(57)【要約】【課題】大型化や検出範囲の制限などの弊害を伴うことなくヒステリシスの影響を抑制し検出精度を上げることが可能な磁界検出センサを提供すること。【解決手段】磁気インピーダンス素子２０のバイアスコイル２２に交流バイアス電流を供給し、飽和レベル以上の振幅の交流バイアス磁界を印加する。磁性薄膜２１のインピーダンス変化を出力信号Ｖｏｕｔ１として検出し、交流バイアス磁界の波形に同期した区間決定信号ＳＧＤを用いて、交流バイアス磁界のピーク点に相当するＡ出力信号ＳＧＡ、Ｂ出力信号ＳＧＢのレベルを検出する。磁気インピーダンス素子２０の感磁軸、交流バイアス磁界の変化軸、外部磁場方向を揃えておき、外部磁場の方向と交流バイアス磁界の変化の方向が揃う区間のタイミングで、各ピーク点のＡ出力信号ＳＧＡ、Ｂ出力信号ＳＧＢを検出する。変化の方向が揃うのでヒステリシスの影響を抑制できる。【選択図】図１
2020041945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気インピーダンス効果が生じる磁性材料および前記磁性材料にバイアス磁界を印加するバイアスコイルを含む磁気検出素子と、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、を有する磁界検出センサであって、
前記磁気検出素子における磁束密度が飽和するレベルよりも振幅が大きい交流バイアス磁界を発生するための交流バイアス電流を、前記バイアスコイルに供給する交流バイアス回路と、
前記交流バイアス電流の交流波形に同期したタイミング信号を生成するタイミング信号生成部と、
前記タイミング信号のタイミングに従い、前記磁気検出素子の検出状態を反映した信号を検出する信号検出部と、
を備えることを特徴とする磁界検出センサ。
【請求項２】
前記信号検出部が、前記タイミング信号のタイミングに従い、前記交流波形の所定区間における信号のピーク値を検出するピーク検出部を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁界検出センサ。
【請求項３】
前記磁気検出素子における感磁軸と、前記交流バイアス磁界の変化軸と、前記磁気検出素子における検出対象の外部磁場の変化軸とが同じ方向に揃えて配置され、
前記信号検出部は、前記外部磁場の方向と、前記交流バイアス磁界の方向とが一致するタイミングで、前記磁気検出素子の磁気検出状態を反映した信号を検出する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁界検出センサ。
【請求項４】
前記信号検出部は、前記外部磁場および前記交流バイアス磁界が所定方向に対してプラス方向およびマイナス方向に現れる場合の、それぞれの方向の信号を個別に検出する複数のピーク検出部を有する、
ことを特徴とする請求項３に記載の磁界検出センサ。
【請求項５】
前記磁気検出素子を含むブリッジ回路を構成し、前記磁気検出素子におけるインピーダンス変化を前記ブリッジ回路により前記信号として検出する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の磁界検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、磁性体を利用している様々な電気部品等はヒステリシス特性を有している。すなわち、磁性体に印加される磁界Ｈと磁束密度Ｂとの関係を表すＢ−Ｈカーブにおいて、磁界Ｈが増大する方向に変化する場合の特性と、その反対に磁界Ｈが減少する方向に変化する場合の特性との間にヒステリシスに応じた違いが現れる。したがって、ヒステリシスを有する磁性体を利用する磁界検出センサ等においては、その検出結果にヒステリシスの影響が誤差として現れる。そのため、検出精度を上げるためにヒステリシスの影響を抑制する必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１の電流検出器は、複雑な動作を伴うことなく、簡易な構成でヒステリシスの影響を解消するための技術を示している。具体的には、被検出電流の導通時に発生する磁界の周回方向に沿って環状に配置され、一部にホール素子を配置するギャップが形成された磁性体コアと、この磁性体コアに設けられた消磁用コイルに対し、所定範囲内の周波数で所定の減衰特性を有した交流電流を印加することにより、磁性体コアに残留した磁束を消去する消磁回路を備えている。
【０００４】
また、特許文献２の電流センサは、導電部材が通されるコアの通し孔を大きくしても、ヒステリシスの増加を抑制可能にするための技術を示している。具体的には、板材を曲げ加工してコアを形成し、コアの両端部に対向配置された一対の対向片に突起部を半抜き加工により成形し、突起部間にホール素子を配置する。突起部を設けてコアギャップ断面積を小さくすることにより、パーミアンス係数が小さくなって、ヒステリシスが小さくなる。したがって、通し孔を大きくした場合のヒステリシスの増加分が相殺される。
