JP2019045275A - 磁気検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成で微弱な磁場を精度よく検出する。【解決手段】第１磁気分解能で入力磁場の検出軸の成分を検出した検出値に基づいて、入力磁場の検出軸の成分を減殺する第１キャンセル磁場を生成する第１磁場生成部と、第２磁場生成部、及び、磁気抵抗素子を有する第１磁気検出部とを備え、第２磁場生成部は、磁気抵抗素子の出力に応じて流れるフィードバック電流に基づいて、入力磁場及び第１キャンセル磁場を重畳した合成磁場の検出軸の成分を減殺する第２キャンセル磁場を生成し、磁気抵抗素子は、入力磁場、第１キャンセル磁場、及び、第２キャンセル磁場が与えられて検出軸を感磁軸として磁場を検出した結果を出力し、第１磁気検出部は、フィードバック電流を測定することで、合成磁場の検出軸の成分を、第１磁気分解能よりも高い第２磁気分解能で検出する磁気検出装置を提供する。【選択図】図４

Description

本発明は、磁気検出装置に関する。

１０ｐＴ程度の微弱な磁場を検出する磁気センサが知られており、心臓等の臓器の電気的な分極に起因する心磁信号を測定する心磁計等に用いられていた（例えば、特許文献１〜３参照）。また、超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＱＵａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いてグラジオメータを形成して環境磁場の影響を軽減することが知られていた（例えば、特許文献４参照）。
特許文献１ 特開２０００−２１７７９８号公報
特許文献２ 特開２０１２−１５２５１５号公報
特許文献３ 特開２０００−２８４０３２号公報
特許文献４ 特開平５−２３２２０２号公報

また、臓器等の微弱な磁場を測定すると環境磁場成分の含まれる割合が大きく、被測定信号を高精度で測定しようとすると高いダイナミックレンジが必要になり、高ビット数のＡＤ変換器及び高電圧電源等の特別な技術が必要であった。

また、ジョセフソン効果を利用したＳＱＵＩＤセンサは、微弱な磁場を検出できるが、高価な液体ヘリウムと、大規模な磁気シールドルーム等が必要になってしまい、当該センサを備える装置を設置することは容易ではなかった。このため、従来、簡便な構成で微弱な磁場を精度よく検出することが困難であった。

本発明の第１の態様においては、第１磁気分解能で入力磁場の検出軸の成分を検出した検出値に基づいて、入力磁場の検出軸の成分を減殺する第１キャンセル磁場を生成する第１磁場生成部と、第２磁場生成部、及び、磁気抵抗素子を有する第１磁気検出部と、を備え、第２磁場生成部は、磁気抵抗素子の出力に応じて流れるフィードバック電流に基づいて、入力磁場及び第１キャンセル磁場を重畳した合成磁場の検出軸の成分を減殺する第２キャンセル磁場を生成し、磁気抵抗素子は、入力磁場、第１キャンセル磁場、及び、第２キャンセル磁場が与えられて、検出軸を感磁軸として磁場を検出した結果を出力し、第１磁気検出部は、フィードバック電流を測定することで、合成磁場の検出軸の成分を、第１磁気分解能よりも高い第２磁気分解能で検出する、磁気検出装置、及び、当該磁気検出装置により実行される磁気検出方法を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る磁気検出装置１０の概略図を示す。 本実施形態に係る被測定信号の一例である心磁信号の概略波形を示す。 本実施形態に係る被測定信号の一例である心磁信号のスペクトラムの概略を示す。 本実施形態に係る磁気検出装置１０の構成の一例を示す。 本実施形態の第１変形例に係る磁気検出装置１０の構成の一例を示す。 本実施形態に第２変形例に係る磁気検出装置１０の構成の一例を示す。 第２変形例における磁気検出方法の処理フローの一例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る磁気検出装置１０の概略図を示す。本実施形態に係る磁気検出装置１０は、入力磁場から、入力磁場の大部分を占める環境磁場成分を除き、入力磁場に含まれる微小成分の被測定信号である信号磁場成分を高い分解能で検出する。磁気検出装置１０は、第２磁気検出部１１０、第１磁場生成部１３０、及び、第１磁気検出部１５０を備える。

第２磁気検出部１１０は、入力磁場の強度を検出して、検出結果を第１磁場生成部１３０に与える。第２磁気検出部１１０は、第１磁気分解能で、入力磁場の検出軸（感磁軸ともいう）の成分を検出する。第１磁気分解能は、地磁気をはじめとした環境磁場と比較して充分低い値である必要があり、例えば、約０．１〜１０μＴ（一例としては約１μＴ）の範囲にあってよい。

第１磁場生成部１３０は、第２磁気検出部１４０からの検出結果に応じて第１キャンセル磁場を生成する。例えば、第１磁場生成部１３０は、第２磁気検出部１１０が検出した入力磁場に応じた大きさの電流をコイルに流すことにより、第１キャンセル磁場を生成する。ここで、第１キャンセル磁場は、入力磁場の大部分を減殺することにより、合成磁場を生じさせる。第１キャンセル磁場が減殺する成分は、入力磁場の環境磁場成分に対応する。

