(57)【要約】【課題】ジョセフソン素子で発生する標準電圧を利用して精密で安定した電流を発生させることのできる電流発生装置を提供すること。【解決手段】ジョセフソン素子３によって標準電圧を発生させるジョセフソン電圧発生部１と、半導体を用いた電流制御ユニット８及び標準抵抗器１０からなる定電流発生部６とから構成され、ジョセフソン電圧発生部１の出力電圧と、電流制御ユニット８から出力される出力電流を標準抵抗器１０に流して得られる標準抵抗器両端の出力電圧との差電圧を電流制御ユニット８に入力し、ジョセフソン素子３によって発生される標準電圧と標準抵抗器両端の出力電圧とが一致するように制御することにより、電流制御ユニット８から高い安定度と精度を有する出力電流を発生させる。【選択図】図１
2006214774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジョセフソン素子によって標準電圧を発生させるジョセフソン電圧発生部と、半導体を用いた電流制御ユニット及び標準抵抗器からなる定電流発生部とから構成され、前記ジョセフソン電圧発生部の出力電圧と、前記電流制御ユニットから出力される出力電流を前記標準抵抗器に流して得られる標準抵抗器両端の出力電圧との差電圧を前記電流制御ユニットに入力し、前記ジョセフソン素子によって発生される標準電圧と前記標準抵抗器両端の出力電圧とが一致するように制御することにより、前記電流制御ユニットから高い安定度と精度を有する出力電流を発生させることを特徴とする電流発生装置。
【請求項２】
前記ジョセフソン電圧発生部におけるジョセフソン素子のバイアス電流を正及び負に制御して得られる正及び負の出力電圧と、前記標準抵抗器両端の出力電圧の極性を制御して得られる正及び負の出力電圧とのそれぞれの正同士及び負同士の差電圧を前記電流制御ユニットに入力し、正同士の差電圧と負同士の差電圧とが一致するように制御することにより、前記電流制御ユニットから高い安定度と精度を有する出力電流を発生させることを特徴とする請求項１に記載の電流発生装置。
【請求項３】
前記電流制御ユニットは、前記差電圧を入力するＡ／Ｄ変換器と、前記ジョセフソン電圧発生部に対するバイアス電流の制御及び前記標準抵抗器両端出力電圧の極性制御及び該Ａ／Ｄ変換器から入力されたデジタルデータから出力電流を計算して帰還信号として出力する計測制御部、及び、該帰還信号に基づいて前記標準電圧と同程度に高い安定度と高い精度を有する出力電流を出力する電流発生部とからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流発生装置。
【請求項４】
前記標準抵抗器は、量子ホール素子又は量子ホール素子を用いて校正された抵抗器であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流発生装置に係り、特に、定電圧源として高い精度と高い安定性を有するジョセフソン素子で発生する標準電圧と、校正済みの安定した標準抵抗器を用いて、高い安定度と精度を有する電流を発生することのできる電流発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ツェナーダイオードを基準電圧源とした又は定電流素子を用いた定電流源は、産業界のいたるところで使用されており、特に、計測器の分野では、精密で安定した電流を発生する定電流発生装置や定電流発生源が必要とされている。
【０００３】
しかしながら、半導体を利用した定電流発生装置は、温度・湿度等で特性が変わり易く、また経時変化も大きい。
ツェナーダイオードを基準電圧源とした電圧発生器は数ｐｐｍ／年程度の電圧変動があるのに対して、標準抵抗器では０．２ｐｐｍ／年程度の抵抗値の安定度を確保できるため、１ｐｐｍ／年程度の電圧変動を有する基準電圧源と組み合わせることにより、１ｐｐｍ／年程度の電流変動を有する安定した電流を取り出すことができる。
【０００４】