【０００５】
また、特許文献３の磁気センサは、ヒステリシスの影響を受けずに外部磁界を正常に検出するための技術を示している。具体的には、電流制御部は、コイル磁界Ｈの強度を初期値から一方的に増加、または一方的に減少させるように電流を制御する。これにより、被測定磁界Ｈｏを相殺し、あるいはその一部を打ち消すことができる。そして、電流制御部は、検出信号が入力されたとき、コイル磁界Ｈの強度を初期値に戻すように電流を制御する。また、特徴的な構成として、初期値が、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子に飽和磁化を与える磁界の強度であることを示している。つまり、測定が完了するたびに、与えられるコイル磁界Ｈの強度が初期値に戻されるとともに、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子が磁化飽和され、電流制御の動作点は、常にヒステリシス曲線の線形性を有するルート部分のうち、一定のルート部分で行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−１８８７９０号公報
【特許文献２】特開２０１４−１００１２号公報
【特許文献３】特開２０１１−１８５８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、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。磁気センサが、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）を備えた場合においても上記のようなヒステリシスの影響が現れるので、検出精度を上げるためにはヒステリシスの影響を抑制する必要がある。
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術では専用の消磁回路およびコイルを付加する必要があるのでセンサが大型化するのは避けられない。また、特許文献２の技術では、突起部とホール素子の位置のばらつきによる誤差の発生が懸念される（特許文献２の段落「００５３」参照）。また、特許文献３の技術では、磁界が初期値Ｈｓ以上の磁場環境下では計測不能であり、検出可能な範囲が狭いという問題がある。
【０００９】
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、大型化や検出範囲の制限などの弊害を伴うことなくヒステリシスの影響を抑制し検出精度を上げることが可能な磁界検出センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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および前記磁性材料にバイアス磁界を印加するバイアスコイルを含む磁気検出素子と、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、を有する磁界検出センサであって、
前記磁気検出素子における磁束密度が飽和するレベルよりも振幅が大きい交流バイアス磁界を発生するための交流バイアス電流を、前記バイアスコイルに供給する交流バイアス回路と、
前記交流バイアス電流の交流波形に同期したタイミング信号を生成するタイミング信号生成部と、
前記タイミング信号のタイミングに従い、前記磁気検出素子の検出状態を反映した信号を検出する信号検出部と、
を備えることを特徴とする磁界検出センサ。
【００１１】
（２）  前記信号検出部が、前記タイミング信号のタイミングに従い、前記交流波形の所定区間における信号のピーク値を検出するピーク検出部を有する、
ことを特徴とする上記（１）に記載の磁界検出センサ。
【００１２】
（３）  前記磁気検出素子における感磁軸と、前記交流バイアス磁界の変化軸と、前記磁気検出素子における検出対象の外部磁場の変化軸とが同じ方向に揃えて配置され、
前記信号検出部は、前記外部磁場の方向と、前記交流バイアス磁界の方向とが一致するタイミングで、前記磁気検出素子の磁気検出状態を反映した信号を検出する、
ことを特徴とする上記（１）または（２）に記載の磁界検出センサ。
【００１３】
（４）  前記信号検出部は、前記外部磁場および前記交流バイアス磁界が所定方向に対してプラス方向およびマイナス方向に現れる場合の、それぞれの方向の信号を個別に検出する複数のピーク検出部を有する、
ことを特徴とする上記（３）に記載の磁界検出センサ。
【００１４】
（５）  前記磁気検出素子を含むブリッジ回路を構成し、前記磁気検出素子におけるインピーダンス変化を前記ブリッジ回路により前記信号として検出する、
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。
【００１５】
