JP2552250B2 - Ｓｑｕｉｄ磁束計 - Google Patents
Ｓｑｕｉｄ磁束計Info
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- JP2552250B2 JP2552250B2 JP6079206A JP7920694A JP2552250B2 JP 2552250 B2 JP2552250 B2 JP 2552250B2 JP 6079206 A JP6079206 A JP 6079206A JP 7920694 A JP7920694 A JP 7920694A JP 2552250 B2 JP2552250 B2 JP 2552250B2
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- magnetic flux
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ＳＱＵＩＤ（Supercon
ducting Quantum Interference Device ：超伝導量子干
渉デバイス）を使用して磁場を計測するＳＱＵＩＤ磁束
計に係わり、さらに詳しくは、耐ノイズ性能を向上させ
たＳＱＵＩＤ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ＳＱＵＩＤループ内に、ピックアップコイルや入力
コイル等を介して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、
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、微小磁束変化を測定する素子である。
ducting Quantum Interference Device ：超伝導量子干
渉デバイス）を使用して磁場を計測するＳＱＵＩＤ磁束
計に係わり、さらに詳しくは、耐ノイズ性能を向上させ
たＳＱＵＩＤ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ＳＱＵＩＤループ内に、ピックアップコイルや入力
コイル等を介して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、
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、微小磁束変化を測定する素子である。
【０００２】
【従来の技術】従来、２個のジョセフソン接合を含むｄ
ｃ−ＳＱＵＩＤ磁束計としては、低温環境を維持するた
めの冷却剤である液体ヘリウムを貯めておく断熱格納容
器であるデュワー（又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、室温で動作
するアンプ（増幅器）及びコントローラを備えて構成さ
れ、液体ヘリウム中のＳＱＵＩＤプローブと室温のアン
プとは同軸ケーブルで接続されて構成されたものが知ら
れている。このようなＳＱＵＩＤ磁束計は磁束分解能が
１０-5φo ／Ｈｚ1/2 （左式においてφo は磁束量子を
示す）と、非常に高感度であり、また、ＳＱＵＩＤの応
答は非常に早く、数GHz （ギガヘルツ）ないし数１０GH
z で動作するのが特徴である。一方、ＳＱＵＩＤに正帰
還回路を付加し、磁場測定感度を向上させる技術によ
り、簡単な回路構成で低雑音の磁束計が実現可能となっ
た（D. Drung, R.Cantor, M.Peters, T.Ryhanen, and
H. Koch, "INTEGRATED dcSQUID MAGNETOMETER WITH HIG
H dV/dB", JEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 27,
NO. 2, MARCH 1991 参照）。図５は正帰還回路を付加
したＳＱＵＩＤの構成を示す図であり、図６は図５の回
路の特性図である。図５に示すように、このＳＱＵＩＤ
１１は２個のジョセフソン接合Ｊ3 ，Ｊ4 を有し、ＳＱ
ＵＩＤ２１に並列に抵抗Ｒ3 と相互インダクタンスＭp2
の正帰還コイルＬ4 が接続されている。このような構成
により、図６に示すように、動作点ｄにおける磁束電圧
変換率（点ｄにおける波形の傾き）は正帰還を施さない
細線の場合に比べ正帰還を施した太線の方が大きくなっ
ている。図７は、上記のような正帰還回路を付加したＳ
ＱＵＩＤを用いて磁場を測定するＳＱＵＩＤ磁束計の構
成における直接帰還型のＦＬＬ（Flux Locked Loop：磁
束ロックループ）回路と、ｄｃ−ＳＱＵＩＤの接続関係
を示すもので、図中２１は２個のジョセフソン接合Ｊ3
，Ｊ4 を有するｄｃ−ＳＱＵＩＤ、抵抗Ｒ3 と正帰還
コイルＬ4 はこのＳＱＵＩＤに対する正帰還回路、２２
は磁束ロック用負帰還コイル、２５はＳＱＵＩＤ２１に
対し入力インピーダンスの大きなプリアンプ、２４はＳ
ＱＵＩＤ２１にバイアス電流を供給するバイアス電流供
給源、２６はプリアンプ２５からの出力を積分する積分
器、２７は負帰還回路で電流源である。プリアンプ２５
