KR101654662B1 - 자기 저항 센서, 그레디오미터 - Google Patents

자기 저항 센서, 그레디오미터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 MR 센서의 잡음과 동작 회로부의 잡음을 통합적으로 저감함으로써, 1/f 잡음과 백색 잡음을 동시에 저감하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따른 자기 저항 센서는, 자기 저항 소자를 4개 접속한 브리지 회로를 갖는 복수의 자기 저항 센서부를 구비하고, 각 자기 저항 센서부의 출력은, 증폭 회로의 입력에 대하여 서로 병렬로 접속되어 있다(도 2 참조).

Description

자기 저항 센서, 그레디오미터{MAGNETORESISTIVE SENSOR AND GRADIOMETER}
본 발명은 자기 저항 센서 및 이것을 사용한 그레디오미터에 관한 것이다.
자기 저항(Magnetic Resistance : 이후 MR로 약기함) 센서는, 저가격, 소형, 고감도이기 때문에, 비접촉의 회전수 검출이나 위치 검출 등에 널리 사용되고 있다. MR 센서에는, 거대 자기 저항(Giant Magnetoresistance : 이후 GMR로 약기함) 센서, 터널 자기 저항(Tunnel Magnetoresistance : 이후 TMR로 약기함) 센서, 이방향성 자기 저항(An-Isotropic Magnetoresistance : 이후 AMR로 약기함) 센서가 있다.
최근, 휴대전화나 PDA(Personal Digital Assistant) 등의 모바일 기기가 보급되고 있으며, 이러한 모바일 기기에는 MR 센서를 사용한 방위 센서가 내장되고, GPS(Global Positioning System)에 의한 위치 정보를 이용한 내비게이션으로서 사용되고 있는 경우가 있다. 그러나, 이들 공업 응용 분야에 있어서의 MR 센서의 적응에 있어서는, 고감도의 자기 검출 기술은 반드시 필요한 것은 아니다. 예를 들면 방위 센서는, 지자기를 기준으로 하여 절대 방위를 검출하기 때문에 초고감도의 자기 검출은 필요없고, 회전수 검출의 인코딩 응용이나 위치 검출에 있어서도, 자석 등을 기준 신호로 하기 때문에 초고감도의 자기 검출은 필수적이지 않다.
한편, 생체의 심장이나 뇌의 전기 활동으로부터 발생하는 미약한 저주파의 자장(이후 생체 자장이라고 함)을 검출하는 심자계나 뇌자계와 같은 의료 기기가 최근 의료 현장에서 사용되기 시작하고 있다. 이들 생체 자장을 검출하기 위해, 초고감도의 자기 센서로서 초전도 양자 간섭 소자(Superconducting Quantum Interference Device : 이후 SQUID라고 부른다)가 사용되고 있다. SQUID는 초전도 현상을 이용한 자기 센서이며, 조셉슨 접합을 갖는 구조를 취한다. 그 때문에 SQUID는, 냉매(액체 헬륨 또는 액체 질소)에 의한 냉각이 필요하며, 냉매를 저장하는 크라이오스태트 내부에 배치된다. 또한, SQUID 내부의 조셉슨 접합에 전자기적인 영향이 미치지 않는 구성으로 해야한다. 이와 같이 SQUID는 초고감도의 자기 센서이지만 취급이 번잡하며, 크라이오스태트 내부에 배치되기 때문에 충분히 생체에 자기 센서를 근접시킬 수 없는 등의 과제가 있다.
생체 자장을 측정하기 위해서는, 생체 유래의 신호 성분을 많이 포함하는 저주파(100Hz 이하, 특히 30Hz 이하)에 있어서의 MR 센서의 감도가 중요하다. 저주파 영역에 있어서 감도가 정해져 있는 잡음에는 백색 잡음과 1/f 잡음의 2종류가 있다. 이들 2종류의 잡음은, MR 센서가 발생하는 잡음만으로 결정되어 있는 것은 아니며, 프리앰프 잡음이나 그 외의 동작 회로와의 조합에 따라 시스템 잡음(감도)으로서 결정된다.
하기 비특허문헌 2에 기재되어 있는 MR 센서의 고감도화에 관한 보고에 있어서, MR 센서에 자속을 피드백시키는 방법이 개시되어 있다. 동(同)문헌에는, 피드백 방법에 의해 MR 센서 유래의 열적인 변동 등의 1/f 잡음이 저감하는 것이 기재되어 있다. 동문헌의 기술은, 비파괴 검사의 영역에서 사용되는 것을 상정하고 있으며, 가혹한 환경(고온 등)에서도 동작을 안정시키는 것을 목적으로 하고 있다.
하기 비특허문헌 1에는, MR 센서에 대하여 세트/리셋 펄스를 인가하여 자기 저항 소자의 자화를 반전시켜, 이것에 의해 발생하는 교류 신호를 검파함으로써, MR 센서 유래의 1/f 잡음이 저감하는 것이 기재되어 있다.
하기 특허문헌 1에는, 단락 기재와 같이 「출력의 영점 오프셋 전압을 조정 후에도 감도가 변동하지 않는 자계 검출 장치를 얻는 것을 목적」으로 하여, 「자기 저항 효과 소자가 병렬로 접속된 소자군이 직렬로 접속된」 구성을 개시하고 있다. 특허문헌 1 기재의 구성은, 감도의 변동을 억제하고, MR 센서 유래의 1/f 잡음을 저감하는 것을 도모하고 있다.
