(57)【要約】本発明は、周期特性を有する磁界センサーの動作点を設定する装置、特に、磁界と磁束の何れか、または、両方を検出する装置に関する。この装置は、磁界センサーとしてのスクイドと、該スクイドの下流側に装着されて、スクイドに作用するフィードバックループと共に制御時定数（ｔ）を有する制御ユニットとからなる。このフィードバックループは、スクイドに関わる複数の動作点で作動するように構成されている。スクイドには磁束量子ポンプ手段が連携されており、この磁束量子ポンプ手段にスクイドのための制御および／または規制信号を発生させる信号発生ユニットが備わっている。また、この磁束量子ポンプ手段は、スクイドに対して少なくとも一つの磁束量子を注入および注出するために、信号発生ユニットから発生した制御および／または規制信号の信号波形が異なっていると共に、その信号波形の立上りおよび立下り側が非対称になっており、磁束量子の注入および注出時において、信号波形の一方のエッジのみが制御時定数に対して短くなるように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期特性を有する磁界センサーの動作点を設定する装置、特に磁界と磁束の何れか一方、または、両方を検出する装置であって、磁界センサーとしてのスクイド（１８）と、制御時定数（ｔ）および、前記スクイドに作用し、スクイドの多くの動作点で作動するように構成したフィードバックループを有し、前記スクイドの下流側に接続された制御ユニット（１０）とを有する装置において、前記スクイドに割り当てられた磁束量子ポンプ手段（２０，２２）を備え、この磁束量子ポンプ手段（２０，２２）は、該スクイドのために制御および／または規制信号を発生させる信号発生ユニット（２０）を有し、かつ、少なくとも一つの磁束量子を前記スクイドに対して注入および注出するために、前記信号発生ユニットから発生される前記制御および／または規制信号の信号波形が異なっているとともに、その信号波形の立上りエッジと立下りエッジとが非対称になっており、前記注入および注出時において前記信号波形の前記エッジの何れか一方が前記制御時定数（ｔ）に比して短くなるように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１において、前記信号発生ユニット（２０）は、前記少なくとも一つの磁束量子を注入するために、前記信号波形に、前記制御時定数（ｔ）に対して短い立上り時間（ｔ１）の立上りエッジと、前記制御時定数に対して長い立下り時間（ｔ２）の立下りエッジとを持たせていることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記信号発生ユニット（２０）が、前記少なくとも一つの磁束量子を注出するために、前記信号波形に、前記制御時定数に対して長い立上り時間（ｔ３）の立上りエッジと、前記制御時定数に対して短い立下り時間（ｔ４）の立下りエッジとを持たせていることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか一項において、スクイド（１８）のための電圧磁束変換手段、特に、コイル手段（１６）を信号発生ユニット（２０）の下流側に接続し、さらに好ましくは、この電圧磁束変換手段を好ましくは制御ユニット（１０）の下流側に接続して、前記フィードバックループの一部として作用させることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか一項において、前記磁束量子ポンプ手段が、前記信号発生ユニット（２０）および制御ユニット（１０）と共に、閉制御ループを形成していることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか一項において、前記制御ユニット（１０）は、特にＰＩＮまたはＰＩＮＤ制御器（但し、Ｎ≧１）として作用するサーボ増幅器（１２）を有しており、該サーボ増幅器（１２）は、好ましくは第１次よりも高次の積分をも処理するように構成したことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１ないし６の何れか一項において、前記スクイド（１８）が、３つ以上のジョセフソン接合を有する、ｒｆ−スクイドとｄｃ−スクイドの何れか、または、両方を有していることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れか一項において、前記信号発生ユニット（２０）が、信号波形が形成されるように構成され、かつ２つ以上の磁束量子がスクイドに対して注入および注出されるように構成したことを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１ないし８の何れか一項において、前記装置には、スクイドの特性の全範囲にわたってハイブリッド磁束制御ループを形成するアナログおよびデジタル制御手段を有しており、前記磁束量子ポンプ手段は、前記アナログおよびデジタル制御手段がそれぞれ独立して動作するように、前記ハイブリッド磁束制御ループの一部として構築されていることを特徴とする装置。