と積分器２６とフィードバック回路２７とＳＱＵＩＤ２
１はＦＬＬ回路を構成する。プリアンプ２５の出力は積
分器２６で参照電位２８と比較され、積分器２６の出力
を磁束ロック用負帰還コイル２２に加算してネガティブ
フィードバックすると、Φ−Ｖ曲線上の動作点（例え
ば、図６上のｄ点）に安定し、測定すべき磁場は、上記
のフィードバック量を出力値でモニターすることにより
得ることがきる。この状態を「ロックされた」と表現す
る。上記の方法は、ＦＬＬ法と呼ばれ、いわゆる「零位
法」の一種であり、入出力の関係が線形になるのが特徴
である。上記の動作点ｄは、参照電位２８にて設定さ
れ、通常、Φ−Ｖ曲線の傾きが最も急峻な点（例えば傾
斜の中点）である。
ｃ−ＳＱＵＩＤ磁束計としては、低温環境を維持するた
めの冷却剤である液体ヘリウムを貯めておく断熱格納容
器であるデュワー（又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、室温で動作
するアンプ（増幅器）及びコントローラを備えて構成さ
れ、液体ヘリウム中のＳＱＵＩＤプローブと室温のアン
プとは同軸ケーブルで接続されて構成されたものが知ら
れている。このようなＳＱＵＩＤ磁束計は磁束分解能が
１０-5φo ／Ｈｚ1/2 （左式においてφo は磁束量子を
示す）と、非常に高感度であり、また、ＳＱＵＩＤの応
答は非常に早く、数GHz （ギガヘルツ）ないし数１０GH
z で動作するのが特徴である。一方、ＳＱＵＩＤに正帰
還回路を付加し、磁場測定感度を向上させる技術によ
り、簡単な回路構成で低雑音の磁束計が実現可能となっ
た（D. Drung, R.Cantor, M.Peters, T.Ryhanen, and
H. Koch, "INTEGRATED dcSQUID MAGNETOMETER WITH HIG
H dV/dB", JEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 27,
NO. 2, MARCH 1991 参照）。図５は正帰還回路を付加
したＳＱＵＩＤの構成を示す図であり、図６は図５の回
路の特性図である。図５に示すように、このＳＱＵＩＤ
１１は２個のジョセフソン接合Ｊ3 ，Ｊ4 を有し、ＳＱ
ＵＩＤ２１に並列に抵抗Ｒ3 と相互インダクタンスＭp2
の正帰還コイルＬ4 が接続されている。このような構成
により、図６に示すように、動作点ｄにおける磁束電圧
変換率（点ｄにおける波形の傾き）は正帰還を施さない
細線の場合に比べ正帰還を施した太線の方が大きくなっ
ている。図７は、上記のような正帰還回路を付加したＳ
ＱＵＩＤを用いて磁場を測定するＳＱＵＩＤ磁束計の構
成における直接帰還型のＦＬＬ（Flux Locked Loop：磁
束ロックループ）回路と、ｄｃ−ＳＱＵＩＤの接続関係
を示すもので、図中２１は２個のジョセフソン接合Ｊ3
，Ｊ4 を有するｄｃ−ＳＱＵＩＤ、抵抗Ｒ3 と正帰還
コイルＬ4 はこのＳＱＵＩＤに対する正帰還回路、２２
は磁束ロック用負帰還コイル、２５はＳＱＵＩＤ２１に
対し入力インピーダンスの大きなプリアンプ、２４はＳ
ＱＵＩＤ２１にバイアス電流を供給するバイアス電流供
給源、２６はプリアンプ２５からの出力を積分する積分
器、２７は負帰還回路で電流源である。プリアンプ２５
と積分器２６とフィードバック回路２７とＳＱＵＩＤ２
１はＦＬＬ回路を構成する。プリアンプ２５の出力は積
分器２６で参照電位２８と比較され、積分器２６の出力
を磁束ロック用負帰還コイル２２に加算してネガティブ
フィードバックすると、Φ−Ｖ曲線上の動作点（例え
ば、図６上のｄ点）に安定し、測定すべき磁場は、上記
のフィードバック量を出力値でモニターすることにより
得ることがきる。この状態を「ロックされた」と表現す
る。上記の方法は、ＦＬＬ法と呼ばれ、いわゆる「零位
法」の一種であり、入出力の関係が線形になるのが特徴
である。上記の動作点ｄは、参照電位２８にて設定さ
れ、通常、Φ−Ｖ曲線の傾きが最も急峻な点（例えば傾
斜の中点）である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
構成では低雑音のＳＱＵＩＤ磁束計が実現できるが、図
６に示すように磁束電圧変換率を向上させるために正帰
還を施して特性曲線の傾きを急にすることにより、ダイ
ナミックレンジ（線形が保持される入力磁束の範囲）は
図６中の正帰還を施す場合のΦ1 からΦ2 と、その範囲
は小さくなる。このようにダイナミッックレンジが縮小
することにより、ＳＱＵＩＤ制御回路の周波数特性の範
囲内の磁束入力に対しては零位法が成立するが、制御回
路が応答できないような高周波で大振幅の磁気入力に対
しては制御が外れてしまう、という問題点があった。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、正帰還回路を有するＳＱＵＩＤ磁束計において、
ダイナミックレンジ特性を向上させたＳＱＵＩＤ磁束計
を提供することを目的とする。
構成では低雑音のＳＱＵＩＤ磁束計が実現できるが、図
６に示すように磁束電圧変換率を向上させるために正帰
