JP2017003290A

JP2017003290A - 磁気センサ装置

Info

Publication number: JP2017003290A
Application number: JP2015114513A
Authority: JP
Inventors: 伸明大竹; Nobuaki Otake; 佑太星野; Yuta Hoshino; 政範田中; Masanori Tanaka
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2015-06-05
Publication date: 2017-01-05

Abstract

【課題】周期的ノイズである外乱磁界により生じるＳＮ比の悪化や、検出対象である磁性体と磁気センサとの間隔が広がることによるＳＮ比の悪化を改善した磁気センサ装置を提供する。【課題の解決手段】磁気センサ装置は、２個の永久磁石３ａ，３ｂを異極同士が対向するように配置し、各永久磁石の対向面側にそれぞれ、定電圧間に磁気抵抗効果素子と抵抗を直列接続し、その接続点を検出信号端子とした磁気センサ４ａ，４ｂを配置し、これら各磁気センサ４ａ，４ｂの間を磁性体が移送されるものであり、各磁気センサ４ａ，４ｂは、バイアス磁界が加えられる永久磁石３ａ，３ｂの中心位置から、一方が磁性体の移送方向の前方側に、他方が磁性体の移送方向の後方側に、それぞれずらした位置に配置するとともに、検出磁界を移送方向とした各磁気センサ４ａ，４ｂの検出信号を差動増幅回路を介して出力する。【選択図】図５

Description

本発明は、磁気インクなどの磁性体を検出する磁気センサ装置に関する。

従来から、紙幣や有価証券等の紙葉類に磁気インクで印刷された磁気パターンを検出するための磁気センサ装置は、種々の構成のものが知られている。例えば、強磁性体薄膜磁気抵抗素子にバイアス磁界を加える永久磁石を備え、この永久磁石による検出用磁界が同時に付与する前記強磁性体薄膜磁気抵抗素子の感磁方向のバイアス磁界強度が飽和磁界以下の磁束量となるように、前記永久磁石に対する前記強磁性体薄膜磁気抵抗素子の位置を調整して配置した磁気センサがある（特許文献１）。また、この従来技術では、２個の強磁性体薄膜磁気抵抗素子を直列接続し、その結線中点から信号を取り出す差動回路として、温度及びノイズの影響を少なくすることが提案されている（同文献、段落００３９、同００４０、図８参照）。

特開２００８−１４５３７９号公報

上述した従来の磁気センサでは、永久磁石と強磁性体薄膜磁気抵抗素子との位置関係を調整して、具体的には、強磁性体薄膜磁気抵抗素子を永久磁石の中心からずらした位置に配置することによって、高い感度を保つものではあるが、磁気パターンを磁気インクで印刷した紙幣を移送する搬送ローラを駆動するモータなどの駆動源による、周期的ノイズである外乱磁界により生じるＳＮ比の悪化や、前記紙幣と強磁性体薄膜磁気抵抗素子との間隔が広がることによるＳＮ比の悪化に対しては、何らの対応策も講じていない。この点は、上述した、２個の強磁性体薄膜磁気抵抗素子を直列接続して、その結線中点から信号を取り出す差動回路とする構成においても同様である。このため、上述した従来の磁気センサは、前記ＳＮ比の悪化を防止できないという不都合があった。

