JP2613559B2

JP2613559B2 - Ｓｑｕｉｄ磁束計

Info

Publication number: JP2613559B2
Application number: JP6140690A
Authority: JP
Inventors: 健一岡島; 確足立
Original assignee: 株式会社超伝導センサ研究所
Priority date: 1994-06-01
Filing date: 1994-06-01
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: JPH07325136A

Description

【発明の詳細な説明】

【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
計に係り、より詳しくは、ジョセフソン接合部の臨界電
流値の揺らぎに起因する低周波領域における１／ｆ雑音
を低減しうるＳＱＵＩＤ磁束計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＳＱＵＩＤは、図５（Ａ）に示す
ように、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た超伝導リ
ング１０１内に２つのジョセフソン接合１０２，１０３
を備えて構成される。このＳＱＵＩＤの端子１０４，１
０５にバイアス電流源１０６からバイアス電流を流した
状態で、ピックアップコイルや入力コイル等を介して超
伝導リング１０１内に磁束が鎖交すると、超伝導リング
１０１に周回電流が誘起され、リング内のジョセフソン
接合１０２，１０３における量子的な干渉効果により、
入力磁束に対応した出力電圧がジョセフソン接合１０
２，１０３の両端、すなわち端子１０４，１０５間に発
生するため、微弱な磁場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もので、特に
高感度磁束計として利用される。このＳＱＵＩＤ磁束計
は、現在得られる磁束計の中では最も感度が高く、ま
た、その応答が非常に早く、数GHz （ギガヘルツ）ない
し数１０GHz で動作し、生体の神経電流によって発生す
る生体磁場の計測や、材料の非破壊検査などの分野でそ
の応用が図られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＳＱＵＩＤ磁
束計には以下の問題点がある。まず、ＳＱＵＩＤの物理
的特性から、入力磁束と出力電圧が磁束量子（Φo ＝
２．０７ｆＷｂ）を１周期とする周期関数となるため、
ＳＱＵＩＤからの出力電圧を計測するだけでは入力磁束
量は得られない、という問題点がある。さらに、２つの
ジョセフソン接合の臨界電流が熱的に揺らぐことに起因
する１／ｆ雑音が発生する、という問題点がある。上記
のうち、第１の問題点については、ＳＱＵＩＤ出力の検
出回路を工夫することによって解決を図っている。すな
わち、ＳＱＵＩＤ出力を増幅し、さらにその出力を磁束
の形でＳＱＵＩＤリングに帰還させる方法である。この
方法により、ＳＱＵＩＤリング内は磁束が特定の値（動
作点）に保たれ、この動作点からの変位磁束に対してＳ
ＱＵＩＤは電圧を発生することになる。このようなＳＱ
ＵＩＤ動作方式は、ＳＱＵＩＤ出力をループ状にＳＱＵ
ＩＤに帰還させＳＱＵＩＤリング内磁束を特定の値に保
持（磁束ロック）して動作するため、磁束ロックループ
（ＦＬＬ：Flux Locked Loop）方式と呼ばれ、ＳＱＵＩ
Ｄを磁束計として動作させる上で公知の技術となってい
る。

