JP2002136144A - 超電導電源回路 - Google Patents

超電導電源回路

Info

Publication number
JP2002136144A
JP2002136144A JP2000327423A JP2000327423A JP2002136144A JP 2002136144 A JP2002136144 A JP 2002136144A JP 2000327423 A JP2000327423 A JP 2000327423A JP 2000327423 A JP2000327423 A JP 2000327423A JP 2002136144 A JP2002136144 A JP 2002136144A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
superconducting
substrate
bicrystal
crystal
switch elements
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000327423A
Other languages
English (en)
Inventor
Shoji Tanaka
昭二 田中
Naoki Koshizuka
直己 腰塚
Keiichi Tanabe
圭一 田辺
Yoichi Enomoto
陽一 榎本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
International Superconductivity Technology Center
Original Assignee
International Superconductivity Technology Center
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by International Superconductivity Technology Center filed Critical International Superconductivity Technology Center
Priority to JP2000327423A priority Critical patent/JP2002136144A/ja
Priority to US10/007,199 priority patent/US20020075057A1/en
Publication of JP2002136144A publication Critical patent/JP2002136144A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/92—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of superconductive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N69/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one superconducting element covered by group H10N60/00
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/01—Manufacture or treatment
    • H10N60/0912—Manufacture or treatment of Josephson-effect devices
    • H10N60/0941—Manufacture or treatment of Josephson-effect devices comprising high-Tc ceramic materials

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低電圧かつ大電流の直流を、高い変換効率で
得ることが可能な超電導電源回路からなる電源回路を提
供する。 【解決手段】 外部磁界により超電導状態と常電導状態
との間をスイッチ自在なジョセフソン接合を有する超電
導スイッチ素子１〜４をひし形ブリッジの各辺に組み込
んで構成したブリッジ回路５と、外部磁界によってブリ
ッジ回路５の対角に配置された一対の超電導スイッチ素
子１，３を超電導状態にスイッチするとともにもう一対
の超電導スイッチ素子２、４を常電導状態にスイッチす
る制御部６とを具備してなることを特徴とする超電導電
源回路Ａを採用する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超電導電源回路に
関するものであり、特に、交流を直流に、または直流を
交流に変換できる交直相互変換用の超電導電源回路に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】ジョセフソン接合素子を備えた超電導回
路においては、単一磁束素子（ＳＦＱ）回路の動作時に
ジョセフソン接合を電圧状態として、ＳＱＵＩＤ（超電
導量子干渉素子）中に磁束量子を導入しなければならな
い。その際、安定して磁束を取り込むためにジョセフソ
ン接合に直流のバイアス電流を常時印加する必要があ
る。通常、ジョセフソン接合素子一個あたりで素子の臨
界電流の８０％程度の電流が印加されるので、回路全体
に印加するバイアス電流量は、この電流量とジョセフソ
ン接合素子の数との積算量となる。例えば、臨界電流を
現在のジョセフソン接合素子の標準値である０．２ｍＡ
とすると、接合数が１０5個程度の規模の回路を駆動さ
せるには、約１６Ａ程度の直流が必要になる。
【０００３】一方、ＳＦＱ回路では、短いパルスが通過
する時間だけ電圧状態となり、それ以外の時間は超電導
の０状態である。従って、回路内部の電圧は極めて低
い。よって、ＳＦＱ回路では低電圧かつ大電流の直流が
必要となる。更にこのＳＦＱ回路が多数含まれる装置を
構成した場合にはより大きな電流が必要になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このような低電圧で大
電流の直流を回路外部若しくは装置外部から供給しよう
とすると、たとえ低抵抗の線路を用いたとしても有限抵
抗であるために、電流の自乗に比例して発熱が生じ、損
失が発生するという問題があった。
【０００５】また、従来の直流電源としては、半導体素
子を用いた交直変換用の電源回路や、化学電池等を例示
できるが、これら従来の直流電源によって供給できる電
圧は数Ｖ程度のものであり、μＶ〜ｍＶオーダーの低電
圧で、かつ大電流な直流を得ることは困難であった。
【０００６】特に、大電流の電源として、交流をトラン
スで降圧し、この交流をダイオード等の整流素子若しく
はサイリスタ等の半導体素子を用いて交直変換する電源
回路があるが、大電流による発熱が大きく効率が低下
し、また回路自体の抵抗が大きいため低電圧を実現する
ことが困難であった。
【０００７】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であって、低電圧かつ大電流の直流を、高い変換効率で
得ることが可能な超電導電源回路を提供することを目的
とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は以下の構成を採用した。本発明の超電導
電源回路は、２以上のジョセフソン接合を有する超電導
スイッチ素子をブリッジ線路の各辺に組み込んで構成し
たブリッジ回路と、外部磁界によって前記ブリッジ回路
の対向位置に配置された一対の前記超電導スイッチ素子
を超電導状態にスイッチするとともにもう一対の前記超
電導スイッチ素子を常電導状態にスイッチする制御部と
を具備してなることを特徴とする。
【０００９】かかる超電導電源回路によれば、外部磁界
の作用により超電導状態と常電導状態との間をスイッチ
自在な超電導スイッチ素子によりブリッジ回路が構成さ
れるので、交流を直流に、あるいは直流を交流に変換す
ることが可能であり、しかも電気抵抗が０になる超電導
スイッチ素子を備えているので、低電圧で高電流の交流
または直流を入力することが可能であり、ＳＦＱ回路の
電源として好適に用いることが可能になる。
【００１０】また本発明の超電導電源回路は、先に記載
の超電導電源回路であって、前記制御部は、前記ブリッ
ジ回路に入力される交流の電圧が正の時に前記一対の超
電導スイッチ素子を超電導状態にスイッチするとともに
前記のもう一対の超電導スイッチ素子を常電導状態にス
イッチし、前記交流の電圧が負の時に前記一対の超電導
スイッチ素子を常電導状態にスイッチするとともに前記
のもう一対の超電導スイッチ素子を超電導状態にスイッ
チするものであることを特徴とする。
【００１１】かかる超電導電源回路によれば、入力され
る交流の電圧極性に応じて超電導スイッチ素子をスイッ
チする制御部が備えられているので、交流を全波整流す
