(57)【要約】【課題】トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を利用した磁気センサーにおいて、ＴＭＲ素子の磁場抵抗特性や温度変化等によって生じる得る検知誤差を補正する。【解決手段】ホイートストンブリッジ回路に組み込まれたＴＭＲ素子（１）に印加される電圧を基準値に安定化させることでＴＭＲ素子の抵抗値の個体差を無くす。また、ＴＭＲ素子に作用する磁場と当該ＴＭＲ素子の磁場抵抗特性に応じた当該ＴＭＲ素子に固有の信号との対応関係を記憶しておき、この対応関係において、ＴＭＲ素子から出力された前記固有の信号（電圧値）に対応するＴＭＲ素子に作用する磁場を特定して出力する。また、基準信号に基づきＴＭＲ素子に基準磁場を作用させ、ＴＭＲ素子の出力信号から基準信号に由来する信号を検波する一方、その検波した検波信号と基準発信器から出力された基準信号とを比較して感度補正値を算出し、感度補正値をトンネル磁気抵抗素子の出力信号に乗算する。【選択図】図４
2017096627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を含む磁気センサーにおいて、
前記トンネル磁気抵抗素子が組み込まれたホイートストンブリッジ回路と、
前記トンネル磁気抵抗素子に印加される電圧を基準値に安定化させるフィードバック回路とを備え、
変動する検出磁気信号を、前記フィードバック回路から出力することを特徴とする磁気センサー。
【請求項２】
前記フィードバック回路は、前記検出磁気信号の変動周波数域外での外乱によって前記電圧が影響を受けないように安定化させ、
前記検出磁気信号の変動周波数域での前記電圧の変動に応じた信号を、前記検出磁気信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサー。
【請求項３】
前記フィードバック回路は、前記検出磁気信号の変動周波数域を含めて外乱によって前記電圧が影響を受けないように安定化させ、
前記電圧を制御する制御信号から前記検出磁気信号の変動周波数域にある信号を抽出して前記検出磁気信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサー。
【請求項４】
磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を含む磁気センサーにおいて、
前記トンネル磁気抵抗素子に作用する磁場と当該トンネル磁気抵抗素子の磁場抵抗特性に応じた当該トンネル磁気抵抗素子に固有の信号との対応関係を記憶した記憶装置と、
前記対応関係において、前記トンネル磁気抵抗素子から出力された前記固有の信号に対応する前記トンネル磁気抵抗素子に作用する磁場を特定して検出磁気信号として出力する演算装置と、
を備えたことを特徴とする磁気センサー。
【請求項５】
磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を含む磁気センサーにおいて、
基準信号を出力する基準発信器と、
前記基準発信器から出力された前記基準信号に基づき、前記トンネル磁気抵抗素子に基準磁場を作用させる磁場発生器と、
前記基準磁場が作用する前記トンネル磁気抵抗素子の出力信号から前記基準信号に由来する信号を検波する基準信号検波器と、
前記基準信号検波器が検波した検波信号と前記基準発信器から出力された前記基準信号とを比較して感度補正値を算出する比較回路と、
前記比較回路が算出した前記感度補正値を、前記基準磁場が作用する前記トンネル磁気抵抗素子の前記出力信号に乗算して検出磁気信号を算出する乗算器と、
を備えることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサー。
【請求項６】
２以上のトンネル磁気抵抗素子が直列接続されたトンネル磁気抵抗モジュールを含み、当該トンネル磁気抵抗モジュールに外部磁場を作用させて当該外部磁場を検知することを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の磁気センサー。
【請求項７】
前記強磁性金属磁化自由層は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の層厚に形成された軟磁性層を含むことを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の磁気センサー。
【請求項８】
前記絶縁層がＭｇＯからなることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載の磁気センサー。
