(57)【要約】【課題】ブリッジ構成の、ＧＭＲを呈する４つの抵抗要素を持つトランスピンナベースの磁力計を提供する。【解決手段】バイアス電流がブリッジに印加され、もしＧＭＲ抵抗の変化によってブリッジが不平衡なら出力が発生する。振動する磁界が誘導的にＧＭＲ抵抗に印加され、飽和磁気状態の間を交互に駆動する。駆動導伝体は、外部磁界が２つの抵抗中の印加磁界と逆になり、他の２つの磁界を助けるように物理的に配置される。印加磁界および外部磁界の和が、ＧＭＲフィルムの一つのペアのＧＭＲ保磁力を越え、もう一つは越えないときだけ出力は非ゼロである。バイアス電流の極性を反転し、駆動電流について位相を制御することによって出力信号の周波数は変えることができる。【選択図】図５
2004515746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気異常を検出する装置であって、
巨大磁気抵抗を呈する薄膜要素の回路網と、
前記薄膜要素の第１サブセットに結合された、前記装置に駆動電流を供給する第１導伝体と、
前記薄膜要素の第２サブセットに結合された、前記装置にバイアス電流を供給する第２導伝体と、
を備えた装置であって、
前記薄膜要素の回路網は、前記印加された駆動電流に対して第１の向きに向いた外部磁界に応じて出力信号を発生し、前記外部磁界は前記磁気異常を表す装置。
【請求項２】
前記薄膜要素の回路網は、ブリッジ構成の４個の薄膜要素を備えており、前記第１導伝体は前記４個の薄膜要素のそれぞれに誘導的に結合されており、前記第２導伝体も前記４個の薄膜要素のそれぞれに結合されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記薄膜要素のそれぞれは、複数の磁性層および非磁性層を備えた請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記磁性層の選択されたものは異なる保磁力を有する請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記磁性層のいくつかはコバルトを備えた請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記磁性層のいくつかはパーマロイを備えた請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記磁性層のいくつかは銅を備えた請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記薄膜要素のそれぞれは、前記磁性層および非磁性層の１組を備えた請求項３に記載の装置。
【請求項９】
前記薄膜要素のそれぞれは、前記磁性層および非磁性層の複数の組を備えた請求項３に記載の装置。
【請求項１０】
前記薄膜要素のそれぞれは、少なくとも１つの高保磁力層および少なくとも１つの低保磁力層を備えており、前記高保磁力層に関連する第１磁化ベクトルを少なくとも部分的に反転することによって、それぞれの薄膜要素に関連する抵抗値が設定可能である請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記薄膜要素の回路網は、ブリッジ構成の４個の薄膜要素を備えており、前記装置は、前記ブリッジ構成が不平衡のときには、前記出力信号が非ゼロであり、前記薄膜要素のいくつかに関連する第１磁化ベクトルが前記薄膜要素の他と関連する対応する第２磁化ベクトルと逆のときには、前記ブリッジ構成が不平衡になるように構成されている請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
磁気異常を検出する装置であって、
巨大磁気抵抗を呈する薄膜要素の回路網と、
前記薄膜要素の第１サブセットに誘導的に結合された、前記装置に駆動電流を供給する第１導伝体と、
前記薄膜要素の第２サブセットに結合された、前記装置にバイアス電流を供給する第２導伝体と、
を備えた装置であって、
前記薄膜要素の回路網は、外部磁界に応じて出力信号を発生し、前記外部磁界は前記磁気異常を表し、前記出力信号は前記外部磁界に関連する勾配テンソルの一つの要素を表す装置。
