JP4133934B2 - Ｓｑｕｉｄ用ダブルカウンタ方式によるヒステリシス特性型ディジタルｆｌｌ装置 - Google Patents

Description

本発明はジョセフソン接合を有する超伝導リング即ちＳＱＵＩＤ(超伝導量子干渉素子；Superconducting Quantum Interference Device)を使用したＦＬＬ（（磁束ロックループ）；Flux Locked Loop）方式の磁束検出装置に関する。

ＦＬＬ方式は一般的に、初めに定めたロック点の値が維持されるように、または超伝導リング内の磁束の変化量が常に一定となるように、ＳＱＵＩＤに併設されたフィードバックコイルにフィードバック電流を流すことによって磁界の測定を行う。即ち、外部磁界を打ち消すために、外部磁界と逆の磁界が生成されるようにフィードバック電流を流し、このフィードバック電流の大きさによって外部磁界の変化量を求めるものである。ＦＬＬ装置を使用することにより、測定対象である外部磁束とこの外部磁束の計測値である出力電圧とが比例関係にあるような線形性データの抽出をすることができる。

その一方式として所謂ディジタルＦＬＬ方式による磁束検出方法が提案されている。ディジタルＦＬＬ方式においては、ＳＱＵＩＤのΦ−Ｖ特性の周期性を利用する。磁束の大きな変化分はΦ−Ｖ特性における周期的変化の回数を数えることによって計測し、磁束の小さな変化分を線形的に計測して合成する。従来のＳＱＵＩＤ用ＦＬＬ装置の計測部は主に、ＡＤ変換器、ディジタル積分器、カウンタ、ＤＡ制御変換器、そして制御計測コンピュータを用いて構成されている。この場合、高い分解能と高スルーレートを達成するためには、処理ビット数が大きく高速処理が可能な高価な回路部品を必要とする。このためＤＳＰ（Digital Signal Processing）２２内に形成される。

かかる従来のディジタルＦＬＬ磁束検出方法においては１個のカウンタを使用し、ＡＤ変換器からのデータに基づくビット数とカウンタからの周期の回数を表現するビット数から磁束を表現する値を合成することにより外部磁束データを表現する。

図１に従来のディジタルＦＬＬ技術を使用するdcＳＱＵＩＤ磁束計１０を示す。ＳＱＵＩＤ１１は超伝導材料で作成したリング１２の途中に２つのジョセフソン接合１３を設けたものであり、直流電源(図示せず)からの直流電流Ｉｂによってバイアスされている。そしてこのバイアス電流の入力部と出力部間の電圧（出力電圧Ｖ）は、ＳＱＵＩＤのリング１２を貫く外部磁束Φxによって変化する。図２（ａ）および図３（ａ）に外部磁束Φxと出力電圧Ｖとの関係を示す。ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧Ｖはリング１２を貫く外部磁束Φxの変化に従って周期的に変化し、その周期は磁束量子であるΦ₀である。このように出力電圧Ｖは周期的に変化するため、単に出力された電圧Ｖを測定しただけでは外部磁束Φxの値は一義的には定まらない。

このため、図２（ａ）に示すように任意の測定開始点（一般にロック点という）ａ₀からの磁束の周期的変化を含めて測定する方法が用いられる。即ち、外部磁束に基く周期的変化の数ｎと、最大の周期ａ_nにおける磁束の変化分Φ’の値を基に、外部磁束Φxの値を計算する方式が採用されている。通常ロック点は各周期毎に1点が同じ電圧で点において定められる。ロック点はデータ処理の都合に応じて任意に設定することができ、図２に例示するように必ずしもＶ＝０とする必要はない。

周期性および変化分Φ’に対応する値を計測するために、図２（ｂ）に示すようにある瞬間のロック点ａ_nからの磁束変化分ΔΦに対応する出力電圧の変化分Δｖを求め、積分回路を介して常時フィードバックコイル２０にフィードバックする。このため測定点はロック点ａ_nに固定され、各測定時における磁束の変化ΔΦに基く出力電圧の変化Δｖは常に一定になるので、図２（ｃ）に示すように磁束の変化分Φ’に対応する電圧変化分Ｖ’を線形データとして得ることができる。このデータ値がロック点の制御範囲を超えると次のロック点に移動し、同時に積分器における前の積分データはリセットされる。

