(57)【要約】【課題】被測定磁場を検出する磁場検出方法を提供する。【解決手段】被測定磁場が印加された状態で、磁場測定部に第１印加磁場を印加する第１段階と、被測定磁場が印加された状態で、磁場測定部に第１印加磁場と異なる第２印加磁場を印加する第２段階と、第１段階において磁場測定部が出力した第１出力信号と、第２段階において磁場測定部が出力した第２出力信号とに基づいて、被測定磁場を検出する第３段階とを備える磁場検出方法を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定磁場が印加された状態で、磁気抵抗素子を有する磁場測定部に第１印加磁場を印加する第１段階と、
前記被測定磁場が印加された状態で、前記磁場測定部に前記第１印加磁場と異なる第２印加磁場を印加する第２段階と、
前記第１段階において前記磁気抵抗素子が出力した第１出力信号と、前記第２段階において前記磁気抵抗素子が出力した第２出力信号とに基づいて、前記被測定磁場を検出する第３段階と
を備える磁場検出方法。
【請求項２】
前記磁場測定部は、前記第１印加磁場及び前記第２印加磁場に応じて透磁率が変化する磁気収束板と、前記磁気収束板に集磁された前記被測定磁場を検出する前記磁気抵抗素子とを有し、
前記第１段階は、前記第１印加磁場の印加時の第１透磁率で、前記磁気抵抗素子に前記被測定磁場を集磁して、前記第１出力信号を出力する段階を含み、
前記第２段階は、前記第２印加磁場の印加時の第２透磁率で、前記磁気抵抗素子に前記被測定磁場を集磁して、前記第２出力信号を出力する段階を含み、
前記第３段階は、前記第１出力信号及び前記第２出力信号を復調して前記被測定磁場を検出する段階を含む
請求項１に記載の磁場検出方法。
【請求項３】
前記第３段階は、前記第１出力信号と前記第２出力信号との差に基づいて、前記被測定磁場を検出する段階を含む
請求項２に記載の磁場検出方法。
【請求項４】
前記第３段階は、前記第１出力信号と、前記第２出力信号を反転した反転出力信号との和に基づいて、前記被測定磁場を検出する段階を含む
請求項２に記載の磁場検出方法。
【請求項５】
前記第３段階は、前記第１出力信号と、前記第２出力信号を反転した反転出力信号との平均に基づいて、前記被測定磁場を検出する段階を含む
請求項２に記載の磁場検出方法。
【請求項６】
前記第２透磁率は、前記磁気収束板の飽和透磁率である
請求項２から５のいずれか一項に記載の磁場検出方法。
【請求項７】
前記磁場測定部は、前記第１印加磁場及び前記第２印加磁場に応じて磁気感度が変化し、前記被測定磁場を検出する前記磁気抵抗素子を有し、
前記第１段階は、前記磁気抵抗素子の短手方向に前記第１印加磁場を印加したときの第１磁気感度で前記被測定磁場を検知し、前記第１出力信号を出力する段階を含み、
前記第２段階は、前記短手方向に前記第２印加磁場を印加したときの第２磁気感度で前記被測定磁場を検知し、前記第２出力信号を出力する段階を含み、
前記第３段階は、前記第１出力信号及び前記第２出力信号を復調して前記被測定磁場を検出する段階を含む
請求項１に記載の磁場検出方法。
【請求項８】
前記第３段階は、前記第１出力信号と前記第２出力信号との線形結合に基づいて、前記被測定磁場を検出する段階を含む
請求項７に記載の磁場検出方法。
【請求項９】
前記第３段階は、前記第１出力信号及び前記第２出力信号の一方と、前記第１出力信号及び前記第２出力信号の他方を反転した反転出力信号との線形和に基づいて、前記被測定磁場を検出する段階を含む
請求項８に記載の磁場検出方法。
【請求項１０】
前記第２段階は、
前記第２印加磁場を、前記短手方向の一方の方向に印加する段階と、
前記第２印加磁場を、前記一方の方向と逆方向に印加する段階と
を含む
請求項７から９のいずれか一項に記載の磁場検出方法。
【請求項１１】
前記磁場測定部は、
予め定められた透磁率を有する磁気収束板をさらに備える
請求項７から１０のいずれか一項に記載の磁場検出方法。
【請求項１２】
被測定磁場に応じた出力信号を出力し、磁気抵抗素子を有する磁場測定部と、
前記被測定磁場が印加された状態で、前記磁場測定部に、第１印加磁場及び第２印加磁場を順次印加する磁場発生部と、
前記第１印加磁場の印加時の前記磁気抵抗素子からの第１出力信号と、前記第２印加磁場の印加時の前記磁気抵抗素子からの第２出力信号とを復調して前記被測定磁場を検出する信号解析部と
を備える磁気センサ。
【請求項１３】
前記磁場測定部は、
前記被測定磁場を集磁する磁気収束板と
前記磁気収束板が集磁した前記被測定磁場を検出する前記磁気抵抗素子と
を有し、
前記磁場発生部は、
前記被測定磁場が印加された状態で、前記第１印加磁場及び前記第２印加磁場をそれぞれ前記磁気収束板に印加して、前記磁気収束板における透磁率を第１透磁率及び第２透磁率に順次変化させ、
前記磁場測定部は、
前記第１透磁率で集磁された前記被測定磁場を前記第１出力信号として出力し、前記第２透磁率で集磁された前記被測定磁場を前記第２出力信号として出力する
請求項１２に記載の磁気センサ。
【請求項１４】
前記磁場測定部は、
前記被測定磁場を検出する前記磁気抵抗素子
を有し、
前記磁場発生部は、
前記被測定磁場が印加された状態で、前記第１印加磁場及び前記第２印加磁場をそれぞれ前記磁気抵抗素子に印加して、前記磁気抵抗素子の磁気感度を第１磁気感度及び第２磁気感度に順次変化させ、
前記磁場測定部は、
前記被測定磁場を前記第１磁気感度で検知し、前記第１出力信号として出力し、前記被測定磁場を前記第２磁気感度で検知し、前記第２出力信号として出力する
請求項１２に記載の磁気センサ。
【請求項１５】
前記第１外部磁場の大きさが０である
請求項１３又は１４に記載の磁気センサ。
【請求項１６】
前記第２印加磁場の向きを周期的に反転させる磁場方向設定部をさらに備える
請求項１３から１５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項１７】
前記磁場発生部は、前記第１印加磁場と前記第２印加磁場とをそれぞれ周期的に前記磁気収束板に与える
請求項１３に記載の磁気センサ。
【請求項１８】
前記磁場発生部は、前記第１印加磁場と前記第２印加磁場とをそれぞれ周期的に前記磁気抵抗素子に与える
請求項１４に記載の磁気センサ。
【請求項１９】
前記信号解析部は、前記第１出力信号と前記第２出力信号との差に基づいて、前記被測定磁場を検出する
請求項１２から１８のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項２０】
