JP2005283546A - 磁気センサユニットおよび磁気検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 分解能が１０^−９×１０^３/４π（Ａ/ｍ）以上のオーダーの高感度を達成する磁気センサユニットおよび磁気検出方法を得る。
【解決手段】 磁気センサ３を含む共振回路部１００には、キャリア信号発生器１から発生され、分配器６１で分配された第１の繰り返し信号の一方が入力される。減衰器及び位相シフタ４には第１の繰り返し信号の他方が入力される。第１のミキサ７１は、共振回路部１００の出力信号と、ローカル信号発生器５から出力され第２の分配器６２で分配された第２の繰り返し信号の一方とを混合する。第２のミキサ７２は、減衰及び位相シフトした信号と第２の繰り返し信号の他方とを混合する。時間間隔カウンタ１３は、第１の混合した信号を低域通過した信号と、第２の混合した信号を低域通過した信号との位相差を時間差として計測して、磁界を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気センサユニットおよび磁気検出方法に関し、主として、心臓、筋肉からの磁界検出、あるいは非破壊検査などでの磁界検出に好適な、磁気インピーダンス方式の磁気センサユニットおよび磁気検出方法に関する。

従来の磁気インピーダンス方式の磁気センサユニットについて説明する。従来の磁気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がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

また、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も知られている（例えば、特許文献３参照）。

図６は、従来の磁気センサユニットのブロック図である。図示の磁気センサユニットは、キャリア信号発生器１ａと、磁気センサ３ａと、減衰器４１と、移相器４２と、ミキサ７ａと、スペクトラムアナライザ１３ａとから構成されている。

キャリア信号発生器１ａは磁気センサ３ａの入力端子と、減衰器４１の入力端子とに接続されている。磁気センサ３ａの出力端子は、ミキサ７ａの第１の入力端子に接続されている。減衰器４１の出力端子は移相器４２の入力端子に接続されている。移相器４２の出力端子はミキサ７ａの第２の入力端子に接続されている。ミキサ７ａの出力端子は増幅器１１ａの入力端子に接続されている。増幅器１１ａの出力端子はスペクトラムアナライザ１３ａの入力端子に接続されている。

キャリア信号発生器１ａは、所定の周波数ｆ１を持つ繰り返し信号（キャリア信号）を発生する。この繰り返し信号（キャリア信号）は磁気センサ３ａと減衰器４１とに供給される。減衰器４１は、繰り返し信号を減衰して、減衰した信号を出力する。移相器４２はこの減衰した信号の位相をシフトして、位相シフトした信号を出力する。ミキサ７ａは、磁気センサ３ａの出力信号と位相シフトした信号とを混合して、混合した信号を出力する。増幅器１１ａは混合した信号を増幅して、増幅した信号を出力する。スペクトラムアナライザ１３ａは、増幅した信号のスペクトラムを分析して、磁界を検出する。

特開平７−１８１２３９号公報 特開２００１−２７６６４号公報 特開平８−３２０３６２号公報

しかしながら、従来の磁気センサユニットでは、磁気センサおよ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^−７×１０^３/４π（Ａ/ｍ）以上のオーダーの感度を達成が困難となっていた。

本発明の目的は、分解能が、１０^−７×１０^３/４π（Ａ/ｍ）以上のオーダーの高感度を達成する磁気センサユニットおよび磁気検出方法を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、第１の周波数を持つ第１の繰り返し信号を発生する第１の信号発生手段と、この第１の繰り返し信号を第１の分配した繰り返し信号と第２の分配した繰り返し信号とに分配する第１の分配手段と、第１の分配した繰り返し信号が入力される共振回路部であって、磁気インピーダンス効果を有する磁気センサを含み、磁気センサと他の部分の回路素子とで共振回路が形成され、第１の周波数と実質的に等しい共振周波数を持つ前記共振回路部と、第２の分配した繰り返し信号を減衰および位相シフトして、減衰および位相シフトした信号を出力する減衰および位相シフト手段と、第１の周波数とは異なる第２の周波数を持つ第２の繰り返し信号を発生する第２の信号発生手段と、この第２の繰り返し信号を第３の分配した繰り返し信号と第４の分配した繰り返し信号とに分配する第２の分配手段と、第３の分配した繰り返し信号と、共振回路部からの出力信号とを混合して、第１の混合した信号を出力する第１の混合手段と、第４の分配した繰り返し信号と、減衰および位相シフトした信号とを混合して、第２の混合した信号を出力する第２の混合手段と、第１の混合した信号のうちの所定の周波数以下の成分のみを通過して、第１の低域通過した信号を出力する第１の低域通過手段と、第２の混合した信号のうちの所定の周波数以下の成分のみを通過して、第２の低域通過した信号を出力する第２の低域通過手段と、第１の低域通過した信号と、第２の低域通過した信号との位相差を時間差として計測して、磁界を検出する磁界検出手段とを有する磁気センサユニットが得られる。