一方、ジョセフソン素子は、照射するマイクロ波の周波数に比例した電圧を発生できる定電圧発生素子であり、電圧標準として国家標準にも用いられる高い安定性（再現性）と９桁の精度を有する電圧を発生することができる。また、標準抵抗器は校正により高い精度の抵抗値を得られるが、量子ホール素子は抵抗標準として国家標準にも用いられる高い安定性（再現性）と８桁の精度を有する抵抗値を実現することができ、高い精度での校正に適している。
【０００５】
なお、絶対精度と温度特性に優れた定電流源としては、特開平２−２０２１０７号公報に開示されたものが知られている。  
【０００６】
【特許文献１】特開平２−２０２１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ジョセフソン素子に標準抵抗器を直列に接続して精密な定電流を得ようとした場合、外部負荷の大きさに影響されずに定電流を取り出すことは困難である。
また、配線抵抗部分の電圧降下やジョセフソン素子が低温下（液体ヘリウム内４．２Ｋ）で動作することにより避けられない低温部と常温部の間での数百ｎＶ程度の熱起電力が無視できない問題がある。  
【０００８】
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、外部負荷の大きさが変化してもジョセフソン素子で発生する標準電圧を利用して精密で安定した電流を発生させることのできる電流発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために下記の手段を採用した。
第１の手段は、ジョセフソン素子によって標準電圧を発生させるジョセフソン電圧発生部と、半導体を用いた電流制御ユニット及び標準抵抗器からなる定電流発生部とから構成され、前記ジョセフソン電圧発生部の出力電圧と、前記電流制御ユニットから出力される出力電流を前記標準抵抗器に流して得られる標準抵抗器両端の出力電圧との差電圧を前記電流制御ユニットに入力し、前記ジョセフソン素子によって発生される標準電圧と前記標準抵抗器両端の出力電圧とが一致するように制御することにより、前記電流制御ユニットから高い安定度と精度を有する出力電流を発生させることを特徴とする電流発生装置である。
【００１０】
第２の手段は、第１の手段において、前記ジョセフソン電圧発生部におけるジョセフソン素子のバイアス電流を正及び負に制御して得られる正及び負の出力電圧と、前記標準抵抗器両端の出力電圧の極性を制御して得られる正及び負の出力電圧とのそれぞれの正同士及び負同士の差電圧を前記電流制御ユニットに入力し、正同士の差電圧と負同士の差電圧とが一致するように制御することにより、前記電流制御ユニットから高い安定度とより高い精度を有する出力電流を発生させることを特徴とする電流発生装置である。
【００１１】
第３の手段は、第２の手段において、前記電流制御ユニットは、前記差電圧を入力するＡ／Ｄ変換器と、前記ジョセフソン電圧発生部に対するバイアス電流の制御及び前記標準抵抗器両端出力電圧の極性制御及び該Ａ／Ｄ変換器から入力されたデジタルデータから出力電流を計算して帰還信号として出力する計測制御部、及び、該帰還信号に基づいて前記標準電圧と同程度に高い安定度と精度を有する出力電流を出力する電流発生部とからなることを特徴とする電流発生装置である。
【００１２】
第４の手段は、第１の手段又は第２の手段において、前記標準抵抗器は、量子ホール素子又は量子ホール素子を用いて校正された抵抗器であることを特徴とする電流発生装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の電流発生装置によれば、配線抵抗部分での電圧降下やジョセフソン素子が低温下で動作する際に発生する数百ｎＶ程度の熱起電力の問題を回避することができるとともに、電流変動が１ｐｐｍ／年以下の安定した精度の高い電流を発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の一実施形態を図１及び図２を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る電流発生装置の概要を示す図である。
