JPH08313610A - Ｓｑｕｉｄ磁束計 - Google Patents
Ｓｑｕｉｄ磁束計Info
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- JPH08313610A JPH08313610A JP7146880A JP14688095A JPH08313610A JP H08313610 A JPH08313610 A JP H08313610A JP 7146880 A JP7146880 A JP 7146880A JP 14688095 A JP14688095 A JP 14688095A JP H08313610 A JPH08313610 A JP H08313610A
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- Japan
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- squid
- magnetic flux
- phase
- squids
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 ダイナミック特性、特に周波数特性、耐ノイ
ズ性能を向上させ、さらに計測の連続性を保証しうるＳ
ＱＵＩＤ磁束計を提供する。 【構成】 複数のＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 と、これら複数
のＳＱＵＩＤに磁束を伝達するとともに磁束伝達率がそ
れぞれ異なる複数のインプットコイルであって互いに直
列に接続された複数のインプットコイルＬ1 ，Ｌ2 を備
えたＳＱＵＩＤ磁束計であって、複数のインプットコイ
ルの各磁束伝達率の比が、互いに素な自然数の比で表さ
れる。
ズ性能を向上させ、さらに計測の連続性を保証しうるＳ
ＱＵＩＤ磁束計を提供する。 【構成】 複数のＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 と、これら複数
のＳＱＵＩＤに磁束を伝達するとともに磁束伝達率がそ
れぞれ異なる複数のインプットコイルであって互いに直
列に接続された複数のインプットコイルＬ1 ，Ｌ2 を備
えたＳＱＵＩＤ磁束計であって、複数のインプットコイ
ルの各磁束伝達率の比が、互いに素な自然数の比で表さ
れる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ジョセフソン効果を利
用したＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interfer
ence Device ：超伝導量子干渉デバイス）によるＳＱＵ
ＩＤ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ＳＱＵ
ＩＤループ内に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、ＳＱ
ＵＩＤループが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、生体磁気等の微小磁束変化を測
定する素子である。
用したＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interfer
ence Device ：超伝導量子干渉デバイス）によるＳＱＵ
ＩＤ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ＳＱＵ
ＩＤループ内に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、ＳＱ
ＵＩＤループが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、生体磁気等の微小磁束変化を測
定する素子である。
【０００２】
【従来の技術】従来、公知の、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ磁束計
は、液体ヘリウムをためておくデュワー（またはクライ
オスタット）と、液体ヘリウム中で動作するＳＱＵＩＤ
プローブと、室温動作のアンプ及びコントローラで構成
され、液体ヘリウム中のＳＱＵＩＤプローブと室温アン
プは同軸ケーブルで接続されている。このようなＳＱＵ
ＩＤ磁束計は、磁束分解能が１０-5φ。／Ｈｚ1/2 （左
式においてφ。は磁束量子を示す）程度と非常に高感度
であるため外来ノイズや誘導ノイズに弱いという欠点が
ある。また、通常、ＦＬＬ（Flux Locked Loop：磁束ロ
ックループ）と呼ばれる線形動作のためのフィードバッ
