JP6842914B2 - 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。このような磁性体検出装置においては、磁性体の有無を確実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、磁性体を検出する検出面を有するホールセンサと、磁界生成信号に基づいて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、センサ駆動信号に基づいてホールセンサを駆動するセンサ駆動回路と、磁界生成信号及びセンサ駆動信号に基づいてホールセンサからの電圧検出信号の信号処理を行い、処理信号を生成する信号処理回路と、処理信号に基づいて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。 （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。 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示す回路図である。 （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駆動構成例を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、実施例１に係る磁性体検出装置のホールセンサの駆動例及び演算例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駆動例及び演算例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信号処理回路による信号処理例を示すタイミングチャートである。 印加磁界生成回路への磁界生成信号及び印加磁界生成回路から発生する印加磁界の遷移を示すタイミングチャートである。

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、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を駆動する駆動電流（センサ駆動電流）ＳＤを生成するセンサ駆動回路４０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５０と、信号処理回路５０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６０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７０と、装置の各種の出力結果などを表示する表示部８０とを有する。

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は第１の周波数ｆ１の交流信号として生成され、印加信号ＢＤは第１の周波数ｆ１に基づいた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４０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４１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４２とを有する。駆動信号生成回路４２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４２は、第２の周波数ｆ２の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４１は、第２の周波数ｆ２の交流電流として印加信号ＳＤを生成する。

信号処理回路５０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５１と、第１のフィルタ回路５１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（第２の周波数ｆ２）に応じて復調する第１の復調回路５２と、第１の復調回路５２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５３とを有する。第１のフィルタ回路５１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５０は、増幅回路５３によって増幅された電圧検出信号ＳＳを磁界生成信号ＭＤ（第１の周波数ｆ１）に応じて復調する第２の復調回路５４と、第２の復調回路５４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５５と、第２のフィルタ回路５５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５６とを有する。本実施例においては、第２のフィルタ回路５５はローパスフィルタ（ＬＰＦ）である。また、変換回路５６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６０は、信号処理回路５０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上の磁性体の有無を判定する。なお、本実施例においては信号処理回路５０が変換回路５６を有する場合について説明したが、変換回路５６は、信号処理回路５０ではなく、判定回路６０が有していてもよい。すなわち、判定回路６０は、第２のフィルタ回路５５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、一対のホール素子２２及び２３を含むセンサ回路２１を有する。なお、図１には、ホール素子２２及び２３の上面を模式的に示している。

なお、本実施例においてはセンサ回路２１が一対、すなわち２つのホール素子２２及び２３からなる場合について説明したが、センサ回路２１は、複数対のホール素子を含んでいてもよく、例えばホール素子２２及び２３を含む二対以上のホール素子を含んでいてもよい。

ホール素子２２は、例えば、半導体基板に設けられた半導体素子（図示せず）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又はホール素子２２に生じた起電力を検出するための検出端子として機能する４つの端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４を有する。端子Ｔ１〜Ｔ４においては、端子Ｔ１及びＴ２が対（端子対）となって動作し、端子Ｔ３及びＴ４が端子対となって動作する。すなわち、ホール素子２２は、２つの端子対を有する。

具体的には、例えば、一方の端子対である端子Ｔ１及びＴ２がホール素子２２に駆動電流（印加信号ＳＤ）を供給するための駆動端子対として機能する際、他方の端子対である端子Ｔ３及びＴ４が駆動時にホール素子２２に生じた起電力（検出電圧又は出力電圧）を検出するための検出端子対として機能する。また、端子Ｔ３及びＴ４が駆動端子対として機能する際には、端子Ｔ１及びＴ２は検出端子対として機能する。

また、本実施例においては、ホール素子２２の上面は、その上面上に存在する磁性体を検出する検出面２２Ａとして機能する。ホール素子２２は矩形（本実施例においては正方形）の検出面形状を有し、その角部分に端子Ｔ１〜Ｔ４がそれぞれ配置されている。また、端子Ｔ１及びＴ２は、ホール素子２２の中心を挟んで互いに対向して配置されている。また、端子Ｔ３及びＴ４は、ホール素子２２の中心を挟んで互いに対向して配置されている。

