JPH0828537B2

JPH0828537B2 - 超電導インダクタ

Info

Publication number: JPH0828537B2
Application number: JP62258606A
Authority: JP
Inventors: 豊原田; 英一後藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-10-14
Filing date: 1987-10-14
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2011-03-21
Also published as: JPH01100980A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は極低温下で動作する超電導回路に係わり、特
に自己インダクタンスまたは相互インダクタンスを形成
する配線下のグランドプレーンに開口が設けられている
超電導インダクタの構造に関する。

（従来の技術）極低温で動作する超電導回路は、極めて少ない電力で
高速動作を行うため、計算機などのスイッチング素子と
して期待される。超電導回路は、ジョセフソン素子、抵
抗、自己インダクタ、相互インダクタから構成される。
本発明はこの超電導回路に用いられる自己インダクタ、
相互インダクタの構造に関するものである。原理的には
自己インダクタンスは超電導配線で、また相互インダク
タンスは磁気結合をした２本の超電導配線で実現され
る。ジョセフソン素子を使った量子干渉回路や量子磁束
パラメトロンは磁束量子Φｏ（2.07×10^-15Wb）を情報
の単位とするため、これらの回路で使うインダクタンス
は数10〜0.1pHと極めて小さな値である。超電導集積回
路では、インダクタンスはグランドプレーンと呼ぶ超電
導膜の上に絶縁層を介して置かれた超電導配線で実現さ
れる。このグランドプレーンは超電導体のマイスナー効
果を応用して、外部からの地磁気、雑音磁気、雑音電磁
波を超電導素子から遮断すること、さらに超電導回路の
バイアス電流を電源に還流させるための接地面としての
役目を持っている。インダクタを実現する超電導配線の
幅、長さは、インダクタンス値、絶縁層の厚さ、グラン
ドプレーンと超電導配線に使った超電導膜の磁場侵入長
により変わる。例えば絶縁層の膜厚が0.2μｍ、鉛また
はニオブをグランドプレーンと超電導配線金属に選んだ
場合、１〜10pHの自己インダクタは幅５〜数10μｍ、長
さ数10μｍ〜数100μｍの超電導配線で実現される。相
互インダクタはグランドプレーンの上に互いに磁気結合
した２本の超電導配線により実現される。通常、磁気結
合を強くするため、２本の超電導配線は絶縁層を介して
積み重ねた構造にする。

回路の高速性能を実現するためジョセフソン接合の大
きさは微細で寸法は１〜５μｍ角または丸である。この
ジョセフソン接合の寸法に比較すると、先に上げたイン
ダクタを実現する超電導配線の寸法は極めて大きい。イ
ンダクタを実現する超電導配線の寸法が大きいと、寄生
静電容量が大きくなって回路速度が低下し、さらに集積
回路の集積度をあげられない欠点がある。グランドプレ
ーン上に構成したインダクタの寸法（超電導配線の寸
法）が大きくなるのは、グランドプレーンと超電導配線
の間の絶縁層の膜厚が薄いため超電導配線に流れる電流
により発生する磁束がこの絶縁層に閉じ込められ、発生
する磁束量が少ないからである。

インダクタをよりコンパクトに構成する方法としてグ
ランドプレーンに開口を設け、この開口に配線を施すイ
ンダクタの構造が提案されている（この開口のことを以
下インダクタの開口ということがある。）。この構造で
あると、超電導配線に流れる電流により発生する磁束は
開口を通るため狭い領域に閉じ込められることが無く、
発生する磁束の量が多い。この為、グランドプレーンに
開口を設け、この開口に超電導配線を施した構造のイン
ダクタは他の構造のインダクタに比べ寸法が小さく出来
る。以下に、このインダクタの構造を第2A図および第2B
図を用いて説明しよう。第2A図は従来のインダクタの構
造例である。このインダクタはグランドプレーン２に設
けた開口１に超電導配線３を渡した構造である。超電導
配線３を流れる電流の発生する磁束は開口１を通るた
め、小さな構造で大きなインダクタンスを実現できる。
第2B図は従来の自己インダクタの他の構造例である。こ
の図では、グランドプレーン２に設けた開口１の上に折
り返した構造の超電導配線３を配置してある。この構造
でも、超電導配線３に流れる電流により発生する磁束
は、開口１を通る。第2A図および第2B図とも、超電導配
線３の上方または下方に第２の超電導配線を配置し、こ
の第２の超電導配線と超電導配線３とを各々１次巻線、
２次巻線とすれば相互インダクタを構成できる。以上説
明したごとく、グランドプレーンに開口を設けた構造の
インダクタはその素子寸法を小さくでき、かつ寄生容量
を小さくできるため高速高集積回路には有利である。