同図において、１はジョセフソン電圧発生部であり、マイクロ波発振器２、ジョセフソン素子３、液体ヘリウム容器４、及びバイアス回路５から構成される。また、６は定電流発生部であり、フィルタ７、電流制御ユニット８、極性切替器９、及び抵抗値Ｒの標準抵抗器１０から構成される。１１は負荷であり、電流制御ユニット８から出力される電流Ｉを供給する外部回路にあたる。
【００１５】
なお、標準抵抗器１０は、高い精度の電流を発生するためには校正済みである必要があるが、上記標準抵抗器に代えて量子ホール素子を用いることにより、より高い精度で電流を発生させることも可能である。
【００１６】
ここで、２つのフィルタ７は、それぞれ電流制御ユニット８及び負荷１１から入力される雑音がジョセフソン電圧発生部１に混入するのを防止する機能を有する。
【００１７】
ジョセフソン電圧発生部１において、マイクロ波発振器２はジョセフソン素子３に照射する周波数ｆのマイクロ波を発生させるものであり、周波数ｆは電圧制御ユニット８から出力される周波数設定用制御信号１２により制御される。ジョセフソン素子３は、ジョセフソン接合を直列に接続した接合列で構成されており、周波数に比例した安定な電圧を発生することができる。
液体ヘリウム容器４中の液体ヘリウム内の低温下に設置されたジョセフソン素子３に、マイクロ波発振器２から発生したマイクロ波を導波路１４を通して照射することによって、ジョセフソン電圧ＶJを発生させることができる。
【００１８】
また、バイアス回路５は、ジョセフソン素子からジョセフソン電圧ＶＪを発生するようにバイアス電流を流すためのものであり、バイアス電流の向きは電流制御ユニット８から出力されるバイアス回路制御用信号１３によって制御される。バイアス電流の向きが変わると、発生するジョセフソン電圧ＶＪの正負も反転する。
【００１９】
定電流発生部６における電流制御ユニット８の機能は、（１）入力端子における差電圧Ｖ３の検出、（２）マイクロ波発振器２への周波数設定用制御信号１２の出力、（３）バイアス回路５へのバイアス回路制御用信号１３及び極性切替器９の極性を切替制御する極性切替信号１５の出力、（４）後述する電流発生部１８を介して標準抵抗器１０およびこれに直列な負荷１１に対する電流Ｉの出力である。
【００２０】
極性切替器９は、電流制御ユニット８からの極性切替信号１５に従って電流制御ユニット８から出力される電流Ｉによる標準抵抗器１０からの出力電圧Ｖ２の符号を切り替える機能を持つ。
【００２１】
図２は、図１に示した電流制御ユニット８のより詳細な構成の一例を示す図である。
同図に示すように、この電流制御ユニット８は、Ａ／Ｄ変換器１６、計測制御部１７、及び電流発生部１８から構成される。
Ａ／Ｄ変換器１６は、高い入力インピーダンスを有し、ジョセフソン電圧発生部１から出力される出力電圧Ｖ１と標準抵抗器１０からの出力電圧Ｖ２との差電圧Ｖ３をデジタルデータに変換する。
計測制御部１７は、フィードバック電圧Ｖ２をジョセフソン素子３によって発生される標準電圧ＶＪと等しくするのに中心的な役割を果たし、大きく分けて３つの機能を有する。第１にジョセフソン電圧発生部１の出力電圧Ｖ１と標準抵抗器１０からの出力電圧Ｖ２との差電圧Ｖ３の測定、第２に電流発生部１８へ帰還信号１９を送る機能、第３にバイアス回路５と極性切替器９を同期させて極性を切替えるためのバイアス回路制御用信号１３と極性切替信号１５を生成する機能である。
電流発生部１８は、例えば、プログラマブルな半導体電流源で実現され、計測制御部１５からのデジタルデータの帰還信号１９をアナログ電流Ｉに変換して負荷１１及び標準抵抗器１０に出力する。
【００２２】
ところで、ジョセフソン電圧発生部１の出力電圧Ｖ１と標準抵抗器１０からの出力電圧Ｖ２＝ＲＩとの差電圧Ｖ３の測定においては熱起電力ＶＴの影響が大きな問題となる。熱起電力ＶＴの発生はジョセフソン素子３が液体ヘリウム内低温下に設置されていることから避けられず、熱起電力ＶＴの値を精密に理論的に予測することは事実上不可能である。しかし、熱起電力ＶＴはジョセフソン素子３の標準電圧ＶJと標準抵抗器１０からの出力電圧Ｖ２の極性を周期的に切り替え、極性を切り替える前後の電圧の差を取り平均をとることによって除去することが原理的に可能である。