【０００４】一方、１／ｆ雑音の低減方法としては、Ｓ
ＱＵＩＤに印加されるバイアス電流をプラス、マイナス
に交互に変化させ、両方のバイアス信号での出力を積分
する方法が提案されている。すなわち、ＳＱＵＩＤのジ
ョセフソン接合に流す電流Ｉとジョセフソン接合の両端
に発生する電圧Ｖとの関係（Ｉ−Ｖ特性）では、図５
（Ｂ）に示すように、特定の電流値（臨界電流）までは
超伝導性が保持され電圧は発生しない。ジョセフソン接
合にながれる電流がこの臨界電流を超えると、ジョセフ
ソン接合は常伝導となり、その両端に電圧が発生する。
ここで、ＳＱＵＩＤリングに外部磁束が鎖交すると、外
部磁束による遮蔽電流によりＩ−Ｖ特性が変化する。こ
こでＳＱＵＩＤに一定のバイアス電流を流しながら外部
磁束を変化させると、ＳＱＵＩＤの出力電圧は、図５
（Ｃ）に示すように、磁束量子（Φo＝２．０７ｆＷ
ｂ）を１周期として変化する。この電圧Ｖと外部磁束Φ
との関係はＶ−Φ特性と呼ばれる。バイアス電流を正、
負とするとそれぞれＶ−Φ特性が得られ、それぞれのＶ
−Φ特性の位相は２つのジョセフソン接合の臨界電流値
の違いによって決定される。すなわち、２つのジョセフ
ソン接合の臨界電流値が等しい場合には、Ｖ＝０におい
て正・負２つのＶ−Φ特性は対称となる。これに対し、
２つのジョセフソン接合の臨界電流値が異なる場合に
は、正・負２つのＶ−Φ特性はΦ軸方向で逆向きにずれ
る。また、外部磁束がＳＱＵＩＤリングを鎖交した場合
には、正・負２つのＶ−Φ特性はΦ軸方向で同じ向きに
ずれる。以上のことから、２つのＶ−Φ特性を用いるこ
とにより、外部磁束による磁気信号と、２つのジョセフ
ソン接合の臨界電流揺らぎによる電圧雑音（１／ｆ雑
音）を区別することができる。ここで、ＳＱＵＩＤの動
作点は、出力電圧を大きくするためＶ−Φ特性の最も急
峻な点（傾きの最大の点。たとえば、Ｖ−Φ曲線の傾斜
の中点など。）が選ばれる。

【０００５】以下に、上記の１／ｆ雑音低減方法に関す
る従来技術の問題点を述べる。まず、第１の従来技術と
して、米国特許 USP 4,389,612号が挙げられるが、この
特許で開示された従来技術は、図６（Ａ）に示すような
構成をとり、図６（Ｂ）に示すように、ＳＱＵＩＤ１に
対する変調磁束とバイアス電流とを同期して変化させ、
ＳＱＵＩＤ１の出力電圧を位相検波器７Ｅで検波し、積
分器６で積分した後、変調帰還コイル８によりＳＱＵＩ
Ｄ１に帰還する方法である。この場合、変調磁束の周波
数とバイアス電流の周波数は異なり、バイアス電流の周
波数のほうが変調磁束周波数よりも高くなっている。Ｓ
ＱＵＩＤの動作点は、図６（Ｃ）に示すように、図６
（Ｃ）中の（ａ）と（ｄ）を２往復した後、（ｂ）と
（ｃ）を２往復する。位相検波器７Ｅでの検波信号は、
図６（Ｂ）に示すように、バイアス電流信号と変調磁束
信号の排他的論理和（Exclusive OR）となる。ここで、
排他的論理和をとった検波信号は、デューティが５０％
ではなく、振幅振動やジッタなどの問題がある。さら
に、この方法を採用する場合には、検波信号を論理回路
を用いて作成しなければならず、論理回路による雑音が
問題となる。また、２つのジョセフソン接合の臨界電流
値が異なった場合には、図６（Ｄ）に示すように、正・
負バイアス時のＶ−Φ特性の位相が異なるため、動作点
がＶ−Φ特性の最も急峻な点からずれてしまう、という
問題がある。この問題は、実効的な磁束電圧変換率が小
さくなることに相当し、白色雑音のレベル増大を引き起
こす、という問題もあった。

【０００６】次に第２の従来技術として、Journal of L
ow Temperature Physics,Vol.51,Nos.1/2,pp.207-224(1
983)で開示された技術が挙げられるが、この第２の従来
技術は、図７（Ａ）に示すような構成をとり、図７
（Ｂ）に示すように、ＳＱＵＩＤ１に対する変調磁束と
バイアス電流とを同期して変化させ、ＳＱＵＩＤ１の出
力電圧を位相検波器７Ｆで検波し、積分器６で積分した
後、変調帰還コイル８によりＳＱＵＩＤ１に帰還する方
法である。この場合、変調磁束の周波数とバイアス電流
の周波数は異なり、変調磁束周波数のほうがバイアス電
流周波数よりも高くなっている。さらに、負のバイアス
電流を印加した際に同期して、磁束量子Φoの１／２の
大きさの磁束をＳＱＵＩＤリングに加える。ＳＱＵＩＤ
の動作点は、図７（Ｃ）に示すように、図７（Ｃ）中の
（ａ）と（ｂ）を複数回往復した後、（ｃ）と（ｅ）を
複数回往復する。位相検波器７Ｆでの検波信号は、図７
（Ｂ）に示すように、バイアス電流信号と変調磁束信号
の排他的論理和（Exclusive OR）となる。ここで、排他
的論理和をとった検波信号は、デューティが５０％では
なく、振幅振動やジッタなどの問題がある。さらに、こ
の方法を採用する場合には、検波信号を論理回路を用い
て作成しなければならず、論理回路による雑音が問題と
なる。また、２つのジョセフソン接合の臨界電流値が異
なった場合には、図７（Ｄ）に示すように、正・負バイ
アス時のＶ−Φ特性の位相が異なるため、動作点がＶ−
Φ特性の最も急峻な点からずれてしまう、という問題が
ある。この問題は、実効的な磁束電圧変換率が小さくな
ることに相当し、白色雑音のレベル増大を引き起こす、
という問題もあった。

