(57)【要約】【課題】  量子化ホール抵抗素子を用いて校正不要の高精度の分圧比を有する分圧器を実現するとともに、前記分圧器とジョセフソン標準電圧発生器とを用いて、校正不要の高精度の高電圧を発生させることのできる電圧発生装置を実現することにある。【解決手段】  量子化ホール抵抗素子１を直列に接続して分圧器を構成し、また、前記分圧器の両端に電流源７を接続し、前記分圧器の一部の電圧端子にジョセフソン標準電圧発生器５を接続し、前記一部の電圧端子と前記ジョセフソン標準電圧発生器５とから出力される電圧の差電圧が零になるように電流源７を制御することにより、前記分圧器に高精度の電圧を発生させる電圧発生装置である。【選択図】図３
2007207988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子化ホール抵抗素子を直列に接続して構成したことを特徴とする分圧器。
【請求項２】
漏れ電流を小さくするために前記量子化ホール抵抗素子をアクティブガード電極で覆ったことを特徴とする請求項１に記載の分圧器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の分圧器の両端に電流源を接続し、前記分圧器の一部の電圧端子にジョセフソン標準電圧発生器を接続し、前記一部の電圧端子と前記ジョセフソン標準電圧発生器とから出力される電圧の差電圧が零になるように前記電流源を制御することにより、前記分圧器に高精度の電圧を発生させることを特徴とする電圧発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、国家標準で用いられている量子化ホール抵抗素子を用いて、校正を必要としない分圧器、および前記分圧器とジョセフソン標準電圧発生器を用いて、高精度の電圧を発生させることのできる電圧発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、電圧発生装置として、最も高精度なものは、ジョセフソン電圧標準素子を用いたものが知られている。しかし、このジョセフソン電圧標準素子は１０Ｖまでの電圧しか発生することができず、それ以上の電圧発生には、半導体の電圧発生器と多数の抵抗器を用いた分圧器の組み合わせにより実現する必要がある。
【０００３】
しかしながら、通常の抵抗器は、温度、湿度などで特性が変わり、また経時変化も大きい。計測器の校正に使う分圧器用の抵抗器でも１℃あたり数ｐｐｍの抵抗変動は珍しくない。また、たとえ温度などの環境を一定にしても通常１年間に数ｐｐｍ程度の抵抗値の変動がある。このため、このような分圧器は、使用前に必ず手間のかかる校正（自己校正を含む）を行わなければならない。
【０００４】
一方、直流抵抗の国家標準には現在、量子化ホール抵抗素子が用いられているが、これを用いて分圧器として実現した例は無い。
【特許文献１】特開２００５−３００３１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、量子化ホール抵抗素子を用いて全く校正の必要の無い高精度な分圧器を実現することにある。また本発明の他の目的は、前記分圧器とジョセフソン標準電圧発生器とを用いることによって、校正が不要な、ジョセフソン標準電圧発生器単独では発生することのできない高電圧（１０００Ｖ 程度まで）を高精度に発生することのできる電圧発生装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、量子化ホール抵抗素子を直列に接続して構成したことを特徴とする分圧器である。
第２の手段は、第１の手段において、漏れ電流を小さくするために前記量子化ホール抵抗素子をアクティブガード電極で覆ったことを特徴とする分圧器である。
第３の手段は、第１の手段または第２の手段に記載の分圧器の両端に電流源を接続し、前記分圧器の一部の電圧端子にジョセフソン標準電圧発生器を接続し、前記一部の電圧端子と前記ジョセフソン標準電圧発生器とから出力される電圧の差電圧が零になるように前記電流源を制御することにより、前記分圧器に高精度の電圧を発生させることを特徴とする電圧発生装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、校正を必要としない高精度の分圧器を実現することができる。また、従来のジョセフソン素子単体では、発生不可能な高電圧を８桁程度の非常に高い精度で発生する電圧発生装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の第１の実施形態を図１および図２を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る量子化ホール抵抗素子を直列に接続して構成した分圧器を示す図、図２は本実施形態の他の発明に係る量子化ホール抵抗素子を直列に接続して構成した分圧器を示す図である。
【０００９】
これらの図において、１は量子化ホール抵抗素子（以下、ＱＨＲ素子という）であり、多数のＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）を直列に接続して分圧器を構成し、分圧器の両端には電流源（電流端子Ｉ＋−電流端子−）が接続され、分圧比端子１と分圧比端子Ｎによって分圧比が定められる。本実施形態の発明に係る分圧器は、通常の抵抗器を用いた分圧器と異なり、各ＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）の電圧端子は、同図に示すように、電流端子と直交する位置にある。各ＱＨＲ素子１は同一チップ内に集積し、接続もチップ内部で行うこともできる。また、別々のチップをプリント基板に多数実装し、プリント基板上で接続することも可能である。
【００１０】
２は各ＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）を覆うアクティブガード電極、３は外部抵抗であり、各アクティブガード電極２はガード電源（ガード端子Ｇ＋−ガード端子Ｇ−）に対して直列に外部抵抗３を介して接続されている。
【００１１】
分圧器を構成するに当たっては、各ＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）から漏洩する電流を可能な限り小さくすることが重要である。そのため、同図に示すように、アクティブガード電極２を各ＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）の周囲または各ＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）を実装するプリント基板に設置する。具体的には、チップ内部もしくは外部においてＱＨＲ素子１の上または下に島状の金属膜もしくは金属板を設置する。この金属に各ＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）に発生する電位に近い電位を外部抵抗３とガード電源によって印加する。このガード電位は精密である必要は無いので、通常の抵抗器を用いた分圧器によって発生することが可能である。
