JP2016148639A - 磁気センサおよび磁気検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】高い分解能および高い検出感度で磁界強度を検出可能な磁気センサを提供する【解決手段】磁気センサ１０は、高周波伝送ライン２０、強磁性体であるＹＩＧ基板３０、および、永久磁石４０を備える。高周波伝送ライン２０は、絶縁性基板２１、線状導体２２、およびグランド導体２３を備える。線状導体２２は、直線状であり、絶縁性基板２１の表面に形成されている。ＹＩＧ基板３０は、絶縁性基板２１の表面に、線状導体２２に当接するように配置されている。永久磁石４０は、ＹＩＧ基板３０における絶縁性基板２１と反対側に配置されている。この構成により、ＹＩＧ基板３０による共振が共振周波数と反共振周波数を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気共鳴現象を利用した磁気センサに関する。

強磁性体を用いた高周波デバイスが各種考案されている。

特許文献１には、ＹＩＧに対して、伸長方向が直交する二本の線状導体を配置して、高周波信号用の共振器を構成することが記載されている。

非特許文献１には、ＹＩＧの表面に複数の短冊電極を配置し、さらに、ＹＩＧの表面に該複数の短冊電極を挟むようにトランスデューサ電極を配置することで、高周波信号用の共振器を構成することが記載されている。

これらの高周波デバイスに対して、各共振器の特性を利用することで、磁気センサを構成することが考えられる。

特開平７−３２１５１４号公報

ＳｍＣｏ薄膜磁石を装荷したＧＨｚ帯マグノニック結晶の形成と磁界センサへの応用，上野智視 野田常照 金澤直輝 高木 宏幸 石山和志 井上光輝，磁気学会技術報告 Ｍａｇ−１１−０９７ ２０１１

しかしながら、特許文献１に記載の装置では、反共振の発生を抑えているため、共振周波数の前後の周波数帯域における通過特性（Ｓ２１特性）の変化が緩やかになる。図１３は、従来の特許文献１に記載の構成を用いた場合における共振周波数付近の通過特性を示すグラフである。したがって、このような通過特性のピーク周波数を用いて、磁界強度の検出に利用する場合、磁界強度の検出の分解能を高くすることができない。

また、非特許文献１に記載の装置では、通過特性に急峻なピークをえることができるが、各種のモードが生じるため、所望とするピークの検出感度が低下してしまう。これにより、磁界強度の検出感度を高くすることが難しい。

したがって、本発明の目的は、高い分解能および高い検出感度で磁界強度を検出可能な磁気センサを提供することにある。

この発明の磁気センサは、強磁性体と、該強磁性体に近接または当接する線状導体を有し、磁気検出用の高周波信号を伝送する高周波伝送ラインと、強磁性体および線状導体に磁界を印加する磁界印加手段と、を備える。線状導体は、強磁性体による共振が共振周波数と反共振周波数を有するように配置されている。

この構成では、共振周波数に反共振周波数が近接するように共振特性を調整できる。これにより、共振周波数の前後の周波数帯域における通過特性（Ｓ２１）および反射特性（Ｓ１１）の変化が急峻になる。また、磁界強度に関係する共振周波数のピークの近傍に他のモードによる共振周波数のピークが現れることが抑制される。これにより、周波数分解能および検出感度が高くなる。

また、この発明の磁気センサでは、線状導体における強磁性体に近接または当接する部分は、一方向に直線状に延びる形状であることが好ましい。

この構成では、共振周波数と反共振周波数が現れる特性を、容易な構造によって実現される。これにより、磁気センサを小型化できる。

また、この発明の磁気センサでは、線状導体は、第１の線状導体と第２の線状導体とを備え、第１の線状導体と第２の線状導体は、強磁性体を挟み、延びる方向が平行で、且つ、幅方向も平行になるように配置されていてもよい。

この構成でも、共振周波数と反共振周波数が現れる特性を、容易な構造によって実現される。これにより、磁気センサを小型化できる。

また、この発明の磁気検出回路は、上述のいずれかに記載の磁気センサと、磁気検出用の高周波信号を生成し、高周波信号の伝送特性を取得し、該伝送特性から検出した共振周波数を用いて磁界強度を算出する計測部と、を備える。