図１の従来例において、ＳＱＵＩＤ１１の出力電圧Ｖは増幅器１４によって増幅され、ＡＤ変換器１５によりディジタルデータに変換される。ディジタルデータはディジタル積分器１６によって積分される。積分値は各ロック点の制御範囲を超えるとリセットされ、このリセット回数により何周期までのデータであるかがカウンタ１７によって計測される。各周期毎の積分値はＤＡ変換器１８およびＳＱＵＩＤ１１の特性に対応して定まるフィードバック電流Ｉfを生成する電圧／電流変換器１９を介してフィードバックコイル２０にフィードバックされる。また各周期のロック点（ａ₀,ａ₁,ａ₂・・・・ａ_n）毎にリセットされた各積分値はデータ合成部２１に送られる。フィードバック電流Ｉfは各周期毎にリセットされるので一定値以上に増加することはない。

データ合成部２１はカウンタ１７の計測したリセット回数に対応する磁界の値および最後の周期においてディジタル積分器１６から得られた電圧変化分Ｖ’に対応する磁界の値を計算しこれらの値を合計して外部磁束の値を得る。なお、ＡＤ変換器１５、ディジタル積分器１６、カウンタ１７、データ合成部２１の制御は、通常ＤＳＰ２２の制御部（図示せず）によって行なわれる。

また、従来のディジタルＦＬＬにおいては、各ロック点の各制御範囲を図３（ｂ）に示すように、制御用ロック点（ａ₀,ａ₁,ａ₂・・・・ａ_n）の±１Φ₀をとしている。そして磁束Φがこの範囲を超えた場合に、ロック点をシフトさせ、カウンタ１７によりＵＰ、ＤＯＷＮの情報を記録し、制御（フィードバック）を行う方法を用いている。この従来の方法においては、外部磁束が増加する場合と減少する場合とではロック点および電圧の変化する経路が異なる状態をとる所謂ヒステリシス特性を利用して制御範囲の切換え動作の安定化を図っている。
Dietmar Drung "HIGH-Tc and low-Tc dc SQUID electronics" Superconductor Science and Technology 16 (2003) 1320-1136

従来のディジタルＦＬＬ装置は図１に示すように通常１つのカウンタ１７のみを使用している。このように１つのカウンタをディジタルＦＬＬ内において使用した場合、そのビット数はＤＳＰ等のハードウエアのビット数で制限されるため、（通常、カウンタ用ビットとフィードバック用ビットのトータルで３２ビット程度を使用する。）多くのビット数を割当てることができないという問題があった。またカウンタ１７を制御用コンピュータ内に構成する場合、１つのシフト以内でデータを転送する必要があるため、データ転送速度による制限を受け、スルーレートが大きくできないという問題点があった。

また、従来のＳＱＵＩＤ用ディジタルＦＬＬ装置は、ＡＤ変換器１５、ディジタル積分器１６、カウンタ１７、ＤＡ変換器１８、制御・計測用コンピュータ２２等により構成される。ディジタルＦＬＬにおいては、ビット数が分解能とダイナミックレンジを決定するため、測定対象や環境のノイズレベルを参酌して設計されている。高い分解能と高いスルーレートと高いダイナミックレンジを得るためには、各部品に関して高ビットで高速な処理が可能な高価な部品を使用するか、ＤＳＰを使用せざるを得ないという問題点があった。

システムの分解能は、制御範囲と制御のビット数で決定される。ビット数を一定とした場合に分解能を向上させるためには、制御範囲を狭くする必要がある。従来技術においては、安定な動作をさせるため、各ロック点に関し図３（ｂ）に示すように、±１Φ₀（２周期に相当）を制御範囲としていた。しかし、ディジタルＦＬＬにおいては図５（ａ）および（ｂ）に示すように、原理的には±０．５Φ₀ を制御範囲とすることができる。±０．５Φ₀は１Φ₀（１周期に相当）であるので全範囲をカバー可能であり、原理的にはＦＬＬの動作が可能である。

しかし、制御範囲を±０．５Φ₀とした場合には、図５（ｂ）に示すようなロック点をシフトさせる点Ｓまたはその近傍において、図５（ｃ）に示すような外部ノイズや、信号自体の変化により、ロック点のシフトが起こり安定した動作が行えない問題がある。ロック点の変更時の回路動作においては、図５（ｂ）に示すようにプラスの大きな値からマイナスの大きな値へ、即ち最大値から最小値へと頻繁に変更させる必要があるため動作が不安定となる。特にノイズの大きな環境や、信号がロック点の変更点の近傍で頻繁に変化するような場合にはロック点の頻繁な変更が生ずるという問題点がある。