前記信号解析部は、前記第１出力信号と、前記第２出力信号を反転した反転出力信号との和に基づいて、前記被測定磁場を検出する
請求項１２から１８のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項２１】
前記信号解析部は、前記第１出力信号と、前記第２出力信号を反転した反転出力信号との平均に基づいて、前記被測定磁場を検出する
請求項１２から１８のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項２２】
短手方向と長手方向とを有する磁気抵抗素子と、
前記短手方向の一方の側で、且つ、前記短手方向と前記長手方向に平行な第１平面に沿って配置された第１軟磁性体と、
前記第１軟磁性体の少なくとも一部に平面視で重なるように配置された第１磁場発生部と
を備える磁気センサ。
【請求項２３】
前記第１軟磁性体は、前記磁気抵抗素子側の一方の端部と前記磁気抵抗素子側でない他方の端部との間に、前記短手方向に垂直な面の断面積が最小となる部分を有する
請求項２２に記載の磁気センサ。
【請求項２４】
前記第１軟磁性体の形状は、平面視で、前記磁気抵抗素子側の一方の端部に短辺を有し、且つ、前記磁気抵抗素子側でない他方の端部に長辺を有する台形である
請求項２３に記載の磁気センサ。
【請求項２５】
前記第１磁場発生部は、前記磁気抵抗素子の短手方向に磁場が発生するように配置されている
請求項２２から２４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項２６】
前記短手方向の前記一方の側とは、前記磁気抵抗素子を挟んで反対側で、且つ、前記第１平面に沿って配置された第２軟磁性体と、
前記第２軟磁性体に隣接して配置された第２磁場発生部と
をさらに備える
請求項２２から２５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項２７】
前記第２軟磁性体は、前記磁気抵抗素子側の一方の端部と前記磁気抵抗素子側でない他方の端部との間に、前記磁気抵抗素子の短手方向に垂直で、且つ、前記長手方向に平行な面の断面積が最小となる部分を有する
請求項２６に記載の磁気センサ。
【請求項２８】
前記第２軟磁性体は、前記短手方向に垂直で、且つ、前記磁気抵抗素子の中心点を含む第２平面について、前記第１軟磁性体と面対称な形状である
請求項２６または２７に記載の磁気センサ。
【請求項２９】
前記第２磁場発生部は、前記第２平面について、前記第１磁場発生部と面対称な形状を有するコイルである
請求項２８に記載の磁気センサ。
【請求項３０】
前記第１磁場発生部及び前記第２磁場発生部は、互いに逆向きの印加磁場を発生する
請求項２９に記載の磁気センサ。
【請求項３１】
前記第２軟磁性体は、前記第１平面に垂直で、且つ、前記磁気抵抗素子の略中心点を含む第１対称線について、前記第１軟磁性体と線対称な形状である
請求項２６または２７に記載の磁気センサ。
【請求項３２】
前記第２磁場発生部は、前記第１対称線について、第１磁場発生部と線対称な形状を有するコイルである
請求項３１に記載の磁気センサ。
【請求項３３】
前記第１磁場発生部は、平面視で、前記第１軟磁性体の少なくとも一部を覆い、
前記第２磁場発生部は、平面視で、前記第２軟磁性体の少なくとも一部を覆う
請求項２６から３２のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項３４】
前記第１磁場発生部及び前記第２磁場発生部は、前記第１軟磁性体及び前記第２軟磁性体の一面もしくは周囲をそれぞれ覆うコイルである
請求項２６から３３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項３５】
前記第１磁場発生部及び前記第２磁場発生部は、前記第１軟磁性体及び前記第２軟磁性体に、第１印加磁場及び第２印加磁場を順次印加し、
前記第１印加磁場の印加時の第１出力信号と、前記第２印加磁場の印加時の第２出力信号とを復調して被測定磁場を検出する信号解析部をさらに備える
請求項２６から３４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項３６】
前記信号解析部の出力に基づいて、前記被測定磁場を打ち消すようなフィードバック磁場を発生するフィードバックコイルをさらに備える
請求項３５に記載の磁気センサ。
【請求項３７】
前記フィードバックコイルは、平面視で、前記第１軟磁性体及び前記第２軟磁性体の少なくとも一部を覆う
請求項３６に記載の磁気センサ。
【請求項３８】
前記第１軟磁性体及び前記第２軟磁性体のいずれかに覆われることにより、被測定磁場が印加されない参照素子をさらに備える
請求項２６から３７のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項３９】
請求項１２から３８のいずれか一項に記載の磁気センサを備える生体磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場検出方法、磁気センサ及び生体磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定磁場に比例する超電流が流れる超伝導体と、その超電流が作る磁場を検出する磁気抵抗素子とを組み合わせて、１／ｆノイズを除去する磁気センサが知られていた（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１  特表２０１０−５３２４７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の超伝導体を用いた磁気センサでは、液体ヘリウム等で超伝導体を冷却する必要があり、液体ヘリウムを利用するための付帯設備が必要となる。したがって、従来の磁気センサの利用には大きなコストがかかる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、被測定磁場が印加された状態で、磁気抵抗素子を有する磁場測定部に第１印加磁場を印加する第１段階と、被測定磁場が印加された状態で、磁場測定部に第１印加磁場と異なる第２印加磁場を印加する第２段階と、第１段階において磁気抵抗素子が出力した第１出力信号と、第２段階において磁気抵抗素子が出力した第２出力信号とに基づいて、被測定磁場に比例した値を検出する第３段階とを備える磁場検出方法を提供する。