ク回路を使ってゼロ位法が成り立つように制御される。
は、液体ヘリウムをためておくデュワー（またはクライ
オスタット）と、液体ヘリウム中で動作するＳＱＵＩＤ
プローブと、室温動作のアンプ及びコントローラで構成
され、液体ヘリウム中のＳＱＵＩＤプローブと室温アン
プは同軸ケーブルで接続されている。このようなＳＱＵ
ＩＤ磁束計は、磁束分解能が１０-5φ。／Ｈｚ1/2 （左
式においてφ。は磁束量子を示す）程度と非常に高感度
であるため外来ノイズや誘導ノイズに弱いという欠点が
ある。また、通常、ＦＬＬ（Flux Locked Loop：磁束ロ
ックループ）と呼ばれる線形動作のためのフィードバッ
ク回路を使ってゼロ位法が成り立つように制御される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のＳＱＵＩＤ磁束計においては、ＦＬＬ回路が追
随しないような大振幅または高速の外来磁気ノイズがＳ
ＱＵＩＤに加わったり、回路内に電気的なパルスノイズ
が加わるとＦＬＬループの動作が外れ（「ロックはず
れ」という）、その後の線形動作が阻害されてしまうと
いう欠点がある。また、同様の理由から電源を切断され
た後、再度起動して磁束を計測する場合ＳＱＵＩＤのφ
−Ｖ特性上のどの位相にロックするか分からないため、
電源切断前との計測値の連続性が保証されない。
た従来のＳＱＵＩＤ磁束計においては、ＦＬＬ回路が追
随しないような大振幅または高速の外来磁気ノイズがＳ
ＱＵＩＤに加わったり、回路内に電気的なパルスノイズ
が加わるとＦＬＬループの動作が外れ（「ロックはず
れ」という）、その後の線形動作が阻害されてしまうと
いう欠点がある。また、同様の理由から電源を切断され
た後、再度起動して磁束を計測する場合ＳＱＵＩＤのφ
−Ｖ特性上のどの位相にロックするか分からないため、
電源切断前との計測値の連続性が保証されない。
【０００４】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、ＳＱＵＩＤのダイナミック特性、
特に周波数特性、耐ノイズ性能を向上させ、さらに計測
の連続性を保証しうるＳＱＵＩＤ磁束計を提供すること
を目的とする。
なされたものであり、ＳＱＵＩＤのダイナミック特性、
特に周波数特性、耐ノイズ性能を向上させ、さらに計測
の連続性を保証しうるＳＱＵＩＤ磁束計を提供すること
を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明のうち第１の発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計
は、複数のＳＱＵＩＤと、前記複数のＳＱＵＩＤに磁束
を伝達するとともに磁束伝達率がそれぞれ異なる複数の
インプットコイルであって互いに直列に接続された複数
のインプットコイルを備えたＳＱＵＩＤ磁束計であっ
て、前記複数のインプットコイルの各磁束伝達率の比
は、互いに素な自然数の比で表されるように構成され
る。
め、本発明のうち第１の発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計
は、複数のＳＱＵＩＤと、前記複数のＳＱＵＩＤに磁束
を伝達するとともに磁束伝達率がそれぞれ異なる複数の
インプットコイルであって互いに直列に接続された複数
のインプットコイルを備えたＳＱＵＩＤ磁束計であっ
て、前記複数のインプットコイルの各磁束伝達率の比
は、互いに素な自然数の比で表されるように構成され
る。
【０００６】
【作用】上記構成を有する本発明によれば、複数の感度
の異なるピックアップまたは磁束伝達率を持ったＳＱＵ
ＩＤで、測定すべき磁束を異なった尺度で評価でき、ま
た位相差が２π以内の範囲で直接検出できるため、ＦＬ
Ｌを使った磁束検出システムに比較して、電源の瞬断、
ノイズの混入による位相の乱れがあっても次の瞬間には
修復される。また、十分大きなダイナミックレンジを確
保すれば、電源が長時間断たれていても、電源復帰後の
出力の再現性を保持することができる。従って、ひとた
び絶対ゼロ磁場環境下で校正できれば、従来のＦＬＬ方
式が磁束ロック時からの相対値のみを出力するのに対
し、絶対値を出力する絶対磁束計として用いることがで
きる。また、ゼロ磁場におけるＳＱＵＩＤ間の位相は一
致するため、絶対ゼロ磁場環境下での校正ができなくて
もトラップ磁束の影響が十分小さければ、これも絶対磁
束計として使うことができる。
の異なるピックアップまたは磁束伝達率を持ったＳＱＵ
ＩＤで、測定すべき磁束を異なった尺度で評価でき、ま
た位相差が２π以内の範囲で直接検出できるため、ＦＬ
Ｌを使った磁束検出システムに比較して、電源の瞬断、
ノイズの混入による位相の乱れがあっても次の瞬間には
