JP2003177167A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気インピーダンス効果を利用した磁気セン
サの高精度化を図る。 【解決手段】 磁気インピーダンス効果によって外部磁
界を検知する磁気センサにおいて、磁気センサ素子の端
子に生じる逆起電圧ベクトルと所要の基準電圧ベクトル
との差電圧ベクトルを検知して、外部磁場および／また
は極性を測定することを可能とした磁気センサであり、
３端子もしくはブリッジ回路に構成して更に精度を高め
る。特に、外部磁場の変化によって生じる前記逆起電圧
のベクトル軌跡を複素平面上に描き、前記基準電圧ベク
トルは複素平面の原点を始点とした場合、終点がベクト
ル軌跡上の曲率半径を有する円を所要位置に配したとき
の円内にあることを特徴とする磁気センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地磁気レベル以下
の低磁場の測定が可能な磁気センサに係り、特に１０
^−４〜１０^−１０Ｔの外部磁場を高精度に測定できる磁
気インピーダンス効果を利用した磁気センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁性体に表皮効果を生じさせる程
度の高周波電流を通流することによって、外部磁場の大
きさをインピーダンスの変化として検出する磁気センサ
が知られている。例えば、特開平７−１８１２３９号公
報に記載される磁気センサは、磁性線に高周波電流を流
して生じる円周磁束の時間変化に対する逆起電圧が、外
部印加磁界に依存して変動することを利用した磁気イン
ピーダンス効果によるセンサである。また、特開２００
１−２７６６４号公報には磁性膜を短冊状に形成してな
る２個の磁気センサ素子を３端子ブリッジ回路に接続
し、それぞれの磁気センサ素子に逆方向のバアイアス磁
界を与えながら、３端子ブリッジ回路の中点電位の変化
を検出する方法が記載されている。図１２（ａ）および
（ｂ）はその磁気センサの上面図と断面図である。この
センサの動作を簡単に説明する。

【０００３】図１２（ａ）において、磁気センサ９０は
基板９１上に形成された磁気検出コア９２，９３と、絶
縁されたスパイラルコイル９９からなる。磁気検出コア
９２，９３は短冊状の磁性膜で構成され、隣接する端部
が出力電極９６によって接続された３端子ブリッジ回路
である。バイアス電極９７および９８間にバイアス電圧
を印加すると、図１２（ｂ）に示すように磁気検出コア
９２および９３は互いに逆方向の直流磁界Ｈ_biasでバイ
アスされる。駆動電圧印加電極９４と接地電極９５間に
高周波電圧源を印加すると、磁気検出コアの長手方向と
一致する外部磁場Ｈ_extの成分に応じた電圧が、磁気検
出コア９２および９３の各端子間に生じる。各磁気検出
コアの端子間のＨ_extによる電圧変動分は逆位相の関係
にあるため、出力電極９６から得られる電圧は単独の場
合の２倍になり、検出感度を高めている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】さて、従来の磁気セン
サは低磁場の測定に関して感度が十分でなかった。最
近、急速にニーズが増加している生体における磁場検出
では、１０^−８Ｔオーダ以上の高分解能が要求されるよ
うになっている。前述した特開２００１−２７６６４号
公報では、１ｍＶ当り約１０^−６Ｔの出力が得られる旨
の記載があるが、この程度のセンサ感度では要求される
性能を満足できない。

【０００５】一方、磁気センサの高感度化として、「１
０^−１０Ｔ台の磁界検出分解能力を持つ高周波キャリア
型薄膜磁界センサ」（電気学会マグネテック研究会資料
ＭＡＧ−００−１３３ １−６Ｐ）等の論文発表があ
る。この文献では、磁性膜を多層化すると同時に、セン
サ素子の一軸異方性を維持しながらセンサ素子幅を狭小
化する方法が記載されている。また、上記した文献のい
ずれもが磁気センサ素子のインピーダンス変化を電圧変
動に変換する方法である。しかしながら、外部磁場に対
するインピーダンス変化を電圧変動として捉える上述の
センサ検出方法は、センサ自体の熱雑音、アンプのゲイ
ン対周波数特性等によって分解能が制限され、１０^−８
Ｔオーダを超える分解能を得ることは困難であった。

