(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
感磁体と該感磁体の周囲に巻回された検出コイルとからなる感磁部と、
該感磁体へ供給するパルス電流を発信するパルス発信回路部と、
該パルス電流の発信に応じたタイミングでＯＮ−ＯＦＦする電子スイッチと該電子スイッチのＯＮ時に充電されるホールドコンデンサとからなるサンプルホールド回路部と、
該電子スイッチのＯＦＦ時に該ホールドコンデンサにより保持されたホールド電圧を増幅して出力する増幅回路部とを備えた磁気検出装置であって、
前記感磁体は、軟磁性合金のアモルファスからなる感磁ワイヤであり、
前記パルス電流の換算周波数は、０．３〜３ＧＨｚであり、
前記ホールドコンデンサは、静電容量が１０〜１００ｐＦであり、
さらに、前記検出コイル側に入力側が接続されると共に前記電子スイッチ側に出力側が接続されており、該検出コイルに生じたパルス状の誘起電圧からなる入力信号電圧に追従した出力信号電圧を生じて、該入力側から該出力側へ信号電圧を伝達するバッファー回路部が設けられており、
磁気インピーダンスセンサからなることを特徴とする磁気検出装置。
【請求項２】
前記パルス電流の換算周波数は０．４〜２ＧＨｚであり、
前記バッファー回路部を伝達するパルス状の信号電圧の周波数帯域であるパルス周波数帯域内に該換算周波数が含まれる請求項１に記載の磁気検出装置。
【請求項３】
前記ホールドコンデンサは、静電容量が１２〜３０ｐＦである請求項１または２に記載の磁気検出装置。
【請求項４】
前記軟磁性合金は、ＣｏＦｅＳｉＢ系合金である請求項１〜３のいずれかに記載の磁気検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高感度、低ノイズ、省電力を可能とする磁気検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
異物検出、地磁気検出、姿勢把握等のために磁気検出装置が用いられている。最近では、携帯電話、スマートフォンなどの携帯端末等にも超小型の磁気検出装置が搭載されている。このような磁気検出装置の代表例として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）のパルス駆動型検出コイル式磁気インピーダンスセンサがある。【０００３】
ここで磁気インピーダンスセンサとは、ＣｏＦｅＳｉＢ系合金等からなる感磁ワイヤ（特にアモルファスワイヤ）に高周波電流を流すと、表皮効果により、そのインピーダンスが外部磁界に応じて変化するというマグネトインピーダンス効果（ＭＩ効果）を利用したセンサである。検出コイル式とは、そのインピーダンス変化を感磁ワイヤの周囲に巻回した検出コイルに生じる誘起電圧により検出する方式である。パルス駆動型とは、その感磁ワイヤへ流す高周波電流として、パルス電流を流す型式である。以下では、磁気インピーダンスセンサのみならずパルス駆動型検出コイル式磁気インピーダンスセンサも、適宜、単に「ＭＩセンサ」と呼ぶ。このようなＭＩセンサに関連した記載は、例えば下記の特許文献にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１３４２３６号公報
【特許文献２】特開２００９−２５２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
基本的に、感磁ワイヤへパルス電流を流すＭＩセンサの場合、外部磁界に応じて変化する感磁ワイヤのインピーダンス変化を、検出コイルに生じる誘起電圧（信号電圧）に基づき検出する必要がある。従来のＭＩセンサでは、特許文献１の図２または特許文献２の図２を観れば明らかなように、検出コイルが電子スイッチを介してホールドコンデンサに直結されている。この場合、誘起電圧によって検出コイルを含む回路に流れる電流がホールドコンデンサへ直接充電され、そのホールドコンデンサの両端電圧（ホールド電圧）が増幅されて出力電圧とされていた。このように検出コイルからホールドコンデンサへ直接的に電流を流して、ホールドコンデンサの両極間に生じた電圧を検出するアナログ的な信号検波回路（アナログ型信号検波回路）でも、検出コイルの電気抵抗（Ｒ）とホールドコンデンサ（Ｃ）の静電容量が相応に小さいときは、ＭＩセンサの検出回路として十分に機能していた。【０００６】