修復される。また、十分大きなダイナミックレンジを確
保すれば、電源が長時間断たれていても、電源復帰後の
出力の再現性を保持することができる。従って、ひとた
び絶対ゼロ磁場環境下で校正できれば、従来のＦＬＬ方
式が磁束ロック時からの相対値のみを出力するのに対
し、絶対値を出力する絶対磁束計として用いることがで
きる。また、ゼロ磁場におけるＳＱＵＩＤ間の位相は一
致するため、絶対ゼロ磁場環境下での校正ができなくて
もトラップ磁束の影響が十分小さければ、これも絶対磁
束計として使うことができる。
【０００７】
【実施例】以下、図面に基づき本発明の実施例について
説明する。本発明の第１実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計
における位相検出部の構成を図１に示す。図に示すよう
に、この位相検出部は、２個のＳＱＵＩＤＳ1 及びＳ2
と、２個のインプットコイルＬ1 及びＬ2 と、外部入力
端子Ｔa ，Ｔb と、電圧端子Ｔ1 〜Ｔ3 を備えて構成さ
れている。インプットコイルＬ1 ，Ｌ2 は、それぞれＳ
ＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2に相互インダクタンスＭ1 ，Ｍ2 で
結合されている。Ｊ11〜Ｊ22はジョセフソン接合であ
る。
説明する。本発明の第１実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計
における位相検出部の構成を図１に示す。図に示すよう
に、この位相検出部は、２個のＳＱＵＩＤＳ1 及びＳ2
と、２個のインプットコイルＬ1 及びＬ2 と、外部入力
端子Ｔa ，Ｔb と、電圧端子Ｔ1 〜Ｔ3 を備えて構成さ
れている。インプットコイルＬ1 ，Ｌ2 は、それぞれＳ
ＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2に相互インダクタンスＭ1 ，Ｍ2 で
結合されている。Ｊ11〜Ｊ22はジョセフソン接合であ
る。
【０００８】図２は、本発明の第２実施例であるＳＱＵ
ＩＤ磁束計における位相検出部の構成を示したものであ
り、２個のＳＱＵＩＤＳ1 及びＳ2 と、２個のインプッ
トコイルＬ1 及びＬ2 と、２個の正帰還コイルＬa1及び
Ｌa2と、正帰還抵抗Ｒa1及びＲa2と、外部入力端子Ｔa
，Ｔb と、電圧端子Ｔ1 〜Ｔ3 を備えて構成されてい
る。インプットコイルＬ1 ，Ｌ2 は、それぞれＳＱＵＩ
ＤＳ1 ，Ｓ2 に相互インダクタンスＭ1 ，Ｍ2 で結合さ
れている。また、正帰還コイルＬa1，Ｌa2は、それぞれ
ＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 に相互インダクタンスＭa1，Ｍa2
で結合されている。Ｊ11〜Ｊ22はジョセフソン接合であ
る。
ＩＤ磁束計における位相検出部の構成を示したものであ
り、２個のＳＱＵＩＤＳ1 及びＳ2 と、２個のインプッ
トコイルＬ1 及びＬ2 と、２個の正帰還コイルＬa1及び
Ｌa2と、正帰還抵抗Ｒa1及びＲa2と、外部入力端子Ｔa
，Ｔb と、電圧端子Ｔ1 〜Ｔ3 を備えて構成されてい
る。インプットコイルＬ1 ，Ｌ2 は、それぞれＳＱＵＩ
ＤＳ1 ，Ｓ2 に相互インダクタンスＭ1 ，Ｍ2 で結合さ
れている。また、正帰還コイルＬa1，Ｌa2は、それぞれ
ＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 に相互インダクタンスＭa1，Ｍa2
で結合されている。Ｊ11〜Ｊ22はジョセフソン接合であ
る。
【０００９】この位相検出部は、各ＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ
2 のそれぞれに正帰還を独立に施すように構成したもの
であり、以下の条件式 （ｄＶ／ｄφ）×（Ｍa1／Ｒa1）≧１ ………（１） （ｄＶ／ｄφ）×（Ｍa2／Ｒa2）≧１ ………（２） を満足するように正帰還回路を構成することにより、後
述するプリアンプの雑音の影響を低減させるようにした
ものである。上式（１），（２）において、ｄＶ／ｄφ
は単一のＳＱＵＩＤの磁束電圧変換率である。
2 のそれぞれに正帰還を独立に施すように構成したもの
であり、以下の条件式 （ｄＶ／ｄφ）×（Ｍa1／Ｒa1）≧１ ………（１） （ｄＶ／ｄφ）×（Ｍa2／Ｒa2）≧１ ………（２） を満足するように正帰還回路を構成することにより、後
述するプリアンプの雑音の影響を低減させるようにした
ものである。上式（１），（２）において、ｄＶ／ｄφ
は単一のＳＱＵＩＤの磁束電圧変換率である。
【００１０】図３は、図１に示す位相検出部を備え、こ
れらのＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 から位相信号を得るための
ＳＱＵＩＤ磁束計の回路構成を示したものである。図に
示すように、このＳＱＵＩＤ磁束計１０１は、差動増幅
器１及び２と、コンパレータ３及び４と、トラックホー
ルド回路５及び６と、減算器７と、アッテネータ８と、
離散化手段であるＡ／Ｄ変換器９と、Ｄ／Ａ変換器１０
と、加算器１１と、バイアス電流源１２と、磁束変調手
段である信号源１３と、抵抗１４Ａ及び１４Ｂを備えて
構成されている。
れらのＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 から位相信号を得るための
ＳＱＵＩＤ磁束計の回路構成を示したものである。図に
示すように、このＳＱＵＩＤ磁束計１０１は、差動増幅
器１及び２と、コンパレータ３及び４と、トラックホー
ルド回路５及び６と、減算器７と、アッテネータ８と、
離散化手段であるＡ／Ｄ変換器９と、Ｄ／Ａ変換器１０
と、加算器１１と、バイアス電流源１２と、磁束変調手
段である信号源１３と、抵抗１４Ａ及び１４Ｂを備えて
構成されている。
【００１１】差動増幅器１，２は、ＳＱＵＩＤＳ1 及び
Ｓ2 の出力電圧を増幅する。コンパレータ３，４は、比
較電圧Ｖb と比較することにより位相を検出する。バイ
アス電流源１２は、ＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 にバイアス電
流ｉb を供給するための電流源である。信号源１３は、
三角波や鋸歯波等のランプ状の電圧（変調信号）を発生
し、２つのＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 を変調する。抵抗１４
Ａ，１４Ｂは、電流を制限するための抵抗である。トラ
ックホールド回路５，６は、信号１３の電圧をコンパレ
ータ３，４の反転タイミングでサンプリングする。減算
器７は、位相比較を行う。アッテネータ８は、トラック
ホールド回路５の値を適宜な値に調整する。Ａ／Ｄ変換
器９は、減算器７から出力される位相差を量子化（離散
化）する。Ｄ／Ａ変換器１０は、Ａ／Ｄ変換器９の出力
をアナログ値に戻す。加算器１１は、最終的な位相合成
を行う。
Ｓ2 の出力電圧を増幅する。コンパレータ３，４は、比
較電圧Ｖb と比較することにより位相を検出する。バイ
アス電流源１２は、ＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 にバイアス電
流ｉb を供給するための電流源である。信号源１３は、
三角波や鋸歯波等のランプ状の電圧（変調信号）を発生
し、２つのＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 を変調する。抵抗１４
Ａ，１４Ｂは、電流を制限するための抵抗である。トラ
ックホールド回路５，６は、信号１３の電圧をコンパレ
ータ３，４の反転タイミングでサンプリングする。減算
器７は、位相比較を行う。アッテネータ８は、トラック
ホールド回路５の値を適宜な値に調整する。Ａ／Ｄ変換
器９は、減算器７から出力される位相差を量子化（離散
化）する。Ｄ／Ａ変換器１０は、Ａ／Ｄ変換器９の出力
をアナログ値に戻す。加算器１１は、最終的な位相合成
を行う。
【００１２】図３では図示してはいないが、トラックホ
ールド回路５でサンプリングした後の電圧をＡ／Ｄ変換
器９で量子化してプロセッサ（図示せず）に取り込み、
デジタル値として演算しても、上記と同様な構成および
効果を得ることができる。
ールド回路５でサンプリングした後の電圧をＡ／Ｄ変換
器９で量子化してプロセッサ（図示せず）に取り込み、
デジタル値として演算しても、上記と同様な構成および
効果を得ることができる。
【００１３】次に、上記のＳＱＵＩＤ磁束計における動
作について説明する。まず、上記の構成を用いた絶対位
相検出用ＳＱＵＩＤ磁束計について、その位相関係につ
いて説明する。いま、ＳＱＵＩＤの入力磁束に対する出
力電圧の関係が正弦波状であり、第１の周期関数ｓｉｎ
（２πφ／φ。）として表現されるものとする。ここ
に、φ。は磁束量子である。このとき、相互に磁気的に
結合していない２つのＳＱＵＩＤに、各々結合状態（磁
束伝達率）の違うコイル（例えば、それぞれＭ1 ，Ｍ2
とする。）によりＳＱＵＩＤに磁束を入力すると、１／
（Ｍ1 −Ｍ2 ）を周期とする第２の周期関数が得られ
る。この場合、前者（第１の周期関数）を副尺、後者
（第２の周期関数）を主尺と考えると、２ステップの磁
場測定が可能になる。
作について説明する。まず、上記の構成を用いた絶対位
相検出用ＳＱＵＩＤ磁束計について、その位相関係につ
いて説明する。いま、ＳＱＵＩＤの入力磁束に対する出