【００１２】
アクティブガード電極２は、図１に示すように、ＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）の１つ１つにアクティブガード電極２を設置してもよいし、また図２に示すように、漏洩電流が無視できる範囲を一まとめにしてアクティブガード電極４（ガード１，ガード２，ガード３，・・・ガードＭ）を設置してもよい。各々のアクティブガード電極４は通常の抵抗素子に接続されている。
【００１３】
このように本実施形態の発明においては、ＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）を直列に接続して分圧器を構成し、さらに、この分圧器において、漏洩電流の影響を軽減するために、アクティブガード電極２，４をＱＨＲ素子内もしくはＱＨＲ素子を実装するプリント基板に設置したものである。
【００１４】
次に、本発明の第２の実施形態を図３を用いて説明する。
図３は、図１で示したＱＨＲ素子（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）を用いた分圧器とジョセフソン標準電圧発生器を組み合わせて、精密な高電圧を発生させる電圧発生装置の構成を示す図である。
【００１５】
同図において、５は１Ｖまたは１０Ｖまでの任意の電圧を８桁の精度以上で発生可能なジョセフソン標準電圧発生器、６は電圧比較器、７は電流源である。なお、その他の構成は図１に示した同符号の構成に対応しており、また、構成を簡単にするためにアクティブガードに係わる回路は省略している。
【００１６】
同図に示すように、この電圧発生装置は、基本的にはＮ個の直列に接続されたＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）から構成される分圧器からなり、各々のＱＨＲ素子１には電圧端子（１・・・Ｎ−２，Ｎ−１，Ｎ）が設置される。この直列に接続されたＮ個のＱＨＲ素子１間に電流源７を接続する。電流源７から電流を流すことにより、この分圧器には全体として高電圧が印加されるが、各電圧端子（１・・・Ｎ−２，Ｎ−１，Ｎ）に発生する電圧は、比較的小さな分圧電圧Ｖ１が発生する。
【００１７】
分圧される電圧Ｖ１をジョセフソン標準電圧発生器５で発生できる電圧以下とし、分圧器の一部で発生している電圧Ｖ１とジョセフソン標準電圧発生器５から発生している標準電圧とを電圧比較器６によって比較し、その差電圧が零になるように、電流源７の電流を制御する。その結果は、ＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）の各々には正確な同じ電圧Ｖ１を発生させることができる。従って、各電圧端子（１・・・Ｎ−２，Ｎ−１，Ｎ）からはジョセフソン標準電圧発生器５の標準電圧の整数倍の高精度の電圧を発生させることができる。従って、分圧器全体では、ジョセフソンで標準電圧器５単体では発生不可能な高精度の高電圧であるＮＶ１の電圧を発生させることができる。
【００１８】
このように、本実施形態の発明によれば、ＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）の各々の抵抗は正確に一致しているので、発生する電圧もすべての各ＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）において同一になる。したがって、Ｎ個のＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）が直列に繋がっていれば、ＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）1個で発生している電圧のＮ倍が分圧器両端に現れることになる。これにより従来実現することのできなかった、高精度の高電圧の発生を実現することができる。
【００１９】
なお、ジョセフソン標準電圧発生器５とＱＨＲ素子１の電圧を比較する場合、原理的にはＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）のうちの１個が発生する電圧（おおよそ０．５Ｖ）と比較できるだけの電圧を発生すれば良い。しかしながら、比較する電圧が高ければそれだけ精度が増すので、例えば、ジョセフソン標準電圧発生器５が１０Ｖを発生できる場合、ＱＨＲ素子１を用いた分圧器において、接地側から２０個目の端子（１０ Ｖ)電圧と比較すればよい。
【００２０】
次に、図３の電圧発生器において、任意電圧を発生する方法について述べる。
同図に示すように、電圧端子Ｎからは、ＮＶ１の電圧が発生するが、同様に電圧端子Ｎ−１からは（Ｎ−１）Ｖ１、電圧端子Ｎ−２からは（Ｎ−２）Ｖ１の電圧が発生する。これらの端子をスイッチで切り替えることにより、ＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）１個分の電圧からＮ倍までの電圧を発生することができる。また、ジョセフソン標準電圧発生器５は零から最大電圧までの任意の電圧を発生することができるので、これを変化させることにより、Ｖ１は、零からＱＨＲ素子１（ＱＨＲ１，ＱＨＲ２，・・・ＱＨＲＮ−１，ＱＨＲＮ）1個の最大電圧まで任意の電圧を設定できる。その結果、図３に示す電圧発生器は零からＮＶ１までの任意電圧を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態の発明に係るＱＨＲ素子を直列に接続して構成した分圧器を示す図である。
【図２】第１の実施形態の他の発明に係るＱＨＲ素子を直列に接続して構成した分圧器を示す図である。
【図３】図１で示したＱＨＲ素子を用いた分圧器とジョセフソン標準電圧発生器を組み合わせて、精密な高電圧を発生させる電圧発生装置を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  量子化ホール抵抗素子（ＱＨＲ素子）
２，４  アクティブガード電極
３  外部抵抗
５  ジョセフソン標準電圧発生器
６  電圧比較器
７  電流源
【図１】
2007207988.tif 000003
【図２】
2007207988.tif 000004
【図３】
2007207988.tif 000005