JP6661570B2 - 磁界検出センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気インピーダンス効果を利用する磁界検出センサに関する。

磁気インピーダンス効果を利用した磁気検出素子（ＭＩ素子）を用いた磁気センサの従来技術が例えば特許文献１〜特許文献３に示されている。アモルファス合金ワイヤなどの高透磁率合金磁性体においては、表皮効果の影響により、外部磁界に応じてインピーダンスが敏感に変化する。これが磁気インピーダンス効果である。

特許文献１に示された構成においては、コルピッツ発振回路にＭＩ素子が組み込まれている。また、このＭＩ素子に巻回されたコイルに交流バイアス電流が流されることにより、ＭＩ素子に交流バイアス磁界がかけられる。そして、外部磁界とバイアス磁界に応じたＭＩ素子のインピーダンス変化により、発振回路の出力に振幅変調波形が得られる。この振幅変調波形における高低差が外部磁界の強さに対応する。したがって、振幅変調波形を検波した後で、直流成分を除去し、コンパレータで電圧を比較することにより、パルス幅変調されたデジタル波形の出力信号を得ている。つまり、発振回路の出力における振幅の変化分から外部磁界の強さを求めるようにしている。

特許文献２に示された構成においては、発振回路の出力する高周波の正弦波電流を、バッファ回路を経由して、薄膜磁気インピーダンス素子の磁気コアの両端に印加している。検波回路は、磁気インピーダンス素子に印加された外部磁界に応じて変化する高周波電流の変化量から外部磁界の磁気変化量を検出する。また、磁気インピーダンス素子のヒステリシスを解消するヒステリシスキャンセル回路を具備している。また、磁気インピーダンス素子の動作点を移動するためにバイアスコイルに電流を流している。更に、検出された磁界に応じて負帰還コイルに電流を流している。

また、特許文献３に示された磁界検出センサにおいては、特別な構成の磁気インピーダンス素子を採用している。すなわち、この磁気インピーダンス素子は、長手方向が磁界の検出方向とされ、磁性膜の磁化容易軸が長手方向に沿う方向に磁気異方性がつけられている。ここで、磁界の検出方向と磁性膜の磁化容易軸とを同方向とすることにより磁気インピーダンス特性をピラミッド型にすることができる。そのため、Ｍ字型の特性のように傾きが急峻となるところまで直流及び交流バイアスを掛ける必要が無い。更に、ピラミッド型ではＭ字型よりもヒステリシスが小さいため検出精度を向上でき、且つ、傾きが全域に亘って所定の傾斜を有していることから、検出範囲を広くすることができる。従って、消費電流を抑えると共に検出精度を高め、且つ、検出範囲を広範とすることができる。

特開平９−１２７２１８号公報 特開２０００−１８０５２１号公報 特開２０１５−９２１４４号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に示されているような磁気インピーダンス効果を利用した従来の磁界検出センサにおいては、以下に示すような課題がある。
（１）磁界を検出できる範囲が狭い。
（２）磁気インピーダンス素子の磁気インピーダンス特性がＭ字型であるため、交流バイアスを用いる場合に、傾きが急峻な位置まで交流バイアスをかけないと高感度の測定ができない。そのため、消費電流が増大する。
（３）磁気インピーダンス特性がＭ字型の磁気インピーダンス素子は、ピラミッド型と比べてヒステリシスが大きくなる。そのため、検出精度が低下する。

一方、特許文献３のようにピラミッド型の磁気インピーダンス特性を有する磁気インピーダンス素子を採用する場合には、上記（２）、（３）の課題を改善できる。しかし、特許文献３の図１に示されている構成の回路を用いて磁界を検出する場合には、外部磁界が大きくなると、特許文献３の図６（ｄ）に示されている微分回路出力に必要なパルスが現れなくなるため、当該パルスの位相を検知できず磁界を検出できない状態になる。したがって、上記（１）の課題を解消できない。

また、特許文献３に示されているピラミッド型の磁気インピーダンス特性を有する磁気インピーダンス素子を採用する場合であっても、ピラミッド型の特性の周辺部では傾きが小さくなる。つまり、高磁界の領域では、磁界の大きさの違いに対するインピーダンス変化が小さくなるため、高磁界の検出が困難になる。特に、センサの検出感度を高めて低磁界の検出を可能にした場合には、高磁界が検出できない状態になる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁界検出範囲の拡大が可能な磁界検出センサを提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る磁界検出センサは、下記（１）〜（５）を特徴としている。
（１） 磁気インピーダンス効果が生じる磁性材料と、前記磁性材料に対してバイアス磁界を印加するバイアスコイルとで構成される磁気検出素子と、前記磁性材料に高周波電流を供給する高周波発振回路と、前記バイアスコイルに交流バイアス電流を供給する交流バイアス回路と、を有する磁界検出センサであって、
前記磁気検出素子として、
第１の磁気検出素子と、
前記第１の磁気検出素子よりも高い磁界を検出可能な第２の磁気検出素子と、
を備え、前記第１の磁気検出素子および前記第２の磁気検出素子の両方の磁気検出状態を反映した信号を出力し、
前記第１の磁気検出素子及び前記第２の磁気検出素子それぞれのインピーダンスは、外部磁界の大きさがゼロの状態で最大となり、外部磁界の大きさの増加に応じて減少する特性を有し、
前記第１の磁気検出素子のインピーダンスの最大値は、前記第２の磁気検出素子のインピーダンスの最大値より大きく、
外部磁界の大きさの変化に対するインピーダンスの変化量は、外部磁界の大きさがゼロを含む小さい領域では、前記第１の磁気検出素子の方が前記第２の磁気検出素子と比べて相対的に大きく、外部磁界の大きさが大きい領域では、前記第２の磁気検出素子の方が前記第１の磁気検出素子と比べて相対的に大きく、
前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子とが直列に接続されている、
ことを特徴とする磁界検出センサ。

（２） 前記第１の磁気検出素子の磁性材料と、前記第２の磁気検出素子の磁性材料とが電気回路の中で直列に接続されている、
ことを特徴とする上記（１）に記載の磁界検出センサ。

（３） 前記第１の磁気検出素子の磁性材料の感磁軸と、前記第２の磁気検出素子の磁性材料の感磁軸との方向を揃えた状態で、前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子とが隣接する位置に並べて配置されている、
ことを特徴とする上記（１）に記載の磁界検出センサ。

（４） 前記第１の磁気検出素子の磁性材料と、前記第２の磁気検出素子の磁性材料とが、ブリッジ回路を構成する電気回路の構成要素として直列に接続されている、
ことを特徴とする上記（１）に記載の磁界検出センサ。

（５） 磁気インピーダンス効果が生じる磁性材料と、前記磁性材料に対してバイアス磁界を印加するバイアスコイルとで構成される磁気検出素子と、前記磁性材料に高周波電流を供給する高周波発振回路と、前記バイアスコイルに交流バイアス電流を供給する交流バイアス回路と、を有する磁界検出センサであって、
前記磁気検出素子として、
第１の磁気検出素子と、
前記第１の磁気検出素子よりも高い磁界を検出可能な第２の磁気検出素子と、
を備え、前記第１の磁気検出素子および前記第２の磁気検出素子の両方の磁気検出状態を反映した信号を出力し、
外部磁界が印加されない状態の前記磁気検出素子の特性におけるインピーダンスの極値位置を基準点とし、前記基準点からのインピーダンスの変化量に応じて変化する電気信号を出力する検出回路を備え、
前記検出回路は、少なくとも前記電気信号の電圧の変化の方向が切り替わる各頂点のタイミングにおける振幅を検出する振幅検出回路を含む、
ことを特徴とする磁界検出センサ。

上記（１）の構成の磁界検出センサによれば、第１の磁気検出素子の検出特性と、第２の磁気検出素子の検出特性とが異なり、低磁界の領域では、第１の磁気検出素子の検出特性を利用して磁界を検出できる。また、高磁界の領域では、第２の磁気検出素子の検出特性を利用して磁界を検出できる。そのため、低磁界から高磁界までの広い範囲で磁界を検出できる。

上記（２）の構成の磁界検出センサによれば、第１の磁気検出素子と、第２の磁気検出素子とが直列に接続されているので、この直列回路全体のインピーダンス変化に基づき、低磁界から高磁界までの広い範囲で磁界を検出できる。つまり、検出レンジの切替やＭＩ素子の切替を行わなくても、広い範囲の磁界検出が可能である。

