JP3144973B2 - デジタルｓｑｕｉｄおよびこれを用いた計測システム - Google Patents
デジタルｓｑｕｉｄおよびこれを用いた計測システムInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、信号の大きさをデジ
タル出力で得ることのできるデジタルＳＱＵＩＤ（ＳＱ
ＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Devic
e 超電導量子干渉素子）、および、これを用いた計測
システムに関し、特に、低雑音化と測定精度の向上、お
よび、誤動作防止に関する。
タル出力で得ることのできるデジタルＳＱＵＩＤ（ＳＱ
ＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Devic
e 超電導量子干渉素子）、および、これを用いた計測
システムに関し、特に、低雑音化と測定精度の向上、お
よび、誤動作防止に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＳＱＵＩＤは超電導の性質を利用して、
微小な磁場を検出することができる素子である。ＳＱＵ
ＩＤは本来アナログ磁束信号を入力して、アナログ電圧
信号を出力するセンサであるが、これをデジタル信号と
して出力するセンサとして使用し、機能を向上させるこ
とについては公知であり、これらはデジタルＳＱＵＩＤ
と呼ばれている。ＳＱＵＩＤの場合も他の多くのセンサ
技術と同様に、デジタル化することは信号処理やデータ
の伝送を容易にするものである。従って、デジタル化そ
のものはＳＱＵＩＤに特有の技術ではなく、また、具体
的な方法についても、これまでに幾つかの方法が開示さ
れている。
微小な磁場を検出することができる素子である。ＳＱＵ
ＩＤは本来アナログ磁束信号を入力して、アナログ電圧
信号を出力するセンサであるが、これをデジタル信号と
して出力するセンサとして使用し、機能を向上させるこ
とについては公知であり、これらはデジタルＳＱＵＩＤ
と呼ばれている。ＳＱＵＩＤの場合も他の多くのセンサ
技術と同様に、デジタル化することは信号処理やデータ
の伝送を容易にするものである。従って、デジタル化そ
のものはＳＱＵＩＤに特有の技術ではなく、また、具体
的な方法についても、これまでに幾つかの方法が開示さ
れている。
【０００３】デジタルＳＱＵＩＤを実現する１つの方法
は、特開昭６４−２１３７９号において開示されてい
る。また、そのデジタルＳＱＵＩＤを複数個有する多チ
ャンネルデジタルＳＱＵＩＤ磁束計の駆動方法に関して
は、例えば、特開平３−１９７８８５号に開示されてい
る。
は、特開昭６４−２１３７９号において開示されてい
る。また、そのデジタルＳＱＵＩＤを複数個有する多チ
ャンネルデジタルＳＱＵＩＤ磁束計の駆動方法に関して
は、例えば、特開平３−１９７８８５号に開示されてい
る。
【０００４】図２０は、従来技術におけるデジタルＳＱ
ＵＩＤを示す回路図である。従来技術におけるデジタル
ＳＱＵＩＤは、センサである超電導量子干渉素子が交流
電流源５９で駆動され、入力された磁束の大きさに依存
して正または負のパルスが出力される。この正または負
のパルスの数をカウントして、その差に比例する電流を
帰還することにより被測定磁束の大きさを求めることが
できる。
ＵＩＤを示す回路図である。従来技術におけるデジタル
ＳＱＵＩＤは、センサである超電導量子干渉素子が交流
電流源５９で駆動され、入力された磁束の大きさに依存
して正または負のパルスが出力される。この正または負
のパルスの数をカウントして、その差に比例する電流を
帰還することにより被測定磁束の大きさを求めることが
できる。
【０００５】次に、このデジタルＳＱＵＩＤの動作につ
いて図２０を用いて説明する。ピックアップコイル７０
０で検出した信号磁束はインプットコイル２２０によっ
てＳＱＵＩＤに入力される。ＳＱＵＩＤは交流電流源５
９によりバイアスされ、ジョセフソン接合１１０とイン
ダクタンス２２１から構成される。ＳＱＵＩＤには、イ
ンプットコイル２２０からの磁束信号量と帰還磁束量の
差に相当する入力磁束に応じた正または負の電流パルス
を、やはり交流電流源で駆動される論理積ゲート８０
１、論理和ゲート８００から構成される切り換え回路８
１０を介して帰還回路に出力する。帰還回路は、インダ
クタンス２２３とジョセフソン接合１１１を含む超電導
ループ、および、切り換え回路８１０を介して送られる
パルスを磁束量子に変換する書き込みゲートからなる。
この書き込みゲートはインダクタンス２２３と磁気結合
する他のインダクタンス２２２からなる。書き込みゲー
トを通過したパルスは磁束量子に変換されインダクタン
ス２２４を含んで構成される超電導ループに蓄えられ
る。
いて図２０を用いて説明する。ピックアップコイル７０
０で検出した信号磁束はインプットコイル２２０によっ
てＳＱＵＩＤに入力される。ＳＱＵＩＤは交流電流源５
９によりバイアスされ、ジョセフソン接合１１０とイン
ダクタンス２２１から構成される。ＳＱＵＩＤには、イ
ンプットコイル２２０からの磁束信号量と帰還磁束量の
差に相当する入力磁束に応じた正または負の電流パルス
を、やはり交流電流源で駆動される論理積ゲート８０
１、論理和ゲート８００から構成される切り換え回路８
１０を介して帰還回路に出力する。帰還回路は、インダ
クタンス２２３とジョセフソン接合１１１を含む超電導
ループ、および、切り換え回路８１０を介して送られる
パルスを磁束量子に変換する書き込みゲートからなる。
この書き込みゲートはインダクタンス２２３と磁気結合
する他のインダクタンス２２２からなる。書き込みゲー
トを通過したパルスは磁束量子に変換されインダクタン
ス２２４を含んで構成される超電導ループに蓄えられ
る。
【０００６】インダクタンス２２４はＳＱＵＩＤのイン
ダクタンス２２１と磁気結合９００を介して結合してお
り、インダクタンス２２４を含む超電導ループに蓄えら
れた磁束量子はＳＱＵＩＤに帰還される。従って、帰還
回路はＳＱＵＩＤから出力されたパルスを計測し、その
結果に応じた磁束量子をＳＱＵＩＤに帰還することがで
きる。
ダクタンス２２１と磁気結合９００を介して結合してお
り、インダクタンス２２４を含む超電導ループに蓄えら
れた磁束量子はＳＱＵＩＤに帰還される。従って、帰還
回路はＳＱＵＩＤから出力されたパルスを計測し、その
結果に応じた磁束量子をＳＱＵＩＤに帰還することがで
きる。
【０００７】デジタルＳＱＵＩＤを実現する別の方法に
ついては、ドゥラング等によって、クライオジェニック
ス １９８６年 第２６巻 ６２３頁から６２７頁に詳
細に述べられている。ドゥラング等は、交流電流源で駆
動されるコンパレータをＳＱＵＩＤに組み合わせて用い
る方法について述べている。しかし、出力されたデジタ
ル信号の処理方法等については何ら言及していない。
ついては、ドゥラング等によって、クライオジェニック
ス １９８６年 第２６巻 ６２３頁から６２７頁に詳
細に述べられている。ドゥラング等は、交流電流源で駆
動されるコンパレータをＳＱＵＩＤに組み合わせて用い
る方法について述べている。しかし、出力されたデジタ
ル信号の処理方法等については何ら言及していない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ドゥラング等が開示し
たデジタルＳＱＵＩＤにおいては、ＳＱＵＩＤ、およ
び、コンパレータを組み合わせた回路から出力されるデ
ジタル信号を処理する技術について何ら言及されておら
ず、従って、デジタル信号処理と高精度な磁束信号の検
出とを両立させるために必要な技術的視点がもともと存
在していなかった。デジタルＳＱＵＩＤの技術におい
て、上記のデジタル信号処理と磁束信号の検出とを同時
に行うために必要な技術は、前述の特開昭６４−２１３
７９号において開示されている。この従来技術において
は、ＳＱＵＩＤの駆動に交流電流源を用いることによっ
て、ＳＱＵＩＤそのものにコンパレータとしての動作を
実行させ、ＳＱＵＩＤのデジタル化を実現している。従
って、交流電流源を用いることは必須である。さらに、
出力されたデジタル信号の処理、あるいは、帰還による
制御には交流電流源によって駆動されるジョセフソン論
理回路を用いていた。このような交流電流源で駆動する
ＳＱＵＩＤ、あるいは、ジョセフソン論理回路を用いて
デジタルＳＱＵＩＤを構成する場合は、回路に高い周波
数の交流電流を供給しなければならず、以下に述べる主
に３種類の問題が生じた。
たデジタルＳＱＵＩＤにおいては、ＳＱＵＩＤ、およ
び、コンパレータを組み合わせた回路から出力されるデ
ジタル信号を処理する技術について何ら言及されておら
ず、従って、デジタル信号処理と高精度な磁束信号の検
出とを両立させるために必要な技術的視点がもともと存
在していなかった。デジタルＳＱＵＩＤの技術におい
て、上記のデジタル信号処理と磁束信号の検出とを同時
に行うために必要な技術は、前述の特開昭６４−２１３
７９号において開示されている。この従来技術において
は、ＳＱＵＩＤの駆動に交流電流源を用いることによっ
て、ＳＱＵＩＤそのものにコンパレータとしての動作を
実行させ、ＳＱＵＩＤのデジタル化を実現している。従
って、交流電流源を用いることは必須である。さらに、
出力されたデジタル信号の処理、あるいは、帰還による
制御には交流電流源によって駆動されるジョセフソン論
理回路を用いていた。このような交流電流源で駆動する
ＳＱＵＩＤ、あるいは、ジョセフソン論理回路を用いて
デジタルＳＱＵＩＤを構成する場合は、回路に高い周波
数の交流電流を供給しなければならず、以下に述べる主
に３種類の問題が生じた。
【０００９】第１は高周波の反射である。電流源からの
配線のインピーダンスと、ＳＱＵＩＤあるいはジョセフ
ソン論理回路のインピーダンスを完全に一致させること
は非常に困難である。このため、外部から供給した高周
波電流はＳＱＵＩＤやジョセフソン論理回路に入る直前
の配線部分において反射するため入力波形がくずれる。
このためＳＱＵＩＤやデジタル論理回路の誤動作が生じ
る。
配線のインピーダンスと、ＳＱＵＩＤあるいはジョセフ
ソン論理回路のインピーダンスを完全に一致させること
は非常に困難である。このため、外部から供給した高周
波電流はＳＱＵＩＤやジョセフソン論理回路に入る直前
の配線部分において反射するため入力波形がくずれる。
このためＳＱＵＩＤやデジタル論理回路の誤動作が生じ
る。
【００１０】第２はクロストークである。数十から数百
ｍＡに達する高周波の大電流を配線に流すために、電磁
誘導により周辺の別の配線や、ＳＱＵＩＤそのものへ誘
導電流が発生する。このように配線間に生じたクロスト
ークは雑音を発生する。特にＳＱＵＩＤに生じたクロス
トークによる雑音は、測定精度の劣化を引き起こし、帰
還回路などの測定回路系に伝達された雑音は回路の誤動
作、ひいてはシステムの誤動作を引き起こす。
ｍＡに達する高周波の大電流を配線に流すために、電磁
誘導により周辺の別の配線や、ＳＱＵＩＤそのものへ誘
導電流が発生する。このように配線間に生じたクロスト
ークは雑音を発生する。特にＳＱＵＩＤに生じたクロス
トークによる雑音は、測定精度の劣化を引き起こし、帰
還回路などの測定回路系に伝達された雑音は回路の誤動
作、ひいてはシステムの誤動作を引き起こす。
【００１１】第３はグランド電位の変動である。これに
伴って、発生した雑音は同様に測定精度の劣化を引き起
こす。
伴って、発生した雑音は同様に測定精度の劣化を引き起
こす。
【００１２】ＳＱＵＩＤと同様に、デジタル信号処理の
ためのジョセフソン論理回路も従来技術においては交流
電流源で駆動していたので、上記の問題が生じ測定精度
の劣化、システムの誤動作を引き起こしていた。