【請求項１３】
複数のグラジオメータを備えた磁気異常を検出する装置であって、
それぞれのグラジオメータは、
巨大磁気抵抗を呈する薄膜要素の回路網と、
前記薄膜要素の第１サブセットに誘導的に結合された、前記装置に駆動電流を供給する第１導伝体と、
前記薄膜要素の第２サブセットに結合された、前記装置にバイアス電流を供給する第２導伝体と、
を備えた装置であって、
それぞれのグラジオメータ中の前記薄膜要素の回路網は、外部磁界に応じて出力信号を発生し、前記外部磁界は前記磁気異常を表し、前記出力信号は前記外部磁界に関連する勾配テンソルの複数の要素を表す装置。
【請求項１４】
磁気異常を検出する装置であって、前記装置は磁力計を備えており、前記磁力計は、
巨大磁気抵抗を呈する薄膜要素の第１回路網と、
前記第１回路網中の前記薄膜要素の第１サブセットに誘導的に結合された、前記磁力計に駆動電流を供給する第１導伝体と、
前記第１回路網中の前記薄膜要素の第２サブセットに結合された、前記磁力計にバイアス電流を供給する第２導伝体と、
を備えた磁力計であって、
前記薄膜要素の第１回路網は、前記磁気異常に関連する外部磁界の大きさを表す第１出力信号を発生する磁力計であって、
前記装置は複数のグラジオメータも備えており、それぞれのグラジオメータは、
巨大磁気抵抗を呈する薄膜要素の第２回路網と、
前記第２回路網中の前記薄膜要素の第１サブセットに誘導的に結合された、前記グラジオメータに駆動電流を供給する第３導伝体と、
前記第２回路網中の前記薄膜要素の第２サブセットに結合された、前記グラジオメータにバイアス電流を供給する第４導伝体と、
を備えたグラジオメータであって、
それぞれのグラジオメータ中の前記薄膜要素の第２回路網は、前記外部磁界に応じて第２出力信号を発生し、前記第２出力信号は前記外部磁界に関連する勾配テンソルの複数の要素の一つを表すグラジオメータである装置。
【請求項１５】
磁気異常を検出する装置を駆動する方法であって、前記装置は、
巨大磁気抵抗を呈し、ブリッジ構成に構成された薄膜要素の回路網と、
前記薄膜要素のそれぞれに誘導的に結合された、前記装置に駆動電流を供給する第１導伝体と、
前記薄膜要素のそれぞれに結合された、前記装置にバイアス電流を供給する第２導伝体と、
を備えた装置であって、前記方法は、
前記第２導伝体を介して前記装置に前記バイアス電流を印加すること、および
前記第１導伝体を介して前記装置に前記駆動電流を印加することであって、前記駆動電流は周期的であってそれに関連する周波数および第１磁界を有する、前記駆動電流を印加することを備えており、
前記駆動電流に関連する前記第１磁界は、外部磁界が存在するときにはそれぞれの駆動電流周期中の複数の時間周期について前記ブリッジを抵抗的に不平衡にし、それぞれの時間周期は、関連する期間を有する出力信号のパルスに対応する方法。
【請求項１６】
前記バイアス電流を印加することは、前記第２導伝体を介して前記装置に定電流を印加することを備えており、前記出力信号は前記駆動電流の前記周波数の両極性信号を備えた請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記バイアス電流を印加することは、前記第２導伝体を介して両極性電流を前記装置に印加することを備えており、前記両極性電流の前記極性は前記駆動電流の前記極性と一致し、前記出力信号は前記駆動電流の前記周波数の２倍の両極性信号を備えた請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記バイアス電流を印加することは、前記第２導伝体を介して両極性電流を前記装置に印加することと、前記出力信号が単極性信号を備えているように前記両極性電流の前記極性を制御することとを備えた請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記両極性電流の前記極性を制御することは、前記出力信号パルスの選択されたものの間の前記両極性電流の前記極性を反転させる請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記両極性電流の前記極性を制御することは、前記両極性電流の前記極性を反転させて前記出力信号を発生し、この際、前記出力信号の周波数成分の整数倍が前記駆動電流および前記バイアス電流のいずれにも存在しないような前記出力信号を発生することを備えている請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は２０００年７月１１日に出願された米国仮特許出願第６０／２１７，７８０号、「ＬＯＷ ＰＯＷＥＲ， ＳＥＮＳＩＴＩＶＥ， ＡＣＣＵＲＡＴＥ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＧＲＡＤＩＯＭＥＴＥＲ」および ２００１年６月１８日に出願された米国特許出願、弁護士事件番号ＩＭＥＣＰ００８「ＬＯＷ ＰＯＷＥＲ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＡＮＯＭＡＬＹ ＳＥＮＳＯＲ」から優先権を主張しており、その全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００２】
本発明は磁気異常を検出するセンサに関しており、より具体的には巨大磁気抵抗の特質を利用する磁気センサに関する。
【０００３】
【発明の背景】
磁気センサは、磁気異常を検出する様々なアプリケーションで用いられる。よくある磁気センサの例はフラックスゲート磁力計である。フェライトトーラスコア１０２上に巻かれた従来からあるフラックスゲート磁力計１００が図１に示される。磁力計１００は、周波数ｆの正弦波で駆動される駆動コイル１０４を有する。駆動コイルの関数はフェライトトーラスコアを時計回りおよび反時計回りに交互に飽和させる。センスコイル１０６も含まれており、これは、駆動サイクル中の駆動電流がゼロに近いときだけ、水平方向の、つまりセンスコイルの平面に法線方向のいかなる正味の磁束をも検出する。つまり水平方向正味磁束は、駆動コイル１０４の電流がゼロに近いときだけ、つまり正弦波入力のゼロクロス点においてだけ存在する。これは入力信号の各周期に２回起こるので、センスコイル１０６の出力信号の周波数は入力信号の２倍、つまり２ｆになり、これによりセンサ出力のノイズを低減できる。
【０００４】
図２（ａ）〜（ｄ）は、入力信号の１周期中の磁力計１００の変化する磁気構成を示す。磁化の向きはフェライトコア１０２に重ねられた矢印によって示されている。図２（ａ）において、入力駆動電流は最大かつ正で、反時計回りの向きにコア１０２の飽和をきたす。駆動電流がゼロに減少されると、コア１０２の磁化は図２（ｂ）に示すように外部磁界に応答する。駆動電流が最大で負であるとき、コア１０２は図２（ｃ）に示すように時計回りに飽和する。最後に入力駆動電流が再びゼロに達するとき、磁化は再び外部磁界に応答する（図２（ｄ））。
【０００５】
フラックスゲート磁力計のよくあるアプリケーションは、図３に示す従来のフラックスゲートグラジオメーターである。グラジオメータ３００は、駆動コイル３０６に同じ入力駆動電流を流している２つの磁力計３０２および３０４を２つの異なる位置に備えている。磁力計のセンスコイル３０８および３１０は、差動アンプ３１２に接続されており、その出力は２つの磁力計の位置における磁界の差を表す。
【０００６】
残念ながら、従来のフラックスゲート磁力計およびそれが一部をなす装置（例えばフラックスゲートグラジオメータ）は、いくつかの深刻な欠点をもつ。まずこれらの装置は大きすぎて、微小検出のアプリケーションに用いるには電力を使いすぎである。さらにこれらは、多くのアプリケーションについては使いものにならないほど高価である。最後にこのような装置は、これまで集積回路技術を用いて製造されたことがなかった。したがって安価で、微小検出のアプリケーションに適した、集積回路製造技術にふさわしい磁気検出技術を提供することが望まれる。
【０００７】
【発明の概要】
