JP2808258B2 - Ｓｑｕｉｄ磁束計 - Google Patents
Ｓｑｕｉｄ磁束計Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ジョセフソン効果を利
用したＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interfer
ence Device ：超伝導量子干渉デバイス）によるＳＱＵ
ＩＤ磁束計に関する。ここに、ＳＱＵＩＤとは、液体ヘ
リウムや液体窒素等により断熱容器（クライオスタット
等）内で低温状態に維持され、ループ内にジョセフソン
接合を含む超伝導ループであるＳＱＵＩＤループに直流
電流をバイアス電流として印加して駆動し、このＳＱＵ
ＩＤループ内に外部からの磁束を結合して印加すると、
ＳＱＵＩＤループに周回電流が誘起され、ループ内のジ
ョセフソン接合における量子的な干渉効果により、ＳＱ
ＵＩＤループが印加された外部磁束の微弱な変化を出力
電圧の大きな変化に変換するトランスデューサとして動
作することを利用して、生体磁気等の微小磁束変化を測
定する素子である。
用したＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interfer
ence Device ：超伝導量子干渉デバイス）によるＳＱＵ
ＩＤ磁束計に関する。ここに、ＳＱＵＩＤとは、液体ヘ
リウムや液体窒素等により断熱容器（クライオスタット
等）内で低温状態に維持され、ループ内にジョセフソン
接合を含む超伝導ループであるＳＱＵＩＤループに直流
電流をバイアス電流として印加して駆動し、このＳＱＵ
ＩＤループ内に外部からの磁束を結合して印加すると、
ＳＱＵＩＤループに周回電流が誘起され、ループ内のジ
ョセフソン接合における量子的な干渉効果により、ＳＱ
ＵＩＤループが印加された外部磁束の微弱な変化を出力
電圧の大きな変化に変換するトランスデューサとして動
作することを利用して、生体磁気等の微小磁束変化を測
定する素子である。
【０００２】
【従来の技術】従来、公知の、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ磁束計
は、液体ヘリウムをためておくデュワー（またはクライ
オスタット）と、液体ヘリウム中で動作するＳＱＵＩＤ
プローブと、室温動作のアンプ及びコントローラで構成
され、液体ヘリウム中のＳＱＵＩＤプローブと室温アン
プは同軸ケーブルで接続されている。このようなＳＱＵ
ＩＤ磁束計は、磁束分解能が１０-5φ。／Ｈｚ1/2
（φ。：磁束量子）から１０-6φ。／Ｈｚ1/2 程度と非
常に高感度であるため外来ノイズや誘導ノイズに弱いと
いう欠点がある。また、通常、ＦＬＬ（Flux Locked Lo
op：磁束ロックループ）と呼ばれる線形動作のためのフ
ィードバック回路を使ってゼロ位法が成り立つように制
御される。
は、液体ヘリウムをためておくデュワー（またはクライ
オスタット）と、液体ヘリウム中で動作するＳＱＵＩＤ
プローブと、室温動作のアンプ及びコントローラで構成
され、液体ヘリウム中のＳＱＵＩＤプローブと室温アン
プは同軸ケーブルで接続されている。このようなＳＱＵ
ＩＤ磁束計は、磁束分解能が１０-5φ。／Ｈｚ1/2
（φ。：磁束量子）から１０-6φ。／Ｈｚ1/2 程度と非
常に高感度であるため外来ノイズや誘導ノイズに弱いと
いう欠点がある。また、通常、ＦＬＬ（Flux Locked Lo
op：磁束ロックループ）と呼ばれる線形動作のためのフ
ィードバック回路を使ってゼロ位法が成り立つように制
御される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のＳＱＵＩＤ磁束計においては、ＦＬＬ回路が追
随しないような大振幅または高速の外来磁気ノイズがＳ
ＱＵＩＤに加わったり、回路内に電気的なパルスノイズ
が加わるとＦＬＬループの動作が外れ（「ロックはず
れ」という）、その後の線形動作が阻害されてしまうと
いう欠点がある。また、同様の理由から電源を切断され
た後、再度起動して磁束を計測する場合ＳＱＵＩＤのφ
−Ｖ特性上のどの位相にロックするか分からないため、
電源切断前との計測値の連続性が保証されない。これら
の欠点は、複数の感度の異なるＳＱＵＩＤ間の位相差を
検出することにより１磁束量子（φ。）よりも広い範囲
の磁場を検出する絶対磁束計を構成すれば解決される
が、位相及び位相差を計数しなければならず計数時間が
かかるため周波数特性がある程度犠牲になる、という問
題点があった。
た従来のＳＱＵＩＤ磁束計においては、ＦＬＬ回路が追
随しないような大振幅または高速の外来磁気ノイズがＳ
ＱＵＩＤに加わったり、回路内に電気的なパルスノイズ
が加わるとＦＬＬループの動作が外れ（「ロックはず
れ」という）、その後の線形動作が阻害されてしまうと
いう欠点がある。また、同様の理由から電源を切断され
た後、再度起動して磁束を計測する場合ＳＱＵＩＤのφ
−Ｖ特性上のどの位相にロックするか分からないため、
電源切断前との計測値の連続性が保証されない。これら
の欠点は、複数の感度の異なるＳＱＵＩＤ間の位相差を
検出することにより１磁束量子（φ。）よりも広い範囲
の磁場を検出する絶対磁束計を構成すれば解決される
が、位相及び位相差を計数しなければならず計数時間が
かかるため周波数特性がある程度犠牲になる、という問
題点があった。
