JPH08327713A - 超伝導磁気センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 入力磁束に対して大きな出力が得られ、感度
の向上した高感度磁気センサを提供すること。 【構成】 第１の緩和発振型ＳＱＵＩＤ回路（第１ＲＯ
Ｓ回路）３と第２ＲＯＳ回路５を直列に接続し、入力磁
束の正負に応じて別々に発振する回路構成にし、出力１
０、１１を各々のＲＯＳ回路３、５から取り出す方式に
した。また各ＲＯＳ回路３、５のＳＱＵＩＤ１、４のバ
イアス電流を超伝導コイルに非対称に供給し、しきい値
特性が非対称になるようにした。 【効果】入力磁束の正負を２個のＲＯＳ回路の発振状態
により検出できるため、より高感度な磁気センサが実現
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はジョセフソン素子を使
った超伝導発振回路による高感度磁気センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図２（ａ）に、従来の緩和発振型ＳＱＵ
ＩＤ回路 （RELAXATION OSCILLATORSQUID 回路、以下
ＲＯＳ回路と称す）を用いた磁気センサの回路図を示
す。回路は一つのＲＯＳ回路からなっている。回路構成
は直列接続されたシャントコイル１４とシャント抵抗１
５からなるシャント回路と並列にＤＣ ＳＱＵＩＤ１６
が接続されている。回路動作は、シャント抵抗１５をＤ
Ｃ ＳＱＵＩＤ１６の常伝導抵抗値に比べ十分小さく
し、ＤＣ ＳＱＵＩＤ１６の両端に臨界電流値よりも十
分大きなバイアス電流（Ｉｂ）を印加することにより、
常時発振状態になる。

【０００３】入力コイル８や帰還コイル７から入るΦo
周期の磁束によりＤＣ ＳＱＵＩＤ１６の臨界電流値が
周期的に変わり、それに応じて発振周波数も変化する。
また発振周波数はバイアス電流（Ｉｂ）の大きさと、シ
ャント抵抗１５（Ｒs ）とシャントコイル１４（Ｌs ）
の比（Ｒs ／Ｌs ）でも変化する。発振波形は、ＤＣ
ＳＱＵＩＤ１６の両端の電圧変化として検出される。

【０００４】磁気センサとして使用する際は、動作点１
７として図２（ｂ）に示すＳＱＵＩＤのしきい値特性
で、線形な領域であるＡ，Ｂ点を使用する。動作点１７
の設定は、オフセットコイル１３に直流電流を流して行
なう。入力磁束は、ＳＱＵＩＤに一定バイアス電流Ｉｂ
を印加して常に発振させた状態で、周波数の変化分とし
て検出する。

【０００５】図２（ｂ）のＡ点、Ｂ点で動作させた場合
の周波数スペクトルの例を図２（ｃ）に示す。入力磁束
０の時は、中心周波数ｆo で発振をする。入力磁束が入
り、動作点がＡ＋、Ｂ＋に変化をすると、周波数はｆ+
に変化をする。また動作点がＡ−、Ｂ−に変化をする
と、周波数は逆にｆ- に変化をする。この結果、入力磁
束の大きさを周波数の変化として検出することができ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のＲＯＳは常に発
振状態で動作させ、入力磁束の大きさを周波数の変化と
して検出していた。しかし通常の設計では外部磁束に対
して周波数の変化は３倍程度であり、磁気センサとして
十分な感度が得られない。また動作点を設定するのにオ
フセットコイル１３が必要であった。

【０００７】本発明の目的は、入力磁束に対して大きな
出力が得られ、感度の向上した高感度磁気センサを得る
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明はＲＯＳ回路を二つ直列に接続し、入力磁束
の正負に応じて別々に発振する回路構成にし、出力を各
々のＲＯＳ回路から取り出す方式にした。また各ＳＱＵ
ＩＤのバイアス電流を超伝導コイルである第１コイルに
非対称に供給し、しきい値特性が非対称になるようにし
た。

【０００９】

【作用】上記のように構成された回路は、入力磁束の正
負に応じて別々のＲＯＳ回路が発振し、パルス状の出力
が得られるため、入力磁束の正負を感度良く検出でき
る。ＳＱＵＩＤのしきい値特性が非対称になるため、動
作点が自動的に決まり、オフセットコイルが不用とな
る。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面で説明する。
図１に本発明の第１実施例の回路図を示す。図２の従来
回路がＲＯＳ回路一つであったの対して、本発明では第
１ＲＯＳ回路３と第２ＲＯＳ回路６を二つ直列に接続し
ている。