ためのジョセフソン論理回路も従来技術においては交流
電流源で駆動していたので、上記の問題が生じ測定精度
の劣化、システムの誤動作を引き起こしていた。
【００１３】このように従来のデジタルＳＱＵＩＤにお
いては、デジタル動作、あるいは、出力信号のデジタル
信号処理を行った場合の、磁束などの微弱な信号の測定
に対する低雑音化、測定精度の向上、および、システム
の誤動作防止に関する視点が存在していなかったか、あ
るいは、十分な注意が払われていなかった。
いては、デジタル動作、あるいは、出力信号のデジタル
信号処理を行った場合の、磁束などの微弱な信号の測定
に対する低雑音化、測定精度の向上、および、システム
の誤動作防止に関する視点が存在していなかったか、あ
るいは、十分な注意が払われていなかった。
【００１４】本発明の目的は上記従来技術の持つ問題点
を解決し、低雑音、かつ高性能のデジタルＳＱＵＩＤ、
および、これを用いた計測システムを提供することであ
る。
を解決し、低雑音、かつ高性能のデジタルＳＱＵＩＤ、
および、これを用いた計測システムを提供することであ
る。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的は、２つのジョ
セフソン接合と、前記２つのジョセフソン接合をつない
で配置された超電導リングを含んで構成されたＳＱＵＩ
Ｄと、ジョセフソン接合を含んで構成され前記ＳＱＵＩ
Ｄの出力電圧もしくは出力電流の大きさを識別するコン
パレータと、ジョセフソン接合を含んで構成され前記コ
ンパレータの出力を読み出すための読み出し回路とを少
なくとも含んで構成するとともに、前記ＳＱＵＩＤ、お
よび、前記読み出し回路は直流電流源で駆動する、こと
によって達成することができる。
セフソン接合と、前記２つのジョセフソン接合をつない
で配置された超電導リングを含んで構成されたＳＱＵＩ
Ｄと、ジョセフソン接合を含んで構成され前記ＳＱＵＩ
Ｄの出力電圧もしくは出力電流の大きさを識別するコン
パレータと、ジョセフソン接合を含んで構成され前記コ
ンパレータの出力を読み出すための読み出し回路とを少
なくとも含んで構成するとともに、前記ＳＱＵＩＤ、お
よび、前記読み出し回路は直流電流源で駆動する、こと
によって達成することができる。
【００１６】
【作用】直流電流源でＳＱＵＩＤを駆動する場合は、一
般的には、出力はアナログ電圧になる。この場合、ＳＱ
ＵＩＤを制御するためにはロックインアンプなどの室温
で動作するアナログ回路が必要となり、これらは液体ヘ
リウム温度で動作するＳＱＵＩＤに比べて熱雑音が大き
く、ＳＱＵＩＤの感度低下の原因になる。これに対し
て、ＳＱＵＩＤの出力をデジタル化すれば、付属回路も
ジョセフソン接合を含む超電導回路で作製できるように
なる。従って、同一チップ上で情報処理ができる。また
アナログ方式において信号の帰還に一般的に使用されて
いるＦＬＬ（Ｆｌｕｘ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）方式
を使用する必要がなくなる。その結果、ＦＬＬの磁束変
調周波数で制限されていた帯域をより広くすることがで
き、ＳＱＵＩＤを高性能化、かつ、高機能化することが
できる。これらの事情はＳＱＵＩＤをデジタル化するた
めに交流電流源を用いてＳＱＵＩＤを駆動する、あるい
はジョセフソン接合を用いて信号処理回路を駆動した場
合と全く同じである。
般的には、出力はアナログ電圧になる。この場合、ＳＱ
ＵＩＤを制御するためにはロックインアンプなどの室温
で動作するアナログ回路が必要となり、これらは液体ヘ
リウム温度で動作するＳＱＵＩＤに比べて熱雑音が大き
く、ＳＱＵＩＤの感度低下の原因になる。これに対し
て、ＳＱＵＩＤの出力をデジタル化すれば、付属回路も
ジョセフソン接合を含む超電導回路で作製できるように
なる。従って、同一チップ上で情報処理ができる。また
アナログ方式において信号の帰還に一般的に使用されて
いるＦＬＬ（Ｆｌｕｘ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）方式
を使用する必要がなくなる。その結果、ＦＬＬの磁束変
調周波数で制限されていた帯域をより広くすることがで
き、ＳＱＵＩＤを高性能化、かつ、高機能化することが
できる。これらの事情はＳＱＵＩＤをデジタル化するた
めに交流電流源を用いてＳＱＵＩＤを駆動する、あるい
はジョセフソン接合を用いて信号処理回路を駆動した場
合と全く同じである。
【００１７】しかしながら、ＳＱＵＩＤによる磁束等の
信号の計測とデジタル信号処理とを組み合わせた時に始
めて生じる問題である前記の高周波の反射、クロストー
ク、および、グランド電位変動の問題は、直流電流源で
ＳＱＵＩＤ、および、信号の読み出し回路を駆動するこ
とによって、全くなくすことができるか、あるいは、後
で詳細に説明するごとく、発生したとしても従来技術に
比べてその影響を１００分の１以下に小さくすることが
できる。
信号の計測とデジタル信号処理とを組み合わせた時に始
めて生じる問題である前記の高周波の反射、クロストー
ク、および、グランド電位変動の問題は、直流電流源で
ＳＱＵＩＤ、および、信号の読み出し回路を駆動するこ
とによって、全くなくすことができるか、あるいは、後
で詳細に説明するごとく、発生したとしても従来技術に
比べてその影響を１００分の１以下に小さくすることが
できる。
【００１８】図１（ａ）は本発明のデジタルＳＱＵＩＤ
の代表的な実施形態にもとづき、その概念を示したブロ
ック図である。磁束そのもの、あるいは、電流信号によ
って発生した磁束が入力されることによってＳＱＵＩＤ
１に生じたアナログ信号１０００はコンパレータ２に入
力されてデジタル信号１１００に変換される。このデジ
タル信号１１００は直流電流源５で駆動された読み出し
回路３を経て帰還手段４および出力処理回路、表示回路
へ伝達される。帰還手段４および出力処理回路、表示回
路は、それらを併用することによって本発明の効果を大
きくすることができる。
の代表的な実施形態にもとづき、その概念を示したブロ
ック図である。磁束そのもの、あるいは、電流信号によ
って発生した磁束が入力されることによってＳＱＵＩＤ
１に生じたアナログ信号１０００はコンパレータ２に入
力されてデジタル信号１１００に変換される。このデジ
タル信号１１００は直流電流源５で駆動された読み出し
回路３を経て帰還手段４および出力処理回路、表示回路
へ伝達される。帰還手段４および出力処理回路、表示回
路は、それらを併用することによって本発明の効果を大
きくすることができる。
【００１９】読み出し回路３はコンパレータ２からのデ
ジタル信号を一定のタイミングでラッチする機能のほ
か、その値を外部回路、あるいは出力処理回路、表示回
路などへ出力する機能、さらにはＳＱＵＩＤ１への帰還
による制御を行うための帰還手段４への帰還量に相当す
る信号を出力する機能を有する。また、必要に応じて積
算や平均化、デジタルフィルタなどのデジタル信号処理
の機能を持たせることができる。この構成によれば、ア
ナログ方式ではできなかったデジタル信号処理技術を活
用したＳＱＵＩＤの高性能化と高機能化を可能にすると
ともに、交流電流源駆動のデジタルＳＱＵＩＤでは問題
となっていた、雑音の増加や、測定精度の劣化、システ
ムの誤動作などを回避することができる。
ジタル信号を一定のタイミングでラッチする機能のほ
か、その値を外部回路、あるいは出力処理回路、表示回
路などへ出力する機能、さらにはＳＱＵＩＤ１への帰還
による制御を行うための帰還手段４への帰還量に相当す
る信号を出力する機能を有する。また、必要に応じて積
算や平均化、デジタルフィルタなどのデジタル信号処理
の機能を持たせることができる。この構成によれば、ア
ナログ方式ではできなかったデジタル信号処理技術を活
用したＳＱＵＩＤの高性能化と高機能化を可能にすると
ともに、交流電流源駆動のデジタルＳＱＵＩＤでは問題
となっていた、雑音の増加や、測定精度の劣化、システ
ムの誤動作などを回避することができる。
【００２０】以下本発明の構成が従来技術の問題点の解
決にどのように働くかを詳細に述べる。
決にどのように働くかを詳細に述べる。
【００２１】構成要素の一つであるコンパレータ２の駆
動は交流電流源でも直流電流源でもどちらでも良い。な
ぜなら、コンパレータ２はＳＱＵＩＤ１に対して１対１
に対応させて設けてあり、デジタルＳＱＵＩＤを複数有
する場合であっても各々のＳＱＵＩＤの測定が終了した
後に、電源電流を変化させてコンパレータをリセットす
ることができる。従って、仮に交流の電流源を用いても
測定の速度を犠牲にすればコンパレータ２のリセットに
よって発生する雑音がＳＱＵＩＤ１による磁束そのも
の、あるいは、電流信号によって発生した磁束の測定結
果に影響しないようにすることができる。従って、コン
パレータ２のみを交流電流源で駆動してもデジタルＳＱ
ＵＩＤの雑音にはならないため、測定精度に影響を及ぼ
さない。このようにコンパレータ２について、動作方法
の工夫により交流電流源の駆動が可能になるのは、コン
パレータ２がラッチとして働き、情報の記憶を行い、測
定のタイミングとリセットのタイミングを完全に分割で
きるからである。もちろん、コンパレータ２も直流電流
源駆動にすれば測定の速度、すなわち帯域を犠牲にする
必要もなくなり、システムとしても動作のタイミングを
容易にすることができるという特別の利点もある。従っ
て、この場合にも本発明の目的を達成できることは明ら
かである。
動は交流電流源でも直流電流源でもどちらでも良い。な
ぜなら、コンパレータ２はＳＱＵＩＤ１に対して１対１
に対応させて設けてあり、デジタルＳＱＵＩＤを複数有
する場合であっても各々のＳＱＵＩＤの測定が終了した
後に、電源電流を変化させてコンパレータをリセットす
ることができる。従って、仮に交流の電流源を用いても
測定の速度を犠牲にすればコンパレータ２のリセットに
よって発生する雑音がＳＱＵＩＤ１による磁束そのも
の、あるいは、電流信号によって発生した磁束の測定結
果に影響しないようにすることができる。従って、コン
パレータ２のみを交流電流源で駆動してもデジタルＳＱ
ＵＩＤの雑音にはならないため、測定精度に影響を及ぼ
さない。このようにコンパレータ２について、動作方法
の工夫により交流電流源の駆動が可能になるのは、コン
パレータ２がラッチとして働き、情報の記憶を行い、測
定のタイミングとリセットのタイミングを完全に分割で
きるからである。もちろん、コンパレータ２も直流電流
源駆動にすれば測定の速度、すなわち帯域を犠牲にする
必要もなくなり、システムとしても動作のタイミングを
容易にすることができるという特別の利点もある。従っ
て、この場合にも本発明の目的を達成できることは明ら
かである。
【００２２】本発明のデジタルＳＱＵＩＤにおいては、
図１（ａ）に示したコンパレータ２以外の構成要素であ
る、ＳＱＵＩＤ１、読み出し回路３は、いずれも磁束そ
のもの、あるいは、電流信号によって発生した磁束の測
定のタイミングと分離して動作させることができない。
これは以下の理由による。第一にコンパレータ２の場合
は単にリセットを行うだけでよいので、複数個ある場合
でも全てのコンパレータを一度にリセットすれば良く、
その制御も容易に実現できる。これに対して、読み出し
回路３はジョセフソン論理回路による信号処理回路であ
り、測定結果のデジタル信号処理、および、帰還信号の
制御等の機能を有するが、その動作はコンパレータに比
べてはるかに複雑である。このため、交流電流源で駆動
する読み出し回路３を用いた場合には、１回の磁束その
もの、あるいは、電流信号によって発生した磁束の測定
中に何回か電源のオンとオフを繰り返す必要が生じ、こ
れによる雑音の発生が避けられない。従って、読み出し
回路３の動作を測定のタイミングと分離しようとする
