(57)【要約】【課題】  低域遮断周波数を下げてセンサの適用範囲を広げることができると共に、センサの小型化及び軽量化を図ることができる電磁誘導センサを提供するものである。【解決手段】  電磁誘導センサ１００は、超電導物質を含む線材により形成されるピックアップコイル１０と、ピックアップコイル１０の一端が反転入力端子に接続されるオペアンプ２１及びオペアンプ２１に並列接続される帰還抵抗Ｒ2からなる反転増幅器であり、ピックアップコイル１０からの誘導電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路２０と、ピックアップコイル１０及び電流−電圧変換回路２０を内蔵し、ピックアップコイル１０を超電導物質の臨界温度以下にピックアップコイル１０及び電流−電圧変換回路２０を冷却する冷却手段３０と、を備え、超電導状態におけるピックアップコイル１０のインダクタンスに応じて帰還抵抗Ｒ2の値が設定される。【選択図】        図１
2011075335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導物質を含む線材により形成されるピックアップコイルと、
前記ピックアップコイルが接続され、前記ピックアップコイルからの誘導電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路と、
前記ピックアップコイル及び電流−電圧変換回路を内蔵し、前記ピックアップコイルを前記超電導物質の臨界温度以下に前記ピックアップコイル及び電流−電圧変換回路を冷却する冷却手段と、
を備え、
超電導状態におけるピックアップコイルのインダクタンスに応じて前記電流−電圧変換回路の帰還抵抗の値が設定されることを特徴とする電磁誘導センサ。
【請求項２】
前記請求項１に記載の電磁誘導センサにおいて、
前記電流−電圧変換回路の非反転入力端子に逆方向電圧を印加し、前記電流−電圧変換回路の非反転入力端子及び反転入力端子における電位差を零にし、及び／又は零に近づける可変電圧手段を備えることを特徴とする電磁誘導センサ。
【請求項３】
前記請求項２に記載の電磁誘導センサにおいて、
前記可変電圧手段が、
前記電流−電圧変換回路の非反転入力端子が出力端子に接続されるボルテージホロワと、
前記ボルテージホロワの非反転入力端子が出力端子に接続される分圧回路と、
を備えることを特徴とする電磁誘導センサ。
【請求項４】
前記請求項１乃至３のいずれかに記載の電磁誘導センサにおいて、
前記電流−電圧変換回路が、ＣＭＯＳ低雑音増幅器であることを特徴とする電磁誘導センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超電導線材により形成されるピックアップコイル（超電導コイル）を用いた電磁誘導センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インダクタンスの大きなコイルをピックアップコイルに用いる電磁誘導センサ（インダクションセンサ）は、様々な技術分野で利用されている。
電磁誘導センサには、電磁誘導で誘起される電圧を信号とするタイプのもの（アンプの入力インピーダンスは一般的に高い）と、誘起電圧が流す電流を信号とするタイプのものとがある（アンプの入力インピーダンスは極めて小である）。
【０００３】
前者の例では、従来の電磁誘導センサは、ピックアップコイルとアンプとの間に、使用する誘導周波数の最小値をロールオフポイント周波数にすると共に０ｄＢポイント周波を適当に選定し誘導周波数範囲でピックアップコイルの出力電圧を一定にする積分回路を設け、周波数が低下すると出力電圧が低下するピックップコイルの出力電圧を積分回路の周波数−電圧利得特性により周波数範囲において一定となるようにする（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、後者の例では、ピックアップコイルを短絡状態で使用し、φ＝ＬＩの関係に立脚して磁束φを電流Ｉで検出する（例えば、非特許文献１参照）。しかし、この関係が成り立つ周波数には下限が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１５９４５３号公報
【非特許文献１】S. Tumanski, "Induction coil sensors？a review," MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, 18 (2007) R31？R46
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電磁誘導センサは、ファラデーの電磁誘導の法則に立脚しており、電流を信号とするタイプのものにおいては、ピックアップコイルのインダクタンスをＬとし、ピックアップアップコイルの電気抵抗をＲとすれば、ωＬ／Ｒ＞１という関係が成り立つ範囲で感度が周波数に対して一定になる。この関係式において、ωＬ／Ｒ＝１となる角周波数ωが低域遮断周波数であり、これ以下の角周波数ωでは−２０ｄＢ／ｄｅｃで感度が減衰する。この遮断周波数は、電磁誘導センサの適用範囲を示す指標となる。
【０００７】
これに対し、従来の電磁誘導センサにおいて、低域遮断周波数を下げるためには、ピックアップコイルの巻線材料を銅線とすれば、数千ターン〜数万ターンで巻回して巻線を形成することより、ピックアップコイルのインダクタンスＬとして、数ＨのインダクタンスＬを得ることが通常なされている。しかしながら、数千ターン〜数万ターンの巻線は、電気抵抗Ｒも大きくなり、結局のところ、低域遮断周波数として１０Ｈｚ程度が限界であり、低周波の検出に難点があるという課題がある。特に、数千ターン〜数万ターンの巻線では、ピックアップコイルの重量が数ｋｇ〜１０ｋｇとなり、電磁誘導センサが重くなり、小型化及び軽量化が図れないという課題もある。