上記（１）の構成の磁界検出センサによれば、信号検出部が磁気検出素子の磁気検出状態を把握する際に、磁気検出素子におけるヒステリシス特性の影響を抑制できる。すなわち、交流バイアス電流により発生する交流バイアス磁界の影響で、外部磁界が印加されない状態でも、磁気検出素子は磁束密度が飽和する状態まで遷移するため、ヒステリシスの影響を受けにくくなる。更に、信号検出部がタイミング信号のタイミングに従って磁気検出素子の磁気検出状態を把握するので、外部磁界の変化の方向と、交流バイアス磁界の変化の方向とが揃うタイミングを特定できる。つまり、外部磁界の変化の方向と、交流バイアス磁界の変化の方向とが揃うタイミングで外部磁界を検出することにより、ヒステリシス特性における方向の違いの影響を避けることが可能になる。また、交流バイアス磁界を利用するので、プラス方向とマイナス方向の両方の外部磁界を検出可能になる。
【００１６】
上記（２）の構成の磁界検出センサによれば、ピーク検出部が検出するピーク値は、磁気検出素子に印加される交流バイアス磁界の変化の方向が切り替わる直前のタイミングにおける信号のレベルを表す。したがって、磁気検出素子のヒステリシス特性における方向の違いの影響が現れる前に必要な信号の情報を取得できる。また、ピーク検出部はタイミング信号のタイミングに従うので、外部磁界の変化の方向と、交流バイアス磁界の変化の方向とが揃っているタイミング、すなわち交流波形の所定区間における信号のピーク値を検出できる。
【００１７】
上記（３）の構成の磁界検出センサによれば、磁気検出素子における感磁軸と、外部磁場の変化軸とを同じ方向に揃えることにより、外部磁場に対する検出感度を高めることができる。また、外部磁場の変化軸と、交流バイアス磁界の変化軸とを同じ方向に揃え、且つこれらの方向が一致するタイミングを信号検出部が把握することにより、ヒステリシス特性における方向の違いの影響を避けることが可能になる。
【００１８】
上記（４）の構成の磁界検出センサによれば、プラス方向およびマイナス方向の両方の外部磁場の大きさを、複数のピーク検出部でそれぞれ検出できる。また、プラス方向およびマイナス方向のそれぞれの外部磁場と、交流バイアス磁界の変化の方向が揃うタイミングでそれぞれのピーク値を検出できる。
【００１９】
上記（５）の構成の磁界検出センサによれば、外部磁場に応じて前記磁気検出素子のインピーダンスが変化する場合に、外部磁場に応じて高感度で変化する信号を前記ブリッジ回路から出力できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の磁界検出センサによれば、ヒステリシスの影響を抑制できるので、検出精度を上げることが可能である。また、消磁回路が不要なので小型化が可能である。また、特別な磁性体コアを必要としないので、磁性体コアのヒステリシスを考慮する必要がない。また、外部磁場の検出範囲に影響を及ぼすことなくヒステリシスを抑制できるので、広い範囲に亘って外部磁場を検出できる。
【００２１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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】図２は、磁気インピーダンス素子のＢ−Ｈカーブおよびインピーダンス特性の例を示すグラフである。
【図３】図３は、磁気インピーダンス素子の磁界とセンサ出力信号との関係の例を示す模式図である。
【図４】図４は、交流バイアス磁界を使用しない場合の磁気インピーダンス素子の磁界−出力電圧特性の例を示すグラフである。
【図５】図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、および図５（ｄ）は、互いに外部磁場の条件が異なる状態における各信号の時系列変化を示すタイムチャートである。
【図６】図６は、磁気インピーダンス素子の外部磁界とＡ出力およびＢ出力の電圧との関係の例を示すグラフである。
【図７】図７は、磁気インピーダンス素子の感磁軸、交流バイアス磁界の変化軸、および外部磁場方向の関係を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
＜磁界検出センサの構成例＞
本発明の実施形態における磁界検出センサ１０の構成例を図１に示す。
【００２５】
図１に示した磁界検出センサ１０は、外部磁場を検出するために磁気インピーダンス素子２０を備えている。この磁気インピーダンス素子２０は、磁気インピーダンス効果が生じる磁性材料により構成される磁性薄膜２１を含んでいる。また、この磁性薄膜２１に交流バイアス磁界を印加できるように、磁性薄膜２１の周囲に巻き付けた状態でバイアスコイル２２が配置されている。本実施形態では、特に磁性薄膜２１のヒステリシスの影響を抑制するために交流バイアス磁界を利用している。
【００２６】
図１に示した構成においては、磁気インピーダンス素子２０の磁性薄膜２１は抵抗器１３ａ、１３ｂ、１３ｃと共にフルブリッジ回路１３を構成している。つまり、磁性薄膜２１の抵抗値の変動をフルブリッジ回路１３で検出できるように構成されている。
【００２７】