従って、ホール素子２２は、ホール素子２２の矩形の検出面２２Ａにおいて互いに対角方向に駆動電流が供給される。また、ホール素子２２は、検出面２２Ａの対角方向に生じた起電力を検出（出力）する。

また、ホール素子２３は、２つの端子対を構成する４つの端子Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７及びＴ８を有する。また、端子Ｔ５〜Ｔ８においては、ホール素子２２の端子Ｔ１〜Ｔ４と同様に、端子Ｔ５及びＴ６が端子対となって動作し、端子Ｔ７及びＴ８が端子対となって動作する。

また、ホール素子２３の上面は磁性体を検出する検出面２３Ａとして機能する。図３に示すように、本実施例においては、ホール素子２３はホール素子２２と同一形状、例えば正方形の検出面２３Ａを有し、端子Ｔ５〜Ｔ８は、その角部分にそれぞれ配置されている。また、ホール素子２３は、ホール素子２２と同様に、各端子対が駆動端子対又は検出端子対として機能しつつホール素子２３内に生じたホール電圧の検出動作を行う。また、ホール素子２２及び２３は、正方形の検出面２２Ａ及び２３Ａの辺部分同士が互いに対向するように配置されている。

また、ホールセンサ２０は、ホール素子２２及び２３に対し、２つの端子対の各々を駆動端子対又は検出端子対として機能させる接続切替を行う切替回路２４を有する。切替回路２４は、電源ＶＳ１及びＶＳ２と端子Ｔ１〜Ｔ８との間に設けられ、電源ＶＳ１及びＶＳ２と端子Ｔ１〜Ｔ８との間の接続状態を切替える。

例えば、切替回路２４によって、駆動端子対となる端子対を介して、第１の電源ＶＳ１から高電位側の電源電位がセンサ回路２１に供給され、第２の電源ＶＳ２から低電位側の電源電位がセンサ回路２１に供給される。これによって、センサ回路２１のホール素子２２及び２３に駆動電流が印加される。

本実施例においては、切替回路２４には、第１の電源ＶＳ１からの電位として電源電位が、第２の電源ＶＳ２からの電位として接地電位ＧＮＤがそれぞれ印加されている。例えば、切替回路２４は、端子Ｔ１〜Ｔ８の各々に対し、電源電位を供給するか、接地電位ＧＮＤを供給するか、又は後述する演算回路２４に接続するかを切替える。なお、切替回路２４によって演算回路２５に接続された端子対は、検出端子対として機能する。

センサ駆動回路４０は、切替回路２４に駆動電流ＳＤを供給して切替回路２４による端子切替の制御を行い、センサ回路２１を駆動する。本実施例においては、センサ駆動回路４０は、切替回路２４の切替制御を行う制御信号を生成し、切替回路２４に供給する。また、センサ駆動回路４０は、駆動端子対となった端子対を介してホール素子２２及び２３に対して駆動電流を供給する。

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２５を有する。また、演算回路２５は、センサ回路２１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５０に出力する。

次に、図４（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４（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。図４（ａ）に示すように、まず、ホールセンサ２０のセンサ回路２１は、センサ回路２０が切替回路２４及び演算回路２５と共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４（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に平行な方向（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４（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、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及び２３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４（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がセンサ回路２１の検出面２１Ａ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。

本実施例においては、磁性体検出装置１０においては、ホールセンサ２０の検出面２１Ａには第１の抗体ＡＢ１が固定され、磁気ビーズＢＺは第２の抗体ＡＢ２に結合される。そして、判定回路６０は、第１及び第２の抗体ＡＢ１及びＡＢ２が抗原ＡＧに結合されることでホールセンサ２０の検出面２１Ａに付着した磁気ビーズＢＺの有無を判定する。そして、判定回路６０は、磁気ビーズＢＺの存在を検出し、抗原ＡＧの有無を検出（判定）する。免疫センサとしての磁性体検出装置１０は、例えば、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を判定することができる。

図５は、ホールセンサ２０の構成例を示す模式的な回路図である。図５を用いて切替回路２４及び演算回路２５の構成例について説明する。まず、切替回路２４は、ホール素子２２の各端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４のそれぞれに対し、電源電位を印加するか、接地電位ＧＮＤを印加するか、又は演算回路２５に接続するかを選択的に切替える切替素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４を有する。同様に、切替回路２４は、ホール素子２３の各端子Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７及びＴ８のそれぞれに対し、その接続状態を切替える切替素子Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７及びＳ８を有する。