（発明が解決しようとする問題点）一方、この第2A図および第2B図に示す構造のインダク
タは総て超電導体で構成されているため、開口１に磁束
が捕獲される欠点がある。開口１に捕獲される磁束はフ
ラクソイドの量子化法則より磁束量子Φｏ（2.07×10
^-15Wb）の整数倍である。磁束量子素子のように磁束を
信号媒体にしている素子では、この捕獲された磁束が信
号磁束に重畳され正常な動作を妨げる。従って、第2A図
および第2B図に示すインダクタを使う素子では、開口１
に磁束が捕獲されない構造か、捕獲された磁束を排除
（追放）する構造が必要である。磁束が捕獲されるの
は、超電導回路を動作させるために、回路を室温（300
K）から例えば液体ヘリウム温度（4.2K）の極低温に冷
やす過程で、以下のａ）、ｂ）の理由により発生する。

ａ）地球上の地磁気や雑音磁気は例えば数＋μｍ角の開
口に磁束量子を捕獲させるに十分な量である。従って、
地磁気や雑音磁束が上記開口に捕獲される。

ｂ）超電導回路を冷却する過程で、集積回路間や素子間
に生ずる温度差に起因して熱起電力が発生し、超電導体
に電流が流れる。この電流の発生する磁束が上記開口に
捕獲される。

これらの原因による磁束の捕獲を回避するために従来
技術では、主にａ）に関して、超電導回路をパーマロイ
等の強磁性体や超電導体で囲んで地磁気や雑音磁気から
遮断する方法がとられる。この方法により外部からの磁
界を極めて弱いものにすることができ、インダクタの開
口に捕獲される磁束が単位磁束量子程度にすることがで
きる。また、磁気遮蔽と併用して、ａ）、ｂ）に関して
MOATと呼ぶグランドプレーンに設けた溝をインダクタの
近傍に設け、この溝に磁束を捕獲させて、インダクタの
開口には磁束が捕獲されにくい構造が使われている。こ
のMOATは例えば、S.Bermon,T.Gheewala,“MOAT-GUARDED
JOSEPHSONSQUIDS",IEEE Transaction on MAGNETICS,VO
L.MAG-19,No.3,pp.1160-1164、MAY 1983に開示されてい
る。MOATは、MOATに磁束量子が捕獲された時のエネルギ
ーがインダクタの開口に磁束量子が捕獲された時のエネ
ルギーより小さい様な構造をしている。従って、超電導
回路を冷却する過程で磁束量子がインダクタの開口とMO
ATのどちらかに捕獲される場合、磁束はインダクタの開
口よりMOATに捕獲されやすい。このようにして、MOATは
インダクタの開口に磁束が捕獲されるのを回避する。こ
の従来技術はインダクタの近傍に置かれたMOATが磁束量
子を捕獲しやすくしてある構造であるが、実際に捕獲で
きるか否かは確率が支配する現象となる。従って、従来
技術のMOATによる方法では、計算機の様に100万個以上
の素子を使う大きなシステムではすべての素子が磁束を
捕獲しない様にすることは困難である。また、実際にイ
ンダクタに磁束が捕獲された場合には、捕獲された磁束
を追放する手段がない。

本発明の目的は、配線下のグランドプレーンに開口を
設けた形のインダクタにおいて、開口に磁束が捕獲され
にくい構造を提供することにある。また他の目的は、イ
ンダクタの開口に捕獲された磁束を追放する手段を提供
することにある。

（問題点を解決するための手段）上記目的を達成する為に、本発明ではインダクタの開
口とチャネルを介して接続する第２の開口を作成すると
ともに、前記チャネルに磁束の流通を制御する電導体を
設けることにより、前記インダクタの開口に捕獲された
磁束を第２の開口に追放するようにした。