【０００７】次に第３の従来技術として、電子情報通信
学会論文誌Ｃ−II、Vol.J72-C-II、No.2,pp.148-157(19
89) で開示された技術が挙げられるが、この第３の従来
技術は、図８（Ａ）に示すような構成をとり、図８
（Ｂ）に示すように、ＳＱＵＩＤ１に対する変調磁束と
バイアス電流とを同期して変化させ、ＳＱＵＩＤ１の出
力電圧を位相検波器７Ｇで検波し、積分器６で積分した
後、変調帰還コイル８によりＳＱＵＩＤ１に帰還する方
法である。この場合、変調磁束の周波数とバイアス電流
の周波数は異なり、変調磁束周波数のほうがバイアス電
流周波数よりも高くなっている。ＳＱＵＩＤの動作点
は、図８（Ｃ）に示すように、図８（Ｃ）中の（ａ）と
（ｂ）を複数回往復した後、（ｄ）と（ｃ）を複数回往
復する。位相検波器７Ｆでの検波信号は、図８（Ｂ）に
示すように、バイアス電流信号と変調磁束信号の排他的
論理和（Exclusive OR）となる。ここで、排他的論理和
をとった検波信号は、デューティが５０％ではなく、振
幅振動やジッタなどの問題がある。さらに、この方法を
採用する場合には、検波信号を論理回路を用いて作成し
なければならず、論理回路による雑音が問題となる。ま
た、２つのジョセフソン接合の臨界電流値が異なった場
合には、図８（Ｄ）に示すように、正・負バイアス時の
Ｖ−Φ特性の位相が異なるため、動作点がＶ−Φ特性の
最も急峻な点からずれてしまう、という問題がある。こ
の問題は、実効的な磁束電圧変換率が小さくなることに
相当し、白色雑音のレベル増大を引き起こす、という問
題もあった。

【０００８】次に第４の従来技術として、米国電気電子
学会（ＩＥＥＥ）のTransaction onMagnetics,Vol.25,N
o.2,pp.1034-1037(1989) で開示された技術が挙げられ
るが、この第４の従来技術は、図９（Ａ）に示すような
構成をとり、図９（Ｂ）に示すように、ＳＱＵＩＤ１に
対する変調磁束とバイアス電流とを同期して変化させ、
ＳＱＵＩＤ１の出力電圧を積分器６で積分した後、変調
帰還コイル８によりＳＱＵＩＤ１に帰還する方法であ
る。ＳＱＵＩＤの動作点は、図９（Ｃ）に示すように、
図９（Ｃ）中の（ａ）と（ｃ）または（ｂ）と（ｄ）を
交互に移動する。信号は変調されないため、直流成分を
含み、信号増幅のための磁束トランスを使用することが
できない。そのため、きわめてローノイズの直流アンプ
が必要になる、という問題がある。さらに、この方法に
よってＳＱＵＩＤの低周波雑音（１／ｆ雑音）が減少す
るものの、回路自身の持つ低周波雑音（１／ｆ雑音）の
除去は不可能である、という問題がある。さらに、２つ
のジョセフソン接合の臨界電流値が異なった場合には、
図９（Ｄ）に示すように、正・負バイアス時のＶ−Φ特
性の位相が異なるため、動作点がＶ−Φ特性の最も急峻
な点からずれてしまう、という問題がある。この問題
は、実効的な磁束電圧変換率が小さくなることに相当
し、白色雑音のレベル増大を引き起こす、という問題も
あった。