【請求項１０】
制御時定数（ｔ）を有し、スクイドに作用すると共に、該スクイドの動作点で作動する制御ループに接続した前記スクイド（１８）に対して少なくとも一つの磁束量子を注入および注出する方法において、
前記磁束量子を注入するために、前記制御時定数に対して短い立上りエッジを持つ第１信号波形を有する制御および／または規制信号を発生させるステップと、
前記磁束量子を注出するために、前記制御時定数に対して短い立下りエッジを持つ第２信号波形を有する制御および／または規制信号を発生させるステップとを備えることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０において、前記制御および／または規制信号の発生ステップが、好ましくは前記制御ループの一部をなすフィードバックコイル（１６）に電流信号を導入するサブステップを備えることを特徴とするポンピング方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１において、前記制御ループの制御範囲が前記制御および／または規制信号により設定されて、多くの磁束量子に対しアナログ制御範囲が得られることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界センサーの動作点の設定装置に関し、特に、請求項１の前提部分に記載の装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁界センサーの動作点の設定装置については、例えばドイツ国公開特許公報第１９６０６６５５号に開示されており、磁気測定素子として、制御ループ（ＦＬＬ、磁束ロックループ）により一定の動作点に保持されるスクイド（ＳＱＵＩＤ：超伝導量子干渉素子）を備えている。
【０００３】
スクイドによる磁界ないし磁束測定に関する従来例の問題点を、図４に概略的に示した信号波形図（入力パラメータとして磁束θ、スクイド電子機器の出力信号Ｕ）を参照しながら説明する。出力信号は、磁束量子（flux quantum）θoの間隔（波長）を有する周期性のあるため、特に高度に変動する測定信号の測定と補償とが問題になっている。図４から明らかなように、前掲ドイツ国公開特許公報第１９６０６６５５号の図１に含まれる制御ループにより例示されているアナログ磁束制御器は、磁束量子の半分の入力信号範囲のみにおいて線形的に動作する。
【０００４】
この問題点は、装置全体の磁束量子の計数に矛盾がなく、かつ磁束量子が失われるようなことがないように、デジタル制御成分でアナログ制御ループを追加的に補充することで、従来例を示す前掲明細書の発明により解消されている。その従来例によれば、アナログ制御ループを開放するか、または、いわゆるクランプ装置により磁束量子のリセットを行っている。
【０００５】
言うまでもないことではあるが、実際の稼働において、特に、磁気遮蔽されていない環境において利用している間であって、測定信号が高速変化している場合、一般的なハイブリッド技術（即ち、アナログおよびデジタル制御素子を有するもの）の動作には問題がないとはいえない。即ち、そのようなシステムにより得られる低スルーレートでは、高度な磁気干渉による影響がある場合に対応できず、また一般的な技術のリセットは遅すぎるため、高速変化している測定信号に対応できない。
【０００６】
また、信号が高速変化すると、用いている制御ユニットで制御変動が起こり、これらの制御変動により測定精度が不正確になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明は、特に多量の磁束量子を含む測定範囲にわたって信頼性よく、また、遅延なく補償が行えるように、利用可能帯域幅と利用可能制御レンジのいずれか一方、または、両方に関して動作点を設定する装置を提供することを目的とするものである。従って、重度な磁気制御影響と不十分な遮蔽条件のいずれか一方、または、両方のある環境においてさえ信頼性よく稼働する装置が提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の目的は、請求項１に記載の特徴を有する装置および請求項１０に記載の特徴を有する方法により達成される。本発明のその他の構成は従属請求項に記載されている。
【０００９】
本発明の一つの実施形態の磁束量子ポンプ手段においては、制御ユニットの制御影響を恐れる必要なく、特性信号波形を利用する信号発生ユニットにより磁束量子をスクイドに対して注入および注出でき、その結果、可能な数の磁束量子により制御範囲が拡張される。
【００１０】
特に、本発明によれば、エッジ（磁束量子注入時では立上りエッジ、磁束量子注出時では立下りエッジ）が短いと言うことは、短いエッジの持続時間を制御ユニットの制御時定数と比較することにより、制御ループがこの信号変動に追従できず、そのために、量子磁束信号を補償できないことを意味する。これにより、ポンピング作用により、複数周期にわたって、従って、従来の制御ループのθo／２制御範囲にわたって、または磁束量子に基づく移動が可能となる。