上記第１の態様による磁気センサユニットにおいて、前記共振回路部における他の部分の回路素子は、磁気センサの周辺に追加した素子であっても良いし、磁気センサの周辺に浮遊する分布定数回路素子であっても良い。

また、本発明の第２の態様によれば、第１の周波数を持つ第１の繰り返し信号を発生するステップと、第１の繰り返し信号を第１の分配した繰り返し信号と第２の分配した繰り返し信号とに分配するステップと、第１の分配した繰り返し信号を、磁気インピーダンス効果を有する磁気センサを含む共振回路部に入力するステップと、第２の分配した繰り返し信号を減衰および位相シフトして、減衰および位相シフトした信号を出力するステップと、第１の周波数とは異なる第２の周波数を持つ第２の繰り返し信号を発生するステップと、第２の繰り返し信号を第３の分配した繰り返し信号と第４の分配した繰り返し信号とに分配するステップと、第３の分配した繰り返し信号と、共振回路部からの出力信号とを混合して、第１の混合した信号を出力するステップと、第４の分配した繰り返し信号と、減衰および位相シフトした信号とを混合して、第２の混合した信号を出力するステップと、第１の混合した信号のうちの所定の周波数以下の成分のみを通過して、第１の低域通過した信号を出力するステップと、第２の混合した信号のうちの所定の周波数以下の成分のみを通過して、第２の低域通過した信号を出力するステップと、第１の低域通過した信号と第２の低域通過した信号との位相差を時間差として計測して、磁界を検出するステップと、を含む磁気検出方法が得られる。

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、かつ磁気センサ近傍にて共振回路部を形成することにより、磁気センサおよび回路素子の熱雑音によるＳＮ比の制約がなくなるので、分解能が、１０^−９×１０^３/４π（Ａ/ｍ）以上のオーダーの高感度を達成する磁気センサユニットおよび磁気検出方法を提供できる。

図１は、本発明の実施の形態による磁気センサユニットのブロック図である。

本磁気センサユニットは、キャリア信号発生器１と、第１の分配器６１と、磁気センサ３と、減衰器及び位相シフタ４と、ローカル信号発生器５と、第２の分配器６２と、第１および第２のミキサ７１，７２と、第１および第２のローパスフィルタ９，１０と、第１および第２の増幅器１１、１２と、時間間隔カウンタ１３とから構成されている。

キャリア信号発生器１は第１の分配器６１の入力端子に接続されている。第１の分配器６１の第１の出力端子は、第１のワイヤ５１を介して磁気センサ３の入力端子に接続されている。磁気センサ３の出力端子は、第２のワイヤ５２を介して第１のミキサ７１の第１の入力端子に接続されている。一方、第１の分配器６１の第２の出力端子は、減衰器及び位相シフタ４の入力端子に接続されている。減衰器及び位相シフタ４の出力端子は第２のミキサ７２の第１の入力端子に接続されている。

ローカル信号発生器５は第２の分配器６２の入力端子に接続されている。第２の分配器６２の第１の出力端子は第１のミキサ７１の第２の入力端子に接続されている。第２の分配器６２の第２の出力端子は第２のミキサ７２の第２の入力端子に接続されている。第１のミキサ７１の出力端子は第１のローパスフィルタ９の入力端子に接続されている。第２のミキサ７２の出力端子は第２のローパスフィルタ１０の入力端子に接続されている。第１のローパスフィルタ９の出力端子は第１の増幅器１１の入力端子に接続されている。第２のローパスフィルタ１０の出力端子は第２の増幅器１２の入力端子に接続されている。第１の増幅器１１の出力端子および第２の増幅器１２の出力端子は時間間隔カウンタ１３に接続されている。

ここで、磁気センサ３と、第１のワイヤ５１と、第２のワイヤ５２とで、共振回路部１００（図中点線の部分）が形成されている。

キャリア信号発生器１は、第１の周波数ｆ1を持つ第１の繰り返し信号（キャリア信号）を発生する。ローカル信号発生器５は、第１の周波数ｆ１とは異なる第２の周波数ｆ２を持つ第２の繰り返し信号（ローカル信号）を発生する。磁気センサ３は、磁気インピーダンス効果を有する磁性体によって構成されている。磁気センサ３は、それに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、磁界の検出が可能となる素子である。特に前記インピーダンスにて、複素成分、即ちインダクタンス成分が位相変化に寄与する。

