＵＩＤセンサ１０を鉱床探査に用いた場合、探査時間を１／４に短縮できることを意味し、探査効率を向上できる。
【００５９】
なお、上記の例では、微分回路１２ｆ１の出力電圧が閾値Ｖｒｅｆ＋よりも大きい場合、または閾値Ｖｒｅｆ−よりも小さい場合でも、積分回路１２ｃを動作させるものとしたが、積分回路１２ｃを動作させないようにしてもよい。その場合、増幅回路１２ａの出力端子と、積分回路１２ｃとの間にスイッチが設けられ、制御回路１２ｆは、スイッチ１２ｅをオンするときには、そのスイッチをオフする。
【００６０】
また、上記の例では、ＳＱＵＩＤ１１に直接、磁場φが入力されるものとして説明したが、磁場φを検出する検出コイルと、検出コイルが検出した磁場φに基づいて信号磁束を発生しＳＱＵＩＤ１１に供給する入力コイルを用いることもできる。
【００６１】
また、上記の例では、２つの積分回路１２ｃ，１２ｄを有するＦＬＬ回路１２を示したが、積分回路の数は、２つに限定されず、３つ以上であってもよい。以下その例を説明する。
【００６２】
（第２の実施の形態）
図８は、第２の実施の形態のＳＱＵＩＤセンサ及びＦＬＬ回路の一例を示す図である。
ＳＱＵＩＤセンサ２０は、ＳＱＵＩＤ２１、ＦＬＬ回路２２、ＡＤ変換回路２３を有する。
【００６３】
ＳＱＵＩＤ２１は、入力される磁場φと、帰還磁束φｆとに基づいた出力電圧を出力する。
ＦＬＬ回路２２は、ＳＱＵＩＤ２１の出力電圧を安定化する回路である。
【００６４】
ＡＤ変換回路２３は、ＦＬＬ回路２２の出力電圧をＡＤ変換し、磁場φの検出結果としてデジタル値を出力する。
ＦＬＬ回路２２は、増幅回路２２ａ、バイアス電源２２ｂ、積分回路２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ、スイッチ２２ｆ，２２ｇ、制御回路２２ｈ、抵抗２２ｉ，２２ｊ，２２ｋ、コイル２２ｌを有する。
【００６５】
増幅回路２２ａは、ＳＱＵＩＤ２１の出力電圧と、バイアス電源２２ｂが生成するバイアス電圧Ｖｂを受け、ＳＱＵＩＤ２１の出力電圧を増幅する。微小な磁場φの変化を検出するために、増幅回路２２ａとして、低雑音のプリアンプを用いることが望ましい。
【００６６】
積分回路２２ｃ，２２ｄ，２２ｅは、増幅回路２２ａの出力信号を時間積分することで平滑化する機能をもつ。
積分回路２２ｃは、時定数τ３を有し、増幅回路２２ａの出力信号を時間積分した積分信号を出力する。
【００６７】
積分回路２２ｄは、時定数τ３よりも小さい時定数τ４を有し、増幅回路２２ａの出力端子にスイッチ２２ｆを介して接続されている。つまり、積分回路２２ｄには、増幅回路２２ａの出力電圧がスイッチ２２ｆを介して供給される。積分回路２２ｄは、スイッチ２２ｆがオンのときに増幅回路２２ａの出力信号を時間積分した積分信号を出力する。
【００６８】
積分回路２２ｅは、時定数τ４よりも小さい時定数τ５を有し、増幅回路２２ａの出力端子にスイッチ２２ｇを介して接続されている。つまり、積分回路２２ｅには、増幅回路２２ａの出力電圧がスイッチ２２ｇを介して供給される。積分回路２２ｅは、スイッチ２２ｇがオンのときに増幅回路２２ａの出力信号を時間積分した積分信号を出力する。
【００６９】
制御回路２２ｈは、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧の変化の速さを表す値（たとえば、前述の正の微分値または負の微分値の絶対値）が大きくなるほど、複数の積分回路２２ｃ〜２２ｅのうち、小さい時定数を有する積分回路を動作させる。
【００７０】
第２の実施の形態のＦＬＬ回路２２において、制御回路２２ｈは、微分回路２２ｈ１、比較回路２２ｈ２，２２ｈ３を有する。