【０００９】第５の従来技術として、米国電気電子学会
（ＩＥＥＥ）のTransaction on Magnetics,Vol.25,No.
2,pp.1034-1037(1989) で開示された技術が挙げられる
が、この第５の従来技術は、図１０（Ａ）に示すような
構成をとり、図１０（Ｂ）に示すように、ＳＱＵＩＤ１
に対する変調磁束とバイアス電流とを同期して変化さ
せ、第２高調波を位相検波器７Ｊで検波し積分器６で積
分した後、変調帰還コイル８によりＳＱＵＩＤ１に帰還
する方法である。これは、図１０（Ｃ）に示すように、
ＳＱＵＩＤの動作点を、図１０（Ｃ）中の（ａ）→
（ｆ）→（ｃ）→（ｆ）→（ａ）と変化させることに相
当する。この方法では、ゼロレベル（ｆ）を信号の間に
挟むため、磁束電圧変換率は低減し、１／ｆ雑音は減少
するものの、白色雑音は増加する、という問題がある。
さらに、２つのジョセフソン接合の臨界電流値が異なっ
た場合には、図１０（Ｄ）に示すように、正・負バイア
ス時のＶ−Φ特性の位相が異なるため、動作点がＶ−Φ
特性の最も急峻な点からずれてしまう、という問題があ
る。この問題は、実効的な磁束電圧変換率が小さくなる
ことに相当し、白色雑音のレベル増大を引き起こす、と
いう問題もあった。

【００１０】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、ジョセフソン接合部の臨界電流値
の揺らぎに起因する低周波領域における１／ｆ雑音を効
果的に低減しうるＳＱＵＩＤ磁束計を提供することを目
的とする。

【００１１】

【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、ジョ
セフソン接合を有するＳＱＵＩＤリングを有し被験体か
らの磁気信号に対応して電圧を発生するＳＱＵＩＤと、
当該ＳＱＵＩＤにバイアス電流を供給する手段と、前記
ＳＱＵＩＤからの検知磁束信号を変調する手段と、前記
ＳＱＵＩＤからの出力電圧を増幅する手段と、変調され
た信号を復調する手段と、復調された信号を前記ＳＱＵ
ＩＤに磁気的に帰還する手段とを備え、前記ＳＱＵＩＤ
リング内の磁束を特定の値である動作点に保ち、外部磁
束の当該動作点からの変化分に対して電圧出力するよう
な帰還動作を行うＳＱＵＩＤ磁束計において、前記バイ
アス電流を正と負に交番させるとともに、正バイアス時
に２つの動作点を、かつ負バイアス時に２つの動作点
を、それぞれ設定し、これらの動作点のうち２つまたは
４つの動作点を順次移動させ、前記ジョセフソン接合の
物理的特性の揺らぎに起因する雑音を除去するように構
成される。上記において、前記正負バイアス印加時に、
前記ＳＱＵＩＤリング内に異なる磁束を供給し、かつそ
の磁束量の差が磁束量子の１／２を超えることがないよ
うに構成してもよい。また、本願の第２の発明に係るＳ
ＱＵＩＤ磁束計は、ジョセフソン接合を有するＳＱＵＩ
Ｄリングを有し被験体からの磁気信号に対応して電圧を
発生するＳＱＵＩＤと、当該ＳＱＵＩＤにバイアス電流
を供給する手段と、前記ＳＱＵＩＤからの検知磁束信号
を変調する手段と、前記ＳＱＵＩＤからの出力電圧を増
幅する手段と、増幅された信号を前記ＳＱＵＩＤに磁気
的に帰還する手段とを備え、前記ＳＱＵＩＤリング内の
磁束を特定の値である動作点に保ち、外部磁束の当該動
作点からの変化分に対して電圧出力するような帰還動作
を行うＳＱＵＩＤ磁束計において、前記バイアス電流を
正と負に交番させるとともに、正バイアス時の２つの動
作点のうちの一方の動作点と負バイアス時の２つの動作
点のうちの一方の動作点を交互に移動させ、前記ジョセ
フソン接合の物理的特性の揺らぎに起因する雑音を除去
するように構成される。上記において、前記正負バイア
ス印加時に、前記ＳＱＵＩＤリング内に異なる磁束を供
給し、かつその磁束量の差が磁束量子の１／２を超える
ことがないように構成してもよい。

