JPH0980138A

JPH0980138A - Ｓｑｕｉｄセンサ

Info

Publication number: JPH0980138A
Application number: JP7236423A
Authority: JP
Inventors: Eriko Takeda; 栄里子武田; Juichi Nishino; 壽一西野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-09-14
Filing date: 1995-09-14
Publication date: 1997-03-28

Abstract

(57)【要約】【目的】高速信号に対しても正確に応答するＳＱＵＩ
Ｄセンサを提供する。【構成】少なくともＳＱＵＩＤと負荷抵抗と負荷イン
ダクタンスとを含んで構成したＳＱＵＩＤセンサにおい
て、負荷曲線とＳＱＵＩＤの電流−電圧特性における電
圧零の軸との交点が、ＳＱＵＩＤに流れる超電導電流の
値よりも大きくなるように構成する。【効果】高周波信号の入力に対してもＳＱＵＩＤの超
電導状態へのリセットがなく、入力信号に対応する正確
な電圧を出力することができるＳＱＵＩＤセンサを提供
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＳＱＵＩＤに関し、より
具体的には、センサとして機能するＳＱＵＩＤからの出
力信号を増幅するための複数個のＳＱＵＩＤの直列接続
体に磁気結合により信号を入力するための負荷インダク
タンスを有するＳＱＵＩＤセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＳＱＵＩＤからの出力信号を、ＳＱＵＩ
Ｄを用いて構成した増幅器に入力し信号を増幅すること
は公知であり、例えば、アイイーイーイートランザク
ションズオンアプライドスーパーコンダクティヴ
ィティ（ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮ
ＡＰＰＬＩＥＤＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴ
Ｙ）１９９３年３巻２６０５ページから２６０８
ページに記載されている。上記の従来技術におけるＳＱ
ＵＩＤおよび増幅器の回路図を図９に示す。後段の回路
は、ＳＱＵＩＤ単体の最大出力電圧が通常は数十から数
百μＶ程度であるため、複数のＳＱＵＩＤを直列に接続
して電圧を足し合わせることで出力のアナログ増幅を行
っている。従来技術においては、センサとして機能する
ＳＱＵＩＤ１００に負荷インダクタンス６を設け、その
負荷インダクタンス６とＳＱＵＩＤ８１を用いて構成し
た増幅器８を磁気結合９させることによって、増幅器８
にＳＱＵＩＤ１００からの信号を入力していた。従来技
術においては、図１０に示すように、１００個のＳＱＵ
ＩＤの直列接続体で構成した増幅器８の周囲に、８５０
ｎＨの負荷インダクタンス６を渦巻形状の５０回巻のコ
イルとして配置し結合させていた。また、従来技術にお
いては、回路定数から決まる応答周波数の上限は約３９
０ｋＨｚであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術における回路
では、信号磁束の周波数、もしくは信号磁束の大きさに
よって、本来は電圧状態を保つはずのＳＱＵＩＤセンサ
が超電導状態にリセットする現象が起こることを発明者
らは確認した。そのため、従来技術における回路では入
力信号に対する本来の電圧を出力できず、従って、増幅
器からの出力電圧も正確な値にならないという問題があ
った。また、従来技術においては、負荷インダクタンス
の値が非常に大きかったため、負荷インダクタンスと増
幅器を構成するＳＱＵＩＤとの相互インダクタンスが大
きく、前段のＳＱＵＩＤへの信号が１Φ₀（Φ₀＝２．０
７×１０^-15Ｗｂ：磁束量子）であっても、増幅器から
の出力では入力信号は数Φ₀の大きさに相当するように
なっていた。ＳＱＵＩＤの入出力特性は、Φ₀を周期と
した周期関数になっている。そのため、従来技術におい
ては、ＳＱＵＩＤへの入力信号の大きさが、本来入力で
きるはずの磁束の大きさの数分の１に制限されてしま
い、ダイナミックレンジが狭くなるという問題があっ
た。また、前段のＳＱＵＩＤと後段のＳＱＵＩＤの特性
が異なるため、先に述べた入力信号の範囲であっても、
前段のＳＱＵＩＤに入力された磁束の大きさによって、
実効的な増幅率が変化するという問題があった。さら
に、従来技術に示されているように、後段のＳＱＵＩＤ
の周囲にまとめて負荷インダクタンスを配置するという
回路パタンでは負荷インダクタンスと増幅器を構成する
個々のＳＱＵＩＤとの磁気結合度が悪く、そのため不要
に負荷インダクタンスを大きくしていた。負荷インダク
タンスが大きいほど、前記ＳＱＵＩＤに入力できる信号
の周波数は低くなるため、従来技術においては伝達でき
る信号の周波数範囲を不要なインダクタンスによって狭
くしているという問題があった。

【０００４】本発明の第一の目的は、上記の従来技術の
持つ問題を解決して、高周波信号の入力に対してもＳＱ
ＵＩＤの超電導状態へのリセットがなく、従って入力磁
束に対応する正確な信号を出力することができるＳＱＵ
ＩＤセンサを提供することである。また、本発明の第二
の目的は、前記センサのダイナミックレンジを最大に保
ち、かつ、どの大きさの信号に対しても増幅率を一定に
保ち、かつ、増幅できる信号の周波数範囲が広い増幅器
を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の本発明の第１の目
的は、少なくともＳＱＵＩＤと、前記ＳＱＵＩＤへバイ
アス電流を供給するバイアス電流源と、前記バイアス電
流源から見て前記ＳＱＵＩＤに対して並列に接続された
負荷抵抗並びに負荷インダクタンスと、前記ＳＱＵＩＤ
へ信号を入力する信号入力手段とを含むＳＱＵＩＤセン
サにおいて、前記ＳＱＵＩＤの全臨界電流値の最大値
が、前記バイアス電源からＳＱＵＩＤに供給される電流
値と前記ＳＱＵＩＤへの入力信号の変化により前記負荷
インダクタンスに生じる誘導起電力に起因する電流（以
下、誘導電流）との差より小となるように、前記のＳＱ
ＵＩＤ、負荷抵抗、負荷インダクタンス、及びバイアス
電流源の仕様を選定して、当該ＳＱＵＩＤセンサを構成
することにより達成される。この条件は、ＳＱＵＩＤの
全臨界電流値の最大値をＩｃ（ｍａｘ）、ＳＱＵＩＤへ
のバイアス電流をＩｂ、ＳＱＵＩＤへの入力信号の変化
により負荷インダクタンスに生じる誘導起電力をＶｌ、
前記ＳＱＵＩＤへの負荷となる負荷抵抗又は負荷抵抗と
負荷インダクタンスとからなる全負荷の交流抵抗値をＲ
とすると、次の式で表わされる。