（実施例）以下、本発明を実施例を使って説明する。第１図は本
発明の実施例である。第１図では、グランドプレーン２
に設けたインダクタの開口１とグランドプレーン２に設
けた磁束追放開口10をグランドプレーンを掘ったチャネ
ル11で結んだ構造である。チャネル11には電導体12が橋
渡しされている。電導体12の両端はグランドプレーン２
に接触している。従って、グランドプレーン２及び電導
体12がいずれも超電導状態にあるときは、第１図はグラ
ンドプレーン２に２個の開口、すなわち、インダクタの
開口１と磁束追放開口10が存在するのと同じである。ま
た電導体12が常電導体状態にある時は、第１図はグラン
ドプレーン２にインダクタの開口１と磁束追放開口10が
チャネル11で結ばれた１個の開口が開いていることにな
る。磁気遮蔽を行なえば、外部からの磁界を極めて弱く
する事ができ、グランドプレーンに設けた開口には単位
磁束量子しか捕獲されないか全く捕獲されないかのどち
らかにすることができる。第１図の構成では、電導体12
が超電導状態にある場合、磁束追放開口10に磁束量子が
捕獲される時のエネルギーがインダクタの開口１に磁束
量子が捕獲される時のエネルギーより小さい構造にす
る。次に第１図の構造で、捕獲された単位磁束量子を磁
束追放開口10に追放する方法を説明する。インダクタの
開口１に単位磁束量子が捕獲されたとする。この状態で
電導体12を常電導状態にする。電導体12が常電導状態な
らば、グランドプレーン２に設けられたインダクタの開
口１と磁束追放開口10がチャネル11で結ばれた１個の開
口に単位磁束量子が捕獲された状態となる。グランドプ
レーンは超電導状態にある。この状態で電導体12を超電
導状態にすると、磁束は磁束量子単位で動くから、捕獲
された単位磁束量子はインダクタの開口１か磁束追放開
口10のどちらかに移動する（捕獲される）。単位磁束量
子が捕獲された場合のエネルギーは磁束追放開口10に捕
獲された時の方が少ないから、単位磁束量子は磁束追放
開口10に移動し、その結果インダクタの開口１に捕獲さ
れていた磁束は追放される。

次に、グランドプレーンに設けた開口に単位磁束量子
が捕獲された場合の、エネルギーと開口の構造について
説明しよう。一般に、無限平面に半径ｒの円開口が開い
ている場合のインダクタンスＬは式（１）で現わされ
る。

Ｌ＝2rμ （１）ここでμは透磁率である。この式の導出はM.Hosoya,E.G
oto,T.Soma,“Extrapolated Boundary Element Method
for Three Dimensional Inductance Calculatin",Techn
ical-Report 86-16,Department of Information Scienc
e,Faculty of Science,University of Tokyoに開示され
ている。式（１）を開口の面積Ａを変数にして現わすと
式（２）となる。

式（２）よりインダクタは開口の面積の平方根に比例す
ることが分かる。式（２）は円開口の場合であるが、例
えば四角形の開口にも近似式として使える。インダクタ
ンスＬに量子磁束Φｏ（2.07×10^-15Wb）を捕獲した場
合の捕獲エネルギーＥは式（３）で現わされる。

Ｅ＝Φo₂/2L （３）この式より開口の面積Ａの大きいほうが、エネルギーの
小さいことがわかる。従って、第１図で説明した捕獲磁
束の追放を行なうためには、磁束追放開口10の面積をイ
ンダクタの開口１の面積より大きくしておけばよい。開
口に単位磁束量子を捕獲する時のエネルギーに差をつけ
る方法は、開口の面積を変えることが一つの方法である
が、他に強磁性体の様に透磁率の違う物質を開口に埋め
る方法などが考えられる。いずれにせよ、ふたつの開口
の捕獲エネルギーの小さい方に単位磁束量子は移動す
る。

第１図に示す構造のインダクタを更に具体的に説明す
る。第１図で、グランドプレーン２を構成する電導膜の
超電導状態になる温度は電導体12が超電導状態になる温
度より高いとする。通常、超電導回路を作成するには各
種金属、金属酸化物を使うが、各物質が超電導状態にな
る温度は異なる。例えば、鉛は7K、ニオブは9K、窒化ニ
オブは16K、であり酸化物超電導体は90Kを越えるものが
ある。これらの物資を移転温度を考慮して選択する。こ
の状態で第１図に示すインダクタを冷却すれば、まずグ
ランドプレーン２が超電導状態になる。ここで、グラン
ドプレーン２に囲まれた開口、すなわちインダクタの開
口１と磁束追放開口10がチャネル11で結ばれた１個の開
口に単位磁束量子が捕獲されたとしても、さらに冷却し
て電導体12が超電導状態になれば、捕獲された磁束は磁
束追放開口10に追放され、インダクタの開口１には磁束
は捕獲されない。また、最初の段階でグランドプレーン
２に囲まれた開口、すなわちインダクタの開口１と磁束
追放開口10がチャネル11で結ばれた１個の開口に磁束が
捕獲されない場合は、次の電導体12が超電導状態になっ
てもなんら変化が起きず、インダクタの開口１に磁束が
捕獲されないことは明かである。また、回路動作中に磁
束がインダクタの開口に捕獲された場合も、電導体12だ
けを一時常電導状態になる様温度を上げ、また冷却して
電導体12を超電導体にもどすサイクルをくりかえせば、
インダクタの開口１に捕獲磁束を追放できる。

