JPH07311250A - Ｓｑｕｉｄ磁束計 - Google Patents
Ｓｑｕｉｄ磁束計Info
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- JPH07311250A JPH07311250A JP6127128A JP12712894A JPH07311250A JP H07311250 A JPH07311250 A JP H07311250A JP 6127128 A JP6127128 A JP 6127128A JP 12712894 A JP12712894 A JP 12712894A JP H07311250 A JPH07311250 A JP H07311250A
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- squid
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- magnetometer
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 正帰還回路を有するＳＱＵＩＤ磁束計におい
て、正帰還量の値によらず安定度が高く、かつ磁場感度
の高いＳＱＵＩＤ磁束計を提供する。 【構成】 正帰還回路２と、ＳＱＵＩＤ１に磁束変調を
加える磁束変調用電流源９，１０を備えたＳＱＵＩＤ磁
束計であって、ＳＱＵＩＤ１は、ＳＱＵＩＤの正帰還率
が１より大きな不安定領域の範囲内にその動作中心を有
し、この不安定領域を超える磁束に対して得られるＳＱ
ＵＩＤ出力電圧を平均化して磁束ロックループ動作させ
る。
て、正帰還量の値によらず安定度が高く、かつ磁場感度
の高いＳＱＵＩＤ磁束計を提供する。 【構成】 正帰還回路２と、ＳＱＵＩＤ１に磁束変調を
加える磁束変調用電流源９，１０を備えたＳＱＵＩＤ磁
束計であって、ＳＱＵＩＤ１は、ＳＱＵＩＤの正帰還率
が１より大きな不安定領域の範囲内にその動作中心を有
し、この不安定領域を超える磁束に対して得られるＳＱ
ＵＩＤ出力電圧を平均化して磁束ロックループ動作させ
る。
Description
【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
計に係わり、さらに詳しくは、耐ノイズ性能を向上させ
たＳＱＵＩＤ磁束計に関する。ここに、ＳＱＵＩＤと
は、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、ループ内にジ
ョセフソン接合を含む超伝導ループであるＳＱＵＩＤル
ープに直流電流をバイアス電流として印加して駆動し、
このＳＱＵＩＤループ内に、ピックアップコイルや入力
コイル等を介して外部からの磁束を結合して印加する
と、ＳＱＵＩＤループに周回電流が誘起され、ループ内
のジョセフソン接合における量子的な干渉効果により、
印加された外部磁束の微弱な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ことを利
用して、微小磁束変化を測定する素子である。
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
計に係わり、さらに詳しくは、耐ノイズ性能を向上させ
たＳＱＵＩＤ磁束計に関する。ここに、ＳＱＵＩＤと
は、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、ループ内にジ
ョセフソン接合を含む超伝導ループであるＳＱＵＩＤル
ープに直流電流をバイアス電流として印加して駆動し、
このＳＱＵＩＤループ内に、ピックアップコイルや入力
コイル等を介して外部からの磁束を結合して印加する
と、ＳＱＵＩＤループに周回電流が誘起され、ループ内
のジョセフソン接合における量子的な干渉効果により、
印加された外部磁束の微弱な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ことを利
用して、微小磁束変化を測定する素子である。
【０００２】
【従来の技術】従来、２個のジョセフソン接合を含むｄ
ｃ−ＳＱＵＩＤ磁束計としては、低温環境（冷却系）を
維持するための冷却剤である液体ヘリウムを貯めておく
断熱格納容器であるデュワー（又はクライオスタット）
と、液体ヘリウム中で動作するＳＱＵＩＤプローブと、
室温で動作するアンプ（増幅器）及びコントローラを備
えて構成され、液体ヘリウム中のＳＱＵＩＤプローブと
室温のアンプとは同軸ケーブルで接続されて構成された
ものが知られている。このようなＳＱＵＩＤ磁束計は磁
束分解能が１０-5φo ／Ｈｚ1/2 （左式においてφo は
磁束量子を示す）と、非常に高感度であり、また、ＳＱ
ＵＩＤの応答は非常に早く、数GHz （ギガヘルツ）ない
し数１０GHz で動作するのが特徴である。一方、ＳＱＵ
ＩＤに正帰還回路を付加し、磁場測定感度を向上させる
技術により、簡単な回路構成で低雑音の磁束計が実現可
能となった（D. Drung, R.Cantor, M.Peters, T.Ryhane
