JP2008249369A - 磁性体検出センサ及び磁性体検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁界範囲の狭い高感度磁界検出素子を用いた場合でも、ノイズ磁界の影響を除去し、媒体の磁気特性に依らずに磁気分布を量的に検出可能な磁性体検出センサ及び磁性体検出装置を提供する。
【解決手段】磁界を発生する少なくとも１つの磁石１２と磁界の変化を検出する２つの磁界検出素子１３、１４とを含み、２つの磁界検出素子は磁石１２から互いに逆方向のバイアス磁界が印加され、２つの磁界検出素子１３、１４の出力の和に応じた信号を出力する。また２つの磁界検出素子１３、１４は直列に接続され、両端に発生する電圧に応じた信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性材料を含有する媒体の検出等に用いられる磁性体検出センサ及びそれを用いた磁性体検出装置に関するものである。

媒体に含まれる磁気インクや磁性粒子等の検出に用いられるセンサとしては、従来から磁気ヘッドや磁気抵抗素子を用いたものが知られている。磁気抵抗素子を用いた構成は、図２８に示すように媒体に磁界を印加する磁石の磁極面に２つの磁気抵抗素子を配置して、同じバイアス磁界を印加する。そして、差動検出によりノイズ磁界の影響の除去と特性の安定化を行う。このため、センサの出力は媒体の磁気分布の勾配に応じたものとなり、パターン認識等の磁気の有無を検出する用途に有効である。

これに対して、磁気インピーダンス素子等の高感度な磁界検出素子を用いて、磁気の有無だけでなく、媒体の磁気分布を量的に検出可能としたものが提案されている（特許文献１参照）。このセンサの構成は、図２９（ａ）、（ｂ）に示すように検出に先行する着磁手段を持ち、媒体の着磁部の中心軸Ｌから対称に発生する磁界を、磁界検出方向に沿って並べられた２つの磁気インピーダンス素子で検出するものである。

２つの素子には別に設置されたバイアス磁石により同方向のバイアス磁界が印加され、それらを差動検出することによりノイズ磁界を除去し、媒体からの磁界を精度良く検出する。このセンサは、従来に無い磁気情報を提供でき、特に紙幣の鑑別等のセキュリティ用途で有効性を発揮する。しかし、着磁後の残留磁気量を検出する構成であるため、軟磁性材など残留磁気量の少ない媒体の検出には不利な点があった。

これに対して、軟磁性材であっても量的に検出可能としたものが提案されている（特許文献２参照）。このセンサは、磁石のＮＳ軸の中点を通る平面上に素子を配置して磁界検出方向に磁界が加わらないようにした構成で、高感度ではあるが使用できる磁界範囲が狭い磁界検出素子を、特性を低下させずに磁石の近傍で使用できる。

このため、軟磁性材であっても高精度に磁気量検出が可能であり、また、小型化も実現している。このセンサで、磁気インピーダンス素子を用いる場合には、図３０に示すようにバイアス磁石９３等によって２つの素子９１２、９２２に同方向のバイアス磁界を印加する。それらを差動検出することで、ノイズ磁界を除去しながら媒体からの磁界を精度良く検出する。
特開２０００−１０５８４７号公報 特開２００６−１８４２０１号公報

磁界検出素子を磁石のＮＳ軸の中点を通る平面に配置する構成は、例えば、直交フラックスゲート素子のように、ゼロ磁界で感度を有してバイアス磁界を必要としない磁界検出素子には最適である。一方、バイアス磁界を必要とする磁界検出素子の場合には、図３０のようなバイアス磁石９３やバイアスコイル等が必要になり、サイズやコストの面で不利な点がある。

また、媒体に磁界を印加するための磁石からバイアス磁界を印加することも可能であるが、従来の差動検出によりノイズ磁界の影響を除去するには、２つの磁界検出素子を配置して、それらに同方向のバイアス磁界を印加する必要がある。そのため、図２８と同様に媒体の磁気分布の勾配を検出する構成になり、量的な検出が出来ない。

更に、媒体に磁界を印加するための磁石の近傍では、数百エルステッドの磁界が形成される。そのため、例えば、数十エルステッドの磁界で動作しなくなる磁気インピーダンス素子等、使用できる磁界範囲の狭い高感度磁界検出素子に適正なバイアス磁界を印加するには工夫が必要である。また、磁気インピーダンス素子等の磁界検出素子の駆動には高周波電流が必要なため、従来の磁気抵抗素子を用いたものに比べて駆動回路の規模が大きいという問題もある。

本発明の目的は、磁界範囲の狭い高感度磁界検出素子を用いた場合でも、ノイズ磁界の影響を除去し、媒体の磁気特性に依らずに磁気分布を量的に検出可能な磁性体検出センサを提供することにある。また、小型で高性能な磁性体検出装置を提供することにある。

本発明の磁性体検出センサは、磁界を発生する少なくとも１つの磁石と前記磁界の変化を検出する２つの磁界検出素子とを含む磁性体検出センサにおいて、前記２つの磁界検出素子は、前記磁石から互いに逆方向のバイアス磁界が印加され、前記２つの磁界検出素子の出力の和に応じた信号を出力するものである。

また、前記２つの磁界検出素子は直列に接続されて、両端に発生する電圧に応じた信号を出力するのが好ましい。

また、前記磁界検出素子は、前記磁石のＮＳ方向を法線とし、前記磁石のＮＳ軸とそれの中点を除く点で交わる平面上に、磁界検出方向が該平面と平行になるように配置されるのが好ましい。