ところが最近では、小型化を維持しつつ、さらなるＭＩセンサの高感度化、低ノイズ化等が要求されるようになってきた。ＭＩセンサの高感度化を図る方策の一つとして、検出コイルの巻線間隔（コイルピッチ）を狭小化するファインピッチ化が考えられる。このファインピッチ化に伴い、検出コイルは、従来のメッキ工法による厚さ５μｍ程度の厚膜コイルから、蒸着プロセスによる厚さ０．５μｍ程度の薄膜コイルへ移行されつつある。しかし、このようにファインピッチ化された検出コイルの電気抵抗は、その断面積の減少と長さの増大に応じて、指数関数的に大きくなる。その結果、検出コイルに生じる誘起電圧の増加分よりも、その誘起電圧に基づき検出コイルを含む回路を流れる電流（Ｉ）によって生じる電圧降下（ＩＲドロップ）分が大きくなり、ホールド電圧が逆に低下するという現象が生じる。従って、従来のアナログ型信号検波回路のままファインピッチ化を図っても、ＭＩセンサの高感度化は達成できなかった。【０００７】
また、ＭＩセンサの低ノイズ化を図る方策の一つとして、ホールドコンデンサの静電容量を増大させることが考えられる。現在販売されているＭＩセンサに搭載されているホールドコンデンサの静電容量は６ｐＦであるが、これを少なくとも１０ｐＦぐらいまで増大させることができれば、ノイズを１０〜３０％程度低減可能である。しかし、従来のアナログ型信号検波回路のまま静電容量を増大させると、パルス電流に対応した極短時間内にホールドコンデンサが十分に充電されず、ホールド電圧が逆に低下し、やはりＭＩセンサの感度低下を招く。【０００８】
さらにＭＩセンサの省電力化を図る方策の一つとして、感磁ワイヤへ供給する駆動電流の低減化（例えば、パルス幅の狭小化やパルス数の低減化）が考えられる。しかし、従来のアナログ型信号検波回路では、やはり、ホールドコンデンサの充電不足を招き、ＭＩセンサの感度を維持しつつ省電力化を図ることは難しかった。【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、高感度化、低ノイズ化または省電力化等を図れる新タイプの信号検波回路を備えた磁気検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、パルス駆動型検出コイル式ＭＩセンサの検出コイルとホールドコンデンサの間にバッファー回路を介在させ、その検出コイル側回路のみならずホールドコンデンサ側回路のインピーダンスも大きくすることにより、検出コイル側に生じた高い周波数（換算周波数）の入力信号電圧に追従した出力信号電圧をホールドコンデンサ側回路に生じさせることを思いついた。このようにバッファー回路を介して検出コイルからホールドコンデンサへ信号電圧を伝達するデジタル型信号検波回路を採用することにより、ＭＩセンサの高感度化や低ノイズ化等を大幅に改善し得ることを新たに見出した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。【００１１】
《磁気検出装置》
本発明の磁気検出装置は、感磁体と該感磁体の周囲に巻回された検出コイルとからなる感磁部と、該感磁体へ供給するパルス電流を発信するパルス発信回路部と、該パルス電流の発信に応じたタイミングでＯＮ−ＯＦＦする電子スイッチと該電子スイッチのＯＮ時に充電されるホールドコンデンサとからなるサンプルホールド回路部と、該電子スイッチのＯＦＦ時に該ホールドコンデンサにより保持されたホールド電圧を増幅して出力する増幅回路部とを備えた磁気検出装置であって、前記感磁体は、軟磁性合金のアモルファスからなる感磁ワイヤであり、前記パルス電流の換算周波数は、０．３〜３ＧＨｚであり、
