(57)【要約】【課題】より高い検出分解能を有する磁場検出装置を提供する。【解決手段】磁場検出装置は、第１の方向に沿った感度軸を有する磁気検出素子と、その磁気検出素子に対し、第１の方向と直交する第２の方向の成分を含む第１の周波数の交流磁場を付与可能な変調コイルと、磁気検出素子からの第１の周波数の出力信号を復調し、出力信号の振幅に基づき、磁気検出素子が受ける被測定磁場の強度を検出する復調部とを備える。【選択図】図１
2020101505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に沿った感度軸を有する磁気検出素子と、
前記磁気検出素子に対し、前記第１の方向と直交する第２の方向の成分を含む第１の周波数の交流磁場を付与可能な変調コイルと、
前記磁気検出素子からの前記第１の周波数の出力信号を復調し、前記出力信号の振幅に基づき、前記磁気検出素子が受ける被測定磁場の強度を検出する復調部と
を備えた磁場検出装置。
【請求項２】
前記復調部は、前記第１の周波数未満の第２の周波数以上の周波数成分を通過させるハイパスフィルタを有する
請求項１記載の磁場検出装置。
【請求項３】
前記復調部は、前記磁気検出素子からの前記出力信号の位相と同じ位相であって前記第１の周波数の方形波を参照し、位相検波信号を取り出す位相検波回路をさらに有する
請求項２記載の磁場検出装置。
【請求項４】
前記復調部は、前記位相検波信号から被測定成分を平滑化して通過させるローパスフィルタをさらに有する
請求項３記載の磁場検出装置。
【請求項５】
前記復調部は、前記ローパスフィルタを通過した被測定成分のＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換部をさらに有する
請求項４記載の磁場検出装置。
【請求項６】
前記復調部は、サンプル・アンド・ホールド回路をさらに有する
請求項２記載の磁場検出装置。
【請求項７】
前記復調部は、前記サンプル・アンド・ホールド回路を通過したサンプル成分のＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換部をさらに有する
請求項６記載の磁場検出装置。
【請求項８】
前記Ａ／Ｄ変換部は、複数の前記サンプル成分について時間平均処理を伴う前記Ａ／Ｄ変換を行う
請求項７記載の磁場検出装置。
【請求項９】
前記磁気検出素子に対し、前記第２の方向のバイアス磁場付与部をさらに備えた
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の磁場検出装置。
【請求項１０】
第１の方向に沿った感度軸を有する磁気検出素子に対し、前記第１の方向と直交する第２の方向の成分を含む第１の周波数の交流磁場を付与することと、
前記磁気検出素子からの前記第１の周波数の出力信号の振幅に基づき、前記磁気検出素子が受ける被測定磁場の強度を検出することと
を含む磁場検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気検出素子を備えた磁場検出装置、および磁気検出素子を用いた磁場検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでに、巨大磁気抵抗効果素子に交流磁界を印加することにより外部磁界に対する高い検出分解能を発現する磁気抵抗効果型センサが提案されている（例えば特許文献１参照）。また、磁気センサに磁束を集中させる構造を有するＭＥＭＳデバイスが提案されている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１０１８６１号公報
【特許文献２】米国特許第７，９１５，８９１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このような磁場検出装置においては、磁場に対し、より高い検出分解能を有することが望まれる。したがって、より高い検出分解能を有する磁場検出装置を提供することが望ましい。さらに、より高い検出分解能で磁場を検出することのできる磁場検出方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施の形態としての磁場検出装置は、第１の方向に沿った感度軸を有する磁気検出素子と、その磁気検出素子に対し、第１の方向と直交する第２の方向の成分を含む第１の周波数の交流磁場を付与可能な変調コイルと、磁気検出素子からの第１の周波数の出力信号を復調し、出力信号の振幅に基づき、磁気検出素子が受ける被測定磁場の強度を検出する復調部とを備える。
