(57)【要約】【課題】小型の磁性体ヘッドで高感度な周波数変調形磁界センサーを提供する。【解決手段】２個のＣＭＯＳインバータ１，２と、抵抗４と直列に接続されるアモルファスワイヤ５と、キャパシタンスＣ（３）よりなるマルチバイブレータ発振回路Ａを有する磁界センサーにおいて、電源電圧を３Ｖ以下、抵抗Ｒ（４）とアモルファスワイヤ５の直列抵抗を５００Ω以下に設定し、前記２個のＣＭＯＳインバータ１，２の入力電圧が閾値電圧に保持される時間幅が外部印加磁界によって変化するように構成した。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１のＣＭＯＳインバータと第２のＣＭＯＳインバータとの直列回路と、
（ｂ）前記第１のＣＭＯＳインバータと第２のＣＭＯＳインバータの直結端子に接続される高透磁率磁性体と抵抗との直列回路と、
（ｃ）該高透磁率磁性体と抵抗との直列回路に接続される直結端子とは反対側の端子と前記第２のＣＭＯＳインバータの入力端が接続されるとともに、前記直結端子とは反対側の端子と前記第１のＣＭＯＳインバータの出力端に接続されるキャパシタンスよりなるマルチバイブレータ発振回路を備え、
（ｄ）電源電圧を３Ｖ以下、前記高透磁率磁性体と抵抗との直列回路の抵抗を５００Ω以下に設定し、前記第１及び第２のＣＭＯＳインバータの入力電圧が閾値電圧に保持される時間幅が外部印加磁界によって変化するように構成したことを特徴とする周波数変調形磁界センサー。
【請求項２】
請求項１記載の周波数変調形磁界センサーにおいて、前記直結端子と接地との間に小容量キャパシタンスを挿入し、周波数変調感度を向上させたことを特徴とする周波数変調形磁界センサー。
【請求項３】
請求項１記載の周波数変調形磁界センサーにおいて、前記高透磁率磁性体としてアモルファスワイヤまたは薄膜を用いることを特徴とする周波数変調形磁界センサー。
【請求項４】
請求項１記載の周波数変調形磁界センサーにおいて、前記高透磁率磁性体が磁気インピーダンス効果を利用することを特徴とする周波数変調形磁界センサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数変調形磁界センサーに係り、特に小形な磁気ヘッドなど磁界検出センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周波数変調回路にはキャリア周波数発振回路が必要であり、１９９０年ごろからはＣＭＯＳインバータＣＲマルチバイブレータ回路が、パーソナルコンピュータや携帯電話機ＣＰＵなどのタイミング回路として広く使用され、２０００年以降は、年間数億個が生産されており、最も一般的な発振回路となっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−３２９６５５号公報（第３−５頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＣＭＯＳマルチバイブレータ回路に高透磁率磁性体を挿入して通常使用される回路パラメータで動作（インバータの入力電圧が閾値に一致した瞬間に出力電圧が跳躍的変化する動作）させても、周波数変化形磁界センサーとして動作させることは困難である。
【０００５】
なぜなら、通常使用されている回路パラメータは、ＣＭＯＳマルチバイブレータ回路に接続される抵抗Ｒが数キロΩ（オーム）以上であり、このオーダーの抵抗値を外部磁界で変化させるためには、非常に長尺の磁性体が必要になり、時代が要求するヘッドがマイクロ寸法の磁界センサーを実現することは出来ない。
【０００６】
また、仮に長尺ヘッドを用いても通常の回路動作では周波数変調感度が低く、実用可能性がない。