次に、本発明の磁気センサユニットの動作を説明する。

キャリア信号発生器１が発生した第１の繰り返し信号（キャリア信号）は、第１の分配器６１によって第１の分配した繰り返し信号（第１の分配されたキャリア信号）と第２の分配した繰り返し信号（第２の分配されキャリア信号）とに分配される。第１の分配した繰り返し信号（第１の分配されたキャリア信号）は、第１のワイヤ５１を介して磁気センサ３に入力される。第２の分配した繰り返し信号（第２の分配されたキャリア信号）は、減衰器及び位相シフタ４に入力される。磁気センサ３からの出力信号は、第２のワイヤ５２を介して第１のミキサ７１の第１の入力端子に供給される。減衰器及び位相シフタ４から出力される減衰及び位相シフトした信号は第２のミキサ７２の第１の入力端子に供給される。

一方、ローカル信号発生器５が発生した第２の繰り返し信号（ローカル信号）は、第２の分配器６２によって第３の分配した繰り返し信号（第１の分配されたローカル信号）と第４の分配した繰り返し信号（第２の分配されたローカル信号）とに分配される。第３の分配した繰り返し信号（第１の分配されたローカル信号）は、第１のミキサ７１の第２の入力端子に供給される。第４の分配した繰り返し信号（第２の分配されたローカル信号）は、第２のミキサ７２の第２の入力端子に供給される。第１のミキサ７１は、磁気センサ３からの出力信号と第３の分配した繰り返し信号（第１の分配されたローカル信号）とを混合して、第１の混合した信号を出力する。第２のミキサ７２は、減衰及び位相シフタした信号と第４の分配した繰り返し信号（第２の分配されたローカル信号）とを混合して、第２の混合した信号を出力する。

ここで、前述したように、磁気センサ３と、他の部分の回路素子（本例の場合、第１および第２のワイヤ５１および５２）とで、共振回路部１００が形成されている。共振回路部１００の共振周波数は、第１の周波数ｆ１とほぼ同一の周波数である。従って、第１の繰り返し信号の近傍にて、急峻な位相のシフトが実現される。

なお、共振回路部１００での他の部分の回路素子は、磁気センサ３の周辺に追加した素子であって良いし、または、磁気センサ３の周辺に浮遊する分布定数回路素子であっても良い。または、センサ素子(磁気センサ)３、伝送線路５１，５２、ミキサ７１，７２及び分配器６１，６２を含む回路における多重反射により共振回路を構成しても良い。

第１のミキサ７１から出力された第１の混合した信号は、第１のローパスフィルタ９によって所定の周波数以下の成分のみ通過される。すなわち、第１のローパスフィルタ９は第１の低域通過した信号を出力する。第２のミキサ７２から出力された第２の混合した信号は、第２のローパスフィルタ１０によって所定の周波数以下の成分のみ通過される。すなわち、第２のローパスフィルタ１０は第２の低域通過した信号を出力する。

第１のローパスフィルタ９から出力される第１の低域通過した信号は、第１の増幅器１１によって第１の増幅した信号ａに増幅される。第２のローパスフィルタ１０から出力される第２の低域通過した信号は、第２の増幅器１２によって第２の増幅した信号ｂに増幅される。

図２に示されるように、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第１の増幅された信号と、信号波形ｂによって示されるような第２の増幅された信号との位相差Δを時間差として計測することによって、磁界を検出する。

ここで、図３は、本発明による磁気センサユニットの共振回路部１００の構成の説明図である。

図３（ａ）は磁気センサ内での集中定数のみの場合、図３（ｂ）は、第１および第２のワイヤ５１、５２での分布定数を含む場合の説明図である。

図３（ａ）に示されるように、集中定数タイプの共振回路部１００ａは、磁気センサ３の定数としてのインダクタＬと、外付けのコンデンサＣ１、Ｃ２とから構成される。

図３（ｂ）に示されるように、分布定数タイプの共振回路部１００ｂは、磁気センサ３の定数としてのインダクタＬ１と、第１のワイヤ（ライン）５１での分布定数と、第２のワイヤ（ライン）５２での分布定数とから構成される。第１のワイヤ（ライン）５１での分布定数は、インダクタＬ１１と、キャパシタＣＬ１、ＣＬ２とから構成される。第２のワイヤ（ライン）５２での分布定数は、インダクタＬ１２と、キャパシタＣＬ３、ＣＬ４とから構成される。

図４は、本発明による磁気センサユニットの磁気センサの外観図である。磁気センサ３は、磁性薄膜３２の周辺に巻線３１が巻かれた構造をしている。

図５は、本発明による磁気センサユニットでの位相差対印加磁界特性の説明図である。図５において、横軸は外部磁界Ｈを表し、縦軸は位相差Δφを表している。図５から、検出磁界にて、急峻に位相がシフトしていることが分かる。

本発明の磁気センサユニットによれば、二つの出力信号の位相差を時間差として計測し、かつ磁気センサ近傍にて、共振回路部を形成することにより、磁気センサ素子およ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１０⁻⁹×１０^３/４π（Ａ/ｍ）レベルの高感度の磁気センサユニットを構成できる。