上記（３）の構成の磁界検出センサによれば、第１の磁気検出素子と第２の磁気検出素子とが互いにほぼ同じ条件の下で、同じ方向の磁界を同時に検出できる。したがって、低磁界の領域と高磁界の領域との間で検出特性が変化するのを避けることができる。

上記（４）の構成の磁界検出センサによれば、ブリッジ回路を利用することにより、電源電圧変動や温度変化などの影響を受けにくくなり、検出精度も向上する。

上記（５）の構成の磁界検出センサによれば、磁気検出素子に印加される外部磁界の影響によって、電気信号の電圧の変化の方向が切り替わる各頂点のタイミングにおける振幅が変化する。したがって、この振幅を振幅検出回路で検出することにより、外部磁界の大きさを検知できる。しかも、外部磁界が大きくなっても振幅の変化は検出できるので、磁界検出範囲を拡大できる。また、基準点からのインピーダンスの変化量を検知するので、動作点を移動するために大きなバイアス電流を流す必要がなく、消費電流の増大を抑制できる。

本発明の磁界検出センサによれば、第１の磁気検出素子の検出特性と、第２の磁気検出素子の検出特性とが異なるので、低磁界の領域では第１の磁気検出素子の検出特性を利用して磁界を検出でき、高磁界の領域では、第２の磁気検出素子の検出特性を利用して磁界を検出できる。そのため、低磁界から高磁界までの広い範囲で磁界を検出できる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明の実施形態における磁界検出センサの構成例を示すブロック図である。 図２は、磁気インピーダンス素子の構成例を示す斜視図である。 図３は、２種類の磁気インピーダンス素子の配置例および感磁軸と外部磁場との関係を示す平面図である。 図４は、外部磁場に対する感度が異なる２種類の磁気インピーダンス素子の磁気検出特性の具体例を示すグラフである。 図５（ａ）は高感度の磁気インピーダンス素子だけを用いた場合のブリッジ回路の信号出力特性を表すグラフ、図５（ｂ）は高感度と低感度の２種類の磁気インピーダンス素子を用いた場合のブリッジ回路の信号出力特性を表すグラフである。 図６（ａ）は磁界検出センサを用いて車両用の電流センサを構成する場合の配置例を示す斜視図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示した電流センサの厚み方向の断面構造を示す縦断面図である。 図７は、磁気インピーダンス素子における入力磁界と出力信号との相関関係の例を示すグラフである。 図８は、磁界検出センサ内部の主要な信号の変化例を示すタイムチャートである。 図９は、外部磁界が大きい場合の主要な信号の変化例を示すタイムチャートである。 図１０は、外部磁界と位相検出回路の動作との関係の例を示すグラフである。 図１１は、外部磁界と振幅検出回路が検出する振幅との関係の例を示すグラフである。 図１２は、外部磁界と振幅検出回路の動作との関係の例を示すグラフである。 図１３は、磁界検出センサにおける特徴的な動作の処理手順を示すフローチャートである。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

＜磁界検出センサ２００の構成例＞
本発明の実施形態における磁界検出センサ２００の構成例を図１に示す。

図１に示した磁界検出センサ２００は、駆動ユニット２０および検出ユニット３０により構成されている。詳細については後で説明するが、駆動ユニット２０に含まれている２つの磁気インピーダンス素子１２Ａおよび１２Ｂの各々は、磁気インピーダンス効果が生じる磁性材料を含んでいる。つまり、この磁界検出センサ２００は２つの磁気インピーダンス素子１２Ａおよび１２Ｂを利用して外部磁界を検出する。

また、２つの磁気インピーダンス素子１２Ａおよび１２Ｂは互いに異なる磁気検出特性を有している。具体的には、磁気インピーダンス素子１２Ａは比較的高感度、磁気インピーダンス素子１２Ｂは低感度である。つまり、一方の磁気インピーダンス素子１２Ａは比較的小さい外部磁界であっても検出が可能であるが、もう一方の磁気インピーダンス素子１２Ｂは感度が低いため小さい外部磁界を検出する能力はない。これら２つの磁気インピーダンス素子１２Ａおよび１２Ｂを組み合わせて使用することにより、後述するように特別な効果が得られる。なお、２つの磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの感度の差は、形状異方性を用いたり、寸法や形状を調整することにより実現できる。

図１に示した駆動ユニット２０は、発振回路２１、ブリッジ回路２２、および信号処理部２３を備えている。ブリッジ回路２２は、２つの磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂと、３個の抵抗器２４、２５、および２６とでフルブリッジとして構成されている。

２つの磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂは、それらの磁性材料が長手方向に直列に接続され、この直列回路の一端および他端がブリッジ回路２２と接続されている。すなわち、磁気インピーダンス素子１２Ａの磁性材料の端部１２Ａｂと、磁気インピーダンス素子１２Ｂの磁性材料の端部１２Ｂａとが互いに接続されている。また、磁気インピーダンス素子１２Ａの磁性材料の端部１２Ａａが発振回路２１の出力および抵抗器２４の一端と接続されている。磁気インピーダンス素子１２Ｂの磁性材料の端部１２Ｂｂは、抵抗器２５の一端と接続されている。

各磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの磁性材料の周囲に配置されたバイアスコイル１４Ａ、１４Ｂは、この磁性材料に交流バイアス磁界を印加するために設けてある。また、本実施形態では、バイアスコイル１４Ａ、１４Ｂは負帰還用の磁界を発生するためにも利用される。バイアスコイル１４Ａ、１４Ｂの各々の一端に交流バイアス信号ＳＧ３が印加される。バイアスコイル１４Ａ、１４Ｂの他端はアースと接続されている。交流バイアス信号ＳＧ３の波形は、基本的にはスイッチ回路３６のスイッチの切替で選択した波形である。

２つの磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂからなる直列回路は、１つの抵抗器としてブリッジ回路２２に接続されている。本実施形態で採用している磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの各々は、外部磁界が印加されない基準状態でインピーダンス（直流抵抗）が最大になる特性を有している。そして、磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂのインピーダンスが最大になった状態でブリッジ回路２２が平衡状態になるように、抵抗器２４、２５、および２６の各抵抗値を選定してある。

ブリッジ回路２２の入力側の端子２２ａ、および２２ｂは、それぞれ発振回路２１の出力、およびアースと接続してある。発振回路２１は、例えば数十［ＭＨｚ］程度の周波数の高周波電圧を信号ＳＧ１としてブリッジ回路２２に供給する。信号ＳＧ１の波形は矩形波、正弦波、三角波のいずれかから成る。

ブリッジ回路２２の出力側の端子２２ｃ、および２２ｄは、それぞれ信号処理部２３の入力端子と接続されている。信号処理部２３の内部には、２つのピークホールド回路（Ｐ／Ｈ）２７および２８と、計装増幅器（ＩＮＳ）２９とが備わっている。

ピークホールド回路２７は、ブリッジ回路２２の端子２２ｃに現れる電位のピーク電位を検出して保持する。ピークホールド回路２８は、ブリッジ回路２２の端子２２ｄに現れる電位のピーク電位を検出して保持する。計装増幅器２９は、ピークホールド回路２７が保持するピーク電位と、ピークホールド回路２８が保持するピーク電位との電位差を増幅し、信号ＳＧ２として出力する。

一方、検出ユニット３０の内部には、増幅器（ＡＭＰ）３１、スイッチ回路（ＳＷ）３２、振幅検出回路３３、位相検出回路３４、マイクロコンピュータ（マイコン）３５、スイッチ回路３６、および増幅器３７が備わっている。

また、振幅検出回路３３は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３３ａ、アナログスイッチ３３ｃ、およびピークホールド回路３３ｄを備えている。位相検出回路３４は、微分回路３４ａ、増幅器３４ｂ、微分回路３４ｃ、およびコンパレータ（ＣＯＭＰ）３４ｄを備えている。

マイクロコンピュータ３５は、予め組み込まれているプログラムを実行することにより、磁界検出センサ２００の機能を実現するための各種制御を行う。例えば、振幅検出回路３３が出力する振幅検出信号ＳＧ９、および位相検出回路３４が出力する位相差検出信号ＳＧ５に基づいて検出された外部磁界の大きさおよび方向を把握し、その情報をデジタル出力信号ＳＧ１０として出力する。また、三角波の交流バイアス波形出力信号ＳＧ１１、および正弦波の交流バイアス波形出力信号ＳＧ１２をマイクロコンピュータ３５が出力する。