【００１２】

【作用】上記構成を有する本発明によれば、正バイアス
と負バイアスでそれぞれ動作点を設定しており、ＳＱＵ
ＩＤ内の２つのジョセフソン接合の臨界電流の相違によ
るＶ−Φ特性の位相のずれを補正する磁束を外部から加
えている。このため、２つのジョセフソン接合の臨界電
流値が異なった場合に正・負バイアス時のＶ−Φ特性の
位相が異なっても、補正磁束により動作点はＶ−Φ特性
の最も急峻な点を保持し、従来のようにＳＱＵＩＤ内の
２つのジョセフソン接合の物理的パラメータ（臨界電流
値）の揺らぎに起因するＳＱＵＩＤ磁束計の低周波雑音
（１／ｆ雑音：フリッカー雑音）を除去することができ
る。したがって、最大の実効的磁束電圧変換率が得ら
れ、白色雑音のレベル増大も生じない。また、論理回路
等を使用しないため、論理回路による雑音の問題は生じ
ない。

【００１３】

【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
の構成およびその動作を示したものである。このＳＱＵ
ＩＤ磁束計は、図１（Ａ）に示すような構成をとり、図
１（Ｂ）に示すように、ＳＱＵＩＤ１に対する変調磁束
とバイアス電流とを１／２波長ずらして変化させ、ＳＱ
ＵＩＤ１の出力電圧を位相検波器７Ａで検波し、積分器
６で積分した後、変調帰還コイル８によりＳＱＵＩＤ１
に帰還する方法である。このような構成により、本実施
例では、正バイアスと負バイアスでそれぞれ２つの動作
点を設定している。また、図１（Ｂ）に示すように、Ｓ
ＱＵＩＤ内の２つのジョセフソン接合の臨界電流の相違
によるＶ−Φ特性の位相のずれを補正する磁束ΔΦ（実
際には、磁束量の異なる２つの磁束を付与する。）を外
部から加えている。また、この場合、ΔΦの大きさは磁
束量子Φo の１／２を超えないように設定する。

【００１４】この場合、変調磁束の周波数とバイアス電
流の周波数は等しくなっている。ＳＱＵＩＤの動作点
は、図１（Ｃ）に示すように、図１（Ｃ）中で（ａ）→
（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）を順次移動する。

【００１５】位相検波器７Ａでの検波信号は、図１
（Ｂ）に示すように、バイアス電流信号と変調磁束信号
の排他的論理和（Exclusive OR）となる。ここで、排他
的論理和をとった検波信号は、デューティが５０％であ
り、振幅振動やジッタなどの問題は生じない。さらに、
この方法を採用する場合には、検波信号を論理回路を使
用しないで作成することができ、論理回路による雑音の
問題は生じない。

【００１６】また、２つのジョセフソン接合の臨界電流
値が異なった場合には、図１（Ｄ）に示すように、正・
負バイアス時のＶ−Φ特性の位相が異なるが、図１
（Ｂ）に示すように、正・負のバイアス電流を印加した
際に同期してΔΦの大きさの磁束が補正磁束ＳＱＵＩＤ
リングに加えられているので、ΔΦの補正磁束により動
作点はＶ−Φ特性の最も急峻な点を保持し、従来のよう
にＳＱＵＩＤ内の２つのジョセフソン接合の物理的パラ
メータ（臨界電流値）の揺らぎに起因するＳＱＵＩＤ磁
束計の低周波雑音（１／ｆ雑音）を除去することができ
る。したがって、実効的な磁束電圧変換率は減少せず最
大の値を得ることができ、白色雑音のレベル増大も生じ
ない。

【００１７】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。図２は本発明の第２実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計
の構成およびその動作を示したものである。このＳＱＵ
ＩＤ磁束計は、図２（Ａ）に示すような構成をとり、図
２（Ｂ）に示すように、ＳＱＵＩＤ１に対する変調磁束
とバイアス電流とを同期して変化させ、ＳＱＵＩＤ１の
出力電圧を位相検波器７Ｂで検波し、積分器６で積分し
た後、変調帰還コイル８によりＳＱＵＩＤ１に帰還する
方法である。このような構成により、本実施例では、正
バイアスと負バイアスでそれぞれ２つの動作点を設定し
ている。また、図２（Ｂ）に示すように、ＳＱＵＩＤ内
の２つのジョセフソン接合の臨界電流の相違によるＶ−
Φ特性の位相のずれを補正する磁束ΔΦ（実際には、磁
束量の異なる２つの磁束を付与する。）を外部から加え
ている。また、この場合、ΔΦの大きさは磁束量子Φo
の１／２を超えないように設定する。