本発明においては変化量カウンタと再生用カウンタの２つのカウンタを備える。そしてディジタルＦＬＬ内部の変化量カンンタでは計測データの変化量のみを扱い、制御用コンピュータの再生用カウンタにおいて計測データの実際の周期数、即ち磁界の周期性を処理する。

また、ＳＱＵＩＤのＶ−Φ特性の周期性を利用することにより制御範囲を±（０．５Φ₀＋α（αは０．５Φ ₀ 未満））とする。その結果、ヒステリシス特性を持たせることにより高分解を実現すると共に動作を安定させる。

第一の実施の形態に基く本発明は、磁場の増加に基き磁束量子Φ_０の周期で周期的に変動する電圧を生成するＳＱＵＩＤを用いてＦＬＬ方式により磁界を計測する磁束計測装置であって、
ＳＱＵＩＤからの周期的出力電圧を増幅し、増幅されたアナログ信号を出力する増幅器と、
増幅されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器と、
ＡＤ変換器の出力に基き、各周期毎の所定のロック点からの磁束変化分に対応する積分データを生成する積分器と、なお、各ロック点は磁束がこのロック点の対応する各制御範囲を超えると順次次のロック点移動し、かつ前記積分器はリセットされるように制御されており、
積分器に接続され、前記リセットの回数を計測する変化量カウンタと、
積分データとリセット回数のデータを合成するデータ合成部と、
データ合成部から所定の伝送路を介して伝送された合成データを受信しこの合成データを前記積分データと前記リセット回数のデータに分割するデータ分割部と、
分割された前記リセット回数のデータに基き、測定すべき磁束に対応する周期数をカウントする再生用カウンタと、
積分器のデータとカウントされた周期数に基き磁束値を計測するデータ再生部を有する磁束計測装置である。

そして、この磁束計測装置は、少なくとも積分器、変化量カウンタ、そして記データ合成部はマイクロコンピュータ内に形成され、データ分割部、再生用カウンタ、そしてデータ再生部は制御用コンピュータ内に形成される。また、ＦＬＬ方式におけるフィードバック電流は積分器の前記リセットに対応してリセットされる磁束計測装置である。

本発明の第二の実施形態に係る発明は、磁場の増加に基き周期的に変動する電圧を生成するＳＱＵＩＤを用いてＦＬＬ方式により磁界を計測する磁束計測装置であって、
ＳＱＵＩＤからの周期的出力電圧を増幅し、増幅されたアナログ信号を出力する増幅器と、
増幅されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器と、
ＡＤ変換器の出力に基き、各周期毎の所定のロック点からの磁束変化分に対応する積分データを生成する積分器と、なお、各ロック点は磁束がこのロック点の対応する各制御範囲を超えると順次次のロック点移動し、かつ前記積分器はリセットされるように制御されており、
積分器に接続され、リセットの回数を計測する変化量カウンタと、
変化量カウンタに接続され、リセット回数のデータに基き、測定すべき磁束に対応する周期数をカウントする再生用カウンタと、
積分器のデータと前記カウントされた周期数に基き磁束値を計測するデータ再生部を有する磁束計測装置である。

また、少なくとも積分器、および変化量カウンタはマイクロコンピュータ内に形成され、再生用カウンタ、およびデータ再生部は制御用コンピュータ内に形成されている磁束計測装置であり、そしてＦＬＬ方式におけるフィードバック電流は前記積分器の記リセットに対応してリセットされる磁束計測装置である。

また各周期毎の所定のロック点に対する制御範囲が±（０．５Φ₀＋α（αは０．５Φ ₀ 未満））であり、αは測定対象である磁場における雑音より大きい値に設定される磁束計測装置である。

