JP5897719B2 - 磁気抵抗センサ、グラジオメータ - Google Patents
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Description
本発明は、磁気抵抗センサおよびこれを用いたグラジオメータに関する。
磁気抵抗(Magnetic Resistance:以後MRと略す)センサは、低価格、小型、高感度であるため、非接触の回転数検出や位置検出などに広く使用されている。MRセンサには、巨大磁気抵抗(Giant Magnetoresistance:以後GMRと略す)センサ、トンネル磁気抵抗(Tunnel Magnetoresistance:以後TMRと略す)センサ、異方向性磁気抵抗(An−Isotropic Magnetoresistance:以後AMRと略す)センサがある。
近年、携帯電話やPDA(Personal Digital Assistant)などのモバイル機器が普及しており、かかるモバイル機器にはMRセンサを用いた方位センサが内蔵され、GPS(Global Positioning System)による位置情報を利用したナビゲーションとして用いられている場合がある。しかし、これら工業応用分野におけるMRセンサの適応においては、高感度な磁気検出技術は必ずしも必要でない。例えば方位センサは、地磁気を基準として絶対方位を検出するため超高感度の磁気検出は必要なく、回転数検出のエンコード応用や位置検出においても、磁石などを基準信号とするため超高感度の磁気検出は必須でない。
一方、生体の心臓や脳の電気活動から発生する微弱な低周波の磁場(以後生体磁場と呼ぶ)を検出する心磁計や脳磁計といった医療機器が近年医療現場で使用され始めている。これらの生体磁場を検出するため、超高感度な磁気センサとして超電導量子干渉素子(Superconducting Quantum Interference Device:以後SQUIDと呼ぶ)が使用されている。SQUIDは超電導現象を利用した磁気センサであり、ジョセフソン接合を有する構造をとる。そのためSQUIDは、冷媒(液体ヘリウムまたは液体窒素)による冷却が必要であり、冷媒を貯蔵するクライオスタット内部に配置される。さらに、SQUID内部のジョセフソン接合に電磁気的な影響が及ばない構成としなければならない。このようにSQUIDは超高感度な磁気センサであるが取り扱いが煩雑であり、クライオスタット内部に配置されるために十分に生体に磁気センサを近づけられないなどの課題がある。
生体磁場を測定するためには、生体由来の信号成分を多く含む低周波(100Hz以下、特に30Hz以下)におけるMRセンサの感度が重要である。低周波領域において感度を決めている雑音には白色雑音と1/f雑音の2種類がある。これら2種類の雑音は、MRセンサが発生する雑音のみで決定されているものではなく、プリアンプ雑音やその他の動作回路との組み合わせによってシステム雑音(感度)として決定される。
下記非特許文献2に記載されているMRセンサの高感度化に関する報告において、MRセンサに磁束をフィードバックさせる手法が開示されている。同文献には、フィードバック手法によりMRセンサ由来の熱的な揺らぎなどの1/f雑音が低減することが記載されている。同文献の技術は、非破壊検査の領域で使われることを想定しており、過酷な環境(高温など)でも動作を安定させることを目的としている。
下記非特許文献1には、MRセンサに対してセット/リセットパルスを印加して磁気抵抗素子の磁化を反転させ、これによって発生する交流信号を検波することにより、MRセンサ由来の1/f雑音が低減することが記載されている。
下記特許文献1には、段落記載のように「出力の零点オフセット電圧を調整後も感度が変動しない磁界検出装置を得ることを目的」として、「磁気抵抗効果素子が並列に接続された素子群が直列に接続された」構成を開示している。特許文献1記載の構成は、感度の変動を抑え、MRセンサ由来の1/f雑音を低減することを図っている。
Rev. Sci. Instrum. 82, 094703, 2011
Rev. Sci. Instrum. 80, 036102, 2009
上記各文献に記載されている技術は、全てMRセンサのみが発生する雑音に着目した低減手法のみを開示しており、システム雑音の低減に関する記述はない。さらに上記各文献ではMRセンサ由来の1/f雑音を低減する手法のみが開示されており、基本的なシステム雑音である白色雑音を低減する手法について明確に記述されておらず、さらに白色雑音と同時に1/f雑音を低減する手法についても記載されていない。
また、上記特許文献1に記載されている磁気抵抗素子を並列接続する手法は、多数の磁気抵抗素子をアレイ状に並列接続するため微細加工が必要となるので、製造設備が複雑となり、歩留まりやコストの観点から課題がある。
