CN113302693A

CN113302693A - 磁识别传感器

Info

Publication number: CN113302693A
Application number: CN202080009541.4A
Authority: CN
Inventors: 川濑正博; 关河裕贵; 佐藤匠
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2040-01-16
Also published as: WO2020149375A1; CN113302693B; JP7008149B2; JPWO2020149375A1

Abstract

增大磁识别传感器中的滑动面侧的施加磁场，实现传感器的输出提高和波形的稳定化。提出一种磁识别传感器，在与被输送的介质相接的滑动面的下部组装有磁铁以及磁检测元件，判别介质内的磁体部分的磁图案，其特征在于，将相对于滑动面具有垂直的NS方向的长方体的一对磁铁以成为互相逆极性的方式以预定的间隔平行地在介质输送方向上排列，各个磁铁的单侧的磁极与滑动面下部接近地配置，而且，该滑动面的相对侧的磁极彼此由铁基的轭材料连结，形成大致コ字状(马蹄形)的着磁部分，在其内侧的空间中配置相对于滑动面具有垂直方向的磁场探测方向的磁检测元件，利用所述磁检测元件对通过滑动面上的一对磁铁上而在介质输送方向上被磁化的介质的磁图案进行读取。

Description

磁识别传感器

技术领域

本发明涉及针对如纸币等那样组装有包含磁体的磁墨的印刷或者磁性的箔带的纸状的介质进行磁的探测并进行种类判别、真伪判定的磁识别传感器以及装置。

背景技术

以往，在纸币的识别中，利用磁传感器内的磁铁的磁场对印刷后的磁墨进行磁化，利用磁检测元件对与磁墨的印刷图案有关的磁场的变化进行磁探测，从而进行纸币的种类判别、真伪判定。

在用于介质的磁体中，存在矫顽磁力大的被称为所谓硬磁性的磁体和几乎不具有矫顽磁力的被称为所谓软磁性的磁体。特别是，为了利用磁传感器应对软磁体的探测，需要一边利用配置于传感器侧的磁铁对软磁体施加磁场，一边利用磁检测元件对其磁化进行探测。

在半导体的磁阻元件(SMR)中不存在磁饱和，所以能够在该元件的正下方设置磁铁而没有针对磁铁的制约。但是，除此以外的传感器几乎都存在与磁体有关的磁饱和，关于磁铁的设置，在对动作点的制约下进行了研究。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2007-286012号公报

专利文献2：日本专利第6209674号公报

发明内容

发明要解决的课题

例如，在动作点窄的磁阻抗元件、磁通门传感器中，如专利文献1所示，示出了如下事例：在磁检测元件的前后设置互相逆极性的磁铁，加强与磁检测元件的感磁方向正交的方向的磁场，从而缓和对元件施加的磁场。

另外，即使在存在磁饱和的各向异性磁阻元件(AMR)、隧道磁阻元件(TMR)等磁阻(MR)元件中，也如在专利文献2中那样，通过在元件的前后设置互相逆极性的磁铁，避免对动作点产生影响。

然而，这些在磁铁的配置方面进行了研究，但由于磁铁的配置，在滑动面侧的磁场分布方面存在差异，相对于介质的输送的滑动面上的浮动所引起的灵敏度降低，产生所谓间隔损耗。从性能提高的观点来看，减少该损耗的需求变强。

另外，在介质情形中，近年来，矫顽磁力大幅地超过1kOe(奥斯特)的高矫顽磁力的介质出现，产生了提高组装的磁铁的磁力的需求。为了提高磁铁的磁力，出现对尺寸产生制约或者相对于振动、应力的磁铁和磁检测元件的相对位移所引起的伪输出(噪声)的产生等的不良影响。