と、このタイミングの制御のために大規模な論理回路が
別に必要になりシステムが大型化してしまうことに加え
て、スピードの低下のために回路の信号処理能力が大幅
に低下する。
図１（ａ）に示したコンパレータ２以外の構成要素であ
る、ＳＱＵＩＤ１、読み出し回路３は、いずれも磁束そ
のもの、あるいは、電流信号によって発生した磁束の測
定のタイミングと分離して動作させることができない。
これは以下の理由による。第一にコンパレータ２の場合
は単にリセットを行うだけでよいので、複数個ある場合
でも全てのコンパレータを一度にリセットすれば良く、
その制御も容易に実現できる。これに対して、読み出し
回路３はジョセフソン論理回路による信号処理回路であ
り、測定結果のデジタル信号処理、および、帰還信号の
制御等の機能を有するが、その動作はコンパレータに比
べてはるかに複雑である。このため、交流電流源で駆動
する読み出し回路３を用いた場合には、１回の磁束その
もの、あるいは、電流信号によって発生した磁束の測定
中に何回か電源のオンとオフを繰り返す必要が生じ、こ
れによる雑音の発生が避けられない。従って、読み出し
回路３の動作を測定のタイミングと分離しようとする
と、このタイミングの制御のために大規模な論理回路が
別に必要になりシステムが大型化してしまうことに加え
て、スピードの低下のために回路の信号処理能力が大幅
に低下する。
【００２３】第二にデジタルＳＱＵＩＤにおいて従来の
ＦＬＬと同様の機能を実現するためには、磁束そのも
の、あるいは、電流信号によって発生した磁束の入力信
号に対して帰還による制御を行いつつ、ＳＱＵＩＤによ
る磁束そのもの、あるいは、電流信号によって発生した
磁束の測定を繰り返して行う必要がある。このため帰還
手段４へ所定の帰還量に相当する信号を出力する読み出
し回路３はＳＱＵＩＤ１と同じタイミングで動作してい
る必要がある。このためＳＱＵＩＤ１と読み出し回路３
は全て同じタイミングで動作させて、なおかつ、信号の
反射やクロストーク、さらには、グランド電位の変動に
よる雑音の発生が生じないように回路を構成する必要が
ある。
ＦＬＬと同様の機能を実現するためには、磁束そのも
の、あるいは、電流信号によって発生した磁束の入力信
号に対して帰還による制御を行いつつ、ＳＱＵＩＤによ
る磁束そのもの、あるいは、電流信号によって発生した
磁束の測定を繰り返して行う必要がある。このため帰還
手段４へ所定の帰還量に相当する信号を出力する読み出
し回路３はＳＱＵＩＤ１と同じタイミングで動作してい
る必要がある。このためＳＱＵＩＤ１と読み出し回路３
は全て同じタイミングで動作させて、なおかつ、信号の
反射やクロストーク、さらには、グランド電位の変動に
よる雑音の発生が生じないように回路を構成する必要が
ある。
【００２４】本発明によれば、これら２つの構成要素、
すなわち、ＳＱＵＩＤ１と読み出し回路３は直流電流源
で駆動されるジョセフソン論理回路によって構成されて
いるため上記の問題による雑音が発生しない。これは以
下の理由による。
すなわち、ＳＱＵＩＤ１と読み出し回路３は直流電流源
で駆動されるジョセフソン論理回路によって構成されて
いるため上記の問題による雑音が発生しない。これは以
下の理由による。
【００２５】直流電流源を用いれば電磁誘導によるクロ
ストークは発生しない。さらに直流電流源であるから、
インピーダンスの不整合部分における反射が生じること
もない。さらに直流電流源で駆動されるジョセフソン論
理回路は、一般に２つ以上の電流の経路のうちのどちら
か１つに電流を切り換えることによって動作する。従っ
て、電源からグランドへ流れ込む電流値は上記論理回路
のスイッチング、すなわち、一方の経路から他方へ電流
を切り換えても変化せず一定であり、従ってグランド電
位の変動も無視できるほど小さい。
ストークは発生しない。さらに直流電流源であるから、
インピーダンスの不整合部分における反射が生じること
もない。さらに直流電流源で駆動されるジョセフソン論
理回路は、一般に２つ以上の電流の経路のうちのどちら
か１つに電流を切り換えることによって動作する。従っ
て、電源からグランドへ流れ込む電流値は上記論理回路
のスイッチング、すなわち、一方の経路から他方へ電流
を切り換えても変化せず一定であり、従ってグランド電
位の変動も無視できるほど小さい。
【００２６】これに対して、交流電流源で駆動されるジ
ョセフソン論理回路においては、ジョセフソン接合のイ
ンピーダンスがスイッチングの前後で大きく変化するた
め、スイッチングにともなってグランドに流れる電流の
値が変化しこれが雑音の原因となる。また、そもそも電
源電流が交流であるためグランドに流れる電流値は大き
く変動することになる。従って、配線、あるいは、グラ
ンドプレーンに存在するインダクタンスの値に依存して
グランド電位が発生する。このため、測定の制度を向上
させるには交流電流源の周波数を下げて電磁誘導による
雑音の発生を抑える必要があり、その結果、測定の帯域
が制限されていたわけである。これらの交流電流源駆動
のジョセフソン論理回路を使用したことによる問題点は
本発明によって容易に解決できる。特に、測定の帯域に
ついてはグランド電位の変動を考慮しなくても良いた
め、数ＧＨｚ程度まで引き上げることが可能となり、こ
れは従来技術においては実現不可能である。
ョセフソン論理回路においては、ジョセフソン接合のイ
ンピーダンスがスイッチングの前後で大きく変化するた
め、スイッチングにともなってグランドに流れる電流の
値が変化しこれが雑音の原因となる。また、そもそも電
源電流が交流であるためグランドに流れる電流値は大き
く変動することになる。従って、配線、あるいは、グラ
ンドプレーンに存在するインダクタンスの値に依存して
グランド電位が発生する。このため、測定の制度を向上
させるには交流電流源の周波数を下げて電磁誘導による
雑音の発生を抑える必要があり、その結果、測定の帯域
が制限されていたわけである。これらの交流電流源駆動
のジョセフソン論理回路を使用したことによる問題点は
本発明によって容易に解決できる。特に、測定の帯域に
ついてはグランド電位の変動を考慮しなくても良いた
め、数ＧＨｚ程度まで引き上げることが可能となり、こ
れは従来技術においては実現不可能である。
【００２７】また、デジタルＳＱＵＩＤを複数個有する
場合は、読み出し回路の一部分としてマルチプレクサを
用いることができ、複数のデジタルＳＱＵＩＤに対して
１個ないし複数個の処理回路を共通に用いることによっ
てシステムを構成することができるため、複数ヶ所の磁
束そのもの、あるいは、電流信号によって発生した磁束
を同時に測定でき、かつ、この共通化により回路規模を
小さくして、システムを小型化することが可能になる。
場合は、読み出し回路の一部分としてマルチプレクサを
用いることができ、複数のデジタルＳＱＵＩＤに対して
１個ないし複数個の処理回路を共通に用いることによっ
てシステムを構成することができるため、複数ヶ所の磁
束そのもの、あるいは、電流信号によって発生した磁束
を同時に測定でき、かつ、この共通化により回路規模を
小さくして、システムを小型化することが可能になる。
【００２８】本発明の思想を活かすためには、ＳＱＵＩ
Ｄ、コンパレータ、および読み出し回路を同一チップ上
にモノリシックに集積化し、これら全てを極低温環境に
置くことが最も望ましい。これによって、室温に置いた
回路からの雑音等の外来の雑音を小さくできるととも
に、これら構成要素の間の配線を短くできるので、駆動
周波数を上げて、測定の高速化が可能になる。
Ｄ、コンパレータ、および読み出し回路を同一チップ上
にモノリシックに集積化し、これら全てを極低温環境に
置くことが最も望ましい。これによって、室温に置いた
回路からの雑音等の外来の雑音を小さくできるととも
に、これら構成要素の間の配線を短くできるので、駆動
周波数を上げて、測定の高速化が可能になる。
【００２９】本発明の思想を活かすためには、さらにコ
ンパレータもしくは読み出し回路の少なくとも一方に、
ＳＱＵＩＤの出力信号に従ってスイッチした読み出し回
路をスイッチ前の状態に戻すためのリセット手段を設け
ることが望ましい。通常ＳＱＵＩＤの出力信号は非常に
微弱であってこの値の変化をコンパレータによって検出
する。このリセット手段を用いずに、直流電源で駆動す
る読み出し回路を動作させる場合には、ＳＱＵＩＤの出
力信号によって読み出し回路のスイッチとリセットの両
方の動作を行う必要がある。スイッチ動作は、一定のバ
イアス電流をＳＱＵＩＤの信号と重ねあわせることで実
現できるが、ＳＱＵＩＤの出力信号が微弱であるためリ
セットまで確実に行なうことは難しい。このためリセッ
ト手段を併用することが本発明の思想を活かすために極
めて望ましい。このように従来のＳＱＵＩＤとジョセフ
ソン論理回路を組み合わせだけでは、デジタルＳＱＵＩ
Ｄは完全には動作しない。このように、本発明によって
実現されるデジタルＳＱＵＩＤは、従来のＳＱＵＩＤと
ジョセフソン論理回路を組み合わせただけでは得ること
のできない効果を提供することができる。この事実をよ
り明確にするために、本発明のデジタルＳＱＵＩＤがい
かに低雑音で、その結果高感度な計測を可能にしたのか
を数値で示す。
ンパレータもしくは読み出し回路の少なくとも一方に、
ＳＱＵＩＤの出力信号に従ってスイッチした読み出し回
路をスイッチ前の状態に戻すためのリセット手段を設け
ることが望ましい。通常ＳＱＵＩＤの出力信号は非常に
微弱であってこの値の変化をコンパレータによって検出
する。このリセット手段を用いずに、直流電源で駆動す
る読み出し回路を動作させる場合には、ＳＱＵＩＤの出
力信号によって読み出し回路のスイッチとリセットの両
方の動作を行う必要がある。スイッチ動作は、一定のバ
イアス電流をＳＱＵＩＤの信号と重ねあわせることで実
現できるが、ＳＱＵＩＤの出力信号が微弱であるためリ
セットまで確実に行なうことは難しい。このためリセッ
ト手段を併用することが本発明の思想を活かすために極
めて望ましい。このように従来のＳＱＵＩＤとジョセフ
ソン論理回路を組み合わせだけでは、デジタルＳＱＵＩ
Ｄは完全には動作しない。このように、本発明によって
実現されるデジタルＳＱＵＩＤは、従来のＳＱＵＩＤと
ジョセフソン論理回路を組み合わせただけでは得ること
のできない効果を提供することができる。この事実をよ
り明確にするために、本発明のデジタルＳＱＵＩＤがい
かに低雑音で、その結果高感度な計測を可能にしたのか
を数値で示す。
【００３０】本発明によるデジタルＳＱＵＩＤの感度特
性を図１（ｂ）に示す。この図は、ＳＱＵＩＤ単独、Ｓ
ＱＵＩＤとコンパレータの組み合わせ、ＳＱＵＩＤ、コ
ンパレータおよび読み出し回路の組み合わせ、における
雑音の大きさを従来技術と比較して示した。本発明によ
れば感度を従来技術に比べて２０倍以上高くして、１／
１０6（Φ0／√Ｈｚ）以下にすることができるので、従
来技術では測定できなかった脳が発生する磁界の検出が
可能となるなど、極めて高感度の計測が実現できる。
性を図１（ｂ）に示す。この図は、ＳＱＵＩＤ単独、Ｓ
ＱＵＩＤとコンパレータの組み合わせ、ＳＱＵＩＤ、コ
ンパレータおよび読み出し回路の組み合わせ、における
雑音の大きさを従来技術と比較して示した。本発明によ
れば感度を従来技術に比べて２０倍以上高くして、１／
１０6（Φ0／√Ｈｚ）以下にすることができるので、従
来技術では測定できなかった脳が発生する磁界の検出が
可能となるなど、極めて高感度の計測が実現できる。
【００３１】以上述べたように、本発明の構成によれ
ば、低雑音、かつ、高性能のデジタルＳＱＵＩＤ、およ
び、これを用いた計測システムを実現することができ
る。
ば、低雑音、かつ、高性能のデジタルＳＱＵＩＤ、およ
び、これを用いた計測システムを実現することができ
る。
【００３２】
（実施例１）本発明による実施例を以下に述べる。図２
