JP6471113B2 - 磁気抵抗センサ、磁気センサプローブ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗センサに関するものである。

下記特許文献１は、磁気抵抗センサの雑音を低減する技術について開示している。同文献においては、セット／リセット回路７０１から磁気抵抗センサ部１０５に対してセットパルス／リセットパルスを出力することにより、１／ｆ雑音を低減させている（特許文献１、図７、００３５〜００４２参照）。

ＷＯ２０１４／０３３９０４

特許文献１に記載されているようなセット／リセット回路７０１は、一般に電流を多く消費する。したがって、磁気抵抗センサ部１０５ごとにセット／リセット回路７０１を設ける特許文献１のような構成は、大型の電源を必要とする。特に同文献の図７記載のように複数個の磁気抵抗センサ部１０５を並列接続することによって雑音を抑制する場合、この傾向はより顕著となる。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗センサの雑音を抑制しつつ電源が大型化することを回避することを目的とする。

本発明に係る磁気抵抗センサは、いずれかの磁気抵抗センサ部に対してセットパルスを出力するとともに、セットパルスと反対の極性を有するリセットパルスを他の磁気抵抗センサ部に対して出力する。

本発明に係る磁気抵抗センサによれば、セットパルス／リセットパルスによって雑音を抑制するとともに、反対極性のセットパルス／リセットパルスを用いることにより電源の大型化を回避することができる。

実施形態１に係る磁気抵抗センサの基本構成を示す図である。 磁気抵抗センサの全体構成を示す図である。 セット／リセット回路１０６が出力するセットパルス／リセットパルスの波形とスイッチ１０９−２の動作波形を示すタイムチャートである。 セット／リセット回路１０６がセットパルス／リセットパルスを出力するときの電流波形の実測結果を例示する図である。 実施形態２に係る磁気抵抗センサの構成図である。 実施形態２に係る磁気抵抗センサの別構成例を示す図である。 実施形態３に係る磁気抵抗センサの構成図である。 実施形態４に係る磁気センサプローブの構成図である。 実施形態４に係る磁気センサプローブの側断面図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る磁気抵抗センサの基本構成を示す図である。図１において、磁気抵抗素子１０１−１、１０１−２、１０１−３、１０１−４はブリッジ回路（磁気抵抗センサ部１０５）を構成し、変動磁場による微小な抵抗変化によって磁場を検出する。直流電圧端子１０２は、磁気抵抗センサ部１０５の駆動電圧として直流電圧を印加する。プリアンプ１０３は、磁気抵抗センサ部１０５の両端電圧を増幅し、出力端子１０４から出力する。

セット／リセット回路１０６は、交流電圧端子１０６−２から供給される交流電流を用いて磁界を発生させて磁気抵抗素子１０１に印加するコイル１０６−１を備えている。磁界が磁気抵抗素子１０１に印加されると、磁気抵抗素子１０１の磁化方向が一方向にそろうように構成されている。したがって、交流電流により磁気抵抗素子１０１の磁化方向がその周波数に応じて切り替わるので、磁化方向の揺らぎによる１／ｆ雑音をキャンセルする効果を発揮することができる。

図２は、磁気抵抗センサの全体構成を示す図である。図２において、４つの磁気抵抗センサ部１０５の出力を検波回路１１０に対して並列入力している。検波回路１１０は、クロック１０８からの出力を参照信号として磁気抵抗センサ部１０５の出力を検波する。特許文献１記載のように、複数の磁気抵抗センサ部１０５の出力を並列接続することにより雑音を抑制することができる。ただし磁気抵抗センサ部１０５を並列接続するとセット／リセット回路１０６（図１記載）も並列接続されることになるので、これらが消費する電流がその個数だけ大きくなり、電源が大型化する傾向がある。そこで本実施形態においては、以下の構成により電源の大型化を抑制する。

正電源１０７−１は、セット／リセット回路１０６に対して正電圧を供給する。負電源１０７−２は、セット／リセット回路１０６に対して負電圧を供給する。これら電源は共通の基準電位（図２においてはグラウンド電位）に対して接続されている。これら電源が出力することができる電圧の定格値は、絶対値が互いに等しいものを用いることが望ましい。

スイッチ１０９−１は、正電源１０７−１と負電源１０７−２それぞれに接続され、クロック１０８からの出力に同期して、これら電源のいずれから電圧供給を受けるかを切り替える。スイッチ１０９−２も同様に動作するが、スイッチ１０９−１とは反対の電源から電圧供給を受ける点が異なる。例えばスイッチ１０９−１が正電源１０７−１から電圧供給を受けるようにセットされているとき、スイッチ１０９−２は負電源１０７−２から電圧供給を受けるようにセットされる。

