(57)【要約】  外部磁界を測定するための磁力計１００は、少なくとも１つのコア１０２、２つの励磁コイル１０６ａ，１０６ｂおよびピックアップコイル１０４を備える。少なくとも１つのコア１０２は、外部磁界１１１に応じて測定可能な磁気抵抗特性を有する。各励磁コイル１０６ａ，１０６ｂは、コア１０２の対向する両端の近傍もしくは周囲、または、各コア１０２の近傍もしくは周囲に設けられる。励磁コイル１０６ａ，１０６ｂは、交流によって駆動され、ＡＣサイクル部分の間に前記コアの磁化を部分的に飽和させるように構成される。ピックアップコイル１０４は、コア１０２および励磁コイル１０６ａ，１０６ｂの少なくとも一部の近傍または周囲に設けられる。ピックアップコイル１０４は、少なくとも外部磁界１１１が存在する状態において生じた信号を伝送するように構成される。前記生じた信号は外部磁界１１１に応じて測定可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁界を測定するための磁力計であって、
前記外部磁界に応じて測定可能な磁気抵抗特性を有する少なくとも１つのコアと、
前記コアまたは前記コアの少なくとも１つの近傍または周囲に設けられた少なくとも１つの励磁コイルであって、交流によって駆動され、ＡＣサイクル部分の間に前記コアの磁化を部分的に飽和させるように構成された励磁コイルと、
前記コアおよび前記励磁コイルの少なくとも一部の近傍または周囲に設けられた少なくとも１つのピックアップコイルであって、少なくとも前記外部磁界が存在する状態において生じた信号を伝送するように構成されたピックアップコイルと、
を備え、
前記生じた信号は前記外部磁界に応じて測定可能である、磁力計。
【請求項２】
前記コアは、ナノ粒子を含む高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料を有しており、
該材料は、負の磁気抵抗の電子スピン偏極を示し、
該磁気抵抗は、動作温度の範囲にわたって前記ナノ粒子間のスピントンネルから発生する、請求項１に記載の磁力計。
【請求項３】
前記高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料は、鉄、ニッケル、コバルト、それらの合金および酸化物、並びに、室温で強磁性を示すそれらの混合物から成る群から選択されたナノ粒子を含む、請求項２に記載の磁力計。
【請求項４】
前記高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料は、強磁性のフェライトのナノ粒子を含む、請求項２または３に記載の磁力計。
【請求項５】
前記強磁性のフェライトは、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＢａＦｅ１２Ｏ９およびＮｉ０．５Ｚｎ０．５Ｆｅ２Ｏ４から成る群から選択される、請求項４に記載の磁力計。
【請求項６】
前記コアは、プレスされたナノ粒子パウダーを含む、請求項２または３に記載の磁力計。
【請求項７】
前記プレスされたナノ粒子パウダーは、コアシェル型ナノ粒子を含む、請求項６に記載の磁力計。
【請求項８】
前記プレスされたナノ粒子パウダーは、四酸化三鉄のナノ粒子を含む、請求項６に記載の磁力計。
【請求項９】
少なくとも１つのコアが、ドーナツ型のコアである、請求項１〜８のいずれかに記載の磁力計。
【請求項１０】
少なくとも１つのコアが、環状、楕円状または矩形状のコアである、請求項１〜８のいずれかに記載の磁力計。
【請求項１１】
少なくとも１つのコアが、実質的に十字形のコアであり、
前記磁力計は、４つの励磁コイルを備え、
各励磁コイルは、前記十字形のコアの腕部分の周囲または近傍に設けられる、請求項１〜８のいずれかに記載の磁力計。
【請求項１２】
前記コアは、ナノ粒子を含む磁気抵抗性の膜を有する、請求項２または３に記載の磁力計。
【請求項１３】
前記ナノ粒子は、前記膜の基板の表面上に合成され、または該表面中に埋め込まれている、請求項１２に記載の磁力計。
【請求項１４】
前記膜は、二酸化ケイ素および鉄のナノ粒子を含む、請求項１２または１３に記載の磁力計。
【請求項１５】
前記コアは、動作温度範囲よりも実質的に低い阻害温度と、前記動作温度範囲よりも実質的に高いキュリー温度とを有する、請求項１〜１４のいずれかに記載の磁力計。
【請求項１６】
前記コアの前記阻害温度は約２００Ｋより低く、前記コアの前記キュリー温度は約３１３Ｋより高い、請求項１５に記載の磁力計。
【請求項１７】
前記コアの相対透磁率が１より大きい、請求項１〜１６のいずれかに記載の磁力計。
【請求項１８】
前記コアの前記相対透磁率が５０より大きい、請求項１７に記載の磁力計。
【請求項１９】
前記コアの前記相対透磁率が１０００より大きい、請求項１８に記載の磁力計。
【請求項２０】
前記ピックアップコイルからの信号は、所定の磁界閾値より低い外部磁界を測定するために用いられ、
前記コアの磁気抵抗は、前記所定の磁界閾値より高い外部磁界を測定するために用いられる、請求項１〜１９のいずれかに記載の磁力計。
【請求項２１】
前記所定の磁界閾値は、前記ピックアップコイルの飽和領域であり、該飽和領域は、前記ピックアップコイルからの信号の応答が飽和し始める領域であり、前記ピックアップコイルは、前記飽和領域までは、実質的に線形および非線形の応答を有する、請求項２０に記載の磁力計。
【請求項２２】
前記所定の磁界閾値は約１．５ｍＴである、請求項２１に記載の磁力計。
【請求項２３】
前記所定の磁界閾値は、非線形領域であり、該非線形領域は、前記ピックアップコイルからの信号が実質的に線形応答から非線形応答に切り替わる領域である、請求項２０に記載の磁力計。
【請求項２４】
前記ピックアップコイルからの信号は、約０．５ｍＴ以下では非線形性が１％未満の線形であり、前記所定の磁界閾値は約０．５ｍＴである、請求項２３に記載の磁力計。
【請求項２５】
前記ピックアップコイルからの信号は、約０．１ｎＴ以上の外部磁界の値を測定するために用いられる、請求項１〜２４のいずれかに記載の磁力計。
【請求項２６】
前記コアの磁気抵抗は、少なくとも約７Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために用いられる、請求項１〜２５のいずれかに記載の磁力計。
【請求項２７】
前記コアの磁気抵抗は、少なくとも約１２Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために用いられる、請求項２６に記載の磁力計。
【請求項２８】
前記コアの磁気抵抗は、少なくとも約３０Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために用いられる、請求項２７に記載の磁力計。
【請求項２９】
前記磁力計はフラックスゲート配置を備え、前記コア、２つ以上の励磁コイルおよび前記ピックアップコイルは、前記フラックスゲート配置の要素である、請求項１〜２８のいずれかに記載の磁力計。
【請求項３０】
２つ以上の励磁コイルを備え、各励磁コイルは、前記コアの対向する両端の近傍もしくは周囲に設けられ、または、各コアの近傍もしくは周囲に設けられる、請求項１〜２９のいずれかに記載の磁力計。
【請求項３１】
前記励磁コイルは、外部磁界がない状態において、前記コアに生じる磁化の合計が実質的に無視できるように構成されている、請求項３０に記載の磁力計。
【請求項３２】
前記磁力計は２つの励磁コイルを備え、該２つの励磁コイルは、各励磁コイルに巻かれ、または各励磁コイルの近傍に設けられた前記コアの領域において、２つの反平行の磁界を同時に交互に発生させるように構成されている、請求項３１に記載の磁力計。
【請求項３３】
前記励磁コイルは、外部磁界がない状態において、前記コアが交互に磁化されるように構成されている、請求項３０に記載の磁力計。
【請求項３４】
前記励磁コイルは、正の応答および負の応答を有する信号を前記ピックアップコイルに生じさせるように構成され、その結果、前記生じる信号の前記正の応答と前記負の応答との間の時間に、前記外部磁界が変化する、請求項３３に記載の磁力計。
【請求項３５】
前記励磁コイルは、一連のパルスを有する信号を前記ピックアップコイルに生じさせるように構成され、前記パルスの１以上のピーク電圧の変化が、前記外部磁界を表している、請求項３３に記載の磁力計。
【請求項３６】
１つのコアおよび２つの励磁コイルを備え、各励磁コイルは、前記コアの対向する両端の近傍または周囲に設けられる、請求項３０〜３５のいずれかに記載の磁力計。
【請求項３７】
第１コア、第２コア、第１励磁コイルおよび第２励磁コイルを備え、
前記第１励磁コイルは、前記第１コアの近傍または周囲に設けられ、
前記第２励磁コイルは、前記第２コアの近傍または周囲に設けられる、請求項３０〜３５のいずれかに記載の磁力計。
【請求項３８】
第１コア、第２コア、第１対の励磁コイルおよび第２対の励磁コイルを備え、
第１対の励磁コイルは、前記第１コアの一方の対向する両端の近傍または周囲に設けられ、
第２対の励磁コイルは、前記第２コアの対向する両端の近傍または周囲に設けられる、請求項３０〜３５のいずれかに記載の磁力計。
【請求項３９】
外部磁界がない状態において、前記第１コアの近傍または周囲の前記励磁コイルによって生じる磁界は、前記第２コアの近傍または周囲の前記励磁コイルによって生じる磁界と反対であり、外部磁界がない状態における前記第１および第２コアの前記磁界の合計は実質的に０であり、
外部磁界によって、前記第１および第２コアの前記磁界の合計が０ではなく時間的に変化する、請求項３７または３８に記載の磁力計。
【請求項４０】
３軸における磁界測定のために、３つのコアおよび６つの励磁コイルを備え、
励磁コイルの各ペアは、前記各コアの周囲または近傍に設けられ、
前記コアは互いに直角に配置され、１つの軸の前記コアからの磁界の測定値が、該軸における外部磁界を表している、請求項３０〜３５のいずれかに記載の磁力計。
【請求項４１】
３軸における磁界測定のために、６つのコアおよび１２の励磁コイルを備え、
２つの励磁コイルは、各コアの周囲または近傍に設けられ、
３対のコアは互いに直角に配置され、１つの軸の２つの各コアからの磁界の測定値が、該軸における外部磁界を表している、請求項３０〜３５のいずれかに記載の磁力計。
【請求項４２】
複数のピックアップコイルを備え、
各ピックアップコイルは、前記コアおよび前記励磁コイルの異なる部分の近傍または周囲に設けられる、請求項１〜４１のいずれかに記載の磁力計。
【請求項４３】
前記励磁コイルは交流で駆動され、ＡＣサイクル部分の間に少なくとも１つのコアを飽和させる磁界を生じさせ、前記交流は、ピーク電流が約１μＡ〜約５Ａであり、周波数が約１０ｋＨｚより大きい、請求項１〜４２のいずれかに記載の磁力計。
【請求項４４】
前記コアに電気的に接続され、該コアの磁気抵抗を測定するための一対の電極を備える、請求項１〜４３のいずれかに記載の磁力計。
【請求項４５】
前記外部磁界を表す電位差を生じさせるために、前記電極はホイートストンブリッジに電気的に接続されている、請求項４４に記載の磁力計。
【請求項４６】
前記コアに電気的に接続された二対以上の電極を備え、
該二対以上の電極は、前記外部磁界の勾配を測定するように構成され、および／または、前記電極の各対または少なくとも一対は、前記コアの磁気抵抗を測定するように構成されている、請求項１〜４３のいずれかに記載の磁力計。
【請求項４７】
少なくとも１つのコアの近傍に、電流を伝送するためのワイヤが設けられ、前記ワイヤによって伝送される電流は、前記ワイヤを流れる電流から生じる外部磁界を測定することによって決定される、請求項１〜４６のいずれかに記載の磁力計。
【請求項４８】
前記電流を伝送するためのワイヤは、少なくとも１つのコアの周囲に巻きつけられ、または、該コアを通るように設けられる、請求項４７に記載の磁力計。
【請求項４９】
コントローラを備え、該コントローラは、
前記コアからの磁気抵抗の測定値を受信し、
前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値を受信し、
前記磁気抵抗の測定値、および／または、前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値に基づいて前記外部磁界を決定する
ように構成されている、請求項１〜４８のいずれかに記載の磁力計。
【請求項５０】
前記コントローラは、前記外部磁界が少なくとも１つのコアを飽和させるのに十分高い場合に、少なくとも前記磁気抵抗の測定値に基づいて前記外部磁界を決定するように構成されている、請求項４９に記載の磁力計。
【請求項５１】
前記コントローラは、前記外部磁界が前記コアを実質的に飽和させない場合に、少なくとも前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値に基づいて前記外部磁界を決定するように構成されている、請求項４０に記載の磁力計。
【請求項５２】
前記コントローラは、前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値の感度が閾値より低い場合に、少なくとも前記磁気抵抗の測定値に基づいて前記外部磁界を決定するように構成されている、請求項４９〜５１のいずれかに記載の磁力計。
【請求項５３】
前記閾値は、少なくとも１つのコアを飽和させる磁界よりも低い、請求項５２に記載の磁力計。
【請求項５４】
前記コントローラは、マルチプレクサ回路を備え、該マルチプレクサ回路は、
前記磁気抵抗に基づく外部磁界の測定値と、前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値の感度に基づく外部磁界の測定値との一方を出力するように構成されている、請求項４９〜５３のいずれかに記載の磁力計。
【請求項５５】
請求項１に記載の磁力計を用いて外部磁界を測定する方法であって、
（ａ）所定の磁界閾値よりも低い外部磁界を測定するために、前記ピックアップコイルからの信号を用いるステップと、
（ｂ）前記所定の磁界閾値よりも高い外部磁界を測定するために、前記コアの前記磁気抵抗を用いるステップと、
を有する方法。
【請求項５６】
前記所定の磁界閾値は、前記ピックアップコイルの飽和領域であり、該飽和領域は、前記ピックアップコイルからの信号の応答が飽和し始める領域であり、前記ピックアップコイルからの信号は、前記飽和領域までは、実質的に線形および非線形の応答を有する、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記所定の磁界閾値は約１．５ｍＴである、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記所定の磁界閾値は、非線形領域であり、該非線形領域は、前記ピックアップコイルからの信号が実質的に線形応答から非線形応答に切り替わる領域である、請求項５５に記載の方法。
【請求項５９】
前記ピックアップコイルからの信号は、約０．５ｍＴ以下では非線形性が１％未満の線形であり、前記所定の磁界閾値は約０．５ｍＴである、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
ステップ（ａ）は、約０．１ｎＴ以上の外部磁界の値を測定するために、前記ピックアップコイルからの信号を用いるステップを有する、請求項５５〜５９のいずれかに記載の方法。
【請求項６１】
ステップ（ｂ）は、少なくとも約７Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために、前記コアの磁気抵抗を用いるステップを有する、請求項５５〜６０のいずれかに記載の方法。
【請求項６２】
ステップ（ｂ）は、少なくとも約１２Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために、前記コアの磁気抵抗を用いるステップを有する、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
ステップ（ｂ）は、少なくとも約３０Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために、前記コアの磁気抵抗を用いるステップを有する、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記磁力計は２つの励磁コイルを備え、前記方法は、各励磁コイルによって被覆された前記コアの領域において、２つの反平行または平行の磁界を交互に生じさせるために、前記励磁コイルを用いるステップをさらに有する、請求項５５〜６３のいずれかに記載の方法。
【請求項６５】
約１μＡ〜約５Ａで周波数が約１０ｋＨｚよりも大きいＡＣサイクル部分の間に、少なくとも１つのコアを飽和させる磁界を生じさせるために、前記励磁コイルを交流で駆動するステップをさらに有する、請求項５５〜６４のいずれかに記載の方法。
【請求項６６】
前記コアの近傍に電流を伝送するためのワイヤを設け、該ワイヤを流れる電流から前記外部磁界を測定するステップをさらに有する、請求項５５〜６５のいずれかに記載の方法。
【請求項６７】
前記ワイヤを少なくとも１つのコアの周囲に巻きつける、または、該コアを通るように設けるステップを有する、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
磁力計を組み立てる方法であって、
（ａ）電極を少なくとも１つの磁気抵抗性のコアに電気的に接続するステップと、
（ｂ）少なくとも１つの励磁コイルを、前記コアの少なくとも一部の近傍または周囲に巻きつけるステップと、
（ｃ）少なくとも１つのピックアップコイルを前記励磁コイルおよび前記コアの近傍または周囲に巻きつけるステップと、
を有する方法。
【請求項６９】
少なくとも１つの磁気抵抗性のコアは、ナノ粒子を含む高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料を有しており、
該材料は、負の磁気抵抗の電子スピン偏極を示し、