前記ホールドコンデンサは、静電容量が１０〜１００ｐＦであり、さらに、前記検出コイル側に入力側が接続されると共に前記電子スイッチ側に出力側が接続されており、該検出コイルに生じたパルス状の誘起電圧からなる入力信号電圧に追従した出力信号電圧を生じて、該入力側から該出力側へ信号電圧を伝達するバッファー回路部が設けられており、磁気インピーダンスセンサからなることを特徴とする。
【００１２】
先ず、本発明に係るバッファー回路部の入力側（検出コイル側）は高インピーダンスであるため、検出コイルに誘起電圧が生じても、検出コイル側にはほとんど電流が流れない。このためファインピッチ化等により検出コイルの抵抗値が増加しても、電圧降下をほとんど生じることなく（僅かな電圧降下を生じるとしても）、検出コイルで生じた高い誘起電圧がほぼそのまま入力信号電圧としてバッファー回路部に入力される。【００１３】
次に、バッファー回路自体の出力側は、一般的に低インピーダンスとされている。しかし、本発明が対象としている磁気検出装置（ＭＩセンサ）では、その出力側に非常に静電容量が小さいホールドコンデンサ（数〜数十ｐＦレベル）が接続される。このため、バッファー回路部の出力側に形成される回路（つまりサンプルホールド回路部）の容量リアクタンス（１／ｊωＣ、ｊ：虚数単位、ω：伝達される信号の角周波数）は非常に大きくなり、ひいては、バッファー回路部の出力側に形成される回路のインピーダンスも非常に大きくなる。この結果、バッファー回路部の出力側に形成される回路には、電子スイッチをＯＮにした直後の一瞬を除き、殆ど電流が流れず、バッファー回路部の入力側に供給された入力信号電圧に対応した出力信号電圧がバッファー回路部の出力側にほぼそのまま生じ得る。換言するなら、バッファー回路部の入力側から出力側にかけて信号電圧が安定して伝達されるようになり、検出コイルからホールドコンデンサにかけて、あたかもデジタル回路的な信号検波回路（デジタル型信号検波回路）が構成される。【００１４】
この際、入力信号電圧が高周波数であると、バッファー回路の周波数特性により十分な出力信号電圧が得られないことが懸念される。しかし、本発明に係るバッファー回路部には、定常的な高周波数の信号電圧が入力されるわけではなく、一定の時間間隔毎に、その時間間隔よりも遥かに短いパルス幅をもつパルス状の入力信号電圧が入力される。このような場合、一般的なバッファー回路の周波数帯域に関する概念は妥当せず、入力信号電圧に追従した十分な出力信号電圧ひいてはホールド電圧が得られる。具体的にいうと、高周波帯域が１００ＭＨｚ程度のバッハー回路が、３ＧＨｚ程度の換算周波数のパルス電圧を入力側から出力側へ転送する能力を有することを本発明者は見出した。通常、高周波信号が伝送される場合、入力側と出力側との間で伝達される信号電圧に、１ｎｓ（１０−９秒）程度の遅れが生じると、０．２ＧＨｚ相当の高周波信号の伝送は困難となる。しかし、パルス信号が伝送される場合は、入力側と出力側との間で伝達されるパルス電圧に、１ｎｓ程度の遅れが生じたとしても、パルス電圧は伝送され、その程度の遅れは致命的な問題とはならない。本発明は、このようなパルス周波数帯域に立脚した着想および発見に基づき具現化され、完成されるに至ったものである。【００１５】
ちなみに、上記のようなデジタル型信号検波回路の場合、電子スイッチをＯＮにした直後の一瞬にバッファー回路部の出力側からホールドコンデンサへ電流が流れ、ホールドコンデンサが充電される。この一瞬を除き、電子スイッチがＯＮ状態にあるとき、ホールドコンデンサの両端電圧は検出コイルに生じる誘起電圧に応じて変化し得る。そして、検出コイルに生じる誘起電圧がほぼピークになる近傍などで電子スイッチがＯＦＦされると、そのＯＦＦ時におけるホールドコンデンサの両端電圧がホールド電圧として保持されることになる。【００１６】
