(57)【要約】【課題】従来回路における積分器の使用を回避し、ループ遅延を減少し、より広い帯域幅の磁束ロックループを実現すること。【解決手段】シングルオペアンプを用いるＳＱＵＩＤ磁気センサは、従来磁束ロックループにおけるプリアンプと積分器の代わりに、開ループで低ノイズのオペアンプを１つ用いることにより、ＳＱＵＩＤ電圧信号を増幅し、シングルオペアンプの開ループ出力によりフィードバック抵抗及びフィードバックコイルを直接駆動する。シングルオペアンプを用いるＳＱＵＩＤ磁束ロックループは、正、負端子入力配線方式を有し、正、負端子入力配線方式は、３種類の形態から選択可能である。本発明は、オペアンプを１つのみ用いることによりＳＱＵＩＤ磁束ロックループおよび回路の簡易化を実現することを特徴とする。【選択図】図２
2017527784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シングルオペアンプを用いるＳＱＵＩＤ磁気センサであって、
開ループで低ノイズのオペアンプを１つのみ用いることにより、ＳＱＵＩＤ電圧信号を増幅し、
シングルオペアンプの開ループ出力によりフィードバック抵抗及びフィードバックコイルを直接駆動することにより、磁束ロックループにおけるプリアンプと積分器とを代替したことを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサ。
【請求項２】
シングルオペアンプを用いるＳＱＵＩＤ磁束ロックループは、以下の配線方式を含むことを特徴とする請求項１記載のＳＱＵＩＤ磁気センサ。
１）正端子配線方式：オフセット電流源によって提供されるオフセット電流ＩｂがＳＱＵＩＤに付与され、ＳＱＵＩＤ電圧信号がオペアンプの正入力端子に入力され、オフセット電圧Ｖｂがオペアンプの負入力端子に入力され、オペアンプの出力端子がフィードバック抵抗Ｒｆの一端に接続され、フィードバック抵抗の他端がフィードバックコイルに接続され、フィードバックコイルとＳＱＵＩＤとが相互誘導によって結合され、オペアンプが電圧を出力し、フィードバック抵抗Ｒｆを駆動することにより電流を発生させ、フィードバックコイルとＳＱＵＩＤとの相互誘導Ｍｆによって、フィードバック磁束を発生させ、磁束ロックループが構成される配線方式。
２）負端子配線方式：オフセット電流源によって提供されるオフセット電流ＩｂがＳＱＵＩＤに付与され、ＳＱＵＩＤ電圧信号がオペアンプの負入力端子に入力され、オフセット電圧Ｖｂがオペアンプの正入力端子に入力され、オペアンプの出力端子がフィードバック抵抗Ｒｆの一端に接続され、フィードバック抵抗の他端がフィードバックコイルに接続され、フィードバックコイルとＳＱＵＩＤとが相互誘導によって結合され、オペアンプが電圧を出力し、フィードバック抵抗Ｒｆを駆動することにより電流を発生させ、フィードバックコイルとＳＱＵＩＤとの相互誘導Ｍｆによって、フィードバック磁束を発生させ、磁束ロックループが構成される配線方式。
【請求項３】
［Ｉ］正端子配線方式は、以下のＡ、Ｂ及びＣのうちの何れか一つを有し、
Ａ：
（１）電力供給電源＋Ｖｓ、−Ｖｓ：回路がバイポーラ電源によって電力供給され、即ち正電源端子＋Ｖｓに正電圧電源が接続され、負電源端子−Ｖｓに負電圧電源が接続され、
（２）ＳＱＵＩＤオフセット電流調整回路Ｂ１：その機能は、ＳＱＵＩＤにＳＱＵＩＤに向けて流れる２つのジョセフソン接合のオフセット電流が付与され、ＳＱＵＩＤに付与されるオフセット電流の大きさを調整することにより、ＳＱＵＩＤに最適の磁束電圧変換特性が得られることであり、調整可能なオフセット電流回路における調整可能な電位器ＲＡ１は、３端子の調整可能な抵抗であり、電位器の１と２の両端子は、固定抵抗値の抵抗であり、電位器の３端子は、調整可能な抵抗タップであり、電位器ＲＡ１の１と２の両端子は、それぞれ正電源＋Ｖｓと負電源−Ｖｓに接続され、電位器ＲＡ１の３端子は、電位器抵抗分圧を出力し、電位器タップ位置を調整することにより調整可能な電圧を発生させ、当該電圧出力は抵抗Ｒ１に入力され、抵抗Ｒ１の他端は、ＳＱＵＩＤに直列に接続され、
