(57)【要約】【課題】簡素化かつ小型化された構成で、Ｓ／Ｎ比を改善することが可能な信号検出装置を提供する。【解決手段】磁気検出装置１００は、被測定対象１が発生する信号（磁場）を検出する。磁気検出装置１００は、被測定対象１から第１の距離を隔てた位置に配置され、信号を検出する測定センサ１０ｍと、被測定対象１から第１の距離より長い第２の距離を隔てた位置に配置され、信号を検出するリファレンスセンサ１０ｒと、測定センサ１０ｍの出力信号とリファレンスセンサ１０ｒの出力信号との差分である差動信号１４を出力する差動回路１３とを備える。【選択図】図３
2016217868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象が発生する信号を検出するための信号検出装置であって、
前記被測定対象から第１の距離を隔てた位置に配置され、前記信号を検出する第１のセンサと、
前記被測定対象から前記第１の距離より長い第２の距離を隔てた位置に配置され、前記信号を検出する第２のセンサと、
前記第１のセンサの出力信号と前記第２のセンサの出力信号との差分である差動信号を出力する差動回路とを備える、信号検出装置。
【請求項２】
ｎ個（ｎは正の整数）の前記第１のセンサに対してｎ個の前記第２のセンサが設けられ、
ｎ個の前記差動回路は、一方の入力端子に、ｎ個の前記第１のセンサの出力信号をそれぞれ受けるとともに、他方の入力端子に、ｎ個の前記第１のセンサと対をなすｎ個の前記第２のセンサの出力信号をそれぞれ受ける、請求項１に記載の信号検出装置。
【請求項３】
ｍ個（ｍは２以上の整数）の前記第１のセンサに対して１個の割合で前記第２のセンサが設けられ、
ｍ個の前記差動回路は、一方の入力端子に、ｍ個の前記第１のセンサの出力信号をそれぞれ受けるとともに、他方の入力端子に、ｍ個の前記第１のセンサと対をなす１個の前記第２のセンサの出力信号を共通に受ける、請求項１に記載の信号検出装置。
【請求項４】
互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸で形成される座標空間において、前記被測定対象をＺ軸上に配置するとともに、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサをＸＹ平面上に配置した場合、前記第１の距離および前記第２の距離は下記式（１）で表される関係を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の信号検出装置。
（Ｓｍ／Ｓｒ）３≦０．５      ・・・（１）
（式（１）中、Ｓｍは前記第１の距離を表し、Ｓｒは前記第２の距離を表す。）
【請求項５】
ＸＹ平面は、Ｚ軸を中心としてｍ個の領域に区分され、
ｍ個の前記領域の各々には、ｎ個の前記第１のセンサが互いに間隔を隔てて配置されるとともに、ｎ個の前記第１のセンサに対して１個の割合で前記第２のセンサが配置され、
ＸＹ平面の平面視において、前記被測定対象から前記第２のセンサまでの距離は、前記被測定対象から各前記第１のセンサまでの距離よりも長い、請求項４に記載の信号検出装置。
【請求項６】
前記差動回路は、ｍ×ｎ個の前記第１のセンサの出力信号をそれぞれ受けるように、ｍ×ｎ個設けられ、
同一の前記領域に配置されるｎ個の前記第１のセンサにそれぞれ対応するｎ個の前記差動回路は、ｎ個の前記第１のセンサと対をなす前記第２のセンサの出力信号を共通に受ける、請求項５に記載の信号検出装置。
【請求項７】
互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸で形成される座標空間において、前記被測定対象、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサをＺ軸上に配置した場合、前記第１の距離および前記第２の距離は下記式（２）で表される関係を有する、請求項１に記載の信号検出装置。
Ｓｒ／Ｓｍ≧１．４      ・・・（２）
（式（２）中、Ｓｍは前記第１の距離を表し、Ｓｒは前記第２の距離を表す。）
【請求項８】
前記第１のセンサおよび前記第２のセンサの各々は、前記被測定対象が発生する磁場を検出可能に構成された磁気センサ回路である、請求項１から７のいずれか１項に記載の信号検出装置。
【請求項９】
前記磁気センサ回路は、磁気抵抗素子を含む、請求項８に記載の信号検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被測定対象が発生する信号を検出する信号検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定対象からの信号を検出する信号検出装置においては、検出したい信号にノイズ（雑音）が重畳されることで、Ｓ／Ｎ比（信号雑音比）が小さくなるという問題がある。Ｓ／Ｎ比とは、信号電力を雑音電力で割った値であり、Ｓ／Ｎ比が小さいほど、信号に重畳する雑音の影響が大きくなる。従来、信号検出装置のＳ／Ｎ比を改善させるために、検出信号を増幅回路で増幅することや、差動増幅器を用いて同相ノイズを除去することなどの手法が採られている。
【０００３】
しかしながら、増幅回路で増幅させる手法では、ノイズを含めた信号全体が増幅されてしまうことになる。また、差動増幅器を用いて同相ノイズを除去する手法では、被測定対象からの信号と固定値（基準値）との差を増幅しているに過ぎず、信号検出装置に発生しているノイズそのものを除去することができない。
【０００４】
