JP3727019B2 - 磁束計及び出力増幅装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を有する磁束計及び出力増幅装置に関し、特に前記ＳＱＵＩＤの出力信号を効率よく検出し、消費電力を低減できると共に、ノイズにも強く、回路構成が簡単な磁束計及び出力増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、超伝導現象を利用した磁気センサである超伝導量子干渉素子（以下、ＳＱＵＩＤと略称する）が注目されている。このセンサは、１個又は２個の絶縁薄膜を超伝導材料で挟んでリング状に形成した構造を有しており、超伝導状態を維持するために、液体ヘリウムや液体窒素等の極低温液体に浸漬されている。この状態で、前記ＳＱＵＩＤにバイアス電流を流し、該ＳＱＵＩＤのリングに外部磁束を鎖交させると、電磁誘導現象によって前記外部磁束を打ち消す磁束を発生させるループ電流が前記リングを流れると同時に、前記絶縁薄膜には電位差が発生する。この電位差をＳＱＵＩＤの出力信号として検出する。
【０００３】
また、ＳＱＵＩＤは極めて感度のよいセンサであり、例えば、ＳＱＵＩＤの外部磁場に対する測定分解能は、一般に数ｆＴ／√Ｈｚ〜数１００ｆＴ／√Ｈｚの範囲内であり、一方、ＳＱＵＩＤの出力電圧の検出分解能は約０．１ｎＶ／√Ｈｚである。従って、ＳＱＵＩＤは、生体から発する極めて微弱な磁束を測定する磁気センサ、地震活動・火山活動に伴う地磁気の変化を観測する磁気センサ等に用いられる。そして、このように微弱なＳＱＵＩＤの出力信号を増幅するために、前記ＳＱＵＩＤの出力側にはオペアンプを用いた出力増幅装置が接続される。
【０００４】
図３は、ＳＱＵＩＤを組み込んだ磁束計１００を示す。この磁束計１００はＤＯＩＴ（Direct Offset Integration Technique）方式の磁束計であり、公知技術である。前記磁束計１００は、２つの絶縁薄膜１０２を備えたＳＱＵＩＤ１０４、直流電流源１０６、出力増幅装置１０８、積分回路１０７、帰還抵抗１０９及び帰還コイル１１１から構成される。前記ＳＱＵＩＤ１０４及び前記帰還コイル１１１は、極低温液体中に浸漬されている。また、前記出力増幅装置１０８は、３個のオペアンプと複数個の抵抗及びコンデンサ等を用いた差動増幅回路１１０から構成される。また、前記積分回路１０７はオペアンプとコンデンサと抵抗を備え、該オペアンプの反転入力端子には、前記出力増幅装置１０８の出力信号にオフセット電圧を重畳させるオフセット電圧入力端子１０５が接続されている。
【０００５】
前記直流電流源１０６から直流電流がＳＱＵＩＤ１０４に流れている状態で、外部より磁束１１２を前記ＳＱＵＩＤのリング１１４に鎖交させると、電磁誘導現象によって前記磁束１１２を打ち消す磁束（図示せず）が発生する。この磁束は、リング１１４に流れるループ電流１１６に起因する。前記ループ電流１１６により、絶縁薄膜１０２には電位差が発生する。この電位差を出力増幅装置１０８で増幅し、前記電位差、すなわち、ＳＱＵＩＤの出力信号を検出する。さらに、オフセット電圧入力端子１０５から基準電圧である直流のオフセット電圧を出力増幅装置１０８の出力信号に重畳させた状態で、前記積分回路１０７の出力信号を帰還抵抗１０９を介して帰還電流として帰還コイル１１１に流せば、該帰還コイル１１１に磁束１１３が発生し、リング１１４と鎖交する。これによって、磁束計１００はフィードバック制御され、磁束１１２と磁束計１００の出力電圧との関係は線形化される。すなわち、積分回路１０７から帰還コイル１１１への負帰還電圧を測定することによって、磁束１１２の大きさを把握することができる。
【０００６】
ところで、ＳＱＵＩＤの測定対象となる外部磁場とは、人間の脳内に発生する約１０Ｈｚのアルファ波信号、地震活動・火山活動に伴う数１０Ｈｚ程度の地磁気信号等、いずれも１ｋＨｚ以下の低周波の磁気信号である。このような低周波領域において、前記出力増幅装置１０８を構成するオペアンプのノイズは、一般に、周波数の低下に伴い増加する。
【０００７】
例えば、汎用オペアンプとして知られているＴＬ０７１（Texas Instruments 社製）の場合、電圧性ノイズは１ｋＨｚにおいて約１８ｎＶ／√Ｈｚであるが、１０Ｈｚでは約４５ｎＶ／√Ｈｚにまで増加する。また、図３の磁束計１００では、ＳＱＵＩＤで検出された出力信号を差動増幅器によって増幅するのみで、低周波領域のノイズを改善する工夫がなされていない。従って、前記出力信号が前記差動増幅器のノイズに埋もれる可能性が十分にある。なお、１ｋＨｚ以上の高周波領域の場合には、周波数の増加に伴い該ノイズも減少するため、前記出力信号が前記ノイズに埋もれる可能性は低下する。
【０００８】
図４は、このような問題を改善するために改良された磁束計２００を示す。この磁束計２００は変調型磁束計と呼ばれており、２つの絶縁薄膜２０２を備えたＳＱＵＩＤ２０４、交流電流源２０６、出力増幅装置２０８、積分回路２０７、帰還抵抗２０９及び帰還コイル２１１から構成される。そして、前記出力増幅装置２０８は、３個のオペアンプと複数個の抵抗及びコンデンサからなる差動増幅回路２１０、移相器（ＰＳ）２１２、位相検波器（ＰＳＤ）２１４、及びローパスフィルター（ＬＰＦ）２１６から構成される。また、前記積分回路２０７は、オペアンプとコンデンサと抵抗を備え、該オペアンプの反転入力端子には、前記出力増幅装置２０８の出力信号にオフセット電圧を重畳させるオフセット電圧入力端子２０５が接続されている。
【０００９】
この磁束計２００では、前記交流電流源２０６から交流電流をＳＱＵＩＤ２０４に流している状態で、磁束計２００の外部より磁束２１８が、前記ＳＱＵＩＤ２０４のリング２２０に鎖交すると、電磁誘導によって前記磁束２１８を打ち消す方向にループ電流２２２がリング２２０に流れ、絶縁薄膜２０２には、前記電流に伴う電位差が発生する。そして、ＳＱＵＩＤ２０４の出力信号である前記電位差には、前記交流電流に起因する電圧も重畳する。この場合、交流電流の周波数は、外部の磁束２１８が持つ周波数よりも高い周波数に選択する。これは、ＳＱＵＩＤ２０４の出力信号に高周波電圧を重畳させて、振幅変調を発生させるために行う。すなわち、交流電流に起因する高周波電圧を搬送波信号とすることによって、前記出力電圧を変調して、オペアンプの低周波ノイズの影響を除去する目的で行う。
【００１０】
このように振幅変調された前記出力信号は、差動増幅回路２１０によって増幅された後、位相検波器２１４によってロックイン検波される。このとき、移相器２１２からは交流電流源２０６とＳＱＵＩＤ２０４と出力増幅装置２０８とによる位相遅れと同じ大きさの位相にずらした交流信号が、参照信号として前記位相検波器２１４に入力される。前記検波によって、位相検波器２１４の出力には振幅復調されたＳＱＵＩＤ２０４の出力信号が検出されるが、この信号には、前記高周波電圧のリプルが重畳している。そこで、ローパスフィルター２１６を介して前記リプルを除去し、所望の出力信号を得る。
【００１１】