【０００４】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたものであり、ＳＱＵＩＤのダイナミック特性、
特に周波数特性、耐ノイズ性能を向上させ、さらに計測
の連続性を保証しうるＳＱＵＩＤ磁束計を提供すること
を目的とする。
なされたものであり、ＳＱＵＩＤのダイナミック特性、
特に周波数特性、耐ノイズ性能を向上させ、さらに計測
の連続性を保証しうるＳＱＵＩＤ磁束計を提供すること
を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記問題点は、入力磁束
に対するＳＱＵＩＤの線形動作範囲が狭いこと、ＳＱＵ
ＩＤの出力電圧が正弦波状に変化し、当該位相が絶対基
準でどの位相に位置しているのか分からないことに起因
している。このため、本発明は、磁束電圧変換率がｄＶ
／ｄφなるｋ個（ｋ：自然数）のＳＱＵＩＤと、前記複
数のＳＱＵＩＤの各々に負帰還を与える値Ｒni（ｉは１
≦ｉ≦ｋなる自然数）の負帰還抵抗及び結合係数Ｍni
（ｉは１≦ｉ≦ｋなる自然数）の負帰還コイルとを有す
るＳＱＵＩＤ磁束計であって、前記ｋ個のＳＱＵＩＤの
うちの各ＳＱＵＩＤについて下記の条件式 １≦（ｄＶ／ｄφ）×（Ｍni／Ｒni）≦２ が満足するように各定数を設定するとともに、互いに直
列に接続されるとともに前記ｋ個のＳＱＵＩＤの各々に
磁束を伝達するｋ個のインプットコイルを有し、これら
ｋ個のインプットコイルには、磁束伝達率の値が高い高
磁束伝達インプットコイルと、磁束伝達率の値が低い低
磁束伝達インプットコイルを設け、前記高磁束伝達イン
プットコイルにより磁束が伝達される高感度ＳＱＵＩＤ
の出力と前記低磁束伝達インプットコイルにより磁束が
伝達される低感度ＳＱＵＩＤの出力とを加算する加算器
を備えたことを特徴とする。
に対するＳＱＵＩＤの線形動作範囲が狭いこと、ＳＱＵ
ＩＤの出力電圧が正弦波状に変化し、当該位相が絶対基
準でどの位相に位置しているのか分からないことに起因
している。このため、本発明は、磁束電圧変換率がｄＶ
／ｄφなるｋ個（ｋ：自然数）のＳＱＵＩＤと、前記複
数のＳＱＵＩＤの各々に負帰還を与える値Ｒni（ｉは１
≦ｉ≦ｋなる自然数）の負帰還抵抗及び結合係数Ｍni
（ｉは１≦ｉ≦ｋなる自然数）の負帰還コイルとを有す
るＳＱＵＩＤ磁束計であって、前記ｋ個のＳＱＵＩＤの
うちの各ＳＱＵＩＤについて下記の条件式 １≦（ｄＶ／ｄφ）×（Ｍni／Ｒni）≦２ が満足するように各定数を設定するとともに、互いに直
列に接続されるとともに前記ｋ個のＳＱＵＩＤの各々に
磁束を伝達するｋ個のインプットコイルを有し、これら
ｋ個のインプットコイルには、磁束伝達率の値が高い高
磁束伝達インプットコイルと、磁束伝達率の値が低い低
磁束伝達インプットコイルを設け、前記高磁束伝達イン
プットコイルにより磁束が伝達される高感度ＳＱＵＩＤ
の出力と前記低磁束伝達インプットコイルにより磁束が
伝達される低感度ＳＱＵＩＤの出力とを加算する加算器
を備えたことを特徴とする。
【０００６】
【作用】上記構成を有する本発明によれば、磁束感度が
高い高感度ＳＱＵＩＤと磁束感度の低い低感度ＳＱＵＩ
Ｄを用いるので、１φ。よりも十分大きなダイナミック
レンジでの磁束計測と１φ。以下の微小磁束の計測を同
時に行なうことができ、各ＳＱＵＩＤの出力を加算する
ことにより各ＳＱＵＩＤの位相を加算し、これにより、
ＦＬＬ方式における「ロックはずれ」等の問題点を解決
している。また、ＳＱＵＩＤに負帰還回路を付加するこ
とによりＳＱＵＩＤを線形化し、線形部分の電圧が入力
磁束に比例することを利用して、位相を計数するための
プロセスを省略している。
高い高感度ＳＱＵＩＤと磁束感度の低い低感度ＳＱＵＩ
Ｄを用いるので、１φ。よりも十分大きなダイナミック
レンジでの磁束計測と１φ。以下の微小磁束の計測を同
時に行なうことができ、各ＳＱＵＩＤの出力を加算する
ことにより各ＳＱＵＩＤの位相を加算し、これにより、
ＦＬＬ方式における「ロックはずれ」等の問題点を解決
している。また、ＳＱＵＩＤに負帰還回路を付加するこ
とによりＳＱＵＩＤを線形化し、線形部分の電圧が入力
磁束に比例することを利用して、位相を計数するための
プロセスを省略している。
【０００７】
【実施例】以下、図面に基づき本発明の実施例について
説明する。本発明の第１実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計
の構成を図１に示す。図に示すように、このＳＱＵＩＤ
磁束計１０１は、２個のＳＱＵＩＤＳ1 及びＳ2 と、外
部から電流を入力する端子Ｔa ，Ｔb と、２個のインプ
ットコイルＬ1 及びＬ2 と、バイアス電流源１７と、負
帰還回路７及び８と、信号処理回路５と、フィードバッ
ク磁束注入回路６を備えて構成されている。これらのイ
ンプットコイルＬ1 ，Ｌ2 は省略し外部磁場を直接ＳＱ
ＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 に結合させてもよい。図において、Ｓ
ＱＵＩＤのＳ1 ，Ｓ2 にはシャント抵抗が設けられる
が、図示は省略されている。各ＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2
は、正弦波状の磁束−電圧変換特性を有する。このＳＱ
ＵＩＤＳ1，Ｓ2 は、おのおのが単一のＳＱＵＩＤでも
