JP2015105835A

JP2015105835A - 磁気センサ

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Publication number: JP2015105835A
Application number: JP2013246690A
Authority: JP
Inventors: 亮祐青木; Ryosuke Aoki; 誠二福岡; Seiji Fukuoka; 利尚木戸; Toshinao Kido
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2015-06-08
Anticipated expiration: 2033-11-28
Also published as: JP5858248B2; EP2891894A3; US20150145506A1; EP2891894A2; CN104680641A

Abstract

【課題】従来と比較して識別対象のばたつきによる出力変動を抑えることの可能な磁気センサを提供する。【解決手段】磁気センサは、中空磁石１と、基板２と、磁気検出素子３とを備える。中空磁石１は、貫通孔１ａを有する円筒磁石である。中空磁石１のｚ方向＋側の端面が全面的にＮ極であり、ｚ方向−側の端面が全面的にＳ極である。基板２は、中空磁石１のＮ極側端面上に固定される。磁気検出素子３は、基板２上に搭載される。磁気検出素子３は、ｘ方向の磁界成分の変動を検出できるように設けられる。磁気検出素子３の感磁ポイント３ａは、中空磁石１の中心軸上に位置する。識別対象となる紙幣４は、ｘ方向に搬送され、磁気検出素子３のｚ方向＋側を横切るように通過する。紙幣４の通過領域は、中空磁石１及び磁気検出素子３からｚ方向＋側に離れるほど磁束密度が大きくなる特定領域を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば紙幣識別装置に用いて好適な磁気センサに関する。

自動販売機等には、投入された紙幣を識別する紙幣識別装置が設けられる。紙幣識別装置は、紙幣に印刷された磁気インクを読み取る磁気センサを備える。磁気センサは、例えば下記特許文献１に示されるように、磁石と、当該磁石の磁極面の上方に設けられた磁気検出素子とを有し、紙幣の通過に伴う磁気変動を検出する。

実開昭６３−１５５５７９号公報

紙幣が搬送される際のばたつきにより、磁石の磁極面と紙幣との距離は毎回の投入ごとに僅かに変動し、同じ種類の紙幣であっても磁気センサの出力が毎回変動する。出力安定化の観点からすると、こうした変動はなるべく小さく抑えることが好ましい。なお、こうした課題は、紙幣以外の磁性粉付着媒体又は磁性膜付着媒体を識別する場合にも共通である。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、従来と比較して識別対象のばたつきによる出力変動を抑えることの可能な磁気センサを提供することにある。

本発明のある態様は、磁気センサである。この磁気センサは、バイアス磁界発生手段と、前記バイアス磁界発生手段の磁極方向一方側に設けられた磁気検出素子とを備え、前記磁気検出素子の前記バイアス磁界発生手段とは反対側を横切る磁性粉付着媒体又は磁性膜付着媒体を識別する磁気センサであって、前記磁気検出素子は、識別対象となる磁性粉付着媒体又は磁性膜付着媒体の移動方向と平行な磁界成分の変動を検出可能であり、前記磁性粉付着媒体又は磁性膜付着媒体の通過領域は、前記磁気検出素子から前記磁極方向に遠ざかると磁界が大きくなる特定領域を含む。

前記磁性粉付着媒体又は磁性膜付着媒体の通過領域の少なくとも一部において、前記磁性粉付着媒体又は磁性膜付着媒体の磁性体部分が前記磁気検出素子から前記磁極方向に遠ざかると、前記磁気検出素子の感磁ポイントにおける磁界が大きくなってもよい。