【０００６】
本発明の一実施の形態としての磁場検出方法は、第１の方向に沿った感度軸を有する磁気検出素子に対し、第１の方向と直交する第２の方向の成分を含む第１の周波数の交流磁場を付与することと、磁気検出素子からの第１の周波数の出力信号の振幅に基づき、磁気検出素子が受ける被測定磁場の強度を検出することとを含む。
【０００７】
本発明の一実施の形態としての磁場検出装置および磁場検出方法では、磁気検出素子は、変調コイルによる交流磁場の付与により、感度の変調を受ける。これにより、直流磁場の強度に応じて磁気検出素子からの出力振幅が変化することとなるので、復調部により、磁気検出素子からの出力振幅に基づき、磁気検出素子が受ける被測定磁場の強度が検出される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一実施の形態としての磁場検出装置および磁場検出方法によれば、１／ｆノイズが効果的に除去され、磁場の測定において高い再現性が得られる。したがって、本発明の一実施の形態としての磁場検出装置および磁場検出方法によれば、より高い検出分解能を実現することができる。
なお、本発明の効果はこれに限定されるものではなく、以下に記載のいずれの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施の形態としての磁場検出装置の全体構成例を表す概略図である。
【図２】図１に示した磁場検出装置のうちの復調部の構成例を表すブロック図である。
【図３】磁気検出素子の感度変調を説明する特性図である。
【図４】交流磁場により感度変調された磁気検出素子を含む磁気検出部からの出力と、磁気検出素子に印加される被測定磁場との関係を表す特性図である。
【図５Ａ】図２に示したハイパスフィルタの回路構成例を表す回路図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示したハイパスフィルタを通過した後の、磁気検出素子からの出力信号の波形の一例を表す特性図である。
【図６Ａ】図２に示した位相検波回路に入力される参照信号の一例を表す波形図である。
【図６Ｂ】図２に示した位相検波回路を通過した後の、磁気検出素子からの出力信号の波形の一例を表す特性図である。
【図７】図２に示したローパスフィルタを通過した後の、磁気検出素子からの出力信号の波形の一例を表す特性図である。
【図８】図２に示したＡ／Ｄ変換回路を通過した後の、磁気検出素子からの出力信号の波形の一例を表す特性図である。
【図９】図１に示した磁場検出装置による被測定磁場の測定値と、参考例としての磁場検出装置による被測定磁場の測定値とを比較した特性図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態としての磁場検出装置における復調部の構成例を表すブロック図である。
【図１１Ａ】図１０に示したサンプル・アンド・ホールド回路の構成例、およびそのサンプル・アンド・ホールド回路に入力されるサンプルパルス信号の一例を表す説明図である。
【図１１Ｂ】図１０に示したサンプル・アンド・ホールド回路に入力されるサンプルパルス信号の波形の一例を表す特性図である。
【図１２Ａ】本発明の第１の変形例としての変調コイルを表す概略図である。
【図１２Ｂ】本発明の第２の変形例としての変調コイルを表す概略図である。
【図１２Ｃ】本発明の第３の変形例としての変調コイルを表す概略図である。
【図１３】本発明の第４の変形例としての磁気検出素子を表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（ハイパスフィルタと位相検波回路とを有する復調部を備えた磁場検出装置の例）
２．第２の実施の形態（ハイパスフィルタとサンプル・アンド・ホールド回路とを有する復調部を備えた磁場検出装置の例）
３．変形例
【００１１】
＜１．第１の実施の形態＞
［磁場検出装置１００の構成］
図１は、本発明の第１の実施の形態としての磁場検出装置１００の全体構成例を表す概略図である。磁場検出装置１００は、磁気検出部１０と、変調コイル２１を含む変調部２０と、復調部３０とを備えている。
【００１２】
（磁気検出部１０）