から図７は、本発明の原理構成図を示す図１の点線枠内
の、すなわち、ＳＱＵＩＤ１とコンパレータ２の回路図
を示したものである。本実施例においては、図１に示し
た構成図において、ＳＱＵＩＤ１に加えてコンパレータ
２、読み出し回路３は直流電流源で駆動するジョセフソ
ン接合素子を含んだ回路によって構成されている。コン
パレータ２はＳＱＵＩＤ１からの出力信号をデジタル化
する１ビットのアナログデジタルコンバータとして動作
する。読み出し回路３はコンパレータ２からのデジタル
出力に従った帰還信号を生成して帰還手段４へ送る。帰
還量の増減は読み出し回路３によって判定する。また、
信号の積算やデジタルフィルタ処理などのデジタル信号
処理も読み出し回路３で行うことができる。磁束測定の
タイミングをクロックなどによって設定したい場合には
読み出し回路３にクロックに同期したラッチの機能を含
ませることによって、これを実現できる。これらについ
ては、以下に述べる他の実施例についても同様である。
から図７は、本発明の原理構成図を示す図１の点線枠内
の、すなわち、ＳＱＵＩＤ１とコンパレータ２の回路図
を示したものである。本実施例においては、図１に示し
た構成図において、ＳＱＵＩＤ１に加えてコンパレータ
２、読み出し回路３は直流電流源で駆動するジョセフソ
ン接合素子を含んだ回路によって構成されている。コン
パレータ２はＳＱＵＩＤ１からの出力信号をデジタル化
する１ビットのアナログデジタルコンバータとして動作
する。読み出し回路３はコンパレータ２からのデジタル
出力に従った帰還信号を生成して帰還手段４へ送る。帰
還量の増減は読み出し回路３によって判定する。また、
信号の積算やデジタルフィルタ処理などのデジタル信号
処理も読み出し回路３で行うことができる。磁束測定の
タイミングをクロックなどによって設定したい場合には
読み出し回路３にクロックに同期したラッチの機能を含
ませることによって、これを実現できる。これらについ
ては、以下に述べる他の実施例についても同様である。
【００３３】図２から図７は、直流電流源で駆動するコ
ンパレータを用いてＳＱＵＩＤの出力をデジタル化する
場合の回路構成図を示す。このコンパレータはジョセフ
ソン量子干渉計を使用し、直流電流源で駆動されるフリ
ップ・フロップ型のジョセフソン回路により構成されて
いる。図２は、このコンパレータの構成要素であるジョ
セフソン量子干渉計を表わす回路図であり、以下本発明
の実施例を示す回路図においては、このジョセフソン量
子干渉計を図３のごとく表わすものとする。
ンパレータを用いてＳＱＵＩＤの出力をデジタル化する
場合の回路構成図を示す。このコンパレータはジョセフ
ソン量子干渉計を使用し、直流電流源で駆動されるフリ
ップ・フロップ型のジョセフソン回路により構成されて
いる。図２は、このコンパレータの構成要素であるジョ
セフソン量子干渉計を表わす回路図であり、以下本発明
の実施例を示す回路図においては、このジョセフソン量
子干渉計を図３のごとく表わすものとする。
【００３４】図４において、コンパレータ２０００は、
直流電流源５によって駆動され、少なくとも２つのジョ
セフソン量子干渉計１５０の直列接続体と、２つの負荷
抵抗４０１および４０２の直列接続体とを、並列に接続
し、前記の２つの直列接続体の中間接点をインダクタン
ス２０４によって接続した回路を含んで構成され、２つ
のジョセフソン量子干渉計１５０への信号入力により、
どちらか一方のジョセフソン量子干渉計を電圧状態に、
他方を超電導状態にすることによって動作するフリップ
・フロップである。直流電流源５２は、コンパレータ２
０００の動作点を設定するために設けてある。また直流
電流源５１はリセット手段として用いており、この電源
から電流信号を流すことによってコンパレータの出力を
逆符号の電流に反転させ、これによって読みだし回路を
リセットしている。本実施例ではコンパレータにリセッ
ト手段を設けたが、読みだし回路に設けてもよい。
直流電流源５によって駆動され、少なくとも２つのジョ
セフソン量子干渉計１５０の直列接続体と、２つの負荷
抵抗４０１および４０２の直列接続体とを、並列に接続
し、前記の２つの直列接続体の中間接点をインダクタン
ス２０４によって接続した回路を含んで構成され、２つ
のジョセフソン量子干渉計１５０への信号入力により、
どちらか一方のジョセフソン量子干渉計を電圧状態に、
他方を超電導状態にすることによって動作するフリップ
・フロップである。直流電流源５２は、コンパレータ２
０００の動作点を設定するために設けてある。また直流
電流源５１はリセット手段として用いており、この電源
から電流信号を流すことによってコンパレータの出力を
逆符号の電流に反転させ、これによって読みだし回路を
リセットしている。本実施例ではコンパレータにリセッ
ト手段を設けたが、読みだし回路に設けてもよい。
【００３５】ＳＱＵＩＤは、直流電流源５によって駆動
され、少なくとも、ジョセフソン接合１０１とインダク
タンス２０３および抵抗４００とから構成される。本実
施例のＳＱＵＩＤでは、ＬＣ共振による電圧ステップの
ダンピング抵抗による除去が的確に行えるようにインダ
クタンス２０３、および、ジョセフソン接合１０１の容
量などは左右対称になるように設計した。図には示され
ていないが、磁束の入力手段からＳＱＵＩＤに入力され
た磁束信号が変化することによって生じたＳＱＵＩＤの
出力電圧の変化は抵抗４００を経て電流の変化となり、
信号入力用の端子３０７から信号入力用の端子３０８へ
流れる電流が変化する。その電流の変化がインダクタン
スを介してコンパレータの構成要素であるジョセフソン
量子干渉計１５０と磁気結合することによって、コンパ
レータに信号が入力され、その結果、磁束信号の変化が
デジタル信号に変換され、信号出力用の端子３１０に出
力される。ＳＱＵＩＤおよびコンパレータは両者とも超
電導体によって構成されているため、通常の、超電導体
にＮｂを用いた集積回路のプロセス技術により、同一チ
ップ上に作製することができた。同様に、図１に示した
構成要素の中で、ＳＱＵＩＤ１、コンパレータ２、およ
び、読み出し回路３を同一チップ上に作製しても良く、
さらに、帰還手段４、および、図には示されていないが
磁束の入力手段も同一チップ上に作製しても良い。
され、少なくとも、ジョセフソン接合１０１とインダク
タンス２０３および抵抗４００とから構成される。本実
施例のＳＱＵＩＤでは、ＬＣ共振による電圧ステップの
ダンピング抵抗による除去が的確に行えるようにインダ
クタンス２０３、および、ジョセフソン接合１０１の容
量などは左右対称になるように設計した。図には示され
ていないが、磁束の入力手段からＳＱＵＩＤに入力され
た磁束信号が変化することによって生じたＳＱＵＩＤの
出力電圧の変化は抵抗４００を経て電流の変化となり、
信号入力用の端子３０７から信号入力用の端子３０８へ
流れる電流が変化する。その電流の変化がインダクタン
スを介してコンパレータの構成要素であるジョセフソン
量子干渉計１５０と磁気結合することによって、コンパ
レータに信号が入力され、その結果、磁束信号の変化が
デジタル信号に変換され、信号出力用の端子３１０に出
力される。ＳＱＵＩＤおよびコンパレータは両者とも超
電導体によって構成されているため、通常の、超電導体
にＮｂを用いた集積回路のプロセス技術により、同一チ
ップ上に作製することができた。同様に、図１に示した
構成要素の中で、ＳＱＵＩＤ１、コンパレータ２、およ
び、読み出し回路３を同一チップ上に作製しても良く、
さらに、帰還手段４、および、図には示されていないが
磁束の入力手段も同一チップ上に作製しても良い。
【００３６】このようにＳＱＵＩＤ、コンパレータ、お
よび、読み出し回路を直流電流源駆動とすることで、交
流電流源駆動のデジタルＳＱＵＩＤに比較して、クロス
トークを減少させることにより誤動作をなくすことがで
きる。同様の機能を交流電流源で駆動するデジタルＳＱ
ＵＩＤによって実現した場合、コンパレータ、および、
信号読み出し回路のゲート数を４０ゲートと仮定すると
電源の交流電流は２０ｍＡ程度に達する。これに対し
て、本発明では交流の電流としては測定のタイミングを
外部から指定する場合に必要になるクロック信号のみで
あり、その値は０．１ｍＡ程度と小さい。このため本実
施例では、グランド端子３０９を介してのグランドへの
配線のインダクタンスによって生じるグランド電位の変
動を、約１００分の１以下に抑えることができ、低雑音
化することができた。
よび、読み出し回路を直流電流源駆動とすることで、交
流電流源駆動のデジタルＳＱＵＩＤに比較して、クロス
トークを減少させることにより誤動作をなくすことがで
きる。同様の機能を交流電流源で駆動するデジタルＳＱ
ＵＩＤによって実現した場合、コンパレータ、および、
信号読み出し回路のゲート数を４０ゲートと仮定すると
電源の交流電流は２０ｍＡ程度に達する。これに対し
て、本発明では交流の電流としては測定のタイミングを
外部から指定する場合に必要になるクロック信号のみで
あり、その値は０．１ｍＡ程度と小さい。このため本実
施例では、グランド端子３０９を介してのグランドへの
配線のインダクタンスによって生じるグランド電位の変
動を、約１００分の１以下に抑えることができ、低雑音
化することができた。
【００３７】また、ジョセフソン量子干渉計を用いて構
成した直流電流源駆動のコンパレータには図４の破線内
に回路図を示した構成によるものの他に、図５、図６に
回路図を示した構成によるものを用いることも可能であ
る。図５は、ジョセフソン量子干渉計１５１とインダク
タンス２０５との直列接続体を、２つ並列に接続するこ
とにより２つの電流経路を設けた回路を含んで構成さ
れ、信号入力用の端子３０７、あるいは、３０８から
の、ジョセフソン量子干渉計への信号入力により、電流
を上記２つの電流経路のどちらか一方に切り換えること
によって動作するフリップ・フロップを用いて構成した
コンパレータである。図６は、２つのジョセフソン量子
干渉計１５１を直列に接続し、この直列接続体を定電流
源５とジョセフソン接合１０２によって構成される定電
圧源に接続した回路を含んでおり、信号入力用の端子３
０７、あるいは３０８からのジョセフソン量子干渉計１
５１への信号入力により、どちらか一方のジョセフソン
量子干渉計を電圧状態に、他方を超電導状態にすること
によって動作するフリップ・フロップを用いて構成した
コンパレータである。これらのどの種類をコンパレータ
として用いても同様の効果が得られることは明白であ
る。
成した直流電流源駆動のコンパレータには図４の破線内
に回路図を示した構成によるものの他に、図５、図６に
回路図を示した構成によるものを用いることも可能であ
る。図５は、ジョセフソン量子干渉計１５１とインダク
タンス２０５との直列接続体を、２つ並列に接続するこ
とにより２つの電流経路を設けた回路を含んで構成さ
れ、信号入力用の端子３０７、あるいは、３０８から
の、ジョセフソン量子干渉計への信号入力により、電流
を上記２つの電流経路のどちらか一方に切り換えること
によって動作するフリップ・フロップを用いて構成した
コンパレータである。図６は、２つのジョセフソン量子
干渉計１５１を直列に接続し、この直列接続体を定電流
源５とジョセフソン接合１０２によって構成される定電
圧源に接続した回路を含んでおり、信号入力用の端子３
０７、あるいは３０８からのジョセフソン量子干渉計１
５１への信号入力により、どちらか一方のジョセフソン
量子干渉計を電圧状態に、他方を超電導状態にすること
によって動作するフリップ・フロップを用いて構成した
コンパレータである。これらのどの種類をコンパレータ
として用いても同様の効果が得られることは明白であ
る。
【００３８】コンパレータが入力電流を弁別するしきい
電流の値は、直流電流源５１と５２から供給される直流