現在ディジタルＦＬＬ磁束計は実用上は殆ど利用されていない。これは装置が高価であることが最大の原因であろう。本発明においては、２つのカウンタを用いることにより、安価な低ビットのマイクロコンピュータを用いてＳＱＵＩＤ磁束計の高性能化を実現できる。また、制御範囲を狭くすることによって高分解を実現できる。この場合、ロック点の変更点を±（０．５Φ₀＋α）とすることによりヒステリシス特性を持たせ、ロック点の変更付近の信号変動においてもロック点の変更は１度のみとなり、ノイズが多い場合でも安定な動作が可能となった。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示す具体的な例に基づいて、詳細に説明する。以下の説明は本発明に関する一実施の形態であり、本発明の一般的原理を理解することを目的とするものである。従って、本発明をこの実施の形態に具体的に記載された構成のみに限定するものではない。

図４に本発明の第一の実施の形態によるｄｃＳＱＵＩＤ磁束計３０を示す。図３に示すように、ＳＱＵＩＤ３１は超伝導材料で作成したリング３２の途中に２つのジョセフソン接合３３を設けた構造を有する。例えば、高温超伝導材料を使用したＳＱＵＩＤの場合の、典型的な超伝導ループは厚さが１μｍ以下、例えば０．２μｍ、の薄膜で形成されている。そして幅が例えば3μの２個の超伝導的に弱い接合、即ちジョセフソン接合３３、を有する。通常ＳＱＵＩＤ３１は直流電源(図示せず)からの直流電流Ｉｂによってバイアスされている。かかるＳＱＵＩＤ３１においては，バイアス電流の入力部と出力部間の電圧（出力電圧Ｖ）は、ＳＱＵＩＤのリング３２を貫く外部磁束Φxによって変化する。

ＳＱＵＩＤ３１の出力は増幅器３４に接続されており、増幅器の出力はＡＤ変換器３５に接続されている。外部磁束に基くＳＱＵＩＤ３１の出力電圧Ｖを増幅器３４で適切な大きさに増幅して、増幅器３４の出力に接続されたＡＤ変換器３５によりディジタルデータへの変換を行う。

図４の実施の形態においてはＡＤ変換器３５の分解能即ち動作ビット数は比較的小さいいビット数、例えば１０ビット程度でよい。その理由は外部磁束Φxとフィードバックコイル４０からの打消し磁束との差をとるためである。つまり変化量のみをＡＤ変換するからである。

ＡＤ変換器３５の出力はディジタル積分器３６に接続され、ディジタル積分器３６は変化量カウンタ３７、フィードバック回路を構成するＤＡ変換器３８、そしてデータ合成部４１に接続されている。ＡＤ変換器３５、ディジタル積分器３６、変化量カウンタ３７、およびデータ合成部４１は、この方法に限定するわけではないが、例えばマイクロコンピュータ４２を使用して形成することができる。１例としてマイクロコンピュータ４２内においてこれらは１６ビットで処理される。また他の例として、ディジタル積分器３６、変化量カウンタ３７、およびデータ合成部４１についてはマイクロコンピュータ４２内に形成し、ＡＤ変換器３５は外付けにすることができる。マイクロコンピュータ４２としては所謂ワンチップマイコンを使用することができる。

ディジタル積分器３６は例えば図３に示す各ロック点（ａ₀、ａ_１、ａ_２、・・・・）の制御範囲における磁束変化ΔΦに対応する出力電圧ΔＶを積分する。例えば、図２（ｂ）に示すように、ディジタル積分器３６はロック点ａ_nからの磁束変化分ΔΦに対応する出力電圧の変化分Δｖを積分し、ＤＡ変換器３８、電圧／電流変換器３９を介して常時フィードバックコイル４０にその出力をフィードバックする。このため微少測定点は、次々とロック点ａ_nに固定され、各測定時における磁束の変化ΔΦに基く出力電圧の変化Δｖは常に一定になるので、ディジタル積分器３６による積分により、各制御範囲における磁束Φの変化に対する線形の出力データを得ることができる。ディジタル積分器３６は積分を実行していたあるロック点（例えば図３（ｂ）のａ₀）の制御範囲を超えると、積分値をリセットして次のロック点（例えば同ａ₁）に移動する。

ＳＱＵＩＤ３１への電流フィードバック量は、上記のようにして、ディジタル積分器３６により電圧変化分ΔＶを積分することにより決定される。ディジタル積分器３６から出力された積分値はＤＡ変換器３８によってアナログ値に変換される。そしてアナログ変換された積分値は電圧／電流変換器３９へ送られる。電圧／電流変換器３９は、外部磁界の変化に起因する測定電圧（上記アナログ値）に基き、所定のフィードバック電流Ｉfを生成する変換器である。ＳＱＵＩＤ３１の近傍に配置されたフィードバックコイル４０に所定のフィードバック電流をＩf流すことにより、各ロック点からの磁束変化を打ち消すような磁場を発生させる。フィードバック電流値Ｉｆの値は、リング３２やフィードバックコイル４０の形状や配置および結合度等を参酌して例えばマイクロコンピュータ４２が決定する。