（３）ＳＱＵＩＤオフセット電圧調整回路Ｂ２：その機能は、調整可能な直流電圧が発生され、オペアンプの負入力端子に入力されることであり、当該電圧とＳＱＵＩＤ動作箇所の直流電圧とが同じであるように調整することにより、動作箇所のゼロ調整を実現し、調整可能な電圧回路における調整可能な電位器ＲＡ２は、３端子の調整可能な抵抗であり、電位器の１と２の両端子は、固定端子であり、その抵抗値は、１０ｋΩ〜１００ｋΩであり、電位器ＲＡ２の１と２の端子は、それぞれ正電源＋Ｖｓと負電源ーＶｓに接続され、調整可能な抵抗は、タップ端を引き出し、３端子は、抵抗分圧を出力し、当該電圧は、抵抗Ｒ３の一端に入力され、抵抗Ｒ３の他端は、Ｒ２に直列に接続され、Ｒ２の他端は、グラウンドに接続され、Ｒ２とＲ３の接続端は、発生した抵抗分圧をオフセット電圧信号Ｖｂとして引き出し、
（４）ＳＱＵＩＤデバイスＳＱ１：ＳＱ１は、４．２Ｋの液体ヘリウム温度で動作する低温直流ＳＱＵＩＤ、或いは７７Ｋの液体窒素温度で動作する高温直流ＳＱＵＩＤを使用しており、両端子のデバイスでもあり、ＳＱ１の一端は、オペアンプの正入力端子に接続されるとともに、オフセット電流回路Ｂ１の電流出力端子と接続され、ＳＱ１の他端は、グラウンドに接続され、
（５）フィードバックコイルＬ１：フィードバックコイルＬ１は、ＳＱＵＩＤと相互誘導結合を有するコイルであり、フィードバックコイルは、フィードバック回路で発生される電流をフィードバック磁束に変換してＳＱＵＩＤに結合させて打ち消す磁束を形成し、フィードバックコイルＬ１の一端は、フィードバック抵抗Ｒｆに接続され、その他端は、グラウンドに接続され、
（６）オペアンプＵ１：オペアンプＵ１は、バイポーラによって電力供給される低ノイズオペアンプを用いて、正入力端子と負入力端子の２つの電圧信号入力端子を有し、１つの電圧信号は、出力端子を増幅させ、オペアンプの正入力端子には、ＳＱＵＩＤ電圧出力が入力され、オペアンプの負入力端子には、オフセット電圧出力が入力され、アンプ出力は、センサ全体の出力であるとともに、フィードバック抵抗Ｒｆに入力され、
（７）フィードバック抵抗Ｒｆ：フィードバック抵抗Ｒｆの一端には、オペアンプＵ１の出力が入力され、他端は、フィードバックコイルＬ１に接続され、フィードバック抵抗Ｒｆは、アンプが出力した電圧をフィードバック電流に変換してフィードバックコイルに入力することにより、フィードバック磁束を発生させ、
Ｂ：
Ａを基にして、リセットスイッチＫ１を増加することによりリセットを実現し、Ｋ１の一端は、オペアンプＵ１の負入力端子に接続され、Ｋ１の他端は、オペアンプＵ１の出力端子に接続され、リセットスイッチをオンにすると、オペアンプＵ１の出力端子と負入力端子とが等電位となり、オペアンプが開ループ高ゲインアンプから単位ゲインのアンプになり、出力が迅速に減少し、回路はリセットを実現し、リセットスイッチをオフにすると、回路が再びロックされ、
Ｃ：
Ｂを基にして、フィードバック抵抗ＲｇとＳＰＤＴスイッチＳＷ１を増加することにより磁束ロックループに動作箇所調整機能を具備させ、ＳＰＤＴスイッチＳＷ１は、配線端子を三つ有し、端子３をＳＰ固定配線端子と定義し、端子１を第１接点配線端子と定義し、端子２を第２接点配線端子と定義し、ＳＰＤＴスイッチＳＷ１のＳＰ固定配線端子は、オペアンプＵ１の出力端子に接続され、ＳＷ１の端子１は、抵抗Ｒｇの一端に接続され、抵抗Ｒｇの他端は、オペアンプＵ１の負入力端子と接続され、ＳＷ１の端子２は、フィードバック抵抗Ｒｆに接続され、フィードバック抵抗Ｒｆの他端は、フィードバックコイルＬ１に接続され、ＳＷ１のＳＰスイッチは、第２接点とオフにして、第１接点とオンにして、抵抗Ｒｇは、オペアンプＵ１の出力端子に接続されると、磁束ロックループが稼働し、オペアンプＵ１が比率増幅モードで動作することにより、ＳＱＵＩＤ電圧信号の比率増幅を実現し、オペアンプの出力電圧Ｖｆを検出し、磁束電圧伝送特性曲線を観測し、ＳＱＵＩＤ動作箇所を補助し、オフセット電流とオフセット電圧の調整を行い、最適のオフセット電圧、オフセット電流の調整を完了させた後に、ＳＷ１のＳＰスイッチは、第１接点とオフにして、第２接点とオンにして、オペアンプＵ１の出力端子は、フィードバック抵抗Ｒｆに接続され、このとき、磁束ロックループは、閉ループでロック出力を実現し、