磁気検出部１０は、例えば４つの磁気検出素子１Ａ〜１Ｄを含んでおり、それら磁気検出素子１Ａ〜１Ｄはブリッジ接続されてブリッジ回路を形成している。磁気検出素子１Ａ〜１Ｄは、それぞれＸ軸方向の感度軸を有している。磁気検出素子１Ａ〜１Ｄとして、例えば磁気抵抗効果（ＭＲ；Magneto-Resistive effect）素子を適用できる。磁気検出素子１Ａ〜１Ｄが磁気抵抗効果素子の場合、各磁気抵抗効果素子のピンド層の磁化方向が感度軸と実質的に平行であるとよい。具体的には、磁気検出素子１Ａは−Ｘ方向の磁化Ｊ１Ａを有するピンド層を含み、磁気検出素子１Ｂは＋Ｘ方向の磁化Ｊ１Ｂを有するピンド層を含み、磁気検出素子１Ｃは−Ｘ方向の磁化Ｊ１Ｃを有するピンド層を含み、磁気検出素子１Ｄは＋Ｘ方向の磁化Ｊ１Ｄを有するピンド層を含んでいる。
【００１３】
磁気検出部１０は、永久磁石２Ａ〜２Ｄおよび永久磁石３Ａ〜３Ｄをさらに有している。永久磁石２Ａおよび永久磁石３Ａは、磁気検出素子１Ａを挟んで対向するように配置され、磁化Ｊ１Ａと直交する方向、例えば＋Ｙ方向の磁化Ｊ２Ａおよび磁化Ｊ３Ａをそれぞれ有する。永久磁石２Ｂおよび永久磁石３Ｂは、磁気検出素子１Ｂを挟んで対向するように配置され、磁化Ｊ１Ｂと直交する＋Ｙ方向の磁化Ｊ２Ｂおよび磁化Ｊ３Ｂをそれぞれ有する。永久磁石２Ｃおよび永久磁石３Ｃは、磁気検出素子１Ｃを挟んで対向するように配置され、磁化Ｊ１Ｃと直交する＋Ｙ方向の磁化Ｊ２Ｃおよび磁化Ｊ３Ｃをそれぞれ有する。永久磁石２Ｄおよび永久磁石３Ｄは、磁気検出素子１Ｄを挟んで対向するように配置され、磁化Ｊ１Ｄと直交する＋Ｙ方向の磁化Ｊ２Ｄおよび磁化Ｊ３Ｄをそれぞれ有する。このような構成により、永久磁石２Ａ〜２Ｄおよび永久磁石３Ａ〜３Ｄは、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対し＋Ｙ方向のバイアス磁場をそれぞれ印加するようになっている。なお、永久磁石２Ａ〜２Ｄおよび永久磁石３Ａ〜３Ｄは、それぞれ、本発明の「バイアス磁場付与部」に相当する一具体例である。
【００１４】
磁気検出部１０におけるブリッジ回路では、磁気検出素子１Ａの第１の端部と磁気検出素子１Ｂの第１の端部とが接続点Ｐ１において接続され、磁気検出素子１Ｃの第１の端部と磁気検出素子１Ｄの第１の端部とが接続点Ｐ２において接続されている。さらに、磁気検出素子１Ａの第２の端部と磁気検出素子１Ｄの第２の端部とが接続点Ｐ３において接続され、磁気検出素子１Ｂの第２の端部と磁気検出素子１Ｃの第２の端部とが接続点Ｐ４において接続されている。ここで、接続点Ｐ３は電源Ｖｃｃと接続されており、接続点Ｐ４は接地されている。接続点Ｐ１，Ｐ２は、それぞれ差分検出器４の入力側端子と接続されている。この差分検出器４は、接続点Ｐ３と接続点Ｐ４との間に電圧が印加されたときの接続点Ｐ１と接続点Ｐ２との間の電位差を差分信号Ｓ１として復調部３０へ向けて出力するものである。
【００１５】
（変調部２０）
変調部２０は、変調コイル２１と、交流電源２２とを含んでいる。変調コイル２１は、交流電源２２により交流電流が供給されることにより、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対し、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向の成分を含む第１の周波数の交流磁場Ｈａｃを付与することができるように構成されている。交流磁場Ｈａｃは、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄにおける感度変調をもたらす。変調コイル２１は、例えば銅などからなる薄膜コイルであり、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄが構成するブリッジ回路の近傍に配置されている。なお、変調コイル２１は、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄと共通の基板上に設けられていてもよいし、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄが設けられた基板とは別の基板に設けられていてもよい。
【００１６】
（復調部３０）
復調部３０は、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄからの第１の周波数の出力信号、すなわち差分信号Ｓ１を復調し、その差分信号Ｓ１の振幅に基づき、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄが受ける検出対象磁場としての被測定磁場Ｈｍの強度を検出するようになっている。ここで図２を参照し、復調部３０の構成について具体的に説明する。図２は、復調部３０の構成例を表すブロック図である。