スイッチ１０９−１は、複数のセット／リセット回路１０６のうちいずれか（図２においては上半分）に対して電圧を供給する。スイッチ１０９−２は、残りのセット／リセット回路１０６（図２においては下半分）に対して電圧を供給する。その結果、正電源１０７−１がいずれかのセット／リセット回路１０６に対して正電圧を供給するとき、負電源１０７−２は残りのセット／リセット回路１０６に対して負電圧を供給する。

図３は、セット／リセット回路１０６が出力するセットパルス／リセットパルスの波形とスイッチ１０９−２の動作波形を示すタイムチャートである。スイッチ１０９−２が負電源１０７−２側に接続されているとき、スイッチ１０９−２に接続されたセット／リセット回路１０６は負電源１０７−２から負電圧の供給を受けてこれに応じたパルスを出力する。例えばこれをセットパルスとして用いることができる。このときスイッチ１０９−１は正電源１０７−１側に接続され、スイッチ１０９−１に接続されたセット／リセット回路１０６は正電源１０７−１から正電圧の供給を受けてこれに応じたパルスを出力する。例えばこれをリセットパルスとして用いることができる。

図３のように、いずれかの磁気抵抗センサ部１０５に対してセットパルスを出力するとともに、他の磁気抵抗センサ部１０５に対して反対極性のリセットパルスを出力することにより、以下の利点が発揮される。

仮にこれらパルスの極性が同一であった場合、全ての磁気抵抗センサ部１０５に対して同一極性のセットパルス／リセットパルスが出力されることになる。磁気抵抗センサ部１０５は並列接続されているので、これらパルスを発生させるための電流はその個数分だけ加算されることになり、電流が瞬時的に非常に高い値となる。電源はこの高い電流値をサポートするため大型化する必要がある。

これに対し図３のように反対極性のセットパルス／リセットパルスを用いる場合、正極性のパルス電流は正電圧を供給される磁気抵抗センサ部１０５の個数分だけ加算され（図２においては２個）、負極性のパルス電流は負電圧を供給される磁気抵抗センサ部１０５の個数分だけ加算される（図２においては残りの２個）。そうすると、パルス電流の瞬時値は反対極性のセットパルス／リセットパルスを用いない場合と比較して半分となるので電源はこれをサポートできる性能を備えていれば足る。したがって電源の大型化を抑制することができる。

図４は、セット／リセット回路１０６がセットパルス／リセットパルスを出力するときの電流波形の実測結果を例示する図である。図４（ａ）は従来構成における電流波形を示す。図４（ｂ）は本実施形態１における電流波形を示す。従来構成においては、セット電流に引きずられてリセット電流が若干流れ、同様にリセット電流に引きずられてセット電流が若干流れる。これは正電源と負電源がアースを介して干渉し合うことに起因すると考えられる。これに対し本実施形態１においては、セットパルスの極性とリセットパルスの極性が反対でありかつこれらを略同時に出力するので、このような干渉の影響を緩和し、より正確な動作が期待できる。

＜実施の形態２＞
図５は、本発明の実施形態２に係る磁気抵抗センサの構成図である。本実施形態２において、正電源１０７−１と負電源１０７−２は、正電圧と負電圧をともに出力することができる両電源１０７として構成されている。正電圧は例えば＋１０Ｖであり、負電圧は例えば−１０Ｖである。

図５において、２つの磁気抵抗センサ部１０５が直列に接続されている。１つ目の磁気抵抗センサ部１０５の一端は両電源１０７の正電圧端子に対して接続され、他端は２つ目の磁気抵抗センサ部１０５の一端に対して接続されている。２つ目の磁気抵抗センサ部１０５の他端は、両電源１０７の負電圧端子に対して接続されている。その他構成は実施形態１と同様である。

図５における２つの磁気抵抗センサ部１０５の接点は、仮想的に０Ｖとなる。図５のような回路構成によれば、個々の磁気抵抗センサ部１０５を接地する必要がなくなるので、回路構成を簡易化できる利点がある。また両電源１０７を用いることにより、電源個数をさらに抑制できる利点がある。

図６は、本実施形態２に係る磁気抵抗センサの別構成例を示す図である。３つ以上の磁気抵抗センサ部１０５を直列接続することもできる。図６において、両電源１０７が供給する正電圧は例えば＋１５Ｖであり、負電圧は例えば−１５Ｖである。この場合、１つ目と２つ目の磁気抵抗センサ部１０５の接点は仮想的に＋５Ｖとなり、２つ目と３つ目の磁気抵抗センサ部１０５の接点は仮想的に−５Ｖとなる。その結果、各磁気抵抗センサ部１０５は図５と同様に動作する。