また、オフセット電圧入力端子２０５からオフセット電圧を出力増幅装置２０８の出力信号に重畳させた状態で、前記積分回路２０７の出力信号を帰還抵抗２０９を介して帰還電流として帰還コイル２１１に流し、該帰還コイル２１１に発生する磁束２１３をリング２２０に鎖交することによって、前記磁束計１００と同様に、磁束２１８と磁束計２００の出力電圧との関係を線形化することができる。
【００１２】
この磁束計２００は、図３に示した磁束計１００と比較すると、ＳＱＵＩＤ２０４の出力信号からオペアンプの低周波ノイズの影響を除去する特徴を有しているが、回路の部品数が格段に多いという欠点を有している。また、差動増幅回路（ＡＭＰ）２１０の他に、移相器２１２、位相検波器２１４、及びローパスフィルター２１６にもオペアンプを使用するため、却って消費電力が増大すると共に、今度はサーマルノイズがＳＱＵＩＤ２０４の出力電圧に及ぼす影響を無視できない事態となる。
【００１３】
一方、図３に示した磁束計１００においても、低ノイズオペアンプを用いることによって、ノイズの影響を改善することが可能である。しかしながら、低ノイズオペアンプは一般に消費電力が大きく、サーマルノイズの問題が無視できないと共に、オペアンプの単価が非常に高いので、コストがかかる欠点を有している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の出力信号を効率よく検出し、かつ消費電力を低減できると共に、ノイズにも強く、回路構成も簡単な磁束計及び出力増幅装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る磁束計は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を有する磁束計において、前記磁束計は出力増幅装置を備え、前記出力増幅装置は、前記ＳＱＵＩＤの出力信号を振幅変調する変調回路部と、前記変調回路部で変調された前記出力信号を増幅する増幅回路部と、前記増幅回路部で増幅された信号を検波して、前記信号を振幅復調する復調回路部と、前記復調回路部で復調された信号波形の脈動を平滑化するフィルター部とを有することを特徴とする。
【００１６】
ＳＱＵＩＤの出力信号を直接増幅するのではなく、振幅変調を行った後に、前記出力信号を増幅することによって、出力増幅装置の内部で発生するノイズから該出力信号を保護することが可能である。また、変調回路部を設けることによって、ＳＱＵＩＤに交流電流を流す必要がなくなるため、出力増幅装置の簡素化を図ることができる。
【００１７】
また、前記変調回路部は、無極性のコンデンサと、前記コンデンサの両端にそれぞれ電気的に接続された２個の切換スイッチと、前記切換スイッチの一端にコンデンサと並列に接続された抵抗から構成される。一般に、振幅変調回路は、トランジスタ、変調トランスの他にトランジスタを駆動する電源等から構成されている。前記変調回路部を、コンデンサと２個の切換スイッチと抵抗の４個の部品で構成することによって、変調回路部の簡素化と、消費電力の低減が実現できる。
【００１８】
そして前記切換スイッチは、前記変調回路部の入力端と出力端とを短時間で切り換えるスイッチであり、前記切換スイッチの切換時間、及び前記コンデンサと前記抵抗とによる時定数で決定される周波数を搬送周波数とし、ＳＱＵＩＤの出力信号を変調信号とする。前記入力端は、ＳＱＵＩＤの出力側に接続されており、他方、前記出力端は増幅回路部に接続されている。従って、入力端にスイッチが倒れているときは、ＳＱＵＩＤからの出力信号をコンデンサで充電し、出力端にスイッチを倒すことによって、コンデンサと抵抗による放電が行われることになる。前記スイッチの切り換えを短時間で行うことによって、コンデンサの充放電を短時間で行う。
【００１９】
また、ここでいう短時間とは、オペアンプの低周波ノイズの影響が及ばない１００Ｈｚ以上、好ましくは１ｋＨｚ以上の周波数の周期である。従って、高い周波数を選択すると、低周波ノイズに対して強い、すなわち、ＳＱＵＩＤの出力信号に対して、オペアンプのノイズが無視できる程小さいレベルである磁束計を実現できる。それ故、ＳＱＵＩＤの出力信号から前記ノイズの影響を除去するには、搬送周波数を１ｋＨｚ以上、更に好ましくは１ＭＨｚ以上の周波数領域に選択することが望ましい。また、前記周波数の決定は、抵抗とコンデンサによる時定数、及びスイッチの切換時間で決定できる。すなわち、人為的に、かつ簡単に変更することが可能である。また、前記切換スイッチとしては、リレーによるスイッチの他、アナログスイッチで構成されるマルチプレクサ等を選択することができる。
【００２０】
更に、前記変調信号は、前記切換スイッチ及び前記コンデンサと前記抵抗とにより生成されるサンプリングホールド信号である。前記切換スイッチはサンプラ、前記コンデンサと抵抗はホールドにそれぞれ相当する。該変調信号は言い換えれば、サンプリングされて量子化されたＳＱＵＩＤの出力信号である。
【００２１】
また、増幅回路部は、オペアンプから構成される非反転増幅回路である。一般に、ＳＱＵＩＤの増幅回路部として差動増幅器が採用されているので、前記増幅回路部は差動入力である。しかしながら、本発明では、非反転増幅回路で増幅回路部を構成するため、１個のオペアンプで増幅回路部を構成して前記増幅回路部の簡素化を図ると共に、消費電力の低減も実現できる。
【００２２】
また、復調回路部は、前記増幅回路部で増幅されたＳＱＵＩＤの出力信号の内、正の信号が前記復調回路部に入力する場合には、非反転入力のバッファ回路として機能し、他方、負の信号が前記復調回路部に入力する場合には、反転入力のバッファ回路として機能する。すなわち、前記復調回路部は全波整流による復調回路部である。また、バッファ回路の切り換えは、ＳＱＵＩＤの出力信号と同期させて、アナログスイッチを用いたマルチプレクサ等により行う方法が好適である。
【００２３】
更に、復調回路部の次段に配置されているフィルター部は、前記復調回路部から出力された復調信号に包含されている搬送周波数の信号成分のみを除去するスイッチドキャパシタフィルターである。該フィルター部は、変調信号の領域を通過域とするバンドパスフィルター又はローパスフィルターのいずれでも実現できる。
【００２４】
また、前記ＳＱＵＩＤとしては、ＤＣ−ＳＱＵＩＤやＲＦ−ＳＱＵＩＤが存在するが、ＤＣ−ＳＱＵＩＤを使用することが好ましい。もちろん、絶縁薄膜が１個しかないＲＦ−ＳＱＵＩＤは、高周波電圧で検出される他に、ＤＣ−ＳＱＵＩＤと比較して、入出力の特性が不安定であるが、使用してもよい。
【００２５】
また、本発明に係る出力増幅装置は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の出力信号を振幅変調する変調回路部と、前記変調回路部で変調された前記出力信号を増幅する増幅回路部と、前記増幅回路部で増幅された信号を検波して、前記信号を振幅復調する復調回路部と、前記復調回路部で復調された信号波形の脈動を平滑化するフィルター部とを有することを特徴とする。
【００２６】
これにより、ＳＱＵＩＤの出力信号を効率よく検出し、かつ消費電力を低減できると共に、ノイズにも強く、回路構成も簡単にすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る磁束計をＤＣ−ＳＱＵＩＤを内蔵した磁束計に適用した実施の形態例（以下、実施の形態に係る磁束計という）について図１及び図２を参照して説明する。