この構成では、周波数分解能および検出感度が高い磁気検出回路を実現できる。

また、この発明の磁気検出回路は、磁気センサのインピーダンスを調整するインピーダンス調整回路を備えていてもよい。

この構成では、磁気センサのインピーダンスを調整することによって、伝送特性を調整することが可能であることを利用している。これにより、さらに急峻な特性を実現でき、さらに周波数分解能を向上することができる。

この発明によれば、高い分解能および高い検出感度で磁界強度を検出することができる。

本発明の第１の実施形態に係る磁気センサの外観斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気センサの平面図および側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気センサのＳ１１特性（反射特性）を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る磁気センサと従来の非特許文献１に記載の構成を磁気センサに適用した場合の検出感度の比較結果を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る磁気検出回路の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁気センサの外観斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁気センサの平面図および側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁気検出回路の構成を示すブロック図である 本発明の第３の実施形態に係る磁気センサの平面図および側面図である。 本発明の第４の実施形態に係る磁気センサの平面図および側面図である。 ＹＩＧの各種形状例を示す図である。 磁気センサのインピーダンスを変化させた場合の反射特性（Ｓ１１特性）の変化を示すグラフである。 従来の特許文献１に記載の構成を用いた場合における共振周波数付近の通過特性を示すグラフである。

本発明の第１の実施形態に係る磁気センサおよび磁気検出回路について、図を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気センサの外観斜視図である。図２（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る磁気センサの平面図である。図２（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る磁気センサの側面図である。

図１、図２に示すように、磁気センサ１０は、高周波伝送ライン２０、ＹＩＧ基板３０、および永久磁石４０を備える。ＹＩＧ基板３０は、イットリウム鉄ガーネットを主成分とする基板であり、本発明の「強磁性体」に相当する。永久磁石４０は、本発明の「磁界印加手段」に相当する。

高周波伝送ライン２０は、絶縁性基板２１、線状導体２２、およびグランド導体２３を備える。線状導体２２は、絶縁性基板２１の表面に配置されている。線状導体２２は、一方向（図１、図２のｘ方向）に平行に、直線状に延びる形状からなる。グランド導体２３は、絶縁性基板２１の裏面に配置されている。このような形状から、高周波伝送ライン２０は、マイクロストリップラインを構成する。高周波伝送ライン２０の延びる方向の一方端が第１入出力端子Ｐ１であり、延びる方向の他方端が第２入出力端子Ｐ２である。

ＹＩＧ基板３０は、絶縁性基板２１の表面に配置されている。ＹＩＧ基板３０は、線状導体２２の延びる方向における一部の区間に対して重なるように、配置されている。ＹＩＧ基板３０は、線状導体２２に当接している。

永久磁石４０は、ＹＩＧ基板３０における絶縁性基板２１と反対側に配置されている。永久磁石４０は、ＹＩＧ基板３０における永久磁石４０側の面の全面に対して重なるように配置されている。

このような構成の磁気センサ１０に対して、第１入出力端子Ｐ１から高周波信号を入力すると、ＹＩＧ基板３０に印加される磁界強度に応じた伝送特性が得られる。図３は、本発明の第１の実施形態に係る磁気センサのＳ１１特性（反射特性）を示すグラフである。

高周波伝送ライン２０の線状導体２２におけるＹＩＧ基板３０に重なっている（図１、図２であれば、ｚ方向に視て重なっている）区間は直線である。ＹＩＧ基板３０に対して線状導体２２をこのような態様で配置することによって、図３に示すように、Ｓ１１特性は、共振によるピーク（極大）と反共振によるピーク（極小）を有する。共振によるピークでのＳ１１は、他の周波数でのＳ１１と比較して、０［ｄＢ］に近づく、反共振でのＳ１１は、他の周波数のＳ１１と比較して、より大きな負値［ｄＢ］となる。また、共振周波数と反共振周波数は周波数軸上において近接する。