具体的には、切替素子Ｓ１は、ホール素子２２の端子Ｔ１に接地電位ＧＮＤを印加するか、又は端子Ｔ１を演算回路２５に接続するかを選択的に切替える。切替素子Ｓ２は、端子Ｔ２に電源電位を印加するか、又は端子Ｔ２を演算回路２５に接続するかを選択的に切替える。切替素子Ｓ３は、端子Ｔ３に接地電位ＧＮＤを印加するか、又は端子Ｔ３を演算回路２５に接続するかを選択的に切替える。切替素子Ｓ４は、端子Ｔ４に電源電位を印加するか、又は端子Ｔ４を演算回路２５に接続するかを切替える。

また、切替素子Ｓ５は、ホール素子２３の端子Ｔ５に電源電位を印加するか、又は端子Ｔ５を演算回路２５に接続するかを選択的に切替える。切替素子Ｓ６は、端子Ｔ６に接地電位ＧＮＤを印加するか、又は端子Ｔ６を演算回路２５に接続するかを選択的に切替える。切替素子Ｓ７は、端子Ｔ７に電源電位を印加するか、又は端子Ｔ７を演算回路２５に接続するかを選択的に切替える。切替素子Ｓ８は、端子Ｔ８に接地電位ＧＮＤを印加するか、又は端子Ｔ８を演算回路２５に接続するかを選択的に切替える。

なお、センサ駆動回路４０は、印加信号ＳＤとして、切替素子Ｓ１〜Ｓ８の各々の切替状態を制御する制御信号を生成し、各切替素子Ｓ１〜Ｓ８に供給する。

次に、演算回路２５は、本実施例においては、切替回路２４を介してホール素子２２の端子Ｔ１〜Ｔ４のうちの検出端子対に接続された第１の差動増幅器Ａ１と、切替回路２４を介してホール素子２３の端子Ｔ５〜Ｔ８のうちの検出端子対に接続された第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とを有する。

第１の差動増幅器Ａ１は、その非反転入力端子にはそれぞれ切替素子Ｓ１及びＳ３を介してホール素子２２の端子Ｔ１及びＴ３が接続され、反転入力端子にはそれぞれ切替素子Ｓ２及びＳ４を介して端子Ｔ２及びＴ４が接続されている。第１の差動増幅器Ａ１の出力端子は第３の差動増幅器Ａ３の非反転入力端子に接続されている。

第２の差動増幅器Ａ２は、その非反転入力端子にはそれぞれ切替素子Ｓ６及びＳ８を介してホール素子２３の端子Ｔ６及びＴ８が接続され、反転入力端子にはそれぞれ切替素子Ｓ５及びＳ７を介して端子Ｔ５及びＴ７が接続されている。第２の差動増幅器Ａ２の出力端子は第３の差動増幅器Ａ３の反転入力端子に接続されている。

なお、本実施例においては、センサ回路２１、切替回路２４及び演算回路２５は、集積回路ＣＰとして１つのＩＣチップ内に集積されている。

次に、図６（ａ）及び（ｂ）を用いてホールセンサ２０の駆動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、センサ駆動回路４０による切替回路２４の制御によって、図６（ａ）に示すフェーズ（第１フェーズ）と図６（ｂ）に示すフェーズ（第２フェーズ）とを第２の周波数ｆ２に基づいて交互に切替てホール電圧の検出動作を行う。

センサ駆動回路４０は、例えば図６（ａ）に示すように、駆動端子対となった端子対を介して、ホール素子２２及び２３に対して互いに反対方向の駆動電流（駆動電流Ｄ１及びＤ２）を供給するように切替回路２４を制御する。

また、例えば図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、センサ駆動回路４０は、ホール素子２２及び２３の各々に対し、第１の方向に駆動電流（例えば駆動電流Ｄ１）を供給する期間（第１フェーズ）と、第１の方向に直交する第２の方向に駆動電流（例えば駆動電流Ｄ３）を供給する期間（第２フェーズ）とを繰り返してホール素子２２及び２３の各々に駆動電流を供給する。