【０００８】
また、従来の電磁誘導センサにおいて、低域遮断周波数を下げる他の手段としては、ピックアップコイルに対して鉄心を用いることにより、ピックアップコイルのインダクタンスを大きくできるのであるが、鉄心による磁性体固有の雑音（バルクハウゼン雑音）とヒステリシスが悪影響を及ぼすという課題がある。
【０００９】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、従来の電磁誘導センサと比較して、低域遮断周波数を下げてセンサの適用範囲を広げることができると共に、センサの小型化、軽量化及び高分解能化を図ることができる電磁誘導センサを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る電磁誘導センサにおいては、超電導物質を含む線材により形成されるピックアップコイルと、ピックアップコイルが接続され、ピックアップコイルからの誘導電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路と、ピックアップコイル及び電流−電圧変換回路を内蔵し、ピックアップコイルを超電導物質の臨界温度以下にピックアップコイル及び電流−電圧変換回路を冷却する冷却手段と、を備え、超電導状態におけるピックアップコイルのインダクタンスに応じて電流−電圧変換回路の帰還抵抗の値が設定されるものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る電磁誘導センサにおいては、超電導物質を含む線材により形成されるピックアップコイルを冷却することにより、ピックアップコイルの超電導物質の電気抵抗を零にすると共に、ピックアップコイルのインダクタンスに対応させて、従来、１〜１０ＭΩであった電流−電圧変換回路の帰還抵抗に対して、桁数を３桁程度減らした低抵抗にすることができる。また、電流−電圧変換回路を冷却することは、電流−電圧変換回路の帰還抵抗の温度を下げ、帰還抵抗からの白色雑音を低下させることができる。特に、電磁誘導センサにおける白色雑音は、帰還抵抗からの白色雑音のみならず、ピックアップコイルの抵抗成分からの白色雑音、及びオペアンプの内部雑音も含まれる。このため、この発明に係る電磁誘導センサは、帰還抵抗を３桁程度下げられることと、ピックアップコイルにおける超電導物質の電気抵抗が零であることとから、従来の電磁誘導センサにおける白色雑音の１／√１０００以下の白色雑音にすることができる。また、ピックアップコイル及び電流−電圧変換回路を一体として冷却することは、ピックアップコイル及び電流−電圧変換回路間の引き回し配線の配線長を短くし、引き回し配線の電気抵抗（配線抵抗）を小さくすることができる。また、ピックアップコイル及び電流−電圧変換回路を一体として冷却することは、室温における引き回し配線の電気抵抗に対して、冷却状態における引き回し配線の電気抵抗も大幅に低下することができる。すなわち、この発明に係る電磁誘導センサにおいては、従来の電磁誘導センサと比較して、低域遮断周波数を大幅に下げてセンサの適用範囲を広げることができるうえに、電流−電圧変換回路の帰還抵抗等からの白色雑音を低下させ、センサによる測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は第１の実施形態に係る電磁誘導センサの概略構成の一例を示す回路図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示す電流―電圧変換回路を構成するプリント回路板の一例を示す平面図である。
【図２】（ａ）は図１（ａ）に示すピックアップコイルの概略構成の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示す電磁誘導センサを用いた均一な磁場中における測定結果を示すグラフである。
【図３】（ａ）は図１（ａ）に示す電磁誘導センサを用いた環境磁場における測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は図１（ａ）に示す電磁誘導センサを用いたゼムクリップの振り子運動による変動磁界の測定結果を示すグラフである。
【図４】（ａ）は第２の実施形態に係る電磁誘導センサの概略構成の一例を示す回路図であり、（ｂ）は図４（ａ）に示す可変電圧手段の一例を示す回路図であり、（ｃ）は図４（ｂ）に示す分圧回路の一例を示す回路図である。
【図５】第３の実施形態に係る電磁誘導センサの概略構成の一例を示す回路図である。
【図６】（ａ）は第４の実施形態に係る電磁誘導センサの概略構成の一例を示す回路図であり、（ｂ）は図６（ａ）に示す基本グラディオメータ構造のコイル配置を説明するための説明図である。
【図７】（ａ）は第５の実施形態に係る電磁誘導センサの概略構成の一例を示す回路図であり、（ｂ）は図７（ａ）に示す１対ｎに発展させたグラディオメータ構造のコイル配置を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（本発明の第１の実施形態）
電磁誘導センサ１００は、図１（ａ）に示すように、ピックアップコイル１０と、電流−電圧変換回路２０と、図示しない冷却手段３０とを少なくとも備えている。
ピックアップコイル１０は、超電導物質を含む線材により形成される。この超電導物質としては、Ｈｇ（水銀）、ＮｂＴｉ（ニオブチタン）、Ｎｂ3Ｓｎ（ニオブスズ）、ＬａＦｅＡｓ（Ｏ，Ｆ）、ＣｅＦｅＡｓ（Ｏ，Ｆ）、ＳｍＦｅＡｓ（Ｏ，Ｆ）、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7（ＹＢＣＯ）、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10（ＢＳＣＣＯ）、又はＨｇ12ＴＩ3Ｂａ30Ｃａ30Ｃｕ45Ｏ127などがある。