【０００６】一方、センサ出力電圧の振幅変化を検出量
としない例として、特開平８−３２０３６２号公報に開
示される方法は、単一のセンサ素子を用いてそのインピ
ーダンス変動を位相変化として捉えるものである。この
磁気センサ素子は、基板上に形成された導電体層とこの
導電体層の周囲に設けられた磁性体層からなる積層型構
造である。センサ素子の通電電流方向と直交する方向に
磁化容易軸が設定され、さらにセンサ素子の低抵抗化に
より従来素子より２桁低い駆動周波数範囲でも、外部磁
場による磁気センサ素子のインピーダンス変化を位相変
動として検知できる旨が記載されている。駆動電圧の周
波数は０．１〜１０MHzに低減され、駆動周波数が低下
した分だけ製造上の許容度が増すことが考えられる。

【０００７】また、この磁気センサ素子感度はアンプな
しで２７ｍＶ／１０^−４Ｔであることが記載されてお
り、１０^−５Ｔ程度に相当する感度である。この感度は
上記の出力電圧の増幅方法とほぼ同程度であり、この方
法でも目標とする感度が得られていない。加えて、同公
報の図１８および図２１等を参照すると、被検出磁界が
１０^−３Ｔ（１０Ｏｅ）以下の低磁場領域では、位相お
よびインダクタンスが磁界に対して変化しない不感帯を
示すデータが記載されており、明らかに１０^−８Ｔ以下
の測定には不適な方法である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】磁気センサの高感度化の
実現するためには、（１）センサ素子自体の高感度化を
実現してセンサ出力を増大させる方法と、（２）センサ
素子からの微弱な出力を検出回路側の信号処理あるいは
分解能で向上させる方法があるが、本発明は後者に属す
る考えである。また、磁気センサ素子の構成に関係なく
一般的な磁気センサにも応用でき、高感度で優れた特性
を有するものである。

【０００９】従来の磁気センサによる外部磁場測定で
は、インピーダンス変化を単一の磁気センサ素子あるい
は３端子ブリッジ回路の出力電圧の変化分ΔＶとして検
知し、外部磁場と対応させている。即ち、今まで用いら
れてきた磁気センサではセンサ出力の電圧振幅値を検知
量とする方法である。センサの特性上、ΔＶは一般的に
は微小であるために相当のアンプ処理が必要であると共
に、磁気インピーダンス効果を利用する磁気センサは１
００MHz程度以上の高周波信号で動作するため、安定な
動作を得るには高価なアンプの使用と高度な設計技術が
必要不可欠であった。このため、従来の方法を使う外部
磁場測定では、動作域あるいは感度が原理的に制限さ
れ、この限界値を打破することは困難であるとされてき
た。しかしながら、本発明は従来の制限要件が基本的に
全く入らない方法である。以下、本発明の解決手段つい
て詳しく述べる。なお、図面あるいは説明には磁性膜を
用いた磁気センサの例を示すが、軟磁性体の磁性線によ
る場合でも何ら変更することなく本発明の実施ができ、
同一の効果が得られる。

【００１０】図１に本発明の原理を示す。この図は磁気
センサ素子の逆起電圧eのベクトル軌跡を複素平面上に
描いたもので、パラメータは外部磁場Ｈの大きさであ
る。図２（ａ）に示すように抵抗５０Ωと磁気センサ素
子２１の直列回路に高周波電源２３を接続し、外部磁場
Ｈを磁気センサ素子２１の長手方向に印加しながら、磁
気センサ素子２１に生じる逆起電圧Ｅのベクトルを測定
したもので、逆電圧ベクトルの始点を原点に選び、ベク
トルの終点の軌跡を示す。

【００１１】磁気センサ２１は抵抗ＲとリアクタンスＸ
が直列に接続された等価回路として扱うことができ、外
部磁場Ｈに対して図２（ｂ）および（ｃ）のように変化
する。図では１００と５００MHzの場合を示す。高周波
電源２３の周波数が高くなる程、ＲおよびＸのＨに対す
る変化は大きく、センサのＳ／Ｎから考えると高い周波
数の方が好都合であるが、GHzに近い周波数であるため
漂遊容量等の影響が大きく、また高周波の信号処理回路
の構成が難しくなる等で、実用的には１００MHzが適当
と考え、これ以降は１００MHzの場合を中心に説明を進
める。