還を施して特性曲線の傾きを急にすることにより、ダイ
ナミックレンジ（線形が保持される入力磁束の範囲）は
図６中の正帰還を施す場合のΦ1 からΦ2 と、その範囲
は小さくなる。このようにダイナミッックレンジが縮小
することにより、ＳＱＵＩＤ制御回路の周波数特性の範
囲内の磁束入力に対しては零位法が成立するが、制御回
路が応答できないような高周波で大振幅の磁気入力に対
しては制御が外れてしまう、という問題点があった。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、正帰還回路を有するＳＱＵＩＤ磁束計において、
ダイナミックレンジ特性を向上させたＳＱＵＩＤ磁束計
を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本願の第１の発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計は、相互
インダクタンスによりＳＱＵＩＤに正帰還を付与する正
帰還コイルを含む正帰還回路を当該ＳＱＵＩＤの出力端
子に並列接続し、かつ相互インダクタンスによりＳＱＵ
ＩＤに負帰還を付与する負帰還コイルを含む負帰還回路
を前記正帰還回路に並列接続したＳＱＵＩＤ磁束計であ
って、前記正帰還回路は前記正帰還コイルに直列接続さ
れる第１抵抗およびインダクタを有するとともに、前記
負帰還回路は前記負帰還コイルに直列接続される第２抵
抗またはコンデンサを有し、前記ＳＱＵＩＤに入力され
る磁束の周波数に応じて前記ＳＱＵＩＤに対する帰還の
極性と量を制御するように構成される。上記において、
前記負帰還回路が、前記正帰還回路の第１抵抗とインダ
クタとの接続点と前記ＳＱＵＩＤの出力端子との間に並
列接続され、前記正帰還回路のインダクタにより前記正
帰還コイルへの通過を制限された高周波電流を選択的に
前記負帰還コイルへバイパスさせるように構成してもよ
い。また、本願の第２の発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計
は、相互インダクタンスＭpによりＳＱＵＩＤに正帰還
を付与する正帰還コイルを含む正帰還回路を当該ＳＱＵ
ＩＤの出力端子に並列接続し、かつ相互インダクタンス
Ｍn によりＳＱＵＩＤに負帰還を付与する負帰還コイル
を含む負帰還回路を前記正帰還回路に並列接続したＳＱ
ＵＩＤ磁束計であって、前記正帰還回路は前記正帰還コ
イルに直列接続される抵抗値Ｒ1 の第１抵抗およびイン
ダクタンスＬのインダクタを有するとともに、前記負帰
還回路は前記負帰還コイルに直列接続される抵抗値Ｒ2
の第２抵抗またはコンデンサを有し、前記ＳＱＵＩＤに
入力される磁束の角周波数ωとし、虚数単位をｊとし、
前記ＳＱＵＩＤの磁束電圧変換率をｄＶ／ｄΦとし、実
効的な磁束電圧変換率をｄＶ／ｄΦexとしたとき、下式
め、本願の第１の発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計は、相互
インダクタンスによりＳＱＵＩＤに正帰還を付与する正
帰還コイルを含む正帰還回路を当該ＳＱＵＩＤの出力端
子に並列接続し、かつ相互インダクタンスによりＳＱＵ
ＩＤに負帰還を付与する負帰還コイルを含む負帰還回路
を前記正帰還回路に並列接続したＳＱＵＩＤ磁束計であ
って、前記正帰還回路は前記正帰還コイルに直列接続さ
れる第１抵抗およびインダクタを有するとともに、前記
負帰還回路は前記負帰還コイルに直列接続される第２抵
抗またはコンデンサを有し、前記ＳＱＵＩＤに入力され
る磁束の周波数に応じて前記ＳＱＵＩＤに対する帰還の
極性と量を制御するように構成される。上記において、
前記負帰還回路が、前記正帰還回路の第１抵抗とインダ
クタとの接続点と前記ＳＱＵＩＤの出力端子との間に並
列接続され、前記正帰還回路のインダクタにより前記正
帰還コイルへの通過を制限された高周波電流を選択的に
前記負帰還コイルへバイパスさせるように構成してもよ
い。また、本願の第２の発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計
は、相互インダクタンスＭpによりＳＱＵＩＤに正帰還
を付与する正帰還コイルを含む正帰還回路を当該ＳＱＵ
ＩＤの出力端子に並列接続し、かつ相互インダクタンス
Ｍn によりＳＱＵＩＤに負帰還を付与する負帰還コイル
を含む負帰還回路を前記正帰還回路に並列接続したＳＱ
ＵＩＤ磁束計であって、前記正帰還回路は前記正帰還コ
イルに直列接続される抵抗値Ｒ1 の第１抵抗およびイン
ダクタンスＬのインダクタを有するとともに、前記負帰
還回路は前記負帰還コイルに直列接続される抵抗値Ｒ2
の第２抵抗またはコンデンサを有し、前記ＳＱＵＩＤに
入力される磁束の角周波数ωとし、虚数単位をｊとし、
前記ＳＱＵＩＤの磁束電圧変換率をｄＶ／ｄΦとし、実
効的な磁束電圧変換率をｄＶ／ｄΦexとしたとき、下式
【数２】 で表わされる前記実効的磁束電圧変換率ｄＶ／ｄΦex
が、低周波入力磁束の場合は大きく、高周波入力磁束の
場合は小さくなるように、前記各定数値を決定するよう
に構成される。
が、低周波入力磁束の場合は大きく、高周波入力磁束の