また、前記２つの磁界検出素子の一方は、前記磁石のＮＳ軸の中点よりＮ極側に配置され、もう一方は、前記磁石のＮＳ軸の中点よりＳ極側に配置され、前記２つの磁界検出素子の磁界検出方向は、前記磁石のＮＳ方向を法線とする平面と平行になるように配置されていても良い。

また、前記磁界検出素子は磁性薄膜を有し、且つ、磁界検出方向は前記磁性薄膜の膜面に平行であるのが好ましい。

また、前記磁界検出方向は、前記磁石のＮＳ軸の動径方向から傾けて配置されているのが好ましい。

また、前記磁界検出素子は、前記磁石のＮ極またはＳ極に磁性体が近接した際の磁界変化を検出するのが好ましい。

また、前記バイアス磁界は前記磁界検出素子の磁化が飽和した領域に設定される位置に配置されているのが好ましい。

また、前記磁界検出素子は磁気インピーダンス素子であるのが好ましい。

また、上記の磁性体検出センサが、複数配列されていても良い。

また、前記センサにおける前記磁性体の検出前の出力と、前記磁性体を検出した際の出力との差に応じた信号を出力しても良い。

本発明によれば、２つの磁界検出素子に互いに逆方向のバイアス磁界を印加するようにしたことで、媒体に磁界を印加するための磁石とバイアス磁石を共通にして、高感度磁界検出素子に適正なバイアス磁界を印加することができる。また、磁性体が磁石に近接した際の磁界変化を２つの磁界検出素子の出力の和で検出することで、ノイズ磁界の影響を除去しながら、媒体の磁気量を検出することが可能となる。

また、駆動回路を簡素化することも可能となり、高精度で駆動回路も含めた省スペース化に対応可能な磁性体検出センサを実現できる。また、本発明の磁性体検出センサを用いることにより、小型で高性能な磁性体検出装置を実現できる。

次に、発明を実施するための最良の形態について図面を用いて詳細に説明する。まず、本発明は、磁界を発生する少なくとも１つの磁石と磁界の変化を検出する２つの磁界検出素子とを含む磁性体検出センサである。

２つの磁界検出素子は、磁石から互いに逆方向のバイアス磁界が印加され、２つの磁界検出素子の出力の和に応じた信号を出力する。また、２つの磁界検出素子は直列に接続され、両端に発生する電圧に応じた信号を出力する。

更に、２つの磁界検出素子は磁石のＮＳ方向を法線とし、磁石のＮＳ軸とそれの中点を除く点で交わる平面上に磁界検出方向が該平面と平行になるように配置する。また２つの磁界検出素子の一方は磁石のＮＳ軸の中点よりＮ極側に配置され、もう一方は磁石のＮＳ軸の中点よりＳ極側に配置され、２つの磁界検出素子の磁界検出方向は磁石のＮＳ方向を法線とする平面と平行になるように配置する。

更に、磁界検出素子は磁性薄膜を有し、且つ、磁界検出方向は磁性薄膜の膜面に平行である。また磁界検出方向は磁石のＮＳ軸の動径方向から傾けて配置され、磁界検出素子は磁石のＮ極またはＳ極に磁性体が近接した際の磁界変化を検出する。バイアス磁界は磁界検出素子の磁化が飽和した領域に設定される位置に配置する。

図１は本発明の磁性体検出センサの基本構成を示す。磁性体検出センサ１は磁石１２と磁界検出素子１３，１４から成り、磁界検出素子１３、１４は磁石１２のＮＳ軸を法線とし、ＮＳ軸の中点からＮ極の間を通る平面上に配置されている。

磁界検出素子１３、１４は、非磁性基板２１、２２上に形成された磁性膜１５、１６と電極１７、１８、１９、２０から成り、磁性膜の長手方向が磁界検出方向になっている。磁性材料を含有する媒体２３は磁石１２のＮ極に近接し、その際の磁界変化を磁界検出素子１３、１４で検出する。

磁界検出素子１３、１４は磁気インピーダンス素子であるのが最良であるが、バイアス磁界の下で動作するものであれば、特に制限は無く、ＧＭＲ等の磁界検出素子であっても良い。また、磁界検出素子１３、１４は磁石１２のＮＳ方向に強い磁界を受けるが、その影響を抑えるために反磁界の大きい薄膜で形成されるのが最良である。

磁界検出素子を形成する非磁性基板２１、２２には、ガラスやセラミック、シリコン基板等を用いることができるが、形成する磁性膜と熱膨張係数の近いものを選択するのが望ましい。磁性膜１５、１６は３本の磁性パターンを接続したつづら折れ状に形成されているが、これは一例である。２つの磁界検出素子において磁界検出方向が同一で、且つ、概ね同じ感度が得られる磁性膜パターンであれば、特に制限は無い。電極１７、１８、１９、２０についても配置や形状に特に制限は無い。

次に、図２と図３を用いて本発明の検出原理を説明する。図２（ａ）は図１を上から見た図、図２（ｂ）は側面から見た図、図２（ｃ）は正面から見た図である。図２において、磁界検出素子１３、１４はｙ方向が磁界検出方向であり、印加される磁界のｙ方向成分に応じてインピーダンスが変化する。

磁界検出素子１３、１４は磁石１２から互いに逆方向のバイアス磁界Ｈｂを受ける。そして、バイアス磁界の大きさは磁石のＮＳ軸に平行な方向（図２（ｂ）のｚ方向）及びＮＳ軸に垂直な方向（図２（ｂ）のｘ方向）に磁界検出素子を移動させることで、図２（ｄ）及び図２（ｅ）に示すように連続的に変化させることができる。