より具体的には、図６（ａ）に示す第１フェーズにおいては、端子Ｔ４及びＴ７に電源電位が印加され、端子Ｔ３及びＴ８に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Ｔ３及びＴ４が駆動端子対として機能し、端子Ｔ４から端子Ｔ３に向かう駆動電流（素子駆動電流）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Ｔ７及びＴ８が駆動端子対として機能し、端子Ｔ７から端子Ｔ８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。

なお、第１フェーズにおいては、ホール素子２２においては端子Ｔ１及びＴ２が、ホール素子２３においては端子Ｔ５及びＴ６がそれぞれ検出端子対として機能し、各端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ５及びＴ６が演算回路２５に接続される。

また、図６（ｂ）に示す第２フェーズにおいては、端子Ｔ２及びＴ５に電源電位が印加され、端子Ｔ１及びＴ６に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Ｔ１及びＴ２が、ホール素子２３においては端子Ｔ５及びＴ６がそれぞれ駆動端子対として機能する。そして、ホール素子２２には端子Ｔ２から端子Ｔ１に向かう駆動電流Ｄ３が、ホール素子２３には駆動電流Ｄ３とは反対方向の向きである端子Ｔ５から端子Ｔ６に向かう駆動電流Ｄ４が供給される。

このように、ホールセンサ２０においては、センサ駆動回路４０は、ホール素子２２及び２３に対して互いに反対方向の駆動電流を供給するように切替回路２４の駆動制御を行う。換言すれば、センサ駆動回路４０は、駆動端子対となった端子対を介してホール素子２２及び２３に対して互いに反対方向の駆動電流を供給する。

また、第１フェーズ及び第２フェーズ間においては、センサ駆動回路４０は、ホール素子２２及び２３のそれぞれに対し、互いに直交する方向の駆動電流（例えば駆動電流Ｄ１及びＤ３又は駆動電流Ｄ２及びＤ４）を交互に供給するように切替回路２４を制御する。なお、このようなホール素子２２及び２３に周期的に異なる方向に駆動電流を供給する駆動構成は、スピニングカレント法と称される場合がある。

次に、図７（ａ）及び（ｂ）並びに図８（ａ）及び（ｂ）を用いて、第１フェーズ及び第２フェーズにおけるホール素子２２及び２３による電圧検出動作並びに演算回路２５による演算処理動作について説明する。なお、図７（ａ）及び（ｂ）並びに図８（ａ）及び（ｂ）においては、各ホール素子２２及び２３への駆動電流Ｄ１〜Ｄ４の向きを破線で示している。

まず、図７（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ第１フェーズ及び第２フェーズにおいて、ホール素子２２及び２３に対して互いに反対方向の磁界Ｍ１及びＭ２が生じている場合の模式的な動作説明図である。これは、センサ回路２１の検出面２１Ａ上に磁気ビーズＢＺが付着している場合の動作に対応する。

まず、図７（ａ）に示す第１フェーズでは、ホール素子２２の検出面２２Ａ（図の紙面）に垂直な方向において検出面２２Ａに向かう方向（図の奥行方向）に磁界Ｍ１が生じている。従って、ホール素子２２の検出端子対である端子Ｔ１及びＴ２間には、端子Ｔ１側を高電位とし、端子Ｔ２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においては、ホール素子２３の検出面２３Ａ（図の紙面）に垂直な方向において検出面２３Ａから離れる方向（図の手前方向）に磁界Ｍ２が生じている。従って、ホール素子２３の検出端子対である端子Ｔ５及びＴ６間には、端子Ｔ５を高電位とし、端子Ｔ６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、第１フェーズでは、演算回路２５の第１の差動増幅器Ａ１には、その非反転入力端子にはホール素子２２における検出端子対の高電位側の端子Ｔ１が接続され、反転入力端子には低電位側の端子Ｔ２が接続される。従って、第１の差動増幅器Ａ１は、正極性の増幅電圧ＡＶ１（＋ＡＶ１）を出力する。一方、第２の差動増幅器Ａ２には、その非反転入力端子にはホール素子２３における検出端子対の低電位側の端子Ｔ６が接続され、反転入力端子には高電位側の端子Ｔ５が接続される。従って、第２の差動増幅器Ａ２は、負極性の増幅電圧ＡＶ２（−ＡＶ２）を出力する。

