JP2005091156A

JP2005091156A - 磁界センサユニット

Info

Publication number: JP2005091156A
Application number: JP2003324855A
Authority: JP
Inventors: Makoto Yabugami; 信藪上; Kenichi Arai; 賢一荒井; Tetsuya Ozawa; 哲也小澤; Masato Imae; 理人今江; Yuko Hanado; ゆう子花土
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】分解能が１０^−７Ｏｅ以上のオーダーの高感度を達成し得る磁界センサユニットを提供する。
【解決手段】分配器２によって分配された第１の繰り返し信号はそれぞれ、ＭＩセンサ素子３並びに減衰器及び位相シフタ４に入力される。分配器６によって分配された第２の繰り返し信号の一方と、ＭＩセンサ素子３からの出力信号とが、ミキサ７で混合され、分配された第２の繰り返し信号の他方と、減衰器及び位相シフタ４からの出力信号とが、ミキサ８で混合される。ミキサ７，８から出力された信号は、ローパスフィルタ９，１０によって所定の周波数以下の成分のみが通過される。時間間隔カウンタ１３は、信号波形ａによって示されるような増幅器１１の出力信号と、信号波形ｂによって示されるような増幅器１２の出力信号との位相差Δを時間差として計測することによって、磁界が検出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気インピーダンス効果を有するＭＩ(Magneto-Impedance)センサ素子を用いて磁界を検出する磁界センサユニットに関する。

このような磁界センサユニットとしては、出力信号の振幅成分を計測することによって磁界を検出するもの（例えば、特許文献１，２）、出力信号の位相を計測することによって磁界を検出するもの（例えば、特許文献３）、及び周波数を計測することによって磁界を検出するものが提案されている（例えば、非特許文献１）。
特開平７−１８１２３９号公報（図４）特開２００１−２７６６４号公報（図１）特開平８−３２０３６２号公報（図１７） C. M. Cai et al. 「アモルファスワイヤのパルス励磁ＭＩ効果とＦＭ無線方式ＣＭＯＳ形磁界センサ」J. Magn. Soc. Jpn. Vol. 25, pp.967-970 (2001) (Figs. 6, 7)

しかしながら、従来の磁気センサユニットでは、磁気センサ素子及び回路素子の熱雑音によりＳＮ比が制限されるため、分解能が１０^−７Ｏｅ以上のオーダーの感度を達成するのが困難となっている。

本発明の目的は、分解能が１０^−７Ｏｅ以上のオーダーの高感度を達成し得る磁界センサユニットを提供することである。

本発明による磁界センサユニットは、
所定の周波数を有する第１の繰り返し信号を発生する第１の信号発生手段と、
その第１の繰り返し信号を二つに分配する第１の分配手段と、
その第１の分配手段によって分配された第１の繰り返し信号のうちの一方が入力される、磁気インピーダンス効果を有するＭＩセンサ素子と、
前記第１の分配手段によって分配された第１の繰り返し信号のうちの他方が、入力され、減衰され及び位相シフトされる減衰及び位相シフト手段と、
前記第１の繰り返し信号とは異なる周波数を有する第２の繰り返し信号を発生する第２の信号発生手段と、
その第２の繰り返し信号を二つに分配する第２の分配手段と、
前記第２の分配手段によって分配された第２の繰り返し信号の一方と、前記ＭＩセンサ素子からの出力信号とを混合する第１の混合手段と、
前記第２の分配手段によって分配された第２の繰り返し信号の他方と、前記減衰及び位相シフト手段からの出力信号とを混合する第２の混合手段と、
前記第１の混合手段から出力された信号のうちの所定の周波数以下の成分のみを通過する第１の低域通過手段と、
前記第２の混合手段から出力された信号のうちの所定の周波数以下の成分のみを通過する第２の低域通過手段と、
前記第１の低域通過手段からの出力信号と前記第２の低域通過手段からの出力信号との位相差を時間差として計測することによって、磁界を検出する磁界検出手段とを具えることを特徴とする。

本発明によれば、所定の周波数を有する第１の繰り返し信号が二つに分配され、分配された第１の繰り返し信号のうちの一方が、磁気インピーダンス効果を有するＭＩセンサ素子に入力され、分配された第１の繰り返し信号のうちの他方が、減衰及び位相シフト手段に入力され、減衰され及び位相シフトされる。一方、第１の繰り返し信号とは異なる周波数を有する第２の繰り返し信号が二つに分配され、分配された第２の繰り返し信号の一方と、ＭＩセンサ素子からの出力信号とが、第１の混合手段で混合され、分配された第２の繰り返し信号の他方と、前記減衰及び位相シフト手段からの出力信号とが、第２の混合手段で混合される。

第１の混合手段から出力された信号は、第１の低域通過手段によって所定の周波数以下の成分のみが通過され、第２の混合手段から出力された信号は、第２の低域通過手段によって所定の周波数以下の成分のみが通過される。第１の低域通過手段からの出力信号と第２の低域通過手段からの出力信号との位相差を時間差として計測することによって、磁界が検出される。

本発明によれば、二つの出力信号の位相差を時間差として計測して磁界を検出することによって、磁気センサ素子及び回路素子の熱雑音によるＳＮ比の制約がなくなるため、分解能が１０^−７〜１０^−９Ｏｅのオーダーの高感度の磁気センサユニットを構成することができる。また、前記第１の低域通過手段からの出力信号を増幅し、前記磁界検出手段に供給する第１の増幅手段と、前記第２の低域通過手段からの出力信号を増幅し、前記磁界検出手段に供給する第２の増幅手段とを更に具えることによって、ＳＮ比を更に向上させることができる。