本発明によれば、磁気検出技術が提供され、その動作は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）として知られる多層磁性薄膜構造の特質に基づいている。具体的な実施形態によれば、磁気センサが提供され、それはトランスピンナと参照されるＧＭＲデバイスに基づいている。トランスピンナは、多機能、能動固体デバイスであり、トランジスタおよびトランスの双方に似た特性を有するＧＭＲ薄膜要素の回路網を備えている。トランジスタのように、トランスピンナは電力増幅、電流増幅、電圧増幅、または論理のために用いられる。トランスのようにトランスピンナは、入力抵抗を出力から絶縁したまま、電圧および電流を上げたり、下げたりするために用いられる。
【０００８】
本発明の具体的な実施形態によれば、トランスピンナベースの磁力計が提供され、これはＧＭＲを呈するブリッジ構成の４つの抵抗要素を有する。２つの入力導伝体はそれぞれ抵抗要素の２つに誘導的に結合され、正弦波駆動電流が１つに印加され、バイアス電流がもう１つに印加される。ブリッジの２つのアームの抵抗が等しいとき、ブリッジは平衡であり出力電流はない。磁気異常によって加えられた磁界が抵抗を等しくないようにするとき、ブリッジは不平衡になり外部磁界を表す出力を生む。
【０００９】
よって本発明は、磁気異常を検出する装置を提供し、これは巨大磁気抵抗を呈する薄膜要素の回路網を含む。第１導伝体は、薄膜要素の第１サブセットに誘導的に結合されて装置に駆動電流を供給する。第２導伝体は、薄膜要素の第２サブセットに結合されて装置にバイアス電流を供給する。薄膜要素の回路網は、印加された駆動電流に対して第１の向きに方向づけられている外部磁界に応じて出力信号を発生し、外部磁界は前記磁気異常を表す。
【００１０】
他の実施形態によれば、グラジオメータが提供され、これも巨大磁気抵抗を呈する薄膜要素の回路網を備えている。第１導伝体は、薄膜要素の第１サブセットに誘導的に結合されて装置に駆動電流を供給する。第２導伝体は、薄膜要素の第２サブセットに結合されて装置にバイアス電流を供給する。薄膜要素の回路網は、外部磁界に応じて出力信号を発生し、この外部磁界は前記磁気異常を表す。出力信号は、外部磁界に関連する勾配テンソルの一つの要素を表す。
【００１１】
さらに他の実施形態によれば、このようなグラジオメータの複数が外部磁界の勾配テンソルの複数の要素を検出するために構成されている。これらの実施形態のいくつかによれば、本発明に基づいて設計された磁力計はグラジオメータにも含まれ、磁力計からの大きさデータおよび複数のグラジオメータからの空間微分データは併せて、磁気異常の大きさ、距離、および動きの向きを決定する。
【００１２】
本発明の性質および優位性のさらなる理解は、明細書の残りの部分および図面を参照して理解されうる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
上述のように、本発明は、交互の磁性および非磁性金属膜を備えた薄膜構造における巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）の特質を利用する。そのような構造の磁性層が同じ向きに磁化されると、反対向きに磁化されるときよりも構造の抵抗は低い。これは、電子が磁化を生じるとき、磁性材料中の伝導電子が同じ向きにスピン分極化されるという事実のためである。隣接する磁性層が異なる向きに磁化されるとき、隣接層を移動する伝導電子は、高い境界散乱に遭遇し、フィルムの全体的な抵抗が対応する分だけ増加する。そのような構造の抵抗が大きく変わることは、選択された層を部分的または完全に反転する磁界を印加することから生じる。
【００１４】
