JP6821113B2 - 磁性体検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ホール素子を用いたホールセンサを含み、磁性体を検出する磁性体検出装置に関する。

従来から、磁気を検出する素子としてホール素子が知られている。ホール素子は、ホール効果を利用し、磁気を電圧として検出する。例えば、ホール素子は、素子に駆動電流を印加するための一対の端子と、ホール効果によって素子に生じたホール電圧を検出するための一対の端子とを有する。また、ホール電圧の検出精度の向上を目的として、種々のホールセンサが検討されている。

例えば、特許文献１には、対をなす第１及び第２のホール素子と、当該第１及び第２のホール素子の各端子に対して駆動電流供給用端子とホール電圧検出用端子とを交互に切り替えるように素子を駆動するホール電圧検出装置が開示されている。

特許第5512561号公報

ホールセンサの用途としては、粒子状の磁性体をマーカとして用いてホールセンサ上に付着した対象物の検出を行う磁性体検出装置が検討されている。より具体的には、例えば、抗原に抗体が結合する抗原抗体反応を利用した免疫センサが検討されている。当該免疫センサは、例えば、抗原又は抗体に磁性体を結び付け、当該磁性体によって生じた磁気を検出することで、生体情報を検出する生体センサである。また、例えば磁性体の個数を計算することで抗原の濃度を算出することもできる。このような磁性体検出装置においては、磁性体の有無を正確に検出できることが好ましい。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、高精度かつ高感度で磁性体を検出することが可能な磁性体検出装置を提供することを課題の１つとしている。

請求項１に記載の発明は、複数のホール素子を有し、磁性体を検出する検出面を有するホールセンサと、検出面に印加される検出面に沿った方向の印加磁界を生成する印加磁界生成回路と、複数のホール素子のうち、対のそれぞれのホール素子が互いに隣接する一対のホール素子からなる隣接ホール素子対を選択する選択回路と、隣接ホール素子対からの検出電圧に基づいて、検出面上の磁性体の有無を判定する判定回路と、を有することを特徴とする。

実施例１に係る磁性体検出装置の構成を示すブロック図である。 実施例１に係る磁性体検出装置の構成例を示す回路図である。 実施例１に係る磁性体検出装置のホールセンサの構成を模式的に示すブロック図である。 実施例１に係る磁性体検出装置のホールセンサの構成例を模式的に示すブロック図である。 実施例１に係る磁性体検出装置においてホール素子に印加される駆動電流及び印加磁界を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は実施例１に係る磁性体検出装置の動作原理を模式的に示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、実施例１に係る磁性体検出装置のホールセンサの検出動作例を示す図である。 実施例１の変形例に係る磁性体検出装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）は、実施例１の変形例に係る磁性体検出装置における印加磁界生成回路及び選択回路の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、実施例１の変形例に係る磁性体検出装置におけるホールセンサの構成を模式的に示す図である。 実施例１の変形例に係る磁性体検出装置におけるホールセンサの構成例を模式的に示す回路図である。 実施例１の変形例に係る磁性体検出装置の駆動例を模式的に示す図である。

以下に本発明の実施例について詳細に説明する。

図１は、実施例１に係る磁性体検出装置１０の構成を示すブロック図である。磁性体検出装置１０は、複数のホール素子を含むホールセンサ２０と、磁性体に検出対象の磁界を発生させるためにホールセンサ２０に印加される印加磁界ＳＭを生成する印加磁界生成回路３０を有する。また、磁性体検出装置１０は、ホールセンサ２０内の互いに隣接する２つのホール素子を隣接ホール素子対として選択する選択回路４０と、センサ駆動信号ＣＬに基づいてホールセンサ２０を駆動する駆動信号を印加信号ＳＤとしてホールセンサ２０に供給するセンサ駆動回路５０とを有する。

また、磁性体検出装置１０は、印加磁界ＳＭ及びセンサ駆動信号ＣＬに基づいて、ホールセンサ２０に生じた起電力（検出電圧）を示す電圧検出信号ＳＳに対して種々の信号処理を行う信号処理回路６０と、信号処理回路６０によって処理された処理信号ＳＯに基づいて磁性体が存在するか否かを判定する判定回路７０とを有する。また、磁性体検出装置１０は、装置全体の制御部として機能する中央制御回路８０と、装置の各種の出力結果などを表示する表示部９０とを有する。

本実施例においては、判定回路７０は、選択回路４０によって選択されたホール素子に対して行った磁性体の有無を記憶及び集計してホールセンサ２０上の磁性体の個数を計数する磁性体数計数回路７１を有する。本実施例においては、選択回路４０はホールセンサ２０内の複数のホール素子のいずれかを順次選択していく。ホールセンサ２０からは選択されたホール素子に対応する電圧検出信号ＳＳを順次生成する。

判定回路７０の磁性体数計数回路７１は、例えば、選択回路４０による選択の完了後又は選択の切替タイミング毎などにおいて磁性体を検出した回数を計数及び記憶し、ホールセンサ２０全体で検出された磁性体数を出力する。

