JP2020183878A - 高速高感度磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの高周波振動している０．１ｍＧ以下の微小磁界を測定できる高速高感度磁気センサを提供する。高速測定かつ微小磁界測定は背反特性なので、両特性の改善は難しい課題である。【解決手段】本発明は、ＧＳＲセンサのパルス繰り返し数を２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚとし、かつコイル電圧を５０倍〜４００倍に増幅すること、およびハイパスフィルター回路とバンドパスフィルター回路を組み合わせることによって、１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚで振動している０．１ｍＧ以下の微小磁界の検出を可能にする。【選択図】図６

Description

本発明は、１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ以下の特定の周波数で変化している微小の交流磁界の測定を実現する高速高感度磁気センサに関するものである。

電気インピーダンス画像診断技術（以下、ＥＩＴ技術という。）は、身体に複数の電極対を取り付けて、電極対に２ｍＡ程度の微弱な高周波電流、周波数は１００ｋＨＺ〜１ＭＨｚを通電し、その際に生じるインピーダンス変化を電極対の電位差で検知するものである。ＥＩＴ技術は、人体に無害で、Ｘ線の代替技術およびウェアラブルＭＲＩを実現する技術として期待されているが、その画像の高画素化が課題となっている（非特許文献１）。

最近、複数の磁気センサを配置して高画素化（特許文献１）が取り組まれている。２ｍＡ以下の微弱な高周波電流から発する磁界は、１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの高速振動する０．１ｍＧ〜１０ｍＧレベルの微小な磁界である。さらに２ｍＡの電流が身体内で広がることは０．１ｍＡの末端電流が発する磁界を検出することが必要となり、望ましくは０．０１ｍＧ以下の検出力が求められる。つまり測定速さは１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚで、０．０１ｍＧ以下の微小磁界を測定し、それを２０ＨｚのＯＤＲ（データ出力速さ）で出力することができる高速高感度磁気センサの開発が求められている。

高速高感度磁気センサとして、ＧＳＲセンサが特許文献２に開示されている。
２００Ｈｚで０．２ｍＧの性能を有するＧＳＲセンサが報告されているが、このセンサは２００ｋＨｚの速度で使用すると６ｍＧのノイズとなって、検出力が求められている０．０１ｍＧ以下に比べて大きく劣るものである。
次に、高感度タイプのＧＳＲセンサとしては、１Ｈｚ程度の周波数で振動している０．００００２ｍＧの微小磁界を検知できるが報告されている。しかし、５００ｋＨｚでのノイズは０．０１５ｍＧに改善できると期待されているが、５００ｋＨｚの測定速さで可能とするための方策は開示されていない。
さらに、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの超高速測定タイプのＧＳＲセンサが報告されている。しかし、そのノイズレベルは１８０ｍＧである。この大きなノイズを１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの測定速度で、０．１ｍＧ以下に減少させる方策は開示されていない。

特許文献３では、パルス繰り返し周波数１０ＭＨｚで、測定速さ１０ｋＨｚ以下で、ノイズは０．０５ｍＧ以下の磁気センサが報告されている。このセンサを５００ｋＨｚで作動させると、ノイズは０．３５ｍＧ以下となると予想されるが、ノイズを０．１ｍＧ以下にする方策は開示されていない。
以上、測定対象磁界が１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの高周波振動する０．１ｍＧ以下の微小磁界を測定できる高速高感度ＧＳＲセンサは開発されていない。

ＷＯ２０１５／１２９７５６ 特許第５８３９５２７号公報 特許第６２５４３２６号公報

根武谷吾；呼吸臨床 Ｖｏｌ.２、Ｎｏ．１１（２０１８）

これまでのＧＳＲセンサは、測定速さは１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚのタイプが報告されているが、いずれも測定ノイズが大きいという欠点がある。本発明は、電気インピーダンス診断画像で使用される１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの高周波電流が作る０．１ｍＧ以下の微小磁界を測定するもので、測定速さを１００ｋＨｚから１ＭＨｚの速さで測定して、測定ノイズを０．１ｍＧ以下に低減を図ることが課題である。しかし、測定速さと測定ノイズは背反特性であるので、これは難しい課題である。本発明はこのような事情に鑑みて為されたものである。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの外部磁界の周波数に対応させて、パルス繰り返し数を２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚ、つまり外部磁界の周波数の２０倍〜４０倍にすることにより電気ノイズを半減できることを見出した。また、測定磁界の強さが最大１０ｍＧ程度であることに着目し、１００ｍＶ／Ｇ以上の高感度タイプのＧＳＲ素子とそのコイル電圧を増幅回路で５０倍〜４００倍増幅することを組み合わせることで、電気ノイズを１／２０以下に低減を図ることができることを見出した。
さらに特定周波数の外部磁界に注目してバンドフィルター回路を活用することで、電気ノイズをさらに１／１０倍低減できることを確認した。