したがって、共振周波数の近傍でのＳ１１の変化は急峻になる。これにより、共振周波数を高い周波数分解能で検出することができる。ここで、ＹＩＧ基板３０を用いた磁気共鳴型の共振回路では、共振周波数は磁界強度に依存することが知られている。このため、共振周波数を高い周波数分解能で検出できることによって、磁界強度を高い分解能で検出することができる。

また、本実施形態の構成では、磁界強度に依存する共振周波数の近傍に反共振周波数が存在し、他のモードによる共振周波数は、磁界強度に依存する共振周波数から離間している。したがって、磁界強度に依存する共振周波数のピークの近傍に他のモードによるノイズとなる共振周波数のピークが現れない。これにより、磁界強度に依存する共振周波数（所望とする共振周波数）を高い検出感度で検出することができる。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る磁気センサと従来の非特許文献１に記載の構成を磁気センサに適用した場合の検出感度の比較結果を示すグラフである。上段のグラフは、本発明の第１の実施形態に係る磁気センサを用いた場合を示し、下段のグラフは、非特許文献１に記載の構成を磁気センサに適用した場合（従来の場合）を示す。

図４に示すように、従来の場合では、１．３Ｅ−９［Ｔ］程度未満では、伝送特性（この場合はＳ２１）と磁界強度との一意的な関係を得ることができなくなってしまう。一方、本発明の第１の実施形態に係る磁気センサ１０を用いることで、１．０Ｅ−１３［Ｔ］まで伝送特性（この場合はΔＳ１１）と磁界強度との一意的な関係を得ることができる。

このように、本実施形態を用いることにより、より低い磁界強度まで確実に検出することができる。すなわち、検出感度を向上させるができる。このような低い磁界強度を検出できることによって、例えば、従来検出が難しかった心磁界（例えば、１．０Ｅ−１０［Ｔ］以下）を確実且つ高精度に検出することができる。

また、本実施形態の構成では、マイクロストリップラインからなる高周波伝送ライン２０、ＹＩＧ基板３０、および、永久磁石４０のみを備え、高周波伝送ライン２０の線状導体２２とＹＩＧ基板３０との配置のみによって、上述の特性を得ることができる。したがって、複雑な構成を用いることなく、簡素且つ小型な構成で磁気センサ１０を実現することができる。

このような磁気センサ１０を、例えば、図５に示すような磁気検出回路９０に用いることによって、磁界強度を検出することができる。図５は、本発明の第１の実施形態に係る磁気検出回路の構成を示すブロック図である。

磁気検出回路９０は、磁気センサ１０、計測部９１、および終端抵抗９２を備える。磁気センサ１０の第１入出力端子Ｐ１は、計測部９１に接続されている。磁気センサ１０の第２入出力端子Ｐ２は、終端抵抗９２を介してグランドに接続されている。

計測部９１は、高周波信号生成部９１１、および、アナライザ９１２を備える。高周波信号生成部９１１は、磁気検出用の高周波信号を生成し、磁気センサ１０に入力する。磁気検出用の高周波信号は、予め設定した周波数範囲で周波数スイープされている。アナライザ９１２は、出力される高周波信号と磁気センサ１０に対する反射信号との電力比等を用いて、Ｓ１１を算出する。アナライザ９１２は、各周波数に対してＳ１１を算出する。アナライザ９１２は、各周波数のＳ１１からＳ１１特性（周波数特性）を生成し、共振周波数を検出する。アナライザ９１２は、既知の方法を用いて、共振周波数から磁界強度を算出する。

次に、本発明の第２の実施形態に係る磁気センサおよび磁気検出回路について、図を参照して説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る磁気センサの外観斜視図である。図７（Ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る磁気センサの平面図である。図７（Ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る磁気センサの側面図である。なお、図６、図７では、高周波伝送ラインの絶縁性基板、グランド導体、および、永久磁石の図示を省略している。

磁気センサ１０Ａは、線状導体２１１，２１２の構成が第１の実施形態に係る磁気センサ１０と異なり、他の構成は、第１の実施形態に係る磁気センサ１０と同じである。

線状導体２１１は、直線状の導体である。線状導体２１１の延びる方向の第１端部側がＹＩＧ基板３０の裏面に当接または近接している。線状導体２１１の延びる方向の第２端部は、第１入出力端子Ｐ１である。