また、磁界検出方向をＮＳ軸の動径方向と角度を持たせて配置することにより、特にｚ方向の移動によるバイアス磁界の変化を緩やかにすることができる。これらにより、バイアス設定が必要な磁界検出素子を有効に用いることができる。

図２（ｃ）において、媒体２３は磁石１２の磁極面に近接し、ＮＳ軸に対して対称に磁化され、磁界検出素子１３、１４は互いに逆方向の磁界Ｈｍを受ける。媒体２３は磁極面に近接させるのが最も好ましいが、図２（ｆ）に示すようにＮＳ軸に平行に近接させても、図２（ｃ）と同様の磁界変化が検出できる。

図３（ａ）は磁界検出方向の位置による磁界分布であり、媒体２３の有無により実線から点線の分布へと変化する。磁界検出素子１３、１４はこの磁界分布の中央付近を除いた変化の少ない位置に配置されている。

図３（ｂ）は素子特性の一例を示す。磁界の大きさに対して偶関数的な特性を持ち、インピーダンス値が単調減少する。媒体２３が無い状態で、磁界検出素子１３及び１４のバイアス点は−Ｈｂ及びＨｂの位置にあり、媒体２３の近接によって−（Ｈｂ−Ｈｍ）、及び、（Ｈｂ−Ｈｍ）の点に移動する。

この時のインピーダンス変化ΔＺは、磁界検出素子１３、１４で同じであり、それらの和をとることで２ΔＺの変化が得られる。図３（ｃ）は外部磁界Ｈｅｘが加わった場合の変化を示す。素子特性及びバイアス点は図３（ｂ）と同様である。磁界検出素子１３及び１４のバイアス点は、−Ｈｂ＋Ｈｅｘ、及び、Ｈｂ＋Ｈｅｘへ移動し、インピーダンス変化ΔＺｂ及びΔＺａが生じる。素子特性の直線性に対して外部磁界が充分小さければ、ΔＺｂ＋ΔＺａはゼロとなる。

このように磁界検出素子１３、１４のインピーダンスの和を検出することにより、外部磁界を相殺して、媒体２３による変化のみを検出することが可能となる。この検出原理は磁石のＮＳ極が逆の場合でも同様である。

図４は磁界検出素子として磁気インピーダンス素子を用いた場合の、素子特性とバイアス磁界の設定範囲を示す。また、グラフの下に、磁性膜の磁区構造の模式図を示す。磁界検出方向は、磁性膜のパターン長方向である。図４（ａ）のグラフは磁性膜のパターン長方向（図中のＥ方向）に磁気異方性を付与した時に得られる磁界−インピーダンス特性である。このとき、ゼロ磁界を中心にした±Ｈｃの範囲では、磁性膜はＥ方向に沿って互いに逆向きの磁化を持つ領域が混在した磁区構造を取り、±Ｈｃを越えた領域では、印加磁界Ｈの方向の磁化領域が成長して、磁化Ｍが揃った構造を取る。

図４（ｂ）のグラフはパターン幅方向（図中のＥ´方向）に磁気異方性を付与した場合に得られる特性である。この場合も同様に、ゼロ磁界を中心にした±Ｈｃの範囲では、磁性膜はＥ´方向に沿って互いに逆向きの磁化を持つ領域が混在した磁区構造を取り、±Ｈｃを越えた領域では、印加磁界Ｈの方向に磁化が回転して、磁化Ｍが揃った構造を取る。通常、磁気インピーダンス素子は図４（ｂ）の特性で使用され、ハッチングで示されたＢまたはＢ´の磁界範囲にバイアス磁界Ｈｂが設定される。

しかし、この場合には設定範囲の幅が非常に狭く、高々２〜３Ｏｅ程度である。これに対して、ＡまたはＡ´の磁界範囲に設定すると、感度は低下するが、ＢまたはＢ´と同様の感度ばらつきが得られる範囲が大幅に拡大し、１０〜２０Ｏｅの幅に広がる。図４（ａ）の特性でＡまたはＡ´の磁界範囲に設定しても同様である。図２の構成において、バイアス点は磁石に対する磁界検出素子の配置で決まるため、適正なバイアス点に設定するための配置の位置精度を、ＡまたはＡ´の磁界範囲では大幅に緩和することができる。図１の構成では、例えば、磁界検出素子１３はＡの磁界範囲に、磁界検出素子１４はＡ´の磁界範囲にバイアス磁界Ｈｂを設定することができる。

ＡまたはＡ´の磁界範囲では、磁性膜内の磁化がほぼ磁界検出方向に飽和しているため、外部磁界が変化しても磁壁の移動に伴うヒステリシスやノイズが出にくい。このため、感度は低下するが、感度／ノイズ比でみると、特性の大幅な低下はない。

図５は磁石と磁界検出素子の配置例を示す。磁界検出素子の配置は図２（ａ）の配置の他、図５（ａ）に示すように磁石１２の両側に磁界検出素子１３、１４配置した構成であっても良い。また、図５（ｂ）に示すように磁性膜１５、１６を同一の基板２１０上に形成して導電性パターン８００で直列に接続した磁界検出素子１３０を用いても良い。

但し、図５（ａ）は磁石１２に対する磁界検出素子１３、１４の配置誤差により磁界が大きく変化するため、磁界検出素子の位置変化に対して磁界勾配の小さい図２（ａ）や図５（ｂ）の方が望ましい。