【００２８】
本実施の形態に係る磁束計１０は、図１に示すように、２つの絶縁薄膜１２を備えたＳＱＵＩＤ１４、直流電流源１６、本実施の形態に係る出力増幅装置１８、積分回路１５、帰還抵抗１７及び帰還コイル１９から構成される。
【００２９】
本実施の形態に係る出力増幅装置１８は、コンデンサ２０と抵抗２２と２個の切換スイッチ２４から構成される変調回路部２６と、コンデンサＣ１とオペアンプ２８と抵抗Ｒ１及びＲ２から構成される非反転増幅回路３０と、非反転入力（×１）のバッファ回路３２と反転入力（×（−１））のバッファ回路３４と２つのバッファの出力側に接続されている切換スイッチ３６から構成される復調回路部３８と、ローパスフィルター（ＬＰＦ）４０と、クロック発生部（Ｃｌｏｃｋ）４２と、移相器（ＰＳ）４３とを有して構成されている。
【００３０】
外部からの磁束を検出するＳＱＵＩＤ１４としては、２つの絶縁薄膜１２を備えたＤＣ−ＳＱＵＩＤが好ましい。すなわち、これまでの公知技術であるＫｅｔｃｈｅｎ型ＳＱＵＩＤ、マルチループ型ＳＱＵＩＤ、ダブルワッシャ型ＳＱＵＩＤ、直接磁場検出型ＳＱＵＩＤ、クローバ・リーフ型ＳＱＵＩＤ、緩和発振型ＳＱＵＩＤ等が好適に使用できる。
【００３１】
そして、前記ＳＱＵＩＤ１４を、液体ヘリウム又は液体窒素が充たされた低温容器内に浸漬し、超伝導状態を維持させる。この場合、液体ヘリウムの温度領域で超伝導状態になる低温超伝導のＳＱＵＩＤ又は液体窒素の温度領域で超伝導領域となる高温超伝導のＳＱＵＩＤのいずれかを選択する必要があるが、ＳＱＵＩＤ及びＳＱＵＩＤから増幅回路部に到る箇所の電線で発生するサーマルノイズの問題を考慮すれば、低温超伝導のＳＱＵＩＤを選択する方が望ましい。
【００３２】
また、直流電流源１６としては、市販の直流安定化電源を使用してもよい。ただし、外部磁場を測定する場合には、オペアンプ２８、クロック発生部４２、移相器４３及びローパスフィルター４０も同時に駆動する必要があるため、多数の電圧供給端子を有する直流安定化電源を使用することが望ましい。
【００３３】
また、出力増幅装置１８は、外部からの電磁波ノイズ及び出力増幅装置１８の内部から発生するノイズを除去するため、プリント基板の配線上に電子部品を搭載して前記出力増幅装置１８を構成させ、低抵抗のアルミダイカスト、銅、黄銅等から構成されるケースに収納することが望ましい。この構成によって、携帯電話等から出る高周波ノイズに対して強い出力増幅装置１８を提供することができる。
【００３４】
また、変調回路部２６を構成するコンデンサ２０と抵抗２２は、市販の回路部品を使用すればよい。例えば、コンデンサについては、無極性でかつ、静電容量の許容差が小さいものであればよく、積層セラミックコンデンサ、プラスチックフィルムコンデンサ等が好適に使用できる。抵抗についても、定格電力及び公称抵抗値の許容差が小さいものがよく、０．２５Ｗ程度の定格電力を有する酸化金属被膜抵抗が好適である。コンデンサ２０及び抵抗２２の許容差を問題としているのは、変調回路部２６において、ＳＱＵＩＤ１４の信号を変調する搬送周波数が、前記コンデンサ２０及び前記抵抗２２の充放電の時定数に決定されるためである。また、切換スイッチ２４は、ＳＱＵＩＤ１４の出力側と抵抗２２との間を、例えば１ｍｓ以下の短時間で切り換え可能なスイッチであれば、どのようなものでも構わないが、クロック信号によって切り換えを制御できるアナログスイッチ又はマルチプレクサであればより望ましい。
【００３５】
非反転増幅回路３０を構成するオペアンプ２８としては、一般に使用される汎用のオペアンプを使用すればよい。また、前記変調回路部２６への影響を考慮して、オペアンプ２８の入力側にバッファを加えるように改良しても構わない。また、磁束計１０の増幅度は、抵抗Ｒ１及びＲ２の組み合わせによる非反転増幅回路３０の増幅率で決定される。従って、前記抵抗Ｒ１及びＲ２に用いる抵抗としては、公称抵抗値の許容差が小さい酸化金属被膜抵抗器を使用することが望ましい。
【００３６】
一方、コンデンサＣ１は、変調回路部２６の出力信号に含まれる低周波成分を除去するバイパスコンデンサとして使用されるが、無極性のコンデンサであれば好適に使用することができる。例えば、積層セラミックコンデンサ、セラミックコンデンサ、プラスチックフィルムコンデンサ等を使用すればよい。なお、前記非反転増幅回路３０は、オペアンプ２８の非反転入力端子（オペアンプ２８の＋側端子）より信号を入力する回路であるが、ＳＱＵＩＤ１４側から前記端子を見た場合、等価的に差動増幅回路と見なすことができる。
【００３７】
また、復調回路部３８は、前記非反転増幅回路３０で増幅された変調信号を復調するための回路である。非反転入力（×１）のバッファ回路３２と反転入力（×（−１））のバッファ回路３４は、オペアンプで構成する。２つのバッファ回路３２、３４を選択する切換スイッチ３６は、アナログスイッチ又はマルチプレクサで構成する。
【００３８】
更に、復調された信号に残存するリプルをスイッチドキャパシタフィルターによるローパスフィルター（ＬＰＦ）４０で除去する。また、前記信号の周波数が明確であれば、ローパスフィルター４０をバンドパスフィルターに組み替えても構わない。
【００３９】
クロック発生部（Clock）４２は、クロック信号を発生する部分であり、前記クロック信号を切換スイッチ２４及び移相器４３に与える。この場合、前記切換スイッチ２４に対しては、例えば１ｍｓ以下の短時間の間隔でクロック信号を与え、該切換スイッチ２４におけるスイッチの切り換えを行わせる。一方、切換スイッチ３６にも、移相器４３を介して前記切換スイッチ２４と同じクロック信号が前記クロック発生部４２より供給される。
【００４０】
また、前記積分回路１５は、ローパスフィルター４０の出力信号を積分して出力する回路であり、オペアンプとコンデンサと抵抗とを備え、該オペアンプの反転入力端子には、前記ローパスフィルター４０の出力信号にオフセット電圧を重畳させるオフセット電圧入力端子４５が接続されている。また、帰還抵抗１７は、前記積分回路１５の出力信号を帰還コイル１９にフィードバックするための抵抗であり、その大きさによって前記帰還コイル１９に流れる帰還電流の大きさが決定される。また、帰還コイル１９は、ＳＱＵＩＤ１４と共に液体ヘリウム又は液体窒素が充たされた低温容器内に浸漬されている。そして、前記帰還コイル１９と、ＳＱＵＩＤ１４とは磁気的に結合されていると共に、電気的には絶縁されている。
【００４１】
次に、磁束計１０の動作原理について図２Ａの磁束波形及び図２Ｂ〜図２Ｆの電圧波形を参照しながら説明する。
【００４２】
直流電流源１６より直流電流をＳＱＵＩＤ１４に流した状態で、図２Ａに示すように、例えば１００Ｈｚ以下の低周波の交流磁束信号６０を、図１に示す磁束４４の方向で前記ＳＱＵＩＤ１４のリング４６に鎖交させる。その結果、電磁誘導現象により前記リング４６にループ電流４８が流れ、矢印とは逆向きの磁束（図示せず）が発生する。前記ループ電流４８によって絶縁薄膜１２には電位差が発生し、ＳＱＵＩＤ１４の出力端子５０に出力電圧として検出される。図２ＢはＳＱＵＩＤ１４の出力電圧信号６２を示す。