本発明者らは、２個の磁気抵抗効果素子を直列接続して、その結線中点から信号を取り出す構成において、各々の磁気抵抗効果素子を、永久磁石の着磁方向と直交する平面上に、磁石中心を通る着磁方向の磁石中心線と直角である直線と平行に、かつその直線の両側に対称に配置するとともに、磁気抵抗効果素子の感度が最大となる位置から永久磁石の外側方向へ離した位置に配置することによって、磁気抵抗効果素子と永久磁石との実装ずれが生じたり、磁気抵抗効果素子に対するバイアス磁界が変化しても、感度の変動を小さくすることができることを見いだした。しかしながら、この構成においても、周期的ノイズである外乱磁界により生じるＳＮ比の悪化や、磁気パターンを設けた紙幣と強磁性体薄膜磁気抵抗素子との間隔が広がることによるＳＮ比の悪化を、改善することはできなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、２個の磁気抵抗効果素子を同一平面上に配置するのではなく、所定間隔をおいて対向する２平面上に各別に所定の位置関係で配置することにより上述した不都合を解消して、ＳＮ比を改善した磁気センサ装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明の請求項１に係る磁気センサ装置は、２個の永久磁石を異極同士が対向するように配置し、前記各永久磁石の対向面側に、それぞれ前記各永久磁石によってバイアス磁界が加えられ、定電圧間に磁気抵抗素子と前記定電圧間を分圧する電気的素子を直列接続し、その接続部から検出信号を取り出す磁気センサを配置し、これら各磁気センサの間を検出対象である磁性体が移送される磁気センサ装置であって、前記各磁気センサは、バイアス磁界が加えられる永久磁石の中心位置、すなわち垂直磁界を生じる位置から、一方が前記磁性体の移送方向の前方側に、他方が前記磁性体の移送方向の後方側に、それぞれずらした位置に配置するとともに、前記移送方向を磁界検出方向とする各磁気センサの前記検出信号を差動増幅回路を介して出力するものである。

各磁気センサを、バイアス磁界が加えられる永久磁石の中心位置から、一方が前記磁性体の移送方向の前方側に、他方が前記磁性体の移送方向の後方側に、それぞれずらして配置し、各磁気センサの検出磁界を前記移送方向にすることによって、各磁気センサによる磁性体の検出信号は互いに反転した逆相信号となり、周期的ノイズの検出信号は同相信号となるので、検出信号を差動増幅回路を介して出力することにより、周期的ノイズである外乱磁界はキャンセルされる一方、磁性体の検出信号は増幅されて出力される。また、各磁気センサの間を被検出体である磁性体が移送されるので、各磁気センサと磁性体との間隔は、一方が広くなれば、他方は狭くなり、各磁気センサの対向間隔を超えることはなく、一定範囲内に収まる。

本発明の請求項１に係る磁気センサ装置によれば、周期的ノイズである外乱磁界はキャンセルされるとともに、各磁気センサと磁性体との間隔が広がることによる悪影響が解消されることにより、ＳＮ比が改善され、また、磁性体の検出は確実になされるという効果を奏する。

本発明における磁気センサの構成を示す説明図。同じく磁性体検出状態を示す説明図。同じく外乱磁界検出状態を示す説明図。同じく永久磁石による磁界強度と磁気センサの抵抗減少率との関係を示すグラフ。本発明の一実施形態における磁気センサ装置の概略的な回路図。同じく磁気センサ装置の出力を示す波形図。同じく磁気センサと磁性体との間隔とＳＮ比との関係を示すグラフ。

初めに、本発明における磁気センサの構成を図１に基づき説明する。電源電圧（以下ＶＤＤという。）端子と接地電圧（以下ＧＮＤという。）間に磁気抵抗効果素子（以下ＭＲ素子という。）１と抵抗２が配置され、ＭＲ素子１の片方はＶＤＤ端子、もう片方は抵抗２に接続されている。また抵抗２の片方はＭＲ素子１、もう片方はＧＮＤ端子に接続されている。ＶＤＤ−ＧＮＤ間の電圧は、レギュレータ等の定電圧回路にて生成されても良い。ＭＲ素子１と抵抗２の接続点である検出信号端子は、ＭＲ素子１と抵抗２の抵抗比によってＶＤＤ−ＧＮＤ間が分圧された電圧が出力される。ＭＲ素子１の検出される磁界方向は図１のＸ方向とＸ方向と逆方向である−Ｘ方向であり、その検出される磁界によってＭＲ素子１の抵抗値が変化し、検出信号端子の電圧が変化する。抵抗２は磁界によって抵抗値は変化せず、ＶＤＤ−ＧＮＤ間を分圧する電気的素子であり、その電気的素子には磁界検出が飽和されたＭＲ素子など含まれ、抵抗２に対して変更が可能である。図１では、ＭＲ素子１等を電気回路図として記載しており、実際の素子配置については、図１の電気的接続、および前記ＭＲ素子１の検出される磁界方向であれば、所望の素子配置で良い。また、ＶＤＤ−ＧＮＤ間のＭＲ素子１及び抵抗２の接続を逆にしても良く、ＭＲ素子１と抵抗２をパッケージや樹脂等で封止しても良い。そして、ＭＲ素子１と抵抗２は各１個ずつ直列接続し、その接続点を検出信号端子として取り出しているが、各素子を複数直列接続し所望の接続点を検出信号端子として取り出したり、各素子をブリッジ型で接続しても良い。