n, and H. Koch, "INTEGRATED dcSQUID MAGNETOMETER W
ITH HIGH dV/dB", JEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, V
OL. 27, NO. 2, MARCH 1991 参照）。図８は、正帰還率
βa （βa ＝ｄＶ／ｄΦ×Ｍp ／Ｒp ）がβa ＜１とな
るような正帰還回路を付加したＳＱＵＩＤの構成を示す
図であり、図９は図８の回路の特性図である。図８に示
すように、このＳＱＵＩＤ２１は２個のジョセフソン接
合Ｊ3 ，Ｊ4 を有し、ＳＱＵＩＤ２１に並列に抵抗値Ｒ
p の抵抗Ｒ2と相互インダクタンスＭp の正帰還コイル
Ｌ3 が接続されている。このような構成により、図９に
示すように、動作点ｄにおける磁束電圧変換率（ｄＶ／
ｄΦ：点ｄにおける波形の傾き）は正帰還を施さない細
線の場合に比べ正帰還を施した太線の方が大きくなって
いる。図１０は、上記のような正帰還回路を付加したＳ
ＱＵＩＤを用いて磁場を測定するＳＱＵＩＤ磁束計の構
成における直接帰還型のＦＬＬ（Flux Locked Loop：磁
束ロックループ）回路と、ｄｃ−ＳＱＵＩＤの接続関係
を示すもので、図中２１は、図８に示すような２個のジ
ョセフソン接合Ｊ3 ，Ｊ4 を有するｄｃ−ＳＱＵＩＤ、
２２は抵抗Ｒ2 と正帰還コイルＬ3 を含むＳＱＵＩＤ２
１に対する正帰還回路、２８は磁束ロック用負帰還コイ
ル、２５はＳＱＵＩＤ２１に対し入力インピーダンスの
大きなプリアンプ、２４はＳＱＵＩＤ２１にバイアス電
流を供給するバイアス電流供給源、２６はプリアンプ２
５からの出力を積分する積分器、２７は負帰還回路で電
流源である。プリアンプ２５と積分器２６とフィードバ
ック回路２７とＳＱＵＩＤ２１はＦＬＬ回路を構成して
いる。プリアンプ２５の出力は積分器２６で参照電位と
比較され、積分器２６の出力を磁束ロック用負帰還コイ
ル２８に加算してネガティブフィードバックすると、Φ
−Ｖ曲線上の動作点（例えば、図９上のｄ点）に安定
し、測定すべき磁場は、上記のフィードバック量を出力
値でモニターすることにより得ることができる。この状
態を「ロックされた」と表現する。上記の方法は、ＦＬ
Ｌ法と呼ばれ、いわゆる「零位法」の一種であり、入出
力の関係が線形になるのが特徴である。上記の動作点ｄ
は、参照電位にて設定され、通常、Φ−Ｖ曲線の傾きが
最も急峻な点（例えば傾斜の中点）である。
ｃ−ＳＱＵＩＤ磁束計としては、低温環境（冷却系）を
維持するための冷却剤である液体ヘリウムを貯めておく
断熱格納容器であるデュワー（又はクライオスタット）
と、液体ヘリウム中で動作するＳＱＵＩＤプローブと、
室温で動作するアンプ（増幅器）及びコントローラを備
えて構成され、液体ヘリウム中のＳＱＵＩＤプローブと
室温のアンプとは同軸ケーブルで接続されて構成された
ものが知られている。このようなＳＱＵＩＤ磁束計は磁
束分解能が１０-5φo ／Ｈｚ1/2 （左式においてφo は
磁束量子を示す）と、非常に高感度であり、また、ＳＱ
ＵＩＤの応答は非常に早く、数GHz （ギガヘルツ）ない
し数１０GHz で動作するのが特徴である。一方、ＳＱＵ
ＩＤに正帰還回路を付加し、磁場測定感度を向上させる
技術により、簡単な回路構成で低雑音の磁束計が実現可
能となった（D. Drung, R.Cantor, M.Peters, T.Ryhane
n, and H. Koch, "INTEGRATED dcSQUID MAGNETOMETER W
ITH HIGH dV/dB", JEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, V
OL. 27, NO. 2, MARCH 1991 参照）。図８は、正帰還率
βa （βa ＝ｄＶ／ｄΦ×Ｍp ／Ｒp ）がβa ＜１とな
るような正帰還回路を付加したＳＱＵＩＤの構成を示す
図であり、図９は図８の回路の特性図である。図８に示
すように、このＳＱＵＩＤ２１は２個のジョセフソン接
合Ｊ3 ，Ｊ4 を有し、ＳＱＵＩＤ２１に並列に抵抗値Ｒ
p の抵抗Ｒ2と相互インダクタンスＭp の正帰還コイル
Ｌ3 が接続されている。このような構成により、図９に
示すように、動作点ｄにおける磁束電圧変換率（ｄＶ／
ｄΦ：点ｄにおける波形の傾き）は正帰還を施さない細
線の場合に比べ正帰還を施した太線の方が大きくなって
いる。図１０は、上記のような正帰還回路を付加したＳ
ＱＵＩＤを用いて磁場を測定するＳＱＵＩＤ磁束計の構
成における直接帰還型のＦＬＬ（Flux Locked Loop：磁
束ロックループ）回路と、ｄｃ−ＳＱＵＩＤの接続関係
を示すもので、図中２１は、図８に示すような２個のジ
ョセフソン接合Ｊ3 ，Ｊ4 を有するｄｃ−ＳＱＵＩＤ、
２２は抵抗Ｒ2 と正帰還コイルＬ3 を含むＳＱＵＩＤ２
１に対する正帰還回路、２８は磁束ロック用負帰還コイ
ル、２５はＳＱＵＩＤ２１に対し入力インピーダンスの
大きなプリアンプ、２４はＳＱＵＩＤ２１にバイアス電