第１磁気検出部１５０は、合成磁場の磁場強度を検出して出力する。第１磁気検出部１５０は、第１磁気分解能よりも高い第２磁気分解能で、第２磁気検出部１１０と同じ検出軸における合成磁場の強度を検出する。合成磁場は、入力磁場の信号磁場成分に対応する。一例として、第２磁気分解能は、第１磁気分解能よりも１０^５倍以上高くてよく、例えば、１〜数ｐＴの範囲にあってよい。

入力磁場は、大きな割合を占める地磁気等の環境磁場、及び、臓器等から発せられた被測定信号となる微弱な信号磁場を含む。本実施形態によれば、第２磁気検出部１１０が入力磁場を低分解能で測定した結果に基づき、第１磁場生成部１３０が入力磁場中の環境磁場を第１キャンセル磁場により減殺する。これにより、第１磁気検出部１５０は、ダイナミックレンジの大部分を信号磁場の検出に用いることができる。従って、磁気検出装置１０は、高ダイナミックレンジの信号処理回路を用いなくとも、被測定信号を高精度に計測することができる。

図２は、本実施形態に係る被測定信号の一例である心磁信号の概略波形を示す。図２は、横軸が時間を示し、縦軸が検出される磁場の強度の例を示す。図２は、信号磁場をＢ＿ｓｉｇとして示す。図２に示すＢ＿ｓｉｇは、心磁磁場等の微弱な信号磁場であってよい。心磁磁場は、心臓において、電流の発生とみなすことができる電気的な分極に起因して発生する磁気的な信号である。

なお、心臓の活動を電気的に測定する心電図が知られている。心電図は、測定対象である心臓の近傍に取り付けた電極から電位信号を取得するものであり、電気伝導度の不均一性等による影響を受けやすい。これに対して、心磁信号は、磁気的な信号を直接検出するので、心電図と比較してより詳細な診断情報が取得できるものとして知られている。このような心磁信号は、「Ｒ波」と呼ばれる１０ｐＴ程度のピーク信号レベルを有する波形となる。本実施形態の磁気検出装置１０は、このような微弱な波形を検出するものであってよい。

しかしながら、単に磁気検出装置１０が心臓に近い位置で磁場を検出しても、心磁信号等の信号磁場Ｂ＿ｓｉｇに、環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖが重畳した信号を検出することになる。環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖは、例えば、比較的周波数が低い地磁気成分Ｂ＿Ｅｎｖ＿ＬＦと、比較的周波数が高いランダム成分Ｂ＿Ｅｎｖ＿ＨＦとを含む。

図３は、本実施形態に係る被測定信号の一例である心磁信号のスペクトラムの概略を示す。図３は、横軸が周波数を示し、縦軸が検出される磁場の強度の例を示す。図３は、心磁信号をＢ＿ｓｉｇとして示し、環境磁場をＢ＿Ｅｎｖとして示す。環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖは、心磁信号Ｂ＿ｓｉｇよりも低い周波数の地磁気成分Ｂ＿Ｅｎｖ＿ＬＦと、地磁気成分Ｂ＿Ｅｎｖ＿ＬＦよりも比較的周波数が高いランダム成分Ｂ＿Ｅｎｖ＿ＨＦとを含む。したがって、単に磁気検出装置１０が心臓近辺の磁場を検出すると、心磁信号等の信号磁場Ｂ＿ｓｉｇに、地磁気成分Ｂ＿Ｅｎｖ＿ＬＦおよびランダム成分Ｂ＿Ｅｎｖ＿ＨＦが重畳した信号を検出することになる。

環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖは、信号磁場Ｂ＿ｓｉｇのピーク信号レベルと比較して非常に大きい信号レベルなので、このままでは、磁気検出装置１０における信号ダイナミックレンジが大きくなり、その扱いが困難である。そこで、磁気検出装置１０の第１磁場生成部１３０が環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖを打ち消すことにより、第１磁気検出部１５０が信号磁場Ｂ＿ｓｉｇを検出する際の信号ダイナミックレンジを低減し、環境磁場に重畳した信号磁場の変化をより詳細に捉えることが出来る。

図４は、本実施形態に係る磁気検出装置１０の構成の一例を示す。例えば、図１に示す磁気検出装置１０は、図４に示す構成により具体化されてよい。本実施形態において、磁気検出装置１０は、第２磁気検出部１１０、電流ＤＡ変換器１２８、第１磁場生成部１３０、第１磁気検出部１５０、及び、ハイパスフィルタ１６０を備える。以下、図１と重複する構成については説明を省略する場合がある。

第２磁気検出部１１０は、環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖ及び信号磁場Ｂ＿ｓｉｇを含む入力磁場Ｂ＿Ｅｎｔを検出し、その結果を電流ＤＡ変換器１２８に供給する。第２磁気検出部１１０は、磁場成分を検出ための検出軸を有する。例えば、図４において、第２磁気検出部１１０は、ｘ軸と平行な検出軸を有する。

第２磁気検出部１１０は、磁気検出結果のデジタル値を出力するデジタル磁気センサ素子であってよい。例えば、第２磁気検出部１１０は、予め定められた回数、又は、周期的に磁気検出結果を出力してよい。又は、第２磁気検出部１１０は、ユーザの操作に応じて磁気検出結果を出力してよい。