交流バイアス波形出力信号ＳＧ１１、およびＳＧ１２は、スイッチ回路３６および増幅器３７を経由して駆動ユニット２０に印加され、交流バイアス信号ＳＧ３として各バイアスコイル１４Ａ、１４Ｂに供給される。

次に、磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの構成例について説明する。
磁気インピーダンス素子１２Ａ、および１２Ｂの構成例を図２に示す。図２に示した例では、磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの各々は、非磁性基板１２ａと、磁性薄膜（磁性膜）１２ｂと、電極１２ｃ、１２ｄとで構成されている。そして、磁気インピーダンス素子１２Ａ、および１２Ｂは共通のプリント基板１００上に載置され、互いに隣接する位置に並べてある。

非磁性基板１２ａは、非磁性体から構成される基板であって、プリント基板１００に載置されている。この非磁性基板１２ａは、チタン酸カルシウム、酸化物ガラス、チタニア、アルミナ等によって構成されており、本実施形態では略直方体に構成されている。

磁性薄膜１２ｂは、高透磁率金属磁性膜によって構成されており、図２に示すように、非磁性基板１２ａの表面のうち、プリント基板１００が設けられる面の反対面において平面視してミアンダ形状（つづら折れ形状）となるように形成されている。より詳細には、この磁性薄膜１２ｂは、矩形波形状における立ち上り及び立ち下り方向が、略直方体をなす非磁性基板１２ａの長手方向に伸びている。

また、磁性薄膜１２ｂは、その磁化容易軸方向が膜面内で磁性薄膜１２ｂの長手方向と同方向となるように磁気異方性がつけられており、全体として非磁性基板１２ａの長手方向と磁化容易軸方向とが同方向となるようにされている。

電極１２ｃおよび１２ｄは、非磁性基板１２ａの表面、且つ、磁性薄膜１２ｂの両端に設けられており、プリント基板１００上の電極１００ａ、１００ｂ又は電極１００ｄ、１００ｅとボンディングワイヤにて接続されている。本実施形態では、２つの磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂを直列に接続するために、電極１００ｂと電極１００ｄとの間がプリント基板１００上の図示しない回路パターンを介して互いに電気的に接続されている。そして、プリント基板１００上の電極１００ａおよび１００ｅが、それぞれ図１に示したブリッジ回路２２の端子２２ａおよび２２ｃと接続される。

さらに、図２に示すように、プリント基板１００は磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの幅方向の両側に、磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂと間隔を開けて、切欠き部１００ｃを備えている。切欠き部１００ｃは、プリント基板１００の周辺位置からプリント基板１００の中央付近まで伸びている。

また、バイアスコイル１４Ａは、プリント基板１００の切欠き部１００ｃを介して、磁気インピーダンス素子１２Ａの周囲に巻きまわされ、バイアスコイル１４Ｂは、プリント基板１００の切欠き部１００ｃを介して、磁気インピーダンス素子１２Ｂの周囲に巻きまわされている。

図２に示した２種類の磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの配置例および感磁軸と外部磁場との関係を図３に示す。図３に示すように、各バイアスコイル１４Ａおよび１４Ｂのコイル軸方向は、非磁性基板１２ａの長手方向と同方向となり、当該磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの長手方向が磁界の検出方向とされる。さらに、上記したように、非磁性基板１２ａの長手方向と磁化容易軸方向とが同方向となるようにされていることから、磁性薄膜１２ｂの磁化容易軸は磁界の検出方向と同方向となるように磁気異方性がつけられていることとなる。

なお、図示しないが、磁性薄膜１２ｂは、非磁性基板１２ａの裏面、すなわちプリント基板１００が設けられる側の面に形成されてもよい。この場合、電極１２ｃ，１２ｄは、非磁性基板１２ａの裏面、且つ、磁性薄膜１２ｂの両端に設けられることとなる。また、プリント基板１００上の各電極１００ａ、１００ｂ、１００ｄ、および１００ｅについても、非磁性基板１２ａの裏面側に設けられる。

なお、図２および図３に示した構成例においては、２つの磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂを縦方向に並べて配置してあるが、横方向に並べてもよい。また、２つの磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの縦方向の配置を逆にしてもよいし、左右方向の配置を逆にしてもよい。

＜磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの磁気検出特性＞
２つの磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの磁気検出特性Ｃ４Ａ、Ｃ４Ｂの具体例を図４に示す。図４において、横軸は外部磁界Ｈ［Ｏｅ］の大きさおよび方向を表し、縦軸は磁性薄膜１２ｂの長手方向の両端の間のインピーダンス（直流抵抗）［Ω］を表す。

つまり、磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂのインピーダンスは、図４に示すように外部磁界の大きさがゼロの状態で最大になり、正方向または逆方向の外部磁界が印加されると外部磁界の大きさに比例するようにインピーダンスが減少するので、ピラミッドのような形状になる。したがって、磁気インピーダンス素子１２の特性は、特許文献１、特許文献２に示されたようなＭ字形状の一般的な磁気インピーダンス素子とは大きく異なる。

このようなピラミッド型の特性を有する磁気インピーダンス素子１２Ａ、又は１２Ｂを採用することにより、インピーダンスが極値（この場合はピーク値）になる基準点の近傍であっても、図４に示すように外部磁界Ｈの変化に対するインピーダンス変化の傾きが十分に大きくなる。そのため、前記基準点からずれた位置に動作点をシフトすることなく高感度で外部磁界を検出可能であり、大きなバイアス電流を流す必要がない。

但し、図４に示したように、高感度の磁気インピーダンス素子１２Ａの磁気検出特性Ｃ４Ａにおいては、外部磁界Ｈが０に近い比較的小さい範囲内では大きなインピーダンス変化が現れるのに対し、外部磁界Ｈが大きくなるとインピーダンス変化の傾きが小さくなる傾向がある。このため、磁気インピーダンス素子１２Ａのみを単独で使用する場合には高磁界の領域で磁界の大きさを正しく検出することが困難になる。

一方、低感度の磁気インピーダンス素子１２Ｂの磁気検出特性Ｃ４Ｂにおいては、低感度であるため、外部磁界Ｈが０に近い比較的小さい範囲内では十分なインピーダンス変化が発生せず、この領域で磁界の大きさを正しく検出することが困難になる。しかし、外部磁界Ｈが比較的大きい領域においては、高感度の磁気インピーダンス素子１２Ａの磁気検出特性Ｃ４Ａと比べて、低感度の磁気インピーダンス素子１２Ｂの磁気検出特性Ｃ４Ｂには相対的に大きなインピーダンス変化が現れている。

したがって、図１に示した磁界検出センサ２００のように、高感度と低感度の２つの磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂを組み合わせ、これらを直列に接続して使用する場合には、２種類の磁気検出特性Ｃ４Ａ、Ｃ４Ｂの両方の利点が得られる。つまり、磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの直列回路全体のインピーダンスは、図４に示した磁気検出特性Ｃ４Ａ、Ｃ４Ｂの両方の抵抗値を加算した結果になるので、２つの磁気検出特性Ｃ４Ａ、Ｃ４Ｂの両方のインピーダンス変化が出力に反映される。

そのため、外部磁界Ｈが０に近い比較的小さい範囲内では磁気検出特性Ｃ４Ａの影響で直列回路全体のインピーダンスに大きな変化が現れる。また、外部磁界Ｈが比較的大きく磁気インピーダンス素子１２Ａのインピーダンス変化が小さい領域では、磁気検出特性Ｃ４Ｂの影響で直列回路全体のインピーダンスに大きな変化が現れる。したがって、外部磁界Ｈが小さい範囲と、大きい範囲とのどちらでも外部磁界を正しく検出できる。

なお、図１に示したブリッジ回路２２では、２つの磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂを直列に接続しているが、これらを並列に接続しても同じように利用可能である。また、直列、又は並列に接続する磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの数や種類については、更に増やしてもよい。