［ＩＩ］負端子入力配線方式は、以下のＤ、Ｅ及びＦのうちの何れか一つを有し、
（１）Ｄ：［Ｉ］のうちのＡ方式のＳＱＵＩＤ電圧信号は、オペアンプＵ１の負入力端子に入力され、オフセット電圧信号は、オペアンプの正入力端子に入力され、その他の特徴は、Ａと同じであり、
（２）Ｅ：［Ｉ］のうちのＢ方式のＳＱＵＩＤ電圧信号は、オペアンプＵ１の負入力端子に入力され、オフセット電圧信号は、オペアンプの正入力端子に入力され、その他の特徴は、Ｂと同じであり、
（３）Ｆ：のうちのＣ方式のＳＱＵＩＤ電圧信号は、オペアンプＵ１の負入力端子に入力され、オフセット電圧信号は、オペアンプの正入力端子に入力され、その他の特徴は、Ｃと同じであることを特徴とする請求項２記載のＳＱＵＩＤ磁気センサ。
【請求項４】
（１）正端子又は負端子入力配線方式において、正電源＋Ｖｓの電力供給範囲は、＋５Ｖ〜＋１５Ｖであり、対応する負電源−Ｖｓの電力供給範囲は、−５Ｖ〜−１５Ｖであり、
（２）ＳＱＵＩＤオフセット電流調整回路Ｂ１における電位器１と２の抵抗値は、１０ｋΩ〜１００ｋΩであり、抵抗Ｒ１の値は、５０ｋΩ〜２００ｋΩであり、調整可能な電位器ＲＡ１によって１６０μＡ範囲の直流オフセット電流を発生することが可能であり、
（３）ＳＱＵＩＤオフセット電圧の調整回路Ｂ２におけるオフセット電圧Ｖｂの調整範囲は、±１００μＶであり、抵抗Ｒ３の値は、１〜１０Ωであり、Ｒ２の値範囲は、１０Ω〜１００Ωであり、
（４）オペアンプ電圧ノイズは、１ｎＶ／√Ｈｚであり、開ループゲイン＞１２０ｄＢ、帯域幅ゲイン積は、１０ＭＨｚより大きく、
（５）フィードバック抵抗Ｒｆの値は、１００Ω〜１０ｋΩであることを特徴とする請求項３記載のＳＱＵＩＤ磁気センサ。
【請求項５】
オペアンプの型番は、米国ＡＤＩ社のＡＤ７９７或いはリニア・テクノロジー社のＬＴ１０２８であることを特徴とする請求項４記載のＳＱＵＩＤ磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シングルオペアンプを用いるＳＱＵＩＤ磁気センサに関し、より詳しくは、ＳＱＵＩＤ読み出し回路に関し、回路技術領域に属する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導量子干渉素子（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｖｉｃｅ、以下、ＳＱＵＩＤと略称する）を用いて構成される磁気センサは、現在知られている最も感度が高い磁気センサである。生物磁場、地球磁場異常、低磁場ＮＭＲ等の微弱磁場検出応用領域によく用いられており、その磁場検出感度は、ｆＴ（１０−１５テスラ）レベルに達している。それは、微弱磁場検出及び研究における重要な磁気センサである。
【０００３】
直流ＳＱＵＩＤ（以下、ｄｃＳＱＵＩＤと称する）は、２つの超電導ジョセフソン接合の並列によって形成される超電導ループである。ジョセフソン接合の両端には、配線が引き出されることにより、両端子素子が形成される。ＳＱＵＩＤ両端には、一定のオフセット電流が付与されると、超電導量子化効果とジョセフソン効果に基づいて、ＳＱＵＩＤ両端に発生した電圧が超電導ループ誘導外磁束の大きさにしたがって変化する。ＳＱＵＩＤ出力電圧は、検出磁束とは、非線形関数となるから、ＳＱＵＩＤ両端電圧を計測することによって、直接に検出される磁束の大きさが得られない。したがって、実際適用されるＳＱＵＩＤ磁気センサは、ＳＱＵＩＤデバイスとアンプ回路により構成される磁束ロックループ（Ｆｌｕｘ−Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ、以下ＦＬＬと称する）によって実現される。当該磁束ロックループは、ＳＱＵＩＤ読み出し回路と称される。
