JPH0227281A - 超伝導磁力計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Ｓｕｐａ
ｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　　Ｑｕａｎｔｔｔｎ　　Ｉｎ
ｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　　Ｄｅｖｉｃｅ　　）　　を用
いた高感度磁力計に関するものである。

〔従来の技術〕

第７図は１例として直流駆動型の５ＱＵＩＤ　（以後こ
の５ＱＵＩＤのことをＤＣ−８ＱＵＩＤと呼ぶ）を用い
九超伝導磁力計を示す構成図である。

図中、（１）は５ＱＵＩＤセンナ部であり、この中で＋
２１　ｉｊ　ジョセフソン接合、（３）は上記２つのジ
ョセフソン接合（２１を含む超伝導リング、（４）は変
調・帰還コイルである。（５）は上記５ＱＵＩＤセンサ
部（１）を駆動し、かつ、磁界変化信号を取り出すため
の駆動回路であり、この中で、（６）は直流電流源、（
７）は増幅器、（８）は位相検波器、（９）はオーディ
オ発振器。

αＱは積分用増幅器、ａＤは積分用コンデンサ、ａ３は
積分コントロール用スイッチ、αｊは帰還抵抗であ、６
ｖ、ｖ、）はそｔＬぞれ５ＱＵＩＤ−１＝ｙｆ部（１１
，ａｍ回路（５）の出力である。

このように１つの超伝導リング（３）の中に２つのジョ
セフソン接合（２１１＆：含み、直流電流のバイアスを
印加して駆動する５ＱＵＩＤをＤＣ−８ＱＵＩＤ　　と
呼んでおり、高感度磁力計等に広く応用されている。以
下この磁力計の動作原理について説明する。

ＤＣ−８ＱＵＩＤを液体ヘリウム等に浸す等にして極低
温【冷却し超伝導に転移し之超伝導体内では′量子は対
（クーパペア）を形成しておシ、このクーパベアの往来
によりジョセフソン接合においては電子波の位相差に依
存する直流ジョセフソン電流と呼ばれる電流が流れその
結果端子Ａ−Ｂ間には（１）式で示すような電流工が流
れる。

Ｉ：Ｉａ（ｄ１θｌ−１−７０２） ここで　ＩＯ：ジョセフソン接合の臨界電流＃１．＄２
：それぞれの接合での電子波の位相差 また超伝導リング内の７ラクソイドは磁束量子φＱ　（
＝２．ＯＴＸ　１０　　Ｗｂ　）の整数倍であるという
性質からリング内の磁束をφとすると次のような関係式
が成立す“る。

（但し　ｎ：１，２．・・・） （２１式より２つのジョセフソン素子に生ずる位相差は
超伝導リングを貫く磁束φによって決定されるのがわか
るが、（２）式を代入することにより（１）式は次のよ
う（表わされ、端子Ａ−Ｂ間を流れることのできる最大
超伝導電流Ｉｍは（４）式で与えられる。

（４）式より最大超伝導電流Ｉｍは超伝導リングを貫く
磁束φに対して磁束量子φ０を周期として変動しそれぞ
れφがｎφｏ、（ｎ＋）φ０　のときに最大仏Ｈａｅ最
小値０の値をとるが、これは超伝導リングの大きさが小
さく、かつリングのインダクタンスが０の極限の場合に
のみ成立する話であシ。

実際には遥伝導リングは有限のインダクタンスを有して
いるので最小値は０とはならない。

このようなりＣ−８ＱＵＩＤの特性電流−電圧特性を図
に示したのが第Ｓ図であシ臨界電流値までは電圧零の状
態で超伝導電流が流れ、臨界電流値より大きな電流に対
しては電圧が発生する。この臨界電流値は超伝導リング
を貫く磁束φに対し磁束量子φＯを周期として連続的に
変化しφ＝ｎφ０の時に最大値ｌ０１ｓφ＝（ｎ＋）φ
０　の時に最小値Ｉ０２の値を取プ、これに対応して　
電流Ｉ−電圧Ｖ特性もφ＝ｎφ０．φ＝　（ｎ　＋−）
φ０の時にそれぞれ図中の曲線人１曲線Ｂのようになシ
、φの値に応じてこの間を連続的に変化する。

そこでＩ（１＋１より若干大きいバイアス電流ｒｂ　を
直流電流源（６）からＤＣ−８ＱＵＩＤへ流し１発生す
る電圧Ｖを測定するとＶは図中のＣのように振幅がΔＶ
でφに対して磁束量子φＯを周期として変化するが、外
部磁界の強度をＢ、超伝導リング（３）と外部磁界Ｂと
のなす角度をθ、超伝導リング（３）の面積をＳとする
と超伝導リング（３）を貫く磁束φと外部磁界Ｂとの間
には次のような関係式が成シ立つ。

