JP3081902B2 - 磁場検出回路 - Google Patents
磁場検出回路Info
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- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 36
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims 1
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/035—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
- G01R33/0354—SQUIDS
- G01R33/0356—SQUIDS with flux feedback
-
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- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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- Y10S505/825—Apparatus per se, device per se, or process of making or operating same
- Y10S505/842—Measuring and testing
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Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
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- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は高感度磁気センサ、電
流計、変位計、または高周波信号増幅器等に応用するジ
ョセフソン素子を使った磁場検出回路に関する。
流計、変位計、または高周波信号増幅器等に応用するジ
ョセフソン素子を使った磁場検出回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】図２に従来の緩和発振（RELAXATION OSC
ILLATION) を使ったＳＱＵＩＤ（ＲＯ−ＳＱＵＩＤ）の
回路図を示す。直列接続された抵抗２とコイル３がＤＣ
−ＳＱＵＩＤ７と並列に接続された構造である。入力コ
イル４からの磁場信号はＤＣ−ＳＱＵＩＤ７に入り、臨
界電流値が変わり、発振周波数がシフトし、磁場の検出
を行なう。
ILLATION) を使ったＳＱＵＩＤ（ＲＯ−ＳＱＵＩＤ）の
回路図を示す。直列接続された抵抗２とコイル３がＤＣ
−ＳＱＵＩＤ７と並列に接続された構造である。入力コ
イル４からの磁場信号はＤＣ−ＳＱＵＩＤ７に入り、臨
界電流値が変わり、発振周波数がシフトし、磁場の検出
を行なう。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし従来のＲＯ−Ｓ
ＱＵＩＤは発振回路の内部に直接ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７を
入れているため、ＲＯ−ＳＱＵＩＤの発振条件とＤＣ−
ＳＱＵＩＤの感度との両方の特性を考えた設計が必要と
なり、設計が複雑になり、感度も十分でなかった。また
ＤＣ−ＳＱＵＩＤのインダクタンスが大きいため発振の
制御を外部のコントロールラインから行なうことが設計
上難しく、多チャンネル化を行なうための直列接続が出
来ず、多チャンネルには各チャンネルを各々独立に接続
する必要があった。そのため信号線の数が増え、信号線
間の干渉が起り、正確な測定ができなくなるという課題
があった。そこで、この発明の目的は、従来のこのよう
な課題を解決するため、回路設計と外部からの発振制御
を容易にし、直列接続可能で多チャンネル化が容易な感
度の良い磁場検出回路を得ることである。
ＱＵＩＤは発振回路の内部に直接ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７を
入れているため、ＲＯ−ＳＱＵＩＤの発振条件とＤＣ−
ＳＱＵＩＤの感度との両方の特性を考えた設計が必要と
なり、設計が複雑になり、感度も十分でなかった。また
ＤＣ−ＳＱＵＩＤのインダクタンスが大きいため発振の
制御を外部のコントロールラインから行なうことが設計
上難しく、多チャンネル化を行なうための直列接続が出
来ず、多チャンネルには各チャンネルを各々独立に接続
する必要があった。そのため信号線の数が増え、信号線
間の干渉が起り、正確な測定ができなくなるという課題
があった。そこで、この発明の目的は、従来のこのよう
な課題を解決するため、回路設計と外部からの発振制御
を容易にし、直列接続可能で多チャンネル化が容易な感
度の良い磁場検出回路を得ることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は緩和発振回路内のコイルと磁気結合した