力電圧の関係が正弦波状であり、第１の周期関数ｓｉｎ
（２πφ／φ。）として表現されるものとする。ここ
に、φ。は磁束量子である。このとき、相互に磁気的に
結合していない２つのＳＱＵＩＤに、各々結合状態（磁
束伝達率）の違うコイル（例えば、それぞれＭ1 ，Ｍ2
とする。）によりＳＱＵＩＤに磁束を入力すると、１／
（Ｍ1 −Ｍ2 ）を周期とする第２の周期関数が得られ
る。この場合、前者（第１の周期関数）を副尺、後者
（第２の周期関数）を主尺と考えると、２ステップの磁
場測定が可能になる。
【００１４】上記の関係を式で表現すると、ＳＱＵＩＤ
Ｓ1 、ＳＱＵＩＤＳ2 のインプットコイルＬ1 ，Ｌ2 の
結合インダクタンスをＭ1 ，Ｍ2 とし、これらのインプ
ットコイルに流れる電流をＩとし、出力電圧をＶ1 ，Ｖ
2 とすれば、オフセットを無視すると、Ｖ1 ，Ｖ2 は、
下式 Ｖ1 ＝ｓｉｎ（２πＭ1 Ｉ／φ。） ………（３） Ｖ2 ＝ｓｉｎ（２πＭ2 Ｉ／φ。） ………（４） で表わされる。
Ｓ1 、ＳＱＵＩＤＳ2 のインプットコイルＬ1 ，Ｌ2 の
結合インダクタンスをＭ1 ，Ｍ2 とし、これらのインプ
ットコイルに流れる電流をＩとし、出力電圧をＶ1 ，Ｖ
2 とすれば、オフセットを無視すると、Ｖ1 ，Ｖ2 は、
下式 Ｖ1 ＝ｓｉｎ（２πＭ1 Ｉ／φ。） ………（３） Ｖ2 ＝ｓｉｎ（２πＭ2 Ｉ／φ。） ………（４） で表わされる。
【００１５】したがって、出力電圧Ｖ1，Ｖ2の位相差
は、 （２πＩ／φ。）×（Ｍ1 −Ｍ2 ） となり、Ｉ×（Ｍ1 −Ｍ2 ）の値がＮφ。（Ｎ：自然
数）となるごとに位相が一致する。
は、 （２πＩ／φ。）×（Ｍ1 −Ｍ2 ） となり、Ｉ×（Ｍ1 −Ｍ2 ）の値がＮφ。（Ｎ：自然
数）となるごとに位相が一致する。
【００１６】図４は、ＳＱＵＩＤＳ2 から見ると、 Ｍ1 −Ｍ2 ＝φ。／６ となり、ＳＱＵＩＤＳ1 から見ると Ｍ1 −Ｍ2 ＝φ。／７ となる場合を表している。図４から、２つのインプット
コイルＬ1 ，Ｌ2 に入力される磁束φと各ＳＱＵＩＤの
位相及び位相差の関係をあらわすと、図５のようにな
る。
コイルＬ1 ，Ｌ2 に入力される磁束φと各ＳＱＵＩＤの
位相及び位相差の関係をあらわすと、図５のようにな
る。
【００１７】図５に示すように、入力磁束φが、ＳＱＵ
ＩＤＳ2 にとっては６φ。、ＳＱＵＩＤＳ1 にとっては
７φ。だけ変化した場合、相互の位相差は２πすなわち
１周期変化する。ＳＱＵＩＤの出力は周期関数であるた
め、１つの位相のみでは１φ。以上の入力磁束の大きさ
または変化量は判別できないが、位相差を粗なスケール
として何φ。めの位相にあるかの同定基準とすれば、こ
の例では６φ。から７φ。の範囲で判別することができ
る。ここに、自然数６と７は互いに素であり、その差は
１である。
ＩＤＳ2 にとっては６φ。、ＳＱＵＩＤＳ1 にとっては
７φ。だけ変化した場合、相互の位相差は２πすなわち
１周期変化する。ＳＱＵＩＤの出力は周期関数であるた
め、１つの位相のみでは１φ。以上の入力磁束の大きさ
または変化量は判別できないが、位相差を粗なスケール
として何φ。めの位相にあるかの同定基準とすれば、こ
の例では６φ。から７φ。の範囲で判別することができ
る。ここに、自然数６と７は互いに素であり、その差は
１である。
【００１８】同様な原理により、（Ｍ1 −Ｍ2 ）／Ｍ1
が小さくなるように数値設定すれば、判別できる磁束範
囲を拡大することができる。例えば、Ｍ1 ：Ｍ2 ＝１０
０１：１０００とすれば、１０００φ。までダイナミッ
クレンジが拡大されたことになる）。ここに、自然数１
０００と１００１は互いに素であり、その差は１であ
る。
が小さくなるように数値設定すれば、判別できる磁束範
囲を拡大することができる。例えば、Ｍ1 ：Ｍ2 ＝１０
０１：１０００とすれば、１０００φ。までダイナミッ
クレンジが拡大されたことになる）。ここに、自然数１
０００と１００１は互いに素であり、その差は１であ
る。
【００１９】このような位相関係は、入力電流と結合イ
ンダクタンスによって決められるため、ＦＬＬを用いた
磁束検出システムと比較すると、電源の瞬断、ノイズの
混入による位相の乱れがあっても次の瞬間には修復され
ることがわかる。また、十分大きなダイナミックレンジ
を確保すれば、電源が長時間断たれていても、電源復帰
後の出力の再現性を保持することができる。したがっ
て、いったん絶対ゼロ磁場環境下で校正することができ
れば、絶対磁束計として使うことができる。また、絶対
ゼロ磁場環境下での校正ができなくてもトラップ磁束の
影響が十分小さければ、ゼロ磁場におけるＳＱＵＩＤ間
の位相は一致するため、この場合も絶対磁束計として使
うことができる。
ンダクタンスによって決められるため、ＦＬＬを用いた