【０００６】

【数１】Ｉｃ（ｍａｘ）＜Ｉｂ−（Ｖｌ／
Ｒ）上式において、誘導電流はＶｌ／Ｒとなる。上述の様な
基本構成を有するＳＱＵＩＤセンサにおいて、負荷抵
抗、負荷インダクタンス、又はバイアス電流源の動作パ
ラメータが可変の場合、上述の条件を満たすように、負
荷抵抗の抵抗値、負荷インダクタンスのインダクタン
ス、又はバイアス電流源の電流値を設定する方法を採用
しても、本発明の第１の目的は達成できる。

【０００７】本発明の第１の目的は、上述のＳＱＵＩＤ
センサとは構成が一部異なる場合でも、以下のようなＳ
ＱＵＩＤセンサを構成することで達成できる。即ち、前
記バイアス電流源から見て前記ＳＱＵＩＤに対し、前記
負荷抵抗は並列に、前記負荷インダクタンスは直列に夫
々接続されたＳＱＵＩＤセンサにおいて、ＳＱＵＩＤの
全臨界電流値の最小値（前記ＳＱＵＩＤに（ｎ＋０．
５）倍の磁束量子が入射したときの臨界電流値）が、前
記バイアス電源からＳＱＵＩＤに供給される電流値と前
記の所謂誘導電流値との差より小となるように、前記の
ＳＱＵＩＤ、負荷抵抗、負荷インダクタンス、及びバイ
アス電流源の仕様を選定してＳＱＵＩＤセンサを構成す
ることである。この条件は、ＳＱＵＩＤの全臨界電流値
の最小値をＩｃ（ｍｉｎ）、前記ＳＱＵＩＤへの負荷と
なる前記負荷抵抗の交流抵抗値をＲ、とすると、次の式
で表わされる。

【０００８】

【数２】Ｉｃ（ｍｉｎ）＜Ｉｂ−（Ｖｌ／
Ｒ）また、本発明の第二の目的は、上記の式を満足すること
に加えて、複数個のＳＱＵＩＤの直列接続体を構成する
個々のＳＱＵＩＤの電圧磁束特性を、ＳＱＵＩＤセンサ
の電圧磁束特性とほぼ等しくし、かつ前記負荷インダク
タンスは、前記複数個のＳＱＵＩＤの直列接続体を構成
する前記個々のＳＱＵＩＤに対して、前記ＳＱＵＩＤセ
ンサへの入力信号とほぼ同じ量の信号を入力することに
よって、達成することができる。

【０００９】

【作用】本発明のＳＱＵＩＤセンサの作用を説明する前
に、ＳＱＵＩＤセンサによる磁場測定の基礎について、
図１１を用いて簡単に説明する。ここでは、同じ臨界電
流値Ｉｃｊと接合面積を有するジョセフソン接合を超電
導体から成るループ中に２つ有するＳＱＵＩＤ（対称ア
レイ型と呼ばれる）を想定する。また、以下の説明では
図３や図８に示すＳＱＵＩＤセンサを想定する。図３や
図８に示すようにＳＱＵＩＤ１０４の超電導体から成る
ループには、これに接合された入力線と出力線との間に
２つのジョセフソン接合１０１（×印で表示）が並列に
形成されている。ＳＱＵＩＤの全臨界電流値Ｉｃは、２
つのジョセフソン接合の臨界電流値の和２Ｉｃｊとな
り、その電圧−電流（Ｉ−Ｖ）特性は図１１の３０４に
示される。ところで、ＳＱＵＩＤ１０４のループ内に磁
束Φ_exが入射すると、ＳＱＵＩＤの全臨界電流値Ｉ_TCは
次式のように変化する。

【００１０】

【数３】Ｉｃ（Φ_ex）＝２Ｉｃｊ｜ｃｏｓ（πΦ
_ex／Φ₀）｜上式において、Φ₀は磁束量子と呼ばれる２．０７×１
０^-15Ｗｂの物理量である。即ち、ＳＱＵＩＤの全臨界
電流Ｉｃはループ内に入射した磁束Φ_exに応じ、Φ₀周
期で変化する。上式によれば、Φ_exが（ｎ＋０．５）Φ
₀のときＩｃ＝０となるが（ｎは整数、以下同じ）、実
際はループ自体の有するインダクタンスＬに起因する自
己磁場Φ_sの影響を受けるためにＩｃは０にならず、Ｉ
−Ｖ特性も図１１の３０２のようになる。

【００１１】ＳＱＵＩＤは、上述のような特徴を活かし
て磁場を測定する。まず磁場は、磁束Φ_exとしてＳＱＵ
ＩＤのループに入射すると、ＳＱＵＩＤの全臨界電流値
は変化し、これに伴いループに設けられた入力線と出力
線との間の電圧が変化する。これらの変化は、図１１か
ら明らかなように０．５Φ₀毎の磁束変化に対して、Δ
Ｉｃ又はΔＶの範囲で増減を繰り返す（因みに、Ｒ_Dは
ＳＱＵＩＤの動作抵抗である）。このため、図３及び８
に示すようなＳＱＵＩＤセンサにおいては、予め特定の
磁束Φ_exにおいて磁場測定の基準点（所謂、動作点）を
設定し、この点におけるＳＱＵＩＤに生じる電圧、電流
を基準に、これらの増減から磁束信号の出力を行う。動
作点が設定される磁束値は、ｎΦ₀又は（ｎ＋０．５）
Φ₀以外の任意のΦ_exが選定される。理由は、ｎΦ₀（又
は（ｎ＋０．５）Φ₀）では、磁束の増減に拘らず電圧
は増加（減少）し、負荷が接続されている場合には負荷
に流れる電流は増加（減少）するからである。従って、
動作点としては、（ｎ＋０．２５）Φ₀又は（ｎ＋０．
７５）Φ₀の磁束値が望ましい。