磁場入力回路を有する構造とし、緩和発振回路の部分と
磁場を入力する部分を独立に最適設計できるようにし
た。また発振回路内のジョセフソン素子に磁気結合した
発振を制御するコントロールラインを付加して、直列接
続による多チャンネル化が可能になるようにした。
に、この発明は緩和発振回路内のコイルと磁気結合した
磁場入力回路を有する構造とし、緩和発振回路の部分と
磁場を入力する部分を独立に最適設計できるようにし
た。また発振回路内のジョセフソン素子に磁気結合した
発振を制御するコントロールラインを付加して、直列接
続による多チャンネル化が可能になるようにした。
【０００５】
【作用】上記のように構成された磁場検出回路において
は、バイアス電流により発振している緩和発振回路のコ
イルと磁気結合している磁場入力回路から信号を入力し
て発振周波数を変化させ、入力磁場の値を検出すること
になる。バイアス電流を適当な値に設定し、ジョセフソ
ン素子に磁気結合したコントロールラインにより、ジョ
セフソン素子の臨界電流値を変化させると発振を制御で
きることになる。
は、バイアス電流により発振している緩和発振回路のコ
イルと磁気結合している磁場入力回路から信号を入力し
て発振周波数を変化させ、入力磁場の値を検出すること
になる。バイアス電流を適当な値に設定し、ジョセフソ
ン素子に磁気結合したコントロールラインにより、ジョ
セフソン素子の臨界電流値を変化させると発振を制御で
きることになる。
【０００６】
【実施例】以下に、この発明の実施例を図面に基づいて
説明する。図１に本発明の第１実施例の回路図を示す。
ジョセフソン素子の両端に発生する発振周波数ｆは、回
路に流すバイアス電流５をＩｂ、ジョセフソン素子１の
最大臨界電流と最小臨界電流を各々、Ｉcmax，Ｉcminと
し、コイル３のインダクタンスをＬ、抵抗２の値をＲと
するとｆ＝（Ｒ／Ｌ）／（ｌｎ｛（Ｉｂ−Ｉcmin）／
（Ｉｂ−Ｉcmax）｝）となる。入力コイル４からコイル
３に磁束が入ると磁束の大きさに応じて発振周波数ｆが
変化し、磁界を周波数変化として検出できる。発振振幅
はジョセフソン素子のギャップ電圧となり一定である。
各素子は薄膜とフォトリソ工程を使って容易に製作可能
である。
説明する。図１に本発明の第１実施例の回路図を示す。
ジョセフソン素子の両端に発生する発振周波数ｆは、回
路に流すバイアス電流５をＩｂ、ジョセフソン素子１の
最大臨界電流と最小臨界電流を各々、Ｉcmax，Ｉcminと
し、コイル３のインダクタンスをＬ、抵抗２の値をＲと
するとｆ＝（Ｒ／Ｌ）／（ｌｎ｛（Ｉｂ−Ｉcmin）／
（Ｉｂ−Ｉcmax）｝）となる。入力コイル４からコイル
３に磁束が入ると磁束の大きさに応じて発振周波数ｆが
変化し、磁界を周波数変化として検出できる。発振振幅
はジョセフソン素子のギャップ電圧となり一定である。
各素子は薄膜とフォトリソ工程を使って容易に製作可能
である。
【０００７】図３は本発明の第２の実施例である。磁場
入力回路として入力コイル４の他にジョセフソン素子６
と超伝導ループからなるＲＦ−ＳＱＵＩＤ９と帰還コイ
ル８とを付加することにより、第１実施例に比べて高感
度になるようにしている。第２実施例では発振回路の部
分と、磁場を検出するＲＦ−ＳＱＵＩＤの部分を別々に
設計できるため、従来のＲＯ−ＳＱＵＩＤに比べ、設計
が容易で最適設計ができるため高感度化が可能である。
入力回路として入力コイル４の他にジョセフソン素子６
と超伝導ループからなるＲＦ−ＳＱＵＩＤ９と帰還コイ
ル８とを付加することにより、第１実施例に比べて高感
度になるようにしている。第２実施例では発振回路の部
分と、磁場を検出するＲＦ−ＳＱＵＩＤの部分を別々に
設計できるため、従来のＲＯ−ＳＱＵＩＤに比べ、設計
が容易で最適設計ができるため高感度化が可能である。
【０００８】図４は本発明による磁場検出システムの例
である。ダイナミックレンジが広くなるように帰還コイ
ル８によりＲＦ−ＳＱＵＩＤ９に帰還をかけている。検
出コイル１１から入力した磁場は入力コイル４に入りＲ
Ｆ−ＳＱＵＩＤ９を介してコイル３に入力され、緩和発
振回路（RELAXATION OSCILLATOR ）の発振周波数が変え
られる。発振波形はヘッドアンプ１２、Ｆ−Ｖコンバー
タ１３を通って直流電圧に変換される。さらに積分増幅
器１４により周波数の変化分のみを出力信号として取り
出し一部を帰還する。
である。ダイナミックレンジが広くなるように帰還コイ
ル８によりＲＦ−ＳＱＵＩＤ９に帰還をかけている。検
出コイル１１から入力した磁場は入力コイル４に入りＲ
Ｆ−ＳＱＵＩＤ９を介してコイル３に入力され、緩和発
振回路（RELAXATION OSCILLATOR ）の発振周波数が変え
られる。発振波形はヘッドアンプ１２、Ｆ−Ｖコンバー
タ１３を通って直流電圧に変換される。さらに積分増幅
器１４により周波数の変化分のみを出力信号として取り
出し一部を帰還する。
【０００９】図５は本発明に第３の実施例である。第２
実施例のジョセフソン素子１を複数直列に接続した回路
である。緩和発振回路（RELAXATION OSCILLATOR)の出力
はジョセフソン素子のギャップ電圧のため、複数個直列
に接続した方が振幅が大きくなり信号の検出が容易にな