流を供給するバイアス電流供給源、２６はプリアンプ２
５からの出力を積分する積分器、２７は負帰還回路で電
流源である。プリアンプ２５と積分器２６とフィードバ
ック回路２７とＳＱＵＩＤ２１はＦＬＬ回路を構成して
いる。プリアンプ２５の出力は積分器２６で参照電位と
比較され、積分器２６の出力を磁束ロック用負帰還コイ
ル２８に加算してネガティブフィードバックすると、Φ
−Ｖ曲線上の動作点（例えば、図９上のｄ点）に安定
し、測定すべき磁場は、上記のフィードバック量を出力
値でモニターすることにより得ることができる。この状
態を「ロックされた」と表現する。上記の方法は、ＦＬ
Ｌ法と呼ばれ、いわゆる「零位法」の一種であり、入出
力の関係が線形になるのが特徴である。上記の動作点ｄ
は、参照電位にて設定され、通常、Φ−Ｖ曲線の傾きが
最も急峻な点（例えば傾斜の中点）である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
構成では低雑音のＳＱＵＩＤ磁束計が実現できるが、図
９に示すように磁束電圧変換率を向上させるために正帰
還を施して特性曲線の傾きを急にすることにより、ダイ
ナミックレンジ（線形が保持される入力磁束の範囲）は
図９中の正帰還を施す場合のΦ1 からΦ2 と、その範囲
は小さくなる。このようにダイナミッックレンジが縮小
することにより、ＳＱＵＩＤ制御回路の周波数特性の範
囲内の磁束入力に対しては零位法が成立するが、制御回
路が応答できないような高周波で大振幅の磁気入力（例
えば、磁気信号のスペクトル観察時などにおける磁気入
力）に対しては制御が外れてしまう、という問題点があ
った。一方、正帰還率βa を１に近付けるほど信号対雑
音比は一般に良くなるが、帰還率の精度が必要となり、
正帰還抵抗値や磁束電圧変換率（ｄＶ／ｄΦ）値を細か
く合わせる必要がでてくる。したがって、正帰還率βa
をたとえば０．８程度に抑え素子ばらつきの値を吸収さ
せるなどの措置がとられ、性能向上に一定の制限が生じ
ている。また、上記の図８に示すような直接帰還型の正
帰還回路の構成では、回路の１／ｆ雑音の影響や回路の
ドリフトの影響を直接受ける、という欠点がある。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、正帰還回路を有するＳＱＵＩＤ磁束計において、正
帰還量の値によらず安定度が高く、かつ磁場感度の高い
ＳＱＵＩＤ磁束計を提供することを目的とする。
構成では低雑音のＳＱＵＩＤ磁束計が実現できるが、図
９に示すように磁束電圧変換率を向上させるために正帰
還を施して特性曲線の傾きを急にすることにより、ダイ
ナミックレンジ（線形が保持される入力磁束の範囲）は
図９中の正帰還を施す場合のΦ1 からΦ2 と、その範囲
は小さくなる。このようにダイナミッックレンジが縮小
することにより、ＳＱＵＩＤ制御回路の周波数特性の範
囲内の磁束入力に対しては零位法が成立するが、制御回
路が応答できないような高周波で大振幅の磁気入力（例
えば、磁気信号のスペクトル観察時などにおける磁気入
力）に対しては制御が外れてしまう、という問題点があ
った。一方、正帰還率βa を１に近付けるほど信号対雑
音比は一般に良くなるが、帰還率の精度が必要となり、
正帰還抵抗値や磁束電圧変換率（ｄＶ／ｄΦ）値を細か
く合わせる必要がでてくる。したがって、正帰還率βa
をたとえば０．８程度に抑え素子ばらつきの値を吸収さ
せるなどの措置がとられ、性能向上に一定の制限が生じ
ている。また、上記の図８に示すような直接帰還型の正
帰還回路の構成では、回路の１／ｆ雑音の影響や回路の
ドリフトの影響を直接受ける、という欠点がある。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、正帰還回路を有するＳＱＵＩＤ磁束計において、正
帰還量の値によらず安定度が高く、かつ磁場感度の高い
ＳＱＵＩＤ磁束計を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計は、ＳＱＵＩＤと、
相互インダクタンスにより当該ＳＱＵＩＤに正帰還を付
与する正帰還コイルを含むとともに前記ＳＱＵＩＤに並
列接続された正帰還回路と、前記ＳＱＵＩＤに磁束変調
を加える磁束変調手段と、を備えたＳＱＵＩＤ磁束計で
あって、前記ＳＱＵＩＤは、前記ＳＱＵＩＤの正帰還率
が１より大きな不安定領域の範囲内にその動作中心を有
し、当該不安定領域を超える磁束に対して得られるＳＱ
ＵＩＤ出力電圧を平均化して磁束ロックループ動作させ
るように構成される。上記において、前記磁束変調手段
は、三角波、正弦波、鋸波により、前記不安定領域をわ
ずかに超えるように磁束変調を行うようにしてもよい。
また、上記において、前記磁束変調手段は、前記不安定
領域よりもわずかに振幅レベルの小さな方形波により磁
束変調を行うようにしてもよい。あるいは、上記におい
て、前記ＳＱＵＩＤ磁束計は、前記磁束ロックループ内
に位相検波手段を含んでもよいし、前記ＳＱＵＩＤ磁束
計は、変調波を除去するフィルタ手段を前記磁束ロック
ループ内に含んでもよい。