本発明の実施の形態による磁気センサユニットのブロック図である。 図１に示した磁気センサユニットの時間間隔カウンタに供給される信号波形の一例を示す図である。 本発明による磁気センサユニットの共振回路部の構成の説明図であり、（ａ）は集中定数のみの場合の説明図であり、（ｂ）は分布定数を含む場合の説明図である。 本発明による磁気センサユニットの磁気センサの外観図である。 本発明による磁気センサユニットでの位相差対印加磁界特性の説明図である。 従来の磁気センサユニットのブロック図である。

符号の説明

１ キャリア信号発生器
３ 磁気センサ
４ 減衰器及び位相シフタ
５ ローカル信号発生器
９，１０ ローパスフィルタ
５１，５２ 信号ライン線（ワイヤ）
６１，６２ 分配器
７１，７２ ミキサ
１００ 共振回路部

Claims (7)

1. 第１の周波数を持つ第１の繰り返し信号を発生する第１の信号発生手段と、
   該第１の繰り返し信号を第１の分配した繰り返し信号と第２の分配した繰り返し信号とに分配する第１の分配手段と、
   前記第１の分配した繰り返し信号が入力される共振回路部であって、磁気インピーダンス効果を有する磁気センサを含み、前記磁気センサと他の部分の回路素子とで共振回路が形成され、前記第１の周波数と実質的に等しい共振周波数を持つ前記共振回路部と、
   前記第２の分配した繰り返し信号を減衰および位相シフトして、減衰および位相シフトした信号を出力する減衰および位相シフト手段と、
   前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を持つ第２の繰り返し信号を発生する第２の信号発生手段と、
   該第２の繰り返し信号を第３の分配した繰り返し信号と第４の分配した繰り返し信号とに分配する第２の分配手段と、
   前記第３の分配した繰り返し信号と、前記共振回路部からの出力信号とを混合して、第１の混合した信号を出力する第１の混合手段と、
   前記第４の分配した繰り返し信号と、前記減衰および位相シフトした信号とを混合して、第２の混合した信号を出力する第２の混合手段と、
   前記第１の混合した信号のうちの所定の周波数以下の成分のみを通過して、第１の低域通過した信号を出力する第１の低域通過手段と、
   前記第２の混合した信号のうちの所定の周波数以下の成分のみを通過して、第２の低域通過した信号を出力する第２の低域通過手段と、
   前記第１の低域通過した信号と、前記第２の低域通過した信号との位相差を時間差として計測して、磁界を検出する磁界検出手段と
   を有する磁気センサユニット。
2. 前記共振回路部における前記他の部分の回路素子は、前記磁気センサの周辺に追加した素子であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサユニット。
3. 前記共振回路部における前記他の部分の回路素子は、前記磁気センサの周辺に浮遊する分布定数回路素子であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサユニット。
4. 前記磁気センサ、前記第１及び前記第２の混合手段、および前記第１及び前記第２の分配手段を含む回路における多重反射により前記共振回路を構成することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサユニット。
5. 第１の周波数を持つ第１の繰り返し信号を発生するステップと、
   前記第１の繰り返し信号を第１の分配した繰り返し信号と第２の分配した繰り返し信号とに分配するステップと、
   前記第１の分配した繰り返し信号を、磁気インピーダンス効果を有する磁気センサを含む共振回路部に入力するステップと、
   前記第２の分配した繰り返し信号を減衰および位相シフトして、減衰および位相シフトした信号を出力するステップと、
   前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を持つ第２の繰り返し信号を発生するステップと、
   前記第２の繰り返し信号を第３の分配した繰り返し信号と第４の分配した繰り返し信号とに分配するステップと、
   前記第３の分配した繰り返し信号と、前記共振回路部からの出力信号とを混合して、第１の混合した信号を出力するステップと、
   前記第４の分配した繰り返し信号と、前記減衰および位相シフトした信号とを混合して、第２の混合した信号を出力するステップと、
   前記第１の混合した信号のうちの所定の周波数以下の成分のみを通過して、第１の低域通過した信号を出力するステップと、
   前記第２の混合した信号のうちの所定の周波数以下の成分のみを通過して、第２の低域通過した信号を出力するステップと、
   前記第１の低域通過した信号と前記第２の低域通過した信号との位相差を時間差として計測して、磁界を検出するステップとを含む磁気検出方法。
6. 前記共振回路部は、前記磁気センサと他の部分の回路素子とで共振回路が形成され、前記他の部分の回路素子は、前記磁気センサの周辺に追加した素子であることを特徴とする請求項５に記載の磁気検出方法。
7. 前記共振回路部は、前記磁気センサと他の部分の回路素子とで共振回路が形成され、前記他の部分の回路素子は、前記磁気センサの周辺に浮遊する分布定数回路素子であることを特徴とする請求項５に記載の磁気検出方法。
   
   

Images