電流ＤＡ変換器１２８は、デジタル値をアナログ電流に変換するＤＡコンバータである。電流ＤＡ変換器１２８は、デジタル磁気センサ素子等の第２磁気検出部１１０から、入力磁場Ｂ＿Ｅｎｔを第１磁気分解能で検出した結果をデジタル信号で受け取り、当該デジタル信号に対応する電流値の電流Ｉ＿Ｃｏｍｐを第１磁場生成部１３０に付与する。

第１磁場生成部１３０は、第２磁気検出部１１０が検出した入力磁場Ｂ＿Ｅｎｔの検出軸の成分に対応する電流が流れる磁気発生回路を含む。第１磁場生成部１３０は、当該磁気発生回路に電流Ｉ＿Ｃｏｍｐが流れることによって、環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖを減殺する第１キャンセル磁場Ｂ＿Ｃｏｍｐを発生させる。

すなわち、第１磁場生成部１３０は、第１磁気分解能で入力磁場Ｂ＿Ｅｎｔの検出軸の成分を検出した検出値に基づいて、入力磁場Ｂ＿Ｅｎｔの検出軸の成分を減殺する第１キャンセル磁場Ｂ＿Ｃｏｍｐを生成する。第１キャンセル磁場Ｂ＿Ｃｏｍｐは、環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖのうち地磁気等の低周波成分Ｂ＿Ｅｎｖ＿ＬＦを特に減殺する。

第１磁場生成部１３０の磁気発生回路は、コイルにより実現されてもよい。例えば、第１磁場生成部１３０のコイルは、その中心軸が磁気抵抗素子１５２を通過するように配置されてよい。第１キャンセル磁場Ｂ＿Ｃｏｍｐを生成する電流Ｉ＿Ｃｏｍｐは、次式のようにあらわされる。
…数式（１）
なお、β＿Ｅｎｖ１は、第１磁場生成部１３０のコイル係数であってよい。

第１磁気検出部１５０は、入力磁場Ｂ＿Ｅｎｔが第１キャンセル磁場Ｂ＿Ｃｏｍｐで減殺された合成磁場を第２磁気分解能で検出し、検出結果をハイパスフィルタ１６０に出力する。第１磁気検出部１５０は、クローズドループ方式の磁気センサを構成してよい。例えば、第１磁気検出部１５０は、磁気抵抗素子１５２、増幅回路１５３、第２磁場生成部１５４、及び、信号出力部１５６を有する。

磁気抵抗素子１５２は、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子、または、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子等の磁気抵抗効果素子であってよい。磁気抵抗素子１５２は、第２磁気検出部１１０と同じ検出軸（例えば、図４におけるｘ軸）を有する。

磁気抵抗素子１５２の検出軸の正の方向を＋Ｘ方向とした場合に、＋Ｘ方向の磁場が入力すると抵抗値が増加し、−Ｘ方向の磁場が入力すると抵抗値が減少するように形成されてよい。即ち、磁気抵抗素子１５２の抵抗値の変化を観測することにより、当該磁気抵抗素子１５２に入力する磁場Ｂの大きさを検出することができる。

例えば、磁気抵抗素子１５２の磁気感度をＳとすると、磁気抵抗素子１５２に入力する磁場Ｂ＿Ｉｎに対する検出結果は、Ｓ×Ｂ＿Ｉｎと算出できる。なお、磁気抵抗素子１５２は、一例として、電源等が接続され、抵抗値の変化に応じた電圧変化を、磁場の検出結果として増幅回路１５３に出力してよい。なお、図４では、磁気抵抗素子１５２は、棒状に描かれているが、基板等の平面に形成された形態であってよい。

増幅回路１５３は、磁気抵抗素子１５２の磁場の検出結果に応じた電流を増幅して、フィードバック電流Ｉ＿ＦＢとして出力する。増幅回路１５３は、例えば、トランスコンダクタンスアンプを含み、磁気抵抗素子１５２の出力電圧に応じたフィードバック電流Ｉ＿ＦＢを出力する。例えば、増幅回路１５３の電圧・電流変換係数をＧとすると、フィードバック電流Ｉ＿ＦＢは、Ｇ×Ｓ×Ｂ＿Ｉｎと算出できる。

第２磁場生成部１５４は、フィードバック電流Ｉ＿ＦＢに応じた第２キャンセル磁場Ｂ＿ＦＢを発生させる。第２磁場生成部１５４は、フィードバック電流Ｉ＿ＦＢが流れる磁気発生回路を含んでよい。磁気発生回路は、コイルにより実現されてもよい。例えば、第２磁場生成部１５４の当該コイルは、その中心軸が磁気抵抗素子１５２を通過するように配置されてよい。

例えば、第２磁場生成部１５４のコイル係数をβ＿Ｅｎｖ２とすると、第２キャンセル磁場Ｂ＿ＦＢは、β＿Ｅｎｖ２×Ｉ＿ＦＢと算出できる。ここで、第２キャンセル磁場Ｂ＿ＦＢは、磁場Ｂ＿Ｉｎを打ち消す向きに発生するので、磁気抵抗素子１５２に入力する磁場は、Ｂ＿Ｉｎ−Ｂ＿ＦＢに低減されることになる。したがって、フィードバック電流Ｉ＿ＦＢは、次式のように示される。
…数式（２）