【００１２】発明の原理に言及する前に、磁気センサが
具備する最低条件についてまず触れることにする。磁気
センサ素子に流れる高周波電流は１００MHzであるため
インピーダンス整合を考慮して、磁気センサ素子は特性
インピーダンスである５０Ω付近に選ぶ必要がある。従
って、磁気センサ素子の構造あるいは大きさ等はこの規
定を満足するように、製造調整するとよい。図２（ａ）
ではこの条件を満たすために、直列抵抗を５０Ωに選択
している。因みに、磁気センサ２１はＣｏ−Ｎｄ−Ｚｒ
のスパッタ膜を使用し、長さ３ｍｍ、幅５０μm、厚さ
３μmに加工したものである。磁性膜の材質としてはパ
ーマロイ等の強磁性膜が好適であるが、表皮効果が得ら
れる強磁性体であるならば本発明の実施には支障をきた
さない。

【００１３】図１にはベクトル軌跡Ａ−Ｂ−Ｃ、逆起電
圧ベクトルＥおよび基準電圧ベクトルＥ_０のそれぞれの
位置関係を模式的に示す。まず、ベクトル軌跡Ａ−Ｂ−
Ｃは外部磁場Ｈを０〜∞に変化させた場合に得られる図
形であり、曲線上にプロットした点はそれぞれ外部磁場
Ｈ＝０，１．５ｘ１０^−４Ｔ（１．５Ｏｅ），３ｘ１０
^−４Ｔ（３Ｏｅ），４．５ｘ１０^−４Ｔ（４．５Ｏ
ｅ），６ｘ１０^−４Ｔ（６Ｏｅ），１５ｘ１０^−４Ｔ
（１５Ｏｅ）および∞に対する逆起電圧ベクトルＥの終
点位置である。なお、バイアス磁界は３ｘ１０^−４Ｔで
ある。図示するようにベクトル軌跡Ａ−Ｂ−ＣはＨ＝０
とＨ＝∞がほぼ一致した閉曲線を形成し、且つ扁平な楕
円状となる。図２（ｂ）および（ｃ）に示すＲとＸのＨ
に対する変化状況を参照すれば明らかなように、Ｒおよ
びＸはＨに対して同じ傾向で変わり、ピーク値を一箇所
有することおよびＨ＝∞で飽和し初期値にほぼ戻ること
を考え合わせると、扁平な楕円状になることは理解され
る。また、外部磁場Ｈを逆転させてもＲおよびＸが軸対
称性を有するため、ベクトル軌跡は図１と同一の結果が
得られる。

【００１４】なお、軌跡曲線上のＢ点はＲおよびＸのピ
ーク値付近に対応する。この時のＨは磁性膜の異方性磁
界Ｈ_ｋで示される物性定数であり、使用材料によって自
ずと決まる値で、図１のＢ点のＨは６ｘ１０^−４Ｔであ
る。本発明はＡからＢ点に至る低磁場領域を対象に説明
するが、原理的には高磁場領域でも可能であり、Ｂから
Ｃ点の任意の点あるいは範囲を動作域とすることができ
る。しかし、ＡからＣを動作域とする場合は２値問題を
解決する必要がある。

【００１５】さて、本発明で重要な点の一つは基準電圧
ベクトルＥ_０の決め方である。図１では、Ａ点とＢ点を
結ぶ線分の中点Ｍを求めた後、原点ＯからＭ点に向かっ
て引いた直線が基準電圧ベクトルＥ_０である。外部磁場
によって変化する量は、図示するようにＥからＥ_０をベ
クトル的に引算した差電圧ベクトルΔＥである。例え
ば、Ｈ＝０からＨ＝６ｘ１０^−４ＴまでＨが変化した場
合、ΔＥは１８０度近く変化して向きが反転する程にな
る。６ｘ１０^−４Ｔの変化で位相が１８０度近く変わ
る。しかし、特開平８−３２０３６２号公報に記載のあ
る方法では、図１に示す逆起電圧Ｅの偏角φを検知する
ため、図面上では精々２０〜３０度程度の位相変化しか
得られない。