よいし、それぞれが直列接続されたＳＱＵＩＤアレイで
あってもよい。図の例では、ＳＱＵＩＤは２チャンネル
であるが、３チャンネル以上の複数チャンネルであって
もよい。インプットコイルＬ1 ，Ｌ2 は、それぞれＳＱ
ＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 に結合係数（相互誘導係数）Ｍ1 ，Ｍ
2 で結合されている。Ｊ11〜Ｊ22はジョセフソン接合で
ある。
説明する。本発明の第１実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計
の構成を図１に示す。図に示すように、このＳＱＵＩＤ
磁束計１０１は、２個のＳＱＵＩＤＳ1 及びＳ2 と、外
部から電流を入力する端子Ｔa ，Ｔb と、２個のインプ
ットコイルＬ1 及びＬ2 と、バイアス電流源１７と、負
帰還回路７及び８と、信号処理回路５と、フィードバッ
ク磁束注入回路６を備えて構成されている。これらのイ
ンプットコイルＬ1 ，Ｌ2 は省略し外部磁場を直接ＳＱ
ＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 に結合させてもよい。図において、Ｓ
ＱＵＩＤのＳ1 ，Ｓ2 にはシャント抵抗が設けられる
が、図示は省略されている。各ＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2
は、正弦波状の磁束−電圧変換特性を有する。このＳＱ
ＵＩＤＳ1，Ｓ2 は、おのおのが単一のＳＱＵＩＤでも
よいし、それぞれが直列接続されたＳＱＵＩＤアレイで
あってもよい。図の例では、ＳＱＵＩＤは２チャンネル
であるが、３チャンネル以上の複数チャンネルであって
もよい。インプットコイルＬ1 ，Ｌ2 は、それぞれＳＱ
ＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 に結合係数（相互誘導係数）Ｍ1 ，Ｍ
2 で結合されている。Ｊ11〜Ｊ22はジョセフソン接合で
ある。
【０００８】上記のＳＱＵＩＤ磁束計１０１は、入力端
子Ｔa ，Ｔb から電流を入力し電圧に変換して出力する
電流電圧変換器の構成となっているが、これは、入力端
子Ｔa ，Ｔb 間に図示しないピックアップコイルを接続
し、このピックアップコイルで外部磁場を拾うようにす
れば、磁場電圧変換器として用いることもできる。ま
た、ＳＱＵＩＤリングＳ1 ，Ｓ2 で外部磁場を直接拾う
こともできるが、その場合には、入力端子Ｔa ，Ｔb や
インプットコイルＬ1 ，Ｌ2 は不要となる。
子Ｔa ，Ｔb から電流を入力し電圧に変換して出力する
電流電圧変換器の構成となっているが、これは、入力端
子Ｔa ，Ｔb 間に図示しないピックアップコイルを接続
し、このピックアップコイルで外部磁場を拾うようにす
れば、磁場電圧変換器として用いることもできる。ま
た、ＳＱＵＩＤリングＳ1 ，Ｓ2 で外部磁場を直接拾う
こともできるが、その場合には、入力端子Ｔa ，Ｔb や
インプットコイルＬ1 ，Ｌ2 は不要となる。
【０００９】負帰還回路７は、ＳＱＵＩＤＳ1 に負帰還
を行うための負帰還抵抗Ｒn1と負帰還コイルＬn1を有し
ており、負帰還回路８は、ＳＱＵＩＤＳ2 に負帰還を行
うための負帰還抵抗Ｒn2と負帰還コイルＬn2を有して構
成されている。負帰還コイルＬn1，Ｌn2の結合係数はそ
れぞれＭn1，Ｍn2となっている。
を行うための負帰還抵抗Ｒn1と負帰還コイルＬn1を有し
ており、負帰還回路８は、ＳＱＵＩＤＳ2 に負帰還を行
うための負帰還抵抗Ｒn2と負帰還コイルＬn2を有して構
成されている。負帰還コイルＬn1，Ｌn2の結合係数はそ
れぞれＭn1，Ｍn2となっている。
【００１０】これらの負帰還回路７，８は、各ＳＱＵＩ
ＤＳ1 ，Ｓ2 のそれぞれに負帰還を独立に施すように構
成したものであり、以下の条件式 １≦（ｄＶ／ｄφ）×（Ｍa1／Ｒa1）≦２ ………（１） １≦（ｄＶ／ｄφ）×（Ｍa2／Ｒa2）≦２ ………（２） を満足するように定数配分する。上式（１），（２）に
おいて、ｄＶ／ｄφは単一のＳＱＵＩＤの磁束電圧変換
率である。
ＤＳ1 ，Ｓ2 のそれぞれに負帰還を独立に施すように構
成したものであり、以下の条件式 １≦（ｄＶ／ｄφ）×（Ｍa1／Ｒa1）≦２ ………（１） １≦（ｄＶ／ｄφ）×（Ｍa2／Ｒa2）≦２ ………（２） を満足するように定数配分する。上式（１），（２）に
おいて、ｄＶ／ｄφは単一のＳＱＵＩＤの磁束電圧変換
率である。
【００１１】信号処理回路５は、増幅器９，１０と、振
幅調整器１１と、離散化手段であるＡ／Ｄ変換器１２
と、Ｄ／Ａ変換器１３と、加算器１４を有して構成され
ている。また、フィードバック磁束注入回路６は、可変
抵抗１５と、フィードバック磁束注入コイルＬf1を有し
て構成されている。フィードバック磁束注入コイルＬf1
の結合係数はＭ3 となっている。この結合係数Ｍ3 はＭ
2 とは反対符号となっており、インプットコイルＬ2 と
フィードバック磁束注入コイルＬf1とは結合の向きが逆
になっている。
幅調整器１１と、離散化手段であるＡ／Ｄ変換器１２
と、Ｄ／Ａ変換器１３と、加算器１４を有して構成され
ている。また、フィードバック磁束注入回路６は、可変
抵抗１５と、フィードバック磁束注入コイルＬf1を有し
て構成されている。フィードバック磁束注入コイルＬf1