解决课题的手段

鉴于上述情况，本发明所涉及的磁识别传感器，

在与被输送的介质相接的滑动面的下部配置有磁铁以及磁检测元件，判别所述介质中包含的磁体部分的磁图案，其特征在于，

相对于所述滑动面具有垂直的NS方向的一对磁铁以成为互相逆极性的方式，在介质输送方向上以预定的间隔使各个所述磁铁的一方侧的磁极与所述滑动面的下部接近地排列设置，

形成有所述磁铁的另一方侧的磁极彼此由轭连接的着磁部分，

在所述着磁部分中，在被一对所述磁铁和所述轭三方包围的空间内，配置有相对于所述滑动面具有垂直的磁场探测方向的所述磁检测元件。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种磁识别传感器，该磁识别传感器使用一对磁铁规定在滑动面上产生的磁场的方向，通过设置轭，增大用于使滑动面上的介质磁化的磁场，进而使包括磁检测元件和磁铁的传感器部分的结构稳固，抑制由振动、应力等引起的伪输出(噪声)的影响。

附图说明

图1是本发明的实施方式所涉及的磁识别传感器的结构图。

图2是本发明的实施方式所涉及的磁识别传感器的剖面图。

图3是本发明的实施方式所涉及的磁检测元件的结构图。

图4是本发明的实施方式所涉及的磁识别传感器的外观立体图。

图5是磁铁的NS方向和轭安装的说明图。

图6是示出传感器距滑动面的距离和磁化的关系的图形。

图7是磁阻抗元件的外部磁场特性的一个例子。

图8是安装有轭的情况下的磁检测元件的输出的例子。

图9是距滑动面的磁介质的浮动量的输出的图形。

图10是本发明的其他实施方式所涉及的磁识别传感器的结构图。

图11是本发明的其他实施方式所涉及的磁识别传感器的剖面图。

具体实施方式

根据图示的实施方式详细地说明本发明。图1是应用本申请的识别处理的磁识别传感器的结构例，是表示成为探测对象的纸状的磁介质与构成传感器的磁铁和磁检测元件的位置关系的外观立体图。作为纸状的磁介质的一个例子，举例纸币。本发明的磁识别传感器是如下传感器：使该磁介质相对于磁检测元件相对移动，利用磁检测元件检测由于此时出现的磁介质中的磁体部分而使磁铁产生的磁图案或者磁图案的变化，从而判别磁介质。此外，为了便于说明，透过滑动部件5而示出。

磁检测元件1和磁铁2a、2b组装在传感器主体4中，在滑动部件5的滑动面6的下部沿着由箭头示出的介质输送方向排列。此外，在以下的说明中，有时将磁铁2a和2b一起表示为磁铁2。

首先，对磁铁的结构进行说明。磁铁2a、2b为长方体的构造，由块材切割而成。为了基本上使磁场分布成为对称的结构，优选使用相同形状的部件。

作为磁铁2a、2b的材料，在滑动面6上需要至少几百高斯以上的磁场，所以Nd-Fe-B、Sm-Co基稀土类磁铁是合适的。

为了将磁铁2a、2b的NS方向取向与滑动面6垂直的方向，以相对于长方体磁铁中的与滑动面6的下部接近的面使垂直方向成为磁化方向的方式进行取材。

将磁铁2a、2b这2根如图1所示作为一对磁铁以预定的间隔d平行地在介质输送方向上排列。一对磁铁极性被配置成为互相逆极性。因此，磁铁2a、2b的一方侧的磁极相对于滑动面6的下部接近地排列设置。

而且，以将与滑动面6相对的磁极间(另一方侧的磁极间)彼此桥接而连接的方式配置铁基的轭3。通过将一对磁铁的单方的磁极彼此的磁通封闭在轭3内，构成コ字状(换言之，马蹄形)的磁铁体M，形成作为传感器的着磁部分。轭3的条件优先为饱和磁通密度高，导磁率自身并不那么重要。在铁基钢板中，由于饱和磁通密度超过2T(特斯拉)的铁基钢板廉价且能够容易取得，所以是优选的。

如后所述，轭3的磁效应能够使滑动面6侧的磁场增大近2倍，能够增大用于使介质磁化的磁力。轭3的形状可以是具有平面性的板状(平板状)，只要是至少磁铁落座的面彼此在同一平面上即可。这样，通过避免在磁铁2与轭3之间产生间隙，能够防止在磁铁与轭之间产生磁极，简单地形成作为一体的着磁部分的磁铁体M。另外，能够以轭3作为基准来安装磁铁2a、2b以及磁检测元件1。即，通过确保轭3的平面性，能够稳定地形成期望的磁场，能够提高检测精度。