ることが可能となり、また超電導スイッチ素子に備えら
れたジョセフソン接合のスイッチング速度が極めて高速
なので、高周波な交流も容易に整流することが可能にな
る。
【００１２】また本発明の超電導電源回路は、先に記載
の超電導電源回路であって、前記制御部は、前記交流の
極性を検出する極性検出部と、該極性検出部の検出結果
に基づいて制御電流を発生させる制御信号電源と、前記
各超電導スイッチ素子に隣接して前記制御電流を前記外
部磁界に変換することにより前記各超電導スイッチ素子
をスイッチする磁界発生部とを具備してなることを特徴
とする。
【００１３】かかる超電導電源回路によれば、極性検出
部、制御信号電源及び磁界発生部とから制御部が構成さ
れるので、簡単な回路構成で超電導スイッチ素子をスイ
ッチさせることが可能になる。
【００１４】更に本発明の超電導電源回路は、先に記載
の超電導電源回路であって、少なくとも２次巻線を超電
導線路で構成した変圧器が、前記ブリッジ回路の入力側
に接続されてなることを特徴とする。また本発明の超電
導電源回路は、先に記載の超電導電源回路であって、直
流電源が前記ブリッジ回路の入力側に接続されてなるこ
とを特徴とする。
【００１５】また本発明の超電導電源回路は、先に記載
の超電導電源回路であって、前記超電導スイッチ素子
は、２以上のジョセフソン接合の素子または２つのジョ
セフソン接合からなる２以上の超電導量子干渉素子が並
列接続されてなることを特徴とする。
【００１６】かかる超電導電源回路によれば、２以上の
ジョセフソン接合あるいは超電導量子干渉素子を並列に
接続して超電導スイッチ素子を構成するので、ジョセフ
ソン接合の臨界電流と接合数との積算値が超電導スイッ
チ素子の臨界電流となり、超電導スイッチ素子に流す電
流量を高くすることが可能になる。
【００１７】また本発明の超電導電源回路は、先に記載
の超電導電源回路であって、前記のジョセフソン接合
は、少なくとも２以上の結晶相が接合界面にて結合して
なるバイクリスタル基体上に液相エピタクシー法によっ
て形成されたバイクリスタル超電導膜から構成されるこ
とを特徴とする。
【００１８】かかる超電導電源回路によれば、液相エピ
タクシー法により形成されたバイクリスタル超電導膜に
よりジョセフソン接合が構成されるので、バイクリスタ
ル超電導膜の膜厚を大きくしてジョセフソン接合の臨界
電流を高めることができ、より大きな電流を流すことが
可能になる。
【００１９】また本発明の超電導電源回路は、先に記載
の超電導電源回路であって、前記接合界面にて隣接する
結晶相の各結晶軸と前記接合界面とのなす角が前記結晶
粒界面を基準として対称とされてなるバイクリスタル基
体を対称基体としたとき、前記の４つの超電導スイッチ
素子が、前記対称基体上に形成されたバイクリスタル超
電導膜からなるジョセフソン接合を備えてなることを特
徴とする。
【００２０】かかる超電導電源回路によれば、ジョセフ
ソン接合が、前記対称基体上に形成されたバイクリスタ
ル超電導膜からなり、このジョセフソン接合は磁界が０
のときに極大の臨界電流を示すので、外部磁界を０にす
ることで超電導スイッチ素子を超電導状態にすることが
でき、超電導電源回路のスイッチ素子として好適に用い
ることが可能となる。
【００２１】また本発明の超電導電源回路は、先に記載
の超電導電源回路であって、前記接合界面にて隣接する
結晶相の各結晶軸と前記接合界面とのなす角が前記結晶
粒界面を基準として非対称とされてなるバイクリスタル
基体を非対称基体としたとき、前記の４つの超電導スイ
ッチ素子が、前記非対称基体上に形成されたバイクリス
タル超電導膜からなるジョセフソン接合を備えてなるこ
とを特徴とする。
【００２２】かかる超電導電源回路によれば、ジョセフ
ソン接合が、前記非対称基体上に形成されたバイクリス
タル超電導膜からなり、このジョセフソン接合は磁界が
０のときに臨界電流が０を示すので、外部磁界を０にす
ることで超電導スイッチ素子を常電導状態にすることが
でき、超電導電源回路のスイッチ素子として好適に用い
ることが可能となる。
【００２３】また本発明の超電導電源回路は、先に記載
の超電導電源回路であって、前記接合界面にて隣接する
結晶相の各結晶軸と前記接合界面とのなす角が前記結晶
粒界面を基準として対称とされてなるバイクリスタル基
体を対称基体とし、結晶相の各結晶軸と前記接合界面と
のなす角が前記結晶粒界面を基準として非対称とされて
なるバイクリスタル基体を非対称基体としたとき、前記
の一対の超電導スイッチ素子が、前記対称基体上に形成
されたバイクリスタル超電導膜からなるジョセフソン接
合を備えてなるとともに、前記のもう一対の超電導スイ
ッチ素子が、前記非対称基体上に形成されたバイクリス
タル超電導膜からなるジョセフソン接合を備えてなるこ
とを特徴とする。
【００２４】かかる超電導電源回路によれば、外部磁界
を０にすることで超電導状態になる超電導スイッチ素子
と、外部磁界を０にすることで常電導状態になる超電導
スイッチ素子とを具備しているので、制御部により磁界
をオンオフするだけで交流を全波整流することができ、
制御部の回路構成が簡略化することが可能になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
の第１の実施の形態を図面を参照して説明する。本発明
の第１の実施形態の超電導電源回路Ａは、交流を直流に
変換するもので、４つの超電導スイッチ素子１、２、
３、４がひし形のブリッジ線路の各辺に組み込まれて構
成されたブリッジ回路５と、各超電導スイッチ素子１〜
４をスイッチする制御部６とを主体として構成されてい
る。なお、ブリッジ回路５は、通常はひし形で表される
が、実際の回路基板上に設けられる場合はひし形に限ら
れず、円形、正方形、長方形でもよい。
【００２６】また、ブリッジ回路５の入力側の端子５
ａ、５ｂには、入力線路７，７を介して変圧器８が接続
されている。入力線路７，７は変圧器８の二次コイル９
に接続され、また変圧器８の１次コイル１０には交流電
源１１が接続されている。変圧器８は交流電源１１から
入力された高電圧かつ低電流の交流を、低電圧かつ高電
流の入力交流Ｉinに変換する。更に、ブリッジ回路５の
出力側の端子５ｃ、５ｄには、出力線路１２，１２を介
して直列にコンデンサ（キャパシタンス）１３が接続さ
れ、このコンデンサ１３と並列に外部回路１４が接続さ
れている。また外部回路１４と直列にインダクタンスコ
イル（インダクタンス）１５が接続されている。コンデ
ンサ１３とコイル１５によって低域ろ波フィルターが構
成されている。
【００２７】また本発明の超電導電源回路Ａにおいて
は、変圧器８の２次コイル９、入力線路７、出力線路１
２、コンデンサ１３、インダクタンスコイル１５及び外
部回路１４が超電導体により構成されている。
【００２８】ブリッジ回路５においては、一対の超電導
スイッチ素子１，３が一方の対向位置上に配置され、も
う一対の超電導スイッチ素子２，４がもう一方の対向位
置上に配置されている。また、超電導スイッチ素子１〜
４は、外部磁界により常電導状態と超電導状態との間を
スイッチ自在な２以上のジョセフソン接合を有する。こ
のジョセフソン接合は、いわゆるｓ-ｓ波接合型と呼ば
れるもので、図２に示すように当該ジョセフソン接合か
らなる素子の臨界電流の磁界依存性は、磁界Ｈが０のと
きに臨界電流Ｉcは極大となり、磁界Ｈが±Ｈ1のときに
臨界電流は０になる。即ち、上記の超電導スイッチ素子
１〜４は、外部磁界が０のときに超電導状態となり、外
部磁界が印加されたときに常電導状態となる。尚、１個
のジョセフソン接合の臨界電流は０．２ｍＡ程度と微小
であるが、本発明の超電導スイッチ素子１〜４では２以
上のジョセフソン接合を含むので、超電導スイッチ素子
１〜４自体の臨界電流をジョセフソン接合の数だけ高め
ることができ、このため高電流を流すことが可能であ
る。
【００２９】また図１に示すように制御部６は、入力線
路７に隣接して設けられたコイル等からなる極性検出部
１６と、この極性検出部１６の検出結果に基づいて矩形
の制御電流を発生させる制御信号源１７と、各超電導ス
イッチ素子１〜４に隣接して設けられた磁界発生部であ
るコイル１８〜２１とを具備して構成されている。コイ
ル１８、１９は制御信号源１７から分岐して超電導スイ
ッチ素子１、３の近傍にそれぞれ配置され、コイル２
０、２１は制御信号電源１７から分岐して超電導スイッ
チ素子２、４の近傍にそれぞれ配置されている。また、
制御信号源１７とコイル２０，２１との間には、遅延回
路２２が挿入されている。極性検出部１６では入力交流
Ｉinにより検出電流が誘起され、この検出電流が制御信
号電源１７に入力される。制御信号電源１７は、検出電
流を増幅してコイル１８〜２１に矩形波の制御電流を与
える。
【００３０】コイル１８〜２１により発生させる磁場の
大きさは、超電導スイッチ素子１〜４の性能に依存する
が、本発明の場合は３×１０-4Ｔ（テスラ）程度の磁界
が必要となる。また、磁界発生部としてコイル１８〜２
１を例示しているが、本発明はこれに限られず、超電導