【００１２】次に、ＳＱＵＩＤセンサによる具体的な磁
場測定とその問題（本発明の第１の目的で解決せんとす
る）について、図１１を用いて説明する。ここでは、図
３又は８に示した構成のＳＱＵＩＤセンサを利用する。
まず、０．２５Φ₀の磁束値において初期の動作点を設
定する。動作点は、０．２５Φ₀（図１１では、（ｎ＋
０．２５）Φ₀として表示）でのＳＱＵＩＤのＩ−Ｖ特
性曲線３００と、バイアス電流源１０５から供給される
バイアス電流Ｉｂに対して負荷抵抗７及び負荷インダク
タンス６により決まるＳＱＵＩＤ１０４の負荷曲線３０
１（全負荷Ｒの逆数の傾きを有する）との交点Ａに相当
する。この動作点の状態にＳＱＵＩＤセンサがあると
き、バイアス電流ＩｂのうちのＩ_AはＳＱＵＩＤ１０４
に、Ｉｂ−Ｉ_Aは負荷抵抗７と負荷インダクタンス６か
らなる全負荷側に夫々流れる（Ｉ_Aは、電流軸方向のＡ
点の高さ）。ＳＱＵＩＤセンサが動作点状態にあると
き、さらに＋０．１Φ₀の磁束がＳＱＵＩＤ１０４に入
力されると、ＳＱＵＩＤのＩ−Ｖ特性曲線は３０６とな
り、これと負荷曲線３０１との交点Ｂに動作点もシフト
する。逆に−０．１Φ₀の磁束がＳＱＵＩＤ１０４に入
力されると、ＳＱＵＩＤのＩ−Ｖ特性曲線は３０８とな
り、これと負荷曲線３０１との交点Ｄに動作点はシフト
する。従って、＋０．１Φ₀の磁束入力に対してＩ_B−Ｉ
_Aの、−０．１Φ₀の磁束入力に対してＩ_D−Ｉ_Aの電流変
化が夫々ＳＱＵＩＤにて生じる。ここでＩｂは電流軸方
向のＢ点の高さである。このとき、ＳＱＵＩＤ１０４は
電圧状態（ジョセフソン接合部１０１に臨界電流値以上
の電流が流れる状態）にある。また、＋０．１Φ₀の磁
束がＳＱＵＩＤ１０４に入力された後、動作点はＢ点に
留まるため（−０．１Φ₀の場合も同じくＤ点に留ま
る）、磁束のＳＱＵＩＤ入力後、動作点は帰還回路（図
示せず）により初期のＡ点に戻される。ジョセフソン接
合部１０１に並列に設けてられたシャント抵抗１０２
は、ＳＱＵＩＤ１０４に入力される磁束の増減に伴うＩ
−Ｖ特性のヒステリシスを低減するものである。

【００１３】ＳＱＵＩＤ１０４への磁束入力により発生
する上述の電流変化、又は電圧変化の信号は、増幅器８
へ入力されＶ_out端子から出力される。通常、増幅器８
はＳＱＵＩＤ８１の直列連続体により構成され、これと
負荷インダクタンス６を磁気結合９させることにより、
磁束入力によるＳＱＵＩＤ電流変化に伴って生じる負荷
インダクタンスに流れる電流の変化をＳＱＵＩＤの直列
連続体に入力する。ところで、負荷インダクタンス６に
おいて電流が変化すると、電流の時間変化量（ｄｉ／ｄ
ｔ）に対して大きさＬの負荷インダクタンス６には

【００１４】

【数４】Ｖｌ＝Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）で表わされる誘導起電力Ｖｌが発生する。

【００１５】この誘導起電力は、負荷インダクタンス６
の位置と、負荷インダクタンス６に流れる電流の変化率
の正負とによって起電力の向きが変化する。例えば、図
３及び８に示したＳＱＵＩＤセンサの場合は、ＳＱＵＩ
Ｄ１０４と負荷インダクタンス６とはバイアス電源１０
５と接地電位の間において並列に配線されているため、
＋０．１Φ₀の磁束入力に対し、ＳＱＵＩＤ電流は｜Ｉ_B
−Ｉ_A｜分減少し、反対に負荷インダクタンス６に流れ
る電流は｜Ｉ_B−Ｉ_A｜分増加する。このとき負荷インダ
クタンス６には、誘導起電力Ｖｌが生じ、これに並列に
接続されたＳＱＵＩＤ１０４の一方の端子の電位はＶｌ
分増える。従って、ＳＱＵＩＤ１０４に流れる電流はＶ
ｌ／Ｒ増加し、その負荷曲線は誘導起電力Ｖｌ分だけプ
ラス方向にずれた曲線３０３となるため、動作点もＢか
らＢ’にシフトする（ＳＱＵＩＤ電流の減少は、｜Ｉ_B
−Ｉ_A｜以下となる）。

【００１６】反対に−０．１Φ₀の磁束がＳＱＵＩＤ１
０４に入力する場合、ＳＱＵＩＤ電流の増加分だけ負荷
インダクタンス６に流れる電流が減少し、負荷曲線は誘
導起電力分だけ、マイナス方向の曲線３０５にシフトす
る。このとき、負荷曲線３０５は電圧０Ｖ以上の領域で
ＳＱＵＩＤのＩ−Ｖ特性曲線３０８と交差しない。この
ため、動作点は負荷曲線３０５と電流軸の交差するＤ’
点（即ち、ＳＱＵＩＤにおける電圧が０Ｖ）にシフトす
る。このため、図１１からも明らかなようにＳＱＵＩＤ
１０４に流れる電流は、その全臨界電流値Ｉｃ以下とな
り、ＳＱＵＩＤは、超電導状態に変化するため、磁束測
定が不可能になるという問題が生じるのである。

【００１７】このような、ＳＱＵＩＤセンサ１００に±
０．１Φ₀の振幅を有する正弦波を入力した場合のＳＱ
ＵＩＤセンサ１００の出力を図１２に示す。図からも明
らかなようにΦ_exが−０．１Φ₀近傍では入力信号の大
きさを検出できないことがわかる。また、入力信号の向
きと大きさによっては正しい電圧を出力することができ
ないこともわかる。