φ＝：１３−９−内θ　　□（５） 第９図はこの様子を示すものであシ、（５）式に示され
るように超伝導リング（３）を垂直に貫く有効な磁束成
分φは外部磁界Ｂと超伝導リングのなす角θの関数とな
り、５ＱＵＩＤは外部磁界に対してベクトルセンナとし
て動作する。

第１０図は上記５ＱＵＩＤセンサの動作特性を応用して
外部磁界の磁界変化を計測する原理を示す図であり、横
軸は超伝導リングを貫く磁束φと磁束量子φ０の比、縦
軸は５ＱＵＩＤセンサ部（１）の出力電圧Ｖを示してい
る。今、５ＱＵＩＤセンサ部（！）の動作点が８図中の
Ｄ点のようにφ／φｏ＝ｎに設定されているものとし、
オーディオ発振器（９）から変調・帰還コイル（４）を
介して例えば数１００ＫＨｚの正弦波変調磁束を印加す
ると、５ＱＵＩＤセンサ部（１）の出力は全波整流され
た波形のようになり変調信号の２倍の周波数になるが、
ここで外部磁界が増大して動作点が図中のＥ点にずれた
場合には５ＱＵＩＤセンサ部（１）からは変調信号と同
相の信号が出力され、逆に外部磁界が減少して動作点が
Ｆ点にずれた場合には変調信号と逆相の信号が出力され
る。これら外部磁界の増減に対応して位相及び周波数が
変わる正弦波状の信号を増幅器（７）で所要の大きさに
増幅した後１位相検波器（８）で処理し。

さらに、積分用増＠器１１０．積分用コンデンサＯＤ。

積分コントロール用スイッチｔ１３で構成される積分器
で積分することによって磁界変化量をＤＣ電圧に変換し
、この変化量を帰還抵抗α３を経由して変調・帰還コイ
ル（４）に帰還させると、この帰還電流が帰還抵抗ｕ１
に流れることによって発生する電圧は外部磁界の変化量
を示すので、この電圧を取）出すことによ１磁界変化量
を計測することができる。

すなわち、最初閉じている積分コントロール用スイッチ
ｔ１３を開くことにより積分用増幅器＋ＩＱと積分用コ
ンデンサａＤが積分器として動作し、積分コントロール
用スイッチαりを開く時点で最も近い。

例えばＤ点、Ｇ点のような極小、極大の位置に動作点を
ロックしこの状態から外部磁界の増減に対応して超伝導
ループ（３）内の磁束φが増減しようとすると上記５Ｑ
ＵＩＤセンサ部（１）の出力信号Ｖを基に、増幅器（７
）１位相検波器（８）及び、積分用増幅器αＧ、積分用
コンデンサ１．積分コントロール用スイッチｆｉ３で構
成される積分器によって磁束増減分に対応するＤＣ電圧
が算出され、このＤＣ電圧が帰還抵抗器０３．変調帰還
コイル＋４１　′ｔ−介して上記超伝導ループ（３）内
の磁束増減分を打ち消して常に動作点を同じ位置に固定
するように制御する。このような制御を行う駆動回路系
をＦｌｕｘ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ回路と呼び、磁束
ロックした状態からの外部磁界の変化量を上記帰還電流
が帰還抵抗（１３ｔ−流れることによって発生する電圧
ＶＯとして取シ出すことができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の超伝導磁力計は前述したＤＣ−８ＱＵＩＤ磁力計
１つで構成されたベクトルセンナであシ、かつ磁束ロッ
クした状態からの相対的な磁界変化量を検出する。この
ため航空機や船舶等に搭載して外部磁界の測定を行う場
合には、外部磁界と５ＱＵＩＤセンナとのなす角度（以
後この角度のことをセンナ姿勢角と呼ぶ）が変化し、そ
の九め、外部磁界の大きさＢをスカラー１として求める
ことが困難であるなどの課題があり念。