【００１６】以上の記述から理解されるように、本発明
のポイントは基準電圧ベクトルＥ_０のとり方である。図
１ではＭ点を外部磁場の最小と最大値の中間点か、もし
くは中間点を通過する垂線上に設ける例を示したが、磁
気センサ素子の逆電圧ベクトル軌跡の形状を考慮して決
めることにすれば、測定範囲あるいは精度等を改善でき
るばかりか、特異な用途に本発明の磁気センサを適用す
る道が拓かれる。基準電圧ベクトルＥ_０の典型的なとり
方のいくつかを図３に示す。

【００１７】まず、基準電圧ベクトルＥ_０１の場合は外
部磁場Ｈの零付近の比較的狭い範囲をカバーする方法
で、Ｍ_１点はＨ＝０に接近してかつ正面に配置した。ベ
クトル軌跡上において、曲率半径を算定してＭ_１を決め
る方法などが考えられる。次にＥ_０２はＨ_ｋ付近を対象
にした場合である。これまでの例は軌跡曲線の内側から
の設定を考えたものであるが、本発明では図示のように
軌跡曲線の外側にのＭ_２点を置いても、前出の例と同様
に発明の効果を奏することができる。さらに、Ｅ _０３で
はベクトルの終点Ｍ_３を軌跡曲線上に設けた場合であ
る。このようにＥ_{０ ３}を決めると、動作原理から容易に
理解されるように差電圧ベクトルΔＥは、Ｍ _３以下に対
応する外部磁場（ここでは１．５ｘ１０^−４Ｔ）には外
部磁場の減少する方向に向いているが、Ｍ_３を超えると
外部磁場の増加方向に向き、これはΔＥの反転を意味す
る。即ち、閾値を設定した磁気スイッチ、リレーあるい
は外部磁場の極性判定等に応用できる。

【００１８】ここで強調しておきたいことは、基準電圧
ベクトルの位相が出力に対して反転させる働きを持つだ
けであり、本質的な問題ではないことである。例えば、
測定したい外部磁界が大きい場合に、正の大きい電圧の
出力とするか、あるいは磁界が低い時に負にするかの問
題である。また、アナログ出力の場合でも同様で、測定
磁界の大きさで出力電圧の極性もしくは零の選択が可能
である。また、磁気センサ素子に使用する軟磁性体は磁
気インピーダンス効果が得られればよく、その効果の大
小には関係ないことは本願の測定原理から明らかであ
る。加えて、磁気センサ素子の検知部の形態として薄膜
もしくは線状が可能であるが、好ましくは薄膜方式の方
が小型化あるいは製造上のメリットを生かせる。

【００１９】（作用）本発明によれば、磁気インピーダ
ンスの外部磁界変化に対する変化分のみを拡大して検出
することができるため、高感度のセンサとして利用でき
るばかりか、微少の磁界変化を捉えてオン−オフ動作を
するリレーとして適用が可能である。さらに、磁性薄膜
等を使用することによってセンサの集積化が可能であ
る。この他に本発明は、地表での磁気の分布から地中の
金属埋設物の位置を特定し、磁性体（鉄あるいは鉄合
金）の混入あるいは移動を検知追跡することや、人体に
固定した複数個の永久磁石片等による磁界の変動から人
あるいは筋肉の動きを知る方法等に応用することが考え
られる。

【００２０】本発明の磁気センサは、軟磁性体からなる
磁性膜もしくは磁性線と、バイアスコイルとを備えた磁
気センサ素子を有し、前記磁気センサ素子に表皮効果を
生じる程度の高周波電流を通じて外部磁場を検出する磁
気センサにおいて、前記磁気センサ素子端子間に生じる
逆起電圧ベクトルと所要の基準電圧ベクトルとの差電圧
ベクトルを検知して、外部磁場および／または極性を測
定することを特徴とする。この磁気センサにおいて、外
部磁場の変化によって生じる前記逆起電圧のベクトル軌
跡を複素平面上に描き、前記基準電圧ベクトルは複素平
面の原点を始点とした場合、終点がベクトル軌跡上の曲
率半径を有する円を所要位置に配したときの円内にある
ことを特徴とする。さらに、前記基準電圧ベクトルの終
点は、前記ベクトル軌跡の一部もしくは全てを包含する
円内にあることを特徴とする。