＜ブリッジ回路の信号出力特性＞
高感度の磁気インピーダンス素子だけを用いた場合のブリッジ回路の信号出力特性Ｃ５１を図５（ａ）に示し、高感度と低感度の２種類の磁気インピーダンス素子を用いた場合のブリッジ回路の信号出力特性Ｃ５２を図５（ｂ）に示す。すなわち、図１に示したブリッジ回路２２において、磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの直列回路の代わりに、高感度の磁気インピーダンス素子１２Ａだけを接続した場合の信号出力特性Ｃ５１が図５（ａ）に示されている。また、図１のようにブリッジ回路２２に磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの直列回路を接続した場合の信号出力特性Ｃ５２が図５（ｂ）に示されている。

図５（ａ）、図５（ｂ）の各々において、グラフの横軸は外部磁界Ｈ［Ｏｅ］の大きさおよび方向を表し、縦軸はブリッジ回路２２の出力電圧［Ｖ］を表す。図５（ａ）に示した信号出力特性Ｃ５１においては、図４に示した磁気検出特性Ｃ４Ａと同じように、外部磁界が小さい領域では出力電圧の変化の傾きが大きいが、外部磁界が大きい領域では出力電圧の変化の傾きが小さい。つまり、磁気インピーダンス素子１２Ａだけを使用する場合には、外部磁界が大きい領域では検出が困難になるので、検出可能な外部磁界の範囲が十分に大きいとは言えない。

一方、図５（ｂ）に示した信号出力特性Ｃ５２においては、図４に示した２種類の磁気検出特性Ｃ４Ａ、Ｃ４Ｂの両方の影響を受けるので、外部磁界が小さい領域から大きい領域までの広い範囲に亘って、出力電圧の変化の傾きが比較的大きい状態になっている。したがって、センサの切替などを行わなくても、低磁界から高磁界までの広い範囲で連続的に磁界を検出できる。

次に、電流を検出する場合の構成例について説明する。
図１に示した磁界検出センサ２００を用いて車両用の電流センサを構成する場合の配置例を図６（ａ）に示し、これの厚み方向の断面構造を図６（ｂ）に示す。

図６（ａ）、図６（ｂ）に示した磁界検出センサ２００は、例えば車両の電源系統に配置されるバスバー１５に流れる直流電流を計測するために利用できる。なお、このようなバスバー１５には、状況の変化に応じて例えば１００［Ａ］以上の非常に大きな電流が流れる可能性があるし、流れる電流が比較的小さい場合もある。したがって、計測対象の電流の広い範囲に亘って高精度で計測可能な電流センサが必要とされる。

図６（ａ）、図６（ｂ）に示した例では、磁界検出センサ２００のプリント基板１００が、バスバー１５の平坦な表面に配置してある。また、この磁界検出センサ２００は、図２に示した構成と同様に、プリント基板１００上に並べて配置した２つの磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂを有している。２つの磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂとバスバー１５との間は、プリント基板１００により電気的に絶縁されている。

図６（ａ）に示すようにバスバー１５に直流電流が流れると、その電流の大きさおよび方向に応じて磁界が発生する。磁界検出センサ２００は、バスバー１５の電流により発生した磁界の大きさおよび方向を検出することができる。したがって、バスバー１５の電流を図６（ａ）、図６（ｂ）に示した磁界検出センサ２００で検出できる。

＜磁気インピーダンス素子を使用する場合の基本的な動作原理＞
図１に示したブリッジ回路２２内の磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの直列回路における入力磁界と出力信号との相関関係の例を図７に示す。図７において、インピーダンス特性４１のグラフの横軸は、各磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂに加わる外部磁界Ｈ［Ａ／ｍ］の大きさおよび方向を表し、縦軸は磁気インピーダンス素子１２Ａ、１２Ｂの直列回路における端子間（１２Ａａ−１２Ｂｂ）のインピーダンスＺ（直流抵抗値）［Ω］を表す。

図７に示すように、インピーダンス特性４１の基準点４１ｒを中心として動作するように、バイアスコイル１４Ａ、１４Ｂに流れる電流よって交流バイアス磁界４２が磁性薄膜１２ｂに印加される。図７の例では振幅Ｖｐの大きさで波形が三角波の交流バイアス磁界４２を印加する場合を想定している。したがって、基準点４１ｒを中心としてプラス方向およびマイナス方向に、Ｖｐの振幅で交流バイアス磁界４２の方向が交互に変化する。

そして、この交流バイアス磁界４２の他に、検出対象の外部磁界が磁性薄膜１２ｂに印加される。したがって、図７に示すように外部磁界と交流バイアス磁界の和４２Ｐ、４２Ｎが磁性薄膜１２ｂに印加される。つまり、外部磁場がプラス方向の場合には交流バイアス磁界４２の波形を外部磁場の大きさだけプラス方向にシフトした波形が外部磁界と交流バイアス磁界の和４２Ｐとして磁性薄膜１２ｂに印加される。外部磁場がマイナス方向の場合には交流バイアス磁界４２の波形を外部磁場の大きさだけマイナス方向にシフトした波形が外部磁界と交流バイアス磁界の和４２Ｎとして磁性薄膜１２ｂに印加される。

そして、磁性薄膜１２ｂに印加される磁界、すなわち交流バイアス磁界４２、外部磁界と交流バイアス磁界の和４２Ｐ、４２Ｎと、インピーダンス特性４１とに従い、インピーダンスＺが変化する。このインピーダンスＺの変化を、例えば図１に示したブリッジ回路２２を用いて、センサ出力信号４３、４３Ｐ、４３Ｎとして取り出すことができる。

図７において、センサ出力信号４３、４３Ｐ、および４３Ｎは、それぞれ交流バイアス磁界４２、外部磁界と交流バイアス磁界の和４２Ｐ、および４２Ｎに対応する。つまり、交流バイアス磁界４２の変化と外部磁場とに応じて、センサ出力信号４３、４３Ｐ、４３Ｎの状態が定まる。また、図７に示したセンサ出力信号４３、４３Ｐ、４３Ｎにおいて、縦方向は信号の電位および振幅を表し、横方向は時間ｔの変化を表している。

外部磁場がゼロの場合には、センサ出力信号４３が出力される。つまり、基準点４１ｒの抵抗値に対応する電位Ｖｒと、この点から振幅Ｖｐに対応する電位差だけずれた電位Ｖ１までの間で交流バイアス磁界４２の変化に伴って変化するようなセンサ出力信号４３が得られる。

また、プラス方向の外部磁場が印加された場合には、基準点４１ｒの電位Ｖｒから外部磁場の大きさだけシフトした電位ＶｒＰを中心として、振幅Ｖｐに対応する電位差だけ上下にずれた電位までの間で、交流バイアス磁界４２の変化に伴って変化するようなセンサ出力信号４３Ｐが得られる。また、マイナス方向の外部磁場が印加された場合には、基準点４１ｒの電位Ｖｒから外部磁場の大きさだけシフトした電位ＶｒＮを中心として、振幅Ｖｐに対応する電位差だけ上下にずれた電位までの間で、交流バイアス磁界４２の変化に伴って変化するようなセンサ出力信号４３Ｎが得られる。

図７に示すように、センサ出力信号４３、４３Ｐ、４３Ｎの間には、外部磁場の大きさおよび方向の違いに応じた変化が現れる。したがって、このセンサ出力信号４３Ｐ、４３Ｎに基づいて、外部磁場の大きさおよび方向を特定することが可能である。

＜磁界検出センサ２００内部の主要な信号の変化例＞
磁界検出センサ２００内部の主要な信号の変化例を図８に示す。図８において、各信号の横軸は共通の時間ｔを表し、縦軸は電位を表している。

図８に示すように、各バイアスコイル１４Ａ、１４Ｂに印加されるバイアス信号ＳＧ３の波形を三角波とすると、このバイアス信号ＳＧ３は、マイクロコンピュータ３５が出力する交流バイアス波形信号ＳＧ１１の波形に基づいて生成される。

例えば、時刻ｔ１１で信号ＳＧ０１が低電位ＶＬから高電位ＶＨに立ち上がると、バイアス信号ＳＧ３の電位は一定の傾きで下降を開始し、時刻ｔ１２で信号ＳＧ０１が高電位ＶＨから低電位ＶＬに立ち下がるまでその状態が継続する。また、この時刻ｔ１２でバイアス信号ＳＧ３の電位は一定の傾きで上昇を開始し、時刻ｔ１３で信号ＳＧ０１が低電位ＶＬから高電位ＶＨに立ち上がるまでその状態が継続する。このような動作の繰り返しによって、三角波の波形が生成される。