【００１４】
特に、ピックアップコイル１０の超電導物質としては、電気抵抗が零（０Ω）に変わる温度（臨界温度）が高く、液体窒素（沸点：７７．３６Ｋ）中において超電導状態になる高温超電導体を用いることが、液体ヘリウム（沸点：４．２１６Ｋ）と比較して安価な液体窒素を冷媒として用いることができるために好ましい。また、ピックアップコイル１０は、ＹＢＣＯ系の高温超電導線と比較して断面構造が単純である、ＢＳＣＣＯ系の高温超電導線を用いるのが好ましい。
【００１５】
なお、本実施形態に係るピックアップコイル１０は、住友電気工業株式会社製「ＤＩ−ＢＳＣＣＯ（登録商標）」に絶縁材（ポリイミドテープ）であるカプトンテープ（登録商標）を巻回した超電導線材を用い、図２（ａ）に示すように、全長６０ｍの超電導線材を９２ターンで巻回して、内径を約１８ｃｍとし、外径を約２３ｃｍとするパンケーキ型コイルである。
【００１６】
ＤＩ−ＢＳＣＣＯ（登録商標）は、Ｂｉ（ビスマス）−Ｓｒ（ストロンチウム）−Ｃａ（カルシウム）−Ｃｕ（銅）−Ｏ（酸素）で構成される、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃａ及びＣｕの組成比を２：２：２：３とするビスマス系超電導材料を、Ａｇ（銀）で被覆した高温超電導線である。
【００１７】
なお、ＤＩ−ＢＳＣＣＯ（登録商標）は、屈曲させた場合に、被覆したＡｇ（銀）は屈曲できるのであるが、ビスマス系超電導材料は屈曲した部分で切断され、断線する恐れがある。このため、ピックアップコイル１０を断線させずに小型化を図るためには、ビスマス系超電導材料が切断されず、外径を可能な限り小さくする範囲になるように、ピックアップコイル１０の曲率半径を設定することが好ましい。また、ピックアップコイル１０の中心部からコイルの端部を引き出すためには、ビスマス系超電導材料が切断されない範囲の曲率半径で引き出す必要がある。
【００１８】
特に、ピックアップコイル１０に用いたＤＩ−ＢＳＣＣＯ（登録商標）は、断面において、平均幅が５ｍｍ程度（狭いもので、３ｍｍ程度）であり、平均厚さが３００μｍ弱である、テープ状の高温超電導線であるために、９２ターンで巻回した場合であっても、外径を約２３ｃｍとする小型のピックアップコイル１０を作製することができる。なお、ＤＩ−ＢＳＣＣＯ（登録商標）で作製したピックアップコイル１０は、インダクタンスＬが３．６６ｍＨであり、室温における電気抵抗Ｒは２．５Ωであった。
【００１９】
ここで、ファラデーの電磁誘導の法則によれば、コイルを貫く磁界φに変化があったときのコイルの誘導起電力Ｖは、Ｖ＝−Ｎ×（ｄφ／ｄｔ）である。ただし、Ｎはコイルの巻数で、ｄφ／ｄｔは微小時間ｄｔでのコイルを貫く磁束φの変化である。また、コイルを短絡すると、コイルの抵抗がコイルのインピーダンスωＬに比べて小さい場合に、発生する誘導電流Ｉは、Ｌ×Ｉ＝φの関係にある。
すなわち、ピックアップコイル１０は、コイルを貫く磁束φの変化により発生する誘導電流Ｉを電流−電圧変換回路２０に出力する。
【００２０】
なお、本実施形態に係るピックアップコイル１０は、パンケーキ型コイルを例に挙げて説明したが、超電導線材を小径の螺旋状に巻回して積み重ね、所望のターン数（インダクタンスＬ）を得る構成であってもよい。この構成は、ピックアップコイル１０の内径を小さくして空間分解能を高めるうえに、ピックアップコイル１０の内径を小さくしてもインダクタンスのターン数を減らすことなく、インダクタンスＬを低下させない構成であるので好ましい。
【００２１】
電流−電圧変換回路２０は、ピックアップコイル１０の一端が反転入力端子（−入力端子、マイナス端子）に接続されるオペアンプ２１及びオペアンプ２１に並列接続される帰還抵抗Ｒ2からなる反転増幅器を発展させた回路であり、ピックアップコイル１０からの誘導電流を電圧に変換する。
【００２２】
なお、電流−電圧変換回路２０は、非反転入力端子（＋入力端子、プラス端子）及び反転入力端子間に電位差がほとんど生じないバーチャルショートにより、ピックアップコイル１０から見れば短絡回路である。このため、ピックアップコイル１０から出力され、電流−電圧変換回路２０に入力される電流Ｉinは反転入力端子に流れず、全て帰還抵抗Ｒ2を介してオペアンプ２１の出力側に流れる。すなわち、オペアンプ２１（電流−電圧変換回路２０）の出力側には、−Ｉin×Ｒ2の電圧Ｖoutが発生する。
【００２３】
また、本実施形態に係る電流−電圧変換回路２０は、図１（ｂ）に示すように、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass fiber reinforced plastics）製の基板２２上に、ＳＯＩＣ(Small Outline Integrated Circuit)２３及び帰還抵抗Ｒ2が実装され、銅パターンで配線されたプリント回路板(ＰＣＢ：printed circuit board)で構成される。また、ピックアップコイル１０の一端及び他端は、ＳＯＩＣのピンに接続する銅パターンに対して、はんだ付けにより接続される。
【００２４】
特に、本実施形態に係るＳＯＩＣは、Ｒａｉｌ−Ｔｏ−Ｒａｉｌ（登録商標）動作オペアンプであるテキサスインスツルメンツ製「ＴＬＣ２２０１」である。このＴＬＣ２２０１の２番（IN-）ピンには、ピックアップコイル１０の一端及び帰還抵抗Ｒ2の一端を接続し、３番（IN+）ピンには、ピックアップコイル１０の他端、直流電源（−５Ｖ）の正極及び直流電源（＋５Ｖ）の負極を接続する。また、４番（VDD-／GND）ピンには、直流電源（−５Ｖ）の負極を接続し、６番（OUT）ピンは出力であり、帰還抵抗Ｒ2の他端を接続し、７番（VDD+）ピンには、直流電源（＋５Ｖ）の正極を接続する。これにより、電流−電圧変換回路２０は、±５Ｖの直流電源により駆動される。
