(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２個のジョセフソン接合からなる第１のジョセフソン接合対と、
前記第１のジョセフソン接合対と環状に接続され第１の超伝導ループを形成するワッシャーコイルと、
前記ワッシャーコイルの少なくとも一部を共有して環状に接続され、第２の超伝導ループを形成する２個のジョセフソン接合からなる第２のジョセフソン接合対と、
前記ワッシャーコイルと磁気結合された入力コイルおよび帰還変調コイルとからなり、
前記第１のジョセフソン接合対の一方のジョセフソン接合が前記第２のジョセフソン接合対の一方のジョセフソン接合と直列に接続し、前記第１のジョセフソン接合対の他方のジョセフソン接合が前記第２のジョセフソン接合対の他方のジョセフソン接合と直列に接続することを特徴とする直流駆動型超伝導量子干渉素子。
【請求項２】
前記第１のジョセフソン接合対の、前記ワッシャーコイルと接続されていない側の各々の端子と共通に接続された第１のバイアス電流端子と、前記第２のジョセフソン接合対の、前記ワッシャーコイルと接続されていない側の各々の端子と共通に接続された第２のバイアス電流端子とを有し、前記第１および第２のバイアス電流端子からバイアス電流を印加する構成である請求項１記載の直流駆動型超伝導量子干渉素子。
【請求項３】
前記ワッシャーコイルは複数のコイルからなり各々のコイルが直列および／または並列に接続された構成である請求項１または２記載の直流駆動型超伝導量子干渉素子。
【請求項４】
前記第２のジョセフソン接合対の、前記ワッシャーコイルと接続されていない側の各々の端子の間に接続された第２のワッシャーコイルと、前記第２のワッシャーコイルと環状に接続され、第３の超伝導ループを形成する２個のジョセフソン接合からなる第３のジョセフソン接合対をさらに有する請求項１〜３いずれか１項に記載の直流駆動型超伝導量子干渉素子。
【請求項５】
前記第１および第２のジョセフソン接合対を構成する各々のジョセフソン接合は、それぞれ並列にシャント抵抗が接続された請求項１〜４いずれか１項に記載の直流駆動型超伝導量子干渉素子。
【請求項６】
前記ワッシャーコイルは、並列にダンピング抵抗が接続された請求項１〜５いずれか１項に記載の直流駆動型超伝導量子干渉素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は高感度電磁気センサ、磁束計、電流計、変位計、または高周波信号増幅器などに応用する直流駆動型超伝導量子干渉素子（以下ＤＣ  ＳＱＵＩＤと称する）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３に従来のＤＣ  ＳＱＵＩＤの代表的な等価回路図を示す。
ワッシャーコイル４の両端に接続された２個のジョセフソン接合１により超伝導ループを形成する。それぞれのジョセフソン接合１には、電流−電圧特性におけるヒステリシスをなくすためのシャント抵抗２が並列接続され、またワッシャーコイル４の両端にはワッシャーコイル４での不必要な共振を抑制するためのダンピング抵抗３が並列接続されている。図示しない検出コイルで検出した被検出磁界は、ワッシャーコイル４と磁束結合した入力コイル５を介してワッシャーコイル４に入力される。さらにワッシャーコイル４にはＦＬＬ（フラックス・ロックト・ループ）回路を用いて駆動させるための帰還変調コイル６が磁束結合されている。そしてこの超伝導ループには、ワッシャーコイル４の中間部、および２個のジョセフソン接合１の接続部にそれぞれバイアス配線７が接続され、全体としてＤＣ  ＳＱＵＩＤを構成している。
【０００３】
ＤＣ  ＳＱＵＩＤは、バイアス配線７より定電流を印加した状態で入力コイル５を介してワッシャーコイル４内に磁束Φが入力されると、出力電圧すなわち２つのバイアス配線７の端子間の電圧は入力された磁束Φの大きさに対応して周期的に変化し、その周期は１磁束量子Φ0 （２．０７×１０-15 Ｗｂ）となる。
【０００４】