この考案は上記の課題を解決するもので＊Ａ’［：空機
の運動等によるセンナ姿勢角の変化によって生じるセン
ナ出力変化を逆に利用して外部磁界の大きさＢをスカラ
ー量として求めることが出来る超伝導磁力計を実現する
ことを目的とするう〔課題を解決するための手段〕 複数のＤＣ−８ＱＵＩＤ　　センサを互いにほぼ９０゜
の角度をなす立方体アセンプリイの３平面上に配置し、
それぞれのＤＣ−８ＱＵＩＤ　　セッサを駆動する複数
個の駆動回路と、それぞれの駆動回路より出力されるア
ナログ量の磁界変化信号をディジタル信号に変換する複
数個のＡ　／　Ｄ変換器と、それぞれのＡ／Ｄ変換器の
ディジタル信号を入力してベクトル演算を行う演算器と
によって、センナ姿勢角の変化による磁界変化量信号を
基にベクトル合成の演算を行い、外部磁界の大きさＢを
スカラー量として出力できるようにした。また３千面上
の５ＱＵＩＤセンサ間の直交度のずれ量を用いてベクト
ル合成時に補正計算することにより必ずしも５ＱＵＩＤ
センサ間が互いに直角になっていなくても正確にベクト
ル合成演算が行えるようにした、〔作用〕 この発明においては複数個のＤＣ−８ＱＵＩＤ　センサ
をほぼ直交３軸に配置した立方体アセンプリイ、複数個
の駆動回路、複数個のＡ　／　Ｄ変換器及び演算器によ
って、センナ姿勢角の変化を逆に利用してベクトル合成
演算を行い、ｔた５ＱＵＩＤセンサ角の直交度のずれ量
の補正計算を行って外部磁界の大きさＢｉミスカラーと
して算出するのでセンナ姿勢角に左右されることなく正
確に外部磁界Ｂを測定することができる。また５ＱＵＩ
Ｄセンサ間の直交度はそれほどは必要としないので立方
体アセンプリイ等の製造を容易にすることができる。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図である。図中
Ｉはそれぞれの面が互いに！１ぼ直角になっている立方
体で、温度変化の少ない材質２例えばクリスタル等を用
いて作られている。ａり、Ｉｌｅ。

（Ｉ力はそれぞれＸ軸５ＱＵＩＤセンサ部、Ｙ軸５ＱＵ
ＩＤセンサ部、Ｚ４１１ＳＱＵＩＤセンサ部であシ、そ
れぞれの５ＱＵＩＤセンサ部は第７図の３ＱσＩＤセン
サ部（１）と同一のもので、２つのジョセフソン接合（
２）、超伝導リング（３）、及び変調帰還コイル（４）
で構成されてお）、上記立方体（１４１に接着固定され
る等してそれぞれの超伝導リング面の方線方向、つまｆ
ｉｓＱＵＩＤセンサの感度軸が図のそれぞれＸ軸。

Ｙ軸、２軸方向を向くように取り付けられている。

（ＩＩ、　（Ｉｌ、（至）はそれぞれ上記Ｘ軸５ＱＵＩ
Ｄセンサ部ａ９．Ｙ＠５ＱＵＩＤ　センｆ部ａＳ、Ｚ軸
５ＱＵＩＤ−に／す部αηを駆動し、かつ、ａ界変化信
号を取り出すためのＸ軸５ＱＵＩ［）センサ駆動回路、
Ｙ軸５ＱＵＩＤセンサ駆動回路、Ｚ＠５ＱＵＩＤ七ンサ
駆動回路であシ、それぞれの駆動回路は第７図の駆動回
路（５）と同一のもので、直流電流源（６）、増幅器（
））１位相検波器（８）、オーディオ晃掻器（９）、積
分用増＠器σＧ、積分用コンデンサａυ、積分コントロ
ール用スイッチαし及び帰還抵抗ａ１で構成されている
。なお、　ｖＸ　、ＶＹ　ａｖＺはそれぞれＸ軸、Ｙ軸
、ｚ軸５ＱＵＩＤセンサ駆動回路α♂、　ａ９．５！ｌ
の出力である。

ＱＤ、ＦＡ、Ｑ３はそれぞれ上記Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ＠５Ｑ
ＵＩＤ　センサ駆動回路（Ｉｌ、α優、（至）のそれぞ
れアナログ量の磁界変化信号Ｙｚ、Ｍｙ、Ｖｚ　　をデ
ィジタル最に変換するＸ軸Ａ／Ｄ変換器、Ｙ軸Ａ／Ｄ変
換器、２軸Ａ／Ｄ変換器である。なおＵＵ　、　Ｖ’Ｖ
　。

ｗＨそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ！１１１Ａ／Ｄ変換器ａｎ
。

（２）、（至）の出力である。＠は上記Ｘ軸、Ｙ軸、２
軸Ａ／Ｄ変換器（２）４．＠、（ハ）のそれぞれのディ
ジタル信号朋、ｗ、ｗを基にベクトル合成演算及び補正
演算を行う演算器で上記ベクトル演算、補正計算を行う
とともに、各々の５ＱＵＩＤセンサ部α９゜αｅ、ａη
と外部磁界とのなす角を示す情報量を算出し、これを基
に各々の５Ｑｔ７１Ｄセンナ駆動回路αｅ。