め、本発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計は、ＳＱＵＩＤと、
相互インダクタンスにより当該ＳＱＵＩＤに正帰還を付
与する正帰還コイルを含むとともに前記ＳＱＵＩＤに並
列接続された正帰還回路と、前記ＳＱＵＩＤに磁束変調
を加える磁束変調手段と、を備えたＳＱＵＩＤ磁束計で
あって、前記ＳＱＵＩＤは、前記ＳＱＵＩＤの正帰還率
が１より大きな不安定領域の範囲内にその動作中心を有
し、当該不安定領域を超える磁束に対して得られるＳＱ
ＵＩＤ出力電圧を平均化して磁束ロックループ動作させ
るように構成される。上記において、前記磁束変調手段
は、三角波、正弦波、鋸波により、前記不安定領域をわ
ずかに超えるように磁束変調を行うようにしてもよい。
また、上記において、前記磁束変調手段は、前記不安定
領域よりもわずかに振幅レベルの小さな方形波により磁
束変調を行うようにしてもよい。あるいは、上記におい
て、前記ＳＱＵＩＤ磁束計は、前記磁束ロックループ内
に位相検波手段を含んでもよいし、前記ＳＱＵＩＤ磁束
計は、変調波を除去するフィルタ手段を前記磁束ロック
ループ内に含んでもよい。
【０００５】
【作用】上記構成を有する本発明によれば、正帰還回路
を有しＳＱＵＩＤに正帰還を施したＳＱＵＩＤ磁束計に
おいて、正帰還率βa がβa ＞１となる不安定領域（発
振を生じたり不定な領域）において動作させ、この不安
定領域を超える磁束に対して得られるＳＱＵＩＤ出力電
圧を平均化して磁束ロックループ動作をおこなわせるの
で、簡単な構成により、パラメータの素子感度を小さく
し、かつ磁束電圧変換率の大きな磁束計を実現すること
ができる。また、位相検波を行うことにより、回路のド
リフトや１／ｆ雑音の影響を防止することができる。
を有しＳＱＵＩＤに正帰還を施したＳＱＵＩＤ磁束計に
おいて、正帰還率βa がβa ＞１となる不安定領域（発
振を生じたり不定な領域）において動作させ、この不安
定領域を超える磁束に対して得られるＳＱＵＩＤ出力電
圧を平均化して磁束ロックループ動作をおこなわせるの
で、簡単な構成により、パラメータの素子感度を小さく
し、かつ磁束電圧変換率の大きな磁束計を実現すること
ができる。また、位相検波を行うことにより、回路のド
リフトや１／ｆ雑音の影響を防止することができる。
【０００６】
【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
の構成を示したもので、正帰還回路２を付加した狭帯域
ＳＱＵＩＤを用いて磁場を測定するＳＱＵＩＤ磁束計の
構成における直接帰還型のＦＬＬ（Flux Locked Loop：
磁束ロックループ）回路と、ｄｃ−ＳＱＵＩＤの接続関
係を示すもので、２個のジョセフソン接合Ｊ1 ，Ｊ2 を
有するｄｃ−ＳＱＵＩＤ１に、抵抗Ｒ1 と抵抗Ｒ1 と正
帰還コイルＬ1 とを有する正帰還回路２が並列接続され
ている。
る。図１は本発明の第１実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計
の構成を示したもので、正帰還回路２を付加した狭帯域
ＳＱＵＩＤを用いて磁場を測定するＳＱＵＩＤ磁束計の
構成における直接帰還型のＦＬＬ（Flux Locked Loop：
磁束ロックループ）回路と、ｄｃ−ＳＱＵＩＤの接続関
係を示すもので、２個のジョセフソン接合Ｊ1 ，Ｊ2 を
有するｄｃ−ＳＱＵＩＤ１に、抵抗Ｒ1 と抵抗Ｒ1 と正
帰還コイルＬ1 とを有する正帰還回路２が並列接続され
ている。
【０００７】上記のＳＱＵＩＤ１は、磁束を磁束電圧変
換率ｄＶ／ｄΦで電気信号に変換する。正帰還コイルＬ
1 は、相互インダクタンスＭp の値を有し、ＳＱＵＩＤ
１の出力の一部を磁束の形でＳＱＵＩＤ１に正帰還を付
与する働きをする。抵抗Ｒ1は、ＳＱＵＩＤ１への正帰
還量を制限する働きをする。
換率ｄＶ／ｄΦで電気信号に変換する。正帰還コイルＬ
1 は、相互インダクタンスＭp の値を有し、ＳＱＵＩＤ
１の出力の一部を磁束の形でＳＱＵＩＤ１に正帰還を付
与する働きをする。抵抗Ｒ1は、ＳＱＵＩＤ１への正帰
還量を制限する働きをする。
【０００８】また、４はＳＱＵＩＤ１にバイアス電流を
供給するバイアス電流供給源、５はＳＱＵＩＤ１に対し
入力インピーダンスの大きなプリアンプ、６はプリアン
プ５からの出力を積分する積分器である。７は、動作点
（例えば、上記図９上のｄ点）からの変位量を磁束で負
帰還するための抵抗、８は磁束ロック用負帰還コイルで
ある。上記のＳＱＵＩＤ１→負帰還抵抗７→磁束ロック
用負帰還コイル８により磁束ロックループ（ＦＬＬ）回
路を形成し零位法を満足するように動作する。１２は、
零位法により動作すべきΦ−Ｖ曲線上の動作点（例え
ば、上記図９上のｄ点）を決定するための電圧源であ
る。また、１０はＳＱＵＩＤ１に磁束変調を加えるため
の電圧源、９はＳＱＵＩＤ１に磁束変調を加えるための
抵抗で、９と１０とで磁束変調手段である磁束変調用電
流源を構成している。３Ａはこの磁束変調成分を吸収す
るためのフィルタ手段であるフィルタであり、帯域除去