일본국 특허 제4899877호 공보
Rev. Sci. Instrum. 82, 094703, 2011 Rev. Sci. Instrum. 80, 036102, 2009
상기 각 문헌에 기재되어 있는 기술은, 모두 MR 센서만이 발생시키는 잡음에 착목한 저감 방법만을 개시하고 있으며, 시스템 잡음의 저감에 관한 기술은 없다. 또한 상기 각 문헌에서는 MR 센서 유래의 1/f 잡음을 저감하는 방법만이 개시되어 있으며, 기본적인 시스템 잡음인 백색 잡음을 저감하는 방법에 대해서 명확하게 기술되어 있지 않고, 또한 백색 잡음과 동시에 1/f 잡음을 저감하는 방법에 대해서도 기재되어 있지 않다.
또한, 상기 특허문헌 1에 기재되어 있는 자기 저항 소자를 병렬 접속하는 방법은, 다수의 자기 저항 소자를 어레이 형상으로 병렬 접속하기 위해 미세 가공이 필요해지므로, 제조 설비가 복잡해지고, 수율이나 비용의 관점에서 과제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, MR 센서의 잡음과 동작 회로부의 잡음을 통합적으로 저감함으로써, 1/f 잡음과 백색 잡음을 동시에 저감하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 자기 저항 센서는, 자기 저항 소자를 4개 접속한 브리지 회로를 갖는 복수의 자기 저항 센서부를 구비하고, 각 자기 저항 센서부의 출력은, 증폭 회로의 입력에 대하여 서로 병렬로 접속되어 있다.
본 발명에 따른 자기 저항 센서에 의하면, 간이한 구성으로 MR 센서 유래의 잡음을 저감할 수 있다.
상기한 이외의 과제, 구성, 및 효과는, 이하의 실시형태의 설명에 의해 밝혀질 것이다.
도 1은 종래의 MR 센서의 회로도.
도 2는 실시형태1에 따른 MR 센서(100)의 회로도.
도 3은 실시형태1에 따른 MR 센서(100)에 대해서, 실제의 AMR 센서를 사용하여 측정한 시스템 잡음의 측정 결과를 나타낸 도면.
도 4는 자기 저항 센서부(105)의 배치를 예시하는 도면.
도 5는 실시형태2에 따른 자기 저항 센서(100)의 회로도.
도 6은 실시형태2에 따른 MR 센서(100)에 대해서, 실제의 AMR 센서를 사용하여 측정한 시스템 잡음의 측정 결과를 나타낸 도면.
도 7은 실시형태3에 따른 MR 센서(100)의 회로도.
도 8은 실시형태3에 따른 MR 센서(100)에 대해서, 실제의 AMR 센서를 사용하여 측정한 시스템 잡음의 측정 결과를 나타낸 도면.
도 9는 실시형태4에 따른 MR 센서(100)의 회로도.
도 10은 실시형태4에 따른 MR 센서(100)에 대해서, 실제의 AMR 센서를 사용하여 측정한 시스템 잡음의 측정 결과를 나타낸 도면.
도 11은 실시형태5에 따른 MR 센서(100)의 회로도.
도 12는 실시형태6에 따른 MR 센서(100)의 회로도.
도 13은 실시형태7에 따른 MR 센서(100)의 회로도.
도 14는 실시형태8에 따른 MR 센서(100)의 회로도.
도 15는 실시형태9에 따른 그레디오미터(1500)의 구성을 나타낸 도면.
<종래의 MR 센서>
도 1은 종래의 MR 센서의 회로도이다. 종래의 MR 센서는, 자기 저항 소자(101-1, 101-2, 101-3, 101-4)는 브리지 회로(자기 저항 센서부(105))를 구성하고, 변동 자장에 의한 미소한 저항 변화에 의해 자장을 검출한다. 직류 전원(102)은, 브리지 회로(105)의 구동 전압으로서 직류 전압을 인가한다. 프리앰프(103)는, 브리지 회로(105)의 양단 전압을 증폭하고, 출력 단자(104)로부터 출력한다.
도 1에 나타낸 종래의 MR 센서는, MR 센서가 갖는 저항 성분에 의한 열잡음(쇼트 잡음(shot noise))이 시스템 전체의 큰 잡음이 되고, 자장을 고감도로 검출하는 것은 곤란하다고 생각된다.
<실시형태1>
도 2는 본 발명의 실시형태1에 따른 MR 센서(100)의 회로도이다. MR 센서(100)는, 도 1에 나타낸 자기 저항 센서부(105)를 복수 구비하고, 각 자기 저항 센서부(105)의 출력을 프리앰프(103)의 입력에 대하여 서로 병렬로 접속하고 있다. 도 2에서는 4개의 자기 저항 센서부(105-1, 105-2, 105-3, 105-4)를 예시했지만, 자기 저항 센서부(105)의 개수는 이것에 한정되는 것은 아니다.
병렬 접속된 자기 저항 센서부(105)가 N개인 경우, 병렬 접속된 자기 저항 센서부(105) 전체로서의 실효 저항은 개개의 자기 저항 센서부(105)의 양단 저항의 1/N이 된다.
MR 센서(100)의 열잡음 Vr은, 하기 식 1로 계산된다. k는 볼츠만 상수, R은 자기 저항부(105)의 양단 저항, T는 절대 온도를 나타낸다.