線状導体２１２は、直線状の導体である。線状導体２１２の延びる方向の第１端部側がＹＩＧ基板３０の表面に当接している。線状導体２１２の延びる方向の第２端部は、第２入出力端子Ｐ２である。

線状導体２１１におけるＹＩＧ基板３０と重なる区間と線状導体２１２におけるＹＩＧ基板３０と重なる区間は、ともにｘ方向に沿って延びている。すなわち、線状導体２１１におけるＹＩＧ基板３０と重なる区間と線状導体２１２におけるＹＩＧ基板３０と重なる区間は平行に配置されている。

線状導体２１１におけるＹＩＧ基板３０と重なる区間と線状導体２１２におけるＹＩＧ基板３０と重なる区間は、それぞれの平板面がＹＩＧ基板３０を介して対向している。

このような構成であっても、第１の実施形態と同様に、共振と反共振を有する磁界共鳴型の磁気センサを実現できる。そして、この構成を備えることによって、共振周波数前後のＳ２１特性を急峻にすることができる。したがって、分解能および検出感度が高い磁気センサ１０Ａを実現することができる。

このような磁気センサ１０Ａを、例えば、図８に示すような磁気検出回路９０Ａに用いることによって、磁界強度を検出することができる。図８は、本発明の第２の実施形態に係る磁気検出回路の構成を示すブロック図である。

磁気検出回路９０Ａは、磁気センサ１０Ａ、および計測部９１を備える。磁気センサ１０Ａの第１、第２入出力端子Ｐ１，Ｐ２は、計測部９１に接続されている。

計測部９１は、高周波信号生成部９１１、および、アナライザ９１２を備える。高周波信号生成部９１１は、磁気検出用の高周波信号を生成し、磁気センサ１０Ａに入力する。アナライザ９１２は、出力される高周波信号と磁気センサ１０Ａの第２入出力端子Ｐ２から出力される高周波信号との電力比等を用いて、Ｓ２１を算出する。アナライザ９１２は、各周波数に対してＳ２１を算出する。アナライザ９１２は、各周波数のＳ２１からＳ２１特性（周波数特性）を生成し、共振周波数を検出する。アナライザ９１２は、既知の方法を用いて、共振周波数から磁界強度を算出する。

次に、本発明の第３の実施形態に係る磁気センサについて、図を参照して説明する。図９（Ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る磁気センサの平面図である。図９（Ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る磁気センサの側面図である。なお、図９では、高周波伝送ラインの絶縁性基板、グランド導体、および、永久磁石の図示を省略している。

本実施形態の磁気センサ１０Ｂは、線状導体２２Ｂの形状が第１の実施形態に係る磁気センサ１０と異なる。

線状導体２２Ｂは、ＹＩＧ基板３０の表面、第１側面、裏面に当接するように配置されている。言い換えれば、線状導体２２Ｂは、側面から視てＹＩＧ基板３０に巻き付けられるように配置されている。

線状導体２２ＢにおけるＹＩＧ基板３０の表面に当接する第１区間と、線状導体２２ＢにおけるＹＩＧ基板３０の裏面に当接する第２区間は、ともに直線状であり、互いに平行である。

このような構成であっても、第１の実施形態に係る磁気センサ１０と同等の伝送特性を実現できる。これにより、第１の実施形態に係る磁気センサ１０と同様に、高い分解能と検出感度を有する磁気センサ１０Ｂを実現することができる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る磁気センサについて、図を参照して説明する。図１０（Ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る磁気センサの平面図である。図１０（Ｂ）は、本発明の第４の実施形態に係る磁気センサの側面図である。なお、図１０では、高周波伝送ラインの絶縁性基板、グランド導体、および、永久磁石の図示を省略している。

本実施形態に係る磁気センサ１０Ｃは、線状導体２２１Ｃ，２２２Ｃの配置が第２の実施形態に係る磁気センサ１０Ａと異なる。

線状導体２２１Ｃと線状導体２２２Ｃは、ＹＩＧ基板３０の対向する側面に当接するように配置されている。

線状導体２２１ＣにおけるＹＩＧ基板３０の側面に当接する第１区間と、線状導体２２２ＣにおけるＹＩＧ基板３０の側面に当接する第１区間は、ともに直線状であり、互いに平行である。