【００２１】本発明の他の磁気センサは、軟磁性体から
なる磁性膜もしくは磁性線と、バイアスコイルとを備え
た磁気センサ素子を有し、前記磁気センサ素子に表皮効
果を生じる程度の高周波電流を通じて外部磁場を検出す
る磁気センサにおいて、前記磁気センサ素子端子間に生
じる逆起電圧ベクトルと所要の基準電圧ベクトルとの差
電圧ベクトルを検知して、外部磁場および／または極性
を測定するものであり、前記基準電圧ベクトルの終点が
前記逆起電圧のベクトル軌跡上に設定されることを特徴
とする。

【００２２】上記本発明に係るいずれかの構成におい
て、前記磁気センサ素子は３端子もしくはブリッジ回路
の少なくとも一辺として接続され、出力電圧と前記基準
電圧を入力とする位相検出手段を備えることを特徴とす
る。出力電圧は、磁気センサ素子を有する３端子の出力
電圧、もしくは磁気センサ素子を含むブリッジ回路の出
力電圧とすることができる。

【００２３】本発明の他の磁気センサは、軟磁性体から
なる磁性膜もしくは磁性線と、バイアスコイルとを備え
る磁気センサ素子を有し、前記磁気センサ素子に表皮効
果を生じる程度の電流を供給する高周波電源と、前記磁
気センサ素子の出力の処理回路を有する磁気センサにお
いて、前記磁気センサ素子を単独または３端子もしくは
ブリッジの少なくとも一辺として接続し、センサ出力電
圧ベクトルと基準電圧ベクトルとの差電圧ベクトルを検
知して、１０^−４〜１０^−１０Ｔの外部磁場を測定する
ことを特徴とする。さらに、前記外部磁場は０から５０
ｋＨｚ程度までの周波数成分を含むことが望ましい。

【００２４】本発明の他の磁気センサは、磁気センサ素
子を用いて外部磁場を検出する磁気センサにおいて、前
記磁気センサ素子端子間に生じる逆起電圧ベクトルと所
要の基準電圧ベクトルとの位相差を検知して、外部磁場
および／または極性を測定することを特徴とする。さら
に、前記磁気センサ素子は３端子もしくはブリッジ回路
の少なくとも一辺として接続され、前記３端子もしくは
ブリッジ回路の出力電圧と前記基準電圧を入力とする位
相検出手段を備えることが望ましい。

【００２５】

【発明の実施の形態】以上述べた本発明の原理に基づい
た実施例を詳細に説明するが、これら実施例により本発
明が限定されるものではない。これ以降、参照図中の番
号は同一機能を有する部品等で、同じ番号を使用する。
図４は本発明による磁気センサの基本構成を示す回路図
である。図示するように磁気センサは外部磁界を検知す
る検知部２０と基準電圧発生回路４０からなり、それぞ
れの出力は位相比較回路４７に入力される。さらに、位
相比較回路４７の出力は必要に応じてアナログ出力もし
くはデジタル出力に変換する処理回路４９に入力され
る。

【００２６】図４に示す実施例の特徴的な点を述べる
と、（１）検知部２０の出力は差動電圧であること。
（２）基準電圧発生回路４０は減衰器４３および移相器
４５を備え、高周波電源２３’は同期回路４１によって
完全に検知側の高周波電源２３に同期していること。
（３）処理回路４５の出力はアナログだけでなく、Ａ／
Ｄ変換器を用いないデジタル出力でも得られること等で
ある。

【００２７】本発明では、基準電圧ベクトルとセンサの
逆起電圧ベクトルとの位相差を検出するため、従来必要
であった整流回路（検波回路）による小信号領域での非
線形部分を無くすことができ、補正回路の挿入など回路
的な考慮が不要となり、回路の簡略化と共に高感度で磁
界を検知できる。特に、高周波電圧を直接整流する従来
方式では、キャリア周波数の基本波成分の脈動電圧が大
きく、また微小信号同士の処理のため高いＳ／Ｎを得る
ことは非常に難しかった。しかし、本発明はセンサ出力
を回路処理できる程度に増幅すればよく、振幅値による
精度の低下は原理的に発生しない。したがって、小信号
で雑音の混入し易い部分がないことから、安定な測定が
可能となる。通常、高周波で直線性よく増幅するには、
高度の電子回路技術を必要とするが、本発明における高
周波増幅は位相に着目しているため、回路および素子の
線形性に特段の注意を払うことなく容易に実施できる。
また、増幅された信号は大振幅となるため、雑音の混入
が少ない。