トランスピンナは、ＧＭＲ薄膜の回路網を備えた多機能、アクティブＧＭＲデバイスであり、トランジスタおよびトランスの双方に似た特性を持つ。トランジスタのように、それは増幅、論理、または反転のために用いられる。トランスのようにトランスピンナは、入力抵抗を出力から絶縁したまま、電圧および電流を上げたり、下げたりするために用いられる。トランジスタのようにトランスピンナは、小さいところに集積できる。従来のトランスとは異なり、トランスピンナは周波数遮断がなく、直流に至るまで結合はフラットである。さらにトランスピンナの動作特性（増幅、電流要件、および速度）は、その大きさが小さくなるほど改善される傾向にある。トランスピンナのさらなる情報は、１９９９年７月２７日付与された米国特許第５，９２９，６３６号、「ＡＬＬ−ＭＥＴＡＬ， ＧＩＡＮＴ ＭＡＧＮＥＴＯＲＥＳＩＳＴＩＶＥ， ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ」を参照されたい。これはその全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【００１５】
トランスピンナ４００の具体的な実現例が図４に示される。ＧＭＲフィルム構造を備えた４つの抵抗要素Ｒ１〜Ｒ４は、ホイートストンブリッジとして構成される。入力線４１０および４１２のいずれかの電流は、一つ以上のＧＭＲフィルムＲ１〜Ｒ４において磁界を作る。これがブリッジを不平衡に、出力端子４１４および４１６間に出力信号を作り出す。図４のトランスピンナ実現例においては、入力線４１０および４１２は、誘導的に抵抗要素Ｒ１〜Ｒ４にコイルで結合されるように示されている。他の集積回路の実施形態によれば、この結合はストリップラインを用いて達成される。
【００１６】
上述のように、トランスピンナ４００のそれぞれのレグの抵抗は、磁界の印加によって、それぞれのＧＭＲフィルム層の磁化ベクトルを操作することによって変化させられうる。そのような磁界は、ＧＭＲフィルムから電気的に絶縁されている入力線４１０および４１２に電流を印加することによって発生させることができる。入力線４１０は、ＧＭＲフィルムＲ１およびＲ３に誘導的に結合されており、ＧＭＲフィルムＲ１およびＲ３の抵抗を変えるための磁界を与える。入力線４１２は、ＧＭＲフィルムＲ２およびＲ４に誘導的に結合されており、ＧＭＲフィルムＲ２およびＲ４の抵抗を変えるための磁界を与える。もし全ての４つのＧＭＲフィルムの抵抗が同一であるなら、入力線４１０および４１２の等しい電流が抵抗を等しく変化させ、ブリッジを不平衡にはさせず、よってゼロ出力を生む。しかしもし等しくない電流が印加されると、抵抗の不平衡が生じ、よって非ゼロの出力が生まれる。
【００１７】
集積回路技術を用いて製造されたトランスピンナに基づく磁力計５００が図５を参照して説明される。磁力計５００は、正弦波電流が印加磁界入力５０２に、バイアス電流がバイアス電流入力５０４に印加される２入力デバイスである。４つの多層薄膜ＧＭＲ抵抗要素Ｒ１〜Ｒ４がホイートストンブリッジ構成で配置される。抵抗要素Ｒ１〜Ｒ４のそれぞれは、少なくとも１つの高保磁力層、例えばコバルト、および少なくとも１つの低保磁力層、例えばパーマロイを、非磁性導伝体、例えば銅と共に交互に備えている。
【００１８】
ブリッジの２つのアームの抵抗が等しいとき、ブリッジは平衡がとれており、出力電流はない。磁気異常の磁界が、抵抗を等しくないようにするとき、ブリッジは不平衡になり、出力電流を生じる。磁力計５００は、印加磁界駆動電流の向きに垂直な外部磁界に敏感である。
【００１９】
磁力計５００のそれぞれのレグの抵抗要素が同じ磁気状態であるとき、その出力はゼロになる。しかし製造プロセスでの不完全性のために、抵抗は、典型的にわずかにずれており、結果として、磁気異常による外部磁界が存在しないところであっても非ゼロの出力が生じる。よって本発明の具体的な実施形態によれば、磁力計５００の１つ以上抵抗要素がこの不平衡を補償するためにトリミングされうる。
【００２０】
つまり、抵抗不平衡の補償は、少なくとも１つの抵抗要素の高保磁力層の少なくとも一つを部分的または完全に反転することでトランスピンナの出力を減少させることによって達成される。コバルト層の適当なパーセンテージを反転することによって、磁気異常が存在しないとき、つまりゼロであることが期待されるとき、トランスピンナの出力がゼロになるようにできる。ＧＭＲ構造の抵抗トリミングについてのさらなる情報は、 に出願され共通に所有された、同時係属中の米国特許出願第０９／ 号、「ＭＡＧＮＥＴＯＲＥＳＩＳＴＩＶＥ ＴＲＩＭＭＩＮＧ ＯＦ ＧＭＲ ＣＩＲＣＵＩＴＳ」（弁護士事件番号ＩＭＥＣＰ００７）に記載されており、これはその全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【００２１】