【００２５】
なお、本実施形態に係る電流−電圧変換回路２０は、超電導状態におけるピックアップコイル１０のインダクタンスに応じて、帰還抵抗Ｒ2を５１０Ωに設定した。また、本実施形態に係る電流−電圧変換回路２０は、３０ｐＦのコンデンサＣを帰還抵抗Ｒ2に対して並列に接続することで、高域の安定化を図り、発振を防止して出力の安定化を図っているが、必ずしもコンデンサＣを備える必要はない。
【００２６】
また、本実施形態に係る電流−電圧変換回路２０は、低温に対して耐久性（低雑音、高増幅率）を有するＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）低雑音増幅器にすることにより、冷却手段３０による冷却に対応することができる。しかしながら、電流−電圧変換回路２０を冷却手段３０により冷却しないのであれば、低温に対して耐久性（低雑音、高増幅率）を有する必要もなく、ＣＭＯＳ低雑音増幅器に限られるものではない。
【００２７】
冷却手段３０は、ピックアップコイル１０及び電流−電圧変換回路２０を内蔵し、ピックアップコイル１０を構成する超電導物質の臨界温度以下にピックアップコイル１０及び電流−電圧変換回路２０を冷却する。特に、冷却手段３０は、超電導物質の超電導状態を維持するために、液体窒素などの液体冷媒によることや、冷凍機を用いることや、これらの併用などによるものである。
【００２８】
なお、冷凍機としては、スターリング冷凍機、ＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機、ブレイトン冷凍機、パルス管冷凍機若しくはタービン式冷凍機、又はスターリング冷凍機やＧＭ冷凍機にパルス管を組込んだスターリングパルス管冷凍機若しくはＧＭパルス管冷凍機などがある。特に、冷凍機としては、小型スターリング冷凍機、スターリングパルス管冷凍機、ＪＴ（Joule-Thomson）冷凍機、ＧＭパルス管冷凍機などの高温超電導温度領域で数Ｗの小型冷凍機が普及している。
【００２９】
なお、本実施形態に係る冷却手段３０は、冷凍機を用いることなく、ピックアップコイル１０及び電流−電圧変換回路２０を内包できる空間を有する発泡スチロール製の容器と、この容器に充填させた冷媒としての液体窒素により作製した。
【００３０】
しかしながら、本実施形態に係る冷却手段３０は、ピックアップコイル１０を構成する超電導物質の臨界温度以下に冷却することができるのであれば、発泡スチロール製の容器と冷媒としての液体窒素とに限られるものではなく、例えば、冷媒として液体ヘリウムを用いても構わない。また、容器としては、例えば、ガラスエポキシなどの非導電性の材料で構成され、容器外部からの熱侵入を抑制するために、その外周に真空層が形成される本体部と、ガラスエポキシなどの非導電性の材料で構成され、ネジなどによって本体部と密着される蓋部とを備えるものであってもよい。
【００３１】
また、冷却手段３０として冷凍機を用いる場合には、理論効率が高く、作動流体に窒素又はヘリウムなどを用いるため、地球環境に優しい冷凍システムであり、比較的安価なスターリング冷凍機を用いることが考えられる。
ここで、ピックアップコイル１０を超電導状態にし、電流−電圧変換回路２０を冷却することによる作用効果を説明する。
【００３２】
まず、ピックアップコイルの線材として銅線を用いる従来の電磁誘導センサにおいて、本実施形態に係るピックアップコイル１０と同程度の大きさで、カットオフ周波数（遮断周波数）が１０Ｈｚ程度の性能を出そうとすると、通常の銅線でピックアップコイルを製作する場合には、短軸ソレノイド形状とするのが一般的である。しかしながら、電気抵抗が５０Ω程度であり、インダクタンスＬが１Ｈ程度のピックアップコイルになってしまい、ピックアップコイルの電気抵抗が５０Ω程度であるために、電流−電圧変換回路で所望の増幅率（−Ｒ2／Ｒ1）を得るには、帰還抵抗Ｒ2を１ＭΩ〜１０ＭΩ程度に設定しなければならない。
【００３３】
以下、従来の電磁誘導センサにおいて、電流−電圧変換回路の帰還抵抗Ｒ2を高く設定（１ＭΩ〜１０ＭΩ程度に）しなければならない理由として、異なる観点から説明する。
従来の電磁誘導センサにおいては、角周波数ωが小さくても、ωＬ／Ｒ＞１の関係を満たすために、ピックアップコイルのターン数を増やしてピックアップコイルのインダクタンスＬを大きくする必要があった。
【００３４】
これは、ピックアップコイルのターン数を増やすことであり、ピックアップコイルの電気抵抗Ｒも増えることになるが、電気抵抗Ｒの増加量よりピックアップコイルのインダクタンスＬの増加量が勝るからである。すなわち、ピックアップコイルのインダクタンスＬは、ピックアップコイルの巻数Ｎの２乗に比例（Ｌ∝πａ2×Ｎ2、ａ：ピックアップコイルの径）するのに対し、ピックアップコイルの電気抵抗Ｒは、ピックアップコイルの巻数Ｎに比例（Ｒ∝２πａ×Ｎ、ａ：ピックアップコイルの径）するだけであり、ピックアップコイルのインダクタンスＬを大きくすることが、ωＬ／Ｒ＞１の関係を満たすうえでの最も効果的な方法だからである。
【００３５】
一方、インダクタンスＬを大きくすることでは、Ｉ＝φ／Ｌの関係から磁束φに対する感度が小さくならざるを得ない。これを補って高感度化するために、電流−電圧変換回路の帰還抵抗Ｒ2は、１ＭΩ〜１０ＭΩ程度に設定するのが一般的になっている。
【００３６】
これに対し、本実施形態に係るピックアップコイル１０は、冷却手段３０により冷却されることで、超電導物質の電気抵抗を零にすることができ、ピックアップコイル１０（超電導物質を除く）の電気抵抗、ピックアップコイル１０とオペアンプ２１（反転入力端子）との接続のためのプリント回路板上の引き出し配線（銅パターン）及び接続部分（はんだ）の電気抵抗、並びにオペアンプ２１の反転入力端子の電気抵抗からなる残存抵抗（以下、合成抵抗ｒと称す）は、約４０ｍΩとなる。