前記バイアス磁界発生手段が２つの磁石を含み、前記２つの磁石は、互いに空隙を隔てて並び、かつ前記磁気検出素子側の磁極が互いに同極であってもよい。

前記バイアス磁界発生手段は、磁極方向に貫通する貫通孔を有する中空磁石を含み、前記中空磁石は、前記磁気検出素子側の端面が全面的に同極であってもよい。

前記バイアス磁界発生手段が、磁石と、前記磁石の一方の磁極面上に設けられた２つのヨークとを含み、前記２つのヨークは、互いに空隙を隔てて並んでいてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、従来と比較して識別対象のばたつきによる出力変動を抑えることの可能な磁気センサを提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る磁気センサの概略平面図。同概略正面図。図１及び図２の中空磁石１が発生する磁束のシミュレーション図。中空磁石１が発生する磁束密度と距離との関係を示す特性図。実施の形態１に関し、紙幣４の磁性体部分４ａが磁気検出素子３に近い場合における磁気検出素子３の感磁ポイント３ａでの磁束密度ベクトルＢ１と、紙幣４の磁性体部分４ａが磁気検出素子３から遠い場合における磁気検出素子３の感磁ポイント３ａでの磁束密度ベクトルＢ２との対比図。紙幣４の通過領域に沿って測定用磁性体を移動させた場合の、実施の形態１の磁気センサの出力電圧の波形図。紙幣４の通過領域に沿って測定用磁性体を移動させた場合の、磁気検出素子３の上端面から測定用磁性体の通過領域までのｚ方向の距離（ギャップ）と、実施の形態１の磁気センサの出力電圧のピーク値（振幅）との関係を示す特性図。本発明の実施の形態２に係る磁気センサの概略平面図。同概略正面図。本発明の実施の形態３に係る磁気センサの概略正面図。図１０の磁気センサにおけるバイアス磁界発生手段の斜視図。図１１のバイアス磁界発生手段が発生する磁束のシミュレーション図。図１１のバイアス磁界発生手段が発生する磁束密度と距離との関係を示す特性図。比較例に係る磁気センサの概略平面図。同概略正面図。比較例に関し、角柱磁石８０が発生する磁束密度と距離との関係を示す特性図。紙幣４の通過領域に沿って測定用磁性体を移動させた場合の、比較例の磁気センサの出力電圧の波形図。紙幣４の通過領域に沿って測定用磁性体を移動させた場合の、磁気検出素子３の上端面から測定用磁性体の通過領域までのｚ方向の距離（ギャップ）と、比較例の磁気センサの出力電圧のピーク値（振幅）との関係を示す特性図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る磁気センサの概略平面図である。図２は、同概略正面図である。これらの図において、直交する三方向であるｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を定義する。本実施の形態の磁気センサは、バイアス磁界発生手段としての中空磁石１と、基板２と、磁気検出素子３とを備える。中空磁石１は、ｚ方向に貫通する貫通孔１ａを有する筒状であり、本実施の形態では円筒磁石である。中空磁石１の磁極方向（着磁方向）はｚ方向であり、ここでは中空磁石１のｚ方向＋側の端面が全面的にＮ極であり、ｚ方向−側の端面が全面的にＳ極である。基板２は、中空磁石１のＮ極側端面上に配置（固定）される。磁気検出素子３は、基板２上に搭載される。磁気検出素子３は、ホール素子や磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）であり、ｘ方向の磁界成分の変動を検出できるように設けられる。磁気検出素子３の感磁ポイント３ａは、中空磁石１の中心軸上（貫通孔１ａの中心軸上）に位置する。識別対象となる紙幣４は、不図示の搬送系によりｘ方向に搬送され、磁気検出素子３のｚ方向＋側（中空磁石１とは反対側）を横切るように通過する。

図３は、図１及び図２の中空磁石１が発生する磁束のシミュレーション図であり、中空磁石１の中心軸を含み且つｘｚ平面と平行な平面上での磁束を視覚的に示している。図４は、中空磁石１が発生する磁束密度と距離との関係を示す特性図である。図４に示す結果の前提となる中空磁石１のサイズは、外径１０ｍｍ、内径３ｍｍ、高さ５ｍｍである。図４において、横軸の距離は、中空磁石１の貫通孔１ａのＮ極側開口中心から磁束密度測定ポイントまでの距離である。磁束密度測定ポイントは、中空磁石１の貫通孔１ａのＮ極側開口中心からｚ方向＋側に４ｍｍ離れた位置までの範囲としている。

図４に示すように、中空磁石１の貫通孔１ａのＮ極側開口中心からの距離が概ね０.２〜１.５ｍｍまでの範囲では、当該中心から離れるほど磁束密度が大きくなっていることが分かる。なお、０.２ｍｍ以下の範囲で磁束密度がマイナスになっているのは、図３のシミュレーション図に示すように中空磁石１の貫通孔１ａを通ってＮ極からＳ極に向かう磁束の影響による。離れるほど磁束密度が大きくなる範囲は、中空磁石１の中心軸上のみに限らず、中心軸上の近傍の一定の領域にも存在する。本実施の形態では、識別対象となる紙幣４の通過領域が、中空磁石１及び磁気検出素子３からｚ方向＋側に離れるほど磁束密度が大きくなる特定領域を含むように構成される。これにより、紙幣４のばたつきにより紙幣４の通過領域が僅かにｚ方向＋側にずれたときの出力低下を抑えることができる。こうした効果については後述する。

