JP2018189388A

JP2018189388A - 磁界センサ

Info

Publication number: JP2018189388A
Application number: JP2017089391A
Authority: JP
Inventors: 圭田邊; Kei Tanabe
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2018-11-29
Also published as: CN110546524A; WO2018198627A1

Abstract

【課題】より小型のセンサチップを用いつつ、磁気を広範囲に検出可能な磁気センサを提供する。【解決手段】ｘ方向に配列された複数の単位磁気センサ１０を備え、複数の単位磁気センサ１０のそれぞれは、磁気検出素子が形成された素子形成面を有するセンサチップ３０と、素子形成面上に配置され、磁束を磁気検出素子に集める磁性体４０とを含む。磁性体４０のｘ方向における長さは、センサチップ３０のｘ方向における長さよりも長い。本発明によれば、センサチップ３０よりも長い磁性体４０を備えた単位磁気センサ１０が複数配列された構成を有していることから、センサチップ３０のサイズを小型化することができる。このため、１つの集合基板からより多くのセンサチップ３０を作製することができ、部品コストを大幅に削減することが可能となる。【選択図】図２

Description

本発明は磁界センサに関し、特に、紙幣に埋め込まれた磁気パターンの読み取りに適した長尺型の磁気センサに関する。

磁気センサの中でも、紙幣に埋め込まれた磁気パターンを読み取るための磁気センサは、磁気を検出すべき範囲が比較的広いことから、多数個のセンサチップが用いられることがある。例えば、特許文献１には、磁気検出素子を有するセンサチップを一方向に多数個配列してなる長尺型の磁気センサが開示されている。

国際公開第２００５／０８３４５７号

しかしながら、特許文献１に記載された磁気センサにおいては、大きなギャップが生じないよう、多数のセンサチップを一方向に配列する必要があることから、大型のセンサチップを多数個必要とする。このため、部品コストが増大するという問題があった。特に、紙幣を短辺方向にスキャンするタイプの磁気センサにおいては、センサチップを紙幣の長辺に亘って配列する必要があることから、上記の問題はより顕著である。

したがって、本発明の目的は、より小型のセンサチップを用いつつ、磁気を広範囲に検出可能な磁気センサを提供することである。

本発明による磁気センサは、所定の方向に配列された複数の単位磁気センサを備え、前記複数の単位磁気センサのそれぞれは、磁気検出素子が形成された素子形成面を有するセンサチップと、前記素子形成面上に配置され、磁束を前記磁気検出素子に集める磁性体とを含み、前記磁性体の前記所定の方向における長さは、前記センサチップの前記所定の方向における長さよりも長いことを特徴とする。

本発明によれば、センサチップよりも長い磁性体を備えた単位磁気センサが複数配列された構成を有していることから、センサチップのサイズを小型化することができる。このため、１つの集合基板からより多くのセンサチップを作製することができ、部品コストを大幅に削減することが可能となる。

本発明において、磁気検出素子は第１及び第２の磁気検出素子を含み、磁性体は、第１の磁気検出素子と第２の磁気検出素子の間に配置されていることが好ましい。これによれば、磁性体によって集磁された磁束を第１の磁気検出素子と第２の磁気検出素子に均等に配分することが可能となる。

本発明による磁気センサは、所定の方向に隣接する磁性体同士を固定する非磁性部材をさらに備えていても構わない。これによれば、磁気的な干渉を生じることなく、隣接する磁性体同士を互いに支持することが可能となる。

このように、本発明によれば、より小型のセンサチップを用いつつ、磁気を広範囲に検出することができる。したがって、紙幣を短辺方向にスキャンするタイプの磁気センサのような長尺型の磁気センサに適用すれば、部品コストを大幅に削減することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１００の構成を示す略斜視図である。図２は、磁気センサ１００の内部構造を説明するための模式図であり、（ａ）は略側面図、（ｂ）は略上面図である。図３は、単位磁気センサ１０の構造を説明するための略斜視図である。図４は、単位磁気センサ１０の構造を説明するための略上面図である。図５は、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の接続関係を説明するための回路図である。図６は、第２の実施形態による磁気センサ２００の内部構造を説明するための模式図であり、（ａ）は略側面図、（ｂ）は略上面図である。図７（ａ）〜（ｃ）は、磁性体４０の形状のいくつかの変形例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１００の構成を示す略斜視図である。

本実施形態による磁気センサ１００は、ｘ方向を長手方向とする長尺型の磁気センサであり、ｘｙ面を構成する検出ヘッド１１０を有している。そして、ｙ方向に移動する被測定部材（図示せず）が検出ヘッド１１０を通過する際に、被測定部材に設けられた磁気パターンをスキャンすることができる。特に限定されるものではないが、被測定部材としては紙幣が挙げられる。紙幣のスキャン方向は、短辺方向および長辺方向のいずれであっても構わないが、短辺方向にスキャンするためには、検出ヘッド１１０のｘ方向における長さを紙幣の長辺方向の長さ以上とする必要がある。この場合、検出ヘッド１１０のｘ方向における長さは、例えば十数センチ程度となる。