の結合係数はＭ3 となっている。この結合係数Ｍ3 はＭ
2 とは反対符号となっており、インプットコイルＬ2 と
フィードバック磁束注入コイルＬf1とは結合の向きが逆
になっている。
【００１２】上記の増幅器９，１０は、ＳＱＵＩＤＳ1
及びＳ2 の出力電圧を増幅するための増幅器であり、オ
フセット電圧を調整することができる。振幅調整器１１
は、増幅器９，１０で増幅されたＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2
の出力電圧の振幅を調整する。Ａ／Ｄ変換器１２は増幅
されたＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 の出力を量子化（離散化）
し、Ｄ／Ａ変換器１３は離散化された出力をアナログ値
に戻す。この場合、Ａ／Ｄ変換器１２及びＤ／Ａ変換器
１３のコントロール／タイミング回路は省略してある。
加算器１４は、各出力電圧を加算する。可変抵抗１５に
は、Ｄ／Ａ変換器１３の出力電圧が印加されて電圧が調
整され、フィードバック磁束注入コイルＬf1を介してＳ
ＱＵＩＤＳ1 に磁束が注入される。バイアス電流源１７
は、ＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 にバイアス電流ｉb を供給す
るための電流源である。
及びＳ2 の出力電圧を増幅するための増幅器であり、オ
フセット電圧を調整することができる。振幅調整器１１
は、増幅器９，１０で増幅されたＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2
の出力電圧の振幅を調整する。Ａ／Ｄ変換器１２は増幅
されたＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 の出力を量子化（離散化）
し、Ｄ／Ａ変換器１３は離散化された出力をアナログ値
に戻す。この場合、Ａ／Ｄ変換器１２及びＤ／Ａ変換器
１３のコントロール／タイミング回路は省略してある。
加算器１４は、各出力電圧を加算する。可変抵抗１５に
は、Ｄ／Ａ変換器１３の出力電圧が印加されて電圧が調
整され、フィードバック磁束注入コイルＬf1を介してＳ
ＱＵＩＤＳ1 に磁束が注入される。バイアス電流源１７
は、ＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 にバイアス電流ｉb を供給す
るための電流源である。
【００１３】次に、上記のＳＱＵＩＤ磁束計における動
作について説明する。まず、上記のＳＱＵＩＤ磁束計の
出力関係について説明する。図２は、図１に示すＳＱＵ
ＩＤ磁束計１０１のＳＱＵＩＤに負帰還をかけて磁束電
圧変換特性を線形化した場合の特性変化を示す図であ
る。図に示すように、ＳＱＵＩＤの入力磁束φに対する
出力電圧Ｖの関係が正弦波状であり、周期関数ｓｉｎ
（２πφ／φ。）として表わされるものとする（図２中
の細線参照）。
作について説明する。まず、上記のＳＱＵＩＤ磁束計の
出力関係について説明する。図２は、図１に示すＳＱＵ
ＩＤ磁束計１０１のＳＱＵＩＤに負帰還をかけて磁束電
圧変換特性を線形化した場合の特性変化を示す図であ
る。図に示すように、ＳＱＵＩＤの入力磁束φに対する
出力電圧Ｖの関係が正弦波状であり、周期関数ｓｉｎ
（２πφ／φ。）として表わされるものとする（図２中
の細線参照）。
【００１４】負帰還回路７，８を設けることにより、Ｓ
ＱＵＩＤの入力磁束φに対する出力電圧Ｖの関係は、図
２の実線のように変化する。これにより、図２の曲線中
の傾斜部の線形性は改善される。同時に、線形領域は、
以下の条件式 １≦（ｄＶ／ｄφ）×（Ｍn1／Ｒn1）≦２ ………（３） １≦（ｄＶ／ｄφ）×（Ｍn2／Ｒn2）≦２ ………（４） が満足される場合には、１φ。（φ。：単位磁束量子）
近くまで広がる。したがって、１つのＳＱＵＩＤで１
φ。以内の開ループ計測が可能となる。
ＱＵＩＤの入力磁束φに対する出力電圧Ｖの関係は、図
２の実線のように変化する。これにより、図２の曲線中
の傾斜部の線形性は改善される。同時に、線形領域は、
以下の条件式 １≦（ｄＶ／ｄφ）×（Ｍn1／Ｒn1）≦２ ………（３） １≦（ｄＶ／ｄφ）×（Ｍn2／Ｒn2）≦２ ………（４） が満足される場合には、１φ。（φ。：単位磁束量子）
近くまで広がる。したがって、１つのＳＱＵＩＤで１
φ。以内の開ループ計測が可能となる。
【００１５】一方、１φ。以上に計測範囲を広げるため
には、磁束感度の低いもう１つ以上のＳＱＵＩＤが必要
になる。図２のように相互に磁気的に結合していない２
つのＳＱＵＩＤに各々結合状態の違うインプットコイル
で磁束を入力する。各インプットコイルの結合係数をＭ
1 ，Ｍ2 とすると、Ｍ1 ＞＞Ｍ2 とすることにより、同
一入力電流Ｉに対し、ＳＱＵＩＤＳ1 の感度は高くな
り、ＳＱＵＩＤＳ2 の感度は低下する。このため、ＳＱ
ＵＩＤＳ2 は、ＳＱＵＩＤＳ1 よりも広い範囲の電流を
検知することができる。Ｍ1 ，Ｍ2 の設定例としては、
例えば、Ｍ1 の値を数ナノヘンリー（ナノヘンリー＝１
０-9ヘンリー）とし、Ｍ2 の値を数百ピコヘンリー（ピ
コヘンリー＝１０-12 ヘンリー）に設定する場合などが
ある。この場合には、両者の比Ｍ1 ／Ｍ2 は２０程度の
値となる。したがって、Ｍ1 ／Ｍ2の値を２０以上の値
に設定することが考えられる。