このような不具合に鑑みて、特開２００５−３５１７４６号公報（特許文献１）では、被測定対象からの信号を検出するセンサを複数設け、当該複数のセンサの少なくとも一対の差分をとる信号検出装置が提案されている。特許文献１では、複数のセンサの対それぞれに対応して差分絶対値回路が設けられている。そして、複数の差分絶対値回路の出力信号の総和を求めて最終検出信号が生成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３５１７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載される信号検出装置によれば、ｎ個（ｎは２以上の整数）のセンサを設けた場合には、ｎ個のセンサから一対となる２個のセンサを選択する組合せの数に相当する個数、すなわち、ｎ×（ｎ−１）／２個の差分絶対値回路が必要となる。そのため、装置規模が大きくなり、かつ、回路構成が複雑になってしまうといった問題が浮上する。
【０００７】
また、特許文献１によれば、複数のセンサを同一平面上に２次元的に配置した場合において、選択された２個のセンサの差分をとることで、本来検出したい信号自体が相殺されてしまう場合が起こり得る。そのため、複数のセンサ全体を有効に活用しきれないという問題が生じてしまう。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、簡素化かつ小型化された構成で、Ｓ／Ｎ比を改善することが可能な信号検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明のある局面に従う信号検出装置は、被測定対象が発生する信号を検出するための信号検出装置であって、被測定対象から第１の距離を隔てた位置に配置され、信号を検出する第１のセンサと、被測定対象から第１の距離より長い第２の距離を隔てた位置に配置され、信号を検出する第２のセンサと、第１のセンサの出力信号と第２のセンサの出力信号との差分である差動信号を出力する差動回路とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、簡素化かつ小型化された構成で、Ｓ／Ｎ比を改善することが可能な信号検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に従う磁気検出装置に用いられる磁気抵抗素子の概略構成図である。
【図２】図１に示した磁気抵抗素子を用いて構成された磁気センサ回路の構成を示す回路図である。
【図３】この発明の実施の形態１に従う磁気検出装置の概略構成図である。
【図４】図３に示す磁気検出装置を上方から見た平面図である。
【図５】図３に示す磁気検出装置の第１象限を、Ｚ軸に垂直な方向から見た側面図である。
【図６】この発明の実施の形態２に従う磁気検出装置の概略構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３に従う磁気検出装置の概略構成図である。
【図８】この発明の実施の形態１の変形例に従う磁気検出装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１３】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１では、被測定対象から発生される信号を検出する信号検出装置の代表例として、被測定対象からの磁場を検出する磁気検出装置について説明する。
【００１４】
実施の形態１に従う磁気検出装置は、磁気抵抗素子を利用した磁気センサ回路を複数含んで構成されている。磁気検出装置は、複数の磁気センサ回路の出力信号に基づいて、被測定対象からの磁場を検出する。
【００１５】
［磁気抵抗素子の例］
図１は、この発明の実施の形態１に従う磁気検出装置に用いられる磁気抵抗素子の概略構成図である。磁気抵抗素子には、一例として、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunnel  Magneto  Resistance）素子が採用される。
【００１６】
図１を参照して、ＴＭＲ素子１０１は、固定層ＰＬ（Pinned  Layer）と、自由層ＦＬ（Free  Layer）と、障壁層ＢＬ（Barrier  Layer）とを含む。
【００１７】
自由層ＦＬは、強磁性体によって構成されており、磁化されている。図１に示す矢印は、磁化の方向を概念的に示す。自由層ＦＬの磁化は、外部磁界、たとえば被測定対象を流れる電流（以下、「被測定電流」とも称する）によって生じる磁界によって変化する（回転する）。固定層ＰＬは、強磁性体によって構成されており、磁化されている。固定層ＰＬの磁化は、外部磁界によって変化しない（固定される）。障壁層ＢＬは、絶縁膜からなり、固定層ＰＬと自由層ＦＬとを絶縁する。
【００１８】
ＴＭＲ素子１０１は、抵抗値を有する。自由層ＦＬの磁化方向が、固定層ＰＬの磁化方向と平行かつ同方向とされると、抵抗値は最小になる。自由層ＦＬの磁化方向が、固定層ＰＬの磁化方向と平行かつ逆方向とされると、抵抗値は最大になる。自由層ＦＬの磁化方向は、ＴＭＲ素子１０１が置かれる磁場に依存する。たとえば、被測定電流によって生じる磁界に応じて、自由層ＦＬの磁化方向が決定され、ＴＭＲ素子１０１の抵抗値が切替わる。
【００１９】
以上は磁気抵抗素子にＴＭＲ素子を用いる場合について説明したが、ＴＭＲ素子でなくとも、ＴＭＲ素子と同様の特性を持つ素子であれば、磁気抵抗素子として用いることができる。
【００２０】
［磁気センサ回路の構成］
図２は、図１に示した磁気抵抗素子を用いて構成された磁気センサ回路の構成を示す回路図である。
【００２１】
図２を参照して、磁気センサ回路１０は、ＴＭＲ素子１０１（磁気抵抗素子）と、抵抗１０２とを含む。ＴＭＲ素子１０１および抵抗１０２は、外部から電源電圧を受ける電源端子Ｖｃｃと外部から接地電圧を受ける接地端子ＧＮＤとの間に直列に接続されている。ＴＭＲ素子１０１および抵抗１０２の接続ノード１０３は、磁気センサ回路１０の出力端子に接続される。