Vr=(4kRT)1/2···식 1
식 1에 의하면, MR 센서(100)의 저항으로부터 발생하는 열잡음(쇼트 잡음)은, 자기 저항 센서부(105)를 N개 병렬 접속하여 실효 저항을 1/N으로 함으로써, 1/N1/2가 된다. 즉, 복수의 자기 저항 센서부(105)의 출력을 프리앰프(103)의 입력에 대하여 병렬 접속함으로써, MR 센서 유래의 열잡음을 저감하고, 고감도로 자장을 검출할 수 있다. 도 2에서는, 자기 저항 센서부(105)가 4개 있는 경우를 예시했지만, 생체 자장을 측정할 수 있는 감도를 발휘하기 위해서는, 자기 저항 센서부(105)를 10개 이상 병렬 접속하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 실시형태1에 따른 MR 센서(100)에 대해서, 실제의 AMR 센서를 사용하여 측정한 시스템 잡음의 측정 결과를 나타낸 도면이다. 부호 301은 도 1의 구성을 사용하여 측정한 시스템 잡음, 부호 302는 도 2의 구성을 사용하여 측정한 시스템 잡음이다. 부호 303과 304는, 각각의 측정 결과에 있어서의 백색 잡음을 나타낸다. 백색 잡음(303)은 35pT/Hz1 /2이며, 백색 잡음(304)은 20pT/Hz1 /2였다.
도 3에 나타낸 측정 결과에 의하면, 백색 잡음(304)은 백색 잡음(303)의 약 1/2이 되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 식 1에 의해 계산되는 이론값으로 알 수 있는 바와 같이, 자기 저항 센서부(105)를 4개 병렬 접속함으로써, MR 센서(100)의 저항으로부터 발생하는 열잡음(전압 잡음)을 1/41/2=1/2로 저감할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 열잡음이 감소함으로써 노이즈를 전체적으로 저감하는 효과가 발휘되어, 저주파수 영역에 있어서 1/f 잡음이 감소해 있는 것을 알 수 있다.
도 4는 자기 저항 센서부(105)의 배치를 예시하는 도면이다. 도 4의 (a)는 상면도, 도 4의 (b)는 측면도이다. 자기 저항 센서부(105)는, 도 4에 나타낸 바와 같이 감도 방향을 맞춰서 배치된다. 예를 들면 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 지면(紙面)에 수직인 방향에 검출 감도가 있는 자기 저항 센서부(105)를 기판(401) 상에 배치한다. 기판(401) 상에는 프리앰프(103)(도시 생략)가 배치해 있으며, 프리앰프(103)의 전원 공급 및 신호 출력은 커넥터부(402)를 통해서 외부의 장치에 접속된다. 프리앰프(103)는, 실장 스페이스의 관점에서는 기판(401) 상에 배치하는 것이 바람직하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
도 4에서는 24개의 자기 저항 센서부(105-1∼105-24)를 기판(401) 상에 배치한 예를 나타냈다. 자기 저항 센서부(105)가 직방체의 형상으로 감도 방향이 도 4에 나타낸 바와 같이 지면에 대하여 수직인 경우에는, 예를 들면 직경 15mm 정도의 크기의 기판(401) 상에 자기 저항 센서부(105)를 가능한 한 많이 배치할 수 있도록 자장의 감도 방향을 일치시켜서 배치한다.
도 4에 나타낸 자기 저항 센서부(105)의 배치예는 이하의 실시형태 모두에 있어서 공통이기 때문에 이하의 실시형태에서는 설명하지 않지만, 동일 구성을 모든 실시형태에 있어서 적용할 수 있다.
<실시형태2>
실시형태1에 있어서, 병렬 접속하는 자기 저항 센서부(105)의 수를 늘리면, 자기 저항 센서부(105)의 저항으로부터 발생하는 열잡음 Vr은 작아진다. 병렬 접속수의 증가에 따라 열잡음 Vr이 감소해 가면, 점차 프리앰프(103)의 전압 잡음 Va가 노이즈 전체에 있어서 지배적이 되어 간다. 본 발명의 실시형태2에서는, 실시형태1에서 설명한 구성을 채용함으로써 현재화하는, 프리앰프(103)의 전압 잡음 Va를 저감시키는 방법에 대해서 설명한다.
MR 센서(100)의 시스템 잡음 Vn은, 하기 식 2로 표시할 수 있다. 식 2에 나타낸 바와 같이, 시스템 잡음 Vn은 자기 저항 센서부(105)의 저항에 의한 열잡음 Vr이 작아지면, 프리앰프(103)의 전압 잡음 Va가 지배적이 된다. 본 실시형태2에서는, 프리앰프(103)의 전압 잡음 Va를 저감하는 방법으로서, 프리앰프(103)를 복수 병렬 접속하는 구성을 채용한다.
Vn=(Vr2+Va2)1/2···식 2
도 5는 본 실시형태2에 따른 자기 저항 센서(100)의 회로도이다. 본 실시형태2에 있어서, 1개의 자기 저항 센서부(105)마다 1개의 프리앰프(103)를 설치하고, 각 자기 저항 센서부(105)의 출력은 각각 대응하는 프리앰프(103)에 입력된다. 각 프리앰프(103)의 출력은, 가산기에 의해 병렬 접속되며, 앰프(501)에 입력된다.