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、MRセンサの雑音と動作回路部の雑音を統合的に低減することにより、1/f雑音と白色雑音を同時に低減することを目的とする。
本発明に係る磁気抵抗センサは、磁気抵抗素子を4つ接続したブリッジ回路を有する複数の磁気抵抗センサ部を備え、各磁気抵抗センサ部の出力は、増幅回路の入力に対して互いに並列に接続されている。
本発明に係る磁気抵抗センサによれば、簡易な構成でMRセンサ由来の雑音を低減することができる。
上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかになるであろう。
<従来のMRセンサ>
図1は、従来のMRセンサの回路図である。従来のMRセンサは、磁気抵抗素子101−1、101−2、101−3、101−4はブリッジ回路(磁気抵抗センサ部105)を構成し、変動磁場による微小な抵抗変化によって磁場を検出する。直流電源102は、ブリッジ回路105の駆動電圧として直流電圧を印加する。プリアンプ103は、ブリッジ回路105の両端電圧を増幅し、出力端子104から出力する。
図1は、従来のMRセンサの回路図である。従来のMRセンサは、磁気抵抗素子101−1、101−2、101−3、101−4はブリッジ回路(磁気抵抗センサ部105)を構成し、変動磁場による微小な抵抗変化によって磁場を検出する。直流電源102は、ブリッジ回路105の駆動電圧として直流電圧を印加する。プリアンプ103は、ブリッジ回路105の両端電圧を増幅し、出力端子104から出力する。
図1に示す従来のMRセンサは、MRセンサが有する抵抗成分による熱雑音(ショット雑音)がシステム全体の大きな雑音となり、磁場を高感度に検出することは困難であると考えられる。
<実施の形態1>
図2は、本発明の実施形態1に係るMRセンサ100の回路図である。MRセンサ100は、図1に示す磁気抵抗センサ部105を複数備え、各磁気抵抗センサ部105の出力をプリアンプ103の入力に対して互いに並列に接続している。図2では4つの磁気抵抗センサ部105−1、105−2、105−3、105−4を例示したが、磁気抵抗センサ部105の個数はこれに限られるものではない。
図2は、本発明の実施形態1に係るMRセンサ100の回路図である。MRセンサ100は、図1に示す磁気抵抗センサ部105を複数備え、各磁気抵抗センサ部105の出力をプリアンプ103の入力に対して互いに並列に接続している。図2では4つの磁気抵抗センサ部105−1、105−2、105−3、105−4を例示したが、磁気抵抗センサ部105の個数はこれに限られるものではない。
並列接続された磁気抵抗センサ部105がN個である場合、並列接続された磁気抵抗センサ部105全体としての実効抵抗は個々の磁気抵抗センサ部105の両端抵抗の1/Nとなる。
MRセンサ100の熱雑音Vrは、下記式1で計算される。kはボルツマン定数、Rは磁気抵抗部105の両端抵抗、Tは絶対温度を示す。
Vr=(4kRT)1/2 ・・・式1
Vr=(4kRT)1/2 ・・・式1
式1によれば、MRセンサ100の抵抗から発生する熱雑音(ショット雑音)は、磁気抵抗センサ部105をN個並列接続して実効抵抗を1/Nにすることにより、1/N1/2になる。すなわち、複数の磁気抵抗センサ部105の出力をプリアンプ103の入力に対して並列接続することにより、MRセンサ由来の熱雑音を低減し、高感度に磁場を検出することができる。図2では、磁気抵抗センサ部105が4個ある場合を例示したが、生体磁場を測定できる感度を発揮するためには、磁気抵抗センサ部105を10個以上並列接続することが望ましい。
図3は、本実施形態1に係るMRセンサ100について、実際のAMRセンサを用いて測定したシステム雑音の測定結果を示す図である。符号301は図1の構成を用いて測定したシステム雑音、符号302は図2の構成を用いて測定したシステム雑音である。符号303と304は、それぞれの測定結果における白色雑音を示す。白色雑音303は35pT/Hz1/2であり、白色雑音304は20pT/Hz1/2であった。
図3に示す測定結果によれば、白色雑音304は白色雑音303の約1/2になっていることが分かる。すなわち、上記式1によって計算される理論値から分かるように、磁気抵抗センサ部105を4個並列接続することにより、MRセンサ100の抵抗から発生する熱雑音(電圧雑音)を1/41/2=1/2に低減できていることが分かる。また、熱雑音が減少することによってノイズを全体的に低減する効果が発揮され、低周波数領域において1/f雑音が減少していることが分かる。