【００１７】
図２に示したように、復調部３０は、上流から下流へ向けて、ハイパスフィルタ３１と位相検波回路３２とローパスフィルタ３３とアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路３４とを有している。
【００１８】
ハイパスフィルタ３１は、第１の周波数未満である第２の周波数以上の周波数成分を通過させ、位相検波回路３２へ向けて出力信号Ｓ２を出力するフィルタである。例えば第１の周波数が１ｋＨｚである場合、第２の周波数は５００Ｈｚである。
【００１９】
位相検波回路３２は、参照信号ＲＳを参照し、ハイパスフィルタ３１からの出力信号Ｓ２から位相検波信号Ｓ３を取り出すようになっている。参照信号ＲＳは、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄからの第１の周波数（例えば１ｋＨｚ）の差分信号Ｓ１の位相と同じ位相であって第１の周波数の方形波である。位相検波信号Ｓ３は、ローパスフィルタ３３へ向かうようになっている。
【００２０】
ローパスフィルタ３３は、位相検波信号Ｓ３から被測定成分を平滑化し、Ａ／Ｄ変換回路３４へ向けて出力信号Ｓ４を出力するフィルタである。
【００２１】
Ａ／Ｄ変換回路３４は、ローパスフィルタ３３を通過し平滑化された被測定成分の出力信号Ｓ４に対しＡ／Ｄ変換を行い、出力信号Ｓoutを外部へ出力するように構成されている。
【００２２】
［磁場検出装置１００の動作および作用］
本実施の形態の磁場検出装置１００では、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄが受ける検出対象磁場としての被測定磁場Ｈｍの強度を検出することができる。特に、磁場検出装置１００では、変調部２０により磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの分解能が向上するので、より微弱な被測定磁場Ｈｍであっても高い精度で検出することができる。
【００２３】
図３は、変調部２０による磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの感度変調を説明する特性図である。図３では、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対し、永久磁石２Ａ〜２Ｄおよび永久磁石３Ａ〜３Ｄによるバイアス磁場とは別のＹ軸方向に沿った追加の直流磁場（以下、単に追加直流磁場という。）を印加しつつ、Ｘ軸方向に沿って−１０ｍＴから＋１０ｍＴの範囲に亘る被測定磁場Ｈｍを印加したときに得られる、差分信号Ｓ１の出力電圧［Ｖ］を表している。図３では、横軸を被測定磁場Ｈｍ［ｍＴ］とし、縦軸を出力電圧［Ｖ］としている。図３は、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対し＋１６ｍＴ，＋８ｍＴ，０ｍＴ，−８ｍＴ，−１６ｍＴの５水準の追加直流磁場をそれぞれ印加したときの、被測定磁場Ｈｍと出力電圧［Ｖ］との関係を示している。図３では、曲線Ｃ３−１は＋１６ｍＴの追加直流磁場を、曲線Ｃ３−２は＋８ｍＴの追加直流磁場を、曲線Ｃ３−３は０ｍＴの追加直流磁場を、曲線Ｃ３−４は−８ｍＴの追加直流磁場を、曲線Ｃ３−５は−１６ｍＴの追加直流磁場をそれぞれ磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに印加したときの特性を示している。なお、正の値の追加直流磁場は、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対し、永久磁石２Ａ〜２Ｄおよび永久磁石３Ａ〜３Ｄによるバイアス磁場の方向と同じアシスト方向（図１の例では＋Ｙ方向）に印加される。これに対し負の値の追加直流磁場は、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対し、永久磁石２Ａ〜２Ｄおよび永久磁石３Ａ〜３Ｄによるバイアス磁場の方向と反対のアゲインスト方向（図１の例では−Ｙ方向）に印加される。また、正の値の被測定磁場Ｈｍは、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対し、磁化Ｊ１Ｂおよび磁化Ｊ１Ｄと実質的に同じ方向（図１の例では＋Ｘ方向）に印加されることを意味し、負の値の被測定磁場Ｈｍは、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対し、磁化Ｊ１Ａおよび磁化Ｊ１Ｃと実質的に同じ方向（図１の例では−Ｘ方向）に印加されることを意味する。