また、本実施例においては、判定回路７０は、電圧検出信号ＳＳの変化などを分析し、磁性体の有無を判定する判定基準となる閾値を調整する閾値調節回路７２を有する。本実施例においては、閾値調節回路７２は、ホールセンサ２０に印加磁界ＳＭが印加されていない場合のホールセンサ２０からの検出電圧（電圧検出信号ＳＳ）を取得し、当該検出電圧に基づいて、磁性体が存在すると判定する閾値電圧を調節する。判定回路７０は、当該閾値電圧に基づいて磁性体の有無を判定する。

図２は、磁性体検出装置１０の詳細な構成例を示すブロック図である。本実施例においては、印加磁界生成回路３０は、印加磁界生成部３１と、印加磁界生成部３１を駆動する駆動信号を印加信号ＢＤとして印加磁界生成部３１に印加する駆動信号印加回路３２とを有する。

印加磁界生成部３１は、例えば、コイルＬを含む鉄心ＣＯからなる電磁石と、電磁石のコイルＬに接続されたキャパシタＣとを含む。本実施例においては、印加磁界生成部３１は、共振回路、例えば、ＬＣ共振回路を構成する。

また、印加磁界生成部３１は、磁界生成領域３１Ａを有する。例えば、鉄心ＣＯはＣ字型の形状を有し、磁界生成領域３１ＡはＣ字型の鉄心ＣＯの端面間の領域である。磁性体検出装置１０は、ホールセンサ２０を磁界生成部３１の磁界生成領域３１Ａに配置（挿入）することで、磁性体の検出動作を行う。

印加磁界生成回路３０は、駆動信号印加回路３２が印加磁界生成部３１に印加する印加信号ＢＤの基準信号となる磁界生成信号ＭＤを生成する駆動信号生成回路３３を有する。駆動信号生成回路３３は、例えば磁界生成信号ＭＤとしてクロック信号を生成するクロック生成回路である。駆動信号印加回路３２は、磁界生成信号ＭＤに基づいて印加信号ＢＤを生成し、印加磁界生成部３１に供給する。本実施例においては、磁界生成信号ＭＤは交流信号として生成され、印加信号ＢＤは交流電圧として生成される。これによって、印加磁界生成部３１のコイルＬに電流が流れ、磁界生成領域３１Ａに磁界が発生する。

また、印加磁界生成回路３０は、印加磁界生成部３１によって生成された（実際に発生している）印加磁界ＳＭを検出して印加磁界検出信号ＢＭを生成する印加磁界検出回路３４を有する。例えば、印加磁界検出回路３４は、ホール素子を含む。

印加磁界生成回路３０は、印加磁界検出回路３４によって検出された印加磁界検出信号ＢＭの振幅を検出する振幅検出回路３５を有する。また、印加磁界生成回路３０は、駆動信号生成回路３３が生成した磁界生成信号ＭＤと、印加磁界検出回路３４が検出した印加磁界検出信号ＢＭとの間の位相比較を行う位相比較回路３６とを有する。

センサ駆動回路５０は、ホールセンサ２０を駆動する駆動信号（センサ駆動電流）を印加信号ＳＤとして印加する駆動信号印加回路５１と、印加信号ＳＤの基準信号となるセンサ駆動信号ＣＬを生成する駆動信号生成回路５２とを有する。駆動信号生成回路５２は、例えばセンサ駆動信号ＣＬとしてクロック信号を生成するクロック生成回路である。本実施例においては、駆動信号生成回路５２は、交流信号としてセンサ駆動信号ＣＬを生成する。また、駆動電流印加回路５１は、交流電流として印加信号ＳＤを生成する。

信号処理回路６０は、ホールセンサ２０からの電圧検出信号ＳＳに対してフィルタリングを行う第１のフィルタ回路６１と、第１のフィルタ回路６１によってフィルタリングされた電圧検出信号ＳＳをセンサ駆動信号ＣＬに応じて復調する第１の復調回路６２と、第１の復調回路６２によって復調された電圧検出信号ＳＳを増幅する増幅回路６３とを有する。第１のフィルタ回路６１は、本実施例においてはハイパスフィルタ（ＨＰＦ）である。

また、信号処理回路６０は、増幅回路６３によって増幅された電圧検出信号ＳＳを磁界生成信号ＭＤに応じて復調する第２の復調回路６４と、第２の復調回路６４によって復調された電圧検出信号ＳＳに対してフィルタリングを行う第２のフィルタ回路６５と、第２のフィルタ回路６５によってフィルタリングされた電圧検出信号ＳＳに対してＡＤ変換を行う変換回路６６とを有する。本実施例においては、第２のフィルタ回路６５はローパスフィルタ（ＬＰＦ）である。また、変換回路６６がＡＤ変換を行った信号が信号処理回路５０の処理信号ＳＯとなる。

判定回路７０は、信号処理回路６０からの処理信号ＳＯの信号レベルに基づいて、ホールセンサ２０上の磁性体の有無の判定及び磁性体数の計数を行う。なお、本実施例においては信号処理回路６０が変換回路６６を有する場合について説明したが、変換回路６６は、信号処理回路６０ではなく、判定回路７０が有していてもよい。すなわち、判定回路７０は、第２のフィルタ回路６５によってフィルタリングされた電圧検出信号ＳＳを受信し、ＡＤ変換を行った後に磁性体の有無及びその個数を判定してもよい。