另外，该轭3起着传感器部分的骨架的作用，决定传感器部分的刚性，在考虑组装时的应力变形、介质输送时的弯曲强度时，优选为确保0.5mm以上的板厚。另外，由于与磁铁是吸附的力关系，所以作为磁铁体的结构极为稳定，也较少产生由磁铁的相对位移引起的伪输出。

磁检测元件1在该磁铁体M中的コ字状的内侧的空间中设置于滑动面6的下部、即、被一对磁铁2和轭3三方包围的空间内，探测磁介质8的磁印刷部9通过正上方时的磁化。此时，磁检测元件1的磁场探测方向被配置为与滑动面6垂直。高灵敏度的磁检测元件在被施加大的偏置磁场时，发生磁饱和而变得不动作，所以基本上设置于作为磁铁2a、2b的大略中点的零磁场的位置。即使是需要偏置磁场的磁检测元件，通过从该位置稍微偏移，也能够确保所需的偏置磁场(几至几十Oe左右)。此外，磁检测元件1设置于被三方包围的空间中，但无需与形成空间的轭3、磁铁2隔离，而也可以配置为与轭3、磁铁2抵接。

图2示出本实施方式的剖面图，一对磁铁的对称轴以Z轴示出，以在该轴方向上具有磁场检测灵敏度的方式配置元件。元件的探测面(感磁面)成为YZ平面。

在滑动面6侧，由于在2个磁铁2a、2b间产生的磁通Φp而在X方向上施加了非常强的磁场，但在Z方向上与该磁场正交，能够得到零磁场的环境。

另外，这意味着在磁铁、元件存在稍许倒斜时会对磁检测元件施加不必要的磁场，所以磁铁的加工精度、轭的平面度变得重要。在本申请的结构中，容易确保磁铁的直角度、轭的平面性的部件精度，对装配精度的担心较少。

如图3(a)所示，磁检测元件1由长方体的非磁性基板11构成，在其一面平行地形成有由细长的多根构成的磁性薄膜12的图案。磁性薄膜使用坡莫合金(permalloy)、Fe-Co-Si-B基非晶、Fe-Ta-C基微晶薄膜等。在本实施方式中，磁性薄膜12在非磁性基板11上形成有在Z方向上延伸的图案。

磁性薄膜12在长边方向上具有磁检测方向，朝向Z方向。该方向与邻接的磁铁2的NS方向为相同方向。

图3(a)中示出的磁检测元件1为磁阻抗元件的类型，通过导电膜13将磁性薄膜12的各图案以成为串联的方式连结，向电极部14间施加(通电)MHz频带的高频的驱动电流，将阻抗相对于外部磁场的变化获取为传感器信号电压。

在其他方法中，如图3(b)那样，不从磁性薄膜直接获取传感器信号，而是将线圈15层叠或外装卷绕而使磁通门动作，获取来自检测电极16的输出作为感应输出的变化，能够也作为所谓正交磁通门传感器而动作。

在磁阻抗元件中，如图3(c)那样示出V字状的外部磁场特性，在零磁场下不具有灵敏度，所以需要向倾斜部分的偏置磁场，通过在图1或图2的X轴方向上稍许偏移位置，能够提供偏移的磁场。

在正交磁通门传感器的情况下，如图3(d)那样在零磁场下具有倾斜，所以无需偏置，也无需偏移处理。即使是其他磁阻元件，只要是能够在一个面形成图案并在磁铁的NS方向上具有磁场检测灵敏度的传感器，也能够运用本申请的技术。在该情况下，通过以使传感器的感磁面位于由磁铁2产生的磁场的零点的方式配置传感器，能够有效地检测由磁介质产生的磁场。

具体地，各向异性磁阻元件(AMR)、隧道型磁阻元件(TMR)、巨磁阻元件(GMR)也能够举例为候补。

通过长方体状的磁铁2a、2b和平面状的轭3的组合，能够构成相对于介质输送所引起的振动、应力等稳固的磁铁体M，但优选为在磁检测元件1的配置中也针对磁铁2a、2b进行间隔保持、倒斜的防止。