【００２４】
図３に示したように、追加直流磁場の値によって出力電圧［Ｖ］が変動することがわかる。磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対し追加直流磁場を印加しない場合、すなわち追加直流磁場が０ｍＴの場合（曲線Ｃ３−３）を基準とすると、アシスト方向に追加直流磁場を印加した場合（曲線Ｃ３−１およびＣ３−２）には出力電圧［Ｖ］の絶対値が低下する一方、アゲインスト方向に追加直流磁場を印加した場合（曲線Ｃ３−４およびＣ３−５）には出力電圧［Ｖ］の絶対値が上昇する。したがって、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対しアゲインスト方向の追加直流磁場を印加することにより、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの被測定磁場Ｈｍに対する感度が向上するといえる。
【００２５】
上述したように、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄは、それらに印加される追加直流磁場の値に応じて感度変調を生じる。したがって、ある値の被測定磁場Ｈｍが印加された環境下において交流磁場Ｈａｃを印加すると、図４に示したように、磁気検出部１０からの出力電圧が周期的に変動することとなる。図４は、交流磁場Ｈａｃにより感度変調された磁気検出素子１Ａ〜１Ｄを含む磁気検出部１０からの出力電圧と、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに印加される被測定磁場Ｈｍとの関係を表す特性図である。
【００２６】
図４の（Ａ）は、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに対し、Ｙ軸方向に沿って交流磁場Ｈａｃを印加しつつＸ軸方向に沿って−１０ｍＴから＋１０ｍＴの範囲に亘る被測定磁場Ｈｍを印加したときに得られる、差分信号Ｓ１の出力電圧［Ｖ］を表している。なお、差分信号Ｓ１は、４つの磁気検出素子１Ａ〜１Ｄを含むブリッジ回路に対し電源Ｖｃｃにより接続点Ｐ３と接続点Ｐ４との間に所定の電圧を印加し、ブリッジ回路の接続点Ｐ１，Ｐ２からそれぞれ取り出された信号ｅ１と信号ｅ２とに基づいて差分検出器４において差分を検出することにより得られる。図４の（Ａ）では、横軸を被測定磁場Ｈｍ［ｍＴ］とし、縦軸を出力電圧［Ｖ］とし、＋８ｍＴ，０ｍＴ，−８ｍＴの３水準の交流磁場Ｈａｃについての被測定磁場Ｈｍと出力電圧［Ｖ］との関係を示している。
【００２７】
また、図４の（Ｂ）は、＋１０ｍＴ，＋５ｍＴ，０ｍＴ，−５ｍＴ，−１０ｍＴの５水準の被測定磁場Ｈｍがそれぞれ印加された状態において、振幅が±８ｍＴの交流磁場Ｈａｃを印加したときの磁気検出部１０からの出力電圧［Ｖ］の経時変化を表している。図４の（Ｂ）では、横軸を時刻Ｔとし、縦軸を差分信号Ｓ１の出力電圧［Ｖ］としている。また、図４の（Ｂ）では、１ｋＨｚの交流磁場Ｈａｃを印加した場合、すなわち時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの１周期が１ｍｓｅｃ．である場合を例示している。さらに、図４の（Ｂ）では、曲線Ｃ４−１は＋１０ｍＴの被測定磁場Ｈｍを、曲線Ｃ４−２は＋５ｍＴの被測定磁場Ｈｍを、曲線Ｃ４−３は０ｍＴの被測定磁場Ｈｍを、曲線Ｃ４−４は−５ｍＴの被測定磁場Ｈｍを、曲線Ｃ４−５は−１０ｍＴの被測定磁場Ｈｍをそれぞれ磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに印加したときの特性を示している。
【００２８】
図４に示したように、所定の被測定磁場Ｈｍが印加された環境下において交流磁場Ｈａｃを印加すると、磁気検出部１０からの出力電圧［Ｖ］が周期的に変動することがわかる。その際、被測定磁場Ｈｍの絶対値が大きいほど、出力電圧［Ｖ］の変動幅も大きくなっている。さらに、被測定磁場Ｈｍの印加方向が反対方向となることにより、出力電圧［Ｖ］の位相も反転することがわかる。
【００２９】