フィルタまたは低域通過フィルタで構成される。
供給するバイアス電流供給源、５はＳＱＵＩＤ１に対し
入力インピーダンスの大きなプリアンプ、６はプリアン
プ５からの出力を積分する積分器である。７は、動作点
（例えば、上記図９上のｄ点）からの変位量を磁束で負
帰還するための抵抗、８は磁束ロック用負帰還コイルで
ある。上記のＳＱＵＩＤ１→負帰還抵抗７→磁束ロック
用負帰還コイル８により磁束ロックループ（ＦＬＬ）回
路を形成し零位法を満足するように動作する。１２は、
零位法により動作すべきΦ−Ｖ曲線上の動作点（例え
ば、上記図９上のｄ点）を決定するための電圧源であ
る。また、１０はＳＱＵＩＤ１に磁束変調を加えるため
の電圧源、９はＳＱＵＩＤ１に磁束変調を加えるための
抵抗で、９と１０とで磁束変調手段である磁束変調用電
流源を構成している。３Ａはこの磁束変調成分を吸収す
るためのフィルタ手段であるフィルタであり、帯域除去
フィルタまたは低域通過フィルタで構成される。
【０００９】次に、図２に、本発明の第２実施例である
ＳＱＵＩＤ磁束計の構成を示す。図２に示すＳＱＵＩＤ
磁束計において、１１はプリアンプ５の雑音を除去する
ための位相検波手段である位相検波器であり、この位相
検波器１１は磁束変調用電圧源１０で駆動される。他の
構成は図１の第１実施例と同様である。
ＳＱＵＩＤ磁束計の構成を示す。図２に示すＳＱＵＩＤ
磁束計において、１１はプリアンプ５の雑音を除去する
ための位相検波手段である位相検波器であり、この位相
検波器１１は磁束変調用電圧源１０で駆動される。他の
構成は図１の第１実施例と同様である。
【００１０】次に、図１に示されたＳＱＵＩＤ磁束計の
動作を説明する。図３は、正帰還率βa がβa ＞１の条
件を満たすときの磁束電圧変換率（ｄＶ／ｄΦ）の特性
を示したものである。図中、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄで囲まれる
領域は、発振を生じたり不定な領域である不安定領域で
あり、ＢからＣの間、またはＤからＡの間では、電位は
確率的に位置し、ＳＱＵＩＤの平均電圧レベルはＢＣ間
またはＤＡ間の中心付近にくる。
動作を説明する。図３は、正帰還率βa がβa ＞１の条
件を満たすときの磁束電圧変換率（ｄＶ／ｄΦ）の特性
を示したものである。図中、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄで囲まれる
領域は、発振を生じたり不定な領域である不安定領域で
あり、ＢからＣの間、またはＤからＡの間では、電位は
確率的に位置し、ＳＱＵＩＤの平均電圧レベルはＢＣ間
またはＤＡ間の中心付近にくる。
【００１１】ここで、図１又は図２における磁束変調用
電流源９，１０を用いて正弦波または三角波などで変調
を加えた場合を考える。図４は、三角波で磁束変調した
場合を示したもので、上記の不定領域の前後で変調する
と、それに対応して図中のＶ1 〜Ｖ2 の範囲で電圧出力
が得られる。この場合、磁束変調の動作中心が不定領域
の中央に位置すると、電圧もＶ1 とＶ2 で決められる平
均電圧レベルを中心として不定出力（実効出力＝（Ｖ1
＋Ｖ2 ）／２）と安定出力（Ｖ1 またはＶ2 ）が交互に
等時間間隔（例えば、時刻ｔ1 〜ｔ2 間では不定出力、
時刻ｔ2 〜ｔ3間では安定出力Ｖ1 、時刻ｔ3 〜ｔ4 間
では不定出力、時刻ｔ4 〜ｔ5 間では安定出力Ｖ2な
ど。）で現れ、平均電圧は（Ｖ1 ＋Ｖ2 ）／２のままで
ある。これは、変調磁束がＣ−Ｄ間の敷居値を超えるも
のの、その時間が短いためである。
電流源９，１０を用いて正弦波または三角波などで変調
を加えた場合を考える。図４は、三角波で磁束変調した
場合を示したもので、上記の不定領域の前後で変調する
と、それに対応して図中のＶ1 〜Ｖ2 の範囲で電圧出力
が得られる。この場合、磁束変調の動作中心が不定領域
の中央に位置すると、電圧もＶ1 とＶ2 で決められる平
均電圧レベルを中心として不定出力（実効出力＝（Ｖ1
＋Ｖ2 ）／２）と安定出力（Ｖ1 またはＶ2 ）が交互に
等時間間隔（例えば、時刻ｔ1 〜ｔ2 間では不定出力、
時刻ｔ2 〜ｔ3間では安定出力Ｖ1 、時刻ｔ3 〜ｔ4 間
では不定出力、時刻ｔ4 〜ｔ5 間では安定出力Ｖ2な
ど。）で現れ、平均電圧は（Ｖ1 ＋Ｖ2 ）／２のままで
ある。これは、変調磁束がＣ−Ｄ間の敷居値を超えるも
のの、その時間が短いためである。
【００１２】これに対し、図５に示すように、外部磁束
Φexが入ると、Ｃ−Ｄ間の敷居値を超える時間が長くな
るため、平均的電圧レベルＶavが図４の場合よりも上昇
する。この場合、磁束入力方向が図４の場合の逆であれ
ば、平均電圧出力も図４の場合の中心値よりも低くな
る。
Φexが入ると、Ｃ−Ｄ間の敷居値を超える時間が長くな
るため、平均的電圧レベルＶavが図４の場合よりも上昇
する。この場合、磁束入力方向が図４の場合の逆であれ
ば、平均電圧出力も図４の場合の中心値よりも低くな
る。
【００１３】上記図４および図５から、不定領域の中心
に動作点がくるようにすれば、図１又は図２におけるＦ