第３図は複数のインダクタの開口1a、1b、1c、1dを一
個の磁束追放開口10にチャネル11a、11b、11c、11dを介
して接続した構成である。チャネル11a、11b、11c、11d
には電導体12a、12b、12c、12dが橋渡しをしている。第
３図の構成では、インダクタの開口1a、1b、1c、1dに捕
獲された単位磁束量子を磁束追放開口10に追放できる。
この構造であれば、複数のインダクタの開口1a、…,1d
で１個の磁束追放開口10を共有できる。

第４図はインダクタの開口1a、1b、1c、1dをグランド
プレーン２に掘った溝20にチャネル11a、11b、11c、11d
を介して接続し、溝20をグランドプレーン２の端部21を
介して自由空間22に接続した構成である。チャネル11
a、11b、11c、11dには電導体12a、12b、12c、12dが橋渡
しをしている。第４図の構成では、磁束追放開口は自由
空間22に相当している。この構成であれば、インダクタ
の開口1a、1b、1c、1dに捕獲された磁束は自由空間に追
放することができる。

第５図は第４図の変形例である。第５図の例は、第４
図のグランドプレーン２に掘った溝20に電導体12よりさ
らに低い温度で超電導状態になる電導体12′を橋渡しし
た構造である。第５図の構造では、インダクタの開口1
a、1b、1c、1dに捕獲された磁束を溝20、自由空間22と
順次追放することができる。第５図の構造では、第４図
の構造に比べインダクタの開口1a、1b、1c、1dが閉じた
溝20で自由空間22と隔離されているため、自由空間22が
インダクタに与える影響が少ない。

第６図は本発明の他の実施例である。第６図の実施例
は第１図の実施例の電導体12の付近に低抗体15を置き、
抵抗体15に配線16、スイッチ17を介して電流源18より電
流を流す構成である。この構成で、抵抗体15に電流を流
し、発熱させることにより電導体12を常電導状態または
超電導状態のいずれにも制御できる。従って、スイッチ
17を制御することにより第１図で説明した捕獲磁束追放
動作を行なうことができる。第６図の回路では、電導体
12を部分的に加熱して捕獲磁束の追放動作を行なうた
め、第１図の実施例の様に回路、素子全体を加熱して温
度をあげる必要がない。このため、回路動作を確認しな
がら捕獲磁束の追放を実行できる利点がある。

第７図は第６図の実施例で電導体12を加熱するかわ
り、グランドプレーンの一部で構成されたチャネル30を
抵抗体15で加熱する構成である。抵抗体15の発生する熱
量が小さければ、加熱により常電導状態に変化する部分
をチャネル付近に限定することが可能である。従って、
第７図の回路は第６図の回路と同じ動作を行なうことが
できる。

第８図は第１図の電導体12を超電導状態と常電導状態
に制御するために、電導体12にレーザー光のような光40
をあてる方法を示している。この方法でも第６図に示す
回路と同じ動作を行えることは明らかである。

第９図は第６図に示した実施例の応用例である。第９
図の実施例ではインダクタの開口1a、1bが磁束追放開口
100にチャネル11a、11bを介して接続した構造であるさ
らに磁束追放開口100はチャネル11c、グランドプレーン
２の端部21を介して自由空間22に接続されている。チャ
ネル11a、11b、11cには電導体12a、12b、12cが橋渡しを
行い、電導体の近傍には各々抵抗体15a、15b、15cが置
かれ、これら抵抗体には各々配線16a、16b、16c、スイ
ッチ17a、17b、17cを介して電源18a、18b、18cより電流
が供給される。第９図の構成で、抵抗体15a、15b、15c
を加熱して電導体12a、12b、12cを常電導体と超電導体
に制御すれば、インダクタの開口1a、1bに捕獲された磁
束を第５図に示した様に自由空間に追放できることは明
かである。