電流の値によって決まる。このため、この直流電流の値
を一定にしておけばコンパレータは上述のごとく１ビッ
トのアナログデジタルコンバータとして動作する。これ
に対して上記の直流電流を階段的に変化させた場合、コ
ンパレータは２つ以上のしきい電流に対して入力電流を
弁別することになり、実質的に２ビットのアナログデジ
タルコンバータとして使用することができる。このよう
にコンパレータそのものは直流電流源で駆動されている
ので雑音を小さく保ったままバイアスに相当する直流電
流源を変化させてしきい電流を変え、１つのコンパレー
タを多ビットのアナログデジタルコンバータとして使用
することができる。これは本実施例に限らず実現できる
利点である。
電流の値は、直流電流源５１と５２から供給される直流
電流の値によって決まる。このため、この直流電流の値
を一定にしておけばコンパレータは上述のごとく１ビッ
トのアナログデジタルコンバータとして動作する。これ
に対して上記の直流電流を階段的に変化させた場合、コ
ンパレータは２つ以上のしきい電流に対して入力電流を
弁別することになり、実質的に２ビットのアナログデジ
タルコンバータとして使用することができる。このよう
にコンパレータそのものは直流電流源で駆動されている
ので雑音を小さく保ったままバイアスに相当する直流電
流源を変化させてしきい電流を変え、１つのコンパレー
タを多ビットのアナログデジタルコンバータとして使用
することができる。これは本実施例に限らず実現できる
利点である。
【００３９】また、図１において読み出し回路３はデー
タのラッチ機能に加えて積算による高精度化を行うため
の回路を含んで構成している。図７はラッチ機能を有す
るジョセフソン量子干渉計で構成したレジスタ回路の一
例であり直流電流源で動作する。
タのラッチ機能に加えて積算による高精度化を行うため
の回路を含んで構成している。図７はラッチ機能を有す
るジョセフソン量子干渉計で構成したレジスタ回路の一
例であり直流電流源で動作する。
【００４０】また、図８に回路図を示した磁束計におい
ては、図２から図７と同様に直流電流源駆動のコンパレ
ータへ磁気結合によりＳＱＵＩＤからの出力を入力して
いるが、容量５００と抵抗４００から構成されたローパ
スフィルターを挿入している。このような回路構成とす
ることにより、ＳＱＵＩＤのジョセフソン接合１０１か
ら交流ジョセフソン効果によって発生するジョセフソン
雑音を、このローパスフィルターによりカットし、より
低雑音化するとともに測定精度を向上させることができ
る。
ては、図２から図７と同様に直流電流源駆動のコンパレ
ータへ磁気結合によりＳＱＵＩＤからの出力を入力して
いるが、容量５００と抵抗４００から構成されたローパ
スフィルターを挿入している。このような回路構成とす
ることにより、ＳＱＵＩＤのジョセフソン接合１０１か
ら交流ジョセフソン効果によって発生するジョセフソン
雑音を、このローパスフィルターによりカットし、より
低雑音化するとともに測定精度を向上させることができ
る。
【００４１】（実施例２）本発明による他の実施例を次
に述べる。図９は、交流電流源のコンパレータを用いた
場合の回路図である。実際には、実施例１と同様に図１
に示した構成を有する。ＳＱＵＩＤの出力電圧は抵抗４
００によって電流成分となり、ジョセフソン接合１０
３、および、インダクタンス２０７によって構成される
コンパレータへ、信号電流として注入される。ＳＱＵＩ
Ｄからの信号電流と交流電流源５９からの交流バイアス
によって注入される電流の合計の値が、４つのジョセフ
ソン接合１０３の臨界電流値に依存して決まるコンパレ
ータの最大超電導電流よりも大きい場合はコンパレータ
は電圧状態にスイッチし、小さい場合は超電導状態を保
つことでアナログ電圧をデジタル信号に変換する。本実
施例では、コンパレータの駆動に交流電流源を用いてい
るが、測定終了後にコンパレータをリセットすれば、リ
セットに伴う雑音は測定の精度に影響を及ぼすことはな
い。従って、本発明におけるデジタルＳＱＵＩＤにおい
ても、ＳＱＵＩＤ、および、読み出し回路の駆動を直流
電流源で行うことにより、磁束計を低雑音化することが
できた。
に述べる。図９は、交流電流源のコンパレータを用いた
場合の回路図である。実際には、実施例１と同様に図１
に示した構成を有する。ＳＱＵＩＤの出力電圧は抵抗４
００によって電流成分となり、ジョセフソン接合１０
３、および、インダクタンス２０７によって構成される
コンパレータへ、信号電流として注入される。ＳＱＵＩ
Ｄからの信号電流と交流電流源５９からの交流バイアス
によって注入される電流の合計の値が、４つのジョセフ
ソン接合１０３の臨界電流値に依存して決まるコンパレ
ータの最大超電導電流よりも大きい場合はコンパレータ
は電圧状態にスイッチし、小さい場合は超電導状態を保
つことでアナログ電圧をデジタル信号に変換する。本実
施例では、コンパレータの駆動に交流電流源を用いてい
るが、測定終了後にコンパレータをリセットすれば、リ
セットに伴う雑音は測定の精度に影響を及ぼすことはな
い。従って、本発明におけるデジタルＳＱＵＩＤにおい
ても、ＳＱＵＩＤ、および、読み出し回路の駆動を直流
電流源で行うことにより、磁束計を低雑音化することが
できた。
【００４２】本実施例では、コンパレータは抵抗４００
を介して注入される電流によってスイッチする電流注入
型である。これに加えて、抵抗４００を介して流れる電
流が発生する磁束によってスイッチする磁気結合型のコ
ンパレータを用いても良いことは言うまでもない。この
場合にも、測定終了後にコンパレータをリセットすれ
ば、リセットに伴う雑音は測定の精度に影響を及ぼすこ
とはない。
を介して注入される電流によってスイッチする電流注入
型である。これに加えて、抵抗４００を介して流れる電
流が発生する磁束によってスイッチする磁気結合型のコ
ンパレータを用いても良いことは言うまでもない。この
場合にも、測定終了後にコンパレータをリセットすれ
ば、リセットに伴う雑音は測定の精度に影響を及ぼすこ
とはない。
【００４３】また、図１０に示したように、コンパレー
タが超電導状態から電圧状態にスイッチしたときに発生
する電圧によって、コンパレータからＳＱＵＩＤへ逆に
電流が流れないようにするために、逆流防止手段として
ジョセフソン接合１０４をコンパレータとＳＱＵＩＤの
間に設けても、同様の効果が得られる。この場合には、
コンパレータから逆流した電流によって、ＳＱＵＩＤと
磁気結合している帰還手段へ不要な雑音が伝わり正常な
帰還動作ができなくなることを防止する効果がある。
タが超電導状態から電圧状態にスイッチしたときに発生
する電圧によって、コンパレータからＳＱＵＩＤへ逆に
電流が流れないようにするために、逆流防止手段として
ジョセフソン接合１０４をコンパレータとＳＱＵＩＤの
間に設けても、同様の効果が得られる。この場合には、
コンパレータから逆流した電流によって、ＳＱＵＩＤと
磁気結合している帰還手段へ不要な雑音が伝わり正常な
帰還動作ができなくなることを防止する効果がある。
【００４４】（実施例３）本発明による他の実施例を次
に述べる。図１１は本発明の他の実施例を示す原理構成
図である。本実施例では直流電流源駆動のＳＱＵＩＤ１
１がコンパレータの役割を兼ねており、ＳＱＵＩＤから
直接デジタル出力を得られるようにしたものである。本
実施例におけるＳＱＵＩＤにおいては、図１２（ａ）中
のＡ点として示したごとくに、ＳＱＵＩＤの臨界電流値
よりもわずかに小さな値の電流をＳＱＵＩＤのバイアス
電流として流す。従って、ＳＱＵＩＤに磁束が入力され
れば、図１２（ａ）中のＡ点で示した超電導状態からＢ
点で示した電圧状態に遷移する。バイアス電流の値を小
さくすれば、それだけ大きな磁束信号の変化がないと遷
移が起こらなくなり、これによって磁束信号の大きさを
弁別できる。電圧の有無を論理の１と０に対応させるこ
とでデジタル信号に変換することができる。
に述べる。図１１は本発明の他の実施例を示す原理構成
図である。本実施例では直流電流源駆動のＳＱＵＩＤ１
１がコンパレータの役割を兼ねており、ＳＱＵＩＤから
直接デジタル出力を得られるようにしたものである。本
実施例におけるＳＱＵＩＤにおいては、図１２（ａ）中
のＡ点として示したごとくに、ＳＱＵＩＤの臨界電流値
よりもわずかに小さな値の電流をＳＱＵＩＤのバイアス
電流として流す。従って、ＳＱＵＩＤに磁束が入力され
れば、図１２（ａ）中のＡ点で示した超電導状態からＢ
点で示した電圧状態に遷移する。バイアス電流の値を小
さくすれば、それだけ大きな磁束信号の変化がないと遷
移が起こらなくなり、これによって磁束信号の大きさを
弁別できる。電圧の有無を論理の１と０に対応させるこ
とでデジタル信号に変換することができる。
【００４５】本実施例においては帰還手段として超電導
コイルを用いた帰還手段４１を用いた。この超電導コイ
ルはＳＱＵＩＤ１１と磁気的に結合している。読み出し
回路３から出力された帰還量に相当するデジタル信号１
４００に従って、デジタルアナログコンバータ６から電
流信号が超電導コイルへ送られる。超電導コイルの発生
する磁束がＳＱＵＩＤ１１に結合して、帰還信号１２０
０がＳＱＵＩＤ１に伝わる。図１２（ｂ）はデジタルア
ナログコンバータ６の回路図である。このデジタルアナ
ログコンバータ６は、ＳＱＵＩＤ１１、読み出し回路３
と同様に直流電流源によって駆動することができる。こ
のため、雑音を減らして本発明の目的を達成することが
できた。
コイルを用いた帰還手段４１を用いた。この超電導コイ
ルはＳＱＵＩＤ１１と磁気的に結合している。読み出し
回路３から出力された帰還量に相当するデジタル信号１
４００に従って、デジタルアナログコンバータ６から電
流信号が超電導コイルへ送られる。超電導コイルの発生
する磁束がＳＱＵＩＤ１１に結合して、帰還信号１２０
０がＳＱＵＩＤ１に伝わる。図１２（ｂ）はデジタルア
ナログコンバータ６の回路図である。このデジタルアナ
ログコンバータ６は、ＳＱＵＩＤ１１、読み出し回路３
と同様に直流電流源によって駆動することができる。こ
のため、雑音を減らして本発明の目的を達成することが
できた。
【００４６】（実施例４）本発明の他の実施例を示す原
理構成図を図１３に示す。図１３においてはＳＱＵＩＤ
１２からコンパレータ２１への磁束の入力にインダクタ
ンスを用いた磁気結合９００を用いている。図１４はＳ
ＱＵＩＤの出力をデジタル信号に変換する手段として２
ビットのアナログデジタルコンバータを用いた場合の回
路図を示している。ＳＱＵＩＤ１２に生じた電圧をラダ
ー抵抗４０９を用いて電流に変換し、そのなかの電流成
分が２つのコンパレータ２１にそれぞれ入力されること
によって、全体で２ビットのアナログデジタルコンバー
タを形成している。ＳＱＵＩＤの抵抗４０８は、ラダー
抵抗４０９の合成抵抗に等しい値を挿入する。
理構成図を図１３に示す。図１３においてはＳＱＵＩＤ
１２からコンパレータ２１への磁束の入力にインダクタ
ンスを用いた磁気結合９００を用いている。図１４はＳ
ＱＵＩＤの出力をデジタル信号に変換する手段として２
ビットのアナログデジタルコンバータを用いた場合の回
路図を示している。ＳＱＵＩＤ１２に生じた電圧をラダ
ー抵抗４０９を用いて電流に変換し、そのなかの電流成
分が２つのコンパレータ２１にそれぞれ入力されること
によって、全体で２ビットのアナログデジタルコンバー
タを形成している。ＳＱＵＩＤの抵抗４０８は、ラダー
抵抗４０９の合成抵抗に等しい値を挿入する。
【００４７】本実施例の場合もＳＱＵＩＤ、アナログデ
ジタルコンバータ、および、読み出し回路は、ともに直
流電流源駆動であるため、クロストークやグランド電位
の変動を防ぐことができ低雑音化することができた。本
実施例においても、超電導コイルを用いた帰還手段４１