프리앰프(103)를 N개 병렬로 접속하면, 프리앰프(103)의 전압 잡음 Va 전체로서는 1/N1 /2로 감소한다. 도 5에 나타내는 구성에서는 4개의 프리앰프(103)가 병렬 접속되어 있기 때문에, 프리앰프(103)의 전압 잡음은 전체로서 1/41/2=1/2로 감소한다. 이상으로 같이, 자기 저항 센서부(105)에 더해서 프리앰프(103)도 병렬 접속함으로써, 식 2에 나타낸 시스템 잡음 Vn을 종합적으로 저감할 수 있다.
도 6은 본 실시형태2에 따른 MR 센서(100)에 대해서, 실제의 AMR 센서를 사용하여 측정한 시스템 잡음의 측정 결과를 나타낸 도면이다. 부호 601은 도 1의 구성을 사용하여 측정한 시스템 잡음, 부호 602는 도 5의 구성을 사용하여 측정한 시스템 잡음이다. 부호 603과 604는, 각각의 측정 결과에 있어서의 백색 잡음을 나타낸다. 백색 잡음(603)은 35pT/Hz1 /2이며, 백색 잡음(604)은 17pT/Hz1 /2였다.
도 6에 나타낸 측정 결과에 의하면, 백색 잡음(604)은, 도 3에 나타낸 백색 잡음(304)보다 더 감소해 있는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 식 2의 이론식에 나타낸 바와 같이, 프리앰프(103)를 병렬 접속하여 프리앰프(103)의 전압 잡음 Va를 저감함으로써, 시스템 잡음 Vn 전체로서 약 1/2 이하로 저감할 수 있는 것을 알 수 있다.
<실시형태3>
실시형태1∼2에서는, 자기 저항 센서부(105)를 병렬 접속하고, 또한 프리앰프(103)를 병렬 접속함으로써, 시스템 잡음의 백색 잡음을 저감할 수 있다. 그러나 도 6에 나타낸 바와 같이, 10Hz 이하의 1/f 잡음이 여전히 높다는 과제가 있다. 이것은, 자기 저항 센서부(105)를 병렬 접속함으로써 백색 잡음이 저감되기 때문에, 1/f 잡음이 현재화하고 있는 것에 따른다고 생각된다. 그래서 본 발명의 실시형태3에서는, 세트/리셋 신호를 이용하여 1/f 잡음을 저감하는 방법에 대해서 설명한다.
도 7은 본 실시형태3에 따른 MR 센서(100)의 회로도이다. 본 실시형태3에 있어서의 MR 센서(100)는, 실시형태1∼2에서 설명한 구성에 더해서, 자기 저항 센서부(105)마다 세트/리셋 회로(701)를 구비한다. 도 7에서는 실시형태1의 회로 구성에 더해서 세트/리셋 회로(701)를 설치한 회로 구성을 예시했지만, 실시형태2에 있어서 동일 구성을 설치해도 되며, 자기 저항 센서부(105)의 개수도 4개에 한정되는 것은 아니다.
도 7에 나타낸 구성에 있어서, 4개의 자기 저항 센서부(105-1∼105-4) 각각에 대응시켜서 세트/리셋 회로(701-1∼701-4)를 배치하고, 각 세트/리셋 회로(701-1∼701-4)는 병렬 접속되어 있다.
교류 신호 발생기(703)는, 교류 전류(수 kHz부터 수십 kHz)를 각 세트/리셋 회로(701-1∼701-4)에 공급한다. 각 세트/리셋 회로(701-1∼701-4)는, 그 교류 전류를 사용하여 자계를 발생시켜서 자기 저항 소자(101)에 인가하는 코일을 구비하고 있다. 자계가 자기 저항 소자(101)에 인가되면, 자기 저항 소자(101)의 자화 방향이 한 방향으로 정렬되도록 구성되어 있다. 따라서, 교류 전류에 의해 자기 저항 소자(101)의 자화 방향이 그 주파수에 따라 전환되므로, 자화 방향의 변동에 의한 1/f 잡음을 캔슬하는 효과를 발휘할 수 있다.
프리앰프(103)의 출력은 로크인 앰프(702)에 접속되어 있다. 로크인 앰프(702)는, 교류 신호 발생기(703)가 출력하는 교류 전류 또는 동기 신호(TTL 신호)를 참조 신호(704)로 하여 프리앰프(103)의 출력을 검파하고, 출력 단자(104)로부터 검파 결과를 출력한다.
도 8은 본 실시형태3에 따른 MR 센서(100)에 대해서, 실제의 AMR 센서를 사용하여 측정한 시스템 잡음의 측정 결과를 나타낸 도면이다. 부호 801은 도 1의 구성을 사용하여 측정한 시스템 잡음, 부호 802는 도 7의 구성을 사용하여 측정한 시스템 잡음이다. 부호 803과 804는, 각각의 측정 결과에 있어서의 백색 잡음을 나타낸다. 백색 잡음(803)은 35pT/Hz1 /2이며, 백색 잡음(804)은 20pT/Hz1 /2였다. 즉, 백색 잡음에 대해서는 실시형태1과 동등한 효과가 얻어졌다.
또한, 도 3에 나타낸 실시형태1의 측정 결과와 비교하면, 저주파 영역(10Hz 이하)에 있어서도 시스템 잡음(802)이 저하하고 있으며, 이 영역에 있어서의 1/f 잡음이 저감하고 있는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태3에 따른 MR 센서(100)는, 자기 저항 센서부(105)를 병렬 접속함으로써 백색 잡음을 저감하면서, 이것에 의해 현재화한 1/f 잡음을 세트/리셋 회로(701)에 의해 저감하고, 생체 자장을 계측할 수 있는 레벨까지 감도를 높일 수 있다.