ａＳ、（至）の中の積分用コントロールスイッチ（Ｌり
の開閉動作を制御するスイッチ制御信号を出力する。

第２図は上記演算器（財）の構成を示すものである。

図中（ハ）はベクトル合成演算制御部で上記ディジタル
信号ＵＵ　、　ＶＶ　、　ｗｗ　の値からセンナ姿勢角
が変化し念ことを検出し、これらセンナ姿勢角が変化し
念時のディジタル信号ＵＴＪ　、ＶＶ　１ｗｗ　を例え
ば３組以上求めて、これらを信号［ＪＵｌ　、　ＶＶｌ
　、　ＷＷｌ　。

ＵＵ２　、　ＶＶ２　、　ＶＶ２　、　ＵＵ３．　ＶＶ
５　、　ＶＶ５　　トして出力すると同時に、各々の５
ＱＵＩＤセンサ駆動回路α秒、ａ優、■の中の積分用コ
ントロールスイッチαりを開開させて磁界計測をリセッ
トし直す役目をする信号をスイッチ制御信号Ｃ８として
出力する。

（至）はセンナ姿勢角が変化した時の上記３組のディジ
タル信号ＵＵ１　、　ＶＶｌ　、　ＷＷｌ　、　ＵＵ２
　、　ＶＶ２　。

ｗＷ２　、　ＵＵ５　、　ＶＶｓ　、　ＷＷｓ　　’に
基にベクトル合成演算及びベクトル補正演算を行うベク
トル合成演算／ベクトル補正演算計算部である。

このような構成において上記Ｙ軸、Ｙ軸、２軸ＳＱＵ　
Ｉ　Ｄセンサ部σＳ、αｅ、αηが取シ付けられた上記
立方体α４Ｊ（以後この５ＱＵＩＤセンサの取り付けら
れたこの立方体のことを立方体アセンプリイと呼ぶ）を
液体Ｈｅ等を用いて極低温に冷却し、それぞれの５ＱＵ
ＩＤセンナを超伝導状態に転移させ。

Ｙ軸、Ｙ軸、２軸センサ駆動回路α１．αも翰を用いて
直流バイアス電流と変調磁束をそれぞれの５ＱＵＩＤに
加え、上記スイッチ制御信号Ｃ８により各々の積分コン
トロール用スイッチα２を開くと前に述べた原理により
各々のＹ軸、Ｙ軸、２軸５ＱＵＩＤセンサ駆動回路α口
、（Ｉシ■からはそれぞれ外部磁界ＢＯＸ軸成分、Ｙ軸
成分、２軸成分の変化量がそれぞれ電圧ｖＸ　＊　ｖＹ
　−ｖＺ　　として出力され、さらにこれらアナログ量
の信号ｖｘ、ｖＹ。

ＶＺはＹ軸、Ｙ軸、　ＺＳｔ＋Ａ／Ｄｆｆｉ換器ａｎ、
　Ｅ、　ｆｉによってそれぞれディジタル量の信号回、
　ｖｖ　。

Ｗに変換される。

ここで、Ｙ軸、Ｙ軸、２軸５ＱＵＩＤ＊ンｆ部ａ”Ｊ。

αｅ、αｎの感度軸の関係について詳しく説明する。

第３図はそれについて示した図であり、説明をわかシや
すくするため各々の５ＱＵＩＤセンサ部の超伝導リング
（３）を拡大して示しである。図中、（３１゜α瘤〜α
ηはそれぞれ第７図及び第１図に示したものと同一の超
伝導リング（３）、立方体Ｑ４．Ｘ軸、Ｙ軸。

２軸５ＱＵＩＤ　セｙ＋部（１５，（ｌ［１，ａｎテあ
シ、Ｘ軸。

Ｙ軸、ＺＭＳＱＵＩＤ　セフ？部ａｉ、ａｓ、αηの感
度軸は図に示すようにそれぞれ５ＱＵＩＤセンサ部内の
超伝導リング（３）を含む平面の法線方向であるＸ。

Ｙ、Ｚ方向を向いているが、この３軸は立方体α滲の面
精度等により完全には直交していない。

第４図はその様子を示すもので直交３軸のＸ。

ｙ、ｘに対して感度軸の２軸が２軸と一致し、Ｙ軸がｘ
ｉ平面内で２軸と（ｓｏ＋ｙ）の角度をなした方向に、
そしてＹ軸がそれぞれＹ軸、Ｚ軸と（９０＋α）、（９
０＋β）の角度をなす方向を、すなわちＹ軸とＹ軸、Ｙ
軸と２軸、ｚ軸とＹ軸のなす角がそれぞれ直角よりα、
β、ｒずれているものとすると（ｘ、ｙ、ｚ）座標系と
（Ｘ、Ｙ、Ｚ）座標系とのベクトル成分の関係式、すな
わち。