スイッチ素子１〜４の近傍に磁界発生部たる制御電流線
路を設け、該線路から誘起される磁界によって超電導ス
イッチ素子１〜４をスイッチしても良い。
【００３１】図３には、ブリッジ回路５に入力される入
力交流Ｉinと、コイル１８，１９に与えられる制御電流
Ｉ18、Ｉ19及びコイル２０、２１に与えられる制御電流
Ｉ20、Ｉ21の波形を示す。制御信号電源１７にて矩形波
とされた制御電流は入力交流Ｉinと同位相であるので、
図３に示すように、コイル１８、１９には入力交流Ｉin
と同位相の制御電流Ｉ18、Ｉ19が与えられる。一方、制
御電流は遅延回路２２によって位相が遅延され、このた
めコイル２０、２１には入力交流Ｉinに対して１／２周
期分遅れた位相の制御電流Ｉ20、Ｉ21が与えられる。
【００３２】次に、この超電導電源回路Ａの動作を説明
する。超電導スイッチ素子１〜４に外部磁界が与えられ
ると超電導状態から常電導状態にスイッチすることか
ら、入力交流Ｉinの電圧が正の時には、一対の超電導ス
イッチ素子１，３に制御電流Ｉ18、Ｉ19による外部磁界
が与えられ、これらの超電導スイッチ素子１，３が常電
導状態となる。また、入力交流Ｉinの電圧が正の時は制
御電流Ｉ20、Ｉ21が０なので、超電導スイッチ素子２，
４には外部磁界が与えられず、これらの素子２，４では
超電導状態が維持される。
【００３３】超電導状態の超電導スイッチ素子２，４で
は電気抵抗が０を示すので無抵抗の状態となり、また常
電導状態の超電導スイッチ素子１，３では電気抵抗が有
限値を示すので有限抵抗の状態となる。従って超電導電
源回路Ａ内を流れる電流は、超電導スイッチ素子２，４
を流れ、超電導スイッチ素子１，３には流れない。
【００３４】従って、入力交流Ｉinの電圧が正の時に超
電導電源回路Ａを流れる電流方向は、端子５ａから超電
導スイッチ素子４を経由して端子５ｃに流れ、更に外部
回路１４を経由し、端子５ｄから超電導スイッチ素子２
を経由して端子５ｂに流れる方向となる。
【００３５】また、時間の経過により入力交流Ｉinの電
圧が負になったときは、上記の場合と逆になり、超電導
スイッチ素子２，４が超電導状態から常電導状態にスイ
ッチされて有限抵抗となり、超電導スイッチ素子１，３
が常電導状態から超電導状態にスイッチされて抵抗が０
になる。これにより、超電導電源回路Ａ内を流れる電流
が、超電導スイッチ素子１，３を流れ、超電導スイッチ
素子２，４には流れず、従ってこの場合の超電導電源回
路Ａを流れる電流方向は、端子５ｂから超電導スイッチ
素子３を経由して端子５ｃに流れ、更に外部回路１４を
経由し、端子５ｄから超電導スイッチ素子１を経由して
端子５ａに流れる方向となる。
【００３６】従って、入力交流Ｉinの極性が変化した場
合でも、ブリッジ回路５の出力側では常に、電流が端子
５ｃから外部回路１４を経由して端子５ｄに至る一方向
に流れる。すなわち外部回路１４には直流が流れる。こ
のようにして、制御部６により一対の超電導スイッチ素
子を超電導状態にスイッチするとともにもう一対の超電
導スイッチ素子を常電導状態にスイッチすることによ
り、交流を直流に変換することができる。
【００３７】次に、上記の超電導スイッチ素子１〜４の
構造を詳細に説明する。図４〜図６には、本発明の超電
導スイッチ素子１の詳細構造の一例を示す。尚、他の超
電導スイッチ素子２〜４の構造もこの超電導スイッチ素
子１と全く同一である。図４及び図５に示すように、超
電導スイッチ素子１ａ（１）は、２以上のジョセフソン
接合３１…が並列接続され、かつこれらのジョセフソン
接合３１…が直線上に配列されてなるものである。即ち
この超電導スイッチ素子１ａは、バイクリスタル基板
（バイクリスタル基体）２２と、このバイクリスタル基
板２２上に液相エピタクシー法により成膜された酸化物
超電導膜２５から構成されている。バイクリスタル基板
２２は、図６に示すように、２つの結晶相２２ａ、２２
ｂが接合界面２３にて結合してなるものであり、この２
つの結晶相２２ａ、２２ｂの構成材料は同じものであ
り、具体的には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン
酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）あるいはガリウム酸
ネオジム（ＮｄＧａＯ３）等を例示でき、特にＭｇＯが
好ましい。
【００３８】バイクリスタル基板２２においては、２つ
の結晶相２２ａ、２２ｂが、それぞれの結晶の（１０
０）面方向の軸と接合界面２３とのなす角θ1をともに
同じ角度にするようにして結合している。例えばこの角
度θ1としては２２．５°を例示できる。このように、
２つの結晶相２２ａ、２２ｂの（１００）面方向の軸が
接合界面２３を基準として対称になっており、このよう
なバイクリスタル基板２２を本発明では対称基体と呼
ぶ。
【００３９】酸化物超電導膜２５は、バイクリスタル基
板２２のほぼ全面に成膜されているが、バイクリスタル
基板２２の接合界面２３近傍では、酸化物超電導膜２５
がくし歯状に形成されている。即ち図４〜図６に示すよ
うに、酸化物超電導膜２５は、結晶相２２ａ、２２ｂ上
に成膜された端子膜２５ａ、２５ｂと、接合界面２３を
亙って端子膜同士２５ａ、２５ｂを連結する多数の接合
膜部２５ｃ…とから形成されている。
【００４０】酸化物超電導膜２５は液相エピタクシー法
により成膜するため、その結晶構造は下地の各結晶相２
２ａ、２２ｂの結晶構造を反映したものとなる。即ち、
酸化物超電導膜２５の結晶軸方向は、バイクリスタル基
板２２の接合界面２３を境にして異なり、端子膜２５ａ
及び端子膜２５ａ側の接合膜部２５ｃの結晶軸方向は結
晶相２２ａの結晶構造を反映したものとなり、端子膜２
５ｂ及び端子膜２５ｂ側の接合膜部２５ｃの結晶軸方向
は結晶相２２ｂの結晶構造を反映したものとなる。従っ
て接合膜部２５ｃ…は、接合界面２３を境にその結晶軸
方向が異なるものとなり、接合界面２３より端子膜２５
ａ側の接合膜部２５ｃ…の結晶軸と接合界面２３とがな
す角度θ2と、接合界面２３より端子膜２５ｂ側の接合
膜部２５ｃ…の結晶軸と接合界面２３とがなす角度θ2
が、接合界面２３を基準に対称の関係になる。これによ
り接合界面２３上の接合膜部２５ｃ…にジョセフソン接
合３１…が形成される。図４ではジョセフソン接合３１
を一点鎖線で示し、図６ではジョセフソン接合３１を斜
線部で示している。上記のような対称基体の接合界面２
３上に形成されたジョセフソン接合３１を、本発明では
対称型ジョセフソン接合と呼ぶ。
【００４１】上記の対称型ジョセフソン接合３１の臨界
電流の磁界依存性は、前述した図２に示す通りであり、
磁界Ｈが０のときに臨界電流Ｉcは極大となり、磁界Ｈ
が±Ｈ1のときに臨界電流は０になる。従って超電導ス
イッチ素子１にコイル１８から磁界を作用させることに
より、超電導状態から常電導状態に、あるいはその逆に
スイッチできる。スイッチングの磁界応答性は極めて速
く、スイッチング速度として数ピコ秒／回を実現でき
る。従って、高周波の電流がブリッジ回路５に入力され
た場合であってもスイッチング速度の遅延による不都合
を防止できる。
【００４２】ジョセフソン接合３１の接合幅及び接合厚
は、接合膜部２５ｃ…の幅及び膜厚に一致し、その具体
的な幅及び膜厚の寸法は、ジョセフソン接合３１の磁場
侵入長よりも若干大きくすることが好ましい。例えば、
磁場侵入長が２μｍの場合は、接合膜部２５ｃ…の幅及
び厚みをそれぞれ５μｍ程度にするとよい。
【００４３】尚、図４に示す超電導スイッチ素子１ａに
は、便宜上、１０個のジョセフソン接合３１（接合膜部
２５ｃ）が図示されているに過ぎないが、実際の超電導
スイッチ素子１には数千から数万個のジョセフソン接合
３１が設けられる。
【００４４】超電導スイッチ素子１ａは複数のジョセフ
ソン接合３１…を並列接続させているため、素子１全体
の臨界電流は、ジョセフソン接合３１の臨界電流値と、
素子一個あたりのジョセフソン接合３１の接合数の積算
値になる。従って超電導スイッチ素子１に大電流を流す
ためには、素子一個あたりのジョセフソン接合の接合数
を増やせばよい。ジョセフソン接合３１の臨界電流は、
接合面積の大きさに依存するが、通常、零コンマ数ｍＡ
〜数ｍＡの範囲である。たとえばジョセフソン接合３１
の臨界電流を０．３ｍＡとし、素子あたりのジョセフソ
ン接合３１の数を１万個とすると、超電導スイッチ素子
１ａ全体の臨界電流は３Ａとなる。
【００４５】超電導スイッチ素子１ａ一個あたりのジョ
セフソン接合３１…の数を増やすために、酸化物超電導
膜２５をバイクリスタル基板２２上に積層して多層構造
とし、各酸化物超電導膜にそれぞれジョセフソン接合を
形成することにしてもよい。
【００４６】次に、超電導スイッチ素子１の別の例を図
７及び図８を参照して説明する。図７及び図８には、本
発明の超電導スイッチ素子１ｂ（１）の詳細構造の別例
を示す。尚、他の超電導スイッチ素子２〜４の構造もこ
の図７及び図８に示す構造の超電導スイッチ素子１と全
く同一であってもよい。。図７及び図８に示すように、