<실시형태4>
실시형태3에서 설명한 구성에 있어서, 프리앰프(103)의 열잡음 Va를 저감하기 때문에, 실시형태2와 마찬가지로 프리앰프(103)를 병렬 접속하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 프리앰프(103)를 예를 들면 10개 이상 정도 병렬 접속하면, 전력을 많이 소비하기 때문에 열이 많이 발생하고, 이에 따라 프리앰프(103)가 발진하기 쉬워진다. 또한, 프리앰프 전류 잡음 In이 프리앰프(103)의 개수분만큼 자기 저항 센서부(105)에 흐르기 때문에, 자기 저항 센서부(105)의 저항에 의해 전압 잡음이 발생한다. 또한, 기판(401)에 프리앰프(103)를 실장하는 것을 생각하면, 다수의 프리앰프(103)를 설치하는 것은 현실적이지 않다. 그래서 본 발명의 실시형태4에서는, 자기 저항 센서부(105)를 복수개 병렬 접속하며 프리앰프(103)를 1개만으로 하고, 또한 프리앰프(103)의 잡음을 저감하기 위한 구성을 설명한다.
도 9는 본 실시형태4에 따른 MR 센서(100)의 회로도이다. 본 실시형태4에 있어서의 MR 센서(100)는, 자기 저항 센서부(105)와 프리앰프(103) 사이에 승압 트랜스(901)를 구비한다. 승압 트랜스(901)의 1차 측은 각 자기 저항 센서부(105)의 출력이 병렬 접속되며, 2차 측은 프리앰프(103)에 입력되어 있다. 그 외의 구성은 실시형태3과 같다.
세트/리셋 회로(701)의 작용에 의해, 자기 저항 센서부(105)의 자화 방향이 교류 신호 발생기(703)의 주파수에 따라 반전하므로, 자기 저항 센서부(105)의 출력은 교류 신호가 된다. 승압 트랜스(901)는 이것을 이용하여, 자기 저항 센서부(105)의 출력을 승압할 수 있다.
승압 트랜스(901)는 예를 들면, 1차 측은 100턴 감기, 2차 측은 1000턴 감기한 것을 사용하여 10배 증폭의 승압 회로를 구성하고, 이에 따라 프리앰프(103)의 잡음을 실효적으로 무시할 수 있도록 한다. 승압 트랜스(901)의 1차 측 권선의 저항값은 자기 저항 센서부(105)의 양단 저항보다 충분히 작게 하여, 1차 측 권선 저항에 의한 백색 잡음의 영향을 억제할 필요가 있다. 또한, 각 자기 저항 센서부(105)의 출력이 교류 신호로서 단락(短絡)하지 않도록 1차 측 권선의 인덕턴스는 충분히 높게 설정하여 교류 신호의 임피던스를 높게 할 필요가 있다. 그 때문에, 승압 트랜스(901)의 코어로서는 페라이트 등의 고투자율(高透磁率)의 부재를 사용하는 것이 바람직하다.
도 10은 본 실시형태4에 따른 MR 센서(100)에 대해서, 실제의 AMR 센서를 사용하여 측정한 시스템 잡음의 측정 결과를 나타낸 도면이다. 부호 1001은 도 1의 구성을 사용하여 측정한 시스템 잡음, 부호 1002는 도 9의 구성을 사용하여 측정한 시스템 잡음이다. 부호 1003과 1004는, 각각의 측정 결과에 있어서의 백색 잡음을 나타낸다. 백색 잡음(1003)은 35pT/Hz1 /2이며, 백색 잡음(1004)은 17pT/Hz1 /2였다.
도 8에 나타낸 측정 결과와 비교하면, 1/f 잡음에 대해서는 실시형태3과 동등한 효과가 얻어지고, 또한 백색 잡음에 대해서는 실시형태3보다 저감할 수 있는 것을 알 수 있다. 이것은 승압 트랜스(901)에 의해 프리앰프(103)의 전압 잡음이 저감된 효과라고 생각된다.
이상과 같이, 세트/리셋 회로(701)를 사용함으로써 발생하는 교류 신호를 이용하여 승압 트랜스(901)에 의해 프리앰프(103)에 대한 입력을 미리 증폭함으로써, 프리앰프(103)의 잡음을 상대적으로 저감하고, 프리앰프(103)가 1개여도 그 잡음의 영향을 실효적으로 억제할 수 있다. 이에 따라, 프리앰프(103)의 구성이 간이해져, 발진을 억제함과 함께 전력 소비를 억제할 수 있다.
승압 트랜스(901)에 의한 증폭은, 승압 트랜스(901)에 대한 입력이 교류 신호이면 가능하므로, 세트/리셋 회로(701) 대신에, 직류 전원(102)을 교류 전원으로 치환하는 것도 생각할 수 있다. 단 이 구성에서는, 승압 트랜스(901)의 효과에 의해 프리앰프(103)의 잡음은 억제할 수 있지만, 자기 저항 소자(101)의 자화 방향은 고정된 채가 되므로, 그 변동에 기인하는 1/f 잡음을 저감하는 효과는 발휘할 수 없는 점에 유의할 필요가 있다.