＜実施の形態３＞
図７は、本発明の実施形態３に係る磁気抵抗センサの構成図である。本実施形態３において、スイッチ１０９−１は両電源１０７の正電圧端子と負電圧端子いずれに対して接続するかを切り替える。スイッチ１０９−１は、センサユニット１１１に対して電圧を供給する。

センサユニット１１１は、複数の磁気抵抗センサ部１０５の出力がプリアンプ１０３に対して並列入力される構成を有する。セット／リセット回路１０６は磁気抵抗センサ部１０５ごとに設けられている。スイッチ１０９−１は、各セット／リセット回路１０６に対して並列接続される。あるいはこれに代えて、複数のセット／リセット回路１０６を直列接続することによりセット／リセット回路群を形成し、各セット／リセット回路群に対してスイッチ１０９−１を並列接続してもよい。図７においては後者を採用した。さらに複数のセット／リセット回路１０６を直列接続と並列接続とを組み合わせて、両電源１０７の定格電圧と定格電流内に収めることも可能である。スイッチ１０９−２についても同様である。

図７のように複数の磁気抵抗センサ部１０５を並列接続したセンサユニット１１１をさらに並列接続する場合、各セット／リセット回路１０６に対して供給する電流の合計はより大きくなる。このような構成において本発明を採用することにより、電源の大型化を抑制することができるので、図７のようなセンサユニットを複数有する磁気抵抗センサを好適に構築することができる。

＜実施の形態４＞
図８は、本発明の実施形態４に係る磁気センサプローブの構成図である。図８（ａ）は上面図を示す。図８（ｂ）は側面図を示す。説明の便宜上、図８においては、後述の図９で説明するカバーなどの部材を取り外した状態を図示した。図８に示す磁気センサプローブは、磁気抵抗センサ部１０５とセット／リセット回路１０６をペアにしたユニット１１２を２０個（１１２−１から１１２−２０）備えている。ユニット１１２は基板２０１上に取り付けられている。基板２０１上にはコネクタ２０２が配置されている。

図９は、本実施形態４に係る磁気センサプローブの側断面図である。図８で説明した基板２０１には、銅箔などによって構成されたアース基板２０３が形成されている。放熱シート２０４は、熱伝達率の高い材料によって形成されたシートであり、ユニット１１２を覆うようにして配置されている。アース基板２０３と放熱シート２０４は接触し、または少なくとも放熱シート２０４の放熱効果を損なわない程度に熱的に接触している。

アース基板２０３の下方には、例えばアルミ板や銅板などの金属板によって形成された放熱板２０５が配置されている。ユニット１１２から発生した熱は、放熱シート２０４を介してアース基板２０３および放熱板２０５まで伝達し、放熱板２０５を介して放熱される。これにより、セット／リセット回路１０６を流れる大電流などによって発生した熱を効果的に放熱することができる。放熱効果を高めることにより、磁気抵抗センサの感度が熱によって低下することを抑制することができる。

磁気センサプローブ全体は、カバー２０７によって覆われている。カバー２０７と放熱シート２０４との間には、熱伝達率の低い材料によって形成された断熱シート２０６が配置されている。断熱シート２０６により、ユニット１１２から発生した熱は主に放熱板２０５側へ向かい、カバー２０７の上面の温度をある程度抑制することができる。放熱シート２０４や断熱シート２０６などを適切に構成して、カバー２０７上面の温度を例えば４０℃程度以下とすることにより、カバー２０７の上面を生体に接触させて生体磁場を測定することができる。

＜本発明の変形例について＞
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

以上の実施形態において、セットパルスを受け取る磁気抵抗センサ部１０５の個数とリセットパルスを受け取る磁気抵抗センサ部１０５の個数は同じであるが、必ずしもこれらは同数でなくともよい。例えば磁気抵抗センサ部１０５の総数が奇数である場合は、いずれかの個数が１つ多くてもよい。図７のようにスイッチ１０９−１と１０９−２がセンサユニット１１１に対して接続されている構成においても同様に、正電圧を受け取るセンサユニット１１１の個数と負電圧を受け取るセンサユニット１１１の個数は同じでなくともよい。

１０１−１〜１０１−４：磁気抵抗素子
１０２：直流電圧端子
１０３：プリアンプ
１０４：出力端子
１０５：磁気抵抗センサ部
１０６：セット／リセット回路
１０７−１：正電源
１０７−２：負電源
１０７：両電源
１０８：クロック
１０９−１〜１０９−２：スイッチ
１１０：検波回路
１１１：センサユニット
１１２−１〜１１２−２０：ユニット
２０１：基板
２０２：コネクタ
２０３：アース基板
２０４：放熱シート
２０５：放熱板
２０６：断熱シート
２０７：カバー