ＬＬ回路（ＳＱＵＩＤ１→負帰還抵抗７→磁束ロック用
負帰還コイル８）で零位法を満足するように磁束ロック
ループが動作することがわかる。この際、動作点は基準
電位１２でＶ1 とＶ2 の中間付近に設定すれば、自動的
に位相は固定されるため、新たに磁束のオフセットをは
かせるためのバイアス源をもつ必要はない。
に動作点がくるようにすれば、図１又は図２におけるＦ
ＬＬ回路（ＳＱＵＩＤ１→負帰還抵抗７→磁束ロック用
負帰還コイル８）で零位法を満足するように磁束ロック
ループが動作することがわかる。この際、動作点は基準
電位１２でＶ1 とＶ2 の中間付近に設定すれば、自動的
に位相は固定されるため、新たに磁束のオフセットをは
かせるためのバイアス源をもつ必要はない。
【００１４】図１におけるフィルタ３は、磁束変調に伴
う高周波電圧および不要な変調信号を除去するためのも
ので、積分器６の時定数よりも十分小さくＦＬＬ回路の
動作に影響を与えることはない。また、上記のフィルタ
３は、積分器６の機能で代用することにより省略するこ
ともできる。
う高周波電圧および不要な変調信号を除去するためのも
ので、積分器６の時定数よりも十分小さくＦＬＬ回路の
動作に影響を与えることはない。また、上記のフィルタ
３は、積分器６の機能で代用することにより省略するこ
ともできる。
【００１５】一方、図２における位相検波器１１は、変
調中心に対し変調磁束レベルが正のときは＋１を、負の
ときは−１を、電圧出力Ｖout に掛けて出力するため、
Ａ−Ｄ、Ｂ−Ｃの各電圧レベルＶ1 、Ｖ2 に同相に加わ
るアンプのドリフトや１／ｆ雑音などを相殺する。した
がって、低周波領域においてＳＱＵＩＤ磁束計を低雑音
化することが可能となる。
調中心に対し変調磁束レベルが正のときは＋１を、負の
ときは−１を、電圧出力Ｖout に掛けて出力するため、
Ａ−Ｄ、Ｂ−Ｃの各電圧レベルＶ1 、Ｖ2 に同相に加わ
るアンプのドリフトや１／ｆ雑音などを相殺する。した
がって、低周波領域においてＳＱＵＩＤ磁束計を低雑音
化することが可能となる。
【００１６】図６は、方形波で磁束変調を行った例を示
しており、不定領域よりもわずかに変調幅を小さくする
ことにより、図５と同様な動作を得ることができる。こ
の際、方形波の振幅が不定領域幅に近いほど磁場感度は
大きくなる。
しており、不定領域よりもわずかに変調幅を小さくする
ことにより、図５と同様な動作を得ることができる。こ
の際、方形波の振幅が不定領域幅に近いほど磁場感度は
大きくなる。
【００１７】たとえば、図７に示すように、平衡状態に
あって外部磁場ΦexがないときにΔΦの磁束が入力され
ると、ＳＱＵＩＤの出力電圧は、平均電圧（Ｖ1 ＋Ｖ2
）／２からＶ2 に変化するため、等価的な磁束電圧変
換率は（Ｖ2 −Ｖ1 ）／２ΔΦで与えられ、たとえばＶ
1 ＝０、Ｖ2 ＝５０μＶ、ΔΦ＝０．０１Φo （Φo ：
量子磁束単位）とすると、２．５ｍＶ／Φo となる。磁
場感度は磁束電圧変換率で決定されるから、ΔΦが小さ
いほど磁場感度が向上することがわかる。
あって外部磁場ΦexがないときにΔΦの磁束が入力され
ると、ＳＱＵＩＤの出力電圧は、平均電圧（Ｖ1 ＋Ｖ2
）／２からＶ2 に変化するため、等価的な磁束電圧変
換率は（Ｖ2 −Ｖ1 ）／２ΔΦで与えられ、たとえばＶ
1 ＝０、Ｖ2 ＝５０μＶ、ΔΦ＝０．０１Φo （Φo ：
量子磁束単位）とすると、２．５ｍＶ／Φo となる。磁
場感度は磁束電圧変換率で決定されるから、ΔΦが小さ
いほど磁場感度が向上することがわかる。
【００１８】上記のことから、方形波変調の場合には、
磁束電圧変換率は、正帰還率を１以上にしさえすれば、
後から磁束変調幅を変えるだけで制御可能なことを示し
ている。変調波の振幅安定性は素子感度に比べ大幅に精
度を上げられるため、簡単な手法で磁束電圧変換率の制
御性が高められることがわかる。三角波または正弦波あ
るいは鋸波による磁束変調の場合には、上記のＡ−Ｂ−
Ｃ−Ｄの不定領域の幅を狭めることにより、実質的に磁
束電圧変換率を向上させることができる。
磁束電圧変換率は、正帰還率を１以上にしさえすれば、
後から磁束変調幅を変えるだけで制御可能なことを示し
ている。変調波の振幅安定性は素子感度に比べ大幅に精
度を上げられるため、簡単な手法で磁束電圧変換率の制
御性が高められることがわかる。三角波または正弦波あ
るいは鋸波による磁束変調の場合には、上記のＡ−Ｂ−
Ｃ−Ｄの不定領域の幅を狭めることにより、実質的に磁
束電圧変換率を向上させることができる。
【００１９】上記のように、正帰還を過剰にかけること
により不安定領域をつくり、その前後で変調し、その変
調幅を制御することにより、実効的な磁束電圧変換率を
高精度で制御することができる。したがって、従来、正
帰還回路の抵抗または素子固有の磁束電圧変換率などの
素子感度によって制限されていた正帰還率は、概略の値
で決定することが可能となり、後から変調幅を制御する
ことにより任意の実効的磁束電圧変換率を得ることがで
きる。また、位相検波を行うことにより、アンプの１／
ｆ雑音、回路のドリフトの影響を除去することができ