図３は、ホールセンサ２０の構成を模式的に示すブロック図である。図３を用いて、ホールセンサ２０の構成について説明する。本実施例においては、ホールセンサ２０は、複数のホール素子２２を含むセンサ回路２１を有する。なお、本実施例においては、４つのホール素子２２が１列に配列された場合について説明する。以下においては、複数のホール素子２２のうち、隣接する３つのホール素子２２をホール素子２２、２３及び２４に区別して説明する。なお、図３は、ホール素子２２〜２４の上面を模式的に示している。

センサ回路２１は、ホール素子２２として複数の半導体素子が設けられた半導体基板ＳＢを含む。例えば、ホール素子２２は、ＣＭＯＳ素子を含む。また、ホール素子２２は、ホール素子２２を駆動するための駆動端子対と、ホール素子２２に生じた起電力を検出するための検出端子対とを有する。

また、本実施例においては、センサ回路２１の上面は、その上面上に存在し得る磁性体を検出する検出面２１Ａとして機能する。ホール素子２２の各々は矩形（本実施例においては正方形）の検出面形状を有し、その角部分に各端子対が配置されている。また、ホール素子２２の各々は、正方形の検出面の辺部分同士が互いに対向するように配置されている。

センサ回路２１の検出面２１Ａは、ホール素子２２の各々の上面の領域と、隣接するホール素子２２間におけるセンサ回路２１の上面の領域とを含む。すなわち、磁性体検出装置１０は、ホール素子２２の上面上の磁性体を検出すると共に、ホール素子２２間の領域上の磁性体を検出する。

本実施例においては、選択回路４０は、センサ回路２１のホール素子２２の各々のうち、対のそれぞれのホール素子が互いに隣接する一対のホール素子（例えばホール素子２２及び２３）を隣接ホール素子対として選択する。また、選択回路４０は、選択する隣接ホール素子対を順次切替える選択信号ＳＬ（０）〜ＳＬ（ｎ）を後述する切替回路２６に生成する。

ホールセンサ２０は、センサ回路２１のホール素子２２の各々と後述する演算回路２７との間の接続切替を行う切替回路２６を有する。本実施例においては、切替回路２６は、ホール素子２２の各々の検出端子対と、演算回路２７との接続状態を切替える。例えば、選択回路４０によってホール素子２２及び２３が隣接ホール素子対として選択された場合、ホール素子２２及び２３の検出端子対が演算回路２７に接続される。

また、ホールセンサ２０は、センサ回路２１からの検出電圧に対して演算処理を行う演算回路２７を有する。また、演算回路２７は、センサ回路２１の選択された隣接ホール素子対の各々の検出端子対に生じた起電力に対して演算処理を行って電圧検出信号ＳＳを生成し、信号処理回路６０に出力する。

図４は、ホールセンサ２０の構成例を模式的に示す回路図である。まず、ホール素子２２の各端子対について説明する。図４は、センサ駆動回路５０によって駆動された状態のホール素子２２の各々の接続状態を示す。ホール素子２２は、接地電位ＧＮＤが印加された端子Ｔ１、電源電位が印加された端子Ｔ２、切替回路２６を介して演算回路２７にそれぞれ接続された端子Ｔ３及びＴ４を有する。ホール素子２２においては、端子Ｔ１及びＴ２が駆動端子対として機能し、端子Ｔ３及びＴ４が検出端子対として機能する。

なお、本実施例においては、端子Ｔ１〜Ｔ４はホール素子２２の上面においてその角部にそれぞれ配置されている。また、駆動端子対Ｔ１及びＴ２はホール素子２２の上面の対角部分に配置されている。また、検出端子対Ｔ３及びＴ４は、ホール素子２２の上面の対角部分に配置されている。

同様に、図４に示すように、ホール素子２３は、駆動端子対として機能する端子Ｔ５及びＴ６と、検出端子対として機能する端子Ｔ７及びＴ８とを有する。また、ホール素子２４は、駆動端子対として機能する端子Ｔ９及びＴ１０と、検出端子対として機能する端子Ｔ１１及びＴ１２とを有する。

また、切替回路２６は、選択回路４０からの選択信号ＳＬに基づいて、各ホール素子２２の各々の検出端子対（例えば端子Ｔ３、Ｔ４、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ１１及びＴ１２）と演算回路２７との接続切替を行う切替素子（例えば切替素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５及びＳ６）を有する。例えば、切替素子Ｓ１は、ホール素子２２の端子Ｔ３と演算回路２７との接続及び非接続を切替える。また、
また、本実施例においては、演算回路２７は、切替回路２６を介して各ホール素子２２の検出端子対に接続された差動増幅回路ＡＭを含む。差動増幅回路ＡＭは、選択回路４０によって選択された一対のホール素子（例えばホール素子２２及び２３）の各々の検出端子対に生じた起電力を加算又は減算する処理を行い、検出電圧とし電圧検出信号ＳＳを出力する。