本発明は、上記３つの知見を基に、１０ｍＧ以下の微小磁界で１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの高周波で振動している外部磁界の測定を可能にするものである。

本発明の高速高感度磁気センサは、１０ｍＧ以下の微小磁界で１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの高周波で振動している外部磁界の測定を可能にするもので、電気インピーダンス画像診断装置の高画素化を可能にして、将来人体に無害で、Ｘ線の代替技術およびウェアラブルＭＲＩを実現する技術を切り拓くことが期待される

実施例１に係るＧＳＲセンサ用素子である。 実施例１に係る高速高感度磁気センサの電子回路である。 実施例２に係る高速高感度磁気センサの電子回路である。 実施例１で、電気ノイズに及ぼすパルス繰り返し数の影響を示す図である。 実施例１で、コイル電圧に及ぼすパルス繰り返し数の影響を示す図である。 実施例１で、磁気ノイズに及ぼすパルス繰り返し数の影響を示す図である。

本発明の第１実施形態は、磁性ワイヤからなる感磁体と感磁体の周囲に巻回された検出コイルと２つのワイヤ電極、２つのコイル電極の合計４つの電極とからなるＧＳＲセンサ用素子（以下、ＧＳＲ素子という。）と、２つのワイヤ電極を介して感磁体へパルス電流を供給するパルス発信回路と、検波タイミング調整回路と、２つのコイル電極を介して検波後のコイル電圧をホールドするサンプルホールド回路、ホールド電圧の電位幅を検出する増幅回路および出力回路からなる電子回路から構成されている。

ＧＳＲ素子は、磁性ワイヤの長さは１ｍｍ〜３ｍｍ、直径は５μｍ〜２０μｍである。磁性ワイヤの電気抵抗は２Ω〜２０Ωとする。
コイルの内径は１０μｍ〜２５μｍで、コイルピッチは３μｍ〜１０μｍで、コイル巻き数１００回〜１０００回である。コイル抵抗は７００Ω〜７ｋΩで、コイル電圧は１００μＶ/ｍＧ〜６００μＶ／ｍＧである。

パルス発信回路は、パルスを発生し、それを磁性ワイヤに通電する回路である。パルスの立ち上りまたは立下り時間は０．２ｎｓｅｃ〜５ｎｓｅｃまで制御可能とする。つまり、パルス周波数０．１ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚまで制御可能とする。パルス電流は１０ｍＡ〜５００ｍＡまで制御可能とする。パルス繰り返し数は２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚとする。電源電圧は１Ｖ〜１５Ｖとすることにより必要なパルス電流の強さ１０ｍＡ〜５００ｍＡを確保できる。

コイル電圧は、コイル抵抗が７００Ω〜７ＫΩと高いので、パルス対応型バッファー回路（以下、バッファー回路という。）でインピーダンスを調整してから、サンプルホールド回路に入力し、その最大値をホールドする。ここで、バッファー回路には、特許公報第５６７８３５８号に開示されている回路を用いる。

電子スイッチは、コイル電圧がピーク値となる瞬間でＯＮからＯＦＦに切り替わり、その時の電圧を検波してホールド用コンデンサに保存する。検波タイミング調整回路は、検波タイミングがほぼパルスの立ち上り時間に対応しているので、０．２ｎｓｅｃ〜５ｎｓｅｃまで調整可能である。

ホールド用コンデンサは、１０ｐＦ〜５０ｐＦとする。検出コイルの抵抗が７００Ω〜７ｋΩと大きいので、コイル電流による電圧降下を抑制するためにバッファー回路を介してサンプルホールドする。バッファー回路から比較的大きな電流を流すことができるので、ホールド用コンデンサの容量は１０ｐＦ以上として電気ノイズを抑制することが望ましい。

サンプルホールド電圧を増幅回路に入力し、５０〜４００倍の増幅を行ない、その電圧を出力回路に入力し、測定速さは１００ＫＨｚ〜１ＭＨｚ以下とする。測定対象の磁界が±１０ｍＧ程度でコイル電圧は１ｍＶ〜６ｍＶなので、４００倍の増幅をしても高々±０．１Ｖ〜±２．４Ｖ程度で電源電圧５Ｖとすると飽和する危険はない。増幅回路により電気ノイズは１／７〜１／２０程度減少させることができる。

ここで出力回路は、アナログ出力、ＡＤ変換後のデジタル出力あるいはマイコンへの入力できる通信信号などを出力するものである。

本実施形態により、パルス繰り返し数を２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚで、測定速さを１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚで磁気ノイズが０．０８ｍＧ〜０．２ｍＧの性能が得られる。