そして、第３の差動増幅器Ａ３には、その非反転入力端子には正極性の増幅電圧ＡＶ１が入力され、反転入力端子には負極性の増幅電圧ＡＶ２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、第１の差動増幅器Ａ１からの増幅電圧ＡＶ１と第２の差動増幅器Ａ２からの増幅電圧ＡＶ２とが加算された電圧（ＡＶ１＋ＡＶ２）が電圧検出信号ＳＳとして出力される。

一方、図７（ｂ）に示す第２フェーズでは、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。また、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側を高電位とし、端子Ｔ７側を低電位とする起電力が検出電圧Ｖ４として生ずる。

また、第２フェーズでは、演算回路２５の第１の差動増幅器Ａ１には、その非反転入力端子にはホール素子２２における検出端子対の低電位側の端子Ｔ３が接続され、反転入力端子には高電位側の端子Ｔ４が接続される。従って、第１の差動増幅器Ａ１は、負極性の増幅電圧ＡＶ１（−ＡＶ１）を出力する。一方、第２の差動増幅器Ａ２には、その非反転入力端子にはホール素子２３における検出端子対の高電位側の端子Ｔ８が接続され、反転入力端子には低電位側の端子Ｔ７が接続される。従って、第２の差動増幅器Ａ２は、正極性の増幅電圧ＡＶ２（＋ＡＶ２）を出力する。

そして、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増幅電圧ＡＶ１が入力され、反転入力端子には正極性の増幅電圧ＡＶ２が入力される。従って、第３の差動増幅器Ａ３からは、負極性であり、第１の差動増幅器Ａ１からの増幅電圧ＡＶ１と第２の差動増幅器Ａ２からの増幅電圧ＡＶ２とが加算された電圧（−ＡＶ１−ＡＶ２）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２５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〜Ｄ４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２５の差動増幅器Ａ３は加算回路として機能する。

次に、図８（ａ）及び（ｂ）は、第１フェーズ及び第２フェーズにおいてホール素子２２及び２３の各々に同一方向の磁界Ｍ３及びＭ４がそれぞれ生じている場合の模式的な動作説明図である。これは、例えばセンサ回路２１の検出面２１上には磁気ビーズＢＺが付着していない場合の動作説明図であり、例えば検出面２１Ａ以外の他の表面領域に磁気ビーズＢＺが付着している場合又はいずれにも磁気ビーズＢＺが付着していない場合に対応する。

まず、図８（ａ）に示す第１フェーズでは、ホール素子２２においては端子Ｔ１側を高電位とし、端子Ｔ２側を低電位とする起電力が検出電圧Ｖ５として生ずる。また、ホール素子２３においては端子Ｔ６側を高電位とし、端子Ｔ５側を低電位とする起電力が検出電圧Ｖ６として生ずる。従って、第１及び第２の差動増幅器Ａ１及びＡ２は、共に、正極性の電圧を増幅電圧ＡＶ１及びＡＶ２（＋ＡＶ１及び＋ＡＶ２）として出力する。従って、第３の差動増幅器Ａ３からは、増幅電圧ＡＶ１及びＡＶ２の差分の電圧（＋ＡＶ１−ＡＶ２）が電圧検出信号ＳＳとして出力される。

一方、図８（ｂ）に示す第２フェーズでは、ホール素子２２においては端子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Ｖ７として生ずる。また、ホール素子２３においては端子Ｔ７側を高電位とし、端子Ｔ８側を低電位とする起電力が検出電圧Ｖ８として生ずる。従って、第１及び第２の差動増幅器Ａ１及びＡ２は、共に、負極性の電圧を増幅電圧ＡＶ１及びＡＶ２（−ＡＶ１及び−ＡＶ２）として出力する。従って、第３の差動増幅器Ａ３からは、増幅電圧ＡＶ１及びＡＶ２の差分の電圧（−ＡＶ１＋ＡＶ２）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５０は、ホール素子２２及び２３に印加される磁界の駆動電流Ｄ１〜Ｄ４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５０の差動増幅器Ａ３は減算回路として機能する。