５ＱＵＩ［）センサの感度軸の直交度のずれ量の影響を
補正する計算式は次のようになる。

□（６） あり、！、１．には（ｘ、ｙ、ｚ）座標系の単位ベクト
ルＩ　　ｕＩマ、Ｗは（ｘ、ｙ、ｚ）座標系の単なお、
ｘ＠、ｙ軸、ＺＭＳＱＵＩＤ　セｙ１部ａＳ。

伯、αηの感度軸ｘ、ｙ、ｚ軸の直交度のずれ量αβ、
ｒは例えば各々の超伝導リング面のなす角をオートコリ
メータやレーザ干渉計算を用いて予め測定しておく。

ここで各々の５ＱＵＩＤセンナの感度軸が互いに完全に
直交していると仮定するとセンナ姿勢角の変化に対して
例えば地磁気のように外部磁界Ｂの変化がゆるやかであ
る場合、センナ姿勢角が変化成分Ｆ１〜Ｆ９　　が次式
で表わされる直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）と非直交座標系
（ｘ、ｙ、ｚ）との関係を表わす変換行列である。

と後との磁界Ｂの絶対値は同じであるから次式が成立す
る。

実際には５ＱＵＩＤセンサの感度軸は前述のように直交
３軸からα、β、ｒずれているので上記セ／す姿勢角が
変化する前後の磁界”Ｏ＊　”１−　Ｂ２　。

Ｂ５　は（６）式を用いてそれぞれ（８１，（９１〜＜
１１）式のように表わされる。

座標系つまＤＳＱＵｘｏセンサの感度軸が直交３軸から
α、β、ｒずれている座標系において表現さは上記ベク
トル合成演算制御部（ハ）よ多出力されるディジタル信
号でセンナ姿勢角が変化した時に生ずるセンナ出力変化
すなわち５ＱＵＩＤセンナの感度軸が直交３軸からα、
β、ｒずれている座標系において計測されるＸ、Ｙ、Ｚ
　　５ＱＵＩＤ　セン？ノ出力ＵＵｉ　、ＶＶｉ　、Ｗ
Ｗｉ　（ｉ＝１．２．３　）を表わしている。

そコテ＋８１〜６１）式１＆：（７）式に代入しテＵＯ
、Ｖｏ　、Ｗ。

について整理すると次の関係式が成立する。

ここで Ａ　ｉ　＝ａｙｓ　２βＵＵ　ｔ　＋（！１ｗｔｈ−−
ｒ　）Ｗ　＋＋（廊ｒ相角シ）ｗｗ　ｔＢ　Ｉ＝（〜枡
−−ｒ　）ＵＵ　ｉ　−ｈｘｓ’ｒＷ　ｉ＋（−−山ｉ
ｎａ　）ＷＷ　ｉＣｉ＝ｃｍ佃角シ）ＵＵ　＋＋（ｇｕ
もヒカ）菅ｉ七、、”ａｗＨ−（曲−七ｔｒｋｎｒ　）
Ｕ１月ＶＶ　ｉ　−Ｃｄｔｎｌ市白ｒｄｔｄｌ　）ＶＶ
　ｉＷＷ　ｉ−Ｃｍｒ−１ｔｈａＩｔｈ／）ｗｗｈｖｖ
＋（念だし　１：＝１．２．３） である。

α２式よりｔｙｏ、ｖｏ、ｗｏについて求め。

すなわち １０　ｍ　ＦＯ−ＫＯより絶対値化の演算を行うとα３
式のようにな）外部磁界の大きさＢｔ−スカラー量とし
て求めることができる。

＋２−ヤｒ、）ｖａｗｏや２輪、）ヤ。。ｏ、Ｉ／２□
αＪ 求め。

さらに（８）式を用いて直交座標系における外上記説明
ではＤＣ−３ＱＵＩＤ　　の一部である超伝導リング（
３）により外部磁界Ｂの３成分を直接とらえる場合を示
したが０代わりに検出コイルにょう外部磁界ｎの３成分
をとらえてもよく、このときは検出コイルの巻き数や面
積を大きくとることによし検出感度を高めることができ
るという長所がある。