場合は小さくなるように、前記各定数値を決定するよう
に構成される。
【０００５】
【作用】上記構成を有する本発明によれば、ＳＱＵＩＤ
への正帰還回路にインダクタを直列接続し、この正帰還
回路に対し負帰還コイルを含む負帰還回路を並列接続す
ることにより、インダクタにより正帰還コイルへの通過
を制限された高周波電流を選択的に前記負帰還コイルへ
バイパスさせ、ＳＱＵＩＤへの正帰還量に周波数特性を
付与することができ、具体的には、低周波磁束入力に対
する磁束電圧変換率に対し高周波磁束入力に対する磁束
電圧変換率を減少させることができる。磁束電圧変換率
が大きければダイナミックレンジは縮小し、磁束電圧変
換率が小さくなればダイナミックレンジが拡大するか
ら、周波数が高く磁束ロックループが応答できない領域
の磁束入力信号に対してもダイナミックレンジを拡大す
ることが可能となる。したがって、入力磁束の周波数に
応じてＳＱＵＩＤの応答を制御することができる。
への正帰還回路にインダクタを直列接続し、この正帰還
回路に対し負帰還コイルを含む負帰還回路を並列接続す
ることにより、インダクタにより正帰還コイルへの通過
を制限された高周波電流を選択的に前記負帰還コイルへ
バイパスさせ、ＳＱＵＩＤへの正帰還量に周波数特性を
付与することができ、具体的には、低周波磁束入力に対
する磁束電圧変換率に対し高周波磁束入力に対する磁束
電圧変換率を減少させることができる。磁束電圧変換率
が大きければダイナミックレンジは縮小し、磁束電圧変
換率が小さくなればダイナミックレンジが拡大するか
ら、周波数が高く磁束ロックループが応答できない領域
の磁束入力信号に対してもダイナミックレンジを拡大す
ることが可能となる。したがって、入力磁束の周波数に
応じてＳＱＵＩＤの応答を制御することができる。
【０００６】
【実施例】以下、図面に基づき本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明の第１実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計
を示したもので、このＳＱＵＩＤ磁束計は、２個のジョ
セフソン接合Ｊ1 ，Ｊ2 を有するＳＱＵＩＤ１の出力側
端子Ｔ1 とＴ2 の間に抵抗Ｒ1 と正帰還コイルＬ1 、及
びインダクタＬ3 とからなる正帰還回路３Ａを並列接続
し、かつ、上記の抵抗Ｒ1 とインダクタＬ3 との接続点
Ｔ3 とＳＱＵＩＤ１の出力側端子Ｔ2 の間に抵抗Ｒ2 と
負帰還コイルＬ2 とからなる負帰還回路４Ａを並列接続
して構成されている。
る。図１は本発明の第１実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計
を示したもので、このＳＱＵＩＤ磁束計は、２個のジョ
セフソン接合Ｊ1 ，Ｊ2 を有するＳＱＵＩＤ１の出力側
端子Ｔ1 とＴ2 の間に抵抗Ｒ1 と正帰還コイルＬ1 、及
びインダクタＬ3 とからなる正帰還回路３Ａを並列接続
し、かつ、上記の抵抗Ｒ1 とインダクタＬ3 との接続点
Ｔ3 とＳＱＵＩＤ１の出力側端子Ｔ2 の間に抵抗Ｒ2 と
負帰還コイルＬ2 とからなる負帰還回路４Ａを並列接続
して構成されている。
【０００７】上記の正帰還回路３Ａにおいて、抵抗Ｒ1
とインダクタＬ3 及び正帰還コイルＬ1 は直列に接続さ
れている。また、上記の負帰還回路４Ａにおいて、抵抗
Ｒ2と負帰還コイルＬ2 は直列に接続されている。
とインダクタＬ3 及び正帰還コイルＬ1 は直列に接続さ
れている。また、上記の負帰還回路４Ａにおいて、抵抗
Ｒ2と負帰還コイルＬ2 は直列に接続されている。
【０００８】上記のＳＱＵＩＤ１は、磁束を磁束電圧変
換率ｄＶ／ｄΦで電気信号に変換する。また、上記の正
帰還回路３Ａの抵抗Ｒ1 は、ＳＱＵＩＤ１への正帰還量
を制限する働きをする。また、正帰還コイルＬ1 は、相
互インダクタンスＭp1の値を有し、ＳＱＵＩＤ１の出力
の一部を磁束の形でＳＱＵＩＤ１に正帰還を付与する働
きをする。インダクタＬ3 は、そのインダクタンスによ
り高周波信号電流を制限する働きをする。したがって、
高周波電流は、負帰還回路４Ａに選択的にバイパスされ
る。
換率ｄＶ／ｄΦで電気信号に変換する。また、上記の正
帰還回路３Ａの抵抗Ｒ1 は、ＳＱＵＩＤ１への正帰還量
を制限する働きをする。また、正帰還コイルＬ1 は、相
互インダクタンスＭp1の値を有し、ＳＱＵＩＤ１の出力
の一部を磁束の形でＳＱＵＩＤ１に正帰還を付与する働
きをする。インダクタＬ3 は、そのインダクタンスによ
り高周波信号電流を制限する働きをする。したがって、
高周波電流は、負帰還回路４Ａに選択的にバイパスされ
る。
【０００９】一方、上記の負帰還回路４Ａの抵抗Ｒ2
は、上記接続点Ｔ3 からバイパスされた高周波電流を制
限する働きをする。また、負帰還コイルＬ2 は、相互イ
ンダクタンスＭn1の値を有し、上記接続点Ｔ3 からバイ
パスされたＳＱＵＩＤ１の出力の一部を磁束の形でＳＱ
ＵＩＤ１に負帰還を付与する働きをする。
は、上記接続点Ｔ3 からバイパスされた高周波電流を制
限する働きをする。また、負帰還コイルＬ2 は、相互イ