【００２２】
ＴＭＲ素子１０１および抵抗１０２の直列回路は分圧回路を構成する。分圧回路は、電源電圧を分圧し、分圧電圧を接続ノード１０３に出力する。分圧電圧は、ＴＭＲ素子１０１の抵抗値に応じて、すなわち、被測定電流によって生じる磁界に応じて切替わる。接続ノード１０３に生じた分圧電圧は、磁気センサ回路１０の出力信号１０５として、出力端子から出力される。
【００２３】
［磁気検出装置の構成］
図３は、この発明の実施の形態１に従う磁気検出装置１００（信号検出装置）の概略構成図である。図４は、図３に示す磁気検出装置１００を上方から見た平面図である。
【００２４】
以下では、説明の便宜上、図３の紙面内の上下方向を「Ｚ軸方向」と称し、紙面内の左右方向を「Ｘ軸方向」と称し、紙面に対して鉛直方向を「Ｙ軸方向」と称する。また、Ｚ軸方向において、上方向を正とし、下方向を負とする。Ｘ軸方向において、右方向を正とし、左方向を負とする。Ｙ軸方向において、奥行方向を正とし、手前方向を負とする。
【００２５】
図３を参照して、被測定対象１はＺ軸上に配置される。被測定対象１は、Ｚ軸の負側または正側に設けられている。被測定対象１は、自己を流れる電流（被測定電流）に応じて時間的に変化する微小な磁場を発生する。被測定対象１が発生する磁場としては、たとえば、心臓における心筋活動電位のもととなる活動電流によって生じる磁場（心磁）が想定される。
【００２６】
磁気検出装置１００は、ＸＹ平面上に設けられた合計８個の磁気センサ回路１０ｍ，２０ｍ，３０ｍ，４０ｍ，１０ｒ，２０ｒ，３０ｒ，４０ｒと、４個の差動回路１３，２３，３３，４３とを備える。各磁気センサ回路には、図２に示した磁気センサ回路１０が用いられる。なお、図３および図４を始めとする以下の構成図において、磁気センサ回路を、ＴＭＲ素子１０１によって象徴的に表すものとする。
【００２７】
図４に示されるように、ＸＹ平面は、Ｚ軸を中心とする４つの領域に区分される。４つの領域は、第１象限（Ｘ＞０かつＹ＞０となる領域）、第２象限（Ｘ＜０かつＹ＞０となる領域）、第３象限（Ｘ＜０かつｙ＜０となる領域）、および第４象限（Ｘ＞０かつＹ＜０となる領域）から構成される。８個の磁気センサ回路は、第１象限から第４象限のそれぞれに分散配置される。磁気検出装置１００は、第１象限から第４象限における構成が互いに同様である。以下では代表的に第１象限における構成を説明する。
【００２８】
第１象限には、合計２個の磁気センサ回路１０ｍ，１０ｒが設けられる。２個の磁気センサ回路１０ｍ，１０ｒは、被測定対象１からの距離が互いに異なる位置に配置されている。なお、本発明において「被測定対象から磁気センサ回路までの距離」とは、被測定対象と磁気センサ回路との間の直線距離を指す。
【００２９】
具体的には、磁気センサ回路１０ｍは、被測定対象１から第１の距離離れた位置に配置される。磁気センサ回路１０ｒは、被測定対象１から第２の距離離れた位置に配置される。なお、第２の距離は第１の距離よりも長い。したがって、ＸＹ平面の平面視において、被測定対象１から磁気センサ回路１０ｒまでの距離は、被測定対象１から磁気センサ回路１０ｍまでの距離よりも長くなっている。
【００３０】
図３および図４の構成において、磁気センサ回路１０ｍは「第１のセンサ」に対応し、磁気センサ回路１０ｒは「第２のセンサ」に対応する。磁気センサ回路１０ｍ，１０ｒはそれぞれ、被測定対象１からの磁場を検出する。以下の説明では、磁気センサ回路１０ｍ（第１のセンサ）を「測定センサ１０ｍ」とも称し、磁気センサ回路１０ｒ（第２のセンサ）を「リファレンスセンサ１０ｒ」とも称する。
【００３１】
磁気センサ回路１０ｒ，１０ｍに対して差動回路１３が設けられる。差動回路１３は、反転入力端子（−端子）にリファレンスセンサ１０ｒの出力信号１１を受け、非反転入力端子（＋端子）に測定センサ１０ｍの出力信号１２を受ける。差動回路１３は、２つの出力信号１１，１２の差分である差動信号１４を出力する。
【００３２】
ここで、第１象限において、測定センサ１０ｍは、被測定対象１の近傍に配置することが好ましい。被測定対象１が作り出す磁場をほとんど減衰がない状態で測定するためである。ただし、測定センサ１０ｍの出力信号１２には、被測定対象１からの磁場に対して、磁気センサ回路１０ｍ，１０ｒが配置される測定系全体に発生しているノイズ、および、測定センサ１０ｍにのみ発生している測定センサ固有のノイズが重畳されている。
【００３３】
これに対して、リファレンスセンサ１０ｒは、被測定対象１に対して遠方に配置することが好ましい。被測定対象１が作り出す磁場をほぼ減衰している状態で測定するためである。したがって、リファレンスセンサ１０ｒの出力信号１１において、被測定対象１からの磁場が僅かとなり、測定系全体に発生しているノイズ、および、リファレンスセンサ１０ｒのみに発生しているリファレンスセンサ固有のノイズが信号の大半を占めている。
【００３４】
したがって、差動回路１３において、リファレンスセンサ１０ｒの出力信号１１を基準信号として、基準信号と測定センサ１０ｍの出力信号１２との差分をとることにより、差動回路１３の差動信号１４は、次のようになる。
【００３５】
まず、被測定対象１からの磁場については、磁場がほとんど減衰していない状態である出力信号１２と、磁場がほぼ減衰した状態である出力信号１１との差分をとっても、ほとんど変化がなく、出力信号１２に含まれる大きさと同レベルの大きさに保たれている。
【００３６】
一方、測定系全体に発生しているノイズについては、出力信号１２および出力信号１１の各々に同程度に含まれているため、差分をとることで相殺される。
