JP2007108164A - 磁性体センサおよび磁性体センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 平面状に保持された磁気を帯びていない磁性体粒子を対象として、微量であっても検出が可能で、かつ、製造と調整が容易な高感度磁性体センサおよびこれを備えた磁性体センサ装置を提供する。
【解決手段】 高透磁性材料からなり一部に検出用ギャップGを有する磁気回路11と、磁気回路11に磁気を供給する磁場生成手段12と、磁気回路11に巻かれて検出用ギャップG内の磁気抵抗の変化を検出する検出用コイル13とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁性体センサおよび磁性体センサ装置に関し、特に、磁性体粒子を検出することで測定対象物を分析するバイオセンサとして使用するのに好適な磁性体センサおよび磁性体センサ装置に関する。

従来、磁性体粒子を検出する磁性体センサ装置としては、図８（ａ）に示すように、磁性体粒子(1)を平面状に保持した支持体(51)が磁界内に移動させられ、これにより、磁性体粒子(1)が磁化され、その磁気を磁界の外側に配置されたホール素子または磁気抵抗素子などからなる磁気センサ(52)で検出するものが知られている。

また、上記磁性体センサ装置では、磁気センサ(52)が磁界の外側に配置されているため、磁気残留時間が短い磁性体粒子(1)の検出に適していないという問題があり、これを解消したものとして、特許文献１および２には、図８（ｂ）に示すように、磁気センサ(53)が磁界の中に配置され、支持体(51)に保持された磁性体粒子(1)の移動に伴う磁界の変化を磁気センサ(53)で検出するものが提案されている。
特表２００１−５２４６７５号公報 特表２００４−５１９６６６号公報

上記特許文献１のものは、交流磁界中に１対の検出素子を磁束に対して均等であるように（出力信号が打ち消し合うように）配置し、磁性体粒子の接近によって検出素子周辺の磁界が乱されることで出力信号を得るもので、この装置で磁性体粒子の高感度な検出を実現するためには、均一な磁界と対称性の良い検出素子の配置が必要であり、製造上の困難を伴うという問題があった。

また、上記特許文献２のものは、励磁に直流磁場を用いている点で特許文献１のものと相違しており、この装置で磁性体粒子の高感度な検出を実現するためには、強磁場中で働く（ダイナミックレンジが広くかつ分解能が高い）高性能センサの開発が別途必要となるという問題があった。

本発明は、従来技術の上記諸問題に鑑み、平面状に保持された磁気を帯びていない磁性体粒子を対象として、微量であっても検出が可能で、かつ、製造と調整が容易な高感度磁性体センサおよびこれを備えた磁性体センサ装置を提供することを目的とする。

この発明による磁性体センサは、高透磁性材料からなり一部に検出用ギャップを有する磁気回路と、磁気回路に磁気を供給する磁場生成手段と、磁気回路に巻かれてギャップ内の磁気抵抗の変化を検出する少なくとも１つの検出用コイルとを備えていることを特徴とするものである。

高透磁性材料としては、電磁軟鉄、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）などが好適であるが、これに限定されるものではない。

磁気回路は、例えば、方形とされ、そのいずれか１辺の中央部に検出用ギャップが形成される。磁気回路は、円形（検出用ギャップを除いた部分がＣ字状）とされてもよい。また、磁気回路を形成する高透磁性材料の断面は、四角形であってもよく、円形であってもよい。

磁場生成手段としては、電磁石または永久磁石が使用される。

検出用コイルは、複数回巻きとされ、磁性体粒子が検出用ギャップを通過することによって引き起こされる磁気抵抗の変化をコイル両端の電位差として検出するものであることが好ましい。検出用コイルにより検出された信号は、積算されることが好ましく、積算回数は、好ましくは、１０〜５００回とされる。

検出用コイルは、検出用ギャップ内に配置されるのではなく、磁気回路に一体化されるように巻き付けられる。検出用コイルの径は、検知対象の大きさには影響されずに、磁気回路を形成している高透磁性材料の径に応じて決定される。検出用コイルは、磁気回路のうちのいずれか１カ所に設ければよいが、これに限定されるものではなく、例えば、検出用ギャップを介して１対設けるようにしてもよい。

