JPH06308210A - Ｓｑｕｉｄ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷媒の液面低下や測定室温変化があっても、
回路の動作点におけるＶ−φ曲線の傾きが変化せず、常
に最適な動作点のもとに安定して高いＳ／Ｎのもとに磁
気測定を行うことのできるＳＱＵＩＤ駆動回路を提供す
る。 【構成】 ＤＣ−ＳＱＵＩＤリング１の出力を増幅する
プリアンプ２の出力電圧の初期値を記憶する記憶回路ａ
と、プリアンプ２の出力から当該出力中の信号成分周波
数よりも十分に低い周波数成分を取り出すフィルター回
路ｂと、そのフィルター回路ｂの出力電圧の記憶回路ａ
の記憶内容に対する差を、低周波成分の変化分を打ち消
すように積分器３の入力に加算する回路手段ｃを設け、
Ｖ−φ特性の変化に追随して実質的にバイアス電圧を変
化させるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば生体磁気計測を
はじめとする超微弱磁界を検出するのに用いられるＤＣ
−ＳＱＵＩＤの駆動回路に関し、更に詳しくは、非変調
型の磁束ロック法を用いたＳＱＵＩＤ駆動回路に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超伝導ループ内に２箇所のジョセフソン
接合部を持つ超伝導ループからなるＤＣ−ＳＱＵＩＤリ
ングを検出部とするＤＣ−ＳＱＵＩＤでは、ＳＱＵＩＤ
リングに磁気信号が入力すると、磁束量子を周期として
周期的に変化する電圧出力を出すが、これを一種の零位
法である磁束ロック法と称される方式に基づく駆動回路
と併用することにより、磁束量子よりも更に細かく磁束
を分解できる出力を取り出すことが可能となる。

【０００３】磁束ロック法を用いたＳＱＵＩＤ駆動回路
は、一般に、ＳＱＵＩＤ出力を変調することによってＳ
／Ｎを向上させる変調型と、このような変調を行わずに
ＳＱＵＩＤリングに近接してＡＰＦコイルと称されるコ
イルを設けることにより、ＳＱＵＩＤ出力のＶ−φ特性
を変化させてＳ／Ｎを向上させる、いわゆるドゥルング
タイプと呼ばれる非変調型とがある。

【０００４】このうち、非変調型のＳＱＵＩＤ駆動回路
は、図４にその回路構成図を例示する。この回路におい
ては、磁束ロック回路であるＦＬＬユニットＵ１と、バ
イアス電圧Ｖb ′やバイアス電流Ｉb 等を生成するコン
トロールユニットＵ２によって構成され、ＳＱＵＩＤリ
ング１の出力はＦＬＬユニットＵ１のプリアンプ２で増
幅され、その増幅出力はバイアス電圧Ｖb ′と抵抗６な
いしは抵抗７を介して相互に加算された後に積分器３に
導入されており、ＳＱＵＩＤリング１に被検出磁気信号
が入力すると、プリアンプ２を経て積分器３の出力にそ
の磁気入力信号と比例する電圧が発生するようになって
いる。この電圧信号Ｖf は抵抗４によって電流に変換さ
れた後、ＳＱＵＩＤリング１と磁気的に結合されたフィ
ードバックコイル５に供給され、これによってＳＱＵＩ
Ｄリング１には被測定磁気信号を打ち消すような磁場が
印加される。従って、この回路では、検出部であるＳＱ
ＵＩＤリング１に入る磁場の合計、つまり被測定磁気信
号とフィードバック信号の合計が常に一定となるように
動作しているので、プリアンプ２の出力電圧は、静的に
は一定であり、動作点のずれもない。

【０００５】すなわち、このような回路においては、図
５に基本的なＶ−φ特性曲線を実線で示すように、ＳＱ
ＵＩＤリング１に外部から磁気信号が入ってもプリアン
プ２の出力電圧は静的には一定であるので、回路の動作
点はバイアス電圧Ｖb ′の設定値に応じて常にＡ点に固
定される(Superconducting Devices and Their Appli-c
ations(SQUID'91) P351 "Investigation of Double-Loo
p DC-SQUID Magnetome-ter with Additional Positive
Feedback" by D.Drung) 。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図４に例示
した回路において、ＳＱＵＩＤリング１等の超伝導動作
部分を冷却する液体ヘリウム等の冷媒の液面低下や、測
定室の温度が変化すると、Ｖ−φ曲線は図５に破線で示
すように変化し、回路の動作点もＢ点に移動してしまう
ことになる。ここで、ＤＣ−ＳＱＵＩＤを用いた磁束計
におけるノイズレベルは、動作点におけるＶ−φ曲線の
傾きdV/dφ依存し、その傾きdV/dφが大きいほどノイズ
が低くなる。従って、バイアス電圧Ｖb ′を適宜に選択
して、元来的な動作点をＡ点としてその点における傾き
（dV/dφ）_A を最大に設定していても、上記のような原
因によってＶ−φ曲線が変化して動作点がＢ点にずれる
と、その傾きも（dV/dφ）_B となってより小さくなり、
ノイズレベルが悪化してしまうことになり、また、出力
ドリフトが生じるという問題もある。