この実施の形態においては、積分器３６のビット数が、ＳＱＵＩＤ磁束計３０の分解能を決定する。ＤＡ変換器３８に関しては例えばビット数の少ない安価なＤＡ変換器を複数個を利用することにより（例えば８ビットのＤＡ変換器を２個並列に使用する等）トータル価格を低減することができる。

ディジタル積分器３６は、変化量カウンタ３７およびＤＡ変換器３８に接続されている。ディジタル積分器３６は、図３（ｂ）、および後に説明する図５（ｄ）に示すような制御範囲内での磁束変化に対応する積分値をＤＡ変換器３８およびデータ合成部４１に送る。磁束Φが動作中のロック点に対する制御範囲を超えた場合、図３（ａ）に示すようなΦ−Ｖ特性の周期性により、マイクロコンピュータ４２は例えばロック点ａ₀の制御範囲からロック点ａ₁に係る隣の制御範囲に移動させるように制御する。かかる移動によりフィードバック電流Ｉfを一定値以下に抑えることができる。このシフトは例えばマイクロコンピュータ４２内の制御部（図示せず）の命令により行われ、変化量カウンタ３７がシフト回数をカウントする。

ディジタル積分器３６からＤＡ変換器３８を介してフィードバックコイル４０に至るフィードバック回路の動作は高速で行われる。これに対し、後に説明する制御用コンピュータ５０へのデータ伝送は、磁束の計測に必要なサンプリングレートである例えば１ｋＨｚ程度の低速で行なわれる。このため、変化量カウンタ３７、次のデータ伝送時までの磁束変化によるシフト回数をカウントすると共にその変化量を保持する。

このように、変化量カウンタ３７は後続する制御用コンピュータ５０へデータを転送する間に、何回シフトが生じたか、即ちロック点（図４（ａ）のａ₀、ａ_１、ａ_２、・・・・）がどれだけ移動したかを数える役割をする。制御用コンピュータ５０にデータを転送すると、変化量カウンタ３７は０にリセットされる。データ合成部４１は変化量カウンタ３７が計測した上記シフト回数と積分器３６の積分値とを組合わせ伝送信号を作成する。ＳＱＵＩＤ３１から積分器３６までの処理は、後続するデータ転送とは独立に高速で行われており、処理速度を向上することができる。なお、ＡＤ変換器３５、ディジタル積分器３６、変化量カウンタ３７、データ合成部４１の制御は、マイクロコンピュータ４２内の制御部（図示せず）によって行なわれる。

伝送路５１のデータ通信のタイミングで、積分器３６のデータと変化量カウンタ３７のデータを有するデータ合成部４１から出力された伝送信号は、制御用コンピュータ５０に転送される。制御用コンピュータ５０としては通常の制御部、論理演算部、情報記録部、表示部、入力部としてのキーボード等（図示せず）を備えた端末、例えば市販のパーソナルコンピュータ等が使用できる。通常の計測システムにおいては、データの転送速度がシステムの処理速度を低くする最大の原因である。この問題点を解消するために、本発明においてはカウンタ３７、５３を２つ用いることにより、変化量データの処理と実際の磁束に係るデータ処理とを分けることにより解決する。

制御用コンピュータ５０においては、受信したデータによる積分器３６のデータと変化量カウンタ３７のデータを基に、実際の磁束の計測データを生成する。かかる方法により現在市販されている汎用のパーソナルコンピュータを用いた場合でも、非常に大きなダイナミックレンジを実現できる。

データ合成部４１は変化量カウンタ３７からのロック点の変化量と積分器３６からの積分値を組合わせて伝送信号を形成してデータ通信路５１に出力する。

データ分割部５２は伝送されたデータから変化量カウンタ３７のデータと積分器３６からのデータとに分離し、再生用カウンタ５３には変化量カウンタ３７のデータを送り、積分器データ部５４には積分器３６のデータを送る。変数は３２ビットを利用するが、プログラムで３２ビット変数を複数利用（容易に１００以上）することができるので、実際には無限大に等しい。また、実際上３２ビット変数を２つ用いた６４ビットでは、１０００Ｔ（Ｗｂ／ｍ²）の範囲を計測できる（ＳＱＵＩＤの変数係数が１Φ₀ あたり１ｎＴ換算）。