磁束検出システムと比較すると、電源の瞬断、ノイズの
混入による位相の乱れがあっても次の瞬間には修復され
ることがわかる。また、十分大きなダイナミックレンジ
を確保すれば、電源が長時間断たれていても、電源復帰
後の出力の再現性を保持することができる。したがっ
て、いったん絶対ゼロ磁場環境下で校正することができ
れば、絶対磁束計として使うことができる。また、絶対
ゼロ磁場環境下での校正ができなくてもトラップ磁束の
影響が十分小さければ、ゼロ磁場におけるＳＱＵＩＤ間
の位相は一致するため、この場合も絶対磁束計として使
うことができる。
【００２０】次に、上記の構成を用いた位相検出回路に
ついて述べる。図３に示す変調用信号源１３により、Ｓ
ＱＵＩＤＳ1 、Ｓ2 の１φ。以上の振幅の三角波または
鋸歯波等のランプ状波で電流を注入すると、外部入力端
子Ｔa ，Ｔb に接続される信号源の出力インピーダンス
が十分大きければ、ＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 の位相は線形
に変調される。
ついて述べる。図３に示す変調用信号源１３により、Ｓ
ＱＵＩＤＳ1 、Ｓ2 の１φ。以上の振幅の三角波または
鋸歯波等のランプ状波で電流を注入すると、外部入力端
子Ｔa ，Ｔb に接続される信号源の出力インピーダンス
が十分大きければ、ＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 の位相は線形
に変調される。
【００２１】図６は、ＳＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 の出力電圧
の時間変化（図６（Ｂ），（Ｃ））を変調磁束信号の時
間変化（図６（Ａ））とあわせて示したものである。Ｓ
ＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 の各出力は、差動増幅器１，２で適
当なレベルに増幅された後、比較電圧Ｖb を基準として
コンパレータ３，４によってレベル比較される。
の時間変化（図６（Ｂ），（Ｃ））を変調磁束信号の時
間変化（図６（Ａ））とあわせて示したものである。Ｓ
ＱＵＩＤＳ1 ，Ｓ2 の各出力は、差動増幅器１，２で適
当なレベルに増幅された後、比較電圧Ｖb を基準として
コンパレータ３，４によってレベル比較される。
【００２２】Ｖb はＳＱＵＩＤのオフセット電圧に相当
するもので、上式（１），（２）において省略したＤＣ
成分に相当する値を参照値とすることで、位相の変化率
（ｄＶ／ｄφ値）が最も大きい点でコンパレータが反転
するようにする。図６（Ｄ）に示すように、コンパレー
タ３，４の反転（ここでは立ち上がり点）にあわせて変
調信号の電圧Ａ，Ｂ点でサンプリングするようにトラッ
クホールド回路５，６が構成されている。この例では、
ＳＱＵＩＤ出力電圧の位相が、Ｓ1 はπ／２だけ、Ｓ2
はπだけずれている場合を示しているが、入力電流Ｉに
応じて位相差は０から２πまで変化する。
するもので、上式（１），（２）において省略したＤＣ
成分に相当する値を参照値とすることで、位相の変化率
（ｄＶ／ｄφ値）が最も大きい点でコンパレータが反転
するようにする。図６（Ｄ）に示すように、コンパレー
タ３，４の反転（ここでは立ち上がり点）にあわせて変
調信号の電圧Ａ，Ｂ点でサンプリングするようにトラッ
クホールド回路５，６が構成されている。この例では、
ＳＱＵＩＤ出力電圧の位相が、Ｓ1 はπ／２だけ、Ｓ2
はπだけずれている場合を示しているが、入力電流Ｉに
応じて位相差は０から２πまで変化する。
【００２３】サンプルしたＡ，Ｂ点の電圧は各ＳＱＵＩ
Ｄの位相に比例するため、減算器７で差を取ることによ
り位相差に相当する電圧が得られる。この様子を図７に
示す。Ａ／Ｄ変換器９でＡ／Ｄ変換し、Ｄ／Ａ変換器１
０でＤ／Ａ変換すると、位相差は、図７（Ｂ）に示すよ
うに量子化された値をとる。この位相差の最小分解能を
φ。に合うようにＬＳＢ（Least Signicant Bit ：最下
位ビット）を設定する。具体的には、Ｄ／Ａ変換器のＬ
ＳＢと位相信号（図７（Ａ）参照）を合成するために、
アッテネータ８で最大電圧を１φ。相当（または２π）
の値に設定して加算器１１で加え合わせると、位相差の
１ＬＳＢ以下の値が図７（Ｃ）のように補間され、最終
的に数μφ。から数１００〜数千φ。にわたる広いダイ
ナミックレンジの磁束計測が可能になる。
Ｄの位相に比例するため、減算器７で差を取ることによ
り位相差に相当する電圧が得られる。この様子を図７に
示す。Ａ／Ｄ変換器９でＡ／Ｄ変換し、Ｄ／Ａ変換器１
０でＤ／Ａ変換すると、位相差は、図７（Ｂ）に示すよ
うに量子化された値をとる。この位相差の最小分解能を