図4は、磁気抵抗センサ部105の配置を例示する図である。図4(a)は上面図、図4(b)は側面図である。磁気抵抗センサ部105は、図4に示すように感度方向をそろえて配置する。例えば図4(a)に示すように、紙面に垂直な方向に検出感度がある磁気抵抗センサ部105を基板401上に配置する。基板401上にはプリアンプ103(図示せず)が配置してあり、プリアンプ103の電源供給および信号出力はコネクタ部402を通して外部の装置に接続される。プリアンプ103は、実装スペースの観点からは基板401上に配置することが望ましいが、これに限られるものではない。
図4では24個の磁気抵抗センサ部105−1〜105−24を基板401上に配置した例を示した。磁気抵抗センサ部105が直方体の形状で感度方向が図4に示すように紙面に対して垂直な場合は、例えば直径15mm程度の大きさの基板401上に磁気抵抗線サブ105をなるべく多く配置できるように磁場の感度方向を一致させて配置する。
図4に示した磁気抵抗センサ部105の配置例は以下の実施形態全てにおいて共通であるため以下の実施形態では説明しないが、同様の構成を全ての実施形態において適用することができる。
<実施の形態2>
実施形態1において、並列接続する磁気抵抗センサ部105の数を増やすと、磁気抵抗センサ部105の抵抗から発生する熱雑音Vrは小さくなる。並列接続数の増加に伴って熱雑音Vrが減少していくと、次第にプリアンプ103の電圧雑音Vaがノイズ全体において支配的になってくる。本発明の実施形態2では、実施形態1で説明した構成を採用することによって顕在化する、プリアンプ103の電圧雑音Vaを低減させる手法について説明する。
実施形態1において、並列接続する磁気抵抗センサ部105の数を増やすと、磁気抵抗センサ部105の抵抗から発生する熱雑音Vrは小さくなる。並列接続数の増加に伴って熱雑音Vrが減少していくと、次第にプリアンプ103の電圧雑音Vaがノイズ全体において支配的になってくる。本発明の実施形態2では、実施形態1で説明した構成を採用することによって顕在化する、プリアンプ103の電圧雑音Vaを低減させる手法について説明する。
MRセンサ100のシステム雑音Vnは、下記式2で表すことができる。式2に示すように、システム雑音Vnは磁気抵抗センサ部105の抵抗による熱雑音Vrが小さくなると、プリアンプ103の電圧雑音Vaが支配的になる。本実施形態2では、プリアンプ103の電圧雑音Vaを低減する方法として、プリアンプ103を複数並列接続する構成を採用する。
Vn=(Vr2+Va2)1/2 ・・・式2
Vn=(Vr2+Va2)1/2 ・・・式2
図5は、本実施形態2に係る磁気抵抗センサ100の回路図である。本実施形態2において、1個の磁気抵抗センサ部105毎に1個のプリアンプ103を設け、各磁気抵抗センサ部105の出力はそれぞれ対応するプリアンプ103に入力される。各プリアンプ103の出力は、加算器によって並列接続され、アンプ501に入力される。
プリアンプ103をN個並列に接続すると、プリアンプ103の電圧雑音Va全体としては1/N1/2に減少する。図5に示す構成では4個のプリアンプ103が並列接続されているため、プリアンプ103の電圧雑音は全体として1/41/2=1/2に減少する。以上のように、磁気抵抗センサ部105に加えてプリアンプ103も並列接続することにより、式2に示すシステム雑音Vnを総合的に低減することができる。
図6は、本実施形態2に係るMRセンサ100について、実際のAMRセンサを用いて測定したシステム雑音の測定結果を示す図である。符号601は図1の構成を用いて測定したシステム雑音、符号602は図5の構成を用いて測定したシステム雑音である。符号603と604は、それぞれの測定結果における白色雑音を示す。白色雑音603は35pT/Hz1/2であり、白色雑音604は17pT/Hz1/2であった。
図6に示す測定結果によれば、白色雑音604は、図3に示す白色雑音304よりもさらに減少していることが分かる。すなわち、上記式2の理論式に示すように、プリアンプ103を並列接続してプリアンプ103の電圧雑音Vaを低減することにより、システム雑音Vn全体として約1/2以下に低減できていることが分かる。
<実施の形態3>
実施形態1〜2では、磁気抵抗センサ部105を並列接続し、さらにプリアンプ103を並列接続することにより、システム雑音の白色雑音を低減することができる。しかし図6に示すように、10Hz以下の1/f雑音が依然として高いという課題がある。これは、磁気抵抗センサ部105を並列接続することによって白色雑音が低減されるため、1/f雑音が顕在化していることによると考えられる。そこで本発明の実施形態3では、セット/リセット信号を利用して1/f雑音を低減する手法について説明する。
実施形態1〜2では、磁気抵抗センサ部105を並列接続し、さらにプリアンプ103を並列接続することにより、システム雑音の白色雑音を低減することができる。しかし図6に示すように、10Hz以下の1/f雑音が依然として高いという課題がある。これは、磁気抵抗センサ部105を並列接続することによって白色雑音が低減されるため、1/f雑音が顕在化していることによると考えられる。そこで本発明の実施形態3では、セット/リセット信号を利用して1/f雑音を低減する手法について説明する。