また、製造の検査工程で特性チェック等をする場合には、中点電極１８が設けられ、２つの磁界検出素子を別個に評価できる図５（ｃ）の構成の方が望ましい。図５（ｄ）は補助磁石１２０、１２１を用いた構成を示す。図５（ｅ）は補助磁石１２０を用いた構成を示す。

どちらの構成も、媒体に発生する磁化の磁界検出素子の磁界検出方向成分を増強するように媒体に磁界を加える配置であり、検出前の残留磁化が大きい媒体等に有効に作用する。この構成では、補助磁石が無い場合に比べて素子の位置ずれによる磁界変化も非常に大きくなるため、位置精度を緩和できる本発明が非常に有効である。

図５（ｆ）、（ｇ）は磁界検出素子の構成例であり、図５（ｆ）は磁性膜が形成されている基板２１０にＣｕ等の導電膜パターン８００を形成した例である。磁性膜の抵抗値と同程度になるように膜厚を調整する等すれば、静電容量によるノイズのキャンセル用の抵抗器として使用できる。図５（ｇ）は磁性膜を図示しない絶縁膜を挟んで、導電膜で覆った例であり、電極１８を接地すれば、電気シールドとして機能する。

図６は本発明の他の実施形態を示す。極性を逆にして配置された２つの磁石１２、１２０を用い、磁界検出素子１３、１４を上下に配置した構成である。磁界検出素子１３は磁石１２及び１２０の中央より媒体２３が近接する磁極側に配置され、磁界検出素子１４はそれと反対の磁極側に配置されている。

この構成での動作を、図７、図８を用いて説明する。図７（ａ）は図６を上から見た図、図７（ｂ）は側面から見た図、図７（ｃ）は正面から見た図である。図７（ｃ）に示すように磁界検出素子１３、１４は、磁石１２と１２０から互いに逆方向のバイアス磁界Ｈｂを受ける。媒体２３は磁石１２のＮ極から磁石１２０のＳ極に向かって磁化され、磁界検出素子１３、１４は夫々同方向の磁界Ｈｍ、Ｈｍ′を受ける。

ここで、媒体２３からの距離の差によって、Ｈｍ＞Ｈｍ′となる。この時の動作は、図８（ａ）に示すようになり、磁界検出素子１３及び１４の動作点は、Ｈｂ及び−Ｈｂから（Ｈｂ−Ｈｍ）及び−（Ｈｂ＋Ｈｍ′）へ移動して、インピーダンス変化ΔＺａ及びΔＺｂを生じる。

｜ΔＺａ｜＞｜ΔＺｂ｜であることから、２つの磁界検出素子のインピーダンスの和も変化し、ΔＺａ＋ΔＺｂ＞０となる。外部磁界に対しては図３（ｃ）と同様で、ΔＺａ＋ΔＺｂはゼロとなる。媒体２３を磁石１２及び１２０のＮＳ軸と平行に近接させた場合には、図７（ｅ）に示すように磁石のＮＳ軸と平行及び垂直方向に磁化が発生し、磁界検出素子１３、１４は互いに逆方向の磁界Ｈｍを受ける。

この時の動作は、図８（ｂ）のようになり、図３（ｂ）と同様になる。図６の構成においても、磁界検出素子１３、１４のインピーダンスの和を検出することにより、外部磁界を相殺して、媒体２３による変化のみを検出することが可能となる。

図９は磁石と磁界検出素子の配置例を示す。図６の配置の他に、図９（ａ）に示すように磁石を１個で構成しても良いし、図９（ｂ）に示すように同極性の２つの磁石の間に配置しても良い。また、図９（ｃ）に示すように２つの磁界検出素子を磁石の間に配置しても良い。更に、バイアス磁界が互いに逆方向で大きさが同じであれば、図９（ｄ）に示すように磁界検出素子１３、１４を磁石のＮＳ軸の中央に対して非対称な配置としても良い。

図１０は磁界検出素子として磁気インピーダンス素子を用いた場合の駆動回路を示す。発振部はＣＭＯＳを用いたパルス発振回路であり、これが最も望ましいが、特に限定されるものではない。パルス電流はＡＣ結合を通じて正負交互に振れる電流として素子に通電され、磁性膜のヒステリシスを低減する効果を持っている。

検波回路はダイオードを用いた構成になっているが、スイッチを用いた方法でも同様に構成可能である。図１０（ａ）の例では２つの磁界検出素子１３、１４夫々の一方の電極は接地され、夫々のインピーダンス値に応じた出力が検波後に加算されてＶｏｕｔとして出力される。

この回路では２つの磁界検出素子の検波後出力Ｓ１、Ｓ２をモニターすることで、バイアス磁界のバランスや感度ばらつき、動作不良等を２つの磁界検出素子で別々に検査することができる。図１０（ｂ）の例では図１０（ａ）にバランス調整機能とオフセットのリセット機能を加えたものである。バランス調整機能は２つの磁界検出素子の感度ばらつきがある場合にそれを補正する。リセット機能はダイオードの温度特性による出力レベル変動の補正や参照媒体との比較検出に用いられる。

図１０（ｃ）は２つの磁界検出素子を直列に接続し、従来の１素子分の回路で駆動を可能にした例である。この回路は、本発明の構成を最も活かした回路であり、回路規模を従来のものより低減できる。図１０（ｄ）はケーブルの引き回し等により静電容量の影響を受ける場合に有効な回路である。２つの磁界検出素子の抵抗値と同程度の抵抗器４０を磁界検出素子の近傍に配置する等すれば、静電容量によるノイズを除去して、高精度な検出が可能になる。