<실시형태5>
실시형태1∼4에서는, 백색 잡음과 1/f 잡음을 저감하기 위한 구성을 설명했다. 그러나 실제의 측정 대상은, 예를 들면 생체와 같이 온도가 있는 것, 비파괴 검사용의 금속 재료(열전도가 뛰어난 것)인 경우가 있다. 그러면, 자기 저항 센서부(105)의 온도가 배치 장소마다 다르고, 각각의 자기 저항 센서부(105)의 감도가 온도 변동에 의해 변동하기 때문에, 1/f 잡음이나 백색 잡음이 증가할 경우가 있다. 이 센서 감도의 변동은, 회로 구성 자체에 기인하는 것과는 다른 온도 외란에 의해 생기므로, 이것을 억제하기 위한 구성을 별도 설치할 필요가 있다고 생각된다. 그래서 본 발명의 실시형태5에서는, 상술의 센서 감도의 변동을 억제하는 구성에 대해서 설명한다.
도 11은 본 실시형태5에 따른 MR 센서(100)의 회로도이다. 본 실시형태5에 있어서의 MR 센서(100)는, 실시형태1∼4에서 설명한 구성에 더해, 피드백 회로를 구비한다. 도 11에서는 실시형태4에서 설명한 회로 구성에 더해서 피드백 회로를 설치한 구성을 예시했지만, 그 외의 실시형태의 회로 구성에 있어서 피드백 회로를 설치할 수도 있다.
피드백 회로는, 프리앰프(103)의 출력을, 자기 저항 소자(101)에 인가하는 자계로서 자기 저항 소자(101)에 피드백하는 회로이며, 피드백 저항(1101)과 피드백 코일(1102)을 갖는다.
피드백 코일(1102)은, 자기 저항 센서부(105)마다 설치되어(도 11에 있어서의 피드백 코일(1102-1∼1102-4)), 프리앰프(103)의 출력과 로크인 앰프(702)의 입력 사이의 신호를 받고, 이것을 사용하여 자계를 발생시켜서 자기 저항 소자(101)에 피드백한다. 피드백 저항(1101)은 프리앰프(103)의 출력과 피드백 코일(1102) 사이에 배치되어 있다. 도 11에서는 각 피드백 코일(1101)은 병렬 접속하고 있지만, 직렬 접속이어도 상관없다.
승압 트랜스(901)의 인덕턴스에 의해, 세트/리셋 회로(701)가 출력하는 신호의 위상이 어긋나는 경우에는, 피드백 회로(1102)의 후단, 프리앰프(103)의 후단, 혹은 승압 트랜스(901) 자신에 위상 조정 회로를 삽입하여 이것을 조정하도록 해도 된다.
피드백 회로를 설치하여 프리앰프(103)의 출력을 자기 저항 소자(101)에 피드백함으로써, 자기 저항 센서부(105)의 위치에 의한 온도의 차이나 측정 대상물의 온도에 의한 감도 변동의 영향을 억제할 수 있다. 예를 들면, 자기 저항 센서부(105)를 평면적(공간적)으로 배치함으로써 자기 저항 센서부(105)마다 온도차가 생기는 경우에 있어서, 유효하다.
<실시형태6>
실시형태4∼5에서 설명한 승압 트랜스(901)는, 실시형태4에서 설명한 바와 같이 권선 임피던스를 높게 할 필요가 있다. 그 때문에 승압 트랜스(901)의 코어로서 수 cm 이상의 비교적 큰 고투자율의 부재를 사용할 필요가 있다. 코어가 큰 승압 트랜스(901)에 2차 권선을 1000턴 이상 감는 것은, 도 4에 나타낸 기판(401)에 부착하는 것을 생각하면 곤란하다. 그래서 본 발명의 실시형태6에서는, 승압 트랜스(901)의 사이즈를 억제하면서 증폭률을 높이는 구성을 설명한다.
도 12는 본 실시형태6에 따른 MR 센서(100)의 회로도이다. 본 실시형태6에 있어서, 승압 트랜스(901)의 2차 측에, 2차 측 코일과 함께 공진 회로를 형성하는 콘덴서(1201)를 설치했다. 승압 트랜스(901)의 2차 측 인덕턴스와 콘덴서(1201)에 의해, 교류 신호 발생기(703)의 주파수(또는 자기 저항 센서부(105)를 구동하기 위한 교류 전원의 주파수)에 있어서 공진을 발생시킨다. 이에 따라, 승압 트랜스(901)의 권선비(1차 권선과 2차 권선의 권수비) 이상으로 증폭률을 높일 수 있다.
<실시형태7>
실시형태4∼6에서 설명한 승압 트랜스(901)는, 프리앰프(103)의 잡음을 저감하기 위해서 유효하지만, 승압 트랜스(901)의 사이즈(수 cm)가 비교적 큰 것, 위상 조정이 번잡해지는 것, 프리앰프(103)가 발진하기 쉬워지는 것 등의 과제가 생길 가능성이 있다. 그래서 본 발명의 실시형태7에서는, 승압 트랜스(901)를 사용하지 않고 프리앰프(103)의 잡음을 저감하는 구성을 설명한다.