第５図はこの様子を示すもので０図中（５）、＠。

翰はそれぞれ、Ｘ軸検出コイル、Ｙ軸検出コイル。

２軸検出コイルであり、それぞれ検出コイル面の法線方
向がｘ、ｙ、ｚ方向を向くように上記立方体Ｉの３平面
に覗勺付けられている。（７）、０υ、０３はそれぞれ
Ｘ軸入力コイル、Ｙ軸入力コイル、２軸入力コイルであ
り、ｘ軸、Ｙ軸、２軸検出コイル（５）、＠、＠でとら
えた外部磁界をＤ　Ｃ−５ＱＵＩＤに導く役目をし、そ
れぞれｘ軸、Ｙ軸、２軸５ＱＵＩＤセンサ部ａ９．　ａ
ｅ、αηの各々の超伝導リング（３）と磁気的に結合し
ている。

この場合には、外部磁界Ｂの３つの成分はｘ軸。

Ｙ軸、２軸検出コイル（至）、＠、（２）でとらえ、こ
れら外部磁界Ｂの３つの成分はｘ軸、Ｙ軸、２軸入力コ
イル（至）、ｏｎ、０３によってそれぞれｘ軸、Ｙ軸。

２軸５ＱＵＩＤ七／す部ａ！ｉ、　ａｌｌ、αηの各々
の超伝導リング（３）へ伝達される。従って検出コイル
（財）、＠。

翰の巻き数や面積を大きくとって等測的に超伝導リング
（３）を貫く磁束φを増大させ、検出感度を高めること
ができるという特徴がある他は動作的には第１図に示し
た超伝導リング（３）で直接外部磁界をとらえる方式の
超伝導磁力計と同じであｆｉ、１３式に示したベクトル
合成演算の処理を演算器ｃ！瘤に行うことにより同様に
外部磁界の大きさＢをスカラー量として求めることがで
きる。

さらに上記ｘ軸、Ｙ軸、２軸検出コイル■、＠。

（至）、ｘ軸、Ｙ軸、２輸入力コイル（至）、ｏｎ、（
２）及びｘ軸、ｘ軸、ｚ軸５ＱＵＩＤ　セ：／す部（１
９，ａｅ、　ａｎをそれぞれｘ、ｙ、ｚ軸ごとに１グル
ープとして上記立方体ａ−の３平面に取シ付けて構成し
てもよく。

この場合は第５図に示し念検出コイルで外部磁界をとら
える方式の超伝導磁力計と基本的には同じであるが薄膜
蒸着製造技術等を利用して検出コイル、入力コイル、５
ＱＵＩＤセンサ部等を立方体の面上にまとめて形成でき
るので超伝導磁力計のアセンプリイ構成をシンプルにで
きると匹う長所がある。第６図はこの様子を示すもので
Ｘ軸検出コイル■、Ｘ軸入力コイル（至）、Ｘ軸５ＱＵ
ＩＤセンサ部ａｉｌｌグループとしてこれらコイル面、
超伝導リング面の法線方向がＸ方向を向くように上記立
方体ａ４の平面上に取り付けられている。Ｙ軸検出コイ
ル（至）、Ｙ軸入力コイル（財）、Ｙ軸５ＱＵＩＤセン
サ部（１Ｇのグループについても、また、２軸検出コイ
ル（至）、ｚ軸入力コイル（２）、Ｚ＠５ＱＵＩＤセン
サ部αηのグループについても同じであり、コイル面。

超伝導リング面の法線方向がそれぞれＹ方向、２方向を
向くように上記立方体α−の平面上に取り付けられてい
る。この場合、動作原理は第５図に示した検出コイルに
より外部磁界をとらえる方式の超伝導磁力計と同じであ
り、　（１３式に示したベクトル合成演算の処理を演算
器（至）により行うことにより、同様に外部磁界の大き
さＢをスカラー量として求めることができる。