図５は、紙幣４の磁性体部分４ａが磁気検出素子３に近い場合における磁気検出素子３の感磁ポイント３ａでの磁束密度ベクトルＢ１と、紙幣４の磁性体部分４ａが磁気検出素子３から遠い場合における磁気検出素子３の感磁ポイント３ａでの磁束密度ベクトルＢ２との対比図である。図５に示すように、紙幣４の磁性体部分４ａが遠い場合の磁束密度ベクトルＢ２は、紙幣４の磁性体部分４ａが近い場合の磁束密度ベクトルＢ１と比較して、ｘ方向と成す角度が９０°に近い。一方、紙幣４の磁性体部分４ａが遠い場合の磁束密度ベクトルＢ２は、紙幣４の磁性体部分４ａが近い場合の磁束密度ベクトルＢ１と比較して大きい。これは、前述のように、紙幣４の通過領域が、中空磁石１及び磁気検出素子３からｚ方向＋側に離れるほど磁束密度が大きくなる特定領域を含むように構成されているためである。これにより、磁束密度ベクトルＢ１のｘ方向成分（磁気検出素子３の感磁方向成分）に対する磁束密度ベクトルＢ２のｘ方向成分の減少幅を従来と比較して縮めることができる（磁束密度ベクトルＢ１,Ｂ２の角度差によるｘ方向成分の減少の一部を大きさの差で相殺することができる）。すなわち、紙幣４の磁性体部分４ａが離れた場合の磁気検出素子３の感磁ポイント３ａでの磁束密度の感磁方向成分の減少を抑え、磁気検出素子３の出力電圧の変動を抑えることができる。

図６は、紙幣４の通過領域に沿って測定用磁性体を移動させた場合の、実施の形態１の磁気センサの出力電圧の波形図である。測定用磁性体は、例えば全面に磁性インクを印刷した紙である。図６の横軸は、測定用磁性体の中心位置のｘ方向位置であり、０ｍｍは中空磁石１の貫通孔１ａのＮ極側開口中心の真上を示す。磁気センサは、磁気検出素子３の感磁ポイント３ａにおける磁束密度のｘ成分が０のときに出力電圧２.５Ｖとなるように設計している。図６において、一点鎖線で示した波形は、測定用磁性体の通過領域が磁気検出素子３の上端面からｚ方向＋側に０.１ｍｍ離れている場合（ギャップ０.１ｍｍの場合）の波形であり、実線で示した波形は、測定用磁性体の通過領域が磁気検出素子３の上端面からｚ方向＋側に０.５ｍｍ離れている場合（ギャップ０.５ｍｍの場合）の波形である。図６に示すように、測定用磁性体が近い場合と遠い場合における出力電圧の差は、ピーク値（振幅）で概ね１０％程度に収まっている。

図７は、紙幣４の通過領域に沿って測定用磁性体を移動させた場合の、磁気検出素子３の上端面から測定用磁性体の通過領域までのｚ方向の距離（ギャップ）と、実施の形態１の磁気センサの出力電圧のピーク値（振幅）との関係を示す特性図である。縦軸の出力電圧は、ギャップ０.１ｍｍの場合を１００％とする％表示としている。バイアス磁界発生手段として中空磁石１を用いることで、図７に示すように、ギャップの広がりに対する出力電圧の低下が緩やかになり、ギャップ０.５ｍｍまでの範囲でも出力電圧の低下が少なくなっている。

このように本実施の形態の磁気センサによれば、紙幣４の通過領域が、中空磁石１及び磁気検出素子３からｚ方向＋側に離れるほど磁束密度が大きくなる特定領域を含むように構成されているため、紙幣４のばたつきにより紙幣４の磁性体部分４ａが磁気検出素子３から離れた場合のセンサ出力電圧の低下を抑えることができ、紙幣４のばたつきによる出力変動を抑えることができる。

実施の形態２
図８は、本発明の実施の形態２に係る磁気センサの概略平面図である。図９は、同概略正面図である。本実施の形態の磁気センサは、図１及び図２に示した実施の形態１のものと比較して、バイアス磁界発生手段が第１の磁石１１及び第２の磁石１２からなり、基板２が第１の磁石１１及び第２の磁石１２のＮ極側端面上に跨って配置（固定）されている点で相違し、その他の点で一致する。第１の磁石１１及び第２の磁石１２は、例えば互いに同形状の角柱磁石であり、互いに空隙１３を隔ててｘ方向に並び、共にｚ方向＋側の端面がＮ極となっている。磁気検出素子３の感磁ポイント３ａは、空隙１３の中心を通りｚ方向と平行な仮想直線上に位置する。