もう一度図５を参照すれば、駆動正弦波電流は印加磁界入力５０２に印加される。この電流からの磁界は、ＧＭＲ抵抗要素Ｒ１〜Ｒ４を正弦波の正および負のピークにおいて飽和させる。その間においては、図６（ａ）に示すように、ＧＭＲ抵抗要素はＢ−Ｈループを回る。もし外部磁界（例えば地磁気）が、抵抗要素Ｒ１およびＲ３中の正の電流からの印加磁界を助けるなら、その外部磁界は抵抗要素Ｒ２およびＲ４中の印加磁界電流からの磁界と逆向きである。印加磁界電流が負であるときは、逆が正しい。よって図６（ａ）に示すように、Ｒ１およびＲ３ついてのヒステリシスループはＲ２およびＲ４についてのそれとは異なり、２つのループは一時的に分離する。この差は、２つのヒステリシスループの一時的な分離に対応する期間だけブリッジを不平衡にし、その結果、図６（ｂ）に示すその期間の出力パルスを生じることになる。磁気異常の存在による外部磁界はこの影響を、外部磁界の大きさに正比例して増す。
【００２２】
上述のように、磁力計５００のＧＭＲ抵抗要素は、高・低保磁力層を含む複数の磁性層を有する。低保磁力層は、高保磁力層よりも低い磁界強度において反転する。印加磁界の大きさが低保磁力層を反転させるのに充分なだけ高く、その結果その磁化が高保磁力層の磁化と反平行であるとき、ＧＭＲフィルムの抵抗は上昇する。印加磁界の大きさが増加し続けるにつれ、高保磁力層も結局、反転しその結果、低保磁力層のそれと再び平行になり、抵抗は減少する。さらに、議論のために、バイアス電流が正で、Ｒ２およびＲ４の抵抗がＲ１およびＲ３の抵抗よりも大きいとき、出力電流が正であるというとりきめをここで採用する。もし逆も正しいなら、出力電流の極性は負になる。
【００２３】
印加磁界電流の全体周期にわたっての、磁気異常が存在する状態での磁力計５００の出力が図６（ｂ）に示される。この例では、バイアス電流は一定であると仮定される。入力は大きな正の印加磁界電流（グラフのいちばん右）から始まり、ゼロまで減少され、極性が反転し、負の向きに大きくなり、やがて抵抗要素Ｒ２およびＲ４の低保磁力層が反転し、高保磁力層に反平行になり、抵抗Ｒ２およびＲ４の抵抗を上昇させ、ブリッジを不平衡にさせ、磁力計の正の出力を生じる（電流パルス６０２の前縁）。図６（ａ）を参照しながら上述したように、磁気異常の存在によって生じたヒステリシスカーブの一時的分離のために抵抗要素Ｒ１およびＲ３の低保磁力層はこの時点では反転しない。電流パルスの幅、つまり一時的な分離は、磁気異常と関連する磁界の大きさに依存する。
【００２４】
印加磁界電流の大きさが負の向きに増すにつれ、抵抗要素Ｒ１およびＲ３の低保磁力層が結局は反転し、Ｒ１およびＲ３の抵抗を増加させ、ブリッジを再び平衡させ、磁力計の出力をゼロに低減させる（電流パルス６０２の後縁）。
【００２５】
印加磁界電流の大きさが負の向きに増すにつれ、Ｒ２およびＲ４の高保磁力層が反転し、対応する低保磁力層と平行になり、Ｒ２およびＲ４の抵抗が減少する。これがブリッジを再び不平衡にさせ、負の出力を生じる（電流パルス６０４の前縁）。わずかにもう少し負の印加磁界電流の大きさにおいては（再び一時的分離）、Ｒ１およびＲ３の高保磁力層が反転して、それらに関連する低保磁力層に平行になり、ブリッジを平衡にし、それにより出力をゼロに戻す（電流パルス６０４の後縁）。
【００２６】
同様の一連の事象が、磁気異常が存在しているときに印加磁界電流が正に振れると起こる。つまり印加磁界電流がその負のピークに達し、ゼロにまで減少され、極性が反転し、正の向きに増大する。まずＲ１およびＲ３の低保磁力層が反転し、それに続いてＲ２およびＲ４の低保磁力層が反転する。この結果、磁力計ブリッジが一時的に不平衡になるが、これは負の出力電流パルス６０６によって明らかになる。印加磁界電流の大きさが増大し続けると、Ｒ１およびＲ３の高保磁力層が反転し、それに続いてＲ２およびＲ４の高保磁力層が反転する。この結果、磁力計ブリッジがまた一時的に不平衡になるが、これは正の出力電流パルス６０８によって明らかになる。一連の流れはそれぞれ入力電流周期毎に繰り返される。