【０００７】本発明はこのような現象を防止すべくなさ
れたもので、液体ヘリウム液面の低下や室温の変化があ
っても回路の動作点におけるＶ−φ曲線の傾きが変化す
ることなく、常に最適な動作点のもとに安定して高いＳ
／Ｎで磁場測定することのできるＳＱＵＩＤ動作回路の
提供を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を、図１に示す基本概念図を参照しつつ説明す
ると、本発明のＳＱＵＩＤ駆動回路は、ＤＣ−ＳＱＵＩ
Ｄリング１の出力を増幅するプリアンプ２と、そのプリ
アンプ２の出力を入力する積分器３等を備えてなる非変
調型の磁束ロック法に基づくＳＱＵＩＤ駆動回路におい
て、プリアンプ２の出力電圧の初期値を記憶する記憶回
路ａと、プリアンプ２の出力電圧から当該出力電圧中の
信号成分周波数よりも十分に低い周波数成分を取り出す
フィルター回路ｂと、そのフィルター回路ｂの出力電圧
の記憶回路ａの記憶内容に対する差を、上記低周波成分
の変化分を打ち消すように積分器３の入力に加算する回
路手段ｃとを、プリアンプ２と積分器３の間に挿入した
ことによって特徴づけられる。

【０００９】

【作用】液体ヘリウムの液面低下等に伴うＶ−φ特性の
変化は、プリアンプ２の出力電圧の緩やかな変化となっ
て現れる。そこで、動作中におけるプリアンプ２の出力
のうち、信号成分周波数により十分に低い周波数成分を
フィルター回路ｂによって抽出し、これを記憶回路ａの
内容、つまり液体ヘリウム液面の低下等が出現していな
い状態のプリアンプ２の出力電圧の初期値と比較して、
その差を積分器３の入力に加算することにより、プリア
ンプ２の出力電圧からＶ−φ特性の変化に起因する電圧
変化分を打ち消すことができる。すなわち、Ｖ−φ特性
のグラフから見ると、図３に例示するように、実質的
に、Ｖ−φ特性がＣからＤに変化したとき、これに追随
してバイアス電圧がＶb ′からＶb ″に変化して、動作
点は、その点におけるＶ−φ曲線の傾きが常に当初の最
適値を維持するようにＥからＦに変化し、常に最適な点
を移動する。

【００１０】

【実施例】図２は本発明実施例の主要部分を示すブロッ
ク図で、プリアンプ２および積分器３との間に挿入され
ている回路が特徴部分であって、他は図４に示した回路
と全く同様である。

【００１１】ＳＱＵＩＤリング１からの出力信号を増幅
するプリアンプ２の出力電圧は、図４の回路と同様に、
バイアス電圧Ｖb ′とそれぞれ抵抗６ないしは７を介し
て加算された後、積分器３の負入力に入力されていると
ともに、Ａ−Ｄ変換器１１およびローパスフィルター１
２にも導入されている。

【００１２】Ａ−Ｄ変換器１１の出力はメモリ１３およ
びＤ−Ａ変換器１４のそれぞれに供給されている。Ｄ−
Ａ変換器１４の入力にはＡ−Ｄ変換器１１の出力のほか
にメモリ１３の記憶出力も接続されており、このＤ−Ａ
変換器１４によってＡ−Ｄ変換器１１またはメモリ１３
のデジタル出力のいずれかがアナログ電圧信号に変換さ
れる。そして、このＤ−Ａ変換器１４のアナログ出力は
適当な入力抵抗１５を介して演算増幅器１６の正入力に
導入されている。

【００１３】ローパスフィルター１２は、例えば０．０
１Ｈｚ以下の低周波成分のみを通過させ、その出力は抵
抗１７を介して演算増幅器１６の負入力に導入されてい
る。従って、この演算増幅器１６は、Ｄ−Ａ変換器１４
からの出力電圧からローパスフィルター１２の出力電圧
を減算した電圧信号を出力する。そしてその出力電圧
は、抵抗１８を介して積分器３の正入力に入力されてい
る。

【００１４】前記したＡ−Ｄ変換器１１およびメモリ１
３は、それぞれ外部から供給されるセット信号によって
動作し、そのセット信号の到来によって、Ａ−Ｄ変換器
１１は入力信号をデジタル化するとともに、そのデジタ
ル信号がメモリ１３に格納されるようになっている。