ここで、ホール素子２２及び２３からの検出電圧Ｖ１〜Ｖ８と、この検出電圧Ｖ１〜Ｖ８の演算回路２５による演算処理について説明する。検出電圧Ｖ１〜Ｖ８には、磁界の印加によるホール効果によって生じたホール電圧と、ホール素子２２及び２３の形状誤差や製造誤差、応力の影響などによって生じたオフセット電圧とが含まれる。正確にホール電圧を検出するためには、オフセット電圧をホール電圧から区別（分離）することが好ましい。

本実施例においては、ホールセンサ２０は、スピニングカレント法によって駆動電流を反対方向に供給し、また、検出電圧Ｖ１〜Ｖ４又は検出電圧Ｖ５〜Ｖ８を演算することで、電圧検出信号ＳＳを交流信号（交流成分）として出力する。一方、素子固有のオフセット電圧は、電流の向きに応じて極性が変化する。従って、演算回路２５からの電圧検出信号ＳＳ内においては、直流成分として表れる。

従って、例えば電圧検出信号ＳＳにフィルタリング処理を行うことで、オフセット電圧の成分を分離（除去）することができる。なお、ホール素子２２及び２３に同一方向の磁界が印加された場合でも、この原理を用いてオフセット電圧の成分を除去することができ、ホール電圧を正確に検出することができる。

また、本実施例においては、ホールセンサ２０は、第１及び第２フェーズ間において互いに直交する方向に駆動電流を供給するように構成されている。例えば、ホール素子２２に対して、第１の方向に第１の駆動電流Ｄ１（図４（ａ）又は５（ａ））が供給される第１の期間（第１フェーズ）と、第１の方向に直交する第２の方向に第２の駆動電流Ｄ３（図４（ｂ）又は５（ｂ））が供給される第２の期間（第２フェーズ）とが交互に繰り返されてホール素子２２に駆動電流が供給される。

このスピニングカレント法を用いた駆動を行うことによって、ホール素子２２及び２３の単体を考慮しても、その差動増幅器Ａ１及びＡ２による増幅電圧ＡＶ１及びＡＶ２において、ホール電圧は交流成分となり、オフセット電圧は直流成分となる。

換言すれば、ホール素子２２及び２３に対してフェーズ間で互いに直交する方向に駆動電流を供給することで、ホール素子２２及び２３内においてオフセット電圧を分離及び除去することが可能となる。さらに、ホール素子２２及び２３間で駆動電流を反対方向に供給することで、ホール素子２２及び２３の全体に生じたオフセット電圧を分離及び除去することができる。

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、同一フェーズ内での反対方向への駆動電流の供給や、２つのフェーズ間での互いに直交する方向への駆動電流を供給することができる。

例えば、ホール素子２２又は２３の検出面２２Ａ又は２３Ａを長方形にした場合、それぞれの対角部分に端子対を配置しても、反対方向の駆動電流又はフェーズ間での直交する方向の駆動電流の供給ができなくなる場合がある。従って、端子の位置合わせを工夫する必要がある。一方、ホール素子２２及び２３のように正方形の検出面２２Ａ及び２３Ａでかつその対角部分に端子が配置することで、端子の位置の正確な検討をすることなく、反対方向かつフェーズ間で直交する方向への駆動電流の供給を行うことができる。

また、演算回路２５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２５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２５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、センサ駆動回路４０は、フェーズ間でホール素子２２又は２３内において互いに直交する駆動電流を供給する場合について説明した。また、センサ駆動回路４０は、ホール素子２２及び２３に対して互いに反対方向の駆動電流を供給する場合について説明した。しかし、切替回路２４は２つの端子交互に対駆動端子対又は検出端子対として機能させるように接続切替を行えばよく、センサ駆動回路４０は駆動端子対を介してホール素子２２及び２３に対して交互に異なる方向に駆動電流を供給すればよい。