ＤＣ  ＳＱＵＩＤを磁束計として使用する場合には、出力電圧の変化が大きいほど、感度が良くなり、性能は向上する。そこで従来は、ＤＣ  ＳＱＵＩＤを直列に複数個接続して、出力電圧を大きくする試みが成されていた。図４はＤＣ  ＳＱＵＩＤを２個直列に接続した場合の等価回路である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような構成で複数のＤＣ  ＳＱＵＩＤを直列接続した場合、個々のＤＣ  ＳＱＵＩＤを構成しているジョセフソン接合、シャント抵抗、ダンピング抵抗、ワッシャーコイル、入力コイル、帰還変調コイルなどの各要素が直列に接続する数だけ必要となり、回路規模が大きくなる。特にＤＣ  ＳＱＵＩＤを薄膜プロセスで形成する場合、ワッシャーコイル、入力コイル、帰還変調コイルなどの広い平面積を必要とする要素を個々のＤＣ  ＳＱＵＩＤ毎に形成することは、素子の小型化を図るうえ大きな障害となるという課題があった。また、複数個あるＤＣ  ＳＱＵＩＤはそれぞれ独立に電磁気センサとして動作するため、例えば超伝導状態に転移する瞬間に残留磁束が超伝導膜中の閉じこめてしまうために生じる磁束トラップの影響により、各ＤＣ  ＳＱＵＩＤ間の入力磁束に対する出力電圧の位相が揃わず、確実に複数個分の出力電圧を得ることが困難であった。
【０００６】
本発明の目的は、回路規模の拡大を抑えつつ、出力電圧を増大させることが可能な構成を有するＤＣ  ＳＱＵＩＤを提供することにある。
【０００７】
上記の課題を解決するために、２個のジョセフソン接合からなる第１のジョセフソン接合対と、第１のジョセフソン接合対と環状に接続され第１の超伝導ループを形成するワッシャーコイルと、ワッシャーコイルの少なくとも一部を共有して環状に接続され、第２の超伝導ループを形成する２個のジョセフソン接合からなる第２のジョセフソン接合対と、ワッシャーコイルと磁気結合された入力コイルおよび帰還変調コイルと、前記第１のジョセフソン接合対の一方のジョセフソン接合が前記第２のジョセフソン接合対の一方のジョセフソン接合と直列に接続し、前記第１のジョセフソン接合対の他方のジョセフソン接合が前記第２のジョセフソン接合対の他方のジョセフソン接合と直列に接続するＤＣＳＱＵＩＤを構成した。
【０００８】
また、上記ＤＣ  ＳＱＵＩＤにおいて、第１のジョセフソン接合対の、ワッシャーコイルと接続されていない側の各々の端子と共通に接続された第１のバイアス電流端子と、第２のジョセフソン接合対の、ワッシャーコイルと接続されていない側の各々の端子と共通に接続された第２のバイアス電流端子とを有し、第１および第２のバイアス電流端子からバイアス電流を印加する構成とした。
【０００９】
ここで、上記ワッシャーコイルは複数のコイルからなり各々のコイルが直列接続または並列接続あるいは、直列接続と並列接続を組合せた構成であってもよい。
上記ＤＣ  ＳＱＵＩＤにおいてさらに、第２のジョセフソン接合対の、ワッシャーコイルと接続されていない側の各々の端子の間に接続された第２のワッシャーコイルと、第２のワッシャーコイルと環状に接続され、第３の超伝導ループを形成する２個のジョセフソン接合からなる第３のジョセフソン接合対を有する構成も可能である。
【００１０】
そして、上記ＤＣ  ＳＱＵＩＤの第１および第２のジョセフソン接合対を構成する各々のジョセフソン接合にそれぞれ並列にシャント抵抗を接続し、またワッシャーコイルに並列にダンピング抵抗を接続することも同様に可能である。
【００１１】
【作用】
上記のように構成されたＤＣ  ＳＱＵＩＤは、１つのワッシャーコイルを２組のジョセフソン接合対で共有する。すなわち１つのワッシャーコイルを介して２つの超伝導ループを形成するため、専有面積を殆ど増やさずに、ワッシャーコイルに入力される磁束に対する出力電圧を理論的に２倍にすることができる。また、ワッシャーコイルの数が１つであり、磁束による位相を揃える必要がないため、出力電圧を確実に大きくできる。さらに超伝導ループを３つあるいはそれ以上形成することにより、専有面積の増加と比較した出力電圧の増分をより大きくすることができる。