【００３７】
このため、下記式（１）により得られる低域遮断周波数ｆC［Ｈｚ］は、約１．７Ｈｚとなり、本実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、従来の電磁誘導センサによる低域遮断周波数ｆCの限界値（１０Ｈｚ程度）を大幅に改善した低域遮断周波数ｆCを有する。なお、下記式（１）において、ωは角周波数［ｒａｄ／ｓ］であり、Ｌはピックアップコイルのインダクタンス［Ｈ］であり、ｒは合成抵抗［Ω］である。
【００３８】
【数１】
2011075335.tif 000003
【００３９】
このように、本実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、ピックアップコイル１０に超電導コイルを用いることによって、従来の電磁誘導センサと比較して、３桁くらい小さなインダクタンスＬであっても、遮断周波数が１Ｈｚ程度に小さくできるという作用効果を奏する。
【００４０】
特に、低域遮断周波数を下げるということは、電流−電圧変換回路２０からの出力電圧を安定的に得ることができる周波数帯域を広範囲にし、電磁誘導センサ１００の適用範囲を広げることができるという作用効果を奏する。
【００４１】
なお、本実施形態に係る電磁誘導センサ１００の適用範囲としては、１０-12［Ｔ］以上の磁界の検出を可能にするものであり、例えば、心臓磁界、免疫検査、磁気トレーサ、半導体検査、非破壊検査及び磁気検査などに利用できる。
【００４２】
特に、本実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、適用範囲が一部重複するＳＱＵＩＤ（Superconducting QUantum Interference Device：超電導量子干渉素子）と比較すると、装置構成が単純であり、安価に作製できる。
【００４３】
また、ＳＱＵＩＤは、外部から強い磁界が加わると、フラクスロックループ（ＦＬＬ、ゼロ点検出法）が外れるために、再調整が必要となる。これに対し、本実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、外部から強い磁界が加わると、オペアンプ２１が飽和するが、センサに影響がないために、外部からの強い磁界がなくなれば、すぐに復帰させることが可能である。
【００４４】
また、本実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、オペアンプ２１の入力側の電気抵抗Ｒ1が、前述した合成抵抗ｒに相当し、従来の電磁誘導センサと比較して大幅に低い電気抵抗Ｒ1である。
【００４５】
すなわち、本実施形態においては、電流−電圧変換回路２０の入力側の電気抵抗Ｒ1が約４０ｍΩであるため、電流−電圧変換回路２０による所望の増幅率（−Ｒ2／Ｒ1）を得るために必要な帰還抵抗Ｒ2を、従来の電磁誘導センサと比較して大幅に低い５１０Ωに設定することができる。また、帰還抵抗Ｒ2を低く設定できる他の理由は、φ＝ＬＩの関係から、インダクタンスＬが小さければ同じ磁束φに対して大きな誘導電流Ｉが出力されることにも起因している。
【００４６】
このように、帰還抵抗Ｒ2を低く設定できることは、下記式（２）により得られる、帰還抵抗Ｒ2内で発生する熱雑音（白色雑音）の電圧Ｖn［Ｖ］を、従来の電磁誘導センサと比較して大幅に減少させることを意味する。なお、下記式（２）において、ｋはボルツマン定数（１．３８×１０-23［Ｊ・Ｋ-1］）であり、Ｔは帰還抵抗Ｒ2の温度［Ｋ］であり、Ｒは帰還抵抗Ｒ2の電気抵抗値［Ω］であり、Δｆは観測する周波数帯域［Ｈｚ］である。
【００４７】
【数２】
2011075335.tif 000004
【００４８】
特に、ピックアップコイル１０のみならず、電流−電圧変換回路２０を冷却することにより、帰還抵抗Ｒ2の温度Ｔ［Ｋ］を下げることができ、帰還抵抗Ｒ2内で発生する熱雑音（白色雑音）の電圧Ｖn［Ｖ］をさらに減少させることができるという作用効果を奏する。
【００４９】
また、電磁誘導センサにおける熱雑音（白色雑音）は、帰還抵抗による熱雑音のみならず、ピックアップコイルの抵抗成分による熱雑音、及びオペアンプの内部雑音も含まれる。このため、本実施形態に係る電磁誘導センサ１００における熱雑音（白色雑音）は、帰還抵抗Ｒ2を３桁程度下げられることと、ピックアップコイル１０における超電導物質の電気抵抗が零であることとから、従来の電磁誘導センサにおける熱雑音（白色雑音）の１／√１０００以下にすることができるという作用効果を奏する。
【００５０】
また、冷却手段３０は、ピックアップコイル１０及び電流−電圧変換回路２０を内蔵し、一体として冷却することにより、ピックアップコイル１０及び電流−電圧変換回路２０間の引き回し配線の配線長を短くし、引き回し配線の電気抵抗を小さくすることができるという作用効果を奏する。
【００５１】
また、冷却手段３０は、ピックアップコイル１０及び電流−電圧変換回路２０を内蔵し、一体として冷却することにより、室温における引き回し配線の電気抵抗に対して、冷却状態における引き回し配線の電気抵抗を大幅に低下させることができるという作用効果を奏する。例えば、引き回し配線を銅で形成した場合には、液体窒素温度（７７Ｋ）における銅の抵抗率は、常温における銅の抵抗率に対して、１／７程度になる。
【００５２】
さらに、本実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、ωＬ／Ｒ＞１の関係が角周波数ωの小さいところでも容易に成り立つために、必要とされる検出感度に応じて電流−電圧変換回路２０の帰還抵抗Ｒ2を設定できる自由度が高いという作用効果を奏する。