とデジタルアナログコンバータ６の構成は実施例３と同
様でよい。本実施例においても、雑音を減らして本発明
の目的を達成することができた。
ジタルコンバータ、および、読み出し回路は、ともに直
流電流源駆動であるため、クロストークやグランド電位
の変動を防ぐことができ低雑音化することができた。本
実施例においても、超電導コイルを用いた帰還手段４１
とデジタルアナログコンバータ６の構成は実施例３と同
様でよい。本実施例においても、雑音を減らして本発明
の目的を達成することができた。
【００４８】（実施例５）図１５は、本発明のデジタル
ＳＱＵＩＤ磁束計を複数個有するデジタルＳＱＵＩＤ磁
束計システムにおいて、読み出し回路として直流電流源
駆動のマルチプレクサを用いて構成した場合の原理構成
図である。各々のＳＱＵＩＤ１２に対して、１つのコン
パレータ２１が対応している。各コンパレータからのデ
ジタル信号はマルチプレクサ８によって順次切り変えら
れシリアルデータに変換される。この部分では信号配線
の数を１対に減らすことができるので、ＳＱＵＩＤが動
作する極低温環境から室温への信号伝送に、シリアル信
号に変換されたデータを使用することは、熱の侵入を防
いで冷凍機の負担を軽減できる効果がある。伝送された
シリアル信号は、デマルチプレクサ９によって、パラレ
ル信号に戻され、それぞれ出力処理、表示回路へとデー
タが転送される。一方、ＳＱＵＩＤへの帰還信号はメモ
リ７に蓄えられる。このメモリ７は各コンパレータから
出力された信号の大きさをＳＱＵＩＤ１ないしＳＱＵＩ
Ｄ ｎに対応づけて記憶するものである。メモリ７に蓄
えられた信号の大きさをもとに、超電導ループを用いた
帰還手段４２を経てデマルチプレクサ９を介して各ＳＱ
ＵＩＤに帰還される。
ＳＱＵＩＤ磁束計を複数個有するデジタルＳＱＵＩＤ磁
束計システムにおいて、読み出し回路として直流電流源
駆動のマルチプレクサを用いて構成した場合の原理構成
図である。各々のＳＱＵＩＤ１２に対して、１つのコン
パレータ２１が対応している。各コンパレータからのデ
ジタル信号はマルチプレクサ８によって順次切り変えら
れシリアルデータに変換される。この部分では信号配線
の数を１対に減らすことができるので、ＳＱＵＩＤが動
作する極低温環境から室温への信号伝送に、シリアル信
号に変換されたデータを使用することは、熱の侵入を防
いで冷凍機の負担を軽減できる効果がある。伝送された
シリアル信号は、デマルチプレクサ９によって、パラレ
ル信号に戻され、それぞれ出力処理、表示回路へとデー
タが転送される。一方、ＳＱＵＩＤへの帰還信号はメモ
リ７に蓄えられる。このメモリ７は各コンパレータから
出力された信号の大きさをＳＱＵＩＤ１ないしＳＱＵＩ
Ｄ ｎに対応づけて記憶するものである。メモリ７に蓄
えられた信号の大きさをもとに、超電導ループを用いた
帰還手段４２を経てデマルチプレクサ９を介して各ＳＱ
ＵＩＤに帰還される。
【００４９】この超電導ループは、ジョセフソン接合素
子、もしくは、ジョセフソン量子干渉計を含んで構成さ
れている。メモリ７からの出力信号によってこの超電導
ループに磁束を蓄え、この磁束をＳＱＵＩＤ１ないしＳ
ＱＵＩＤ ｎに結合させることにより帰還による制御を
行う。デマルチプレクサ９はジョセフソン量子干渉計を
複数個並べることによって構成されるスイッチで、ジョ
セフソン量子干渉計の最大超電導電流を制御することに
より所望のＳＱＵＩＤのみに帰還を行うように帰還手段
４２からの信号を切り変えることができた。
子、もしくは、ジョセフソン量子干渉計を含んで構成さ
れている。メモリ７からの出力信号によってこの超電導
ループに磁束を蓄え、この磁束をＳＱＵＩＤ１ないしＳ
ＱＵＩＤ ｎに結合させることにより帰還による制御を
行う。デマルチプレクサ９はジョセフソン量子干渉計を
複数個並べることによって構成されるスイッチで、ジョ
セフソン量子干渉計の最大超電導電流を制御することに
より所望のＳＱＵＩＤのみに帰還を行うように帰還手段
４２からの信号を切り変えることができた。
【００５０】図１６に、本実施例に関し２チャンネルの
デジタルＳＱＵＩＤ磁束計システムに相当するＳＱＵＩ
Ｄ１、コンパレータ２およびマルチプレクサ８の回路図
を示す。本回路においては、すべて直流電流源駆動にな
っている。さらに図に示されていないが読み出し回路も
直流電流源駆動のジョセフソン論理回路により構成され
ている。ＳＱＵＩＤ１からの出力信号は、コンパレータ
２によってデジタル信号に変換され、ジョセフソン量子
干渉計１５２を４個用いて構成されたフリップ・フロッ
プ型のマルチプレクサ８に入力される。マルチプレクサ
８は、直流電流源５７により駆動され、選択信号５５に
より、信号入力用の配線６００と６０１を介して入力さ
れる２つの入力データのどちらか一方の信号を出力する
ことができる。信号５６は読み出し回路のリセット手段
である。本実施例のごとく、ＳＱＵＩＤ、コンパレー
タ、読み出し回路などの全ての回路を直流電流源駆動に
した場合は、グランド電位の変動や配線間のクロストー
クなども防ぐことができ、かつ、コンパレータのリセッ
トに伴う雑音の発生を防ぐことができるため、ＳＱＵＩ
Ｄ磁束計の低雑音化および広帯域化を図ることができ
る。
デジタルＳＱＵＩＤ磁束計システムに相当するＳＱＵＩ
Ｄ１、コンパレータ２およびマルチプレクサ８の回路図
を示す。本回路においては、すべて直流電流源駆動にな
っている。さらに図に示されていないが読み出し回路も
直流電流源駆動のジョセフソン論理回路により構成され
ている。ＳＱＵＩＤ１からの出力信号は、コンパレータ
２によってデジタル信号に変換され、ジョセフソン量子
干渉計１５２を４個用いて構成されたフリップ・フロッ
プ型のマルチプレクサ８に入力される。マルチプレクサ
８は、直流電流源５７により駆動され、選択信号５５に
より、信号入力用の配線６００と６０１を介して入力さ
れる２つの入力データのどちらか一方の信号を出力する
ことができる。信号５６は読み出し回路のリセット手段
である。本実施例のごとく、ＳＱＵＩＤ、コンパレー
タ、読み出し回路などの全ての回路を直流電流源駆動に
した場合は、グランド電位の変動や配線間のクロストー
クなども防ぐことができ、かつ、コンパレータのリセッ
トに伴う雑音の発生を防ぐことができるため、ＳＱＵＩ
Ｄ磁束計の低雑音化および広帯域化を図ることができ
る。
【００５１】以上の実施例においては、図４の破線内に
示したフリップ・フロップ型の直流電流源で駆動するジ
ョセフソン回路を用いた場合について述べたが、これに
加えて図５、図６の破線内に示したジョセフソン回路を
用いても、同様の効果が得られることは言うまでもな
い。
示したフリップ・フロップ型の直流電流源で駆動するジ
ョセフソン回路を用いた場合について述べたが、これに
加えて図５、図６の破線内に示したジョセフソン回路を
用いても、同様の効果が得られることは言うまでもな
い。
【００５２】また、２チャンネル以上の計測システムを
構成する場合は、マルチプレクサを必要に応じた段数組
み上げれば良い。このような２チャンネル以上の計測シ
ステムの構成例として、図１７に本発明によるデジタル
ＳＱＵＩＤ計測システムの構成を示す。この例では脳か
ら発生する磁束３００８の計測を行っている。液体ヘリ
ウム３００７を入れた樹脂によって構成した断熱容器３
００２の中に、検出コイル３００１、デジタルＳＱＵＩ
Ｄチップ３０００を設ける。デジタルＳＱＵＩＤチップ
３０００には図には示されていないがＳＱＵＩＤ、コン
パレータおよび読みだし回路がモノリシックに、複数チ
ャンネル分、集積化されている。この場合も信号が全て
デジタルで蓄積できるうえに、測定感度に優れているの
で、脳からの信号を高い精度で検出できる効果がある。
構成する場合は、マルチプレクサを必要に応じた段数組
み上げれば良い。このような２チャンネル以上の計測シ
ステムの構成例として、図１７に本発明によるデジタル
ＳＱＵＩＤ計測システムの構成を示す。この例では脳か
ら発生する磁束３００８の計測を行っている。液体ヘリ
ウム３００７を入れた樹脂によって構成した断熱容器３
００２の中に、検出コイル３００１、デジタルＳＱＵＩ
Ｄチップ３０００を設ける。デジタルＳＱＵＩＤチップ
３０００には図には示されていないがＳＱＵＩＤ、コン
パレータおよび読みだし回路がモノリシックに、複数チ
ャンネル分、集積化されている。この場合も信号が全て
デジタルで蓄積できるうえに、測定感度に優れているの
で、脳からの信号を高い精度で検出できる効果がある。
【００５３】（実施例６）図１８は微弱な磁気を帯びた
試料の磁気の分布を測定するための装置であるＳＱＵＩ
Ｄ顕微鏡の構成を示している。液体ヘリウム３００７を
入れた樹脂によって構成した断熱容器３００２の中に、
検出コイル３００１、デジタルＳＱＵＩＤチップ３００
０を設ける。デジタルＳＱＵＩＤチップ３０００には図
には示されていないがＳＱＵＩＤ、コンパレータおよび
読みだし回路がモノリシックに集積化されている。分布
を持って磁化した試料３００５はやはり樹脂製の可動台
３００６の上に置かれている。可動台３００６は平面内
で２次元的に動く。
試料の磁気の分布を測定するための装置であるＳＱＵＩ
Ｄ顕微鏡の構成を示している。液体ヘリウム３００７を
入れた樹脂によって構成した断熱容器３００２の中に、
検出コイル３００１、デジタルＳＱＵＩＤチップ３００
０を設ける。デジタルＳＱＵＩＤチップ３０００には図
には示されていないがＳＱＵＩＤ、コンパレータおよび
読みだし回路がモノリシックに集積化されている。分布
を持って磁化した試料３００５はやはり樹脂製の可動台
３００６の上に置かれている。可動台３００６は平面内
で２次元的に動く。
【００５４】可動台３００６を小きざみに移動しなが
ら、試料３００５からの磁束を測定する。室温に置いた
中継回路３００３に、デジタルＳＱＵＩＤチップ３００
０からのデジタル信号を蓄積し、表示装置３００４に画
像として表示する。これによって試料３００５の２次元
的な磁束の分布を測定することができる。本実施例で
は、可動台３００６は断熱容器３００２の底面に近接し
て設けたが、断熱容器３００２の内部に設けても良いこ
とは言うまでもない。本実施例のデジタルＳＱＵＩＤ計
測システムは例えば、材料の非破壊検査に用いることが
できるが、この場合も信号が全てデジタルで蓄積できる
うえに、測定感度に優れているので、材料の亀裂や腐食
等の欠陥を高い精度で検出できる効果がある。
ら、試料３００５からの磁束を測定する。室温に置いた
中継回路３００３に、デジタルＳＱＵＩＤチップ３００
０からのデジタル信号を蓄積し、表示装置３００４に画
像として表示する。これによって試料３００５の２次元
的な磁束の分布を測定することができる。本実施例で
は、可動台３００６は断熱容器３００２の底面に近接し
て設けたが、断熱容器３００２の内部に設けても良いこ
とは言うまでもない。本実施例のデジタルＳＱＵＩＤ計
測システムは例えば、材料の非破壊検査に用いることが
できるが、この場合も信号が全てデジタルで蓄積できる
うえに、測定感度に優れているので、材料の亀裂や腐食
等の欠陥を高い精度で検出できる効果がある。
【００５５】（実施例７）図１９は本発明の別の実施例
におけるデジタルＳＱＵＩＤ計測システムの構成を示
す。ここでは断熱容器３００２の壁面の一部に石英ガラ
スでできた窓３０１０を設けここから入射する高周波電
磁界信号３０１１をアンテナ３０１２で受信し、その信
号をデジタルスクイド３０００チップに導いている。デ
ジタルＳＱＵＩＤチップ３０００には図には示されてい
ないがＳＱＵＩＤ、コンパレータおよび読みだし回路が
モノリシックに集積化されている。室温に置いた中継回
路３００３に、デジタルＳＱＵＩＤチップ３０００から
のデジタル信号を蓄積し、表示装置３００４に表示す
る。これによって高周波電磁界信号３０１１を高感度に