【００１１】動作は二つのＲＯＳ回路の接続部を共通電
位のグランドとし、各ＲＯＳ回路に各々第１バイアス電
流９（Ｉｂ１）と第２バイアス電流１０（Ｉｂ２）を印
加する。各ＲＯＳ回路の第１ＳＱＵＩＤ１と第２ＳＱＵ
ＩＤ４には、各々入力コイル７、帰還コイル８が磁気結
合している。バイアス電流とＳＱＵＩＤの動作点を適当
な値に設定すると、入力磁束が０の時はＲＯＳ回路は発
振せず、入力に磁束が入ると入力磁束の正負に応じて各
ＲＯＳ回路が発振する。各ＲＯＳ回路の発振出力から入
力磁束の大きさを知ることができる。

【００１２】動作モードにはいくつかの種類があり、Ｒ
ＯＳ回路を構成するＳＱＵＩＤ、シャント回路とバイア
ス電流、出力の検出方法で異なり、多くの組合せが可能
である。各回路構成と動作方法について説明する。まず
ＳＱＵＩＤの構成について説明する。図３（ａ）は特性
のほぼ同じ２つのジョセフソン素子２０からなるＳＱＵ
ＩＤでバイアス電流を超伝導コイルである第１コイル１
８の間から流しており、外部磁束に対してほぼ対称な特
性を示す。第１コイル１８とジョセフソン素子２０によ
る共振を防ぐために、第１コイル１８と並列にダンピン
グ用の第１抵抗１９を接続している。特に共振の問題が
なければ第１抵抗１９はなくてもよい。

【００１３】図３（ｂ）は図３（ａ）と同じ回路構成の
ＳＱＵＩＤでバイアス電流を第１コイル１８の端の部分
から流すようにしている。このＳＱＵＩＤのしきい値特
性は非対称になる。図３（ｃ）はＳＱＵＩＤ特性の非対
称性を可変するために、第１コイル１８の両端に第２抵
抗２１を接続して、両端の抵抗値によりバイアス電流を
分割している。

【００１４】図３（ｄ）は３つのジョセフソン素子から
なる３接合ＳＱＵＩＤでジョセフソン素子２０の臨界電
流値を左から１：２：１にし、バイアス電流を第１コイ
ル１８の中心付近から印加すると対称な特性になる。こ
の３接合ＳＱＵＩＤは図３（ａ）の２つのジョセフソン
素子のＳＱＵＩＤに比べ、入力磁束に対する臨界電流値
の変化が大きくなるので、ＳＱＵＩＤの磁場分解能が向
上する。また図３（ｂ）、（ｃ）と同様にバイアス電流
の印加を第１コイルに対して非対称にすると非対称な特
性になる。

【００１５】図３（ｂ）、（ｃ）は入力磁束０の点で動
作点を設定できるため、オフセットコイル１３が不用と
なり、動作を設定するのが容易となる。図３（ａ）、
（ｄ）はしきい値特性が入力磁束に対して対称となるた
め、動作点設定のためには、各ＳＱＵＩＤにオフセット
コイル１３を図２のように設ける必要がある。

【００１６】次にシャント回路部（図１に示した第１シ
ャント回路２および第２シャント回路５）について説明
する。シャント回路の基本構成は図４（ａ）で、シャン
トコイル１４とシャント抵抗１５が直列に接続されてい
る。発振周波数はシャントコイル１４のインダクタンス
（Ｌｓ）とシャント抵抗１５の抵抗値（Ｒｓ）でほぼ決
まる。

【００１７】シャントコイル１４は回路中の浮遊容量
や、ＳＱＵＩＤのジョセフソン素子の容量成分により、
共振をおこす可能性がある。共振により発振周波数が不
安定になる場合には、図４（ｂ）に示すように第３抵抗
２２をシャントコイル１４と並列に接続して共振を抑え
る。

【００１８】またＬｓの値を大きくしたい場合は、図４
（ｃ）に示すようにシャントコイル１４を他のコイルと
結合させる方法がある。シャントコイルに第２コイル２
３を結合させ、第２コイル２３の共振を防ぐために、第
４抵抗２４を第２コイル２３と並列に接続する。