【００２３】
図１及び図２において、ジョセフソン電圧発生部１の出力電圧Ｖ１の値は＋ＶJ＋ＶＴ、又は計測制御部１７によってバイアス回路５のバイアス電流の向きが変えられたときの出力電圧Ｖ１は−ＶJ＋ＶＴである。
【００２４】
そこで、第１段階として、計測制御部１７に入力される入力電圧Ｖ３は、ジョセフソン電圧発生部１の出力電圧Ｖ１（＝＋ＶJ＋ＶＴ）と極性切替器９の出力電圧Ｖ２との差電圧Ｖ３＝Ｖ１−Ｖ２＝＋ＶJ＋ＶＴ−Ｖ２となり、これを一定時間記録し、平均をとって差電圧Ｖ３＋をとる。
次に、第２段階として、計測制御部１７からのバイアス回路制御用信号１３によってジョセフソン電圧発生部１のバイアス回路５を制御して、ジョセフソン素子３に流れるバイアス電流を反転させ、かつ計測制御部１７からの極性切替信号１５によって極性切替器９を制御して、標準抵抗器１０の出力電圧Ｖ２の極性を切り替える。
次に、第３段階として、計測制御部１７に入力される入力電圧Ｖ３は、ジョセフソン電圧発生部１０の出力電圧Ｖ１（＝−ＶJ＋ＶＴ）と極性切替器９の出力電圧Ｖ２の差電圧Ｖ３＝Ｖ１−Ｖ２＝−ＶJ＋ＶＴ−（−Ｖ２）となり、これを一定時間記録し、平均をとって差電圧Ｖ３−をとる。
次に、第４段階として、再び、計測制御部１７からのバイアス回路制御用信号１３によってジョセフソン電圧発生部１のバイアス回路５を制御して、ジョセフソン素子３に流れるバイアス電流を反転し、かつ計測制御部１７からの極性切替信号１５によって極性切替器９を制御して、標準抵抗器１０の出力電圧Ｖ２の極性を切り替える。
再び、第１段階の処理を行う。以上のごとく、計測制御部１７において、第１〜第４段階の処理を繰り返す。
【００２５】
第１〜第４段階の処理の過程において、第１段階と第３段階の測定結果から、Ｖ３＋≠Ｖ３−の場合は、Ｖ３＋＝Ｖ３−となるように、即ち、Ｖ３＋−Ｖ３−＝（＋ＶJ＋ＶＴ−Ｖ２）−（−ＶJ＋ＶＴ＋Ｖ２）＝２ＶJ−２Ｖ２＝０となるように、第１段階から第４段階の処理を繰り返す。この処理を繰り返す度に、計測制御部１７において、電流発生部１８からのフィードバック電圧Ｖ２を制御するための電流発生部１８への帰還信号１９を計算する。
計測制御部１７で計算された帰還信号１９が電流発生部１８に送られると、電流発生部１８から出力される電流Ｉは微調整されて出力される。微調整の結果、最終的にＶ３＋−Ｖ３−＝２ＶJ−２Ｖ２＝２ＶJ−２ＲＩ＝０とすることができ、電流発生部１８からＩ＝ＶJ／Ｒなる、熱起電力ＶＴを除去した精密な電流Ｉを発生させることができる。
【００２６】
なお、上記第２段階及び第３段階において、計測制御部１７からの極性切替信号１５によって極性切替器９を制御して、標準抵抗器１０からの出力電圧Ｖ２の極性を切り替えるようにしたが、極性切替器９を用いることなく、計測制御部１７において電流発生部１８から出力される電流Ｉの極性を切り替えるようにして構成しても同様の結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る電流発生装置の概要を示す図である。
【図２】図１に示した電流制御ユニットのより詳細な構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  ジョセフソン電圧発生部
２  マイクロ波発振器
３  ジョセフソン素子
４  液体ヘリウム容器
５  バイアス回路
６  定電流発生部
７  フィルタ
８  電流制御ユニット
９  極性切替器
１０  標準抵抗器
１１  負荷
１２  周波数設定用制御信号
１３  バイアス回路制御用信号
１４  導波路
１５  極性切替信号
１６  Ａ／Ｄ変換器
１７  計測制御部
１８  電流発生部
１９  帰還信号
【図１】
2006214774.tif 000003
【図２】
2006214774.tif 000004