該磁気抵抗は、動作温度の範囲にわたってナノ粒子間のスピントンネルから発生する、請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
前記高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料は、鉄、ニッケル、コバルト、それらの合金および酸化物、並びに、室温で強磁性を示すそれらの混合物から成る群から選択されたナノ粒子を含む、請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】
前記高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料は、強磁性のフェライトのナノ粒子を含む、請求項６９または７０に記載の方法。
【請求項７２】
前記強磁性のフェライトは、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＢａＦｅ１２Ｏ９およびＮｉ０．５Ｚｎ０．５Ｆｅ２Ｏ４から成る群から選択される、請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
前記コアは、プレスされたナノ粒子パウダーを含む、請求項６９または７０に記載の方法。
【請求項７４】
前記プレスされたナノ粒子パウダーは、コアシェル型ナノ粒子を含む、請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
前記プレスされたナノ粒子パウダーは、四酸化三鉄のナノ粒子を含む、請求項７３に記載の方法。
【請求項７６】
少なくとも１つのコアが、ドーナツ型のコアである、請求項６８〜７５のいずれかに記載の方法。
【請求項７７】
少なくとも１つのコアが、環状、楕円状または矩形状のコアである、請求項６８〜７５のいずれかに記載の方法。
【請求項７８】
少なくとも１つのコアが、実質的に十字形のコアであり、
前記方法は、該十字形のコアの各腕部分の周囲に少なくとも１つの励磁コイルを巻きつけるステップを備える、請求項６８〜７５のいずれかに記載の方法。
【請求項７９】
少なくとも１つの磁気抵抗性のコアはペレットコアであり、
ステップ（ａ）は、前記電極を前記ペレットコアの一端に電気的に接続するステップを有する、請求項６８〜７８のいずれかに記載の方法。
【請求項８０】
少なくとも１つの磁気抵抗性のコアはペレットコアであり、
ステップ（ａ）は、前記電極を前記ペレットコアの長手に沿って電気的に接続するステップを有する、請求項６８〜７８のいずれかに記載の方法。
【請求項８１】
少なくとも１つの磁気抵抗性のコアはペレットコアであり、
ステップ（ａ）は、前記電極を前記ペレットコアの断面領域に沿って電気的に接続するステップを有する、請求項６８〜７８のいずれかに記載の方法。
【請求項８２】
少なくとも１つの磁気抵抗性のコアはペレットコアであり、
ステップ（ａ）は、前記電極を前記ペレットコアの対向する両端に電気的に接続するステップを有する、請求項６８〜７８のいずれかに記載の方法。
【請求項８３】
少なくとも１つの磁気抵抗性のコアはペレットコアであり、
前記方法は、前記ペレットコアを前記電極の周囲に成形するステップをさらに有する、請求項６８〜７８のいずれかに記載の方法。
【請求項８４】
磁気抵抗性のコアを複数積層して、コアの柱を形成するステップをさらに有する、請求項６８〜７８のいずれかに記載の方法。
【請求項８５】
ステップ（ａ）は、前記コアの柱の実質的に中央にあるコアに、電極を電気的に接続するステップを有する、請求項８４に記載の方法。
【請求項８６】
ステップ（ａ）は、前記コアの柱の一端にあるコアに、電極を電気的に接続するステップを有する、請求項８４または８５に記載の方法。
【請求項８７】
ステップ（ａ）は、前記コアの柱の対向する両端にあるコアに、電極を電気的に接続するステップを有する、請求項８４または８６に記載の方法。
【請求項８８】
前記コアは、ナノ粒子を含む磁気抵抗性の膜を有する、請求項６９または７０に記載の方法。
【請求項８９】
前記ナノ粒子を、前記膜の基板の表面上に合成する、または、該表面中に埋め込むステップをさらに有する、請求項８８に記載の方法。
【請求項９０】
前記膜は、二酸化ケイ素および鉄のナノ粒子を含む、請求項８８または８９に記載の方法。
【請求項９１】
前記コアは、動作温度範囲よりも実質的に低い阻害温度と、前記動作温度範囲よりも実質的に高いキュリー温度とを有する、請求項６８〜９０のいずれかに記載の方法。
【請求項９２】
前記コアの前記阻害温度は約２００Ｋより低く、前記コアの前記キュリー温度は約３１３Ｋより高い、請求項９１に記載の方法。
【請求項９３】
前記コアの相対透磁率が１より大きい、請求項６８〜９２のいずれかに記載の方法。
【請求項９４】
前記コアの前記相対透磁率が５０より大きい、請求項９３に記載の方法。
【請求項９５】
前記コアの前記相対透磁率が１０００より大きい、請求項９６に記載の方法。
【請求項９６】
前記電極は、外部磁界に応じて計測可能な、前記コアの磁気抵抗、前記ピックアップコイルによって伝送される磁気抵抗および信号を測定するように構成されている、請求項６８〜９５のいずれかに記載の方法。
【請求項９７】
前記磁力計は、２つ以上の励磁コイルを備え、該励磁コイルは、ＡＣサイクル部分の間に前記コアの磁化を部分的に飽和させるように、交流で駆動されるように構成されている、請求項６８〜９５のいずれかに記載の方法。
【請求項９８】
ステップ（ａ）は、前記電極をホイートストンブリッジに電気的に接続するステップを有し、
前記ホイートストンブリッジは、前記外部磁界を表す電位差を生じさせるように構成されている、請求項６８〜９７のいずれかに記載の方法。
【請求項９９】
ステップ（ａ）は、複数対の電極を前記コアに電気的に接続するステップを有し、
前記複数対の電極は、前記外部磁界の勾配を測定するように構成され、および／または、前記電極の各対または少なくとも一対は、前記コアの磁気抵抗を測定するように構成されている、請求項６８〜９８のいずれかに記載の方法。
【請求項１００】
前記電極および前記ピックアップコイルをコントローラに電気的に接続するステップをさらに有し、前記コントローラは、
前記コアからの磁気抵抗の測定値を受信し、
前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値を受信し、
前記磁気抵抗の測定値、および／または、前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値に基づいて前記外部磁界を決定する
ように構成されている、請求項６８〜９９のいずれかに記載の方法。
【請求項１０１】
前記磁力計は、３軸における磁界測定のために、３つのコアおよび６つの励磁コイルを備え、
前記方法は、励磁コイルの各ペアを、前記各コアの周囲または近傍に設けるステップをさらに有し、
前記コアは互いに直角に配置され、１つの軸の前記コアからの磁界の測定値が、該軸における外部磁界を表している、請求項６８〜９９のいずれかに記載の方法。
【請求項１０２】
前記磁力計は、３軸における磁界測定のために、６つのコアおよび１２の励磁コイルを備え、
前記方法は、２つの励磁コイルを、各コアの周囲または近傍に設けるステップを有し、２つの各コアからの磁界の測定値は、前記３軸のそれぞれにおける外部磁界を表しており、
３対のコアは互いに直角に配置され、前記軸の２つの各コアからの磁界の測定値は、該軸における外部磁界を表している、請求項６８〜１００のいずれかに記載の方法。
【請求項１０３】
前記磁力計は、複数のピックアップコイルを備え、
前記方法は、各ピックアップコイルを、前記コアおよび前記励磁コイルの異なる部分の近傍または周囲に設けるステップを有する、請求項６８〜１０２のいずれかに記載の方法。
【請求項１０４】
磁力計を組み立てる方法であって、
（ａ）超常磁性のナノ粒子を含む少なくとも１つの基板上に、絶縁層によって分離された平面状のコイルの形態で、異なる金属層を堆積するステップと、
（ｂ）超常磁性のナノ粒子を含む前記基板に、電極を電気的に接続するステップと、
を有する方法。
【請求項１０５】
前記超常磁性のナノ粒子は、負の磁気抵抗の電子スピン偏極を示す磁気抵抗材料を形成しており、該磁気抵抗は、動作温度の範囲にわたってナノ粒子間のスピントンネルから発生する、請求項１０４に記載の方法。
【請求項１０６】
前記超常磁性のナノ粒子は、鉄、ニッケル、コバルト、それらの合金および酸化物、並びに、室温で強磁性を示すそれらの混合物から成る群から選択されたナノ粒子を含む、請求項１０４または１０５に記載の方法。
【請求項１０７】
前記超常磁性のナノ粒子は、強磁性のフェライトのナノ粒子を含む、請求項１０４〜１０６のいずれかに記載の方法。
【請求項１０８】
前記強磁性のフェライトは、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＢａＦｅ１２Ｏ９およびＮｉ０．５Ｚｎ０．５Ｆｅ２Ｏ４から成る群から選択される、請求項１０７に記載の方法。
【請求項１０９】
前記超常磁性のナノ粒子は、コアシェル型ナノ粒子を含む、請求項１０５または１０６に記載の方法。
【請求項１１０】
前記超常磁性のナノ粒子は、四酸化三鉄のナノ粒子を含む、請求項１０５または１０６に記載の方法。
【請求項１１１】
前記超常磁性のナノ粒子を含む前記基板は、膜である、請求項１０４〜１１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１１２】
前記膜は、二酸化ケイ素および鉄のナノ粒子を含む、請求項１１１に記載の方法。
【請求項１１３】
前記超常磁性のナノ粒子は、動作温度範囲よりも実質的に低い阻害温度と、前記動作温度範囲よりも実質的に高いキュリー温度とを有する材料を形成している、請求項１０４〜１１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１１４】
前記コアの前記阻害温度は約２００Ｋより低く、前記コアの前記キュリー温度は約３１３Ｋより高い、請求項１１３に記載の方法。
【請求項１１５】
前記超常磁性のナノ粒子は、相対透磁率が１より大きい材料を形成している、請求項１０４〜１１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１１６】
前記相対透磁率が５０より大きい、請求項１１５に記載の方法。
【請求項１１７】
前記相対透磁率が１０００より大きい、請求項１１６に記載の方法。
【請求項１１８】
前記超常磁性のナノ粒子を、前記基板の表面上に合成する、または、該表面中に埋め込むステップをさらに有する、請求項１０４〜１１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１１９】
前記電極は、磁気抵抗を測定するように構成され、
前記平面状のコイルの１つは、ピックアップコイルであり、
前記磁気抵抗、および前記ピックアップコイルによって伝送される信号は、外部磁界に応じて測定可能である、請求項１０４〜１１８のいずれかに記載の方法。
【請求項１２０】
２つの平面状のコイルは励磁コイルであり、超常磁性のナノ粒子を含む前記基板に磁界を生じさせるように構成されている、請求項１０４〜１１９のいずれかに記載の方法。
【請求項１２１】
ステップ（ａ）は、前記電極をホイートストンブリッジに電気的に接続するステップを有し、
前記ホイートストンブリッジは、外部磁界を表す電位差を生じさせるように構成されている、請求項１０４〜１２０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２２】
ステップ（ａ）は、複数対の電極を前記コアに電気的に接続するステップを有し、
前記複数対の電極は、前記外部磁界の勾配を測定するように構成され、および／または、前記電極の各対または少なくとも一対は、超常磁性のナノ粒子を含む前記基板の磁気抵抗を測定するように構成されている、請求項１０４〜１２１のいずれかに記載の方法。
【請求項１２３】
前記電極および少なくとも１つの平面状のコイルをコントローラに電気的に接続するステップをさらに有し、前記コントローラは、
前記コアからの磁気抵抗の測定値を受信し、
前記外部磁界が存在することによって前記少なくとも１つの平面状のコイルに生じた信号の測定値を受信し、
前記磁気抵抗の測定値、および／または、前記平面状のコイルに生じた信号の測定値に基づいて前記外部磁界を決定する
ように構成されている、請求項１０４〜１２２のいずれかに記載の方法。
【請求項１２４】
ステップ（ａ）は、
平面状の励磁コイルおよび平面状のピックアップコイルを異なる基板上に配置するステップと、
前記平面状の励磁コイルおよび平面状のピックアップコイルを、超常磁性のナノ粒子を含む前記基板に実装するステップと、
をさらに有する、請求項１０４〜１２３のいずれかに記載の方法。
【請求項１２５】
請求項６８〜１２４のいずれかに記載の方法によって組み立てられた磁力計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広いダイナミックレンジの磁界測定を行なう磁力計、およびそのような磁力計の応用機器（例えば、磁界センサや電流センサのような電磁装置）に関する。
【背景技術】
【０００２】
正確な磁界測定は、広範囲の分野、並びに、操縦から加速器技術および材料科学まで及ぶ応用において、必要となる。また、例えば充電器、太陽電池または燃料電池の場合、非接触で導体を流れる電流を測るために、正確な磁界測定が必要とされる。これらの応用および他の応用のために、センサの寸法は制限されている。
【０００３】
多くの異なる技術が、電磁誘導、ホール効果、核の歳差運動、ファラデー回転、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）、磁気抵抗、巨大磁気インピーダンスおよびフラックスゲートのような、異なる物理的法則に基づいて発展している。これらの装置は、様々な異なる磁界範囲において優れた感度を持っている。しかし、広範囲の磁界（例えば１ｎＴから３０Ｔまで）を測定することができる適切な単一の磁界センサは存在しない。商用の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）および異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）のセンサは小型であり、小さな磁界を測定することができるが、磁性材料の飽和によって５０ｍＴ以下に制限されている。ＳＱＵＩＤも小型であるが、高価であり、大きな磁界を測定するために使用することはできない。また、核の歳差運動に依存するセンサも高価であり、小型化することができず、小さな磁界を測定することができない。バルクホールセンサは最も一般的な磁気センサであり、小型化することができるが、小さな磁界を測定することができない。２次元電子ガスホールセンサは、（１０以下のファクタによる）バルクホールセンサより高感度であるが、中位の磁界において非線形となる。
【０００４】
最も用途の広い技術は、誘導検知コイルに基づいている。誘導検知コイルは、異なる用途ごとに特有の設計をすることができる。しかし、誘導検知コイルはＡＣ磁界しか測定することができず、また、サイズが小さくなるほど感度が低下する。バッテリー、イオン輸送および加速器システムのための電源制御装置のようないくつかの応用機器では、１ｎＴから１Ｔまでの広範囲の磁界にわたって、ワイヤ又は電磁石を通る電流の磁界を測定する機能が要求される。現在、これは、いくつかの補助的なセンサを用いなければ、達成することができない。
【０００５】
フラックスゲート磁力計は、低磁界およびＤＣ磁界を測定することができ、また、小型化することができる。単純な一構造では、高い透磁率で低ヒステリシスの磁気コア、各コアにそれぞれ巻かれた２つの励磁コイル、および両方のコアに巻かれた１つのピックアップコイルが使用される。いくつかの事例および応用機器によっては、環状または十字形のコアを含んだ、異なる結合構造が用いられる。外部磁界が印加されていない場合は、両方のコアからの磁界の合計が０となるように、ＡＣ励磁信号を励磁コイルに同時に駆動する。外部磁界がピックアップコイルの軸に印加されている場合のみ、ピックアップコイルの磁界が０でなく、時間的に変化する。これにより、励磁周波数の２倍の信号がピックアップコイルに生じる。ピックアップコイルからの信号の振幅および波形は、外部磁界に依存する。ピックアップ信号は、フィルタリングされて増幅され、当該信号の振幅および位相は、外部磁界の方向および振幅を示す。信号を検出するために、ロックイン増幅器システムが典型的に使用される。フラックスゲート磁力計は、（数１０ｐＴ未満の）低い磁界を測定することができるが、（数１００μＴを超える）高い磁界を測定することはできない。それは、磁気コアが飽和して、非線形な磁化、または、ヒステリシス効果が大きくなるためである。
【０００６】
小型のフラックスゲート磁力計は、典型的にはＰＣＢまたは微細加工に関連する組み立て工程において、様々な外形を用いたものが開発されている。
【０００７】
超常磁性材料、特に、超常磁性ナノ材料は、小型のフラックスゲートのコアとして使用するために特に有効であることが示されている。確かに、当該材料は、磁化、高透磁性および低い飽和磁界において、適度に低いヒステリシスを示す。
【０００８】
低い磁界は、ＡＭＲフラックスゲート磁力計によって測定することができる。P.D.Dimitropoulosは、ハイブリッドフラックスゲート技術において、ピックアップコイルは、より低い磁界を測定可能なＡＭＲセンサに置き換わると述べている（非特許文献１）。励磁磁界が互いに対向し、信号は外部磁界がなければ存在しないので、ハイブリッド磁力計は標準的なフラックスゲート磁力計と同様である。そのようなフラックスゲート磁力計は、低磁界の測定において高い感度を示すとともに、標準的なフラックスゲート磁力計よりも速い応答性を潜在的に有している。さらに、そのようなフラックスゲート磁力計は、通常、寸法が小さく、超小型電子素子に組み込むことができる。しかし、その技術は、磁界の範囲が制限されたままである。具体的には、ＡＭＲ材料における磁化の低い磁界飽和、非線形およびヒステリシスのため、（典型的に２００μＴを超える）高い磁界の測定は不可能である。