【００４３】
次いで、前記ＳＱＵＩＤ１４の出力電圧を変調回路部２６のコンデンサ２０に充電する。その状態で、クロック発生部４２からクロック信号が切換スイッチ２４に与えられると、該切換スイッチ２４はＳＱＵＩＤ１４の出力端子５０から抵抗２２に切り換えられ、コンデンサと抵抗による放電が行われる。前記切換スイッチ２４を１ｍｓ以下の短時間で切り換えることにより、前記出力信号のサンプリング（振幅変調）が行われ、抵抗２２の両端には、図２Ｃに示すサンプリングホールドされた過変調の振幅変調信号６４が出力される。
【００４４】
次に、非反転増幅回路３０では、抵抗Ｒ１及びＲ２で決定される増幅率に従い前記振幅変調信号６４の増幅が行われる。図２Ｄは前記非反転増幅回路３０の出力信号６６を示す。
【００４５】
その後、復調回路部３８において、非反転増幅回路３０の出力信号６６を復調する。前記出力信号６６が正極性の信号のとき、前記復調回路部３８は非反転入力のバッファ回路３２として機能する。また、前記出力信号６６が負極性の信号である場合、前記復調回路部３８は反転入力のバッファ回路３４として機能する。すなわち、復調された信号は図２Ｅに示す全波整流信号６８として、前記復調回路部３８から出力される。なお、非反転入力のバッファ回路３２と反転入力のバッファ回路３４との切り換えは、切換スイッチ３６で行う。この場合、クロック発生部４２から出力されたクロック信号の供給に従い、スイッチの切り換えが行われる。
【００４６】
最後に、図２Ｅの全波整流信号６８のリプル７０をローパスフィルター４０を介して除去する。その結果、磁束計１０の出力には、図２Ｆに示すＳＱＵＩＤ１４のリング４６に鎖交した交流磁束信号６０に対応する信号７２が検出される。なお、前記リプル７０は、前記振幅変調信号６４に起因するリプルである。
【００４７】
また、オフセット電圧入力端子４５からオフセット電圧を、出力増幅装置１８の出力信号に重畳させた状態で、前記積分回路１５の出力信号を帰還抵抗１７を介して帰還電流として帰還コイル１９に流し、該帰還コイル１９に発生する磁束４７をＳＱＵＬＤ１４に鎖交することによって、磁束４４と磁束計１０の出力電圧との関係を線形化することができる。
【００４８】
以上、１個のＳＱＵＩＤと１個の出力増幅装置から構成される磁束計１０について説明した。実際には前記磁束計を１チャンネルとして、多チャンネル方式の磁束計システムとして利用する。従来技術であれば、多数のオペアンプを使用するため、消費電力が大きく、サーマルノイズがＳＱＵＩＤの出力電圧に及ぼす影響を考慮する必要があった。
【００４９】
本実施の形態では、１チャンネルの磁束計について、少なくとも非反転増幅回路３０のオペアンプ２８の１個のみで磁束計を構成することが可能であるため、消費電力の低減を実現できる。また、ＳＱＵＩＤの出力信号を変調し、１ｋＨｚ以上の搬送周波数の領域で、変調された前記出力信号を増幅するため、オペアンプの低周波ノイズの影響を受けることなくＳＱＵＩＤの信号を検出することができる。
【００５０】
また、増幅回路部の増幅回路が差動入力型ではなく非反転入力回路であるため、回路構造が簡単である。これにより、市販の回路部品だけで回路を構成できるため、前記部品の入手が容易であると共に、製造コストを低減することもできる。更に、クロック発生部４２についても、出力増幅装置１８から独立させることによって、前記クロック回路部の１台で、全ての磁束計に内蔵されている切換スイッチを制御することも可能である。
【００５１】
なお、この発明に係る磁束計及び出力増幅装置は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る磁束計及び出力増幅装置によれば、前記ＳＱＵＩＤの出力信号を効率よく検出し、かつ消費電力を低減できると共に、ノイズにも強く、回路構成が簡単なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係るＳＱＵＩＤを内蔵した磁束計に備えられた出力増幅装置の回路構成を示すブロック図である。
【図２】図２Ａは、図１に示すＳＱＵＩＤのリングに鎖交する交流磁束信号の時間的変化を示す波形図であり、図２Ｂは、ＳＱＵＩＤの出力信号の時間的変化を示す波形図であり、図２Ｃは、磁束計の変調回路部で変調されたＳＱＵＩＤの出力信号の時間的変化を示す波形図であり、図２Ｄは、非反転増幅回路で増幅された前記出力信号の時間的変化の波形図であり、図２Ｅは、復調回路部で復調された前記信号の時間的変化を示す波形図であり、図２Ｆは、ローパスフィルターを介して前記波形のリプルを除去した波形を示す図である。
【図３】ＤＯＩＴ方式による磁束計を示す図である
【図４】変調方式による磁束計を示す図である。
【符号の説明】
１０、１００、２００…磁束計 １２、１０２、２０２…絶縁薄膜
１４、１０４、２０４…ＳＱＵＩＤ １５、１０７、２０７…積分回路
１６、１０６…直流電流源 １７、１０９、２０９…帰還抵抗
１８、１０８、２０８…出力増幅装置 １９、１１１、２１１…帰還コイル
２０…コンデンサ ２２…抵抗
２４、３６…切換スイッチ ２６…変調回路部
２８…オペアンプ ３０…非反転増幅回路
３２、３４…バッファ ３８…復調回路部
４０、２１６…ローパスフィルター ４２…クロック発生部
４３、２１２…移相器
４４、４７、１１２、１１３、２１８…磁束
４５、１０５、２０５…オフセット電圧入力端子
４６、１１４、２２０…リング ４８、１１６、２２２…ループ電流
５０…出力端子 ６０…交流磁束信号
６２…出力電圧信号 ６４…振幅変調信号
６６…出力信号 ６８…全波整流信号
７０…リプル ７２…信号
１１０、２１０…差動増幅回路 ２０６…交流電流源
２１４…位相検波器
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を有する磁束計及び出力増幅装置に関し、特に前記ＳＱＵＩＤの出力信号を効率よく検出し、消費電力を低減できると共に、ノイズにも強く、回路構成が簡単な磁束計及び出力増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、超伝導現象を利用した磁気センサである超伝導量子干渉素子（以下、ＳＱＵＩＤと略称する）が注目されている。このセンサは、１個又は２個の絶縁薄膜を超伝導材料で挟んでリング状に形成した構造を有しており、超伝導状態を維持するために、液体ヘリウムや液体窒素等の極低温液体に浸漬されている。この状態で、前記ＳＱＵＩＤにバイアス電流を流し、該ＳＱＵＩＤのリングに外部磁束を鎖交させると、電磁誘導現象によって前記外部磁束を打ち消す磁束を発生させるループ電流が前記リングを流れると同時に、前記絶縁薄膜には電位差が発生する。この電位差をＳＱＵＩＤの出力信号として検出する。
【０００３】
また、ＳＱＵＩＤは極めて感度のよいセンサであり、例えば、ＳＱＵＩＤの外部磁場に対する測定分解能は、一般に数ｆＴ／√Ｈｚ〜数１００ｆＴ／√Ｈｚの範囲内であり、一方、ＳＱＵＩＤの出力電圧の検出分解能は約０．１ｎＶ／√Ｈｚである。従って、ＳＱＵＩＤは、生体から発する極めて微弱な磁束を測定する磁気センサ、地震活動・火山活動に伴う地磁気の変化を観測する磁気センサ等に用いられる。そして、このように微弱なＳＱＵＩＤの出力信号を増幅するために、前記ＳＱＵＩＤの出力側にはオペアンプを用いた出力増幅装置が接続される。