ンダクタンスＭn1の値を有し、上記接続点Ｔ3 からバイ
パスされたＳＱＵＩＤ１の出力の一部を磁束の形でＳＱ
ＵＩＤ１に負帰還を付与する働きをする。
【００１０】次に、図２に、図１に示されたＳＱＵＩＤ
磁束計の動作特性を示す。上記のＳＱＵＩＤ磁束計のＳ
ＱＵＩＤ１の本来の磁束電圧変換率をｄＶ／ｄΦとし、
実効的な磁束電圧変換率をｄＶ／ｄΦexとすると、この
実効的磁束電圧変換率ｄＶ／ｄΦexは下式（１）
磁束計の動作特性を示す。上記のＳＱＵＩＤ磁束計のＳ
ＱＵＩＤ１の本来の磁束電圧変換率をｄＶ／ｄΦとし、
実効的な磁束電圧変換率をｄＶ／ｄΦexとすると、この
実効的磁束電圧変換率ｄＶ／ｄΦexは下式（１）
【数３】 のように表わせる。ここに、Ｌは上記正帰還回路３Ａ内
のインダクタＬ3 のインダクタンスであり、ωは角周波
数、ｊは虚数単位である。
のインダクタＬ3 のインダクタンスであり、ωは角周波
数、ｊは虚数単位である。
【００１１】上式（１）においては、ＳＱＵＩＤ１の出
力インピーダンス、正帰還コイルＬ1 の自己インダクタ
ンス、および負帰還コイルＬ2 の自己インダクタンスを
無視しているが、一般的にはＳＱＵＩＤのシャント抵抗
値は数オーム程度であること、および電流制御用のイン
ダクタＬ3 のインダクタンスＬは正帰還コイルＬ1 およ
び負帰還コイルＬ2 のインダクタンスより十分大きく設
定することから、式（１）で十分な近似となっている。
力インピーダンス、正帰還コイルＬ1 の自己インダクタ
ンス、および負帰還コイルＬ2 の自己インダクタンスを
無視しているが、一般的にはＳＱＵＩＤのシャント抵抗
値は数オーム程度であること、および電流制御用のイン
ダクタＬ3 のインダクタンスＬは正帰還コイルＬ1 およ
び負帰還コイルＬ2 のインダクタンスより十分大きく設
定することから、式（１）で十分な近似となっている。
【００１２】上記の第１実施例の構成において、入力磁
束が低周波領域における総合帰還量は、 Ｍp ／Ｒ1 −Ｍn ／（Ｒ1 ＋Ｒ2 ） ………（２） によって決定される。したがって、式（２）の第１項Ｍ
p ／Ｒ1 が第２項Ｍn ／（Ｒ1 ＋Ｒ2 ）よりも大きくな
るように各パラメータ（定数）値Ｍp ，Ｍn ，Ｒ1 ，Ｒ
2 等を設定しておけば、上式（２）は正値となり、低周
波領域においては正帰還がかかる。
束が低周波領域における総合帰還量は、 Ｍp ／Ｒ1 −Ｍn ／（Ｒ1 ＋Ｒ2 ） ………（２） によって決定される。したがって、式（２）の第１項Ｍ
p ／Ｒ1 が第２項Ｍn ／（Ｒ1 ＋Ｒ2 ）よりも大きくな
るように各パラメータ（定数）値Ｍp ，Ｍn ，Ｒ1 ，Ｒ
2 等を設定しておけば、上式（２）は正値となり、低周
波領域においては正帰還がかかる。
【００１３】このとき、上式（１）の分母における Ｍn ／（Ｒ1 ＋Ｒ2 ）−Ｍp ／（Ｒ1＋ｊωＬ） ………（３） は負値となるため、上式（１）の分母は１よりも小さく
なり、実効的磁束電圧変換率ｄＶ／ｄΦexはＳＱＵＩＤ
本来の磁束電圧変換率ｄＶ／ｄΦよりも大きくなる。
なり、実効的磁束電圧変換率ｄＶ／ｄΦexはＳＱＵＩＤ
本来の磁束電圧変換率ｄＶ／ｄΦよりも大きくなる。
【００１４】一方、入力磁束が高周波となり角周波数ω
が増加すると、上記のインダクタＬ3 のインダクタンス
Ｌにより正帰還コイルＬ1 に流れる電流が制限され、バ
イパス回路である負帰還回路４Ａのみに負帰還電流が流
れる。すなわち、上式（２）で与えられる総合帰還量の
符号は負となり、高周波領域においては負帰還がかか
る。
が増加すると、上記のインダクタＬ3 のインダクタンス
Ｌにより正帰還コイルＬ1 に流れる電流が制限され、バ
イパス回路である負帰還回路４Ａのみに負帰還電流が流
れる。すなわち、上式（２）で与えられる総合帰還量の
符号は負となり、高周波領域においては負帰還がかか
る。
【００１５】このとき、上式（３）は各パラメータ値を
適当に設定しておけば正値となるため、上式（１）の分
母は１よりも大きくなり、実効的磁束電圧変換率ｄＶ／
ｄΦexはＳＱＵＩＤ本来の磁束電圧変換率ｄＶ／ｄΦよ
りも小さくなる。
適当に設定しておけば正値となるため、上式（１）の分
母は１よりも大きくなり、実効的磁束電圧変換率ｄＶ／
ｄΦexはＳＱＵＩＤ本来の磁束電圧変換率ｄＶ／ｄΦよ
りも小さくなる。
【００１６】すなわち、高周波磁束入力に対する磁束電
圧変換率は減少することになる。このことを示した特性
図が図２である。すなわち、図２のグラフａに示すよう
に、低周波磁束入力に対する磁束電圧変換率は高く、図
２のグラフｂに示すように、低周波磁束入力に対する磁
束電圧変換率は、低周波磁束入力に対する磁束電圧変換
率に比べて低くなる。
圧変換率は減少することになる。このことを示した特性
図が図２である。すなわち、図２のグラフａに示すよう
に、低周波磁束入力に対する磁束電圧変換率は高く、図
２のグラフｂに示すように、低周波磁束入力に対する磁
束電圧変換率は、低周波磁束入力に対する磁束電圧変換
率に比べて低くなる。
【００１７】上述のように、図６の特性から、磁束電圧
変換率（図６の動作点ｄにおける波形の傾き）が急にな