【請求項９】
前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸は、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にあることを特徴とする請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載の磁気センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微弱な磁場を感知することに適した磁気センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気抵抗素子を用いた磁気センサーは、特許文献１に示すように非破壊検査用の減肉及び探傷、欠陥検出としても提案されている。
しかし、非破壊検査における磁気抵抗素子（ＭＲ）としてはＡＭＲ（異方性磁気抵抗）素子の例しかなかった。具体的には、現在ＡＭＲ素子を利用した配管のＣＵＩ（保温材下腐食）を非破壊で検査する手段が提案されているが、磁場に対する抵抗変化率が数％と小さく、出力が少なく、ノイズに弱いという問題がある。そのため、保温材の厚みが厚い場合は出力が得られずにいた。
また、鉄板の探傷、欠陥検査でもＡＭＲ素子を用いた測定法は提案されているが、出力が少なく、ノイズに弱いため、深層部の傷や欠陥は測定できなかった。
【０００３】
磁気抵抗素子として、ＡＭＲ素子の他はＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗素子）、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistive）素子）があるが、磁場に対する抵抗変化率ではＴＭＲ素子が群を抜いている。
ＴＭＲ素子は、磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、強磁性金属磁化固定層と強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗を変化させる。
磁気抵抗素子を、磁場の強弱を精度よく計測する磁気センサーとして使用していくためには検出磁場ゼロの状態（中立位置）からプラス磁場、マイナス磁場の変化に応じて上下に比例的に抵抗変化を起こす性質（線形性）が求められる。
通常のＴＭＲ素子では固定層の磁化の向きと自由層の磁化の向きが平行もしくは反平行で安定するため、検出磁場ゼロの状態が作れなかった。また、物理的に中立位置を作れたとしてもバラつきが大きく、磁気測定装置としての性能には叶わなかった。
【０００４】
ところが、特許文献２には、ＴＭＲ素子を生体磁気の計測に適用することが提案されている。
特許文献２に記載の発明は、トンネル磁気抵抗素子を含む生体磁気センサーにおいて、高感度化を図るために、検出磁場ゼロでの強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸は、強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にあることを特徴とする。
特許文献１に記載の発明によれば、検出磁場ゼロでの自由層の容易磁化軸が、固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にあるため、検出磁場ゼロの状態からプラス磁場、マイナス磁場の変化に応じて上下に比例的に抵抗変化を起こすことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４４８７０８２号公報
【特許文献２】特開２０１３−１０５８２５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、以上のような固定層の磁化の向きと自由層の磁気の向きとにねじれを持たせた状態から外部磁場を検出するＴＭＲ素子を用いて、生体磁気測定や非破壊検査における被検査材からの漏洩磁気測定を行う場合には、さらに次のような課題がある。
その測定には、多数の磁気センサーでセンサーアレイを構成し、生体表面や被検査材の表面などにこれを配置して、測定値をマッピングできる測定システムを構成する必要がある。