【０００４】
文献［Ｄ．Ｄｒｕｎｇ  ａｎｄ  Ｍ．Ｍｕｃｋ，Ｔｈｅ  ＳＱＵＩＤ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ，ｖｏｌ．Ｉ，Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ  ａｎｄ  Ａ．Ｉ．  Ｂｒａｇｉｎｓｋｉ，Ｅｄ．Ｗｅｉｎｈｅｉｍ：Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ，ｐｐ．１２８−１５５，２００６．］には、図１に示すように、典型的なＳＱＵＩＤ磁束ロックループが開示されている。まず、ＳＱＵＩＤに一定のオフセット電流Ｉｂを付与することにより、最大の磁束電圧伝送率が得られる。ＳＱＵＩＤ電圧信号をプリアンプに入力させて増幅する。同時にオフセット電圧Ｖｂを調整することにより、ＳＱＵＩＤは、最大磁束電圧伝送率を有する際に出力される電圧の直流量がゼロとなる。このとき、ＳＱＵＩＤ現状のオフセット電流Ｉｂ、オフセット電圧Ｖｂ及び付与される磁束Φａの値状態を動作箇所と称する。プリアンプの出力を積分器に入力して積分し、積分器の出力は、フィードバック抵抗を駆動してフィードバックコイルにフィードバック電流を流動させ、フィードバックコイルとＳＱＵＩＤの相互誘導によって発生されるフィードバック磁束は、ＳＱＵＩＤに結合される。
【０００５】
磁束ロックループの動作原理は以下の通りである。磁束ロックループは、ＳＱＵＩＤ動作箇所の安定を保持する際に、検出される磁束には変化量ΔΦが発生し、ＳＱＵＩＤ端に作動箇所からずれる電圧変化Δｖが発生し、プリアンプを経由した後に、積分器に入力して積分し、積分器の出力電圧を調整する。フィードバック抵抗、フィードコイルによってフィードバック磁束を調整して前記外部入力の磁束変換量を打ち消して、ＳＱＵＩＤが動作箇所で入力する積分器の電圧をゼロとし、積分器は、積分を停止し、ループは安定を回復する。動作箇所の安定状態を読み出し回路ロックと称する。ロック状態において、磁束ロックループが出力する電圧Ｖｆは、ＳＱＵＩＤが誘導する外磁束変化量と正比例となり、［Ｄ．Ｄｒｕｎｇ“Ｈｉｇｈ−Ｔｃ  ａｎｄ  ｌｏｗ−Ｔｃ  ｄｃ  ＳＱＵＩＤ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１６  １３２０−１３３６（２００３）．］、即ち、Ｖｆ＝ΔΦ・Ｒｆ／Ｍｆ、ΔΦは、ＳＱＵＩＤが検出する磁束変化量であり、Ｒｆは、フィードバック抵抗であり、Ｍｆは、フィードバックコイルとＳＱＵＩＤの相互誘導である。
【０００６】
回路実現にあたって、従来ＳＱＵＩＤ磁束ロックループは、通常プリアンプを使用し、ＳＱＵＩＤ微弱電圧信号を低ノイズ増幅し、増幅される信号を積分器に入力して積分フィードバックを行う。したがって、従来のＳＱＵＩＤ磁束ロックループは、少なくとも１つのプリアンプ回路と１つの積分器のカスケード回路をフィードバック抵抗、フィードバックコイルに再接続させて構成される。実際の適用において、用いられる積分器のＳＱＵＩＤ磁束ロックループは、以下の問題を有する。
１）帯域幅の規制：積分器を用いる読み出し回路は、少なくとも二次以上のアンプ回路を使用し、ループ信号の遅延を増大させることにより、高周波数信号の伝送に位相シフトを生じさせ、ループ発振を作り出し［Ｄ．Ｄｒｕｎｇ  ａｎｄ  Ｍ．Ｍｕｃｋ，Ｔｈｅ  ＳＱＵＩＤ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ，ｖｏｌ．Ｉ，Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ  ａｎｄ  Ａ．Ｉ．  Ｂｒａｇｉｎｓｋｉ，Ｅｄ．Ｗｅｉｎｈｅｉｍ：Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ，ｐｐ．１２８−１５５，２００６．］。したがって、積分容量を増大する必要があり、発振を打ち消し、磁束ロックループの安定動作を実現し、積分容量の増大は、磁束ロックループの帯域幅を低減する。