結局このように構成された超伝導磁力計では複数個の５
ＱＵＩＤセンサ部ａｓ、ａｓ、αηを、あるいは複数個
の検出コイル■、＠、翰をあるいは両者及び複数個の入
力コイル（７）、０υ、（至）をほぼ直交３軸の状態で
立方体α畳の３平面【取シ付けることにより、センナの
感度軸もほぼ直交３軸の方向を向い友状態になっており
複数個の５ＱＵＩＤセンサ駆動回路（ＩＩｌ、Ｑｌ、■
によって上記５ＱＵＩＤセンサ部ａ９゜ａｅ、αηを駆
動して外部磁界の変化をベクトル成分の状態で検出する
。すなわちｘ、ｙ、ｚの方向に配置したＤＣ−８ＱＵＩ
Ｄ　の動作点を第１０図の例えばＧ、０点に示す山、谷
に磁束ロックさせ、この状態から外部磁界の変化に応じ
て各々の超伝導リング（３）を貫く磁束が変化しようと
するとそれぞれの５ＱＵＩＤセンナ駆動回路α・、ａ９
．■は変化分に対応する電流１ＦｃＤｃ−８ＱＵＩＤ　
センサ部ａｓ、ａｓ。

αηの各々の変調・帰還コイル（４）により帰還させて
各々の超伝導リング（３）を貫く磁束を常に一定にする
ように制御し、この時の帰還電流を電圧の形で取り出し
て外部磁界の変化をベクトル成分の状態で検出する。次
にこのアナログ量の磁界変化信号を複数個のＡ　／　Ｄ
変換器ＱＤ、Ｉ２３．Ｏでそれぞれディジタル信号に変
換し、このディジタル信号を基【上記演算器ｃ１４の中
のベクトル合成演算制御部（至）によって、センサ姿勢
角が変化したことを検出し。

これらセンナ姿勢角が変化した時のディジタル信号を例
えば３組以上求めてこれら信号を用いて感度軸の軸ずれ
補正を盛シ込んだ０式に示すベクトル合成演算の処理を
上記ベクトル合成演算／ベクトル補正演算部翰で行うの
で５ＱＵＩｔ）センサと外部磁界とのなす角度に左右さ
れることなくその大きさＢをスカラー量として求めると
とができる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明した通９複数個の超伝導量子干渉素
子あるいは複数個の検出コイルあるいは両者及び複数個
の入力コイルがほぼ直交３軸になるように立方体に配置
した状態の元で、複数組のＡ／Ｄ変換器でそれぞれディ
ジタル信号に変換し。

さらにベクトル合成演算制御部や駆動回路によるセンナ
姿勢角変化検出機能や磁束ロック、リセット機能により
センサ姿勢角が変化した時の複数組の磁界変化のベクト
ル成分計測ができるようになっている。このような機能
を用いてセンナ姿勢角が変化した時の複数組の磁界変化
データを基に０式に示すベクトル合成演算及び感度軸の
軸ずれ補正の計算を行うので外部磁界の入射角に左右さ
れることなくその大きさをスカラー量として求めること
ができる。また上述のように感度軸の軸ずれ補正の計算
を行っているので各々の超伝導干渉素子又は検出コイル
は完全な直交３軸になるように配置する必要はなく、従
って、アセンプリイの加工１組立等も容易にできるとい
う長所がある。なお、上記説明では複数個のＡ／Ｄ変換
器を用いて複数個のアナログ量の磁界変化信号をそれぞ
れ別個にディジタル変換する例を示したが、複数個のサ
ンプルホールドと１個の高速Ａ／Ｄ変換器を用いて上記
複数個の磁界変化を時分割してディジタル変換してもよ
い。

また上記説明ではＦｌｕｘ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ回
路方式の超伝導磁力計を用いて外部磁界を計測する例を
示したが、磁束量子を周期として変化する山谷を直接カ
ウントするディジタルカウント方式の超伝導磁力計ある
いは上記Ｆｌｕｘ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ回路方式及
びディジタルカウント方式を併用した超伝導磁力計で計
測する等数々の方法が考えられる。

なお、上記説明ではＣＤ−８ＱＵＩＤ　を用いるものと
して説明を行ってき九が、超伝導リング中にジョセフソ
ン素子を一つ含み交流電流で駆動するＲＦ−８ＱＵＩＤ
　を用いてもよい。

ＲＦ−３ＱＵＩＤ　についてはＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａ
ｃｔｉｏｎＯｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｖ
ｎｌ　ＥＤ−２７，１９８０、第１９８６頁−第１９０
８項に詳細が記されている。