る。この方法は第１実施例の回路にも適用できる。次に
本発明による多チャンネル化の実施例について説明をす
る。本発明の回路はジョセフソン素子１に磁気結合した
発振を制御するコントロールライン１０を付加して、緩
和発振回路を複数個直列接続することで容易に多チャン
ネル化が可能である。図６に第４実施例の回路図を示
す。図１の第１実施例の回路を多チャンネル化する例で
ある。同じ磁場検出回路を直列に２個接続して２チャン
ネルとしている。発振条件はＩcmax＜Ｉｂ＜｛（Ｒｎ＋
Ｒ）／Ｒ｝Ｉcminである。Ｒｎはジョセフソン素子の常
伝導抵抗である。通常発振させる時にはコントロールラ
イン１０に電流を流し、Ｉcmax＜Ｉｂとなるようにバイ
アス電流５を設定する。発振を止めるにはコントロール
ライン１０の電流を減らすことによりジョセフソン素子
１のＩcmaxを大きくしＩcmax＞Ｉｂとなるようにする。
本発明による方法は、直列に多チャンネル接続された回
路の発振をコントロールライン１０の電流により容易に
制御できるため、１チャンネルずつ動作をさせて両端の
出力電圧の周波数を順次モニタすることで各チャンネル
の磁界が検出できる。従って１チャンネルずつ別々に配
線をする必要がなく、配線数が減少でき、チャンネル間
のクロストークもなくせるため、より高精度な測定が可
能になる。
実施例のジョセフソン素子１を複数直列に接続した回路
である。緩和発振回路（RELAXATION OSCILLATOR)の出力
はジョセフソン素子のギャップ電圧のため、複数個直列
に接続した方が振幅が大きくなり信号の検出が容易にな
る。この方法は第１実施例の回路にも適用できる。次に
本発明による多チャンネル化の実施例について説明をす
る。本発明の回路はジョセフソン素子１に磁気結合した
発振を制御するコントロールライン１０を付加して、緩
和発振回路を複数個直列接続することで容易に多チャン
ネル化が可能である。図６に第４実施例の回路図を示
す。図１の第１実施例の回路を多チャンネル化する例で
ある。同じ磁場検出回路を直列に２個接続して２チャン
ネルとしている。発振条件はＩcmax＜Ｉｂ＜｛（Ｒｎ＋
Ｒ）／Ｒ｝Ｉcminである。Ｒｎはジョセフソン素子の常
伝導抵抗である。通常発振させる時にはコントロールラ
イン１０に電流を流し、Ｉcmax＜Ｉｂとなるようにバイ
アス電流５を設定する。発振を止めるにはコントロール
ライン１０の電流を減らすことによりジョセフソン素子
１のＩcmaxを大きくしＩcmax＞Ｉｂとなるようにする。
本発明による方法は、直列に多チャンネル接続された回
路の発振をコントロールライン１０の電流により容易に
制御できるため、１チャンネルずつ動作をさせて両端の
出力電圧の周波数を順次モニタすることで各チャンネル
の磁界が検出できる。従って１チャンネルずつ別々に配
線をする必要がなく、配線数が減少でき、チャンネル間
のクロストークもなくせるため、より高精度な測定が可
能になる。
【００１０】図７は本発明の第５実施例である。第４実
施例（図６）のジョセフソン素子１の代わりにＤＣ−Ｓ
ＱＵＩＤ７を入れた回路である。このＤＣ−ＳＱＵＩＤ
７は図２の従来例のものとは異なり、発振のみを制御す
るためインダクタンスは小さく、Ｉcmaxの変化量が大き
いので発振の制御は容易である。図８は本発明の第６実
施例である。第２実施例（図３）の多チャンネル化の例
である。
施例（図６）のジョセフソン素子１の代わりにＤＣ−Ｓ
ＱＵＩＤ７を入れた回路である。このＤＣ−ＳＱＵＩＤ
７は図２の従来例のものとは異なり、発振のみを制御す
るためインダクタンスは小さく、Ｉcmaxの変化量が大き
いので発振の制御は容易である。図８は本発明の第６実
施例である。第２実施例（図３）の多チャンネル化の例
である。
【００１１】図９は本発明の第７実施例である。第６実
施例のジョセフソン素子１の代わりにＤＣ−ＳＱＵＩＤ
７を入れた回路である。このＤＣ−ＳＱＵＩＤ７は第５
実施例（図７）と同じである。図１０は本発明による多
チャンネル磁場検出システムの例である。信号の検出方
法は図４と同じであるが、発振を制御するコントロール
ライン１０を外部クロック信号１６により制御するシフ
トレジスタ１５を付加している。シフトレジスタ１５は
ジョセフソン素子を使った超伝導回路で製作可能であ
り、磁場検出回路と一緒に超伝導状態で使用でき、一体
で同一基板上に製作することもできる。このシステムで
はクロック信号１６により各チャンネルの動作を切り替
えることができ、信号線の数を減少できる。
施例のジョセフソン素子１の代わりにＤＣ−ＳＱＵＩＤ
７を入れた回路である。このＤＣ−ＳＱＵＩＤ７は第５
実施例（図７）と同じである。図１０は本発明による多
チャンネル磁場検出システムの例である。信号の検出方
法は図４と同じであるが、発振を制御するコントロール
ライン１０を外部クロック信号１６により制御するシフ
トレジスタ１５を付加している。シフトレジスタ１５は
ジョセフソン素子を使った超伝導回路で製作可能であ
り、磁場検出回路と一緒に超伝導状態で使用でき、一体
で同一基板上に製作することもできる。このシステムで
はクロック信号１６により各チャンネルの動作を切り替
えることができ、信号線の数を減少できる。
【００１２】以上説明したように本発明では直列接続し