【００３７】
また、測定センサ固有のノイズ、および、リファレンスセンサ固有のノイズについては、ケースバイケースではあるが基本的に共通の成分が少ないと考えられる。そのため、差動信号１４においても、それぞれ元の大きさのままである。
【００３８】
以上のことを、磁気検出装置１００を用いて心磁信号を測定する場合にあてはめて考える。
【００３９】
被測定対象１から発生する信号は心磁の信号であり、その大きさは１０−１０［Ｔ］程度である。これに対して、測定系全体に発生する共通のノイズは地磁気であり、その大きさは１０−６［Ｔ］程度である。各センサに固有のノイズには様々なノイズが考えられるが、その大きさを１０−８［Ｔ］程度と仮定する。
【００４０】
この場合、測定センサ１０ｍの出力信号１２では、共通ノイズが支配的であり、共通ノイズに埋もれるように、心磁の信号および測定センサ固有のノイズが含まれた状態となっている。したがって、この状態での出力信号１２のＳ／Ｎ比は、１０−１０［Ｔ］／１０−６［Ｔ］＝１／１００００となる。
【００４１】
同様にして、リファレンスセンサ１０ｒの出力信号１１においても、共通ノイズが支配的である。そして、共通ノイズに埋もれるように、リファレンスセンサ固有のノイズが含まれた状態となっている。
【００４２】
差動回路１３では、上記２つの出力信号１１，１２の間で、ともに支配的であった共通ノイズが相殺される。よって、差動信号１４において、１０−８［Ｔ］程度と仮定した各センサ固有のノイズが支配的になる。そして、各センサに固有のノイズに埋もれるように、１０−１０［Ｔ］程度の心磁の信号が含まれている。この状態での差動信号１４のＳ／Ｎ比は、１０−１０［Ｔ］／１０−８［Ｔ］＝１／１００となる。すなわち、測定センサ１０ｍの出力信号１２のＳ／Ｎ比と比較して、差動信号１４のＳ／Ｎ比が改善されている。
【００４３】
以上に説明した第１象限におけるＳ／Ｎ比の改善効果は、第２象限、第３象限および第４象限においても同様に現われる。したがって、磁気検出装置１００全体としてＳ／Ｎ比を改善することが可能となる。
【００４４】
しかしながら、その一方で、被測定対象１からの信号については、測定センサ１０ｍの出力信号１２だけでなく、リファレンスセンサ１０ｒの出力信号１１にも僅かながら含まれている。そのため、出力信号１２と出力信号１１との差分をとることで、差動信号１４において、被測定対象１からの信号が減少してしまう場合が起こり得る。
【００４５】
すなわち、測定センサ１０ｍにて検出される被測定対象１からの信号に比べて、リファレンスセンサ１０ｒにて検出される被測定対象１からの信号が十分に小さい場合には、差動信号１４において、被測定対象１からの信号の減少が抑えられる。その結果、共通ノイズの相殺に起因してＳ／Ｎ比が改善される。
【００４６】
これに対して、測定センサ１０ｍにて検出される被測定対象１からの信号に比べて、リファレンスセンサ１０ｒにて検出される被測定対象１からの信号が十分に小さくない場合には、差動信号１４において、被測定対象１からの信号が減少する。その結果、共通ノイズが相殺される一方で、被測定対象１からの信号が減少してしまうため、Ｓ／Ｎ比の改善効果が十分に得られない可能性がある。
【００４７】
このように、測定センサ１０ｍにて検出される被測定対象１からの信号に対する、リファレンスセンサ１０ｒにて検出される被測定対象１からの信号の大きさの比率によって、差動出力１４にて発現されるＳ／Ｎ比の改善効果が異なってくる。以下では、測定センサ１０ｍおよびリファレンスセンサ１０ｒの配置関係と、Ｓ／Ｎ比の改善効果との相関について考察する。
【００４８】
図５は、図３に示す磁気検出装置１００の第１象限を、Ｚ軸に垂直な方向から見た側面図である。図５において、被測定対象１から座標原点までの距離をＳｏとし、被測定対象１から測定センサ１０ｍまでの距離（第１の距離）をＳｍとし、被測定対象１からリファレンスセンサ１０ｒ（第２の距離）までの距離をＳｒとする。また、ＸＹ平面上でのＺ軸から測定センサ１０ｍまでの距離をＤｍとし、ＸＹ平面上でのＺ軸からリファレンスセンサ１０ｒまでの距離をＤｒとする。さらに、被測定対象１から見たＺ軸と測定センサ１０ｍとの成す角度をθｍとし、被測定対象１から見たＺ軸とリファレンスセンサ１０ｒとの成す角度をθｒとする。
【００４９】
図５では、被測定対象１を矢印２００の向きに電流（被測定電流）が流れる場合を想定する。この場合、被測定対象１には磁場２０１が誘起される。磁場２０１の大きさをＢｓとする。磁場２０１を受けて、測定センサ１０ｍおよびリファレンスセンサ１０ｒにはそれぞれ、磁場２０２，２０３が伝搬する。座標原点に伝搬する磁場の大きさをＢｏとし、測定センサ１０ｍに伝搬する磁場２０２の有効成分をＢｍとし、リファレンスセンサ１０ｒに伝搬する磁場２０３の有効成分をＢｒとする。
【００５０】
測定センサ１０ｍにおける磁場Ｂｍは、座標原点での磁場Ｂｏを基準とすると、被測定対象１からの距離の二乗に反比例する。また、測定センサ１０ｍに含まれるＴＭＲ素子１０１において、固定層ＦＬと自由層ＦＬとはともにＸＹ平面と平行であることから、磁場Ｂｓの余弦（ｃｏｓ）成分のみが有効に検出される。したがって、磁場Ｂｍは次式（１）のように表すことができる。
【００５１】
【数１】
2016217868.tif 000003
【００５２】
なお、距離Ｓｍ、距離Ｄｍおよび角度θｍの間には次式（２），（３）に示す関係が成立している。よって、上記式（１）は、次式（４）のように変形することができる。
【００５３】
【数２】
2016217868.tif 000004
【００５４】
リファレンスセンサ１０ｒにおける磁場Ｂｒについても、磁場Ｂｍと同様にして、次式（５）のように表すことができる。