도 13은 본 실시형태7에 따른 MR 센서(100)의 회로도이다. 본 실시형태7에 있어서의 MR 센서(100)는, 실시형태3에서 설명한 구성에 더해서, 부가적 정귀환(Additional Positive Feedback : 이후 APF로 약기함) 회로를 구비한다. APF 회로는, APF 저항(1301)과 APF 코일(1302)을 갖는다. APF 코일(1302)은, 각 자기 저항 센서부(105) 각각에 1개씩 설치되어 있다(도 13의 APF 코일(1302-1∼1302-4)). APF 코일(1302)은, 자기 저항 소자(101)에 인가하는 자계를 발생시킨다. APF 저항(1301)은 APF 코일(1302)마다 설치되며, 각 APF 코일(1302)과 직렬로 접속되어 있다.
APF 코일(1302)은 자기 저항 센서부(105)와 자기적으로 결합해 있으며, 자기 저항 센서부(105)의 출력을, 자기 저항 소자(101)에 인가하는 자계로서, APF 저항(1301)을 통하여 자기 저항 소자(101)에 피드백한다. APF 회로를 설치함으로써, 자기 저항 센서부(105)의 자장-전압의 변환 효율을 상승시키고, 이에 따라 프리앰프(103)의 잡음을 실효적으로 저감시킬 수 있다. APF 저항(1301)은 각 APF 코일(1302)에 공통인 1개만 설치해도 된다.
APF 저항(1301)은 열잡음을 발생시키기 때문에, 자기 저항 센서부(105)의 양단 저항보다 충분히 낮은 값으로 할 필요가 있다. APF 저항(1301)의 저항값이 작아지면(예를 들면 10Ω 정도), APF 코일(1302)의 인덕턴스를 크게 하여 자기 저항 센서부(105)의 출력이 단락되지 않는 구성으로 해야하고, 따라서 교류 신호 발생기(703)의 주파수에 있어서의 APF 코일(1302)의 임피던스가 높아지도록 구성할 필요가 있다. 적어도, APF 코일(1302)의 임피던스는 자기 저항 센서부(105)의 양단 저항보다 크게 할 필요가 있다.
이상과 같이, 자기 저항 센서부(105)의 출력을, 자기 저항 소자(101)에 인가하는 자계로서 자기 저항 소자(101)에 피드백하는 APF 회로를 설치함으로써, 승압 트랜스(901)를 설치하지 않더라도, 프리앰프(103)의 잡음을 실질적으로 저감시킬 수 있다. 이에 따라, 간이하며 소사이즈의 회로 구성으로 승압 코일(901)과 동등한 효과를 발휘할 수 있다.
<실시형태8>
도 14는 본 발명의 실시형태8에 따른 MR 센서(100)의 회로도이다. 본 실시형태8에 있어서의 MR 센서(100)는, 실시형태5∼6에서 설명한 피드백 회로와 실시형태7에서 설명한 APF 회로를 겸용한 구성을 구비한다. 도 14에 나타낸 바와 같이, APF 코일(1302)을 피드백 코일(1102)과 겸용하고, APF 저항(1301)을 피드백 저항(1101)과 겸용함으로써, 이것을 실현할 수 있다. 단, 피드백 회로의 접속처는, 자기 저항 센서부(105)의 출력과 프리앰프(103)의 출력의 쌍방으로 할 필요가 있다.
또, 회로의 실장 면적 등의 관점에서 허용되는 것이라면, APF 코일(1302)을 피드백 코일(1102)과 겸용하지 않고, 이들 코일을 개별적으로 설치해도 된다. APF 저항(1301)과 피드백 저항(1101)에 대해서도 같다.
APF 회로와 피드백 회로를 동일 구동 회로 내에 설치함으로써, 시스템 잡음을 보다 간이한 회로 구성으로 저감하고, 또한 자기 저항 센서부(105)의 위치에 의해 다른 온도차나 측정 대상물의 온도에 의한 영향을 억제할 수 있다.
<실시형태9>
실시형태1∼8에서 설명한 MR 센서(100)의 구성을 사용함으로써 시스템 잡음이 저감되고, 생체 자장을 계측할 수 있는 정도의 감도를 얻을 수 있다. 한편, MR 센서(100)가 고감도가 되면, 자동차나 전차 등으로부터 발생하는 외래의 방해 자장을 검출하기 쉬워지기 때문에, 생체 자장 성분만을 검출하는 것이 곤란해질 가능성이 있다. 그래서 본 발명의 실시형태9에서는, 실시형태1∼8에서 설명한 MR 센서(100)를 채용하면서, 방해 자장을 효율적으로 저감하고, 또한 고감도로 생체 자장을 계측할 수 있는 그레디오미터의 구성에 대해서 설명한다.
도 15는 본 실시형태9에 따른 그레디오미터(1500)의 구성을 나타낸 도면이다. 그레디오미터(1500)는, 센서 유닛(1501 및 1502), 프리앰프(1503)를 구비한다. 센서 유닛(1501 및 1502)은, 각각 실시형태1∼8 중 어느 하나에서 설명한 MR 센서(100)를 복수 병렬 접속한 것이다. 여기에서는 각각 MR 센서(100-1∼100-4와 100-5∼100-8)를 병렬 접속한 구성을 예시했지만, MR 센서(100)의 개수는 이것에 한정되지 않는다. 프리앰프(1503)는, 센서 유닛(1501과 1502) 각각의 출력의 차분을 증폭하고, 출력 단자(1504)로부터 출력한다.