次に、本発明の媒体の検出方法について説明する。媒体の検出は媒体を停止させて行っても良いし、センサと相対的に移動させて連続的に検出しても良い。磁石の磁極面と平行に移動させて連続的に検出する場合には、磁界検出素子の磁界検出方向と直交する方向に移動させるのが望ましい。

図１１は媒体の移動方向と出力信号の例を示す。図１１（ａ）は磁界検出素子の磁界検出方向と直交する方向にストライプ状の媒体を移動させた場合の出力例である。この移動方向では、パターンの磁気量に応じた山が検出される。これに対して、磁界検出方向と平行に移動させた場合の出力は図１１（ｂ）のようになり、パターンが細かくなると１つのパターンに対して２つの山が現れるようになる。

モータ等の媒体の搬送系からのノイズ磁界を避けるために磁界検出方向が限定されてしまう場合等を除いて、図１１（ａ）に示すように磁界検出方向と直交する方向に移動させるのが望ましい。

図１２は図６の構成を用いた場合の媒体の移動方向と出力信号の例を示す。図１２（ａ）に示すように磁界検出素子の磁界検出方向と直交する方向に媒体を移動させた場合の出力は図１１（ａ）と同様である。図１２（ｂ）に示すように磁界検出方向と平行に移動させた場合には、出力にアンダーシュート等が出ることがあり、図６の構成においても図１２（ａ）の方が比較的好ましい。

次に、本発明の実施例を説明する。図１３は本発明による磁性体検出センサの一実施例を示す。図１３では磁性体検出センサ１の内部を上から見た図と側面から見た図を示す。磁石１２、磁界検出素子１３０及びシールド２４はホルダー２６に一体に保持され、ケース２５内に配置されている。ケース２５の外形は約６×６×３ｍｍ^３であり、従来よりも小型化が実現できている。

磁石１２には、磁極面積１ｍｍ×１ｍｍ、高さ１．６ｍｍのネオジム磁石を用い、媒体１３と対向するケース表面で約１ＫＯｅの磁界が発生している。磁石１２と磁界検出素子１３０の間隔は０．３ｍｍで、磁界検出素子１３０は媒体１３と対向する磁極の平面から０．６ｍｍの高さに誤差０．１ｍｍの精度で配置され、２０〜４０Ｏｅのバイアス磁界が印加されている。

磁界検出素子１３０は基板２１０上に磁性膜１５、１６が形成され、それらは直列に接続されて、その両端に電極１７、２０が形成されている。基板２１０には０．２ｍｍ厚のチタン酸カルシウムのセラミック基板を用いている。磁性膜１５、１６は、正磁歪を有するＦｅ−Ｔａ−Ｃ系の磁性材をスパッタで成膜した後、イオンミリングにより加工し、幅３０μｍ、長さ１ｍｍ、膜厚１８００ｎｍのパターンを接続してつづら折れ状に形成されている。

電極１７、２０及び磁性膜１５、１６の接続にはＣｕを用い、リフトオフプロセスにより形成されている。電極を除く基板上には、磁性膜を覆うように図示しない保護膜がスピンコートとフォトリソグラフィープロセスにより形成されている。

電極１７、２０は端子２７によって外部の駆動回路基板２９と電気的に接続されている。磁界検出素子１３０は端子２７を通じて高周波電流を印加することにより、磁気インピーダンス素子として動作する。

シールド２４は板厚０．２５ｍｍの７８％Ｎｉパーマロイ板で形成され、磁界検出素子１３０と磁石１２を囲むように配置されている。ケース２５は０．２ｍｍ厚のリン青銅で形成され、媒体との対向面には無電解Ｎｉメッキが施されている。ケース２５は端子２８によって外部の駆動回路基板２９のグラウンドと電気的に接続されている。

本実施例では、磁界検出素子として磁気インピーダンス素子を用いているため、磁界検出感度が高い反面、磁界−インピーダンス特性において良好な直線性が得られる範囲が狭い。その範囲を越えると、２つの磁界検出素子でのノイズ磁界に対するキャンセル効果が低下する。

このため、磁気シールド２４によりノイズ磁界を低減することは、媒体の検出精度向上に大きな効果がある。また、高周波電流を用いるため、媒体との静電容量によりセンサ出力がオフセットする場合がある。ケース２５は電気シールドとしての機能も持ち、磁界検出素子の動作を安定化する。

図１４は磁石１２と磁界検出素子１３０の実装方法の他の例を示す。図１４（ａ）の例は磁界検出素子１３０ははんだ３０でブリッジするようにプリント基板３２に実装され、その両端は端子２７によって外部の駆動回路に接続されている。磁石１２は治具等を用いて磁界検出素子１３０との位置出しがされた状態で、プリント基板３２に接着剤等によって固定されている。

図１４（ｂ）の例は磁界検出素子１３０はプリント基板３２に面実装され、磁石１２はプリント基板３２の穴に配置されている。図１４（ｃ）の例は磁石１２と磁界検出素子１３０が接着剤等でプリント基板３２に実装され、磁界検出素子１３０の基板の厚みで高さ方向の位置精度を出している。電極の接続はワイヤボンディング等で行う。

図１４（ｄ）の例は磁界検出素子１３０を実装する基板上に、静電容量によるノイズのキャンセル用に用いる抵抗器５０を実装している。図１４（ｅ）の例は図６のように磁界検出素子１３０、１３１を上下に配置する場合の実装方法であり、磁界検出素子の裏面を合わせて配置されている。