この超電導スイッチ素子１ｂは、２以上のジョセフソン
接合４１…が並列接続され、かつこれらのジョセフソン
接合４１…が複数列に配列されてなるものである。
【００４７】即ちこの超電導スイッチ素子１ｂは、バイ
クリスタル基板（バイクリスタル基体）４２と、このバ
イクリスタル基板４２上に液相エピタクシー法により成
膜された酸化物超電導膜４５から構成されている。バイ
クリスタル基板４２は、図７及び図９に示すように、６
つの結晶相４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、
４２ｆが接合界面４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４
３ｅにて結合してなるものである。この６つの結晶相４
２ａ〜４２ｆの構成材料は、前記の結晶相２２ａ、２２
ｂの構成材料と同じものである。
【００４８】バイクリスタル基板４２においては、６つ
の結晶相４２ａ〜４２ｆのうちの隣り合う結晶相同士
が、図６と同様にそれぞれの結晶の（１００）面方向の
軸と接合界面２３とのなす角θ1をともに同じ角度にす
るようにして結合している。例えばこの角度としては２
２．５°を例示できる。このように、６つの結晶相４２
ａ〜４２ｆのなかの隣り合う結晶相同士がそれぞれ、
（１００）面方向の軸の方向を接合界面４３ａ〜４３ｅ
を基準として対称となるように結合しており、従ってこ
のバイクリスタル基板４２も前述と同様に対称基体と呼
ばれる。
【００４９】酸化物超電導膜４５は、バイクリスタル基
板４２のほぼ全面に成膜されているが、接合界面４３ａ
〜４３ｅの近傍では、酸化物超電導膜４５がくし歯状に
形成されている。即ち図７及び図８に示すように、酸化
物超電導膜４５は、端子膜４５ａ、４５ｂと、接合界面
４３ａ〜４３ｅをそれぞれ亙って端子膜同士４５ａ、４
５ｂを連結する多数の接合膜部４５ｃ…とから形成され
ている。
【００５０】更に端子膜４５ａは、結晶相４２ａ、４２
ｃ、４２ｅ上にそれぞれ形成された電極膜４５ｄ、４５
ｅ、４５ｆと、結晶相４２ｂ、４２ｄ上に形成されて電
極膜４５ｄ、４５ｅ、４５ｆをそれぞれ連結する連結膜
４５ｇ、４５ｈとから構成されている。また、更に端子
膜４５ｂは、結晶相４２ｂ、４２ｄ、４２ｆ上にそれぞ
れ形成された電極膜４５ｉ、４５ｊ、４５ｋと、結晶相
４２ｃ、４２ｅ上に形成されて電極膜４５ｉ、４５ｊ、
４５ｋをそれぞれ連結する連結膜４５ｍ、４５ｎとから
構成されている。また電極膜４５ｄ〜４５ｆ、４５ｉ〜
４５ｋは、接合膜部４５ｃ…を介して相互に離間すると
ともに相互にかみ合うように配置されている。
【００５１】接合膜部４５ｃ…は、電極膜４５ｄ〜４５
ｆ、４５ｉ〜４５ｋの間にそれぞれ位置し、かつ接合界
面４３ａ〜４３ｅに沿って配置されている。
【００５２】酸化物超電導膜４５は液相エピタクシー法
により成膜するため、その結晶構造は下地の各結晶相４
２ａ〜４２ｆの結晶構造を反映したものとなる。従って
接合膜部４５ｃ…は、接合界面４３ａ〜４３ｅを境にそ
の結晶軸方向が異なるものとなり、端子膜４５ａ側の接
合膜部の結晶軸と接合界面４３ａ〜４３ｅとがなす角度
と、端子膜４５ｂ側の接合膜部の結晶軸と接合界面４３
ａ〜４３ｅとがなす角度が、接合界面４３ａ〜４３ｅを
基準に対称の関係になる。これにより接合界面４３ａ〜
４３ｅ上にて２以上のジョセフソン接合４１…が形成さ
れる。上記のような対称基体の接合界面４３ａ〜４３ｅ
上に形成されたジョセフソン接合４１…を、本発明では
前述のジョセフソン接合３１と同様に対称型ジョセフソ
ン接合と呼ぶ。
【００５３】上記の対称型ジョセフソン接合４１の臨界
電流の磁界依存性は、前述と同様に図２に示す通りで、
超電導スイッチ素子１にコイル１８から磁界を作用させ
ることにより、超電導状態から常電導状態に、あるいは
その逆にスイッチできる。
【００５４】ジョセフソン接合４１の接合幅及び接合厚
は、接合膜部４５ｃ…の幅及び膜厚に一致し、その具体
的な幅及び膜厚の寸法は、前述のジョセフソン接合３１
と同様である
【００５５】尚、図７に示す超電導スイッチ素子１ｂに
は、便宜上、６９個のジョセフソン接合４１（接合膜部
４５ｃ）が図示されているに過ぎないが、実際の超電導
スイッチ素子１には数千から数万個のジョセフソン接合
４１が設けられる。
【００５６】超電導スイッチ素子１ｂは複数のジョセフ
ソン接合４１…を並列接続させているため、素子全体の
臨界電流は、ジョセフソン接合４１…の臨界電流値と、
素子一個あたりのジョセフソン接合４１の接合数の積算
値になる。従って超電導スイッチ素子１ｂに大電流を流
すためには、素子一個あたりのジョセフソン接合４１の
数を増やせばよい。
【００５７】また超電導スイッチ素子１一個あたりのジ
ョセフソン接合４１…の数を増やすために、酸化物超電
導膜４５をバイクリスタル基板４２上に積層して多層構
造とし、各酸化物超電導膜にそれぞれジョセフソン接合
を形成することにしてもよい。
【００５８】この図７に示す超電導スイッチ素子１ｂに
よれば、１つのバイクリスタル基板４２上に２以上の接
合界面４５ａ〜４５ｆが設けられ、これらの接合界面４
５ａ〜４５ｆ上に多数のジョセフソン接合４１…が形成
されるので、超電導スイッチ素子自体の臨界電流値を高
めることができ、より大電流を流すことができる。
【００５９】尚、上記のバイクリスタル酸化物超電導膜
２５、４５の組成としては、特に制限されるわけではな
いが、ＲｅＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ（但し、Ｒｅは、Ｙと希土
類元素のうちから選択される１種以上の元素）系のバイ
クリスタル超電導膜から構成されている。バイクリスタ
ル酸化物超電導膜２５、４５は、上記のバイクリスタル
基板２２，４２上に形成されているために、ジョセフソ
ン接合３１、４１を境に２つの結晶相が結合しており、
例えば図６に示すようにジョセフソン接合３１の接合面
と２つの結晶相中の結晶粒の結晶軸（ａ軸）のなす角度
（θ2）、すなわち接合角が、基板２２の接合界面２３
及び基板２２ａ、２２ｂの接合角（θ1）にそのまま反
映されており、バイクリスタル酸化物超電導膜２５の接
合界面（ジョセフソン接合３１）を形成する二つの結晶
粒は共にｃ軸配向結晶粒であって、これら二つの結晶粒
の粒界界面が{１３０}面と{１３０}面、もしくは{１２
０}面と{１２０}面から構成されている。
【００６０】バイクリスタル酸化物超電導膜２５、４５
のジョセフソン接合３１、４１を形成する二つの結晶粒
の粒界界面が上記の面と面から構成されている場合、両
方の結晶の結晶軸（ａ軸）方向と接合界面とのなす角度
θ2が対称２２．５°になる。
【００６１】これらのバイクリスタル酸化物超電導膜２
５、４５は、上記のバイクリスタル基板２２、４２上に
熱平衡状態での成長に近い液相エピタキシー法により形
成されているため、コンマ数μｍ以上の厚さに形成で
き、また、製造条件をコントロールすることにより、数
μｍ以上の長い直線状の結合界面を有することもでき
る。バイクリスタル基板２２、４２とバイクリスタル酸
化物超電導膜２５、４５の間には種晶が形成されるのが
好ましい。
【００６２】次に、上記のバイクリスタル酸化物超電導
膜の製造方法の例について、図７〜図９に示した超電導
スイッチ素子１ｂを例として、図１０に示す液相エピタ
キシー成長装置に基づいて具体的に説明する。図１０に
示す液相エピタキシー成長装置は、単結晶の製造に使用
するチョクラルスキー法による結晶成長装置等の液相結
晶装置と同様の構造のものである。その装置の構造は、
電気炉等の炉１１１内に、ＲｅＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ（但
し、Ｒｅは、Ｙと、Ｎｄ及びＳｍ等の希土類元素のうち
から選択される１種以上の元素）系、例えば、Ｙ−Ｂａ
−Ｃｕ−Ｏ系等の酸化物超電導体を形成する融液を生
成する原料成分を配置しており、その直上には表面に種
晶の薄膜を形成したＭｇＯ等のバイクリスタル基板４２
を配置している。また、この基板４２は、回転軸１１５
の下端に結合されている。
【００６３】この装置によるバイクリスタル酸化物超電
導膜４５の製造は、炉１１１の加熱により原料成分を融
解して融液１１２を作り、その融液表面に、回転軸１１
５の回転により回転すると共にゆっくり引き上げられる
基板４２を浸漬して、その上に結晶を成長させることに
より行う。その結果、基板上には基板４２と同様の位置
に結合界面を有し、かつ基板と同様の接合傾角、すなわ
ち両結晶の結晶軸がなす角度が対称４５度を有するバイ
クリスタル酸化物超電導膜４５が形成される。なお、こ
こでの液相成長操作の際、装置全体をわずかに（数度）
傾斜させることにより表面が清浄で平滑なものが得られ
る。
【００６４】その際に使用する基板４２の材料として
は、先に述べた材料が用いられる。また、バイクリスタ
ル基板４２は、例えば図１１に示すように、６枚の単結
晶基板を貼り合わせ（図１１（ａ））、これらの単結晶
基板を焼結して一体化し（図１１（ｂ））、更に図１１