【００２７】
図７（ａ）〜（ｃ）は、時間の関数としてプロットされた３つの異なるバイアス電流についての、出力電流と、トランスピンナ磁力計の印加磁界電流との関係を示すグラフである。図７（ａ）は、一定のバイアス電流の場合を示す。出力はバイアス電流と比例しており、出力電流の極性は駆動電流の極性と共に反転し、つまり出力電流の周期は駆動電流と同じである。
【００２８】
図７（ｂ）は、バイアス電流の極性が、駆動電流の極性と共に反転する場合を示す。その結果は、従来のフラックスゲート磁力計と同様に、駆動電流の周波数の２倍の両極性出力電流になる。これは基本波からのノイズの混入なしに、信号のフェーズロックされた周波数検出を促進し、それにより磁力計の磁性要素の保磁力よりも多くの桁小さい磁界の検出が可能となる。
【００２９】
図７（ｃ）は、ブリッジの低保磁力層が反転する時刻と、ブリッジの高保磁力層が反転する時刻との間にバイアス電流の極性が反転される場合を示す。出力は１周期毎に４つの単一極性パルスであって、全て正である。この出力波形は様々なフーリエ成分を持っており、その一つは直流成分である。この直流成分は信号検出を特に簡単にするが、それは検出された磁界がない限り、出力には直流成分がないからである。駆動電流が高調波歪みを含むかどうかは重要でなく、スプリアス直流出力を与えるわけではない。そのため高調波フィルタリングの必要がない。これは、注意深いフィルタリングの要件が従来のフラックスゲート磁力計を高価なものにする一つのファクターであるという点で有利といえる。この実施形態は、その入力として交流だけを必要とし、直流出力をつくる。これは重さ、複雑さ、コストを削減し、かつ感度の向上を招く。
【００３０】
一般にトランスピンナはミキサのように振る舞い、バイアスおよび入力電流の和および差の周波数を含む出力を生成する。バイアスおよび入力電流のいずれにも無い異なる周波数を選択することによって、高調波ノイズのない出力を得ることができる。
【００３１】
図８は、本発明の実施形態によって設計されたトランスピンナに基づいたグラジオメータ８００の例を示す。グラジオメータ８００は、一定の磁界についてゼロ出力電流を与え、センス方向に沿った磁界の空間微分成分だけに敏感である。図８においては、ブリッジ右手側の印加磁界の向きは、図５のそれとは逆にされることに注意されたい。その結果、ブリッジの右手および左手側の双方が空間的に一定の磁界には同じように反応させられ、その結果、磁界がブリッジ左手側においてブリッジの右手側から違うときだけブリッジは不平衡になる。よってグラジオメータ８００は、センス方向に沿った磁界の空間微分成分だけに敏感である（つまり図８で水平方向）。
【００３２】
グラジオメータの使用の一つには、車が検出器のそばの位置に動いたかどうかを検出することがある。もしこの目的で磁力計を使い出力の時間依存変化を見たいなら困ることになるだろう。なぜなら地磁気は実際には時間と共に変化するからである。よって、磁力計の出力が変化するとき、地磁気が変化したのかそれとも車がそばに動いたかを知る方法がない。グラジオメータを代わりに使うのには利点がある。なぜなら近くの車は空間勾配を持つ磁界を作るが、地磁気は事実上持たないからである。
【００３３】
具体的な実施形態によれば、複数のグラジオメータは、それぞれが勾配テンソルＭＨｉ／Ｍｘｊの９個の要素の１つに敏感である。それぞれのグラジオメータの感度は、それぞれの装置をその対応するテンソル要素の向きに配置すること、つまりそれぞれの装置のアームの向きを適切に配置することによって設定できる。様々な実施形態によれば、グラジオメータのそのようなアレイは、微分のいくつが与えられたアプリケーションについて重要であるかに依存して、９個かそれよりも少ないグラジオメータを含む。
【００３４】