２）スルーレート規制：積分回路の出力は、入力信号が時間を積分する結果であり、検出信号が急激に変化し、積分器が迅速に応答できなくなり、これによって、センサ電圧出力のスルーレートが規制される。高いスルーレート磁場検出の要求を満足し難くなる。
３）少なくとも２つ以上のオペアンプ及び外周回路を使用し、回路が複雑で、電力の消費が大きい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｄ．Ｄｒｕｎｇ  ａｎｄ  Ｍ．Ｍｕｃｋ，Ｔｈｅ  ＳＱＵＩＤ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ，ｖｏｌ．Ｉ，Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ  ａｎｄ  Ａ．Ｉ．  Ｂｒａｇｉｎｓｋｉ，Ｅｄ．Ｗｅｉｎｈｅｉｍ：Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ，ｐｐ．１２８−１５５，２００６．
【０００８】
【非特許文献２】Ｄ．Ｄｒｕｎｇ“Ｈｉｇｈ−Ｔｃ  ａｎｄ  ｌｏｗ−Ｔｃ  ｄｃ  ＳＱＵＩＤ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１６  １３２０−１３３６（２００３）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＳＱＵＩＤデバイスの信号応答は、直流（０Ｈｚ）からＧＨｚへ変化可能であり、高速ＳＱＵＩＤチップは、マイクロ電子技術によって製造され、小さい体積、集積化の独特なメリットを有し、マルチチャネル、高分解率検出システム、例えばＳＱＵＩＤの６４チャネルＭＣＧデバイス、２００超チャネルのＭＥＧデバイスによく用いられている。マルチチャネルシステムは、ＳＱＵＩＤ磁気センサの小型化に対し、より高い要求を求めている。したがって、簡易化ＳＱＵＩＤ読み出し回路設計は、ＳＱＵＩＤマルチチャネル適用に重要な意義と実用価値を有する。本発明は、これらの問題を解決するためになされたものである。
【００１０】
本発明は、シングルオペアンプを用いるＳＱＵＩＤ磁気センサを提供することを目的とする。本発明は、マルチチャネル高度集積のＳＱＵＩＤシステムに対し、より簡易化の読出し回路を設計し、ＳＱＵＩＤ磁気センサを構築する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ＳＱＵＩＤは、半導体アンプよりも高い応答速度を有し、アンプとの組み合わせによって安定な負フィードバック回路が実現される。したがって、本発明の思想は、開ループで低ノイズのオペアンプを１つのみ用いることにより、ＳＱＵＩＤ電圧信号を増幅し、シングルオペアンプの開ループ出力によりフィードバック抵抗及びフィードバックコイルを直接駆動することにより、従来磁束ロックループにおけるプリアンプと積分器とを代替え、簡易なＳＱＵＩＤ磁束ロックループの構築が実現される。シングルオペアンプを用いるＳＱＵＩＤ磁束ロックループは、以下の配線方式を含む。
【００１２】
１）正端子配線方式は、図２に示すように、オフセット電流源によって提供されるオフセット電流ＩｂがＳＱＵＩＤに付与され、ＳＱＵＩＤ電圧信号がオペアンプの正入力端子に入力される。オフセット電圧Ｖｂがオペアンプの負入力端子に入力される。オペアンプの出力端子がフィードバック抵抗Ｒｆの一端に接続され、フィードバック抵抗の他端がフィードバックコイルに接続され、フィードバックコイルとＳＱＵＩＤとが相互誘導によって結合され、オペアンプが電圧を出力し、フィードバック抵抗Ｒｆを駆動することにより電流を発生させ、フィードバックコイルとＳＱＵＩＤとの相互誘導Ｍｆによって、フィードバック磁束を発生させ、磁束ロックループが構成される。