には、磁束感度の低いもう１つ以上のＳＱＵＩＤが必要
になる。図２のように相互に磁気的に結合していない２
つのＳＱＵＩＤに各々結合状態の違うインプットコイル
で磁束を入力する。各インプットコイルの結合係数をＭ
1 ，Ｍ2 とすると、Ｍ1 ＞＞Ｍ2 とすることにより、同
一入力電流Ｉに対し、ＳＱＵＩＤＳ1 の感度は高くな
り、ＳＱＵＩＤＳ2 の感度は低下する。このため、ＳＱ
ＵＩＤＳ2 は、ＳＱＵＩＤＳ1 よりも広い範囲の電流を
検知することができる。Ｍ1 ，Ｍ2 の設定例としては、
例えば、Ｍ1 の値を数ナノヘンリー（ナノヘンリー＝１
０-9ヘンリー）とし、Ｍ2 の値を数百ピコヘンリー（ピ
コヘンリー＝１０-12 ヘンリー）に設定する場合などが
ある。この場合には、両者の比Ｍ1 ／Ｍ2 は２０程度の
値となる。したがって、Ｍ1 ／Ｍ2の値を２０以上の値
に設定することが考えられる。
【００１６】上記において、インプットコイルＬ1 はＳ
ＱＵＩＤへの磁束伝達率の高い高磁束伝達インプットコ
イルに相当し、インプットコイルＬ2 はＳＱＵＩＤへの
磁束伝達率の低い低磁束伝達インプットコイルに相当す
る。また、ＳＱＵＩＤＳ1 は高感度ＳＱＵＩＤに相当
し、ＳＱＵＩＤＳ2 は低感度ＳＱＵＩＤに相当してい
る。またＳＱＵＩＤＳ1 は最大感度ＳＱＵＩＤに相当し
ている。
ＱＵＩＤへの磁束伝達率の高い高磁束伝達インプットコ
イルに相当し、インプットコイルＬ2 はＳＱＵＩＤへの
磁束伝達率の低い低磁束伝達インプットコイルに相当す
る。また、ＳＱＵＩＤＳ1 は高感度ＳＱＵＩＤに相当
し、ＳＱＵＩＤＳ2 は低感度ＳＱＵＩＤに相当してい
る。またＳＱＵＩＤＳ1 は最大感度ＳＱＵＩＤに相当し
ている。
【００１７】この際、ＳＱＵＩＤの雑音と、増幅器の雑
音とが同じものであるとすると、入力換算雑音は、ＳＱ
ＵＩＤＳ1 の方がＳＱＵＩＤＳ2 の方が大きくなり、両
者を併せることができれば、低い入力レベルから高い入
力レベルまで検知することが可能となる。図３は、線形
範囲を広げた２つのＳＱＵＩＤのインプットコイルに流
れる電流Ｉと増幅器の出力電圧の関係を示したものであ
り、ＳＱＵＩＤ２でＳＱＵＩＤ１よりも大きな電流が扱
えることを表わしている。各インプットコイルＬ1 ，Ｌ
2 の結合係数Ｍ1 とＭ2 の比を大きくとれば、より広い
範囲の電流を検知することができるが、この例では説明
の便宜上、Ｍ1 とＭ2 の比を小さくとってある。
音とが同じものであるとすると、入力換算雑音は、ＳＱ
ＵＩＤＳ1 の方がＳＱＵＩＤＳ2 の方が大きくなり、両
者を併せることができれば、低い入力レベルから高い入
力レベルまで検知することが可能となる。図３は、線形
範囲を広げた２つのＳＱＵＩＤのインプットコイルに流
れる電流Ｉと増幅器の出力電圧の関係を示したものであ
り、ＳＱＵＩＤ２でＳＱＵＩＤ１よりも大きな電流が扱
えることを表わしている。各インプットコイルＬ1 ，Ｌ
2 の結合係数Ｍ1 とＭ2 の比を大きくとれば、より広い
範囲の電流を検知することができるが、この例では説明
の便宜上、Ｍ1 とＭ2 の比を小さくとってある。
【００１８】上記のＡ／Ｄ変換器１２及びＤ／Ａ変換器
１３で増幅器１０の出力（ＳＱＵＩＤＳ2 側の出力）Ｖ
２を量子化（離散化）すると、量子化された後の出力Ｖ
３は、図４（Ｂ）に示すように、入力電流又は磁束に対
し階段状に不連続に変化する。ＳＱＵＩＤＳ2 の電流Ｉ
が、図４（Ｂ）中の点（ａ）から点（ｂ）まで変化する
と、図４（Ａ）のＳＱＵＩＤＳ1 側の出力電圧Ｖ１は点
（ｅ）から点（ｆ）まで変化する。また、ＳＱＵＩＤＳ
2 側の電圧Ｖ３が、図４（Ｂ）中の点（ｂ）から点
（ｃ）まで変化するとき、図４（Ａ）のＳＱＵＩＤＳ1
側の出力電圧Ｖ１は点（ｆ）から点（ｅ）まで戻るよう
に変化し、その後、ＳＱＵＩＤＳ2 側の電圧Ｖ３が点
（ｃ）から点（ｄ）まで変化するとき、図４（Ａ）のＳ
ＱＵＩＤＳ1 側の出力電圧Ｖ１が再度点（ｆ）から点
（ｅ）まで戻るように変化する。このようにすると、入
力電流Ｉに対して階段波形の全ての点で感度の高いＳＱ
ＵＩＤＳ1の一定斜面のみを出力するように制御するこ
とが可能となる。このような動作をさせるため、図１の
出力Ｖ３の１ＬＳＢ（Least Signicant Bit ：最下位ビ
ット，これをΔＶ３とする）はＳＱＵＩＤＳ1 の１φ。
よりも小さくとるものとする。
１３で増幅器１０の出力（ＳＱＵＩＤＳ2 側の出力）Ｖ
２を量子化（離散化）すると、量子化された後の出力Ｖ
３は、図４（Ｂ）に示すように、入力電流又は磁束に対
し階段状に不連続に変化する。ＳＱＵＩＤＳ2 の電流Ｉ
が、図４（Ｂ）中の点（ａ）から点（ｂ）まで変化する
と、図４（Ａ）のＳＱＵＩＤＳ1 側の出力電圧Ｖ１は点
（ｅ）から点（ｆ）まで変化する。また、ＳＱＵＩＤＳ
2 側の電圧Ｖ３が、図４（Ｂ）中の点（ｂ）から点
（ｃ）まで変化するとき、図４（Ａ）のＳＱＵＩＤＳ1
側の出力電圧Ｖ１は点（ｆ）から点（ｅ）まで戻るよう
に変化し、その後、ＳＱＵＩＤＳ2 側の電圧Ｖ３が点
（ｃ）から点（ｄ）まで変化するとき、図４（Ａ）のＳ
ＱＵＩＤＳ1 側の出力電圧Ｖ１が再度点（ｆ）から点
（ｅ）まで戻るように変化する。このようにすると、入
力電流Ｉに対して階段波形の全ての点で感度の高いＳＱ
ＵＩＤＳ1の一定斜面のみを出力するように制御するこ
とが可能となる。このような動作をさせるため、図１の
出力Ｖ３の１ＬＳＢ（Least Signicant Bit ：最下位ビ