【０００５】
本発明の第２の態様においては、被測定磁場に応じた出力信号を出力し、磁気抵抗素子を有する磁場測定部と、被測定磁場が印加された状態で、磁場測定部に、第１印加磁場及び第２印加磁場を順次印加する磁場発生部と、第１印加磁場の印加時の磁気抵抗素子からの第１出力信号と、第２印加磁場の印加時の磁気抵抗素子からの第２出力信号とを復調して被測定磁場に比例した値を検出する信号解析部とを備える磁気センサを提供する。
【０００６】
本発明の第３の態様においては、短手方向と長手方向とを有する磁気抵抗素子と、短手方向の一方の側で、且つ、短手方向と長手方向に平行な第１平面に沿って配置された第１軟磁性体と、第１軟磁性体の少なくとも一部に平面視で重なるように配置された第１磁場発生部とを備える磁気センサを提供する。
【０００７】
本発明の第４の態様においては、第２または第３の態様に係る磁気センサを備える生体磁気センサを提供する。
【０００８】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】磁気センサ１００の構成の概要を示す。
【図２】磁気センサ１００の動作の一例を示す。
【図３】第１実施形態に係る磁気センサ１００の構成の一例を示す。
【図４Ａ】フェーズＡにおいて磁気センサ１００に生じる磁束密度の一例を示す。
【図４Ｂ】フェーズＢにおいて磁気センサ１００に生じる磁束密度の一例を示す。
【図５Ａ】フェーズＢ１における印加磁場ＢＣの向きを示す。
【図５Ｂ】フェーズＢ２における印加磁場ＢＣの向きを示す。
【図６】磁場発生部３１，３２の動作の一例を示す。
【図７Ａ】印加電流（ｍＡ）と磁場収束効果（倍）の関係を示す。
【図７Ｂ】被測定磁場ＢＩＮ（μＴ）と差分値（ｍＴ）との関係を示す。
【図８】磁気センサ１００の構成の一例を示す。
【図９】磁気センサ１００の構成の一例を示す。
【図１０】第２実施形態に係る磁気センサ１００の構成の一例を示す。
【図１１Ａ】入力磁場Ｈと、集磁された磁束密度Ｂとの関係を示す。
【図１１Ｂ】入力磁場Ｈと、集磁された磁束密度Ｂとの関係を示す。
【図１２】第３実施形態に係る磁気センサ１００の構成の一例を示す。
【図１３】磁気センサ１００の構成の一例を示す。
【図１４】第４実施形態に係る磁気センサ１００の構成の一例を示す。
【図１５】入力磁場Ｈに対する磁気抵抗素子２０の抵抗値Ｒの変化を示す。
【図１６】脳磁計５００の構成の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１１】
図１は、磁気センサ１００の構成の概要を示す。磁気センサ１００は、磁場測定部１、磁場発生部２及び信号解析部３を備える。
【００１２】
磁場測定部１は、磁気センサ１００に入力された被測定磁場ＢＩＮを検知する。本例の磁場測定部１は、被測定磁場ＢＩＮを変調し、被測定磁場ＢＩＮに応じた出力信号Ｖｏｕｔを出力する。本明細書において、変調とは、周期的に変化されたゲインに応じて、被測定磁場ＢＩＮを得ることを指す。例えば、磁場測定部１は、第１ゲインに応じて第１出力信号Ｖｏｕｔ１を生成し、第２ゲインに応じて第２出力信号Ｖｏｕｔ２を出力する。
【００１３】
磁場発生部２は、磁場測定部１に印加磁場ＢＣを印加して、磁場測定部１のゲインを変化させる。本明細書において、ゲインとは、被測定磁場ＢＩＮを集磁する磁性体の透磁率又は被測定磁場ＢＩＮを検出する磁気抵抗素子の磁気感度を指す。例えば、磁場発生部２は、第１印加磁場ＢＣ１を磁場測定部１に印加することにより、磁場測定部１のゲインを第１ゲインに設定する。また、磁場発生部２は、第２印加磁場ＢＣ２を磁場測定部１に印加することにより、磁場測定部１のゲインを第２ゲインに変化させる。
【００１４】
信号解析部３は、磁場測定部１が出力した出力信号Ｖｏｕｔに基づいて、被測定磁場ＢＩＮに比例した値を検出する。例えば、信号解析部３は、入力された第１出力信号Ｖｏｕｔ１及び第２出力信号Ｖｏｕｔ２を復調することにより、被測定磁場ＢＩＮに比例した値を検出する。
【００１５】
図２は、磁気センサ１００の動作の一例を示す。本例の磁気センサ１００は、ステップＳ１００〜ステップＳ３００により、被測定磁場ＢＩＮに比例した値を検出する。
【００１６】
ステップＳ１００において、磁気センサ１００は、被測定磁場ＢＩＮが印加された状態で、磁場測定部１に第１印加磁場ＢＣ１を印加する。次に、ステップＳ２００において、磁気センサ１００は、被測定磁場ＢＩＮが印加された状態で、第１印加磁場ＢＣ１と異なる第２印加磁場ＢＣ２を磁場測定部１に印加する。その後、ステップＳ３００において、磁気センサ１００は、第１出力信号Ｖｏｕｔ１及び第２出力信号Ｖｏｕｔ２に基づいて、被測定磁場ＢＩＮに比例した値を検出する。なお、ステップＳ１００及びステップＳ２００の順序は入れ替えてもよく、複数回繰り返してもよい。但し、磁気センサ１００は、印加される被測定磁場ＢＩＮが一定である期間内に、ステップＳ１００及びステップＳ２００を行うことが好ましい。また、第１印加磁場ＢＣ１ならびに第２印加磁場ＢＣ２のどちらか一方は、その大きさがゼロであってもよい。
【００１７】
（第１実施形態）
図３は、第１実施形態に係る磁気センサ１００の構成の一例を示す。磁気センサ１００は、磁気収束板１１，１２、磁気抵抗素子２０及び磁場発生部３１，３２を備える。磁気収束板１１，１２及び磁気抵抗素子２０は、磁場測定部１の一例であり、磁場発生部３１，３２は、磁場発生部２の一例である。
【００１８】
磁気収束板１１，１２は、磁気収束板１１，１２の透磁率を変化させ、それぞれの透磁率で被測定磁場ＢＩＮを集磁する。磁気収束板１１，１２は、半導体基板上に形成された磁性体である。磁気収束板１１，１２は、磁気抵抗素子２０を挟んで、対称面Ｓｆに対して対称に配置される。磁気収束板１１，１２の形状は、平面視で、それぞれ台形である。本例の磁気収束板１１，１２は、対称面Ｓｆ側の端部に台形の短い方の底辺を有し、対称面Ｓｆと反対側の端部に台形の長い方の底辺を有する。また、磁気収束板１１，１２は、台形の一部がくびれた狭窄領域ＮＡを有する。
【００１９】