本実施例においては、差動増幅回路ＡＭは、選択された隣接ホール素子対のうちの一方のホール素子の検出端子対に接続された第１の差動増幅器Ａ１と、他方のホール素子に接続された第２の差動増幅器Ａ２と、第１及び第２の差動増幅器Ａ１及びＡ２に接続された第３の差動増幅器Ａ３からなる。

例えば、図４に示すように、選択回路４０が隣接ホール素子対としてホール素子２２及び２３を選択する選択信号ＳＬ（０）を切替回路２６に供給した場合、切替素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４が導通状態となる。これによって、ホール素子２２の端子Ｔ３は第１の差動増幅器Ａ１の非反転入力端子に接続され、端子Ｔ４は第１の差動増幅器Ａ１の反転入力端子に接続される。また、ホール素子２３の端子Ｔ７は第２の差動増幅器Ａ２の反転入力端子に接続され、端子Ｔ８は第２の差動増幅器Ａ２の非反転入力端子に接続される。

また、第１の差動増幅器Ａ１の出力端子は第３の差動増幅器Ａ３の反転入力端子に、第２の差動増幅器Ａ２の出力端子は第３の差動増幅器Ａ３の非反転入力端子に接続されている。本実施例においては、第３の差動増幅器Ａ３からの出力信号は電圧検出信号ＳＳとして出力される。

また、例えば選択回路４０によってホール素子２３及び２４を選択する選択信号ＳＬ（１）が入力された場合は、切替素子Ｓ３〜Ｓ６が導通状態となる。これによって、端子Ｔ８及びＴ１１がそれぞれ第１及び第２の差動増幅器Ａ１及びＡ２の反転入力端子に接続され、端子Ｔ７及びＴ１２がそれぞれ第１及び第２の差動増幅器Ａ１及びＡ２の非反転入力端子に接続される。

このように、選択回路４０はホール素子２２の各々のうち、任意の隣接する２つのホール素子を隣接ホール素子対として選択する。選択回路４０によって選択された隣接ホール素子対の各々の検出端子対は、切替回路２６を介して演算回路２７に接続される。従って、選択された隣接ホール素子対からの検出電圧が電圧検出信号ＳＳとして出力される。

図５は、センサ駆動回路５０によってホール素子２２〜２４に印加される駆動電流及び印加磁界生成回路３０によって印加される印加磁界ＳＭを模式的に示す図である。まず、センサ駆動回路５０は、互いに隣接するホール素子に対し、その駆動端子対となった端子対を介して、互いに反対方向の駆動電流Ｄ１、Ｄ２及びＤ３を供給する。

より具体的には、図５に示すように、センサ駆動回路５０からのセンサ駆動信号ＳＤによって、端子Ｔ２及びＴ５には電源電位が印加され、端子Ｔ１及びＴ６には接地電位が印加される。従って、ホール素子２２においては、端子Ｔ２から端子Ｔ１に向かう駆動電流Ｄ１が供給される。また、この時、ホール素子２３においては端子Ｔ５から端子Ｔ６に向かう駆動電流Ｄ２が供給される。この駆動電流Ｄ１及びＤ２の向きは、互いに反対方向である。同様に、ホール素子２３及び２４においては、互いに反対方向の駆動電流Ｄ２及びＤ３が供給される。

次に、図６（ａ）及び（ｂ）を用いて、磁性体検出装置１０が検出する磁性体及びこれによってホールセンサ２０に印加される検出対象の磁界について説明する。本実施例においては、磁性体検出装置１０は、ホールセンサ２０上に付着した磁性体としての磁気ビーズＢＺを検出することで、磁気ビーズＢＺに結合された抗原ＡＧを検出する免疫センサである。ホールセンサ２０のセンサ回路２１は、磁気ビーズＢＺを検出する検出面２１Ａを有する。

図６（ａ）は、磁性体検出装置１０の検出対象となる磁気ビーズＢＺを含む検体ＳＰと、検体ＳＰによるホールセンサ２０上での抗原抗体反応を模式的に示す図である。なお、ホールセンサ２０のセンサ回路２１は、切替回路２６及び演算回路２７と共に半導体基板ＳＢに集積された集積回路ＣＰとして構成され、集積回路ＣＰを実装する実装基板上に搭載されている。磁性体検出装置１０は、この集積回路ＣＰを印加磁界生成回路３０の印加磁界生成部３１Ａ（図２）に挿入し、ホールセンサ２０を駆動することで磁気ビーズＢＺの検出動作を行う。

また、センサ回路２１の検出面２１Ａには、複数の抗体ＡＢ１が敷き詰められるように固定される。一方、検出対象となる検体ＳＰは、抗体ＡＢ２に結合された磁気ビーズＢＺと、抗原ＡＧとを含む溶液である。例えば、検体ＳＰは、人体の血液や粘膜などから採取された溶液である。