【００１３】
前記正端子入力配線方式は、実施形態１、３および５（即ち、Ａ、Ｂ及びＣ）のうちの一つである（詳しくは、詳細な実施形態を参照）。
２）負端子配線方式は、図３に示すように、オフセット電流源によって提供されるオフセット電流ＩｂがＳＱＵＩＤに付与され、ＳＱＵＩＤ電圧信号がオペアンプの負入力端子に入力され、オフセット電圧Ｖｂがオペアンプの正入力端子に入力される。オペアンプの出力端子がフィードバック抵抗Ｒｆの一端に接続され、フィードバック抵抗の他端がフィードバックコイルに接続され、フィードバックコイルとＳＱＵＩＤとが相互誘導によって結合され、オペアンプが電圧を出力し、フィードバック抵抗Ｒｆを駆動することにより電流を発生させ、フィードバックコイルとＳＱＵＩＤとの相互誘導Ｍｆによって、フィードバック磁束を発生させ、磁束ロックループが構成される。
前記負端子入力配線方式は、実施形態２、４および６（即ち、Ｄ、Ｅ及びＦ）のうちの一つである（詳しくは、詳細な実施形態を参照）。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、オペアンプを１つのみ用いることによりＳＱＵＩＤ磁束ロックループを実現し、回路が簡単になる。従来回路における積分器の使用を回避し、ループ遅延を減少し、より広い帯域幅の磁束ロックループを実現する。オペアンプは、直接に出力してフィードバック抵抗とフィードバックコイルを駆動することにより、積分容量の影響を回避し、磁束ロックループがより高いスルーレートを実現できる。また、前記回路は、シングルオペアンプと数少ない外周回路によって構成されることで、回路の体積が小さく、電力消費が低く、マルチチャネルＳＱＵＩＤセンサ集積の全体の体積と電力消費を大幅に減少し、ＳＱＵＩＤマルチチャネルの適用には、重要な意義がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】典型的な直読式読み出し回路原理図である。
【図２】ＳＱＵＩＤ正端子入力のシングルオペアンプ磁束ロックループ原理図である。
【図３】ＳＱＵＩＤ負端子入力のシングルオペアンプ磁束ロックループ原理図である。
【図４】シングルオペアンプＳＱＵＩＤ磁束ロックループの詳細な実施形態１であり、図１におけるＢ１、Ｂ２はそれぞれオフセット電流或いはオフセット電圧調整回路である。
【図５】シングルオペアンプＳＱＵＩＤ磁束ロックループの詳細な実施形態２である。
【図６】シングルオペアンプＳＱＵＩＤ磁束ロックループの詳細な実施形態３である。
【図７】シングルオペアンプＳＱＵＩＤ磁束ロックループの詳細な実施形態４である。
【図８】シングルオペアンプＳＱＵＩＤ磁束ロックループの詳細な実施形態５である。
【図９】シングルオペアンプＳＱＵＩＤ磁束ロックループの詳細な実施形態６である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下の六つの詳細な実施形態を有する。
１）詳細な実施形態１は、図４に示すように、即ち、正端子入力配線方式Ａ：
１．電力供給電源＋Ｖｓと−Ｖｓ：回路がバイポーラ電源によって電力供給され、即ち正電源端子＋Ｖｓに正電圧電源が接続され、負電源端子−Ｖｓに負電圧電源が接続される。正電源＋Ｖｓの電力供給範囲は、＋５Ｖ〜＋１５Ｖであり、対応する負電源−Ｖｓの電力供給範囲は、−５Ｖ〜−１５Ｖである。
【００１７】