【００２８】次に、本発明における被測定磁界の検出分
解能について説明する。検出限界を決める因子は、磁気
センサ素子を構成している磁性膜の熱雑音、増幅器の熱
雑音、バイアスコイルの直流電源から伝播してくる雑音
電流および高周波発振器の雑音等である。しかし、検出
信号に関しては高周波域での差動出力をとるため、上記
の雑音の影響は充分小さくできる。また、バイアスコイ
ル電源の雑音は注意深く設定したローパスフィルタ等の
使用によって、交流成分を充分減衰させた直流電流が得
られるため、無視できる程度に小さくすることができ
る。また、高周波発振器による雑音分は、検知部２０で
差動演算されるため誤差の大部分が相殺され、その影響
は極小化される。

【００２９】一方、増幅器の発生する雑音は近年の通信
機用半導体や衛星放送の目覚しい進展により、安価で高
性能の集積回路を利用できるため全く問題なく低雑音化
が可能である。磁気センサ素子の抵抗としての熱雑音で
制限される１０^−１０Ｔ／Ｈｚ^１／２が、測定限界であ
る。この値は１Hz当り１０^−１０Ｔの分解能を意味し、
周波数帯域が広くなるに伴って分解能は低下する。さら
に、図４に示すように磁界成分を電圧振幅でなく位相変
化を検出信号としているため、アナログ信号電圧に変換
できることは当然であるが、時間軸に乗った信号出力と
して直接デジタル信号を得ることも可能である。

【００３０】一例として、デジタル信号の発生方法を説
明する。基準電圧と磁気センサ素子からの検出電圧を増
幅して波形整形回路に入力し、矩形波に整形した後、排
他論理和をとる。この排他論理和の出力は、両入力の位
相差に比例したパルス幅を持つパルス列が得られる。ク
ロックパルスをこのパルス列でゲート制御することによ
って、パルス幅即ち位相差に比例したクロックパルス数
が得られる。このパルス数をカウンタで計数することに
よってアナログ電圧を直接デジタル値に変換することが
できる。センサに加える周波数より高い周波数のパルス
を計数することは一般的でないため、通常高周波信号電
圧と比較信号の両者を別置の共通の局部発振器出力を用
いた。周波数変換器を使用して、低い周波数に変換して
精度を高める方法が用いられる。上記した波形例を図１
１（ａ）に示す。同図（ｂ）にアナログ電圧を得る方法
の一例を示した。基準電圧および検知電圧を波形整形し
た後、排他論理和をとる。この波形を平滑することによ
って、位相差０度で０Ｖ、位相差１８０度で電源電圧
（５Ｖ）が得られる。

【００３１】図５は第２の実施例における磁気センサの
構成平面図と付属部品との接続を示す概念図である。磁
気センサ素子２１−１および２１−２は図に示すように
３端子ブリッジ結合され、トランス１９の二次コイルに
接続される。トランス１９の二次コイルは中点が接地さ
れているため、１８０度位相が異なる高周波電流が流れ
ることになる。また、磁気センサ素子２１−１および２
１−２は絶縁シート１５−１および１５−２を介してバ
イアスコイル１３上に配置されるため、磁気センサの長
手方向にバイアス磁界が印加される。この実施例では、
基準電圧は磁気センサ素子２１−２に印加される電圧と
同相の電圧である。

【００３２】また、図６（ａ）に示す第３の実施例は基
準電圧ベクトルの発生を簡易な方法で実現する場合であ
る。ブリッジ構成にした左側の直列回路には磁気センサ
素子２１を挿入して中点から出力を得ると共に、右側辺
は抵抗とコンデンサの直列回路が接続され、抵抗とコン
デンサを適宜選ぶことによって所望の移相と大きさの基
準電圧が得られる。