センサ回路２１の検出面２１Ａ上には、この検体ＳＰが滴下される。センサ回路２１の検出面２１Ａ上に検体ＳＰが滴下されると、センサ回路２１上の抗体ＡＢ１と、検体ＳＰ中の抗原ＡＧ及び抗体ＡＢ２とが抗原抗体反応を行い、互いに結合する。これによって、センサ回路２１の検出面２１Ａ上に磁気ビーズＢＺが付着する。なお、磁気ビーズＢＺは、例えば、磁性を有するコア材料に、特定の官能基が化学装飾されたナノサイズの磁性粒子である。

図６（ｂ）は、印加磁界生成回路３０によって印加された印加磁界ＳＭを示す図である。印加磁界生成回路３０は、センサ回路２１の検出面２１Ａに沿った方向（水平方向と称する場合がある）に、印加磁界ＳＭを印加する。センサ回路２１に磁気ビーズＢＺが付着すると、磁気ビーズＢＺに印加磁界ＳＭが印加される。図６（ｂ）に示すように、磁気ビーズＢＺは、印加磁界ＳＭによって磁束方向の転換作用が生じ、印加磁界ＳＭの向きとは異なる方向に磁界ＭＦを発生させる。この磁界ＭＦは、センサ回路２１の検出対象となる磁界（垂直磁界）を含む。

なお、センサ回路２１の検出面２１Ａは、例えばホール素子２２の検出面２２Ａ及びホール素子２３の検出面２３Ａと、検出面２２Ａ及び２３Ａの間のセンサ回路２１の表面領域を含む。例えば、センサ回路２１の検出面２１Ａは、ホール素子２２の各々が形成された半導体基板上の配線層又は保護膜、封止膜（図示せず）の表面である。

図６（ｂ）に示すように、例えば、センサ回路２１の検出面２１Ａにおいてホール素子２２及び２３の間に磁気ビーズＢＺが付着した場合、磁気ビーズＢＺによって発生した磁界ＭＦの向きは、ホール素子２２の検出面２２Ａに向かう方向の成分を含み、かつホール素子２３の検出面２３Ａから離れる方向の成分を含む。つまり、センサ回路２１のホール素子２２及び２３には、互いに反対方向の磁界が印加されることとなる。

なお、磁気ビーズＢＺがホール素子２２の検出面２２Ａの領域、ホール素子２３の検出面２３Ａの領域並びにその間の領域内のいずれの位置に付着した場合でも、ほとんどの場合、ホール素子２２及び２３には互いに反対方向の成分を含む磁界ＭＦが入力されることとなる。

このように、印加磁界生成回路３０はホールセンサ２０の検出面２１Ａ（検出面２２Ａ及び２３Ａ）において検出面２１Ａに沿った方向の印加磁界ＳＭを生成し、磁気ビーズＢＺを励起する。これによって、印加磁界ＳＭが印加された磁気ビーズＢＺに対し、ホールセンサ２０の検出対象となる磁界ＭＦを生成させる。この状態で、選択回路４０によってホール素子２２及び２３が隣接ホール素子対として選択された場合、判定回路７０は、ホール素子２２及び２３上の検出範囲内に磁気ビーズＢＺが存在すると判定する。

また、本実施例においては、選択回路４０によって、センサ回路２１内の全ての隣接ホール素子対の組み合わせが順次選択されていく。そして、判定回路７０の磁性体数計数回路７１は、それぞれの隣接ホール素子対上の磁気ビーズＢＺの有無を判定及び集計し、ホールセンサ２０上の磁気ビーズＢＺの個数を算出する。

これによって、磁性体検出装置１０は、磁気ビーズＢＺ及びその個数を検出することによって、抗原ＡＧの有無及び、抗原ＡＧの濃度を算出することができる。例えば、免疫センサとして機能させる場合、磁性体検出装置１０は、特定の抗原ＡＧを検出することで、人体が当該抗原ＡＧであるウィルスを有しているか否か、及びそのウィルス濃度を算出することができる。

図７（ａ）及び（ｂ）は、ホール素子２２及び２３に印加される磁界の向き及び演算回路２７から出力される検出電圧を示す図である。図の明確さのため、図７（ａ）及び（ｂ）には、センサ回路２１におけるホール素子２２及び２３のみを示している。

図７（ａ）は、ホール素子２２及び２３に互いに反対方向の垂直成分を含む磁界Ｍ１及びＭ２が印加された場合の検出電圧Ｖ１及びＶ２を模式的に示す図である。これは、例えば図６（ｂ）に示す磁気ビーズＢＺがホール素子２２及び２３間の検出面２１Ａに付着している場合に相当する。

図７（ａ）に示すように、ホール素子２２の検出面２２Ａ上の空間から検出面２２Ａに向かう方向（図の奥行方向）に磁界Ｍ１が生じた場合、ホール素子２２の検出端子対である端子Ｔ３及びＴ４間には、端子Ｔ４側を高電位とし、端子Ｔ３側を低電位とする起電力が検出電圧Ｖ１として生ずる。一方、ホール素子２３の検出面２３上の空間において検出面２３から離れる方向（図の手前方向）に磁界Ｍ２が生じた場合、ホール素子２３の検出端子対である端子Ｔ７及びＴ８間には、端子Ｔ８を高電位とし、端子Ｔ７側を低電位とする起電力が検出電圧Ｖ２として生ずる。