２．ＳＱＵＩＤオフセット電流調整回路Ｂ１：その機能は、ＳＱＵＩＤにＳＱＵＩＤに向けて流れる２つのジョセフソン接合のオフセット電流が付与され、電流の大きさを調整可能である。ＳＱＵＩＤに付与されるオフセット電流の大きさを調整することにより、ＳＱＵＩＤに最適の磁束電圧変換特性が得られる。調整可能なオフセット電流回路の詳細な実施例は、図３におけるＢ１モジュールに示すように、調整可能な電位器ＲＡ１は、３端子の調整可能な抵抗であり、電位器の１と２の両端子は、固定抵抗値の抵抗であり、その抵抗値は、１０ｋΩ〜１００ｋΩであることが最も好ましい。電位器の３端子は、調整可能な抵抗タップである。電位器ＲＡ１の１と２の両端子は、それぞれ正電源＋Ｖｓと負電源−Ｖｓに接続される。電位器ＲＡ１の３端子は、電位器抵抗分圧を出力し、電位器タップ位置を調整することにより調整可能な電圧を発生させる。当該電圧出力は抵抗Ｒ１に入力され、抵抗Ｒ１の他端は、ＳＱＵＩＤに直列に接続される。抵抗Ｒ１の値は、５０ｋΩ〜２００ｋΩである。調整可能な電位器ＲＡ１を調整することにより、±１００μＡ範囲の直流オフセット電流を発生させる。
【００１８】
３．ＳＱＵＩＤオフセット電圧調整回路Ｂ２：その機能は、調整可能な直流電圧が発生され、オペアンプの負入力端子に入力されることである。当該電圧とＳＱＵＩＤ動作箇所の直流電圧とが同じであるように調整することにより、動作箇所のゼロ調整を実現する。調整可能な電圧回路の詳細な実施例は、図３におけるＢ２モジュールに示すように、調整可能な電位器ＲＡ２は、３端子の調整可能な抵抗であり、電位器の１と２の両端子は、固定端子であり、その抵抗値は、１０ｋΩ〜１００ｋΩであることが最も好ましい。電位器ＲＡ２の１と２の端子は、それぞれ正電源＋Ｖｓと負電源ーＶｓに接続され、調整可能な抵抗は、タップ端を引き出し、３端子は、抵抗分圧を出力し、当該電圧は、抵抗Ｒ３の一端に入力され、抵抗Ｒ３の他端は、Ｒ２に直列に接続され、Ｒ２の他端は、グラウンドに接続される。Ｒ２とＲ３の接続端は、発生した抵抗分圧をオフセット電圧信号Ｖｂとして引き出す。当該オフセット電圧の調整範囲は、±１００μＶである。オペアンプの入力端子に引き入れられる熱ノイズを低減するように、抵抗Ｒ３の値は、通常１Ω〜１０Ωである。抵抗Ｒ２の値範囲は、１０ｋΩ〜１００ｋΩである。
【００１９】
４．ＳＱＵＩＤデバイスＳＱ１：ＳＱ１は、（４．２Ｋの液体ヘリウム温度で動作する）低温直流ＳＱＵＩＤ、或いは（７７Ｋの液体窒素温度で動作する）高温直流ＳＱＵＩＤを使用しており、両端子のデバイスでもある。ＳＱ１の一端は、オペアンプの正入力端子に接続されるとともに、オフセット電流回路Ｂ１の電流出力端子と接続される。ＳＱ１の他端は、グラウンドに接続される。
【００２０】
５．フィードバックコイルＬ１：フィードバックコイルＬ１は、ＳＱＵＩＤと相互誘導結合を有するコイルであり、その相互誘導の値は、Ｍｆである。フィードバックコイルは、フィードバック回路で発生される電流をフィードバック磁束に変換してＳＱＵＩＤに結合させて打ち消す磁束を形成する。フィードバックコイルＬ１の一端は、フィードバック抵抗Ｒｆに接続され、その他端は、グラウンドに接続される。
【００２１】
６．オペアンプＵ１：オペアンプＵ１は、バイポーラによって電力供給される低ノイズオペアンプを用いて、正入力端子と負入力端子の２つの電圧信号入力端子を有し、１つの電圧信号は、出力端子を増幅させている。図のオペアンプの正入力端子には、ＳＱＵＩＤ電圧出力が入力され、オペアンプの負入力端子には、オフセット電圧出力が入力され、アンプ出力は、磁束ロックループの出力であり、センサ全体の出力である。同時にフィードバック抵抗Ｒｆに入力される。ＳＱＵＩＤ電圧信号の低ノイズアンプと磁束ロックループ高線形度の出力を実現するために、本発明のオペアンプは、低入力電圧ノイズと高い帯域幅、高い開ループゲイン特性のデバイスであることが好ましく、アンプ電圧ノイズは、１ｎＶ／√Ｈｚであり、開ループゲイン＞１２０ｄＢ、帯域幅ゲイン積は、１０ＭＨｚより大きい。通常の低ノイズオペアンプは、米国ＡＤＩ社のＡＤ７９７或いはリニア・テクノロジー（Ｌｉｎｅａｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）社のＬＴ１０２８である
【００２２】