（発明の効果）以上説明したごとく、本発明によればグランドプレー
ンに開口を設けた形のインダクタに捕獲された磁束を追
放する手段を提供できる。このため、高速かつ低消費電
力で動作する極低温素子、例えば磁束量子素子、量子干
渉素子のインダクタに捕獲される磁束を追放することが
でき、これらの素子を用いて大集積度のシステムを構築
できるようになる。従って、本発明は極低温素子を用い
た超高速の計算機の実現に役立つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の平面図、第2A図及び第2B図は従来のインダクタの構造を示す平面
図、第３図、第４図、第５図、第６図、第７図、第８図およ
び第９図はそれぞれ本発明の第２実施例、第３実施例、
第４実施例、第５実施例、第６実施例、第７実施例、お
よび第８実施例の平面図である。 1,1a,1b,1c,1d……開口、2,2a,2b,2c,2d……グランドプ
レーン、３……超電導配線、10,100……磁束追放開口、
11,11a,11b,11c,11d,30……チャネル、12,12a,12b,12c,
12d,12′……電導体、15,15a,15b,15c……抵抗体、16,1
6a,16b,16c……配線、17,17a,17b,17c……スイッチ、1
8,18a,18b,18c……電流源、20……溝、22……自由空
間、40……光。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭58−40875（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−161884（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−114294（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自己インダクタンスまたは相互インダクタ
ンスを形成する配線下のグランドプレーンに開口が設け
られている超電導インダクタにおいて、ｉ）前記開口にチャネルを介して磁束追放空間が接続し
ており、 ii）前記磁束追放空間に磁束量子が捕獲されるのに要す
るエネルギーが、前記インダクタの開口に磁束量子が捕
獲されるのに要するエネルギーより小さく、 iii）常電導状態から超電導状態に切り替わることによ
り、前記開口に捕獲されている磁束を前記磁束追放空間
に追放する電導体が前記チャネルに橋渡されていること
を特徴とする超電導インダクタ。
【請求項２】前記磁束追放空間が前記グランドプレーン
に設けた開口であることを特徴とする特許請求の範囲
（１）項記載の超電導インダクタ。
【請求項３】前記磁束追放空間が前記グランドプレーン
の外の自由空間であることを特徴とする特許請求の範囲
第（１）項記載の超電導インダクタ。
【請求項４】前記電導体が超電導状態となる温度が前記
グランドプレーンが超電導状態となる温度より低いこと
を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の超電導イ
ンダクタ。
【請求項５】前記磁束追放空間の開口面積が前記インダ
クタの開口の面積よりも大きいことを特徴とする特許請
求の範囲第（２）項記載の超電導インダクタ。
【請求項６】複数の前記インダクタの開口が一個の磁束
追放開口にチャネルを介して接続していることを特徴と
する特許請求の範囲第（２）項記載の超電導インダク
タ。
【請求項７】複数の前記インダクタの開口が前記チャネ
ルを介して、前記グランドプレーンに設けられた溝に一
旦接続し、この溝を介して前記自由空間に接続している
ことを特徴とする特許請求の範囲第（３）項記載の超電
導インダクタ。
【請求項８】前記溝に前記電導体が超電導状態になる温
度より低い温度で超電導状態になる第２の電導体で橋渡
しされていることを特徴とする特許請求の範囲第（７）
項記載の超電導インダクタ。
【請求項９】前記電導体を局部的に加熱する手段が設け
られていることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
記載の超電導インダクタ。
【請求項１０】前記加熱手段が、前記電導体の近傍に設
置された抵抗体およびこの抵抗体に電流を流す手段から
成ることを特徴とする特許請求の範囲第（９）項記載の
超電導インダクタ。
【請求項１１】前記加熱手段が、前記電導体に光をあて
る手段であることを特徴とする特許請求の範囲第（９）
項記載の超電導インダクタ。
【請求項１２】前記チャネルに橋渡しされる電導体が、
グランドプレーン自体により構成されていることを特徴
とする特許請求の範囲第（９）項記載の超電導インダク
タ。
【請求項１３】前記加熱手段が、前記電導体を順次常電
導体状態から超電導状態またはその逆の状態に変化させ
ながら前記インダクタの開口に捕獲された磁束を追放す
る手段であることを特徴とする特許請求の範囲第（９）
項記載の超電導インダクタ。