また、本発明に係るホールドコンデンサは、誘起電圧に基づき検出コイルを流れる電流により直接的に充電される訳ではなく、バッファー回路部から供給される電流により充電されるため、上述したデジタル型信号検波回路が維持される範囲で、ホールドコンデンサの静電容量を従来より増加させることが可能となる。これにより本発明の磁気検出装置では、感度等を維持・向上させつつ、ホールドコンデンサの静電容量の増大による低ノイズ化も併せて図ることが可能となる。【００１７】
上述した内容を踏まえて、本発明に係るパルス電流の換算周波数は０．３〜３ＧＨｚさらには０．４〜２ＧＨｚであると好ましい。なお、本明細書でいう換算周波数は、パルス電流波形におけるパルスの立上り、若しくは立ち下りの時間Δｔ（図２Ａ参照）を、４分の１周期とする波形（図２Ｂ参照）の周波数（ｆ＝１／４Δt）である。【００１８】
また、パルス電流の換算周波数が０．３〜３ＧＨｚ内にあるとき、バッファー回路部を伝達するパルス状の信号電圧の周波数帯域であるパルス周波数帯域も、その換算周波数に対応した範囲内（具体的には０．３〜３ＧＨｚ）であると好適である。【００１９】
さらにホールドコンデンサは、静電容量が１０〜１００ｐＦさらには１２〜３０ｐＦであると好適である。静電容量が過小では十分なノイズ低減を図れない。静電容量が過大では、バッファー回路部の出力側に形成されるインピーダンスが小さくなり、前述したデジタル型信号検波回路の形成が困難となって、パルス周波数帯域の低下を招く。【００２０】
《その他》
特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の磁気検出装置に係る一実施例を示す回路図である。
【図２Ａ】パルス電流の波形図である。
【図２Ｂ】パルス電流の換算周波数を算出するための波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本明細書で説明する内容は、上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
【００２３】
《感磁部》
感磁部は感磁体と検出コイルとからなるが、本発明ではそれらの具体的な形態や材質等は問わない。もっとも感磁体が、零磁歪となる軟磁性合金のアモルファスからなる感磁ワイヤからなると、小型化と高感度化を実現し易く好適である。このような感磁部を構成する磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）に関する出願は多数されており、例えば、ＷＯ２００５／１９８５１号公報、ＷＯ２００９／１１９０８１号公報、日本特許４６５５２４７号公報などに詳しく記載されている。
【００２４】
なお、ＭＩ素子は、基本的に検出対象である外部磁気の検出方向（座標軸方向）毎に１つ設けられる。従って、例えば、三軸直交座標系で各軸方向の磁気成分を検出する場合なら、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向のそれぞれに感磁ワイヤを平行に配置した３つのＭＩ素子が必要となる。但し、ＷＯ２００５／１９８５１号公報にあるように、ＭＩ素子の一部を省略することも可能である。
【００２５】
ちなみに、本明細書では、便宜的に、磁気検出装置を構成する基本単位について説明している。逆にいえば、本発明の磁気検出装置は、検出する磁気成分の数を問わず、例えば、特定軸方向の磁気成分のみを検出するものでもよいし、独立した三軸方向の磁気成分を検出するものでもよい。
【００２６】
《用途》
本発明の磁気検出装置は、その用途を問わないが、例えば、方位や姿勢等の検知を必要とし、小型化、高感度化、省電力化等が要求される携帯電話、スマートフォン、タブレット端末、カーナビゲーション、デジタルカメラ、三次元マウス、モーションキャプチャ、ゲーム用リモコンコンコントローラ等の電子器機に組み込まれる。
【実施例】
【００２７】
本発明に係る一実施例である磁気検出装置１の回路図を図１に示した。磁気検出装置１は、感磁部１０と、パルス発信回路部２０と、バッファー回路部３０と、サンプルホールド回路部４０と、増幅回路部５０とからなる。【００２８】