図7は、本実施形態3に係るMRセンサ100の回路図である。本実施形態3におけるMRセンサ100は、実施形態1〜2で説明した構成に加えて、磁気抵抗センサ部105毎にセット/リセット回路701を備える。図7では実施形態1の回路構成に加えてセット/リセット回路701を設けた回路構成を例示したが、実施形態2において同様の構成を設けてもよいし、磁気抵抗センサ部105の個数も4つに限られるものではない。
図7に示す構成において、4つの磁気抵抗センサ部105−1〜105−4それぞれに対応させてセット/リセット回路701−1〜701−4を配置し、各セット/リセット回路701−1〜701−4は並列接続されている。
交流信号発生器703は、交流電流(数kHzから数10kHz)を各セット/リセット回路701−1〜701−4に供給する。各セット/リセット回路701−1〜701−4は、その交流電流を用いて磁界を発生させて磁気抵抗素子101に印加するコイルを備えている。磁界が磁気抵抗素子101に印加されると、磁気抵抗素子101の磁化方向が一方向にそろうように構成されている。したがって、交流電流により磁気抵抗素子101の磁化方向がその周波数に応じて切り替わるので、磁化方向の揺らぎによる1/f雑音をキャンセルする効果を発揮することができる。
プリアンプ103の出力はロックインアンプ702に接続されている。ロックインアンプ702は、交流信号発生器703が出力する交流電流または同期信号(TTL信号)を参照信号704としてプリアンプ103の出力を検波し、出力端子104から検波結果を出力する。
図8は、本実施形態3に係るMRセンサ100について、実際のAMRセンサを用いて測定したシステム雑音の測定結果を示す図である。符号801は図1の構成を用いて測定したシステム雑音、符号802は図7の構成を用いて測定したシステム雑音である。符号803と804は、それぞれの測定結果における白色雑音を示す。白色雑音803は35pT/Hz1/2であり、白色雑音804は20pT/Hz1/2であった。すなわち、白色雑音については実施形態1と同等の効果が得られた。
さらに、図3に示す実施形態1の測定結果と比較すると、低周波領域(10Hz以下)においてもシステム雑音802が低下しており、この領域における1/f雑音が低減していることが分かる。
以上のように、本実施形態3に係るMRセンサ100は、磁気抵抗センサ部105を並列接続することによって白色雑音を低減しつつ、これによって顕在化した1/f雑音をセット/リセット回路701によって低減し、生体磁場を計測できるレベルまで感度を高めることができる。
<実施の形態4>
実施形態3で説明した構成において、プリアンプ103の熱雑音Vaを低減するため、実施形態2と同様にプリアンプ103を並列接続することが考えられる。しかし、プリアンプ103を例えば10個以上程度並列接続すると、電力を多く消費するため熱が多く発生し、これによりプリアンプ103が発振しやすくなる。また、プリアンプ電流雑音Inがプリアンプ103の個数分だけ磁気抵抗センサ部105に流れるため、磁気抵抗センサ部105の抵抗により電圧雑音が発生する。さらには、基板401にプリアンプ103を実装することを考えると、多数のプリアンプ103を設けることは現実的でない。そこで本発明の実施形態4では、磁気抵抗センサ部105を複数個並列接続してプリアンプ103を1個のみとし、さらにプリアンプ103の雑音を低減するための構成を説明する。
実施形態3で説明した構成において、プリアンプ103の熱雑音Vaを低減するため、実施形態2と同様にプリアンプ103を並列接続することが考えられる。しかし、プリアンプ103を例えば10個以上程度並列接続すると、電力を多く消費するため熱が多く発生し、これによりプリアンプ103が発振しやすくなる。また、プリアンプ電流雑音Inがプリアンプ103の個数分だけ磁気抵抗センサ部105に流れるため、磁気抵抗センサ部105の抵抗により電圧雑音が発生する。さらには、基板401にプリアンプ103を実装することを考えると、多数のプリアンプ103を設けることは現実的でない。そこで本発明の実施形態4では、磁気抵抗センサ部105を複数個並列接続してプリアンプ103を1個のみとし、さらにプリアンプ103の雑音を低減するための構成を説明する。
図9は、本実施形態4に係るMRセンサ100の回路図である。本実施形態4におけるMRセンサ100は、磁気抵抗センサ部105とプリアンプ103の間に昇圧トランス901を備える。昇圧トランス901の1次側は各磁気抵抗センサ部105の出力が並列接続され、2次側はプリアンプ103に入力されている。その他の構成は実施形態3と同様である。