ＴＭＲ素子の上記のねじれの角度、すなわち、ねじれ角が、素子ごとに異なると、磁場に対する抵抗変化の特性が素子ごとに異なることになる。すなわち、磁場抵抗特性に個体差があることになる。磁場抵抗特性に個体差があると、例えば、一のＴＭＲ磁気センサーから出力される電圧値と、他のＴＭＲ磁気センサーから出力される電圧値とが同じでも、前記一のＴＭＲ磁気センサーに作用している外部磁場と、前記他のＴＭＲ磁気センサーに作用している外部磁場とが異なることとなる。逆に言えば、一のＴＭＲ磁気センサーに作用している外部磁場と、他のＴＭＲ磁気センサーに作用している外部磁場とが同じでも、前記一のＴＭＲ磁気センサーから出力される電圧値と、前記他のＴＭＲ磁気センサーから出力される電圧値とが異なることとなる。したがって、正確な測定できず、マッピングした測定データの信頼性が低下するという問題がある。
また、ＴＭＲ素子の磁場抵抗特性には温度特性がある。すなわち、一定の外部磁場がＴＭＲ磁気センサーに作用している状態で、そのＴＭＲ磁気センサーから出力される電圧値が素子温度によって異なるという温度特性がある。この温度特性に個体差があると、例えば、一定の外部磁場が２つのＴＭＲ磁気センサーに作用している状態で、そのうち一方のＴＭＲ磁気センサーから出力される電圧値と、他のＴＭＲ磁気センサーから出力される電圧値とがある温度で同じであっても、他の温度で異なるという結果となる。したがって、温度変化によって正確な測定ができず、マッピングした測定データの信頼性が低下するという問題がある。もちろん、同じＴＭＲ磁気センサーによる測定値についても、測定時の温度によって値が異なるという問題がある。
また、温度が一定であってもＴＭＲ素子の磁場抵抗特性に経時変化が有り得るから、測定時によって値が異なるという問題が起こり得る。
また、ＴＭＲはトンネル効果を用いるため、ＡＭＲやＧＭＲに比べて低周波において１／ｆノイズが大きいが、この１／ｆノイズを下げることで、Ｓ/Ｎ比を向上させることが望まれる。
【０００７】
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、トンネル磁気抵抗素子を利用した磁気センサーにおいて、トンネル磁気抵抗素子の磁場抵抗特性や温度変化等によって生じる得る検知誤差を補正することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を含む磁気センサーにおいて、
前記トンネル磁気抵抗素子が組み込まれたホイートストンブリッジ回路と、
前記トンネル磁気抵抗素子に印加される電圧を基準値に安定化させるフィードバック回路とを備え、
変動する検出磁気信号を、前記フィードバック回路から出力することを特徴とする磁気センサーである。
【０００９】
請求項２記載の発明は、前記フィードバック回路は、前記検出磁気信号の変動周波数域外での外乱によって前記電圧が影響を受けないように安定化させ、
前記検出磁気信号の変動周波数域での前記電圧の変動に応じた信号を、前記検出磁気信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサーである。
【００１０】
請求項３記載の発明は、前記フィードバック回路は、前記検出磁気信号の変動周波数域を含めて外乱によって前記電圧が影響を受けないように安定化させ、
前記電圧を制御する制御信号から前記検出磁気信号の変動周波数域にある信号を抽出して前記検出磁気信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサーである。
【００１１】
請求項４記載の発明は、磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を含む磁気センサーにおいて、
前記トンネル磁気抵抗素子に作用する磁場と当該トンネル磁気抵抗素子の磁場抵抗特性に応じた当該トンネル磁気抵抗素子に固有の信号との対応関係を記憶した記憶装置と、
前記対応関係において、前記トンネル磁気抵抗素子から出力された前記固有の信号に対応する前記トンネル磁気抵抗素子に作用する磁場を特定して検出磁気信号として出力する演算装置と、
を備えたことを特徴とする磁気センサーである。
【００１２】
請求項５記載の発明は、磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を含む磁気センサーにおいて、
基準信号を出力する基準発信器と、
前記基準発信器から出力された前記基準信号に基づき、前記トンネル磁気抵抗素子に基準磁場を作用させる磁場発生器と、
前記基準磁場が作用する前記トンネル磁気抵抗素子の出力信号から前記基準信号に由来する信号を検波する基準信号検波器と、
前記基準信号検波器が検波した検波信号と前記基準発信器から出力された前記基準信号とを比較して感度補正値を算出する比較回路と、
前記比較回路が算出した前記感度補正値を、前記基準磁場が作用する前記トンネル磁気抵抗素子の前記出力信号に乗算して検出磁気信号を算出する乗算器と、