（ｂ）中一点鎖線で示す位置で切断し、切断面を研磨し
て平滑化することにより、結晶相４２ａ〜４２ｆからな
るバイクリスタル基板４２が形成される。
【００６５】そして、基板４２への種晶の形成は不可欠
のものではなく、基板あるいは形成するバイクリスタル
の材質によっては必要ないが、種晶は形成した方が好ま
しい。また、種晶の厚みは、１０〜５００ｎｍ程度の
膜、すなわち、種膜がよい。その種膜の形成は、パルス
レーザーデポジション法（ＰＬＤ法）、有機金属化学気
相デポジョン法（ＭＤＣＶＤ）、スパッタ法あるいは熱
プラズマ蒸着法で行うことが可能であるが、簡便さの点
でＰＬＤ法やスパッタ法が好ましい。その種晶は、完全
な超電導体結晶とする必要はなく、不完全なものでもよ
い。なお、種晶の形成を不可欠としない基板には、例え
ば、ＮｄＧａＯ3基板が挙げられる。
【００６６】また、バイクリスタル基板４２上に形成さ
れるバイクリスタル酸化物超電導膜４５において、上述
したようにジョセフソン接合４１の位置及びジョセフソ
ン接合を形成する２つの結晶粒の結晶軸（ａ軸）のなす
角度θ2、すなわち接合角は、基板４２の接合界面４３
ａ〜４３ｆの位置及び基板４２の接合角θ1がそのまま
反映されている。
【００６７】本発明においては、バイクリスタル酸化物
超電導膜４５を製造する材料についても特に制限される
わけではなく、融液により超電導体を製造することが可
能なものであれば、本発明の酸化物超電導膜は製造可能
である。それには、ＹＢＣＯ系超電導体以外に、ＮｄＢ
ａＣｕＯ系あるいはＳｍＢａＣｕＯ系等の超電導体があ
り、それらはいずれもＲｅＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ（但し、Ｒ
ｅは、Ｙと、Ｎｄ及びＳｍ等の希土類元素のうちから選
択される１種以上の元素）と表記できる。また、製造さ
れる膜の厚さについては、０．１〜１００μｍ程度がよ
く、その膜厚の好ましい範囲については利用する目的、
すなわちそれを利用して形成するジョセフソン接合素子
やＳＱＵＩＤ等の電気素子の用途によって異なったもの
となる。
【００６８】このバイクリスタル酸化物超電導膜４５の
両結晶が形成する接合界面（ジョセフソン接合４１）に
ついては、それが直線状に形成される長さが、従来技術
の気相成長法で形成された１０〜１００ｎｍより、はる
かに長い０．５μｍ以上、好ましくは１．０μｍであ
り、それは本発明では、液相成長法を採用することによ
り１００μｍ以上のものも形成可能である。本発明のバ
イクリスタル酸化物超電導膜を製造に使用できる液相成
長法は、図１０に具体的図示した液相成長装置を用いる
液相エピタキシー技術に限られるわけでなく、液相成長
により薄膜あるいは厚膜を形成することができる技術で
あれば対応可能であり、それには、例えば単純固化法等
がある。図１０における液相成長装置における加熱用の
炉としては、抵抗加熱炉に限られるわけではなく、高周
波加熱炉等であってもよく、要は炉内の超電導膜体形成
用の原料成分が円滑に溶融するものであればよい。また
炉の雰囲気についても特に制限されるわけでなく、大気
中、真空中、窒素雰囲気中あるいは酸素雰囲気中が使用
可能である。
【００６９】そして、本実施形態の超電導スイッチ素子
１ｂを形成するには、例えば、基板４２全面に形成した
バイクリスタル酸化物超電導膜４５の一部をフォトリソ
グラフィー技術と集束イオンビームを用いるエッチング
技術等により所望の線幅にエッチングして接合膜部４５
ｃ…を成形することにより得られる。なお、ここで接合
膜部４５ｃ…を形成する際、バイクリスタル酸化物超電
導膜４５のジョセフソン接合４１の位置が接合膜部４５
ｃ…の長さ方向と交差するように、すなわち、接合膜部
４５ｃ…を横切るように形成される。
【００７０】そして、上記の超電導電源回路Ａによれ
ば、２以上のジョセフソン接合を有する超電導スイッチ
素子１〜４をブリッジ回路５の各辺に挿入しており、各
超電導スイッチ素子１〜４の臨界電流が大きいために、
当該ブリッジ回路５に低電圧で大電流の交流を流すこと
ができ、超電導体からなる外部回路１４を駆動させるの
に好適な低電圧で大電流の直流を容易に得ることができ
る。
【００７１】また、上記の超電導電源回路Ａを流れる電
流は、高電流ではあるが低電圧であるため、低周波ろ過
フィルターとして使用するコンデンサ１３は耐圧の低い
ものを用いることができる。これによりコンデンサ自体
の誘電体厚みを薄くできて静電容量を高めることがで
き、ブリッジ回路５から出力された脈流（全波整流）を
直流に平滑化することができる。
【００７２】また、超電導スイッチ素子１〜４のスイッ
チング速度が速いために高周波電流を流すことができ、
これによりコンデンサの効果がより高められて平滑化が
更に向上し、より安定した直流を得ることができる。
【００７３】また、常電導状態のジョセフソン接合３
１，４１の抵抗は数Ω程度であるが、これらのジョセフ
ソン接合３１，４１が並列接続されるので、超電導スイ
ッチ素子１〜４自体の抵抗値が１０-3〜１０-5Ω程度と
なり、良好なスイッチング特性を発揮することができ
る。
【００７４】（第２実施形態）次に、本発明の第２の実
施形態の超電導電源回路を図面を参照して説明する。
尚、図１２に示す超電導電源回路Ｂの構成要素のうち、
図１に示した超電導電源回路Ａと同一の構成要素には同
一符号を付してその説明を省略する。
【００７５】図１２に示す超電導電源回路Ｂは、交流を
直流に変換するもので、４つの超電導スイッチ素子５
１、５２、５３、５４がブリッジ線路の各辺に組み込ま
れて構成されたブリッジ回路５５と、各超電導スイッチ
素子５１〜５４をスイッチする制御部５６とを主体とし
て構成されている。
【００７６】また、ブリッジ回路５５の入力側の端子５
５ａ、５５ｂには、入力線路７，７を介してトランス８
が接続されている。更に、ブリッジ回路５５の出力側の
端子５５ｃ、５５ｄ側には、出力線路１２，１２を介し
てコンデンサ（キャパシタンス）１３、回路１４及びコ
イル（インダクタンス）１５が接続されている。
【００７７】また、超電導スイッチ素子５１〜５４は、
外部磁界により常電導状態と超電導状態との間をスイッ
チ自在な２以上のジョセフソン接合を有する。超電導ス
イッチ素子５１、５３のジョセフソン接合は、いわゆる
ｓ-ｓ波接合型と呼ばれるものである。即ち、図１３の
破線で示すように当該ジョセフソン接合からなる素子５
１，５３の臨界電流の磁界依存性は、磁界Ｈが０のとき
に臨界電流Ｉcは極大となり、磁界Ｈが±Ｈ1のときに臨
界電流は０になる。また、超電導スイッチ素子５２，５
４のジョセフソン接合は、ｓ-ｓ波接合型とは異なる。
即ち、図１３の実線で示すように当該ジョセフソン接合
からなる素子５２，５４の臨界電流の磁界依存性は、磁
界Ｈが０のときに臨界電流Ｉcは０となり、磁界Ｈが±
Ｈ1のときに臨界電流は極大になる。
【００７８】従って、上記の超電導スイッチ素子５１、
５３は、外部磁界が０のときに超電導状態となり、外部
磁界が印加されたときに常電導状態となる。一方、超電
導スイッチ素子５２、５４は、外部磁界が０のときに常
電導状態となり、外部磁界が印加されたときに超電導状
態となる。
【００７９】次に図１２に示すように制御部５６は、入
力線路７に隣接して設けられたコイル等からなる極性検
出部７６と、この極性検出部７６の検出結果に基づいて
矩形の制御電流を発生させる制御信号源７７と、各超電
導スイッチ素子５１〜５４に隣接して設けられた磁界発
生部であるコイル７８〜８１から構成されている。コイ
ル７８〜８１は制御信号源７７から分岐して超電導スイ
ッチ素子５１〜５４の近傍にそれぞれ配置されている。
極性検出部７６では入力交流Ｉinにより検出電流が誘起
され、この検出電流が制御信号電源７７に入力される。
制御信号電源７７は、検出電流を増幅してコイル７８〜
８１に矩形波の制御電流を与える。
【００８０】図１４には、ブリッジ回路５５に入力され
る入力交流Ｉinと、コイル７８，７９に与えられる制御
電流Ｉ78、Ｉ79及びコイル８０、８１に与えられる制御
電流Ｉ80、Ｉ81の波形を示す。制御信号電源７７にて矩
形波とされた制御電流いずれもは入力交流Ｉinと同位相
であり、図１４に示すように、コイル７８〜８１には入
力交流Ｉinと同位相の制御電流Ｉ78、Ｉ79及び制御電流
Ｉ80、Ｉ81が与えられる。
【００８１】次に、この超電導電源回路Ｂの動作を説明
する。超電導スイッチ素子５１、５３に外部磁界が与え
られると超電導状態から常電導状態にスイッチし、また
超電導スイッチ素子５２、５４に外部磁界が与えられる
と常電導状態から超電導状態にスイッチする。従って、
入力交流Ｉinの電圧が正の時には、超電導スイッチ素子
５１〜５４に制御電流Ｉ78、Ｉ79、Ｉ80、Ｉ81による外
部磁界が与えられ、一対の超電導スイッチ素子５１，５
３が常電導状態となり、また、もう一対の超電導スイッ
チ素子５２，５４は超電導状態となる。
【００８２】超電導状態の超電導スイッチ素子５２，５
４は電気抵抗が０を示すので無抵抗の状態となり、また