セット/リセット回路701の作用により、磁気抵抗センサ部105の磁化方向が交流信号発生器703の周波数に応じて反転するので、磁気抵抗センサ部105の出力は交流信号となる。昇圧トランス901はこれを利用して、磁気抵抗センサ部105の出力を昇圧することができる。
昇圧トランス901は例えば、1次側は100ターン巻き、2次側は1000ターン巻きのものを用いて10倍増幅の昇圧回路を構成し、これによりプリアンプ103の雑音を実効的に無視できるようにする。昇圧トランス901の1次側巻線の抵抗値は磁気抵抗センサ部105の両端抵抗よりも十分小さくし、1次側巻線抵抗による白色雑音の影響を抑える必要がある。さらに、各磁気抵抗センサ部105の出力が交流信号として短絡しないように1次側巻線のインダクタンスは十分に高く設定し交流信号のインピーダンスを高くする必要がある。そのため、昇圧トランス901のコアとしてはフェライトなどの高透磁率の部材を用いることが望ましい。
図10は、本実施形態4に係るMRセンサ100について、実際のAMRセンサを用いて測定したシステム雑音の測定結果を示す図である。符号1001は図1の構成を用いて測定したシステム雑音、符号1002は図9の構成を用いて測定したシステム雑音である。符号1003と1004は、それぞれの測定結果における白色雑音を示す。白色雑音1003は35pT/Hz1/2であり、白色雑音1004は17pT/Hz1/2であった。
図8に示す測定結果と比較すると、1/f雑音については実施形態3と同等の効果が得られ、さらに白色雑音については実施形態3よりも低減できていることが分かる。これは昇圧トランス901によってプリアンプ103の電圧雑音が低減された効果であると考えられる。
以上のように、セット/リセット回路701を用いることによって発生する交流信号を利用して昇圧トランス901によりプリアンプ103に対する入力をあらかじめ増幅することにより、プリアンプ103の雑音を相対的に低減し、プリアンプ103が1個であってもその雑音の影響を実効的に抑えることができる。これにより、プリアンプ103の構成が簡易になり、発振を抑制するとともに電力消費を抑えることができる。
昇圧トランス901による増幅は、昇圧トランス901に対する入力が交流信号であれば可能であるので、セット/リセット回路701に代えて、直流電源102を交流電源に置き換えることも考えられる。ただしこの構成では、昇圧トランス901の効果によってプリアンプ103の雑音は抑えることができるが、磁気抵抗素子101の磁化方向は固定されたままとなるので、その揺らぎに起因する1/f雑音を低減する効果は発揮することができない点に留意する必要がある。
<実施の形態5>
実施形態1〜4では、白色雑音と1/f雑音を低減するための構成を説明した。しかし実際の測定対象は、例えば生体のように温度があるもの、非破壊検査用の金属材料(熱伝導の良いもの)である場合がある。そうすると、磁気抵抗センサ部105の温度が配置場所毎に異なり、それぞれの磁気抵抗センサ部105の感度が温度揺らぎによって変動するため、1/f雑音や白色雑音が増加する場合がある。このセンサ感度の揺らぎは、回路構成自体に起因するものとは異なる温度外乱によって生じるので、これを抑えるための構成を別途設ける必要があると考えられる。そこで本発明の実施形態5では、上述のセンサ感度の揺らぎを抑える構成について説明する。
実施形態1〜4では、白色雑音と1/f雑音を低減するための構成を説明した。しかし実際の測定対象は、例えば生体のように温度があるもの、非破壊検査用の金属材料(熱伝導の良いもの)である場合がある。そうすると、磁気抵抗センサ部105の温度が配置場所毎に異なり、それぞれの磁気抵抗センサ部105の感度が温度揺らぎによって変動するため、1/f雑音や白色雑音が増加する場合がある。このセンサ感度の揺らぎは、回路構成自体に起因するものとは異なる温度外乱によって生じるので、これを抑えるための構成を別途設ける必要があると考えられる。そこで本発明の実施形態5では、上述のセンサ感度の揺らぎを抑える構成について説明する。
図11は、本実施形態5に係るMRセンサ100の回路図である。本実施形態5におけるMRセンサ100は、実施形態1〜4で説明した構成に加え、フィードバック回路を備える。図11では実施形態4で説明した回路構成に加えてフィードバック回路を設けた構成を例示したが、その他の実施形態の回路構成においてフィードバック回路を設けることもできる。
フィードバック回路は、プリアンプ103の出力を、磁気抵抗素子101に印加する磁界として磁気抵抗素子101にフィードバックする回路であり、フィードバック抵抗1101とフィードバックコイル1102を有する。