【００５３】
例えば、地磁気のある通常の環境（例えば、野外）において、電磁誘導センサ１００を用いる場合には、地磁気の方向に対してわずかでも回転するような運動があると、電流−電圧変換回路２０から大きな出力を生じる。このため、電磁誘導センサ１００は、ダイナミックレンジが大きい方が使い勝手が良く、電流−電圧変換回路２０の帰還抵抗Ｒ2を数百Ωに設定することが好ましい。
【００５４】
また、磁気シールド中に電磁誘導センサ１００を設置して用いる場合には、生体磁気のようなｐＴオーダの磁界を検出するための使用において、必要に応じて、電流−電圧変換回路２０の帰還抵抗Ｒ2を数十ｋΩ〜数百ｋΩに設定し、場合によっては、ＭΩ程度に設定することで、十分な感度を得ることが可能となる。
【００５５】
つぎに、本実施形態に係る電磁誘導センサ１００を用いた実験結果について、図２（ｂ）及び図３を用いて説明する。
図２（ｂ）に示す結果は、電磁誘導センサ１００のピックアップコイル１０を、磁束密度Ｂが０．１ｕＴである均一な磁場中に曝し、周波数を０．５Ｈｚ〜５００Ｈｚを変化させた場合における、電流−電圧変換回路２０からの出力電圧を測定した結果である。
【００５６】
図２（ｂ）に示すように、本実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、感度が０．５４Ｖ／ｕＴ（＝５４Ｖ／Ｇ）と大きく、低雑音であると共に、低域遮断周波数が約１．７Ｈｚであることがわかる。
【００５７】
また、図３（ａ）に示す結果は、屋内配線が敷設された室内に電磁誘導センサ１００を設置して、商用電源周波数が６０Ｈｚである環境下における環境磁界を測定した結果である。
【００５８】
図３（ａ）に示す波形は、０．０５秒間（例えば、−４．９６ｓ〜−４．９１ｓ）に約３周期分の波形を含み、周波数が６０Ｈｚの波形であることがわかる。
また、図３（ｂ）に示す結果は、電磁誘導センサ１００のピックアップコイル１０に対して鉛直上方６ｃｍの位置にゼムクリップを吊り下げ、このゼムクリップの振り子運動による変動磁界を測定した結果である。
【００５９】
図３（ｂ）に示す波形は、８秒間（例えば、−４ｓ〜４ｓ）に約１２．５周期分の波形を含み、周波数が約１．５６Ｈｚの波形であることがわかる。すなわち、本実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、約１．５６Ｈｚの低い周波数（低域遮断周波数）に対しても、測定できることがわかる。
【００６０】
なお、本実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、インダクタンスＬが３．６６ｍＨであるピックアップコイル１０を用い、合成抵抗ｒが約４０ｍΩであるために、低域遮断周波数が約１．７Ｈｚであったが、ピックアップコイル１０のインダクタンスＬを大きくする（巻数を増やす）ことにより、１Ｈｚ未満の低域遮断周波数を得ることも可能である。
【００６１】
また、本実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、ピックアップコイル１０と、電流−電圧変換回路２０と、冷却手段３０とを備えているのであるが、必要に応じて、電流−電圧変換回路２０の後段に、電流−電圧変換回路２０からの出力電圧を増幅する増幅器や、出力電圧からノイズ等を除去するバンドパスフィルタ（例えば、高域を除去するローパスフィルタ）を備えてもよい。
【００６２】
特に、資源探査や遺跡探査などの磁気探査に電磁誘導センサ１００を用いる場合には、電流−電圧変換回路２０からの出力電圧を１０００倍程度で低雑音増幅し、新たに設けた送信コイルの仕様に応じて、バンドパスフィルタにより必要な周波数帯域の出力電圧を取得する。例えば、電磁誘導センサ１００は、送信コイルが特定の周波数を送信するのであれば、その送信周波数に合わせたバンドパスフィルタを備え、送信コイルからパルスを送信するのであれば、広い周波数帯域を通過させるバンドパスフィルタを備える。
【００６３】
（本発明の第２の実施形態）
図４（ａ）は第２の実施形態に係る電磁誘導センサの概略構成の一例を示す回路図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示す可変電圧手段の一例を示す回路図であり、図４（ｃ）は図４（ｂ）に示す分圧回路の一例を示す回路図である。図４において、図１乃至図３と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
【００６４】
第２の実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、図４（ａ）に示すように、ピックアップコイル１０と、電流−電圧変換回路２０と、図示しない冷却手段３０とを少なくとも備えている。
【００６５】
可変電圧手段２４は、電流−電圧変換回路２０の非反転入力端子に逆方向電圧を印加して、通常、オペアンプに内在するオフセット電圧をキャンセルし、電流−電圧変換回路２０の非反転入力端子及び反転入力端子における電位差を零に近づけてバーチャルショートをより確実にすることができる。
【００６６】
また、可変電圧手段２４は、例えば、図４（ｂ）に示すように、電流−電圧変換回路２０の非反転入力端子が出力端子に接続されるボルテージホロワ２４ａと、ボルテージホロワ２４ａの非反転入力端子に出力端子が接続される分圧回路２４ｂとを備えている。
【００６７】
分圧回路２４ｂは、例えば、図４（ｃ）に示すように、±５Ｖの電源間に、１０ｋΩの電気抵抗Ｒ3、５００Ωの電気抵抗Ｒ4、５００Ωの電気抵抗Ｒ5及び１０ｋΩの電気抵抗Ｒ6を直列に接続し、電気抵抗Ｒ4及び電気抵抗Ｒ5に対して５０ｋΩの電気抵抗Ｒ7を並列に接続する。また、分圧回路２４ｂは、電気抵抗Ｒ7の抵抗比を調整して所望の電圧を発生し、ボルテージホロワ２４ａの非反転入力端子に出力する。