このような構成であっても、第２の実施形態に係る磁気センサ１０Ａと同等の伝送特性を実現できる。これにより、第２の実施形態に係る磁気センサ１０Ａと同様に、高い分解能と検出感度を有する磁気センサ１０Ｃを実現することができる。

なお、上述の各実施形態では、ＹＩＧ基板３０の形状は長方形の板状であるが、他の形状であってもよい。図１１は、ＹＩＧの各種形状例を示す図である。

図１１（Ａ）では、ＹＩＧ基板は、上述の各実施形態に示した長方形の板である。図１１（Ｂ）では、ＹＩＧ基板は円板である。図１１（Ｃ）では、ＹＩＧ基板は六角形の板である。なお、平面視した形状は、四角形以上であれば、どの多角形であってもよい。

また、ＹＩＧは厚みが薄い基板に限るものではない。図１１（Ｄ）では、ＹＩＧは、直方体である。図１１（Ｅ）では、ＹＩＧは球体である。図１１（Ｆ）では、ＹＩＧは六角柱である。この場合も、平面視した形状は、四角形以上であれば、どの多角形であってもよい。

また、上述の各実施形態では線状導体をＹＩＧ基板３０に当接させる態様を示したが、近接していてもよい。

また、上述の各実施形態の構成に加え、磁気センサのインピーダンスを調整することによって、共振周波数の前後の伝送特性の急峻さを得ることもできる。図１２は、磁気センサのインピーダンスを変化させた場合の反射特性（Ｓ１１特性）の変化を示すグラフである。図１２の場合では、インピーダンスを５０［Ω］に調整することによって、共振周波数の前後の伝送特性を最も急峻にすることができる。

磁気センサのインピーダンスは、例えば、線状導体の幅を変化させる、絶縁性基板の厚み、材質を変化させる、等によって実現することができる。なお、このインピーダンスを変化させることによる共振周波数の前後の伝送特性の急峻さの調整は、上述の各実施形態に示した構成に限ることなく、ＹＩＧ基板に線状導体からなる高周波伝送ラインを結合させる構造であれば、適用することができる。ただし、上述の各実施形態に適用することによって、より効果的に作用する。

また、上述の説明では、強磁性体としてＹＩＧを用いる例を示したが、磁気共鳴型の共振器が形成可能な強磁性体であれば、上述の各実施形態の構成を適用することができる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ：磁気センサ
２０：高周波伝送ライン
２１：絶縁性基板
２２，２２Ｂ，２１１，２１２，２２１Ｃ，２２２Ｃ：線状導体
２３：グランド導体
３０：ＹＩＧ基板
４０：永久磁石
９０，９０Ａ：磁気検出回路
９１：計測部
９２：終端抵抗
９１１：高周波信号生成部
９１２：アナライザ
Ｐ１：第１入出力端子
Ｐ２：第２入出力端子

Claims (5)

1. 強磁性体と、
   該強磁性体に近接または当接する線状導体を有し、磁気検出用の高周波信号を伝送する高周波伝送ラインと、
   前記強磁性体および前記線状導体に磁界を印加する磁界印加手段と、
   を備え、
   前記線状導体は、前記強磁性体による共振が共振周波数と反共振周波数を有するように配置されている、
   磁気センサ。
2. 前記線状導体における前記強磁性体に近接または当接する部分は、一方向に直線状に延びる形状である、
   請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記線状導体は、第１の線状導体と第２の線状導体とを備え、
   前記第１の線状導体と前記第２の線状導体は、前記強磁性体を挟み、延びる方向が平行で、且つ、幅方向も平行になるように配置されている、
   請求項１または請求項２に記載の磁気センサ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の磁気センサと、
   前記磁気検出用の高周波信号を生成し、前記高周波信号の伝送特性を取得し、該伝送特性から検出した共振周波数を用いて磁界強度を算出する計測部と、
   を備える、磁気検出回路。
5. 前記磁気センサのインピーダンスを調整するインピーダンス調整回路を備えた、
   請求項４に記載の磁気検出回路。

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