本実施の形態では、空隙１３を隔てて配置された第１の磁石１１及び第２の磁石１２をバイアス磁界発生手段として用いることで、実施の形態１と同様に、第１の磁石１１及び第２の磁石１２並びに磁気検出素子３からｚ方向＋側に離れるほど磁束密度が大きくなる特定領域を形成している。そして、当該特定領域を紙幣４の通過領域に含めることで、実施の形態１と同様に、紙幣４のばたつきにより紙幣４の磁性体部分が磁気検出素子３から離れた場合のセンサ出力電圧の低下を抑えることができ、紙幣４のばたつきによる出力変動を抑えることができる。

実施の形態３
図１０は、本発明の実施の形態３に係る磁気センサの概略正面図である。図１１は、図１０の磁気センサにおけるバイアス磁界発生手段の斜視図である。本実施の形態の磁気センサは、図１及び図２に示した実施の形態１のものと比較して、バイアス磁界発生手段が磁石２０並びに第１のヨーク２１及び第２のヨーク２２からなり、基板２が第１のヨーク２１及び第２のヨーク２２のｚ方向＋側の端面上に跨って配置（固定）されている点で相違し、その他の点で一致する。磁石２０は、例えば角柱磁石であり、ｚ方向＋側の端面がＮ極となっている。第１のヨーク２１及び第２のヨーク２２は、例えば互いに同形状の角柱状であり、磁石２０のＮ極側端面上に設けられ（固定され）、互いに空隙２３を隔ててｘ方向に並んでいる。磁気検出素子３の感磁ポイント３ａは、磁石２０の中心と空隙２３の中心とを結ぶ仮想直線上に位置する。

図１２は、図１１に示したバイアス磁界発生手段が発生する磁束のシミュレーション図であり、磁石２０のｙ方向（奥行き方向）中央位置を含み且つｘｚ平面と平行な平面上での磁束を視覚的に示している。図１３は、図１１のバイアス磁界発生手段が発生する磁束密度と距離との関係を示す特性図である。図１３に示す結果の前提となる磁石２０のサイズは、幅５.０ｍｍ、奥行き５.０ｍｍ、高さ３.０ｍｍであり、第１のヨーク２１及び第２のヨーク２２のサイズは、幅１.５ｍｍ、奥行き５.０ｍｍ、高さ３.０ｍｍである。図１３において、横軸の距離は、磁石２０の中心を通るｚ方向と平行な仮想線と第１のヨーク２１及び第２のヨーク２２のｚ方向＋側の端面を含む仮想平面との交点から、磁束密度測定ポイントまでの距離である。磁束密度測定ポイントは、当該交点からｚ方向＋側に４ｍｍ離れた位置までの範囲としている。図１３に示すように、当該交点からの距離が概ね０.７ｍｍ以内の範囲では、当該交点から離れるほど磁束密度が大きくなっていることが分かる。すなわち、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、磁石２０、第１のヨーク２１及び第２のヨーク２２、並びに磁気検出素子３からｚ方向＋側に離れるほど磁束密度が大きくなる特定領域が形成される。そして、当該特定領域を紙幣４の通過領域に含めることで、実施の形態１と同様に、紙幣４のばたつきにより紙幣４の磁性体部分が磁気検出素子３から離れた場合のセンサ出力電圧の低下を抑えることができ、紙幣４のばたつきによる出力変動を抑えることができる。

比較例
上述の実施の形態の効果を説明するために、比較例について説明する。図１４は、比較例に係る磁気センサの概略平面図である。図１５は、同概略正面図である。この比較例では、バイアス磁界発生手段は、１つの角柱磁石８０からなる。角柱磁石８０は、ｚ方向＋側の端面が全面的にＮ極であり、ｚ方向−側の端面が全面的にＳ極である。基板２は、角柱磁石８０のＮ極側端面上に配置（固定）される。磁気検出素子３は、基板２上に搭載される。磁気検出素子３の感磁ポイント３ａは、角柱磁石８０の中心を通りｚ方向と平行な仮想線上に位置する。