を備えることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサーである。
【００１３】
請求項６記載の発明は、２以上のトンネル磁気抵抗素子が直列接続されたトンネル磁気抵抗モジュールを含み、当該トンネル磁気抵抗モジュールに外部磁場を作用させて当該外部磁場を検知することを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の磁気センサーである。
【００１４】
請求項７記載の発明は、前記強磁性金属磁化自由層は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の層厚に形成された軟磁性層を含むことを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の磁気センサーである。
【００１５】
請求項８記載の発明は、前記絶縁層がＭｇＯからなることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載の磁気センサーである。
【００１６】
請求項９記載の発明は、前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸は、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にあることを特徴とする請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載の磁気センサーである。
【発明の効果】
【００１７】
本件請求項１記載の発明によれば、トンネル磁気抵抗素子の検出磁場ゼロ時の抵抗値によらず、検出磁場ゼロでの検知信号をゼロ基準値に補正し、正しく検出磁気信号を算出することができる。
本件請求項４記載の発明によれば、トンネル磁気抵抗素子の磁場抵抗特性によらず、正しく検出磁気信号を算出することができる。
本件請求項５記載の発明によれば、トンネル磁気抵抗素子の感度変化によらず、正しく検出磁気信号を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係り、２つのＴＭＲ素子が構成されたＴＭＲモジュールの積層構造の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係り、６つのＴＭＲ素子が構成されたＴＭＲモジュールの積層構造の断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係り、ＴＭＲ素子のＨ−Ｒ特性曲線と、この特性曲線上の３点におけるＴＭＲ素子の磁化方向の様子を示す模式的斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る磁気センサーの回路ブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る磁気センサーの回路ブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る磁気センサーの構成ブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る磁気センサーの回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
【００２０】
まず、図１に２つのＴＭＲ素子が構成されたＴＭＲモジュール１の積層構造の例を示す。図１に示すようにＴＭＲモジュール１は、シリコン基板２上に、下地層３、強磁性金属磁化自由層４、絶縁層５、強磁性金属磁化固定層６、ピンド層７、バッファー層８、上部電極層９が順次積層された積層構造を有する。強磁性金属磁化自由層４は軟磁性層４１、バリア層４２、強磁性層４３からなる。強磁性金属磁化固定層６は、強磁性層６１、バリア層６２、強磁性層６３からなる。軟磁性層４１の層厚は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下に形成することが好ましい。軟磁性層４１の層厚を１０ｎｍ以上、好ましくは３０ｎｍ以上とすることで、良好な磁場抵抗特性の線形性を有したＴＭＲ素子を形成することができる。一方、軟磁性層４１の層厚が１００ｎｍを超えると、線形性の改善はほとんど見られないので、軟磁性層４１の層厚を１００ｎｍ以下に形成することが好ましい。
【００２１】