狭窄領域ＮＡは、磁気収束板１１，１２のそれぞれにおいて、磁気抵抗素子２０の短手方向に垂直な方向の幅が狭く形成された領域である。例えば、狭窄領域ＮＡにおいて、磁気抵抗素子２０の短手方向に垂直な方向の幅は、磁気収束板１１，１２の短い方の底辺の半分以下の長さである。磁気収束板１１の狭窄領域ＮＡは、磁気収束板１１において被測定磁場ＢＩＮが入力される側の端部と、磁気収束板１１において被測定磁場ＢＩＮが出力される側の端部との間に形成される。また、磁気収束板１２の狭窄領域ＮＡは、磁気収束板１２において被測定磁場ＢＩＮが入力される側の端部と、磁気収束板１２において被測定磁場ＢＩＮが出力される側の端部との間に形成される。即ち、狭窄領域ＮＡは、磁気収束板１１，１２の端部以外の場所に形成される。狭窄領域ＮＡは、磁気収束板１１，１２において、対称面Ｓｆと平行な面の断面積が最小となる。なお、磁気収束板１１，１２には、狭窄領域ＮＡが形成されなくてもよい。
【００２０】
磁気抵抗素子２０は、磁気収束板１１，１２が集磁した被測定磁場ＢＩＮを検出する。磁気抵抗素子２０は、平面視で矩形であり、対称面Ｓｆに対して対称に形成される。磁気抵抗素子２０の短手方向及び長手方向は、磁気収束板１１，１２が形成される面と平行な方向である。また、磁気抵抗素子２０は、矩形の短手方向に感度を有する。なお、磁気抵抗素子２０は、ミアンダ状に形成されていてもよい。また、磁気センサ１００は、磁気抵抗素子２０の代わりに、ホール素子などの１／ｆノイズを持つ他の磁気センサを備えてもよい。また、平面視で磁気収束板１１，１２と磁気抵抗素子２０の一部は重なっていてもよい。
【００２１】
磁場発生部３１，３２は、磁気収束板１１，１２に隣接して形成され、対称面Ｓｆと垂直な方向に印加磁場ＢＣを印加する。磁気収束板１１，１２に隣接するとは、磁場発生部３１，３２が磁気収束板１１，１２に印加磁場ＢＣを印加できる程度の距離に位置することを指す。本例の磁場発生部３１，３２は、磁気抵抗素子２０の長手方向に引かれたメタル層であるが、磁気抵抗素子２０の周囲に巻かれたコイル層であってもよい。本例の磁場発生部３１，３２は、磁気収束板１１，１２に対して半導体基板側に形成されるが、コイル層の場合は磁気収束板１１，１２の周囲に形成される。磁場発生部３１，３２は半導体技術を用いず、半導体基板の外に形成されるコイルや磁石でもよい。また、磁場発生部３１は、磁気抵抗素子２０を挟んで、対称面Ｓｆに対して対称に配置される。磁場発生部３１は、磁気収束板１１と同一側に配置され、磁場発生部３２は、磁気収束板１２と同一側に配置される。磁場発生部３１，３２は、平面視で、磁気収束板１１，１２とそれぞれ重なる。
【００２２】
磁場発生部３１，３２は、発生する印加磁場ＢＣの大きさによって、フェーズＡとフェーズＢとを周期的に切り替えて動作する。フェーズＡにおいて、磁場発生部３１，３２は、被測定磁場ＢＩＮが印加された状態で、磁気収束板１１，１２に第１印加磁場を印加する。フェーズＢにおいて、磁場発生部３１，３２は、被測定磁場ＢＩＮが印加された状態で、磁気収束板１１，１２に第１印加磁場と異なる第２印加磁場を印加する。これにより、磁気収束板１１，１２の透磁率がフェーズＡとフェーズＢとで変化する。
【００２３】
図４Ａは、フェーズＡにおいて磁気センサ１００に生じる磁束密度の一例を示す。本例の磁気センサ１００に生じる磁束密度は、磁場発生部３１，３２が発生する第１印加磁場がゼロの場合であり、被測定磁場ＢＩＮによる磁束密度である。
【００２４】
フェーズＡにおいて、磁気収束板１１，１２は、ＧＯＦＦ倍の磁場収束効果で被測定磁場ＢＩＮを集磁する。即ち、磁気収束板１１，１２は、ＧＯＦＦ×ＢＩＮの磁場を磁気抵抗素子２０に印加する。より具体的には、フェーズＡにおいて、磁気収束板１１は、被測定磁場ＢＩＮを磁気収束板１１の幅広いエリアに収束させ、次いで当該被測定磁場ＢＩＮを狭窄領域ＮＡに収束させる。その後、磁気収束板１１は、被測定磁場ＢＩＮを磁気抵抗素子２０側の広いエリアに収束させて磁気抵抗素子２０に印加する。磁気抵抗素子２０に印加される被測定磁場ＢＩＮは、磁気収束板１１の磁場収束効果によって、磁気収束板１１が存在しない場合よりもＧＯＦＦ倍される。
【００２５】
図４Ｂは、フェーズＢにおいて磁気センサ１００に生じる磁束密度の一例を示す。本例の磁気センサ１００に生じる磁束密度は、磁場発生部３１，３２が発生する第２印加磁場が狭窄領域ＮＡを磁気飽和させるように設定する。本明細書において、狭窄領域ＮＡが磁気飽和した場合の磁気収束板１１，１２の透磁率を飽和透磁率と称する。
【００２６】
狭窄領域ＮＡの磁気飽和とは、狭窄領域ＮＡの透磁率が磁気収束板１１，１２の存在しない位置における透磁率（例えば、空気の透磁率）と略等しくなることを指す。即ち、狭窄領域ＮＡが磁気飽和した状態では、被測定磁場ＢＩＮが狭窄領域ＮＡに優先的に印加されなくなるので、狭窄領域ＮＡにおける磁場収束効果がなくなる。したがって、狭窄領域ＮＡを飽和させることにより、磁気飽和前における磁気収束板１１，１２の透磁率が、飽和透磁率に変化する。なお、磁気収束板１１，１２の透磁率を変化させるためには、必ずしも狭窄領域ＮＡを磁気飽和させる必要はなく、フェーズＡとフェーズＢとで異なる印加磁場ＢＣを印加すればよい。
【００２７】
フェーズＢにおいて、磁気収束板１１，１２は、ＧＯＮ倍の磁場収束効果で被測定磁場ＢＩＮを集磁する。即ち、磁気収束板１１，１２は、ＧＯＮ×ＢＩＮの磁場を磁気抵抗素子２０に印加する。より具体的には、フェーズＢにおいて、磁気収束板１１は、被測定磁場ＢＩＮを磁気収束板１１の幅広いエリアに収束させるが、狭窄領域ＮＡが磁気飽和しているので、当該被測定磁場ＢＩＮを狭窄領域ＮＡに収束させない。その後、磁気収束板１１は、被測定磁場ＢＩＮを狭窄領域ＮＡよりも磁気抵抗素子２０側の広いエリアに収束させて磁気抵抗素子２０に印加する。磁気抵抗素子２０に印加される被測定磁場ＢＩＮは、磁気収束板１１の磁場収束効果によって、磁気収束板１１が存在しない場合よりもＧＯＮ倍される。なお、フェーズＢは、磁場発生部３１，３２の印加磁場ＢＣの向きに応じて、フェーズＢ１及びフェーズＢ２を含む。
【００２８】
図５Ａは、フェーズＢ１における印加磁場ＢＣの向きを示す。図５Ｂは、フェーズＢ２における印加磁場ＢＣの向きを示す。
【００２９】
印加磁場ＢＣは、大きさが同じで、且つ、印加磁場の向きの異なる印加磁場ＢＰ及び印加磁場ＢＮからなる。印加磁場ＢＰは、被測定磁場ＢＩＮの入力する向きと同一の向きの磁場である。一方、印加磁場ＢＮは、被測定磁場ＢＩＮの入力する向きと逆向きの磁場である。例えば、印加磁場ＢＰ及び印加磁場ＢＮは、磁場発生部３１，３２がコイルの場合、コイルに流す電流の向きを制御することにより、容易に入れ替えることができる。磁場発生部３１，３２が磁気収束板１１，１２の周囲に巻かれるコイル配線の場合、平面的に形成する場合よりも小さな電流で、印加磁場ＢＣを発生できる。
【００３０】