図１６は、比較例に関し、角柱磁石８０が発生する磁束密度と距離との関係を示す特性図である。図１６に示す結果の前提となる角柱磁石のサイズは、幅５ｍｍ、奥行き５ｍｍ、高さ９ｍｍである。図１６において、横軸の距離は、角柱磁石のＮ極側端面中心から磁束密度測定ポイントまでの距離である。磁束密度測定ポイントは、角柱磁石のＮ極側端面中心から高さ方向に４ｍｍ離れた位置までの範囲としている。図１６に示すように、角柱磁石の場合、Ｎ極側端面中心から離れるにつれて磁束密度は一貫して小さくなる。すなわち、角柱磁石の場合、Ｎ極側端面中心から離れるほど磁束密度が大きくなる範囲は存在しない。

図１７は、紙幣４の通過領域に沿って測定用磁性体を移動させた場合の、比較例の磁気センサの出力電圧の波形図である。図１７において、一点鎖線で示した波形は、測定用磁性体の通過領域が磁気検出素子３の上端面からｚ方向＋側に０.１ｍｍ離れている場合（ギャップ０.１ｍｍの場合）の波形であり、実線で示した波形は、測定用磁性体の通過領域が磁気検出素子３の上端面からｚ方向＋側に０.５ｍｍ離れている場合（ギャップ０.５ｍｍの場合）の波形である。図１７に示すように、測定用磁性体が近い場合と遠い場合における出力電圧の差は、ピーク値（振幅）で概ね５０％程度と大きくなっている。

図１８は、紙幣４の通過領域に沿って測定用磁性体を移動させた場合の、磁気検出素子３の上端面から測定用磁性体の通過領域までのｚ方向の距離（ギャップ）と、比較例の磁気センサの出力電圧のピーク値（振幅）との関係を示す特性図である。縦軸の出力電圧は、ギャップ０.１ｍｍの場合を１００％とする％表示としている。バイアス磁界発生手段が１つの角柱磁石８０であると、図１８に示すように、ギャップの広がりに対する出力電圧の低下が急であり、ギャップ０.５ｍｍで出力電圧が約半分以下にまで低下する。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

実施の形態１の中空磁石１は、円筒状に限定されず、角筒状等の他の筒形状であってもよい。実施の形態２の第１の磁石１１及び第２の磁石１２、並びに実施の形態３の磁石２０、第１のヨーク２１及び第２のヨーク２２は、角柱状に限定されず、円柱状等の他の柱形状（ブロック形状）であってもよい。また、幅広いエリアに対応するため、各実施の形態の磁気センサを複数用いて多チャンネル品としても使用可能である。磁気センサの識別対象は、紙幣以外の磁性粉付着媒体又は磁性膜付着媒体であってもよい。

１中空磁石、１ａ貫通孔、２基板、３磁気検出素子、３ａ感磁ポイント、４紙幣、１１第１の磁石、１２第２の磁石、１３空隙、２０磁石、２１第１のヨーク、２２第２のヨーク、２３空隙、８０角柱磁石

Claims

バイアス磁界発生手段と、前記バイアス磁界発生手段の磁極方向一方側に設けられた磁気検出素子とを備え、前記磁気検出素子の前記バイアス磁界発生手段とは反対側を横切る磁性粉付着媒体又は磁性膜付着媒体を識別する磁気センサであって、前記磁気検出素子は、識別対象となる磁性粉付着媒体又は磁性膜付着媒体の移動方向と平行な磁界成分の変動を検出可能であり、前記磁性粉付着媒体又は磁性膜付着媒体の通過領域は、前記磁気検出素子から前記磁極方向に遠ざかると磁界が大きくなる特定領域を含む、磁気センサ。
前記磁性粉付着媒体又は磁性膜付着媒体の通過領域の少なくとも一部において、前記磁性粉付着媒体又は磁性膜付着媒体の磁性体部分が前記磁気検出素子から前記磁極方向に遠ざかると、前記磁気検出素子の感磁ポイントにおける磁界が大きくなる、請求項１に記載の磁気センサ。
前記バイアス磁界発生手段が２つの磁石を含み、前記２つの磁石は、互いに空隙を隔てて並び、かつ前記磁気検出素子側の磁極が互いに同極である、請求項１又は２に記載の磁気センサ。
前記バイアス磁界発生手段は、磁極方向に貫通する貫通孔を有する中空磁石を含み、前記中空磁石は、前記磁気検出素子側の端面が全面的に同極である、請求項１又は２に記載の磁気センサ。
前記バイアス磁界発生手段が、磁石と、前記磁石の一方の磁極面上に設けられた２つのヨークとを含み、前記２つのヨークは、互いに空隙を隔てて並んでいる、請求項１又は２に記載の磁気センサ。