ればΦ2 のようにダイナミックレンジが縮小し、磁束電
圧変換率が緩和されればΦ1 のようにダイナミックレン
ジが拡大するのであるから、本実施例の場合は、高周波
領域においてダイナミックレンジが拡大することにな
る。したがって、周波数が高く磁束ロックループが応答
できない領域の磁束入力信号に対してもダイナミックレ
ンジを増加することが可能となる。本実施例の場合は、
ダイナミックレンジを最大Φo （ここにΦo は磁束量子
を示す）まで拡大可能である。このように構成すること
により、ＳＱＵＩＤへの正帰還量に周波数特性を付与す
ることができ、ＦＬＬ回路が応答しないような高周波領
域においても入力磁束の周波数に応じて応答を制御する
ことができる。
変換率（図６の動作点ｄにおける波形の傾き）が急にな
ればΦ2 のようにダイナミックレンジが縮小し、磁束電
圧変換率が緩和されればΦ1 のようにダイナミックレン
ジが拡大するのであるから、本実施例の場合は、高周波
領域においてダイナミックレンジが拡大することにな
る。したがって、周波数が高く磁束ロックループが応答
できない領域の磁束入力信号に対してもダイナミックレ
ンジを増加することが可能となる。本実施例の場合は、
ダイナミックレンジを最大Φo （ここにΦo は磁束量子
を示す）まで拡大可能である。このように構成すること
により、ＳＱＵＩＤへの正帰還量に周波数特性を付与す
ることができ、ＦＬＬ回路が応答しないような高周波領
域においても入力磁束の周波数に応じて応答を制御する
ことができる。
【００１８】次に、図３に本発明の第２実施例の構成を
示す。図３に示すＳＱＵＩＤ磁束計は、２個のジョセフ
ソン接合Ｊ1 ，Ｊ2 を有するＳＱＵＩＤ１の出力側端子
Ｔ1とＴ2 の間に上記の第１実施例と同様な抵抗Ｒ1 と
正帰還コイルＬ1 、及びインダクタＬ3 とからなる正帰
還回路３Ａを並列接続し、かつ、上記の抵抗Ｒ1 とイン
ダクタＬ3 との接続点Ｔ3 とＳＱＵＩＤ１の出力側端子
Ｔ2 の間にコンデンサＣと負帰還コイルＬ2 とからなる
負帰還回路４Ｂを並列接続して構成されている。
示す。図３に示すＳＱＵＩＤ磁束計は、２個のジョセフ
ソン接合Ｊ1 ，Ｊ2 を有するＳＱＵＩＤ１の出力側端子
Ｔ1とＴ2 の間に上記の第１実施例と同様な抵抗Ｒ1 と
正帰還コイルＬ1 、及びインダクタＬ3 とからなる正帰
還回路３Ａを並列接続し、かつ、上記の抵抗Ｒ1 とイン
ダクタＬ3 との接続点Ｔ3 とＳＱＵＩＤ１の出力側端子
Ｔ2 の間にコンデンサＣと負帰還コイルＬ2 とからなる
負帰還回路４Ｂを並列接続して構成されている。
【００１９】上記の負帰還回路４Ｂにおいて、コンデン
サＣと負帰還コイルＬ2 は直列に接続されている。
サＣと負帰還コイルＬ2 は直列に接続されている。
【００２０】上記の正帰還回路３Ａの働きは第１実施例
における正帰還回路３Ａの働きとまったく同様である。
一方、上記の負帰還回路４ＢのコンデンサＣは、高周波
電流をよく通過させ低周波電流を通過させないような働
きをする。したがって、コンデンサＣは上記のインダク
タＬ3 により上記接続点Ｔ3 からバイパスされた高周波
電流をよく通過させる働きをする。また、負帰還コイル
Ｌ2 は、相互インダクタンスＭn1の値を有し、上記接続
点Ｔ3 からバイパスされたＳＱＵＩＤ１の出力の一部を
磁束の形でＳＱＵＩＤ１に負帰還を付与する働きをす
る。
における正帰還回路３Ａの働きとまったく同様である。
一方、上記の負帰還回路４ＢのコンデンサＣは、高周波
電流をよく通過させ低周波電流を通過させないような働
きをする。したがって、コンデンサＣは上記のインダク
タＬ3 により上記接続点Ｔ3 からバイパスされた高周波
電流をよく通過させる働きをする。また、負帰還コイル
Ｌ2 は、相互インダクタンスＭn1の値を有し、上記接続
点Ｔ3 からバイパスされたＳＱＵＩＤ１の出力の一部を
磁束の形でＳＱＵＩＤ１に負帰還を付与する働きをす
る。
【００２１】この図３に示す第２実施例のように構成し
ても、図１に示す第１実施例と同様に、負帰還回路に高
周波電流をバイパスし正帰還を負帰還に反転させ高周波
領域においてダイナミックレンジを拡大させる効果を奏
する。
ても、図１に示す第１実施例と同様に、負帰還回路に高
周波電流をバイパスし正帰還を負帰還に反転させ高周波
領域においてダイナミックレンジを拡大させる効果を奏
する。
【００２２】次に、図４に本発明の第３実施例の構成を
示す。図４に示すＳＱＵＩＤ磁束計は、２個のジョセフ
ソン接合Ｊ1 ，Ｊ2 を有するＳＱＵＩＤ１の出力側端子
Ｔ1とＴ2 の間に上記の第１実施例と同様な抵抗Ｒ1 と
正帰還コイルＬ1 、及びインダクタＬ3 とからなる正帰
還回路３Ａを並列接続し、かつ、上記のＳＱＵＩＤ１の
出力側端子Ｔ1 とＴ2 との間にコンデンサＣと抵抗Ｒ2
と負帰還コイルＬ2 とからなる負帰還回路４Ｃを並列接
続して構成されている。
示す。図４に示すＳＱＵＩＤ磁束計は、２個のジョセフ
ソン接合Ｊ1 ，Ｊ2 を有するＳＱＵＩＤ１の出力側端子
Ｔ1とＴ2 の間に上記の第１実施例と同様な抵抗Ｒ1 と
正帰還コイルＬ1 、及びインダクタＬ3 とからなる正帰