本発明による磁界センサユニットの実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明による磁界センサユニットの実施の形態のブロック図である。この磁界センサユニットは、発振器１と、分配器２と、ＭＩセンサ素子３と、減衰器及び位相シフタ４と、発振器５と、分配器６と、ミキサ７，８と、ローパスフィルタ９，１０と、増幅器１１，１２と、時間間隔カウンタ１３とを具える。

発振器１は、所定の周波数を有する第１の繰り返し信号を発生し、発信器５は、第１の繰り返し信号の周波数とは異なる周波数を有する第２の繰り返し信号を発生する。ＭＩセンサ素子３は、磁気インピーダンス効果を有する磁性体のよって構成され、磁界や歪を加えることによって磁性体のインピーダンスが変化して、位相が変化し、かかる位相の変化によって磁界検出が可能となる素子である。

本実施の形態の動作を説明する。発振器１が発生した第１の繰り返し信号は、分配器２によって二つに分配される。分配された第１の繰り返し信号のうちの一方は、ＭＩセンサ素子３に入力され、分配された第１の繰り返し信号のうちの他方は、減衰器及び位相シフタ４に入力され、減衰され及び位相シフトされる。

一方、発振器５が発生した第２の繰り返し信号は、分配器６によって二つに分配される。分配された第２の繰り返し信号の一方と、ＭＩセンサ素子３からの出力信号とが、ミキサ７で混合され、分配された第２の繰り返し信号の他方と、減衰器及び位相シフタ４からの出力信号とが、ミキサ８で混合される。

ミキサ７から出力された信号は、ローパスフィルタ９によって所定の周波数以下の成分のみが通過され、ミキサ８から出力された信号は、ローパスフィルタ１０によって所定の周波数以下の成分のみが通過される。ローパスフィルタ９，１０からの出力信号は、増幅器１１，１２によってそれぞれ増幅され、時間間隔カウンタ１３は、信号波形ａによって示されるような増幅器１１の出力信号と、信号波形ｂによって示されるような増幅器１２の出力信号との位相差Δを時間差として計測することによって、磁界が検出される。

本実施の形態によれば、二つの出力信号の位相差を時間差として計測して磁界を検出することによって、磁気センサ素子及び回路素子の熱雑音によるＳＮ比の制約がなくなるため、分解能が１０^−７〜１０^−９Ｏｅのオーダーの高感度の磁気センサユニットを構成することができる。また、ローパスフィルタ９，１０からの出力信号を増幅器１１，１２によってそれぞれ増幅することによって、ＳＮ比を更に向上させることができる。

例えば、キャリア周波数を５００ＭＨｚとし、位相分解能を５ｐ秒とし、印加磁界による位相変化率を４５０度／Ｏｅとした場合、４×１０^−９Ｏｅの分解能を達成することができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、上記実施の形態において、増幅器１１，１２を省略しても本発明による磁界センサユニットを構成することができる。

従来不可能とされてきた心臓や筋肉から発生する、分解能が１０^−７〜１０^−９Ｏｅのオーダーの生体磁気信号を室温で計測可能な高感度磁界センサユニットに利用し得る。また、携帯端末用ＧＰＳ用方位センサユニットのような各種磁界センサユニットにも利用し得る。

本発明による磁界センサユニットの実施の形態のブロック図である。

符号の説明

１，５発振器
２，６分配器
３ＭＩ磁気センサ
４減衰器及び位相シフタ
７，８ミキサ
９，１０ローパスフィルタ
１１，１２増幅器
１３時間間隔カウンタ
ａ，ｂ信号波形
Δ 位相差

Claims

所定の周波数を有する第１の繰り返し信号を発生する第１の信号発生手段と、
その第１の繰り返し信号を二つに分配する第１の分配手段と、
その第１の分配手段によって分配された第１の繰り返し信号のうちの一方が入力される、磁気インピーダンス効果を有するＭＩセンサ素子と、
前記第１の分配手段によって分配された第１の繰り返し信号のうちの他方が、入力され、減衰され及び位相シフトされる減衰及び位相シフト手段と、
前記第１の繰り返し信号とは異なる周波数を有する第２の繰り返し信号を発生する第２の信号発生手段と、
その第２の繰り返し信号を二つに分配する第２の分配手段と、
前記第２の分配手段によって分配された第２の繰り返し信号の一方と、前記ＭＩセンサ素子からの出力信号とを混合する第１の混合手段と、
前記第２の分配手段によって分配された第２の繰り返し信号の他方と、前記減衰及び位相シフト手段からの出力信号とを混合する第２の混合手段と、
前記第１の混合手段から出力された信号のうちの所定の周波数以下の成分のみを通過する第１の低域通過手段と、
前記第２の混合手段から出力された信号のうちの所定の周波数以下の成分のみを通過する第２の低域通過手段と、
前記第１の低域通過手段からの出力信号と前記第２の低域通過手段からの出力信号との位相差を時間差として計測することによって、磁界を検出する磁界検出手段とを具えることを特徴とする磁界センサユニット。
前記第１の低域通過手段からの出力信号を増幅し、前記磁界検出手段に供給する第１の増幅手段と、
前記第２の低域通過手段からの出力信号を増幅し、前記磁界検出手段に供給する第２の増幅手段とを更に具えることを特徴とする請求項１記載の磁界センサユニット。