常電導状態の超電導スイッチ素子５１，５３は電気抵抗
が有限値を示すので有限抵抗の状態となる。従って超電
導電源回路Ｂ内を流れる電流は、超電導スイッチ素子５
２，５４を流れ、超電導スイッチ素子５１，５３には流
れない。
【００８３】従って、入力交流Ｉinの電圧が正の時に超
電導電源回路Ｂを流れる電流方向は、端子５５ａから超
電導スイッチ素子５４を経由して端子５５ｃに流れ、更
に回路１４を経由し、端子５５ｄから超電導スイッチ素
子５２を経由して端子５５ｂに流れる方向となる。
【００８４】また、時間の経過により入力交流Ｉinの電
圧が負になったときは、上記の場合と逆になり、超電導
スイッチ素子５２，５４が超電導状態から常電導状態に
スイッチされて有限抵抗となり、超電導スイッチ素子５
１，５３が常電導状態から超電導状態にスイッチされて
抵抗が０になる。これにより、超電導電源回路Ｂ内を流
れる電流が、超電導スイッチ素子５１，５３を流れ、超
電導スイッチ素子５２，５４には流れず、従ってこの場
合の超電導電源回路Ｂを流れる電流方向は、端子５５ｂ
から超電導スイッチ素子５３を経由して端子５５ｃに流
れ、更に回路１４を経由し、端子５５ｄから超電導スイ
ッチ素子５１を経由して端子５５ａに流れる方向とな
る。
【００８５】従って、入力交流Ｉinの極性が変化した場
合でも、ブリッジ回路５５の出力側では常に、電流が端
子５５ｃから回路１４を経由して端子５５ｄに至る一方
向に流れる。すなわち回路１４には直流が流れる。この
ようにして、制御部５６により一対の超電導スイッチ素
子を超電導状態にスイッチするとともにもう一対の超電
導スイッチ素子を常電導状態にスイッチすることによ
り、交流を直流に変換することができる。
【００８６】次に、上記の超電導スイッチ素子５１〜５
４の構造を説明する。これら４つの超電導スイッチ素子
のうち、ブリッジ回路５５の対角線上に配置された一対
の超電導スイッチ素子５１，５３は、磁場が０のときに
臨界電流が極性を示すジョセフソン接合を有する素子で
あり、これらの素子５１，５３は第１の実施形態で説明
した超電導スイッチ素子１〜４の構造と同じである。即
ち、図４、５または図７〜９に示す構造と同じであるの
で詳細な説明は省略する。
【００８７】次に、もう一対の超電導スイッチ素子５
２，５４は、磁場が０のときに臨界電流が０を示すジョ
セフソン接合を有する素子である。これらの素子５２，
５４が上記の超電導スイッチ素子５１、５３と異なる点
は、バイクリスタル基板の結晶構造上の相違である。一
方、バイクリスタル基板上に形成される酸化物超電導膜
のパターン形状は、図４、５または図７〜９に示す構造
と同じであり、従ってここではその詳細な説明は省略す
る。
【００８８】超電導スイッチ素子５２，５３を構成する
バイクリスタル基板は、２つの結晶相が接合界面にて結
合してなるものであり、この点においては、上記の超電
導スイッチ素子１〜４と同じである。そしてこのバイク
リスタル基板においては、２つの結晶相が、それぞれの
結晶の（１００）面方向の軸と接合界面とのなす角を異
なる角度にするようにして結合している。即ち、２つの
結晶相の（１００）面方向の軸が接合界面を基準として
非対称になっており、このようなバイクリスタル基板９
２を本発明では非対称基体と呼ぶ。
【００８９】図１５には、非対称基体及びその非対称基
体上に形成されるジョセフソン接合の詳細構造を示す。
非対称基体であるバイクリスタル基板９２は、結晶相９
２ａ、９２ｂが接合界面９３にて突き合わされて結合し
ており、図１５では、結晶相９２ａを構成する結晶粒の
（１００）面方向の軸と接合界面とのなす角θ3が垂直
であり、もう一方の結晶相９２ｂを構成する結晶粒の
（１００）面方向の軸と接合界面とのなす角θ4が４５
°になっている。従って、結晶相９２ａの接合界面には
（１１０）が露出し、結晶相９２ｂの接合界面には（０
１０）面が露出することになる。
【００９０】酸化物超電導膜９５は、バイクリスタル基
板９２上に成膜されるが、液相エピタクシー法により成
膜するために、バイクリスタル基板９２の接合界面９３
近傍では、酸化物超電導膜９５が下地の各結晶相９２
ａ、９２ｂの結晶構造を反映したものとなる。即ち、酸
化物超電導膜９５の結晶軸方向は、バイクリスタル基板
９２の接合界面９３を境にして異なる。従って酸化物超
電導膜９５の結晶軸方向は、接合界面９３を境に異なる
ものとなり、一方では結晶軸方向と接合界面（ジョセフ
ソン接合）とのなす傾斜角θ5が垂直となり、もう一方
では結晶軸方向と接合界面（ジョセフソン接合）とのな
す傾斜角θ6が４５°となり、θ5、θ6は接合界面９３
を基準に非対称の関係になる。これにより接合界面９３
上にてジョセフソン接合９１が形成される。図１５では
ジョセフソン接合９１を斜線部で示している。上記のよ
うな非対称基体の接合界面上に形成されたジョセフソン
接合９１を、本発明では非対称型ジョセフソン接合と呼
ぶ。
【００９１】上記の非対称型ジョセフソン接合９１の臨
界電流の磁界依存性は、前述のように図１３の実線で示
す通りであり、磁界Ｈが０のときに臨界電流Ｉcは０と
なり、磁界Ｈが±Ｈ1のときに臨界電流は極大になる。
従って超電導スイッチ素子５２，５４にコイル８０，８
１から磁界を作用させることにより、超電導状態から常
電導状態に、あるいはその逆にスイッチできる。
【００９２】ジョセフソン接合９１の接合幅及び接合厚
さは、前記のジョセフソン接合３１，４１の場合と同等
であり、ジョセフソン接合９１の磁場侵入長よりも若干
大きくすることが好ましい。例えば、磁場侵入長が２μ
ｍの場合は、ジョセフソン接合９１の幅及び厚みをそれ
ぞれ５μｍ程度にするとよい。
【００９３】超電導スイッチ素子５１〜５４は複数の接
合型または非接合型のジョセフソン接合を並列接続させ
ているため、素子全体の臨界電流は、ジョセフソン接合
の臨界電流値と素子一個あたりのジョセフソン接合の数
との積算値になり、超電導スイッチ素子５１〜５４に大
電流を流すには、素子一個あたりのジョセフソン接合の
数を増やせばよい。
【００９４】上記の超電導電源回路Ｂによれば、第１の
実施形態の超電導電源回路Ａと同様な効果を発揮すると
ともに、以下の効果が得られる。即ち、超電導電源回路
Ｂにおいては、対称型ジョセフソン接合及び非対称型ジ
ョセフソン接合をそれぞれ有する超電導スイッチ素子５
１〜５４によりブリッジ回路５５が構成されており、同
位相の制御電流により励磁されるコイルを各超電導スイ
ッチ素子の近傍に配置することによって、交流を直流に
変換することが可能であり、超電導スイッチ素子ごとに
制御電流の位相を調整する必要がなく、制御部５６の回
路構成を簡略化できる。
【００９５】
【実施例】（実施例１）図１０に示す液相成長形成装置
により、バイクリスタル基板上にｃ軸配向の酸化物超電
導膜を成膜し、バイクリスタル酸化物超電導膜を形成し
た。その際には、上述したとおり装置全体をわずかに傾
斜させることにより膜表面に異相が残らずきれいな表面
を得られることから３°傾斜させた。基板としては、２
つの結晶相を有するＭｇＯバイクリスタル基板を使用し
た。結晶相の結晶軸については、各結晶相の（１００）
方向と接合界面とのなす角度が２４°の対称型基板を用
いた。バイクリスタル酸化物超電導膜を形成するに当た
っては、バイクリスタル基板は、あらかじめＹＢａＣｕ
Ｏの種膜を形成したものを使用した。種膜の形成は、パ
ルスレーザーデポジション法を使用し、１００ｍＴｏｒ
ｒ酸素雰囲気中、基板温度６８０〜７３０℃で行った。
その際のレーザーの周波数は５Ｈｚとした。
【００９６】酸化物超電導膜形成用の原料成分として
は、Ｙ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏx粉末とＢａ3Ｃｕ7Ｏ10粉末とが１
０：９０質量比で均一に混合された混合粉末を使用し、
それを炉内で９６０〜９７０℃にし、加熱溶融した。溶
融後、融液温度を一端９８０〜１０５０℃に上昇させ、
１時間保持した。ついで、９１０〜９７０℃に冷却し、
過飽和状態としたところで、種膜を形成した基板を融液
表面に僅かに接触させ、その状態を維持しながら１分程
度回転させた。
【００９７】その後引き続き回転させながらゆっくり基
板を引き上げることにより、基板全面にバイクリスタル
酸化物超電導膜を成長させた。成膜の雰囲気は、窒素雰
囲気とし、基板の回転数は８０ｒｐｍとし、基板引き上
げ速度は２μｍ／分とした。形成された膜の厚さは５μ
ｍであった。
【００９８】そして、基板全面に成膜された酸化物超電
導膜上に、レジスト膜を形成し、所定のパターンのマス
クによりレジスト膜を露光、エッチング等のフォトリソ
グラフィー手段によって、図４または図５に示す超電導
スイッチ素子を製造した。得られた素子には、幅５μ
ｍ、厚さ５μｍのジョセフソン接合が１０００個形成さ
れていた。また、バイクリスタル基板の大きさは、一辺
が１０ｍｍの平面視略正方形の基板とした。
【００９９】この超電導スイッチ素子を７７Ｋの液体窒
素中に投入し、各種特性を調査したところ、ジョセフソ
ン接合一個あたりの臨界電流値は３ｍＡとなり、超電導