フィードバックコイル1102は、磁気抵抗センサ部105毎に設けられ(図11におけるフィードバックコイル1102−1〜1102−4)、プリアンプ103の出力とロックインアンプ702の入力の間の信号を受け取り、これを用いて磁界を発生させて磁気抵抗素子101にフィードバックする。フィードバック抵抗1101はプリアンプ103の出力とフィードバックコイル1102の間に配置されている。図11では各フィードバックコイル1101は並列接続しているが、直列接続でもかまわない。
昇圧トランス901のインダクタンスにより、セット/リセット回路701が出力する信号の位相がずれる場合は、フィードバック回路1102の後段、プリアンプ103の後段、あるいは昇圧トランス901自身に位相調整回路を挿入してこれを調整するようにしてもよい。
フィードバック回路を設けてプリアンプ103の出力を磁気抵抗素子101にフィードバックすることにより、磁気抵抗センサ部105の位置による温度の違いや測定対象物の温度による感度揺らぎの影響を抑えることができる。例えば、磁気抵抗センサ部105を平面的(空間的)に配置することによって磁気抵抗センサ部105毎に温度差が生じる場合において、有効である。
<実施の形態6>
実施形態4〜5で説明した昇圧トランス901は、実施形態4で説明したように巻線インピーダンスを高くする必要がある。そのため昇圧トランス901のコアとして数cm以上の比較的大きな高透磁率の部材を使用する必要がある。コアが大きい昇圧トランス901に2次巻線を1000ターン以上巻きつけることは、図4に示した基板401へ取り付けることを考えると困難である。そこで本発明の実施形態6では、昇圧トランス901のサイズを抑えつつ増幅率を高める構成を説明する。
実施形態4〜5で説明した昇圧トランス901は、実施形態4で説明したように巻線インピーダンスを高くする必要がある。そのため昇圧トランス901のコアとして数cm以上の比較的大きな高透磁率の部材を使用する必要がある。コアが大きい昇圧トランス901に2次巻線を1000ターン以上巻きつけることは、図4に示した基板401へ取り付けることを考えると困難である。そこで本発明の実施形態6では、昇圧トランス901のサイズを抑えつつ増幅率を高める構成を説明する。
図12は、本実施形態6に係るMRセンサ100の回路図である。本実施形態6において、昇圧トランス901の2次側に、2次側コイルとともに共振回路を形勢するコンデンサ1201を設けた。昇圧トランス901の2次側インダクタンスとコンデンサ1201により、交流信号発生器703の周波数(または磁気抵抗センサ部105を駆動するための交流電源の周波数)において共振を生じさせる。これにより、昇圧トランス901の巻線比(1次巻線と2次巻線の巻数比)以上に増幅率を高めることができる。
<実施の形態7>
実施形態4〜6で説明した昇圧トランス901は、プリアンプ103の雑音を低減するために有効であるが、昇圧トランス901のサイズ(数cm)が比較的大きいこと、位相調整が煩雑になること、プリアンプ103が発振し易くなること、などの課題が生じる可能性がある。そこで本発明の実施形態7では、昇圧トランス901を用いずにプリアンプ103の雑音を低減する構成を説明する。
実施形態4〜6で説明した昇圧トランス901は、プリアンプ103の雑音を低減するために有効であるが、昇圧トランス901のサイズ(数cm)が比較的大きいこと、位相調整が煩雑になること、プリアンプ103が発振し易くなること、などの課題が生じる可能性がある。そこで本発明の実施形態7では、昇圧トランス901を用いずにプリアンプ103の雑音を低減する構成を説明する。
図13は、本実施形態7に係るMRセンサ100の回路図である。本実施形態7におけるMRセンサ100は、実施形態3で説明した構成に加えて、付加的正帰還(Additional Positive Feedback:以後APFと略す)回路を備える。APF回路は、APF抵抗1301とAPFコイル1302を有する。APFコイル1302は、各磁気抵抗センサ部105それぞれに1つずつ設けられている(図13のAPFコイル1302−1〜1302−4)。APFコイル1302は、磁気抵抗素子101に印加する磁界を発生させる。APF抵抗1301はAPFコイル1302毎に設けられ、各APFコイル1302と直列に接続されている。
APFコイル1302は磁気抵抗センサ部105と磁気的に結合しており、磁気抵抗センサ部105の出力を、磁気抵抗素子101に印加する磁界として、APF抵抗1301を介して磁気抵抗素子101にフィードバックする。APF回路を設けることにより、磁気抵抗センサ部105の磁場−電圧の変換効率を上昇させ、これによりプリアンプ103の雑音を実効的に低減させることができる。APF抵抗1301は各APFコイル1302に共通の1個のみ設けてもよい。