また、本実施例においては、ホールセンサ２０のセンサ回路２１が２つのホール素子２２及び２３を有する場合について説明したが、センサ回路２１は１つのホール素子（例えばホール素子２２のみ）から構成されていてもよい。ホールセンサ２０は、磁性体（磁気ビーズＢＺ）を検出する検出面（例えば検出面２２Ａ）を有する少なくとも１つのホール素子（例えばホール素子２２）を含んでいればよい。この場合、例えば、切替回路２４は１つのホール素子２２の２つの端子対Ｔ１及びＴ２並びに端子Ｔ３及びＴ４を交互に駆動端子対又は検出端子対として機能させる接続切替を行えばよく、センサ駆動回路４０は駆動端子対となった端子対を介してホール素子２２に駆動電流を供給すればよい。

図９（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、磁気ビーズＢＺがホールセンサ２０のセンサ回路２１上に存在する場合と存在しない場合とにおける、電圧検出信号ＳＳ及びその各処理結果を模式的に示す図である。

まず、図９（ａ）に示すように、磁気ビーズＢＺがセンサ回路２１の検出面２１Ａに付着している場合、ホールセンサ２０からは、ホールセンサ２０の第２の周波数ｆ２のセンサ駆動信号ＣＬ及び第１の周波数ｆ１の磁界生成信号ＭＤに基づいて変調された電圧検出信号ＳＳが出力される。

復調回路５２は、電圧検出信号ＳＳに対し、第２の周波数ｆ２に基づいた復調（センサ駆動信号ＣＬに基づいた同期検波）を行う。これによって電圧検出信号ＳＳが正弦波として復元される。その後、電圧検出信号ＳＳは、復調回路５４によって第１の周波数ｆ１に基づいて復調される。そして、復調された電圧検出信号ＳＳに対してローパスフィルタ５５によるフィルタリングが行われ、電圧検出信号ＳＳが平滑化される。このように、信号処理回路５０は、電圧検出信号ＳＳからホール電圧の成分を取り出し、処理信号ＳＯとして判定回路６０に出力する。

換言すれば、信号処理回路６０は、磁界生成信号ＭＤ及びセンサ駆動信号ＣＬに基づいて、ホールセンサ２０からの電圧検出信号ＳＳの同期検波を行う。

一方、図９（ｂ）は、磁気ビーズＢＺがセンサ回路２１の検出面２１Ａ上に付着していない場合の電圧検出信号ＳＳ及びその処理結果を示す図である。なお、磁気ビーズＢＺが存在しない場合、理想的には電圧検出信号ＳＳは無信号として出力されるが、実際にはオフセット電圧の成分が出力される。

ここで、オフセット電圧は、ホールセンサ２０の印加信号（素子駆動電流）ＳＤのみに応じて発生するため、電圧検出信号ＳＳは、センサ駆動信号ＣＬと同様の第２の周波数ｆ２の矩形波となる。従って、復調回路５２による復調後は直流成分となり、ローパスフィルタ５５によるフィルタリング後には除去されることとなる。従って、確実に磁気ビーズＢＺが存在しないことを判定（検出）することができる。なお、このオフセット電圧の処理は、磁気ビーズＢＺが存在する場合にも行われるため、磁気ビーズＢＺによるホール電圧のみを高精度（高感度）で取り出すことができる。

次に図１０を用いて、印加磁界生成回路３０によって生成される印加磁界ＳＭについて説明する。本実施例においては、印加磁界生成回路３０の駆動信号生成回路３３は、磁界生成信号ＭＤの第１の周波数ｆ１が印加磁界生成部３１における共振回路の共振周波数ｆ０となるように、磁界生成信号ＭＤを生成する。従って、印加磁界生成部３１には、コイルＬ（電磁石）及びキャパシタＣからなる共振回路が共振する条件で印加信号ＢＤが印加される。

これによって、印加磁界ＳＭは、磁界生成信号ＭＤと、印加磁界検出回路３４からの印加磁界検出信号ＢＭ（実際に発生している印加磁界ＳＭ）とは、同位相となる。具体的には、磁界生成信号ＭＤの第１の周波数ｆ１が印加磁界生成部３１の共振周波数ｆ０と等しい場合、印加信号ＢＤに対し、コイルＬに生ずるコイル電圧Ｖ（Ｌ）が９０°の位相進みを起こす。また、コイルＬに生ずるコイル電流Ｉ（Ｌ）は、そのインピーダンス特性によってコイル電圧Ｖ（Ｌ）から９０°の位相遅れを起こす。