より具体的な実施形態によれば、グラジオメータのアレイからのデータは、トランスピンナ磁力計、例えば図５の磁力計５００からのデータと共に統合され、磁気異常の物理的サイズおよびセンサからのその距離に関する情報を提供する。つまり磁力計によって与えられる大きさの情報は、グラジオメータのアレイからの空間微分情報と統合されえて、これにより例えば検出された磁気異常が武装した３ｍ先の兵士なのか、３０ｍ先のジープなのか、または１００ｍ先の戦車なのかを区別することができる。これらのデータはまた、磁気異常の動きの向きを決定するために用いられうる。
【００３５】
このような実施形態によれば、検出器と磁気異常との間の距離は、磁気異常の磁界の大きさと、その勾配との比から決定されうる。これは磁界の大きさは距離の３乗に反比例して減少するのに対して、１次微分は４乗に反比例して減少するからである。
【００３６】
検出器に対する磁気異常の向きは、勾配が最も大きい向きを求めることによって決定されうる。ある実施形態によれば、９個のグラジオメータが設けられ、それぞれは勾配テンソルの９個の要素の異なる１個に敏感である。他の実施形態によれば、９個よりも少ないグラジオメータが用いられ、例えば平面内の向きに関連するものだけが用いられる。
【００３７】
本発明によって設計されたグラジオメータの感度は、グラジオメータのアームの間の間隔に比例している。具体的な実施形態によれば、単一のグラジオメータのアームは、所望の距離を得るために２つの別のチップに配置されうる。
【００３８】
さらに、磁力計５００および図７（ｃ）を参照して上述したように、本発明に基づいて設計されたグラジオメータは、同様に、交流入力が直流出力を発生するように構成され駆動されうる。これにより、平滑用タンク回路の必要がなくなり、非常に感度のよい、安価な装置になる。これは多くのセンサが求められるアプリケーションには重要なことである。
【００３９】
本発明は具体的な実施形態を参照して特に示され説明されてきたが、本発明の精神および範囲をはずれることなく、開示された実施形態の形態や詳細を変更することができることは当業者には理解されるだろう。例えば本発明の具体的な実施形態は、コバルトおよびパーマロイ磁性材料の使用を参照してここでは説明されてきた。しかし発明と用いるためのＧＭＲ構造を構成するためには他の磁性材料が用いられえて、それでもそれは本発明の範囲にとどまることが理解されよう。
【００４０】
さらに、例えば、勾配テンソルの９個の要素に対応する９個のグラジオメータを持つ実施形態を含む磁力計およびグラジオメータの組み合わせを持つ磁気検出システムが説明されてきた。しかしより少ないグラジオメータを持つ実施形態も考えられ、いくつかのアプリケーションについてはより少ない勾配テンソル要素が重要であるとわかるだろう。よって本発明の範囲は、添付の特許請求項を参照して決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のフラックスゲート磁力計を示す図である。
【図２】駆動電流の１周期内の様々な点における従来のフラックスゲート磁力計の磁化を示す図である。
【図３】従来のフラックスゲートグラジオメータを示す図である。
【図４】ＧＭＲトランスピンナを示す図である。
【図５】本発明の具体的な実施形態によって設計されたトランスピンナ磁力計を示す図である。
【図６】本発明の具体的な実施形態によって設計されたトランスピンナ磁力計のＧＭＲ要素のヒステリシスループを示すグラフである。
【図７】本発明の様々な実施形態による３つの異なるバイアス電流についてのトランスピンナ磁力計の出力電流および印加磁界電流の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の別の具体的な実施形態によって設計されたトランスピンナ磁力計を示す図である。
【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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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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