検出用ギャップが形成されている磁気回路の部分（プローブ部）は、先細り形状とされていることが好ましい。

先細り形状は、磁気回路の断面形状が四角形の場合には、四角錐（四角錐台を含む）とすることにより、磁気回路の断面形状が円の場合には、円錐（円錐台を含む）とすることにより得ることができる。

検出用コイルは、磁気回路の検出用ギャップ近傍に設けられていることが好ましい。

磁気回路の検出用ギャップ近傍が先細り状とされている場合には、先細りの部分を含まないように検出用コイルが設けられていてもよく、先細りの部分を含むように検出用コイルが設けられていてもよい。

磁気回路の検出用ギャップに対向する部分に、ノイズキャンセル用ギャップが設けられていることが好ましい。

このようにすると、外部磁界に伴うノイズの影響を抑制することができる。

ノイズキャンセル用ギャップが設けられている場合に、検出用コイルは、検出用ギャップを介して対向する２カ所およびノイズキャンセル用ギャップを介して対向する２カ所の計４カ所に設けられていることが好ましい。

検出用コイルは、原理的には、磁気回路のどこに設けてもよいが、このように対称位置に複数設けることにより、磁界性ノイズをキャンセルすることができ、Ｓ／Ｎが大幅に向上する。

検出用ギャップを介して対向する２カ所の検知用コイルをＡおよびＢとし、ノイズキャンセル用ギャップを介して対向する２カ所の検知用コイルのうち、Ａと同じ側にあるものをＣ、Ｂと同じ側にあるものをＤとして、磁気回路中の磁束変化に誘起されるコイル電流が加算されるように、各コイルを結線し（Ａ→Ｃ→Ｄ→Ｂ）、ＣとＤの間をコモン電位としたコイルＡおよびコイルＣの電位差ＰとコイルＤとコイルＢの電位差Ｑについて、その差分が求められ、最終出力信号とされていることが好ましい。

４つのコイルから最終出力信号を求める信号検出回路では、何通りかのコイル接続方法が考えられるが、対称性を利用して、上記の加算および減算を行う（ソフトウェアによる処理を最適化する）ことで、ハードウェアを変えることなく、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

この発明による磁性体センサ装置は、上記の磁性体センサと、磁気を帯びていない磁性体粒子を平面状に保持する支持体と、磁性体粒子が磁気回路の検出用ギャップを通過するように支持体を移動させる支持体移動手段とを備えていることを特徴とするものである。

支持体移動手段は、支持体を直線状に移動させるものであってもよく、支持体を回転させるものであってもよい。支持体の移動速度（ギャップ通過速度）は、５０ｍｍ／ｓｅｃ以上、好ましくは、１００ｍｍ／ｓｅｃ以上とされる。支持体移動手段は、好ましくは、周方向の所定箇所に支持体を保持可能な回転ディスクと、これを回転させる回転手段とを備えているものとされる。

磁性体センサ装置は、平面状に保持された磁性体粒子が検出用ギャップを通過することによって検出コイルの両端に生じる電位差を増幅する増幅器と、増幅された電位差を記録する記録手段とをさらに備えていることが好ましい。

この磁性体センサ装置によると、支持体に保持された磁性体粒子が検出用ギャップを通過することによって、検出用ギャップの磁気抵抗が変化し、磁気回路中の磁束密度が変化する。これにより、検出用コイルに誘導電圧が生じ、この誘導電圧の電位差が出力信号として検出される。

この磁性体センサ装置は、磁化可能な磁性体粒子を含んでいるサンプル中の磁性体粒子の量を測定することにより測定対象物の分析を行うバイオセンサとして好適に使用される。このようなバイオセンサは、例えば、ＤＮＡ−ＤＮＡ、抗体−抗原、またはリガンド−受容体の間に作用する結合力を単一分子レベルで測定することができる。

この発明による磁性体センサおよび磁性体センサ装置によると、磁気回路の検出用ギャップ内の磁気抵抗の変化を検出するので、磁性体粒子が微量であっても検出が可能であり、また、高価な磁気センサが不要であり、検出用コイルは、磁気回路に巻くだけでよいので、その位置調整が不要であり、製造および調整を容易に行うことができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明による磁性体センサおよび磁性体センサ装置の基本構成（第１実施形態）を示すもので、磁性体センサ装置(2)は、磁性体センサ(3)と、磁気を帯びていない磁性体粒子(1)を平面状に保持する支持体(4)と、磁性体センサ(3)の出力を増幅する信号増幅手段(5)と、増幅された電位差を記録する記録手段(6)とを備えている。