この実装方法は、両面に成膜された磁界検出素子にも用いられる。図１４（ｆ）の例は同様に磁界検出素子１３０、１３１を上下に配置する場合の実装方法であり、一方の磁界検出素子の裏面にもう一方の磁界検出素子の表面を合わせて配置されている。なお、図１４において、２７は端子、３１は銅配線を示す。

図１５は本発明の磁性体検出センサを用いた磁性体検出装置の一実施例としてのエンコーダを示す。図中１は磁性体検出センサ、２は磁性体検出装置、３３は駆動回路を示す。磁性体検出センサ１には、例えば、図１３の構成を用いることができ、駆動回路３３には、例えば、図１０（ｃ）の回路を用いることができる。

媒体１３０は磁性材が一定の間隔で配置されたもので、磁性材料を加工したものの他、磁性薄膜のパターンや磁気インク等の印刷で形成されたものでも良い。媒体２３１が磁性体検出センサ１に対して相対的に移動することにより出力Ｖｏｕｔが変化し、参照電圧Ｖｒｅｆを基準としてコンパレータ３５により出力変化をパルス化する。そのパルス信号をカウンタ３６でカウントすることによりエンコーダとして動作する。

本発明の磁性体検出センサは、磁気インク等の印刷媒体に対しても充分な感度を有していて、媒体を選ばない。印刷媒体であれば、ピッチや形状も簡単に変更することができる。これにより、安価で汎用性の高いエンコーダを構成できる。

図１６は本発明の磁性体検出センサを用いた磁性体検出装置の一実施例としての磁気量検出装置を示す。図中１は磁性体検出センサ、２は磁性体検出装置、３３は駆動回路を示す。磁性体検出センサ１には、例えば、図１３の構成を用いることができ、駆動回路３３には、例えば、図１０（ｃ）の回路を用いることができる。

磁気量検出装置の動作は、まず、図１６（ａ）に示すように参照媒体２３０が近接している状態、又は媒体２３０が無い状態でのセンサ駆動回路３３の出力Ｖｏを、Ａ／Ｄコンバータ３７を通してデジタル信号としてメモリ３８に記憶させる。その後、図１６（ｂ）に示すように検出する媒体２３を磁性体検出センサ１に近接させて、その時の出力とメモリ３８に記憶しているＶｏとの差を算出して磁気量を検出する。ＣＰＵ３９はその場合の演算処理を行う。

本発明の磁性体検出センサは、２つの磁界検出素子のインピーダンスの和に応じた信号を出力する。そのため、センサ部と駆動回路の接続ケーブルが長い場合等には、周囲との結合容量の影響により出力のオフセットを生じる場合があり、Ｖｏとの差を検出することは有効な手段となる。これにより、小型で高精度な磁気量検出装置が実現できる。図１６と同様の信号処理は、例えば、図１０（ｂ）の駆動回路を用いる等すれば、アナログ回路でも構成可能である。

図１７は本発明の磁性体検出センサを用いた磁性体検出装置の一実施例としての変位検出装置を示す。図中１は磁性体検出センサ、２は磁性体検出装置、３３は駆動回路を示す。磁性体検出センサ１には、例えば、図１３の構成を用いることができ、駆動回路３３には、例えば、図１０（ｃ）の回路を用いることができる。図１７では媒体２３２に磁性材料の濃度を変えたグラデーションパターンが形成されている。媒体２３２は磁性体検出センサと相対的に移動する物体に固定され、磁性体検出センサで磁気量を検出することで、物体の移動量を検出することができる。

図１７の構成で、物体がある位置にある時のＶｏを記憶すれば、その位置を基準とした変位量を検出することができる。グラデーションパターンは磁気インク等の印刷で形成でき、濃度勾配やパターンの長さの変更も容易である。これにより、安価で自由度の高い変位検出装置が実現できる。

図１８は本発明の磁性体検出センサを用いた磁性体検出装置の一実施例としての磁性粒子数検出装置を示す。図中１は磁性体検出センサ、２は磁性体検出装置、３３は駆動回路を示す。磁性体検出センサ１には、例えば、図１３の構成を用いることができ、駆動回路３３には、例えば、図１０（ｃ）の回路を用いることができる。この磁性粒子数検出装置は、例えば、医療診断に用いられる標識磁性粒子の検出に好適である。磁性粒子からの磁界は微弱であるため、参照媒体２３０と磁性粒子が付着した試料２３３を順次磁性体検出センサ１に近接させて、出力の差を検出するのが望ましい。

その出力差から、予め作製された粒子数と出力の校正データを用いて、粒子数を算出する。本発明の磁性体検出センサは、高感度な磁界検出素子を用いることができるため、非接触での検出が可能であり、粒子の付着による検出誤差を低減できる。これにより、小型で高精度な磁性粒子数検出装置が実現できる。

図１９は本発明の磁性体検出センサを用いた磁性体検出装置の一実施例としての磁気識別装置を示す。図中１は磁性体検出センサ、２は磁性体検出装置、３３は駆動回路を示す。図１９（ａ）は媒体の検出波形を予め記憶された正規の波形データと比較し、媒体の真偽を判定する。図１９（ｂ）は媒体の種別を判定する。どちらの例も紙幣等の鑑別や識別に用いることができる。