【００１８】このような問題は、図９のＳＱＵＩＤ１０
４と負荷インダクタンス６が直列に配置された構成のＳ
ＱＵＩＤセンサでも生じ得る。＋０．１Φ₀の磁束入力
に対し、ＳＱＵＩＤ電流は｜Ｉ_B−Ｉ_A｜分減少し、同様
に負荷インダクタンス６に流れる電流も｜Ｉ_B−Ｉ_A｜分
減少するため、負荷曲線は誘導起電力分だけ、マイナス
方向の曲線３０５にシフトする。このとき、動作点Ｂ
は、負荷曲線３０５とＳＱＵＩＤのＩ−Ｖ特性曲線３０
６との交点にシフトする。しかし、図１１からも明らか
なように誘導起電力が大きければ、負荷曲線３０５は電
圧０Ｖ以上の領域でＩ−Ｖ特性曲線３０６と交差せず、
動作点は負荷曲線３０５と電流軸の交差する点（即ち、
ＳＱＵＩＤが超電導状態になる点）にシフトし、図３及
び８の構成での−０．１Φ₀検出時と同じ問題が生じ
る。

【００１９】ここで電圧零の軸（電流軸）と負荷曲線と
の交点に着目すると、初期状態では図１１に示すように
バイアス電流Ｉｂの値となる。負荷曲線がプラス側にシ
フトしたとき、即ち３０３として示した負荷曲線の位置
に移動したときは電圧軸方向への移動量がＶｌで負荷曲
線の傾きがＲであるから電流軸と負荷曲線との交点はＩ
ｂ＋（Ｖｌ／Ｒ）の位置になる。一方、負荷曲線が３０
５として示した位置に移動した場合は、電流軸と負荷曲
線との交点はＩｂ−（Ｖｌ／Ｒ）の位置になる。これら
の値よりもＳＱＵＩＤ１０４に流れる超電導電流が小さ
ければ（即ち、全臨界電流値が小であれば）、ＳＱＵＩ
Ｄ１０４は超電導状態にならない（磁場測定がリセット
されない）ことがわかる。

【００２０】ＳＱＵＩＤ１０４に流れる超電導電流の値
は、ＳＱＵＩＤセンサ１００に入力される信号の大きさ
によって変化するが、ＳＱＵＩＤの全臨界電流値の最小
値Ｉｃ（ｍｉｎ）がＩｂ＋（Ｖｌ／Ｒ）よりも小さけれ
ば、そのＳＱＵＩＤ１０４は少なくとも超電導状態にリ
セットしない動作範囲を有する。また、全臨界電流値の
最大値Ｉｃ（ｍｉｎ）がＩｂ−（Ｖｌ／Ｒ）よりも小さ
ければ、そのＳＱＵＩＤ１０４は全ての大きさの入力信
号に対して超電導状態へリセットすることがない。

【００２１】本発明におけるＳＱＵＩＤセンサにおいて
は、図１に示すように磁束検出用のＳＱＵＩＤの全臨界
電流の最小値Ｉｃ（ｍｉｎ）がＩｂ＋（Ｖｌ／Ｒ）より
も小となるように構成しているため、ＳＱＵＩＤは少な
くとも超電導状態に転移しない（即ち、磁場測定がリセ
ットされない）動作範囲を確保できる。従って、その動
作範囲内で使用できる測定に対し、正確な信号電圧を出
力することができる。

【００２２】さらに、本発明におけるＳＱＵＩＤセンサ
の最もよい構成は、図２に示すように磁束検出用のＳＱ
ＵＩＤの全臨界電流の最大値Ｉｃ（ｍａｘ）がＩｂ−
（Ｖｌ／Ｒ）よりも小とするものである。かように構成
することで、どのような入力信号に対してもリセットし
ないＳＱＵＩＤ１０４を実現することができ、より広範
囲の測定に対しても、正確な電圧を出力することができ
る。また、ＳＱＵＩＤと負荷インダクタンスを直列に配
置するＳＱＵＩＤセンサの回路構成では、図１１から明
らかなようにＩｃ（ｍｉｎ）がＩｂ−（Ｖｌ／Ｒ）に対
して小となるようにすることで、動作点におけるＳＱＵ
ＩＤを電圧状態とすることが可能になる。以上詳述した
ように、本発明によれば、高周波信号の入力に対しても
（即ち、Ｖｌが大）ＳＱＵＩＤの超電導状態へのリセッ
トがなく、従って入力磁束に対応する正確な信号を出力
することができるＳＱＵＩＤセンサを提供することがで
きる。

【００２３】また、本発明におけるＳＱＵＩＤにおいて
は、複数個のＳＱＵＩＤの直列接続体を構成する個々の
ＳＱＵＩＤの電圧磁束特性を、ＳＱＵＩＤセンサの電圧
磁束特性とほぼ等しくし、かつ前記負荷インダクタンス
は、前記複数個のＳＱＵＩＤの直列接続体を構成する前
記個々のＳＱＵＩＤに対して、前記ＳＱＵＩＤセンサに
入力された信号とほぼ同じ量の信号を伝達するように構
成している。

【００２４】その結果、ＳＱＵＩＤセンサのダイナミッ
クレンジを最大に保ち、かつ、どの大きさの信号に対し
ても増幅率を一定に保つ増幅器を実現できる。この理由
について、以下に詳細を述べる。

【００２５】ＳＱＵＩＤの入出力特性は、磁束量子Φ₀
（Φ₀＝２.０７×１０^-15Ｗｂ）を周期とした周期関数
であり、ｎΦ₀（ｎは整数）から（ｎ＋０．５）Φ₀まで
は入力磁束の増加にともない出力電圧も増加し、（ｎ＋
０．５）Φ₀から（ｎ＋１）Φ₀の間は入力磁束の増加に
ともない出力電圧は減少する。従って、動作点を（ｎ＋
０.２５）Φ₀、もしくは、（ｎ＋０.７５）Φ₀に設定し
た場合は動作点に対して±０.２５Φ₀の間は，入力信号
と出力電圧が１対１に対応するため、±０.２５Φ₀のダ
イナミックレンジを得ることができる。この値はＳＱＵ
ＩＤに対するダイナミックレンジとしては最大である。

