JP2021018057A

JP2021018057A - 磁気センサ

Info

Publication number: JP2021018057A
Application number: JP2019131549A
Authority: JP
Inventors: 進原谷; Susumu Haratani; 笠島　多聞; Tamon Kasashima; 多聞笠島
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2021-02-15

Abstract

【課題】被検体の内部に存在する磁性体をそのまま検出する。【解決手段】磁気センサ１は、被検体の内部に存在する磁性体を検出するための磁気センサであって、基板２１と、基板２１の表面上に設けられた軟磁性体膜２３と、基板２１の表面に対して垂直な磁界を被検体に印加する磁界印加手段３０と、基板２１の表面上に設けられ、被検体に含まれる磁性体が磁界によって磁化されることにより生じる漏れ磁界を軟磁性体膜２３を介して検出する感磁素子Ｒ１〜Ｒ４とを備える。このように、被検体の内部に存在する磁性体に磁界を印加し、磁性体が磁界によって磁化されることにより生じる漏れ磁界を検出していることから、被検体の内部に存在する磁性体をそのまま検出することが可能となる。【選択図】図２

Description

本発明は磁気センサに関し、特に、被検体の内部に存在する磁性体を検出するための磁気センサに関する。

特許文献１〜４には、検出対象物質に磁気ビーズを結合させ、これを磁気センサの表面に固定することによって、検出対象物質を測定する方法が開示されている。磁気ビーズは酸化鉄などの磁性体（常磁性体）からなり、強い磁界を印加すると磁化され、漏れ磁界が発生する。このため、検出対象物質に磁気ビーズを結合させた状態で強い磁界を印加し、磁気ビーズから発生する漏れ磁界を検出すれば、検出対象物質を測定することが可能となる。

特表２００５−５１３４７５号公報特開２００７−１８７５７２号公報特開２００９−２８３８号公報国際公開第２０１７／１７０２３０号パンフレット

しかしながら、特許文献１〜４に記載された磁気センサは、検出対象物質と結合させた磁気ビーズを磁気センサの表面に固定する必要があることから、被検体の内部に存在する磁性体をそのまま検出することはできなかった。

したがって、本発明は、被検体の内部に存在する磁性体をそのまま検出することが可能な磁気センサを提供することを目的とする。

本発明による磁気センサは、被検体の内部に存在する磁性体を検出するための磁気センサであって、基板と、基板の表面上に設けられた軟磁性体膜と、基板の表面に対して垂直な磁界を被検体に印加する磁界印加手段と、基板の表面上に設けられ、被検体に含まれる磁性体が磁界によって磁化されることにより生じる漏れ磁界を軟磁性体膜を介して検出する感磁素子とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、被検体の内部に存在する磁性体に磁界を印加し、磁性体が磁界によって磁化されることにより生じる漏れ磁界を検出していることから、被検体の内部に存在する磁性体をそのまま検出することが可能となる。

本発明において、感磁素子は、感磁素子は、基板の表面に対して垂直な方向の感度よりも、基板の表面と平行な方向の感度の方が高くても構わないし、基板の表面に対して垂直な方向に感度を持たず、基板の表面と平行な方向に感度を有するものであっても構わない。これによれば、被検体に印加する磁界が強い場合であっても、感磁素子が飽和することがない。

本発明において、感磁素子は、軟磁性体膜のエッジ近傍に配置されていても構わない。これによれば、磁性体からの漏れ磁界を高感度に検出することが可能となる。

このように、本発明によれば、被検体の内部に存在する磁性体をそのまま検出することが可能となる。

図１は、本発明の好ましい実施形態による磁気センサ１の構造を説明するための模式図である。図２は検出ヘッド２０の構成を示す模式図であり、（ａ）は略平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。図３は、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４と補償コイル２４の接続関係を説明するための回路図である。図４は、磁気センサ１の使用方法を説明するための模式図である。図５は、磁性体３からの漏れ磁界φｂが感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に印加される様子を説明するための模式図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態による磁気センサ１の構造を説明するための模式図である。

図１に示すように、本実施形態による磁気センサ１は、非磁性の筐体１０と、筐体１０に収容された検出ヘッド２０及び磁界印加手段３０を備える。筐体１０は、ｚ方向を長手方向とする筒状体であり、その内部に検出ヘッド２０と磁界印加手段３０が収容されている。磁界印加手段３０は、磁界φａをｚ方向に発生させるものであり、永久磁石を用いても構わないし、電磁石を用いても構わない。磁界印加手段３０によって生成される磁界φａは、検出ヘッド２０に対して垂直に印加される。磁気センサ１の近傍に磁性体が存在しない場合、検出ヘッド２０に印加される磁界はｚ方向成分のみとなり、ｘ方向成分やｙ方向成分はほぼゼロである。

図２は検出ヘッド２０の構成を示す模式図であり、（ａ）は略平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。