【０００９】
大きな磁気抵抗によって、広範囲の磁界を測定する優れた方法を提供することができる。確かに、ＡＭＲ、ＧＭＲおよび磁気トンネル接合（ＭＴＪ）は、（数ｎＴ以下の）低い磁界を高い感度で検知することができる。しかし、それらは、磁性材料が飽和するため、０．１Ｔ未満の磁界にしか使用できない。アバランシェ降伏、スピン注入磁気抵抗および幾何学的磁気抵抗を含む他の磁気抵抗タイプは、（０．５Ｔを超える）大きな磁界において高い感度を有する。具体的には、プレスされたＦｅナノパウダー、ＳｉＯ２上のＦｅナノ粒子、およびナノ粒子のＦｅ：Ａｌ２Ｏ３薄膜などのナノ構造材料は、高磁界において、線形性を有する大きな正の磁気抵抗を示す。これらのナノ材料は、ヒステリシスおよび低温ドリフトのない磁界測定のための電磁装置にとって興味深い特性をもたらす。しかし、低磁界から高磁界にわたって正確に磁界を測定するための、単一の磁気抵抗技術は実現されていない。
【００１０】
また、非接触の電流検出も、導体を通って流れる電流によって生成される磁界の測定に依存する。この目的のために、導体を封入する磁束集束器として、軟磁性材料が用いられる。磁束集束器は通常、ギャップを備えており、ギャップ内で集束された磁束が測定される。現時点において、実際の磁束測定は、ホール効果、磁気抵抗またはフラックスゲートセンサによって行なわれている。しかし、上記と同じ理由により、磁界の範囲、および、それによって検出される電流の範囲は、制限される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】P.D.Dimitropoulos、Sensors and Actuators A、第107巻、2003年、p.238−247
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明は、上述の方法の問題の克服、広いダイナミックレンジを有する磁力計の提供、および／または、少なくとも公の有用な選択の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の態様によれば、本発明は、外部磁界を測定するための磁力計であって、
前記外部磁界に応じて測定可能な磁気抵抗特性を有する少なくとも１つのコアと、
前記コアまたは前記コアの少なくとも１つの近傍または周囲に設けられた少なくとも１つの励磁コイルであって、交流によって駆動され、ＡＣサイクル部分の間に前記コアの磁化を部分的に飽和させるように構成された励磁コイルと、
前記コアおよび前記励磁コイルの少なくとも一部の近傍または周囲に設けられた少なくとも１つのピックアップコイルであって、少なくとも前記外部磁界が存在する状態において生じた信号を伝送するように構成されたピックアップコイルと、
を備え、前記生じた信号は前記外部磁界に応じて測定可能である、磁力計を提供する。
【００１４】
一実施形態では、前記磁力計は、１つのコアと、該コアの近傍または周囲に設けられる２つの励磁コイルとを備える。
【００１５】
一実施形態では、前記磁力計は、２つ以上の励磁コイルを備え、各励磁コイルは、前記コアの対向する両端の近傍もしくは周囲に設けられ、または、各コアの近傍もしくは周囲に設けられる。一実施形態では、前記磁力計は、１つのコアおよび２つの励磁コイルを備え、各励磁コイルは、前記コアの対向する両端の近傍または周囲に設けられる。他の実施形態では、前記磁力計は、第１コア、第２コア、第１励磁コイルおよび第２励磁コイルを備え、前記第１励磁コイルは、前記第１コアの近傍または周囲に設けられ、前記第２励磁コイルは、前記第２コアの近傍または周囲に設けられる。他の実施形態では、前記磁力計は、第１コア、第２コア、第１対の励磁コイルおよび第２対の励磁コイルを備え、第１対の励磁コイルは、前記第１コアの対向する両端の近傍または周囲に設けられ、第２対の励磁コイルは、前記第２コアの対向する両端の近傍または周囲に設けられる。
【００１６】
一実施形態では、前記磁力計は、２つ以上の励磁コイルを含み、前記励磁コイルは、外部磁界がない状態において、前記コアに生じる磁化の合計が実質的に無視できるように構成されている。
【００１７】
他の実施形態では、前記磁力計は、２つ以上の励磁コイルを含み、前記励磁コイルは、外部磁界がない状態において、前記コアが交互に磁化されるように構成されている。さらなる実施形態では、前記励磁コイルは、正の応答および負の応答を有する信号を前記ピックアップコイルに生じさせるように構成され、その結果、前記生じる信号の前記正の応答と前記負の応答との間の時間に、前記外部磁界が変化する。他の実施形態では、前記励磁コイルは、一連のパルスを有する信号を前記ピックアップコイルに生じさせるように構成され、前記パルスの１以上のピーク電圧の変化が、前記外部磁界を表している。
【００１８】
一実施形態では、前記磁力計は、第１コア、第２コア、および２つまたは４つの励磁コイルを備え、外部磁界がない状態において、前記第１コアの近傍または周囲の前記励磁コイルによって生じる磁界は、前記第２コアの近傍または周囲の前記励磁コイルによって生じる磁界と反対であり、外部磁界がない状態における前記第１および第２コアの前記磁界の合計は実質的に０であり、外部磁界によって、前記第１および第２コアの前記磁界の合計が０ではなく、および／または、時間的に変化する。
【００１９】
一実施形態では、前記磁力計は、３軸における磁界測定のために、３つのコアおよび６つの励磁コイルを備え、励磁コイルの各ペアは、前記各コアの周囲または近傍に設けられている。さらなる実施形態では、前記コアは互いに直角に配置され、１つの軸の前記コアからの磁界の測定値が、該軸における外部磁界を表している。
【００２０】
他の実施形態では、前記磁力計は、３軸における磁界測定のために、６つのコアおよび１２の励磁コイルを備え、２つの励磁コイルは、各コアの周囲または近傍に設けられている。さらなる実施形態では、３対のコアは互いに直角に配置され、１つの軸の２つの各コアからの磁界の測定値が、該軸における外部磁界を表している。
【００２１】
一実施形態では、前記磁力計は、複数のピックアップコイルを備え、各ピックアップコイルは、前記コアおよび前記励磁コイルの異なる部分の近傍または周囲に設けられる。
【００２２】
一実施形態では、前記コアは、ナノ粒子を含む高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料を有しており、該材料は、負の磁気抵抗の電子スピン偏極を示し、該磁気抵抗は、動作温度の範囲にわたって前記ナノ粒子間のスピントンネルから発生する。さらなる実施形態では、前記高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料は、鉄、ニッケル、コバルト、それらの合金および酸化物、並びに、室温で強磁性を示すそれらの混合物から成る群から選択されたナノ粒子を含む。さらなる実施形態では、前記高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料は、強磁性のフェライトのナノ粒子を含む。さらなる実施形態では、前記強磁性のフェライトは、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＢａＦｅ１２Ｏ９およびＮｉ０．５Ｚｎ０．５Ｆｅ２Ｏ４から成る群から選択される。
【００２３】
一実施形態では、前記コアは、動作温度範囲よりも実質的に低い阻害温度と、前記動作温度範囲よりも実質的に高いキュリー温度とを有する。さらなる実施形態では、前記コアの前記阻害温度は約２００Ｋより低く、前記コアの前記キュリー温度は約３１３Ｋより高い。さらなる実施形態では、前記コアの相対透磁率が１より大きい。さらなる実施形態では、前記コアの前記相対透磁率が５０より大きい。さらなる実施形態では、前記コアの前記相対透磁率が１０００より大きい。
【００２４】
一実施形態では、前記コアは、プレスされたナノ粒子パウダーを含む。さらなる実施形態では、前記プレスされたナノ粒子パウダーは、コアシェル型ナノ粒子を含む。好ましい実施形態では、前記プレスされたナノ粒子パウダーは、四酸化三鉄のナノ粒子を含む。
【００２５】
他の実施形態では、前記コアは、ナノ粒子を含む磁気抵抗性の膜を有する。さらなる実施形態では、前記ナノ粒子は、前記膜の基板の表面上に合成され、または該表面中に埋め込まれている。さらなる実施形態では、前記膜は、二酸化ケイ素および鉄のナノ粒子を含む。好ましくは、ナノ粒子を含む前記磁気抵抗性の膜は、薄膜である。好ましくは、前記コアは薄膜である場合、前記励磁コイルおよび／または前記ピックアップコイルは、前記薄膜の近傍に設けられる。または、ナノ粒子を含む前記磁気抵抗性の膜は、厚膜であってもよい。好ましくは、前記コアが厚膜である場合、前記励磁コイルおよび／または前記ピックアップコイルは、前記厚膜の近傍または周囲に設けられる。
【００２６】
一実施形態では、前記ピックアップコイルからの信号は、所定の磁界閾値より低い外部磁界を測定するために用いられ、前記コアの磁気抵抗は、前記所定の磁界閾値より高い外部磁界を測定するために用いられる。
【００２７】
一実施形態では、前記ピックアップコイルからの信号は、約０．１ｎＴ以上の外部磁界の値を測定するために用いられる。さらなる実施形態では、前記コアの磁気抵抗は、少なくとも約７Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために用いられる。さらなる実施形態では、前記コアの磁気抵抗は、少なくとも約１２Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために用いられる。さらなる実施形態では、前記コアの磁気抵抗は、少なくとも約３０Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために用いられる。
【００２８】
一実施形態では、前記所定の磁界閾値は、前記ピックアップコイルの飽和領域であり、該飽和領域は、前記ピックアップコイルからの信号の応答が飽和し始める領域である。この実施形態では、前記コアの磁気抵抗は、前記ピックアップコイルからの信号の飽和領域より大きい外部磁界の値を測定するために用いられる。また、前記ピックアップコイルからの信号は、該ピックアップコイルからの信号の飽和領域より小さい外部磁界の値を測定するために用いられ、前記ピックアップコイルは、前記飽和領域までは、線形および非線形の応答を有する。さらなる実施形態では、前記所定の磁界閾値は約１．５ｍＴである。さらなる実施形態では、前記ピックアップコイルからの信号は、１．５ｍＴで飽和する。さらなる実施形態では、前記ピックアップコイルからの信号は、約１．５ｍＴ未満の外部磁界の値の測定のために用いられる。さらなる実施形態では、前記ピックアップコイルからの信号は、約０．１ｎＴ〜約１．５ｍＴの外部磁界の値を測定するために用いられる。さらなる実施形態では、前記コアの磁気抵抗は、１．５ｍＴより大きい外部磁界を測定するために用いられる。好ましくは、前記コアの磁気抵抗は、約１．５ｍＴ〜約７Ｔの範囲の外部磁界の値を測定するために用いられる。さらなる実施形態では、前記コアの磁気抵抗は、少なくとも約１２Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために用いられる。さらなる実施形態では、前記コアの磁気抵抗は、少なくとも約３０Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために用いられる。
【００２９】
他の実施形態では、前記所定の磁界閾値は、非線形領域であり、該非線形領域は、前記ピックアップコイルからの信号が線形応答から非線形応答に切り替わる領域である。この実施形態では、前記コアの磁気抵抗は、前記ピックアップコイルからの信号の非線形領域より大きい外部磁界の値を測定するために用いられる。また、前記ピックアップコイルからの信号は、該ピックアップコイルからの信号の非線形領域より小さい外部磁界の値を測定するために用いられ、その間、前記ピックアップコイルは、線形に応答する。一実施形態では、前記所定の磁界は約０．５ｍＴである。さらなる実施形態では、前記ピックアップコイルからの信号は、約０．５ｍＴ以下では非線形性が１％未満の線形である。さらなる実施形態では、前記ピックアップコイルからの信号は、約０．５ｍＴ未満の外部磁界の値を測定するために用いられる。さらなる実施形態では、前記ピックアップコイルからの信号は、約０．１ｎＴ〜約０．５ｍＴの範囲の外部磁界の値を測定するために用いられる。さらなる実施形態では、前記コアの磁気抵抗は、０．５ｍＴより大きい外部磁界を測定するために用いられる。好ましくは、前記コアの磁気抵抗は、約０．５ｍＴ〜約７Ｔの範囲の外部磁界の値を測定するために用いられる。さらなる実施形態では、前記コアの磁気抵抗は、少なくとも約１２Ｔ以下の外部磁界を測定するために用いられる。さらなる実施形態では、前記コアの磁気抵抗は、少なくとも約３０Ｔ以下の外部磁界を測定するために用いられる。
【００３０】
一実施形態では、前記磁力計はフラックスゲート配置を備え、前記コア、少なくとも２つの励磁コイルおよび前記ピックアップコイルは、前記フラックスゲート配置の要素である。
【００３１】
一実施形態では、前記励磁コイルを駆動し、ＡＣサイクル部分の間に少なくとも１つのコアを飽和させることのできる磁界を生じさせる交流は、ピーク電流が約１μＡ〜約５Ａであり、周波数が約１０ｋＨｚより大きい。さらなる実施形態では、当該交流の周波数は約１０ｋＨｚ〜約１００ｋＨｚである。さらなる実施形態では、当該交流の周波数は約１００ｋＨｚより大きい。一実施形態では、前記磁力計は、前記コアまたは前記各コアの１つの近傍または周囲に設けられた２つの励磁コイルを備える。前記励磁コイルは、該励磁コイルに巻かれ、または該励磁コイルの近傍に設けられた前記コアの領域において、２つの平行な磁界を同時に発生させるように構成されている。他の実施形態では、前記磁力計は、前記コアの１つの近傍または周囲に設けられた２つの励磁コイルを備え、該励磁コイルは、前記コアにおいて、２つの反平行の磁界を同時に交互に発生させるように構成されている。さらなる実施形態では、前記励磁コイルは、該励磁コイルの周囲または近傍の前記コアの領域において、２つの反平行の磁界を同時に交互に発生させるように構成されている。
【００３２】
一実施形態では、前記磁力計は、前記コアに電気的に接続され、該コアの磁気抵抗を測定するための一対の電極を備える。好ましくは、前記外部磁界を表す電位差を生じさせるために、前記電極はホイートストンブリッジに電気的に接続されている。好ましくは、前記外部磁界の勾配を測定する、および／または、前記コアの磁気抵抗を測定するために、前記磁力計は、前記コアに電気的に接続された二対以上の電極を備え、これにより、前記磁気抵抗の測定値の信号対雑音比が改善される。
【００３３】
一実施形態では、前記コアの近傍に、電流を伝送するためのワイヤが設けられ、前記ワイヤによって伝送される電流は、前記ワイヤを流れる電流から生じる外部磁界を測定することによって決定される。好ましくは、前記電流を伝送するためのワイヤは、前記コアの周囲に巻きつけられ、または、該コアを通るように設けられる。
【００３４】
一実施形態では、コアは円筒状である。一実施形態では、前記磁力計は、２つのコア、４つの励磁コイルおよびピックアップコイルを備え、２つの励磁コイルは、前記各コアの対向する両端の近傍または周囲に設けられ、前記ピックアップコイルは、両方のコアの近傍または周囲に設けられる。一実施形態では、同一のコアの前記励磁コイルの巻線は、同じ方向に巻かれており、異なるコアの前記励磁コイルの巻線は、反対方向に巻かれている。または、励磁コイルのうちの１つの巻線は、同一のコアの他の励磁コイルの巻線と反対方向に巻かれている。
【００３５】
一実施形態では、少なくとも１つのコアが、ドーナツ型のコアである。好ましくは、前記励磁コイルは、前記ドーナツ型のコアの周囲に、該コアを通るように設けられ、前記ピックアップコイルは、前記ドーナツ型のコアの上に設けられる。
【００３６】
一実施形態では、少なくとも１つのコアが、環状、楕円状または矩形状のコアである。
【００３７】
一実施形態では、少なくとも１つのコアが、実質的に十字形のコアであり、前記磁力計は、４つの励磁コイルを備え、各励磁コイルは、前記十字形のコアの腕部分の周囲もしくは近傍に、または、該腕部分に沿って設けられる。
【００３８】
一実施形態では、前記コアは円筒状のコアであり、前記励磁コイルは、前記コアの異なる部分の近傍または周囲に設けられ、前記ピックアップコイルは、前記コアの近傍または周囲に設けられる。
【００３９】
一実施形態では、前記磁力計はコントローラを備え、該コントローラは、
前記コアからの磁気抵抗の測定値を受信し、
前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値を受信し、
前記磁気抵抗の測定値、および／または、前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値に基づいて前記外部磁界を決定するように構成されている。
【００４０】
一実施形態では、前記コントローラは、前記外部磁界が少なくとも１つのコアを飽和させるのに十分高い場合に、少なくとも前記磁気抵抗の測定値に基づいて前記外部磁界を決定するように構成されている。さらなる実施形態では、前記コントローラは、前記外部磁界が閾値よりも低い場合に、少なくとも前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値に基づいて前記外部磁界を決定するように構成されている。好ましくは、前記閾値は、前記コアを飽和させる飽和磁界よりも概ね低い。さらなる実施形態では、前記コントローラは、前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値の感度が所定の閾値より低い場合に、前記磁気抵抗の測定値を用いる。好ましい実施形態では、この閾値は、前記コアの飽和領域よりも低くなるように選択される。
【００４１】