【０００７】
本願発明者は、ＣＭＯＳマルチバイブレータ回路の抵抗Ｒを５００Ω以下、電源電圧を３Ｖ（ボルト）以下に設定した場合にインバータ入力電圧が閾値電圧に保持される時間が現れること、そして、この閾値電圧に保持される時間幅が外部印加磁界によって高感度に変化することを発見し、これを基礎に、上記特許文献１に示す小型の磁性体ヘッド構成で高感度の周波数変調形磁界センサーを実現したものである。
【０００８】
さらに、この閾値保持現象の解明を進める過程でインバータ出力側の寄生ダイオードの逆電圧キャパシタンスが閾値保持の要因であることに着目し、新たにインバータ出力端子に小容量キャパシタンスを接続することにより、より高感度の周波数変調形磁界センサーを得た。これらの発明により、従来技術の課題を解決した。
【０００９】
本発明は、上記状況に鑑み、小型の磁性体ヘッドで高感度な周波数変調形磁界センサーを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した目的を達成するために、
〔１〕周波数変調形磁界センサーにおいて、第１のＣＭＯＳインバータと第２のＣＭＯＳインバータとの直列回路と、前記第１のＣＭＯＳインバータと第２のＣＭＯＳインバータの直結端子に接続される高透磁率磁性体と抵抗との直列回路と、この高透磁率磁性体と抵抗との直列回路に接続される直結端子とは反対側の端子と前記第２のＣＭＯＳインバータの入力端が接続されるとともに、前記直結端子とは反対側の端子と前記第１のＣＭＯＳインバータの出力端に接続されるキャパシタンスよりなるマルチバイブレータ発振回路を備え、電源電圧を３Ｖ以下、前記高透磁率磁性体と抵抗との直列回路の抵抗を５００Ω以下に設定し、前記第１及び第２のＣＭＯＳインバータの入力電圧が閾値電圧に保持される時間幅が外部印加磁界によって変化するように構成したことを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の周波数変調形磁界センサーにおいて、前記直結端子と接地との間に小容量キャパシタンスを挿入し、周波数変調感度を向上させたことを特徴とする。
【００１２】
〔３〕上記〔１〕記載の周波数変調形磁界センサーにおいて、前記高透磁率磁性体としてアモルファスワイヤまたは薄膜を用いることを特徴とする。
【００１３】
〔４〕上記〔１〕記載の周波数変調形磁界センサーにおいて、前記高透磁率磁性体が磁気インピーダンス効果を利用することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１実施例を示すＣＭＯＳマルチバイブレータ発振回路を有する周波数変調形磁界センサーの回路図である。
【００１６】
この図１に示すように、マルチバイブレータ発振回路Ａは、以下のような構成となっている。１，２は２個のＣＭＯＳインバータＩＣ（７４ＡＣ０４Ｐ）であり、Ｑ１　は第１のインバータ、Ｑ２　は第２のインバータである。また、３はコンデンサＣ（０．０１μＦ以下）、４は固定抵抗Ｒ（５０Ω）、５は１５μｍ径の零磁歪アモルファスワイヤ（ａ−ｗｉｒｅ、長さ１１ｍｍ、直流抵抗Ｒｄｃ＝９０Ω）、電源電圧Ｖｄｄ＝３Ｖである。なお、６は２個のＣＭＯＳインバータＩＣの直結端子（インバータ出力端子）、７はマルチバイブレータ発振回路Ａの出力端子である。
【００１７】
図２は図１に示すマルチバイブレータ発振回路Ａの各部の電圧、電流波形を示す図であり、図２（ａ）は電圧Ｖ２　（第２のＣＭＯＳインバータＱ２　の入力電圧）の波形図、図２（ｂ）は電圧Ｖ１　（第１のＣＭＯＳインバータと第２のＣＭＯＳインバータの直結端子の電圧）の波形図、図２（ｃ）はマルチバイブレータ発振回路の出力電圧ＶＯ　の波形図、図２（ｄ）は電圧ＶＯ　−Ｖ２　（コンデンサＣへの印加電圧）、図２（ｄ）は出力電流ｉＫ　（電圧電圧ＶＯ　−Ｖ１　）の波形図、図３はそのマルチバイブレータ発振回路ＡのインバータＩＣの回路図である。