なお、本実施形態で採用している磁気インピーダンス素子２０は、外部磁界が印加されない基準状態でインピーダンス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２０のインピーダンスが最大になった状態でフルブリッジ回路１３が平衡状態になるように、抵抗器１３ａ、１３ｂ、および１３ｃの各抵抗値を選定してある。
【００２８】
フルブリッジ回路１３の２つの入力端子の一方はバッファ１２の出力と接続され、他方は接地されている。バッファ１２の入力には発振器１１が接続されている。発振器１１は、例えば数十〜数百［ＭＨｚ］程度の周波数の高周波電圧を、バッファ１２を経由してフルブリッジ回路１３に供給する。発振器１１は、矩形波、正弦波、三角波などの波形の信号を出力できる。
【００２９】
フルブリッジ回路１３の２つの出力端子は、差動増幅器１４の２つの差動入力端子１４ａ、１４ｂと接続されている。また、バイアスコイル２２は一方の端子が増幅器（ＡＭＰ）１５の出力と接続され、他方の端子が接地されている。増幅器１５は、交流バイアス信号ＳＧＣを増幅してバイアスコイル２２に供給する。
【００３０】
差動増幅器１４の出力にはフィルタ１６が接続されている。フィルタ１６はローパスフィルタ（ＬＰＦ）である。また、フィルタ１６の出力には増幅器１７が接続され、増幅器１７の出力には更にフィルタ１８が接続されている。フィルタ１８もローパスフィルタである。フィルタ１８の出力信号Ｖｏｕｔ１は、磁気インピーダンス素子２０が検出した外部磁場の大きさを表す成分を含んでいる。
【００３１】
フィルタ１８の出力には、２つのアナログスイッチ２３、２４の入力端子がそれぞれ接続されている。また、アナログスイッチ２３の出力端子には、ピークホールド回路２５の入力端子が接続され、アナログスイッチ２４の出力端子にピークホールド回路２６の入力端子が接続されている。
【００３２】
マイクロコンピュータ（マイコン）２７は、予め組み込まれたプログラムに従って動作し、この磁界検出センサ１０の制御を実施する。具体的には、交流バイアス信号ＳＧＣをマイクロコンピュータ２７が生成する。交流バイアス信号ＳＧＣの波形は三角波であり、交流バイアス信号ＳＧＣの周波数は発振器１１が出力する信号に比べて遙かに低い。また、マイクロコンピュータ２７は交流バイアス信号ＳＧＣの波形にタイミングが同期した区間決定信号ＳＧＤを生成する。この区間決定信号ＳＧＤは、ピークホールド回路２５および２６の制御入力端子に印加される。
【００３３】
マイクロコンピュータ２７は、ピークホールド回路２５が出力するＡ出力信号ＳＧＡ、およびピークホールド回路２６が出力するＢ出力信号ＳＧＢに基づいて、磁気インピーダンス素子２０に加わった外部磁場の大きさを算出し把握する。
【００３４】
＜磁界検出センサの動作の概要＞
図１に示した磁気インピーダンス素子２０は、磁性薄膜２１に高周波のキャリア電流を印加することで、磁界に対してインピーダンスが変化するデバイスになる。したがって、発振器１１が出力する高周波信号をバッファ１２を介してフルブリッジ回路１３に供給し、磁性薄膜２１に高周波のキャリア電流を流す。
【００３５】
また、交流バイアス信号ＳＧＣを増幅器１５を介してバイアスコイル２２に供給する。したがって、バイアスコイル２２が発生する交流バイアス磁界が定常的に磁性薄膜２１に印加される。ここで、交流バイアス磁界の振幅は、磁性薄膜２１の磁束密度が飽和するレベル以上とする。
【００３６】
磁気インピーダンス素子２０を含むフルブリッジ回路１３は、磁性薄膜２１に印加される磁界に応じた磁性薄膜２１のインピーダンス変化を、電圧として出力する。フルブリッジ回路１３が出力する電圧は、差動増幅器１４で増幅され、フィルタ１６で高周波ノイズが除去される。更に、フィルタ１６の出力電圧は増幅器１７で増幅され、フィルタ１８でノイズ除去されて出力信号Ｖｏｕｔ１になる。
【００３７】
フィルタ１８から出力される出力信号Ｖｏｕｔ１に含まれる各信号成分を複数の区間に分けて個別に処理するために、マイクロコンピュータ２７が出力する区間決定信号ＳＧＤを用いてアナログスイッチ２３、２４のオンオフ制御を実施する。具体的には、区間決定信号ＳＧＤの電圧が低レベルになるＡ読取区間Ｔ１（図５参照）では、アナログスイッチ２３をオン、アナログスイッチ２４をオフに制御し、区間決定信号ＳＧＤの電圧が高レベルになるＢ読取区間Ｔ２では、アナログスイッチ２３をオフ、アナログスイッチ２４をオンに制御する。これにより、交流バイアス信号ＳＧＣの波形に同期したタイミングで必要な信号成分をそれぞれ抽出できる。
【００３８】
ピークホールド回路２５は、アナログスイッチ２３を介して入力される出力信号Ｖｏｕｔ１の電圧を上記のＡ読取区間Ｔ１のタイミングで監視し、この区間の最大値を検出する。ピークホールド回路２６は、アナログスイッチ２４を介して入力される出力信号Ｖｏｕｔ１の電圧を上記のＢ読取区間Ｔ２のタイミングで監視し、この区間の最大値を検出する。
【００３９】