上記式をフィードバック電流Ｉ＿ＦＢについて解き、磁気抵抗素子１５２の磁気感度Ｓおよび増幅回路１５３の電圧・電流変換係数Ｇが十分に大きいとして、次式が算出される。
…数式（３）

ここで、本実施形態において、第１磁気検出部１５０には、磁場Ｂ＿Ｉｎとして、入力磁場Ｂ＿Ｅｎｔそのものではなく、入力磁場Ｂ＿Ｅｎｔ及び第１キャンセル磁場Ｂ＿Ｃｏｍｐを重畳した合成磁場（Ｂ＿Ｅｎｔ−Ｂ＿Ｃｏｍｐ）が与えられる。

第２磁場生成部１５４は、磁気抵抗素子１５２の出力に応じて流れるフィードバック電流Ｉ＿ＦＢに基づいて、合成磁場（Ｂ＿Ｅｎｔ−Ｂ＿Ｃｏｍｐ）の検出軸の成分を減殺する第２キャンセル磁場Ｂ＿Ｆｂを生成する。ここで、磁気抵抗素子１５２は、入力磁場Ｂ＿Ｅｎｔ、第１キャンセル磁場Ｂ＿Ｃｏｍｐ、及び、第２キャンセル磁場Ｂ＿Ｆｂが与えられて、検出軸（図４のｘ軸）を感磁軸として磁場を検出した結果を出力する。

その結果、第２磁場生成部１５４には、次式に示すフィードバック電流Ｉ＿ＦＢが流れる。第２磁場生成部１５４は、フィードバック電流Ｉ＿ＦＢを信号出力部１５６に供給する。
…数式（４）

信号出力部１５６は、第１磁場生成部１３０が第２キャンセル磁場Ｂ＿ＦＢを発生するために流すフィードバック電流Ｉ＿ＦＢに応じた出力信号Ｖ＿ｘＭＲを出力する。信号出力部１５６は、例えば、抵抗値Ｒの抵抗性素子を有し、当該抵抗性素子にフィードバック電流Ｉ＿ＦＢが流れることによって生じる電圧降下を出力信号Ｖ＿ｘＭＲとして出力する。この場合、出力信号Ｖ＿ｘＭＲは、次式のように算出される。
…数式（５）

信号出力部１５６は、出力信号Ｖ＿ｘＭＲをハイパスフィルタ１６０に出力する。これにより、第１磁気検出部１５０は、フィードバック電流Ｉ＿ＦＢを介して、合成磁場（Ｂ＿Ｅｎｔ−Ｂ＿Ｃｏｍｐ）の検出軸の成分を第２磁気分解能で検出し、検出結果を外部に出力する。

ハイパスフィルタ１６０は、第１磁気検出部１５０からの出力の高周波成分を通過させる。例えば、ハイパスフィルタ１６０は、出力信号Ｖ＿ｘＭＲの低周波成分をカットし、高周波成分を差分出力部１７０に供給する。これにより、ハイパスフィルタ１６０は、環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖのうち直流成分に近い低周波成分Ｂ＿Ｅｎｖ＿ＬＦ（例えば、地磁気成分）を効果的に除去することができる。本実施形態において、磁気検出装置１０は、ハイパスフィルタ１６０を設けなくてもよい。

以上のように、磁気検出装置１０は、外部から入力する入力磁場Ｂ＿Ｅｎｔのうち大部分を占める環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖを減殺した上で、信号磁場Ｂ＿Ｓｉｇを測定する。従って、磁気検出装置１０によれば、環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖにダイナミックレンジの大部分を取られずに、信号磁場Ｂ＿ｓｉｇの検出にダイナミックレンジの大部分を使用することができる。従って、本実施形態に依れば、特別な装置構成を用いずに従来よりも精度よく微弱な信号磁場Ｂ＿ｓｉｇを検出することができる。

なお、一般的に、磁気抵抗素子１５２は、磁気感度が高く１０ｐＴ程度の微小な磁場を検出することができる一方で線形性が利用できる磁気範囲（すなわち、入出力特性の直線性が良好な範囲）が狭い。従って、本実施形態の第１磁気検出部１５０のようにクローズドループ方式を採用することで、入力磁場の絶対値の大きさによらず、磁気抵抗素子１５２に入力される磁場が０磁場付近となるように磁気抵抗素子１５２を利用することができる。これにより、本実施形態の磁気検出装置１０は、出力信号の直線性を改善することができる。

図５は、本実施形態の第１変形例に係る磁気検出装置１０の構成の一例を示す。本変形例では、磁気検出装置１０がグラジオメータを構成する形態を示す。本変形例の磁気検出装置１０において、図１〜図４等に示される磁気検出装置１０と略同一の構成には同一の符号を付け、説明を省略する。本変形例の磁気検出装置１０は、第１磁場生成部１３０及び第１磁気検出部１５０を複数（図５に示される形態では２個）備え、差分出力部１７０を更に有する。