【００１９】以上回路構成について説明したが、本発明
に使用できるＳＱＵＩＤにはいくつかの種類があり、設
計に応じていろいろな組合せが可能である。代表的なし
きい値特性を図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、図６
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、また各特性における各動作
点をＡからＬで示す。

【００２０】次に各種動作モードについてＳＱＵＩＤの
しきい値特性と動作点を使い説明する。動作モードはバ
イアス電流の向き、第１ＳＱＵＩＤ１と第２ＳＱＵＩＤ
４のしきい値特性の組合せ、入力コイルの向き、動作点
の設定、出力の検出方法の７種類のパラメータで変わ
り、多くの組合せがある。主な組合せについて図５、６
と図９、１０で説明する。第１ＲＯＳ回路３、第２ＲＯ
Ｓ回路６に異なる向きのバイアス電流を流した場合は、
各ＲＯＳの出力の和が入力磁束となり、図５（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）のしきい値特性が対応する。

【００２１】例えば図５（ａ）では、第１ＳＱＵＩＤ
１、第２ＳＱＵＩＤ２の動作点１７を各々Ａ１、Ａ２と
すると、正の磁束では実線の矢印に動作点が移動し、負
の磁束では点線の矢印の方向に動作点が移動する。この
結果、第１ＲＯＳ回路３の第１出力１１と第２ＲＯＳ回
路６の第２出力１２の和により入力磁束の大きさを検出
できる。

【００２２】またバイアス電流を同じ向きに流した時の
しきい値特性を、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。
この場合は図５と異なり、入力磁束は第１出力１１と第
２出力１２との差によって検出できる。図６は、しきい
値特性を一つづつしか示していないが、実際には図５と
同じように、Φo の周期で次のしきい値が重なってい
る。

【００２３】次に図７で代表的な図５（ａ）のＡ点を使
って詳細な動作について説明する。出力は第１ＲＯＳ回
路、第２ＲＯＳ回路の各出力である第１出力１１、第２
出力１２を加算して磁場を検出する。最初に第１バイア
ス電流９、第２バイアス電流１０を各々第１ＳＱＵＩＤ
１、第２ＳＱＵＩＤ４のしきい値付近のＡ１、Ａ２に設
定する。入力コイルに正負の電流が流れると第１ＳＱＵ
ＩＤ、第２ＳＱＵＩＤ４の動作点Ａ１、Ａ２がしきい値
特性上を変化する。

【００２４】入力コイル７に正の電流が流れた場合は動
作点がＡ１＋、Ａ２＋（実線矢印）に移り、第１ＳＱＵ
ＩＤ１は電圧状態、第２ＳＱＵＩＤ４は超伝導状態とな
る。その結果、第１ＲＯＳ回路３が発振状態になり、正
の発振波形が出力される。入力コイル７に負の電流が流
れた場合は動作点がＡ１−、Ａ２−に移り、第１ＳＱＵ
ＩＤ１は超伝導状態、第２ＳＱＵＩＤ４は電圧状態とな
る。その結果、第２ＲＯＳ回路６が発振状態になり、負
の発振波形が出力される。入力の大きさに応じて発振周
波数が大きくなる。従って入力コイルに流れる電流を発
振の正負と周波数で検出できることになる。

【００２５】図５、６の各動作モードとしきい値特性の
関係を図９、１０に示す。いろいろな組合せがあるが、
入力の正負に対して一方が電圧状態で、他方が超伝導状
態になることに動作上の特徴がある。ＡからＬまでの動
作点での矢印は、実線と点線で各々正負の入力における
動作点の変化を示している。

【００２６】図９、１０でオフセットが必要となってい
る動作モードでは、必要に応じて図２と同様に各ＳＱＵ
ＩＤにオフセットコイル１３を設ける必要がある。ここ
で入力の正負に対応する出力が逆になっても、増幅器、
帰還回路等で反転させれば問題なく使える。またここで
示したしきい値特性はインダクタンスを非対称にした例
であるが、さらにＳＱＵＩＤの臨界電流値を非対称にす
ることでもしきい値特性を非対称に変えることができ、
本発明に適したしきい値特性を得ることができる。

【００２７】実際の磁束計として使用する場合の構成
と、動作について図８で説明する。ダイナミックレンジ
を大きくするために、第１、第２ＲＯＳ回路の出力を増
幅器２５に入力し、Ｄ／Ａ変換器２６、帰還回路２７を
通して、入力に帰還を掛ける必要がある。増幅器２５
は、各ＲＯＳ回路の出力を増幅する機能と、動作モード
に応じて加算または、差分をとる機能をもつ。増幅器２
５の出力は入力に対応した、正負ののこぎり波状の発振
信号が出力される。