また、ホール素子２２及び２３が隣接ホール素子対である場合、ホール素子２２の端子Ｔ３は第１の差動増幅器Ａ１の非反転入力端子に接続され、端子Ｔ４は第１の差動増幅器Ａ１の反転入力端子に接続される。また、ホール素子２３の端子Ｔ７は第２の差動増幅器Ａ２の反転入力端子に接続され、端子Ｔ８は差動増幅器ＡＭの非反転入力端子に接続される。

従って、第３の差動増幅器Ａ３には、その反転入力端子には負極性の検出電圧Ｖ１が、非反転入力端子には正極性の検出電圧Ｖ２が入力される。従って、第３の差動増幅器Ａ３からは、正極性であり、検出電圧Ｖ１及びＶ２が加算された電圧が電圧検出信号ＳＳとして出力される。

次に、図７（ｂ）は、ホール素子２２及び２３に互いに同一方向の垂直成分を含む磁界Ｍ１及びＭ２が印加された状態の検出電圧Ｖ３及びＶ４を模式的に示す図である。これは、例えば、磁気ビーズＢＺがホール素子２２及び２３間の検出面２１Ａに付着していない場合に相当する。

図７（ｂ）に示すように、ホール素子２２の検出面２２Ａ上の空間から検出面２２Ａに向かう方向（図の奥行方向）に磁界Ｍ３が生じた場合、ホール素子２２の検出端子対である端子Ｔ３及びＴ４間には、端子Ｔ４側を高電位とし、端子Ｔ３側を低電位とする起電力が検出電圧Ｖ３として生ずる。一方、ホール素子２３の検出面２３Ａ上にもその空間から検出面２３Ａに向かう方向（図の奥行方向）に磁界Ｍ３が生じた場合、ホール素子２３の検出端子対である端子Ｔ７及びＴ８間には、端子Ｔ７を高電位とし、端子Ｔ８側を低電位とする起電力が検出電圧Ｖ４として生ずる。

従って、第３の差動増幅器Ａ３には、その非反転入力端子には負極性の検出電圧Ｖ３が、反転入力端子にも負極性の検出電圧Ｖ４が入力される。従って、第３の差動増幅器Ａ３からは、検出電圧Ｖ３及びＶ４が減算された電圧が電圧検出信号ＳＳとして出力される。

このように、演算回路２７は、ホール素子２２及び２３に印加される磁界（検出対象の磁界）の駆動電流Ｄ１及びＤ２（検出面２１Ａ）に垂直な成分が互いに反対方向の場合（例えば磁界Ｍ１及びＭ２が印加されている場合）、ホール素子２２及び２３の各々の検出端子対によって検出される検出電圧を加算する（強め合う）演算を行う。すなわち、印加される垂直磁界の向きが素子間で反対方向の場合、演算回路２７の差動増幅回路ＡＭは加算回路として機能する。従って、高い感度で磁気ビーズＢＺを検出する（磁気ビーズＢＺの存在を判定する）ことができる。

また、演算回路２７は、ホール素子２２及び２３に印加される磁界の検出面２１Ａに垂直な成分が互いに同一方向の場合（例えば磁界Ｍ３及びＭ４が印加されている場合）、ホール素子２２及び２３の検出端子対によって検出される検出電圧を減算する（弱め合う）演算を行う。すなわち、素子間で同一方向の垂直磁界が印加された場合、演算回路２７の差動増幅回路ＡＭは減算回路として機能する。従って、確実に磁気ビーズＢＺの不存在を検出する（磁気ビーズＢＺが存在していないことを判定する）ことができる。

なお、判定回路７０は、磁性体の有無を判定する閾値を調節する閾値調節回路７２を有する。閾値調節回路７２は、例えば、磁性体が存在しない状態の駆動時における隣接ホール素子対からの検出電圧に基づいて、磁性体の有無の判定基準となる閾値を調節する。

例えば、閾値調節回路７２は、印加磁界ＳＭが印加されていない状態で駆動された任意の複数の隣接ホール素子対の各々からの検出電圧を平均化し、磁性体の有無を判定する閾値を調節する。これによって、例えばオフセット電圧など、ホール効果による電圧に重畳されるノイズの影響を考慮した正確な磁性体の有無判定を行うことができる。

上記したように、本実施例においては、磁性体検出装置１０は、選択回路４０によって任意の互いに隣接する一対のホール素子を隣接ホール素子対として選択し、この隣接ホール素子対からの検出電圧に基づいて当該隣接ホール素子対の検出範囲の磁性体の有無を判定する。従って、ホールセンサ２０（センサ回路２１）上の磁性体及びその位置を正確に検出することができる。

また、選択回路４０によって隣接ホール素子対の各々が順次選択され、そのそれぞれにおいて磁性体の有無の判定を行う。また、判定回路７０は、選択された複数の隣接ホール素子対の各々からの検出電圧に基づいて、検出面２１Ａ上の磁性体の個数を計数する磁性体数計数部７１を有する。従って、ホールセンサ２０上の磁性体の個数を検出することができる。