図２に示すように、検出ヘッド２０は、ｘｙ面を主面とし、ｚ方向を厚み方向とする基板２１と、基板２１の表面上に設けられた感磁素子Ｒ１〜Ｒ４と、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４を覆う保護膜２２と、保護膜２２上に設けられた軟磁性体膜２３とを備える。軟磁性体膜２３は、厚み方向であるｚ方向から見て矩形であり、例えばパーマロイなどの高透磁率材料からなる磁性薄膜を用いることができる。感磁素子Ｒ１〜Ｒ４としては、ＧＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子を用いることができ、ｚ方向から見て軟磁性体膜２３のエッジに沿って配列されている。具体的には、感磁素子Ｒ１，Ｒ３は軟磁性体膜２３のエッジＥ１に沿って配置されており、感磁素子Ｒ２，Ｒ４は軟磁性体膜２３のエッジＥ２に沿って配置されている。エッジＥ１，Ｅ２はいずれもｙ方向に延在するエッジである。感磁素子Ｒ１〜Ｒ４の感磁方向はいずれもｘ方向であり、ｙ方向及びｚ方向における感度はｘ方向における感度よりも大幅に低く、典型的には、ｙ方向及びｚ方向にはほぼ感度を持たない。また、基板２１には、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に印加される磁界をキャンセルするための補償コイル２４が設けられている。

図３は、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４と補償コイル２４の接続関係を説明するための回路図である。

図３に示すように、電源電位Ｖｃｃが供給される配線とグランド電位ＧＮＤが供給される配線の間に、感磁素子Ｒ１，Ｒ４が直列に接続されるとともに、感磁素子Ｒ２，Ｒ３が直列に接続される。感磁素子Ｒ１，Ｒ４の接続点の電位Ｖａと感磁素子Ｒ２，Ｒ３の接続点の電位Ｖｂはアンプ２５に供給され、電位Ｖａと電位Ｖｂの差に基づいてフィードバック電流Ｉが生成される。フィードバック電流Ｉは補償コイル２４に流れ、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に印加される磁界をキャンセルする。これにより、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に印加される磁界が常にゼロとなるよう、クローズドループ制御が行われる。そして、補償コイル２４に流れるフィードバック電流Ｉは、抵抗２６によって電流電圧変換され、アンプ２７によって検出信号ＯＵＴが生成される。検出信号ＯＵＴのレベルは、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に印加されるｘ方向の磁界強度に比例する。

図４は、本実施形態による磁気センサ１の使用方法を説明するための模式図である。

図４に示すように、本実施形態による磁気センサ１は、被検体２に検出ヘッド２０を押し当てる、或いは、近接させることによって、被検体２の内部に存在する磁性体３の密度を検出する。被検体２の種類については特に限定されないが、人体、人体から抽出又は切除した組織、或いは、鉄筋コンクリートなどが挙げられる。例えば、被検体２が人体である場合、磁気センサ１を肝臓の直上に押し当てることにより、肝臓に蓄積している磁性体３である鉄イオンの濃度を測定することができる。肝臓に蓄積する３価の鉄イオンは常磁性体であり、強い磁界に晒されると磁化され、漏れ磁界が発生する。また、被検体２が鉄筋コンクリートである場合、強磁性体である鉄筋が磁性体３となる。このような漏れ磁界にはｚ方向成分のみならず、ｘ方向成分も含まれているため、図５に示すように、漏れ磁界φｂのｘ方向成分が軟磁性体膜２３を介してｘ方向に流れる。軟磁性体膜２３に流れるｘ方向の磁界は、軟磁性体膜２３のエッジ近傍に配置された感磁素子Ｒ１〜Ｒ４に印加されるため、磁性体３の密度に応じた検出信号ＯＵＴを得ることが可能となる。

そして、感磁素子Ｒ１〜Ｒ４は、ｚ方向の磁界に対する感度がほぼゼロであることから、磁界印加手段３０によって印加するｚ方向の磁界φａを非常に強く設定しても、これによって感磁素子Ｒ１〜Ｒ４が飽和することはない。また、漏れ磁界φｂを集磁する軟磁性体膜２３は、ｘｙ平面方向に延在し、ｚ方向における厚みが非常に薄いことから、被検体２の内部に存在する磁性体３と軟磁性体膜２３の距離を短くすることができ、これにより、高感度な検出を行うことができるとともに、磁性体３からの漏れ磁界φｂを広範囲に集磁することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態による磁気センサ１は、被検体２に存在する磁性体３を取り出すことなく、被検体２の内部に存在する状態のままで磁性体３を検出することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１磁気センサ
２被検体
３磁性体
１０筐体
２０検出ヘッド
２１基板
２２保護膜
２３軟磁性体膜
２４補償コイル
２５アンプ
２６抵抗
２７アンプ
３０磁界印加手段
Ｅ１，Ｅ２エッジ
Ｒ１〜Ｒ４感磁素子
φａ，φｂ磁界

Claims

被検体の内部に存在する磁性体を検出するための磁気センサであって、
基板と、
前記基板の表面上に設けられた軟磁性体膜と、
前記基板の表面に対して垂直な磁界を、前記被検体に印加する磁界印加手段と、
前記基板の表面上に設けられ、前記被検体に含まれる磁性体が前記磁界によって磁化されることにより生じる漏れ磁界を前記軟磁性体膜を介して検出する感磁素子と、を備えることを特徴とする磁気センサ。
前記感磁素子は、前記基板の表面に対して垂直な方向の感度よりも、前記基板の表面と平行な方向の感度の方が高いことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
前記感磁素子は、前記基板の表面に対して垂直な方向に感度を持たず、前記基板の表面と平行な方向に感度を有することを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
前記感磁素子は、前記軟磁性体膜のエッジ近傍に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気センサ。