一実施形態では、前記コントローラは、マルチプレクサ回路を備え、該マルチプレクサ回路は、前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値の感度に基づき、前記磁気抵抗に基づく外部磁界の測定値と、前記生じた信号との一方を出力するように構成されている。
【００４２】
第２の態様によれば、本発明は、本発明の前記第１の態様の磁力計を用いて外部磁界を測定する方法であって、（ａ）所定の磁界閾値よりも低い外部磁界を測定するために、前記ピックアップコイルからの信号を用いるステップと、（ｂ）前記所定の磁界閾値よりも高い外部磁界を測定するために、前記コアの前記磁気抵抗を用いるステップと、を有する方法を提供する。
【００４３】
一実施形態では、前記所定の磁界閾値は、前記ピックアップコイルの飽和領域であり、該飽和領域は、前記ピックアップコイルからの信号の応答が飽和し始める領域である。好ましくは、ステップ（ａ）は、前記ピックアップコイルからの信号の飽和領域より小さい外部磁界の値を測定するために、前記ピックアップコイルからの信号を用いるステップを有し、前記ピックアップコイルは、前記飽和領域までは、線形および非線形の応答を有する。一方、ステップ（ｂ）は、前記ピックアップコイルからの信号の飽和領域より大きい外部磁界の値を測定するために、前記コアの磁気抵抗を用いるステップを有する。前記ピックアップコイルからの信号は、前記飽和領域までは、実質的に線形および／または非線形の応答を有してもよい。好ましくは、前記所定の磁界閾値は約１．５ｍＴである。
【００４４】
一実施形態では、前記所定の磁界閾値は、非線形領域であり、該非線形領域は、前記ピックアップコイルからの信号が線形応答から非線形応答に切り替わる領域である。好ましくは、ステップ（ａ）は、前記ピックアップコイルからの信号の前記非線形領域より小さい外部磁界の値を測定するために、前記ピックアップコイルからの信号を用いるステップを有し、その間、前記ピックアップコイルは、線形に応答する。一方、ステップ（ｂ）は、前記ピックアップコイルからの信号の前記非線形領域より大きい外部磁界の値を測定するために、前記コアの磁気抵抗を用いるステップを有する。好ましくは、前記ピックアップコイルからの信号は、約０．５ｍＴ以下では非線形性が１％未満の線形であり、前記所定の磁界閾値は約０．５ｍＴである。
【００４５】
一実施形態では、ステップ（ａ）は、約０．１ｎＴ以上の外部磁界の値を測定するために、前記ピックアップコイルからの信号を用いるステップを有する。
【００４６】
一実施形態では、ステップ（ｂ）は、少なくとも約７Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために、前記コアの磁気抵抗を用いるステップを有する。好ましくは、ステップ（ｂ）は、少なくとも約１２Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために、前記コアの磁気抵抗を用いるステップを有する。好ましくは、ステップ（ｂ）は、少なくとも約３０Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために、前記コアの磁気抵抗を用いるステップを有する。
【００４７】
さらなる実施形態では、前記方法は、ピーク電流が約１μＡ〜約５Ａで周波数が約１０ｋＨｚよりも大きいＡＣサイクル部分の間に、前記コアを飽和させる磁界を生じさせるために、前記励磁コイルを交流で駆動するステップをさらに有する。さらなる実施形態では、前記交流の周波数は約１０ｋＨｚ〜約１００ｋＨｚである。さらなる実施形態では、前記交流の周波数は約１００ｋＨｚより大きい。一実施形態では、前記磁力計は２つの励磁コイルを備え、前記方法は、各励磁コイルに巻かれ、または各励磁コイルの近傍に設けられた前記コアの領域において、２つの反平行の磁界を同時に交互に発生させるために、前記励磁コイルを用いるステップをさらに有する。他の実施形態では、前記磁力計は２つの励磁コイルを備え、前記方法は、各励磁コイルに巻かれ、または各励磁コイルの近傍に設けられた前記コアの領域において、２つの平行な磁界を同時に交互に発生させるために、前記励磁コイルを用いるステップをさらに有する。
【００４８】
一実施形態では、前記方法は、前記コアの近傍に電流を伝送するためのワイヤを設け、該ワイヤを流れる電流から前記外部磁界を測定するステップをさらに有する。好ましくは、前記方法は、前記ワイヤを少なくとも１つのコアの周囲に巻きつける、または、該コアを通るように設けるステップを有する。
【００４９】
本発明の第３の態様は、磁力計を組み立てる方法であって、
（ａ）電極を少なくとも１つの磁気抵抗性のコアに電気的に接続するステップと、
（ｂ）少なくとも１つの励磁コイルを、前記コアの少なくとも一部の近傍または周囲に巻きつけるステップと、
（ｃ）少なくとも１つのピックアップコイルを前記励磁コイルおよび前記コアの近傍または周囲に巻きつけるステップと、
を有する方法を提供する。
【００５０】
一実施形態では、前記コアは、ナノ粒子を含む高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料を有しており、該材料は、負の磁気抵抗の電子スピン偏極を示し、該磁気抵抗は、動作温度の範囲にわたってナノ粒子間のスピントンネルから発生する。好ましくは、前記高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料は、鉄、ニッケル、コバルト、それらの合金および酸化物、並びに、室温で強磁性を示すそれらの混合物から成る群から選択されたナノ粒子を含む。好ましくは、前記高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料は、強磁性のフェライトのナノ粒子を含む。好ましくは、前記強磁性のフェライトは、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＢａＦｅ１２Ｏ９およびＮｉ０．５Ｚｎ０．５Ｆｅ２Ｏ４から成る群から選択される。
【００５１】
一実施形態では、前記コアは、動作温度範囲よりも実質的に低い阻害温度と、前記動作温度範囲よりも実質的に高いキュリー温度とを有する。好ましくは、前記コアの前記阻害温度は約２００Ｋより低く、前記コアの前記キュリー温度は約３１３Ｋより高い。
【００５２】
一実施形態では、前記コアの相対透磁率が１より大きい。好ましくは、前記コアの前記相対透磁率が５０より大きい。好ましくは、前記コアの前記相対透磁率が１０００より大きい。
【００５３】
一実施形態では、前記コアは、プレスされたナノ粒子パウダーを含む。好ましくは、前記プレスされたナノ粒子パウダーは、コアシェル型ナノ粒子を含む。好ましくは、前記プレスされたナノ粒子パウダーは、四酸化三鉄のナノ粒子を含む。
【００５４】
一実施形態では、前記コアは、ナノ粒子を含む磁気抵抗性の膜を有する。好ましくは、前記方法は、前記ナノ粒子を、前記膜の基板の表面上に合成する、または、該表面中に埋め込むステップをさらに有する。好ましくは、前記膜は、二酸化ケイ素および鉄のナノ粒子を含む。好ましくは、好ましくは、ナノ粒子を含む前記磁気抵抗性の膜は、薄膜である。好ましくは、前記コアは薄膜である場合、前記励磁コイルおよび／または前記ピックアップコイルは、前記薄膜の近傍に設けられる。または、ナノ粒子を含む前記磁気抵抗性の膜は、厚膜であってもよい。好ましくは、前記コアが厚膜である場合、前記励磁コイルおよび／または前記ピックアップコイルは、前記厚膜の近傍または周囲に設けられる。
【００５５】
一実施形態では、前記電極は、前記コアの磁気抵抗を測定するように構成され、前記磁気抵抗、および前記ピックアップコイルによって伝送される信号は、外部磁界に応じて測定可能である。
【００５６】
一実施形態では、前記磁力計は、２つ以上の励磁コイルを備え、該励磁コイルは、ＡＣサイクル部分の間に前記コアの磁化を部分的に飽和させるように、交流で駆動されるように構成されている。さらなる実施形態では、前記コイルは、前記コアにおいて、反平行または平行な磁界を交互に発生させるように構成されている。好ましくは、前記磁力計は２つの励磁コイルを備え、該２つの励磁コイルは、前記コアにおいて、２つの反平行の磁界を同時に交互に発生させるように構成されている。好ましくは、ステップ（ａ）は、前記電極をホイートストンブリッジに電気的に接続するステップを有し、前記ホイートストンブリッジは、外部磁界を表す電位差を生じさせるように構成されている。
【００５７】
一実施形態では、ステップ（ａ）は、複数対の電極を前記コアに電気的に接続するステップを有し、前記複数対の電極は、前記外部磁界の勾配を測定するように構成され、および／または、前記電極の各対または少なくとも一対は、前記コアの磁気抵抗を測定するように構成されている。
【００５８】
一実施形態では、少なくとも１つのコアが、ドーナツ型のコアである。好ましくは、前記励磁コイルは、前記ドーナツ型のコアに巻きつけられ、または、該コアを通るように設けられる。
【００５９】
他の実施形態では、少なくとも１つのコアが、環状、楕円状または矩形状のコアである。
【００６０】
一実施形態では、少なくとも１つのコアが、実質的に十字形のコアであり、前記方法は、該十字形のコアの各腕部分の周囲に少なくとも１つの励磁コイルを巻きつけるステップを備える。
【００６１】
一実施形態では、少なくとも１つのコアはペレットコアであり、ステップ（ａ）は、前記電極を前記ペレットコアの一端に電気的に接続するステップを有する。他の実施形態では、少なくとも１つのコアはペレットコアであり、ステップ（ａ）は、前記電極を前記ペレットコアの長手に沿って電気的に接続するステップを有する。他の実施形態では、少なくとも１つのコアはペレットコアであり、ステップ（ａ）は、前記電極を前記ペレットコアの断面領域に沿って電気的に接続するステップを有する。他の実施形態では、少なくとも１つのコアはペレットコアであり、ステップ（ａ）は、前記電極を前記ペレットコアの対向する両端に電気的に接続するステップを有する。さらなる実施形態では、少なくとも１つのコアはペレットコアであり、前記方法は、前記ペレットコアを前記電極の周囲に成形するステップをさらに有する。
【００６２】
一実施形態では、前記方法は、磁気抵抗性のコアを複数積層して、コアの柱を形成するステップをさらに有する。好ましくは、ステップ（ａ）は、前記コアの柱の実質的に中央にあるコアに、電極を電気的に接続するステップを有する。または、ステップ（ａ）は、前記コアの柱の一端にあるコアに、電極を電気的に接続するステップを有する。または、ステップ（ａ）は、前記コアの柱の対向する両端にあるコアに、電極を電気的に接続するステップを有する。
【００６３】
一実施形態では、前記方法は、前記電極および前記ピックアップコイルをコントローラに電気的に接続するステップをさらに有し、前記コントローラは、前記コアからの磁気抵抗の測定値を受信し、前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値を受信し、前記磁気抵抗の測定値、および／または、前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値に基づいて前記外部磁界を決定するように構成されている。
【００６４】
一実施形態では、前記磁力計は、３軸における磁界測定のために、３つのコアおよび６つの励磁コイルを備え、前記方法は、励磁コイルの各ペアを、前記各コアの周囲または近傍に設けるステップをさらに有する。他の実施形態では、前記磁力計は、３軸における磁界測定のために、３つのコアおよび３つの励磁コイルを備え、前記方法は、各励磁コイルをそれぞれ各コアの周囲または近傍に設けるステップをさらに有する。さらなる実施形態では、前記コアは互いに直角に配置され、１つの軸の前記コアからの磁界の測定値が、該軸における外部磁界を表している。さらなる実施形態では、前記磁力計は、２つのドーナツ型のコアを備える。
【００６５】
他の実施形態では、前記磁力計は、３軸における磁界測定のために、６つのコアおよび１２の励磁コイルを備え、前記方法は、２つの励磁コイルを、各コアの周囲または近傍に設けるステップを有する。他の実施形態では、前記磁力計は、６つのコアおよび６つの励磁コイルを備える。さらなる実施形態では、３対のコアは互いに直角に配置され、前記軸の２つの各コアからの磁界の測定値は、該軸における外部磁界を表している。
【００６６】
さらなる実施形態では、前記磁力計は、複数のピックアップコイルを備え、前記方法は、各ピックアップコイルを、前記コアおよび前記励磁コイルの異なる部分の近傍もしくは周囲、または、コアの対の周囲に設けるステップを有する。好ましくは、前記磁力計は、前記コアおよび励磁コイルの上、または、一対の励磁コイルの周囲に配置された第１ピックアップコイルを備える。
【００６７】
本発明の第４の態様は、磁力計を組み立てる方法であって、
（ａ）超常磁性のナノ粒子を含む少なくとも１つの基板上に、絶縁層によって分離された平面状のコイルの形態で、異なる金属層を堆積するステップと、
（ｂ）超常磁性のナノ粒子を含む前記基板に、電極を電気的に接続するステップと、
を有する方法を提供する。
【００６８】
一実施形態では、前記超常磁性のナノ粒子は、負の磁気抵抗の電子スピン偏極を示す磁気抵抗材料を形成しており、該磁気抵抗は、動作温度の範囲にわたってナノ粒子間のスピントンネルから発生する。
【００６９】
一実施形態では、前記超常磁性のナノ粒子は、鉄、ニッケル、コバルト、それらの合金および酸化物、並びに、室温で強磁性を示すそれらの混合物から成る群から選択されたナノ粒子を含む。さらなる実施形態では、前記超常磁性のナノ粒子は、強磁性のフェライトのナノ粒子を含む。好ましくは、前記強磁性のフェライトは、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＢａＦｅ１２Ｏ９およびＮｉ０．５Ｚｎ０．５Ｆｅ２Ｏ４から成る群から選択される。
【００７０】
一実施形態では、前記超常磁性のナノ粒子は、動作温度範囲よりも実質的に低い阻害温度と、前記動作温度範囲よりも実質的に高いキュリー温度とを有する材料を形成している。好ましくは、前記コアの前記阻害温度は約２００Ｋより低く、前記コアの前記キュリー温度は約３１３Ｋより高い。
【００７１】
一実施形態では、前記超常磁性のナノ粒子は、相対透磁率が１より大きい材料を形成している。好ましくは、前記相対透磁率が５０より大きい。好ましくは、前記相対透磁率が１０００より大きい。
【００７２】
一実施形態では、前記超常磁性のナノ粒子は、コアシェル型ナノ粒子を含む。さらなる実施形態では、前記超常磁性のナノ粒子は、四酸化三鉄のナノ粒子を含む。
【００７３】
一実施形態では、超常磁性のナノ粒子を含む前記基板は、膜である。好ましくは、前記膜は、二酸化ケイ素および鉄のナノ粒子を含む。好ましくは、超常磁性の粒子を含む前記基板は、薄膜である。好ましくは、超常磁性のナノ粒子を含む前記基板が薄膜である場合、前記平面状のコイルは、前記薄膜の近傍に設けられる。または、超常磁性の粒子を含む前記基板は、厚膜である。好ましくは、超常磁性のナノ粒子を含む前記基板が厚膜である場合、前記平面状のコイルは、前記厚膜の近傍または周囲に設けられる。
【００７４】
一実施形態では、前記方法は、前記超常磁性のナノ粒子を、前記基板の表面上に合成する、または、該表面中に埋め込むステップをさらに有する。一実施形態では、前記電極は、磁気抵抗を測定するように構成され、前記平面状のコイルの１つは、ピックアップコイルであり、前記磁気抵抗、および前記ピックアップコイルによって伝送される信号は、外部磁界に応じて測定可能である。
【００７５】
一実施形態では、２つの平面状のコイルは励磁コイルであり、超常磁性のナノ粒子を含む前記基板に磁界を生じさせるように構成されている。一実施形態では、前記磁力計は２つの励磁コイルを備え、前記方法は、各励磁コイルの近傍に設けられた前記コアの領域において、２つの反平行の磁界を同時に交互に発生させるために、前記励磁コイルを用いるステップをさらに有する。他の実施形態では、前記磁力計は２つの励磁コイルを備え、前記方法は、各励磁コイルの近傍に設けられた前記コアの領域において、２つの平行な磁界を同時に交互に発生させるために、前記励磁コイルを用いるステップをさらに有する。
【００７６】
一実施形態では、ステップ（ａ）は、前記電極をホイートストンブリッジに電気的に接続するステップを有し、前記ホイートストンブリッジは、外部磁界を表す電位差を生じさせるように構成されている。
【００７７】
一実施形態では、ステップ（ａ）は、複数対の電極を前記コアに電気的に接続するステップを有し、前記複数対の電極は、前記外部磁界の勾配を測定するように構成され、および／または、前記電極の各対または少なくとも一対は、超常磁性のナノ粒子を含む前記基板の磁気抵抗を測定するように構成されている。
【００７８】
一実施形態では、前記電極および少なくとも１つの平面状のコイルをコントローラに電気的に接続するステップをさらに有し、前記コントローラは、前記コアからの磁気抵抗の測定値を受信し、前記外部磁界が存在することによって前記少なくとも１つの平面状のコイルに生じた信号の測定値を受信し、前記磁気抵抗の測定値、および／または、前記平面状のコイルに生じた信号の測定値に基づいて前記外部磁界を決定するように構成されている。
【００７９】
一実施形態では、ステップ（ａ）は、平面状の励磁コイルおよび平面状のピックアップコイルを異なる基板上に配置するステップと、前記平面状の励磁コイルおよび平面状のピックアップコイルを、超常磁性のナノ粒子を含む前記基板に実装するステップと、をさらに有する。
【００８０】
一実施形態では、平面状の励磁コイルおよびピックアップコイルは、異なる基板上に設けられ、超常磁性のナノ粒子を含む基板に実装されて、積層される。
【００８１】