本発明の第２実施形態は第１実施形態において、
検出コイルとバッファー回路の間にハイパスフィルター回路を設け、増幅回路と出力回路の間に１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの間の特定の周波数に対応したバンドパスフィルター回路を設けたものである。これにより、電気ノイズを１／１０以下に低減することができる。
また、外部磁界の特定周波数が、１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの間で変化した場合、その周波数を検知して、バンドパスフィルター回路の通過周波数を外部磁界の周波数に一致させる機能も有している。これにより、電気ノイズを１／１０以下に低減することができる。
さらに、出力回路のサンプリング速度は、２０Ｈｚ〜５０Ｈｚにするもので、これにより電気ノイズを１／１０以下に低減することができる。
以上の実施形態により、磁気ノイズは０．０００１ｍＧが可能となる。

実施例１は、ＧＳＲセンサを使った電子コンパス用の高速高感度磁気センサに係る発明で、そのＧＳＲ素子は図１に、電子回路２は図２にそれぞれ示す。
実施例１は、磁性ワイヤ１２からなる感磁体と感磁体の周囲に巻回された検出コイル１３と２つのワイヤ電極１４、２つのコイル電極１５の合計４つの電極とからなるＧＳＲ素子１と、２つのワイヤ電極１４を介して感磁体へパルス電流を供給するパルス発信回路２１と、検波タイミング調整回路２４と、２つのコイル電極１７を介して検波後のコイル電圧をホールドするサンプルホールド回路２５と、ホールド電圧を検出する増幅回路２８からなる電子回路２から構成されている。

ＧＳＲ素子１については、磁性ワイヤ１２の長さは２ｍｍ、直径は１０μｍ、ワイヤの電気抵抗は６Ωとする。検出コイル１３の内径は１５μｍ、コイルピッチは５μｍで、コイル巻き数は３６０回である。コイル抵抗は２ＫΩで、コイル電圧は３５０μＶ/ｍＧである。

パルス発信回路２１は、パルスを発生し、それを磁性ワイヤに通電する回路である。パルスの立ち上りまたは立下り時間を０．４ｎｓｅｃとする。つまりパルス周波数１．２５ＧＨｚとする。パルス電流は２００ｍＡとする。電源電圧は４Ｖとして、必要なパルス電流の強さ２００ｍＡを確保する。
パルス繰り返し数が電気ノイズおよびコイル電圧に及ぼす影響を図６に示すように、パルス繰り返し数を０．１〜１００ＭＨｚ変化させた時、磁気ノイズは、パルス繰り返し数が２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚで最小値を示すこと分かる。

コイル電圧は、コイル抵抗が２ｋΩと高いので、バッファー回路２３でインピーダンスを調整してから、サンプルホールド回路２５に入力し、その最大値をホールドする。ここで、バッファー回路２３には、特許公報第５６７８３５８号に記載されている回路を用いる。

電子スイッチ２６は、コイル電圧がピーク値となる瞬間でＯＮからＯＦＦに切り替わり、その時の電圧を検波してホールド用コンデンサ２７に保存する。検波タイミング調整回路２４は、検波タイミングがほぼパルスの立ち上り時間に対応しているので、０．４ｎｓｅｃである。

ホールド用コンデンサ２７は、２０ｐＦとする。検出コイルの抵抗が２ＫΩと大きいので、コイル電流による電圧降下を抑制するためバッファー回路２３を介してサンプルホールドする。バッファー回路から比較的大きな電流を流すことができるので、ホールド用コンデンサ２７の容量は２０ｐＦとしてノイズを抑制する。

サンプルホールド電圧を増幅回路２８に入力して５０〜４００倍の増幅を行ない、その電圧を出力回路２９に入力する。測定対象の磁界が±１０ｍＧ程度でコイル電圧は３ｍＶなので、４００倍にしても高々±０．６Ｖ程度で飽和するおそれはない。増幅回路２８によりノイズは１／１４程度に減少させることができる。
ここで出力回路は、アナログ出力、ＡＤ変換後のデジタル出力あるいはマイコンへの入力できる通信信号などを出力するものである。

本実施例１において、パルス繰り返し数を１０ＭＨｚで、測定速さを２００ｋＨｚで、０．１２ｍＧの磁気ノイズ性能が得られる。

実施例２は、実施例１において、
ＧＳＲ素子２２の検出コイルとバッファー回路２３の間にハイパスフィルター回路３１を設け、増幅回路２８と出力回路２９の間に１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの間の特定の周波数に対応したバンドパスフィルター回路３２を設け、外部磁界の周波数判定回路３３および通過周波数調整回路３４を設けるものである。