【００５５】
【数３】
2016217868.tif 000005
【００５６】
差動回路１３では、測定センサ１０ｍの出力信号１２とリファレンスセンサ１０ｒの出力信号１１との差分をとる。差動信号１４における、被測定対象１からの信号（磁場）の大きさをＢｘとすると、磁場Ｂｘは、上記式（４）および（５）を用いて、次式（６）のように表すことができる。
【００５７】
【数４】
2016217868.tif 000006
【００５８】
上記式（６）から明らかなように、磁場Ｂｘは、距離Ｄｍおよび距離Ｄｒの大きさ、言い換えれば距離Ｓｍと距離Ｓｒとの比率に応じて変化する。磁場Ｂｍに対する磁場Ｂｒの比率Ｂｒ／Ｂｍ、および磁場Ｂｍに対する磁場Ｂｘの比率Ｂｘ／Ｂｍはそれぞれ、次式（７），（８）のように表すことができる。
【００５９】
【数５】
2016217868.tif 000007
【００６０】
以下に、被測定対象１からの信号として心磁を測定する場合を想定して、比率Ｂｒ／ＢｍおよびＢｘ／Ｂｍの計算を行なう。Ｓｏは心臓から体表面までの距離に相当しており、Ｓｏ＝５０［ｍｍ］とする。距離Ｄｍは１０［ｍｍ］とする。距離Ｄｒを４０［ｍｍ］〜２９０［ｍｍ］の範囲で変化させる。表１に計算結果を示す。
【００６１】
【表１】
2016217868.tif 000008
【００６２】
表１に示されるように、Ｄｒ＝１８０［ｍｍ］程度以上であれば、測定センサ１０ｍの出力信号１２とリファレンスセンサ１０ｒの出力信号１１との差分をとっても、被測定対象１からの信号の減少は２％以下に抑えられている。したがって、共通ノイズが相殺されることによる、高いＳ／Ｎ比の改善効果を得ることができる。また、Ｄｒ＝４０［ｍｍ］程度であっても、被測定対象１からの信号の減少は５０％程度であり、共通ノイズの相殺によるＳ／Ｎ比の改善効果が得られている。
【００６３】
表１の計算結果から、測定センサ１０ｍおよびリファレンスセンサ１０ｒの配置関係と、Ｓ／Ｎ比の改善効果との相関について、以下のような知見が得られた。
【００６４】
互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸で形成される座標空間において、被測定対象１をＺ軸上に配置するとともに、測定センサ１０ｍ（第１のセンサ）およびリファレンスセンサ１０ｒ（第２のセンサ）をＸＹ平面上に配置した場合、第１の距離Ｓｍと第２の距離Ｓｒとの比率Ｓｍ／Ｓｒは、（Ｓｍ／Ｓｒ）３の値が０．５以下であることが好ましく、（Ｓｍ／Ｓｒ）３の値が０．０２以下であることがより好ましい。このようにすれば、差動回路１３において、被測定対象１からの信号への影響を抑えつつ、共通ノイズを相殺することができる。この結果、差動信号１４におけるＳ／Ｎ比の改善効果を得ることができる。
【００６５】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に従う磁気検出装置１００Ａ（信号検出装置）の概略構成図である。説明の便宜上、図６の紙面内の上下方向を「Ｚ軸方向」と称し、紙面内の左右方向を「Ｘ軸方向」と称し、紙面に対して鉛直方向を「Ｙ軸方向」と称する。また、Ｚ軸方向において、上方向を正とし、下方向を負とする。Ｘ軸方向において、右方向を正とし、左方向を負とする。Ｙ軸方向において、奥行方向を正とし、手前方向を負とする。
【００６６】
図６を参照して、被測定対象１は座標原点に配置される。磁気検出装置１００Ａは、Ｚ軸上に設けられた合計４個の磁気センサ回路５０ｍ，６０ｍ，５０ｒ，６０ｒと、２個の差動回路５３，６３とを備える。各磁気センサ回路には、図２に示した磁気センサ回路１０が用いられる。
【００６７】
磁気検出装置１００Ａは、Ｚ軸正側およびＺ軸負側における構成が互いに同様である。以下では代表的にＺ軸正側における構成を説明する。
【００６８】
Ｚ軸正側には、合計２個の磁気センサ回路５０ｍ，５０ｒが設けられる。２個の磁気センサ回路５０ｍ，５０ｒは、被測定対象１からの距離が互いに異なる位置に配置される。具体的には、磁気センサ回路５０ｍは、被測定対象１から第１の距離離れた位置に配置される。磁気センサ回路５０ｒは、被測定対象１から第２の距離離れた位置に配置される。なお、第２の距離は第１の距離よりも長い。すなわち、図６の構成において、磁気センサ回路５０ｍは「第１のセンサ」に対応し、磁気センサ回路５０ｒは「第２のセンサ」に対応する。磁気センサ回路５０ｍ，５０ｒはそれぞれ、被測定対象１からの磁場を検出する。以下の説明では、磁気センサ回路５０ｍ（第１のセンサ）を「測定センサ５０ｍ」とも称し、磁気センサ回路５０ｒ（第２のセンサ）を「リファレンスセンサ５０ｒ」とも称する。
【００６９】
磁気センサ回路５０ｒ，５０ｍに対して差動回路５３が設けられる。差動回路５３は、反転入力端子（−端子）にリファレンスセンサ５０ｒの出力信号５１を受け、非反転入力端子（＋端子）に測定センサ５０ｍの出力信号５２を受ける。差動回路５３は、２つの出力信号５１，５２の差分である差動信号を出力する。
【００７０】
測定センサ５０ｍは、被測定対象１の近傍に配置することが好ましい。一方、リファレンスセンサ５０ｒは、被測定対象１に対して遠方に配置することが好ましい。これにより、差動回路５３において、リファレンスセンサ５０ｒの出力信号５１を基準信号として、基準信号と測定センサ５０ｍの出力信号５１との差分をとることにより、差動信号５４において、２つの出力信号５１，５２の間で、ともに支配的であった共通ノイズが相殺される。この結果、測定センサ５０ｍの出力信号５２のＳ／Ｎ比と比較して、差動信号５４のＳ／Ｎ比が改善される。
【００７１】