次に、本発明における、永久磁石と磁気センサを備え、対向配置された一対の磁気センサモジュールによる磁性体と外乱磁界の検出原理について、図２〜図４に基づき説明する。図２及び図３に示すように、各磁気センサモジュール７，８は、上下方向に所定間隔をおいて対向配置した永久磁石３ａ，３ｂと、永久磁石３ａ，３ｂによってバイアス磁界が加えられる、図１で説明したＭＲ素子１と抵抗２からなる磁気センサ４ａ，４ｂを備えている。そして、これら各磁気センサ４ａ，４ｂの間を検出対象である磁性体９が、前記各永久磁石３ａ，３ｂの対向面と平行な水平方向に、搬送ローラなどの適宜な搬送手段（図示せず）により移送される。なお、磁性体９の移送方向は、図２のＸ方向だけではなく、Ｘ方向と逆方向である−Ｘ方向でも良い。

各永久磁石３ａ，３ｂは平面が四角形状で同一大であり、Ｓ極とＮ極という異極同士が対向するように配置されている。前記各永久磁石３ａ，３ｂの対向面側にはそれぞれ、磁気センサ４ａ，４ｂが、バイアス磁界が加えられる永久磁石３ａ，３ｂの垂直磁界を生ずる位置である中心位置から、一方の磁気センサ４ａは磁性体９の移送方向の前方側にずれた位置に、他方の磁気センサ４ｂは前記磁性体９の移送方向の後方側にずれた位置に、配置されている。

図２及び図３において、５ａ，５ｃは永久磁石３ａによる磁力線を示し、５ｂ，５ｄは永久磁石３ｂによる磁力線を示す。また、６ａは永久磁石３ａにより磁気センサ４ａに入力される磁力線、６ａｘは前記永久磁石３ａの磁気バイアスによる磁気センサ４ａの検出方向（前記磁力線６ａのｘ方向成分）、６ａｙは前記磁力線６ａの垂直方向成分であるｙ方向成分、をそれぞれ示すものである。同様に、６ｂは永久磁石３ｂにより磁気センサ４ｂに入力される磁力線、６ｂｘは前記永久磁石３ｂの磁気バイアスによる磁気センサ４ｂの検出方向（前記磁力線６ｂのｘ方向成分）、６ｂｙは前記磁力線６ｂの垂直方向成分であるｙ方向成分、をそれぞれ示すものである。また、図２において、１０は磁性体９の移送方向を示す。さらに、図３において、６ｃｘは外乱磁界印加による磁気センサ４ａの検出方向、６ｄｘは外乱磁界印加による磁気センサ４ｂの検出方向、１１は搬送手段の駆動源などの外乱磁界印加源、１２ａ，１２ｂは前記外乱磁界印加源１１から印加される磁力線を示すものである。

図４は本発明の磁気センサを構成するＭＲ素子において、永久磁石３ａ，３ｂや外乱磁界印加源１１によってＭＲ素子に検出される磁界強度と磁気センサ４ａ，４ｂ内の各ＭＲ素子の抵抗減少率との関係を示すもので、１３ａは永久磁石３ａによる磁気センサ４ａ内のＭＲ素子で検出される磁界強度、１３ｂは永久磁石３ｂによる磁気センサ４ｂ内のＭＲ素子で検出される磁界強度、１４ａは磁気センサ４ａの磁性体９接近時における磁気センサ４ａ内のＭＲ素子の検出磁界変化と抵抗減少率変化の方向、１４ｂは磁気センサ４ｂの磁性体９接近時における磁気センサ４ｂ内のＭＲ素子の検出磁界変化と抵抗減少率変化の方向、１５ａは磁気センサ４ａの外乱磁界印加時における磁気センサ４ａ内のＭＲ素子の検出磁界変化と抵抗減少率変化の方向、１５ｂは磁気センサ４ｂの外乱磁界印加時における磁気センサ４ｂ内のＭＲ素子の検出磁界変化と抵抗減少率変化の方向を、それぞれ示している。