Claims (11)

1. 磁気抵抗素子をブリッジ接続した複数の磁気抵抗センサ部、
   前記磁気抵抗素子の磁化を反転させるパルス信号であるセットパルスおよびリセットパルスを発生させる複数のセット／リセット回路、
   前記セット／リセット回路が発生させる前記セットパルスおよび前記リセットパルスによって前記磁気抵抗センサ部が出力する交流信号を検波する検波回路、
   前記セット／リセット回路に対して正電圧を供給する正電源、
   前記セット／リセット回路に対して負電圧を供給する負電源、
   を備え、
   前記セットパルスと前記リセットパルスは、互いに反対の極性を有しており、
   前記セット／リセット回路は、前記正電圧が供給された場合と前記負電圧が供給された場合とで互いに反対の極性を有する前記パルス信号を発生させ、
   前記正電源は、前記複数のセット／リセット回路のうちいずれかに対して前記正電圧を供給し、
   前記負電源は、前記複数のセット／リセット回路のうち前記正電源が前記正電圧を供給していないものに対して前記負電圧を供給する
   ことを特徴とする磁気抵抗センサ。
2. 前記正電源のアース端子と前記負電源のアース端子は、共通の基準電位に対して接続されている
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗センサ。
3. 前記正電源と前記負電源は、前記正電圧を出力する正端子と前記負電圧を出力する負端子を有する両電源として構成されている
   ことを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗センサ。
4. 前記磁気抵抗センサはさらに、前記磁気抵抗センサ部が複数直列に接続された直列回路を備え、
   前記直列回路の一端は前記正端子に接続され、他端は前記負端子に接続されている
   ことを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗センサ。
5. 前記磁気抵抗センサは、偶数個の前記セット／リセット回路を備え、
   前記正電源は、前記複数のセット／リセット回路のうち半分に対して前記正電圧を供給し、
   前記負電源は、前記複数のセット／リセット回路のうち残りの半分に対して前記負電圧を供給する
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗センサ。
6. 前記磁気抵抗センサは、奇数個の前記セット／リセット回路を備え、
   前記正電源は、前記セット／リセット回路の総数から１を減算した個数の半分に対して前記正電圧を供給し、または、前記セット／リセット回路の総数に対して１を加算した個数の半分に対して前記正電圧を供給し、
   前記負電源は、前記複数のセット／リセット回路のうち残りに対して前記負電圧を供給する
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗センサ。
7. 前記正電源の出力可能電圧の定格値の絶対値は、前記負電源の出力可能電圧の定格値の絶対値と同じである
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗センサ。
8. 磁気抵抗センサを用いて磁気を検出する磁気センサプローブであって、前記磁気抵抗センサは、
   磁気抵抗素子をブリッジ接続した複数の磁気抵抗センサ部、
   前記磁気抵抗素子の磁化を反転させるパルス信号であるセットパルスおよびリセットパルスを発生させる複数のセット／リセット回路、
   前記セット／リセット回路が発生させる前記セットパルスおよび前記リセットパルスによって前記磁気抵抗センサ部が出力する交流信号を検波する検波回路、
   前記セット／リセット回路に対して正電圧を供給する正電源、
   前記セット／リセット回路に対して負電圧を供給する負電源、
   を備え、
   前記セットパルスと前記リセットパルスは、互いに反対の極性を有しており、
   前記セット／リセット回路は、前記正電圧が供給された場合と前記負電圧が供給された場合とで互いに反対の極性を有する前記パルス信号を発生させ、
   前記正電源は、前記複数のセット／リセット回路のうちいずれかに対して前記正電圧を供給し、
   前記負電源は、前記複数のセット／リセット回路のうち前記正電源が前記正電圧を供給していないものに対して前記負電圧を供給する
   ことを特徴とする磁気センサプローブ。
9. 前記磁気センサプローブは、
   前記磁気抵抗センサを配置する基板、
   前記基板上に形成された金属箔、
   前記磁気抵抗センサを覆うとともに前記磁気抵抗センサから生じる熱を散逸させる放熱シート、
   を備え、
   前記放熱シートは、前記金属箔と接触している
   ことを特徴とする請求項８記載の磁気センサプローブ。
10. 前記磁気センサプローブはさらに、前記金属箔と接触した放熱板を備える
    ことを特徴とする請求項９記載の磁気センサプローブ。
11. 前記磁気センサプローブはさらに、
    前記磁気抵抗センサと前記放熱シートを覆うカバー、
    前記カバーと前記放熱シートとの間に配置された断熱シート、
    を備えることを特徴とする請求項１０記載の磁気センサプローブ。

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