【００１１】
その結果、アナログ磁束制御を絶え間なく行うことが可能、即ち、従来から知られており、必要とされているデジタル設定およびリセット手段のむだ時間（dead times）ないし遅延時間が発生するようなことはなく、そのため、本発明の実施形態では、本発明による装置は問題なく、測定すべき入力信号の急速な信号変動に対応でき、しかも、高スルーレートを達成することができる。
【００１２】
従って、特に磁束量子の注入時には、前掲ドイツ国公開特許公報第１９６０６６５５号により公知の、制御ループを開放することにより行われるリセットは不必要であり、むしろ、磁束量子は、特に磁束量子ポンプ手段ないし関連する信号発生ユニットにより発生させられる磁束パルスの振幅が磁束量子よりも大きい場合に注出される（または、注入される）のである。
【００１３】
本発明では、磁束量子を注入および注出するには、三角形状の信号波形を非対称に形成するのが特に望ましいことが判明しており、制御時定数に関して注出時と注入時とを比較すると、注入時では短い立上りエッジが長い立下がりエッジに続くのに対し、注入時では短い立下りエッジが遅い立上りエッジに続いている。
【００１４】
好ましい構成の実施形態においては、信号ないしパルス波形を公知の方法で発生させる本発明の信号発生ユニットは、磁束制御ループに結合されており、特に本発明により発生された制御ないし規制信号が磁束制御ループに割り当てた電圧磁束変換手段に作用するようになっている。前記電圧磁束変換手段は一般にコイルで実現されており、電流ないし電圧信号からスクイドのための所望の磁束信号を発生するようになっている。その結果、制御ループが完全に閉ループとはなっていない従来例について前述したハイブリッド制御ループの諸問題点を解消する閉制御ループが得られるのである。さらに、この閉制御ループでは、特に前述した理由により、従来例では必要とされている、リセットのための制御ループの開放等は必要とされない。
【００１５】
実用的な実施形態においては、開発により得られたＰＩＤ制御器に、従来公知の方法で測定信号ないし有用な信号を発生させるのに利用されている一般的な差動増幅器ないしサーボ増幅器を設けることも特に望ましいことが判明している。また、開発による望ましい形態においては、このように形成した積分器も、第１次よりも高次に構成することが望ましい。このようにすることで、急速な信号変動により発生する、測定反応における不正確さを避けることができると共に、また、大きな磁束変動率を検出することも可能となる。
【００１６】
種々の現在のスクイド、例えば従来公知で、３つ以上のジョセフソン結合を有するｒｆ−スクイドまたはｄｃ−スクイドが本発明において利用するのに適している。
【００１７】
特に、二つ以上の磁束量子が一つの信号パルスで注出されるように、磁束量子をポンピングにより注入および注出する信号波形を構成することも本発明の範囲であり、これは、信号の振幅を信号波形に相応しく構成することで達成するのが望ましい。
【００１８】
また、本発明による制御ユニットに対して、アナログ制御手段以外にデジタル制御手段を割り当てることも本発明の範囲であり、これにより本発明の構成においてハイブリッド磁束制御ループが形成される。しかしながら、従来例とは対照的に、本発明による磁束量子ポンプ手段は、ハイブリッド磁束制御ループと直結されて、その一部分を構成しているため、アナログおよびデジタル制御手段を独立させて、特に遅延なくそれらを稼働するようにすることができる。
【００１９】
その結果、従来例に比して、アクチュエータを有する、著しく改良された装置が得られるのであり、それにより、特に十分に磁気遮蔽されていない測定環境、ないし、測定信号が非常に高速で顕著な変動を起こしている場合に、信頼性よく、しかも、干渉なしで測定操作を行うことができるのである。驚くべきことに、本発明は簡単にして、構成に対する出費を低くして実現することができるものである。
【００２０】
本発明のその他の利点や特徴などについては、以後に添付図面を参照しながら展開する好ましい実施形態についての詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の構成とその作用を図１に概略的に示す。境界線１０で概略的に囲った制御ユニットは、周知のように、スクイド１８に割り当てたサーボないし差動増幅器１２を備えている。この増幅器１２は、スクイドでの信号差に応じたフィードバック信号を発生させ、フィードバックコイル１６を結合抵抗１４に導いている、当該フィードバックコイル１６は、制御ユニット１０における制御時定数ｔで、相応の補償磁束を発生させることにより検出信号の変動を補償するようになっている。図示する構成は、前掲ドイツ国公開特許公報第１９６０６６５５号の図１に示した制御ループ装置に相当しており、当業者には容易に実現できるものである。実用的な実施形態の詳細については当該文献を参照されたい。