また、ホール素子２２及び２３が正方形の検出面形状を有し、２つの端子対（端子対Ｔ１及びＴ２並びに端子対Ｔ３及びＴ４）がホール素子２２及び２３の検出面２２Ａ及び２３Ａの対角部分に配置されることで、単純な構成によって互いに反対方向への駆動電流Ｄ１及びＤ２を供給することができる。

また、演算回路２７が第１〜第３の差動増幅器Ａ１〜Ａ３を含むことによって、例えば加算回路及び減算回路を用いることなく、検出電圧の加算又は減算処理を容易に行うことができる。

なお、ホール素子２２及び２３の検出面形状は、一例に過ぎない。また、演算回路２７が検出端子対からの検出電圧を加算及び減算する場合について説明したが、演算回路２７は当該検出電圧を加算する構成を有していればよい。

また、印加磁界生成回路３０の構成は一例に過ぎない。ホールセンサ２０の検出面２１Ａに沿った方向の印加磁界ＳＭを生成する構成を有していればよい。また、ホールセンサ２０の構成は一例に過ぎない。ホールセンサ２０は、複数のホール素子２２を有し、磁性体（磁気ビーズＢＺ）を検出する検出面２１Ａを有していればよい。

また、判定回路７０の構成は一例に過ぎない。判定回路７０は、選択された隣接ホール素子対からの検出電圧に基づいて当該隣接ホール素子対上の磁性体の有無を判定する構成を有していればよい。

本実施例においては、磁性体検出装置１０は、ホールセンサ２０の検出面２１Ａに印加され、検出面２１Ａに沿った方向の印加磁界ＳＭを生成する印加磁界生成回路３０と、ホールセンサ２０の複数のホール素子２２のうち、対となるそれぞれのホール素子が互いに隣接する一対のホール素子からなる隣接ホール素子対を選択する選択回路４０と、隣接ホール素子対からの検出電圧に基づいて、検出面２１Ａ上における磁性体の有無を判定する判定回路７０とを有する。従って、高精度かつ高感度で磁性体を検出することが可能な磁性体検出装置１０を提供することができる。

図８は、実施例１の変形例に係る磁性体検出装置１０Ａの構成を示すブロック図である。磁性体検出装置１０Ａは、ホールセンサ２０Ａ、印加磁界生成回路３０Ａ及び選択回路４０Ａの構成を除いては、磁性体検出装置１０と同様の構成を有する。

図９（ａ）及び（ｂ）は、ホールセンサ２０Ａ、印加磁界生成回路３０Ａ及び選択回路４０Ａの構成を示す図である。まず、図９（ａ）に示すように、ホールセンサ２０Ａのセンサ回路２８は、複数のホール素子２２がマトリクス状に配置された構成を有する。本実施例においては、センサ回路２８は、４行４列で配置された合計１６個のホール素子２２からなる。センサ回路２８は、全てのホール素子２２の上面及び素子間の上面領域を磁性体の検出面として２８Ａとして有する。

なお、図９（ａ）に示すように、複数のホール素子２２のうち、列方向に並んだ３つのホール素子２２をホール素子２２、２３及び２４と区別し、ホール素子２２に対して行方向に隣接するホール素子２２をホール素子２５と区別する場合がある。

また、図９（ｂ）に示すように、選択回路４０Ａは、センサ回路２８のホール素子２２から、列方向に隣接する一対のホール素子を隣接ホール素子対として選択する列方向選択モード４１Ａと、行方向に隣接する一対のホール素子を隣接ホール素子対として選択する行方向選択モード４１Ｂとを切替える選択モード切替回路４１を有する。

また、印加磁界生成回路３０Ａは、選択回路４０Ａの選択モード、すなわち選択された隣接ホール素子対の配列方向に応じ、ホールセンサ２０Ａ（センサ回路２８）の検出面２８Ａに対し、列方向に印加磁界ＳＭを印加する列方向印加モード３７Ａと、行方向に印加磁界ＳＭを印加する行方向印加モード３７Ｂとを切替える印加モード切替回路３７を有する。

具体的には、選択回路４０Ａが列方向選択モード４１Ａで選択動作を行っている場合、印加磁界生成回路３０Ａは列方向印加モード３７Ａで印加磁界ＳＭを生成する。一方、選択回路４０Ａが行方向選択モード４１Ｂで選択動作を行っている場合、印加磁界生成回路３０Ａは行方向印加モード３７Ｂで印加磁界ＳＭを生成する。

なお、図９（ａ）を再度参照すると、ホールセンサ２０Ａの切替回路２６Ａは、選択回路４０Ａのモード切替信号ＳＣＲと、素子選択信号ＳＬＣ（ｎ）、ＳＬＲ（ｍ）に基づいて、選択された任意の隣接ホール素子対と演算回路２７とを接続する切替を行う。

図１０は、ホールセンサ２０Ａの構成例を示す回路図である。本実施例においては、ホール素子２２の各々の端子が行方向の隣接する素子間で鏡像となるように構成されている。具体的には、例えば、ホール素子２２及び２５間では、互いに直交する方向に駆動電流Ｄ１及びＤ４がそれぞれ供給される。