図８中に示した各信号ＳＧ２−Ａ、ＳＧ２−Ｂ、ＳＧ２−Ｃは、ブリッジ回路２２の出力、例えば図１中の信号処理部２３が出力する信号ＳＧ２の波形に相当する。また、各信号ＳＧ４−Ａ、ＳＧ４−Ｂ、ＳＧ４−Ｃは、微分回路の出力、例えば図１中の微分回路３４ｃが出力する信号ＳＧ４に相当する。また、各信号ＳＧ２−ＡおよびＳＧ４−Ａは外部磁場がゼロの状態を表し、各信号ＳＧ２−ＢおよびＳＧ４−Ｂは、外部磁場がプラス方向の場合の例を表し、各信号ＳＧ２−ＣおよびＳＧ４−Ｃは、外部磁場がマイナス方向の場合の例を表す。

図８中に示した信号ＳＧ２−Ａの波形は、図７中に示したセンサ出力信号４３の波形と同じように変化する。すなわち、バイアス信号ＳＧ３の電位がゼロになる各時刻ｔ２２、ｔ２４、・・・で基準点４１ｒに対応する低電位ＶＬ２になり、それ以外の時刻ではバイアス信号ＳＧ３の電位変化に伴って、ＶＬ２よりも高い電位に変化する。したがって、信号ＳＧ２−Ａの波形は三角波になるが、その周期はバイアス信号ＳＧ３の周期の半分になる。

＜外部磁場がゼロの場合＞
また、信号ＳＧ２−Ａにおいて、振幅Ａ１とＡ２は同じである。ここで、振幅Ａ１はバイアス信号ＳＧ３の電位が上昇から下降に変化する各頂点の時刻ｔ２１、ｔ２５、ｔ２９、・・・における振幅を表し、振幅Ａ２はバイアス信号ＳＧ３の電位が下降から上昇に変化する各頂点の時刻ｔ２３、ｔ２７、・・・における振幅を表す。

一方、図８中に示した信号ＳＧ４−Ａの波形においては、信号ＳＧ２−Ａの電位が上昇から下降に変化する各頂点の時刻ｔ２１、ｔ２３、ｔ２５、・・・において、時間幅の小さいマイナス電位方向のパルスＰｎが現れる。また、信号ＳＧ４−Ａの波形においては、信号ＳＧ２−Ａの電位が下降から上昇に変化する各頂点の時刻ｔ２２、ｔ２４、ｔ２６、・・・において、時間幅の小さいプラス電位方向のパルスＰｐが現れる。

また、この信号ＳＧ４−Ａの波形において、例えば互いに隣接する２つのプラス電位方向のパルスＰｐ間の時間周期Ｔは、信号ＳＧ０１の１周期Ｔ０の半分の長さであり一定である。マイナス電位方向のパルスＰｎについても同様である。なお、信号ＳＧ０１の周波数がｆ０の場合には、周期Ｔ０はその逆数、すなわち（１／ｆ０）で表される。

＜プラス方向の外部磁場が印加された場合＞
一方、信号ＳＧ２−Ｂにおいては、振幅Ａ１ＢとＡ２Ｂとが異なっている。ここで、振幅Ａ１Ｂは、信号ＳＧ０１の１周期Ｔ０の間で、バイアス信号ＳＧ３の電位が上昇から下降に変化する頂点の時刻ｔ５５における振幅を表し、振幅Ａ２Ｂはバイアス信号ＳＧ３の電位が下降から上昇に変化する頂点の時刻ｔ５７における振幅を表す。

つまり、信号ＳＧ２−Ｂが磁性薄膜１２ｂに印加されるプラス方向の外部磁場の影響を受けるので、振幅Ａ１Ｂは外部磁場がゼロの場合の前記振幅Ａ１よりも大きくなり、振幅Ａ２Ｂは外部磁場がゼロの場合の前記振幅Ａ２よりも小さくなる。つまり、振幅Ａ１Ｂ、Ａ２Ｂの変化は外部磁場の大きさおよび方向を反映しているので、振幅Ａ１Ｂ、Ａ２Ｂの少なくとも一方を利用することにより、外部磁場の大きさおよび方向を算出することが可能である。

一方、図８中に示した信号ＳＧ４−Ｂの波形においては、信号ＳＧ２−Ｂの電位が上昇から下降に変化する各頂点の時刻ｔ５１、ｔ５３、ｔ５５、・・・において、時間幅の小さいマイナス電位方向のパルスＰｎが現れる。また、信号ＳＧ４−Ｂの波形においては、信号ＳＧ２−Ｂの電位が下降から上昇に変化する各頂点の時刻ｔ５２、ｔ５４、ｔ５６、・・・において、時間幅の小さいプラス電位方向のパルスＰｐが現れる。

また、この信号ＳＧ４−Ｂの波形におけるプラス電位方向のパルスＰｐのタイミングは、信号ＳＧ４−Ａの場合と比べてずれている。つまり、外部磁場の影響が、パルスＰｐおよびＰｎの位相（タイミングの変化）に反映されている。例えば、信号ＳＧ４−Ｂの電位が上昇を開始する時刻ｔ５４のパルスＰｐから、次に信号ＳＧ４−Ｂの電位が上昇を開始する時刻ｔ５６のパルスＰｐまでのパルスＰｐ間の時間周期Ｔは、信号ＳＧ４−Ａの場合よりも大きくなっている。

つまり、プラス電位方向のパルスＰｐ間の時間周期Ｔは、外部磁場の影響で生じた各パルスＰｐの位相差を反映している。したがって、各パルスＰｐの位相差を検出するか、または時間周期Ｔを検出することにより、外部磁場の大きさおよび方向を算出できる。

＜マイナス方向の外部磁場が印加された場合＞
一方、信号ＳＧ２−Ｃにおいては、振幅Ａ１ＣとＡ２Ｃとが異なっている。ここで、振幅Ａ１Ｃは、信号ＳＧ０１の１周期Ｔ０の間で、バイアス信号ＳＧ３の電位が上昇から下降に変化する頂点の時刻７５における振幅を表し、振幅Ａ２Ｃはバイアス信号ＳＧ３の電位が下降から上昇に変化する頂点の時刻ｔ７７における振幅を表す。

つまり、信号ＳＧ２−Ｃが磁性薄膜１２ｂに印加されるマイナス方向の外部磁場の影響を受けるので、振幅Ａ１Ｃは外部磁場がゼロの場合の前記振幅Ａ１よりも小さくなり、振幅Ａ２Ｃは外部磁場がゼロの場合の前記振幅Ａ２よりも大きくなる。つまり、振幅Ａ１Ｃ、Ａ２Ｃの変化は外部磁場の大きさおよび方向を反映しているので、振幅Ａ１Ｃ、Ａ２Ｃの少なくとも一方を利用することにより、外部磁場の大きさおよび方向を算出することが可能である。

一方、図８中に示した信号ＳＧ４−Ｃの波形においては、信号ＳＧ２−Ｃの電位が上昇から下降に変化する各頂点の時刻ｔ７１、ｔ７３、ｔ７５、・・・において、時間幅の小さいマイナス電位方向のパルスＰｎが現れる。また、信号ＳＧ４−Ｃの波形においては、信号ＳＧ２−Ｃの電位が下降から上昇に変化する各頂点の時刻ｔ７２、ｔ７４、ｔ７６、・・・において、時間幅の小さいプラス電位方向のパルスＰｐが現れる。

また、この信号ＳＧ４−Ｃの波形におけるプラス電位方向のパルスＰｐのタイミングは、信号ＳＧ４−Ａの場合と比べてずれている。つまり、外部磁場の影響が、パルスＰｐおよびＰｎの位相（タイミングの変化）に反映されている。例えば、信号ＳＧ４−Ｃの電位が上昇を開始する時刻ｔ７４のパルスＰｐから、次に信号ＳＧ４−Ｃの電位が上昇を開始する時刻ｔ７６のパルスＰｐまでのパルスＰｐ間の時間周期Ｔは、信号ＳＧ４−Ａの場合よりも小さくなっている。