スイッチ素子全体の臨界電流値は３Ａとなった。なお、
ジョセフソン接合一個あたりの臨界電流密度は１０4Ａ
／ｃｍ2であった。また、厚さ５μｍのジョセフソン接
合を積層することにより、ジョセフソン接合数を３３０
００個にした超電導スイッチ素子では、臨界電流が１０
０Ａとなる。このように、上記の超電導スイッチ素子に
おいては、多数のジョセフソン接合を並列接続している
ので、１００Ａ程度の電流を流すことができる。
【０１００】（実施例２）６つの結晶相を結合させてバ
イクリスタル基板を形成し、更にフォトリソグラフィー
法におけるマスクパターンを変更したこと以外は実施例
１と同様にして、図７〜９に示すような超電導スイッチ
素子を形成した。このときのバイクリスタル基板は、一
辺が１０ｍｍの平面視略正方形の基板であり、各結晶相
の結晶軸と接合界面とのなす角が２４°の対称基板を用
いた。また、得られた素子には、幅５μｍ、厚さ５μｍ
のジョセフソン接合が５つの接合界面に沿って３０００
個形成されていた。した。得られた超電導スイッチ素子
の特性を実施例１と同様にして測定したところ、超電導
スイッチ素子全体の臨界電流値は１０Ａであり、これは
実施例１の超電導スイッチ素子の約３倍以上の臨界電流
値であった。この超電導スイッチ素子を用いることによ
り、１０5ＪＪ規模の超電導体からなる回路の電源を実
現できる。
【０１０１】尚、本発明の技術範囲は、上記の実施形態
に限るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲に
おいて種々の変更を加えることが可能である。例えば、
第１実施形態の超電導電源回路Ａに、非対称ジョセフソ
ン接合を備えた超電導スイッチ素子を用いても良い。ま
た、第１，第２実施形態の超電導電源回路Ａ、Ｂのブリ
ッジ回路５，５５の入力側に、交流電源でなく直流電源
を接続し、所定の交流周波数で制御部を駆動させること
よって、直流を交流に変換しても良い。更に、ジョセフ
ソン接合に代えて、２以上のジョセフソン接合からなる
超電導リングにより構成される磁気量子干渉素子（ＳＱ
ＵＩＤ）を超電導スイッチ素子に用いても良い。
【０１０２】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
超電導電源回路によれば、超電導状態と常電導状態との
間をスイッチ自在な超電導スイッチ素子がブリッジに組
み込まれているので、交流を直流に、あるいは直流を交
流に変換することが可能であり、しかも電気抵抗が０に
なる超電導スイッチ素子を備えているので、低電圧で高
電流の交流または直流を入力することが可能であり、超
電導体からなる回路の電源として好適に用いることがで
きる。これにより、単一磁束素子を用いた超電導集積回
路の大システムを高効率で動作させることができ、省エ
ネルギー化を図ることができる。また本発明の超電導電
源回路は、超電導集積回路の電源のみならず、超電導磁
石の励磁用の電源としても好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態である超電導電源
回路を示す回路図である。
【図２】 超電導スイッチ素子の対称型ジョセフソン
接合の臨界電流の磁界依存性を示すグラフである。
【図３】 入力交流及び制御電流の電圧と時間との関
係を示すグラフである。
【図４】 図１の超電導電源回路に用いられる超電導
スイッチ素子の一例を示す平面図である。
【図５】 図４のＸ−Ｘ’線に沿う断面図である。
【図６】 図４に示す超電導スイッチ素子の要部であ
るジョセフソン接合の拡大斜視図である。
【図７】 図１の超電導電源回路に用いられる超電導
スイッチ素子の別例を示す平面図である。
【図８】 図７のＹ−Ｙ’線に沿う断面図である。
【図９】 図７に示す超電導スイッチ素子の側面図で
ある。
【図１０】 超電導スイッチ素子の製造に用いる液相
成長形成装置の模式図である。
【図１１】 バイクリスタル基板の製造方法の工程の
一例を示す斜視図である。
【図１２】 本発明の第２の実施形態である超電導電
源回路を示す回路図である。
【図１３】 超電導スイッチ素子の対称型ジョセフソ
ン接合及び非対称型ジョセフソン接合の臨界電流の磁界
依存性を示すグラフである。
【図１４】 入力交流及び制御電流の電圧と時間との
関係を示すグラフである。
【図１５】 非対称型ジョセフソン接合の拡大斜視図
である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ、２，３，４ 超電導スイッチ素子 ５ ブリッジ回路 ６ 制御部 ８ 変圧器 ９ 二次コイル １６ 極性検出部 １７ 制御信号電源 １８、１９，２０，２１ 磁界発生部（コイル） ２２ バイクリスタル基体（バイクリスタル基板） ２３ 接合界面 ２５ 酸化物超電導膜 ３１ ジョセフソン接合 Ａ 超電導電源回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 腰塚 直己 東京都江東区東雲１丁目14番３号 財団法 人国際超電導産業技術研究センター 超電 導工学研究所内 (72)発明者 田辺 圭一 東京都江東区東雲１丁目14番３号 財団法 人国際超電導産業技術研究センター 超電 導工学研究所内 (72)発明者 榎本 陽一 東京都江東区東雲１丁目14番３号 財団法 人国際超電導産業技術研究センター 超電 導工学研究所内 Ｆターム(参考） 4M113 AC08 AD04 AD08 AD36 AD37 AD40 BA01 BA04 BA18 BA21 CA31 CA34 5H006 CA08 CB01 CC01 CC08 DC02 5H007 CA00 CB03 CB05 CC03 HA03

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２以上のジョセフソン接合を有する超
    電導スイッチ素子をブリッジ線路の各辺に組み込んで構
    成したブリッジ回路と、 外部磁界によって前記ブリッジ回路の対向位置に配置さ
    れた一対の前記超電導スイッチ素子を超電導状態にスイ
    ッチするとともにもう一対の前記超電導スイッチ素子を
    常電導状態にスイッチする制御部とを具備してなること
    を特徴とする超電導電源回路。
  2. 【請求項２】 前記制御部は、前記ブリッジ回路に入
    力される交流の電圧が正の時に前記一対の超電導スイッ
    チ素子を超電導状態にスイッチするとともに前記のもう
    一対の超電導スイッチ素子を常電導状態にスイッチし、 前記交流の電圧が負の時に前記一対の超電導スイッチ素
    子を常電導状態にスイッチするとともに前記のもう一対
    の超電導スイッチ素子を超電導状態にスイッチするもの
    であることを特徴とする請求項１に記載の超電導電源回
    路。
  3. 【請求項３】 前記制御部は、前記交流の極性を検出
    する極性検出部と、該極性検出部の検出結果に基づいて
    制御電流を発生させる制御信号電源と、前記各超電導ス
    イッチ素子に隣接して前記制御電流を前記外部磁界に変
    換することにより前記各超電導スイッチ素子をスイッチ
    する磁界発生部とを具備してなることを特徴とする請求
    項１または請求項２に記載の超電導電源回路。
  4. 【請求項４】 少なくとも２次巻線を超電導線路で構
    成した変圧器が、前記ブリッジ回路の入力側に接続され
    てなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいず
    れかに記載の超電導電源回路。
  5. 【請求項５】 直流電源が前記ブリッジ回路の入力側
    に接続されてなることを特徴とする請求項１に記載の超
    電導電源回路。
  6. 【請求項６】 前記超電導スイッチ素子は、２以上の
    ジョセフソン接合の素子または２つのジョセフソン接合
    からなる２以上の超電導量子干渉素子が並列接続されて
    なることを特徴とする請求項１ないし請求項５に記載の
    超電導電源回路。
  7. 【請求項７】 前記のジョセフソン接合は、少なくと
    も２以上の結晶相が接合界面にて結合してなるバイクリ
    スタル基体上に液相エピタクシー法によって形成された
    バイクリスタル超電導膜から構成されることを特徴とす
    る請求項６に記載の超電導電源回路。
  8. 【請求項８】 前記接合界面にて隣接する結晶相の各
    結晶軸と前記接合界面とのなす角が前記結晶粒界面を基
    準として対称とされてなるバイクリスタル基体を対称基
    体としたとき、 前記の４つの超電導スイッチ素子が、前記対称基体上に
    形成されたバイクリスタル超電導膜からなるジョセフソ
    ン接合を備えてなることを特徴とする請求項７に記載の
    超電導電源回路。
  9. 【請求項９】 前記接合界面にて隣接する結晶相の各
    結晶軸と前記接合界面とのなす角が前記結晶粒界面を基
    準として非対称とされてなるバイクリスタル基体を非対