磁場発生部３１，３２は、各フェーズにおいて、それぞれ互いに異なる向きの印加磁場ＢＣを発生する。例えば、フェーズＢ１において、磁場発生部３１は印加磁場ＢＰを発生し、磁場発生部３２は印加磁場ＢＮを発生する。一方、フェーズＢ２において、磁場発生部３１は印加磁場ＢＮを発生し、磁場発生部３２は印加磁場ＢＰを発生する。このように、磁場発生部３１，３２が、大きさが同じで、且つ、互いに向きが異なる印加磁場ＢＰ及び印加磁場ＢＮを発生することにより、磁気抵抗素子２０における印加磁場ＢＣが打ち消される。これにより、磁気抵抗素子２０の特性変化を防ぐことができる。
【００３１】
図６は、磁場発生部３１，３２の動作の一例を示す。縦軸は、印加磁場ＢＣを示し、横軸は、任意の時間を示す。本例のフェーズＡは、フェーズＡ１及びフェーズＡ２を含む。
【００３２】
磁場発生部３１，３２は、フェーズＡ及びフェーズＢを交互に入れ替えるように印加磁場ＢＣを制御する。フェーズＡ及びフェーズＢを交互に入れ替える周期は、被測定磁場ＢＩＮの変化する時間よりも小さいことが好ましい。即ち、フェーズＡ及びフェーズＢにおいて、同一の被測定磁場ＢＩＮが入力される。
【００３３】
例えば、磁場発生部３１，３２は、フェーズＡ１、フェーズＢ１、フェーズＡ２、フェーズＢ２の順に印加磁場ＢＣを切り替える。フェーズＡ１及びフェーズＡ２における印加磁場ＢＣはいずれも０である。また、フェーズＢ１及びフェーズＢ２における印加磁場ＢＣは、磁場発生部３１と磁場発生部３２とで逆向きに印加される。より具体的には、フェーズＢ１において、磁場発生部３１には印加磁束密度ＢＰが印加され、磁場発生部３２には印加磁束密度ＢＮが印加さる。また、フェーズＢ２において、磁場発生部３１には印加磁束密度ＢＮが印加され、磁場発生部３２には印加磁束密度ＢＰが印加さる。この場合、磁場発生部３１，３２は、磁場発生部３１，３２に流れる電流の向きを周期的に反転させる磁場方向設定部に接続されてよい。
【００３４】
次に、フェーズＡ及びフェーズＢの周期的な動作によって、フェーズによらず発生するノイズ成分ｖｎを除去する具体的な方法について説明する。フェーズＡ及びフェーズＢのそれぞれの出力信号ＶＡ及びＶＢは、以下の式で表される。
［数式１］
ＶＡ  ＝  Ｖ０  ＋  ＧＯＦＦ×δＶ×ＢＩＮ  ＋  ｖｎ
［数式２］
ＶＢ  ＝  Ｖ０  ＋  ＧＯＮ×δＶ×ＢＩＮ  ＋  ｖｎ
ここで、Ｖ０は、被測定磁場ＢＩＮに依存しない抵抗成分による電圧を示す。δＶは、磁気抵抗素子２０の磁気感度を示す。
【００３５】
また、ＶＡからＶＢを差し引くと、
［数式３］
ＶＡ−ＶＢ  ＝  （ＧＯＦＦ−ＧＯＮ）×δＶ×ＢＩＮ
となる。これにより、ノイズ成分は打ち消され、磁場収束効果の差と被測定磁場ＢＩＮの積に比例した出力が得られる。本例では、出力信号ＶＡと、出力信号ＶＢを反転した反転出力信号との和に基づいて、被測定磁場ＢＩＮに比例する値を検出する例を示した。磁気センサ１００は、これに変えて、出力信号ＶＡと、出力信号ＶＢを反転した反転出力信号との平均に基づいて、被測定磁場ＢＩＮに比例する値を検出してもよい。また、磁気センサ１００は、磁場発生部３１及び磁場発生部３２から正弦波の印加磁場Ｂｃを発生させてよい。そして、磁気センサ１００は、磁気抵抗素子２０の出力に対して信号解析部３で正弦波による復調を行い、被測定磁場ＢＩＮに比例する値を検出してもよい。
【００３６】
ここで、磁場発生部３１及び磁場発生部３２の配線は、互いにつながれて、同一の電流を流すことが好ましい。この場合、磁場発生部３１と磁場発生部３２のそれぞれが発生する印加磁場ＢＣは、同時に、同一の大きさで、向きの異なる磁場となる。これにより、磁気抵抗素子２０上で印加磁場ＢＣは打ち消され、磁気抵抗素子２０は印加磁場ＢＣの影響を受けない。
【００３７】
また、半導体プロセスの誤差などにより、磁場発生部３１及び磁場発生部３２の対称性が崩れると、磁気抵抗素子２０上で印加磁場ＢＣは完全には打ち消しあわず、磁気抵抗素子２０は残留印加磁場ΔＢＰ及びΔＢＮの影響を受けることになる。しかしながら、本例のようにフェーズＢ１とフェーズＢ２とを繰り返すことにより、磁気抵抗素子２０の残留印加磁場による出力は演算により打ち消される。
［数式４］
ＶＡ１  ＝  Ｖ０  ＋  ＧＯＦＦ×δＶ×ＢＩＮ  ＋  ｖｎ
［数式５］
ＶＢ１  ＝  Ｖ０  ＋  ＧＯＮ×δＶ×（ＢＩＮ  ＋  ΔＢＮ）＋  ｖｎ
［数式６］
ＶＡ２  ＝  Ｖ０  ＋  ＧＯＦＦ×δＶ×ＢＩＮ  ＋  ｖｎ
［数式７］
ＶＢ２  ＝  Ｖ０  ＋  ＧＯＮ×δＶ×（ＢＩＮ  ＋  ΔＢＰ）＋  ｖｎ
【００３８】
また、（数４）式−（数５）式＋（数６）式−（数７）式により、
ＶＡ−ＶＢ１＋ＶＡ−ＶＢ２＝  ２（ＧＯＦＦ−ＧＯＮ）×δＶ×ＢＩＮ−ＧＯＮ×δＶ（ΔＢＮ＋ΔＢＰ）
ここで、ΔＢＰ＝−ΔＢＮのため、
ＶＡ−ＶＢ１＋ＶＡ−ＶＢ２＝  ２（ＧＯＦＦ−ＧＯＮ）×δＶ×ＢＩＮ
となる。これにより、ノイズｖｎ及び残留印加磁場ΔＢＰ，ΔＢＮは打ち消され、磁場収束効果の差と被測定磁場ＢＩＮの積に比例した出力が得られる。
【００３９】
なお、本実施形態に係る磁気センサ１００は、対称面Ｓｆを挟んだ磁場発生部３１，３２を備えたが、いずれか一方だけに磁場発生部を配置してもよい。この場合、磁気抵抗素子２０によって大きな印加磁場ＢＣが検出されるが、大きさが等しく向きが異なる印加磁場ＢＮとＢＰとを交互に印加することで演算により打ち消される。具体的には、（数５）式と（数７）式のΔＢＮとΔＢＰが、ＢＮとＢＰに置き換わった形で演算される。
【００４０】
また、本実施形態に係る磁場発生部３１，３２は、互いに異なる方向に印加磁場ＢＣを印加した。しかしながら、印加磁場ＢＣは、同一の方向となるように印加されてよい。この場合、磁場発生部３１，３２の発生する印加磁場ＢＣは、互いに強め合うこととなり、より少ない電流によって磁気収束板１１，１２が磁気飽和する。この時、磁気抵抗素子２０は、印加磁場ＢＣを検出するが、フェーズＢ１及びフェーズＢ２での印加磁場ＢＣの方向を交互に反転させることにより、検出した印加磁場ＢＣによるオフセット値を打ち消すことができる。
【００４１】
また、本実施形態にかかるフェーズＢは、印加磁場Ｂｃによるオフセット値を打ち消すため、大きさが同じで、且つ、向きの異なる印加磁場ＢＰ及び印加磁場ＢＮを印加した。しかしながら印加磁場Ｂｃによるオフセット値は、印加磁場Ｂｃの大きさや磁気収束板１１，１２の透磁率などの条件が変わらなければ一定の値となるため、このオフセット値が予めわかっている場合は、信号解析部でこのオフセット値と等しい値を差し引く処理を行ってもよい。