【００６８】
なお、この第２の実施形態においては、電流−電圧変換回路２０の非反転入力端子を接地する替わりに可変電圧手段２４を備えるところのみが第１の実施形態と異なるところであり、可変電圧手段２４による作用効果以外は、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００６９】
第２の実施形態に係る可変電圧手段２４は、電流−電圧変換回路２０の非反転入力端子に印加される電圧を相殺する電圧を反転入力端子に印加することで、電流−電圧変換回路２０の非反転入力端子を接地する場合と比較して、電流−電圧変換回路２０の非反転入力端子及び反転入力端子における電位差を、より厳密に零に近づけることができる。これにより、第２の実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、帰還抵抗Ｒ２に流れる電流を増加させ、低域遮断周波数を零に近づけることができるという作用効果を奏する。
【００７０】
また、第２の実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、電流−電圧変換回路２０と分圧回路２４ｂとの間にボルテージホロワ２４ａを配設することにより、電気抵抗が大きな分圧回路２４ｂからの高インピーダンス入力を低インピーダンス出力に変換することができるという作用効果を奏する。
【００７１】
（本発明の第３の実施形態）
図５は第３の実施形態に係る電磁誘導センサの概略構成の一例を示す回路図である。図５において、図１乃至図４と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
【００７２】
第３の実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、図５に示すように、ピックアップコイル１０と、電流−電圧変換回路２０と、図示しない冷却手段３０と、発磁体４０とを少なくとも備えている。
【００７３】
発磁体４０は、永久磁石又は電磁石などの磁場を発生させる源となる物体であり、ピックアップコイル１０との相対位置が変化しないように、ピックアップコイル１０の略中心に配設される。また、電磁誘導センサ１００は、変動磁界に対して誘導電流がピックアップコイル１０に流れるのであるが、ピックアップコイル１０との相対位置が変化しない発磁体４０からの磁界には反応しないことになる。
【００７４】
なお、この第３の実施形態においては、発磁体４０を備えるところのみが第１の実施形態及び第２の実施形態と異なるところであり、発磁体４０による作用効果以外は、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００７５】
発磁体４０は、発磁体４０近傍にある鉄などの強磁性体に磁気分極を誘導し、この鉄の破片（金属粉）などの異物がピックアップコイル１０を通過することで、ピックアップコイル１０を貫く磁界に変動が生じる。
【００７６】
このため、第３の実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、異物による変動磁界に対して誘導電流がピックアップコイル１０に流れ、発磁体４０近傍の異物を検出することができることで、例えば、鉄、ニッケル若しくはコバルトを含む金属の検出器、又は産業用粉体中の鉄片若しくは食品中の異物の混入を検出する装置等に利用することができる。
【００７７】
なお、第３の実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、ピックアップコイル１０を定置させ、例えば、ベルトコンベア上を搬送される測定対象物をピックアップコイル１０に対して通過させることで、測定対象物の異物混入の有無を検出することができる。また、第３の実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、ピックアップコイル１０を測定対象物上で移動させ、測定対象物をスキャンすることで、測定対象物の異物混入の有無を検出することができる。
【００７８】
（本発明の第４の実施形態）
図６（ａ）は第４の実施形態に係る電磁誘導センサの概略構成の一例を示す回路図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示す基本グラディオメータ構造のコイル配置を説明するための説明図である。図６において、図１乃至図５と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
【００７９】
第４の実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、図６（ａ）に示すように、検出コイル１０ａ及びキャンセルコイル１０ｂと、第１の電流−電圧変換回路２０ａ及び第２の電流−電圧変換回路２０ｂと、図示しない冷却手段３０と、第１の振幅調整部５０ａ及び第２の振幅調整部５０ｂと、引き算回路６０とを少なくとも備えている。
検出コイル１０ａは、グラディオメータを構成する一のピックアップコイル１０であり、信号磁界及び雑音磁界からなる磁界Ｈ1に基づく誘導電流を検出する。
【００８０】
キャンセルコイル１０ｂは、グラディオメータを構成する他のピックアップコイル１０であり、信号磁界をほとんど検出せずに雑音磁界を検出する位置に配置され、雑音磁界を含む磁界Ｈ2に基づく誘導電流を検出する。特に、キャンセルコイル１０ｂは、図６（ｂ）に示すように、キャンセルコイル１０ｂの中心と検出コイル１０ａの中心とが同軸上であり、検出コイル１０ａに対して鉛直上方に配置され、信号磁界を検出しないように、キャンセルコイル１０ｂ及び検出コイル１０ａ間の間隔が調整される。