φ。に合うようにＬＳＢ（Least Signicant Bit ：最下
位ビット）を設定する。具体的には、Ｄ／Ａ変換器のＬ
ＳＢと位相信号（図７（Ａ）参照）を合成するために、
アッテネータ８で最大電圧を１φ。相当（または２π）
の値に設定して加算器１１で加え合わせると、位相差の
１ＬＳＢ以下の値が図７（Ｃ）のように補間され、最終
的に数μφ。から数１００〜数千φ。にわたる広いダイ
ナミックレンジの磁束計測が可能になる。
【００２４】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。
【００２５】例えば、上記各実施例においては、ＳＱＵ
ＩＤ磁束計の位相検出部が２個のＳＱＵＩＤと２個のイ
ンプットコイルで構成された例について説明したが、本
発明はこれには限定されず、３個以上のＳＱＵＩＤと３
個以上のインプットコイルで構成されてもよい。
ＩＤ磁束計の位相検出部が２個のＳＱＵＩＤと２個のイ
ンプットコイルで構成された例について説明したが、本
発明はこれには限定されず、３個以上のＳＱＵＩＤと３
個以上のインプットコイルで構成されてもよい。
【００２６】また、上記各実施例においては、ＳＱＵＩ
Ｄ磁束計に複数のインプットコイルを設けた例について
説明したが、本発明はこれには限定されず、各ＳＱＵＩ
Ｄが磁束を直接取り込むピックアップを兼ね、かつこれ
らピックアップの感度の比又はこれらピックアップの有
効面積の比を磁束伝達率の比とするようにしてもよい。
Ｄ磁束計に複数のインプットコイルを設けた例について
説明したが、本発明はこれには限定されず、各ＳＱＵＩ
Ｄが磁束を直接取り込むピックアップを兼ね、かつこれ
らピックアップの感度の比又はこれらピックアップの有
効面積の比を磁束伝達率の比とするようにしてもよい。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数の感度の異なるピックアップまたは磁束伝達率を持
ったＳＱＵＩＤで、測定すべき磁束を異なった尺度で評
価でき、また位相差が２π以内の範囲で直接検出できる
ため、ＦＬＬを使った磁束検出システムに比較して、電
源の瞬断、ノイズの混入による位相の乱れがあっても次
の瞬間には修復される。また、十分大きなダイナミック
レンジを確保すれば、電源が長時間断たれていても、電
源復帰後の出力の再現性を保持することができる。従っ
て、ひとたび絶対ゼロ磁場環境下で校正できれば、従来
のＦＬＬ方式が磁束ロック時からの相対値のみを出力す
るのに対し、絶対磁束計として使うことができる。ま
た、ゼロ磁場におけるＳＱＵＩＤ間の位相は一致するた
め、このような校正ができなくてもトラップ磁束の影響
が十分小さければ、これも絶対磁束計として使うことが
できる。したがって、ＳＱＵＩＤのダイナミック特性、
特に周波数特性、耐ノイズ性能を向上させ、さらに計測
の連続性を保証しうるＳＱＵＩＤ磁束計を提供すること
ができる。
複数の感度の異なるピックアップまたは磁束伝達率を持
ったＳＱＵＩＤで、測定すべき磁束を異なった尺度で評
価でき、また位相差が２π以内の範囲で直接検出できる
ため、ＦＬＬを使った磁束検出システムに比較して、電
源の瞬断、ノイズの混入による位相の乱れがあっても次
の瞬間には修復される。また、十分大きなダイナミック
レンジを確保すれば、電源が長時間断たれていても、電
源復帰後の出力の再現性を保持することができる。従っ
て、ひとたび絶対ゼロ磁場環境下で校正できれば、従来
のＦＬＬ方式が磁束ロック時からの相対値のみを出力す
るのに対し、絶対磁束計として使うことができる。ま
た、ゼロ磁場におけるＳＱＵＩＤ間の位相は一致するた
め、このような校正ができなくてもトラップ磁束の影響
が十分小さければ、これも絶対磁束計として使うことが
できる。したがって、ＳＱＵＩＤのダイナミック特性、
特に周波数特性、耐ノイズ性能を向上させ、さらに計測
の連続性を保証しうるＳＱＵＩＤ磁束計を提供すること
ができる。
【図１】本発明の第１実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計に
おける位相検出部の構成を示す図である。
おける位相検出部の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計に
おける位相検出部の構成を示す図である。
おける位相検出部の構成を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計の
全体構成を示す図である。
全体構成を示す図である。
【図４】図３に示すＳＱＵＩＤ磁束計の動作を説明する
図（１）である。
図（１）である。
【図５】図３に示すＳＱＵＩＤ磁束計の動作を説明する
図（２）である。
図（２）である。