また、切替回路２６Ａは、選択回路４０Ａからのモード切替信号ＳＣＲと、列方向素子選択信号ＳＬＣ（ｎ）と、行方向素子選択信号ＳＬＲ（ｍ）とに基づいて、選択された一対のホール素子と差動増幅回路ＡＭ（演算回路２７）とを接続する。例えば、本実施例においては、図１０に示すように、切替回路２６Ａは、各ホール素子の検出端子対に接続された切替素子と、これら切替素子の導通及び非導通を切替える選択回路４０Ａからの信号線にとの間に接続された論理回路からなる。

図１１は、行方向に隣接するホール素子２２及び２５が選択された際の印加磁界ＳＭを模式的に示す図である。具体的には、図１１は、選択回路４０Ａは、行方向選択モード４１Ｂで選択動作を行い、かつホール素子２２及び２５を隣接ホール素子対として選択した場合の印加磁界ＳＭを示す。この時、印加磁界生成回路３０Ａは、行方向印加モード３７Ｂで印加磁界ＳＭを生成する動作を行う。従って、ホールセンサ２０Ａの検出面２８Ａには、行方向（ホール素子２２及び２５の配列方向）に沿った印加磁界ＳＭが印加される。

これによって、例えば磁性体（磁気ビーズＢＺ）がホール素子２２及び２５間の検出面２８Ａの領域に付着した場合に、磁性体に対して、ホール素子２２及び２５間で反対方向の磁界を生じさせることができる。すなわち、印加磁界生成回路３０Ａ及び選択回路４０Ａがモード切替部３７及び４１を有することで、行方向においても、図６（ｂ）と同様に磁気ビーズＢＺを励起し、検出対象磁界ＭＦを発生させることができる。従って、マトリクス状にホール素子２２が配置された場合でも、センサ回路２８の検出面２８Ａ上に存在し得る磁性体を正確に検出することができる。

本変形例においては、磁性体検出装置１０Ａは、ホールセンサ２０Ａがマトリクス状に配置された複数のホール素子２２を有する。また、印加磁界生成回路３０Ａは、列方向印加モード３７Ａ及び行方向印加モード３７Ｂを切替える印加モード切替回路３７を有し、選択回路４０Ａは列方向選択モード４１Ａ及び行方向選択モード４１Ｂを切替える選択モード切替回路４１を有する。従って、マトリクス状に配置されたホール素子２２を有し、高精度かつ高感度で磁性体を検出することが可能な磁性体検出装置１０Ａを提供することができる。

１０、１０Ａ 磁性体検出装置
２０、２０Ａ ホールセンサ
２１、２８ センサ回路
２２、２３、２４、２５ ホール素子
２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ、２８Ａ 検出面
Ｔ１〜Ｔ８ 端子（端子対）
３０ 印加磁界生成回路
４０ 選択回路
７０ 判定回路

Claims (4)

1. 複数のホール素子を有し、磁性体を検出する検出面を有するホールセンサと、
   前記検出面に印加される前記検出面に沿った方向の印加磁界を生成する印加磁界生成回路と、
   前記複数のホール素子のうち、対のそれぞれのホール素子が互いに隣接する一対のホール素子からなる隣接ホール素子対を選択する選択回路と、
   前記隣接ホール素子対からの検出電圧に基づいて、前記検出面上の前記磁性体の有無を判定する判定回路と、を備え、
   前記ホールセンサは、前記複数のホール素子がマトリクス状に配置された構成を有し、
   前記選択回路は、前記複数のホール素子に対して、列方向に隣接する一対のホール素子を前記隣接ホール素子対として選択する列方向選択モードと、行方向に隣接する一対のホール素子を前記隣接ホール素子対として選択する行方向選択モードとを切替える選択モード切替回路を有し、
   前記印加磁界生成回路は、前記隣接ホール素子対の配列方向に応じて、列方向に前記印加磁界を印加する列方向印加モードと、行方向に前記印加磁界を印加する行方向印加モードとを切替える印加モード切替回路を有することを特徴とする磁性体検出装置。
2. 前記選択回路は、前記複数のホール素子から前記隣接ホール素子対を順次選択し、
   前記判定回路は、前記選択回路によって選択された複数の隣接ホール素子対の各々からの検出電圧に基づいて、前記検出面上の前記磁性体の個数を計数する磁性体数計数回路を有することを特徴とする請求項１に記載の磁性体検出装置。
3. 前記判定回路は、前記印加磁界が印加されていない場合の前記隣接ホール素子対からの検出電圧を取得し、当該取得された検出電圧に基づいて前記磁性体の有無を判定する閾値を調節する閾値調節回路を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性体検出装置。
4. 前記ホールセンサの前記検出面には、第１の抗体が固定され、
   前記磁性体は、第２の抗体に結合され、
   前記判定回路は、前記第１及び第２の抗体が抗原に結合されることで前記ホールセンサの前記検出面に付着した前記磁性体の有無を判定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の磁性体検出装置。

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