従って、コイル電流Ｉ（Ｌ）によって生成される印加磁界ＳＭ（印加磁界検出信号ＢＭ）は、磁界生成信号ＭＤと同位相となる。従って、信号処理回路５０の復調回路５４が磁界生成信号ＭＤに基づいた電圧検出信号ＳＳの復調を行うことで、検出感度の低下を抑制することができる。従って、高感度な磁性体の検出を行うことができる。

なお、磁界生成信号ＭＤを印加磁界生成部３１の共振周波数ｆ０に合わせた周波数ｆ１で生成する場合について説明したが、磁界生成信号ＭＤの構成はこれに限定されない。印加磁界生成回路３０は位相比較回路３６を有し、駆動信号生成回路３３は、磁界生成信号ＭＤと印加磁界検出信号ＢＭとが同位相となるように、磁界生成信号ＭＤを生成すればよい。

上記したように、磁性体検出装置１０は、磁性体（磁気ビーズＢＺ）を検出する検出面２１Ａを有するホールセンサ２０と、磁界生成信号ＭＤに基づいてホールセンサ２０の検出面２１Ａに印加される検出面２１Ａに沿った方向の印加磁界ＳＭを印加する印加磁界生成回路３０と、センサ駆動信号ＣＬに基づいてホールセンサ２０を駆動するセンサ駆動回路４０と、磁界生成信号ＭＤ及びセンサ駆動信号信号ＣＬに基づいてホールセンサからの電圧検出信号ＳＳの信号処理を行い、処理信号を生成する信号処理回路５０と、信号処理回路５０からの処理信号ＳＯに基づいて磁性体（磁気ビーズＢＺ）の有無を判定する判定回路６０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。

１０ 磁性体検出装置
２０ ホールセンサ
２１ センサ回路２１
２２、２３ 一対のホール素子
２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ 検出面
Ｔ１〜Ｔ８ 端子（端子対）
３０ 印加磁界生成回路
３１ 印加磁界生成部
３２ 駆動信号印加回路
３３ 駆動信号生成回路
３４ 印加磁界検出回路
３６ 位相比較回路

Claims (5)

1. 磁性体を検出する検出面を有するホールセンサと、
   センサ駆動信号に基づいて前記ホールセンサを駆動するセンサ駆動回路と、
   磁界生成信号を生成する駆動信号生成回路と、
   前記磁界生成信号に基づいて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部と、
   前記印加磁界生成部によって生成された前記印加磁界を検出する印加磁界検出回路と、
   前記印加磁界検出回路からの印加磁界検出信号と前記磁界生成信号との間の位相比較を行う位相比較回路と、
   前記磁界生成信号及び前記センサ駆動信号に基づいて前記ホールセンサからの電圧検出信号の信号処理を行い、処理信号を生成する信号処理回路と、
   前記処理信号に基づいて前記磁性体の有無を判定する判定回路と、を有し、
   前記駆動信号生成回路は、前記磁界生成信号と前記印加磁界検出信号とが同位相となるように、前記磁界生成信号を生成することを特徴とする磁性体検出装置。
2. 前記印加磁界生成部は、共振回路を構成する電磁石及びキャパシタを含み、
   前記駆動信号生成回路は、前記磁界生成信号の周波数が前記印加磁界生成部の共振周波数となるように、前記磁界生成信号を生成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. 前記信号処理回路は、前記センサ駆動信号及び前記磁界生成信号に基づいて、前記ホールセンサからの前記電圧検出信号の同期検波を行う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. 前記ホールセンサは、
   各々が２つの端子対を有する一対のホール素子と、
   前記センサ駆動信号に基づいて、前記一対のホール素子に対して２つの端子対の各々を駆動端子対又は検出端子対として機能させる接続切替を行う切替回路と、
   前記一対のホール素子の各々に印加される磁界の前記検出面に垂直な成分が互いに反対方向の場合、前記検出端子対の各々から出力される検出電圧同士の差分を演算する演算回路と、を有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。
5. 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４のいずれか１つに記載の磁性体検出装置。

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