如图2所示，在元件的探测面的相对侧的面和面向该面的单方的磁铁(磁铁2b)之间插入间隔保持部件10时，由相对位置变动引起的伪输出的产生减少，组装时的精度保证也变得简单。此外，只要能够增厚磁检测元件1的非磁性基板11并能够消除与磁铁2b的间隙，则也可以省略间隔保持部件10，将非磁性基板11和磁铁2b通过直接粘合等接合而固定。

另外，优选为即使在使磁检测元件1抵接于轭3、将磁检测元件1的高度hs设为磁铁的高度hm以下并从滑动面6向下方(Z轴负的方向)施加外力的情况下，也不对磁检测元件1施加负荷。

在本发明中，如以上那样将2个磁铁通过轭连结，使磁铁的磁力增大，确立将轭作为骨架的小型且强度高的磁识别传感器的探测部分。

接下来，根据试验的结果，对本实施方式的有效性进行说明。图4示出试验的传感器的外观立体图。但是，为了便于说明，透过滑动部件5而显示。对于与图1相同的功能的部分，使用相同的符号来表示。

磁铁2设为1.5×1.2×21mm的长方体，由Nd-Fe-B(Br1.12T)的磁铁块切割而成，1.5×21mm的面抵接于滑动面，其垂直方向成为NS方向。以将一对磁铁间的间隔d设为2.6mm为基本，在偏置的调整中在该间隔下进行微调。将轭3选择为作为一般钢板的SPCC材料且0.8mm的板厚。饱和磁通密度是2.04T。

在此，说明磁铁的NS方向选择和轭赋予的验证结果。如图5所示，对图4的结构进行模型化，通过计算，比较在滑动面侧产生的磁场。(a)为在图4的结构中将轭设为无的情况，(b)为在保持(a)的布局下将磁铁2的NS方向设为水平的情况，(c)为图4的结构本身。图6示出各自的结果。

首先，在无轭时与磁铁的NS方向有关的(a)和(b)的比较中，相对于距滑动面的距离，NS水平方向的(b)明显较差。在将NS方向设为与滑动面6垂直的(a)中，距滑动面6的距离即使变远也稍许增加，优选为磁极朝外。

此外，在对(a)的结构添加轭时，磁力增加大约1.8倍，衰减稍许但良好。即使不改变磁铁的尺寸、材质，利用轭封闭与滑动面相对的一侧的效果也非常大。在软磁性介质中，施加的磁场越大，磁化越强，能够期待传感器输出的增大。

即使在生产率方面，在(a)中左右的磁铁的4个磁极的位置关系变得与检测结果有关，所以不仅是磁铁的间隔，左右的磁铁的NS方向的平行度(倾斜)也会对偏差产生较大影响。在带有轭的(c)中，磁极基本上被视为磁铁2a、2b中的滑动面6侧的面中的2个面，磁检测元件1的偏置的确保变得容易。

磁检测元件1以使磁性薄膜12的形成面成为1.15×21mm的方式被构成在厚度0.75mm的陶瓷的非磁性基板11上。

磁性薄膜12以厚度2.6μm、图案宽18μm且长度0.5mm等间隔地排列，以多通道地作为4ch发挥功能的方式进行4分割，分别设有电极部14。

在元件的背面，夹持限制磁检测元件1与磁铁2b的间隔的非磁性的间隔保持部件10，利用粘合剂固定轭3和磁铁2b。间隔保持部件10的厚度设为0.5mm。

该例中的磁检测元件1作为磁阻抗元件而动作，施加MHz频带的脉冲电流，利用AM检波电路获取相对其外部磁场的振幅变化。

如图7所示，磁阻抗元件是相对于磁性薄膜部分需要偏置磁场的外部磁场特性，在未探测到磁介质8的状态下，设置到输出成为区域A或B的位置。通过微调与未粘合间隔保持部件10的一侧的磁铁2a的间隔，可以容易地进行调整。本次为了选择区域B并进行20[Oe]左右的偏移调整，通过从一对磁铁的中心起略微偏移几十μm左右(成为40[Oe]以下的区域)来应对。另一方面，在使用磁通门元件作为磁检测元件1的情况下，能够在一对磁铁的中心进行动作，所以只要设置到输出成为零点的位置即可。这样，通过将磁检测元件1的磁性薄膜配置于一对磁铁产生的磁场的零点附近，即使在使用磁阻抗元件、磁通门元件中的任意一个的情况下，也能够使磁检测元件1适当地动作。