【００１２】
【実施例】
以下に本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１実施例を示すＤＣ  ＳＱＵＩＤの等価回路図である。
ワッシャーコイル４の両端に２個のジョセフソン接合１ａ、１ｂからなるジョセフソン接合対が環状に接続されており、ワッシャーコイル４−ジョセフソン接合１ａ−１ｂにより１つの超伝導ループを形成している。さらに、２個のジョセフソン接合１ｃ、１ｄからなるジョセフソン接合対も、同じワッシャーコイル４の両端に環状に接続されており、ワッシャーコイル４−ジョセフソン接合１ｃ−１ｄにより別の超伝導ループを形成している。それぞれの超伝導ループは１個のワッシャーコイル４の全体を共有し合う形で結合されている。バイアス電流は超伝導ループを形成する２個のジョセフソン接合１ａ、１ｂの間に接続されたバイアス配線７から挿入し、もう一方の超伝導ループを形成するジョセフソン接合１ｃ、１ｄの間に接続された別のバイアス配線７から引き出す。
【００１３】
それぞれのジョセフソン接合１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄには、電流−電圧特性におけるヒステリシスをなくすためのシャント抵抗２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄがそれぞれ並列接続され、またワッシャーコイル４の両端にはワッシャーコイルでの共振を抑制するためのダンピング抵抗３が並列接続されている。図示しない検出コイルで検出した被検出磁界は、ワッシャーコイル４と磁束結合した入力コイル５を介してワッシャーコイル４に入力される。さらにワッシャーコイル４にはＦＬＬ（フラックス・ロック・ループ）回路を用いて帰還電流、変調電流を流し、ＤＣ  ＳＱＵＩＤを駆動させるための帰還変調コイル６が磁束結合されている。ＤＣ  ＳＱＵＩＤとしての出力電圧は、上下それぞれのバイアス配線７の両端子から取り出され、プリアンプ、位相検波器、積分器からなるＦＬＬ回路等の、図示しない信号処理回路に入力される。
【００１４】
図２には、本発明の第１実施例の等価回路図を薄膜プロセスで形成した場合の平面図を示す。回路規模は従来のＤＣ  ＳＱＵＩＤとほとんど変わらない。すなわち、広い平面積を必要とするワッシャーコイル、入力コイル、帰還変調コイルなどの要素をジョセフソン接合対１ａ、１ｂとジョセフソン接合対１ｃ、１ｄで兼用しているため、従来の構造のＤＣ  ＳＱＵＩＤに対して、ジョセフソン接合対１ｃ、１ｄとシャント抵抗２ｃ、２ｄの要素部分を追加するだけで、特に複雑な構造にすることなく、約２倍の出力電圧を得ることが可能である。実際に試作したＤＣ  ＳＱＵＩＤで、２倍近い値の出力電圧が得られることが確認されている。
【００１５】
また、バイアス配線７の引き回しも、例えば図４に示した従来のＤＣ  ＳＱＵＩＤを２個直列に接続した構成を薄膜プロセスで形成する場合に比べて大幅に簡素化できる。
図５は本発明の第２の実施例を示すＤＣ  ＳＱＵＩＤの等価回路図である。
ワッシャーコイル４ａ、４ｂ、４ｃと２個のジョセフソン接合１ａ、１ｂからなるジョセフソン接合対が環状に接続されており、１つの超伝導ループを形成している。さらに、ワッシャーコイル４ｄ、４ｂ、４ｅと２個のジョセフソン接合１ｃ、１ｄからなるジョセフソン接合対も環状に接続されており、別の超伝導ループを形成している。それぞれの超伝導ループは３個直列に接続されたワッシャーコイルのうち真ん中のワッシャーコイル４ｂを共有し合う形で結合されている。
【００１６】
バイアス電流は第１実施例と同様に、超伝導ループを形成する２個のジョセフソン接合１ａ、１ｂの間に接続されたバイアス配線７から挿入し、もう一方の超伝導ループを形成するジョセフソン接合１ｃ、１ｄの間に接続された別のバイアス配線７から引き出す。
【００１７】