図１に示すように強磁性金属磁化固定層６、ピンド層７、バッファー層８及び上部電極層は、互いに独立した２つの上部積層体１１，１２を構成する。一方の上部積層体１１に構成された強磁性金属磁化固定層６と、その下の絶縁層５と強磁性金属磁化自由層４とで、１つのＴＭＲ素子が構成される。同様に他方の上部積層体１２に構成された強磁性金属磁化固定層６と、その下の絶縁層５と強磁性金属磁化自由層４とで、１つのＴＭＲ素子が構成される。
印加電圧の陽極側及び陰極側のうち一方を、上部積層体１１に構成された上部電極層９に接続し、他方を上部積層体１２に構成された上部電極層９に接続することで、以上の２つのＴＭＲ素子を直列にして利用する。
さらに図１に示した構成を複数配置し、図２に示すように隣接する上部電極層９で導体１３で繋いで直列に接続することで、４つ以上のＴＭＲ素子を直列にしたＴＭＲモジュール１を構成することができ、これを使用することができる。図２には６つのＴＭＲ素子が直列に繋がった構成を示す。
ＴＭＲ素子を直列に数多く繋ぐほど、１／ｆノイズを低減することができる。１／ｆノイズを例えば１/１０に低減するには、１００のＴＭＲ素子を直列にする接続する。
【００２２】
絶縁層５は、強磁性金属磁化固定層６と強磁性金属磁化自由層４との間に配置される。絶縁層５としては、各種の絶縁材料を用いることができ、例えば、ＭｇＯ、ＡｌＯｘ等が使用できる。素子の感度を向上させるという観点からはＭｇＯが好ましく、特に、生体磁気信号のような微弱磁場をＴＭＲ素子で検出するためには、絶縁層５としてＭｇＯ膜を用いることが好ましい。絶縁層５の層厚は、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度にすることが望ましい。
【００２３】
自由層４の容易磁化軸は、固定層６の容易磁化軸と平行である場合、固定層６の磁化の向きｃ２と自由層４の磁化の向きｃ６は平行状態か反平行状態になっている。この状態を磁場計測上のゼロ点として外部磁界を検出する場合、抵抗下限値Ｒｂ付近及び抵抗上限値Ｒａ付近では、磁場Ｈと抵抗Ｒとの関係は非線形であり磁場を定量することができない。
そのため、図３に示すような検出磁場Ｈが無い状態（Ｈ＝０）を抵抗の中間値に対応させ、磁場計測上のゼロ点とすることを行う。
これを可能にする１つの方法として、特許文献２に記載されるように、磁場中熱処理を２度行い、最初は自由層４の容易磁化軸を決める温度で熱処理し、２回目の熱処理は最初の熱処理温度より低い温度において印加磁場をねじれの位置に変えて熱処理を施す。その結果、自由層４の容易磁化軸は、固定層６の容易磁化軸に対してねじれの位置となる。
このとき、固定層６より先に自由層４が積層されている構造にする必要がある。固定層６の面積を、自由層４の面積に対して小さくするためである。固定層６の面積を相対的に小さくすることで、固定層６から自由層４への漏れ磁界の影響が小さくなり、磁気検出の感度をさらに向上させることができる。
【００２４】
以上のような方法において検出磁場Ｈが無い状態を抵抗の中間値に対応させるが、２度の磁場中熱処理によって中間位置にする場合は、ねじり角のバラつきに応じて中間抵抗値にバラつきが生じる。
そこで、検出磁場Ｈが無い状態に対応した中間抵抗値を一定にするために図４に示す磁気センサー１０Ａ又は図５に示す磁気センサー１０Ｂを構成する。
【００２５】
すなわち、ＴＭＲモジュール１を用いて、図４又は図５に示すようにブリッジを構成し、フィードバック回路を備えた磁気センター１０Ａ又は１０Ｂを構成する。
図４及び図５に示すように、基準電圧Ｖ１が印加される電極間に、定抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とＴＭＲモジュール１とによりホイートストンブリッジ回路を構成する。但し、ＴＭＲモジュール１の一端を電圧制御部ａ５に接続し、Ｒ３とＴＭＲモジュール１に印加する電圧を制御する。
定抵抗Ｒ１と定抵抗Ｒ２の間の電極、及び定抵抗Ｒ３とＴＭＲモジュール１の間の電極が計装増幅器ａ１に取り出され、計装増幅器ａ１がそれらの電極間の電位差を検出し、電圧増幅器ａ２に出力する。
以上のＴＭＲモジュール１、計装増幅器ａ１、電圧増幅器ａ２、電圧制御部ａ５を含めて、ＴＭＲモジュール１に印加される電圧を、基準値に安定化させるフィードバック回路を構成する。基準値は、検出磁場ゼロの状況下で上記電位差が一定値（例えば、ゼロ）となるように設定される。これにより、検出磁場Ｈが無い状態を抵抗の中間値が、ＴＭＲ素子によらず一定となる。
【００２６】
図４に示す磁気センター１０Ａにあっては、さらに次の構成を有する。
電圧増幅器ａ２の出力信号は、ローパスフィルターａ３及びバッファー回路ａ７に出力される。ローパスフィルターａ３の出力信号は比較器ａ４で基準値と比較され、基準値との比較結果に応じた制御信号が電圧制御部ａ５に出力される。