以上説明したＺ軸正側におけるＳ／Ｎ比の改善効果は、Ｚ軸負側においても同様に現われる。したがって、磁気検出装置１００Ａ全体としてＳ／Ｎ比を改善することが可能となる。
【００７２】
次に、測定センサ５０ｍおよびリファレンスセンサ５０ｒの配置関係と、Ｓ／Ｎ比の改善効果との相関関係について考察する。考察では、図６に示すように、被測定対象１から測定センサ５０ｍまでの距離をＳｍとし、被測定対象１からリファレンスセンサ５０ｒまでの距離をＳｒとする。
【００７３】
図６では、被測定対象１を矢印３００の向きに電流（被測定電流）が流れる場合を想定する。この場合、被測定対象１には磁場３０１が誘起される。磁場３０１の大きさをＢｓとする。磁場３０１を受けて、測定センサ５０ｍおよびリファレンスセンサ５０ｒにはそれぞれ、磁場３０２，３０３が伝搬する。測定センサ５０ｍに伝搬する磁場３０２の有効成分をＢｍとし、リファレンスセンサ５０ｒに伝搬する磁場３０３の有効成分をＢｒとする。
【００７４】
リファレンスセンサ５０ｒにおける磁場Ｂｒは、測定センサ５０ｍにおける磁場Ｂｍを基準とすると、被測定対象１からの距離の二乗に反比例する。また、測定センサ５０ｍおよびリファレンスセンサ５０ｒに含まれるＴＭＲ素子１０１において、固定層ＦＬと自由層ＦＬとはともにＸＹ平面と平行であることから、印加される磁場全てが有効に検出される。したがって、磁場Ｂｒは次式（９）のように表すことができる。
【００７５】
【数６】
2016217868.tif 000009
【００７６】
差動回路５３では、測定センサ５０ｍの出力信号５２とリファレンスセンサ５０ｒの出力信号５１との差分をとる。差動信号５４における、被測定対象１からの信号（磁場）の大きさをＢｘとすると、磁場Ｂｘは、上記式（９）を用いて、次式（１０）のように表すことができる。
【００７７】
【数７】
2016217868.tif 000010
【００７８】
上記式（１０）から明らかなように、磁場Ｂｘは、距離Ｓｍと距離Ｓｒとの比率に応じて変化する。磁場Ｂｍに対する磁場Ｂｒの比率Ｂｒ／Ｂｍ、および磁場Ｂｍに対する磁場Ｂｘの比率Ｂｘ／Ｂｍはそれぞれ、次式（１１），（１２）のように表すことができる。
【００７９】
【数８】
2016217868.tif 000011
【００８０】
以下に、Ｓｒ／Ｓｍをパラメータとして、比率Ｂｒ／ＢｍおよびＢｘ／Ｂｍの計算を行なう。表２に計算結果を示す。
【００８１】
【表２】
2016217868.tif 000012
【００８２】
表２に示されるように、Ｓｒ／Ｓｍ＝７程度以上であれば、測定センサ５０ｍの出力信号５２とリファレンスセンサ５０ｒの出力信号５１との差分をとっても、被測定対象１からの信号の減少は２％以下に抑えられている。したがって、共通ノイズが相殺されることによる、高いＳ／Ｎ比の改善効果を得ることができる。また、Ｓｒ／Ｓｍ＝１．４程度であっても、被測定対象１からの信号の減少は５０％程度であり、共通ノイズの相殺によるＳ／Ｎ比の改善効果が得られている。
【００８３】
表２の計算結果から、測定センサ５０ｍおよびリファレンスセンサ５０ｒの配置関係と、Ｓ／Ｎ比の改善効果との相関について、以下のような知見が得られた。
【００８４】
互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸で形成される座標空間において、被測定対象１、測定センサ５０ｍ（第１のセンサ）およびリファレンスセンサ５０ｒ（第２のセンサ）をＺ軸上に配置した場合、第１の距離Ｓｍと第２の距離Ｓｒとの比率Ｓｒ／Ｓｍは１．４以上であることが好ましく、７以上であることがより好ましい。このようにすれば、差動回路５３において、被測定対象１からの信号への影響を抑えつつ、共通ノイズを相殺することができる。この結果、差動信号５４におけるＳ／Ｎ比の改善効果を得ることができる。
【００８５】
実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３に従う磁気検出装置１００Ｂ（信号検出装置）の概略構成図である。図７は、磁気検出装置１００Ｂを上方から見た平面図である。説明の便宜上、図７の紙面に対して鉛直方向を「Ｚ軸方向」と称し、紙面内の左右方向を「Ｘ軸方向」と称し、紙面内の上下方向を「Ｙ軸方向」と称する。
【００８６】
図７を参照して、実施の形態３に従う磁気検出装置１００Ｂは、図３および図４に示す磁気検出装置１００と比較して、第１象限から第４象限のそれぞれに複数個の測定センサを配置した点でのみ異なる。
【００８７】
磁気検出装置１００Ｂは、ＸＹ平面上に設けられた合計２０個の磁気センサ回路１０ｍ１〜１０ｍ４，２０ｍ１〜２０ｍ４，３０ｍ１〜３０ｍ４，１０ｒ，２０ｒ，３０ｒ，４０ｒと、１６個の差動回路１３１〜１３４，２３１〜２３４，３３１〜３３４，４３１〜４３４とを備える。各磁気センサ回路には、図２に示した磁気センサ回路１０が用いられる。
【００８８】
磁気検出装置１００Ｂは、第１象限から第４象限における構成が互いに同様である。以下では代表的に第１象限における構成を説明する。
【００８９】
第１象限には、合計５個の磁気センサ回路１０ｍ１〜１０ｍ４，１０ｒが設けられる。４個の磁気センサ回路１０ｍ１〜１０ｍ４は、被測定対象１から第１の距離離れた位置に配置される。第１の距離は、磁束センサ回路１０ｍ１〜１０ｍ４の間で互いに異なっていてもよい。磁気センサ回路１０ｒは、被測定対象１から第２の距離離れた位置に配置される。なお、第２の距離は第１の距離よりも長い。したがって、ＸＹ平面の平面視において、被測定対象１から磁気センサ回路１０ｒまでの距離は、被測定対象１から磁気センサ回路１０ｍ１〜１０ｍ４の各々までの距離よりも長くなっている。
【００９０】