実施例２は、ＥＩＴ装置の励起電流の周波数を１５０ｋＨｚ、３００ｋＨｚおよび４５０ｋＨｚとする時の実施例で、ハイパスフィルター回路３１はカット周波数を１００ＫＨｚ以下とする。バンドパスフィルター回路３２の通過周波数は１５０ｋＨｚ、３００ＫＨｚおよび４５０ＫＨｚの３水準で可変とする。可変外部磁界の特定周波数が変化した場合、外部磁界の周波数判定回路３３でその周波数を検知して、通過周波数調整回路３４を使ってバンドパスフィルター回路の通過周波数を外部磁界の周波数に一致させる機能も有している。出力回路３０のサンプリング速度は、２０Ｈｚとするものである。

本実施例２においては、パルス繰り返し数を１０ＭＨｚとして、測定速さ１５０ｋＨｚの場合には磁気ノイズ性能は０．００１ｍＧが得られ、測定速さ３００ｋＨｚの場合には磁気ノイズ性能は０．００１５ｍＧが得られ、そして測定速さ４５０ｋＨｚの場合には磁気ノイズ性能は０．００２ｍＧが得られる。

本発明の高速高感度磁気センサは、ＥＩＴ装置の高画素化を可能にしてＸ線やＭＲＩに替わる人体に無害な画像診断技術を実現することが期待される。

１：ＧＳＲセンサ用素子（ＧＳＲ素子）
１１：基板、１２：磁性ワイヤ、１３：検出コイル、１４：ワイヤ端子、１５：ワイヤ電極、１６：接続配線（ワイヤ電極用）、１７：コイル端子、１８：コイル電極、１９：接続配線（コイル電極用）
２：電子回路
２１：パルス発振器、２２：ＧＳＲセンサ用素子（ＧＳＲ素子）、２３：パルス対応型バッファー回路（バッファー回路）、２４：検波タイミング調整回路、２５：サンプルホールド回路、２６：電子スイッチ、２７：ホールド用コンデンサ、２９：増幅器
３：電子回路
２１：パルス発振器、２２：ＧＳＲセンサ用素子（ＧＳＲ素子）は、２３：パルス対応型バッファー回路（バッファー回路）、２４：検波タイミング調整回路、２５：サンプルホールド回路、２６：電子スイッチ、２７：ホールド用コンデンサ、２９：増幅器、
３１：ハイパスフィルター回路、３２：バンドパスフィルター回路、３３：外部磁界の周波数判定回路、３４：通過周波数調整回路

Claims (4)

1. 磁性ワイヤからなる感磁体、前記感磁体の周囲に巻回された検出コイルおよび２つのワイヤ電極と２つのコイル電極の合計４つの電極からなるＧＳＲセンサ用素子、ならびに２つの前記ワイヤ電極を介して前記感磁体へパルス電流を供給するパルス発信回路、検波タイミング調整回路、２つの前記コイル電極を介して検波後のコイル電圧をホールドするサンプルホールド回路、ホールド電圧を検出して増幅する増幅回路および出力回路からなる電子回路から構成されているＧＳＲセンサにおいて、
   前記ＧＳＲセンサ用素子は、前記磁性ワイヤの長さを１ｍｍ〜３ｍｍ、コイル巻き数１００回〜１０００回、前記コイル電圧は１００μＶ／ｍＧ〜６００μＶ／ｍＧとし、パルス繰り返し数を２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚとし、前記コイル電圧の出力をパルス対応型バッファー回路に入力し、次に前記パルス対応型バッファー回路の出力電圧を、電子スイッチを介してサンプルホールド回路に入力して、コイル電圧の最大値をホールドし、そのホールド電圧を増幅回路に入力して５０倍〜４００倍の増幅を行ない、その電圧を出力回路に入力し、１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ以下の測定速さを有することを特徴とする高速高感度磁気センサ。
2. 請求項１において、
   前記検出コイルと前記バッファー回路の間にハイパスフィルター回路を設け、さらに前記増幅回路と前記出力回路の間にバンドパスフィルター回路を設けて、その通過周波数を外部磁界の１００ｋＨｚ〜1ＭＨｚ以下の間の特定の周波数に対応させることを特徴とする高速高感度磁気センサ。
3. 請求項２において、
   前記バンドパスフィルター回路の前記通過周波数を外部磁界の変化する特定の周波数に対応させて可変にすることを特徴とする高速高感度磁気センサ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項において、
   前記出力回路のサンプリング速度を２０Ｈｚ〜５０Ｈｚにすることを特徴とする高速高感度磁気センサ。
   
   
   

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