還回路３Ａを並列接続し、かつ、上記のＳＱＵＩＤ１の
出力側端子Ｔ1 とＴ2 との間にコンデンサＣと抵抗Ｒ2
と負帰還コイルＬ2 とからなる負帰還回路４Ｃを並列接
続して構成されている。
【００２３】上記の負帰還回路４Ｃにおいて、コンデン
サＣと抵抗Ｒ2 と負帰還コイルＬ2は直列に接続されて
いる。
サＣと抵抗Ｒ2 と負帰還コイルＬ2は直列に接続されて
いる。
【００２４】上記の正帰還回路３Ａの働きは第１実施例
における正帰還回路３Ａの働きとまったく同様である。
一方、上記の負帰還回路４Ｃの抵抗Ｒ2 は、上記ＳＱＵ
ＩＤ１の出力側端子Ｔ1 からバイパスされた高周波電流
を制限する働きをする。またコンデンサＣは、高周波電
流をよく通過させ低周波電流を通過させないような働き
をする。したがって、コンデンサＣは上記のＳＱＵＩＤ
出力側端子Ｔ1 からバイパスされた高周波電流をよく通
過させる働きをする。また、負帰還コイルＬ2は、相互
インダクタンスＭn1の値を有し、上記接続点Ｔ3 からバ
イパスされたＳＱＵＩＤ１の出力の一部を磁束の形でＳ
ＱＵＩＤ１に負帰還を付与する働きをする。
における正帰還回路３Ａの働きとまったく同様である。
一方、上記の負帰還回路４Ｃの抵抗Ｒ2 は、上記ＳＱＵ
ＩＤ１の出力側端子Ｔ1 からバイパスされた高周波電流
を制限する働きをする。またコンデンサＣは、高周波電
流をよく通過させ低周波電流を通過させないような働き
をする。したがって、コンデンサＣは上記のＳＱＵＩＤ
出力側端子Ｔ1 からバイパスされた高周波電流をよく通
過させる働きをする。また、負帰還コイルＬ2は、相互
インダクタンスＭn1の値を有し、上記接続点Ｔ3 からバ
イパスされたＳＱＵＩＤ１の出力の一部を磁束の形でＳ
ＱＵＩＤ１に負帰還を付与する働きをする。
【００２５】この図４に示す第３実施例のように構成し
ても、図１に示す第１実施例や図２に示す第２実施例と
同様に、負帰還回路に高周波電流をバイパスし正帰還を
負帰還に反転させ高周波領域においてダイナミックレン
ジを拡大させる効果を奏する。
ても、図１に示す第１実施例や図２に示す第２実施例と
同様に、負帰還回路に高周波電流をバイパスし正帰還を
負帰還に反転させ高周波領域においてダイナミックレン
ジを拡大させる効果を奏する。
【００２６】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。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、上記構成を有する
本発明によれば、ＳＱＵＩＤへの正帰還回路にインダク
タを直列接続し、この正帰還回路に対し負帰還コイルを
含む負帰還回路を並列接続することにより、インダクタ
により正帰還コイルへの通過を制限された高周波電流を
選択的に前記負帰還コイルへバイパスさせ、ＳＱＵＩＤ
への正帰還量に周波数特性を付与することができ、具体
的には、低周波磁束入力に対する磁束電圧変換率に対し
高周波磁束入力に対する磁束電圧変換率を減少させるこ
とができる。磁束電圧変換率が大きければダイナミック
レンジは縮小し、磁束電圧変換率が小さくなればダイナ
ミックレンジが拡大するから、周波数が高く磁束ロック
ループが応答できない領域の磁束入力信号に対してもダ
イナミックレンジを拡大することが可能となる。したが
って、入力磁束の周波数に応じてＳＱＵＩＤの応答を制
御することができる、という利点がある。
本発明によれば、ＳＱＵＩＤへの正帰還回路にインダク
タを直列接続し、この正帰還回路に対し負帰還コイルを
含む負帰還回路を並列接続することにより、インダクタ
により正帰還コイルへの通過を制限された高周波電流を
選択的に前記負帰還コイルへバイパスさせ、ＳＱＵＩＤ
への正帰還量に周波数特性を付与することができ、具体
的には、低周波磁束入力に対する磁束電圧変換率に対し
高周波磁束入力に対する磁束電圧変換率を減少させるこ
とができる。磁束電圧変換率が大きければダイナミック
レンジは縮小し、磁束電圧変換率が小さくなればダイナ
ミックレンジが拡大するから、周波数が高く磁束ロック
ループが応答できない領域の磁束入力信号に対してもダ
イナミックレンジを拡大することが可能となる。したが
って、入力磁束の周波数に応じてＳＱＵＩＤの応答を制
御することができる、という利点がある。
【図１】本発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計の第１実施例の
構成を示す回路図である。
構成を示す回路図である。
【図２】図１に示すＳＱＵＩＤ磁束計の動作を説明する
図である。
図である。
【図３】本発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計の第２実施例の
構成を示す回路図である。
構成を示す回路図である。
【図４】本発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計の第３実施例の
構成を示す回路図である。
構成を示す回路図である。
【図５】従来のＳＱＵＩＤの構成を示す回路図である。
【図６】図５に示すＳＱＵＩＤを用いた磁束計の動作を