    称基体としたとき、 前記の４つの超電導スイッチ素子が、前記非対称基体上
    に形成されたバイクリスタル超電導膜からなるジョセフ
    ソン接合を備えてなることを特徴とする請求項７に記載
    の超電導電源回路。
  10. 【請求項１０】 前記接合界面にて隣接する結晶相の
    各結晶軸と前記接合界面とのなす角が前記結晶粒界面を
    基準として対称とされてなるバイクリスタル基体を対称
    基体とし、結晶相の各結晶軸と前記接合界面とのなす角
    が前記結晶粒界面を基準として非対称とされてなるバイ
    クリスタル基体を非対称基体としたとき、 前記の一対の超電導スイッチ素子が、前記対称基体上に
    形成されたバイクリスタル超電導膜からなるジョセフソ
    ン接合を備えてなるとともに、前記のもう一対の超電導
    スイッチ素子が、前記非対称基体上に形成されたバイク
    リスタル超電導膜からなるジョセフソン接合を備えてな
    ることを特徴とする請求項７に記載の超電導電源回路。
JP2000327423A 2000-10-26 2000-10-26 超電導電源回路 Pending JP2002136144A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000327423A JP2002136144A (ja) 2000-10-26 2000-10-26 超電導電源回路
US10/007,199 US20020075057A1 (en) 2000-10-26 2001-10-19 Superconducting power circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000327423A JP2002136144A (ja) 2000-10-26 2000-10-26 超電導電源回路

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2002136144A true JP2002136144A (ja) 2002-05-10

Family

ID=18804447

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000327423A Pending JP2002136144A (ja) 2000-10-26 2000-10-26 超電導電源回路

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20020075057A1 (ja)
JP (1) JP2002136144A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009157532A1 (ja) * 2008-06-26 2009-12-30 国立大学法人京都大学 超電導電力変換器
RU2801920C1 (ru) * 2022-12-28 2023-08-18 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Дифференциальный сверхпроводящий детектор

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8153281B2 (en) * 2003-06-23 2012-04-10 Superpower, Inc. Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) process and apparatus to produce multi-layer high-temperature superconducting (HTS) coated tape
US8571614B1 (en) 2009-10-12 2013-10-29 Hypres, Inc. Low-power biasing networks for superconducting integrated circuits
GB201117689D0 (en) * 2011-10-13 2011-11-23 Rolls Royce Plc A superconductor switching arrangement
US9174840B2 (en) * 2013-10-02 2015-11-03 Northrop Grumman Systems Corporation Josephson AC/DC converter systems and method
US10222416B1 (en) 2015-04-14 2019-03-05 Hypres, Inc. System and method for array diagnostics in superconducting integrated circuit
WO2022261523A1 (en) 2021-06-11 2022-12-15 SeeQC, Inc. System and method of flux bias for superconducting quantum circuits

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009157532A1 (ja) * 2008-06-26 2009-12-30 国立大学法人京都大学 超電導電力変換器
JP5497642B2 (ja) * 2008-06-26 2014-05-21 光造 長村 超電導電力変換器
RU2801920C1 (ru) * 2022-12-28 2023-08-18 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Дифференциальный сверхпроводящий детектор

Also Published As

Publication number Publication date
US20020075057A1 (en) 2002-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0329603B1 (en) Grain boundary junction devices using high-tc superconductors
JP3589656B2 (ja) 段付きエッジ間のＳＮＳ接合を用いる高Ｔｃマイクロブリッジ超電導体装置
JP2907830B2 (ja) 超電導デバイス及びその製造方法
US20100210468A1 (en) Method for joining second-generation high-temperature superconducting wires by melting diffusion
CN1007480B (zh) 超导器件
JP7511920B2 (ja) 高温超伝導量子ビットおよび製造方法
JP2002136144A (ja) 超電導電源回路
EP0292436B1 (en) High current conductors and high field magnets using anisotropic superconductors
Katsuno et al. Characteristics of interface-engineered Josephson junctions using a YbBa 2 Cu 3 O y counterelectrode layer
JPH0745874A (ja) 異方性超伝導素子とその作製方法及びこれを用いたフラクソンデバイス
AU673330B2 (en) High-Tc superconducting ceramic oxide products and macroscopic and microscopic methods of making the same
JP5675232B2 (ja) 超電導電流リード
JP2002009353A (ja) バイクリスタル酸化物超電導膜体及び該膜体を用いた高温超電導ジョセフソン接合素子並びに超電導量子干渉素子
JP2022136441A (ja) 超伝導体素子、及び、超伝導体素子の製造方法
JPH02391A (ja) 超電導電界効果トランジスタ
JPH09121064A (ja) 高温超電導ジョセフソン接合素子
JP2539584B2 (ja) 超電導量子干渉素子
JP2849721B2 (ja) 超伝導スイッチ素子
JP3100151B2 (ja) 高温超電導導体の交流通電方法
Ralston et al. Cooperating on superconductivity
JP2856577B2 (ja) 超電導素子
JP2778892B2 (ja) 超電導素子の製造方法
Bogner et al. High‐Tc Superconductors
JP2000264788A (ja) 酸化物超電導膜体及び該膜体を用いた電気素子、並びにそれらの製造方法
JP2825391B2 (ja) 超電導素子