た多チャンネル磁場検出回路の１チャンネルずつ発振を
制御して信号が検出できるため、少ない信号線で効率よ
く磁場が検出可能である。実施例では２チャンネルにつ
いて示したが実際にはもっと多くすることも可能であ
る。
た多チャンネル磁場検出回路の１チャンネルずつ発振を
制御して信号が検出できるため、少ない信号線で効率よ
く磁場が検出可能である。実施例では２チャンネルにつ
いて示したが実際にはもっと多くすることも可能であ
る。
【００１３】
【発明の効果】本発明は以上説明したように従来のＲＯ
−ＳＱＵＩＤに比べ、磁場入力を緩和発振回路のコイル
３から行なうため、最適設計が容易となり、発振をコン
トロールラインにより容易に制御できるようにしたた
め、多チャンネル化が効率良くでき、チャンネル間のク
ロストークもなくなるため、より高感度な磁場検出が可
能という効果がある。
−ＳＱＵＩＤに比べ、磁場入力を緩和発振回路のコイル
３から行なうため、最適設計が容易となり、発振をコン
トロールラインにより容易に制御できるようにしたた
め、多チャンネル化が効率良くでき、チャンネル間のク
ロストークもなくなるため、より高感度な磁場検出が可
能という効果がある。
【図１】本発明の第１実施例の回路図である。
【図２】従来のＲＯ−ＳＱＵＩＤの回路図である。
【図３】本発明の第２実施例の回路図である。
【図４】本発明による磁場検出システムの実施例であ
る。
る。
【図５】本発明の第３実施例の回路図である。
【図６】本発明の第４実施例の回路図である。
【図７】本発明の第５実施例の回路図である。
【図８】本発明の第６実施例の回路図である。
【図９】本発明の第７実施例の回路図である。
【図１０】本発明による多チャンネル磁場検出システム
の実施例である。
の実施例である。
１ ジョセフソン素子 ２ 抵抗 ３ コイル ４ 入力コイル ５ バイアス電流 ６ ジョセフソン素子 ７ ＤＣ−ＳＱＵＩＤ ８ 帰還コイル ９ ＲＦ−ＳＱＵＩＤ １０ コントロールライン １１ 検出コイル １２ ヘッドアンプ １３ Ｆ−Ｖコンバータ １４ 積分増幅器 １５ シフトレジスタ １６ クロック信号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−45433（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−143681（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−248070（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−33669（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−17474（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−313784（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−125104（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 33/00 - 33/18
Claims (3)
- 【請求項１】 直列接続のコイルと抵抗がジョセフソン
素子と並列に接続された発振回路からなり、前記コイル
と磁気結合した磁場入力回路からなる磁場検出回路。 - 【請求項２】 前記磁場検出回路が複数個直列接続さ
れ、各々のジョセフソン素子に磁気結合し前記発振回路
の発振を制御するコントロールラインを有する請求項１
記載の磁場検出回路。 - 【請求項３】 前記磁場入力回路が入力コイル及び帰還
コイルと超伝導リングの一部にジョセフソン素子を入れ
たＲＦ−ＳＱＵＩＤからなる請求項１記載の磁場検出回
路。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03291792A JP3081902B2 (ja) | 1991-11-07 | 1991-11-07 | 磁場検出回路 |
| US07/967,723 US5406201A (en) | 1991-11-07 | 1992-10-28 | Magnetic field detecting circuit having a relaxation oscillator SQUID |
| EP92118704A EP0541024B1 (en) | 1991-11-07 | 1992-11-01 | Magnetic field detecting circuit |
| DE69218883T DE69218883T2 (de) | 1991-11-07 | 1992-11-01 | Schaltung zum Detektieren eines Magnetfeldes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03291792A JP3081902B2 (ja) | 1991-11-07 | 1991-11-07 | 磁場検出回路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0651041A JPH0651041A (ja) | 1994-02-25 |