それぞれのジョセフソン接合１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄには、電流−電圧特性におけるヒステリシスをなくすためのシャント抵抗２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄがそれぞれ並列接続され、また直列接続されたワッシャーコイル４ａ、４ｂ、４ｃの両端およびワッシャーコイル４ｄ、４ｂ、４ｅの両端にはワッシャーコイルでの共振を抑制するためのダンピング抵抗３がそれぞれ並列接続されている。また入力コイル５、および帰還変調コイル６が第１実施例と同様ワッシャーコイル４に磁束結合されている。
【００１８】
図１に示した第１実施例のワッシャーコイル４は単一のコイルで形成されたシングルワッシャー構造であるが、ワッシャーコイルを複数のコイルを直列あるいは並列に接続したマルチワッシャー構造とすることにより、信号磁束以外の磁束による生じる雑音電流を低減させＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００１９】
例えば図６は本発明の第３の実施例を示すＤＣ  ＳＱＵＩＤの等価回路図であり、ワッシャーコイル４を２つ直列接続したものである。各々のワッシャーコイル４には並列にダンピング抵抗３が接続されている。また入力コイル５、および帰還変調コイル６が第１実施例と同様各々のワッシャーコイル４に磁束結合されている。そしてこのワッシャーコイル４の全体を、２個のジョセフソン接合１ａ、１ｂからなるジョセフソン接合対と、別の２個のジョセフソン接合１ｃ、１ｄからなるジョセフソン接合対とが共有し合う形で結合されている。シャント抵抗２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、バイアス配線７は第１実施例と同様に接続されている。この２つのワッシャーコイルを薄膜プロセスで、平面的に互いに逆巻き例えばＳ字状に形成することにより各々のワッシャーコイルに生じる雑音電流を相殺し、またワッシャーコイルに超伝導環電流が生じることを防止し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００２０】
図７は本発明の第４の実施例を示すＤＣ  ＳＱＵＩＤの等価回路図であり、ワッシャーコイル４を２つ並列接続したものである。各々のワッシャーコイル４には並列にダンピング抵抗３が接続されている。また入力コイル５、および帰還変調コイル６が第１実施例と同様各々のワッシャーコイル４に磁束結合されている。そしてこのワッシャーコイル４の全体を、２個のジョセフソン接合１ａ、１ｂからなるジョセフソン接合対と、別の２個のジョセフソン接合１ｃ、１ｄからなるジョセフソン接合対とが共有し合う形で結合されている。シャント抵抗２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、バイアス配線７は第１実施例と同様に接続されている。この２つのワッシャーコイルを薄膜プロセスで、平面的に形成することにより各々のワッシャーコイルに生じる雑音電流を相殺してＳ／Ｎ比を向上させることができるとともに、各々のワッシャーコイルに対する入力コイルの巻数を半分にすることができる。
【００２１】
以上に示した実施例は、超伝導ループを２つ直列に形成したものであるが、超伝導ループを３つあるいはそれ以上の数だけ直列に形成することにより、さらに出力電圧を増大させることもできる。
図８は本発明の第５の実施例を示すＤＣ  ＳＱＵＩＤの等価回路図である。２個のジョセフソン接合１ａ、１ｂからなるジョセフソン接合対とワッシャーコイル４ａが環状に接続されており、ワッシャーコイル４ａ−ジョセフソン接合１ａ−１ｂにより１つ目の超伝導ループを形成している。さらに、ワッシャーコイル４ａと２個のジョセフソン接合１ｃ、１ｄからなるジョセフソン接合対とワッシャーコイル４ｂが環状に接続されており、ワッシャーコイル４ａ−ジョセフソン接合１ｃ−ワッシャーコイル４ｂ−ジョセフソン接合１ｄにより２つ目の超伝導ループを形成している。