図１に示すように、本実施形態による磁気センサ１００は、筐体１２０の内部に複数の単位磁気センサ１０がｘ方向に配列された構成を有している。図１には一例として６個の単位磁気センサ１０が図示されているが、当然ながら、本発明がこれに限定されるものではない。磁気センサ１００を構成する単位磁気センサ１０の数は、検出ヘッド１１０のｘ方向における長さと、単位磁気センサ１０の１個あたりのｘ方向における長さによって適宜定めればよい。例えば、検出ヘッド１１０のｘ方向における長さが約１８ｃｍであり、単位磁気センサ１０の１個あたりのｘ方向における長さが約１ｃｍであれば、１８個の単位磁気センサ１０を用いればよい。検出ヘッド１１０のｘ方向における長さは、対象となる被測定部材のサイズによって定められ、単位磁気センサ１０の１個あたりのｘ方向における長さは、求められる解像度によって定められる。

図２は、磁気センサ１００の内部構造を説明するための模式図であり、（ａ）は略側面図、（ｂ）は略上面図である。

図２に示すように、磁気センサ１００の内部にはｘ方向を長手方向とする基板２０が配置されており、基板２０の表面に複数の単位磁気センサ１０が搭載される。単位磁気センサ１０は、磁気検出素子を有するセンサチップ３０と、センサチップ３０に固定された磁性体４０によって構成される。磁性体４０は、フェライトなどの高透磁率材料からなる板状の直方体であり、磁束をセンサチップ３０に集める役割を果たす。ここで、ｘ方向に隣接する２つの磁性体４０は接触しておらず、僅かなギャップＧを介して分離されている。一方、センサチップ３０のｘ方向における長さは、磁性体４０のｘ方向における長さよりも十分に小さく、したがって、ｘ方向に隣接する２つのセンサチップ３０同士は十分に離間している。また、磁性体４０のｙ方向における幅は、センサチップ３０のｙ方向における幅よりも十分に小さい。

ギャップＧは、磁気パターンを検出することができない、或いは、検出感度が大幅に低下する部分である。したがって、ギャップＧのｘ方向における幅は、できるだけ狭く設計することが好ましい。但し、ｘ方向に隣接する２つの磁性体４０が接触すると、単位磁気センサ１０間において磁気的な干渉が生じることから、両者が直接接触しないようレイアウトする必要がある。

図３及び図４は単位磁気センサ１０の構造を説明するための図であり、図３は略斜視図、図４は略上面図である。

図３及び図４に示すように、基板２０は実装領域２１を有しており、実装領域２１に単位磁気センサ１０が実装される。単位磁気センサ１０は、略直方体形状を有するセンサチップ３０と、ｘ方向を長手方向とする板状の磁性体４０からなる。センサチップ３０の上面である素子形成面３１には、４つの磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４と複数の端子電極３２が形成されており、これら端子電極３２は、ボンディングワイヤＢＷを介して基板２０に設けられた端子電極２２に接続されている。磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４としては、磁界の向きに応じて電気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いることが好ましい。磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の磁化固定方向は、図４の矢印Ｐが示す方向（ｙ方向）に全て揃えられている。

センサチップ３０の素子形成面３１には、板状の磁性体４０が固定されている。磁性体４０は、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３と磁気検出素子Ｒ２，ＭＲ４との間に配置される。ここで、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３はｙ方向における位置が等しく、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４はｙ方向における位置が等しい。また、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ４はｘ方向における位置が等しく、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ３はｘ方向における位置が等しい。磁性体４０は、垂直方向（ｚ方向）の磁束を集める役割を果たし、磁性体４０によって集磁された磁束は、ｙ方向にほぼ均等に分配される。このため、垂直方向の磁束は、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４に対してほぼ均等に与えられることになる。

図５は、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の接続関係を説明するための回路図である。

図５に示すように、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ２は、電源電位Ｖｄｄが供給される端子電極３２と接地電位Ｇｎｄが供給される端子電極３２との間に直列に接続される。同様に、磁気検出素子Ｒ３，Ｒ４も、電源電位Ｖｄｄが供給される端子電極３２と接地電位Ｇｎｄが供給される端子電極３２との間に直列に接続される。そして、磁気検出素子Ｒ１と磁気検出素子Ｒ２の接続点の電位Ｖａは所定の端子電極３２を介して外部に出力され、磁気検出素子Ｒ３と磁気検出素子Ｒ４の接続点の電位Ｖｂは別の端子電極３２を介して外部に出力される。