電圧制御部ａ５が制御信号に基づき、定抵抗Ｒ３とＴＭＲモジュール１からなるブリッジに印加する電圧を制御する。
【００２７】
図５に示す磁気センター１０Ｂにあっては、さらに次の構成を有する。
電圧増幅器ａ２の出力信号は、比較器ａ４で基準値と比較され、基準値との比較結果に応じた制御信号が電圧制御部ａ５に出力される。
電圧制御部ａ５が制御信号に基づき、制御信号に基づき、定抵抗Ｒ３とＴＭＲモジュール１からなるブリッジに印加する電圧を制御する。
【００２８】
磁気センサー１０Ａ、１０Ｂは、脳磁気などの生体磁気信号や、非破壊検査装置において検査対象物に印加され当該検査対象物から漏れてくる所定周波のパルス波形などを形成する磁気信号を測定することができる。
一方、温度変化等の外乱により緩やかに変化する磁場変動についてはこれを検出しないように除去する。
測定対象とする頭蓋などの生体外面や、配管、壁などの非破壊検査装置における検査対象物の外面に、本磁気センサー１０Ａ、１０Ｂを多数配置して、各センサーの検出値をマッピングできるように測定システムを構成して実施する。
【００２９】
図４に示した磁気センサー１０Ａにあっては、温度変化等の外乱により緩やかに変化する磁場変動については、ＴＭＲ素子抵抗が変化しようとしても、ローパスフィルターａ３を通過する信号となるので、上述したフィードバック制御により安定化させる。
ローパスフィルターａ３を通過しない比較的高周波の磁気変動については、電圧制御部ａ５までフィードバクされないので、ＴＭＲ素子抵抗の変化を許し、その変化に応じた信号が計装増幅器ａ１、電圧増幅器ａ２、バッファー回路ａ７を介して、検出磁気信号として出力される。
ローパスフィルターａ３のカットオフ周波数の設定により、温度変化等の外乱を除外し測定対象とする磁気信号を検出することができる。
以上のように、磁気センサー１０Ａのフィードバック回路は、検出磁気信号の変動周波数域外での外乱によってＴＭＲ素子に印加される電圧が影響を受けないように安定化させる。そして、磁気センサー１０Ａは、検出磁気信号の変動周波数域での当該電圧の変動に応じた信号を、検出磁気信号として出力する。
【００３０】
図５に示した磁気センサー１０Ｂにあっては、ＴＭＲモジュール１から比較器ａ４までの間にフィルターを設けていないので、検出磁気信号の変動周波数域を含めて外乱によってＴＭＲ素子に印加される電圧が影響を受けないように上述したフィードバック制御により安定化する。
さらに磁気センサー１０Ｂは、ＴＭＲ素子に印加される電圧を制御する制御信号から比較的高周波の信号成分をハイパスフィルターｂ１で通過させ、バッファー回路ｂ２を介して検出磁気信号として出力する。
ハイパスフィルターｂ１のカットオフ周波数の設定により、温度変化等の外乱による信号成分を除外し測定対象とする磁気信号を検出することができる。
以上のように、磁気センサー１０Ｂのフィードバック回路は、検出磁気信号の変動周波数域を含めて外乱によってＴＭＲ素子に印加される電圧が影響を受けないように安定化させる。そして、磁気センサー１０Ｂは、ＴＭＲ素子に印加される電圧を制御する制御信号から検出磁気信号の変動周波数域にある信号を抽出して検出磁気信号として出力する。
【００３１】
次に、図６に示す磁気センサーＪにつき説明する。
図６に示す磁気センサーＪは、ＴＭＲ基本回路Ｊ１と、演算装置Ｊ２と、記憶装置Ｊ３とを備える。
ＴＭＲ基本回路Ｊ１は、外部磁場の感知手段としてＴＭＲ素子を含んだ回路である。ここでは、上述したＴＭＲモジュール１が適用されているとする。ＴＭＲモジュール１に構成される個々のＴＭＲ素子の磁場抵抗特性に応じて、ＴＭＲモジュール１全体の磁場抵抗特性にも個性が生じる。ＴＭＲ基本回路Ｊ１としては、例えば図４に示した回路から、ローパスフィルターａ３、比較器ａ４及び電圧制御部ａ５を排し、定抵抗Ｒ３とＴＭＲモジュール１からなるブリッジを基準電圧Ｖ１間に掛けたものである。
【００３２】
したがって、ＴＭＲ基本回路Ｊ１は、ＴＭＲモジュール１の磁場抵抗特性に応じたＴＭＲモジュール１に固有の信号（電圧値）Ｊ１１を演算装置Ｊ２に出力する。
記憶装置Ｊ３は、ＴＭＲモジュール１に作用する磁場と当該ＴＭＲ素子の磁場抵抗特性に応じたＴＭＲモジュール１に固有の信号Ｊ１１との対応関係を記憶している。この対応関係は、予めＴＭＲモジュール１を既知の磁場中に置き、その磁場を変化させながらＴＭＲ基本回路Ｊ１からの出力を得て作成したものである。
演算装置Ｊ２は、記憶装置Ｊ３から読み出した対応関係Ｊ３１において、固有の信号Ｊ１１に対応する磁場を特定して検出磁気信号Ｊ２１として出力する。