一実施形態では、前記コアが、環状、楕円状または矩形状のコアである。さらなる実施形態では、前記コアは、該コアの近傍にワイヤを配置することにより、該ワイヤによって伝送される電流を測定するように構成される。他の実施形態では、前記コアが、実質的に十字形である。前記コアが実質的に十字形である実施形態では、前記磁力計は、４つの励磁コイルを備え、各励磁コイルは、前記十字形のコアの腕部分の周囲もしくは近傍に、または、該腕部分に沿って設けられ、これにより、前記磁界の２成分が測定可能となる。さらなる実施形態では、前記磁力計は、３軸における磁界測定のために、３つのコアおよび６つの励磁コイルを備え、励磁コイルの各ペアは、前記各コアの近傍に設けられる。
【００８２】
一実施形態では、前記磁力計は複数のピックアップコイルを備える。さらなる実施形態では、前記磁力計は２つのピックアップコイルを備え、各ピックアップコイルは、前記コアおよび前記励磁コイルの異なる部分の近傍または周囲に設けられる。さらなる実施形態では、前記磁力計は、１つのピックアップコイルを備え、該ピックアップコイルは、前記コアおよび励磁コイルの上に設けられ、他のピックアップコイルは、前記コアおよび励磁コイルの下に設けられる。
【００８３】
一実施形態では、前記磁力計は、磁界検出装置、および／または、電流検出装置として用いるために適している。
【００８４】
本発明の第５の態様は、本発明の第３または第４の態様の方法によって組み立てられた磁力計を提供する。
【００８５】
本明細書において述べられた特定の構成に、本発明の関連技術における既知の等価物が存在する場合、そのような既知の等価物は、本明細書において個別に述べられているかのように組み込まれるものと考えられる。
【００８６】
さらに、本発明の特徴または側面がマーカッシュ群によって述べられる場合、当業者は、当該マーカッシュ群の任意の個々の部材またはサブ群によっても本発明が記述されることを認識するであろう。
【００８７】
本明細書において、名詞の語尾に付された「（s）」は、当該名詞の複数および／または単数形式を意味する。
【００８８】
本明細書において、「および／または」の用語は、「および」、「または」、あるいは、それらの両方を意味する。
【００８９】
本明細書において、「〜を含む、〜を備える、〜を有する（comprising）」の用語は、「〜の少なくとも一部からなる（consisting at least in part of）」を意味する。本明細書において、「〜を含む、〜を備える、〜を有する（comprising）」の用語を含む各文章を解釈する場合、当該用語の目的語以外の特徴も存在してもよい。関連する「comprise」および「comprises」の用語も同様に解釈される。
【００９０】
また、本明細書において開示された数値範囲（例えば１〜１０）の表示は、その範囲内のすべての有理数（例えば１、１．１、２、３、３．９、４、５、６、６．５、７、８、９、１０）、および、さらにその範囲内の任意の範囲の有理数（例えば２〜８、１．５〜５．５、３．１〜４．７）を示しており、それゆえ、本明細書で明確に開示された全範囲の全ての下位範囲も、明確に開示されていることが意図されている。これらは、特に意図され例に過ぎず、列挙された下限値と上限値との間の数値の全ての可能な組み合わせは、同様に本明細書に明確に述べられているものと理解すべきである。
【００９１】
本明細書では、特許明細書、他の外部文書、または他の情報源を参照しているが、これは一般に、本発明の特徴の議論のための背景を提供することを目的とする。特別に言及しない限り、そのような外部文書または情報源を参照することは、任意の管轄において、そのような文書または情報源が、その技術の共通の一般知識の先行技術または形式部分であることを自認するものではない。
【００９２】
上述のように、本発明は広く定義されるが、当業者は、本発明がそれに限定されず、また、以下で説明する実施形態を含むものであると認識するであろう。
【００９３】
本発明の実施形態は、下記の図面を参照して、制限されない例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の磁力計の第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の磁力計の第２の実施形態を示す図である。
【図３Ａ】本発明の磁力計の実施形態のためのコアおよび励磁コイルの部分斜視図である。
【図３Ｂ】磁力計の実施形態のためのピックアップコイルの斜視図である。
【図３Ｃ】図３Ａのコアおよび励磁コイルと、図３Ｂのピックアップコイルとを組合わせた場合の、磁力計の実施形態の部分斜視図である。
【図４Ａ】本発明の磁力計の第３の実施形態のための励磁コイルの斜視図である。
【図４Ｂ】磁力計の実施形態のためのピックアップコイルの斜視図である。
【図４Ｃ】図４Ａの励磁コイルに図４Ｂのピックアップコイルを組合わせた場合の、磁力計の実施形態のためのコアの斜視図である。
【図５Ａ】コアに設けられる電極の形状を示す図である。
【図５Ｂ】コアに設けられる電極の形状を示す図である。
【図５Ｃ】コアに設けられる電極の形状を示す図である。
【図５Ｄ】コアに設けられる電極の形状を示す図である。
【図５Ｅ】コアに設けられる電極の形状を示す図である。
【図６Ａ】異なる電極の形状を有する、本発明の磁力計の実施形態を示す図である。
【図６Ｂ】異なる電極の形状を有する、本発明の磁力計の実施形態を示す図である。
【図７】本発明の磁力計の第４の実施形態を示す図である。
【図８】電流測定に適した本発明の磁力計の他の実施形態である。
【図９】本発明の一実施形態に係る磁力計の操作を示すフローチャートである。
【図１０】室温で典型的なナノパウダーコアに印加された磁界に対する磁化の強さを示す図である。
【図１１】表面近傍に１ｍｍの電極ギャップのあるＦｅナノ粒子を有する、Ｆｅが注入された薄膜の磁気抵抗を示す図である。
【図１２Ａ】印加された外部磁界の範囲に対する、本発明の磁力計のピックアップコイルの出力電圧を示す図である。
【図１２Ｂ】印加された外部磁界の範囲に対する、本発明の磁力計の磁気抵抗性のコアの出力電圧を示す図である。
【図１３】図１２Ａおよび１２Ｂに示すデータを使用してシミュレートされた本発明の磁力計の出力を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００９５】
以下に説明する磁力計の実施形態は、広いダイナミックレンジの磁界にわたる磁界測定に適している。以下に説明する磁力計の実施形態は、例えば、磁界センサおよび／または電流センサとして応用される。
【００９６】
図１に、本発明の一実施形態の磁力計１００を示す。磁力計１００は、コア１０２、ピックアップコイル１０４、励磁コイル１０６ａ，ｂおよび一対の電極１０８を備える。ある実施形態では、磁力計は、２つ以上のコア、２つ以上のピックアップコイル、または、１つ以上の励磁コイルを備える。
【００９７】
コア１０２は、印加された外部磁界１１１に応じて測定可能な磁気抵抗特性を有している。「磁気抵抗特性」の用語は、印加された外部磁界Ｒ（Ｂ）の関数である抵抗を有する材料の特性を意味する。図１０は、印加された磁界に対する磁気抵抗材料の抵抗反応の一例を示している。磁気抵抗材料の抵抗を決定するために、電圧を材料の断面にわたって測定できるように、電流を磁気抵抗材料に印加する。これにより、磁気抵抗材料の抵抗を決定することができる。本明細書において用いられる「磁気抵抗特性」、「磁気抵抗」および「抵抗」の用語は、磁気抵抗性のコアの抵抗を意味する。一般に、磁気抵抗の測定値は、コアを形成する材料に依存する約１ｍＴ〜数十Ｔ（テスラ）の範囲の外部磁界の値で示される。磁気抵抗性のコア１０２の特性および構成について、以下さらに詳細に説明する。
【００９８】
電極１０８はコア１０２の抵抗を決定するために使用される。一対の電極１０８は、コア１０２に電気的に接続され、位置ＵＭＲ１と位置ＵＭＲ２との間のコアの磁気抵抗を決定する。電極間の距離は、抵抗、およびそれによる熱の電圧ノイズが最小となるように選択されてもよい。また、磁気抵抗の測定も、コア１０２上の電極１０８の位置によって影響を受ける。コア上の電極１０８の操作は、励磁コイル１０６ａ，ｂの操作に影響を与えず、または、励磁コイル１０６ａ，ｂの操作から影響を受けない。図１は、磁気抵抗の測定値がコア１０２の中心で得られることを示しているが、磁力計の他の実施形態では、コア１０２の他の位置で、追加的または代替的に磁気抵抗の測定値が得られる。ある実施形態では、測定の感度を改善するために、電極１０８がコアの真中に位置してもよい。その実施形態を、図５Ａにおいて例示的に示す。その実施形態において、コアの電極上の部分、および電極下の部分は、磁束集束器として機能する。
【００９９】
図１に示す実施形態では、コア１０２の周囲の励磁コイル１０６ａ，ｂは、外部磁界がない状態においてコアの磁化を飽和させるように構成される。励磁コイル１０６ａ，ｂは、コア１０２の対向する両端に巻きつけられる。他の実施形態では、励磁コイルは、コアの周囲ではなく、コアの上、またはコアの近傍に位置してもよい。
【０１００】
励磁コイル１０６ａ，ｂは、単一のワイヤから形成される。図１に示す実施形態では、励磁コイル１０６ａ，ｂは、単一のＡＣ電流源（図示せず）によって駆動される。しかし、他の実施形態では、コアの一端の励磁コイルは、コアの他端の励磁コイルと独立してもよく、各励磁コイルは、独立したＡＣ電流源によって駆動される。励磁信号を励磁コイル１０６ａ，ｂに通すことにより、コア１０２中に磁界が生じる。励磁コイル１０６ａ，ｂは交流で駆動され、ＡＣサイクル部分の間にコアの磁化を飽和させることができる磁界を生じさせる。前記交流は、ピーク電流が約１μＡ〜約５Ａであり、周波数が約１０ｋＨｚより大きい。他の実施形態では、前記交流の周波数は約１０ｋＨｚ〜約１００ｋＨｚである。他の実施形態では、前記交流の周波数は約１００ｋＨｚより大きい。当該交流の周波数は、コイルのインダクタンスによって制限される。
【０１０１】
励磁コイル１０６ａ，ｂを流れるＡＣ電流源からの励磁信号は十分に高く、ＡＣサイクル部分の間に、コア１０２を、一方の磁化飽和（正の飽和）から他方の磁化飽和（負の飽和）に、および、その逆に駆動することができる。
【０１０２】
コア１０２の主軸上の構成要素に外部磁界１１１が印加された状態において、外部磁界１１１は、コア１０２の一方の半分における正のオフセット、および、コア１０２の他方の半分における負のオフセットとして作用する。従って、外部磁界１１１が存在する状態において、コア１０２の磁化は周期的に均衡を失う。外部磁界１１１の存在下においてコア１０２に生じる磁化は０ではなく、励磁信号の２倍の周波数で変動する。
【０１０３】
一実施形態では、一方の励磁コイル１０６ａの巻線が、コア１０２の前半の周囲のコアの第１端部に関して右回りであり、また、他の励磁コイル１０６ｂの巻線が、コア１０２の後半の周囲のコアの第１端部に関して左回りである。励磁コイル１０６ａ，ｂに流れる電流が十分に大きく、コア１０２の透磁性が十分に低い場合、励磁１０６ａ，ｂに囲まれたコア１０２の領域は、各ＡＣサイクル部分の間、およびコア１０２の各端部の近傍で、部分的に飽和する。外部磁界が存在しない状態では、２つの励磁コイル１０６ａ，ｂによって生じたコア１０２中の磁界は、実質的に等しい大きさで互いに対向している。その結果、外部磁界が印加されない場合、ピックアップコイル１０４における磁界は０となる。この構成において、外部磁界１１１が磁力計１００に印加されたときに、励磁周波数の２倍の周波数を持つ電流がピックアップコイル１０４に生じる。
【０１０４】
他の実施形態において、励磁コイル１０６ａ，ｂの巻線は、コア１０２の後半の周囲のコアの一端に関して同じ方向に巻かれている。励磁コイル１０６ａ，ｂを流れる電流が十分大きい場合、各ＡＣサイクル部分の間にコア１０２は部分的に飽和する。外部磁界がない状態において、励磁コイル１０６ａ，ｂを流れる電流の２倍の周波数の信号が、ピックアップコイル１０４に生じる。磁力計１００に外部磁界１１１を印加すると、コアの飽和が不均衡になり、ピックアップコイル１０４に生じる負信号と正信号との間の時間間隔が変わる。この時間間隔の変化は、外部磁界１１１を決定するために利用することができる。他の実施形態において、励磁コイル１０６ａ，ｂを流れる電流は、ピックアップコイル１０４の信号が一連の正パルスおよび負パルスとなるように、修正される。磁力計１００に外部磁界１１１を印加すると、異なるパルスのピーク電圧が変化する。その変化は外部磁界１１１を測定するために利用することができる。
【０１０５】
ある実施形態では、磁力計は一対以上の励磁コイルを備えてもよい。上述した磁力計の実施形態では、励磁コイルは、実質的に０の磁界がピックアップコイルに生じるように構成されていたが、外部磁界が印加されていないときに、ピックアップコイルにおける磁界が変化する総時間が０となるように、磁力計は、例えば偶数の励磁コイルを備えてもよい。
【０１０６】
ピックアップコイル１０４は、励磁コイル１０６ａ，ｂおよび磁気抵抗性のコア１０２の上に配置される、または巻きつけられる。ピックアップコイル１０４がそのように配置される、または巻きつけられることで、ピックアップコイルは、励磁コイル１０６ａ，ｂおよびコア１０２における磁界の変化の合計を測定することができる。
【０１０７】
一対の電極１０８は、コア１０２に電気的に接続される。ピックアップコイル１０４は、少なくとも外部磁界１１１が存在する状態において生じた信号を伝送するように構成される。
【０１０８】
外部磁界１１１が印加されている場合、ピックアップコイルに生じる信号は、ＡＣサイクル部分の間の励磁コイルの構成に依存する。ピックアップコイル１０４内の磁界が変化すると、ピックアップコイル１０４に、励起周波数の２倍の周波数の電圧信号が生じる。生じた信号は、位置ＵＰＵ１からＵＰＵ２にわたって外部磁界に応じて測定可能である。一般に、生じた信号の測定値は、約０．１ｎＴから約０．０５Ｔまでの範囲における、より低い外部磁界の値を示す。
【０１０９】
ある実施形態では、磁力計は、コアの周囲または近傍に２つ以上のピックアップコイルを備えてもよい。その実施形態の異なる構成によれば、ピックアップコイルは単一のワイヤから作られてもよいし、または別個のワイヤから各々作られてもよい。
【０１１０】
本発明の２つのコアを有する磁力計９００の実施形態を図２に示す。磁力計９００は、２つのコア９０２ａ，ｂ、ピックアップコイル９０４、励磁コイル９０６ａ〜ｄおよび二対の電極９０８ａ，ｂを備えている。
【０１１１】
コア９０２ａの各々は、印加された外部磁界９１１に応じて測定可能な磁気抵抗特性を有している。
【０１１２】
電極９０８ａ，ｂは、コア９０２ａ，ｂの抵抗を決定するために使用される。電極９０８ａ，ｂの各対は、コアの位置ＵＭＲ１ａからＵＭＲ１ｂにわたって、または位置ＵＭＲ２ａからＵＭＲ２ｂにわたっての磁気抵抗を決定するために、コア９０２ａ，ｂにそれぞれ接続される。コア９０２ａにおける電極９０８ａ間の距離、および、コア９０２ｂにおける電極９０８ｂ間の距離は、抵抗、およびそれによる熱の電圧ノイズが最小となるように選択されてもよい。磁気抵抗の測定値も、コア９０２ａの上の電極９０８ａの位置、および、コア９０２ｂの上の電極９０８ｂの位置によって影響を受ける。電極９０８ａ，ｂの操作は、励磁コイル９０６ａ〜ｄの操作に影響を与えず、または、励磁コイル９０６ａ〜ｄの操作から影響を受けない。図２は、磁気抵抗の測定値がコア９０２ａ，ｂの中心で得られることを示しているが、磁力計の他の実施形態では、コア９０２ａ，ｂの他の位置で、追加的または代替的に磁気抵抗の測定値が得られる。ある実施形態では、測定の感度を改善するために、電極９０８ａ，ｂがそれぞれコア９０２ａ，ｂの真中に位置してもよい。その実施形態を、図５Ａにおいて例示的に示す。その実施形態において、コアの電極上の部分、および電極下の部分は、磁束集束器として機能する。
【０１１３】
図２に示す実施形態では、コア９０２ａ，ｂの周囲の励磁コイル９０６ａ〜ｄは、外部磁界９１１がない状態において、コア９０２ａ，ｂの磁化を飽和させるように構成される。２つの励磁コイル９０６ａ，ｂは、一方のコア９０２ａの対向する両端に配置され、または巻きつけられる。これに対し、他の２つの励磁コイルは、他方のコア９０２ｂの対向する両端に配置され、または巻きつけられる。他の実施形態では、励磁コイルは、コアの周囲ではなく、コアの上、またはコアの近傍に位置してもよい。
【０１１４】
励磁コイル９０６ａ〜ｄは、単一のワイヤから形成される。他の実施形態によれば、励磁コイル９０６ａ〜ｄは、別個のワイヤから各々形成される。さらに他の実施形態によれば、一方のコア９０２ａの励磁コイル９０６ａ，ｂは、単一のワイヤから形成され、他方のコア９０２ｂの励磁コイル９０６ｃ，ｄは別個のワイヤから各々形成されてもよい。コア９０２ａの周囲の励磁コイル９０６ａ，ｂの巻線は同じ方向に巻かれており、コア９０２ｂの周囲の励磁コイル９０６ｃ，ｄの巻線は同じ方向に巻かれている。コア９０２ａの周囲の励磁コイル９０６ａ，ｂの巻線は、コア９０２ｂの周囲の励磁コイル９０６ｃ，ｄの巻線と反対方向に巻かれている。図２に示す実施形態において、励磁コイル９０６ａ〜ｄは、単一のＡＣ電流源（図示せず）によって駆動される。しかし、他の実施形態では、励磁コイルの各々は、独立したＡＣ電流源によって駆動される。励磁信号を励磁コイル１０６ａ，ｂに通すことにより、コア９０２ａ，ｂ中に磁界が生じる。励磁コイル９０６ａ〜ｄは交流で駆動され、ＡＣサイクル部分の間にコア９０２ａ，ｂの磁化を飽和させることができる磁界が生じる。当該交流は、ピーク電流が約１μＡ〜約５Ａであり、周波数が約１０ｋＨｚより大きい。ある実施形態では、当該交流の周波数は約１０ｋＨｚ〜約１００ｋＨｚである。他の実施形態では、当該交流の周波数は約１００ｋＨｚより大きい。当該交流の周波数は、コイルのインダクタンスによって制限される。
【０１１５】
励磁コイル９０６ａ〜ｄを流れるＡＣ電流源からの励磁信号は十分に高く、ＡＣサイクル部分の間に、コアを、一方の磁化飽和（正の飽和）から他方の磁化飽和（負の飽和）に、および、その逆に駆動することができる。外部磁界がない状態において、一方のコア９０２ａの励磁コイル９０６ａ，ｂによって引き起こされた磁界は、他方のコア９０２ｂの励磁コイル９０６ｃ，ｄによって引き起こされた磁界と反対である。コア９０２ａ，ｂの主軸上の構成要素に外部磁界９１１が印加された状態において、外部磁界９１１は、一方のコアの磁界における正のオフセット、および、他方のコア１０２の磁界における負のオフセットとして作用する。外部磁界が存在する状態における各コア９０２ａ，ｂからの磁界の合計は０ではなく、励磁信号の２倍の周波数で変動する。