【００１８】
図３において、１１〜１３（Ｄ１　〜Ｄ３　）は入力保護ダイオード、１４（ｒ）は抵抗、１５はＰチャンネルトランジスタ、１６はＮチャンネルトランジスタ、１７（Ｄ４　）はＰチャンネルトランジスタ１５のドレイン形成による寄生ダイオード、１８（Ｄ５　）はＮチャンネルトランジスタ１６のドレイン形成による寄生ダイオード、１９（Ｄ６　）はＰウエル形成による寄生ダイオード、２０は入力端子、２１は出力端子、２２，２３（ＶＤＤ，ＶＳＳ）は電源端子である。
【００１９】
図２（ａ）に示すように、第２のインバータ２（Ｑ２　）の入力電圧Ｖ２　が閾値電圧Ｖｔｈに保持される時間ｔｏが発生しており、外部磁界Ｈｅｘ（直流磁界）をアモルファスワイヤ５の長さ方向に印加すると、時間ｔｏが減少して発振周波数が増加する。発振周波数は、方形波出力電圧Ｖｏで計測する。
【００２０】
その時間ｔｏは、ＣＭＯＳマルチバイブレータ発振回路Ａを、従来の使用形態のように、抵抗Ｒ＋Ｒｄｄを６００Ω以上に設定すると現れない。
【００２１】
そこで、本発明の第１実施例では、抵抗Ｒ＋Ｒｄｄを５００Ω以下に設定する様にしたので、第２のインバータ２（Ｑ２　）の入力電圧Ｖ２　が電源電圧Ｖｄｄから減少して閾値電圧Ｖｔｈに達すると、固定抵抗４（Ｒ）とアモルファスワイヤ５を通して第２のインバータ２（Ｑ２　）出力側の寄生ダイオードＤ４　の静電容量（ＣＳ　＝約１００ｐＦ）に充電電流が流れ、図２（ｂ）に示すように、インバータ出力電圧Ｖ１　が増加するため、その増加の変化分が固定抵抗４（Ｒ）、アモルファスワイヤ５を通して第２のインバータ２（Ｑ２　）の入力電圧Ｖ２　へ伝わり、その入力電圧Ｖ２　が閾値電圧Ｖｔｈ以下に減少できず、閾値電圧Ｖｔｈに保持される。時間ｔｏは静電容量Ｄ４　への充電が完了するまでの時間である。
【００２２】
この時間ｔｏ期間では（Ｒ＋Ｒｄｃ）ＣＳ　を時定数（約０．１μｓ）とするＣＳ　への充電が開始し、アモルファスワイヤ５の表皮効果が生じて磁気インピーダンス効果によりインピーダンスの大きさ｜Ｚ｜が外部磁界によって高感度に変化する。このとき静電容量ＣＳ　への充電の時定数は（Ｒ＋ＲｅＺ）ＣＳ　である。
【００２３】
図４は本発明の第１実施例を示すＣＭＯＳマルチバイブレータ回路を有する周波数変調形磁界センサーの外部直流磁界Ｈｅｘに対する発振周波数ｆの変化（周波数変調）特性の測定結果を示す図である。
【００２４】
この図において、微小磁界｜Ｈｅｘ｜＜０．４Ｏｅ範囲では外部直流磁界Ｈｅｘに対する発振周波数ｆの増加率は約１８％／Ｏｅが得られた。なお、◆はアップ、○はダウンを示している。
【００２５】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００２６】
図５は本発明の第２実施例を示すＣＭＯＳマルチバイブレータ発振回路を有する周波数変調形磁界センサーの回路図、図６は図５に示すマルチバイブレータ発振回路Ｂの各部の電圧、電流波形を示す図、図７は本発明の第２実施例を示すＣＭＯＳマルチバイブレータ発振回路を有する周波数変調形磁界センサーの外部直流磁界Ｈｅｘに対する発振周波数ｆの変化（周波数変調）特性の測定結果を示す図である。なお、図７において、●はアップ、○はダウンを示している。
【００２７】
図５に示すように、マルチバイブレータ発振回路Ｂは、次のように構成されている。
【００２８】