再生用カウンタ５３には記録部５５が設けられており、計測の開始時からの変化量カウンタ３７の全てのデータが記録されている。そして再生用カウンタ５３はマイクロコンピュータ４２から送られてきた変化量カウンタ３７のデータを合計する。この変換値データはロック点を通過した回数に対応するので、計測を始めてからの実際の磁束Φのデータの所謂上位ビットに対応する。

積分器データ部５４は分離された積分器３６の積分値、即ち最後のロック点ａ_nからの磁束の値に対応する積分値データを記憶する。この値は実際の磁束Φのデータを表すための下位ビットに対応する。データ合成部５６において上記２つのデータが合成され、データ再生部５７において実際の磁束値が計算される。

具体的には、例えば積分器３６は１６ビットまたはそれ以上、変化量カウンタ３７は８ビット、再生用カウンタは３２ビットまたは６４ビットで形成される。

この方法においては、伝送路５１を介するデータ転送とは独立して、ＦＬＬ動作のための電流フィードバック処理が行われることに特徴がある。再生用カウンタ５３とは別に変化量カウンタ３７を設けることにより、ＦＬＬの動作に比較して低速なデータ転送に起因するＦＬＬフィードバック処理の処理速度の低下を防止し、高速なフィードバックを実現できる。制御用コンピュータ５０の再生用カウンタ５３を利用することにより、ディジタルＦＬＬ内のみのカウンタの利用と比較して、遥かに大きなビット数が使用可能となり、飛躍的にダイナミックレンジを広げることができる。したがって、データの高速処理とダイナミックレンジの向上を実現することができる。

また、本発明におけるシステムでは、安価なマイクロコンピュータを利用しＡＤ変換器やカウンタを構成可能であること、そして制御用コンピュータを２つ目のカウンタとして利用しているためコストアップすることなく、システム全体を安価で提供できる。

次に本計測システムにおける分解能の向上について説明する。システムの分解能は、制御範囲と制御のビット数で決定される。ビット数を一定とした場合に分解能を向上させるためには、制御範囲を狭くする必要がある。

従来技術においては、安定な動作をさせるため、各ロック点に関し図３（ｂ）に示すように、±１Φ₀（２周期に相当）を制御範囲としていた。しかし、ディジタルＦＬＬにおいては図５（ａ）および（ｂ）に示すように、原理的には±０．５Φ₀ を制御範囲とすることで全測定範囲をカバーすることができる。即ち、±０．５Φ₀は１Φ₀（１周期に相当）であるので全範囲をカバーでき原理的にはＦＬＬの動作が可能である。

しかし、±０．５Φ₀を制御範囲とする場合、図５（ｂ）に示すようなロック点を次のロック点にシフトさせる点Ｓまたはその近傍において、図５（ｃ）に示すような外部ノイズや、信号自体の変化により、ロック点のシフトが起こり、安定した動作が行えない問題がある。ロック点の変更時の回路動作に関しては、図５（ｂ）に示すようにプラスの大きな値からマイナスの大きな値へ、即ち最大値から最小値へと変更させる必要がある。この変更が頻繁に起こると動作が不安定となる。ノイズの多い環境や、信号がロック点の変更点の近傍で頻繁に変化するような場合には、ロック点の頻繁な変更が生ずる。

かかる状態を避けるため、図５（ｄ）に示すように、±０．５Φ₀ に０．５Φ₀ 未満のマージンα例えば０．１Φ ₀ を持たせて動作範囲を±０．６Φ₀ にし、動作を安定させるためのヒステリシス特性を持たせることができる。かかるマージンαの追加により頻繁なロック点のシフトを起こさせないようにすることができることがわかった。本発明の目的の１つは分解能をあげることであるが、かかるヒステリシス特性を用いることにより制御範囲を±（０．５Φ₀＋α）と狭くした場合でも安定した動作が得られる。