从磁检测元件1的电极部14利用柔性线缆从设置于轭3的未图示的贯通孔向下部的电路基板拉出。只要不开大的洞，则在轭3内产生磁通的绕进，其影响几乎不会出现。

接下来，作为磁介质8的测试介质，输送具有图4的磁印刷部9的介质，评价相对于滑动面6上的浮动量的输出的降低。在浮动量的评价中，逐张夹持0.1mm的纸而进行调整。磁印刷部9是由3mm宽且具有软磁性的墨印刷细长的线而得到的。

图8示出输出电压的测量结果的一个例子。其波形是在滑动面6和磁介质8紧贴的浮动量零的状态下测量而得到的。磁印刷部9在输送方向上被磁化，在探测Z方向的磁场的情况下成为微分的波形，以峰峰(peak-to-peak)值表示输出值。

图8的实线c为设置有本申请的轭3的情况下的输出波形，图8的虚线a是代替铁基的轭材料而替换为磷青铜的非磁性金属材料进行测量的情况下的输出波形数据。

在软磁体的情况下，与施加的磁场相应地磁化也变大，所以在实线c的情况下，与虚线a的情况相比，滑动面上的磁场接近1.8倍地变大，输出电压1.7倍左右地增加。

图9对相对于介质的浮动量的输出变化进行了图形化。也记载有将磁铁的NS方向设为水平方向的情况下的试验数据，设为使得能够比较与图6的(a)、(b)、(c)对应的数据。

在将磁铁的NS方向与滑动面6水平地朝向而配置的(b)中，磁场的衰减大，所以相对于介质的浮动量的输出的降低也明显大。在将NS方向与滑动面6垂直地朝向而配置的(a)中，相对于介质的浮动量的输出的降低变少。而且，在设置有轭3的(c)的本实施方式中，整体的输出上升，相对于介质的浮动量的输出的降低也更变少。

设置有轭3的(c)中的衰减与(a)相比稍微变好的原因在于，作为软磁性介质的特性，在施加了充分的磁场的状态下，输出稍微有点饱和。

另外，在图4中示出的方式中，示出了能够应用为在银行的ATM中使用的多通道的传感器，易于连结而排列多个，针对磁介质8的探测范围的自由度也高。

而且，将磁检测元件1和磁铁2a、2b直接组装于轭3，轭3可以作为磁识别传感器的结构体的骨架来处理，所以能够在确保强度的同时使传感器部分整体变薄。

通过基于轭3的传感器的强度提高，即使提高磁铁的磁力，也能够将相对于振动、应力的伪输出的影响抑制到能够忽略的水平。由此，换言之，能够实现小型且薄型的传感器。

关于本发明的其他实施方式，使用图10进行说明。

磁铁和磁检测元件具有易于处理的长度，在如纸币那样的广泛的探测用途中，优选为连接多个传感器单元31至34而使用。即，成为将图4中示出的实施方式的传感器单元部分连结多个而得到的图10的那样的情况。

另外，在该实施方式中，设置为如下结构：将磁检测元件21逐一设置接近滑动部分的磁性薄膜列F 22和远离滑动部分的磁性薄膜列R 23的一对，将这些探测部分配置在同一非磁性基板上，差动地进行动作。在该元件结构中，能够仅检测由介质输送引起的从滑动面侧起的磁梯度大的分量，大幅地去除周围的缓和的干扰磁场，例如，能够减少位于输送机构内的附近的轴承、轴等的磁影响。

然而，在该结构中，在图10中的相对于y方向的传感器单元端的连接侧，磁检测元件21、磁铁2、轭3的端部重合，由于与邻接单元的不连续，磁场容易混乱，对磁检测元件的动作点产生不良影响。