ット，これをΔＶ３とする）はＳＱＵＩＤＳ1 の１φ。
よりも小さくとるものとする。
【００１９】このとき、Ｖ３を可変抵抗１５（抵抗値：
Ｒ）及びフィードバック磁束注入コイルＬf1（結合係
数：Ｍ3 ）を介し、下記の式 ΔＶ３×Ｍ3 ／Ｒ＝Δφ。 ………（５） を満足するようにＳＱＵＩＤＳ1 にフィードバックさせ
ると、上記に述べたような繰返し動作をさせることがで
きる。ここに、ΔＶ３はＶ３の変化量を、Δφ。はφ。
の変化量を、それぞれ示している。出力Ｖ２（又は出力
Ｖ３）の変動範囲がΔＶ３になるように振幅調整器１１
で出力Ｖ１の値を調整し、加算器１４でＶ１とＶ３を加
算すれば、不連続な階段波形は補完され、電流Ｉに対し
連続した出力が得られる。この様子を図４（Ｃ）に示
す。Ｄ／Ａ変換器１３の雑音は十分小さいものとすれ
ば、Ａ／Ｄ変換器１２及びＤ／Ａ変換器１３を通じてＳ
ＱＵＩＤＳ2 の雑音はＳＱＵＩＤＳ1 には伝搬しないた
め、広いダイナミックレンジが確保される。
Ｒ）及びフィードバック磁束注入コイルＬf1（結合係
数：Ｍ3 ）を介し、下記の式 ΔＶ３×Ｍ3 ／Ｒ＝Δφ。 ………（５） を満足するようにＳＱＵＩＤＳ1 にフィードバックさせ
ると、上記に述べたような繰返し動作をさせることがで
きる。ここに、ΔＶ３はＶ３の変化量を、Δφ。はφ。
の変化量を、それぞれ示している。出力Ｖ２（又は出力
Ｖ３）の変動範囲がΔＶ３になるように振幅調整器１１
で出力Ｖ１の値を調整し、加算器１４でＶ１とＶ３を加
算すれば、不連続な階段波形は補完され、電流Ｉに対し
連続した出力が得られる。この様子を図４（Ｃ）に示
す。Ｄ／Ａ変換器１３の雑音は十分小さいものとすれ
ば、Ａ／Ｄ変換器１２及びＤ／Ａ変換器１３を通じてＳ
ＱＵＩＤＳ2 の雑音はＳＱＵＩＤＳ1 には伝搬しないた
め、広いダイナミックレンジが確保される。
【００２０】ところで、ＳＱＵＩＤの線形性が負帰還回
路７，８だけでは十分確保されないため、このような方
法では、Ｍ1 とＭ2 の比Ｍ1 ：Ｍ2 を非常に大きくする
ことはできない。そこで、さらにダイナミックレンジを
広げるためには、図５のように構成すればよい。図に示
すように、このＳＱＵＩＤ磁束計１０２は、図１に示す
ＳＱＵＩＤ磁束計１０１に、インプットコイルＬ1 ，Ｌ
2 に直列に新たなインプットコイルＬ3 （結合係数：Ｍ
3 ）を接続し、このインプットコイルＬ3 に磁束結合す
る新たなＳＱＵＩＤリングＳ3 と、このＳＱＵＩＤＳ3
に負帰還を行う負帰還回路１９と、信号処理回路５ａ
と、フィードバック磁束注入回路１８を有している。負
帰還回路１９は、ＳＱＵＩＤＳ3 に負帰還を行うための
負帰還抵抗Ｒn2と負帰還コイルＬn3を有して構成されて
いる。Ｊ31，Ｊ32はジョセフソン接合である。負帰還コ
イルＬn3の結合係数はＭn3となっている。信号処理回路
５ａは、上記の構成要素に加え、増幅器２０と、Ａ／Ｄ
変換器２１と、Ｄ／Ａ変換器２２と、加算器２３を有し
て構成されている。また、増幅器２０の出力はＶ４，Ａ
／Ｄ変換器２１及びＤ／Ａ変換器２２の出力はＶ５とな
っている。そして、フィードバック磁束注入回路１８
は、可変抵抗２４とフィードバック磁束注入コイルＬf2
を有している。
路７，８だけでは十分確保されないため、このような方
法では、Ｍ1 とＭ2 の比Ｍ1 ：Ｍ2 を非常に大きくする
ことはできない。そこで、さらにダイナミックレンジを
広げるためには、図５のように構成すればよい。図に示
すように、このＳＱＵＩＤ磁束計１０２は、図１に示す
ＳＱＵＩＤ磁束計１０１に、インプットコイルＬ1 ，Ｌ
2 に直列に新たなインプットコイルＬ3 （結合係数：Ｍ
3 ）を接続し、このインプットコイルＬ3 に磁束結合す
る新たなＳＱＵＩＤリングＳ3 と、このＳＱＵＩＤＳ3
に負帰還を行う負帰還回路１９と、信号処理回路５ａ
と、フィードバック磁束注入回路１８を有している。負
帰還回路１９は、ＳＱＵＩＤＳ3 に負帰還を行うための
負帰還抵抗Ｒn2と負帰還コイルＬn3を有して構成されて
いる。Ｊ31，Ｊ32はジョセフソン接合である。負帰還コ
イルＬn3の結合係数はＭn3となっている。信号処理回路
５ａは、上記の構成要素に加え、増幅器２０と、Ａ／Ｄ
変換器２１と、Ｄ／Ａ変換器２２と、加算器２３を有し
て構成されている。また、増幅器２０の出力はＶ４，Ａ
／Ｄ変換器２１及びＤ／Ａ変換器２２の出力はＶ５とな
っている。そして、フィードバック磁束注入回路１８
は、可変抵抗２４とフィードバック磁束注入コイルＬf2
を有している。
【００２１】このように、図１に示すＳＱＵＩＤ磁束計
１０１に、計測チャンネルをさらにもう１段増設するこ
とにより、さらにダイナミックレンジを広げることがで
きる。
１０１に、計測チャンネルをさらにもう１段増設するこ
とにより、さらにダイナミックレンジを広げることがで
きる。
【００２２】このようにすれば、線形化した複数の感度
の異なるＳＱＵＩＤで、広い範囲の磁束と狭い範囲の磁
束とを分担して検出し、各々を合成することにより、磁
束ロックループを構成することなく１φ。以上の磁束範
囲を検出できるため、電源の切断や高レベルの雑音信号
に対してロックはずれを起こすなどの従来のような計測
動作の喪失は起こり得ず、計測の連続性が保持される。
また、位相検出回路が連続的に動作しているため、サン
プリングなどに伴う不感時間がない。したがって、高速
動作が可能となる。