【０００４】
図３は、ＳＱＵＩＤを組み込んだ磁束計１００を示す。この磁束計１００はＤＯＩＴ（Direct Offset Integration Technique）方式の磁束計であり、公知技術である。前記磁束計１００は、２つの絶縁薄膜１０２を備えたＳＱＵＩＤ１０４、直流電流源１０６、出力増幅装置１０８、積分回路１０７、帰還抵抗１０９及び帰還コイル１１１から構成される。前記ＳＱＵＩＤ１０４及び前記帰還コイル１１１は、極低温液体中に浸漬されている。また、前記出力増幅装置１０８は、３個のオペアンプと複数個の抵抗及びコンデンサ等を用いた差動増幅回路１１０から構成される。また、前記積分回路１０７はオペアンプとコンデンサと抵抗を備え、該オペアンプの反転入力端子には、前記出力増幅装置１０８の出力信号にオフセット電圧を重畳させるオフセット電圧入力端子１０５が接続されている。
【０００５】
前記直流電流源１０６から直流電流がＳＱＵＩＤ１０４に流れている状態で、外部より磁束１１２を前記ＳＱＵＩＤのリング１１４に鎖交させると、電磁誘導現象によって前記磁束１１２を打ち消す磁束（図示せず）が発生する。この磁束は、リング１１４に流れるループ電流１１６に起因する。前記ループ電流１１６により、絶縁薄膜１０２には電位差が発生する。この電位差を出力増幅装置１０８で増幅し、前記電位差、すなわち、ＳＱＵＩＤの出力信号を検出する。さらに、オフセット電圧入力端子１０５から基準電圧である直流のオフセット電圧を出力増幅装置１０８の出力信号に重畳させた状態で、前記積分回路１０７の出力信号を帰還抵抗１０９を介して帰還電流として帰還コイル１１１に流せば、該帰還コイル１１１に磁束１１３が発生し、リング１１４と鎖交する。これによって、磁束計１００はフィードバック制御され、磁束１１２と磁束計１００の出力電圧との関係は線形化される。すなわち、積分回路１０７から帰還コイル１１１への負帰還電圧を測定することによって、磁束１１２の大きさを把握することができる。
【０００６】
ところで、ＳＱＵＩＤの測定対象となる外部磁場とは、人間の脳内に発生する約１０Ｈｚのアルファ波信号、地震活動・火山活動に伴う数１０Ｈｚ程度の地磁気信号等、いずれも１ｋＨｚ以下の低周波の磁気信号である。このような低周波領域において、前記出力増幅装置１０８を構成するオペアンプのノイズは、一般に、周波数の低下に伴い増加する。
【０００７】
例えば、汎用オペアンプとして知られているＴＬ０７１（Texas Instruments 社製）の場合、電圧性ノイズは１ｋＨｚにおいて約１８ｎＶ／√Ｈｚであるが、１０Ｈｚでは約４５ｎＶ／√Ｈｚにまで増加する。また、図３の磁束計１００では、ＳＱＵＩＤで検出された出力信号を差動増幅器によって増幅するのみで、低周波領域のノイズを改善する工夫がなされていない。従って、前記出力信号が前記差動増幅器のノイズに埋もれる可能性が十分にある。なお、１ｋＨｚ以上の高周波領域の場合には、周波数の増加に伴い該ノイズも減少するため、前記出力信号が前記ノイズに埋もれる可能性は低下する。
【０００８】
図４は、このような問題を改善するために改良された磁束計２００を示す。この磁束計２００は変調型磁束計と呼ばれており、２つの絶縁薄膜２０２を備えたＳＱＵＩＤ２０４、交流電流源２０６、出力増幅装置２０８、積分回路２０７、帰還抵抗２０９及び帰還コイル２１１から構成される。そして、前記出力増幅装置２０８は、３個のオペアンプと複数個の抵抗及びコンデンサからなる差動増幅回路２１０、移相器（ＰＳ）２１２、位相検波器（ＰＳＤ）２１４、及びローパスフィルター（ＬＰＦ）２１６から構成される。また、前記積分回路２０７は、オペアンプとコンデンサと抵抗を備え、該オペアンプの反転入力端子には、前記出力増幅装置２０８の出力信号にオフセット電圧を重畳させるオフセット電圧入力端子２０５が接続されている。
【０００９】
この磁束計２００では、前記交流電流源２０６から交流電流をＳＱＵＩＤ２０４に流している状態で、磁束計２００の外部より磁束２１８が、前記ＳＱＵＩＤ２０４のリング２２０に鎖交すると、電磁誘導によって前記磁束２１８を打ち消す方向にループ電流２２２がリング２２０に流れ、絶縁薄膜２０２には、前記電流に伴う電位差が発生する。そして、ＳＱＵＩＤ２０４の出力信号である前記電位差には、前記交流電流に起因する電圧も重畳する。この場合、交流電流の周波数は、外部の磁束２１８が持つ周波数よりも高い周波数に選択する。これは、ＳＱＵＩＤ２０４の出力信号に高周波電圧を重畳させて、振幅変調を発生させるために行う。すなわち、交流電流に起因する高周波電圧を搬送波信号とすることによって、前記出力電圧を変調して、オペアンプの低周波ノイズの影響を除去する目的で行う。
【００１０】
このように振幅変調された前記出力信号は、差動増幅回路２１０によって増幅された後、位相検波器２１４によってロックイン検波される。このとき、移相器２１２からは交流電流源２０６とＳＱＵＩＤ２０４と出力増幅装置２０８とによる位相遅れと同じ大きさの位相にずらした交流信号が、参照信号として前記位相検波器２１４に入力される。前記検波によって、位相検波器２１４の出力には振幅復調されたＳＱＵＩＤ２０４の出力信号が検出されるが、この信号には、前記高周波電圧のリプルが重畳している。そこで、ローパスフィルター２１６を介して前記リプルを除去し、所望の出力信号を得る。
【００１１】
また、オフセット電圧入力端子２０５からオフセット電圧を出力増幅装置２０８の出力信号に重畳させた状態で、前記積分回路２０７の出力信号を帰還抵抗２０９を介して帰還電流として帰還コイル２１１に流し、該帰還コイル２１１に発生する磁束２１３をリング２２０に鎖交することによって、前記磁束計１００と同様に、磁束２１８と磁束計２００の出力電圧との関係を線形化することができる。
【００１２】
この磁束計２００は、図３に示した磁束計１００と比較すると、ＳＱＵＩＤ２０４の出力信号からオペアンプの低周波ノイズの影響を除去する特徴を有しているが、回路の部品数が格段に多いという欠点を有している。また、差動増幅回路（ＡＭＰ）２１０の他に、移相器２１２、位相検波器２１４、及びローパスフィルター２１６にもオペアンプを使用するため、却って消費電力が増大すると共に、今度はサーマルノイズがＳＱＵＩＤ２０４の出力電圧に及ぼす影響を無視できない事態となる。
【００１３】
一方、図３に示した磁束計１００においても、低ノイズオペアンプを用いることによって、ノイズの影響を改善することが可能である。しかしながら、低ノイズオペアンプは一般に消費電力が大きく、サーマルノイズの問題が無視できないと共に、オペアンプの単価が非常に高いので、コストがかかる欠点を有している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の出力信号を効率よく検出し、かつ消費電力を低減できると共に、ノイズにも強く、回路構成も簡単な磁束計及び出力増幅装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る磁束計は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を有する磁束計において、前記磁束計は出力増幅装置を備え、前記出力増幅装置は、前記ＳＱＵＩＤの出力信号を振幅変調する変調回路部と、前記変調回路部で変調された前記出力信号を増幅する増幅回路部と、前記増幅回路部で増幅された信号を検波して、前記信号を振幅復調する復調回路部と、前記復調回路部で復調された信号波形の脈動を平滑化するフィルター部とを有することを特徴とする。