APF抵抗1301は熱雑音を発生するため、磁気抵抗センサ部105の両端抵抗より十分低い値にする必要がある。APF抵抗1301の抵抗値が小さくなると(例えば10Ω程度)、APFコイル1302のインダクタンスを大きくして磁気抵抗センサ部105の出力が短絡されないような構成にしなければならず、したがって交流信号発生器703の周波数におけるAPFコイル1302のインピーダンスが高くなるように構成する必要がある。少なくとも、APFコイル1302のインピーダンスは磁気抵抗センサ部105の両端抵抗よりも大きくする必要がある。
以上のように、磁気抵抗センサ部105の出力を、磁気抵抗素子101に印加する磁界として磁気抵抗素子101にフィードバックするAPF回路を設けることにより、昇圧トランス901を設けなくとも、プリアンプ103の雑音を実質的に低減させることができる。これにより、簡易かつ小サイズの回路構成で昇圧コイル901と同等の効果を発揮することができる。
<実施の形態8>
図14は、本発明の実施形態8に係るMRセンサ100の回路図である。本実施形態8におけるMRセンサ100は、実施形態5〜6で説明したフィードバック回路と実施形態7で説明したAPF回路を兼用した構成を備える。図14に示すように、APFコイル1302をフィードバックコイル1102と兼用し、APF抵抗1301をフィードバック抵抗1101と兼用することにより、これを実現できる。ただし、フィードバック回路の接続先は、磁気抵抗センサ部105の出力とプリアンプ103の出力の双方とする必要がある。
図14は、本発明の実施形態8に係るMRセンサ100の回路図である。本実施形態8におけるMRセンサ100は、実施形態5〜6で説明したフィードバック回路と実施形態7で説明したAPF回路を兼用した構成を備える。図14に示すように、APFコイル1302をフィードバックコイル1102と兼用し、APF抵抗1301をフィードバック抵抗1101と兼用することにより、これを実現できる。ただし、フィードバック回路の接続先は、磁気抵抗センサ部105の出力とプリアンプ103の出力の双方とする必要がある。
なお、回路の実装面積などの観点から許容されるのであれば、APFコイル1302をフィードバックコイル1102と兼用せずに、これらコイルを個別に設けてもよい。APF抵抗1301とフィードバック抵抗1101についても同様である。
APF回路とフィードバック回路を同一の駆動回路内に設けることにより、システム雑音をより簡易な回路構成で低減し、さらに磁気抵抗センサ部105の位置によって異なる温度差や測定対象物の温度による影響を抑制することができる。
<実施の形態9>
実施形態1〜8で説明したMRセンサ100の構成を用いることによりシステム雑音が低減され、生体磁場が計測できる程度の感度を得ることができる。一方で、MRセンサ100が高感度になると、自動車や電車などから発生する外来の妨害磁場を検出しやすくなるため、生体磁場成分のみを検出することが困難になる可能性がある。そこで本発明の実施形態9では、実施形態1〜8で説明したMRセンサ100を採用しつつ、妨害磁場を効率的に低減し、かつ高感度に生体磁場を計測することができるグラジオメータの構成について説明する。
実施形態1〜8で説明したMRセンサ100の構成を用いることによりシステム雑音が低減され、生体磁場が計測できる程度の感度を得ることができる。一方で、MRセンサ100が高感度になると、自動車や電車などから発生する外来の妨害磁場を検出しやすくなるため、生体磁場成分のみを検出することが困難になる可能性がある。そこで本発明の実施形態9では、実施形態1〜8で説明したMRセンサ100を採用しつつ、妨害磁場を効率的に低減し、かつ高感度に生体磁場を計測することができるグラジオメータの構成について説明する。
図15は、本実施形態9に係るグラジオメータ1500の構成を示す図である。グラジオメータ1500は、センサユニット1501および1502、プリアンプ1503を備える。センサユニット1501および1502は、それぞれ実施形態1〜8いずれかで説明したMRセンサ100を複数並列接続したものである。ここではそれぞれMRセンサ100−1〜100−4と100−5〜100−8を並列接続した構成を例示したが、MRセンサ100の個数はこれに限られない。プリアンプ1503は、センサユニット1501と1502それぞれの出力の差分を増幅し、出力端子1504から出力する。
センサユニット1501と1502は、空間的に異なる場所に配置される。2箇所のセンサユニットそれぞれの出力をプリアンプ1503で増幅することにより、磁気抵抗センサ部105が2倍の数となるため、磁気抵抗センサ部105の抵抗から発生するシステム雑音を1/21/2に低減することができる。
センサユニット1501に含まれる直流電源102−1とセンサユニット1502に含まれる直流電源102−2は、極性が互いに反対になるように構成する。これにより、各センサユニットの測定磁場方向が反対になるので、差分磁場を計測する磁気センサ、すなわちグラジオメータを構成することができる。