【００３３】従来方式の電圧振幅の差動出力でも外部磁
界と電圧出力の関係が、図６（ｂ）に示すようなＶ字型
特性を示す。原点に近い低磁界を検知する場合、検出電
圧が微少であるため誤差が混入し易く、精度の良い測定
することは相当難しい。これに対して、本発明は位相変
化に着目しているため検出電圧の振幅の大きさに関係な
く、一定した精度の検出が可能である。図６（ｃ）は外
部磁界と位相差の関係である。このデータは３ｘ１０
^−４Ｔのバイアス磁界を印加し、図６（ａ）の回路を使
用して測定したもので、回路定数を図６（ｄ）にまとめ
て示す。図中の〜の特性曲線を見れば、外部磁場の
僅かな変動で位相が１８０度近く変わることがわかる。
〜の特性曲線はゲインを変更した場合である。これ
は図６（ａ）の中点電位を調整することと等価であり、
図１のM点を移動することになる。従って、Ｍ点をＰ点
（Ｈ＝３Ｏｅ（３ｘ１０^−４Ｔ））により近くに設定す
ることによって、より大きな感度が得られることは自明
である。なお、曲線は図６（ｂ）の原点に近い点を折
り返す場合で、原点を通過する場合は無限大のゲイン、
即ちスイッチング動作が得られる。

【００３４】図７〜１０に実用的な回路を示す。まず、
図７の実施例は基板、短冊状の磁性膜に電極を設けた図
５に示す磁気センサ素子２１−１および２１−２を３端
子ブリッジ回路に接続して外部磁場を測定する磁気セン
サの構成である。磁気センサ素子２１−１，２１−２に
それぞれ逆位相の高周波電圧を印加して、３端子ブリッ
ジ回路の中点電圧の位相を検出する方法である。所謂、
トランス付きのブリッジ構成としたものであるが、逆位
相の高周波電圧が得られれば、上記のようなトランス構
成を必ずしも用いる必要はない。

【００３５】この実施例では、２個の磁気センサ素子２
１−１，２１−２は長手方向と一致する外部磁場Ｈに比
例した電圧が、３端子ブリッジ回路の中点から得られ
る。磁気センサの印加電圧が同相の場合、外部磁場の強
さと共に上部辺と下部辺の磁気センサのインピーダンス
が、同時に変化するため中点電位は変動せず、その結果
外部磁場に見合った電圧変化が得られない。また、二つ
の磁気センサ素子２１−１および２１−２の差動出力が
得られることによって、単位磁束密度変化当りの出力を
２倍にすることができると共に、高周波発振器に含まれ
る雑音が逆相で加えられるため、相殺されてＳ／Ｎ比が
向上して分解能が改善される。したがって、２点間の磁
界の差を測定する場合など、測定する箇所にセンサを設
置すれば、それぞれの磁気センサ出力の差動電圧が得ら
れ、容易に外部磁界の磁界差や変化量を知ることができ
る。

【００３６】図８は２つの抵抗と磁気センサ素子を用い
たブリッジであり、１入力のアンプに入力するためにト
ランスを使用する方法である。この構成は汎用ＩＣが利
用できることから、構成回路の低コスト化が可能であ
る。

【００３７】図９は２入力端子を持つ差動アンプを用い
る場合の回路構成で、図７および８で用いたトランスを
省略することができ、高価なトランスを使用しない分コ
ストを低減できる。

【００３８】図１０は１個の磁気センサ素子２１を用い
た場合の例で、磁気センサ素子２１とその負荷抵抗の関
係、即ちリアクタす成分を持つ磁気センサ素子と純抵抗
成分の負荷との関係によって生じる位相変化を、純抵抗
とコンデンサの並列回路に直列の純抵抗間の電圧として
検出する方法であり、差動アンプに入力する。

【００３９】

【発明の効果】本発明の構成によって、センサ素子から
の微弱な出力を向上させ、高感度な磁気センサが得られ
る。同時に、測定範囲が大幅に拡大できるため、様々な
用途にも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を説明するための原理図である。