【０１１６】
ある実施形態では、磁力計は二対以上の励磁コイルを備えてもよい。外部磁界がない状態において、対のコアからの磁界の合計が実質的に０となるように、磁力計は、偶数の励磁コイルを備える。
【０１１７】
ピックアップコイル９０４は、励磁コイル９０６ａ〜ｄおよび磁気抵抗性のコア９０２ａ，ｂ上に巻きつけられる。ピックアップコイル９０４は、そのように巻きつけられることで、励磁コイル９０６ａ〜ｄまたはコア１０２ａ，ｂにおける磁界の変化の合計を測定することができる。一対の電極９０８ａ，ｂはそれぞれ、コア１０２ａ，ｂに電気的に接続される。ピックアップコイル９０４は、少なくとも外部磁界が存在する状態において生じた信号を伝送するように構成される。外部磁界９１１が磁力計９００に印加されると、ＡＣサイクル部分の間の正味の磁界は０でなくなる。ピックアップコイル９０４内の磁界が変化すると、ピックアップコイル９０４に、励起周波数の２倍の周波数の電圧信号が生じる。一般に、生じた信号の測定値は、約０．１ｎＴから約０．０５Ｔまでの範囲における、より低い外部磁界の値を示す。
【０１１８】
図２に示すように、２つのコア９０２ａ，ｂの周囲のピックアップコイル９０４は、単一のワイヤから形成される。ある実施形態では、磁力計は、コアの周囲または近傍に２つ以上のピックアップコイルを備えてもよく、各ピックアップコイルは別個のワイヤから作られてもよい。
【０１１９】
図３Ａ〜Ｃに示すように、励磁コイルを有するコアは、磁気抵抗検知のための電極（図示せず）も含んだ超常磁性のコア２０２の周囲に励磁コイル２０６ａおよび２０６ｂを配置する、または巻きつけることによって作製することができる。他の実施形態によれば、励磁コイル２０６ａおよび２０６ｂを単一の励磁コイルと置き換えてもよい。図３Ａに示すように、コア２０２は、コアを積み重ねることによって作られる。図３Ｂに示すピックアップコイル２０４を、励磁コイル２０６ａおよび２０６ｂ、並びに、コア２０２に配置する、または巻きつけることによって、図３Ｃに示す磁力計要素２００が形成される。磁力計は、図３Ｃに示す磁力計要素を１つ以上備えてもよい。例示的な構成では、磁力計は１つのコアを備え、一方の励磁コイル２０６ａはコア２０２に右回りに巻きつけられ、他方の励磁コイル２０６ｂはコア２０２に左回りに巻きつけられる。この構成では、コア２０２は低い透磁性を有する。
【０１２０】
図４Ｃに、代替的な構成である磁力計要素３００を示す。この構成において、磁力計要素３００は、パンケーキコイルとして知られる平板状の励磁コイル３０６ａおよび３０６ｂ（図４Ａ）を備え、励磁コイル３０６ａおよび３０６ｂは、コア３０２のそれぞれの端部に配置されている。ピックアップコイル３０４（図４Ｂ）は、円筒状のコア３０２の周囲に配置され、または巻きつけられている。この構成の他の実施形態によれば、磁力計は、２つのコアを備え、各コアの周囲にピックアップコイルを配置してもよく、ピックアップコイルは、両方のコアの磁界の変化の合計を測定するように構成される。
【０１２１】
ある方法では、図１および２に示すように、周波数ｆのＡＣ励磁信号が、励起コイル１０６ａ，ｂまたは９０６ａ〜ｄの位置ＵＥＸＣ１からＵＥＸＣ２にわたって印加される。励起コイルは、外部磁界がない状態においてピックアップコイルの磁界が実質的に０になるように巻きつけられる。周波数に比例する信号対雑音比を小さくするために、高周波が使用される。そのため、１００ｋＨｚ以上の周波数が有用である。励磁信号は常に印加してもよいし、または、使用されていないときにオフしてもよい。磁気抵抗測定回路にローパスフィルタを用いてもよい。これにより、励起磁界信号をフィルタリングして、励起磁界信号が磁気抵抗値に影響を与えないようにすることができる。測定値がコアの磁気抵抗に基づく場合の外部磁界は、励起磁界によって引き起こされる磁界よりも優位である。図１に示す磁力計のためのコア１０２の各端部、または図２に示す磁力計のためのコア９０２ａ，ｂにおいて、励起コイルが異なってもよく、２つの励起コイルからの励起磁界は、反対極性を有するコアにおいて引き起こされる。外部磁界がない状態において、ピックアップコイルによって検知される磁界の合計は０である。外部磁界が印加されている場合、ピックアップコイルによって検知される正味の磁界は０でない。磁界が変化すると、ピックアップコイルに２ｆの周波数を有する電圧信号が生じる。ピックアップ信号は、位置ＵＰＵ１からＵＰＵ２にわたって測定される。例として、外部磁界の方向は矢印１１１および９１１によって示されている。
【０１２２】
図１に示す実施形態において、電流はコア１０２の２つの電極１０８間を流れる。外部磁界の方向は、コア１０２を流れる電流と同じ方向である必要はない。電流は、常にコア１０２を流れることができ、たとえ外部磁界の測定値が低くても流れることができる。または、コア１０２を流れる電流をオフにすることもできる。コア１０２を流れる電流は、ピックアップコイル１０４からの測定値に影響を与えない。コア１０２の抵抗は、外部磁界の強さに応じて変化する。コア１０２の抵抗値は、位置ＵＭＲ１からＵＭＲ２にわたって測定される。
【０１２３】
図２に示す実施形態において、電流は、一方のコア９０２ａの２つの電極９０８ａ間、および／または、他方のコア９０２ｂの２つの電極９０８ｂ間を流れる。外部磁界の方向は、各コアを流れる電流と同じ方向である必要はない。電流は、常にコア９０２ａ，ｂを流れることができ、たとえ外部磁界の測定値が低くても流れることができる。または、コア９０２ａ，ｂを流れる電流をオフにすることもできる。コア９０２ａ，ｂを流れる電流は、ピックアップコイル９０４からの測定値に影響を与えない。コア９０２ａ，ｂの抵抗は、外部磁界の強さに応じて変化する。コア９０２ａ，ｂの抵抗値は、位置ＵＭＲ１ａからＵＭＲ１ｂにわたって、または、位置ＵＭＲ２ａからＵＭＲ２ｂにわたって測定される。
【０１２４】
外部磁場は、約０Ｔからコアの飽和までの範囲の磁界を測定するためのピックアップコイルを用いて測定することができる。この測定のために、磁力計の応答には線形の領域がある。ロックイン増幅器による本発明の磁力計のピックアップコイルから得られた信号を、図１１Ａに示す。ピックアップコイルの応答は、０〜０．５ｍＴの磁界に対しては実質的に線形である。ピックアップコイル信号の応答が実質的に線形であるこの領域を、本明細書において、線形領域と称する。より高い磁界では、ピックアップコイル信号の応答は非線形に（非線形領域に）なる。そして、飽和領域の後では、ピックアップコイルからの信号は飽和応答を有する。本明細書で用いられるように、用語「飽和領域」は、信号が、過渡応答（線形、および／または非線形の応答）から飽和応答に切り替わる磁界を意味する。ピックアップコイル信号において、信号の大きさは飽和領域において最大となる。飽和領域より高い領域では、ピックアップコイル信号の大きさは非線形的に減少する。本発明の磁力計の実施形態によれば、ピックアップコイルは、約１．５ｍＴの飽和領域を有しており、飽和領域の後に、ピックアップコイル信号の応答は減少する。このため、ピックアップコイルの飽和領域より大きな磁界のためのピックアップ信号の使用は制限される。図１を参照すると、ピックアップコイル１０４の飽和領域より大きな磁界を測定するためのコア１０２を用いて、外部磁場を測定することができる。印加の型によっては、磁気抵抗のための飽和領域が高いことが好ましく、これにより、より高い外部磁界の測定により良好な線形性がもたらされる。しかし、他の実施形態では、磁気抵抗は、低い磁界では非線形であり、より高い磁界では実質的に線形であってもよい。
【０１２５】
好ましい実施形態では、ピックアップコイル信号は、印加される外部磁界が約１．５ｍＴで飽和する。好ましくは、コアの抵抗は、約１．５ｍＴ〜約７Ｔの範囲の外部磁界の値を測定するために用いられる。一実施形態では、コアの抵抗は、少なくとも約１２Ｔまでの外部磁界を測定するために用いられる。一実施形態では、コアの抵抗は、少なくとも約３０Ｔまでの外部磁界を測定するために用いられる。一実施形態では、ピックアップコイルに生じた信号は、約１．５ｍＴ未満の外部磁界の値を測定するために用いられる。一実施形態では、ピックアップコイルに生じた信号は、約０．１ｎＴ〜約１．５ｍＴの範囲の外部磁界の値を測定するために用いられる。
【０１２６】
磁力計は、磁気抵抗および引き起こされた信号の測定値を受信し、受信した測定値に基づいて外部磁界の値を出力するコントローラ（下記でさらに詳述）をさらに備えてもよい。
【０１２７】
他の実施形態によれば、磁力計は、ピックアップコイルの非線形領域未満の磁界に対する外部磁界の値を決定するように構成されてもよい。ここで、非線形領域は、ピックアップコイル信号が非線形の応答を示し始める領域である。その実施形態では、コアの磁気抵抗の測定値は、非線形領域より大きな外部磁界の決定のために用いられる。
【０１２８】
さらに、磁力計は外部磁界の勾配を測定するように構成されている。また、磁力計は、外部磁界の勾配を測定するための追加的な一対の電極をさらに備えてもよい。磁界勾配を測定することにより、変化が遅いＤＣバイアス磁界の頂点における小さな磁界の変化を測定することができる。図２は、二対の電極９０８ａ，ｂを用いて勾配を測定することに適した磁力計の構成例を示している。一実施形態では、３つの直角のコアまたは３対のコアが、磁界および勾配ベクトルを測定するために設けられる。
【０１２９】
また、磁界勾配を測定することにより、変化が遅いＤＣバイアス磁界の頂点における小さな磁界の変化を測定することができる。これは、遅く変化するＤＣバイアス磁界がコアの飽和領域より大きい場合に、特に有用である。同様の測定は、従来のフラックスゲート、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）またはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）の磁界センサでは不可能である。それは、コア、または薄膜における磁化が飽和するためである。
【０１３０】
図６Ｂに示すように、磁力計は、磁界の平均をさらに正確に得るように構成されてもよい。磁気抵抗は、５２８ａ，ｂにおける電極、および、コアのＲ（Ｂ）関数から決定された磁界を用いて測定することができる。電極によって測定された磁界は、外部磁界を決定するために平均値をとってもよい。ある実施形態では、磁力計の各コアは６つの電極を備え、コアのそれぞれの端部に２つの電極が位置し、コアの中央に２つの電極が位置し、それらは、３つの磁気抵抗の測定のために用いられる。３つの測定値によって、磁界の平均をより正確に得ることができる。磁界の勾配は、コアの間で測定することができる。
【０１３１】
ある実施形態では、磁気抵抗性のコア、ピックアップコイル、および励磁コイルは、フラックスゲート磁力計の構成要素であってもよい。
【０１３２】
（コアの特性）
コアは、以下のように特徴づけられる材料を含む：
・１より大きい、好ましくは１００以上の高い相対透磁率；
・印加された大きな磁界が０に減少した場合の残留磁気が無視できる超常磁性；および
・外部磁界が印加された場合、少なくとも１Ｔの高い磁界において飽和しない磁気抵抗。
【０１３３】
高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料は、ある程度の電子スピン偏極を示し、ナノ粒子またはナノパウダーを含むことができる。ある実施形態において、コアは、小さな磁界を測定するために、絶縁体上または絶縁体中に、ナノパウダーまたはナノ粒子を含む。ナノ粒子は、薄くプレスされたシート上にディップコートされることができる。あるいは、ナノパウダーは、絶縁樹脂またはポリマーに組み入れることができる。あるいは、材料は、例えばナノチューブの形態であってもよい。
【０１３４】
ナノ粒子（またはナノパウダー）は、電子スピン偏極を示す。この場合、磁気抵抗は負であり、動作温度の範囲におけるナノ粒子間のスピントンネルから発生する。一実施形態では、ナノ粒子の電子スピン偏極は約１００％である。
【０１３５】
高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料を含むそのようなコアは、ヒステリシスおよび残留磁化が無視できる。したがって、ＧＭＲ、ＡＭＲおよびＭＴＪセンサで要求される、破壊または消磁を必要とすることなく、コアを非常に高い磁界にさらすことができる。コアは（低領域ＧＭＲセンサで要求される）バイアス領域を追加することなく動作することができる。さらに、磁界が印加された環境下におけるコアの抵抗の変化によって、中程度の磁界から大きな磁界まで測定することができる。
【０１３６】
一実施形態では、コアの相対透磁率は１より大きい。他の実施形態では、該相対透磁率は５０より大きい。好ましい実施形態では、該相対透磁率は１０００より大きい。
【０１３７】
熱エネルギーが結晶磁気異方性エネルギーと同等またはそれより大きい場合、磁気ナノ粒子に超常磁性が生じる。コアは阻害温度を有しており、阻害温度より高い場合、不可逆性が無視でき、印加された磁界の結果として磁化が生じる（つまり、磁化をＭ、印加された磁界をＨ、真空透磁率をμ０とすると、阻害温度より高い場合、ヒステリシスが無視でき、誘導または磁束密度Ｂ（Ｈ）＝μ０（Ｍ＋Ｈ）が一価関数となる）。阻害温度は実質的に動作温度範囲より低く、キュリー温度は動作温度範囲より高い。好ましい実施形態では、コアの阻害温度は約２００Ｋであり、キュリー温度は約３１３Ｋである。
【０１３８】
ナノ粒子のサイズは、超常磁性の特性と直接的に関係がある。超常磁性のナノ粒子についてしばしば与えられる値は、約１５ｎｍ以下のサイズである（このサイズは、例えば鉄では、約１５Ｋ以下で超常磁性を引き起こす）。前記値は、材料およびそのナノ／微細構造に依存する。直径が幅広く分布していることにより、超常磁性が生じる。
【０１３９】
ある実施形態において、高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料は、鉄、ニッケル、コバルト、それらの合金および酸化物、並びに、室温で強磁性を示すそれらの混合物から成る群から選択された材料のナノ粒子を含む。ある実施形態では、上記材料は、ＦｅＮｉおよびＦｅＣｏから成る群から選択される。好ましい実施形態では、上記材料は、鉄、および／または酸化鉄（例えば、四酸化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４））を含む。Ｆｅ３Ｏ４は、１００％の電子スピン偏極を示すので、より好ましい材料である。他の例における適切な材料は、強磁性のフェライトを含む。フェライトは、ＭおよびＮが陽イオン（例えばＺｎ、Ｍｎ、Ｂａ、ＮｉおよびＣｏ）である場合に、ＭＦｅ２Ｏ４、ＭＦｅｘＯｙ、ＭＮＦｅ２Ｏ４またはＭＮＦｅｘＯｙの化学量論を有する合成物を含む。例えば、強磁性のフェライトは、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＢａＦｅ１２Ｏ９およびＮｉ０．５Ｚｎ０．５Ｆｅ２Ｏ４を含む。
【０１４０】
他の実施形態によれば、コアは、２つ以上のナノ粒子またはナノパウダーの混合物を含んでもよい。さらなる実施形態によれば、ナノ粒子またはナノパウダーは、２つ以上の材料の混合物を含んでもよい。
【０１４１】
コアの飽和は、コアの構成を変更することによって調整することができる。ある実施形態では、最小の検知可能領域を増大させる代わりに、ピックアップコイルの測定値を大きな磁界の測定に用いることができるように、コアを設計することができる。
【０１４２】
ペレットコア構造および薄膜構造に、上述の高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料を用いた磁力計の実施形態について、以下詳細に説明する。高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料は、これらの２つの構造に限定されず、他の構造も可能である。
【０１４３】
（ペレットコアを用いた磁力計の実施形態）
ある実施形態では、コアは、プレスされたナノ粒子パウダーを含み、当該ナノ粒子は、上述の材料のいずれかを含む。ある実施形態によれば、プレスされたナノ粒子パウダーは、２つ以上のナノ粒子の混合物を含む。他の実施形態では、コアシェル型ナノ粒子のような材料を２つ以上含むナノ粒子が利用される。適切なコアシェル型ナノ粒子は、Ｆｅ／Ｆｅ３Ｏ４コアシェル型ナノ粒子を含む。
【０１４４】
ナノ粒子パウダーは、多様な方法によって合成することができ、当該方法は、ゾル−ゲル合成のような化学的方法、または、ボールミル粉砕のような物理的方法を含む。材料密度を増加させることにより、伝導性および磁化を改善するために、パウダーをペレットにプレスすることができる。このステップは、異なる方法によって実施することができる。当該方法は、必要なサイズの鋳型およびピストンを有する油圧プレスを使用する方法などである。また、パウダーを圧縮するための他の適切なプレスシステムも使用することができ、ナノ粒子が十分に接触し、安定した固体が生成されるシステムであれば、例えば、手動のシステムも使用することができる。また、コアに必要な大きさによって、１つまたはいくつかのペレットが必要となる。コアの感度は、コアの大きさに伴って高くなる。例えば、ピックアップコイルの回転数を増加させると、感度も高くなる。大きさは、特定用途において要求される感度と大きさの妥協である。例えば、図１、２および４に示す磁力計のコアは、例えば１つのペレットコアを含む。これに対し、図３および６に示す磁力計のコアは、５つの積み重ねられたペレットコアを含む。
【０１４５】