また、上記説明では超伝導磁力計を使用して磁界を計測
する場合につＡて述べたが、ベクトルセンサでかつ外部
物理量の相対的な変化量を検出する例えば電界計測等の
他の物理量の計測等にも応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図は演
算器の構成を示す図、第３図は感度軸の関係を示す図、
第４図は感度軸の直交度のずれの様子を示す図、第５図
はこの発明の他の実施例を示す構成図、ｆｓａ図はこの
発明のさらに他の一実施例を示す構成図、第７図は従来
の超伝導磁力計の一実施例を示す構成図、第８図はＤＣ
−８ＱＵＩＤの電流−電圧特性を示す図、第９図はＤＣ
−８ＱＵＩＤと外部磁界とのなす角度と超伝導リングを
貫く磁束の関係を示す図、第１０図はＤＣ−８ＱＵＩＤ
が外部磁界を計測する原理を示す図である。 図中（１１は５ＱＵＩＤセンサ部、（２）はジョセフソ
ン接合、（３）は超伝導リング、（４）は変調・帰還コ
イル。 （５）は駆動回路、（６）は直流電流源、（７）は増幅
器、（８）は位相検波器、（９）はオーディオ発振器、
αＧは積分用増幅器、ＣＤは積分用コンデンサ、α２は
積分コントロール用スイッチ、ａｍは帰還抵抗、　ａ４
は立方体＋１９．＋１１１．　（１７）はそれぞれＸ軸
５ＱＵＩＤ　セフす部、Ｙ軸５ＱＵＩＤ　セｙす部、２
軸５ＱＵＩＤ　セ／す部、α梯。 （１ｇ、（至）はそれぞれＸ軸５ＱＵＩＤセンサ駆動回
路。 Ｙ＠ｌｌ５ＱＵＩＤ　セフｆ駆動回路、ＺＩ［ｔｌＳＱ
ＵＩＤ＊ンサ駆動回路、ＱＤ、＠、（至）はそれぞれＸ
軸Ａ／Ｄ変換器、Ｙ＠Ａ／Ｄ変換器、Ｚ＠に／Ｄ変ｍ？
Ｌ　Ｈは演算器、（至）はベクトル合成演算制御部、（
イ）はベクトル合成演算／ベクトル補正演算部、Ｈ，＠
。 翰はそれぞれＸ軸検出コイル、Ｙ軸検出コイル。 ２軸検出コイル、　ｃ３ｔＪ、　０υ、（至）はそれぞ
れＸ軸入力コイル、Ｙ軸入力コイル、Ｚ軸入力コイルで
ある。 図中同一あるいは相当部分には同一符号を付して示して
ちる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数個の超伝導量子干渉素子をほぼ直交３軸に配
   置した立方体アセンプリイとそれぞれの超伝導量子干渉
   素子を駆動する複数個の駆動回路と、それぞれの駆動回
   路より出力されるアナログ量の磁界変化信号をディジタ
   ル信号に変換する複数個のＡ／Ｄ変換器と、それぞれの
   Ａ／Ｄ変換器と、それぞれのＡ／Ｄ変換器のディジタル
   信号を基にベクトル合成の演算及び上記超伝導量子干渉
   素子間の直交度のずれ量の補正計算を行いスカラー量の
   磁界計測信号を算出する演算器とを備えたことを特徴と
   する超伝導磁力計。
2. （２）被測定磁界を検出する複数個の検出コイルをほぼ
   直交３軸に配置した立方体アセンプリィと、それぞれの
   検出コイルで検出した磁界を超伝導量子干渉素子に導く
   ための複数個の入力コイルと、それぞれの入力コイルと
   磁気的に結合した複数個の超伝導量子干渉素子と、それ
   ぞれの超伝導量子干渉素子を駆動する複数個の駆動回路
   と、それぞれの駆動回路より出力されるアナログ量の磁
   界変化信号をディジタル信号に変換する複数個のＡ／Ｄ
   変換器と、それぞれのＡ／Ｄ変換器のディジタル信号を
   基にベクトル合成の演算及び上記検出コイル間の直交度
   のずれ量の補正計算を行いスカラー量の磁界計測信号を
   算出する演算器とを備えたことを特徴とする超伝導磁力
   計。
3. （３）被測定磁界を検出する検出コイル、これによつて
   検出した磁界を超伝導量子干渉素子に導くための入力コ
   イル、入力コイルと磁気的に結合した超伝導量子干渉素
   子を１グループとし、これらを複数組、ほぼ直交３軸に
   配置した立方体アセンプリイと、それぞれの超伝導量子
   干渉素子を駆動する複数個の駆動回路と、それぞれの駆
   動回路より出力されるアナログ量の磁界変化信号をディ
   ジタル信号に変換する複数個のＡ／Ｄ変換器と、それぞ
   れのＡ／Ｄ変換器の出力を基にベクトル合成の演算及び
   上記検出コイル間の直交度のずれ量の補正計算を行いス
   カラー量の磁界計測信号を算出する演算器とを備えたこ
   とを特徴とする超伝導磁力計。