そして、磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３は平面視で磁性体４０からみて一方側（図４では上側）に配置され、磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４は平面視で磁性体４０からみて他方側（図４では下側）に配置されていることから、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４は差動ブリッジ回路を構成し、磁束密度に応じた磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４の電気抵抗の変化を高感度に検出することが可能となる。つまり、磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４は、全て同一の磁化固定方向を有していることから、平面視で磁性体４０からみて一方側に位置する磁気検出素子Ｒ１，Ｒ３の抵抗変化量と、平面視で磁性体４０からみて他方側に位置する磁気検出素子Ｒ２，Ｒ４の抵抗変化量との間には差が生じる。この差は、図５に示した差動ブリッジ回路によって増幅される。但し、本発明において４つの磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４を用いることは必須ではなく、例えば２つの磁気検出素子（Ｒ１とＲ４）を用いても構わない。

本実施形態による磁気センサ１００は、このような構成を有する単位磁気センサ１０がｘ方向に複数個配列されている。そして、単位磁気センサ１０に含まれる磁性体４０のｘ方向における長さは、センサチップ３０のｘ方向における長さよりも十分に長いことから、より小型のセンサチップ３０を用いつつ、ｘ方向における全幅をスキャンすることが可能となる。通常、センサチップ３０は集合基板を用いて作製されるため、そのサイズが小型であるほど、１つの集合基板から多数個取りできるセンサチップ３０の数が増加し、コストを削減することができる。そして、本実施形態による磁気センサ１００によれば、単位磁気センサ１０のｘ方向におけるスキャン幅が磁性体４０によって担保されるため、センサチップ３０のｘ方向におけるサイズをより小型とすることが可能となる。これにより、従来の長尺型磁気センサに比べて、部品コストを大幅に削減することが可能となる。

しかも、磁性体４０によって集磁された磁束は、小型なセンサチップ３０上の磁気検出素子Ｒ１〜Ｒ４に集中することから、より高い検出感度を得ることも可能となる。

図６は、第２の実施形態による磁気センサ２００の内部構造を説明するための模式図であり、（ａ）は略側面図、（ｂ）は略上面図である。

図６に示すように、本実施形態による磁気センサ２００は、ｘ方向に隣接する２つの磁性体４０同士を固定する非磁性部材５０をさらに備える点において、第１の実施形態による磁気センサ１００と相違している。その他の構成は、第１の実施形態による磁気センサ１００と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

非磁性部材５０は例えば樹脂からなり、ｘ方向に隣接する２つの磁性体４０同士を固定し、連結する役割を果たす。このため、磁性体４０のｘ方向における長さが長い場合であっても、磁性体４０をより安定的に支持することが可能となる。しかも、樹脂などの透磁率の低い材料によって構成されていることから、異なる単位磁気センサ１０間における磁気的な干渉が生じることもない。

図７（ａ）〜（ｃ）は、磁性体４０の形状のいくつかの変形例を示す図である。

図７（ａ）に示す磁性体４０は、上面が平坦である一方、下面は段差を有しており、センサチップ３０と接する部分についてｚ方向の高さが高く、センサチップ３０と接しない部分についてｚ方向の高さが低い形状を有している。これにより、磁性体４０によって集磁された磁束をセンサチップ３０により集中させることが可能となる。

図７（ｂ）に示す磁性体４０は、下面が平坦である一方、上面が湾曲しており、ｘ方向における端部に近いほどｚ方向の高さが高くなる形状を有している。これにより、センサチップ３０からｘ方向における距離が遠くなるほど、磁性体４０による集磁効果が高まることから、ｘ方向にフラットな検出特性を得ることが期待される。

図７（ｃ）に示す磁性体４０は、上下面がいずれも平坦である一方、ｘ方向における端部に近いほどｙ方向の厚みが増す形状を有している。これにより、センサチップ３０からｘ方向における距離が遠くなるほど、磁性体４０による集磁効果が高まることから、ｘ方向にフラットな検出特性を得ることが期待される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１０単位磁気センサ
２０基板
２１実装領域
２２端子電極
３０センサチップ
３１素子形成面
３２端子電極
４０磁性体
５０非磁性部材
１００，２００磁気センサ
１１０検出ヘッド
１２０筐体
ＢＷボンディングワイヤ
Ｇギャップ
Ｒ１〜Ｒ４磁気検出素子

Claims

所定の方向に配列された複数の単位磁気センサを備え、
前記複数の単位磁気センサのそれぞれは、磁気検出素子が形成された素子形成面を有するセンサチップと、前記素子形成面上に配置され、磁束を前記磁気検出素子に集める磁性体とを含み、
前記磁性体の前記所定の方向における長さは、前記センサチップの前記所定の方向における長さよりも長いことを特徴とする磁気センサ。
前記磁気検出素子は、第１及び第２の磁気検出素子を含み、
前記磁性体は、前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
前記所定の方向に隣接する前記磁性体同士を固定する非磁性部材をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。