この場合、積分器３６においては、ＡＤ変換器３５によってＡＤ変換されたデータを積分し、±（０．５Φ₀＋α）を超えた場合のみ、その情報を変化量カウンタ３７に送り、積分値をリセットさせる。ＤＡ変換器３８には常に積分された値（データ）を送っている。フィードバックコイル４０はこの値に基きフィードバック磁界を作り、ＳＱＵＩＤ３１内の磁界をロック点に固定させている。±（０．５Φ₀＋α）を超えた場合に積分器３６はリセットされ、リセット後の値をＤＡ変換器３８に送る。

このように、ＳＱＵＩＤ３１のＶ−Φ特性の周期性を利用した場合、制御範囲を１周期にマージンαを加えて±（０．５Φ₀＋α）として、ヒステリシス特性を持たせる方法により、従来の制御範囲（±１Φ₀ ）に比較して、高分解を実現し且つ動作を安定させることができる。制御範囲の指定はマイクロコンピュータ４２のプログラムにより行う。

本発明の第二の実施形態のｄｃＳＱＵＩＤ磁束計６０について述べる。ＦＬＬ部を構成する、ＳＱＵＩＤ３１、リング３２、ジョセフソン接合３３、増幅器３４、ＡＤ変換器３５、ディジタル積分器３６、ＤＡ変換器３８、電圧／電流変換器３９、フィードバックコイル４０、およびデータ合成部５６、データ再生部５７は第一の実施形態の場合と同等なので同じ参照符号で示している。

マイクロコンピュータ６２内の積分器３６の積分処理の内容は第一の実施形態の場合と同じであるが、その出力は伝送路６３を介して直接制御用コンピュータ６４内の積分器データ部６５にサンプリングのタイミングで入力される。変化量カウンタ６６の処理内容も第一の実施形態の場合と同様であるが、その出力は伝送路６７を介してサンプリングのタイミングで制御用コンピュータ６４内の再生用カウンタ６８の記録部６９に入力される。再生用カウンタ６８は測定される磁束の周期の数に合わせてデータを再生し、データ合成部５６においてこのタイミングで上記２つのデータが合成され、データ再生部５７において実際の磁束値が計算される。制御用コンピュータ６４としては第一の実施形態の制御用コンピュータと同様の端末、例えば市販のパーソナルコンピュータ等が使用できる。

本発明の方法によれば、ある条件（Φ₀周期）で、どれだけの外部磁界を計測したらロック点をシフトさせるかを決める位置であるロック点を変更させても、そのロック点の変更数を数えることにより、正しい計測磁界を得ることができる。また計測の分解能を低下させずにダイナミックレンジを広げることができる。かかる方法によりフィードバック電流値を増加させることなく、ダイナミックレンジを格段に大きくすることができる。

本発明によるディジタルＦＬＬは、磁気シールドルームのない環境やＭＲＩ（磁気共鳴影像法；Magnetic Resonance Imaging）などの強磁場空間においても安定に動作するため、ＳＱＵＩＤ磁束計の設置場所の制約がなくなり、高分解の磁束計としての利用範囲は格段に広がるであろう。またＳＱＵＩＤ磁束計を利用したＭＲＩ技術へ応用できる。

以上、本発明の実施の形態について図示し説明したが、本発明の技術的範囲を逸脱せずに、種々の変形が可能であることは明らかである。

なお、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。

ディジタルＦＬＬ技術を使用して構成した従来のdcＳＱＵＩＤ磁束計の回路図を示す。 ＳＱＵＩＤにおける外部磁束と出力電圧の関係を示す。またロック点における積分処理の内容を示す。 従来のディジタルＦＬＬ技術における各ロック点における制御範囲の移動状態を示す。 本発明の第一の実施形態におけるＳＱＵＩＤ磁束計の回路図を示す。 本発明におけるヒステリシス特性を有する各ロック点における制御範囲の移動状態を示す。 本発明の第二の実施形態におけるＳＱＵＩＤ磁束計の回路図を示す。