【００４２】
以上の通り、本実施形態に係る磁気センサ１００は、印加磁場ＢＣの大きさをフェーズＡとフェーズＢとで変化させることにより、磁気収束板１１，１２の透磁率を変化させる。これにより、磁気センサ１００は、室温動作可能な小型・低コストでかつ、高磁場分解能を達成することができる。
【００４３】
磁場分解能は、磁気センサ１００がどれだけ微小な磁場まで検出できるかを表す指標である。磁場分解能は、磁気センサ１００の感度とノイズの比で決まる。ここで、磁気センサ１００の検出する信号のノイズには、周波数によらない熱ノイズと、低周波数になるほど大きくなる１／ｆノイズがある。１／ｆノイズは、特に低周波領域において、磁気センサ１００のノイズの主原因となる。本例の磁気センサ１００は、被測定磁場ＢＩＮを変化させて検出することによって、被測定磁場ＢＩＮに比例した信号が得られる。これにより、磁気センサ１００は、ノイズ成分ｖｎとしての１／ｆノイズを除去することができる。
【００４４】
図７Ａは、印加電流（ｍＡ）と磁場収束効果（倍）の関係を示す。印加電流と磁場収束効果との関係は、磁界シミュレータによって計算される。印加電流とは、磁場発生部３１，３２のコイル層に流れる電流である。
【００４５】
印加電流が０ｍＡの場合、磁気収束板１１，１２の磁場収束効果はおよそ９倍となる。また、印加電流が４ｍＡの場合、磁気収束板１１，１２の磁場収束効果が４倍に低下し、４ｍＡ以上の印加電流では一定に落ち着いている。これにより、約４ｍＡの印加電流を磁場発生部３１，３２に流すことにより、磁気収束板１１，１２の狭窄領域ＮＡの磁束密度が飽和に達したことを意味する。
【００４６】
図７Ｂは、被測定磁場ＢＩＮ（μＴ）と差分値（ｍＴ）との関係を示す。本例のグラフは、図７Ａのモデルにおいて、被測定磁場ＢＩＮを変化させた磁界シミュレーション結果である。本例では、５ｍＡの印加電流によって印加磁場ＢＣを周期的に印加する。差分値（ｍＴ）とは、磁気抵抗素子２０の位置における印加磁場ＢＣを印加していない時の磁束密度と、印加磁場ＢＣを印加した時の磁束密度との差分である。印加磁場ＢＣの周期は、被測定磁場ＢＩＮの変化に対して十分に短くしている。このグラフから、磁気抵抗素子２０の位置における印加磁場ＢＣの差分値は、被測定磁場ＢＩＮに比例した値が得られることが分かる。
【００４７】
図８は、磁気センサ１００の構成の一例を示す。本例の磁気センサ１００は、対称面Ｓｆの代わりに対称点Ｓｐを有する。
【００４８】
磁気収束板１１，１２は、対称点Ｓｐに対して点対称に形成される。本例の磁気収束板１１，１２は、対称面を有する必要はなく、磁気抵抗素子２０を挟んで非面対称な形状を有する。本例では、磁気収束板１１，１２の磁気抵抗素子２０側の端部は、磁気収束板１１，１２の磁気抵抗素子２０と反対側の端部よりも大きい。磁気収束板１１，１２の磁気抵抗素子２０側の端部は、磁気抵抗素子２０に均一な磁場をかけるために磁気抵抗素子２０の長軸方向の長さと同一程度の長さを有することが好ましい。なお、磁気収束板１１，１２は、狭窄領域ＮＡを有することにより、磁束密度が狭窄領域ＮＡに集中し、磁場収束効果が変化しやすくなる。但し、磁気収束板１１，１２は、十分に大きな周期磁場の印加によって磁場発生部３１，３２の透磁率を変化させられる場合は、狭窄領域ＮＡを必要としない。
【００４９】
磁場発生部３１，３２は、対称点Ｓｐに対して点対称に形成される。この例のように磁場測定部を構成することで、磁場発生部３１，３２がコイルの場合に、互いに同じ大きさの電流を流せば大きさの等しい印加磁場Ｂｃが発生し磁気収束板１１と１２は同時に透磁率を等しく変化させることができる。また磁場発生部３１，３２の発生する印加磁場Ｂｃを互いに逆向きになるように電流の向きを選ぶことで、磁気抵抗素子２０の位置での印加磁場を打ち消すことができる。
【００５０】
図９は、磁気センサ１００の構成の一例を示す。本例の磁気センサ１００は、複数の狭窄領域ＮＡ１，ＮＡ２が形成された磁場発生部３１，３２を有する。
【００５１】
狭窄領域ＮＡ１は、磁場発生部３１，３２において磁束密度が集中する１つの領域を有する。狭窄領域ＮＡ１が形成される位置は、磁気収束板１１，１２の磁気抵抗素子２０側の端部と磁気抵抗素子２０と反対側の端部の間であればよい。
【００５２】
狭窄領域ＮＡ２は、磁場発生部３１，３２において磁束密度が集中する２つの領域を有する。狭窄領域ＮＡ２が形成される位置は、磁気収束板１１，１２の磁気抵抗素子２０側の端部と磁気抵抗素子２０と反対側の端部の間であればよい。本例の狭窄領域ＮＡ２は、狭窄領域ＮＡ１よりも、磁気抵抗素子２０に近い位置に配置される。
【００５３】
但し、狭窄領域ＮＡ１と狭窄領域ＮＡ２の相対位置は、これに限られない。つまり、印加磁場ＢＣを印加する前後で、磁場収束効果の変化を任意に変えることができれば、狭窄領域ＮＡの位置、個数及び形状は本実施形態に限定されるものではない。本例の場合は、コイルに流す電流が比較的小さな値でまず狭窄領域ＮＡ１が磁気飽和し、さらに大きな電流を流すと狭窄領域ＮＡ１に加え狭窄領域ＮＡ２が磁気飽和するため、磁場収束効果の変化を２段階設けることができる。これによって、例えば低消費電流が好まれる用途に対しては、１段階目の磁場収束効果を使い、消費電流があまり気にならない用途に対しては２段階目の磁場収束効果を使って感度を高めるなど、用途の幅を広げることができる。このように、磁気センサ１００は、磁気抵抗素子２０の特性、使用する材料、要求される感度等に応じて適宜最適な形状の磁気収束板１１，１２を選択すればよい。
【００５４】
（第２実施形態）
図１０は、第２実施形態に係る磁気センサ１００の構成の一例を示す。第２実施形態は、クローズドループ回路との組み合わせに係る実施形態である。本例の磁気センサ１００は、定電流源５１、差分演算回路６０、比較器６１、フィードバックコイルＣＦＢ及び出力抵抗Ｒを備える。その他の構成は、図３に係る磁気センサ１００と同一である。
【００５５】
差分演算回路６０は、定電流源５１が磁気抵抗素子２０に定電流を流したときの磁気抵抗素子２０の一端の電圧を検出する。差分演算回路６０は、フェーズＡにおける出力信号と、フェーズＢにおける出力信号との差分を演算して出力する。即ち、差分演算回路６０の出力は、（数３）式のように被測定磁場ＢＩＮに比例した値となる。
【００５６】