磁性体センサ(3)は、高透磁性材料からなり一部に検出用ギャップ(G)を有する磁気回路(11)と、磁気回路(11)に磁気を供給する磁場生成手段(12)と、検出用ギャップ(G)内の磁気抵抗の変化を検出する検出用コイル(13)とを備えている。

磁場生成手段(12)は、永久磁石または電磁石とされ、電磁石とされる場合には、直流磁場とされてもよく、交流磁場とされてもよい。

上記磁性体センサ装置(2)による磁性体粒子検出原理は、次のようになっている。

１．支持体(4)に保持された磁性体粒子(1)が検出用ギャップ(G)を通過することによって、検出用ギャップ(G)の磁気抵抗が変化（検出用ギャップ(G)内に磁性体粒子(1)が位置したときに磁気抵抗が低下）する。

２．検出用ギャップ(G)での磁気抵抗の変化によって磁気回路(11)中の磁束密度が変化（磁気抵抗が低下した場合には、磁束密度が増加）する。

３．磁気回路(11)に巻かれた検出用コイル(13)の内部の磁束密度が変化することによって、検出用コイル(13)に誘導電圧が生じる。

４．この誘導電圧の電位差を信号増幅手段(5)により増幅して出力信号として検出する。

上記のようにして得られた出力信号は、図２に示すようなものとなり、出力信号から磁性体粒子(1)の量を検出することができる。

従来のものでは、磁気回路の磁束は、磁性体粒子の磁化を目的としており、また、検出素子は、それがホール素子か磁気抵抗素子かコイルかにかかわらず、サンプルが検出素子の真上または真下に位置したときに出力するもので、その大きさをサンプルの大きさに対応させる必要があったが、この発明のものでは、磁気回路(11)の磁束は、検出用ギャップ(G)内の磁気抵抗の変化を検出するためのものであり、磁気回路(11)と検出コイル(13)とが一体化されているために、高感度検出のための位置的な調整が少なくて済み、製造工程を簡略化することができる。

図３は、本発明による磁性体センサ(3)の好ましい実施形態（第２実施形態）を示している。

同図において、磁気回路(11)は、正面から見てＵ字状でその断面が方形とされたＵ字状部(11a)と、Ｕ字状部(11a)の両端部に設けられて検出用ギャップ(G)を介して対向するプローブ部(11b)(11c)とからなる。このプローブ部（検出用ギャップ(G)が形成されている磁気回路(11)の部分）(11b)(11c)の先端部(11d)(11e)は、先細り形状、すなわち四角錐とされている。磁場生成手段(12)は、永久磁石とされており、これにより、直流磁場が磁気回路に供給されている。検出用コイル(13)は、一方のプローブ部（磁気回路(11)の検出用ギャップ(G)近傍部分）(11c)に設けられている。

図４は、本発明による磁性体センサ(3)の他の好ましい実施形態（第３実施形態）を示している。

同図において、磁気回路(11)は、正面から見てＵ字状でその断面が方形とされたＵ字状部(11a)と、Ｕ字状部(11a)の両端部に設けられて検出用ギャップ(G)を介して対向するプローブ部(11b)(11c)とからなる。このプローブ部（検出用ギャップ(G)が形成されている磁気回路(11)の部分）(11b)(11c)の先端部(11d)(11e)は、先細り形状、すなわち四角錐とされている。磁場生成手段(12)は、電磁石(21)およびこの電磁石(21)に交流電流を供給する交流電源(22)からなり、これにより、交流磁場が磁気回路(11)に供給されている。検出用コイル(13)は、一方のプローブ部（磁気回路(11)の検出用ギャップ(G)近傍部分）(11c)に設けられている。