符号の説明

１０…dcＳＱＵＩＤ磁束計、 １１…ＳＱＵＩＤ、 １２…リング、 １３…ジョセフソン接合、 １４…増幅器、 １５…ＡＤ変換器、 １６…ディジタル積分器、 １７…カウンタ、 １８…ＤＡ変換器、 １９…電圧／電流変換器、 ２０…フィードバックコイル、 ２１…データ合成部、 ２２…制御・計測用コンピュータ（ＤＰＳ）、 ３１…ＳＱＵＩＤ、 ３２…リング、 ３３…ジョセフソン接合、 ３４…増幅器、 ３５…ＡＤ変換器、 ３６…ディジタル積分器、 ３７…変化量カウンタ、 ３８…ＤＡ変換器、 ３９…電圧／電流変換器、 ４０…フィードバックコイル、 ４１…データ合成部、 ４２…マイクロコンピュータ、 ５０…制御用コンピュータ、 ５１…伝送路、 ５２…データ分割部、 ５３…再生用カウンタ、 ５４…積分器データ部、 ５５…記録部、 ５６…データ合成部、 ５７…データ再生部、 ６２…マイクロコンピュータ、 ６３…伝送路、 ６４…制御用コンピュータ、 ６５…積分器データ部、 ６６…変化量カウンタ、 ６７…伝送路、 ６８…再生用カウンタ、 ６９…記録部、

Claims (8)

1. 磁場の増加に基き磁束量子Φ_０の周期で周期的に変動する電圧を生成するＳＱＵＩＤを用いてＦＬＬ方式により磁界を計測する磁束計測装置であって、
   ＳＱＵＩＤからの周期的出力電圧を増幅し、増幅されたアナログ信号を出力する増幅器と、
   前記増幅されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器と、
   前記ＡＤ変換器の出力に基き、各周期毎の所定のロック点からの磁束変化分に対応する積分データを生成する積分器と、なお、各ロック点は磁束がこのロック点の対応する各制御範囲を超えると順次次のロック点移動し、かつ前記積分器はリセットされるように制御されており、
   前記積分器に接続され、前記リセットの回数を計測する変化量カウンタと、
   前記積分データとリセット回数のデータを合成するデータ合成部と、
   前記データ合成部から所定の伝送路を介して伝送された合成データを受信しこの合成データを前記積分データと前記リセット回数のデータに分割するデータ分割部と、
   分割された前記リセット回数のデータに基き、測定すべき磁束に対応する周期数をカウントする再生用カウンタと、
   前記積分器のデータと前記カウントされた周期数に基き磁束値を計測するデータ再生部を有する磁束計測装置。
2. 少なくとも前記積分器、前記変化量カウンタ、そして前記データ合成部はマイクロコンピュータ内に形成され、
   前記データ分割部、前記再生用カウンタ、そして前記データ再生部は制御用コンピュータ内に形成される請求項１記載の磁束計測装置。
3. ＦＬＬ方式におけるフィードバック電流は前記積分器の前記リセットに対応してリセットされる請求項１記載の磁束計測装置。
4. 磁場の増加に基き周期的に変動する電圧を生成するＳＱＵＩＤを用いてＦＬＬ方式により磁界を計測する磁束計測装置であって、
   ＳＱＵＩＤからの周期的出力電圧を増幅し、増幅されたアナログ信号を出力する増幅器と、
   前記増幅されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器と、
   前記ＡＤ変換器の出力に基き、各周期毎の所定のロック点からの磁束変化分に対応する積分データを生成する積分器と、なお、各ロック点は磁束がこのロック点の対応する各制御範囲を超えると順次次のロック点移動し、かつ前記積分器はリセットされるように制御されており、
   前記積分器に接続され、前記リセットの回数を計測する変化量カウンタと、
   前記変化量カウンタに接続され、前記リセット回数のデータに基き、測定すべき磁束に対応する周期数をカウントする再生用カウンタと、
   前記積分器のデータと前記カウントされた周期数に基き磁束値を計測するデータ再生部を有する磁束計測装置。
5. 少なくとも前記積分器、および前記変化量カウンタはマイクロコンピュータ内に形成され、
   前記再生用カウンタ、および前記データ再生部は制御用コンピュータ内に形成されている請求項４記載の磁束計測装置。
6. ＦＬＬ方式におけるフィードバック電流は前記積分器の前記リセットに対応してリセットされる請求項４記載の磁束計測装置。
7. 前記各周期毎の所定のロック点に対する制御範囲が±（０．５Φ₀＋α（αは０．５Φ ₀ 未満））である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁束計測装置。
8. 前記各周期毎の所定のロック点に対する制御範囲が±（０．５Φ₀＋α）であり、αは測定対象である磁場における雑音より大きい値に設定される請求項７に記載の磁束計測装置。

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