【００１６】
ＳＱＵＩＤの出力信号を直接増幅するのではなく、振幅変調を行った後に、前記出力信号を増幅することによって、出力増幅装置の内部で発生するノイズから該出力信号を保護することが可能である。また、変調回路部を設けることによって、ＳＱＵＩＤに交流電流を流す必要がなくなるため、出力増幅装置の簡素化を図ることができる。
【００１７】
また、前記変調回路部は、無極性のコンデンサと、前記コンデンサの両端にそれぞれ電気的に接続された２個の切換スイッチと、前記切換スイッチの一端にコンデンサと並列に接続された抵抗から構成される。一般に、振幅変調回路は、トランジスタ、変調トランスの他にトランジスタを駆動する電源等から構成されている。前記変調回路部を、コンデンサと２個の切換スイッチと抵抗の４個の部品で構成することによって、変調回路部の簡素化と、消費電力の低減が実現できる。
【００１８】
そして前記切換スイッチは、前記変調回路部の入力端と出力端とを短時間で切り換えるスイッチであり、前記切換スイッチの切換時間、及び前記コンデンサと前記抵抗とによる時定数で決定される周波数を搬送周波数とし、ＳＱＵＩＤの出力信号を変調信号とする。前記入力端は、ＳＱＵＩＤの出力側に接続されており、他方、前記出力端は増幅回路部に接続されている。従って、入力端にスイッチが倒れているときは、ＳＱＵＩＤからの出力信号をコンデンサで充電し、出力端にスイッチを倒すことによって、コンデンサと抵抗による放電が行われることになる。前記スイッチの切り換えを短時間で行うことによって、コンデンサの充放電を短時間で行う。
【００１９】
また、ここでいう短時間とは、オペアンプの低周波ノイズの影響が及ばない１００Ｈｚ以上、好ましくは１ｋＨｚ以上の周波数の周期である。従って、高い周波数を選択すると、低周波ノイズに対して強い、すなわち、ＳＱＵＩＤの出力信号に対して、オペアンプのノイズが無視できる程小さいレベルである磁束計を実現できる。それ故、ＳＱＵＩＤの出力信号から前記ノイズの影響を除去するには、搬送周波数を１ｋＨｚ以上、更に好ましくは１ＭＨｚ以上の周波数領域に選択することが望ましい。また、前記周波数の決定は、抵抗とコンデンサによる時定数、及びスイッチの切換時間で決定できる。すなわち、人為的に、かつ簡単に変更することが可能である。また、前記切換スイッチとしては、リレーによるスイッチの他、アナログスイッチで構成されるマルチプレクサ等を選択することができる。
【００２０】
更に、前記変調信号は、前記切換スイッチ及び前記コンデンサと前記抵抗とにより生成されるサンプリングホールド信号である。前記切換スイッチはサンプラ、前記コンデンサと抵抗はホールドにそれぞれ相当する。該変調信号は言い換えれば、サンプリングされて量子化されたＳＱＵＩＤの出力信号である。
【００２１】
また、増幅回路部は、オペアンプから構成される非反転増幅回路である。一般に、ＳＱＵＩＤの増幅回路部として差動増幅器が採用されているので、前記増幅回路部は差動入力である。しかしながら、本発明では、非反転増幅回路で増幅回路部を構成するため、１個のオペアンプで増幅回路部を構成して前記増幅回路部の簡素化を図ると共に、消費電力の低減も実現できる。
【００２２】
また、復調回路部は、前記増幅回路部で増幅されたＳＱＵＩＤの出力信号の内、正の信号が前記復調回路部に入力する場合には、非反転入力のバッファ回路として機能し、他方、負の信号が前記復調回路部に入力する場合には、反転入力のバッファ回路として機能する。すなわち、前記復調回路部は全波整流による復調回路部である。また、バッファ回路の切り換えは、ＳＱＵＩＤの出力信号と同期させて、アナログスイッチを用いたマルチプレクサ等により行う方法が好適である。
【００２３】
更に、復調回路部の次段に配置されているフィルター部は、前記復調回路部から出力された復調信号に包含されている搬送周波数の信号成分のみを除去するスイッチドキャパシタフィルターである。該フィルター部は、変調信号の領域を通過域とするバンドパスフィルター又はローパスフィルターのいずれでも実現できる。
【００２４】
また、前記ＳＱＵＩＤとしては、ＤＣ−ＳＱＵＩＤやＲＦ−ＳＱＵＩＤが存在するが、ＤＣ−ＳＱＵＩＤを使用することが好ましい。もちろん、絶縁薄膜が１個しかないＲＦ−ＳＱＵＩＤは、高周波電圧で検出される他に、ＤＣ−ＳＱＵＩＤと比較して、入出力の特性が不安定であるが、使用してもよい。
【００２５】
また、本発明に係る出力増幅装置は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の出力信号を振幅変調する変調回路部と、前記変調回路部で変調された前記出力信号を増幅する増幅回路部と、前記増幅回路部で増幅された信号を検波して、前記信号を振幅復調する復調回路部と、前記復調回路部で復調された信号波形の脈動を平滑化するフィルター部とを有することを特徴とする。
【００２６】
これにより、ＳＱＵＩＤの出力信号を効率よく検出し、かつ消費電力を低減できると共に、ノイズにも強く、回路構成も簡単にすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る磁束計をＤＣ−ＳＱＵＩＤを内蔵した磁束計に適用した実施の形態例（以下、実施の形態に係る磁束計という）について図１及び図２を参照して説明する。
【００２８】
本実施の形態に係る磁束計１０は、図１に示すように、２つの絶縁薄膜１２を備えたＳＱＵＩＤ１４、直流電流源１６、本実施の形態に係る出力増幅装置１８、積分回路１５、帰還抵抗１７及び帰還コイル１９から構成される。
【００２９】
本実施の形態に係る出力増幅装置１８は、コンデンサ２０と抵抗２２と２個の切換スイッチ２４から構成される変調回路部２６と、コンデンサＣ１とオペアンプ２８と抵抗Ｒ１及びＲ２から構成される非反転増幅回路３０と、非反転入力（×１）のバッファ回路３２と反転入力（×（−１））のバッファ回路３４と２つのバッファの出力側に接続されている切換スイッチ３６から構成される復調回路部３８と、ローパスフィルター（ＬＰＦ）４０と、クロック発生部（Ｃｌｏｃｋ）４２と、移相器（ＰＳ）４３とを有して構成されている。
【００３０】
外部からの磁束を検出するＳＱＵＩＤ１４としては、２つの絶縁薄膜１２を備えたＤＣ−ＳＱＵＩＤが好ましい。すなわち、これまでの公知技術であるＫｅｔｃｈｅｎ型ＳＱＵＩＤ、マルチループ型ＳＱＵＩＤ、ダブルワッシャ型ＳＱＵＩＤ、直接磁場検出型ＳＱＵＩＤ、クローバ・リーフ型ＳＱＵＩＤ、緩和発振型ＳＱＵＩＤ等が好適に使用できる。
【００３１】