図７の構成において、磁気センサ回路１０ｍ１〜１０ｍ４の各々は「第１のセンサ」に対応し、磁気センサ回路１０ｒは「第２のセンサ」に対応する。磁気センサ回路１０ｍ１〜１０ｍ４，１０ｒはそれぞれ、被測定対象１からの磁場を検出する。本実施の形態３では、４個の第１のセンサに対して１個の割合で第２のセンサが設けられている。以下の説明では、磁気センサ回路１０ｍ１〜１０ｍ４（第１のセンサ）を「測定センサ１０ｍ１〜１０ｍ４」とも称し、磁気センサ回路１０ｒ（第２のセンサ）を「リファレンスセンサ１０ｒ」とも称する。
【００９１】
磁気センサ回路１０ｒ，１０ｍ１〜１０ｍ４に対して４個の差動回路１３１〜１３４が設けられる。４個の差動回路１３１〜１３４は、反転入力端子（−端子）にリファレンスセンサ１０ｒの出力信号１１を共通に受け、非反転入力端子（＋端子）に測定センサ１０ｍ１〜１０ｍ４の出力信号１２１〜１２４をそれぞれ受ける。差動回路１３１〜１３４は、２つの出力信号の差分である差動信号１４１〜１４４をそれぞれ出力する。
【００９２】
ここで、第１象限において、測定センサ１０ｍ１〜１０ｍ４は、被測定対象１の近傍に配置することが好ましい。これに対して、リファレンスセンサ１０ｒは、被測定対象１に対して遠方に配置することが好ましい。差動回路１３１〜１３４の各々において、リファレンスセンサ１０ｒの出力信号１１を基準信号として、対をなす測定センサの出力信号と基準信号との差分をとることにより、差動信号１４１〜１４４の各々において、２つの出力信号の間で、ともに支配的であった共通ノイズが相殺される。この結果、測定センサ１０ｍ１〜１０ｍ４の出力信号１２１〜１２４のＳ／Ｎ比と比較して、差動回路１３１〜１３４の差動信号１４１〜１４４のＳ／Ｎ比が改善される。
【００９３】
以上説明した第１象限におけるＳ／Ｎ比の改善効果は、第２象限、第３象限および第４象限においても同様に現われる。したがって、磁気検出装置１００Ｂ全体としてＳ／Ｎ比を改善することが可能となる。
【００９４】
実施の形態２においても、測定センサ１０ｍ１〜１０ｍ４の各々とリファレンスセンサ１０ｒとの配置関係と、Ｓ／Ｎ比の改善効果との間には、実施の形態１で説明した相関が成り立っている。したがって、表１に示したように、差動回路１３１〜１３４の差動信号１４１〜１４４の各々において、共通ノイズが相殺されることによるＳ／Ｎ比の改善効果を得るためには、第１の距離Ｓｍと第２の距離Ｓｒとの比率Ｓｍ／Ｓｒは、（Ｓｍ／Ｓｒ）３の値が０．５以下であることが好ましく、（Ｓｍ／Ｓｒ）３の値が０．０２以下であることがより好ましい。
【００９５】
［作用効果］
以下、上述の実施の形態１〜３に従う信号検出装置（磁気検出装置）の作用効果について説明する。
【００９６】
（１）実施の形態１〜３に従う磁気検出装置１００，１００Ａ，１００Ｂにおいて、第１のセンサ（測定センサ）は、被測定対象１から第１の距離Ｓｍを隔てた位置に配置され、被測定対象１が発生する信号（磁場）を検出する。第２のセンサ（リファレンスセンサ）は、被測定対象１から第１の距離Ｓｍより長い第２の距離Ｓｒを隔てた位置に配置され、被測定対象１からの信号を検出する。差動回路は、第１のセンサの出力信号と第２のセンサの出力信号との差分である差動信号を出力する。
【００９７】
このようにすれば、第２のセンサの出力信号は、第１のセンサの出力信号に比べて、被測定対象からの信号が小さくなる一方で、第１のセンサの出力信号に含まれるノイズと共通のノイズを含んだものとなる。したがって、差動回路において、第２のセンサの出力信号を基準信号として、基準信号と第１のセンサの出力信号との差分をとることで、被測定対象１からの信号への影響を抑えつつ、共通ノイズを相殺することができる。これにより、第１のセンサの出力信号のＳ／Ｎ比に比べて、差動信号のＳ／Ｎ比を改善することができる。
【００９８】
また、実施の形態１〜３に従う磁気検出装置が必要とする差動回路の個数は、基本的に測定センサの個数と同数であればよいため、ｎ個の測定センサに対してｎ（ｎ−１）／２個の差動回路を必要とする従来の信号検出装置と比較して、測定センサの増加に伴う差動回路の増加を抑えることができる。この結果、従来の信号検出装置に比べて、簡素化かつ小型化された装置構成で、高いＳ／Ｎ比を実現することができる。
【００９９】
（２）実施の形態１および２に従う磁気検出装置１００，１００Ａによれば、ｎ個（ｎは正の整数）の第１のセンサ（測定センサ）に対してｎ個の第２のセンサ（リファレンスセンサ）が設けられる。ｎ個の差動回路は、一方の入力端子に、ｎ個の第１のセンサの出力信号をそれぞれ受けるとともに、他方の入力端子に、ｎ個の第１のセンサと対をなすｎ個の前記第２のセンサの出力信号をそれぞれ受ける。
【０１００】
このようにすれば、第１のセンサおよび第２のセンサが互いに同数設けられるとともに、対をなす第１のセンサおよび第２のセンサの出力信号を差動回路が受ける。これにより、ｎ個の第１のセンサの出力信号のＳ／Ｎ比に比べて、ｎ個の差動信号のＳ／Ｎ比を改善することができる。
【０１０１】
なお、実施の形態１では、４個の第１のセンサに対して同数の第２のセンサを設ける構成について例示したが、第１のセンサの個数は物理的に配置が可能である限りにおいて、制限されるものではない。したがって、第１のセンサの個数は３個以下であってもよいし、５個以上であってもよい。図８は、この発明の実施の形態１の変形例に従う磁気検出装置１００Ｃ（信号検出装置）の概略構成図である。図８は、磁気検出装置１００Ｃを上方から見た平面図である。図８を参照して、磁気検出装置１００Ｃにおいては、測定センサの個数を３個とし、３個の測定センサ７０ｍ，８０ｍ，９０ｍとそれぞれ対をなすように３個のリファレンスセンサ７０ｒ，８０ｒ，９０ｒが設けられている。このような構成としても、実施の形態１に従う磁気検出装置１００と同様の効果を得ることができる。