図４で理解できるように、磁性体９が接近すると、磁気センサ４ａ内のＭＲ素子の抵抗値は下がり、磁気センサ４ｂ内のＭＲ素子の抵抗値は上がることにより、各磁気センサ４ａ，４ｂから電圧に換算すると互いに反転した逆相信号が出力される。一方、外乱磁界印加源１１によって外乱磁界が印加されると、各磁気センサ４ａ，４ｂ内のＭＲ素子の抵抗値がともに下がることにより、各磁気センサ４ａ，４ｂから電圧に換算すると同相信号が出力される。これによって、各磁気センサ４ａ，４ｂの検出信号を差動増幅回路を介して出力することにより、同相信号である外乱磁界はキャンセルされ、逆相信号である磁性体９の検出信号は増幅されて出力されるのである。

続いて、本発明の一実施形態の構成を図５に基づいて説明する。リードフレーム台座１７ａの上面には永久磁石３ａが、またリードフレーム台座１７ｂの下面には永久磁石３ｂが、各々接着剤等で接着されており、永久磁石３ａ，３ｂは異なる極で対向配置されている。リードフレーム台座１７ａの下面には磁気センサ４ａとＩＣチップ１６ａが、またリードフレーム台座１７ｂの上面には磁気センサ４ｂとＩＣチップ１６ｂが、各々配置されている。各永久磁石３ａ，３ｂと各磁気センサ４ａ，４ｂについては図２及び図３に示す配置構成と同一である。ＩＣチップ１６ａ，１６ｂは、磁気センサ４ａ，４ｂからの検出信号を増幅したり、演算処理したりする。磁気センサ４ａとＩＣチップ１６ａ、ならびにＩＣチップ１６ａとリードフレーム１８ａ，１８ｃは各ボンディングワイヤ等で必要な電気的接続がされる。また同様に磁気センサ４ｂとＩＣチップ１６ｂ、ならびにＩＣチップ１６ｂとリードフレーム１８ｂ，１８ｄも各ボンディングワイヤ等で必要な電気的接続がされる。リードフレーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄは、ＩＣを介した各磁気センサ４ａ，４ｂの検出信号を出力したり、ＶＤＤやＧＮＤに接続される。上記各部品は、樹脂１９で封止され、磁気センサモジュール７，８がそれぞれ形成される。また、図５で示した磁気センサモジュール７，８は、ＤＩＰ型であるが、ＤＩＰ型に限らず他の形態のパッケージへの変更が可能である。

各磁気センサモジュール７，８は、上下方向に対向間隔２７を１６mmおいて配置されている。所定幅の一本線の磁性体９からなる磁気パターンが紙幣などの媒体（図示せず）上に形成され、この媒体が移送されて、各磁気センサ４ａ，４ｂが、磁気パターンと周期的ノイズである外乱磁界の合成磁界２０を検出すると、それらの検出信号はＩＣチップ１６ａ，１６ｂで増幅されて、リードフレーム１８ｃ，１８ｄから出力される。なお、同一の磁気センサモジュール７，８を、各磁気センサ４ａ，４ｂ設置側が対向するように上下反転した状態で配置すると好適である。

磁気センサ４ａの増幅された検出信号２３と、磁気センサ４ｂの増幅された検出信号２４は、オペアンプ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄで構成される差動増幅回路に入力して、差動増幅されるもので、磁気センサ４ａの増幅された検出信号２３はオペアンプ２１ａの非反転入力端に入力し、磁気センサ４ｂの増幅された検出信号２４はオペアンプ２１ｂの非反転入力端に入力する。