マイクロコンピュータ２７は、ピークホールド回路２５がＡ読取区間Ｔ１で検出した最大値を表すＡ出力信号ＳＧＡと、ピークホールド回路２６がＢ読取区間Ｔ２で検出した最大値を表すＢ出力信号ＳＧＢとをそれぞれアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換して読み取る。使用するＡ／Ｄ変換器はマイクロコンピュータ２７に内蔵してもよいし、外付けの回路にしてもよい。
【００４０】
マイクロコンピュータ２７は、Ａ出力信号ＳＧＡ、およびＢ出力信号ＳＧＢのレベルに基づき、所定の演算処理を実施することにより、磁気インピーダンス素子２０に印加された外部磁界の大きさを把握する。つまり、Ａ読取区間Ｔ１で検出した出力信号Ｖｏｕｔ１の最大値と、Ｂ読取区間Ｔ２で検出した出力信号Ｖｏｕｔ１の最大値から外部磁界の大きさを算出する。
【００４１】
＜Ｂ−Ｈカーブおよびインピーダンス特性＞
磁気インピーダンス素子のＢ−Ｈカーブおよびインピーダンス特性の例を図２に示す。図２の上側に示したグラフは、磁性薄膜２１における磁界Ｈと磁束密度Ｂとの関係を表し、下側に示したグラフは、外部磁界の大きさ［Ｏｅ］と磁性薄膜２１のインピーダンスＺとの関係を表している。
【００４２】
上側のグラフに示すように、磁気インピーダンス素子２０においては磁界Ｈが非飽和領域Ａ０の範囲では磁束密度Ｂは磁界Ｈに応じて大きく変化するが、飽和領域Ａｐ、Ａｎでは磁束密度Ｂはほぼ一定になる。また、ヒステリシスがあるので、磁界Ｈが増大する方向に変化するときには、増加時カーブＣｉに従って磁束密度Ｂが変化し、磁界Ｈが減少する方向に変化するときには、減少時カーブＣｄに従って磁束密度Ｂが変化する。
【００４３】
下側に示したグラフにおいても、外部磁界が小さいヒステリシス区間Ｚｈにおいてヒステリシスの大きな影響が現れている。すなわち、図２に示したα方向に外部磁界が増大する時のインピーダンスＺの変化と、反対のβ方向に外部磁界が減少する時のインピーダンスＺの変化との間に大きな違いが発生する。したがって、磁気インピーダンス素子２０などを利用して外部磁界を検出する場合には、外部磁界の強さが同じであっても、異なる方向から外部磁界を印加すると異なるインピーダンス値が検出される。つまり、ヒステリシスが磁界検出時の精度悪化の原因になる。図１に示した磁界検出センサ１０は、上記のようなヒステリシスの影響を低減するための機能を搭載している。
【００４４】
＜磁気インピーダンス素子の磁界とセンサ出力信号との関係＞
図１に示したフルブリッジ回路１３内の磁気インピーダンス素子２０における入力磁界と出力信号との相関関係の例を図３に示す。図３において、インピーダンス特性４１のグラフの横軸は、磁気インピーダンス素子２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２０のインピーダンスＺ（直流抵抗値）［Ω］を表す。
【００４５】
図３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２２に流れる交流電流によって交流バイアス磁界４２が磁性薄膜２１に印加される。図３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。
【００４６】
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２１に印加される。したがって、図３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２１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２１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２１に印加される。
【００４７】
そして、磁性薄膜２１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に示したフルブリッジ回路１３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。
【００４８】
図３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３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、横方向は時間の変化を表している。
【００４９】
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。
【００５０】
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の電位から外部磁場の大きさだけシフトした電位を中心として、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の電位から外部磁場の大きさだけシフトした電位を中心として、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。