【００１８】この場合、変調磁束の周波数とバイアス電
流の周波数は異なり、バイアス電流周波数のほうが変調
磁束周波数よりも高くなっている。ＳＱＵＩＤの動作点
は、図２（Ｃ）に示すように、図２（Ｃ）中で（ａ）→
（ｃ）→（ｂ）→（ｄ）を順次移動するか、あるいは、
その逆の（ｄ）→（ｂ）→（ｃ）→（ａ）を順次移動す
る。

【００１９】位相検波器７Ｂでの検波信号は、図２
（Ｂ）に示すように、バイアス電流信号と変調磁束信号
の排他的論理和（Exclusive OR）となる。ここで、排他
的論理和をとった検波信号は、デューティが５０％であ
り、振幅振動やジッタなどの問題は生じない。さらに、
この方法を採用する場合には、検波信号を論理回路を使
用しないで作成することができ、論理回路による雑音の
問題は生じない。

【００２０】また、２つのジョセフソン接合の臨界電流
値が異なった場合には、図２（Ｄ）に示すように、正・
負バイアス時のＶ−Φ特性の位相が異なるが、図２
（Ｂ）に示すように、正・負のバイアス電流を印加した
際に同期してΔΦの大きさの磁束が補正磁束ＳＱＵＩＤ
リングに加えられているので、ΔΦの補正磁束により動
作点はＶ−Φ特性の最も急峻な点を保持し、従来のよう
にＳＱＵＩＤ内の２つのジョセフソン接合の物理的パラ
メータ（臨界電流値）の揺らぎに起因するＳＱＵＩＤ磁
束計の低周波雑音（１／ｆ雑音）を除去することができ
る。したがって、実効的な磁束電圧変換率は減少せず最
大の値を得ることができ、白色雑音のレベル増大も生じ
ない。

【００２１】次に、本発明の第３実施例について説明す
る。図３は本発明の第３実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計
の構成およびその動作を示したものである。このＳＱＵ
ＩＤ磁束計は、図３（Ａ）に示すような構成をとり、図
３（Ｂ）に示すように、ＳＱＵＩＤ１に対する変調磁束
とバイアス電流とを同期して変化させ、ＳＱＵＩＤ１の
出力電圧を位相検波器７Ｃで検波し、積分器６で積分し
た後、変調帰還コイル８によりＳＱＵＩＤ１に帰還する
方法である。このような構成により、本実施例では、正
バイアスと負バイアスでそれぞれ２つの動作点を設定し
ている。また、図３（Ｂ）に示すように、ＳＱＵＩＤ内
の２つのジョセフソン接合の臨界電流の相違によるＶ−
Φ特性の位相のずれを補正する磁束ΔΦ（実際には、磁
束量の異なる２つの磁束を付与する。）を外部から加え
ている。また、この場合、ΔΦの大きさは磁束量子Φo
の１／２を超えないように設定する。

【００２２】この場合、変調磁束の周波数とバイアス電
流の周波数は異なり、変調磁束周波数のほうがバイアス
電流周波数よりも高くなっている。ＳＱＵＩＤの動作点
は、図３（Ｃ）に示すように、図３（Ｃ）中で（ａ）→
（ｃ）→（ｄ）→（ｂ）を順次移動するか、あるいは、
その逆の（ｂ）→（ｄ）→（ｃ）→（ａ）を順次移動す
る。

【００２３】位相検波器７Ｃでの検波信号は、図３
（Ｂ）に示すように、バイアス電流信号と変調磁束信号
の排他的論理和（Exclusive OR）となる。ここで、排他
的論理和をとった検波信号は、デューティが５０％であ
り、振幅振動やジッタなどの問題は生じない。さらに、
この方法を採用する場合には、検波信号を論理回路を使
用しないで作成することができ、論理回路による雑音の
問題は生じない。