ここで、差動増幅回路について説明する。前記オペアンプ２１ａの出力端は、抵抗２２ｄを介してオペアンプ２１ｃの非反転入力端に接続されるとともに、前記オペアンプ２１ａの反転入力端に抵抗２２ｂを介して接続されて負帰還がかけられている。一方、前記オペアンプ２１ｂの出力端は、抵抗２２ｅを介して前記オペアンプ２１ｃの反転入力端に接続されるとともに、前記オペアンプ２１ｂの反転入力端に抵抗２２ｃを介して接続されて負帰還がかけられている。また、前記各オペアンプ２１ａ，２１ｂの反転入力端同士は抵抗２２ａを介して接続されている。

オペアンプ２１ｃの出力端は、抵抗２２ｆを介してその非反転入力端に接続されて正帰還がかけられ、また、このオペアンプ２１ｃからの出力が磁気センサ装置の最終出力２５となる。一方、オペアンプ２１ｄの非反転入力端には基準電圧２６が印加され、このオペアンプ２１ｄの出力端は、抵抗２２ｇを介して前記オペアンプ２１ｃの反転入力端に接続されるとともに、このオペアンプ２１ｄの反転入力端にも接続されている。なお、この差動増幅回路は、前記各抵抗２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ，２２ｇの抵抗値を同一、例えば１ｋΩに設定し、前記抵抗２２ａを２ｋΩに設定すると、各磁気センサモジュール７，８から出力された検出信号２３，２４である逆相信号を、２倍に増幅した最終出力２５として出力する。

本実施形態によれば、図６に示す磁気センサモジュール７と磁気センサモジュール８の各出力波形で理解できるように、各磁気センサモジュール７，８単独では、外乱磁界の影響で、磁気パターンはノイズに埋もれて検出することができない。一方、前記各出力を差動増幅した本磁気センサ装置の最終出力２５においては、その出力波形で理解できるように、同相のノイズ成分はキャンセルされ、逆相の検出信号成分のみが増幅されることにより、１本線の磁気パターンの検出が可能である。

また、図７に示すように、各磁気センサモジュール７，８と磁性体９との間隔（ギャップ）が０〜１．６mmの範囲では、磁気センサモジュール７の出力は、磁気センサモジュール７と磁性体９との間隔が狭まるにつれて、ＳＮ比が良くなる一方、磁気センサモジュール８の出力は、磁気センサモジュール８と磁性体９との間隔が広がるにつれて、ＳＮ比が悪くなるのであるが、前記各磁気センサモジュール７，８と前記磁性体９の各間隔は、一方が広くなれば、他方は狭くなるので、前記各出力を差動増幅した本磁気センサ装置の最終出力２５は、各磁気センサモジュール７，８と磁性体９との間隔の広狭に関わりなく、安定して良好なＳＮ比を維持できるものである。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、磁気センサモジュール７の永久磁石３ａはＮ極が磁気センサ４ａと対向する一方、磁気センサモジュール８の永久磁石３ｂはＳ極が磁気センサ４ｂと対向するよう構成することもできる。また、差動増幅回路の構成も、上述のような４つのオぺアンプ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを用いたものに限らず、種々の変更が可能である。

１磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）
２抵抗
３ａ，３ｂ永久磁石
４ａ，４ｂ磁気センサ
７，８磁気センサモジュール
９磁性体
１１外乱磁界印加源
１６ａ，１６ｂＩＣチップ
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄオペアンプ

Claims

２個の永久磁石を異極同士が対向するように配置し、前記各永久磁石の対向面側に、それぞれ前記各永久磁石によってバイアス磁界が加えられ、定電圧間に磁気抵抗素子と前記定電圧間を分圧する電気的素子を直列接続し、その接続部から検出信号を取り出す磁気センサを配置し、これら各磁気センサの間を検出対象である磁性体が移送される磁気センサ装置であって、前記各磁気センサは、バイアス磁界が加えられる永久磁石の中心位置から、一方が前記磁性体の移送方向の前方側に、他方が前記磁性体の移送方向の後方側に、それぞれずらした位置に配置するとともに、前記移送方向を磁界検出方向とする各磁気センサの前記検出信号を差動増幅回路を介して出力することを特徴とする磁気センサ装置。