【００２２】
本発明の特徴として、制御ループ装置には、磁束量子ポンプとして信号発生ユニット２０を設けている。この信号発生ユニット２０は、概略的に図示した結合抵抗を介して、フィードバックコイル１６に磁束量子ポンプ信号ないしポンプパルスを与えており、本発明によればその磁束量子ポンプ信号ないしポンプパルスは、磁束量子をスクイド１８に対して注入および注出するために形成されたものであり、後述するようにその特性的な信号波形のため、制御ループを介して影響を受けないようになっている。
【００２３】
より正確に言えば、一つ以上の磁束量子を注入するために信号発生ユニット２０が生じさせる信号波形は、図２の磁束／時間の関係図では非対称形になっており、ポンプ信号の立上りエッジの立上がり時間ｔ１が制御ループ１０の制御時定数に比して短くなるように形成されている。それに対して、図２に示すポンプ信号の立下りエッジｔ２の持続時間は制御時定数ｔに比して長い。このことは、フィードバックコイル１６に図２に示したパルス波形を有する信号を供給することにより、制御ループ１０は立上りエッジの急嶮な立上りｔ１に対応できなくなり、従って、制御ループ１０は、制御信号により惹起された追加的な磁束上昇を補償できなくなることを意味する。その結果、図４の信号波形図において示すように一つの磁束量子分だけ信号が右方にジャンプすることになり、その意味では、磁束量子ポンプ２０を追加的に備えた制御ユニット１０は、１磁束量子の半分のところまで信号幅にわたって信号に対応できるにすぎない。それに対して、図２に示した立下りエッジは制御時定数内で制御ループにより補償され、その結果、スクイドは上昇した量子磁束レベルにとどまるのである。
【００２４】
実際には、約１０nsの範囲での急速立上り時間が達成され、その際の立下り時間は２倍程度長くなるのが通常である。これらの範囲において好適な信号波形を得るとともに、それを伝送するためには、本発明によれば、高周波数に適したラインをさらに設けるのが好ましい。
【００２５】
図３は、図１と類似ではあるが、それとは反対の関係にある事例を示していて、磁束量子がスクイドから注出されるところを示している。遅い立上り時間ｔ３で制御されている立上りエッジは、制御ループにより補償されるが、時間ｔ４にあっては短い立下りエッジは、制御ループ定数ｔを有する制御ループの逆作用（reaction）がために非常に短く、そのために磁束量子がスクイドから注出される。
【００２６】
従来ではアナログ制御ループを開放することにより行われ、それにより時間的な問題が伴っていた従来例とは異なり、本発明では、前述の二種のモードにより、容易に、しかも、遅延なくスクイドを周期特性の動作点にあらかじめ設定できる。他の公知例ではアナログ制御ユニットが設定に必要な情報を提供するようになっている。
【００２７】
上記の実施形態の説明では、本発明の磁束量子ポンプ２０による、磁束量子の注入時および注出時における個々の磁束量子のステップ毎の運動を説明したが、本発明は個々の磁束量子のポンピング作用に限られるものではなく、むしろ、双方向に多くの磁束量子をポンピングすることも、特に図２と図３とに示したのと類似の態様で制御信号の適当な構成（振幅）により可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施形態による本発明の概略ブロック図である。
【図２】磁束量子を装置に注入する図１に示す信号発生ユニットにより発生させられた非対称信号波形の信号波形図である。
【図３】スクイドから磁束量子を注出した場合における、図２と類似の信号波形図である。
【図４】入力信号としての、または、スクイドの測定信号としての磁束と、磁束量子θoでの周期的な出力電圧信号Ｕとの間の関係を示す概略信号波形図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０：  制御ユニット
１２：  増幅器
１４：  結合抵抗
１６：  フィードバックコイル
１８：  スクイド
２０：  信号発生ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2005501264.tif 000008
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2005501264.tif 000020
2005501264.tif 000021
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005501264.tif 000022
2005501264.tif 000023
【国際調査報告】
2005501264.tif 000024
2005501264.tif 000025
2005501264.tif 000026
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