微分回路２２ｈ１は、ＳＱＵＩＤ２１の出力電圧を時間微分することで、出力電圧の変化の速さを表す値を求める。ＳＱＵＩＤ２１の出力電圧が上昇するときには、正の微分値が得られ、ＳＱＵＩＤ２１の出力電圧が下降するときには、負の微分値が得られる。微分回路２２ｈ１は、図４に示した微分回路１２ｆ１と同様の回路で実現できる。
【００７１】
比較回路２２ｈ２は、微分回路２２ｈ１が出力する正の微分値が、正の閾値Ｖｒｅｆ１＋よりも大きいか、負の微分値が、負の閾値Ｖｒｅｆ１−よりも小さい場合に、スイッチ２２ｆをオンする制御信号を出力する。それ以外の場合には、比較回路２２ｈ２は、スイッチ２２ｆをオフする制御信号を出力する。
【００７２】
比較回路２２ｈ３は、微分回路２２ｈ１が出力する正の微分値が、正の閾値Ｖｒｅｆ２＋よりも大きいか、負の微分値が負の閾値Ｖｒｅｆ２−よりも小さい場合に、スイッチ２２ｇをオンする制御信号を出力する。それ以外の場合には、比較回路２２ｈ３は、スイッチ２２ｇをオフする制御信号を出力する。
【００７３】
閾値Ｖｒｅｆ２＋は、閾値Ｖｒｅｆ１＋よりも大きく、閾値Ｖｒｅｆ２−は、閾値Ｖｒｅｆ１−よりも小さい。比較回路２２ｈ２，２２ｈ３は、図５に示した比較回路１２ｆ２と同様の回路で実現できる。
【００７４】
なお、図８の例では、制御回路２２ｈは、ＳＱＵＩＤ２１が出力する出力電圧を入力しているが、増幅回路２２ａの出力信号に基づいて、スイッチ２２ｆ，２２ｇを制御してもよい。
【００７５】
コイル２２ｌの一端は、抵抗２２ｉを介して積分回路２２ｃの出力端子、抵抗２２ｊを介して積分回路２２ｄの出力端子、抵抗２２ｋを介して積分回路２２ｅの出力端子に接続されている。コイル２２ｌの他端は接地されている。コイル２２ｌは、積分回路２２ｃ、積分回路２２ｄ、積分回路２２ｅが出力する積分信号に基づいて、ＳＱＵＩＤ２１に供給する帰還磁束φｆを発生する。
【００７６】
なお、図８の例では、積分回路２２ｃ〜２２ｅが出力する積分信号は、ＡＤ変換回路２３に供給される。ＡＤ変換回路２３は、比較回路２２ｈ２，２２ｈ３が出力する制御信号に基づいて、積分回路２２ｃ〜２２ｅの何れかが出力する積分信号を選択してＡＤ変換する。たとえば、制御回路２２ｈがスイッチ２２ｇをオンする制御信号とスイッチ２２ｆをオンする制御信号を出力した場合、ＡＤ変換回路２３は、積分回路２２ｅが出力する積分信号を選択してＡＤ変換する。また、制御回路２２ｈがスイッチ２２ｆをオンする制御信号とスイッチ２２ｇをオフする制御信号を出力した場合、ＡＤ変換回路２３は、積分回路２２ｄが出力する積分信号を選択してＡＤ変換する。また、制御回路２２ｈがスイッチ２２ｆをオフする制御信号とスイッチ２２ｇをオフする制御信号を出力した場合、ＡＤ変換回路２３は、積分回路２２ｃが出力する積分信号を選択してＡＤ変換する。
【００７７】
なお、図１のスイッチ１２ｅと同様、スイッチ２２ｆ，２２ｇは、たとえば、ＭＯＳＦＥＴを用いて実現できる。
また、ＡＤ変換回路２３が、制御回路が出力する２つの制御信号に基づいてＡＤ変換する積分信号を選択する代わりに、ＦＬＬ回路２２にスイッチを設けて、２つの制御信号に基づいて、ＡＤ変換回路２３に供給する積分信号を選択するようにしてもよい。
【００７８】
また、たとえば、ＳＱＵＩＤ２１の出力電圧がある程度大きく、積分回路２２ｃ〜２２ｅが、検出結果（アナログ値）として適切な大きさの積分信号を出力する場合、増幅回路２２ａはなくてもよい。その場合、ＳＱＵＩＤ２１の出力電圧が、積分回路２２ｃに供給されるとともに、スイッチ２２ｆを介して積分回路２２ｄに供給され、スイッチ２２ｇを介して積分回路２２ｅに供給される。
【００７９】