また、上述のマッピングを行う場合などのように、複数のセンサーの検出値を扱う磁気測定システムにあっては、ＴＭＲ基本回路Ｊ１が複数となるので、個々のＴＭＲ基本回路Ｊ１に識別情報を付与し、その識別情報に結びづけてその固有の対応関係を記憶装置Ｊ２に記憶して実施する。
【００３３】
次に、図７に示す磁気センサーＫについて説明する。
図７に示す磁気センサーＫは、ＴＭＲ基本回路Ｋ１と、電圧増幅器Ｋ２と、「基準信号検波器及び比較回路」Ｋ３と、「増幅器及びローパスフィルター」Ｋ４と、乗算器Ｋ５と、バッファー回路Ｋ６と、基準発信器Ｋ７と、磁場発生器Ｋ８とを備える。
ＴＭＲ基本回路Ｋ１としては、例えば図４に示した回路から、電圧増幅器ａ２、ローパスフィルターａ３、比較器ａ４、電圧制御部ａ５及びバッファー回路ａ７を排し、定抵抗Ｒ３とＴＭＲモジュール１からなるブリッジを基準電圧Ｖ１間に掛けたものであり、計装増幅器ａ１の出力を電圧増幅器Ｋ２に接続する。
【００３４】
基準発信器Ｋ７から基準信号Ｋ９が磁場発生器Ｋ８及び「基準信号検波器及び比較回路」Ｋ３に出力される。
磁場発生器Ｋ８は、図６に示すような磁場を発生するコイルを含む。磁場発生器Ｋ８は、基準発信器Ｋ７から出力された基準信号Ｋ９を増幅して、含まれるコイルに電流を流すための電力を生成して当該コイルに電流を流し、当該コイルからＴＭＲ基本回路Ｋ１内のＴＭＲ素子に基準磁場Ｋ９を作用させる。
ＴＭＲ基本回路Ｋ１から基準磁界Ｋ１０に応答した成分が含まれる電圧信号Ｋ１２が出力され、電圧増幅器Ｋ２に入力される。
この電圧信号Ｋ１２は電圧増幅器Ｋ２で検波誤差が少なくなるように十分な増幅後、「基準信号検波器及び比較回路」Ｋ３に入力され、「基準信号検波器及び比較回路」Ｋ３は入力された信号から基準信号を検波する。
次に、「基準信号検波器及び比較回路」Ｋ３は、電圧増幅器Ｋ２から入力された信号Ｋ１３から検波した基準信号と、基準発信器Ｋ７から直接入力された基準信号Ｋ９とを比較して、感度補正値を算出する。
【００３５】
基準磁場Ｋ１０は常に一定であり、ＴＭＲ素子の感度が一定していれば、検波した基準信号も一定である。
しかし、温度変化等によりＴＭＲ素子の感度が変化し、上記の比較結果に現れる。
例えば、入力された基準信号Ｋ９に対する検波した基準信号の比率が、低温時より高温時に高くなる場合には、低温時より高温時にＴＭＲ素子の感度が高くなった結果である。この場合、外部磁界Ｋ１１の検出信号も過大になる。また、経年変化によりＴＭＲ素子の感度が変化することが考えられる。
そこで、この感度変化を感度補正値により補正して、一定した感度で検知した場合と同等の検出磁気信号が出力されるようにする。
すなわち、乗算器Ｋ５において、電圧増幅器Ｋ２が出力した信号Ｋ１３と、「基準信号検波器及び比較回路」Ｋ３が算出した感度補正値Ｋ１４を乗算して補正し、バッファー回路Ｋ６から補正後の検出磁気信号を出力する。なお、「増幅器及びローパスフィルター」Ｋ４により感度補正値Ｋ１４は、増幅され、比較的高周波の変化成分がカットされる。
【００３６】
ある温度を基準温度と定め、初期設定時にＴＭＲ素子を基準温度下に置き、「基準信号検波器及び比較回路」Ｋ３が検波した基準信号に対して感度補正値を「１」とする。この初期設定時に検波した基準信号に対して、その後の磁気測定において「基準信号検波器及び比較回路」Ｋ３が検波する基準信号に増減があれば、その増減率の逆数を感度補正値とする。これにより、その後の磁気測定において、ＴＭＲ素子の感度に変化がなかったとした場合の検出磁気信号がバッファー回路Ｋ６から出力される。感度補正値による補正後、初期設定時に検波した基準信号分を差し引いてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１     ＴＭＲモジュール
２     シリコン基板
３     下地層
４     強磁性金属磁化自由層
５     絶縁層
６     強磁性金属磁化固定層
７     ピンド層
８     バッファー層
９     上部電極層
１０Ａ 磁気センター
１０Ｂ 磁気センター
Ｊ     磁気センター
Ｋ     磁気センター
４１   軟磁性層
４２   バリア層
４３   強磁性層
６１   強磁性層
６２   バリア層
６３   強磁性層
Ｒ１   定抵抗
Ｒ２   定抵抗
Ｒ３   定抵抗
【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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