比較器６１は、差分演算回路６０の出力と参照電圧Ｖｒｅｆとの比較を行い、比較結果に応じたフィードバック電流を生成する。比較器６１は、生成したフィードバック電流をフィードバックコイルＣＦＢに流す。本例の参照電圧ＶｒｅｆはＧＮＤである。
【００５７】
フィードバックコイルＣＦＢは、入力されたフィードバック電流に応じて、磁気抵抗素子２０にフィードバック磁場ＢＦＢを印加する。フィードバック磁場ＢＦＢは、被測定磁場ＢＩＮを打ち消す方向に印加される。そして、被測定磁場ＢＩＮがフィードバック磁場ＢＦＢと等しくなるところでフィードバック電流は安定する。なお、本例のフィードバックコイルＣＦＢは、磁気収束板１１，１２及び磁場発生部３１，３２と絶縁して、半導体基板上に形成される。ここでフィードバックコイルＣＦＢは、平面視で磁気収束板１１，１２と重なるように配置されることが好ましい。また、フィードバックコイルＣＦＢは、半導体基板の外側に配置されてもよい。
【００５８】
図１１Ａは、入力磁場Ｈと、集磁された磁束密度Ｂとの関係を示す。本例では、フィードバック磁場ＢＦＢを印加しない場合の、入力磁場Ｈと磁束密度とのヒステリシスを示す。
【００５９】
本実施形態に係る磁気センサ１００は、クローズドループ回路と磁気抵抗素子２０とを組み合わせることにより、磁気抵抗素子２０の出力のリニアリティー及び温度特性を改善する。これにより、磁気センサ１００の測定レンジが広がる。また、本実施形態に係る磁気センサ１００は、磁気収束板１１，１２の透磁率の変化を周期的な印加磁場ＢＣのみによって安定に制御できる。よって、本例の磁気センサ１００は、磁場測定部１のゲインを安定化させるとともに被測定磁場ＢＩＮを広い磁場範囲で検出できる。
【００６０】
例えば、フィードバック磁場ＢＦＢのない場合、フェーズＢにおいて磁気収束板１１を通る磁束密度ＢＴＯＴＡＬ−Ｉは、次の通り表される。
［数式８］
ＢＴＯＴＡＬ−Ｉ  ＝  ＧＯＮ×（ＢＩ−ＢＴＥ＋ＢＩＮ）
ここで、ＢＩは、磁場発生部３１から磁気収束板１１に印加される印加磁場ＢＣを示し、ＢＴＥは、磁場発生部３２から磁気収束板１１に影響する印加磁場ＢＣを示す。そして、被測定磁場ＢＩＮが印加されない場合において、磁気収束板１１を通る磁束密度ＢＴＯＴＡＬ−Ｉ０は、次の通り表される。
［数式９］
ＢＴＯＴＡＬ−Ｉ０  ＝  ＧＯＮ×（ＢＩ−ＢＴＥ）
【００６１】
また、フィードバック磁場ＢＦＢのない場合、フェーズＢにおいて磁気収束板１２を通る磁束密度ＢＴＯＴＡＬ−Ｔは、次の通り表される。
［数式１０］
ＢＴＯＴＡＬ−Ｔ  ＝  ＧＯＮ×（ＢＩＥ−ＢＴ＋ＢＩＮ）
ここで、ＢＴは、磁場発生部３２から磁気収束板１２に印加される印加磁場ＢＣを示し、ＢＩＥは、磁場発生部３１から磁気収束板１２に影響する印加磁場ＢＣを示す。そして、被測定磁場ＢＩＮが印加されない場合において、磁気収束板１２を通る磁束密度ＢＴＯＴＡＬ−Ｔ０は、次の通り表される。
［数式１１］
ＢＴＯＴＡＬ−Ｔ０  ＝  ＧＯＮ×（ＢＩＥ−ＢＴ）
【００６２】
このとき、磁場発生部３１の印加磁場ＢＣと磁場発生部３２の印加磁場ＢＣとは、大きさが等しく向きが異なるため、ＢＩ−ＢＴＥ＝−（ＢＩＥ−ＢＴ）となる。つまり、図１１Ａに示すように、磁気収束板１１と磁気収束板１２の透磁率はＢＩＮの分だけずれる。
【００６３】
図１１Ｂは、入力磁場Ｈと、集磁された磁束密度Ｂとの関係を示す。本例では、フィードバック磁場ＢＦＢを印加する場合の、入力磁場Ｈと磁束密度とのヒステリシスを示す。
【００６４】
フィードバック磁場ＢＦＢを印加する場合、フェーズＢにおいて磁気収束板１１を通る磁束密度ＢＴＯＴＡＬ−Ｉは、次の通り表される。
［数式１２］
ＢＴＯＴＡＬ−Ｉ  ＝  ＧＯＮ×（ＢＩ−ＢＴＥ＋ＢＩＮ−ＢＦＢ）  ≒  ＧＯＮ×（ＢＩ−ＢＴＥ）
【００６５】
また、フィードバック磁場ＢＦＢを印加する場合、フェーズＢにおいて磁気収束板１２を通る磁束密度ＢＴＯＴＡＬ−Ｔは、次の通り表される。
［数式１３］
ＢＴＯＴＡＬ−Ｔ  ＝  ＧＯＮ×（ＢＩＥ−ＢＴ＋ＢＩＮ−ＢＦＢ）  ≒  ＧＯＮ×（ＢＩＥ−ＢＴ）
【００６６】
ここで、ＢＩＮ＝ＢＦＢのため、磁気収束板１１と磁気収束板１２を通る磁束密度は、大きさが等しく向きが異なる値となり、且つ、磁気収束板１１及び磁気収束板１２の透磁率が等しくなる。つまり、磁気収束板１１，１２が被測定磁場ＢＩＮによらない安定した磁場収束効果ＧＯＮで動作可能となり、磁気センサ１００は、磁場測定部１のゲインを安定化させるとともに広い磁場範囲の被測定磁場ＢＩＮを検出できる。
【００６７】
（第３実施形態）
図１２は、第３実施形態に係る磁気センサ１００の構成の一例を示す。本例の磁気センサ１００は、参照素子４０、定電流源５１、定電流源５２、差動増幅器６２及び差分演算回路６３をさらに備える。
【００６８】
参照素子４０は、半導体基板平面方向の磁場を感じないように、磁気収束板１１又は磁気収束板１２に覆われる。参照素子４０は、磁気抵抗素子２０と、同一の形状及び材料で形成されることが好ましい。参照素子４０は、磁気抵抗素子２０に接続された定電流源５１と同一の電流を流す定電流源５２に接続される。
【００６９】
差動増幅器６２は、磁気抵抗素子２０の一端の電圧と、参照素子４０の一端の電圧との差分信号を取得する。差分信号には、被測定磁場ＢＩＮに比例した信号と、磁気抵抗素子２０及び参照素子４０がもつノイズが含まれる。差動増幅器６２は、取得した差分信号を差分演算回路６３に出力する。差分演算回路６３は、差分信号から各フェーズの差分を演算して、１／ｆのノイズを除去した出力信号Ｖｏｕｔを出力する。
【００７０】
本例の磁気センサ１００において、磁気抵抗素子２０及び参照素子４０の環境温度を同一とみなすことができる。即ち、本例の磁気センサ１００は、参照素子４０を用いることにより、磁場によらない抵抗成分の温度変動等に起因する出力変動を除去できる。これにより、磁気センサ１００は、温度変動を小さくすることができる。
【００７１】
図１３は、磁気センサ１００の構成の一例を示す。本例の磁気センサ１００は、磁気抵抗素子２１，２２、参照素子４１，４２、定電流源５１、差動増幅器６２及び差分演算回路６３を備える。
【００７２】
磁気抵抗素子２１，２２は、対称面Ｓｆに対して対称に配置される。また、磁気抵抗素子２１，２２は、磁気収束板１１と磁気収束板１２との間に配置される。磁気抵抗素子２１は、対称面Ｓｆよりも磁気収束板１１側に配置され、磁気抵抗素子２２は、対称面Ｓｆよりも磁気収束板１２側に配置される。磁気抵抗素子２１，２２は、互いに同一の形状及び材料で形成されることが好ましい。
【００７３】