検出することができる。本実施例のデジタルＳＱＵＩＤ
計測システムは例えば、高周波微弱信号の検出に用いる
ことができる。この場合も信号が全てデジタルで蓄積で
きるうえに、測定感度に優れているので、信号を高い精
度で検出できる効果がある。本実施例では、アンテナ３
０１２を用いて信号を受信したが、アンテナ３０１２に
替えてボロメータを用いれば、赤外線領域の信号の微弱
信号の検出を高感度に行うことが可能である。
におけるデジタルＳＱＵＩＤ計測システムの構成を示
す。ここでは断熱容器３００２の壁面の一部に石英ガラ
スでできた窓３０１０を設けここから入射する高周波電
磁界信号３０１１をアンテナ３０１２で受信し、その信
号をデジタルスクイド３０００チップに導いている。デ
ジタルＳＱＵＩＤチップ３０００には図には示されてい
ないがＳＱＵＩＤ、コンパレータおよび読みだし回路が
モノリシックに集積化されている。室温に置いた中継回
路３００３に、デジタルＳＱＵＩＤチップ３０００から
のデジタル信号を蓄積し、表示装置３００４に表示す
る。これによって高周波電磁界信号３０１１を高感度に
検出することができる。本実施例のデジタルＳＱＵＩＤ
計測システムは例えば、高周波微弱信号の検出に用いる
ことができる。この場合も信号が全てデジタルで蓄積で
きるうえに、測定感度に優れているので、信号を高い精
度で検出できる効果がある。本実施例では、アンテナ３
０１２を用いて信号を受信したが、アンテナ３０１２に
替えてボロメータを用いれば、赤外線領域の信号の微弱
信号の検出を高感度に行うことが可能である。
【００５６】
【発明の効果】以上詳述したごとく、直流電流源駆動の
ＳＱＵＩＤと、交流もしくは直流電流源駆動のコンパレ
ータを組み合わせて出力信号をデジタル化し、その信号
を直流電流源駆動の読み出し回路を用いて読みだすよう
にデジタルＳＱＵＩＤを構成することによって、高周波
の反射を原因とした回路の誤動作、クロストークやグラ
ンド電位の変動による雑音の増加を防ぐことができ、低
雑音、かつ、高精度のデジタルＳＱＵＩＤ、および、こ
れを用いた計測システムを提供することができる。
ＳＱＵＩＤと、交流もしくは直流電流源駆動のコンパレ
ータを組み合わせて出力信号をデジタル化し、その信号
を直流電流源駆動の読み出し回路を用いて読みだすよう
にデジタルＳＱＵＩＤを構成することによって、高周波
の反射を原因とした回路の誤動作、クロストークやグラ
ンド電位の変動による雑音の増加を防ぐことができ、低
雑音、かつ、高精度のデジタルＳＱＵＩＤ、および、こ
れを用いた計測システムを提供することができる。
【図１】（ａ）本発明の原理構成図である。 （ｂ）本発明における雑音低減による感度の向上を示す
特性図である。
特性図である。
【図２】ジョセフソン量子干渉計の回路図である。
【図３】ジョセフソン量子干渉計の回路記号図である。
【図４】直流電流源駆動のコンパレータを用いた場合の
回路図である。
回路図である。
【図５】直流電流源駆動のコンパレータの変形例を示す
図である。
図である。
【図６】直流電流源駆動のコンパレータの変形例を示す
図である。
図である。
【図７】直流電流源駆動のレジスタの回路図である。
【図８】ローパスフィルターを有する場合の回路図であ
る。
る。
【図９】交流電流源駆動のコンパレータを用いた場合の
回路図である。
回路図である。
【図１０】逆流防止手段を有する場合の回路図である。
【図１１】本発明の他の実施例を示す原理構成図であ
る。
る。
【図１２】（ａ）図６に示す磁束計のＳＱＵＩＤのバイ
アス方法である。 （ｂ）直流電流源駆動のデジタルアナログコンバータの
回路図である。
アス方法である。 （ｂ）直流電流源駆動のデジタルアナログコンバータの
回路図である。
【図１３】本発明の他の実施例を示す原理構成図であ
る。
る。
【図１４】直流電流源駆動の２ビットのアナログデジタ
ルコンバータを用いた場合の回路図である。
ルコンバータを用いた場合の回路図である。
【図１５】本発明の他の実施例を示す原理構成図であ
る。
る。
【図１６】直流電流源駆動のマルチプレクサを読み出し
回路に用いた場合の回路図である。
回路に用いた場合の回路図である。
【図１７】本発明による脳磁界計測装置の構成図であ
る。
る。
【図１８】本発明によるＳＱＵＩＤ顕微鏡の構成図であ
る。
る。
【図１９】本発明による高周波電磁界検出装置の構成図
である。
である。
【図２０】従来の交流電流源駆動のデジタルＳＱＵＩＤ
の回路図である。
の回路図である。
１，１１，１２…ＳＱＵＩＤ、 ２，２１…コンパレータ、 ３…読み出し回路、 ４…帰還手段、 ４１…超電導コイルを利用した帰還手段、 ４２…超電導ループを利用した帰還手段、 ５，５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７…直流
電流源、 ５９…交流電流源、 ６…デジタルアナログコンバータ、 ７…メモリ、８…マルチプレクサを用いた読み出し回
路、 ９…デマルチプレクサを用いた読み出し回路、 １０，３２０…出力処理回路，表示回路への端子、 １００，１０１，１０２，１０３，１０４，１１０，１
１１…ジョセフソン接合、 ２００，２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２
０６，２０７，２２１，２２２，２２３，２２４…イン
ダクタンス、 ２２０…インプットコイル、 １５０，１５１，１５２…ジョセフソン量子干渉計（Ｊ
Ｉ）、 ３０３，３０４，３０７，３０８…信号入力用の端子、 ３０１，３０２，３０５，３０６…電源電流用の端子、 ３０９…グランド端子、 ３１０…信号出力用の端子、 ４００，４０１，４０２，４０３，４０４，４０５，４
０６，４０７，４０８…抵抗、 ４０９…ラダー抵抗、 ５００…容量、 ６００，６０１…信号入力用の配線、 ７００…ピックアップコイル、 ８００…論理和ゲート、 ８０１…論理積ゲート、 ８１０…切り変え回路、 ９００…磁気結合、 １０００…ＳＱＵＩＤからコンパレータに入力されるア
ナログ信号、 １１００…コンパレータから読み出し回路に入力される
デジタル信号、 １２００…帰還信号、 １３００…ＳＱＵＩＤから読み出し回路に入力されるデ
ジタル信号、 １４００…読み出し回路からデジタルアナログコンバー
タに入力されるデジタル信号、 ２０００，２００１，２００２…ジョセフソン量子干渉
計を用いたコンパレータ、 ３０００…デジタルＳＱＵＩＤチップ、 ３００１…検出コイル、 ３００２…断熱容器、 ３００３…中継回路、 ３００４…表示装置、 ３００５…試料、 ３００６…可動台、 ３００７…液体ヘリウム、 ３００８…脳から発生する磁束、 ３０１０…石英ガラスでできた窓、 ３０１１…高周波電磁界信号、 ３０１２…アンテナ。
電流源、 ５９…交流電流源、 ６…デジタルアナログコンバータ、 ７…メモリ、８…マルチプレクサを用いた読み出し回
路、 ９…デマルチプレクサを用いた読み出し回路、 １０，３２０…出力処理回路，表示回路への端子、 １００，１０１，１０２，１０３，１０４，１１０，１
１１…ジョセフソン接合、 ２００，２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２
０６，２０７，２２１，２２２，２２３，２２４…イン
ダクタンス、 ２２０…インプットコイル、 １５０，１５１，１５２…ジョセフソン量子干渉計（Ｊ
Ｉ）、 ３０３，３０４，３０７，３０８…信号入力用の端子、 ３０１，３０２，３０５，３０６…電源電流用の端子、 ３０９…グランド端子、 ３１０…信号出力用の端子、 ４００，４０１，４０２，４０３，４０４，４０５，４
０６，４０７，４０８…抵抗、 ４０９…ラダー抵抗、 ５００…容量、 ６００，６０１…信号入力用の配線、 ７００…ピックアップコイル、 ８００…論理和ゲート、 ８０１…論理積ゲート、 ８１０…切り変え回路、 ９００…磁気結合、 １０００…ＳＱＵＩＤからコンパレータに入力されるア
ナログ信号、 １１００…コンパレータから読み出し回路に入力される
デジタル信号、 １２００…帰還信号、 １３００…ＳＱＵＩＤから読み出し回路に入力されるデ
ジタル信号、 １４００…読み出し回路からデジタルアナログコンバー
タに入力されるデジタル信号、 ２０００，２００１，２００２…ジョセフソン量子干渉
計を用いたコンパレータ、 ３０００…デジタルＳＱＵＩＤチップ、 ３００１…検出コイル、 ３００２…断熱容器、 ３００３…中継回路、 ３００４…表示装置、 ３００５…試料、 ３００６…可動台、 ３００７…液体ヘリウム、 ３００８…脳から発生する磁束、 ３０１０…石英ガラスでできた窓、 ３０１１…高周波電磁界信号、 ３０１２…アンテナ。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−312929（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−332886（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−140681（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−132980（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−298878（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−27281（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−21379（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 33/00 - 33/18 H01L 39/22
Claims (22)
- 【請求項１】２つのジョセフソン接合と前記２つのジョ
セフソン接合を結ぶ超電導リングを含むＳＱＵＩＤと，
ジョセフソン接合を含み前記ＳＱＵＩＤの出力電圧又は
出力電流の大きさを識別するコンパレータと，ジョセフ
ソン接合を含み前記コンパレータの出力を読み出す読み
出し回路とを有し，前記ＳＱＵＩＤ，及び前記読み出し
回路が直流電流源で駆動されるデジタルＳＱＵＩＤを複
数有することを特徴とするデジタルＳＱＵＩＤを用いた
計測システム。 - 【請求項２】請求項１に記載のデジタルＳＱＵＩＤ計測
システムに於いて，前記読み出し回路の出力信号，又は
前記コンパレータの出力信号に対応して，前記ＳＱＵＩ
Ｄへの制御信号を帰還する帰還手段を有することを特徴
とするデジタルＳＱＵＩＤを用いた計測システム。 - 【請求項３】請求項２に記載のデジタルＳＱＵＩＤ計測
システムに於いて，前記デジタルＳＱＵＩＤの前記帰還
手段のうち，前記超電導ループ，又は前記超電導ループ
を除く部分が，少なくとも複数の前記デジタルＳＱＵＩ
Ｄの間で共有されることを特徴とするデジタルＳＱＵＩ
Ｄを用いた計測システム。 - 【請求項４】請求項２又は請求項３に記載のデジタルＳ
ＱＵＩＤ計測システムに於いて，前記デジタルＳＱＵＩ
Ｄの前記帰還手段により前記超電導ループ，又は前記超
電導ループに帰還する帰還量に相当する量を記憶するメ
モリ回路を有することを特徴とするデジタルＳＱＵＩＤ
を用いた計測システム。 - 【請求項５】請求項２から請求項４の何れかに記載のデ
ジタルＳＱＵＩＤ計測システムに於いて，前記帰還手段
は少なくともジョセフソン量子干渉計を使用した，直流
電流源で駆動されるフリップ・フロップ型のジョセフソ
ン回路を含むことを特徴とするデジタルＳＱＵＩＤを用
いた計測システム。 - 【請求項６】請求項５に記載のデジタルＳＱＵＩＤ計測
システムに於いて，前記ジョセフソン回路は，少なくと
も２つの前記ジョセフソン量子干渉計の直列接続体と，