【００５１】
図３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。但し、磁性薄膜２１におけるヒステリシスの影響により、図２に示したα方向、β方向の違いに起因した検出誤差が発生する可能性がある。
【００５２】
そこで、本実施形態では、交流バイアス磁界４２の変化と外部磁場の変化との方向を揃えるように、図３に示したピーク検出点Ｐａ、Ｐｂを定める。ここで、ピーク検出点Ｐａは交流バイアス磁界４２がプラス方向に向かって増大する（図２中の「α方向」に相当）区間におけるピーク（三角波の頂点）のタイミングを表す。また、ピーク検出点Ｐｂは交流バイアス磁界４２がマイナス方向に向かって絶対値が増大する（「α方向」に相当）区間におけるピーク（三角波の頂点）のタイミングを表す。
【００５３】
また、センサ出力信号４３Ｐにおけるピーク検出点Ｐａは、外部磁界と交流バイアス磁界の和４２Ｐにおけるピーク検出点Ｐａに相当する。同様に、センサ出力信号４３Ｎにおけるピーク検出点Ｐｂは、外部磁界と交流バイアス磁界の和４２Ｎにおけるピーク検出点Ｐｂに相当する。
【００５４】
例えば、図３に示した外部磁界と交流バイアス磁界の和４２Ｐにおいて、ピーク検出点Ｐａは交流バイアス磁界４２がプラス方向に増大しながらピークに到達し、その方向が変化する直前のタイミングに相当する。したがって、外部磁場が０からプラス方向に変化した場合を想定すると、センサ出力信号４３Ｐのピーク検出点Ｐａのレベルを検出することは、外部磁場と交流バイアス磁界４２が「α方向」に揃っている状態を意味する。
【００５５】
また、図３に示した外部磁界と交流バイアス磁界の和４２Ｎにおいて、ピーク検出点Ｐｂは交流バイアス磁界４２の絶対値がマイナス方向に増大しながらピークに到達し、その方向が変化する直前のタイミングに相当する。したがって、外部磁場が０からマイナス方向に変化した場合を想定すると、センサ出力信号４３Ｎのピーク検出点Ｐｂのレベルを検出することは、外部磁場と交流バイアス磁界４２が「α方向」に揃っている状態を意味する。
【００５６】
つまり、外部磁場がプラス方向の場合はセンサ出力信号４３Ｐのピーク検出点Ｐａのレベルを検出し、外部磁場がマイナス方向の場合はセンサ出力信号４３Ｎのピーク検出点Ｐｂのレベルを検出する。これにより、外部磁場と交流バイアス磁界４２の変化の方向が常に揃っている状態で検出できるので、ヒステリシスによる精度の悪化を抑制できる。
【００５７】
＜交流バイアス磁界を使用しない場合の特性＞
交流バイアス磁界を使用しない場合の磁気インピーダンス素子の磁界−出力電圧特性の例を図４に示す。例えば、図１に示した磁界検出センサ１０において、バイアスコイル２２に電流を流さない場合の出力信号Ｖｏｕｔ１は、図４に示すような特性になる。
つまり、図４に示すように磁界が比較的小さい領域では、電圧の変化が小さくなるだけでなく、磁界変化の方向に応じて電圧に違いが発生する。
【００５８】
＜各信号の時系列変化の例＞
互いに外部磁場の条件が異なる状態における各信号の時系列変化を図５（ａ）〜図５（ｄ）に示す。図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、および図５（ｄ）は、それぞれプラス方向の外部磁界が０、２、４および、６［Ｏｅ］の条件における交流バイアス信号ＳＧＣ、区間決定信号ＳＧＤ、出力信号Ｖｏｕｔ１の変化を表している。また、図５（ａ）〜図５（ｄ）において、横軸は時間ｔ、左側の縦軸は区間決定信号ＳＧＤの電圧［Ｖ］、右側の縦軸は交流バイアス信号ＳＧＣの電圧［Ｖ］を示している。
【００５９】
図５（ａ）に示すように、Ａ読取区間Ｔ１は区間決定信号ＳＧＤが低レベルの区間であり、Ｂ読取区間Ｔ２は区間決定信号ＳＧＤが高レベルの区間である。また、区間決定信号ＳＧＤの各タイミングは交流バイアス信号ＳＧＣの波形と同期している。つまり、交流バイアス信号ＳＧＣの電圧がプラスの区間で区間決定信号ＳＧＤが低レベルになり、交流バイアス信号ＳＧＣの電圧がマイナスの区間で区間決定信号ＳＧＤが高レベルになる。
【００６０】
例えば図５（ａ）に示すように、Ａ読取区間Ｔ１でピーク検出点Ｐａに到達するまでの間は、交流バイアス信号ＳＧＣの電圧が時間経過と共に増加傾向で変化している。また、Ｂ読取区間Ｔ２でピーク検出点Ｐｂに到達するまでの間も、交流バイアス信号ＳＧＣの電圧の絶対値が時間経過と共にマイナス方向に増加傾向で変化している。
【００６１】
つまり、ピーク検出点Ｐａで検出される最大値は、磁界がプラス方向の領域で且つ図２に示したα方向に変化している状態における最大値である。また、ピーク検出点Ｐｂで検出される最大値は、磁界がマイナス方向の領域で且つ図２に示したα方向に変化している状態における最大値である。
【００６２】