の異なるＳＱＵＩＤで、広い範囲の磁束と狭い範囲の磁
束とを分担して検出し、各々を合成することにより、磁
束ロックループを構成することなく１φ。以上の磁束範
囲を検出できるため、電源の切断や高レベルの雑音信号
に対してロックはずれを起こすなどの従来のような計測
動作の喪失は起こり得ず、計測の連続性が保持される。
また、位相検出回路が連続的に動作しているため、サン
プリングなどに伴う不感時間がない。したがって、高速
動作が可能となる。
【００２３】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではない。上記実施例は、例示であり、本発明の特
許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な
構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる
ものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
ものではない。上記実施例は、例示であり、本発明の特
許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な
構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる
ものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００２４】例えば、上記各実施例においては、ＳＱＵ
ＩＤ磁束計が２個又は３個のＳＱＵＩＤと２個又は３個
のインプットコイルを有して構成される例について説明
したが、本発明はこれには限定されず、４個以上のＳＱ
ＵＩＤと４個以上のインプットコイルで構成されてもよ
い。
ＩＤ磁束計が２個又は３個のＳＱＵＩＤと２個又は３個
のインプットコイルを有して構成される例について説明
したが、本発明はこれには限定されず、４個以上のＳＱ
ＵＩＤと４個以上のインプットコイルで構成されてもよ
い。
【００２５】また、上記各実施例においては、ＳＱＵＩ
Ｄ磁束計に複数のインプットコイルを設けた例について
説明したが、本発明はこれには限定されず、各ＳＱＵＩ
Ｄが磁束を直接取り込むピックアップを兼ね、かつこれ
らピックアップの感度の比又はこれらピックアップの有
効面積の比を磁束伝達率の比とするようにしてもよい。
Ｄ磁束計に複数のインプットコイルを設けた例について
説明したが、本発明はこれには限定されず、各ＳＱＵＩ
Ｄが磁束を直接取り込むピックアップを兼ね、かつこれ
らピックアップの感度の比又はこれらピックアップの有
効面積の比を磁束伝達率の比とするようにしてもよい。
【００２６】また、上記各実施例においては、ＳＱＵＩ
Ｄ磁束計の各ＳＱＵＩＤは単一のＳＱＵＩＤリングから
なる例について説明したが、本発明はこれには限定され
ず、２個以上のＳＱＵＩＤを直列に接続したＳＱＵＩＤ
アレイで構成されてもかまわない。
Ｄ磁束計の各ＳＱＵＩＤは単一のＳＱＵＩＤリングから
なる例について説明したが、本発明はこれには限定され
ず、２個以上のＳＱＵＩＤを直列に接続したＳＱＵＩＤ
アレイで構成されてもかまわない。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
線形化した複数の感度の異なるＳＱＵＩＤで、広い範囲
の磁束と狭い範囲の磁束とを分担して検出し、各々を合
成することにより、磁束ロックループを構成することな
く１φ。以上の磁束範囲を検出できるため、電源の切断
や高レベルの雑音信号に対してロックはずれを起こすな
どの従来のような計測動作の喪失は起こり得ず、計測の
連続性が保持される。また、位相検出回路が連続的に動
作しているため、サンプリングなどに伴う不感時間がな
い。したがって、高速動作が可能となる。したがって、
ＳＱＵＩＤのダイナミック特性、特に周波数特性、耐ノ
イズ性能を向上させ、さらに計測の連続性を保証しうる
ＳＱＵＩＤ磁束計を提供することができる。
線形化した複数の感度の異なるＳＱＵＩＤで、広い範囲
の磁束と狭い範囲の磁束とを分担して検出し、各々を合
成することにより、磁束ロックループを構成することな
く１φ。以上の磁束範囲を検出できるため、電源の切断
や高レベルの雑音信号に対してロックはずれを起こすな
どの従来のような計測動作の喪失は起こり得ず、計測の
連続性が保持される。また、位相検出回路が連続的に動
作しているため、サンプリングなどに伴う不感時間がな
い。したがって、高速動作が可能となる。したがって、
ＳＱＵＩＤのダイナミック特性、特に周波数特性、耐ノ
イズ性能を向上させ、さらに計測の連続性を保証しうる
ＳＱＵＩＤ磁束計を提供することができる。
【図１】本発明の第１実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計の
構成を示す図である。
構成を示す図である。
【図２】図１に示すＳＱＵＩＤ磁束計のＳＱＵＩＤに負
帰還をかけて磁束電圧変換特性を線形化した場合の特性
変化を示す図である。
帰還をかけて磁束電圧変換特性を線形化した場合の特性
変化を示す図である。
【図３】線形範囲を広げた２つのＳＱＵＩＤのインプッ
トコイルに流れる電流Ｉと増幅器の出力電圧の関係を示
した図（１）である。
トコイルに流れる電流Ｉと増幅器の出力電圧の関係を示
した図（１）である。