具体的には、図１９（ａ）の例では、磁性体検出センサ１からの出力信号がＡ／Ｄコンバータ３７を介してデジタル信号でＣＰＵ３９に取り込まれる。その際、メモリ３８には予め正規の波形データが記憶されており、ＣＰＵ３９の比較部４３で検出波形と正規の波形とを比較することで真偽判定を行う。

図１９（ｂ）の例では、予めメモリ３８に媒体の種別毎に正規の波形データが記憶されている。磁性体検出センサ１からの出力信号は同様にＡ／Ｄコンバータ３７を介してデジタル信号でＣＰＵ３９に取り込まれ、ＣＰＵ３９の比較部４３で検出波形とメモリ３９の媒体毎の波形を比較することで媒体の種別判定を行う。

図１９の磁性体検出センサ１には、例えば、図２０の構成を用いることができる。図２０では図１３と同一部分には同一符号を付している。図２０において、媒体２３は上下を規制されて通路内を進行し、磁性体検出センサ１はその通路を形成する搬送路形成部材３４と３４０内に配置されている。

これにより、センサがスペースを取らず、且つ、媒体が詰まることのない、信頼性の高い磁気識別装置を実現できる。この構成は、本発明の磁性体検出センサが小型であり、また、従来のＭＲ素子に比べて非常に感度の高い磁気インピーダンス素子等を用いることができるために実現できるものである。

図２１及び図２２は本発明の磁性体検出センサを用いた磁性体検出装置の一実施例としての２次元磁気分布検出装置を示す。図２２中に磁性体検出センサの磁性膜１５、１６を示す。２は磁性体検出装置である。図２１はセンサ部の構成であり、媒体２３の進行方向と垂直に磁性体検出センサが一列に配置されている。夫々の磁性体検出センサは、例えば、図２０と同様の構成であり、夫々にシールドが配置され、磁性体検出センサ間の干渉を防止している。

図２２は駆動回路を含む装置構成を示す。図２２（ａ）の例は発振回路を共通にして、図１０（ｃ）の駆動回路を磁性体検出センサ毎に配置している。その出力はスイッチ４１の切り換えにより順次読み込まれ、Ａ／Ｄコンバータ３７を介してＣＰＵ３９に送られる。ＣＰＵ３９の演算処理により２次元磁気分布が得られる。

図２２（ｂ）は夫々の磁性体検出センサの通電と遮断をアンド回路４２によって制御し、通電するセンサを順次切り換えることにより図２２（ａ）と同様の検出を行う。３７はＡ／Ｄコンバータ、３９はＣＰＵである。

従来の高感度磁界検出素子を用いた磁性体検出センサでは、図２１のようなセンサ部の駆動には非常に大きな規模の回路が必要となるが、本発明の磁性体検出センサを用いることで、省スペース化が可能になる。磁石と磁界検出素子の実装は、例えば、図２３に示すように同一のプリント基板３２０上に複数の磁界検出素子１３０と磁石１２を配置したものでも良い。また、センサ部の構成としては、図２１の他に図２４の構成等も同様に可能である。図２３では図１４と同一部分には同一符号を付している。

図２５及び図２６は本発明の磁性体検出センサを用いた磁性体検出装置の一実施例としての２次元磁気分布検出装置の別の例を示す。図２６中に磁界検出センサの磁界検出素子１５０を示す。２は磁性体検出装置である。

図２５（ａ）は図５（ｄ）の構成をライン配置した構成であり、極性が反対の磁石と磁界検出素子を一定間隔で配置され、そのうちの隣り合う２つの磁界検出素子とそれらの間にある磁石で１つの磁性体検出センサを構成している。

また、媒体との対向面を除いて、磁石２と磁界検出素子１５０の配置全体を囲むように磁気シールド２４２を配置している。図２５（ｂ）は図６の構成をライン配置した構成であり、磁石のＮＳ方向に沿って上下に２つの磁界検出素子を配置して１つのセンサを構成し、図２５（ａ）よりもライン方向の分解能が高い構成になっている。

図２５（ｃ）は図９（ａ）の構成をライン配置した構成であり、極性が同じ磁石と磁界検出素子が一定間隔で配置されている。図２５（ｄ）は図２５（ｃ）の磁石を長尺の磁石で置き換えた構成である。

図２５（ｅ）は図９（ｂ）の構成をライン配置した構成であり、図２５（ｅ）の右のグラフのように素子の検出感度Ｓｘと媒体に印加される磁界の検出方向成分Ｈｘがライン方向について互い違いに増減する。そのため、検出感度の低い領域を発生する磁化の大きさで補って、ムラの無い検出が可能になる。

ここで、図２５に示すように本発明の磁性体検出センサを複数配列することによって磁性体ラインセンサを構成する。本発明の磁性体検出装置は磁性体検出センサ又は磁性体ラインセンサを用いて磁性体の検出を行う。

図２６は駆動回路を含む装置構成を示す。図２６において、発振回路を共通にして、夫々の磁界検出素子毎に駆動回路が配置されている。図２６では図２２（ａ）と同一部分には同一符号を付している。

図２７はこの構成を用いた場合の信号処理の一例であり、図２５（ａ）の磁性体検出ラインセンサの構成に適用される。図２７に示すように２個（偶数個）の磁界検出素子からの出力を加算部４３により加算することで、ノイズ磁界の影響を除去しながら検出の位置と幅を自由に設定することが可能である。図２７ではセンサの並びから２個のセンサ（２の倍数個単位＝偶数個単位）の加算で差動検出と同様な処理を行う。

この構成では、駆動回路は大きくなるが、様々な媒体に対してセンサ部を取り替えることなく、信号処理部分を変更するだけで対応でき、非常に高性能な磁気分布検出装置を実現できる。