【図２】磁気センサの外部磁場に対する特性図である。

【図３】基準電圧ベクトルの設定例である。

【図４】本発明の基本概念図である。

【図５】本発明の第１の実施例を示す磁気センサ素子の
平面図である。

【図６】本発明の第２の実施例を示す回路図と特性であ
る。

【図７】本発明の第３の実施例を示す回路構成図であ
る。

【図８】本発明の第４の実施例を示す回路構成図であ
る。

【図９】本発明の第５の実施例を示す回路構成図であ
る。

【図１０】本発明の第６の実施例を示す回路構成図であ
る。

【図１１】各部の電圧波形例である。

【図１２】従来の磁気センサの構成図である。

【符号の説明】

１１：基板、１３：バイアスコイル、１４：電極、１
５：絶縁シート、１６：中点電極、１７：アンプ、１
９：トランス、２０：検知部、２１：磁気センサ素子、
２３：高周波電源、２５：アンプ、４０：基準電圧発生
回路、４１：同調回路、４３：位相比較回路、４５：処
理回路、４７：減衰器、４９：移相器、９０：磁気セン
サ、９１：基板、 ９２，９３：磁気検出コア、９４：
駆動電圧印加電極、９５：接地電極、９６：出力電極、
９７，９８：バイアス電極、 ９９：スパイラルコイ
ル。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軟磁性体からなる磁性膜もしくは磁性線
   と、バイアスコイルとを備えた磁気センサ素子を有し、 前記磁気センサ素子に表皮効果を生じる程度の高周波電
   流を通じて外部磁場を検出する磁気センサにおいて、 前記磁気センサ素子端子間に生じる逆起電圧ベクトルと
   所要の基準電圧ベクトルとの差電圧ベクトルを検知し
   て、外部磁場および／または極性を測定することを特徴
   とする磁気センサ。
2. 【請求項２】 請求項１において、外部磁場の変化によ
   って生じる前記逆起電圧のベクトル軌跡を複素平面上に
   描き、前記基準電圧ベクトルは複素平面の原点を始点と
   した場合、終点がベクトル軌跡上の曲率半径を有する円
   を所要位置に配したときの円内にあることを特徴とする
   磁気センサ。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記基準電圧ベクト
   ルの終点は、前記ベクトル軌跡の一部もしくは全てを包
   含する円内にあることを特徴とする磁気センサ。
4. 【請求項４】 請求項１において、前記基準電圧ベクト
   ルの終点が前記逆起電圧のベクトル軌跡上に設定される
   ことを特徴とする磁気センサ。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記
   磁気センサ素子は３端子もしくはブリッジ回路の少なく
   とも一辺として接続され、出力電圧と前記基準電圧を入
   力とする位相検出手段を備えることを特徴とする磁気セ
   ンサ。
6. 【請求項６】 軟磁性体からなる磁性膜もしくは磁性線
   と、バイアスコイルとを備える磁気センサ素子を有し、 前記磁気センサ素子に表皮効果を生じる程度の電流を供
   給する高周波電源と、前記磁気センサ素子の出力の処理
   回路を有する磁気センサにおいて、 前記磁気センサ素子を単独または３端子もしくはブリッ
   ジの少なくとも一辺として接続し、センサ出力電圧ベク
   トルと基準電圧ベクトルとの差電圧ベクトルを検知し
   て、１０^−４〜１０^−１０Ｔの外部磁場を測定すること
   を特徴とする磁気センサ。
7. 【請求項７】 請求項６において、前記外部磁場は０か
   ら５０ｋＨｚ程度までの周波数成分を含むことを特徴と
   する磁気センサ。
8. 【請求項８】 磁気センサ素子を用いて外部磁場を検出
   する磁気センサにおいて、 前記磁気センサ素子端子間に生じる逆起電圧ベクトルと
   所要の基準電圧ベクトルとの位相差を検知して、外部磁
   場および／または極性を測定することを特徴とする磁気
   センサ。
9. 【請求項９】 請求項８において、前記磁気センサ素子
   は３端子もしくはブリッジ回路の少なくとも一辺として
   接続され、前記３端子もしくはブリッジ回路の出力電圧
   と前記基準電圧を入力とする位相検出手段を備えること
   を特徴とする磁気センサ。