る。従来の変調型ＳＱＵＩＤ磁束計は、Φ−Ｖ特性が対
称である必要があったため、正帰還を施してΦ−Ｖ特性
が非対称となったＳＱＵＩＤを使用することは困難であ
ったが、本発明によれば、簡単な構成で変調でき、しか
もＳＱＵＩＤの磁場感度まで操作可能となった。
により不安定領域をつくり、その前後で変調し、その変
調幅を制御することにより、実効的な磁束電圧変換率を
高精度で制御することができる。したがって、従来、正
帰還回路の抵抗または素子固有の磁束電圧変換率などの
素子感度によって制限されていた正帰還率は、概略の値
で決定することが可能となり、後から変調幅を制御する
ことにより任意の実効的磁束電圧変換率を得ることがで
きる。また、位相検波を行うことにより、アンプの１／
ｆ雑音、回路のドリフトの影響を除去することができ
る。従来の変調型ＳＱＵＩＤ磁束計は、Φ−Ｖ特性が対
称である必要があったため、正帰還を施してΦ−Ｖ特性
が非対称となったＳＱＵＩＤを使用することは困難であ
ったが、本発明によれば、簡単な構成で変調でき、しか
もＳＱＵＩＤの磁場感度まで操作可能となった。
【００２０】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。
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。
【００２１】
【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、正帰還回路を有しＳＱＵＩＤに正帰還
を施したＳＱＵＩＤ磁束計において、正帰還率βa がβ
a ＞１となる不安定領域（発振を生じたり不定な領域）
において動作させ、この不安定領域を超える磁束に対し
て得られるＳＱＵＩＤ出力電圧を平均化して磁束ロック
ループ動作をおこなわせるので、簡単な構成により、パ
ラメータの素子感度を小さくし、かつ磁束電圧変換率の
大きな磁束計を実現することができる。また、位相検波
を行うことにより、回路のドリフトや１／ｆ雑音の影響
を防止することができる、という利点を有する。
本発明によれば、正帰還回路を有しＳＱＵＩＤに正帰還
を施したＳＱＵＩＤ磁束計において、正帰還率βa がβ
a ＞１となる不安定領域（発振を生じたり不定な領域）
において動作させ、この不安定領域を超える磁束に対し
て得られるＳＱＵＩＤ出力電圧を平均化して磁束ロック
ループ動作をおこなわせるので、簡単な構成により、パ
ラメータの素子感度を小さくし、かつ磁束電圧変換率の
大きな磁束計を実現することができる。また、位相検波
を行うことにより、回路のドリフトや１／ｆ雑音の影響
を防止することができる、という利点を有する。
【図１】本発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計の第１実施例の
構成を示すブロック回路図である。
構成を示すブロック回路図である。
【図２】本発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計の第２実施例の
構成を示すブロック回路図である。
構成を示すブロック回路図である。
【図３】図１または図２に示すＳＱＵＩＤ磁束計の動作
を説明する図（１）である。
を説明する図（１）である。
【図４】図１または図２に示すＳＱＵＩＤ磁束計の動作
を説明する図（２）である。
を説明する図（２）である。
【図５】図１または図２に示すＳＱＵＩＤ磁束計の動作
を説明する図（３）である。
を説明する図（３）である。
【図６】図１または図２に示すＳＱＵＩＤ磁束計の動作
を説明する図（４）である。
を説明する図（４）である。
【図７】図１または図２に示すＳＱＵＩＤ磁束計の動作
を説明する図（５）である。
を説明する図（５）である。
【図８】従来例のＳＱＵＩＤ磁束計に用いるＳＱＵＩＤ
の構成を示す回路図である。
の構成を示す回路図である。
【図９】図８に示すＳＱＵＩＤの動作を説明する図であ
る。
る。
【図１０】図８に示すＳＱＵＩＤを用いた従来例のＳＱ
ＵＩＤ磁束計の構成を示すブロック回路図である。
ＵＩＤ磁束計の構成を示すブロック回路図である。
１ ＳＱＵＩＤ ２ 正帰還回路 ３ フィルタ ４ バイアス電流供給源 ５ プリアンプ ６ 積分器 ７ 負帰還抵抗 ８ 磁束ロック用負帰還コイル ９ 磁束変調用抵抗 １０ 磁束変調用電圧源 １１ 位相検波器 １２ 電圧源 ２１ ＳＱＵＩＤ ２４ バイアス電流供給源 ２５ プリアンプ ２６ 積分器 ２７ 負帰還回路 ２８ 磁束ロック用負帰還コイル Ｊ1 〜Ｊ4 ジョセフソン接合 Ｌ1 ，Ｌ3 正帰還コイル Ｒ1 ，Ｒ2 抵抗
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 風見 邦夫 千葉県印旛郡印西町武西学園台２丁目1200 番地 株式会社超伝導センサ研究所内 (72)発明者 高田 洋一 千葉県印旛郡印西町武西学園台２丁目1200 番地 株式会社超伝導センサ研究所内 (72)発明者 上原 弦 千葉県印旛郡印西町武西学園台２丁目1200 番地 株式会社超伝導センサ研究所内 (72)発明者 賀戸 久 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内