本変形例において、２個の第１磁場生成部１３０は、直列に接続され、電流ＤＡ変換器１２８から電流Ｉ＿Ｃｏｍｐが流れる。ここで、電流ＤＡ変換器１２８に対して、上流側を第１磁場生成部１３０Ａとし、下流側を第１磁場生成部１３０Ｂとする。第１磁場生成部１３０Ａ及び第１磁場生成部１３０Ｂは、同等のコイル係数を有してよく、これにより、第１磁場生成部１３０Ａ及び第１磁場生成部１３０Ｂは、同等の第１キャンセル磁場Ｂ＿Ｃｏｍｐを生成してよい。

本変形例において、２個の第１磁気検出部１５０はそれぞれ独立に動作して、それぞれが出力信号を出力する。第１磁気検出部１５０のうち第１磁場生成部１３０Ａからの第１キャンセル磁場を受け取る方を第１磁気検出部１５０Ａとし、第１磁場生成部１３０Ｂからの第１キャンセル磁場を受け取る方を第１磁気検出部１５０Ｂとする。

第１磁気検出部１５０Ａは、入力磁場Ｂ＿Ｅｎｔ＿Ａを第１キャンセル磁場Ｂ＿Ｃｏｍｐで減殺した合成磁場（Ｂ＿Ｅｎｔ＿Ａ−Ｂ＿Ｃｏｍｐ）を第２磁気分解能で検出する。第１磁気検出部１５０Ａの信号出力部１５６Ａは、検出結果を出力信号Ｖ＿ｘＭＲ１として出力する。

第１磁気検出部１５０Ｂも、入力磁場Ｂ＿Ｅｎｔ＿Ｂを第１キャンセル磁場Ｂ＿Ｃｏｍｐで減殺した合成磁場（Ｂ＿Ｅｎｔ＿Ｂ−Ｂ＿Ｃｏｍｐ）を第２磁気分解能で検出する。第１磁気検出部１５０Ｂの信号出力部１５６Ｂは、検出結果を出力信号Ｖ＿ｘＭＲ２として出力する。

第１磁気検出部１５０Ａ（例えば、磁気抵抗素子１５２Ａ）及び第１磁気検出部１５０Ｂ（例えば、磁気抵抗素子１５２Ｂ）は、その検出軸（感磁軸）が共通又は平行であり、両者は検出軸上で離れた位置に設けられてよい。また、心磁信号等の信号磁場Ｂ＿ｓｉｇを発する心臓等の測定対象は、検出軸上で第１磁気検出部１５０Ａ（例えば、磁気抵抗素子１５２Ａ）及び第１磁気検出部１５０Ｂ（例えば、磁気抵抗素子１５２Ｂ）から離れた位置に配置されてよい。一例として、測定対象、第１磁気検出部１５０Ａ（例えば、磁気抵抗素子１５２Ａ）、及び第１磁気検出部１５０Ｂ（例えば、磁気抵抗素子１５２Ｂ）は、一の検出軸上又はその近傍に配置されてよい。

これにより、第１磁気検出部１５０Ａ及び第１磁気検出部１５０Ｂは、測定対象から異なる強度の信号磁場Ｂ＿Ｓｉｇを受け取る。ここでは、第１磁気検出部１５０Ａが受け取る信号磁場をＢ＿Ｓｉｇ１とし、第１磁気検出部１５０Ｂが受け取る信号磁場をＢ＿Ｓｉｇ２とする。一例として、第１磁気検出部１５０Ａは、第１磁気検出部１５０Ｂよりも測定対象から遠方に配置されてよく、この場合、通常はＢ＿ｓｉｇ１＜Ｂ＿ｓｉｇ２となる。

第２磁場生成部１５４Ａ及び第２磁場生成部１５４Ｂのコイル定数が同一（例えば、β＿Ｅｎｖ２）であり、信号出力部１５６Ａ、Ｂの負荷抵抗が同一（例えば、Ｒ）であるとすると、第１磁気検出部１５０Ａの出力信号Ｖ＿ｘＭＲ１、及び、第１磁気検出部１５０ＢのＶ＿ｘＭＲ２は、以下の式で表される。
…数式（６）

複数の第１磁気検出部１５０は出力信号をそれぞれに接続するハイパスフィルタに出力してよい。例えば、第１磁気検出部１５０Ａは、出力信号Ｖ＿ｘＭＲ１をハイパスフィルタＡに出力し、第１磁気検出部１５０Ｂは、出力信号Ｖ＿ｘＭＲ２をハイパスフィルタＢに出力する。

差分出力部１７０は、複数の第１磁気検出部１５０（例えば、第１磁気検出部１５０Ａ及び第１磁気検出部１５０Ｂの）の出力の差分を出力する。例えば、差分出力部１７０は、ハイパスフィルタ１６０Ａ、及び、ハイパスフィルタ１６０Ｂを経た出力信号Ｖ＿ｘＭＲ１及びＶ＿ｘＭＲ２を差分した信号（Ｖ＿ｘＭＲ２−Ｖ＿ｘＭＲ１）を出力する。一例として、差分出力部１７０は、下記数式で表されるΔＶを出力する。
…数式（７）