【００２４】また、２つのジョセフソン接合の臨界電流
値が異なった場合には、図３（Ｄ）に示すように、正・
負バイアス時のＶ−Φ特性の位相が異なるが、図３
（Ｂ）に示すように、正・負のバイアス電流を印加した
際に同期してΔΦの大きさの磁束が補正磁束ＳＱＵＩＤ
リングに加えられているので、ΔΦの補正磁束により動
作点はＶ−Φ特性の最も急峻な点を保持し、従来のよう
にＳＱＵＩＤ内の２つのジョセフソン接合の物理的パラ
メータ（臨界電流値）の揺らぎに起因するＳＱＵＩＤ磁
束計の低周波雑音（１／ｆ雑音）を除去することができ
る。したがって、実効的な磁束電圧変換率は減少せず最
大の値を得ることができ、白色雑音のレベル増大も生じ
ない。

【００２５】次に、本発明の第４実施例について説明す
る。図４は本発明の第４実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計
の構成およびその動作を示したものである。このＳＱＵ
ＩＤ磁束計は、図４（Ａ）に示すような構成をとり、図
４（Ｂ）に示すように、ＳＱＵＩＤ１に対する変調磁束
とバイアス電流とを同期して変化させ、ＳＱＵＩＤ１の
出力電圧を積分器６で積分した後、変調帰還コイル８に
よりＳＱＵＩＤ１に帰還する方法である。このような構
成により、本実施例では、正バイアスと負バイアスでそ
れぞれ２つの動作点を設定している。また、図４（Ｂ）
に示すように、ＳＱＵＩＤ内の２つのジョセフソン接合
の臨界電流の相違によるＶ−Φ特性の位相のずれを補正
する磁束ΔΦ（実際には、磁束量の異なる２つの磁束を
付与する。）を外部から加えている。また、この場合、
ΔΦの大きさは磁束量子Φo の１／２を超えないように
設定する。

【００２６】この場合、変調磁束の周波数とバイアス電
流の周波数は等しくなっている。ＳＱＵＩＤの動作点
は、図４（Ｃ）に示すように、図４（Ｃ）中で（ａ）と
（ｄ）の間、または（ｂ）と（ｃ）の間を順次移動す
る。

【００２７】この方法を採用する場合には、検波信号を
論理回路を使用しないで作成することができ、論理回路
による雑音の問題は生じない。

【００２８】また、２つのジョセフソン接合の臨界電流
値が異なった場合には、図４（Ｄ）に示すように、正・
負バイアス時のＶ−Φ特性の位相が異なるが、図４
（Ｂ）に示すように、正・負のバイアス電流を印加した
際に同期してΔΦの大きさの磁束が補正磁束ＳＱＵＩＤ
リングに加えられているので、ΔΦの補正磁束により動
作点はＶ−Φ特性の最も急峻な点を保持し、従来のよう
にＳＱＵＩＤ内の２つのジョセフソン接合の物理的パラ
メータ（臨界電流値）の揺らぎに起因するＳＱＵＩＤ磁
束計の低周波雑音（１／ｆ雑音）を除去することができ
る。したがって、実効的な磁束電圧変換率は減少せず最
大の値を得ることができ、白色雑音のレベル増大も生じ
ない。

【００２９】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。

【００３０】たとえば、上記実施例では、位相補正のた
めに加える補正磁束ΔΦは、正バイアス時のＶ−Φ特性
が負バイアス時のＶ−Φ特性よりも位相が進んでいる場
合を例にとって説明したが、これには限定されず、他の
位相ずれの場合であっても本発明は上記実施例と全く同
様に応用可能である。

【００３１】さらに、上記実施例における増幅器は、ト
ランジスタやＯＰアンプからなる増幅器のみに限定され
るものではなく、前記回路素子からなる増幅器とコイル
から構成されるトランスやタンク回路とを組み合せても
よい。また、その周波数特性は必ずしも平坦である必要
はない。