【００２６】従来技術においては、ＳＱＵＩＤセンサへ
の入力磁束と、増幅器を構成する個々のＳＱＵＩＤへの
ＳＱＵＩＤセンサからの伝達磁束量は等しくなかった。
そのため、前段のＳＱＵＩＤへ１Φ₀の磁束が入力され
た場合に生じた信号電流によって、後段には数Φ₀相当
の磁束が入力されたことになっていた。例えば、１Φ₀
の入力が７Φ₀に増幅されてしまう場合は、増幅器を構
成するＳＱＵＩＤにも入出力特性にΦ₀の周期性がある
ことを考慮すると、ＳＱＵＩＤセンサには増幅器に入力
できる磁束の１／７の磁束しか入力できなくなる。その
結果、回路全体としてのダイナミックレンジが狭くなっ
てしまうことがわかる。しかし、本発明によるＳＱＵＩ
Ｄセンサ、および、増幅器においては、ＳＱＵＩＤセン
サと増幅器を構成する個々のＳＱＵＩＤに入力される磁
束が同量である。従って、ＳＱＵＩＤセンサのダイナミ
ックレンジを最大にすることができる。

【００２７】前にも述べたが、ＳＱＵＩＤの入出力特性
は磁束量子Φ₀を周期とした周期関数であり、ｎΦ₀（ｎ
は整数）から（ｎ＋０．５）Φ₀までは入力磁束の増加
にともない出力電圧も増加する。しかし、この間であっ
て入力磁束に対する出力電圧の大きさは非線形である。
従って、ＳＱＵＩＤセンサと後段のＳＱＵＩＤの磁束電
圧特性が等しくない場合は、ＳＱＵＩＤセンサに入力さ
れる磁束の大きさによって、後段の増幅器の増幅率が変
化してしまう。しかし本発明によるＳＱＵＩＤにおいて
は、ＳＱＵＩＤセンサの電圧磁束特性と、増幅器を構成
する個々のＳＱＵＩＤの電圧磁束特性がほぼ等しくなる
ように構成している。その結果、ＳＱＵＩＤセンサへの
入力信号の大きさに依存せず増幅器の増幅率を一定に保
つことができる。また、この場合は増幅器の利得は後段
のＳＱＵＩＤの個数に比例し、また、ＳＱＵＩＤセンサ
に設ける負荷インダクタンスの値は後段のＳＱＵＩＤの
個数に比例することがわかる。従って、設計が非常に容
易になることがわかる。

【００２８】また、本発明のＳＱＵＩＤセンサおよび増
幅器においては、増幅器を構成するＳＱＵＩＤの個数に
応じて、負荷インダクタンスを分割し、分割したインダ
クタンスの部分１つと、増幅器を構成するＳＱＵＩＤの
１個と、ほぼ１対１で磁気結合をするように構成してい
る。このような構成とすることによって、従来の増幅器
のように、ＳＱＵＩＤの直列接続体の周囲に負荷インダ
クタンスを５０回巻のコイル形状で配置し両者を結合さ
せていた場合に比較して、増幅器を構成するＳＱＵＩＤ
と負荷インダクタンスをより強く磁気結合させることが
できる。その結果、増幅器を構成するＳＱＵＩＤに磁束
を結合させるために必要な負荷インダクタンスの値を低
減することができる。ＳＱＵＩＤセンサに設けられる負
荷インダクタンスが、ＳＱＵＩＤセンサに含まれるＳＱ
ＵＩＤのル−プインダクタンス、および増幅器を構成す
る個々のＳＱＵＩＤのインダクタンスよりもはるかに大
きいため、ＳＱＵＩＤセンサ、および増幅器の応答でき
る信号周波数は負荷インダクタンスに依存している。負
荷インダクタンスが小さい方が、より高速の信号にも応
答できるため、本発明によるＳＱＵＩＤセンサおよび増
幅器は、従来技術に比較してより広い周波数範囲の信号
を増幅することができる。

【００２９】以上詳述したごとくに、本発明にしたがっ
てＳＱＵＩＤセンサを構成することにより、高周波信号
の入力に対してもＳＱＵＩＤの超電導状態へのリセット
がなく、従って入力磁束に対応する正確な信号を出力す
ることができるＳＱＵＩＤセンサを提供し、さらには、
前記センサのダイナミックレンジを最大限にすることが
でき、かつ、どの大きさの信号に対しても増幅率を一定
に保ち、かつ増幅できる信号の周波数範囲が広い増幅器
を提供することができる。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて本発明
を詳細に説明する。

【００３１】＜実施例１＞図３は本発明の第一の実施例
のＳＱＵＩＤセンサ１００、およびＳＱＵＩＤセンサ１
００からの出力を増幅するために設けた増幅器８を示す
回路図である。本実施例に示した回路においては、入力
信号の入力手段として用いるコイル１０３、ＳＱＵＩＤ
センサ１００は、少なくとも、ジョセフソン接合１０
１、前記ジョセフソン接合１０１に並列に設けたシャン
ト抵抗１０２、前記シャント抵抗１０２と並列に設けた
負荷抵抗７、および負荷抵抗７に直列に設けた負荷イン
ダクタンス６とから構成されている。負荷インダクタン
スは、磁気結合９によって増幅器８に信号を入力する。
本実施例においては、図３においては一部省略したが、
ＳＱＵＩＤ８１を１０個直列に接続して増幅器８を構成
した。