このように、本実施形態において、差分出力部１７０は、検出軸上の異なる位置における信号磁場の差分（Ｂ＿Ｓｉｇ１−Ｂ＿Ｓｉｇ２）に対応する成分のみを出力する。これにより、磁気検出装置１０は、環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖ（特に強度の大きい地磁気等の低周波成分Ｂ＿Ｅｎｖ＿ＬＦ）を含まない検出結果を、ダイナミックレンジの全体を使用して出力することができる。この結果、磁気検出装置１０は、信号磁場をより高い精度で検出した結果を出力することができる。

なお、図５に示す形態では、磁気検出装置１０は、単一の電流ＤＡ変換器１２８及び単一の第２磁気検出部１１０を備えるが、これに代えて、複数の電流ＤＡ変換器１２８及び複数の第２磁気検出部１１０が設けられてもよい。例えば、複数の第１磁気検出部１５０のそれぞれに対応して、電流ＤＡ変換器１２８及び第２磁気検出部１１０が設けられてもよい。

図６は、本実施形態に第２変形例に係る磁気検出装置１０の構成の一例を示す。本変形例では、磁気検出装置１０は、第２磁気検出部１１０を磁場トラッキング回路により実現する形態を説明する。先行する図面の構成と略同一の構成には同一の符号を付け、説明を省略する。

磁場トラッキング回路は、環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖの低周波成分Ｂ＿Ｅｎｖ＿ＬＦを自動的にトラッキングする。例えば、磁気検出装置１０の向きが変わる場合、地磁気などの低周波成分Ｂ＿Ｅｎｖ＿ＬＦも変化する。このような場合に、本変形例の磁気検出装置１０は、環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖの変動に適用できる。

本変形例において、磁気検出装置１０は、電流ＤＡ変換器１２８に代え、電圧ＤＡ変換器１２６を備える。本変形例の第２磁気検出部１１０は、電圧ＡＤ変換器１４２、判断回路１４４、及び、カウンタ１４６を有する。

電圧ＡＤ変換器１４２は、第１磁気検出部１５０の出力信号Ｖ＿ｘＭＲをデジタル値に変換する。ここで、電圧ＡＤ変換器１４２は、出力信号Ｖ＿ｘＭＲを低ビット数（例えば、５〜１０ビット）のデジタル出力値に変換して、判断回路１４４に出力する。このため、電圧ＡＤ変換器１４２は低分解能で出力信号Ｖ＿ｘＭＲをＡＤ変換する。従って、第２磁気検出部１１０は、出力信号Ｖ＿ｘＭＲに含まれる信号磁場Ｂ＿ｓｉｇ（例えば、±１ｐＴ）に由来する微弱な電圧信号を実質的に検出することなく、地磁気などの大きな環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖの変動（例えば、±１．０μＴ）のみを検出する。

判断回路１４４は、電圧ＡＤ変換器１４２から受け取ったデジタル出力値が予め定められた範囲の上限を超えるか否か、及び、デジタル出力値が予め定められた範囲の下限を下回るか否かを判断し、その判断結果をカウンタ１４６に供給する。

カウンタ１４６は、判断回路１４４の判断結果に基づいてカウント値を増減する。例えば、デジタル出力値が予め定められた範囲を超えたことに応じてカウント値を加算し、デジタル出力値が予め定められた範囲を下回ったことに応じてカウント値を減算する。これにより、カウンタ１４６は、第１磁気検出部１５０からの出力が予め定められた範囲を超えたことに応じてカウント値を加算し、第１磁気検出部１５０からの出力が予め定められた範囲を下回ったことに応じてカウント値を減算する。カウンタ１４６は、カウント値を電圧ＤＡ変換器１２６に出力する。

電圧ＤＡ変換器１２６は、カウンタ１４６から受け取ったカウント値に対応する電圧値の電圧Ｖ＿Ｃｏｍｐを第１磁場生成部１３０に与える。すなわち、本変形例において、電圧ＤＡ変換器１２６は、デジタル磁気センサではなく磁場トラッキング回路からのデジタル値に基づき、電圧Ｖ＿Ｃｏｍｐを供給する。ここで、第１磁場生成部１３０のコイル抵抗をＲ＿Ｃｏｉｌとする場合、第１磁場生成部１３０には、次式で示される電流Ｉ＿Ｃｏｍｐが与えられる。
…数式（８）

図７は、第２変形例における磁気検出方法の処理フローの一例を示す。本変形例において、磁気検出装置１０の第２磁気検出部１１０は、図７に示す処理フローを実行してよい。処理フローはＳ１１０〜Ｓ１４０に示す処理を含む。以下では、Ｓ１１０の処理から説明するが、処理はこの順番に開始されなくてもよい。

第２磁気検出部１１０は、定期的にＳ１１０の処理を開始してよい。Ｓ１１０において、判断回路１４４は、電圧ＡＤ変換器１４２からのデジタル出力値（すなわちＶ＿ｘＭＲの低ビットデジタル出力値）が閾値１以上かつ閾値２以下で定義される予め定められた範囲に含まれるか判断する。例えば、閾値１＜０＜閾値２であってよい。一例として、更に閾値１＝−閾値２であってよい。