そして、前記ＳＱＵＩＤ１４を、液体ヘリウム又は液体窒素が充たされた低温容器内に浸漬し、超伝導状態を維持させる。この場合、液体ヘリウムの温度領域で超伝導状態になる低温超伝導のＳＱＵＩＤ又は液体窒素の温度領域で超伝導領域となる高温超伝導のＳＱＵＩＤのいずれかを選択する必要があるが、ＳＱＵＩＤ及びＳＱＵＩＤから増幅回路部に到る箇所の電線で発生するサーマルノイズの問題を考慮すれば、低温超伝導のＳＱＵＩＤを選択する方が望ましい。
【００３２】
また、直流電流源１６としては、市販の直流安定化電源を使用してもよい。ただし、外部磁場を測定する場合には、オペアンプ２８、クロック発生部４２、移相器４３及びローパスフィルター４０も同時に駆動する必要があるため、多数の電圧供給端子を有する直流安定化電源を使用することが望ましい。
【００３３】
また、出力増幅装置１８は、外部からの電磁波ノイズ及び出力増幅装置１８の内部から発生するノイズを除去するため、プリント基板の配線上に電子部品を搭載して前記出力増幅装置１８を構成させ、低抵抗のアルミダイカスト、銅、黄銅等から構成されるケースに収納することが望ましい。この構成によって、携帯電話等から出る高周波ノイズに対して強い出力増幅装置１８を提供することができる。
【００３４】
また、変調回路部２６を構成するコンデンサ２０と抵抗２２は、市販の回路部品を使用すればよい。例えば、コンデンサについては、無極性でかつ、静電容量の許容差が小さいものであればよく、積層セラミックコンデンサ、プラスチックフィルムコンデンサ等が好適に使用できる。抵抗についても、定格電力及び公称抵抗値の許容差が小さいものがよく、０．２５Ｗ程度の定格電力を有する酸化金属被膜抵抗が好適である。コンデンサ２０及び抵抗２２の許容差を問題としているのは、変調回路部２６において、ＳＱＵＩＤ１４の信号を変調する搬送周波数が、前記コンデンサ２０及び前記抵抗２２の充放電の時定数に決定されるためである。また、切換スイッチ２４は、ＳＱＵＩＤ１４の出力側と抵抗２２との間を、例えば１ｍｓ以下の短時間で切り換え可能なスイッチであれば、どのようなものでも構わないが、クロック信号によって切り換えを制御できるアナログスイッチ又はマルチプレクサであればより望ましい。
【００３５】
非反転増幅回路３０を構成するオペアンプ２８としては、一般に使用される汎用のオペアンプを使用すればよい。また、前記変調回路部２６への影響を考慮して、オペアンプ２８の入力側にバッファを加えるように改良しても構わない。また、磁束計１０の増幅度は、抵抗Ｒ１及びＲ２の組み合わせによる非反転増幅回路３０の増幅率で決定される。従って、前記抵抗Ｒ１及びＲ２に用いる抵抗としては、公称抵抗値の許容差が小さい酸化金属被膜抵抗器を使用することが望ましい。
【００３６】
一方、コンデンサＣ１は、変調回路部２６の出力信号に含まれる低周波成分を除去するバイパスコンデンサとして使用されるが、無極性のコンデンサであれば好適に使用することができる。例えば、積層セラミックコンデンサ、セラミックコンデンサ、プラスチックフィルムコンデンサ等を使用すればよい。なお、前記非反転増幅回路３０は、オペアンプ２８の非反転入力端子（オペアンプ２８の＋側端子）より信号を入力する回路であるが、ＳＱＵＩＤ１４側から前記端子を見た場合、等価的に差動増幅回路と見なすことができる。
【００３７】
また、復調回路部３８は、前記非反転増幅回路３０で増幅された変調信号を復調するための回路である。非反転入力（×１）のバッファ回路３２と反転入力（×（−１））のバッファ回路３４は、オペアンプで構成する。２つのバッファ回路３２、３４を選択する切換スイッチ３６は、アナログスイッチ又はマルチプレクサで構成する。
【００３８】
更に、復調された信号に残存するリプルをスイッチドキャパシタフィルターによるローパスフィルター（ＬＰＦ）４０で除去する。また、前記信号の周波数が明確であれば、ローパスフィルター４０をバンドパスフィルターに組み替えても構わない。
【００３９】
クロック発生部（Clock）４２は、クロック信号を発生する部分であり、前記クロック信号を切換スイッチ２４及び移相器４３に与える。この場合、前記切換スイッチ２４に対しては、例えば１ｍｓ以下の短時間の間隔でクロック信号を与え、該切換スイッチ２４におけるスイッチの切り換えを行わせる。一方、切換スイッチ３６にも、移相器４３を介して前記切換スイッチ２４と同じクロック信号が前記クロック発生部４２より供給される。
【００４０】
また、前記積分回路１５は、ローパスフィルター４０の出力信号を積分して出力する回路であり、オペアンプとコンデンサと抵抗とを備え、該オペアンプの反転入力端子には、前記ローパスフィルター４０の出力信号にオフセット電圧を重畳させるオフセット電圧入力端子４５が接続されている。また、帰還抵抗１７は、前記積分回路１５の出力信号を帰還コイル１９にフィードバックするための抵抗であり、その大きさによって前記帰還コイル１９に流れる帰還電流の大きさが決定される。また、帰還コイル１９は、ＳＱＵＩＤ１４と共に液体ヘリウム又は液体窒素が充たされた低温容器内に浸漬されている。そして、前記帰還コイル１９と、ＳＱＵＩＤ１４とは磁気的に結合されていると共に、電気的には絶縁されている。
【００４１】
次に、磁束計１０の動作原理について図２Ａの磁束波形及び図２Ｂ〜図２Ｆの電圧波形を参照しながら説明する。
【００４２】
直流電流源１６より直流電流をＳＱＵＩＤ１４に流した状態で、図２Ａに示すように、例えば１００Ｈｚ以下の低周波の交流磁束信号６０を、図１に示す磁束４４の方向で前記ＳＱＵＩＤ１４のリング４６に鎖交させる。その結果、電磁誘導現象により前記リング４６にループ電流４８が流れ、矢印とは逆向きの磁束（図示せず）が発生する。前記ループ電流４８によって絶縁薄膜１２には電位差が発生し、ＳＱＵＩＤ１４の出力端子５０に出力電圧として検出される。図２ＢはＳＱＵＩＤ１４の出力電圧信号６２を示す。
【００４３】
次いで、前記ＳＱＵＩＤ１４の出力電圧を変調回路部２６のコンデンサ２０に充電する。その状態で、クロック発生部４２からクロック信号が切換スイッチ２４に与えられると、該切換スイッチ２４はＳＱＵＩＤ１４の出力端子５０から抵抗２２に切り換えられ、コンデンサと抵抗による放電が行われる。前記切換スイッチ２４を１ｍｓ以下の短時間で切り換えることにより、前記出力信号のサンプリング（振幅変調）が行われ、抵抗２２の両端には、図２Ｃに示すサンプリングホールドされた過変調の振幅変調信号６４が出力される。
【００４４】
次に、非反転増幅回路３０では、抵抗Ｒ１及びＲ２で決定される増幅率に従い前記振幅変調信号６４の増幅が行われる。図２Ｄは前記非反転増幅回路３０の出力信号６６を示す。
【００４５】
その後、復調回路部３８において、非反転増幅回路３０の出力信号６６を復調する。前記出力信号６６が正極性の信号のとき、前記復調回路部３８は非反転入力のバッファ回路３２として機能する。また、前記出力信号６６が負極性の信号である場合、前記復調回路部３８は反転入力のバッファ回路３４として機能する。すなわち、復調された信号は図２Ｅに示す全波整流信号６８として、前記復調回路部３８から出力される。なお、非反転入力のバッファ回路３２と反転入力のバッファ回路３４との切り換えは、切換スイッチ３６で行う。この場合、クロック発生部４２から出力されたクロック信号の供給に従い、スイッチの切り換えが行われる。
【００４６】