つまり、プラス電位方向のパルスＰｐ間の時間周期Ｔは、外部磁場の影響で生じた各パルスＰｐの位相差を反映している。したがって、各パルスＰｐの位相差を検出するか、または時間周期Ｔを検出することにより、外部磁場の大きさおよび方向を算出できる。

＜外部磁界が大きい場合の主要な信号の変化例＞
外部磁界が大きい場合の主要な信号の変化例を図９に示す。図９において、各信号の横軸は共通の時間ｔを表し、縦軸は電位を表している。また、図９中の各信号ＳＧ０１、ＳＧ３、ＳＧ２−Ａ、およびＳＧ４−Ａは、図８の内容と同一である。

図９中に示した各信号ＳＧ２−Ａ、ＳＧ２−Ｄ、ＳＧ２−Ｅは、ブリッジ回路２２の出力、例えば図１中の信号処理部２３が出力する信号ＳＧ２の波形に相当する。また、各信号ＳＧ４−Ａ、ＳＧ４−Ｄ、ＳＧ４−Ｅは、微分回路の出力、例えば図１中の微分回路３４ｃが出力する信号ＳＧ４に相当する。

また、各信号ＳＧ２−ＡおよびＳＧ４−Ａは外部磁場がゼロの状態を表している。また、各信号ＳＧ２−ＤおよびＳＧ４−Ｄは、外部磁場がプラス方向で、且つ外部磁界の大きさが交流バイアスの振幅Ｖｐよりも大きい場合の例を表している。また、各信号ＳＧ２−ＥおよびＳＧ４−Ｅは、外部磁場がマイナス方向で、且つ外部磁界の大きさが交流バイアスの振幅Ｖｐよりも大きい場合の例を表している。

図９に示した例では、外部磁界が振幅Ｖｐよりも大きい影響で、信号ＳＧ２−ＤおよびＳＧ２−Ｅの各々の波形が、バイアス信号ＳＧ３とほぼ同じになっている。そのため、信号ＳＧ４−Ｄに現れるプラス方向の各パルスＰｐの位相は一定になり、隣接する２つのパルスＰｐの間の時間周期Ｔも一定になる。同様に、信号ＳＧ４−Ｅにおいても、プラス方向の各パルスＰｐの位相が一定になり、隣接する２つのパルスＰｐの間の時間周期Ｔも一定になる。

したがって、図９に示したような状況においては、信号ＳＧ４−Ｄ、ＳＧ４−Ｅにおけるパルスの位相や周期から、外部磁場を検知することができない。つまり、図８に示した信号ＳＧ４−Ｂ、ＳＧ４−ＣのようにパルスＰｐの位相の変化を検出できるのは、外部磁界の大きさが交流バイアスの振幅Ｖｐよりも小さい場合のみに限られる。

しかし、図９に示した状況においても、信号ＳＧ２−Ｄの振幅Ａ１Ｄ、Ａ２Ｄには、外部磁界の大きさの影響が現れているので、これらの振幅Ａ１Ｄ、Ａ２Ｄの少なくとも一方の情報に基づいて、外部磁界の大きさや方向を算出することが可能である。同様に、信号ＳＧ２−Ｅの振幅Ａ１Ｅ、Ａ２Ｅには、外部磁界の大きさの影響が現れているので、これらの振幅Ａ１Ｅ、Ａ２Ｅの少なくとも一方の情報に基づいて、外部磁界の大きさや方向を算出することが可能である。

＜検出ユニット３０の動作＞
検出ユニット３０内の増幅器３１の入力には、駆動ユニット２０の計装増幅器２９から出力される信号ＳＧ２が印加される。この信号ＳＧ２は、外部磁場がゼロの場合には図８に示した信号ＳＧ２−Ａのような三角波の波形である。また、外部磁場がプラス方向の場合、およびマイナス方向の場合には、それぞれ図８に示した信号ＳＧ２−Ｂ、およびＳＧ２−Ｃのような波形になる。また、外部磁界の大きさがバイアス信号の振幅Ｖｐ以上になった場合には、図９に示した信号ＳＧ２−Ｄ、およびＳＧ２−Ｅのような波形になる。この信号ＳＧ２は、増幅器３１で増幅され、スイッチ回路３２の切替により、振幅検出回路３３および位相検出回路３４のいずれかの入力に選択的に印加される。

＜振幅検出回路３３の動作＞
振幅検出回路３３においては、図８の信号ＳＧ２Ａ、ＳＧ２−Ｂ、ＳＧ−２Ｃと同等の波形の信号がローパスフィルタ（ＬＰＦ）３３ａの入力に印加される。ローパスフィルタ３３ａは、信号の積分動作を行い、周波数の高い成分を除去する。したがって、例えば波形が三角波の信号が入力された場合には、正弦波に近い波形の信号ＳＧ６がローパスフィルタ３３ａから出力される。

アナログスイッチ３３ｃは、マイコン内で生成される交流バイアス波形ＳＧ１１又はＳＧ１２より生成された二値信号により制御され、ローパスフィルタ３３ａから出力される信号ＳＧ６は、アナログスイッチ３３ｃを通ってピークホールド回路３３ｄに入力される。

ピークホールド回路３３ｄは、アナログスイッチ３３ｃから出力される信号ＳＧ７におけるピーク電位を検出し保持することができる。したがって、例えば図８に示した各信号ＳＧ２−Ｂ、ＳＧ２−Ｃの振幅Ａ１Ｂ、Ａ２Ｂ、Ａ１Ｃ、Ａ２Ｃなどの各々に相当する電圧を、振幅検出信号ＳＧ９として出力することができる。

＜位相検出回路３４の動作＞
位相検出回路３４においては、図８の信号ＳＧ２−Ａ、ＳＧ２−Ｂ、ＳＧ−２Ｃと同等の波形の信号が、スイッチ回路３２の出力から微分回路３４ａに入力される。位相検出回路３４は、この入力信号を微分回路３４ａで微分処理した後、増幅器３４ｂで増幅し、次の微分回路３４ｃで再び微分処理して信号ＳＧ４を生成する。

したがって、図８に示した信号ＳＧ４−Ｂ、ＳＧ４−Ｃのように、信号ＳＧ２−Ｂ、ＳＧ−２Ｃの電位変化が上昇から下降に切り替わる各頂点のタイミングで、マイナス方向のパルスＰｎが発生する。また、信号ＳＧ２−Ｂ、ＳＧ−２Ｃの電位変化が下降から上昇に切り替わる各頂点のタイミングで、プラス方向のパルスＰｐが発生する。

コンパレータ（ＣＯＭＰ）３４ｄは、微分回路３４ｃが出力する信号ＳＧ４の電位を閾値と比較した結果を二値信号として出力する。この二値信号は、プラス方向の各パルスＰｐのタイミングを正確に表す位相差検出信号ＳＧ５である。

＜マイクロコンピュータ３５の基本動作＞
マイクロコンピュータ３５は、振幅検出回路３３から出力される振幅検出信号ＳＧ９の電圧を計測することにより、例えば図８に示した振幅Ａ１Ｂ、Ａ２Ｂのいずれか一方、または両方を把握し、その結果に基づいて外部磁界の大きさおよび方向を算出することができる。また、マイクロコンピュータ３５は、位相検出回路３４から出力される位相差検出信号ＳＧ５のタイミングに基づいて、例えば図８に示した各時間周期Ｔの長さを計測し、その結果に基づいて外部磁界の大きさおよび方向を算出することができる。

＜外部磁界と位相検出回路３４の動作との関係＞
外部磁界と位相検出回路３４の動作との関係の例を図１０に示す。図１０に示した特性Ｃ７１は、検出ユニット３０内の位相検出回路３４における検出特性の例を表している。また、図１０において横軸は外部磁界Ｈ［Ａ／ｍ］の大きさおよび方向を表し、縦軸は位相検出回路３４の信号ＳＧ４、ＳＧ５におけるプラス方向のパルスＰｐの時間周期Ｔ（図８、図９参照）の長さを表している。