感磁部１０は、ＣｏＦｅＳｉＢ系合金のアモルファスワイヤからなる感磁ワイヤ１１（感磁体）と、その周囲に巻回された検出コイル１２とを有するＭＩ素子からなる。感磁ワイヤ１１に後述するパルス電流が供給されると、感磁ワイヤ１１の円周方向にパルス的な磁場が生じ、パルス電流の立上り部または立下り部（ｄｉ／ｄｔが大きく変化する部分）に対応したパルス的な誘起電圧が検出コイル１２にも生じる。感磁ワイヤ１１の周囲に生じる磁場は外部磁気の影響を受けて変化し、その変化は検出コイル１２により検出される誘起電圧の変化となって現れる。この検出コイル１２に生じた誘起電圧を的確に検出することにより、感磁ワイヤ１１の周囲に生じている外部磁気も精確に把握できるようになる。【００２９】
パルス発信回路部２０は、パルス発信器２１からなり、所定のパルス電流を感磁ワイヤ１１に供給している。またパルス発信回路部２０は、そのパルス電流を発信するタイミングにほぼ同期した制御信号（電圧）を後述する電子スイッチ４１へ供給している。【００３０】
バッファー回路部３０は、増幅器３１からなり、フィードバック（負帰還）回路となっている。増幅器３１の入力側は、インピーダンスが実質的に無限大となっている。このため、検出コイル１２で生じた誘起電圧は、ほとんど電圧降下することがなく、ほぼそのまま増幅器３１へ入力される。一方、増幅器３１の出力側は、それ自体のインピーダンスは小さいが、後述するホールドコンデンサ４２の静電容量が非常に小さいため、その出力側に接続される回路のインピーダンスも非常に大きくなっている。【００３１】
サンプルホールド回路部４０は、電子スイッチ４１とホールドコンデンサ４２からなる。電子スイッチ４１は、パルス発信器２１からの制御信号に基づき開閉を行う。例えば、電子スイッチ４１は、パルス電流が立ち上がる所定時間だけＯＮ状態となり、誘起電圧がピーク値となるＯＦＦされる。この電子スイッチのＯＦＦ時に、ホールドコンデンサ４２の両端に生じていた電圧がホールド電圧として保持される。【００３２】
増幅回路部５０は、差動増幅器５１からなり、接地電圧に対するホールドコンデンサ４２のホールド電圧を増幅して出力する。なお、適宜、増幅回路部５０の入力側に高周波フィルタ回路を設けたり、その出力側に低周波フィルタ回路を設けてもよい。【００３３】
《試験》
上述したようなバッファー回路部を設けた磁気検出装置（以下、実施例という。）とそれを設けない磁気検出装置（以下、比較例という。）とによる感度およびノイズを測定した一例を以下に示す。この際、感磁ワイヤには、直径：１０μｍ、長さ：０．６ｍｍのＣｏＦｅＳｉＢ系合金からなるアモルファスワイヤを用いた。パルス電流は、パルス幅：１０ｎｓ、立上り時間若しくは立下り時間：０．５ｎｓ、電流値：１５０ｍＡの矩形波とし、パルス周波数は５０Ｈｚとした。ちなみに、このパルス電流の換算周波数（図２Ｂに示す４Δｔを１周期としたときの周波数）は、上記の立上り時間若しくは立下り時間からわかるように５００ＭＨｚ（０．５ＧＨｚ）となる。【００３４】
コイル幅：０．６ｍｍ、コイル巻数：４０回、コイルピッチ：７．５μｍとした検出コイルと１５ｐＦのホールドコンデンサを用いた場合、比較例の感度は１６ｍＶ／Ｇであったが、実施例の感度は２６ｍＶ／Ｇにまで大幅に上昇した。また同条件下で、比較例のノイズは２ｍＧであったが、実施例の感度は１ｍＧまで大幅に低減した。【００３５】
以上からバッファー回路部を設けることにより、磁気検出装置の高感度化や低ノイズ化を図れることが明らかとなった。
【符号の説明】
【００３６】
１０  感磁部
２０  パルス発信回路部
３０  バッファー回路部
４０  サンプルホールド回路部
５０  増幅回路部
【図１】
0005678358.tif 000002
【図２Ａ】
0005678358.tif 000003
【図２Ｂ】
0005678358.tif 000004