【００３２】

【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、正バイアスと負バイアスでそれぞれ動
作点を設定しており、ＳＱＵＩＤ内の２つのジョセフソ
ン接合の臨界電流の相違によるＶ−Φ特性の位相のずれ
を補正する磁束を外部から加えている。このため、２つ
のジョセフソン接合の臨界電流値が異なった場合に正・
負バイアス時のＶ−Φ特性の位相が異なっても、補正磁
束により動作点はＶ−Φ特性の最も急峻な点を保持し、
従来のようにＳＱＵＩＤ内の２つのジョセフソン接合の
物理的パラメータ（臨界電流値）の揺らぎに起因するＳ
ＱＵＩＤ磁束計の低周波雑音（１／ｆ雑音：フリッカー
雑音）を除去することができる。したがって、最大の実
効的磁束電圧変換率得られ、白色雑音のレベル増大も生
じない。また、論理回路等を使用しないため、論理回路
による雑音の問題は生じない、という利点も有してい
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計における１／ｆ
雑音低減方法の第１実施例を説明する図である。

【図２】本発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計における１／ｆ
雑音低減方法の第２実施例を説明する図である。

【図３】本発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計における１／ｆ
雑音低減方法の第３実施例を説明する図である。

【図４】本発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計における１／ｆ
雑音低減方法の第４実施例を説明する図である。

【図５】従来技術における問題点を説明する図（１）で
ある。

【図６】従来技術における問題点を説明する図（２）で
ある。

【図７】従来技術における問題点を説明する図（３）で
ある。

【図８】従来技術における問題点を説明する図（４）で
ある。

【図９】従来技術における問題点を説明する図（５）で
ある。

【図１０】従来技術における問題点を説明する図（６）
である。

【符号の説明】

１ＳＱＵＩＤ５増幅器６積分器７Ａ〜７Ｊ位相検波器８変調帰還コイル９Ａ〜９Ｊ発振器１０Ａ〜１０Ｇカウンタ１１Ｅ，１１Ｇ Exclusive OR回路１２波形処理器１０１超伝導リング１０２，１０３ジョセフソン接合１０４，１０５端子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ジョセフソン接合を有するＳＱＵＩＤリ
ングを有し被験体からの磁気信号に対応して電圧を発生
するＳＱＵＩＤと、当該ＳＱＵＩＤにバイアス電流を供
給する手段と、前記ＳＱＵＩＤからの検知磁束信号を変
調する手段と、前記ＳＱＵＩＤからの出力電圧を増幅す
る手段と、変調された信号を復調する手段と、復調され
た信号を前記ＳＱＵＩＤに磁気的に帰還する手段とを備
え、前記ＳＱＵＩＤリング内の磁束を特定の値である動
作点に保ち、外部磁束の当該動作点からの変化分に対し
て電圧出力するような帰還動作を行うＳＱＵＩＤ磁束計
において、前記バイアス電流を正と負に交番させるとともに、正バ
イアス時に２つの動作点を、かつ負バイアス時に２つの
動作点を、それぞれ設定し、これらの動作点のうち２つ
または４つの動作点を順次移動させ、前記ジョセフソン
接合の物理的特性の揺らぎに起因する雑音を除去するこ
とを特徴とするＳＱＵＩＤ磁束計。
【請求項２】前記正負バイアス印加時に、前記ＳＱＵ
ＩＤリング内に異なる磁束を供給し、かつその磁束量の
差が磁束量子の１／２を超えることがないように構成し
た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】ジョセフソン接合を有するＳＱＵＩＤリ
ングを有し被験体からの磁気信号に対応して電圧を発生
するＳＱＵＩＤと、当該ＳＱＵＩＤにバイアス電流を供
給する手段と、前記ＳＱＵＩＤからの検知磁束信号を変
調する手段と、前記ＳＱＵＩＤからの出力電圧を増幅す
る手段と、増幅された信号を前記ＳＱＵＩＤに磁気的に
帰還する手段とを備え、前記ＳＱＵＩＤリング内の磁束
を特定の値である動作点に保ち、外部磁束の当該動作点
からの変化分に対して電圧出力するような帰還動作を行
うＳＱＵＩＤ磁束計において、前記バイアス電流を正と負に交番させるとともに、正バ
イアス時の２つの動作点のうちの一方の動作点と負バイ
アス時の２つの動作点のうちの一方の動作点を交互に移
動させ、前記ジョセフソン接合の物理的特性の揺らぎに
起因する雑音を除去することを特徴とするＳＱＵＩＤ磁
束計。
【請求項４】前記正負バイアス印加時に、前記ＳＱＵ
ＩＤリング内に異なる磁束を供給し、かつその磁束量の
差が磁束量子の１／２を超えることがないように構成し
たことを特徴とする請求項３に記載したＳＱＵＩＤ磁束
計。