最後に、図２Ｅの全波整流信号６８のリプル７０をローパスフィルター４０を介して除去する。その結果、磁束計１０の出力には、図２Ｆに示すＳＱＵＩＤ１４のリング４６に鎖交した交流磁束信号６０に対応する信号７２が検出される。なお、前記リプル７０は、前記振幅変調信号６４に起因するリプルである。
【００４７】
また、オフセット電圧入力端子４５からオフセット電圧を、出力増幅装置１８の出力信号に重畳させた状態で、前記積分回路１５の出力信号を帰還抵抗１７を介して帰還電流として帰還コイル１９に流し、該帰還コイル１９に発生する磁束４７をＳＱＵＬＤ１４に鎖交することによって、磁束４４と磁束計１０の出力電圧との関係を線形化することができる。
【００４８】
以上、１個のＳＱＵＩＤと１個の出力増幅装置から構成される磁束計１０について説明した。実際には前記磁束計を１チャンネルとして、多チャンネル方式の磁束計システムとして利用する。従来技術であれば、多数のオペアンプを使用するため、消費電力が大きく、サーマルノイズがＳＱＵＩＤの出力電圧に及ぼす影響を考慮する必要があった。
【００４９】
本実施の形態では、１チャンネルの磁束計について、少なくとも非反転増幅回路３０のオペアンプ２８の１個のみで磁束計を構成することが可能であるため、消費電力の低減を実現できる。また、ＳＱＵＩＤの出力信号を変調し、１ｋＨｚ以上の搬送周波数の領域で、変調された前記出力信号を増幅するため、オペアンプの低周波ノイズの影響を受けることなくＳＱＵＩＤの信号を検出することができる。
【００５０】
また、増幅回路部の増幅回路が差動入力型ではなく非反転入力回路であるため、回路構造が簡単である。これにより、市販の回路部品だけで回路を構成できるため、前記部品の入手が容易であると共に、製造コストを低減することもできる。更に、クロック発生部４２についても、出力増幅装置１８から独立させることによって、前記クロック回路部の１台で、全ての磁束計に内蔵されている切換スイッチを制御することも可能である。
【００５１】
なお、この発明に係る磁束計及び出力増幅装置は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る磁束計及び出力増幅装置によれば、前記ＳＱＵＩＤの出力信号を効率よく検出し、かつ消費電力を低減できると共に、ノイズにも強く、回路構成が簡単なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係るＳＱＵＩＤを内蔵した磁束計に備えられた出力増幅装置の回路構成を示すブロック図である。
【図２】図２Ａは、図１に示すＳＱＵＩＤのリングに鎖交する交流磁束信号の時間的変化を示す波形図であり、図２Ｂは、ＳＱＵＩＤの出力信号の時間的変化を示す波形図であり、図２Ｃは、磁束計の変調回路部で変調されたＳＱＵＩＤの出力信号の時間的変化を示す波形図であり、図２Ｄは、非反転増幅回路で増幅された前記出力信号の時間的変化の波形図であり、図２Ｅは、復調回路部で復調された前記信号の時間的変化を示す波形図であり、図２Ｆは、ローパスフィルターを介して前記波形のリプルを除去した波形を示す図である。
【図３】ＤＯＩＴ方式による磁束計を示す図である
【図４】変調方式による磁束計を示す図である。
【符号の説明】
１０、１００、２００…磁束計 １２、１０２、２０２…絶縁薄膜
１４、１０４、２０４…ＳＱＵＩＤ １５、１０７、２０７…積分回路
１６、１０６…直流電流源 １７、１０９、２０９…帰還抵抗
１８、１０８、２０８…出力増幅装置 １９、１１１、２１１…帰還コイル
２０…コンデンサ ２２…抵抗
２４、３６…切換スイッチ ２６…変調回路部
２８…オペアンプ ３０…非反転増幅回路
３２、３４…バッファ ３８…復調回路部
４０、２１６…ローパスフィルター ４２…クロック発生部
４３、２１２…移相器
４４、４７、１１２、１１３、２１８…磁束
４５、１０５、２０５…オフセット電圧入力端子
４６、１１４、２２０…リング ４８、１１６、２２２…ループ電流
５０…出力端子 ６０…交流磁束信号
６２…出力電圧信号 ６４…振幅変調信号
６６…出力信号 ６８…全波整流信号
７０…リプル ７２…信号
１１０、２１０…差動増幅回路 ２０６…交流電流源
２１４…位相検波器
Claims (9)
- 超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を有する磁束計において、
前記磁束計は出力増幅装置を備え、
前記出力増幅装置は、
前記ＳＱＵＩＤの出力信号を振幅変調する変調回路部と、
前記変調回路部で変調された前記出力信号を増幅する増幅回路部と、
前記増幅回路部で増幅された信号を検波して、前記信号を振幅復調する復調回路部と、
前記復調回路部で復調された信号波形の脈動を平滑化するフィルター部とを有すること
を特徴とする磁束計。 - 請求項１記載の磁束計において、
前記変調回路部は、無極性のコンデンサと、
前記コンデンサの両端にそれぞれ電気的に接続された２個の切換スイッチと、前記切換スイッチの一端にコンデンサと並列に接続された抵抗とを有すること
を特徴とする磁束計。 - 請求項２記載の磁束計において、
前記切換スイッチは、前記変調回路部の入力端と出力端とを短時間で切り換えるスイッチであり、
前記切換スイッチの切換時間、及び前記コンデンサと前記抵抗とによる時定数で決定される周波数を搬送周波数とし、ＳＱＵＩＤの出力信号を変調信号とすること
を特徴とする磁束計。 - 請求項３記載の磁束計において、
前記変調信号は、前記切換スイッチ及び前記コンデンサと前記抵抗とにより生成されるサンプリングホールド波形であること
を特徴とする磁束計。 - 請求項１記載の磁束計において、
前記増幅回路部は、オペアンプから構成される非反転増幅回路であること
を特徴とする磁束計。 - 請求項１記載の磁束計において、
前記復調回路部は、前記増幅回路部で増幅されたＳＱＵＩＤの出力信号の内、正の信号が前記復調回路部に入力するときに対しては、非反転入力のバッファ回路として機能し、
負の信号が前記復調回路部に入力する場合には、反転入力のバッファ回路として機能すること
を特徴とする磁束計。 - 請求項１記載の磁束計において、
前記フィルター部は、前記復調回路部から出力される復調信号に包含されている搬送周波数の信号成分のみを除去するスイッチドキャパシタフィルターであること
を特徴とする磁束計。 - 請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁束計において、
前記ＳＱＵＩＤは、ＤＣ−ＳＱＵＩＤであること
を特徴とする磁束計。 - 超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の出力信号を増幅する出力増幅装置において、
前記ＳＱＵＩＤの出力信号を振幅変調する変調回路部と、
前記変調回路部で変調された前記出力信号を増幅する増幅回路部と、
前記増幅回路部で増幅された信号を検波して、前記信号を振幅復調する復調回路部と、
前記復調回路部で復調された信号波形の脈動を平滑化するフィルター部とを有すること
を特徴とする出力増幅装置。
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