図１０に示すように、特性Ｃ７１においては、外部磁界Ｈがゼロの状態で、検出される時間周期Ｔが「（１／（２×ｆ０）」になる。周波数ｆ０は、信号ＳＧ０１の基本周波数である。また、外部磁界Ｈが「−Ｖｐ＜Ｈ＜＋Ｖｐ」の範囲内では、外部磁界Ｈの大きさの変化に比例して検出される時間周期Ｔが直線的に増大する。「Ｖｐ」は交流バイアス磁界の振幅である。また、外部磁界Ｈが「−Ｖｐ」以下の範囲、および外部磁界Ｈが「Ｖｐ」以上の範囲では、検出される時間周期Ｔは一定値、すなわち「Ｔ＝（１／ｆ０）」になる。

つまり、外部磁界Ｈが「−Ｖｐ＜Ｈ＜＋Ｖｐ」の範囲内であれば、特性Ｃ７１に対応する計算式と、位相検出回路３４が出力する位相差検出信号ＳＧ５の時間周期Ｔとに基づいて、外部磁界Ｈの大きさおよび方向をマイクロコンピュータ３５が算出することができる。
外部磁界Ｈの方向については、図１０に示した特性Ｃ７１のように、検出される時間周期Ｔが「（１／（２×ｆ０）」よりも大きい場合はプラス方向であり、検出される時間周期Ｔが「（１／（２×ｆ０）」よりも小さい場合はマイナス方向であると判断できる。

しかし、外部磁界Ｈが「−Ｖｐ」以下の範囲、および外部磁界Ｈが「＋Ｖｐ」以上の範囲では、検出される時間周期Ｔから外部磁界Ｈを算出することはできない。そこで、外部磁界Ｈが「−Ｖｐ」以下の範囲、および外部磁界Ｈが「＋Ｖｐ」以上の範囲では、振幅検出回路３３が出力する振幅検出信号ＳＧ９を利用して外部磁界Ｈの大きさおよび方向をマイクロコンピュータ３５が算出する。

＜外部磁界と位相検出回路３４が検出する振幅との関係＞
外部磁界と位相検出回路３４が検出する振幅との関係の例を図１１に示す。図１１に示した特性Ｃ８１、Ｃ８２は振幅検出回路３３の検出特性を表し、特性Ｃ８１、およびＣ８２は、それぞれ振幅検出回路３３が出力する振幅検出信号ＳＧ９における図８中の振幅Ａ１およびＡ２に対応する。

すなわち、振幅Ａ１は信号ＳＧ０１の立ち上がりのタイミングにおける信号ＳＧ２の振幅の電圧［Ｖ］であり、振幅Ａ２は信号ＳＧ０１の立ち下がりのタイミングにおける信号ＳＧ２の振幅の電圧である。図１１において、横軸は外部磁界Ｈ［Ａ／ｍ］の大きさおよび方向を表し、縦軸は振幅Ａ１、Ａ２の電圧を表す。

図１１に示したように、特性Ｃ８１においては、外部磁界Ｈの大きさがマイナス側で「２Ｖｐ」の場合に振幅Ａ１の電圧が最小になり、この基準点から外部磁界Ｈの大きさが離れるにつれて振幅Ａ１の電圧が増大する。

また、特性Ｃ８２においては、外部磁界Ｈの大きさがプラス側で「２Ｖｐ」の場合に振幅Ａ２の電圧が最小になり、この基準点から外部磁界Ｈの大きさが離れるにつれて振幅Ａ２の電圧が増大する。

したがって、例えば図１１に示した特性Ｃ８１、Ｃ８２の少なくとも一方の情報と、振幅検出回路３３が出力する振幅検出信号ＳＧ９における振幅Ａ１、Ａ２の電圧とに基づいて、外部磁界Ｈの大きさを算出することができる。また、特性Ｃ８１、Ｃ８２が互いに異なっているので、例えば振幅Ａ１、Ａ２の電圧の大小関係を比較することにより、外部磁界Ｈの方向（プラス／マイナス）を特定できる。

＜外部磁界と振幅検出回路３３の動作との関係＞
外部磁界と振幅検出回路３３の動作との関係の例を図１２に示す。図１２に示した特性Ｃ９１は振幅検出回路３３の検出特性を表し、具体的には、振幅検出回路３３が出力する振幅検出信号ＳＧ９における図８中の振幅Ａ１とＡ２との差分（Ａ１−Ａ２）に対応する。図１２において、横軸は外部磁界Ｈ［Ａ／ｍ］の大きさおよび方向を表し、縦軸は振幅差分（Ａ１−Ａ２）の電圧［Ｖ］を表す。

図１２に示したように、特性Ｃ９１においては、外部磁界Ｈがゼロの状態で振幅差分（Ａ１−Ａ２）の電圧がゼロになる。また外部磁界Ｈのプラス側の領域では、外部磁界Ｈの大きさの増大に比例して振幅差分（Ａ１−Ａ２）の電圧がプラス方向に増大する。また、外部磁界Ｈのマイナス側の領域では、外部磁界Ｈの大きさの増大に比例して振幅差分（Ａ１−Ａ２）の電圧がマイナス方向に増大する。

つまり、マイクロコンピュータ３５は振幅検出回路３３が出力する振幅検出信号ＳＧ９の電圧に基づいて、振幅差分（Ａ１−Ａ２）の電圧を算出し、この振幅差分（Ａ１−Ａ２）と図１２に示した特性Ｃ９１とに基づいて、外部磁界Ｈの大きさを算出することができる。また、振幅差分（Ａ１−Ａ２）の電圧の正／負を識別することにより、外部磁界Ｈの方向（プラス／マイナス）を特定できる。

＜特徴的な動作の処理手順＞
磁界検出センサ２００における特徴的な動作の処理手順を図１３に示す。すなわち、磁界検出センサ２００のマイクロコンピュータ３５が図１３に示した処理手順を実行することにより、振幅検出回路３３および位相検出回路３４を状況に応じて自動的に使い分けることが可能になる。

ステップＳ１１では、マイクロコンピュータ３５は、スイッチ回路３２を切り替えて信号ＳＧ２に対応する信号を振幅検出回路３３に入力し、振幅検出回路３３が出力する振幅検出信号ＳＧ９の電圧を計測することにより、前記振幅Ａ１、Ａ２のいずれか一方、または両方の情報を取得する。

ステップＳ１２では、マイクロコンピュータ３５は、スイッチ回路３２を切り替えて信号ＳＧ２に対応する信号を位相検出回路３４に入力し、位相検出回路３４が出力する位相差検出信号ＳＧ５から時間周期Ｔを計測する。

ステップＳ１３では、マイクロコンピュータ３５は、ステップＳ１２の位相差検出で得られた時間周期Ｔと、交流バイアス周期Ｔ０（＝１／ｆ）とを比較する。「Ｔ＝Ｔ０」であればステップＳ１４に進み、時間周期Ｔと、交流バイアス周期Ｔ０とが異なる場合はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１４に進む場合の状況は、磁気インピーダンス素子１２に印加される外部磁界Ｈｅの大きさが、交流バイアス信号ＳＧ３の振幅Ｖｐ以上の場合であり、図９に示した信号ＳＧ４−Ｄ、ＳＧ４−Ｅのように外部磁界に応じて変化する位相差の情報が得られない状態に相当する。

したがって、ステップＳ１４においては、マイクロコンピュータ３５は、ステップＳ１１の振幅検出の結果（Ａ１、Ａ２）だけを利用して、外部磁界Ｈｅの大きさおよび方向を算出する。

一方、ステップＳ１５に進む場合の状況は、磁気インピーダンス素子１２に印加される外部磁界Ｈｅの大きさが、交流バイアス信号ＳＧ３の振幅Ｖｐ未満の場合であり、図８に示した信号ＳＧ４−Ｂ、ＳＧ４−Ｃのように外部磁界に応じて変化する位相差の情報が得られる状態に相当する。

したがって、ステップＳ１５においては、マイクロコンピュータ３５は、ステップＳ１１の振幅検出の結果（Ａ１、Ａ２）と、ステップＳ１２の位相差検出の結果（Ｔ）との両方を利用して、外部磁界Ｈｅの大きさおよび方向を算出する。

なお、ステップＳ１５では、例えばより高い精度の検出結果を得るために、例えばユーザの選択操作により、あるいは状況に応じて自動的に以下の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のいずれかの動作を選択することができる。
（Ａ）振幅および位相差の両方の情報を利用して外部磁界Ｈｅの大きさを算出する。
（Ｂ）位相差の情報のみを利用して外部磁界Ｈｅの大きさを算出する。
（Ｃ）振幅の情報のみを利用して外部磁界Ｈｅの大きさを算出する。