また、閾値１はＲ×（Ｒ／β＿Ｅｎｖ２）×（許容下限磁場）で表されてよく、閾値２はＲ×（Ｒ／β＿Ｅｎｖ２）×（許容上限磁場）で表されてよい。ここで、許容下限磁場及び許容上限磁場は、許容される出力信号Ｖ＿ｘＭＲの範囲に対応する。

出力信号Ｖ＿ｘＭＲの低ビットデジタル出力値が、許容下限磁場及び許容上限磁場に対応する範囲から外れる場合には、第２磁気検出部１１０が第１磁場生成部１３０に与える電流Ｉ＿Ｃｏｍｐを増減させて、許容下限磁場及び許容上限磁場の範囲に収まるように調整する。一例として、許容下限磁場は−０．５μＴであってよく、許容上限磁場は０．５μＴであってよい。

Ｓ１１０において、デジタル出力値が範囲に含まれると判断する場合、判断回路１４４は処理を終了し、次にＳ１１０を開始するタイミングまで待機する。当該範囲に含まれないと判断する場合、判断回路１４４はＳ１２０の処理に進む。

Ｓ１２０において、判断回路１４４は、デジタル出力値が閾値１未満であるか否かを判断する。デジタル出力値が閾値１未満であると判断する場合、判断回路１４４はＳ１３０の処理に進み、そうでない場合、判断回路１４４はＳ１４０の処理に進む。

Ｓ１３０において、カウンタ１４６は、カウント値を減少する。これにより、電圧ＤＡ変換器１２６は、第１磁場生成部１３０に与える電流Ｉ＿Ｃｏｍｐを減少させる。その後、処理はＳ１１０に進む。

Ｓ１４０において、カウンタ１４６は、カウント値を増加する。これにより、電圧ＤＡ変換器１２６は、第１磁場生成部１３０に与える電流Ｉ＿Ｃｏｍｐを増加させる。その後、処理はＳ１１０に進む。

図６及び図７で説明したように、本変形例の第２磁気検出部１１０は、出力信号Ｖ＿ｘＭＲの低ビットデジタル出力値が一定の範囲に収まるように電流Ｉ＿Ｃｏｍｐを自動制御し、これにより第１キャンセル磁場Ｂ＿Ｃｏｍｐが入力磁場Ｂ＿Ｅｎｔの大部分（すなわち、環境磁場Ｂ＿Ｅｎｖに対応）を減殺するようにする。

本変形例においては、電流ＤＡ変換器１２８の代わりに電圧ＤＡ変換器１２６を用いることにより、第１磁場生成部１３０のコイルが比較的大きな温度係数を持つ場合にも、必要な電流Ｉ＿Ｃｏｍｐが第１磁場生成部１３０に与えられるように電圧Ｖ＿Ｃｏｍｐが自動制御される。従って、図７に示すフローを、温度変化の影響を受けず安定して実行することができる。なお、電圧ＤＡ変換器１２６に代えて、電流ＤＡ変換器１２８を用いる形態を排除するものではなく、そのような形態を採用してもよい。

また、図６〜７に示した第２変形例の第２磁気検出部１１０及び電圧ＤＡ変換器１２６を図５に示した第１変形例に適用してもよい。この場合、第１変形例において、電流ＤＡ変換器１２８に代えて電圧ＤＡ変換器１２６を用い、ハイパスフィルタ１６０Ａの出力及びハイパスフィルタ１６０Ａの出力の少なくとも一方（例えば、ハイパスフィルタ１６０Ａの出力）を第２磁気検出部１１０の電圧ＡＤ変換器１４２に入力してよい。また、別の変形例において、磁気検出装置１０は、デジタル磁気センサ素子等を利用する第１変形例の第２磁気検出部１１０と、磁気トラッキング回路を利用する第２変形例の第２磁気検出部１１０を併用してもよい。

図４〜図７において説明した実施形態及び変形例において、磁気検出装置１０は、更に他の要素を備えてよい。例えば、磁気検出装置１０は、最後段のハイパスフィルタ１６０又は差分出力部１７０の後段にＡＤ変換器を有してよく、これにより出力信号をデジタル化したデジタル信号を出力してよい。

また更に、磁気検出装置１０は、更に後段にデジタル信号処理回路を有してよく、デジタル信号に対して信号処理を行ってよい。例えば、デジタル信号処理回路は、デジタル信号のうちの着目する周波数成分（例えば、心磁信号であれば〜１Ｈｚ）のみを抽出する処理を行ってよい。一例として、デジタル信号処理回路は、信号積算を行うことで、高周波で白色雑音に近いランダム成分Ｂ＿Ｅｎｖ＿ＨＦの成分を低減することができる。また、デジタル信号処理回路は、カルマンフィルタ等の信号処理技術を利用して、デジタル信号のＳＮＲを向上してもよい。

以上のように、本実施形態によれば、磁気抵抗素子を用いて微弱な磁場を検出するので、ＳＱＵＩＤセンサ等のように装置が大規模になることなく、簡易な構成で磁気測定装置を実現できる。

図１〜図７等に例示した実施形態等に示される磁気検出装置１０は、微弱な磁気検出を行うさまざまな用途に用いることができる。例えば、磁気検出装置１０を複数備え、異なる位置における磁気検出結果を生成する磁気測定装置が挙げられる。一例として、このような磁気測定装置は、複数の磁気検出装置１０を配列状に配置し、複数の磁気検出装置１０の各々の磁気検出結果に対応する画素からなる磁気画像を生成してよい。