一旦ペレットコアが形成されると、電極をコア上の少なくとも２つの場所に設けることができ、磁気抵抗条件によって決定される距離で電極を分離することができる。基礎抵抗は、関連する電子機器と互換性がある必要があり、磁気抵抗は、応用機器の要求を満たすことができる程度に高くすべきである。プレスされたペレットについて、抵抗が比較的低く（好ましくは約１メガオーム未満に）なるように、電極を十分に接近させなければならない。抵抗が入力インピーダンスに匹敵するほど十分に高い場合、結果の信頼性は低いであろう。抵抗値が高ければ、熱雑音電圧も高くなるであろう。当業者は、コアおよび信号の分析電子工学の抵抗力に基づいて、電極を分離する距離を選択できることを認識するであろう。
【０１４６】
図５Ａ〜Ｄは、ペレット上の電極の異なる構成を示している。ある実施形態では、図５Ｅに示すように、電極もペレットコアの内部に埋め込むことができる。ペレットはより低レベルでプレスされてもよい。ある実施形態では、ペレット上でのコンタクトをとるために、電極を設ける必要がない。図５Ａ〜Ｅに示す異なる構成は、磁力計の電極の堆積および配置に関する複雑さが異なる。図５Ａは、コア４１２の一方端に取り付けられた電極４１８を有する、より有用なペレット構造４１０を示しており、抵抗が低い。電極４１８はコア４１２の真中に位置することができ、この磁性コアは磁束集束器として機能するように構成することができる。図５Ｂに示す構造４２０は、コア４２２に沿って電極４２８を多数取り付けるために有利である。図５Ｃは、コア４３２に沿って電極４３８を取り付けるための構造４３０を示している。コア４３２は、図５Ｂと同様であるが、より低い抵抗を有する。図５Ｄに示す構造４４０は、コア４４２の各端部に配置された電極４４８を有し、抵抗率が低い場合に使用することができる。図５Ｅに示す構造４５０では、コア４５２が電極４５８の周囲に成型されることを必要とする。そのような構造４５０によって、抵抗が低くなる。
【０１４７】
一実施形態では、コアは、プレスされたナノパウダーペレットで作られた棒であり、該ペレットは互いに積層されている。該ペレットの少なくとも１つは２つの電極を含んでいる。ある好ましい実施形態では、磁気抵抗測定のための電極を備えるペレットが、前記積層の真中に位置しており、これにより、他のペレットの磁束集束の効果を得ることができる。
【０１４８】
図６Ａおよび６Ｂは、信号を平均化するための電極の対を１つ又は２つ備えた構成を示している。図６Ａでは、電極の対が中央に位置しており、図６Ｂでは、電極の対が端部の近くに位置している。これらの図では、コアは、積層されたペレット５１２ａ〜ｅおよび５２２ａ〜ｅで形成されており、少なくとも１つのペレット（図６Ａでは５１２ｃ、図６Ｂでは５２２ａおよび５２２ｅ）が、磁気抵抗測定のための電極（図６Ｂでは５１８、図６Ｂでは５２８ａおよび５２８ｂ）を備えている。
【０１４９】
異なるコア上に数対の電極を設けることにより、磁界勾配を測定することができる。基準アームが、印加された外部磁界を有する領域の外側にある場合に、ホイートストンブリッジ幾何学を用いることにより、抵抗中の一時的なドリフトを修正することができる。
【０１５０】
（薄膜磁力計の実施形態）
他の実施形態では、コアはナノ粒子を有する薄膜を含み、該ナノ粒子は、上述の任意の材料を含む。
【０１５１】
好ましくは、コアは、二酸化ケイ素と上述のようなナノ粒子とを含む。好ましい実施形態では、材料は、シリコン基板上の二酸化ケイ素薄膜に注入された鉄のナノ粒子を含む。
【０１５２】
コアは、上述の構成に限定されない。また、コアは、さらに粒状媒質を含んだ薄膜を有してもよい。磁気抵抗性を示す粒状媒質の例として、Ａｌ２Ｏ３などが注入された鉄の粒状媒質が挙げられる。
【０１５３】
そのような薄膜は、例えば国際公開第２０１１／１４９３６６号（発明の名称「磁性ナノクラスター」、地質・核科学研究所）に記載されているように形成してもよい。また、フィルムも、スパッタリング、蒸着、クラスターイオンビームおよび化学反応によって薄膜を形成してもよい。
【０１５４】
平面状の磁力計は、薄膜の形態で作ることができ、また、超小型の磁界センサの製造を可能にする。図７に、例示的な薄膜磁力計６００を示す。磁力計６００は、基板およびナノ粒子を有する薄膜６０２を有し、磁気抵抗を測定するための金属電極６０８が基板および薄膜６０２上に設けられる。連続的に設けられる絶縁層６０１および金属層６０３は、平面状の励磁コイル６０６およびピックアップコイル６０４を作製するために用いられる。図６に示す平面状のコイルの幾何構造は、微細加工ステップの数を制限するために使用することができ、この微細加工ステップでは、電流分布が維持されるように、各コイルの中心にあるワイヤの幅が、当該コイルの外側にあるワイヤの幅より小さくする。最後に、絶縁層６０５がピックアップコイル６０４上に設けられる。電気接触６０７ａ，６０７ｂおよび６０７ｃは、絶縁層に被覆されない金属パッド上に形成される。
【０１５５】
一実施形態では、平面状の励磁コイル６０６およびピックアップコイル６０４は、上述のナノ構造化された基板の表面上に積層される。この基板は、上述の超常磁性のナノ粒子を含む。しかし、基板を作製するためにイオン注入電子ビームおよびアニールを使用した場合、ナノ粒子は基板の上に堆積しないが、基板の上および／または基板の中に形成される。
【０１５６】
他の実施形態では、平面状の励磁コイル６０６およびピックアップコイル６０４は、２つの異なる基板の上に堆積され、その後、一緒にプレスされる。
【０１５７】
他の実施形態では、高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料が、プレスされたナノ粒子の厚膜であることができる。該ナノ粒子は、一方側に平面状の励磁コイルを有し他方側にピックアップコイルを有する積層体の中央に位置する。
【０１５８】
他の実施形態では、二対の電極が高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料の上に堆積される。これにより、２つの磁気抵抗の測定が可能になり、さらに、磁界勾配の測定が可能になる。
【０１５９】
他の実施形態では、２方向における外部磁界または磁界勾配を測定することができるように、コアを堆積またはパターン化することができる。
【０１６０】
（電流検出装置としての磁力計）
他の実施形態では、図７に示すように、薄膜のコアを有する磁力計が、ワイヤまたはコイルをさらに含んでもよい。これにより、ワイヤまたはコイルが、未知の電流が流れるワイヤに接続され、磁力計は電流センサとして機能することができる。
【０１６１】
他の実施形態では、広範囲の電流を測定するために、高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料を含むドーナツ型または環状のコアを用いることができる。これは、高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料をドーナツ形状に積層するか、または、必要な形状のプラスチック容器を満たすことによって実施することができる。
【０１６２】
図８は、主コア７０２ａと、分離可能コア７０２ｂと、電極７０８とを有する磁力計７００の実施形態を示している。主コア７０２ａは、磁性ナノパウダー、ピックアップコイルおよび励磁コイル７０４を含む。分離可能コア７０２ｂによって、電流センサがワイヤ７２０の周囲に構成され、ワイヤ７２０に流れる電流Ｉを測定することができる。電極７０８は、励磁および検出のために取り付けられる外部電子素子である。分離可能コア７０２ｂは、主コア７０２ａに分離可能に係合することができる。本実施形態において、励磁コイルはピックアップコイルの下部に位置している。電気的な接続は、プリント回路板７０６上で形成することができる。信号は、ワイヤの巻線ループによって増幅される。該ワイヤは、コア７０２ａの周囲において測定される電流を含む。
【０１６３】
他の実施形態では、分離可能コア７０２ｂは、未知の電流を測定するために、磁力計を含んでいる。コア７０２ａおよび分離可能なコア７０２ｂは、測定されるワイヤ中の電流によって生じた磁界のための磁束ガイドとして機能する。感度を高めるために、測定される電流が流れるワイヤを、主コア７０２ａに巻きつけることができる。
【０１６４】
他の実施形態では、測定される電流が流れるワイヤを、図２に示す２つのコア９０２ａおよび９０２ｂに巻きつける。
【０１６５】
（コントローラ）
ある実施形態では、磁力計は、ピックアップコイルの測定値、および磁気抵抗性のコアの測定値に基づいて外部磁界を決定するためのコントローラを備える。好ましい実施形態では、コントローラはマイクロコントローラを備える。他の実施形態では、コントローラはマルチプレクサ回路を備える。
【０１６６】
磁力計からの単一の出力電圧は、例えば、安定した電圧源としてバッテリーを使用し、ホイートストンブリッジに磁気抵抗電極を接続することにより得ることができる。その結果、電圧差は、抵抗、およびそれによる磁界の関数になる。当該電圧差は、中程度の磁界から高い磁界を測定するために用いることができる。
【０１６７】
ピックアップコイルからの出力電圧は、ロックイン増幅器に接続することができ、ロックイン増幅器からの出力電圧は、低い磁界を測定するために用いることができる。
【０１６８】
ロックイン増幅器およびホイートストンブリッジからの出力電圧は、マイクロコントローラへの入力として用いることができ、マイクロコントローラは、ロックイン増幅器およびホイートストンブリッジ電位差のための磁界テーブルに当該電圧をプログラムすることができる。ピックアップコイルの信号が、線形性および／または飽和および／または所定の閾値を失う領域において、信号をロックイン増幅器からホイートストンブリッジに切り替えるように、マイクロコントローラをプログラムすることができる。その結果、マイクロコントローラからの出力は、磁界に比例する電圧となる。
【０１６９】
図９は、磁気抵抗およびロックイン増幅器からの出力がマイクロコントローラ８１０に供給される場合の実施形態８００を示している。ある実施形態では、これらのアナログ信号は、マイクロコントローラ８１０に入力される前に、増幅、ノイズ除去、および／またはデジタル変換のための処理が施される。磁気抵抗性のコア８０１からの測定値は、ノイズ除去および増幅のための調整８０３が施され、その後、アナログ−デジタル変換器８０５を用いてデジタル信号に変換される。同様に、ピックアップコイル８０２からの測定値は、位相敏感検波のためのロックイン増幅器８０４に伝送され、調整８０６が施された後、アナログ−デジタル変換器８０８を用いてデジタル信号に変換される。デジタルで示された、磁気抵抗性のコアの測定値およびピックアップコイルからの信号の測定値は、それぞれ入力ＡおよびＢとして、マイクロコントローラ８１０に入力される。マイクロコントローラ８１０は、入力ＡおよびＢとしてのこれらの信号を連続的に読み取り、これらの信号をあらかじめプログラムされた値ＸおよびＹと比較する。値ＸおよびＹは、入力ＡおよびＢの閾値に対応しており、値ＸおよびＹが同一の測定磁界に対応するように較正されている。ある実施形態では、値ＸおよびＹは、コアの飽和領域における、磁気抵抗およびピックアップコイルからの電圧値に対応する。入力ＡがＸより大きく、入力ＢがＹより大きい場合、マイクロコントローラ８１０は、入力Ａの値にオフセットを加えた値を出力Ｃとする。入力ＡがＸより小さく、入力ＢがＹより小さい場合、マイクロコントローラ８１０は、入力Ｂの値を出力Ｃとする。ある実施形態では、マイクロコントローラからの出力は、デジタル信号、および／または、デジタル−アナログ変換器８１２を用いて変換されたアナログ信号であってもよい。
【０１７０】
コントローラは、外部磁界を決定するように構成されたプロセッサを有する。プロセッサは、実行すべき処理を特定する１セットの命令を実行可能な、任意の適当な演算装置であってもよい。用語「演算装置」は、ピックアップコイルおよび磁気抵抗の測定値からの信号に基づいて外部磁界を決定する１以上の方法を実行するための、１または複数セットの命令を個別にまたは一緒に実行する装置の任意の集合を含む。
【０１７１】
プロセッサは、コンピュータが実行可能な１または複数セットの命令および／またはデータ構造を記録した、コンピュータが読み取り可能な媒体を含む、または接続される。上記命令は、外部磁界を決定するための１以上の方法を実行する。また、上記命令は、実行中に、プロセッサ内に完全に、または少なくとも部分的に存在してもよい。その場合、プロセッサは、機械が読み取り可能な有形の記憶媒体を含む。
【０１７２】
コンピュータが読み取り可能な媒体は、単一の媒体である例について説明されている。この用語は、単一の媒体または複数の媒体を含む。用語「コンピュータが読み取り可能な媒体」も、プロセッサによる実行のための１セットの命令を、格納し、符号化し、または伝達することができ、外部磁界を決定する方法をプロセッサに実行させることができる、任意の媒体を含むものと理解されるべきである。さらに、コンピュータが読み取り可能な媒体は、命令によって用いられ、または、命令に関連するデータ構造を、格納し、符号化し、または伝達することができる。
【実施例】
【０１７３】
（実施例１ａ− ペレットコアの作製）
アーク放電法を用いて、混合された酸化鉄ナノパウダーを得た。該パウダーは、多数のナノ粒子を有する粒を含み、粒径が６０μｍ未満となるように、該パウダーを濾過した。油圧プレス、３ｍｍのダイ／ピストン組立体、および約３トンの圧力によって、ペレットを準備した。
【０１７４】
パウダーの磁気特性を決定するために、ＳＱＵＩＤ磁力計を用いてパウダーの一部を分析した。その結果を図１０に示す。パウダーは、Ｆｅ２Ｏ３およびＦｅ３Ｏ４と一致する約７２ｅｍｕ／ｇの飽和磁化を示した。磁化は、検出可能な範囲内ではヒステリシスを示さず、それは、大多数の超常磁性材料と一致している。
【０１７５】
プレスされた厚さ約１ｍｍのペレットを積層することにより、コアを直径３ｍｍ、長さ８ｍｍに形成した。図５Ａに示す構成と同様に、最端のペレットに２つの電極を設けた。電極の間隔は約１ｍｍであった。それらの２つの電極間で測定された抵抗は、室温で約４０ｋΩであった。磁気抵抗は、図１２に示すようにプロットされる。図１２では、実験データが点として与えられ、本技術において既知であるスピン偏極トンネル理論モデル（spin-polarised tunnelling theoretical model、E.K. Hemery他、Physica B、第390巻、2007年、p.175−178）を用いて適合させる。
【０１７６】
（実施例１ｂ− 薄膜コアの作製）
同様に、イオンビーム合成によって、平面状の磁力計用のコアを作製した。１５ｋｅＶのエネルギーおよび１×１０１６イオンｃｍ−２の流量で、Ｓｉ基板上のＳｉＯ２に鉄原子を注入し、その後、１０００℃で電子ビームアニールを２時間行った。８ｍｍ×４ｍｍのサンプルが得られた。高真空蒸着システムを用いて、厚さ２ｎｍのチタン層を堆積し、その後、厚さ２０ｎｍのアルミニウム層を堆積することにより、２つの電気接触を薄膜上に形成した。電極の寸法は４ｍｍ×３ｍｍの矩形であり、電極の間隔は１ｍｍであった。チタン層は、アルミニウムと磁性材料との間の接着性および電気的接触を改善するために用いられた。さらに接触抵抗を改善するために、サンプルを真空中に３００℃で３０分間アニールした。０．０１ｍＡの電流で磁気抵抗は、図１０のようにプロットされた。
【０１７７】
（実施例２−磁力計を用いた広いダイナミックレンジの測定）
上述の実施例１ａで説明したように、酸化鉄ナノパウダーから円筒状のコアを作製してプレスし、励磁コイルおよびピックアップコイルが巻きつけられた中空のプラスチックチューブに挿入した。絶縁された銅線を２７５回巻きつけることにより、励磁コイルを形成し、図３に示す構成と同様に配置した。励磁コイルとピックアップコイルとを分離するために、薄いプラスチック接着テープを用いた。図３と同様に、ピックアップコイルを励磁コイルの周囲に巻きつけた。このコイルのワイヤは、直径が０．１ｍｍであり、２００回巻きつけた。
【０１７８】
励磁周波数は４０ｋＨｚであった。ロックイン増幅器を有する自作の電子機器を用いて、ピックアップコイルからの信号を測定した。安定した電流源を用いて磁気抵抗信号を測定し、電圧計を用いて電流を測定した。ワイヤを巻きつけたソレノイド磁石に磁気遮蔽なしで１ｍＴ〜２０ｍＴの磁界を印加してシステムをテストした。ここで、磁界はホールセンサを用いて測定した。０．０１ｍＴ〜８Ｔでは、カンタム・デザイン社の物理特性測定システムのＡＣトランスポートモードを用いて、システムをテストした。
【０１７９】
その結果、ピックアップコイルの電圧および磁気抵抗は、図１２Ａおよび１２Ｂのようにプロットされた。低い磁界は、ピックアップコイルを用いて測定することができ、中程度の磁界から高い磁界は、磁気抵抗信号を用いて測定することができることが分かる。図１３は、１．５ｍＴの磁界に相当する閾値を有するマイクロコントローラからのシミュレートされた応答を示しており、利得およびオフセットによって、０〜１０Ｖでは応答が単調である。破線のカーブは、ピックアップコイルからの処理信号を示しており、実線のカーブは、適合された磁気抵抗測定からの処理信号を示している。
【０１８０】
本発明の範囲を上述の実施例のみに限定することは意図されない。当業者は、添付の請求項に示される本発明の範囲から逸脱しない限り、多くの変更が可能であることを理解するであろう。
【図１】
2015513109.tif 000003
【図２】
2015513109.tif 000004
【図３Ａ】
2015513109.tif 000005
【図３Ｂ】
2015513109.tif 000006
【図３Ｃ】
2015513109.tif 000007
【図４Ａ】
2015513109.tif 000008
【図４Ｂ】
2015513109.tif 000009
【図４Ｃ】
2015513109.tif 000010
【図５Ａ】
2015513109.tif 000011
【図５Ｂ】
2015513109.tif 000012
【図５Ｃ】
2015513109.tif 000013
【図５Ｄ】
2015513109.tif 000014
【図５Ｅ】
2015513109.tif 000015
【図６Ａ】
2015513109.tif 000016
【図６Ｂ】
2015513109.tif 000017
【図７】