【図４】線形範囲を広げた２つのＳＱＵＩＤのインプッ
トコイルに流れる電流Ｉと増幅器の出力電圧の関係を示
した図（２）である。
トコイルに流れる電流Ｉと増幅器の出力電圧の関係を示
した図（２）である。
【図５】本発明の第２実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計の
構成を示す図である。
構成を示す図である。
５，５ａ 信号処理回路 ６ フィードバック磁束注入回路 ７，８ 負帰還回路 ９，１０ 増幅器 １１ 振幅調整器 １２ Ａ／Ｄ変換器 １３ Ｄ／Ａ変換器 １４ 加算器 １５ 可変抵抗 １７ バイアス電流源 １８ フィードバック磁束注入回路 １９ 負帰還回路 ２０ 増幅器 ２１ Ａ／Ｄ変換器 ２２ Ｄ／Ａ変換器 ２３ 加算器 ２４ 可変抵抗 １０１，１０２ ＳＱＵＩＤ磁束計 Ｊ11〜Ｊ32 ジョセフソン接合 Ｌ1 〜Ｌ3 インプットコイル Ｌf1〜Ｌf2 フィードバック磁束注入コイル Ｌn1〜Ｌn3 負帰還コイル Ｓ1 〜Ｓ3 ＳＱＵＩＤ Ｔa ，Ｔb 入力端子
Claims (4)
- 【請求項１】 磁束電圧変換率がｄＶ／ｄφなるｋ個
（ｋ：自然数）のＳＱＵＩＤと、前記複数のＳＱＵＩＤ
の各々に負帰還を与える値Ｒni（ｉは１≦ｉ≦ｋなる自
然数）の負帰還抵抗及び結合係数Ｍni（ｉは１≦ｉ≦ｋ
なる自然数）の負帰還コイルとを有するＳＱＵＩＤ磁束
計であって、 前記ｋ個のＳＱＵＩＤのうちの各ＳＱＵＩＤについて下
記の条件式 １≦（ｄＶ／ｄφ）×（Ｍni／Ｒni）≦２ が満足するように各定数を設定するとともに、 互いに直列に接続されるとともに前記ｋ個のＳＱＵＩＤ
の各々に磁束を伝達するｋ個のインプットコイルを有
し、これらｋ個のインプットコイルには、磁束伝達率の
値が高い高磁束伝達インプットコイルと、磁束伝達率の
値が低い低磁束伝達インプットコイルを設け、 前記高磁束伝達インプットコイルにより磁束が伝達され
る高感度ＳＱＵＩＤの出力と前記低磁束伝達インプット
コイルにより磁束が伝達される低感度ＳＱＵＩＤの出力
とを加算する加算器を備えたことを特徴とするＳＱＵＩ
Ｄ磁束計。 - 【請求項２】 前記高感度ＳＱＵＩＤのうち最も感度の
高い最大感度ＳＱＵＩＤに前記低感度ＳＱＵＩＤの出力
をフィードバック磁束として注入するフィードバック磁
束注入コイルを備えたことを特徴とする請求項１記載の
ＳＱＵＩＤ磁束計。 - 【請求項３】 前記各ＳＱＵＩＤが磁束を直接取り込む
ピックアップを兼ね、かつこれらピックアップの感度の
比又はこれらピックアップの有効面積の比を前記磁束伝
達率の比とすることを特徴とする請求項１又は請求項２
記載のＳＱＵＩＤ磁束計。 - 【請求項４】 前記ｋ個のＳＱＵＩＤのそれぞれの出力
電圧を増幅する増幅器と、これらの増幅出力のうち前記
高感度ＳＱＵＩＤの増幅出力振幅を調整する振幅調整器
と、前記増幅器の増幅出力のうち前記低感度ＳＱＵＩＤ
の増幅出力を離散化する離散化手段を備え、前記加算器
は前記振幅調整器の出力と前記離散化手段の出力とを加
算することを特徴とする請求項２又は請求項３記載のＳ
ＱＵＩＤ磁束計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7151142A JP2808258B2 (ja) | 1995-05-26 | 1995-05-26 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7151142A JP2808258B2 (ja) | 1995-05-26 | 1995-05-26 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08320363A JPH08320363A (ja) | 1996-12-03 |
| JP2808258B2 true JP2808258B2 (ja) | 1998-10-08 |
Family
ID=15512292
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7151142A Expired - Lifetime JP2808258B2 (ja) | 1995-05-26 | 1995-05-26 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2808258B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005227148A (ja) * | 2004-02-13 | 2005-08-25 | Sii Nanotechnology Inc | センサのダイナミックレンジ拡大方法及びそれを用いた走査型計測装置 |
| JP2014085276A (ja) * | 2012-10-25 | 2014-05-12 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 超伝導電流計 |
-
1995
- 1995-05-26 JP JP7151142A patent/JP2808258B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08320363A (ja) | 1996-12-03 |
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