７．フィードバック抵抗Ｒｆ：フィードバック抵抗Ｒｆの一端には、オペアンプＵ１の出力が入力され、他端は、フィードバックコイルＬ１に接続される。フィードバック抵抗Ｒｆは、アンプが出力した電圧をフィードバック電流に変換してフィードバックコイルに入力することにより、フィードバック磁束を発生させる。Ｒｆの値は、１００Ω〜１０ｋΩである。
【００２３】
２）詳細な実施形態２は、図５に示すように、即ち、正端子入力配線方式Ｄ：
実施形態１のうちのＳＱＵＩＤ電圧信号は、オペアンプＵ１の負入力端子に入力され、オフセット電圧信号は、オペアンプの正入力端子に入力され、その他の配線は、実施形態１と同じである。
【００２４】
３）詳細な実施形態３は、図６に示すように、即ち、正端子入力配線方式Ｂ：
磁束ロックループは、外部干渉を受けてアンロックを生じさせ、出力の漏洩をもたらす。リセットスイッチによって磁束ロックループをロックに回復させることができる。本実施形態３は、実施形態１を基にして、リセットスイッチＫ１を増加することによりリセット機能を実現する。Ｋ１の一端は、オペアンプＵ１の負入力端子に接続され、Ｋ１の他端は、オペアンプＵ１の出力端子に接続される。リセットスイッチをオンにすると、オペアンプＵ１の出力端子と負入力端子とが等電位となる。オペアンプが開ループ高ゲインアンプから単位ゲインのアンプになり、出力が迅速に減少し、回路はリセットを実現する。リセットスイッチをオフにすると、回路が再びロックされる。
【００２５】
４）詳細な実施形態４は、図７に示すように、即ち、正端子入力配線方式Ｅ：
実施形態３のうちのＳＱＵＩＤ電圧信号は、オペアンプＵ１の負入力端子に入力され、オフセット電圧信号は、オペアンプの正入力端子に入力され、その他の配線は、実施形態３と同じである。
【００２６】
５）詳細な実施形態５は、図８に示すように、即ち、正端子入力配線方式Ｃ：
ＳＱＵＩＤ磁気センサは、電力使用状態において、オフセット電流とオフセット電圧を調整し直すことにより、ＳＱＵＩＤに最適な動作箇所を取得させる必要がある。本実施形態５は、実施形態３を基にして、フィードバック抵抗ＲｇとＳＰＤＴスイッチＳＷ１を増加することにより磁束ロックループに動作箇所調整機能を具備させる。ＳＰＤＴスイッチＳＷ１は、配線端子を三つ有し、端子３をＳＰ固定配線端子と定義し、端子１を第１接点配線端子と定義し、端子２を第２接点配線端子と定義する。ＳＰＤＴスイッチＳＷ１のＳＰ固定配線端子は、オペアンプＵ１の出力端子に接続される。ＳＷ１の端子１は、抵抗Ｒｇの一端に接続され、抵抗Ｒｇの他端は、オペアンプＵ１の負入力端子と接続され、ＳＷ１の端子２は、フィードバック抵抗Ｒｆに接続され、フィードバック抵抗Ｒｆの他端は、フィードバックコイルＬ１に接続される。ＳＷ１のＳＰスイッチは、第２接点とオフにして、第１接点とオンにして、抵抗Ｒｇは、オペアンプＵ１の出力端子に接続される。このとき、磁束ロックループが稼働し、オペアンプＵ１が比率増幅モードで動作することにより、ＳＱＵＩＤ電圧信号の比率増幅を実現する。オペアンプの出力電圧Ｖｆを検出し、磁束電圧伝送特性曲線を観測し、ＳＱＵＩＤ動作箇所を補助し、オフセット電流とオフセット電圧の調整を行う。最適のオフセット電圧、オフセット電流の調整を完了させた後に、ＳＷ１のＳＰスイッチは、第１接点とオフにして、第２接点とオンにして、オペアンプＵ１の出力端子は、フィードバック抵抗Ｒｆに接続され、このとき、磁束ロックループは、閉ループでロック出力を実現する。
【００２７】
６）詳細な実施形態６は、図９に示すように、即ち、正端子入力配線方式Ｆ：
実施形態５のうちのＳＱＵＩＤ電圧信号は、オペアンプＵ１の負入力端子に入力され、オフセット電圧信号は、オペアンプの正入力端子に入力され、その他の配線は、実施形態５と同じである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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