３１，３２は２個のＣＭＯＳインバータＩＣ（７４ＡＣ０４Ｐ）であり、Ｑ１　は第１のインバータ、Ｑ２　は第２のインバータである。また、３３はコンデンサＣ（０．０１μＦ以下）、３４は零磁歪アモルファスワイヤ（直流抵抗Ｒｄｃ＝９０Ω）、３５は微小容量Ｃｏ（１００ｐＦ）であり、電源電圧Ｖｄｄ＝２．３Ｖである。なお、３６は２個のインバータ３１，３２の直結端子（インバータ出力端子）、３７はマルチバイブレータ発振回路Ｂの出力端子、３８はアースである。
【００２９】
上記した第１実施例で述べたように、インバータＩＣの出力側の寄生ダイオードの静電容量が周波数変調動作の基礎であることを見出したので、ここでは、図５に示すように新たに２個のインバータの直結端子（インバータ出力端子）３６とアース３８との間に微小容量３５（Ｃｏ）（１００ｐＦ）を接続し、周波数変調動作の高感度化を図った。
【００３０】
その結果、図６に示すような、マルチバイブレータ発振回路Ｂの各部の波形を有し、図７に示すように、周波数変調感度が３４％／Ｏｅに向上し、ダイナミックレンジも約２倍に増加した。
【００３１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００３３】
（Ａ）小型の磁性体ヘッドで高感度な周波数変調形磁界センサーを得ることができる。
【００３４】
（Ｂ）周波数変調感度が向上し、ダイナミックレンジも増加させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すＣＭＯＳマルチバイブレータ発振回路を有する周波数変調形磁界センサーの回路図である。
【図２】図１に示すマルチバイブレータ発振回路Ａの各部の電圧、電流波形を示す図である。
【図３】図１に示されるマルチバイブレータ発振回路ＡのインバータＩＣの回路図である。
【図４】本発明の第１実施例を示すＣＭＯＳマルチバイブレータ発振回路を有する周波数変調形磁界センサーの外部直流磁界Ｈｅｘに対する発振周波数ｆの変化（周波数変調）特性の測定結果を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例を示すＣＭＯＳマルチバイブレータ発振回路を有する周波数変調形磁界センサーの回路図である。
【図６】図５に示すマルチバイブレータ発振回路Ａの各部の電圧、電流波形を示す図である。
【図７】本発明の第２実施例を示すＣＭＯＳマルチバイブレータ発振回路を有する周波数変調形磁界センサーの外部直流磁界Ｈｅｘに対する発振周波数ｆの変化（周波数変調）特性の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ　　マルチバイブレータ発振回路
１，２，３１，３２　　２個のＣＭＯＳインバータＩＣ（Ｑ１　，Ｑ２　）
３，３３　　コンデンサＣ
４　　固定抵抗Ｒ
５　　１５μｍ径の零磁歪アモルファスワイヤ
６，３６　　インバータ出力端子
７　　マルチバイブレータ発振回路Ａの出力端子
１１〜１３　　入力保護ダイオード（Ｄ１　〜Ｄ３　）
１４　　抵抗
１５　　Ｐチャンネルトランジスタ
１６　　Ｎチャンネルトランジスタ
１７　　Ｐチャンネルトランジスタのドレイン形成による寄生ダイオードＤ４　
１８　　Ｎチャンネルトランジスタのドレイン形成による寄生ダイオードＤ５　
１９　　Ｐウエル形成による寄生ダイオードＤ６　
２０　　入力端子
２１　　出力端子
２２　　ＶＤＤ電源端子
２３　　ＶＳＳ電源端子
３４　　零磁歪アモルファスワイヤ
３５　　微小容量Ｃｏ
３７　　マルチバイブレータ発振回路Ｂの出力端子
３８　　アース
【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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