なお、検出コイル１０ａ及びキャンセルコイル１０ｂは、図６（ｂ）に示すように、インダクタンスＬ１が等しいものである。
【００８１】
第１の電流−電圧変換回路２０ａは、電流−電圧変換回路２０に相当し、検出コイル１０ａの一端が反転入力端子に接続される第１のオペアンプ２１ａ及び第１のオペアンプ２１ａに並列接続される帰還抵抗Ｒ2からなる反転増幅器であり、検出コイル１０ａからの誘導電流を電圧に変換する。
【００８２】
第２の電流−電圧変換回路２０ｂは、電流−電圧変換回路２０に相当し、キャンセルコイル１０ｂの一端が反転入力端子に接続される第２のオペアンプ２１ｂ及び第２のオペアンプ２１ｂに並列接続される帰還抵抗Ｒ2からなる反転増幅器であり、キャンセルコイル１０ｂからの誘導電流を電圧に変換する。
【００８３】
第１の振幅調整部５０ａは、検出コイル１０ａ及びキャンセルコイル１０ｂにおける製作上の不一致による感度（振幅）の違いを調整するための手段であり、第１の電流−電圧変換回路２０ａの出力端子に接続されている。
【００８４】
第２の振幅調整部５０ｂは、検出コイル１０ａ及びキャンセルコイル１０ｂにおける製作上の不一致による感度（振幅）の違いを調整するための手段であり、第２の電流−電圧変換回路２０ｂの出力端子に接続されている。
【００８５】
引き算回路６０は、検出コイル１０ａが検出した磁界Ｈ1による誘導電流に基づく第１の電流−電圧変換回路２０ａ及び第１の振幅調整部５０ａを介して入力された電圧と、キャンセルコイル１０ｂが検出した磁界Ｈ2による誘導電流に基づく第２の電流−電圧変換回路２０ｂ及び第２の振幅調整部５０ｂを介して入力された電圧との差分を取る減算器である。
【００８６】
なお、この第４の実施形態においては、グラディオメータを構成するところのみが第１の実施形態乃至第３の実施形態と異なるところであり、基本グラディオメータ構造による作用効果以外は、第１の実施形態乃至第３の実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００８７】
第４の実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、基本グラディオメータ構造にすることにより、測定対象からの信号磁界のみならず、雑音磁界が発生している環境下において、雑音を除去して測定誤差を無くし、精確な信号磁界を検出することができるという作用効果を奏する。
【００８８】
（本発明の第５の実施形態）
図７（ａ）は第５の実施形態に係る電磁誘導センサの概略構成の一例を示す回路図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示す１対ｎに発展させたグラディオメータ構造のコイル配置を説明するための説明図である。図７において、図１乃至図６と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
【００８９】
第５の実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、図７（ａ）に示すように、キャンセルコイル１０ｂ及びｎ個の検出コイル１０ａと、第２の電流−電圧変換回路２０ｂ及びｎ個の第１の電流−電圧変換回路２０ａと、図示しない冷却手段３０と、第２の振幅調整部５０ｂ及びｎ個の第１の振幅調整部５０ａと、ｎ個の引き算回路６０とを少なくとも備えている。なお、ｎは１以上の自然数である。
【００９０】
また、第５の実施形態に係る電磁誘導センサ１００においては、図７（ｂ）に示すように、同一平面上に配設したｎ個の検出コイル１０ａに対して、鉛直上方で重複する位置に１個のキャンセルコイル１０ｂを配置する。
【００９１】
また、ｎ個の検出コイル１０ａのインダクタンスＬ１は全て等しく、キャンセルコイル１０ｂのインダクタンスＬ２は検出コイル１０ａのインダクタンスＬ１とほぼ等しいものである。
【００９２】
なお、この第５の実施形態においては、キャンセルコイル１０ｂ及び検出コイル１０ａの比を１対ｎとするグラディオメータを構成するところのみが第４の実施形態と異なるところであり、１対ｎのグラディオメータ構造による作用効果以外は、第４の実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００９３】
第５の実施形態に係る電磁誘導センサ１００は、１対ｎのグラディオメータ構造にすることにより、雑音磁界が地磁気のようにかなり広く均一に分布している場合に、複数の検出コイル１０ａにより所定の空間を広く覆うことができ、所定の平面に対して複数の検出コイル１０ａにより磁界を検出することができるという作用効果を奏する。
【符号の説明】
【００９４】
１０    ピックアップコイル
１０ａ  検出コイル
１０ｂ  キャンセルコイル
２０    電流−電圧変換回路
２０ａ  第１の電流−電圧変換回路
２０ｂ  第２の電流−電圧変換回路
２１    オペアンプ
２１ａ  第１のオペアンプ
２１ｂ  第２のオペアンプ
２２    基板
２４    可変電圧手段
２４ａ  ボルテージホロワ
２４ｂ  分圧回路
４０    発磁体
５０ａ  第１の振幅調整部
５０ｂ  第２の振幅調整部
６０    引き算回路
１００  電磁誘導センサ
【図１】
2011075335.tif 000005
【図２】
2011075335.tif 000006
【図３】
2011075335.tif 000007
【図４】
2011075335.tif 000008
【図５】
2011075335.tif 000009
【図６】
2011075335.tif 000010
【図７】
2011075335.tif 000011