因此，有时产生以在无需偏置的磁检测元件中为零磁场、在需要偏置的磁检测元件中成为预定的偏置范围的方式适当地修正混乱的磁场的需要。

在修正磁场的情况下，如图10的磁性薄板24a、24b所示，将硅钢板、坡莫合金等能够着磁的金属磁体的薄板设为圆板或短册状的小片而赋予到磁铁的侧面，从而能够容易地进行修正。

使用图11所示的传感器单元的剖面图进行说明。通过在磁铁2侧面赋予磁体的磁性薄板24而进行磁化，能够从该磁化后的磁性薄板24向磁检测元件21赋予局部的偏置磁场。即使不准备修正用的磁铁，通过利用传感器的磁铁的磁场而使磁体磁化，也能够进行偏置调整，从磁铁2和磁性薄板24互相吸附的关系来看也容易进行处理。修正的偏置磁场的大小能够通过磁性薄板24的形状、厚度或者个数来进行调整。

该偏置磁场的修正不仅能够如图10的磁性薄板24a那样在单元端部进行，也能够如磁性薄板24b那样在单元中央部进行，对磁铁自身的局部的着磁不均匀(磁铁制造时的取向偏差等)、边缘的缺口等的修正也是有效的。

本发明具有能够将传感器部分单元化并且能够自由地应对各种介质的探测范围的特征。

本发明不限于以上说明的实施方式，能够进行不脱离本发明的范围的程度的各种变更。例如，在上述实施方式中，说明为磁铁2a、2b优选相同形状的部件，但不限于此，例如，也可以使用磁铁2a较大的配置，由此形成向磁检测元件1的偏置磁场。

符号说明

1、21 磁检测元件

2a、2b 磁铁

3 轭

4 传感器主体

5 滑动部件

6 滑动面

7 端子

8 磁介质

9 磁印刷部

10 间隔保持部件

11 非磁性基板

12 磁性薄膜

13 导电膜

14 电极部

15 薄膜线圈

16 检测电极

17 电路基板

22、23 磁性薄膜列

24、24a、24b 磁性薄板

31～34 传感器单元

Claims

1.一种磁识别传感器，在与被输送的介质相接的滑动面的下部配置有磁铁以及磁检测元件，判别所述介质中包含的磁体部分的磁图案，所述磁识别传感器的特征在于，

2.根据权利要求1所述的磁识别传感器，其特征在于，

一对所述磁铁的形状相同，所述轭中的与一对所述磁铁的另一方侧的磁极相接的面位于同一平面上。

3.根据权利要求1或2所述的磁识别传感器，其特征在于，

所述轭为平板状，所述磁检测元件相对于所述轭而固定，并且所述磁检测元件的磁性薄膜配置于由一对所述磁铁产生的磁场的零点附近。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的磁识别传感器，其特征在于，

所述磁检测元件配置于一对所述磁铁的中点。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的磁识别传感器，其特征在于，

所述磁检测元件在所述介质输送方向上配置于一对所述磁铁之间，具有长方体的非磁性基板，在所述非磁性基板的一面形成有与所述磁铁的NS方向平行地延伸的多个磁性薄膜，在串联连接的所述磁性薄膜中通过驱动电流。

6.根据权利要求5所述的磁识别传感器，其特征在于，

在所述磁检测元件的所述磁性薄膜中施加高频的电流作为所述驱动电流，直接探测所述磁性薄膜的阻抗的变化，或者对于所述磁性薄膜层叠或卷绕线圈而进行磁通门动作。

7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的磁识别传感器，其特征在于，

在所述磁检测元件中的探测面的相对侧的面和面向所述相对侧的面的所述磁铁之间，配置有限制间隔的非磁性的间隔保持部件。

8.根据权利要求1至6中的任意一项所述的磁识别传感器，其特征在于，

所述磁检测元件中的探测面的相对侧的面和面向所述相对侧的面的所述磁铁被直接接合。

9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的磁识别传感器，其特征在于，

所述磁检测元件的磁性薄膜被排列为离滑动面近的一侧和离滑动面远的一侧的2列，进行差动动作。

10.根据权利要求1至9中的任意一项所述的磁识别传感器，其特征在于，

在所述磁铁的侧面，具有板状的磁场调整用磁体。