Claims (5)
- 【請求項１】 ＳＱＵＩＤと、 相互インダクタンスにより当該ＳＱＵＩＤに正帰還を付
与する正帰還コイルを含むとともに前記ＳＱＵＩＤに並
列接続された正帰還回路と、 前記ＳＱＵＩＤに磁束変調を加える磁束変調手段と、 を備えたＳＱＵＩＤ磁束計であって、 前記ＳＱＵＩＤは、前記ＳＱＵＩＤの正帰還率が１より
大きな不安定領域の範囲内にその動作中心を有し、当該
不安定領域を超える磁束に対して得られるＳＱＵＩＤ出
力電圧を平均化して磁束ロックループ動作させることを
特徴とするＳＱＵＩＤ磁束計。 - 【請求項２】 前記磁束変調手段は、三角波、正弦波、
鋸波により、前記不安定領域をわずかに超えるように磁
束変調を行うことを特徴とする請求項１に記載したＳＱ
ＵＩＤ磁束計。 - 【請求項３】 前記磁束変調手段は、前記不安定領域よ
りもわずかに振幅レベルの小さな方形波により磁束変調
を行うことを特徴とする請求項１に記載したＳＱＵＩＤ
磁束計。 - 【請求項４】 前記ＳＱＵＩＤ磁束計は、前記磁束ロッ
クループ内に位相検波手段を含むことを特徴とする請求
項１ないし請求項３に記載したＳＱＵＩＤ磁束計。 - 【請求項５】 前記ＳＱＵＩＤ磁束計は、変調波を除去
するフィルタ手段を前記磁束ロックループ内に含むこと
を特徴とする請求項１ないし請求項３に記載したＳＱＵ
ＩＤ磁束計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6127128A JPH07311250A (ja) | 1994-05-18 | 1994-05-18 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6127128A JPH07311250A (ja) | 1994-05-18 | 1994-05-18 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07311250A true JPH07311250A (ja) | 1995-11-28 |
Family
ID=14952311
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6127128A Pending JPH07311250A (ja) | 1994-05-18 | 1994-05-18 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07311250A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6043649A (en) * | 1996-12-06 | 2000-03-28 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Magnetometric sensor using a voltage step up circuit and a SQUID element to measure a magnetic field |
| CN104569868A (zh) * | 2015-02-11 | 2015-04-29 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种超导量子干涉装置 |
| CN104635181A (zh) * | 2013-11-07 | 2015-05-20 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 选取超导量子干涉传感组件中反馈电阻的方法 |
-
1994
- 1994-05-18 JP JP6127128A patent/JPH07311250A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6043649A (en) * | 1996-12-06 | 2000-03-28 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Magnetometric sensor using a voltage step up circuit and a SQUID element to measure a magnetic field |
| CN104635181A (zh) * | 2013-11-07 | 2015-05-20 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 选取超导量子干涉传感组件中反馈电阻的方法 |
| CN104569868A (zh) * | 2015-02-11 | 2015-04-29 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种超导量子干涉装置 |
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