센서 유닛(1501과 1502)은, 공간적으로 다른 장소에 배치된다. 2개소의 센서 유닛 각각의 출력을 프리앰프(1503)로 증폭함으로써, 자기 저항 센서부(105)가 2배수가 되기 때문에, 자기 저항 센서부(105)의 저항으로부터 발생하는 시스템 잡음을 1/21/2로 저감할 수 있다.
센서 유닛(1501)에 포함되는 직류 전원(102-1)과 센서 유닛(1502)에 포함되는 직류 전원(102-2)은, 극성이 서로 반대가 되도록 구성한다. 이에 따라, 각 센서 유닛의 측정 자장 방향이 반대가 되므로, 차분 자장을 계측하는 자기 센서, 즉 그레디오미터를 구성할 수 있다.
도 15에서는 센서 유닛이 2개 있는 구성을 예시했지만, 센서 유닛의 개수는 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 1개의 센서 유닛을 측정 대상으로부터 원방(遠方)에 배치하고, 생체 자장 검출용의 복수의 센서 유닛에 그 측정 결과를 피드백하여 방해 자장을 캔슬하는 액티브 실드를 구성할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예가 포함된다. 상기 실시형태는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 어느 실시형태의 구성의 일부를 다른 실시형태의 구성으로 치환할 수도 있다. 또한, 어느 실시형태의 구성에 다른 실시형태의 구성을 더할 수도 있다. 또한, 각 실시형태의 구성의 일부에 대해서, 다른 구성을 추가·삭제·치환할 수도 있다.
100 : MR 센서, 101 : 자기 저항 소자, 102 : 직류 전원, 103 : 프리앰프, 104 : 출력 단자, 105 : 자기 저항 센서부, 401 : 기판, 402 : 커넥터부, 501 : 앰프, 701 : 세트/리셋 회로, 702 : 로크인 앰프, 703 : 교류 신호 발생기, 704 : 참조 신호, 901 : 승압 트랜스, 1101 : 피드백 저항, 1102 : 피드백 코일, 1201 : 콘덴서, 1301 : APF 저항, 1302 : APF 코일, 1500 : 그레디오미터, 1501∼1502 : 센서 유닛, 1503 : 프리앰프, 1504 : 출력 단자

Claims (11)

  1. 자기(磁氣) 저항 소자를 4개 접속한 브리지 회로를 갖는 복수의 자기 저항 센서부와,
    상기 자기 저항 센서부의 출력을 증폭하는 증폭 회로를 구비하고,
    각 상기 자기 저항 센서부의 출력은, 상기 증폭 회로의 입력에 대하여 서로 병렬로 접속되어 있는
    것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자기 저항 센서는, 상기 증폭 회로와 각 상기 자기 저항 센서부 각각의 출력 사이에, 각 상기 자기 저항 센서부의 출력을 증폭하는 제2 증폭 회로를 각각 구비하는
    것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자기 저항 센서는,
    상기 자기 저항 소자의 자화를 반전시키는 세트 펄스 및 리셋 펄스를 발생시키는 세트/리셋 회로와,
    상기 세트/리셋 회로가 발생시키는 상기 세트 펄스 및 리셋 펄스에 의해 상기 자기 저항 센서부가 출력하는 교류 신호를 검파하는 검파 회로
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 자기 저항 센서는, 상기 자기 저항 센서부의 출력과 상기 증폭 회로 사이에, 상기 자기 저항 센서부의 출력 전압을 승압하는 승압 트랜스를 구비하고,
    각 상기 자기 저항 센서부의 출력은, 상기 승압 트랜스에 대하여 서로 병렬로 접속되어 있는
    것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자기 저항 센서는, 상기 증폭 회로의 출력을, 상기 자기 저항 소자에 인가하는 자계로서 상기 자기 저항 소자에 피드백하는 피드백 회로를 구비하는
    것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 자기 저항 센서는, 상기 승압 트랜스의 2차 측 코일의 인덕턴스와 공진 회로를 형성하는 콘덴서를 구비하는
    것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 자기 저항 센서는, 상기 자기 저항 센서부의 출력을, 상기 자기 저항 소자에 인가하는 자계로서 상기 자기 저항 소자에 피드백하는 부가적 정귀환(additional positive feedback) 회로를 구비하는
    것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 부가적 정귀환 회로는, 상기 자계를 발생시키는 코일을 갖고,
    상기 코일의 임피던스는, 상기 자기 저항 센서부의 양단 저항보다 큰
    것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 자기 저항 센서는, 상기 증폭 회로의 출력을, 상기 자기 저항 소자에 인가하는 자계로서 상기 자기 저항 소자에 피드백하는 피드백 회로를 구비하는
    것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
  10. 제1 및 제2 자기 저항 센서와,
    각 상기 자기 저항 센서의 출력 간의 차분(差分)을 증폭하는 제3 증폭 회로
    를 구비하고,
    상기 제1 및 제2 자기 저항 센서는 각각 제1항에 기재된 자기 저항 센서이고,
    상기 제1 자기 저항 센서의 출력과 상기 제2 자기 저항 센서의 출력이 각각 상기 제3 증폭 회로에 입력되는 것을 특징으로 하는 그레디오미터(gradiometer).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 자기 저항 센서에 직류 전압을 인가하는 제1 직류 전원과,
    상기 제2 자기 저항 센서에 직류 전압을 인가하는 제2 직류 전원을 구비하고,
    상기 제1 직류 전원의 극성과 상기 제2 직류 전원의 극성은 반대로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 그레디오미터.
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