【０１０２】
（３）実施の形態３に従う磁気検出装置１００Ｂにおいては、ｍ個（ｍは２以上の整数）の第１のセンサ（測定センサ）に対して１個の割合で第２のセンサ（リファレンスセンサ）が設けられる。ｍ個の差動回路は、一方の入力端子に、ｍ個の第１のセンサの出力信号をそれぞれ受けるとともに、他方の入力端子に、ｍ個の第１のセンサと対をなす１個の第２のセンサの出力信号を共通に受ける。
【０１０３】
このようにすれば、第１のセンサを増加した場合に、第２のセンサが第１のセンサと同数に増えることが抑えられる。したがって、簡素化かつ小型化された装置構成で、高いＳ／Ｎ比を実現することができる。
【０１０４】
（４）実施の形態１，３に従う磁気検出装置１００，１００Ｂによれば、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸で形成される座標空間において、被測定対象１をＺ軸上に配置するとともに、第１のセンサ（測定センサ）および第２のセンサ（リファレンスセンサ）をＸＹ平面上に配置した場合、第１の距離Ｓｍおよび第２の距離Ｓｒは下記式（１）で表される関係を有する。
【０１０５】
（Ｓｍ／Ｓｒ）３≦０．５      ・・・（１）
このようにすれば、差動回路において、被測定対象１からの信号への影響を抑えつつ、共通ノイズを相殺することができる。これにより、第１のセンサの出力信号のＳ／Ｎ比に比べて、差動信号のＳ／Ｎ比を改善することができる。
【０１０６】
（５）実施の形態１，３に従う磁気検出装置１００，１００Ｂによれば、ＸＹ平面は、Ｚ軸を中心としてｍ個の領域（たとえば、第１象限〜第４象限）に区分される。ｍ個の領域の各々には、ｎ個の第１のセンサ（測定センサ）が互いに間隔を隔てて配置されるとともに、ｎ個の第１のセンサに対して１個の割合で第２のセンサ（リファレンスセンサ）が配置される。ＸＹ平面の平面視において、被測定対象１から第２のセンサまでの距離Ｄｒは、被測定対象１から各第１のセンサまでの距離Ｄｍよりも長い。
【０１０７】
このようにすれば、ｍ個の領域の各々では、１個の第２のセンサの出力信号は、ｎ個の第１のセンサの出力信号に比べて、被測定対象からの信号が小さくなる一方で、ｎ個の第１のセンサの出力信号に含まれるノイズと共通のノイズを含んだものとなる。したがって、ｎ個の第１のセンサの出力信号の各々と第２のセンサの出力信号との差分をとることで、被測定対象１からの信号への影響を抑えつつ、その領域に発生する共通ノイズを相殺することができる。これにより、ｎ個の第１のセンサの出力信号のＳ／Ｎ比に比べて、差動信号のＳ／Ｎ比を改善することができる。
【０１０８】
なお、実施の形態１，３では、各領域に配置される第１のセンサの個数を同数とする構成について例示したが、ｍ個の領域間で第１のセンサの個数を互いに異ならせる構成としてもよい。
【０１０９】
（６）実施の形態１，３に従う磁気検出装置１００，１００Ｂによれば、差動回路は、ｍ×ｎ個の第１のセンサ（測定センサ）の出力信号をそれぞれ受けるように、ｍ×ｎ個設けられる。同一の領域に配置されるｎ個の第１のセンサにそれぞれ対応するｎ個の差動回路は、ｎ個の第１のセンサと対をなす前記第２のセンサの出力信号を共通に受ける。
【０１１０】
このようにすれば、ｍ個の領域の各々では、差動回路において、その領域に発生する共通ノイズを相殺することができるため、ｎ個の第１のセンサの出力信号に比べて、差動信号のＳ／Ｎ比を改善することができる。
【０１１１】
（７）実施の形態２に従う磁気検出装置１００Ａによれば、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸で形成される座標空間において、被測定対象１、第１のセンサ（測定センサ）および第２のセンサ（リファレンスセンサ）をＺ軸上に配置した場合、第１の距離Ｓｍおよび第２の距離Ｓｒは下記式（２）で表される関係を有する。
【０１１２】
Ｓｒ／Ｓｍ≧１．４      ・・・（２）
このようにすれば、差動回路において、被測定対象１からの信号への影響を抑えつつ、共通ノイズを相殺することができる。これにより、第１のセンサの出力信号のＳ／Ｎ比に比べて、差動信号のＳ／Ｎ比を改善することができる。
【０１１３】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１１４】
１  被測定対象、１０  磁気センサ回路、１０ｍ，１０ｍ１〜１０ｍ４，２０ｍ，２０ｍ１〜２０ｍ４，３０ｍ，３０ｍ１〜３０ｍ４，４０ｍ，４０ｍ１〜４０ｍ４，５０ｍ，６０ｍ，７０ｍ，８０ｍ，９０ｍ  測定センサ（第１のセンサ）、１０ｒ，２０ｒ，３０ｒ，４０ｒ，５０ｒ，６０ｒ，７０ｒ，８０ｒ，９０ｒ  リファレンスセンサ（第２のセンサ）、１１，１２，２１，２２，３１，３２，４１，４２，５１，５２，６１，６２，１２１〜１２４  出力信号、１３，２３，３３，４３，５３，６３，１３１〜１３４  差動回路、１４，２４，３４，４４，５４，６４，１４１〜１４４  差動信号、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ  磁気検出装置（信号検出装置）、１０１  ＴＭＲ素子、１０２  抵抗、１０３  接続ノード、１０５  出力信号、２００，３００  被測定電流の向き、２０１，２０２，２０３，３０１，３０２，３０３  磁場。
【図１】
2016217868.tif 000013
【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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