２つの負荷抵抗の直列接続体とを並列に接続し，前記の
２つの直列接続体の中間接点をインダクタンスにより接
続した回路を含み，前記ジョセフソン量子干渉計への信
号入力により，何れか一方の前記ジョセフソン量子干渉
計を電圧状態に，他方の前記ジョセフソン量子干渉計を
超電導状態にすることを特徴とするデジタルＳＱＵＩＤ
計測システム。 - 【請求項７】請求項５に記載のデジタルＳＱＵＩＤ計測
システムに於いて，前記ジョセフソン回路は，２つの前
記ジョセフソン量子干渉計の直列接続体と，前記直列接
続体に接続される定電圧源を具備する回路を含み，前記
ジョセフソン量子干渉計への信号入力により，何れか一
方の前記ジョセフソン量子干渉計を電圧状態に，他方の
前記ジョセフソン量子干渉計を超電導状態にすることを
特徴とするデジタルＳＱＵＩＤ計測システム。 - 【請求項８】請求項５に記載のデジタルＳＱＵＩＤ計測
システムに於いて，前記ジョセフソン回路は，前記ジョ
セフソン量子干渉計とインダクタンスとの直列接続体を
２つ並列に接続して２つの電流経路を具備する回路を含
み，前記ジョセフソン量子干渉計への信号入力により，
電流を前記２つの電流経路の何れか一方に切り換えるこ
とを特徴とするデジタルＳＱＵＩＤ計測システム。 - 【請求項９】請求項２から請求項８の何れかに記載のデ
ジタルＳＱＵＩＤ計測システムに於いて，前記各デジタ
ルＳＱＵＩＤの前記読み出し回路の出力信号をシリアル
データに変換する変換回路を有し，前記帰還手段を経由
し前記ＳＱＵＩＤへ前記制御信号を帰還する時に，前記
シリアルデータをパラレルデータに変換して帰還するこ
とを特徴とするデジタルＳＱＵＩＤを用いた計測システ
ム。 - 【請求項１０】請求項９に記載のデジタルＳＱＵＩＤ計
測システムに於いて，前記変換回路と して，ジョセフソ
ン量子干渉計を使用した，直流電流源で駆動されるフリ
ップ・フロップ型の回路を用いて構成されるマルチプレ
クサを使用することを特徴とするデジタルＳＱＵＩＤを
用いた計測システム。 - 【請求項１１】請求項１０に記載のデジタルＳＱＵＩＤ
計測システムに於いて，前記マルチプレクサは，少なく
とも２つの前記ジョセフソン量子干渉計の直列接続体
と，２つの負荷抵抗の直列接続体とを並列に接続し，前
記の２つの直列接続体の中間接点をインダクタンスによ
り接続した回路を含み，前記ジョセフソン量子干渉計へ
の信号入力により，何れか一方の前記ジョセフソン量子
干渉計を電圧状態に，他方の前記ジョセフソン量子干渉
計を超電導状態にすることを特徴とするデジタルＳＱＵ
ＩＤを用いた計測システム。 - 【請求項１２】請求項１０に記載のデジタルＳＱＵＩＤ
計測システムに於いて，前記マルチプレクサは，２つの
前記ジョセフソン量子干渉計の直列接続体と，前記直列
接続体に接続される定電圧源を具備する回路を含み，前
記ジョセフソン量子干渉計への信号入力により，何れか
一方の前記ジョセフソン量子干渉計を電圧状態に，他方
の前記ジョセフソン量子干渉計を超電導状態にすること
を特徴とするデジタルＳＱＵＩＤを用いた計測システ
ム。 - 【請求項１３】請求項１０に記載のデジタルＳＱＵＩＤ
計測システムに於いて，前記マルチプレクサは，前記ジ
ョセフソン量子干渉計とインダクタンスとの直列接続体
を２つ並列に接続して２つの電流経路を具備する回路を
含み，前記ジョセフソン量子干渉計への信号入力によ
り，電流を前記２つの電流経路の何れか一方に切り換え
ることを特徴とするデジタルＳＱＵＩＤを用いた計測シ
ステム。 - 【請求項１４】請求項１から請求項１３の何れかに記載
のデジタルＳＱＵＩＤ計測システムに於いて，前記ＳＱ
ＵＩＤ及び前記コンパレータのグランドプレーンは１対
１の対応となるように，超電導的に接続されていない別
々の超電導体として配置されることを特徴とするデジタ
ルＳＱＵＩＤを用いた計測システム。 - 【請求項１５】請求項１０から請求項１４の何れかに記
載のデジタルＳＱＵＩＤに於いて，前記ＳＱＵＩＤ，前
記コンパレータ，及び前記マルチプレクサを低温漕内に
配置し，前記各デジタルＳＱＵＩＤから出力されたデー
タを前記マルチプレクサによりシリアルデータに変換し
て，室温側の回路に出力することを特徴とするデジタル
ＳＱＵＩＤを用いた計測システム。 - 【請求項１６】２つのジョセフソン接合と前記２つのジ
ョセフソン接合を結ぶ超電導リングを含むＳＱＵＩＤ
と，前記ＳＱＵＩＤへの磁束の入力手段と，ジョセフソ
ン接合を含み前記ＳＱＵＩＤの出力電圧又は出力電流の
大きさを識別するコンパレータと，ジョセフソン接合を
含み前記磁束又は前記コンパレータの出力を読み出す読
み出し回路とを有し，前記ＳＱＵＩＤ，及び前記読み出
し回路が直流電流源で駆動されることを特徴とするデジ
タルＳＱＵＩＤを用いた計測システム。 - 【請求項１７】２つのジョセフソン接合と前記２つのジ
ョセフソン接合を結ぶ超電導リングを含むＳＱＵＩＤ
と，前記ＳＱＵＩＤへの磁束の入力手段と，ジョセフソ
ン接合を含み前記ＳＱＵＩＤの出力電圧又は出力電流の
大きさを識別するコンパレータと，ジョセフソン接合を
含み前記磁束又は前記コンパレータの出力を読み出す読
み出し回路と，前記読み出し回路の出力信号，又は前記
コンパレータの出力信号に対応して，前記ＳＱＵＩＤへ
の制御信号を帰還する帰還手段とを有し，前記ＳＱＵＩ
Ｄ，前記入力手段，前記コンパレータ，前記読み出し回
路，及び前記帰還手段が同一のチップに集積化され，前
記ＳＱＵＩＤ，及び前記読み出し回路が直流電流源で駆
動されることを特徴とするデジタルＳＱＵＩＤ。 - 【請求項１８】２つのジョセフソン接合と前記２つのジ
ョセフソン接合を結ぶ超電導リングを含むＳＱＵＩＤ
と，前記ＳＱＵＩＤへの磁束の入力手段と，ジョセフソ
ン接合を含み前記ＳＱＵＩＤの出力電圧又は出力電流の
大きさを識別するコンパレータと，ジョセフソン接合を
含み前記磁束又は前記コンパレータの出力を読み出す読
み出し回路とを有し，前記読み出し回路は，電流の流れ
る複数の電流経路の切り換 えにより動作するフリップ・
フロップ型の論理回路を用いて構成され，グランドに流
れ込む電流が一定量であることを特徴とするデジタルＳ
ＱＵＩＤ。 - 【請求項１９】２つのジョセフソン接合と前記２つのジ
ョセフソン接合を結ぶ超電導リングを含むＳＱＵＩＤ
と，前記ＳＱＵＩＤへの磁束の入力手段と，ジョセフソ
ン接合を含み前記ＳＱＵＩＤの出力電圧又は出力電流の
大きさを識別するコンパレータと，ジョセフソン接合を
含み前記磁束又は前記コンパレータの出力を読み出す読
み出し回路とを有し，デジタル信号を入力しデジタル信
号を出力する回路，及び，アナログ信号を入力しアナロ
グ信号を出力する回路は，直流電流源で駆動されること
を特徴とするデジタルＳＱＵＩＤ。 - 【請求項２０】２つのジョセフソン接合と前記２つのジ
ョセフソン接合を結ぶ超電導リングを含むＳＱＵＩＤ
と，ジョセフソン接合を含み前記ＳＱＵＩＤの出力電圧
又は出力電流の大きさを識別するコンパレータと，ジョ
セフソン接合を含み前記コンパレータの出力を読み出す
読み出し回路と有し，前記ＳＱＵＩＤ，及び前記読み出
し回路が直流電流源で駆動されることを特徴とするデジ
タルＳＱＵＩＤ。 - 【請求項２１】請求項２０に記載のデジタルＳＱＵＩＤ
に於いて，前記ＳＱＵＩＤへの磁束の入力手段を有する
ことを特徴とするデジタルＳＱＵＩＤ。 - 【請求項２２】請求項２０又は請求項２１に記載のデジ
タルＳＱＵＩＤに於いて，前記読み出し回路の出力信
号，又は前記コンパレータの出力信号に対応して，前記
ＳＱＵＩＤへの制御信号を帰還する帰還手段を有するこ
とを特徴とするデジタルＳＱＵＩＤ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31940393A JP3144973B2 (ja) | 1993-12-20 | 1993-12-20 | デジタルｓｑｕｉｄおよびこれを用いた計測システム |
| US08/356,495 US5646526A (en) | 1993-12-20 | 1994-12-15 | Josephson signal detector, measurement device using the same, and method of use |
| EP94309494A EP0660126A3 (en) | 1993-12-20 | 1994-12-19 | Josephson signal detector. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31940393A JP3144973B2 (ja) | 1993-12-20 | 1993-12-20 | デジタルｓｑｕｉｄおよびこれを用いた計測システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07174834A JPH07174834A (ja) | 1995-07-14 |
| JP3144973B2 true JP3144973B2 (ja) | 2001-03-12 |
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ID=18109801
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31940393A Expired - Fee Related JP3144973B2 (ja) | 1993-12-20 | 1993-12-20 | デジタルｓｑｕｉｄおよびこれを用いた計測システム |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3144973B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020005190A1 (en) * | 2018-06-28 | 2020-01-02 | Tobb Ekonomi Ve Teknoloji Universitesi | An integrated digital squid circuit |
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|---|---|---|---|---|
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| FR3021118B1 (fr) * | 2014-05-13 | 2018-03-16 | Thales | Composant supraconducteur, amplificateur associe |
| CN113267741B (zh) * | 2021-05-18 | 2022-06-21 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种squid测试组件串扰的标定、消除方法及系统 |
-
1993
- 1993-12-20 JP JP31940393A patent/JP3144973B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020005190A1 (en) * | 2018-06-28 | 2020-01-02 | Tobb Ekonomi Ve Teknoloji Universitesi | An integrated digital squid circuit |
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|---|---|
| JPH07174834A (ja) | 1995-07-14 |
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