図５（ａ）に示すように、外部磁界が０［Ｏｅ］の条件では、２つのピーク検出点Ｐａ、Ｐｂで検出される最大値は同等になる。また、プラス方向の外部磁界が印加されると、図５（ｂ）〜図５（ｄ）に示すように、２つのピーク検出点Ｐａ、Ｐｂで検出される最大値がそれぞれ変化する。したがって、２つのピーク検出点Ｐａ、Ｐｂで検出される最大値に基づいて、外部磁界の大きさを検出できる。出力信号Ｖｏｕｔ１における２つのピーク検出点Ｐａ、Ｐｂの最大値は、図１に示したＡ出力信号ＳＧＡ、およびＢ出力信号ＳＧＢとして現れる。したがって、マイクロコンピュータ２７はＡ出力信号ＳＧＡ、およびＢ出力信号ＳＧＢに基づいて外部磁界の大きさを算出できる。
【００６３】
＜外部磁界とＡ出力およびＢ出力の電圧との関係＞
磁気インピーダンス素子の外部磁界と「Ａ出力」および「Ｂ出力」の電圧との関係の例を図６に示す。また、磁気インピーダンス素子の感磁軸、交流バイアス磁界の変化軸、および外部磁場方向の関係を図７に示す。
【００６４】
図６において、横軸は外部磁界、縦軸は電圧を表す。また、図６中の「Ａ出力」および「Ｂ出力」は、それぞれ図１のＡ出力信号ＳＧＡおよびＢ出力信号ＳＧＢの電圧に相当する。
【００６５】
図１に示した磁界検出センサ１０においては、図７に示すように、磁気インピーダンス素子２０の感磁軸５１と、バイアスコイル２２が発生する交流バイアス磁界の変化軸５２とが同じ軸方向に揃うように配置してある。更に、外部磁場方向５３ｐ、５３ｎが感磁軸５１および交流バイアス磁界の変化軸５２と同じ方向に揃うように磁界検出センサ１０の仕様を規定してある。また、交流バイアス磁界の変化軸５２の「Ａ方向」および「Ｂ方向」が、それぞれプラス方向の外部磁場方向５３ｐおよびマイナス方向の外部磁場方向５３ｎと一致するように仕様を規定してある。
【００６６】
つまり、磁界検出センサ１０は、磁気インピーダンス素子２０に外部磁場方向５３ｐに外部磁場が印加される場合に、「Ａ方向」に向かって順方向に変化する交流バイアス磁界のタイミングで、プラス方向の外部磁場をＡ出力信号ＳＧＡで検出する。また、磁界検出センサ１０は、磁気インピーダンス素子２０に外部磁場方向５３ｎに外部磁場が印加される場合に、「Ｂ方向」に向かって順方向に変化する交流バイアス磁界のタイミングで、マイナス方向の外部磁場をＢ出力信号ＳＧＢで検出する。
【００６７】
例えば、外部磁場方向５３ｐに、すなわちプラス方向の外部磁場が磁気インピーダンス素子２０に印加されている状態で、且つ交流バイアス磁界がその変化軸５２の「Ａ方向」に変化しているタイミングでは、外部磁場と交流バイアス磁界の変化が同じ方向に揃っている。したがって、この場合は外部磁場と交流バイアス磁界との合成磁界が磁気インピーダンス素子２０に印加される。この合成磁界に相当するレベルが、図６に示した「Ａ出力」すなわちＡ出力信号ＳＧＡとして検出される。
【００６８】
また、外部磁場方向５３ｐに、すなわちプラス方向の外部磁場が磁気インピーダンス素子２０に印加されている状態で、交流バイアス磁界がその変化軸５２の「Ｂ方向」に変化すると、外部磁場と交流バイアス磁界の変化が逆方向になるため、それらが互いに打ち消し合う。したがって、図６に示した「Ｂ出力」すなわちＢ出力信号ＳＧＢのレベルは「Ａ出力」よりも低下する。
【００６９】
また、外部磁場方向５３ｎに、すなわちマイナス方向の外部磁場が磁気インピーダンス素子２０に印加されている状態で、且つ交流バイアス磁界がその変化軸５２の「Ｂ方向」に変化しているタイミングでは、外部磁場と交流バイアス磁界の変化が同じ方向に揃っている。したがって、この場合は外部磁場と交流バイアス磁界との合成磁界が磁気インピーダンス素子２０に印加される。
【００７０】
また、外部磁場方向５３ｎに、すなわちマイナス方向の外部磁場が磁気インピーダンス素子２０に印加されている状態で、交流バイアス磁界がその変化軸５２の「Ａ方向」に変化すると、外部磁場と交流バイアス磁界の変化が逆方向になるため、それらが互いに打ち消し合う。
【００７１】
したがって、図６に示したように外部磁界がプラスの領域では、「Ａ出力」のレベルは、「Ｂ出力」よりも大きくなる。また、外部磁界がマイナスの領域では、「Ａ出力」のレベルは、「Ｂ出力」よりも小さくなる。そして、外部磁界の大小にかかわらず、図６に示した「Ａ出力」、「Ｂ出力」の特性の中には、図４に示した特性のようなヒステリシスに起因する方向の違いの影響は現れていない。
【００７２】
なお、「Ａ出力（Ａ出力信号ＳＧＡ）」と「Ｂ出力（Ｂ出力信号ＳＧＢ）」の間に図６に示したような大小関係があるので、マイクロコンピュータ２７はＡ出力信号ＳＧＡとＢ出力信号ＳＧＢのレベルを比較することにより、外部磁界の方向を特定可能である。すなわち、「ＳＧＡ＞ＳＧＢ」の条件を満たす場合は外部磁界がプラス方向であると認識でき、「ＳＧＡ＜ＳＧＢ」の条件を満たす場合は外部磁界がマイナス方向であると認識できる。したがって、例えば外部磁界の方向を認識し、「ＳＧＡ≧ＳＧＢ」の場合はＡ出力信号ＳＧＡに基づいて外部磁界の大きさを算出し、「ＳＧＡ＜ＳＧＢ」の場合はＢ出力信号ＳＧＢに基づいて外部磁界の大きさを算出するように制御してもよい。
【００７３】