説明する図である。
説明する図である。
【図７】図５に示すＳＱＵＩＤを用いた磁束計の構成を
示すブロック回路図である。
示すブロック回路図である。
１ ＳＱＵＩＤ ３Ａ〜３Ｃ 正帰還回路 ４Ａ〜４Ｃ 負帰還回路 ２１ ＳＱＵＩＤ ２２ 磁束ロック用負帰還コイル ２４ バイアス電流供給源 ２５ プリアンプ ２６ 積分器 ２７ 負帰還回路 ２８ 参照電位 ２９ ＦＬＬ回路 Ｃ コンデンサ Ｊ1 〜Ｊ4 ジョセフソン接合 Ｌ1 ，Ｌ4 正帰還コイル Ｌ2 負帰還コイル Ｌ3 インダクタ Ｒ1 〜Ｒ3 抵抗 Ｔ1 〜Ｔ5 ＳＱＵＩＤ出力端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−164003（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−198815（ＪＰ，Ａ) 国際公開91／18298（ＷＯ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】 相互インダクタンスによりＳＱＵＩＤに
正帰還を付与する正帰還コイルを含む正帰還回路を当該
ＳＱＵＩＤの出力端子に並列接続し、かつ相互インダク
タンスによりＳＱＵＩＤに負帰還を付与する負帰還コイ
ルを含む負帰還回路を前記正帰還回路に並列接続したＳ
ＱＵＩＤ磁束計であって、 前記正帰還回路は前記正帰還コイルに直列接続される第
１抵抗およびインダクタを有するとともに、前記負帰還
回路は前記負帰還コイルに直列接続される第２抵抗また
はコンデンサを有し、前記ＳＱＵＩＤに入力される磁束
の周波数に応じて前記ＳＱＵＩＤに対する帰還の極性と
量を制御することを特徴とするＳＱＵＩＤ磁束計。 - 【請求項２】 前記負帰還回路は、前記正帰還回路の第
１抵抗とインダクタとの接続点と前記ＳＱＵＩＤの出力
端子との間に並列接続され、前記正帰還回路のインダク
タにより前記正帰還コイルへの通過を制限された高周波
電流を選択的に前記負帰還コイルへバイパスさせること
を特徴とする請求項１に記載したＳＱＵＩＤ磁束計。 - 【請求項３】 相互インダクタンスＭp によりＳＱＵＩ
Ｄに正帰還を付与する正帰還コイルを含む正帰還回路を
当該ＳＱＵＩＤの出力端子に並列接続し、かつ相互イン
ダクタンスＭn によりＳＱＵＩＤに負帰還を付与する負
帰還コイルを含む負帰還回路を前記正帰還回路に並列接
続したＳＱＵＩＤ磁束計であって、 前記正帰還回路は前記正帰還コイルに直列接続される抵
抗値Ｒ1 の第１抵抗およびインダクタンスＬのインダク
タを有するとともに、前記負帰還回路は前記負帰還コイ
ルに直列接続される抵抗値Ｒ2 の第２抵抗またはコンデ
ンサを有し、前記ＳＱＵＩＤに入力される磁束の角周波
数ωとし、虚数単位をｊとし、前記ＳＱＵＩＤの磁束電
圧変換率をｄＶ／ｄΦとし、実効的な磁束電圧変換率を
ｄＶ／ｄΦexとしたとき、下式 【数１】 で表わされる前記実効的磁束電圧変換率ｄＶ／ｄΦex
が、低周波入力磁束の場合は大きく、高周波入力磁束の
場合は小さくなるように、前記各定数値を決定すること
を特徴とするＳＱＵＩＤ磁束計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6079206A JP2552250B2 (ja) | 1994-03-28 | 1994-03-28 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6079206A JP2552250B2 (ja) | 1994-03-28 | 1994-03-28 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07270506A JPH07270506A (ja) | 1995-10-20 |
| JP2552250B2 true JP2552250B2 (ja) | 1996-11-06 |
Family
ID=13683480
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6079206A Expired - Lifetime JP2552250B2 (ja) | 1994-03-28 | 1994-03-28 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2552250B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5317587B2 (ja) * | 2008-08-29 | 2013-10-16 | 公立大学法人 滋賀県立大学 | 制御アクチュエーター及び振動制御方法 |
-
1994
- 1994-03-28 JP JP6079206A patent/JP2552250B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07270506A (ja) | 1995-10-20 |
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