図３および図４に示した実施形態のものによると、プローブ部(11b)(11c)の先端部(11d)(11e)が先細り形状とされているので、検出用ギャップ(G)内に高密度の磁束が供給されるとともに、検出用コイル(13)が検出用ギャップ(G)近傍に設けられていることにより、高感度な検出が可能となっている。検出用コイル(13)を先細りとされた先端部(11d)(11e)を含むように設けることにより、磁性体粒子(1)が通過するときの磁気回路(11)の磁束変化をより効率よく検出することができる。

なお、図２の出力信号は、図３に示した磁性体センサ(3)を使用し、幅６ｍｍ、長さ３０ｍｍの支持体(4)の平面上の３箇所（間隔が４ｍｍで幅１ｍｍ）に保持された磁性体粒子(1)を測定した結果を示している。

図示省略するが、検出用コイル(13)は、他のプローブ部(11b)にも設けて１対とし、１対の検出用コイル(13)からの信号を差動アンプを用いて増幅することにより、コイル(13)に対するノイズをキャンセルするようにしてもよい。

図５は、本発明による磁性体センサ(3)の他の好ましい実施形態（第４実施形態）を示している。

同図において、磁気回路(11)には、第２実施形態（図３）および第３実施形態（図４）における検出用ギャップ(G)に加えて、別のギャップ（ノイズキャンセル用ギャップ）(H)が設けられている。このノイズキャンセル用ギャップ(H)は、上記第２および第３実施形態のＵ字状部(11a)の底辺中央部に設けられている。これにより、磁気回路(11)は、互いに平行な１対の柱部(21)(22)と、各柱部(21)(22)の一端部に設けられて検出用ギャップ(G)を介して対向する検出用ギャップ側のプローブ部(23)(24)と、各柱部(21)(22)の他端部に設けられてノイズキャンセル用ギャップ(G)を介して対向するノイズキャンセル用ギャップ側のプローブ部(25)(26)とから構成され、これにより、上記各実施形態では、磁気回路(11)は、図の左右の中心線に対してだけ対称（上下の中心に対しては非対称）であるのに対し、図の左右の中心線に対しても図の上下の中心線に対しても対称となっている。磁場生成手段（図示は永久磁石）(12)は、一方の柱部(22)に設けられており、検出用コイル(13)は、上記実施形態と同じ位置すなわち右上のプローブ部(24)に設けられている。

磁気回路(11)には、磁場生成手段(12)による磁界だけでなく、外部磁界（地磁気や周辺の電気機器に由来する磁気ノイズなど）も加わっているが、この第４実施形態のものによると、その影響が抑制される。すなわち、第２実施形態などのものでは、検出用ギャップ(G)がある上の部分とこれがない下の部分とで形状が異なっていることから、外部磁界の影響を受けて、これに伴う磁束が磁気回路に生じ、ノイズが発生するのに対し、この実施形態のものでは、その対称性によって外部磁界の影響に伴う磁束がキャンセルされ、ノイズが小さくなる。

図６は、本発明による磁性体センサ(3)の他の好ましい実施形態（第５実施形態）を示している。

同図において、磁気回路(11)自体の形状は、第４実施形態（図５のもの）と同様とされている。そして、検出用コイル(13)については、右上のプローブ部(24)だけに設けられているのではなく、これと検出用ギャップ(G)を介して対向する左上のプローブ部(23)にも設けられ、さらに、ノイズキャンセル用ギャップ(H)を介して対向するプローブ部(25)(26)にもそれぞれ設けられて、計４つの検出用コイル(13)が使用されている。

これら４つの検出用コイル(13)から信号を得るための信号検出回路(27)は、検出用ギャップ(G)を介して対向する２つの検知用コイル(13)をＡおよびＢとし、ノイズキャンセル用ギャップ(H)を介して対向する２つの検知用コイル(13)のうち、Ａと同じ側にあるものをＣ、Ｂと同じ側にあるものをＤとして、次のように処理されている。

各コイル(13)は、Ａ→Ｃ→Ｄ→Ｂの順に結線し、ＣとＤの間をコモン電位としたコイルＡおよびコイルＣの電位差ＰとコイルＤとコイルＢの電位差Ｑについて、その差分を求める。これにより、信号出力レベルが高められるとともに、コイル(13)に対する磁界性ノイズがキャンセルされ、Ｓ／Ｎが大きく改善されている。