2015513109.tif 000018
【図８】
2015513109.tif 000019
【図９】
2015513109.tif 000020
【図１０】
2015513109.tif 000021
【図１１】
2015513109.tif 000022
【図１２Ａ】
2015513109.tif 000023
【図１２Ｂ】
2015513109.tif 000024
【図１３】
2015513109.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成26年2月12日(2014.2.12)
【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】
外部磁界を測定するための磁力計であって、
前記外部磁界に応じて測定可能な磁気抵抗特性を有する少なくとも１つのコアと、
前記コアまたは前記コアの少なくとも１つの近傍または周囲に設けられた少なくとも１つの励磁コイルであって、交流によって駆動され、ＡＣサイクル部分の間に前記コアの磁化を部分的に飽和させるように構成された励磁コイルと、
前記コアおよび前記励磁コイルの少なくとも一部の近傍または周囲に設けられた少なくとも１つのピックアップコイルであって、少なくとも前記外部磁界が存在する状態において生じた信号を伝送するように構成されたピックアップコイルと、
を備え、
前記生じた信号は前記外部磁界に応じて測定可能である、磁力計。
【請求項２】
前記コアは、ナノ粒子を含む高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料を有しており、
該材料は、負の磁気抵抗の電子スピン極性化を示し、
該磁気抵抗は、動作温度の範囲にわたって前記ナノ粒子間のスピントンネルから発生する、請求項１に記載の磁力計。
【請求項３】
前記高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料は、鉄、ニッケル、コバルト、それらの合金および酸化物、並びに、室温で強磁性を示すそれらの混合物から成る群から選択されたナノ粒子を含む、請求項２に記載の磁力計。
【請求項４】
前記高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料は、強磁性のフェライトのナノ粒子を含む、請求項２または３に記載の磁力計。
【請求項５】
前記強磁性のフェライトは、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＢａＦｅ１２Ｏ９およびＮｉ０．５Ｚｎ０．５Ｆｅ２Ｏ４から成る群から選択される、請求項４に記載の磁力計。
【請求項６】
前記コアは、プレスされたナノ粒子パウダーを含む、請求項２または３に記載の磁力計。
【請求項７】
前記プレスされたナノ粒子パウダーは、コアシェル型ナノ粒子を含む、請求項６に記載の磁力計。
【請求項８】
前記プレスされたナノ粒子パウダーは、四酸化三鉄のナノ粒子を含む、請求項６に記載の磁力計。
【請求項９】
前記コアは、ナノ粒子を含む磁気抵抗性の膜を有する、請求項２または３に記載の磁力計。
【請求項１０】
前記ナノ粒子は、前記膜の基板の表面上に合成され、または該表面中に埋め込まれている、請求項９に記載の磁力計。
【請求項１１】
前記膜は、二酸化ケイ素および鉄のナノ粒子を含む、請求項９または１０に記載の磁力計。
【請求項１２】
前記コアは、動作温度範囲よりも実質的に低い阻害温度と、前記動作温度範囲よりも実質的に高いキュリー温度とを有している、請求項１〜１１のいずれかに記載の磁力計。
【請求項１３】
前記コアの前記阻害温度は約２００Ｋより低く、前記コアの前記キュリー温度は約３１３Ｋより高い、請求項１２に記載の磁力計。
【請求項１４】
３軸における磁界測定のために、３つのコアおよび６つの励磁コイルを備え、
励磁コイルの各ペアは、前記各コアの周囲または近傍に設けられ、
前記コアは互いに直角に配置され、１つの軸の前記コアからの磁界の測定値が、該軸における外部磁界を表している、請求項１〜１３のいずれかに記載の磁力計。
【請求項１５】
３軸における磁界測定のために、６つのコアおよび１２の励磁コイルを備え、
２つの励磁コイルは、各コアの周囲または近傍に設けられ、
３対のコアは互いに直角に配置され、１つの軸の２つの各コアからの磁界の測定値が、該軸における外部磁界を表している、請求項１〜１３のいずれかに記載の磁力計。
【請求項１６】
複数のピックアップコイルを備え、
各ピックアップコイルは、前記コアおよび前記励磁コイルの異なる部分の近傍または周囲に設けられる、請求項１〜１５のいずれかに記載の磁力計。
【請求項１７】
前記コアに電気的に接続され、該コアの磁気抵抗を測定するための一対の電極を備える、請求項１〜１６のいずれかに記載の磁力計。
【請求項１８】
前記外部磁界を表す電位差を生じさせるために、前記電極はホイートストンブリッジに電気的に接続されている、請求項１７に記載の磁力計。
【請求項１９】
前記コアに電気的に接続された二対以上の電極を備え、
該二対以上の電極は、前記外部磁界の磁界勾配を測定するように構成され、および／または、前記電極の各対または少なくとも一対は、前記コアの磁気抵抗を測定するように構成されている、請求項１〜１６のいずれかに記載の磁力計。
【請求項２０】
少なくとも１つのコアの近傍に、電流を伝送するためのワイヤが設けられ、前記ワイヤによって伝送される電流は、前記ワイヤを流れる電流から生じる外部磁界を測定することによって決定される、請求項１〜１９のいずれかに記載の磁力計。
【請求項２１】
前記電流を伝送するためのワイヤは、少なくとも１つのコアの周囲に巻きつけられ、または、該コアを通るように設けられる、請求項２０に記載の磁力計。
【請求項２２】
コントローラを備え、該コントローラは、
前記コアからの磁気抵抗の測定値を受信し、
前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値を受信し、
前記磁気抵抗の測定値、および／または、前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値に基づいて前記外部磁界を決定する
ように構成されている、請求項１〜２１のいずれかに記載の磁力計。
【請求項２３】
前記コントローラは、前記外部磁界が少なくとも１つのコアを飽和させるのに十分高い場合に、少なくとも前記磁気抵抗の測定値に基づいて前記外部磁界を決定するように構成されている、請求項２２に記載の磁力計。
【請求項２４】
前記コントローラは、前記外部磁界が前記コアを実質的に飽和させない場合に、少なくとも前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値に基づいて前記外部磁界を決定するように構成されている、請求項２２に記載の磁力計。
【請求項２５】
前記コントローラは、前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値の感度が閾値より低い場合に、少なくとも前記磁気抵抗の測定値に基づいて前記外部磁界を決定するように構成されている、請求項２２〜２４のいずれかに記載の磁力計。
【請求項２６】
前記閾値は、少なくとも１つのコアを飽和させる磁界よりも低い、請求項２５に記載の磁力計。
【請求項２７】
前記コントローラは、マルチプレクサ回路を備え、該マルチプレクサ回路は、
前記磁気抵抗に基づく外部磁界の測定値と、前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値の感度に基づく外部磁界の測定値との一方を出力するように構成されている、請求項２２〜２６のいずれかに記載の磁力計。
【請求項２８】
請求項１に記載の磁力計を用いて外部磁界を測定する方法であって、
（ａ）所定の磁界閾値よりも低い外部磁界を測定するために、前記ピックアップコイルからの信号を用いるステップと、
（ｂ）前記所定の磁界閾値よりも高い外部磁界を測定するために、前記コアの前記磁気抵抗を用いるステップと、
を有する方法。
【請求項２９】
前記所定の磁界閾値は、前記ピックアップコイルの飽和領域であり、該飽和領域は、前記ピックアップコイルからの信号の応答が飽和し始める領域であり、前記ピックアップコイルからの信号は、前記飽和領域までは、実質的に線形および非線形の応答を有する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記所定の磁界閾値は約１．５ｍＴである、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記所定の磁界閾値は、非線形領域であり、該非線形領域は、前記ピックアップコイルからの信号が実質的に線形応答から非線形応答に切り替わる領域である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記ピックアップコイルからの信号は、約０．５ｍＴ以下では非線形性が１％未満の線形であり、前記所定の磁界閾値は約０．５ｍＴである、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
ステップ（ａ）は、約０．１ｎＴ以上の外部磁界の値を測定するために、前記ピックアップコイルからの信号を用いるステップを有する、請求項２８〜３２のいずれかに記載の方法。
【請求項３４】
ステップ（ｂ）は、少なくとも約７Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために、前記コアの磁気抵抗を用いるステップを有する、請求項２８〜３３のいずれかに記載の方法。
【請求項３５】
ステップ（ｂ）は、少なくとも約１２Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために、前記コアの磁気抵抗を用いるステップを有する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
ステップ（ｂ）は、少なくとも約３０Ｔ以下の外部磁界の値を測定するために、前記コアの磁気抵抗を用いるステップを有する、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
約１μＡ〜約５Ａで周波数が約１０ｋＨｚよりも大きいＡＣサイクル部分の間に、少なくとも１つのコアを飽和させる磁界を生じさせるために、前記励磁コイルを交流で駆動するステップをさらに有する、請求項２８〜３６のいずれかに記載の方法。
【請求項３８】
前記コアの近傍に電流を伝送するためのワイヤを設け、該ワイヤを流れる電流から前記外部磁界を測定するステップをさらに有する、請求項２８〜３７のいずれかに記載の方法。
【請求項３９】
前記ワイヤを少なくとも１つのコアの周囲に巻きつける、または、該コアを通るように設けるステップを有する、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
請求項１に記載の磁力計を組み立てる方法であって、
（ａ）電極を少なくとも１つの磁気抵抗性のコアに電気的に接続するステップと、
（ｂ）少なくとも１つの励磁コイルを、前記コアの少なくとも一部の近傍または周囲に巻きつけるステップと、
（ｃ）少なくとも１つのピックアップコイルを前記励磁コイルおよび前記コアの近傍または周囲に巻きつけるステップと、
を有する方法。
【請求項４１】
少なくとも１つの磁気抵抗性のコアは、ナノ粒子を含む高透磁性の超常磁性磁気抵抗材料を有しており、
該材料は、負の磁気抵抗の電子スピン極性化を示し、
該磁気抵抗は、動作温度の範囲にわたってナノ粒子間のスピントンネルから発生する、請求項４０に記載の方法。  
【請求項４２】
少なくとも１つの磁気抵抗性のコアはペレットコアであり、
ステップ（ａ）は、前記電極を前記ペレットコアの一端に電気的に接続するステップを有する、請求項４０または４１に記載の方法。
【請求項４３】
少なくとも１つの磁気抵抗性のコアはペレットコアであり、
ステップ（ａ）は、前記電極を前記ペレットコアの長手に沿って電気的に接続するステップを有する、請求項４０または４１に記載の方法。
【請求項４４】
少なくとも１つの磁気抵抗性のコアはペレットコアであり、
ステップ（ａ）は、前記電極を前記ペレットコアの断面領域に沿って電気的に接続するステップを有する、請求項４０または４１に記載の方法。
【請求項４５】
少なくとも１つの磁気抵抗性のコアはペレットコアであり、
ステップ（ａ）は、前記電極を前記ペレットコアの対向する両端に電気的に接続するステップを有する、請求項４０または４１に記載の方法。
【請求項４６】
少なくとも１つの磁気抵抗性のコアはペレットコアであり、
前記方法は、前記ペレットコアを前記電極の周囲に成形するステップをさらに有する、請求項４０または４１に記載の方法。
【請求項４７】
磁気抵抗性のコアを複数積層して、コアの柱を形成するステップをさらに有する、請求項４０または４１に記載の方法。
【請求項４８】
ステップ（ａ）は、前記コアの柱の実質的に中央にあるコアに、電極を電気的に接続するステップを有する、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
ステップ（ａ）は、前記コアの柱の一端にあるコアに、電極を電気的に接続するステップを有する、請求項４７または４８に記載の方法。
【請求項５０】
ステップ（ａ）は、前記コアの柱の対向する両端にあるコアに、電極を電気的に接続するステップを有する、請求項４７または４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記コアは、ナノ粒子を含む磁気抵抗性の膜を有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項５２】
ステップ（ａ）は、前記電極をホイートストンブリッジに電気的に接続するステップを有し、
前記ホイートストンブリッジは、前記外部磁界を表す電位差を生じさせるように構成されている、請求項４０〜５１のいずれかに記載の方法。
【請求項５３】
ステップ（ａ）は、複数対の電極を前記コアに電気的に接続するステップを有し、
前記複数対の電極は、前記外部磁界の磁界勾配を測定するように構成され、および／または、前記電極の各対または少なくとも一対は、前記コアの磁気抵抗を測定するように構成されている、請求項４０〜５２のいずれかに記載の方法。
【請求項５４】
前記電極および前記ピックアップコイルをコントローラに電気的に接続するステップをさらに有し、前記コントローラは、
前記コアからの磁気抵抗の測定値を受信し、
前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値を受信し、
前記磁気抵抗の測定値、および／または、前記ピックアップコイルに生じた信号の測定値に基づいて前記外部磁界を決定する
ように構成されている、請求項４０〜５３のいずれかに記載の方法。
【請求項５５】
請求項１に記載の磁力計を組み立てる方法であって、
（ａ）超常磁性のナノ粒子を含む少なくとも１つの基板上に、絶縁層によって分離された平面状のコイルの形態で、異なる金属層を堆積するステップと、
（ｂ）超常磁性のナノ粒子を含む前記基板に、電極を電気的に接続するステップと、
を有する方法。
【請求項５６】
前記超常磁性のナノ粒子は、負の磁気抵抗の電子スピン極性化を示す磁気抵抗材料を形成しており、該磁気抵抗は、動作温度の範囲にわたってナノ粒子間のスピントンネルから発生する、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記超常磁性のナノ粒子を含む前記基板は、膜である、請求項５５または５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記超常磁性のナノ粒子を、前記基板の表面上に合成する、または、該表面中に埋め込むステップをさらに有する、請求項５５〜５７のいずれかに記載の方法。
【請求項５９】
前記電極は、磁気抵抗を測定するように構成され、
前記平面状のコイルの１つは、ピックアップコイルであり、
前記磁気抵抗、および前記ピックアップコイルによって伝送される信号は、外部磁界に応じて測定可能である、請求項５５〜５８のいずれかに記載の方法。
【請求項６０】
２つの平面状のコイルは励磁コイルであり、超常磁性のナノ粒子を含む前記基板に磁界を生じさせるように構成されている、請求項５５〜５９のいずれかに記載の方法。
【請求項６１】
ステップ（ａ）は、前記電極をホイートストンブリッジに電気的に接続するステップを有し、
前記ホイートストンブリッジは、外部磁界を表す電位差を生じさせるように構成されている、請求項５５〜６０のいずれかに記載の方法。
【請求項６２】
ステップ（ａ）は、複数対の電極を前記コアに電気的に接続するステップを有し、
前記複数対の電極は、前記外部磁界の磁界勾配を測定するように構成され、および／または、前記電極の各対または少なくとも一対は、超常磁性のナノ粒子を含む前記基板の磁気抵抗を測定するように構成されている、請求項５５〜６１のいずれかに記載の方法。
【請求項６３】
前記電極および少なくとも１つの平面状のコイルをコントローラに電気的に接続するステップをさらに有し、前記コントローラは、
前記コアからの磁気抵抗の測定値を受信し、
前記外部磁界が存在することによって前記少なくとも１つの平面状のコイルに生じた信号の測定値を受信し、
前記磁気抵抗の測定値、および／または、前記平面状のコイルに生じた信号の測定値に基づいて前記外部磁界を決定する
ように構成されている、請求項５５〜６２のいずれかに記載の方法。
【請求項６４】
ステップ（ａ）は、
平面状の励磁コイルおよび平面状のピックアップコイルを異なる基板上に配置するステップと、
前記平面状の励磁コイルおよび平面状のピックアップコイルを、超常磁性のナノ粒子を含む前記基板に実装するステップと、
をさらに有する、請求項５５〜６３のいずれかに記載の方法。
【請求項６５】
請求項４０〜６４のいずれかに記載の方法によって組み立てられた磁力計。
【国際調査報告】
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