磁場検出装置１００では、磁気検出部１０において差分信号Ｓ１を生成したのち、ハイパスフィルタ３１により、磁気検出部１０からの差分信号Ｓ１における第２の周波数（例えば５００Ｈｚ）未満の周波数成分をカットする。これにより、第２の周波数（例えば５００Ｈｚ）未満の周波数成分である１／ｆノイズが除去される。なお、ハイパスフィルタ３１は、例えば図５Ａに示した回路構成を有する。また、図５Ｂは、ハイパスフィルタ３１を通過した後の、出力信号Ｓ２の波形の一例を表す特性図である。図５Ｂに示した波形は、図４の（Ｂ）に示した曲線Ｃ４−１〜Ｃ４−５を重ね合わせたものに相当する。より詳細には、図５Ｂの曲線Ｃ５−１〜Ｃ５−５が、それぞれ図４の（Ｂ）における曲線Ｃ４−１〜Ｃ４−５に相当する。なお、図５Ｂでは、横軸が経過時間［ｍｓｅｃ．］を表し、縦軸が出力電圧［−］を表している。縦軸の出力電圧［−］は、最大値を１として規格化した任意単位で表している。
【００３０】
磁場検出装置１００では、ハイパスフィルタ３１において出力信号Ｓ２を生成したのち、位相検波回路３２により、例えば図６Ａに示した参照信号ＲＳを参照して出力信号Ｓ２の復調を行い、位相検波信号Ｓ３を取り出す。図６Ａは、位相検波回路３２に入力される参照信号ＲＳの一例を表す波形図である。参照信号ＲＳは、図５Ｂに示した出力信号Ｓ２の波形の周期と同期しており、例えば０．５ｍｓｅｃ．ごとに値ＳＨと値ＳＬとが交互に繰り返される矩形波信号である。本実施の形態では、位相検波回路３２は、例えば参照信号ＲＳが値ＳＨのときには出力電圧の符号を反転させることなく出力信号Ｓ２を通過させ、参照信号ＲＳが値ＳＬのときには出力電圧の符号を反転させて出力信号Ｓ２を通過させるようになっている。その結果、例えば図６Ｂに示した波形を有する位相検波信号Ｓ３が得られる。図６Ｂは、位相検波回路３２を通過した後の位相検波信号Ｓ３の波形の一例を表す特性図である。図６Ｂの曲線Ｃ６−１〜Ｃ６−５は、それぞれ図５Ｂにおける曲線Ｃ５−１〜Ｃ５−５に相当する。
【００３１】
次に、磁場検出装置１００では、ローパスフィルタ３３において、位相検波信号Ｓ３から被測定成分を取り出す。その結果、例えば図７に示した波形を示す出力信号Ｓ４が得られる。図７の曲線Ｃ７−１〜Ｃ７−５は、それぞれ図６Ｂにおける曲線Ｃ６−１〜Ｃ６−５に相当する。
【００３２】
磁場検出装置１００では、最後に、Ａ／Ｄ変換回路３４により、ローパスフィルタ３３を通過して平滑化された被測定成分の出力信号Ｓ４に対しＡ／Ｄ変換を行い、出力信号Ｓoutを外部へ出力する。図８に、Ａ／Ｄ変換回路３４を通過した後の、出力信号Ｓoutの波形の一例を表す。図８では、横軸に被測定磁場［ｍＴ］を示し、縦軸に出力電圧［−］を示している。図８に示したように、出力信号Ｓoutでは、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄに印加される被測定磁場［ｍＴ］と、出力電圧［−］とがほぼ比例する関係にある。
【００３３】
［磁場検出装置１００の効果］
本実施の形態の磁場検出装置１００では、上述したように、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄが、変調コイル２１による交流磁場Ｈａｃの付与により、それらの感度の変調を受けるようになっている。これにより、被測定磁場Ｈｍの強度に応じて磁気検出素子１Ａ〜１Ｄからの出力電圧Ｖの振幅が変化することとなるので、復調部３０により、出力電圧Ｖの振幅に基づき、被測定磁場Ｈｍの強度を検出することができる。例えば、携帯電話機に内蔵される磁気コンパスでは、０〜１００Ｈｚ程度の周波数を有する被測定磁場の強度を測定することが多い。従来の磁気コンパスでは、上記周波数帯において磁気抵抗効果素子内に発生する大きな１／ｆノイズの影響により、十分な検出分解能が得られなかった。これに対し、本実施の形態の磁場検出装置１００および本実施の形態の磁場検出方法によれば、１／ｆノイズが効果的に除去されてより高い検出分解能を実現することができる。したがって、本実施の形態によれば、磁場の測定において高い再現性が得られる。
【００３４】
図９は、本実施の形態の磁場検出装置１００により測定した、Ｘ軸方向に沿った被測定磁場Ｈｍの測定値のばらつきを表す実験例である。図９では、横軸がサンプル番号を表し、縦軸が被測定磁場の実測値を表している。比較のため、参考例による被測定磁場Ｈｍの実測値についても併せて掲載する。その参考例は、変調部２０を有さず、交流磁場Ｈａｃを印加しなかったことを除き、他は本実施の形態の磁場検出装置１００と実質的に同じ構成を有する磁場検出装置である。図９に示したように、参考例と比較すると、本実験例では被測定磁場Ｈｍの実測値のばらつきが小さく、高い検出分解能を実現していることがわかる。