図15ではセンサユニットが2つある構成を例示したが、センサユニットの個数はこれに限られるものではない。例えば、1つのセンサユニットを測定対象から遠方に配置し、生体磁場検出用の複数のセンサユニットにその測定結果をフィードバックして妨害磁場をキャンセルするアクティブシールドを構成することができる。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることもできる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。
100:MRセンサ、101:磁気抵抗素子、102:直流電源、103:プリアンプ、104:出力端子、105:磁気抵抗センサ部、401:基板、402:コネクタ部、501:アンプ、701:セット/リセット回路、702:ロックインアンプ、703:交流信号発生器、704:参照信号、901:昇圧トランス、1101:フィードバック抵抗、1102:フィードバックコイル、1201:コンデンサ、1301:APF抵抗、1302:APFコイル、1500:グラジオメータ、1501〜1502:センサユニット、1503:プリアンプ、1504:出力端子。
Claims (8)
- 磁気抵抗素子を4つ接続したブリッジ回路を有する複数の磁気抵抗センサ部と、
前記磁気抵抗センサ部の出力を増幅する増幅回路と、
前記磁気抵抗素子の磁化を反転させるセットパルスおよびリセットパルスを発生させるセット/リセット回路と、
前記セット/リセット回路が発生させる前記セットパルスおよびリセットパルスによって前記磁気抵抗センサ部が出力する交流信号を検波する検波回路と、
前記磁気抵抗センサ部の出力と前記増幅回路の間に配置され、前記磁気抵抗センサ部の出力電圧を昇圧する昇圧トランスと、
を備え、
各前記磁気抵抗センサ部の出力は、前記昇圧トランスに対して互いに並列に接続されている
ことを特徴とする磁気抵抗センサ。 - 磁気抵抗素子を4つ接続したブリッジ回路を有する複数の磁気抵抗センサ部と、
前記磁気抵抗センサ部の出力を増幅する増幅回路と、
前記磁気抵抗素子の磁化を反転させるセットパルスおよびリセットパルスを発生させるセット/リセット回路と、
前記セット/リセット回路が発生させる前記セットパルスおよびリセットパルスによって前記磁気抵抗センサ部が出力する交流信号を検波する検波回路と、
前記磁気抵抗センサ部の出力を、前記磁気抵抗素子へ印加する磁界として前記磁気抵抗素子へフィードバックする付加的正帰還回路と、
を備え、
前記付加的正帰還回路は、前記磁界を発生させるコイルを有し、
前記コイルのインピーダンスは、前記磁気抵抗センサ部の両端抵抗よりも大きい
ことを特徴とする磁気抵抗センサ。 - 前記磁気抵抗センサは、前記増幅回路と各前記磁気抵抗センサ部それぞれの出力の間に、各前記磁気抵抗センサ部の出力を増幅する第2増幅回路をそれぞれ備える
ことを特徴とする請求項1または2記載の磁気抵抗センサ。 - 前記磁気抵抗センサは、前記増幅回路の出力を、前記磁気抵抗素子へ印加する磁界として前記磁気抵抗素子へフィードバックするフィードバック回路を備える
ことを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗センサ。 - 前記磁気抵抗センサは、前記昇圧トランスの2次側コイルのインダクタンスと共振回路を形成するコンデンサを備える
ことを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗センサ。 - 前記磁気抵抗センサは、前記増幅回路の出力を、前記磁気抵抗素子へ印加する磁界として前記磁気抵抗素子へフィードバックするフィードバック回路を備える
ことを特徴とする請求項2記載の磁気抵抗センサ。 - 請求項1または2記載の第1および第2磁気抵抗センサと、
各前記磁気抵抗センサの出力間の差分を増幅する第3増幅回路と、
を備えることを特徴とするグラジオメータ。 - 第1および第2磁気抵抗センサと、
各前記磁気抵抗センサの出力間の差分を増幅する第3増幅回路と、
前記第1磁気抵抗センサに直流電圧を印加する第1直流電源と、
前記第2磁気抵抗センサに直流電圧を印加する第2直流電源と、
を備え、
前記第1および第2磁気抵抗センサはそれぞれ、
磁気抵抗素子を4つ接続したブリッジ回路を有する複数の磁気抵抗センサ部と、
前記磁気抵抗センサ部の出力を増幅する増幅回路と、
を備え、各前記磁気抵抗センサ部の出力は、前記増幅回路の入力に対して互いに並列に接続されており、
前記第1直流電源の極性と前記第2直流電源の極性は反対に設定されており、
前記第1磁気抵抗センサの出力と前記第2磁気抵抗センサの出力がそれぞれ前記第3増幅回路に入力される
ことを特徴とするグラジオメータ。
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