【００２８】ここで出力をパルス密度で検出したい場合
は、コンパレータとパルス発生回路を付加して、周波数
に応じたパルスをディジタル出力２８から取り出す。こ
の回路は通常のオペアンプ等の汎用アナログＩＣを使っ
て構成可能である。次にＤ／Ａ変換器２６は、増幅器２
５からのパルス状のディジタル信号を連続的なアナログ
信号に変換する機能をする。回路はロジック回路用のＤ
／Ａ変換器や、オペアンプを使った積分器等で構成す
る。Ｄ／Ａ変換器の出力はアナログ出力として検出で
き、さらに帰還回路２７に入力される。

【００２９】帰還回路２７は入力に応じた信号を出力
し、アナログ出力２９として取り出すと同時に、帰還抵
抗を通して帰還コイル８に電流を流す。この帰還により
ＳＱＵＩＤの動作点１７を固定することができる。帰還
回路２７はオペアンプを使った積分回路で、容易に構成
可能である。

【００３０】この磁気センサによる入力磁束の検出は、
パルス密度をカウントするディジタル的な出力測定と、
帰還量を検出するアナログ的な方法の両方が可能であ
る。

【００３１】

【発明の効果】本発明は以上説明したように、ＲＯＳ回
路を２個使い、入力磁束によってどちらか一方のＲＯＳ
回路が発振状態になり、入力磁束の正負に応じて、正負
のパルス状の出力が得られる。そのため、従来の常時発
振させて小さい周波数変化を入力磁束の変化としてとら
えていた動作方法と異なり、大きな出力が得られ、感度
の向上が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の回路図である。

【図２】（ａ）は従来のＲＯＳ回路の構成図、（ｂ）、
（ｃ）はその動作を説明する図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれＳ
ＱＵＩＤの回路例を示す図である。

【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれシャント回
路の例を示す図である。

【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はバイアス電流の極性
が異なる場合のしきい値特性の例を示す図である。

【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はバイアス電流の極性
が同じ場合のしきい値特性の例を示す図である。

【図７】本発明の磁気センサの動作を説明する図であ
る。

【図８】本発明の磁気センサを駆動する回路例を示す図
である。

【図９】図５のしきい値特性に対応する動作モードを示
す図表である。

【図１０】図６のしきい値特性に対応する動作モードを
示す図表である。

【符号の説明】

１ 第１ＳＱＵＩＤ ２ 第１シャント回路 ３ 第１ＲＯＳ回路 ４ 第２ＳＱＵＩＤ ５ 第２シャント回路 ６ 第２ＲＯＳ回路 ７ 入力コイル ８ 帰還コイル ９ 第１バイアス電流 １０ 第２バイアス電流 １１ 第１出力 １２ 第２出力 １３ オフセットコイル １４ シャントコイル １５ シャント抵抗 １６ ＤＣ ＳＱＵＩＤ １７ 動作点 １８ 第１コイル １９ 第１抵抗 ２０ ジョセフソン素子 ２１ 第２抵抗 ２２ 第３抵抗 ２３ 第２コイル ２４ 第４抵抗 ２５ 増幅器 ２６ Ｄ／Ａ変換器 ２７ 帰還回路 ２８ ディジタル出力 ２９ アナログ出力

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２つのジョセフソン素子と超
   伝導コイルにより超伝導ループを構成するＳＱＵＩＤ
   と、前記ＳＱＵＩＤに各々磁気結合する入力コイル、帰
   還コイルと、少なくとも１つのコイルと１つの抵抗が直
   列に接続されたシャント回路と、前記ＳＱＵＩＤと前記
   シャント回路を並列に接続した第１の緩和発振型ＳＱＵ
   ＩＤ回路と、前記第１の緩和発振型ＳＱＵＩＤ回路と同
   様に構成され前記第１の緩和発振型ＳＱＵＩＤ回路と直
   列に接続された第２の緩和発振型ＳＱＵＩＤ回路を有す
   ることを特徴とする超伝導磁気センサ。
2. 【請求項２】 前記ＳＱＵＩＤのバイアス電流が前記超
   伝導コイルに対して非対称に供給された請求項１記載の
   超伝導磁気センサ。