【００３５】
また、本実施の形態では、変調部２０により磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの感度が向上するので、より微弱な被測定磁場Ｈｍであっても高い精度で検出することができる。さらに、１／ｆノイズの発生源となる磁性材料を用いずに、変調コイル２１により磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの感度の変調を行うようにしたので、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄにおける被測定磁場Ｈｍの検出動作の阻害を回避できる。例えば、先に挙げた特許文献２では、磁性材料からなる磁束集中部材４０を備えるようにしているので、磁束集中部材４０がノイズ発生源となる可能性が高い。また、本実施の形態の変調コイル２１は、特許文献２のような磁束集中部材４０よりも薄型化や小型化が容易であり、配置位置の制約が少ないので、設計上の自由度が高い。よってコンパクト化に有利である。
【００３６】
また、本実施の形態では、ハイパスフィルタ３１を通過した出力信号Ｓ２のうち、位相検波回路３２において参照信号ＲＳに基づいて復調した周波数成分のみを最終的に出力信号Ｓoutとして取り出すようにしたので、より高いＳ／Ｎ比が得られる。
【００３７】
＜２．第２の実施の形態＞
［復調部３０Ａの構成］
図１０は、本発明の第２の実施の形態としての復調部３０Ａの構成例を表すブロック図である。この復調部３０Ａは、上記第１の実施の形態の復調部３０と同様に、磁場検出装置１００に搭載可能であり、変調部２０において感度変調された差分信号Ｓ１の復調を行い、Ｓ／Ｎ比の改善に寄与することができる。
【００３８】
図１０に示したように、復調部３０Ａは、復調部３０における位相検波回路３２の代わりにサンプル・アンド・ホールド回路３５を有している。また、ローパスフィルタ３３を有していない。これらの点を除いて、復調部３０Ａは、復調部３０と実質的に同じ構成を有する。
【００３９】
図１１Ａに、サンプル・アンド・ホールド回路３５の構成例を示す。さらに、図１１Ｂに、サンプル・アンド・ホールド回路３５に入力されるサンプルパルス信号ＰＳの波形の一例を表す特性図を示す。サンプル・アンド・ホールド回路３５は、サンプル・アンド・ホールド回路３５の外部から入力されるサンプルパルス信号ＰＳを参照して、図５Ｂに示した出力信号Ｓ２の波形のピーク値をサンプリングして出力信号Ｓ２の復調を行い、出力信号Ｓ５を取り出すようになっている。出力信号Ｓ５の波形は、例えば図７に示した出力信号Ｓ４の波形と実質的に同じである。
【００４０】
復調部３０Ａでは、Ａ／Ｄ変換回路３４により、サンプル・アンド・ホールド回路３５を通過したサンプル成分の出力信号Ｓ５に対しＡ／Ｄ変換を行い、出力信号Ｓoutを外部へ出力するようになっている。その際、Ａ／Ｄ変換回路３４は、複数のサンプル成分について時間平均処理を伴うＡ／Ｄ変換を行うようにしてもよい。被測定磁場Ｈｍの測定値のばらつきをよりいっそう抑えることができるからである。
【００４１】
［復調部３０Ａの作用効果］
本実施の形態においても、上記第１の実施の形態における復調部３０と同様に、変調部２０において感度変調された差分信号Ｓ１の復調を行い、Ｓ／Ｎ比の改善に寄与することができる。
【００４２】
＜３．変形例＞
以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、復調部として位相検波回路やサンプル・アンド・ホールド回路を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。また、上記実施の形態等では、復調部がハイパスフィルタやローパスフィルタを含むようにしたが、本発明ではこれらを省略してもよい。
【００４３】
また、上記実施の形態等に示した変調コイル２１は種種の形状を有するものを適用できる。具体的には、例えば図１２Ａに示した第１の変形例としての変調コイル２１Ａのように、複数の磁気検出素子（磁気検出素子１Ａ〜１Ｄ）が配列されるＸＹ面内において巻回する形態であってもよい。あるいは、図１２Ｂに示した第２の変形例としての変調コイル２１Ｂのように、互いに巻回する箇所を２以上含む形態であってもよい。さらには、図１２Ｃに示した第３の変形例としての変調コイル２１Ｃのように、複数の磁気検出素子（磁気検出素子１Ａ〜１Ｄ）が配列されるＸＹ面内に平行なＹ軸を中心として螺旋状に巻回するヘリカル形状をなしていてもよい。