そして、ワッシャーコイル４ｂと２個のジョセフソン接合１ｅ、１ｆからなるジョセフソン接合対が環状に接続されており、ワッシャーコイル４ｂ−ジョセフソン接合１ｅ−１ｆにより３つ目の超伝導ループを形成している。１つ目の超伝導ループと２つ目の超伝導ループはワッシャーコイル４ａを共有し合う形で結合されている。また２つ目の超伝導ループと３つ目の超伝導ループはワッシャーコイル４ｂを共有し合う形で結合されている。バイアス電流は１つ目の超伝導ループを形成する２個のジョセフソン接合１ａ、１ｂの間に接続されたバイアス配線７から挿入し、３つ目の超伝導ループを形成するジョセフソン接合１ｅ、１ｆの間に接続された別のバイアス配線７から引き出す。
【００２２】
それぞれのジョセフソン接合１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆには、電流−電圧特性におけるヒステリシスをなくすためのシャント抵抗２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆがそれぞれ並列接続され、またワッシャーコイル４ａ、４ｂの両端にはワッシャーコイルでの共振を抑制するためのダンピング抵抗３がそれぞれ並列接続されている。また入力コイル５、および帰還変調コイル６が各々のワッシャーコイル４ａ、４ｂにそれぞれ磁束結合されている。
【００２３】
この第５実施例の等価回路図を薄膜プロセスで形成した場合、従来の構造のＤＣ  ＳＱＵＩＤに対して、実質的にワッシャーコイル１つ分の面積増加で特に複雑な構造にすることなく約３倍の出力電圧を得ることが可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、１つのワッシャーコイルを２組のジョセフソン接合対で共有し、すなわち１つのワッシャーコイルを介して２つの超伝導ループを形成するため、専有面積を殆ど増やさずに、ワッシャーコイルに入力される磁束に対する出力電圧を理論的に２倍にすることができる効果がある。また、ワッシャーコイルの数が１つであり、磁束による位相を揃える必要がないため、出力電圧を確実に大きくできる効果がある。さらに超伝導ループを３つあるいはそれ以上形成することにより、専有面積の増加と比較した出力電圧の増分をより大きくすることができるという効果がある。そして例えば磁束計に応用した場合、検出感度が向上する効果がある。またバイアス配線の引き回しが簡素化できるため、駆動回路との接続もシンプルにできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すＤＣ  ＳＱＵＩＤの等価回路図である。
【図２】本発明の第１実施例に示すＤＣ  ＳＱＵＩＤの平面図である。
【図３】従来例を示すＤＣ  ＳＱＵＩＤの等価回路図である。
【図４】従来例を示すＤＣ  ＳＱＵＩＤの等価回路図である。
【図５】本発明の第２実施例を示すＤＣ  ＳＱＵＩＤの等価回路図である。
【図６】本発明の第３実施例を示すＤＣ  ＳＱＵＩＤの等価回路図である。
【図７】本発明の第４実施例を示すＤＣ  ＳＱＵＩＤの等価回路図である。
【図８】本発明の第５実施例を示すＤＣ  ＳＱＵＩＤの等価回路図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ  ジョセフソン接合
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ  シャント抵抗
３  ダンピング抵抗
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ  ワッシャーコイル
５  入力コイル
６  帰還変調コイル
７  バイアス配線
【図１】
0003672957.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003672957.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
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