また、上記（Ａ）の動作を行う場合には、例えば次式により最終的な外部磁界の大きさＨｔを算出してもよい。
Ｈｔ＝（Ｈａ＋Ｈｐ）／２
Ｈａ：振幅の情報のみに基づいて算出した外部磁界の大きさ
Ｈｐ：位相差の情報のみに基づいて算出した外部磁界の大きさ

このような平均化を行うことにより、外部磁界の大きさの広い範囲にわたり、より信頼性の高い検出結果を得ることが可能になる。しかも、ブリッジ回路２２が高感度の磁気インピーダンス素子１２Ａと、低感度の磁気インピーダンス素子１２Ｂとの組み合わせを利用しているので、図５（ｂ）に示した信号出力特性Ｃ５２のように、広い範囲にわたって変化の傾きが大きくなり、広い範囲で十分な検出精度が得られる。また、スイッチを切り替えたり、手作業でセンサを交換するような必要性もないので連続的に検出できる。

なお、図１に示したブリッジ回路２２はフルブリッジ回路を構成しているが、これの代わりにハーフブリッジ回路を用いてもよい。また、図１の構成では２つのバイアスコイル１４Ａ、１４Ｂを並列に接続してあるが、直列に接続してもよい。

ここで、上述した本発明に係る磁界検出センサの実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］〜［５］に簡潔に纏めて列記する。
［１］ 磁気インピーダンス効果が生じる磁性材料（磁性薄膜１２ｂ）と、前記磁性材料に対してバイアス磁界を印加するバイアスコイル（１４Ａ、１４Ｂ）とで構成される磁気検出素子と、前記磁性材料に高周波電流を供給する高周波発振回路（発振回路２１）と、前記バイアスコイルに交流バイアス電流を供給する交流バイアス回路（増幅器３７）と、を有する磁界検出センサ（２００）であって、
前記磁気検出素子として、
第１の磁気検出素子（磁気インピーダンス素子（高感度）１２Ａ）と、
前記第１の磁気検出素子よりも高い磁界を検出可能な第２の磁気検出素子（磁気インピーダンス素子（低感度）１２Ｂ）と、
を備え、前記第１の磁気検出素子および前記第２の磁気検出素子の両方の磁気検出状態を反映した信号（ＳＧ２）を出力する、
ことを特徴とする磁界検出センサ。

［２］ 前記第１の磁気検出素子の磁性材料と、前記第２の磁気検出素子の磁性材料とが電気回路の中で直列に接続されている（図１参照）、
ことを特徴とする上記［１］に記載の磁界検出センサ。

［３］ 前記第１の磁気検出素子の磁性材料の感磁軸と、前記第２の磁気検出素子の磁性材料の感磁軸との方向を揃えた状態で、前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子とが隣接する位置に並べて配置されている（図２、図３参照）、
ことを特徴とする上記［１］に記載の磁界検出センサ。

［４］ 前記第１の磁気検出素子の磁性材料と、前記第２の磁気検出素子の磁性材料とが、ブリッジ回路（２２）を構成する電気回路の構成要素として直列に接続されている、
ことを特徴とする上記［１］に記載の磁界検出センサ。

［５］ 外部磁界が印加されない状態の前記磁気検出素子の特性におけるインピーダンス（Ｚ）の極値位置（図４の特性のピーク位置）を基準点とし、前記基準点からのインピーダンスの変化量に応じて変化する電気信号を出力する検出回路（検出ユニット３０）を備え、
前記検出回路は、少なくとも前記電気信号の電圧の変化の方向が切り替わる各頂点のタイミングにおける振幅を検出する振幅検出回路（３３）を含む、
ことを特徴とする上記［１］乃至［４］のいずれかに記載の磁界検出センサ。

１２Ａ 磁気インピーダンス素子（高感度）
１２Ｂ 磁気インピーダンス素子（低感度）
１２ａ 非磁性基板
１２ｂ 磁性薄膜
１２ｃ，１２ｄ 電極
１４Ａ，１４Ｂ バイアスコイル
１５ バスバー
２０ 駆動ユニット
２１ 発振回路
２２ ブリッジ回路
２３ 信号処理部
２４，２５，２６ 抵抗器
２７，２８ ピークホールド回路
２９ 計装増幅器
３０ 検出ユニット
３１，３４ｂ 増幅器
３２ スイッチ回路
３３ 振幅検出回路
３３ａ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
３４ｄ コンパレータ（ＣＯＭＰ）
３３ｃ アナログスイッチ
３３ｄ ピークホールド回路
３４ 位相検出回路
３４ａ，３４ｃ 微分回路
３５ マイクロコンピュータ
３６ スイッチ回路
３７ 増幅器
４１ インピーダンス特性
４１ｒ 基準点
４２ 交流バイアス磁界
４２Ｐ，４２Ｎ 外部磁界と交流バイアス磁界の和
４３，４３Ｐ，４３Ｎ センサ出力信号
１００ プリント基板
１００ａ，１００ｂ 電極
１００ｃ 切欠き部
２００ 磁界検出センサ
Ｃ４Ａ，Ｃ４Ｂ 磁気検出特性
Ｃ５１，Ｃ５２ 信号出力特性

Claims (5)

1. 磁気インピーダンス効果が生じる磁性材料と、前記磁性材料に対してバイアス磁界を印加するバイアスコイルとで構成される磁気検出素子と、前記磁性材料に高周波電流を供給する高周波発振回路と、前記バイアスコイルに交流バイアス電流を供給する交流バイアス回路と、を有する磁界検出センサであって、
   前記磁気検出素子として、
   第１の磁気検出素子と、
   前記第１の磁気検出素子よりも高い磁界を検出可能な第２の磁気検出素子と、
   を備え、前記第１の磁気検出素子および前記第２の磁気検出素子の両方の磁気検出状態を反映した信号を出力し、
   前記第１の磁気検出素子及び前記第２の磁気検出素子それぞれのインピーダンスは、外部磁界の大きさがゼロの状態で最大となり、外部磁界の大きさの増加に応じて減少する特性を有し、
   前記第１の磁気検出素子のインピーダンスの最大値は、前記第２の磁気検出素子のインピーダンスの最大値より大きく、
   外部磁界の大きさの変化に対するインピーダンスの変化量は、外部磁界の大きさがゼロを含む小さい領域では、前記第１の磁気検出素子の方が前記第２の磁気検出素子と比べて相対的に大きく、外部磁界の大きさが大きい領域では、前記第２の磁気検出素子の方が前記第１の磁気検出素子と比べて相対的に大きく、
   前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子とが直列に接続されている、
   ことを特徴とする磁界検出センサ。
2. 前記第１の磁気検出素子の磁性材料と、前記第２の磁気検出素子の磁性材料とが電気回路の中で直列に接続されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁界検出センサ。
3. 前記第１の磁気検出素子の磁性材料の感磁軸と、前記第２の磁気検出素子の磁性材料の感磁軸との方向を揃えた状態で、前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子とが隣接する位置に並べて配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁界検出センサ。
4. 前記第１の磁気検出素子の磁性材料と、前記第２の磁気検出素子の磁性材料とが、ブリッジ回路を構成する電気回路の構成要素として直列に接続されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁界検出センサ。
5. 磁気インピーダンス効果が生じる磁性材料と、前記磁性材料に対してバイアス磁界を印加するバイアスコイルとで構成される磁気検出素子と、前記磁性材料に高周波電流を供給する高周波発振回路と、前記バイアスコイルに交流バイアス電流を供給する交流バイアス回路と、を有する磁界検出センサであって、
   前記磁気検出素子として、
   第１の磁気検出素子と、
   前記第１の磁気検出素子よりも高い磁界を検出可能な第２の磁気検出素子と、
   を備え、前記第１の磁気検出素子および前記第２の磁気検出素子の両方の磁気検出状態を反映した信号を出力し、
   外部磁界が印加されない状態の前記磁気検出素子の特性におけるインピーダンスの極値位置を基準点とし、前記基準点からのインピーダンスの変化量に応じて変化する電気信号を出力する検出回路を備え、
   前記検出回路は、少なくとも前記電気信号の電圧の変化の方向が切り替わる各頂点のタイミングにおける振幅を検出する振幅検出回路を含む、
   ことを特徴とする磁界検出センサ。

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