【００３２】本実施例におけるＳＱＵＩＤセンサ１０
０、および増幅器８の構成要素として用いたＳＱＵＩＤ
８１は、超電導体にＮｂ、抵抗体にＭｏＮｘ、ジョセフ
ソン接合にＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂを用いて作製した。本
実施例におけるＳＱＵＩＤセンサ１００は、ジョセフソ
ン接合１０１の容量が０．２４ｐＦ、臨界電流値が９０
μＡ、ＳＱＵＩＤを構成する超電導リングのインダクタ
ンスが１１．５ｐＨ、シャント抵抗１０２を２Ωとして
設計した。ＳＱＵＩＤセンサ１００に設けた負荷抵抗７
はシャント抵抗１０２と同じく２Ωとして設計した。ま
た、増幅器８を構成するＳＱＵＩＤ８１も、ＳＱＵＩＤ
センサ１００とほぼ同様の電圧磁束特性が得られるよう
に、ジョセフソン接合の臨界電流値が９０μＡ、インダ
クタンスが１１．５ｐＨ、シャント抵抗が１Ωとなるよ
うに設計した。また、ＳＱＵＩＤセンサに設けられた大
きさＬの負荷インダクタンスに、角周波数ωの交流信号
が入力された場合は、負荷インダクタンスにはωＬで表
わされる抵抗成分が生じる。この抵抗成分がＳＱＵＩＤ
センサ１００に与える影響が無視できない場合は増幅器
８を構成する個々のＳＱＵＩＤ８１に、それに相当する
抵抗を付加した。このようにＳＱＵＩＤセンサ１００と
増幅器８の構成要素である各ＳＱＵＩＤ８１の設計パラ
メ−タを等しくすることで、両者の電圧磁束特性は殆ど
同一となった。

【００３３】また予備的な検討から、負荷インダクタン
ス６と増幅器８の磁気結合係数が約０．８であり、ま
た、動作点を０．２５Φ₀として、±０．０５Φ₀の磁束
を入力した場合に負荷抵抗７に流れる電流は約７．５μ
Ａであることがわかっていたので、同量の磁束を負荷イ
ンダクタンス６を通して増幅器８に結合させるために
は、増幅器の構成要素である各ＳＱＵＩＤ８１に対し
て、約１００ｐＨの負荷インダクタンス部分６１が必要
であることがわかった。そこで、本実施例においては、
負荷インダクタンス６は全体で約１ｎＨとした。

【００３４】図４に負荷インダクタンス６と増幅器８の
具体的な回路パタンを示す。本実施例においては、１０
個のＳＱＵＩＤ８１が２行５列に並べられている。各Ｓ
ＱＵＩＤ８１はワッシャ型の超電導コイルを有し、負荷
インダクタンス部分６１はＳＱＵＩＤ８１のワッシャコ
イル上に渦巻状に積層されている。

【００３５】図４に示す構造の場合は負荷インダクタン
ス部分６１の作る磁界はほとんど全てＳＱＵＩＤ８１と
結合するため、従来例に比べて結合効率が良い。本実施
例の場合は、増幅器８の各ＳＱＵＩＤ８１に対して約３
回巻のスパイラルコイルを作製した。従来の超電導素子
作製プロセスを用いた場合は、上記ＳＱＵＩＤ８１は約
５０μｍ×１００μｍで作製できたため、１０個のＳＱ
ＵＩＤを５×２で並べた場合は、全体の大きさは約４０
０μｍ×２５０μｍとなった。

【００３６】本実施例によるＳＱＵＩＤセンサ１００お
よび増幅器８は、両者の動作点を電流バイアスを１８０
μＡ、磁束バイアスを０．２５Φ₀に設定した場合、周
波数が１００ＭＨｚの入力信号に対しては、±０．１０
Φ₀以下の入力振幅に対して正確に応答し、かつ、利得
約１０倍を得ることができた。しかし、周波数が５００
ＭＨｚの信号の場合は、バイアス電流が１８０μＡの場
合は、入力振幅が−０．０７５Φ₀から−０．１Φ₀の間
でＳＱＵＩＤ１０４が超電導状態から常伝導状態にリセ
ットしてしまった。そこで、負荷曲線とＳＱＵＩＤ１０
４の電流−電圧特性における電圧零の軸との交点が、Ｓ
ＱＵＩＤ１０４に流せる超電導電流の値よりも大きくな
るように、バイアス電流を１８５μＡと高く設定しなお
すとリセットがなくなり、±０．１０Φ₀の範囲で正確
な信号を出力できるようになった。また、バイアス電流
を５μＡ大きくしたことによる、ＳＱＵＩＤセンサ１０
０の出力電圧の減少は約４％であったため、ほとんど同
じ利得が得られた。

【００３７】また、本実施例においては、ＳＱＵＩＤセ
ンサ１００と増幅器を構成する各ＳＱＵＩＤ８１の電圧
−磁束特性をほぼ等しくしたため、周波数の低い信号に
対しは、最大で±０．２５Φ₀の入力振幅に対してもＳ
ＱＵＩＤセンサがリセットすることがなく、図５に示す
ように、入力信号の大きさに依存せず、増幅器８の出力
電圧は、ＳＱＵＩＤセンサ１００のほぼ１０倍を示す値
が得られ、一定の利得を得ることができた。また、ＳＱ
ＵＩＤセンサ１００への入力磁束とほぼ同量の磁束を増
幅器８を構成する各ＳＱＵＩＤ８１に伝達するように負
荷インダクタンス６の値を設計したため、ＳＱＵＩＤセ
ンサ１００のダイナミックレンジを±０．２５Φ₀と最
大にすることができた。

【００３８】また、負荷インダクタンス部分６１と増幅
器８の各ＳＱＵＩＤ８１の磁気結合の効率が良いため、
従来に比べて負荷インダクタンス６の値を小さくするこ
とができた。その結果、ｄｃから約５００ＭＨｚまでと
大変広い範囲の周波数の信号に応答できるＳＱＵＩＤセ
ンサ、およびその出力を約１０倍に増幅できる増幅器を
実現することができた。

【００３９】また、本実施例においては図４にその回路
パタンを示すように、増幅器を構成するＳＱＵＩＤのバ
イアス電流と、ＳＱＵＩＤの上に積層されていない部分
のほとんどの部分の負荷インダクタンスに流れる電流の
向きが、直交するように配線した。従って、両者の作る
磁界は互いに影響を及ぼしあう程度が少なく、その結
果、両者のクロスト−クを低減することができた。

【００４０】＜実施例２＞次に、本発明の他の実施例を
説明する。本実施例においては、ＳＱＵＩＤセンサ１０
０と増幅器８の回路構成、および、負荷インダクタンス
と増幅器の各ＳＱＵＩＤの回路パタンは第一の実施例と
同じである。また、作製方法、および設計パラメ−タも
同じである。