図７は、支持体移動手段の好ましい実施形態（第６実施形態）を示している。磁性体粒子(1)を平面状に保持する支持体(4)を移動させるに際し、支持体(4)を直線移動させてももちろんよいが、この実施形態では、支持体(4)を回転移動させている。同図において、支持体移動手段(31)は、周方向の所定箇所に支持体(4)を保持可能な回転ディスク(32)と、これを回転させる回転手段（図示略）とを備えている。

回転ディスク(32)の外径は、３００〜５００ｍｍとされ、その回転速度は、１００〜５００ｒｐｍとされている。回転ディスク(32)は、例えば、円形とされるが、楕円形またはその他の形状であってもよい。

この実施形態の支持体移動手段(31)によると、回転移動は、直線移動に比べて支持体(4)の振動が生じにくいので、ノイズを抑制することができる。また、検出信号については、Ｓ／Ｎを改善する上で、積算することが好ましいが、回転ディスク(32)を高速回転させることで、短時間で必要な積算回数を得ることができる。

図１は、本発明による磁性体センサおよび磁性体センサ装置の基本構成（第１実施形態）を示す図である。 図２は、本発明による磁性体センサで得られる出力の一例を示す図である。 図３は、本発明による磁性体センサの第２実施形態を示す正面図である。 図４は、本発明による磁性体センサの第３実施形態を示す垂直断面図である。 図５は、本発明による磁性体センサの第４実施形態を示す垂直断面図である。 図６は、本発明による磁性体センサの第５実施形態を示す垂直断面図である。 図７は、本発明による磁性体センサの第６実施形態を示す垂直断面図である。 図８（ａ）（ｂ）は、従来の磁性体センサを示す図である。

符号の説明

(1) ：磁性体粒子
(2) ：磁性体センサ装置
(3) ：磁性体センサ
(4) ：支持体
(11)：磁気回路
(12)：磁場生成手段
(13)：検出用コイル
(G) ：検出用ギャップ
(H) ：ノイズキャンセル用ギャップ

Claims (9)

1. 高透磁性材料からなり一部に検出用ギャップを有する磁気回路と、磁気回路に磁気を供給する磁場生成手段と、磁気回路に巻かれてギャップ内の磁気抵抗の変化を検出する少なくとも１つの検出用コイルとを備えていることを特徴とする磁性体センサ。
2. 検出用コイルは、磁性体が検出用ギャップを通過することによって引き起こされる磁気抵抗の変化をコイル両端の電位差として検出するものである請求項１の磁性体センサ。
3. 検出用ギャップが形成されている磁気回路の部分は、先細り形状とされている請求項１の磁性体センサ。
4. 検出用コイルは、磁気回路の検出用ギャップ近傍に設けられている請求項１の磁性体センサ。
5. 磁気回路の検出用ギャップに対向する部分に、ノイズキャンセル用ギャップが設けられている請求項１の磁性体センサ。
6. 検出用コイルは、検出用ギャップを介して対向する２カ所およびノイズキャンセル用ギャップを介して対向する２カ所の計４カ所に設けられている請求項５の磁性体センサ。
7. 検出用ギャップを介して対向する２カ所の検知用コイルをＡおよびＢとし、ノイズキャンセル用ギャップを介して対向する２カ所の検知用コイルのうち、Ａと同じ側にあるものをＣ、Ｂと同じ側にあるものをＤとして、磁気回路中の磁束変化に誘起されるコイル電流が加算されるように、各コイルを結線し（Ａ→Ｃ→Ｄ→Ｂ）、ＣとＤの間をコモン電位としたコイルＡおよびコイルＣの電位差ＰとコイルＤとコイルＢの電位差Ｑについて、その差分が求められ、最終出力信号とされている請求項５の磁性体センサ。
8. 請求項１から７までのいずれかの磁性体センサと、磁気を帯びていない磁性体粒子を平面状に保持する支持体と、磁性体粒子が磁気回路の検出用ギャップを通過するように支持体を移動させる支持体移動手段とを備えていることを特徴とする磁性体センサ装置。
9. 支持体移動手段は、周方向の所定箇所に支持体を保持可能な回転ディスクと、これを回転させる回転手段とを備えている請求項８の磁性体センサ装置。

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