本発明の一実施形態を示す斜視図である。 本発明の動作原理を説明する模式図である。 本発明の動作原理を説明するグラフ図である。 磁界検出素子として磁気インピーダンス素子を用いた場合の素子特性とバイアス磁界の設定範囲を示す図である。 本発明に係る磁性体検出センサの磁石と磁界検出素子の配置例を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す斜視図である。 図６の実施形態の動作原理を説明する図である。 図６の実施形態の動作原理を説明するグラフ図である。 本発明に係る磁性体検出センサの磁石と磁界検出素子の配置例を示す図である。 本発明に係る磁界検出素子として磁気インピーダンス素子を用いた場合の駆動回路を示す回路図である。 本発明に係る媒体の移動方向と出力信号の例を示す図である。 図６の磁性体検出センサを用いた場合の媒体の移動方向と出力信号の例を示す図である。 本発明の磁性体検出センサの実施例を示す図である。 本発明に係る磁性体検出センサの磁石１２と磁界検出素子１３０の実装例を示す図である。 本発明に係る磁性体検出装置の一実施例としてのエンコーダを示すブロック図である。 本発明に係る磁性体検出装置の一実施例としての磁気量検出装置を示すブロック図である。 本発明に係る磁性体検出装置の一実施例としての変位検出装置を示すブロック図である。 本発明に係る磁性体検出装置の一実施例としての磁性粒子数検出装置を示すブロック図である。 本発明に係る磁性体検出装置の一実施例としての磁気識別装置を示すブロック図である。 図１９の装置に用いる磁性体検出センサを示す図である。 図２２の装置に用いる磁性体検出センサを示す図である。 本発明に係る磁性体検出装置の一実施例としての２次元磁気分布検出装置を示すブロック図である。 図２２の装置に用いる磁性体検出センサの磁石と磁界検出素子の配置例を示す斜視図である。 図２２の装置に用いる磁性体検出センサの他の例を示す斜視図である。 図２６の装置に用いる磁性体検出センサの例を示す図である。 本発明に係る２次元磁気分布検出装置の他の例を示すブロック図である。 図２６の信号処理の一例を示すブロック図である。 従来例を示す平面図である。 従来例を示す平面図及び斜視図である。 他の従来例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 磁性体検出センサ
２ 磁性体検出装置
１２、１２０、１２１、１２２ 磁石
１３、１４、１３０、１３１ 磁界検出素子
１５、１６、１５０ 磁性膜
１７、１８、１９、２０ 電極
２１、２２、２１０ 基板
２３、２３０、２３１、２３２、２３３ 媒体
２４、２４１、２４２ シールド
２５ ケース
２６ ホルダー
２７、２８ 端子
２９ 回路基板
３０ はんだ
３１ 銅配線
３２、３２０ プリント基板
３３ 駆動回路
３４、３４０ 搬送路形成部材
３５ コンパレータ
３６ カウンタ
３７ Ａ／Ｄコンバータ
３８ メモリ
３９ ＣＰＵ
４０ 抵抗器
４１ スイッチ
４２ アンド回路
９１、９４、９５ 磁石
９２１、９２２ 磁界検出素子
９３ バイアス磁石

Claims (12)

1. 磁界を発生する少なくとも１つの磁石と前記磁界の変化を検出する２つの磁界検出素子とを含む磁性体検出センサにおいて、
   前記２つの磁界検出素子は、前記磁石から互いに逆方向のバイアス磁界が印加され、前記２つの磁界検出素子の出力の和に応じた信号を出力することを特徴とする磁性体検出センサ。
2. 前記２つの磁界検出素子は直列に接続され、両端に発生する電圧に応じた信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の磁性体検出センサ。
3. 前記２つの磁界検出素子は、前記磁石のＮＳ方向を法線とし、前記磁石のＮＳ軸とそれの中点を除く点で交わる平面上に磁界検出方向が該平面と平行になるように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性体検出センサ。
4. 前記２つの磁界検出素子の一方は前記磁石のＮＳ軸の中点よりＮ極側に配置され、もう一方は前記磁石のＮＳ軸の中点よりＳ極側に配置され、前記２つの磁界検出素子の磁界検出方向は前記磁石のＮＳ方向を法線とする平面と平行になるように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性体検出センサ。
5. 前記磁界検出素子は磁性薄膜を有し、且つ、磁界検出方向は前記磁性薄膜の膜面に平行であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の磁性体検出センサ。
6. 前記磁界検出方向は前記磁石のＮＳ軸の動径方向から傾けて配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の磁性体検出センサ。
7. 前記磁界検出素子は、前記磁石のＮ極またはＳ極に磁性体が近接した際の磁界変化を検出することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の磁性体検出センサ。
8. 前記バイアス磁界は前記磁界検出素子の磁化が飽和した領域に設定される位置に配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の磁性体検出センサ。
9. 前記磁界検出素子は磁気インピーダンス素子であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の磁性体検出センサ。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の磁性体検出センサが、複数配列されていることを特徴とする磁性体検出ラインセンサ。
11. 請求項１から９のいずれか１項に記載の磁性体検出センサ、又は請求項１０に記載の磁性体検出ラインセンサを用いて磁性体の検出を行うことを特徴とする磁性体検出装置。
12. 前記磁性体検出センサにおける前記磁性体の検出前の出力と、前記磁性体を検出した際の出力との差に応じた信号を出力することを特徴とする請求項１１に記載の磁性体検出装置。