【００４１】しかし、本実施例においては、増幅器は５
０個のＳＱＵＩＤを用いて構成した。そのため、前述の
予備検討の結果から、負荷インダクタンスの値を約５ｎ
Ｈとした。

【００４２】その結果、ＳＱＵＩＤセンサ１００および
増幅器８の動作点を電流バイアスを１８０μＡ、磁束バ
イアスを０．２５Φ₀に設定した場合、周波数が１００
ＭＨｚ以下の場合は±０．０５Φ₀の入力信号に対し
て、ＳＱＵＩＤのリセットが生じなかったが、２００Ｍ
Ｈｚの入力信号に対しては−０．０５Φ₀以下の振幅の
入力信号に対してもＳＱＵＩＤ１０４がリセットした。
そこで、バイアス電流を１８５μＡに設定すると、負荷
曲線とＳＱＵＩＤ１０４の電流−電圧特性における電圧
零の軸との交点を、ＳＱＵＩＤ１０４に流せる超電導電
流の値よりも大きくすることができたためリセットがな
くなり、入力信号に対して正確な応答を行うことを実現
できた。また本実施例においては、本発明の第一の実施
例よりもＳＱＵＩＤセンサ１００が正確に応答できる入
力信号の振幅は狭くなるが、約５０倍の利得を有し、応
答できる周波数の範囲がｄｃから約２００ＭＨｚの増幅
器を実現することができた。

【００４３】また、本実施例とは別に、本実施例に比較
して負荷抵抗の値のみ３Ωに変更したＳＱＵＩＤセンサ
および増幅器も作製したが、そのＳＱＵＩＤセンサは電
流バイアスを１８０μＡ、磁束バイアスを０．２５Φ₀
に設定した場合、周波数が２００ＭＨｚの入力信号であ
っても−０．０５Φ₀の入力信号に対してＳＱＵＩＤの
リセットが生じなかった。これは前述の実施例に比べ
て、負荷曲線の傾きを急峻にすることにより、負荷曲線
とＳＱＵＩＤセンサの電流−電圧特性における電圧零の
軸との交点を、ＳＱＵＩＤセンサに流せる超電導電流の
値よりも大きくしたためである。その結果、本ＳＱＵＩ
Ｄセンサにおいても、入力信号に対して正確な応答を行
うことを実現できた。

【００４４】＜実施例３＞図６に本発明の他の実施例の
回路図を示す。本実施例においては、負荷抵抗７に直列
に負荷インダクタンス６を設けているが、負荷インダク
タンス６は２つの等しい値の負荷インダクタンス部分６
２の並列接続体から構成されている。そして、増幅器を
構成するＳＱＵＩＤ８１は、図６に示すごとくに両方の
負荷インダクタンス部分６２と磁気結合９している。負
荷インダクタンスを図６に示すように、等しい２つの並
列接続体から構成することによって、全体から見た負荷
インダクタンスの値は、負荷インダクタンス部分６２の
半分にすることができる。従って、負荷インダクタンス
６に生じる誘導起電力を約半分にすることができるた
め、負荷曲線とＳＱＵＩＤセンサ１００の電流−電圧特
性における電圧零の軸との交点を、ＳＱＵＩＤセンサ１
００に流せる超電導電流の値よりも大きくすることが容
易になる。従って、負荷インダクタンスを複数個の並列
接続体とし構成した場合は、入力信号に対して正確な応
答を行うＳＱＵＩＤセンサ、および増幅器の実現がより
容易になるという利点が生じる。

【００４５】また、図７に回路図を示すように、ＳＱＵ
ＩＤセンサ１００のバイアス電流源１０５に対する左右
対称性を保つために、負荷抵抗７および負荷インダクタ
ンスを両方のシャント抵抗１０２に対してそれぞれ設け
ても良いことは明白である。その場合に、増幅器を構成
するＳＱＵＩＤ８１を２つの負荷インダクタンス部分６
２と磁気結合させても良い。増幅器を構成するＳＱＵＩ
Ｄ８１の数が例えば１０個の場合は、図７に示す回路図
の場合は、一方の負荷インダクタンス部分６２に５個の
ＳＱＵＩＤ８１を結合させれば良い。その場合は、図３
に示したように、片方のシャント抵抗にのみ負荷インダ
クタンス６を設けた場合に比べて、結合させるＳＱＵＩ
Ｄの個数を半分に減らすことができるため、負荷インダ
クタンスの値も半分に減らすことができる。その結果、
負荷インダクタンス６に生じる誘導起電力を約半分にす
ることができるため、入力信号に対して正確な応答を行
うＳＱＵＩＤセンサ、および増幅器の実現が容易になる
ことは明白である。

【００４６】これまでに説明した実施例においては、負
荷抵抗７、および負荷インダクタンス６は、シャント抵
抗１０２に並列に設けられていたが、図８や図９に示す
ような回路構成にしても、負荷曲線とＳＱＵＩＤセンサ
１００の電流−電圧特性における電圧零の軸との交点
を、ＳＱＵＩＤセンサ１００に流せる超電導電流の値よ
りも大きくする、また、増幅器を構成する個々のＳＱＵ
ＩＤの電圧磁束特性を、ＳＱＵＩＤセンサ１００の電圧
磁束特性とほぼ等しく、かつ、増幅器を構成する個々の
ＳＱＵＩＤ８１に対して、ＳＱＵＩＤセンサ１００への
に入力信号とほぼ同じ信号を入力できるよう負荷インダ
クタンスの値を設定することによって、高周波信号の入
力に対してもＳＱＵＩＤ１０４の超電導状態へのリセッ
トがなく、従って入力磁束に対応する正確な信号を出力
することができるＳＱＵＩＤセンサ１００を実現し、さ
らには、ＳＱＵＩＤセンサ１００のダイナミックレンジ
を最大にすることができ、かつ、どの大きさの信号に対
しても増幅率を一定に保ち、かつ、増幅できる信号の周
波数範囲が広い増幅器を実現できることは言うまでもな
い。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述したごとく、ＳＱＵＩＤセンサ
および増幅器を本発明の構成とすることによって、上記
の従来技術の持つ問題を解決して、高周波信号の入力に
対してもＳＱＵＩＤの超電導状態へのリセットがなく、
従って入力磁束に対応する正確な信号を出力することが
できるＳＱＵＩＤセンサを提供し、さらには、前記セン
サのダイナミックレンジを最大限にすることができ、か
つ、どの大きさの信号に対しても増幅率を一定に保ち、
かつ、増幅できる信号の周波数範囲が広い増幅器を提供
することができる。