| JP3081902B2 true JP3081902B2 (ja) | 2000-08-28 |
Family
ID=17773491
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03291792A Expired - Lifetime JP3081902B2 (ja) | 1991-11-07 | 1991-11-07 | 磁場検出回路 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5406201A (ja) |
| EP (1) | EP0541024B1 (ja) |
| JP (1) | JP3081902B2 (ja) |
| DE (1) | DE69218883T2 (ja) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4317966C2 (de) * | 1993-05-28 | 2002-09-12 | Siemens Ag | Squid-Einrichtung mit einer supraleitenden Detektionsfläche |
| DE4323040A1 (de) * | 1993-07-09 | 1995-01-12 | Siemens Ag | Josephson-Sensoreinrichtung mit supraleitenden Teilen aus metalloxidischem Supraleitermaterial |
| DE19519517A1 (de) * | 1995-06-01 | 1996-12-05 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Mehrkanalsystem mit rf-SQUIDs |
| DE69531702T2 (de) * | 1995-06-02 | 2004-07-08 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Squid magnetometer |
| KR0141758B1 (ko) * | 1995-08-25 | 1998-07-15 | 구자홍 | 초전도 양자간섭소자를 이용한 고주파신호 발생기 |
| DE19615254C2 (de) * | 1996-04-18 | 1999-03-11 | Diagnostikforschung Inst | Gerät zur höchstempfindlichen magnetischen Detektion von Analyten |
| KR100198534B1 (ko) * | 1996-05-02 | 1999-06-15 | 구자홍 | 두개의 초전도양자간섭소자를 이용한 자장측정장치 |
| US6321074B1 (en) | 1999-02-18 | 2001-11-20 | Itron, Inc. | Apparatus and method for reducing oscillator frequency pulling during AM modulation |
| KR100722755B1 (ko) * | 2006-04-14 | 2007-05-30 | 한국표준과학연구원 | 기준 접합을 갖는 이중이완발진 스퀴드의 특성조절 방법 |
| KR100774615B1 (ko) * | 2006-05-09 | 2007-11-12 | 한국표준과학연구원 | 이중이완발진 스퀴드의 기준전류 최적화 장치 |
| CN102288999B (zh) * | 2011-08-16 | 2013-05-15 | 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 | 高温超导弱磁测量传感器 |
| US9520180B1 (en) | 2014-03-11 | 2016-12-13 | Hypres, Inc. | System and method for cryogenic hybrid technology computing and memory |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60140164A (ja) * | 1983-12-28 | 1985-07-25 | Shimadzu Corp | スキツド磁力計 |
| US4689559A (en) * | 1984-11-13 | 1987-08-25 | Sperry Corporation | Apparatus and method to reduce the thermal response of SQUID sensors |
| JPH02257076A (ja) * | 1989-03-30 | 1990-10-17 | Fujitsu Ltd | ディジタルスクイド制御方式 |
-
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