例えば、磁気測定装置は心磁計であってよく、この場合、磁気画像は心磁図であってよい。また、磁気測定装置は、異なる複数の軸（例えば、直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に対応する検出軸の磁気を検出する磁気検出装置１０を配置し、これにより、３次元の微小磁気信号を検出する３軸センサしても機能してもよい。一例として、磁気測定装置は、複数の磁気検出装置１０を、心臓近辺の体表面において格子状または同心円状に、３つずつ配置してよく、３次元心磁計として機能してよい。

磁気測定装置は、微弱な磁気信号を発生する動物の心臓以外の臓器を測定してもよい。例えば、磁気測定装置は脳磁計であってよく、この場合、磁気画像は脳磁図であってよい。また、例えば、磁気測定装置は、構造物（例えば、コンクリート内部）の傷、欠陥、変質、変形等の構造的／化学的特徴を探索する磁気探傷装置として用いられてよい。また、例えば、磁気測定装置は、生体試料および環境試料等の微量物質を測定する磁気イムノアッセイを行ってもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 磁気検出装置、１１０ 第２磁気検出部、１２６ 電圧ＤＡ変換器、１２８ 電流ＤＡ変換器、１３０ 第１磁場生成部、１４２ 電圧ＡＤ変換器、１４４ 判断回路、１４６ カウンタ、１５０ 第１磁気検出部、１５２ 磁気抵抗素子、１５３ 増幅回路、１５４ 第２磁場生成部、１５６ 信号出力部、１６０ ハイパスフィルタ、１７０ 差分出力部

Claims (15)

1. 第１磁気分解能で入力磁場の検出軸の成分を検出した検出値に基づいて、前記入力磁場の検出軸の成分を減殺する第１キャンセル磁場を生成する第１磁場生成部と、
   第２磁場生成部、及び、磁気抵抗素子を有する第１磁気検出部と、
   を備え、
   前記第２磁場生成部は、前記磁気抵抗素子の出力に応じて流れるフィードバック電流に基づいて、前記入力磁場及び前記第１キャンセル磁場を重畳した合成磁場の前記検出軸の成分を減殺する第２キャンセル磁場を生成し、
   前記磁気抵抗素子は、前記入力磁場、前記第１キャンセル磁場、及び、前記第２キャンセル磁場が与えられて、前記検出軸を感磁軸として磁場を検出した結果を出力し、
   前記第１磁気検出部は、前記フィードバック電流を測定することで、前記合成磁場の前記検出軸の成分を、前記第１磁気分解能よりも高い第２磁気分解能で検出する、
   磁気検出装置。
2. 前記第１磁気検出部を複数備え、
   複数の前記第１磁気検出部の出力の差分を出力する差分出力部を更に備える請求項１に記載の磁気検出装置。
3. 前記磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子、又は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子である、
   請求項１又は２に記載の磁気検出装置。
4. 前記第１磁気分解能で前記入力磁場の前記検出軸の成分を検出する第２磁気検出部を更に備える、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気検出装置。
5. 前記第２磁気検出部は、前記入力磁場の検出結果のデジタル値を出力するデジタル磁気センサ素子を含む、
   請求項４に記載の磁気検出装置。
6. 前記第２磁気検出部は、
   前記第１磁気検出部からの出力が予め定められた範囲を超えたことに応じて値を加算し、
   前記第１磁気検出部からの出力が前記予め定められた範囲を下回ったことに応じて値を減算するカウンタを有し、
   前記第１磁場生成部は、前記カウンタの値に応じた大きさで前記第１キャンセル磁場を生成する、
   請求項４に記載の磁気検出装置。
7. 前記第１磁場生成部は、前記第２磁気検出部が検出した入力磁場の前記検出軸の成分に対応する電流が流れる磁気発生回路を含む、
   請求項４から６のいずれか１項に記載の磁気検出装置。
8. 前記第２磁場生成部は、前記フィードバック電流が流れる磁気発生回路を含む、
   請求項７に記載の磁気検出装置。
9. 前記第２磁気分解能は前記第１磁気分解能よりも１０^５倍以上高い、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の磁気検出装置。
10. 前記第１磁気検出部からの出力の高周波成分を通過させるハイパスフィルタを更に備える請求項１から９のいずれか１項に記載の磁気検出装置。
11. 異なる位置に配置された請求項１か１０のいずれか１項に記載の磁気検出装置を複数備え、異なる位置における磁気検出結果を生成する磁気測定装置。
12. 複数の前記磁気検出装置は配列状に配置され、
    複数の前記磁気検出装置の各々の磁気検出結果に対応する画素からなる磁気画像を生成する、
    請求項１１に記載の磁気測定装置。
13. 前記磁気画像は心磁図であり、心磁計として用いられる、
    請求項１２に記載の磁気測定装置。
14. 前記磁気画像は脳磁図であり、脳磁計として用いられる、
    請求項１２に記載の磁気測定装置。
15. 構造物の磁気探傷装置として用いられる、
    請求項１１又は１２に記載の磁気測定装置。