【図６】図３に示すＳＱＵＩＤ磁束計の動作を説明する
図（３）である。
図（３）である。
【図７】図３に示すＳＱＵＩＤ磁束計の動作を説明する
図（４）である。
図（４）である。
１，２ 差動増幅器 ３，４ コンパレータ ５，６ トラックホールド回路 ７ 減算器 ８ アッテネータ ９ Ａ／Ｄ変換器 １０ Ｄ／Ａ変換器 １１ 加算器 １２ バイアス電流源 １３ 信号源 １４Ａ，１４Ｂ 抵抗 １０１ ＳＱＵＩＤ磁束計 Ｊ11〜Ｊ22 ジョセフソン接合 Ｌ1 ，Ｌ2 インプットコイル Ｓ1 ，Ｓ2 ＳＱＵＩＤ Ｔ1 〜Ｔ3 電圧端子
Claims (5)
- 【請求項１】 複数のＳＱＵＩＤと、前記複数のＳＱＵ
ＩＤに磁束を伝達するとともに磁束伝達率がそれぞれ異
なる複数のインプットコイルであって互いに直列に接続
された複数のインプットコイルを備えたＳＱＵＩＤ磁束
計であって、前記複数のインプットコイルの各磁束伝達
率の比は、互いに素な自然数の比で表されることを特徴
とするＳＱＵＩＤ磁束計。 - 【請求項２】 前記各磁束伝達率の比の差は１であるこ
とを特徴とする請求項１記載のＳＱＵＩＤ磁束計。 - 【請求項３】 前記各ＳＱＵＩＤが磁束を直接取り込む
ピックアップを兼ね、かつこれらピックアップの感度の
比又はこれらピックアップの有効面積の比を前記磁束伝
達率の比とすることを特徴とする請求項１又は請求項２
記載のＳＱＵＩＤ磁束計。 - 【請求項４】 前記複数のＳＱＵＩＤの各々に正帰還を
施すための抵抗およびコイルを備えたことを特徴とする
請求項１ないし請求項３記載のＳＱＵＩＤ磁束計。 - 【請求項５】 ランプ状の変調電圧を前記複数のＳＱＵ
ＩＤに入力する磁束変調手段と、前記複数のＳＱＵＩＤ
の電圧出力の位相を検出するコンパレータと、このコン
パレータの出力で前記ランプ状の変調電圧をサンプリン
グするトラックホールド回路と、このトラックホールド
回路でホールドされたランプ状変調電圧の差をとる減算
器と、この減算器により減算された出力を離散化する離
散化手段と、前記サンプリングされたランプ状変調電圧
の振幅を調整する振幅調整器と、前記離散化された出力
と前記振幅調整された電圧とを加算する加算器を備えた
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４記載のＳＱＵ
ＩＤ磁束計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7146880A JP2869775B2 (ja) | 1995-05-23 | 1995-05-23 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7146880A JP2869775B2 (ja) | 1995-05-23 | 1995-05-23 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08313610A true JPH08313610A (ja) | 1996-11-29 |
| JP2869775B2 JP2869775B2 (ja) | 1999-03-10 |
Family
ID=15417666
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7146880A Expired - Lifetime JP2869775B2 (ja) | 1995-05-23 | 1995-05-23 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2869775B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014085276A (ja) * | 2012-10-25 | 2014-05-12 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 超伝導電流計 |
-
1995
- 1995-05-23 JP JP7146880A patent/JP2869775B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014085276A (ja) * | 2012-10-25 | 2014-05-12 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 超伝導電流計 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2869775B2 (ja) | 1999-03-10 |
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