上記のようなＳＱＵＩＤセンサ２０及びＦＬＬ回路２２によれば、磁場変化が速くなるほど、３つの積分回路２２ｃ〜２２ｅの中から、小さな時定数をもつ積分回路が動作することになる。たとえば、微分回路２２ｈ１が出力する正の微分値が、閾値Ｖｒｅｆ２＋より大きい、または負の微分値が閾値Ｖｒｅｆ２−よりも小さくなるほど磁場変化が速い場合には、時定数の最も小さい積分回路２２ｅが動作する。微分回路２２ｈ１が出力する正の微分値が、閾値Ｖｒｅｆ２＋より小さく閾値Ｖｒｅｆ１＋より大きい、または負の微分値が閾値Ｖｒｅｆ２−よりも大きく閾値Ｖｒｅｆ１−より小さくなるような磁場変化の場合には、積分回路２２ｄが動作する。微分回路２２ｈ１が出力する正の微分値が、閾値Ｖｒｅｆ１＋より小さい、または負の微分値が閾値Ｖｒｅｆ１−より大きくなるような磁場変化の場合には、積分回路２２ｃ〜２２ｅのうち、時定数が最も大きい積分回路２２ｃのみが動作する。
【００８０】
このような第２の実施の形態のＳＱＵＩＤセンサ２０及びＦＬＬ回路２２によれば、第１の実施の形態のＳＱＵＩＤセンサ１０及びＦＬＬ回路１２と同様の効果が得られるとともに、様々な磁場変化の速さに対応したスルーレートが選択できる。
【００８１】
上記のようなＳＱＵＩＤセンサ１０，２０は、金属鉱床の探査や、脳磁場や心臓磁場などの生体磁場計測など、磁場を検出する様々な分野に適用できる。
図９は、金属鉱床を探査する装置への適用例を示す図である。
【００８２】
図９には、車両３０に探査装置３１を搭載した例が示されている。探査装置３１は、ＳＱＵＩＤ３１ａ、ＦＬＬ回路３１ｂ、ＡＤ変換回路３１ｃ、表示装置３１ｄを有する。
ＳＱＵＩＤ３１ａで変換された電圧はＦＬＬ回路３１ｂで安定化され、ＡＤ変換回路３１ｃに供給される。そして、ＡＤ変換回路３１ｃでＦＬＬ回路３１ｂの出力電圧（積分信号）がデジタル値に変換され、そのデジタル値に基づいて、たとえば、図示しないプロセッサの制御により、表示装置３１ｄに磁場の時間変化が表示される。
【００８３】
たとえば、探査装置３１が、地中に存在する磁場を発生する金属鉱床３２ａ，３２ｂを探査する際、車両３０の速度が速いほど、探査装置３１が検出する磁場の変化速度が速くなる。ＦＬＬ回路３１ｂとして、第１の実施の形態のＦＬＬ回路１２や第２の実施の形態のＦＬＬ回路２２を用いることで、磁場変化に追従できるようになるので、安定した磁場検出が可能になる。
【００８４】
なお、金属鉱床３２ｂは、金属鉱床３２ａよりも地中深くに存在し、探査装置３１で検出される磁場は小さい。しかし、ＦＬＬ回路３１ｂとして、第１の実施の形態のＦＬＬ回路１２や第２の実施の形態のＦＬＬ回路２２を用いることで、検出感度を落とさずに磁場検出できるため、このような小さい磁場についても高感度に検出できる。
【００８５】
以上、実施の形態に基づき、本発明のＦＬＬ回路及びＳＱＵＩＤセンサの一観点について説明してきたが、これらは一例にすぎず、上記の記載に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００８６】
１０  ＳＱＵＩＤセンサ
１１  ＳＱＵＩＤ
１２  ＦＬＬ回路
１２ａ  増幅回路
１２ｂ  バイアス電源
１２ｃ，１２ｄ  積分回路
１２ｅ，１２ｊ  スイッチ
１２ｆ  制御回路
１２ｇ，１２ｈ  抵抗
１２ｉ  コイル
１３  ＡＤ変換回路
Ｖｂ  バイアス電圧
φ  磁場
φｆ  帰還磁束
τ１，τ２  時定数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018124156.tif 000009
【図８】
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【図９】
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