【００４８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における負荷曲線とＳＱＵＩＤセンサの
電流−電圧特性の関係を示す図である。

【図２】本発明における負荷曲線とＳＱＵＩＤセンサの
電流−電圧特性の関係を示す図である。

【図３】本発明の実施例１のＳＱＵＩＤセンサと増幅器
の回路図を示す図である。

【図４】本発明の実施例１における負荷インダクタンス
と増幅器の回路パタンを示す図である。

【図５】本発明の実施例１における増幅率を示す図であ
る。

【図６】本発明の実施例３のＳＱＵＩＤセンサと増幅器
の回路図を示す図である。

【図７】本発明の実施例３のもう一つのＳＱＵＩＤセン
サと増幅器の回路図を示す図である。

【図８】本発明のさらに他の実施例のＳＱＵＩＤセンサ
と増幅器の回路図を示す図である。

【図９】従来例におけるＳＱＵＩＤセンサと増幅器の回
路図を示す図である。

【図１０】従来例における負荷インダクタンスと増幅器
の回路パタンを示す図である。

【図１１】誘導起電力の作用によるＳＱＵＩＤセンサの
リセット発生の説明図を示す図である。

【図１２】従来例におけるＳＱＵＩＤセンサの入出力特
性を示す図である。

【符号の説明】

１００…ＳＱＵＩＤセンサ、１０１…ジョセフソン接
合、１０２…シャント抵抗、１０３…コイル、１０４…
ＳＱＵＩＤ、１０５、１０６…バイアス電流源、３０
０、３０２、３０４、３０６、３０８…電流−電圧特
性、３０１、３０３、３０５、３０７、３０９…負荷曲
線、６…負荷インダクタンス、６１、６２…負荷インダ
クタンス部分、７…負荷抵抗、８…増幅器、８１…ＳＱ
ＵＩＤ、９…磁気結合。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、ＳＱＵＩＤと、前記ＳＱＵＩ
Ｄに直列もしくは並列に接続された負荷抵抗と、前記Ｓ
ＱＵＩＤに直列もしくは並列に接続された負荷インダク
タンスと、前記ＳＱＵＩＤへの入力信号の入力手段と、
前記ＳＱＵＩＤへのバイアス電流源からなるＳＱＵＩＤ
センサにおいて、前記ＳＱＵＩＤの全臨界電流の最小値
が、前記ＳＱＵＩＤセンサへのバイアス電流、及び前記
ＳＱＵＩＤへの入力信号の変化によって前記負荷インダ
クタンスに生じる誘導起電力により生じる電流の、２つ
の電流の和より小となるように構成されていることを特
徴とするＳＱＵＩＤセンサ。
【請求項２】前記ＳＱＵＩＤの全臨界電流値の最小値
は、さらに前記ＳＱＵＩＤセンサへのバイアス電流、及
び前記ＳＱＵＩＤへの入力信号の変化によって前記負荷
インダクタンスに生じる誘導起電力により生じる電流
の、２つの電流の差より小となるように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のＳＱＵＩＤセンサ。
【請求項３】前記ＳＱＵＩＤの全臨界電流値の最大値
は、さらに前記ＳＱＵＩＤセンサへのバイアス電流、及
び前記ＳＱＵＩＤへの入力信号の変化によって前記負荷
インダクタンスに生じる誘導起電力により生じる電流
の、２つの電流の和より小となるように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のＳＱＵＩＤセンサ。
【請求項４】前記ＳＱＵＩＤの全臨界電流値の最大値
は、さらに前記ＳＱＵＩＤセンサへのバイアス電流、及
び前記ＳＱＵＩＤへの入力信号の変化によって前記負荷
インダクタンスに生じる誘導起電力により生じる電流
の、２つの差より小となるように構成されていることを
特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＳＱＵＩ
Ｄセンサ。
【請求項５】前記負荷インダクタンスは、複数のインダ
クタンス部分の並列接続体を含んで構成されていること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＳＱＵ
ＩＤセンサ。
【請求項６】前記負荷インダクタンスは、複数個のＳＱ
ＵＩＤの直列接続体と磁気的に結合していることを特徴
とする請求項１乃至５のいずれかに記載のＳＱＵＩＤセ
ンサ。
【請求項７】前記複数個のＳＱＵＩＤの直列接続体を構
成する個々のＳＱＵＩＤの電圧磁束特性は、前記ＳＱＵ
ＩＤセンサの電圧磁束特性とほぼ等しく、かつ前記負荷
インダクタンスは、前記複数個のＳＱＵＩＤの直列接続
体を構成する前記個々のＳＱＵＩＤに対して、前記ＳＱ
ＵＩＤセンサへの入力信号とほぼ同じ信号を前記磁気結
合により入力させることを特徴とする請求項６に記載の
ＳＱＵＩＤセンサ。
【請求項８】前記複数個のＳＱＵＩＤの直列接続体を構
成する前記個々のＳＱＵＩＤの数がｎ個（ｎは正の整
数）のとき、前記負荷インダクタンスは少なくとも同じ
値を有するｎ個のインダクタンス部分を含み、前記イン
ダクタンス部分は、前記複数個のＳＱＵＩＤの直列接続
体を構成する前記個々のＳＱＵＩＤと、１対１で前記磁
気結合をすることを特徴とする請求項６乃至７に記載の
ＳＱＵＩＤセンサ。
【請求項９】前記複数個のＳＱＵＩＤの直列接続体のバ
イアス電流と、前記負荷インダクタンスに流れる電流
は、少なくとも一部は互いに直交するような方向に流れ
ることを特徴とする請求項６乃至８に記載のＳＱＵＩＤ
センサ。