参照素子４１，４２は、半導体基板平面方向の磁場を感じないように、磁気収束板１１，１２にそれぞれ覆われる。本例の参照素子４１，４２は、対称面Ｓｆに対して対称に配置されることが好ましい。但し、参照素子４１，４２の配置される位置は特に限定されるものではない。参照素子４１，４２は、磁気抵抗素子２１，２２と同一の形状及び材料で形成されることが好ましい。
【００７４】
参照素子４１，４２は、磁気抵抗素子２１，２２とブリッジ回路を組む。具体的には、直列に接続された参照素子４１及び磁気抵抗素子２１と、直列に接続された磁気抵抗素子２２及び参照素子４２とが、並列に接続される。また、参照素子４１と磁気抵抗素子２２は、定電流源５１にそれぞれ接続される。
【００７５】
差動増幅器６２は、参照素子４１と磁気抵抗素子２１との間の電圧と、磁気抵抗素子２２と参照素子４２との間の電圧とを比較する。これにより、図１２と同様に、磁場によらない抵抗成分の温度変動等に起因する出力変動が除去される。また、本例の磁気センサ１００は、ブリッジ回路を組むことにより、図１２に係る磁気センサ１００の二倍の出力を得ることができる。
【００７６】
（第４実施形態）
図１４は、第４実施形態に係る磁気センサ１００の構成の一例を示す。本例の磁気センサ１００は、狭窄領域ＮＡを有さない点で図３の磁気センサ１００と異なる。また、本例の磁気センサ１００では、印加磁場Ｂｃを磁気抵抗素子２０へ印加し、磁気抵抗素子２０の磁気感度を変化させることにより、被測定磁場ＢＩＮを変調する。
【００７７】
図１５は、入力磁場Ｈに対する磁気抵抗素子２０の抵抗値Ｒの変化を示す。入力磁場Ｈに対する磁気抵抗素子２０の抵抗値Ｒの変化を示す曲線は、線形領域及び非線形領域を含む。
【００７８】
線形領域では、磁気抵抗素子２０の抵抗値Ｒが入力磁場Ｈに対して線形に変化する。線形領域における磁気抵抗素子２０の感度は、ΔＲＬ／ΔＨＬで表される。感度ΔＲＬ／ΔＨＬは、線形領域において略一定となる。
【００７９】
非線形領域では、磁気抵抗素子２０の抵抗値Ｒが入力磁場Ｈに対して非線形に変化する。非線形領域における磁気抵抗素子２０の感度は、ΔＲＮ／ΔＨＮで表される。感度ΔＲＮ／ΔＨＮは、非線形領域における入力磁場Ｈの大きさに応じて変化する。より具体的には、線形領域における入力磁場Ｈの範囲を超える磁場が入力されると、入力磁場Ｈが大きくなるに従い徐々に、入力磁場Ｈの変化量に対する磁気抵抗素子２０の抵抗値Ｒの変化量は減少する。即ち、感度ΔＲＮ／ΔＨＮが徐々に小さくなる。入力磁場Ｈがある磁場以上になると磁気抵抗素子２０の抵抗値Ｒは変化しなくなる。
【００８０】
以上の通り、線形領域での感度ΔＲＬ／ΔＨＬと非線形領域での感度ΔＲＮ／ΔＨＮとが異なる。つまり、線形領域における入力磁場Ｈに対する磁気抵抗素子２０の感度と、線形領域より大きい磁場が入力した状態での入力磁場Ｈに対する磁気抵抗素子２０の感度は異なる。したがって、磁気抵抗素子２０に印加する入力磁場Ｈの大きさを変化させることにより、被測定磁場ＢＩＮを変調して検出できる。
【００８１】
例えば、磁場発生部３１，３２は、少なくともフェーズＡ又はフェーズＢにおいて、磁気抵抗素子２０における印加磁場ＢＣが打ち消し合わないように、印加磁場ＢＣを発生させる。より具体的には、フェーズＡにおいて、印加磁場ＢＣを印加せず、フェーズＢにおいて、磁気抵抗素子２０が非線形領域に入るように磁場発生部３１，３２からの印加磁場ＢＣを等しい方向にかける。また、フェーズＢ１及びフェーズＢ２とで、印加磁場ＢＣの向きを互いに反転させて磁気抵抗素子２０に印加することで、信号解析部で印加磁場Ｂｃによるオフセット値は打ち消すことができる。なお、本実施形態の磁気収束板１１，１２及び磁場発生部３１，３２はそれぞれ対称でなくてもよい。
【００８２】
よって、本例の磁気センサ１００は、第１出力信号Ｖｏｕｔ１と第２出力信号Ｖｏｕｔ２との線形結合に基づいて、被測定磁場ＢＩＮに比例した値を検出できる。例えば、第１出力信号Ｖｏｕｔ１と第２出力信号Ｖｏｕｔ２との線形結合とは、第１出力信号Ｖｏｕｔ１と、第２出力信号Ｖｏｕｔ２を反転した反転出力信号との線形和を指す。また、第１出力信号Ｖｏｕｔ１と第２出力信号Ｖｏｕｔ２との線形結合とは、第１出力信号Ｖｏｕｔ１を反転した反転出力信号と、第２出力信号Ｖｏｕｔ２との線形和であってよい。
【００８３】
図１６は、生体磁気センサの一例として脳磁計５００の構成の例を示す。本例の脳磁計５００は、磁気センサ１００を備える。
【００８４】
脳磁計５００は、脳の神経活動によって生じる磁場を検出することによって、脳の状態を診断する。脳の神経活動によって生じる磁場は、非常に微弱であり、脳の状態を正確に診断するためには、磁気センサ１００のノイズを低減することが重要である。本明細書に係る磁気センサ１００は、高磁場分解能で被測定磁場ＢＩＮを検出できるので、脳磁計等の医療分野においても適用され得る。
【００８５】
以上の通り、本明細書に係る磁気センサ１００は、小型、低コスト、低ノイズを実現する。また、磁気センサ１００は、超伝導体を利用することなく、被測定磁場ＢＩＮを変調させるので、室温動作が可能である。
【００８６】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００８７】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００８８】
１・・・磁場測定部、２・・・磁場発生部、３・・・信号解析部、１１・・・磁気収束板、１２・・・磁気収束板、２０・・・磁気抵抗素子、２１・・・磁気抵抗素子、２２・・・磁気抵抗素子、３１・・・磁場発生部、３２・・・磁場発生部、４０・・・参照素子、４１・・・参照素子、４２・・・参照素子、５１・・・定電流源、５２・・・定電流源、６０・・・差分演算回路、６１・・・比較器、６２・・・差動増幅器、６３・・・差分演算回路、１００・・・磁気センサ、５００・・・脳磁計
【図１】
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【図２】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図６】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図３】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１４】
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