なお、外部磁界が比較的大きい場合は、磁気インピーダンス素子２０に印加される合成磁界の変化範囲が図２に示したインピーダンスＺの特性の頂点（０［Ｏｅ］）を通過せず、図３の外部磁界と交流バイアス磁界の和４２Ｐ、４２Ｎのような範囲で合成磁界が変化する。しかし、磁界検出センサ１０は外部磁界と交流バイアス磁界の変化が同じ方向に揃っている状態でのみ、すなわちピーク検出点Ｐａ、Ｐｂのインピーダンスに相当するレベルを検出するので、インピーダンスＺの特性の頂点を利用しなくても、検出範囲が狭い範囲に制限されることはない。
【００７４】
＜磁界検出センサ１０の利点＞
上述のように、磁界検出センサ１０は消磁回路を用いることなくヒステリシスの影響を低減できるので、小型化が可能である。また、特別なコアを用いる必要がないので、そのコアのヒステリシスの影響を考慮する必要がない。また、ヒステリシスの影響を低減するために磁気インピーダンス素子２０の検出範囲を制限する必要がないので、広い範囲に亘って磁界を検出できる。
【００７５】
ここで、上述した本発明の実施形態に係る磁界検出センサ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２１）および前記磁性材料にバイアス磁界を印加するバイアスコイル（２２）を含む磁気検出素子（磁気インピーダンス素子２０）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（発振器１１）と、を有する磁界検出センサであって、
前記磁気検出素子における磁束密度が飽和するレベルよりも振幅（Ｖｐ）が大きい交流バイアス磁界を発生するための交流バイアス電流を、前記バイアスコイルに供給する交流バイアス回路（増幅器１５）と、
前記交流バイアス電流の交流波形に同期したタイミング信号（区間決定信号ＳＧＤ）を生成するタイミング信号生成部（マイクロコンピュータ２７）と、
前記タイミング信号のタイミングに従い、前記磁気検出素子の検出状態を反映した信号を検出する信号検出部（アナログスイッチ２３、２４、ピークホールド回路２５、２６）と、
を備えることを特徴とする磁界検出センサ（１０）。
【００７６】
［２］  前記信号検出部が、前記タイミング信号のタイミングに従い、前記交流波形の所定区間における信号のピーク値を検出するピーク検出部（ピークホールド回路２５、２６）を有する、
ことを特徴とする上記［１］に記載の磁界検出センサ。
【００７７】
［３］  前記磁気検出素子における感磁軸（５１）と、前記交流バイアス磁界の変化軸（５２）と、前記磁気検出素子における検出対象の外部磁場の変化軸（外部磁場方向５３ｐ、５３ｎ）とが同じ方向に揃えて配置され、
前記信号検出部は、前記外部磁場の方向と、前記交流バイアス磁界の方向とが一致するタイミング（ピーク検出点Ｐａ、Ｐｂ）で、前記磁気検出素子の磁気検出状態を反映した信号（Ａ出力信号ＳＧＡ、Ｂ出力信号ＳＧＢ）を検出する、
ことを特徴とする上記［１］または［２］に記載の磁界検出センサ。
【００７８】
［４］  前記信号検出部は、前記外部磁場および前記交流バイアス磁界が所定方向に対してプラス方向およびマイナス方向に現れる場合の、それぞれの方向の信号を個別に検出する複数のピーク検出部（ピークホールド回路２５、２６）を有する、
ことを特徴とする上記［３］に記載の磁界検出センサ。
【００７９】
［５］  前記磁気検出素子を含むブリッジ回路（フルブリッジ回路１３）を構成し、前記磁気検出素子におけるインピーダンス変化を前記ブリッジ回路により前記信号（出力信号Ｖｏｕｔ１）として検出する、
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。
【符号の説明】
【００８０】
１０  磁界検出センサ
１１  発振器
１２  バッファ
１３  フルブリッジ回路
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ  抵抗器
１４  差動増幅器
１５，１７  増幅器
１６，１８  フィルタ
２０  磁気インピーダンス素子
２１  磁性薄膜
２２  バイアスコイル
２３，２４  アナログスイッチ
２５，２６  ピークホールド回路
２７  マイクロコンピュータ
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
５１  感磁軸
５２  交流バイアス磁界の変化軸
５３ｐ，５３ｎ  外部磁場方向
Ｐａ，Ｐｂ  ピーク検出点
Ａ０  非飽和領域
Ａｐ，Ａｎ  飽和領域
Ｃｉ  増加時カーブ
Ｃｄ  減少時カーブ
ＳＧＡ  Ａ出力信号
ＳＧＢ  Ｂ出力信号
ＳＧＣ  交流バイアス信号
ＳＧＤ  区間決定信号
Ｔ１  Ａ読取区間
Ｔ２  Ｂ読取区間
Ｖｏｕｔ１  出力信号
Ｚ  インピーダンス
Ｚｈ  ヒステリシス区間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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