【００４４】
また、上記実施の形態等では、バイアス磁場付与部として永久磁石を用いるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、バイアス磁場付与部として誘導コイルを用い、電磁誘導によりバイアス磁場を磁気検出素子に対して印加するようにしてもよい。さらに、本発明では、バイアス磁場付与部を設けなくともよい。その場合、例えば図１３に示したように、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの形状異方性を利用してもよい。具体的には、外部磁場が印加されていない状態において、フリー層の磁化Ｆ１Ａ〜Ｆ１Ｄの向きがピンド層の磁化Ｊ１Ａ〜Ｊ１Ｄの向き（Ｘ軸方向）と直交するように、磁気検出素子１Ａ〜１Ｄの長手方向（Ｙ軸方向）へ向いた状態で安定化させるとよい。
【符号の説明】
【００４５】
１００…磁場検出装置、１０…磁気検出部、１（１Ａ〜１Ｄ）…磁気検出素子、２Ａ〜２Ｄ，３Ａ〜３Ｄ…永久磁石、４…差分検出器、２０…変調部、２１…変調コイル、２２…交流電源、３０…復調部、３１…ハイパスフィルタ、３２…位相検波回路、３３…ローパスフィルタ、３４…Ａ／Ｄ変換回路、３５…サンプル・アンド・ホールド回路。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年2月13日(2020.2.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に沿った感度軸を有する磁気検出素子と、
前記磁気検出素子に対し、前記第１の方向と直交する第２の方向の成分を含む第１の周波数の交流磁場を付与可能な変調コイルと、
前記磁気検出素子からの前記第１の周波数の出力信号を復調し、前記出力信号の振幅に基づき、前記磁気検出素子が受ける被測定磁場の強度を検出する復調部と
を備えた磁場検出装置。
【請求項２】
前記復調部は、前記第１の周波数未満の第２の周波数以上の周波数成分を通過させるハイパスフィルタを有する
請求項１記載の磁場検出装置。
【請求項３】
前記復調部は、前記磁気検出素子からの前記出力信号の位相と同じ位相であって前記第１の周波数の方形波を参照し、位相検波信号を取り出す位相検波回路をさらに有する
請求項２記載の磁場検出装置。
【請求項４】
前記復調部は、前記位相検波信号から被測定成分を平滑化して通過させるローパスフィルタをさらに有する
請求項３記載の磁場検出装置。
【請求項５】
前記復調部は、前記ローパスフィルタを通過した被測定成分のＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換部をさらに有する
請求項４記載の磁場検出装置。
【請求項６】
前記復調部は、サンプル・アンド・ホールド回路をさらに有する
請求項２記載の磁場検出装置。
【請求項７】
前記復調部は、前記サンプル・アンド・ホールド回路を通過したサンプル成分のＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換部をさらに有する
請求項６記載の磁場検出装置。
【請求項８】
前記Ａ／Ｄ変換部は、複数の前記サンプル成分について時間平均処理を伴う前記Ａ／Ｄ変換を行う
請求項７記載の磁場検出装置。
【請求項９】
前記磁気検出素子に対し、前記第２の方向のバイアス磁場を付与するバイアス磁場付与部をさらに備えた
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の磁場検出装置。
【請求項１０】
第１の方向に沿った感度軸を有する磁気検出素子に対し、前記第１の方向と直交する第２の方向の成分を含む第１の周波数の交流磁場を付与することと、
前記磁気検出素子からの前記第１の周波数の出力信号の振幅に基づき、前記磁気検出素子が受ける被測定磁場の強度を検出することと
を含む磁場検出方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
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【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
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