【００１５】以上の本発明実施例を使用する際、まず、
従来の回路と同様に、Ｖ−φ曲線における傾きが最大と
なるようなバイアス電圧Ｖb ′を設定する。その後、セ
ット信号を供給して、プリアンプ２の出力電圧の初期値
をデジタル化してメモリ１３に格納する。これにより、
以降はＤ−Ａ変換器１４のデジタル入力にはメモリ１３
の記憶内容が供給されることになる。

【００１６】以上のようなセッティングが終了した後、
実際の測定動作に入る。測定中においては、当初の液体
ヘリウムの液面の低下や室温変化がない状態で、プリア
ンプ２の出力電圧のうち、信号成分の周波数より十分に
低い低周波成分の変化がなく、従って演算増幅器１６の
出力は０であるとともに、Ｖ−φ曲線は図３のＣに示す
ように初期状態を保っており、最適に設定されたバイア
ス電圧Ｖb ′に基づく動作点Ｅにおいて、その傾き (dV
/dφ) _E は最大となっている。

【００１７】このような状態から液体ヘリウムの液面低
下や室温変化が生じると、プリアンプ２の出力電圧は、
信号成分以外の低周波成分において変化が生じる。この
変化は、ローパスフィルタ１２の出力電圧とＤ−Ａ変換
器１４の出力に差が生じる。これにより、演算増幅器１
６の出力にはその差に応じた電圧が生じ、その電圧信号
が積分器３に対して、プリアンプ２の出力とバイアス電
圧Ｖb ′の合計信号から上記した低周波成分の変化を打
ち消すように供給される。この状態では、Ｖ−φ特性は
図３のＤに示すように当初の特性から変化し、バイアス
電圧が一定であれば動作点はＥ′へと移動してその点に
おけるＶ−φ曲線の傾きが小さくなるのであるが、演算
増幅器１６からの上述した電圧信号が積分器３に供給さ
れるているため、実質的にバイアス電圧がＶb ′からＶ
b ″に変化し、その結果として、動作点は当初のＥから
Ｆへと変化し、その点における傾き(dV/d φ) _F は当初
と同様に最大値を維持する。

【００１８】このような動作において、例えば生体磁気
計測等における信号周波数は、通常０．１Ｈｚ〜５０Ｈ
ｚであるため、ローパスフィルター１２の通過帯域を
０．０１Ｈｚ以下程度に設定しておくことにより、信号
成分の変化に対してバイアス電圧が変化してしまうこと
がなく、その測定に影響を与えることはない。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
非変調型のＳＱＵＩＤ駆動回路において、当初のプリア
ンプの出力電圧値を記憶しておくとともに、プリアンプ
の出力に含まれる低周波成分を抽出し、これを上記した
記憶内容と比較して、その電圧変化量に相当する電圧
を、プリアンプの出力およびバイアス電圧を入力する積
分器に対して、当該電圧変化量を打ち消すように供給し
ているので、超伝導動作部分を冷却する液体ヘリウム等
の冷媒の液面変化や室温変化に伴ってＳＱＵＩＤのＶ−
φ特性が変化しても、その変化に追随して実質的にバイ
アス電圧が変化し、動作点は常にＶ−φ曲線の傾きが最
大となる点に移動する。その結果、従来のこの種の駆動
回路のようにＳ／Ｎやドリフトが生じることなく、常に
安定した高精度の磁気測定を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示す基本概念図

【図２】本発明実施例の主要部の回路構成を示すブロッ
ク図

【図３】本発明実施例の作用説明図

【図４】従来の非変調型ＳＱＵＩＤ駆動回路の回路構成
例を示す図

【図５】従来の非変調型ＳＱＵＩＤ駆動回路において冷
媒液面の変化等に伴う動作点の変化の例の説明図

【符号の説明】

２ プリアンプ ３ 積分回路 ４，６，７ 抵抗 １１ Ａ−Ｄ変換器 １２ ローパスフィルター １３ メモリ １４ Ｄ−Ａ変換器 １５，１７，１８ 抵抗 １６ 演算増幅器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＤＣ−ＳＱＵＩＤリングの出力を増幅す
   るプリアンプと、そのプリアンプの出力を入力する積分
   器等を備えてなる非変調型の磁束ロック法に基づくＳＱ
   ＵＩＤ駆動回路において、上記プリアンプの出力電圧の
   初期値を記憶する記憶回路と、上記プリアンプの出力電
   圧から当該出力電圧中の信号成分周波数よりも十分に低
   い周波数成分を取り出すフィルター回路と、そのフィル
   ター回路の出力電圧の上記記憶回路の記憶内容に対する
   差を、上記低周波成分の変化を打ち消すように上記積分
   器の入力に加算する回路手段とが、上記プリアンプと積
   分器の間に挿入されていることを特徴とするＳＱＵＩＤ
   駆動回路。